JP2023000604A - Insulating gate type semiconductor device and method for manufacturing insulating gate type semiconductor device - Google Patents

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Abstract

To provide an insulating gate type semiconductor device that can reduce a variation in gate threshold voltage and prevent a deterioration in reliability of the semiconductor device, and a method for manufacturing an insulating gate type semiconductor device.SOLUTION: An insulating gate type semiconductor device comprises: a gate insulating film 5 that is formed of a SiO2 film and is provided on a top face of a channel formation region 3 formed of SiC; a nitrogen termination layer 6 that is provided on the interface between the channel formation region 3 and the gate insulating film 5 and obtained by terminating Si with N; and a gate electrode 7 that is provided on the gate insulating film 5 and controls the surface potential of the channel formation region 3. When measurement is conducted by SIMS in a depth direction from the surface of the gate insulating film 5, the integrated value of the concentration of C atoms from an interface defined at a peak position of the concentration of N atoms to a position where the concentration of C atoms becomes 1×1020 cm-3 or less in the gate insulating film 5 is 5×1015 cm-2 or less, and the width in the depth direction at which the concentration of N atoms becomes half the concentration of N atoms at the peak position is 2 nm or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

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 an insulated gate semiconductor device and a method of manufacturing an insulated gate semiconductor device, and more particularly to an insulated gate semiconductor device using silicon carbide (SiC) and a method of manufacturing an insulated gate semiconductor device.

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層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。このようなMOSFETの実使用時において、ゲート電極に正電圧と負電圧を交互に印加しつづけるとゲート閾値電圧(Vth)が変動する。そのため、MOSFETの実用上の寿命が制限されてしまう。 In a MOS field effect transistor (FET) using SiC, a high density interface state is generated when a gate insulating film is formed on a semiconductor layer. Therefore, there is a problem that the mobility of the channel is lowered and the electrical characteristics such as on-resistance of the MOSFET are degraded. 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 layer, thereby reducing the interface state density at the interface of the gate insulating film. It is proposed to reduce (Dit) and increase the mobility. During actual use of such a MOSFET, if a positive voltage and a negative voltage are alternately applied to the gate electrode, the gate threshold voltage (Vth) will fluctuate. Therefore, the practical life of the MOSFET is limited.

特許文献1には、Vthシフトを抑制するために、SiO2膜とSiCとの界面近傍における炭素(C)原子濃度の積分値に対するN原子濃度の積分値の比率を規定する技術を開示している。具体的には、界面近傍のSiO2膜中に残留するC原子によって形成される炭素遷移層におけるN原子濃度を高くすることにより界面準位密度を低減している。しかし、特許文献1の技術では、炭素遷移層に近接するSiO2膜中でのN原子濃度も高くなり電子トラップ準位が生成され、MOSFETの駆動に伴うVthシフトが生じ易くなるという問題がある。特許文献2には、SiO2膜とSiC界面近傍にアルカリ土類金属などの不純物及びC原子を含有させ、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制することが記載されている。 Patent Document 1 discloses a technique of prescribing the ratio of the integrated value of the N atom concentration to the integrated value of the carbon (C) atom concentration in the vicinity of the interface between the SiO 2 film and SiC in order to suppress the Vth shift. there is Specifically, the interface state density is reduced by increasing the N atom concentration in the carbon transition layer formed by the C atoms remaining in the SiO 2 film near the interface. However, the technique of Patent Document 1 has a problem that the N atom concentration in the SiO 2 film adjacent to the carbon transition layer also increases, generating an electron trap level, which easily causes a Vth shift accompanying driving of the MOSFET. . Patent Document 2 describes that impurities such as alkaline earth metals and C atoms are contained in the vicinity of the interface between the SiO 2 film and SiC to suppress the leak current of the gate insulating film.

国際公開第2014/103186号公報International Publication No. 2014/103186 特開2017‐204644号公報JP 2017-204644 A

本発明は、上記問題点を鑑み、ゲート閾値電圧の変動を低減でき、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。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, the present invention provides an insulated gate semiconductor device and a method of manufacturing an insulated gate semiconductor device that can reduce variations in gate threshold voltage and suppress deterioration in reliability of the semiconductor device. for the purpose.

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、シリコンを窒素で終端した窒化終端層と、(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、ゲート絶縁膜の表面から深さ方向に2次イオン質量分析法で測定したとき、窒素原子濃度のピーク位置で規定される界面から、ゲート絶縁膜中で炭素原子濃度が1×1020cm-3以下となる位置までの炭素原子濃度の積分値が5×1015cm-2以下であり、窒素原子濃度がピーク位置での窒素原子濃度の1/2となる深さ方向の幅が2nm以下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。 To achieve the above object, one embodiment of the present invention provides (a) a gate insulating film made of a silicon oxide film provided on an upper surface of a channel formation region made of silicon carbide, and (b) a channel formation region and a gate insulator. and (c) a gate electrode provided on the gate insulating film and controlling the surface potential of the channel forming region to provide a gate insulating film. When measured by secondary ion mass spectrometry in the depth direction from the surface of the film, the carbon atom concentration in the gate insulating film is 1×10 20 cm −3 or less from the interface defined by the peak position of the nitrogen atom concentration. Insulation in which the integrated value of the carbon atom concentration up to the position where the The gist is that it is a gate type semiconductor device.

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)ゲート絶縁膜中にホウ素原子を添加する工程と、(c)ゲート絶縁膜を窒素原子を含むガスで熱処理して、チャネル形成領域とゲート絶縁膜との界面に窒化終端層を形成し、かつゲート絶縁膜中のホウ素原子濃度を1×1019cm-3以上5×1020cm-3以下の範囲とする工程と、(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。 Another aspect of the present invention comprises the steps of (a) 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) adding boron atoms to the gate insulating film. and (c) heat-treating the gate insulating film with a gas containing nitrogen atoms to form a nitride terminating layer at the interface between the channel forming region and the gate insulating film, and reducing the boron atom concentration in the gate insulating film to 1×10 19 . cm −3 or more and 5×10 20 cm −3 or less; and (d) forming on the gate insulating film a gate electrode for controlling the surface potential of the channel forming region. The gist is a method for manufacturing a semiconductor device.

本発明によれば、ゲート閾値電圧の変動を低減でき、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 semiconductor device and a method for manufacturing an insulated gate semiconductor device that can reduce variations in gate threshold voltage and suppress deterioration in reliability of the semiconductor device.

本発明の実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の一例を示す断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an insulated gate semiconductor device according to an embodiment of the present invention; FIG. 絶縁ゲート構造のSIMSによる評価方法を説明する図である。It is a figure explaining the evaluation method by SIMS of an insulated gate structure. 実施形態の実施例1に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の工程の一例を説明するための断面概略図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of steps of a method for manufacturing an insulated gate semiconductor device according to Example 1 of the embodiment; 実施形態の実施例1に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図3に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a step subsequent to FIG. 3 in the method of manufacturing the insulated gate semiconductor device according to Example 1 of the embodiment; 実施形態の実施例1に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図4に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a process subsequent to FIG. 4 in the method of manufacturing an insulated gate semiconductor device according to Example 1 of the embodiment; 実施形態の実施例1に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図5に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。6 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a process following FIG. 5 in the method of manufacturing the insulated gate semiconductor device according to Example 1 of the embodiment; FIG. 実施形態の実施例1に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図6に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the process subsequent to FIG. 6 in the method of manufacturing the insulated gate semiconductor device according to Example 1 of the embodiment; 実施形態の実施例2に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の工程の一例を説明するための断面概略図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of steps of a method for manufacturing an insulated gate semiconductor device according to Example 2 of the embodiment; 実施形態の実施例2に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図8に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a process following FIG. 8 in the method of manufacturing an insulated gate semiconductor device according to Example 2 of the embodiment; 実施形態の実施例2に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図9に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of a step subsequent to FIG. 9 in the method of manufacturing an insulated gate semiconductor device according to Example 2 of the embodiment; 比較例1に係る絶縁ゲート型半導体装置の一例を示す断面概略図である。3 is a schematic cross-sectional view showing an example of an insulated gate semiconductor device according to Comparative Example 1; FIG. 実施例1に係る絶縁ゲート構造の界面近傍のSIMS測定結果の一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of SIMS measurement results near the interface of the insulated gate structure according to Example 1; 実施例2に係る絶縁ゲート構造の界面近傍のSIMS測定結果の一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of SIMS measurement results near the interface of the insulated gate structure according to Example 2; 比較例1に係る絶縁ゲート構造の界面近傍のSIMS測定結果の一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of SIMS measurement results near the interface of the insulated gate structure according to Comparative Example 1; 実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の評価結果の一例を示す表である。5 is a table showing an example of evaluation results of the insulated gate semiconductor device according to the embodiment;

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 denoted by the same or similar reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like may differ from the actual ones. In addition, portions having different dimensional relationships and ratios may also be included between drawings. Further, the embodiments shown below are examples of devices and methods for embodying the technical idea of the present invention. etc. are not specified below.

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「一方の主領域(第1主領域)」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「他方の主領域(第2主領域)」である。本明細書において単に「主領域」と言うときは、当業者の技術常識から妥当な第1主領域又は第2主領域のいずれかを意味する。 In this specification, the source region of the MOS transistor is "one main region (first main region)" that can be selected as the emitter region of the insulated gate bipolar transistor (IGBT). Also, in a thyristor such as a MOS-controlled static induction thyristor (SI thyristor), one of the main regions can be selected as the cathode region. The drain region of the MOS transistor is the "other main region (second main 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 region” simply means either the first main region or the second main region, which is appropriate from the common 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 definitions of directions such as up and down in the following description are merely definitions for convenience of description, and do not limit the technical idea of the present invention. For example, if an object is observed after being rotated by 90°, it will be read with its top and bottom converted to left and right, and if it is observed after being rotated by 180°, it will of course be read with its top and bottom reversed. Further, in the following description, a case where the first conductivity type is p-type and the opposite second conductivity type is n-type will be exemplified. However, the conductivity types may be selected in the opposite relationship, so that the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. Moreover, + and - attached to n and p mean semiconductor regions having relatively high or low impurity densities, respectively, compared to semiconductor regions not marked with + and -. However, even if the semiconductor regions are given the same n and n, it does not mean that the impurity density of each semiconductor region is exactly the same. Also, in this specification, in the notation of the Miller index, "-" means a bar attached to the index immediately after it, and adding "-" before the index indicates 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SiOからなる酸化膜を用いた横型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)の主領域4a、4b、例えばソース領域(第1主領域)4a及びドレイン領域(第2主領域)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。 An insulated gate semiconductor device according to an embodiment of the present invention is a lateral MOSFET using an oxide film made of SiO 2 as a gate insulating film. As shown in FIG. 1, a first conductivity type (p-type) channel forming region (base region) 3 is provided, and an inversion channel is formed on the surface of the channel forming region 3 . Above the channel forming region 3, main regions 4a and 4b of a second conductivity type (n + -type) with high impurity density, such as a source region (first main region) 4a and a drain region (second main region) 4b, are provided. It is provided selectively. An insulated gate electrode structure (5, 7) is provided on the upper surface of the channel forming region 3 across the source region 4a and the drain region 4b via a nitride termination layer 6 terminated with nitrogen (N). The insulated gate electrode structure (5, 7) is composed of a gate insulating film 5 made of SiO 2 film and a gate electrode (control electrode) 7 on the gate insulating film 5 . The gate electrode 7 electrostatically controls the surface potential of the channel forming region 3 via the gate insulating film 5 to form an inversion channel on the surface of the channel forming region 3 .

MOSFETのゲート絶縁膜5はSiO2からなる酸化膜であり、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(熱CVD)、及びプラズマCVD等の堆積酸化膜が採用可能である。ゲート絶縁膜5は、窒化ホウ素(BN)などの固体拡散源により拡散させたホウ素(B)原子を1×1019cm-3以上5×1020cm-3以下の濃度範囲で含有する。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 gate insulating film 5 of the MOSFET is an oxide film made of SiO 2 , and is thermally oxidized by oxygen (O 2 ) dry oxidation or wet oxidation, or by sputtering, thermal chemical vapor deposition (thermal CVD), plasma CVD, or the like. A deposited oxide can be employed. Gate insulating film 5 contains boron (B) atoms diffused by a solid diffusion source such as boron nitride (BN) in a concentration range of 1×10 19 cm −3 to 5×10 20 cm −3 . As a material for the gate electrode 7, a metal film such as aluminum (Al), a polysilicon layer (doped polysilicon layer) in which an impurity such as phosphorus (P) is added at a high concentration, or the like can be used.

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 channel forming region 3 is provided by epitaxial growth on the substrate 1 made of an n-type SiC semiconductor. A source electrode 8a and a drain electrode 8b are provided so as to be physically in contact with the source region 4a and the drain region 4b, respectively. The source electrode 8a and the drain electrode 8b are ohmic-connected to the source region 4a and the drain region 4b, respectively. For the source electrode 8a and the drain electrode 8b, for example, a single layer film made of Al or a metal film in which nickel silicide (NiSi x ), titanium nitride (TiN), and Al are laminated in this order can be used. Although not shown, a p + -type contact region electrically connecting the source electrode 8a and the channel forming region 3 is arranged in the channel forming region 3 separately from the source region 4a.

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。 SiC crystals have crystal polymorphism, the main ones being cubic 3C and hexagonal 4H and 6H. The forbidden band width at room temperature is reported to be 2.23 eV for 3C-SiC, 3.26 eV for 4H-SiC, and 3.02 eV for 6H-SiC. Insulated gate semiconductor devices according to embodiments of the present invention will be described using 4H—SiC. In the insulated gate semiconductor device according to the embodiment, a semiconductor substrate made of SiC (SiC substrate) is used as the substrate 1 . When a SiC substrate is used, the channel forming region 3 exemplifies a structure composed of an epitaxial layer (SiC layer) made of SiC. The plane orientation of the SiC substrate is described using the (0001) plane (Si plane), but the (11-20) plane (a plane), (1-100) plane (m plane), and (000-1) plane. A plane (C plane) may also be used.

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 semiconductor device according to the embodiment, a voltage is applied to the gate electrode 7 to form an inversion layer that will serve as a channel at the interface between the gate insulating film 5 and the channel forming region 3 . At this time, by applying a voltage between the source electrode 8a and the drain electrode 8b, carriers (electrons) are injected into the channel from the source region 4a. The injected carriers run through the channel and flow into the drain region 4b.

通常、ゲート絶縁膜5に用いる酸化膜を熱酸化法等で形成すると、酸化膜とSiC半導体層の界面に炭素(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。酸化膜とSiC半導体層の界面をN原子で終端する窒化処理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、酸化膜とSiC半導体層の界面に高濃度窒化領域が形成されると、界面近傍の酸化膜中でのN原子が増加する。また、界面の窒化処理後には、ソース電極8a及びドレイン電極8bのコンタクト抵抗低減のためのコンタクト熱処理や、層間絶縁膜(図示省略)の平滑化のためのリフロー熱処理などの900℃以上の高温熱処理が実施される。このような高温熱処理により、窒化領域からのN原子に加えて、SiC半導体からのC原子も酸化膜中に拡散し、酸化膜中に欠陥構造(電子トラップ準位及び正孔トラップ準位)が生成される。そのため、ソース電極の電位を基準としてゲート電極に正電圧と負電圧を交互に印加しつづけるAC駆動に対して、半導体装置のゲート閾値電圧変動(Vthシフト)が生じる。 Generally, when an oxide film used for the gate insulating film 5 is formed by thermal oxidation or the like, carbon (C) atoms remain at the interface between the oxide film and the SiC semiconductor layer, forming a high-density interface level. When electrons are trapped in the interface state, the electron mobility decreases due to Coulomb scattering or the like. A method has been proposed for reducing the interface state density by nitriding the interface between the oxide film and the SiC semiconductor layer with nitrogen atoms. However, when a high-concentration nitrided region is formed at the interface between the oxide film and the SiC semiconductor layer, N atoms increase in the oxide film near the interface. Further, after the nitriding treatment of the interface, high-temperature heat treatment at 900° C. or higher, such as contact heat treatment for reducing the contact resistance of the source electrode 8a and the drain electrode 8b and reflow heat treatment for smoothing the interlayer insulating film (not shown), is performed. is carried out. By such a high-temperature heat treatment, not only N atoms from the nitrided region but also C atoms from the SiC semiconductor diffuse into the oxide film, and defect structures (electron trap levels and hole trap levels) are formed in the oxide film. generated. Therefore, the gate threshold voltage fluctuation (Vth shift) of the semiconductor device occurs in the AC drive in which a positive voltage and a negative voltage are alternately applied to the gate electrode with reference to the potential of the source electrode.

実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置では、ゲート絶縁膜5をなす酸化膜中にB原子を拡散添加した後、窒化処理してゲート絶縁膜5及びチャネル形成領域3の界面に窒化終端層6を設ける。B原子を1×1019cm-3以上5×1020cm-3以下の濃度範囲で添加したゲート絶縁膜5では、窒化処理後に実施される高温熱処理でも、N原子及びC原子のゲート絶縁膜5中への拡散を抑制することができる。なお、B原子濃度が5×1020cm-3を超えると、ゲート絶縁膜5中の電子トラップ準位が増加してしまい、Vthシフトが悪化する。B原子濃度が1×1019cm-3未満ではN原子及びC原子のゲート絶縁膜5中への拡散を抑制することが困難となる。 In the insulated gate semiconductor device according to the embodiment, after B atoms are diffused and added into the oxide film forming the gate insulating film 5 , nitriding treatment is performed to form the nitride terminating layer 6 at the interface between the gate insulating film 5 and the channel forming region 3 . prepare. In the gate insulating film 5 in which B atoms are added in a concentration range of 1×10 19 cm −3 to 5×10 20 cm −3 , the gate insulating film of N atoms and C atoms can be removed even by the high temperature heat treatment performed after the nitriding treatment. Diffusion into 5 can be suppressed. If the B atom concentration exceeds 5×10 20 cm −3 , the electron trap level in the gate insulating film 5 will increase and the Vth shift will deteriorate. If the B atom concentration is less than 1×10 19 cm −3 , it becomes difficult to suppress diffusion of N atoms and C atoms into the gate insulating film 5 .

図2は、絶縁ゲート構造の界面近傍の2次イオン質量分析法(SIMS)による評価方法を説明する概略図である。図2において、横軸の深さは線形目盛であり、縦軸の濃度は対数目盛である。酸化膜とSiC半導体層との界面を、図2の横軸において深さ0とする。界面は、N原子濃度分布のピーク位置で規定する。図2に示すように、N原子は界面近傍においてSiC半導体層側及び酸化膜側に分布し、C原子はSiC半導体層から酸化膜中に減少するように分布する。半値幅dHは、界面から酸化膜中でN原子濃度がピーク値の1/2となる位置までの幅であり、酸化膜中へのN原子の拡散量の判定指標とすることができる。遷移幅dは界面から酸化膜中でC原子濃度がノイズレベル、例えば1×1020cm-3以下となる位置までの幅であり、遷移幅d内でC原子濃度を積分することにより酸化膜中に残存するC原子の量を得ることができる。実施形態では、N原子濃度分布の半値幅dHを2nm以下とし、C原子濃度分布の遷移幅d内でのC原子濃度の積分値である炭素(C)面密度を5×1015cm-2以下として、酸化膜中のN原子及びC原子の濃度を低減している。その結果、酸化膜中の電子トラップ準位や正孔トラップ準位などの欠陥構造の生成を抑制することができ、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。 FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an evaluation method by secondary ion mass spectroscopy (SIMS) near the interface of an insulated gate structure. In FIG. 2, depth on the horizontal axis is on a linear scale and concentration on the vertical axis is on a logarithmic scale. The interface between the oxide film and the SiC semiconductor layer is defined as depth 0 on the horizontal axis of FIG. The interface is defined by the peak position of the N atom concentration distribution. As shown in FIG. 2, N atoms are distributed near the interface on the SiC semiconductor layer side and the oxide film side, and C atoms are distributed so as to decrease from the SiC semiconductor layer into the oxide film. The half width d H is the width from the interface to the position where the N atom concentration in the oxide film is 1/2 of the peak value, and can be used as a determination index for the amount of N atoms diffused into the oxide film. The transition width d is the width from the interface to the position where the C atom concentration in the oxide film is at a noise level, for example, 1×10 20 cm −3 or less. The amount of C atoms remaining in can be obtained. In the embodiment, the half width d H of the N atom concentration distribution is 2 nm or less, and the carbon (C) areal density, which is the integrated value of the C atom concentration within the transition width d of the C atom concentration distribution, is 5×10 15 cm − 2 or less, the concentrations of N atoms and C atoms in the oxide film are reduced. As a result, it is possible to suppress the generation of defect structures such as electron trap levels and hole trap levels in the oxide film, thereby suppressing gate threshold voltage fluctuations of the semiconductor device.

また、界面の窒素(N)面密度は、フッ酸(HF)などのエッチング液で酸化膜を除去したSiC半導体層表面をX線電子分光法(XPS)で測定して評価することができる。XPS測定では、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。N面密度は、XPSで得られるN原子の1s軌道に起因するスペクトル信号(N1s信号)とSi原子の2p軌道に起因するスペクトル信号(Si2p信号)とのXPS信号の面積強度比により算出する。実施形態では、XPS測定で得られる界面のN面密度は3×1014cm-2以上1×1015cm-2以下とすることにより、界面準位の低減に必要なN面密度を確保している。N面密度が3×1014cm-2未満ではMOSFETの特性が顕著に劣化する。また、界面の窒化によるパッシベーションの上限のN面密度は1×1015cm-2程度である。なお、界面のN面密度は、図2に示したSIMSによるN原子濃度分布を用いて、界面、即ちN原子濃度分布のピーク位置から、酸化膜中の半値幅dHの位置までのN原子濃度の積分値から評価することも可能である。 Further, the surface density of nitrogen (N) at the interface can be evaluated by measuring the surface of the SiC semiconductor layer from which the oxide film has been removed with an etchant such as hydrofluoric acid (HF) by X-ray electron spectroscopy (XPS). In the 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 N surface density is calculated from the area intensity ratio of the XPS signals of the spectral signal (N1s signal) resulting from the 1s orbital of N atoms obtained by XPS and the spectral signal (Si2p signal) resulting from the 2p orbital of Si atoms. In the embodiment, the N surface density of the interface obtained by XPS measurement is set to 3×10 14 cm −2 or more and 1×10 15 cm −2 or less, thereby ensuring the N surface density necessary for reducing the interface state. ing. If the N surface density is less than 3×10 14 cm −2 , the characteristics of the MOSFET are significantly degraded. The upper limit of N surface density for passivation by nitridation of the interface is about 1×10 15 cm −2 . The surface density of N atoms at the interface is determined by using the N atom concentration distribution obtained by SIMS shown in FIG. It is also possible to evaluate from the integrated value of the concentration.

<半導体装置の製造方法>
次に、実施形態に係る半導体装置の製造方法を、横型MOSFETの場合を一例として説明する。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。
<Method for manufacturing a semiconductor device>
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment will be described using a lateral MOSFET as an example. The method of manufacturing the MOSFET described below is merely an example, and it is of course possible to implement various other manufacturing methods, including this modified example, within the scope of the scope of the claims. is.

(実施例1)
実施例1に係るMOSFETの製造方法を、図3~図7に示す工程図を用いて説明する。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。まず、基板1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。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3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4a及びn+型のドレイン領域4bが選択的に埋め込まれる。
(Example 1)
A method of manufacturing a MOSFET according to Example 1 will be described with reference to process drawings shown in FIGS. First, an n-type SiC substrate (substrate) 1 doped with an n-type impurity such as nitrogen (N) is prepared. The substrate 1 is a 4H-SiC substrate and has a plane orientation of (0001) plane (Si plane). First, the substrate 1 is subjected to RCA cleaning in which alkali or acid is added to hydrogen peroxide and heated to clean, treated with hydrogen fluoride (HF), and dried. A p-type channel forming region (base region) 3 is epitaxially grown on the upper surface of the substrate 1 . An n-type impurity such as N is selectively implanted from the upper surface side of the channel forming region 3 by photolithography technology, ion implantation technology, or the like. The implanted n-type impurity ions are activated by heat treatment. As a result, as shown in FIG. 3, an n + -type source region 4a and an n + -type drain region 4b are selectively buried above the channel forming region 3 .

図4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5bを堆積してもよい。 As shown in FIG. 4, an oxide film 5a made of SiO 2 having a thickness of about 50 nm is formed on the upper surface of the channel forming region 3 by heating at a temperature of about 1200° C. for about 160 minutes in a 100% O 2 gas atmosphere. Although a dry oxide film is exemplified as the oxide film 5a, a wet oxide film may be used, or an oxide film deposited by thermal CVD, plasma CVD, or the like may be used. For example, the oxide film 5b may be deposited at a pressure of about 0.2 Pa and a temperature of about 600.degree .

酸化膜5aの上面に厚さが1.5mm程度の石英などのスペーサ22を介して窒化ホウ素(BN)ウェハなどからなる固体拡散源20を対向配置する。アルゴン(Ar)ガスや窒素(N2)ガスなどの不活性ガス大気圧雰囲気中、900℃以上1200℃以下、例えば950℃程度の温度で30分程度加熱して、酸化膜5a中にB原子を拡散添加する。その結果、図5に示すように、B原子を5×1020cm-3以上1×1021cm-3以下の範囲で含有する酸化膜5bが形成される。なお、B拡散添加処理は、不活性ガスにO2ガスを最大10%程度添加したガス雰囲気中で実施してもよい。あるいは、堆積酸化膜を用いる場合は、成膜ガス中にジボラン(B26)や3塩化ホウ素(BCl3)などのB原子含有ガスを添加して、酸化膜5bを堆積してもよい。 A solid diffusion source 20 made of a boron nitride (BN) wafer or the like is placed opposite to the upper surface of the oxide film 5a with a spacer 22 of quartz having a thickness of about 1.5 mm interposed therebetween. In an atmosphere of an inert gas such as argon (Ar) gas or nitrogen (N 2 ) gas, heating is performed at a temperature of 900° C. or higher and 1200° C. or lower, for example, about 950° C. for about 30 minutes to form B atoms in the oxide film 5a. is diffusely added. As a result, as shown in FIG. 5, oxide film 5b containing B atoms in the range of 5×10 20 cm −3 to 1×10 21 cm −3 is formed. Note that the B diffusion addition treatment may be performed in a gas atmosphere in which a maximum of about 10% of O 2 gas is added to an inert gas. Alternatively, when a deposited oxide film is used, a B atom-containing gas such as diborane (B 2 H 6 ) or boron trichloride (BCl 3 ) may be added to the deposition gas to deposit the oxide film 5b. .

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、1150℃以上1300℃以下、例えば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6に示すように、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。また、この工程を行うことで、酸化膜5b中のB原子濃度を、1×1019cm-3以上5×1020cm-3以下の範囲とする。 Next, nitriding is performed by heating at a temperature of 1150° C. or higher and 1300° C. or lower, for example, about 1250° C. for about 60 minutes in a gas atmosphere in which 10% of nitrogen monoxide (NO) gas is added to N 2 gas. By this nitriding treatment, an intermediate nitride layer 6a is formed at the interface between the oxide film 5b and the channel forming region 3, the source region 4a and the drain region 4b, as shown in FIG. Note that N 2 O gas may be used instead of NO for the nitriding treatment. Also, by performing this step, the B atom concentration in the oxide film 5b is set in the range of 1×10 19 cm −3 to 5×10 20 cm −3 .

窒化処理後、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7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を跨ぐゲート絶縁膜5及び窒化終端層6のパターンが選択的に残留する。 After the nitriding process, a source contact hole and a drain contact hole are opened in the oxide film 5b by photolithography, dry etching, or the like. As a result, as shown in FIG. 7, patterns of the gate insulating film 5 and the nitride terminating layer 6 that span the source region 4a and the drain region 4b are selectively left on the upper surface of the channel forming region 3. Next, as shown in FIG.

スパッタリング法又は電子ビーム蒸着法などにより、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50nm程度のニッケル(Ni)膜などの金属層を堆積する。フォトリソグラフィ技術及びRIE技術などを用いてNi金属層をパターニングする。その後、N2ガス雰囲気中900℃以上1000℃以下の温度、例えば950℃程度で3分程度の高速熱処理(RTA)をする。このようにして、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それぞれ選択的にシリサイド(NiSi)膜からなるコンタクト層を形成する。スパッタリング法、真空蒸着法等により、厚さが100nm程度のAl等の金属膜を堆積し、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、Al金属膜をパターニングしてゲート電極7、ソース電極8a及びドレイン電極8b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1に示した実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置として、実施例1のMOSFETが完成する。 A metal layer such as a nickel (Ni) film having a thickness of about 50 nm is deposited on the upper surfaces of the gate insulating film 5, the source contact hole, and the drain contact hole by a sputtering method, an electron beam evaporation method, or the like. The Ni metal layer is patterned using photolithography technology, RIE technology, or the like. Thereafter, rapid thermal annealing (RTA) is performed at a temperature of 900° C. or higher and 1000° C. or lower, for example, about 950° C. for about 3 minutes in an N 2 gas atmosphere. In this manner, contact layers made of silicide (NiSi x ) films are selectively formed on the upper surfaces of the source contact holes and the drain contact holes. A metal film such as Al having a thickness of about 100 nm is deposited by a sputtering method, a vacuum deposition method, or the like, and the Al metal film is patterned by photolithography, dry etching, or the like to form a gate electrode 7, a source electrode 8a, and a drain electrode. 8b. As a result, an insulated gate electrode structure (5, 7) is formed on the upper surface of the channel forming region 3 via the nitride terminating layer 6 so as to straddle part of the ends of the source region 4a and the drain region 4b. . Thus, the MOSFET of Example 1 is completed as the insulated gate semiconductor device according to the embodiment shown in FIG.

(実施例2)
実施例1では酸化膜中へのN原子及びC原子の拡散を抑制するためにゲート絶縁膜5にB原子を添加しているが、実施例2では、窒化処理後に実施される熱処理が必要な工程において、熱処理温度を制限することによってN原子及びC原子の拡散を抑制する。実施例2に係るMOSFETの製造方法を、図8~図10に示す工程図を用いて説明する。
(Example 2)
In Example 1, B atoms are added to the gate insulating film 5 in order to suppress the diffusion of N atoms and C atoms into the oxide film. In the process, the diffusion of N atoms and C atoms is suppressed by limiting the heat treatment temperature. A method of manufacturing a MOSFET according to Example 2 will be described with reference to process drawings shown in FIGS.

まず、図4に示したように、上部にソース領域4a及びドレイン領域4bが選択的に埋め込まれたチャネル形成領域3の上面に酸化膜5a形成する。その後、N2ガスにNOガスを10%添加したガス雰囲気中、1150℃以上1300℃以下、例えば1250℃程度の温度で60分間程度加熱して窒化処理を行う。この窒化処理により、図8に示すように、酸化膜5a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。 First, as shown in FIG. 4, an oxide film 5a is formed on the upper surface of the channel forming region 3 in which the source region 4a and the drain region 4b are selectively buried. After that, nitriding is performed by heating at a temperature of 1150° C. or higher and 1300° C. or lower, for example, about 1250° C. for about 60 minutes in a gas atmosphere in which 10% of NO gas is added to N 2 gas. By this nitriding treatment, an intermediate nitride layer 6a is formed at the interface between the oxide film 5a and the channel forming region 3, the source region 4a and the drain region 4b, as shown in FIG. Note that N 2 O gas may be used instead of NO for the nitriding treatment.

窒化処理後、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酸化膜5a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9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を跨ぐゲート絶縁膜5c及び窒化終端層6のパターンが選択的に残留する。 After the nitriding process, a source contact hole and a drain contact hole are opened in the oxide film 5a by photolithography, dry etching, or the like. As a result, as shown in FIG. 9, patterns of the gate insulating film 5c and the nitride terminating layer 6 that span the source region 4a and the drain region 4b are selectively left on the upper surface of the channel forming region 3. Next, as shown in FIG.

スパッタリング法又は電子ビーム蒸着法などにより、ゲート絶縁膜5c、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50nm程度のNi膜などの金属層を堆積する。フォトリソグラフィ技術及びRIE技術などを用いてNi金属層をパターニングする。その後、N2ガス雰囲気中900℃未満の温度、例えば875℃程度で8分程度のRTAを行うことにより、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、それぞれ選択的にNiSi膜からなるコンタクト層を形成する。スパッタリング法、真空蒸着法等により、厚さが100nm程度のAl等の金属膜を堆積し、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、Al金属膜をパターニングしてゲート電極7、ソース電極8a及びドレイン電極8bを形成する。その結果、図10に示すように、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(5c,7)が形成される。このようにして、実施例2のMOSFETが完成する。 A metal layer such as a Ni film having a thickness of about 50 nm is deposited on the upper surfaces of the gate insulating film 5c, the source contact hole, and the drain contact hole by a sputtering method, an electron beam evaporation method, or the like. The Ni metal layer is patterned using photolithography technology, RIE technology, or the like. After that, by performing RTA at a temperature of less than 900° C., for example, about 875° C. for about 8 minutes in an N 2 gas atmosphere, a contact layer made of a NiSi x film is selectively formed on the upper surface of the source contact hole and the drain contact hole. to form A metal film such as Al having a thickness of about 100 nm is deposited by a sputtering method, a vacuum deposition method, or the like, and the Al metal film is patterned by photolithography, dry etching, or the like to form a gate electrode 7, a source electrode 8a, and a drain electrode. 8b. As a result, as shown in FIG. 10, an insulated gate electrode structure (5c) is formed on the upper surface of the channel forming region 3 via the nitride terminating layer 6 so as to straddle part of the ends of the source region 4a and the drain region 4b. , 7) are formed. Thus, the MOSFET of Example 2 is completed.

<MOS界面評価>
上記のようにして作製した実施例1及び2について、同一基板上に作製した分析用パターン(分析TEG)を用いて、SIMS測定、XPS測定及びAC駆動試験を行い、MOS界面特性を評価している。また、実施例1及び2と比較するため、NiSi膜からなるコンタクト層の形成をN2ガス雰囲気中950℃程度で3分程度のRTAにより行う従来の製造方法によって作製した比較例1も評価している。比較例1では、図11に示すように、チャネル形成領域3の上面に、窒化終端層6を介してゲート絶縁膜5dが形成される。図12~図14に、それぞれ実施例1、実施例2及び比較例1の分析TEGによるSiC/SiO2界面近傍のSIMS分析結果を示す。また、図15には、界面近傍のSIMS及びXPS測定結果、並びにAC印加駆動試験によるMOSFETのVthシフト量の評価結果を示す。
<MOS interface evaluation>
For Examples 1 and 2 produced as described above, using the analysis pattern (analysis TEG) produced on the same substrate, SIMS measurement, XPS measurement and AC drive test were performed to evaluate the MOS interface characteristics. there is In order to compare with Examples 1 and 2, Comparative Example 1 was also evaluated, which was produced by a conventional manufacturing method in which a contact layer made of a NiSi x film was formed by RTA at about 950° C. for about 3 minutes in a N 2 gas atmosphere. doing. In Comparative Example 1, as shown in FIG. 11, the gate insulating film 5d is formed on the upper surface of the channel forming region 3 with the nitride terminating layer 6 interposed therebetween. 12 to 14 show SIMS analysis results near the SiC/SiO 2 interface by analytical TEG of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, respectively. Also, FIG. 15 shows the SIMS and XPS measurement results near the interface and the evaluation results of the Vth shift amount of the MOSFET by the AC application drive test.

図12に示すように、実施例1のゲート絶縁膜5中のB原子濃度は4.5×1020cm-3程度以下で、平均4.5×1020cm-3程度である。SiC半導体層と酸化膜との界面近傍の酸化膜中のN原子及びC原子の拡散は、図12~図14に示すように、比較例1に比べて実施例1及び2の方が抑えられていることが判る。N原子の酸化膜中への拡散は、界面から、酸化膜中でN原子濃度がピーク値の1/2となる深さ方向の位置までの幅で規定される半値幅dHで評価する。C原子の酸化膜中への拡散は、界面から、酸化膜中でC原子濃度がノイズレベル、例えば1×1020cm-3以下となる位置までの幅で規定される遷移幅d内でのC原子濃度の積分値をC原子面密度として評価する。 As shown in FIG. 12, the B atom concentration in the gate insulating film 5 of Example 1 is about 4.5×10 20 cm −3 or less, and the average is about 4.5×10 20 cm −3 . The diffusion of N atoms and C atoms in the oxide film near the interface between the SiC semiconductor layer and the oxide film is suppressed in Examples 1 and 2 as compared to Comparative Example 1, as shown in FIGS. It turns out that The diffusion of N atoms into the oxide film is evaluated by the half width d H defined by the width from the interface to the position in the depth direction where the N atom concentration in the oxide film is 1/2 of the peak value. The diffusion of C atoms into the oxide film is within the transition width d defined by the width from the interface to the position where the C atom concentration in the oxide film is at the noise level, for example, 1×10 20 cm −3 or less. The integrated value of the C atom concentration is evaluated as the C atom areal density.

具体的には、図15の表に示すように、ゲート絶縁膜5に相当する酸化膜にB原子が添加された実施例1では、SIMSによるN原子濃度分布において半値幅dHが0.8nmと低減している。また、窒化処理後に実施するコンタクト層形成の熱処理温度を900℃未満の875℃程度で実施した実施例2でも、半値幅dHが2nm以下の1.8nm程度に抑制されている。一方、コンタクト層形成の熱処理温度を950℃程度で実施した比較例1では、半値幅dHは2.6nm程度と大きく、N原子拡散が抑制されていない。また、SIMSによるC原子濃度分布から求めたC原子面密度は、図15の表に示すように、5.7×1015cm-2程度の比較例1に対して、実施例1で1.8×1015cm-2程度、実施例2で4.5×1015cm-2程度と抑制されている。このように、酸化膜にB原子を添加することにより、N原子及びC原子の酸化膜中への拡散を抑制することができる。また、窒化処理後の熱処理温度を低下させることで、N原子及びC原子の酸化膜中への拡散を抑制することが可能である。 Specifically, as shown in the table of FIG. 15, in Example 1 in which B atoms were added to the oxide film corresponding to the gate insulating film 5, the half width d H in the N atom concentration distribution by SIMS was 0.8 nm. and decreased. Also in Example 2 in which the heat treatment temperature for forming the contact layer after the nitridation treatment was set at about 875° C., which is less than 900° C., the half-value width d H is suppressed to about 1.8 nm, which is 2 nm or less. On the other hand, in Comparative Example 1 in which the heat treatment temperature for forming the contact layer was set at about 950° C., the half width d H was as large as about 2.6 nm, and N atom diffusion was not suppressed. Further, as shown in the table of FIG. 15, the C atom areal density obtained from the C atom concentration distribution by SIMS is about 5.7×10 15 cm −2 in Comparative Example 1, while that in Example 1 is 1.5 cm −2 . It is suppressed to about 8×10 15 cm −2 and to about 4.5×10 15 cm −2 in Example 2. By adding B atoms to the oxide film in this manner, diffusion of N atoms and C atoms into the oxide film can be suppressed. Also, by lowering the heat treatment temperature after the nitriding treatment, it is possible to suppress the diffusion of N atoms and C atoms into the oxide film.

また、分析TEGを用いて、フッ酸(HF)などのエッチング液で酸化膜を除去したSiC半導体層表面をXPS測定して、界面のチャネル形成領域となるSIC半導体層表面のN面密度を評価している。図15の表に示すように、実施例1、2及び比較例1ともにN面密度は4×1014cm-2程度であり、界面特性を維持することができる。 In addition, using an analytical TEG, XPS measurement is performed on the surface of the SiC semiconductor layer from which the oxide film has been removed with an etching solution such as hydrofluoric acid (HF), and the N surface density of the surface of the SIC semiconductor layer, which will be the interface channel formation region, is evaluated. doing. As shown in the table of FIG. 15, both Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 have N surface densities of about 4×10 14 cm −2 and can maintain the interface characteristics.

作製した横型MOSFETの実施例1、2について、AC電圧印加による駆動試験を実施してVthシフトの評価を行っている。AC印加駆動は、室温にてゲート電極に+20V及び-5V、あるいは+20V及び-10Vのバイアス電圧を1対1の時間、周波数200kHzで交互印加して行っている。Vthシフト量は、AC印加2000時間後のVthの値と初期のVthの値との差により求める。図15の表に示すように、+20V/-5VAC印加駆動によるVthシフト量は、比較例1が0.1Vであるのに対して、実施例1が0.06V、実施例2が0.08Vと小さい。また、+20V/-10VAC印加駆動によるVthシフト量も、比較例1が0.2Vに対して、実施例1が0.1V、実施例2が0.15Vと小さい。このように、実施例1及び2では、Vthシフトを低減することができ、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。 For Examples 1 and 2 of the manufactured lateral MOSFETs, a driving test by AC voltage application is carried out to evaluate the Vth shift. AC application driving is performed by alternately applying bias voltages of +20 V and -5 V or +20 V and -10 V to the gate electrode at room temperature at a time ratio of 1:1 at a frequency of 200 kHz. The Vth shift amount is obtained from the difference between the Vth value after 2000 hours of AC application and the initial Vth value. As shown in the table of FIG. 15, the Vth shift amount due to +20 V/−5 VAC application driving is 0.1 V in Comparative Example 1, 0.06 V in Example 1, and 0.08 V in Example 2. and small. Further, the Vth shift amount due to +20 V/−10 VAC application driving is 0.2 V in Comparative Example 1, 0.1 V in Example 1, and 0.15 V in Example 2, which are small. As described above, in Examples 1 and 2, the Vth shift can be reduced, and 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)
Although insulated gate semiconductor devices according to embodiments of the present invention have been described above, the discussion and drawings forming part of this disclosure should not be construed as limiting the present invention. Various alternative embodiments, implementations and operational techniques will become 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 semiconductor device according to the embodiment, the lateral MOSFET using 4H-SiC was exemplified, but it can be applied to semiconductor devices using 6H-SiC and 3C-SiC. is also possible. Furthermore, it can also 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, the present invention naturally includes various embodiments and the like not described here, such as configurations in which the configurations described in the above embodiments and modifications are arbitrarily applied. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the matters specifying the invention according to the valid scope of claims based on 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主領域)
4b…ドレイン領域(第2主領域)
5、5c、5d…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
20…固体拡散源
22…スペーサ
1, 2... Substrate (SiC substrate)
3... Channel formation region (base region)
4a... Source region (first main region)
4b... Drain region (second main region)
5, 5c, 5d Gate insulating films 5a, 5b Oxide film 6 Nitride termination layer 6a Intermediate nitride layer 7 Gate electrode (control electrode)
8a... Source electrode 8b... Drain electrode 10... Front surface electrode 11... Back surface electrode 20... Solid diffusion source 22... Spacer

Claims (7)

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、
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、シリコンを窒素で終端した窒化終端層と、
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、
前記ゲート絶縁膜の表面から深さ方向に2次イオン質量分析法で測定したとき、窒素原子濃度のピーク位置で規定される前記界面から、前記ゲート絶縁膜中で炭素原子濃度が1×1020cm-3以下となる位置までの前記炭素原子濃度の積分値が5×1015cm-2以下であり、前記窒素原子濃度が前記ピーク位置での前記窒素原子濃度の1/2となる前記深さ方向の幅が2nm以下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;
a nitride terminating layer formed by terminating silicon with nitrogen and provided at an interface between the channel forming region and the gate insulating film;
a gate electrode provided on the gate insulating film and controlling a surface potential of the channel forming region;
with
When measured by secondary ion mass spectrometry in the depth direction from the surface of the gate insulating film, the carbon atom concentration in the gate insulating film is 1×10 20 from the interface defined by the peak position of the nitrogen atom concentration. cm −3 or less, the integrated value of the carbon atom concentration is 5×10 15 cm −2 or less, and the nitrogen atom concentration is 1/2 of the nitrogen atom concentration at the peak position. An insulated gate semiconductor device having a width of 2 nm or less in a vertical direction.
前記ゲート絶縁膜を除去して前記界面における前記チャネル形成領域の表面をX線光電子分光法で測定したとき、窒素原子面密度が3×1014cm-2以上1×1015cm-2以下であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。 When the gate insulating film is removed and the surface of the channel forming region at the interface is measured by X-ray photoelectron spectroscopy, the areal density of nitrogen atoms is 3×10 14 cm −2 or more and 1×10 15 cm −2 or less. 2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein: 前記ゲート絶縁膜は、ホウ素原子を1×1019cm-3以上5×1020cm-3以下の範囲で含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の絶縁ゲート型半導体装置。 3. The insulated gate semiconductor device according to claim 1 , wherein said gate insulating film contains boron atoms in a range of 1.times.10.sup.19 cm.sup. -3 to 5.times.10.sup.20 cm.sup. -3. 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、
前記ゲート絶縁膜中にホウ素原子を添加する工程と、
前記ゲート絶縁膜を窒素原子を含むガスで熱処理して、前記ゲート絶縁膜を窒化処理して、前記チャネル形成領域と前記ゲート絶縁膜との界面に窒化終端層を形成し、かつ前記ゲート絶縁膜中のホウ素原子濃度を1×1019cm-3以上5×1020cm-3以下の範囲とする工程と、
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。
forming a gate insulating film made of a silicon oxide film on the upper surface of a channel forming region made of silicon carbide;
adding boron atoms into the gate insulating film;
heat-treating the gate insulating film with a gas containing nitrogen atoms to nitridize the gate insulating film to form a nitride terminating layer at an interface between the channel forming region and the gate insulating film; and a step of making the boron atom concentration in the range of 1×10 19 cm −3 or more and 5×10 20 cm −3 or less;
and forming, on the gate insulating film, a gate electrode for controlling a surface potential of the channel forming region.
前記ゲート絶縁膜の表面から深さ方向に2次イオン質量分析法で測定したとき、窒素原子濃度のピーク位置で規定される前記界面から、前記ゲート絶縁膜中で炭素原子濃度が1×1020cm-3以下となる位置までの前記炭素原子濃度の積分値が5×1015cm-2以下であり、前記窒素原子濃度が前記ピーク位置での前記窒素原子濃度の1/2となる前記深さ方向の幅が2nm以下であることを特徴とする請求項4に記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。 When measured by secondary ion mass spectrometry in the depth direction from the surface of the gate insulating film, the carbon atom concentration in the gate insulating film is 1×10 20 from the interface defined by the peak position of the nitrogen atom concentration. cm −3 or less, the integrated value of the carbon atom concentration is 5×10 15 cm −2 or less, and the nitrogen atom concentration is 1/2 of the nitrogen atom concentration at the peak position. 5. The method of manufacturing an insulated gate semiconductor device according to claim 4, wherein the width in the vertical direction is 2 nm or less. 前記ゲート絶縁膜を除去したときの前記界面における前記チャネル形成領域の表面をX線光電子分光法で測定したとき、窒素原子濃度が3×1014cm-2以上1×1015cm-2以下であることを特徴とする請求項4又は5に記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。 When the surface of the channel formation region at the interface after removing the gate insulating film is measured by X-ray photoelectron spectroscopy, the nitrogen atom concentration is 3×10 14 cm −2 or more and 1×10 15 cm −2 or less. 6. The method of manufacturing an insulated gate semiconductor device according to claim 4, wherein: 前記ホウ素原子は、窒化ホウ素ウェハを固体拡散源として用いて900℃以上1200℃以下の温度で拡散添加されることを特徴とする請求項4~6のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
The insulated gate semiconductor according to any one of claims 4 to 6, wherein the boron atoms are diffused and added at a temperature of 900°C or higher and 1200°C or lower using a boron nitride wafer as a solid diffusion source. Method of manufacturing the device.
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