JP6785202B2 - Silicon carbide semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、炭化珪素半導体装置に関する。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device.

従来、炭化珪素(以下、「SiC」と称する場合がある。)は、例えば、モータ制御システムに適用されるパワーデバイスの材料として注目されている。SiCを用いたデバイスの研究が進められており、例えば、SiCを半導体基板として用いた炭化珪素半導体装置が知られている(例えば、特許文献1を参照)。 Conventionally, silicon carbide (hereinafter, may be referred to as "SiC") has attracted attention as a material for power devices applied to, for example, motor control systems. Research on devices using SiC is underway, and for example, a silicon carbide semiconductor device using SiC as a semiconductor substrate is known (see, for example, Patent Document 1).

例えば、特許文献1には、「ワイドバンドギャップ半導体材料の基板上に、組成比で90%以上の二酸化珪素膜を母体とし且つ10%以下の窒素で主に構成される絶縁膜を形成した絶縁膜構造体であって、前記絶縁膜と前記ワイドバンドギャップ半導体材料基板との界面近傍において、珪素組成比、及び、炭素組成比が急激に変化する遷移領域を有し、前記遷移領域において酸素濃度が前記二酸化珪素中の酸素濃度の90%になる位置を界面と定義した時に、前記界面からの距離が二酸化珪素側で5nm以下、炭化珪素側で5nm以下の領域に含まれる窒素濃度が面積密度で5.0×1013cm−2より高く、1.6×1014cm−2未満である」絶縁膜構造体が開示されている。 For example, Patent Document 1 states, "Insulation in which an insulating film having a composition ratio of 90% or more as a base and mainly composed of 10% or less of nitrogen is formed on a substrate of a wide bandgap semiconductor material. The film structure has a transition region in which the silicon composition ratio and the carbon composition ratio change rapidly in the vicinity of the interface between the insulating film and the wide bandgap semiconductor material substrate, and the oxygen concentration in the transition region. When the position where is 90% of the oxygen concentration in the silicon dioxide is defined as the interface, the nitrogen concentration contained in the region where the distance from the interface is 5 nm or less on the silicon dioxide side and 5 nm or less on the silicon carbide side is the area density. It is higher than 5.0 × 10 13 cm - 2 and less than 1.6 × 10 14 cm- 2. ”Insulation film structures are disclosed.

特開2011−082454号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-082454

本発明の目的は、ゲート電極にストレス電圧を印加した場合であっても、安定した半導体素子特性を有する炭化珪素半導体装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device having stable semiconductor device characteristics even when a stress voltage is applied to a gate electrode.

上記課題を解決するための手段には、以下の態様が含まれる。
<1> ゲート電極と、
二酸化珪素の絶縁膜と、
炭化珪素の半導体基板と、を備え、
前記二酸化珪素の絶縁膜と前記炭化珪素の半導体基板との界面では、炭化珪素側の2つの珪素原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に、窒素原子が配位している絶縁ゲート型の炭化珪素半導体装置。
<2> 前記界面における前記炭化珪素側の結晶面が、m面、a面、Si面およびC面のうちのいずれか一つの面であり、かつ、各々の結晶面のずれが、±10%以内である<1>に記載の炭化珪素半導体装置。
<3> 前記界面における前記炭化珪素側の結晶面がm面である<2>に記載の炭化珪素半導体装置。
The means for solving the above problems include the following aspects.
<1> With the gate electrode
With an insulating film of silicon dioxide,
With a silicon carbide semiconductor substrate,
At the interface between the silicon dioxide insulating film and the silicon carbide semiconductor substrate, an insulating gate type in which a nitrogen atom is coordinated to at least a part of carbon sites bonded to only two silicon atoms on the silicon carbide side. Silicon carbide semiconductor device.
<2> The crystal plane on the silicon carbide side at the interface is any one of the m-plane, a-plane, Si-plane and C-plane, and the deviation of each crystal plane is ± 10%. The silicon carbide semiconductor device according to <1>, which is within.
<3> The silicon carbide semiconductor device according to <2>, wherein the crystal plane on the silicon carbide side at the interface is the m-plane.

本発明の炭化珪素半導体装置によれば、ゲート電極にストレス電圧を印加した場合であっても、安定した半導体素子特性を有する炭化珪素半導体装置が提供される。 According to the silicon carbide semiconductor device of the present invention, there is provided a silicon carbide semiconductor device having stable semiconductor element characteristics even when a stress voltage is applied to the gate electrode.

本実施形態の炭化珪素半導体装置における炭化珪素と酸化珪素との界面の炭化珪素側の結晶構造の一例を表す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the crystal structure on the silicon carbide side of the interface between silicon carbide and silicon oxide in the silicon carbide semiconductor device of this embodiment. 本実施形態の炭化珪素半導体装置における炭化珪素と酸化珪素との界面の炭化珪素側の結晶構造の他の一例を表す模式図である。It is a schematic diagram which shows another example of the crystal structure on the silicon carbide side of the interface between silicon carbide and silicon oxide in the silicon carbide semiconductor device of this embodiment. 本実施形態の炭化珪素半導体装置の一例を表す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the silicon carbide semiconductor device of this embodiment. 本実施形態の炭化珪素半導体装置の他の一例を表す模式図である。It is a schematic diagram which shows another example of the silicon carbide semiconductor device of this embodiment. ゲート電圧掃引時の静電容量を表すグラフである。It is a graph which shows the capacitance at the time of a gate voltage sweep. X線吸収分光分析結果を表すグラフである。It is a graph which shows the X-ray absorption spectroscopic analysis result.

以下、本発明の炭化珪素半導体装置の一例である好ましい実施形態について説明する。 Hereinafter, a preferred embodiment which is an example of the silicon carbide semiconductor device of the present invention will be described.

本実施形態の炭化珪素半導体装置は、ゲート電極と、二酸化珪素(以下、「SiO」と称する場合がある。)の絶縁膜と、炭化珪素(SiC)の半導体基板とを備える。そして、二酸化珪素(SiO)の絶縁膜と炭化珪素(SiC)の半導体基板との界面(以下、「SiC/SiO界面」と称する場合がある。)では、炭化珪素側の2つの珪素原子(以下、「Si原子」と称する場合がある。)のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に、窒素原子が配位している。つまり、窒素原子は、SiOの絶縁膜の原子との結合によらず、SiC側の2つのSi原子と結合している。
なお、2つのSi原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位されるとは、2つのSi原子のみと結合している炭素原子と置換された状態であること以外にも、2つのSi原子のみと結合する炭素原子が欠陥となっている炭素サイトに、窒素原子が導入されていることも包含する概念である。
The silicon carbide semiconductor device of the present embodiment includes a gate electrode, an insulating film of silicon dioxide (hereinafter, may be referred to as “SiO 2 ”), and a semiconductor substrate of silicon carbide (SiC). Then, at the interface between the insulating film of silicon dioxide (SiO 2 ) and the semiconductor substrate of silicon carbide (SiC) (hereinafter, may be referred to as "SiC / SiO 2 interface"), two silicon atoms on the silicon carbide side are used. (Hereinafter, it may be referred to as "Si atom".) A nitrogen atom is coordinated to at least a part of a carbon site that is bonded only. That is, the nitrogen atom is bonded to the two Si atoms on the SiC side regardless of the bond to the atom of the insulating film of SiO 2 .
In addition, the fact that a nitrogen atom is coordinated to at least a part of a carbon site bonded to only two Si atoms means that the carbon atom is substituted with a carbon atom bonded to only two Si atoms. It is also a concept that includes the introduction of a nitrogen atom into a carbon site in which a carbon atom bonded to only two Si atoms is defective.

また、本実施形態の炭化珪素半導体装置は、絶縁ゲート型の半導体装置である。本実施形態の炭化珪素半導体装置は、ゲート電極、SiOの絶縁膜(SiO絶縁膜)、及びSiCの半導体基板(SiC半導体基板)を備えており、SiC/SiO界面で、SiC側の2つのSi原子と結合する炭素サイトの少なくとも一部に、窒素原子が配位していれば、絶縁ゲート型の半導体装置の構造は、特に限定されるものではない。 Further, the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment is an insulated gate type semiconductor device. The silicon carbide semiconductor device of the present embodiment includes a gate electrode, a SiO 2 insulating film (SiO 2 insulating film), and a SiC semiconductor substrate (SiC semiconductor substrate), and is located on the SiC side at the SiC / SiO 2 interface. The structure of the insulated gate type semiconductor device is not particularly limited as long as the nitrogen atom is coordinated to at least a part of the carbon site bonded to the two Si atoms.

本実施形態の炭化珪素半導体装置は、例えば、MOS(Metal Oxide Semiconductor)構造を有していてもよく、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)構造を有していてもよい。また、プレーナ構造を有していてもよく、トレンチ構造を有していてもよい。本実施形態の炭化珪素半導体装置において、ゲート電極、SiO絶縁膜、及びSiC半導体基板以外の構造は、目的とする構造に応じて、公知の構造を採用すればよい。また、ゲート電極、SiO絶縁膜、及びSiC半導体基板以外の構造を設けるときの方法は、公知の方法を採用すればよい。 The silicon carbide semiconductor device of the present embodiment may have, for example, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) structure. Further, it may have a planar structure or a trench structure. In the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, a known structure may be adopted for the structure other than the gate electrode, the SiO 2 insulating film, and the SiC semiconductor substrate, depending on the target structure. Further, as a method for providing a structure other than the gate electrode, the SiO 2 insulating film, and the SiC semiconductor substrate, a known method may be adopted.

ここで、図を参照して、本実施形態の炭化珪素半導体装置を説明する。
図1は、本実施形態の炭化珪素半導体装置における炭化珪素と酸化珪素との界面の炭化珪素側の結晶構造の一例を表す模式図である。図1に示す模式図は、具体的には、SiC/SiO界面におけるSiC側のa面から見た結晶構造を表している。つまり、図1に示す模式図の正面がSiCのa面を表している。また、図1において、結晶構造の上部側はm面を表している。図1において、11は珪素(Si)原子、12は炭素(C)原子、13は窒素(N)原子を表す。図1に示すように、窒素原子は、SiC/SiO界面で、SiC側のm面において、2つのSi原子と結合する炭素サイトの少なくとも一部に配位している。
Here, the silicon carbide semiconductor device of this embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a crystal structure on the silicon carbide side of the interface between silicon carbide and silicon oxide in the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment. Specifically, the schematic diagram shown in FIG. 1 shows a crystal structure seen from the a-plane on the SiC side at the SiC / SiO 2 interface. That is, the front surface of the schematic view shown in FIG. 1 represents the a-plane of SiC. Further, in FIG. 1, the upper side of the crystal structure represents the m-plane. In FIG. 1, 11 represents a silicon (Si) atom, 12 represents a carbon (C) atom, and 13 represents a nitrogen (N) atom. As shown in FIG. 1, the nitrogen atom coordinates at least a part of the carbon site bonded to the two Si atoms at the SiC / SiO 2 interface on the m-plane on the SiC side.

また、図2は、本実施形態の炭化珪素半導体装置における炭化珪素と酸化珪素との界面の炭化珪素側の結晶構造の他の一例を表す模式図である。具体的には、図2に示す模式図は、3次元表示として、SiC/SiO界面におけるSiC側の結晶構造を表した図である。図2に示す模式図において、結晶構造の上面側はm面を表している。図2に示すように、窒素原子は、SiC/SiO界面で、SiC側のm面において、2つのSi原子と結合する炭素サイトの少なくとも一部に配位している。なお、図2において、図1に示す模式図と同じ原子には同じ符号を付してある。 Further, FIG. 2 is a schematic view showing another example of the crystal structure on the silicon carbide side of the interface between silicon carbide and silicon oxide in the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment. Specifically, the schematic diagram shown in FIG. 2 is a diagram showing the crystal structure on the SiC side at the SiC / SiO 2 interface as a three-dimensional display. In the schematic view shown in FIG. 2, the upper surface side of the crystal structure represents the m-plane. As shown in FIG. 2, the nitrogen atom coordinates at least a part of the carbon site bonded to the two Si atoms at the SiC / SiO 2 interface on the m-plane on the SiC side. In FIG. 2, the same atoms as those in the schematic diagram shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals.

図3は、本実施形態の炭化珪素半導体装置の一例を表す模式図である。図3において、300は炭化珪素半導体装置、31はSiCの半導体基板、33はSiOの絶縁膜、35はゲート電極を示す。また、図3において、39はSiC/SiO界面を示す、図3に示す炭化珪素半導体装置300は、SiCの半導体基板(SiC半導体基板)31上に、SiOの絶縁膜(SiO絶縁膜)33が設けられており、SiO絶縁膜33上にゲート電極35が設けられている。SiC半導体基板31と、SiO絶縁膜33との間に、SiC/SiO界面39が存在する。SiC/SiO界面39において、SiC側のa面から観察すると、図1に示す模式図のようになる。 FIG. 3 is a schematic view showing an example of the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment. In FIG. 3, 300 is a silicon carbide semiconductor device, 31 is a SiC semiconductor substrate, 33 is an insulating film of SiO 2 , and 35 is a gate electrode. Further, in FIG. 3, 39 indicates a SiC / SiO 2 interface, and the silicon carbide semiconductor device 300 shown in FIG. 3 has a SiO 2 insulating film (SiO 2 insulating film) on a SiC semiconductor substrate (SiC semiconductor substrate) 31. ) 33 is provided, and the gate electrode 35 is provided on the SiO 2 insulating film 33. A SiC / SiO 2 interface 39 exists between the SiC semiconductor substrate 31 and the SiO 2 insulating film 33. When observed from the surface a on the SiC side at the SiC / SiO 2 interface 39, the schematic diagram shown in FIG. 1 is obtained.

図4は、本実施形態の炭化珪素半導体装置の他の一例を表す模式図である。具体的には、図4に示す模式図は、トレンチ構造を有する半導体装置を表した図である。図4において、400は炭化珪素半導体装置、41はSiCの半導体基板、43はSiO絶縁膜、45はゲート電極を示す。図4に示す炭化珪素半導体装置は、SiCの半導体基板41の上面から下面に向かって伸びるトレンチが設けられている。また、トレンチが設けられている部分のSiCの半導体基板41上には、SiO絶縁膜43が設けられている。そして、トレンチが設けられている部分には、SiO絶縁膜43と接するように、ゲート電極45が設けられている。なお、図4において、Mで示される部分は、図3に示される炭化珪素半導体装置の構造と同じ構造が形成されている。つまり、半導体装置400は、SiC半導体基板41上に、SiO絶縁膜43が設けられており、SiOの絶縁膜43上にゲート電極45が設けられている。
以下、符号は省略して説明する。
FIG. 4 is a schematic view showing another example of the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment. Specifically, the schematic diagram shown in FIG. 4 is a diagram showing a semiconductor device having a trench structure. In FIG. 4, 400 is a silicon carbide semiconductor device, 41 is a SiC semiconductor substrate, 43 is a SiO 2 insulating film, and 45 is a gate electrode. The silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 4 is provided with a trench extending from the upper surface to the lower surface of the SiC semiconductor substrate 41. Further, a SiO 2 insulating film 43 is provided on the SiC semiconductor substrate 41 in the portion where the trench is provided. A gate electrode 45 is provided in a portion where the trench is provided so as to be in contact with the SiO 2 insulating film 43. In FIG. 4, the portion indicated by M has the same structure as that of the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. That is, in the semiconductor device 400, the SiO 2 insulating film 43 is provided on the SiC semiconductor substrate 41, and the gate electrode 45 is provided on the SiO 2 insulating film 43.
Hereinafter, the reference numerals will be omitted.

本明細書中において、二酸化珪素の絶縁膜と炭化珪素の半導体基板との「界面」は、以下の範囲であることを意味する。
「界面」は、SiOとSiCとの遷移領域において、酸素濃度が、SiO中での酸素濃度として50%となる位置を中心として、その中心から、炭化珪素側に5nm以内までの範囲、および二酸化珪素側に5nm以内までの範囲を表す。
本明細書中において、m面は(1−100面)、a面は(11−20)面、Si面(0001)、C面は(000−1)面を表す。なお、「−」は、「−」の右隣の数字の上に付されるものであるが、便宜上、数字の左隣に付してある。
In the present specification, the "interface" between the insulating film of silicon dioxide and the semiconductor substrate of silicon carbide means the following range.
The "interface" is a range from the center to within 5 nm on the silicon carbide side, centering on the position where the oxygen concentration is 50% as the oxygen concentration in SiO 2 in the transition region between SiO 2 and SiC. And the range up to 5 nm on the silicon dioxide side is shown.
In the present specification, the m plane represents the (1-100 plane), the a plane represents the (11-20) plane, the Si plane (0001), and the C plane represents the (000-1) plane. The "-" is attached above the number to the right of the "-", but for convenience, it is attached to the left of the number.

従来、例えば、半導体基板としてSiCを用い、SiCの半導体基板を熱酸化することで、SiCの半導体基板上に、二酸化珪素膜(SiO)SiOの絶縁膜が形成された半導体装置が知られている。このSiCの半導体基板と、SiCの半導体基板上に形成されたSiOの絶縁膜との界面には、遷移領域が形成される。そして、この遷移領域の内部では欠陥が多いために、界面準位密度が高く、チャンネル移動度が劣位である。
また、この対策として、例えば、窒素を含むガス(アンモニア、亜酸化窒素、一酸化窒素など)雰囲気中で熱処理することにより、SiC/SiO界面に窒素を含ませることで、遷移層の欠陥を少なくして、チャンネル移動度を向上させることが知られている。
Conventionally, for example, a semiconductor device in which a silicon dioxide film (SiO 2 ) SiO 2 insulating film is formed on a SiC semiconductor substrate by using SiC as a semiconductor substrate and thermally oxidizing the SiC semiconductor substrate is known. ing. A transition region is formed at the interface between the SiC semiconductor substrate and the SiO 2 insulating film formed on the SiC semiconductor substrate. Since there are many defects inside this transition region, the interface state density is high and the channel mobility is inferior.
In addition, as a countermeasure, for example, by heat-treating in a nitrogen-containing gas (ammonia, nitrous oxide, nitric oxide, etc.) atmosphere, nitrogen is contained in the SiC / SiO 2 interface to eliminate defects in the transition layer. It is known to improve channel mobility by reducing the amount.

例えば、特許文献1には、一酸化窒素(NO)などのガス雰囲気下で熱処理を行うことで、SiC/SiO界面の近傍に有する遷移領域に窒素を含ませた絶縁膜構造体が開示される。また、この絶縁膜構造体は、遷移領域において定義したSiC/SiO界面から、SiC側に5nmまで、およびSiO側に5nmまでの領域での窒素濃度を一定の範囲内としている。そして、この絶縁膜構造体を用いた半導体装置は、閾値電圧の変動は実質的にほとんど起こらず、安定した電気特性が得られるとされている。 For example, Patent Document 1 discloses an insulating film structure in which nitrogen is contained in a transition region near the SiC / SiO 2 interface by performing heat treatment in a gas atmosphere such as nitric oxide (NO). To. Further, in this insulating film structure, the nitrogen concentration in the region from the SiC / SiO 2 interface defined in the transition region to 5 nm on the SiC side and 5 nm on the SiO 2 side is within a certain range. It is said that in a semiconductor device using this insulating film structure, fluctuations in the threshold voltage hardly occur, and stable electrical characteristics can be obtained.

しかしながら、SiC/SiO界面から、SiC側まで領域およびSiO側まで領域における窒素濃度を特定しても、特にストレス電圧が印加された場合に、安定した半導体素子特性(電気特性)は十分に得られない。SiCを用いた半導体装置において、安定した電気特性を得るには、遷移領域におけるSiC/SiO界面からの特定の領域での窒素濃度を指定するだけでは十分ではないと考えられる。
このように、従来のSiCを用いた半導体装置は、安定した電気特性が要求されており、さらなる性能向上が望まれている。
However, even if the nitrogen concentration in the region from the SiC / SiO 2 interface to the SiC side and the region to the SiO 2 side is specified, stable semiconductor element characteristics (electrical characteristics) are sufficiently obtained, especially when a stress voltage is applied. I can't get it. In a semiconductor device using SiC, it is considered that it is not enough to specify the nitrogen concentration in a specific region from the SiC / SiO 2 interface in the transition region in order to obtain stable electrical characteristics.
As described above, the conventional semiconductor device using SiC is required to have stable electrical characteristics, and further improvement in performance is desired.

そこで、本実施形態の炭化珪素半導体装置では、SiC/SiO界面における窒素原子が配位するサイトまで特定している。これによって、適切なサイトに窒素が入ることになることで、SiC/SiO界面において、ダングリングボンドが少なくなり、キャリアのトラップが減少すると考えられる。その結果、ゲート電極にストレス電圧を印加した場合であっても、安定した半導体素子特性を有する(例えば、閾値電圧の変動が抑制される)と考えられる。 Therefore, in the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, even the site where the nitrogen atom is coordinated at the SiC / SiO 2 interface is specified. It is believed that this allows nitrogen to enter the appropriate sites, reducing dangling bonds and reducing carrier traps at the SiC / SiO 2 interface. As a result, even when a stress voltage is applied to the gate electrode, it is considered that the semiconductor element has stable characteristics (for example, fluctuation of the threshold voltage is suppressed).

以下、本実施形態の炭化珪素半導体装置を製造方法と共に説明する。
本実施形態の炭化珪素半導体装置の好ましい製造方法の一例としては、例えば、製造方法が好ましいSiCの半導体基板上にSiOの絶縁膜を設ける工程(絶縁膜形成工程)と、窒素原子を含むガス雰囲気下で熱処理する工程(熱処理工程)と、SiOの絶縁膜の上に、ゲート電極を形成する工程(ゲート電極形成工程)とを有する。
Hereinafter, the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment will be described together with the manufacturing method.
As an example of a preferable manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, for example, a step of providing an insulating film of SiO 2 on a SiC semiconductor substrate (insulating film forming step) in which the manufacturing method is preferable, and a gas containing a nitrogen atom. It has a step of heat treatment in an atmosphere (heat treatment step) and a step of forming a gate electrode on the insulating film of SiO 2 (gate electrode forming step).

(絶縁膜形成工程)
絶縁膜形成工程は、SiCの半導体基板上に、SiOの絶縁膜を形成する工程である。
(Insulating film forming process)
The insulating film forming step is a step of forming an insulating film of SiO 2 on a SiC semiconductor substrate.

半導体基板に用いるSiCは、例えば、2H−SiC、4H−SiC、6H−SiCが挙げられる。これらの中でも、例えばキャリア電子移動度等の点で、SiCは、4H−SiCが好ましい。 Examples of the SiC used for the semiconductor substrate include 2H-SiC, 4H-SiC, and 6H-SiC. Among these, 4H-SiC is preferable as SiC, for example, in terms of carrier electron mobility and the like.

SiO絶縁膜は、例えば、SiCの半導体基板を熱酸化することによって、SiCの半導体基板上に設けられる。熱酸化の条件は、例えば、酸素ガスを用いて、乾燥雰囲気下、1100℃〜1300℃(例えば1200℃)の温度で熱酸化を行うことがよい。また、例えば、水蒸気を含む湿潤雰囲気下、1000℃〜1300℃(例えば1100℃)の温度で熱酸化を行うことがよい。熱酸化の処理時間は目的とする絶縁膜の膜厚によって設定すればよい。
なお、SiO絶縁膜は、この熱酸化による熱酸化膜に限定されず、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法で堆積して、SiCの半導体基板上に設けてもよい。
The SiO 2 insulating film is provided on the SiC semiconductor substrate, for example, by thermally oxidizing the SiC semiconductor substrate. As for the conditions of thermal oxidation, for example, it is preferable to perform thermal oxidation using oxygen gas at a temperature of 1100 ° C. to 1300 ° C. (for example, 1200 ° C.) in a dry atmosphere. Further, for example, thermal oxidation may be performed at a temperature of 1000 ° C. to 1300 ° C. (for example, 1100 ° C.) in a moist atmosphere containing water vapor. The thermal oxidation treatment time may be set according to the target film thickness of the insulating film.
The SiO 2 insulating film is not limited to the thermal oxide film produced by thermal oxidation, and may be deposited on a SiC semiconductor substrate by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

SiO絶縁膜は、SiC半導体基板のm面、a面、Si面およびC面のうちのいずれか一つの面に対して形成すればよい。 The SiO 2 insulating film may be formed on any one of the m-plane, a-plane, Si-plane and C-plane of the SiC semiconductor substrate.

(熱処理工程)
熱処理(アニール)工程は、SiOの絶縁膜を設けたSiCの半導体基板を、窒素原子を含むガス雰囲気下で熱処理することによって、SiC/SiO界面に、SiC側の2つのSi原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に、窒素原子を配位させる工程である。この工程によって、SiC/SiO界面において、ダングリングボンドが少なくなり、キャリアのトラップが減少すると考えられる。その結果、ゲート電極にストレス電圧を印加した場合であっても、安定した半導体素子特性を有する炭化珪素半導体装置が得られる。
(Heat treatment process)
In the heat treatment (annealing) step, a SiC semiconductor substrate provided with a SiO 2 insulating film is heat-treated in a gas atmosphere containing nitrogen atoms, so that only two Si atoms on the SiC side are formed at the SiC / SiO 2 interface. This is a step of coordinating a nitrogen atom to at least a part of the carbon site to be bonded. It is believed that this step reduces dangling bonds and reduces carrier traps at the SiC / SiO 2 interface. As a result, a silicon carbide semiconductor device having stable semiconductor element characteristics can be obtained even when a stress voltage is applied to the gate electrode.

SiC/SiO界面において、SiC側の2つのSi原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位する結晶面は、m面、a面、Si面およびC面のうちのいずれか一つの面であり、かつ、各々の結晶面のずれが、±10%以内であることがよく、m面であることが好ましい。例えば、SiC半導体基板のm面側にSiO絶縁膜を形成した場合には、SiC/SiO界面におけるSiC側のm面で、2つのSi原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位される。同様に、SiC半導体基板のa面側にSiO絶縁膜を形成した場合には、SiC/SiO界面におけるSiC側のa面で、2つのSi原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位される。 At the SiC / SiO 2 interface, the crystal plane in which the nitrogen atom coordinates with at least a part of the carbon site bonded to only two Si atoms on the SiC side is any of m-plane, a-plane, Si-plane and C-plane. It is often one plane and the deviation of each crystal plane is within ± 10%, and it is preferably m plane. For example, when a SiO 2 insulating film is formed on the m-plane side of a SiC semiconductor substrate, nitrogen is present in at least a part of carbon sites bonded to only two Si atoms on the m-plane on the SiC side at the SiC / SiO 2 interface. Atoms are coordinated. Similarly, when the SiO 2 insulating film is formed on the a-plane side of the SiC semiconductor substrate, at least a part of the carbon sites bonded to only two Si atoms on the a-plane on the SiC side at the SiC / SiO 2 interface. Nitrogen atoms are coordinated.

窒素原子を含むガスは、例えば、NO、NO、NO等の窒素酸化物ガス;NH;などが挙げられる。これらの窒素原子を含むガスは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用して用いてもよい。また、窒素原子を含むガスとともに、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスを併用してもよい。 Gas containing nitrogen atoms is, for example, NO, N 2 O, nitrogen oxide gas, such as NO 2; NH 3; and the like. The gas containing these nitrogen atoms may be used alone or in combination of two or more. Further, an inert gas such as nitrogen gas, argon gas, or helium gas may be used in combination with the gas containing a nitrogen atom.

窒素原子を含むガス雰囲気下での熱処理温度は、例えば、1250℃〜1350℃の範囲が好ましい。熱処理の温度が低すぎる場合は、窒素原子が配位する速度が遅すぎてしまい、安定した半導体素子特性が得られ難くなる。また、熱処理の温度が高すぎる場合は、窒素原子を含むガスが、例えば、窒素酸化物である場合、窒素酸化物が分解して、かえって熱酸化が進行してしまうことが考えられる。なお、熱処理工程での熱処理時間としては、例えば、10分〜10時間の範囲が挙げられる。 The heat treatment temperature in a gas atmosphere containing nitrogen atoms is preferably in the range of, for example, 1250 ° C to 1350 ° C. If the heat treatment temperature is too low, the rate of coordination of nitrogen atoms will be too slow, and it will be difficult to obtain stable semiconductor device characteristics. Further, when the temperature of the heat treatment is too high, when the gas containing nitrogen atoms is, for example, nitrogen oxides, it is conceivable that the nitrogen oxides are decomposed and thermal oxidation proceeds instead. The heat treatment time in the heat treatment step includes, for example, a range of 10 minutes to 10 hours.

(ゲート電極形成工程)
ゲート電極形成工程は、SiO絶縁膜を形成したSiC半導体基板のSiO絶縁膜上に、ゲート電極を形成する工程である。ゲート電極は、不純物がドープされたポリシリコンでもよい(p型ポリシリコンおよびn型ポリシリコンのいずれでもよい)。また、ゲート電極は、アルミニウム等の金属及び金属化合物(例えば、TiSi)でもよい。
本実施形態の炭化珪素半導体装置が、トレンチ構造を有する場合、ゲート電極は、例えば、次のようにして得られる。SiC半導体基板の表面をドライエッチング等により、トレンチを形成する。次に、前述の熱酸化、またはCVD法により、トレンチを形成したSiC半導体基板上に、SiO絶縁膜を形成する。次に、SiO絶縁膜が形成されたトレンチの内部に、SiO絶縁膜上に設けられるように、例えば、不純物がドープされたポリシリコンを堆積することで、ゲート電極が形成される。
また、本実施形態の炭化珪素半導体装置が、プレーナ構造を有する場合、CVD法などにより、SiO絶縁膜上になるように、例えば、不純物がドープされたポリシリコンなどのゲート電極が形成される。
以上の工程を経て、本実施形態の炭化珪素半導体装置が得られる。
(Gate electrode forming process)
The gate electrode forming step is a step of forming a gate electrode on the SiO 2 insulating film of the SiC semiconductor substrate on which the SiO 2 insulating film is formed. The gate electrode may be polysilicon doped with impurities (either p-type polysilicon or n-type polysilicon). Further, the gate electrode may be a metal such as aluminum or a metal compound (for example, TiSi).
When the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment has a trench structure, the gate electrode can be obtained, for example, as follows. A trench is formed on the surface of the SiC semiconductor substrate by dry etching or the like. Next, a SiO 2 insulating film is formed on the SiC semiconductor substrate in which the trench is formed by the above-mentioned thermal oxidation or CVD method. Then, in the trench which SiO 2 insulating film is formed, as can be provided on the SiO 2 insulating film, for example, by depositing polysilicon doped with impurities, a gate electrode is formed.
Further, when the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment has a planar structure, for example, a gate electrode such as polysilicon doped with impurities is formed so as to be on the SiO 2 insulating film by the CVD method or the like. ..
Through the above steps, the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment is obtained.

なお、本実施形態の炭化珪素半導体装置は、上記で説明した各層以外に、公知の層を形成してもよい。公知の層を設ける方法は特に限定されず、公知の方法によって形成すればよい。 In the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment, a known layer may be formed in addition to the layers described above. The method of providing the known layer is not particularly limited, and the known layer may be formed by a known method.

以下に実施例について説明するが、本実施形態の炭化珪素半導体装置は、実施例に何ら限定されるものではない。 Examples will be described below, but the silicon carbide semiconductor device of the present embodiment is not limited to the examples.

<実施例>
以下のようにして、実施例および比較例の酸化珪素半導体装置を作製した。
まず、市販の4H−SiCの単結晶SiC半導体基板を準備する。次に、準備したSiC半導体基板に対し、SiC半導体基板の表面をドライエッチング法により、トレンチを形成する。次に、熱酸化を行い、トレンチ内部のSiC半導体基板上に、SiO絶縁膜を形成する。炭化珪素基板に対し熱酸化の条件は、乾燥酸素雰囲気下、1300℃、0.1時間である。次に、SiO絶縁膜を形成した炭化珪素基板に対し、濃度10%の一酸化窒素中で、1250℃以上の温度となるように、0.5時間の条件で熱処理(アニール処理)を行う。次に、SiO絶縁膜に接するように、SiO絶縁膜上に、不純物がドープされたポリシリコンを堆積させて、トレンチ内部にゲート電極を設ける。なお、SiO絶縁膜は、ゲート絶縁膜である。
以上のようにして、SiC半導体基板上に設けられたSiO絶縁膜およびゲート電極を有する実施例の酸化珪素半導体装置を作製した。
また、比較例の酸化珪素半導体装置は、アニール処理温度の条件を1150℃に変更したこと以外に、実施例の酸化珪素半導体装置と同様の手順で作製した。
<Example>
The silicon oxide semiconductor devices of Examples and Comparative Examples were produced as follows.
First, a commercially available 4H-SiC single crystal SiC semiconductor substrate is prepared. Next, a trench is formed on the surface of the prepared SiC semiconductor substrate by a dry etching method. Next, thermal oxidation is performed to form a SiO 2 insulating film on the SiC semiconductor substrate inside the trench. The conditions for thermal oxidation of the silicon carbide substrate are 1300 ° C. and 0.1 hour under a dry oxygen atmosphere. Next, the silicon carbide substrate on which the SiO 2 insulating film is formed is heat-treated (annealed) under the condition of 0.5 hours so that the temperature becomes 1250 ° C. or higher in nitric oxide having a concentration of 10%. .. Next, in contact with the SiO 2 insulating film, on the SiO 2 insulating film, by depositing polysilicon doped with impurities, providing a gate electrode in the trench. The SiO 2 insulating film is a gate insulating film.
As described above, the silicon oxide semiconductor device of the example having the SiO 2 insulating film and the gate electrode provided on the SiC semiconductor substrate was produced.
Further, the silicon oxide semiconductor device of the comparative example was manufactured in the same procedure as the silicon oxide semiconductor device of the example, except that the condition of the annealing treatment temperature was changed to 1150 ° C.

[評価]
得られた酸化珪素半導体装置について、X線吸収分光分析装置(分析条件/使用施設:九州シンクロトロン光研究センター、使用ビームライン:BL12、測定法:全電子収量法)により分析を行った。分析の結果を図6に示す。図6において、Aは実施例の炭化珪素半導体装置のX線吸収分光分析の分析結果を、Bは比較例の炭化珪素半導体装置のX線吸収分光分析の分析結果を、それぞれ表す。図6に示すように、実施例の炭化珪素半導体装置(A)の吸収スペクトルには、ショルダーが見られない。よって、実施例の酸化珪素半導体装置(A)は、図1に示す模式図のように、m面において、2つのSi原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位していることを確認した。
一方、図6に示すように、比較例の酸化珪素半導体装置(B)の吸収スペクトルには、矢印Sで示す位置に、ショルダーが見られる。よって、比較例の炭化珪素半導体装置(B)では、3つのSi原子と結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位していることを確認した。しかし、比較例の酸化珪素半導体装置(B)は、m面、a面、Si面及びC面のいずれの面においても、2つのSi原子のみと結合する炭素サイトに窒素原子が配位していることを確認できなかった。
[Evaluation]
The obtained silicon oxide semiconductor device was analyzed by an X-ray absorption spectrophotometer (analysis conditions / facility used: Kyushu Synchrotron Optical Research Center, beamline used: BL12, measurement method: total electron yield method). The result of the analysis is shown in FIG. In FIG. 6, A represents the analysis result of the X-ray absorption spectroscopy of the silicon carbide semiconductor device of the example, and B represents the analysis result of the X-ray absorption spectroscopy of the silicon carbide semiconductor device of the comparative example. As shown in FIG. 6, no shoulder is seen in the absorption spectrum of the silicon carbide semiconductor device (A) of the example. Therefore, in the silicon oxide semiconductor device (A) of the embodiment, as shown in the schematic diagram shown in FIG. 1, nitrogen atoms are coordinated to at least a part of carbon sites bonded to only two Si atoms on the m-plane. I confirmed that it was there.
On the other hand, as shown in FIG. 6, in the absorption spectrum of the silicon oxide semiconductor device (B) of the comparative example, a shoulder is seen at the position indicated by the arrow S. Therefore, in the silicon carbide semiconductor device (B) of the comparative example, it was confirmed that the nitrogen atom is coordinated to at least a part of the carbon sites bonded to the three Si atoms. However, in the silicon oxide semiconductor device (B) of the comparative example, the nitrogen atom is coordinated to the carbon site that is bonded to only two Si atoms on any of the m-plane, a-plane, Si-plane and C-plane. I could not confirm that it was there.

また、得られた酸化珪素半導体装置について、ゲート電極に対し電圧を印加して、CV測定(容量−電圧測定)を行った。図5は、ゲート電圧掃引時の静電容量を表すグラフである。図5において、Aは実施例の炭化珪素半導体装置のCV測定結果を、Bは比較例の炭化珪素半導体装置のCV測定結果を、それぞれ表す。図5に示すように、実施例の炭化珪素半導体装置(A)は、比較例の炭化珪素半導体装置(B)に比べ、ヒステリシスが小さく、閾値電圧の変動が小さいことがわかる。
したがって、2つのSi原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素原子が配位している実施例の炭化珪素半導体装置は、ゲート電極にストレス電圧を印加したときに発生する閾値電圧の変動が抑制されるため、安定した半導体素子特性を有することがわかる。
Further, with respect to the obtained silicon oxide semiconductor device, a voltage was applied to the gate electrode to perform CV measurement (capacity-voltage measurement). FIG. 5 is a graph showing the capacitance at the time of sweeping the gate voltage. In FIG. 5, A represents the CV measurement result of the silicon carbide semiconductor device of the example, and B represents the CV measurement result of the silicon carbide semiconductor device of the comparative example. As shown in FIG. 5, it can be seen that the silicon carbide semiconductor device (A) of the example has a smaller hysteresis and a smaller fluctuation of the threshold voltage than the silicon carbide semiconductor device (B) of the comparative example.
Therefore, in the silicon carbide semiconductor device of the embodiment in which the nitrogen atom is coordinated to at least a part of the carbon site bonded to only two Si atoms, the fluctuation of the threshold voltage generated when the stress voltage is applied to the gate electrode. It can be seen that the semiconductor element has stable characteristics.

Claims (2)

ゲート電極と、
二酸化珪素の絶縁膜と、
炭化珪素の半導体基板と、を備え、
前記二酸化珪素の絶縁膜と前記炭化珪素の半導体基板との界面では、炭化珪素側の2つの珪素原子のみと結合する炭素サイトの少なくとも一部に、窒素原子が配位しており、
前記界面における前記炭化珪素側の結晶面がm面である絶縁ゲート型の炭化珪素半導体装置。
With the gate electrode
With an insulating film of silicon dioxide,
With a silicon carbide semiconductor substrate,
At the interface between the silicon dioxide insulating film and the silicon carbide semiconductor substrate, nitrogen atoms are coordinated to at least a part of carbon sites that bond with only two silicon atoms on the silicon carbide side .
An insulated gate type silicon carbide semiconductor device in which the crystal plane on the silicon carbide side at the interface is the m-plane .
前記結晶面のずれが、±10%以内である請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the deviation of the crystal plane is within ± 10%.
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