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公開番号2024111792
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-19
出願番号2023115789
出願日2023-07-14
発明の名称絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法
出願人国立大学法人大阪大学,富士電機株式会社
代理人個人,個人
主分類H01L 21/336 20060101AFI20240809BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】界面準位密度の低減ができ、半導体装置の信頼性の劣化を抑制することが可能な絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】炭化シリコンからなるチャネル形成領域の上面にシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、窒素原子を含むガスでゲート絶縁膜を熱処理することで、ゲート絶縁膜と炭化シリコンとの界面を窒化処理して、チャネル形成領域とゲート絶縁膜との界面に中間窒化層を形成する工程と、二酸化炭素ガスと窒素ガスとの混合ガスでゲート絶縁膜を熱処理することで、ゲート絶縁膜中の窒素原子の一部を除去し、界面に窒化終端層を形成する工程と、ゲート絶縁膜の上に、チャネル形成領域の表面ポテンシャルを制御するゲート電極を形成する工程とを含む。二酸化炭素ガスに対する窒素ガスの比が0.25以上、0.75以下の割合である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
炭化シリコンからなるチャネル形成領域の上面にシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
窒素原子を含むガスで前記ゲート絶縁膜を熱処理することで、前記ゲート絶縁膜と前記チャネル形成領域との界面の炭化シリコンを窒化処理して、前記界面に中間窒化層を形成する工程と、
二酸化炭素ガスと窒素ガスとの混合ガスで前記ゲート絶縁膜を熱処理することで、前記ゲート絶縁膜中の窒素原子の一部を除去し、前記界面に窒化終端層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の上に、前記チャネル形成領域の表面ポテンシャルを制御するゲート電極を形成する工程と
を含み、
前記二酸化炭素ガスに対する前記窒素ガスの比が０．２５以上、０．７５以下であることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記窒化終端層は、前記混合ガス中で、８００℃以上、１４００℃未満の温度で熱処理して形成さ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の製造方法。
【請求項３】
前記チャネル形成領域の前記上面の面方位が（０００１）面であり、前記窒化終端層が１０００℃以上、１３００℃以下の温度で熱処理して形成され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の製造方法。
【請求項４】
前記チャネル形成領域の前記上面の面方位が（０００－１）面、（１１－２０）面、及び（１－１００）面のいずれかであり、前記窒化終端層が９００℃以上、１２００℃以下の温度で熱処理して形成され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の製造方法。
【請求項５】
炭化シリコンからなるチャネル形成領域の上面に設けられたシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜と、
前記チャネル形成領域と前記ゲート絶縁膜との界面の前記チャネル形成領域の炭化シリコンが窒素と結合した窒化終端層と、
前記ゲート絶縁膜の上に設けられ、前記チャネル形成領域の表面ポテンシャルを制御するゲート電極と
を備え、
前記窒化終端層が設けられた前記界面をＸ線光電子分光法で測定したときの窒素の１ｓ軌道に起因するスペクトル信号の強度Ｉ
N
と前記チャネル形成領域に由来するシリコンの２ｐ軌道に起因するスペクトル信号の強度Ｉ
Si
との強度比Ｉ
N
／Ｉ
Si
に関して、前記界面から２ｎｍ以上３ｎｍ以下の間の前記ゲート絶縁膜を残したときの第１の強度比Ｉ
N
／Ｉ
Si
に対して、前記ゲート絶縁膜を除去したときの前記窒化終端層での第２の強度比Ｉ
N
／Ｉ
Si
が０．６５以上であることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。
【請求項６】
前記ゲート絶縁膜の中に、前記ゲート絶縁膜の伝導帯下端から２．２ｅＶより深く、３．２ｅＶ以下のエネルギ準位を有する電子トラップの密度が３×１０
１１
ｃｍ
－２
／ｅＶ以下であることを特徴とする請求項５に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
【請求項７】
前記ゲート絶縁膜の中に、前記ゲート絶縁膜の伝導帯下端から２．６ｅＶより深く、３．２ｅＶ以下のエネルギ準位を有する電子トラップの密度が１×１０
１０
ｃｍ
－２
／ｅＶ以下であることを特徴とする請求項６に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
【請求項８】
前記チャネル形成領域の前記上面の面方位が（０００１）面であり、前記第２の強度比Ｉ
N
／Ｉ
Si
が、０．０２以上、０．０３以下であることを特徴とする請求項５～７のいずれか１項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
【請求項９】
前記チャネル形成領域の前記上面の面方位が（０００－１）面、（１１－２０）面、及び（１－１００）面のいずれかであり、前記第２の強度比Ｉ
N
／Ｉ
Si
が、０．０５以上、０．０８以下であることを特徴とする請求項５～７のいずれか１項に記載の絶縁ゲート型半導体装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法に係り、特に炭化シリコン（ＳｉＣ）を用いた絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法に関する。
続きを表示（約 3,400 文字）【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴでは、半導体層上にゲート絶縁膜を形成する際に、高密度の界面準位ができる。ゲート絶縁膜形成後に窒素原子（Ｎ）を含有するガス中で加熱する窒化処理でゲート絶縁膜と半導体層との界面に窒化終端層を形成して、界面準位密度（Ｄｉｔ）を低減することが可能である。しかし、バイアス印加ストレスに対してゲート閾値電圧の変動が生じ、信頼性の劣化を招くという問題がある。特許文献１では、窒化処理後に二酸化炭素（ＣＯ
2
）ガスによる熱処理でゲート閾値電圧変動を改善している。しかし、界面準位密度の低減が十分でない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２１‐８６８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、上記問題点を鑑み、半導体装置の信頼性劣化を抑制することができ、界面準位密度の低減が可能な絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の一態様は、（ａ）炭化シリコンからなるチャネル形成領域の上面にシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、（ｂ）窒素原子を含むガスでゲート絶縁膜を熱処理することで、ゲート絶縁膜と炭化シリコンとの界面を窒化処理して、チャネル形成領域とゲート絶縁膜との界面に中間窒化層を形成する工程と、（ｃ）二酸化炭素ガスと窒素ガスとの混合ガスでゲート絶縁膜を熱処理することで、ゲート絶縁膜中の窒素原子の一部を除去し、界面に窒化終端層を形成する工程と、（ｄ）ゲート絶縁膜の上に、チャネル形成領域の表面ポテンシャルを制御するゲート電極を形成する工程とを含み、二酸化炭素ガスに対する窒素ガスの比が０．２５以上、０．７５以下である絶縁ゲート型半導体装置の製造方法であることを要旨とする。
【０００６】
本発明の他の態様は、（ａ）炭化シリコンからなるチャネル形成領域の上面に設けられたシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜と、（ｂ）チャネル形成領域とゲート絶縁膜との界面のチャネル形成領域の炭化シリコンが窒素と結合した窒化終端層と、（ｃ）ゲート絶縁膜の上に設けられ、チャネル形成領域の表面ポテンシャルを制御するゲート電極とを備え、窒化終端層が設けられた界面をＸ線光電子分光法で測定したときの窒素の１ｓ軌道に起因するスペクトル信号の強度Ｉ
N
とチャネル形成領域に由来するシリコンの２ｐ軌道に起因するスペクトル信号の強度Ｉ
Si
との強度比Ｉ
N
／Ｉ
Si
に関して、界面から２ｎｍ以上３ｎｍ以下の間のゲート絶縁膜を残したときの第１の強度比Ｉ
N
／Ｉ
Si
に対して、ゲート絶縁膜を除去したときの窒化終端層での第２の強度比Ｉ
N
／Ｉ
Si
が０．６５以上である絶縁ゲート型半導体装置であることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の実施形態によれば、半導体装置の信頼性劣化を抑制することができ、界面準位密度の低減が可能な絶縁ゲート型半導体装置及び絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明の実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の一例を示す断面概略図である。
実施形態に係る絶縁ゲート構造の評価に用いるＭＯＳキャパシタの製造方法の工程の一例を説明するための断面概略図である。
実施形態に係る絶縁ゲート構造の評価に用いるＭＯＳキャパシタの製造方法の図２に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。
実施形態に係る絶縁ゲート構造の評価に用いるＭＯＳキャパシタの製造方法の図３に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。
実施形態に係る絶縁ゲート構造の評価に用いるＭＯＳキャパシタの製造方法の図４に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。
比較例２のＭＯＳキャパシタの一例を示す断面概略図である。
ＭＯＳキャパシタの酸化膜界面近傍の評価に用いるＳｉ２ｐのＸＰＳスペクトルの一例を示す図である。
ＭＯＳキャパシタの酸化膜界面近傍の評価に用いるＮ１ｓのＸＰＳスペクトルの一例を示す図である。
Ｓｉ面ＭＯＳキャパシタの酸化膜界面近傍の強度比の測定結果の一例を示す図である。
Ｓｉ面ＭＯＳキャパシタの酸化膜界面近傍の規格化強度比の測定結果の一例を示す図である。
Ｓｉ面ＭＯＳキャパシタの評価結果の一例を示す表である。
ｍ面ＭＯＳキャパシタの酸化膜界面近傍の強度比の測定結果の一例を示す図である。
ｍ面ＭＯＳキャパシタの酸化膜界面近傍の規格化強度比の測定結果の一例を示す図である。
ｍ面ＭＯＳキャパシタの評価結果の一例を示す表である。
実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の工程の一例を説明するための断面概略図である。
実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図１５に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。
実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図１６に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。
実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図１７に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。
実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図１８に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。
実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の製造方法の図１９に引き続く工程の一例を説明するための断面概略図である。
比較例７の絶縁ゲート型半導体装置の一例を示す断面概略図である。
実施形態に係る絶縁ゲート型半導体装置の評価結果の一例を示す表である。
絶縁ゲート型半導体装置のゲート絶縁膜の通電試験の概要を説明するバンド図である。
絶縁ゲート型半導体装置のゲート絶縁膜の通電試験による電子トラップ状態を説明する図である。
絶縁ゲート型半導体装置のゲート絶縁膜の電子トラップ測定系の概要を説明する図である。
絶縁ゲート型半導体装置のゲート絶縁膜の電子トラップの評価方法を説明する図である。
実施例７のゲート絶縁膜の電子トラップの評価結果を示す図である。
比較例７のゲート絶縁膜の電子トラップの評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。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、重複する説明を省略する。但し、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実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。
【００１０】
本明細書においてＭＯＳトランジスタのソース領域は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のエミッタ領域として選択可能な「一方の主電極領域（第１主電極領域）」である。又、ＭＯＳ制御静電誘導サイリスタ（ＳＩサイリスタ）等のサイリスタにおいては、一方の主電極領域はカソード領域として選択可能である。ＭＯＳトランジスタのドレイン領域は、ＩＧＢＴにおいてはコレクタ領域を、サイリスタにおいてはアノード領域として選択可能な半導体装置の「他方の主電極領域（第２主電極領域）」である。本明細書において単に「主電極領域」と言うときは、当業者の技術常識から妥当な第１主電極領域又は第２主電極領域のいずれかを意味する。
（【００１１】以降は省略されています）

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