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(In Japanese)SiC半導体素子

Patent code P130010096
Posted date Nov 26, 2013
Application number P2012-530519
Patent number P5761533
Date of filing Aug 12, 2011
Date of registration Jun 19, 2015
International application number JP2011004578
International publication number WO2012026089
Date of international filing Aug 12, 2011
Date of international publication Mar 1, 2012
Priority data
  • P2010-191438 (Aug 27, 2010) JP
Inventor
  • (In Japanese)矢野 裕司
  • (In Japanese)上岡 義弘
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人奈良先端科学技術大学院大学
Title (In Japanese)SiC半導体素子
Abstract (In Japanese)SiC半導体の絶縁膜とSiCとの界面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。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°のオフ角を有する面上、若しくは、(000-1)面を<11-20>方向に70~80°のオフ角を有する面上、に絶縁膜を形成した構造を備える。従来知られていかった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。各種の結晶面を側壁に有するトレンチ30を形成したデバイスを作製し、ドレイン電流ならびにチャネル移動度を測定した。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

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。

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800-1000cm2/Vsと高いのに対し、SiCのMOSFETのチャネル移動度(Si面)は、10cm2/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,NO2,NH3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、40-50cm2/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。

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。

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800-1000cm2/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。

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。

(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6cm2/Vs程度である。

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)。

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11cm2/Vs程度である。

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。

Field of industrial application (In Japanese)

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。

Scope of claims (In Japanese)
【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。
Industrial division
  • Semiconductor
  • Solid device
IPC(International Patent Classification)
Drawing

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JP2012530519thum.jpg
State of application right Registered
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