JP7082558B2 - 炭化珪素半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、炭化珪素半導体装置とその製造方法に関する。

絶縁ゲートを備えた炭化珪素半導体装置の開発が進められている。この種の炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板と、その炭化珪素基板の表面上に設けられている酸化シリコンのゲート絶縁膜と、そのゲート絶縁膜を介して炭化珪素基板の表面に対向するゲート電極と、を備えている。

炭化珪素基板とゲート絶縁膜の界面は、界面準位密度が高く、キャリア移動度が低いことが知られている。特許文献１及び特許文献２は、窒素を含むガス（アンモニア、亜酸化窒素、一酸化窒素など）の雰囲気下の熱処理により、炭化珪素基板とゲート絶縁膜の界面に窒素を浸透させる窒化処理を行う技術を開示する。このような窒化処理が行われると、界面準位密度が低下し、キャリア移動度が高くなることが分かっている。

特開２０１１－８２４５４号公報 特開２０１５－５３３７２号公報

本発明者らの検討によると、窒化処理を行った炭化珪素半導体装置において、ゲート電圧を印加した前後において、ゲート閾値電圧が大きく変動することが分かってきた。本明細書は、このようなゲート閾値電圧の変動が抑えられた炭化珪素半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。

本明細書が開示する半導体装置は、炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板の表面上に設けられている酸化シリコンのゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して前記炭化珪素基板の前記表面に対向するゲート電極と、を備えることができる。前記ゲート絶縁膜とゲート電極は、プレーナ型の絶縁ゲートとして構成されてもよく、前記炭化珪素基板に形成されたトレンチ内にトレンチ型の絶縁ゲートとして構成されてもよい。プレーナ型の絶縁ゲートとして構成される場合、前記炭化珪素基板の前記表面は、前記炭化珪素基板の一方の主面をいう。トレンチ型の絶縁ゲートとして構成される場合、前記炭化珪素基板の前記表面は、前記炭化珪素基板に形成されたトレンチの内壁面をいう。この炭化珪素半導体装置では、前記炭化珪素基板の前記表面がＳｉ面であり、そのＳｉ面のＳｉと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素が配位している。さらに、この炭化珪素半導体装置では、前記炭化珪素基板の前記表面をＸ線吸収分光法により分析した場合に、光子エネルギーが３９５～４０５ｅＶの範囲に現れる強度の最小値となる極小値をＡとし、光子エネルギーが４００～４１０ｅＶの範囲に現れる強度の最大値となる極大値をＢとし、前記極小値Ａの光子エネルギーと前記極大値Ｂの光子エネルギーの間の範囲に現れる極大値をＣとすると、（Ｃ－Ａ）／（Ｂ－Ａ）が０．１以下である。なお、「（Ｃ－Ａ）／（Ｂ－Ａ）が０．１以下」という特定には、極大値Ｃが現れない場合も含まれる。

上記実施形態の炭化珪素半導体装置では、前記炭化珪素基板の前記Ｓｉ面の直下の炭素サイトに窒素が配位し、さらに、格子間に窒素が残存していない。このような炭化珪素半導体装置では、ゲート閾値電圧の変動が優位に抑えられる。

本明細書が開示する炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素基板のＳｉ面上に酸化シリコンのゲート絶縁膜を成膜する成膜工程と、前記成膜工程の後に、窒素を含むガスの雰囲気下において１０００℃よりも高い温度で、前記炭化珪素基板と前記ゲート絶縁膜の界面に窒素を浸透させる窒化処理工程と、前記窒化処理工程の後に、窒素ガスの雰囲気下において、前記炭化珪素基板の温度を降温させる降温工程と、を備えることができる。前記降温工程では、前記炭化珪素基板の温度が１０００℃を下回る時の降温速度が５℃／分よりも小さく設定されている。前記窒化処理工程は、一酸化窒素を含むガス雰囲気下で実施されてもよい。この製造方法によると、前記炭化珪素基板の前記Ｓｉ面の直下の炭素サイトに窒素が配位し、さらに、格子間に窒素が残存していない炭化珪素半導体装置が製造される。

炭化珪素半導体装置が備える絶縁ゲートの要部断面図の模式図である。 炭化珪素半導体装置が備える絶縁ゲートを製造する方法を示すフローチャートである。 ゲート絶縁膜と炭化珪素基板の界面近傍の原子構造の模式図である。 Ｘ線吸収分光法による原子構造分析の結果を示す図である。

図１は、炭化珪素半導体装置が備える絶縁ゲート１０の要部断面図の模式図である。炭化珪素半導体装置は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。絶縁ゲート１０は、プレーナ型又はトレンチ型として構成される。

絶縁ゲート１０は、炭化珪素基板１２とゲート絶縁膜１４とゲート電極１６がこの順で積層して構成されている。炭化珪素基板１２は、六方晶の炭化珪素（ＳｉＣ）を材料とする基板であり、この例では、４Ｈ－ＳｉＣが用いられている。炭化珪素基板１２とゲート絶縁膜１４の界面１３において、炭化珪素基板１２の表面は、±１０°のオフ角を有するＳｉ面（０００１）である。

ゲート絶縁膜１４は、炭化珪素基板１２の表面上に設けられており、炭化珪素基板１２の表面に接している。ゲート絶縁膜１４は、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を材料とする。ゲート絶縁膜１４の厚みは、例えば、５０～１５０ｎｍである。この例では、ゲート絶縁膜１４の厚みは約７５ｎｍである。

ゲート電極１６は、ゲート絶縁膜１４の表面上に設けられており、ゲート絶縁膜１４に接している。ゲート電極１６は、ゲート絶縁膜１４を介して炭化珪素基板１２の表面に対向している。ゲート電極１６が対向する炭化珪素基板１２の表面は、チャネル領域として機能する。ゲート電極１６は、不純物がドープされたポリシリコンを材料とする。この例に代えて、ゲート電極１６は、アルミニウム等の金属及び金属化合物（例えば、ＴｉＳｉ）であってもよい。

図２を参照して、炭化珪素半導体装置の絶縁ゲート１０を製造する方法を説明する。まず、４Ｈポリタイプの炭化珪素基板１２を準備する。炭化珪素基板１２の表面は、Ｓｉ面である。

次に、炭化珪素基板１２の表面上に、ゲート絶縁膜１４を形成する（ＳＴ１）。ゲート絶縁膜１４は、例えば、熱酸化技術を利用して炭化珪素基板１２の表面上に形成される。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ってもよい。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ってもよい。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。この例では、熱酸化の条件は、乾燥酸素雰囲気下、１３００℃、０．１時間である。なお、ゲート絶縁膜１４は、熱酸化膜に限定されず、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を利用して形成してもよい。

次に、熱処理（アニール）を利用して、炭化珪素基板１２とゲート絶縁膜１４の界面１３に窒素を浸透させる窒化処理を行う（ＳＴ２）。窒化処理工程では、ゲート絶縁膜１４が形成された炭化珪素基板１２を、窒素を含むガスの雰囲気下で熱処理する。浸透した窒素は、炭化珪素基板１２の表面のＳｉ面のシリコンに結合する炭素サイトの少なくとも一部に配位する。換言すると、浸透した窒素は、炭化珪素基板１２の表面のＳｉ面のシリコンの３つと結合しており、炭化珪素基板１２の表面から第２層の炭素サイトに配位している。図３に、炭素サイトに窒素が配位した様子を示す。図３中の破線が炭化珪素基板１２とゲート絶縁膜１４の界面１３を示す。省略しているが、破線よりも紙面上側にゲート絶縁膜１４が形成されている。図３に示されるように、炭化珪素基板１２の表面のＳｉ面のシリコンに結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素が配位している。

窒化処理で用いられる窒素を含むガスは、例えば、一酸化窒素（ＮＯ）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ_２）等の窒素酸化物ガス、及び、アンモニア（ＮＨ_３）である。これらの窒素を含むガスは、１種単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。また、窒素を含むガスは、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスを含んでいてもよい。窒化処理の熱処理温度は、１０００℃以上の温度であり、例えば１２５０℃～１３５０℃の範囲であってもよい。窒化処理の熱処理時間としては、例えば、１０分～１２０分の範囲が挙げられる。

次に、窒素ガスの雰囲気下で炭化珪素基板１２を降温する降温処理を行う（ＳＴ３）。この降温処理工程では、まず、炉内のガスを窒化処理で用いた窒素を含むガスから不活性な窒素ガスに置換する。炉内が窒素ガスのみで充満されたら、炭化珪素基板１２の温度を降温させる。このとき、炭化珪素基板１２の温度が１１００℃から９００℃に降下するときの降温速度、特に、１０００℃を下回る時の降温速度が５℃／分よりも小さく設定されている。例えば、降温速度が１℃／分～５℃／分の間である。炭化珪素基板１２の温度が１０００℃を下回る時、炭化珪素基板１２の表面上に形成されたゲート絶縁膜１４が相転移によって動き、これにより、炭化珪素基板１２の表面の構造歪みが生じる。このとき、炭化珪素基板１２が窒素ガスの雰囲気下にあると、炭化珪素基板１２の表面から格子間窒素が脱離する。これにより、炭化珪素基板１２とゲート絶縁膜１４の界面のうちの炭化珪素基板１２の表面では、炭素サイトに配位した窒素のみが存在することとなる。

次に、ゲート絶縁膜１４の表面上に、ゲート電極１６を形成する（ＳＴ４）。この例では、ＣＶＤ法を利用して、不純物がドープされたポリシリコンのゲート電極１６を形成する。以上の工程を経て、炭化珪素半導体装置の絶縁ゲート１０が形成される。

次に、上記工程を経て形成された絶縁ゲートをＸ線吸収分光分析装置により分析を行った。図４は、炭化珪素基板１２とゲート絶縁膜１４の界面のうちの炭化珪素基板１２の表面をＸ線吸収分光法によって原子構造分析をした結果である。炭化珪素基板１２の表面にＸ線を照射し、照射Ｘ線のエネルギー（光子エネルギー）を変えながら、電子放出の結果として流れる試料電流を計測した。比較例は、上記製造方法のうちの降温工程において、１１００℃から９００℃に降下するときの降温速度が５℃／分よりも大きい例である。

実施例及び比較例のいずれにおいても、光子エネルギーが３９５～４０５ｅＶの範囲に強度の最小値且つ極小値が現れ、光子エネルギーが４００～４１０ｅＶの範囲に強度の最大値且つ極大値が現れる。光子エネルギーが４００～４１０ｅＶの範囲に現れる最大値且つ極大値となるピークは、炭化珪素基板１２の表面のＳｉ面のシリコンに結合する炭素サイトに配位した窒素を示す。比較例ではさらに、上述の最小値且つ極小値の強度を「Ａ」とし、上述の最大値且つ極大値の強度を「Ｂ」とすると、「Ａ」の光子エネルギーと「Ｂ」の光子エネルギーの間の範囲に極大値となるプレピークが現れる。このプレピークの強度を「Ｃ」とすると、比較例では、（Ｃ－Ａ）／（Ｂ－Ａ）が０．１よりも大きい。このようなプレピークは、炭化珪素基板１２の表面のＳｉ面のシリコンに結合する炭素サイトとは別の炭素サイトに配位した窒素、又は、格子間窒素によるものと考えられる。一方、実施例では、（Ｃ－Ａ）／（Ｂ－Ａ）が０．１以下、好ましくは０．０５以下、より好ましくはプレピークが検出限度以下である。この例では、プレピークが検出されていない。

実施例と比較例のＣＶ特性を測定すると、いずれのＣＶカーブにもヒステリシスが現れる。そのヒステリシスの電圧幅（ゲート閾値電圧の変動に対応する）は、実施例では６ｍＶであり、比較例では１４５ｍＶであった。このように、実施例の絶縁ゲートは、ゲート閾値電圧の変動が顕著に抑えられることが確認された。この理由としては、上記したように、炭化珪素基板１２の表面のＳｉ面のシリコンに結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素が配位していること、及び、格子間窒素が残存していないこと、によるものと推察される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：絶縁ゲート
１２：炭化珪素基板
１４：ゲート絶縁膜
１６：ゲート電極

Claims (3)

1. 炭化珪素基板と、
   前記炭化珪素基板の表面上に設けられている酸化シリコンのゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜を介して前記炭化珪素基板の前記表面に対向するゲート電極と、を備えており、
   前記炭化珪素基板の前記表面がＳｉ面であり、
   前記炭化珪素基板では、前記Ｓｉ面のＳｉと結合する炭素サイトの少なくとも一部に窒素が配位しており、
   前記炭化珪素基板の前記表面をＸ線吸収分光法により分析した場合に、光子エネルギーが３９５～４０５ｅＶの範囲に現れる強度の最小値且つ極小値をＡとし、光子エネルギーが４００～４１０ｅＶの範囲に現れる強度の最大値且つ極大値をＢとし、前記極小値Ａの光子エネルギーと前記極大値Ｂの光子エネルギーの間の範囲に現れる極大値をＣとすると、（Ｃ－Ａ）／（Ｂ－Ａ）が０．１以下である、炭化珪素半導体装置。
2. 炭化珪素基板のＳｉ面上に酸化シリコンのゲート絶縁膜を成膜する成膜工程と、
   前記成膜工程の後に、窒素を含むガスの雰囲気下において１０００℃よりも高い温度で、前記炭化珪素基板と前記ゲート絶縁膜の界面に窒素を浸透させる窒化処理工程と、
   前記窒化処理工程の後に、窒素ガスの雰囲気下において前記炭化珪素基板の温度を降温させる降温工程と、を備えており、
   前記降温工程では、前記炭化珪素基板の温度が１０００℃を下回る時の降温速度が５℃／分よりも小さく設定されている、炭化珪素半導体装置の製造方法。
3. 前記窒化処理工程は、一酸化窒素を含むガスの雰囲気下で実施される、請求項２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

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