JP4119968B2 - Electrode forming method for silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化硅素半導体基板上に低コンタクト抵抗値で高温安定性を有するオーミック電極を形成する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
炭化硅素(SiC:シリコンカーバイド)は、バンドギャップが約3eVと広く、またシリコンに比べ約3倍の熱伝導度、約2倍の電子飽和速度を有することから、耐環境用デバイス、パワーデバイス等の材料として期待されている。
【0003】
炭化硅素単結晶に対する電極としては、Al,Au,Ni,Pt,Pd,Ti,W,Mo,Ta,Cr,Co,Hf等の10数種類の金属が検討されている。その内、n型のオーミック電極としてはNiを900〜1100℃の温度でAr中や真空中で0.5Ks程度熱処理したものなどが用いられ、またp型のオーミック電極としてはTiにAlを積層し、950〜1050℃で0.5Ks程度熱処理したものなどが用いられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、炭化硅素半導体装置では、高温動作デバイスの応用が考えられており、前記した電極材料では高温安定性が不十分であった。また、炭化硅素基板に対する前記した各種オーミック電極の形成では、炭化硅素基板への不純物のドーピング濃度を1019cm-3としたときコンタクト抵抗10-6Ωcm2が得られたことが報告されているが、デバイス開発の立場からは、より一層のコンタクト抵抗の低減が望まれている。
【0005】
本発明の目的は、低コンタクト抵抗で高温安定性を示すオーミック電極を炭化硅素半導体装置に形成する方法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための第1の発明は、炭化硅素基板上のオーミック電極を形成すべき領域にn型又はp型不純物となる第1元素のイオン注入を行ってイオン注入領域を形成する第1工程と、該イオン注入領域の上面に前記第1元素を含む第1高融点金属化合物電極を形成する第2工程と、該第1高融点金属化合物電極の上面に炭素を含む第2高融点金属化合物電極を形成する第3工程と、前記基板、前記第1高融点金属化合物電極、及び前記第2高融点金属化合物電極をアニールする第4工程とを具備し、前記第2高融点金属化合物電極を他との配線用のオーミック電極とするよう構成した。
【0007】
第2の発明は、第1の発明において、前記第2工程が、高融点金属薄膜を前記基板上に堆積した後に少なくとも前記イオン注入領域を覆う部分を残すようパターニングし、その後に前記第1元素を使用してプラズマ処理により前記第1高融点金属化合物電極を形成する工程であるよう構成した。
【0008】
第3の発明は、第1の発明において、前記第2工程が、高融点金属をターゲットとして前記第1元素を含むガス雰囲気中で反応性スパッタ法により前記基板上に第1高融点金属化合物薄膜を堆積し、その後少なくとも前記イオン注入領域を覆う部分を残すようパターニングして前記第1高融点金属化合物電極を形成する工程であるよう構成した。
【0009】
第4の発明は、第1の発明において、前記第2工程が、第1元素を含む高融点金属化合物をターゲットとして不活性ガス中で行うスパッタ法により前記基板上に第1高融点金属化合物薄膜を堆積し、その後少なくとも前記イオン注入領域を覆う部分を残すようパターニングして前記第1高融点金属化合物電極を形成する工程であるよう構成した。
【0010】
第5の発明は、第1の発明において、前記第3工程が、高融点金属薄膜を前記基板および前記第1高融点金属化合物電極に堆積した後に前記第1高融点金属化合物電極を覆う部分を残すようパターニングし、その後に前記炭素を使用してプラズマ処理により前記第2高融点金属化合物電極を形成する工程であるよう構成した。
【0011】
第6の発明は、第1乃至第5のいずれか1つの発明において、前記第1元素が、窒素、リン、アルミニウム、又は硼素のいずれかであるよう構成した。
【0012】
第7の発明は、第1乃至第5のいずれか1つの発明において、前記第1高融点金属化合物電極又は前記第2高融点金属化合物電極の当該高融点金属が、タングステン又はモリブデンであるよう構成した。
【0013】
請求項8の発明は、第1乃至第7のいずれか1つの発明において、前記第4工程が、少なくとも実質的に電極として機能する箇所をレーザー光により局部的に加熱する工程であるよう構成した。
【0014】
【発明の実施の形態】
[第1の実施の形態]
図1は本発明の第1の実施の形態の製造方法を示す工程図である。まず、図1の(a)に示すように、単結晶の炭化硅素基板1の表面に、オーミック電極を形成すべき部分のみを露出させるようフォトリソグラフィを用いてマスク2を形成し、全表面に窒素イオンを注入することにより、その電極を形成すべき位置に窒素インプラ領域3を形成し、次いで図1の(b)に示すように、そのマスク2を除去する。
【0015】
次に、図1の(c)に示すように、スパッタ法によって全表面にタングステン薄膜4を堆積する。
【0016】
そして、図1の(d)に示すように、そのタングステン薄膜4の上に、フォトリソグラフィによりマスク5を形成して、フッ素ガス又は塩素ガスを用いたRIE(反応性イオンエッチング)により、図1の(e)に示すように、電極を形成する領域以外のタングステン薄膜4のエッチング除去を行い、その後図1の(e)に示すように、マスク5を除去する。
【0017】
次いで、図1の(f)に示すように、マイクロ波プラズマ反応装置を用い、窒素又はアンモニアを供給してタングステン薄膜4の窒化を行い、窒化タングステン電極6を得る。
【0018】
次に、図1の(g)に示すように、スパッタ法によって全表面にタングステン薄膜7を堆積する。
【0019】
次に、図1の(h)に示すように、電極を形成すべき領域にのみ、フォトリソグラフィを用いてマスク8を形成し、フッ素ガス又は塩素ガスを用いたRIEにより電極を形成する領域以外のタングステン薄膜7のエッチング除去を行い、その後図1の(i)に示すように、マスク8を除去する。
【0020】
最後に、図1の(j)に示すように、タングステン薄膜7上にマイクロ波プラズマ反応装置を用い、炭素を供給してタングステン薄膜7を炭化し、炭化タングステン電極9を得る。
【0021】
その後、高温(1500℃〜1700℃)でアニールを行い、窒素インプラ領域3の窒素不純物を電気的に活性化させると共に結晶欠陥を回復させ、さらに、基板1、窒化タングステン電極6、炭化タングステン電極9の各々の界面に合金層を形成することで、オーミック電極が形成される。
【0022】
以上により、窒素をイオン注入した領域3の表面の全域が窒化タングステン電極6により被覆されてからアニールが行われるので、インプラ領域3の窒素の外方拡散が防止され不純物濃度の低減が防止される。また、基板1と窒化タングステン電極6との界面にその窒化タングステン電極6から分解した窒素原子が拡散してくるので、インプラ領域3の窒素不純物濃度が逆に増大する。特に、タングステンは原子半径が大きいので炭化硅素基板1中への拡散は無視できるほどに小さく、窒化タングステン電極6は窒化タングステンの状態を保って窒素の拡散源として有効に働く。ただし、窒化タングステン電極6から分離された窒素により発生する圧力が平衡蒸気圧を越えると窒化タングステン電極6の継続的分解は抑止される。さらに炭化タングステン電極9が窒化タングステン電極6から分解した窒素原子の外方拡散を防止するのでこの面でもインプラ領域3の不純物濃度低減が防止される。
【0023】
このように、炭化硅素基板1におけるインプラ領域3の不純物濃度の低減が防止されるばかりか逆にその濃度が増大するので、コンタクト抵抗が大幅に低減したオーミック電極を実現することができる。
【0024】
また、炭化タングステン電極9は、窒化タングステン電極6の融点が低く高温で酸素と反応することからその窒化タングステン電極6の酸化を防ぐ保護膜としても働く。
【0025】
また、炭化硅素基板1、窒化タングステン電極6、炭化タングステン電極9は熱膨張係数がほぼ同じであるため、その電極6、9の剥離や亀裂が生じることはない。
【0026】
[その他の実施の形態]
なお、上記では炭化硅素基板1に打ち込むイオンとしてn型不純物となる窒素を使用する場合を説明したが、隣を使用することもでき、またp型不純物としてはアルミニウムや硼素を使用することもできる。
【0027】
また、窒化タングステン電極6は、炭化硅素基板1にイオン注入した元素と同じ元素を含むタングステン化合物電極であれば、良い。
【0028】
また、窒化タングステン電極6と炭化タングステン電極9はすべての部分において2重構造である必要はなく、窒化タングステン電極6はインプラ領域3を覆う部分のみに取出電極として形成し、炭化タングステン電極9を他に形成した窒化タングステン電極6と接続する配線電極として形成してもよい。
【0029】
また、窒化タングステン電極6を得る別の方法として、タングステンをターゲットに用い、窒素、アンモニア又は窒素元素を含むガスの雰囲気中で行う反応性スパッタ法により、窒素インプラ領域3を含む基板1の表面全域に窒化タングステン薄膜を堆積させ、その後にRIEにより電極6を形成すべき部分以外の窒化タングステン薄膜をエッチング除去する方法を採用することもできる。
【0030】
また、窒化タングステン電極6を得る更なる別の方法として、窒化タングステンをターゲットに用い、Ar等の不活性ガス雰囲気中でのスパッ法により、全表面に窒化タングステン薄膜を堆積させ、その後にRIEにより電極6を形成すべき部分以外の窒化タングステン薄膜をエッチング除去する方法を採用することもできる。
【0031】
また、最後の高温アニールを行う際、レーザ光により電極形成領域を局部的に加熱するアニール法を用いると、高温の熱処理炉が不要となる。
【0032】
また、以上の説明では電極材料として窒化タングステン、炭化タングステンを用いたが、窒化モリブデン、炭化モリブデンを使用することもでき、その他高融点金属化合物を使用することができる。このとき、窒化タングステン電極の上面に炭化モリブデン電極を形成したり、あるいは窒化モリブデン電極の上面に炭化タングステン電極を形成することもできる。すなわち、異なった高融点金属薄膜の窒化物と炭化物を組み合わせることもできる。
【0033】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、高い不純物濃度の炭化硅素基板上に高融点金属薄膜を形成するので、低コンタクト抵抗で高温において安定したオーミック電極を有する炭化硅素半導体装置を得ることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態の電極形成方法の工程図である。
【符号の説明】
1:炭化硅素基板、2:マスク、3:窒素インプラ領域、4:タングステン薄膜、5:マスク、6:窒化タングステン電極、7:タングステン薄膜、8:マスク、9:炭化タングステン電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming an ohmic electrode having low contact resistance and high temperature stability on a silicon carbide semiconductor substrate.
[0002]
[Prior art]
Silicon carbide (SiC: silicon carbide) has a wide band gap of about 3 eV, and has about three times the thermal conductivity and about two times the electron saturation speed of silicon. Is expected as a material.
[0003]
As an electrode for a silicon carbide single crystal, ten kinds of metals such as Al, Au, Ni, Pt, Pd, Ti, W, Mo, Ta, Cr, Co, and Hf have been studied. Among them, as the n-type ohmic electrode, Ni heat-treated in Ar or vacuum at a temperature of 900 to 1100 ° C. for about 0.5 Ks is used, and as the p-type ohmic electrode, Al is laminated on Ti. And what was heat-processed at 950-1050 degreeC about 0.5 Ks etc. is used.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in silicon carbide semiconductor devices, application of high-temperature operation devices is considered, and the above-described electrode material has insufficient high-temperature stability. In addition, in the formation of the various ohmic electrodes described above on the silicon carbide substrate, it has been reported that a contact resistance of 10 −6 Ωcm 2 is obtained when the doping concentration of impurities to the silicon carbide substrate is 10 19 cm −3 . However, further contact resistance reduction is desired from the standpoint of device development.
[0005]
An object of the present invention is to provide a method for forming an ohmic electrode having low contact resistance and high temperature stability in a silicon carbide semiconductor device.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The first invention for achieving the above object, to form an ion implanted region I implanting rows of first element which serves as a n-type or p-type impurity in the region for forming the ohmic electrodes on the silicon carbide substrate A first step, a second step of forming a first refractory metal compound electrode containing the first element on the upper surface of the ion implantation region, and a second step of containing carbon on the upper surface of the first refractory metal compound electrode. A third step of forming a melting point metal compound electrode; and a fourth step of annealing the substrate, the first refractory metal compound electrode, and the second refractory metal compound electrode, and the second refractory metal. The compound electrode was configured to be an ohmic electrode for wiring with another.
[0007]
According to a second invention, in the first invention, after the second step, the refractory metal thin film is deposited on the substrate and patterned to leave at least a portion covering the ion implantation region, and then the first element is formed. Is used to form the first refractory metal compound electrode by plasma treatment.
[0008]
According to a third invention, in the first invention, the second step comprises forming a first refractory metal compound thin film on the substrate by reactive sputtering in a gas atmosphere containing the first element with a refractory metal as a target. And then patterning so as to leave at least a portion covering the ion implantation region, thereby forming the first refractory metal compound electrode.
[0009]
According to a fourth invention, in the first invention, the first refractory metal compound thin film is formed on the substrate by a sputtering method in which the second step is performed in an inert gas using a refractory metal compound containing the first element as a target. And then patterning so as to leave at least a portion covering the ion implantation region, thereby forming the first refractory metal compound electrode.
[0010]
In a fifth aspect based on the first aspect, the third step covers a portion covering the first refractory metal compound electrode after the refractory metal thin film is deposited on the substrate and the first refractory metal compound electrode. Patterning was performed so as to leave, and thereafter, the second refractory metal compound electrode was formed by plasma treatment using the carbon .
[0011]
According to a sixth aspect, in any one invention of the first to fifth, wherein the first element is nitrogen, phosphorus, and configured to be a aluminum, or any boron.
[0012]
According to a seventh invention, in any one of the first to fifth inventions, the refractory metal of the first refractory metal compound electrode or the second refractory metal compound electrode is tungsten or molybdenum. Configured.
[0013]
According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, the fourth step is a step of locally heating at least a portion that substantially functions as an electrode with a laser beam. did.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
FIG. 1 is a process diagram showing a manufacturing method according to a first embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 1A, a
[0015]
Next, as shown in FIG. 1C, a tungsten
[0016]
Then, as shown in FIG. 1D, a
[0017]
Next, as shown in FIG. 1F, a tungsten plasma electrode is obtained by nitriding the tungsten
[0018]
Next, as shown in FIG. 1G, a tungsten
[0019]
Next, as shown in FIG. 1 (h), the
[0020]
Finally, as shown in FIG. 1 (j), the tungsten
[0021]
Thereafter, annealing is performed at a high temperature (1500 ° C. to 1700 ° C.) to electrically activate nitrogen impurities in the
[0022]
As described above, since annealing is performed after the entire surface of the
[0023]
As described above, the impurity concentration of the
[0024]
The
[0025]
Further, since the
[0026]
[Other embodiments]
In the above description, the case where nitrogen that is an n-type impurity is used as ions implanted into the
[0027]
The
[0028]
In addition, the
[0029]
As another method for obtaining the
[0030]
Further, as another method of obtaining the
[0031]
Further, when the final high temperature annealing is performed, if an annealing method in which the electrode forming region is locally heated by laser light is used, a high temperature heat treatment furnace is not required.
[0032]
In the above description, tungsten nitride and tungsten carbide are used as the electrode material. However, molybdenum nitride and molybdenum carbide can also be used, and other refractory metal compounds can be used. At this time, a molybdenum carbide electrode can be formed on the upper surface of the tungsten nitride electrode, or a tungsten carbide electrode can be formed on the upper surface of the molybdenum nitride electrode. That is, nitrides and carbides of different refractory metal thin films can be combined.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the refractory metal thin film is formed on the silicon carbide substrate having a high impurity concentration, there is an advantage that a silicon carbide semiconductor device having an ohmic electrode that is stable at a high temperature with a low contact resistance can be obtained. is there.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process diagram of an electrode forming method according to a first embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: silicon carbide substrate, 2: mask, 3: nitrogen implantation region, 4: tungsten thin film, 5: mask, 6: tungsten nitride electrode, 7: tungsten thin film, 8: mask, 9: tungsten carbide electrode.
Claims (8)
該イオン注入領域の上面に前記第1元素を含む第1高融点金属化合物電極を形成する第2工程と、
該第1高融点金属化合物電極の上面に炭素を含む第2高融点金属化合物電極を形成する第3工程と、
前記基板、前記第1高融点金属化合物電極、及び前記第2高融点金属化合物電極をアニールする第4工程とを具備し、
前記第2高融点金属化合物電極を他との配線用のオーミック電極とすることを特徴とする炭化硅素半導体装置の電極形成方法。A first step of forming an ion implantation region I implanting rows of first element which serves as a n-type or p-type impurities to form the silicon carbide ohmic electrodes on the substrate region,
A second step of forming a first refractory metal compound electrode containing the first element on the upper surface of the ion implantation region;
A third step of forming a second refractory metal compound electrode containing carbon on the upper surface of the first refractory metal compound electrode;
And a fourth step of annealing the substrate, the first refractory metal compound electrode, and the second refractory metal compound electrode,
An electrode forming method for a silicon carbide semiconductor device, wherein the second refractory metal compound electrode is an ohmic electrode for wiring with another.
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