JP5339698B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素を使用した半導体装置の製造方法に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ：シリコンカーバイド）は、シリコンに比べて、絶縁破壊電界が約１０倍、熱伝導率が約３倍、電子の飽和速度も約２倍と大きいことから、大電力用スイッチングデバイスや高周波デバイスの半導体材料として注目を集めている。この炭化珪素には、立方晶、六方晶、斜方晶など多くの結晶構造が存在することが知られており、結晶構造により物性が異なる。現在、半導体基板としては、一般的には六方晶単結晶の炭化珪素基板が用いられ、多くの構造のデバイスが開発されている。

しかし、この六方晶単結晶の炭化珪素の中でも、積層周期が４の４Ｈ−ＳｉＣと呼ばれる材料は、バンドギャップが３．２６ｅＶとシリコンに比べて約３倍大きく、デバイス作製においては、電極金属の間にオーミックコンタクトを実現することが困難であり、以下に述べる問題が生じることが知られている。

半導体と金属を接触させた場合、互いの仕事関数に差があると、接触面において接触電位差（電位障壁）が生じる。特に金属側の仕事関数が半導体側の仕事関数に比べて大きい場合には、この電位差が、電子が金属から半導体へ流れ込むときの障壁（電位障壁）となる。バンドギャップが大きな半導体ほど、仕事関数が小さくなることが知られており、実際、六方晶単結晶のｎ型炭化珪素基板にニッケル（Ｎｉ）を接触させると、電位障壁が大きくなってオーミックコンタクトは得られず、整流特性を現す。半導体装置においては、オーミックコンタクトは電力損失を低減し、高速動作を実現するために必要不可欠な金属／半導体接合特性である。

炭化珪素デバイスの電極形成では、この電位障壁を低減するために、熱処理による合金化処理が広く用いられてきたが、炭化珪素は熱的に安定であるため、金属と合金化させるためには、１０００℃近くの高温の熱処理が必要となる（例えば、非特許文献１参照）。このように、炭化珪素に電極を形成する際に、オーミックコンタクトを実現するためには、高温の合金化熱処理が必要なため、半導体装置を作成するために様々な問題が生じている。

まず、ショットキーダイオードを製造する場合には、裏面のオーミック電極を表面のショットキー電極を形成する以前の工程で形成しなければならず、ショットキー電極形成前に、清浄な炭化珪素表面を得るためのフッ酸処理を行う必要があるが、このフッ酸処理の前に、裏面に形成したオーミック電極を保護するために、そこにレジストを塗布しなければならなかった。このように、通常のシリコンによるショットキーダイオードの製作では不要であるレジスト塗布およびその除去工程が増大するという問題が生じていた。

次に、金属・半導体接合ＦＥＴ（ＭＥＳＦＥＴ）を製作する場合には、オーミック電極を形成するために合金化熱処理を行うと、そのオーミック電極がアライメントパターンから大きく崩れるために、次工程のマスク合わせ精度が劣化するという問題が生じていた。特に、高周波で動作させるショットキー接合のＭＥＳＦＥＴの作製工程では、デバイスのソース抵抗を極力小さくするために、ソース電極とゲート電極を近づけることから、オーミック電極をマスク合わせ用のマークに用いてゲート電極の描画を行うと、アライメントの精度が悪いために、時にはゲート電極がソース電極の領域に掛かってしまい、ゲート電極によりドレーン電流が制御できなくなる問題が起きていた。

次に、ＤＭＯＳ（Ｄｏｕｂｌｅ−ｄｉｆｆｕｓｅｄ−ＭＯＳ）ＦＥＴの作製工程では、オーミック電極の形成工程がゲート酸化膜形成後となるため、このオーミック電極形成の熱処理によりゲート酸化膜の膜質が劣化し、絶縁耐圧が低下する問題があった。例えば、Ｓ．Ｈｉｎｏの発表した絶縁膜に酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂ ）を用いた炭化珪素ＭＩＳＦＥＴの作製（非特許文献２参照）では、裏面のオーミック電極形成には８５０℃の熱処理を施しているが、上部のソース電極形成には、絶縁膜の特性変化を防ぐために合金加熱処理は施されていない。そのため、このデバイスでは、電子のチャネル移動度は大きな値が得られているが、オン抵抗を十分に低減できないという課題が残っている。

さらに、熱処理によりオーミック電極を形成した場合には、炭化珪素基板と金属が合金化反応した際に、余剰となった炭素がシリサイド化された電極の内部とその表面に析出する。表面へ析出した炭素は、さらにその上部に形成される引出電極との密着性を低下させ、また、シリサイド中の炭素はデバイスの使用中にその分布を変え、特性に影響を与える恐れがあることが示唆されている（非特許文献３参照）。

松波弘之 編著、「半導体ＳｉＣ技術と応用」、日刊工業新聞社、２００３年、第１版、１６０−１６２頁。 S.Hino,et al.,"Low Temperature Deposition of HfO2 Gate Insulator on SiC by Metalorganic Chemical Vapor Deposition",Materials Science Forum,Vols.527-529,(2006),pp.1079-1082. 鈴木達広、他 著、「Niオーミックコンタクトの電極密着性向上」、第５４回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集（２００７年春 青山学院大学）、No.１、４４１頁、２８ｐ−Ｎ−１４。

上記のように、炭化珪素半導体装置の製造に、合金化を必要とするオーミック電極形成工程を用いると、製造工程を制限したり、これを回避するために工数が増大したり、熱処理によりデバイスの歩留まりが低下するなどの問題があった。また、合金化反応を用いた場合には、余剰カーボンの析出により上部電極との密着性が低下する等の問題があった。

本発明の目的は、炭化珪素基板上に電極を形成する際に、金属と炭化珪素との合金化熱処理が必要ないようにすることで、上記した問題を解消した半導体装置の製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明の半導体装置の製造方法は、六方晶単結晶であって、表面が（０００１）面又は（０００−１）面の炭化珪素基板の当該表面に、室温において、ｎ型又はｐ型の不純物イオンを注入して、前記六方晶単結晶の少なくとも一部をアモルファス層に変化させる工程と、該アモルファス層を熱処理してｎ型又はｐ型の立方晶単結晶の炭化珪素領域に再結晶化させる工程と、該立方晶単結晶の炭化珪素領域の表面に電極を堆積させる工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の半導体装置によれば、六方晶単結晶の炭化珪素基板に形成されたｎ型又はｐ型の立方晶単結晶の炭化珪素領域の表面に電極を堆積したので、その炭化珪素領域と電極との間のショットキー障壁高さが低くなり、電極材料の適宜選定により、そのままでオーミックコンタクトが実現される。

また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、電極形成のための合金化熱処理が不要となり、製造工程が簡素化され、熱処理によるデバイスの歩留まり低下を防止でき、合金化熱処理時の余剰カーボンの析出により、電極密着性が劣化する等の問題を回避できる。

このため、本発明によるＭＥＳＦＥＴおよびその製造では、オーミック電極のパターンがマスクパターンを転写したとおりに精度高く形成でき、次工程のフォトリソ工程でアライメント精度が向上し、デバイス特性の劣化や歩留まりを改善しながら、オン抵抗を低減することが可能になる利点がある。さらに、ＤＭＯＳＦＥＴおよびその製造では、熱処理による絶縁膜の絶縁耐圧劣化がなく、またオン抵抗を効果的に低減することが可能になる利点がある。

＜実施例１＞
図１は本発明を適用した実施例の炭化珪素ダイオード１０の製造工程を示す図である。まず、六方晶単結晶の炭化珪素基板（ここでは、４Ｈ−ＳｉＣ）１１の（０００１）面に、ｎ型不純物をイオン注入する（図１(a)）。ここでは、ｎ型不純物として、リン（Ｐ）をイオン種に用いて、総ドーズ量１．４×１０¹⁶／cm²で、厚さ１５０ｎｍのＢＯＸ様のプロファイルとなるよう、室温において多段注入を行う。これにより、炭化珪素基板１１の上面にアモルファス層１２が形成される（図１(b)）。このとき、必ずアモルファス層が形成されるよう、ドーズ量は１×１０¹⁵／ｃｍ²以上で行う。ドーズ量がこれより小さいと、アモルファス層１２が形成されず、本発明の効果が期待できない。

次に、このアモルファス層１２を再結晶化するため、および不純物を活性化するため、アルゴン（Ａｒ）雰囲気中で熱処理を１７００℃で１０分間実施する。この熱処理の過程で、アモルファス層１２は結晶構造を変えて、立方晶のｎ型炭化珪素層（ｎ−３Ｃ−ＳｉＣ）１３となる（図１(c)）。このとき、熱処理温度は、７００℃以下では、再結晶化としては温度が低すぎて処理時間が長くなり、実用的でない。また、１９００℃以上では、炭化珪素基板１１の表面からのシリコンの蒸発が激しくなり、表面荒れが生じるため、適さない。

次に、このようにして形成した立方晶のｎ型炭化珪素層１３の上面に、ニッケル（Ｎｉ）を蒸着によって形成すると、コンタクト抵抗の小さなオーミック電極１４を形成することができる（図１(d)）。

図２に、上記のようにして立方晶のｎ型炭化珪素層１３の上面に作成したオーミック電極１４をＴＬＭ法（Transmission Line Methode)で評価した結果を特性Ａで示す。合わせて、リン（Ｐ）をイオン注入するときに、六方晶単結晶の炭化珪素基板１１を５００℃に加熱しながら同じ条件でイオン注入を行った結果を特性Ｂで示す。５００℃でイオン注入した際には、注入領域はアモルファスにならず、そのため再結晶プロセスは生じず、結晶構造をそのまま保持している。

この図２より、室温でイオン注入してアモルファス化し、その後に熱処理することで結晶構造を六方晶から立方晶に変化させた領域に作成したコンタクトは、合金加熱処理を施さなくとも、オーミック特性を示すことが分かる。一方、５００℃でイオン注入したサンプルでは、そのままの場合（合金加熱処理を行わない場合）には、オーミック特性を得ることができないことは、一目繚然である。

六方晶単結晶の炭化珪素の（０００１）面にイオン注入すると、その部分がアモルファス化し、これに熱処理を加えることで六方晶が立方晶に変化することは、論文（M.Satoh,et.al.,"Characterization of Implanted Layer in(1-100) Oriented 4H- and 6H-SiC",Materials Science Forum Vols.338-342,(2000) pp.905-908）に記載がある。

また、ニッケル（Ｎｉ）の電極がオーミック電極１４になることは、立方晶単結晶のｎ型炭化珪素層１３とニッケル（Ｎｉ）とで形成されるショットキー障壁の高さが小さくなるためであるが、この点については、論文（M.Satoh,et.al.,"Evalution of Schottky Barrier Hight of Al,Ti,Au,and Ni Contacts to 3C-SiC",Materials Science Forum Vols.527-529,(2006) pp.923-926）に記載がある。

なお、六方晶単結晶の炭化珪素の（０００１）面にイオン注入する不純物としては、ｎ型の場合はリン（Ｐ）以外に窒素（Ｎ）その他が使用でき、またｐ型の場合はボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）その他が使用できる。これらのイオン種を使用する場合、ドーズ量は、通常のイオン注入によりアモルファス化する範囲であり、１×１０¹⁵／ｃｍ²〜２×１０¹⁶／ｃｍ²程度である。また、電極金属としては、ニッケル（Ｎｉ）に限られるものではなく、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）等のように仕事関数が４．２ｅＶ〜５．０ｅＶ程度の金属であれば、ショットキー障壁の高さが小さくなり、実施可能である。

＜実施例２＞
図３は本発明を適用した実施例の炭化珪素ショットキーダイオード２０の断面構造を示す図である。まず、六方晶単結晶のｎ型炭化珪素基板（ここでは、ｎ−４Ｈ−ＳｉＣ）２１の上面（０００１）に、不純物濃度が１×１０¹⁵／ｃｍ³で厚みが１０μｍのエピタキシャル層２２をＣＶＤ法により形成する。このエピタキシャル層１２は、六方晶単結晶である。

次に、この炭化珪素基板２１の裏面（０００−１）に、実施例１のｎ型炭化珪素層１３の作成と同じ製法により、立方晶を結晶構造とする高濃度のｎ型炭化珪素層（ｎ−３Ｃ−ＳｉＣ）２３を形成する。

次に、エピタキシャル層２２の上部に、ショットキー電極２４として、チタン（Ｔｉ）やニッケル（Ｎｉ）をパターニングして形成する。そして、最後に裏面にニッケル（Ｎｉ）を蒸着することでオーミック電極２５を形成し、炭化珪素ショットキーダイオード２０は完成する。

従来では、裏面のオーミック電極２５を形成するために、合金化熱処理が必要であったために、ショットキー電極２４を形成する以前の工程で、裏面のオーミック電極２５を形成しなければならなかった。そのため、ショットキー電極２４の形成前に、清浄な炭化珪素表面を得るために、フッ酸処理を行う必要があったが、これを行うためには、裏面に形成したオーミック電極２５を保護するために、レジストを塗布しなければならなかった。

これに対し、本実施例では、オーミック電極２５を形成するための合金化熱処理が不要となるため、そのオーミック電極２５をショットキー電極２４の形成後に形成することができ、そのオーミック電極２５を保護するためのレジスト塗布やそれを除去するための工程が不要となる。

＜実施例３＞
図４は本発明を適用した実施例のＭＥＳＦＥＴ３０の断面構造を示す図である。まず、六方晶単結晶の炭化珪素基板（ここでは、４Ｈ−ＳｉＣ）３１の（０００１）面にｎ型チャネル層３２をイオン注入で形成する。このとき、不純物イオンを窒素（Ｎ）とし、加速電圧７５ｋｅＶ、ドーズ量７．２×１０¹²／ｃｍ²で注入を行うと、最大不純物濃度８×１０¹⁷／ｃｍ³、厚み０．２μｍのｎ型チャネル層３２が形成できる。このイオン注入では、炭化珪素基板３１は結晶性を維持される。すなわち、六方晶単結晶である。

次に、実施例１と同様のアモルファス化および再結晶化手法を用いて、立方晶単結晶の高濃度ｎ型炭化珪素領域（ｎ−３Ｃ−ＳｉＣ）３３をソース領域、ドレイン領域として形成し、その上面に、実施例１と同様にニッケル（Ｎｉ）を蒸着することでオーミックコンタクトのソース電極３４Ｓとドレイン電極３４Ｄを形成する。このオーミック電極３４Ｓ，３４Ｄを形成するときに、ゲート電極を形成するときのマスク合わせ（アライメント）用のマーク３４Ａも同時に形成する。

次に、そのマーク３４Ａに合わせて、電子ビーム描画によりゲート電極をパターニングして、続いてショットキーゲート電極３５の材料としてチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）を蒸着、リフトオフして、そのショットキーゲート電極３５を形成することで、ＭＥＳＦＥＴ３０は完成する。

ショットキーゲート電極３５のパターンを形成するときに、マーク３４Ａを用いるのは、特に高周波用ＭＥＳＦＥＴの作成では、ゲート電極３５とソース電極３４Ｓの間の距離を精密に、再現性良く形成するためである。この合わせ精度が低下すると、ゲート電極３５の一部がソース電極３４Ｓの領域に重なり、ゲート電圧によるドレイン電流の変調ができなくなったり、逆にゲート電極３５とソース電極３４Ｓの間隔が広がり、寄生ソース抵抗が大きくなり、高周波特性の電力利得を減少させる恐れがある。

従来の合金化熱処理を用いたオーミック電極の形成方法では、その熱処理工程によりマスク合わせ用のマーク３４Ａの電極形状が崩れてしまい、アライメント精度が低下する問題が生じていたのに対し、本実施例では、このマーク３４Ａの形状崩れがなくなるため、アライメント精度の高いゲート電極の形成が可能になり、ＭＥＳＦＥＴの特性向上や歩留まりが向上する。

＜実施例４＞
図５は本発明を適用した実施例のＤＭＯＳＦＥＴ４０の断面構造を示す図である。まず、六方晶単結晶のｎ型炭化珪素基板（ｎ−４Ｈ−ＳｉＣ）４１にｐ型領域４２を形成する。このｐ型領域４２の形成には、不純物としてアルミニウム（Ａｌ）を、その不純物濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³となるようにイオン注入で行う。このイオン注入で、ｐ型領域４２はアモルファス構造とはならず、結晶性が維持される。すなわち、六方晶単結晶である。

次に、ソース領域４３を形成するために、リン（Ｐ）または窒素（Ｎ）を不純物濃度が１×１０²⁰／ｃｍ³程度になるように注入する。このときソース領域４３の結晶は、アモルファス構造となる。さらに、ＤＭＯＳＦＥＴのオン抵抗を最小にするために、ｎ型炭化珪素基板４１の裏面にも同様のドレイン領域４４を形成するために同様のイオン注入を行い、その部分をアモルファス構造にする。

次に、活性化加熱処理を１５００℃で３０分間行う。これにより、Ｐ型領域４２の不純物は活性化され、結晶構造も元もまま六方晶を維持する。一方、アモルファス構造となっていたソース領域４３とドレイン領域４４は、この熱処理により立方晶単結晶のｎ型炭化珪素に結晶構造を変える。

次に、炭化珪素基板４１の上面にゲート酸化を行う。ウェット酸化で１１５０℃で２時間の酸化により、２０ｎｍのゲート酸化膜４５が形成される。次に、ゲート電極４６を形成し、最後に、ｎ型のソース領域４３の酸化膜を除去してその部分を開口する。そして、ニッケル（Ｎｉ）を、上面と裏面に蒸着して、オーミック電極としてのソース電極４７とドレイン電極４８を形成することで、ＭＯＳＦＥＴは完成する。４９はチャネル領域である。

オーミック電極の形成に合金化熱処理を用いた従来の方法では、ゲート酸化膜４５を形成した後に合金化のための１０００℃程度の熱処理を行わなければならず、この処理がゲート絶縁膜４５にダメージを与え、絶縁耐圧を低下させる問題があった。また、電極の合金化処理をゲート酸化膜４５の形成前に行うと、ゲート酸化膜を形成するときに、酸化炉にその電極を着けたまま炭化珪素基板を入れなれければならず、ゲート酸化膜４５が金属イオンにより汚染される問題があった。

これに対し、本実施例では、オーミック電極としてのソース電極４７とドレイン電極４８の形成に合金化熱処理が不要なため、絶縁膜の特性変化や汚染といった問題を回避できる。

本発明の実施例１のダイオードの製造工程を示す説明図である。 炭化珪素と電極との間のＶ−Ｉ特性図である。 本発明の実施例２のショットキーダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の実施例３のＭＥＳＦＥＴの構造を示す断面図である。 本発明の実施例４のＤＭＯＳＦＥＴの構造を示す断面図である。

符号の説明

１０：ダイオード、１１：六方晶単結晶の炭化珪素基板、１２：ｎ型アモルファス層、１３：立方晶単結晶のｎ型炭化珪素層、１４：オーミック電極
２０：ショットキーダイオード、２１：六方晶単結晶のｎ型炭化珪素基板、２２：エピタキシャル層、２３：立方晶単結晶のｎ型炭化珪素層、２４：ショットキー電極、２５：オーミック電極
３０：ＭＩＳＦＥＴ、３１：六方晶単結晶の炭化珪素基板、３２：ｎ型チャネル層、３３：立方晶単結晶のｎ型炭化珪素層、３４Ｓ：ソース電極、３４Ｄ：ドレイン電極、３４Ａ：マーク、３５：ゲート電極
４０：ＤＭＯＳＦＥＴ、４１：六方晶単結晶のｎ型炭化珪素基板、４２：ｐ型領域、４３：立方晶単結晶のｎ型ソース領域、４４：立方晶単結晶のｎ型ドレイン領域、４５：ゲート酸化膜、４６：ゲート電極、４７：ソース電極、４８：ドレイン電極、４９：チャネル領域

Claims (1)

1. 六方晶単結晶であって、表面が（０００１）面又は（０００−１）面の炭化珪素基板の当該表面に、室温において、ｎ型又はｐ型の不純物イオンを注入して、前記六方晶単結晶の少なくとも一部をアモルファス層に変化させる工程と、
   該アモルファス層を熱処理してｎ型又はｐ型の立方晶単結晶の炭化珪素領域に再結晶化させる工程と、
   該立方晶単結晶の炭化珪素領域の表面に電極を堆積させる工程と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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