JP2017041503A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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拓朗 稲本
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健志 藤井
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Mariko Sato
まり子 佐藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a MOSFET which has improved channel mobility and excellent anti-dielectric properties by a novel gate insulation layer which has excellent flatness of a semiconductor/insulation film interface and ensures inhibition of an interface state.SOLUTION: A semiconductor device having a gate insulation layer on a SiC substrate 2 comprises a gate insulation layer of a laminated structure in which an intermediate layer composed of an epitaxial silicon oxynitride film E-SiON3 on the SiC substrate 2 and an insulation layer h-BN4 composed of an insulating layer compound on the intermediate layer are sequentially formed.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、SiC基板上でのゲート絶縁膜の構成に関し、特に、エピタキシャルSiON上へのゲート絶縁膜の形成に関連した半導体装置、および、その製造方法に関する。   The present invention relates to a structure of a gate insulating film on a SiC substrate, and more particularly to a semiconductor device related to formation of a gate insulating film on an epitaxial SiON and a manufacturing method thereof.

近年、トランジスタの高耐圧化が可能な基板材料として、SiC(シリコンカーバイド:炭化珪素)が注目を集めている。SiCは、従来の基板材料であるSiやGaAsと比べて、10倍程度の絶縁破壊強度を有する。特に、SiCを用いたMOSFETは、耐圧の維持が可能な分だけ、素子の小型化が可能である。このことから、SiCを基板として用いることで、オン抵抗に占めるドリフト抵抗の割合が従来の基板材料からなる素子と比べて大幅に減少し、オン動作時に発生するエネルギーロスを低減できることが期待される。しかしながら、現状のSiC基板を用いた素子におけるオン抵抗値は、理論的に予想される値と比べて大きいことが知られている。その原因としては、SiC基板を用いた素子では、オン抵抗に占めるチャネル抵抗の寄与が大きいことが挙げられる。現状のSiC基板を用いた素子は、小型化によりドリフト抵抗値を大きく低減できてはいるものの、チャネル抵抗が大きいために、抵抗値の総和としては従来の素子とほぼ同等となっている。ゆえに、SiC基板を用いた素子の作製においては、チャネル抵抗値を低減させる技術の開発、具体的には、絶縁膜形成時の半導体/絶縁膜界面での制御手法の開発が重要である。   In recent years, SiC (silicon carbide: silicon carbide) has attracted attention as a substrate material capable of increasing the breakdown voltage of transistors. SiC has a dielectric breakdown strength about 10 times that of Si and GaAs, which are conventional substrate materials. In particular, MOSFETs using SiC can be downsized as much as the breakdown voltage can be maintained. From this, it is expected that the use of SiC as a substrate significantly reduces the ratio of the drift resistance to the on-resistance compared to a conventional element made of a substrate material, and can reduce the energy loss generated during the on-operation. . However, it is known that the on-resistance value of an element using a current SiC substrate is larger than a theoretically expected value. As a cause thereof, in the element using the SiC substrate, the contribution of the channel resistance to the on-resistance is large. Although the element using the current SiC substrate can greatly reduce the drift resistance value by downsizing, the total resistance value is almost equal to that of the conventional element because of the large channel resistance. Therefore, in manufacturing an element using a SiC substrate, it is important to develop a technique for reducing the channel resistance value, specifically, to develop a control method at the semiconductor / insulating film interface when forming the insulating film.

SiC基板を用いたMOSFETでは、ゲート絶縁膜の形成手法として、熱酸化法が一般に用いられている。この熱酸化法は、酸化ガス中の加熱においてSiC基板の表面を酸化することによって、その表面に絶縁膜であるSiO2を形成する手法である。これにより、絶縁膜形成プロセスの簡便化と低コスト化とが可能であるという長所がある。その一方で、短所としては、成膜の原理上、半導体/絶縁膜界面での状態の制御が難しく、キャリア散乱の主要因とされている界面凹凸や界面準位が酸化の過程で意図せずに発生してしまい、その結果としてチャネル移動度の低下を招くことが知られている。近年、ポストアニールの技術発展により、界面準位についてはある程度の抑制が可能となってはいるが、界面凹凸については熱酸化法を用いる以上はその抑制が困難である。ゆえに、熱酸化法を用いた場合のチャネル移動度は、現状100cm2/Vs程度で頭打ちとなっており、バルク値である1000cm2/Vsには遠く及ばない。 In a MOSFET using a SiC substrate, a thermal oxidation method is generally used as a method for forming a gate insulating film. This thermal oxidation method is a method of forming SiO 2 as an insulating film on the surface of the SiC substrate by oxidizing the surface of the SiC substrate by heating in an oxidizing gas. Thus, there is an advantage that the insulating film forming process can be simplified and the cost can be reduced. On the other hand, the disadvantage is that it is difficult to control the state at the semiconductor / insulator interface due to the principle of film formation, and the interface irregularities and interface states, which are the main causes of carrier scattering, are not intended during the oxidation process. As a result, it is known that the channel mobility is lowered. In recent years, the post-annealing technology has made it possible to suppress the interface state to some extent, but it is difficult to suppress the interface unevenness as long as the thermal oxidation method is used. Therefore, the channel mobility at the time of using the thermal oxidation method has peaked at about 100 cm 2 / Vs at present, and is far from the bulk value of 1000 cm 2 / Vs.

WO2012/131898号公報WO2012 / 131898

H. Tochihara, T. Shirasawa, Progress In Surface Science 86 (2011) p.295−327H. Tochihara, T .; Shirawa, Progress In Surface Science 86 (2011) p. 295-327

熱酸化法に代わるゲート絶縁膜の形成手法として、堆積法が知られている。堆積法は、ゲート絶縁膜の形成を、成膜装置を用いた絶縁性材料の堆積によって行う手法である。堆積法の利点としては、(1)半導体/ゲート絶縁膜界面の状態を前もって制御できること(2)絶縁膜の膜質の制御が比較的行い易いこと、(3)Al23、HfO2といったいわゆるHigh−k材料も使用可能なこと、が挙げられる。特に、(1)については、基板表面への適当な前処理を施すことにより、熱酸化法では原理的に制御困難である界面の凹凸や界面準位の発生を抑制することが可能であることを意味しており、界面状態の制御が容易という意味で、チャネル移動度の向上に関しては堆積法が原理的に優位である。堆積法によるチャネル移動度向上の先行事例としては、特許文献1に開示されているような窒素イオンのインプラによるSiC基板の表面を処理する方法が提案されている。しかし、この表面処理の方法では、SiC基板の表面に荒れが発生してしまうため、結果として界面の凹凸が発生してしまう問題がある。また、この表面処理の方法では、窒素を界面に導入することと、チャネル移動度向上することとの因果関係が不明であるという点で、界面状態を十分に制御しているものではない。 A deposition method is known as a method for forming a gate insulating film in place of the thermal oxidation method. The deposition method is a method of forming a gate insulating film by depositing an insulating material using a film forming apparatus. The advantages of the deposition method are (1) the state of the semiconductor / gate insulating film interface can be controlled in advance, (2) the film quality of the insulating film is relatively easy to control, and (3) so-called Al 2 O 3 and HfO 2. High-k material can also be used. In particular, with respect to (1), it is possible to suppress the generation of interface irregularities and interface states, which are in principle difficult to control with the thermal oxidation method, by applying appropriate pretreatment to the substrate surface. In terms of easy control of the interface state, the deposition method is superior in principle for improving channel mobility. As a prior example of channel mobility improvement by the deposition method, a method of treating the surface of a SiC substrate by nitrogen ion implantation as disclosed in Patent Document 1 has been proposed. However, in this surface treatment method, the surface of the SiC substrate is roughened, and as a result, there is a problem that unevenness of the interface occurs. In addition, this surface treatment method does not sufficiently control the interface state in that the causal relationship between introducing nitrogen into the interface and improving the channel mobility is unknown.

また、SiC基板にCVD等の方法によりSiO2(酸化シリコン)膜を形成した場合、SiCとSiOとの界面における欠陥密度が大きくなってしまう。その為、チャネル移動度はSiとSiOに比べ1桁以上小さくなってしまう。そこで、欠陥密度の低い絶縁層が必要である。 In addition, when a SiO 2 (silicon oxide) film is formed on a SiC substrate by a method such as CVD, the defect density at the interface between SiC and SiO becomes large. Therefore, the channel mobility becomes one digit or more smaller than Si and SiO. Therefore, an insulating layer having a low defect density is necessary.

従って、SiC基板を備えたMOSFETにおけるチャネル移動度の向上を目的としたゲート絶縁膜堆積前の界面状態の制御については、堆積前のSiC基板の表面が、平坦性に優れかつダングリングボンドのない状態で形成されていることが必要である。また、SiCと絶縁膜の界面の欠陥密度が低いことが必要である。   Therefore, regarding the control of the interface state before the gate insulating film deposition for the purpose of improving the channel mobility in the MOSFET including the SiC substrate, the surface of the SiC substrate before the deposition has excellent flatness and no dangling bonds. It is necessary to be formed in a state. Further, it is necessary that the defect density at the interface between the SiC and the insulating film is low.

そこで、本発明の目的は、SiC基板を用いたゲート酸化膜の新たな構造を提案して、チャネル移動度および耐絶縁性に優れたMOSFETを提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to propose a new structure of a gate oxide film using a SiC substrate, and to provide a MOSFET excellent in channel mobility and insulation resistance.

本発明は、SiC基板上にゲート絶縁層を有する半導体装置であって、前記ゲート絶縁層は、前記SiC基板上に形成されたエピタキシャルシリコン酸窒化膜からなる中間層と、前記中間層上に形成された絶縁性層状化合物からなる絶縁層とを備えた構成とすることができる。   The present invention is a semiconductor device having a gate insulating layer on a SiC substrate, wherein the gate insulating layer is formed on the intermediate layer made of an epitaxial silicon oxynitride film formed on the SiC substrate and on the intermediate layer And an insulating layer made of an insulating layered compound.

前記絶縁性層状化合物のバンドギャップは、5.9eV以上としてよい。   The band gap of the insulating layered compound may be 5.9 eV or more.

前記絶縁性層状化合物は、六方晶窒化ホウ素を用いることができる。   As the insulating layered compound, hexagonal boron nitride can be used.

前記絶縁性層状化合物の膜厚は、10nm以上100nm以下としてよい。   The film thickness of the insulating layered compound may be 10 nm or more and 100 nm or less.

前記SiC基板として、4H−SiC基板又は6H−SiC基板を用いることができる。   As the SiC substrate, a 4H—SiC substrate or a 6H—SiC substrate can be used.

前記SiC基板の[11−20]方向のオフ角は、0°以上8°以下としてよい。   The off angle in the [11-20] direction of the SiC substrate may be 0 ° or more and 8 ° or less.

前記絶縁性層状化合物は、2次元状構造を有する絶縁性の原子層が複数層に積層して構成することができる。   The insulating layered compound can be formed by stacking a plurality of insulating atomic layers having a two-dimensional structure.

本発明は、MOSFETの構造を有する半導体装置であって、前記MOSFETは、SiC基板と、前記SiC基板上に形成されたゲート絶縁層であって、前記SiC基板上に形成されたエピタキシャルシリコン酸窒化膜からなる中間層と、前記中間層上に形成された絶縁性層状化合物からなる絶縁層とを含む、該ゲート絶縁層と、前記SiC基板の上面に形成され、一部が前記ゲート絶縁層に接触するソース領域と、前記SiC基板の上面に形成され、一部が前記ソース領域とは離れた位置の前記ゲート絶縁層に接触するドレイン領域と、前記ゲート絶縁層上に電気的に接続されたゲート電極と、前記ソース領域上に電気的に接続されたソース電極と、前記ドレイン領域上に電気的に接続されたドレイン電極とを備えた構成とすることができる。   The present invention is a semiconductor device having a MOSFET structure, wherein the MOSFET is an SiC substrate and a gate insulating layer formed on the SiC substrate, and an epitaxial silicon oxynitride formed on the SiC substrate. A gate insulating layer including an intermediate layer made of a film and an insulating layer made of an insulating layered compound formed on the intermediate layer; and a part of the gate insulating layer formed on the upper surface of the SiC substrate. A source region that is in contact, a drain region that is formed on the top surface of the SiC substrate, and that is partially in contact with the gate insulating layer at a position away from the source region, and is electrically connected to the gate insulating layer A gate electrode; a source electrode electrically connected to the source region; and a drain electrode electrically connected to the drain region. That.

本発明は、SiC基板上にゲート絶縁層を有する半導体装置の製造方法であって、前記SiC基板の表面を洗浄して、該表面の平坦化を行う工程と、前記SiC基板上に、エピタキシャルシリコン酸窒化膜からなる中間層を形成する工程と、前記中間層上に、六方晶窒化ホウ素の絶縁性層状化合物からなる絶縁層を形成する工程とを備え、前記中間層と前記絶縁層とを前記ゲート絶縁層として構成することができる。   The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a gate insulating layer on a SiC substrate, the step of cleaning the surface of the SiC substrate to planarize the surface, and the step of epitaxial silicon on the SiC substrate. A step of forming an intermediate layer made of an oxynitride film, and a step of forming an insulating layer made of an insulating layered compound of hexagonal boron nitride on the intermediate layer, the intermediate layer and the insulating layer being It can be configured as a gate insulating layer.

本発明は、MOSFETの構造を有する半導体装置の製造方法であって、前記SiC基板の表面を洗浄して、該表面の平坦化を行う工程と、前記SiC基板の上面にソース領域を形成する工程と、前記ソース領域とは離れた位置における、前記SiC基板の上面にドレイン領域を形成する工程と、一部が前記ソース領域および前記ドレイン領域に接触する位置における、前記SiC基板の上面にエピタキシャルシリコン酸窒化膜からなる中間層を形成する工程と、前記中間層上に、六方晶窒化ホウ素の絶縁性層状化合物からなる絶縁層を形成する工程と、前記ゲート絶縁層上に電気的に接続されたゲート電極を形成する工程と、前記ソース領域上に電気的に接続されたソース電極を形成する工程と、前記ドレイン領域上に電気的に接続されたドレイン電極を形成する工程とを備え、前記中間層と前記絶縁層とを前記MOSFETのゲート絶縁層として構成することができる。   The present invention is a method of manufacturing a semiconductor device having a MOSFET structure, the step of cleaning the surface of the SiC substrate to planarize the surface, and the step of forming a source region on the upper surface of the SiC substrate And forming a drain region on the upper surface of the SiC substrate at a position away from the source region, and epitaxial silicon on the upper surface of the SiC substrate at a position partially in contact with the source region and the drain region. A step of forming an intermediate layer made of an oxynitride film, a step of forming an insulating layer made of an insulating layered compound of hexagonal boron nitride on the intermediate layer, and an electrical connection on the gate insulating layer Forming a gate electrode; forming a source electrode electrically connected on the source region; and electrically connecting on the drain region And forming a drain electrode, and said insulating layer and the intermediate layer may be configured as a gate insulating layer of the MOSFET.

本発明の第1の実施の形態である、半導体装置のゲート絶縁層における構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure in the gate insulating layer of the semiconductor device which is the 1st Embodiment of this invention. 半導体装置をMOSFETとして構成した例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which comprised the semiconductor device as MOSFET. 本発明の第2の実施の形態である、ゲート絶縁層を作成する製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method which produces the gate insulating layer which is the 2nd Embodiment of this invention. CVD法により、E−SiON上にh−BNを形成する例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which forms h-BN on E-SiON by CVD method. 転写法により、E−SiON上にh−BNを形成する例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which forms h-BN on E-SiON by the transfer method.

[半導体装置]
本発明の第1の実施形態である半導体装置の構成を、図1および図2に基づいて説明する。
<ゲート絶縁層>
図1は、半導体装置のゲート絶縁層1における構成例を示す。
[Semiconductor device]
The configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
<Gate insulation layer>
FIG. 1 shows a configuration example of the gate insulating layer 1 of the semiconductor device.

ゲート絶縁層1は、SiC基板2上に形成されたエピタキシャルシリコン酸窒化膜(E−SiON)からなる中間層3と、中間層3上に形成された絶縁性層状化合物からなる絶縁層4とを含む。   The gate insulating layer 1 includes an intermediate layer 3 made of an epitaxial silicon oxynitride film (E-SiON) formed on the SiC substrate 2 and an insulating layer 4 made of an insulating layered compound formed on the intermediate layer 3. Including.

以下、各部の構成について説明する。
(SiC基板)
SiC基板2は、十分な平坦性を有する表面を有し、例えば、4H−SiC基板又は6H−SiC基板を用いることができる。この場合、SiC基板2の[11−20]方向のオフ角は、0°以上8°以下であればよい。なお、前記オフ角とは、SiCの(0001)面に対するSiC基板の表面の角度である。
(E−SiON)
中間層3を構成するエピタキシャルシリコン酸窒化膜(E−SiON)は、4H−SiC基板又は6H−SiC基板のような十分な平坦性を有するSiC基板2の表面上にエピタキシャル成長される。前記E−SiONは、厚さ0.6nm程度の極薄の絶縁膜である。
Hereinafter, the configuration of each unit will be described.
(SiC substrate)
The SiC substrate 2 has a sufficiently flat surface, and for example, a 4H—SiC substrate or a 6H—SiC substrate can be used. In this case, the off angle in the [11-20] direction of the SiC substrate 2 may be 0 ° or more and 8 ° or less. The off angle is an angle of the surface of the SiC substrate with respect to the (0001) plane of SiC.
(E-SiON)
The epitaxial silicon oxynitride film (E-SiON) constituting the intermediate layer 3 is epitaxially grown on the surface of the SiC substrate 2 having sufficient flatness such as a 4H—SiC substrate or a 6H—SiC substrate. The E-SiON is an extremely thin insulating film having a thickness of about 0.6 nm.

前記E−SiONは、シリコンと酸素と窒素とがそれぞれ組成比4:5:3で構成される。また、一般的なSiON(酸窒化シリコン)はアモルファス構造であるのに対して、前記E−SiONは、窒化シリコン単原子層と酸化シリコン単原子層の積層構造(ヘテロ単原子二重層構造)を有する結晶質の薄膜である。前記E−SiONは、その構造上、ダングリングボンドが存在しないことから、SiC基板2上のゲート絶縁膜堆積を行う前の表面状態としては理想的なものである。また、前記E−SiONは、SiC基板上にエピタキシャル成長した膜であり、この膜自体の欠陥も少ない。さらに、SiCと前記E−SiONの界面の欠陥密度も低くすることができる。なお、一般的なアモルファス構造のSiON(酸窒化シリコン)をSiC基板上に形成すると、界面の欠陥密度は高く、チャネル移動度は小さくなってしまう。   The E-SiON is composed of silicon, oxygen, and nitrogen in a composition ratio of 4: 5: 3, respectively. In addition, while general SiON (silicon oxynitride) has an amorphous structure, the E-SiON has a laminated structure of a silicon nitride monoatomic layer and a silicon oxide monoatomic layer (heteromonoatomic double layer structure). It is a crystalline thin film. The E-SiON is ideal as a surface state before the gate insulating film is deposited on the SiC substrate 2 because there is no dangling bond due to its structure. The E-SiON is a film epitaxially grown on the SiC substrate, and the film itself has few defects. Furthermore, the defect density at the interface between SiC and the E-SiON can also be lowered. Note that when a general amorphous SiON (silicon oxynitride) is formed on a SiC substrate, the defect density at the interface is high and the channel mobility is low.

E−SiONは、約8eVのバンドギャップであることから、絶縁層4を堆積する前のバッファ層として使用可能である。従って、絶縁層4の堆積のプロセスにおいて、絶縁層4の堆積前にE−SiONを形成したことによって、平坦かつ界面準位の抑制された半導体/絶縁体界面を形成することができる。また、窒素加熱において形成することが可能である点も、簡便性の点で好ましい。しかし、前記E−SiONの膜厚が非常に薄いために、これだけでは絶縁破壊やリーク電流といったSiONに特有の問題が発生してしまい、MOSFETのゲート絶縁層の構成としては不十分なものとなる。   Since E-SiON has a band gap of about 8 eV, it can be used as a buffer layer before the insulating layer 4 is deposited. Therefore, in the process of depositing the insulating layer 4, by forming E-SiON before depositing the insulating layer 4, a semiconductor / insulator interface with a flat and suppressed interface state can be formed. Moreover, the point which can form in nitrogen heating is also preferable at the point of simplicity. However, since the film thickness of the E-SiON is very thin, this alone causes problems peculiar to SiON such as dielectric breakdown and leakage current, which is insufficient as a structure of the gate insulating layer of the MOSFET. .

なお、E−SiONであることの同定は、基板表面のLEED回折像にて√3×√3スポットが確認されることと、かつ、√3×√3スポットについての回折強度VS電子線エネルギー曲線(I−V曲線)のピークを示す曲線が、E−SiONの理論曲線の極大値のエネルギー位置にかかることである。好ましくは、PendryのRfactor(Rp)が0.3以下であることである。なお、前記PendryのRfactor(Rp)とは、2曲線間における極大値エネルギー位置の一致具合を定量化した指標であり、一致の程度が良好になるにつれその値は小さくなる性質がある。 The identification of E-SiON is confirmed by a √3 × √3 spot in the LEED diffraction image of the substrate surface, and the diffraction intensity VS electron beam energy curve for the √3 × √3 spot. The curve indicating the peak of (IV curve) is applied to the energy position of the maximum value of the theoretical curve of E-SiON. Preferably, the Pendry Rfactor (R p ) is 0.3 or less. The Pendry Rfactor (R p ) is an index quantifying the degree of coincidence of the maximum energy positions between the two curves, and has a property that the value becomes smaller as the degree of coincidence becomes better.

(絶縁性層状化合物:h−BN)
絶縁層4を構成する絶縁性層状化合物としては、六方晶窒化ホウ素(h−BN)を用いることができる。絶縁性層状化合物のバンドギャップは、5.9eV以上である。絶縁性層状化合物の膜厚は、10nm以上100nm以下である。
(Insulating layered compound: h-BN)
As the insulating layered compound constituting the insulating layer 4, hexagonal boron nitride (h-BN) can be used. The band gap of the insulating layered compound is 5.9 eV or more. The film thickness of the insulating layered compound is 10 nm or more and 100 nm or less.

絶縁性層状化合物とは、2次元状構造(シート状構造)を有する絶縁性の単原子層が互いの距離を一定に保って2層以上の複数層として積み重なって構成された化合物のことである。各単原子層にはその表面上にダングリングボンドが無く、前記絶縁性層状化合物は化学的不活性である。絶縁性層状化合物は前記単原子層同士がファンデルワールス力によって結合し、全体が構成された物質である。   The insulating layered compound is a compound in which insulating monoatomic layers having a two-dimensional structure (sheet-like structure) are stacked as two or more layers while maintaining a constant distance from each other. . Each monoatomic layer has no dangling bonds on its surface and the insulating layered compound is chemically inert. The insulating layered compound is a substance in which the monoatomic layers are bonded together by van der Waals force to form the whole.

通常、SiC基板上への絶縁膜の堆積が行われるには、SiC基板の表面の原子が堆積膜の原料原子と反応して結合を形成する必要があるが、前記E−SiONは表面が化学的不活性な構造あるため、通常の原理の成膜では膜が付かないか、若しくは堆積膜の高品質が難しいという問題が生じる。つまり、E-SiON上に通常のSiOやSiNなどの膜は形成することが難しい。このことは、化学的に不活性な膜にダングリングボンドを有する膜は成長しずらいのではないかと考えられる。そこで、元来不活性な原子層が積層して構成された絶縁性層状化合物を絶縁膜材料として用いる。これにより、前記E−SiONのような不活性表面に対してもファンデルワールス力に起因した物理吸着による堆積膜の形成が可能となる。また、前記絶縁性層状化合物を用いることにより、原理的にE−SiONへのダメージの少ない成膜となることから、前記E−SiONの構造を破壊することなくゲート絶縁層1を形成することが可能となる。   Normally, in order to deposit an insulating film on a SiC substrate, atoms on the surface of the SiC substrate must react with source atoms of the deposited film to form a bond, but the surface of E-SiON has a chemical surface. Due to the mechanically inactive structure, there is a problem that the film is not attached by the film formation according to the normal principle, or the high quality of the deposited film is difficult. That is, it is difficult to form a normal film such as SiO or SiN on E-SiON. This is considered that a film having a dangling bond on a chemically inactive film is difficult to grow. Therefore, an insulating layered compound formed by laminating an originally inactive atomic layer is used as an insulating film material. This makes it possible to form a deposited film by physical adsorption caused by van der Waals force even on an inert surface such as E-SiON. Further, by using the insulating layered compound, in principle, the film can be formed with little damage to the E-SiON, so that the gate insulating layer 1 can be formed without destroying the structure of the E-SiON. It becomes possible.

なお、SiC基板やSiO層に前記h−BNを形成しようとしても、密着性が得られず、また、前記h-BNの特性を得られないことが知見として得られた。これは、SiC基板やSiO層の表面はダングリングボンドが存在するため、ダングリングボンドを有しないh-BNが安定して成長できないためではないかと考えられる。   In addition, even if it tried to form the said h-BN in a SiC substrate or SiO layer, adhesiveness was not acquired and the characteristic of the said h-BN was not acquired as knowledge. This is probably because the surface of the SiC substrate or the SiO layer has dangling bonds, and h-BN having no dangling bonds cannot be stably grown.

<MOSFET>
図2は、半導体装置をMOSFET10として構成した例を示す。
<MOSFET>
FIG. 2 shows an example in which the semiconductor device is configured as a MOSFET 10.

MOSFET10は、SiC基板2と、上記図1に示すゲート絶縁層1と、SiC基板2の上面に形成されその一部がゲート絶縁層1に接触するソース領域11と、SiC基板2の上面に形成されその一部がソース領域11とは離れた位置のゲート絶縁層1に接触するドレイン領域12と、ゲート絶縁層1上に電気的に接続されたゲート電極13と、ソース領域11上に電気的に接続されたソース電極14と、ドレイン領域12上に電気的に接続されたドレイン電極15とを含む構成からなる。   MOSFET 10 is formed on SiC substrate 2, gate insulating layer 1 shown in FIG. 1 above, source region 11 formed on the upper surface of SiC substrate 2, a part of which contacts gate insulating layer 1, and on the upper surface of SiC substrate 2. The drain region 12 is in contact with the gate insulating layer 1 at a position away from the source region 11, the gate electrode 13 is electrically connected to the gate insulating layer 1, and is electrically connected to the source region 11. And a drain electrode 15 electrically connected to the drain region 12.

SiC基板2はn型SiCであり、その上部に低濃度のP型層(p-)がエピタキシャル成長されている。ソース領域11およびドレイン領域12は、エピタキシャル成長された高濃度のn型層(n+)である。 The SiC substrate 2 is n-type SiC, and a low-concentration P-type layer (p ) is epitaxially grown thereon. The source region 11 and the drain region 12 are epitaxially grown high concentration n-type layers (n + ).

SiC基板2を用いたMOSFETの場合、4H−SiCのバンドギャップが3.26eVであることから、ゲート絶縁層1として一般には5eV以上のゲート絶縁膜が必要である。現在、SiC基板2用の絶縁膜材料として研究が進んでいるものの一つにHfO2があるが、これは5.8eVのバンドギャップを有しているため、ゲート絶縁膜に要求されるバンドギャップとしての信頼性を確保するには少なくともこの値以上であることが好ましい。 In the case of a MOSFET using the SiC substrate 2, since the band gap of 4H—SiC is 3.26 eV, a gate insulating film of 5 eV or more is generally required as the gate insulating layer 1. Currently, HfO 2 has been studied as an insulating film material for the SiC substrate 2, which has a band gap of 5.8 eV, and therefore a band gap required for the gate insulating film. In order to ensure the reliability, it is preferable that it is at least this value or more.

本発明における絶縁性層状化合物において5.8eV以上バンドギャップを有する物質の代表例としては、六方晶窒化ホウ素(h−BN)が挙げられる。h−BNは、5.9eVのバンドギャップを有しているため、SiC基板2のゲート絶縁膜として使用可能な絶縁性層状化合物である。   A typical example of the substance having a band gap of 5.8 eV or more in the insulating layered compound in the present invention is hexagonal boron nitride (h-BN). Since h-BN has a band gap of 5.9 eV, it is an insulating layered compound that can be used as the gate insulating film of the SiC substrate 2.

上述したように、SiC基板2上に形成されたE−SiON(中間層3)と、E−SiON上に形成されたh−BN(絶縁性層状化合物:絶縁層4)とからなる積層構造としたので、SiONへの損傷がなく、半導体/絶縁膜界面の欠陥密度が低く、平坦性および界面準位抑制に優れたゲート絶縁層1として新たに構成することができ、これにより、チャネル移動度を向上させ、耐絶縁性に優れたMOSFETを作製することができる。   As described above, a laminated structure composed of E-SiON (intermediate layer 3) formed on SiC substrate 2 and h-BN (insulating layered compound: insulating layer 4) formed on E-SiON; Therefore, it is possible to newly form the gate insulating layer 1 that has no damage to the SiON, has a low defect density at the semiconductor / insulating film interface, and is excellent in flatness and interface state suppression. Thus, a MOSFET having excellent insulation resistance can be manufactured.

[半導体装置の製造方法]
次に、本発明の第2の実施形態である半導体装置の製造方法を、図3〜図5に基づいて説明する。
[Method for Manufacturing Semiconductor Device]
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<ゲート絶縁層の製造方法>
まず、ゲート絶縁層の製造方法について説明する。
<Manufacturing method of gate insulating layer>
First, a method for manufacturing the gate insulating layer will be described.

図3は、図1のゲート絶縁層1を作成する方法のフローチャートを示す。   FIG. 3 shows a flowchart of a method for producing the gate insulating layer 1 of FIG.

ステップS1では、SiC基板2の表面を洗浄して、該SiC基板2の表面の平坦化処理を行う。   In step S1, the surface of the SiC substrate 2 is cleaned, and the surface of the SiC substrate 2 is planarized.

ステップS2では、SiC基板2上に、エピタキシャルシリコン酸窒化膜(E−SiON)からなる中間層3を形成する。   In step S2, intermediate layer 3 made of an epitaxial silicon oxynitride film (E-SiON) is formed on SiC substrate 2.

ステップS3では、中間層3であるE−SiON上に、六方晶窒化ホウ素(h−BN)の絶縁性層状化合物からなる絶縁層4を形成する。   In step S3, an insulating layer 4 made of an insulating layered compound of hexagonal boron nitride (h-BN) is formed on E-SiON that is the intermediate layer 3.

以下、h−BNを代表例として、E−SiON上にh−BNを形成する手法について説明する。その形成する手法として、CVD法および転写法について説明する。   Hereinafter, a method for forming h-BN on E-SiON will be described using h-BN as a representative example. The CVD method and the transfer method will be described as the forming method.

<製法1:CVD法>
まず、製法1として、CVD法について説明する。
<Production method 1: CVD method>
First, the CVD method will be described as production method 1.

図4は、熱CVD法を用いて、E−SiON上にh−BNを直接形成する例を示す模式図である。E−SiONが形成されたSiC基板2が加熱炉20内にて約1000℃で加熱され、加熱炉20へ供給された原料ガスの熱分解により前記E−SiON上にh−BNが形成される。   FIG. 4 is a schematic diagram showing an example in which h-BN is directly formed on E-SiON using a thermal CVD method. The SiC substrate 2 on which E-SiON is formed is heated at about 1000 ° C. in the heating furnace 20, and h-BN is formed on the E-SiON by thermal decomposition of the raw material gas supplied to the heating furnace 20. .

CVD法においては、成膜時間を増減させることで、膜厚を制御することが可能である。原料については、ホウ素原料としてジボラン、窒素原料としてアンモニアやヒドラジンを用いることができる。この他に、ボラジンやアンモニアボランといったホウ素原子と窒素原子を両方含む化合物を原料として用いてもよい。また、熱CVD以外に、プラズマCVDを用いた成膜も可能である。   In the CVD method, the film thickness can be controlled by increasing or decreasing the film formation time. Regarding the raw material, diborane can be used as the boron raw material, and ammonia or hydrazine can be used as the nitrogen raw material. In addition, compounds containing both boron atoms and nitrogen atoms such as borazine and ammonia borane may be used as a raw material. In addition to thermal CVD, film formation using plasma CVD is also possible.

以下、CVD法によるゲート絶縁層1の具体的な作製例として、作製例1〜作製例4、比較例について説明する。   Hereinafter, Production Examples 1 to 4 and Comparative Examples will be described as specific production examples of the gate insulating layer 1 by the CVD method.

(作製例1)
まず、ステップS1について説明する。
(Production Example 1)
First, step S1 will be described.

SiC基板2は、10mm角にカットされた厚さ430μmの4H−SiCで、オフ角が4°で、表面がSi面の基板を使用した。このSiC基板2を表面不純物の除去として有機溶媒と純水による超音波洗浄をそれぞれ10分間行った。次に、洗浄後のSiC基板2を、横型の加熱炉20内に設置されたグラファイト製のサセプタ21上におき、炉内真空度が10-3Paになるまで真空引きを行った。真空引き後、水素ガスを大気圧になるまで炉内に導入し、流量1000sccm、温度1400℃にて20分間加熱を行うことで、SiC基板2の表面の平坦化処理を行った。加熱後、基板温度が室温になるまで15分間冷却してから水素ガスの導入を停止し、炉内真空度が10-3Paになるまで真空引きを行った。なお、前記温度は1400℃以上1600℃以下で行うことができる。 The SiC substrate 2 was a 4H—SiC having a thickness of 430 μm cut into 10 mm square, an off angle of 4 °, and a Si surface substrate. The SiC substrate 2 was subjected to ultrasonic cleaning with an organic solvent and pure water for 10 minutes each to remove surface impurities. Next, the cleaned SiC substrate 2 was placed on a graphite susceptor 21 installed in a horizontal heating furnace 20 and evacuated until the in-furnace vacuum was 10 −3 Pa. After evacuation, hydrogen gas was introduced into the furnace until atmospheric pressure was reached, and the surface of SiC substrate 2 was planarized by heating at a flow rate of 1000 sccm and a temperature of 1400 ° C. for 20 minutes. After heating, the substrate was cooled for 15 minutes until the substrate temperature reached room temperature, and then the introduction of hydrogen gas was stopped, and evacuation was performed until the degree of vacuum in the furnace became 10 −3 Pa. In addition, the said temperature can be performed at 1400 degreeC or more and 1600 degrees C or less.

なお、SiC基板2の表面の平坦化処理について説明しておく。   The planarization process for the surface of SiC substrate 2 will be described.

E−SiONを成長する前のSiC基板2の平坦化処理の手法としては、一般的に、SiC基板2のステップ−テラス構造上にエピタキシャル薄膜を含むファセット面を形成する手法や、SiC基板2のステップ−テラス構造の凹凸を平滑化加工する手法がある。本例では、E−SiONを成長する前のSiC基板2の基板表面状態としては、ユニット半分高さ(4Hで0.5nm、6Hで0.75nm)ないしユニット高さ(4Hで1.0 nm、6Hで1.5nm)のステップ−テラス構造がテラス幅均一で形成されていることが好ましい。なお、基板については、エピタキシャル膜形成の有無あるいはドーピングの有無を問わない。   As a method of planarizing the SiC substrate 2 before growing E-SiON, generally, a method of forming a facet surface including an epitaxial thin film on the step-terrace structure of the SiC substrate 2, There is a method of smoothing the unevenness of the step-terrace structure. In this example, the substrate surface state of the SiC substrate 2 before the growth of E-SiON is a unit half height (0.5 nm at 4H, 0.75 nm at 6H) or a unit height (1.0 nm at 4H). , 6H, 1.5 nm) step-terrace structure is preferably formed with a uniform terrace width. In addition, about the board | substrate, it does not ask | require the presence or absence of epitaxial film formation or the presence or absence of doping.

次に、ステップS2について説明する。   Next, step S2 will be described.

そして、炉内に窒素ガスを大気圧になるまで導入し、流量1000sccm、温度1400℃にて20分間加熱を行うことで、SiC基板2上に、E−SiONを厚さ0.6nm形成した。なお、炉内には酸素が残留していても良い。加熱後は、基板温度が室温になるまで15分間冷却してから窒素ガスの導入を停止し、加熱炉を大気解放して試料を取り出した。なお、前記温度は1300℃以上1500℃以下で行うことができる。より好ましくは1400℃である。1300℃以下の場合は表面の窒化が進行せず、1500℃以上の場合は表面荒れが発生してしまう。   Then, nitrogen gas was introduced into the furnace until atmospheric pressure was reached, and heating was performed at a flow rate of 1000 sccm and a temperature of 1400 ° C. for 20 minutes, thereby forming E-SiON with a thickness of 0.6 nm on the SiC substrate 2. Note that oxygen may remain in the furnace. After heating, the substrate was cooled for 15 minutes until the substrate temperature reached room temperature, and then the introduction of nitrogen gas was stopped, the heating furnace was opened to the atmosphere, and the sample was taken out. In addition, the said temperature can be performed at 1300 to 1500 degreeC. More preferably, it is 1400 degreeC. When the temperature is 1300 ° C. or lower, surface nitriding does not proceed, and when the temperature is 1500 ° C. or higher, surface roughness occurs.

次に、ステップS3について説明する。   Next, step S3 will be described.

続いて作製した試料を別の同型の横型管状炉内のサセプタ上へ搬送した。搬送後、炉内真空度が10-3Paになるまで真空引きを行った後、キャリアガスとして水素を500sccm流し、原料であるアンモニアボランを100℃に加熱することで昇華させて供給した。そして、大気圧で温度1000℃に昇温して30分間加熱を行うことにより、前記E−SiON上に、h−BNを厚さ50nm成長した。加熱後、基板温度が室温になるまで15分間冷却してからガスの導入を停止し、炉内真空度が10-3Paになるまで真空引きを行った後、炉内を外気でベントして試料を取り出した。なお、前記温度は900℃以上1100℃以下で行うことができる。より好ましくは1000℃である。900℃以下の場合はh−BNの膜質が悪く、1100℃以上の場合は膜厚の均一性が失われる。 Subsequently, the prepared sample was transported onto a susceptor in another horizontal tube furnace of the same type. After conveyance, vacuuming was performed until the degree of vacuum in the furnace reached 10 −3 Pa, and then hydrogen was flowed at 500 sccm as a carrier gas, and ammonia borane as a raw material was sublimated by heating to 100 ° C. and supplied. Then, by raising the temperature to 1000 ° C. under atmospheric pressure and heating for 30 minutes, h-BN was grown to a thickness of 50 nm on the E-SiON. After heating, after cooling for 15 minutes until the substrate temperature reaches room temperature, the introduction of gas is stopped, vacuuming is performed until the degree of vacuum in the furnace reaches 10 −3 Pa, and then the inside of the furnace is vented with outside air. A sample was removed. In addition, the said temperature can be performed at 900 to 1100 degreeC. More preferably, it is 1000 degreeC. When the temperature is 900 ° C. or lower, the film quality of h-BN is poor, and when it is 1100 ° C. or higher, the uniformity of the film thickness is lost.

(作製例2)
作製例1のステップS3の工程において、h−BN成長の加熱時間を60分間に変更することで、h−BNの膜厚を100nmとした。それ以外は、同じ工程にて作製した。
(Production Example 2)
In the process of Step S3 of Production Example 1, the film thickness of h-BN was set to 100 nm by changing the heating time of h-BN growth to 60 minutes. Other than that, it produced in the same process.

(作製例3)
作製例1のステップS1の工程において、SiC基板2のポリタイプを6H−SiC基板に変更した。それ以外は、同じ工程にて作製した。
(Production Example 3)
In the process of Step S1 of Production Example 1, the polytype of the SiC substrate 2 was changed to a 6H—SiC substrate. Other than that, it produced in the same process.

(作製例4)
作製例1のステップS1の工程において、SiC基板の[11−20]方向のオフ角を0°、8°、12°に変更した。それ以外は、同じ工程にて作製した。
(Production Example 4)
In the process of Step S1 of Production Example 1, the off angles in the [11-20] direction of the SiC substrate were changed to 0 °, 8 °, and 12 °. Other than that, it produced in the same process.

(比較例)
作製例1のステップS3の工程において、h−BNの成膜をスパッタリングによるAl23の成膜に変更して行った。以下、スパッタリングの工程について説明する。
(Comparative example)
In the process of Step S3 of Production Example 1, the film formation of h-BN was changed to the film formation of Al 2 O 3 by sputtering. Hereinafter, the sputtering process will be described.

まず、作製例1のステップS2の工程にて作製したE−SiONを、ヘリコン型高周波マグネトロンスパッタリング装置内に設置された台座上に置き、10-3Paになるまで真空引きを行った後、Arガスを10sccm、酸素ガス1sccmをチャンバ内に導入した。その後、1Paになるようチャンバ内の圧力を調整した後、陰極電力150Wにて前記E−SiON上へのアルミのスパッタリングを2分間行い、膜厚50nmのAl23を形成した。 First, E-SiON produced in the step S2 of Production Example 1 is placed on a pedestal installed in a helicon type high-frequency magnetron sputtering apparatus, and evacuated to 10 -3 Pa. 10 sccm of gas and 1 sccm of oxygen gas were introduced into the chamber. Then, after adjusting the pressure in the chamber to 1 Pa, aluminum was sputtered onto the E-SiON with a cathode power of 150 W for 2 minutes to form Al 2 O 3 having a thickness of 50 nm.

従来の手法であるスパッタリングを用いた場合、スパッタリングの原理上、SiC基板2の基板表面に対して高エネルギーで原子が衝突する必要があるため、堆積初期の段階で極薄のSiONの構造を破壊してしまう問題がある。したがって、中間層3であるE−SiON上へのゲート絶縁膜の堆積においては、図3のステップS3に示すようなE−SiONを破壊しない絶縁層4の形成を実現することが求められる。   When sputtering, which is a conventional method, is used, atoms need to collide with the substrate surface of the SiC substrate 2 with high energy due to the principle of sputtering, so the structure of ultrathin SiON is destroyed at the initial stage of deposition. There is a problem. Therefore, in the deposition of the gate insulating film on the E-SiON that is the intermediate layer 3, it is required to realize the formation of the insulating layer 4 that does not destroy the E-SiON as shown in Step S3 of FIG.

<製法1の評価>
次に、作製例1〜4、および比較例において作製した試料について評価する。
<Evaluation of manufacturing method 1>
Next, the samples produced in Production Examples 1 to 4 and the Comparative Example are evaluated.

評価方法としては。TEM(透過型電子顕微鏡)を用いて撮影した断面写真像において、SiC/絶縁膜界面におけるE−SiONの損傷の有無を確認した。この評価により、前記界面の欠陥密度を定性的に評価することができる。つまり、損傷の確認できるものは、前記界面にも多くの欠陥があり、欠陥密度は高いといえる。以下、評価結果について説明する。   As an evaluation method. In a cross-sectional photographic image taken using a TEM (transmission electron microscope), it was confirmed whether or not E-SiON was damaged at the SiC / insulating film interface. By this evaluation, the defect density of the interface can be qualitatively evaluated. That is, it can be said that what can be confirmed to be damaged has many defects at the interface, and the defect density is high. Hereinafter, the evaluation results will be described.

表1は、SiC/絶縁膜界面に対する成膜法の影響をまとめたものである。   Table 1 summarizes the influence of the deposition method on the SiC / insulating film interface.

具体的には、作製例1にて作製したh−BNと、比較例にて作製したAl23との2試料についての界面におけるE−SiONの損傷の有無を評価した結果である。これにより、h−BNを成膜した試料については、E−SiONの構造が維持され、Al23を成膜した試料についてはE−SiONが損傷していることが確認された。 Specifically, it is the result of evaluating the presence or absence of damage of E-SiON at the interface of two samples of h-BN produced in Production Example 1 and Al 2 O 3 produced in Comparative Example. Thereby, it was confirmed that the E-SiON structure was maintained for the sample on which h-BN was formed, and that the E-SiON was damaged for the sample on which Al 2 O 3 was formed.

表2は、h−BN成膜後のSiC/絶縁膜界面に対するh−BNの膜厚の影響をまとめたものである。   Table 2 summarizes the influence of the film thickness of h-BN on the SiC / insulating film interface after the film formation of h-BN.

具体的には、作製例1および作製例2にて作製した、h−BNの膜厚50nmと100nmとの2試料についての界面におけるE−SiONの損傷の有無を確認した結果である。これにより、いずれの試料においても、E−SiONの構造が維持されていることが確認された。   Specifically, it is the result of confirming the presence or absence of damage of E-SiON at the interface of the two samples with the film thicknesses of 50 nm and 100 nm of h-BN produced in Production Example 1 and Production Example 2. Thereby, it was confirmed that the structure of E-SiON was maintained in any sample.

表3は、h−BN成膜後のSiC/絶縁膜界面に対する基板のポリタイプの影響をまとめたものである。   Table 3 summarizes the influence of the substrate polytype on the SiC / insulating film interface after h-BN film formation.

具体的には、作製例1と作製例3において作製した4H−SiCと6H−SiCとの2試料についてのE−SiONの損傷の有無を評価した結果である。これにより、いずれの試料においても、SiONの構造が維持されていることが確認された。   Specifically, it is the result of evaluating the presence or absence of damage of E-SiON in two samples of 4H—SiC and 6H—SiC manufactured in Preparation Example 1 and Preparation Example 3. This confirmed that the SiON structure was maintained in all samples.

表4は、h−BN成膜後のSiC/絶縁膜界面に対する基板の[11−20]方向へのオフ角の影響をまとめたものである。   Table 4 summarizes the effect of the off angle in the [11-20] direction of the substrate on the SiC / insulating film interface after the h-BN film is formed.

具体的には、作製例1および作製例3にて作製したオフ角0°、4°、8°、12°の試料についての界面状態をそれぞれ評価した結果である。これにより、オフ角が0°、4°、8°の試料ではSiONの構造が維持され、12°の試料についてはE−SiONが損傷していることが確認された。   Specifically, the results are obtained by evaluating the interface states of the samples with the off angles of 0 °, 4 °, 8 °, and 12 ° prepared in Production Example 1 and Production Example 3, respectively. As a result, it was confirmed that the SiON structure was maintained in the samples having off angles of 0 °, 4 °, and 8 °, and that the E-SiON was damaged in the 12 ° samples.

<製法2:転写法>
次に、製法2として、転写法について説明する。
<Production method 2: Transfer method>
Next, as the production method 2, a transfer method will be described.

図5(a)〜(d)は、転写法を用いて、E−SiON上にh−BNを形成する製造方法を示す。   5A to 5D show a manufacturing method in which h-BN is formed on E-SiON using a transfer method.

図5(a)において、適当なh−BN転写用基板30上に形成されたh−BN31に対して、転写用フィルム32を押し付ける。   In FIG. 5A, the transfer film 32 is pressed against the h-BN 31 formed on the appropriate h-BN transfer substrate 30.

図5(b)において、h−BN31を、h−BN転写用基板30から剥離する。   In FIG. 5B, the h-BN 31 is peeled from the h-BN transfer substrate 30.

図5(c)において、E−SiON33が別途予め形成されたSiC基板34へ密着させる。この予め作成されたE−SiON33を有するSiC基板34は、前述した図3のステップS2の工程を終了した時点での基板に対応する。この場合、転写前のE−SiON33の表面は、不純物が十分に除去されていることが望ましい。   In FIG.5 (c), E-SiON33 is stuck to the SiC substrate 34 previously formed separately. The SiC substrate 34 having the E-SiON 33 prepared in advance corresponds to the substrate at the time when the step S2 in FIG. 3 is completed. In this case, it is desirable that impurities are sufficiently removed from the surface of E-SiON 33 before transfer.

図5(d)において、有機洗浄等を用いて、転写用フィルム32を除去する。   In FIG. 5D, the transfer film 32 is removed using organic cleaning or the like.

<MOSFETの製造方法>
次に、図3に示すMOSFETの製造方法について説明する。
<Manufacturing method of MOSFET>
Next, a method for manufacturing the MOSFET shown in FIG. 3 will be described.

まず、n型のSiC基板2上に、低濃度のp層(p-)をエピタキシャル成長する。次に、そのp層上に、イオン注入用マスク材をパターニングし、ソース領域11・ドレイン領域12の形成として、イオン注入にて高濃度nウェル層(n+)を形成する。次に、マスク材を除去した後、nウェル層の活性化アニールを行う。次に、その活性化アニール後のSiC基板2の表面を。CMP(chemical mechanical polishing)により表面加工する。これによって活性化アニールにて発生した表面のステップバンチングを除去し、SiC基板2の表面を平坦化させる。 First, a low-concentration p layer (p ) is epitaxially grown on the n-type SiC substrate 2. Next, a mask material for ion implantation is patterned on the p layer, and a high concentration n well layer (n + ) is formed by ion implantation as the formation of the source region 11 and the drain region 12. Next, after removing the mask material, activation annealing of the n-well layer is performed. Next, the surface of the SiC substrate 2 after the activation annealing. Surface processing is performed by CMP (chemical mechanical polishing). Thereby, the step bunching of the surface generated by the activation annealing is removed, and the surface of the SiC substrate 2 is flattened.

その後は、図3のステップS1〜ステップS3に従って、以下の処理を行う、
ソース領域11・ドレイン領域12を形成した後のSiC基板2の表面のステップ−テラス構造において、水素加熱による平坦化処理を行う。次に、SiC基板2上に、窒素加熱にてE−SiON(中間層3)をエピタキシャル成長にて形成する。次に、E−SiON上に、h−BN(絶縁層4)をエピタキシャル成長にて形成する。次に、h−BN上に、ドライエッチング用マスク材をパターニングする。次に、ウェル層表面上のゲート絶縁層1(E−SiONとh−BN)のみをドライエッチングする。次に、マスク材を除去する。最後に、ソース電極14・ドレイン電極15を、ソース領域11・ドレイン領域12上にそれぞれ形成し、ゲート絶縁層1上にゲート電極13を形成する。
After that, the following processing is performed according to step S1 to step S3 of FIG.
In the step-terrace structure on the surface of the SiC substrate 2 after the source region 11 and the drain region 12 are formed, planarization treatment by hydrogen heating is performed. Next, E-SiON (intermediate layer 3) is formed on the SiC substrate 2 by epitaxial growth by heating with nitrogen. Next, h-BN (insulating layer 4) is formed on E-SiON by epitaxial growth. Next, a dry etching mask material is patterned on h-BN. Next, only the gate insulating layer 1 (E-SiON and h-BN) on the surface of the well layer is dry-etched. Next, the mask material is removed. Finally, the source electrode 14 and the drain electrode 15 are formed on the source region 11 and the drain region 12, respectively, and the gate electrode 13 is formed on the gate insulating layer 1.

上述したように、SiC基板2上にE−SiONを形成し、そのE−SiON上にh−BNを形成した積層構造を有するゲート絶縁層1を作成したので、SiONへの損傷がなく、欠陥密度が低い半導体/絶縁膜界面の平坦性および界面準位抑制に優れたゲート絶縁層1を構成することができ、これにより、チャネル移動度が向上しかつ耐絶縁性に優れたMOSFETを作製することができる。   As described above, since the gate insulating layer 1 having a laminated structure in which E-SiON is formed on the SiC substrate 2 and h-BN is formed on the E-SiON is created, there is no damage to the SiON and defects The gate insulating layer 1 excellent in the flatness of the semiconductor / insulating film interface having a low density and in suppressing the interface state can be formed, whereby a MOSFET with improved channel mobility and excellent insulation resistance is manufactured. be able to.

1 ゲート絶縁層
2 SiC基板
3 中間層(E−SiON)
4 絶縁層(絶縁性層状化合物、h−BN)
10 MOSFET
11 ソース領域
12 ドレイン領域
13 ゲート電極
14 ソース電極
15 ドレイン電極
20 加熱炉
21 サセプタ
30 h−BN転写用基板
31 h−BN
32 転写用フィルム
33 E−SiON
34 SiC基板
1 Gate insulating layer 2 SiC substrate 3 Intermediate layer (E-SiON)
4 Insulating layer (insulating layered compound, h-BN)
10 MOSFET
11 Source region 12 Drain region 13 Gate electrode 14 Source electrode 15 Drain electrode 20 Heating furnace 21 Susceptor 30 h-BN transfer substrate 31 h-BN
32 Transfer film 33 E-SiON
34 SiC substrate

Claims (10)

SiC基板上にゲート絶縁層を有する半導体装置であって、
前記ゲート絶縁層は、
前記SiC基板上に形成されたエピタキシャルシリコン酸窒化膜からなる中間層と、
前記中間層上に形成された絶縁性層状化合物からなる絶縁層と
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a gate insulating layer on a SiC substrate,
The gate insulating layer is
An intermediate layer made of an epitaxial silicon oxynitride film formed on the SiC substrate;
A semiconductor device comprising: an insulating layer made of an insulating layered compound formed on the intermediate layer.
前記絶縁性層状化合物のバンドギャップは、5.9eV以上であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a band gap of the insulating layered compound is 5.9 eV or more. 前記絶縁性層状化合物は、六方晶窒化ホウ素であることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating layered compound is hexagonal boron nitride. 前記絶縁性層状化合物の膜厚は、10nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 1, wherein a film thickness of the insulating layered compound is 10 nm or more and 100 nm or less. 前記SiC基板として、4H−SiC基板又は6H−SiC基板を用いたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a 4H—SiC substrate or a 6H—SiC substrate is used as the SiC substrate. 前記SiC基板の[11−20]方向のオフ角は、0°以上8°以下であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein an off angle of the SiC substrate in a [11-20] direction is 0 ° or more and 8 ° or less. 前記絶縁性層状化合物は、2次元状構造を有する絶縁性の原子層が複数層に積層されて構成されたことを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating layered compound is formed by stacking a plurality of insulating atomic layers having a two-dimensional structure. MOSFETの構造を有する半導体装置であって、
前記MOSFETは、
SiC基板と、
前記SiC基板上に形成されたゲート絶縁層であって、前記SiC基板上に形成されたエピタキシャルシリコン酸窒化膜からなる中間層と、前記中間層上に形成された絶縁性層状化合物からなる絶縁層とを含む、該ゲート絶縁層と、
前記SiC基板の上面に形成され、一部が前記ゲート絶縁層に接触するソース領域と、
前記SiC基板の上面に形成され、一部が前記ソース領域とは離れた位置の前記ゲート絶縁層に接触するドレイン領域と、
前記ゲート絶縁層上に電気的に接続されたゲート電極と、
前記ソース領域上に電気的に接続されたソース電極と、
前記ドレイン領域上に電気的に接続されたドレイン電極と
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a MOSFET structure,
The MOSFET is
A SiC substrate;
A gate insulating layer formed on the SiC substrate, an intermediate layer made of an epitaxial silicon oxynitride film formed on the SiC substrate, and an insulating layer made of an insulating layered compound formed on the intermediate layer The gate insulating layer comprising:
A source region formed on an upper surface of the SiC substrate and partially in contact with the gate insulating layer;
A drain region formed on an upper surface of the SiC substrate, a part of which is in contact with the gate insulating layer at a position away from the source region;
A gate electrode electrically connected to the gate insulating layer;
A source electrode electrically connected to the source region;
A semiconductor device comprising: a drain electrode electrically connected to the drain region.
SiC基板上にゲート絶縁層を有する半導体装置の製造方法であって、
前記SiC基板の表面を洗浄して、該表面の平坦化を行う工程と、
前記SiC基板上に、エピタキシャルシリコン酸窒化膜からなる中間層を形成する工程と、
前記中間層上に、六方晶窒化ホウ素の絶縁性層状化合物からなる絶縁層を形成する工程と
を備え、
前記中間層と前記絶縁層とを前記ゲート絶縁層として構成したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device having a gate insulating layer on a SiC substrate,
Cleaning the surface of the SiC substrate and planarizing the surface;
Forming an intermediate layer made of an epitaxial silicon oxynitride film on the SiC substrate;
Forming an insulating layer made of an insulating layered compound of hexagonal boron nitride on the intermediate layer,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the intermediate layer and the insulating layer are configured as the gate insulating layer.
MOSFETの構造を有する半導体装置の製造方法であって、
前記SiC基板の表面を洗浄して、該表面の平坦化を行う工程と、
前記SiC基板の上面にソース領域を形成する工程と、
前記ソース領域とは離れた位置における、前記SiC基板の上面にドレイン領域を形成する工程と、
一部が前記ソース領域および前記ドレイン領域に接触する位置における、前記SiC基板の上面にエピタキシャルシリコン酸窒化膜からなる中間層を形成する工程と、
前記中間層上に、六方晶窒化ホウ素の絶縁性層状化合物からなる絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層上に電気的に接続されたゲート電極を形成する工程と、
前記ソース領域上に電気的に接続されたソース電極を形成する工程と、
前記ドレイン領域上に電気的に接続されたドレイン電極を形成する工程と
を備え、
前記中間層と前記絶縁層とを前記MOSFETのゲート絶縁層として構成したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device having a MOSFET structure,
Cleaning the surface of the SiC substrate and planarizing the surface;
Forming a source region on the upper surface of the SiC substrate;
Forming a drain region on the upper surface of the SiC substrate at a position away from the source region;
Forming an intermediate layer made of an epitaxial silicon oxynitride film on the upper surface of the SiC substrate at a portion of which is in contact with the source region and the drain region;
Forming an insulating layer made of an insulating layered compound of hexagonal boron nitride on the intermediate layer;
Forming a gate electrode electrically connected to the gate insulating layer;
Forming a source electrode electrically connected to the source region;
Forming a drain electrode electrically connected to the drain region,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the intermediate layer and the insulating layer are configured as a gate insulating layer of the MOSFET.
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