JP2003243654A - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
炭化珪素半導体装置およびその製造方法Info
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Abstract
の急速高温加熱処理に起因するゲート絶縁膜ならびにM
OS界面特性の劣化を、オーミック接触の接触抵抗の増
大を招くことなく解決する。 【解決手段】ゲート電極8以外の電極で、単結晶炭化珪
素基板1とコンタクトされ、ゲート絶縁膜7が単結晶炭
化珪素基板(エピタキシャル層2)とフィールド絶縁膜
3(図17ではゲート電極204を熱酸化して形成した
絶縁膜205、206およびゲート絶縁膜203の周辺
部分)とゲート電極8とによって全周囲を囲まれた後
に、ゲート絶縁膜7を形成した熱酸化温度よりも低い温
度であって、かつ、単結晶炭化珪素と金属とのコンタク
ト・アニールに十分な温度(例えば900℃以上)で加
熱処理を施された金属電極(裏面電極10)を備えた炭
化珪素半導体装置。
Description
C)基板を使用した半導体装置およびその製造方法に関
するものである。
は、pn接合の形成が可能で、珪素(Si)や砒化ガリ
ウム(GaAs)等の他の半導体に比べて禁制帯幅が広
く、3C−SiCで2.23eV、6H−SiCで2.9
3eV、4H−SiCで3.26eVの値が報告されて
いる。よく知られているように、パワーデバイスのオン
抵抗と逆方向耐電圧、およびオン抵抗とスイッチング周
波数との間には、原理的に禁制帯幅で規定されるトレー
ドオフ関係があるから、現行Siパワーデバイスで、S
iの禁制帯で決まる限界を超えて高性能を得ることは困
難である。しかし、禁制帯幅の広いSiCでパワーデバ
イスを構成すれば、従来のトレードオフ関係が大きく緩
和されるので、オン抵抗、逆方向耐電圧、スイッチング
速度を著しく、あるいは、同時に向上させたデバイスが
達成できる。さらにSiCは熱的、化学的、機械的に安
定で、しかも、放射線耐性にも優れているので、高周波
デバイスやパワーデバイスはもちろんのこと、高温、腐
食、放射線照射等の過酷な条件でも動作する耐環境性半
導体装置としても実現が期待されている。SiCデバイ
スの中でも特に、MOSキャパシタや大電流を制御する
SiCパワーMOSFET(金属−酸化物−半導体構造
電界効果トランジスタ)やIGBT(Insulated Gate B
ipolar Transister:絶縁ゲートバイポーラトランジス
タ)においては、熱損失増大や動作速度低下の原因とな
るソース/ドレイン(n型極性)の接触抵抗を無視でき
るレベルまで低減するとともに高信頼・高性能のゲート
絶縁膜ならびにMOS界面特性を実現することが実用化
に向けた重要な課題である。SiC単結晶に低接触抵抗
を得る公知技術は、接触金属膜を蒸着などでSiC上に
形成した後、真空または不活性ガス雰囲気で950℃以
上の高温で数分間の急速高温加熱処理(いわゆるコンタ
クト・アニール)を行い、SiCと接触金属との間に反
応層を形成して、接触電極とする方法である。6H−S
iC基板では、n型領域にNi膜を、p型領域にAl−
Ti合金膜を用いて、それぞれ10− 7Ωcm2台(J. Cr
ofton et al., Journal of Applied Physics, 77, p. 1
317 (1995))、10−6Ωcm2台(J. Crofton et al., S
olid-State Electronics, 41,p. 1725 (1997))の極めて
低い実用レベルの接触抵抗が得られている。また、最近
になって4H−SiC基板でも薄いNiとTi/Al積
層膜を用いて、それぞれn型、p型領域に10−7Ωcm
2台の低い接触抵抗が得られている。
速高温加熱処理(コンタクト・アニール)を実際のデバ
イスに単純に適用すると、ゲート絶縁膜の信頼性やMO
S界面特性に致命的な影響を与えることが分ってきた。
例えば1999年発表の論文〔T. Takami et al.,Exten
ded Abstracts of Symposium on Future Electron Devi
ces 2000 (Tokyo),FED-169, p.127, (1999).〕では、n
型エピタキシャル成長層を有するn型4H−SiC基板
に形成した約48nm厚の熱酸化膜に、真空中で100
0℃、1分間の急速高温加熱処理(with RTA)を施
した後、Al電極を形成してMOSキャパシタを作成し
た。そして、電流−電圧(I−V)特性(図14)と高
周波容量−バイアス電圧(C−V)特性(図15)を評
価したところ、急速高温加熱処理(without RTA)を
加えない試料に比べて、本来40V程度あるべきゲー
ト絶縁膜の耐圧(=絶縁破壊電圧)が1/8の5V以下
に急落する(図14上グラフ)、ゲート絶縁膜のリー
ク電流が著しく増大する(同グラフ)、フラットバン
ド電圧が通常の0V付近から15V以上正方向にシフト
する(図15)、と具体的なデータを示し問題の深刻さ
を指摘している。このほかにも同様な指摘が多数報告さ
れている。同じ構造を有するパワーMOSFETやIG
BTでもこの問題は同様に重大であることは言うまでも
ない。このような問題の解決策として容易に思いつくの
は、加熱処理(コンタクト・アニール)温度を下げる、
たとえば850℃あるいはこれ以下に下げる方法であ
る。しかし、この方法ではソース/ドレインなどの接触
抵抗を急増させるという、パワーデバイスでは特に嫌う
別の弊害を招来させるので、根本的な対策とは到底言え
るものではない。
解決するためになされたものであり、単結晶炭化珪素に
対するコンタクト形成時の急速高温加熱処理に起因する
ゲート絶縁膜ならびにMOS界面特性の劣化を、オーミ
ック接触の接触抵抗の増大を招くことなく解決すること
を目的とする。
め、本発明においては特許請求の範囲に記載するように
構成している。すなわち、請求項1は、本発明の基本的
な構成を示したものであり、ゲート絶縁膜を、前記ゲー
ト絶縁膜と反応しない電極部材と、前記ゲート絶縁膜と
反応しない絶縁膜と、単結晶炭化珪素基板とで被った後
に、加熱処理を行って形成した炭化珪素半導体装置であ
る。
膜と反応しない絶縁膜としてフィールド絶縁膜を用いた
ものであり、ゲート絶縁膜を、前記ゲート絶縁膜と反応
しない電極部材と、前記ゲート絶縁膜と反応しないフィ
ールド絶縁膜と、単結晶炭化珪素基板とで被った後に、
加熱処理を行って形成した炭化珪素半導体装置である。
「ゲート電極−ゲート絶縁膜−単結晶炭化珪素」構造の
構成を示すものであり、ゲート電極以外の電極で、単結
晶炭化珪素基板とコンタクトされ、ゲート絶縁膜が単結
晶炭化珪素基板とフィールド絶縁膜とゲート電極とによ
って全周囲を囲まれた後に、ゲート絶縁膜を形成した熱
酸化温度よりも低い温度であって、かつ、単結晶炭化珪
素と金属とのコンタクト・アニールに十分な温度で、加
熱処理を施された金属電極を備えたことを特徴とするも
のである。なお、「単結晶炭化珪素基板」とは、その表
面に形成されたエピタキシャル層等も含む表現である。
Sキャパシタに適用した構成を示すものである。また、
請求項5は、請求項3の構成をMOSFETに適用した
構成を示すものである。また、請求項6は、請求項3の
構成をIGBTに適用した構成を示すものである。ま
た、請求項7においては、ゲート電極を、多結晶シリコ
ンまたは多結晶シリコンをシリサイド化させたシリサイ
ドを用いて形成している。
縁膜は、単結晶炭化珪素基板の熱酸化膜として形成した
下部絶縁膜と、熱酸化以外の方法で形成した、下部絶縁
膜よりも厚い上部絶縁膜との積層で構成している。
加熱処理が行われた後に形成するように構成している。
また、請求項10に記載のように、加熱処理は、数分以
内に900℃以上に加熱する急速高温加熱処理である。
また、請求項11に記載のように、加熱処理は、金属電
極を単結晶炭化珪素へ接続するためのコンタクト・アニ
ール処理である。
の製造方法を示し、前記請求項3に記載の炭化珪素半導
体装置を製造する方法に相当する。この製造方法におい
ては、フィールド絶縁膜、ゲート絶縁膜およびゲート電
極を形成する工程の後に、ゲート絶縁膜を形成した熱酸
化温度よりも低い温度であって、かつ、単結晶炭化珪素
と金属とのコンタクト・アニールに十分な温度で、加熱
処理を行う工程を有することを特徴としている。
膜が形成される以前の段階において、単結晶炭化珪素基
板表層の汚染層および結晶欠陥層を除去する工程を有す
るように構成している。また、請求項14においては、
ゲート絶縁膜を形成する工程の直前に、フッ酸処理を含
まない酸処理洗浄と、これに連続して緩衝フッ酸溶液ま
たは希フッ酸に5〜10秒間浸漬する酸処理を行う前処
理工程を備えるように構成している。また、請求項15
に記載のように、加熱処理は、数分以内に900℃以上
に加熱する急速高温加熱処理であり、かつ、前記ゲート
絶縁膜を形成した熱酸化温度を越えない温度で行うよう
に構成している。
理は、金属電極を前記単結晶炭化珪素基板へ接続するた
めのコンタクト・アニール処理である。また、請求項1
7においては、加熱処理は、フィールド絶縁膜、ゲート
絶縁膜およびゲート電極の形成後であって、かつ、ゲー
ト電極およびその他の電極を外部へ接続するための金属
配線を形成する前に、行われるように構成している。ま
た、請求項18は、本発明の製造方法の具体的な例を示
し、請求項4に記載する炭化珪素半導体装置の製造方法
に相当する。
ゲート絶縁膜と反応しない絶縁膜として、ゲート電極の
一部を熱酸化して形成した絶縁膜および単結晶炭化珪素
基板を熱酸化して形成した絶縁膜(ゲート絶縁膜の外縁
部分)を用いたものであり、ゲート絶縁膜を、ゲート絶
縁膜と反応しないゲート電極と、前記ゲート電極の一部
を熱酸化して形成した絶縁膜と、単結晶炭化珪素基板
と、単結晶炭化珪素基板を熱酸化して形成した絶縁膜と
で被った後に、加熱処理を行ったことを特徴とする炭化
珪素半導体装置である。
体的な構成を示すものであり、ゲート絶縁膜が、単結晶
炭化珪素基板と単結晶炭化珪素基板上に形成した絶縁膜
とゲート電極とゲート電極側面絶縁膜とによって全周囲
を囲まれた後に、ゲート絶縁膜を形成した熱酸化温度よ
りも低い温度であって、かつ、単結晶炭化珪素と金属と
のコンタクト・アニールに十分な温度で加熱処理を行う
構成を示している。
MOSキャパシタに適用した構成を示すものである。ま
た、請求項22は、請求項20の構成をMOSFETに
適用した構成を示すものである。また、請求項23は、
請求項20の構成をIGBTに適用した構成を示すもの
である。また、請求項24は、請求項20〜請求項23
の構造の製造方法を示すものであり、ゲート電極部材を
熱酸化することによって、その側面にゲート電極側面絶
縁膜を形成する工程を有している。
項23の構造の他の製造方法を示すものであり、ゲート
電極部材を熱酸化する前に、ゲート電極上面に一過性の
窒化シリコン膜を形成する工程を備えている。
構成を示すものであり、ゲート絶縁膜が、単結晶炭化珪
素基板とフィールド絶縁膜と熱処理された絶縁膜とゲー
ト電極とゲート電極側面絶縁膜とによって全周囲を囲ま
れた後に、絶縁膜の熱処理温度よりも低い温度であっ
て、かつ、単結晶炭化珪素と金属とのコンタクト・アニ
ールに十分な温度で加熱処理を行う構成を示している。
MOSキャパシタに適用した構成を示すものである。ま
た、請求項28は、請求項26の構成をMOSFETに
適用した構成を示すものである。また、請求項29は、
請求項26の構成をIGBTに適用した構成を示すもの
である。また、請求項30は、請求項26〜請求項29
の構造の製造方法を示すものである。
項29の構造の他の製造方法を示すものであり、ゲート
電極部材を熱酸化する前に、ゲート電極上面に一過性の
窒化シリコン膜を形成する工程を備えている。
れば、ゲート電極以外の電極で、単結晶炭化珪素基板と
コンタクトされる金属電極(ソース電極、エミッタ電極
或いは裏面に設けるドレイン電極やコレクタ電極)とし
て、ゲート絶縁膜が単結晶炭化珪素基板と、ゲート絶縁
膜と反応しない絶縁膜(請求項2、3ではフィールド絶
縁膜)と、ゲート電極とによって全周囲を囲まれた後
に、ゲート絶縁膜を形成した熱酸化温度よりも低い温度
であって、かつ、単結晶炭化珪素と金属とのコンタクト
・アニールに十分な温度で加熱処理を施された金属電極
を用いる構成としたことにより、高温の加熱処理時に
は、ゲート絶縁膜が熱的に安定な(反応しない)ゲート
電極(多結晶シリコン)、SiO2、SiCに上下左右
から完全に取り囲まれるため、急速加熱処理装置の内壁
やSiC基板自身のコンタクトから飛来してゲート絶縁
膜に付着した金属物質が高温処理でゲート絶縁膜に侵入
するという弊害と、急速加熱処理が800℃以上の高真
空中で行われる場合にSiO2ゲート絶縁膜が不均一に
分解して変質するという弊害と、を極めて効果的に防止
することができる。また、ゲート絶縁膜を熱酸化で形成
する際の温度をコンタクト・アニールの温度よりも高く
していることにより、急速加熱処理でゲート絶縁膜に生
じる収縮に伴う熱ストレスを穏やかな熱処理条件で事前
に開放することができる。そのため、後記図4、図5で
詳述するように、急速高温加熱処理による熱ストレス起
因で生じるゲート絶縁膜の劣化、すなわち、絶縁破壊
電圧が急落する、リーク電流が増大する、フラット
バンド電圧が正方向に増大する、という従来技術の問題
を解決することができる、という効果が得られる。ま
た、単結晶炭化珪素と金属とのコンタクト・アニールに
十分な温度で加熱処理を施しているので、単結晶炭化珪
素と金属電極との接触は、例えば接触抵抗が10−6Ω
cm2台を示す極めて低抵抗のオーミック接触が得られ
ている。なお、本発明は、ゲート絶縁膜形成後に行われ
るコンタクト・アニール以外の熱処理についても同様に
効果がある。
したMOSキャパシタを実現することが出来る。また、
請求項5においては、本発明を適用したMOSFETを
実現することが出来る。また、請求項6においては、本
発明を適用したIGBTを実現することが出来る。ま
た、請求項7においては、本発明に好適なゲート電極を
実現することが出来る。
なフィールド絶縁膜を実現することが出来る。すなわ
ち、過度に基板表面を酸化すると、具体的には数10n
m以上連続酸化すると、基板表面が荒れて、荒れた表面
に形成したゲート絶縁膜が劣化し、甚だしい場合は、犠
牲酸化しない場合より絶縁破壊電圧やリーク電流特性が
悪化することさえある。しかし、請求項8に記載のよう
に、フィールド絶縁膜を熱酸化で形成した薄い下部酸化
膜とその他の方法で形成した厚い上部酸化膜とで構成す
ることにより、フィールド絶縁膜のゲート開口部には荒
れのない極めて平坦でかつ汚染や欠陥の少ない結晶表面
が形成されるので、ゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧が低
下する、リーク電流が増大する、という問題を解決す
ることができるという効果が得られる。
加熱処理が行われた後に形成することにより、加熱処理
時の熱や熱衝撃によって、金属配線が層間絶縁膜から
剥離する、金属配線が層間絶縁膜やその下のゲート絶
縁膜を劣化(つまり、還元、金属元素の拡散、応力の発
生)させる、配線が溶融して溢れ出しチップ内の回路
を短絡させる、等の問題を回避することが出来る、とい
う効果が得られる。
造方法においては、請求項1〜請求項11に記載の装置
と同様の効果が得られるが、特に、請求項13において
は、次のような効果が得られる。すなわち、ゲート絶縁
膜が形成される以前の段階において、単結晶炭化珪素基
板表層の汚染層および結晶欠陥層を除去する工程を設け
たことにより、すくなくとも一部が熱酸化で形成される
ゲート絶縁膜に潜在欠陥が取りこまれる確率が低減する
ので、この潜在欠陥が急速加熱処理で顕在化する機構で
誘発されるゲート絶縁膜の劣化、すなわち、ゲート絶
縁膜の絶縁破壊電圧が低下する、リーク電流が増大す
る、というコンタクト・アニールを含む実デバイス製造
工程で起こる問題を著しく低減できるという効果が得ら
れる。
6においては、請求項2、3の効果に加えて、ゲート絶
縁膜のうちゲート電極外縁近傍部分の劣化しやすい部分
の上に存在するゲート電極部分を熱酸化で絶縁物とし、
実質的にこの部分がゲート電極として動作しないように
している。そのためゲート絶縁膜周辺部分の劣化領域に
は正味、電界が発生しないので、ここを起点にゲート絶
縁膜がリークしたり破壊したりするおそれがなくなり、
ゲート電極のドライエッチングで誘起したゲート絶縁膜
劣化が原因となって起きるゲート絶縁膜の、絶縁破壊
電圧が低下する、リーク電流が増大する、という問題
を解決することができる。
は、ゲート電極の上面は耐酸化性の高い一過性の窒化シ
リコン膜で被覆されているので、熱酸化は気相に露出し
ているゲート電極の側面だけで起き、ゲート電極の上面
が熱酸化されることはない。したがってゲート電極の上
面が熱酸化されることを考慮することなく、ゲート電極
側面絶縁膜の厚みを任意に設定できるという利点があ
る。
明の第1の実施の形態を、最も簡単なMOS素子である
MOSキャパシタに適用した場合を例に挙げて説明す
る。MOSキャパシタはSiC集積回路において、可変
容量素子などとして使用される。図1は、本発明を金属
−酸化物−単結晶炭化珪素(MOSiC)構造体に適用
したMOSキャパシタの要部断面図である。図1におい
て、1は高不純物濃度(窒素>1×10−19/c
m3)のn−型の単結晶炭化珪素基板(以下、SiC基
板と略記する)であり、表面に厚み10μmで、窒素を
4×10−15/cm 3添加したn−エピタキシャル層
2をホモエピタキシャル成長させている。このSiC基
板1としては、4H、6H、3C、15Rなど全ての晶
系(Hは六方晶、Cは立方晶、Rは菱面体晶を意味す
る)の基板を用いることができる。ここでn−、n+は
n型不純物をそれぞれ低濃度に、高濃度に添加したとい
う意味に用いている。p型不純物添加の場合は同様にp
−、p+の記号を用いる。
nm以上のフィールド絶縁膜3が配設されている。この
フィールド絶縁膜3は少なくともSiC基板1(正確に
はエピタキシャル層2)の熱酸化で形成した薄い下部絶
縁膜4の上に、SiCの熱酸化以外の手段(たとえば減
圧CVD法など)で形成した厚い上部絶縁膜5が積層さ
れた構造になっている。6はフィールド絶縁膜3に開け
られたゲート開口部、7はゲート開口部6の底面に形成
されたゲート絶縁膜である。このゲート絶縁膜7は成膜
中あるいは成膜後に酸素原子を含むガス中に直接さらし
て、熱処理された膜であることを要する。ゲート絶縁膜
7の上には、ゲート開口部6を完全に被覆し、かつ、一
部がフィールド絶縁膜3上に延伸するように配置された
多結晶シリコンのゲート電極8が設けられている。ゲー
ト電極8およびフィールド絶縁膜3の上には層間絶縁膜
9が成膜されている。なお、ゲート電極8としては、多
結晶シリコン以外にも多結晶シリコンを金属(Ni、T
i、Co等)とシリサイド化させたシリサイド電極を用
いることも出来る。
面の周辺を残してほぼ全域に配置されSiC基板1とオ
ーミック接続している。この裏面電極10は、Niなど
の接触金属をSiC基板1の裏に蒸着した後、ゲート絶
縁膜5の形成温度よりも低い温度の急速加熱処理でSi
C基板1と合金化させることによって形成する。なお、
SiC基板1側面に接触金属が付着するおそれがない場
合には、接触金属を基板の裏面全面に配設するようにし
てもよい。11は層間絶縁膜9に開口したゲート電極結
線開口部、12はゲート電極8を同一基板上の他の回路
要素や外部回路に接続するための配線である。ゲート電
極結線開口部11はゲート開口部6上のゲート電極8に
重なるように設けてもよい。配線12は層間絶縁膜9を
除去して形成したゲート電極結線開口部11でゲート電
極8と接続されている。
造方法を説明する。図2および図3は、図1に示したM
OSキャパシタの製造方法を示す断面図である。まず、
図2(a)では、ドナー原子である窒素を1×1019
/cm3以上添加した(0001)8°OFF高濃度n
型4H−SiC基板1の表面(ここではSi終端面)に
シランとプロパンを原料に用いたCVD法(化学的気相
成長法)で、1015/cm3台の高品質ホモ・エピタ
キシャル層2を所定の膜厚(例えばここでは10μm)
だけ成長させ、成長後、SiC基板1の裏面(ここでは
C終端面)に付着した低品質のホモエピタキシャル膜を
機械研削で取り除く。研磨にあたっては、ゲート絶縁膜
劣化の一要因となる傷がエピタキシャル層2につかない
ように、表面を厚い(少なくとも1μm以上の)CVD
−SiO2膜などで保護することが重要である。裏面研
削後、この表面保護膜を緩衝フッ酸溶液など、その材質
に適した除去液で取り除く。なお、以下の説明におい
て、特に断らない場合は、SiC基板1にエピタキシャ
ル層2やその他の膜や電極が形成されたものを基板と呼
んでいる。
4OH混合液SC−1とH2O2+HCl混合液SC−
2を組み合わせ行う伝統的な半導体基板の洗浄法)など
で十分洗浄した後、ドライ酸素雰囲気で熱酸化してエピ
タキシャル層2表面並びに基板裏面に熱酸化膜を成長さ
せ、緩衝フッ酸溶液に浸漬して直ちに取り除く。この
時、エピタキシャル層2表面に薄い酸化膜が成長するよ
うに酸化条件を設定する。上記熱酸化膜の厚みは50n
m未満、好ましくは5〜20nmが望ましい。5nmよ
り薄い場合は基板表面の汚染層や損傷層を除去する効果
が乏しく、50nmより厚い場合は過度な酸化により基
板表面が次第に荒れるという問題があり、膜厚は厚すぎ
ても、薄すぎても好ましくない。
以前の段階において、単結晶炭化珪素基板表層の汚染層
および結晶欠陥層を除去することにより、後に熱酸化で
形成されるゲート絶縁膜に潜在欠陥が取りこまれる確率
が低減するので、この潜在欠陥が急速加熱処理で顕在化
する機構で誘発されるゲート絶縁膜の劣化、すなわち、
ゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧が低下する、リーク電
流が増大する、というコンタクト・アニールを含む実デ
バイス製造工程で起こる問題を著しく低減することが出
来る。
終了した基板を再び、RCA洗浄などで十分洗浄した
後、エピタキシャル層2表面に薄い下部絶縁膜4と厚い
上部絶縁膜5からなるフィールド絶縁膜3を成膜する。
下部絶縁膜4は、エピタキシャル層2表面を酸素雰囲気
でドライ酸化して形成した約10nmの熱酸化膜、上部
絶縁膜5は熱酸化以外の方法で形成した所望の厚みの絶
縁膜、例えば酸素とシランを用いた常圧CVDで形成し
た400nm厚のSiO2膜などを使用することができ
る。下部絶縁膜4の熱酸化はドライ酸化に限定されるも
のではなく、ウエット酸化や他の酸化ガスを用いた熱酸
化でもよい。下部絶縁膜4の厚みは、前述の犠牲酸化と
同様な理由で、50nm未満、好ましくは5〜20nm
が望ましい。なお、エピタキシャル層2表面に熱酸化膜
の下部絶縁膜4を成長させてから、上部絶縁膜5を成膜
してもよいし、逆に、上部絶縁膜5を成膜してから熱酸
化して、エピタキシャル層2と上部絶縁膜5の間に下部
絶縁膜4(熱酸化膜)を形成してもよい。ただし、後者
の工順を取ることができるのは、上部絶縁膜5が酸素透
過性の膜である場合に限られる。
4を形成するときSiC基板1の裏面に自動的に形成さ
れる第1の一過性の熱酸化膜であるが、無意味なもので
はなく、工程(a)で生じた基板裏面の相当深い研削損
傷層を効果的に取り除く作用を有している。文献によれ
ば6H−SiC基板のC終端面(裏面)にはSi終端面
の約10倍の速度で酸化が進むと報告されている。な
お、過度に基板表面を酸化すると、具体的には数10n
m以上連続酸化すると、基板表面が荒れて、荒れた表面
に形成したゲート絶縁膜が劣化し、甚だしい場合は、犠
牲酸化しない場合より絶縁破壊電圧やリーク電流特性が
悪化することさえある。しかし、上記のようにフィール
ド絶縁膜3を熱酸化で形成した薄い下部酸化膜4とその
他の方法で形成した厚い上部酸化膜5とで構成すること
により、フィールド絶縁膜3のゲート開口部には荒れの
ない極めて平坦でかつ汚染や欠陥の少ない結晶表面が形
成されるので、ゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧が低下す
る、リーク電流が増大する、という問題を解決するこ
とができる。
トレジストを塗布し、露光し、現像し、基板を緩衝フッ
酸溶液(NH4F+HF混合液)に浸漬してウエットエ
ッチングすることで、フィールド絶縁膜3の所定の位置
にゲート開口部6を形成する。微細な開口部6を形成す
るときは、CF4ガスプラズマなどを用いた反応性イオ
ンエッチング等のドライ・エッチングを用いることがで
きるが、この場合、最初にドライ・エッチングを行い、
フィールド絶縁膜3を数100nm残したところで、必
ず、上記緩衝フッ酸溶液を用いたウエット・エッチング
に切り換えるようにする。ゲート開口部6を最後までド
ライエッチングで貫通させると、SiC表面がプラズマ
損傷で荒れたり、ドライ・エッチング反応で生成したハ
イドロ・カーボンが底部に付着したりして、つぎの工程
で形成するゲート絶縁膜の特性劣化の要因となるからで
ある。上記のようにゲート領域の開口エッチングが済ん
だら、フォトレジストを剥離する。前記工程(b)で基
板裏面の損傷層を取り込んだ第1の一過性の熱酸化膜1
01はここで消失する。
れた基板を再び、途中にフッ酸処理を含まないRCA洗
浄などで十分洗浄するとともに、洗浄の最終段階におい
て、このRCA洗浄でゲート開口部表面に生成した化学
的酸化膜を除去するために緩衝フッ酸溶液に5秒〜10
秒間浸し、超純水で緩衝フッ酸溶液を完全にすすぎ落と
した後、乾燥する。化学的酸化膜は極めて低品質である
ばかりでなく、不均一な膜でもあるので、次の熱酸化膜
の均一成長に悪影響を与えるため、化学的酸化膜の除去
は省くことができない。
ゲート開口部6のエピタキシャル層2表面に所望の厚み
(例えばここでは40nm厚)のゲート絶縁膜7を成長
させる。ゲート酸化の条件としては、これに限定される
わけではないが、例えば、温度1100℃でのドライ酸
化がよい。ここでコンタクト・アニール等の急速熱処理
に十分耐えられるゲート絶縁膜7を実現するための重要
な注意点は、熱酸化温度は後続の全ての工程のどの熱処
理温度よりも高く設定するということである。本実施の
形態では、後に、裏面電極の低抵抗のオーミック接触を
実現するために、1000℃の急速加熱処理を実施する
ので、1100℃という酸化温度が選ばれた。素子によ
っては表面荒れが著しくなる50nm以上のゲート絶縁
膜にしたい場合がある。この場合はSiCの熱酸化膜の
上に他の成膜手段で形成した絶縁膜(例えば、CVD−
SiO2膜)を積層し、所望の厚みにする。
化でゲート絶縁膜を形成するときに基板裏面に自動的に
生成される比較的厚い第2の一過性の熱酸化膜である
が、前述の第1の一過性の熱酸化膜101と同様に研削
損傷層を取り除く効果のほかに、後記工程(e)で説明
する裏面の多結晶シリコン除去のドライエッチングダメ
ージから基板裏面を保護する重要な機能がある。この酸
化膜保護がないと、基板裏面の結晶性が乱れて、後記の
工程(f)で形成する裏面電極10のオーミック特性が
低下するという問題が起こる。
シラン原料を用いた減圧CVD法(成長温度600℃〜
700℃)で、厚み300〜400nmの多結晶シリコ
ン膜を成膜した後、塩素酸リン(POCl3)と酸素を
用いた周知の熱拡散法(処理温度900℃〜950℃)
で多結晶シリコン膜にPを添加し、導電性を付与する。
つづいて、基板表面にフォトレジストを塗布して、フォ
トリソグラフィおよび、C2F6と酸素をエッチャント
とした反応性イオンエッチング(RIE)を用いて、基
板表面側の多結晶シリコン膜の不要な部分を取り除き、
多結晶シリコンのゲート電極8を形成する。
トを完全に除去した後、再び基板表面全面に厚み1μm
以上のレジスト材(フォトレジストでよい)を塗布して
表面を保護しながら、CF4とO2をエッチャントとし
たドライエッチングを行い、裏面側に堆積した多結晶シ
リコンを完全に除去する。ドライエッチングでは基板は
加速イオンが飛び交う環境に置かれるので、イオン衝撃
によるダメージや帯電が起きやすく、これによるゲート
絶縁膜7の劣化を防止するために、レジスト材による表
面保護は欠かしてはならない重要な注意点である。
びRCA洗浄し、清浄化したところで、基板表面の多結
晶シリコンのゲート電極8およびフィールド絶縁膜3の
上部に層間絶縁膜9を堆積する。この層間絶縁膜9とし
ては、シランと酸素を原料とした常圧CVD法で形成し
た約1μm厚のSiO2膜、あるいは更にリンを添加し
たリン珪酸ガラス(PSG)などが層間絶縁膜材として
適しているが、これに限定されるものではなく、後続の
各種熱処理工程に耐えられるものなら、SiNなど他の
材料でも構わない。その後、基板を通常の拡散炉に入
れ、N2雰囲気で数10分間の穏やかな熱処理を行い、
層間絶縁膜9を高密度化する。この時の熱処理温度はゲ
ート酸化温度1100℃よりも低い温度、例えば、90
0℃〜1000℃の範囲で適宜選ばれる。
電極8やフィールド絶縁膜3を保護するために、基板表
面にフォトレジストを塗布して、十分にポストベークを
行い、レジストの揮発性成分を完全に蒸発させてから、
基板を緩衝フッ酸溶液に浸漬し、裏面に残っている第2
の一過性熱酸化膜102を完全に除去し、超純水で緩衝
フッ酸溶液を洗い流す。このようにして露出したSiC
基板1裏面のC終端面はダメージや汚染の少ないクリー
ンな面である。
や、直ちに高真空に維持された蒸着装置の中に短時間で
据え付け、基板裏面に所望の裏面電極材料を蒸着する。
裏面電極材料としては、例えば、50nm厚のNi膜が
ある。なお、基板側面に電極材料が付着するおそれがあ
る場合には、周辺部をシャドーマスクを使用して外縁部
を隠蔽して蒸着を行う。図3(f)はシャドーマスクを
使用して裏面電極を蒸着した例である。
レジストの専用ストリッパ液で完全に剥離し、基板を十
分濯いでから乾燥させ、直ちに急速加熱処理装置に設置
して、100%高純度Ar雰囲気で1000℃、2分間
の裏面コンタクト・アニールを実施する。この熱処理に
よって、Ni膜は低抵抗のSiC基板1と合金化し、少
なくとも接触抵抗10−6Ωcm2台を示す極めて低抵
抗のオーミック接触の裏面電極10が出来る。なお、裏
面コンタクト・アニールの温度は、ゲート絶縁膜7を形
成した熱酸化温度よりも低い温度であって、かつ、単結
晶炭化珪素と金属(例えばNi)とのコンタクト・アニ
ールに十分な温度(少なくとも900℃)に設定する。
上記の急速加熱処理に際しては、基板全体、つまり多結
晶シリコンのゲート電極8でゲート絶縁膜7を全面被覆
した構造を有する「ゲート電極−ゲート絶縁膜−Si
C」のMOS構造体全体も同時に加熱される。
成した後、基板表面にフォトレジストを塗布し、露光装
置で露光・現像して、層間絶縁膜9開口部をエッチング
で設けるためのレジストマスクを形成する。つづいて、
基板裏面にフォトレジストを塗布して、このレジストを
十分乾燥させてから、緩衝フッ酸溶液を用いてエッチン
グして層間絶縁膜9にゲート電極結線開口部11を開け
る。裏面のレジストは裏面電極10が緩衝フッ酸溶液に
溶出して、消失したり変質したり、あるいは、裏面から
溶出したり剥落した電極材料が表面に付着するのを防止
する役割を担っている。
終了したら、レジストマスクと裏面電極保護に使用した
レジストを当該レジストの専用ストリッパ液で完全に剥
離し、基板を十分濯いでから乾燥させ、直ちに、高真空
に維持されたマグネトロンスパッタリング装置の中に短
時間で据え付け、基板の層間絶縁膜9の上部全面に所望
の配線材料、例えば1μm厚のAlを蒸着する。
トレジストを塗布し、露光し、現像して、エッチングの
レジストマスクを形成した後、再度、基板裏面に裏面電
極保護用のフォトレジストを塗布して、このレジストを
十分乾燥させてから、リン酸系のエッチング液を用いて
表面のAl膜をパターン化し、配線12を形成する。な
お、裏面のレジストは裏面電極10がリン酸系のエッチ
ング液に溶出して、消失したり変質したりするのを防止
する目的で形成されるが、裏面電極10にこのおそれが
ない場合やAl膜をRIE(ドライ)でエッチングする
ときには、省略することができる。
を、コンタクト・アニールの加熱処理が行われた後に形
成することにより、加熱処理時の熱や熱衝撃によって、
金属配線が層間絶縁膜から剥離する、金属配線12
が層間絶縁膜9やその下のゲート絶縁膜7を劣化(つま
り、還元、金属元素の拡散、応力の発生)させる、金
属配線12が溶融して溢れ出しチップ内の回路を短絡さ
せる、等の問題を回避することが出来る。
用したレジストを専用ストリッパ液で完全に除去し、基
板を十分濯いでから乾燥させることにより、図1に示し
た本発明に係る「ゲート電極−ゲート絶縁膜−半導体S
iC(MOS)構造」を有するMOSキャパシタが完成
する。
ゲート電極以外の電極で、単結晶炭化珪素基板とコンタ
クトされる金属電極(裏面電極10)として、ゲート絶
縁膜7が単結晶炭化珪素基板(エピタキシャル層2)と
フィールド絶縁膜3とゲート電極8とによって全周囲を
囲まれた後に、ゲート絶縁膜7を形成した熱酸化温度よ
りも低い温度であって、かつ、単結晶炭化珪素と金属
(Ni)とのコンタクト・アニールに十分な温度(90
0℃以上)で加熱処理を施された金属電極を用いる構成
としたことにより、加熱処理時には、ゲート絶縁膜が熱
的に安定な(反応しない、拡散しない)ゲート電極(多
結晶シリコン)、SiO2、SiCに上下左右から完全
に取り囲まれるため、急速加熱処理装置の内壁やSiC
基板自身のコンタクトから飛来してゲート絶縁膜7に付
着した金属物質が高温処理でゲート絶縁膜7に侵入する
という弊害と、急速加熱処理が800℃以上の高真空中
で行われる場合にSiO2ゲート絶縁膜が不均一に分解
して変質するという弊害と、を極めて効果的に防止する
ことができる。また、ゲート絶縁膜を熱酸化で形成する
際の温度をコンタクト・アニールの温度よりも高くして
いることにより、急速加熱処理でゲート絶縁膜に生じる
収縮に伴う熱ストレスを、穏やかな熱処理条件で事前に
開放することができる。そのため、下記図4、図5で詳
述するように、急速高温加熱処理による熱ストレス起因
で生じるゲート絶縁膜の劣化を解決することができる、
という効果が得られる。また、単結晶炭化珪素と金属と
のコンタクト・アニールに十分な温度で加熱処理を施し
ているので、単結晶炭化珪素と金属電極との接触は、接
触抵抗が10− 6Ωcm2台を示す極めて低抵抗のオー
ミック接触が得られている。
ャパシタのうち、任意の11個について計測した電流−
電圧特性図である。なお、試料としたMOSキャパシタ
は、ゲート電極の面積(開口部)が3.14×10−4
cm2、ゲート絶縁膜の厚みは45nmであった。
キャパシタは全個がほぼ同じ電流―電圧特性を示してい
る。この電流−電圧特性はFowler-Northeim伝導として
知られている薄い酸化膜本来の真因性の特性であり、劣
化を示唆するリーク性の伝導は観察されない。また、絶
縁破壊電圧はどれも45V(電界強度では10MV/c
m)以上と優れた値を与えている。
かなように、本発明に基づくMOSキャパシタのゲート
絶縁膜のリーク電流ならびに絶縁破壊電圧は、前記図1
4に示した従来技術の急速加熱処理を施したそれら(wi
th RTA)より、格段に改善されている。
キャパシタの高周波C−V特性図である。前記図15に
示した従来技術では、急速加熱処理の結果、フラットバ
ンド電圧が正方向に大きくシフトし、少なくとも15V
以上になることが指摘されているが、同様の急速加熱処
理を施した本MOSキャパシタにおいては2V弱の値で
あり、これもまた大きく減少していることがわかる。こ
のフラットバンド電圧の低下(改善)は、酸化膜界面の
有効電荷密度Qeff[/cm2]に換算して、Qeff
の一桁の減少に相当する大きな改善である。
来技術においてコンタクト・アニールなどの急速高温加
熱処理(例えば1分間で1000℃)を施すと、本来
40Vくらいあるべきゲート絶縁膜の耐圧(=絶縁破壊
電圧)が1/8の5V以下に急落する(図14上グラ
フ)、ゲート絶縁膜のリーク電流が著しく増大する
(同グラフ)、フラットバンド電圧が通常の0V付近
から15V以上正方向にシフトする(図15)、という
問題があったが、本発明による「ゲート電極−ゲート絶
縁膜−半導体SiC(MOS)構造体」およびその製造
方法では、上記の問題が全て解決されている。
000℃で2分間のコンタクト・アニールを加えてい
る。この熱処理条件および接触の形成方法は、n+Si
Cに低抵抗オーミック接触を実現する最適な製造方法で
ある。したがって、本実施の形態においては、SiC基
板裏面に極めて低抵抗のオーミック接触が得られる。言
いかえると、本発明は前記〜の問題を接触抵抗の増
大を招くことなく、解決しているといえる。
実施の形態はコンタクト・アニールのみならず、実デバ
イズにおいてゲート絶縁膜がよく経験する上述したその
他のすべての熱工程、例えば、多結晶シリコン膜の成
膜、同膜へのリン不純物添加ドライブイン、層間絶縁膜
の堆積、同膜の高密度化熱処理に対しても、問題〜
を解決している、ということである。
フ)見ると、従来技術では、急速加熱処理をしていない
ゲート絶縁膜であっても、最大でも40V程度であり、
また、低電圧で破壊するものや高いリーク電流を示す不
良が相当数含まれていることがわかる。これに比べて、
本実施の形態のゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧はすべてが
40V以上と高く、最もよいものは54Vをも越えるも
のが得られている。また、リーク電流はどれも小さく、
真因性の電流である。このように、本発明による炭化珪
素半導体装置(ゲート電極−ゲート絶縁膜−半導体Si
C構造体)およびその製造方法は、従来技術のゲート絶
縁膜に比べて良好な特性を示し、ゲート絶縁膜形成後の
熱処理やドライエッチングを含むデバイス製造工程を経
ても、その良好な特性を最後まで維持できる、という優
れた効果を有している。
の形態は、例えば特開平10−308510号公報に開
示されているようなnチャネルタイプのプレーナ型パワ
ーMOSFETに、良好なゲート絶縁膜特性ならびにM
OS界面特性を実現するために、本発明を適用した例で
ある。図6はパワーMOSFETの要部断面図である。
図6において、21は高不純物濃度(窒素>1×10
−19/cm3)のn+型SiC基板であり、表面(図
中上面側主面)に厚み10μmで、窒素を4×10
−15/cm3添加した第1のn−エピタキシャル層2
2をホモエピタキシャル成長させている。このSiC基
板21としては、4H、6H、3C、15Rなど全ての
晶系(Hは六方晶、Cは立方晶、Rは菱面体晶を意味す
る)の基板を用いることができる。
における所定領域には、所定深さを有するp型不純物を
わずかに添加したp−ベース領域23aおよび23bが
離間して形成されている。また、p−ベース領域23
a、23bの表層部所定領域には、p−ベース領域より
も浅いn+ソース領域24a、24bが形成されてい
る。さらに、n+型ソース領域24aと24bに接し、
第1のn−エピタキシャル層22とp−ベース領域23
a、23bの表層には第2のn−エピタキシャル層素片
25が延設されている。この第2のn−エピタキシャル
層素片25は、デバイスの動作時にデバイス表面におい
てチャネル形成層として機能する。このn−エピタキシ
ャル層素片25の不純物濃度は、1×1015/cm3
〜1×101 7/cm3の間の低濃度であり、かつ、p
−ベース領域23a、23bの不純物濃度以下であるも
のとする。また、p−ベース領域23a、23b、n+
ソース領域24a、24bの上部には凹部36a、36
bが形成されている。
びこの外縁部を除くp−ベース領域23a、23b、n
+ソース領域24a、24bの上部には厚み数100n
m以上のフィールド絶縁膜26が配設されている。この
フィールド絶縁膜26はSiC基板21の表面を熱酸化
して形成した薄い下部絶縁膜27の上にSiCの熱酸化
以外の手段(たとえば減圧CVD法など)で形成した厚
い上部絶縁膜28を積層した構造になっている。また、
29はフィールド絶縁膜26に開けられたゲート開口
部、30はゲート開口部底面に形成されたゲート絶縁膜
である。このゲート絶縁膜30は成膜中あるいは成膜後
に酸素原子を含む酸化ガス中に直接さらして、熱処理さ
れた膜であることを要する。ゲート絶縁膜30の上に
は、ゲート開口部29を完全に被覆し、かつ、一部がフ
ィールド絶縁膜26上に延伸するように配置された多結
晶シリコンのゲート電極31が設けられている。このゲ
ート電極31およびフィールド絶縁膜26の上には層間
絶縁膜32が成膜されている。
および層間絶縁膜32に開けられ、ソース/ベース領域
に貫通するソース開口部である。ソース開口部33a、
33bはの底部にはソース電極34a、34bがある。
このソース電極34a、34bはNiなどの接触金属を
配設した後、急速高温過熱処理(例えば2分間で100
0℃)でSiC(ソース層およびベース層)と合金化さ
せることによって形成する。また、35は配線であり、
ソース開口部33a、33bを介してソース電極34
a、34bを同一基板上の他の回路要素や外部回路に接
続する。
晶シリコンのゲート電極31の延伸部分上部の層間絶縁
膜32には、ゲート電極開口部が開けられていて、ゲー
ト電極開口部底部のゲート電極上にも多結晶シリコンと
合金化したNiからなる接点電極が置かれている。この
接点電極とゲート電極開口部を介してゲート電極31と
同一基板上の他の回路要素や外部回路に接続するための
第2の配線(図示せず)が層間絶縁膜32に載置されて
いる。
板周縁を残してほぼ全域に配置したドレイン電極であ
る。このドレイン電極37は、Niなどの接触金属を基
板裏に蒸着した後、急速過熱処理でSiC21と合金化
させることによって形成する。なお、接触金属がSiC
基板21側面に付着するおそれがない場合には、接触金
属を基板の裏面全面に配設するようにしてもよい。
MOSFETの製造方法を説明する。図7〜図10は上
記製造方法の工程を示す断面図である。まず、図7
(a)では、n+SiC基板21に第1のn−エピタキ
シャル層22、p−ベース領域23aおよび23b、n
+ソース領域24a、24b、第2のn−エピタキシャ
ル層素片25、基板凹部36a、36bを形成する。な
お、第1、第2のn−エピタキシャル層の成長に伴って
形成されるSiC基板21裏面の低品質のエピタキシャ
ル層は前記第1の実施の形態で説明した手順で取り除か
れているものとする。なお、以下の説明において、特に
断らない場合は、SiC基板21にエピタキシャル層2
2やその他の膜や電極が形成されたものを基板と呼んで
いる。
十分洗浄した基板をドライ酸素雰囲気で熱酸化して基板
表面並びに裏面に熱酸化膜を成長し、緩衝フッ酸溶液を
用いて直ちに取り除く。この時、すでに述べた理由によ
り、熱酸化膜の厚みは50nm未満、好ましくは5〜2
0nmが望ましい。犠牲酸化が終了した基板を再び、R
CA洗浄などで十分洗浄した後、基板表面に薄い下部絶
縁膜27と厚い上部絶縁膜28からなるフィールド絶縁
膜26を成膜する。下部絶縁膜27は、基板表面を酸素
雰囲気でドライ酸化して形成した約10nmの熱酸化膜
であり、上部絶縁膜28は熱酸化以外の方法で形成した
所望の厚みの絶縁膜、たとえば、酸素とシランを用いた
常圧CVDで形成した400nm厚のSiO2膜などを
使用することができる。下部絶縁膜27の厚みは、50
nm未満、好ましくは5〜20nmが望ましい。下部絶
縁膜27の熱酸化はドライ酸化に限定されるものではな
く、ウエット酸化や他の酸化ガスを用いた熱酸化でもよ
い。また、基板表面に下部絶縁膜27を成長させてか
ら、上部絶縁膜28を成膜してもよいし、逆に、上部絶
縁膜28を成膜してから熱酸化して、基板と上部絶縁膜
28との間に下部絶縁膜(熱酸化膜)27を形成しても
よい。なお、図中101は下部絶縁膜27を形成する際
に基板裏面に自動的に形成される第1の一過性熱酸化膜
である。この一過性熱酸化膜101は、工程(a)で生
じた基板裏面の相当深い研削損傷層を効果的に取り除く
効果がある。
レジストを塗布し、露光し、現像し、基板を緩衝フッ酸
溶液に浸漬してウエットエッチングすることで、フィー
ルド絶縁膜26の所定の位置にゲート開口部29を形成
する。第1の一過性熱酸化膜101はここで消失する。
また、微細なゲート開口部29を形成するときは、CF
4ガスプラズマなどを用いた反応性イオンエッチング等
のドライエッチングを用いることもできるが、この場合
には、最初にドライ・エッチングを行い、フィールド絶
縁膜を数100nm残したところで、必ず、上記緩衝フ
ッ酸溶液を用いたウエット・エッチングに切り換えるよ
うにする。エッチングが終了したらフォトレジストを剥
離する。
れた基板を再びRCA洗浄などで十分洗浄するととも
に、洗浄の最終段階において、RCA洗浄で開口部表面
に生成した化学的酸化膜を除去するために緩衝フッ酸溶
液に5秒〜10秒間浸し、超純水で緩衝フッ酸溶液を完
全にすすぎ落とした後、乾燥する。乾燥した基板は直ち
に熱酸化して、ゲート開口部29の基板表面に所望の厚
み(たとえばここでは40nm厚)のゲート絶縁膜30
を成長させる。ゲート酸化の条件としては、これに限定
されるわけではないが、たとえば、温度1100℃での
ドライ酸化がよい。ここでコンタクト・アニールのよう
な急速高温加熱処理に耐えられるゲート絶縁膜30を実
現するための重要なポイントは、熱酸化温度は後続の全
ての工程のどの熱処理温度よりも高く設定するというこ
とである。本実施の形態では、後に、裏面のドレイン電
極37のオーミック接触を実現するために、1000℃
の急速加熱処理を実施するので、1100℃という酸化
温度が選ばれた。なお、素子によっては表面荒れが著し
くなる50nm以上のゲート絶縁膜30にしたい場合が
ある。この場合はSiCの熱酸化膜の上に他の成膜手段
で形成した絶縁膜(たとえば、CVD−SiO2膜)を
積層し、所望の厚みにする。また、102は熱酸化でゲ
ート絶縁膜を形成するときに基板裏面に自動的に生成さ
れる比較的厚い第2の一過性熱酸化膜である。
を形成し終ったら直ちに基板の表面および裏面全面にシ
ラン原料を用いた減圧CVD法(成長温度600℃〜7
00℃)で厚み300〜400nmの多結晶シリコン膜
103を成膜し、その後、塩素酸リン(POCl3)と
酸素を用いた周知の熱拡散法(処理温度900℃〜95
0℃)で多結晶シリコン膜にP(リン)を添加し、導電
性を付与する。つづいて、基板表面にフォトレジストを
塗布して、フォトリソグラフィと、C 2F6と酸素をエ
ッチャントとした反応性イオンエッチング(RIE)を
用いて、基板表面側の多結晶シリコン膜の不要な部分を
取り除き、ゲート電極31を形成する。
に使用したレジストを完全に除去した後、基板をRCA
洗浄し、清浄化したところで、基板表面のゲート電極3
1およびフィールド絶縁膜26の上部に層間絶縁膜32
を堆積する。この層間絶縁膜32としては、シランと酸
素を原料とした常圧CVD法で形成した約1μm厚のS
iO2膜あるいは更にリンを添加したリン珪酸ガラス
(PSG)などが適しているが、これに限定されるもの
ではい。この後、基板を通常の拡散炉に入れ、N 2雰囲
気で数10分間の穏やかな熱処理を行い、層間絶縁膜3
2を高密度化する。この時の熱処理温度は900℃〜1
000℃の範囲で適宜選ばれる。
トレジストを塗布し、露光し、現像し、基板を緩衝フッ
酸溶液(NH4F+HF混合液)に浸漬してウエットエ
ッチングすることで、層間絶縁膜32およびフィールド
絶縁膜26の所定の位置にソース開口部33a、33b
とゲート電極開口部(図示せず)を形成する。ゲート電
極開口部の上部には層間絶縁膜32のみしかないので、
フィールド絶縁膜26も存在するソース開口部に比べて
早目に貫通するが、下には緩衝フッ酸溶液に侵されない
多結晶シリコンのゲート電極31があるので、エッチン
グは多結晶シリコンに到達した時点で自動的に停止す
る。微細な開口部を形成するときは、CF 4ガスプラズ
マなどを用いた反応性イオンエッチング等のドライ・エ
ッチングを用いることができるが、この場合、最初にド
ライ・エッチングを行い、ソース開口部33a、33b
上のフィールド絶縁膜を数100nm残したところで、
必ず、上記緩衝フッ酸溶液を用いたウエット・エッチン
グに切り換えるようにする。
で乾燥させ、直ちに、エッチングマスクとしてのフォト
レジストが付いたままの基板を高真空に維持された蒸着
機に設置して、基板表面に接触金属104、たとえば、
50nm厚のNiを全面蒸着する。開口エッチングと接
触金属の蒸着との間の放置時間はソース電極の接触抵抗
の大小を左右する極めて重要な因子である。この時間が
長いと、開口部のSiC表面に自然酸化膜が生成された
り、ハイドロ・カーボンが再付着したりして、これが原
因となって後述の合金層の均一形成が妨げられ、接触抵
抗を大幅に増加させたり、ばらつかせたりする。したが
って開口部エッチング後は可能な限り早く接触金属10
4を被着させる必要がある。蒸着が終了したら、基板を
専用のフォトレジストストリッパに浸漬し、基板表面に
残されているフォトレジストを完全に除去する。それに
より、フォトレジストの上に被着した接触金属104も
同時に除かれ、ソース開口部33a、33b上およびゲ
ート電極開口部の底面にのみ接触金属104を残した基
板構造ができあがる。
で、乾燥させた後、表面全面に厚み1μm以上の保護用
レジスト材(フォトレジストでよい)を塗布して、一旦
緩衝フッ酸溶液に浸漬し、裏面側の多結晶シリコン膜1
03の上に形成されたSiO2膜を除く。つづいて、裏
面側多結晶シリコン膜103を、CF4とO2を用いた
ドライエッチングで、完全に除去する。ドライエッチン
グ中に起きるおそれのあるプラズマダメージや帯電から
接触金属104とゲート絶縁膜の劣化を防止するため
に、レジストによる表面保護工程は必ず必要である。
リコン膜103の内側に形成されていた第2の一過性熱
酸化膜102を落して、基板裏面に清浄な結晶面を露出
させる。そして緩衝フッ酸溶液を超純水で完全に濯ぎ落
して、乾燥させたところで、速やかに基板を高真空に維
持された蒸着装置の中に据え付け、裏面に所望の裏面接
触金属105を蒸着する。この裏面接触金属105(裏
面電極)の材料としては、たとえば、50nm厚のNi
膜がある。なお、基板側面に電極材料が付着するおそれ
がある場合には、周辺部をシャドーマスクを使用して外
縁部を隠蔽して蒸着を行う。図9(h)はシャドーマス
クを使用して裏面電極を蒸着した例を示している。
たレジストを当該レジストの専用ストリッパ液で完全に
剥離し、基板を十分濯いでから乾燥させ、直ちに急速加
熱処理装置に設置して、高純度Ar雰囲気で1000
℃、2分間の急速高温加熱処理(コンタクト・アニー
ル)を実施する。この熱処理によって、ソース開口部3
3a、33b、ゲート電極開口部(図示せず)ならびに
裏面の接触金属104、105(Ni膜)は、それぞれ
n+ソース領域のSiC、n+多結晶シリコン、n +S
iC裏面と同時に合金化し、極めて低抵抗を示すソース
電極34a、34b、ゲート電極接触(図示せず)、ド
レイン電極37を形成する。このとき、ゲート絶縁膜3
0を多結晶シリコンのゲート電極31で全面被覆したゲ
ート電極−ゲート絶縁膜−半導体SiC(MOS)の構
造体全体も同時に加熱される。
ニールが済んだ基板を高真空に維持されたマグネトロン
スパッタリング装置に速やかに据え付け、基板の層間絶
縁膜32およびソース開口部33a、33bの上部全面
に所望の配線材料、たとえばAlを1μm厚に蒸着す
る。この後、Al膜を成膜させた基板表面にフォトレジ
ストと塗布し、露光し、現像して、エッチングのレジス
トマスクを形成した後、基板裏面に裏面電極保護用のフ
ォトレジストを塗布して、このレジストを十分乾燥させ
てから、リン酸系のエッチング液を用いてAl膜をパタ
ーン化し、配線35を形成する。裏面のレジストはドレ
イン電極37がリン酸系のエッチング液に溶出して、消
失したり変質したりするのを防止する目的で形成される
が、このおそれがない場合やAl膜をRIE(ドライ)
でエッチングするときには、省略することができる。最
後にレジストマスクとドレイン電極保護に使用した保護
レジストを専用ストリッパ液で完全に除去し、基板を十
分濯いでから乾燥させる。こうして、前記図6に示した
本発明のプレーナ型パワーMOSFETが完成する。
MOSFETのゲート絶縁膜のI−V特性および高周波
C−V特性を評価したところ、それぞれ、前記図4、図
5と同等の特性が得られた。なお、この測定の際には、
測定に便利なように、p−ベース23aとp−ベース2
3bの離間距離を200μmと特別に大きくした試料を
用いている。
ETに本発明を適用した場合においても、第1実施の形
態で説明したMOSキャパシタと同等の効果が得られ
る。この結果は、両デバイスのゲート開口部周辺の構造
とプロセスを対比すると、予期される結果であることが
理解できる。すなわち、図6のn+ソース領域24a、
24b、p−ベース領域23a、23bはn型不純物、
p型不純物を添加した領域であるが、図6と図7で説明
したとおり、その母体はn−エピタキシャル層(25あ
るいは37)である。すなわち、本発明による図6のプ
レーナ型パワーMOSFETのゲート開口部(外縁部を
含む)の断面構造は、前記第1実施形態にかかるMOS
キャパシタのゲート開口部(外縁部を含む)の断面構造
と異なるところがない。
造プロセスと前記MOSキャパシタの製造プロセスを比
較すると、ゲート絶縁膜を形成してから層間絶縁膜を形
成するまので工程は全く同じである。その後の工程もM
OSFETではソース接触金属(Ni)104およびゲ
ート電極の接触金属(図示せず)をソース開口部33
a、33b底とゲート電極開口部底に同時形成する工程
が挿入されてはいるが、この工程は室温でのプロセスな
ので、高温での熱処理履歴という観点から比較すると、
両者は同じである。
実施の形態と共通する効果を有するのに加えて、従来の
プレーナ型を含めたSiC縦型MOSFET固有の以下
の問題点を解決できるので説明する。図16は特開平1
0−308510号公報で開示されているSiCを用い
た典型的なパワーMOSFETの模式的要部断面図であ
る。構造を簡単に説明すると、1’はn+型六方晶系炭
化珪素半導体基板で上面を主表面1a’とし、主表面の
反対面である下面を裏面1b’としている。このn+型
炭化珪素半導体基板1’の主表面1a’上に、基板1’
よりも低いドーパント濃度を有するn−型炭化珪素エピ
タキシャル層2’が積層されている。n−型炭化珪素エ
ピタキシャル層2’の表層部における所定領域には、所
定深さを有するp−型炭化珪素ベース領域3a’および
p−型炭化珪素ベース領域3b’が離間して形成されて
いる。また、p−型炭化珪素ベース領域3a’の表層部
における所定領域には、ベース領域3a’よりも浅いn
+型ソース領域4a’が、また、p−型炭化珪素ベース
領域3b’の表層部における所定領域には、ベース領域
3b’よりも浅いn+型ソース領域4b’が形成されて
いる。さらに、n+型ソース領域4a’とn+型ソース
領域4b’との間におけるn−型炭化珪素エピタキシャ
ル層2’およびp−型炭化珪素ベース領域3a’、3
b’の表面部にはn−型SiC層5’が延設されてい
る。つまり、ベース領域3a’、3b’の表面部におい
てソース領域4a’、4b’とn−型炭化珪素エピタキ
シャル層2’とを繋ぐようにn−型SiC層5’が配置
されている。また、p−型炭化珪素ベース領域3a’、
3b’、n +型ソース領域4a’、4b’の表面部には
凹部6a’、6b’が形成されている。表面チャネルエ
ピタキシャル層5’の上面およびn+型ソース領域4
a’、4b’の上面にはゲート絶縁膜(シリコン酸化
膜)7’が形成されている。さらに、ゲート絶縁膜7’
の上にはポリシリコンのゲート電極8’が形成されてい
る。ゲート電極8’は絶縁膜9’にて覆われている。絶
縁膜9’としてはLTO(Low Temperature Oxide)
膜が用いられている。その上には内部配線を兼ねるソー
ス電極10’が形成され、ソース電極10’はn+型ソ
ース領域4a’、4b’およびp−型炭化珪素ベース領
域3a’、3b’と接している。また、n+型炭化珪素
半導体基板1’の裏面1b’には、ドレイン電極層1
1’が形成されている。
に大電流を制御する素子では、熱損失を小さくするため
に、できるだけ接触抵抗を低減することが望ましい。た
とえば逆方向耐電圧1kV級素子では、ソース/ドレイ
ンの接触抵抗を少なくとも10−5Ωcm以下に低減す
る必要がある。この目的に適うソース/ドレインへの接
触金属としては、Crofton等が調査して総合報告(Phys.
Stat. Sol.、 202、 p.581 (1997))で論じているよう
に、現在のところNiしかない。ところが、接触金属と
して有望なNiを、内部配線を兼ねるソース電極10と
して使用すると、Niが下部のLTO膜(シリコン酸化
膜)9との密着強度が弱いため、LTO膜上のNiがは
がれ、その結果、SiC上のNiもはがれるという問題
が有り、また、コンタクト・アニールを行うと、下部の
LTO膜(シリコン酸化膜)が還元され侵食される、と
いう問題もある。
いては、図6および図9(g)から明らかなように、ソ
ースの接触金属(Ni)104は、シリコン酸化膜=層
間絶縁膜32の上には形成されない構造をしている上
に、コンタクト・アニール等の高温あるいは急激な熱処
理は配線35を積層する前に行う、という2重の予防措
置、つまりゲート絶縁膜上に劣化の原因となるNiな
どの配線を置かない構造、急速高温加熱処理をするの
は上部に配線を形成する前に行う、という構成を用いて
いるので、上記のような問題は全く起きない。すなわ
ち、本発明第2の実施の形態にかかるMOSFETは、
これら従来のMOSFETの問題点を解決できるという
特別な効果も有している。
では、図16(特開平10−308510号公報)のM
OSFETに光を照射すると、フラットバンド電圧が正
方向に大きくシフトする不良があることを指摘するとと
もに、これを解決するために表面チャネル層窒素のドー
ピング濃度を1×10−15[/cm3]以下にする解決
策を提案している。しかし、この方法では、MOSFE
Tの閾値電圧制御や埋めこみチャネルの形成するイオン
注入工程において、イオン注入種(n型ドーパント)と
しての窒素Nを使用することを禁じた等しい措置であ
り、MOSFETの製造技術上重大な制約を科すことに
なっている。
かかるパワーMOSFETにおいては、10−15[/c
m3]あるいはこれ以上のエピタキシャル層を用いてM
OSFETを構成しても、光照射でフラントバンド電圧
が大きくシフトする現象は観察されない。すなわち、本
発明第2の実施の形態にかかるパワーMOSFETの構
造およびその製造方法は、図16の構成のMOSFET
が陥っていた光を照射するとフラットバンド電圧が正方
向に大きくシフトするという問題を解決することができ
るという効果を有するものである。と同時に、本発明第
2の実施の形態にかかるパワーMOSFETの構造およ
びその製造方法は、特開2000−200907号公報
において、この問題の解決のために科せられたドーパン
ト窒素N使用の制約をも解き放ち、イオン注入種として
の窒素Nの使用も可能にするという優れた効果も具有し
ている。
の形態は、nチャネルタイプのプレーナ型パワーIGB
T(Insulated Gate Bipolar Transister)に、良好な
ゲート絶縁膜特性ならびにMOS界面特性を実現するた
めに、本発明を適用した例である。図11はプレーナ型
パワーIGBTの要部断面図である。この構造は前に説
明したプレーナ型パワーMOSFETの構造(図6)と
酷似しているが、これは偶然ではない。というのもIG
BTは、MOSFETとバイポーラトランジスタとの複
合テバイスであり、技術史的には、nチャネルMOSF
ETのドレイン側n +基板21をp+基板41に換える
ことで伝導度変調効果を誘起して、第1のn −エピ層2
2の抵抗成分を激減させることを狙って発明されたデバ
イスであるからである。
C基板であり、表面(図中上面側主面)に厚み10μm
で、窒素を4×10−15/cm3添加した第1のn−
エピタキシャル層22をホモエピタキシャル成長させて
いる。このp+SiC基板41はp型不純物としてAl
が濃度1×10−19/cm3以上添加されており、4
H、6H、3C、15Rなど全ての晶系(Hは六方晶、
Cは立方晶、Rは菱面体晶を意味する)の基板を用いる
ことができる。また、n−エピタキシャル層22の表層
部における所定領域には、所定深さを有するp型不純物
をわずかに添加したp−ベース領域23aおよび23b
が離間して形成されている。また、p−ベース領域23
a、23bの表層部所定領域には、p−ベース領域より
も浅いn +エミッタ層44a、44bが形成されてい
る。さらに、n+型エミッタ層44aと44bに接し、
第1のn−エピタキシャル層22とp−ベース領域23
a、23bの表層には第2のn−エピタキシャル層素片
25が延設されている。この第2のn−エピタキシャル
層素片25は、デバイスの動作時にデバイス表面におい
てチャネル形成層として機能する。このn−エピタキシ
ャル層素片25の不純物濃度は、1×1015/cm3
〜1×1017/cm3の間の低濃度であり、かつ、p
−ベース領域23a、23bの不純物濃度以下であるも
のとする。p−ベース領域23a、23b、n+エミッ
タ層44a、44bの上部には基板凹部36a、36b
が形成されている。
びこの外縁部を除くp−ベース領域23a、23b、n
+エミッタ層44a、44bの上部には厚み数100n
m以上のフィールド絶縁膜26が配設されている。この
フィールド絶縁膜26はp+SiC基板41(正確には
n−エピタキシャル層22)の表面を熱酸化して形成し
た薄い下部絶縁膜27の上にSiCの熱酸化以外の手段
(たとえば減圧CVD法など)で形成した厚い上部絶縁
膜28が積層した構造になっている。
られたゲート開口部、30はゲート開口部底面に形成さ
れたゲート絶縁膜である。このゲート絶縁膜30は成膜
中あるいは成膜後に酸素原子を含む酸化ガス中に直接さ
らして、熱処理された膜であることを要する。ゲート絶
縁膜30の上には、ゲート開口部29を完全に被覆し、
かつ、一部がフィールド絶縁膜26上に延伸するように
配置された多結晶シリコンのゲート電極31が設けられ
ている。ゲート電極31およびフィールド絶縁膜26の
上には層間絶縁膜32が成膜されている。
膜26および層間絶縁膜32に開けられ、エミッタ/ベ
ース領域に貫通するエミッタ開口部である。エミッタ開
口部43a、43bの底部にはエミッタ電極44a、4
4bがある。このエミッタ電極44a、44bはNiな
どの接触金属を配設した後、急速高温過熱処理でSiC
と合金化させることによって形成する。また、35は配
線であり、エミッタ開口部43a、43bを介してエミ
ッタ電極44a、44bを同一基板上の他の回路要素や
外部回路に接続する。
ト電極31の延伸部分上部の層間絶縁膜32にはゲート
電極開口部が開けられていて、ゲート電極開口部底部の
ゲート電極上にも多結晶シリコンと合金化したNiから
なる接点電極が置かれている。そして、この接点電極と
ゲート電極開口部を介してゲート電極31と同一基板上
の他の回路要素や外部回路に接続するための第2の配線
(図示せず)が層間絶縁膜32に載置されている。
は、基板周縁を残してほぼ全域に配置したコレクタ電極
である。このコレクタ電極47はTiとAlを、この順
に、それぞれ80nm厚、380nm厚だけ積層したT
i/Alなどの接触金属を基板裏に蒸着した後、急速高
温過熱処理でp+SiC基板41と合金化させることに
よって形成する。
Tの構造と若干違っているように思われるが、本質的に
違っているのは、SiC基板41がp+基板であること
と、基板裏面のコレクタ電極47の材料がp型基板にオ
ーミック接触が得やすいTi/Alになっていることの
2点だけである。なお、エミッタ開口部43a、43
b、エミッタ層44a、44b、エミッタ電極54a、
54bなどはIGBTがバイポーラ・デバイスであるこ
とからここでは便宜的に命名しただけで、これらは図6
のソース開口部33a、33b、ソース領域24a、2
4b、ソース電極34a、34bと同じ物である。
GBTの製造方法を、図12と図13を用いて説明す
る。まず、図12(a)では、p+SiC基板41に第
1のn−エピタキシャル層22、p−ベース領域23a
および23b、n+エミッタ層44a、44b、第2の
n−エピタキシャル層素片25、基板凹部36a、36
bを形成する。ここではSiC基板41の伝導型がp+
であることに注意を要する。そして第1、第2のn−エ
ピタキシャル層の成長で形成されたp+SiC基板41
裏面の低品質のエピタキシャル層は前記第1実施の形態
で説明した手順で取り除く。なお、以下の説明におい
て、特に断らない場合は、p+SiC基板41にエピタ
キシャル層22やその他の膜や電極が形成されたものを
基板と呼んでいる。
図9(g)で説明した工程と全く同じ製造工程を実施す
ることにより、エミッタ開口部43a、43b上および
ゲート電極開口部(図中表示せず)の底面にのみ接触金
属(Ni)104を残した基板構造が出来上がる。この
状態を図12(g)に示す。
で、乾燥させた後、表面全面に厚み1μm以上の保護用
レジスト材(フォトレジストでよい)を塗布して、一旦
緩衝フッ酸溶液に浸漬し、裏面側の一過性多結晶シリコ
ン膜103の上に形成されたSiO2膜を除く。つづい
て、裏面側の一過性多結晶シリコン膜103を、CF 4
とO2を用いたドライ・エッチングで、完全に除去す
る。なお、ドライ・エッチング中に起きるおそれのある
プラズマダメージや帯電から接触金属104とゲート絶
縁膜の劣化を防止するために、レジストによる表面保護
工程は必ず必要である。
結晶シリコン膜103の下部に形成されていた第2の一
過性熱酸化膜102を落して、p+SiC基板41裏面
に清浄な結晶面を露出させる。そして緩衝フッ酸溶液を
超純水で完全に濯ぎ落して、乾燥させたところで、速や
かに基板を高真空に維持された蒸着装置の中に据え付
け、裏面に所望の裏面接触金属106を蒸着する。裏面
電極材料としては、たとえば、TiとAlをこの順に、
それぞれ80nm厚、380nm厚だけ積層したTi/
Al膜などを用いることが出来る。なお、基板側面に電
極材料が付着するおそれがある場合には、シャドーマス
クを使用して外縁部を隠蔽して蒸着を行う。なお、図1
2(h)はシャドーマスクを使用して裏面電極を蒸着し
た例を示している。基板側面に接触金属106が付着す
るおそれがないときは、接触金属106を裏面全面に配
設するようにしてもよい。
したレジストを当該レジストの専用ストリッパ液で完全
に剥離し、基板を十分濯いでから乾燥させ、直ちに急速
加熱処理装置に設置して、高純度Ar雰囲気で1000
℃、2分間の急速高温加熱処理(コンタクト・アニー
ル)を実施する。この熱処理によって、エミッタ開口部
43a、43b、ゲート電極開口部(図示せず)の接触
金属(Ni膜)104はそれぞれn+エミッタ層のSi
C、n+多結晶シリコンと合金化し、極めて低抵抗を示
すエミッタ電極54a、54b、ゲート電極接触(図示
せず)を形成する。同時に、裏面の接触金属(Ti/A
l膜)106はp+SiC基板41裏面と合金化し、極
めて低抵抗を示すコレクタ電極47が形成される。この
とき、ゲート絶縁膜30を多結晶シリコンのゲート電極
31で全面被覆したゲート電極−ゲート絶縁膜−半導体
SiC(MOS)構造体全体も同時に加熱される。
ニールが済んだ基板を高真空に維持されたマグネトロン
スパッタリング装置に速やかに据え付け、基板の層間絶
縁膜32およびエミッタ開口部43a、43bの上部全
面に所望の配線材料、たとえばAlを1μm厚に蒸着す
る。
トレジストを塗布し、露光し、現像して、エッチングの
レジストマスクを形成した後、基板裏面に裏面電極保護
用のフォトレジストを塗布して、このレジストを十分乾
燥させてから、リン酸系のエッチング液を用いてAl膜
をパターン化し、配線35を形成する。裏面のレジスト
はコレクタ電極47がリン酸系のエッチング液に溶出し
て、消失したり変質したりするのを防止する目的で形成
されるが、このおそれがない場合やAl膜をRIE(ド
ライ)でエッチングするときには、省略することができ
る。最後にレジストマスクとドレイン電極保護に使用し
た保護レジストを専用ストリッパ液で完全に除去し、基
板を十分濯いでから乾燥させる。こうして、図11に示
した本発明に係るプレーナ型パワーIGBTが完成す
る。本実施の形態においても、その基本構造が同じこと
から予想されるように、前記第1、第2の実施の形態と
同様の効果が得られる。
の実施の形態を、最も簡単なMOS素子であるMOSキ
ャパシタに適用した場合を例に挙げて説明する。MOS
キャパシタはSiC集積回路において、可変容量素子な
どとして使用される。図17は本発明を適用したMOS
キャパシタの要部断面図である。図17において、20
1は高不純物濃度(窒素>1×10−19/cm3)の
n型の単結晶炭化珪素基板(以下、SiC基板と略記す
る)であり、表面に厚み10μmで、窒素を4×10
−15/cm3添加したn−エピタキシャル層202を
ホモエピタキシャル成長させている。このSiC基板2
01としては、4H、6H、3C、15Rなど全ての晶
系(Hは六方晶、Cは立方晶、Rは菱面体晶を意味す
る)の基板を用いることができる。ここでn−、n+は
n型不純物をそれぞれ低濃度に、高濃度に添加したとい
う意味に用いている。p型不純物添加の場合は同様にp
−、p+の記号を用いる。
み(たとえば40nm)のゲート絶縁膜203が配設さ
れている。このゲート絶縁膜203は成膜中あるいは成
膜後に酸素原子を含むガス中に直接さらして、熱処理さ
れた膜であることを要する。ゲート絶縁膜203の上に
は、所望の形状・面積の多結晶シリコンのゲート電極2
04が設けられている。ゲート電極204の側面及び上
面には多結晶シリコンのゲート電極を熱酸化して形成し
たゲート電極側面絶縁膜205及びゲート電極上面絶縁
膜206がある。ゲート絶縁膜203及びゲート電極側
面絶縁膜205、ゲート電極上面絶縁膜206の上には
層間絶縁膜207が成膜されている。なお、上記の説明
ではエピタキシャル層202の上に形成した絶縁膜全体
をゲート絶縁膜203としているが、実際にゲート絶縁
膜として動作する部分はゲート電極204下のゲート領
域に位置する部分のみである。
板201の裏面全面に配置されたオーミック電極であ
る。この裏面電極208は、NiやCoなどの接触金属
をSiC基板201の裏に蒸着した後、ゲート絶縁膜2
03の形成温度よりも低い温度の急速過熱処理でSiC
基板201と合金化させることによって形成する。20
9は層間絶縁膜207に開口したゲート電極結線開口
部、210はゲート電極204を同一基板上の他の回路
要素や外部回路に接続するための配線で、AlやAl−
Si共晶体などの材料を用いることができる。
製造方法を説明する。図18及び図19は、図17に示
したMOSキャパシタの製造方法を示す断面図である。
まず、図18(a)では、ドナー原子である窒素を1×
1019/cm3以上添加した(0001)面8°OF
F高濃度n型4H−SiC基板201の表面(ここでは
Si終端面)にシランとプロパンを原料に用いたCVD
法(化学的気相成長法)で、1015/cm3台の高品
質ホモ・エピタキシャル層202を所定の膜厚(たとえ
ばここでは10μm)だけ成長させ、成長後、SiC基
板201の裏面(ここではC終端面)に付着した低品質
のホモエピタキシャル膜を機械研削で取り除く。研磨に
あたっては、ゲート絶縁膜203の電気特性の劣化の一
要因となる傷がエピタキシャル層202につかないよう
に、表面を厚い(少なくとも1μm以上の)CVD−S
iO2膜などで保護することが重要である。裏面研削
後、この表面保護膜を緩衝フッ酸溶液など、その材質に
適した除去液で取り除く。なお、以下の説明において、
特に断らない場合は、SiC基板201にエピタキシャ
ル層202やその他の膜や電極が形成されたものを基板
と呼んでいる。
4OH混合液SC−1とH2O2+HCl混合液SC−
2を組み合わせ行う伝統的な半導体基板の洗浄法)など
で十分洗浄した後、ドライ酸素雰囲気で熱酸化してエピ
タキシャル層202の表面並びに基板裏面に熱酸化膜を
成長させ、緩衝フッ酸溶液に浸漬して成長させ、熱酸化
膜を完全に取り除き、緩衝フッ酸溶液を超純水で十分す
すぎ落としてから、乾燥させる。この時、エピタキシャ
ル層202の表面に薄い酸化膜が成長するように酸化条
件を設定する。上記熱酸化膜の厚みは50nm未満、好
ましくは5〜20nmが望ましい。5nmより薄い場合
は基板表面の汚染層や損傷層を除去する効果が乏しく、
50nmより厚い場合は過度な酸化により基板表面が次
第に荒れるという問題があり、膜厚は厚すぎても、薄す
ぎても好ましくない。
以前の段階において、単結晶SiC基板表層の汚染層お
よび結晶欠陥層を除去することにより、後に熱酸化で形
成されるゲート絶縁膜に潜在欠陥が取りこまれる確率は
低減するので、この潜在欠陥が急速加熱を含む高温加熱
処理で顕在化する機構で誘発されるゲート絶縁膜の劣
化、すなわち、ゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧が低下す
る、リーク電流が増大する、という問題を効果的に低
減することができる。また、上記熱酸化の際に生じる裏
面の熱酸化膜は無意味なものではなく、図18(a)に
示した工程における基板裏面研削で誘起した基板裏面の
相当深い損傷層を効果的に取り除く作用を有している。
文献によれば6H−SiC基板のC終端面(裏面)には
Si終端面の約10倍の速度で酸化が進むと報告されて
いる。
直ちに熱酸化して、エピタキシャル層202表面に所望
の厚み(たとえばここでは40nm厚)のゲート絶縁膜
203を成長させる。ゲート酸化の条件としては、これ
に限定されるわけではないが、温度1100℃でのドラ
イ酸化などがよい。コンタクト・アニール等の急速熱処
理に耐えられるゲート絶縁膜を実現するための本工程の
重要な注意点は、熱酸化温度は後続の全ての工程のどの
熱処理温度よりも高く設定するということである。本実
施の形態では、後に、裏面電極の低抵抗のオーミック接
触を実現するために、1000℃の急速加熱処理を実施
するので、1100℃という酸化温度が選ばれた。な
お、基板の表面荒れが著しくなる50nm以上のゲート
絶縁膜にしたい場合には、SiCの熱酸化膜の上に他の
成膜手段で形成した絶縁膜(たとえば、CVD−SiO
2膜)を積層し、所望の厚みにする。
成するときに基板裏面に自動的に生成される比較的厚い
一過性の熱酸化膜であるが、前述の一過性の熱酸化膜同
様に研削損傷層を取り除く効果のほかに、後記の工程
(c)で説明する裏面の多結晶シリコンを除去する時の
ドライエッチング損傷から基板裏面を保護する重要な機
能がある。この酸化膜保護が無いと、基板裏面の結晶性
が乱れて、図19(e)の工程で形成する裏面電極20
8の接触抵抗が増大したり、表面平坦性が低下するとい
う問題が起こる。
全面にシラン原料を用いた減圧CVD法(成長温度60
0℃〜700℃)で、厚み300〜400nmの多結晶
シリコン膜を成膜した後、塩素酸リン(POCl3)と
酸素を用いた周知の熱拡散法(処理温度900℃〜95
0℃)で上記多結晶シリコン膜に不純物Pを縮退するま
で添加し、導電性を付与する。つづいて、基板表面にフ
ォトレジストを塗布して、フォトリソグラフィおよびC
2F6と酸素をエッチャントとした反応性イオンエッチ
ング(RIE)を用いて、基板表面側の多結晶シリコン
膜の不要な部分を取り除き、ゲート電極204を形成す
る。なお、基板裏面に形成された多結晶シリコン膜30
2は後の工程で除去される一過性の導電体膜である。
を完全に除去した後、基板を上述のRCA洗浄で十分洗
浄し、超純水で十分にすすぎ乾燥させた後、900℃の
ドライ酸素雰囲気で熱酸化して多結晶シリコンのゲート
電極の側面に50nm〜100nmのゲート電極側面絶
縁膜205を成長させる。このとき同時に、ゲート電極
の上面にはゲート電極上面絶縁膜206が、裏面の一過
性の多結晶シリコン膜302の外側には一過性の多結晶
シリコン熱酸化303が生成される。なお、ゲート電極
側面絶縁膜205は上部及び側面から同時に酸化され、
酸化が速く進む結果、図18(c)に示すようにゲート
電極上面に比べてやや上に突起した構造になる。
ッチングで形成するときに、ゲート電極外縁近傍(上に
ゲート電極があり、ゲート電極の外縁に近い帯状の微小
領域)のゲート絶縁膜203はイオン衝撃や金属汚染を
受けて劣化し、これがゲート絶縁膜203のリーク電流
を増大させたり、絶縁破壊電圧を急落させる要因とな
る。本発明では上記多結晶シリコンの熱酸化工程でこの
問題の解決を図っている。すなわち、イオン衝撃や金属
汚染で劣化したゲート酸化膜帯状領域の直上の多結晶シ
リコンを非導電性の酸化物(SiO2)であるゲート電
極側面絶縁膜205に完全に転化させ、劣化領域の上に
はゲート電極203が配設されないようにしている。言
い換えると、ゲート電圧を印加しても、劣化したゲート
絶縁膜帯状領域には正味、電界が発生しない構造を確立
して、ここを起点にゲート絶縁膜203がリークしたり
破壊したりしないようにしているのである。このように
して、上記多結晶シリコンの熱酸化は、ゲート電極20
4のドライエッチングで誘起したゲート酸化膜劣化が原
因となって起きるゲート絶縁膜203の、絶縁破壊電
圧が低下する、リーク電流が増大する、という問題を
解決している。
る多結晶シリコンのゲート電極204およびゲート絶縁
膜203の上部に層間絶縁膜207を堆積する。この層
間絶縁膜207としては、シランと酸素を原料とした常
圧CVD法で形成した約1μm厚のSiO2膜、あるい
はこれにリンを添加したリン珪酸ガラス(PSG)など
が層間絶縁膜材として適している。ただし、これに限定
されるものではなく、後続の各種熱処理工程に耐えられ
るものなら、SiNなど他の材料でも構わない。この
後、基板を通常の拡散炉に入れ、N2雰囲気で数10分
の穏やかな熱処理を行い、層間絶縁膜207を高密度化
する。この時の熱処理温度はゲート酸化温度1100℃
より低い温度、たとえば、900℃〜1000℃の範囲
から適宜選ばれる。
全面に厚み1μm以上のレジスト材(フォトレジストで
よい)を塗布して表面を保護しながら、CF4とO2な
どをエッチャントとしたドライエッチングを行い、裏面
側に積層した一過性の多結晶シリコン酸化膜303と一
過性の多結晶シリコン302を完全に除去し、エッチン
グが一過性の熱酸化膜301に進んだところで、処理を
終了する。ドライエッチングでは基板は加速イオンが飛
び交う環境に置かれるので、イオン衝撃によるダメージ
や帯電が起きやすく、これが原因でゲート絶縁膜の劣
化、すなわち、絶縁破壊電圧が急落する、リーク電
流が増大する、という問題が起きる。このような劣化を
防止するために、ここではレジスト材のよる表面保護を
行っている。言い換えると、本表面レジスト保護処理は
裏面のドライエッチングが原因で起きる上記および
の問題を解決している。なお、多結晶シリコン酸化膜3
03の除去はドライエッチングを用いずに緩衝フッ酸溶
液を用いたウェットエッチングで行ってもよい。
緩衝フッ酸溶液に浸漬して一過性の熱酸化膜301を基
板の裏面から完全に除去し、超純水で緩衝フッ酸溶液を
洗い流す。このようにして露出したSiC基板裏面のC
終端面はダメージや汚染の少ないクリーンな面である。
超純水で濡れたSiC基板を乾燥させるやいなや、高真
空に維持された蒸着装置の中に短時間で据え付け、基板
裏面に所望の裏面電極材料を蒸着する。裏面電極材料と
しては、たとえば、50nm厚のNi膜がよい。SiC
基板側面の電極材料が付着するおそれがある場合には、
周辺部をシャドーマスクを使用して外縁部を隠蔽して蒸
着を行う。
レジストの専用ストリッパ液で完全に剥離し、基板を超
純水で十分濯いでから乾燥させ、直ちに急速加熱処理装
置に設置して、100%高純度Ar雰囲気で1000
℃、2分間の裏面コンタクト・アニールを実施する。こ
の熱処理によって、Ni膜は低抵抗の基板裏面と合金化
し、少なくとも接触抵抗10−6Ωcm2台を示す極め
て低抵抗の裏面電極208が出来る。なお、裏面コンタ
クト・アニールの温度は、ゲート絶縁膜203を形成し
た熱酸化温度よりも低い温度であって、かつ、単結晶炭
化珪素と接触金属(ここではNi)とのオーミック接触
の形成に十分な温度(Niの場合少なくとも900℃以
上)に設定する。
重要な点は、このとき既に形成されているゲート絶縁膜
203(ゲート電極下のゲート領域部分)が、多結晶シ
リコンのゲート電極204と、単結晶SiC基板のエピ
タキシャル層202と、エピタキシャル層202の熱酸
化膜(ゲート絶縁膜203のうちゲート領域外の部分、
つまり実際のゲート絶縁膜に隣接する周囲部分)と、多
結晶シリコンの熱酸化膜からなるゲート側面絶縁膜20
5と、で周囲を完全に被われた構造で急速加熱処理を施
されたということである。
ォトレジストと塗布し、露光装置で露光・現像して、層
間絶縁膜207上面にレジストマスクを形成する。つづ
いて、基板裏面に保護用のレジストを塗布して、このレ
ジストを十分乾燥させてから、緩衝フッ酸溶液を用いた
エッチングで層間絶縁膜207にゲート電極結線開口部
209を開ける。裏面のレジストはオーミック電極が緩
衝フッ酸溶液に溶出して、消失したり変質したり、ある
いは、裏面から溶出したり剥落したりした電極材料が表
面に付着するのを防止する役割を担っている。エッチン
グが終了したら、レジストマスクと裏面電極保護に使用
したレジストを当該レジストの専用ストリッパ液で完全
に剥離し、基板を十分濯いでから乾燥させる。
を直ちに高真空に維持されたマグネトロンスパッタリン
グ装置の中に据え付け、基板の層間絶縁膜207の上部
全面に所望の配線材料、たとえば1μm厚のAlを蒸着
する。その後、Al膜を成膜した基板表面にフォトレジ
ストを塗布し、露光し、現像して、エッチングのレジス
トマスクを形成した後、再度、基板裏面に裏面電極保護
用のフォトレジストを塗布して、このレジストを十分乾
燥させてから、リン酸系のエッチング液を用いてAl膜
をパターン化し、配線210を形成する。
リン酸系のエッチング液に溶出して、消失したり変質し
たりするのを防止する目的で形成されるが、裏面電極2
08にこのおそれがない場合や配線210をRIE(ド
ライ・エッチング)でエッチングするときには、省略す
ることができる。最後にレジストマスクと裏面電極保護
に使用したレジストを専用ストリッパ液で完全に除去
し、基板を十分濯いでから乾燥させることにより、図1
7に示した本発明に基くMOSキャパシタが完成する。
ゲート電極以外の電極で、単結晶炭化珪素基板とコンタ
クトされる金属電極(つまり裏面電極208)として、
ゲート絶縁膜203(ゲート電極204の下の部分)が
ゲート電極204と単結晶炭化珪素基板(エピタキシャ
ル層202)と単結晶珪素基板の熱酸化膜(ゲート絶縁
膜203のうちゲート領域外の部分、つまり実際のゲー
ト絶縁膜に隣接する周囲部分)とゲート側面絶縁膜20
5とで全周囲を囲まれた後に、ゲート絶縁膜203を形
成した熱酸化温度よりも低い温度であって、かつ、単結
晶炭化珪素と金属(Ni)とのコンタクト・アニールに
十分な温度(900℃以上)で加熱処理を施された金属
電極を用いる構成としている。そのため、加熱処理時に
は、ゲート絶縁膜203が熱的に安定な(反応しない、
拡散しない)多結晶シリコンとSiO2とSiCに上下
左右から完全に取り囲まれるため、加熱処理装置の内壁
や炭化珪素基板のコンタクトから飛来した汚染物質や金
属物質が高温処理でゲート絶縁膜203(ゲート領域)
に浸入するという弊害と、急速加熱処理が800℃以上
の高真空中で行われる場合にSiO2のゲート絶縁膜2
03が不均一に分解して変質するという弊害と、を極め
て効果的に防止することができる。
する際の温度をコンタクト・アニールの温度よりも高く
していることにより、急速加熱処理でゲート絶縁膜20
3に生じる膨張/収縮に伴う熱衝撃や熱ストレスを、実
効的に小さくすることができる。そのため、下記図2
0、図21で詳述するように、急速高温加熱処理で生じ
るゲート絶縁膜203の特性の劣化を解決することがで
きる、という効果が得られる。また、単結晶炭化珪素と
金属とのコンタクト・アニールに十分な温度で加熱処理
を施しているので、単結晶炭化珪素と金属との接触は、
接触抵抗が10−6Ωcm2台あるいはこれ以下を示す
極めて良好なオーミック接触が得られている。
ャパシタのうち、任意の8個の電流−電圧特性を示す図
である。ゲート電極の面積(開口部)は3.14×10
−4cm2、ゲート絶縁膜の厚みは45nmであった。
図20から明らかなとおり、試験したキャパシタがほぼ
同じ電流―電圧特性を示している。この電流−電圧特性
はFowler-Northeim伝導として知られている薄い酸化膜
本来の真因性の特性であり、劣化を示唆するリーク性の
伝導は観察されない。絶縁破壊電圧はどれも45V(電
界強度では10MV/cm)以上と優れた値を得てい
る。図20と前記図14の特性を比較すれば明らかなと
おり、この本発明に基づくMOSキャパシタのゲート絶
縁膜のリーク電流ならびに絶縁破壊電圧は、図14に示
した従来技術の急速加熱処理を施したそれら(with RT
A)より、格段に改善されている。
Sキャパシタの高周波C−V特性図である。前記図15
に示したと従来技術では、急速加熱処理の結果、フラッ
トバンド電圧が正方向に大きくシフトし、少なくとも1
5V以上になることが指摘されているが、同様の急速加
熱処理を施した本MOSキャパシタにおいては1V以下
の値であり、これもまた大きく減少していることがわか
る。このフラットバンド電圧の低下(改善)は、酸化膜
界面の有効電荷密度Qeff [/cm2] に換算して、Q
effの一桁の減少に相当する大きな改善である。
来技術においてコンタクト・アニールなどの急速加熱処
理(例えば真空中、1000℃で1分間)を施すと、
本来40V程度あるべきゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧が
1/8の5V以下に急落する(図14上グラフ)、ゲ
ート絶縁膜のリーク電流が著しく増大する(同グラ
フ)、フラットバンド電圧が通常の0V付近から15
V以上正方向にシフトする(図15)という問題があっ
たが、本発明において、これら問題はすべて解決されて
いる。
00℃で2分間のコンタクト・アニールを加えている。
この熱処理条件及び接触の形成方法はn+SiCに低抵
抗オーミック接触を行うための最適な製造方法である。
したがって、本実施の形態においては、SiC基板裏面
には極めて低抵抗のオーミック接触が得られる。言いか
えると、本発明は前記〜の問題を接触抵抗の増大を
招くことなく、解決しているといえる。
実施の形態はコンタクト・アニールのみならず、実デバ
イスにおいて、そのゲート絶縁膜がよく経験する上述し
たその他のすべての熱工程、例えば、多結晶シリコン膜
の成膜、同膜へのリン不純物添加ドライブイン、層間絶
縁膜の堆積、同膜の高密度化熱処理等でも同様に起る問
題〜を解決する方法を提供している、ということで
ある。
フ)見ると、従来技術では、急速加熱処理をしていない
ゲート絶縁膜であっても、絶縁破壊電圧は最大でも40
V程度であり、また、低電圧で、破壊するものや高いリ
ーク電流を示す不良が相当数含まれていることがわか
る。これに比べて、本実施の形態のゲート絶縁膜の絶縁
破壊電圧はすべてが40V以上と高く、最もよいものは
54Vをも越えるものが得られている。また、リーク電
流はどれも小さく、絶縁破壊する直前まで真因性の伝導
を示す電流である。このように、本発明による炭化珪素
半導体装置およびその製造方法は、従来技術のゲート絶
縁膜に比べて良好な特性を示し、ゲート絶縁膜形成後の
熱処理やドライエッチングを含むデバイス製造工程を経
ても、その良好な特性を最後まで維持できる、という優
れた効果を有している。
は、フィールド絶縁膜を有する構成のMOSキャパシタ
に本発明を適用した場合である。本実施の形態は前記第
4の実施の形態と共通するところが多く、このようなと
ころは同じ説明を繰り返すとむしろ冗長になるので、簡
単に説明する。以下図22〜図25を用いて第5の実施
の形態を説明するが、図中で第4の実施形態の説明を同
じ番号が付されている構成物は、とくに断りがなけれ
ば、第4の実施形態と同じ物である。
膜を有するMOSキャパシタの要部断面図である。図2
2において、201は高不純物濃度(窒素>1×10
−19/cm3)のn型の単結晶炭化珪素基板(SiC
基板)であり、表面に厚み10μmで、窒素を4×10
−15/cm3添加したn−エピタキシャル層202を
ホモエピタキシャル成長させている。エピタキシャル層
202の上には厚み数100nm以上のフィールド絶縁
膜211が配設されている。フィールド絶縁膜211は
少なくともSiC基板(正確にはエピタキシャル層)の
熱酸化で形成した薄い下部絶縁膜212の上にSiCの
熱酸化以外の手段(たとえば減圧CVD法など)で形成
した厚い上部絶縁膜213が積層した構造になってい
る。214はフィールド絶縁膜211に開けられた開口
部、203はこの開口部底面に形成されたゲート絶縁膜
である。このゲート絶縁膜203は成膜中あるいは成膜
後に酸素原子を含むガス中に直接さらして、熱処理され
た膜であることを要する。ゲート絶縁膜203とフィー
ルド絶縁膜211の上には、所定の形状・面積の多結晶
シリコンのゲート電極204が設けられている。ゲート
電極204の側面及び上面には多結晶シリコンのゲート
電極204を熱酸化して形成したゲート電極側面絶縁膜
205およびゲート電極上面絶縁膜206がある。ゲー
ト絶縁膜203およびゲート電極側面絶縁膜205、ゲ
ート電極上面絶縁膜206、フィールド絶縁膜211の
上には層間絶縁膜207が成膜されている。208は裏
面電極であり、SiC基板201の裏面全面に配置され
たオーミック電極である。この裏面電極208は、Ni
やCoなどの接触金属をSiC基板201の裏に蒸着し
た後、ゲート絶縁膜203の形成温度よりも低い温度の
急速過熱処理でSiC基板201と合金化させことによ
って形成する。209は層間絶縁膜207に開口したゲ
ート電極結線開口部、210はゲート電極204を同一
基板上の他の回路要素や外部回路に接続するための配線
で、AlやAl−Si共晶体などの材料を用いることが
できる。
キャパシタの製造方法を説明する。図23〜図25は、
図22に示したMOSキャパシタの製造方法を示す断面
図である。まず、図23(a)では、前記図18(a)
で説明した方法で、高濃度にn型不純物を添加したSi
C基板201の上面に1015/cm3台の不純物濃度
を有するn型のホモ・エピタキシャル層202(たとえ
ばここでは10μm厚)形成し、この後、犠牲酸化も同
様に行う。
が終了した基板を再び、RCA洗浄などで十分洗浄した
後、エピタキシャル層202表面に薄い下部絶縁膜21
2と厚い上部絶縁膜213からなるフィールド絶縁膜2
11を成膜する。下部絶縁膜212はエピタキシャル層
202表面を酸素雰囲気でドライ酸化して形成した約1
0nmの熱酸化膜、上部絶縁膜213は熱酸化以外の方
法で形成した所望の厚みの絶縁膜、たとえば、酸素とシ
ランを用いた常圧CVDで形成した400nm厚のSi
O2膜などを使用することができる。なお、下部絶縁膜
212の熱酸化はドライ酸化に限定されるものではな
く、ウエット酸化や他の酸化ガスを用いた熱酸化でもよ
い。下部絶縁膜212の厚みは、前記図18(b)の工
程の犠牲酸化で説明した理由と同し理由で、50nm未
満、好ましくは5〜20nmが望ましい。なお、エピタ
キシャル層202表面に熱酸化膜の下部絶縁膜212を
成長してから、上部絶縁膜213を成膜してもよいし、
逆に、上部絶縁膜213を成膜してから熱酸化して、エ
ピタキシャル層202と上部絶縁膜213の間に下部絶
縁膜(熱酸化膜)212を形成してもよい。ただし、後
者の工順を取ることができるのは、上部絶縁膜213が
酸素透過性の膜である場合に限られる。また、図23
(b)中の304は下部絶縁膜212を熱酸化で形成す
るとき基板の裏面に自動的に形成される第2の一過性の
熱酸化膜であるが、図23(b)の第1の一過性の熱酸
化膜同様、基板裏面の研削損傷層を効果的に取り除く作
用を有している。
トレジストを塗布し、露光し、現像し、SiC基板20
1を緩衝フッ酸溶液(NH4F+HF混合液)に浸漬し
ウエットエッチングすることで、フィールド絶縁膜21
1の所定の位置にフィールド開口部214を形成する。
前記図23(b)の工程で基板裏面の損傷層を取り込ん
で出来た第2の一過性の熱酸化膜304はここで消失す
る。微細なフィールド開口部214を形成するときは、
CF4ガスプラズマなどを用いた反応性イオンエッチン
グ(RIE)等のドライ・エッチングを用いることがで
きるが、この場合、最初にドライ・エッチングを行い、
フィールド絶縁膜207を数100nm残したところ
で、必ず、上記緩衝フッ酸溶液を用いたウエット・エッ
チングに切り換えるようにする。フィールド開口部21
4をn型のエピタキシャル層202までドライエッチン
グで貫通させては、SiC表面がプラズマ損傷で荒れた
り、ドライ・エッチング反応で生成したハイドロ・カー
ボン底部に付着したりして、つぎの工程で形成するゲー
ト絶縁膜の特性劣化(従来技術の問題点〜)の要因
となるからである。上記のようにフィールドの開口エッ
チングが済んだら、フォトレジストを剥離する。
汚れた基板を再び、RCA洗浄などで十分洗浄するとと
もに、洗浄の最終段階において、このRCA洗浄でフィ
ールド開口部214の基板表面に生成した化学的酸化膜
を除去するために緩衝フッ酸溶液に5秒〜10秒間浸
し、超純水で緩衝フッ酸溶液を完全にすすぎ落とした
後、乾燥する。化学的酸化膜は極めて低品質であるばか
りでなく、不均一な膜でもあるので、つづく熱酸化膜の
一様な成長に悪影響を与えるため、化学的酸化膜の除去
する工程は省くことができない。
フィールド開口部214のエピタキシャル層202表面
に所望の厚み(例えばここでは40nm厚)のゲート絶
縁膜203を成長させる。この時、基板全体が酸化雰囲
気にさらされるので、フィールド絶縁膜211下のエピ
タキシャル層202も若干酸化され、下部絶縁膜(熱酸
化膜)212の厚みが増大するとともに、基板裏面には
一過性の熱酸化膜301が生成される。ゲート絶縁膜2
03の熱酸化条件としては、たとえば、温度1100℃
でのドライ酸化などがよい。前記図18(b)の工程で
説明したように、この熱酸化温度は後続の全ての工程の
どの熱処理温度よりも高く設定することが重要である。
熱酸化では表面荒れが顕著になってくる50nm以上の
厚いゲート絶縁膜にしたい場合は、SiCの50nm厚
未満の熱酸化膜の上に他の成膜手段で形成した絶縁膜
(たとえば、CVD−SiO2膜)を積層し、所望の厚
みにする。基板裏面の一過性の熱酸化膜301は研削損
傷層を取り除く機能と、後続の工程で多結晶シリコン膜
203をドライエッチングで除去する際のイオン損傷か
ら基板裏面を保護する重要な機能とを有している。
全面にシラン原料を用いた減圧CVD法(成長温度60
0℃〜700℃)で、厚み300〜400nm多結晶シ
リコン膜を成膜した後、塩素酸リン(POCl3)と酸
素を用いた周知の熱拡散法(処理温度900℃〜950
℃)で多結晶シリコン膜に不純物Pを縮退するまで添加
し、導電性を付与する。つづいて、前記図18(c)の
工程で説明したように、フォトリソグラフィーとRIE
とで、多結晶シリコンのゲート電極204を形成する。
なお、基板裏面に残された多結晶シリコン膜302は一
過性の導電体膜である。次に、RIEで使用したレジス
ト・マスクを基板から完全に除去し、基板を十分洗浄
し、乾燥させた後、900℃のドライ酸素雰囲気で熱酸
化させて多結晶シリコンのゲート電極204の側面に5
0nm〜100nmのゲート電極側面絶縁膜205を成
長させる。このとき同時に、ゲート電極204の上面に
はゲート電極上面絶縁膜206が形成され、裏面の一過
性の多結晶シリコン膜302の下には一過性の多結晶シ
リコン熱酸化303が生成される。ゲート電極側面絶縁
膜205の形成の目的は、第4の実施の形態で述べたよ
うに、ゲート電極をドライエッチングで形成したときイ
オン衝撃や金属汚染で劣化したゲート絶縁膜帯状領域の
直上の多結晶シリコンを非導電性の酸化物(SiO 2)
つまりゲート電極側面絶縁膜205に完全に転化させ、
劣化領域にゲート電圧が正味、印加されないゲート電極
外縁構造を確立することである。
に層間絶縁膜207を堆積する。この層間絶縁膜207
としては、常圧CVD法で形成した約1μm厚のSiO
2膜、あるいはこれにリンを添加したリン珪酸ガラス
(PSG)などが層間絶縁膜材として適している。その
後、基板を通常の拡散炉に入れ、N2雰囲気で数10分
の穏やかな熱処理を行い、層間絶縁膜207を高密度化
する。この時の熱処理温度はゲート酸化温度(1100
℃)より低い温度、たとえば950℃、が適宜選ばれ
る。
(e)の工程で説明したように、SiC基板表面全面に
厚み1μm以上のレジスト材(フォトレジストでよい)
を塗布して表面を保護しながら、CF4とO2などをエ
ッチャントとしたドライエッチング、あるいは緩衝フッ
酸溶液を用いたウェットエッチングとドライエッチング
とを順に組み合わせたエッチングを用いて、裏面側に積
層した一過性の多結晶シリコン酸化膜303と一過性の
多結晶シリコン膜302を完全に除去し、エッチングが
一過性の熱酸化膜301に進んだところで、処理を終了
する。
一過性の熱酸化膜301を基板の裏面から完全に除去
し、超純水で緩衝フッ酸溶液を速やかに洗い流し、濡れ
たSiC基板を乾燥させるやいなや、高真空に維持され
た蒸着装置の中に短時間で据え付け、基板裏面に所望の
裏面電極材料を蒸着する。裏面電極材料としては、たと
えば、50nm厚のNi膜がよい。なお、SiC基板側
面の電極材料が付着するおそれがある場合には、周辺部
をシャドーマスクを使用して外縁部を隠蔽して蒸着を行
う。
ジストの専用ストリッパ液で完全に剥離し、基板を超純
水で十分濯いでから乾燥させ、直ちに急速加熱処理装置
に設置して、100%高純度Ar雰囲気で1000℃、
2分間の裏面コンタクト・アニールを実施する。この急
速加熱処理によって、Ni膜は低抵抗の基板裏面と合金
化し、少なくとも接触抵抗10−6Ωcm2台を示す極
めて低抵抗の裏面電極208が出来る。前述したよう
に、裏面コンタクト・アニールの温度は、ゲート絶縁膜
203を形成した熱酸化温度よりも低い温度であって、
かつ、単結晶炭化珪素と接触金属(ここではNi)との
オーミック接触の形成に十分な温度(Niの場合少なく
とも900℃以上)に設定する。
重要な点は、このとき既に形成されているゲート絶縁膜
203(ゲート電極204の下の部分)が、多結晶シリ
コンのゲート電極204と、単結晶SiC基板のエピタ
キシャル層202と、エピタキシャル層202の熱酸化
膜(ゲート絶縁膜203のうちゲート領域外の部分、つ
まり実際のゲート絶縁膜に隣接する周囲部分及びフィー
ルド絶縁膜の下部絶縁膜212を指す)と、多結晶シリ
コンの熱酸化膜からなるゲート側面絶縁膜205と、で
周囲を完全に被われた構造で急速加熱処理を施されたと
いうことである。
トレジストを塗布し、露光装置で露光・現像して、フィ
ールドに位置する層間絶縁膜207に、ゲート電極結線
開口部211をエッチングで設けるためのレジストマス
クを形成する。つづいて、基板裏面に保護用レジストを
塗布して、このレジストを十分乾燥させてから、緩衝フ
ッ酸溶液を用いたエッチングで層間絶縁膜207にゲー
ト電極結線開口部211を開ける。なお、裏面のレジス
トは裏面電極208が緩衝フッ酸溶液に溶出して、消失
したり変質したり、あるいは、裏面から溶出したり剥落
したりした電極材料が表面に付着するのを防止する役割
を担っている。エッチングが終了したら、レジストマス
クと裏面電極保護に使用したレジストを当該レジストの
専用ストリッパ液で完全に剥離し、基板を十分濯いでか
ら乾燥させる。
を直ちに高真空に維持されたマグネトロンスパッタリン
グ装置の中に据え付け、基板の層間絶縁膜207の上部
全面に所望の配線材料、たとえば1μm厚のAlを蒸着
する。その後、Al膜を成膜した基板表面にフォトレジ
ストと塗布し、露光し、現像して、エッチングのレジス
トマスクを形成した後、再度、基板裏面に裏面電極保護
用のレジストを塗布して、このレジストを十分乾燥させ
てから、リン酸系のエッチング液を用いてAl膜をパタ
ーン化し、配線210を形成する。なお、裏面のレジス
トは裏面電極208がリン酸系のエッチング液に溶出し
て、消失したり変質したりするのを防止する目的で形成
されるが、裏面電極208にこのおそれがない場合や配
線210をRIE(ドライ・エッチング)でエッチング
するときには、省略することができる。最後にレジスト
マスクと裏面電極保護に使用したレジストを専用ストリ
ッパ液で完全に除去し、基板を十分濯いでから乾燥させ
ることにより、図22に示した本発明に基くMOSキャ
パシタが完成する。
前記第4の実施の形態と同等の優れた効果が得られる。
上記のように、本実施の形態においては、ゲート電極以
外の電極で、単結晶炭化珪素基板とコンタクトされる金
属電極(つまり裏面電極208)として、ゲート絶縁膜
203がゲート電極204と単結晶炭化珪素基板(エピ
タキシャル層202)と単結晶珪素基板の熱酸化膜(ゲ
ート絶縁膜203のうちゲート領域外の部分、つまり実
際のゲート絶縁膜に隣接する周囲部分及びフィールド絶
縁膜の下部絶縁膜212を指す)とゲート側面絶縁膜2
05とで全周囲を囲まれた後に、ゲート絶縁膜203を
形成した熱酸化温度よりも低い温度であって、かつ、単
結晶炭化珪素と金属(Ni)とのコンタクト・アニール
に十分な温度(900℃以上)で加熱処理を施された金
属電極を用いる構成としている。そのため、加熱処理時
には、ゲート絶縁膜が熱的に安定な(反応しない、拡散
しない)材料、すなわち、多結晶シリコンおよびSiO
2、SiCに上下左右から完全に取り囲まれるため、加
熱処理装置の内壁や炭化珪素基板のコンタクトから飛来
した汚染物質や金属物質が高温処理でゲート絶縁膜20
3(ゲート領域)に浸入するという弊害と、急速加熱処
理が800℃以上の高真空中で行われる場合にSiO2
ゲート絶縁膜203が不均一に分解して変質するという
弊害と、を極めて効果的に防止することができる。ま
た、ゲート絶縁膜203を熱酸化で形成する際の温度を
コンタクト・アニールの温度よりも高くしていることに
より、急速加熱処理でゲート絶縁膜203に生じる膨張
/収縮に伴う熱衝撃や熱ストレスを、実効的に小さくす
ることができる。そのため、下記図26、図27で詳述
するように、急速高温加熱処理で生じるゲート絶縁膜2
03の電気特性の劣化(上述〜)を解決することが
できる、という効果が得られる。また、単結晶炭化珪素
と金属とのコンタクト・アニールに十分な温度で加熱処
理を施しているので、単結晶炭化珪素と金属との接触
は、接触抵抗が10−6Ωcm2台あるいはこれ以下を
示す極めて良好なオーミック接触が得られる。
キャパシタの内、任意の11個の電流−電圧特性図であ
る。ゲート電極の面積(開口部)は3.14×10−4
cm 2、ゲート絶縁膜の厚みは45nmであった。図2
6から明らかなとおり、試験したキャパシタがほぼ同じ
電流―電圧特性を示している。この電流−電圧特性はFo
wler-Northeim伝導として知られている薄い酸化膜本来
の真因性の特性であり、劣化を示唆するリーク性の伝導
は観察されない。絶縁破壊電圧はどれも45V(電界強
度では10MV/cm)以上と優れた値を与えている。
図26と前記図14の特性を比較すれば明らかなとお
り、この本発明に基づくMOSキャパシタのゲート絶縁
膜のリーク電流ならびに絶縁破壊電圧は、図14に示し
た従来技術の急速加熱処理を施したそれら(with RTA)
より、格段に改善されている。
Sキャパシタの高周波C−V特性である。前記図15に
示した従来技術では、急速加熱処理の結果、フラットバ
ンド電圧が正方向に大きくシフトし、少なくとも15V
以上になることが指摘されているが、同様の急速加熱処
理を施した本MOSキャパシタにおいては2V弱の値で
あり、これもまた大きく減少していることがわかる。こ
のフラットバンド電圧の低下(改善)は酸化膜界面の有
効電荷密度Qeff [/cm2] に換算して、Q effの
一桁の減少に相当する大きな改善である。
来技術においてコンタクト・アニールなどの急速加熱処
理(例えば真空中、1000℃で1分間)を施すと、
本来40Vくらいあるべきゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧
が1/8の5V以下に急落する(図14上グラフ)、
ゲート絶縁膜のリーク電流が著しく増大する(同グラ
フ)、フラットバンド電圧が通常の0V付近から15
V以上正方向にシフトする(図15)という問題があっ
たが、本発明においては、これら問題はすべて解決され
ている。
00℃で2分間のコンタクト・アニールを加えている。
この熱処理条件及び接触の形成方法はn+SiCに低抵
抗オーミック接触を行うための最適な製造方法である。
したがって、本発明実施の形態においては、SiC基板
裏面には極めて低抵抗のオーミック接触が得られる。言
いかえると、本発明は前記〜の問題を接触抵抗の増
大を招くことなく解決しているといえる。
実施の形態はコンタクト・アニールのみならず、実デバ
イスにおいてゲート絶縁膜がよく経験する上述したその
他のすべての熱工程、例えば、多結晶シリコン膜の成
膜、同膜へのリン不純物添加ドライブイン、層間絶縁膜
の堆積、同膜の高密度化熱処理等でも同様に起る問題
〜を解決する方法を提供している、ということであ
る。
フ)見ると、従来技術では、急速加熱処理をしていない
ゲート絶縁膜であっても、絶縁破壊電圧は最大でも40
V程度であり、また、低電圧で破壊するものや高いリー
ク電流を示す不良が相当数含まれていることがわかる。
これに比べて、本実施の形態のゲート絶縁膜の絶縁破壊
電圧はすべてが40V以上と高く、最もよいものは54
Vをも越えるものが得られている。また、リーク電流は
どれも小さく、絶縁破壊する直前まで真因性の伝導を示
す電流である。このように、本発明による炭化珪素半導
体装置およびその製造方法は、従来技術のゲート絶縁膜
に比べて良好な特性を示し、ゲート絶縁膜形成後の熱処
理やドライ・エッチングを含むデバイス製造工程を経て
も、その良好な特性を最後まで維持できる、という優れ
た効果を有している。
の形態は、特開平10−308510号公報に開示され
ているようなnチャネルタイプのプレーナ型パワーMO
SFETに、良好なゲート絶縁膜特性ならびにMOS界
面特性を実現するために、本発明を適用した例である。
図28は本発明に基づくパワーMOSFETの平面構成
を簡略的に示した図である。図29(a)は、図28上
の(a)断面線でパワーMOSFETを切断したときの
要部断面図であり、パワーMOSFETの1つのセルの
構造を示している。パワーMOSFETはこのようなセ
ルを縦横に多数連結させて(回路的には並列接続させ
て)構成される。また、図29(b)は、上記パワーM
OSFETセルの端部に隣接するゲート電極の取り出し
部分の断面構造であり、図28上の(b)断面線で切断
したときの要部断面図である。図28に示したパワーM
OSFETセルはいわゆる方形セルであるが、本発明は
このような方形セルにのみ限定されるものではなく、周
知の六方セルでも、あるいは、櫛歯型セルでも同様に適
用できる。なお、以下の説明において、とくに(b)断
面と特に断りがない場合は、(a)断面の説明か、ある
いは、(a)断面および(b)断面に共通の説明である
ものとする。
結晶SiC基板であり、表面(図中上面側主面)に厚み
10μm、窒素を4×10−15/cm3添加した第1
のn −エピタキシャル層222をホモエピタキシャル成
長させている。4H、6H、3C、15Rなど全ての晶
系(Hは六方晶、Cは立方晶、Rは菱面体晶を意味す
る)の基板を用いることができる。n−エピタキシャル
層222の表層部における所定領域には、所定深さを有
するp型不純物をわずかに添加したp−ベース層223
aおよび223bが離間して形成され、また、断面
(b)においてはp−ベース層223cが形成されてい
る。このp−ベース層223cは近接するMOSFET
セルのp−ベース層223aまたは223bと連続して
いる。
所定領域には、p−ベース層よりも浅いn+ソース層2
24a、224bが形成されている。さらに、n+型ソ
ース層224aと224bに接し、第1のn−エピタキ
シャル層222とp−ベース層223a、223b、2
23cの表層には第2のn−エピタキシャル層素片22
5が延設されている。この第2のn−エピタキシャル層
素片225は、デバイスの動作時にデバイス表面におい
てチャネル形成層として機能する。このn-エピタキシ
ャル層素片225の不純物濃度は、1×1015/cm
3〜1×101 7/cm3の間の低濃度であり、かつ、
第1のn−エピタキシャル層222及びp−ベース層2
23a、223bの不純物濃度以下であるものとする。
p−ベース層223a、223b、223c、n+ソー
ス層224a、224bの上部には基板凹部236a、
236b、236cが形成されている。
cの上部には厚み数100nm以上のフィールド絶縁膜
226が配設されている。フィールド絶縁膜226はS
iC基板221の表面を熱酸化して形成した薄い下部絶
縁膜227の上にSiCの熱酸化以外の手段(たとえば
減圧CVD法など)で形成した厚い上部絶縁膜228が
積層した構造になっている。
フィールド絶縁膜226に開けられたフィールド開口
部、230はフィールド開口部底面に形成されたゲート
絶縁膜である。このゲート絶縁膜230は成膜中あるい
は成膜後に酸素原子を含む酸化ガス中に直接さらして、
熱処理された膜であることを要する。ゲート絶縁膜20
30とフィールド絶縁膜226の所定領域の上には、導
電性を付与した多結晶シリコンのゲート電極231が設
けられている。このゲート電極231の側面および上面
には、多結晶シリコンを熱酸化させて形成した薄いゲー
ト電極側面絶縁膜265およびゲート電極上面絶縁膜2
66が配設されている。ゲート電極側面絶縁膜265お
よびゲート電極上面絶縁膜266、ならびに、ゲート絶
縁膜230で上部にゲート電極が置かれていない部分お
よびフィールド絶縁膜226の上には層間絶縁膜232
が成膜されている。
に開けられ、n+ソース層224a、224bおよびp
−ベース層223a、223bに貫通するソース開口部
である。このソース開口部233a、233bの底部に
はソース電極234a、234bがある。このソース電
極234a、234bはNiなどの薄い接触金属を配設
した後、急速過熱処理でSiCと合金化させて形成す
る。235はソース開口部233a、233bを介して
ソース電極234a、234bを同一基板上の他の回路
要素や外部回路に接続するための配線である。
26上に形成された多結晶シリコン・ゲート電極231
上部の層間絶縁膜232にはゲート電極結線開口部26
1が開けられていて、その底部には多結晶シリコンと合
金化したNiからなるゲート電極接触234cが置かれ
ている。ゲート電極接触234cとゲート電極結線開口
部261を介してゲート電極231と同一基板上の他の
回路要素や外部回路に接続するための第2の配線210
が層間絶縁膜232に載置されている。一方、n+単結
晶SiC基板221の裏面全面に配設された237は、
ドレイン電極である。このドレイン電極237は、Ni
などの薄い接触金属を基板裏に蒸着した後、急速過熱処
理でSiCと合金化させて形成する。
MOSFET(セルとゲート電極取り出し部)の製造方
法を説明する。図30〜図33は図29(a)に示した
素子の製造方法の工程を示す断面図、図34〜図37は
図29(b)に示した素子の製造方法の工程を示す断面
図である。以下、それぞれの素子の製造工程を一まとめ
にして説明する。
は、特願平10−308510号で記載されているよう
にして、n+SiC基板221に第1のn−エピタキシ
ャル層222、p− ベース層223aおよび223
b、223c、n+ソース層224a、224b、第2
のn−エピタキシャル層素片225、基板凹部236
a、236b、236cを形成する。第1、第2のn−
エピタキシャル層の成長に伴って形成されるSiC基板
221裏面の低品質のエピタキシャル層は、前記第4、
第5の実施の形態で説明した手順で取り除かれているも
のとする。なお、以下の説明において、特に断らない場
合は、SiC基板221にエピタキシャル層222やそ
の他の膜や電極が形成されたものを基板と呼んでいる。
2)では、RCA洗浄などで十分洗浄した基板をドライ
酸素雰囲気で熱酸化して基板表面並びに裏面に熱酸化膜
を成長し、緩衝フッ酸溶液を用いて直ちに取り除く。こ
の時、すでに述べた理由により、熱酸化膜の厚みは50
nm未満、好ましくは5〜20nmが望ましい。犠牲酸
化が終了した基板を再び、RCA洗浄などで十分洗浄し
た後、基板表面に薄い下部絶縁膜227と厚い上部絶縁
膜228からなるフィールド絶縁膜226を成膜する。
下部絶縁膜227は、基板表面をドライ酸素雰囲気で酸
化して形成した約10nmの熱酸化膜であり、上部絶縁
膜228は熱酸化以外の方法で形成した所望の厚みの絶
縁膜、たとえば、酸素とシランを用いた常圧CVDで形
成した400nm厚のSiO2膜などを使用することが
できる。下部絶縁膜227の厚みは、50nm未満、好
ましくは5〜20nmが望ましい。下部絶縁膜227の
熱酸化はドライ酸化に限定されるものではなく、ウエッ
ト酸化や他の酸化ガスを用いた熱酸化でもよい。基板表
面に下部絶縁膜227を成長させてから、上部絶縁膜2
28を成膜してもいいし、逆に、上部絶縁膜228を成
膜してから熱酸化して、基板と上部絶縁膜228の間に
下部絶縁膜(熱酸化膜)227を形成してもよい。な
お、図中の401は下部絶縁膜227を形成する際に基
板裏面に自動的に形成される第1の一過性の熱酸化膜で
ある。この第1の一過性の熱酸化膜401は工程(a
1)および(b1)で生じた基板裏面の相当深い研削損
傷層を効果的に取りこみ、後続の工程で除去することに
よって、損傷層を取り除く効果がある。
3)では、基板の表面にフォトレジストを塗布し、露光
し、現像し、基板を緩衝フッ酸溶液に浸漬してウエット
エッチングすることで、フィールド絶縁膜226の所定
の位置にフィールド開口部229を形成する。第1の一
過性の熱酸化膜401は一緒にエッチングされて、ここ
で消失する。微細なフィールド開口部229を形成する
ときは、CF4ガスプラズマなどを用いた反応性イオン
エッチング等のドライエッチングを用いることができる
が、この場合には、最初にドライ・エッチングを行い、
フィールド絶縁膜を数100nm残したところで、必
ず、上記緩衝フッ酸溶液を用いたウエット・エッチング
に切り換えるようにする。エッチングが終了したらフォ
トレジストを剥離する。
では、レジスト残滓で汚れた基板を再び、RCA洗浄な
どで十分洗浄するとともに、洗浄の最終段階において、
RCA洗浄でフィールド開口部229の表面に生成した
化学的酸化膜(SiO2)を除去するために緩衝フッ酸
溶液に5秒〜10秒間浸し、超純水で緩衝フッ酸溶液を
完全にすすぎ落とした後、乾燥する。
ルド開口部229の基板表面に所望の厚み(たとえばこ
こでは40nm厚)のゲート絶縁膜230を成長させ
る。ゲート酸化の条件としては、これに限定されるわけ
ではないが、たとえば、温度1100℃でのドライ酸化
がよい。ここでコンタクト・アニールのような急速加熱
処理に耐えられるゲート絶縁膜230を実現するための
重要なポイントは、熱酸化温度は全ての後続工程のどの
熱処理温度よりも高く設定するということである。本実
施の形態では、後に、表側のソース電極および裏面ドレ
イン電極237のオーミック接触を実現するために、温
度1000℃の急速加熱処理を実施するので、それより
高い1100℃という酸化温度が選ばれた。表面荒れが
著しくなる50nm以上のゲート絶縁膜にしたい場合に
は、SiCの熱酸化膜の上に他の成膜手段で形成した絶
縁膜(たとえば、CVD−SiO2膜)を積層し、所望
の厚みにする。
226に下に位置するSiC基板(第2のn−エピタキ
シャル層素片225とp−ゲート層223cのそれぞれ
一部)も若干酸化されるので、フィール絶縁膜の下部絶
縁膜227の厚みが増大する。また、402はゲート酸
化のときに基板裏面に自動的に生成される比較的厚い第
2の一過性の熱酸化膜である。この熱酸化膜も第1の一
過性の熱酸化膜401同様に基板裏面の研削損傷層を効
果的に除去する作用を有する。
5)では、ゲート絶縁膜230を形成し終ったら直ちに
基板の表面及び裏面全面にシラン原料を用いた減圧CV
D法(成長温度600℃〜700℃)で厚み300〜4
00nm多結晶シリコン膜を成膜し、その後、塩素酸リ
ン(POCl3)と酸素を用いた周知の熱拡散法(処理
温度900℃〜950℃)で多結晶シリコン膜にP(リ
ン)を添加し、導電性を付与する。つづいて、基板表面
にフォトレジストを塗布して、フォトリソグラフィと、
C 2F6と酸素をエッチャントとした反応性イオンエッ
チング(RIE)を用いて、基板表面側の多結晶シリコ
ン膜の不要な部分を取り除き、ゲート電極231を形成
する。なお、403は上記多結晶シリコン膜の成膜で基
板裏面に堆積した一過性の多結晶シリコン膜である。次
に、RIEに使用したフォトレジストを完全に除去した
後、基板をRCA洗浄して、十分清浄化したところで、
900℃のドライ酸素雰囲気で熱酸化させて、多結晶シ
リコンの表面に多結晶シリコンの熱酸化膜を生成する。
265と266はこのようにして多結晶シリコンのゲー
ト電極の側面および上面に形成された絶縁膜である。ま
た、404は、この時、一過性の多結晶シリコン膜40
3の表面に形成された一過性の多結晶シリコン熱酸化膜
である。
6)では、基板の表面全面に層間絶縁膜232を堆積す
る。この層間絶縁膜232としては、シランと酸素を原
料とした常圧CVD法で約1μm厚のSiO2膜あるい
は更にリンを添加したリン珪酸ガラス(PSG)、更に
これにホウ素を添加したホウ素リン珪酸ガラス(BPS
G)などが適しているが、これに限定されるものでは
い。この後、基板を通常の拡散炉に入れ、N2雰囲気で
数10分の穏やかな熱処理を行い、層間絶縁膜232を
高密度化する。この時の熱処理温度は、ゲート絶縁膜の
形成(熱酸化)温度より低い温度、たとえば、900℃
〜1000℃の範囲で適宜選ばれる。
7)では、基板の表面にフォトレジストを塗布し、露光
し、現像した後、基板を緩衝フッ酸溶液(NH4F+H
F混合液)に浸漬し、ウエットエッチングすることで、
層間絶縁膜232の所定の位置にソース開口部233
a、233bとゲート電極結線開口部261を形成す
る。微細な開口部を形成するときは、CF4ガスプラズ
マなどを用いた反応性イオンエッチング(RIE)等の
ドライエッチングを用いることができるが、とくに低抵
抗のソース・コンタクトを形成したい場合には、最初に
ドライ・エッチングを行い、層間絶縁膜232を貫通さ
せずに数100nm残したところで、上記緩衝フッ酸溶
液を用いたウエット・エッチングに切り換えるようにす
る。なお、緩衝フッ酸溶液を用いたウエット・エッチン
グ時に、基板裏面の多結晶シリコン熱酸化膜404もい
っしょに除去される。エッチングが終了したら、基板を
十分濯いで乾燥させ、直ちに、エッチング・マスクとし
てのフォトレジストが付いたままの基板を高真空に維持
された蒸着機に設置して、基板表面に接触金属405を
全面蒸着する。この接触金属としては、たとえば、50
nm厚のNiがよい。この際、開口エッチングと接触金
属の蒸着との間の放置時間は後述するソース電極やゲー
ト電極接触の接触抵抗の大小を左右する極めて重要な因
子のひとつである。この時間が長いと、開口部のSiC
や多結晶シリコンの表面に自然酸化膜が生成されたり、
ハイドロ・カーボンが再付着したりして、これが原因と
なって後述の合金層の均一形成が妨げられ、接触抵抗を
劇的に増加させたり、ばらつかせたりする。したがって
開口部エッチング後は可能な限り早く接触金属405を
被着させる必要がある。蒸着が終了したら、基板を専用
のフォトレジスト・ストリッパに浸漬させ、基板表面に
残されているフォトレジストを完全に除去する。それに
より、フォトレジストの上に被着した接触金属405も
同時に除かれ、ソース開口部233a、233b上及び
ゲート電極結線開口部261の底面にのみ接触金属40
5を残した基板構造ができあがる。
8)では、基板を十分濯いで、乾燥させた後、表面全面
に厚み1μm以上の保護用レジスト材(フォトレジスト
でよい)を塗布し、CF4とO2を用いたドライ・エッ
チングを行い、裏面側多結晶シリコン膜403を完全に
除去する。ドライエッチング中に起きる恐れのあるプラ
ズマダメージや帯電ならびに汚染から接触金属405と
ゲート絶縁膜230の劣化を防止するために、上記レジ
ストによる表面保護工程は必ず必要である。次に、基板
を緩衝フッ酸に浸して第2の一過性の熱酸化膜402を
除去し、基板裏面に清浄な結晶面を露出させる。緩衝フ
ッ酸溶液を超純水で完全に濯ぎ落して、乾燥させたとこ
ろで、速やかに基板を高真空に維持された蒸着装置の中
に据え付け、裏面に所望の裏面接触金属406を蒸着す
る。この裏面接触電極406の材料としては、たとえ
ば、50nm厚のNi膜を用いることが出来る。
9)では、表面保護に使用したレジストを当該レジスト
の専用ストリッパ液で完全に剥離し、基板を十分濯いで
から乾燥させ、直ちに急速加熱処理装置に設置して、高
純度Ar雰囲気で1000℃、2分間の急速加熱処理
(コンタクト・アニール)を実施する。この熱処理によ
って、ソース開口部233a、233b、ゲート電極結
線開口部261ならびに裏面の接触金属(Ni膜)40
5、406は、それぞれ、n+ソース層やp−ベース層
のSiC、n+多結晶シリコン、n+SiC裏面と同時
に合金化し、極めて低抵抗を示すソース電極234a、
234b、ゲート電極接触234c、ドレイン電極23
7が形成される。このとき、同時に熱処理を受けるゲー
ト絶縁膜230(ゲート電極下のゲート領域部分)が、
多結晶シリコンのゲート電極231と、第2のエピタキ
シャル層素片225と、第2のエピタキシャル層素片2
25の熱酸化膜(ゲート絶縁膜230のうちゲート領域
外の部分、つまり実際のゲート絶縁膜に隣接する周囲部
分及びフィールド絶縁膜の下部絶縁膜227を指す)
と、多結晶シリコンの熱酸化膜であるゲート側面絶縁膜
265と、で周囲を完全に被われた耐熱・耐熱衝撃性の
構造を確立している点に注目する必要がある。
(b10)では、コンタクト・アニールが済んだ基板を
高真空に維持されたマグネトロンスパッタリング装置に
速やかに据え付け、基板の上部全面に所望の配線材料、
たとえばAlを1μm厚に蒸着する。この後、Al膜を
成膜した基板上面にフォトレジストと塗布し、露光し、
現像して、エッチングのレジストマスクを形成した後、
基板裏面に裏面電極保護用のフォトレジストを塗布し
て、このレジストを十分乾燥させてから、リン酸系のエ
ッチング液を用いてAl膜をパターン化し、ドレイン電
極に接続する配線235とゲート電極に接続する配線2
10を形成する。裏面のレジストはドレイン電極237
がリン酸系のエッチング液に溶出して、消失したり変質
したりするのを防止する目的で形成されるが、このおそ
れがない場合やAl膜をRIE(ドライ)でエッチング
するときには、省略することができる。最後にレジスト
マスクとドレイン電極保護に使用した保護レジストを専
用ストリッパ液で完全に除去し、基板を十分濯いでから
乾燥させる。こうして、図28、図29に示した本発明
のプレーナ型パワーMOSFETが完成する。
MOSFETのゲート絶縁膜のI−V特性及び高周波C
−V特性を評価したところ、それぞれ、図20、図21
や図26、図27と同等の特性が得られた。なお、この
測定の際には、測定に便利なようにp−ベース223a
とp−ベース223bの離間距離を200μmと特別に
大きくした試料を用いている。上記のように、プレーナ
型パワーMOSFETに本発明を適用した場合において
も、第4、第5の実施の形態で説明したMOSキャパシ
タと同等の効果が得られる。この結果は、MOSキャパ
シタのゲート電極周辺とプレーナ型パワーMOSFET
セルのゲート電極周辺の構造およびこの構造を作るため
のプロセスを対比させると、当然予期される結果である
ことが理解できる。すなわち、図29(a)のn+ソー
ス層224a、224b、p−ベース層223a、22
3b、223cは、n型不純物、p型不純物を添加した
領域であるが、図30で説明したとおり、その母体はn
−エピタキシャル層(225あるいは237)である。
つまり、本発明による図29(a)のプレーナ型パワー
MOSFETのゲート電極周辺の断面構造は、前記第4
と第5の実施の形態の断面構造を組み合せたものであ
り、実質的に異なるところがない。
造プロセスと前記第5の実施の形態のMOSキャパシタ
の製造プロセスを比較すると、ゲート絶縁膜を形成して
から層間絶縁膜を形成するまので工程は全く同じであ
る。その後の工程もMOSFETではソース(ゲート電
極)接触金属405をソース開口部233a、233b
底とゲート電極開口部底261に接触金属Niを同時形
成する工程が挿入されてはいるが、この工程は室温での
プロセスなので、ゲート絶縁膜の特性に影響を与える高
温での熱処理の履歴という点で比較すると、両者はほぼ
同じと言ってもよい。
5の実施の形態と共通する効果を有するのに加えて、従
来のプレーナ型を含めたSiC縦型MOSFET固有の
以下の問題点を解決できるので説明する。前記第2の実
施の形態で説明したように、図16は特開平10−30
8510で開示されているSiCを用いた典型的なパワ
ーMOSFETセルの模式図的要部断面構造である。周
知のとおり、パワーMOSFETのように大電流を制御
する素子では熱損失を小さくするためにできるだけ接触
抵抗を低減することが望ましい。たとえば逆方向耐電圧
1kV級素子では少なくとも、ソース/ドレインの接触
抵抗を10−5Ωcm2以下に低減する必要がある。こ
の目的に適うソース/ドレインへの接触金属は、Crofto
n等が総合報告(Phys.Stat.Sol.,202,p.5811997)の中で
論じているように、現在のところNiが最も適してい
る。ところが、接触金属として有望なNiを、内部配線
を兼ねるソース電極10’として使用すると、Niが下
部のLTO膜(シリコン酸化膜)9’との密着強度が弱
いため、LTO膜上のNiが剥がれ、その結果、SiC
上のNiもはがれるという問題があり、また、コンタク
ト・アニールすると下部のLTO膜(堆積シリコン酸化
膜)が還元され侵食される、という問題もある。
おいては、図32を見ればあきらかなとおり、ソースの
接触金属(Ni)405はシリコン酸化膜=層間絶縁膜
232の上には形成されない構造をしている上に、コン
タクト・アニール等の高温熱処理あるいは急激熱処理は
配線235を蒸着する前に行うという予防措置もとって
いるので、このような問題は全く起きない。すなわち、
本第6の実施の形態にかかるMOSFETは、これら従
来のMOSFETの問題点を解決できるという特別な効
果も有している。
では、図16(特開平10−308510号)の構造の
MOSFETに光を照射するとフラットバンド電圧が正
方向に大きくシフトする不良があることを指摘するとと
もに、これを解決するために表面チャネル層窒素のドー
ピング濃度を1×10−15[/cm3]以下にする解決策
を提案している。しかし、この方法では、MOSFET
の閾値電圧制御や埋めこみチャネル形成などで使用する
イオン注入工程において、イオン注入種(n型ドーパン
ト)としての窒素Nを使用することを禁じたに等しい措
置であり、MOSFETの製造技術上重大な制約を科す
ことになっている。
るパワーMOSFETにおいては、10−15[/cm3]
あるいはこれ以上のエピタキシャル層を用いてMOSF
ETを構成しても、光照射でフラントバンド電圧が大き
くシフトする現象は観察されない。すなわち、本第6の
実施の形態にかかるパワーMOSFETの構造およびそ
の製造方法は、図16の構成のMOSFETが陥ってい
た光を照射するとフラットバンド電圧が正方向に大きく
シフトするという問題を解決することができるという効
果を有するものである。と同時に、本第6の実施の形態
にかかるパワーMOSFETの構造及びその製造方法
は、特開2000−200907号においてこの問題の
解決のために科せられたドーパント窒素N使用の制約を
も解き放ち、イオン注入種としての窒素Nの使用も可能
にするという優れた効果も具有している。
は、nチャネルタイプのプレーナ型パワーIGBT(In
sulated Gate Bipolar Transistor)に、良好なゲート
絶縁膜特性ならびにMOS界面特性を実現するために、
本発明を適用した例である。図38はプレーナ型パワー
IGBTの要部断面図である。この構造は前に説明した
プレーナ型パワーMOSFETの構造(図29)と酷似
しているが、これは偶然ではない。というのもIGBT
は、MOSFETとバイポーラトランジスタとの複合テ
バイスで、歴史的にnチャネルMOSFETのドレイン
側n+基板221をp+基板241に換えることで伝導
度変調効果を誘起して、第1のn−エピタキシャル層2
22の抵抗成分を激減させることを狙って、発明された
デバイスだからである。
部断面図を示している。このセルは、周知の方形セルで
も、六方セルでも、あるいは、櫛歯型セルであってもよ
い。パワーIGBTはこのようなセルを縦横に多数連結
させて(回路的には並列接続させて)構成される。一
方、図38(b)は上記セル群から成るパワーIGBT
の端部に隣接するゲート電極の取り出し部分の断面を示
している。図38(b)のR−R’軸切断断面は図38
(a)の構造をしている。なお、以下の説明において、
とくに断りがない場合は、(a)断面の説明、あるい
は、(a)断面および(b)断面に共通の説明であるも
のとする。
p+SiC基板であり、表面(図中上面側主面)に厚み
10μm、窒素を4×10−15/cm3添加した第1
のn −エピタキシャル層222をホモエピタキシャル成
長させている。p型不純物としてAlが濃度1×10
−19/cm3以上添加されており、4H、6H、3
C、15Rなど全ての晶系(Hは六方晶、Cは立方晶、
Rは菱面体晶を意味する)の基板を用いることができ
る。n−エピタキシャル層222の表層部における所定
領域には、所定深さを有するp型不純物をわずかに添加
したp−ベース層223aおよび223bが離間して形
成され、また、断面(b)においてはp−ベース層22
3cが形成されている。このp−ベース層223cは近
接するIGBTセルのp−ベース層223aまたは22
3bと連続している。
所定領域には、p−ベース層よりも浅いn+エミッタ層
244a、244bが形成されている。さらに、n+型
エミッタ層244aと244bに接し、第1のn−エピ
タキシャル層222とp−ベース層223a、223
b、223cの表層には第2のn−エピタキシャル層素
片225が延設されている。この第2のn−エピタキシ
ャル層素片225は、デバイスの動作時にデバイス表面
においてチャネル形成層として機能する。このn −エピ
タキシャル層素片225の不純物濃度は、1×1015
/cm3〜1×1017/cm3の間の低濃度であり、
かつ、p−ベース層223a、223b、223cの不
純物濃度以下であるものとする。p−ベース層223
a、223b、223c、n+エミッタ層244a、2
44bの上部には、凹部236a、236b、236c
が形成されている。
cの上部には厚み数100nm以上のフィールド絶縁膜
226が配設されている。フィールド絶縁膜226はS
iC基板241の表面を熱酸化して形成した薄い下部絶
縁膜227の上にSiCの熱酸化以外の手段(たとえば
減圧CVD法など)で形成した厚い上部絶縁膜228が
積層した構造になっている。
ールド絶縁膜226に開けられたフィールド開口部、2
30はフィールド開口部底面に形成されたゲート絶縁膜
である。このゲート絶縁膜230は成膜中あるいは成膜
後に酸素原子を含む酸化ガス中に直接さらして、熱処理
された膜であることを要する。ゲート絶縁膜230とフ
ィールド絶縁膜226の上には、導電性を付与した多結
晶シリコンのゲート電極231が設けられている。この
ゲート電極の側面および上面には、多結晶シリコンを熱
酸化させて形成した薄いゲート電極側面絶縁膜265お
よびゲート電極上面絶縁膜266が配設されている。ゲ
ート電極側面絶縁膜265およびゲート電極上面絶縁膜
266、ならびに、ゲート絶縁膜230で上部にゲート
電極が置かれていない部分およびフィールド絶縁膜22
6の上には層間絶縁膜232が成膜されている。
に開けられ、n+エミッタ層244a、244b/p−
ベース層223a、223bに貫通するエミッタ開口部
である。このエミッタ開口部243a、243bの底部
にはエミッタ電極254a、254bがある。エミッタ
電極254、254bはNiなどの接触金属を配設した
後、急速過熱処理でSiCと合金化させて形成する。2
35はエミッタ開口部243a、243bを介してエミ
ッタ電極254a、254bを同一基板上の他の回路要
素や外部回路に接続するための配線である。
26上に形成された多結晶シリコンのゲート電極231
上部の層間絶縁膜232にはゲート電極結線開口部26
1が開けられていて、その底部には多結晶シリコンと合
金化したNiからなるゲート電極接触254cが置かれ
ている。ゲート電極接触254cとゲート電極結線開口
部261を介してゲート電極231と同一基板上の他の
回路要素や外部回路に接続するための第2の配線210
が層間絶縁膜232に載置されている。一方、p+単結
晶SiC基板241の裏面全面に配設された247は、
コレクタ電極である。このコレクタ電極247は、Ti
とAlをこの順に、それぞれ80nm厚、380nm厚
だけ積層したTi/Alなどの接触金属を基板裏に蒸着
した後、急速過熱処理でp+SiCと合金化させて形成
する。
OSFETの構造と本質的に違っているのは、SiC基
板241がp+基板であることと、基板裏面のコレクタ
電極247の材料がp型基板にオーミック接触が得やす
いTi/Alになっていること、この2点だけである。
なお、エミッタ開口部243a、243b、エミッタ層
244a、244b、エミッタ電極254a、254b
などはIGBTがバイポーラ・デバイスであることから
ここでは便宜的に命名しただけで、これらは図29のソ
ース開口部233a、233b、ソース層224a、2
24b、ソース電極234a、234bと同じものであ
る。
IGBTの製造方法を説明する。図39〜図42は、上
記図38に示したIGBTの製造方法の工程を示す断面
図であり、図39と図40は図38(a)の構造、図4
1と図42は図38(b)の構造の製造工程を示す断面
図である。以下、共通の部分は纏めて説明する。
1)では、p+SiC基板241に第1のn−エピタキ
シャル層222、p−ベース層223aおよび223
b、223c、n+エミッタ層244a、244b、第
2のn−エピタキシャル層素片225、基板凹部236
a、236b、236cを形成する。ここではSiC基
板241の伝導型がp+であることに注意を要する。そ
して第1、第2のn−エピタキシャル層の成長で形成さ
れたp+SiC基板241裏面の低品質のエピタキシャ
ル層は前記第4の実施の形態で説明した手順で取り除
く。なお、以下の説明において、特に断らない場合は、
p+SiC基板241にエピタキシャル層222やその
他の膜や電極が形成されたものを基板と呼んでいる。
2)〜図32(a7)、図34(b2)〜図36(b
7)で説明した工程と同じ製造工程を実施することによ
り、エミッタ開口部243a、243b上及びゲート電
極結線開口部261の底面にのみ接触金属(Ni)40
5を残した基板構造が出来上がる。この状態を図39
(a7)と図41(b7)に示す。
8)では、基板を十分濯いで、乾燥させた後、表面全面
に厚み1μm以上の保護用レジスト材(フォトレジスト
でよい)を塗布し、CF4とO2を用いたドライ・エッ
チングを行い、裏面側多結晶シリコン膜403を完全に
除去する。ドライ・エッチング中に起きるおそれのある
プラズマダメージや帯電ならびに汚染から接触金属40
5とゲート絶縁膜230の劣化を防止するために、上記
レジストによる表面保護工程は必ず必要である。次に、
基板を緩衝フッ酸に浸してp+SiC基板241と多結
晶シリコン膜403の間に形成されていた第2の一過性
の熱酸化膜402を除去して、基板裏面に清浄なSiC
結晶面を露出させる。その後、緩衝フッ酸溶液を超純水
で完全に濯ぎ落して、乾燥させたところで、速やかに基
板を高真空に維持された蒸着装置の中に据え付け、裏面
全面に所望の裏面接触金属407を蒸着する。この裏面
接触金属407としては、たとえば、TiとAlをこの
順に、それぞれ80nm厚、380nm厚だけ積層した
Ti/Al膜などがある。基板側面に電極材料が付着す
るおそれがある場合には、周辺部をシャドーマスクを使
用して外縁部を隠蔽して蒸着を行う。
9)では、表面保護に使用したレジストを当該レジスト
の専用ストリッパ液で完全に剥離し、基板を十分濯いで
から乾燥させ、直ちに急速加熱処理装置に設置して、高
純度Ar雰囲気で1000℃、2分間の急速加熱処理
(コンタクト・アニール)を実施する。この熱処理によ
って、エミッタ開口部243a、243b、ゲート電極
結線開口部261の接触金属(Ni膜)405はそれぞ
れn+エミッタ層とp−ベース層のSiCやn+多結晶
シリコンと合金化し、極めて低抵抗を示すエミッタ電極
254a、254b、ゲート電極接触254cを形成す
る。同時に、裏面の接触金属(Ti/Al膜)407は
p+SiC基板241裏面と合金化し、極めて低抵抗を
示すコレクタ電極247が形成される。このとき、同時
に熱処理を受けるゲート絶縁膜230が、多結晶シリコ
ンのゲート電極231と、第2のエピタキシャル層素片
225と、第2のエピタキシャル層素片225の熱酸化
膜(ゲート絶縁膜230のうちゲート領域外の部分、つ
まり実際のゲート絶縁膜に隣接する周囲部分及び下部絶
縁膜227を指す)と、多結晶シリコンの熱酸化膜から
なるゲート側面絶縁膜265と、で周囲を完全に被われ
た、耐熱・耐熱衝撃性の構造を確立している点に注目す
る必要がある。最後に、図40(a10)および図42
(b10)では、コンタクト・アニールが済んだ基板を
高真空に維持されたマグネトロンスパッタリング装置に
速やかに据え付け、基板の上部全面に所望の配線材料、
たとえばAlを1μm厚に蒸着する。この後、Al膜を
成膜した基板上面にフォトレジストと塗布し、露光し、
現像して、エッチングのレジストマスクを形成した後、
基板裏面に裏面電極保護用のフォトレジストを塗布し
て、このレジストを十分乾燥させてから、リン酸系のエ
ッチング液を用いてAl膜をパターン化し、配線235
と配線210を形成する。裏面のレジストはコレクタ電
極247がリン酸系のエッチング液に溶出して、消失し
たり変質したりするのを防止する目的で形成されるが、
このおそれがない場合やAl膜をRIE(ドライ)でエ
ッチングするときには、省略することができる。最後に
レジストマスクとドレイン電極保護に使用した保護レジ
ストを専用ストリッパ液で完全に除去し、基板を十分濯
いでから乾燥させる。こうして、図38に示した本発明
に係るプレーナ型パワーIGBTが完成する。本第7の
実施の形態においても、その基本構造が同じことから予
想されるように、前記第4〜第6の実施の形態と同様の
効果が得られる。
実施の形態で説明したように、ゲート電極側面絶縁膜2
05および265は本発明において極めて重要な役割の
ひとつを演じている。前記各実施の形態ではいずれも、
これを形成するのに、多結晶シリコンのゲート電極を単
に熱酸化する方法を取ってきた。しかし、この方法では
ゲート電極側面ばかりでなく上面も同時に酸化され、結
果として、ゲート電極の厚みが減少することになるの
で、ゲート電極側面絶縁膜205および265の厚みを
任意に厚くすることができないという制約がある。ゲー
ト電極のドライ・エッチングの際に、ゲート絶縁膜の内
部まで損傷や汚染が起きやすいエッチング装置を使わざ
るを得ない時は、この制約が問題として表面化する。第
8の実施の形態は、このような制約のないゲート電極側
面絶縁膜を提供しようとするものである。ここでは一例
として、図22に示した第5の実施の形態のMOSキャ
パシタのゲート電極側面絶縁膜205を形成する工程を
用いて説明することにするが、これに限ったわけではな
く、図17、図29、図38の各素子のゲート電極側面
絶縁膜205や265にも同じように適用できること
を、説明を始める前に、断っておく。なお、本第8の実
施の形態で出来るMOSキャパシタの構造は図22で説
明した構造と全く同じであるから、構造の説明は省略す
る。
の製造方法を説明する。図43と図44は上記図22の
セルの製造方法の工程を示す断面図である。なお、工程
(a)〜(d)の部分は、前記第5の実施の形態の図2
3(a)〜図24(d)で説明した工程と同じであり、
上記の製造工程を実施することにより、フィールド開口
部214にゲート絶縁膜203と、基板裏面に第2の一
過性の熱酸化膜301が形成された基板構造ができあが
る。この状態を図43(d)に示す。
表裏全面にシラン原料を用いた減圧CVD法(成長温度
600℃〜700℃)で、厚み300〜400nm多結
晶シリコン膜を成膜した後、塩素酸リン(POCl3)
と酸素を用いた周知の熱拡散法(処理温度900℃〜9
50℃)で多結晶シリコン膜に不純物Pを縮退するまで
添加し、導電性を付与する。つづいて、900℃のドラ
イ酸素雰囲気で熱酸化させて基板の表および裏の多結晶
シリコンの表面に薄い多結晶シリコンの熱酸化膜を成長
させた後、ジクロルシランとアンモニアを原料に用いた
減圧CVD法で基板の表裏全面に150nm厚の窒化シ
リコン(Si3N4)膜を成膜する。窒化シリコン膜の
成膜温度は750℃〜800℃である。減圧CVD法に
よる窒化シリコンは一般に引っ張り応力が極めて強く、
多結晶シリコン膜に直接形成したのでは、多結晶シリコ
ン膜やその下のゲート絶縁膜に悪影響を与えるおそれれ
がある。そのため、応力緩和層として、このように多結
晶シリコンの熱酸化膜を間に挟むようにする。その後、
基板上面にフォトレジストを塗布し、露光・現像して、
これをマスクとして、C 2F6と酸素を用いた反応性イ
オンエッチング(RIE)を行い、基板上面側の窒化シ
リコン膜と多結晶シリコン熱酸化膜、多結晶シリコン膜
の不要な部分を取り除き、多結晶シリコンのゲート電極
204を形成する。その後、RIEで使用したレジスト
・マスクを基板から完全に除去する。なお、基板上面の
206はゲート電極上面絶縁膜(上記多結晶シリコンの
熱酸化膜)、406は上記減圧CVD法で形成した一過
性の窒化シリコン膜である。また、基板裏面において
は、302は一過性の多結晶シリコン膜、407はゲー
ト電極上面絶縁膜206と同時に熱酸化で形成された一
過性の多結晶シリコン熱酸化膜、408は406と同時
に成膜された一過性の窒化シリコン膜である。
洗浄し、乾燥させた後、900℃のドライ酸素雰囲気で
熱酸化させて多結晶シリコンのゲート電極204の側面
に所望の厚み(たとえば200nm厚)のゲート電極側
面絶縁膜205を成長させる。多結晶シリコンが酸素と
化合して酸化物(SiO2)となったゲート電極側面絶
縁膜205は膨張して、図のように、元のゲート電極2
04の上面に比べやや上に突起した構造になる。
な目的のひとつは、第4の実施の形態で述べたように、
ゲート電極をドライ・エッチングで形成したときイオン
衝撃や金属汚染で劣化したゲート絶縁膜帯状領域の直上
の多結晶シリコンを非導電性の酸化物(SiO2)、つ
まりゲート電極側面絶縁膜205に完全に転化させ、劣
化領域にゲート電圧が正味、印加されないゲート電極外
縁構造を確立することである。この目的を達成するため
には、上記劣化したゲート絶縁膜帯状領域上部のゲート
電極をすべて側壁絶縁膜に変換することが必要である。
しかし、第4〜第7の実施の形態の製造工程で説明した
多結晶シリコンのゲート電極を単純に熱酸化する方法で
は、ゲート電極の熱酸化が上面と側面とで同時に進行す
るため、側面絶縁膜の厚みはせいぜい100nmと制限
があり、上記劣化したゲート絶縁膜帯状領域がこれより
厚い場合(ドライエッチング装置の性質によって決ま
る)には、ゲート電極側面絶縁膜の形成を十分行えない
ことがある。この点、本第8の実施の形態においては、
多結晶シリコンのゲート電極204の上面は耐酸化性の
高い一過性の窒化シリコン膜406で被覆されているの
で、熱酸化は気相に露出しているゲート電極204の側
面だけで起き、ゲート電極204の上面が熱酸化される
ことはない。すなわち、本第8の実施の形態では、ゲー
ト電極204の上面が熱酸化されることを考慮すること
なく、ゲート電極側面絶縁膜205の厚みを任意に設定
できるという特徴を備えている。したがってゲート電極
204の厚みを超えるゲート電極側面絶縁膜205を成
長させることも可能である。なお、裏面の一過性の多結
晶シリコン膜302も、一過性の窒化シリコン膜408
で被覆されていることから明らかなように、上記ゲート
電極204の上面と同様に熱酸化を免れる。
フッ酸溶液に数秒浸漬し、一過性の窒化シリコン膜40
6と407の表面に、前工程のゲート電極の側面熱酸化
で僅かに形成された窒化シリコン膜の熱酸化膜(非常に
薄いので図43(e−2)には表示せず)を取り除き、
超純水で十分濯いでから、こんどは熱濃りん酸に浸漬
し、一過性の窒化シリコン膜406と407を除去し、
その後、超純水で十分濯いでから乾燥する。この後は図
24(f)〜図25(i)を用いて説明したのと全く同
様にして工程を進め、MOSキャパシタが完成する。
構造が同じことから予想されるように、前記第4〜第7
の実施の形態と同様の効果が得られる。本第8の実施の
形態で説明したゲート電極側面絶縁膜の形成工程図43
(e−1)〜図44(e−3)は、図17に示したMO
Sキャパシタ構造のゲート電極側面絶縁膜や図29に示
したパワーMOSFETセル構造のゲート電極側面絶縁
膜、図38に示したパワーIGBTセル構造のゲート電
極側面絶縁膜の形成法としても適用できることは、言う
までもない。
シタの要部断面図。
シタの製造工程の一部を示す断面図。
シタの製造工程の他の一部を示す断面図。
シタの電流−電圧特性図。
シタの高周波容量−DCバイアス電圧特性図。
の要部断面図。
の製造工程の一部を示す断面図。
の製造工程の他の一部を示す断面図。
の製造工程の他の一部を示す断面図。
Tの製造工程の他の一部を示す断面図。
要部断面図。
製造工程の一部を示す断面図。
製造工程の他の一部を示す断面図。
電圧特性図。
容量−DCバイアス電圧特性図。
図。
パシタの要部断面図。
パシタの製造工程の一部を示す断面図。
パシタの製造工程の他の一部を示す断面図。
パシタの電流−電圧特性図。
パシタの高周波容量−DCバイアス電圧特性図。
パシタの要部断面図。
パシタの製造工程の一部を示す断面図。
パシタの製造工程の他の一部を示す断面図。
パシタの製造工程の他の一部を示す断面図。
パシタの電流−電圧特性図。
パシタの高周波容量−DCバイアス電圧特性図。
SFETの要部平面図。
SFETの製造工程の一部を示す断面図。
SFETの製造工程の他の一部を示す断面図。
SFETの製造工程の他の一部を示す断面図。
SFETの製造工程の他の一部を示す断面図。
SFETの製造工程の他の一部を示す断面図。
SFETの製造工程の他の一部を示す断面図。
SFETの製造工程の他の一部を示す断面図。
SFETの製造工程の他の一部を示す断面図。
パワーIGBTの要部断面図。
パワーIGBTの製造工程の一部を示す断面図。
パワーIGBTの製造工程の他の一部を示す断面図。
パワーIGBTの製造工程の他の一部を示す断面図。
パワーIGBTの製造工程の他の一部を示す断面図。
パシタの製造工程の一部を示す断面図。
パシタの製造工程の他の一部を示す断面図。
シャル層 3…フィールド絶縁膜 4…下部絶縁
膜 5…上部絶縁膜 6…ゲート開
口部 7…ゲート絶縁膜 8…ゲート電
極 9…層間絶縁膜 10…裏面電極 11…ゲート電極結線開口部 12…配線 21…n+型SiC基板 22…第1
のn−エピタキシャル層 23a、23b…p−ベース領域 24a、2
4b…n+ソース領域 25…第2のn−エピタキシャル層素片 26…フィ
ールド絶縁膜 27…下部絶縁膜 28…上部絶
縁膜 29…ゲート開口部 30…ゲート
絶縁膜 31…ゲート電極 32…層間絶
縁膜 33a、33b…ソース開口部 34a、34
b…ソース電極 36a、36b…凹部 37…ドレイ
ン電極 41…p+SiC基板 43a、4
3b…エミッタ開口部 44a、44b…エミッタ層 47…コレク
タ電極 54a、54b…エミッタ電極 201…単結晶炭化珪素基板 202…n−エ
ピタキシャル層 203…ゲート絶縁膜 204…ゲート
電極 205…ゲート電極側面絶縁膜 206…ゲート
電極上面絶縁膜 207…層間絶縁膜 208…裏面電
極
Claims (31)
- 【請求項1】ゲート絶縁膜を、 前記ゲート絶縁膜と反応しない電極部材と、前記ゲート
絶縁膜と反応しない絶縁膜と、単結晶炭化珪素基板とで
被った後に、加熱処理を行ったことを特徴とする炭化珪
素半導体装置。 - 【請求項2】ゲート絶縁膜を、 前記ゲート絶縁膜と反応しない電極部材と、前記ゲート
絶縁膜と反応しないフィールド絶縁膜と、単結晶炭化珪
素基板とで被った後に、加熱処理を行ったことを特徴と
する炭化珪素半導体装置。 - 【請求項3】単結晶炭化珪素基板と、 前記基板表面に形成されたフィールド絶縁膜と、 前記フィールド絶縁膜に開口したゲート開口部と、 前記ゲート開口部の単結晶炭化珪素基板表面全体に熱酸
化を含む方法で形成された、前記フィールド絶縁膜より
も薄いゲート絶縁膜と、 前記ゲート開口部全体を被覆するように前記ゲート絶縁
膜上に形成された、ゲート電極と、 前記ゲート電極以外の電極で、前記単結晶炭化珪素基板
とコンタクトされ、前記ゲート絶縁膜が前記単結晶炭化
珪素基板と前記フィールド絶縁膜と前記ゲート電極とに
よって全周囲を囲まれた後に、前記ゲート絶縁膜を形成
した熱酸化温度よりも低い温度であって、かつ、単結晶
炭化珪素と金属とのコンタクト・アニールに十分な温度
で加熱処理を施された金属電極と、 を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 【請求項4】前記炭化珪素半導体装置は、単結晶炭化珪
素基板と、その一主面に形成された単結晶炭化珪素のエ
ピタキシャル層と、その上に形成されたゲート絶縁膜
と、その周囲に形成されたフィールド絶縁膜と、前記ゲ
ート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、それらの上に
形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜に開けた開口部を
介して前記ゲート電極に接続された金属配線と、前記単
結晶炭化珪素基板の裏面に設けられた裏面電極と、を備
えたゲート電極−ゲート絶縁膜−単結晶炭化珪素構造を
有するMOSキャパシタであって、前記ゲート電極以外
の金属電極は前記裏面電極に相当する請求項3に記載の
炭化珪素半導体装置。 - 【請求項5】前記炭化珪素半導体装置は、単結晶炭化珪
素基板と、その一主面に形成された単結晶炭化珪素の第
1のエピタキシャル層と、前記第1のエピタキシャル層
の表層部における所定領域に相互に離間して形成された
二つのベース領域と、前記二つのベース領域の表層部の
所定領域に設けられた二つのソース領域と、前記二つの
ソース領域にそれぞれ接続されたソース電極と、前記二
つのソース領域の間で前記二つのベース領域上および前
記第1のエピタキシャル層上に設けられた第2のエピタ
キシャル層と、前記第2のエピタキシャル層上および前
記二つのソース領域上の所定領域に設けられたゲート絶
縁膜と、その周囲に形成されたフィールド絶縁膜と、前
記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、前記ゲー
ト電極上および前記フィールド絶縁膜上に形成された層
間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上を覆い前記ソース電極に
接続された金属配線と、前記単結晶炭化珪素基板の裏面
に設けられたドレイン電極と、を備えたゲート電極−ゲ
ート絶縁膜−単結晶炭化珪素構造を有するMOSFET
であって、前記ゲート電極以外の金属電極は前記ソース
電極および前記ドレイン電極に相当する請求項3に記載
の炭化珪素半導体装置。 - 【請求項6】前記炭化珪素半導体装置は、単結晶炭化珪
素基板と、その一主面に形成された単結晶炭化珪素の第
1のエピタキシャル層と、前記第1のエピタキシャル層
の表層部における所定領域に相互に離間して形成された
二つのベース領域と、前記二つのベース領域の表層部の
所定領域に設けられた二つのエミッタ領域と、前記二つ
のエミッタ領域にそれぞれ接続されたエミッタ電極と、
前記二つのエミッタ領域の間で前記二つのベース領域上
および前記第1のエピタキシャル層上に設けられた第2
のエピタキシャル層と、前記第2のエピタキシャル層上
および前記二つのエミッタ領域上の所定領域に設けられ
たゲート絶縁膜と、その周囲に形成されたフィールド絶
縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極
と、前記ゲート電極上および前記フィールド絶縁膜上に
形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上を覆い前記
エミッタ電極に接続された金属配線と、前記単結晶炭化
珪素基板の裏面に設けられたコレクタ電極と、を備えた
ゲート電極−ゲート絶縁膜−単結晶炭化珪素構造を有す
るIGBTであって、前記ゲート電極以外の金属電極は
前記エミッタ電極および前記コレクタ電極に相当する請
求項3に記載の炭化珪素半導体装置。 - 【請求項7】前記ゲート電極は、多結晶シリコンまたは
多結晶シリコンをシリサイド化させたシリサイドからな
ることを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れかに記
載の炭化珪素半導体装置。 - 【請求項8】前記フィールド絶縁膜は、前記単結晶炭化
珪素基板の熱酸化膜として形成した下部絶縁膜と、熱酸
化以外の方法で形成した、前記下部絶縁膜よりも厚い上
部絶縁膜との積層で構成されたことを特徴とする請求項
3乃至請求項6の何れかに記載の炭化珪素半導体装置。 - 【請求項9】前記金属配線は、前記加熱処理が行われた
後に形成されたことを特徴とする請求項4乃至請求項6
の何れかに記載の炭化珪素半導体装置。 - 【請求項10】前記加熱処理は、数分以内に900℃以
上に加熱する急速高温加熱処理であることを特徴とする
請求項1乃至請求項3の何れかに記載の炭化珪素半導体
装置。 - 【請求項11】前記加熱処理は、金属電極を単結晶炭化
珪素へ接続するためのコンタクト・アニール処理である
ことを特徴とする請求項10に記載の炭化珪素半導体装
置。 - 【請求項12】単結晶炭化珪素基板表面にフィールド絶
縁膜を形成する工程と、 前記フィールド絶縁膜にゲート開口部を形成する工程
と、 少なくとも前記単結晶炭化珪素基板の熱酸化を含む方法
で前記ゲート開口部の単結晶炭化珪素基板表面全体に、
前記フィールド絶縁膜よりも薄いゲート絶縁膜を形成す
る工程と、 前記ゲート開口部全体を被覆するように前記ゲート絶縁
膜上にゲート電極を形成する工程と、 前記ゲート電極以外の電極で、前記単結晶炭化珪素基板
とコンタクトされる金属電極を形成する工程と、 前記全工程の終了後に、前記ゲート絶縁膜を形成した熱
酸化温度よりも低い温度であって、かつ、単結晶炭化珪
素と金属とのコンタクト・アニールに十分な温度で加熱
処理を行う工程と、 を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方
法。 - 【請求項13】前記ゲート絶縁膜が形成される以前の段
階において、前記単結晶炭化珪素基板表層の汚染層およ
び結晶欠陥層を除去する工程を有することを請求項12
に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 【請求項14】前記ゲート絶縁膜を形成する工程の直前
に、フッ酸処理を含まない酸処理洗浄と、これに連続し
て緩衝フッ酸溶液または希フッ酸に5〜10秒間浸漬す
る酸処理を行う前処理工程を備えたことを特徴とする請
求項12または請求項13に記載の炭化珪素半導体装置
の製造方法。 - 【請求項15】前記加熱処理は、数分以内に900℃以
上に加熱する急速高温加熱処理であり、かつ、前記ゲー
ト絶縁膜を形成した熱酸化温度を越えない温度で行うこ
とを特徴とする請求項12乃至請求項14の何れかに記
載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 【請求項16】前記加熱処理は、金属電極を前記単結晶
炭化珪素基板へ接続するためのコンタクト・アニール処
理であることを特徴とする請求項12乃至請求項15の
何れかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 【請求項17】前記加熱処理は、前記フィールド絶縁
膜、前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極の形成後で
あって、かつ、前記ゲート電極およびその他の電極を外
部へ接続するための金属配線を形成する前に、行われる
ことを特徴とする請求項12乃至請求項16の何れかに
記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 【請求項18】ホモエピタキシャル成長層を有する単結
晶炭化珪素基板表面を酸処理で洗浄する工程と、 洗浄した前記単結晶炭化珪素基板の表面を一旦熱酸化
し、直後に、熱酸化膜をフッ酸系エッチァントで除去す
るいわゆる犠牲酸化工程と、 犠牲酸化工程で形成した清浄・低欠陥表面に熱酸化およ
びその他の方法を用いてフィールド絶縁膜を形成する工
程と、 フォトリソグラフィと弗酸系エッチァントを用いて前記
フィールド絶縁膜に所定のゲート開口部を形成する工程
と、 前工程で使用したフォトレジストの溶解液で汚染した基
板表面を酸処理で清浄化表面に回復する工程と、 前記ゲート開口部に熱酸化によってゲート絶縁膜を形成
する工程と、 前記ゲート絶縁膜を形成した基板全面に導電性不純物を
添加した多結晶シリコン膜を成膜する工程と、 フォトリソグラフィで前記多結晶シリコン膜を所定のパ
ターンにエッチングしてゲート電極とする工程と、 前工程で使用したエッチングマスクを除き、基板表面を
酸処理で清浄にする工程と、 清浄になった基板表面全面に層間絶縁膜を形成する工程
と、 酸処理および超純水洗浄によって清浄面を露出させた前
記単結晶炭化珪素基板の裏面に裏面電極材料を蒸着する
工程と、 前記ゲート絶縁膜を形成した熱酸化温度よりも低い温度
であって、かつ、単結晶炭化珪素と金属とのコンタクト
・アニールに十分な温度で加熱処理し、裏面電極のコン
タクト・アニールを行う工程と、 前記層間絶縁膜の所定の位置にゲート電極に貫通するゲ
ート電極開口部を開口する工程と、 前記ゲート電極開口部を開口した層間絶縁膜上部に、前
記ゲート電極開口部を介して前記ゲート電極と結線する
金属配線を形成する工程と、 を備え、前記裏面電極のコンタクト・アニールを行う工
程は、前記フィールド絶縁膜、前記ゲート絶縁膜および
前記ゲート電極を形成する工程の後であって、かつ、前
記金属配線を形成する工程の前に行われることを特徴と
する炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 【請求項19】ゲート絶縁膜を、 前記ゲート絶縁膜と反応しないゲート電極と、前記ゲー
ト電極部材の一部を熱酸化して形成した絶縁膜と、単結
晶炭化珪素基板と、前記単結晶炭化珪素基板を熱酸化し
て形成した絶縁膜とで被った後に、加熱処理を行ったこ
とを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 【請求項20】単結晶炭化珪素基板と、 前記単結晶炭化珪素基板表面に熱酸化を含む方法で形成
した絶縁膜と、 前記絶縁膜のうちゲート絶縁膜となる部分の上に形成し
たゲート電極と、 前記ゲート電極部材の一部を熱酸化して形成したゲート
電極側面絶縁膜と、 前記ゲート電極以外の電極で、前記単結晶炭化珪素基板
とコンタクトされ、前記ゲート絶縁膜が前記単結晶炭化
珪素基板と前記単結晶炭化珪素基板上に形成した絶縁膜
と前記ゲート電極と前記ゲート電極側面絶縁膜とによっ
て全周囲を囲まれた後に、前記ゲート絶縁膜を形成した
熱酸化温度よりも低い温度であって、かつ、単結晶炭化
珪素と金属とのコンタクト・アニールに十分な温度で加
熱処理を施した金属電極と、 を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 【請求項21】前記炭化珪素半導体装置は、単結晶炭化
珪素基板と、その一主面に形成した単結晶炭化珪素のエ
ピタキシャル層と、その上面に形成した絶縁膜と、前記
絶縁膜のうちゲート絶縁膜となる部分の上に形成したゲ
ート電極と、前記ゲート電極部材の一部を熱酸化して形
成したゲート電極側面絶縁膜と、それらの上に形成した
層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜に開けた開口部を介して
前記ゲート電極に接続した金属配線と、前記単結晶炭化
珪素基板の裏面に設けた裏面電極と、を備えたゲート電
極−ゲート絶縁膜−単結晶炭化珪素構造を有するMOS
キャパシタであって、前記ゲート電極以外の金属電極は
前記裏面電極に相当する請求項20に記載の炭化珪素半
導体装置。 - 【請求項22】前記炭化珪素半導体装置は、単結晶炭化
珪素基板と、その一主面に形成した単結晶炭化珪素の第
1のエピタキシャル層と、前記第1のエピタキシャル層
の表層部における所定領域に相互に離間して形成した二
つのベース領域と、前記二つのベース領域の表層部の所
定領域に設けた二つのソース領域と、前記二つのソース
領域にそれぞれ接続したソース電極と、前記二つのソー
ス領域の間で前記二つのベース領域上および前記第1の
エピタキシャル層上に設けた第2のエピタキシャル層
と、前記第2のエピタキシャル層上および前記二つのソ
ース領域上の所定領域に設けたゲート絶縁膜と、前記ゲ
ート絶縁膜上に設けたゲート電極と、前記ゲート電極部
材の一部を熱酸化して形成したゲート電極側面絶縁膜
と、それらの上に形成した層間絶縁膜と、前記層間絶縁
膜上を覆い前記ソース電極に接続した金属配線と、前記
単結晶炭化珪素基板の裏面に設けたドレイン電極と、を
備えたゲート電極−ゲート絶縁膜−単結晶炭化珪素構造
を有するMOSFETであって、前記ゲート電極以外の
金属電極は前記ソース電極および前記ドレイン電極に相
当する請求項20に記載の炭化珪素半導体装置。 - 【請求項23】前記炭化珪素半導体装置は、単結晶炭化
珪素基板と、その一主面に形成された単結晶炭化珪素の
第1のエピタキシャル層と、前記第1のエピタキシャル
層の表層部における所定領域に相互に離間して形成され
た二つのベース領域と、前記二つのベース領域の表層部
の所定領域に設けられた二つのエミッタ領域と、前記二
つのエミッタ領域にそれぞれ接続されたエミッタ電極
と、前記二つのエミッタ領域の間で前記二つのベース領
域上および前記第1のエピタキシャル層上に設けられた
第2のエピタキシャル層と、前記第2のエピタキシャル
層上および前記二つのエミッタ領域上の所定領域に設け
られたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられ
たゲート電極と、前記ゲート電極部材の一部を熱酸化し
て形成したゲート電極側面絶縁膜と、それらの上に形成
した層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上を覆い前記エミッ
タ電極に接続された金属配線と、前記単結晶炭化珪素基
板の裏面に設けられたコレクタ電極と、を備えたゲート
電極−ゲート絶縁膜−単結晶炭化珪素構造を有するIG
BTであって、前記ゲート電極以外の金属電極は前記エ
ミッタ電極および前記コレクタ電極に相当する請求項2
0に記載の炭化珪素半導体装置。 - 【請求項24】単結晶炭化珪素基板表面を所定温度で熱
酸化して絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜のうちゲート絶縁膜となる領域上にゲート電
極を形成する工程と、 前記ゲート電極部材を熱酸化して、その側面にゲート電
極側面絶縁膜を形成する工程と、 前記ゲート電極と前記絶縁膜の上に層間絶縁膜を形成す
る工程と、 前記単結晶炭化珪素基板の裏面に金属電極材料を付着さ
せる工程と、 前記ゲート絶縁膜が、前記単結晶炭化珪素基板と前記単
結晶炭化珪素基板上に形成した絶縁膜と前記ゲート電極
と前記ゲート電極側面絶縁膜とによって全周囲を囲まれ
た後に、前記単結晶炭化珪素基板表面を熱酸化した所定
温度よりも低い温度であって、かつ、単結晶炭化珪素と
金属とのコンタクト・アニールに十分な温度で加熱処理
を行って裏面電極を形成する工程と、 を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方
法。 - 【請求項25】単結晶炭化珪素基板表面を所定温度で熱
酸化して絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜のうちゲート絶縁膜となる領域上にゲート電
極を形成する工程と、 前記ゲート電極上面に一過性の窒化シリコン膜を形成す
る工程と、 前記ゲート電極部材を熱酸化して、その側面にゲート電
極側面絶縁膜を形成する工程と、 前記一過性の窒化シリコン膜を除去する工程と、 前記ゲート電極と前記絶縁膜の上に層間絶縁膜を形成す
る工程と、 前記単結晶炭化珪素基板の裏面に金属電極材料を付着さ
せる工程と、 前記ゲート絶縁膜が、前記単結晶炭化珪素基板と前記単
結晶炭化珪素基板上に形成した絶縁膜と前記ゲート電極
と前記ゲート電極側面絶縁膜とによって全周囲を囲まれ
た後に、前記単結晶炭化珪素基板表面を熱酸化した所定
温度よりも低い温度であって、かつ、単結晶炭化珪素と
金属とのコンタクト・アニールに十分な温度で加熱処理
を行って裏面電極を形成する工程と、 を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方
法。 - 【請求項26】単結晶炭化珪素基板と、 前記単結晶炭化珪素基板表面に熱酸化を含む方法で形成
したフィールド絶縁膜と、 前記フィールド絶縁膜に開けた開口部の前記単結晶炭化
珪素基板表面に形成され、かつ、形成時もしくは形成後
に熱処理された絶縁膜と、 前記絶縁膜のうちゲート絶縁膜となる部分の上に形成し
たゲート電極と、 前記ゲート電極部材の一部を熱酸化して形成したゲート
電極側面絶縁膜と、 前記ゲート電極以外の電極で、前記単結晶炭化珪素基板
とコンタクトされ、前記ゲート絶縁膜が前記単結晶炭化
珪素基板と前記フィールド絶縁膜と前記熱処理された絶
縁膜と前記ゲート電極と前記ゲート電極側面絶縁膜とに
よって全周囲を囲まれた後に、前記絶縁膜の熱処理温度
よりも低い温度であって、かつ、単結晶炭化珪素と金属
とのコンタクト・アニールに十分な温度で加熱処理を施
した金属電極と、 を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 【請求項27】前記炭化珪素半導体装置は、単結晶炭化
珪素基板と、その一主面に形成した単結晶炭化珪素のエ
ピタキシャル層と、その上面に形成したフィールド絶縁
膜と、前記フィールド絶縁膜に開けた開口部の前記単結
晶炭化珪素基板表面に形成され、かつ、形成時もしくは
形成後に熱処理された絶縁膜と、前記絶縁膜のうちゲー
ト絶縁膜となる部分の上に形成したゲート電極と、前記
ゲート電極部材の一部を熱酸化して形成したゲート電極
側面絶縁膜と、それらの上に形成した層間絶縁膜と、前
記層間絶縁膜に開けた開口部を介して前記ゲート電極に
接続した金属配線と、前記単結晶炭化珪素基板の裏面に
設けた裏面電極と、を備えたゲート電極−ゲート絶縁膜
−単結晶炭化珪素構造を有するMOSキャパシタであっ
て、前記ゲート電極以外の金属電極は前記裏面電極に相
当する請求項26に記載の炭化珪素半導体装置。 - 【請求項28】前記炭化珪素半導体装置は、単結晶炭化
珪素基板と、その一主面に形成した単結晶炭化珪素の第
1のエピタキシャル層と、前記第1のエピタキシャル層
の表層部における所定領域に相互に離間して形成した二
つのベース領域と、前記二つのベース領域の表層部の所
定領域に設けた二つのソース領域と、前記二つのソース
領域にそれぞれ接続したソース電極と、前記二つのソー
ス領域の間で前記二つのベース領域上および前記第1の
エピタキシャル層上に設けた第2のエピタキシャル層
と、前記第2のエピタキシャル層上および前記二つのソ
ース領域上の所定領域に設けたゲート絶縁膜と、前記ゲ
ート絶縁膜上に設けたゲート電極と、前記ゲート電極部
材の一部を熱酸化して形成したゲート電極側面絶縁膜
と、それらの上に形成した層間絶縁膜と、前記層間絶縁
膜上を覆い前記ソース電極に接続した金属配線と、前記
単結晶炭化珪素基板の裏面に設けたドレイン電極と、を
備え、かつ、前記第1のエピタキシャル層の表層部に形
成したベース領域と、前記ベース領域上に形成したフィ
ールド絶縁膜と、前記フィールド絶縁膜上に形成した前
記ゲート電極の延長部と、前記延長部に接続した外部へ
の引出部とを有するゲート電極取り出し部分を備えたゲ
ート電極−ゲート絶縁膜−単結晶炭化珪素構造を有する
MOSFETであって、前記ゲート電極以外の金属電極
は前記ソース電極および前記ドレイン電極に相当する請
求項26に記載の炭化珪素半導体装置。 - 【請求項29】前記炭化珪素半導体装置は、単結晶炭化
珪素基板と、その一主面に形成された単結晶炭化珪素の
第1のエピタキシャル層と、前記第1のエピタキシャル
層の表層部における所定領域に相互に離間して形成され
た二つのベース領域と、前記二つのベース領域の表層部
の所定領域に設けられた二つのエミッタ領域と、前記二
つのエミッタ領域にそれぞれ接続されたエミッタ電極
と、前記二つのエミッタ領域の間で前記二つのベース領
域上および前記第1のエピタキシャル層上に設けられた
第2のエピタキシャル層と、前記第2のエピタキシャル
層上および前記二つのエミッタ領域上の所定領域に設け
られたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられ
たゲート電極と、前記ゲート電極部材の一部を熱酸化し
て形成したゲート電極側面絶縁膜と、それらの上に形成
した層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上を覆い前記エミッ
タ電極に接続された金属配線と、前記単結晶炭化珪素基
板の裏面に設けられたコレクタ電極と、を備え、かつ、
前記第1のエピタキシャル層の表層部に形成したベース
領域と、前記ベース領域上に形成したフィールド絶縁膜
と、前記フィールド絶縁膜上に形成した前記ゲート電極
の延長部と、前記延長部に接続した外部への引出部とを
有するゲート電極取り出し部分を備えたゲート電極−ゲ
ート絶縁膜−単結晶炭化珪素構造を有するIGBTであ
って、前記ゲート電極以外の金属電極は前記エミッタ電
極および前記コレクタ電極に相当する請求項26に記載
の炭化珪素半導体装置。 - 【請求項30】単結晶炭化珪素基板表面を熱酸化して下
部絶縁膜を形成する工程と、 前記下部絶縁膜の上に上部絶縁膜を形成する工程と、 前記下部絶縁膜と前記上部絶縁膜からなるフィールド絶
縁膜の所定領域に前記単結晶炭化珪素基板表面まで達す
る開口部を形成する工程と、 前記開口部の単結晶炭化珪素基板表面を所定温度で熱酸
化して絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜上のうちゲート絶縁膜となる部分の上にゲー
ト電極を形成する工程と、 前記ゲート電極部材を熱酸化して、その側面にゲート電
極側面絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜のうち前記ゲート電極の下にない部分と前記
ゲート電極と前記上部絶縁膜との上に層間絶縁膜を形成
する工程と、 前記単結晶炭化珪素基板の裏面に金属電極材料を付着さ
せる工程と、 前記ゲート絶縁膜が、前記単結晶炭化珪素基板と前記フ
ィールド絶縁膜と前記ゲート電極と前記ゲート電極側面
絶縁膜と前記絶縁膜のうちゲート絶縁膜でない部分とに
よって全周囲を囲まれた後に、前記絶縁膜を形成した際
の所定温度よりも低い温度であって、かつ、単結晶炭化
珪素と金属とのコンタクト・アニールに十分な温度で加
熱処理を行って裏面電極を形成する工程と、 を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方
法。 - 【請求項31】単結晶炭化珪素基板表面を熱酸化して下
部絶縁膜を形成する工程と、 前記下部絶縁膜の上に上部絶縁膜を形成する工程と、 前記下部絶縁膜と前記上部絶縁膜からなるフィールド絶
縁膜の所定領域に前記単結晶炭化珪素基板表面まで達す
る開口部を形成する工程と、 前記開口部の単結晶炭化珪素基板表面を所定温度で熱酸
化して絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜上のうちゲート絶縁膜となる部分の上にゲー
ト電極を形成する工程と、 前記ゲート電極上面に一過性の窒化シリコン膜を形成す
る工程と、 前記ゲート電極部材を熱酸化して、その側面にゲート電
極側面絶縁膜を形成する工程と、 前記一過性の窒化シリコン膜を除去する工程と、 前記絶縁膜のうち前記ゲート電極の下にない部分と前記
ゲート電極と前記上部絶縁膜との上に層間絶縁膜を形成
する工程と、 前記単結晶炭化珪素基板の裏面に金属電極材料を付着さ
せる工程と、 前記ゲート絶縁膜が、前記単結晶炭化珪素基板と前記フ
ィールド絶縁膜と前記ゲート電極と前記ゲート電極側面
絶縁膜と前記絶縁膜のうちゲート絶縁膜でない部分とに
よって全周囲を囲まれた後に、前記絶縁膜を形成した際
の所定温度よりも低い温度であって、かつ、単結晶炭化
珪素と金属とのコンタクト・アニールに十分な温度で加
熱処理を行って裏面電極を形成する工程と、 を備えたことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方
法。
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