JP6713647B2 - 炭化珪素半導体装置 - Google Patents
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Description
本開示は、炭化珪素半導体装置に関する。
半導体装置は様々な用途に用いられている。近年では、２００℃以上の高温の環境や、吸収線量が数千Ｇｙ〜数万Ｇｙという環境においても作動する半導体装置が求められている。しかし、従来のシリコン（Ｓｉ）半導体は、このような環境において使用することは困難であり、新たな半導体材料が検討されている。中でも、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体は、高温耐性及び放射線耐性に優れた半導体材料として期待されている。
ＳｉＣはＳｉと比較してバンドギャップが広く、破壊電界強度が大きく、電子の飽和ドリフト速度が大きいといった優れた物性を有している。このため、パワー半導体の分野においては、高速且つ高耐圧の半導体としてＳｉＣ半導体は急速に広まりつつある。一方、ＳｉＣの論理回路への応用は、未だに進んでいない。論理回路には、ｐ型のトランジスタとｎ型のトランジスタとを組み合わせた相補型トランジスタを用いられている。しかし、ＳｉＣ半導体の場合、ｐ型のトランジスタの電界移動度が、ｎ型と比べて非常に低くなってしまう。このため、ＳｉＣ半導体においては、高性能の相補型トランジスタを形成することが困難である。
ＳｉＣ半導体により、論理回路を実現する方法として、ｎ型のトランジスタのみを用いて、擬似的に相補型トランジスタを形成することが検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。
しかしながら、従来のｎ型のトランジスタのみを用いた論理回路においては、ＳｉＣ半導体の利点を十分に生かすことができず、出力の振幅を大きくとることができないという問題がある。論理回路に用いるトランジスタには、出力最大電圧がしきい値電圧より大きいことが要求される。通常トランジスタは高温環境での動作時においてしきい値電圧が低下する。このため、高温環境において用いるトランジスタは、高温においてしきい値電圧が０ボルト以下にならないように、すなわちノーマリーオンにならないように、十分に高いしきい値電圧をとるように設計される。しきい値電圧を高くしたトランジスタを論理回路に用いるためには、十分に大きな最大出力電圧が必要となる。このためＳｉＣ半導体を論理回路に用いたことによる利点を十分に活用できない。
本開示の課題は、単一の導電型のトランジスタを用いて、振幅が大きい論理回路として動作する炭化珪素半導体装置を実現できるようにすることである。
本開示の炭化珪素半導体装置の一態様は、それぞれが、電源と接地との間に配置された第１トランジスタ及び第２トランジスタと、第１トランジスタと電源との間に接続された第３トランジスタと、第２トランジスタと電源との間に接続された第４トランジスタとを備え、第１トランジスタ、第２トランジスタ、第３トランジスタ及び第４トランジスタは、同一導電型であり、第１トランジスタ及び第２トランジスタのゲート電極は、第１論理信号が入力される第１入力端子と接続され、第３トランジスタの第１オーミック電極は、第１トランジスタの第２オーミック電極と接続され、第４トランジスタの第１オーミック電極は、第２トランジスタの第２オーミック電極と接続され、第３トランジスタのゲート電極及び第４トランジスタのゲート電極は、第１トランジスタの第２オーミック電極と第３トランジスタの第１オーミック電極との接続ノードと接続され、第２トランジスタの第２オーミック電極と第４トランジスタの第１オーミック電極との接続ノードは、前記第１論理信号の論理演算結果を出力する出力端子と接続されている。
炭化珪素半導体装置の一態様において、第１トランジスタ、第２トランジスタ、第３トランジスタ及び第４トランジスタは、基板の上に形成された炭化珪素半導体層と、ゲート電極と炭化珪素半導体層との間に設けられたゲート絶縁膜とを有し、ゲート絶縁膜の厚さは、３ｎｍ以上、３０ｎｍ以下とすることができる。
炭化珪素半導体装置の一態様において、ゲート電極は、モリブデン、ニオブ、又はニオブとニッケルとの積層体とすることができる。
炭化珪素半導体装置の一態様は、第１トランジスタと接地との間に接続された第５トランジスタと、第２トランジスタと接地との間に接続された第６トランジスタとをさらに備え、第５トランジスタ及び第６トランジスタのゲート電極は、第２論理信号が入力される第２入力端子と接続され、出力端子から、第１論理信号と第２論理信号との否定論理積を出力するようにすることができる。
炭化珪素半導体装置の一態様は、第１トランジスタと並列に接続された第５トランジスタと、第２トランジスタと並列に接続された第６トランジスタとをさらに備え、第５トランジスタ及び第６トランジスタのゲート電極は、第２論理信号が入力される第２入力端子と接続され、出力端子から、第１論理信号と第２論理信号との否定論理和を出力するようにすることもできる。
本開示の炭化珪素半導体装置によれば、単一の導電型のトランジスタを用いて、振幅が大きい論理回路として動作する炭化珪素半導体装置を実現できる。
以下において、トランジスタのオーミック電極の一方をソース電極、他方をドレイン電極として説明する。ソース電極とドレイン電極とは相互に入れ替え可能である。
図１に示すように、本実施形態の炭化珪素半導体装置は、電源電位Ｖdd1と接地との間に配置された第１トランジスタＭ１と、電源電位Ｖdd2と接地との間に配置された第２トランジスタＭ２と、第１トランジスタＭ１と電源電位Ｖdd1との間に接続された第３トランジスタＭ３と、第２トランジスタＭ２と電源電位Ｖdd2との間に接続された第４トランジスタＭ４とを備えている。なお、第３トランジスタＭ３が接続される電源電位Ｖdd1と第４トランジスタＭ４が接続される電源電位Ｖdd2とは、同一とすることができるが、異なっていてもよい。
第１トランジスタＭ１、第２トランジスタＭ２、第３トランジスタＭ３及び第４トランジスタＭ４は、同一導電型の金属−絶縁膜−半導体電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）である。本実施形態においては、第１トランジスタＭ１から第４トランジスタＭ４はｎ型とする。
第１トランジスタＭ１及び第２トランジスタＭ２のゲート電極（Ｇ）は、論理信号が入力される入力端子Ｔinと接続されている。第１トランジスタＭ１及び第２トランジスタＭ２のソース電極（Ｓ）は接地され、第３トランジスタＭ３のソース電極（Ｓ）は、第１トランジスタＭ１のドレイン電極（Ｄ）と接続され、第４トランジスタＭ４のソース電極（Ｓ）は第２トランジスタＭ２のドレイン電極（Ｄ）と接続されている。第３トランジスタＭ３のゲート電極（Ｇ）及び第４トランジスタＭ４のゲート電極（Ｇ）は、第１トランジスタＭ１のドレイン電極（Ｄ）と第３トランジスタＭ３のソース電極（Ｓ）との接続ノードと接続されている。第２トランジスタのドレイン電極（Ｄ）と第４トランジスタＭ４のソース電極（Ｓ）との接続ノードは、出力端子Ｔoutと接続されている。入力端子Ｔinに入力された論理信号は、反転されてＴoutから出力される。
本実施形態において、第１トランジスタＭ１から第４トランジスタＭ４は、閾値電圧等の特性を同一とすることができる。但し、特性が異なるトランジスタを組み合わせることもできる。第１トランジスタＭ１から第４トランジスタＭ４は、エンハンスメント型であっても、デュプレッション型であってもよい。
本実施形態の炭化珪素半導体装置は、例えば以下のようにして形成することができる。まず、図２に示すように、４Ｈ型のＳｉＣ基板１１１の上に、ｐ型のＳｉＣ半導体層１１２を形成する。ＳｉＣ基板１１１の主面の面方位は、（０００１）とすることができるが、他の面方位とすることもできる。また、４°程度のオフ角が設けられていてもよい。ＳｉＣ基板１１１は、ｐ型、ｎ型及び半絶縁性のいずれとしてもよい。ＳｉＣ半導体層１１２は、アルミニウム（Ａｌ）等のｐ型の不純物を、６×１０17ｃｍ-3程度含むエピタキシャル成長層とすることができる。ＳｉＣ半導体層１１２の厚さは例えば３μｍ程度とすることができる。
次に、ＳｉＣ半導体層１１２に、ｎ＋型の不純物拡散層１１３を選択的に形成する。不純物拡散層１１３は、例えばＳｉＣ半導体層１１２の上に酸化膜からなるダミーゲートを形成した後、ヒ素（Ａｓ）等のｎ型不純物を５×１０19ｃｍ-3程度となるようにＳｉＣ半導体層１１２にイオン注入して形成することができる。イオン注入は５００℃程度の加熱下で行うことができる。イオン注入の後、カーボン膜をスパッタ法により成膜し、１８００℃程度で熱処理を行い、不純物の活性化を行うことができる。
次に、不純物拡散層１１３を形成したＳｉＣ半導体層１１２の上に、ゲート絶縁膜１１４を形成する。ゲート絶縁膜１１４は、熱酸化膜とすることができるが、堆積膜とすることもできる。ゲート絶縁膜１１４の厚さは、ゲートリーク等の観点から好ましくは３ｎｍ以上、より好ましくは５ｎｍ以上、さらに好ましくは１０ｎｍ以上である。また、放射線耐性の観点から好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以下である。
次に、図３に示すように、不純物拡散層１１３とオーミック接触したオーミック電極１１５を形成する。オーミック電極１１５は、不純物拡散層１１３の位置にコンタクトホールを形成した後、ニオブとニッケルとの積層膜を選択的に形成し、９５０℃程度で熱処理してシリサイド化して形成することができる。この後、ゲート電極１１６を選択的に形成する。ゲート電極１１６は例えば、Ａｌ膜とすることができる。
次に、図４に示すように、オーミック電極１１５及びゲート電極１１６を覆うように、層間絶縁膜１１７を形成し、必要に応じてコンタクトホールの形成及び配線の形成を行い、論理回路である炭化珪素半導体装置を形成する。
本実施形態の炭化珪素半導体装置は、入力端子（Ｔin）から入力された論理信号を出力端子（Ｔout）から反転して出力するインバータ回路として機能する。図５は、種々の温度における電源電圧Ｖdd1及びＶdd2を５Ｖとした場合の入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖoutとの関係を示している。図５に示すように、入力電圧Ｖinが０Ｖ（Ｌ）の場合には、出力電圧Ｖoutは４．５Ｖ（Ｈ）以上となり、電源電圧とほぼ一致した。入力電圧Ｖinが５Ｖの場合には出力電圧Ｖoutが２Ｖ以下（Ｌ）となり、特に１００℃以上の場合にはほぼ０Ｖ（Ｌ）となった。本実施形態の炭化珪素半導体装置は、ｎ型トランジスタと、ｐ型トランジスタとを相補的に組み合わせることなく、ｎ型トランジスタのみにより論理回路を構成している。電界移動度が高いトランジスタを容易に作ることができるｎ型トランジスタのみにより論理回路を形成することができるため、高速に動作する論理回路が容易に実現できる。
また、本実施形態の炭化珪素半導体装置は、出力を大きく振ることができ、特に１００℃以上の高温においてＨとＬとの電圧差をより大きくできるため、従来の単一導電型のトランジスタを用いた論理回路と比べて、ノイズに対する耐性を大きく向上させることができる。
オーミック電極の材質は特に限定されないが、高融点の金属材料を用いることにより、耐熱性を向上させることができる。高融点の金属材料としては、モリブデン、ニオブ、モリブデンとニッケルとの積層体、及びニオブとニッケルとの積層体等を用いることができる。積層体は、明確な層構造を有していても、合金化して層構造が認められなくなっていてもよい。コンタクト抵抗を低減する観点から、これらの金属材料はシリサイド化されていることが好ましい。
具体的に、ニオブとニッケルとの積層体によりオーミック電極を形成した炭化珪素半導体装置について、４５０℃の高温下において耐久試験を行ったところ、電子電界移動度は室温に比べ酸化膜厚が１０ｎｍ及び２０ｎｍの場合の両方で２８倍増加した。また、しきい値電圧は酸化膜が１０ｎｍの場合には−４．３ｍＶ／Ｋ、２０ｎｍの場合には−２．６ｍＶ／Ｋに従って低下した。
なお、ゲート電極についても、Ａｌに代えて高融点の金属材料を用いることができる。ゲート電極に高融点の金属材料を用いることにより、耐熱性をさらに向上させることができる。
本実施形態の炭化珪素半導体装置は、ゲート絶縁膜の膜厚を好ましくは３０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以下とすることにより、優れた放射線耐性を示す。放射線によりゲート絶縁膜中に電子と正孔とが発生する。発生した電子は、容易にゲート電極に移動することができる。しかし、正孔は、ゲート絶縁膜中に滞留し易く、ゲート絶縁膜中に滞留した正孔は、酸化膜の分子結合を切断し劣化させる。ゲート絶縁膜を薄くすることにより、ゲート絶縁膜中において発生した正孔を量子トンネル効果によりチャネルに逃がし酸化膜の劣化を抑えることが可能となる。
本実施形態の炭化珪素半導体装置について、コバルト６０（Ｃｏ６０）ガンマ線源を用いた放射線に対する耐久試験を行ったところ、１．１３ＭＧｙのガンマ線曝露で、電子電界移動度の変化は酸化膜の膜厚が１０ｎｍのトランジスタで８％、２０ｎｍのトランジスタで２６％となった。また曝露後のしきい値電圧の変化はどちらの酸化膜の場合も６％程度であった。
本実施形態の炭化珪素半導体装置は、通常のシリコン半導体からなる論理回路と同様に用いることができるが、特に高温の環境において使用することができ例えば自動車のエンジン部分等において用いることができる。さらに、高温及び高線量の環境において使用することができるため、原子炉等において使用することもできる。
本実施形態において、論理回路としてインバータ回路を示したが、トランジスタの数を増やすことにより、ＮＡＮＤ回路又はＮＯＲ回路とすることができる。
ＮＡＮＤ回路は、図６に示すような回路とすることができる。具体的に、インバータ回路と同様に第１トランジスタＭ１〜第４トランジスタＭ４が接続された回路の第１トランジスタＭ１と接地との間に第５トランジスタＭ５が接続され、第２トランジスタＭ２と接地との間に第６トランジスタＭ６が接続されている。第５トランジスタＭ５及び第６トランジスタＭ６のゲート電極（Ｇ）は、第２入力端子Ｔin2と接続されている。第１トランジスタＭ１及び第２トランジスタＭ２のゲート電極（Ｇ）が接続された第１入力端子Ｔin1から第１論理信号が入力され、第２入力端子Ｔin2から第２論理信号が入力される。第２トランジスタのドレイン電極（Ｄ）と第４トランジスタＭ４のソース電極（Ｓ）との接続ノードと接続された出力端子Ｔoutから、第１論理信号と第２論理信号との否定論理積が出力される。
ＮＯＲ回路は、図７に示すような回路とすることができる。具体的に、インバータ回路と同様に第１トランジスタＭ１〜第４トランジスタＭ４が接続された回路の第１トランジスタＭ１と並列に第５トランジスタＭ５が接続され、第２トランジスタＭ２と並列に第６トランジスタＭ６が接続されている。第５トランジスタＭ５及び第６トランジスタＭ６のゲート電極（Ｇ）は、第２入力端子Ｔin2と接続されている。第１トランジスタＭ１及び第２トランジスタＭ２のゲート電極（Ｇ）が接続された第１入力端子Ｔin1から第１論理信号が入力され、第２入力端子Ｔin2から第２論理信号が入力される。第２トランジスタＭ２及び第６トランジスタＭ６のドレイン電極（Ｄ）と第４トランジスタＭ４のソース電極（Ｓ）との接続ノードと接続された出力端子Ｔoutから、第１論理信号と第２論理信号との否定論理和が出力される。
なお、第５トランジスタＭ５及び第６トランジスタＭ６も、第１トランジスタＭ１〜第４トランジスタＭ４と同一導電型のＭＩＳＦＥＴである。
また、インバータ回路、ＮＡＮＤ回路及びＮＯＲ回路を組み合わせることにより種々の論理回路を構成することができる。
本実施形態において、論理回路をｎ型のトランジスタのみにより構成する例を示した。ｎ型のトランジスタは移動度が高いものを容易に形成することができ、高性能の論理回路とすることができる。しかし、ｐ型のトランジスタのみにより構成することも可能である。また、本実施形態の炭化珪素半導体装置は、論理回路以外の部分を含んでいてもよく、その場合、論理回路以外の部分については、ｎ型のトランジスタとｐ型のトランジスタとが混在していてもよい。
本開示の炭化珪素半導体装置は、単一の導電型のトランジスタを用いて、振幅が大きい論理回路を実現でき、特に高温及び高線量の環境下において使用する半導体装置等として有用である。
１１１ ＳｉＣ基板
１１２ ＳｉＣ半導体層
１１３ 不純物拡散層
１１４ ゲート絶縁膜
１１５ オーミック電極
１１６ ゲート電極
１１７ 層間絶縁膜
１１２ ＳｉＣ半導体層
１１３ 不純物拡散層
１１４ ゲート絶縁膜
１１５ オーミック電極
１１６ ゲート電極
１１７ 層間絶縁膜
Claims (5)
- それぞれが、電源と接地との間に配置された第１トランジスタ及び第２トランジスタと、
前記第１トランジスタと電源との間に接続された第３トランジスタと、
前記第２トランジスタと電源との間に接続された第４トランジスタとを備え、
前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ及び前記第４トランジスタは、同一導電型の炭化珪素半導体からなるトランジスタであり、いずれもエンハンスメント型又はデュプレッション型であり、
前記第１トランジスタ及び前記第２トランジスタのゲート電極は、第１論理信号が入力される第１入力端子と接続され、
前記第３トランジスタの第１オーミック電極は、前記第１トランジスタの第２オーミック電極と接続され、
前記第４トランジスタの第１オーミック電極は、前記第２トランジスタの第２オーミック電極と接続され、
前記第３トランジスタのゲート電極及び前記第４トランジスタのゲート電極は、前記第１トランジスタの第２オーミック電極と前記第３トランジスタの第１オーミック電極との接続ノードと接続され、
前記第２トランジスタの第２オーミック電極と前記第４トランジスタの第１オーミック電極との接続ノードは、前記第１論理信号の論理演算結果を出力する出力端子と接続された、炭化珪素半導体装置。 - 前記第１トランジスタ、前記第２トランジスタ、前記第３トランジスタ及び前記第４トランジスタは、基板の上に形成された炭化珪素半導体層と、前記ゲート電極と前記炭化珪素半導体層との間に設けられたゲート絶縁膜とを有し、
前記ゲート絶縁膜の厚さは、３ｎｍ以上、３０ｎｍ以下である、請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記ゲート電極は、モリブデン、ニオブ、又はニオブとニッケルとの積層体からなる、請求項１又は２に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第１トランジスタと接地との間に接続された第５トランジスタと、
前記第２トランジスタと接地との間に接続された第６トランジスタとをさらに備え、
前記第５トランジスタ及び前記第６トランジスタは、前記第１〜第４トランジスタと同一導電型の炭化珪素半導体からなるトランジスタであり、且つ前記第１〜第４トランジスタと同じエンハンスメント型又はデュプレッション型であり、
前記第５トランジスタ及び前記第６トランジスタのゲート電極は、第２論理信号が入力される第２入力端子と接続され、
前記出力端子から、前記第１論理信号と前記第２論理信号との否定論理積を出力する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第１トランジスタと並列に接続された第５トランジスタと、
前記第２トランジスタと並列に接続された第６トランジスタとをさらに備え、
前記第５トランジスタ及び前記第６トランジスタは、前記第１〜第４トランジスタと同一導電型の炭化珪素半導体からなるトランジスタであり、且つ前記第１〜第４トランジスタと同じエンハンスメント型又はデュプレッション型であり、
前記第５トランジスタ及び前記第６トランジスタのゲート電極は、第２論理信号が入力される第２入力端子と接続され、
前記出力端子から、前記第１論理信号と前記第２論理信号との否定論理和を出力する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置。
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