JP7005847B2 - Semiconductor devices, manufacturing methods for semiconductor devices, inverter circuits, drives, vehicles, and elevators - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、半導体装置、半導体装置の製造方法、インバータ回路、駆動装置、車両、及び、昇降機に関する。 Embodiments of the present invention relate to semiconductor devices, methods for manufacturing semiconductor devices, inverter circuits, drive devices, vehicles, and elevators.

次世代の半導体デバイス用の材料として炭化珪素(SiC)が期待されている。炭化珪素はシリコン(Si)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、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半導体デバイスを実現することができる。 Silicon carbide (SiC) is expected as a material for next-generation semiconductor devices. Silicon carbide has excellent physical properties such as a bandgap of 3 times, a breaking electric field strength of about 10 times, and a thermal conductivity of about 3 times that of silicon (Si). By utilizing this characteristic, a semiconductor device capable of low loss and high temperature operation can be realized.

しかし、例えば、炭化珪素を用いてMOSFET(Meatl Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を形成する場合、キャリアの移動度が劣化するという問題がある。 However, for example, when a MOSFET (Meat Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is formed using silicon carbide, there is a problem that the carrier mobility is deteriorated.

特開2017-216305号公報JP-A-2017-216305

本発明が解決しようとする課題は、キャリアの移動度の向上が可能な半導体装置を提供することにある。 An object to be solved by the present invention is to provide a semiconductor device capable of improving carrier mobility.

実施形態の半導体装置は、炭化珪素又はダイヤモンドの半導体層と、前記半導体層の上に位置し、第1の炭素と、前記第1の炭素に結合する第1の原子と、前記第1の炭素に結合する第2の原子と、前記第1の炭素に結合する第1の終端基と、前記第1の炭素に結合する第2の終端基と、を有し、前記第1の原子は、シリコン(Si)、炭素(C)、酸素(O)、窒素(N)、及び、アルミニウム(Al)から成る群から選ばれる一つの原子であり、前記第2の原子は、シリコン(Si)、炭素(C)、酸素(O)、窒素(N)、及び、アルミニウム(Al)から成る群から選ばれる一つの原子であり、前記第1の終端基は、水酸基(OH)、フッ素(F)、水素(H)、及び、重水素(D)から成る群から選ばれる一つの終端基であり、前記第2の終端基は、水酸基(OH)、フッ素(F)、水素(H)、及び、重水素(D)から成る群から選ばれる一つの終端基である絶縁層と、を備える。 The semiconductor device of the embodiment is a semiconductor layer of silicon carbide or diamond, a first carbon located on the semiconductor layer, a first atom bonded to the first carbon, and the first carbon. The first atom has a second atom bonded to the first carbon, a first terminal group bonded to the first carbon, and a second terminal group bonded to the first carbon. It is one atom selected from the group consisting of silicon (Si), carbon (C), oxygen (O), nitrogen (N), and aluminum (Al), and the second atom is silicon (Si), It is one atom selected from the group consisting of carbon (C), oxygen (O), nitrogen (N), and aluminum (Al), and the first terminal group is a hydroxyl group (OH) and fluorine (F). , Hydrogen (H), and deuterium (D), one of which is a terminal group selected from the group consisting of hydrogen (H), hydrogen (H), and hydrogen (D). , An insulating layer which is one terminating group selected from the group consisting of heavy hydrogen (D).

第1の実施形態の半導体装置の模式断面図。The schematic sectional view of the semiconductor device of 1st Embodiment. 第1の実施形態の第1の結合構造の説明図。Explanatory drawing of the 1st coupling structure of 1st Embodiment. 第1の実施形態の第1の結合構造を例示する図。The figure which illustrates the 1st binding structure of 1st Embodiment. 第1の実施形態のゲート絶縁層の拡大模式図。The enlarged schematic diagram of the gate insulating layer of 1st Embodiment. 第1の実施形態の第2の結合構造の説明図。Explanatory drawing of the 2nd bond structure of 1st Embodiment. 第1の実施形態の半導体装置の製造方法の工程フロー図。The process flow diagram of the manufacturing method of the semiconductor device of 1st Embodiment. 第1の実施形態の半導体装置の作用及び効果の説明図。The explanatory view of the operation and effect of the semiconductor device of 1st Embodiment. 第2の実施形態の半導体装置の模式断面図。The schematic sectional view of the semiconductor device of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の終端元素の濃度分布を示す図。The figure which shows the concentration distribution of the terminal element of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の半導体装置の製造方法の工程フロー図。The process flow diagram of the manufacturing method of the semiconductor device of 2nd Embodiment. 第3の実施形態の半導体装置の模式断面図。The schematic sectional view of the semiconductor device of 3rd Embodiment. 第4の実施形態の駆動装置の模式図。The schematic diagram of the drive device of 4th Embodiment. 第5の実施形態の車両の模式図。The schematic diagram of the vehicle of the 5th Embodiment. 第6の実施形態の車両の模式図。The schematic diagram of the vehicle of 6th Embodiment. 第7の実施形態の昇降機の模式図。The schematic diagram of the elevator of 7th Embodiment.

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、同一又は類似の部材などには同一の符号を付し、一度説明した部材など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 or similar members will be designated by the same reference numerals, and the description of the members and the like once described will be omitted as appropriate.

また、以下の説明において、n、n、n及び、p、p、pの表記がある場合は、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。 Further, in the following description, when there are notations of n + , n, n and p + , p, p , they indicate the relative high and low of the impurity concentration in each conductive type. That is, n + indicates that the concentration of n-type impurities is relatively higher than that of n, and n indicates that the concentration of n-type impurities is relatively lower than that of n. Further, p + indicates that the concentration of p-type impurities is relatively higher than that of p, and p indicates that the concentration of p-type impurities is relatively lower than that of p. In some cases, n + type and n - type are simply referred to as n-type, p + -type and p - type are simply referred to as p-type.

(第1の実施形態)
第1の実施形態の半導体装置は、炭化珪素又はダイヤモンドの半導体層と、半導体層の上に位置し、第1の炭素と、第1の炭素に結合する第1の原子と、第1の炭素に結合する第2の原子と、第1の炭素に結合する第1の終端基と、第1の炭素に結合する第2の終端基と、を有し、第1の原子は、シリコン(Si)、炭素(C)、酸素(O)、窒素(N)、及び、アルミニウム(Al)から成る群から選ばれる一つの原子であり、前記第2の原子は、シリコン(Si)、炭素(C)、酸素(O)、窒素(N)、及び、アルミニウム(Al)から成る群から選ばれる一つの原子であり、第1の終端基は、水酸基(OH)、フッ素(F)、水素(H)、及び、重水素(D)から成る群から選ばれる一つの終端基であり、第2の終端基は、水酸基(OH)、フッ素(F)、水素(H)、及び、重水素(D)から成る群から選ばれる一つの終端基である絶縁層と、を備える。
(First Embodiment)
The semiconductor device of the first embodiment is located on a semiconductor layer of silicon carbide or diamond, a first carbon, a first atom bonded to the first carbon, and a first carbon. It has a second atom bonded to, a first terminal group bonded to the first carbon, and a second terminal group bonded to the first carbon, and the first atom is silicon (Si). ), Carbon (C), oxygen (O), nitrogen (N), and aluminum (Al). The second atom is silicon (Si) and carbon (C). ), Oxygen (O), nitrogen (N), and aluminum (Al), and the first terminal group is a hydroxyl group (OH), fluorine (F), and hydrogen (H). ) And one terminal group selected from the group consisting of heavy hydrogen (D), and the second terminal group is a hydroxyl group (OH), fluorine (F), hydrogen (H), and heavy hydrogen (D). ) Is provided with an insulating layer which is one terminal group selected from the group consisting of).

以下、半導体層が炭化珪素、絶縁層が酸化シリコンである場合を例に説明する。 Hereinafter, a case where the semiconductor layer is silicon carbide and the insulating layer is silicon oxide will be described as an example.

図1は、第1の実施形態の半導体装置の模式断面図である。第1の実施形態の半導体装置は、MOSFET100である。MOSFET100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。また、MOSFET100は、電子をキャリアとするnチャネル型のMOSFETである。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of the first embodiment. The semiconductor device of the first embodiment is a MOSFET 100. MOSFET 100 is a Double Implantation MOSFET (DI MOSFET) that forms a p-well and a source region by ion implantation. Further, the MOSFET 100 is an n-channel MOSFET having electrons as carriers.

このMOSFET100は、炭化珪素基板12、ドリフト層14(半導体層)、pウェル領域16(半導体層)、ソース領域18、pウェルコンタクト領域20、ゲート絶縁層28(絶縁層)、ゲート電極30、層間絶縁膜32、ソース電極34、及び、ドレイン電極36を備える。ゲート絶縁層28は、第1の領域28aと第2の領域28bを有する。 The MOSFET 100 includes a silicon carbide substrate 12, a drift layer 14 (semiconductor layer), a p-well region 16 (semiconductor layer), a source region 18, a p-well contact region 20, a gate insulating layer 28 (insulating layer), a gate electrode 30, and layers. It includes an insulating film 32, a source electrode 34, and a drain electrode 36. The gate insulating layer 28 has a first region 28a and a second region 28b.

炭化珪素基板12は、例えば、n型の4H-SiCの基板である。炭化珪素基板12は、例えば、窒素(N)をn型不純物として含む。炭化珪素基板12のn型不純物の不純物濃度は、例えば、1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下である。 The silicon carbide substrate 12 is, for example, an n + type 4H—SiC substrate. The silicon carbide substrate 12 contains, for example, nitrogen (N) as an n-type impurity. The impurity concentration of the n-type impurities in the silicon carbide substrate 12 is, for example, 1 × 10 18 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less.

炭化珪素基板12の表面は、例えば、(0001)面に対し0度以上8度以下傾斜した面である。(0001)面は、シリコン面と称される。炭化珪素基板12の裏面は、例えば、(000-1)面に対し0度以上8度以下傾斜した面である。(000-1)面は、カーボン面と称される。 The surface of the silicon carbide substrate 12 is, for example, a surface inclined at 0 degrees or more and 8 degrees or less with respect to the (0001) plane. The (0001) plane is referred to as a silicon plane. The back surface of the silicon carbide substrate 12 is, for example, a surface inclined at 0 degrees or more and 8 degrees or less with respect to the (000-1) surface. The (000-1) surface is referred to as a carbon surface.

ドリフト層14は、炭化珪素基板12の表面上に設けられる。ドリフト層14は、n型の炭化珪素層である。ドリフト層14は、例えば、窒素をn型不純物として含む。 The drift layer 14 is provided on the surface of the silicon carbide substrate 12. The drift layer 14 is an n - type silicon carbide layer. The drift layer 14 contains, for example, nitrogen as an n-type impurity.

ドリフト層14のn型不純物の不純物濃度は、例えば、5×1015cm-3以上2×1016cm-3以下である。ドリフト層14は、例えば、炭化珪素基板12上にエピタキシャル成長により形成されたSiCのエピタキシャル成長層である。 The impurity concentration of the n-type impurities in the drift layer 14 is, for example, 5 × 10 15 cm -3 or more and 2 × 10 16 cm -3 or less. The drift layer 14 is, for example, an epitaxial growth layer of SiC formed on the silicon carbide substrate 12 by epitaxial growth.

ドリフト層14の表面も、シリコン面に対し0度以上8度以下傾斜した面である。ドリフト層14の厚さは、例えば、5μm以上100μm以下である。 The surface of the drift layer 14 is also a surface inclined by 0 degrees or more and 8 degrees or less with respect to the silicon surface. The thickness of the drift layer 14 is, for example, 5 μm or more and 100 μm or less.

pウェル領域16は、ドリフト層14の一部表面に設けられる。pウェル領域16は、p型の炭化珪素領域である。pウェル領域16は、例えば、アルミニウム(Al)をp型不純物として含む。pウェル領域16のp型不純物の不純物濃度は、例えば、5×1015cm-3以上1×1017cm-3以下である。 The p-well region 16 is provided on a partial surface of the drift layer 14. The p-well region 16 is a p-type silicon carbide region. The p-well region 16 contains, for example, aluminum (Al) as a p-type impurity. The impurity concentration of the p-type impurity in the p-well region 16 is, for example, 5 × 10 15 cm -3 or more and 1 × 10 17 cm -3 or less.

pウェル領域16の深さは、例えば、0.4μm以上0.8μm以下である。pウェル領域16は、MOSFET100のチャネル領域として機能する。 The depth of the p-well region 16 is, for example, 0.4 μm or more and 0.8 μm or less. The p-well region 16 functions as a channel region of the MOSFET 100.

pウェル領域16の表面も、シリコン面に対し0度以上8度以下傾斜した面である。 The surface of the p-well region 16 is also a surface inclined at 0 degrees or more and 8 degrees or less with respect to the silicon surface.

ソース領域18は、pウェル領域16の一部表面に設けられる。ソース領域18は、n型の炭化珪素層である。ソース領域18は、例えば、リン(P)をn型不純物として含む。ソース領域18のn型不純物の不純物濃度は、例えば、1×1018cm-3以上1×1022cm-3cm以下である。 The source region 18 is provided on a partial surface of the p-well region 16. The source region 18 is an n + type silicon carbide layer. The source region 18 contains, for example, phosphorus (P) as an n-type impurity. The impurity concentration of the n-type impurity in the source region 18 is, for example, 1 × 10 18 cm -3 or more and 1 × 10 22 cm -3 cm or less.

ソース領域18の深さは、pウェル領域16の深さよりも浅い。ソース領域18の深さは、例えば、0.2μm以上0.4μm以下である。 The depth of the source region 18 is shallower than the depth of the p-well region 16. The depth of the source region 18 is, for example, 0.2 μm or more and 0.4 μm or less.

pウェルコンタクト領域20は、pウェル領域16の一部表面に設けられる。pウェルコンタクト領域20は、ソース領域18の側方に設けられる。pウェルコンタクト領域20は、p型の炭化珪素領域である。 The p-well contact region 20 is provided on a partial surface of the p-well region 16. The p-well contact region 20 is provided on the side of the source region 18. The p-well contact region 20 is a p + type silicon carbide region.

pウェルコンタクト領域20は、例えば、アルミニウムをp型不純物として含む。pウェルコンタクト領域20のp型不純物の不純物濃度は、例えば、1×1018cm-3以上1×1022cm-3以下である。 The p-well contact region 20 contains, for example, aluminum as a p-type impurity. The impurity concentration of the p-type impurity in the p-well contact region 20 is, for example, 1 × 10 18 cm -3 or more and 1 × 10 22 cm -3 or less.

pウェルコンタクト領域20の深さは、pウェル領域16の深さよりも浅い。pウェルコンタクト領域20の深さは、例えば、0.2μm以上0.4μm以下である。 The depth of the p-well contact region 20 is shallower than the depth of the p-well region 16. The depth of the p-well contact region 20 is, for example, 0.2 μm or more and 0.4 μm or less.

ゲート絶縁層28は、pウェル領域16とゲート電極30との間に設けられる。ゲート絶縁層28は、ドリフト層14及びpウェル領域16の上に設けられる。ゲート絶縁層28は、ドリフト層14及びpウェル領域16の表面に、連続的に形成される。 The gate insulating layer 28 is provided between the p-well region 16 and the gate electrode 30. The gate insulating layer 28 is provided on the drift layer 14 and the p-well region 16. The gate insulating layer 28 is continuously formed on the surfaces of the drift layer 14 and the p-well region 16.

ゲート絶縁層28は、酸化シリコンである。ゲート絶縁層28は、例えば、酸化シリコン以外の酸化物、又は、酸化窒化物であっても構わない。ゲート絶縁層28は、例えば、酸化アルミニウム、酸窒化シリコンなどであっても構わない。 The gate insulating layer 28 is silicon oxide. The gate insulating layer 28 may be, for example, an oxide other than silicon oxide or a nitride oxide. The gate insulating layer 28 may be, for example, aluminum oxide, silicon oxynitride, or the like.

ゲート絶縁層28の厚さは、例えば、30nm以上100nm以下である。ゲート絶縁層28は、MOSFET100のゲート絶縁層として機能する。 The thickness of the gate insulating layer 28 is, for example, 30 nm or more and 100 nm or less. The gate insulating layer 28 functions as the gate insulating layer of the MOSFET 100.

ゲート絶縁層28中には、炭素が含まれる。ゲート絶縁層28中の炭素濃度は、例えば、2×1016cm-3以上2×1022cm-3以下である。 Carbon is contained in the gate insulating layer 28. The carbon concentration in the gate insulating layer 28 is, for example, 2 × 10 16 cm -3 or more and 2 × 10 22 cm -3 or less.

ゲート絶縁層28中の炭素の濃度は、例えば、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Specroscopy:SIMS)により測定することが可能である。 The concentration of carbon in the gate insulating layer 28 can be measured, for example, by secondary ion mass spectrometry (SIMS).

図2は、第1の実施形態の第1の結合構造の説明図である。ゲート絶縁層28は、第1の結合構造を有する。 FIG. 2 is an explanatory diagram of the first coupling structure of the first embodiment. The gate insulating layer 28 has a first bonding structure.

第1の結合構造は、第1の炭素(C)と、第1の炭素(C)に結合する第1の原子(A1)と、第1の炭素(C)に結合する第2の原子(A2)と、第1の炭素(C)に結合する第1の終端基(T1)と、第1の炭素(C)に結合する第2の終端基(T2)と、を有する。第1の原子(A1)は、シリコン(Si)、炭素(C)、酸素(O)、窒素(N)、及び、アルミニウム(Al)から成る群から選ばれる一つの原子であり、第2の原子(A2)は、シリコン(Si)、炭素(C)、酸素(O)、窒素(N)、及び、アルミニウム(Al)から成る群から選ばれる一つの原子であり、第1の終端基(T1)は、水酸基(OH)、フッ素(F)、水素(H)、及び、重水素(D)から成る群から選ばれる一つの終端基であり、第2の終端基(T2)は、水酸基(OH)、フッ素(F)、水素(H)、及び、重水素(D)から成る群から選ばれる一つの終端基である。 The first bond structure consists of a first carbon (C), a first atom (A1) bonded to the first carbon (C), and a second atom bonded to the first carbon (C) ( It has A2), a first terminal group (T1) bonded to the first carbon (C), and a second terminal group (T2) bonded to the first carbon (C). The first atom (A1) is one atom selected from the group consisting of silicon (Si), carbon (C), oxygen (O), nitrogen (N), and aluminum (Al), and is the second atom. The atom (A2) is one atom selected from the group consisting of silicon (Si), carbon (C), oxygen (O), nitrogen (N), and aluminum (Al), and is a first terminal group (1st terminal group). T1) is one terminal group selected from the group consisting of hydroxyl group (OH), fluorine (F), hydrogen (H), and deuterium (D), and the second terminal group (T2) is a hydroxyl group. It is one terminal group selected from the group consisting of (OH), fluorine (F), hydrogen (H), and deuterium (D).

図3は、第1の実施形態の第1の結合構造を例示する図である。図3は、第1の終端基(T1)と第2の終端基(T2)が同一の種類の場合を示す。図3(a)、図3(b)、図3(c)、図3(d)は、第1の終端基(T1)及び第2の終端基(T2)が水酸基(OH)の場合である。図3(e)、図3(f)、図3(g)、図3(h)は、第1の終端基(T1)及び第2の終端基(T2)がフッ素(F)の場合である。 FIG. 3 is a diagram illustrating the first coupling structure of the first embodiment. FIG. 3 shows a case where the first terminal group (T1) and the second terminal group (T2) are of the same type. 3 (a), 3 (b), 3 (c), and 3 (d) show the case where the first terminal group (T1) and the second terminal group (T2) are hydroxyl groups (OH). be. 3 (e), 3 (f), 3 (g), and 3 (h) show the case where the first terminal group (T1) and the second terminal group (T2) are fluorine (F). be.

図3は、ゲート絶縁層28が酸化シリコンの場合であり、第1の原子(A1)及び第2の原子(A2)が、シリコン(Si)、炭素(C)、又は、酸素(O)となる。例えば、ゲート絶縁層28が酸化アルミニウムの場合、第1の原子(A1)及び第2の原子(A2)が、アルミニウム(Al)である場合がある。また、例えば、ゲート絶縁層28が酸窒化シリコンの場合、第1の原子(A1)及び第2の原子(A2)が、窒素(N)である場合がある。 FIG. 3 shows a case where the gate insulating layer 28 is silicon oxide, and the first atom (A1) and the second atom (A2) are silicon (Si), carbon (C), or oxygen (O). Become. For example, when the gate insulating layer 28 is aluminum oxide, the first atom (A1) and the second atom (A2) may be aluminum (Al). Further, for example, when the gate insulating layer 28 is silicon nitride, the first atom (A1) and the second atom (A2) may be nitrogen (N).

第1の結合構造では、第1の炭素(C)の配位数は4である。第1の炭素(C)と、第1の原子(A1)、第2の原子(A2)、第1の終端基(T1)、及び、第2の終端基(T2)は、sp軌道により結合している。 In the first bond structure, the coordination number of the first carbon (C) is 4. The first carbon (C), the first atom (A1), the second atom (A2), the first termination group (T1), and the second termination group (T2) are formed by sp 3 orbitals. It is combined.

図4は、第1の実施形態のゲート絶縁層の拡大模式図である。ゲート絶縁層28は、第1の領域28aと第2の領域28bを有する。第2の領域28bは、ドリフト層14との間に第1の領域28aを挟む。 FIG. 4 is an enlarged schematic view of the gate insulating layer of the first embodiment. The gate insulating layer 28 has a first region 28a and a second region 28b. The second region 28b sandwiches the first region 28a with the drift layer 14.

第1の領域28aの第1の炭素(C)は、第2の領域28bの第1の炭素(C)よりも多い。第1の領域28aの第1の炭素(C)の密度は、第2の領域28bの第1の炭素(C)の密度よりも高い。言い換えれば、第1の領域28aの第1の結合構造は、第2の領域28bの第1の結合構造よりも多い。言い換えれば、第1の領域28aの第1の結合構造の密度は、第2の領域28bの第1の結合構造の密度よりも高い。 The first carbon (C) in the first region 28a is more than the first carbon (C) in the second region 28b. The density of the first carbon (C) in the first region 28a is higher than the density of the first carbon (C) in the second region 28b. In other words, the first binding structure of the first region 28a is larger than the first binding structure of the second region 28b. In other words, the density of the first bond structure in the first region 28a is higher than the density of the first bond structure in the second region 28b.

図5は、第1の実施形態の第2の結合構造の説明図である。ゲート絶縁層28は、第2の結合構造を有する場合がある。 FIG. 5 is an explanatory diagram of the second coupling structure of the first embodiment. The gate insulating layer 28 may have a second coupling structure.

第2の結合構造は、第2の炭素(C)と、第2の炭素(C)に二重結合する酸素(O)を有する。例えば、第2の炭素(C)には、図5(a)に示すように2個のシリコン(Si)が結合する。また、第2の炭素(C)には、例えば、図5(b)に示すように2個の炭素(C)が結合する。また、第2の炭素(C)には、例えば、図5(c)に示すようにシリコン(Si)と炭素(C)が1個ずつ結合する。 The second bond structure has a second carbon (C) and oxygen (O) that is double bonded to the second carbon (C). For example, two silicons (Si) are bonded to the second carbon (C) as shown in FIG. 5 (a). Further, for example, as shown in FIG. 5B, two carbons (C) are bonded to the second carbon (C). Further, for example, as shown in FIG. 5 (c), silicon (Si) and carbon (C) are bonded to the second carbon (C) one by one.

第2の結合構造では、第2の炭素(C)の配位数は3である。第2の炭素(C)と酸素(O)は、sp軌道により結合している。 In the second bond structure, the coordination number of the second carbon (C) is 3. The second carbon (C) and oxygen (O) are bonded by the sp2 orbital.

ゲート絶縁層28の中の第1の炭素(C)は、例えば、第2の炭素(C)よりも多い。ゲート絶縁層28の中の第1の炭素(C)の密度は、第2の炭素(C)の密度よりも高い。言い換えれば、ゲート絶縁層28の中の第1の結合構造の密度は、第2の結合構造の密度よりも高い。 The first carbon (C) in the gate insulating layer 28 is, for example, more than the second carbon (C). The density of the first carbon (C) in the gate insulating layer 28 is higher than the density of the second carbon (C). In other words, the density of the first bonded structure in the gate insulating layer 28 is higher than the density of the second bonded structure.

ゲート絶縁層28中の第1の結合構造及び第2の結合構造の存在の有無は、例えば、X線光電子分光(X-ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)により判定することが可能である。また、第1の領域28aと第2の領域28bとの間の第1の結合構造の量や密度の違い、ゲート絶縁層28中の第1の結合構造と第2の結合構造の量や密度の違いも、XPSにより判定することが可能である。 The presence or absence of the first coupling structure and the second coupling structure in the gate insulating layer 28 can be determined by, for example, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Further, the difference in the amount and density of the first bonded structure between the first region 28a and the second region 28b, and the quantity and density of the first bonded structure and the second bonded structure in the gate insulating layer 28. The difference between the two can also be determined by XPS.

ゲート電極30は、ゲート絶縁層28の上に設けられる。ゲート電極30は、ドリフト層14との間にゲート絶縁層28を挟む。 The gate electrode 30 is provided on the gate insulating layer 28. The gate electrode 30 sandwiches the gate insulating layer 28 with the drift layer 14.

ゲート電極30には、例えば、n型不純物又はp型不純物を含む多結晶シリコンが適用可能である。 For example, polycrystalline silicon containing an n-type impurity or a p-type impurity can be applied to the gate electrode 30.

層間絶縁膜32は、ゲート電極30上に形成される。層間絶縁膜32は、例えば、酸化シリコン膜である。 The interlayer insulating film 32 is formed on the gate electrode 30. The interlayer insulating film 32 is, for example, a silicon oxide film.

ソース電極34は、ソース領域18とpウェルコンタクト領域20とに電気的に接続される。ソース電極34は、pウェル領域16に電位を与えるpウェル電極としても機能する。 The source electrode 34 is electrically connected to the source region 18 and the p-well contact region 20. The source electrode 34 also functions as a p-well electrode that applies a potential to the p-well region 16.

ソース電極34は、例えば、Ni(ニッケル)のバリアメタル層と、バリアメタル層上のアルミニウムのメタル層との積層で構成される。ニッケルのバリアメタル層と炭化珪素層は、反応してニッケルシリサイド(NiSi、NiSiなど)を形成しても構わない。ニッケルのバリアメタル層とアルミニウムのメタル層とは、反応により合金を形成しても構わない。 The source electrode 34 is composed of, for example, a laminate of a Ni (nickel) barrier metal layer and an aluminum metal layer on the barrier metal layer. The barrier metal layer of nickel and the silicon carbide layer may react to form nickel silicide (NiSi, Ni2Si , etc.). The nickel barrier metal layer and the aluminum metal layer may form an alloy by reaction.

ドレイン電極36は、炭化珪素基板12のドリフト層14と反対側、すなわち、裏面側に設けられる。ドレイン電極36は、例えば、ニッケルである。ニッケルは、炭化珪素基板12と反応して、ニッケルシリサイド(NiSi、NiSiなど)を形成しても構わない。 The drain electrode 36 is provided on the side opposite to the drift layer 14 of the silicon carbide substrate 12, that is, on the back surface side. The drain electrode 36 is, for example, nickel. Nickel may react with the silicon carbide substrate 12 to form nickel silicide (NiSi, Ni2Si , etc.).

なお、第1の実施形態において、n型不純物は、例えば、窒素やリンである。n型不純物としてヒ素(As)又はアンチモン(Sb)を適用することも可能である。 In the first embodiment, the n-type impurities are, for example, nitrogen and phosphorus. It is also possible to apply arsenic (As) or antimony (Sb) as an n-type impurity.

また、第1の実施形態において、p型不純物は、例えば、アルミニウムである。p型不純物として、ボロン(B)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)を適用することも可能である。 Further, in the first embodiment, the p-type impurity is, for example, aluminum. Boron (B), gallium (Ga), and indium (In) can also be applied as p-type impurities.

次に、第1の実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described.

第1の実施形態の半導体装置の製造方法は、炭化珪素の半導体層の上に絶縁膜を形成し、水を含む雰囲気中で絶縁膜にマイクロ波を照射する。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment, an insulating film is formed on a semiconductor layer of silicon carbide, and the insulating film is irradiated with microwaves in an atmosphere containing water.

図6は、第1の実施形態の半導体装置の製造方法の工程フロー図である。 FIG. 6 is a process flow chart of the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment.

図6に示すように、半導体装置の製造方法は、ドリフト層形成(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)、第1の酸化シリコン膜形成(ステップS108)、マイクロ波照射(ステップS110)、第2の酸化シリコン膜形成(ステップS112)、第1のアニール(ステップS114)、ゲート電極形成(ステップS116)、層間絶縁膜形成(ステップS118)、ソース電極形成(ステップS120)、ドレイン電極形成(ステップS122)、及び、第2のアニール(ステップS124)を備える。 As shown in FIG. 6, the manufacturing method of the semiconductor device includes drift layer formation (step S100), p-type impurity ion injection (step S102), n-type impurity ion injection (step S104), and p-type impurity ion injection (step S106). ), First silicon oxide film formation (step S108), microwave irradiation (step S110), second silicon oxide film formation (step S112), first annealing (step S114), gate electrode formation (step S116). , An interlayer insulating film formation (step S118), a source electrode formation (step S120), a drain electrode formation (step S122), and a second annealing (step S124).

まず、n型の炭化珪素基板12を準備する。炭化珪素基板12は、例えば、4H-SiCである。炭化珪素基板12は、例えば、炭化珪素ウェハWである。 First, an n + type silicon carbide substrate 12 is prepared. The silicon carbide substrate 12 is, for example, 4H-SiC. The silicon carbide substrate 12 is, for example, a silicon carbide wafer W.

炭化珪素基板12は、n型不純物として窒素を含む。炭化珪素基板12のn型不純物の不純物濃度は、例えば、1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下である。炭化珪素基板12の厚さは、例えば、350μmである。炭化珪素基板12は、裏面のドレイン電極36を形成する前に、90μm程度に薄膜化してもよい。 The silicon carbide substrate 12 contains nitrogen as an n-type impurity. The impurity concentration of the n-type impurities in the silicon carbide substrate 12 is, for example, 1 × 10 18 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less. The thickness of the silicon carbide substrate 12 is, for example, 350 μm. The silicon carbide substrate 12 may be thinned to about 90 μm before forming the drain electrode 36 on the back surface.

ステップS100では、炭化珪素基板12のシリコン面上にエピタキシャル成長法により、ドリフト層14を形成する。ドリフト層14は、4H-SiCである。 In step S100, the drift layer 14 is formed on the silicon surface of the silicon carbide substrate 12 by the epitaxial growth method. The drift layer 14 is 4H-SiC.

ドリフト層14は、n型不純物として、窒素を含む。ドリフト層14のn型不純物の不純物濃度は、例えば、5×1015cm-3以上2×1016cm-3以下である。ドリフト層14の厚さは、例えば、5μm以上100μm以下である。 The drift layer 14 contains nitrogen as an n-type impurity. The impurity concentration of the n-type impurities in the drift layer 14 is, for example, 5 × 10 15 cm -3 or more and 2 × 10 16 cm -3 or less. The thickness of the drift layer 14 is, for example, 5 μm or more and 100 μm or less.

ステップS102では、まず、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、第1のマスク材を形成する。そして、第1のマスク材をイオン注入マスクとして用いて、p型不純物であるアルミニウムをドリフト層14にイオン注入する。イオン注入によりpウェル領域16が形成される。 In step S102, first, a first mask material is formed by patterning by photolithography and etching. Then, using the first mask material as an ion implantation mask, aluminum, which is a p-type impurity, is ion-implanted into the drift layer 14. The p-well region 16 is formed by ion implantation.

ステップS104では、まず、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、第2のマスク材を形成する。そして、第2のマスク材をイオン注入マスクとして用いて、n型不純物である窒素をドリフト層14にイオン注入し、ソース領域18を形成する。 In step S104, first, a second mask material is formed by patterning by photolithography and etching. Then, using the second mask material as an ion implantation mask, nitrogen, which is an n-type impurity, is ion-implanted into the drift layer 14 to form the source region 18.

ステップS106では、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、第3のマスク材を形成する。第3のマスク材をイオン注入マスクとして用いて、p型不純物であるアルミニウムをドリフト層14にイオン注入し、pウェルコンタクト領域20を形成する。 In step S106, a third mask material is formed by patterning by photolithography and etching. Using the third mask material as an ion implantation mask, aluminum, which is a p-type impurity, is ion-implanted into the drift layer 14 to form the p-well contact region 20.

ステップS108では、ドリフト層14及びpウェル領域16を熱酸化し、ドリフト層14及びpウェル領域16上に第1の酸化シリコン膜を形成する。第1の酸化シリコン膜は、ゲート絶縁層28の一部となる。 In step S108, the drift layer 14 and the p-well region 16 are thermally oxidized to form a first silicon oxide film on the drift layer 14 and the p-well region 16. The first silicon oxide film becomes a part of the gate insulating layer 28.

熱酸化は、例えば、ドライ酸素雰囲気で行われる。熱酸化の温度は、例えば、1000℃以上1250℃以下である。第1の酸化シリコン膜の厚さは、例えば、1nm以上10nm以下である。 Thermal oxidation is performed, for example, in a dry oxygen atmosphere. The temperature of thermal oxidation is, for example, 1000 ° C. or higher and 1250 ° C. or lower. The thickness of the first silicon oxide film is, for example, 1 nm or more and 10 nm or less.

第1の酸化シリコン膜には、ドリフト層14及びpウェル領域16の熱酸化により生じた余剰の炭素が取り込まれる。そして、第1の酸化シリコン膜に取り込まれた炭素は、第1の酸化シリコン膜中で炭素と酸素の二重結合を形成して安定化する。言い換えれば、第1の酸化シリコン膜に取り込まれた炭素は、第1の酸化シリコン膜中で第2の結合構造を形成して安定化する。 Excess carbon generated by thermal oxidation of the drift layer 14 and the p-well region 16 is incorporated into the first silicon oxide film. Then, the carbon incorporated into the first silicon oxide film forms a double bond between carbon and oxygen in the first silicon oxide film to stabilize it. In other words, the carbon incorporated into the first silicon oxide film forms and stabilizes a second bonded structure in the first silicon oxide film.

ステップS110では、第1の酸化シリコン膜に水を含む雰囲気中で、マイクロ波を照射する。雰囲気中への水の供給は、例えば、窒素ガスによるバブリングにより行われる。 In step S110, the first silicon oxide film is irradiated with microwaves in an atmosphere containing water. The supply of water into the atmosphere is performed, for example, by bubbling with nitrogen gas.

マイクロ波を照射する際の温度は、例えば、300℃以上600℃以下である。第1の酸化シリコン膜は、例えば、300℃以上600℃以下に加熱される。マイクロ波の周波数は、例えば、1GHz以上5GHz以下である。 The temperature at the time of irradiating the microwave is, for example, 300 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. The first silicon oxide film is heated to, for example, 300 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. The frequency of the microwave is, for example, 1 GHz or more and 5 GHz or less.

第1の酸化シリコン膜に水を含む雰囲気中で、マイクロ波を照射することにより、炭素と酸素の二重結合が切断され、炭素が2個の水酸基(OH)と結合した構造が形成される。言い換えれば、第2の結合構造が、第1の終端基(T1)及び第2の終端基(T2)が水酸基(OH)である第1の結合構造に変換される。 By irradiating the first silicon oxide film with microwaves in an atmosphere containing water, the double bond between carbon and oxygen is broken, and a structure in which carbon is bonded to two hydroxyl groups (OH) is formed. .. In other words, the second bonding structure is converted into a first bonding structure in which the first terminal group (T1) and the second terminal group (T2) are hydroxyl groups (OH).

ステップS112では、第1の酸化シリコン膜の上に第2の酸化シリコン膜を形成する。第2の酸化シリコン膜は、ゲート絶縁層28の一部となる。 In step S112, a second silicon oxide film is formed on the first silicon oxide film. The second silicon oxide film becomes a part of the gate insulating layer 28.

第2の酸化シリコン膜は、例えば、CVD法(Chemical Vapor Deposition法)、又は、PVD法(Physical Vapoer Deposition)により形成される堆積膜である。第2の酸化シリコン膜の厚さは、例えば、20nm以上100nm以下である。 The second silicon oxide film is a deposited film formed by, for example, a CVD method (Chemical Vapor Deposition) or a PVD method (Physical Vapor Deposition). The thickness of the second silicon oxide film is, for example, 20 nm or more and 100 nm or less.

第2の酸化シリコン膜は、例えば、オルトケイ酸テトラエチル(TEOS)をソースガスとしてCVD法により形成される酸化シリコン膜である。 The second silicon oxide film is, for example, a silicon oxide film formed by a CVD method using tetraethyl orthosilicate (TEOS) as a source gas.

ステップS114では、第1のアニールが行われる。第1のアニールは、例えば、非酸化性雰囲気で行われる。第1のアニールの温度は、例えば、900℃以上1300℃以下である。第1のアニールにより、第1の酸化シリコン膜、及び、第2の酸化シリコン膜が緻密な膜となる。 In step S114, the first annealing is performed. The first annealing is performed, for example, in a non-oxidizing atmosphere. The temperature of the first annealing is, for example, 900 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower. By the first annealing, the first silicon oxide film and the second silicon oxide film become a dense film.

ステップS116では、第2の酸化シリコン膜上に、ゲート電極30を形成する。ゲート電極30は、例えば、n型不純物又はp型不純物を含む多結晶シリコンである。 In step S116, the gate electrode 30 is formed on the second silicon oxide film. The gate electrode 30 is, for example, polycrystalline silicon containing n-type impurities or p-type impurities.

ステップS118では、ゲート電極30上に、層間絶縁膜32が形成される。層間絶縁膜32は、例えば、酸化シリコン膜である。 In step S118, the interlayer insulating film 32 is formed on the gate electrode 30. The interlayer insulating film 32 is, for example, a silicon oxide film.

ステップS120で、ソース電極34が形成される。ソース電極34は、ソース領域18、及び、pウェルコンタクト領域20上に形成される。ソース電極34は、例えば、ニッケル(Ni)とアルミニウム(Al)のスパッタにより形成される。 In step S120, the source electrode 34 is formed. The source electrode 34 is formed on the source region 18 and the p-well contact region 20. The source electrode 34 is formed, for example, by sputtering nickel (Ni) and aluminum (Al).

ステップS122では、ドレイン電極36が形成される。ドレイン電極36は、炭化珪素基板12の裏面側に形成される。ドレイン電極36は、例えば、ニッケルのスパッタにより形成される。 In step S122, the drain electrode 36 is formed. The drain electrode 36 is formed on the back surface side of the silicon carbide substrate 12. The drain electrode 36 is formed, for example, by sputtering nickel.

ステップS124では、第2のアニールが行われる。第2のアニールは、例えば、アルゴンガス雰囲気で、400℃以上1000℃以下で行われる。第2のアニールにより、ソース電極34とドレイン電極36のコンタクト抵抗が低減する。 In step S124, the second annealing is performed. The second annealing is performed, for example, in an argon gas atmosphere at 400 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. The second annealing reduces the contact resistance between the source electrode 34 and the drain electrode 36.

以上の製造方法により、図1に示すMOSFET100が形成される。 The MOSFET 100 shown in FIG. 1 is formed by the above manufacturing method.

次に、第1の実施形態の作用及び効果について説明する。 Next, the operation and effect of the first embodiment will be described.

炭化珪素を用いてMOSFETを形成する場合、キャリアの移動度が劣化するという問題がある。炭化珪素層とゲート絶縁層との間の界面準位(surface state)やゲート絶縁層のバンドギャップ中に存在するエネルギー準位(energy state)がキャリアの移動度の劣化を引き起こすと考えられる。 When a MOSFET is formed using silicon carbide, there is a problem that the mobility of carriers deteriorates. It is considered that the interface state between the silicon carbide layer and the gate insulating layer and the energy level existing in the band gap of the gate insulating layer cause deterioration of carrier mobility.

また、炭化珪素を用いてMOSFETを形成する場合、閾値電圧の変動が生ずるという問題がある。ゲート絶縁層のバンドギャップ中に存在するエネルギー準位が、閾値電圧の変動を引き起こすことが考えられる。 Further, when a MOSFET is formed using silicon carbide, there is a problem that the threshold voltage fluctuates. It is considered that the energy level existing in the band gap of the gate insulating layer causes the fluctuation of the threshold voltage.

また、ゲート絶縁膜のリーク電流が増大するという問題がある。ゲート絶縁層のバンドギャップ中に存在するエネルギー準位が、ゲート絶縁膜のリーク電流を引き起こすことが考えられる。 Further, there is a problem that the leakage current of the gate insulating film increases. It is considered that the energy level existing in the band gap of the gate insulating layer causes the leakage current of the gate insulating film.

第1の実施形態のMOSFE100は、ゲート絶縁層中にエネルギー準位を形成する炭素と酸素の二重結合が低減されている。したがって、キャリアの移動度の劣化、閾値電圧の変動、及び、ゲート絶縁膜のリーク電流の増大が抑制される。よって、特性の向上したMOSFETが実現される。以下、詳述する。 In the MOSFE 100 of the first embodiment, the double bond of carbon and oxygen forming an energy level in the gate insulating layer is reduced. Therefore, deterioration of carrier mobility, fluctuation of threshold voltage, and increase of leakage current of the gate insulating film are suppressed. Therefore, a MOSFET with improved characteristics is realized. The details will be described below.

発明者らの第一原理計算により、炭化珪素を熱酸化して酸化シリコン膜を形成すると、酸素と二重結合する炭素が酸化シリコン膜中に多量に生成されることが明らかになった。すなわち、図5に示す第2の結合構造が、酸化シリコン膜中に多量に生成されることが明らかになった。 The first-principles calculation by the inventors revealed that when silicon carbide is thermally oxidized to form a silicon oxide film, a large amount of carbon double-bonded with oxygen is generated in the silicon oxide film. That is, it was clarified that the second bonding structure shown in FIG. 5 was generated in a large amount in the silicon oxide film.

炭化珪素が酸化されることで余剰の炭素が発生する。この余剰の炭素は、例えば、炭化珪素層と酸化シリコン膜の界面近傍の酸化シリコン膜中に炭素クラスタを形成する。例えば、この炭素クラスタの端部に、第2の結合構造が生成される。また、例えば、余剰の炭素が酸化シリコン膜中の酸素位置に入り込むことで、第2の結合構造が生成される。 Excess carbon is generated by oxidizing silicon carbide. This surplus carbon forms carbon clusters in the silicon oxide film near the interface between the silicon carbide layer and the silicon oxide film, for example. For example, a second bond structure is generated at the end of this carbon cluster. Further, for example, excess carbon enters the oxygen position in the silicon oxide film, so that a second bonded structure is generated.

図7は、第1の実施形態の半導体装置の作用及び効果の説明図である。図7(a)、図7(b)は、酸化シリコン膜中に第2の結合構造がある場合のバンド図である。図7(c)は、酸化シリコン膜中に第1の結合構造がある場合のバンド図である。図7は、発明者の第一原理計算に基づいている。 FIG. 7 is an explanatory diagram of the operation and effect of the semiconductor device of the first embodiment. 7 (a) and 7 (b) are band diagrams in the case where the silicon oxide film has a second bonding structure. FIG. 7C is a band diagram when the silicon oxide film has a first bonding structure. FIG. 7 is based on the inventor's first principle calculation.

酸化シリコン膜中に炭素と酸素の二重結合がある場合、すなわち、第2の結合構造がある場合、例えば、図7(a)、図7(b)に示すように、酸化シリコン膜中に電子が入っていないエネルギー準位(図7中の白丸)と、電子で埋まったエネルギー準位(図7中の黒丸)が生じる。 When there is a double bond of carbon and oxygen in the silicon oxide film, that is, when there is a second bond structure, for example, as shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b), the silicon oxide film has a double bond. An energy level containing no electrons (white circle in FIG. 7) and an energy level filled with electrons (black circle in FIG. 7) are generated.

図7(a)の場合、電子が入っていないエネルギー準位は、4H-SiCの伝導帯の下端近傍の位置にある。図7(b)の場合、電子が入っていないエネルギー準位は、酸化シリコンの伝導帯下端から少し下がった位置にある。 In the case of FIG. 7A, the energy level containing no electrons is located near the lower end of the conduction band of 4H-SiC. In the case of FIG. 7B, the energy level containing no electrons is located slightly below the lower end of the conduction band of silicon oxide.

第2の結合構造では、二重結合する炭素と酸素の間の相互作用の程度が、周囲の構造により変化する。相互作用の程度が変化することにより、酸化シリコン膜の中のエネルギー準位のレベルが変化する。エネルギー準位のレベルの変化は、図7(a)と図7(b)とに示すレベルの間のいずれかのレベルとなる。 In the second bond structure, the degree of interaction between the carbon and oxygen that are double bonded varies depending on the surrounding structure. As the degree of interaction changes, the level of energy level in the silicon oxide film changes. The change in energy level level is at any level between the levels shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b).

例えば、図7(a)の場合、電子が入っていないエネルギー準位は、4H-SiCの伝導帯の下端近傍にある。このため、第2の結合構造は、キャリアの移動度の劣化を引き起こしやすい。また、例えば、図7(b)の場合、電子が入っていないエネルギー準位は、酸化シリコンの伝導帯下端から少し下がった位置にある。このため、第2の結合構造は、閾値電圧の変動やゲート絶縁膜のリーク電流の増大を引き起こしやすい。 For example, in the case of FIG. 7A, the energy level containing no electrons is near the lower end of the conduction band of 4H-SiC. Therefore, the second bonding structure tends to cause deterioration of carrier mobility. Further, for example, in the case of FIG. 7B, the energy level containing no electrons is located slightly below the lower end of the conduction band of silicon oxide. Therefore, the second coupling structure tends to cause fluctuations in the threshold voltage and an increase in the leakage current of the gate insulating film.

一方、図7(c)に示すように、酸化シリコン膜中の第1の結合構造の場合、酸化シリコン膜中には、電子で埋まった準位のみがある。電子が入っていない準位は、酸化シリコン膜の伝導帯の下端より浅くなる。言い換えれば、酸化シリコン膜のバンドギャップ中には、電子をトラップする準位がない。 On the other hand, as shown in FIG. 7 (c), in the case of the first bonded structure in the silicon oxide film, there are only levels filled with electrons in the silicon oxide film. The level containing no electrons is shallower than the lower end of the conduction band of the silicon oxide film. In other words, there are no electron trapping levels in the bandgap of the silicon oxide film.

したがって、第1の結合構造は、キャリアの移動度の劣化、閾値電圧の変動、及び、ゲート絶縁膜のリーク電流の増大を生じさせない。 Therefore, the first coupling structure does not cause deterioration of carrier mobility, fluctuation of threshold voltage, and increase of leakage current of the gate insulating film.

第1の実施形態のMOSFET100は、酸化シリコン膜中の第2の結合構造が、第1の結合構造に変換されている。したがって、第2の結合構造がもたらす、酸化シリコン膜中の有害なエネルギー準位が消滅する。よって、MOSFET100のキャリアの移動度の劣化、閾値電圧の変動、及び、ゲート絶縁膜のリーク電流の増大が抑制される。 In the MOSFET 100 of the first embodiment, the second bonded structure in the silicon oxide film is converted into the first bonded structure. Therefore, the harmful energy level in the silicon oxide film caused by the second bonding structure disappears. Therefore, the deterioration of the carrier mobility of the MOSFET 100, the fluctuation of the threshold voltage, and the increase of the leakage current of the gate insulating film are suppressed.

第1の実施形態のMOSFE100の製造方法では、ステップS108でドリフト層14及びpウェル領域16を熱酸化し、酸化シリコンの第1の酸化シリコン膜(絶縁膜)を形成する。この際、第1の酸化シリコン膜の中には、多量の第2の結合構造が形成されている。 In the method for manufacturing MOSFE100 of the first embodiment, the drift layer 14 and the p-well region 16 are thermally oxidized in step S108 to form a first silicon oxide film (insulating film) of silicon oxide. At this time, a large amount of the second bonded structure is formed in the first silicon oxide film.

ステップS110では、第1の酸化シリコン膜に水を含む雰囲気中で、マイクロ波を照射する。マイクロ波のエネルギーにより、第2の結合構造の炭素と酸素の二重結合が切断される。そして、炭素に雰囲気中の水に由来する2個のOH基が結合し、第1の結合構造が形成される。 In step S110, the first silicon oxide film is irradiated with microwaves in an atmosphere containing water. The energy of the microwave breaks the carbon-oxygen double bond in the second bond structure. Then, two OH groups derived from water in the atmosphere are bonded to carbon to form a first bonded structure.

ステップS112では、第1の酸化シリコン膜の上に第2の酸化シリコン膜が形成される。第2の酸化シリコン膜は、熱酸化膜ではなく、堆積膜で形成される。したがって、第2の酸化シリコン膜中には、余剰の炭素が少なく、第2の結合構造は形成されにくい。 In step S112, a second silicon oxide film is formed on the first silicon oxide film. The second silicon oxide film is formed of a sedimentary film rather than a thermal oxide film. Therefore, there is little excess carbon in the second silicon oxide film, and it is difficult to form the second bonded structure.

ゲート絶縁層28の形成を、熱酸化膜の第1の酸化シリコン膜と、堆積膜の第2の酸化シリコン膜とで形成した場合、第1の領域28aの第1の結合構造の密度が、第2の領域28bの第1の結合構造の密度よりも高くなる。 When the gate insulating layer 28 is formed by the first silicon oxide film of the thermal oxide film and the second silicon oxide film of the deposited film, the density of the first bonded structure of the first region 28a is increased. It is higher than the density of the first bonded structure in the second region 28b.

なお、マイクロ波照射により第1の結合構造を形成した後、フッ素(F)のプラズマ処理を行うことで、第1の終端基(T1)及び第2の終端基(T2)を水酸基(OH)からフッ素(F)に置換することが可能である。また、例えば、水素(H)、又は、重水素(D)のプラズマ処理を行うことで、第1の終端基(T1)及び第2の終端基(T2)を水酸基(OH)から、水素(H)、又は、重水素(D)に置換することが可能である。 After forming the first bonded structure by microwave irradiation, the first terminal group (T1) and the second terminal group (T2) are subjected to plasma treatment with fluorine (F) to form a hydroxyl group (OH). Can be replaced with fluorine (F). Further, for example, by performing plasma treatment of hydrogen (H) or deuterium (D), the first terminal group (T1) and the second terminal group (T2) can be hydrogenated from the hydroxyl group (OH). It can be replaced with H) or deuterium (D).

ゲート絶縁層28の中の第1の炭素(C)は、第2の炭素(C)よりも多いことが好ましい。言い換えれば、ゲート絶縁層28の中の第1の結合構造は、第2の結合構造よりも多いことが好ましい。ゲート絶縁層28の中の第2の結合構造の量が低減されることで、MOSFETの特性が向上する。 It is preferable that the amount of the first carbon (C) in the gate insulating layer 28 is larger than that of the second carbon (C). In other words, it is preferable that the first bonding structure in the gate insulating layer 28 is larger than the second bonding structure. By reducing the amount of the second coupling structure in the gate insulating layer 28, the characteristics of the MOSFET are improved.

マイクロ波を照射する際の温度は、300℃以上600℃以下であることが好ましい。上記範囲を下回ると、第1の酸化シリコン膜中に十分に水が拡散しないおそれがある。上記範囲を上回ると、炭化珪素層の酸化が進行するおそれがある。 The temperature at the time of irradiating the microwave is preferably 300 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. If it is below the above range, water may not be sufficiently diffused into the first silicon oxide film. If it exceeds the above range, oxidation of the silicon carbide layer may proceed.

第1の酸化シリコン膜の厚さは、10nm以下であることが好ましい。上記範囲を上回ると、第2の結合構造の量が多くなりするすぎるおそれがある。 The thickness of the first silicon oxide film is preferably 10 nm or less. If it exceeds the above range, the amount of the second bonded structure may become too large.

以上、第1の実施形態によれば、MOSFETのキャリアの移動度の劣化が抑制される。また、MOSFETの閾値変動が抑制される。また、MOSFETのリーク電流の増大が抑制される。よって、特性の向上したMOSFETが実現される。 As described above, according to the first embodiment, the deterioration of the mobility of the carrier of the MOSFET is suppressed. In addition, the threshold fluctuation of the MOSFET is suppressed. In addition, an increase in the leakage current of the MOSFET is suppressed. Therefore, a MOSFET with improved characteristics is realized.

(第2の実施形態)
第2の実施形態の半導体装置は、半導体層と絶縁層との間に位置し、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及び、ランタノイド(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)から成る群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む領域を、更に備える点で、第1の実施形態と異なっている。以下、第1の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
(Second embodiment)
The semiconductor device of the second embodiment is located between the semiconductor layer and the insulating layer, and has nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), bismuth (Bi), and scandium (Sc). ), Yttrium (Y), and at least one selected from the group consisting of lanthanoids (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). It differs from the first embodiment in that it further includes a region containing an element. Hereinafter, some descriptions of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted.

図8は、第2の実施形態の半導体装置の模式断面図である。第2の実施形態の半導体装置は、MOSFET200である。MOSFET200は、DIMOSFETである。また、MOSFET200は、電子をキャリアとするnチャネル型のMOSFETである。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of the second embodiment. The semiconductor device of the second embodiment is a MOSFET 200. The MOSFET 200 is a DI MOSFET. Further, the MOSFET 200 is an n-channel MOSFET having electrons as carriers.

MOSFET200は、炭化珪素基板12、ドリフト層14(半導体層)、pウェル領域16(半導体層)、ソース領域18、pウェルコンタクト領域20、ゲート絶縁層28(絶縁層)、ゲート電極30、層間絶縁膜32、ソース電極34、ドレイン電極36、及び、界面領域40(領域)を備える。ゲート絶縁層28は、第1の領域28aと第2の領域28bを有する。 The MOSFET 200 includes a silicon carbide substrate 12, a drift layer 14 (semiconductor layer), a p-well region 16 (semiconductor layer), a source region 18, a p-well contact region 20, a gate insulating layer 28 (insulating layer), a gate electrode 30, and interlayer insulation. A film 32, a source electrode 34, a drain electrode 36, and an interface region 40 (region) are provided. The gate insulating layer 28 has a first region 28a and a second region 28b.

界面領域40は、ドリフト層14及びpウェル領域16と、ゲート絶縁層28との間に位置する。界面領域40は、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及び、ランタノイド(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の群の少なくとも一つの元素(終端元素)を含む。 The interface region 40 is located between the drift layer 14 and the p-well region 16 and the gate insulating layer 28. The interface region 40 includes nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), bismuth (Bi), scandium (Sc), yttrium (Y), and lanthanoids (La, Ce, Pr, It contains at least one element (terminating element) of the group Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu).

図9は、第2の実施形態の終端元素の濃度分布を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing the concentration distribution of the terminal element of the second embodiment.

終端元素は、ドリフト層14及びpウェル領域16と、ゲート絶縁層28との間の界面に偏析している。終端元素の濃度分布のピークが、界面領域40内にある。 The terminal element is segregated at the interface between the drift layer 14 and the p-well region 16 and the gate insulating layer 28. The peak of the concentration distribution of the terminal element is in the interface region 40.

終端元素の濃度分布のピークに対する半値全幅は、例えば、1nm以下である。また、濃度分布のピークに対する半値全幅は、例えば、0.25nm以下であることが望ましく、0.2nm未満であることがより望ましい。 The full width at half maximum with respect to the peak of the concentration distribution of the terminal element is, for example, 1 nm or less. Further, the full width at half maximum with respect to the peak of the concentration distribution is preferably, for example, 0.25 nm or less, and more preferably less than 0.2 nm.

終端元素は、ドリフト層14及びpウェル領域16の最上層のシリコン原子又は炭素原子を置換している。最上層の原子を置換しているため、終端元素は炭化珪素層と3配位していることになる。言い換えれば、終端元素は、炭化珪素の結晶格子のシリコン原子又は炭素原子の位置にある。つまり、終端元素は、炭化珪素層の炭素原子と3配位、又は、炭化珪素層のシリコン原子と3配位していることになる。 The terminal element replaces the silicon atom or carbon atom in the uppermost layer of the drift layer 14 and the p-well region 16. Since the atom in the uppermost layer is substituted, the terminal element is tricoordinated with the silicon carbide layer. In other words, the terminal element is at the position of the silicon atom or carbon atom in the crystal lattice of silicon carbide. That is, the terminal element is tri-coordinated with the carbon atom of the silicon carbide layer or tri-coordinated with the silicon atom of the silicon carbide layer.

界面領域40における終端元素の濃度分布のピーク値は、例えば、4×1016cm-3以上4×1020cm-3以下である。 The peak value of the concentration distribution of the terminal element in the interface region 40 is, for example, 4 × 10 16 cm -3 or more and 4 × 10 20 cm -3 or less.

界面領域40中の終端元素の濃度及び分布は、例えば、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Specroscopy:SIMS)により測定することが可能である。また、終端元素の濃度及び分布は、例えば、XPS、TEM-EDX、Atom Probe、HR-RBSなどにより電子状態とその空間分布の特定が可能となる。また、赤外分光法(Infrared Spectroscopy)、ラマン分光法によっても、炭化珪素層に3配位する構造に基づく振動モードが観測される。 The concentration and distribution of the terminal elements in the interface region 40 can be measured, for example, by secondary ion mass spectrometry (SIMS). Further, regarding the concentration and distribution of the terminal element, for example, the electronic state and its spatial distribution can be specified by XPS, TEM-EDX, Atom Probe, HR-RBS and the like. Infrared spectroscopy and Raman spectroscopy also observe a vibration mode based on a structure tricoordinated to the silicon carbide layer.

ゲート絶縁層28及び炭化珪素層における終端元素の濃度は、例えば、2×1016cm-3以下である。 The concentration of the terminal element in the gate insulating layer 28 and the silicon carbide layer is, for example, 2 × 10 16 cm -3 or less.

次に、第2の実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。 Next, a method of manufacturing the semiconductor device of the second embodiment will be described.

第2の実施形態の半導体装置の製造方法は、マイクロ波を照射する前に、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及び、ランタノイド(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)から成る群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む雰囲気中で熱処理を行う点で、第1の実施形態の製造方法と異なる。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment, nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), bismuth (Bi), and scandium (Sc) are used before irradiation with microwaves. , Yttrium (Y), and at least one element selected from the group consisting of lanthanoids (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). It differs from the production method of the first embodiment in that the heat treatment is performed in an atmosphere containing.

図10は、第2の実施形態の半導体装置の製造方法の工程フロー図である。 FIG. 10 is a process flow chart of a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment.

図10に示すように、半導体装置の製造方法は、ドリフト層形成(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)、第1の酸化シリコン膜形成(ステップS108)、界面終端熱処理(ステップS109)、マイクロ波照射(ステップS110)、第2の酸化シリコン膜形成(ステップS112)、第1のアニール(ステップS114)、ゲート電極形成(ステップS116)、層間絶縁膜形成(ステップS118)、ソース電極形成(ステップS120)、ドレイン電極形成(ステップS122)、及び、第2のアニール(ステップS124)を備える。 As shown in FIG. 10, the manufacturing method of the semiconductor device includes drift layer formation (step S100), p-type impurity ion injection (step S102), n-type impurity ion injection (step S104), and p-type impurity ion injection (step S106). ), First silicon oxide film formation (step S108), interfacial termination heat treatment (step S109), microwave irradiation (step S110), second silicon oxide film formation (step S112), first annealing (step S114). , Gate electrode formation (step S116), interlayer insulating film formation (step S118), source electrode formation (step S120), drain electrode formation (step S122), and second annealing (step S124).

ステップS109では、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及び、ランタノイド(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の群の少なくとも一つの元素(終端元素)を含む雰囲気中で熱処理を行う。熱処理の温度は、例えば、300℃以上900℃以下である。 In step S109, nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), bismus (Bi), scandium (Sc), yttrium (Y), and lanthanoids (La, Ce, Pr, Nd). , Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) The heat treatment is performed in an atmosphere containing at least one element (terminating element). The temperature of the heat treatment is, for example, 300 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.

ステップS109により、界面領域40が形成される。 The interface region 40 is formed by step S109.

界面領域40が形成された後、ステップS110で、第1の酸化シリコン膜に水を含む雰囲気中で、マイクロ波を照射する。第1の酸化シリコン膜に水を含む雰囲気中で、マイクロ波を照射することにより、炭素と酸素の二重結合が切断され、炭素が2個の水酸基(OH)と結合した構造が形成される。言い換えれば、第2の結合構造が、第1の終端基(T1)及び第2の終端基(T2)が水酸基(OH)である第1の結合構造に変換される。 After the interface region 40 is formed, in step S110, the first silicon oxide film is irradiated with microwaves in an atmosphere containing water. By irradiating the first silicon oxide film with microwaves in an atmosphere containing water, the double bond between carbon and oxygen is broken, and a structure in which carbon is bonded to two hydroxyl groups (OH) is formed. .. In other words, the second bonding structure is converted into a first bonding structure in which the first terminal group (T1) and the second terminal group (T2) are hydroxyl groups (OH).

なお、第1の酸化シリコン膜形成直後、界面終端熱処理前に、第1のアニールと同等の第3のアニールを行ってもかまわない。第3のアニールによって、界面終端処理時の終端元素が絶縁膜中に分布し難くなり、終端元素が基板界面にパイルアップし易くなる。 Immediately after the formation of the first silicon oxide film and before the interface termination heat treatment, a third annealing equivalent to the first annealing may be performed. The third annealing makes it difficult for the terminal element during the interface termination treatment to be distributed in the insulating film, and makes it easy for the terminal element to pile up on the interface of the substrate.

次に、第2の実施形態の作用及び効果について説明する。 Next, the operation and effect of the second embodiment will be described.

炭化珪素を用いてMOSFETを形成する場合、キャリアの移動度が劣化するという問題がある。炭化珪素層とゲート絶縁層との間の界面準位(surface state)やゲート絶縁層中のエネルギー準位(energy state)がキャリアの移動度の劣化を引き起こすと考えられる。 When a MOSFET is formed using silicon carbide, there is a problem that the mobility of carriers deteriorates. It is considered that the interface state between the silicon carbide layer and the gate insulating layer and the energy level in the gate insulating layer cause deterioration of carrier mobility.

炭化珪素層とゲート絶縁層との間の界面準位は、炭化珪素層の最上層のシリコン原子又は炭素原子のダングリングボンドにより生じると考えられる。 The interface state between the silicon carbide layer and the gate insulating layer is considered to be caused by dangling bonds of silicon atoms or carbon atoms in the uppermost layer of the silicon carbide layer.

第2の実施形態のMOSFET200では、炭化珪素層とゲート絶縁層28との間の界面準位の量が、界面領域40を形成することで低減される。MOSFET200では、ドリフト層14及びpウェル領域16の最上層の、ダングリングボンドを有するシリコン原子、又は、ダングリングボンドを有する炭素原子が、終端元素により置換される。したがって、ダングリングボンドが減少する。よって、MOSFET200では、キャリアの移動度の劣化が更に抑制される。 In the MOSFET 200 of the second embodiment, the amount of the interface state between the silicon carbide layer and the gate insulating layer 28 is reduced by forming the interface region 40. In the MOSFET 200, the silicon atom having a dangling bond or the carbon atom having a dangling bond in the uppermost layer of the drift layer 14 and the p-well region 16 is replaced by a terminal element. Therefore, dangling bonds are reduced. Therefore, in the MOSFET 200, deterioration of carrier mobility is further suppressed.

第2の実施形態のMOSFET200の製造方法では、第1の酸化シリコン膜にマイクロ波の照射を行う前に、界面領域40を形成する。界面領域40が存在することで、第1の酸化シリコン膜にマイクロ波の照射を行う際に、炭化珪素層の酸化が抑制される。したがって、熱酸化によりあらたに第2の結合構造が形成されることが抑制される。 In the method for manufacturing the MOSFET 200 of the second embodiment, the interface region 40 is formed before the first silicon oxide film is irradiated with microwaves. The presence of the interface region 40 suppresses the oxidation of the silicon carbide layer when the first silicon oxide film is irradiated with microwaves. Therefore, it is suppressed that a second bond structure is newly formed by thermal oxidation.

以上、第2の実施形態によれば、MOSFETのキャリアの移動度の劣化が抑制される。また、MOSFETの閾値変動が抑制される。また、MOSFETのリーク電流の増大が抑制される。よって、特性の向上したMOSFETが実現される。 As described above, according to the second embodiment, the deterioration of the mobility of the carrier of the MOSFET is suppressed. In addition, the threshold fluctuation of the MOSFET is suppressed. In addition, an increase in the leakage current of the MOSFET is suppressed. Therefore, a MOSFET with improved characteristics is realized.

(第3の実施形態)
第3の実施形態の半導体装置は、MOSFETの終端領域のゲート絶縁層に第1の結合構造が存在する点で第1の実施形態と異なっている。第1の実施形態と重複する内容については一部記述を省略する。
(Third embodiment)
The semiconductor device of the third embodiment is different from the first embodiment in that the first coupling structure is present in the gate insulating layer in the terminal region of the MOSFET. Some descriptions will be omitted for the contents that overlap with the first embodiment.

図11は、第3の実施形態の半導体装置の模式断面図である。第3の実施形態の半導体装置は、MOSFET250である。MOSFET250は、素子領域と、素子領域の周囲に設けられる終端領域を備えている。終端領域は、MOSFET250の耐圧を向上させる機能を備える。 FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of the third embodiment. The semiconductor device of the third embodiment is a MOSFET 250. The MOSFET 250 includes an element region and a termination region provided around the element region. The termination region has a function of improving the withstand voltage of the MOSFET 250.

素子領域には、例えば、第1の実施形態のMOSFET100がユニットセルとして配置される。 In the element region, for example, the MOSFET 100 of the first embodiment is arranged as a unit cell.

終端領域は、p型のリサーフ領域60(半導体層)、p型のコンタクト領域62、p型のガードリング領域64(半導体層)、ゲート絶縁層28(絶縁層)、フィールド酸化膜33を備える。 The terminal region includes a p-type resurf region 60 (semiconductor layer), a p + type contact region 62, a p-type guard ring region 64 (semiconductor layer), a gate insulating layer 28 (insulating layer), and a field oxide film 33. ..

ゲート絶縁層28の構成は、第1の実施形態の半導体装置と同様である。 The configuration of the gate insulating layer 28 is the same as that of the semiconductor device of the first embodiment.

フィールド酸化膜33は、例えば、酸化シリコン膜である。 The field oxide film 33 is, for example, a silicon oxide film.

MOSFET250のオフ時に、リサーフ領域60、ガードリング領域64、及び、ガードリング領域64の間のドリフト層14に空乏層が形成されることで、MOSFET250の耐圧が向上する。 When the MOSFET 250 is turned off, the depletion layer is formed in the drift layer 14 between the resurf region 60, the guard ring region 64, and the guard ring region 64, so that the withstand voltage of the MOSFET 250 is improved.

しかし、ゲート絶縁層28中にエネルギー準位が存在すると、電荷がエネルギー準位にトラップされる。トラップされた電荷の電界により、所望の空乏層が形成されなくなる恐れがある。この場合、MOSFET250の耐圧が劣化する。 However, if an energy level is present in the gate insulating layer 28, the charge is trapped in the energy level. The electric field of the trapped charge may prevent the formation of the desired depletion layer. In this case, the withstand voltage of the MOSFET 250 deteriorates.

第3の実施形態によれば、ゲート絶縁層28の第2の結合構造が、第1の結合構造に変換されている。したがって、ゲート絶縁層28中のエネルギー準位が低減されている。よって、所望の空乏層が形成され耐圧の安定したMOSFETが実現される。 According to the third embodiment, the second bonding structure of the gate insulating layer 28 is converted into the first bonding structure. Therefore, the energy level in the gate insulating layer 28 is reduced. Therefore, a desired depletion layer is formed and a MOSFET with a stable withstand voltage is realized.

(第4の実施形態)
第4の実施形態のインバータ回路及び駆動装置は、第1の実施形態の半導体装置を備える駆動装置である。
(Fourth Embodiment)
The inverter circuit and drive device of the fourth embodiment are drive devices including the semiconductor device of the first embodiment.

図12は第4の実施形態の駆動装置の模式図である。駆動装置300は、モーター140と、インバータ回路150を備える。 FIG. 12 is a schematic view of the drive device of the fourth embodiment. The drive device 300 includes a motor 140 and an inverter circuit 150.

インバータ回路150は、第1の実施形態のMOSFET100をスイッチング素子とする3個の半導体モジュール150a、150b、150cで構成される。3個の半導体モジュール150a、150b、150cを並列に接続することで、3個の交流電圧の出力端子U、V、Wを備える三相のインバータ回路150が実現される。インバータ回路150から出力される交流電圧により、モーター140が駆動する。 The inverter circuit 150 is composed of three semiconductor modules 150a, 150b, and 150c having the MOSFET 100 of the first embodiment as a switching element. By connecting the three semiconductor modules 150a, 150b, and 150c in parallel, a three-phase inverter circuit 150 having three AC voltage output terminals U, V, and W is realized. The motor 140 is driven by the AC voltage output from the inverter circuit 150.

第4の実施形態によれば、特性の向上したMOSFET100を備えることで、インバータ回路150及び駆動装置300の特性が向上する。 According to the fourth embodiment, the characteristics of the inverter circuit 150 and the drive device 300 are improved by providing the MOSFET 100 with improved characteristics.

(第5の実施形態)
第5の実施形態の車両は、第1の実施形態の半導体装置を備える車両である。
(Fifth Embodiment)
The vehicle of the fifth embodiment is a vehicle provided with the semiconductor device of the first embodiment.

図13は、第5の実施形態の車両の模式図である。第5の実施形態の車両400は、鉄道車両である。車両400は、モーター140と、インバータ回路150を備える。 FIG. 13 is a schematic view of the vehicle of the fifth embodiment. The vehicle 400 of the fifth embodiment is a railroad vehicle. The vehicle 400 includes a motor 140 and an inverter circuit 150.

インバータ回路150は、第1の実施形態のMOSFET100をスイッチング素子とする3個の半導体モジュールで構成される。3個の半導体モジュールを並列に接続することで、3個の交流電圧の出力端子U、V、Wを備える三相のインバータ回路150が実現される。インバータ回路150から出力される交流電圧により、モーター140が駆動する。モーター140により車両400の車輪90が回転する。 The inverter circuit 150 is composed of three semiconductor modules using the MOSFET 100 of the first embodiment as a switching element. By connecting three semiconductor modules in parallel, a three-phase inverter circuit 150 having three AC voltage output terminals U, V, and W is realized. The motor 140 is driven by the AC voltage output from the inverter circuit 150. The motor 140 rotates the wheels 90 of the vehicle 400.

第5の実施形態によれば、特性の向上したMOSFET100を備えることで、車両400の特性が向上する。 According to the fifth embodiment, the characteristics of the vehicle 400 are improved by providing the MOSFET 100 with improved characteristics.

(第6の実施形態)
第6の実施形態の車両は、第1の実施形態の半導体装置を備える車両である。
(Sixth Embodiment)
The vehicle of the sixth embodiment is a vehicle provided with the semiconductor device of the first embodiment.

図14は、第6の実施形態の車両の模式図である。第6の実施形態の車両500は、自動車である。車両500は、モーター140と、インバータ回路150を備える。 FIG. 14 is a schematic view of the vehicle of the sixth embodiment. The vehicle 500 of the sixth embodiment is an automobile. The vehicle 500 includes a motor 140 and an inverter circuit 150.

インバータ回路150は、第1の実施形態のMOSFET100をスイッチング素子とする3個の半導体モジュールで構成される。3個の半導体モジュールを並列に接続することで、3個の交流電圧の出力端子U、V、Wを備える三相のインバータ回路150が実現される。 The inverter circuit 150 is composed of three semiconductor modules using the MOSFET 100 of the first embodiment as a switching element. By connecting three semiconductor modules in parallel, a three-phase inverter circuit 150 having three AC voltage output terminals U, V, and W is realized.

インバータ回路150から出力される交流電圧により、モーター140が駆動する。モーター140により車両500の車輪90が回転する。 The motor 140 is driven by the AC voltage output from the inverter circuit 150. The motor 140 rotates the wheels 90 of the vehicle 500.

第6の実施形態によれば、特性の向上したMOSFET100を備えることで、車両500の特性が向上する。 According to the sixth embodiment, the characteristics of the vehicle 500 are improved by providing the MOSFET 100 with improved characteristics.

(第7の実施形態)
第7の実施形態の昇降機は、第1の実施形態の半導体装置を備える昇降機である。
(7th Embodiment)
The elevator of the seventh embodiment is an elevator provided with the semiconductor device of the first embodiment.

図15は、第7の実施形態の昇降機(エレベータ)の模式図である。第7の実施形態の昇降機600は、かご610、カウンターウエイト612、ワイヤロープ614、巻上機616、モーター140と、インバータ回路150を備える。 FIG. 15 is a schematic diagram of the elevator of the seventh embodiment. The elevator 600 of the seventh embodiment includes a car 610, a counterweight 612, a wire rope 614, a hoisting machine 616, a motor 140, and an inverter circuit 150.

インバータ回路150は、第1の実施形態のMOSFET100をスイッチング素子とする3個の半導体モジュールで構成される。3個の半導体モジュールを並列に接続することで、3個の交流電圧の出力端子U、V、Wを備える三相のインバータ回路150が実現される。 The inverter circuit 150 is composed of three semiconductor modules using the MOSFET 100 of the first embodiment as a switching element. By connecting three semiconductor modules in parallel, a three-phase inverter circuit 150 having three AC voltage output terminals U, V, and W is realized.

インバータ回路150から出力される交流電圧により、モーター140が駆動する。モーター140により巻上機616が回転し、かご610が昇降する。 The motor 140 is driven by the AC voltage output from the inverter circuit 150. The hoisting machine 616 is rotated by the motor 140, and the car 610 is moved up and down.

第7の実施形態によれば、特性の向上したMOSFET100を備えることで、昇降機600の特性が向上する。 According to the seventh embodiment, the characteristics of the elevator 600 are improved by providing the MOSFET 100 with improved characteristics.

以上、第1ないし第3の実施形態では、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など、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 first to third embodiments, the case of 4H-SiC as the crystal structure of silicon carbide has been described as an example, but the present invention can be applied to silicon carbide having other crystal structures such as 6H-SiC and 3C-SiC. It is also possible to apply.

また、第1ないし第3の実施形態では、炭化珪素のシリコン面にゲート絶縁層28を設ける場合を例に説明したが、炭化珪素のその他の面、例えば、カーボン面、a面、m面、(0-33-8)面などにゲート絶縁層28を設ける場合にも本発明を適用することは可能である。 Further, in the first to third embodiments, the case where the gate insulating layer 28 is provided on the silicon surface of the silicon carbide has been described as an example, but other surfaces of the silicon carbide, for example, the carbon surface, the a surface, and the m surface, have been described. The present invention can also be applied when the gate insulating layer 28 is provided on the (0-33-8) plane or the like.

また、第1ないし第3の実施形態では、半導体層が炭化珪素である場合を例に説明したが、半導体層はダイヤモンドであっても構わない。 Further, in the first to third embodiments, the case where the semiconductor layer is silicon carbide has been described as an example, but the semiconductor layer may be diamond.

また、第1ないし第3の実施形態では、nチャネル型のプレーナ型のMOSFETを例に説明したが、nチャネル型のトレンチ型のMOSFETにも本発明を適用することは可能である。トレンチ側面はa面、m面、(0-33-8)面などが代表的な方位である。a面,m面はSi面やC面に対し、垂直な面である。(0-33-8)面は(0001)面に対して、<1-100> 方向に54.7°傾けた面である。この結晶面方位はSiの結晶におけるSi(001)に対応した結晶面である。 Further, in the first to third embodiments, the n-channel type planar MOSFET has been described as an example, but the present invention can also be applied to the n-channel type trench type MOSFET. Typical orientations of the trench side surface are a-plane, m-plane, (0-33-8) plane, and the like. The a-plane and the m-plane are planes perpendicular to the Si-plane and the C-plane. The (0-33-8) plane is a plane tilted by 54.7 ° in the <1-100> direction with respect to the (0001) plane. This crystal plane orientation is the crystal plane corresponding to Si (001) in the Si crystal.

また、nチャネル型のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)にも本発明を適用することは可能である。 The present invention can also be applied to an n-channel type IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

また、nチャネル型に限らず、pチャネル型のMOSFET又はIGBTにも本発明を適用することは可能である。 Further, the present invention can be applied not only to the n-channel type but also to the p-channel type MOSFET or IGBT.

また、第4ないし第7の実施形態において、本発明の半導体装置を車両やエレベータに適用する場合を例に説明したが、本発明の半導体装置を例えば、太陽光発電システムのパワーコンディショナーなどに適用することも可能である。 Further, in the fourth to seventh embodiments, the case where the semiconductor device of the present invention is applied to a vehicle or an elevator has been described as an example, but the semiconductor device of the present invention is applied to, for example, a power conditioner of a photovoltaic power generation system. It is also possible to do.

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又は変更してもよい。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 some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. For example, the components of one embodiment may be replaced or modified with the components of another embodiment. These embodiments and variations thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.

14 ドリフト層(半導体層)
16 pウェル領域(半導体層)
28 ゲート絶縁層(絶縁層)
28a 第1の領域
28b 第2の領域
30 ゲート電極
40 界面領域(領域)
60 リサーフ領域(半導体層)
64 ガードリング領域(半導体層)
100 MOSFET(半導体装置)
150 インバータ回路
200 MOSFET(半導体装置)
250 MOSFET(半導体装置)
300 駆動装置
400 車両
500 車両
600 昇降機

14 Drift layer (semiconductor layer)
16 p-well region (semiconductor layer)
28 Gate insulating layer (insulating layer)
28a First region 28b Second region 30 Gate electrode 40 Interface region (region)
60 Resurf region (semiconductor layer)
64 Guard ring area (semiconductor layer)
100 MOSFET (semiconductor device)
150 Inverter circuit 200 MOSFET (semiconductor device)
250 MOSFET (semiconductor device)
300 Drive 400 Vehicle 500 Vehicle 600 Elevator

Claims (19)

炭化珪素又はダイヤモンドの半導体層と、
前記半導体層の上に位置し、第1の炭素と、前記第1の炭素に結合する第1の原子と、前記第1の炭素に結合する第2の原子と、前記第1の炭素に結合する第1の終端基と、前記第1の炭素に結合する第2の終端基と、を有し、前記第1の原子は、シリコン(Si)、炭素(C)、酸素(O)、窒素(N)、及び、アルミニウム(Al)から成る群から選ばれる一つの原子であり、前記第2の原子は、シリコン(Si)、炭素(C)、酸素(O)、窒素(N)、及び、アルミニウム(Al)から成る群から選ばれる一つの原子であり、前記第1の終端基は、水酸基(OH)、フッ素(F)、水素(H)、及び、重水素(D)から成る群から選ばれる一つの終端基であり、前記第2の終端基は、水酸基(OH)、フッ素(F)、水素(H)、及び、重水素(D)から成る群から選ばれる一つの終端基である絶縁層と、
を備える半導体装置。
With a semiconductor layer of silicon carbide or diamond,
Located on the semiconductor layer, it is bonded to the first carbon, the first atom bonded to the first carbon, the second atom bonded to the first carbon, and the first carbon. The first atom has silicon (Si), carbon (C), oxygen (O), and nitrogen. It is one atom selected from the group consisting of (N) and aluminum (Al), and the second atom is silicon (Si), carbon (C), oxygen (O), nitrogen (N), and , Aluminum (Al), and the first terminal group is a group consisting of a hydroxyl group (OH), a fluorine (F), a hydrogen (H), and a deuterium (D). The second terminal group is one terminal group selected from the group consisting of a hydroxyl group (OH), a fluorine (F), a hydrogen (H), and a deuterium (D). With an insulating layer that is
A semiconductor device equipped with.
前記絶縁層は、酸化物、又は、酸窒化物である請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating layer is an oxide or an oxynitride. 前記絶縁層は、酸化シリコンである請求項1又は請求項2記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the insulating layer is silicon oxide. 前記絶縁層は、酸素と二重結合する第2の炭素を有し、前記第1の炭素は前記第2の炭素よりも多い請求項1ないし請求項3いずれか一項記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the insulating layer has a second carbon that double bonds with oxygen, and the first carbon is more than the second carbon. 前記半導体層と前記絶縁層との間に位置し、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及び、ランタノイド(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)から成る群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む領域を、更に備える請求項1ないし請求項4いずれか一項記載の半導体装置。 Located between the semiconductor layer and the insulating layer, nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), bismus (Bi), scandium (Sc), yttrium (Y), and , Further comprising a region containing at least one element selected from the group consisting of lanthanoids (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4. 前記第1の終端基と前記第2の終端基は、同一の種類である請求項1ないし請求項5いずれか一項記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein the first terminal group and the second terminal group are of the same type. 前記絶縁層は第1の領域と、前記半導体層との間に前記第1の領域を挟む第2の領域とを有し、前記第1の領域の前記第1の炭素は、前記第2の領域の前記第1の炭素よりも多い請求項1ないし請求項6いずれか一項記載の半導体装置。 The insulating layer has a first region and a second region sandwiching the first region between the semiconductor layer, and the first carbon in the first region is the second region. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, which has more than the first carbon in the region. 前記半導体層との間に前記絶縁層を挟むゲート電極を、更に備える請求項1ないし請求項7いずれか一項記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, further comprising a gate electrode that sandwiches the insulating layer between the semiconductor layer and the semiconductor layer. 前記絶縁層の厚さは30nm以上100nm以下である請求項1ないし請求項8いずれか一項記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, wherein the thickness of the insulating layer is 30 nm or more and 100 nm or less. 請求項1乃至請求項9いずれか一項記載の半導体装置を備えるインバータ回路。 The inverter circuit including the semiconductor device according to any one of claims 1 to 9. 請求項1乃至請求項9いずれか一項記載の半導体装置を備える駆動装置。 A drive device including the semiconductor device according to any one of claims 1 to 9. 請求項1乃至請求項9いずれか一項記載の半導体装置を備える車両。 A vehicle including the semiconductor device according to any one of claims 1 to 9. 請求項1乃至請求項9いずれか一項記載の半導体装置を備える昇降機。 An elevator comprising the semiconductor device according to any one of claims 1 to 9. 炭化珪素又はダイヤモンドの半導体層の上に絶縁膜を形成し、
水を含む雰囲気中で前記絶縁膜にマイクロ波を照射する半導体装置の製造方法。
An insulating film is formed on the semiconductor layer of silicon carbide or diamond, and the insulating film is formed.
A method for manufacturing a semiconductor device that irradiates the insulating film with microwaves in an atmosphere containing water.
前記絶縁膜は、熱酸化により形成する請求項14記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 14, wherein the insulating film is formed by thermal oxidation. 前記マイクロ波を照射する際の温度は300℃以上600℃以下である請求項14又は請求項15記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 14 or 15, wherein the temperature at the time of irradiating the microwave is 300 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. 前記絶縁膜の厚さは10nm以下である請求項14ないし請求項16いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 14 to 16, wherein the thickness of the insulating film is 10 nm or less. 前記マイクロ波を照射した後、フッ素(F)、水素(H)、又は、重水素(D)のプラズマ処理を行う請求項14ないし請求項17いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 14 to 17, wherein plasma treatment of fluorine (F), hydrogen (H), or deuterium (D) is performed after irradiation with the microwave. 前記マイクロ波を照射する前に、窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、及び、ランタノイド(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)から成る群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む雰囲気中で熱処理を行う請求項14ないし請求項18いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
Before irradiating with the microwave, nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), bismus (Bi), scandium (Sc), yttrium (Y), and lanthanoid (La, 14 to claim 14 to perform heat treatment in an atmosphere containing at least one element selected from the group consisting of Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). 18. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 18.
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