JP2021022706A - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Yuichiro Matsushita
雄一郎 松下
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Abstract

To provide a silicon carbide semiconductor device with improved mobility.SOLUTION: A silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes a silicon carbide crystal region, and a gate insulating film formed on the surface of the silicon carbide crystal region, and at least surface of the gate insulating film in contact with the silicon carbide crystal region is composed of a crystal insulator, and a flat terrace width at the atomic level at the interface of the silicon carbide crystal in contact with the crystal insulator is 3.5 nm or more.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は炭化ケイ素半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing the same.

従来、半導体としてはシリコン(Si)半導体が主流であるが、バンドギャップが小さい欠点がある。炭化ケイ素(SiC)は、Si半導体に比べて、バンドギャップが3.25eVと3倍と広く,絶縁破壊電界強度が3MV/cmと10倍程度大きい(理論的な電力損失はSiの300分の1)。また,熱伝導性,耐熱性,耐薬品性に優れ,放射線に対する耐性もSi半導体より高い。そのため,Si半導体より小型,低消費電力,高効率のパワー素子,高周波素子,耐放射線性に優れた半導体素子として期待されている。そのため、炭化ケイ素半導体は、電力,輸送,家電に加え,宇宙・原子力分野で需要が高く、最近では,ハイブリッドや電気自動車用の半導体として、消費電力が小さく,耐熱温度が400℃とSi半導体より高く,冷却するためのファンなどの放熱装置が必要ないという利点が注目されており、活発に研究開発が進められ、一部は既に実用化されている。 Conventionally, silicon (Si) semiconductors have been the mainstream semiconductors, but they have the drawback of having a small bandgap. Silicon carbide (SiC) has a bandgap of 3.25 eV, which is 3 times wider than that of Si semiconductors, and a dielectric breakdown electric field strength of 3 MV / cm, which is about 10 times larger (theoretical power loss is 300 times that of Si). 1). In addition, it has excellent thermal conductivity, heat resistance, and chemical resistance, and is more resistant to radiation than Si semiconductors. Therefore, it is expected to be a semiconductor device that is smaller in size, consumes less power, has higher efficiency, has a high frequency element, and has excellent radiation resistance than a Si semiconductor. Therefore, silicon carbide semiconductors are in high demand in the fields of space and nuclear power in addition to electric power, transportation, and home appliances. Recently, as semiconductors for hybrids and electric vehicles, they consume less power and have a heat resistant temperature of 400 ° C, which is higher than that of Si semiconductors. It is expensive and has the advantage of not requiring a heat dissipation device such as a fan for cooling, and has been actively researched and developed, and some of it has already been put into practical use.

しかし、炭化ケイ素半導体装置では、酸化ケイ素(SiO)を絶縁膜とするMOS型半導体装置として用いられているが、シリコン半導体装置では、移動度が理論値の50%程度まで実現されているのに対して、酸化ケイ素(SiO)/炭化ケイ素(SiC)のMOS界面に界面欠陥準位が存在していて、実用されている製品の移動度は20〜30cm/Vs程度であり、理論値1000cm/Vsの2〜3%にすぎないのが現状である。このMOS界面に存在する界面欠陥準位の原因として残留炭素などの異物が提案され、検討されているが、未だに確かな原因は判明しておらず、炭化ケイ素半導体装置における移動度の改良は、炭化ケイ素半導体装置の実用化のために非常に重要な課題になっている。 However, in silicon carbide semiconductor devices, silicon oxide (SiO 2 ) is used as an insulating film as a MOS type semiconductor device, but in silicon semiconductor devices, the mobility is realized up to about 50% of the theoretical value. On the other hand, there is an interface defect level at the MOS interface of silicon oxide (SiO 2 ) / silicon carbide (SiC), and the mobility of practical products is about 20 to 30 cm 2 / Vs. At present, it is only 2 to 3% of the value of 1000 cm 2 / Vs. Foreign substances such as residual carbon have been proposed and investigated as the cause of the interface defect level existing at the MOS interface, but the exact cause has not yet been clarified, and the improvement of mobility in silicon carbide semiconductor devices has been described. It has become a very important issue for the practical use of silicon carbide semiconductor devices.

非特許文献1は、炭化ケイ素基板として4H−SiCの(0−33−8)面を用いて、MOSFETの移動度を120cm/Vsに増加することを報告している。しかし、この半導体装置はMOSFETであり、絶縁膜はSiOであり、本発明と異なる。 Non-Patent Document 1 reports that the mobility of MOSFET is increased to 120 cm 2 / Vs by using the (0-33-8) plane of 4H-SiC as a silicon carbide substrate. However, this semiconductor device is a MOSFET and the insulating film is SiO 2 , which is different from the present invention.

非特許文献2は、4H−SiCのマクロステップ表面をSi融液中でアニールして原子レベルでフラットなテラスを作製して、4H−SiC MOSFETの移動度が102cm/Vsに増加したと報告している。しかし、この半導体装置はMOSFETであり、絶縁膜はSiOであり、本発明と異なる。 Non-Patent Document 2 reports that the macrostep surface of 4H-SiC was annealed in a Si melt to form a flat terrace at the atomic level, and the mobility of the 4H-SiC MOSFET increased to 102 cm 2 / Vs. doing. However, this semiconductor device is a MOSFET and the insulating film is SiO 2 , which is different from the present invention.

非特許文献3は、低オフ角の炭化ケイ素結晶の成長について開示する。しかし、非特許文献3は、結晶表面の原子レベルのフラット性とその上に製膜される絶縁膜との関係について教示がない。 Non-Patent Document 3 discloses the growth of low off-angle silicon carbide crystals. However, Non-Patent Document 3 does not teach the relationship between the atomic level flatness of the crystal surface and the insulating film formed on the crystal surface.

非特許文献4は、炭化ケイ素結晶の表面をエッチングして原子レベルでフラットにする方法を開示する。しかし、非特許文献4は、結晶表面の原子レベルのフラット性とその上に製膜される絶縁膜との関係について教示がない。 Non-Patent Document 4 discloses a method of etching the surface of a silicon carbide crystal to flatten it at the atomic level. However, Non-Patent Document 4 does not teach the relationship between the atomic level flatness of the crystal surface and the insulating film formed on the crystal surface.

非特許文献5は、AlN/4H−SiC界面をもつキャパシタを作製し、その電気特性を評価して、約150cm/Vsの移動度を報告している。しかし、非特許文献5は、AlNを堆積する前に炭化ケイ素基板(4H−SiC)の結晶表面を原子レベルでフラットにする処理を行っていないし、その必要性及び意義について教示がない。 Non-Patent Document 5 reports a mobility of about 150 cm 2 / Vs by producing a capacitor having an AlN / 4H-SiC interface and evaluating its electrical characteristics. However, Non-Patent Document 5 does not perform a treatment for flattening the crystal surface of the silicon carbide substrate (4H-SiC) at the atomic level before depositing AlN, and there is no teaching about the necessity and significance thereof.

Materials Science Forum 740, 506 (2013).Materials Science Forum 740, 506 (2013). T. Masuda eta l. "High Channel Mobility of 4H-SiC MOSFET Fabricated on Macro-Stepped Surface", Materials Science Forum Vols. 600-603, Silicon Carbide and Related Materials 2007, pp695-698T. Masuda eta l. "High Channel Mobility of 4H-SiC MOSFET Fabricated on Macro-Stepped Surface", Materials Science Forum Vols. 600-603, Silicon Carbide and Related Materials 2007, pp695-698 Chem. Vap. Deposition 2006, 12, 489-494Chem. Vap. Deposition 2006, 12, 489-494 Applied Physics Letters 110,201601(2017)Applied Physics Letters 110, 201601 (2017) R.Y.Khosa et al., "Electrical properties of 4H-SiC MIS capacitors with AlN gate dielectric grown by MOCVS", Solid State Electronics 153 (2019) 52-58R.Y.Khosa et al., "Electrical properties of 4H-SiC MIS capacitors with AlN gate dielectric grown by MOCVS", Solid State Electronics 153 (2019) 52-58

本発明の課題は、SiC MOSFETにおけるSiO/SiC構造の界面欠陥準位の原因を解明し、その界面欠陥準位を減少させて、従来のSiC MOSFETと比べて移動度を向上させた炭化ケイ素半導体装置を提供することである。 The subject of the present invention is to elucidate the cause of the interfacial defect level of the SiO 2 / SiC structure in the SiC MOSFET, reduce the interfacial defect level, and improve the mobility as compared with the conventional SiC MOSFET. It is to provide a semiconductor device.

上記課題を解決するために、本発明は少なくとも下記態様を提供する。
(態様1)
炭化ケイ素結晶領域と、前記炭化ケイ素結晶領域の表面に形成されたゲート絶縁膜とを含む炭化ケイ素半導体装置であって、前記ゲート絶縁膜の少なくとも前記炭化ケイ素結晶領域と接触する面が結晶絶縁体で構成されており、前記結晶絶縁体と接触する前記炭化ケイ素結晶の界面の原子レベルでフラットなテラス幅が3.5nm以上であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置。
In order to solve the above problems, the present invention provides at least the following aspects.
(Aspect 1)
A silicon carbide semiconductor device including a silicon carbide crystal region and a gate insulating film formed on the surface of the silicon carbide crystal region, wherein at least a surface of the gate insulating film in contact with the silicon carbide crystal region is a crystal insulator. A silicon carbide semiconductor device comprising the above, wherein the flat terrace width at the atomic level of the interface of the silicon carbide crystal in contact with the crystal insulator is 3.5 nm or more.

(態様2)
前記炭化ケイ素結晶領域が0〜4度の範囲内のオフ角を有する炭化ケイ素結晶である、態様1に記載の炭化ケイ素半導体装置。
(Aspect 2)
The silicon carbide semiconductor device according to aspect 1, wherein the silicon carbide crystal region is a silicon carbide crystal having an off angle in the range of 0 to 4 degrees.

(態様3)
前記オフ角が0〜1度である、態様1又は2に記載の炭化ケイ素半導体装置。
(Aspect 3)
The silicon carbide semiconductor device according to aspect 1 or 2, wherein the off angle is 0 to 1 degree.

(態様4)
前記原子レベルでフラットなテラス長が40nm以上である、態様2又は3に記載の炭化ケイ素半導体装置。
(Aspect 4)
The silicon carbide semiconductor device according to aspect 2 or 3, wherein the flat terrace length at the atomic level is 40 nm or more.

(態様5)
前記結晶絶縁体と前記炭化ケイ素結晶との格子定数の差が2%以下である、態様1〜4のいずれか一項に記載の炭化ケイ素半導体装置。
(Aspect 5)
The silicon carbide semiconductor device according to any one of aspects 1 to 4, wherein the difference in lattice constant between the crystal insulator and the silicon carbide crystal is 2% or less.

(態様6)
前記結晶絶縁体が窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、リン酸アルミニウム(AlPO4)、アルミナ、Be3Al2(SiO36、酸化ベリウム(BeO)、RbAl1117、Ba7Al64103、Al65(O5F)3及びこれらを水素終端した物質から選ばれる、態様1〜5のいずれか一項に記載の炭化ケイ素半導体装置。
(Aspect 6)
The crystal insulators are aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), aluminum phosphate (AlPO 4 ), alumina, Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 , verium oxide (BeO), RbAl 11 O 17 , Ba 7 The silicon carbide semiconductor apparatus according to any one of aspects 1 to 5, which is selected from Al 64 O 103 , Al 6 B 5 (O 5 F) 3, and a substance obtained by terminating these with hydrogen.

(態様7)
前記炭化ケイ素結晶が4H−SiCであり、前記結晶絶縁体と接触する面が(000−1)面、(0001)面、(1−100)面又は(11−20)面である、態様1〜6のいずれか一項に記載の炭化ケイ素半導体装置。
(Aspect 7)
Aspect 1 in which the silicon carbide crystal is 4H-SiC and the surfaces in contact with the crystal insulator are (000-1) surface, (0001) surface, (1-100) surface or (11-20) surface. The silicon carbide semiconductor device according to any one of Items to 6.

(態様8)
前記ゲート絶縁膜が、前記結晶絶縁体の前記炭化ケイ素結晶領域と反対側に、前記結晶絶縁体と異なる第二の絶縁体を含む、態様1〜7のいずれか一項に記載の炭化ケイ素半導体装置。
(Aspect 8)
The silicon carbide semiconductor according to any one of aspects 1 to 7, wherein the gate insulating film contains a second insulator different from the crystal insulator on the side opposite to the silicon carbide crystal region of the crystal insulator. apparatus.

(態様9)
炭化ケイ素結晶領域と、前記炭化ケイ素結晶領域の表面に形成されたゲート絶縁膜とを含む炭化ケイ素半導体装置の製造方法であって、原子レベルでフラットなテラス幅が3.5nm以上である表面を有する炭化ケイ素結晶領域を提供し、前記炭化ケイ素結晶領域上に、結晶絶縁膜を製膜することを含むことを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
(Aspect 9)
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device including a silicon carbide crystal region and a gate insulating film formed on the surface of the silicon carbide crystal region, wherein a surface having a flat terrace width of 3.5 nm or more at the atomic level is formed. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, which comprises providing a silicon carbide crystal region having a silicon carbide crystal region and forming a crystal insulating film on the silicon carbide crystal region.

(態様10)
前記炭化ケイ素結晶領域が0〜4度の範囲内のオフ角を有する炭化ケイ素結晶で構成されている、態様9に記載の製造方法。
(Aspect 10)
The production method according to aspect 9, wherein the silicon carbide crystal region is composed of silicon carbide crystals having an off angle in the range of 0 to 4 degrees.

(態様11)
前記結晶絶縁膜が、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、リン酸アルミニウム(AlPO4)、アルミナ、Be3Al2(SiO36、酸化ベリウム(BeO)、RbAl1117、Ba7Al64103、Al65(O5F)3及びこれらを水素終端した物質から選ばれる材料である、態様9又は10に記載の製造方法。
(Aspect 11)
The crystal insulating film is aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), aluminum phosphate (AlPO 4 ), alumina, Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 , verium oxide (BeO), RbAl 11 O 17 , Ba. 7 The production method according to aspect 9 or 10, wherein the material is selected from Al 64 O 103 , Al 6 B 5 (O 5 F) 3, and a substance obtained by hydrogen-terminating these.

(態様12)
前記オフ角が0〜1度である、態様9〜11のいずれか一項に記載の製造方法。
(Aspect 12)
The production method according to any one of aspects 9 to 11, wherein the off angle is 0 to 1 degree.

(態様13)
前記炭化ケイ素結晶領域が4H−SiCであり、前記4H-SiC結晶の前記結晶絶縁膜と接触する表面が(000−1)面、(0001)面、(1−100)面又は(11−20)面であり、前記結晶絶縁膜を製膜する前に、前記炭化ケイ素結晶領域の(000−1)面、(0001)面、(1−100)面又は(11−20)面を原子レベルでフラット化する処理を含む、態様9〜12のいずれか一項に記載の製造方法。
(Aspect 13)
The silicon carbide crystal region is 4H-SiC, and the surfaces of the 4H-SiC crystal in contact with the crystal insulating film are (000-1) plane, (0001) plane, (1-100) plane, or (11-20) plane. ), And the (000-1), (0001), (1-100), or (11-20) planes of the silicon carbide crystal region are at the atomic level before the crystal insulating film is formed. The production method according to any one of aspects 9 to 12, which comprises a process of flattening with.

(態様14)
前記結晶絶縁膜の前記製膜前に、前記炭化ケイ素結晶領域の表面を原子レベルでフラット化する処理を行って、前記炭化ケイ素結晶領域の前記テラス幅を3.5nm以上にする、態様9〜13のいずれか一項に記載の製造方法。
(Aspect 14)
Prior to the formation of the crystal insulating film, a treatment for flattening the surface of the silicon carbide crystal region at the atomic level is performed to make the terrace width of the silicon carbide crystal region 3.5 nm or more. 13. The manufacturing method according to any one of 13.

(態様15)
前記結晶絶縁膜が、化学的気相堆積法又は物理的堆積法で製膜される、態様9〜14のいずれか一項に記載の製造方法。
(Aspect 15)
The production method according to any one of aspects 9 to 14, wherein the crystal insulating film is formed by a chemical vapor phase deposition method or a physical deposition method.

本発明によれば、従来のSiCMOSFETと比べて、移動度を向上させた炭化ケイ素半導体装置を提供することが可能にされる。 According to the present invention, it is possible to provide a silicon carbide semiconductor device having improved mobility as compared with a conventional SiC MOSFET.

図1は、炭化ケイ素半導体装置の例を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a silicon carbide semiconductor device. 図2は、炭化ケイ素結晶の積層を構成する層の模式的な平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view of the layers constituting the laminate of silicon carbide crystals. 図3は、炭化ケイ素結晶の多型の結晶構造を示す模式斜視図である。FIG. 3 is a schematic perspective view showing a polymorphic crystal structure of a silicon carbide crystal. 図4は、炭化ケイ素結晶の多型の結晶構造を横から見た模式図である。FIG. 4 is a schematic view of the polymorphic crystal structure of the silicon carbide crystal as viewed from the side. 図5は、炭化ケイ素結晶の結晶面を示す模式斜視図である。FIG. 5 is a schematic perspective view showing a crystal plane of a silicon carbide crystal. 図6は、二酸化ケイ素/炭化ケイ素結晶の界面における積層構造の揺らぎとエネルギー準位との関係の例を示す。FIG. 6 shows an example of the relationship between the fluctuation of the laminated structure and the energy level at the interface between the silicon dioxide / silicon carbide crystal. 図7は、二酸化ケイ素/炭化ケイ素界面の界面における積層構造の揺らぎとエネルギー準位との関係の別の例を示す。FIG. 7 shows another example of the relationship between the fluctuation of the laminated structure and the energy level at the interface between the silicon dioxide / silicon carbide interface. 図8は、図6及び図7の酸化ケイ素/炭化ケイ素界面の積層構造における界面準位の計算結果を示すチャートである。FIG. 8 is a chart showing the calculation results of the interface states in the laminated structure of the silicon oxide / silicon carbide interface of FIGS. 6 and 7. 図9は、オフ角を有する炭化ケイ素結晶の理想的な表面を模式的に示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing an ideal surface of a silicon carbide crystal having an off angle. 図10は、炭化ケイ素結晶の理想的ではない(表面積層構造ゆらぎのある)表面を模式的に示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a non-ideal surface (with fluctuations in the surface laminated structure) of the silicon carbide crystal.

本発明の炭化ケイ素半導体装置は、炭化ケイ素結晶領域と、前記炭化ケイ素結晶領域の表面に形成されたゲート絶縁膜とを含む炭化ケイ素半導体装置であって、前記ゲート絶縁膜の少なくとも前記炭化ケイ素結晶領域と接触する面が結晶絶縁体で構成されており、前記結晶絶縁体と接触する前記炭化ケイ素結晶の界面の原子レベルでフラットなテラス幅が3.5nm以上であることを特徴とする。 The silicon carbide semiconductor device of the present invention is a silicon carbide semiconductor device including a silicon carbide crystal region and a gate insulating film formed on the surface of the silicon carbide crystal region, and at least the silicon carbide crystal of the gate insulating film. The surface in contact with the region is composed of a crystal insulator, and the flat terrace width at the atomic level at the interface of the silicon carbide crystal in contact with the crystal insulator is 3.5 nm or more.

本開示において、結晶方向〔例えば、<11−20>〕や結晶面〔例えば、(0001)〕を表す4桁の数字における「−」は、その次の数字の上にあるべき「バー」を表し、マイナスの意味である。 In the present disclosure, a "-" in a four-digit number representing a crystal direction [eg, <11-20>] or a crystal plane [eg, (0001)] is a "bar" that should be above the next number. It represents and has a negative meaning.

(炭化ケイ素半導体装置)
図1に炭化ケイ素半導体装置の典型的な例を模式的に示す。図1の例では、炭化ケイ素半導体基板1の上にエピタキシャル成長した炭化ケイ素半導体層2があり、炭化ケイ素半導体層2は、通常、n型又はp型の不純物がドープされてn型又はp型の半導体領域にされている。炭化ケイ素半導体層2の特定の領域のみに不純物をドープしてn型又はp型の半導体領域としてもよい。図1では例えばn型の炭化ケイ素半導体層2とする。n型の不純物としては例えば窒素がある。このn型の炭化ケイ素半導体層2にその表面からp型の不純物をドープしてソース領域3及びドレイン領域4が形成されている。p型の不純物としては例えばアルミニウムがある。ソース領域3及びドレイン領域4の間の領域のn型炭化ケイ素半導体層2の表面にゲート絶縁膜5、その上にゲート電極6が形成されている。ソース領域3及びドレイン領域4にはソース電極及びドレイン電極を形成してよい(図示せず)。ゲート絶縁膜5は従来殆ど二酸化ケイ素膜であったが、本発明では少なくともn型の炭化ケイ素半導体層2と接触する面は結晶絶縁体で構成される。p型のソース領域3及びドレイン領域4の間は、n型の炭化ケイ素半導体層2があるので、通常、ソース領域3及びドレイン領域4の間では電流が流れない。しかし、例えば、ゲート電極6に電圧を印加すると、ゲート絶縁膜5の下部のn型の炭化ケイ素半導体層2に反転層、p型の導電領域が形成されることで、ソース領域3及びドレイン領域4の間に電流が流れる。このようにゲート電極6への電圧印加をオン・オフすることで、MIS電界効果トランジスタ(MISFET)のスイッチングを行うことができる。ゲート絶縁膜が酸化物であれば、MOSFETと呼ばれる。
(Silicon carbide semiconductor device)
FIG. 1 schematically shows a typical example of a silicon carbide semiconductor device. In the example of FIG. 1, there is a silicon carbide semiconductor layer 2 epitaxially grown on a silicon carbide semiconductor substrate 1, and the silicon carbide semiconductor layer 2 is usually doped with n-type or p-type impurities and is n-type or p-type. It is in the semiconductor domain. Impurities may be doped only in a specific region of the silicon carbide semiconductor layer 2 to form an n-type or p-type semiconductor region. In FIG. 1, for example, an n-type silicon carbide semiconductor layer 2 is used. Examples of n-type impurities include nitrogen. A source region 3 and a drain region 4 are formed by doping the n-type silicon carbide semiconductor layer 2 with p-type impurities from its surface. Examples of p-type impurities include aluminum. A gate insulating film 5 is formed on the surface of the n-type silicon carbide semiconductor layer 2 in the region between the source region 3 and the drain region 4, and a gate electrode 6 is formed on the gate insulating film 5. A source electrode and a drain electrode may be formed in the source region 3 and the drain region 4 (not shown). The gate insulating film 5 has been mostly a silicon dioxide film in the past, but in the present invention, at least the surface in contact with the n-type silicon carbide semiconductor layer 2 is composed of a crystal insulator. Since there is an n-type silicon carbide semiconductor layer 2 between the p-type source region 3 and the drain region 4, no current normally flows between the source region 3 and the drain region 4. However, for example, when a voltage is applied to the gate electrode 6, an inversion layer and a p-type conductive region are formed in the n-type silicon carbide semiconductor layer 2 below the gate insulating film 5, so that the source region 3 and the drain region are formed. A current flows between 4. By turning on / off the voltage application to the gate electrode 6 in this way, the MIS field effect transistor (MISFET) can be switched. If the gate insulating film is an oxide, it is called a MOSFET.

図1に示したMISFETはあくまでも1例であり、MISFETには他に様々な構造がある。例えば、p型、n型、縦型、横型、複合型など。また、ゲート絶縁膜を有する半導体装置にはトンネル接合型など他のタイプの半導体装置もある。また、不純物ドープ活性領域は、半導体基板に不純物をイオン打ち込みなどで後から導入するほか、半導体基板の凹部に不純物を含む炭化ケイ素半導体を充填して形成することもできる。本発明の炭化ケイ素半導体装置は、図1の例に限らず、ゲート絶縁膜を有する炭化ケイ素半導体装置のいずれにも適用できる。さらに、半導体装置には、トランジスタのみならずキャパシタなどと複合したメモリ装置なども含まれる。炭化ケイ素半導体は、通常、n型又はp型の不純物がドープされているが、n型又はp型の不純物がドープされていない真正領域が含まれていてもよい。 The MISFET shown in FIG. 1 is only an example, and the MISFET has various other structures. For example, p-type, n-type, vertical type, horizontal type, composite type, etc. Further, there are other types of semiconductor devices such as tunnel junction type semiconductor devices having a gate insulating film. Further, the impurity-doped active region can be formed by filling the recesses of the semiconductor substrate with a silicon carbide semiconductor containing impurities, in addition to introducing impurities into the semiconductor substrate by ion implantation or the like. The silicon carbide semiconductor device of the present invention is not limited to the example of FIG. 1, and can be applied to any of the silicon carbide semiconductor devices having a gate insulating film. Further, the semiconductor device includes not only a transistor but also a memory device complexed with a capacitor or the like. Silicon carbide semiconductors are usually doped with n-type or p-type impurities, but may contain a genuine region not doped with n-type or p-type impurities.

(炭化ケイ素結晶)
炭化ケイ素は、炭素とケイ素との共有結合性の(イオン性も有する)化合物であるが、炭化ケイ素結晶は、炭素又はケイ素を中心とし四頂点にケイ素又は炭素(他方の原子)を配した正四面体が、三次元的に結合した構造を有する結晶である。炭化ケイ素結晶は、正四面体の頂点を介してお互いに結合して形成される平面構造が積層されて三次元構造を形成している。図2に、積層体の層に垂直な方向からみたSiCの結晶層を示し、黒丸が原子であり、正三角形の中央の原子が正四面体の頂点、それ以外の原子が正四面体の底面の原子である。これで正四面体を詰め込んだ一層が形成されている。この第一層の上に第二層を乗せるとき、第二層の正四面体は、第一層の近くの三つの正四面体の頂点を足場とするが、そのとき図の右端に斜線で示した上下2つの並べ方がある。第一層は上の並べ方である。第三層は第二層の三つの正四面体の頂点を足場として、2つの並べ方がある。このように積層が繰り返されるが、その積層される各層の順序(繰り返しの順序)によって、結晶多型を作る。
(Silicon carbide crystal)
Silicon carbide is a covalent (also ionic) compound between carbon and silicon, while silicon carbide crystals are positive with carbon or silicon at the center and silicon or carbon (the other atom) arranged at the four vertices. A tetrahedron is a crystal having a three-dimensionally bonded structure. Silicon carbide crystals form a three-dimensional structure by stacking planar structures formed by bonding with each other via the vertices of a regular tetrahedron. FIG. 2 shows the SiC crystal layer seen from the direction perpendicular to the layer of the laminated body, the black circle is the atom, the atom in the center of the equilateral triangle is the apex of the regular tetrahedron, and the other atoms are the bottom surface of the regular tetrahedron. Atom of. This forms a layer packed with regular tetrahedrons. When the second layer is placed on top of this first layer, the regular tetrahedron of the second layer uses the vertices of the three regular tetrahedrons near the first layer as scaffolding, and at that time, the right end of the figure is shaded. There are two ways of arranging the top and bottom shown. The first layer is the above arrangement. The third layer has two arrangements using the vertices of the three regular tetrahedrons of the second layer as scaffolding. The lamination is repeated in this way, and the crystal polymorphism is formed by the order of each layer to be laminated (the order of repetition).

図3に、代表的な2H−SiC(ウルツ型、AB積層)、3C−SiC(閃亜鉛鉱型、ABC積層)、4H−SiC(ABCB積層)、6H−SiC(ABCACB積層)の結晶構造を示す。図3において、積層方向は横である。A,B,Cは、積層構造における正四面体の中心原子の配置に基づく層の積み方を表す。 FIG. 3 shows typical crystal structures of 2H-SiC (Ultz type, AB laminated), 3C-SiC (sphalerite type, ABC laminated), 4H-SiC (ABCB laminated), and 6H-SiC (ABCACB laminated). Shown. In FIG. 3, the stacking direction is horizontal. A, B, and C represent how to stack layers based on the arrangement of central atoms of a regular tetrahedron in a laminated structure.

図4に、積層構造を横から見た、すなわち、SiC結晶の<11−20>方向から見た結晶構造を示す。図4において、大きい白丸○はケイ素原子、小さい黒丸●は炭素原子を表し、kはcubicサイト(kサイト)、hはhexagonalサイト(hサイト)を表す。図4において、ケイ素原子が水平方向に一列に並んでA,B,Cの各層を形成しており、積層における水平方向の面内のケイ素原子の配置に応じて、A,B,Cの各層が区別されている。図4を参照すると、2H−SiC(AB積層)、3C−SiC(ABC積層)、4H−SiC(ABCB積層)、6H−SiC(ABCACB積層)の積層構造が示されている。図4におけるケイ素原子に示されるk、hは、その層が立方晶系の積層構造(kサイト又はk面)、六方晶系の積層構造(hサイト又はh面)であることを表す。2H構造では全てhサイト、3C構造では全てkサイト、4H構造ではhサイトとkサイトが交互に積層した構造になっている。 FIG. 4 shows the crystal structure of the laminated structure viewed from the side, that is, the SiC crystal viewed from the <11-20> direction. In FIG. 4, a large white circle ◯ represents a silicon atom, a small black circle ● represents a carbon atom, k represents a cubic site (k site), and h represents a hexagonal site (h site). In FIG. 4, silicon atoms are arranged in a horizontal row to form layers A, B, and C, and layers A, B, and C are formed according to the arrangement of silicon atoms in the horizontal plane in the stacking. Are distinguished. With reference to FIG. 4, a laminated structure of 2H-SiC (AB laminated), 3C-SiC (ABC laminated), 4H-SiC (ABCB laminated), and 6H-SiC (ABCACB laminated) is shown. The k and h shown by the silicon atom in FIG. 4 indicate that the layer has a cubic laminated structure (k-site or k-plane) and a hexagonal laminated structure (h-site or h-plane). The 2H structure has all h sites, the 3C structure has all k sites, and the 4H structure has h sites and k sites alternately stacked.

炭化ケイ素半導体である2H−SiC、3C−SiC、4H−SiC、6H−SiCのバンドギャップは、それぞれ、3.33eV,2.40eV,3.25eV、3,10eVであるが、バンドギャップの大きさと、バルクの移動度の異方性の小ささと選択的結晶成長が可能であるという理由から、4H−SiCが最も期待される炭化ケイ素半導体であり、実際に4H−SiCが実用化されている。本発明は、理論的には必ずしも4H−SiCに限定されす、他の結晶構造にも適用できるが、現実的な理由から以下では4H−SiCに基づいて、本発明を説明する。 The band gaps of the silicon carbide semiconductors 2H-SiC, 3C-SiC, 4H-SiC, and 6H-SiC are 3.33 eV, 2.40 eV, 3.25 eV, and 3,10 eV, respectively, but the band gaps are large. In addition, 4H-SiC is the most promising silicon carbide semiconductor because of its low bulk mobility anisotropy and the possibility of selective crystal growth, and 4H-SiC has actually been put into practical use. There is. Although the present invention is theoretically applicable to other crystal structures that are not necessarily limited to 4H-SiC, the present invention will be described below based on 4H-SiC for practical reasons.

図5を用いて炭化ケイ素、特に4H−SiCの結晶構造と結晶面を説明する。図5は、六方晶系の格子モデルを模式的に示す斜視図である。図5において、大きい白丸○はケイ素原子、小さい黒丸●は炭素原子を表し、横軸a1、a2、a3は同一水平面内における120度間隔の3方向を表し、縦軸cはa1、a2、a3の軸に垂直な軸である。図5(a)と図5(b)におけるケイ素原子及び炭素原子の位置は同じであり、図5(b)では図5(a)に示したケイ素原子及び炭素原子の一部の表示を省略している。図において一部の結晶面をハッチングしている。最表面にケイ素原子が露出する面は(0001)面又はSi面であり、炭素原子が露出する面は(000−1)面又はC面である。Si面及びC面に垂直で六方晶の側面に相当する(1−100)面及び(11−20)面をそれぞれm面及びa面と呼ぶ。そのほか、Si面及びC面に斜め方向のs面、r面などがある。 The crystal structure and crystal plane of silicon carbide, particularly 4H-SiC, will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a perspective view schematically showing a hexagonal lattice model. In FIG. 5, large white circles ◯ represent silicon atoms, small black circles ● represent carbon atoms, horizontal axes a1, a2, and a3 represent three directions at 120-degree intervals in the same horizontal plane, and vertical axes c represent a1, a2, and a3. The axis is perpendicular to the axis of. The positions of the silicon atom and the carbon atom in FIGS. 5 (a) and 5 (b) are the same, and in FIG. 5 (b), the display of a part of the silicon atom and the carbon atom shown in FIG. 5 (a) is omitted. doing. In the figure, some crystal planes are hatched. The surface on which the silicon atom is exposed is the (0001) surface or the Si surface, and the surface on which the carbon atom is exposed is the (000-1) surface or the C surface. The (1-100) plane and the (11-20) plane, which are perpendicular to the Si plane and the C plane and correspond to the hexagonal side surfaces, are called the m plane and the a plane, respectively. In addition, the Si surface and the C surface have diagonal s and r surfaces.

(炭化ケイ素結晶の界面の原子レベルの揺らぎ)
炭化ケイ素半導体は、結晶多型、すなわち、積層構造によって、バンドギャップが40%も異なる。2H−SiC(AB積層)、3C−SiC(ABC積層)、4H−SiC(ABCB積層)、6H−SiC(ABCACB積層)のバンドギャップは、それぞれ、3.33eV、2.40eV、3.2eV、3.10eVである。
(Atomic level fluctuation at the interface of silicon carbide crystal)
Silicon carbide semiconductors differ in bandgap by as much as 40% depending on the crystal polymorphism, that is, the laminated structure. The band gaps of 2H-SiC (AB laminated), 3C-SiC (ABC laminated), 4H-SiC (ABCB laminated), and 6H-SiC (ABCACB laminated) are 3.33 eV, 2.40 eV, 3.2 eV, respectively. It is 3.10 eV.

ゲート絶縁膜としてSiOを用いると、アモルファス構造であるために界面構造の中長距離相関がなくなるために、例えば、4H−SiCにおいて、何種類かの界面積層構造が界面において混在すると考えることができる。例えば、図6は、絶縁膜と炭化ケイ素結晶の界面付近におけるエネルギー準位の例を示し、図6(a)は界面がA層(kサイト)の場合のエネルギー準位、図6(b)は界面がB層(hサイト)の場合のエネルギー準位を、それぞれ模式的に示す。図6(a)(b)において、横軸は界面に垂直な方向の位置であり、図の左側が4H−SiC層、右側がSiO層である。縦軸はエネルギー準位を表し、図の下側の線が価電子帯下端、上側の線が伝導帯のエネルギー準位を示す。図6に示すような、BCBABCBA(右端のAが界面)の積層構造を有する立方晶系積層構造の結晶界面において(図6(a))、局所的に界面のA層が欠落すると、BCBABCB(右端のBが界面)の積層構造となり、界面に2H構造の積層構造(CB)が現れる。2H構造の積層構造(CB)はhサイト(六方晶系の積層構造)であるので(図6(b))、この4H−SiC結晶では、界面に不純物や欠陥構造がなかったとしても、立方晶サイトと比べて六方晶サイトにおいて界面準位が上にシフトする。このように、界面の原子レベルの積層構造の違いによって、立方晶サイトと六方晶サイトが混在する部位が生じて、電子にとって有効界面ポテンシャルに揺らぎが生じる。 When SiO 2 is used as the gate insulating film, since it has an amorphous structure, the medium- to long-distance correlation of the interface structure disappears. Therefore, for example, in 4H-SiC, it can be considered that several kinds of interface laminated structures are mixed at the interface. it can. For example, FIG. 6 shows an example of the energy level near the interface between the insulating film and the silicon carbide crystal, and FIG. 6 (a) shows the energy level when the interface is the A layer (k-site), FIG. 6 (b). Schematically shows the energy levels when the interface is the B layer (h site). In FIGS. 6A and 6B, the horizontal axis is the position in the direction perpendicular to the interface, the left side of the figure is the 4H-SiC layer, and the right side is the SiO 2 layer. The vertical axis represents the energy level, the lower line of the figure shows the lower end of the valence band, and the upper line shows the energy level of the conduction band. At the crystal interface of a cubic laminated structure having a laminated structure of BCBABCBA (A at the right end is the interface) as shown in FIG. 6 (FIG. 6A), if the A layer at the interface is locally missing, BCBABCB ( The rightmost B is the interface), and the 2H structure (CB) appears at the interface. Since the 2H-structured laminated structure (CB) is an h-site (hexagonal laminated structure) (Fig. 6 (b)), this 4H-SiC crystal is cubic even if there are no impurities or defective structures at the interface. The interface state shifts upward at the hexagonal site compared to the crystal site. As described above, due to the difference in the atomic-level laminated structure of the interface, a site where cubic sites and hexagonal sites coexist is generated, and the effective interface potential for electrons fluctuates.

また、図7に示すように、界面のA層が欠落したBCBABCB(右端のBが界面)の積層構造の結晶界面において(図7(b))、さらに界面のB層がA層になる積層欠陥が生じると、BCBABCA(右端のAが界面)の積層構造となり(図7(c))、界面のABCA積層構造の界面準位が立方晶サイト(図7(a))と比べて下にシフトして、そこでは立方晶サイトに対して界面準位に揺らぎが生じる。 Further, as shown in FIG. 7, at the crystal interface of the laminated structure of BCBABCB (B at the right end is the interface) in which the A layer at the interface is missing (FIG. 7 (b)), the B layer at the interface becomes the A layer. When a defect occurs, it becomes a laminated structure of BCBABCA (A at the right end is the interface) (Fig. 7 (c)), and the interface state of the ABCA laminated structure at the interface is lower than that of the cubic site (Fig. 7 (a)). There is a shift, where the interface state fluctuates with respect to the cubic site.

上記のような結晶界面の積層構造の違いが生み出す有効ポテンシャル揺らぎは、これまで注目されておらず、またゲート絶縁膜としてSiOが用いられている。研究目的の特別な場合を除けば、半導体装置において、界面の原子レベルの積層の揺らぎは十分に考慮されていなかった。本発明者は、上記のような結晶界面の原子レベルの欠陥、積層欠陥が、半導体装置のゲートチャンネルにおける移動度に対してどの程度の影響があるかを第一原理計算により調べた。その結果、界面の原子レベルの積層の揺らぎに基づく移動度への影響は、予想外に大きく、顕著であることが明らかにされた。 The effective potential fluctuation caused by the difference in the laminated structure of the crystal interface as described above has not been noticed so far, and SiO 2 is used as the gate insulating film. Except for special cases for research purposes, the fluctuation of the atomic-level lamination at the interface was not fully considered in the semiconductor device. The present inventor investigated how much the atomic level defects and stacking defects at the crystal interface as described above affect the mobility in the gate channel of the semiconductor device by first-principles calculation. As a result, it was clarified that the influence on the mobility based on the fluctuation of the atomic-level stacking at the interface is unexpectedly large and remarkable.

上記の3種類(a)(b)(c)の界面の積層構造を有する場合について、界面付近での準位エネルギーを実際に第一原理計算でシミュレーション計算を行った。その計算の詳細は実施例に記載したとおりであるが、密度汎関数理論に立脚した第一原理計算を行い、交換相関エネルギー汎関数としては、HSE06汎関数を用いた。その結果、3種類の界面積層構造いずれもエネルギー的にほとんどかわりなく、最も安定な界面積層構造(a)と最も不安定であった界面積層構造(c)とのエネルギー差でさえ5.79 meV/Å2と小さなものであった。従って、理論の観点からも現実の界面には界面積層構造(a)(b)(c)が共存することが示された。また、界面におけるバンドアライメントを評価するために、局所状態密度(LDOS)を計算した。図8参照。 In the case of having the laminated structure of the above three types (a), (b) and (c) of the interface, the level energy near the interface was actually simulated by the first principle calculation. The details of the calculation are as described in the examples, but the first-principles calculation based on the density functional theory was performed, and the HSE06 functional was used as the exchange correlation energy functional. As a result, all three types of interfacial laminated structures have almost no change in energy, and even the energy difference between the most stable interfacial laminated structure (a) and the most unstable interfacial laminated structure (c) is 5.79 meV. It was as small as / Å 2 . Therefore, from a theoretical point of view, it was shown that the interfacial laminated structures (a), (b), and (c) coexist at the actual interface. Local density of states (LDOS) was also calculated to evaluate band alignment at the interface. See FIG.

上記計算の結果、図8に示すように、(a)の立方晶積層界面の場合と比べて、六方晶積層界面の場合には界面準位エネルギーが+1.2eVと大きくなり、(c)の積層欠陥界面の場合には界面準位エネルギーが−0.3eVと小さくなった。なお、二酸化ケイ素(SiO)のバンドギャップは8.95eVであり、いずれの界面でも、4H−SiC層に対して十分な絶縁体として機能する。このようにして、界面に欠陥や不純物がなくても、界面準位は炭化ケイ素の界面積層構造の揺らぎによって、伝導帯下端(CBM)の電子準位がCBM−0.3eVからCBM+1.2eVまでの範囲で変わり得、キャリアーの散乱源として振舞うことがわかる。 As a result of the above calculation, as shown in FIG. 8, the interface state energy of the hexagonal laminated interface is as large as +1.2 eV as compared with the case of the cubic laminated interface of (a), and the interface state energy of (c) is increased. In the case of a stacking defect interface, the interface state energy was as small as −0.3 eV. The band gap of silicon dioxide (SiO 2 ) is 8.95 eV, and it functions as a sufficient insulator for the 4H-SiC layer at any interface. In this way, even if there are no defects or impurities at the interface, the interface state is from CBM-0.3eV to CBM + 1.2eV due to fluctuations in the interfacial laminated structure of silicon carbide. It can be seen that it can change in the range of and behaves as a scattering source of carriers.

したがって、界面において一原子レベルで積層構造が揺らぐと、伝導帯下端(CBM)の電子状態にポテンシャル揺らぎが発生し、半導体装置(デバイス)特性に影響を及ぼす可能性があると考えられる。すなわち、このような界面では、界面のSiCの積層構造の揺らぎ(A層とB層が両方でてくる)構造を反映して、CBMの波動関数が局在化してしまい、電子(ホール)の有効質量に影響がでると考えられる。 Therefore, if the laminated structure fluctuates at the single atomic level at the interface, potential fluctuation may occur in the electronic state at the lower end of the conduction band (CBM), which may affect the characteristics of the semiconductor device (device). That is, at such an interface, the wave function of CBM is localized, reflecting the fluctuation of the SiC laminated structure at the interface (the A layer and the B layer come together), and the electron (hole) It is thought that the effective mass will be affected.

本発明者は、この結果に基づき、さらに、SiO/4H−SiCの界面における一原子層レベルの積層構造の欠陥(A層とB層が両方でてくる構造)が4H−SiC層の移動度に及ぼす影響について、第一原理計算により得られた電子バンド構造の曲率から、電子(ホール)の有効質量を計算した。移動度は有効質量に反比例することが知られている。この有効質量の計算の詳細は実施例に記載のとおりである。まず、様々な界面積層構造が共存するSiO2/4H―SiC界面構造模型を作成した。ここでは1つの簡略化として、4H―SiCの厚さ10Åのスラブを用意し、SiO2との接触面を模倣した水素終端させたモデルを作成した。また、界面構造において様々な界面積層構造が共存するように模型を準備し、構造最適化を行なった。その後、面内方向の電子バンド構造を計算し、その曲率から電子(ホール)有効質量を算出した。 Based on this result, the present inventor further found that a defect in the laminated structure at the monoatomic layer level at the interface of SiO 2 / 4H-SiC (a structure in which both the A layer and the B layer come together) causes the movement of the 4H-SiC layer. Regarding the effect on mobility, the effective mass of electrons (holes) was calculated from the curvature of the electron band structure obtained by the first-principles calculation. It is known that mobility is inversely proportional to effective mass. Details of the calculation of this effective mass are as described in the examples. First, a SiO 2 / 4H-SiC interface structure model in which various interface laminated structures coexist was created. Here, as one simplification, a 4H-SiC slab with a thickness of 10 Å was prepared, and a hydrogen-terminated model that imitated the contact surface with SiO 2 was created. In addition, a model was prepared so that various interfacial laminated structures coexist in the interfacial structure, and the structure was optimized. Then, the electron band structure in the in-plane direction was calculated, and the effective electron (hole) mass was calculated from the curvature.

その結果、SiCのバルクの有効質量は0.3m(mは電子の質量である。)であったが、(0001)面、(000−1)面、(1−100)面又は(11−20)面の理想的な界面における有効質量も0.3mであり、界面を原子レベルで制御すれば、これらの面でもバルクの有効質量と同程度であることが判明した。すなわち、これらの結晶面では界面を原子レベルで制御できれば、バルクと同等の有効質量及び移動度を実現できる可能性がある。 As a result, the effective mass of the bulk of SiC was 0.3m 0 (m 0 is the mass of electrons), but the (0001) plane, (000-1) plane, (1-100) plane or (1-100) plane or ( The effective mass at the ideal interface of the 11-20) plane was also 0.3 m 0 , and it was found that if the interface is controlled at the atomic level, these planes are also about the same as the effective mass of the bulk. That is, if the interface can be controlled at the atomic level on these crystal planes, there is a possibility that effective mass and mobility equivalent to those of bulk can be realized.

一方、(000−1)面の理想的な界面において、原子レベルの欠陥、すなわち、積層構造の揺らぎ(界面にkサイトとhサイトの両方がある)があると仮定したとき、電子の有効質量は1.8mになった。(0001)面、(1−100)面又は(11−20)面でも同様である。SiCの界面が原子レベルで制御されていないと、すなわち、界面において積層構造の揺らぎがあるだけで、界面での電子の有効質量がバルクの6倍になった。すなわち、界面を原子レベルで制御すれば、電子の有効質量及び移動度が顕著に改良できることが確認された。 On the other hand, assuming that there is an atomic level defect at the ideal interface of the (000-1) plane, that is, fluctuation of the laminated structure (both k-site and h-site are present at the interface), the effective mass of electrons is assumed. Became 1.8m 0 . The same applies to the (0001) plane, the (1-100) plane, or the (11-20) plane. The interface of SiC is not controlled at the atomic level, that is, the effective mass of electrons at the interface is 6 times that of the bulk only by the fluctuation of the laminated structure at the interface. That is, it was confirmed that the effective mass and mobility of electrons can be remarkably improved by controlling the interface at the atomic level.

本発明は、ゲート絶縁膜を堆積する前のSiC結晶の表面を原子レベルで制御するとともに、ゲート絶縁膜として従来のSiOに代えて結晶絶縁膜を用いることで、アモルファスSiOに起因する有効ポテンシャル揺らぎの発生を防止する。結晶絶縁膜については後でより詳細に述べるが、結晶絶縁膜を用いれば、アモルファスSiOと違いダングリングボンドなどの影響がなく、かつゲート絶縁膜の製膜時に原子レベルで平坦な積層構造制御が可能である。結晶絶縁膜の製膜前のSiC表面が理想的なフラットな表面であれば、結晶絶縁膜の製膜後も、SiC界面は理想的なフラットな界面であることが可能である。その結果、上記の計算で得られた電子の有効質量及び移動度の改良が可能となる。従来の炭化ケイ素半導体装置においては結晶絶縁膜の製膜前から存在する炭化ケイ素の表面積層構造の揺らぎにより界面欠陥が多く存在する。炭化ケイ素の界面の多くの界面欠陥を低減すれば、本発明による電子の有効質量及び移動度の改良の値はさらに大きくできる。そして、この炭化ケイ素の界面の大きな界面欠陥の改良においても、SiOに代えて結晶絶縁膜を用いることは有効である。 The present invention is effective due to amorphous SiO 2 by controlling the surface of the SiC crystal before depositing the gate insulating film at the atomic level and using a crystal insulating film instead of the conventional SiO 2 as the gate insulating film. Prevent the occurrence of potential fluctuations. The crystal insulating film will be described in more detail later, but if a crystal insulating film is used, unlike amorphous SiO 2, it is not affected by dangling bonds and the like, and the laminated structure is controlled to be flat at the atomic level when the gate insulating film is formed. Is possible. If the SiC surface before the formation of the crystal insulating film is an ideal flat surface, the SiC interface can be an ideal flat interface even after the formation of the crystal insulating film. As a result, the effective mass and mobility of the electrons obtained by the above calculation can be improved. In a conventional silicon carbide semiconductor device, many interface defects are present due to fluctuations in the surface laminated structure of silicon carbide that has existed before the formation of the crystal insulating film. If many interface defects at the interface of silicon carbide are reduced, the value of improvement in effective mass and mobility of electrons according to the present invention can be further increased. It is also effective to use a crystal insulating film instead of SiO 2 in improving the large interface defect of the silicon carbide interface.

上記の計算結果から推測される移動度の改良は、絶縁体/SiC界面に発生し得る原子レベルの揺らぎの防止に関するだけで6倍であり、従来の一般的なSiO/SiC界面の移動度20〜30cm/Vsに基づいて、単純比較しても、120〜180cm/Vsが得られる。また、SiO/SiC界面の移動度が30〜50cm/Vsあるいはそれ以上のものも知られているので、それに本発明を適用すれば、移動度は180〜300cm/Vsに向上できると期待される。また、本発明によれば、SiOに代えて結晶絶縁膜を用いることで、上記計算で仮定した原子レベルの界面揺らぎによる欠陥以外のSiOの製膜に起因する界面欠陥、例えば、多型結晶領域の出現、炭化ケイ素結晶の非フラット性、炭素などの異物の存在などよる界面欠陥を減少することが可能であるので、結果として、本発明による移動度の改良はさらに大きくすることが可能であり、それらの界面欠陥の改良は、上記計算で仮定した原子レベルの積層の揺らぎに基づく移動度への影響に勝るとも劣らないと考えられる。 The improvement in mobility estimated from the above calculation results is only 6 times as much as the prevention of atomic level fluctuations that may occur at the insulator / SiC interface, and the mobility of the conventional general SiO 2 / SiC interface is 6 times. based on the 20 to 30 cm 2 / Vs, even if simple comparison, 120~180cm 2 / Vs is obtained. Further, it is known that the mobility of the SiO 2 / SiC interface is 30 to 50 cm 2 / Vs or more. Therefore, if the present invention is applied to the mobility, the mobility can be improved to 180 to 300 cm 2 / Vs. Be expected. Further, according to the present invention, by using the crystalline insulating film in place of the SiO 2, interface defects, for example, polymorphisms caused by SiO 2 film forming non-defective by the interfacial fluctuation of assumed atomic level above calculation Since it is possible to reduce interfacial defects due to the appearance of crystal regions, non-flatness of silicon carbide crystals, the presence of foreign substances such as carbon, etc., as a result, the improvement of mobility according to the present invention can be further increased. Therefore, it is considered that the improvement of these interfacial defects is no less than the influence on the mobility based on the fluctuation of the atomic-level stacking assumed in the above calculation.

(ゲート絶縁膜)
上記のように第一原理計算によればSiC結晶の界面における積層構造を原子レベルで制御することが移動度の改良には極めて重要であるが、SiC基材上に製膜するゲート絶縁膜が従来のSiOであると、原子レベルの積層構造がたとえ製膜前に原子レベルで制御されていたとしても、成膜後には必然的にその積層構造に揺ぎが発生する。本発明では、半導体装置のゲート絶縁膜/SiC界面の積層構造を原子レベルで制御するために、ゲート絶縁膜としてアモルファスのSiOに代えて、結晶絶縁体を用いる。
(Gate insulating film)
As described above, according to the first-principles calculation, controlling the laminated structure at the interface of the SiC crystal at the atomic level is extremely important for improving the mobility, but the gate insulating film formed on the SiC substrate is With the conventional SiO 2 , even if the laminated structure at the atomic level is controlled at the atomic level before film formation, the laminated structure inevitably fluctuates after the film formation. In the present invention, in order to control the laminated structure of the gate insulating film / SiC interface of the semiconductor device at the atomic level, a crystal insulator is used as the gate insulating film instead of the amorphous SiO 2 .

SiOはアモルファスであり、界面構造に中長距離相関がないため、SiC結晶の表面にSiO膜を製膜するとき、SiOとSiCでは格子定数が異なることもあり、たとえ製膜前にSiC結晶の表面が原子レベルで制御されていても、SiO膜を製膜後は、必然的に、SiO/SiC界面は積層構造が原子レベルで揺らいでしまう。この界面の積層構造の原子レベルの揺らぎは、SiOの製膜が熱酸化で製膜されるか、気相堆積法で製膜されるかに関わりなく、生じる。しかし、ゲート絶縁膜としてアモルファスのSiOに代えて結晶絶縁体を用いることにより、ゲート絶縁膜/SiC界面の積層構造を原子レベルで維持すること、SiC界面を原子レベルで制御することが可能にされる。SiC界面の積層構造を原子レベルで制御することにより、上記の計算で示すように、有効質量を顕著に小さくし、移動度を顕著に大きくすることができる。上記の計算によれば、SiC界面の積層構造の制御が理想的であれば、それだけで有効質量を約6分の1に小さくし、移動度を約6倍に大きくすることができる。 Since SiO 2 is amorphous and there is no medium- to long-range correlation in the interface structure, when forming a SiO 2 film on the surface of a SiC crystal, the lattice constants may differ between SiO 2 and SiC, even before film formation. Even if the surface of the SiC crystal is controlled at the atomic level, the laminated structure of the SiO 2 / SiC interface inevitably fluctuates at the atomic level after the SiO 2 film is formed. Atomic level fluctuations in the laminated structure of the interface occur regardless of whether the SiO 2 film is formed by thermal oxidation or by the vapor phase deposition method. However, by using a crystal insulator instead of the amorphous SiO 2 as the gate insulating film, it is possible to maintain the laminated structure of the gate insulating film / SiC interface at the atomic level and control the SiC interface at the atomic level. Will be done. By controlling the laminated structure of the SiC interface at the atomic level, the effective mass can be remarkably reduced and the mobility can be remarkably increased, as shown in the above calculation. According to the above calculation, if the control of the laminated structure of the SiC interface is ideal, the effective mass can be reduced to about 1/6 and the mobility can be increased to about 6 times.

ゲート絶縁膜に用いる結晶絶縁体は、SiCに対して絶縁体として機能する結晶であればよい。SiCに対して絶縁体として機能するとは、その物質の価電子帯と伝導帯のエネルギー準位が、SiCの価電子帯と伝導帯のエネルギー準位に対してオフセットがあること、即ち、絶縁体の価電子帯のエネルギー準位がSiCの価電子帯のエネルギー準位より低く、かつ絶縁体の伝導帯のエネルギー準位がSiCの伝導帯のエネルギー準位より高いことをいう。オフセットされるエネルギーギャップの大きさは、SiC内の移動度にあまり影響がなく、本発明では上記オフセットがあればよいが、エネルギーギャップが大きいことは好ましい。特定の物質がSiCに対して絶縁体であるか否かは知られており、測定することも容易である。 The crystal insulator used for the gate insulating film may be a crystal that functions as an insulator against SiC. To function as an insulator with respect to SiC means that the energy levels of the valence band and conduction band of the substance are offset from the energy levels of the valence band and conduction band of SiC, that is, the insulator. The energy level of the valence band of SiC is lower than the energy level of the conduction band of SiC, and the energy level of the conduction band of the insulator is higher than the energy level of the conduction band of SiC. The size of the energy gap to be offset does not have much influence on the mobility in SiC, and in the present invention, the offset may be sufficient, but a large energy gap is preferable. Whether or not a particular substance is an insulator against SiC is known and is easy to measure.

ゲート絶縁体は、中長距離相関がある結晶絶縁体であればよい。ゲート絶縁膜が結晶絶縁体から構成されていれば、SiC結晶面上に結晶絶縁体を製膜するときに、SiC結晶面の原子レベルの積層構造を乱すことなく、製膜することが可能にされる。絶縁体が結晶であることは、X線解析によって、結晶に特有のピークが存在すればよい。多結晶でも単結晶でもよいが、単結晶であることが好ましい。 The gate insulator may be a crystal insulator having a medium- to long-distance correlation. If the gate insulating film is composed of a crystal insulator, when the crystal insulator is formed on the SiC crystal plane, the film can be formed without disturbing the atomic level laminated structure of the SiC crystal plane. Will be done. The fact that the insulator is a crystal means that a peak peculiar to the crystal may be present by X-ray analysis. It may be polycrystalline or single crystal, but it is preferably single crystal.

結晶絶縁体の例としては、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、リン酸アルミニウム(AlPO4)、アルミナ、Be3Al2(SiO36、酸化ベリウム(BeO)、RbAl1117、Ba7Al64103、Al65(O5F)3、などを挙げることができる。また界面ダングリングボンドの除去のためにこれらに水素終端を組み合わせてもよい。水素終端の方法及び例は知られている。結晶絶縁体はK,Naを含まないものが、スレショルド電圧のバラツキが小さいので、好ましい。 Examples of crystal insulators include aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), aluminum phosphate (AlPO 4 ), alumina, Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 , verium oxide (BeO), RbAl 11 O 17 , Ba 7 Al 64 O 103 , Al 6 B 5 (O 5 F) 3 , and the like. They may also be combined with hydrogen terminations to remove interfacial dangling bonds. Methods and examples of hydrogen termination are known. It is preferable that the crystal insulator does not contain K and Na because the variation in the threshold voltage is small.

SiCと結晶絶縁体との格子定数の不整合は2%以下であることが好ましく、1%以下がより好ましい。炭化ケイ素の格子定数は、a=3.1Å、c=10.12Åである。格子定数の不整合が小さいほど、結晶絶縁体がSiC界面の原子レベルの制御に及ぼす影響がより小さいと考えられる。結晶系が同じあるいは類似することは好ましいが、格子定数の不整合が小さければ、結晶系は同じでなくてもよい。格子定数の不整合が小さい窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、リン酸アルミニウム(AlPO4)、アルミナ、Be3Al2(SiO36、酸化ベリウム(BeO)、RbAl1117、Ba7Al64103、Al65(O5F)3などが好ましく、特に窒化アルミニウムが好ましい。 The mismatch of the lattice constants between SiC and the crystal insulator is preferably 2% or less, more preferably 1% or less. The lattice constants of silicon carbide are a = 3.1 Å and c = 10.12 Å. It is considered that the smaller the mismatch of the lattice constants, the smaller the influence of the crystal insulator on the control of the atomic level of the SiC interface. It is preferable that the crystal systems are the same or similar, but the crystal systems do not have to be the same as long as the lattice constant mismatch is small. Aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), aluminum phosphate (AlPO 4 ), alumina, Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 , berium oxide (BeO), RbAl 11 O 17 , with small lattice constant mismatch. Ba 7 Al 64 O 103 , Al 6 B 5 (O 5 F) 3, and the like are preferable, and aluminum nitride is particularly preferable.

本発明において、ゲート絶縁膜に用いる結晶絶縁体は、SiC基材あるいはSiC結晶領域と接触している。SiC結晶表面の原子レベルを制御することが目的であるから、結晶絶縁膜はSiC結晶と界面を形成していなければならない。 In the present invention, the crystal insulator used for the gate insulating film is in contact with the SiC base material or the SiC crystal region. Since the purpose is to control the atomic level of the surface of the SiC crystal, the crystal insulating film must form an interface with the SiC crystal.

結晶絶縁膜の膜厚は、2分子層の厚さ以上であればよいが、好ましくは5nm以上、より好ましくは10nm以上であってよい。膜厚の上限は、半導体装置に求める特性によって決まるので、特に限定されないが、例えば、40nmあるいは50nmであってよい。結晶絶縁膜は、単層又は多層の結晶絶縁膜から構成されていてよい。 The film thickness of the crystal insulating film may be not less than the thickness of the bilayer, but is preferably 5 nm or more, more preferably 10 nm or more. The upper limit of the film thickness is determined by the characteristics required for the semiconductor device and is not particularly limited, but may be, for example, 40 nm or 50 nm. The crystal insulating film may be composed of a single-layer or multilayer crystal insulating film.

本発明のゲート絶縁膜は、SiC界面と接触する面が結晶絶縁膜で構成されていればよく、結晶絶縁膜のSiC界面と反対側には、アモルファスの絶縁体、特にSiOの膜が積層されていてもよい。SiO膜を積層すると、絶縁膜としての特性を向上し、また膜厚の調整ができるので、好ましい。 The gate insulating film of the present invention may have a surface in contact with the SiC interface made of a crystal insulating film, and an amorphous insulator, particularly a SiO 2 film, is laminated on the opposite side of the crystal insulating film from the SiC interface. It may have been done. Laminating the SiO 2 film is preferable because the characteristics as an insulating film can be improved and the film thickness can be adjusted.

結晶絶縁膜の製膜法は、限定されない。有機金属化学的気相堆積法、プラズマアシスト化学的気相堆積法などの化学的気相堆積法、あるいは、スパッタ法、蒸着法、レーザービームスパッタ法などの物理的気相堆積法のいずれでもよい。製膜の際にSiC基材表面に堆積する原子又は分子のエネルギーが小さい製膜法、例えば、化学的気相堆積法、有機金属化学的気相堆積法、原子層化学的気相堆積法が好ましい。 The method for forming a crystal insulating film is not limited. Either a chemical gas phase deposition method such as an organometallic chemical gas phase deposition method or a plasma-assisted chemical gas phase deposition method, or a physical gas phase deposition method such as a sputtering method, a vapor deposition method, or a laser beam sputtering method may be used. .. A film-forming method in which the energy of atoms or molecules deposited on the surface of a SiC substrate during film-forming is small, for example, a chemical gas phase deposition method, an organometallic chemical gas phase deposition method, or an atomic layer chemical gas phase deposition method preferable.

窒化アルミニウムは、例えば、アンモニアなどの窒素源と、アルキルアルミニウムなどのアルミニウム源を原料として、不活性雰囲気中又は窒素雰囲気中など、例えば1000〜1200℃で、SiC基材上に、化学的気相堆積してよい。あるいは、スパッタ法で窒化アルミニウムを直接SiC基材上に堆積してもよい。 Aluminum nitride is prepared from a nitrogen source such as ammonia and an aluminum source such as alkylaluminum as raw materials in a chemical vapor phase on a SiC substrate in an inert atmosphere or a nitrogen atmosphere, for example, at 1000 to 1200 ° C. May be deposited. Alternatively, aluminum nitride may be deposited directly on the SiC substrate by a sputtering method.

(SiC基材表面の原子レベルのフラット性)
本発明によれば、原子レベルでフラットなSiC結晶表面に結晶絶縁膜を製膜することで、原子レベルでフラットな結晶絶縁膜/SiC結晶界面を有する半導体装置が提供される。本発明において結晶絶縁膜/SiC結晶界面(あるいはSiC結晶表面)の原子レベルのフラット性は、界面(あるいは表面)におけるSiC結晶に原子レベルの積層構造の揺らぎや欠陥がない寸法であり、本発明では、界面(あるいは表面)のSiC結晶のオフ角に平行な断面における原子レベルの欠陥がないSiC結晶の寸法、すなわち、テラス幅として定義することができる。界面(表面)の原子レベルのフラット性は、界面(表面)のSiC結晶のオフ角に平行な断面を走査電子顕微鏡(SEM)、原子間力顕微鏡(AFM)などで観察し、原子レベルの欠陥がないSiC結晶の寸法(テラス幅)を測定することで、求めることができる。界面(表面)の原子レベルのフラット性(テラス幅)は、任意の2箇所以上、好ましくは3箇所以上で測定し、その平均値を採用する。各測定における観察視野のテラス幅方向の測定寸法は、一般的には例えば40nm以上でよいが、テラス幅が大きいときは、測定寸法もそれに応じて大きくする。
(Atomic level flatness on the surface of SiC substrate)
According to the present invention, by forming a crystal insulating film on a SiC crystal surface that is flat at the atomic level, a semiconductor device having a crystal insulating film / SiC crystal interface that is flat at the atomic level is provided. In the present invention, the atomic level flatness of the crystal insulating film / SiC crystal interface (or SiC crystal surface) is a dimension in which the SiC crystal at the interface (or surface) does not have fluctuations or defects in the atomic level laminated structure. Can be defined as the dimension of the SiC crystal without atomic level defects in the cross section parallel to the off-angle of the SiC crystal at the interface (or surface), that is, the terrace width. The atomic level flatness of the interface (surface) is determined by observing the cross section of the SiC crystal at the interface (surface) parallel to the off-angle with a scanning electron microscope (SEM), atomic force microscope (AFM), etc. It can be obtained by measuring the size (terrace width) of the SiC crystal without the absence. The atomic level flatness (terrace width) of the interface (surface) is measured at any two or more points, preferably three or more points, and the average value thereof is adopted. The measurement dimension in the terrace width direction of the observation field of view in each measurement is generally 40 nm or more, but when the terrace width is large, the measurement dimension is also increased accordingly.

本発明における結晶絶縁膜/SiC結晶界面の原子レベルのフラット性は、原子レベルの欠陥がないテラス幅である。テラス間の段差は、一般的に、積層1層分であるか、せいぜい数層程度の最小限であることができるが,本発明における結晶絶縁膜/SiC結晶界面に存在するテラス間の段差は4段以下である(5段以上の段差を含まない)。テラス間の段差は3段以下、2段以下、1段以下であることが好ましく、段差がないことが最も好ましい。また、テラス間の段差の平均値が3.5以下、3以下、2以下、1以下であることが好ましい。 The atomic level flatness of the crystal insulating film / SiC crystal interface in the present invention is the terrace width without atomic level defects. The level difference between the terraces can generally be one layer or at most a few layers, but the level difference between the terraces existing at the crystal insulating film / SiC crystal interface in the present invention is. It is 4 steps or less (not including steps of 5 steps or more). The steps between the terraces are preferably 3 steps or less, 2 steps or less, 1 step or less, and most preferably no steps. Further, it is preferable that the average value of the steps between the terraces is 3.5 or less, 3 or less, 2 or less, and 1 or less.

本発明における結晶絶縁膜/SiC結晶界面の原子レベルでフラットなテラス幅は、3.5nm以上である。4度オフのSiC結晶の理論的な表面のテラス幅は37Å(3.7nm)ある。本発明における結晶絶縁膜/SiC結晶界面の原子レベルのフラット性は、3.7nm以上(又は3.7nm超)、4nm以上であることが好ましい。SiC結晶界面の原子レベルのフラット性は、フラット性が高いほど好ましいが、10nm以上、40nm以上、50nm以上、100nm以上、200nm以上、300nm以上、さらに500nm以上であることがより好ましい。フラット性の上限はないが、半導体装置の製造性の観点から、例えば、2000nm以下、1000nm以下、500nm以下などであってもよい。 The atomic-level flat terrace width of the crystal insulating film / SiC crystal interface in the present invention is 3.5 nm or more. The theoretical surface terrace width of a 4 degree off SiC crystal is 37 Å (3.7 nm). The atomic level flatness of the crystal insulating film / SiC crystal interface in the present invention is preferably 3.7 nm or more (or more than 3.7 nm) and 4 nm or more. The higher the atomic level of flatness of the SiC crystal interface, the more preferable it is, but more preferably 10 nm or more, 40 nm or more, 50 nm or more, 100 nm or more, 200 nm or more, 300 nm or more, and further 500 nm or more. There is no upper limit to the flatness, but from the viewpoint of the manufacturability of the semiconductor device, it may be, for example, 2000 nm or less, 1000 nm or less, 500 nm or less.

また、結晶絶縁膜/SiC結晶界面の原子レベルフラットなテラス幅は、ゲートチャンネル長の20分の1以上であることが好ましく、10分の1以上、5分の1以上、3分の1以上、2分の1以上であることがより好ましい。ゲートチャンネル長は、限定されないが、例えば、10nm〜10μmであってよく、10nm〜1μm、さらに40nm〜100nmであってよい。例えば、ゲートチャンネル長が1μmであれば、原子レベルのフラット性が50nm以上、さらには100nm以上であることが好ましく、原子レベルの欠陥のないオフ角約0.15度において実現可能である。また、ゲートチャンネル長が100nmであれば、原子レベルの欠陥がないオフ角約0.15度のSiCにおいて、原子レベルのフラット性が100nmであること、すなわち、ゲートチャンネルの全長において原子レベルの欠陥がない界面を実現することが可能である。例えば、ゲートチャンネル長が40nm〜100nmのとき、原子レベルフラットなテラス幅がゲートチャンネル長の全長と同じ40nm〜100nmであることが特に好ましい。 Further, the atomic level flat terrace width of the crystal insulating film / SiC crystal interface is preferably 1/20 or more of the gate channel length, and 1/10 or more, 1/5 or more, and 1/3 or more. More preferably, it is more than half. The gate channel length is not limited, but may be, for example, 10 nm to 10 μm, 10 nm to 1 μm, and further 40 nm to 100 nm. For example, when the gate channel length is 1 μm, the flatness at the atomic level is preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more, and it can be realized at an off angle of about 0.15 degrees without defects at the atomic level. Further, if the gate channel length is 100 nm, the atomic level flatness is 100 nm in SiC having an off-angle of about 0.15 degrees without atomic level defects, that is, atomic level defects in the overall length of the gate channel. It is possible to realize an interface without. For example, when the gate channel length is 40 nm to 100 nm, it is particularly preferable that the atomic level flat terrace width is 40 nm to 100 nm, which is the same as the total length of the gate channel length.

本発明により、結晶絶縁膜/SiC結晶界面における原子レベルのフラット性を高め、原子レベルのフラットなテラス幅を3.5nm以上とすることにより、従来の半導体装置と比べて、界面準位を低下させ、移動度を大きくすることが可能である。 According to the present invention, the flatness at the atomic level at the crystal insulating film / SiC crystal interface is enhanced, and the flat terrace width at the atomic level is set to 3.5 nm or more, whereby the interface state is lowered as compared with the conventional semiconductor device. It is possible to increase the mobility.

結晶絶縁膜/SiC結晶界面における原子レベルのフラットなテラス幅を3.5nm以上とすることは、SiC基材として表面の原子レベルでフラットなテラス幅が3.5nm以上であるSiC基材を用い、SiC基材上に製膜するゲート絶縁膜として結晶絶縁膜を製膜することにより可能である。結晶絶縁膜を製膜することで、SiC基材表面の原子レベルでフラット性を維持すること、少なくともSiO2を製膜する場合と比べて、原子レベルでフラット性の低下を顕著に減少させることが可能である。 To set the atomic level flat terrace width at the crystal insulating film / SiC crystal interface to 3.5 nm or more, use a SiC base material having a surface atomic level flat terrace width of 3.5 nm or more as the SiC base material. This is possible by forming a crystal insulating film as a gate insulating film to be formed on the SiC substrate. By forming a crystal insulating film, the flatness is maintained at the atomic level on the surface of the SiC base material, and at least the decrease in flatness at the atomic level is significantly reduced as compared with the case where SiO 2 is formed. Is possible.

表面の原子レベルでフラットなテラス幅が3.5nm以上であるSiC基材は、オフ角の小さいSiC基材を用いることによるほか、SiC基材表面を原子レベルでフラット化する処理を行って作成することができる。 A SiC base material having a flat terrace width of 3.5 nm or more at the atomic level on the surface is created by using a SiC base material with a small off-angle and by performing a treatment to flatten the surface of the SiC base material at the atomic level. can do.

オフ角の小さいSiC基材は、低オフ角のSiCを成長する方法(例えば、Chem. Vap. Deposition 2006, 12, 489-494)によって、またはSiC基材表面を研磨又はエッチングなどの処理をしてオフ角を小さくする方法によって、あるいはそれらの組合せによって作成してもよい。 SiC substrates with a small off-angle are treated by a method for growing SiC with a low off-angle (eg, Chem. Vap. Deposition 2006, 12, 489-494), or by polishing or etching the surface of the SiC substrate. It may be created by a method of reducing the off-angle, or by a combination thereof.

原子レベルでフラット化する処理は、同じオフ角のSiC基材では、テラス幅を長くし、段差を狭くし、テラス表面の原子レベルの欠陥をなくし、フラット性を向上させることを目的とする。原子レベルでフラット化する処理は、SiC基材を同じオフ角で行うほか、同時にオフ角を低減する処理であってもよい。特にオフ角が0度あるいはそれに近いときは、原子レベルでフラット化する処理は、表面の原子レベルの欠陥をなくし、フラット性を向上させることを目的とする。SiC結晶表面を原子レベルでフラット化する方法は、限定されないが、例えば、SiC結晶表面をアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中でアニールする方法、SiC結晶表面にSiを堆積してからSiの融点以上の温度でアニールした後、Siを酸でエッチング除去する方法(非特許文献2参照)、白金触媒アシスト下のフッ酸又は純水による化学エッチングである触媒エッチング法(Catalyst-Referred Etching (CARE法);APL 110,201601(2017)参照)などがある。これらの方法を繰り返し、あるいは組み合わせてもよい。 The process of flattening at the atomic level aims to increase the terrace width, narrow the step, eliminate the atomic level defects on the terrace surface, and improve the flatness of the SiC substrate having the same off-angle. The process of flattening at the atomic level may be a process of performing the SiC base material at the same off-angle, or at the same time, a process of reducing the off-angle. Especially when the off angle is 0 degrees or close to 0 degrees, the treatment of flattening at the atomic level aims to eliminate defects at the atomic level on the surface and improve the flatness. The method of flattening the SiC crystal surface at the atomic level is not limited, but for example, a method of annealing the SiC crystal surface in an atmosphere of an inert gas such as argon, or a method of depositing Si on the SiC crystal surface and then exceeding the melting point of Si. A method of etching and removing Si with an acid after annealing at the above temperature (see Non-Patent Document 2), and a catalyst etching method (Catalyst-Referred Etching (CARE method)) which is a chemical etching with hydrofluoric acid or pure water under platinum catalyst assist. ; See APL 110, 201601 (2017)). These methods may be repeated or combined.

低オフ角の炭化ケイ素結晶の製造及び炭化ケイ素結晶表面の原子レベルでフラット化方法について上記のほか多くの提案があるが、従来、本発明の原子レベルの厳密なフラット性(欠陥のないテラス幅)について報告されていない場合も多い。本発明では、結晶絶縁膜を製膜する前に、炭化ケイ素結晶表面の原子レベルのフラット性、即ち、原子レベルでフラットなテラス幅を所定の大きさ、3.5nm以上、好ましくはそれ以上にすることが必要である。したがって、具体的にフラット化処理を行った後で、炭化ケイ素結晶表面の原子レベルでフラットなテラス幅を測定して、テラス幅が所定の大きさであることを確認すること、フラット化処理法が所定の大きさのテラス幅を提供することを確認することが望ましい。 There are many other proposals for the production of silicon carbide crystals with low off-angle and the method of flattening the surface of silicon carbide crystals at the atomic level. ) Is often not reported. In the present invention, before forming the crystal insulating film, the atomic level flatness of the silicon carbide crystal surface, that is, the atomic level flat terrace width is set to a predetermined size, 3.5 nm or more, preferably more than that. It is necessary to. Therefore, after concretely performing the flattening treatment, the flat terrace width is measured at the atomic level of the silicon carbide crystal surface to confirm that the terrace width is a predetermined size. It is desirable to make sure that provides a terrace width of a given size.

従来、低オフ角のSiCを成長する方法、SiC結晶の表面をフラット化する方法は、それぞれ独立して、様々に検討されているが、SiC結晶表面にその後に製膜されるSiO膜と結び付けてその意義が検討された例はない。また、SiC結晶表面上にAlN膜を製膜することを検討した例はあるが、SiC結晶表面における原子レベルのフラット性(積層の揺らぎ)と関連付けて検討されていないので、AlN膜を製膜する前のSiC結晶表面のフラット化の重要性が認識されていない。本発明では、SiC結晶表面における原子レベルの積層の揺らぎが移動度に及ぼす影響を第一原理計算で実際に評価した結果、SiC結晶表面における原子レベルの積層の揺らぎをなくしあるいは低減し(表面を原子レベルでフラットにした上で)、その上に結晶絶縁膜を製膜することで、MIS半導体デバイスの移動度を従来予想されていなかったレベルで顕著に向上させることができることを見出した。 Conventionally, various methods for growing SiC with a low off-angle and flattening the surface of a SiC crystal have been independently studied, but with a SiO 2 film subsequently formed on the surface of a SiC crystal. There is no example in which its significance was examined in connection. In addition, although there is an example of examining the formation of an AlN film on the surface of a SiC crystal, it has not been investigated in relation to the atomic level flatness (fluctuation of lamination) on the surface of a SiC crystal, so that an AlN film is formed. The importance of flattening the surface of the SiC crystal before this is not recognized. In the present invention, as a result of actually evaluating the influence of the fluctuation of the atomic level lamination on the SiC crystal surface on the mobility by the first-principles calculation, the fluctuation of the atomic level lamination on the SiC crystal surface is eliminated or reduced (the surface is changed). It has been found that the mobility of a MIS semiconductor device can be remarkably improved at a level not previously expected by forming a crystal insulating film on the crystal insulating film (after flattening it at the atomic level).

(SiC基材のオフ角)
本発明によれば、ゲート絶縁膜として結晶絶縁体を用いるとともに、SiC基材自体の表面の積層構造を原子レベルで制御することによって、移動度が向上される。従来、SiC結晶基材としてオフ角が0〜8度又はそれ以上のSiCを製造可能であるが、最近では多くの場合オフ角4度のSiCが用いられている。これは、SiC界面のオフ角に基づく積層構造の原子レベル積層の揺らぎが、移動度との関係で大きな問題ではないと考えられていることを意味する。SiO/SiC界面ではSiOの影響が大きく、オフ角の影響が消えるためであろう。非特許文献5でも、4度オフ角のSiCが用いられており、AlN製膜前のSiC基材表面の原子レベルの欠陥については考慮されていないので、期待されるほどの移動度の向上が実現されていない。
(Off angle of SiC base material)
According to the present invention, the mobility is improved by using a crystal insulator as the gate insulating film and controlling the laminated structure of the surface of the SiC base material itself at the atomic level. Conventionally, SiC having an off-angle of 0 to 8 degrees or more can be produced as a SiC crystal base material, but recently, SiC having an off-angle of 4 degrees is often used. This means that the fluctuation of the atomic level lamination of the laminated structure based on the off angle of the SiC interface is not considered to be a big problem in relation to the mobility. This is probably because the influence of SiO 2 is large at the SiO 2 / SiC interface and the influence of the off angle disappears. Non-Patent Document 5 also uses SiC with a 4 degree off-angle, and does not consider the atomic level defects on the surface of the SiC substrate before AlN film formation, so that the mobility can be improved as expected. Not realized.

本発明の好ましい態様によれば、SiC表面の原子レベルのフラット性を制御するために、SiC基材のオフ角を小さくすることが有効である。SiC基材のオフ角は4度以下であることが好ましい。SiC基材のオフ角が小さいほど、SiC界面における積層構造の原子レベルの揺れを小さくして、移動度を大きくすることが可能である。ここで、SiC基材のオフ角は、結晶絶縁体/SiC界面におけるSiC結晶のオフ角であり、SiC基材がSiC基板上にエピタキシャル成長された結晶層又は結晶領域であれば、そのエピタキシャル結晶層又は結晶領域のオフ角であり、エピタキシャル結晶層又は結晶領域を成長させる基板であるSiC基板のオフ角ではない。例えば、SiC基板が4度を超えるオフであっても、エピタキシャル結晶層又は結晶領域のオフ角を好ましく0〜4度にすることができる。 According to a preferred embodiment of the present invention, it is effective to reduce the off-angle of the SiC substrate in order to control the atomic level flatness of the SiC surface. The off angle of the SiC base material is preferably 4 degrees or less. The smaller the off-angle of the SiC base material, the smaller the atomic level fluctuation of the laminated structure at the SiC interface, and the higher the mobility. Here, the off-angle of the SiC substrate is the off-angle of the SiC crystal at the crystal insulator / SiC interface, and if the SiC substrate is a crystal layer or a crystal region epitaxially grown on the SiC substrate, the epitaxial crystal layer thereof. Alternatively, it is the off-angle of the crystal region, not the off-angle of the SiC substrate, which is the substrate for growing the epitaxial crystal layer or the crystal region. For example, even if the SiC substrate is off by more than 4 degrees, the off angle of the epitaxial crystal layer or the crystal region can be preferably 0 to 4 degrees.

SiC基材のオフ角を調整することは、SiC基板自体のオフ角を調整するほか、所定のオフ角を有するSiC基板上にエピタキシャル結晶層を成長させる、あるいはSiC基板又はSiC基板上に成長したエピタキシャル結晶層のオフ角を事後的に調整する、さらにこれらの組合せが可能である。特定のオフ角を有するSiC基板及びエピタキシャル結晶層の製造方法は知られている。SiC基板又はエピタキシャル結晶層の表面のオフ角を事後的に調整する方法としては、基材を所定の角度に傾斜して固定して、表面をエッチングして所定のオフ角を形成する方法が知られている。 Adjusting the off-angle of the SiC substrate adjusts the off-angle of the SiC substrate itself, causes an epitaxial crystal layer to grow on the SiC substrate having a predetermined off-angle, or grows on the SiC substrate or the SiC substrate. It is possible to adjust the off-angle of the epitaxial crystal layer ex post facto, and to combine these. Methods for producing SiC substrates and epitaxial crystal layers having a specific off-angle are known. As a method of ex post-adjusting the off-angle of the surface of the SiC substrate or the epitaxial crystal layer, a method of tilting and fixing the base material at a predetermined angle and etching the surface to form a predetermined off-angle is known. Has been done.

本発明におけるSiC基材のオフ角は0〜4度の範囲内であることが好ましく、0〜3.5度の範囲内であってよい。一般的にオフ角が小さいことは好ましい。例えば、0〜1度が好ましく、0〜0.1度がより好ましく、0〜0.05度、0〜0.015度であることが特に好ましい。SiC基材のオフ角は、結晶絶縁体/SiC界面におけるSiC結晶の積層と界面とのなす角度である。SiC基材のオフ角は、結晶絶縁体/SiC界面の断面をTEM、AFMなどで観察して、界面に対するSiC結晶の積層の角度を測定することで測定することができる。界面は、界面の断面における凹凸、本発明では原子レベルの凹凸の平均値が最小になる線としてよい。平面の平均表面粗さを測定する際の測定(計算)方法を参考にしてよい。SiC結晶の積層と界面とのなす角度はSiC基材の断面方向によって異なるが、その最大の角度がオフ角である。 The off-angle of the SiC substrate in the present invention is preferably in the range of 0 to 4 degrees, and may be in the range of 0 to 3.5 degrees. Generally, it is preferable that the off angle is small. For example, 0 to 1 degree is preferable, 0 to 0.1 degree is more preferable, and 0 to 0.05 degree and 0 to 0.015 degree are particularly preferable. The off angle of the SiC base material is the angle formed between the lamination of the SiC crystals and the interface at the crystal insulator / SiC interface. The off-angle of the SiC base material can be measured by observing the cross section of the crystal insulator / SiC interface with a TEM, AFM, or the like and measuring the angle at which the SiC crystal is laminated with respect to the interface. The interface may be a line that minimizes the unevenness in the cross section of the interface, and in the present invention, the average value of the unevenness at the atomic level. The measurement (calculation) method for measuring the average surface roughness of a flat surface may be referred to. The angle formed by the lamination of the SiC crystals and the interface varies depending on the cross-sectional direction of the SiC base material, but the maximum angle is the off angle.

図9に、オフ角θのSiCの理想界面の模式的断面を示す。この図は、オフ角θのSiC結晶21の表面(例えば、(0001)面)22が理想的に平坦面(仮想線22で示す)であり、段差は最低限(積層1層分のみ)とした場合を描いている。SiC結晶21の内部の平行線は積層の各層を表し、結晶の表面(仮想線)22と積層の各層との角度θがオフ角を表す。しかし、図9は説明のための模式図であり、オフ角及び各層の間隔などは誇張されている。オフ角θのSiC結晶21はテラス23と段差24を有し、この図では、テラスは理想的な面、即ち、原子レベルでフラットであり、段差24はテラス23に対して垂直に描かれている。このようなオフ方向の断面における原子レベルで欠陥のないテラス23の寸法を「テラス幅」という。図9にテラス幅Wtを示す。 FIG. 9 shows a schematic cross section of the ideal interface of SiC having an off angle θ. In this figure, the surface (for example, (0001) surface) 22 of the SiC crystal 21 having an off angle θ is ideally a flat surface (indicated by the virtual line 22), and the step is the minimum (only for one laminated layer). I'm drawing the case. The parallel lines inside the SiC crystal 21 represent each layer of the stack, and the angle θ between the surface (virtual line) 22 of the crystal and each layer of the stack represents the off angle. However, FIG. 9 is a schematic diagram for explanation, and the off-angle and the spacing between each layer are exaggerated. The SiC crystal 21 with an off-angle θ has a terrace 23 and a step 24. In this figure, the terrace is an ideal surface, that is, flat at the atomic level, and the step 24 is drawn perpendicular to the terrace 23. There is. The dimension of the terrace 23 having no defects at the atomic level in the cross section in the off direction is called "terrace width". FIG. 9 shows the terrace width Wt.

図10にSiC結晶の理想的でない(表面積層揺らぎのある)表面の例を模式的に示す。図10において、25−1、25−2、・・・25−7、25−8はフラットなテラスであり、例えば、テラス25−1、25−3はテラス25−2より一層高い段違いのテラス、テラス25−6はテラス25−5より二層高く、テラス25−7より一層高い段違いのテラスである。W,W,・・・Wはテラス幅を表す。これら、25−1、25−2、・・・25−7のそれぞれのテラスは図8の(a)(b)(c)のいずれかの構造をとっている。 FIG. 10 schematically shows an example of a non-ideal (surface stacking fluctuation) surface of a SiC crystal. In FIG. 10, 25-1, 25-2, ... 25-7, 25-8 are flat terraces, for example, terraces 25-1, 25-3 are terraces that are even higher than terraces 25-2. , Terrace 25-6 is two levels higher than Terrace 25-5 and is a stepped terrace higher than Terrace 25-7. W 1 , W 2 , ... W 7 represent the terrace width. Each of the terraces 25-1, 25-2, ... 25-7 has the structure of any one of (a), (b), and (c) of FIG.

(半導体装置の製造方法)
本発明の半導体装置の製造方法は、炭化ケイ素結晶領域と、炭化ケイ素結晶領域の表面に形成されたゲート絶縁膜とを含む炭化ケイ素半導体装置の製造方法であって、原子レベルでフラットなテラス幅が3.5nm以上である表面を有する炭化ケイ素結晶領域を提供し、前記炭化ケイ素結晶領域上に、結晶絶縁膜を製膜することを含むことを含むことを特徴とする。
(Manufacturing method of semiconductor device)
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device including a silicon carbide crystal region and a gate insulating film formed on the surface of the silicon carbide crystal region, and has a flat terrace width at the atomic level. It is characterized by providing a silicon carbide crystal region having a surface having a surface value of 3.5 nm or more, and comprising forming a crystal insulating film on the silicon carbide crystal region.

SiC基材として表面の原子レベルでフラットなテラス幅が3.5nm以上であるSiC基材を用い、SiC基材上に製膜するゲート絶縁膜として結晶絶縁膜を用いることにより、結晶絶縁膜/SiC結晶界面における原子レベルのフラットなテラス幅を3.5nm以上とすることが可能である。従来のアモルファスSiO膜に代えて、結晶絶縁膜を製膜することにより、製膜後に原子レベルでフラットなSiC基材の表面に欠陥が誘発されることを防止することでき、少なくとも原子レベルの欠陥をSiO膜を用いる場合よりも実質的に減らすことができる。 By using a SiC base material having a flat terrace width of 3.5 nm or more at the atomic level on the surface as the SiC base material and using a crystal insulating film as the gate insulating film to be formed on the SiC base material, the crystal insulating film / The atomic level flat terrace width at the SiC crystal interface can be 3.5 nm or more. By forming a crystal insulating film instead of the conventional amorphous SiO 2 film, it is possible to prevent defects from being induced on the surface of the SiC substrate which is flat at the atomic level after the film formation, and at least at the atomic level. Defects can be substantially reduced as compared with the case of using a SiO 2 film.

表面の原子レベルでフラットなテラス幅が3.5nm以上であるSiC基材は、オフ角の小さいSiC基材を用いることによるほか、SiC基材表面を原子レベルでフラット化する処理を行って作成することができる。 A SiC base material having a flat terrace width of 3.5 nm or more at the atomic level on the surface is created by using a SiC base material with a small off-angle and by performing a treatment to flatten the surface of the SiC base material at the atomic level. can do.

オフ角の小さいSiC基材は、低オフ角でSiCの成長を実施することによって、あるいはSiC基材表面を研磨又はエッチングなどの処理をしてオフ角を小さくすることによって、あるいはこれらの方法を組合せて作成できる。低オフ角でSiCの成長を実施する方法としては、例えば、Chem. Vap. Deposition 2006, 12, 489-494に知られているが、この方法で得られる低オフ角のSiC基材は、低オフ角であると同時に表面の原子レベルのフラット性にも優れている。 For SiC substrates with a small off-angle, the off-angle can be reduced by carrying out the growth of SiC at a low off-angle, or by polishing or etching the surface of the SiC substrate to reduce the off-angle. Can be created in combination. As a method for carrying out the growth of SiC at a low off-angle, for example, Chem. Vap. Deposition 2006, 12, 489-494 is known, but the low-off-angle SiC substrate obtained by this method has a low off-angle. At the same time as the off-angle, it is also excellent in the atomic level flatness of the surface.

原子レベルでフラット化する処理は、同じオフ角のSiC基材では、テラス幅を長くし、段差を狭くし、テラス表面の原子レベルの欠陥をなくし、フラット性を向上させることを目的とする。原子レベルでフラット化する処理は、SiC基材を同じオフ角で行うほか、同時にオフ角を低減する処理であってもよい。SiC結晶表面を原子レベルでフラット化する方法は、上記した方法(Catalyst-Referred Etching (CARE法);APL 110,201601(2017))などがある。これらの方法を繰り返し、あるいは組み合わせてもよい。フラット化処理方法で得られるSiC基材は、低オフ角であると同時に表面の原子レベルのフラット性にも優れることが可能である。 The process of flattening at the atomic level aims to increase the terrace width, narrow the step, eliminate the atomic level defects on the terrace surface, and improve the flatness of the SiC substrate having the same off-angle. The process of flattening at the atomic level may be a process of performing the SiC base material at the same off-angle, or at the same time, a process of reducing the off-angle. Methods for flattening the surface of a SiC crystal at the atomic level include the above-mentioned methods (Catalyst-Referred Etching (CARE method); APL 110, 201601 (2017)). These methods may be repeated or combined. The SiC base material obtained by the flattening treatment method can have a low off-angle and at the same time have excellent surface flatness at the atomic level.

1つの好ましい態様において、炭化ケイ素結晶領域が4H−SiCであり、4H-SiC結晶の結晶絶縁膜と接触する表面が(000−1)面、(0001)面、(1−100)面又は(11−20)面であり、結晶絶縁膜を製膜する前に、炭化ケイ素結晶領域の(000−1)面、(0001)面、(0−110)面又は(11−20)面を原子レベルでフラット化する処理を含む。 In one preferred embodiment, the silicon carbide crystal region is 4H-SiC and the surface of the 4H-SiC crystal in contact with the crystal insulating film is the (000-1) plane, (0001) plane, (1-100) plane or (1-100) plane. It is the 11-20) plane, and the (000-1) plane, (0001) plane, (0-110) plane, or (11-20) plane of the silicon carbide crystal region is atomized before forming the crystal insulating film. Includes processing to flatten at the level.

また、1つの好ましい態様において、結晶絶縁膜が、化学的気相堆積法又は物理的堆積法で製膜される。結晶絶縁膜の製膜方法は知られている方法であってよいが、堆積エネルギーが小さい方法である化学的気相堆積法、有機化学的気相堆積法、原子層化学的気相堆積法が好ましい。 In one preferred embodiment, the crystal insulating film is formed by a chemical vapor phase deposition method or a physical deposition method. The method for forming the crystal insulating film may be a known method, but the chemical gas phase deposition method, the organic chemical gas phase deposition method, and the atomic layer chemical gas phase deposition method, which have low deposition energy, are used. preferable.

なお、半導体装置、炭化ケイ素結晶領域、原子レベルのフラット性、ゲート絶縁膜、結晶絶縁膜、オフ角などについては、半導体装置と関連して、すでに説明したことが参照される。 It should be noted that the semiconductor device, the silicon carbide crystal region, the flatness at the atomic level, the gate insulating film, the crystal insulating film, the off-angle, and the like have already been described in relation to the semiconductor device.

本発明の半導体装置は、炭化ケイ素結晶領域と、炭化ケイ素結晶領域の表面に形成されたゲート絶縁膜とを含む炭化ケイ素半導体装置であり、炭化ケイ素結晶領域とその表面に形成されたゲート絶縁膜と以外については、既に述べたように、従来の如何なる炭化ケイ素半導体装置であってもよい。図1の例で述べると、炭化ケイ素結晶領域の表面に結晶絶縁膜を堆積した後、結晶絶縁膜をパターニングしてゲート絶縁膜を形成してから、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成(堆積及びパターニング)する。それから、全体に層間絶縁膜を堆積し、層間絶縁膜をパターニングして、層間絶縁膜にソース領域及びドレイン領域形成用の窓を開口し、その窓を介してソース領域及びドレイン領域に選択的に不純物を拡散又はドープしてソース領域及びドレイン領域を形成する。それから、ソース領域及びドレイン領域に接触するソース電極及びドレイン電極を形成する。 The semiconductor device of the present invention is a silicon carbide semiconductor device including a silicon carbide crystal region and a gate insulating film formed on the surface of the silicon carbide crystal region, and is a silicon carbide crystal region and a gate insulating film formed on the surface thereof. Other than that, as described above, any conventional silicon carbide semiconductor device may be used. In the example of FIG. 1, after depositing a crystal insulating film on the surface of the silicon carbide crystal region, the crystal insulating film is patterned to form a gate insulating film, and then a gate electrode is formed (deposited) on the gate insulating film. And patterning). Then, an interlayer insulating film is deposited as a whole, the interlayer insulating film is patterned, a window for forming a source region and a drain region is opened in the interlayer insulating film, and the source region and the drain region are selectively formed through the window. Impurities are diffused or doped to form a source region and a drain region. Then, the source electrode and the drain electrode in contact with the source region and the drain region are formed.

絶縁体/炭化ケイ素結晶界面の原子レベルの平坦性が界面準位に及ぼす影響について第一原理計算を行った。 First-principles calculations were performed on the effect of atomic-level flatness at the insulator / silicon carbide crystal interface on the interface state.

炭化ケイ素半導体は、結晶多型、すなわち、積層構造によって、バンドギャップが異なる。例えば、4H−SiC結晶では、kサイト(立方晶系積層構造)とhサイト(六方晶系の積層構造)を含んでおり、kサイトとhサイトが交互に並んでいる。 Silicon carbide semiconductors have different band gaps depending on the crystal polymorphism, that is, the laminated structure. For example, a 4H-SiC crystal contains k-sites (cubic-based laminated structure) and h-sites (hexagonal-based laminated structure), and k-sites and h-sites are alternately arranged.

図6に、絶縁膜と炭化ケイ素結晶の界面付近におけるエネルギー準位を示す。図6(a)は界面がA層(kサイト)の場合のエネルギー準位、図6(b)は界面がB層(hサイト)の場合のエネルギー準位を、それぞれ模式的に示す。図6(a)(b)において、横軸は界面に垂直な方向の位置であり、図の左側が4H−SiC層、右側がSiO層である。縦軸はエネルギー準位を表し、図の下側の線が価電子帯下端、上側の線が伝導帯のエネルギー準位を示す。 FIG. 6 shows the energy level near the interface between the insulating film and the silicon carbide crystal. FIG. 6A schematically shows the energy level when the interface is the A layer (k site), and FIG. 6B schematically shows the energy level when the interface is the B layer (h site). In FIGS. 6A and 6B, the horizontal axis is the position in the direction perpendicular to the interface, the left side of the figure is the 4H-SiC layer, and the right side is the SiO 2 layer. The vertical axis represents the energy level, the lower line of the figure shows the lower end of the valence band, and the upper line shows the energy level of the conduction band.

図6の(a)に示す界面の積層構造はBCBABCBA(右端が界面)であり、界面A層(kサイト)であり、図6の(b)は(a)に示す積層構造の界面のA層からもう一層酸化が進んだB層(hサイト)が界面に出ている積層構造BCBABCB(右端が界面)
であり、界面B層(hサイト)である。積層構造BCBABCB(右端が界面)では、界面に局所的に2H構造の積層が現れる。界面A層(kサイト)の場合の界面準位(バンドギャップ)と比べて、界面B層(hサイト)の場合の2H構造の積層における界面準位(バンドギャップ)は上になる。このように図7の(a)と(b)があると、界面がA層であるときと、界面がB層であるときで、エネルギー準位が異なっている。
The laminated structure of the interface shown in FIG. 6A is BCBABCBA (the right end is the interface) and is the interface A layer (k site), and FIG. 6B is the interface A of the laminated structure shown in FIG. 6A. Laminated structure BCBABCB (the right end is the interface) where the B layer (h site), which has been further oxidized from the layer, appears at the interface.
It is an interface B layer (h site). In the laminated structure BCBABCB (the right end is the interface), a laminated 2H structure appears locally at the interface. The interface state (bandgap) in the lamination of the 2H structure in the case of the interface B layer (h site) is higher than the interface state (bandgap) in the case of the interface A layer (k site). As described above, when (a) and (b) of FIG. 7 are present, the energy levels are different when the interface is the A layer and when the interface is the B layer.

図7の(a)(b)は図6の(a)(b)に対応し、図7の(c)は、図6(b)及び図7(b)の界面B層(hサイト)の場合の積層構造BCBABCB(右端が界面)に対して、界面のB層に積層欠陥が生じてA層になった積層欠陥界面の積層構造BCBABCA(右端が界面)を示す。図7の(c)の積層欠陥界面の場合には、積層構造ABCA(右端が界面)の界面準位が立方晶(kサイト)の界面準位より下になっており、このように界面積層構造が変わるだけで界面準位が異なり、揺らぐことがわかる。 (A) and (b) of FIG. 7 correspond to (a) and (b) of FIG. 6, and (c) of FIG. 7 is the interface B layer (h site) of FIGS. 6 (b) and 7 (b). In contrast to the laminated structure BCBABCB (the right end is the interface) in the case of the above case, the laminated structure BCBABCA (the right end is the interface) of the laminated defect interface where a stacking defect occurs in the B layer of the interface and becomes the A layer is shown. In the case of the stacking defect interface of FIG. 7 (c), the interface state of the laminated structure ABCA (the interface at the right end) is lower than the interface state of the cubic crystal (k-site), and thus the interface state is laminated. It can be seen that the interface state differs and fluctuates just by changing the structure.

図6及び図7に示した3種類の界面の積層構造(a)〜(c)を有する場合について、界面付近での準位エネルギーを実際に第一原理計算によってシミュレーション計算した結果を、図8(a)〜(c)に示す。図6(a)の立方晶界面A層の場合と比べて、図6(b)の六方晶界面B層の場合には界面準位エネルギーが+1.2eVと大きくなり、図7(c)の六方晶積層欠陥A層の場合には界面準位エネルギーが−0.3eVと小さくなっている。なお、二酸化ケイ素(SiO)のバンドギャップは8.95eVであり、いずれの界面でも、4H−SiC層に対して十分な絶縁体として機能している。 In the case of having the laminated structures (a) to (c) of the three types of interfaces shown in FIGS. 6 and 7, the result of actually simulating the level energy near the interface by the first principle calculation is shown in FIG. (A) to (c) are shown. Compared with the case of the cubic interface A layer of FIG. 6 (a), the interface state energy of the hexagonal interface B layer of FIG. 6 (b) is as large as +1.2 eV, and that of FIG. 7 (c). In the case of the hexagonal laminated defect A layer, the interface state energy is as small as −0.3 eV. The band gap of silicon dioxide (SiO 2 ) is 8.95 eV, and it functions as a sufficient insulator for the 4H-SiC layer at any interface.

この第一原理計算は下記のとおりである。上記の3種類(a)(b)(c)の界面の積層構造を有する場合について、界面付近での準位エネルギーを実際に第一原理計算でシミュレーション計算を行った。その計算の概要は以下の通りである。 This first-principles calculation is as follows. In the case of having a laminated structure of the above three types (a), (b) and (c) interfaces, the level energy near the interface was actually simulated by first-principles calculation. The outline of the calculation is as follows.

密度汎関数理論に立脚した第一原理計算を行った。計算コードとしては、Vienna Ab initio simulation package(VASP)を用いた。実際に計算コード中では、以下のKohn-Sham方程式と呼ばれる固有値問題を共役勾配法を用いて解いた。
と分けるものである。本計算では、μとして0.2 [Å-1]を用いることにより、4H-SiCのバンドギャップ3.2 eVを定量的に再現するようにとった。
論文[1] J. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Physical Review Letters 77, 3865 (1996).
論文[2] J. Heyd, G.E. Scuseria, and M. Ernzerhof, Journal of Chemical Physics 118, 8207 (2003).
First-principles calculations based on density functional theory were performed. As the calculation code, the Vienna Ab initio simulation package (VASP) was used. In fact, in the calculation code, the following eigenvalue problem called Kohn-Sham equation was solved using the conjugate gradient method.
It is divided into. In this calculation, the bandgap of 4H-SiC of 3.2 eV was quantitatively reproduced by using 0.2 [Å -1 ] as μ.
Paper [1] J. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Physical Review Letters 77, 3865 (1996).
Paper [2] J. Heyd, GE Scuseria, and M. Ernzerhof, Journal of Chemical Physics 118, 8207 (2003).

用いた計算機は、東京大学物性研究所スーパーコンピュータシステムCを用いた。計算機の詳細は、HPE SGI 8600であり、Intel Xeon 6148 20 core 2.4 GHz x2 CPUを用い、Networkとしては4X EDR InfiniBand x1である。ジョブクラスとしては、F4cpuキューを用いた。 The computer used was Supercomputer System C, Institute for Solid State Physics, University of Tokyo. The details of the computer are HPE SGI 8600, Intel Xeon 6148 20 core 2.4 GHz x2 CPU, and 4X EDR InfiniBand x1 as Network. The F4cpu queue was used as the job class.

以下の手順でSiO2/4H-SiC(0001)界面構造モデルを用意した。
スラブモデルの厚みに対しては、c軸垂直面内(図5(a))のSiC原子層を単位として(1バイレイヤーと呼ぶ)、8バイレイヤー積層させたものを用いた。面内方向に関しては√3x√3の周期性を仮定した。スラブ厚みとしては、21Åに相当する。また、計算セルに対して周期境界条件を課した。c軸方向のスラブと隣接スラブとの人為的な相互作用を小さくするためにc軸方向スラブ間の間隔を20Åにとり、十分なスラブ間距離を確保した。こうして用意された4H-SiCスラブモデルにおいて、4H-SiC(000-1)面上のダングリングボンドは水素原子で終端した。一方、4H-SiC(0001)面上には10Åの厚みのα-クオーツを置き、構造最適化をかけSiO2/4H-SiC(0001)界面構造を構築した。また、4H-SiC(0001)界面の積層構造が図7のようになるように3つの界面構造を用意した。計算に用いたパラメータは以下の通りである。カットオフエネルギーの値としては400 eV、サンプルk点数としては、5x5x1とした。また、構造最適化において力の収束が10-1 eVÅ-1となるようにとった。
A SiO 2 / 4H-SiC (0001) interface structure model was prepared by the following procedure.
For the thickness of the slab model, 8 bilayers were laminated with the SiC atomic layer in the c-axis vertical plane (FIG. 5 (a)) as a unit (called 1 bilayer). For the in-plane direction, we assumed a periodicity of √3x√3. The slab thickness corresponds to 21 Å. In addition, periodic boundary conditions were imposed on the calculated cells. In order to reduce the artificial interaction between the c-axis slab and the adjacent slab, the distance between the c-axis slabs was set to 20 Å to ensure a sufficient distance between the slabs. In the 4H-SiC slab model prepared in this way, the dangling bond on the 4H-SiC (000-1) plane was terminated with a hydrogen atom. On the other hand, α-quartz with a thickness of 10 Å was placed on the 4H-SiC (0001) surface, and structural optimization was applied to construct a SiO 2 / 4H-SiC (0001) interface structure. In addition, three interface structures were prepared so that the laminated structure of the 4H-SiC (0001) interface would be as shown in FIG. The parameters used in the calculation are as follows. The cutoff energy value was 400 eV, and the sample k points were 5x5x1. Also, in the structural optimization, the force convergence was set to 10 -1 eVÅ -1 .

その結果、3種類の界面積層構造いずれもエネルギー的にほとんど変わりなく、3つの中で最も安定な界面積層構造(a)と最も不安定であった界面積層構造(c)とのエネルギー差でさえ5.79meV/Å2と小さなものであった。したがって、理論の観点からも現実の界面には界面積層構造(a),(b),(c)が共存することが示された。 As a result, all three types of interfacial laminated structures are energetically unchanged, and even the energy difference between the most stable interfacial laminated structure (a) and the most unstable interfacial laminated structure (c) among the three. It was as small as 5.79 meV / Å 2 . Therefore, from a theoretical point of view, it was shown that the interfacial laminated structures (a), (b), and (c) coexist at the actual interface.

また、図7のようなバンドアライメントを計算するために、次で定義される局所状態密度(LDOS)を計算しplotし、図8の計算結果を得た。
In addition, in order to calculate the band alignment as shown in Fig. 7, the local density of states (LDOS) defined below was calculated and plotted, and the calculation result in Fig. 8 was obtained.

以上のごとく密度汎関数理論に立脚した第一原理計算を行い、交換相関エネルギー汎関数としては、HSE06汎関数を用いた。その結果、3種類の界面積層構造いずれもエネルギー的にほとんどかわりなく、最も安定な界面積層構造(a)と最も不安定であった界面積層構造(c)とのエネルギー差でさえ5.79 meV/Å2と小さなものであった。従って、理論の観点からも現実の界面には界面積層構造(a)(b)(c)が共存することが示された。また、界面におけるバンドアライメントを評価するために、局所状態密度(LDOS)を計算した。図8参照。 As described above, the first-principles calculation based on the density functional theory was performed, and the HSE06 functional was used as the exchange correlation energy functional. As a result, all three types of interfacial laminated structures have almost no change in energy, and even the energy difference between the most stable interfacial laminated structure (a) and the most unstable interfacial laminated structure (c) is 5.79 meV. It was as small as / Å 2 . Therefore, from a theoretical point of view, it was shown that the interface laminated structures (a), (b), and (c) coexist at the actual interface. Local density of states (LDOS) was also calculated to evaluate band alignment at the interface. See FIG.

このように、界面に一般的な欠陥構造や不純物がなくても、界面準位は炭化ケイ素の界面における積層構造の揺らぎ(原子レベルの欠陥)に敏感であり、伝導帯下端(CBM)の電子準位がCBM−0.3eVからCBM+1.2eVまでの範囲で変わり得ることが明らかになった。したがって、界面での一原子レベルで積層構造がA層やB層で揺らぐと、伝導帯下端(CBM)の電子状態にポテンシャル揺らぎが発生し、半導体装置(デバイス)特性に重大な影響を及ぼすと考えられる。すなわち、このような界面では、界面のSiCの積層構造の揺らぎ(kサイトとhサイトの両方がある)構造を反映して、CBMの波動関数が局在化してしまい、電子(ホール)の有効質量に大きな影響がでてくると考えられる。 Thus, even if there are no general defect structures or impurities at the interface, the interface state is sensitive to fluctuations in the laminated structure (atomic level defects) at the interface of silicon carbide, and the electrons at the lower end of the conduction band (CBM). It was revealed that the interface state can change in the range from CBM-0.3 eV to CBM + 1.2 eV. Therefore, if the laminated structure fluctuates in the A layer or B layer at the single atomic level at the interface, potential fluctuation occurs in the electronic state at the lower end of the conduction band (CBM), which has a significant effect on the characteristics of the semiconductor device (device). Conceivable. That is, at such an interface, the wave function of CBM is localized, reflecting the fluctuation of the SiC laminated structure at the interface (there are both k-site and h-site), and the electron (hole) is effective. It is thought that the mass will be greatly affected.

ここで、図6〜8は、界面の一原子層レベルにおける均一性に関係する界面準位であり、従来の一般的な知見における界面での一般的な欠陥構造(数十原子レベル以上)や不純物に基づく界面準位とは本質的に異なるレベルの話である。すなわち、図6及び図7は、仮に従来考えられている界面での一般的な欠陥構造や不純物がない場合においても、本来原子レベルでフラットであると考えられている界面の一原子層レベルにおける積層構造の違い(界面の積層構造の揺らぎ)が、界面準位に影響することを表している。 Here, FIGS. 6 to 8 show the interface state related to the uniformity at the monoatomic layer level of the interface, and the general defect structure (several tens of atomic levels or more) at the interface in the conventional general knowledge. It is a story at a level that is essentially different from the interface state based on impurities. That is, FIGS. 6 and 7 are at the monoatomic layer level of the interface, which is originally considered to be flat at the atomic level, even if there is no general defect structure or impurities at the interface conventionally considered. It shows that the difference in the laminated structure (fluctuation of the laminated structure at the interface) affects the interface level.

上記の知見に基づき、SiO/4H−SiCの界面における一原子層レベルの積層構造の欠陥(A層とB層が両方でてくる構造)が4H−SiC層の移動度に及ぼす影響について、移動度は有効質量に反比例することが知られているので、波動関数に基づく第一原理計算により、電子(ホール)の有効質量を計算した。この有効質量の計算の概略は下記のとおりである。 Based on the above findings, the effect of defects in the monoatomic layer level laminated structure at the interface of SiO 2 / 4H-SiC (structure in which both layers A and B are present) on the mobility of the 4H-SiC layer is discussed. Since the mobility is known to be inversely proportional to the effective mass, the effective mass of electrons (holes) was calculated by the first-principles calculation based on the wave function. The outline of the calculation of this effective mass is as follows.

上記の知見に基づき、SiO2/4H−SiCの界面における一原子層レベルの積層構造の欠陥(A層とB層が両方界面に出てくる構造)が4H-SiC層の移動度に及ぼす影響について、移動度は有効質量に半比例することが知られているので、波動関数に基づく第一原理計算により、電子(ホール)の有効質量を計算した。この有効質量の計算の概略は下記の通りである。 Based on the above findings, the effect of defects in the monoatomic layer-level laminated structure at the SiO 2 / 4H-SiC interface (structure in which both layers A and B appear at the interface) on the mobility of the 4H-SiC layer. Since the mobility is known to be half proportional to the effective mass, the effective mass of electrons (holes) was calculated by the first-principles calculation based on the wave function. The outline of the calculation of this effective mass is as follows.

密度汎関数理論に立脚した第一原理計算を行った。計算コードとしては、VASPを用いた。PAW法を用い、交換相関汎関数としてはHSE06汎関数を用いた。また、HSE06汎関数において電子間相互作用の短距離・長距離を分けるパラメータμとして本計算では、μとして0.2 [Å-1]を用いた。クーロン相互作用1/rを誤差関数erf、補誤差関数erfcを用いて
と分けるものである。このHSE06を用いることにより、4H-SiCのバンドギャップ3.2 eVを定量的に再現することを確認した。
First-principles calculations based on density functional theory were performed. VASP was used as the calculation code. The PAW method was used, and the HSE06 functional was used as the exchange correlation functional. In addition, in this calculation, 0.2 [Å -1 ] was used as μ as the parameter μ that divides the short-range and long-range interactions between electrons in the HSE06 functional. Coulomb interaction 1 / r using error function erf and complementary error function erfc
It is divided into. It was confirmed that the bandgap of 3.2 eV of 4H-SiC can be quantitatively reproduced by using this HSE06.

用いた計算機は、東京大学物性研究所スーパーコンピュータシステムCを用いた。計算機の詳細は、HPE SGI 8600であり、Intel Xeon 6148 20 core 2.4 GHz x2 CPUを用い、Networkとしては4X EDR InfiniBand x1である。ジョブクラスとしては、F4cpuキューを用いた。 The computer used was Supercomputer System C, Institute for Solid State Physics, University of Tokyo. The details of the computer are HPE SGI 8600, Intel Xeon 6148 20 core 2.4 GHz x2 CPU, and 4X EDR InfiniBand x1 as Network. The F4cpu queue was used as the job class.

以下の手順で界面構造揺らぎを有するSiO2/4H-SiC(0001)界面構造モデルを作成した。
スラブモデルの厚みに対しては、c軸方向に6バイレイヤー積層させたものを用いた。スラブ厚みとしては、16Åに相当する。面内方向に関しては6x1の周期性を仮定し、1次元方向に界面揺らぎを持つ界面構造を考えた。また、計算セルに対して周期境界条件を課した。c軸方向のスラブと隣接スラブとの人為的な相互作用を小さくするためにc軸方向スラブ間の間隔を20Åにとり、十分なスラブ間距離を確保した。こうして用意された4H-SiCスラブモデルにおいて、4H-SiC(0001)面上のダングリングボンドは水素原子で終端した。次に、4H-SiC(000-1)面に界面積層構造揺らぎを導入した。立方晶積層と六方晶積層が1:1で混じり合った界面構造と、立方晶積層と六方晶積層が7:3で混じり合った界面構造、(比較のために)立方晶積層が100%覆った界面構造の3種類を用意した。また、それら界面積層構造揺らぎを導入した後、SiC(000-1)界面のダングリングボンドは水素で終端し、構造最適化を行なった。計算に用いたパラメータは以下の通りである。カットオフエネルギーの値としては400 eV、サンプルk点数としては、1x6x1 とした。また、構造最適化において力の収束が10-1 eVÅ-1となるようにとった。
A SiO 2 / 4H-SiC (0001) interface structure model with interface structure fluctuation was created by the following procedure.
For the thickness of the slab model, 6 bilayers were laminated in the c-axis direction. The slab thickness corresponds to 16 Å. As for the in-plane direction, a 6x1 periodicity was assumed, and an interface structure having interfacial fluctuation in the one-dimensional direction was considered. In addition, periodic boundary conditions were imposed on the calculated cells. In order to reduce the artificial interaction between the c-axis slab and the adjacent slab, the distance between the c-axis slabs was set to 20 Å to ensure a sufficient distance between the slabs. In the 4H-SiC slab model prepared in this way, the dangling bond on the 4H-SiC (0001) plane was terminated with a hydrogen atom. Next, the interface laminated structure fluctuation was introduced on the 4H-SiC (000-1) plane. An interface structure in which cubic and hexagonal layers are mixed at a ratio of 1: 1 and an interface structure in which cubic and hexagonal layers are mixed at a ratio of 7: 3, and (for comparison) 100% of cubic layers are covered. Three types of interface structures were prepared. In addition, after introducing the fluctuation of the interfacial laminated structure, the dangling bond at the SiC (000-1) interface was terminated with hydrogen to optimize the structure. The parameters used in the calculation are as follows. The cutoff energy value was 400 eV, and the sample k points were 1x6x1. Also, in the structural optimization, the force convergence was set to 10 -1 eVÅ -1 .

電子バンドは極小点極近傍周りで次のように展開される。
この表式では、原子単位系を用いた。ここで、m*は電子(またはホール)の有効質量と呼ばれるものである。得られたx軸に波数kを、y軸に電子バンドのエネルギー準位をplotし、その電子バンド構造から、電子正孔の極大・極小点周りのkの2次の係数をフィッティングによって求めることにより算出することができる。今回の計算では、上記スラブ計算で得られた面内方向電子バンド構造に対して6次関数でフィッティングをかけることにより2次の係数を抽出し、そこから電子・ホールの有効質量を算出した。
The electron band is developed around the vicinity of the minimum point pole as follows.
In this formula, the atomic unit system was used. Here, m * is what is called the effective mass of electrons (or holes). The wave number k is plotted on the x-axis and the energy level of the electron band is plotted on the y-axis, and the quadratic coefficient of k around the maximum and minimum points of the electron holes is obtained from the electron band structure by fitting. Can be calculated by In this calculation, the quadratic coefficient was extracted by fitting the in-plane electron band structure obtained by the above slab calculation with a sixth-order function, and the effective mass of electrons and holes was calculated from it.

上記では、様々な界面積層構造が共存するSiO2/4H―SiC界面構造模型を作成し、1つの簡略化として、4H―SiCの厚さ10Åのスラブを用意し、SiO2との接触面を模倣した水素終端させたモデルを作成した。また、界面構造において様々な界面積層構造が共存するように模型を準備し、構造最適化を行なった。その後、面内方向の電子バンド構造を計算し、その曲率から電子(ホール)有効質量を算出した。 In the above, a SiO 2 / 4H-SiC interface structure model in which various interfacial laminated structures coexist is created, and as one simplification, a slab with a thickness of 4H-SiC of 10 Å is prepared, and the contact surface with SiO 2 is prepared. A mimicked hydrogen-terminated model was created. In addition, a model was prepared so that various interfacial laminated structures coexist in the interfacial structure, and the structure was optimized. Then, the electron band structure in the in-plane direction was calculated, and the effective electron (hole) mass was calculated from the curvature.

その結果、SiCのバルクの有効質量は0.3m(mは電子の質量である。)であったが、理想的な(0001)面、(000−1)面又は(1−100)面の界面における有効質量も0.3mであり、界面を原子レベルで制御すれば、これらの面でもバルクの有効質量と同程度であることが判明した。すなわち、これらの結晶面では界面を原子レベルで制御できれば、バルクと同等の有効質量及び移動度を実現できる可能性がある。 As a result, the effective mass of the bulk of SiC was 0.3m 0 (m 0 is the mass of electrons), but the ideal (0001) plane, (000-1) plane or (1-100) plane. The effective mass at the interface of the surfaces is also 0.3 m 0 , and it was found that if the interface is controlled at the atomic level, these surfaces are also about the same as the effective mass of the bulk. That is, if the interface can be controlled at the atomic level on these crystal planes, there is a possibility that effective mass and mobility equivalent to those of bulk can be realized.

一方、(000−1)面の理想表面において原子レベルの欠陥、すなわち、積層構造の揺らぎ(界面にkサイトとhサイトの両方)があると仮定すると、有効質量は1.8mになった。(0001)面、又は(10−10)面でも同様である。SiCの界面が原子レベルで制御されていないと、界面での有効質量がバルクの6倍になった。すなわち、界面を原子レベルで制御すれば、有効質量及び移動度が顕著に改良できることを確認した。 On the other hand, assuming that there are atomic level defects on the ideal surface of the (000-1) plane, that is, fluctuations in the laminated structure (both k-site and h-site at the interface), the effective mass is 1.8 m 0 . .. The same applies to the (0001) plane or the (10-10) plane. If the SiC interface was not controlled at the atomic level, the effective mass at the interface was six times that of the bulk. That is, it was confirmed that the effective mass and mobility can be remarkably improved by controlling the interface at the atomic level.

上記の計算結果から推測される移動度の改良は6倍であり、従来の一般的なSiO/SiC界面の移動度20〜30cm/Vsに基づいて、単純比較しても、120〜180cm/Vsが得られる。また、SiO/SiC界面の移動度として30〜50cm2/Vsあるいはそれ以上のものも知られているので、それに本発明を適用すれば、移動度はさらに向上できると期待される。 The improvement in mobility estimated from the above calculation results is 6 times, and even a simple comparison is 120 to 180 cm based on the conventional general mobility of the SiO 2 / SiC interface of 20 to 30 cm 2 / Vs. 2 / Vs is obtained. Further, since the mobility of the SiO 2 / SiC interface is known to be 30 to 50 cm2 / Vs or more, it is expected that the mobility can be further improved by applying the present invention to it.

さらに、従来の一般的なSiO/SiC界面では、上記計算で仮定した界面欠陥(積層1層レベルの欠陥)の原子レベルのフラット性さえも実現されていないと考えられるので、本発明の開示に従い、従来の一般的なSiO/SiC界面と上記計算で仮定した原子レベルのフラット性との差に対応する原子レベルのフラット性の改良がされることが容易に可能であるから、移動度の改良はさらに大きくできることが明らかである。 Furthermore, it is considered that even the atomic level flatness of the interface defects (defects at the layered one layer level) assumed in the above calculation is not realized at the conventional general SiO 2 / SiC interface, and thus the disclosure of the present invention. Therefore, it is easily possible to improve the atomic level flatness corresponding to the difference between the conventional general SiO 2 / SiC interface and the atomic level flatness assumed in the above calculation, and thus the mobility. It is clear that the improvement of can be further increased.

さらに、従来の一般的なSiO/SiC界面では、SiC界面の原子レベルの欠陥以外の一般的な界面欠陥(多型を含む)や炭素異物の存在などの従来の界面準位を低下させる界面欠陥が存在することが知られている。その従来の界面欠陥の多くはSiOの製膜に起因するものであり、結晶絶縁膜を用いることで、それら従来型の界面準位低下原因をなくすことが可能であるので、結果として、移動度の改良はさらに大きくできると考えられる。 Further, in the conventional general SiO 2 / SiC interface, the interface that lowers the conventional interface state such as general interface defects (including polymorphism) other than the atomic level defects of the SiC interface and the presence of carbon foreign matter. It is known that there are defects. Most of the conventional interface defects are caused by the film formation of SiO 2 , and by using a crystal insulating film, it is possible to eliminate these conventional causes of lowering the interface state, and as a result, the mobility It is thought that the degree of improvement can be further increased.

シリコン半導体の移動度が理論値の50%まで実現されているので、理論的には、本発明の開示により、それに近い移動度まで改良されることが期待される。 Since the mobility of the silicon semiconductor is realized up to 50% of the theoretical value, theoretically, it is expected that the mobility close to that is improved by the disclosure of the present invention.

比較のために、本発明の開示に従い、従来技術を翻って検討すると、非特許文献1に教示されている(0−33−8)面を界面とする4H−SiCについては、必ずテラス(積層構造の揺らぎ)が生じるので、たとえテラスが理想的な界面(フラット、原子レベルで無欠陥)であると仮定しても、有効質量を計算すると、1.7mである(移動度180cm/Vsに対応)。すなわち、(0−33−8)面は、SiC結晶を原子レベルで制御して理想的な界面を切り出したとしても、A層とB層が混在して現れる結晶面であり、界面での積層構造の揺らぎが必ずあるので、本発明の開示によれば、それが有効質量を大きくしてしまう。したがって、特許文献1が教示している(0−33−8)面のSiCでは、たとえ界面のフラット性を原子レベルで制御したとしても、有効質量は最大で1.7mであり、バルクの有効質量と比べて約5.7倍もあるので、移動度の改良には限界があることが明らかである。また、非特許文献1には、絶縁膜の製膜前にSiC基材の表面を原子レベルでフラット化する処理について教示がない。非特許文献1が報告している移動度は120cm/Vsである。 For comparison, when the prior art is reviewed in accordance with the disclosure of the present invention, the 4H-SiC having the (0-33-8) plane as the interface as taught in Non-Patent Document 1 is always terraced (laminated). Since structural fluctuations occur, even assuming that the terrace is an ideal interface (flat, defect-free at the atomic level), the effective mass is calculated to be 1.7 m 0 (mobility 180 cm 2 /). Corresponds to Vs). That is, the (0-33-8) plane is a crystal plane in which the A layer and the B layer appear in a mixed manner even if the SiC crystal is controlled at the atomic level to cut out an ideal interface, and the plane is laminated at the interface. Since there is always a fluctuation in the structure, according to the disclosure of the present invention, it increases the effective mass. Therefore, in the (0-33-8) plane SiC taught in Patent Document 1, the effective mass is 1.7 m 0 at the maximum even if the flatness of the interface is controlled at the atomic level, and the bulk Since it is about 5.7 times the effective mass, it is clear that there is a limit to the improvement of mobility. Further, Non-Patent Document 1 does not teach about a process of flattening the surface of a SiC base material at the atomic level before forming an insulating film. The mobility reported by Non-Patent Document 1 is 120 cm 2 / Vs.

また、非特許文献2では、4度オフ角の4H−SiC結晶のテラスをSi融液で処理することで、移動度が102cm/Vsに向上したことを報告している。非特許文献2は、SiCのマクロなテラス(段差部の積層数が5以上、実際には 以上)をフラット化する処理を行うことで、移動度が改善されることを教示している。しかし、非特許文献2では、マクロなテラスであり、段差部の積層数が5以上と大きいので界面準位が大きいのみならず、オフ角が4度であり、なによりも、SiC基板上にSiOを堆積しているので、結果として、SiC基板には、マクロな段差があるとともに、SiC結晶表面にテラスを含めて界面の積層構造に揺らぎが導入されており、SiC/SiO界面における原子レベルの制御は十分ではない。非特許文献2では、実際に、MOSFETでは本発明の定義におけるテラス幅が理想的な幅よりも小さく、積層構造が原子レベルで揺らいでいると考えられる。 Further, Non-Patent Document 2 reports that the mobility was improved to 102 cm 2 / Vs by treating the terrace of a 4H-SiC crystal having a 4 degree off angle with a Si melt. Non-Patent Document 2 teaches that the mobility is improved by performing a process of flattening a SiC macro terrace (the number of layers of stepped portions is 5 or more, actually more than 5). However, in Non-Patent Document 2, it is a macro terrace, and since the number of laminated steps is as large as 5 or more, not only the interface state is large, but also the off angle is 4 degrees, and above all, on the SiC substrate. Since SiO 2 is deposited, as a result, the SiC substrate has a macro step, and fluctuations are introduced into the laminated structure of the interface including the terrace on the surface of the SiC crystal, and the SiC / SiO 2 interface. Atomic level control is not sufficient. In Non-Patent Document 2, it is considered that in MOSFET, the terrace width in the definition of the present invention is actually smaller than the ideal width, and the laminated structure fluctuates at the atomic level.

非特許文献5では、絶縁膜としてAlNを用いているが、AlNを製膜する前のSiC基材の表面の原子レベルのフラット性について考慮されておらず、SiC基材のオフ角は4度であり、製膜前にSiC基材の表面を原子レベルでフラット化する処理がまったく行われていない。その結果、用いられたSiC結晶表面及び得られたAlN/SiC界面には原子レベルの積層の揺らぎがあり、テラス幅は3.5nmより小さく、電荷の有効質量の低減及び移動度の向上には限界があると考えられる。実際に、非特許文献5では、報告されている移動度は約150cm/Vsである。 In Non-Patent Document 5, AlN is used as the insulating film, but the atomic level flatness of the surface of the SiC base material before forming the AlN film is not considered, and the off angle of the SiC base material is 4 degrees. Therefore, no treatment for flattening the surface of the SiC base material at the atomic level is performed before film formation. As a result, the surface of the SiC crystal used and the obtained AlN / SiC interface have fluctuations in the lamination at the atomic level, the terrace width is smaller than 3.5 nm, and the effective mass of the charge is reduced and the mobility is improved. It is considered that there is a limit. In fact, in Non-Patent Document 5, the reported mobility is about 150 cm 2 / Vs.

以下に、炭化ケイ素半導体装置の製造例を記載する。
炭化ケイ素基板として、鏡面研磨された4H−SiC単結晶を用い、(0001)面から〈11−20〉方向に1度傾けて研磨した面を使用する。
An example of manufacturing a silicon carbide semiconductor device will be described below.
As the silicon carbide substrate, a mirror-polished 4H-SiC single crystal is used, and a surface polished by tilting once in the <11-20> direction from the (0001) surface is used.

炭化ケイ素基板を有機溶剤と酸による洗浄で清浄にした後、薄膜をエピタキシャル成長するSi面を上にして、基板をサセプタにのせる。基板をのせたサセプタを石英反応管内に挿入し、1Pa以下の真空にひく。次に基板の気相エッチングを行うために、水素(H2)と塩酸ガス(HCl)を混ぜた混合ガスを流しながら1400℃に加熱する。加熱はサセプタを高周波(200kHz)誘導加熱することによる。続いてH2、モノシラン(SiH4)、プロパン(C38)を所定の流量比率で混合したものを反応管内に導入しながら、1550℃で2時間加熱すると、基板上に4H型炭化ケイ素層がエピタキシャル成長する。炭化ケイ素エピタキシャル層はn型になっている。 After cleaning the silicon carbide substrate by cleaning with an organic solvent and an acid, the substrate is placed on a susceptor with the Si side on which the thin film grows epitaxially faces up. The susceptor on which the substrate is placed is inserted into a quartz reaction tube and evacuated to a vacuum of 1 Pa or less. Next, in order to perform gas phase etching of the substrate, it is heated to 1400 ° C. while flowing a mixed gas in which hydrogen (H 2 ) and hydrochloric acid gas (HCl) are mixed. Heating is by induction heating the susceptor at high frequency (200 kHz). Subsequently, a mixture of H 2 , monosilane (SiH 4 ), and propane (C 3 H 8 ) at a predetermined flow rate ratio was introduced into the reaction tube, and when heated at 1550 ° C. for 2 hours, 4H type silicon carbide was placed on the substrate. The layer grows epitaxially. The silicon carbide epitaxial layer is n-type.

炭化ケイ素エピタキシャル層の表面を(0001)Si面から〈11−20〉方向に4度オフ及び1度オフの角度で研磨して、4度オフ面と1度オフ面の炭化ケイ素層を有するSiC基材を作成する。 The surface of the silicon carbide epitaxial layer is polished at an angle of 4 degrees off and 1 degree off in the <11-20> direction from the (0001) Si surface, and SiC having a silicon carbide layer having a 4 degree off surface and a 1 degree off surface. Create a substrate.

Catalyst-Referred Etching (CARE法);APL 110,201601(2017)を参照して、フッ酸又は純水を含むエッチング槽で、基盤表面の白金電極層(作用電極)と、Ag/AgCl電極と、Pt板(対極)を用い、白金触媒アシスト下で、ホルダに保持した上記のSiC基材を自転させながら白金電極層(作用電極)に押し当てて化学エッチングすることにより、エピタキシャル層表面を原子レベルでフラット化する処理を行い、積層1層分の段差のみを有するテラス構造を有する原子レベルでフラットな結晶表面を得る。4度オフ面のテラス幅は3.5nm及び約3.7nmのもの、1度オフ面のテラス幅は14.8nm及び約15.2nmのものを得る。 Catalyst-Referred Etching (CARE method); with reference to APL 110,201601 (2017), in an etching tank containing hydrofluoric acid or pure water, a platinum electrode layer (working electrode) on the substrate surface, an Ag / AgCl electrode, and Using a Pt plate (counter electrode), under platinum catalyst assist, the above SiC base material held in the holder is rotated and pressed against the platinum electrode layer (working electrode) for chemical etching to raise the surface of the epitaxial layer at the atomic level. A flat crystal surface is obtained at the atomic level, which has a terrace structure having only one step of the laminated layer. The terrace widths of the 4 degree off surface are 3.5 nm and about 3.7 nm, and the terrace widths of the 1 degree off surface are 14.8 nm and about 15.2 nm.

次いで、フラット化処理しテラス幅を確認した炭化ケイ素エピタキシャル層上に窒化アルミミウム膜を化学的気相堆積法で製膜する。窒化アルミニウム膜を製膜することにより、炭化ケイ素/窒化アルミニウム界面における炭化ケイ素のテラス幅として、4度オフ面では3.5nm以上、1度オフ面では14.8nm以上のものを得ることが可能にされる。 Next, an aluminum nitride film is formed on the silicon carbide epitaxial layer which has been flattened and whose terrace width has been confirmed by a chemical vapor phase deposition method. By forming an aluminum nitride film, it is possible to obtain a terrace width of silicon carbide at the silicon carbide / aluminum nitride interface of 3.5 nm or more on the 4 degree off surface and 14.8 nm or more on the 1 degree off surface. Be made.

市販されているオン角(オフ角0度)の炭化ケイ素基板を入手し、上記のごとく、そのオン角の表面をフラット化処理をして、原子レベルでフラットなオン角(テラス幅は無限又は基板寸法)の炭化ケイ素基板としてから、その表面に上記の如く窒化アルミニウムを製膜すれば、原子レベルでフラットな炭化ケイ素/窒化アルミニウム界面を得ることができる。 Obtain a commercially available silicon carbide substrate with an on-angle (off-angle of 0 degrees), flatten the surface of the on-angle as described above, and flatten the on-angle at the atomic level (terrace width is infinite or By forming a silicon carbide substrate of (substrate dimensions) and then forming a film of aluminum nitride on the surface as described above, a flat silicon carbide / silicon nitride interface can be obtained at the atomic level.

その後は、公知の方法で図1に示すような半導体装置を製作する。窒化アルミニウム膜上にチタン合金を堆積し、マスクを用いたパターニングによりゲート電極を形成する。ゲート電極を含む基板全面に層間絶縁膜を堆積した後、層間絶縁膜をパターニングしてソース及びドレイン領域を開口し、その開口された炭化ケイ素エピタキシャル領域にp型不純物としてアルミニウムを選択的にドープしてソース及びドレイン領域を形成する。その後、ソース及びドレイン電極を形成する。 After that, a semiconductor device as shown in FIG. 1 is manufactured by a known method. A titanium alloy is deposited on the aluminum nitride film, and a gate electrode is formed by patterning with a mask. After depositing an interlayer insulating film on the entire surface of the substrate including the gate electrode, the interlayer insulating film is patterned to open the source and drain regions, and the opened silicon carbide epitaxial region is selectively doped with aluminum as a p-type impurity. Form the source and drain regions. After that, the source and drain electrodes are formed.

1 炭化ケイ素半導体基板
2 炭化ケイ素半導体層
3 ソース領域
4 ドレイン領域
5 ゲート絶縁膜
6 ゲート電極
21 SiC結晶
22 SiC結晶の表面
23 テラス
24 段差
25−1〜25−7 テラス
θ オフ角
Wt テラス幅
1 Silicon Carbide Semiconductor Substrate 2 Silicon Carbide Semiconductor Layer 3 Source Area 4 Drain Area 5 Gate Insulating Film 6 Gate Electrode 21 SiC Crystal 22 SiC Crystal Surface 23 Terrace 24 Steps 25-1 to 25-7 Terrace θ Off Angle Wt Terrace Width

Claims (15)

炭化ケイ素結晶領域と、前記炭化ケイ素結晶領域の表面に形成されたゲート絶縁膜とを含む炭化ケイ素半導体装置であって、前記ゲート絶縁膜の少なくとも前記炭化ケイ素結晶領域と接触する面が結晶絶縁体で構成されており、前記結晶絶縁体と接触する前記炭化ケイ素結晶の界面の原子レベルでフラットなテラス幅が3.5nm以上であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置。 A silicon carbide semiconductor device including a silicon carbide crystal region and a gate insulating film formed on the surface of the silicon carbide crystal region, wherein at least a surface of the gate insulating film in contact with the silicon carbide crystal region is a crystal insulator. A silicon carbide semiconductor device comprising the above, wherein the flat terrace width at the atomic level of the interface of the silicon carbide crystal in contact with the crystal insulator is 3.5 nm or more. 前記炭化ケイ素結晶領域が0〜4度の範囲内のオフ角を有する炭化ケイ素結晶である、請求項1に記載の炭化ケイ素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon carbide crystal region is a silicon carbide crystal having an off angle in the range of 0 to 4 degrees. 前記オフ角が0〜1度である、請求項1又は2に記載の炭化ケイ素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the off angle is 0 to 1 degree. 前記原子レベルのフラット性が40nm以上である、請求項2又は3に記載の炭化ケイ素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 2 or 3, wherein the flatness at the atomic level is 40 nm or more. 前記結晶絶縁体と前記炭化ケイ素結晶との格子定数の差が2%以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の炭化ケイ素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the difference in lattice constant between the crystal insulator and the silicon carbide crystal is 2% or less. 前記結晶絶縁体が、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、リン酸アルミニウム(AlPO4)、アルミナ、Be3Al2(SiO36、酸化ベリウム(BeO)、RbAl1117、Ba7Al64103、Al65(O5F)3及びこれらを水素終端した物質から選ばれる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の炭化ケイ素半導体装置。 The crystal insulators are aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), aluminum phosphate (AlPO 4 ), alumina, Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 , verium oxide (BeO), RbAl 11 O 17 , Ba. 7 The silicon carbide semiconductor apparatus according to any one of claims 1 to 5, which is selected from Al 64 O 103 , Al 6 B 5 (O 5 F) 3, and a substance obtained by terminating these with hydrogen. 前記炭化ケイ素結晶が4H−SiCであり、前記結晶絶縁体と接触する面が(000−1)面、(0001)面、(1−100)面又は(11−20)面である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の炭化ケイ素半導体装置。 The claim that the silicon carbide crystal is 4H-SiC, and the planes in contact with the crystal insulator are the (000-1) plane, the (0001) plane, the (1-100) plane, or the (11-20) plane. The silicon carbide semiconductor device according to any one of 1 to 6. 前記ゲート絶縁膜が、前記結晶絶縁体の前記炭化ケイ素結晶領域と反対側に、前記結晶絶縁体と異なる第二の絶縁体を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の炭化ケイ素半導体装置。 The silicon carbide according to any one of claims 1 to 7, wherein the gate insulating film contains a second insulator different from the crystal insulator on the side opposite to the silicon carbide crystal region of the crystal insulator. Semiconductor device. 炭化ケイ素結晶領域と、前記炭化ケイ素結晶領域の表面に形成されたゲート絶縁膜とを含む炭化ケイ素半導体装置の製造方法であって、原子レベルでフラットなテラス幅が3.5nm以上である表面を有する炭化ケイ素結晶領域を提供し、前記炭化ケイ素結晶領域上に、結晶絶縁膜を製膜することを含むことを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device including a silicon carbide crystal region and a gate insulating film formed on the surface of the silicon carbide crystal region, wherein a surface having a flat terrace width of 3.5 nm or more at the atomic level is formed. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, which comprises providing a silicon carbide crystal region having a silicon carbide crystal region and forming a crystal insulating film on the silicon carbide crystal region. 前記炭化ケイ素結晶領域が0〜4度の範囲内のオフ角を有する炭化ケイ素結晶で構成されている、請求項9に記載の製造方法。 The production method according to claim 9, wherein the silicon carbide crystal region is composed of silicon carbide crystals having an off angle in the range of 0 to 4 degrees. 前記結晶絶縁膜が、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、リン酸アルミニウム(AlPO4)、アルミナ、Be3Al2(SiO36、酸化ベリウム(BeO)、RbAl1117、Ba7Al64103、Al65(O5F)3及びこれらを水素終端した物質から選ばれる材料である、請求項9又は10に記載の製造方法。 The crystal insulating film is aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), aluminum phosphate (AlPO 4 ), alumina, Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 , verium oxide (BeO), RbAl 11 O 17 , Ba. 7 The production method according to claim 9 or 10, which is a material selected from Al 64 O 103 , Al 6 B 5 (O 5 F) 3, and a substance obtained by hydrogen-terminating these. 前記オフ角が0〜1度である、請求項9〜11のいずれか一項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 9 to 11, wherein the off angle is 0 to 1 degree. 前記炭化ケイ素結晶領域が4H−SiCであり、前記4H-SiC結晶の前記結晶絶縁膜と接触する表面が(000−1)面、(0001)面、(0−110)面又は(11−20)面であり、前記結晶絶縁膜を製膜する前に、前記炭化ケイ素結晶領域の(000−1)面、(0001)面、(0−110)面又は(11−20)面を原子レベルでフラット化する処理を含む、請求項9〜12のいずれか一項に記載の製造方法。 The silicon carbide crystal region is 4H-SiC, and the surfaces of the 4H-SiC crystal in contact with the crystal insulating film are (000-1) plane, (0001) plane, (0-110) plane, or (11-20) plane. ) Plane, and the (000-1) plane, (0001) plane, (0-110) plane, or (11-20) plane of the silicon carbide crystal region is at the atomic level before the crystal insulating film is formed. The production method according to any one of claims 9 to 12, which comprises a process of flattening with. 前記結晶絶縁膜の前記製膜前に、前記炭化ケイ素結晶領域の表面を原子レベルでフラット化する処理を行って、前記炭化ケイ素結晶領域の前記テラス幅を3.5nm以上にする、請求項9〜13のいずれか一項に記載の製造方法。 9. A claim 9 in which a treatment for flattening the surface of the silicon carbide crystal region at the atomic level is performed before the formation of the crystal insulating film to make the terrace width of the silicon carbide crystal region 3.5 nm or more. The production method according to any one of 13 to 13. 前記結晶絶縁膜が、化学的気相堆積法又は物理的堆積法で製膜される、請求項9〜14のいずれか一項に記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 9 to 14, wherein the crystal insulating film is formed by a chemical vapor phase deposition method or a physical deposition method.
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