JP2016048758A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、炭化珪素(SiC)を構成材料とした半導体層に形成される絶縁ゲート型トランジスタを有する半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having an insulated gate transistor formed in a semiconductor layer composed of silicon carbide (SiC) and a method for manufacturing the same.
SiC(炭化珪素)は、その物性値から従来パワーデバイスで主に用いられてきたシリコン(Si)に比べて、優れた性能を有しており、高耐圧、低損失なパワーデバイスの実現を可能にする。しかしながら、炭化珪素(SiC)/二酸化珪素(SiO2)界面には多くの界面準位が存在する。この伝導帯に近い界面準位により、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などの絶縁ゲート型トランジスタのチャネルにおける電子の移動度(チャネル移動度)はバルク中の電子移動度に比べて極めて小さくなり、オン抵抗値が理想的な値よりも高くなる。 SiC (silicon carbide) has superior performance compared to silicon (Si), which has been used mainly in conventional power devices, because of its physical properties, enabling the realization of power devices with high breakdown voltage and low loss. To. However, many interface states exist at the silicon carbide (SiC) / silicon dioxide (SiO 2 ) interface. Due to the interface state close to this conduction band, the electron mobility (channel mobility) in the channel of an insulated gate transistor such as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) becomes extremely small compared to the electron mobility in the bulk. The on-resistance value becomes higher than the ideal value.
なお、「MOS」という用語は、古くは金属/酸化物/半導体の積層構造に用いられており、上述したように、Metal-Oxide-Semiconductorの頭文字を採ったものとされている。しかしながら特にMOS構造を有するMOSFETにおいては、近年の集積化や製造プロセスの改善などの観点からゲート絶縁膜やゲート電極の材料が改善されている。 The term “MOS” has been used for a metal / oxide / semiconductor laminated structure in the past, and as mentioned above, it has been taken from the acronym Metal-Oxide-Semiconductor. However, especially in a MOSFET having a MOS structure, the material of the gate insulating film and the gate electrode has been improved from the viewpoint of recent integration and improvement of the manufacturing process.
例えばMOSFETにおいては、主としてソース・ドレインを自己整合的に形成する観点から、ゲート電極の材料として金属の代わりに多結晶シリコンが採用されてきている。また電気的特性を改善する観点から、ゲート絶縁膜の材料として高誘電率の材料が採用されるが、当該材料は必ずしも酸化物には限定されない。 For example, in a MOSFET, polycrystalline silicon has been adopted instead of metal as a material of a gate electrode mainly from the viewpoint of forming a source / drain in a self-aligned manner. From the viewpoint of improving electrical characteristics, a material having a high dielectric constant is adopted as a material for the gate insulating film, but the material is not necessarily limited to an oxide.
従って「MOS」という用語は必ずしも金属/酸化物/半導体の積層構造のみに限定されて採用されているわけではなく、本明細書でもそのような限定を前提としない。即ち、技術常識に鑑みて、ここでは「MOS」とはその語源に起因した略語としてのみならず、広く導電体/絶縁体/半導体の積層構造をも含む意義を有する。 Therefore, the term “MOS” is not necessarily limited to the metal / oxide / semiconductor stacked structure, and is not presumed in this specification. That is, in view of technical common sense, here, “MOS” has not only an abbreviation derived from the word source but also a broad meaning including a laminated structure of a conductor / insulator / semiconductor.
SiC−MOSデバイスで用いるゲート絶縁膜材料に関し、近年、従来のSiO2に代わる材料としてランタン酸化珪素(ランタン・シリケイト、LaSiOx)が注目されている。LaSiOxをゲート絶縁膜として利用することにより、SiO2をゲート絶縁膜としたMOSFETに比べて、高いチャネル移動度が得られることが例えば非特許文献1にて報告されている。
Regarding gate insulating film materials used in SiC-MOS devices, in recent years, lanthanum silicon oxide (lanthanum silicate, LaSiO x ) has attracted attention as an alternative material to conventional SiO 2 . For example, Non-Patent
LaSiOxをゲート絶縁膜として利用したMOSFETのチャネル移動度が向上する理由として、SiC/LaSiOx界面での格子ひずみの緩和が考えられる。LaSiOxはSiO2に比べて相転移温度が低く、SiO2に比べてSiC結晶の格子定数に合わせて界面の構造緩和が期待できる。 As a reason why the channel mobility of a MOSFET using LaSiO x as a gate insulating film is improved, relaxation of lattice strain at the SiC / LaSiO x interface can be considered. LaSiO x is the phase transition temperature is lower than the SiO 2, structural relaxation of the interface can be expected to match the lattice constant of the SiC crystal as compared to SiO 2.
また、LaSiOxの特徴として、従来のSiO2膜に比べて、誘電率が大きいことが上げられる。LaSiOxの比誘電率は“15”であり、SiO2の“3.9”に比べると4倍程度大きい。LaSiOx中のSiの割合が大きくなると誘電率が低下する傾向にあるが、最も低下する場合でも比誘電率は“9”程度である。 Further, as a feature of LaSiO x , the dielectric constant is higher than that of a conventional SiO 2 film. The relative dielectric constant of LaSiO x is “15”, which is about four times larger than “3.9” of SiO 2 . The dielectric constant tends to decrease as the proportion of Si in LaSiO x increases, but the relative dielectric constant is about “9” even when the ratio is the lowest.
50nm厚のSiO2をゲート絶縁膜とした場合、界面準位密度が存在しないと仮定すると、チャネル領域のアクセプタ濃度が1×1017cm−3でしきい値電圧がおよそ3Vになる。チャネル領域のアクセプタ濃度が一定の場合、SiO2からLaSiOxにゲート絶縁膜の材料を変えようとすると、誘電率の違いを考慮して厚さが115nmのLaSiOxが必要になる。この場合、15Vのゲート電圧を印加した場合、SiO2では3MV/cmの酸化膜電界が加わるが、膜厚が大きいLaSiOxでは電界はわずか1.3MV/cm程度になる。 When SiO 2 having a thickness of 50 nm is used as the gate insulating film, assuming that there is no interface state density, the acceptor concentration in the channel region is 1 × 10 17 cm −3 and the threshold voltage is about 3V. If the acceptor concentration of the channel region is constant, and you change the material of the gate insulating film of SiO 2 is LaSiO x, thickness in consideration of the difference in dielectric constant is required LaSiO x of 115 nm. In this case, when a gate voltage of 15 V is applied, an oxide film electric field of 3 MV / cm is applied in SiO 2 , but in LaSiO x having a large film thickness, the electric field is only about 1.3 MV / cm.
また、それぞれの絶縁膜の絶縁破壊電界はSiO2がおよそ10MV/cmであるのに対して、LaSiOxは16MV/cm以上である。このため、SiO2からLaSiOxにゲート絶縁膜材料を変えることにより、信頼性の大幅な向上が期待できる。 The dielectric breakdown electric field of each insulating film is about 10 MV / cm for SiO 2 , while LaSiO x is 16 MV / cm or more. Therefore, a significant improvement in reliability can be expected by changing the gate insulating film material from SiO 2 to LaSiO x .
通常、炭化珪素基板上にLaSiOx膜を形成するには、炭化珪素基板上にLa2O3膜を堆積し、さらにその上にSiO2膜を堆積した後、熱処理によりLa2O3とSiO2とを反応させ、LaSiOx膜を形成する。 Usually, in order to form a LaSiO x film on a silicon carbide substrate, a La 2 O 3 film is deposited on the silicon carbide substrate, and further a SiO 2 film is deposited thereon, and then La 2 O 3 and SiO 2 are formed by heat treatment. 2 is reacted to form a LaSiO x film.
SiC/SiO2界面に比べて小さいが、SiC/LaSiOx界面にも界面準位が存在しており、この界面準位密度を低減すべく、SiC/SiO2界面と同様に窒化処理によるパッシベーションが有効である。 Although it is smaller than the SiC / SiO 2 interface, there is also an interface state at the SiC / LaSiO x interface, and in order to reduce the interface state density, passivation by nitriding is performed in the same manner as the SiC / SiO 2 interface. It is valid.
窒化処理には一酸化窒素(NO)や一酸化二窒素(N2O)などの酸化窒素ガス雰囲気での熱処理が効果的であるが、これら酸化窒素ガスに含まれる酸素原子はLaSiOx中に取り込まれやすく、LaSiOx中で酸素ラジカルになる。SiC/LaSiOx界面に酸素ラジカルが到達すると、SiC/LaSiOxの界面にはシリコン、炭素、酸素からなる界面層が形成され、SiC/LaSiOx界面が本来有するチャネル特性からは劣化する。 Heat treatment in a nitrogen oxide gas atmosphere such as nitric oxide (NO) or dinitrogen monoxide (N 2 O) is effective for nitriding, but oxygen atoms contained in the nitrogen oxide gas are contained in LaSiO x . easily incorporated, the oxygen radicals in LaSiO x. When SiC / LaSiO x interface oxygen radicals is reached at the interface SiC / LaSiO x silicon, carbon, interfacial layer made of oxygen is formed, it deteriorates the channel characteristics having originally SiC / LaSiO x interface.
SiO2膜に1100℃のN2Oアニール(処理)を実施した場合、SiO2中には21乗(atom/cm3)のオーダーの窒素が導入される。SiO2中のシリコン、酸素の濃度は22乗台であり、N2Oアニールの場合、窒素はシリコン、酸素の10分の1程度の割合で存在することになる。LaSiOx膜にN2Oアニールを行った場合、LaSiOx膜に取り込まれた酸素はラジカルになり、SiC/LaSiOx界面でSiCの酸化が起こる。新たな酸化膜の成長と、LaSiOx中の窒素拡散速度の低さから、LaSiOx中の窒素濃度は21乗台よりも低いものになる。 When N 2 O annealing (treatment) at 1100 ° C. is performed on the SiO 2 film, nitrogen in the order of the 21st power (atom / cm 3 ) is introduced into SiO 2 . The concentration of silicon and oxygen in SiO 2 is on the 22nd power level, and in the case of N 2 O annealing, nitrogen is present at a ratio of about one-tenth of silicon and oxygen. When performing the N 2 O anneal to LaSiO x film, the oxygen taken into the LaSiO x film becomes radical, oxidation of SiC occurs at SiC / LaSiO x interface. Growth of new oxide film, a low nitrogen diffusion rate in LaSiO x, the concentration of nitrogen in LaSiO x becomes less than 21 Nodai ones.
また、LaSiOxをNH3雰囲気でアニールした場合も、元素組成比はLa9.7Si6O22.6N2.7となり、他の元素、特に酸素に比べて窒素濃度は低くなる。 Also, when LaSiO x is annealed in an NH 3 atmosphere, the elemental composition ratio is La 9.7 Si 6 O 22.6 N 2.7 , and the nitrogen concentration is lower than other elements, particularly oxygen.
ゲート絶縁膜成膜後のポストアニールによる界面準位のパッシベーションの他に、ゲート絶縁膜を熱酸化によって形成する場合、SiC基板中の窒素原子濃度をあらかじめ高くしておくことで、窒化処理と同様の効果が得られることが知られている。 In addition to the passivation of the interface state by post-annealing after the gate insulating film is formed, when the gate insulating film is formed by thermal oxidation, the nitrogen atom concentration in the SiC substrate is increased in advance so that it is similar to the nitriding treatment. It is known that this effect can be obtained.
この場合、熱酸化によりSiCが浸食される過程で、元々存在した窒素原子が界面に偏析し、窒化処理と同様の効果が得られる。 In this case, in the process in which SiC is eroded by thermal oxidation, originally existing nitrogen atoms are segregated at the interface, and the same effect as in the nitriding treatment can be obtained.
SiC基板上にLa2O3膜を堆積し、熱処理を加えることで、SiCとLa2O3が反応し、LaSiOx膜を形成することが出来る。この場合も、SiC/LaSiOx界面には窒素が偏析し、窒化処理と同様の効果が期待できる。 By depositing a La 2 O 3 film on the SiC substrate and applying heat treatment, SiC and La 2 O 3 react to form a LaSiO x film. Also in this case, nitrogen is segregated at the SiC / LaSiO x interface, and the same effect as the nitriding treatment can be expected.
SiC基板上にエピタキシャル層を成長させる際、多形制御の観点からウエハを結晶軸に対して数度傾けて基板表面を出したオフウエハを用いたステップフロー成長技術が主流である。 When growing an epitaxial layer on a SiC substrate, a step flow growth technique using an off-wafer in which the wafer surface is exposed by tilting the wafer several degrees with respect to the crystal axis from the viewpoint of polymorph control is the mainstream.
オフ角の付いたウエハでは、露出した表面上にテラスと呼ばれる面{0001}と、ステップと呼ばれる面{1120}が存在し、それぞれの面で熱酸化による酸化膜の成長レートが異なる。{0001}面に比べ、{1120}面の酸化膜成長レートはおよそ5倍大きい。 In a wafer with an off-angle, a surface {0001} called a terrace and a surface {1120} called a step exist on the exposed surface, and the growth rates of oxide films by thermal oxidation are different on each surface. Compared to the {0001} plane, the oxide film growth rate on the {1120} plane is approximately five times larger.
SiCとLa2O3とが反応する時も、この結晶面の違いによる反応速度の差が存在する。この反応速度の差により、LaSiOx膜の組成比はSiC基板のステップバンチングの結晶面に沿って変化し、SiC基板上の全面で均一な品質を持つ絶縁膜とはならない。 Even when SiC reacts with La 2 O 3 , there is a difference in reaction rate due to the difference in crystal plane. Due to this reaction speed difference, the composition ratio of the LaSiO x film changes along the crystal plane of the step bunching of the SiC substrate and does not become an insulating film having uniform quality on the entire surface of the SiC substrate.
SiC基板とLa2O3との反応は不活性ガス雰囲気中で起こることが良く、また不活性ガスに希釈されたO2雰囲気もしくは酸素原子を含むガス中も適している。 The reaction between the SiC substrate and La 2 O 3 should occur in an inert gas atmosphere, and is also suitable in an O 2 atmosphere diluted with an inert gas or a gas containing oxygen atoms.
例えば、SiC上にLa2O3膜とSiO2膜とを堆積し、N2O雰囲気にて、900℃のアニールを実施する。この場合,La2O3とSiO2との反応が優先して起こると考えられるが、N2O中に含まれる酸素元素によりSiCとLa2O3の反応、及びSiCの熱酸化も同時に起こることが、例えば非特許文献1で開示されている。
For example, a La 2 O 3 film and a SiO 2 film are deposited on SiC and annealed at 900 ° C. in an N 2 O atmosphere. In this case, it is considered that the reaction between La 2 O 3 and SiO 2 occurs preferentially, but the reaction between SiC and La 2 O 3 and the thermal oxidation of SiC also occur simultaneously due to the oxygen element contained in N 2 O. This is disclosed in
SiCとLa2O3との反応、及びSiCの熱酸化により、SiC界面には界面層SiCOが生じ、界面準位密度が増加する。 Due to the reaction between SiC and La 2 O 3 and the thermal oxidation of SiC, an interface layer SiCO is generated at the SiC interface, and the interface state density increases.
上述したように、SiC/LaSiOx界面の界面準位密度を低減するために、酸化窒素ガス雰囲気で窒化処理をした場合、SiC/LaSiOx界面にはSiCOからなる界面層ができると同時に、SiC基板のステップバンチングに沿って、LaSiOx層の組成比が変化し、界面品質と膜質がともに低下する。 As described above, at the same time in order to reduce the interface state density of SiC / LaSiO x interface, when the nitrided in nitrogen oxide gas atmosphere, when the SiC / LaSiO x interface can interface layer formed of SiCO, SiC Along with the step bunching of the substrate, the composition ratio of the LaSiO x layer changes, and both the interface quality and the film quality deteriorate.
したがって、ゲート絶縁膜としてLaSiOxを用いた場合においても、従来のMOSFET等の絶縁ゲート型トランジスタにおける低いオン抵抗値及び高いチャネル移動度を確保することができず、装置全体の信頼性を高くすることができないという問題点があった。 Therefore, even when LaSiO x is used as the gate insulating film, a low on-resistance value and high channel mobility in a conventional insulated gate transistor such as a MOSFET cannot be secured, and the reliability of the entire device is increased. There was a problem that it was not possible.
この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、形成される絶縁ゲート型トランジスタにおける低いオン抵抗値及び高いチャネル移動度を確保するとともに、装置全体の信頼性を高くした半導体装置及びその製造方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. A semiconductor device having a low on-resistance value and a high channel mobility in an insulated gate transistor to be formed, and a high reliability of the entire device, and its It aims at obtaining a manufacturing method.
この発明に係る請求項1記載の半導体装置は、炭化珪素を構成材料とした半導体層と、前記半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを備え、前記ゲート絶縁膜を介した前記ゲート電極下の前記半導体層の表面がチャネル領域となる絶縁ゲート型トランジスタが構成され、前記ゲート絶縁膜は、前記チャネル領域との間に界面を形成するランタン酸窒化珪素膜を有する。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a semiconductor layer made of silicon carbide; a gate insulating film formed on the semiconductor layer; and a gate electrode formed on the gate insulating film. And an insulating gate type transistor in which the surface of the semiconductor layer under the gate electrode through the gate insulating film serves as a channel region is configured, and the gate insulating film forms a lanthanum that forms an interface with the channel region. A silicon oxynitride film is included.
請求項1記載の本願発明の半導体装置における絶縁ゲート型トランジスタは、チャネル領域との間に界面を形成し、窒素を高濃度に含むランタン酸窒化珪素膜を少なくとも一部に含むゲート絶縁膜を備えるため、珪素酸化膜等をゲート絶縁膜に用いる場合に比べて、チャネル領域を低い界面準位密度に設定することができ、その結果、上記絶縁ゲート型トランジスタのオン抵抗値を低く抑えることができる効果を奏する。 According to a first aspect of the present invention, an insulated gate transistor in a semiconductor device according to the present invention includes a gate insulating film that forms an interface with a channel region and includes at least part of a silicon lanthanum oxynitride film containing nitrogen at a high concentration. Therefore, the channel region can be set to a lower interface state density than when a silicon oxide film or the like is used for the gate insulating film, and as a result, the on-resistance value of the insulated gate transistor can be kept low. There is an effect.
さらに、ランタン酸窒化珪素膜を含むゲート絶縁膜中に高い割合で存在する窒素原子により、チャネル領域との間の界面における界面準位のパッシベーション効果が得られる。このため、ゲート絶縁膜としてランタン珪素酸化膜等を形成した後に行う必要があった、チャネル領域,ゲート絶縁膜間に対する窒化処理が不要になる。その結果、請求項1記載の本願発明は、上記窒化処理に起因してチャネル領域の界面にシリコン、炭素、酸素からなる界面層が発生する現象を回避することができ、上記絶縁ゲート型トランジスタにおける高いチャネル移動度を確保できる効果を奏する。
Further, a nitrogen atom present in a high ratio in the gate insulating film including the silicon lanthanum oxynitride film can provide a passivation effect of the interface state at the interface with the channel region. This eliminates the need for nitriding treatment between the channel region and the gate insulating film, which has been necessary after forming a lanthanum silicon oxide film or the like as the gate insulating film. As a result, the present invention according to
加えて、上記ゲート絶縁膜を有する本発明の半導体装置は、ゲート絶縁膜として(ランタン)珪素酸化膜を用いた場合のような過剰な酸化反応を抑制することにより、ゲート絶縁膜全体におけるランタン酸窒化珪素の組成比が安定するため、信頼性が向上する。 In addition, the semiconductor device of the present invention having the above gate insulating film suppresses an excessive oxidation reaction as in the case where a (lanthanum) silicon oxide film is used as the gate insulating film. Since the composition ratio of silicon nitride is stabilized, the reliability is improved.
<実施の形態1>
(装置構造)
図1はこの発明の実施の形態1であるSiCを構成材料とした(炭化珪素)半導体装置の構造を示す断面図である。図1で示す構成例では、Nチャネル炭化珪素MOSFETの断面構造を示している。
<
(Device structure)
1 is a cross sectional view showing a structure of a (silicon carbide) semiconductor device using SiC as a constituent material according to the first embodiment of the present invention. The configuration example shown in FIG. 1 shows a cross-sectional structure of an N-channel silicon carbide MOSFET.
同図において、N型の基板1(半導体基体)の表面(一方主面)上にSiCを構成材料とした炭化珪素ドリフト層2(半導体層)が形成される。この炭化珪素ドリフト層2の上層部にP型の一対のベース領域3が選択的に形成される。一対のベース領域3それぞれの上層部にN型のソース領域4が選択的に形成される。したがって、炭化珪素ドリフト層2の表面領域は、炭化珪素ドリフト層2の一部、ベース領域3の一部及びソース領域4が存在する。
In the figure, a silicon carbide drift layer 2 (semiconductor layer) made of SiC is formed on the surface (one main surface) of an N-type substrate 1 (semiconductor substrate). A pair of P-
そして、一対のソース領域4の一方の端部領域上、一対のベース領域3の一方の表面領域上、炭化珪素ドリフト層2の表面領域上、一対のベース領域3の他方の表面領域上、及び一対のソース領域4の他方の端部領域上にゲート絶縁膜5が形成される。すなわち、ゲート絶縁膜5は一対のベース領域3それぞれの領域を挟む領域上に形成される。
And on one end region of the pair of
ゲート絶縁膜5はLaSiON膜5L(ランタン酸窒化珪素膜)の単一構造により構成される。
The
ゲート電極6はゲート絶縁膜5の端部を除く主要部上に形成され、ソース電極7はソース領域4上にゲート電極6とは電気的に独立して形成され、ドレイン電極8は基板1の裏面(他方主面)上に形成される。
The
このような構造の実施の形態1の半導体装置において、ゲート電極6を介したゲート絶縁膜5の直下の炭化珪素ドリフト層2の上層部に形成されたベース領域3の表面領域をチャネル領域とし、ゲート電極6、ソース電極7及びドレイン電極8を有するN型のMOSFETの主要構造を得ることができる。したがって、MOSFETのゲート絶縁膜5であるLaSiON膜5Lは、上記チャネル領域との間に界面を形成する。
In the semiconductor device of the first embodiment having such a structure, the surface region of
(製造方法)
図2〜図10は図1で示した実施の形態1の半導体装置の製造方法を示す断面図である。以下、これらの図を参照して、実施の形態1の半導体装置の製造方法を説明する。
(Production method)
2 to 10 are cross-sectional views showing a method of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device of the first embodiment will be described with reference to these drawings.
まず、図2に示すように、N型(第1導電型)の基板1(半導体基体)の表面(一方主面)上に、エピタキシャル結晶成長法により、SiCを構成材料としたN型の炭化珪素ドリフト層2を形成する。なお、N型の基板1としては、例えば、N型の炭化珪素基板が好適である。
First, as shown in FIG. 2, N-type carbonization using SiC as a constituent material on the surface (one main surface) of an N-type (first conductivity type) substrate 1 (semiconductor substrate) by an epitaxial crystal growth method.
エピタキシャル結晶成長後、図3に示すように、炭化珪素ドリフト層2の上層部において所定の間隔で離間した一対の領域に、レジスト(図示せず)をマスクとして不純物をイオン注入して、一対のP型(第2導電型)のベース領域3を形成する。なお、図3は、レジスト除去後の断面構造を示している。炭化珪素ドリフト層2内でP型となる不純物としては、例えばボロン(B)あるいはアルミニウム(Al)が挙げられる。
After the epitaxial crystal growth, as shown in FIG. 3, impurities are ion-implanted into a pair of regions separated by a predetermined interval in the upper layer portion of the silicon
さらに、図4に示すように、一対のP型のベース領域3それぞれにおいて、レジスト(図示せず)をマスクとして不純物をイオン注入して、各ベース領域3の上層部に選択的にN型のソース領域4を形成する。なお、図4はレジスト除去後の断面構造を示している。N型不純物としては、例えばリン(P)あるいは窒素(N)が挙げられる。
Further, as shown in FIG. 4, in each of the pair of P-
N型及びP型不純物のイオン注入後、熱処理装置によって(実施の形態1の半導体装置を形成する)SiCウエハを高温で熱処理すると、注入イオンが電気的に活性化される。 After the N-type and P-type impurity ions are implanted, when the SiC wafer (forming the semiconductor device of the first embodiment) is heat-treated at a high temperature by a heat treatment apparatus, the implanted ions are electrically activated.
続いて、図5に示すように、SiCウエハ全面、すなわち、ベース領域3及びソース領域4を含む炭化珪素ドリフト層2の表面上の全域にSiN膜5a(珪素窒化膜)を成膜する。
Subsequently, as shown in FIG. 5,
上述したSiN膜5aの堆積方法として種々の方法が考えられ、例えば、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法を用いて良く、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法を用いても良い。また、SiN膜5aの堆積方法として、スパッタ法、電子ビーム蒸着法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法などのPVD(Physical Vapor Deposition)法や、ALD(Atomic Layer Deposition)法を用いても良い。
Various methods are conceivable as the method for depositing the
続いて、図6に示すように、SiN膜5a上にLa2O3膜5b(酸化ランタン膜)を成膜する。その結果、SiN膜5a及びLa2O3膜5bの積層構造が得られ、この積層構造が後述するLaSiON膜5Lからなるゲート絶縁膜5を得るための前処理積層構造となる。
Subsequently, as shown in FIG. 6, a La 2 O 3 film 5b (lanthanum oxide film) is formed on the
La2O3膜5bの堆積方法として種々の方法が考えられ、例えば、MOCVD(Metal organic chemical vapor Deposition)法、電子ビーム蒸着法、MBE法、あるいはALD法を用いても良い。 Various methods are conceivable as a method for depositing the La 2 O 3 film 5b. For example, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, an electron beam evaporation method, an MBE method, or an ALD method may be used.
その後、図7に示すように、図6で示した前処理積層構造に対して不活性ガス雰囲気で熱処理を行い、SiN膜5a及びLa2O3膜5b間において、SiNとLa2O3とを反応させることにより、LaSiON膜5Lの単一構造により構成されるゲート絶縁膜5を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 7, the pretreatment laminated structure shown in FIG. 6 is heat-treated in an inert gas atmosphere, and SiN, La 2 O 3, and
上述した、不活性ガス雰囲気で行う熱処理は500℃から1300℃で行われ、熱処理時間は1分間から3時間程度である。 The heat treatment performed in the inert gas atmosphere described above is performed at 500 ° C. to 1300 ° C., and the heat treatment time is about 1 minute to 3 hours.
上記不活性ガス雰囲気に1%から50%の酸素ガスを加えることにより、上述したSiNとLa2O3との反応は促進する。 By adding 1% to 50% oxygen gas to the inert gas atmosphere, the above-described reaction between SiN and La 2 O 3 is promoted.
図21は上記不活性ガス雰囲気で行う熱処理後において、X線光電子分光法により得られたゲート絶縁膜と炭化珪素半導体層との界面を含む深さ位置に対する元素比率を示すグラフである。同図において、元素比率変化ER1は酸素原子(O)の比率を示し、元素比率変化ER2はシリコン原子(Si)の比率を示し、元素比率変化ER3は炭素原子(C)の比率を示し、元素比率変化ER4はランタン原子(La)の比率を示し、元素比率変化ER5は窒素原子(N)の比率を示している。同図の元素比率変化ER5に示すように、本実施の形態で得られるゲート絶縁膜5と炭化珪素半導体層(ベース領域3及びソース領域4を含む炭化珪素ドリフト層2)との界面には、元素比率10%の窒素原子が存在しており、窒素原子が比較的高い比率で存在することがわかる。
FIG. 21 is a graph showing the element ratio with respect to the depth position including the interface between the gate insulating film and the silicon carbide semiconductor layer obtained by X-ray photoelectron spectroscopy after the heat treatment performed in the inert gas atmosphere. In the figure, the element ratio change ER1 indicates the ratio of oxygen atoms (O), the element ratio change ER2 indicates the ratio of silicon atoms (Si), the element ratio change ER3 indicates the ratio of carbon atoms (C), and the element The ratio change ER4 indicates the ratio of lanthanum atoms (La), and the element ratio change ER5 indicates the ratio of nitrogen atoms (N). As shown in the element ratio change ER5 in the same figure, at the interface between the
上記不活性ガス雰囲気でのアニールの他に、酸化窒素ガス雰囲気で熱処理を行っても良く、特にN2O、NOガスを含む雰囲気で熱処理を行うことにより、LaSiON中の窒素の比率を高くすることができる。 In addition to annealing in the above inert gas atmosphere, heat treatment may be performed in a nitrogen oxide gas atmosphere, and in particular, by performing heat treatment in an atmosphere containing N 2 O and NO gas, the ratio of nitrogen in LaSiON is increased. be able to.
そして、図8に示すように、ゲート絶縁膜5上にゲート電極材料を成膜した後、パターニングすることによりゲート電極6を形成する。ゲート電極6は、一対のベース領域3及びソース領域4上が両端部に位置し、ベース領域3間に露出した炭化珪素ドリフト層2の表面領域上が中央に位置するようにパターニングされる。すなわち、ゲート電極6はゲート絶縁膜5を介して、一対のベース領域3それぞれを挟む領域上に形成される。
Then, as shown in FIG. 8, a gate electrode material is formed on the
さらに、図9に示すように、ゲート電極6をマスクとしたリソグラフィ技術及びエッチング技術によって、表面が露出したゲート絶縁膜5の大部分を除去し、エッチング等のゲート絶縁膜5の除去工程内容を調整して、端部がゲート電極6より水平方向に延出するようにゲート絶縁膜5をパターニングする。
Further, as shown in FIG. 9, the most part of the
その後、図10に示すように、ゲート電極6を覆う層間絶縁膜(図示せず)を形成後、ソース領域4を含む全面にソース電極材料を成膜した後、パターニングすることによりソース領域4上に選択的にソース電極7を形成する。この際、ソース電極7はゲート絶縁膜5の存在等によりゲート電極6と電気的に独立している。
Thereafter, as shown in FIG. 10, after forming an interlayer insulating film (not shown) covering the
最後に、基板1の裏面上にドレイン電極8を形成することにより、N型のMOSFETを作り込んだ図1に示した構造の半導体装置が完成する。
Finally, the
SiO2の比誘電率“3.9”に比べて、LaSiONの比誘電率は“9”以上と大きく、同じ膜厚でゲート絶縁膜を形成した場合、LaSiONの方がMOSFETのしきい値電圧が小さくなる。 Compared to the relative dielectric constant “3.9” of SiO 2, the relative dielectric constant of LaSiON is as large as “9” or more, and when the gate insulating film is formed with the same film thickness, LaSiON is the threshold voltage of the MOSFET. Becomes smaller.
MOSFETのしきい値電圧は、チャネル長、ゲート絶縁膜(酸化膜)厚、チャネル領域のドーパント濃度で制御することができる。 The threshold voltage of the MOSFET can be controlled by the channel length, the gate insulating film (oxide film) thickness, and the dopant concentration in the channel region.
図11はゲート絶縁膜としてSiO2膜を用いた従来のMOSFETと、LaSiON膜を用いた実施の形態1のMOSFETとにおける、ゲート電極6から基板1上のベース領域3までの間のバンド構造を示すグラフである。同図において、実施の形態1のMOSFETのLaSiONエネルギー変化L1及び従来のMOSFETのSiO2エネルギー変化L2を示している。なお、各MOSFETはチャネル領域のドーパント濃度を制御し、しきい値電圧を3Vに揃えている。同図に示すように、LaSiONエネルギー変化L1の方がSiO2エネルギー変化L2に比べ、ベース領域3の上層部(チャネル領域)におけるエネルギー変化が急峻になっている。
FIG. 11 shows the band structure between the
図12は、従来及び本実施の形態のMOSFETそれぞれに15Vのゲート電圧VGを印加した時のチャネルのキャリア密度を示すグラフである。同図において、実施の形態1のLaSiONキャリア濃度変化L11と従来のSiO2キャリア濃度変化L12とを示している。 FIG. 12 is a graph showing the carrier density of the channel when the gate voltage VG of 15 V is applied to each of the conventional MOSFET and the MOSFET of this embodiment. In the figure, the LaSiON carrier concentration change L11 of the first embodiment and the conventional SiO 2 carrier concentration change L12 are shown.
実施の形態1のように、ゲート絶縁膜を従来のSiO2膜からLaSiON膜に置き換えることにより、LaSiONキャリア濃度変化L11及びSiO2キャリア濃度変化L12それぞれの積分結果として得られるキャリアの総数は5.1×1022cm−2から1.2×1023cm−2までおよそ2倍増加する。このキャリアの増加により、従来のMOSFETに比べ、実施の形態1のMOSFETのチャネル抵抗の低下が期待できる。 By replacing the gate insulating film with the LaSiON film from the conventional SiO 2 film as in the first embodiment, the total number of carriers obtained as an integration result of each of the LaSiON carrier concentration change L11 and the SiO 2 carrier concentration change L12 is 5. There is an approximately 2-fold increase from 1 × 10 22 cm −2 to 1.2 × 10 23 cm −2 . Due to this increase in carriers, a reduction in channel resistance of the MOSFET of the first embodiment can be expected as compared with the conventional MOSFET.
(効果)
図2〜図10で示した製造方法により製造される実施の形態1の半導体装置におけるMOSFETは、チャネル領域(ベース領域3の表面領域)との間に界面を形成し、窒素を高濃度に含むLaSiON膜5Lの単一構造によりなるゲート絶縁膜5を有するため、SiO2膜等により構成される従来のゲート絶縁膜を用いる場合に比べて、チャネル領域を低い界面準位密度に設定することができ、その結果、MOSFETのオン抵抗値を低く抑えることができる効果を奏する。
(effect)
The MOSFET in the semiconductor device of the first embodiment manufactured by the manufacturing method shown in FIGS. 2 to 10 forms an interface with the channel region (surface region of base region 3), and contains nitrogen at a high concentration. Since the
さらに、ゲート絶縁膜5(=LaSiON膜5L)中に高い割合で存在する窒素原子により、チャネル領域との界面における界面準位のパッシベーション効果が得られる。このため、ゲート絶縁膜5としてLaSiOxを用いた場合に不可欠となる、チャネル領域,ゲート絶縁膜5間に対する窒化処理が不要になり、この窒化処理に起因して起こるシリコン、炭素、酸素からなる界面層がチャネル領域との界面に発生する現象を回避でき、MOSFETにおける高いチャネル移動度を確保できる効果を奏する。
Furthermore, the passivation effect of the interface state at the interface with the channel region can be obtained by the nitrogen atoms present at a high ratio in the gate insulating film 5 (=
したがって、実施の形態1の半導体装置は、MOSFETにおけるオン抵抗値の低抵抗化及び高いチャネル移動度を図ることにより、省エネルギー効果を発揮することができる。 Therefore, the semiconductor device of the first embodiment can exhibit an energy saving effect by reducing the on-resistance value and increasing the channel mobility in the MOSFET.
加えて、実施の形態1の半導体装置は、ゲート絶縁膜5をLaSiON膜5Lで構成することにより、ゲート絶縁膜としてLaSiOx膜を用いた場合の過剰な酸化反応を抑制することができるため、ゲート絶縁膜5全体におけるLaSiONの組成比が安定する結果、装置の信頼性が向上する。
In addition, the semiconductor device of the first embodiment can suppress an excessive oxidation reaction when the LaSiO x film is used as the gate insulating film by configuring the
また、実施の形態1では、LaSiON膜5Lからなる単一構造のゲート絶縁膜5により、SiO2膜やLaSiOx膜をゲート絶縁膜とする悪影響を確実に回避することができる。
In the first embodiment, the single-structure
さらに、図5,図6で示した工程により、前処理積層構造としてSiN膜5a及びLa2O3膜5bからなり、珪素、窒素、酸素及びランタン成分を含む積層構造を形成し、この前処理積層構造に対し図7で示した工程を実行するという比較的簡単な製造方法により、LaSiON膜5Lからなるゲート絶縁膜5を形成することができる。
Further, by the steps shown in FIG. 5 and FIG. 6, the pre-processed laminated structure is composed of the
なお、実施の形態1では、SiN膜5a、La2O3膜5bの順に積層して前処理積層構造を得る工程を示したが、逆にLa2O3膜及びSiN膜の順に積層して前処理積層構造を得るようにしてもよい。
In the first embodiment, the process of obtaining the pretreatment laminated structure by laminating the
<実施の形態2>
(装置構造)
実施の形態1の(炭化珪素)半導体装置に対して、実施の形態2の(炭化珪素)半導体装置は、LaSiON膜5Lの単一構造からなるゲート絶縁膜5に代えて、LaSiON膜13及びSiO2膜14の積層構造によりなるゲート絶縁膜15を設けた点が異なっている。なお、実施の形態2の半導体装置はゲート絶縁膜5をゲート絶縁膜15に置き換えた点以外は、図1で示した実施の形態1の半導体装置と同様な構造を呈する。
<
(Device structure)
In contrast to the (silicon carbide) semiconductor device of the first embodiment, the (silicon carbide) semiconductor device of the second embodiment replaces the
(製造方法)
図13は実施の形態2の半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。以下、実施の形態2の製造方法について説明する。実施の形態2の半導体装置の製造方法は、LaSiON膜13を得る工程までは、図2〜図7で示した実施の形態1の製造方法と同様である。ただし、図7で示されたゲート絶縁膜5(=LaSiON膜5L)がLaSiON膜13となる。
(Production method)
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a part of the method for manufacturing the semiconductor device of the second embodiment. Hereinafter, the manufacturing method of
その後、図13に示すように、LaSiON膜13上にSiO2膜14を堆積する。その結果、LaSiON膜13及びSiO2膜14の積層構造からなるゲート絶縁膜15を得ることができる。
Thereafter, as shown in FIG. 13, a SiO 2 film 14 is deposited on the
なお、以降の処理は、図8〜図10で示した実施の形態1の製造方法と同様に行われる。 The subsequent processing is performed in the same manner as the manufacturing method of the first embodiment shown in FIGS.
(チャージトラップ機能の抑制)
LaSiON膜13上にSiO2膜14を堆積する場合、絶縁ゲート型トランジスタであるMOSFETの駆動で用いるゲート電圧は、ゲート絶縁膜15全体に加わることから、LaSiON膜13の膜厚はSiO2膜14の膜厚に比べて薄くても良い。薄い膜厚のLaSiON膜13を形成するには、反応させる前処理積層構造のSiN膜(珪素窒化膜)及びLa2O3膜(図6,図7のSiN膜5a,La2O3膜5bに相当)の堆積膜厚を小さくすることが有効であり、反応時の熱処理温度も1000℃程度がよい。
(Suppression of charge trap function)
When the SiO 2 film 14 is deposited on the
図14は、前処理積層構造における初めに堆積するSiN膜(図5,図6のSiN膜5aに相当)に関し、その膜厚に対する堆積膜中にトラップされる電荷量(チャージトラップ電荷量(cm−2))を示すグラフである。なお、図14において、SiN膜上に堆積されるLa2O3膜の膜厚が10nmの場合を示している。
FIG. 14 shows the amount of charge trapped in the deposited film with respect to the thickness of the SiN film (corresponding to the
同図に示すように、SiN膜が2.7nm付近でトラップされる電荷がゼロになる。すなわち、このSiN膜の膜厚(2.7nm程度)では、SiN膜内のSiNはLa2O3膜中のLa2O3との反応により消費され、チャネル領域(ベース領域3の表面)とゲート絶縁膜5との界面において、精度良くSiC/LaSiON界面が形成されていることが分かる。
As shown in the figure, the charge trapped in the vicinity of 2.7 nm by the SiN film becomes zero. That is, in the thickness of the SiN film (about 2.7 nm), SiN in the SiN film is consumed by reaction with La 2 O 3 of La 2 O 3 film, a channel region (a surface of the base region 3) It can be seen that the SiC / LaSiON interface is accurately formed at the interface with the
一方、SiNがLa2O3と反応する際、反応せずにSiNが残ると、精度良くSiC/LaSiON界面が形成されず、SiC/SiN/LaSiONの積層構造が形成されることになる。この場合、SiCとLa2O3に挟まれた残存SiN膜がチャージトラップ膜となり、所望しない働きをしてしまう。 On the other hand, when SiN reacts with La 2 O 3 and SiN remains without reacting, the SiC / LaSiON interface is not formed with high accuracy, and a laminated structure of SiC / SiN / LaSiON is formed. In this case, the remaining SiN film sandwiched between SiC and La 2 O 3 serves as a charge trap film, which functions undesirably.
このため、実施の形態2のように、1000℃程度の熱処理で、薄いLaSiON膜を形成する場合には、ベース領域3及びソース領域4を含む炭化珪素ドリフト層2上に堆積するSiN膜の厚さは望ましくは、1nm以上10nm以下で、特に3nm以下が望ましい。なお、図14で示したSiN膜に関する考察は、実施の形態1にも当てはまる。
Therefore, as in the second embodiment, when a thin LaSiON film is formed by heat treatment at about 1000 ° C., the thickness of the SiN film deposited on the silicon
実施の形態2では、ゲート絶縁膜15としてLaSiON膜13及びSiO2膜14の積層構造を実現している。このような積層構造では、LaSiON膜13及びSiO2膜14間の界面であるLaSiON/SiO2界面も印加電圧によっては、チャージトラップ機能を有することになる。
In the second embodiment, a laminated structure of a
図15及び図16はMOSFETのオフ時及びオン時のゲート電極6の直下のバンド構造を示すグラフである。これらの図において、横軸が深さ位置(Position(nm))、縦軸がエネルギー(Potential(eV))を示している。
15 and 16 are graphs showing a band structure immediately below the
図15に示すように、ゲートに電圧が加わらない(ゲート電圧VG=0)状態のMOSFETのオフ時には、SiO2膜14及びLaSiON膜13に加わる電位VSiO2(off)及びVLaSiON(off)は小さく、ゲート絶縁膜15の膜厚全体に均等に加わる。
As shown in FIG. 15, the potentials V SiO2 (off) and V LaSiON (off) applied to the SiO 2 film 14 and the
一方、図16に示すように、0Vからゲート電圧VG(=ゲート電位変化量ΔVG)を印加し、MOSFETをオン状態にした場合、SiO2膜14及びLaSiON膜13に加わる電位はVSiO2(on)及びVLaSiON(on)になる。VLaSiON(on)がSiC/LaSiONのエネルギー障壁高さΔEcよりも大きくなると、LaSiON/SiO2界面においてチャージがトラップされる。
On the other hand, as shown in FIG. 16, when the gate voltage VG (= gate potential variation ΔVG) is applied from 0 V and the MOSFET is turned on, the potential applied to the SiO 2 film 14 and the
チャージがトラップされた場合、MOSFETのしきい値電圧に変化が生じ、MOSFETの特性が変化する。したがって、ゲート絶縁膜15中にチャージがトラップされないことが理想であり、この理想を実現するため、LaSiON膜の膜厚は以下の式(1)を満たすことが望ましい。
When the charge is trapped, the threshold voltage of the MOSFET changes, and the characteristics of the MOSFET change. Therefore, it is ideal that no charge is trapped in the
なお、式(1)において、tLaSiON及びtSiO2はLaSiON膜13及びSiO2膜14の膜厚を意味し、ΔVSiC及びΔVGはMOSFETのオフ時からオン時のSiC基板(ベース領域3)内での電位の変化量及びゲート電圧VGの変化量(ゲート電位変化量)であり、εLaSiON及びεSiO2はLaSiON膜13及びSiO2膜14の比誘電率である。なお、オフ時のゲート電圧VG=0Vである場合、ゲート電圧変化量ΔVGはオン時のゲート電圧VGに等しくなる。
In formula (1), t LaSiON and t SiO2 mean the film thickness of the
以下、式(1)の導出原理について説明する。式(1)におけるゲート電圧変位量ΔVGは以下の式(2)を満足する。なお、式(2)において、ΔVLaSiON及びΔVSiO2は、MOSFETのオフ時(off)からオン時(on)における電位VLaSiON及びVSiO2の変化量を示している。 Hereinafter, the derivation principle of Equation (1) will be described. The gate voltage displacement amount ΔVG in equation (1) satisfies the following equation (2). In the equation (2), ΔV LaSiON and ΔV SiO2 indicate the amount of change in the potentials V LaSiON and V SiO2 when the MOSFET is off (off) to on (on).
さらに、式(1)におけるεLaSiON、εSiO2、tLaSiON及びtSiO2と、式(2)におけるΔVLaSiONとΔVSiO2とは以下の式(3)を満足し、ゲート絶縁膜15のゲート絶縁膜厚t15は以下の式(4)を満足する。
Further, ε LaSiON , ε SiO2 , t LaSiON and t SiO2 in the formula (1), and ΔV LaSiON and ΔV SiO2 in the formula (2) satisfy the following formula (3), and the gate insulating film of the
したがって、チャージトラップされない条件である以下の式(5)を満足するために、実施の形態の2の半導体装置におけるLaSiON膜13及びSiO2膜14の膜厚tLaSiON及びtSiO2を上述した式(1)を満足するように形成する必要がある。
Therefore, in order to satisfy the following formula (5), which is a condition where charge trapping is not performed, the film thicknesses t LaSiON and t SiO2 of the
(効果)
実施の形態2の半導体装置は、チャネル領域の界面にLaSiON膜13を有するゲート絶縁膜15を形成することにより、実施の形態1の半導体装置と同様な効果を奏すると共に以下で述べる効果を奏する。
(effect)
In the semiconductor device of the second embodiment, the
実施の形態2の半導体装置は、LaSiON膜13に加え、SiO2膜14をさらに有する積層構造のゲート絶縁膜15を形成することにより、SiO2膜14によってMOSFETにおけるリーク電流の低減化を図ることができる。
The semiconductor device of the second embodiment, in addition to the
加えて、ゲート絶縁膜15を構成するLaSiON膜13及びSiO2膜14の膜厚tLaSiON及びtSiO2は、上述した式(1)を満足するように設定されるため、LaSiON膜13及びSiO2膜14の積層構造によりゲート絶縁膜15を実現しても、LaSiON膜13及びSiO2膜14間における界面がチャージトラップ機能を発揮してしまう現象を確実に回避することができる。
In addition, since the thickness t LaSiON and t SiO2 of
<実施の形態3>
実施の形態1の(炭化珪素)半導体装置に対して、実施の形態3の(炭化珪素)半導体装置はその実質構造は同一であり、製造方法において、ゲート絶縁膜となるLaSiON膜を形成する方法が異なる。
<
The (silicon carbide) semiconductor device of the third embodiment has the same substantial structure as the (silicon carbide) semiconductor device of the first embodiment, and a method of forming a LaSiON film to be a gate insulating film in the manufacturing method Is different.
(製造方法)
図17及び図18は、実施の形態3における半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。以下、実施の形態3の製造方法について説明する。実施の形態3の半導体装置の製造方法は、SiN膜5a(第1の珪素窒化膜)及びLa2O3膜5b(酸化ランタン膜)を得る工程までは、図2〜図6で示した実施の形態1の製造方法と同様である。
(Production method)
17 and 18 are cross-sectional views showing a part of the method for manufacturing the semiconductor device in the third embodiment. Hereinafter, the manufacturing method of
その後、図17に示すように、La2O3膜5b上にSiN膜5c(第2の珪素窒化膜)をさらに堆積する。その結果、SiN膜5a、La2O3膜5b及びSiN膜5cの積層構造が得られ、この積層構造が実施の形態3のゲート絶縁膜25を得るための、珪素、窒素、酸素及びランタン成分を含む前処理積層構造となる。
Thereafter, as shown in FIG. 17, a
その後、図18に示すように、図17で示した前処理積層構造に対して不活性ガス雰囲気で熱処理を行い、SiN膜5a及びLa2O3膜5b間並びにLa2O3膜5b及びSiN膜5c間において、SiNとLa2O3とを反応させることにより、LaSiON膜25Lの単一構造により構成されるゲート絶縁膜25を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 18, the pretreatment laminated structure shown in FIG. 17 is heat-treated in an inert gas atmosphere, and between the
この際、上記熱処理に伴う反応はLa2O3膜5bの両面から進むため、実施の形態1における前処理積層構造に対する熱処理に比べて、同じ反応温度で得られるLaSiON膜25Lの厚さを、実施の形態1のLaSiON膜5L以上に厚くすることができる。
At this time, since the reaction accompanying the heat treatment proceeds from both sides of the La 2 O 3 film 5b, the thickness of the
さらに、前処理積層構造に対する熱処理によってゲート絶縁膜25を形成する際、La2O3膜5bを基準として上方(外方側)にもSiN膜5cが存在する。このため、ゲート絶縁膜素材中での酸素の拡散エネルギーは、SiO2が1.24eV、LaSiOxで0.51eV〜0.80eV、SiNで3.67eVであるため、SiN膜5cが外方側(上方)に存在することにより、La2O3とSiNが反応する際に、SiCの酸化を抑制することができる。なお、以降の処理は、図8〜図10で示した実施の形態1の製造方法と同様に行われる。
Further, when the
(効果)
実施の形態3の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置と実質等価な構造を呈しているため、実施の形態1と同様な効果を奏する。さらに、実施の形態3に固有の製造方法により以下の効果を奏する。
(effect)
Since the semiconductor device of the third embodiment has a structure substantially equivalent to that of the semiconductor device of the first embodiment, the same effect as that of the first embodiment is obtained. Furthermore, the following effects are produced by the manufacturing method unique to the third embodiment.
図18で示す工程における熱処理の実行時に、SiN膜5a及びSiN膜5cによりLa2O3膜5bが挟み込まれているため、実施の形態1のようにSiN膜5a及びLa2O3膜5bの2層の積層構造の場合に比べ、膜厚が厚いLaSiON膜25Lを得ることができる。
During the execution of the heat treatment in the step shown in FIG. 18, the
加えて、図18で示す工程における熱処理の実行時に、La2O3膜5bを基準として上方にSiN膜5cが形成されているため、上方のSiN膜5cによって酸素の拡散を効果的に抑制することにより、SiN膜5a及びSiN膜5cとLa2O3膜5bとが反応する際におけるベース領域3及びソース領域4を含む炭化珪素ドリフト層2におけるSiCの酸化を抑制することができる。
In addition, since the
その結果、実施の形態3における半導体装置の製造方法により、より信頼性の高いMOSFETを有する半導体装置を得ることができる。 As a result, a semiconductor device having a more reliable MOSFET can be obtained by the method for manufacturing a semiconductor device in the third embodiment.
なお、実施の形態3の半導体装置の製造方法においては、SiN膜5a、La2O3膜5b及びSiN膜5cからなる前処理積層構造に対する熱処理によりゲート絶縁膜25(=LaSiON膜25L)を得る工程を示したが、この工程を利用して実施の形態2のLaSiON膜13を形成することも勿論可能である。
In the method of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment, the gate insulating film 25 (=
<実施の形態4>
実施の形態1の(炭化珪素)半導体装置に対して、実施の形態4の(炭化珪素)半導体装置はその実質構造は同一であり、製造方法において、ゲート絶縁膜となるLaSiON膜を形成する方法が異なる。
<
The (silicon carbide) semiconductor device of the fourth embodiment has the same substantial structure as the (silicon carbide) semiconductor device of the first embodiment, and a method of forming a LaSiON film to be a gate insulating film in the manufacturing method Is different.
(製造方法)
図19及び図20は、実施の形態4における半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。以下、実施の形態4の製造方法について説明する。実施の形態4の半導体装置の製造方法は、ソース領域4を得る工程までは、図2〜図4で示した実施の形態1の製造方法と同様である。
(Production method)
19 and 20 are cross-sectional views showing a part of the method for manufacturing the semiconductor device in the fourth embodiment. Hereinafter, the manufacturing method of
その後、図19に示すように、ベース領域3及びソース領域4を含む炭化珪素ドリフト層2の表面上の全域にSiO2膜35aを成膜する。さらに、SiO2膜35a上にLa膜35b(ランタン膜)を成膜し、最後にLa膜35b上にSiN膜35c(珪素窒化膜)を成膜する。その結果、SiO2膜35a、La膜35b及びSiN膜35cの積層構造が得られ、この積層構造が実施の形態4のゲート絶縁膜35を得るための、珪素、窒素、酸素及びランタン成分を含む前処理積層構造となる。
Thereafter, as shown in FIG. 19, SiO 2 film 35 a is formed on the entire surface of silicon
その後、図20に示すように、図19で示した前処理積層構造に対して不活性ガス雰囲気で熱処理を行い、SiO2膜35a、La膜35b及びSiN膜35c間において、SiO2とLaとSiNとを反応させることにより、LaSiON膜35Lの単一構造により構成されるゲート絶縁膜35を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 20, a heat treatment in an inert gas atmosphere with respect to pretreatment layered structure shown in FIG. 19, SiO 2 film 35a, between
なお、以降の処理は、図8〜図10で示した実施の形態1の製造方法と同様に行われる。また、前処理積層構造を得るためのSiO2膜35a、La膜35b及びSiN膜35c間における堆積順序は任意である。しかしながら、外方から拡散する酸素による酸化を考慮した場合、図19に示したようにSiN膜35cが最も外方側(最上部)に存在することが望ましい。
The subsequent processing is performed in the same manner as the manufacturing method of the first embodiment shown in FIGS. Further, the deposition order between the SiO 2 film 35a, the
(効果)
実施の形態4の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置と実質等価な構造を呈しているため、実施の形態1と同様な効果を奏する。さらに、実施の形態3に固有の製造方法により以下の効果を奏する。
(effect)
Since the semiconductor device according to the fourth embodiment has a structure substantially equivalent to that of the semiconductor device according to the first embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. Furthermore, the following effects are produced by the manufacturing method unique to the third embodiment.
実施の形態4の半導体装置の製造方法は、図19で示す前処理積層構造を得る工程において、それぞれが比較的簡単な化学構造のSiO2膜35a、La膜35b及びSiN膜35cを用いて前処理積層構造を得ることができる。
In the method of manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment, in the step of obtaining the pre-processed stacked structure shown in FIG. 19, the SiO 2 film 35a,
なお、実施の形態4の半導体装置の製造方法においては、SiO2膜35a、La膜35b及びSiN膜35cからなる前処理積層構造に対する熱処理によってゲート絶縁膜35(=LaSiON膜35L)を得る工程を示したが、この工程を利用して実施の形態2のLaSiON膜13を形成することも勿論可能である。
In the method of manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment, the step of obtaining the gate insulating film 35 (=
<その他>
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
<Others>
It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
この発明は、炭化珪素ドリフト層2等の炭化珪素基板(半導体層)上に形成される、従来、二酸化珪素膜をゲート絶縁膜として構成されるのが一般的であったMOSFET、IGBTなどの絶縁ゲート型トランジスタ構造を有する半導体素子に適用することができる。この発明によれば、チャネル抵抗が小さく絶縁膜信頼性の高い、炭化珪素を構成材料とした半導体装置の実現が可能になる。
In the present invention, insulation of MOSFETs, IGBTs, etc., which is conventionally formed on a silicon carbide substrate (semiconductor layer) such as silicon
1 基板、2 炭化珪素ドリフト層、3 ベース領域、4 ソース領域、5,15,25,35 ゲート絶縁膜、5a,5c,35c SiN膜、5b La2O3膜、5L,13,25L,35L LaSiON膜、6 ゲート電極、7 ソース電極、8 ドレイン電極、14,35a SiO2膜、35b La膜。 1 substrate, 2 silicon carbide drift layer, 3 base region, 4 source region, 5, 15, 25, 35 gate insulating film, 5a, 5c, 35c SiN film, 5b La 2 O 3 film, 5L, 13, 25L, 35L LaSiON film, 6 gate electrode, 7 source electrode, 8 drain electrode, 14, 35a SiO 2 film, 35b La film.
Claims (11)
前記半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを備え、前記ゲート絶縁膜を介した前記ゲート電極下の前記半導体層の表面がチャネル領域となる絶縁ゲート型トランジスタが構成され、
前記ゲート絶縁膜は、前記チャネル領域との間に界面を形成するランタン酸窒化珪素膜を有することを特徴とする、
半導体装置。 A semiconductor layer composed of silicon carbide;
A gate insulating film formed on the semiconductor layer;
An insulated gate transistor comprising a gate electrode formed on the gate insulating film, wherein a surface of the semiconductor layer under the gate electrode via the gate insulating film serves as a channel region,
The gate insulating film has a lanthanum silicon oxynitride film that forms an interface with the channel region,
Semiconductor device.
前記ゲート絶縁膜は前記ランタン酸窒化珪素膜の単一構造である、
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The gate insulating film has a single structure of the lanthanum silicon oxynitride film,
Semiconductor device.
前記ゲート絶縁膜は、前記ランタン酸窒化珪素膜と珪素酸化膜との積層構造を含む、
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The gate insulating film includes a stacked structure of the lanthanum silicon oxynitride film and a silicon oxide film,
Semiconductor device.
前記ランタン酸窒化珪素膜の膜厚及び比誘電率をtLaSiON及びεLaSiONとし、前記珪素酸化膜の膜厚及び比誘電率をtSiO2及びεSiO2とし、前記ランタン酸窒化珪素膜と前記チャネル領域との界面のエネルギー障壁高さをΔEcとし、前記絶縁ゲート型トランジスタのオンからオフ時の前記半導体層の電位変化量及びゲート電圧変化量をΔVSIC及びΔVGとしたとき、前記ランタン酸窒化珪素膜及び前記珪素酸化膜の膜厚は、以下の式(1)を満足するように設定される、
The film thickness and relative dielectric constant of the lanthanum silicon oxynitride film are t LaSiON and ε LaSiON , the film thickness and relative dielectric constant of the silicon oxide film are t SiO2 and ε SiO2, and the silicon lanthanum oxynitride film and the channel region The silicon lanthanum oxynitride film when the energy barrier height at the interface with ΔEc is ΔEc and the potential change amount and gate voltage change amount of the semiconductor layer when the insulated gate transistor is turned on and off are ΔV SIC and ΔVG And the thickness of the silicon oxide film is set so as to satisfy the following formula (1):
(b)前記半導体層上にゲート絶縁膜を形成するステップと、
(c)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成するステップとを備え、前記ゲート絶縁膜を介した前記ゲート電極下の前記半導体層の表面がチャネル領域となる絶縁ゲート型トランジスタが構成され、
前記ステップ(b)は、
(b-1)前記半導体層上に珪素、窒素、酸素及びランタン成分を含む前処理積層構造を形成するステップと、
(b-2)前記前処理積層構造に対し熱処理を施し、前記チャネル領域との間に界面を形成するランタン酸窒化珪素膜を形成するステップとを含み、前記ゲート絶縁膜は前記ランタン酸窒化珪素膜を有する、
半導体装置の製造方法。 (a) forming a semiconductor layer composed of silicon carbide on one main surface of the semiconductor substrate;
(b) forming a gate insulating film on the semiconductor layer;
(c) forming a gate electrode on the gate insulating film, and an insulated gate transistor in which a surface of the semiconductor layer under the gate electrode via the gate insulating film serves as a channel region is configured,
Step (b)
(b-1) forming a pretreatment laminated structure containing silicon, nitrogen, oxygen and lanthanum components on the semiconductor layer;
(b-2) performing a heat treatment on the pre-processed laminated structure and forming a silicon lanthanum oxynitride film that forms an interface with the channel region, wherein the gate insulating film is the silicon lanthanum oxynitride Having a membrane,
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記ステップ(b-1)により形成される前記前処理積層構造は、珪素窒化膜及び酸化ランタン膜の積層構造を含む、
半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
The pretreatment laminated structure formed by the step (b-1) includes a laminated structure of a silicon nitride film and a lanthanum oxide film,
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記ステップ(b-1)により形成される前記前処理積層構造は、第1の珪素窒化膜、酸化ランタン膜及び第2の珪素窒化膜の順で積層される積層構造を含む、
半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
The pretreatment laminated structure formed by the step (b-1) includes a laminated structure in which a first silicon nitride film, a lanthanum oxide film, and a second silicon nitride film are laminated in this order.
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記ステップ(b-1)により形成される前記前処理積層構造は、珪素酸化膜、ランタン膜及び珪素窒化膜の積層構造を含む、
半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
The pretreatment laminated structure formed by the step (b-1) includes a laminated structure of a silicon oxide film, a lanthanum film, and a silicon nitride film.
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記ゲート絶縁膜は前記ランタン酸窒化珪素膜の単一構造である、
半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 5 to 8,
The gate insulating film has a single structure of the lanthanum silicon oxynitride film,
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記ステップ(b)は、
(b-3)前記ステップ(b-2)の後に実行され、前記ランタン酸窒化珪素膜上に珪素酸化膜を形成するステップをさらに含み、
前記ゲート絶縁膜は前記ランタン酸窒化珪素膜及び前記珪素酸化膜の積層構造を含む、
半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 5 to 8,
Step (b)
(b-3) further comprising the step of forming a silicon oxide film on the lanthanum oxynitride film, which is executed after the step (b-2),
The gate insulating film includes a laminated structure of the silicon lanthanum oxynitride film and the silicon oxide film,
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記ランタン酸窒化珪素膜の膜厚及び比誘電率をtLaSiON及びεLaSiONとし、前記珪素酸化膜の膜厚及び比誘電率をtSiO2及びεSiO2とし、前記ランタン酸窒化珪素膜と前記チャネル領域との界面のエネルギー障壁高さをΔEcとし、前記絶縁ゲート型トランジスタのオンからオフ時の前記半導体層の電位変化量及びゲート電圧変化量をΔVSIC及びΔVGとしたとき、前記ランタン酸窒化珪素膜及び前記珪素酸化膜の膜厚は、以下の式(1)を満足するように前記ステップ(b)が実行される、
The film thickness and relative dielectric constant of the lanthanum silicon oxynitride film are t LaSiON and ε LaSiON , the film thickness and relative dielectric constant of the silicon oxide film are t SiO2 and ε SiO2, and the silicon lanthanum oxynitride film and the channel region The silicon lanthanum oxynitride film when the energy barrier height at the interface with ΔEc is ΔEc and the potential change amount and gate voltage change amount of the semiconductor layer when the insulated gate transistor is turned on and off are ΔV SIC and ΔVG And the step (b) is performed so that the thickness of the silicon oxide film satisfies the following formula (1):
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