JP4857698B2 - 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)。
特許第3307184号 特開平11−312686号公報
As described above, as a semiconductor device having a MOS structure at the gate, there is a vertical silicon carbide semiconductor device (MOSFET) using a semiconductor made of silicon carbide (see, for example, Patent Document 1). Also disclosed is a method for manufacturing a semiconductor device in which a SiGeC layer having stable crystallinity is formed by introducing Ge into the SiC layer (see, for example, Patent Document 2).
Japanese Patent No. 3307184 Japanese Patent Laid-Open No. 11-312686

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.

上記のように従来から、SiC結晶中を移動するキャリアの移動度を向上させる技術が種々検討されてきているものの、移動度の向上効果の点では未だ不充分であるのが実状である。   As described above, various techniques for improving the mobility of carriers moving in the SiC crystal have been studied, but the actual situation is that the effect of improving the mobility is still insufficient.

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SnがドープされたSi1-xSnxC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 Sn in SiC crystals are configured such that the Si 1-x Sn x C mixed crystal doped [0 <x <1].

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の狭いSn(錫)をドープして得られた移動度の大きいSi1-xSnxC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 made of (preferably hexagonal) SiC crystal (silicon carbide), Sn (tin) having a larger ionic radius and narrow forbidden band than Si and C. By using the Si 1-x Sn x C mixed crystal having a high mobility obtained by doping the crystal, the lattice constant of the channel region is increased and the electrons are received from the lattice when moving in the crystal. Since the influence of the 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Sn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、より低オン抵抗で高度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 Sn doping so as to constitute an n-type or p-type semiconductor, Since electrons for carriers can be supplied within the mobility crystal, the effect of improving the mobility of the channel region is great, and high device characteristics can be obtained with lower on-resistance.

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に比べイオン半径が大きく禁制帯幅に狭いSn(錫)がドープされたSi1-xSnxC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) Si 1-x Sn that is configured as a semiconductor and doped with Sn (tin) having a larger ionic radius and narrower forbidden band width than Si or C (preferably hexagonal) SiC crystal (silicon carbide) a distortion supply layer composed of x C mixed crystal [0 <x <1], is a further provided configure.

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, by the electron carrier adjacent the top of the channel region forming portion for supplying providing a strained supply layer, it acts the size of the crystal lattice of the strained supply layer in the channel region forming portion Since distortion is applied, there is an effect of widening the crystal lattice in 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SnがドープされたSi1-xSnxC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-xSnxC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 Sn x C mixed crystal in which the SiC crystal is doped with Sn has a larger lattice constant than that of the SiC crystal, the lattice constant of the adjacent channel region is also Si 1-x Sn 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-xSnxC混晶で構成した第1の発明に比べて、Sn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 Sn x C mixed crystal as described above, the influence of alloy scattering due to Sn doping becomes smaller, so that the device characteristics Can be further improved.

第3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、SiC結晶にSnがドープされ、かつ不純物が実質的にドープされていないSi1-xSnxC混晶〔0<x<1〕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(特に前記Si1-xSnxC混晶と接して)設けられ、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結晶からなる電子供給層と、を更に設けて構成したものである。 A silicon carbide semiconductor device according to a third aspect of the present invention includes a gate electrode, a gate oxide film, a source electrode, and a drain electrode, and Si is doped with Sn and substantially not doped with impurities. 1-x Sn x and C mixed crystal [0 <x <1] channel region forming portion made of, over and adjacent to the channel region forming portion (in particular contact with the Si 1-x Sn x C mixed crystal) provided it is, and the electron supply layer made of n-type or p-type semiconductor composed a SiC crystal by doping an impurity, is obtained by further provided configure.

第3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 third aspect of the 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.

ここで、「実質的にドープされていない」とは、n型もしくはp型半導体として機能し得る程度の不純物のドープはなされていないことをいい、具体的には、キャリア濃度が1×10-15cm-3以下であることをいう。 Here, “substantially undoped” means not doped with an impurity capable of functioning as an n-type or p-type semiconductor. Specifically, the carrier concentration is 1 × 10 −. It means 15 cm -3 or less.

第3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Sn(錫;SiやCに比べイオン半径が大きく禁制帯幅に狭い。)をドープして得られた、低オン抵抗で移動度の高いSi1-xSnxC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、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ようにすると共に、キャリア用の電子を供給する電子供給層をチャネル領域形成部位(特にSi1-xSnxC混晶)に接触するようにして設けることで、隣接の電子供給層から直に供給されるキャリア用の電子の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。 In the third aspect of the present invention, the site where the channel region is formed is made of (preferably hexagonal) SiC crystal (silicon carbide) with Sn (tin; the ion radius is larger than Si or C, and the forbidden band is narrow. )), A low on-resistance and high mobility Si 1-x Sn x C mixed crystal is used so that the channel region has a large lattice constant and electrons move in the crystal. In addition, the influence of the scattering probability received from the lattice during the process can be suppressed, and the electron supply layer that supplies electrons for carriers is brought into contact with the channel region forming portion (particularly, the Si 1-x Sn x C mixed crystal). Accordingly, the mobility of electrons for carriers supplied directly from the adjacent electron supply layer can be improved. Thereby, element characteristics can be improved drastically.

SiC結晶にSnがドープされたSi1-xSnxC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 the Si 1-x Sn x C mixed crystal in which Sn 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-xSnxC混晶中のSnの濃度は、xが0<x<0.1を満たす範囲が特に効果的である。 In addition, the Sn concentration in the Si 1-x Sn x C mixed crystal is particularly effective when x satisfies 0 <x <0.1.

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SnをSi0.9Sn0.1C(x=0.1)の組成となるようにドーピングしてなるSiSnC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 to have a MOS structure, and as a channel layer forming a channel region, Sn is converted to Si 0.9 Sn 0.1 C (x = 0.1) a layer made of SiSnC mixed crystal doped so as to have a composition, and a longitudinal section that vertically cuts the inside of 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 drift layer 13 that is not in contact with the SiC buffer layer 12, a concave groove 19 for forming a MOS structure is formed.

SiCドリフト層13上には、溝部19が形成されていない表面(溝非形成面)において更に、厚み2μmのSiSnC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SiSnCチャネル層14は、6方晶系のSiCに気相成長法によりSnをドーピングしたSi0.9Sn0.1C(x=0.1)混晶(SiSnC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。 On the SiC drift layer 13, a SiSnC channel layer (P ; Al-doped, carrier concentration 5 × 10 16 cm −3 ) 14 having a thickness of 2 μm is further provided on the surface where the groove 19 is not formed (surface where the groove 19 is not formed). Are stacked. This SiSnC channel layer 14 is a layer obtained by doping Si 0.9 Sn 0.1 C (x = 0.1) mixed crystal (SiSnC mixed crystal) obtained by doping Sn into hexagonal SiC by vapor phase growth as an impurity. This layer itself can supply electrons for carriers.

このように、チャネル領域となるSiSnCチャネル層14は、Si0.9Sn0.1C(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SiSnC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 SiSnC channel layer 14 serving as the channel region is formed of a low on-resistance crystal layer having a crystal lattice spread using Si 0.9 Sn 0.1 C (x = 0.1) mixed crystal, Carrier mobility is high. Since it is configured to supply electrons in a channel layer made of this SiSnC mixed crystal with high carrier mobility, the effect of reducing the loss of the device due to the electron scattering probability is great, and high device characteristics can be obtained. It has become.

本実施形態では、SiSnC混晶の組成をSn/(Sn+Si)比(x)が0.1である場合を示したが、Sn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、Snの比率は、0<x≦0.5の範囲が好ましく、0<x≦0.1の範囲がより好ましく、0<x≦0.05の範囲が更に好ましく、0.005<x≦0.05の範囲が特に好ましい。   In the present embodiment, the composition of the SiSnC mixed crystal is shown in the case where the Sn / (Sn + Si) ratio (x) is 0.1. However, the Sn ratio can 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. Among them, the Sn ratio is preferably in the range of 0 <x ≦ 0.5, more preferably in the range of 0 <x ≦ 0.1, still more preferably in the range of 0 <x ≦ 0.05, 0.005 <x A range of ≦ 0.05 is particularly preferred.

SiSnC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Sn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SiSnCに置き換えるようにして、成分組成がブロード状に変化する混晶ではなく、SiC及びSiSnC間に急峻な界面を有する混晶を得ることができるため、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、移動度が向上すると共に、層構造を自由に制御可能である点で好ましい。   The SiSnC channel layer 14 is formed by doping Sn into a hexagonal SiC crystal by an ordinary method using a vapor phase growth method. In the vapor phase growth method, SiC in the crystal is replaced with SiSnC, so that a mixed crystal having a steep interface between SiC and SiSnC can be obtained instead of a mixed crystal whose component composition changes in a broad shape. Scattering of electrons and the like due to fluctuations at the interface of the channel layer can be avoided, the mobility is improved, and the layer structure can be freely controlled.

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(C38)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スズ)ガスを導入して部分的にSiSnC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, tetraethyltin) is used for vapor phase SiC formed by flowing SiH 4 and propane (C 3 H 8 ) gas. This can be done by partially depositing and growing SiSnC by introducing a gas. In this case, it is possible to control the desired mixed crystal by selecting the pressure, temperature, flow rate and supply amount of each component, and supply ratio. .

SiSnC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 SiSnC channel layer 14 is formed using a known method such as a liquid phase growth method, an epitaxial growth method, or an ion implantation method in which source molecules are ionized and accelerated and implanted into the crystal, in addition to the vapor phase growth method. be able to. In the present invention, the vapor phase growth method is particularly preferable in that a steep interface structure in which the component composition does not change broadly is obtained and the mobility is improved.

また、SiSnC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、絶縁破壊電界が高い点で好ましい。6H−SiC結晶を用いた場合も、上記と同様にしてSiSnCチャネル層を形成できる。   As silicon carbide used for forming the SiSnC mixed crystal, various silicon carbides can be selected, but a hexagonal SiC crystal is preferable, and a 6H-SiC crystal is preferable in addition to the 4H-SiC crystal. . 4H—SiC crystal is preferable in that it has a high carrier mobility and a high dielectric breakdown electric field. Even when a 6H—SiC crystal is used, a SiSnC channel layer can be formed in the same manner as described above.

SiSnC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、0.01〜3.0μmが好ましく、0.1〜1.0μmがより好ましい。   The thickness of the SiSnC channel layer is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 3.0 μm, preferably 0.1 to 1 μm, in terms of the breakdown voltage between the source and drain and the suppression of defect generation due to lattice irregularities. 0.0 μm is more preferable.

SiSnC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。 On the surface of the SiSnC channel layer 14, a 0.5 μm thick SiC contact layer (N + ; nitrogen-doped, carrier concentration of 3 × 10 18 cm −3 or more) 15 is laminated. A source electrode 16 made of Ni is formed in the region.

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SiSnC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. 1, the region where the source electrode is not formed on the SiC contact layer 15, the surface of the SiC drift layer 13 in the groove 19, and the SiSnC channel layer 14 and the SiC above the groove of the SiC drift layer 13. A gate oxide film 18 made of SiO 2 having a thickness of 30 to 100 nm is formed so as to cover the wall surface formed by the lamination of the contact layer 15.

そして、溝部19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SiSnC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 gate oxide film 18 in the groove portion 19, a Ti layer / Al layer (here, the Ti layer / Al layer includes a Ti layer having a thickness of 0.03 to 0.05 μm and an Al layer having a thickness of 1 to 4 μm). A gate electrode 17 is formed, and the MOS structure is formed. The gate electrode 17 is not in contact with the source electrode 16, the SiSnC channel layer 14, and the SiC contact layer 15 by the gate oxide film 18.

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 drain electrode 20 made of Ni is formed on the surface of the 4H-SiC substrate 11 where the SiC buffer layer 12 is not provided, and the source electrode 16 to the drain electrode 20 are controlled by voltage control of the gate electrode 17. Electrons flow in a direction (longitudinal direction) longitudinally traversing the inside of the device. At this time, current flows from the drain electrode to the source electrode.

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℃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(C38)、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 heated to 1400 to 2000 ° C. , CVD method [carrier gas: hydrogen (H 2 ), source gas: monosilane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ), N-type conductive material: nitrogen (N 2 )] As shown in 2- (a), a SiC buffer layer (N + ; nitrogen-doped, carrier concentration 3 × 10 18 cm −3 ) 12 having a thickness of 1 μm was formed on the SiC substrate 11 by epitaxial growth.

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C38、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 buffer layer 12, the CVD method [carrier gas: H 2 , source gas: SiH 4 and C 3 H 8 , N-type conductive source: A SiC drift layer (N ; nitrogen-doped, carrier concentration 5 × 10 15 cm −3 ) 13 having a thickness of 10 μm was epitaxially grown and laminated on the SiC buffer layer 12 by a conventional method using N 2 ].

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C38、Sn導入用原料:テトラエチルスズ〔(C25)4Sn〕、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、Si0.9Sn0.1C(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SiSnC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 , Sn introduction source: tetraethyltin [( C 2 H 5 ) 4 Sn], P-type conductive material: Trimethylaluminum (TMA)], and adjusted to obtain Si 0.9 Sn 0.1 C (x = 0.1) mixed crystal by a conventional method. Then, an SiSnC channel layer (P ; Al-doped, carrier concentration 5 × 10 16 cm −3 ) 14 having a thickness of 2 μm was epitaxially grown on the SiC drift layer 13 and laminated.

なお、Sn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Sn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。 Note that the Sn, the container (bubbler) for generating organic metal gases (tetraethyl germanium) to adjust the flow rate of the raw gas by introducing a predetermined flow rate of H 2 and Ar. 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 is obtained corresponding to the supply ratio of the Si and Sn 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C38、N型伝導用原料:N2〕を用いた常法により、SiSnC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、SiSnC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 laminated on the SiSnC channel layer 14 by a conventional method. In this way, as shown in FIG. 2A, the SiC buffer layer 12, the SiC drift layer 13, the SiSnC channel layer 14, and the SiC contact layer 15 are stacked on the SiC substrate 11 in this order from the substrate side. A laminated body (wafer) was obtained.

−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、CHF6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 SiC contact layer 15 of the laminate obtained as described above by a conventional method using a plasma CVD method. In addition to the plasma CVD method, an LPCVD method, a sputtering method, or the like can be used. Furthermore on the formed SiO 2 film, by photolithography commonly used in the semiconductor manufacturing process, a region for forming a gate electrode (gate forming region) is opening, the SiO 2 film in the range that is to be a gate forming region A photoresist film (not shown) patterned to be exposed was formed. Then, as shown in FIG. 2B, the SiO 2 film 21 in the range corresponding to the gate formation region is etched by dry etching using CHF 6 gas until the SiC contact layer 15 is exposed. Opened to form a concave groove 19. Thereafter, the remaining photoresist film was removed using a resist stripping solution.

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、CHF3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SiSnC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SiSnC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 CHF 3 gas, the SiSnC channel layer 14 and the SiC contact layer are within a range corresponding to the gate formation region regulated by the SiO 2 film 21 as shown in FIG. 15 is etched so that a part of the SiC drift layer 13 is removed and a groove (depth 0.5 μm) is formed in the same width as the groove 19, and a groove (SiC contact layer) having a depth of 3.0 μm is formed. A total of (0.5 μm) 15, SiSnC channel layer (2 μm) 14 and a depth of 0.5 μm; groove 19) was formed. Thereafter, the SiO 2 film 21 was removed by a dry etching method using CHF 3 gas. The removal of the SiO 2 film may be performed using a chemical solution such as buffered hydrofluoric acid.

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 SiC drift layer 13 is set to 0.5 μm. However, the depth can be appropriately selected within a range of, for example, 0.1 to 0.5 μm according to the thickness and purpose of the SiC drift layer.

−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 groove portion 19 is formed is put in a thermal oxidation furnace and heated to 1000 to 1300 ° C. in an oxygen atmosphere to oxidize the entire outer surface of the laminated body, as shown in FIG. An oxide film 22 of SiO 2 was formed. FIG. 2- (d) shows the oxide film 22 formed on the top and bottom of the laminate.

−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 oxide film 22 formed on the upper portion of the stacked body by a photolithography method generally used in a semiconductor manufacturing process, that is, source formation. A photoresist film (not shown) patterned so as to expose the gate oxide film in a range to be a region was formed. Then, by dry etching using CHF 3 gas, as shown in FIG. 2E, the oxide film 22 in the range corresponding to the source formation region is etched until the SiC contact layer 15 is exposed. did.

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SiSnC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 SiC drift layer 13 in the groove portion 19 and on the wall surface formed by stacking the SiSnC channel layer 14 and the SiC contact layer 15 above the groove portion of the SiC drift layer 13. The gate oxide film 18 is formed so as to cover these surfaces and wall surfaces.

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 SiC contact layer 15 to form a source electrode 16 having a thickness of 0.1 μm by using a vacuum deposition apparatus. Then, unnecessary electrode material formed on the photoresist film was removed together with the remaining photoresist film by a lift-off method using a resist stripping solution.

−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、CHF3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 oxide film 22 formed on the bottom of the stacked body is removed by etching using a dry etching method using CHF 3 gas, and vacuum deposition is performed in the region where the oxide film 22 is removed and the SiC substrate is exposed. Using the apparatus, a drain electrode 20 was formed as shown in FIG.

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、真空蒸着装置を用いてゲート形成領域及び配線領域にTiとAlとをそれぞれ、Tiについては0.05μm、Alについては2.0μmの厚みとなるように蒸着した。続いて、フォトリソ技術により所望のゲート形成領域及び配線電極が残るようにフォトレジストを形成し、そのフォトレジストをマスクとして塩素系ガスを用いたドライエッチングにて、ゲート電極と配線電極が残るようにエッチングを行なった。続いて、レジスト剥離液やO2プラズマアッシングによりマスク材としてのフォトレジストを除去した。
-6) Formation of gate electrode and wiring
Next, Ti and Al were vapor-deposited in a gate formation region and a wiring region using a vacuum vapor deposition apparatus so that the thickness was 0.05 μm for Ti and 2.0 μm for Al. Subsequently, a photoresist is formed by a photolithography technique so that a desired gate formation region and a wiring electrode remain, and the gate electrode and the wiring electrode are left by dry etching using a chlorine-based gas using the photoresist as a mask. Etching was performed. Subsequently, the photoresist as a mask material was removed by a resist stripping solution or O 2 plasma ashing.

−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2−(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 gate electrode 17, the gate oxide film 18, the wiring 23, and the like by a conventional method using a plasma CVD method. In addition to the plasma CVD method, an LPCVD method, a sputtering method, or the like can be used. Further, a photoresist film (not shown) patterned on the formed SiO 2 film so as to expose a part of the wiring 23 provided on the source electrode 16 by a photolithography method generally used in a semiconductor manufacturing process. Formed. Then, by a dry etching method using CHF 3 gas, as shown in FIG. 2G, etching is performed until the wiring 23 on the source electrode 16 is exposed, so that the portions other than the exposed portion of the wiring 23 are covered. A surface protective film (SiO 2 film) 24 was formed. Thereafter, the remaining photoresist film was removed using a resist stripping solution.

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、Sn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. When the channel mobility of the MOSFET manufactured as described above was measured using a semiconductor parameter analyzer, it was found that the channel mobility was higher than that of a vertical MOSFET having the same configuration in a channel layer made of SiC crystal (Al-doped) without Sn doping. An improvement effect of 20% or more was observed.

本実施形態では、SiSnC混晶として、Si0.9Sn0.1C(x=0.1)混晶を用いてチャネル領域(SiSnC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SiSnC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 (SiSnC channel layer) is formed using Si 0.9 Sn 0.1 C (x = 0.1) mixed crystal as the SiSnC mixed crystal has been mainly described, but x = 0.1 However, any composition that can be selected within the range of 0 <x <1 can form a SiSnC 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Si0.95Sn0.05C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 this embodiment, the gate electrode is configured in a MOS structure, and a layer made of Si 0.95 Sn 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、SiSnC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 SiSnC 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10μmのSiC層(P-;Alドープ、キャリア濃度5×1015cm-3)32と、厚み2μmのSiSnC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SiSnCチャネル層34は、6方晶系のSiC結晶に気相成長法によりSnをドーピングしたSi0.95Sn0.05C(x=0.05)混晶(SiSnC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, with an SiC layer ( P ; Al doped, carrier concentration 5 × 10 15 cm −3 ) 32 and a SiSnC channel layer (P ; Al doped, carrier concentration 5 × 10 15 cm −3 ) 34 having a thickness of 2 μm are laminated. In this SiSnC channel layer 34, Si 0.95 Sn 0.05 C (x = 0.05) mixed crystal (SiSnC mixed crystal) doped with Sn in a hexagonal SiC crystal by vapor deposition is doped with Al as an impurity. It is a layer, and this layer itself can supply electrons for carriers.

このように、チャネル領域はSi0.95Sn0.05C(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SiSnC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、SiSnCチャネル層34は、結晶格子が拡がって低オン抵抗となっており、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、SiSnC混晶の組成をSi0.95Sn0.05C(x=0.05)にする以外、SiSnC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 Sn 0.05 C (x = 0.05) mixed crystal, and electrons are supplied in the channel layer made of SiSnC mixed crystal with high carrier mobility. It can be done. As a result, the SiSnC channel layer 34 has a low on-resistance due to the expansion of the crystal lattice, the device loss due to the electron scattering probability is kept low, and high device characteristics can be obtained. In addition to the SiSnC mixed crystal composition Si 0.95 Sn 0.05 C (x = 0.05), the details of the SiSnC composition, preferred modes, formation methods such as growth methods, thickness, etc. are the same as in the first embodiment. is there.

SiSnC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SiSnC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、ドレイン電極20とが形成されている。 On the surface of the SiSnC channel layer 34, an exposed portion of the SiSnC channel layer 34 is left so that a groove 19 for forming the MOS structure is formed, and an SiC contact layer (N + ; nitrogen-doped, 15) (a carrier concentration of 3 × 10 18 cm −3 or more) 15 is laminated, and a source electrode 16 made of Ni and a drain electrode 20 are formed in a partial region on the SiC contact layer 15.

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SiSnC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, a region where the source electrode and the drain electrode are not formed on the SiC contact layer 15, a side portion of the SiC contact layer 15, and a part of the surface of the SiSnC channel layer 34 in the groove portion 19 are formed. A gate oxide film 18 made of SiO 2 having a thickness of 30 to 100 nm is formed so as to be covered.

そして、溝部19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SiSnCチャネル層34やソース電極16、SiCコンタクト層15と非接触なようになっている。   A gate electrode 17 made of a Ti layer / Al layer is formed on the surface of the groove portion 19 to form a MOS structure. The gate electrode 17 is not in contact with the SiSnC channel layer 34, the source electrode 16, and the SiC contact layer 15 by the gate oxide film 18.

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C38、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10μmのSiC層(P-;Alドープ、キャリア濃度5×1015cm-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 5 × 10 15 cm −3 ) 32 having a thickness of 10 μm was formed on the SiC substrate 31.

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C38、Sn導入用原料:テトラエチルスズ〔(C25)4Sn〕、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、Si0.95Sn0.05C(x=0.1)混晶が得られるように成分流量、有機金属については容器温度を調節して、SiC層32上に厚み2μmのSiSnCチャネル層(P-;Alドープ、キャリア濃度5×1016cm-3)34を積層した。 The CVD method [carrier gas: H 2 , source gas: SiH 4 and C 3 H 8 , Sn introduction source: tetraethyltin [(C 2 H 5 ) 4 Sn], P-type conductive material: trimethylaluminum (TMA)], the component flow rate, organometallic so that a mixed crystal of Si 0.95 Sn 0.05 C (x = 0.1) is obtained. For the above, the container temperature was adjusted, and a 2 μm thick SiSnC channel layer (P ; Al-doped, carrier concentration 5 × 10 16 cm −3 ) 34 was laminated on the SiC layer 32.

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C38、N型伝導用原料:N2〕を用いた常法により、SiSnC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、SiSnC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 SiSnC channel layer 34 by a conventional method. In this way, as shown in FIG. 5A, a stacked body (wafer) in which the SiC layer 32, the SiSnC channel layer 34, and the SiC contact layer 15 are stacked in this order on the SiC substrate 31 from the substrate side. Got.

−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 SiC contact layer 15 of the laminate obtained as described above by a conventional method using a plasma CVD method. In addition to the plasma CVD method, an LPCVD method, a sputtering method, or the like can be used. Furthermore on the formed SiO 2 film, by photolithography commonly used in the semiconductor manufacturing process, a region for forming a gate electrode (gate forming region) is opening, the SiO 2 film in the range that is to be a gate forming region A photoresist film (not shown) patterned to be exposed was formed. Then, by dry etching using CHF 3 gas, the SiO 2 film 21 in the range corresponding to the gate formation region is etched until the SiC contact layer 15 is exposed, as shown in FIG. Opened to form a concave groove 19. Thereafter, the remaining photoresist film was removed using a resist stripping solution.

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 SiC contact layer 15 and the groove 19 are formed in a range corresponding to the gate formation region regulated by the SiO 2 film 21 as shown in FIG. Etching was performed so that a groove having a concave shape with the same width was formed. Thereafter, the SiO 2 film 21 was removed by a dry etching method using CHF 3 gas. The removal of the SiO 2 film may be performed using a chemical solution such as buffered hydrofluoric acid.

−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 groove portions 19 are formed is put in a thermal oxidation furnace, and heated to 1000 to 1300 ° C. in an oxygen atmosphere to oxidize the upper surface of the laminated body. As shown in FIG. Two oxide films 22 were formed.

−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)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 oxide film 22 formed on the upper portion of the stacked body by a photolithography method generally used in a semiconductor manufacturing process. A photoresist film (not shown) patterned so as to be open is formed. Then, by dry etching using CHF 3 gas, as shown in FIG. 5E, the oxide film 22 in a range corresponding to the source formation region and the drain formation region is etched until the SiC contact layer 15 is exposed. And opened. At this time, the gate oxide film 18 is formed so as to cover a part of the surface of the SiC contact layer 15 and the exposed side surface.

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 SiC contact layer 15 to form a source electrode 16 and a drain electrode 20 having a thickness of 0.1 μm. did. Then, unnecessary electrode material formed on the photoresist film was removed together with the remaining photoresist film by a lift-off method using a resist stripping solution. Then, in an argon atmosphere, heat treatment was performed at 1000 ° C. for 10 minutes so that ohmic characteristics were obtained for the source electrode and the drain electrode.

−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、ゲート形成領域である溝部19におけるゲート酸化膜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におけるゲート酸化膜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2.05μmのTi層/Al層(Ti厚0.05μm+Al厚2.0μm)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), a source electrode is formed on the gate oxide film 18 in the groove portion 19 which is a gate formation region and by a photolithography method generally used in a semiconductor manufacturing process. A photoresist film (not shown) patterned so as to expose 16 and the drain electrode 20 is formed, and using a vacuum evaporation apparatus, as shown in FIG. 6- (f), on the gate oxide film 18 in the groove 19 Further, Ti and Al are vapor-deposited on the source electrode 16 and the drain electrode 20 to form a gate electrode 17 and a wiring 23 composed of a 2.05 μm thick Ti layer / Al layer (Ti thickness 0.05 μm + Al thickness 2.0 μm). Filmed. Then, both the unnecessary electrode material formed on the photoresist film and the remaining photoresist film were removed by a lift-off method using a resist stripping solution.

−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 gate electrode 17, the gate oxide film 18, the wiring 23, and the like by a conventional method using a plasma CVD method. In addition to the plasma CVD method, an LPCVD method, a sputtering method, or the like can be used. Further, a photoresist film patterned on the formed SiO 2 film so as to expose a part of the wiring 23 provided on the source electrode 16 and the drain electrode 20 by a photolithography method generally used in a semiconductor manufacturing process. (Not shown) was formed. Then, by dry etching using CHF 3 gas, etching is performed until the wiring 23 on the source electrode 16 and the drain electrode 20 is exposed as shown in FIG. A surface protective film (SiO 2 film) 24 was formed so as to cover. Thereafter, the remaining photoresist film was removed using a resist stripping solution.

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、Sn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 in a channel layer made of SiC crystal (Al-doped) without Sn 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Si0.9Sn0.1C混晶からなるSiSnCチャネル層を、SiCチャネル層とSi0.9Sn0.1C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 SiSnC channel layer made of the Si 0.9 Sn 0.1 C mixed crystal in the vertical MOSFET of the first embodiment is replaced with the SiC channel layer and the Si 0.9 Sn 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Si0.9Sn0.1C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 Sn 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2μm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SiSnC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 of the present embodiment has a thickness of 2 μm on the surface where no groove 19 of the SiC drift layer 13 is formed (the groove non-formation surface) between the SiC drift layer 13 and the SiC contact layer 15. A SiC channel layer (P ; Al-doped, carrier concentration 5 × 10 16 cm −3 ) 40 is laminated, and a SiSnC strain supply layer (N + ; nitrogen-doped) having a thickness of 0.2 μm is further formed on the surface of the SiC channel layer 40. , Carrier concentration 3 × 10 18 cm −3 ) 41 is laminated.

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C38、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1μmのSiCチャネル層40をエピタキシャル成長させて積層した。 The SiC channel layer 40 is a layer forming a channel region functioning as a p-type semiconductor, and can be formed in substantially the same manner as the other SiC layer forming method in the first embodiment. In this embodiment, specifically, in the first embodiment, the CVD method [carrier gas: H 2 , source gas: SiH 4 and A SiC channel layer 40 having a thickness of 1 μm was epitaxially grown and laminated on the SiC drift layer 13 by a conventional method using C 3 H 8 , P-type conductive material: trimethylaluminum (TMA)].

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、SiSnC歪供給層との関係から、0.1〜3μmが好ましく、0.2〜2μmがより好ましい。   Although it does not restrict | limit especially as thickness of a SiC channel layer, 0.1-3 micrometers is preferable from a relationship with a SiSnC strain supply layer, and 0.2-2 micrometers is more preferable.

SiSnC歪供給層41は、6方晶系のSiCに気相成長法によりSnをドーピングしたSi0.9Sn0.1C(x=0.1)混晶(SiSnC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、SiSnC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 SiSnC strain supply layer 41 is a layer in which hexagonal SiC is doped with Sn in an Si 0.9 Sn 0.1 C (x = 0.1) mixed crystal (SiSnC mixed crystal) doped with Sn by vapor phase growth. This layer itself can supply electrons for carriers. The details of the composition of the SiSnC mixed crystal, the preferred mode, the formation method such as the growth method, and the like are the same as in the first embodiment.

SiSnC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、チャネルの応力にてSiCチャネル層への欠陥の発生を抑える観点から、0.1〜3μmが好ましく、0.1〜1.0μmがより好ましい。   The thickness of the SiSnC strain supply layer is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 3 μm from the viewpoint of suppressing generation of defects in the SiC channel layer due to channel stress. 0 μm is more preferable.

SiSnC歪供給層41は、上記のように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C38、Sn導入用原料:テトラエチルスズ〔(C25)4Sn〕、N型伝導用原料:N2〕を用いた常法により、Si0.9Sn0.1C(x=0.1)混晶が得られるように成分流量、有機金属については容器温度を調節して、SiCチャネル層40上に、厚み0.2μmのSiSnC歪供給層41を積層したものである。そして、本実施形態では、SiSnC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。 As described above, the SiSnC strain supply layer 41 is further continuously heated after the SiC channel layer 40 is laminated as described above, while being heated to 1400 to 2000 ° C., while the CVD method [carrier gas: H 2 , source gas: SiH 4 and C 3 H 8 , Sn 0.9 raw material: Tetraethyltin [(C 2 H 5 ) 4 Sn], N-type conductive raw material: N 2 ], by a conventional method, Si 0.9 Sn 0.1 C (x = 0.1) mixed crystal The SiSnC strain supply layer 41 having a thickness of 0.2 μm is laminated on the SiC channel layer 40 by adjusting the container flow rate and the organic metal so that the component flow rate and the organic metal are obtained. In the present embodiment, after the formation of the SiSnC strain supply layer 41, the vertical MOSFET of the present embodiment configured as shown in FIG. 7 is manufactured by performing the same operation as in the first embodiment. .

このように、Si0.9Sn0.1C(x=0.1)混晶を用いたSiSnC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SiSnC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SiSnC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 SiSnC strain supply layer 41 using the Si 0.9 Sn 0.1 C (x = 0.1) mixed crystal is formed adjacently because the crystal lattice is widened and the lattice constant is larger than that of SiC. The SiC channel layer 40 receives the stress of the SiSnC strain supply layer 41 and has a large lattice constant and a high mobility. Therefore, electrons can be supplied in the SiC channel layer 40 and the SiSnC strain supply layer 41 having high carrier mobility. As a result, the on-resistance is low, and the device loss accompanying the electron scattering probability is kept low, and high device characteristics can be obtained.

本実施形態においても、Sn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、Sn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 Sn 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. Among these, the Sn ratio is preferably in the range of 0 <x ≦ 0.5, more preferably in the range of 0 <x ≦ 0.2, and still more preferably in the range of 0.05 <x ≦ 0.15.

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 concave groove 19 for forming a MOS structure is formed on the side of the SiC drift layer 13 that is not in contact with the SiC buffer layer 12, as in the first embodiment, and a gate oxide film is formed thereabove. A gate electrode 17 is formed via 18.

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、Sn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 Sn 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SiSnC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5×1016cm-3)50と厚み0.2μmのSiSnC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、Sn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, the SiCnC channel layer 34 of FIG. P ; Al-doped, carrier concentration 5 × 10 16 cm −3 ) 50 and a SiSnC strain supply layer (N + ; nitrogen-doped, carrier concentration 3 × 10 18 cm −3 ) 51 having a thickness of 0.2 μm are laminated. It is also possible to adopt a configuration in place of the structure. This can be produced by forming a layered structure in the same manner as described above. Similarly, a mobility improvement effect of 20% or more can be obtained with respect to a lateral MOSFET having a single-phase configuration with a channel layer made of SiC crystal (Al-doped) without Sn doping.

(第4実施形態)
本発明の炭化珪素半導体装置の第4実施形態を図9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Si0.9Sn0.1C混晶からなるSiSnCチャネル層を、Si0.9Sn0.1C混晶(不純物アンドープ)からなるSiSnCチャネル層とSiC電子供給層との積層構造にして構成したものである。また、SiC基板には、半絶縁性SiC基板を用いている。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the silicon carbide semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment is adapted to constitute the gate electrode in a MOS structure, the SiSnC channel layer made of Si 0.9 Sn 0.1 C mixed in the vertical type MOSFET of the first embodiment, Si 0.9 Sn 0.1 C mixed crystal (impurities undoped) And a laminated structure of a SiSnC channel layer and a SiC electron supply layer. Further, a semi-insulating SiC substrate is used as the SiC substrate.

なお、不純物アンドープのSiSnCチャネル層とSiC電子供給層以外の他の層(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 impurity-undoped SiSnC channel layer and other layers (excluding the SiC substrate) other than the SiC electron supply layer are formed and formed in the same manner as in the first embodiment using the materials and methods used in the first embodiment. 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9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Si0.9Sn0.1C混晶からなるSiSnCチャネル層(不純物アンドープ)60が積層され、このSiSnCチャネル層60の表面に更に、厚み0.1μmのSiC電子供給層(N+;窒素ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3)61が積層されている。 As shown in FIG. 9, the MOSFET according to the present embodiment has a thickness of 0. 0 on the surface where the groove 19 of the SiC drift layer 13 is not formed (the groove non-formation surface) between the SiC drift layer 13 and the SiC contact layer 15. A SiSnC channel layer (impurity undoped) 60 made of 5 μm Si 0.9 Sn 0.1 C mixed crystal is laminated, and a 0.1 μm thick SiC electron supply layer (N + ; nitrogen-doped, carrier) is further formed on the surface of the SiSnC channel layer 60. The density 3 × 10 18 cm −3 ) 61 is laminated.

SiSnCチャネル層60は、6方晶系のSiCに気相成長法によりSnをドーピングしたSi0.9Sn0.1C(x=0.1)混晶(SiSnC混晶)からなる不純物非ドーピングの層であり、キャリア用の電子の供給自体は該層の上に隣接して積層されたSiC電子供給層61により行なえるようになっている。なお、SiSnC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 SiSnC channel layer 60 is an impurity-undoped layer made of Si 0.9 Sn 0.1 C (x = 0.1) mixed crystal (SiSnC mixed crystal) in which hexagonal SiC is doped with Sn by vapor deposition. electron supply itself for carrier has become so performed by SiC electron supply layer 61 stacked adjacent on the layer. The details of the composition of the SiSnC mixed crystal, the preferred mode, the formation method such as the growth method, and the like are the same as in the first embodiment.

SiSnC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、0.05〜2.0μmが好ましく、0.2〜1.0μmがより好ましい。   The thickness of the SiSnC channel layer is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 2.0 μm, and preferably 0.2 to 1 in terms of the breakdown voltage between the source and drain and the suppression of defects due to lattice irregularities. 0.0 μm is more preferable.

このように、SiSnCチャネル層60は、Si0.9Sn0.1C(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、キャリアの移動度は高い。このキャリア移動度の高いチャネル層に、該層の上に隣接して形成されたSiC電子供給層61からのキャリア用の電子が供給される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 SiSnC channel layer 60 is configured as a low on-resistance crystal layer in which the crystal lattice is expanded using Si 0.9 Sn 0.1 C (x = 0.1) mixed crystal, and the carrier mobility is high. . The high channel layer of the carrier mobility, because the electron carrier from the SiC electron supply layer 61 formed over and adjacent to the said layer is arranged to be supplied, a companion to electron scattering probability The effect of reducing the loss of the device is great, and high device characteristics can be obtained.

本実施形態においても、Sn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、Sn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、0.005<x≦0.10の範囲が特に好ましい。   Also in this embodiment, the Sn 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. Among them, the Sn ratio is preferably in the range of 0 <x ≦ 0.5, more preferably in the range of 0 <x ≦ 0.2, and particularly preferably in the range of 0.005 <x ≦ 0.10.

SiC電子供給層61は、不純物として窒素がドープされたn型半導体として機能する層である。SiC電子供給層の形成には、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、絶縁破壊電界が高い点で好ましい。   The SiC electron supply layer 61 is a layer that functions as an n-type semiconductor doped with nitrogen as an impurity. Various silicon carbides can be selected for forming the SiC electron supply layer. Among these, hexagonal SiC crystals are preferable, and 4H—SiC crystals and 6H—SiC crystals are preferable. 4H—SiC crystal is preferable in that it has a high carrier mobility and a high dielectric breakdown electric field.

また、不純物には、窒素以外にリン(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 addition to nitrogen, other atoms having different atomic radii from Si and C, such as phosphorus (P) and boron (B), can be appropriately selected as impurities so that an n-type or p-type semiconductor can be formed. .

SiC電子供給層の厚みとしては、特に制限されるものではないが、SiSnCチャネル層との関係で、0.05〜0.5μmが好ましく、0.05〜0.2μmがより好ましい。   The thickness of the SiC electron supply layer is not particularly limited, but is preferably 0.05 to 0.5 μm and more preferably 0.05 to 0.2 μm in relation to the SiSnC channel layer.

本実施形態の縦型のMOSFETの作製は、SiSnCチャネル層60及びSiC電子供給層61を下記のように形成する以外は、第1実施形態と同様にして行なった。なお、SiC電子供給層61は、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できる。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C38、Sn導入用原料:テトラエチルスズ〔(C25)4Sn〕〕を用いた常法により、Si0.9Sn0.1C(x=0.1)混晶が得られるように成分流量、有機金属については容器温度を調節して、SiCドリフト層13上に、厚み0.5μmのSiSnCチャネル層60をエピタキシャル成長させて積層した。次に、SiSnCチャネル層60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C38、N型伝導用原料:N2〕を用いた常法により、SiSnCチャネル層60上に、厚み0.1μmのSiC電子供給層61をエピタキシャル成長させて積層した。そして、本実施形態では、SiC電子供給層61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9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。 The vertical MOSFET of this embodiment was manufactured in the same manner as in the first embodiment except that the SiSnC channel layer 60 and the SiC electron supply layer 61 were formed as follows. The SiC electron supply layer 61 can be formed in substantially the same manner as the other SiC layer forming method in the first embodiment. Specifically, in the first embodiment, the CVD method [carrier gas: H 2 , source gas: SiH 4 and C 3 H 8, while heating to 1400 to 2000 ° C. continuously after the SiC drift layer 13 is stacked. , Sn introduction raw material: component flow rate, organometallic so that Si 0.9 Sn 0.1 C (x = 0.1) mixed crystal can be obtained by a conventional method using tetraethyltin [(C 2 H 5 ) 4 Sn]]. For the above, a container temperature was adjusted, and a 0.5 μm thick SiSnC channel layer 60 was epitaxially grown on the SiC drift layer 13 and laminated. Next, the CVD method [carrier gas: H 2 , source gas: SiH 4 and C 3 H 8 , N-type conductive material: while heating to 1400 to 2000 ° C. after the SiSnC channel layer 60 is further laminated. A SiC electron supply layer 61 having a thickness of 0.1 μm was epitaxially grown and stacked on the SiSnC channel layer 60 by a conventional method using N 2 ]. In the present embodiment, after the formation of the SiC electron supply layer 61, the vertical MOSFET of the present embodiment configured as shown in FIG. 9 is manufactured by performing the same operation as in the first embodiment. .

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、Snドープを行なっていないSiC結晶からなるチャネル層で構成した縦型のMOSFETに対し、20%以上の移動度の向上効果が認められた。   The carrier mobility of the MOSFET fabricated as described above was measured in the same manner as in the first embodiment. As a result, the mobility of 20% or more of the vertical MOSFET composed of the channel layer made of SiC crystal not subjected to Sn doping was measured. The improvement effect was recognized.

本実施形態では、SiC基板として半絶縁性SiC基板を用いた例を示したが、半絶縁性SiC基板以外のP型又はN型の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選択することが可能である。   In the present embodiment, an example in which a semi-insulating SiC substrate is used as the SiC substrate has been described. However, a P-type or N-type SiC substrate other than the semi-insulating SiC substrate is used as a form of a silicon carbide semiconductor device to be manufactured. It is possible to select appropriately.

なお、本実施形態の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 concave groove 19 for forming a MOS structure is formed on the side of the SiC drift layer 13 of this embodiment that does not contact the SiC buffer layer 12, as in the first embodiment, and above that, A gate electrode 17 is formed via a gate oxide film 18.

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10に示すように、図4のSiSnCチャネル層34を、SiC層32側から厚み0.1μmのSiSnCチャネル層(不純物アンドープ)70と厚み0.5μmのSiC電子供給層(N+;窒素ドープ、キャリア濃度3×1018cm-3)71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、Snドープを行なっていないSiC結晶からなるチャネル層で構成した横型の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 the second embodiment (see FIG. 4), for example, as shown in FIG. 10, the SiSnC channel layer 34 of FIG. 4 is replaced with a 0.1 μm thick SiSnC channel from the SiC layer 32 side. A structure in which a layer (impurity undoped) 70 and a 0.5-μm thick SiC electron supply layer (N + ; nitrogen-doped, carrier concentration 3 × 10 18 cm −3 ) 71 are stacked may be used. It is. This can be produced by forming a layered structure in the same manner as described above. Similarly, a mobility improvement effect of 20% or more can be obtained with respect to a lateral MOSFET composed of a channel layer made of SiC crystal not subjected to Sn doping.

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、あるいは半絶縁性SiC基板を用いた例を示したが、前記例に制限されるものではなく、SiC基板の選択は、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行なうことが可能である。   In addition, although an example using an N-type or P-type 4H—SiC substrate or a semi-insulating SiC substrate as an SiC substrate has been shown, the present invention is not limited to this example, and the selection of the SiC substrate will be made. It can be carried out as appropriate according to the form of the silicon carbide semiconductor device.

本発明の第1実施形態に係る縦型のMOSFETを示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing a vertical MOSFET according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係る縦型のMOSFETを作製しているところを説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the place which is producing vertical type | mold MOSFET which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る縦型のMOSFETを作製しているところを説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the place which is producing vertical type | mold MOSFET which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る横型のMOSFETを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the horizontal MOSFET which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る横型のMOSFETを作製しているところを説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the place which is producing the lateral type MOSFET which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る横型のMOSFETを作製しているところを説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the place which is producing the lateral type MOSFET which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る縦型のMOSFETを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the vertical MOSFET which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る横型のMOSFETの他の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the other example of horizontal type | mold MOSFET which concerns on embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る縦型のMOSFETを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the vertical MOSFET which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る横型のMOSFETの他の例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the other example of horizontal type | mold MOSFET which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

14,34…SiSnCチャネル層
16…ソース電極
17…ゲート電極
18…ゲート酸化膜
20…ドレイン電極
40,50…SiCチャネル層
41,51…SiSnC歪供給層
60,70…SiSnCチャネル層
61,71…SiC電子供給層
14, 34 ... SiSnC channel layer 16 ... source electrode 17 ... gate electrode 18 ... gate oxide film 20 ... drain electrodes 40, 50 ... SiC channel layers 41, 51 ... SiSnC strain supply layers 60, 70 ... SiSnC channel layers 61, 71 ... SiC electron supply layer

Claims (5)

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た炭化珪素半導体装置において、
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SnがドープされたSi1-xSnxC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 Sn x C mixed crystal Sn doped in SiC crystal [0 <x <1] A silicon carbide semiconductor device.
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た炭化珪素半導体装置において、
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SnがドープされたSi1-xSnxC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 Sn x C mixed which Sn is doped SiC crystals A strain supply layer composed of crystals [0 <x <1];
A silicon carbide semiconductor device comprising:
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た炭化珪素半導体装置において、
SiC結晶にSnがドープされ、かつ不純物が実質的にドープされていないSi1-xSnxC混晶〔0<x<1〕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n型もしくはp型半導体に構成されたSiC結晶からなる電子供給層と、
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,
Sn is doped in SiC crystal, and a channel region formed part made of Si 1-x Sn x C mixed crystal in which no impurity is substantially doped [0 <x <1],
Provided adjacent on the channel region forming portion, and the electron supply layer made of SiC crystal that is configured to n-type or p-type semiconductor by doping an impurity,
A silicon carbide semiconductor device comprising:
前記Si1-xSnxC混晶を形成するSiC結晶が、4H−SiC結晶である請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the SiC crystal forming the Si 1-x Sn x C mixed crystal is a 4H—SiC crystal. 前記xが0<x<0.1を満たす請求項1〜4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。   The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein x satisfies 0 <x <0.1.
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