半导体装置及其制造方法
【专利说明】半导体装置及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请享受以日本专利申请2014 - 52794号(申请日:2014年3月14日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部的内容。
技术领域
[0003]本发明的实施方式涉及半导体装置及其制造方法。
【背景技术】
[0004]作为功率MOSFET的材料，研究了从Si向SiC的转换。这是因为SiC与Si相比限制带宽大、绝缘破坏电场、饱和漂移速度、热传导度高等。使用了 SiC的MOSFET的课题之一是沟道电阻高。例如，作为半导体基板而使用4H - SiC的Si面为最表面的结晶，但在SiC基板与栅极绝缘膜之间存在界面态(对应日语:界面準位)，认为该界面态降低使用了 SiC的MOSFET的沟道移动度(μ )。使用了 SiC的MOSFET中，希望进一步提升沟道移动度。
【发明内容】
[0005]本发明提供具有高的沟道移动度的半导体装置及其制造方法。
[0006]实施方式的半导体装置具备:第I导电型的第I半导体区域；第2导电型的第2半导体区域，设置在所述第I半导体区域之上；第I导电型的第3半导体区域，设置在所述第2半导体区域之上，该第3半导体区域的杂质浓度比所述第I半导体区域高；栅极绝缘膜，与所述第3半导体区域、所述第2半导体区域以及所述第I半导体区域相接，该栅极绝缘膜含有氮，存在随着远离与所述第3半导体区域、所述第2半导体区域以及所述第I半导体区域的接合部而所述氮的浓度变为低浓度的区域；以及栅极电极，隔着所述栅极绝缘膜而与所述第3半导体区域、所述第2半导体区域以及所述第I半导体区域相接。
【附图说明】
[0007]图1 (a)是表示第I实施方式的半导体装置的示意剖视图，图1 (b)是表示第I实施方式的半导体装置的栅极绝缘膜中的氮浓度的浓度分布的图。
[0008]图2(a)?图2(c)是表示第I实施方式的半导体装置的制造方法的示意剖视图。
[0009]图3是示意地表示第I实施方式的基极区域的氮终结(对应日语:終端)的图。
[0010]图4是表示界面态能与界面态密度的关系的一例的图。
[0011]图5(a)是表示基极区域、栅极绝缘膜以及栅极电极的带(band)构造的一例的示意图，图5(b)是表示栅极应力电压施加时间与栅极电极的阈值电位的变动的关系的图。
[0012]图6是表示阈值电位变动的情形的一例的图。
[0013]图7是表示第2实施方式的半导体装置的示意剖视图。
[0014]图8(a)?图8(c)是表示第2实施方式的半导体装置的制造方法的示意剖视图。
[0015]图9(a)?图9(c)是表示第3实施方式的半导体装置的制造方法的示意剖视图。
【具体实施方式】
[0016]以下，参照附图对实施方式进行说明。以下的说明中，对相同的部件附加相同的附图标记，关于说明了一次的部件适当省略其说明。
[0017](第I实施方式)
[0018]图1 (a)是表示第I实施方式的半导体装置的示意剖视图，图1 (b)是表示第I实施方式的半导体装置的栅极绝缘膜中的氮浓度分布的图。
[0019]图1 (b)的杂质浓度表示了图1 (a)的A — B间的氮浓度分布。图1 (b)的杂质浓度中作为横轴表示了任意值(a.U.!arbitrary units)。
[0020]图1 (a)所示的半导体装置I是具有碳化硅(SiC)的上下电极构造的MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。在此，作为一例表不 η沟道形的MOSFET。
[0021]半导体装置I具备在Z方向上排列的漏极电极10和源极电极11。在漏极电极10与源极电极11之间设有η型漂移区域20 (第I半导体区域)。在漏极电极10与漂移区域20之间设有η+型漏极区域21。
[0022]在漂移区域20之上设有P型基极区域30 (第2半导体区域)。在基极区域30之上设有η+型源极区域40 (第3半导体区域)。源极区域40的杂质浓度比漂移区域20的杂质浓度高。此外，在基极区域30与源极电极11之间设有ρ+型接触区域35。接触区域35位于源极区域40的旁边(对应日语:横)。接触区域35的杂质浓度比基极区域30的杂质浓度高。此外，在源极电极11与源极区域40以及接触区域35之间设有硅化物膜36。
[0023]如图1(b)所示，源极区域40、基极区域30以及漂移区域20隔着栅极绝缘膜51与栅极电极50相接。在此，栅极绝缘膜51包含氮(N)。栅极电极50的上部以及侧部被层间绝缘膜52覆盖，确保与源极电极11的绝缘。
[0024]栅极绝缘膜51中的氮浓度中，有随着从源极区域40、基极区域30以及漂移区域20与栅极绝缘膜51之间的接合部51c远离而变成低浓度的区域。此外，在栅极绝缘膜51侧的基极区域30的表面有以氮终结(对应日语:終端? Xitz )的区域30η。
[0025]实施方式中，也可以将η+型以及η型称为第I导电型，将P+型以及P型称为第2导电型。在此，按η+型、η型的顺序以及按ρ+型、ρ型的顺序意味着杂质浓度变低。
[0026]此外，上述的“杂质浓度”是指对半导体材料的导电性作出贡献的杂质元素的实际有效的浓度。例如，在半导体材料中含有作为施体的杂质元素和作为受体的杂质元素的情况下，将活性化了的杂质元素之中的去除施体和受体的抵消量后的浓度设为杂质浓度。
[0027]此外，漂移区域20、漏极区域21、基极区域30、源极区域40以及接触区域35的各个主成分包含碳化娃(SiC) ο
[0028]作为第I导电型的杂质元素，例如应用磷(P)、氮(N)等。作为第2导电型的杂质元素，例如应用铝(Al)、硼(B)等。
[0029]栅极电极50包含被导入了杂质元素的多晶硅、金属等。此外，实施方式中，所谓绝缘膜，例如是包含硅氧化物(S1x)、硅氮化物(SiNx)等的绝缘膜。
[0030]图2(a)?图2(c)是表示第I实施方式的半导体装置的制造方法的示意剖视图。
[0031]首先，如图2 (a)所示，准备层叠体60，该层叠体60具有包含碳化硅的漂移区域20以及包含碳化硅的基极区域30。基极区域30设置在漂移区域20之上。接下来，以与层叠体60中的基极区域30相接的方式例如通过CVD (Chemical Vapor Deposit1n)形成栅极绝缘膜51。栅极绝缘膜51的厚度例如是20nm?lOOnm，例如是60nm。在形成栅极绝缘膜51时，也可以将层叠体60在700°C?900°C、例如800°C下加热。
[0032]接着，如图2(b)所示，将基极区域30以及栅极绝缘膜51在含氮气体(例如，氨(NH3)、氮(N2)等)的气氛下加热。在此，所谓含氮气体被定义为不含有氧而含有氮的气体。加热温度例如为900°C?1500°C，例如为1100°C?1300°C。加热时间例如为0.5?3小时，例如为I小时。由此，含氮气体从栅极绝缘膜51的表面向基极区域30扩散，栅极绝缘膜51侧的基极区域30的表面以氮(N)终结。
[0033]此外，在栅极绝缘膜51之中残存氮(N)。例如图2(b)的右图中表示A —B间中的氮浓度分布的一例。栅极绝缘膜51中的氮浓度随着从A向B变得几乎均匀。
[0034]接着，如图2(c)所示，将基极区域30以及栅极绝缘膜51在含氮氧气体的气氛下加热。含氮氧气体例如为亚氧化氮(N2O)、一氧化氮(NO)、氮(N2)、氧(O2)等。在此，也可以从这些含氮气体中将多种气体混合而对含氮氧气体的氮氧的分压进行调整。进而，也可以通过混合Ar等的希有气体来对氮氧的分压进行调整。加热温度例如为900°C?1500°C，例如为1200°C。加热时间例如为0.5?5小时。由此，栅极绝缘膜51中的氮从栅极绝缘膜51的表面被放出。由此，栅极绝缘膜51中的氮浓度分布成为图2(c)的右图所示的状态。
[0035]也就是说，第I实施方式中，在将层叠体60以及栅极绝缘膜51在含氮氧气体的气氛下加热之后，将栅极绝缘膜51侧的基极区域30的表面高效地以氮终结。进而，对栅极绝缘膜51中的氮浓度进行控制，以存在栅极绝缘膜51中的氮浓度随着远离层叠体60与栅极绝缘膜51的接合部51c而变为低浓度的区域。
[0036]说明第I实施方式的效果。
[0037]图3是示意地表示第I实施方式的基极区域的氮终结的图。
[0038]例如，半导体装置I的基极区域30包含4H — SiC结晶，其Si面成为最表面。最表面的Si面高效地由氮(N)终结。
[0039]图4是表示界面态能与界面态密度的关系的一例的图。
[0040]图4中表示使加热温度在1100°C?1300°C的范围内变化、将氨气氛分为高浓度和低浓度的情况的界面态能(eV)与界面态密度(cm —2*eV —O的关系。在此，加热时间在全部条件下相同。
[0041]从图4可知，氨气氛变为高浓度，且加热温度越高，界面态密度越降低。例如，在对沟道移动度的影响大、传导带端附近的界面态能为0.2(eV)时，高浓度氨气氛且加热温度为1300°C的条件下，界面态密度变得最低。这意味着在栅极绝缘膜51和基极区域30 (4H —SiC结晶)存在的欠陥(例如，悬键)高效地由氮终结。也就是说，通过仅在氨气氛下的加热，能够形成沟道移动度(μ )高的SiC - M0SFET。
[0042]但是，若如图2 (b)所示的氮浓度分布那样在栅极绝缘膜51上残存氮，则在对栅极电极50持续施加负偏压的情况下，MOSFET的栅极阈值电位(Vth)有可能变动。
[0043]图5(a)是表示基极区域、栅极绝缘膜以及栅极电极的带构造的一例的示意图，图5(b)是表示栅极应力电压施加时间与栅极电极的阈值电位的变动的关系的图。
[0044]例如，如图5(a)所示，在栅极绝缘膜上残存氮的情况下，在传导带附近有可能形成有由氮引起的能级(N)。由氮引起的能级中有容易捕捉空穴、通过该空穴的捕捉而栅极绝缘膜带电荷的情况。也就是说，仅在氨气氛下的加热中，如图5(b)所示，随着栅极应力电压的施加时间的经过，栅极电极的阈值电位(Vth)容易变动。
[0045]相对于此，图5(b)中示出了仅在亚氧化氮气氛下的阈值电位变动的情形。在此，图5(b)的横轴为栅极应力电压的施加时间,纵轴为阈值电位的移位量(任意值)。仅在亚氧化氮气氛下的加热中，与氨气氛相当地在栅极绝缘膜上不残存氮。由此，难以发生阈值电位变动。但是，仅在亚氧化氮气氛下的加热中，由于亚氧化氮分子含有氧，因此与氨相比，基极区域的表面不会充分地由氮终结，有时不能得到作为目的的充分的沟道移动度。
[0046]相对于此，第I实施方式中，使用含氮气体和含氮氧气体，适当调整各个加热条件(温度、时间、气氛浓度等)。由此，能够形成基极区域30的栅极绝缘膜51侧的表面高浓度地以氮(N)终结、并且降低了