JP3539417B2

JP3539417B2 - 炭化珪素半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP3539417B2
Application number: JP2001349194A
Authority: JP
Inventors: 秀明田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2001-11-14
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2021-11-14
Also published as: JP2003152182A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素半導体装置及びその製造方法に係り、特に、不純物注入後の活性化熱処理を行う際に、基板厚みの変化による注入層の抵抗値の変化を防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低オン抵抗、高耐圧等の優れた特性を有する半導体素子として、トレンチゲート型ＳｉＣ（炭化珪素）ＭＯＳ−ＦＥＴが有望視されている。
【０００３】
このような半導体素子を製造する際には、不純物注入後の活性化アニール（活性化熱処理）を高温（例えば、１５００℃）で行うと、基板表面が荒れたり、不純物が外向拡散（アウトディフュージョン）するという問題が発生する。
【０００４】
そこで、このような問題を解決するために、例えば特開平１０−１２５６１１号公報（以下、従来例という）に記載された炭化珪素半導体装置の製造方法が知られている。
【０００５】
図４は、該従来例に記載された炭化珪素半導体装置の製造方法の処理手順を示す説明図であり、以下、同図を参照しながら、従来例の処理手順について説明する。まず、同図（ａ）に示すように、ｎ⁺型単結晶半導体基板１、ｎ^-型エピタキシャル層２、及びｐ型エピタキシャル層３からなるＳｉＣ基板１００を用意し、更に、表面にマスク材２０を形成する。その後、不純物としてＮ⁺をイオン注入する。
【０００６】
次いで、同図（ｂ）に示すように、基板表面にエピタキシャル膜５を成長させる。このエピタキシャル膜５が、注入した不純物Ｎの外向拡散や母材であるＳｉ、Ｃの蒸発を防止するための、キャップ膜として機能する。この状態で、基板温度を１５００℃に保持し、不純物であるＮを活性化させる。ここで、図中の符号３０に示す「×」印は、不純物であるＮが活性化する前の状態、符号３１に示す「○」印は、不純物Ｎが活性化した状態を示している。
【０００７】
そして、同図（ｃ）に示すように、エピタキシャル層５（キャップ膜）をドライエッチング等により除去し、同図（ｄ）に示すように、層間絶縁膜８、及び電極４０を形成することにより、ＭＯＳＦＥＴを形成することができる。
【０００８】
このような手順を用いることにより、高温発生時には、キャップ膜により、基板表面が保護されるので、基板表面が荒れることや、不純物の外向拡散といった問題を解決することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例では、キャップ膜（エピタキシャル層５）を除去する際に、基板表面の一部をも除去することがあり、このような場合には、イオン注入層の厚さが変わってしまい、注入層の抵抗値が変化するという問題があった。
【００１０】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、基板を保護するために用いるキャップ膜を除去する手順を必要としない炭化珪素半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、炭化珪素基板中にイオン注入法を用いて不純物を導入した不純物領域が形成された炭化珪素半導体装置において、前記炭化珪素基板の表面をエピタキシャル層でキャップし、且つ、前記エピタキシャル層を取り除かずに、珪素と反応する金属からなる電極を前記不純物領域の上面に形成することを特徴とする炭化珪素半導体装置。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、炭化珪素基板中にイオン注入法を用いて不純物を導入した不純物領域が形成された炭化珪素半導体装置において、前記炭化珪素基板をエピタキシャル雰囲気中に晒した状態で活性化熱処理を加えることにより、該炭化珪素基板表面にエピタキシャル層を形成し、且つ、前記エピタキシャル層を取り除かずに、珪素と反応する金属からなる電極を前記不純物領域の上面に形成することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、前記電極の材料は、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）のうちのいずれかであることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、炭化珪素基板中に、イオン注入法を用いて、不純物を導入した不純物領域を形成するステップと、前記炭化珪素基板の表面をエピタキシャル層を用いてキャップするステップと、前記エピタキシャル層を取り除かずに、珪素と反応する金属からなる電極を前記不純物領域の上面に形成するステップと、を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、炭化珪素基板中に、イオン注入法を用いて、不純物を導入した不純物領域を形成するステップと、前記炭化珪素基板をエピタキシャル雰囲気中に晒した状態で活性化熱処理を行うことにより、該炭化珪素基板の表面にエピタキシャル層を形成するステップと、前記エピタキシャル層を取り除かずに、珪素と反応する金属からなる電極を前記不純物領域の上面に形成するステップと、を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、前記電極の材料は、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）のうちのいずれかであることを特徴とする。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１の発明では、炭化珪素基板の表面にエピタキシャル層を形成してこれをキャップ層とし、その後、炭化珪素基板内に形成された不純物領域を活性化熱処理するので、基板表面が荒れたり、注入した不純物が外向拡散するという問題を回避することができる。更に、電極の材料として、珪素と反応する金属を用いているので、エピタキシャル層を除去する必要がない。従って、注入層の抵抗値が変化する等の問題を回避することができる。
【００１８】
請求項２の発明では、炭化珪素基板をエピタキシャル雰囲気中で、活性化熱処理することにより、該炭化珪素基板内に形成された不純物領域を活性化することができ、更に、基板表面にエピタキシャル層が形成される。従って、基板表面が荒れたり、注入した不純物が外向拡散するという問題を回避することができる。更に、電極の材料として、珪素と反応する金属を用いているので、エピタキシャル層を除去する必要がない。従って、抵抗値が変化する等の問題を回避することができる。
【００１９】
請求項３の発明では、電極材料として用いる金属として、ニッケル、タングステン、チタン、タンタル、或いは白金のうちのいずれかを用いるので、請求項１、請求項２に記載した効果をより向上させることができる。
【００２０】
請求項４の発明では、炭化珪素基板の表面にエピタキシャル層を形成してこれをキャップ層とし、その後、炭化珪素基板内に形成された不純物領域を活性化熱処理するので、基板表面が荒れたり、注入した不純物が外向拡散するという問題を回避することができる。また、電極の材料として、珪素と反応する金属を用いているので、エピタキシャル層を除去する工程を省略することができ、更に、エピタキシャル層を除去しないので、注入層の抵抗値が変化する等の問題を回避することができる。
【００２１】
請求項５の発明では、炭化珪素基板をエピタキシャル雰囲気中で、活性化熱処理することにより、該炭化珪素基板内に形成された不純物領域を活性化することができ、更に、基板表面にエピタキシャル層が形成される。従って、基板表面が荒れたり、注入した不純物が外向拡散するという問題を回避することができる。また、電極の材料として、珪素と反応する金属を用いているので、エピタキシャル層を除去する工程を省略することができる。更に、エピタキシャル層を除去しないので、注入層の抵抗値が変化する等の問題を回避することができる。
【００２２】
請求項６の発明では、電極材料として用いる金属として、ニッケル、タングステン、チタン、タンタル、或いは白金のうちのいずれかを用いるので、請求項４、請求項５に記載した効果をより向上させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。なお、本実施形態では、炭化珪素半導体装置の一例として、トレンチゲート型ＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴについて説明する。
【００２４】
同図に示すように、トレンチゲート型ＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴは、ｎ⁺型炭化珪素単結晶基板１上に、ｎ^-型炭化珪素エピタキシャル層２が形成され、その上にはｐ型炭化珪素エピタキシャル層３が形成されている。
【００２５】
更に、ｐ型炭化珪素エピタキシャル層３上には、イオン注入と熱処理によってｎ⁺型ソース領域４が形成されている。
【００２６】
その上面には、エピタキシャル層５が形成される。また、このエピタキシャル層５の一部にはトレンチが形成され、該トレンチは、ｎ^-型炭化珪素エピタキシャル層２に達する深さにまで達している。また、トレンチ内にはゲート酸化膜６が形成され、更に、その内側にはポリシリコンゲート電極７が形成されている。
【００２７】
エピタキシャル層５の一部は、エピタキシャル層５の珪素と、ソース電極９の電極材料との反応層５０を形成しており、該エピタキシャル層５の上面全体は層間絶縁膜８で覆われている。
【００２８】
更に、ｎ⁺型炭化珪素単結晶基板１の裏面には、ドレイン電極１０が形成され、トレンチゲート型ＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴを構成している。
【００２９】
次に、図１に示した如くの、トレンチゲート型ＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴを製造する手順について、図２、図３を参照しながら説明する。
【００３０】
まず、図２（ａ）に示すように、ｎ⁺型炭化珪素単結晶基板１と、ｎ^-型炭化珪素エピタキシャル層２、及びｐ型炭化珪素エピタキシャル層３からなるＳｉＣ基板１００を用意する。
【００３１】
そして、同図（ｂ）に示すように、不純物として燐原子７０をｐ型炭化珪素エピタキシャル層３へイオン注入する。この際のイオン注入条件としては、例えば、基板温度８００℃、注入エネルギー２０〜１８０ｋｅＶの範囲で総ドーズ量が７×１０¹⁵ｃｍ^-2であるとする。
【００３２】
次に、同図（ｃ）に示すように、酸化膜を堆積し、これをパターニングしてマスク材２０を形成する。その後、反応性イオンエッチングにより、ｎ^-型炭化珪素エピタキシャル層２へ達する深さのトレンチ６０を形成し、マスク材２０を除去する。
【００３３】
その後、図３（ｄ）に示すように、ＣＶＤ装置内においてＳｉＣ基板１００を熱処理し、基板温度を１５００℃に保持した状態で、ＳｉＨ₄、Ｃ₃Ｈ₈、Ｈ₂、Ｎ₂ガスを流し、基板表面にエピタキシャル膜５を形成しつつイオン注入した燐原子７０を活性化させる。
【００３４】
このエピタキシャル膜５は、活性化熱処理時のキャップ膜として機能すると共に、デバイス動作時において蓄積型チャネル領域としても機能するものである。従って、このエピタキシャル膜５の膜厚は、キャップ膜として機能するのに十分、且つ、蓄積型チャネルとして機能する膜厚であれば良い。本実施形態において、膜厚は例えば２０００〜２５００Åである。
【００３５】
また、ｐ型炭化珪素エピタキシャル層３にイオン注入された燐原子７０は、電気的に活性化することにより、ｐ型炭化珪素エピタキシャル層３の上部にｎ⁺型ソース領域４を形成する。
【００３６】
次いで、図３（ｅ）に示すように、トレンチ６０内にゲート酸化膜６、ポリシリコンゲート電極７を形成し、ＳｉＣ基板１００の表面全体を層間絶縁膜８で被う。
【００３７】
その後、図３（ｆ）に示すようにフォトレジスト、及びエッチングによりコンタクトホールを開口し、電子線蒸着によりソース電極材料としてのニッケル（Ｎｉ）を堆積させ、アルゴン雰囲気中で１０００℃１分間のコンタクトアニールを行う。
【００３８】
このコンタクトアニール時に、ニッケル原子がエピタキシャル層５中の珪素と反応し、反応層５０が形成されソース電極９が形成される。
【００３９】
最後に、ｎ⁺型炭化珪素単結晶基板１の裏面にスパッタ法によりアルミニウムを堆積させドレイン電極１０を形成して、トレンチゲート型ＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴを完成させる。
【００４０】
上記で説明してきたように、エピタキシャル層５中の珪素と反応するニッケルを電極材料に用いることにより、活性化熱処理（活性化アニール）時にキャップ膜として用いたエピタキシャル層５を除去することなく、ソース電極９を形成することができる。
【００４１】
従って、エピタキシャル層５を除去する必要がなく、ｎ⁺型ソース領域４の厚みも変わることが無いので、従来のように、ｎ⁺型ソース領域４の厚みが変化することに起因する抵抗値の変化を無くすことができ、良好な電極を形成することができる。
【００４２】
なお、本発明は、上記したトレンチゲート型ＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴに限らず、ＳｉＣ基板にイオン注入して形成した半導体領域を有し、且つ、その上面に電極を形成するものであれば、他の炭化珪素半導体装置の製造方法にも適用することができる。
【００４３】
また、本実施例では反応層５０を形成するソース電極９の材料として、ニッケルを用いた例で説明したが、他にも珪素と反応する金属として、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）を用いても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る炭化珪素半導体装置（トレンチゲート型ＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴ）の構成を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、図１に示した炭化珪素半導体装置を作成する手順を示す説明図である。
【図３】（ｄ）〜（ｆ）は、図１に示した炭化珪素半導体装置を作成する手順を示す説明図である。
【図４】従来例に記載された炭化珪素半導体装置の作成手順を示す説明図である。
【符号の説明】
１ｎ⁺型炭化珪素単結晶基板
２ｎ^-型炭化珪素エピタキシャル層
３ｐ型炭化珪素エピタキシャル層
４ｎ⁺型ソース領域
５エピタキシャル層
６ゲート酸化膜
７ポリシリコンゲート電極
８層間絶縁膜
９ソース電極
１０ドレイン電極
２０マスク材料
５０反応層
６０トレンチ
７０電気的に不活性な燐原子
１００ＳｉＣ基板

Claims

炭化珪素基板中にイオン注入法を用いて不純物を導入した不純物領域が形成された炭化珪素半導体装置において、
前記炭化珪素基板の表面をエピタキシャル層でキャップし、且つ、前記エピタキシャル層を取り除かずに、珪素と反応する金属からなる電極を前記不純物領域の上面に形成することを特徴とする炭化珪素半導体装置。
炭化珪素基板中にイオン注入法を用いて不純物を導入した不純物領域が形成された炭化珪素半導体装置において、
前記炭化珪素基板をエピタキシャル雰囲気中に晒した状態で活性化熱処理を加えることにより、該炭化珪素基板表面にエピタキシャル層を形成し、且つ、前記エピタキシャル層を取り除かずに、珪素と反応する金属からなる電極を前記不純物領域の上面に形成することを特徴とする炭化珪素半導体装置。
前記電極の材料は、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置。
炭化珪素基板中に、イオン注入法を用いて、不純物を導入した不純物領域を形成するステップと、
前記炭化珪素基板の表面をエピタキシャル層を用いてキャップするステップと、
前記エピタキシャル層を取り除かずに、珪素と反応する金属からなる電極を前記不純物領域の上面に形成するステップと、を有することを特徴とする
ことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
炭化珪素基板中に、イオン注入法を用いて、不純物を導入した不純物領域を形成するステップと、
前記炭化珪素基板をエピタキシャル雰囲気中に晒した状態で活性化熱処理を行うことにより、該炭化珪素基板の表面にエピタキシャル層を形成するステップと、
前記エピタキシャル層を取り除かずに、珪素と反応する金属からなる電極を前記不純物領域の上面に形成するステップと、
を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記電極の材料は、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）のうちのいずれかであることを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。