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(In Japanese)炭化ケイ素半導体装置及びその製造方法 meetings

Patent code P200017194
File No. 19T027
Posted date Sep 15, 2020
Application number P2019-140141
Publication number P2021-022706A
Date of filing Jul 30, 2019
Date of publication of application Feb 18, 2021
Inventor
  • (In Japanese)松下 雄一郎
Applicant
  • TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Title (In Japanese)炭化ケイ素半導体装置及びその製造方法 meetings
Abstract (In Japanese)
【課題】
 移動度を向上させた炭化ケイ素半導体装置を提供すること。
【解決手段】
 本発明の炭化ケイ素半導体装置は、炭化ケイ素結晶領域と、炭化ケイ素結晶領域の表面に形成されたゲート絶縁膜とを含み、ゲート絶縁膜の少なくとも炭化ケイ素結晶領域と接触する面が結晶絶縁体で構成され、結晶絶縁体と接触する炭化ケイ素結晶の界面の原子レベルでフラットなテラス幅が3.5nm以上である。
【選択図】
 図8
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

従来、半導体としてはシリコン(Si)半導体が主流であるが、バンドギャップが小さい欠点がある。炭化ケイ素(SiC)は、Si半導体に比べて、バンドギャップが3.25eVと3倍と広く,絶縁破壊電界強度が3MV/cmと10倍程度大きい(理論的な電力損失はSiの300分の1)。また,熱伝導性,耐熱性,耐薬品性に優れ,放射線に対する耐性もSi半導体より高い。そのため,Si半導体より小型,低消費電力,高効率のパワー素子,高周波素子,耐放射線性に優れた半導体素子として期待されている。そのため、炭化ケイ素半導体は、電力,輸送,家電に加え,宇宙・原子力分野で需要が高く、最近では,ハイブリッドや電気自動車用の半導体として、消費電力が小さく,耐熱温度が400℃とSi半導体より高く,冷却するためのファンなどの放熱装置が必要ないという利点が注目されており、活発に研究開発が進められ、一部は既に実用化されている。

しかし、炭化ケイ素半導体装置では、酸化ケイ素(SiO2)を絶縁膜とするMOS型半導体装置として用いられているが、シリコン半導体装置では、移動度が理論値の50%程度まで実現されているのに対して、酸化ケイ素(SiO2)/炭化ケイ素(SiC)のMOS界面に界面欠陥準位が存在していて、実用されている製品の移動度は20~30cm2/Vs程度であり、理論値1000cm2/Vsの2~3%にすぎないのが現状である。このMOS界面に存在する界面欠陥準位の原因として残留炭素などの異物が提案され、検討されているが、未だに確かな原因は判明しておらず、炭化ケイ素半導体装置における移動度の改良は、炭化ケイ素半導体装置の実用化のために非常に重要な課題になっている。

非特許文献1は、炭化ケイ素基板として4H-SiCの(0-33-8)面を用いて、MOSFETの移動度を120cm2/Vsに増加することを報告している。しかし、この半導体装置はMOSFETであり、絶縁膜はSiO2であり、本発明と異なる。

非特許文献2は、4H-SiCのマクロステップ表面をSi融液中でアニールして原子レベルでフラットなテラスを作製して、4H-SiC MOSFETの移動度が102cm2/Vsに増加したと報告している。しかし、この半導体装置はMOSFETであり、絶縁膜はSiO2であり、本発明と異なる。

非特許文献3は、低オフ角の炭化ケイ素結晶の成長について開示する。しかし、非特許文献3は、結晶表面の原子レベルのフラット性とその上に製膜される絶縁膜との関係について教示がない。

非特許文献4は、炭化ケイ素結晶の表面をエッチングして原子レベルでフラットにする方法を開示する。しかし、非特許文献4は、結晶表面の原子レベルのフラット性とその上に製膜される絶縁膜との関係について教示がない。

非特許文献5は、AlN/4H-SiC界面をもつキャパシタを作製し、その電気特性を評価して、約150cm2/Vsの移動度を報告している。しかし、非特許文献5は、AlNを堆積する前に炭化ケイ素基板(4H-SiC)の結晶表面を原子レベルでフラットにする処理を行っていないし、その必要性及び意義について教示がない。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は炭化ケイ素半導体装置及びその製造方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
炭化ケイ素結晶領域と、前記炭化ケイ素結晶領域の表面に形成されたゲート絶縁膜とを含む炭化ケイ素半導体装置であって、前記ゲート絶縁膜の少なくとも前記炭化ケイ素結晶領域と接触する面が結晶絶縁体で構成されており、前記結晶絶縁体と接触する前記炭化ケイ素結晶の界面の原子レベルでフラットなテラス幅が3.5nm以上であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置。

【請求項2】
 
前記炭化ケイ素結晶領域が0~4度の範囲内のオフ角を有する炭化ケイ素結晶である、請求項1に記載の炭化ケイ素半導体装置。

【請求項3】
 
前記オフ角が0~1度である、請求項1又は2に記載の炭化ケイ素半導体装置。

【請求項4】
 
前記原子レベルのフラット性が40nm以上である、請求項2又は3に記載の炭化ケイ素半導体装置。

【請求項5】
 
前記結晶絶縁体と前記炭化ケイ素結晶との格子定数の差が2%以下である、請求項1~4のいずれか一項に記載の炭化ケイ素半導体装置。

【請求項6】
 
前記結晶絶縁体が、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、リン酸アルミニウム(AlPO4)、アルミナ、Be3Al2(SiO36、酸化ベリウム(BeO)、RbAl11O17、Ba7Al64O103、Al6B5(O5F)3及びこれらを水素終端した物質から選ばれる、請求項1~5のいずれか一項に記載の炭化ケイ素半導体装置。

【請求項7】
 
前記炭化ケイ素結晶が4H-SiCであり、前記結晶絶縁体と接触する面が(000-1)面、(0001)面、(1-100)面又は(11-20)面である、請求項1~6のいずれか一項に記載の炭化ケイ素半導体装置。

【請求項8】
 
前記ゲート絶縁膜が、前記結晶絶縁体の前記炭化ケイ素結晶領域と反対側に、前記結晶絶縁体と異なる第二の絶縁体を含む、請求項1~7のいずれか一項に記載の炭化ケイ素半導体装置。

【請求項9】
 
炭化ケイ素結晶領域と、前記炭化ケイ素結晶領域の表面に形成されたゲート絶縁膜とを含む炭化ケイ素半導体装置の製造方法であって、原子レベルでフラットなテラス幅が3.5nm以上である表面を有する炭化ケイ素結晶領域を提供し、前記炭化ケイ素結晶領域上に、結晶絶縁膜を製膜することを含むことを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法。

【請求項10】
 
前記炭化ケイ素結晶領域が0~4度の範囲内のオフ角を有する炭化ケイ素結晶で構成されている、請求項9に記載の製造方法。

【請求項11】
 
前記結晶絶縁膜が、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、リン酸アルミニウム(AlPO4)、アルミナ、Be3Al2(SiO36、酸化ベリウム(BeO)、RbAl11O17、Ba7Al64O103、Al6B5(O5F)3及びこれらを水素終端した物質から選ばれる材料である、請求項9又は10に記載の製造方法。

【請求項12】
 
前記オフ角が0~1度である、請求項9~11のいずれか一項に記載の製造方法。

【請求項13】
 
前記炭化ケイ素結晶領域が4H-SiCであり、前記4H-SiC結晶の前記結晶絶縁膜と接触する表面が(000-1)面、(0001)面、(0-110)面又は(11-20)面であり、前記結晶絶縁膜を製膜する前に、前記炭化ケイ素結晶領域の(000-1)面、(0001)面、(0-110)面又は(11-20)面を原子レベルでフラット化する処理を含む、請求項9~12のいずれか一項に記載の製造方法。

【請求項14】
 
前記結晶絶縁膜の前記製膜前に、前記炭化ケイ素結晶領域の表面を原子レベルでフラット化する処理を行って、前記炭化ケイ素結晶領域の前記テラス幅を3.5nm以上にする、請求項9~13のいずれか一項に記載の製造方法。

【請求項15】
 
前記結晶絶縁膜が、化学的気相堆積法又は物理的堆積法で製膜される、請求項9~14のいずれか一項に記載の製造方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2019140141thum.jpg
State of application right Published
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