JP2017216305A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

【課題】キャリアの移動度の向上が可能な半導体装置を提供する。【解決手段】実施形態の半導体装置は、炭化珪素層と、ゲート電極と、炭化珪素層とゲート電極との間に位置し、層中の炭素間の一重結合が、層中の炭素間の二重結合よりも多い酸化シリコン層と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、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、昇降機に関する。
次世代の半導体デバイス用の材料として炭化珪素(SiC)が期待されている。炭化珪素はシリコン(Si)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。
しかし、例えば、炭化珪素を用いてMOSFET(Meatl Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を形成する場合、キャリアの移動度が劣化するという問題がある。
特開2015−61069号公報
本発明が解決しようとする課題は、キャリアの移動度の向上が可能な半導体装置、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。
実施形態の半導体装置は、炭化珪素層と、ゲート電極と、前記炭化珪素層と前記ゲート電極との間に位置し、層中の炭素間の一重結合が、層中の炭素間の二重結合よりも多い酸化シリコン層と、を備える。
第1の実施形態の半導体装置を示す模式断面図。 第1の実施形態の酸化シリコン層の説明図。 第1の実施形態の半導体装置の製造方法の工程フロー図。 第1の実施形態の製造方法で用いられる半導体製造装置の模式断面図。 第1の実施形態の作用及び効果の説明図。 第1の実施形態の作用及び効果の説明図。 第1の実施形態の作用及び効果の説明図。 第2の実施形態の駆動装置の模式図。 第3の実施形態の車両の模式図。 第4の実施形態の車両の模式図。 第5の実施形態の昇降機の模式図。
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。
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。
(第1の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、炭化珪素層と、ゲート電極と、炭化珪素層とゲート電極との間に位置し、層中の炭素間の一重結合が、層中の炭素間の二重結合よりも多い酸化シリコン層と、を備える。
図1は、本実施形態の半導体装置であるMOSFETを示す模式断面図である。MOSFET100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。また、MOSFET100は、電子をキャリアとするnチャネル型のMOSFETである。
このMOSFET100は、炭化珪素基板12、ドリフト層14、pウェル領域(炭化珪素層)16、ソース領域18、pウェルコンタクト領域20、酸化シリコン層28、ゲート電極30、層間絶縁膜32、ソース電極34、及び、ドレイン電極36を備える。
炭化珪素基板12は、例えば、n型の4H−SiCの基板である。炭化珪素基板12は、例えば、窒素(N)をn型不純物として含む。炭化珪素基板12のn型不純物の不純物濃度は、例えば、1×1018cm−3以上1×1020cm−3以下である。
炭化珪素基板12の表面は、例えば、(0001)面に対し0度以上8度以下傾斜した面である。(0001)面は、シリコン面と称される。炭化珪素基板12の裏面は、例えば、(000−1)面に対し0度以上8度以下傾斜した面である。(000−1)面は、カーボン面と称される。
ドリフト層14は、炭化珪素基板12の表面上に設けられる。ドリフト層14は、n型の炭化珪素層である。ドリフト層14は、例えば、窒素をn型不純物として含む。
ドリフト層14のn型不純物の不純物濃度は、例えば、5×1015cm−3以上2×1016cm−3以下である。ドリフト層14は、例えば、炭化珪素基板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。
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。ドリフト層14の厚さは、例えば、5μm以上100μm以下である。
pウェル領域16は、ドリフト層14の一部表面に設けられる。pウェル領域16は、p型の炭化珪素領域である。pウェル領域16は、例えば、アルミニウム(Al)をp型不純物として含む。pウェル領域16のp型不純物の不純物濃度は、例えば、5×1015cm−3以上1×1017cm−3以下である。
pウェル領域16の深さは、例えば、0.4μm以上0.8μm以下である。pウェル領域16は、MOSFET100のチャネル領域として機能する。
pウェル領域16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。
ソース領域18は、pウェル領域16の一部表面に設けられる。ソース領域18は、n型の炭化珪素層である。ソース領域18は、例えば、リン(P)をn型不純物として含む。ソース領域18のn型不純物の不純物濃度は、例えば、1×1018cm−3以上1×1022cm−3cm以下である。
ソース領域18の深さは、pウェル領域16の深さよりも浅い。ソース領域18の深さは、例えば、0.2μm以上0.4μm以下である。
ウェルコンタクト領域20は、pウェル領域16の一部表面に設けられる。ウェルコンタクト領域20は、ソース領域18の側方に設けられる。ウェルコンタクト領域20は、p型の炭化珪素領域である。
ウェルコンタクト領域20は、例えば、アルミニウムをp型不純物として含む。ウェルコンタクト領域20のp型不純物の不純物濃度は、例えば、1×1018cm−3以上1×1022cm−3以下である。
pウェルコンタクト領域20の深さは、pウェル領域16の深さよりも浅い。pウェルコンタクト領域20の深さは、例えば、0.2μm以上0.4μm以下である。
酸化シリコン層28は、pウェル領域16とゲート電極30との間に位置する。酸化シリコン層28は、ドリフト層14及びpウェル領域16の表面に、連続的に形成される。
酸化シリコン層28の厚さは、例えば、30nm以上150nm以下である。酸化シリコン層28は、MOSFET100のゲート絶縁層として機能する。
酸化シリコン層28中には、炭素が含まれる。酸化シリコン層28中の炭素濃度は、例えば、高温熱酸化の場合を考えると、4×1017cm−3以上2×1019cm−3未満である。また、例えば、4×1018cm−3以上2×1019cm−3未満である。
酸化シリコン層28中には、炭素(C)と炭素(C)の結合が存在する。そして、酸化シリコン層28中の炭素間の一重結合が、層中の炭素間の二重結合よりも多い。
酸化シリコン層28中の炭素間の一重結合と炭素間の二重結合の多少は、例えば、X線電子分光(X−ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)により、炭素間の一重結合に起因する光電子のカウント数と、炭素間の二重結合に起因する光電子のカウント数とを比較することにより判断できる。
なお、酸化シリコン層28中の炭素間の一重結合と炭素間の二重結合の多少は、例えば、赤外分光法(Infrared Spectroscopy)、ラマン分光法によっても判断することが可能である。
また、酸化シリコン層28中に、例えば、炭素と酸素(O)の結合が存在する。また、酸化シリコン層28中に、例えば、炭素と水素(H)の結合が存在する。また、酸化シリコン層28中に、例えば、炭素と重水素(D)の結合が存在する。また、酸化シリコン層28中に、例えば、炭素とフッ素(F)の結合が存在する。また、酸化シリコン層28中に、例えば、炭素と水酸基(OH)の結合が存在する。
炭素と酸素(O)の結合の存在、炭素と水素(H)の結合の存在、炭素と重水素(D)の結合の存在、炭素とフッ素(F)の結合の存在、炭素と水酸基(OH)の結合の存在は、例えば、X線電子分光により確認することが可能である。なお、炭素と酸素(O)の結合の存在、炭素と水素(H)の結合の存在、炭素と重水素(D)の結合の存在、炭素とフッ素(F)の結合の存在、炭素と水酸基(OH)の結合の存在は、例えば、赤外分光法(Infrared Spectroscopy)、ラマン分光法によっても判断することが可能である。
酸化シリコン層28中の厚さ方向の炭素の分布は、一重結合を有する炭素間に跨る酸素、一重結合を有する二つの炭素それぞれに結合した水素、一重結合を有する二つの炭素それぞれに結合した重水素、一重結合を有する二つの炭素それぞれに結合したフッ素、及び、一重結合を有する二つの炭素それぞれに結合した水酸基の分布と一致する。酸化シリコン層28中の上記の結合状態を有する炭素、酸素、水素、重水素、フッ素の厚さ方向の濃度及び分布は、例えば、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Specroscopy:SIMS)により測定することが可能である。また、酸化シリコン層28中の炭素、酸素、水素、重水素、フッ素の濃度及び分布は、例えば、TEM−EDX、Atom Probe、HR−RBSなどにより電子状態とその空間分布の特定が可能となる。
図2は、本実施形態の酸化シリコン層の説明図である。図2は、酸化シリコン層28中の炭素の結合状態を示す図である。
図2(a)は、炭素間の二重結合を示す図である。図2(b)、(c)、(d)、(e)は、炭素間の一重結合を示す図である。
図2(b)は、一重結合する炭素が酸素と結合する場合である。二つの炭素と一つの酸素で、C−C−Oの環状構造を作っている。言い換えれば、一重結合する2つの炭素に同一の酸素が結合する構造である。
図2(c)は、一重結合する炭素が水素と結合する場合である。一重結合する2つの炭素のそれぞれに一つの水素が結合する構造である。重水素でも同様である。
図2(d)は、一重結合する炭素がフッ素と結合する場合である。一重結合する2つの炭素のそれぞれに一つのフッ素が結合する構造である。
図2(e)は、一重結合する炭素が水酸基と結合する場合である。一重結合する2つの炭素のそれぞれに一つの水酸基が結合する構造である。
なお、図2では、一重結合又は二重結合するする2つの炭素のそれぞれに2つのシリコンが結合する構造を例示しているが、シリコンに代えて酸素が結合する構造もあり得る。
ゲート電極30は、酸化シリコン層28上に設けられる。ゲート電極30には、例えば、n型不純物又はp型不純物を含む多結晶シリコンが適用可能である。
なお、酸化シリコン層28とゲート電極30との間に、酸化シリコン層28よりも誘電率の高い絶縁層を、更に設けることも可能である。絶縁層は、例えば、酸窒化シリコン膜(SiON)、窒化シリコン膜(SiN)、酸化ハフニウム膜(HfO)、酸窒化ハフニウム膜(HfON)、酸化ハフニウムシリケート膜(HfSiO)、酸窒化ハフニウムシリケート膜(HfSiON)、酸化ジルコニウム膜(ZrO)、酸窒化ジルコニウム膜(ZrON)、酸化ジルコニウムシリケート膜(ZrSiO)、酸窒化ジルコニウムシリケート膜(ZrSiON)、酸化アルミニウム膜(AlO)、酸窒化アルミニウム膜(AlON)である。これらの膜の積層膜でも良い。例えば、SiON膜/HfSiON膜、ZrO/Al/ZrO/Alなどが有効である。
層間絶縁膜32は、ゲート電極30上に形成される。層間絶縁膜32は、例えば、酸化シリコン膜である。
ソース電極34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。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。
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アルミニウムのメタル層との積層で構成される。ニッケルのバリアメタル層と炭化珪素層は、反応してニッケルシリサイド(NiSi、NiSi等)を形成しても構わない。ニッケルのバリアメタル層とアルミニウムのメタル層とは、反応により合金を形成していてもよい。
ドレイン電極36は、炭化珪素基板12のドリフト層14と反対側、すなわち、裏面側に設けられる。ドレイン電極36は、例えば、ニッケルである。ニッケルは、炭化珪素基板12と反応して、ニッケルシリサイド(NiSi、NiSi等)を形成しても構わない。
なお、本実施形態において、n型不純物は、例えば、窒素やリンである。n型不純物としてヒ素(As)又はアンチモン(Sb)を適用することも可能である。
また、本実施形態において、p型不純物は、例えば、アルミニウムである。p型不純物として、ボロン(B)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)を適用することも可能である。
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。
本実施形態の半導体装置の製造方法は、炭化珪素層の上に酸化シリコン層を形成し、酸化シリコン層に紫外線を照射しながら、酸素、水素、フッ素、重水素、及び、水の少なくともいずれか一つの物質を含む雰囲気中で熱処理を行い、酸化シリコン層の上にゲート電極を形成する。
図3は、本実施形態の半導体装置の製造方法の工程フロー図である。
図3に示すように、半導体装置の製造方法は、ドリフト層形成(ステップS100)、p型不純物イオン注入(ステップS102)、n型不純物イオン注入(ステップS104)、p型不純物イオン注入(ステップS106)、第1のアニール(ステップS108)、酸化シリコン層形成(ステップS110)、紫外線照射熱処理(ステップS112)、ゲート電極形成(ステップS114)、層間絶縁膜形成(ステップS116)、第1の電極形成(ステップS118)、第2の電極形成(ステップS120)及び第2のアニール(ステップS122)を備える。
まず、n型の炭化珪素基板12を準備する。炭化珪素基板12は、例えば、4H−SiCである。炭化珪素基板12は、例えば、炭化珪素ウェハWである。
炭化珪素基板12は、n型不純物として窒素を含む。炭化珪素基板12のn型不純物の不純物濃度は、例えば、1×1018cm−3以上1×1020cm−3以下である。炭化珪素基板12の厚さは、例えば、350μmである。炭化珪素基板12は、裏面のドレイン電極を形成する前に、90μm程度に薄膜化してもよい。
ステップS100では、炭化珪素基板12のシリコン面上にエピタキシャル成長法により、ドリフト層14を形成する。ドリフト層14は、4H−SiCである。
ドリフト層14は、n型不純物として、窒素を含む。ドリフト層14のn型不純物の不純物濃度は、例えば、5×1015cm−3以上2×1016cm−3以下である。ドリフト層14の厚さは、例えば、5μm以上100μm以下である。
ステップS102では、まず、フォトリソグラフィーとエッチングによるパターニングにより、第1のマスク材を形成する。そして、第1のマスク材をイオン注入マスクとして用いて、p型不純物であるアルミニウムをドリフト層14にイオン注入する。イオン注入によりpウェル領域16が形成される。
ステップS104では、まず、フォトリソグラフィーとエッチングによるパターニングにより、第2のマスク材を形成する。そして、第2のマスク材をイオン注入マスクとして用いて、n型不純物である窒素をドリフト層14にイオン注入し、ソース領域18を形成する。
ステップS106では、フォトリソグラフィーとエッチングによるパターニングにより、第3のマスク材を形成する。第3のマスク材をイオン注入マスクとして用いて、p型不純物であるアルミニウムをドリフト層14にイオン注入し、pウェルコンタクト領域20を形成する。
ステップS108では、p型不純物とn型不純物の活性化のための第1のアニールを行う。このアニールは、例えば、アルゴン(Ar)ガスを雰囲気ガスとして用いて、加熱温度1750℃、加熱時間30分といった条件が用いられる。
ステップS110では、ドリフト層14及びpウェル領域(炭化珪素層)16を熱酸化し、ドリフト層14及びpウェル領域16上に酸化シリコン層28を形成する。酸化シリコン層28は、ゲート絶縁層として機能する。
熱酸化は、例えば、ドライ酸素雰囲気で行われる。熱酸化の温度は、例えば、1100℃以上1300℃以下である。酸化シリコン層28の厚さは、例えば、30nm以上150nm以下である。
酸化シリコン層28には、ドリフト層14及びpウェル領域16の熱酸化により生じた余剰の炭素が取り込まれる。そして、酸化シリコン層28に取り込まれた炭素は、酸化シリコン層28中で二重結合を形成して安定化する。
ステップS112では、酸化シリコン層28に紫外線を照射しながら、熱処理を行う。熱処理は、酸素(O)、水素(H)、フッ素(F)、重水素(D)、及び、水(HO)の少なくともいずれか一つの物質を含む雰囲気中で行われる。
熱処理の温度は、例えば、300℃以上900℃以下である。但し、基板酸化が進まないように、例えば、C面では800℃以下、a面、m面、(0−33−8)面では850℃以下、Si面では900℃以下である。700℃が典型的な温度であり、どの面方位にも適用できる温度である。紫外線のエネルギーは、例えば、5.0eV以上6.0eV以下である。熱処理の温度は、酸化シリコン層28を形成する熱酸化の温度よりも低いことが望ましい。
紫外線の照射により、酸化シリコン層28中の炭素間の二重結合の一部が切断され、炭素間の一重結合が形成される。一重結合する炭素は、例えば、酸素と結合することにより、酸化シリコン層28中で安定化する。
図4は、ステップS112の紫外線照射熱処理に用いられる半導体製造装置の模式断面図である。半導体製造装置は、赤外線ランプ加熱装置200である。
赤外線ランプ加熱装置200は、処理室50、サセプタ(保持部)52、赤外線ランプ54、紫外線ランプ56、ガス供給口58、ガス排出口60を備える。
サセプタ52は、処理室50内に設けられる。サセプタ52上には、炭化珪素ウェハWが載置可能となっている。
赤外線ランプ54は、処理室50内に設けられる。赤外線ランプ54から照射される赤外線により、炭化珪素ウェハWが加熱される。
紫外線ランプ56は、処理室50内に設けられる。紫外線ランプ56から炭化珪素ウェハWに紫外線が照射される。
ガス供給口58からは、処理室50内の雰囲気を制御するガスが、処理室50内に供給される。供給されるガスは、例えば、酸素、水素、フッ素、重水素、水、窒素、アルゴンである。
ガス排出口60から、処理室50内のガスが排出される。
ステップS112の紫外線照射熱処理の際には、酸化シリコン層28が形成された炭化珪素ウェハWがサセプタ52上に載置される。そして、処理室50内にガス供給口58から、例えば、ドライ酸素が供給される。
その後、紫外線ランプ56で炭化珪素ウェハWに紫外線を照射しながら、赤外線ランプ54により炭化珪素ウェハWを加熱する。
ステップS114では、酸化シリコン層28上に、ゲート電極30を形成する。ゲート電極30は、例えば、n型不純物又はp型不純物を含む多結晶シリコンである。
ステップS116では、ゲート電極30上に、層間絶縁膜32が形成される。層間絶縁膜32は、例えば、酸化シリコン膜である。
ステップS118で、ソース電極34が形成される。ソース電極34は、ソース領域18、及び、pウェルコンタクト領域20上に形成される。ソース電極34は、例えば、ニッケル(Ni)とアルミニウム(Al)のスパッタにより形成される。
ステップS120では、ドレイン電極36が形成される。ドレイン電極36は、炭化珪素基板12の裏面側に形成される。ドレイン電極36は、例えば、ニッケルのスパッタにより形成される。
ステップS122では、ソース電極34とドレイン電極36のコンタクト抵抗を低減するために、第2のアニールが行われる。第2のアニールは、例えば、アルゴンガス雰囲気で、400℃以上1000℃以下で行われる。
以上の製造方法により、図1に示すMOSFET100が形成される。
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
炭化珪素を用いてMOSFETを形成する場合、キャリアの移動度が劣化するという問題がある。また、閾値電圧の変動が生ずるという問題がある。ゲート絶縁層に酸化シリコンを用いる場合、酸化シリコンのバンドギャップ中に存在する準位(state)が、キャリアの移動度の劣化や、閾値電圧の変動を引き起こすことが考えられる。
ゲート絶縁層となる酸化シリコン層28を、炭化珪素の熱酸化により形成する場合を考える。炭化珪素表面が酸化される際に、余剰の炭素が酸化シリコン層28中に取り込まれる。そして、酸化シリコン層28に取り込まれた炭素は、酸化シリコン層28中で二重結合を形成して安定化する。
図5は、本実施形態の作用及び効果の説明図である。図5(a)、図5(b)は、酸化シリコン層28中に炭素間の二重結合がある場合のバンド図である。図5(c)は、酸化シリコン層28中に炭素間の一重結合がある場合のバンド図である。図5は、発明者の第一原理計算に基づいている。
酸化シリコン層28中に炭素間の二重結合がある場合、図5(a)、図5(b)に示すように、酸化シリコン層28に電子が入っていない準位(図5中の白丸)と、電子で埋まった準位(図5中の黒丸)が生じる。電子が入っていない準位は、4H−SiCの伝導帯の下端近傍の位置にある。言い換えれば、酸化シリコン層28のバンドギャップ中に、電子のトラップとなる準位が存在する。
例えば、電子が入っていない準位に、チャネルを走行する電子がトラップされることで、MOSFETのキャリアの移動度が劣化すると考えられる。
また、電子で埋まった準位は、4H−SiCの価電子帯の上端近傍にある。
図5(b)に示すように、酸化シリコンのバンドギャップ中の電子で埋まった準位が、4H−SiCの価電子帯の上端よりも上の位置に存在する場合、電子が4H−SiC側に流れることがある。その際、炭化珪素と酸化シリコンの界面に、固定ダイポールが形成される場合がある。この場合、固定ダイポールにより、炭化珪素(SiC)と酸化シリコン(SiO)の伝導帯下端のエネルギー差(以下、バンドオフセット(ΔEc)とも記載)が、小さくなる。
バンドオフセットが小さくなると、酸化シリコン層28を流れるリーク電流が増大する。したがって、バンドギャップ中の準位への電子のトラップが促進される。よって、閾値変動が大きくなる。
酸化シリコン層28中に炭素間の一重結合がある場合、図5(c)に示すように、酸化シリコン層28には、電子で埋まった準位のみがある。電子が入っていない準位は、酸化シリコン層28の伝導帯の下端より浅くなる。言い換えれば、酸化シリコン層28のバンドギャップ中には、電子をトラップする準位がない。
電子で埋まった準位は、4H−SiCの価電子帯の上端より深い位置にある。電子で埋まった準位は、酸化シリコン層28の価電子帯の上端近傍にある。
したがって、ゲート絶縁層を構成する酸化シリコン層28の炭素間の結合が一重結合である場合、酸化シリコン膜の準位に、MOSFETのチャネルを走行する電子がトラップされることはない。よって、MOSFETのキャリアの移動度の劣化が抑制される。
また、電子が埋まった準位は4H−SiCの価電子帯の上端より深い位置にある。このため、炭化珪素と酸化シリコンの界面に、固定ダイポールが形成されない。したがって、バンドオフセットが小さくなることがなくなる。このため、酸化シリコン層28を流れるリーク電流が抑制される。よって、MOSFET100の閾値変動が抑制される。
本実施形態のMOSFET100は、酸化シリコン層28中の炭素間の一重結合が、酸化シリコン層28中の炭素間の二重結合よりも多い。したがって、MOSFET100のキャリアの移動度の劣化が抑制される。また、MOSFET100の閾値変動が抑制される。よって、特性の向上したMOSFET100が実現される。
本実施形態の製造方法により、殆ど全ての炭素間の二重結合を炭素間の一重結合に変換できる。このため、バンドギャップ中の準位を無くすことが出来るので、移動度が向上する。更に、電子が埋まった準位も4H−SiCの価電子帯よりも深い位置に移動するので、バンドオフセットが低下することもない。よって閾値変動も抑制できる。
また、本実施形態のMOSFET100では、酸化シリコン層28を流れるリーク電流が抑制される。したがって、酸化シリコン層28の厚さを薄くして、MOSFET100の駆動力を向上させることも可能となる。
なお、X線電子分光による炭素間の一重結合に起因する光電子のカウント数は、炭素間の二重結合に起因する光電子のカウント数の10倍以上であることが、MOSFET100の特性を向上する観点から望ましい。本実施形態の製造方法により、XPSのC1sのピーク測定において、炭素間の一重結合のピークが増大し、炭素間の二重結合のピークが殆ど見えなくなる状態にすることが可能である。十分な処理を行えば、炭素間の一重結合のみの状態まで構造変化を推進することが可能である。
炭素間の二重結合を低減させる観点から、XPSのC1sのピーク測定において、炭素間の二重結合のピークは、炭素間の一重結合のピークの10%以下であることが望ましく、2%以下であることがより望ましく、1%以下であることが更に望ましい。
また、一重結合する炭素は、酸素、水素、重水素、フッ素により安定化するが、特に、酸素と結合していることが望ましい。すなわち、図2(b)の結合状態であることが望ましい。一重結合する炭素が酸素と結合することにより、炭素間の一重結合の安定性が向上する。
上述のように、酸化シリコン層28を熱酸化で形成する場合、酸化シリコン層28に取り込まれた余剰の炭素は、酸化シリコン層28中で二重結合を形成して安定化する。この時、バンドギャップ中の準位への電荷トラップや電荷移動により、移動度劣化、信頼性低下が発生している。
図6及び図7は、本実施形態の作用及び効果の説明図である。図6は、紫外線照射を行いながら熱処理を行う場合、図7は紫外線照射を行わない場合である。
図6に示すように、本実施形態のMOSFET100の製造方法では、熱酸化で酸化シリコン層28を形成した後、酸化シリコン層28に紫外線を照射しながら、熱処理を行う。高いエネルギーを有する紫外線の照射により、酸化シリコン層28中で安定化している二重結合の一部が切断され炭素のダングリングボンドが形成される。
そして、炭素間の二重結合は、炭素間の一重結合に変換される。一重結合する炭素は、例えば、熱処理の雰囲気中から供給される酸素と結合することにより、酸化シリコン層28中で安定化する。
一方、図7に示すように、紫外線照射を行わない酸素拡散では、炭素間の二重結合はそのまま残り、炭素間の結合が一重結合になることはない。
また、例えば、酸素を含む雰囲気中での熱処理を行わないで、紫外線の照射のみを行った場合、炭素のダングリングボンドが残存する。この場合、残存した炭素のダングリングボンドが電荷トラップとして働き、MOSFETの特性劣化が生じる恐れがある。
本実施形態の製造方法により処理をする前は、炭素間は二重結合を作り安定化している。そして、本実施形態の製造方法により、炭素間の二重結合を炭素間の一重結合に変換することが可能である。本実施形態の製造方法により、炭素間の二重結合のほぼ全てを炭素間の一重結合に変換することが、より望ましい。
酸化シリコン層28中の炭素間の二重結合の密度は、例えば、2×1016cm−3以下であることが望ましい。炭素間の二重結合の密度は、例えば、SIMSによる炭素濃度の測定と、X線電子分光を用いた測定による一重結合と二重結合との量比から演算により求めることが可能である。
本実施形態においては、熱処理の雰囲気を変えることにより、一重結合する炭素を酸素に代えて、水素、重水素、フッ素、又は、水酸基と結合させることも可能である。
また、紫外線のエネルギーが5eV以上6eV以下であることが望ましい。紫外線のエネルギーは、紫外線の波長に依存する。
紫外線のエネルギーが5eVを下回ると、二重結合の切断が困難である。また、紫外線のエネルギーが6eVを上回ると、酸化シリコン層28の下のドリフト層14中の結合が切れる恐れがある。
また、熱処理の温度は、300℃以上900℃以下であることが望ましい。熱処理の温度が上記範囲を下回ると、熱処理の雰囲気中の物質、例えば、酸素の酸化シリコン層28中の拡散が不十分となる。このため、一重結合する炭素と酸素の結合が形成されない恐れがある。また、熱処理の温度が上記範囲を上回ると、例えば、酸化シリコン層28の下のドリフト層14の酸化が進行する恐れがある。
酸化シリコン層28の厚さは、30nm以上150nm以下であることが望ましい。上記範囲を下回ると、紫外線照射の際、酸化シリコン層28の下のドリフト層14中の結合が切れる恐れがある。また、上記範囲を上回ると、一重結合する炭素と酸素の結合が形成されない領域が生ずる恐れがある。酸化シリコン層28の厚さは、30nm以上60nm以下であることがより望ましい。
また、緻密な酸化シリコンを形成する観点から、酸化シリコン層28の形成は、上述のように熱酸化によることが望ましい。しかしながら、酸化シリコン層28の形成は、熱酸化に限らず、例えば、化学気相成長法により酸化シリコン膜の堆積であっても構わない。
例えば、オルトケイ酸テトラエチル(TEOS)をソースガスとする酸化シリコン膜は、膜中に炭素を含有する。このため、炭素間の二重結合が膜中に含まれる。
本実施形態の製造方法によれば、炭素間の二重結合は、炭素間の一重結合に変換される。よって、化学気相成長法により形成された炭素を含む酸化シリコン層28にも、本実施形態の製造方法は、有効である。
以上、本実施形態によれば、MOSFET100のキャリアの移動度の劣化が抑制される。また、MOSFET100の閾値変動が抑制される。よって、特性の向上したMOSFET100が実現される。
(第2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。
図6は、本実施形態の駆動装置の模式図である。駆動装置300は、モーター140と、インバータ回路150を備える。
インバータ回路150は、第1の実施形態のMOSFET100をスイッチング素子とする3個の半導体モジュール150a、150b、150cで構成される。3個の半導体モジュール150a、150b、150c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。
本実施形態によれば、特性の向上したMOSFET100を備えることで、インバータ回路150及び駆動装置300の特性が向上する。
(第3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。
図7は、本実施形態の車両の模式図である。本実施形態の車両400は、鉄道車両である。車両400は、モーター140と、インバータ回路150を備える。
インバータ回路150は、第1の実施形態のMOSFET100をスイッチング素子とする3個の半導体モジュールで構成される。3個の半導体モジュール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。モーター140により車両400の車輪90が回転する。
本実施形態によれば、特性の向上したMOSFET100を備えることで、車両400の特性が向上する。
(第4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。
図8は、本実施形態の車両の模式図である。本実施形態の車両500は、自動車である。車両500は、モーター140と、インバータ回路150を備える。
インバータ回路150は、第1の実施形態のMOSFET100をスイッチング素子とする3個の半導体モジュールで構成される。3個の半導体モジュール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。モーター140により車両500の車輪90が回転する。
本実施形態によれば、特性の向上したMOSFET100を備えることで、車両500の特性が向上する。
(第5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。
図9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600は、かご610、カウンターウエイト612、ワイヤロープ614、巻上機616、モーター140と、インバータ回路150を備える。
インバータ回路150は、第1の実施形態のMOSFET100をスイッチング素子とする3個の半導体モジュールで構成される。3個の半導体モジュール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。モーター140により巻上機616が回転し、かご610が昇降する。
本実施形態によれば、特性の向上したMOSFET100を備えることで、昇降機600の特性が向上する。
以上、第1の実施形態では、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。
また、第1の実施形態では、炭化珪素のシリコン面に酸化シリコン層28を設ける場合を例に説明したが、炭化珪素のその他の面、例えば、カーボン面、a面、m面、(0−33−8)面等に酸化シリコン層28を設ける場合にも本発明を適用することは可能である。
また、第1の実施形態では、nチャネル型のプレーナ型のMOSFETを例に説明したが、nチャネル型のトレンチ型のMOSFETにも本発明を適用することは可能である。トレンチ側面はa面、m面、(0−33−8)面などが代表的な方位である。a面,m面はSi面やC面に対し、垂直な面である。(0−33−8)面は(0001)面に対して、<1−100> 方向に54.7 ° 傾けた面である。この結晶面方位はSiの結晶におけるSi(001)に対応した結晶面である。
また、nチャネル型のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)にも本発明を適用することは可能である。
また、nチャネル型に限らず、pチャネル型のMOSFET又はIGBTにも本発明を適用することは可能である。
また、第3乃至第5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。
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。
16 pウェル領域(炭化珪素層)
28 酸化シリコン層
30 ゲート電極
100 MOSFET(半導体装置)
150 インバータ回路
300 駆動装置
400 車両
500 車両
600 昇降機

Claims (20)

  1. 炭化珪素層と、
    ゲート電極と、
    前記炭化珪素層と前記ゲート電極との間に位置し、層中の炭素間の一重結合が、層中の炭素間の二重結合よりも多い酸化シリコン層と、
    を備える半導体装置。
  2. 前記酸化シリコン層中に炭素と酸素の結合を有する請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記酸化シリコン層中に炭素と水素又は炭素と重水素の結合を有する請求項1記載の半導体装置。
  4. 前記酸化シリコン層中に炭素とフッ素の結合を有する請求項1記載の半導体装置。
  5. 前記酸化シリコン層中に、一重結合する2つの炭素のそれぞれに2つのシリコンが結合する構造を有する請求項1記載の半導体装置。
  6. 前記酸化シリコン層中に、一重結合する2つの炭素に同一の酸素が結合する構造を有する請求項1記載の半導体装置。
  7. 前記酸化シリコン層中に、一重結合する2つの炭素のそれぞれに一つの水素、重水素、フッ素、又は、水酸基が結合する構造を有する請求項1記載の半導体装置。
  8. 前記炭素間の二重結合の前記酸化シリコン層中の密度が、2×1016cm−3以下である請求項1乃至請求項7いずれか一項記載の半導体装置。
  9. 前記酸化シリコン層の厚さが30nm以上150nm以下である請求項1乃至請求項8いずれか一項記載の半導体装置。
  10. 前記酸化シリコン層の炭素濃度が4×1018cm−3以上4×1019cm−3以下である請求項1乃至請求項9いずれか一項記載の半導体装置。
  11. 請求項1乃至請求項10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。
  12. 請求項1乃至請求項10いずれか一項記載の半導体装置を備える駆動装置。
  13. 請求項1乃至請求項10いずれか一項記載の半導体装置を備える車両。
  14. 請求項1乃至請求項10いずれか一項記載の半導体装置を備える昇降機。
  15. 炭化珪素層の上に酸化シリコン層を形成し、
    前記酸化シリコン層に紫外線を照射しながら、酸素、水素、フッ素、重水素、及び、水の少なくともいずれか一つの物質を含む雰囲気中で熱処理を行い、
    前記酸化シリコン層の上にゲート電極を形成する半導体装置の製造方法。
  16. 前記酸化シリコン層は、前記炭化珪素層の熱酸化により形成される請求項15記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記熱処理の温度が前記熱酸化の温度よりも低い請求項16記載の半導体装置の製造方法。
  18. 前記熱酸化の温度は1100℃以上1300℃以下である請求項16又は請求項17いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
  19. 前記紫外線のエネルギーが5eV以上6eV以下である請求項15乃至請求項18いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
  20. 前記熱処理の温度は300℃以上900℃以下である請求項15乃至請求項19いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
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