碳化硅半导体装置及其制造方法制造方法及图纸

碳化硅半导体装置(200)能够通过由栅极电压的施加来实现的沟道区域的控制而对导通状态及截止状态进行切换。碳化硅半导体装置(200)具有碳化硅层(20)、栅极绝缘膜(50)和栅极电极(60)。碳化硅层(20)具有沟道区域(CH)。栅极绝缘膜(50)将沟道区域(CH)覆盖。栅极电极(60)隔着栅极绝缘膜(50)而与沟道区域(CH)相对。导通状态下的沟道区域(CH)的电阻在大于或等于100℃而小于或等于150℃的温度具有最小值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】碳化硅半导体装置及其制造方法
本专利技术涉及碳化硅半导体装置及其制造方法，特别地，涉及能够通过由栅极电压的施加来实现的沟道区域的控制而对导通状态及截止状态进行切换的碳化硅半导体装置及其制造方法。
技术介绍
为了将逆变器进一步小型化，对高功率密度化或者冷却系统的简化等进行了研究。因此，预想到将来会要求使逆变器在大于或等于100℃而小于或等于150℃的高温环境下常态且持续地动作。关于使用碳化硅(SiC)层作为半导体层的半导体装置即碳化硅半导体装置，作为适于高温动作、能够满足上述要求的半导体装置而受到期待。逆变器通常具有MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)或者IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)等开关元件。伴随开关元件的动作，其温度从室温起上升。根据庭山雅彦以及另外3人的“《SiCパワーデバイスの損失减小実証》、パナソニック技報(PanasonicTechnicalJournal)、Apr.2011、Vol.57、No.1、pp.9-14”(非特許文献1)，SiC－MOSFET的导通电阻的温度依赖性在小于或等于室温时为负值，在大于或等于室温时为正值。另外，根据上述技术刊物，温度依赖性是由于与温度上升相伴的MOS的沟道电阻的减少和漂移电阻的增加而发生的。就SiC－MOSFET而言，现状是导通电阻中的沟道电阻的部分尤其成为问题。在使用SiC而不使用Si的情况下沟道电阻尤为变高的原因被认为是，由于MOSFET构造中的氧化膜和SiC层之间的界面处的界面态密度高，因此沟道迁移率与块体中的电子迁移率相比变得极小。因此，像例如在日本特开2009－224797号公报(专利文献1)中提及的那样，对降低界面态予以重视。专利文献1：日本特开2009－224797号公报非专利文献1：“パナソニック技報(PanasonicTechnicalJournal)，Apr.2011，Vol.57，No.1，pp.9-14”
技术实现思路
如上述技术刊物中记载所述，导通电阻在高温环境下尤为变高。即使为了对此进行改善，而如上述公报记载那样，一边重视降低界面态密度这一情况、一边调整SiC－MOSFET的制造条件，但根据本专利技术人的研究，依然难以将高温环境下的导通电阻大幅地减小。本专利技术就是为了解决以上所述的课题而提出的，其目的在于提供一种特别是在高温环境下能够减小导通电阻的碳化硅半导体装置及其制造方法。本专利技术的碳化硅半导体装置能够通过由栅极电压的施加来实现的沟道区域的控制而对导通状态及截止状态进行切换，该碳化硅半导体装置具有碳化硅层、栅极绝缘膜和栅极电极。碳化硅层具有沟道区域。栅极绝缘膜将碳化硅层的沟道区域覆盖。栅极电极隔着栅极绝缘膜而与碳化硅层的沟道区域相对。导通状态下的沟道区域的电阻在大于或等于100℃而小于或等于150℃的温度具有最小值。本专利技术的碳化硅半导体装置的制造方法，用于制造能够通过由栅极电压的施加来实现的沟道区域的控制而对导通状态及截止状态进行切换的碳化硅半导体装置。本制造方法包含下述工序：形成具有沟道区域的碳化硅层；形成将碳化硅层的沟道区域覆盖的栅极绝缘膜；以及形成隔着栅极绝缘膜而与碳化硅层的沟道区域相对的栅极电极。形成栅极绝缘膜的工序包含下述工序：形成将沟道区域覆盖的氧化膜；在形成氧化膜的工序后，在氮化气氛中进行使沟道区域的界面态密度降低的第1热处理；以及在进行第1热处理的工序后，在氧化气氛中进行使沟道区域的界面态密度增加的第2热处理。专利技术的效果根据本专利技术的碳化硅半导体装置，在作为动作温度而被认为有用性高的大于或等于100℃而小于或等于150℃的高温环境下，沟道电阻具有最小值。由此，特别是在高温环境下能够减小沟道电阻占据大比例的碳化硅半导体装置的导通电阻。根据本专利技术的碳化硅半导体装置的制造方法，通过由第1热处理实现的界面态密度的减小而使沟道电阻减小，然后通过第2热处理而将沟道电阻调整为在高温环境下具有最小值。由此，特别是在高温环境下能够减小沟道电阻占据大比例的碳化硅半导体装置的导通电阻。附图说明图1是概略地表示本专利技术的实施方式1中的碳化硅半导体装置的结构的剖视图。图2是图1的碳化硅半导体装置的制造方法的概略流程图。图3是概略地表示图1的碳化硅半导体装置的制造方法的第1工序的剖视图。图4是概略地表示图1的碳化硅半导体装置的制造方法的第2工序的剖视图。图5是概略地表示图1的碳化硅半导体装置的制造方法的第3工序的剖视图。图6是概略地表示图1的碳化硅半导体装置的制造方法的第4工序的剖视图。图7是概略地表示图1的碳化硅半导体装置的制造方法的第5工序的剖视图。图8是概略地表示图1的碳化硅半导体装置的制造方法的第6工序的剖视图。图9是概略地表示图1的碳化硅半导体装置的制造方法的第7工序的剖视图。图10是表示实施方式1的实施例及对比例的MOS电容器的界面态密度的能量依赖性的曲线图。图11是表示实施方式1的实施例中的碳化硅半导体装置的导通电阻的温度依赖性的曲线图。图12是对实施方式1的实施例及对比例的碳化硅半导体装置的导通电阻变得最小的温度与对应的MOS电容器的界面态密度之间的关系进行例示的曲线图。图13是表示图2中的形成栅极绝缘膜的工序的变形例的流程图。具体实施方式下面，基于附图对本专利技术的实施方式进行说明。此外，在下面的附图中对相同或者相当的部分标注相同的参照标号，不重复其说明。(实施方式1)＜构造＞参照图1，本实施方式的MOSFET200(碳化硅半导体装置)是能够通过由栅极电压的施加来实现的沟道区域CH的控制而对导通状态及截止状态进行切换的开关元件。MOSFET200是纵向型半导体装置，即，是在衬底的厚度方向具有电流路径的装置。另外，MOSFET200是平面型半导体装置，即，是具有与衬底的表面平行的栅极电极的装置。MOSFET200具有：单晶衬底10、SiC层20(碳化硅层)、栅极绝缘膜50、栅极电极60、源极电极70、漏极电极80和层间绝缘膜90。单晶衬底10呈n型。单晶衬底10由具有多型4H的SiC制作。单晶衬底10具有(0001)面作为主面(在图中为上表面)。SiC层20是在单晶衬底10的主面之上设置的外延层。由此，由单晶衬底10和SiC层20构成SiC的外延衬底。SiC层20的厚度例如为5～50μm。SiC层20具有：漂移层22、基极区域23和源极区域24。漂移层22设置在单晶衬底10之上。漂移层22呈n型。漂移层22的杂质浓度比单晶衬底10的杂质浓度高，例如为1×1015cm-3～1×1017cm-3。基极区域23设置在漂移层22之上。基极区域23的厚度比漂移层22的厚度小，例如为0.5～3μm。基极区域23由于被添加有受主，因此呈p型。受主例如是Al(铝)原子。基极区域23的杂质浓度例如为1×1017cm-3～1×1019cm-3。源极区域24设置在基极区域23之上，厚度比基极区域23的厚度小。由此，通过基极区域23而将源极区域24与漂移层22分隔开。源极区域24由于被添加有施主，因此呈n型。施主例如为N(氮)原子。源极区域24的杂质浓度例如为1×1018cm-3～1×1021cm-3。基极区域23在SiC层20的表面之上具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化硅半导体装置(200)，其能够通过由栅极电压的施加来实现的沟道区域(CH)的控制而对导通状态及截止状态进行切换，该碳化硅半导体装置具有：碳化硅层(20)，其具有所述沟道区域(CH)；栅极绝缘膜(50)，其将所述碳化硅层(20)的所述沟道区域(CH)覆盖；以及栅极电极(60)，其隔着所述栅极绝缘膜(50)而与所述碳化硅层(20)的所述沟道区域(CH)相对，所述导通状态下的所述沟道区域(CH)的电阻在大于或等于100℃而小于或等于150℃的温度具有最小值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种碳化硅半导体装置(200)，其能够通过由栅极电压的施加来实现的沟道区域(CH)的控制而对导通状态及截止状态进行切换，该碳化硅半导体装置具有：碳化硅层(20)，其具有所述沟道区域(CH)；栅极绝缘膜(50)，其将所述碳化硅层(20)的所述沟道区域(CH)覆盖；以及栅极电极(60)，其隔着所述栅极绝缘膜(50)而与所述碳化硅层(20)的所述沟道区域(CH)相对，所述导通状态下的所述沟道区域(CH)的电阻在大于或等于100℃而小于或等于150℃的温度具有最小值。2.根据权利要求1所述的碳化硅半导体装置(200)，其中，所述碳化硅层(20)的所述沟道区域(CH)在从导带端算起的0.4eV的能量处，具有大于或等于1.7×1012eV-1cm-2而小于或等于2.6×1012eV-1cm-2的界面态密度。3.根据权利要求1或2所述的碳化硅半导体装置(200)，其中，对所述沟道区域(CH)除了导电型杂质以外，还添加有添加元素。4.根据权利要求3所述的碳化硅半导体装置(200)，其中，所述添加元素为非导电型杂质。5.根据权利要求4所述的碳化硅半导体装置(200)，其中，所述非导电型杂质为Se原子及Ge原子的至少任一者。6.根据权利要求3所述的碳化硅半导体装置(200)，其中，所述添加元素是作为SiC晶体的晶格间原子而添加的Si原子及C原子的至少任一者。7.根据权利要求3至6中任一项所述的碳化硅半导体装置(200)，其中，对所述沟道区域(CH)以大于或等于1×1017cm-3而小于或等于1×1018cm-3的浓度添加有所述添加元素。8.一种碳化硅半导体装置(200)的制造方法，该碳化硅半导体装置能够通过由栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷冈寿一，樽井阳一郎，古桥壮之，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP