JP2021086896A - Insulated gate type semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法に係り、特に炭化シリコン(SiC)を用いた絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an insulated gate type semiconductor device and an insulated gate type semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing an insulated gate type semiconductor device and an insulated gate type semiconductor device using silicon carbide (SiC).
SiCを用いたMOS電界効果トランジスタ(FET)では、半導体層上にゲート絶縁膜を形成する際に、高密度の界面準位ができる。そのため、チャネルの移動度が低くなり、MOSFETのオン抵抗等の電気的特性が劣化するという課題がある。ゲート絶縁膜形成後に窒素(N)を含有するガス中で加熱処理し、シリコン酸化(SiO2)膜とSiC界面に高濃度窒化領域を形成することで、ゲート絶縁膜界面の界面準位密度(Dit)を低減し、高移動度化することが提案されている。しかし、負バイアス印加ストレスに対して、デバイスのオン-オフ電圧であるゲート閾値電圧の変動が生じる負バイアス温度不安定性(NBTI)によって、駆動条件によっては半導体装置の動作信頼性が確保できないという問題がある。非特許文献1では、NBTIの問題の原因として、窒化領域形成プロセスにより、ゲート絶縁膜であるSiO2膜中に入った窒素原子による正孔トラップ生成の可能性が指摘されている。
In a MOS field effect transistor (FET) using SiC, a high-density interface state is formed when a gate insulating film is formed on a semiconductor layer. Therefore, there is a problem that the mobility of the channel becomes low and the electrical characteristics such as the on-resistance of the MOSFET deteriorate. After forming the gate insulating film, heat treatment is performed in a gas containing nitrogen (N) to form a high-concentration nitrided region at the interface between the silicon oxide (SiO 2 ) film and the SiC, thereby forming the interface state density (interface level density) at the interface of the gate insulating film. It has been proposed to reduce Dit) and increase the mobility. However, there is a problem that the operational reliability of the semiconductor device cannot be ensured depending on the driving conditions due to the negative bias temperature instability (NBTI) in which the gate threshold voltage, which is the on-off voltage of the device, fluctuates with respect to the stress applied to the negative bias. There is.
特許文献1では、NBTIを改善するために、SiO2膜とSiC界面近傍のN濃度を規定する技術を開示している。具体的には、酸素(O)濃度がSiO2膜中のO濃度の90%となる位置を界面と定義し、界面から±5nmの領域に含まれるN濃度を5×1013cm-2より高く、1.6×1014cm-2未満と規定している。しかし、特許文献1の技術では、界面のパッシベーションに寄与するN原子の量が減少するため、窒化効果が十分ではなく、チャネル移動度が低下し、また正バイアス温度不安定性(PBTI)が問題となる。
本発明は、上記問題点を鑑み、界面準位密度の低減ができ、半導体装置の信頼性の劣化を抑制することが可能な絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides an insulated gate type semiconductor device and a method for manufacturing an insulated gate type semiconductor device, which can reduce the interface state density and suppress deterioration of the reliability of the semiconductor device. The purpose is.
上記目的を達成するために、本発明の一態様は、(a)炭化シリコンからなるチャネル形成領域の上面にシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、(b)窒素原子を含むガスでゲート絶縁膜を熱処理することで、ゲート絶縁膜と炭化シリコンとの界面を窒化処理して、チャネル形成領域とゲート絶縁膜との界面に中間窒化層を形成する工程と、(c)二酸化炭素を含むガスでゲート絶縁膜を熱処理することで、ゲート絶縁膜中の窒素原子の一部を除去し、界面に窒化終端層を形成する工程と、(d)ゲート絶縁膜の上に、チャネル形成領域の表面ポテンシャルを制御するゲート電極を形成する工程と、を含む絶縁ゲート型半導体装置の製造方法であることを要旨とする。 In order to achieve the above object, one aspect of the present invention includes (a) a step of forming a gate insulating film made of a silicon oxide film on the upper surface of a channel forming region made of silicon carbide, and (b) a gas containing a nitrogen atom. By heat-treating the gate insulating film in the above step, the interface between the gate insulating film and silicon carbide is nitrided to form an intermediate nitride layer at the interface between the channel forming region and the gate insulating film, and (c) carbon dioxide. By heat-treating the gate insulating film with a gas containing the above, a part of the nitrogen atom in the gate insulating film is removed to form a nitriding terminal layer at the interface, and (d) channel formation on the gate insulating film. The gist of the present invention is a method of manufacturing an insulated gate type semiconductor device including a step of forming a gate electrode for controlling the surface potential of the region.
本発明の他の態様は、(a)炭化シリコンからなるチャネル形成領域の上面に設けられたシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜と、(b)チャネル形成領域とゲート絶縁膜との界面に設けられた窒化シリコンからなる窒化終端層と、(c)ゲート絶縁膜の上に設けられ、チャネル形成領域の表面ポテンシャルを制御するゲート電極と、を備え、ゲート絶縁膜と炭化シリコンとの界面をX線光電子分光法で測定したとき、窒素の1s軌道に起因するスペクトルの強度INとチャネル形成領域に由来するシリコンの2p軌道に起因するスペクトルの強度ISiとの比IN/ISiが、ゲート絶縁膜を界面から2nm以上3nm以下の間の膜厚で残したときは0.02以上、0.03未満であり、ゲート絶縁膜を除去したときの窒化終端層では0.01より大きく、0.02未満である絶縁ゲート型半導体装置であることを要旨とする。 Another aspect of the present invention is provided at the interface between (a) a gate insulating film made of a silicon oxide film provided on the upper surface of a channel forming region made of silicon carbide and (b) a channel forming region and a gate insulating film. It is provided with a nitride termination layer made of silicon nitride and (c) a gate electrode provided on the gate insulating film and controlling the surface potential of the channel forming region, and X-rays the interface between the gate insulating film and silicon carbide. when measured by photoelectron spectroscopy, the ratio I N / I Si of the spectrum of the intensity I Si due to the 2p orbital of the silicon from the intensity I N and the channel formation region of the spectrum due to the 1s orbital of nitrogen, the gate When the insulating film is left with a film thickness between 2 nm and 3 nm from the interface, it is 0.02 or more and less than 0.03, and when the gate insulating film is removed, the nitride terminal layer is larger than 0.01 and 0. The gist is that the insulating gate type semiconductor device is less than .02.
本発明によれば、界面準位密度の低減ができ、半導体装置の信頼性の劣化を抑制することが可能な絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an insulated gate type semiconductor device and a method for manufacturing an insulated gate type semiconductor device, which can reduce the interface state density and suppress deterioration of the reliability of the semiconductor device.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are designated by the same or similar reference numerals, and duplicate description will be omitted. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimensions, the ratio of the thickness of each layer, etc. may differ from the actual ones. In addition, parts having different dimensional relationships and ratios may be included between the drawings. In addition, the embodiments shown below exemplify devices and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention describes the material, shape, structure, and arrangement of constituent parts. Etc. are not specified as the following.
本明細書においてMOSトランジスタのソース領域は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)のエミッタ領域として選択可能な「一方の主電極領域(第1主電極領域)」である。又、MOS制御静電誘導サイリスタ(SIサイリスタ)等のサイリスタにおいては、一方の主電極領域はカソード領域として選択可能である。MOSトランジスタのドレイン領域は、IGBTにおいてはコレクタ領域を、サイリスタにおいてはアノード領域として選択可能な半導体装置の「他方の主電極領域(第2主電極領域)」である。本明細書において単に「主電極領域」と言うときは、当業者の技術常識から妥当な第1主電極領域又は第2主電極領域のいずれかを意味する。 In the present specification, the source region of the MOS transistor is a “one main electrode region (first main electrode region)” that can be selected as the emitter region of the insulated gate bipolar transistor (IGBT). Further, in a thyristor such as a MOS-controlled electrostatic induction thyristor (SI thyristor), one of the main electrode regions can be selected as a cathode region. The drain region of the MOS transistor is the “other main electrode region (second main electrode region)” of the semiconductor device, which can be selected as the collector region in the IGBT and the anode region in the thyristor. In the present specification, the term "main electrode region" simply means either the first main electrode region or the second main electrode region, which is appropriate from the common general technical knowledge of those skilled in the art.
また、以下の説明における上下等の方向の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を90°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、180°回転して観察すれば上下は反転して読まれることは勿論である。また以下の説明では、第1導電型がp型、これと反対となる第2導電型がn型の場合について例示的に説明する。しかし、導電型を逆の関係に選択して、第1導電型をn型、第2導電型をp型としても構わない。またnやpに付す+や−は、+及び−が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物密度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。ただし同じnとnとが付された半導体領域であっても、それぞれの半導体領域の不純物密度が厳密に同じであることを意味するものではない。また、本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“−”を付けることで負の指数をあらわしている。 Further, the definition of the vertical direction in the following description is merely a definition for convenience of explanation, and does not limit the technical idea of the present invention. For example, if the object is rotated by 90 ° and observed, the top and bottom are converted to left and right and read, and if the object is rotated by 180 ° and observed, the top and bottom are reversed and read. Further, in the following description, the case where the first conductive type is the p-type and the second conductive type, which is the opposite of the p-type, is the n-type will be exemplified. However, the conductive type may be selected in the opposite relationship, the first conductive type may be the n type, and the second conductive type may be the p type. Further, + and-attached to n and p mean that the impurity density is relatively high or low, respectively, as compared with the semiconductor region to which + and-are not added. However, even if the semiconductor regions have the same n and n, it does not mean that the impurity densities of the respective semiconductor regions are exactly the same. Further, in the present specification, in the notation of the Miller index, "-" means a bar attached to the index immediately after that, and "-" is added before the index to represent a negative index.
本発明の実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置は、ゲート絶縁膜にシリコン酸化膜(SiO2)膜を用いた横型MOSFETである。図1に示すように第1導電型(p型)のチャネル形成領域(ベース領域)3を備え、チャネル形成領域3の表面に反転チャネルを形成する。チャネル形成領域3の上部には、高不純物密度の第2導電型(n+型)の主電極領域4a、4b、例えばソース領域(第1主電極領域)4a及びドレイン領域(第2主電極領域)4bが選択的に設けられる。ソース領域4a及びドレイン領域4bを跨いでチャネル形成領域3の上面に、窒素(N)で終端された窒化終端層6を介して絶縁ゲート型電極構造(5,7)が設けられる。絶縁ゲート型電極構造(5,7)は、SiO2膜からなるゲート絶縁膜5及びゲート絶縁膜5上のゲート電極(制御電極)7で構成される。ゲート電極7は、チャネル形成領域3の表面ポテンシャルを、ゲート絶縁膜5を介して静電的に制御して、チャネル形成領域3の表面に反転チャネルを形成する。
The insulated gate type semiconductor device according to the embodiment of the present invention is a horizontal MOSFET in which a silicon oxide film (SiO 2) film is used as the gate insulating film. As shown in FIG. 1, a first conductive type (p type) channel forming region (base region) 3 is provided, and an inverted channel is formed on the surface of the
窒化終端層6は、ゲート絶縁膜5及びチャネル形成領域3の界面を窒化処理した後に二酸化炭素(CO2)ガスによって熱処理して設けた窒素終端層である。MOSFETのゲート絶縁膜5であるシリコン酸化膜(SiO2膜)として、酸素(O2)ドライ酸化やウェット酸化等の熱酸化膜、あるいはスパッタ、熱化学気相堆積(CVD)、及びプラズマCVD等の堆積酸化膜が採用可能である。ゲート電極7の材料としては、アルミニウム(Al)等の金属膜、燐(P)等の不純物を高濃度に添加したポリシリコン層(ドープドポリシリコン層)等が使用可能である。
The
チャネル形成領域3は、図1に示すように、n型のSiC半導体からなる基板1の上にエピタキシャル成長して設けられる。また、ソース領域4a及びドレイン領域4bにそれぞれ物理的に接するようにソース電極8a及びドレイン電極8bが設けられる。ソース電極8a及びドレイン電極8bは、それぞれソース領域4a及びドレイン領域4bにオーミック接続されている。ソース電極8a及びドレイン電極8bは、例えば、Alからなる単層膜や、ニッケルシリサイド(NiSix)、窒化チタン(TiN)、Alの順で積層された金属膜が使用可能である。なお、図示は省略したが、ソース電極8aとチャネル形成領域3とを電気的に接続するp+型のコンタクト領域がソース領域4aと分離して、チャネル形成領域3に配置されている。
As shown in FIG. 1, the
SiC結晶には結晶多形が存在し、主なものは立方晶の3C、及び六方晶の4H、6Hである。室温における禁制帯幅は3C−SiCでは2.23eV、4H−SiCでは3.26eV、6H−SiCでは3.02eVの値が報告されている。本発明の実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置では、4H−SiCを用いて説明する。実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置においては、基板1はSiCからなる半導体基板(SiC基板)を用いる。SiC基板を用いた場合、チャネル形成領域3はSiCからなるエピタキシャル層(SiC層)で構成された構造を例示する。SiC基板の面方位は、(0001)面(Si面)を用いて説明するが、(11−20)面(a面)、(1−100)面(m面)、及び(000−1)面(C面)を用いてもよい。
Crystal polymorphs exist in SiC crystals, and the main ones are cubic 3C and hexagonal 4H and 6H. Forbidden band widths at room temperature have been reported to be 2.23 eV for 3C-SiC, 3.26 eV for 4H-SiC, and 3.02 eV for 6H-SiC. In the insulated gate type semiconductor device according to the embodiment of the present invention, 4H-SiC will be used for description. In the insulated gate type semiconductor device according to the embodiment, a semiconductor substrate (SiC substrate) made of SiC is used as the
図1に示すように、実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置では、ゲート電極7に電圧を印加してゲート絶縁膜5とチャネル形成領域3との界面にチャネルとなる反転層を形成する。このとき、ソース電極8aとドレイン電極8b間に電圧を印加することで、ソース領域4aからキャリア(電子)がチャネルに注入される。注入されたキャリアは、チャネルを走行してドレイン領域4bに流れ込む。
As shown in FIG. 1, in the insulated gate type semiconductor device according to the embodiment, a voltage is applied to the
通常、ゲート絶縁膜5に用いるSiO2膜を熱酸化法等で形成すると、SiO2膜とSiC半導体層の界面にC原子が残留し、高密度の界面準位が形成される。界面準位に電子が捕獲されると、クーロン散乱等により電子移動度が低下する。SiO2膜とSiC半導体層の界面をN原子で終端することで、界面準位密度を低減する方法が提案されている。しかし、SiO2膜とSiC半導体層の界面に高濃度窒化領域が形成されると、ゲート負電圧印加ストレスに対して、半導体装置のゲート閾値電圧変動が生じる。
Normally, when the SiO 2 film used for the
実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置では、窒化処理してゲート絶縁膜5及びチャネル形成領域3の界面に形成した中間窒化終端層を二酸化炭素(CO2)ガスによる熱処理して窒化終端層6を設ける。後述するように、CO2熱処理によってSiO2膜中やSiC半導体層界面でのSi−N結合が切断されN原子が除去される。ゲート絶縁膜5をすべて除去したときに、窒化終端層6のNとSiのX線電子分光法(XPS)信号強度比IN/ISiを0.01より大きく、0.02未満となるようにCO2熱処理する。このとき、界面近傍のゲート絶縁膜5を2nm以上3nm以下残したときのXPS信号強度比IN/ISiは0.02以上、0.03未満となる。このように、CO2熱処理で窒化終端層6及びゲート絶縁膜5のSi−N結合が切断され、余剰のN原子を排除できゲート絶縁膜5中の正孔トラップを除去することができる。その結果、半導体装置のゲート閾値電圧変動を抑制することが可能となる。
In the insulated gate type semiconductor device according to the embodiment, the intermediate nitriding terminal layer formed at the interface between the
半導体装置のゲート閾値電圧の変動は、例えば、MOSキャパシタのフラットバンド電圧(Vfb)のシフトによって評価できる。そこで、実施形態に係る絶縁ゲート構造に相当するMOSキャパシタを作製してMOSキャパシタの界面特性を評価した。図2〜図5に示す工程図を用いて、実施形態に係る絶縁ゲート構造に相当するMOSキャパシタの製造方法を説明する。なお、以下に述べるMOSキャパシタの製造方法は一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲であれば、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。 Fluctuations in the gate threshold voltage of the semiconductor device can be evaluated, for example, by shifting the flat band voltage (Vfb) of the MOS capacitor. Therefore, a MOS capacitor corresponding to the insulated gate structure according to the embodiment was produced and the interface characteristics of the MOS capacitor were evaluated. A method of manufacturing a MOS capacitor corresponding to the insulated gate structure according to the embodiment will be described with reference to the process diagrams shown in FIGS. 2 to 5. The MOS capacitor manufacturing method described below is an example, and it may be feasible by various other manufacturing methods including this modification as long as it is within the scope of the claims. Of course.
まず、窒素(N)等のn型不純物が添加されたn型のSiC基板(基板)2を用意する。基板2は4H−SiC基板であり、面方位が(0001)面(Si面)である。まず、基板2を過酸化水素にアルカリや酸を加えて加熱して洗浄するRCA洗浄し、フッ化水素(HF)処理して乾燥する。図2に示すように、洗浄した基板2の上面に、100%O2ガス雰囲気中、1200℃程度の温度で160分間程度加熱して50nm程度のSiO2からなる酸化膜5aを形成する。酸化膜5aとして、ドライ酸化膜を例示したが、ウェット酸化膜でもよく、また、熱CVD、プラズマCVD等による堆積酸化膜でもよい。例えば、減圧熱CVDでシラン(SiH4)ガスと酸素(O2)ガスを用いて、0.2Pa程度の圧力、600℃程度の温度で酸化膜5aを堆積してもよい。
First, an n-type SiC substrate (substrate) 2 to which an n-type impurity such as nitrogen (N) is added is prepared. The
次に、窒素(N2)ガスに一酸化窒素(NO)ガスを10%添加したガス雰囲気中、1250℃程度の温度で60分間程度過熱して窒化処理を行う。この窒化処理により、図3に示すように、酸化膜5aと基板2との界面に中間窒化層6aが形成される。なお、窒化処理には、NOに代えて亜酸化窒素(N2O)ガスを用いてもよい。
Next, in a gas atmosphere in which 10% of nitric oxide (NO) gas is added to nitrogen (N 2 ) gas, the nitriding treatment is performed by heating at a temperature of about 1250 ° C. for about 60 minutes. By this nitriding treatment, as shown in FIG. 3, an
次に、CO2ガス雰囲気中、3通りの温度でそれぞれ30分間程度の加熱処理を行う。3通りの温度は、実施例1として1400℃、実施例2として1300℃、実施例3として1200℃の温度である。この3通りの加熱処理により、図4に示すように、酸化膜5aと基板2の界面近傍の酸化膜5aの中のN原子濃度が低減すると共に、中間窒化層6aから一部のN原子が除去された窒化終端層6が、3種類の態様で生成される。CO2加熱処理では、100%のCO2ガスを用いたが、CO2ガスとN2やアルゴン(Ar)等の不活性ガスとの混合ガスを用いてもよい。
Next, in a CO 2 gas atmosphere, heat treatment is performed at three different temperatures for about 30 minutes each. The three temperatures are 1400 ° C. for Example 1, 1300 ° C. for Example 2, and 1200 ° C. for Example 3. By these three types of heat treatment, as shown in FIG. 4, the concentration of N atoms in the
図5に示すように、リフトオフ又は通常のフォトリソグラフィの手法を用いて、酸化膜5aの上面に直径が200μm程度の金属膜の円形パターンを形成する。円形パターンの前提となる金属膜は、スパッタリング法、真空蒸着法等により、酸化膜5aの上面に、厚さが100μm程度のAl等の金属膜を堆積すれば良い。引き続き、スパッタリング法、真空蒸着法等により、基板2の裏面全面に厚さが100μm程度のAl等の金属膜を堆積する。このようにして、表面電極10及び裏面電極11が形成される。
As shown in FIG. 5, a circular pattern of a metal film having a diameter of about 200 μm is formed on the upper surface of the
作製した3種類の実施例1〜3について、XPS測定及びCV測定を行い、MOS界面特性を評価している。また、実施例1〜3と比較するため、図6に示すように、図3の中間窒化層6a形成後にCO2熱処理を行わずに、表面電極10及び裏面電極11を形成した比較例1も作成し、評価している。
XPS measurement and CV measurement are performed on the three types of Examples 1 to 3 produced to evaluate the MOS interface characteristics. Further, in order to compare with Examples 1 to 3, as shown in FIG. 6, Comparative Example 1 in which the
XPS測定は、X線源としてアルミニウム(Al)Kα線を用い、検出角90度で表面分析を行う。酸化膜5aを希弗酸、例えば弗酸濃度が1%の水溶液で表面から徐々にステップエッチングしながらステップエッチング毎に繰り返し測定を行う。98eV〜108eVの結合エネルギの範囲のナロースキャンでSi2p軌道に起因するスペクトル信号(Si2p信号)の検出を行う。同時に、394eV〜402eVの結合エネルギの範囲のナロースキャンでN1s軌道に起因するスペクトル信号(N1s信号)の検出を行う。図7に示すように、Si2p信号について、基板2由来のSiC成分の信号と、酸化膜5a由来のSiO2成分の信号とをピーク分離する。SiC成分の信号のピーク位置は101eV〜102eVで、SiO2成分の信号のピーク位置は103eV〜104eVである。ピーク分離したSi2p信号から、SiC成分のスペクトル信号のエネルギ積分値S(SiC)と、SiO2成分のスペクトル信号のエネルギ積分値S(SiO2)とを算出する。図8に示すように、N1s信号のエネルギ積分値S(N)を算出する。
For XPS measurement, aluminum (Al) Kα rays are used as an X-ray source, and surface analysis is performed at a detection angle of 90 degrees. The
SiC成分のエネルギ積分値S(SiC)及びSiO2成分のエネルギ積分値S(SiO2)と、SiO2の理論密度から、ステップエッチング毎の酸化膜5aの残膜厚を算出する。界面近傍のNとSiの強度比IN/ISiは、N1s信号のエネルギ積分値S(N)とSiC成分のエネルギ積分値S(SiC)との比S(N)/S(SiC)から算出する。図9に実施例2及び比較例1について、それぞれ酸化膜5aの界面近傍における窒化終端層6及び中間窒化層6aのXPS測定結果を示す。図9に示すように、実施例2及び比較例1において酸化膜5aの膜厚が界面から2.5nmのとき強度比IN/ISiは、それぞれ0.026程度及び0.040程度で飽和する傾向にある。実施例2では、強度比IN/ISiは、酸化膜厚が0.2nm程度より薄くなると急激に減少し、基板2のSiC表面となる界面で0.017程度となる。一方、比較例1では、強度比IN/ISiは、酸化膜の厚さが0.4nm程度の位置から急激に減少し、基板2のSiC表面となる界面で0.025程度となる。
An energy integration value S of the SiC component (SiC) and SiO 2 component of the energy integration value S (SiO 2), from the theoretical density of SiO 2, to calculate the residual film thickness of the
図10には、実施例1〜3及び比較例1についてのXPS測定結果及びCV測定による界面準位密度Ditとフラットバンド電圧(Vfb)シフトを示す。XPS測定結果のSiC表面IN/ISiとは、図9における酸化膜厚さ0nmの時の強度比を、飽和IN/ISiとは、図9における酸化膜厚さ2nm以上3nm以下の時の強度比を記している。界面準位密度Ditは伝導帯端Ecから0.2eVのエネルギ位置での準位密度である。Vfbシフトは、それぞれ正バイアスでは+6MV/cm、及び負バイアスでは−6MV/cmの条件でバイアスストレス後に測定している。特に、負バイアス条件は、ゲートリーク電流が生じ始める厳しい条件であり、酸化膜5a中の正孔トラップ量の目安となる。Vfbシフト量が小さいほど正孔トラップが少ないことを示す。
FIG. 10 shows the XPS measurement results for Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the interface state density D it and the flat band voltage (Vfb) shift by CV measurement. The SiC surface I N / I Si of XPS measurement results, the intensity ratio when the oxide thickness 0nm in FIG. 9, the saturation I The N / I Si, oxide thickness 2nm or more 3nm following in FIG The intensity ratio of time is described. The interface state density D it is the level density at the energy position of 0.2 eV from the conduction band edge Ec. The Vfb shift is measured after bias stress under the conditions of + 6 MV / cm for positive bias and -6 MV / cm for negative bias, respectively. In particular, the negative bias condition is a severe condition in which a gate leak current starts to occur, and serves as a guideline for the amount of hole traps in the
図10の表に示すように、酸化膜5aを完全に除去した基板2のSiC表面の強度比IN/ISiは、CO2加熱処理を行わない比較例1で高く、CO2加熱温度の増加とともに減少する。また、酸化膜5a中の飽和強度比IN/ISiも、CO2加熱処理を行わない比較例1で高く、CO2加熱温度の増加とともに減少する。このように、CO2加熱処理により界面の基板2のSiC表面及び酸化膜5a中のSi−N結合が切断され、Nが脱離することが判る。
As shown in the table of FIG. 10, the intensity ratio IN / I Si of the SiC surface of the
また、図10の表に示すように、CO2加熱温度が1400℃の実施例1では、SiC表面のN減少が顕著で界面準位密度Ditが3×1012cm-2/eVに上昇している。CO2加熱温度が1300℃及び1200℃の実施例2及び実施例3では、界面準位密度Ditが、それぞれ9×1011cm-2/eV及び8×1011cm-2/eVと低い。Vfbシフト量は、実施例1〜3では、正バイアス条件で0.1V程度であり、負バイアス条件で−2V〜−2.6V程度といずれも小さい。一方、従来のNOガスによる窒化処理だけでCO2加熱を行わない比較例1では、Nパッシベーションの効果により界面準位密度Ditが7×1011cm-2/eVと低い。しかし、比較例1はバイアスストレス後のVfbシフトが顕著で、正バイアス条件で1.0V程度、負バイアス条件で−4.9V程度と大きい。このように、実施例2及び実施例3では、界面準位密度Ditが1×1012cm-2/eV未満を維持しつつ、負バイアス条件でのVfbシフトが改善されている。 Further, as shown in the table of FIG. 10, in Example 1 in which the CO 2 heating temperature was 1400 ° C., the N decrease on the SiC surface was remarkable, and the interface state density D it increased to 3 × 10 12 cm −2 / eV. doing. In Examples 2 and 3 where the CO 2 heating temperatures are 1300 ° C and 1200 ° C, the interface state density D it is as low as 9 × 10 11 cm -2 / eV and 8 × 10 11 cm -2 / eV, respectively. .. In Examples 1 to 3, the Vfb shift amount is about 0.1 V under the positive bias condition and about -2 V to -2.6 V under the negative bias condition, both of which are small. On the other hand, in Comparative Example 1 in which CO 2 heating is not performed only by the conventional nitriding treatment with NO gas , the interface state density D it is as low as 7 × 10 11 cm −2 / eV due to the effect of N passivation. However, in Comparative Example 1, the Vfb shift after the bias stress is remarkable, and is as large as about 1.0 V under the positive bias condition and about -4.9 V under the negative bias condition. As described above, in Examples 2 and 3, the Vfb shift under the negative bias condition is improved while maintaining the interface state density D it less than 1 × 10 12 cm −2 / eV.
実施形態に係る絶縁ゲート構造では、酸化膜5a形成後に、NO窒化処理に引き続きCO2処理を実施する。CO2処理では、窒化処理で導入された酸化膜5aと基板2との界面近傍の窒化終端層6のSiO2膜中のSi−N結合あるいはSi−O−N結合が切断される。CO2ガスは、800℃〜1400℃程度で、還元ガスのCO及び酸化ガスのO2に分解される。O2ガスでもSi−N結合を切ってSi−O結合に変換する作用があるが、基板2のSiC表面も酸化され、窒化処理によって形成した界面のNパッシベーションを破壊してしまう。CO2ガスでは、COガスが生成されるので、O2ガスほど界面のNパッシベーションを破壊し難く、SiO2膜中のSi−N結合を切断することができる。そのため、界面準位密度Ditの上昇を抑制すると共に、酸化膜5aの界面近傍における窒化終端層6中のNを排除し、Nによる正孔トラップを低減することができる。
In the insulated gate structure according to the embodiment, after the
上述の説明では、基板2として、面方位が(0001)面(Si面)のSiC基板を用いている。Si面は、(11−20)面(a面)、(1−100)面(m面)、及び(000−1)面(C面)に比べて酸化速度が速い。そのため、Si面では、CO2処理温度は1000℃〜1400℃の範囲、望ましくは1100℃〜1300℃の範囲が好適である。a面、m面、及びC面では、CO2処理温度は800℃〜1200℃の範囲、望ましくは1000℃〜1200℃の範囲が好適である。
In the above description, as the
(絶縁ゲート型半導体装置の製造方法)
次に、図11〜図16に示す工程図を用いて、実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を、横型MOSFETの場合を一例に説明する。なお、以下に述べるMOSFETの製造方法は一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲であれば、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
(Manufacturing method of insulated gate type semiconductor device)
Next, the manufacturing method of the insulated gate type semiconductor device according to the embodiment will be described as an example in the case of a horizontal MOSFET by using the process diagrams shown in FIGS. 11 to 16. It should be noted that the MOSFET manufacturing method described below is an example, and of course, it can be realized by various other manufacturing methods including this modification as long as it is within the scope of the claims. Is.
まず、窒素(N)等のn型不純物が添加されたn型のSiC基板(基板)1を用意する。基板1は4H−SiC基板であり、面方位が(0001)面(Si面)である。基板1の上面に、p型のチャネル形成領域(ベース領域)3をエピタキシャル成長させる。チャネル形成領域3の上面側から、フォトリソグラフィ技術及びイオン注入技術などにより、N等のn型不純物を選択的に注入する。熱処理を行うことにより注入されたn型不純物イオンを活性化さる。その結果、図11に示すように、チャネル形成領域3の上部にn+型のソース領域(第1主電極領域)4a及びドレイン領域(第2主電極領域)4bが選択的に埋め込まれる。
First, an n-type SiC substrate (substrate) 1 to which an n-type impurity such as nitrogen (N) is added is prepared. The
図12に示すように、チャネル形成領域3の上面に、100%O2ガス雰囲気中、1200℃程度の温度で160分間程度加熱して50nm程度のSiO2からなるシリコン酸化膜5bを形成する。シリコン酸化膜5bとして、ドライ酸化膜を例示したが、ウェット酸化膜でもよく、また、熱CVD、プラズマCVD等による堆積酸化膜でもよい。例えば、減圧熱CVDでシラン(SiH4)ガスと酸素(O2)ガスを用いて、0.2Pa程度の圧力、600℃程度の温度でシリコン酸化膜5bを堆積してもよい。
As shown in FIG. 12, a
次に、N2ガスに一酸化窒素(NO)ガスを10%添加したガス雰囲気中、1250℃程度の温度で60分間程度過熱して窒化処理を行う。この窒化処理により、図13に示すように、シリコン酸化膜5bと、チャネル形成領域3、ソース領域4a及びドレイン領域4bとの界面に中間窒化層6aが形成される。なお、窒化処理には、NOに代えてN2Oガスを用いてもよい。
Next, in a gas atmosphere in which 10% of nitric oxide (NO) gas is added to N 2 gas, nitriding is performed by heating at a temperature of about 1250 ° C. for about 60 minutes. By this nitriding treatment, as shown in FIG. 13, an
窒化処理後、CO2ガス雰囲気中、2通りの温度でそれぞれ30分間程度の加熱処理を行う。2通りの温度は、実施例4として1300℃、実施例5として1200℃を採用する。この2通りの温度で加熱処理により、図14に示すように、シリコン酸化膜5bと、チャネル形成領域3、ソース領域4a及びドレイン領域4bとの界面近傍のシリコン酸化膜5bの中のN原子濃度が、2通りの態様で低減する。又、2通りの態様で、中間窒化層6aから一部のN原子が除去された窒化終端層6が生成される。CO2加熱処理では、100%のCO2ガスを用いたが、CO2ガスとN2やアルゴン(Ar)等の不活性ガスとの混合ガスを用いてもよい。
After the nitriding treatment, heat treatment is performed in a CO 2 gas atmosphere at two different temperatures for about 30 minutes each. As the two temperatures, 1300 ° C. is adopted as Example 4 and 1200 ° C. is adopted as Example 5. By heat treatment at these two temperatures, as shown in FIG. 14, the concentration of N atoms in the
フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング等によりシリコン酸化膜5bにソースコンタクトホール及びドレインコンタクトホールを開孔する。その結果、図15に示すように、チャネル形成領域3の上面にソース領域4a及びドレイン領域4bを跨ぐようにゲート絶縁膜5のパターンが選択的に残留する。
A source contact hole and a drain contact hole are opened in the
スパッタリング法、真空蒸着法等により、ゲート絶縁膜5、ソースコンタクトホール及びドレインコンタクトホールの上面に厚さが100μm程度のAl等の金属膜を堆積する。フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング等により、金属膜を分離してゲート電極7、ソース電極8a及びドレイン電極8bのパターンを形成する。その結果、ソース領域4a及びドレイン領域4bの端部の一部を跨ぐように、チャネル形成領域3の上面に、窒化終端層6を介して絶縁ゲート型電極構造(5,7)が形成される。このようにして、図16に示した実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置が完成する。
A metal film such as Al having a thickness of about 100 μm is deposited on the upper surfaces of the
このようにして作製した2通りの横型MOSFETの実施例4、5について、トランジスタ特性の測定を行い、電界効果移動度、閾値電圧Vth及びバイアス印加試験による閾値電圧(Vth)シフトの評価を行う。バイアス印加試験は、200℃、100時間で、+20Vの正バイアス条件、及び200℃、100時間で、−10Vの負バイアス条件で行っている。また、図17に示すように、実施例4、5と比較するため、図13の中間窒化層6a形成後にCO2熱処理を行わずに、ゲート絶縁膜5、並びに、ゲート電極7、ソース電極8a及びドレイン電極8bを形成した比較例2も同様に評価する。
Transistor characteristics are measured for Examples 4 and 5 of the two types of horizontal MOSFETs produced in this manner, and field effect mobility, threshold voltage Vth, and threshold voltage (Vth) shift are evaluated by a bias application test. The bias application test is performed at 200 ° C. for 100 hours under a positive bias condition of + 20 V and at 200 ° C. for 100 hours under a negative bias condition of −10 V. Further, as shown in FIG. 17, for comparison with Examples 4 and 5, the
図18に、トランジスタの評価結果を示す。図18の表に示すように、1300℃及び1200℃でCO2加熱処理した実施例4及び実施例5の電界効果移動度は、それぞれ25cm2/Vs及び22cm2/Vsである。従来の窒化処理だけの比較例2の電界効果移動度が21cm2/Vsである。このように、実施例4、5では電界効果移動度は比較例2に対して同レベルか若干の改善が見られる。また、閾値電圧Vthも比較例2と同レベルである。正バイアス条件でのVthシフトは実施例4、5、及び比較例2との間には差はないが、負バイアス条件では比較例2が−0.15Vに対し、実施例4が−0.06V、実施例5が−0.08VとVthシフトが抑制されている。このように、実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置では、電界効果移動度の向上ができ、Vthシフトを抑制することができ、半導体装置の信頼性の劣化を抑制することが可能となる。 FIG. 18 shows the evaluation result of the transistor. As shown in the table of FIG. 18, the field effect mobilities of Examples 4 and 5 that were heat-treated with CO 2 at 1300 ° C. and 1200 ° C. are 25 cm 2 / Vs and 22 cm 2 / Vs, respectively. The field effect mobility of Comparative Example 2 using only the conventional nitriding treatment is 21 cm 2 / Vs. As described above, in Examples 4 and 5, the mobility of the electric field effect is at the same level as that of Comparative Example 2 or slightly improved. Further, the threshold voltage Vth is also at the same level as in Comparative Example 2. The Vth shift under the positive bias condition is not different between Examples 4, 5 and Comparative Example 2, but under the negative bias condition, Comparative Example 2 is −0.15 V and Example 4 is −0. The Vth shift is suppressed to 06V and −0.08V in Example 5. As described above, in the insulated gate type semiconductor device according to the embodiment, the electric field effect mobility can be improved, the Vth shift can be suppressed, and the deterioration of the reliability of the semiconductor device can be suppressed.
(その他の実施形態)
上記のように、本発明の実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As described above, the insulated gate semiconductor device according to the embodiment of the present invention has been described, but the statements and drawings that form a part of this disclosure should not be understood as limiting the present invention. Various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art from this disclosure.
上述のように、実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置に係る半導体装置においては、4H−SiCを用いた横型MOSFETを例示したが、6H−SiC、3C−SiCを用いた半導体装置に適用することも可能である。更に、プレーナゲート縦型MOSFETやトレンチゲート縦型MOSFETにも適用することも可能である。 As described above, in the semiconductor device related to the insulated gate type semiconductor device according to the embodiment, the horizontal MOSFET using 4H-SiC has been exemplified, but it is applied to the semiconductor device using 6H-SiC and 3C-SiC. Is also possible. Further, it can be applied to a planar gate vertical MOSFET and a trench gate vertical MOSFET.
このように、上記の実施形態及び各変形例において説明される各構成を任意に応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, it goes without saying that the present invention includes various embodiments not described here, such as a configuration in which the above-described embodiment and each configuration described in each modification are arbitrarily applied. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the matters specifying the invention relating to the reasonable claims from the above description.
1、2…基板(SiC基板)
3…チャネル形成領域(ベース領域)
4a…ソース領域(第1主電極領域)
4b…ドレイン領域(第2主電極領域)
5…ゲート絶縁膜
5a、5b…酸化膜
6…窒化終端層
6a…中間窒化層
7…ゲート電極(制御電極)
8a…ソース電極
8b…ドレイン電極
10…表面電極
11…裏面電極
1, 2 ... Substrate (SiC substrate)
3 ... Channel formation region (base region)
4a ... Source region (first main electrode region)
4b ... Drain region (second main electrode region)
5 ...
8a ...
Claims (6)
窒素原子を含むガスで前記ゲート絶縁膜を熱処理することで、前記ゲート絶縁膜と炭化シリコンとの界面を窒化処理して、前記チャネル形成領域と前記ゲート絶縁膜との界面に中間窒化層を形成する工程と、
二酸化炭素を含むガスで前記ゲート絶縁膜を熱処理することで、前記ゲート絶縁膜中の窒素原子の一部を除去し、前記界面に窒化終端層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の上に、前記チャネル形成領域の表面ポテンシャルを制御するゲート電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。 A process of forming a gate insulating film made of a silicon oxide film on the upper surface of a channel forming region made of silicon carbide, and
By heat-treating the gate insulating film with a gas containing a nitrogen atom, the interface between the gate insulating film and silicon carbide is nitrided to form an intermediate nitride layer at the interface between the channel forming region and the gate insulating film. And the process to do
A step of removing a part of nitrogen atoms in the gate insulating film by heat-treating the gate insulating film with a gas containing carbon dioxide to form a nitriding terminal layer at the interface.
A method for manufacturing an insulated gate type semiconductor device, which comprises a step of forming a gate electrode for controlling the surface potential of the channel forming region on the gate insulating film.
前記チャネル形成領域と前記ゲート絶縁膜との界面に設けられた窒化シリコンからなる窒化終端層と、
前記ゲート絶縁膜の上に設けられ、前記チャネル形成領域の表面ポテンシャルを制御するゲート電極と、
を備え、
前記ゲート絶縁膜と炭化シリコンとの界面をX線光電子分光法で測定したとき、窒素の1s軌道に起因するスペクトルの強度INと前記チャネル形成領域に由来するシリコンの2p軌道に起因するスペクトルの強度ISiとの比IN/ISiが、前記界面から2nm以上3nm以下の間の前記ゲート絶縁膜を残したときは0.02以上、0.03未満であり、前記ゲート絶縁膜を除去したときの前記窒化終端層では0.01より大きく、0.02未満であることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。 A gate insulating film made of a silicon oxide film provided on the upper surface of a channel forming region made of silicon carbide, and a gate insulating film made of silicon oxide.
A nitriding termination layer made of silicon nitride provided at the interface between the channel forming region and the gate insulating film, and
A gate electrode provided on the gate insulating film and controlling the surface potential of the channel forming region,
With
When the interface between the gate insulating film and the silicon carbide was measured by X-ray photoelectron spectroscopy, the spectrum due to the 2p orbital of the silicon from the intensity I N of the spectrum due to the 1s orbital of nitrogen in said channel formation region intensity ratio I N / I Si and I Si is 0.02 or more when left the gate insulating film between 2nm or more 3nm or less from the interface is less than 0.03, removing the gate insulating film An insulated gate type semiconductor device, wherein the nitrided terminal layer is larger than 0.01 and less than 0.02.
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