JP6367434B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.
次世代のパワー半導体デバイス用の材料としてSiC(炭化珪素)が期待されている。SiCはSi(シリコン)と比較して、バンドギャップが3倍、破壊電界強度が約10倍、および熱伝導率が約3倍と優れた物性を有する。この特性を活用すれば低損失かつ高温動作可能なパワー半導体デバイスを実現することができる。 SiC (silicon carbide) is expected as a material for next-generation power semiconductor devices. Compared with Si (silicon), SiC has excellent physical properties such as a band gap of 3 times, a breakdown electric field strength of about 10 times, and a thermal conductivity of about 3 times. By utilizing this characteristic, a power semiconductor device capable of operating at high temperature with low loss can be realized.
一方、4H−SiCのC面上にMOS(Metal Oxide Semiconductor)構造を形成すると、Si面と比較してゲートリーク電流が大きくなることが知られている。 On the other hand, it is known that when a MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure is formed on the C-plane of 4H—SiC, the gate leakage current becomes larger than that of the Si-plane.
本発明が解決しようとする課題は、SiC層上に設けられるゲート絶縁膜のリーク電流を抑制し、高いキャリア移動度を実現できる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing the leakage current of the gate insulating film provided on the SiC layer and realizing high carrier mobility, and a method for manufacturing the same.
実施形態の半導体装置は、SiC層と、上記SiC層の表面に設けられるゲート絶縁膜であって、上記SiC層の表面に接する酸化膜または酸窒化膜を含み、酸化膜または酸窒化膜がMg、Ca、Sr、Baから選ばれる少なくとも一つの元素を含み、ゲート絶縁膜中の上記元素の濃度のピークがゲート絶縁膜のSiC層側にあり、上記元素の濃度のピークが酸化膜または酸窒化膜中にあり、上記元素の濃度のピークのSiC層と反対側に上記元素の濃度が1×1016cm−3以下の領域を有する上記ゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられるゲート電極と、を備ええ、上記ゲート絶縁膜中にC(炭素)を含み、上記ゲート絶縁膜中のC(炭素)の濃度のピークが上記ゲート絶縁膜の上記SiC側にあり、上記C(炭素)の濃度のピークが上記酸化膜または酸窒化膜中にある。 The semiconductor device of the embodiment includes a SiC layer and a gate insulating film provided on the surface of the SiC layer, and includes an oxide film or an oxynitride film in contact with the surface of the SiC layer, and the oxide film or oxynitride film is Mg , Containing at least one element selected from Ca, Sr, and Ba, the peak of the concentration of the element in the gate insulating film is on the SiC layer side of the gate insulating film, and the peak of the concentration of the element is an oxide film or oxynitride A gate electrode provided on the gate insulating film, the gate insulating film having a region having a concentration of the element of 1 × 10 16 cm −3 or less on a side opposite to the SiC layer having the peak of the element concentration in the film; The gate insulating film contains C (carbon), and the peak of C (carbon) concentration in the gate insulating film is on the SiC side of the gate insulating film, and the C (carbon) Concentration of Click is in the oxide film or oxynitride film.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same members and the like are denoted by the same reference numerals, and the description of the members and the like once described is omitted as appropriate.
また、以下の説明において、n+、n、n−および、p+、p、p−の表記は、各導電型における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわちn+はnよりもn型の不純物濃度が相対的に高く、n−はnよりもn型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、p+はpよりもp型の不純物濃度が相対的に高く、p−はpよりもp型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。なお、n+型、n−型を単にn型、p+型、p−型を単にp型と記載する場合もある。 In the following description, the notations n + , n, n − and p + , p, p − represent the relative level of impurity concentration in each conductivity type. That is, n + indicates that the n-type impurity concentration is relatively higher than n, and n − indicates that the n-type impurity concentration is relatively lower than n. Further, p + indicates that the p-type impurity concentration is relatively higher than p, and p − indicates that the p-type impurity concentration is relatively lower than p. In some cases, n + type and n − type are simply referred to as n type, p + type and p − type as simply p type.
(第1の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、SiC層と、SiC層の表面に設けられるゲート絶縁膜であって、SiC層の表面に接する酸化膜または酸窒化膜を含み、酸化膜または酸窒化膜がB(ボロン)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)から選ばれる少なくとも一つの元素を含み、ゲート絶縁膜中の上記元素のピークがゲート絶縁膜のSiC層側にあり、上記元素のピークが酸化膜または酸窒化膜中にあり、上記ピークのSiC層と反対側に上記元素の濃度が1×1016cm−3以下の領域を有するゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられるゲート電極と、を備える。
(First embodiment)
The semiconductor device of this embodiment includes a SiC layer and a gate insulating film provided on the surface of the SiC layer, and includes an oxide film or an oxynitride film in contact with the surface of the SiC layer, and the oxide film or oxynitride film is B ( Including at least one element selected from boron), Al (aluminum), Ga (gallium), In (indium), Sc (scandium), Y (yttrium), and La (lanthanum). The peak is on the SiC layer side of the gate insulating film, the peak of the element is in the oxide film or the oxynitride film, and the concentration of the element is 1 × 10 16 cm −3 or less on the side opposite to the SiC layer of the peak A gate insulating film having a region; and a gate electrode provided over the gate insulating film.
特に、第1と第2の面を有するSiC基板と、SiC基板の第1の面側に設けられた第1導電型のSiC層と、SiC層の表面に設けられた第2導電型の第1のSiC領域と、第1のSiC領域の表面に設けられた第1導電型の第2のSiC領域と、SiC層、第1のSiC領域の表面に連続的に設けられたゲート絶縁膜であって、SiC層の表面に接する酸化膜または酸窒化膜を含み、酸化膜または酸窒化膜がB(ボロン)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)から選ばれる少なくとも一つの元素を含み、ゲート絶縁膜中の上記元素のピークがゲート絶縁膜の第1のSiC領域側にあり、上記元素のピークが酸化膜または酸窒化膜中にあり、上記ピークのSiC層と反対側に上記元素の濃度が1×1016cm−3以下の領域を有するゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、第2のSiC領域上に形成された第1の電極と、SiC基板の第2の面側に形成された第2の電極と、を備える半導体装置である。 In particular, the SiC substrate having the first and second surfaces, the first conductivity type SiC layer provided on the first surface side of the SiC substrate, and the second conductivity type second provided on the surface of the SiC layer. 1 SiC region, a first conductivity type second SiC region provided on the surface of the first SiC region, a SiC layer, and a gate insulating film continuously provided on the surface of the first SiC region. An oxide film or an oxynitride film in contact with the surface of the SiC layer, and the oxide film or the oxynitride film is B (boron), Al (aluminum), Ga (gallium), In (indium), Sc (scandium), And containing at least one element selected from Y (yttrium) and La (lanthanum), the peak of the element in the gate insulating film is on the first SiC region side of the gate insulating film, and the peak of the element is an oxide film or In the oxynitride film and above A gate insulating film in which the concentration of the element on the opposite side of the SiC layer of a peak having a 1 × 10 16 cm -3 or less in the region, a gate electrode formed on the gate insulating film, formed on the second SiC region on And a second electrode formed on the second surface side of the SiC substrate.
図1は、本実施形態の半導体装置であるMOSFETの構成を示す模式断面図である。このMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)100は、pウェルとソース領域をイオン注入で形成する、Double Implantation MOSFET(DIMOSFET)である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a MOSFET that is a semiconductor device of the present embodiment. This MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 100 is a Double Implantation MOSFET (DIMOSFET) in which a p-well and a source region are formed by ion implantation.
MOSFET100は、電子をキャリアとするnチャネル型トランジスタである。また、MOSFET100は、キャリアを半導体基板の表面側のソース電極と、裏面側のドレイン電極との間で移動させる縦型トランジスタである。
このMOSFET100は、第1と第2の面を備えるSiC基板(炭化珪素基板)12を備えている。図1においては、第1の面とは図の上側の面であり、第2の面とは図の下側の面である。このSiC基板12は、例えば、不純物濃度が1×1018cm−3以上1×1019cm−3以下の、例えばN(窒素)をn型不純物として含む4H−SiCのSiC基板(n基板)である。
第1の面がC面、すなわち、(000−1)面である。第1の面は、C面に対して、例えば、8度以下の範囲でオフセットしていてもかまわない。 The first surface is the C surface, that is, the (000-1) surface. The first surface may be offset from the C surface within a range of 8 degrees or less, for example.
このSiC基板12の第1の面上には、例えば、n型不純物の不純物濃度5×1015以上2×1016cm−3以下のn型のSiC層(n−SiC層)14が形成されている。n−SiC層14の膜厚は、例えば5〜20μm程度である。
On the first surface of the
n−SiC層14の一部表面には、p型不純物の不純物濃度が、例えば、5×1015cm−3以上1×1017cm−3以下のp型の第1のSiC領域(pウェル領域)16が形成されている。pウェル領域16の深さは、例えば0.6μm程度である。pウェル領域16は、MOSFET100のチャネル領域として機能する。
On a partial surface of the n − SiC layer 14, a p-type first SiC region (p well with an impurity concentration of p-type impurities of, for example, 5 × 10 15 cm −3 or more and 1 × 10 17 cm −3 or less is used. Region) 16 is formed. The depth of the
第1のSiC領域(pウェル領域)16の一部表面には、n型不純物の不純物濃度が、例えば、1×1018cm−3以上1×1022cm−3以下のn+型の第2のSiC領域(ソース領域)18が形成されている。ソース領域18の深さは、第1のSiC領域(pウェル領域)16の深さよりも浅く、例えば0.3μm程度である。
On the partial surface of the first SiC region (p-well region) 16, the n + -type first impurity concentration of the n-type impurity is, for example, not less than 1 × 10 18 cm −3 and not more than 1 × 10 22 cm −3 . Two SiC regions (source regions) 18 are formed. The depth of the
また、第1のSiC領域(pウェル領域)16の一部表面であって、n+型の第2のSiC領域(ソース領域)18の側方に、例えばp型不純物の不純物濃度1×1018以上1×1022cm−3以下のp+型の第3のSiC領域(pウェルコンタクト領域)20が形成されている。pウェルコンタクト領域20の深さは、第1のSiC領域(pウェル領域)16の深さよりも浅く、例えば0.3μm程度である。
Further, an impurity concentration of, for example, 1 × 10 p-type impurity is formed on a part of the surface of the first SiC region (p-well region) 16 and on the side of the n + -type second SiC region (source region) 18. A p + -type third SiC region (p-well contact region) 20 of 18 or more and 1 × 10 22 cm −3 or less is formed. The depth of the p
n−SiC層14および第1のSiC領域(pウェル領域)16の表面に連続的に、これらの領域および層を跨ぐように形成されたゲート絶縁膜28を有している。そして、ゲート絶縁膜28上には、ゲート電極30が形成されている。ゲート電極30には、例えばポリシリコン等が適用可能である。
A
図2は、本実施形態のゲート絶縁膜およびゲート電極部分の拡大図および元素分布を示す図である。図2(a)がゲート絶縁膜28およびゲート電極30部分の拡大図、図2(b)が元素分布を示す図である。
FIG. 2 is an enlarged view of the gate insulating film and the gate electrode portion and the element distribution in the present embodiment. FIG. 2A is an enlarged view of the
ゲート絶縁膜28は、第1のSiC領域16の表面に接する酸化膜または酸窒化膜を含み、酸化膜または酸窒化膜がB(ボロン)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。そして、ゲート絶縁膜28中の上記元素のピークがゲート絶縁膜28の第1のSiC領域16側にあり、上記元素のピークが酸化膜または酸窒化膜中にある。
以下、上記元素がB(ボロン)であり、酸化膜または酸窒化膜がシリコン酸化膜であり、ゲート絶縁膜28全体もシリコン酸化膜である場合を例に説明する。
Hereinafter, the case where the element is B (boron), the oxide film or the oxynitride film is a silicon oxide film, and the entire
図2(a)に示すように、ゲート絶縁膜28は、SiCの表面、すなわち第1のSiC領域16の表面に接し、B濃度が高い界面ドープ領域28aと、ゲート電極30側のBが全くドープされていない無ドープ領域28bで構成される。ここで、全くドープされていない無ドープ領域28bでは、種々物理分析(SIMS、アトムプローブ、XPSなど)で、Bの濃度が測定限界以下となる。したがって、ゲート絶縁膜28中のBの濃度分布は、図2(b)に示すように、Bのピークが、ゲート絶縁膜28中の第1のSiC領域16側に存在することになる。また、ゲート絶縁膜28は、上記Bのピークの第1のSiC領域(SiC層)16と反対側にBの濃度が1×1016cm−3以下の領域を有する。
As shown in FIG. 2A, the
例えば、ゲート電極側からBなどを拡散させた場合や、絶縁膜全体にBを導入した場合には、無ドープ領域28b/界面ドープ領域28aという構成の絶縁膜を形成するのは困難である。この構成の絶縁膜を得るには、後に示すように、Bドープ膜とB無ドープ膜の積層とするなど、何らかの作り方の工夫が必要となる。
For example, when B or the like is diffused from the gate electrode side, or when B is introduced into the entire insulating film, it is difficult to form an insulating film having the structure of the
ゲート電極30上には、例えば、SiO2膜で形成される層間絶縁膜32が形成されている。ゲート電極下の第2のSiC領域(ソース領域)18とn−SiC層14に挟まれる第1のSiC領域16がMOSFET100のチャネル領域として機能する。
On the
そして、第2のSiC領域(ソース領域)18と、第3のSiC領域(pウェルコンタクト領域)20と電気的に接続される導電性の第1の電極(ソース・pウェル共通電極)24を備えている。第1の電極(ソース・pウェル共通電極)24は、例えば、Ni(ニッケル)のバリアメタル層24aと、バリアメタル層24a上のAlのメタル層24bとで構成される。Niのバリアメタル層24aとAlのメタル層24bとは反応により合金を形成していてもよい。
Then, a conductive first electrode (source / p-well common electrode) 24 electrically connected to the second SiC region (source region) 18 and the third SiC region (p-well contact region) 20 is formed. I have. The first electrode (source / p-well common electrode) 24 includes, for example, a Ni (nickel)
また、SiC基板12の第2の面側には、導電性の第2の電極(ドレイン電極)36が形成されている。第2の電極(ドレイン電極)36は、例えば、Niである。
In addition, a conductive second electrode (drain electrode) 36 is formed on the second surface side of the
なお、本実施形態において、n型不純物は例えば、N(窒素)やP(リン)が好ましいが、As(ヒ素)等を適用することも可能である。また、p型不純物は例えば、Al(アルミニウム)が好ましいが、B(ボロン)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)等を適用することも可能である。 In the present embodiment, for example, N (nitrogen) or P (phosphorus) is preferable as the n-type impurity, but As (arsenic) or the like can also be applied. For example, Al (aluminum) is preferable as the p-type impurity, but B (boron), Ga (gallium), In (indium), or the like can also be applied.
以下、本実施形態の作用および効果について詳述する。図3から図8は、本実施形態の作用および効果の説明図である。 Hereinafter, the operation and effect of the present embodiment will be described in detail. 3 to 8 are explanatory diagrams of the operation and effect of the present embodiment.
図3は、SiCとSiC上に形成されるSiO2のゲート絶縁膜28とのバンド構造を示す図である。左図が4H−SiCのSi(シリコン)面、すなわち、(0001)面の場合を示す。右図が4H−SiCのC(炭素)面、すなわち、(000−1)面の場合を示す。
FIG. 3 is a diagram showing a band structure of SiC and a SiO 2
図に示すように、Si面とC面を比較した場合、SiCとSiO2の伝導帯下端のエネルギー差(以下、バンドオフセット(ΔEc)とも記載)が、C面の方が0.4eV〜0.6eV程度小さくなっている。このため、SiC上にゲート絶得膜28とゲート電極30を形成した場合、C面の方が、ゲートリーク電流が大きくなるという問題が生じる。
As shown in the figure, when the Si surface and the C surface are compared, the energy difference (hereinafter also referred to as a band offset (ΔEc)) between the conduction bands of SiC and SiO 2 is 0.4 eV to 0 for the C surface. About 6 eV. For this reason, when the gate
一方、キャリアの移動度は、Si面よりもC面の方が高いとされている。 On the other hand, the carrier mobility is higher in the C plane than in the Si plane.
発明者は、Si面とC面での、バンドオフセットと移動度の差異について明らかにするために、第1原理計算による検討を行った。以下、その検討結果を踏まえて、本実施形態の作用および効果について詳述する。 In order to clarify the difference between the band offset and the mobility between the Si surface and the C surface, the inventor conducted a study based on the first principle calculation. Hereinafter, based on the examination result, the operation and effect of the present embodiment will be described in detail.
SiC/SiO2界面近傍では、ゲート絶縁膜28を形成する際の酸化によって、SiC側にC(炭素)欠陥が発生する。SiCの表面近傍ではC欠陥の生成エネルギーが低い。したがって、原子状酸素があれば、簡単にCOとなって放出される。
In the vicinity of the SiC / SiO 2 interface, a C (carbon) defect is generated on the SiC side due to oxidation when the
さらに、SiC表面近傍が、酸化される過程で、炭素原子が放出される。この時、炭素原子間の結合(CCボンド)が強力であることから、SiO2側には、C2ダイマー構造が出来る。このC2ダイマー構造は、SiO2のO(酸素)がC(炭素)で置換された構造である。以下、C2ダイマー構造をCoCo構造と記載する。 Furthermore, carbon atoms are released in the process of oxidizing the vicinity of the SiC surface. At this time, since the bond between carbon atoms (CC bond) is strong, a C 2 dimer structure is formed on the SiO 2 side. This C 2 dimer structure is a structure in which O (oxygen) of SiO 2 is substituted with C (carbon). Hereinafter, the C 2 dimer structure is referred to as a CoCo structure.
図4は、CoCo構造の説明図である。図4(a)が第2隣接酸素置換構造、図4(b)が第1隣接酸素置換構造である。 FIG. 4 is an explanatory diagram of the CoCo structure. 4A shows the second adjacent oxygen substitution structure, and FIG. 4B shows the first adjacent oxygen substitution structure.
CoCo構造には、幾つかのバリエーションがある。第1原理計算によれば、Si−O―Siボンドによって形成される6角形の構造において、図4(a)に示すような第2隣接の酸素を炭素が置換して、余ったSiのボンドにCがつながった構造(第2隣接酸素置換構造と称する)が、一番安定であった。この時、炭素同士は、エチレン(H2C=CH2)の水素原子の代わりに、Siとボンドを組んだ構造となる。この構造は、Cが安定に3配位構造をとり得るために出現したものであり、Siでは出現しない。 There are several variations of the CoCo structure. According to the first principle calculation, in a hexagonal structure formed by Si—O—Si bonds, carbon is substituted for the second adjacent oxygen as shown in FIG. The structure in which C is connected to (referred to as a second adjacent oxygen substitution structure) was the most stable. At this time, the carbons have a structure in which Si and a bond are combined instead of the hydrogen atom of ethylene (H 2 C═CH 2 ). This structure appears because C can stably take a three-coordinate structure, and does not appear in Si.
図5は、CoCo構造の電子状態の説明図である。図5(a)が第2隣接酸素置換構造、図5(b)が第1隣接酸素置換構造である。 FIG. 5 is an explanatory diagram of the electronic state of the CoCo structure. FIG. 5A shows the second adjacent oxygen substitution structure, and FIG. 5B shows the first adjacent oxygen substitution structure.
第2隣接酸素置換構造の電子状態は、バンドギャップ中に電子が空の状態が1つ、埋まった状態が1つ存在している。電子が空の状態は、4H−SiCの伝導帯の下端の位置にあり、この状態が移動度劣化を引き起こすと考えられる。すなわち、チャネルを移動する電子が、空の状態にトラップされることで移動度が低下すると考えられる。 As for the electronic state of the second adjacent oxygen substitution structure, one empty state and one buried state exist in the band gap. The state where electrons are empty is at the lower end of the conduction band of 4H—SiC, and this state is considered to cause mobility degradation. That is, it is considered that the mobility is lowered by the electrons moving through the channel being trapped in the empty state.
一方、電子が埋まった状態は、価電子帯上端よりも深く、大きな影響はもたらさない。Si面では、この第2隣接酸素置換構造が主に形成されることから、キャリアの移動度劣化が大きい。 On the other hand, the state where the electrons are buried is deeper than the upper end of the valence band and does not have a great influence. Since the second adjacent oxygen substitution structure is mainly formed on the Si surface, the carrier mobility is greatly deteriorated.
CoCo構造のうち、二番目に安定な構造は、図4(b)に示すような第1隣接の酸素を炭素が置換して、余ったSiのボンドにCがつながった構造(第1隣接酸素置換構造と称する)であった。図5(b)に示すように、第1隣接酸素置換構造の電子状態は、電子が空の状態が4H−SiCの伝導帯下端よりも1.9eV程度上にある。この状態は、移動度劣化は引き起こさない。他方、電子が埋まった状態が4H−SiCのVBよりも0.6eV程度上にある。 Among the CoCo structures, the second most stable structure is a structure in which carbon is substituted for the first adjacent oxygen as shown in FIG. 4B, and C is connected to the remaining Si bond (first adjacent oxygen). (Referred to as a substitution structure). As shown in FIG. 5 (b), the electronic state of the first adjacent oxygen substitution structure is such that the vacant state is about 1.9 eV above the lower end of the conduction band of 4H—SiC. This state does not cause mobility degradation. On the other hand, the state where the electrons are buried is about 0.6 eV higher than the VB of 4H—SiC.
図6は、Si面とC面のCoCo構造を示す図である。C面では、4H−SiCの価電子帯上端に界面状態が存在する。このため、第1隣接酸素置換構造では、C面の界面状態に電子を取り込むことが出来る。したがって、SiO2膜中の第1隣接酸素置換構造から電子を奪い、系全体が安定化する。この安定化により、C面では、第2隣接酸素置換構造から、第1隣接酸素置換構造へと変換が起こる。したがって、C面の界面近傍では、第1隣接酸素置換構造が主に形成される。 FIG. 6 is a diagram showing the CoCo structure of the Si face and the C face. On the C plane, an interface state exists at the upper end of the valence band of 4H—SiC. For this reason, in the first adjacent oxygen substitution structure, electrons can be taken into the interface state of the C plane. Therefore, electrons are taken from the first adjacent oxygen substitution structure in the SiO 2 film, and the entire system is stabilized. By this stabilization, conversion from the second adjacent oxygen substitution structure to the first adjacent oxygen substitution structure occurs on the C plane. Therefore, the first adjacent oxygen substitution structure is mainly formed in the vicinity of the interface of the C plane.
この時、図6の右図に示すように、SiC/SiO2界面には、SiC/SiO2界面のΔEcを引き下げる方向の固定ダイポールが生じる。したがって、C面ではSi面と比較して、ΔEcが0.4〜0.6eV程度低下する。また、第1隣接酸素置換構造が主に形成され、第2隣接酸素置換構造の割合が低いことから、C面での移動度劣化がSi面と比較して小さくなる。 At this time, as shown on the right in FIG. 6, the SiC / SiO 2 interface, a fixed dipole direction to lower the SiC / SiO 2 interface ΔEc occurs. Therefore, ΔEc is reduced by about 0.4 to 0.6 eV in the C plane compared to the Si plane. In addition, since the first adjacent oxygen substitution structure is mainly formed and the ratio of the second adjacent oxygen substitution structure is low, mobility deterioration on the C plane is smaller than that on the Si plane.
このように、Si面とC面を比較したとき、Si面では第2隣接酸素置換構造がより安定となり、C面では第1隣接酸素置換構造がより安定となる。したがって、相対的に、Si面では移動度が小さく、ΔEcが大きい。いいかえれば、C面では移動度は大きいが、ΔEcが小さくなる。 As described above, when the Si surface and the C surface are compared, the second adjacent oxygen substitution structure becomes more stable on the Si surface, and the first adjacent oxygen substitution structure becomes more stable on the C surface. Therefore, the mobility is relatively small and ΔEc is large on the Si surface. In other words, the mobility is large on the C plane, but ΔEc is small.
本実施形態では、ゲート絶縁膜28のSiCと接する界面ドープ領域28aに、B(ボロン)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)から選ばれる少なくとも一つの元素を含む。SiO2中のCOCO構造は、B、Al、Ga、In、Sc、Y、La、Mg、Ca、Sr、Baなどの3価、或いは2価の元素を導入することで、電子トラップに変換することが可能である。以下、Bの場合にて計算結果を示すが、他の元素でも同様である。
In the present embodiment, B (boron), Al (aluminum), Ga (gallium), In (indium), Sc (scandium), Y (yttrium), La, and the like in the interface doped
SiO2中にBがあると、炭素は、SiO2中で、CoCo構造よりも安定なCsOB構造を形成する。CsOB構造は、Si原子を置換したC(炭素)と、そのCと接するO(酸素)と、そのOと逆側で接するSi原子を置換したB(ボロン)が結合する構造である。つまり、Si−O−Siボンド部分がC−O−Bボンドに換わっている構造である。ここで、BはAl、Ga、In、Sc、Y、La、Mg、Ca、Sr、Baでも良い。 When in SiO 2 is B, carbon, in SiO 2, to form a stable CsOB structure than CoCo structure. The CsOB structure is a structure in which C (carbon) substituted with an Si atom, O (oxygen) in contact with the C, and B (boron) substituted with an Si atom in contact with the O on the opposite side are bonded. That is, the Si—O—Si bond portion is replaced with a C—O—B bond. Here, B may be Al, Ga, In, Sc, Y, La, Mg, Ca, Sr, or Ba.
特に、SiO2中への炭素拡散が発生している段階で、Bが存在すると、CoCo構造が形成される前に、CsOB構造が形成される。したがって、確実にCsOB構造が形成される。第1原理計算によれば、CoCo構造よりも、CsOB構造の方が、CsOB構造一つ当たり、少なくとも1.2eVの利得がありエネルギー的に安定である。 In particular, if B is present at the stage where carbon diffusion into SiO 2 occurs, the CsOB structure is formed before the CoCo structure is formed. Therefore, the CsOB structure is surely formed. According to the first principle calculation, the CsOB structure has a gain of at least 1.2 eV per CsOB structure and is more stable in energy than the CoCo structure.
図7は、CsOB構造の電子状態の説明図である。また、図8はCsOB構造で形成される固定ダイポールの説明図である。 FIG. 7 is an explanatory diagram of the electronic state of the CsOB structure. FIG. 8 is an explanatory diagram of a fixed dipole formed with a CsOB structure.
図7に示すように、CsOB構造の電子状態を計算すると、SiO2の価電子帯の直上に電子トラップ準位が形成される。これにより、SiC/SiO2界面の界面状態から電子を、この電子トラップ準位に移動させることが可能となる。したがって、電子のSiO2側への移動により、図8に示すように、SiC側がプラス、SiO2側がマイナスの固定ダイポールが形成できる。 As shown in FIG. 7, when the electronic state of the CsOB structure is calculated, an electron trap level is formed immediately above the valence band of SiO 2 . This makes it possible to move electrons from the interface state of the SiC / SiO 2 interface to this electron trap level. Therefore, due to the movement of electrons to the SiO 2 side, a fixed dipole having a positive SiC side and a negative SiO 2 side can be formed as shown in FIG.
CsOB構造が形成される場合、Si面、C面ともに、SiO2中のCoCo構造はなくなっている。したがって、移動度の劣化が抑制される。 When the CsOB structure is formed, the CoCo structure in SiO 2 disappears on both the Si surface and the C surface. Therefore, deterioration of mobility is suppressed.
さらに、界面の固定ダイポールによりΔEcが向上する。SiC/SiO2界面の界面状態から電子が、この電子トラップ準位に移動するために、面方位に関係なく(例えば、Si面、C面、A面、M面が代表的)固定ダイポールが形成される。したがって、面方位に関係なく、本来の位置からΔEcが0.2eV〜0.6eV程度向上する。したがって、CsOB構造が導入される前に較べ、ゲートリーク電流が抑制される。例えば、ゲートリークとゲート印加電圧のグラフを書けば、ゲートリークが始まる電圧が大きい方にずれることになる。 Furthermore, ΔEc is improved by the fixed dipole at the interface. Since electrons move from the interface state of the SiC / SiO 2 interface to this electron trap level, a fixed dipole is formed regardless of the plane orientation (for example, Si plane, C plane, A plane, M plane are representative). Is done. Therefore, ΔEc is improved by about 0.2 eV to 0.6 eV from the original position regardless of the plane orientation. Therefore, the gate leakage current is suppressed as compared to before the CsOB structure is introduced. For example, if a graph of gate leakage and gate applied voltage is written, the voltage at which gate leakage starts is shifted to the larger one.
例えば、C面では、Si面と比較してΔEcが0.4eV程度低下していた(CoCo構造への電荷トラップが原因でΔEcが低下していた)が、0.5eV程度向上(CsOBへの電荷トラップの導入により、これまでとは逆向きのダイポールが出来る)する。したがって、差としては、0.9〜1.0eV程度の向上が見込まれる。 For example, in the C plane, ΔEc was reduced by about 0.4 eV compared to the Si plane (ΔEc was reduced due to charge trapping in the CoCo structure), but improved by about 0.5 eV (to CsOB). The introduction of a charge trap makes a dipole in the opposite direction). Therefore, the difference is expected to be about 0.9 to 1.0 eV.
また、C面であっても、第2隣接酸素置換構造が残留していたと考えられるので、C面の移動度も向上する。したがって、面方位に関係なく、移動度は50cm2/Vs以上に達すると予想される。 Further, since it is considered that the second adjacent oxygen substitution structure remains even in the C plane, the mobility of the C plane is also improved. Therefore, the mobility is expected to reach 50 cm 2 / Vs or higher regardless of the plane orientation.
本実施形態では、Bのピークが、ゲート絶縁膜28中の第1のSiC領域16側に存在する。BがSiC/SiO2界面付近の界面ドープ領域28aに高濃度で存在することで、CsOB構造が効果的に形成される。
In the present embodiment, the B peak exists on the
そして、SiC/SiO2界面から離れるゲート電極30側の無ドープ領域28bでは、Bは可能な限りドープしないようにする。CsOB構造や格子間のBが存在することによる信頼性の劣化を防ぐことが可能である。すなわち、膜の内部には余分な電子トラップ準位が生成されることを、排除しなくてはならない。無ドープ領域28bには、Bが全く含まれないことが望ましいが、一定量のBが含まれることを排除するものではない。無ドープ領域28bのB濃度は、出来る限り少ないこと(1×1016cm−3以下程度)が望ましく、少なくとも測定限界以下(例えばSIMSであれば、1×1016cm−3以下程度、アトムプローブであれば、1×1015cm−3以下程度)であることが望ましい。ここで、1×1016cm−3以下であれば、移動度や信頼性に大きな影響を及ぼさないと考えられるため、この程度の量であれば、入っていない場合とほぼ同等のゲート絶縁膜と見なすことが可能である。
In the
SiO2中のCsOB構造は、SiC/SiO2界面の界面状態から電子を移動させることが可能なように、SiC/SiO2界面近傍に存在することが望ましい。したがって、Bのピークが、SiC(第1のSiC領域16)とゲート絶縁膜28との界面から5nm以下の範囲にあることが望ましい。この距離よりも離れると、界面状態からの電子の移動が困難になり、固定ダイポールが形成されないおそれがある。更に電子移動を確実にするには、1nm未満にすることが好ましい。波動関数は2.5nm程度まで裾を引いているが、1nm以内にほぼ局在している。よって十分な重なりを確保するには、5nm以下の範囲にあることが望ましく、1nm未満にできれば、確実である。
CsOB structure in SiO 2, as is possible from the interface state of the SiC / SiO 2 interface moving electrons, it is preferable to present the SiC / SiO 2 interface area. Therefore, it is desirable that the peak of B is in the range of 5 nm or less from the interface between SiC (first SiC region 16) and the
BのピークのB濃度は、5.6×1017cm−3以上5×1020cm−3以下であることが望ましい。上記範囲を下回ると、固定ダイポールの量が十分でなく、十分なΔEcの向上が実現できないおそれがある。ΔEc>0.01Vを確保することが望ましい。 The B concentration at the peak of B is preferably 5.6 × 10 17 cm −3 or more and 5 × 10 20 cm −3 or less. If it is below the above range, the amount of the fixed dipole is not sufficient, and there is a possibility that sufficient ΔEc cannot be improved. It is desirable to ensure ΔEc> 0.01V.
絶縁膜とSiC界面で構成される、固定分極量によるシフトX(ボルト)は、
X=(電荷)×(面密度)×(分極の長さ)/誘電率
から計算できる。より詳細に説明すると、
X(ボルト)=(電荷)×(面密度)×(分極の長さ)/誘電率
=(電荷2×1.602×10−19クーロン)×(面密度cm−2)×
(分極の長さ×10−8cm)/(比誘電率ε)/[8.854×10−12(fard
/m)]
=1.81×10−14(数面密度cm−2単位)×(分極の長さÅ単位
)/(比誘電率)
となる。
The shift X (volt) due to the fixed polarization amount, which is composed of the insulating film and the SiC interface, is
X = (charge) × (area density) × (polarization length) / dielectric constant. In more detail,
X (volt) = (charge) × (surface density) × (polarization length) / dielectric constant
= (
(Polarization length × 10 −8 cm) / (relative permittivity ε) / [8.854 × 10 −12 (fard
/ M)]
= 1.81 × 10 −14 (several surface density cm −2 unit) × (polarization length Å unit) / (relative permittivity)
It becomes.
ここでSiC界面のダングリングボンドの電荷は1、数面密度が最大で1013cm−2程度、誘電率10である。数密度の下限を考えるので、分極の長さは最大値を採用して、10nm、即ち100Å(オングストトローム)程度とする。よって、
X=1.81×10−14×1×1013×100/10=1.8(V)
となる。0.01Vを確保したいので、0.0056×1013cm−2以上が必要である。これ以下では、必要なシフト量が得られないおそれがある。これを一様な1nm膜厚での密度に単純換算して、5.6×1017cm3以上であることが望ましい。
Here, the electric charge of the dangling bond at the SiC interface is 1, the surface density is about 10 13 cm −2 at the maximum, and the dielectric constant is 10. Since the lower limit of the number density is considered, the maximum polarization length is 10 nm, that is, about 100 Å (angstrom). Therefore,
X = 1.81 × 10 −14 × 1 × 10 13 × 100/10 = 1.8 (V)
It becomes. Since it is desired to ensure 0.01 V, 0.0056 × 10 13 cm −2 or more is necessary. Below this, the required shift amount may not be obtained. It is desirable that this is simply converted into a density with a uniform film thickness of 1 nm to be 5.6 × 10 17 cm 3 or more.
また、上記範囲を超えると、余剰のBが電子トラップを形成し、移動度の低下やゲート絶縁膜の信頼性の劣化を生じさせるおそれがある。基板中から出てくるとされる炭素量は、例えばSiC/SiO2(熱酸化膜)構造を作り測定すると、5×1020cm−3以下である。よって、これ以上のBを導入すると、CsOB構造が出来ず、Bが絶縁膜の電極側へと拡散する可能性が高くなる。よって、5×1020cm−3以下が望ましい。 In addition, when the above range is exceeded, excess B forms an electron trap, which may cause a decrease in mobility and a deterioration in the reliability of the gate insulating film. The amount of carbon that is supposed to come out of the substrate is, for example, 5 × 10 20 cm −3 or less when a SiC / SiO 2 (thermal oxide film) structure is formed and measured. Therefore, if more B is introduced, a CsOB structure cannot be formed, and there is a high possibility that B will diffuse to the electrode side of the insulating film. Therefore, 5 × 10 20 cm −3 or less is desirable.
また、SiC/SiO2界面に存在する界面状態から電子を過不足なくCsOB構造に移動させる観点から、Bの量は界面状態の量と同等であることが望ましい。この観点から、ピークのB濃度は5×1018cm−3以上5×1019cm−3以下であることがより望ましい。界面状態の面密度は、窒素などの導入により、5×1012cm−2程度まで低下させることが可能である。よって、上限をみるために、1nm幅として、5×1019cm−3以下であることが望ましい。下限としては、10nm幅として、5×1018cm−3以上であることが望ましい。 Also, from the viewpoint of moving electrons from the interface state existing at the SiC / SiO 2 interface to the CsOB structure without excess or deficiency, the amount of B is preferably equal to the amount of the interface state. From this viewpoint, it is more desirable that the peak B concentration is 5 × 10 18 cm −3 or more and 5 × 10 19 cm −3 or less. The surface density of the interface state can be reduced to about 5 × 10 12 cm −2 by introducing nitrogen or the like. Therefore, in order to see the upper limit, it is desirable that the width is 1 × 10 19 cm −3 or less as the 1 nm width. The lower limit is preferably 5 × 10 18 cm −3 or more as a 10 nm width.
以上から、BのピークのB濃度は、5.6×1017cm−3以上5×1020cm−3以下であることが望ましい。さらに、5×1018cm−3以上5×1019cm−3以下が望ましい。B量のターゲット値は、例えば、3×1019cm−3程度である。 From the above, it is desirable that the B concentration at the peak of B is 5.6 × 10 17 cm −3 or more and 5 × 10 20 cm −3 or less. Furthermore, 5 × 10 18 cm −3 or more and 5 × 10 19 cm −3 or less are desirable. The target value of the B amount is, for example, about 3 × 10 19 cm −3 .
また、CsOB構造を形成するために、ゲート絶縁膜28のBの界面ドープ領域28aに、BのペアとなるC(炭素)が含まれることが必要である。一方、SiC/SiO2界面から離れるゲート電極30側の無ドープ領域28bには、信頼性を劣化させない観点から、電子トラップとなる電子状態を形成するC(炭素)の濃度は出来る限り低いことが望ましい。つまり、可能な限りCを含まないプロセスを採用し、少なくとも初期の成膜段階ではCが含まれないようにすることが好ましい。
Further, in order to form the CsOB structure, it is necessary that the B interface doped
したがって、ゲート絶縁膜28中一部にC(炭素)を含み、ゲート絶縁膜28中のC(炭素)のピークがゲート絶縁膜28のSiC(第1のSiC領域16)側にあることが望ましい。さらに、C(炭素)のピークが、SiC(第1のSiC領域16)とゲート絶縁膜28との界面から10nm以下の範囲にあることが望ましい。無ドープ領域28bには、Cが全く含まれないことが望ましいが、一定量のCが含まれることを排除するものではない。無ドープ領域28bの炭素濃度は、出来る限り少ないこと(1×1016cm−3以下程度)が望ましく、少なくとも測定限界以下(例えばSIMSであれば、1×1016cm−3以下程度、アトムプローブであれば、1×1015cm−3以下程度)であることが望ましい。ここで、1×1016cm−3以下であれば、移動度や信頼性に大きな影響を及ぼさないと考えられるため、この程度の量であれば、入っていない場合とほぼ同等のゲート絶縁膜と見なすことが可能である。
Therefore, it is desirable that a part of the
また、CsOB構造を形成するためには、ゲート絶縁膜28のSiC/SiO2界面近傍のC(炭素)とB(ボロン)の量比が1:1に近いことが望ましい。したがって、BのピークのBの濃度が、C(炭素)のピークのC(炭素)の濃度の80%以上120%以下であることが望ましい。また、C(炭素)のピークのC(炭素)の濃度は、4.5×1017cm−3以上6×1020cm−3以下であることが望ましく、5.6×1017cm−3以上5×1020cm−3以下であることが望ましい。更に、4×1018cm−3以上6×1019cm−3以下であることが望ましく、5×1018cm−3以上5×1019cm−3以下であることがより望ましい。
In order to form the CsOB structure, it is desirable that the amount ratio of C (carbon) and B (boron) in the vicinity of the SiC / SiO 2 interface of the
また、C濃度とB濃度の膜厚方向の分布が、80%以上120%以下の範囲で一致していることが望ましい。例えば、下記の実施形態の第2の製造方法に示すプロセスを使えば、B濃度を調整することで、B濃度をC濃度に近づけることが可能である。このとき、C濃度とB濃度の膜厚方向の分布がよく一致し、おおよそ1:1となる。第2の製造方法によるゲート絶縁膜では、BはCとCsOB構造を作り、余分なBは膜上部に残る。そして、残ったBをHFエッチングにより取り除いている。 Further, it is desirable that the distributions of the C concentration and the B concentration in the film thickness direction coincide within a range of 80% to 120%. For example, if the process shown in the second manufacturing method of the following embodiment is used, the B concentration can be brought close to the C concentration by adjusting the B concentration. At this time, the distributions of the C concentration and the B concentration in the film thickness direction are in good agreement, and are approximately 1: 1. In the gate insulating film by the second manufacturing method, B forms a Cs and CsOB structure, and excess B remains on the top of the film. The remaining B is removed by HF etching.
ゲート絶縁膜28中のB(ボロン)やC(炭素)の濃度および濃度分布は、例えば、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)やアトムプローブ(Atom Probe)を用いて測定することが可能である。
The concentration and concentration distribution of B (boron) and C (carbon) in the
また、本実施形態では、SiC(第1のSiC領域16)とゲート絶縁膜28の界面に、SiC(第1のSiC領域16)側をプラスとし、ゲート絶縁膜28側をマイナスとする固定ダイポールが存在する。固定ダイポールの有無および極性は、例えば、C−V特性のゲート絶縁膜28の膜厚依存性を測定することにより判別することが可能である。
In the present embodiment, a fixed dipole with the SiC (first SiC region 16) side as positive and the
ゲート絶縁膜の膜厚を変化させて、ゲート電極の実効仕事関数を測定する。CVカーブのフラットバンドシフト(Vfb)とゲート絶縁膜との膜厚依存性を測定し、絶縁膜がゼロの地点への外挿により、つまり、Vfb軸の切片の値により実効仕事関数(φeff)を求めることが出来る。 The effective work function of the gate electrode is measured by changing the thickness of the gate insulating film. The flat band shift (Vfb) of the CV curve and the film thickness dependence of the gate insulating film are measured, and the effective work function (φeff) is calculated by extrapolation to the point where the insulating film is zero, that is, by the value of the intercept of the Vfb axis. Can be requested.
例えば、リンドープポリシリコンの仕事関数は4.1eV程度であるが、SiC基板のC面上にSiO2を形成した場合は、実効仕事関数は4.6eV程度となってしまう。これは、界面に、絶縁膜側がプラスであり、基板側がマイナスである、0.5eVのシフトをもたらすダイポールが形成されていることを示している。 For example, the work function of phosphorus-doped polysilicon is about 4.1 eV, but when SiO 2 is formed on the C surface of the SiC substrate, the effective work function is about 4.6 eV. This indicates that a dipole that causes a shift of 0.5 eV, in which the insulating film side is positive and the substrate side is negative, is formed at the interface.
次に、例えば、下記第2の製造方法で製造した本実施形態の場合で測定すると、実効仕事関数は、3.6eV程度となっている。これは、界面に、絶縁膜側がマイナスであり、基板側がプラスである、0.5eVのシフトをもたらすダイポールが形成されていることを示している。こうして、固定ダイポールの特性を測定することが出来る。 Next, for example, when measured in the case of the present embodiment manufactured by the following second manufacturing method, the effective work function is about 3.6 eV. This indicates that a dipole that causes a shift of 0.5 eV, which is negative on the insulating film side and positive on the substrate side, is formed at the interface. Thus, the characteristics of the fixed dipole can be measured.
なお、ゲート絶縁膜28に含まれる元素がB(ボロン)、酸化膜または酸窒化膜がシリコン酸化膜であり、ゲート絶縁膜28全体もシリコン酸化膜である場合を例に説明したが、この構成以外の構成も適用することができる。
Note that the case where the element contained in the
酸化膜以外に酸窒化膜であっても、O(酸素)が含有されることで、膜中にCsOB構造を形成し固定ダイポールを界面に形成することが可能である。 Even in the case of an oxynitride film other than the oxide film, it is possible to form a CsOB structure in the film and form a fixed dipole at the interface by containing O (oxygen).
酸化膜または酸窒化膜に含まれる元素としては、上述のように、B(ボロン)に加え、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)から選ばれる元素が適用可能である。酸化膜または酸窒化膜に含まれる元素としては、Siとの置換が容易であり、CsOB構造を形成しやすいことから、B(ボロン)またはAl(アルミニウム)を適用することが望ましい。また、Alと比較して、酸化物や珪化物を形成しにくく、CsOB構造をより形成しやすいことから、B(ボロン)であることがより望ましい。 As described above, elements contained in the oxide film or the oxynitride film include, in addition to B (boron), Al (aluminum), Ga (gallium), In (indium), Sc (scandium), Y (yttrium), An element selected from La (lanthanum) is applicable. As an element contained in the oxide film or the oxynitride film, it is desirable to apply B (boron) or Al (aluminum) because it can be easily replaced with Si and can easily form a CsOB structure. In addition, it is more preferable to use B (boron) because it is less likely to form oxides and silicides than Al and it is easier to form a CsOB structure.
酸化膜または酸窒化膜としては、シリコン酸化膜(SiO2)、シリコン酸窒化膜(SiON)以外に、例えば、ハフニウム酸化膜(HfO2)、ハフニウム酸窒化膜(HfON)、ハフニウムシリケート酸化膜(HfSiO)、ハフニウムシリケート酸窒化膜(HfSiON)、ジルコニウム酸化膜(ZrO2)、ジルコニウム酸窒化膜(ZrON)、ジルコニウムシリケート酸化膜(ZrSiO)、ジルコニウムシリケート酸窒化膜(ZrSiON)アルミナ(Al2O3)、窒化アルミナ(AlON)等の高誘電体膜を適用することも可能である。 As the oxide film or oxynitride film, for example, a hafnium oxide film (HfO 2 ), a hafnium oxynitride film (HfON), a hafnium silicate oxide film (HfO 2 ), in addition to the silicon oxide film (SiO 2 ) and the silicon oxynitride film (SiON). HfSiO), hafnium silicate oxynitride film (HfSiON), zirconium oxide film (ZrO 2 ), zirconium oxynitride film (ZrON), zirconium silicate oxide film (ZrSiO), zirconium silicate oxynitride film (ZrSiON) alumina (Al 2 O 3) It is also possible to apply a high dielectric film such as alumina nitride (AlON).
但し、障壁の高さを考えた時、界面近傍は、SiO2膜、或いは、SiON膜が適している。例えば、SiC側界面近傍の少なくとも一部をSiO2膜、SiON膜で形成し、基板界面側から、BドープSiON(1nm)/無ドープSiO2(HTO膜、9nm)/無ドープHfSiON(30nm)などのように、実質3層以上の構造になっていてもよい。この時、多少のB拡散があると思われるが、その拡散に従って、SiC側の第一層と第二層の一部を界面ドープ領域とみなし、(拡散の少ない)第二層の残りと最上層を無ドープ領域とみなすことも可能である。 However, considering the height of the barrier, a SiO 2 film or a SiON film is suitable near the interface. For example, at least part of the vicinity of the SiC side interface is formed of a SiO 2 film or a SiON film, and from the substrate interface side, B-doped SiON (1 nm) / undoped SiO 2 (HTO film, 9 nm) / undoped HfSiON (30 nm) For example, the structure may be substantially three or more layers. At this time, it seems that there is some B diffusion, but according to the diffusion, a part of the first layer and the second layer on the SiC side is regarded as an interfacial doped region, and the remainder of the second layer (with less diffusion) It is also possible to regard the upper layer as an undoped region.
ここで、Al2O3中のAlについては注意が必要である。本実施形態でのAlはSiO2中で、Si位置に置換して、CsOAl構造を作ることが重要である。それに対し、Al2O3は、SiO2中のSiをAlで置換した構造ではなく、Al2O3材料特有の構造となる。 Here, attention should be paid to Al in Al 2 O 3 . It is important that Al in this embodiment is substituted at the Si position in SiO 2 to form a CsOAl structure. On the other hand, Al 2 O 3 is not a structure in which Si in SiO 2 is replaced with Al but a structure peculiar to the Al 2 O 3 material.
また、ゲート絶縁膜28が、B等の元素の濃度が高い酸化膜または酸窒化膜と、酸化膜または酸窒化膜よりもB等の元素の濃度が十分に低い膜、すなわち、測定限界以下の量のBしか検出されない膜との積層膜であってもかまわない。例えば、酸化膜または酸窒化膜がB濃度の高いシリコン酸化膜であり、その上に、B濃度の十分低いハフニウム酸化膜を積層させてもかまわない。あるいは、B濃度の高いシリコン酸化膜と、B濃度の十分低いシリコン窒化膜との積層膜であってもかまわない。あるいは、B濃度およびC濃度の高いシリコン酸化膜と、B濃度および炭素濃度の十分低いHTO(High Temperature Oxide)膜との積層膜であってもかまわない。勿論、無ドープ領域には、Bがドープされていない方が良い。在ればあるだけ、特性を劣化させるだけである。
The
次に、本実施形態の半導体装置の第1の製造方法について説明する。 Next, a first manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment will be described.
本実施形態の半導体装置の第1の製造方法は、SiC層上に、B(ボロン)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)から選ばれる少なくとも一つの元素を含む酸化膜または酸窒化膜からなる第1の絶縁膜を形成し、第1の絶縁膜上に、第1の絶縁膜より元素の濃度の十分低い絶縁膜を形成し、絶縁膜上にゲート電極を形成する。ここで十分に低いとは、無ドープを意味するが、現実には、測定限界以下を意味する。例えば、1×1016cm−3以下である。 The first manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment is as follows: B (boron), Al (aluminum), Ga (gallium), In (indium), Sc (scandium), Y (yttrium), La on the SiC layer. A first insulating film made of an oxide film or an oxynitride film containing at least one element selected from (lanthanum) is formed, and an insulation having a sufficiently lower element concentration than the first insulating film is formed on the first insulating film. A film is formed, and a gate electrode is formed over the insulating film. Here, sufficiently low means no doping, but actually means below the measurement limit. For example, it is 1 × 10 16 cm −3 or less.
図9は、本実施形態の半導体装置の第1の製造方法を例示する工程フロー図である。図10〜図15は、本実施形態の半導体装置の第1の製造方法を示す模式断面図である。 FIG. 9 is a process flow diagram illustrating the first method for manufacturing a semiconductor device of this embodiment. 10 to 15 are schematic cross-sectional views showing a first manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment.
図9に示すように、半導体装置の第1の製造方法は、n−SiC層形成(ステップS100)、p型不純物イオン注入(ステップS102)、n型不純物イオン注入(ステップS104)、p型不純物イオン注入(ステップS106)、アニール(ステップS108)、第1の絶縁膜形成(ステップS110)、第2の絶縁膜形成(ステップS112)、ゲート電極形成(ステップS114)、層間膜形成(ステップS116)、第1の電極形成(ステップS118)、第2の電極形成(ステップS120)およびアニール(ステップS122)を備える。 As shown in FIG. 9, the first manufacturing method of the semiconductor device includes n − SiC layer formation (step S100), p-type impurity ion implantation (step S102), n-type impurity ion implantation (step S104), and p-type impurity. Ion implantation (step S106), annealing (step S108), first insulating film formation (step S110), second insulating film formation (step S112), gate electrode formation (step S114), interlayer film formation (step S116) First electrode formation (step S118), second electrode formation (step S120), and annealing (step S122) are provided.
まず、n型不純物としてP(リン)またはN(窒素)を不純物濃度5×1018cm−3程度含み、例えば、厚さ300μmであり、4H−SiCの低抵抗のn型のSiC基板12を準備する。
First, an n-
ステップS100では、SiC基板12のC面上にエピタキシャル成長法により、n型不純物として、例えばNを不純物濃度1×1016cm−3程度含み、厚さが10μm程度の高抵抗のn−SiC層14をエピタキシャル成長させる。
In step S100, a high-resistance n - SiC layer 14 containing, for example, N as an n-type impurity at an impurity concentration of about 1 × 10 16 cm −3 and having a thickness of about 10 μm on the C surface of the
その後、フォトリソグラフィーとエッチングによるパターニングにより、例えばSiO2の第1のマスク材42を形成する。ステップS102では、この第1のマスク材42をイオン注入マスクとして用いて、p型不純物であるAlをn−SiC層14にイオン注入し、第1のSiC領域(pウェル領域)16を形成する(図10)。
Thereafter, a
その後、フォトリソグラフィーとエッチングによるパターニングにより、例えばSiO2の第2のマスク材44を形成する。ステップS104では、この第2のマスク材44をイオン注入マスクとして用いて、n型不純物であるN(或いはP)をn−SiC層14にイオン注入し、第2のSiC領域(ソース領域)18を形成する(図11)。
Thereafter, a
その後、フォトリソグラフィーとエッチングによるパターニングにより、例えばSiO2の第3のマスク材46を形成する。ステップS106では、この第3のマスク材46をイオン注入マスクとして用いて、p型不純物であるAlをn−SiC層14にイオン注入し、第3のSiC領域(pウェルコンタクト領域)20を形成する(図12)。
Thereafter, a
ステップS108では、p型不純物とn型不純物の活性化のためのアニールを行う。このアニールは、例えば、アルゴン(Ar)ガスを雰囲気ガスとして用いて、加熱温度1600℃、加熱時間30分といった条件が用いられる。この時、SiC内部に導入された不純物の活性化は実現できるが、拡散は僅かである。 In step S108, annealing for activating the p-type impurity and the n-type impurity is performed. For this annealing, for example, argon (Ar) gas is used as an atmosphere gas, and a condition such as a heating temperature of 1600 ° C. and a heating time of 30 minutes is used. At this time, activation of impurities introduced into the SiC can be realized, but diffusion is slight.
ステップS110とステップS112により、ゲート絶縁膜28を形成する(図13)。ステップS110で形成される第1の絶縁膜が、図2(a)に示す界面ドープ領域28aに対応する。また、ステップS112で形成される第2の絶縁膜が、図2(b)に示す無ドープ領域28bに対応する。
Through step S110 and step S112, the
ステップS110では、B(ボロン)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)から選ばれる少なくとも一つの元素を含む酸化膜または酸窒化膜からなる第1の絶縁膜を形成する。 In step S110, an oxide film containing at least one element selected from B (boron), Al (aluminum), Ga (gallium), In (indium), Sc (scandium), Y (yttrium), and La (lanthanum) A first insulating film made of an oxynitride film is formed.
第1の絶縁膜の形成は、例えば、以下のプロセスで行う。まず、B(ボロン)を含有するシリコン膜を、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により堆積する。そして、このシリコン膜を熱酸化して、Bを高い濃度で含有するシリコン酸化膜を形成する。 For example, the first insulating film is formed by the following process. First, a silicon film containing B (boron) is deposited by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Then, this silicon film is thermally oxidized to form a silicon oxide film containing B at a high concentration.
B(ボロン)を含有するシリコン膜の膜厚は、例えば、1nm以上5nm以下である。また、熱酸化により形成されるシリコン酸化膜の膜厚は、例えば、2nm以上10nm以下である。本実施形態では、およそ3nmのBドープポリシリコンを形成し、およそ6nmのBドープSiO2を得る。雪かき効果(Si中のBは酸化されるとSi側に押し込まれていく)により、BはSiC/SiO2の界面近傍に集中する。更に、CsOBへの電子移動による安定化も、CsOB構造が界面近傍にあって初めて起こる利得であるので、CsOB構造は界面に集中する。このように二つの効果により、B、CはSiC/SiO2の界面に集中し、ピークを持つことになる。 The film thickness of the silicon film containing B (boron) is, for example, not less than 1 nm and not more than 5 nm. The film thickness of the silicon oxide film formed by thermal oxidation is, for example, not less than 2 nm and not more than 10 nm. In this embodiment, approximately 3 nm of B-doped polysilicon is formed, and approximately 6 nm of B-doped SiO 2 is obtained. B is concentrated in the vicinity of the SiC / SiO 2 interface due to the snow-plowing effect (B in Si is pushed into the Si side when oxidized). Furthermore, stabilization due to electron transfer to CsOB is also a gain that occurs only when the CsOB structure is in the vicinity of the interface, so the CsOB structure is concentrated at the interface. Thus, due to the two effects, B and C are concentrated at the interface of SiC / SiO 2 and have a peak.
この例では、SiC表面が酸化されC(炭素)が放出される前に、Bを含有する膜をSiC表面に堆積する。したがって、シリコン酸化膜形成の際、シリコン酸化膜のSiC/SiO2界面近傍にCOCO構造が形成する前に、CsOB構造を形成することができる。したがって、比較的低温のプロセスでCsOB構造が形成できる。一旦出来たCoCo構造を壊しCsOB構造にするには高温(例えば1200℃)が必要だが、ここでは、700℃〜900℃で酸化を行うことになる。Siは酸化するが、SiCは殆ど酸化しない温度を選択している。この温度は、600℃以上1,000℃以下であり、界面劣化を考えると低い方が良いが、スループットを考えると高い方が良い。SiCの酸化の面方位依存性を考えると、C面では700℃、A面・M面では800℃、Si面では900℃程度が適当である。 In this example, before the SiC surface is oxidized and C (carbon) is released, a film containing B is deposited on the SiC surface. Therefore, when the silicon oxide film formed, before C O C O structure is formed on SiC / SiO 2 interface vicinity of the silicon oxide film, can be formed CsOB structure. Therefore, the CsOB structure can be formed by a relatively low temperature process. A high temperature (for example, 1200 ° C.) is required to break the CoCo structure once formed into a CsOB structure, but here, oxidation is performed at 700 ° C. to 900 ° C. A temperature is selected at which Si oxidizes but SiC hardly oxidizes. This temperature is 600 ° C. or more and 1,000 ° C. or less, and it is preferable that the temperature is low in consideration of interface deterioration, but it is preferable that the temperature is high in consideration of throughput. Considering the plane orientation dependency of SiC oxidation, it is appropriate that the temperature is 700 ° C. for the C plane, 800 ° C. for the A and M planes, and 900 ° C. for the Si plane.
第1の絶縁膜は、上記、B(ボロン)を含有するシリコン膜を酸窒化することにより形成してもかまわない。また、第1の絶縁膜は、例えば、B(ボロン)を含有するシリコン酸化膜を、例えば、CVD法で形成することにより形成してもかまわない。 The first insulating film may be formed by oxynitriding the silicon film containing B (boron). Further, the first insulating film may be formed, for example, by forming a silicon oxide film containing B (boron) by, for example, a CVD method.
ステップS112では、第1の絶縁膜上に、第1の絶縁膜よりB(ボロン)等の元素の濃度の低い第2の絶縁膜を形成する。例えば、B等の元素を含まない膜を形成する。第2の絶縁膜は、例えば、CVD法により形成されるHTO膜である。HTO膜は、C(炭素)の含有量が低いため、第2の絶縁膜として望ましい膜である。ステップS112の後に、HTO膜のデンシファイのために、非酸化性雰囲気でのアニール(例えば、N2中、1,000℃、30分)を行ってもかまわない。 In step S112, a second insulating film having a lower concentration of an element such as B (boron) than the first insulating film is formed on the first insulating film. For example, a film not containing an element such as B is formed. The second insulating film is, for example, an HTO film formed by a CVD method. The HTO film is a desirable film as the second insulating film because of its low C (carbon) content. After step S112, annealing in a non-oxidizing atmosphere (for example, 1,000 ° C. for 30 minutes in N 2 ) may be performed for densification of the HTO film.
第2の絶縁膜の膜厚は、例えば、30nm以上100nm以下である。薄い程、ドライブ性能を向上させられるが、リークが大きくなる。最も薄い場合は、絶縁破壊が回避される膜厚であり、30nm程度と考えられる。絶縁耐性を大きくするには膜厚が厚い程良いが、ドライブ性能が低くなりすぎる。その限界が100nm程度である。実際には、通常は、SiO2膜厚に換算して、50nm程度が用いられる。これは、ΔEcが低い場合には、50nm程度ないと、リークが止まらないからである。しかし、本実施形態では、ΔEcが向上するので、更に薄い領域を目指すことが可能となる。本実施形態では、40nm前後をターゲットとする。ここでは、およそ40nmのHTO膜を用いる。 The film thickness of the second insulating film is, for example, 30 nm or more and 100 nm or less. The thinner, the better the drive performance, but the greater the leak. In the thinnest case, the film thickness is such that dielectric breakdown is avoided, and is considered to be about 30 nm. To increase the insulation resistance, a thicker film is better, but the drive performance is too low. The limit is about 100 nm. Actually, about 50 nm is usually used in terms of the SiO 2 film thickness. This is because when ΔEc is low, the leak cannot be stopped unless it is about 50 nm. However, in this embodiment, ΔEc is improved, so that it is possible to aim for a thinner region. In this embodiment, the target is around 40 nm. Here, an approximately 40 nm HTO film is used.
ステップS114では、ゲート絶縁膜28上に、例えば、ポリシリコンのゲート電極30が形成される(図14)。そして、ステップS116では、ゲート電極30上に、例えば、SiO2膜の層間絶縁膜32が形成される(図15)。
In step S114, for example, a
その後、ステップS118で、第2のSiC領域(ソース領域)18と、第3のSiC領域(pウェルコンタクト領域)20とに電気的に接続される導電性の第1の電極(ソース・pウェル共通電極)24が形成される。第1の電極(ソース・pウェル共通電極)24は、例えば、Ni(ニッケル)とAlのスパッタにより形成される。 Thereafter, in step S118, the conductive first electrode (source / p well) electrically connected to the second SiC region (source region) 18 and the third SiC region (p well contact region) 20 is provided. Common electrode) 24 is formed. The first electrode (source / p-well common electrode) 24 is formed by sputtering of Ni (nickel) and Al, for example.
ステップS120では、n−SiC基板12の第2の面側に、導電性の第2の電極(ドレイン電極)36が形成される。第2の電極(ドレイン電極)36は、例えば、Niのスパッタにより形成される。 In step S <b> 120, a conductive second electrode (drain electrode) 36 is formed on the second surface side of the n − SiC substrate 12. The second electrode (drain electrode) 36 is formed by sputtering of Ni, for example.
ステップS122では、第1の電極24と第2の電極36のコンタクト抵抗を低減するために、出来る限り低温でのアニールが行われることが望ましい。アニールは、例えば、アルゴンガス雰囲気で、400℃〜1000℃で行われる。ここでは、800℃である。
In step S122, it is desirable to perform annealing at as low a temperature as possible in order to reduce the contact resistance between the
以上の製造方法により、図1に示すMOSFET100が形成される。
The
本実施形態のMOSFET100は、ゲート絶縁膜28のSiC側にCsOB構造と固定ダイポールを備える。このため、バンドオフセット(ΔEc)が大きくなり、C面上に形成されたゲート絶縁膜のリーク電流が抑制される。また、ゲート絶縁膜28のSiC側にCOCO構造が無いこと(膜中CはCsOB構造に変換している)で、キャリアの移動度がさらに向上する。本実施形態のMOSFET100の製造方法により、上記優れた効果を備えるMOSFET100を形成することが可能となる。
The
上記第1の製造方法で半導体装置を製造した場合、ΔEcは初期値に比べ、およそ0.9eV上昇している。こうして、例えば、46nmという薄膜の場合でも、ゲートリークは殆どなくなった。しかも、移動度が高くなっており、およそ100cm2/Vsであった。この100cm2/Vsという値は、MOSFETを用いる上で十分な値である。界面近傍にトラップがないことから、信頼性も向上しており、±20Vを印加して、1000時間経った時点での閾値シフトは0.1V未満である。こうして、(1)ドライブ性能に優れ(薄膜化の効果)、(2)ゲートリークの無い、(3)高移動度であり(CsOBが界面数nmに集中した効果)、(4)高信頼のSiCのMOSFETが得られる。 When the semiconductor device is manufactured by the first manufacturing method, ΔEc is increased by about 0.9 eV from the initial value. Thus, for example, even in the case of a thin film of 46 nm, gate leakage is almost eliminated. Moreover, the mobility was high and was about 100 cm 2 / Vs. This value of 100 cm 2 / Vs is sufficient for using the MOSFET. Since there is no trap in the vicinity of the interface, the reliability is also improved, and the threshold value shift is less than 0.1 V when 1000 hours have passed after applying ± 20 V. Thus, (1) excellent drive performance (effect of thinning), (2) no gate leakage, (3) high mobility (effect in which CsOB is concentrated on the number of interfaces of nm), and (4) high reliability A SiC MOSFET is obtained.
上記第1の製造方法で製造したゲート絶縁膜のSIMSデータを見ると、B及びCは界面よりもSiO2内側のおよそ0.8nmの位置にピークを持ち、2×1019/cm3程度(面密度にして2×1013/cm2程度)であり、位置が良く一致している。これにより、ΔEcが初期値に比べ、およそ0.9eV上昇したと考えられる。また、ピークから5nm以上離れた位置では、B、Cの濃度が測定限界以下になっている。 Looking at the SIMS data of the gate insulating film manufactured by the first manufacturing method, B and C have a peak at a position of about 0.8 nm inside SiO 2 from the interface, and about 2 × 10 19 / cm 3 ( The surface density is about 2 × 10 13 / cm 2 ), and the positions are in good agreement. Thereby, it is considered that ΔEc is increased by about 0.9 eV from the initial value. Further, at a position 5 nm or more away from the peak, the concentrations of B and C are below the measurement limit.
更に、n−SiC層14とゲート絶縁膜28との界面(以下、JFET領域界面と呼ぶ)でもCsOB構造ができている。ここでもΔEcが高くなっているので、この部分での絶縁破壊にも耐性が向上していることになる。
Furthermore, a CsOB structure is also formed at the interface between the n-
次に、本実施形態の半導体装置の第2の製造方法について説明する。第2の製造方法は、第1の製造方法に対し、ゲート絶縁膜の製造方法が異なる。 Next, a second manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment will be described. The second manufacturing method is different from the first manufacturing method in the method for manufacturing the gate insulating film.
第1の絶縁膜の形成は、例えば、以下のプロセスで行う。まず、B(ボロン)を含有するシリコン膜を、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により堆積する。そして、このシリコン膜を熱酸化して、Bを高い濃度で含有するシリコン酸化膜を形成する。B(ボロン)を含有するシリコン膜の膜厚は、例えば、3nm程度であり、熱酸化により6nm程度のBドープSiO2膜を形成する。 For example, the first insulating film is formed by the following process. First, a silicon film containing B (boron) is deposited by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Then, this silicon film is thermally oxidized to form a silicon oxide film containing B at a high concentration. The film thickness of the silicon film containing B (boron) is, for example, about 3 nm, and a B-doped SiO 2 film of about 6 nm is formed by thermal oxidation.
熱酸化の過程では、(1)SiC側にBが集中し(酸化時にSi側に押し出される:雪かき効果)、(2)基板からCが放出され、(3)CsOB構造形成が形成され、その結果、界面ダイポールが形成される。BとCはSiO2絶縁膜中のSiC側でペアを形成し、SiC界面状態から電子移動を起こし、ダイポールができ、安定化する。こうして、CsOB構造は、SiC層近傍に集中する。 In the process of thermal oxidation, (1) B concentrates on the SiC side (extruded to the Si side during oxidation: snow plow effect), (2) C is released from the substrate, (3) CsOB structure formation is formed, As a result, an interface dipole is formed. B and C form a pair on the SiC side in the SiO 2 insulating film, cause electron transfer from the SiC interface state, form a dipole, and stabilize. Thus, the CsOB structure is concentrated in the vicinity of the SiC layer.
ここで、BドープSiO2表面にHF処理を追加する。基板から離れた領域のBやCはトラップとなるので、出来る限り減らす必要がある。そのために、エッチング処理、例えばHF処理により、10nm以下に薄膜化することが有効である。1nm以下が理想であり、出来る限り薄膜にする。例えば、1nmまで薄くする。これにより第1の絶縁膜が形成される。この1nmの領域が界面領域であり、CsOB構造がこの領域に閉じ込められている。 Here, HF treatment is added to the surface of the B-doped SiO 2 . Since B and C in a region away from the substrate become traps, they need to be reduced as much as possible. Therefore, it is effective to reduce the film thickness to 10 nm or less by an etching process, for example, HF process. The ideal thickness is 1 nm or less. For example, the thickness is reduced to 1 nm. As a result, a first insulating film is formed. This 1 nm region is the interface region, and the CsOB structure is confined in this region.
次に、第1の絶縁膜上に、第2の絶縁膜として、元々B、Cを基本的には含まないHTO(High Temperature oxide)膜を、例えば、40nm形成する。界面を1nmにまで薄くした場合、ゲート絶縁膜全体の換算膜厚は、41nm程度となる。 Next, on the first insulating film, an HTO (High Temperature Oxide) film that basically does not contain B or C is formed as a second insulating film, for example, by 40 nm. When the interface is thinned to 1 nm, the equivalent film thickness of the entire gate insulating film is about 41 nm.
上記第2の製造方法で、第1の絶縁膜が1nm、第2の絶縁膜が40nmのゲート絶縁膜を形成する。この場合、1nm以上基板から離れたHTO中には、BやCは全く導入されないことになる。アトムブローブ法にて確認したところ、SiO2中の界面から1nm未満の位置にB、Cのピークが観測され、共におおよそ2×1019/cm3であり、量、分布ともに良く一致している。 In the second manufacturing method, a gate insulating film having a first insulating film of 1 nm and a second insulating film of 40 nm is formed. In this case, B and C are not introduced at all in the HTO separated from the substrate by 1 nm or more. When confirmed by the atom probe method, peaks of B and C are observed at a position less than 1 nm from the interface in SiO 2 , and both are approximately 2 × 10 19 / cm 3 , and the amounts and distributions are in good agreement. .
他方、その上の無ドープ領域では、B、Cの量は、測定限界以下(1×1016/cm3だが、現実には殆ど入っていない)になっている。SiO2中のBやCはトラップを形成するので、SiC/SiO2ジャスト界面以外には導入されないようにしたい。上記第2の製造方法に従えば、BやCは、界面1nmにCsOBという安定構造を形成し、ダイポールを形成しており、新たなトラップにはならない。C,Bは、1nmの中に閉じ込められており、界面から1nm以上離れた位置に成膜されたHTO膜中には、殆ど拡散しない。
On the other hand, in the undoped region above it, the amount of B and C is below the measurement limit (1 × 10 16 / cm 3, but in reality it is hardly included). Since B or C in SiO 2 forms a trap, it is desired that it be introduced only at the SiC / SiO 2 just interface. According to the second manufacturing method, B or C forms a stable structure called CsOB at the interface of 1 nm, forms a dipole, and does not become a new trap. C and B are confined in 1 nm and hardly diffuse into the HTO film formed at a
この結果、上記第2の製造方法で製造したゲート絶縁膜は、ΔEcは初期値に比べ、およそ1.0eV上昇している。こうして、41nmという薄膜であるにも係わらず、ゲートリークは殆どなくなる。しかも、移動度が高くなっており、およそ120cm2/Vsである。界面近傍にトラップがないことから、信頼性も向上しており、±20Vを印加して、1000時間経った時点での閾値シフトは0.1V未満であ。 As a result, in the gate insulating film manufactured by the second manufacturing method, ΔEc is increased by about 1.0 eV from the initial value. Thus, the gate leakage is almost eliminated despite the thin film of 41 nm. Moreover, the mobility is high, approximately 120 cm 2 / Vs. Since there is no trap in the vicinity of the interface, the reliability is also improved, and the threshold value shift is less than 0.1 V when 1000 hours have passed after applying ± 20 V.
こうして、(1)ドライブ性能に優れ(薄膜化の効果)、(2)ゲートリークの無い、(3)高移動度であり((CsOBが界面1nmに集中した効果)、(4)高信頼のSiCのMOSFETが得られた。また、JFET領域界面での絶縁破壊耐性が向上している点は第1の製造方法で製造した場合と同様である。 Thus, (1) excellent drive performance (effect of thinning), (2) no gate leak, (3) high mobility ((effect in which CsOB is concentrated at 1 nm interface)), (4) high reliability A SiC MOSFET was obtained, and the point that the breakdown resistance at the interface of the JFET region was improved was the same as that produced by the first production method.
SIMSデータを見ると、B及びCは界面よりもSiO2内側のおよそ1nmの位置にピークを持ち、3×1019/cm3程度(面密度にして3×1013/cm2程度)であり、位置が良く一致している。これにより、ΔEcが初期値に比べ、およそ1.0eV上昇したと考えられる。また、ピークから2nm以上離れた位置では、B、Cの濃度が測定限界以下になっている。極薄の界面ドープ層が形成されている。
Looking at the SIMS data, B and C have a peak at a position of about 1 nm inside SiO 2 from the interface and are about 3 × 10 19 / cm 3 (area density is about 3 × 10 13 / cm 2 ). , The position is well matched. Thereby, it is considered that ΔEc is increased by about 1.0 eV compared to the initial value. Further, at a
ここで、B以外の物質についても、同様に形成できる。Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)を含むシリコンを数nm成膜する。例えば、これらの物質のシリサイドのペレットをターゲットとして、スパッタにより形成すれば良い。或いは、これらの物質とシリコンとを交互にCVD成膜してもよい。こうして、これらの物質を含んだアモルファスシリコンを形成し、それを酸化すれば良い。こうして出来た酸化膜をHF処理し、上記第2の製造方法に沿ったプロセスを流せば同程度の特性を有するMOS界面が形成される。 Here, substances other than B can be formed in the same manner. Several nanometers of silicon containing Al (aluminum), Ga (gallium), In (indium), Sc (scandium), Y (yttrium), and La (lanthanum) are formed. For example, it may be formed by sputtering using a silicide pellet of these substances as a target. Alternatively, these materials and silicon may be alternately formed by CVD. Thus, amorphous silicon containing these substances may be formed and oxidized. If the oxide film thus formed is subjected to HF treatment and subjected to a process according to the second manufacturing method, a MOS interface having similar characteristics can be formed.
次に、本実施形態の半導体装置の第3の製造方法について説明する。第3の製造方法は、第1の製造方法に対し、ゲート絶縁膜の製造方法が異なる。第1の製造方法の熱酸化の変わりにNO酸窒化(N2Oを用いても同様)を行った。 Next, a third manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment will be described. The third manufacturing method is different from the first manufacturing method in the method for manufacturing the gate insulating film. Instead of thermal oxidation in the first manufacturing method, NO oxynitridation (the same applies when N 2 O is used) was performed.
第1の絶縁膜の形成は、例えば、以下のプロセスで行う。まず、B(ボロン)を含有するシリコン膜を、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により堆積する。そして、このシリコン膜をNO酸窒化して、Bを高い濃度で含有するシリコン酸窒化膜を形成する。B(ボロン)を含有するシリコン膜の膜厚は、例えば、3nm程度であり、NO酸窒化により第1の絶縁膜となる6nm程度のBドープSiO2膜を形成する。 For example, the first insulating film is formed by the following process. First, a silicon film containing B (boron) is deposited by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Then, the silicon film is subjected to NO oxynitridation to form a silicon oxynitride film containing B at a high concentration. The film thickness of the silicon film containing B (boron) is, for example, about 3 nm, and a B-doped SiO 2 film of about 6 nm serving as the first insulating film is formed by NO oxynitridation.
NO酸窒化の過程では、(1)SiC側にBが集中し(酸化時にSi側に押し出される:雪かき効果)、(2)基板からCが放出され、(3)CsOB構造形成が形成され、その結果、界面ダイポールが形成される。BとCはSiO2絶縁膜中のSiC側でペアを形成し、SiC界面状態から電子移動を起こし、ダイポールができ、安定化する。こうして、CsOB構造は、SiC層近傍に集中する。(4)NO酸窒化では、更に、界面にNが導入され、更に余った界面欠陥を修復してくれる。 In the process of NO oxynitriding, (1) B concentrates on the SiC side (it is pushed out to the Si side during oxidation: snow shoveling effect), (2) C is released from the substrate, (3) CsOB structure formation is formed, As a result, an interface dipole is formed. B and C form a pair on the SiC side in the SiO 2 insulating film, cause electron transfer from the SiC interface state, form a dipole, and stabilize. Thus, the CsOB structure is concentrated in the vicinity of the SiC layer. (4) In NO oxynitriding, N is further introduced into the interface, and the remaining interface defects are repaired.
界面にダングリングボンドがあると、高エネルギー状態となるが、窒素がくるとそれを低いエネルギー状態へと変換してくれる。つまり、高エネルギー状態にある一部の表面SiのNによる置換と、基板中炭素Vcへの窒素導入が起こる。ここで、薄膜SiO2表面にHF処理を追加する点は同様である。 If there is a dangling bond at the interface, it will be in a high energy state, but if nitrogen comes, it will convert it to a low energy state. That is, substitution of some surface Si in a high energy state with N and introduction of nitrogen into carbon Vc in the substrate occur. Here, the point of adding HF treatment to the surface of the thin film SiO 2 is the same.
次に、第1の絶縁膜上に、第1の絶縁膜よりB(ボロン)等の元素の濃度の低い第2の絶縁膜を形成する。例えば、B等の元素を含まない膜を形成する。第2の絶縁膜は、例えば、CVD法により形成されるHTO膜である。 Next, a second insulating film having a lower concentration of an element such as B (boron) than the first insulating film is formed over the first insulating film. For example, a film not containing an element such as B is formed. The second insulating film is, for example, an HTO film formed by a CVD method.
第3の製造方法で形成されるゲート絶縁膜は、1nm以上基板から離れたHTO中には、BやCは全く導入されないことになる。アトムブローブ法にて確認したところ、SiO2中の界面から1nm未満の位置にB、Cのピークが観測され、共におおよそ2×1019/cm3であり、量、分布ともに良く一致している。 In the gate insulating film formed by the third manufacturing method, B and C are not introduced at all in the HTO separated from the substrate by 1 nm or more. When confirmed by the atom probe method, peaks of B and C are observed at a position less than 1 nm from the interface in SiO 2 , and both are approximately 2 × 10 19 / cm 3 , and the amounts and distributions are in good agreement. .
他方、その上の無ドープ領域では、B、Cの量は、測定限界以下になっている。第3の製造方法に従えば、BやCは、界面1nmにCsOBという安定構造を形成し、ダイポールを形成しており、新たなトラップにはならない。C,Bは、1nmの中に閉じ込められており、界面から1nm以上離れた位置に成膜されたHTO膜中には、殆ど拡散しない。更にジャスト界面に窒素が導入され、移動度劣化を抑制してくれる。
On the other hand, in the undoped region above it, the amounts of B and C are below the measurement limit. According to the third manufacturing method, B and C form a stable structure called CsOB at the interface of 1 nm, form a dipole, and do not become a new trap. C and B are confined in 1 nm and hardly diffuse into the HTO film formed at a
この結果、上記第3の製造方法で製造したゲート絶縁膜は、ΔEcは初期値に比べ、およそ1.0eV上昇している。こうして、41nmという薄膜であるにも係わらず、ゲートリークは殆どなくなる。しかも、移動度が高くなっており、およそ250cm2/Vsである。窒素によるジャスト界面のダングリングボンドの終端と基板中炭素欠陥の終端が付け加わったためにこのように高い移動度が得られる。界面近傍にトラップがないことから、信頼性も向上しており、±20Vを印加して、1000時間経った時点での閾値シフトは0.1V未満であった。 As a result, in the gate insulating film manufactured by the third manufacturing method, ΔEc is increased by about 1.0 eV from the initial value. Thus, the gate leakage is almost eliminated despite the thin film of 41 nm. Moreover, the mobility is high and is approximately 250 cm 2 / Vs. Since the dangling bonds at the just interface with nitrogen and the carbon defects in the substrate are added, high mobility can be obtained. Since there is no trap in the vicinity of the interface, the reliability is improved, and the threshold shift is less than 0.1 V when 1000 hours have passed after applying ± 20 V.
こうして、(1)ドライブ性能に優れ(薄膜化の効果)、(2)ゲートリークの無い、(3)高移動度であり((CsOBが界面1nmに集中した効果と窒素終端効果)、(4)高信頼のSiCのMOSFETが得られる。また、JFET領域界面での絶縁破壊耐性が向上している点は第1または第2の製造方法で製造した場合と同様である。 Thus, (1) excellent drive performance (thinning effect), (2) no gate leakage, (3) high mobility ((effect of concentrating CsOB at 1 nm interface and nitrogen termination effect), (4 A high-reliability SiC MOSFET is obtained, and the dielectric breakdown resistance at the interface of the JFET region is improved as in the case of the first or second manufacturing method.
SIMSデータを見ると、B及びCは界面よりもSiO2内側のおよそ1nmの位置にピークを持ち、3×1019/cm3程度(面密度にして3×1013/cm2程度)であり、位置が良く一致している。これにより、ΔEcが初期値に比べ、およそ1.0eV上昇したと考えられる。また、ピークから2nm以上離れた位置では、B、Cの濃度が測定限界以下になっている。極薄の界面ドープ層が形成されている。また、窒素がジャスト界面でピークを持ち、SiC基板側にもテールを引いている。このように高い移動度は、MOSFETにはオーバースペックと考えられるが、IGBTなどのバイポーラデバイスで高いエネルギー密度のMOS界面が必要になる場合には最適である。
Looking at the SIMS data, B and C have a peak at a position of about 1 nm inside SiO 2 from the interface and are about 3 × 10 19 / cm 3 (area density is about 3 × 10 13 / cm 2 ). , The position is well matched. Thereby, it is considered that ΔEc is increased by about 1.0 eV compared to the initial value. Further, at a
比較形態の製造方法として、ゲート絶縁膜として厚膜SiO2(55nm程度)を形成し、後からBを拡散させる製造方法を考える。図16は、本実施形態と比較形態のゲート絶縁膜の元素(B)分布を示す図である。図16に示すように、比較形態では、絶縁膜の電極側でBやCが無ドープとなる絶縁膜を形成し、かつ、SiC側の界面に十分なBを集中させた、本実施形態で示した元素分布を作ることは極めて困難である。 As a comparative manufacturing method, consider a manufacturing method in which a thick film SiO 2 (about 55 nm) is formed as a gate insulating film and B is diffused later. FIG. 16 is a diagram showing an element (B) distribution in the gate insulating film of this embodiment and the comparative embodiment. As shown in FIG. 16, in the comparative embodiment, an insulating film in which B or C is not doped is formed on the electrode side of the insulating film, and sufficient B is concentrated on the interface on the SiC side. It is extremely difficult to make the element distribution shown.
その結果、ΔEcを向上させることが困難になり、絶縁膜厚を薄く作るとゲートリークが大きくなってしまう。したがって、ゲート絶縁膜を薄くすることは出来なくなり、ドライブ特性向上が見込めない。また、絶縁膜中にCoCo構造が出来てしまうので、CsOB構造に変換されない部分が残留してしまい、移動度劣化が引き起こされる。同時に、絶縁膜全体に拡散したBやCがトラップを形成するので、大きな閾値変動が起こってしまう。 As a result, it becomes difficult to improve ΔEc, and the gate leakage becomes large when the insulating film thickness is made thin. Therefore, it is impossible to make the gate insulating film thinner, and improvement in drive characteristics cannot be expected. In addition, since a CoCo structure is formed in the insulating film, a portion that is not converted to the CsOB structure remains, which causes mobility degradation. At the same time, since B and C diffused throughout the insulating film form traps, a large threshold fluctuation occurs.
比較の形態で製造したゲート絶縁膜のSIMSデータを見ると、Bは界面よりもSiO2内側のおよそ6nmの位置にブロードなピークを持つが、1×1017/cm3程度(面密度にして1×1010/cm2程度)である。また、Cの分布は一様に分布しているだけで、ピークを持たないので、CsOB構造は出来ていないと考えられる。 Looking at the SIMS data of the gate insulating film manufactured in the comparative form, B has a broad peak at a position of about 6 nm inside SiO 2 from the interface, but about 1 × 10 17 / cm 3 (in terms of surface density) 1 × 10 10 / cm 2 ). Further, since the distribution of C is only uniformly distributed and has no peak, it is considered that the CsOB structure is not formed.
この結果、上記比較形態で製造したゲート絶縁膜は、ΔEcに変化はない。また、絶縁膜中であり、界面から10nm以上離れた位置でも、B及びCの濃度が測定限界以下になっておらず、電荷トラップが分布していることが分る。こうして、移動度は低く、10cm2/Vs程度である。閾値変動も大きく、±20V、1000時間での測定では、2V以上の変動がみられる。 As a result, there is no change in ΔEc in the gate insulating film manufactured in the comparative form. In addition, it can be seen that the concentration of B and C is not lower than the measurement limit even at a position 10 nm or more away from the interface in the insulating film, and charge traps are distributed. Thus, the mobility is low and is about 10 cm 2 / Vs. The threshold fluctuation is also large, and a fluctuation of 2 V or more is observed in the measurement at ± 20 V and 1000 hours.
(第2の実施形態)
本実施形態は、第1の実施形態がC面、すなわち、(000−1)面上に形成されるMOSFETであるのに対し、Si面、すなわち(0001)面上に形成されること以外は第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, the first embodiment is a MOSFET formed on the C plane, that is, the (000-1) plane, except that it is formed on the Si plane, that is, the (0001) plane. This is the same as in the first embodiment. Therefore, description of the contents overlapping with those of the first embodiment is omitted.
図17は、本実施形態の半導体装置であるMOSFETの構成を示す模式断面図である。MOSFET200は、キャリアを半導体基板の表面側のソース電極と、裏面側のドレイン電極との間で移動させる縦型トランジスタである。
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a MOSFET that is a semiconductor device of this embodiment.
このMOSFET200は、第1と第2の面を備えるSiC基板12を備えている。図1においては、第1の面とは図の上側の面であり、第2の面とは図の下側の面である。このSiC基板12は、例えば、不純物濃度が1×1018cm−3以上1×1019cm−3以下の、例えばN(窒素)をn型不純物として含む4H−SiCのSiC基板(n基板)である。
This
第1の面がSi面、すなわち、(0001)面である。第1の面は、Si面に対して、例えば、8度以下の範囲でオフセットしていてもかまわない。 The first surface is the Si surface, that is, the (0001) surface. The first surface may be offset from the Si surface within a range of, for example, 8 degrees or less.
SiC基板12上に形成されるSiCの表面が、Si面であること以外の構造および製造方法は、第1の実施形態と同様である。但し、Bを含むシリコンを堆積して、それを酸化するプロセスを行うに際しては、SiCの酸化の面方位依存性を考慮すると良い。C面では700℃、A面・M面では800℃、Si面では900℃程度が適当である。
The structure and manufacturing method are the same as those in the first embodiment except that the surface of SiC formed on the
本実施形態のMOSFET200も第1の実施形態のMOSFET100同様、ゲート絶縁膜28のSiC側にCsOB構造と固定ダイポールを備える。このため、バンドオフセット(ΔEc)が大きくなり、Si面上に形成されたゲート絶縁膜のリーク電流がさらに抑制される。また、ゲート絶縁膜28のSiC側にCoCo構造が無くなることで、キャリアの移動度が向上する。
Similar to the
以上の結果、ΔEcは初期値に比べ、およそ0.5eV上昇している。こうして、46nmという薄膜であるにも係わらず、ゲートリークは殆どなくなった。しかも、移動度が高くなっており、およそ80cm2/Vsであった。界面近傍にトラップがないことから、信頼性も向上しており、±20Vを印加して、1000時間経った時点での閾値シフトは0.1V未満であった。
As a result, ΔEc is increased by about 0.5 eV compared to the initial value. Thus, the gate leak was almost eliminated despite the thin film of 46 nm. Moreover, the mobility was high and was about 80
こうして、(1)ドライブ性能に優れ(薄膜化の効果)、(2)ゲートリークの無い、(3)高移動度であり(CsOBが界面近傍に集中した効果)、(4)高信頼のSiCのMOSFETが得られる。また、JFET領域界面での絶縁破壊耐性が向上している点は第1の実施形態と同様である。 Thus, (1) excellent drive performance (effect of thinning), (2) no gate leak, (3) high mobility (effect in which CsOB is concentrated near the interface), and (4) highly reliable SiC MOSFET is obtained. Further, the dielectric breakdown resistance at the JFET region interface is improved as in the first embodiment.
以上、実施形態では、4H−SiCのC面、Si面を例に説明したが、CsOB構造と固定ダイポールの効果は、A面、M面等、その他の面方位でも発現される。また、炭化珪素の結晶構造として4H−SiCの場合を例に説明したが、本発明は6H−SiC、3C−SiC等、その他の結晶構造の炭化珪素に適用することも可能である。 As described above, in the embodiment, the C plane and the Si plane of 4H—SiC have been described as examples. However, the effects of the CsOB structure and the fixed dipole are also exhibited in other plane orientations such as the A plane and the M plane. Further, although the case of 4H—SiC has been described as an example of the crystal structure of silicon carbide, the present invention can also be applied to silicon carbide having other crystal structures such as 6H—SiC and 3C—SiC.
また、実施形態では、SiC上面にゲート絶縁膜とゲート電極が形成される縦型MOSFETを例に説明したが、SiCに形成されるトレンチの内面にゲート絶縁膜とゲート電極が形成される縦型MOSFETに本発明を適用することも可能である。 In the embodiment, the vertical MOSFET in which the gate insulating film and the gate electrode are formed on the upper surface of the SiC has been described as an example. However, the vertical type in which the gate insulating film and the gate electrode are formed on the inner surface of the trench formed in the SiC. It is also possible to apply the present invention to a MOSFET.
また、実施形態では、電子をキャリアとするnチャネル型トランジスタを例に説明したが、本発明を、ホールをキャリアとするpチャネルトランジスタに適用することも可能である。 In the embodiments, an n-channel transistor using electrons as carriers has been described as an example. However, the present invention can also be applied to a p-channel transistor using holes as carriers.
また、SiC表面にゲート絶縁膜とゲート電極が形成される構成のその他のデバイス、例えば、縦型IGBT等にも本発明を適用することが可能である。特にIGBTでは、第1の実施形態の第2の製造方法に示したように、窒素を導入することで移動度を高めることに大きな意味がある。バイポーラデバイスではユニポーラデバイスに較べ100倍以上の密度の電流が流れることになる。よって、MOS界面はできる限り低抵抗にする必要がある。窒素を導入することの最大の意味(酸窒化膜の導入の最大の意味)はここにある。縦型IGBTのJFET領域界面での絶縁破壊耐性が向上している点は第1の実施形態と同様である。縦型IGBTでは縦型MOSFETに比べ、高い絶縁破壊耐性が望まれるので、JFET領域界面の絶縁破壊耐性向上は非常に有効である。 The present invention can also be applied to other devices having a structure in which a gate insulating film and a gate electrode are formed on the SiC surface, for example, a vertical IGBT. In particular, in the IGBT, as shown in the second manufacturing method of the first embodiment, it is significant to increase mobility by introducing nitrogen. In the bipolar device, a current having a density of 100 times or more flows as compared with the unipolar device. Therefore, it is necessary to make the MOS interface as low as possible. Here is the maximum meaning of introducing nitrogen (maximum meaning of introducing oxynitride film). Similar to the first embodiment, the dielectric breakdown resistance at the JFET region interface of the vertical IGBT is improved. Since the vertical IGBT is desired to have a higher dielectric breakdown resistance than the vertical MOSFET, the improvement of the dielectric breakdown resistance at the interface of the JFET region is very effective.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. For example, a component in one embodiment may be replaced or changed with a component in another embodiment. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
12 SiC基板
14 n型のSiC層(n−SiC層)
16 第1のSiC領域(pウェル領域)
18 第2のSiC領域(ソース領域)
20 第3のSiC領域(pウェルコンタクト領域)
24 第1の電極(ソース・pウェル共通電極)
28 ゲート絶縁膜
28a 界面ドープ領域
28b 無ドープ領域
30 ゲート電極
32 層間絶縁膜
36 第2の電極(ドレイン電極)
100 MOSFET
200 MOSFET
12 SiC substrate 14 n-type SiC layer (n - SiC layer)
16 First SiC region (p-well region)
18 Second SiC region (source region)
20 Third SiC region (p-well contact region)
24 First electrode (source / p-well common electrode)
28
100 MOSFET
200 MOSFET
Claims (21)
前記SiC層の表面に設けられるゲート絶縁膜であって、前記SiC層の表面に接する酸化膜または酸窒化膜を含み、前記酸化膜または酸窒化膜がMg、Ca、Sr、Baから選ばれる少なくとも一つの元素を含み、前記ゲート絶縁膜中の前記元素の濃度のピークが前記ゲート絶縁膜の前記SiC層側にあり、前記元素の濃度のピークが前記酸化膜または酸窒化膜中にあり、前記元素の濃度のピークの前記SiC層と反対側に前記元素の濃度が1×1016cm−3以下の領域を有する前記ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられるゲート電極と、
を備え、
前記ゲート絶縁膜中にC(炭素)を含み、前記ゲート絶縁膜中のC(炭素)の濃度のピークが前記ゲート絶縁膜の前記SiC層側にあり、前記C(炭素)の濃度のピークが前記酸化膜または酸窒化膜中にあることを特徴とする半導体装置。 A SiC layer;
A gate insulating film provided on the surface of the SiC layer, comprising an oxide film or oxynitride film in contact with the surface of the SiC layer, wherein the oxide film or oxynitride film is at least selected from Mg, Ca, Sr, Ba One element, the peak of the concentration of the element in the gate insulating film is on the SiC layer side of the gate insulating film, the peak of the concentration of the element is in the oxide film or oxynitride film, The gate insulating film having a region where the concentration of the element is 1 × 10 16 cm −3 or less on the opposite side of the SiC layer from the peak of the concentration of the element;
A gate electrode provided on the gate insulating film;
With
The gate insulating film contains C (carbon), the peak of C (carbon) concentration in the gate insulating film is on the SiC layer side of the gate insulating film, and the peak of C (carbon) concentration is A semiconductor device in the oxide film or oxynitride film.
前記SiC層の表面に設けられるゲート絶縁膜であって、前記SiC層の表面に接する酸化膜または酸窒化膜を含み、前記酸化膜または酸窒化膜がMg、Ca、Sr、Baから選ばれる少なくとも一つの元素を含み、前記ゲート絶縁膜中の前記元素の濃度のピークが前記ゲート絶縁膜の前記SiC層側にあり、前記元素の濃度のピークが前記酸化膜または酸窒化膜中にあり、前記元素の濃度のピークの前記SiC層と反対側に前記元素の濃度が1×1016cm−3以下の領域を有する前記ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられるゲート電極と、
を備え、
前記元素の濃度のピークの前記元素の濃度が、5.6×1017cm−3以上5×1020cm−3以下であることを特徴とする半導体装置。 A SiC layer;
A gate insulating film provided on the surface of the SiC layer, comprising an oxide film or oxynitride film in contact with the surface of the SiC layer, wherein the oxide film or oxynitride film is at least selected from Mg, Ca, Sr, Ba One element, the peak of the concentration of the element in the gate insulating film is on the SiC layer side of the gate insulating film, the peak of the concentration of the element is in the oxide film or oxynitride film, The gate insulating film having a region where the concentration of the element is 1 × 10 16 cm −3 or less on the opposite side of the SiC layer from the peak of the concentration of the element;
A gate electrode provided on the gate insulating film;
With
A concentration of the element at a peak of the element concentration is 5.6 × 10 17 cm −3 or more and 5 × 10 20 cm −3 or less.
前記SiC層の表面に設けられるゲート絶縁膜であって、前記SiC層の表面に接する酸化膜または酸窒化膜を含み、前記酸化膜または酸窒化膜がMg、Ca、Sr、Baから選ばれる少なくとも一つの元素を含み、前記ゲート絶縁膜中の前記元素の濃度のピークが前記ゲート絶縁膜の前記SiC層側にあり、前記元素の濃度のピークが前記酸化膜または酸窒化膜中にあり、前記元素の濃度のピークの前記SiC層と反対側に前記元素の濃度が1×1016cm−3以下の領域を有する前記ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられるゲート電極と、
を備え、
前記SiC層と前記ゲート絶縁膜の界面に、前記SiC層側をプラスとし、前記ゲート絶縁膜側をマイナスとする固定ダイポールが存在することを特徴とする半導体装置。 A SiC layer;
A gate insulating film provided on the surface of the SiC layer, comprising an oxide film or oxynitride film in contact with the surface of the SiC layer, wherein the oxide film or oxynitride film is at least selected from Mg, Ca, Sr, Ba One element, the peak of the concentration of the element in the gate insulating film is on the SiC layer side of the gate insulating film, the peak of the concentration of the element is in the oxide film or oxynitride film, The gate insulating film having a region where the concentration of the element is 1 × 10 16 cm −3 or less on the opposite side of the SiC layer from the peak of the concentration of the element;
A gate electrode provided on the gate insulating film;
With
A semiconductor device, wherein a fixed dipole having a positive side on the SiC layer side and a negative side on the gate insulating film side exists at an interface between the SiC layer and the gate insulating film.
前記SiC層の表面に設けられるゲート絶縁膜であって、前記SiC層の表面に接する酸化膜または酸窒化膜を含み、前記酸化膜または酸窒化膜がMg、Ca、Sr、Baから選ばれる少なくとも一つの元素を含み、前記ゲート絶縁膜中の前記元素の濃度のピークが前記ゲート絶縁膜の前記SiC層側にあり、前記元素の濃度のピークが前記酸化膜または酸窒化膜中にあり、前記元素の濃度のピークの前記SiC層と反対側に前記元素の濃度が1×1016cm−3以下の領域を有する前記ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられるゲート電極と、
を備え、
前記酸化膜または酸窒化膜が、シリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜であることを特徴とする半導体装置。 A SiC layer;
A gate insulating film provided on the surface of the SiC layer, comprising an oxide film or oxynitride film in contact with the surface of the SiC layer, wherein the oxide film or oxynitride film is at least selected from Mg, Ca, Sr, Ba One element, the peak of the concentration of the element in the gate insulating film is on the SiC layer side of the gate insulating film, the peak of the concentration of the element is in the oxide film or oxynitride film, The gate insulating film having a region where the concentration of the element is 1 × 10 16 cm −3 or less on the opposite side of the SiC layer from the peak of the concentration of the element;
A gate electrode provided on the gate insulating film;
With
A semiconductor device, wherein the oxide film or oxynitride film is a silicon oxide film or a silicon oxynitride film.
前記元素の濃度のピークの前記元素の濃度が、前記C(炭素)の濃度のピークのC(炭素)の濃度の80%以上120%以下であり、
前記元素の濃度のピークの前記元素の濃度が、5×1018cm−3以上5×1020cm−3以下である請求項7記載の半導体装置。 The gate insulating film contains C (carbon), the peak of C (carbon) concentration in the gate insulating film is on the SiC layer side of the gate insulating film, and the peak of C (carbon) concentration is In the oxide film or oxynitride film,
The concentration of the element at the peak of the element concentration is 80% or more and 120% or less of the concentration of C (carbon) at the peak of the concentration of C (carbon),
The semiconductor device according to claim 7, wherein the concentration of the element at the peak of the element concentration is 5 × 10 18 cm −3 or more and 5 × 10 20 cm −3 or less.
前記SiC基板の前記第1の面側に設けられた第1導電型のSiC層と、
前記SiC層の表面に設けられた第2導電型の第1のSiC領域と、
前記第1のSiC領域の表面に設けられた第1導電型の第2のSiC領域と、
前記SiC層、前記第1のSiC領域の表面に連続的に設けられたゲート絶縁膜であって、前記第1のSiC領域の表面に接するシリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜を含み、前記シリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜がMg、Ca、Sr、Baから選ばれる少なくとも一つの元素を含み、前記ゲート絶縁膜中の前記元素の濃度のピークが前記ゲート絶縁膜の前記第1のSiC領域側にあり、前記元素の濃度のピークが前記シリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜中にあり、前記元素の濃度のピークの前記SiC層と反対側に前記元素の濃度が1×1016cm−3以下の領域を有する前記ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記第2のSiC領域上に形成された第1の電極と、
前記SiC基板の前記第2の面側に形成された第2の電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 A SiC substrate having first and second surfaces;
A first conductivity type SiC layer provided on the first surface side of the SiC substrate;
A first SiC region of a second conductivity type provided on the surface of the SiC layer;
A second SiC region of a first conductivity type provided on a surface of the first SiC region;
A gate insulating film continuously provided on a surface of the SiC layer and the first SiC region, and including a silicon oxide film or a silicon oxynitride film in contact with the surface of the first SiC region; The film or the silicon oxynitride film contains at least one element selected from Mg, Ca, Sr, and Ba, and the peak of the concentration of the element in the gate insulating film is on the first SiC region side of the gate insulating film. The concentration peak of the element is in the silicon oxide film or the silicon oxynitride film, and the concentration of the element is 1 × 10 16 cm −3 or less on the side opposite to the SiC layer of the concentration peak of the element The gate insulating film having a region;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A first electrode formed on the second SiC region;
A second electrode formed on the second surface side of the SiC substrate;
A semiconductor device comprising:
前記SiC基板の前記第1の面側に設けられた第1導電型のSiC層と、
前記SiC層の表面に設けられた第2導電型の第1のSiC領域と、
前記第1のSiC領域の表面に設けられた第1導電型の第2のSiC領域と、
前記SiC層、前記第1のSiC領域の表面に連続的に設けられたゲート絶縁膜であって、前記第1のSiC領域の表面に接する酸化膜または酸窒化膜を含み、前記酸化膜または酸窒化膜がMg、Ca、Sr、Baから選ばれる少なくとも一つの元素を含み、前記ゲート絶縁膜中の前記元素のピークが前記ゲート絶縁膜の前記第1のSiC領域側にあり、前記元素の濃度のピークが前記酸化膜または酸窒化膜中にあり、前記元素の濃度のピークの前記SiC層と反対側に前記元素の濃度が1×1016cm−3以下の領域を有する前記ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記第2のSiC領域上に形成された第1の電極と、
前記SiC基板の前記第2の面側に形成された第2の電極と、
を備え、
前記ゲート絶縁膜中にC(炭素)を含み、前記ゲート絶縁膜中のC(炭素)の濃度のピークが前記ゲート絶縁膜の前記第1のSiC領域側にあり、前記C(炭素)の濃度のピークが前記酸化膜または酸窒化膜中にあることを特徴とする半導体装置。 A SiC substrate having first and second surfaces;
A first conductivity type SiC layer provided on the first surface side of the SiC substrate;
A first SiC region of a second conductivity type provided on the surface of the SiC layer;
A second SiC region of a first conductivity type provided on a surface of the first SiC region;
A gate insulating film continuously provided on a surface of the SiC layer and the first SiC region, the oxide layer or the oxynitride film being in contact with the surface of the first SiC region; The nitride film contains at least one element selected from Mg, Ca, Sr, and Ba, the peak of the element in the gate insulating film is on the first SiC region side of the gate insulating film, and the concentration of the element The gate insulating film having a region in which the concentration of the element is 1 × 10 16 cm −3 or less on the opposite side of the SiC layer from the peak of the concentration of the element in the oxide film or the oxynitride film ,
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A first electrode formed on the second SiC region;
A second electrode formed on the second surface side of the SiC substrate;
With
The gate insulating film contains C (carbon), and the peak of C (carbon) concentration in the gate insulating film is on the first SiC region side of the gate insulating film, and the concentration of C (carbon) The semiconductor device is characterized in that the peak of is in the oxide film or oxynitride film.
前記第1の絶縁膜上に、前記第1の絶縁膜より前記元素の濃度の低い第2の絶縁膜を形成し、
前記第2の絶縁膜上にゲート電極を形成し、
前記第2の絶縁膜の前記元素の濃度が1×10 16 cm −3 以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film containing at least one element selected from Mg, Ca, Sr, and Ba on the SiC layer;
Forming a second insulating film having a lower concentration of the element than the first insulating film on the first insulating film;
Forming a gate electrode on the second insulating film;
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the concentration of the element in the second insulating film is 1 × 10 16 cm −3 or less .
前記第1の絶縁膜上に、前記第1の絶縁膜より前記元素の濃度の低い第2の絶縁膜を形成し、
前記第2の絶縁膜上にゲート電極を形成し、
前記第1の絶縁膜の形成は、前記元素を含むシリコン膜を形成し、前記シリコン膜を酸化または酸窒化することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film containing at least one element selected from Mg, Ca, Sr, and Ba on the SiC layer;
Forming a second insulating film having a lower concentration of the element than the first insulating film on the first insulating film;
Forming a gate electrode on the second insulating film;
The formation of the first insulating film, forming a silicon film containing the element, the manufacturing method of the silicon film semiconductors devices you characterized oxide or a oxynitride to Turkey the.
前記第1の絶縁膜上に、前記第1の絶縁膜より前記元素の濃度の低い第2の絶縁膜を形成し、
前記第2の絶縁膜上にゲート電極を形成し、
前記第2の絶縁膜は、前記第1の絶縁膜よりもC(炭素)の濃度が低く、
前記第2の絶縁膜の前記元素の濃度が1×10 16 cm −3 以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first insulating film made of an oxide film or an oxynitride film containing at least one element selected from Mg, Ca, Sr, and Ba on the SiC layer;
Forming a second insulating film having a lower concentration of the element than the first insulating film on the first insulating film;
Forming a gate electrode on the second insulating film;
The second insulating film, the concentration of C (carbon) than the first insulating film is rather low,
Method of manufacturing a semi-conductor device, wherein the concentration of said element in said second insulating film is 1 × 10 16 cm -3 or less.
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