JP4857697B2 - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素(SiC)を用いた炭化珪素半導体装置に関し、詳しくは、MOS(metal-oxide semiconductor;MOS)構造のゲート電極を有するMOS型の炭化珪素半導体装置(MOSFET)に関する。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device using silicon carbide (SiC), and more particularly to a MOS silicon carbide semiconductor device (MOSFET) having a gate electrode having a MOS (metal-oxide semiconductor) structure.
近年、電流の流れ込むソース電極と流れ出るドレイン電極との間にゲート電極を設け、ゲート電極に加える電庄によってソース/ドレイン間の電流(ドレイン電流)を制御する電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor;FET)が提案されており、ゲートにMOS構造を持つMOS型(MOSFET)とpn接合又はショットキー接合を用いた接合型とがある。 In recent years, a field effect transistor (FET) has been proposed in which a gate electrode is provided between a source electrode into which a current flows and a drain electrode from which the current flows out, and the current between the source and the drain (drain current) is controlled by the voltage applied to the gate electrode. Are proposed, and there are a MOS type (MOSFET) having a MOS structure at the gate and a junction type using a pn junction or a Schottky junction.
ゲート電極をMOS構造にして設けたMOSFETでは、半導体表面に少数のキャリアによる反転層ができることを利用し,ドレイン電流が流れるチャネル領域の伝導度を制御する。そして、ゲート電圧に変化を与えると電流値が変化するため、電気信号の増幅や電流のオン/オフスイッチとして機能し得る。 In a MOSFET provided with a gate electrode having a MOS structure, the conductivity of a channel region through which a drain current flows is controlled by utilizing the fact that an inversion layer is formed by a small number of carriers on the semiconductor surface. When the gate voltage is changed, the current value changes, so that it can function as an electric signal amplification or current on / off switch.
上記のように、ゲートにMOS構造を持つ半導体装置については、炭化珪素よりなる半導体を用いた縦型の炭化珪素半導体装置(MOSFET)がある(例えば、特許文献1参照)。また、SiC層にGeを導入することにより結晶性の安定したSiGeC層を形成するようにした半導体装置の製造方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
しかし、炭化珪素(SiC)は、高出力用半導体として期待されているが、一般にキャリアの移動度が小さい、すなわち電子が流れにくく、素子としたときのオン抵抗が高いため、損失が大きくなる。そのため、チャネル領域がSiCで構成される場合、素子特性をより向上させるには、電子等のキャリアの移動度の向上が不可欠である。 However, silicon carbide (SiC) is expected as a high-power semiconductor, but generally has a low carrier mobility, that is, electrons do not easily flow and has a high on-resistance when used as an element, resulting in a large loss. Therefore, when the channel region is composed of SiC, it is essential to improve the mobility of carriers such as electrons in order to further improve the device characteristics.
また、上記のようにSiCにGeを導入する例が開示されているが、Geが導入されたSiGeCは結晶性が良好とされるものの、それ自体キャリアの供給機能は有さずSiGeC結晶外部からの供給が必要であり、構造上移動度の向上はある程度期待できるが、高出力化、大電流化の点では不充分である。 In addition, an example in which Ge is introduced into SiC as described above has been disclosed. Although SiGeC into which Ge is introduced has good crystallinity, it does not have a carrier supply function itself, but from outside the SiGeC crystal. Although it is expected that the mobility will be improved to some extent in terms of structure, it is not sufficient in terms of higher output and higher current.
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、炭化珪素を用いたチャネル形成領域でのキャリアの移動度が大きく、低オン抵抗で素子特性に優れた炭化珪素半導体装置を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a silicon carbide semiconductor device having high carrier mobility in a channel formation region using silicon carbide, low on-resistance, and excellent element characteristics. An object is to achieve the object.
前記目的を達成するために、第1の発明である炭化珪素半導体装置は、ゲート電極及びゲート酸化膜と、ソース電極と、ドレイン電極とを備え、チャネル領域形成部位が、不純物のドープによりn型もしくはp型半導体に構成されると共に、SiC結晶にGeがドープされたSi1-xGexC混晶〔0<x<1〕からなるように構成したものである。 In order to achieve the above object, a silicon carbide semiconductor device according to a first aspect of the present invention includes a gate electrode, a gate oxide film, a source electrode, and a drain electrode, and a channel region forming portion is n-type by doping impurities. or together constituted the p-type semiconductor, in which Ge is configured such that the Si 1-x Ge x C mixed crystal doped [0 <x <1] to SiC crystal.
第1の発明である炭化珪素半導体装置は、ソース電極及びドレイン電極と共に、ゲート電極がMOS構造にして設けられたMOS型に構成されたものである。 A silicon carbide semiconductor device according to a first aspect of the present invention is configured in a MOS type in which a gate electrode is provided in a MOS structure together with a source electrode and a drain electrode.
第1の発明においては、チャネル領域が形成される部位を、(好ましくは6方晶系の)SiC結晶(炭化珪素)にSiやCに比べイオン半径が大きく禁制帯幅が狭いGe(ゲルマニウム)をドープすることにより得られた移動度の大きいSi1-xGexC混晶を用いた構成とすることで、チャネル領域の格子定数が大きくなり、電子が結晶中を移動する際の格子から受ける散乱確率の影響が抑えられるので、チャネル領域における電子等のキャリアの移動度を効果的に向上させることができる。これにより、素子特性を飛躍的に向上させることができる。 In the first invention, the site where the channel region is formed is Ge (germanium) having a larger ionic radius and narrower forbidden band than Si or C (preferably hexagonal) SiC crystal (silicon carbide). By using the Si 1-x Ge x C mixed crystal having a high mobility obtained by doping the channel, the lattice constant of the channel region is increased, and the lattice of the electrons moving through the crystal is increased. Since the influence of the received scattering probability is suppressed, the mobility of carriers such as electrons in the channel region can be effectively improved. Thereby, element characteristics can be improved drastically.
また、チャネル領域の移動度を向上させると共に、n型もしくはp型半導体に構成されるようにGeのドープとは別に、リン(P)やN(窒素)などの不純物をドープすることで、高移動度の結晶内でキャリア用の電子の供給ができるようになるので、チャネル領域の移動度の向上効果が大きく、より低オン抵抗の素子特性を得ることができる In addition to improving the mobility of the channel region, doping with impurities such as phosphorus (P) and N (nitrogen) separately from Ge doping so as to constitute an n-type or p-type semiconductor, Since electrons for carriers can be supplied in the mobility crystal, the effect of improving the mobility of the channel region is great, and device characteristics with lower on-resistance can be obtained.
第2の発明である炭化珪素半導体装置は、ゲート電極及びゲート酸化膜と、ソース電極と、ドレイン電極とを備えると共に、不純物のドープによりn型もしくはp型半導体に構成されたSiC結晶(炭化珪素)からなるチャネル領域形成部位と、チャネル領域形成部位の上に隣接して設けられ、不純物のドープにより前記チャネル領域形成部位と逆型(例えばチャネル領域形成部位がn型のときはp型)の半導体に構成されると共に、(好ましくは6方晶系の)SiC結晶(炭化珪素)にSiやCに比べイオン半径の大きいGe(ゲルマニウム)がドープされたSi1-xGexC混晶〔0<x<1〕からなる歪供給層と、を更に設けて構成したものである。 A silicon carbide semiconductor device according to a second aspect of the present invention includes a SiC crystal (silicon carbide) comprising a gate electrode, a gate oxide film, a source electrode, and a drain electrode, and configured as an n-type or p-type semiconductor by doping impurities. ) and the channel region forming portion consisting of, disposed over and adjacent to the channel region forming portion, said by doping impurity channel region forming portion opposite type (e.g., p-type when the channel region forming portion is n-type) A Si 1-x Ge x C mixed crystal in which a SiC crystal (silicon carbide) (preferably hexagonal) is doped with Ge (germanium) having a larger ionic radius than Si or C is formed. And a strain supply layer composed of 0 <x <1].
第2の発明である炭化珪素半導体装置もまた、ソース電極及びドレイン電極と共に、ゲート電極がMOS構造にして設けられたMOS型に構成されたものである。 The silicon carbide semiconductor device according to the second invention is also configured in a MOS type in which a gate electrode is provided in a MOS structure together with a source electrode and a drain electrode.
第2の発明においては、キャリア用の電子を供給するチャネル領域形成部位の上に隣接して、前記同様のSi1-xGexC混晶〔0<x<1〕からなる歪供給層を設けることで、歪供給層の結晶格子の大きさが作用してチャネル領域形成部位に歪みが加えられるので、チャネル領域の結晶格子を広げる(格子定数が大きくなる)効果がある。そのため、電子が結晶中を移動する際の格子から受ける散乱確率の影響が抑えられ、移動度を効果的に向上させることができる。 In the second invention, the electron carrier adjacent the top of the channel region forming portion for supplying the strain supply layer made of the same Si 1-x Ge x C mixed crystal [0 <x <1] By providing the strain, the size of the crystal lattice of the strain supply layer acts and strain is applied to the channel region forming portion, so that there is an effect of widening the crystal lattice of the channel region (lattice constant increases). Therefore, the influence of the scattering probability received from the lattice when electrons move in the crystal can be suppressed, and the mobility can be improved effectively.
すなわち、SiC結晶にGeがドープされたSi1-xGexC混晶はSiC結晶に比べて格子定数が大きいため、隣接して形成されたチャネル領域の格子定数もSi1-xGexC混晶の応力を受けて大きくなる。その結果、電子の散乱確率が抑えられ、移動度を向上させることができる。これにより、素子特性を飛躍的に向上させることができる。 That is, since the Si 1-x Ge x C mixed crystal in which the SiC crystal is doped with Ge has a larger lattice constant than the SiC crystal, the lattice constant of the adjacent channel region is also Si 1-x Ge x C. It grows under the stress of mixed crystals. As a result, the probability of electron scattering can be suppressed and the mobility can be improved. Thereby, element characteristics can be improved drastically.
第2の発明では、上記のようにチャネル領域形成部位をSi1-xGexC混晶で構成した第1の発明に比べて、Geドープによる合金散乱の影響がより小さくなるので、素子特性をより向上させることができる。 In the second invention, as compared with the first invention in which the channel region forming portion is composed of Si 1-x Ge x C mixed crystal as described above, the influence of alloy scattering due to Ge doping becomes smaller, so that the device characteristics Can be further improved.
SiC結晶にGeがドープされたSi1-xGexC混晶のSiC結晶としては、4H−SiC結晶又は6H−SiC結晶が効果的であり、4H−SiC結晶が特に有効である。 As the SiC crystal of Si 1-x Ge x C mixed crystal in which Ge is doped in the SiC crystal, 4H—SiC crystal or 6H—SiC crystal is effective, and 4H—SiC crystal is particularly effective.
また、前記Si1-xGexC混晶中のGeの濃度は、xが0<x<0.2を満たす範囲が特に効果的である。 Further, the concentration of Ge in the Si 1-x Ge x C mixed crystal is particularly effective when x satisfies 0 <x <0.2.
本発明によれば、炭化珪素を用いたチャネル形成領域でのキャリアの移動度が大きく、低オン抵抗で素子特性に優れた炭化珪素半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a silicon carbide semiconductor device having high carrier mobility in a channel formation region using silicon carbide, low on-resistance, and excellent element characteristics.
以下、図面を参照して、本発明の炭化珪素半導体装置の実施形態について詳細に説明する。
(第1実施形態)
本発明の炭化珪素半導体装置の第1実施形態を図1〜図3を参照して説明する。本実施形態の炭化珪素半導体装置は、ゲート電極をMOS構造に構成すると共に、チャネル領域をなすチャネル層として、6方晶系のSiC結晶に気相成長法によりGeをSi0.9Ge0.1C(x=0.1)の組成となるようにドーピングしてなるSiGeC混晶からなる層を設け、ソース側から該ソース形成面と逆側の面に形成されたドレインに向かって素子内を縦断する縦方向に電子が流れる縦型のMOS型電界効果トランジスタ(MOSFET)に構成したものである。
Hereinafter, an embodiment of a silicon carbide semiconductor device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
A silicon carbide semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, the gate electrode is configured as a MOS structure, and as a channel layer forming a channel region, Ge is formed on a hexagonal SiC crystal by vapor phase growth using Si 0.9 Ge 0.1 C (x = 0.1) a layer made of a SiGeC mixed crystal doped so as to have a composition, and a longitudinal section that cuts through the device from the source side toward the drain formed on the surface opposite to the source formation surface. This is a vertical MOS field effect transistor (MOSFET) in which electrons flow in the direction.
本実施形態のMOSFETは、図1に示すように、N型の4H−SiC基板(N+;窒素ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3)11の上に順次、厚み1μmのSiCバッファ層(N+;窒素ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3)12と、厚み10μmのSiCドリフト層(N-;窒素ドープ、キャリア濃度5×1015cm-3)13とが積層されており、SiCドリフト層13のSiCバッファ層12と接しない側には、MOS構造を形成するための凹状の溝部19が形成されている。
As shown in FIG. 1, the MOSFET of this embodiment has an SiC buffer layer having a thickness of 1 μm sequentially on an N-type 4H—SiC substrate (N + ; nitrogen-doped, carrier concentration 3 × 10 18 cm −3 ) 11. (N + ; nitrogen dope, carrier concentration 3 × 10 18 cm −3 ) 12 and SiC drift layer (N − ; nitrogen dope, carrier concentration 5 × 10 15 cm −3 ) 13 having a thickness of 10 μm are laminated. On the side of the
SiCドリフト層13上には、厚み2.0μmのSiGeCチャネル層(P-;Alドープ、キャリア濃度5×1016cm-3)14が積層されている。このSiGeCチャネル層14は、6方晶系のSiCに気相成長法によりGeをドーピングしたSi0.9Ge0.1C(x=0.1)混晶(SiGeC混晶)にAlを不純物としてドーピングした層であり、この層自体がキャリア用の電子の供給を行なえるようになっている。SiGeCチャネル層の厚みは、0.2〜2.0μmの範囲で選択することができる。
On the
このように、チャネル領域となるSiGeCチャネル層14は、Si0.9Ge0.1C(x=0.1)混晶を用いて結晶格子の拡がった低オン抵抗の結晶層に構成されており、SiCに対するキャリアの移動度は高い。このキャリア移動度の高いSiGeC混晶からなるチャネル層中で電子供給を行なうように構成されるため、電子の散乱確率に伴なう素子の損失低減の効果が大きく、高い素子特性が得られるようになっている。
As described above, the SiGeC
本実施形態では、SiGeC混晶の組成をGe/(Ge+Si)比(x)が0.1である場合を示したが、Geの比率は0<x<1の範囲で任意に選択することができ、この範囲内では上記同様に、チャネル領域における電子の散乱確率に伴なう素子損失が低く抑えられ、キャリア移動度の高いチャネル領域を形成できる。これにより、高い素子特性が得られる。中でも、結晶品質と移動度特性を考慮すると、Geの比率は、0<x≦0.5の範囲が好ましく、0<x≦0.2の範囲がより好ましく、0.05≦x≦0.15の範囲が更に好ましい。 In the present embodiment, the composition of the SiGeC mixed crystal is shown in the case where the Ge / (Ge + Si) ratio (x) is 0.1. However, the Ge ratio may be arbitrarily selected within the range of 0 <x <1. Within this range, similarly to the above, element loss due to the electron scattering probability in the channel region can be kept low, and a channel region with high carrier mobility can be formed. Thereby, high device characteristics can be obtained. In particular, considering the crystal quality and mobility characteristics, the Ge ratio is preferably in the range of 0 <x ≦ 0.5, more preferably in the range of 0 <x ≦ 0.2, and 0.05 ≦ x ≦ 0. A range of 15 is more preferred.
SiGeCチャネル層14は、6方晶系のSiC結晶に気相成長法を用いた常法によりGeをドーピングして形成したものである。気相成長法は、結晶中のSiCをSiGeCに置き換えることができるため、成分組成がブロード状に変化する混晶ではなく、SiC及びSiGeC間に急峻な界面を有する混晶を得ることができ、層構造を自由に制御可能である点で好ましい。急峻な構造が得られるので、チャネル層の界面に揺らぎが生じることに伴なう電子などの散乱を回避でき、移動度が向上する。
The SiGeC
気相成長法で形成する場合、例えば、導入用のキャリアガスを水素ガスとし、SiH4とプロパン(C3H8)ガスを流す等してできた気相SiCに有機金属(例えばテトラエチルゲルマニウム)ガス又はガス原料(GeH4)を導入して部分的にSiGeCを堆積成長させることにより行なうことでき、この場合の圧力、温度、各成分の流速や供給量、供給比率を選択することで所望の混晶に制御可能である。 In the case of forming by vapor phase growth, for example, hydrogen gas is used as an introduction carrier gas, and an organic metal (for example, tetraethylgermanium) is used for vapor phase SiC formed by flowing SiH 4 and propane (C 3 H 8 ) gas. This can be done by introducing gas or gas raw material (GeH 4 ) and partially depositing and growing SiGeC. In this case, the pressure, temperature, flow rate and supply amount of each component, and supply ratio can be selected as desired. It can be controlled to a mixed crystal.
SiGeCチャネル層14の形成は、気相成長法以外に、液相成長法やエピタキシャル成長法、原料分子をイオン化し、加速して結晶中に注入するイオン注入法、など公知の方法を利用して行なうことができる。成分組成がブロード状に変化しない急峻な界面構造が得られ、移動度が向上する点で、本発明においては、気相成長法が特に好ましい。
The SiGeC
また、SiGeC混晶の形成に用いる炭化珪素は、種々の炭化珪素を選択することができるが、6方晶系のSiC結晶が好ましく、前記4H−SiC結晶以外に6H−SiC結晶が好適である。4H−SiC結晶は、キャリア移動度が高く、同方向に成長した6H−SiC結晶に比べて積層欠陥密度が小さい点で好ましい。6H−SiC結晶を用いた場合も、上記と同様にしてSiGeCチャネル層を形成できる。 As silicon carbide used for forming the SiGeC mixed crystal, various silicon carbides can be selected, but hexagonal SiC crystal is preferable, and 6H-SiC crystal is preferable in addition to the 4H-SiC crystal. . The 4H—SiC crystal is preferable in that it has a high carrier mobility and has a smaller stacking fault density than the 6H—SiC crystal grown in the same direction. Even when a 6H—SiC crystal is used, a SiGeC channel layer can be formed in the same manner as described above.
SiGeCチャネル層の厚みとしては、特に制限されるものではないが、ソース及びドレイン間の耐圧と格子不整による欠陥発生の抑制の点で、0.1〜4.0μmが好ましく、0.1〜2.0μmがより好ましい。 The thickness of the SiGeC channel layer is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 4.0 μm in terms of the breakdown voltage between the source and drain and the suppression of defects due to lattice irregularities, and preferably 0.1 to 2 μm. 0.0 μm is more preferable.
SiGeCチャネル層14の表面には、厚み0.5μmのSiCコンタクト層(N+;窒素ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3以上)15が積層されており、SiCコンタクト層15上の一部領域には、Niからなるソース電極16が形成されている。ソース電極は、TiとAlとを積層してなるTi層/Al層からなるものでもよい。
On the surface of the
さらに、図1に示すように、SiCコンタクト層15上のソース電極が形成されていない領域と、溝部19におけるSiCドリフト層13の表面並びに、SiCドリフト層13の溝部上方にSiGeCチャネル層14及びSiCコンタクト層15の積層により形成された壁面とが覆われるようにして、厚み20〜100nmのSiO2からなるゲート酸化膜18が形成されている。
Further, as shown in FIG. 1, the region where the source electrode is not formed on the
そして、溝部19内におけるゲート酸化膜18上には、Ti層/Al層(ここで、Ti層/Al層は、厚み0.03〜0.05μmのTi層と厚み1〜4μmのAl層とを積層したものである。以下同様。)からなるゲート電極17が形成されており、MOS構造に構成されている。ゲート電極17は、ゲート酸化膜18によってソース電極16やSiGeCチャネル層14及びSiCコンタクト層15と非接触なようになっている。
Then, on the
また、4H−SiC基板11のSiCバッファ層12が設けられていない側の表面には、Niからなるドレイン電極20が形成されており、ゲート電極17の電圧制御により、ソース電極16からドレイン電極20に向かって素子内を縦断する方向(縦方向)に電子が流れるようになっている。このとき、電流はドレイン電極からソース電極に流れる。
A
次に、本発明の炭化珪素半導体装置の作製方法について、本実施形態の縦型のMOSFETを作製した場合を一例に、図2〜図3を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 3, taking as an example the case where the vertical MOSFET of the present embodiment is manufactured.
−1)基板上への各層の形成−
SiC基板(N+;4H−SiC(0001)8°off toward[11-20]、窒素ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3)を用意し、SiC基板を1400〜2000℃(より好ましくは1500〜1700℃)に加熱して、CVD法〔キャリアガス:水素(H2)、原料ガス:モノシラン(SiH4)及びプロパン(C3H8)、N型伝導用原料:窒素(N2)〕を用いた常法により、図2−(a)に示すように、SiC基板11上に厚み1μmのSiCバッファ層(N+;窒素ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3)12をエピタキシャル成長させて形成した。
-1) Formation of each layer on the substrate
An SiC substrate (N + ; 4H—SiC (0001) 8 ° off toward [11-20], nitrogen-doped, carrier concentration 3 × 10 18 cm −3 ) is prepared, and the SiC substrate is 1400 to 2000 ° C. (more preferably 1500-1700), CVD method [carrier gas: hydrogen (H 2 ), source gas: monosilane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ), N-type conductive source: nitrogen (N 2 ) As shown in FIG. 2A, an SiC buffer layer (N + ; nitrogen-doped, carrier concentration 3 × 10 18 cm −3 ) 12 having a thickness of 1 μm is epitaxially grown on the
SiCバッファ層12の形成後に連続して、前記同様に、1400〜2000℃に加熱しつつ、CVD法〔キャリアガス:H2、原料ガス:SiH4及びC3H8、N型伝導用原料:N2〕を用いた常法により、SiCバッファ層12上に、厚み10μmのSiCドリフト層(N-;窒素ドープ、キャリア濃度5×1015cm-3)13をエピタキシャル成長させて積層した。
Continuously after the formation of the
SiCドリフト層13の積層後に更に連続して、1400〜2000℃に加熱しつつ、CVD法〔キャリアガス:H2、原料ガス:SiH4及びC3H8、Ge導入用原料:テトラエチルゲルマニウム〔(C2H5)4Ge〕、P型伝導用原料:トリメチルアルミニウム(TMA)〕を用いた常法により、Si0.9Ge0.1C(x=0.1)混晶が得られるように調整して、SiCドリフト層13上に厚み2μmのSiGeCチャネル層(P-;Alドープ、キャリア濃度5×1016cm-3)14をエピタキシャル成長させて積層した。
The CVD method [carrier gas: H 2 , source gas: SiH 4 and C 3 H 8 , Ge introduction source: tetraethyl germanium [( C 2 H 5) 4 Ge], P-type conduction material: by a conventional method using trimethylaluminum (TMA)], Si 0.9 Ge 0.1 C (x = 0.1) was adjusted to a mixed crystal is obtained A SiGeC channel layer (P − ; Al-doped, carrier concentration 5 × 10 16 cm −3 ) 14 having a thickness of 2 μm was epitaxially grown on the
なお、Geについては、有機金属ガス(テトラエチルゲルマニウム)を発生させる容器(バブラ)に、所定流量のH2やArを導入することで原料ガス流量を調節した。この際、容器は所望の分圧が得られるように、恒温槽中に一定の温度で保持されている。また、組成比はSi及びGeの各原料ガスの供給比に対応して所望の組成比が得られる。 As for Ge, the raw material gas flow rate was adjusted by introducing a predetermined flow rate of H 2 or Ar into a vessel (bubbler) for generating an organometallic gas (tetraethyl germanium). At this time, the container is held at a constant temperature in a thermostatic bath so as to obtain a desired partial pressure. Further, a desired composition ratio can be obtained corresponding to the supply ratio of the Si and Ge source gases.
引き続き連続して、前記同様に、1400〜2000℃に加熱しつつ、CVD法〔キャリアガス:H2、原料ガス:SiH4及びC3H8、N型伝導用原料:N2〕を用いた常法により、SiGeCチャネル層14上に、厚み0.5μmのSiCコンタクト層(N+;窒素ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3以上)15をエピタキシャル成長させて積層した。このようにして、図2−(a)に示すように、SiC基板11上に該基板側から順に、SiCバッファ層12、SiCドリフト層13、SiGeCチャネル層14、及びSiCコンタクト層15が積層された積層体(ウエハ)を得た。
Subsequently, the CVD method [carrier gas: H 2 , raw material gas: SiH 4 and C 3 H 8 , N-type conductive raw material: N 2 ] was used in the same manner as above while heating to 1400-2000 ° C. A SiC contact layer (N + ; nitrogen-doped, carrier concentration of 3 × 10 18 cm −3 or more) 15 having a thickness of 0.5 μm was epitaxially grown and stacked on the
−2)溝部の形成−
次に、上記より得られた積層体のSiCコンタクト層15の表面全体に、プラズマCVD法を用いた常法により、マスク用のSiO2膜を形成した。なお、プラズマCVD法以外に、LPCVD法やスパッタ法等を用いて形成することもできる。形成されたSiO2膜上には更に、半導体製造工程で一般に用いられるフォトリソ法により、ゲート電極を形成するための領域(ゲート形成領域)が開口、つまりゲート形成領域となる範囲のSiO2膜が露出するようにパターニングされたフォトレジスト膜(不図示)を形成した。そして、CHF3ガスを用いたドライエッチング法により、図2−(b)に示すように、ゲート形成領域に相当する範囲のSiO2膜21を、SiCコンタクト層15が露出するまでエッチング処理して開口し、凹形状の溝部19を形成した。その後、残存するフォトレジスト膜をレジスト剥離液を用いて除去した。
-2) Formation of groove-
Next, a mask SiO 2 film was formed on the entire surface of the
なお、エッチング処理は、バッファードフッ酸等の薬液を用いて行なってもよい。また、フォトレジスト膜の除去は、O2プラズマ等を用いたアッシング装置を用いて行なうようにしてもよい。 Note that the etching treatment may be performed using a chemical solution such as buffered hydrofluoric acid. Further, the removal of the photoresist film may be performed using an ashing apparatus using O 2 plasma or the like.
次に、SF6ガスを用いたドライエッチング法により、図2−(c)に示すように、SiO2膜21にて規制されたゲート形成領域に相当する範囲でSiGeCチャネル層14及びSiCコンタクト層15を、SiCドリフト層13の一部が除去され溝部19と同幅に凹状に溝(深さ0.5μm)が形成されるようにエッチング処理し、深さ3.0μmの溝(SiCコンタクト層(0.5μm)15とSiGeCチャネル層(2μm)14と深さ0.5μmの総和;溝部19)を形成した。その後、CHF3ガスを用いたドライエッチング法により、SiO2膜21を除去した。なお、SiO2膜の除去は、バッファードフッ酸等の薬液を用いて行なってもよい。
Next, by a dry etching method using SF 6 gas, as shown in FIG. 2C, the
上記では、SiCドリフト層13の溝の深さを0.5μmとしたが、SiCドリフト層の厚みや目的等に応じて、例えば0.1〜0.5μmの範囲で適宜選択することができる。
In the above description, the groove depth of the
−3)熱酸化法によるゲート酸化膜の形成−
熱酸化炉内に溝部19が形成された前記積層体を入れ、酸素雰囲気中で1000〜1300℃に加熱して積層体の外側表面の全体を酸化し、図2−(d)に示すように、SiO2の酸化被膜22を形成した。なお、図2−(d)には、積層体の上部と底部に酸化被膜22が形成されているところを示す。
-3) Formation of gate oxide film by thermal oxidation method
The laminated body in which the
−4)ソース電極の形成−
上記のように、積層体の上部に形成された酸化被膜22上に更に、半導体製造工程で一般に用いられるフォトリソ法により、ソース電極を形成するための領域(ソース形成領域)が開口、つまりソース形成領域となる範囲のゲート酸化膜が露出するようにパターニングされたフォトレジスト膜(不図示)を形成した。そして、CHF3ガスを用いたドライエッチング法により、図2−(e)に示すように、ソース形成領域に相当する範囲の酸化被膜22を、SiCコンタクト層15が露出するまでエッチング処理して開口した。
-4) Formation of source electrode
As described above, a region (source formation region) for forming a source electrode is further opened on the
このとき、図2−(e)に示すように、溝部19におけるSiCドリフト層13の表面並びに、SiCドリフト層13の溝部上方にSiGeCチャネル層14及びSiCコンタクト層15の積層により形成された壁面には、これら表面並びに壁面を覆うようにして、ゲート酸化膜18が形成されている。
At this time, as shown in FIG. 2E, on the surface of the
続いて、真空蒸着装置を用いて、図2−(e)に示すように、SiCコンタクト層15の露出部にNiを蒸着して厚み0.1μmのソース電極16を成膜した。そして、リフトオフ法により、レジスト剥離液を用いてフォトレジスト膜上に形成されている不要な電極材を、残存するフォトレジスト膜と共に除去した。
Subsequently, as shown in FIG. 2E, Ni was deposited on the exposed portion of the
−5)ドレイン電極の形成−
次に、積層体の底部に形成された酸化被膜22を、SF6ガスを用いたドライエッチング法によりエッチング処理して除去し、酸化被膜22が除去されてSiC基板が露出した領域に、真空蒸着装置を用いて、図2−(e)に示すようにドレイン電極20を成膜した。
-5) Formation of drain electrode
Next, the
続いて、アルゴン雰囲気のもと、ソース電極及びドレイン電極にオーミック特性が得られるように、1000℃で10分間熱処理を行なった。 Subsequently, heat treatment was performed at 1000 ° C. for 10 minutes in an argon atmosphere so that ohmic characteristics were obtained for the source electrode and the drain electrode.
−6)ゲート電極及び配線の形成−
次に、前記4)の操作と同様にして、半導体製造工程で一般に用いられるフォトリソ法により、ゲート形成領域である溝部19の底面のゲート酸化膜18及び、ソース電極16が露出するようにパターニングされたフォトレジスト膜(不図示)を形成し、真空蒸着装置を用いて、図3−(f)に示すように、露出したゲート酸化膜18及びソース電極16上にTiとAlとを蒸着し、厚み1.1μmのTi層/Al層(Ti厚0.1μm+Al厚1.0μm)からなるゲート電極17と配線23とを成膜した。そして、リフトオフ法により、レジスト剥離液を用いてフォトレジスト膜上に形成されている不要な電極材と残存するフォトレジスト膜とをともに除去した。
-6) Formation of gate electrode and wiring
Next, in the same manner as in the operation 4), patterning is performed so as to expose the
−7)表面保護膜の形成−
次に、プラズマCVD法を用いた常法により、ゲート電極17、ゲート酸化膜18、及び配線23等を覆うようにして積層体の上部全面に表面保護膜用のSiO2膜を形成した。なお、プラズマCVD法以外に、LPCVD法やスパッタ法等を用いて形成することもできる。形成されたSiO2膜上には更に、半導体製造工程で一般に用いられるフォトリソ法により、ソース電極16上に設けられた配線23の一部が露出するようにパターニングされたフォトレジスト膜(不図示)を形成した。そして、CHF3ガスを用いたドライエッチング法により、図3−(g)に示すように、ソース電極16上の配線23が露出するまでエッチング処理し、配線23の露出部以外を被覆するように表面保護膜(SiO2膜)24を形成した。その後、残存するフォトレジスト膜をレジスト剥離液を用いて除去した。
-7) Formation of surface protective film
Next, an SiO 2 film for a surface protective film was formed on the entire upper surface of the laminated body so as to cover the
なお、エッチング処理は、バッファードフッ酸等の薬液を用いて行なってもよく、O2プラズマ等を用いたアッシング装置を用いてフォトレジスト膜を除去するようにしてもよい。 Note that the etching treatment may be performed using a chemical solution such as buffered hydrofluoric acid, or the photoresist film may be removed using an ashing apparatus using O 2 plasma or the like.
以上のようにして、図1に示す縦型のMOSFETを作製した。上記より作製したMOSFETのチャネル移動度を半導体パラメータアナライザを用いて測定したところ、Geドープを行なっていないSiC結晶(Alドープ)からなるチャネル層で同様の構成とした縦型のMOSFETに比べ、移動度が20%以上の向上効果が認められた。 As described above, the vertical MOSFET shown in FIG. 1 was manufactured. The channel mobility of the MOSFET fabricated as described above was measured using a semiconductor parameter analyzer, and it was found that the channel mobility of the channel layer made of SiC crystal (Al-doped) without Ge doping is similar to that of a vertical MOSFET with the same configuration. An improvement effect of 20% or more was observed.
本実施形態では、SiGeC混晶として、Si0.9Ge0.1C(x=0.1)混晶を用いてチャネル領域(SiGeCチャネル層)を形成する場合を中心に説明したが、x=0.1に限らず、0<x<1の範囲で選択できる組成ではいずれも上記と同様にSiGeCチャネル層を形成でき、また、Al以外の不純物を導入して別形態のn型もしくはp型半導体層に構成することが可能である。 In this embodiment, the case where the channel region (SiGeC channel layer) is formed using Si 0.9 Ge 0.1 C (x = 0.1) mixed crystal as the SiGeC mixed crystal has been mainly described, but x = 0.1. Any composition that can be selected within the range of 0 <x <1 can form a SiGeC channel layer in the same manner as described above, and an impurity other than Al can be introduced to form another n-type or p-type semiconductor layer. It is possible to configure.
(第2実施形態)
本発明の炭化珪素半導体装置の第2実施形態を図4〜図6を参照して説明する。本実施形態は、ゲート電極をMOS構造に構成すると共に、チャネル領域をなすチャネル層としてSi0.95Ge0.05C混晶からなる層を設け、積層体(ウエハ)の一方の側に設けられたソース及びドレイン間の横方向に電子が流れる横型のMOS型電界効果トランジスタ(MOSFET)に構成したものである。
(Second Embodiment)
2nd Embodiment of the silicon carbide semiconductor device of this invention is described with reference to FIGS. In the present embodiment, the gate electrode is configured in a MOS structure, and a layer made of Si 0.95 Ge 0.05 C mixed crystal is provided as a channel layer forming a channel region, and a source provided on one side of a stacked body (wafer) and This is a lateral MOS field effect transistor (MOSFET) in which electrons flow in the lateral direction between the drains.
なお、SiGeCチャネル層及び他の層(SiC基板を除く)は、第1実施形態で使用した材料及び方法を用いて第1実施形態と同様に形成、成膜が可能であり、第1実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。 The SiGeC channel layer and other layers (excluding the SiC substrate) can be formed and formed in the same manner as in the first embodiment using the materials and methods used in the first embodiment. The same reference numerals are assigned to the same components as those in FIG.
本実施形態のMOSFETは、図4に示すように、P型の4H−SiC基板(P-;Alドープ、キャリア濃度3×1018cm-3)31の上に順次、厚み5μmのSiC層(P-;Alドープ、キャリア濃度3×1018cm-3)32と、厚み2μmのSiGeCチャネル層(P-;Alドープ、キャリア濃度5×1015cm-3)34が積層されている。このSiGeCチャネル層34は、6方晶系のSiC結晶に気相成長法によりGeをドーピングしたSi0.95Ge0.05C(x=0.05)混晶(SiGeC混晶)にAlを不純物としてドーピングした層であり、この層自体がキャリア用の電子の供給を行なえるようになっている。
As shown in FIG. 4, the MOSFET according to the present embodiment is formed on a P-type 4H—SiC substrate (P − ; Al-doped, carrier concentration 3 × 10 18 cm −3 ) 31 in order, P − ; Al doped, carrier concentration 3 × 10 18 cm −3 ) 32 and a SiGeC channel layer (P − ; Al doped, carrier concentration 5 × 10 15 cm −3 ) 34 having a thickness of 2 μm are laminated. In this
このように、チャネル領域はSi0.95Ge0.05C(x=0.05)混晶を用いて高移動度に構成されており、キャリア移動度の高いSiGeC混晶からなるチャネル層中で電子供給が行なえるようになっている。これにより、SiGeCチャネル層34は、結晶格子が拡がって低オン抵抗なっており、電子の散乱確率に伴なう素子損失が低く抑えられ、高い素子特性が得られるようになっている。なお、SiGeC混晶の組成をSi0.95Ge0.05C(x=0.05)にする以外、SiGeC組成の詳細や好ましい態様、成長法等の形成法、厚みなどその他については、第1実施形態と同様である。
Thus, the channel region is configured with high mobility using Si 0.95 Ge 0.05 C (x = 0.05) mixed crystal, and electrons are supplied in the channel layer made of SiGeC mixed crystal with high carrier mobility. It can be done. As a result, the
SiGeCチャネル層34の表面には、MOS構造を形成するための溝部19が形成されるようにSiGeCチャネル層34の露出部を残して、厚み0.5μmのSiCコンタクト層(N+;窒素ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3以上)15が積層されており、SiCコンタクト層15上の一部領域にNiからなるソース電極16と、Niからなるドレイン電極20とが形成されている。
On the surface of the
さらに、図4に示すように、SiCコンタクト層15上のソース電極及びドレイン電極が形成されていない領域並びにSiCコンタクト層15の側部と、溝部19におけるSiGeCチャネル層34の表面の一部とが覆われるように、厚み30〜100nmのSiO2からなるゲート酸化膜18が形成されている。
Further, as shown in FIG. 4, the region where the source electrode and the drain electrode are not formed on the
そして、溝部19におけるゲート酸化膜18の表面にはTi層/Al層からなるゲート電極17が形成され、MOS構造に構成されている。ゲート電極17は、ゲート酸化膜18によってソース電極16やSiCコンタクト層15と非接触なようになっている。
A
次に、本発明の炭化珪素半導体装置の作製方法について、本実施形態の横型のMOSFETを作製した場合を一例に、図5〜図6を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 6, taking as an example the case where the lateral MOSFET of the present embodiment is manufactured.
−1)基板上への各層の形成−
SiC基板(P-;4H−SiC(0001)8°off toward[11-20]、Alドープ、キャリア濃度3×1018cm-3)を用意し、SiC基板を1400〜2000℃に加熱して、CVD法〔キャリアガス:H2、原料ガス:SiH4及びC3H8、P型伝導用原料:トリメチルアルミニウム(TMA)〕を用いた常法により、図5−(a)に示すように、SiC基板31上に、厚み5μmのSiC層(P-;Alドープ、キャリア濃度3×1018cm-3)32を形成した。
-1) Formation of each layer on the substrate
An SiC substrate (P − ; 4H—SiC (0001) 8 ° off toward [11-20], Al-doped, carrier concentration 3 × 10 18 cm −3 ) is prepared, and the SiC substrate is heated to 1400 to 2000 ° C. As shown in FIG. 5- (a) by a conventional method using a CVD method [carrier gas: H 2 , source gas: SiH 4 and C 3 H 8 , P-type conductive material: trimethylaluminum (TMA)]. A SiC layer (P − ; Al-doped, carrier concentration 3 × 10 18 cm −3 ) 32 having a thickness of 5 μm was formed on the
SiC層32の形成後に連続して、1400〜2000℃に加熱しつつ、CVD法〔キャリアガス:H2、原料ガス:SiH4及びC3H8、Ge導入用原料:テトラエチルゲルマニウム〔(C2H5)4Ge〕、P型伝導用原料:トリメチルアルミニウム(TMA)〕を用いた常法により、Si0.95Ge0.05C(x=0.1)混晶が得られるように成分流量、バブリング流量を調節して、SiC層32上に厚み2μmのSiGeCチャネル層(P-;Alドープ、キャリア濃度5×1015cm-3)34を積層した。
The CVD method [carrier gas: H 2 , source gas: SiH 4 and C 3 H 8 , Ge introduction source: tetraethyl germanium [(C 2 H 5 ) 4 Ge], P-type conductive material: trimethylaluminum (TMA)], and component flow rate and bubbling flow rate so that Si 0.95 Ge 0.05 C (x = 0.1) mixed crystal can be obtained. The SiGeC channel layer (P − ; Al-doped, carrier concentration 5 × 10 15 cm −3 ) 34 having a thickness of 2 μm was laminated on the
引き続き連続して、前記同様に、1400〜2000℃に加熱しつつ、CVD法〔キャリアガス:H2、原料ガス:SiH4及びC3H8、N型伝導用原料:N2〕を用いた常法により、SiGeCチャネル層34上に、厚み0.5μmのSiCコンタクト層(N+;窒素ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3以上)15を積層した。このようにして、図5−(a)に示すように、SiC基板31上に該基板側から順に、SiC層32、SiGeCチャネル層34、及びSiCコンタクト層15が積層された積層体(ウエハ)を得た。
Subsequently, the CVD method [carrier gas: H 2 , raw material gas: SiH 4 and C 3 H 8 , N-type conductive raw material: N 2 ] was used in the same manner as above while heating to 1400-2000 ° C. A SiC contact layer (N + ; nitrogen-doped, carrier concentration of 3 × 10 18 cm −3 or more) 15 having a thickness of 0.5 μm was laminated on the
−2)溝部の形成−
次に、上記より得られた積層体のSiCコンタクト層15の表面に、プラズマCVD法を用いた常法により、マスク用のSiO2膜を形成した。なお、プラズマCVD法以外に、LPCVD法やスパッタ法等を用いて形成することもできる。形成されたSiO2膜上には更に、半導体製造工程で一般に用いられるフォトリソ法により、ゲート電極を形成するための領域(ゲート形成領域)が開口、つまりゲート形成領域となる範囲のSiO2膜が露出するようにパターニングされたフォトレジスト膜(不図示)を形成した。そして、CHF3ガスを用いたドライエッチング法により、図5−(b)に示すように、ゲート形成領域に相当する範囲のSiO2膜21を、SiCコンタクト層15が露出するまでエッチング処理して開口し、凹形状の溝部19を形成した。その後、残存するフォトレジスト膜をレジスト剥離液を用いて除去した。
-2) Formation of groove-
Next, a mask SiO 2 film was formed on the surface of the
なお、エッチング処理は、バッファードフッ酸等の薬液を用いて行なってもよい。また、フォトレジスト膜の除去は、O2プラズマ等を用いたアッシング装置を用いて行なうようにしてもよい。 Note that the etching treatment may be performed using a chemical solution such as buffered hydrofluoric acid. Further, the removal of the photoresist film may be performed using an ashing apparatus using O 2 plasma or the like.
次に、SF6ガスを用いたドライエッチング法により、図5−(c)に示すように、SiO2膜21にて規制されたゲート形成領域に相当する範囲でSiCコンタクト層15を溝部19と同幅に凹状に溝が形成されるようにエッチング処理した。その後、CHF3ガスを用いたドライエッチング法により、SiO2膜21を除去した。なお、SiO2膜の除去は、バッファードフッ酸等の薬液を用いて行なってもよい。
Next, by dry etching using SF 6 gas, the
−3)熱酸化法によるゲート酸化膜の形成−
熱酸化炉内に溝部19が形成された前記積層体を入れ、酸素雰囲気中で1000〜1300℃に加熱して積層体の上側表面を酸化し、図5−(d)に示すように、SiO2の酸化被膜22を形成した。
-3) Formation of gate oxide film by thermal oxidation method
The laminated body in which the
−4)ソース電極及びドレイン電極の形成−
上記のように、積層体の上部に形成された酸化被膜22上に更に、半導体製造工程で一般に用いられるフォトリソ法により、ソース電極及びドレイン電極を形成するための領域(ソース形成領域及びドレイン形成領域)とゲート電極を形成するための領域(ゲート形成領域)とが開口するようにパターニングされたフォトレジスト膜(不図示)を形成した。そして、CHF3ガスを用いたドライエッチング法により、図5−(e)に示すように、ソース形成領域及びドレイン形成領域に相当する範囲の酸化被膜22をSiCコンタクト層15が露出するまでエッチング処理して開口すると共に、ゲート形成領域に相当する範囲の酸化被膜22をSiGeCチャネル層34が露出するまでエッチング処理して開口した。このとき、SiCコンタクト層15表面の一部及び露出する側面を覆うようにしてゲート酸化膜18が形成されている。
-4) Formation of source and drain electrodes
As described above, regions (source formation region and drain formation region) for forming a source electrode and a drain electrode are further formed on the
続いて、真空蒸着装置を用いて、図5−(e)に示すように、SiCコンタクト層15の露出部にNiを蒸着して厚み0.1μmのソース電極16とドレイン電極20とを成膜した。そして、リフトオフ法により、レジスト剥離液を用いてフォトレジスト膜上に形成されている不要な電極材を、残存するフォトレジスト膜と共に除去した。そして、アルゴン雰囲気のもと、ソース電極及びドレイン電極にオーミック特性が得られるように、1000℃で10分間熱処理を行なった。
Subsequently, using a vacuum deposition apparatus, as shown in FIG. 5E, Ni is deposited on the exposed portion of the
−5)ゲート電極及び配線の形成−
次に、第1実施形態と同様にして、前記4)の操作と同様にして、半導体製造工程で一般に用いられるフォトリソ法により、溝部19近傍のゲート酸化膜18並びに、ソース電極16及びドレイン電極20が露出するようにパターニングされたフォトレジスト膜(不図示)を形成し、真空蒸着装置を用いて、図6−(f)に示すように、溝部19近傍のゲート酸化膜18上並びに、ソース電極16及びドレイン電極20上にTiとAlとを蒸着し、厚み1.1μmのTi層/Al層(Ti厚0.1μm+Al厚1.0μm)からなるゲート電極17と配線23とを成膜した。そして、リフトオフ法により、レジスト剥離液を用いてフォトレジスト膜上に形成されている不要な電極材と残存するフォトレジスト膜とをともに除去した。
-5) Formation of gate electrode and wiring
Next, in the same manner as in the first embodiment, in the same manner as in the operation 4), the
−6)表面保護膜の形成−
次に、プラズマCVD法を用いた常法により、ゲート電極17、ゲート酸化膜18、及び配線23等を覆うようにして積層体の上部全面に表面保護膜用のSiO2膜を形成した。なお、プラズマCVD法以外に、LPCVD法やスパッタ法等を用いて形成することもできる。形成されたSiO2膜上には更に、半導体製造工程で一般に用いられるフォトリソ法により、ソース電極16及びドレイン電極20上に設けられた配線23の一部が露出するようにパターニングされたフォトレジスト膜(不図示)を形成した。そして、CHF3ガスを用いたドライエッチング法により、図6−(g)に示すように、ソース電極16及びドレイン電極20上の配線23が露出するまでエッチング処理し、配線23の露出部以外を被覆するように表面保護膜(SiO2膜)24を形成した。その後、残存するフォトレジスト膜をレジスト剥離液を用いて除去した。
-6) Formation of surface protective film
Next, an SiO 2 film for a surface protective film was formed on the entire upper surface of the laminated body so as to cover the
なお、エッチング処理は、バッファードフッ酸等の薬液を用いて行なってもよく、O2プラズマ等を用いたアッシング装置を用いてフォトレジスト膜を除去するようにしてもよい。 Note that the etching treatment may be performed using a chemical solution such as buffered hydrofluoric acid, or the photoresist film may be removed using an ashing apparatus using O 2 plasma or the like.
以上のようにして、図4に示す横型のMOSFETを作製した。上記より作製したMOSFETのチャネル移動度を半導体パラメータアナライザを用いて測定したところ、Geドープを行なっていないSiC結晶(Alドープ)からなるチャネル層で同様の構成とした横型のMOSFETに比べ、移動度が20%以上の向上効果が認められた。 As described above, the lateral MOSFET shown in FIG. 4 was produced. When the channel mobility of the MOSFET manufactured as described above was measured using a semiconductor parameter analyzer, the mobility was higher than that of a lateral MOSFET having the same configuration with a channel layer made of SiC crystal (Al-doped) without Ge doping. However, an improvement effect of 20% or more was recognized.
(第3実施形態)
本発明の炭化珪素半導体装置の第3実施形態を図7を参照して説明する。本実施形態は、ゲート電極をMOS構造に構成すると共に、第1実施形態の縦型のMOSFETにおけるSi0.9Ge0.1C混晶からなるSiGeCチャネル層を、SiCチャネル層とSi0.9Ge0.1C混晶からなる歪供給層との積層構造にして構成したものである。
(Third embodiment)
A third embodiment of the silicon carbide semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the gate electrode is configured in a MOS structure, and the SiGeC channel layer made of Si 0.9 Ge 0.1 C mixed crystal in the vertical MOSFET of the first embodiment is replaced with an SiC channel layer and an Si 0.9 Ge 0.1 C mixed crystal. It is constituted by a laminated structure with a strain supply layer made of
なお、SiCチャネル層及びSi0.9Ge0.1C混晶からなる歪供給層以外の他の層及びSiC基板は、第1実施形態で使用した材料及び方法を用いて第1実施形態と同様に形成、成膜が可能であり、第1実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。 The other layers other than the SiC channel layer and the strain supply layer made of Si 0.9 Ge 0.1 C mixed crystal and the SiC substrate are formed in the same manner as in the first embodiment using the materials and methods used in the first embodiment. Film formation is possible, and the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本実施形態のMOSFETは、図7に示すように、SiCドリフト層13及びSiCコンタクト層15間において、SiCドリフト層13の溝部19が形成されていない表面(溝非形成面)に、厚み0.5μmのSiCチャネル層(P-;Alドープ、キャリア濃度5×1016cm-3)40が積層され、このSiCチャネル層40の表面に更に、厚み0.2μmのSiGeC歪供給層(N+;窒素ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3)41が積層されている。
As shown in FIG. 7, the MOSFET according to the present embodiment has a thickness of 0.1 mm between the
SiCチャネル層40は、p型半導体として機能するチャネル領域をなす層であり、第1実施形態における他のSiC層の形成方法と略同様に形成することができる。本実施形態では、具体的には第1実施形態において、SiCドリフト層13の積層後に連続して、1400〜2000℃に加熱しつつ、CVD法〔キャリアガス:H2、原料ガス:SiH4及びC3H8、P型伝導用原料:トリメチルアルミニウム(TMA)〕を用いた常法により、SiCドリフト層13上に、厚み0.5μmのSiCチャネル層40をエピタキシャル成長させて積層してなるものである。
The
SiCチャネル層の形成には、種々の炭化珪素を選択することができる。中でも、6方晶系のSiC結晶が好ましく、4H−SiC結晶、6H−SiC結晶が好適である。4H−SiC結晶は、キャリア移動度が高く、同方向に成長した6H−SiC結晶に比べて積層欠陥密度が小さい点で好ましい。 Various silicon carbides can be selected for forming the SiC channel layer. Among these, hexagonal SiC crystals are preferable, and 4H—SiC crystals and 6H—SiC crystals are preferable. The 4H—SiC crystal is preferable in that it has a high carrier mobility and has a smaller stacking fault density than the 6H—SiC crystal grown in the same direction.
SiCチャネル層の厚みとしては、特に制限されるものではないが、SiGeC歪供給層との関係から、0.1〜2.0μmが好ましく、0.1〜0.5μmがより好ましい。 Although it does not restrict | limit especially as thickness of a SiC channel layer, 0.1-2.0 micrometers is preferable from a relationship with a SiGeC strain supply layer, and 0.1-0.5 micrometer is more preferable.
SiGeC歪供給層41は、6方晶系のSiCに気相成長法によりGeをドーピングしたSi0.9Ge0.1C(x=0.1)混晶(SiGeC混晶)に窒素を不純物としてドーピングした層であり、この層自体がキャリア用の電子の供給を行なえるようになっている。なお、SiGeC混晶の組成の詳細や好ましい態様、成長法等の形成法などその他については、第1実施形態と同様である。
The SiGeC
SiGeC歪供給層の厚みとしては、特に制限されるものではないが、結晶欠陥がなく、大きな歪みを付与する点で、0.01〜2.0μmが好ましく、0.2〜1.0μmがより好ましい。 The thickness of the SiGeC strain supply layer is not particularly limited, but is preferably from 0.01 to 2.0 μm, more preferably from 0.2 to 1.0 μm in terms of giving large strain without crystal defects. preferable.
SiGeC歪供給層41は、SiCチャネル層40の積層後に更に連続して、1400〜2000℃に加熱しつつ、CVD法〔キャリアガス:H2、原料ガス:SiH4及びC3H8、Ge導入用原料:テトラエチルゲルマニウム〔(C2H5)4Ge〕、N型伝導用原料:N2〕を用いた常法により、Si0.9Ge0.1C(x=0.1)混晶が得られるように調整して、SiCチャネル層40上に、厚み0.5μmのSiGeC歪供給層41を積層したものである。
The SiGeC
なお、Geについては、有機金属ガス(テトラエチルゲルマニウム)を発生させる容器(バブラ)に、所定流量のH2やArを導入することで原料ガス流量を調節した。この際、容器は所望の分圧が得られるように、恒温槽中に一定の温度で保持されている。また、組成比はSi及びGeの各原料ガスの供給比に対応して所望の組成比が得られる。 As for Ge, the raw material gas flow rate was adjusted by introducing a predetermined flow rate of H 2 or Ar into a vessel (bubbler) for generating an organometallic gas (tetraethyl germanium). At this time, the container is held at a constant temperature in a thermostatic bath so as to obtain a desired partial pressure. Further, a desired composition ratio can be obtained corresponding to the supply ratio of the Si and Ge source gases.
そして、本実施形態では、SiGeC歪供給層41の形成以降は、第1実施形態と同様の操作を行なうことによって、図7に示すように構成された本実施形態の縦型のMOSFETを作製した。
In the present embodiment, after the formation of the SiGeC
このように、Si0.9Ge0.1C(x=0.1)混晶を用いたSiGeC歪供給層41は、それ自体SiCに比べて結晶格子が拡がり格子定数が大きいため、隣接して形成されたSiCチャネル層40はSiGeC歪供給層41の応力を受け、格子定数が大きく高移動度に構成されている。そのため、キャリア移動度の高いSiCチャネル層40及びSiGeC歪供給層41において電子供給が行なえるようになっている。これにより、低オン抵抗であると共に、電子の散乱確率に伴なう素子損失が低く抑えられ、高い素子特性が得られるようになっている。
As described above, the SiGeC
本実施形態においても、Geの比率は0<x<1の範囲内で任意に選択することができ、この範囲内ではチャネル領域における電子の散乱確率に伴なう素子損失が低く抑えられ、キャリア移動度の高いチャネル領域を形成できる。これにより、高い素子特性が得られる。中でも、結晶品質と移動度特性を考慮すると、Geの比率は、0<x≦0.5の範囲が好ましく、0<x≦0.2の範囲がより好ましく、0.05≦x≦0.15の範囲が更に好ましい。 Also in this embodiment, the Ge ratio can be arbitrarily selected within the range of 0 <x <1, and within this range, the element loss accompanying the electron scattering probability in the channel region can be kept low, and the carrier A channel region with high mobility can be formed. Thereby, high device characteristics can be obtained. In particular, considering the crystal quality and mobility characteristics, the Ge ratio is preferably in the range of 0 <x ≦ 0.5, more preferably in the range of 0 <x ≦ 0.2, and 0.05 ≦ x ≦ 0. A range of 15 is more preferred.
上記の実施形態では、SiC基板として、N型又はP型の4H−SiC基板を用いた例を示したが、作製しようとする炭化珪素半導体装置の形態に合わせて適宜選択すればよい。 In the above embodiment, an example in which an N-type or P-type 4H—SiC substrate is used as the SiC substrate has been described. However, the SiC substrate may be appropriately selected according to the form of the silicon carbide semiconductor device to be manufactured.
なお、SiCドリフト層13のSiCバッファ層12と接しない側には、第1実施形態と同様に、MOS構造を形成するための凹状の溝部19が形成されており、その上方にはゲート酸化膜18を介してゲート電極17が形成されている。
A
上記より作製したMOSFETのキャリア移動度を第1実施形態と同様にして測定したところ、Geドープを行なっていないSiC結晶(Alドープ)からなるチャネル層で単相構成とした縦型のMOSFETに対し、20%以上の移動度の向上効果が認められた。 When the carrier mobility of the MOSFET fabricated as described above was measured in the same manner as in the first embodiment, it was found that the vertical MOSFET had a single-phase configuration with a channel layer made of SiC crystal (Al-doped) without Ge doping. , 20% or more mobility improvement effect was observed.
本実施形態では、第1実施形態と同様に、ソース側から該ソース形成面と逆側の面に形成されたドレインに向かって縦方向に電子が流れる縦型のMOSFETを中心に説明したが、別の形態として、第2実施形態(図4参照)と同様の横型のMOSFET、例えば図8に示すように、図4のSiGeCチャネル層34を、SiC層32側から厚み2μmのSiCチャネル層(P-;Alドープ、キャリア濃度5×1015cm-3)50と厚み0.2μmのSiGeC歪供給層(N+;窒素ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3)51とを積層してなる構造に代えた構成とすることも可能である。これは、既述と同様にして層の積層構造を形成することにより作製できる。また同様に、Geドープを行なっていないSiC結晶(Alドープ)からなるチャネル層で単相構成とした横型のMOSFETに対し、20%以上の移動度の向上効果が得られる。
In the present embodiment, as in the first embodiment, the vertical MOSFET in which electrons flow in the vertical direction from the source side to the drain formed on the surface opposite to the source formation surface has been mainly described. As another form, a lateral MOSFET similar to that of the second embodiment (see FIG. 4), for example, as shown in FIG. 8, a
上記した各実施形態では、不純物として、窒素(N)又はアルミニウム(Al)をドープした例を中心に説明したが、N,Al以外にリン(P)やホウ素(B)など、Si及びCと原子半径の異なる他の原子をn型又はp型半導体を形成し得るように適宜選択することができる。 In each of the above-described embodiments, an example in which nitrogen (N) or aluminum (Al) is doped as an impurity has been mainly described. However, in addition to N and Al, phosphorus (P), boron (B), and the like, Si and C Other atoms having different atomic radii can be appropriately selected so as to form an n-type or p-type semiconductor.
また、SiC基板としてN型又はP型の4H−SiC基板を用いた例を示したが、前記例以外に半絶縁性SiC基板など、作製しようとする炭化珪素半導体装置の形態に合わせて適宜SiC基板を選択することが可能である。 Further, although an example using an N-type or P-type 4H—SiC substrate as the SiC substrate has been shown, other than the above example, a SiC substrate is appropriately selected according to the form of the silicon carbide semiconductor device to be manufactured, such as a semi-insulating SiC substrate. It is possible to select a substrate.
14,34…SiGeCチャネル層
16…ソース電極
18…ゲート酸化膜
19…ゲート電極
20…ドレイン電極
40,50…SiCチャネル層
41,51…SiGeC歪供給層
14, 34 ...
Claims (4)
チャネル領域形成部位が、不純物のドープによりn型もしくはp型半導体に構成されると共に、SiC結晶にGeがドープされたSi1-xGexC混晶〔0<x<1〕からなることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 In a silicon carbide semiconductor device including a gate electrode and a gate oxide film, a source electrode, and a drain electrode,
Channel region forming portion, together configured to n-type or p-type semiconductor by doping of impurities, in that it consists of Si 1-x Ge x C mixed crystal Ge doped in SiC crystal [0 <x <1] A silicon carbide semiconductor device.
不純物のドープによりn型もしくはp型半導体に構成されたSiC結晶からなるチャネル領域形成部位と、
前記チャネル領域形成部位の上に隣接して設けられ、不純物のドープにより前記チャネル領域形成部位と逆型の半導体に構成されると共に、SiC結晶にGeがドープされたSi1-xGexC混晶〔0<x<1〕からなる歪供給層と、
を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置。 In a silicon carbide semiconductor device including a gate electrode and a gate oxide film, a source electrode, and a drain electrode,
A channel region formed part made of SiC crystal that is configured to n-type or p-type semiconductor by doping an impurity,
Wherein provided adjacent to the top of the channel region forming portion, by doping an impurity along with configured semiconductor of the channel region forming portion opposite type, Si 1-x Ge x C mixed which Ge is doped SiC crystals A strain supply layer composed of crystals [0 <x <1];
A silicon carbide semiconductor device comprising:
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