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JP-2026077307-A - 半導体装置および集積回路

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Abstract

【課題】ｐチャネルＭＯＳトランジスタのＮＢＴＩに起因するアンプのオフセットドリフトを低減することができる半導体装置を提供する。 【解決手段】炭化ケイ素を用いた基板の主表面に形成されたｎチャネルＭＯＳトランジスタと、炭化ケイ素を用いた基板の主表面に形成されたｐチャネルＭＯＳトランジスタとを有し、ｎチャネルＭＯＳトランジスタおよびｐチャネルＭＯＳトランジスタは、それぞれ、基板の主表面上に、ゲート酸化膜を介してゲート電極が形成され、かつ、基板とゲート酸化膜との界面において、元素の添加によりダングリングボンドが終端されており、ｐチャネルＭＯＳトランジスタにおけるダングリングボンドを終端した元素の濃度が、ｎチャネルＭＯＳトランジスタにおけるダングリングボンドを終端した元素の濃度よりも小さい半導体装置を構成する。 【選択図】図１

Inventors

  • 増永 昌弘
  • 野本 真司
  • 桑名 諒
  • 島 明生
  • 原 勲

Assignees

  • 株式会社日立製作所

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20241025

Claims (11)

  1. 炭化ケイ素を用いた基板の主表面に形成されたｎチャネルＭＯＳトランジスタと、 炭化ケイ素を用いた基板の主表面に形成されたｐチャネルＭＯＳトランジスタと、を有し、 前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタおよび前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタは、それぞれ、前記基板の主表面上に、ゲート酸化膜を介してゲート電極が形成され、かつ、前記基板と前記ゲート酸化膜との界面において、元素の添加によりダングリングボンドが終端されており、 前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタにおける前記ダングリングボンドを終端した前記元素の濃度が、前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタにおける前記ダングリングボンドを終端した前記元素の濃度よりも小さい 半導体装置。
  2. 前記元素が窒素であり、前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタにおける窒素の濃度が、前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタにおける窒素の濃度よりも小さい、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタは、前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタよりも、前記元素の濃度分布における濃度の最大値が小さい、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタは、前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタよりも、前記元素の濃度分布における濃度の積分値が小さい、請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタは、前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタよりも、前記ゲート酸化膜の厚さが薄い、請求項１に記載の半導体装置。
  6. 前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタが形成された基板と、前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタが形成された基板とが、同一の基板である、請求項１に記載の半導体装置。
  7. 前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタが形成された基板と、前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタが形成された基板とが、別々の基板である、請求項１に記載の半導体装置。
  8. 炭化ケイ素を用いた基板の主表面に形成された、複数個のｎチャネルＭＯＳトランジスタと、 炭化ケイ素を用いた基板の主表面に形成された、複数個のｐチャネルＭＯＳトランジスタと、を有する半導体装置を備えた集積回路であって、 複数個の前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタと、複数個の前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタとを有し、 複数個の前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタおよび複数個の前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタは、それぞれ、前記基板の主表面上に、ゲート酸化膜を介してゲート電極が形成され、かつ、前記基板と前記ゲート酸化膜との界面において、元素の添加によりダングリングボンドが終端されており、 複数個の前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタにおける前記ダングリングボンドを終端した前記元素の濃度が、複数個の前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタにおける前記ダングリングボンドを終端した前記元素の濃度よりも小さい 集積回路。
  9. 複数個の前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタが、第１の基板に形成され、複数個の前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタが、前記第１の基板とは異なる第２の基板に形成されている、請求項８に記載の集積回路。
  10. さらに差動回路を有し、前記差動回路または前記差動回路の一部が、複数個の前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタ、および／または、複数個の前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタと、同じ基板に形成されている、請求項８に記載の集積回路。
  11. 複数個の前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタと、複数個の前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタとが、同一の基板に形成されている、請求項８に記載の集積回路。

Description

本発明は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）からなる基板を有する半導体装置、および半導体装置を備えた集積回路に関する。 高温環境で使用される製品では、シリコンを用いた汎用のデバイスが適用できず、この対策として冷却装置を設けると、製品の小型軽量化や低コスト化が困難になる。 これに対して、高温で動作可能なデバイスとして、ＳｉＣ（炭化ケイ素）からなる基板を有する半導体装置がある（例えば、特許文献１を参照）。 また、特に、圧力伝送器をはじめとした原子力計装機器は、耐放射線性の向上が求められている。そして、原子力計装機器にＳｉＣアンプを用いることにより、遮蔽壁を設ける必要がなくなるため、原子力プラントの更なる安全性向上に寄与できる。 特開２０１９－１２７８０号公報 本発明の第１の実施の形態の半導体装置の概略構成図（断面図）である。図１の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。図１の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。図１の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。図１の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。図１の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。図１の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。図１の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。図１の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。本発明の第１の実施の形態におけるｎチャネルＭＯＳトランジスタおよびｐチャネルＭＯＳトランジスタの深さ方向の窒素濃度分布の一例を示す図である。本発明の第１の実施の形態におけるｎチャネルＭＯＳトランジスタおよびｐチャネルＭＯＳトランジスタの深さ方向の窒素濃度分布の他の例を示す図である。本発明の第２の実施の形態の半導体装置の概略構成図（断面図）である。本発明の第３の実施の形態の半導体装置の概略構成図（断面図）である。ｐチャネルＭＯＳトランジスタにおける本発明の効果を説明する図である。本発明の第４の実施の形態の集積回路の概略構成図（平面図）である。本発明の第５の実施の形態の集積回路の概略構成図（回路図）である。本発明の第６の実施の形態の集積回路の概略構成図（平面図）である。 以下、本発明に係る実施の形態および実施例について、文章もしくは図面を用いて説明する。ただし、本発明に示す構造、材料、その他具体的な各種の構成などは、ここで取り上げた実施の形態および実施例に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。また、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 本発明の半導体装置は、炭化ケイ素を用いた基板の主表面に形成されたｎチャネルＭＯＳトランジスタと、炭化ケイ素を用いた基板の主表面に形成されたｐチャネルＭＯＳトランジスタとを有する。そして、ｎチャネルＭＯＳトランジスタおよびｐチャネルＭＯＳトランジスタは、それぞれ、基板の主表面上に、ゲート酸化膜を介してゲート電極が形成され、かつ、基板とゲート酸化膜との界面において、元素の添加によりダングリングボンドが終端されている。 さらに、本発明の半導体装置は、ｐチャネルＭＯＳトランジスタにおけるダングリングボンドを終端した元素の濃度が、ｎチャネルＭＯＳトランジスタにおけるダングリングボンドを終端した元素の濃度よりも小さい。 本発明の集積回路は、炭化ケイ素を用いた基板の主表面に形成された、複数個のｎチャネルＭＯＳトランジスタと、炭化ケイ素を用いた基板の主表面に形成された、複数個のｐチャネルＭＯＳトランジスタと、を有する半導体装置を備えた集積回路である。 そして、本発明の集積回路は、複数個のｎチャネルＭＯＳトランジスタと、複数個のｐチャネルＭＯＳトランジスタとを有し、複数個のｎチャネルＭＯＳトランジスタおよび複数個のｐチャネルＭＯＳトランジスタは、それぞれ、基板の主表面上に、ゲート酸化膜を介してゲート電極が形成され、かつ、基板とゲート酸化膜との界面において、元素の添加によりダングリングボンドが終端されている。 さらに、本発明の半導体装置は、複数個のｐチャネルＭＯＳトランジスタにおけるダングリングボンドを終端した元素の濃度が、複数個のｎチャネルＭＯＳトランジスタにおけるダングリングボンドを終端した元素の濃度よりも小さい。 即ち、本発明の集積回路は、炭化ケイ素を用いた基板の主表面に形成された複数個のｎチャネルＭＯＳトランジスタと、炭化ケイ素を用いた基板の主表面に形成された複数個のｐチャネルＭＯＳトランジスタとを有する半導体装置を備えた集積回路に、上記の本発明の半導体装置を適用したものである。 本発明の半導体装置および本発明の集積回路によれば、ｐチャネルＭＯＳトランジスタにおけるダングリングボンドを終端した元素の濃度が、ｎチャネルＭＯＳトランジスタにおけるダングリングボンドを終端した元素の濃度よりも小さい。 これにより、ｐチャネルＭＯＳトランジスタにおいて、ダングリングボンドを終端した元素（窒素等）に起因する界面欠陥を低減でき、ＮＢＴＩを抑制できる。そして、ＮＢＴＩを抑制できることにより、ＳｉＣアンプのオフセットドリフトを低減することが可能になる。 そして、界面欠陥を低減することにより、低周波ノイズの低減にも効果があり、ＤＣ（直流）におけるアンプの出力のふらつきを低減できる。 上記の半導体装置において、ｐチャネルＭＯＳトランジスタは、ｎチャネルＭＯＳトランジスタよりも、ダングリングボンドを終端した元素の濃度分布における濃度の最大値が小さい構成とすることができる。 この構成では、ｐチャネルＭＯＳトランジスタの元素の濃度分布における濃度の最大値が小さいので、元素の濃度を小さくすることができる。 上記の半導体装置において、ｐチャネルＭＯＳトランジスタは、ｎチャネルＭＯＳトランジスタよりも、ダングリングボンドを終端した元素の濃度分布における濃度の積分値が小さい構成とすることができる。 元素の濃度分布における濃度の積分値は、元素の導入量に比例するので、元素の導入量から推定できる。従って、元素の導入量を小さくすれば、元素の濃度分布における濃度の積分値を小さくできる。 この構成では、ｐチャネルＭＯＳトランジスタの元素の濃度分布における濃度の積分値が小さいので、元素の濃度を小さくすることができる。 上記の半導体装置において、ｐチャネルＭＯＳトランジスタは、ｎチャネルＭＯＳトランジスタよりも、ゲート酸化膜の厚さが薄い構成とすることができる。 この構成では、ｐチャネルＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜が、ｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜よりも薄いので、この構成によって、ＮＢＴＩを抑制し、ＳｉＣアンプのオフセットドリフトを低減し、ＤＣ（直流）におけるアンプの出力のふらつきを低減する効果をより高めることができる。 上記の半導体装置において、ｎチャネルＭＯＳトランジスタが形成された基板と、ｐチャネルＭＯＳトランジスタが形成された基板とが、同一の基板である構成とすることができる。 この構成では、基板の枚数が１枚で済み、基板の枚数を低減することができる。 上記の半導体装置において、ｎチャネルＭＯＳトランジスタが形成された基板と、ｐチャネルＭＯＳトランジスタが形成された基板とが、別々の基板である構成とすることができる。 この構成では、ｎチャネルＭＯＳトランジスタが形成された基板と、ｐチャネルＭＯＳトランジスタが形成された基板とが、別々の基板であるので、この構成の半導体装置を製造する際に、マスクとして使用するレジスト等を形成する回数を低減して、製造工程を簡略化することができる。 上記の集積回路において、複数個のｎチャネルＭＯＳトランジスタが、第１の基板に形成され、複数個のｐチャネルＭＯＳトランジスタが、第１の基板とは異なる第２の基板に形成されている構成とすることができる。 この構成では、ｎチャネルＭＯＳトランジスタが形成された第１の基板と、ｐチャネルＭＯＳトランジスタが形成された第２の基板とが、別々の基板である。これにより、この構成の集積回路を製造する際に、マスクとして使用するレジスト等を形成する回数を低減して、製造工程を簡略化することができる。 上記の集積回路において、さらに差動回路を有し、差動回路または差動回路の一部が、複数個のｎチャネルＭＯＳトランジスタ、および／または、複数個のｐチャネルＭＯＳトランジスタと、同じ基板に形成されている構成とすることができる。 この構成では、複数個のｎチャネルＭＯＳトランジスタ、および／または、複数個のｐチャネルＭＯＳトランジスタと作動回路とが同じ基板に形成されており、作動回路と同じ基板に形成されている、複数個のｎチャネルＭＯＳトランジスタ、および／または、複数個のｐチャネルＭＯＳトランジスタの特性を揃えることができる。従って、この構成によっても、差動回路のオフセットドリフトを抑制することができる。 上記の集積回路において、複数個のｎチャネルＭＯＳトランジスタと、複数個のｐチャネルＭＯＳトランジスタとが、同一の基板に形成されている構成とすることができる。 この構成では、複数個のｎチャネルＭＯＳトランジスタと、複数個のｐチャネルＭＯＳトランジスタとが、同一の基板に形成されているので、基板間を接続するための構成が不要になり、電極パッドや金属ワイヤ等の部品の個数を低減できるので、集積回路のレイアウトの設計の自由度を高めることができる。 本発明の半導体装置や本発明の集積回路は、半導体装置を用いた各種の製品に適用することができる。 特に、圧力伝送器をはじめとした原子力計装機器に適用した場合は、炭化ケイ素を用いた基板により半導体装置および集積回路が構成されているので、耐放射線性に優れており、安全性を向上することができる。 そして、本発明の半導体装置や本発明の集積回路を適用していることにより、ＮＢＴＩを抑制できるので、ＳｉＣアンプのオフセットドリフトを低減することが可能になり、また、低周波ノイズを低減して、ＤＣ（直流）におけるアンプの出力のふらつきを低減できる。 原子力計装機器は、原子力プラント内の各種の機器、例えば、廃炉ロボットや放射線利用機器に適用することができる。 上記の半導体装置および集積回路において、ｎチャネルＭＯＳトランジスタおよびｐチャネルＭＯＳトランジスタの基板とゲート酸化膜との界面において、ダングリングボンドを終端する元素としては、窒素（Ｎ）、水素（Ｈ）、リン（Ｐ）等を使用することができる。 窒素によってダングリングボンドを終端する場合には、投入ガスとして、ＮＯ，Ｎ２Ｏ，ＮＨ３等を使用することができる。 水素によってダングリングボンドを終端する場合には、投入ガスとして、Ｈ２（水素ガス）を使用することができる。 リンによってダングリングボンドを終端する場合には、投入ガスとして、ＰＯＣｌ（塩化ホスホリル）等を使用することができる。 特に、窒素によってダングリングボンドを終端した場合には、比較的安価に入手できる窒素化合物ガスを用いて、製造コストを低減できる。 上記の半導体装置および集積回路では、ｐチャネルＭＯＳトランジスタにおいて、ダングリングボンドを終端した元素の濃度が、ｎチャネルＭＯＳトランジスタにおけるダングリングボンドを終端した元素の濃度よりも小さくしている。 このような構成は、ｐチャネルＭＯＳトランジスタにダングリングボンドを終端する元素（窒素、水素、リン等）を注入する際に、ｎチャネルＭＯＳトランジスタに注入する際よりも、温度を低くする、および／または、注入する時間を短くすることにより、製造することができる。 温度を低くする、および／または、注入する時間を短くする、具体的な量は、少なくとも当該元素の濃度の差に有意な差を生じるような量である。そして、ｐチャネルＭＯＳトランジスタの当該元素の濃度に所望の濃度がある場合には、その濃度に対応する量に設定する。