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明細書 :SiC半導体素子

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5761533号 (P5761533)
登録日 平成27年6月19日(2015.6.19)
発行日 平成27年8月12日(2015.8.12)
発明の名称または考案の名称 SiC半導体素子
国際特許分類 H01L  29/12        (2006.01)
H01L  29/78        (2006.01)
FI H01L 29/78 652T
H01L 29/78 653A
H01L 29/78 652E
請求項の数または発明の数 10
全頁数 22
出願番号 特願2012-530519 (P2012-530519)
出願日 平成23年8月12日(2011.8.12)
国際出願番号 PCT/JP2011/004578
国際公開番号 WO2012/026089
国際公開日 平成24年3月1日(2012.3.1)
優先権出願番号 2010191438
優先日 平成22年8月27日(2010.8.27)
優先権主張国 日本国(JP)
審査請求日 平成26年8月1日(2014.8.1)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504143441
【氏名又は名称】国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学
発明者または考案者 【氏名】矢野 裕司
【氏名】上岡 義弘
個別代理人の代理人 【識別番号】110000822、【氏名又は名称】特許業務法人グローバル知財
審査官 【審査官】須原 宏光
参考文献・文献 特開2002-261275(JP,A)
特開2007-80971(JP,A)
特開2001-144288(JP,A)
特開2004-281875(JP,A)
国際公開第2010/116886(WO,A1)
Hiroshi Yano et al.,Anomalously anisotropic channel mobility on trench sidewalls in 4H-SiC trench-gate metal-oxide-semic,Applied Physics Letters,2007年,Vol.90,042102-1~042102-3
調査した分野 H01L 29/12
H01L 29/78
特許請求の範囲 【請求項1】
SiC半導体基板と、基板に接する絶縁膜を少なくとも備える半導体素子において、
前記SiC半導体基板の結晶面として、{11-20}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<11-20>方向に70~80°オフさせた面上、に前記絶縁膜としてゲート絶縁膜、或いは、表面パッシベーション膜を形成した構造を備えることを特徴とするSiC半導体素子。
【請求項2】
前記SiC半導体基板の結晶面として、{11-20}面を[000-1]方向に15°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<11-20>方向に75°オフさせた面上、に前記絶縁膜を形成した構造を備えることを特徴とする請求項1に記載のSiC半導体素子。
【請求項3】
SiC半導体基板と、基板に接する絶縁膜を少なくとも備える半導体素子において、
前記SiC半導体基板の結晶面として、{1-100}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<1-100>方向に70~80°オフさせた面上、に前記絶縁膜としてゲート絶縁膜、或いは、表面パッシベーション膜を形成した構造を備えることを特徴とするSiC半導体素子。
【請求項4】
前記SiC半導体基板の結晶面として、{1-100}面を[000-1]方向に15°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<1-100>方向に75°オフさせた面上、に前記絶縁膜を形成した構造を備えることを特徴とする請求項3に記載のSiC半導体素子。
【請求項5】
SiC半導体基板と、基板に接する絶縁膜を少なくとも備える半導体素子において、
前記SiC半導体基板の結晶面として、{-12-10}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<-12-10>方向に70~80°オフさせた面上、に前記絶縁膜としてゲート絶縁膜、或いは、表面パッシベーション膜を形成した構造を備えることを特徴とするSiC半導体素子。
【請求項6】
前記SiC半導体基板の結晶面として、{-12-10}面を[000-1]方向に15°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<-12-10>方向に75°オフさせた面上、に前記絶縁膜を形成した構造を備えることを特徴とする請求項5に記載のSiC半導体素子。
【請求項7】
SiC半導体基板と、基板に接する絶縁膜を少なくとも備える半導体素子において、
前記SiC半導体基板の結晶面として、{10-10}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<10-10>方向に70~80°オフさせた面上、に前記絶縁膜としてゲート絶縁膜、或いは、表面パッシベーション膜を形成した構造を備えることを特徴とするSiC半導体素子。
【請求項8】
前記SiC半導体基板の結晶面として、{10-10}面を[000-1]方向に15°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<10-10>方向に75°オフさせた面上、に前記絶縁膜を形成した構造を備えることを特徴とする請求項7に記載のSiC半導体素子。
【請求項9】
前記SiC半導体素子のチャネル移動度が90cm2/Vs以上であることを特徴とする請求項1~8のいずれかに記載のSiC半導体素子。
【請求項10】
前記結晶面が、SiC半導体基板を用いたトレンチゲート構造のMOSFETのトレンチ側壁の結晶面に用いられることを特徴とする請求項1~8のいずれかに記載のSiC半導体素子。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、SiC半導体素子の絶縁膜とSiC半導体における界面欠陥を低減し、MOS型電界効果トランジスタ(MOSFET)等のチャネル移動度を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【0002】
SiC半導体とは炭素(C)とケイ素(Si)の化合物であるSiC(Silicon carbide,炭化ケイ素)からなる半導体である。SiC半導体の最大の特徴は、パワーエレクトロニクスに用いる半導体デバイス(パワーデバイス)の材料として適した物性値を有することである。例えば、市販されている単結晶の4H-SiCの場合、禁制帯幅が3.3eVと従来のSi半導体に比べて3倍と広く、絶縁破壊電界強度が3MV/cmと従来のSi半導体に比べて10倍程度大きく、また飽和電子速度が従来のSi半導体に比べて3倍と速い。また、SiC半導体は、Si半導体よりも、熱伝導性,耐熱性,耐薬品性に優れており、放射線に対する耐性もSi半導体より高いという特徴を備えている。このような特徴から、SiC半導体、特に、SiCのMOSFETは、パワーエレクトロニクスに用いられる半導体デバイスに好適に使用されている。
【0003】
しかし、SiCのMOSFETでは、ゲート絶縁膜(ゲート酸化膜)とSiCの界面における欠陥が多く、チャネル移動度が小さいことが、従来から問題とされていた。特に、4H-SiCでは、バルク結晶中の電子移動度が800-1000cm/Vsと高いのに対し、SiCのMOSFETのチャネル移動度(Si面)は、10cm/Vsと小さいことが問題として挙げられていた。
また従来から、熱酸化やCVD法を用いて絶縁膜を形成したり、また、形成した絶縁膜をNO,NO,NHガスなどにより絶縁膜とSiCの界面を窒化することなどが行われており、界面における欠陥を少なくして、チャネル移動度を向上させている。しかしながら、SiCのMOSFETのチャネル移動度(Si面)は、界面を窒化した場合でも、40-50cm/Vsと小さく、更なるチャネル移動度の向上が切望されている。
【0004】
SiCのMOSFETのチャネル移動度が小さい理由は、従来技術で作製されるSiCの界面には欠陥が多い、すわなち、界面準位密度が大きいためである。SiCのMOSFETのチャネル移動度が小さいことによって、MOSFETのトランジスタのオン抵抗値が大きくなる。トランジスタのオン抵抗値が大きくなれば消費電力が多くなってしまう。
【0005】
上述したように、4H-SiCでは、本来、バルク結晶中の電子移動度が800-1000cm/Vsと高いにも関わらず、SiCのMOSFETといったデバイス化を図ると、ゲート絶縁膜とSiCの界面における欠陥のためにチャネル移動度が小さくなってしまうといった問題がある。
【0006】
従来、上記問題に関して、熱酸化法、CVD法および界面窒化法などによるゲート絶縁膜の形成方法を工夫することにより界面欠陥を低減し、チャネル移動度を向上させてきた。
一方、上記問題に関して、SiCの結晶面に着目し、チャネル移動度を向上させる技術がある。このSiC結晶面に着目した技術を幾つか紹介する。
先ず、DMOSFET(Double implanted MOSFET)やUMOSFET(トレンチ型MOSFET)といったデバイスを作製する際は、一般的に、標準のSiCウェハのSi面の(0001)面あるいはC面の(000-1)面を、<11-20>方向に4°または8°の傾斜(オフ)させた結晶面が用いられている。しかし、(0001)面あるいは(000-1)面は、チャネル移動度がさほど高くない。
【0007】
(0001)面あるいは(000-1)面よりも、{0001}面に垂直な{11-20}面で高いチャネル移動度が報告されているが、結晶面がずれると移動度は低下してしまうことが知られている。{11-20}面を用いることでチャネル移動度が向上するものの、チャネル移動度は6cm/Vs程度である。
【0008】
また、{0001}面から<01-10>方向に50~65°の範囲内で傾斜(オフ)させた結晶面により、界面欠陥の低減が図れ、チャネル移動度が向上することが知られている(特許文献1)。
【0009】
また、{03-38}面を用いることでチャネル移動度が向上することが知られている(特許文献2)。ここで、{03-38}面は、{0001}面から<1-100>方向に54.7°傾斜した結晶面である。
しかしながら、{03-38}面を用いることでチャネル移動度が向上するものの、チャネル移動度は11cm/Vs程度である。
【0010】
なお、結晶面および方向の表記は、結晶学上、数字に上付きのバーを付すが、本発明の明細書、要約書、特許請求の範囲における結晶面および方向の表記は、出願表記の制約上、数字の上にバーを付す代わりに、数字の前に-(マイナス符号)を付して表現する。また、結晶内の方向を示す個別方位は[ ]で、等価な方向すべてを示す集合方位は< >で、結晶面を示す個別面は( )で、等価な対称性を有する集合面は{ }でそれぞれ表現する。なお、図面における結晶面および方向の表記は、結晶学上の数字の上にバーを付した本来の表記で行っている。
【先行技術文献】
【0011】

【特許文献1】特開2010-040564号公報
【特許文献2】特開2002-261275号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
上記状況に鑑みて、本発明は、SiC半導体に接する絶縁膜とSiCとの界面欠陥を低減させ、チャネル移動度を向上させたSiC半導体素子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】
【0013】
本発明者らは、従来知られていなかったSiCの特定の結晶面をMOSFETのトレンチ側壁などに用いることにより、絶縁膜とSiCの界面欠陥が大幅に低減でき、チャネル移動度を大幅に向上できることを見出し、本発明を完成させた。
【0014】
すなわち、上記目的を達成すべく、本発明のSiC半導体素子は、SiC半導体基板と基板に接する絶縁膜を少なくとも備える半導体素子において、SiC半導体基板の結晶面として、{11-20}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<11-20>方向に70~80°オフさせた面上、に絶縁膜としてゲート絶縁膜、或いは、表面パッシベーション膜を形成した構造を備える。
特定の結晶面を用いることにより、SiC半導体基板と絶縁膜との界面欠陥を低減し、半導体素子のチャネル移動度を向上させることができる。
ここで、{11-20}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面と、(000-1)面を<11-20>方向に70~80°オフさせた面とは、同じ面を示している。すなわち、一例として、「{11-20}面を[000-1]方向に10°オフさせた面」は、「(000-1)面を<11-20>方向に80°オフさせた面」と同じ面を示す。「{11-20}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面と、(000-1)面を<11-20>方向に70~80°オフさせた面とは、同じ面を示している」とは、角度の対応関係を考慮すると、「{11-20}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面と、(000-1)面を<11-20>方向に80~70°オフさせた面とは、同じ面を示している」ということができる。{11-20}面は、等価な対称性を有する個別面の(11-20)面,(1-210)面,(-2110)面を意味している。また、(000-1)面は、C面を意味している。なお、絶縁膜には酸化膜や窒化膜が含まれる。
なお、「オフさせた面」とは、本発明の所定の面から、所定の方向に所定の角度で「傾斜させた面」と表現することもできる。オフさせた結晶面は、本発明の所定の面から、所定の方向に所定の角度で傾いている面である。
【0015】
上記のSiC半導体基板の結晶面として、{11-20}面を[000-1]方向に15°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<11-20>方向に75°オフさせた面上、に絶縁膜を形成した構造を備えることが特に好ましい。SiC半導体基板と絶縁膜との界面欠陥を低減し、半導体素子のチャネル移動度をより向上させることができる。
【0016】
また、本発明のSiC半導体素子は、SiC半導体基板と基板に接する絶縁膜を少なくとも備える半導体素子において、SiC半導体基板の結晶面として、{1-100}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<1-100>方向に70~80°オフさせた面上、に絶縁膜としてゲート絶縁膜、或いは、表面パッシベーション膜を形成した構造を備える。
特定の結晶面を用いることにより、SiC半導体基板と絶縁膜との界面欠陥を低減し、半導体素子のチャネル移動度を向上させることができる。
ここで、{1-100}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面と、(000-1)面を<1-100>方向に70~80°オフさせた面とは、同じ面を示している。{1-100}面は、等価な対称性を有する個別面の(1-100)面,(-1010)面,(01-10)面を意味している。
【0017】
上記のSiC半導体基板の結晶面として、{1-100}面を[000-1]方向に15°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<1-100>方向に75°オフさせた面上、に絶縁膜を形成した構造を備えることが特に好ましい。SiC半導体基板と絶縁膜との界面欠陥を低減し、半導体素子のチャネル移動度をより向上させることができる。
【0018】
また、本発明のSiC半導体素子は、SiC半導体基板と基板に接する絶縁膜を少なくとも備える半導体素子において、SiC半導体基板の結晶面として、{-12-10}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<-12-10>方向に70~80°オフさせた面上、に絶縁膜としてゲート絶縁膜、或いは、表面パッシベーション膜を形成した構造を備える。
特定の結晶面を用いることにより、SiC半導体基板と絶縁膜との界面欠陥を低減し、半導体素子のチャネル移動度を向上させることができる。
ここで、{-12-10}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面と、(000-1)面を<-12-10>方向に70~80°オフさせた面とは、同じ面を示している。{-12-10}面は、等価な対称性を有する個別面の(-12-10)面,(2-1-10)面,(-1-120)面を意味している。
【0019】
また、{-12-10}面は、{11-20}面と比較すると、原子の構造配列が類似している。すなわち、SiCの単位セル構造においては、{-12-10}面と{11-20}面は、原子の構造配列が結晶軸に対称で、かつ、軸方向に単位セル構造の半分だけずれた構造配列になっている。これは、マクロ的に見れば、類似した結晶面となる。
【0020】
上記のSiC半導体基板の結晶面として、{-12-10}面を[000-1]方向に15°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<-12-10>方向に75°オフさせた面上、に絶縁膜を形成した構造を備えることが特に好ましい。SiC半導体基板と絶縁膜との界面欠陥を低減し、半導体素子のチャネル移動度をより向上させることができる。
【0021】
また、本発明のSiC半導体素子は、SiC半導体基板と基板に接する絶縁膜を少なくとも備える半導体素子において、SiC半導体基板の結晶面として、{10-10}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<10-10>方向に70~80°オフさせた面上、に絶縁膜としてゲート絶縁膜、或いは、表面パッシベーション膜を形成した構造を備える。
特定の結晶面を用いることにより、SiC半導体基板と絶縁膜との界面欠陥を低減し、半導体素子のチャネル移動度を向上させることができる。
【0022】
ここで、{10-10}面を[000-1]方向に10~20°オフさせた面と、(000-1)面を<10-10>方向に70~80°オフさせた面とは、同じ面を示している。{10-10}面は、等価な対称性を有する個別面の(10-10)面,(0-110)面,(-1100)面を意味している。
また、{10-10}面は、{1-100}面と比較すると、原子の構造配列が類似している。すなわち、SiCの単位セル構造においては、{10-10}面と{1-100}面は、原子の構造配列が結晶軸に対称で、かつ、軸方向に単位セル構造の半分だけずれた構造配列になっている。これは、マクロ的に見れば、類似した結晶面となる。
【0023】
上記のSiC半導体基板の結晶面として、{10-10}面を[000-1]方向に15°オフさせた面上、若しくは、(000-1)面を<10-10>方向に75°オフさせた面上、に絶縁膜を形成した構造を備えることが特に好ましい。SiC半導体基板と絶縁膜との界面欠陥を低減し、半導体素子のチャネル移動度をより向上させることができる。
【0024】
本発明のSiC半導体基板の特定の結晶面を用いることにより、SiC半導体基板と絶縁膜との界面欠陥を低減し、半導体素子のチャネル移動度を向上させることができ、そのチャネル移動度は90cm/Vs以上のものを得ることができる。
【0025】
また、上記の本発明のSiC半導体素子における結晶面が、SiC半導体基板を用いたトレンチゲート構造のMOSFETのトレンチ側壁の結晶面に用いられることが好ましい態様である。
上記の本発明のSiC半導体素子の結晶面を、トレンチゲート構造のMOSFETのトレンチ側壁の結晶面として用いることにより、デバイス特性を大幅に改善することができる。これについては、後述の実施例において、実際にトレンチゲート構造のMOSFETを作製して、ドレイン電流を測定し、チャネル移動度を評価している。
【0026】
ここで、トレンチ側壁の形状としては、特に限定されるものではなく、溝のようなストライプ状や、六角形状の穴のようなハニカム状でもよい。また、側壁の基板面に対する角度は、垂直に形成されるものでも、所定のテーパー角度で斜めに形成されるものでもよく、側壁の結晶面として、本発明の結晶面が用いられていればよい。
【0027】
また、上記の本発明のSiC半導体素子における絶縁膜には酸化膜や窒化膜が含まれる。
絶縁膜とSiCの界面欠陥が低減できているため、ゲート絶縁膜として用いることで、MOSFET等のチャネル移動度の向上が図れ、トランジスタのオン抵抗の低減につながることになる。また、表面パッシベーション膜として用いることで、SiC表面、すなわちSiCと絶縁膜の界面におけるキャリアの再結合が押さえられ、リーク電流の低減やバイポーラトランジスタおよびサイリスタなどにおける増幅率の向上につながることになる。

【0028】
SiC半導体の結晶構造は、六方晶系の結晶構造であればよく、例えば、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC(菱面体晶)などを用いることができる。また、本発明の半導体素子として、FETを採用する場合、チャネルはn型チャネルであっても、p型チャネルであっても、いずれでもよい。
【発明の効果】
【0029】
本発明によれば、従来から用いている結晶面と比べ、飛躍的にチャネル移動度を向上させることができる。また、しきい値電圧も他のものに比べて低く、ドレイン電流の立ち上がりが急峻であるといった特性を有することから、本発明による結晶面をチャネルとしたSiCのパワーMOSFETを作製すれば、オン抵抗の低減につながり、パワーデバイスの消費電力低減が図れるといった効果を有する。
また、本発明による結晶面は、他の結晶面よりも界面欠陥が少ないことから、デバイス特性の温度変化も小さく、デバイス特性の改善が図れる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】4H-SiC単位セルの結晶面の説明図1
【図2】4H-SiC単位セルの結晶面の説明図2
【図3】4H-SiC単位セルの結晶面と方向の説明図1
【図4】4H-SiC単位セルの結晶面と方向の説明図2
【図5】4H-SiCの構造模式図
【図6】トレンチ側壁の結晶面の一例を示す模式図
【図7】トレンチ側壁の結晶面の説明図
【図8】本発明の結晶面の説明図1
【図9】本発明の結晶面の説明図2
【図10】本発明の結晶面を利用するデバイスの構造模式図
【図11】SiCのパワーMOSFETの代表例であるDMOSFETの模式図
【図12】チャネル移動度をパラメータとしたMOSFETのオン抵抗と絶縁破壊電圧の相関図
【図13】作製したトレンチ型MOSFETの構造模式図
【図14】UMOSFETのドレイン電流特性の測定結果を示すグラフ
【図15】UMOSFETのチャネル移動度の測定結果を示すグラフ
【図16】第一原理計算により求めたSiO/SiC界面のバンド構造を示す図
【図17】各結晶面におけるラフネスと移動度の関係を表すグラフ
【図18】各結晶面のAFM像、(a)は(11-20)面を[000-1]方向に15°オフさせた結晶面、(b)は(11-20)面、(c)は(11-20)面を[0001]方向に15°オフさせた結晶面である。

【発明を実施するための最良の形態】
【0031】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
【0032】
先ず、図1と図2を参照して、4H-SiC単位セルの結晶面の説明を行う。図1にSiCの結晶の単位セル構造を示す。主な六方晶SiCには、一対のSi-Cから成る層がc軸方向に4層周期で積層された構造になっている4H-SiCと、6層周期で積層されている6H-SiCがある。図1の単位セル構造の格子内に、4H-SiCでは4層、6H-SiCでは6層含まれている。
【0033】
図2(1)は、六角柱の上面が(0001)Si面、底面が(000-1)C面である。図2(2)は、六角柱の側面が(1-100)面である。図2(3)は、図2(2)の(1-100)面と垂直な面の(11-20)面である。
【0034】
この六角柱の底面の(000-1)C面の平面図を図3に示す。図3(1)(2)に示す六角には、a1,a2,a3の方向があり、a1とa2の真ん中の方向が[11-20]方向、その反時計周りに120°毎に[1-210]方向、[-2110]方向となっている。[11-20]方向を法線とする面が、(11-20)面である。また、a1,a2,a3の方向が、それぞれ、[2-1-10]方向、[-12-10]方向、[-1-120]方向となっている。
【0035】
また、図4に示すように、[11-20]方向と[1-100]方向とは互いに直交している。
【0036】
また、図5は、4H-SiCの構造模式図を示している。図5(1)は{11-20}面の構造模式図であり、図5(2)は{-12-10}面の構造模式図である。{11-20}面と{-12-10}面は、原子の構造配列が類似している。SiCの単位セル構造においては、{11-20}面と{-12-10}面とは原子の構造配列が結晶軸に対称で、かつ、c軸方向に単位セル構造の半分だけずれた構造配列になっている。これは、マクロ的に見れば、類似した結晶面となる。
【0037】
図6は、トレンチ側壁の結晶面の一例を示す模式図である。図6では、(000-1)C面のSiC基板に垂直に長方形のトレンチを形成した場合を想定している。4つの側壁は、図6の右の側壁が(11-20)面、その対向する左の側壁が(-1-120)、上の側壁が(1-100)、下の側壁が(-1100)である。
【0038】
図7は、(000-1)C面を水平0°から15°傾斜(オフ)させた基板に略垂直にトレンチ側壁を形成した様子の断面模式図を示している。これは図8のSiC結晶の構造模式図に示すように、(11-20)面を[000-1]方向に15°傾斜(オフ)させたものと同等である。すなわち、トレンチゲート構造のMOSFETにおいて、トレンチ側壁の結晶面として、(11-20)面を[000-1]方向に15°オフさせた面が用いられている。
【0039】
図9は、SiC結晶の単位セル構造に、(11-20)面を[000-1]方向に15°傾斜(オフ)させた面をハッチング表記で示したものである。
【0040】
この面は、後述の実施例1で示すように優れたチャネル移動度を持つものであり、図10に示すようなDMOSFETやUMOSFETのゲート絶縁膜と接触する部分、すなわち、SiC半導体基板に絶縁膜を形成する結晶面として用いれば、それらのデバイス特性を大幅に改善することが可能である。
【0041】
これについて、下記に詳細に説明する。
図11に、SiCのMOSFETの模式図を示す。SiCのMOSFETは、SiC半導体10の基板上にゲート絶縁膜20を形成し、ゲート電極11、ソース電極12、ドレイン電極13の端子を設ける。ここで、SiC半導体10は図に示すように、n層、pボディ層、nドリフト層、n基板層などいくつかの層に分けられる。そして、ソース電極12からドレイン電極13にかけて、電流抵抗となる部位が存在する。
【0042】
例えば、ソース電極12とn層の間の抵抗値Rcs、n層の抵抗値R、ゲート絶縁膜20とSiC半導体10の界面21のチャネル抵抗値Rch、pボディ層に挟まれたnドリフト層のJFET抵抗値R、nドリフト層の抵抗値R、n基板層の抵抗値Rsub、n基板層とドレイン電極13の間の抵抗値Rcdである。これらの抵抗値のうち、特に支配的なのが、界面21のチャネル抵抗値Rchである。
【0043】
上述したように、4H-SiCでは、バルク中の電子移動度が800-1000cm/Vsと高いのに対し、SiCのMOSFETの界面のチャネル移動度は、10cm/Vsと小さいことが問題として挙げられている。これについて、図12を用いて説明する。図12は、チャネル移動度(μch)とトランジスタのオン抵抗の相関図を示しており、横軸は絶縁破壊電圧、すなわち半導体素子の耐圧を示している。
【0044】
図12において、4H-SiCの場合、Siの場合と比べて、同一耐圧の半導体素子に対するオン抵抗値は、シリコン単体(Si
limit)とSiC半導体のドリフト層と基板(drift+sub. limit)を比較すると、絶縁破壊電圧10V付近においては、1000分の1程度と小さいことが示されている。また、チャネル移動度(μch)に反比例してオン抵抗値が低減されることが示されている。
【0045】
なお、SiC半導体において、チャネル抵抗、n-ドリフト層の抵抗およびn+基板層の抵抗以外の抵抗値は無視できる大きさである。特にチャネル抵抗値の低減がSiC半導体デバイスの性能向上に不可欠である。SiCのMOSFETの界面のチャネル移動度(μch)を従来の10cm/Vs程度から100cm/Vs程度まで性能向上することで、本来の4H-SiCの高いポテンシャルを活用できることとなる。
【実施例1】
【0046】
実施例1では、トレンチ型MOSFET(UMOSFET)デバイスを作製し、種々のオフ角を有する(000-1)C面のSiC基板上に、略垂直の側壁を有するトレンチを形成して、デバイス特性を調べた結果を示す。
図13は、今回作製したトレンチ型MOSFET(UMOSFET)の構造模式図を示している。種々のオフ角を有する(000-1)C面のSiC基板上に、略垂直の側壁を有するトレンチを形成し、トレンチ側壁の片側のみ電流の流れるトレンチ型MOSFETを作製したものである。
【0047】
基板について(000-1)面を用い、オフ角は、0°(すなわち、on-axis)、[-1-120]方向に4°、[-1-120]方向に8°、[-1-120]方向に15°,[1-100]方向に8°のものを作製した。また、トレンチの形状は長方形とし、隣接する側壁同士が直交するようにし、側壁の4面は、(11-20)面,(-1-120)面,(1-100)面,(-1100)面となるようにトレンチを形成した。基板にはオフ角があるため、実際には図7に示すように、例えば(11-20)面に対してオフ角がつくようになる。このため、以下の実施例では、例えば(11-20)と表記してあっても、実際には(11-20)面から基板オフ角に由来する傾斜がついている。
【0048】
ここで、作製したUMOSFETのチャネル部のアクセプタ密度は、Naが1~2×1017cm-3である。移動度のでやすいアクセプタ密度ではなく、実用化されているデバイスに近いアクセプタ密度を用いている。また、ゲート絶縁膜は、Si酸化膜をウェット酸化で形成し、酸化後に一酸化窒素(NO)ガスを用いて熱処理したものである(酸化膜を窒化させたもの)。
また、作製したUMOSFETは、ゲート電極としてアルミニウムを使用し、ソース電極としてアルミニウム-チタン合金を使用し、ドレイン電極としてニッケルを使用した。
【0049】
図14のグラフは、作製したUMOSFETのドレイン電流特性の測定結果を示すものである。図14の(1)~(5)は、それぞれ、on-axis、[-1-120]方向(図中のa面方向)に4°オフ、[-1-120]方向に8°オフ、[-1-120]方向に15°オフ、[1-100]方向(図中のm面方向)に8°オフさせたものの測定結果をプロットしている。図14の(1)~(5)の内、図14(3)の[-1-120]方向に15°オフさせた基板上に作製したもので、(11-20)面にオフ角がついたものが、最もドレイン電流値が大きいことが確認できる。
【0050】
また、図15のグラフは、作製したUMOSFETのチャネル移動度の測定結果を示すものである。図15の(1)~(5)は、図14と同様に、それぞれ、on-axis、[-1-120]方向(図中のa面方向)に4°オフ、[-1-120]方向に8°オフ、[-1-120]方向に15°オフ、[1-100]方向(図中のm面方向)に8°オフさせたものの測定結果をプロットしている。図15の(1)~(5)の内、図15(3)の[-1-120]方向に15°オフさせた基板上に作製したもので、(11-20)面にオフ角がついたものが、最もチャネル移動度が大きいことが確認できる。
【0051】
下表1は、[-1-120]方向に4°オフ、[-1-120]方向に8°オフ、[-1-120]方向に15°オフ、[1-100]方向に8°オフさせた基板上に作製したトレンチMOSFETにおいて、(11-20)面,(-1-120)面,(1-100)面,(-1100)面に対して、チャネル移動度の測定最大値をまとめたものである。
【0052】
下表1から、(000-1)C面の基板を[-1-120]方向に15°オフさせた基板上にほぼ垂直に形成させたトレンチ側壁のうち、(11-20)面を用いた時のチャネル移動度が103cm/Vsと最も高く、デバイス特性が優れていることが確認できる。この側壁の結晶面は、正確には、図7に示すように、(11-20)面を[000-1]方向に15°オフさせた結晶面である。
【0053】
【表1】
JP0005761533B2_000002t.gif

【0054】
ここで、上記表1中、最左列は、トレンチ型MOSFETを作成した基板の種類を表し、それぞれ(000-1)面を所定角/所定方向にオフした基板を示す。表1中、最上段は、移動度を測定したトレンチ側壁の結晶面を示す。一例として、オフ方向が[-1-120]方向の基板を用いた場合、「(11-20)」とは、「(11-20)面を[000-1]方向に所定角度だけオフさせた結晶面」を示す。
【0055】
(11-20)面を[000-1]方向に15°オフさせた結晶面の移動度が特に優れている理由について以下に説明する。
図16に、第一原理計算により求めたSiO/SiC界面のバンド構造を示す。図16に示すグラフの横軸の各点は、Y(0.0, 0.5, 0.0)、T(0.0, 0.5, 0.5)、Γ(0.0, 0.0, 0.0)、Z(0.0, 0.0, 0.5) である。図16において、Structure1は(11-20)面を[000-1]方向に15°オフさせた結晶面のバンド構造、Structure2は(11-20)面を[0001]方向に15°オフさせた結晶面のバンド構造を示している。
Structure2では、図16のバンド構造において、伝導帯の下部にYからΓにかけて直線となる準位が存在することがわかる(図中の矢印で示したもの)。ここで、バンド曲線の曲率が小さいほど有効質量が大きいことを表す。このことから、直線となる準位では、電子の有効質量が無限大となり、電子が局在してトラップ準位となっていると考えられる。このため、Structure2では界面準位が多くなり、移動度が小さくなっている。
一方、Structure1では、Structure2のように伝導帯に直線となる準位は存在しない。すなわち、Structure1では、電子が局在してトラップ準位を形成しているものはなく、界面準位が少ないために移動度が大きくなったと考えられる。
【0056】
(11-20)面を所定角度だけオフさせた各種の結晶面について、酸化膜形成後に酸化膜をエッチングしてSiC表面の形状をAFM(原子間力顕微鏡)で測定し、その時のラフネス(最大と最小の差の最大値)と移動度とを対応付けした。
図17は、各結晶面におけるラフネスと移動度の関係を表すグラフである。グラフの横軸は傾斜角度であり、(11-20)面を傾斜角度0°、(11-20)面を[000-1]方向に傾斜させたものをマイナス角度、(11-20)面を[0001]方向に傾斜させたものをプラス角度として示している。グラフの左側の縦軸(Max of Peak-to-Valley)はラフネス、すなわち界面のうねりの高さの最大と最小の差の最大値をナノメートルで表している。また、グラフの右側の縦軸は電界効果移動度を表している。図17のグラフ中、黒塗り円はラフネスのプロットであり、中抜き円は電界効果移動度のプロットである。
図18に各結晶面のAFM像を示す。ここで、図18(a)は(11-20)面を[000-1]方向に15°オフさせた結晶面、図18(b)は(11-20)面、図18(c)は(11-20)面を[0001]方向に15°オフさせた結晶面である。
図17および図18から、各結晶面のSiO/SiC界面におけるラフネスには大きな差異があることが確認できる。
具体的には、図18(a)に示したもの、すなわち、(11-20)面を[000-1]方向に15°オフさせた結晶面が、ラフネスが小さいことがわかる。図18(b)、図18(c)になると、だんだんとラフネスが大きくなることがわかる。
これらのことから、移動度の大きい面では、ラフネスが小さいために均一な反転層チャネルが形成されていることがわかる。しかし、ラフネスが大きくなるにつれ反転層が不均一になり、チャネルが途切れ途切れになり、ドレイン電流が流れにくくなる。この結果として移動度が小さくなると考えられる。
【0057】
以上のことから、(11-20)面を[000-1]方向に15°オフさせた結晶面の移動度が特に優れている理由としては、界面準位が小さいこと、ラフネスが小さく、均一な反転層が形成できること、の2点である。
【0058】
(他の実施例)
実施例1では、{11-20}面を[000-1]方向に15°オフさせた結晶面のチャネル移動度が優れていることを示した。上記結果より、同様に、{10-10}面を[000-1]方向に15°オフさせた結晶面も、優れたチャネル移動度を示すことがわかる。すなわち、上記表1の最下段、 [1-100]方向に8°オフさせた基板の結果によると、(-1100)面を用いた場合、(1-100)面に比較してより高いチャネル移動度が得られた。
ここで示した(-1100)面は、正確には(-1100)面、すなわち{10-10}面を[000-1]方向に8°オフした結晶面となる。{10-10}面と{11-20}面は、ともに(000-1)面に垂直な結晶面であり、炭素とケイ素の原子が1:1の割合で表面に現れるなど、類似した性質を持っている。
【0059】
また、[-1-120]方向に8°オフさせた基板および15°オフさせた基板の結果から、以下のことが容易に類推できる。すなわち、[1-100]方向に15°オフさせた基板を用いると、(-1100)面の移動度は8°オフしたものに比べてより高いチャネル移動度を実現することができる。これは、すなわち{10-10}面を[000-1]方向に15°オフさせた結晶面において、8°オフさせた結晶面より、より高いチャネル移動度を実現することができるといえる。
【0060】
さらに、上述の通り、{-12-10}面と{11-20}面、および、{10-10}面と{1-100}面とは、原子の構造配列が、軸方向に単位セル構造の半分ずれた構造配列となっており、互いに類似しており、いずれもより高いチャネル移動度を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【0061】
本発明は、電気自動車、ハイブリッド自動車、鉄道、家電、電力系統などのインバータのスイッチで用いられるMIS(MOS)型電界効果トランジスタ(MIS(MOS)FET)に有用である。また、MIS(MOS)FETよりも高耐圧領域で用いられる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)にも利用できる。
【0062】
また、ゲートターンオフ(GTO)サイリスタ,接合型バイポーラトランジスタ(BJT),接合型電界効果トランジスタ(JFET),P(i)Nダイオード,ショットキーバリアダイオード(SBD)などの表面パッシベーション膜に適用可能である。
さらに、横型のパワーMOSFET(RESURF MOSFET)が作製でき、集積化したパワーIC,IPMなどに利用可能である。
【符号の説明】
【0063】
10 SiC半導体
11 ゲート電極
12 ソース電極
13 ドレイン電極
20 ゲート絶縁膜
21 界面
30 トレンチ
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
10
【図12】
11
【図13】
12
【図14】
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【図15】
14
【図16】
15
【図17】
16
【図18】
17