JP2021150635A - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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本発明は、炭化珪素半導体装置およ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.
炭化珪素層上に二酸化珪素層が形成された炭化珪素半導体装置において、炭化珪素層と二酸化珪素層の界面の欠陥を低減することにより、電界効果移動度が向上した炭化珪素半導体装置が知られている。(例えば、特許文献1参照)。
炭化珪素半導体装置において、炭化珪素層と二酸化珪素層の界面(炭化珪素層と二酸化珪素層の間の領域)の欠陥だけでなく二酸化珪素層中の欠陥も低減することが好ましい。 In a silicon carbide semiconductor device, it is preferable to reduce not only defects at the interface between the silicon carbide layer and the silicon dioxide layer (the region between the silicon carbide layer and the silicon dioxide layer) but also defects in the silicon dioxide layer.
本発明の第1の態様においては、炭化珪素半導体装置を提供する。炭化珪素半導体装置は、炭化珪素層を備えてよい。炭化珪素層は、窒素およびホウ素を含んでよい。炭化珪素半導体装置は、二酸化珪素層を備えてよい。二酸化珪素層は、炭化珪素層の上方に設けられてよい。二酸化珪素層は、窒素およびホウ素を含んでよい。炭化珪素半導体装置は、中間領域を備えてよい。中間領域は、炭化珪素層および二酸化珪素層の間に配置されてよい。中間領域は、窒素およびホウ素を含んでよい。二酸化珪素層は、中間領域との境界である第1面を有してよい。二酸化珪素層は、第1面とは逆側の第2面を有してよい。窒素濃度ピークと、ホウ素濃度ピークとが、中間領域において重なっていてよい。ホウ素濃度ピークは、窒素濃度ピークよりも、第2面側に広がっていてよい。 In the first aspect of the present invention, a silicon carbide semiconductor device is provided. The silicon carbide semiconductor device may include a silicon carbide layer. The silicon carbide layer may contain nitrogen and boron. The silicon carbide semiconductor device may include a silicon dioxide layer. The silicon dioxide layer may be provided above the silicon carbide layer. The silicon dioxide layer may contain nitrogen and boron. Silicon carbide semiconductor devices may include an intermediate region. The intermediate region may be located between the silicon carbide layer and the silicon dioxide layer. The intermediate region may contain nitrogen and boron. The silicon dioxide layer may have a first surface that is a boundary with the intermediate region. The silicon dioxide layer may have a second surface opposite to the first surface. The nitrogen concentration peak and the boron concentration peak may overlap in the intermediate region. The boron concentration peak may extend to the second surface side of the nitrogen concentration peak.
ホウ素濃度ピークの頂点は、窒素濃度ピークの頂点よりも第2面側に配置されていてよい。ホウ素濃度ピークの頂点と窒素濃度ピークの頂点の距離は、3nm以下であってよい。 The apex of the boron concentration peak may be arranged on the second surface side of the apex of the nitrogen concentration peak. The distance between the apex of the boron concentration peak and the apex of the nitrogen concentration peak may be 3 nm or less.
炭化珪素層は、中間領域との境界である第3面を有してよい。炭化珪素層は、第3面とは逆側の第4面を有してよい。ホウ素濃度ピークの二酸化珪素層における第2面側への広がりは、ホウ素濃度ピークの炭化珪素層における第4面側への広がりより大きくてよい。窒素濃度ピークの二酸化珪素層における第2面側への広がりは、窒素濃度ピークの炭化珪素層における第4面側への広がりより大きくてよい。ホウ素濃度ピークの炭化珪素層における第4面側への広がりは、窒素濃度ピークの炭化珪素層における第4面側への広がりと同一であってよい。 The silicon carbide layer may have a third surface that is a boundary with the intermediate region. The silicon carbide layer may have a fourth surface opposite to the third surface. The spread of the boron concentration peak toward the second surface side in the silicon dioxide layer may be larger than the spread of the boron concentration peak toward the fourth surface side in the silicon carbide layer. The spread of the nitrogen concentration peak toward the second surface side in the silicon dioxide layer may be larger than the spread of the nitrogen concentration peak toward the fourth surface side in the silicon carbide layer. The spread of the boron concentration peak toward the fourth surface side in the silicon carbide layer may be the same as the spread of the nitrogen concentration peak toward the fourth surface side of the silicon carbide layer.
ホウ素濃度ピークの二酸化珪素層における第2面側への広がりは、5nm以上であってよい。ホウ素濃度ピークの二酸化珪素層における第2面側への広がりは、30nm以下であってよい。 The spread of the boron concentration peak toward the second surface side in the silicon dioxide layer may be 5 nm or more. The spread of the boron concentration peak toward the second surface side in the silicon dioxide layer may be 30 nm or less.
ホウ素濃度ピークの頂点におけるホウ素濃度は、1×1020cm−3以上であってよい。ホウ素濃度ピークの頂点におけるホウ素濃度は、5×1022cm−3以下であってよい。中間領域の深さ方向における中心位置から第2面に向かって5nmの位置におけるホウ素濃度は、1×1018cm−3以上であってよい。窒素濃度ピークの頂点における窒素濃度は、1×1020cm−3以上であってよい。窒素濃度ピークの頂点における窒素濃度は、5×1022cm−3以下であってよい。中間領域の深さ方向における中心位置から第2面に向かって5nmの位置におけるホウ素濃度は、中間領域の深さ方向における中心位置から第2面に向かって5nmの位置における窒素濃度の5倍以上であってよい。中間領域の深さ方向における中心位置から第2面に向かって20nmの位置におけるホウ素濃度は、ホウ素濃度ピークの頂点におけるホウ素濃度の1/1000以下であってよい。
The boron concentration at the apex of the boron concentration peak may be 1 × 10 20 cm -3 or more. The boron concentration at the apex of the boron concentration peak may be 5 × 10 22 cm -3 or less. The boron concentration at a
二酸化珪素層は、薄二酸化珪素層を有してよい。二酸化珪素層は、厚二酸化珪素層を有してよい。厚二酸化珪素層は、薄二酸化珪素層上に形成されてよい。薄二酸化珪素層におけるホウ素濃度ピークは、厚二酸化珪素層におけるホウ素濃度ピークよりも平坦であってよい。厚二酸化珪素層は、窒素を含まなくてよい。 The silicon dioxide layer may have a thin silicon dioxide layer. The silicon dioxide layer may have a thick silicon dioxide layer. The thick silicon dioxide layer may be formed on the thin silicon dioxide layer. The boron concentration peak in the thin silicon dioxide layer may be flatter than the boron concentration peak in the thick silicon dioxide layer. The thick silicon dioxide layer does not have to contain nitrogen.
本発明の第2の態様においては、炭化珪素半導体装置の製造方法を提供する。炭化珪素半導体装置の製造方法は、窒化ホウ素層形成工程を有してよい。当該工程では、炭化珪素層上に窒化ホウ素層を形成してよい。炭化珪素半導体装置の製造方法は、二酸化珪素層形成工程を有してよい。当該工程では、窒化ホウ素層上に二酸化珪素層を形成してよい。炭化珪素半導体装置の製造方法は、熱処理を行う第1熱処理工程を有してよい。当該工程では、二酸化珪素層において、窒化ホウ素層のホウ素を、窒化ホウ素層の窒素よりも、深い位置まで拡散させてよい。第1熱処理工程では、不活性ガス中において1350℃以上1500℃以下の温度で熱処理してよい。 In the second aspect of the present invention, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device is provided. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device may include a boron nitride layer forming step. In this step, a boron nitride layer may be formed on the silicon carbide layer. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device may include a silicon dioxide layer forming step. In this step, a silicon dioxide layer may be formed on the boron nitride layer. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device may include a first heat treatment step of performing heat treatment. In this step, in the silicon dioxide layer, the boron of the boron nitride layer may be diffused to a position deeper than the nitrogen of the boron nitride layer. In the first heat treatment step, the heat treatment may be performed in an inert gas at a temperature of 1350 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower.
炭化珪素半導体装置の製造方法は、第1熱処理工程の後に、第2熱処理工程を有してよい。当該工程では、酸素を含むガス中において800℃以上1300℃以下の温度で熱処理を行ってよい。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device may include a second heat treatment step after the first heat treatment step. In this step, heat treatment may be performed in a gas containing oxygen at a temperature of 800 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower.
炭化珪素半導体装置の製造方法は、薄二酸化珪素層形成工程を有してよい。当該工程では、炭化珪素層上に薄二酸化珪素層を形成してよい。炭化珪素半導体装置の製造方法は、添加工程を有してよい。当該工程では、薄二酸化珪素層に窒素およびホウ素を添加してよい。炭化珪素半導体装置の製造方法は、厚二酸化珪素層形成工程を有してよい。当該工程では、薄二酸化珪素層上に厚二酸化珪素層を形成してよい。炭化珪素半導体装置の製造方法は、最終熱処理工程を有してよい。当該工程では、熱処理を行ってよい。最終熱処理工程では、厚二酸化珪素層において、添加工程のホウ素を、添加工程の窒素よりも、厚二酸化珪素層側に拡散させてよい。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device may include a thin silicon dioxide layer forming step. In this step, a thin silicon dioxide layer may be formed on the silicon carbide layer. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device may include an addition step. In this step, nitrogen and boron may be added to the thin silicon dioxide layer. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device may include a thick silicon dioxide layer forming step. In this step, a thick silicon dioxide layer may be formed on the thin silicon dioxide layer. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device may include a final heat treatment step. In this step, heat treatment may be performed. In the final heat treatment step, in the thick silicon dioxide layer, the boron in the addition step may be diffused closer to the thick silicon dioxide layer than the nitrogen in the addition step.
添加工程において、窒素を添加後、ホウ素を添加してよい。炭化珪素半導体装置の製造方法は、添加工程の後で、かつ厚二酸化珪素層形成工程の前に、中間熱処理工程を有してよい。当該工程では、熱処理を行ってよい。中間熱処理工程では、薄二酸化珪素層にホウ素を拡散させてよい。 In the addition step, boron may be added after nitrogen is added. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device may include an intermediate heat treatment step after the addition step and before the thick silicon dioxide layer forming step. In this step, heat treatment may be performed. In the intermediate heat treatment step, boron may be diffused in the thin silicon dioxide layer.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 The outline of the above invention does not list all the necessary features of the present invention. Sub-combinations of these feature groups can also be inventions.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the inventions that fall within the scope of the claims. Also, not all combinations of features described in the embodiments are essential to the means of solving the invention.
図1は、本発明の一つの実施形態に係る炭化珪素半導体装置100の構成の一例を示す。図1の炭化珪素半導体装置100は、横型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。炭化珪素半導体装置100のおもて面91および裏面92は、X−Y平面に平行であってよい。図1は、炭化珪素半導体装置100の一部をX−Z平面で切断した断面である。本例において、X軸方向とY軸方向とは互いに垂直な方向であり、Z軸方向はX−Y平面に垂直な方向である。
FIG. 1 shows an example of the configuration of the silicon
本例においては、Z軸方向の正方向を「上」と称し、Z軸方向の負方向を「下」と称する場合がある。ただし、「上」および「下」は、必ずしも地面に対する鉛直方向を意味しない。つまり、「上」および「下」の方向は、重力方向に限定されない。「上」および「下」は、基板、層、領域および膜等における相対的な位置関係を特定する便宜的な表現に過ぎない。 In this example, the positive direction in the Z-axis direction may be referred to as "up", and the negative direction in the Z-axis direction may be referred to as "down". However, "above" and "below" do not necessarily mean the vertical direction with respect to the ground. That is, the "up" and "down" directions are not limited to the direction of gravity. "Upper" and "lower" are merely expedient expressions for specifying relative positional relationships on substrates, layers, regions, films, and the like.
図1に示す構造は、横型MOSFETの単位構造であってよい。当該単位構造は、Y軸方向に延在し、かつ、X軸方向に繰り返し設けられてよい。複数の単位構造は、X−Y平面視において略矩形形状を構成するよう配置されてよい。複数の単位構造が設けられた領域を活性領域と称する場合もある。活性領域の周囲には、活性領域における電界集中を防ぐ機能を有するエッジ終端構造が設けられてよい。エッジ終端構造は、ガードリング構造、フィールドプレート構造およびJTE(Junction Termination Extension)構造の一以上を含んでよい。 The structure shown in FIG. 1 may be a unit structure of a horizontal MOSFET. The unit structure may extend in the Y-axis direction and may be repeatedly provided in the X-axis direction. The plurality of unit structures may be arranged so as to form a substantially rectangular shape in the XY plan view. A region provided with a plurality of unit structures may be referred to as an active region. An edge termination structure having a function of preventing electric field concentration in the active region may be provided around the active region. The edge termination structure may include one or more of a guard ring structure, a field plate structure and a JTE (Junction Termination Extension) structure.
本例の炭化珪素半導体装置100は、炭化珪素基板11と炭化珪素層12を有する。炭化珪素基板11は、いわゆるC面炭化珪素基板であってよい。炭化珪素基板11のC軸方向は、Z軸方向と平行であってよい。炭化珪素基板11は、いわゆるSi面炭化珪素基板であってもよい。炭化珪素基板11のSi軸方向は、Z軸方向と平行であってよい。炭化珪素基板11は、いわゆるm面炭化珪素基板であってよい。炭化珪素基板11のm軸方向は、Z軸方向と平行であってよい。炭化珪素基板11は、いわゆるa面炭化珪素基板であってよい。炭化珪素基板11のa軸方向は、Z軸方向と平行であってよい。また、炭化珪素基板11は、貫通転位密度が1×107cm−2未満の低転位自立基板であってよい。本例の炭化珪素基板11は、n−型の基板である。
The silicon
炭化珪素層12は、炭化珪素基板11上にエピタキシャル形成されてよい。本例では、炭化珪素基板11の裏面92とは逆側の面に、炭化珪素層12が形成されている。炭化珪素層12は、p−型炭化珪素層である。本例の炭化珪素層12は、1μm以上、10μm以下(例えば4μm)の厚さを有し、p型不純物として5.0×1016cm−3以上、5.0×1017cm−3以下(例えば1.5×1017cm−3)のアルミニウム元素を含む。本例では、炭化珪素層12の、炭化珪素基板11と接する面とは逆側の面をおもて面91と称する。
The
本例においては、基板および各層の導電型をp型およびn型の一方を用いて説明しているが、他の例においては基板および各層の導電型は、逆の導電型であってもよい。なお、n型またはp型は、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。nまたはpの後に記載した+または−について、+はそれが記載されていないものよりもキャリア濃度が高く、−はそれが記載されていないものよりもキャリア濃度が低いことを意味する。 In this example, the conductive type of the substrate and each layer is described using either the p-type or the n-type, but in the other example, the conductive type of the substrate and each layer may be the opposite conductive type. .. The n-type or p-type means that electrons or holes are a large number of carriers, respectively. For + or-listed after n or p, + means higher carrier concentration than those not listed, and-means lower carrier concentration than those not listed.
炭化珪素半導体に対するp型不純物は、アルミニウム(Al)およびホウ素(B)のいずれかの元素であってよい。本例においては、p型不純物としてアルミニウム元素を用いる。また、炭化珪素半導体に対するn型不純物は、窒素(N)およびリン(P)のいずれかの元素であってよい。本例においては、n型不純物としてリン元素を用いる。 The p-type impurity for the silicon carbide semiconductor may be any element of aluminum (Al) and boron (B). In this example, an aluminum element is used as the p-type impurity. Further, the n-type impurity for the silicon carbide semiconductor may be any element of nitrogen (N) and phosphorus (P). In this example, a phosphorus element is used as the n-type impurity.
炭化珪素層12は、X軸方向において互いに離間する一対のドレイン領域13およびソース領域14を有する。本例において、ドレイン領域13およびソース領域14の上部はおもて面91に露出する。ドレイン領域13およびソース領域14は、炭化珪素層12の底部よりも浅い所定の深さ位置まで設けられてよい。
The
本例の炭化珪素半導体装置100は、ゲート電極19、中間領域17、二酸化珪素層18、ソース電極16およびドレイン電極15をさらに有する。二酸化珪素層18は、炭化珪素層12の上方に設けられる。より具体的には、二酸化珪素層18は、一対のドレイン領域13およびソース領域14の間に位置するチャネル形成領域20の上方と、チャネル形成領域20に隣接するドレイン領域13およびソース領域の一部の上方に設けられる。本例では、二酸化珪素層18を形成する前に炭化珪素層12、ドレイン領域13およびソース領域14のおもて面91から酸化層を除去するためにおもて面91を希フッ酸でエッチングし、その後、おもて面91の上方に二酸化珪素層18を形成した。
The silicon
本例においては、二酸化珪素層18と炭化珪素層12との間には、中間領域17が形成される。中間領域17の厚さは、例えば、3nm未満である。中間領域17は、二酸化珪素層18と炭化珪素層12の間に窒化ホウ素層を設け、所定の温度で熱処理することにより、形成されてよい。当該熱処理により、窒化ホウ素層に含まれる窒素元素の一部およびホウ素元素の一部が拡散する。したがって、中間領域17には、窒素元素とホウ素元素が存在している。本例の炭化珪素半導体装置100では、ゲート電極19、二酸化珪素層18、中間領域17および炭化珪素層12でゲート構造を構成する。
In this example, an
ゲート電極19は、二酸化珪素層18に接する。本例のゲート電極19は、二酸化珪素層18上に位置する。本例の二酸化珪素層18は、ドレイン領域13およびソース領域14間のチャネル形成領域20の上方に配置され、且つ、チャネル形成領域20のX軸方向の長さよりも長い。本例において、ソース電極16は、おもて面91においてソース領域14に接する。ドレイン電極15は、おもて面91においてドレイン領域13に接する。ゲート電極19、ソース電極16およびドレイン電極15の各々は、アルミニウム電極であってよい。ゲート電極19、ソース電極16およびドレイン電極15の各々は、抵抗加熱蒸着またはフォトパターニングで形成されてよい。
The
ゲート電極19に所定の正電位が供給されることにより、ドレイン領域13およびソース領域14間に位置するチャネル形成領域20に電荷反転領域(即ち、チャネル)が形成される。チャネルが形成された状態で、ソース電極16およびドレイン電極15間に所定の電位差を印加することで、ソース電極16からドレイン電極15へ電子電流が流れる。ゲート電極19に所定の正電位を供給し、チャネルを形成することを炭化珪素半導体装置100がオンするとも称する。これに対して、ゲート電極19に所定の正電位を供給することを止めると、チャネルが消滅する。これにより、電子電流の流れは止まり、炭化珪素半導体装置100はオフする。
By supplying a predetermined positive potential to the
図2は、ゲート構造61の形成方法を示す図である。まず、炭化珪素層12上に窒化ホウ素層30を形成する窒化ホウ素層形成工程S101を実施する(S101)。本例の窒化ホウ素層30の厚さは、1nm以上、5nm以下(例えば3nm)である。窒化ホウ素層形成工程S101は、熱CVD装置により実施されてよい。窒化ホウ素層形成工程S101は、900℃以上、1100℃以下(例えば1000℃)の温度で実施されてよい。本例において成膜される窒化ホウ素層30は、微結晶である。
FIG. 2 is a diagram showing a method of forming the
次に、窒化ホウ素層30上に二酸化珪素層18を形成する二酸化珪素層形成工程S102を実施する(S102)。本例の二酸化珪素層18の厚さは、30nm以上(例えば50nm)である。二酸化珪素層形成工程S102は、高温酸化(HTO)により実施されてよい。二酸化珪素層形成工程S102は、ドライ酸化、ウェット酸化、および、スチーム酸化のいずれかにより実施されてもよい。二酸化珪素層形成工程S102は、他の公知の方法で実施されてよい。
Next, the silicon dioxide layer forming step S102 for forming the
二酸化珪素層18を形成後、熱処理を行う第1熱処理工程S103を実施する(S103)。第1熱処理工程S103は、大気圧のN2ガス雰囲気中で実施してよい。第1熱処理工程の処理温度は、1350℃以上1500℃以下であってよい。第1熱処理工程S103の処理温度は、1400℃以上であってもよい。本例の第1熱処理工程S103の処理時間は、5分以上、20分以下(例えば10分)である。第1熱処理工程S103は、不活性ガス中において1350℃以上1500℃以下の温度で熱処理してよい。第1熱処理工程S103により、窒化ホウ素層30中のホウ素元素を二酸化珪素層18に拡散させる。第1熱処理工程S103では、二酸化珪素層18において、窒化ホウ素層30のホウ素を、窒化ホウ素層30の窒素よりも、深い位置まで拡散させてよい。深い位置とは、Z軸方向において、窒化ホウ素層30からの距離がより大きい位置を指す。第1熱処理工程S103を実施すると、窒化ホウ素層30の窒素元素の一部は炭化珪素層12の炭化珪素と反応してSiN3結合を形成する。したがって、二酸化珪素層18に拡散する窒素元素が少なくなり、二酸化珪素層18中のホウ素元素の不純物濃度は、二酸化珪素層18中の窒素元素の不純物濃度よりも高くなる。
After forming the
第1熱処理工程S103を実施の後に、第2熱処理工程S104を実施する(S104)。第2熱処理工程は、大気圧のO2ガス雰囲気中で実施してよい。第2熱処理工程S104の処理温度は、800℃以上1300℃以下(例えば900℃)であってよい。第2熱処理工程S104の処理時間は、10分以上、60分以下(例えば30分)である。第1熱処理工程S103の後に、酸素を含むガス中において800℃以上1300℃以下の温度で熱処理を行う第2熱処理工程S104を実施してよい。第2熱処理工程S104の温度は、第1熱処理工程S103の温度より低くてよい。第2熱処理工程S104により、二酸化珪素層18中の窒素元素をN2として放出する。第1熱処理工程S103および第2熱処理工程S104を実施すると、中間領域17が形成される。
After the first heat treatment step S103 is carried out, the second heat treatment step S104 is carried out (S104). The second heat treatment step may be carried out in an atmospheric pressure O 2 gas atmosphere. The treatment temperature of the second heat treatment step S104 may be 800 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower (for example, 900 ° C.). The treatment time of the second heat treatment step S104 is 10 minutes or more and 60 minutes or less (for example, 30 minutes). After the first heat treatment step S103, a second heat treatment step S104 may be performed in which heat treatment is performed at a temperature of 800 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower in a gas containing oxygen. The temperature of the second heat treatment step S104 may be lower than the temperature of the first heat treatment step S103. In the second heat treatment step S104, the nitrogen element in the
図3は、炭化珪素半導体装置100のゲート構造61をSIMS分析した結果の濃度プロファイルの一例である。図3の(a)、(b)は、中間領域17の近傍の濃度プロファイルを示している。中間領域17の近傍とは、二酸化珪素層18の一部、中間領域17および炭化珪素層12(チャネル形成領域20)の一部である。また、中間領域17のZ軸方向(深さ方向)における中心位置をZcとする。図3の(a)は、ホウ素および窒素の濃度プロファイルを示している。図3の(b)は、酸素、炭素およびシリコンの濃度プロファイルを示している。図3の(a)、(b)の縦軸は、不純物濃度である。図3の(a)、(b)の横軸は、深さ(図3におけるZ軸方向の深さ)である。図3の(a)、(b)において、深さを合わせて示している。
FIG. 3 is an example of the concentration profile as a result of SIMS analysis of the
図3の(c)は、ゲート構造61の近傍の層構造を示している。図3の(c)では、二酸化珪素層18、中間領域17および炭化珪素層12に加えて、炭化珪素基板11、ゲート電極19を示している。図3の(c)において、図3の(a)、(b)に示されていない領域に関しては、深さ方向における長さを一部省略している。
FIG. 3C shows a layered structure in the vicinity of the
図3の(b)を参照すると、酸素濃度は、二酸化珪素層18中において、略一定の不純物濃度d1である。酸素濃度は、中間領域17に到達した際に単調に減少し始め、炭化珪素層12中において一定の不純物濃度となる。また、炭素濃度は、炭化珪素層12中において、略一定の不純物濃度d2である。炭素濃度は、中間領域17に到達した際に単調に減少し始め、二酸化珪素層18中において一定の不純物濃度となる。
With reference to FIG. 3B, the oxygen concentration is a substantially constant impurity concentration d1 in the
中間領域17は、図3の(b)において、二酸化珪素層18中の酸素濃度が二酸化珪素層18から炭化珪素層12に向かって減少し始める位置から、炭化珪素層12の炭素濃度が炭化珪素層12から二酸化珪素層18に向かって減少し始める位置までの領域であってよい。二酸化珪素層18中の酸素濃度が減少し始める位置は、酸素濃度が、二酸化珪素層18中の酸素濃度の最大値の95%になる位置であってよく、90%以下になる位置であってもよい。図3の(c)においては、当該位置におけるXY面を第1面93としている。二酸化珪素層18中の酸素濃度の最大値とは、不純物濃度d1であってよい。
In the
また同様に、炭化珪素層12の炭素濃度が減少し始める位置は、炭素濃度が、炭化珪素層12中の炭素濃度の最大値の95%以下になる位置であってよく、90%以下になる位置であってもよい。図3の(c)においては、当該位置におけるXY面を第3面95としている。炭化珪素層12中の炭素濃度の最大値とは、不純物濃度d2であってよい。また、シリコン濃度は、中間領域17に到達した際に単調に減少し始め、二酸化珪素層18中において一定の不純物濃度となる。
Similarly, the position where the carbon concentration of the
次に、図3の(c)を参照すると、二酸化珪素層18の第1面93は、二酸化珪素層18と中間領域17の境界である。また、二酸化珪素層18は、第2面94を有してよい。第2面94は、第1面93とは逆側の面である。第2面94は、二酸化珪素層18とゲート電極19の境界であってよい。二酸化珪素層18とゲート電極19の境界とは、ゲート電極19の金属元素(例えばアルミニウム元素)がある一定の閾値(例えば0または検出限界値)以下の濃度となる位置であってよい。
Next, referring to (c) of FIG. 3, the
炭化珪素層12の第3面95は、炭化珪素層12と中間領域17の境界である。また、炭化珪素層12は、第4面96を有してよい。第4面96は、第3面95とは逆側の面である。第4面96は、炭化珪素層12と炭化珪素基板11の境界であってよい。炭化珪素層12と炭化珪素基板11の境界とは、炭化珪素層12の不純物(例えばアルミニウム元素)がある一定の閾値(例えば0または検出限界値)以下の濃度となる位置であってよい。
The
ここで、図3の(a)を参照すると、ホウ素濃度ピーク21と窒素濃度ピーク22が存在する。ホウ素濃度ピーク21とは、ホウ素の不純物濃度のプロファイルの山を意味する。したがって、ホウ素濃度ピーク21において、ホウ素濃度は検出下限以上の不純物濃度を示す。ホウ素の不純物濃度の検出下限は、例えば、5×1015cm−3である。また、ホウ素濃度ピーク21は、頂点23を有する。頂点23は、ホウ素濃度ピーク21の不純物濃度が最大値となる点である。ホウ素濃度ピーク21の頂点23におけるホウ素濃度は、1×1020cm−3以上5×1022cm−3以下であってよい。頂点23におけるホウ素濃度は、1×1021cm−3以上であってよく、5×1021cm−3以上であってもよい。本例において、頂点23におけるホウ素の不純物濃度は、5×1021cm−3である。
Here, referring to FIG. 3A, there are a
また、同様に、窒素濃度ピーク22とは、窒素の不純物濃度のプロファイルの山を意味する。したがって、窒素濃度ピーク22において、ホウ素濃度は検出下限以上の不純物濃度を示す。窒素の不純物濃度の検出下限は、例えば、5×1015cm−3である。また、窒素濃度ピーク22は、頂点24を有する。頂点24は、窒素濃度ピーク22の不純物濃度が最大値となる点である。窒素濃度ピーク22の頂点24における窒素濃度は、1×1020cm−3以上5×1022cm−3以下であってよい。頂点24における窒素濃度は、1×1021cm−3以上であってよく、5×1021cm−3以上であってもよい。本例において、頂点24における窒素の不純物濃度は、1×1022cm−3である。頂点24における窒素濃度は、頂点23におけるホウ素の不純物濃度より高くてよく、低くてもよい。
Similarly, the
中間領域17は、窒化ホウ素層30を熱処理することにより形成されているため、中間領域17において、窒素濃度ピーク22と、ホウ素濃度ピーク21とが重なっている。窒素濃度ピーク22と、ホウ素濃度ピーク21とが、中間領域17において重なっているとは、中間領域17において、窒素濃度ピーク22の頂点24が、ホウ素濃度ピーク21の半値全幅の範囲に入ることであってよい。また同様に、窒素濃度ピーク22と、ホウ素濃度ピーク21とが、中間領域17において重なっているとは、中間領域17において、ホウ素濃度ピーク21の頂点23が、窒素濃度ピーク22の半値全幅の範囲に入ることであってもよい。炭化珪素層12は、窒素およびホウ素を含んでよい。二酸化珪素層18は、炭化珪素層12の上方に設けられ、窒素およびホウ素を含んでよい。
Since the
ホウ素濃度ピーク21は、窒素濃度ピーク22よりも、第2面94側に広がっていてよい。ホウ素濃度ピーク21は、窒素濃度ピーク22よりも、第2面94側に広がっているとは、二酸化珪素層18中において、ホウ素濃度ピーク21が窒素濃度ピーク22よりも広い範囲に分布していることである。また、二酸化珪素層18におけるホウ素濃度が頂点23におけるホウ素濃度の1/1000となる位置は、二酸化珪素層18における窒素濃度が頂点24における窒素濃度の1/1000となる位置よりも、第2面94側に配置されていてよい。
The
本例において、ホウ素濃度ピーク21が窒素濃度ピーク22よりも第2面94側に広がっていることにより、二酸化珪素層18中においてホウ素元素が窒素元素よりも高濃度に拡散している。ホウ素元素が二酸化珪素層18中に拡散していることにより、欠陥がホウ素元素により終端され、二酸化珪素層18中の欠陥を低減できる。また、窒素元素は中間領域17において多く存在していることにより、欠陥が窒素元素により終端され、中間領域17および中間領域17に接する炭化珪素層12の欠陥を低減することができる。したがって、炭化珪素半導体装置100の電界効果移動度を高めることができる。
In this example, since the
また、ホウ素濃度ピーク21は、窒素濃度ピーク22よりも、第2面94側に広がっていることにより、ホウ素濃度ピーク21の頂点23も窒素濃度ピーク22の頂点24よりも第2面94側に配置されている。ホウ素濃度ピーク21の頂点23は、窒素濃度ピーク22の頂点24よりも第2面94側に配置されていてよい。ホウ素濃度ピーク21の頂点23は、窒素濃度ピーク22の頂点24の近傍に配置されてよい。ホウ素濃度ピーク21の頂点23と窒素濃度ピーク22の頂点24の距離は、3nm以下であってよい。
Further, since the
炭化珪素層12において、元素は拡散しにくい。したがって、炭化珪素層12における元素の広がりは、二酸化珪素層18における元素の広がりより小さくてよい。ホウ素濃度ピーク21の二酸化珪素層18における第2面94側への広がりは、ホウ素濃度ピーク21の炭化珪素層12における第4面96側への広がりより大きくてよい。窒素濃度ピーク22の二酸化珪素層18における第2面94側への広がりは、窒素濃度ピーク22の炭化珪素層12における第4面96側への広がりより大きくてよい。なお、広がりとは各ピークが検出下限以上の不純物濃度を示す範囲である。広がりとは、ピークの頂点の不純物濃度の1/1000以上の不純物濃度を示す範囲であってもよい。
In the
炭化珪素層12において、元素は拡散しにくいため、炭化珪素層12内ではどの元素も同様のプロファイルになる。ホウ素濃度ピーク21の炭化珪素層12における第4面96側への広がりは、窒素濃度ピーク22の炭化珪素層12における第4面96側への広がりと同一であってよい。広がりが同一であるとは、50%以下の誤差があってよく、30%以下の誤差があってよく、10%以下の誤差があってもよい。ホウ素と窒素で検出下限が異なる場合は、共通の閾値を決め、各ピークが共通の閾値以上の不純物濃度示す範囲を各ピークの広がりとしてよい。
Since the elements are difficult to diffuse in the
ホウ素濃度ピーク21の二酸化珪素層18における第2面94側への広がりは、5nm以上であってよい。ホウ素濃度ピーク21の二酸化珪素層18における第2面94側への広がりは、30nm以下であってよい。第1熱処理工程S103および第2熱処理工程S104の処理温度、処理時間を調整することで、ホウ素濃度ピーク21の二酸化珪素層18における第2面94側への広がりを調整することができる。したがって、炭化珪素半導体装置100の電界効果移動度を制御することができる。
The spread of the
Zcから第2面94に向かって5nmの位置におけるホウ素濃度は、1×1018cm−3以上であってよい。Zcから第2面94に向かって5nmの位置におけるホウ素濃度は、Zcから第2面94に向かって5nmの位置における窒素濃度の5倍以上であってよい。第1熱処理工程S103および第2熱処理工程S104の処理温度、処理時間を調整することで、Zcから第2面94に向かって5nmの位置における不純物濃度を調整することが可能である。
The boron concentration at a position of 5 nm from Zc toward the
Zcから第2面94に向かって20nmの位置におけるホウ素濃度は、ホウ素濃度ピーク21の頂点23におけるホウ素濃度の1/1000以下であってよい。Zcから第2面94に向かって20nmの位置におけるホウ素濃度は、5×1018cm−3以下であってよい。本例において、Zcから第2面94に向かって20nmの位置におけるホウ素濃度は、5×1017cm−3である。第1熱処理工程S103および第2熱処理工程S104の処理温度、処理時間を調整することで、Zcから第2面94に向かって20nmの位置における不純物濃度も調整することが可能である。
The boron concentration at the position of 20 nm from Zc toward the
図4は、炭化珪素半導体装置100のゲート構造62をSIMS分析した結果の濃度プロファイルの例である。図4の炭化珪素半導体装置100のゲート構造62は、第2熱処理工程S104において、10%NOガス雰囲気中で、1250℃で30分加熱している点で図3の炭化珪素半導体装置100のゲート構造61と異なる。図4の炭化珪素半導体装置100のゲート構造62のそれ以外の製造工程は、図3の炭化珪素半導体装置100のゲート構造61の製造工程と同一であってよい。図4の(a)のプロファイルは、図3の(a)のプロファイルと略同一である。
FIG. 4 is an example of the concentration profile as a result of SIMS analysis of the
図5は、炭化珪素半導体装置100のゲート構造63をSIMS分析した結果の濃度プロファイルの例である。図5の炭化珪素半導体装置100のゲート構造63は、窒化ホウ素層形成工程S101における、窒化ホウ素層30の厚さが1nmである点で図3の炭化珪素半導体装置100のゲート構造61と異なる。図5の炭化珪素半導体装置100のゲート構造63のそれ以外の製造工程は、図3の炭化珪素半導体装置100のゲート構造61の製造工程と同一であってよい。
FIG. 5 is an example of the concentration profile as a result of SIMS analysis of the
窒化ホウ素層30の厚さを薄くした結果、図5の(a)において、ホウ素濃度ピーク21の頂点23および窒素濃度ピーク22の頂点24の不純物濃度の値は、図3の(a)と比較すると下がっている。不純物濃度の値は下がっているが、プロファイルの形は略同一である。
As a result of reducing the thickness of the
図6は、比較例に係る炭化珪素半導体装置のゲート構造64をSIMS分析した結果の濃度プロファイルの例である。図6の炭化珪素半導体装置のゲート構造64は、窒化ホウ素層形成工程S101が実施されない点で図3の炭化珪素半導体装置100のゲート構造61と異なる。図6の炭化珪素半導体装置のゲート構造64のそれ以外の製造工程は、図3の炭化珪素半導体装置100のゲート構造61の製造工程と同一であってよい。窒化ホウ素層形成工程S101が実施されないため、ホウ素濃度ピークおよび窒素濃度ピークが存在しない。
FIG. 6 is an example of the concentration profile as a result of SIMS analysis of the
図7は、比較例に係る炭化珪素半導体装置のゲート構造65をSIMS分析した結果の濃度プロファイルの例である。図6の炭化珪素半導体装置のゲート構造65は、第1熱処理工程S103において、処理温度1000℃、処理時間30分で実施される点および第2熱処理工程S104が実施されない点で図3の炭化珪素半導体装置100のゲート構造61と異なる。図7の炭化珪素半導体装置のゲート構造65のそれ以外の製造工程は、図3の炭化珪素半導体装置100のゲート構造61の製造工程と同一であってよい。
FIG. 7 is an example of the concentration profile as a result of SIMS analysis of the
ゲート構造65の熱処理の条件では、ゲート構造65の窒化ホウ素層30は分解せず、窒化ホウ素層30に含まれる窒素元素およびホウ素元素は拡散しない。したがって、ホウ素濃度ピーク21および窒素濃度ピーク22のプロファイルは略同一であり、Zcを通る線を中心として略線対称である。
Under the heat treatment conditions of the
図8は、比較例に係る炭化珪素半導体装置のゲート構造66をSIMS分析した結果の濃度プロファイルの例である。図8の炭化珪素半導体装置のゲート構造66の製造工程は、図3の炭化珪素半導体装置100のゲート構造61の製造工程と差異が多いため、詳細に説明する。
FIG. 8 is an example of the concentration profile as a result of SIMS analysis of the
まず、炭化珪素層12上に窒化ホウ素層30を形成する窒化ホウ素層形成工程S101を実施する。本例の窒化ホウ素層30の厚さは、3nmである。窒化ホウ素層形成工程S101は、熱CVD装置により実施されてよい。窒化ホウ素層形成工程S101は、1000℃の温度で実施される。本例において成膜される窒化ホウ素層30は、微結晶である。
First, the boron nitride layer forming step S101 for forming the
まず、炭化珪素層12上に二酸化珪素層18の一部を形成する第1二酸化珪素層形成工程を実施する。第1二酸化珪素層形成工程において二酸化珪素層の厚さは、20nmである。第1二酸化珪素層形成工程は、N2O雰囲気中で行われてよい。第1二酸化珪素層形成工程がN2O雰囲気中で実施されることにより、中間領域17近傍の欠陥を低減することができる。第1二酸化珪素層形成工程の後に、第2二酸化珪素層形成工程が実施されてよい。第2二酸化珪素層形成工程において二酸化珪素層の厚さは、50nmである。第2二酸化珪素層形成工程は、高温酸化(HTO)により実施されてよい。二酸化珪素層形成工程は、他の公知の方法で実施されてよい。第2二酸化珪素層形成工程を実施すると、炭化珪素層12上に二酸化珪素層18が成膜される。
First, a first silicon dioxide layer forming step of forming a part of the
次に、窒化ホウ素固体ソースを二酸化珪素層18に接して配置し、熱処理を実施した。窒化ホウ素固体ソースは、例として、窒化ホウ素ウェハである。窒化ホウ素固体ソースは、炭化珪素層12と平行に配置されてよい。窒化ホウ素固体ソースを第2面94からZ軸方向の正方向に向かって2mmの位置に配置し、熱処理を実施してよい。熱処理は、大気圧下のO2雰囲気中で実施される。熱処理の処理温度は1000℃である。熱処理の処理時間は、30分であってよい。図8の(a)において、二酸化珪素層18中でホウ素濃度は略一定の値になる。
Next, the boron nitride solid source was placed in contact with the
図9は、比較例に係る炭化珪素半導体装置のゲート構造67をSIMS分析した結果の濃度プロファイルの例である。図9の炭化珪素半導体装置のゲート構造67は、第2熱処理工程S104が実施されない点で図3の炭化珪素半導体装置100のゲート構造61と異なる。図9の炭化珪素半導体装置のゲート構造67のそれ以外の製造工程は、図3の炭化珪素半導体装置100のゲート構造61の製造工程と同一であってよい。ゲート構造67は、第2熱処理工程S104が実施されないため、ホウ素濃度ピーク21の二酸化珪素層18における第2面94側への広がりは、窒素濃度ピーク22の二酸化珪素層18における第2面94側への広がりと略同一である。
FIG. 9 is an example of the concentration profile as a result of SIMS analysis of the
図10は、比較例に係る炭化珪素半導体装置のゲート構造68をSIMS分析した結果の濃度プロファイルの例である。図10の炭化珪素半導体装置のゲート構造68は、窒化ホウ素層形成工程S101における、窒化ホウ素層30の厚さが8nmである点で図3の炭化珪素半導体装置100のゲート構造61と異なる。図10の炭化珪素半導体装置のゲート構造68のそれ以外の製造工程は、図3の炭化珪素半導体装置100のゲート構造61の製造工程と同一であってよい。
FIG. 10 is an example of a concentration profile as a result of SIMS analysis of the
窒化ホウ素層30の厚さを厚くした結果、図10の(a)において、ホウ素濃度ピーク21の頂点23の不純物濃度は、図3の(a)と比較すると不純物濃度の値が大きい。不純物濃度の値は大きくなっているが、プロファイルの形は略同一である。
As a result of increasing the thickness of the
図11は、ゲート構造71の形成方法を示す図である。まず、炭化珪素層12上に薄二酸化珪素層40を形成する薄二酸化珪素層形成工程S201を実施する(S201)。本例の薄二酸化珪素層40の厚さは、2nm以上、8nm以下(より好ましくは、4nm以上、6nm以下)である。薄二酸化珪素層形成工程S201は、熱CVD法、プラズマCVD法などの化学気相堆積法(CVD法)により実施されてよい。薄二酸化珪素層形成工程S201は、ドライ酸化、ウェット酸化、および、スチーム酸化のいずれかにより実施されてもよい。薄二酸化珪素層形成工程S201は、他の公知の方法で実施されてよい。
FIG. 11 is a diagram showing a method of forming the
次に、薄二酸化珪素層40に窒素およびホウ素を添加する添加工程S202を実施する(S202)。添加工程S202では、最初に薄二酸化珪素層40と炭化珪素層12の界面の窒化を行うことにより、窒素の添加を実施する。界面の窒化は、NOまたはN2Oガスを含む雰囲気中で加熱処理(実施温度は、1150℃以上、1350℃以下)を行うことで実施されてよい。また、界面の窒化は、N2ガスを含む雰囲気中で加熱処理(実施温度は、1400℃以上、1500℃以下)を行うことで実施されてもよい。界面の窒化は、N2プラズマ処理によって実施されてもよい。
Next, the addition step S202 of adding nitrogen and boron to the thin
添加工程S202では、次に窒化ホウ素、酸化ホウ素含有セラミック板などの固体ソースを薄二酸化珪素層40に接して配置し、熱処理を実施することにより、ホウ素の添加を実施する。窒化ホウ素固体ソースは、炭化珪素層12と平行に配置されてよい。窒化ホウ素固体ソースを炭化珪素層12と接していない薄二酸化珪素層40の表面からZ軸方向の正方向に向かって離して配置し、熱処理を実施してよい。例えば、窒化ホウ素固体ソースを炭化珪素層12と接していない薄二酸化珪素層40の表面からZ軸方向の正方向に向かって2mmの位置に配置し、熱処理を実施する。熱処理は、ArまたはN2とO2の混合雰囲気中で実施される。熱処理の処理温度は950℃である。ホウ素添加時の熱処理の温度が高すぎると、薄二酸化珪素層40と炭化珪素層12との界面の状態を悪化させてしまうため、1000℃以下で熱処理を実施するのが好ましい。熱処理の処理時間は、10分であってよい。
In the addition step S202, boron is added by arranging a solid source such as boron nitride or a ceramic plate containing boron oxide in contact with the thin
説明した通り、ホウ素添加時の熱処理に対して、窒素添加時の熱処理が高い。そのため、ホウ素添加を先に実施すると、ホウ素濃度のプロファイルに影響を及ぼす。したがって、添加工程S202において、薄二酸化珪素層40に窒素を添加後、ホウ素を添加する。
As explained, the heat treatment when nitrogen is added is higher than the heat treatment when boron is added. Therefore, the addition of boron first affects the profile of the boron concentration. Therefore, in the addition step S202, nitrogen is added to the thin
添加工程S202の後で熱処理を行う中間熱処理工程S203を実施してもよい(S203)。中間熱処理工程S203では、薄二酸化珪素層40にホウ素を拡散させる。中間熱処理工程S203を実施することにより、薄二酸化珪素層40におけるホウ素濃度を略一定にすることができる。中間熱処理工程S203は、実施されなくてもよい。
An intermediate heat treatment step S203 in which the heat treatment is performed after the addition step S202 may be carried out (S203). In the intermediate heat treatment step S203, boron is diffused in the thin
次に、薄二酸化珪素層40上に厚二酸化珪素層50を形成する厚二酸化珪素層形成工程S204を実施する(S204)。本例の厚二酸化珪素層50の厚さは、例えば、40nmである。厚二酸化珪素層形成工程S204は、熱CVD法、プラズマCVD法などの化学気相堆積法(CVD法)により実施されてよい。厚二酸化珪素層形成工程S204は、他の公知の方法で実施されてよい。厚二酸化珪素層50は、薄二酸化珪素層40より厚く均一な膜厚で形成するため、熱CVD法により形成されるのが好ましい。
Next, the thick silicon dioxide layer forming step S204 for forming the thick
厚二酸化珪素層形成工程S204の後に、熱処理を行う最終熱処理工程S205を実施する(S205)。最終熱処理工程205では、厚二酸化珪素層50において、添加工程S202のホウ素を、添加工程S202の窒素よりも、厚二酸化珪素層50側まで拡散させる。最終熱処理工程S205は、N2またはAr等の不活性ガス雰囲気中で実施してよい。最終熱処理工程S205の処理温度は、例えば、950℃である。最終熱処理工程S205の処理時間は、10分以上、60分以下(例えば30分)である。最終熱処理工程S205を実施することにより、薄二酸化珪素層40と厚二酸化珪素層50の界面に発生する界面準位を消失させ、かつ厚二酸化珪素層50の絶縁性能を向上することができる。
After the thick silicon dioxide layer forming step S204, the final heat treatment step S205 for performing the heat treatment is carried out (S205). In the final heat treatment step 205, in the thick
図12は、炭化珪素半導体装置100のゲート構造71をSIMS分析した結果の濃度プロファイルの一例である。図12の(a)、(b)は、薄二酸化珪素層40の近傍の濃度プロファイルを示している。薄二酸化珪素層40の近傍とは、厚二酸化珪素層50の一部、薄二酸化珪素層40および炭化珪素層12の一部である。また、図12においては、中間領域17も合わせて示している。図12の(a)は、ホウ素および窒素の濃度プロファイルを示している。図12の(b)は、酸素、炭素およびシリコンの濃度プロファイルを示している。図12の(a)、(b)の縦軸は、不純物濃度である。図12の(a)、(b)の横軸は、深さ(図12におけるZ軸方向の深さ)である。図12の(a)、(b)において、深さを合わせて示している。
FIG. 12 is an example of the concentration profile as a result of SIMS analysis of the
図12の(c)は、ゲート構造71の近傍の層構造を示している。図12の(c)では、厚二酸化珪素層50、薄二酸化珪素層40および炭化珪素層12に加えて、炭化珪素基板11、ゲート電極19を示している。図12の(c)において、図12の(a)、(b)に示されていない領域に関しては、深さ方向における長さを一部省略している。
FIG. 12C shows a layered structure in the vicinity of the
図12において、ホウ素濃度ピーク21は、窒素濃度ピーク22よりも、第2面94側に広がっている。また、ホウ素濃度ピーク21は、窒素濃度ピーク22よりも、第2面94側に広がっていることにより、ホウ素濃度ピーク21の頂点23も窒素濃度ピーク22の頂点24よりも第2面94側に配置されている。したがって、ゲート構造71の構成でも、二酸化珪素層18中においてホウ素元素が窒素元素よりも高濃度に拡散させることができる。よって、炭化珪素半導体装置100の電界効果移動度を高めることができる。
In FIG. 12, the
薄二酸化珪素層40は窒化ホウ素などの固体ソースを熱処理することでホウ素が添加されているため、薄二酸化珪素層40におけるホウ素濃度ピークは、略一定の値である。したがって、図12において、薄二酸化珪素層40におけるホウ素濃度ピークは、厚二酸化珪素層50におけるホウ素濃度ピークよりも平坦であってよい。薄二酸化珪素層40におけるホウ素濃度ピークが平坦であることにより、ホウ素濃度ピーク21と窒素濃度ピーク22の位置をずらすことができる。
Since boron is added to the thin
また、厚二酸化珪素層50は、添加工程S202の後に形成されている。したがって、厚二酸化珪素層50は、窒素を含まなくてよい。このような構成でも、ホウ素濃度ピーク21と窒素濃度ピーク22の位置をずらすことができる。
Further, the thick
各ゲート構造において、電界効果移動度およびVthシフトを下記表1に示す。Vthシフトは、ソース領域およびドレイン領域にそれぞれ20V、−20Vを印加して、1000時間経過した時点でのVth(ゲート閾値電圧)の変化を計測した。
ゲート構造61およびゲート構造62は、Zcから第2面94に向かって5nmの位置におけるホウ素濃度は、1×1018cm−3以上である。また、ゲート構造61およびゲート構造62は、Zcから第2面94に向かって5nmの位置におけるホウ素濃度は、Zcから第2面94に向かって5nmの位置における窒素濃度の5倍以上である。したがって、二酸化珪素層18中にある、窒素元素とは結合していないホウ素元素が、中間領域17近傍の欠陥を低減することができ、ゲート構造65に比べ、電界効果移動度が高くなる。また、ゲート構造61とゲート構造63を比較すると、最大ホウ素濃度がより高い方が、欠陥低減効果が高く、電界効果移動度が高くなる。最大ホウ素濃度は、1×1020cm−3以上であることが好ましい。
The
また、ゲート構造61、ゲート構造62およびゲート構造63のように、Zcから第2面94に向かって20nmの位置におけるホウ素濃度は、ホウ素濃度ピーク21の頂点23におけるホウ素濃度の1/1000以下であることが好ましい。Zcから第2面94に向かって20nmの位置におけるホウ素濃度は、ホウ素濃度ピーク21の頂点23におけるホウ素濃度の1/1000以下であることにより、Vthシフトを抑制することができる。ゲート構造66のように二酸化珪素層18表面からホウ素を拡散させた場合と比べ、二酸化珪素層18の信頼性を向上することが可能となる。
Further, as in the
ゲート構造68のようにホウ素濃度が高い幅が広いと、信頼性(Vthシフト)は悪化する。したがって、ゲート構造のホウ素濃度を制御することが好ましい。以上まとめると、本実施例(ゲート構造61、62、63、71)のようにホウ素濃度および窒素濃度を制御することにより、電界効果移動度を高め、信頼性を向上することができる。
If the width of the
図13は、本発明の他の実施形態に係る炭化珪素半導体装置200の構成の一例を示す。図13の炭化珪素半導体装置200は、縦型MOSFETである。
FIG. 13 shows an example of the configuration of the silicon
炭化珪素基板121は、例えば窒素元素がドーピングされた炭化珪素結晶基板である。炭化珪素層122は、炭化珪素基板121よりも低い不純物濃度で、例えば窒素元素がドーピングされている低濃度n型ドリフト層である。炭化珪素層122の、炭化珪素基板121側に対して反対側の表面側は、高濃度領域105が形成されている。高濃度領域105は、炭化珪素基板121よりも低く、炭化珪素層122よりも高い不純物濃度で、例えば窒素元素がドーピングされている高濃度n型ドリフト層である。
The
図13に示すように、炭化珪素基板121の裏面には、ドレイン電極114が設けられている。ドレイン電極114の下方には、ドレイン電極パッド116が設けられている。
As shown in FIG. 13, a
炭化珪素半導体装置200のおもて面側には、トレンチ構造が形成されている。具体的には、トレンチ117は、ベース層106の炭化珪素基板121側に対して反対側(炭化珪素半導体装置200のおもて面側)の表面からベース層106を貫通して高濃度領域105に達する。トレンチ117の内壁に沿って、トレンチ117の底部および側壁に中間領域109が形成されており、トレンチ117内の中間領域109の内側に二酸化珪素層110が形成されている。さらに、トレンチ117内の二酸化珪素層110の内側にゲート電極111が形成されている。二酸化珪素層110により、ゲート電極111が、炭化珪素層122およびベース層106と絶縁されている。ゲート電極111の一部は、トレンチ117の上方(ソース電極パッド115側)からソース電極パッド115側に突出してよい。中間領域109は、ゲート構造61と同じ方法により形成されてよい。また、ゲート電極111上には、層間絶縁膜112が形成されてよい。層間絶縁膜112は、ゲート電極111とソース電極パッド115を絶縁する。
A trench structure is formed on the front surface side of the silicon
炭化珪素半導体装置200のおもて面側には、ソース領域107とコンタクト領域108が選択的に設けられている。ソース領域107とコンタクト領域108は、ソース電極113と接してよい。また、ソース領域107は、トレンチ117と接してよい。
A
炭化珪素層122の炭化珪素基板121側に対して反対側の表面層には、第1ベース領域123と第2ベース領域124が選択的に設けられている。第1ベース領域123は、トレンチ117の底部よりもドレイン側に深い位置にまで達している。第1ベース領域123の下端部は、トレンチ117の底部よりもドレイン側に位置する。第2ベース領域124の下端部は、トレンチ117の底部よりもドレイン側に位置する。第2ベース領域124は、トレンチ117の底部と深さ方向(Z軸方向)において対向する位置に形成される。第2ベース領域124のX軸方向における幅は、トレンチ117のX軸方向における幅より広くてよい。トレンチ117の底部は、第2ベース領域124に達してもよいし、ベース層106と第2ベース領域124に挟まれた高濃度領域105内に位置し、第2ベース領域124と接触しなくてもよい。第1ベース領域123および第2ベース領域124は、たとえばアルミニウム元素がドーピングされている。
A
ソース電極113(ソース電極パッド115)およびドレイン電極114(ドレイン電極パッド116)間に所定の電位差が形成され、かつ、ゲート電極111に所定の正電位が供給されることにより、ベース層106に電荷反転領域(即ち、チャネル)が形成される。これにより、ソース電極113からドレイン電極114へ電子電流が流れる。
A predetermined potential difference is formed between the source electrode 113 (source electrode pad 115) and the drain electrode 114 (drain electrode pad 116), and a predetermined positive potential is supplied to the
本例において、図3のゲート構造61と同様に、炭化珪素半導体装置200は、中間領域109を有する。したがって、ベース層106と中間領域109が接する位置での濃度プロファイルは、図3に示した濃度プロファイルと同様になる。そのため、炭化珪素半導体装置200において、ベース層106と中間領域109が接する位置近傍の欠陥を低減することができ、電界効果移動度を高めることができる。
In this example, the silicon
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or improvements can be made to the above embodiments. Also, not all combinations of features described in the embodiments are essential to the means of solving the invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of operations, procedures, steps, steps, etc. in the devices, systems, programs, and methods shown in the claims, specification, and drawings is particularly "before" and "prior to". It should be noted that it can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Even if the scope of claims, the specification, and the operation flow in the drawings are explained using "first", "next", etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It's not a thing.
11・・炭化珪素基板、12・・炭化珪素層、13・・ドレイン領域、14・・ソース領域、15・・ドレイン電極、16・・ソース電極、17・・中間領域、18・・二酸化珪素層、19・・ゲート電極、20・・チャネル形成領域、21・・ホウ素濃度ピーク、22・・窒素濃度ピーク、23・・頂点、24・・頂点、30・・窒化ホウ素層、40・・薄二酸化珪素層、50・・厚二酸化珪素層、61・・ゲート構造、62・・ゲート構造、63・・ゲート構造、64・・ゲート構造、65・・ゲート構造、66・・ゲート構造、67・・ゲート構造、68・・ゲート構造、71・・ゲート構造、91・・おもて面、92・・裏面、93・・第1面、94・・第2面、95・・第3面、96・・第4面、100・・炭化珪素半導体装置、105・・高濃度領域、106・・ベース層、107・・ソース領域、108・・コンタクト領域、109・・中間領域、110・・二酸化珪素層、111・・ゲート電極、112・・層間絶縁膜、113・・ソース電極、114・・ドレイン電極、115・・ソース電極パッド、116・・ドレイン電極パッド、117・・トレンチ、121・・炭化珪素基板、122・・炭化珪素層、123・・第1ベース領域、124・・第2ベース領域、200・・炭化珪素半導体装置 11 ... Silicon carbide substrate, 12 ... Silicon carbide layer, 13 ... Drain region, 14 ... Source region, 15 ... Drain electrode, 16 ... Source electrode, 17 ... Intermediate region, 18 ... Silicon dioxide layer , 19 ... Gate electrode, 20 ... Channel formation region, 21 ... Boron concentration peak, 22 ... Nitrogen concentration peak, 23 ... Peak, 24 ... Peak, 30 ... Boron nitride layer, 40 ... Thin dioxide Silicon layer, 50 ... thick silicon dioxide layer, 61 ... gate structure, 62 ... gate structure, 63 ... gate structure, 64 ... gate structure, 65 ... gate structure, 66 ... gate structure, 67 ... Gate structure, 68 ... Gate structure, 71 ... Gate structure, 91 ... Front surface, 92 ... Back surface, 93 ... 1st surface, 94 ... 2nd surface, 95 ... 3rd surface, 96 Fourth surface, 100 ... Silicon carbide semiconductor device, 105 ... High concentration region, 106 ... Base layer, 107 ... Source region, 108 ... Contact region, 109 ... Intermediate region, 110 ... Silicon dioxide Layer, 111 ... Gate electrode, 112 ... Interlayer insulation film, 113 ... Source electrode, 114 ... Drain electrode, 115 ... Source electrode pad, 116 ... Drain electrode pad, 117 ... Trench, 121 ... Carbon Silicon substrate, 122 ... Silicon carbide layer, 123 ... 1st base region, 124 ... 2nd base region, 200 ... Silicon carbide semiconductor device
Claims (21)
前記炭化珪素層の上方に設けられ、窒素およびホウ素を含む二酸化珪素層と、
前記炭化珪素層および前記二酸化珪素層の間に配置され、窒素およびホウ素を含む中間領域と
を備え、
前記二酸化珪素層は、前記中間領域との境界である第1面と、前記第1面とは逆側の第2面とを有し、
窒素濃度ピークと、ホウ素濃度ピークとが、前記中間領域において重なっており、
前記ホウ素濃度ピークは、前記窒素濃度ピークよりも、前記第2面側に広がっている
炭化珪素半導体装置。 With a silicon carbide layer containing nitrogen and boron,
A silicon dioxide layer provided above the silicon carbide layer and containing nitrogen and boron, and
Arranged between the silicon carbide layer and the silicon dioxide layer and provided with an intermediate region containing nitrogen and boron.
The silicon dioxide layer has a first surface that is a boundary with the intermediate region and a second surface that is opposite to the first surface.
The nitrogen concentration peak and the boron concentration peak overlap in the intermediate region.
A silicon carbide semiconductor device in which the boron concentration peak extends toward the second surface side of the nitrogen concentration peak.
請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the apex of the boron concentration peak is arranged on the second surface side of the apex of the nitrogen concentration peak.
請求項2に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 2, wherein the distance between the apex of the boron concentration peak and the apex of the nitrogen concentration peak is 3 nm or less.
前記ホウ素濃度ピークの前記二酸化珪素層における前記第2面側への広がりは、前記ホウ素濃度ピークの前記炭化珪素層における前記第4面側への広がりより大きい
請求項1から3のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide layer has a third surface that is a boundary with the intermediate region and a fourth surface that is opposite to the third surface.
Any one of claims 1 to 3 that the spread of the boron concentration peak toward the second surface side in the silicon dioxide layer is larger than the spread of the boron concentration peak toward the fourth surface side of the silicon carbide layer. The silicon carbide semiconductor device according to.
請求項4に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 4, wherein the spread of the nitrogen concentration peak toward the second surface side in the silicon dioxide layer is larger than the spread of the nitrogen concentration peak toward the fourth surface side in the silicon carbide layer. ..
請求項4または5に記載の炭化珪素半導体装置。 The spread of the boron concentration peak toward the fourth surface side in the silicon carbide layer is the same as the spread of the nitrogen concentration peak toward the fourth surface side of the silicon carbide layer according to claim 4 or 5. Silicon carbide semiconductor device.
請求項1から6のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein the spread of the boron concentration peak toward the second surface side in the silicon dioxide layer is 5 nm or more.
請求項1から7のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, wherein the spread of the boron concentration peak toward the second surface side in the silicon dioxide layer is 30 nm or less.
請求項1から8のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, wherein the boron concentration at the peak of the boron concentration peak is 1 × 10 20 cm -3 or more and 5 × 10 22 cm -3 or less.
請求項1から9のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置。 The carbide according to any one of claims 1 to 9, wherein the boron concentration at a position 5 nm from the center position in the depth direction of the intermediate region toward the second surface is 1 × 10 18 cm -3 or more. Silicon semiconductor device.
請求項1から10のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 10, wherein the nitrogen concentration at the peak of the nitrogen concentration peak is 1 × 10 20 cm -3 or more and 5 × 10 22 cm -3 or less.
請求項1から11のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置。 The boron concentration at a position 5 nm from the center position in the depth direction of the intermediate region toward the second surface is the nitrogen concentration at a position 5 nm from the center position in the depth direction of the intermediate region toward the second surface. The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 11, which is 5 times or more the amount of the above.
請求項1から12のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置。 Any of claims 1 to 12, wherein the boron concentration at a position 20 nm from the central position in the depth direction of the intermediate region toward the second surface is 1/1000 or less of the boron concentration at the apex of the boron concentration peak. The silicon carbide semiconductor device according to item 1.
薄二酸化珪素層と、
前記薄二酸化珪素層上に形成される厚二酸化珪素層と
を有し、
前記薄二酸化珪素層における前記ホウ素濃度ピークは、前記厚二酸化珪素層における前記ホウ素濃度ピークよりも平坦である
請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon dioxide layer is
With a thin silicon dioxide layer,
It has a thick silicon dioxide layer formed on the thin silicon dioxide layer, and has
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the boron concentration peak in the thin silicon dioxide layer is flatter than the boron concentration peak in the thick silicon dioxide layer.
請求項14に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 14, wherein the thick silicon dioxide layer does not contain nitrogen.
窒化ホウ素層上に二酸化珪素層を形成する二酸化珪素層形成工程と、
熱処理を行う第1熱処理工程と、
を有し、
前記第1熱処理工程では、前記二酸化珪素層において、前記窒化ホウ素層のホウ素を、前記窒化ホウ素層の窒素よりも、深い位置まで拡散させる
炭化珪素半導体装置の製造方法。 The boron nitride layer forming step of forming the boron nitride layer on the silicon carbide layer,
A silicon dioxide layer forming step of forming a silicon dioxide layer on a boron nitride layer,
The first heat treatment step to perform heat treatment and
Have,
In the first heat treatment step, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device that diffuses boron in the boron nitride layer to a position deeper than nitrogen in the boron nitride layer in the silicon dioxide layer.
請求項16に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 16, wherein the first heat treatment step is heat treatment at a temperature of 1350 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower in an inert gas.
請求項16または17に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 16 or 17, further comprising a second heat treatment step of performing heat treatment at a temperature of 800 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower in a gas containing oxygen after the first heat treatment step.
前記薄二酸化珪素層に窒素およびホウ素を添加する添加工程と、
前記薄二酸化珪素層上に厚二酸化珪素層を形成する厚二酸化珪素層形成工程と、
熱処理を行う最終熱処理工程と
を有し、
前記最終熱処理工程では、前記厚二酸化珪素層において、前記添加工程のホウ素を、前記添加工程の窒素よりも、前記厚二酸化珪素層側に拡散させる
炭化珪素半導体装置の製造方法。 A thin silicon dioxide layer forming step of forming a thin silicon dioxide layer on the silicon carbide layer,
The addition step of adding nitrogen and boron to the thin silicon dioxide layer, and
A thick silicon dioxide layer forming step of forming a thick silicon dioxide layer on the thin silicon dioxide layer,
It has a final heat treatment process to perform heat treatment,
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device in which in the final heat treatment step, boron in the addition step is diffused closer to the thick silicon dioxide layer than nitrogen in the addition step in the thick silicon dioxide layer.
請求項19に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 19, wherein in the addition step, nitrogen is added and then boron is added.
前記中間熱処理工程では、前記薄二酸化珪素層にホウ素を拡散させる
請求項19または20に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 It has an intermediate heat treatment step of performing a heat treatment after the addition step and before the thick silicon dioxide layer forming step.
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 19 or 20, wherein in the intermediate heat treatment step, boron is diffused in the thin silicon dioxide layer.
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