JP5995701B2 - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
この発明は、炭化珪素半導体装置とその製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing the same.
インバータ等のパワーエレクトロニクス機器の省エネのためには、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)や金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)のような半導体スイッチング素子の損失を低減させる必要がある。 In order to save energy in power electronics equipment such as inverters, semiconductors such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs) and metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs) It is necessary to reduce the loss of the switching element.
半導体スイッチング素子の損失は素子の導通損やスイッチング損失により決定されるので、これらを低減させるために炭化珪素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ半導体材料を用いる開発が進められている。 Since the loss of the semiconductor switching element is determined by the conduction loss and switching loss of the element, development using a wide band gap semiconductor material such as silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) has been advanced to reduce these losses. Yes.
その一方で、大電力制御には素子の信頼性の向上と安定化が求められる。特にSiC−MOSFETは、Si−MOSFETに比べて絶縁破壊耐量が大きいためドリフト濃度を高くすることができるが、その場合、ドレインに高電圧が印加されたときにゲート酸化膜に大きな電界がかかることになり、ゲート酸化膜の劣化や破壊の原因となる。 On the other hand, high power control requires improvement and stabilization of element reliability. In particular, SiC-MOSFETs have a higher dielectric breakdown resistance than Si-MOSFETs, so that the drift concentration can be increased. In this case, however, a large electric field is applied to the gate oxide film when a high voltage is applied to the drain. This causes deterioration and destruction of the gate oxide film.
SiC−MOSFETにおいて信頼性の向上を目的とした構造(図15参照)が特許文献1に開示されている。このSiC−MOSFETは、ゲート酸化膜21に接するn型エピタキシャル層12にp型電界緩和領域30を形成することにより、ゲート酸化膜21にかかる電界強度を緩和している。
Patent Document 1 discloses a structure (see FIG. 15) for improving the reliability of an SiC-MOSFET. In this SiC-MOSFET, the p-type electric
しかし、上記構造によれば、MOSFETがオンのときのドレイン−ソース間の電流が電界緩和領域30から広がった空乏層によって妨げられてしまう。すなわち、ウェル領域13間の抵抗値、いわゆるJFET抵抗値が大きくなる。特にSiC−MOSFETでは、ドリフト領域であるエピタキシャル層12の膜厚を薄くし、そのキャリア密度を濃く形成することが可能であるため、ドリフト抵抗は小さく、MOSFET全体のオン抵抗の大部分をJFET抵抗とチャネル抵抗が占めることになる。よって、特許文献1が提案するSiC−MOSFETの構成では、ゲート酸化膜21の信頼性が向上するものの、それに伴ってオン抵抗が大幅に増大するという問題があった。
However, according to the above structure, the drain-source current when the MOSFET is on is hindered by the depletion layer that spreads from the electric
本発明は上述の問題に鑑みてなされたものであり、オン抵抗の低減とゲート酸化膜の信頼性を両立する炭化珪素半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device that achieves both a reduction in on-resistance and the reliability of a gate oxide film, and a method for manufacturing the same.
本発明の炭化珪素半導体装置は、第1導電型のSiC基板と、SiC基板上に形成された第1導電型のエピタキシャル層と、エピタキシャル層の表層に選択的に形成された第2導電型のウェル領域と、ウェル領域の表層に選択的に形成された第1導電型のソース領域と、ソース領域とエピタキシャル層に挟まれたウェル領域の表面上からエピタキシャル層の表面上に亘って形成されたゲート酸化膜と、ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極とを備え、ゲート酸化膜とエピタキシャル層の界面に負の固定電荷を有し、ウェル領域の表面上のゲート酸化膜における負の固定電荷の密度は、エピタキシャル層の表面上のゲート酸化膜における負の固定電荷の密度よりも小さい。 A silicon carbide semiconductor device of the present invention includes a first conductivity type SiC substrate, a first conductivity type epitaxial layer formed on the SiC substrate, and a second conductivity type selectively formed on a surface layer of the epitaxial layer. A well region; a source region of a first conductivity type selectively formed on a surface layer of the well region; and a surface of the well region sandwiched between the source region and the epitaxial layer and the surface of the epitaxial layer. a gate oxide film, and a gate electrode formed on the gate oxide film, have a negative fixed charge at the interface of the gate oxide film and the epitaxial layer, the negative fixed charge in the gate oxide film on the surface of the well region Is less than the density of negative fixed charges in the gate oxide film on the surface of the epitaxial layer .
また、本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、(a)第1導電型のSiC基板上に第1導電型のエピタキシャル層を形成する工程と、(b)エピタキシャル層の表層に第2導電型のウェル領域を選択的に形成する工程と、(c)ウェル領域の表層に選択的に形成された第1導電型のソース領域と、(d)ソース領域とエピタキシャル層に挟まれたウェル領域の表面上からエピタキシャル層の表面上に亘ってゲート酸化膜を形成する工程と、(e)ゲート酸化膜上にゲート電極を形成する工程と、(f)ゲート電極に正電圧を印加して、ゲート酸化膜とエピタキシャル層の界面に負の固定電荷を形成する工程とを備える。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes (a) a step of forming a first conductivity type epitaxial layer on a first conductivity type SiC substrate, and (b) a second conductivity on a surface layer of the epitaxial layer. A step of selectively forming a well region of a mold, (c) a source region of a first conductivity type selectively formed in a surface layer of the well region, and (d) a well region sandwiched between the source region and the epitaxial layer Forming a gate oxide film over the surface of the epitaxial layer from the surface of (a) forming a gate electrode on the gate oxide film; (f) applying a positive voltage to the gate electrode; Forming a negative fixed charge at the interface between the gate oxide film and the epitaxial layer.
本発明の炭化珪素半導体装置は、第1導電型のSiC基板と、SiC基板上に形成された第1導電型のエピタキシャル層と、エピタキシャル層の表層に選択的に形成された第2導電型のウェル領域と、ウェル領域の表層に選択的に形成された第1導電型のソース領域と、ソース領域とエピタキシャル層に挟まれたウェル領域の表面上からエピタキシャル層の表面上に亘って形成されたゲート酸化膜と、ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極とを備え、ゲート酸化膜とエピタキシャル層の界面に負の固定電荷を有する。よって、オン時のJFET抵抗を増加させることなく、オフ時のゲート酸化膜に加わる電界を緩和できる。また、ウェル領域の表面上のゲート酸化膜における負の固定電荷の密度を、エピタキシャル層の表面上のゲート酸化膜における負の固定電荷の密度よりも小さくすることにより、負の固定電荷がチャネル特性に与える影響を軽減することが出来る。
A silicon carbide semiconductor device of the present invention includes a first conductivity type SiC substrate, a first conductivity type epitaxial layer formed on the SiC substrate, and a second conductivity type selectively formed on a surface layer of the epitaxial layer. A well region; a source region of a first conductivity type selectively formed on a surface layer of the well region; and a surface of the well region sandwiched between the source region and the epitaxial layer and the surface of the epitaxial layer. It has a gate oxide film and a gate electrode formed on the gate oxide film, and has a negative fixed charge at the interface between the gate oxide film and the epitaxial layer. Therefore, the electric field applied to the gate oxide film at the off time can be relaxed without increasing the JFET resistance at the on time. In addition, by making the negative fixed charge density in the gate oxide film on the surface of the well region smaller than the negative fixed charge density in the gate oxide film on the surface of the epitaxial layer, the negative fixed charge is channel characteristics. Can be reduced.
また、本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、(a)第1導電型のSiC基板上に第1導電型のエピタキシャル層を形成する工程と、(b)エピタキシャル層の表層に第2導電型のウェル領域を選択的に形成する工程と、(c)ウェル領域の表層に選択的に形成された第1導電型のソース領域と、(d)ソース領域とエピタキシャル層に挟まれたウェル領域の表面上からエピタキシャル層の表面上に亘ってゲート酸化膜を形成する工程と、(e)ゲート酸化膜上にゲート電極を形成する工程と、(f)ゲート電極に正電圧を印加して、ゲート酸化膜とエピタキシャル層の界面に負の固定電荷を形成する工程とを備える。よって、オン時のJFET抵抗を増加させることなく、オフ時のゲート酸化膜に加わる電界が緩和される炭化珪素半導体装置を製造できる。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention includes (a) a step of forming a first conductivity type epitaxial layer on a first conductivity type SiC substrate, and (b) a second conductivity on a surface layer of the epitaxial layer. A step of selectively forming a well region of a mold, (c) a source region of a first conductivity type selectively formed in a surface layer of the well region, and (d) a well region sandwiched between the source region and the epitaxial layer Forming a gate oxide film over the surface of the epitaxial layer from the surface of (a) forming a gate electrode on the gate oxide film; (f) applying a positive voltage to the gate electrode; Forming a negative fixed charge at the interface between the gate oxide film and the epitaxial layer. Therefore, it is possible to manufacture a silicon carbide semiconductor device in which the electric field applied to the gate oxide film at the off time is relaxed without increasing the JFET resistance at the on time.
<A.実施の形態1>
本明細書では半導体の導電型として第1導電型をn型、第2導電型をp型とするが、逆の導電型であっても良い。
<A. Embodiment 1>
In this specification, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type as the semiconductor conductivity type, but the opposite conductivity type may be used.
<A−1.構成>
図1は、実施の形態1の炭化珪素半導体装置であるnチャネル型のSiC−MOSFET101の断面図を示している。
<A-1. Configuration>
FIG. 1 shows a cross-sectional view of n-channel SiC-
SiC−MOSFET101は、n型のSiC基板11、n型のエピタキシャル層12、p型のウェル領域13、n型のソース領域14、p型のウェルコンタクト領域15、ゲート酸化膜21、ゲート電極22、層間絶縁膜23、ソース電極24、ドレイン電極25を備えている。
The SiC-
SiC基板11上にエピタキシャル層12が形成され、エピタキシャル層12の表面に複数のウェル領域13が選択的に形成される。ウェル領域13の表面にはソース領域14とウェルコンタクト領域15が隣接して選択的に形成される。ウェルコンタクト領域15は、ソース領域14とウェル領域13の電位を同一にすることで、寄生トランジスタの動作を抑えるためのものである。ソース領域14とエピタキシャル層12に挟まれたウェル領域13の表面上からエピタキシャル層12(JFET部41)の表面上に亘り、ゲート電極22がゲート酸化膜21を介して形成される。ゲート酸化膜21とエピタキシャル層12の界面(以下、単にゲート酸化膜21界面とも示す)には、ゲート電圧によって導入された負の固定電荷31が形成される。ゲート電極22上にはゲート電極22とソース電極24を分離するための層間絶縁膜23が形成され、その上にソース領域14及びウェルコンタクト領域15とコンタクトしたソース電極24が形成される。SiC基板11の下部にはドレイン電極25が形成される。
<A−2.動作>
次に、SiC−MOSFET101の動作を説明する。
<A-2. Operation>
Next, the operation of the SiC-
ゲート電極22に正電圧を印加すると、ウェル領域13の表層に電流の経路であるチャネルが形成される。この状態でドレイン電極25に正電圧を印加すると、ドレイン電極25からSiC基板11、エピタキシャル層12、ウェル領域13の表層(チャネル)、ソース領域14を経てソース電極24に電流が流れる。特にSiCのようなワイドバンドギャップ半導体材料を用いた素子では、エピタキシャル層12は高濃度化や薄膜化が可能で低抵抗であるので、対向するウェル領域13の間の電流経路(JFET部41)の抵抗(JFET抵抗)とチャネル部分の抵抗(チャネル抵抗)を低減させることは、素子の導通損失を低減させるために非常に有効である。
When a positive voltage is applied to the
一方、ゲート電極22の正電圧を除去する、もしくは負の電圧を印加するとチャネルが除去される。これによってドレイン電極25に高電圧を印加してもドレイン−ソース間の電流を遮断することができる。このとき、ゲート酸化膜21が高電界にさらされるが、最も電界が集中するJFET部41とゲート酸化膜21との界面にはゲートバイアスにより負の固定電荷31が形成されているので、ゲート酸化膜21にかかる電界強度は緩和され、ゲート酸化膜21の信頼性が確保される。特にSiCを半導体材料として用いると絶縁破壊電界が大きいため、エピタキシャル層12に高電界が印加されるよう設計することが多く、その分ゲート酸化膜21にかかる電界強度も大きくなるため、負の固定電荷31で電界を緩和する本発明の構造は非常に有効である。
On the other hand, when the positive voltage of the
図15のSiC−MOSFET100のように、JFET部41の中央にp型の電界緩和領域を形成することによっても、ゲート酸化膜21の電界強度を抑えてその信頼性を確保することは出来るが、JFET抵抗が大幅に増大するため、素子の導通損失が非常に大きくなる。しかし、SiC−MOSFET101では電界緩和領域に代えてゲート酸化膜21界面に負の固定電荷を形成しているので、素子の導通損失を増大させることなくゲート酸化膜21の信頼性を向上することができる。
Although the p-type electric field relaxation region is formed in the center of the
これらの動作により、SiC−MOSFET101はスイッチング素子として機能する。
With these operations, the SiC-
<A−3.製造方法>
次に、SiC−MOSFET101の製造方法を図2〜図5に沿って説明する。
<A-3. Manufacturing method>
Next, a method for manufacturing the SiC-
まず、n型で低抵抗のSiC基板11を用意し、SiC基板11上にエピタキシャル成長によりn型のエピタキシャル層12を形成する(図2)。エピタキシャル層12では、SiC−MOSFET101に求められる耐圧に応じて、n型の不純物濃度を例えば1×1013cm−3〜1×1018cm−3、厚さを例えば4μm〜200μmと適宜設定する。
First, an n-type and low-
次に、公知のリソグラフィ技術、エッチング技術、イオン注入技術等を用いて、エピタキシャル層12の表面にp型のウェル領域13を、ウェル領域13の表面にn型のソース領域14及びp型のウェルコンタクト領域15を、それぞれ形成する(図3)。各領域はフォトリソグラフィによって加工されたレジストや酸化膜などをマスクとして、例えばn型領域はNイオン、p型領域はAlイオンを注入して形成する。ウェル領域13では、不純物濃度を例えば1×1015cm−3〜1×1018cm−3、注入深さを例えば0.3μm〜2.0μmとする。ソース領域14では、その底面がウェル領域13の底面を超えないように形成し、不純物濃度はウェル領域13の不純物濃度を超えて、例えば1×1017cm−3〜1×1021cm−3程度とする。ウェルコンタクト領域15は150℃以上の基板温度で形成することが望ましく、その不純物濃度はウェル領域13の不純物濃度を超えるようにする。
Next, the p-
次に、熱処理装置によってArガスなどの不活性ガス雰囲気中でアニールを行う。アニールは例えば1300℃〜1900℃の温度で、30秒〜1時間行う。これにより、前工程でイオン注入されたNなどのn型不純物およびAlなどのp型不純物を活性化させる。 Next, annealing is performed in an inert gas atmosphere such as Ar gas by a heat treatment apparatus. Annealing is performed at a temperature of 1300 ° C. to 1900 ° C. for 30 seconds to 1 hour, for example. This activates n-type impurities such as N and p-type impurities such as Al implanted in the previous step.
次に、ゲート酸化膜21およびゲート電極22の形成を行う(図4)。ゲート酸化膜21は、例えば熱酸化法や堆積法を用いた後、窒素やアンモニア雰囲気中における熱処理を経て形成する。ゲート電極22は、例えばポリシリコンをCVD法により堆積し、フォトリソグラフィにより加工されたレジストをマスクとしたエッチングにより形成する。ポリシリコンには燐や硼素のような不純物が含まれていてもよく、これにより低シート抵抗を実現する。
Next, the
次に、層間絶縁膜23の形成を行ってからソース電極24及びドレイン電極25の形成を行う(図5)。層間絶縁膜23は、例えばCVD法などによって絶縁膜を堆積し、ゲートとソースを分離して取り出すためにゲート電極22の少なくとも一部、ソース領域14、ウェルコンタクト領域15を露出させるようにエッチングを行って形成する。なお、図5にはゲート電極22の配線を示していないが、層間絶縁膜23をMOSFETの外周部で露出させて、ソース電極24とゲート電極22を分離した形で形成する。その後、エッチングによって露出したソース領域14とウェルコンタクト領域15に対してソース電極24をオーミック接触させるため、例えば基板の全面にNiを成膜し、600〜1000℃で熱処理を行うことでシリサイドを形成する(図示せず)。なお、層間絶縁膜23上に残留したNiはウェットエッチングで除去する。同様に、基板の裏面にもシリサイドを形成する。これによってSiC基板11とドレイン電極25との良好なオーミックコンタクトを実現することができる。なお、ゲート電極22を取り出す配線及びソース電極24は、Al、Cu、Ti、Ni、Mo、W、Taやそれらの窒化物やそれらの積層膜やそれらの合金層からなる金属をスパッタリング法や蒸着法によって堆積し、パターニングを行うことで形成する。ドレイン電極25はTi、Ni、Ag、Auなどの金属膜をスパッタ法や蒸着法で形成する。
Next, after forming the
最後に、図5の状態でゲートに正の電圧(ゲートバイアス)を長時間印加することによって、ゲート酸化膜21界面に負の固定電荷31を形成し、図1に示すSiC−MOSFETが完成する。負の固定電荷31を形成するためのゲート電圧の印加は、ウエハもしくはチップの状態やモジュール形成後など、どの時期に行ってもよい。
Finally, by applying a positive voltage (gate bias) to the gate for a long time in the state of FIG. 5, a negative fixed
<A−4.固定電荷>
図6は、ゲートバイアスによって導入された負の固定電荷密度と、ドレイン電圧によりJFET部41の中央(JFET中央部)上のゲート酸化膜21に加わる電界強度との関係を計算によって求めた結果を示している。1200V程度の耐圧特性を有する素子を想定して、エピタキシャル層12の膜厚を12μm、不純物濃度を1×1016cm−3程度とする。また対向するpウェル13の間隔、いわゆるJFET長さは2μm〜3μmを想定する。電界強度の値はドレイン電極25に1200Vを印加したときの計算値であり、固定電荷31を導入していない状態の電界強度を100%とした相対的な値で表している。なお、図6ではy軸を相対値にしているので、熱酸化工程等でゲートバイアスによらずゲート酸化膜21界面に負の固定電荷31が形成されている場合にも、この計算結果が適用可能である。電界ストレスによるゲート酸化膜21の劣化や破壊については様々なモデルが提唱されており、実使用での印加電界によって大きく異なってくるため一概に述べることはできないが、ゲート酸化膜21にかかる電界強度を1〜10%程度抑制することで素子の寿命は数倍から数十倍まで向上させることができる。これにより、信頼性が向上し、デバイス設計マージンが向上する。
<A-4. Fixed charge>
FIG. 6 shows the result of calculating the relationship between the negative fixed charge density introduced by the gate bias and the electric field strength applied to the
また出願人は、バイアス印加とゲート特性評価を用いた実験により、ゲートバイアスにより導入される固定電荷密度が時間、温度、電界強度依存性を有していることを解明した。それぞれのパラメータが大きくなるほど、導入される固定電荷密度も大きくなる。 The applicant has also clarified that the fixed charge density introduced by the gate bias has time, temperature, and electric field strength dependence through experiments using bias application and gate characteristic evaluation. As each parameter increases, the fixed charge density introduced also increases.
図7は、ゲートバイアス印加時間と、ゲートバイアス印加後にドレイン電圧を印加したときのJFET中央部上のゲート酸化膜21にかかる電界強度との関係を計算によって求めた結果を示している。電界強度の計算方法は図6に準じたもので、導入された固定電荷密度から計算している。なお、ゲートバイアス印加時の温度は300K、電界強度は4MV/cmを想定している。通常、ウエハテストなどのテスト工程では温度300K、電界強度4MV/cm程度の条件でゲートバイアスを印加することが多いが、印加時間は数μs〜数s程度であるため、本発明の効果は期待できないことが分かる。図によると、上述の条件では1〜30時間程度ゲートバイアスを印加することで1〜3%程度の電界緩和が可能である。しかし、バイアス印加時間の短縮やさらなる電界緩和を実現するためにはバイアス印加時の温度や電界強度を適正化させる必要がある。
FIG. 7 shows the result of calculating the relationship between the gate bias application time and the electric field strength applied to the
図8は、ゲートバイアス印加時の温度と、ゲートバイアス印加後にドレイン電圧を印加したときのJFET中央部上のゲート酸化膜21にかかる電界強度との関係を計算によって求めた結果を示している。電界強度の計算方法は図6に準じたもので、導入された固定電荷密度から計算している。なお、ゲートバイアス印加時間は5時間、電界強度は4MV/cmを想定している。図によれば、ゲートバイアス印加時の温度を上げるほどドレイン電圧印加時におけるゲート酸化膜21の電界強度は緩和される。しかし、ウエハの状態でゲートバイアスを印加する場合には、電極の濡れ性が悪くなる懸念があるため450K以下にすることが望ましい。ただし、モジュール形成後であれば、450Kを超えモジュールの耐熱温度以下の温度でゲートバイアスを印加してもよい。図によれば、上述の条件においてゲートバイアス印加時の温度を300〜600Kとすることで1〜10%程度の電界緩和が可能である。しかし、ゲートバイアス時の温度の低温化や更なる電界緩和を実現するためには、ゲートバイアス印加時間や印加時の電界強度を適正化させる必要がある。
FIG. 8 shows the result of calculating the relationship between the temperature at the time of applying the gate bias and the electric field strength applied to the
図9は、ゲートバイアス印加時の電界強度と、ゲートバイアス印加後にドレイン電圧を印加したときのJFET中央部上のゲート酸化膜21にかかる電界強度との関係を計算によって求めた結果を示している。電界強度の計算方法は図6に準じたもので、導入された固定電荷密度から計算している。なお、ゲートバイアス印加時間は5時間、温度は300Kを想定している。図によれば、ゲートバイアス印加時の電界強度を上げるほどドレイン電圧印加時のゲート酸化膜21の電界強度は緩和される。しかし、ゲート電極22に印加される電界が6MV/cmを超えると、FN(Fowler-Nordheim)電流が立ち上がりゲート酸化膜21の劣化が懸念されるため、これ以下の値であることが望ましい。図によれば、上述の条件では1〜6MV/cmのゲートバイアスを印加することで1〜8%程度の電界緩和が可能である。しかし、ゲートバイアス時の電界強度の低減や更なる電界緩和を実現するためにはゲートバイアス印加時間やゲートバイアス時の温度を適正化させる必要がある。
FIG. 9 shows the result of calculating the relationship between the electric field strength when the gate bias is applied and the electric field strength applied to the
図6〜9に示された固定電荷密度とゲートバイアス条件との関係から、例えばゲートバイアス印加時間を数十分から数十時間、温度を300〜450K、電界強度を3〜5.5MV/cmとすることで、固定電荷導入後のドレイン定格電圧印加時にJFET中央部上のゲート酸化膜21にかかる電界強度を1〜10%抑制することができる。よって、設計や駆動方法に依存するが、素子寿命を数倍から数十倍まで向上させることが可能である。
From the relationship between the fixed charge density and the gate bias condition shown in FIGS. 6 to 9, for example, the gate bias application time is several tens of minutes to several tens of hours, the temperature is 300 to 450 K, and the electric field strength is 3 to 5.5 MV / cm. By doing so, the electric field strength applied to the
図10は、オン時のドレイン電圧とJFET抵抗の関係を計算によって導出したグラフである。SiC−MOSFET101ではゲートバイアス印加前と、ゲートバイアスを印加して5×1011cm−2程度の固定電荷を導入した後の夫々について計算し、さらに図15に示す先行文献1に記載のSiC−MOSFET100の計算結果と比較した。図によれば、SiC−MOSFET101ではゲートバイアスを印加してもJFET抵抗が増大していないことが分かる。一方、先行文献に記載のSiC−MOSFET100はSiC−MOSFET101に比べてJFET抵抗が大幅に増大することが分かる。
FIG. 10 is a graph in which the relationship between the drain voltage and the JFET resistance at the time of ON is derived by calculation. In the SiC-
図6〜10より、SiC−MOSFET101は素子のON抵抗を大幅に増大させることなくゲート酸化膜21の信頼性を確保していることが分かる。
6 to 10 that the SiC-
<A−5.効果>
本実施の形態の炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFET101は、第1導電型のSiC基板11と、SiC基板11上に形成された第1導電型のエピタキシャル層12と、エピタキシャル層12の表層に選択的に形成された第2導電型のウェル領域13と、ウェル領域13の表層に選択的に形成された第1導電型のソース領域14と、ソース領域14とエピタキシャル層12に挟まれたウェル領域13の表面上からエピタキシャル層12の表面上に亘って形成されたゲート酸化膜21と、ゲート酸化膜21上に形成されたゲート電極22とを備え、ゲート酸化膜21とエピタキシャル層12の界面に負の固定電荷31を有する。よって、オン時のJFET抵抗を増加させることなく、オフ時のゲート酸化膜21に加わる電界を緩和できる。
<A-5. Effect>
SiC-
本実施の形態のSiC−MOSFET101の製造方法は、(a)第1導電型のSiC基板11上に第1導電型のエピタキシャル層12を形成する工程と、(b)エピタキシャル層12の表層に第2導電型のウェル領域13を選択的に形成する工程と、(c)ウェル領域13の表層に選択的に形成された第1導電型のソース領域14と、(d)ソース領域14とエピタキシャル層12に挟まれたウェル領域13の表面上からエピタキシャル層12の表面上に亘ってゲート酸化膜21を形成する工程と、(e)ゲート酸化膜21上にゲート電極22を形成する工程と、(f)ゲート電極22に正電圧を印加して、ゲート酸化膜21とエピタキシャル層12の界面に負の固定電荷31を形成する工程とを備える。エピタキシャル層表面とゲート酸化膜の界面に負の固定電荷を導入することで、オン時のJFET抵抗を増加させることなく、オフ時のゲート酸化膜に加わる電界を緩和できる。
The manufacturing method of SiC-
<B.実施の形態2>
<B−1.構成>
図11は、実施の形態2の炭化珪素半導体装置であるnチャネル型のSiC−MOSFET102の断面図である。
<B. Second Embodiment>
<B-1. Configuration>
FIG. 11 is a cross-sectional view of n-channel SiC-
SiC−MOSFET102は、ウェル領域13の表面上のゲート酸化膜21が、JFET部41(エピタキシャル層12)の表面上のゲート酸化膜21よりも厚く形成される点で、SiC−MOSFET101と異なる。実施の形態1で示したように、ゲート酸化膜21のSiC界面に導入される固定電荷密度は電界強度依存性を有しており、ゲートバイアスを大きくすると固定電荷を多く形成することが可能である。一方で、オン時にチャネルが形成されるウェル領域13のゲート酸化膜21界面にも固定電荷31が形成されるため、チャネル抵抗や閾値電圧等のチャネル特性が変化する。
The SiC-
チャネル特性はウェル領域13の濃度等を調節することで自由に設計することが可能であり、実施の形態1においても固定電荷31が形成されることを想定して設計すれば当然所望のチャネル特性が得られる。しかし、実施の形態2のようにJFET部41とチャネル部でゲート酸化膜21の膜厚を変えることにより、バイアス印加時にJFET部41上のゲート酸化膜21にかかる電界強度よりも、チャネル部分のゲート酸化膜21にかかる電界強度を小さくすることが可能である。従って、チャネル部分のゲート酸化膜21界面には固定電荷31が比較的形成されにくくなるため、所望のチャネル特性を容易に実現できる。
The channel characteristics can be freely designed by adjusting the concentration of the
<B−2.製造工程>
SiC−MOSFET102の製造方法は、実施の形態1のSiC−MOSFET101とゲート酸化膜21の形成工程が異なる。ゲート酸化膜21の形成工程の前までは図2,3に示したSiC−MOSFET101の製造工程と同様であるので、説明を省略する。
<B-2. Manufacturing process>
The manufacturing method of the SiC-
実施の形態1と同様に図2,3に示す工程を経た後、図12に示すように、例えば熱酸化法や堆積法を用いて基板全面にゲート酸化膜21(第1のゲート酸化膜)を形成する。JFET部41上のゲート酸化膜21が所望の膜厚になったところで当該部分にシリコン窒化膜26を形成し、熱酸化法を用いてウェル領域13表面上に、ゲート酸化膜21(第2のゲート酸化膜)を形成する。その後、シリコン窒化膜26を除去し、実施の形態1と同様にゲート電極22、層間絶縁膜23、ソース電極24、ドレイン電極の形成工程を経て、図11に示すSiC−MOSFET102が完成する。
2 and 3 as in the first embodiment, after that, as shown in FIG. 12, a gate oxide film 21 (first gate oxide film) is formed on the entire surface of the substrate by using, for example, a thermal oxidation method or a deposition method. Form. When the
SiC−MOSFET102におけるJFET中央部上のゲート酸化膜21の相対電界強度のゲートバイアス条件特性については、図6〜9を適用することが可能である。ただし、電界強度の計算においてゲート酸化膜21の膜厚はJFET部41上の膜厚を用いる。
6 to 9 can be applied to the gate bias condition characteristics of the relative electric field strength of the
<B−3.効果>
実施の形態2の炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFET102において、ウェル領域13の表面上のゲート酸化膜は、エピタキシャル層12上の表面上のゲート酸化膜21より厚い。ゲート酸化膜21が厚いほどゲートバイアス印加時に加わる電界が弱まり、固定電荷31の導入量が少なくなるので、JFET部41上の界面に主体的に固定電荷31を導入しつつ、固定電荷31がチャネルに及ぼす影響を抑制することが可能である。
<B-3. Effect>
In SiC-
実施の形態2のSiC−MOSFET102の製造方法において、ゲート酸化膜21の形成工程では、ウェル領域13の表面上のゲート酸化膜21をエピタキシャル層12上の表面上のゲート酸化膜21よりも厚く形成する。ゲート酸化膜21が厚いほどゲートバイアス印加時に加わる電界が弱まり、固定電荷31の導入量が少なくなるので、JFET部41上の界面に主体的に固定電荷31を導入しつつ、固定電荷31がチャネルに及ぼす影響を抑制することが可能である。
In the method for manufacturing SiC-
また、ゲート酸化膜21の形成工程は、(d1)ソース領域14とエピタキシャル層12に挟まれたウェル領域13の表面上からエピタキシャル層12の表面上に亘って第1のゲート酸化膜21を形成する工程と、(d2)第1のゲート酸化膜21のうち、エピタキシャル層12上の部分にシリコン窒化膜26を形成する工程と、(d3)第1のゲート酸化膜21のうち、ウェル領域13上の部分に熱酸化法により第2のゲート酸化膜21を形成する工程とを備える。これにより、ソース領域14が形成されないウェル領域13上のゲート酸化膜21を他の部分より厚く形成することができる。
The step of forming the
<C.実施の形態3>
<C−1.構成>
図13は、実施の形態3の炭化珪素半導体装置であるnチャネル型のSiC−MOSFET103の断面図を示している。
<
<C-1. Configuration>
FIG. 13 shows a cross-sectional view of n-channel SiC-
SiC−MOSFET103は、ウェル領域13の表層部にn型のチャネルドープ領域16が形成されている点で、実施の形態2のSiC−MOSFET102と異なる。チャネルドープ領域16の不純物濃度は、エピタキシャル層12の不純物濃度を超えソース領域14の不純物濃度以下とし、例えば1×1013cm−3〜1×1021cm−3程度とする。
SiC-
<C−2.製造工程>
チャネルドープ領域16は、例えばウェル領域13を形成する際のマスクを用いたイオン注入により形成する。チャネルドープ領域16を形成した後、ゲート酸化膜21を熱酸化法により形成すると、チャネルドープ領域16とソース領域14はエピタキシャル層12よりも高濃度であるため増速酸化され、これらの場所のゲート酸化膜21はJFET部41上におけるよりも厚く形成される。以上の製造工程により、図11に示すSiC−MOSFET102と同様のゲート酸化膜21の膜厚制御を、チャネルドープ領域16に基づき容易に行う事ができ、図13に示すSiC−MOSFET103が完成する。
<C-2. Manufacturing process>
The
また、チャネルドープ領域16を非常に浅く、例えば数nm〜数百nmの深さで形成して、熱酸化法によるゲート酸化膜21の形成過程でチャネルドープ領域16が全て消費されるようにすれば、図11に示すSiC−MOSFET102を製造することも可能である。
Further, the channel doped
<C−3.変形例>
図14は、実施の形態3の変形例に係るSiC−MOSFET104の断面図である。SiC−MOSFET104は、チャネルドープ領域16がウェル領域13の表層だけでなくエピタキシャル層12の一部にも形成されている点で、図13に示したSiC−MOSFET103とは異なる。この構造によれば、JFET抵抗が更に低減する。なお、それに伴い、ゲート酸化膜21の膜厚が大きくなる箇所がJFET部41の一部にも形成されており、その部分にゲートバイアスで導入される固定電荷密度が小さくなる。しかし、最も電界集中が懸念されるJFET中央部分におけるゲート酸化膜21の膜厚およびゲートバイアスで導入される固定電荷密度は、図13に示したSiC−MOSFET103と変わらないため、同様の信頼性を有する。
<C-3. Modification>
FIG. 14 is a cross-sectional view of SiC-
実施の形態1〜3では炭化珪素半導体装置としてSiC−MOSFETを例に説明した。しかし、半導体装置はMOSFETに限定せず、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであっても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。 In the first to third embodiments, the SiC-MOSFET has been described as an example of the silicon carbide semiconductor device. However, the semiconductor device is not limited to the MOSFET, and even if it is an insulated gate bipolar transistor, for example, the same effect as in this embodiment can be obtained.
<C−4.効果>
実施の形態3及びその変形例に係る炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFET103,104では、ソース領域14とエピタキシャル層12に挟まれたウェル領域13の表層、または当該表層とこれに隣接するエピタキシャル層12の表層に形成された、エピタキシャル層12よりも不純物濃度が高い第1導電型のチャネルドープ領域16を備える。熱酸化法によりSiC層を酸化する際、不純物濃度が高いほど酸化速度が速いので、ウェル領域13上のゲート酸化膜21が厚く形成され、ゲートバイアス印加時に導入される固定電荷31の量を少なくすることが可能である。
<C-4. Effect>
In SiC-
実施の形態3及びその変形例に係る炭化珪素半導体装置であるSiC−MOSFET103,104の製造方法では、複数のウェル領域13をエピタキシャル層12の表層に選択的に形成し、ゲート酸化膜21を形成する工程は、(d1)ウェル領域13の表層、または当該表層とこれに隣接するエピタキシャル層12の表層に、エピタキシャル層12よりも不純物濃度が高い第1導電型のチャネルドープ層16を形成する工程と、(d2)熱酸化法によりチャネルドープ層16及びエピタキシャル層12上にゲート酸化膜21を形成する工程とを備える。熱酸化工程では不純物濃度が高いほど酸化速度が速いので、ウェル領域13上のゲート酸化膜21が他の部分より厚く形成され、ゲートバイアス印加時に導入される固定電荷31の量が少なくなる。
In the method of manufacturing SiC-
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
11 SiC基板、12 エピタキシャル層、13 ウェル領域、14 ソース領域、15 ウェルコンタクト領域、21 ゲート酸化膜、22 ゲート電極、23 層間絶縁膜、24 ソース電極、25 ドレイン電極、30 電界緩和領域、31 固定電荷、41 JFET部、100,101,102,103,104 SiC−MOSFET。 11 SiC substrate, 12 epitaxial layer, 13 well region, 14 source region, 15 well contact region, 21 gate oxide film, 22 gate electrode, 23 interlayer insulating film, 24 source electrode, 25 drain electrode, 30 electric field relaxation region, 31 fixed Charge, 41 JFET, 100, 101, 102, 103, 104 SiC-MOSFET.
Claims (7)
前記SiC基板上に形成された第1導電型のエピタキシャル層と、
前記エピタキシャル層の表層に選択的に形成された第2導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域の表層に選択的に形成された第1導電型のソース領域と、
前記ソース領域と前記エピタキシャル層に挟まれた前記ウェル領域の表面上から前記エピタキシャル層の表面上に亘って形成されたゲート酸化膜と、
前記ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極とを備え、
前記ゲート酸化膜と前記エピタキシャル層の界面に負の固定電荷を有し、
前記ウェル領域の表面上の前記ゲート酸化膜における前記負の固定電荷の密度は、前記エピタキシャル層の表面上の前記ゲート酸化膜における前記負の固定電荷の密度よりも小さい、
炭化珪素半導体装置。 A first conductivity type SiC substrate;
An epitaxial layer of a first conductivity type formed on the SiC substrate;
A well region of a second conductivity type selectively formed on a surface layer of the epitaxial layer;
A first conductivity type source region selectively formed on a surface layer of the well region;
A gate oxide film formed from the surface of the well region sandwiched between the source region and the epitaxial layer to the surface of the epitaxial layer;
A gate electrode formed on the gate oxide film,
Have a negative fixed charge at the interface of the gate oxide film and the epitaxial layer,
The density of the negative fixed charge in the gate oxide film on the surface of the well region is smaller than the density of the negative fixed charge in the gate oxide film on the surface of the epitaxial layer ,
Silicon carbide semiconductor device.
請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 The gate oxide on the surface of the well region is thicker than the gate oxide on the surface of the epitaxial layer;
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1.
請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体装置。 A channel of the first conductivity type having a higher impurity concentration than the epitaxial layer, formed in the surface layer of the well region sandwiched between the source region and the epitaxial layer, or in the surface layer of the epitaxial layer adjacent to the surface layer. Further comprising a doped region;
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1 or 2.
(b)前記エピタキシャル層の表層に第2導電型のウェル領域を選択的に形成する工程と、
(c)前記ウェル領域の表層に選択的に形成された第1導電型のソース領域と、
(d)前記ソース領域と前記エピタキシャル層に挟まれた前記ウェル領域の表面上から前記エピタキシャル層の表面上に亘ってゲート酸化膜を形成する工程と、
(e)前記ゲート酸化膜上にゲート電極を形成する工程と、
(f)前記ゲート電極に正電圧を印加して、前記ゲート酸化膜と前記エピタキシャル層の界面に負の固定電荷を形成する工程とを備える、
炭化珪素半導体装置の製造方法。 (A) forming a first conductivity type epitaxial layer on a first conductivity type SiC substrate;
(B) selectively forming a second conductivity type well region on a surface layer of the epitaxial layer;
(C) a first conductivity type source region selectively formed on a surface layer of the well region;
(D) forming a gate oxide film from the surface of the well region sandwiched between the source region and the epitaxial layer to the surface of the epitaxial layer;
(E) forming a gate electrode on the gate oxide film;
(F) applying a positive voltage to the gate electrode to form a negative fixed charge at the interface between the gate oxide film and the epitaxial layer,
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
請求項4に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The step (d) is a step of forming the gate oxide film on the surface of the well region to be thicker than the gate oxide film on the surface of the epitaxial layer.
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 4.
(d1)前記ソース領域と前記エピタキシャル層に挟まれた前記ウェル領域の表面上から前記エピタキシャル層の表面上に亘って第1のゲート酸化膜を形成する工程と、
(d2)前記第1のゲート酸化膜のうち、前記エピタキシャル層上の部分にシリコン窒化膜を形成する工程と、
(d3)前記第1のゲート酸化膜のうち、前記ウェル領域上の部分に熱酸化法により第2のゲート酸化膜を形成する工程とを備える、
請求項5に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The step (d)
(D1) forming a first gate oxide film from the surface of the well region sandwiched between the source region and the epitaxial layer to the surface of the epitaxial layer;
(D2) forming a silicon nitride film on a portion of the first gate oxide film on the epitaxial layer;
(D3) including a step of forming a second gate oxide film by thermal oxidation on a portion of the first gate oxide film on the well region.
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 5.
(d1)前記ウェル領域の表層、または当該表層とこれに隣接する前記エピタキシャル層の表層に、前記エピタキシャル層よりも不純物濃度が高い第1導電型のチャネルドープ層を形成する工程と、
(d2)熱酸化法により前記チャネルドープ層及び前記エピタキシャル層上にゲート酸化膜を形成する工程とを備える、
請求項5に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The step (d)
(D1) forming a first conductivity type channel dope layer having an impurity concentration higher than that of the epitaxial layer on the surface of the well region or on the surface of the epitaxial layer adjacent to the surface layer;
(D2) forming a gate oxide film on the channel dope layer and the epitaxial layer by a thermal oxidation method,
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 5.
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