JP2016181672A - Semiconductor device, semiconductor device manufacturing method, inverter circuit, driving device, vehicle and lift - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device in which an interface state on a SiC surface is reduced.SOLUTION: A semiconductor device of an embodiment comprises: a SiC layer having a first surface; an insulation layer; and a region between the first surface of the SiC layer and the insulation, which contains at least one element of a group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium) and Ba (barium), and a full width at half maximum of a concentration peak of the element is 1 nm or less, and when assuming that a surface density on the first surface of Si (silicon) and C (carbon) which have a bond not to be coupled with Si (silicon) or C (carbon) in the SiC layer is defined as a first surface density, a second surface density which is a surface density of the element is equal to or less than half the first surface density.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、導体装置、半導体装置の製造方法、インバータ回路、駆動装置、車両、及び、昇降機に関する。   Embodiments described herein relate generally to a conductor device, a method for manufacturing a semiconductor device, an inverter circuit, a drive device, a vehicle, and an elevator.

次世代の半導体デバイス用の材料としてSiC(炭化珪素)が期待されている。SiCはSi(シリコン)と比較して、バンドギャップが3倍、破壊電界強度が約10倍、熱伝導率が約3倍と優れた物性を有する。この特性を活用すれば低損失かつ高温動作可能な半導体デバイスを実現することができる。   SiC (silicon carbide) is expected as a material for next-generation semiconductor devices. Compared with Si (silicon), SiC has excellent physical properties such as a band gap of 3 times, a breakdown electric field strength of about 10 times, and a thermal conductivity of about 3 times. By utilizing this characteristic, it is possible to realize a semiconductor device capable of operating at high temperature with low loss.

しかし、例えば、SiCを用いてMIS(Metal Insulator Semiconductor)構造を形成する場合、半導体と絶縁層との間に存在する界面準位の密度がSiと比較して大きくなる。このため、電荷の移動度が低下し、MISFET(Meatl Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のオン抵抗が高くなるという問題がある。   However, for example, when a MIS (Metal Insulator Semiconductor) structure is formed using SiC, the density of interface states existing between the semiconductor and the insulating layer is larger than that of Si. For this reason, there is a problem that the mobility of charges is lowered, and the on-resistance of MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) and IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is increased.

また、例えば、SiC上に金属電極を設けてSBD(Schottky Barrier Diode)を製造する場合、SiCと金属電極との間に存在する界面準位によりフェルミレベルのピン止めが生じる。このため、SBDとして所望の特性が実現できないという問題がある。   Further, for example, when an SBD (Schottky Barrier Diode) is manufactured by providing a metal electrode on SiC, Fermi level pinning occurs due to an interface state existing between SiC and the metal electrode. For this reason, there exists a problem that a desired characteristic cannot be implement | achieved as SBD.

特表2014−523131号公報Special table 2014-523131 gazette

本発明が解決しようとする課題は、SiC表面の界面準位が低減された半導体装置、半導体装置の製造方法、インバータ回路、駆動装置、車両、及び、昇降機を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor device, a semiconductor device manufacturing method, an inverter circuit, a driving device, a vehicle, and an elevator in which the interface state on the SiC surface is reduced.

実施形態の半導体装置は、第1の面を備えるSiC層と、絶縁層と、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群の少なくとも一つの元素を含有し、前記元素の濃度のピークの半値全幅が1nm以下であり、前記第1の面において前記SiC層中のSi(シリコン)又はC(炭素)いずれとも結合しないボンドを有するSi(シリコン)及びC(炭素)の面密度を第1の面密度とした場合に、前記元素の面密度である第2の面密度が前記第1の面密度の1/2以下である、前記SiC層の前記第1の面と前記絶縁層との間の領域と、を備える。   The semiconductor device according to the embodiment includes at least one member selected from the group consisting of a SiC layer having a first surface, an insulating layer, Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium). Si having a bond that contains two elements, the full width at half maximum of the concentration peak of the element is 1 nm or less, and does not bond to either Si (silicon) or C (carbon) in the SiC layer on the first surface. When the surface density of silicon and C (carbon) is the first surface density, the second surface density, which is the surface density of the element, is less than or equal to ½ of the first surface density. A region between the first surface of the layer and the insulating layer.

第1の実施形態の半導体装置を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to a first embodiment. 第1の実施形態のSiC半導体の結晶構造を示す図である。It is a figure which shows the crystal structure of the SiC semiconductor of 1st Embodiment. 第4の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。In the manufacturing method of the semiconductor device of a 4th embodiment, it is a schematic cross section showing a semiconductor device in the middle of manufacture. 第4の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。In the manufacturing method of the semiconductor device of a 4th embodiment, it is a schematic cross section showing a semiconductor device in the middle of manufacture. 第4の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。In the manufacturing method of the semiconductor device of a 4th embodiment, it is a schematic cross section showing a semiconductor device in the middle of manufacture. 第4の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。In the manufacturing method of the semiconductor device of a 4th embodiment, it is a schematic cross section showing a semiconductor device in the middle of manufacture. 第4の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。In the manufacturing method of the semiconductor device of a 4th embodiment, it is a schematic cross section showing a semiconductor device in the middle of manufacture. 第4の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。In the manufacturing method of the semiconductor device of a 4th embodiment, it is a schematic cross section showing a semiconductor device in the middle of manufacture. 第5の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。In the manufacturing method of the semiconductor device of a 5th embodiment, it is a schematic cross section showing a semiconductor device in the middle of manufacture. 第5の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。In the manufacturing method of the semiconductor device of a 5th embodiment, it is a schematic cross section showing a semiconductor device in the middle of manufacture. 第5の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。In the manufacturing method of the semiconductor device of a 5th embodiment, it is a schematic cross section showing a semiconductor device in the middle of manufacture. 第6の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。In the manufacturing method of the semiconductor device of a 6th embodiment, it is a schematic cross section showing a semiconductor device in the middle of manufacture. 第6の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。In the manufacturing method of the semiconductor device of a 6th embodiment, it is a schematic cross section showing a semiconductor device in the middle of manufacture. 第7の実施形態の半導体装置を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor device of 7th Embodiment. 第8の実施形態の半導体装置を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor device of 8th Embodiment. 第9の実施形態の半導体装置を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor device of 9th Embodiment. 第10の実施形態の半導体装置を示す模式断面図である。It is a schematic cross section showing a semiconductor device of a 10th embodiment. 第11の実施形態の半導体装置を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor device of 11th Embodiment. 第12の実施形態の半導体装置を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor device of 12th Embodiment. 第13の実施形態の半導体装置を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor device of 13th Embodiment. 第13の実施形態の変形例の半導体装置を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor device of the modification of 13th Embodiment. 第14の実施形態の半導体装置を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor device of 14th Embodiment. 第14の実施形態の変形例の半導体装置を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor device of the modification of 14th Embodiment. 第15の実施形態の半導体装置を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the semiconductor device of 15th Embodiment. 第16の実施形態の駆動装置の模式図である。It is a schematic diagram of the drive device of 16th Embodiment. 第17の実施形態の車両の模式図である。It is a schematic diagram of the vehicle of 17th Embodiment. 第18の実施形態の車両の模式図である。It is a schematic diagram of the vehicle of 18th Embodiment. 第19の実施形態の昇降機の模式図である。It is a schematic diagram of the elevator of 19th Embodiment.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same members and the like are denoted by the same reference numerals, and the description of the members and the like once described is omitted as appropriate.

また、以下の説明において、n、n、n及び、p、p、pの表記は、各導電型における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわちnはnよりもn型の不純物濃度が相対的に高く、nはnよりもn型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、pはpよりもp型の不純物濃度が相対的に高く、pはpよりもp型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。なお、n型、n型を単にn型、p型、p型を単にp型と記載する場合もある。 In the following description, the notations n + , n, n and p + , p, p represent the relative level of impurity concentration in each conductivity type. That is, n + indicates that the n-type impurity concentration is relatively higher than n, and n indicates that the n-type impurity concentration is relatively lower than n. Further, p + indicates that the p-type impurity concentration is relatively higher than p, and p indicates that the p-type impurity concentration is relatively lower than p. In some cases, n + type and n type are simply referred to as n type, p + type and p type as simply p type.

(第1の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第1の面を備えるSiC層と、絶縁層と、SiC層の第1の面と絶縁層との間に設けられ、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素を含有し、上記元素の濃度のピークの半値全幅が1nm以下であり、第1の面においてSi(シリコン)又はC(炭素)いずれとも結合しないSi(シリコン)及びC(炭素)の面密度を第1の面密度とした場合に、上記元素の面密度である第2の面密度が第1の面密度の1/2以下である領域と、を備える。
(First embodiment)
The semiconductor device of the present embodiment is provided between a SiC layer having a first surface, an insulating layer, and the first surface of the SiC layer and the insulating layer, and includes Be (beryllium), Mg (magnesium), and Ca. (Calcium), Sr (strontium), Ba (barium) at least one element selected from the group, the full width at half maximum of the concentration peak of the element is 1 nm or less, Si (silicon) in the first surface Alternatively, when the surface density of Si (silicon) and C (carbon) not bonded to any of C (carbon) is the first surface density, the second surface density that is the surface density of the element is the first surface density. And a region that is less than or equal to ½ of.

以下、便宜上、上記領域を界面領域と称する。また、便宜上、界面領域に含有される上記元素を終端元素と称する。   Hereinafter, for convenience, the region is referred to as an interface region. For convenience, the element contained in the interface region is referred to as a termination element.

図1は、本実施形態の半導体装置であるMISFETの構成を示す模式断面図である。このMISFET100は、pウェルとソース領域をイオン注入で形成する、Double Implantation MOSFET(DIMOSFET)である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a MISFET that is a semiconductor device of the present embodiment. The MISFET 100 is a Double Implantation MOSFET (DIMOSFET) in which a p-well and a source region are formed by ion implantation.

このMISFET100は、n型のSiC基板12を備えている。本明細書ではSiC基板12等の面に対し、図1における上側の面を表面、下側の面を裏面と称する。 The MISFET 100 includes an n + type SiC substrate 12. In this specification, the upper surface in FIG. 1 is referred to as the front surface, and the lower surface in FIG.

SiC基板12は、例えば、不純物濃度1×1018cm−3以上1×1020cm−3以下の、例えばN(窒素)をn型不純物として含む4H−SiCのSiC基板である。 The SiC substrate 12 is, for example, a 4H—SiC SiC substrate having an impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 and containing, for example, N (nitrogen) as an n-type impurity.

図2は、SiC半導体の結晶構造を示す図である。SiC半導体の代表的な結晶構造は、4H−SiCのような六方晶系である。六角柱の軸方向に沿うc軸を法線とする面(六角柱の頂面)の一方が(0001)面である。(0001)面と等価な面を、シリコン面と称し{0001}面と表記する。シリコン面にはSi(シリコン)が配列している。   FIG. 2 is a diagram showing a crystal structure of the SiC semiconductor. A typical crystal structure of the SiC semiconductor is a hexagonal system such as 4H—SiC. One of the surfaces (the top surface of the hexagonal column) whose normal is the c-axis along the axial direction of the hexagonal column is the (0001) surface. A plane equivalent to the (0001) plane is referred to as a silicon plane and expressed as a {0001} plane. Si (silicon) is arranged on the silicon surface.

六角柱の軸方向に沿うc軸を法線とする面(六角柱の頂面)の他方が(000−1)面である。(000−1)面と等価な面を、カーボン面と称し{000−1}面と表記する。カーボン面にはC(炭素)が配列している   The other side of the surface (the top surface of the hexagonal column) having the c-axis along the axial direction of the hexagonal column as a normal is the (000-1) plane. A plane equivalent to the (000-1) plane is referred to as a carbon plane and expressed as a {000-1} plane. C (carbon) is arranged on the carbon surface

一方、六角柱の側面(柱面)が、(1−100)面と等価な面であるm面、すなわち{1−100}面である。また、隣り合わない一対の稜線を通る面が(11−20)面と等価な面であるa面、すなわち{11−20}面である。m面及びa面には、Si(シリコン)及びC(炭素)の双方が配列している。   On the other hand, the side surface (column surface) of the hexagonal column is an m-plane that is a plane equivalent to the (1-100) plane, that is, the {1-100} plane. A plane passing through a pair of ridge lines that are not adjacent to each other is an a plane that is equivalent to the (11-20) plane, that is, a {11-20} plane. Both Si (silicon) and C (carbon) are arranged on the m-plane and the a-plane.

以下、SiC基板12の表面がシリコン面に対し0度以上30度以下傾斜した面、裏面がカーボン面に対し0度以上30度以下傾斜した面である場合を例に説明する。   Hereinafter, the case where the surface of SiC substrate 12 is a surface inclined by 0 ° or more and 30 ° or less with respect to the silicon surface and the back surface is a surface inclined by 0 ° or more and 30 ° or less with respect to the carbon surface will be described as an example.

SiC基板12の表面上には、例えば、n型不純物の不純物濃度5×1015以上2×1016cm−3以下のn型のドリフト層(SiC層)14が形成されている。ドリフト層14は、例えば、SiC基板12上にエピタキシャル成長により形成されたSiCのエピタキシャル成長層である。 On the surface of the SiC substrate 12, for example, an n type drift layer (SiC layer) 14 having an n type impurity concentration of 5 × 10 15 to 2 × 10 16 cm −3 is formed. The drift layer 14 is, for example, a SiC epitaxial growth layer formed on the SiC substrate 12 by epitaxial growth.

ドリフト層14の表面(第1の面)も、シリコン面に対し0度以上30度以下傾斜した面である。ドリフト層14の膜厚は、例えば、5μm以上100μm以下である。   The surface (first surface) of the drift layer 14 is also a surface inclined at 0 ° or more and 30 ° or less with respect to the silicon surface. The thickness of the drift layer 14 is, for example, not less than 5 μm and not more than 100 μm.

ドリフト層14の一部表面には、例えば、p型不純物の不純物濃度5×1015cm−3以上1×1017cm−3以下のp型のpウェル領域(SiC層)16が形成されている。pウェル領域16の深さは、例えば0.6μm程度である。pウェル領域16は、MISFET100のチャネル領域として機能する。 For example, a p-type p-well region (SiC layer) 16 having a p-type impurity impurity concentration of 5 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less is formed on a partial surface of the drift layer 14. Yes. The depth of the p well region 16 is, for example, about 0.6 μm. The p well region 16 functions as a channel region of the MISFET 100.

pウェル領域16の一部表面には、例えばn型不純物の不純物濃度1×1018cm−3以上1×1022cm−3cm−3以下のn型のソース領域18が形成されている。ソース領域18の深さは、pウェル領域16の深さよりも浅く、例えば0.3μm程度である。 An n + -type source region 18 having an n-type impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and 1 × 10 22 cm −3 cm −3 or less, for example, is formed on a partial surface of the p-well region 16. . The depth of the source region 18 is shallower than the depth of the p-well region 16 and is, for example, about 0.3 μm.

また、pウェル領域16の一部表面であって、ソース領域18の側方に、例えば、p型不純物の不純物濃度1×1018cm−3以上1×1022cm−3以下のp型のpウェルコンタクト領域20が形成されている。pウェルコンタクト領域20の深さは、pウェル領域16の深さよりも浅く、例えば0.3μm程度である。 Further, on the surface of a part of the p-well region 16 and on the side of the source region 18, for example, a p + -type impurity having a p-type impurity impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 22 cm −3. P well contact region 20 is formed. The depth of the p well contact region 20 is shallower than the depth of the p well region 16 and is, for example, about 0.3 μm.

ドリフト層14及びpウェル領域16の表面(第1の面)に連続的に、これらの層及び領域を跨ぐように形成されたゲート絶縁層(絶縁層)28を有している。ゲート絶縁層28には、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、又は、high−k絶縁膜が適用可能である。ゲート絶縁層28のリーク電流を抑制する観点からは、high−k絶縁膜と比較して、バンドギャップの大きいシリコン酸化膜を適用することが望ましい。   A gate insulating layer (insulating layer) 28 is formed on the surface (first surface) of the drift layer 14 and the p-well region 16 so as to straddle these layers and regions. For the gate insulating layer 28, for example, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, or a high-k insulating film can be applied. From the viewpoint of suppressing the leakage current of the gate insulating layer 28, it is desirable to apply a silicon oxide film having a larger band gap as compared with the high-k insulating film.

また、ゲート絶縁層28中にC(炭素)が過剰に存在すると、デバイス特性に悪影響を与えるトラップ準位の密度が増加する恐れがある。したがって、ゲート絶縁層28中のC(炭素)の濃度が1×1018cm−3以下であることが望ましい。 Further, if C (carbon) is excessively present in the gate insulating layer 28, the density of trap levels that adversely affect device characteristics may increase. Therefore, it is desirable that the concentration of C (carbon) in the gate insulating layer 28 is 1 × 10 18 cm −3 or less.

そして、ゲート絶縁層28上には、ゲート電極30が形成されている。ゲート電極30には、例えば、ドーピングされたポリシリコン等が適用可能である。ゲート電極30上には、例えば、シリコン酸化膜で形成される層間絶縁膜32が形成されている。   A gate electrode 30 is formed on the gate insulating layer 28. For example, doped polysilicon or the like can be applied to the gate electrode 30. On the gate electrode 30, an interlayer insulating film 32 made of, for example, a silicon oxide film is formed.

ゲート電極30下の、ソース領域18とドリフト層14とに挟まれるpウェル領域16がMISFET100のチャネル領域として機能する。   A p-well region 16 sandwiched between the source region 18 and the drift layer 14 under the gate electrode 30 functions as a channel region of the MISFET 100.

ゲート絶縁層28は、ゲート電極30とドリフト層14との間に設けられる。そして、ドリフト層14とゲート絶縁層28との間には、界面領域40が設けられる。   The gate insulating layer 28 is provided between the gate electrode 30 and the drift layer 14. An interface region 40 is provided between the drift layer 14 and the gate insulating layer 28.

界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

終端元素は、ドリフト層14とゲート絶縁層28との間の界面に偏析している。終端元素の濃度のピークの半値全幅は1nm以下である。濃度のピークの半値全幅は0.5nm以下であることが望ましく、0.2nm未満であることがより望ましい。   The termination element is segregated at the interface between the drift layer 14 and the gate insulating layer 28. The full width at half maximum of the concentration peak of the terminal element is 1 nm or less. The full width at half maximum of the concentration peak is desirably 0.5 nm or less, and more desirably less than 0.2 nm.

界面領域40は、単原子層(monoatomic layer)であることが望ましい。   The interface region 40 is preferably a monoatomic layer.

ドリフト層(SiC層)14の表面(第1の面)においてSi(シリコン)又はC(炭素)いずれとも結合しないSi(シリコン)及びC(炭素)の面密度を第1の面密度と定義する。また、終端元素の面密度を第2の面密度とする。第2の面密度は第1の面密度の1/2以下である。   The surface density of Si (silicon) and C (carbon) that does not bond to either Si (silicon) or C (carbon) on the surface (first surface) of the drift layer (SiC layer) 14 is defined as the first surface density. . Further, the surface density of the termination element is set to the second surface density. The second surface density is ½ or less of the first surface density.

第2の面密度が第1の面密度の1/120以下であることが望ましい。また、第2の面密度が第1の面密度の1/12000以上であることが望ましい。   It is desirable that the second surface density is 1/120 or less of the first surface density. Further, it is desirable that the second surface density is 1/12000 or more of the first surface density.

界面領域40における終端元素の濃度のピークは、5×1018cm−3以上であることが望ましい。また、1×1019cm−3以上であることがより望ましい。 The peak of the concentration of the termination element in the interface region 40 is desirably 5 × 10 18 cm −3 or more. Moreover, it is more desirable that it is 1 × 10 19 cm −3 or more.

ゲート絶縁層(絶縁層)28中の終端元素の濃度は、1×1018cm−3以下であることが望ましい。絶縁層中の終端元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各終端元素の検出限界以下(およそ1×1017cm−3以下)であることがより好ましい。ゲート絶縁層28中の終端元素の濃度は、例えば、界面領域40における終端元素の濃度のピークから1nm以上離れた位置の濃度とする。 The concentration of the termination element in the gate insulating layer (insulating layer) 28 is desirably 1 × 10 18 cm −3 or less. Although the concentration of the termination element in the insulating layer can be confirmed by SIMS, it is more preferably below the detection limit of each termination element (approximately 1 × 10 17 cm −3 or less). The concentration of the termination element in the gate insulating layer 28 is, for example, a concentration at a position away from the peak of the termination element concentration in the interface region 40 by 1 nm or more.

MISFET100は、ソース領域18とpウェルコンタクト領域20とに電気的に接続される導電性のソース電極34を備えている。ソース電極34は、pウェル領域16に電位を与えるpウェル電極としても機能する。   The MISFET 100 includes a conductive source electrode 34 that is electrically connected to the source region 18 and the p-well contact region 20. The source electrode 34 also functions as a p-well electrode that applies a potential to the p-well region 16.

ソース電極34は、例えば、Ni(ニッケル)のバリアメタル層と、バリアメタル層上のAl(アルミニウム)のメタル層との積層で構成される。Niのバリアメタル層とAlのメタル層とは反応により合金を形成していてもよい。   The source electrode 34 is constituted by, for example, a laminate of a Ni (nickel) barrier metal layer and an Al (aluminum) metal layer on the barrier metal layer. The Ni barrier metal layer and the Al metal layer may form an alloy by reaction.

また、SiC基板12のドリフト層14と反対側、すなわち、裏面側には、導電性のドレイン電極36が形成されている。ドレイン電極36は、例えば、Ni(ニッケル)である。   In addition, a conductive drain electrode 36 is formed on the side opposite to the drift layer 14 of the SiC substrate 12, that is, on the back surface side. The drain electrode 36 is, for example, Ni (nickel).

なお、本実施形態において、n型不純物は例えば、N(窒素)やP(リン)が好ましいが、As(ヒ素)あるいはSb(アンチモン)等を適用することも可能である。また、p型不純物は例えば、Al(アルミニウム)が好ましいが、B(ボロン)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)等を適用することも可能である。   In this embodiment, the n-type impurity is preferably N (nitrogen) or P (phosphorus), for example, but As (arsenic) or Sb (antimony) can also be applied. For example, Al (aluminum) is preferable as the p-type impurity, but B (boron), Ga (gallium), In (indium), or the like can also be applied.

以下、本実施形態の半導体装置の作用及び効果について説明する。   Hereinafter, the operation and effect of the semiconductor device of this embodiment will be described.

SiCのMIS構造において、高い移動度が実現できない原因の一つは、界面のSi(シリコン)やC(炭素)のダングリングボンドが終端されず、界面準位を形成することにあると考えられる。発明者らによる第一原理計算による検討の結果、アルカリ土類金属であるBe(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる元素(終端元素)により、安定してSiC層表面のダングリングボンドを終端できることが明らかになった。   One of the reasons why high mobility cannot be realized in the SiC MIS structure is considered to be that interface Si (silicon) or C (carbon) dangling bonds are not terminated and interface states are formed. . As a result of the first-principles calculation by the inventors, an element selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium), which are alkaline earth metals ( It was revealed that the dangling bonds on the surface of the SiC layer can be stably terminated by the termination element.

より具体的には、例えば、SiC層とシリコン酸化膜との積層構造中に、上記元素が存在する場合、上記元素がSiC層中やシリコン酸化膜中に存在するよりも、上記元素がSiC層の表面のSi(シリコン)又はC(炭素)と電子の交換作用を伴ってSiC層表面に結合する方がエネルギー的に安定であることが判明した。1個の上記元素は、2価であるため、SiC層表面で近接する2個のSi又はCとの間で電子の交換を行うことでSiC層表面に結合する。しかし、SiC層とシリコン酸化膜との積層界面のみに終端元素が偏析した構造を作りこむには、後に記すようなプロセスの工夫が必要である。   More specifically, for example, when the element is present in a laminated structure of an SiC layer and a silicon oxide film, the element is present in the SiC layer rather than being present in the SiC layer or the silicon oxide film. It has been found that it is more energetically stable to bond to the surface of the SiC layer with the exchange of electrons with Si (silicon) or C (carbon) on the surface. Since one of the above elements is divalent, it is bonded to the SiC layer surface by exchanging electrons with two Si or C adjacent on the SiC layer surface. However, in order to create a structure in which the termination element is segregated only at the laminated interface between the SiC layer and the silicon oxide film, it is necessary to devise processes as described later.

上記元素とSi又はCとの間の結合状態は、XPS(X−ray Photoelectron Spectroscopy)測定などにより確認することが可能である。   The bonding state between the element and Si or C can be confirmed by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) measurement or the like.

本実施形態では、SiC層の表面を、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素で終端する。したがって、MIS構造の界面の界面準位が低減され、チャネル部で高い移動度が得られる。よって、オン抵抗が低いMISFETが実現できる。   In the present embodiment, the surface of the SiC layer is terminated with at least one element selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium). Accordingly, the interface state at the interface of the MIS structure is reduced, and high mobility can be obtained in the channel portion. Therefore, a MISFET having a low on-resistance can be realized.

図3は、本実施形態の半導体装置のバンド図の一例を示す図である。SiC半導体のシリコン面をSr(ストロンチウム)で終端させた場合のバンド図を第一原理計算で求めている。   FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a band diagram of the semiconductor device of the present embodiment. A band diagram when the silicon surface of the SiC semiconductor is terminated with Sr (strontium) is obtained by the first principle calculation.

図3に示すように、SrがSiと結合することにより、Siのダングリングボンドが終端され、価電子帯と伝導帯との間のミッドギャップ中のダングリングボンドに起因する界面準位が無くなる。そして、バンドギャップエネルギーは、バルク4H−SiCのバンドギャップエネルギーを回復している。   As shown in FIG. 3, when Sr is bonded to Si, the dangling bond of Si is terminated, and the interface state caused by the dangling bond in the mid gap between the valence band and the conduction band is eliminated. . And the band gap energy has recovered the band gap energy of bulk 4H-SiC.

また、第一原理計算によれば、本実施形態の終端元素は、例えば、ダングリングボンドを終端することが知られるH(水素)やN(窒素)よりも、エネルギー的に安定な終端構造が形成できることが判明している。したがって、例えば、製造中に高温工程を経ても、終端元素の乖離によるダングリングボンドの発生が生じにくい。   Further, according to the first principle calculation, the termination element of this embodiment has a termination structure that is more stable in terms of energy than, for example, H (hydrogen) or N (nitrogen), which are known to terminate dangling bonds. It has been found that it can be formed. Therefore, for example, even if a high-temperature process is performed during manufacturing, generation of dangling bonds due to the dissociation of the termination element is unlikely to occur.

SiC層表面を酸化する場合、酸素がSiのバックボンドにアタックすることにより、SiCと酸化膜との界面のラフネスが生じ、ゲート絶縁層の信頼性が低下する恐れがある。また、酸化中にC(炭素)が酸化膜中に拡散し、リーク電流の増大、信頼性の低下が生じる恐れがある。また、酸化中にSiC層にC(炭素)の空孔が生じてトラップ準位を形成し、MISFETの移動度が低下する恐れがある。   When oxidizing the surface of the SiC layer, oxygen attacks the Si back bond, resulting in roughness of the interface between the SiC and the oxide film, which may reduce the reliability of the gate insulating layer. Further, C (carbon) may diffuse into the oxide film during oxidation, which may increase leakage current and decrease reliability. In addition, C (carbon) vacancies are generated in the SiC layer during oxidation to form trap levels, which may reduce the mobility of the MISFET.

本実施形態によれば、上記の終端元素により、SiC層の最表面が終端され、安定した界面領域40が形成される。安定な界面領域40が存在すると、酸化性雰囲気に晒されても、SiC層の更なる酸化が抑制される。したがって、界面のラフネスや、C(炭素)の酸化膜中への拡散が抑制される。よって、ゲート絶縁層のリーク電流の増大や信頼性の低下が抑制される。また、C(炭素)の空孔の形成も抑制され、MISFETの移動度の低下も抑制される。   According to the present embodiment, the outermost surface of the SiC layer is terminated by the above termination element, and the stable interface region 40 is formed. When the stable interface region 40 exists, further oxidation of the SiC layer is suppressed even when exposed to an oxidizing atmosphere. Therefore, the roughness of the interface and the diffusion of C (carbon) into the oxide film are suppressed. Therefore, an increase in leakage current of the gate insulating layer and a decrease in reliability are suppressed. Further, the formation of C (carbon) vacancies is also suppressed, and the decrease in mobility of the MISFET is also suppressed.

一方、SiC層の表面に結合しない余剰の終端元素が存在すると、その終端元素は絶縁層中に拡散することになる。例えば、絶縁層がシリコン酸化膜である場合、シリコン酸化膜中に終端元素のシリケートや酸化物が形成される。絶縁層中の終端元素のシリケートや終端元素の酸化物は、バンドオフセットが小さいため、トラップ準位を形成し、絶縁層の信頼性を低下させる恐れがある。   On the other hand, if there is an excessive termination element that does not bond to the surface of the SiC layer, the termination element diffuses into the insulating layer. For example, when the insulating layer is a silicon oxide film, a silicate or oxide of a termination element is formed in the silicon oxide film. Since the silicate of the termination element and the oxide of the termination element in the insulating layer have a small band offset, a trap level may be formed and the reliability of the insulating layer may be reduced.

したがって、終端元素が、SiC層と絶縁層との界面でSiC層と結合する量以上に存在することは、デバイス特性を劣化させるため望ましくない。   Therefore, it is not desirable that the termination element is present in an amount larger than the amount bonded to the SiC layer at the interface between the SiC layer and the insulating layer because the device characteristics are deteriorated.

上述のように本実施形態の終端元素は、2個のSi又はCとの間で電子の交換を行うことでSiC層表面に結合する。このため、SiC層の表面において、終端元素は、ダングリングボンドを備えうるSi又はCの数の半分より多くは結合できない。   As described above, the termination element of the present embodiment is bonded to the surface of the SiC layer by exchanging electrons between two Si or C. For this reason, on the surface of the SiC layer, the termination element cannot bond more than half of the number of Si or C that can be provided with dangling bonds.

したがって、余剰の終端元素が存在しないようにする観点から、終端元素の第2の面密度は第1の面密度の1/2以下であることが望ましい。言い換えれば、終端元素の第2の面密度は第1の面密度の1/2よりも大きくないことが望ましい。ここで、第1の面密度は、SiC層の表面(第1の面)においてSi(シリコン)又はC(炭素)いずれとも結合しないSi(シリコン)及びC(炭素)の面密度である。言い換えれば、SiC層の表面(第1の面)において、ダングリングボンドを備えうるSi又はCの面密度である。   Therefore, it is desirable that the second surface density of the termination element is ½ or less of the first surface density from the viewpoint of preventing an excessive termination element from being present. In other words, it is desirable that the second surface density of the termination element is not greater than ½ of the first surface density. Here, the first surface density is the surface density of Si (silicon) and C (carbon) that do not bond to either Si (silicon) or C (carbon) on the surface (first surface) of the SiC layer. In other words, it is the surface density of Si or C that can have dangling bonds on the surface (first surface) of the SiC layer.

例えば、ドリフト層14の表面(第1の面)がシリコン面である場合を考える。シリコン面の表面に現れるSi(シリコン)又はC(炭素)の面密度は、2.4×1015cm−2である。シリコン面では、表面のC(炭素)は、すべてSi(シリコン)と結合している。したがって、シリコン面の場合は、SiのみがSi又はCのいずれとも結合しないので、第1の面密度は半分の1.2×1015cm−2となる。したがって、第2の面密度は、0.6×1015cm−2以下、すなわち、6×1014cm−2以下であることが望ましい。 For example, consider a case where the surface (first surface) of the drift layer 14 is a silicon surface. The surface density of Si (silicon) or C (carbon) appearing on the surface of the silicon surface is 2.4 × 10 15 cm −2 . On the silicon surface, C (carbon) on the surface is all bonded to Si (silicon). Therefore, in the case of the silicon surface, since only Si does not bond to either Si or C, the first surface density is halved to 1.2 × 10 15 cm −2 . Therefore, it is desirable that the second surface density is 0.6 × 10 15 cm −2 or less, that is, 6 × 10 14 cm −2 or less.

仮に、界面領域の厚さを0.2nmとすると、6×1014cm−2の面密度は、体積密度で3×1022cm−3に相当する。したがって、上記終端元素のピークの濃度は、3×1022cm−3以下であることが望ましい。 If the thickness of the interface region is 0.2 nm, the surface density of 6 × 10 14 cm −2 corresponds to 3 × 10 22 cm −3 in volume density. Therefore, the peak concentration of the termination element is desirably 3 × 10 22 cm −3 or less.

SiC層表面の界面準位密度は1×1014cm−2程度以下である。この場合、1個の上記終端元素が1個の界面準位を終端させるとすると、終端元素の上限は1×1014cm−2となる。これは、シリコン面の第1の面密度である1.2×1015cm−2の1/12である。よって、第2の面密度が第1の面密度の1/12以下であることが望ましい。また、第2の面密度が1×1014cm−2以下であることが望ましい。 The interface state density on the surface of the SiC layer is about 1 × 10 14 cm −2 or less. In this case, if one terminal element terminates one interface state, the upper limit of the terminal element is 1 × 10 14 cm −2 . This is 1/12 of 1.2 × 10 15 cm −2 that is the first surface density of the silicon surface. Therefore, it is desirable that the second surface density is 1/12 or less of the first surface density. Moreover, it is desirable that the second surface density is 1 × 10 14 cm −2 or less.

仮に、界面領域の厚さを0.2nmとすると、1×1014cm−2の面密度は、体積密度で5×1021cm−3に相当する。したがって、上記終端元素のピークの濃度は、5×1021cm−3以下であることが望ましい。 If the thickness of the interface region is 0.2 nm, the surface density of 1 × 10 14 cm −2 corresponds to 5 × 10 21 cm −3 in volume density. Therefore, the peak concentration of the termination element is preferably 5 × 10 21 cm −3 or less.

一般に、SiC層表面の界面準位密度は1×1013cm−2程度とされている。この場合、1個の上記終端元素が1個の界面準位を終端させるとすると、終端元素の上限は1×1013cm−2となる。これは、シリコン面の第1の面密度である1.2×1015cm−2の1/120である。よって、第2の面密度が第1の面密度の1/120以下であることが望ましい。また、第2の面密度が1×1013cm−2以下であることが望ましい。 In general, the interface state density on the surface of the SiC layer is about 1 × 10 13 cm −2 . In this case, if one terminal element terminates one interface state, the upper limit of the terminal element is 1 × 10 13 cm −2 . This is 1/120 of 1.2 × 10 15 cm −2 which is the first surface density of the silicon surface. Therefore, it is desirable that the second surface density is 1/120 or less of the first surface density. Moreover, it is desirable that the second surface density is 1 × 10 13 cm −2 or less.

仮に、界面領域の厚さを0.2nmとすると、1×1013cm−2の面密度は、体積密度で5×1020cm−3に相当する。したがって、上記終端元素のピークの濃度は、5×1020cm−3以下であることが望ましい。 If the thickness of the interface region is 0.2 nm, the surface density of 1 × 10 13 cm −2 corresponds to 5 × 10 20 cm −3 in volume density. Therefore, the peak concentration of the termination element is desirably 5 × 10 20 cm −3 or less.

また、上記元素による終端効果を実現するためには、少なくとも存在すると考えられる界面準位の10個に1個は上記終端元素で終端させることが出来れば十分な効果がある。したがって、第2の面密度が第1の面密度の1/1200以上であることが望ましい。また、第2の面密度が1×1012cm−2以上であることが望ましい。 Further, in order to realize the termination effect by the above elements, it is sufficient that at least one of ten interface states considered to be present can be terminated by the above termination element. Therefore, it is desirable that the second surface density is 1/1200 or more of the first surface density. Further, it is desirable that the second surface density is 1 × 10 12 cm −2 or more.

仮に、界面領域の厚さを0.2nmとすると、1×1012cm−2の面密度は、体積密度で5×1019cm−3に相当する。したがって、上記終端元素のピークの濃度は、5×1019cm−3以上であることが望ましい。 If the thickness of the interface region is 0.2 nm, the surface density of 1 × 10 12 cm −2 corresponds to 5 × 10 19 cm −3 in volume density. Therefore, the peak concentration of the termination element is desirably 5 × 10 19 cm −3 or more.

また、上記元素による終端効果を実現するためには、少なくとも存在すると考えられる界面準位の100個に1個は上記終端元素で終端させることが望ましい。したがって、第2の面密度が第1の面密度の1/12000以上であることが望ましい。また、第2の面密度が1×1011cm−2以上であることが望ましい。 Further, in order to realize the termination effect by the above elements, it is desirable that at least one of 100 interface states considered to be present be terminated by the above termination element. Therefore, it is desirable that the second surface density is 1/12000 or more of the first surface density. The second surface density is desirably 1 × 10 11 cm −2 or more.

仮に、界面領域の厚さを0.2nmとすると、1×1011cm−2の面密度は、体積密度で5×1018cm−3に相当する。したがって、上記終端元素のピークの濃度は、5×1018cm−3以上であることが望ましい。 If the thickness of the interface region is 0.2 nm, the surface density of 1 × 10 11 cm −2 corresponds to 5 × 10 18 cm −3 in volume density. Therefore, the peak concentration of the termination element is preferably 5 × 10 18 cm −3 or more.

なお、第1の面密度は、SiC層の表面(第1の面)の面方位が定まれば、幾何学的に算出することが可能である。また、第2の面密度は、例えば、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)により求めることが可能である。例えば、第2の面密度は、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)によりカウントされた界面領域の上記終端元素の量を、入射イオンのビーム面積で除した値である。   The first surface density can be calculated geometrically if the surface orientation of the surface (first surface) of the SiC layer is determined. The second surface density can be obtained by, for example, SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry). For example, the second areal density is a value obtained by dividing the amount of the termination element in the interface region counted by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) by the beam area of incident ions.

また、絶縁層中に終端元素が存在して、デバイス特性を劣化させることを抑制する観点から、絶縁層中の上記終端元素の濃度が、1×1018cm−3以下であることが望ましい。絶縁層中の終端元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各終端元素の検出限界以下(およそ1×1017cm−3以下)であることがより好ましい。 In addition, from the viewpoint of suppressing the presence of a termination element in the insulating layer and deteriorating device characteristics, the concentration of the termination element in the insulating layer is desirably 1 × 10 18 cm −3 or less. Although the concentration of the termination element in the insulating layer can be confirmed by SIMS, it is more preferably below the detection limit of each termination element (approximately 1 × 10 17 cm −3 or less).

また、絶縁層中に上記終端元素が存在して、デバイス特性を劣化させることを抑制する観点から、界面領域40は、単原子層(monoatomic layer)であることが望ましい。   In addition, the interface region 40 is preferably a monoatomic layer from the viewpoint of suppressing the deterioration of device characteristics due to the presence of the termination element in the insulating layer.

単原子層とは、SiC表面に終端元素が原子1層分しかない状態を意味する。界面領域40が、単原子層の場合、界面領域40の物理的膜厚は、原子1個分以下である。具体的には0.2nm未満である。   The monoatomic layer means a state in which the terminal element has only one atomic layer on the SiC surface. When the interface region 40 is a monoatomic layer, the physical film thickness of the interface region 40 is one atom or less. Specifically, it is less than 0.2 nm.

界面領域40が単原子層の場合、SiC層の表面において、Si(シリコン)又はC(炭素)いずれとも結合しないSi(シリコン)及びC(炭素)の数と、終端元素の数が一致する場合、すなわち、第1の面密度と第2の面密度が等しい場合を、界面領域40が1モノレイヤ(1ML)であると定義する。界面領域40が単原子層の場合、第2の面密度が第1の面密度の半分であるため、界面領域40は1/2モノレイヤ以下である。界面領域40は1/120モノレイヤ以下であることが望ましい。また、界面領域40は1/12000モノレイヤ以上であることが望ましい。   When the interface region 40 is a monoatomic layer, the number of termination elements matches the number of Si (silicon) and C (carbon) that are not bonded to either Si (silicon) or C (carbon) on the surface of the SiC layer. That is, when the first surface density and the second surface density are equal, the interface region 40 is defined as one monolayer (1ML). When the interface region 40 is a monoatomic layer, the second surface density is half of the first surface density, so the interface region 40 is ½ monolayer or less. The interface region 40 is desirably 1/120 monolayer or less. The interface region 40 is preferably 1/12000 monolayer or more.

なお、終端元素で終端されていない界面準位が、H(水素)、N(窒素)、F(フッ素)で終端されても構わない。したがって、界面領域40に、H(水素)、N(窒素)、又は、F(フッ素)が含有されていても構わない。   Note that an interface state that is not terminated with a termination element may be terminated with H (hydrogen), N (nitrogen), or F (fluorine). Therefore, the interface region 40 may contain H (hydrogen), N (nitrogen), or F (fluorine).

なお、終端元素の内、原子半径が大きい元素程、より安定にSiC層表面に結合する。したがって、安定した終端構造を実現する観点からは、終端元素がBa(バリウム)又はSr(ストロンチウム)であることが望ましい。一方、半導体装置の製造コストを低減させる観点からは、終端元素は、安価な元素であるMg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)であることが望ましい。   Of the terminal elements, the element with the larger atomic radius is more stably bonded to the SiC layer surface. Therefore, from the viewpoint of realizing a stable termination structure, it is desirable that the termination element is Ba (barium) or Sr (strontium). On the other hand, from the viewpoint of reducing the manufacturing cost of the semiconductor device, it is desirable that the terminal elements are Mg (magnesium) and Ca (calcium), which are inexpensive elements.

なお、ドリフト層14の表面(第1の面)は、シリコン面に対し0度以上8度以下傾斜した面であることが望ましい。   Note that the surface (first surface) of the drift layer 14 is desirably a surface that is inclined at 0 ° or more and 8 ° or less with respect to the silicon surface.

以上、本実施形態によれば、SiC層とゲート絶縁層との間の界面準位が低減され、高い移動度を備えたMISFETが実現される。そして、SiC層とゲート絶縁層との間の界面の間のラフネスが低減されている。また、終端元素のゲート絶縁層中の濃度が抑制されている。したがって、ゲート絶縁層のリーク電流が低減されるとともにゲート絶縁層の信頼性が向上する。よって、高い動作性能及び高い信頼性を備えたMISFET100が実現される。   As described above, according to the present embodiment, the interface state between the SiC layer and the gate insulating layer is reduced, and a MISFET having high mobility is realized. And the roughness between the interfaces between the SiC layer and the gate insulating layer is reduced. Further, the concentration of the termination element in the gate insulating layer is suppressed. Therefore, the leakage current of the gate insulating layer is reduced and the reliability of the gate insulating layer is improved. Therefore, the MISFET 100 having high operating performance and high reliability is realized.

(第2の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、ドリフト層(SiC層)の表面(第1の面)がカーボン面((000−1)面)に対し0度以上30度以下傾斜した面である点で、第1の実施形態と異なっている。第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Second Embodiment)
In the semiconductor device of this embodiment, the surface (first surface) of the drift layer (SiC layer) is a surface inclined at 0 ° or more and 30 ° or less with respect to the carbon surface ((000-1) surface). This is different from the first embodiment. The description overlapping with that of the first embodiment is omitted.

本実施形態のMISFETの構成も、図1で示される構成と同様である。以下、図1を参照しつつ本実施形態のMISFETについて説明する。   The configuration of the MISFET of this embodiment is the same as that shown in FIG. Hereinafter, the MISFET of this embodiment will be described with reference to FIG.

本実施形態のMISFETでは、SiC基板12の表面及びドリフト層(SiC層)14の表面(第1の面)がカーボン面((000−1)面)に対し0度以上30度以下傾斜した面である。   In the MISFET of this embodiment, the surface of the SiC substrate 12 and the surface (first surface) of the drift layer (SiC layer) 14 are inclined by 0 ° or more and 30 ° or less with respect to the carbon surface ((000-1) surface). It is.

そして、ドリフト層(SiC層)14とゲート絶縁層(絶縁層)28との間の界面には、界面領域40が設けられる。界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   An interface region 40 is provided at the interface between the drift layer (SiC layer) 14 and the gate insulating layer (insulating layer) 28. The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

カーボン面では、表面のSi(シリコン)は、すべてC(炭素)と結合している。したがって、カーボン面の場合は、CのみがSi又はCのいずれとも結合しない。よって、Cのみが、ダングリングボンドを形成し得る。   On the carbon surface, the surface Si (silicon) is all bonded to C (carbon). Therefore, in the case of a carbon surface, only C does not bond to either Si or C. Therefore, only C can form a dangling bond.

発明者による第一原理計算より、終端元素は、SiよりもCと結合することが、より安定であることが判明している。したがって、本実施形態によれば、第1の実施形態よりも、更に安定した界面領域40を備えるMISFETが実現される。   From the first-principles calculation by the inventor, it has been found that the termination element is more stable to bond with C than to Si. Therefore, according to the present embodiment, a MISFET including the interface region 40 that is more stable than the first embodiment is realized.

なお、ドリフト層14の表面は、更に安定した界面領域40を実現させる観点から、カーボン面に対し0度以上8度以下傾斜した面であることが望ましい。   Note that the surface of the drift layer 14 is desirably a surface inclined by 0 ° or more and 8 ° or less with respect to the carbon surface from the viewpoint of realizing a more stable interface region 40.

(第3の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、ドリフト層(SiC層)の表面(第1の面)が<0001>方向に対し0度以上30度以下傾斜する面である点で、第1の実施形態と異なっている。第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Third embodiment)
The semiconductor device of this embodiment differs from that of the first embodiment in that the surface (first surface) of the drift layer (SiC layer) is a surface inclined at 0 ° or more and 30 ° or less with respect to the <0001> direction. ing. The description overlapping with that of the first embodiment is omitted.

本実施形態のMISFETでは、SiC基板12の表面及びドリフト層(SiC層)14の表面(第1の面)が<0001>方向に対し0度以上30度以下傾斜する面である。例えば、ドリフト層14の表面は、a面又はm面である。なお、<0001>方向との表記は、[0001]方向と[000−1]方向を含む。   In the MISFET of the present embodiment, the surface of the SiC substrate 12 and the surface (first surface) of the drift layer (SiC layer) 14 are surfaces that are inclined at 0 degree or more and 30 degrees or less with respect to the <0001> direction. For example, the surface of the drift layer 14 is an a plane or an m plane. Note that the <0001> direction includes the [0001] direction and the [000-1] direction.

そして、ドリフト層14とゲート絶縁層(絶縁層)28との間の界面には、界面領域40が設けられる。界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   An interface region 40 is provided at the interface between the drift layer 14 and the gate insulating layer (insulating layer) 28. The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

<0001>方向に対し0度以上30度以下傾斜する面では、Si(シリコン)及びC(炭素)のいずれもが、ダングリングボンドを形成し得る。   On the surface inclined at 0 ° or more and 30 ° or less with respect to the <0001> direction, both Si (silicon) and C (carbon) can form dangling bonds.

第2の実施形態で説明したように、終端元素は、SiよりもCと結合することが、より安定であることが判明している。一方、例えば、ゲート絶縁層28が酸化膜である場合、CよりもSiの方が酸素と強く結合する。   As described in the second embodiment, it has been found that the termination element is more stable when bonded to C than to Si. On the other hand, for example, when the gate insulating layer 28 is an oxide film, Si is more strongly bonded to oxygen than C.

したがって、本実施形態によれば、終端元素がCと結合することで、第1の実施形態よりも更に安定した界面領域40が実現されるとともに、SiC層とゲート酸化膜28の結合もSiと酸素が結合することにより安定化する。したがって、デバイス特性が安定したMISFETが実現される。   Therefore, according to the present embodiment, the termination element is bonded to C, so that an interface region 40 that is more stable than that of the first embodiment is realized, and the bonding between the SiC layer and the gate oxide film 28 is also Si. It is stabilized by the combination of oxygen. Therefore, a MISFET with stable device characteristics is realized.

なお、ドリフト層14の表面は<0001>方向に対しに対し0度以上8度以下傾斜した面であることが望ましい。   Note that the surface of the drift layer 14 is desirably a surface inclined at 0 ° or more and 8 ° or less with respect to the <0001> direction.

(第4の実施形態)
本実施形態の半導体装置の製造方法は、SiC層の第1の面に、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素のイオンをイオン注入し、SiC層の第1の面に熱酸化膜を形成し、熱酸化膜を剥離し、SiC層の第1の面上に第1の絶縁層を形成する。本実施形態の半導体装置の製造方法は、第1の実施形態に示した半導体装置の製造方法の一例である。
(Fourth embodiment)
The manufacturing method of the semiconductor device of the present embodiment has at least one selected from the group of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium) on the first surface of the SiC layer. Ions of one element are implanted, a thermal oxide film is formed on the first surface of the SiC layer, the thermal oxide film is peeled off, and a first insulating layer is formed on the first surface of the SiC layer. The manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment is an example of the manufacturing method of the semiconductor device shown in the first embodiment.

図4−図8は、本実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。   4 to 8 are schematic cross-sectional views showing the semiconductor device being manufactured in the method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment.

まず、シリコン面である表面と、カーボン面である裏面を有するn型のSiC基板12を準備する。次に、SiC基板12の表面上に、エピタキシャル成長法により、n型のドリフト層(SiC層)14を形成する。 First, an n + type SiC substrate 12 having a front surface that is a silicon surface and a rear surface that is a carbon surface is prepared. Next, an n type drift layer (SiC layer) 14 is formed on the surface of SiC substrate 12 by an epitaxial growth method.

次に、公知のフォトリソグラフィー法とイオン注入法により、p型のpウェル領域16、n型のソース領域18、及び、p型のpウェルコンタクト領域20を形成する。 Next, a p-type p well region 16, an n + type source region 18 and a p + type p well contact region 20 are formed by a known photolithography method and ion implantation method.

次に、ドリフト層14の表面(第1の面)から、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)のイオンをドリフト層14にイオン注入する(図4)。以下、終端元素としてSr(ストロンチウム)を例に説明する。   Next, at least one element selected from the group of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium) from the surface (first surface) of the drift layer 14 ( Ions are implanted into the drift layer 14 (FIG. 4). Hereinafter, Sr (strontium) will be described as an example of the termination element.

Srのイオン注入の前に、ドリフト層14の表面に、例えば、シリコン酸化膜等の絶縁膜のキャップ膜(第2の絶縁層)を設けても構わない。Srを、キャップ膜を通してイオン注入することにより、イオン注入後のドリフト層14内のSrを、ドリフト層14の表面近傍に分布させることが容易になる。   Prior to the Sr ion implantation, for example, a cap film (second insulating layer) of an insulating film such as a silicon oxide film may be provided on the surface of the drift layer 14. By ion-implanting Sr through the cap film, it becomes easy to distribute Sr in the drift layer 14 after ion implantation near the surface of the drift layer 14.

次に、ドリフト層14に、熱酸化膜42を形成する(図5)。熱酸化膜42を形成する際に、イオン注入によりドリフト層14に導入されたSrは、エネルギー的に安定なドリフト層14と熱酸化膜42との界面に偏析して界面領域40を形成する。より具体的には、Srは、ドリフト層14と熱酸化膜42との界面のSiと結合し、界面に高い濃度で分布する。   Next, a thermal oxide film 42 is formed on the drift layer 14 (FIG. 5). When the thermal oxide film 42 is formed, Sr introduced into the drift layer 14 by ion implantation segregates at the energetically stable interface between the drift layer 14 and the thermal oxide film 42 to form an interface region 40. More specifically, Sr is bonded to Si at the interface between the drift layer 14 and the thermal oxide film 42 and distributed at a high concentration at the interface.

この時、ドリフト層14内に打ち込まれたSrのほぼ全てが界面領域40、或いは熱酸化膜42に移動するように熱酸化を行うことが望ましい。つまり、Srが打ち込まれた領域全体を熱酸化により界面領域40、或いは熱酸化膜42に変えることが望ましい。   At this time, it is desirable to perform thermal oxidation so that almost all of Sr implanted into the drift layer 14 moves to the interface region 40 or the thermal oxide film 42. That is, it is desirable to change the entire region where Sr is implanted into the interface region 40 or the thermal oxide film 42 by thermal oxidation.

熱酸化は、例えば、ドライ酸化で900℃以上1100℃以下の温度で行う。   The thermal oxidation is performed at a temperature of 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower by dry oxidation, for example.

次に、熱酸化膜42を、例えば、公知のウェットエッチング法で全て剥離する(図6)。残存する界面領域40は、0.2nm未満である。   Next, the thermal oxide film 42 is entirely removed by, for example, a known wet etching method (FIG. 6). The remaining interface region 40 is less than 0.2 nm.

次に、ドリフト層14の表面側の界面領域40上に、ゲート絶縁層(第1の絶縁層)28を形成する。ゲート絶縁層28は、例えば、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法等の堆積法により形成されるシリコン酸化膜である。   Next, a gate insulating layer (first insulating layer) 28 is formed on the interface region 40 on the surface side of the drift layer 14. The gate insulating layer 28 is a silicon oxide film formed by a deposition method such as LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition).

ゲート絶縁層28の形成後に、ゲート絶縁層28のデンシファイのためのアニールを行っても構わない。アニールは、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気下で、1200℃以上1300℃以下の温度で行われる。   After forming the gate insulating layer 28, annealing for densification of the gate insulating layer 28 may be performed. Annealing is performed at a temperature of 1200 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon.

次に、公知の方法で、ゲート絶縁層28上にゲート電極30を形成する(図8)。ゲート電極30は、例えば、LPCVD法により形成されるドーピングされたポリシリコンである。   Next, a gate electrode 30 is formed on the gate insulating layer 28 by a known method (FIG. 8). The gate electrode 30 is, for example, doped polysilicon formed by LPCVD.

その後、公知のプロセスにより、層間絶縁膜32、ソース電極34、ドレイン電極36を形成し、図1に示す本実施形態のMISFET100が製造される。   Thereafter, the interlayer insulating film 32, the source electrode 34, and the drain electrode 36 are formed by a known process, and the MISFET 100 of this embodiment shown in FIG. 1 is manufactured.

本実施形態の製造方法では、熱酸化膜42を全て剥離することで、熱酸化膜42中に拡散した炭素や余剰の終端元素を除去し、ゲート絶縁層28中のトラップ準位を低減させる。   In the manufacturing method according to the present embodiment, the thermal oxide film 42 is completely removed to remove carbon diffused in the thermal oxide film 42 and excess termination elements, and the trap level in the gate insulating layer 28 is reduced.

本実施形態の製造方法により、高い動作性能及び高い信頼性を備えたMISFETが実現される。   By the manufacturing method of this embodiment, a MISFET having high operating performance and high reliability is realized.

(第5の実施形態)
本実施形態の半導体装置の製造方法は、SiC層の第1の面に、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む第1の膜を形成し、SiC層の第1の面に第1の絶縁層を形成する。本実施形態の半導体装置の製造方法は、第1の実施形態に示した半導体装置の製造方法の一例である。
(Fifth embodiment)
The manufacturing method of the semiconductor device of the present embodiment has at least one selected from the group of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium) on the first surface of the SiC layer. A first film containing one element is formed, and a first insulating layer is formed on the first surface of the SiC layer. The manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment is an example of the manufacturing method of the semiconductor device shown in the first embodiment.

図9−図11は、本実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。   9 to 11 are schematic cross-sectional views showing the semiconductor device being manufactured in the method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment.

まず、シリコン面である表面と、カーボン面である裏面を有するn型のSiC基板12を準備する。次に、SiC基板12の第1の面上に、エピタキシャル成長法により、n型のドリフト層(SiC層)14を形成する。 First, an n + type SiC substrate 12 having a front surface that is a silicon surface and a rear surface that is a carbon surface is prepared. Next, n type drift layer (SiC layer) 14 is formed on the first surface of SiC substrate 12 by epitaxial growth.

SiC基板12上にドリフト層14を形成した後、公知のフォトリソグラフィー法とイオン注入法により、p型のpウェル領域16、n型のソース領域18、及び、p型のpウェルコンタクト領域20を形成する。この工程までは、第4の実施形態と同様である。 After forming drift layer 14 on SiC substrate 12, p-type p-well region 16, n + -type source region 18 and p + -type p-well contact region are formed by a known photolithography method and ion implantation method. 20 is formed. The steps up to this step are the same as in the fourth embodiment.

次に、ドリフト層14の表面(第1の面)に、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含む終端元素含有膜(第1の膜)44を形成する(図9)。終端元素含有膜44は、例えば、上記終端元素の単体膜である。単体膜は、例えば、金属膜である。以下、終端元素としてSr(ストロンチウム)を例に説明する。   Next, at least one element selected from the group of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium) is formed on the surface (first surface) of the drift layer 14. A termination element-containing film (first film) 44 including a termination element is formed (FIG. 9). The termination element-containing film 44 is, for example, a single film of the termination element. The single film is, for example, a metal film. Hereinafter, Sr (strontium) will be described as an example of the termination element.

ドリフト層14表面には、終端元素含有膜44として、Srの単体膜(Sr膜)が形成される。Sr膜は、例えば、公知のスパッタ法により形成される。Sr膜は、蒸着法やMBE(Molecular Beam Epitaxy)法により形成されても構わない。   A single Sr film (Sr film) is formed as a termination element-containing film 44 on the surface of the drift layer 14. The Sr film is formed by, for example, a known sputtering method. The Sr film may be formed by vapor deposition or MBE (Molecular Beam Epitaxy).

次に、ドリフト層14の表面を熱酸化し、熱酸化膜46を形成する(図10)。熱酸化膜46を形成する際に、終端元素含有膜44のSrは、エネルギー的に安定なドリフト層14と熱酸化膜46との界面に偏析して界面領域40を形成する。より具体的には、Srは、ドリフト層14と熱酸化膜46との界面のSiと結合して、界面に高い濃度で分布する。   Next, the surface of the drift layer 14 is thermally oxidized to form a thermal oxide film 46 (FIG. 10). When the thermal oxide film 46 is formed, the Sr of the termination element-containing film 44 segregates at the interface between the energetically stable drift layer 14 and the thermal oxide film 46 to form the interface region 40. More specifically, Sr is combined with Si at the interface between the drift layer 14 and the thermal oxide film 46 and distributed at a high concentration at the interface.

次に、熱酸化膜46を、例えば、公知のウェットエッチング法で全て除去する(図11)。残存する界面領域40は、0.2nm未満である。   Next, the thermal oxide film 46 is completely removed by, for example, a known wet etching method (FIG. 11). The remaining interface region 40 is less than 0.2 nm.

次に、第4の実施形態同様、ドリフト層14の表面側の界面領域40上に、ゲート絶縁層(第1の絶縁層)28を形成する。さらに、ゲート絶縁層28上にゲート電極30を形成する。   Next, as in the fourth embodiment, a gate insulating layer (first insulating layer) 28 is formed on the interface region 40 on the surface side of the drift layer 14. Further, the gate electrode 30 is formed on the gate insulating layer 28.

その後、公知のプロセスにより、層間絶縁膜32、ソース電極34、ドレイン電極36を形成し、図1に示す本実施形態のMISFET100が製造される。   Thereafter, the interlayer insulating film 32, the source electrode 34, and the drain electrode 36 are formed by a known process, and the MISFET 100 of this embodiment shown in FIG. 1 is manufactured.

なお、熱酸化膜に代えて、熱酸窒化により熱酸窒化膜を形成しても構わない。   Instead of the thermal oxide film, a thermal oxynitride film may be formed by thermal oxynitridation.

本実施形態の製造方法では、熱酸化膜46を全て剥離することで、熱酸化膜46中に拡散した炭素や余剰の終端元素を除去し、ゲート絶縁層(絶縁層)28中のトラップ準位を低減させる。   In the manufacturing method of this embodiment, the thermal oxide film 46 is completely removed to remove carbon diffused in the thermal oxide film 46 and excess termination elements, and the trap level in the gate insulating layer (insulating layer) 28 is removed. Reduce.

また、余剰の終端元素が生じないように、例えば、MBE法でSrの量を制御することも可能である。例えば、第1の面においてSi(シリコン)又はC(炭素)いずれとも結合しないSi(シリコン)及びC(炭素)の面密度を第1の面密度とした場合に、Srの面密度である第2の面密度が第1の面密度の1/2以下となるようSrの量を制御する。この方法によれば、熱酸化膜や熱酸窒化膜の形成を省略することが可能となる。   In addition, the amount of Sr can be controlled by, for example, the MBE method so as not to generate an excessive termination element. For example, when the surface density of Si (silicon) and C (carbon) that do not bond to either Si (silicon) or C (carbon) on the first surface is the first surface density, the surface density of Sr. The amount of Sr is controlled so that the surface density of 2 is ½ or less of the first surface density. According to this method, the formation of a thermal oxide film or a thermal oxynitride film can be omitted.

本実施形態の製造方法により、高い動作性能及び高い信頼性を備えたMISFETが実現される。   By the manufacturing method of this embodiment, a MISFET having high operating performance and high reliability is realized.

(第6の実施形態)
本実施形態の半導体装置の製造方法は、終端元素含有膜44がシリケート膜である点、及び、SiC層の熱酸化を行わない点で、第5の実施形態と異なる。本実施形態の半導体装置の製造方法は、第1の実施形態に示した半導体装置の製造方法の一例である。
(Sixth embodiment)
The manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment is different from that of the fifth embodiment in that the termination element-containing film 44 is a silicate film and that the SiC layer is not thermally oxidized. The manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment is an example of the manufacturing method of the semiconductor device shown in the first embodiment.

図12、図13は、本実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置を示す模式断面図である。   12 and 13 are schematic cross-sectional views showing a semiconductor device being manufactured in the method for manufacturing a semiconductor device of the present embodiment.

まず、シリコン面である表面と、カーボン面である裏面を有するn型のSiC基板12を準備する。次に、SiC基板12の第1の面上に、エピタキシャル成長法により、n型のドリフト層(SiC層)14を形成する。 First, an n + type SiC substrate 12 having a front surface that is a silicon surface and a rear surface that is a carbon surface is prepared. Next, n type drift layer (SiC layer) 14 is formed on the first surface of SiC substrate 12 by epitaxial growth.

SiC基板12上にn型のドリフト層(SiC層)14を形成後、公知のフォトリソグラフィー法とイオン注入法により、p型のpウェル領域16、n型のソース領域18、及び、p型のpウェルコンタクト領域20を形成する。この工程までは、第5の実施形態と同様である。 After forming an n type drift layer (SiC layer) 14 on the SiC substrate 12, a p type p well region 16, an n + type source region 18, and p are formed by a known photolithography method and ion implantation method. A + -type p-well contact region 20 is formed. The steps up to this step are the same as in the fifth embodiment.

次に、ドリフト層14の表面(第1の面)に、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含む終端元素含有膜(第1の膜)44を形成する(図12)。終端元素を含む膜は、上記終端元素のシリケート膜である。以下、終端元素としてSr(ストロンチウム)を例に説明する。   Next, at least one element selected from the group of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium) is formed on the surface (first surface) of the drift layer 14. A termination element-containing film (first film) 44 including a termination element is formed (FIG. 12). The film containing the termination element is a silicate film of the termination element. Hereinafter, Sr (strontium) will be described as an example of the termination element.

ドリフト層14表面には、終端元素含有膜44として、Srのシリケート膜(SrSiO膜)が形成される。SrSiO膜は、例えば、公知のスパッタ法により形成される。   A Sr silicate film (SrSiO film) is formed as a termination element-containing film 44 on the surface of the drift layer 14. The SrSiO film is formed by, for example, a known sputtering method.

次に、終端元素含有膜44をエッチングにより除去する(図13)。エッチングは、公知のドライエッチング法により行う。   Next, the termination element-containing film 44 is removed by etching (FIG. 13). Etching is performed by a known dry etching method.

終端元素含有膜44をエッチングする際に、終端元素含有膜44のSrは、エネルギー的に安定なドリフト層14の表面に偏析して界面領域40を形成する。より具体的には、Scは、ドリフト層14の表面のSiと結合して、界面に高い濃度で分布する。   When the termination element-containing film 44 is etched, Sr of the termination element-containing film 44 segregates on the surface of the drift layer 14 that is stable in terms of energy to form the interface region 40. More specifically, Sc is combined with Si on the surface of the drift layer 14 and distributed at a high concentration at the interface.

終端元素による界面終端構造は、エネルギー的に極めて安定である。したがって、終端元素含有膜44のエッチングにより、Srが自由に動けるようになると、界面終端構造を形成するようにドリフト層14の表面を移動する。そして、Srがダングリングボンドと結合し、界面に偏析した状態が形成される。   The interface termination structure by the termination element is extremely stable in terms of energy. Accordingly, when Sr can move freely by etching of the termination element-containing film 44, the surface of the drift layer 14 is moved so as to form an interface termination structure. And Sr couple | bonds with a dangling bond and the state segregated to the interface is formed.

次に、第5の実施形態同様、ドリフト層14の表面側の界面領域40上に、ゲート絶縁層(第1の絶縁層)28を形成する。さらに、ゲート絶縁層28上にゲート電極30を形成する。   Next, as in the fifth embodiment, a gate insulating layer (first insulating layer) 28 is formed on the interface region 40 on the surface side of the drift layer 14. Further, the gate electrode 30 is formed on the gate insulating layer 28.

その後、公知のプロセスにより、層間絶縁膜32、ソース電極34、ドレイン電極36を形成し、図1に示す本実施形態のMISFET100が製造される。   Thereafter, the interlayer insulating film 32, the source electrode 34, and the drain electrode 36 are formed by a known process, and the MISFET 100 of this embodiment shown in FIG. 1 is manufactured.

本実施形態の製造方法により、高い動作性能及び高い信頼性を備えたMISFETが実現される。   By the manufacturing method of this embodiment, a MISFET having high operating performance and high reliability is realized.

(第7の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、トレンチゲート型のMISFETであること以外は、第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Seventh embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is the same as that of the first embodiment except that it is a trench gate type MISFET. Therefore, description of the contents overlapping with those of the first embodiment is omitted.

図14は、本実施形態の半導体装置であるMISFETの構成を示す模式断面図である。このMISFET200は、ゲート絶縁層及びゲート電極がトレンチ内に設けられたトレンチゲート型のMISFETである。   FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a MISFET that is a semiconductor device of the present embodiment. The MISFET 200 is a trench gate type MISFET in which a gate insulating layer and a gate electrode are provided in a trench.

このMISFET200は、表面と裏面を有するn型のSiC基板12を備えている。図14においては、表面とは図の上側の面であり、裏面とは図の下側の面である。SiC基板12の表面は、シリコン面に対し0度以上8度以下傾斜した面である。 The MISFET 200 includes an n + type SiC substrate 12 having a front surface and a back surface. In FIG. 14, the front surface is the upper surface of the drawing, and the back surface is the lower surface of the drawing. The surface of SiC substrate 12 is a surface inclined at an angle of 0 ° to 8 ° with respect to the silicon surface.

このSiC基板12は、例えば、4H−SiCのSiC基板である。   The SiC substrate 12 is, for example, a 4H—SiC SiC substrate.

SiC基板12の表面上には、n型のドリフト層(SiC層)14が形成されている。ドリフト層14は、例えば、SiC基板12上にエピタキシャル成長により形成されたエピタキシャル成長層である。ドリフト層14の表面も、シリコン面に対し0度以上8度以下傾斜した面である。 An n type drift layer (SiC layer) 14 is formed on the surface of SiC substrate 12. The drift layer 14 is an epitaxial growth layer formed on the SiC substrate 12 by epitaxial growth, for example. The surface of the drift layer 14 is also a plane inclined at 0 ° or more and 8 ° or less with respect to the silicon surface.

ドリフト層14の一部表面には、p型のpウェル領域(SiC層)16が形成されている。pウェル領域16は、MISFET200のチャネル領域として機能する。   A p-type p-well region (SiC layer) 16 is formed on a partial surface of the drift layer 14. The p well region 16 functions as a channel region of the MISFET 200.

pウェル領域16の一部表面には、n型のソース領域18が形成されている。また、pウェル領域16の一部表面であって、ソース領域18の側方に、p型のpウェルコンタクト領域20が形成されている。 An n + type source region 18 is formed on a partial surface of the p well region 16. A p + -type p-well contact region 20 is formed on a partial surface of the p-well region 16 and on the side of the source region 18.

ドリフト層14の表面からSiC基板12に向かう方向にトレンチ50が設けられる。トレンチ50の内壁面は、例えば、m面又はa面となっている。   Trench 50 is provided in the direction from the surface of drift layer 14 toward SiC substrate 12. The inner wall surface of the trench 50 is, for example, an m-plane or a-plane.

トレンチ50内のドリフト層14、pウェル領域16及びソース領域18の表面(第1の面)に連続的に、これらの層及び領域を跨ぐように形成されたゲート絶縁層(絶縁層)28を有している。   A gate insulating layer (insulating layer) 28 formed so as to straddle these layers and regions continuously on the surface (first surface) of the drift layer 14, the p-well region 16 and the source region 18 in the trench 50. Have.

そして、ゲート絶縁層28上には、ゲート電極30が形成されている。トレンチ50側面のソース領域18とドリフト層14とに挟まれるpウェル領域16がMISFET200のチャネル領域として機能する。   A gate electrode 30 is formed on the gate insulating layer 28. The p-well region 16 sandwiched between the source region 18 and the drift layer 14 on the side surface of the trench 50 functions as a channel region of the MISFET 200.

ゲート絶縁層28は、ゲート電極30とドリフト層14との間に設けられる。そして、ドリフト層14とゲート絶縁層28との間の界面には、界面領域40が設けられる。界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   The gate insulating layer 28 is provided between the gate electrode 30 and the drift layer 14. An interface region 40 is provided at the interface between the drift layer 14 and the gate insulating layer 28. The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

そして、ソース領域18とpウェルコンタクト領域20とに電気的に接続される導電性のソース電極34を備えている。ソース電極34は、pウェル領域16に電位を与えるpウェル電極としても機能する。また、SiC基板12のドリフト層14と反対側、すなわち、第2の面側には、導電性のドレイン電極36が形成されている。   A conductive source electrode 34 that is electrically connected to the source region 18 and the p-well contact region 20 is provided. The source electrode 34 also functions as a p-well electrode that applies a potential to the p-well region 16. A conductive drain electrode 36 is formed on the side of the SiC substrate 12 opposite to the drift layer 14, that is, on the second surface side.

本実施形態によれば、界面領域40が存在することにより第1の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。さらに、トレンチゲート構造を採用することにより、MISFETの集積度を向上させること、JFET領域を無くしたことにより導電損を低減することが可能となる。   According to the present embodiment, the presence of the interface region 40 can provide the same effect as that of the first embodiment. Furthermore, by adopting the trench gate structure, it is possible to improve the integration degree of MISFET and to reduce the conductive loss by eliminating the JFET region.

(第8の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、MISFETではなく、IGBTであること以外は、第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Eighth embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is the same as that of the first embodiment except that it is not a MISFET but an IGBT. Therefore, description of the contents overlapping with those of the first embodiment is omitted.

図15は、本実施形態の半導体装置であるIGBTの構成を示す模式断面図である。   FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the IGBT that is the semiconductor device of the present embodiment.

このIGBT300は、表面と裏面を有するp型のSiC基板112を備えている。図15においては、表面とは図の上側の面であり、裏面とは図の下側の面である。SiC基板112の表面は、シリコン面に対し0度以上8度以下傾斜した面である。 The IGBT 300 includes a p + type SiC substrate 112 having a front surface and a back surface. In FIG. 15, the front surface is the upper surface of the drawing, and the back surface is the lower surface of the drawing. The surface of SiC substrate 112 is a surface inclined at an angle of 0 ° to 8 ° with respect to the silicon surface.

SiC基板112の表面上には、n型のドリフト層(SiC層)14が形成されている。ドリフト層14は、例えば、SiC基板112上にエピタキシャル成長により形成されたエピタキシャル成長層である。ドリフト層14の表面(第1の面)も、シリコン面に対し0度以上8度以下傾斜した面である。 An n type drift layer (SiC layer) 14 is formed on the surface of SiC substrate 112. The drift layer 14 is, for example, an epitaxial growth layer formed by epitaxial growth on the SiC substrate 112. The surface (first surface) of the drift layer 14 is also a surface inclined at 0 ° or more and 8 ° or less with respect to the silicon surface.

ドリフト層14の一部表面には、p型のpウェル領域(SiC層)16が形成されている。pウェル領域16は、IGBT300のチャネル領域として機能する。   A p-type p-well region (SiC layer) 16 is formed on a partial surface of the drift layer 14. The p well region 16 functions as a channel region of the IGBT 300.

pウェル領域16の一部表面には、n型のエミッタ領域118が形成されている。
また、pウェル領域16の一部表面であって、エミッタ領域118の側方に、p型のpウェルコンタクト領域20が形成されている。
An n + -type emitter region 118 is formed on a partial surface of the p-well region 16.
A p + -type p-well contact region 20 is formed on a partial surface of the p-well region 16 and on the side of the emitter region 118.

ドリフト層14及びpウェル領域16の表面に連続的に、これらの層及び領域を跨ぐように形成されたゲート絶縁層(絶縁層)28を有している。   A gate insulating layer (insulating layer) 28 is formed on the surface of the drift layer 14 and the p-well region 16 so as to straddle these layers and regions.

そして、ゲート絶縁層28上には、ゲート電極30が形成されている。ゲート電極30上には、例えば、シリコン酸化膜で形成される層間絶縁膜32が形成されている。   A gate electrode 30 is formed on the gate insulating layer 28. On the gate electrode 30, an interlayer insulating film 32 made of, for example, a silicon oxide film is formed.

ゲート電極30下のソース領域18とドリフト層14とに挟まれるpウェル領域16がMISFET100のチャネル領域として機能する。   A p-well region 16 sandwiched between the source region 18 and the drift layer 14 under the gate electrode 30 functions as a channel region of the MISFET 100.

ゲート絶縁層28は、ゲート電極30とドリフト層14との間に設けられる。そして、ドリフト層14とゲート絶縁層28との間の界面には、界面領域40が設けられる。界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   The gate insulating layer 28 is provided between the gate electrode 30 and the drift layer 14. An interface region 40 is provided at the interface between the drift layer 14 and the gate insulating layer 28. The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

そして、エミッタ領域118とpウェルコンタクト領域20とに電気的に接続される導電性のエミッタ電極134を備えている。エミッタ電極134は、pウェル領域16に電位を与えるpウェル電極としても機能する。   A conductive emitter electrode 134 that is electrically connected to the emitter region 118 and the p-well contact region 20 is provided. The emitter electrode 134 also functions as a p-well electrode that applies a potential to the p-well region 16.

また、SiC基板112のドリフト層14と反対側、すなわち、第2の面側には、導電性のコレクタ電極136が形成されている。   In addition, a conductive collector electrode 136 is formed on the side of the SiC substrate 112 opposite to the drift layer 14, that is, on the second surface side.

本実施形態によれば、界面領域40が存在することにより第1の実施形態と同様の作用及び効果を得ることが可能である。したがって、高い動作性能及び高い信頼性を備えたIGBT300が実現される。   According to the present embodiment, the presence of the interface region 40 makes it possible to obtain the same operations and effects as in the first embodiment. Therefore, the IGBT 300 having high operation performance and high reliability is realized.

(第9の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、MISFETの終端領域に界面領域が設けられる点で第1の実施形態と異なっている。第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Ninth embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is different from that of the first embodiment in that an interface region is provided in the termination region of the MISFET. The description overlapping with that of the first embodiment is omitted.

図16は、本実施形態の半導体装置であるMISFETの構成を示す模式断面図である。MISFET400は、素子領域と、素子領域の周囲に設けられる終端領域を備えている。終端領域は、MISFET400の耐圧を向上させる機能を備える。   FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a MISFET that is a semiconductor device of the present embodiment. The MISFET 400 includes an element region and a termination region provided around the element region. The termination region has a function of improving the breakdown voltage of the MISFET 400.

素子領域には、例えば、第1の実施形態のMISFET100がユニットセルとして配置される。   In the element region, for example, the MISFET 100 of the first embodiment is arranged as a unit cell.

終端領域は、p型のリサーフ領域(SiC層)60、p型のコンタクト領域62、p型のガードリング領域(SiC層)64、フィールド酸化膜(絶縁層)33、界面領域40を備える。界面領域40は、p型のリサーフ領域60及びp型のガードリング領域64の表面(第1の面)と、フィールド酸化膜33との間に設けられる。 The termination region includes a p-type RESURF region (SiC layer) 60, a p + -type contact region 62, a p-type guard ring region (SiC layer) 64, a field oxide film (insulating layer) 33, and an interface region 40. The interface region 40 is provided between the surface (first surface) of the p-type RESURF region 60 and the p-type guard ring region 64 and the field oxide film 33.

界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

フィールド酸化膜33は、例えば、シリコン酸化膜である。フィールド酸化膜33中の終端元素の濃度は、1×1018cm−3以下であることが望ましい。フィールド酸化膜33中の終端元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各終端元素の検出限界以下(およそ1×1017cm−3以下)であることがより好ましい。フィールド酸化膜33中の終端元素の濃度は、例えば、界面領域40における終端元素の濃度のピークから1nm以上離れた位置の濃度とする。 The field oxide film 33 is, for example, a silicon oxide film. The concentration of the termination element in the field oxide film 33 is desirably 1 × 10 18 cm −3 or less. The concentration of the termination element in the field oxide film 33 can be confirmed by SIMS, but it is more preferably below the detection limit of each termination element (approximately 1 × 10 17 cm −3 or less). The concentration of the termination element in the field oxide film 33 is, for example, a concentration at a position away from the peak of the concentration of the termination element in the interface region 40 by 1 nm or more.

MISFET400のオフ時に、リサーフ領域60、ガードリング領域64、及び、ガードリング領域64の間のドリフト層14に空乏層が形成されることで、MISFET400の耐圧が向上する。   When the MISFET 400 is turned off, a depletion layer is formed in the drift layer 14 between the RESURF region 60, the guard ring region 64, and the guard ring region 64, whereby the breakdown voltage of the MISFET 400 is improved.

しかし、リサーフ領域60及びガードリング領域64と、フィールド酸化膜33との間の界面に界面準位が存在すると、電荷が界面準位にトラップされる。トラップされた電荷の電界により、所望の空乏層が形成されなくなる恐れがある。この場合、MISFET400の耐圧が劣化する。   However, if an interface state exists at the interface between the RESURF region 60 and the guard ring region 64 and the field oxide film 33, charges are trapped in the interface state. There is a possibility that a desired depletion layer may not be formed due to the electric field of the trapped charge. In this case, the breakdown voltage of the MISFET 400 is deteriorated.

本実施形態によれば、界面領域40を設けることで界面準位が終端されている。したがって、所望の空乏層が形成され耐圧の安定したMISFETが実現される。   According to this embodiment, the interface state is terminated by providing the interface region 40. Therefore, a desired depletion layer is formed and a MISFET with a stable breakdown voltage is realized.

(第10の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、SiCのPINダイオードの終端領域に界面領域が設けられる点で第1の実施形態と異なっている。第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Tenth embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is different from that of the first embodiment in that an interface region is provided in the termination region of the SiC PIN diode. The description overlapping with that of the first embodiment is omitted.

図17は、本実施形態の半導体装置であるPINダイオードの構成を示す模式断面図である。   FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a PIN diode that is a semiconductor device of the present embodiment.

PINダイオード500は、n型のカソード領域70、n型のドリフト層(SiC層)72、p型のアノード領域74、p型のガードリング(SiC層)76、界面領域40、保護膜(絶縁層)78、アノード電極80、カソード電極82を備える。 The PIN diode 500 includes an n + type cathode region 70, an n type drift layer (SiC layer) 72, a p + type anode region 74, a p type guard ring (SiC layer) 76, an interface region 40, and a protective film. (Insulating layer) 78, an anode electrode 80, and a cathode electrode 82 are provided.

界面領域40は、ガードリング76及びドリフト層72と、保護膜78との間に設けられる。   The interface region 40 is provided between the guard ring 76 and the drift layer 72 and the protective film 78.

界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

保護膜78は、例えば、シリコン酸化膜である。保護膜78中の終端元素の濃度は、1×1018cm−3以下であることが望ましい。保護膜78中の終端元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各終端元素の検出限界以下(およそ1×1017cm−3以下)であることがより好ましい。保護膜78中の終端元素の濃度は、例えば、界面領域40における終端元素の濃度のピークから1nm以上離れた位置の濃度とする。 The protective film 78 is, for example, a silicon oxide film. The concentration of the termination element in the protective film 78 is desirably 1 × 10 18 cm −3 or less. Although the concentration of the termination element in the protective film 78 can be confirmed by SIMS, it is more preferably below the detection limit of each termination element (approximately 1 × 10 17 cm −3 or less). The concentration of the termination element in the protective film 78 is, for example, a concentration at a position away from the peak of the termination element concentration in the interface region 40 by 1 nm or more.

PINダイオード500のオフ時に、ガードリング76、ドリフト層72に空乏層が形成されることで、PINダイオード500の耐圧が向上する。   When the PIN diode 500 is turned off, a depletion layer is formed in the guard ring 76 and the drift layer 72, whereby the breakdown voltage of the PIN diode 500 is improved.

しかし、ガードリング76及びドリフト層72と、保護膜78との間の界面に界面準位が存在すると、電荷が界面準位にトラップされる。トラップされた電荷の電界により、所望の空乏層が形成されなくなる恐れがある。この場合、PINダイオード500の耐圧が劣化する。   However, if an interface state exists at the interface between the guard ring 76 and the drift layer 72 and the protective film 78, charges are trapped in the interface state. There is a possibility that a desired depletion layer may not be formed due to the electric field of the trapped charge. In this case, the breakdown voltage of the PIN diode 500 is deteriorated.

本実施形態によれば、界面領域40を設けることで界面準位が終端されている。したがって、所望の空乏層が形成され耐圧の安定したPINダイオードが実現される。   According to this embodiment, the interface state is terminated by providing the interface region 40. Therefore, a PIN diode having a desired breakdown voltage and a stable withstand voltage is realized.

(第11の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、SiCのSBD(Schottky Barrier Diode)の終端領域に界面領域が設けられる点で第1の実施形態と異なっている。第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Eleventh embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is different from that of the first embodiment in that an interface region is provided in a termination region of a SiC SBD (Schottky Barrier Diode). The description overlapping with that of the first embodiment is omitted.

図18は、本実施形態の半導体装置であるSBDの構成を示す模式断面図である。   FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the SBD that is the semiconductor device of the present embodiment.

SBD600は、n型のカソード領域70、n型のドリフト層(SiC層)72、p型のガードリング(SiC層)76、界面領域40、保護膜(絶縁層)78、アノード電極80、カソード電極82を備える。 The SBD 600 includes an n + type cathode region 70, an n type drift layer (SiC layer) 72, a p type guard ring (SiC layer) 76, an interface region 40, a protective film (insulating layer) 78, an anode electrode 80, A cathode electrode 82 is provided.

界面領域40は、ガードリング76及びドリフト層72と、保護膜78との間に設けられる。   The interface region 40 is provided between the guard ring 76 and the drift layer 72 and the protective film 78.

界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

保護膜78は、例えば、シリコン酸化膜である。保護膜78中の終端元素の濃度は、1×1018cm−3以下であることが望ましい。保護膜78中の終端元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各終端元素の検出限界以下(およそ1×1017cm−3以下)であることがより好ましい。保護膜78中の終端元素の濃度は、例えば、界面領域40における終端元素の濃度のピークから1nm以上離れた位置の濃度とする。 The protective film 78 is, for example, a silicon oxide film. The concentration of the termination element in the protective film 78 is desirably 1 × 10 18 cm −3 or less. Although the concentration of the termination element in the protective film 78 can be confirmed by SIMS, it is more preferably below the detection limit of each termination element (approximately 1 × 10 17 cm −3 or less). The concentration of the termination element in the protective film 78 is, for example, a concentration at a position away from the peak of the termination element concentration in the interface region 40 by 1 nm or more.

SBD600のオフ時に、ガードリング76、ドリフト層72に空乏層が形成されることで、SBD600の耐圧が向上する。   When the SBD 600 is turned off, a depletion layer is formed in the guard ring 76 and the drift layer 72, whereby the breakdown voltage of the SBD 600 is improved.

しかし、ガードリング76及びドリフト層72と、保護膜78との間の界面に界面準位が存在すると、電荷が界面準位にトラップされる。トラップされた電荷の電界により、所望の空乏層が形成されなくなる恐れがある。この場合、SBD600の耐圧が劣化する。   However, if an interface state exists at the interface between the guard ring 76 and the drift layer 72 and the protective film 78, charges are trapped in the interface state. There is a possibility that a desired depletion layer may not be formed due to the electric field of the trapped charge. In this case, the breakdown voltage of the SBD 600 is deteriorated.

本実施形態によれば、界面領域40を設けることで界面準位が終端されている。したがって、所望の空乏層が形成され耐圧の安定したSBDが実現される。   According to this embodiment, the interface state is terminated by providing the interface region 40. Therefore, a desired depletion layer is formed and an SBD with stable breakdown voltage is realized.

(第12の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第1の面を備えるSiC層と、金属電極と、SiC層の第1の面と金属電極との間に設けられ、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素を含有し、上記元素の濃度のピークの半値全幅が1nm以下であり、第1の面においてSi(シリコン)又はC(炭素)いずれとも結合しないSi(シリコン)及びC(炭素)の面密度を第1の面密度とした場合に、上記元素の面密度である第2の面密度が第1の面密度の1/2以下である領域と、を備える。
(Twelfth embodiment)
The semiconductor device of the present embodiment is provided between the SiC layer having the first surface, the metal electrode, and the first surface of the SiC layer and the metal electrode, and includes Be (beryllium), Mg (magnesium), and Ca. (Calcium), Sr (strontium), Ba (barium) at least one element selected from the group, the full width at half maximum of the concentration peak of the element is 1 nm or less, Si (silicon) in the first surface Alternatively, when the surface density of Si (silicon) and C (carbon) not bonded to any of C (carbon) is the first surface density, the second surface density that is the surface density of the element is the first surface density. And a region that is less than or equal to ½ of.

本実施形態の半導体装置は、アノード電極とドリフト層の間にも界面領域が設けられる点で、第11の実施形態と異なっている。第11の実施形態と重複する内容については記述を省略する。   The semiconductor device of the present embodiment is different from the eleventh embodiment in that an interface region is also provided between the anode electrode and the drift layer. The description overlapping with the eleventh embodiment is omitted.

図19は、本実施形態の半導体装置であるSBDの構成を示す模式断面図である。   FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the SBD that is the semiconductor device of this embodiment.

SBD600は、n型のカソード領域70、n型のドリフト層(SiC層)72、p型のガードリング(SiC層)76、界面領域40、保護膜(絶縁層)78、アノード電極(金属電極)80、カソード電極82を備える。 The SBD 600 includes an n + type cathode region 70, an n type drift layer (SiC layer) 72, a p type guard ring (SiC layer) 76, an interface region 40, a protective film (insulating layer) 78, an anode electrode (metal) Electrode) 80 and a cathode electrode 82.

界面領域40は、ガードリング76及びドリフト層72と、保護膜78との間に設けられる。また、界面領域40は、ドリフト層72と、アノード電極80との間にも、設けられる。   The interface region 40 is provided between the guard ring 76 and the drift layer 72 and the protective film 78. The interface region 40 is also provided between the drift layer 72 and the anode electrode 80.

界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

終端元素は、ドリフト層72とアノード電極80との間の界面に偏析している。終端元素の濃度のピークの半値全幅は1nm以下である。濃度のピークの半値全幅は0.5nm以下であることが望ましく、0.2nm未満であることがより望ましい。   The termination element is segregated at the interface between the drift layer 72 and the anode electrode 80. The full width at half maximum of the concentration peak of the terminal element is 1 nm or less. The full width at half maximum of the concentration peak is desirably 0.5 nm or less, and more desirably less than 0.2 nm.

界面領域40は、単原子層(monoatomic layer)であることが望ましい。   The interface region 40 is preferably a monoatomic layer.

ドリフト層72の表面(第1の面)においてSi(シリコン)又はC(炭素)いずれとも結合しないSi(シリコン)及びC(炭素)の面密度を第1の面密度と定義する。また、終端元素の面密度を第2の面密度とする。第2の面密度は第1の面密度の1/2以下である。   The surface density of Si (silicon) and C (carbon) that is not bonded to either Si (silicon) or C (carbon) on the surface (first surface) of the drift layer 72 is defined as the first surface density. Further, the surface density of the termination element is set to the second surface density. The second surface density is ½ or less of the first surface density.

第2の面密度が第1の面密度の1/120以下であることが望ましい。また、第2の面密度が第1の面密度の1/12000以上であることが望ましい。   It is desirable that the second surface density is 1/120 or less of the first surface density. Further, it is desirable that the second surface density is 1/12000 or more of the first surface density.

界面領域40における終端元素の濃度のピークは、5×1018cm−3以上であることが望ましい。また、1×1019cm−3以上であることがより望ましい。 The peak of the concentration of the termination element in the interface region 40 is desirably 5 × 10 18 cm −3 or more. Moreover, it is more desirable that it is 1 × 10 19 cm −3 or more.

保護膜78は、例えば、シリコン酸化膜である。   The protective film 78 is, for example, a silicon oxide film.

ドリフト層72とアノード電極80との間の界面に界面準位が存在すると、フェルミレベルのピン止めが生じる。このため、ドリフト層72とアノード電極80との間に所望のショットキー障壁が実現できない恐れがある。   If an interface state exists at the interface between the drift layer 72 and the anode electrode 80, Fermi level pinning occurs. For this reason, a desired Schottky barrier may not be realized between the drift layer 72 and the anode electrode 80.

本実施形態によれば、界面領域40を設けることで界面準位が終端されている。したがって、アノード電極80の仕事関数で定まる所望のショットキー障壁を備えるSBDが実現される。   According to this embodiment, the interface state is terminated by providing the interface region 40. Therefore, an SBD having a desired Schottky barrier determined by the work function of the anode electrode 80 is realized.

(第13の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第1の面を備えるダイヤモンド層と、絶縁層と、ダイヤモンド層の第1の面と絶縁層との間に設けられ、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素を含有し、上記元素の濃度のピークの半値全幅が1nm以下であり、第1の面においてC(炭素)と結合しないC(炭素)の面密度を第1の面密度とした場合に、上記元素の面密度である第2の面密度が第1の面密度の1/2以下である領域と、を備える。
(13th Embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is provided between a diamond layer having a first surface, an insulating layer, and the first surface of the diamond layer and the insulating layer, and includes Be (beryllium), Mg (magnesium), and Ca. (Calcium), Sr (strontium), Ba (barium) at least one element selected from the group, the full width at half maximum of the concentration peak of the element is 1 nm or less, C (carbon) in the first surface When the surface density of C (carbon) not bonded to the first surface density is the first surface density, a region where the second surface density, which is the surface density of the element, is ½ or less of the first surface density, Prepare.

SiCにかえて半導体材料としてダイヤモンドを用いること以外は、第11の実施形態と同様である。したがって、第11の実施形態と重複する内容については記述を省略する。   The same as the eleventh embodiment, except that diamond is used as the semiconductor material instead of SiC. Therefore, the description overlapping with the eleventh embodiment is omitted.

図20は、本実施形態の半導体装置であるSBDの構成を示す模式断面図である。   FIG. 20 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the SBD that is the semiconductor device of this embodiment.

SBD800は、n型のカソード領域90、n型のドリフト層(ダイヤモンド層)92、p型のガードリング(ダイヤモンド層)96、界面領域40、保護膜(絶縁層)78、アノード電極80、カソード電極82を備える。 The SBD 800 includes an n + type cathode region 90, an n type drift layer (diamond layer) 92, a p type guard ring (diamond layer) 96, an interface region 40, a protective film (insulating layer) 78, an anode electrode 80, A cathode electrode 82 is provided.

界面領域40は、p型のガードリング96及びn型のドリフト層92と、保護膜78との間に設けられる。 The interface region 40 is provided between the p-type guard ring 96 and the n -type drift layer 92 and the protective film 78.

界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

上記終端元素は、ドリフト層92と保護膜(絶縁層)78との間の界面に偏析している。終端元素の濃度のピークの半値全幅は1nm以下である。濃度のピークの半値全幅は0.5nm以下であることが望ましく、0.2nm未満であることがより望ましい。   The termination element is segregated at the interface between the drift layer 92 and the protective film (insulating layer) 78. The full width at half maximum of the concentration peak of the terminal element is 1 nm or less. The full width at half maximum of the concentration peak is desirably 0.5 nm or less, and more desirably less than 0.2 nm.

界面領域40は、単原子層(monoatomic layer)であることが望ましい。   The interface region 40 is preferably a monoatomic layer.

ドリフト層92の表面(第1の面)においてC(炭素)と結合しないC(炭素)の面密度を第1の面密度と定義する。また、終端元素の面密度を第2の面密度とする。第2の面密度は第1の面密度の1/2以下である。   The surface density of C (carbon) that is not bonded to C (carbon) on the surface (first surface) of the drift layer 92 is defined as the first surface density. Further, the surface density of the termination element is set to the second surface density. The second surface density is ½ or less of the first surface density.

第2の面密度が第1の面密度の1/120以下であることが望ましい。また、第2の面密度が第1の面密度の1/12000以上であることが望ましい。   It is desirable that the second surface density is 1/120 or less of the first surface density. Further, it is desirable that the second surface density is 1/12000 or more of the first surface density.

界面領域40における終端元素の濃度のピークは、5×1018cm−3以上であることが望ましい。また、1×1019cm−3以上であることがより望ましい。 The peak of the concentration of the termination element in the interface region 40 is desirably 5 × 10 18 cm −3 or more. Moreover, it is more desirable that it is 1 × 10 19 cm −3 or more.

保護膜78は、例えば、シリコン酸化膜である。保護膜78中の終端元素の濃度は、1×1018cm−3以下であることが望ましい。保護膜78中の終端元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各終端元素の検出限界以下(およそ1×1017cm−3以下)であることがより好ましい。保護膜78中の終端元素の濃度は、例えば、界面領域40における終端元素の濃度のピークから1nm以上離れた位置の濃度とする。 The protective film 78 is, for example, a silicon oxide film. The concentration of the termination element in the protective film 78 is desirably 1 × 10 18 cm −3 or less. Although the concentration of the termination element in the protective film 78 can be confirmed by SIMS, it is more preferably below the detection limit of each termination element (approximately 1 × 10 17 cm −3 or less). The concentration of the termination element in the protective film 78 is, for example, a concentration at a position away from the peak of the termination element concentration in the interface region 40 by 1 nm or more.

SBD800のオフ時に、ガードリング96、ドリフト層92に空乏層が形成されることで、SBD800の耐圧が向上する。   When the SBD 800 is turned off, a depletion layer is formed in the guard ring 96 and the drift layer 92, whereby the breakdown voltage of the SBD 800 is improved.

しかし、ガードリング96及びドリフト層92と、保護膜78との間の界面に界面準位が存在すると、電荷が界面準位にトラップされる。トラップされた電荷の電界により、所望の空乏層が形成されなくなる恐れがある。この場合、SBD800の耐圧が劣化する。   However, if an interface state exists at the interface between the guard ring 96 and the drift layer 92 and the protective film 78, charges are trapped in the interface state. There is a possibility that a desired depletion layer may not be formed due to the electric field of the trapped charge. In this case, the breakdown voltage of the SBD 800 deteriorates.

ダイヤモンド層の表面も、例えば、カーボン面のSiC層と同様、カーボンのダングリングボンドが存在する。終端元素は、C(炭素)と結合することによりダングリングボンドを終端する。   The surface of the diamond layer also has carbon dangling bonds, for example, like the SiC layer on the carbon surface. The termination element terminates the dangling bond by bonding with C (carbon).

本実施形態によれば、界面領域40を設けることで界面準位が終端されている。したがって、所望の空乏層が形成され耐圧の安定したSBDが実現される。   According to this embodiment, the interface state is terminated by providing the interface region 40. Therefore, a desired depletion layer is formed and an SBD with stable breakdown voltage is realized.

更に、上述のように、終端元素は、SiよりもCと結合することが、より安定であることが判明している。ダイヤモンドを半導体材料とする場合、界面領域40の終端元素は、すべてCと結合する。したがって、極めて安定した界面領域40を備えるSBDが実現される。   Furthermore, as described above, it has been found that the termination element is more stable to bond with C than to Si. When diamond is used as a semiconductor material, all the terminal elements in the interface region 40 are bonded to C. Therefore, an SBD having an extremely stable interface region 40 is realized.

(変形例)
図21は、本実施形態の変形例の半導体装置であるSBDの構成を示す模式断面図である。
(Modification)
FIG. 21 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an SBD that is a semiconductor device according to a modification of the present embodiment.

変形例のSBDは、p型のカソード領域190、p型のドリフト層(ダイヤモンド層)192、n型のガードリング(ダイヤモンド層)196、界面領域40、保護膜(絶縁層)78、アノード電極80、カソード電極82を備える。 The modified SBD includes a p + type cathode region 190, a p type drift layer (diamond layer) 192, an n type guard ring (diamond layer) 196, an interface region 40, a protective film (insulating layer) 78, an anode An electrode 80 and a cathode electrode 82 are provided.

界面領域40は、n型のガードリング196及びp型のドリフト層192と、保護膜78との間に設けられる。 The interface region 40 is provided between the n-type guard ring 196 and the p -type drift layer 192 and the protective film 78.

界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

本変形例のSBDは、n型とp型が反転している点で本実施形態のSBDと異なっている。本変形例によれば、界面領域40を設けることで界面準位が終端されている。したがって、所望の空乏層が形成され耐圧の安定したSBDが実現される。   The SBD of this modification is different from the SBD of this embodiment in that the n-type and the p-type are inverted. According to this modification, the interface state is terminated by providing the interface region 40. Therefore, a desired depletion layer is formed and an SBD with stable breakdown voltage is realized.

(第14の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第1の面を備えるダイヤモンド層と、金属電極と、ダイヤモンド層の第1の面と金属電極との間に設けられ、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素を含有し、上記元素の濃度のピークの半値全幅が1nm以下であり、第1の面においてC(炭素)と結合しないC(炭素)の面密度を第1の面密度とした場合に、上記元素の面密度である第2の面密度が第1の面密度の1/2以下である領域と、
を備える。
(Fourteenth embodiment)
The semiconductor device of the present embodiment is provided between a diamond layer having a first surface, a metal electrode, and the first surface of the diamond layer and the metal electrode, and includes Be (beryllium), Mg (magnesium), and Ca. (Calcium), Sr (strontium), Ba (barium) at least one element selected from the group, the full width at half maximum of the concentration peak of the element is 1 nm or less, C (carbon) in the first surface When the surface density of C (carbon) that is not bonded to the first surface density is the first surface density, a second surface density that is the surface density of the element is ½ or less of the first surface density;
Is provided.

本実施形態の半導体装置は、アノード電極とドリフト層の間にも界面領域が設けられる点で、第13の実施形態と異なっている。第13の実施形態と重複する内容については記述を省略する。   The semiconductor device of this embodiment is different from the thirteenth embodiment in that an interface region is also provided between the anode electrode and the drift layer. The description overlapping with the thirteenth embodiment is omitted.

図22は、本実施形態の半導体装置であるSBDの構成を示す模式断面図である。   FIG. 22 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the SBD that is the semiconductor device of the present embodiment.

SBD900は、n型のカソード領域90、n型のドリフト層(ダイヤモンド層)92、p型のガードリング(ダイヤモンド層)96、界面領域40、保護膜(絶縁層)78、アノード電極(金属電極)80、カソード電極82を備える。 The SBD 900 includes an n + -type cathode region 90, an n -type drift layer (diamond layer) 92, a p-type guard ring (diamond layer) 96, an interface region 40, a protective film (insulating layer) 78, an anode electrode (metal) Electrode) 80 and a cathode electrode 82.

界面領域40は、ガードリング96及びドリフト層92と、保護膜78との間に設けられる。また、界面領域40は、ドリフト層92と、アノード電極80との間にも、設けられる。   The interface region 40 is provided between the guard ring 96 and the drift layer 92 and the protective film 78. The interface region 40 is also provided between the drift layer 92 and the anode electrode 80.

界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

終端元素は、ドリフト層92とアノード電極80との間の界面に偏析している。終端元素の濃度のピークの半値全幅は1nm以下である。濃度のピークの半値全幅は0.5nm以下であることが望ましく、0.2nm未満であることがより望ましい。   The termination element is segregated at the interface between the drift layer 92 and the anode electrode 80. The full width at half maximum of the concentration peak of the terminal element is 1 nm or less. The full width at half maximum of the concentration peak is desirably 0.5 nm or less, and more desirably less than 0.2 nm.

界面領域40は、単原子層(monoatomic layer)であることが望ましい。   The interface region 40 is preferably a monoatomic layer.

ドリフト層72の表面においてSi(シリコン)又はC(炭素)いずれとも結合しないSi(シリコン)及びC(炭素)の面密度を第1の面密度と定義する。また、終端元素の面密度を第2の面密度とする。第2の面密度は第1の面密度の1/2以下である。   The surface density of Si (silicon) and C (carbon) that do not bond to either Si (silicon) or C (carbon) on the surface of the drift layer 72 is defined as a first surface density. Further, the surface density of the termination element is set to the second surface density. The second surface density is ½ or less of the first surface density.

第2の面密度が第1の面密度の1/120以下であることが望ましい。また、第2の面密度が第1の面密度の1/12000以上であることが望ましい。   It is desirable that the second surface density is 1/120 or less of the first surface density. Further, it is desirable that the second surface density is 1/12000 or more of the first surface density.

界面領域40における終端元素の濃度のピークは、5×1018cm−3以上であることが望ましい。また、1×1019cm−3以上であることがより望ましい。 The peak of the concentration of the termination element in the interface region 40 is desirably 5 × 10 18 cm −3 or more. Moreover, it is more desirable that it is 1 × 10 19 cm −3 or more.

保護膜78は、例えば、シリコン酸化膜である。   The protective film 78 is, for example, a silicon oxide film.

ドリフト層92とアノード電極80との間の界面に界面準位が存在すると、フェルミレベルのピン止めが生じる。このため、ドリフト層92とアノード電極80との間に所望のショットキー障壁が実現できない恐れがある。   If an interface state exists at the interface between the drift layer 92 and the anode electrode 80, Fermi level pinning occurs. For this reason, a desired Schottky barrier may not be realized between the drift layer 92 and the anode electrode 80.

本実施形態によれば、界面領域40を設けることで界面準位が終端されている。したがって、アノード電極80の仕事関数で定まる所望のショットキー障壁を備えるSBDが実現される。   According to this embodiment, the interface state is terminated by providing the interface region 40. Therefore, an SBD having a desired Schottky barrier determined by the work function of the anode electrode 80 is realized.

更に、上述のように、終端元素は、SiよりもCと結合することが、より安定であることが判明している。ダイヤモンドを半導体材料とする場合、界面領域40の終端元素は、すべてCと結合する。したがって、極めて安定した界面領域40を備えるSBDが実現される。   Furthermore, as described above, it has been found that the termination element is more stable to bond with C than to Si. When diamond is used as a semiconductor material, all the terminal elements in the interface region 40 are bonded to C. Therefore, an SBD having an extremely stable interface region 40 is realized.

(変形例)
図23は、本実施形態の変形例の半導体装置であるSBDの構成を示す模式断面図である。
(Modification)
FIG. 23 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an SBD that is a semiconductor device according to a modification of the present embodiment.

変形例のSBDは、p型のカソード領域190、p型のドリフト層(ダイヤモンド層)192、n型のガードリング(ダイヤモンド層)196、界面領域40、保護膜(絶縁層)78、アノード電極80、カソード電極82を備える。 The modified SBD includes a p + type cathode region 190, a p type drift layer (diamond layer) 192, an n type guard ring (diamond layer) 196, an interface region 40, a protective film (insulating layer) 78, an anode An electrode 80 and a cathode electrode 82 are provided.

界面領域40は、n型のガードリング196及びp型のドリフト層192と、保護膜78との間に設けられる。 The interface region 40 is provided between the n-type guard ring 196 and the p -type drift layer 192 and the protective film 78.

界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

本変形例のSBDは、n型とp型が反転している点で本実施形態のSBDと異なっている。本変形例によれば、界面領域40を設けることで界面準位が終端されている。したがって、アノード電極80の仕事関数で定まる所望のショットキー障壁を備えるSBDが実現される。   The SBD of this modification is different from the SBD of this embodiment in that the n-type and the p-type are inverted. According to this modification, the interface state is terminated by providing the interface region 40. Therefore, an SBD having a desired Schottky barrier determined by the work function of the anode electrode 80 is realized.

(第15の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第1の面を備えるダイヤモンド層と、絶縁層と、ダイヤモンド層の第1の面と絶縁層との間に設けられ、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素を含有し、上記元素の濃度のピークの半値全幅が1nm以下であり、第1の面においてC(炭素)と結合しないC(炭素)の面密度を第1の面密度とした場合に、上記元素の面密度である第2の面密度が第1の面密度の1/2以下である領域と、を備える。
(Fifteenth embodiment)
The semiconductor device of this embodiment is provided between a diamond layer having a first surface, an insulating layer, and the first surface of the diamond layer and the insulating layer, and includes Be (beryllium), Mg (magnesium), and Ca. (Calcium), Sr (strontium), Ba (barium) at least one element selected from the group, the full width at half maximum of the concentration peak of the element is 1 nm or less, C (carbon) in the first surface When the surface density of C (carbon) not bonded to the first surface density is the first surface density, a region where the second surface density, which is the surface density of the element, is ½ or less of the first surface density, Prepare.

SiCにかえて半導体材料としてダイヤモンドを用いること、n型とp型反転していること以外は、第10の実施形態と同様である。したがって、第10の実施形態と重複する内容については記述を省略する。   The same as the tenth embodiment, except that diamond is used as the semiconductor material instead of SiC and the n-type and p-type are inverted. Therefore, the description overlapping with the tenth embodiment is omitted.

図24は、本実施形態の半導体装置であるPINダイオードの構成を示す模式断面図である。   FIG. 24 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a PIN diode which is a semiconductor device of the present embodiment.

PINダイオード1000は、p型のカソード領域170、p型のドリフト層(SiC層)172、n型のアノード領域174、n型のガードリング(SiC層)176、界面領域40、保護膜(絶縁層)78、アノード電極80、カソード電極82を備える。 The PIN diode 1000 includes a p + type cathode region 170, a p type drift layer (SiC layer) 172, an n + type anode region 174, an n type guard ring (SiC layer) 176, an interface region 40, a protective film. (Insulating layer) 78, an anode electrode 80, and a cathode electrode 82 are provided.

界面領域40は、ガードリング76及びドリフト層72と、保護膜78との間に設けられる。   The interface region 40 is provided between the guard ring 76 and the drift layer 72 and the protective film 78.

界面領域40は、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群から選ばれる少なくとも一つの元素(終端元素)を含有する。   The interface region 40 contains at least one element (terminal element) selected from the group consisting of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium).

本実施形態によれば、界面領域40を設けることで界面準位が終端されている。したがって、所望の空乏層が形成され耐圧の安定したPINダイオードが実現される。   According to this embodiment, the interface state is terminated by providing the interface region 40. Therefore, a PIN diode having a desired breakdown voltage and a stable withstand voltage is realized.

更に、上述のように、終端元素は、SiよりもCと結合することが、より安定であることが判明している。ダイヤモンドを半導体材料とする場合、界面領域40の終端元素は、すべてCと結合する。したがって、極めて安定した界面領域40を備えるSBDが実現される。   Furthermore, as described above, it has been found that the termination element is more stable to bond with C than to Si. When diamond is used as a semiconductor material, all the terminal elements in the interface region 40 are bonded to C. Therefore, an SBD having an extremely stable interface region 40 is realized.

(第16の実施形態)
本実施形態のインバータ回路及び駆動装置は、第1の実施形態の半導体装置を備える駆動装置である。
(Sixteenth embodiment)
The inverter circuit and the drive device of this embodiment are drive devices provided with the semiconductor device of the first embodiment.

図25は、本実施形態の駆動装置の模式図である。駆動装置1100は、モーター140と、インバータ回路150を備える。   FIG. 25 is a schematic diagram of the drive device of the present embodiment. The driving device 1100 includes a motor 140 and an inverter circuit 150.

インバータ回路50は、第1の実施形態のMISFET100をスイッチング素子とする3個の半導体モジュール100a、100b、100cで構成される。3個の半導体モジュール100a、100b、100cを並列に接続することで、3個の交流電圧の出力端子U、V、Wを備える三相のインバータ回路150が実現される。インバータ回路150から出力される交流電圧により、モーター140が駆動する。   The inverter circuit 50 includes three semiconductor modules 100a, 100b, and 100c that use the MISFET 100 of the first embodiment as a switching element. By connecting the three semiconductor modules 100a, 100b, and 100c in parallel, a three-phase inverter circuit 150 including three AC voltage output terminals U, V, and W is realized. The motor 140 is driven by the AC voltage output from the inverter circuit 150.

本実施形態によれば、界面準位が低減されたMISFET100を備えることで、インバータ回路150及び駆動装置1100の動作が安定する。   According to the present embodiment, the operation of the inverter circuit 150 and the driving device 1100 is stabilized by including the MISFET 100 having a reduced interface state.

(第17の実施形態)
本実施形態の車両は、第1の実施形態の半導体装置を備える車両である。
(Seventeenth embodiment)
The vehicle according to the present embodiment is a vehicle including the semiconductor device according to the first embodiment.

図26は、本実施形態の車両の模式図である。本実施形態の車両1200は、鉄道車両である。車両1200は、モーター140と、インバータ回路150を備える。   FIG. 26 is a schematic diagram of a vehicle according to the present embodiment. The vehicle 1200 according to this embodiment is a railway vehicle. The vehicle 1200 includes a motor 140 and an inverter circuit 150.

インバータ回路50は、第1の実施形態のMISFET100をスイッチング素子とする3個の半導体モジュール100a、100b、100cで構成される。3個の半導体モジュール100a、100b、100cを並列に接続することで、3個の交流電圧の出力端子U、V、Wを備える三相のインバータ回路150が実現される。   The inverter circuit 50 includes three semiconductor modules 100a, 100b, and 100c that use the MISFET 100 of the first embodiment as a switching element. By connecting the three semiconductor modules 100a, 100b, and 100c in parallel, a three-phase inverter circuit 150 including three AC voltage output terminals U, V, and W is realized.

インバータ回路150から出力される交流電圧により、モーター140が駆動する。モーター140により車両1200の車輪1290が回転する。   The motor 140 is driven by the AC voltage output from the inverter circuit 150. Wheels 1290 of vehicle 1200 are rotated by motor 140.

本実施形態によれば、界面準位が低減されたMISFET100を備えることで、車両1200の動作が安定する。   According to the present embodiment, the operation of the vehicle 1200 is stabilized by including the MISFET 100 having a reduced interface state.

(第18の実施形態)
本実施形態の車両は、第1の実施形態の半導体装置を備える車両である。
(Eighteenth embodiment)
The vehicle according to the present embodiment is a vehicle including the semiconductor device according to the first embodiment.

図27は、本実施形態の車両の模式図である。本実施形態の車両1300は、自動車である。車両1300は、モーター140と、インバータ回路150を備える。   FIG. 27 is a schematic diagram of a vehicle according to the present embodiment. The vehicle 1300 of this embodiment is an automobile. The vehicle 1300 includes a motor 140 and an inverter circuit 150.

インバータ回路150は、第1の実施形態のMISFET100をスイッチング素子とする3個の半導体モジュール100a、100b、100cで構成される。3個の半導体モジュール100a、100b、100cを並列に接続することで、3個の交流電圧の出力端子U、V、Wを備える三相のインバータ回路150が実現される。   The inverter circuit 150 includes three semiconductor modules 100a, 100b, and 100c that use the MISFET 100 of the first embodiment as a switching element. By connecting the three semiconductor modules 100a, 100b, and 100c in parallel, a three-phase inverter circuit 150 including three AC voltage output terminals U, V, and W is realized.

インバータ回路150から出力される交流電圧により、モーター140が駆動する。モーター140により車両1000の車輪1290が回転する。   The motor 140 is driven by the AC voltage output from the inverter circuit 150. The wheel 140 of the vehicle 1000 is rotated by the motor 140.

本実施形態によれば、高い閾値を有するMISFETを備えることで、車両1300の信頼性が向上する。   According to this embodiment, the reliability of the vehicle 1300 is improved by including the MISFET having a high threshold.

(第19の実施形態)
本実施形態の昇降機は、第1の実施形態の半導体装置を備える昇降機である。
(Nineteenth embodiment)
The elevator according to the present embodiment is an elevator including the semiconductor device according to the first embodiment.

図28は、本実施形態の昇降機(エレベータ)の模式図である。本実施形態の昇降機1400は、かご1010、カウンターウエイト1012、ワイヤロープ1014、巻上機1016、モーター140と、インバータ回路150を備える。   FIG. 28 is a schematic diagram of an elevator (elevator) according to the present embodiment. The elevator 1400 of this embodiment includes a car 1010, a counterweight 1012, a wire rope 1014, a hoisting machine 1016, a motor 140, and an inverter circuit 150.

インバータ回路150は、第1の実施形態のMISFET100をスイッチング素子とする3個の半導体モジュール100a、100b、100cで構成される。3個の半導体モジュール100a、100b、100cを並列に接続することで、3個の交流電圧の出力端子U、V、Wを備える三相のインバータ回路150が実現される。   The inverter circuit 150 includes three semiconductor modules 100a, 100b, and 100c that use the MISFET 100 of the first embodiment as a switching element. By connecting the three semiconductor modules 100a, 100b, and 100c in parallel, a three-phase inverter circuit 150 including three AC voltage output terminals U, V, and W is realized.

インバータ回路150から出力される交流電圧により、モーター140が駆動する。モーター140により巻上機1016が回転し、かご1010が昇降する。   The motor 140 is driven by the AC voltage output from the inverter circuit 150. The hoisting machine 1016 is rotated by the motor 140 and the car 1010 is moved up and down.

本実施形態によれば、高い閾値を有するMISFETを備えることで、昇降機1400の信頼性が向上する。   According to this embodiment, the reliability of the elevator 1400 is improved by providing the MISFET having a high threshold.

なお、第1乃至第12の実施形態において、n型とp型とを入れ替えた構造のデバイスも同様に特性向上が実現できる。   In the first to twelfth embodiments, the characteristics of the device having a structure in which the n-type and the p-type are interchanged can also be improved.

以上、実施形態では、炭化珪素の結晶構造として4H−SiCの場合を例に説明したが、本発明は6H−SiC、3C−SiC等、その他の結晶構造の炭化珪素に適用することも可能である。   As described above, in the embodiment, the case of 4H—SiC is described as an example of the crystal structure of silicon carbide, but the present invention can also be applied to silicon carbide having other crystal structures such as 6H—SiC, 3C—SiC, and the like. is there.

また、第17乃至第19の実施形態において、本発明の半導体装置を車両やエレベータに適用する場合を例に説明したが、本発明の半導体装置を例えば、太陽光発電システムのパワーコンディショナー等に適用することも可能である。   In the seventeenth to nineteenth embodiments, the case where the semiconductor device of the present invention is applied to a vehicle or an elevator has been described as an example. However, the semiconductor device of the present invention is applied to, for example, a power conditioner of a solar power generation system. It is also possible to do.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. For example, a component in one embodiment may be replaced or changed with a component in another embodiment. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

14 ドリフト層(SiC層)
16 pウェル領域(SiC層)
28 ゲート絶縁層(絶縁層)
30 ゲート電極
33 フィールド酸化膜(絶縁層)
40 界面領域(領域)
60 リサーフ領域(SiC層)
64 ガードリング領域
72 ドリフト層(SiC層)
76 ガードリング(SiC層)
78 保護膜(絶縁層)
80 アノード電極(金属電極)
92 ドリフト層(ダイヤモンド層)
96 ガードリング(ダイヤモンド層)
100 MISFET(半導体装置)
140 モーター
150 インバータ回路
200 MISFET(半導体装置)
300 IGBT(半導体装置)
400 MISFET(半導体装置)
500 PINダイオード(半導体装置)
600 SBD(半導体装置)
700 SBD(半導体装置)
800 SBD(半導体装置)
900 SBD(半導体装置)
1000 PINダイオード(半導体装置)
1100 駆動装置
1200 車両
1300 車両
1400 昇降機
14 Drift layer (SiC layer)
16 p-well region (SiC layer)
28 Gate insulation layer (insulation layer)
30 Gate electrode 33 Field oxide film (insulating layer)
40 Interface area
60 RESURF region (SiC layer)
64 Guard ring region 72 Drift layer (SiC layer)
76 Guard ring (SiC layer)
78 Protective film (insulating layer)
80 Anode electrode (metal electrode)
92 Drift layer (Diamond layer)
96 Guard ring (diamond layer)
100 MISFET (semiconductor device)
140 Motor 150 Inverter circuit 200 MISFET (semiconductor device)
300 IGBT (semiconductor device)
400 MISFET (semiconductor device)
500 PIN diode (semiconductor device)
600 SBD (semiconductor device)
700 SBD (semiconductor device)
800 SBD (semiconductor device)
900 SBD (semiconductor device)
1000 PIN diode (semiconductor device)
1100 Driving device 1200 Vehicle 1300 Vehicle 1400 Elevator

Claims (27)

第1の面を備えるSiC層と、
絶縁層と、
Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群の少なくとも一つの元素を含有し、前記元素の濃度のピークの半値全幅が1nm以下であり、前記第1の面において前記SiC層中のSi(シリコン)又はC(炭素)いずれとも結合しないボンドを有するSi(シリコン)及びC(炭素)の面密度を第1の面密度とした場合に、前記元素の面密度である第2の面密度が前記第1の面密度の1/2以下である、前記SiC層の前記第1の面と前記絶縁層との間の領域と、
を備える半導体装置。
A SiC layer comprising a first surface;
An insulating layer;
Containing at least one element of the group of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), Ba (barium), the full width at half maximum of the concentration peak of the element being 1 nm or less, When the surface density of Si (silicon) and C (carbon) having a bond that does not bond to either Si (silicon) or C (carbon) in the SiC layer on the first surface is the first surface density, A region between the first surface of the SiC layer and the insulating layer, wherein a second surface density, which is a surface density of the element, is ½ or less of the first surface density;
A semiconductor device comprising:
前記第2の面密度が前記第1の面密度の1/120以下である請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second surface density is 1/120 or less of the first surface density. 前記第2の面密度が前記第1の面密度の1/12000以上である請求項1又は請求項2記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second area density is 1/12000 or more of the first area density. 前記ピークの前記元素の濃度が、5×1018cm−3以上である請求項1乃至請求項3いずれか一項記載の半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the concentration of the element at the peak is 5 × 10 18 cm −3 or more. 前記絶縁層中の前記元素の濃度が、1×1018cm−3以下である請求項1乃至請求項4いずれか一項記載の半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the concentration of the element in the insulating layer is 1 × 10 18 cm −3 or less. 前記領域が前記元素の単原子層(monoatomic layer)である請求項1乃至請求項5いずれか一項記載の半導体装置。   6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the region is a monoatomic layer of the element. 前記第1の面が<0001>方向に対し0度以上30度以下傾斜する面である請求項1乃至請求項6いずれか一項記載の半導体装置。   The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein the first surface is a surface inclined at an angle of 0 degrees to 30 degrees with respect to a <0001> direction. 前記第1の面が(000−1)面に対し0度以上30度以下傾斜する面である請求項1乃至請求項6いずれか一項記載の半導体装置。   7. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first surface is a surface inclined at an angle of 0 degrees to 30 degrees with respect to the (000-1) plane. 前記絶縁層上にゲート電極を、更に備える請求項1乃至請求項8いずれか一項記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, further comprising a gate electrode on the insulating layer. 前記第2の面密度は、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)によりカウントされた前記領域の前記元素の量を、入射イオンのビーム面積で除した値である請求項1乃至請求項9いずれか一項記載の半導体装置。   10. The second surface density is a value obtained by dividing the amount of the element in the region counted by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) by the beam area of incident ions. The semiconductor device described. 第1の面を備えるダイヤモンド層と、
絶縁層と、
Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群の少なくとも一つの元素を含有し、前記元素の濃度のピークの半値全幅が1nm以下であり、前記第1の面において前記ダイヤモンド層のC(炭素)と結合しないボンドを有するC(炭素)の面密度を第1の面密度とした場合に、前記元素の面密度である第2の面密度が前記第1の面密度の1/2以下である、前記ダイヤモンド層の前記第1の面と前記絶縁層との間の領域と、
を備える半導体装置。
A diamond layer comprising a first surface;
An insulating layer;
Containing at least one element of the group of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), Ba (barium), the full width at half maximum of the concentration peak of the element being 1 nm or less, When the surface density of C (carbon) having a bond that does not bond to C (carbon) of the diamond layer on the first surface is the first surface density, the second surface density that is the surface density of the element A region between the first surface of the diamond layer and the insulating layer, wherein is a half or less of the first surface density;
A semiconductor device comprising:
第1の面を備えるSiC層と、
金属電極と、
Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群の少なくとも一つの元素を含有し、前記元素の濃度のピークの半値全幅が1nm以下であり、前記第1の面において前記SiC層中のSi(シリコン)又はC(炭素)いずれとも結合しないボンドを有するSi(シリコン)及びC(炭素)の面密度を第1の面密度とした場合に、前記元素の面密度である第2の面密度が前記第1の面密度の1/2以下である、前記SiC層の前記第1の面と前記金属電極との間の領域と、
を備える半導体装置。
A SiC layer comprising a first surface;
A metal electrode;
Containing at least one element of the group of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), Ba (barium), the full width at half maximum of the concentration peak of the element being 1 nm or less, When the surface density of Si (silicon) and C (carbon) having a bond that does not bond to either Si (silicon) or C (carbon) in the SiC layer on the first surface is the first surface density, A region between the first surface of the SiC layer and the metal electrode, wherein a second surface density, which is a surface density of the element, is ½ or less of the first surface density;
A semiconductor device comprising:
前記第2の面密度が前記第1の面密度の1/120以下である請求項12記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 12, wherein the second surface density is 1/120 or less of the first surface density. 前記第2の面密度が前記第1の面密度の1/12000以上である請求項12又は請求項13記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 12 or 13, wherein the second surface density is 1/12000 or more of the first surface density. 前記ピークの前記元素の濃度が、5×1018cm−3以上である請求項12乃至請求項14いずれか一項記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 12, wherein the concentration of the element at the peak is 5 × 10 18 cm −3 or more. 第1の面を備えるダイヤモンド層と、
金属電極と、
Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群の少なくとも一つの元素を含有し、前記元素の濃度のピークの半値全幅が1nm以下であり、前記第1の面において前記ダイヤモンド層中のC(炭素)と結合しないボンドを有するC(炭素)の面密度を第1の面密度とした場合に、前記元素の面密度である第2の面密度が前記第1の面密度の1/2以下である、前記ダイヤモンド層の前記第1の面と前記金属電極との間の領域と、
を備える半導体装置。
A diamond layer comprising a first surface;
A metal electrode;
Containing at least one element of the group of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), Ba (barium), the full width at half maximum of the concentration peak of the element being 1 nm or less, When the surface density of C (carbon) having a bond that does not bond to C (carbon) in the diamond layer on the first surface is the first surface density, the second surface is the surface density of the element. A region between the first surface of the diamond layer and the metal electrode, the density being ½ or less of the first surface density;
A semiconductor device comprising:
第1の面を備えるSiC層と、
絶縁層と、
Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群の少なくとも一つの元素を含有し、前記元素の濃度のピークの半値全幅が1nm以下で、前記SiC層の前記第1の面と前記絶縁層との間の領域とを備え、
前記元素が2価である半導体装置。
A SiC layer comprising a first surface;
An insulating layer;
Containing at least one element of the group of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), Ba (barium), the full width at half maximum of the peak of the concentration of the element being 1 nm or less, A region between the first surface of the SiC layer and the insulating layer;
A semiconductor device in which the element is divalent.
請求項1乃至請求項17いずれか一項記載の半導体装置を備えるインバータ回路。   An inverter circuit comprising the semiconductor device according to claim 1. 請求項1乃至請求項17いずれか一項記載の半導体装置を備える駆動装置。   A driving device comprising the semiconductor device according to claim 1. 請求項1乃至請求項17いずれか一項記載の半導体装置を備える車両。   A vehicle comprising the semiconductor device according to any one of claims 1 to 17. 請求項1乃至請求項17いずれか一項記載の半導体装置を備える昇降機。   An elevator comprising the semiconductor device according to claim 1. SiC層の第1の面から、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群の少なくとも一つの元素のイオンをイオン注入し、
前記SiC層の前記第1の面に熱酸化膜を形成し、
前記熱酸化膜を剥離し、
前記SiC層の前記第1の面上に第1の絶縁層を形成する半導体装置の製造方法。
From the first surface of the SiC layer, ions of at least one element of the group of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium) are ion-implanted,
Forming a thermal oxide film on the first surface of the SiC layer;
Peeling off the thermal oxide film,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a first insulating layer is formed on the first surface of the SiC layer.
前記イオンをイオン注入する前に、前記SiC層の第1の面に第2の絶縁層を形成する請求項22記載の半導体装置の製造方法。   23. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 22, wherein a second insulating layer is formed on the first surface of the SiC layer before the ion implantation. 前記第1の絶縁層上にゲート電極を形成する請求項22又は請求項23記載の半導体装置の製造方法。   24. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 22, wherein a gate electrode is formed on the first insulating layer. SiC層の第1の面に、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)の群の少なくとも一つの元素を含む第1の膜を形成し、
前記SiC層の前記第1の面に第1の絶縁層を形成する半導体装置の製造方法。
Forming a first film containing at least one element of the group of Be (beryllium), Mg (magnesium), Ca (calcium), Sr (strontium), and Ba (barium) on the first surface of the SiC layer;
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a first insulating layer is formed on the first surface of the SiC layer.
前記第1の膜を形成した後、前記第1の絶縁層を形成する前に、前記第1の面に熱酸化膜を形成し、
前記第1の絶縁層を形成する前に、前記熱酸化膜を剥離する請求項25記載の半導体装置の製造方法。
After forming the first film and before forming the first insulating layer, a thermal oxide film is formed on the first surface,
26. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 25, wherein the thermal oxide film is removed before forming the first insulating layer.
前記第1の膜が前記元素のシリケート膜、又は、前記元素の酸化膜であり、
前記第1の絶縁層を形成する前に、前記シリケート膜、又は、前記酸化膜を剥離する請求項25記載の半導体装置の製造方法。
The first film is a silicate film of the element or an oxide film of the element;
26. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 25, wherein the silicate film or the oxide film is peeled off before forming the first insulating layer.
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