JPWO2004090969A1

JPWO2004090969A1 - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JPWO2004090969A1
Application number: JP2005505190A
Authority: JP
Inventors: 純寿矢崎; 福田　憲司; 憲司福田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2006-07-06
Also published as: WO2004090969A1

Abstract

炭化珪素基板上に形成された酸化珪素膜の絶縁破壊を改善し、優れた特性を持つ炭化珪素（ＳｉＣ）半導体基板からなる金属−絶縁膜−半導体（ＭＩＳ）構造を有する炭化珪素半導体装置を得るための炭化珪素半導体装置は、金属−絶縁膜−半導体（ＭＩＳ）構造を有し、ゲート絶縁膜下に、ｐ型不純物元素および金属元素のそれぞれの濃度が３ｘ１０１４ｃｍ−３以下であるｎ型炭化珪素領域を有することを特徴とする。また、炭化珪素半導体装置の製造方法は、ｐ型不純物元素および金属元素のそれぞれの濃度が３ｘ１０１４ｃｍ−３以下であるｎ型炭化珪素領域を有する炭化珪素基板を用い、炭化珪素基板と接する部分の酸化膜を、大気中、酸素雰囲気中又は水蒸気雰囲気中で加熱することにより形成することを特徴とする。

Description

この発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体基板上に作製した炭化珪素半導体装置に関し、特に金属−絶縁膜−半導体（ＭＩＳ）構造を有する炭化珪素半導体装置（電界効果型トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ））およびその製造方法に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）は珪素（Ｓｉ）と比較して、（１）バンドギャップが広い、（２）絶縁破壊強度が大きい、（３）電子の飽和ドリフト速度が大きいなどの優れた物性を有する。したがって、炭化珪素（ＳｉＣ）を基板材料として用いることにより、珪素（Ｓｉ）の限界を超えた高耐圧で低抵抗の電力用半導体素子が作製できる。
また、炭化珪素（ＳｉＣ）には、珪素（Ｓｉ）と同様に、熱酸化法によって絶縁体である酸化珪素（ＳｉＯ_２）を形成できるという特徴がある。これらの理由から、炭化珪素（ＳｉＣ）を基板材料とした高耐圧で低いオン抵抗のＭＩＳＦＥＴが実現できると考えられ、数多くの研究開発が行われている。
しかし、炭化珪素を基板材料としたＭＩＳＦＥＴの実現化には、ゲート酸化膜として用いられる酸化珪素（ＳｉＯ_２）の高い長期信頼性が保障されなければならない。
酸化珪素膜の長期信頼性の指標として、絶縁破壊電荷総量（Ｑ_ＢＤ）が広く利用されている。この値は、酸化珪素膜が絶縁破壊に至るまでに酸化珪素膜中を流れた電荷の総量を示すものである。
ところが、炭化珪素基板上に熱酸化法により形成された酸化珪素膜の５割が絶縁破壊するときのＱ_ＢＤは、室温において数〜数十ｍＣ／ｃｍ^２であり、この値はＳｉ基板上に熱酸化法により形成された酸化珪素膜に比べて、１／１０〜１／１００小さいという報告がなされており（例えば、非特許文献１参照）、大きな問題を有している。
Ｃ．Ｊ．Ａｎｔｈｏｎｙ外著［ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢ６１−６２，４６０（１９９９）］

本発明は、従来の問題に鑑み、炭化珪素基板上に形成された酸化珪素膜の絶縁破壊を改善し、優れた特性を持つ炭化珪素（ＳｉＣ）半導体基板からなる金属−絶縁膜−半導体（ＭＩＳ）構造を有する炭化珪素半導体装置を得ることを課題とする。
本発明は、基板内に不可避的に含まれる不純物元素、換言すれば意図的にドーピングされた不純物ではない不純物元素の濃度の低い炭化珪素基板上に、熱酸化法により酸化珪素膜からなるゲート絶縁膜を形成することによって、酸化珪素膜の絶縁耐圧および長期信頼性の向上に効果があるとの知見を得た。
本発明は、この知見に基づいてなされたものであって、本発明による炭化珪素半導体装置は、ｐ型不純物元素および金属元素のそれぞれの濃度が３ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下であるｎ型炭化珪素領域を有することを特徴とする。
また、本発明による炭化珪素半導体装置は、金属−絶縁膜−半導体（ＭＩＳ）構造を有し、ゲート絶縁膜下に、ｐ型不純物元素および金属元素のそれぞれの濃度が３ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下であるｎ型炭化珪素領域を有することを特徴とする金属−絶縁膜−半導体（ＭＩＳ）構造を有し、ゲート絶縁膜下に、ｐ型不純物元素および金属元素のそれぞれの濃度が３ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下であるｎ型炭化珪素領域を有することを特徴とする。
そして、上記のｐ型不純物元素および金属元素は、Ａｌ，Ｂ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉのいずれか１つまたは２以上であり、その濃度合計は５．０ｘ１０^１５ｃｍ^−３以下になされる。また、本発明の炭化珪素半導体装置は、ＤＭＯＳＦＥＴ，ＬａｔｅｒａｌＲｅｓｕｒｆＭＯＳＦＥＴまたはＵＭＯＳＦＥＴを有している。
炭化珪素半導体装置のＭＩＳ構造は、通常炭化珪素基板上にエピタキシャル成長される炭化珪素層上に形成される。本発明による炭化珪素半導体装置の製造方法は、最上層にエピタキシャル成長された炭化珪素層を有する炭化珪素基板を用いる炭化珪素半導体装置の製造方法であって、エピタキシャル成長時に故意にドーピングされた不純物以外の不純物のそれぞれの濃度が３ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下であるように炭化珪素層をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
また、本発明による炭化珪素半導体装置の製造方法は、ｐ型不純物元素および金属元素のそれぞれの濃度が３ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下であるｎ型炭化珪素領域を有する炭化珪素基板を用い、金属−絶縁膜−半導体（ＭＩＳ）構造のゲート絶縁膜を形成する炭化珪素半導体装置の製造方法であって、ゲート絶縁膜のうち炭化珪素基板と接する部分の酸化膜を、大気中、酸素雰囲気中または水蒸気雰囲気中で加熱することにより形成することを特徴とする。
また、上記の酸化膜を形成した後、化学気相法によるシリコン酸化膜、化学気相法によるシリコン窒化膜、または、化学気相法によるシリコン窒化膜を熱酸化してなるシリコン酸窒化膜の中のいずれか１つまたは複数を形成するようにしてもよい。
上記のように構成された本発明によれば、従来の欠点を改善し、絶縁耐圧および長期信頼性を有するゲート絶縁膜を有する炭化珪素半導体装置を提供することが可能となる。

第１図は、ＴＤＤＢ測定に使用したＭＩＳ構造の断面模式図である。
第２図は、ＴＤＤＢ測定による酸化珪素膜の累積不良率Ｐを関数としたＷｅｉｂｕｌｌプロットのＱ_ＢＤ依存性を示す図である。

金属−絶縁膜−半導体（ＭＩＳ）構造を有する炭化珪素半導体装置は、上記の通り、ゲート絶縁膜下の炭化珪素（ＳｉＣ）基板中に意図的にではなく混入される不純物元素の、それぞれの濃度を３ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下とすることによって、あるいは、ｐ型不純物元素および金属元素のそれぞれの濃度が３ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下であるｎ型炭化珪素領域を有する炭化珪素基板を用いることによって、酸化珪素膜の絶縁耐圧及び長期信頼性を著しく向上させるものであり、これが本発明の大きな特徴である。
不純物元素としては、Ａｌ，Ｂ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉが挙げられ、これらは炭化珪素（ＳｉＣ）基板中に混入し易く、これらが３ｘ１０^１４ｃｍ^−３を超えて含有されると絶縁耐圧及び長期信頼性を損ねる大きな原因となっていることが分った。
すなわち、上記のような不純物元素、特に金属元素は、酸化珪素膜中に取り込まれると、電荷捕獲中心となって作用することから、ストレス印加時に酸化珪素膜中に注入される電子、あるいはインパクトイオン化で発生するホールが捕獲されて、酸化珪素膜の内部電界の変化を局所的に速め、絶縁破壊寿命の劣化を生じさせることが原因である。このことから、不純物元素濃度の低減が極めて重要である。このような知見は、本発明者らによって始めて認識されたものである。特に、これらの不純物元素の濃度の合計は、５．０ｘ１０^１５ｃｍ^−３以下であることが望ましい。
本発明は、このような不可避的に混入される不純物元素の少ない炭化珪素（ＳｉＣ）基板を出発材料として、炭化珪素基板と接する部分にゲート絶縁膜となる酸化膜を、大気中、酸素雰囲気中又は水蒸気雰囲気中で加熱することにより形成し、半導体装置を構成する。
また、この上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜のいずれか１又はこれらの２以上の膜を形成することもできる。これらの単層又は複数層の膜は化学気相法、および／又は、化学気相法によるシリコン窒化膜の熱酸化により得ることができる。
本発明によれば、特性に優れた炭化珪素（ＳｉＣ）基板が使用できると共に、絶縁耐圧および長期信頼性を有するゲート絶縁膜を有する炭化珪素半導体装置を製造することが可能となる。これらのＭＩＳ構造を有する炭化珪素半導体装置は、ＤＭＯＳＦＥＴ，ＬａｔｅｒａｌＲｅｓｕｒｆＭＯＳＦＥＴ，ＵＭＯＳＦＥＴの炭化珪素半導体装置として使用できる。
実施例および比較例
以下に、この発明の実施例と比較例を、図等を使用して説明する。
まず、基板として、シリコン（０００１）面から８°オフした表面を持つバルク基板上に４Ｈ−ＳｉＣをホモエピタキシァル成長させた炭化珪素（ＳｉＣ）基板（ｎ型、つまり、ドナー密度（Ｎｄ）−アクセプタ密度（Ｎａ）＝５×１０^１５／ｃｍ^３である）を使用した。
また、比較のために、後述する通りの不純物濃度の異なる２種類の炭化珪素（ＳｉＣ）を使用した。この基板は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）の測定結果より、炭化珪素（ＳｉＣ）基板中の不純物濃度が低い方をＡ基板（実施例）、高い方をＢ基板（比較例）とする。
第１図に示すように、それぞれの炭化珪素（ＳｉＣ）基板１に厚い絶縁膜２を形成しこれに窓開けし、通常のＲＣＡ洗浄をした後、犠牲酸化膜を形成しフッ酸で除去した。次いで、１０００°Ｃ以上の大気圧の酸素雰囲気中で、５０ｎｍ酸化珪素（ＳｉＯ_２）膜３を炭化珪素（ＳｉＣ）基板上に形成した。
その後、試料を流量１リットル／分の窒素ガス中で、１１００°Ｃで３０分間熱処理した。最終的にＡｌを用い、酸化珪素膜３上にＡｌ電極４及び基板とオーミックコンタクトするオーミック電極５を形成してＭＯＳ構造サンプルを作製した。このサンプルを、ＴＤＤＢ測定装置６に接続し、真空引きされた金属製測定チャンバーで、光を遮断した状態で経時絶縁膜破壊（ＴＤＤＢ：ｔｉｍｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｂｒｅａｋｄｏｗｎ）測定を行った。
ＴＤＤＢ測定は、第１図に示すようにＭＯＳ構造のＡｌ電極４−オーミック電極５間に電界を印加し、ゲート絶縁膜（酸化珪素膜３）が破壊に至るまでに絶縁膜中を流れるリーク電流を観測した。また、Ｑ_ＢＤは、絶縁破壊に至るまでのリーク電流とストレス印加時間の積から算出した。
第２図に、ＴＤＤＢ測定（ストレス電界Ｅ、ｓｔｒｅｓｓ＝９ＭＶ／ｃｍ）結果を示す。横軸は酸化珪素膜の絶縁破壊が生じた時までに酸化珪素膜中を通過したＱ_ＢＤ、縦軸には累積不良率Ｐを関数としたＷｅｉｂｕｌｌ分布プロットを示す。
図より、２種類の炭化珪素基板とも酸化珪素膜の絶縁破壊は同程度で生じ始めている。しかしながら、その後の酸化珪素膜の絶縁破壊はＢ基板上に比較してＡ基板上の方がＱ_ＢＤが大きく良好な値を示している。
累積不良率Ｐが６３％になる点でそれぞれの炭化珪素基板を用いた場合のＱ_ＢＤを比較すると、比較例であるＢ基板が０．０３Ｃ／ｃｍ^２であるのに対し、実施例である基板は０．１６Ｃ／ｃｍ^２と約１桁高い。
上記の通り、不純物元素は、酸化珪素膜中に取り込まれると、電荷捕獲中心となって作用することから、ストレス印加時に酸化珪素膜中に注入される電子、あるいはインパクトイオン化で発生するホールが捕獲されて、酸化珪素膜の内部電界の変化を局所的に速め、絶縁破壊寿命の劣化を生じさせる。
そのため、不純物元素濃度の低減が重要となるのである。表１に、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定された炭化珪素（ＳｉＣ）基板（Ａ基板、Ｂ基板）中のＴｉ、Ａｌ及びＢ不純物元素濃度を示す。

Ａ基板では、Ｔｉ：１ｘ１０^１４ｃｍ^−３、Ａｌ：３ｘ１０^１４ｃｍ^−３、Ｂ：３ｘ１０^１４ｃｍ^−３、Ｂ基板では、Ｔｉ：５ｘ１０^１４ｃｍ^−３、Ａｌ：１ｘ１０^１５ｃｍ^−３、Ｂ：３ｘ１０^１５ｃｍ^−３、だった。不純物元素のＡｌおよびＢがそれぞれ３ｘ１０^１４ｃｍ^−３で酸化珪素膜の長期信頼性が向上しているが、この結果からも不純物元素濃度の上限は３ｘ１０^１４ｃｍ^−３になることが理解できる。
以上については、ＴｉとＡｌとＢを例に説明したが、他の不純物すなわちＣｒ，Ｆｅ，Ｎｉでも同様の傾向が認められた。
また、本実施例においては、炭化珪素（ＳｉＣ）基板上に熱酸化により酸化珪素（ＳｉＯ_２）膜を形成した場合について説明したが、炭化珪素基板と接する部分に熱酸化法により酸化膜を形成し、さらにその上にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜のなかのいずれか又は複数膜を形成した場合も、上記例と同様な傾向が認められた。

Claims

ｐ型不純物元素および金属元素のそれぞれの濃度が３ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下であるｎ型炭化珪素領域を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置。
金属−絶縁膜−半導体（ＭＩＳ）構造を有し、ゲート絶縁膜下に、ｐ型不純物元素および金属元素のそれぞれの濃度が３ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下であるｎ型炭化珪素領域を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置。
請求の範囲第１項または第２項に記載された炭化珪素半導体装置において、前記ｐ型不純物元素および金属元素がＡｌ，Ｂ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉのいずれか１つまたは２以上であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
請求の範囲第１項または第２項に記載された炭化珪素半導体装置において、前記ｐ型不純物元素および金属元素の合計の濃度が５．０ｘ１０^１５ｃｍ^−３以下であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
請求の範囲第２項から第４項のいずれかに記載された炭化珪素半導体装置において、ゲート絶縁膜のうち炭化珪素基板と接する部分が熱酸化法で形成された酸化膜を備え、ゲート絶縁膜が前記熱酸化法で形成された酸化膜であるか、または、その上にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜のいずれか１つまたは２以上を有する複合膜であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
ゲート絶縁膜のうち炭化珪素基板と接する部分が熱酸化法で形成された酸化膜を備え、ゲート絶縁膜が前記熱酸化法で形成された酸化膜であるか、または、その上にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜のいずれか１つ若しくは２以上を有する複合膜である、請求の範囲第２項から第４項のいずれかに記載された炭化珪素半導体装置において、ＤＭＯＳＦＥＴ，ＬａｔｅｒａｌＲｅｓｕｒｆＭＯＳＦＥＴまたはＵＭＯＳＦＥＴを有していることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
最上層にエピタキシャル成長された炭化珪素層を有する炭化珪素基板を用いる炭化珪素半導体装置の製造方法であって、エピタキシャル成長時に故意にドーピングされた不純物以外の不純物のそれぞれの濃度が３ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下であるように炭化珪素層をエピタキシャル成長させることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
ｐ型不純物元素および金属元素のそれぞれの濃度が３ｘ１０^１４ｃｍ^−３以下であるｎ型炭化珪素領域を有する炭化珪素基板を用い、金属−絶縁膜−半導体（ＭＩＳ）構造のゲート絶縁膜を形成する炭化珪素半導体装置の製造方法であって、ゲート絶縁膜のうち炭化珪素基板と接する部分の酸化膜を、大気中、酸素雰囲気中または水蒸気雰囲気中で加熱することにより形成することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
請求の範囲第８項に記載された炭化珪素半導体装置の製造方法において、前記酸化膜を形成した後、化学気相法によるシリコン酸化膜、化学気相法によるシリコン窒化膜、または、化学気相法によるシリコン窒化膜を熱酸化してなるシリコン酸窒化膜の中のいずれか１つまたは複数を形成することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。