[发明专利]碳化硅半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括具有高可靠性的金属-绝缘体-半导体(MIS)结构的碳化硅半导体器件，并且还涉及其制造方法。

背景技术

对于功率器件，在导通电阻与反向阻断电压之间，存在折衷关系，该折衷关系理论上由禁带带隙规定。因此，在当前的硅功率器件中，难以获得超出由硅的禁带确定的理论极限的高性能。然而，利用宽禁带带隙的半导体材料来制造功率器件可以显著减缓传统的折衷关系，从而实现在导通电阻和反向阻断电压至少之一上显著改善的器件。

在使温度升高从而通过热激发来大量生成电子-正空穴对的情况下，半导体不能将p型区域与n型区域区分开，也不能控制载流子浓度，这使得该器件难以工作。在禁带带隙为1.12eV的硅半导体的情况下，从约500K(＝227℃)开始增强电子-正空穴对的生成，因此，在连续工作的条件下，半导体器件的实际上限温度是180℃。使用宽禁带材料来制造半导体器件(不限于功率器件)将显著增大工作温度区域(例如，大于或者等于300℃)，从而显著扩展半导体器件的应用。

本发明中的碳化硅(下面表示为“SiC”)半导体是能够改善性能的宽禁带半导体材料中的一种。近来，随着单晶衬底的发展，可以购买到表现出相对优良的质量并且直径大于或者等于3英寸的晶圆(3C、6H、4H)。SiC具有这样的禁带带隙：具体地，3C晶系为2.23eV，6H晶系为2.93eV，4H晶系为3.26eV，每一个都比硅的禁带带隙宽得多。与其他宽禁带半导体相比，SiC在化学上非常稳定，并且在机械上是刚性的。利用SiC半导体，可以以与用于制造硅半导体的方法相似的方法，来形成pn结，控制杂质浓度以及选择性形成杂质区域。

此外，与其他宽禁带半导体相比，SiC尤其突出。具体地，与硅相似，SiC是能够通过热氧化来生成二氧化硅(oxidesilicon，SiO₂)的独特的半导体，这是一个优点。利用该优点，希望可以利用SiC来实现常断(normally-off)型MOS驱动器件，例如，功率MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)或者功率IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)，这使得各公司都积极开发SiC。

然而，实现MOS驱动SiC器件可能会产生各种问题。在这些问题中，显著改善栅极氧化膜的可靠性是最大的问题。首先，SiC热氧化膜具有以下特征：(1)SiO₂/SiC界面的传导电子的能量势垒理论上小于硅热氧化膜的能量势垒；以及(2)在SiO₂中包括作为残留物的大量C(碳)。因此，预期与硅热氧化膜相比，SiC热氧化膜理论上会导致更大的漏电流，并且发现SiC热氧化膜难以实现与利用硅热氧化膜所实现的一样高的可靠性(根本原因)。然而，实际SiC热氧化膜的可靠性低于以上预期，这导致进一步恶化。

将解释其原因。关于硅器件，以下情况是已知的：通过对表面具有晶体不完整性(位错等)的衬底进行热氧化而形成的硅热氧化膜会导致低电场下的绝缘击穿，或者显著缩短时间相关电介质击穿(TDDB)寿命。SiC热氧化膜会导致相似的效果。在“Tanimoto et al.，Extended Abstracts(The 51 st Spring Meeting，Tokyo University of Technology，2004)；The Japan Society ofApplied Physics and Related Societies，p.434，Lecture No.29p-ZM-5(下面称为“非专利文献1”)”中，本发明人(SatoshiTanimoto是本发明人)报告了以下内容：具有应用区域的功率MOSFET的栅极氧化膜的TDDB寿命依赖于可归于所使用的SiC衬底的表面上的大量位错的缺陷。结果，与(没有相同缺陷的)硅热氧化膜相比，SiC热氧化膜的TDDB寿命缩短了大于或者等于两位数。

使用分层(栅极)绝缘膜可以解决SiC热氧化膜的以上可靠性问题，但是关于此并没有很多的报告。在以上分层绝缘膜中，ONO栅极绝缘膜是最有希望并且最可行的。在“ONO”中，“O”表示SiO₂膜(二氧化硅膜)，而“N”表示Si₃N₄膜(氮化硅膜。或者简称为“SiN膜”)。

在“IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.46，(1999).p.525”(下面称为“非专利文献2”)中，L.A.Lipkin等人对具有如下结构的栅电极的金属-绝缘体-半导体(MIS)结构的可靠性进行了研究：