JP7388020B2 - 絶縁ゲート型半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いた絶縁ゲート型半導体装置に関する。
特許文献１は、ＳｉＣを用いたＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のゲート絶縁膜として、燐（Ｐ）を添加したシリコン酸化膜（ＰＳＧ膜）からなる極性絶縁層と、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）からなる非極性絶縁層との積層構造を開示する。下層側に極性絶縁層を配置することにより、界面準位密度（Ｄｉｔ）等の界面準位を低減し、チャネル移動度を向上させている。また、上層側に非極性絶縁層を配置することにより、ゲート閾値の安定性を向上させ、ゲート絶縁膜の信頼性を向上させている。
しかしながら、上層側の非極性絶縁層を形成後の熱処理により、下層側の極性絶縁層に含まれるＰが非極性絶縁層中に拡散するため、ゲート絶縁膜の信頼性を確保することができないという課題がある。
上記課題に鑑み、本発明は、ＳｉＣを用いた絶縁ゲート型（ＭＩＳ型）半導体装置の表面移動度を向上させつつ、ゲート絶縁膜やキャパシタ絶縁膜として機能する誘電体層の信頼性を確保することができる絶縁ゲート型半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、（ａ）炭化ケイ素からなる半導体基体と、（ｂ）半導体基体の表面層に接し、不純物が添加された第１絶縁層と、（ｃ）第１絶縁層上に配置され、アルカリ土類金属フッ化物からなる第２絶縁層と、（ｄ）第２絶縁層上に配置されたノンドープの第３絶縁層と、（ｅ）第３絶縁層上に配置され、表面層の表面電位を静電的に制御する制御電極とを備える絶縁ゲート型半導体装置であることを要旨とする。
本発明によれば、ＳｉＣを用いたＭＩＳ型半導体装置の表面移動度を向上させつつ、ゲート絶縁膜やキャパシタ絶縁膜として機能する誘電体層の信頼性を確保することができる絶縁ゲート型半導体装置を提供することができる。
以下において、図面を参照して本発明の第１及び第２実施形態を説明する。以下の説明で参照する図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
本明細書の「絶縁ゲート型半導体装置」は、第１実施形態で例示するようにＭＯＳキャパシタやＭＩＳキャパシタ等の受動素子を含み、更に第２実施形態で例示するようにＭＩＳ型のトランジスタ等の能動素子を含む概念である。本明細書の「絶縁ゲート型半導体装置」は、個別デバイス（ディスクリートデバイス）の他、半導体集積回路等の複数の要素素子が集積化された半導体装置であっても構わない。
絶縁ゲート型半導体装置が能動素子の場合の「第１主電極領域」とは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）においてソース領域又はドレイン領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）においてはエミッタ領域又はコレクタ領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。また、静電誘導サイリスタ（ＳＩサイリスタ）やゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）においてはアノード領域又はカソード領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。「第２主電極領域」とは、ＦＥＴやＳＩＴにおいては上記第１主電極領域とはならないソース領域又はドレイン領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。ＩＧＢＴにおいては上記第１主電極領域とはならないエミッタ領域又はコレクタ領域のいずれか一方となる領域を意味する。ＳＩサイリスタやＧＴＯにおいては上記第１主電極領域とはならないアノード領域又はカソード領域のいずれか一方となる領域を意味する。このように、「第１主電極領域」がソース領域であれば、「第２主電極領域」はドレイン領域を意味する。「第１主電極領域」がエミッタ領域であれば、「第２主電極領域」はコレクタ領域を意味する。「第１主電極領域」がアノード領域であれば、「第２主電極領域」はカソード領域を意味する。バイアス関係を交換すれば、ＭＩＳＦＥＴ等の場合、「第１主電極領域」の機能と「第２主電極領域」の機能を交換可能である。更に、本明細書において単に「主電極領域」と記載する場合は、第１主電極領域又は第２主電極領域のいずれか一方を包括的に意味する。
また、以下の説明における上下等の方向の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を９０°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、１８０°回転して観察すれば上下は反転して読まれることは勿論である。
また、以下の説明では、第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型の場合について例示的に説明する。しかし、導電型を逆の関係に選択して、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としても構わない。また、「ｎ」や「ｐ」に付す「＋」や「－」は、「＋」及び「－」が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い（換言すれば、比抵抗が低い又は高い）半導体領域であることを意味する。但し、同じ「ｎ」と「ｎ」とが付された半導体領域であっても、それぞれの半導体領域の不純物濃度（比抵抗）が厳密に同じであることを意味するものではない。
（第１実施形態）
＜ＭＩＳキャパシタ＞
本発明の第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置が、受動素子であるＭＩＳキャパシタを含む場合を説明する。第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置に含まれるＭＩＳキャパシタは、図１に示すように、ＳｉＣからなる半導体基体１と、半導体基体１の表面層上に配置された誘電体層（キャパシタ絶縁膜）２と、誘電体層２の上面に配置された制御電極３を備える。
＜ＭＩＳキャパシタ＞
本発明の第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置が、受動素子であるＭＩＳキャパシタを含む場合を説明する。第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置に含まれるＭＩＳキャパシタは、図１に示すように、ＳｉＣからなる半導体基体１と、半導体基体１の表面層上に配置された誘電体層（キャパシタ絶縁膜）２と、誘電体層２の上面に配置された制御電極３を備える。
第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の半導体基体１は、第１導電型（ｎ型）のＳｉＣからなる単層の半導体基板（ＳｉＣ基板）であるので、「半導体基体１の表面層」もＳｉＣ基板自体である。後述する第２の実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置のように、半導体基体が複合層からなる場合は、「表面層」とその下層の半導体層の導電型が異なる場合もあり得る。
半導体基体１は、例えば、ｎ型やｎ＋型のＳｉＣからなる半導体基板（ＳｉＣウェハ）自体であってもよく、半導体基板上にエピタキシャル成長したｎ－型（ｉ型）、ｎ型やｎ＋型のエピタキシャル成長層の少なくとも一部であってもよい。或いは、半導体基板又はエピタキシャル成長層の上部にｎ型不純物元素を添加することで設けられたｎ－型（ｉ型）、ｎ型やｎ＋型の半導体領域の少なくとも一部であってもよい。更に、半導体基体１は、半導体基板又はエピタキシャル成長層の上部にｐ型不純物元素を添加することで設けられたｐウェルの上部にｎ型不純物元素を添加することで設けられたｎ型やｎ＋型の半導体領域であってもよい。更に、半導体基体１は、第２導電型（ｐ－型（ｉ型）、ｐ型やｐ＋型）であってもよい。このように第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の半導体基体１の表面層は、第１電型であっても第２導電型であっても構わない。
誘電体層２は、半導体基体１上に配置され、半導体基体１と接する第１絶縁層（不純物添加絶縁膜）２１と、第１絶縁層２１上に配置された第２絶縁層（拡散防止絶縁膜）２２と、第２絶縁層２２上に配置された第３絶縁層（ノンドープ絶縁膜）２３を備える。
第１絶縁層２１は、例えば２ｎｍ～１０ｎｍ程度の膜厚を有する。第１絶縁層２１は、シリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）以外の元素が不純物として意図的に添加された誘電体膜で構成されている。第１絶縁層２１は、例えば硼素（Ｂ）、燐（Ｐ）、バリウム（Ｂａ）から選ばれる元素を、不純物として少なくとも１種類以上含む。第１絶縁層２１に添加される不純物の含有濃度は、例えば５×１０２０ｃｍ－３～５×１０２１ｃｍ－３程度である。例えば、第１絶縁層２１は、Ｐを添加したシリコン酸化膜（ＰＳＧ）、Ｂを添加したシリコン酸化膜（ＢＳＧ）、Ｂ及びＰを添加したシリコン酸化膜（ＢＰＳＧ）であってよい。第１絶縁層２１は、Ｂ、Ｐ又はＢａ等の不純物を含むことにより、第１絶縁層２１と半導体基体１との界面における界面準位を抑制し、表面移動度を向上させる機能を有し得る。
第２絶縁層２２は、例えば２ｎｍ～１０ｎｍ程度の膜厚を有する。第２絶縁層２２は、第１絶縁層２１よりも薄くてもよく、第１絶縁層２１よりも厚くてもよく、第１絶縁層２１と同じ厚さであってもよい。第２絶縁層２２は、フッ化マグネシウム（ＭａＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、フッ化バリウム（ＢａＦ２）、フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）等のアルカリ土類金属フッ化物を含む誘電体膜で構成されている。
第２絶縁層２２は、第３絶縁層２３の形成後の熱処理時等における、第１絶縁層２１に含まれる不純物の第３絶縁層２３への拡散を防止する機能を有し得る。即ち、第１絶縁層２１に含まれるＢ、Ｐ又はＢａ等の不純物は、ＳｉＯ２中の非架橋酸素等の原子レベルの構造欠陥（拡散サイト）を介して拡散すると考えられる。これに対して、アルカリ土類金属フッ化物は、ＳｉＯ２のような拡散サイトを持たないため、Ｂ、Ｐ又はＢａ等の不純物の拡散を防止する機能を有すると考えられる。
第３絶縁層２３は、例えば３０ｎｍ～１００ｎｍ程度の膜厚を有する。第３絶縁層２３は、第１絶縁層２１及び第２絶縁層２２のそれぞれよりも厚くてよい。第３絶縁層２３は、不純物が意図的に添加されていないノンドープの誘電体膜で構成されている。第３絶縁層２３は、誘電体層２の耐圧を確保する機能を有し得る。第３絶縁層２３としては、例えばＮＳＧ（Nondoped Silicate Glass）やＨＴＯ（High-Temperature Oxidation）膜などの、燐（Ｐ）や硼素（Ｂ）等の不純物を含まないノンドープのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）が使用可能である。更に、第３絶縁層２３としては、ノンドープのマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）膜、イットリウム酸化物（Ｙ２Ｏ３）膜、ハフニウム酸化物（ＨｆＯ２）膜、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２）膜、タンタル酸化物（Ｔａ２Ｏ５）膜、ビスマス酸化物（Ｂｉ２Ｏ３）膜も使用可能である。更に、第３絶縁層２３としては、ノンドープのシリコン酸窒化（ＳｉＯＮ）膜、ストロンチウム酸化物（ＳｒＯ）膜、シリコン窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）膜、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）膜も使用可能である。更に、第３絶縁層２３としては、上述したこれらのノンドープの単層膜のいくつかを選択し、複数を積層したノンドープの複合膜等からなる誘電体膜も使用可能である。
制御電極３は、誘電体層２を介して、半導体基体１の表面層の表面電位を静電的に制御する。制御電極３の材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属や、不純物元素を添加した多結晶シリコン（ドープドポリシリコン）、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ等のシリサイドが使用可能である。更に、制御電極３の材料として、ドープドポリシリコンとシリサイドとの複合膜であるポリサイドを使用してもよい。
第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置によれば、ＳｉＣからなる半導体基体１上に設けるキャパシタ絶縁膜として機能する誘電体層２を、第１絶縁層２１、第２絶縁層２２及び第３絶縁層２３を含む積層構造としている。そして、半導体基体１に接する第１絶縁層２１が、不純物が添加された誘電体膜であるため、半導体基体１の界面準位密度（Ｄｉｔ）として電気的に評価される、表面層と誘電体層２との界面またはその近傍における単位面積あたりのキャリアトラップ数を低減することができ、表面移動度を向上させることができる。
更に、第３絶縁層２３がノンドープの誘電体膜であるため、誘電体層２の絶縁耐圧を確保すると共に、ＭＩＳキャパシタの表面電位やフラットバンド電圧（Ｖｆｂ）の変動を抑制することができるので、誘電体層２の信頼性を向上させることができる。
更に、第１絶縁層２１と第３絶縁層２３との間に挟まれたアルカリ土類金属フッ化物からなる第２絶縁層２２により、第１絶縁層２１に含まれる不純物の第３絶縁層２３への拡散を防止することができるため、誘電体層２の信頼性を確保することができる。したがって、第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の表面移動度の向上と、誘電体層２の信頼性とを両立することができる。
ここで、第２絶縁層２２の材料として、アルカリ土類金属フッ化物の代わりに、窒化物を用いた場合を考える。窒化物のバンドギャップは、例えばＳｉ３Ｎ４のバンドギャップが５～５．５ｅＶであるように、ＳｉＯ２のバンドギャップ（９ｅＶ弱）に比べて小さい。このため、Ｂ又はＰ等の不純物が添加された第１絶縁層２１の膜厚が５ｎｍ以下と薄くなると、制御電極３に対する電圧印加時に、正孔又は電子が窒化物層の伝導帯、価電子帯にそれぞれトンネル効果で注入され易く、電荷捕獲によりトランジスタの閾値電圧をシフトさせてしまう。これに対して、アルカリ土類金属フッ化物のバンドギャップは、ＢａＦ２のバンドギャップが１０ｅＶ弱であり、ＭｇＦ２のバンドギャップが１２．８ｅＶであるように、ＳｉＯ２のバンドギャップよりも大きい。このため、アルカリ土類金属フッ化物からなる第２絶縁層２２を有することにより、電子又は正孔の電荷注入を低減し、ゲート閾値の安定性を向上させることができる。更に、アルカリ土類金属フッ化物は、窒化物よりもイオン性が強いため、Ｂ又はＰ等の不純物に対するバリア性をより強くできる。
＜ＭＩＳキャパシタの製造方法＞
次に、図２～図４を参照しながら、第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の一例を、ＭＩＳキャパシタに着目して説明する。なお、以下で説明する第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法は一例であって、これ以外の種々の方法でも製造可能である。
次に、図２～図４を参照しながら、第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の一例を、ＭＩＳキャパシタに着目して説明する。なお、以下で説明する第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法は一例であって、これ以外の種々の方法でも製造可能である。
まず、ｎ型のＳｉＣからなる半導体基体１（図１参照。）を用意する。半導体基体１としては、例えば昇華法、溶液法等により結晶成長された４Ｈ－ＳｉＣのバルク単結晶（インゴット）から（０００１）基板（（０００１）面から０～８度オフで切り出されたウェハ（基板）が使用可能である。
次に、半導体基体１を酸素（Ｏ２）ガス中で加熱することにより、半導体基体１の表面層の上面に、熱酸化膜を２ｎｍ～１０ｎｍ程度の膜厚で形成する。次に、原料ガス又は固体拡散源を用いて、Ｐ、Ｂ等の不純物を熱酸化膜に添加し、拡散させることにより、図２に示すように、第１絶縁層２１を形成する。第１絶縁層２１がＰＳＧ膜の場合には、例えば熱酸化中にフォスフィン（ＰＨ３）ガス等のＰを含むドーピングガスを同時に流すか、熱酸化後にＰを含むドーピングガスを流して、熱酸化膜に気相拡散すればよい。Ｐを含むドーピングガスとしてトリメチルフォスフェート（ＰＯ（ＯＣＨ３）３：ＴＭＯＰ）ガス等の有機金属系ガスを用いてもよく、液体のオキシ塩化燐（ＰＯＣｌ３）中に酸素ガス等をバブリングしたガスを用いてもよい。
第１絶縁層２１がＢＰＳＧ膜の場合には、例えば熱酸化中にＰを含むドーピングガスとＢを含むドーピングガスを同時に流すか、熱酸化後にＰを含むドーピングガスとＢを含むドーピングガスを流して熱酸化膜に気相拡散してもよい。Ｂを含むドーピングガスとしては、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）ガスやトリメトキシボラン（Ｂ（ＯＣＨ３）３：ＴＭＢ）ガスを用いることができる。Ｂを含むドーピングガスとして液体の三臭化硼素（ＢＢｒ３）中に酸素ガス等をバブリングしたガスを用いてもよく、窒化硼素（ＢＮ）円盤のような固体拡散源を用いて熱拡散してもよい。
なお、熱酸化法及び気相拡散の代わりに、減圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）法等により、Ｐ、Ｂ等の不純物が添加された第１絶縁層２１を直接堆積してもよい。第１絶縁層２１のＰＳＧ膜をＬＰＣＶＤで堆積する場合には、例えばモノシラン（ＳｉＨ４）ガス、水素（Ｈ２）ガス等の原料ガスに加えＰを含むドーピングガスを同時に流して堆積することができる。第１絶縁層２１のＢＰＳＧ膜をＬＰＣＶＤで堆積する場合には、例えばＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガスの原料ガスに加え、Ｐを含むドーピングガスとＢを含むドーピングガスを同時に用いることにより堆積できる。
第１絶縁層２１をＢａを含むＳｉＯ２とする場合には、例えば半導体基体１表面にＢａ金属を原料とした真空加熱蒸着により０．１ｎｍ～１ｎｍ程度のＢａ薄膜を形成したあと、２ｎｍ～１０ｎｍのＳｉＯ２膜を熱又はプラズマを用いた化学気相成長法（ＣＶＤ法）、あるいはスパッタリングなどの物理気相堆積法（ＰＶＤ法）を用いて形成し、１０％～１００％の酸素を含む雰囲気中で加熱すること第１絶縁層２１を形成する。Ｂａ薄膜の代わりに、酸化バリウム（ＢａＯ）又は炭酸バリウム（ＢａＣＯ３）のターゲット材料を用いたスパッタリング法でＢａＯ膜、ＢａＣＯ３膜を形成してもよい。
堆積法によって第１絶縁層２１を形成した後、必要に応じて、成膜後アニール（ＰＤＡ）を行う。ＰＤＡは、例えば窒素（Ｎ２）中、９００℃～１０００℃程度、３０分～１２０分程度で行ってよい。
次に、図３に示すように、第１絶縁層２１上に、ＭａＦ２、ＣａＦ２、ＢａＦ２又はＳｒＦ２等のアルカリ土類金属フッ化物からなる第２絶縁層２２を２ｎｍ～１０ｎｍ程度の膜厚で堆積する。２ｎｍ～１０ｎｍ程度の第２絶縁層２２を堆積する場合、真空蒸着法やスパッタリング法の他に、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法や分子層エピタキシ（ＭＬＥ）法等を用いてもよい。
次に、図４に示すように、ＬＰＣＶＤ法等により、第２絶縁層２２上に、不純物が意図的に添加されていない第３絶縁層（ノンドープ絶縁膜）２３を３０ｎｍ～１００ｎｍ程度の膜厚で堆積する。この結果、第１絶縁層２１、第２絶縁層２２及び第３絶縁層２３を含む誘電体層２が形成される。その後、ＰＤＡを、例えば窒素（Ｎ２）中、９００℃～１２００℃の温度で、３０分程度で行う。
次に、蒸着法又はスパッタリング法等により、第３絶縁層２３の上面の全面にＡｌ等の金属膜を堆積する。その後、金属膜上にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜をマスクとして用いて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチング等により金属膜の一部を選択的に除去することにより、図１に示すように、ドット状の制御電極３を形成することで、ＭＩＳキャパシタが完成する。
第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法によれば、チャネル移動度が高く、キャパシタ絶縁膜として機能する誘電体層２の信頼性を確保することができるＭＩＳキャパシタを実現可能となる。
＜第１実施形態の実施例＞
第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置に含まれるＭＩＳキャパシタの実施例１～４及び比較例１～３を作製した。実施例１の作製方法は、まず、半導体基体１として、ＲＣＡ洗浄、ＨＦ洗浄、乾燥後のＳｉＣ基板を用意した。次に、Ｏ２ガス中で、１１００℃～１５００℃、酸素分圧を３００Ｐａ～１×１０５Ｐａとして加熱し、ＳｉＣ基板の上面（Ｓｉ面）に熱酸化膜を３ｎｍ～７ｎｍの膜厚で形成した。
第１実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置に含まれるＭＩＳキャパシタの実施例１～４及び比較例１～３を作製した。実施例１の作製方法は、まず、半導体基体１として、ＲＣＡ洗浄、ＨＦ洗浄、乾燥後のＳｉＣ基板を用意した。次に、Ｏ２ガス中で、１１００℃～１５００℃、酸素分圧を３００Ｐａ～１×１０５Ｐａとして加熱し、ＳｉＣ基板の上面（Ｓｉ面）に熱酸化膜を３ｎｍ～７ｎｍの膜厚で形成した。
次に、ＰＯＣｌ３、Ｏ２、Ｎ２の混合ガスを用いて、９００℃～１０００℃、５分～１５分で加熱して気相拡散を行い、５×１０２０ｃｍ－３～５×１０２１ｃｍ－３の含有濃度でＰが添加された第１絶縁層２１を形成した。その後、ＰＤＡを、Ｎ２中で９００℃～１０００℃、３０分～１２０分で行った。
次に、真空加熱蒸着により、第１絶縁層２１が形成されたＳｉＣ基板を室温～２００℃で加熱して、ＣａＦ２からなる第２絶縁層２２を３ｎｍ～１０ｎｍの膜厚で堆積した。次に、ＬＰＣＶＤ法により、８００℃、０．２Ｐａで、ＳｉＨ４ガス及びＯ２ガスを用いて、ＳｉＯ２膜からなる第３絶縁層２３を堆積した。次に、ＰＤＡを、Ｎ２中で１２００℃、３０分で行った。その後、真空加熱蒸着により、Ａｌからなる制御電極３を形成した。
実施例２～４の作製方法は、実施例１の作製方法と基本的には同様である。実施例２は、第２絶縁層２２がＳｒＦ２からなる点が実施例１と異なる。実施例３は、第２絶縁層２２がＢａＦ２からなる点が実施例１と異なる。実施例４は、第１絶縁層２１にＢを添加した点が実施例１と異なる。Ｂを添加する際には、Ｂ固体拡散源を用いて、Ｎ２ガス又はＮ２とＯ２の混合ガスを用いて、９００℃～１０００℃、５分～１５分で加熱した。
比較例１～３の作製方法は、実施例１の作製方法と基本的には同様である。比較例１は、第２絶縁層２２を形成しない点が実施例１と異なる。比較例２は、第１絶縁層２１に不純物を添加しない点が実施例１と異なる。比較例３は、第１絶縁層２１を形成しない点が実施例１と異なる。
実施例１～４及び比較例１～３について、界面準位密度（Ｄｉｔ）、絶縁破壊電界及びフラットバンド電圧（Ｖｆｂ）変動を測定した。測定結果を表１に示す。
表１に示すように、実施例１～４は、界面準位密度が１１乗台と低く、絶縁破壊電界が１０ＭＶ／ｃｍ以下となり、Ｖｆｂ変動が０．１Ｖ未満となった。一方、第２絶縁層２２の無い比較例１は、界面準位密度が実施例１～４と同等に低いが、絶縁破壊電界が実施例１～４の約半分となり、Ｖｆｂ変動は実施例１～４よりも大幅に悪化した。第１絶縁層２１へ不純物を添加しない比較例２では、界面準位密度が実施例１～４よりも一桁悪化した。第１絶縁層２１が無い比較例３では、界面準位密度が比較例２よりも更に悪化した。
（第２実施形態）
＜ＭＩＳＦＥＴ＞
本発明の第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置が、能動素子であるＭＩＳＦＥＴを含む場合を例示する。本発明の第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置に含まれるＭＩＳＦＥＴは、図５に示すように、半導体基体（４１，４２）上の誘電体層（ゲート絶縁膜）５と、誘電体層５上に配置された制御電極（ゲート電極）６とを備える。
＜ＭＩＳＦＥＴ＞
本発明の第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置が、能動素子であるＭＩＳＦＥＴを含む場合を例示する。本発明の第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置に含まれるＭＩＳＦＥＴは、図５に示すように、半導体基体（４１，４２）上の誘電体層（ゲート絶縁膜）５と、誘電体層５上に配置された制御電極（ゲート電極）６とを備える。
第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の半導体基体（４１，４２）は、第１導電型（ｎ型）のＳｉＣからなる半導体基板４１と、半導体基板４１上にエピタキシャル成長された第２導電型（ｐ型）の半導体層（エピタキシャル成長層）４２とで、構成されている。
半導体層４２の上部には、半導体基板４１よりも低比抵抗の第１導電型（ｎ＋型）の第１主電極領域（ソース領域）４３及び第２主電極領域（ドレイン領域）４４が互いに離間して選択的に設けられている。半導体層４２の上部には、ソース領域４３に接して、半導体層４２よりも低比抵抗の第２導電型（ｐ＋型）のコンタクト領域４５が選択的に設けられている。制御電極６は、誘電体層５を介して、半導体基体（４１，４２）の表面層である半導体層４２の表面電位を静電的に制御することにより、半導体層４２の表面に反転チャネルを形成する。即ち、半導体層４２の一部は、ソース領域４３とドレイン領域４４の間に挟まれて反転チャネルが形成される「チャネル形成領域」として機能する。誘電体層５は、ソース領域４３とドレイン領域４４の間のチャネル形成領域上に設けられている。
誘電体層５は、半導体基体（４１，４２）上に配置され、半導体基体（４１，４２）の表面層である半導体層４２と接する第１絶縁層（不純物添加絶縁膜）５１と、第１絶縁層５１上に配置された第２絶縁層（拡散防止絶縁膜）５２と、第２絶縁層５２上に配置された第３絶縁層（ノンドープ絶縁膜）５３とを備える。誘電体層５を構成する第１絶縁層５１、第２絶縁層５２及び第３絶縁層５３の厚さや材料は、第１実施形態で説明した誘電体層２を構成する第１絶縁層２１、第２絶縁層２２及び第３絶縁層２３とそれぞれ同様であるので、重複した説明を省略する。
制御電極６は、第１実施形態で説明した制御電極３の材料と同様の金属、ドープドポリシリコン、シリサイド、ポリサイド等の高導電性材料からなる。ソース領域４３上には、第１主電極（ソース電極）７が配置されている。ドレイン領域４４上には、第２主電極（ドレイン電極）８が配置されている。ソース電極７及びドレイン電極８は、Ａｌ等の高導電性材料からなる。ソース領域４３と第１主電極７との間、およびドレイン領域４４と第２主電極８との間には、良好なオーミック接触をとるためにシリサイド層をさらに設けてもよい。
第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置によれば、半導体基体（４１，４２）上に設けるゲート絶縁膜として機能する誘電体層５を、第１絶縁層５１、第２絶縁層５２及び第３絶縁層５３の積層構造としている。そして、半導体基体（４１，４２）の表面層である半導体層４２に接する第１絶縁層５１が、不純物が添加された誘電体膜であるため、半導体層４２と誘電体層５との界面におけるＤｉｔ等の界面準位を低減することができ、表面移動度（チャネル移動度）を向上させることができる。
更に、第３絶縁層５３がノンドープの誘電体膜であるため、誘電体層５の絶縁耐圧を確保すると共に、ゲート閾値電圧（Ｖｔｈ）の変動を抑制することができるので、誘電体層５の信頼性を向上させることができる。
更に、第１絶縁層５１と第３絶縁層５３との間に挟まれたアルカリ土類金属フッ化物からなる第２絶縁層５２により、第１絶縁層５１に含まれる不純物の第３絶縁層５３への拡散を防止することができるので、誘電体層５の信頼性を確保することができる。したがって、第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の表面移動度の向上と、誘電体層２の信頼性とを両立することができる。
＜ＭＩＳＦＥＴの製造方法＞
次に、図６～図１１を参照しながら、第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の一例を、ＭＩＳＦＥＴに着目して説明する。なお、以下で説明する第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置は一例であって、これ以外の種々の方法でも製造可能である。
次に、図６～図１１を参照しながら、第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の一例を、ＭＩＳＦＥＴに着目して説明する。なお、以下で説明する第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置は一例であって、これ以外の種々の方法でも製造可能である。
まず、図６に示すように、ｎ型のＳｉＣ基板４１の上面に、ｐ型のＳｉＣからなる半導体層４２をエピタキシャル成長させて、ＳｉＣ基板４１及び半導体層４２からなる半導体基体（４１，４２）を形成する。
次に、半導体基体（４１，４２）上にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜をイオン注入用マスクと用いて、Ｐイオン等のｎ型を呈する不純物イオンを半導体層４２の上面に多段イオン注入をする。「多段イオン注入」は、不純物イオンを注入飛程が異なるように加速電圧を変えて実施する。多段イオン注入後、多段イオン注入のマスクとして用いたフォトレジスト膜を除去する。その後、熱処理を行って注入された不純物イオンを活性化させ、図７に示すように、半導体基体（４１，４２）の上部にｎ＋型のソース領域４３及びドレイン領域４４を形成する。更に、イオン注入用マスクを形成して、ｐ型を呈する不純物イオンを半導体層４２の上面に多段イオン注入をする。イオン注入用マスクを除去した後、熱処理を行って、半導体基体（４１，４２）の上部にｐ＋型のコンタクト領域４５を形成する。なお、ソース領域４３及びドレイン領域４４を形成する際の熱処理と、コンタクト領域４５を形成する際の熱処理とを同時に１回で行ってもよい。
次に、半導体基体（４１，４２）をＯ２ガス中で加熱することにより、半導体基体（４１，４２）の上面に、半導体基体（４１，４２）の表面層である半導体層４２と接するように、熱酸化膜を２ｎｍ～１０ｎｍ程度の膜厚で形成する。その後、ドーピングガスを用いて、気相拡散法によりＰ、Ｂ等の不純物を熱酸化膜に添加し、熱拡散させることにより、図８に示すように、第１絶縁層５１を形成する。
第１絶縁層５１がＢａを含む場合には、Ｂａを０．１ｎｍ～１ｎｍ、ＢａＯ又はＢａＣＯ３膜を２ｎｍ～５ｎｍ形成後、ＳｉＯ２膜をＣＶＤ法またはＰＶＤ法で形成し、１０％～１００％の酸素雰囲気中で９００℃で加熱することで第１絶縁層５１を形成する。
次に、図９に示すように、スパッタリング法又は蒸着法等により、第１絶縁層５１上に、アルカリ土類金属フッ化物からなる第２絶縁層５２を、３０ｎｍ～１００ｎｍ程度の膜厚で堆積する。
次に、図１０に示すように、ＬＰＣＶＤ等により、第２絶縁層５２上に、ＳｉＯ２膜等からなる第３絶縁層５３を、２ｎｍ～１０ｎｍ程度の膜厚で堆積する。その後、ＰＤＡを、例えばＡｒ雰囲気下、１２００℃程度、３０分程度で行う。
次に、第３絶縁層５３上にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜をエッチング用マスクと用いて、ＲＩＥ等のドライエッチング等により、第１絶縁層５１、第２絶縁層５２及び第３絶縁層５３の一部を選択的に除去する。その後、エッチング用マスクとして用いたフォトレジスト膜を除去する。この結果、図１１に示すように、第１絶縁層５１、第２絶縁層５２及び第３絶縁層５３により誘電体層５が形成される。
次に、スパッタリング法又は蒸着法等により、Ａｌ等の金属膜を堆積する。金属膜上にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜をエッチング用マスクと用いて、ＲＩＥ等のドライエッチング等により金属膜をパターニングする。その後、エッチング用マスクとして用いたフォトレジスト膜を除去する。この結果、図５に示すように制御電極６、ソース電極７及びドレイン電極８のパターンが分離され、第２実施形態に係るＭＩＳＦＥＴが完成する。
なお、金属膜を堆積する工程の前に、全面に層間絶縁膜を堆積し、制御電極６、ソース電極７及びドレイン電極８の形成予定部にコンタクトホールを開口後に、金属膜を堆積して上述したメタライゼーション工程を実施してもよい。
第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法によれば、表面移動度の向上と、誘電体層２の信頼性を両立することができるＭＩＳＦＥＴを実現可能となる。
＜第２実施形態の実施例＞
第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置に含まれるＭＩＳＦＥＴの実施例５及び６並びに比較例４及び５を作製した。実施例５の作製方法としては、図６に示すように、ＳｉＣ基板４１上に、不純物濃度が１．５×１０１７ｃｍ－３となるようにＡｌを添加したｐ型のＳｉＣからなる半導体層４２を形成し、半導体基体（４１，４２）を形成した。次に、図７に示すように、半導体層４２の上面にＰをイオン注入することにより、半導体層４２の上部にソース領域４３及びドレイン領域４４を形成した。
第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置に含まれるＭＩＳＦＥＴの実施例５及び６並びに比較例４及び５を作製した。実施例５の作製方法としては、図６に示すように、ＳｉＣ基板４１上に、不純物濃度が１．５×１０１７ｃｍ－３となるようにＡｌを添加したｐ型のＳｉＣからなる半導体層４２を形成し、半導体基体（４１，４２）を形成した。次に、図７に示すように、半導体層４２の上面にＰをイオン注入することにより、半導体層４２の上部にソース領域４３及びドレイン領域４４を形成した。
次に、半導体基体（４１，４２）をＲＣＡ洗浄し、ＨＦ洗浄し、乾燥させた。その後、Ｏ２ガス中で酸素分圧を１×１０５Ｐａとし、１２００℃、３分間加熱することにより、図８に示すように、半導体層４２の上面（Ｓｉ面）上に熱酸化膜を５ｎｍの膜厚で形成した。そして、塩化ホスホリル（ＰＯＣｌ３）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）の混合ガスを用いて、１０００℃、１０分間加熱して、熱酸化膜にＰを添加し拡散させることにより、第１絶縁層５１を形成した。その後、ＰＤＡをＮ２中、９００℃、３０分間で行った。
次に、図９に示すように、真空蒸着により、ＣａＦ２からなる第２絶縁層２２を６ｎｍの膜厚で形成した。次に、ＳｉＨ４ガス及びＯ２ガスを使用した８００℃、０．２ＰａにおけるＬＰＣＶＤ法により、第２絶縁層５２上に、ＳｉＯ２膜からなる第３絶縁層５３を形成した。その後、ＰＤＡをＮ２中、１２００℃、３０分間で行った。
次に、誘電体層５にコンタクトホールを形成した。具体的には、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガス及びＯ２ガスを用いたプラズマエッチングにより、第３絶縁層５３の一部を選択的に除去する。更に、硝酸（ＨＮＯ３）水溶液に浸漬し、第２絶縁層５２の一部を選択的に除去して、純粋リンスを行った。更に、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）に浸漬し、第１絶縁層５１の一部を選択的に除去して、純粋リンスを行った。
次に、抵抗加熱式真空蒸着法により、Ａｌからなる金属膜を堆積してコンタクトホールを埋め、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により金属膜をパターニングして、制御電極６、ソース電極７及びドレイン電極８を形成した。
実施例６の作製方法は、実施例５の作製方法と基本的には同様である。実施例６は、第１絶縁層２１に添加される不純物元素がＢである点と、第２絶縁層２２がＢａＦ２からなる点が実施例５と異なる。第１絶縁層２１にＢを添加する場合には、Ｂ固体拡散源を用いて、Ｎ２ガス又はＮ２とＯ２の混合ガスを用いて、９５０℃、１０分間加熱した。
比較例４及び５の作製方法は、実施例１の作製方法と基本的には同様である。比較例４は、第２絶縁層２２を形成しない点が実施例５と異なる。比較例５は、ゲート絶縁膜として５０ｎｍの熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）のみを形成し、ＮＯガスを用いたＰＤＡを行った点が実施例５と異なる。
実施例５及び６並びに比較例４及び５について、電界効果移動度（チャネル移動度）及び閾値（Ｖｔｈ）変動を測定した。測定結果を表２に示す。
表２に示すように、実施例５及び６は、比較例５と比べて電界効果移動度が大幅に向上し、閾値変動に大幅な悪化は見られず、実用化に耐えられるレベルである。拡散防止絶縁膜の無い比較例４では、電界効果移動度は高いものの、閾値変動が大きく、実用化に耐えられるレベルではない。
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は第１及び第２実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
上記のように、本発明は第１及び第２実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、第１及び第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置がＭＩＳキャパシタ及びＭＩＳＦＥＴを含む場合をそれぞれ例示したが、本発明の絶縁ゲート型半導体装置はＭＩＳキャパシタ及びＭＩＳＦＥＴを含む場合に限定されない。本発明の絶縁ゲート型半導体装置は、例えば、ＩＧＢＴやＭＩＳＳＩＴ、ＭＩＳ制御ＳＩサイリスタ等の絶縁ゲート型半導体素子を含む場合にも適用可能である。
また、第２実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置が、図５に横型のプレーナ型のＭＩＳＦＥＴを含む場合を例示したが、縦型のプレーナ型のＭＩＳＦＥＴ又はトレンチ型のＭＩＳＦＥＴ等の図５に示した構造以外の種々の構造の絶縁ゲート型半導体素子を含む場合にも、本発明の絶縁ゲート型半導体装置は適用可能である。
縦型のプレーナ型のＭＩＳＦＥＴの一例としては、図１２に示すように、ＳｉＣからなるｎ＋型の半導体基板（ドレイン領域）１０１上に半導体基板１０１より低不純物濃度のエピタキシャル層からなるｎ型のドリフト領域１０２が配置された構造を備える。図１２では、ユニットセルＣ１０１を構成するように、ドリフト領域１０２の上部には、複数のｐ型のチャネル領域１０３が設けられている。チャネル領域１０３の下部には、ｐ＋型のベース領域１０４が設けられている。チャネル領域１０３の上部の一部にはｎ＋型のソース領域１０５が設けられている。ベース領域１０４上には、ソース領域１０５に挟まれるように、ｐ＋型のベースコンタクト領域１０６が設けられている。チャネル領域１０３上にはゲート絶縁膜１０７を介してゲート電極１０８が配置されている。このゲート絶縁膜１０７が、図１に示した誘電体層２及び図５に示した誘電体層５と同様の構造を備える。
ソース領域１０５及びベースコンタクト領域１０６上には、オーミックコンタクト電極１０９が配置されている。オーミックコンタクト電極１０９上には、ソース電極１１０が配置されており、ソース電極１１０とゲート電極１０８とは、層間絶縁膜１１７により絶縁されている。半導体基板１０１の裏面にはドレイン電極１１１が配置されている。ユニットセルＣ１０１に隣接するユニットセルＣ１０２の構造も、ユニットセルＣ１０１の構造と同様である。
また、縦型のトレンチ型のＭＩＳＦＥＴの一例としては、図１３に示すように、ＳｉＣ半導体基板を用いたｎ－型のドリフト領域２０１と、ドリフト領域２０１の上に設けられドリフト領域２０１より高濃度のｎ型の電荷蓄積層２０２とを備える。ドリフト領域２０１は、例えば厚みが約２．５μｍ、不純物元素の濃度が３．０×１０１５ｃｍ－３程度のエピタキシャル成長層によって形成できる。電荷蓄積層２０２は、例えば厚みが約１．２μｍ、不純物元素の濃度が１．０×１０１7ｃｍ－３程度であり、ドリフト領域２０１をなすエピタキシャル成長層の上部に、窒素（Ｎ）等のｎ型の不純物元素をイオン注入することにより形成できる。
電荷蓄積層２０２の上にはｐ型のベース領域２０３が設けられている。ベース領域２０３は、例えば厚みが約１．３μｍ、不純物元素の濃度が４．０×１０１7ｃｍ－３程度のエピタキシャル成長層によって形成できる。ベース領域２０３の上部から電荷蓄積層２０２までの間には、ドリフト領域２０１に向かって鉛直方向に延びるトレンチ２０４ａ，２０４ｂが掘られている。
図１３に示したＳｉＣ半導体装置は、内部の２個のトレンチ２０４ａ，２０４ｂ及びこれらのトレンチ２０４ａ，２０４ｂの周囲の領域に着目した図である。実際にはトレンチ２０４ａ，２０４ｂの周囲に複数のトレンチが設けられており、それぞれのトレンチが、図面が描かれた紙面を貫く方向に沿って、間隔を空けて平行に延びている。図１３に示したＳｉＣ半導体装置は、図１３に示したような構造が、図１３中の左右両側に繰り返し形成され集積されている６インチサイズのパワー半導体装置である。
図１３に示したＳｉＣ半導体装置は、トレンチ２０４ａ，２０４ｂの内側にそれぞれ設けられたゲート絶縁膜２０５ａ，２０５ｂと、ゲート絶縁膜２０５ａ，２０５ｂを介して設けられたゲート電極２０６ａ，２０６ｂと、を備える。このゲート絶縁膜２０５ａ，２０５ｂが、図１に示した誘電体層２及び図５に示した誘電体層５と同様の構造を備える。ゲート電極２０６ａ，２０６ｂの表面上には、層間絶縁膜２１１ａ，２１１ｂが設けられている。複数のトレンチ２０４ａ，２０４ｂの下には、上面がトレンチ２０４ａ，２０４ｂの底部に接するように、オフ時にゲート絶縁膜２０５ａ，２０５ｂを保護するｐ型の保護領域２０７ａ，２０７ｂがそれぞれ設けられている。
複数のベース領域２０３の内部の上部で、隣り合うトレンチ２０４ａ，２０４ｂ間には、複数のｐ＋型のベースコンタクト領域２１０ａ～２１０ｃが設けられている。ベースコンタクト領域２１０ａ～２１０ｃの下に位置するベース領域２０３の直下には、いずれもｐ型の第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅ及び第２コンタクト下ベース領域２０８ｂ，２０８ｄ，２０８ｆが、この順で下から上に向かって積層して設けられている。
第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅ及び第２コンタクト下ベース領域２０８ｂ，２０８ｄ，２０８ｆは断面形状が矩形状であり、電荷蓄積層２０２の内部で紙面を貫く方向に延びるトレンチ２０４ａ，２０４ｂに沿って平行に延びている。第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅは、例えばアルミニウム（Ａｌ）等のｐ型の不純物元素を用いて、電荷蓄積層２０２の内部へ加速電圧を制御しつつ行う選択的なイオン注入により、所望の深さと幅に形成できる。図１３に示したＳｉＣ半導体装置の場合、第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅは、電荷蓄積層２０２の内部で、下面が電荷蓄積層２０２の下面から約０．２μｍ離間して上方に位置するように設けられている。
第２コンタクト下ベース領域２０８ｂ，２０８ｄ，２０８ｆは、電荷蓄積層２０２の上部へ、加速電圧を第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅの形成時より低くして行う選択的なイオン注入により形成できる。第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅ及び第２コンタクト下ベース領域２０８ｂ，２０８ｄ，２０８ｆは、ほぼ同じ厚みを有すると共に左右方向の幅もほぼ同じである。第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅは、トレンチ２０４ａ，２０４ｂ下の保護領域２０７ａ，２０７ｂとほぼ同じ深さに設けられている。
図１３に示したＳｉＣ半導体装置は、ベース領域２０３の内部の上部に選択的に設けられた複数のｎ＋型のソース領域２０９ａ～２０９ｄと、ソース領域２０９ａ～２０９ｄの上にバリアメタル層２１２を介して設けられたソース電極２１３と、を備える。ソース領域２０９ａ～２０９ｄは例えば厚みが約０．３μｍ、不純物元素の濃度が３．０×１０２０ｃｍ－３程度であり、ｎ型の不純物元素のイオン注入により形成できる。
ベースコンタクト領域２１０ａ～２１０ｃは例えば厚みが約０．５μｍ、図１３中の左右方向の幅が約１．０μｍ、不純物元素の濃度が３．０×１０２０ｃｍ－３程度であり、ｐ型の不純物元素のイオン注入により形成できる。ベースコンタクト領域２１０ａ～２１０ｃと第２コンタクト下ベース領域２０８ｂ，２０８ｄ，２０８ｆとの間のベース領域２０３の厚みは、約０．５μｍである。ソース領域２０９ａ～２０９ｄはソース電極２１３に接続されている。
バリアメタル層２１２は、ドリフト領域２０１の上で、層間絶縁膜２１１ａ，２１１ｂ、ソース領域２０９ａ～２０９ｄ及びベースコンタクト領域２１０ａ～２１０ｃのそれぞれの上面上に亘って設けられた３層構造であり、シリコン（Ｓｉ）ノジュールの成長を抑制する。バリアメタル層２１２の厚みは、約０．５μｍである。バリアメタル層２１２の断面形状は凹凸状である。凹部の左右の側壁に挟まれた底辺部分の長さは約３．０μｍであり、点辺のほぼ中央の領域の下面にベースコンタクト領域２１０ａ～２１０ｃが接触して設けられている。
ソース電極２１３の上面上には、最表層としてパッシベーション膜等が堆積され、パッシベーション膜等に形成された窓部（開口部）には下側のソース電極２１３の主面が露出している。露出したソース電極２１３の主面はソースボンディングパッドとして使用できる。同様に、ソース電極２１３とは別の箇所のパッシベーション膜等に形成された窓部には、ゲート電極２０６ａ，２０６ｂに接続される配線層が露出している。露出した配線層の部分はゲートボンディングパッドとして使用できる。パッシベーション膜、ボンディングパッド等の図示は省略する。
図１３に示したＳｉＣ半導体装置は、ドリフト領域２０１の下に層状に設けられたｎ＋型のドレイン領域２１４と、ドレイン領域２１４の下に設けられドレイン領域２１４に接続されたドレイン電極２１５とを備える。
保護領域２０７ａ，２０７ｂは断面形状が矩形状であり、第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅ及び第２コンタクト下ベース領域２０８ｂ，２０８ｄ，２０８ｆと同様に、トレンチ２０４ａ，２０４ｂに沿って平行に延びている。保護領域２０７ａ，２０７ｂ及び第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅは、いずれも約０．５μｍの同じ厚みであり、第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅの下面と保護領域２０７ａ，２０７ｂの下面とは同じ高さに揃えられている。保護領域２０７ａ，２０７ｂは、例えばｐ型の不純物元素のイオン注入により、不純物元素の濃度が５．０×１０１８ｃｍ－３程度に実現されている。
第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅの断面形状は、左右両方の下端がいずれも保護領域２０７ａ，２０７ｂの両方の下端よりも曲率が小さくなるように、滑らかに湾曲している。反対に保護領域２０７ａ，２０７ｂの断面形状は、左右両方の下端がいずれも第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅより尖って角張るように形成されている。第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅの幅を短くすることで曲率が小さく滑らかな湾曲となり、幅を長くすることで曲率が大きく尖った角張る形状となる。第１コンタクト下ベース領域２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅ及び第２コンタクト下ベース領域２０８ｂ，２０８ｄ，２０８ｆの不純物濃度は、保護領域２０７ａ，２０７ｂとほぼ同じ、５．０×１０１８ｃｍ－３程度に設定されている。
１…半導体基体
２…誘電体層（キャパシタ絶縁膜）
３，６…制御電極
５…誘電体層（ゲート絶縁膜）
７…第１主電極（ソース電極）
８…第２主電極（ドレイン電極）
２１，５１…第１絶縁層（不純物添加絶縁膜）
２２，５２…第２絶縁層（拡散防止絶縁膜）
２３，５３…第３絶縁層（ノンドープ絶縁膜）
４１…半導体基板
４２…半導体層（エピタキシャル成長層）
４３…第１主電極領域（ソース領域）
４４…第２主電極領域（ドレイン領域）
１０１…半導体基板（ドレイン領域）
１０２…ドリフト領域
１０３…チャネル領域
１０４…ベース領域
１０５…ソース領域
１０６…ベースコンタクト領域
１０７…ゲート絶縁膜
１０８…ゲート電極
１０９…オーミックコンタクト電極
１１０…ソース電極
１１１…ドレイン電極
１１７…層間絶縁膜
２０１…ドリフト領域
２０２…電荷蓄積層
２０３…ベース領域
２０４ａ，２０４ｂ…トレンチ
２０５ａ，２０５ｂ…ゲート絶縁膜
２０６ａ，２０６ｂ…ゲート電極
２０７ａ，２０７ｂ…保護領域
２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅ…第１コンタクト下ベース領域
２０８ｂ，２０８ｄ，２０８ｆ…第２コンタクト下ベース領域
２０９ａ～２０９ｄ…ソース領域
２１０ａ～２１０ｃ…ベースコンタクト領域
２１１ａ，２１１ｂ…層間絶縁膜
２１２…バリアメタル層
２１３…ソース電極
２１４…ドレイン領域
２１５…ドレイン電極
Ｃ１０１，Ｃ１０２…ユニットセル
２…誘電体層（キャパシタ絶縁膜）
３，６…制御電極
５…誘電体層（ゲート絶縁膜）
７…第１主電極（ソース電極）
８…第２主電極（ドレイン電極）
２１，５１…第１絶縁層（不純物添加絶縁膜）
２２，５２…第２絶縁層（拡散防止絶縁膜）
２３，５３…第３絶縁層（ノンドープ絶縁膜）
４１…半導体基板
４２…半導体層（エピタキシャル成長層）
４３…第１主電極領域（ソース領域）
４４…第２主電極領域（ドレイン領域）
１０１…半導体基板（ドレイン領域）
１０２…ドリフト領域
１０３…チャネル領域
１０４…ベース領域
１０５…ソース領域
１０６…ベースコンタクト領域
１０７…ゲート絶縁膜
１０８…ゲート電極
１０９…オーミックコンタクト電極
１１０…ソース電極
１１１…ドレイン電極
１１７…層間絶縁膜
２０１…ドリフト領域
２０２…電荷蓄積層
２０３…ベース領域
２０４ａ，２０４ｂ…トレンチ
２０５ａ，２０５ｂ…ゲート絶縁膜
２０６ａ，２０６ｂ…ゲート電極
２０７ａ，２０７ｂ…保護領域
２０８ａ，２０８ｃ，２０８ｅ…第１コンタクト下ベース領域
２０８ｂ，２０８ｄ，２０８ｆ…第２コンタクト下ベース領域
２０９ａ～２０９ｄ…ソース領域
２１０ａ～２１０ｃ…ベースコンタクト領域
２１１ａ，２１１ｂ…層間絶縁膜
２１２…バリアメタル層
２１３…ソース電極
２１４…ドレイン領域
２１５…ドレイン電極
Ｃ１０１，Ｃ１０２…ユニットセル
Claims (6)
- 炭化ケイ素からなる半導体基体と、
前記半導体基体の表面層に接し、不純物が添加された第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に配置され、アルカリ土類金属フッ化物からなる第２絶縁層と、
前記第２絶縁層上に配置されたノンドープの第３絶縁層と、
前記第３絶縁層上に配置され、前記表面層の表面電位を静電的に制御する制御電極
とを備え、
前記不純物が、硼素及び燐から選ばれる少なくとも１種類を含み、
前記第１絶縁層の膜厚が、２ｎｍ以上、５ｎｍ以下である
ことを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。 - 前記アルカリ土類金属フッ化物が、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム及びフッ化ストロンチウムのいずれかから選ばれることを特徴とする請求項１に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記第３絶縁層が、シリコン酸化膜又はハフニウム酸化膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
- 前記絶縁ゲート型半導体装置がＭＩＳＦＥＴを含み、
前記第１絶縁層、前記第２絶縁層及び前記第３絶縁層が、前記ＭＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜を構成する
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。 - 前記絶縁ゲート型半導体装置がＭＩＳキャパシタを含み、
前記第１絶縁層、前記第２絶縁層及び前記第３絶縁層が、前記ＭＩＳキャパシタのキャパシタ絶縁膜を構成する
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。 - ２００℃において±３ＭＶ／ｃｍの電界を１時間印加した際のフラットバンド電圧の変動が０．１Ｖ未満であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
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