JP6253133B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関し、特に、オーミック電極のコンタクト抵抗を低減でき、良好なオーミック特性を有する炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。

近年、珪素（以下Ｓｉと記す）に代わる半導体材料の一つとして炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されている。ＳｉＣは、バンドギャップが４Ｈ−ＳｉＣで３．２６ｅＶと、Ｓｉのバンドギャップ（１．１２ｅＶ）に比べて３倍近く大きいため、動作上限温度を高くできる。また、絶縁破壊電界強度が４Ｈ−ＳｉＣで３．０ＭＶ／ｃｍと、Ｓｉの絶縁破壊電界強度（０．２５ＭＶ／ｃｍ）に比べて約１桁大きいため、絶縁破壊電界強度の３乗の逆数で効くオン抵抗が低減され、定常状態での電力損失を低減できる。

さらに、熱伝導度についても、４Ｈ−ＳｉＣで４．９Ｗ／ｃｍＫと、Ｓｉの熱伝導度（１．５Ｗ／ｃｍＫ）に比べて３倍以上高いので、熱冷却効果が高く冷却装置を小型化できるという利点も有している。さらに、飽和ドリフト速度が２×１０⁷ｃｍ／ｓと大きいため、高速動作にも優れている。このようなことから、ＳｉＣは、電力用半導体素子（主にパワーデバイス）や高周波デバイス、高温動作デバイスなどへの応用が期待されている。

現在、ＳｉＣを用いて、ＭＯＳＦＥＴ、ｐｎダイオード、ショットキーダイオード等が試作され、絶縁耐圧とオン抵抗（通電時の順方向電圧／順方向電流）に関しては、Ｓｉの特性を超えるデバイスが続出しており、徐々に量産化の動きが加速されてきている。

これらのデバイス作製においては、選択された領域において導電型やキャリア濃度を制御する技術が必要である。その方法には、熱拡散法とイオン注入法がある。ＳｉＣ中においては不純物の拡散係数が非常に小さいため、Ｓｉ半導体で広く用いられている熱拡散法はＳｉＣには適用が難しい。

そのため、ＳｉＣでは通常、イオン注入法が用いられている。注入されるイオン種としては、ｎ型に対しては窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）が用いられ、ｐ型に対してはアルミニウム（Ａｌ）またはほう素（Ｂ）が多く用いられる。

ＳｉＣは、Ｓｉ面とＣ面の重なり順の違いにより、多くの結晶型（以下ポリタイプと呼ぶ）をもつ。このポリタイプの違いにより、Ｓｉ面とＣ面の比率が同じであっても、バンドギャップなどの物性値が異なる。

半導体素子用の基板にイオン注入されるイオン種濃度が１０¹⁹ａｔｍｓ／ｃｍ³程度を超える場合、イオン注入領域が連続した非晶質となるため結晶性を回復させる熱処理を行っても異種ポリタイプの混入や活性化率の低下によって低抵抗領域を形成できないという問題点がある。このため、イオン注入時の非晶質化を抑制するために基板を加熱して注入する昇温注入技術が一般的に用いられる（例えば、下記特許文献１参照。）。

ＳｉＣ基板の裏面（第二の主面）に形成されるオーミック電極は、熱処理温度を上げることでオーミックコンタクトを形成させ、コンタクト抵抗を下げている。このコンタクト抵抗は、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）の順方向特性（Ｖｆ）やＭＯＳＦＥＴのオン抵抗（Ｒｏｎ）に直接影響するため、デバイス特性上、低くすることが重要である。このコンタクト抵抗を下げるための方法の一つとして、第二の主面に形成されるオーミック電極形成前に、第二の主面にＰやＮなどのイオンを加熱注入する方法が提案されている（例えば、下記特許文献２参照。）。

特許４３４８４０８号公報 特開２００６−３２４５８５号公報

第二の主面にイオン注入を用いた場合においても、オーミック電極形成のための熱処理温度は、より温度を高く設定するほど、より高性能で安定する傾向にあるが、１０５０℃を超えた設定の熱処理を行うためには、例えば石英チューブを多結晶炭化珪素に素材変更するなど、より高耐熱性のある高価な装置を使用する必要があり、コストアップにつながる。

また、特にオーミック電極前に形成されるＭＯＳＦＥＴに用いるゲート絶縁膜は、形成時の温度より高い熱処理を行うと劣化が発生する。また９００℃〜１０００℃の熱処理を行う場合においても、しきい値電圧の変動や漏れ電流の増加などを起こす。

Ｓｉ（１．１２ｅＶ）に比べＳｉＣはバンドギャップが大きいことが、絶縁破壊電界強度を高めるなどメリットを得ているが、このバンドギャップの高さのため、安定した良好なオーミックコンタクトを得るためには、より高温での熱処理が必要であり、ゲート絶縁膜が安定しないという課題を有している。

本発明は、上記課題に鑑み、炭化珪素半導体素子のオーミックコンタクト形成のための熱処理温度を下げて良好な特性のデバイスを作製できる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の炭化珪素半導体素子の製造方法は、結晶型が４Ｈ−ＳｉＣの炭化珪素基板の第一の主面にエピタキシャル層を成長させる工程と、前記炭化珪素基板の前記エピタキシャル層とは反対側の第二の主面に金属膜を形成する工程と、前記第二の主面に金属膜を形成する工程の前に、前記第二の主面にイオン種濃度１×１０ ¹⁸ ａｔｍｓ／ｃｍ ³ 〜１×１０ ²⁰ ａｔｍｓ／ｃｍ ³ でイオン注入を行い活性化させる工程と、１５００℃〜１８００℃の活性化熱処理を行い、３Ｃ−ＳｉＣと４Ｈ−ＳｉＣの混晶状態を形成させる工程と、を含み、前記イオン注入は窒素がドーピングされた前記炭化珪素基板に、リンを加熱を行わずに５００ｎｍまでボックスプロファイルの濃度となるよう３０ｋｅＶ〜３５０ｋｅＶの範囲で全面に注入し、前記炭化珪素基板の前記第二の主面と、当該第二の主面にオーミック電極として形成される前記金属膜の間に、前記炭化珪素基板よりバンドギャップの小さい３Ｃ−ＳｉＣを含む層が熱処理により形成されるオーミック電極形成によってオーミック電極と合金化され、合金化されずに残る３Ｃ−ＳｉＣと４Ｈ−ＳｉＣの混晶状態の層が５０ｎｍ〜２００ｎｍである、ことを特徴とする。

また、前記第二の主面の表面の前記炭化珪素基板中の３Ｃ−ＳｉＣの比率が１０％〜９０％、好ましくは２０％〜３０％であることを特徴とする。

上記構成によれば、炭化珪素基板とオーミック電極の間に、炭化珪素基板よりバンドギャップが小さい４Ｈ−ＳｉＣと３Ｃ−ＳｉＣの混晶層を形成できる。この混晶層は、室温注入と活性化熱処理を組み合わせて形成でき、低抵抗領域の形成を阻害せずに、コンタクト抵抗を低減させる。

本発明によれば、オーミックコンタクト形成のための熱処理温度を下げて良好な特性のデバイスを作製できるという効果を奏する。

本発明にかかる炭化珪素ショットキーバリアダイオードを示す断面構造図である。 本発明にかかる炭化珪素ショットキーバリアダイオードの製造工程を示す断面構造図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。

発明者らは、例えば、４Ｈ−ＳｉＣ（３．２６ｅＶ）とオーミック電極の間にＳｉＣの中でバンドギャップが小さい３Ｃ−ＳｉＣ（２．２３ｅＶ）を選択的に形成させた。３Ｃ−ＳｉＣの形成は、イオン種濃度１×１０¹⁸ａｔｍｓ／ｃｍ³〜１×１０²⁰ａｔｍｓ／ｃｍ³で第二の主面に非加熱でイオン注入し、１５００℃〜１８００℃の活性化熱処理を行うことで、３Ｃ−ＳｉＣと４Ｈ−ＳｉＣの混晶状態を形成させる。活性化熱処理に３Ｃ−ＳｉＣは粒状に形成され、分散された状態になる。３Ｃ−ＳｉＣは他のポリタイプと異なり、イオン注入時の非晶質化が進んでいるほど１５００℃〜１８００℃の熱処理で再結晶化時に形成されやすい。また、３Ｃ−ＳｉＣは結晶化しやすいが、大きなバルク形成は起こりにくいため、粒状の分散状態で存在できる。

ここで、イオン種濃度１×１０¹⁸ａｔｍｓ／ｃｍ³〜１×１０²⁰ａｔｍｓ／ｃｍ³での非加熱イオン注入による活性化率の低下によってコンタクト抵抗上昇を伴うため、膜厚を５０ｎｍ〜２００ｎｍと薄く、かつ４Ｈ−ＳｉＣとの混晶状態にすることで、低抵抗領域の形成を阻害せずに、コンタクト抵抗を低減させる。

上記のように、炭化珪素基板と濃度の異なるイオン種を、第二の主面に非加熱でイオン注入し１５００℃〜１８００℃の活性化熱処理で再結晶化させ、バンドギャップの小さい３Ｃ−ＳｉＣを選択的に分散形成させることで、炭化珪素半導体素子の電極形成工程におけるオーミックコンタクト形成のための熱処理温度を下げ、安価に良好な特性のデバイスを作製できるようになる。

（第一の実施例）
図１は、本発明にかかる炭化珪素ショットキーバリアダイオード（ＳｉＣ−ＳＢＤ）を示す断面構造図である。この実施例は、製膜方法、条件等本発明の効果を得られるための一例であり、すべての条件を表すものではない。

図１に示すＳｉＣ−ＳＢＤは、高濃度の炭化珪素基板１上に低濃度の導電型炭化珪素ドリフト層２が形成され、この導電型炭化珪素ドリフト層２のおもて側（第一の主面）にジャンクション・バリア・ショットキー（ＪＢＳ）構造用の第一導電型の不純物イオン注入領域３が所定間隔で形成される。不純物イオン注入領域３上には、酸化膜５が形成され、ショットキー用のコンタクトホール部５ａが開口され、第一の主面上にはショットキー電極７が形成される。８は、電極パッドである。

また、炭化珪素基板１の裏面（第二の主面）には、第二導電型の不純物イオン注入領域４と、オーミック電極６と、外部電極層９が形成される。

図２は、本発明にかかる炭化珪素ショットキーバリアダイオードの製造工程を示す断面構造図である。はじめに、図２（ａ）に示すように、炭化珪素基板１としては、例えば、結晶構造が４Ｈ−ＳｉＣ基板（４°オフ基板）を用いる。１×１０¹⁶／ｃｍ³の窒素がドーピングされた、例えば厚さ３５０μｍの（０００１）面を有する高濃度のｎ型の炭化珪素基板１の第一の主面上に、例えば、１．８×１０¹⁶／ｃｍ³の窒素がドーピングされた、例えば厚さ６μｍの低濃度のｎ型のドリフト層（エピタキシャル層）２を堆積により形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、これらｎ型基板１とｎ型ドリフト層２からなる炭化珪素（ＳｉＣ）基板に、ＪＢＳ構造用の第一導電型（ｐ型）の不純物領域３を形成する。例えば、イオン注入法により５００ｎｍまでボックスプロファイルの濃度が２×１０¹⁹／ｃｍ³となるように３０ｋｅＶ〜３５０ｋｅＶの範囲で第一導電型の不純物（Ａｌ）を注入し、５００℃の加熱をしながら２μｍ間隔で注入する。

次に、図２（ｃ）に示すように、炭化珪素（ＳｉＣ）の第二の主面（裏面）からイオン注入法により、第二導電型の不純物として、例えばリン（Ｐ）を、ｎ型の炭化珪素基板１に対する加熱を行わずに室温で、５００ｎｍまでボックスプロファイルの濃度が８×１０²⁰／ｃｍ³となるように３０ｋｅＶ〜３５０ｋｅＶの範囲で全面に注入する。これにより、第二導電型の不純物イオン注入領域４が形成される。

次に、図２（ｄ）に示すように、第二の主面側の不純物イオン注入領域４の表面にカーボン保護膜１１を形成した炭化珪素基板１を、活性化熱処理装置に挿入後、１×１０^-2Ｐａ以下まで真空引きを行い、Ａｒガスを導入し、１×１０⁵Ｐａの圧力で１７００℃で５分の熱処理を行う。ここで、作製した炭化珪素基板１を抜き取り、顕微ラマン分光法により３Ｃ−ＳｉＣと、４Ｈ−ＳｉＣのマッピングを行ったところ、３Ｃ−ＳｉＣが面積比で２０％存在していた。これにより、不純物イオン注入領域４の表面層に、炭化珪素基板１よりバンドギャップの小さい炭化珪素もしくはバンドギャップの小さい炭化珪素が混在した層が形成される。

次に、図２（ｅ）に示すように、活性化熱処理した炭化珪素基板１の第二の主面のカーボン保護膜１１をアッシング装置により除去（アッシング）する。アッシングは、リアクティブイオンエッチング装置で酸素（Ｏ₂）を導入し、１２Ｐａの圧力、およびＲＦパワー５００Ｗを印加して酸素プラズマ中で行った。アッシング時間は５分である。次に、拡散炉でパイロ熱酸化を行い、バッファードフッ酸によるエッチングにて裏面の注入層の１００ｎｍ分の犠牲酸化膜除去を行う。

次に、図２（ｆ）に示すように、犠牲酸化膜除去後の炭化珪素基板１の第一の主面に、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による酸化膜５を５００ｎｍ形成し、第二の主面にオーミック電極６であるニッケル（Ｎｉ）およびチタン（Ｔｉ）をスパッタ法により続けて製膜し、８００℃で１０分の熱処理を行いオーミックコンタクトを形成する。

次に、図２（ｇ）に示すように、第一の主面の酸化膜５に、フォトリソグラフィーによりショットキー用のコンタクトホール部５ａを形成し、続けてチタン（Ｔｉ）を第一の主面全面にスパッタ法により形成、フォトリソグラフィーによるパターニングと５００℃で１０分の熱処理を行い、ショットキー電極７を作製する。

そして、図２（ｈ）に示すように、第一の主面側に電極パッド８としてアルミニウム（Ａｌ）をスパッタ法により５μｍ形成し、第二の主面側の外部電極層９として２００ｎｍのＡｕ膜を形成する。

（比較例）
実施例の第二の主面に、不純物イオン注入領域４を形成するためのイオン注入を行わず、また、カーボン保護膜１１のスパッタ条件を除いて、同様に炭化珪素基板１の作製を行った。同様に作製した炭化珪素基板１を抜き取り、顕微ラマン分光法により３Ｃ−ＳｉＣと４Ｈ−ＳｉＣのマッピングを行ったところ、３Ｃ−ＳｉＣが面積比で１％存在が確認された。

（実施例と比較例の評価）
上記の製造方法を用いて作製した素子でダイオードの順方向特性の比較として実施例および比較例を各２０サンプル用いて電気特性評価を行った。２５Ａの電流が流れた時のオン電圧（Ｖｆ）を測定したところ、比較例では１．４１２Ｖ（ばらつきσ＝０．０８０７Ｖ）であったのに対し、実施例は１．１０６Ｖ（ばらつきσ＝０．０２６７Ｖ）となった。このように、実施例は、比較例よりもオン電圧が低くなるため、炭化珪素基板の第二の主面に形成されるオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減することができることが確認された。

（他の実施例）
第一の実施例では、評価用の簡易縦型ＳｉＣ−ＳＢＤ装置を製造する場合について述べたが、素子周囲に耐圧をもたせるエッジを有する構造としてもよい。また、第一主面上に他の装置、例えばＭＯＳ等の構造を製造することもできる。さらに、第一の実施例では、主面として（０００１）面を例に述べたが、主面として（０００−１）面を用いてもよい。

上記の炭化珪素基板１の結晶型は、４Ｈ−ＳｉＣもしくは６Ｈ−ＳｉＣを用いることができ、炭化珪素基板１の加熱を伴わないイオン注入により、第二の主面と第二の主面にオーミック電極６として形成される金属膜との間に３Ｃ−ＳｉＣもしくは３Ｃ−ＳｉＣが混在した層を形成させることができる。この３Ｃ−ＳｉＣの比率は１０％〜９０％、望ましくは２０％〜３０％である。また、この炭化珪素基板１中の３Ｃ−ＳｉＣを含む層が熱処理により形成されるオーミック電極形成によってオーミック電極と合金化される場合、合金化されずに残る炭化珪素基板１側に３Ｃ−ＳｉＣの層が３０ｎｍ〜１０００ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ〜２００ｎｍとする。

以上説明したように、本発明によれば、炭化珪素基板の第二の主面に形成されるオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減でき、炭化珪素基板の第二の主面に各種イオンをイオン注入し活性化させた層を形成し、良好なオーミック特性を有するオーミック電極を得ることができる。そして、この発明は、ＳｉＣ半導体を用いたＭＯＳＦＥＴ、ＳＢＤ、ＩＧＢＴなどの半導体装置に適用することができる。

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、例えばパワーデバイス等の電力用半導体装置や、産業用のモーター制御やエンジン制御に使用されるパワー半導体装置に有用である。

１ 高濃度導電型炭化珪素基板
２ 低濃度導電型炭化珪素ドリフト層
３ 第一導電型不純物イオン注入領域
４ 第二導電型不純物イオン注入領域（第二の主面）
５ 酸化膜
６ オーミック電極
７ ショットキー電極
８ 電極パッド
９ 外部電極層
１１ カーボン保護膜

Claims (2)

1. 結晶型が４Ｈ−ＳｉＣの炭化珪素基板の第一の主面にエピタキシャル層を成長させる工程と、
   前記炭化珪素基板の前記エピタキシャル層とは反対側の第二の主面に金属膜を形成する工程と、
   前記第二の主面に金属膜を形成する工程の前に、前記第二の主面にイオン種濃度１×１０ ¹⁸ ａｔｍｓ／ｃｍ ³ 〜１×１０ ²⁰ ａｔｍｓ／ｃｍ ³ でイオン注入を行い活性化させる工程と、
   １５００℃〜１８００℃の活性化熱処理を行い、３Ｃ−ＳｉＣと４Ｈ−ＳｉＣの混晶状態を形成させる工程と、を含み、
   前記イオン注入は窒素がドーピングされた前記炭化珪素基板に、リンを加熱を行わずに５００ｎｍまでボックスプロファイルの濃度となるよう３０ｋｅＶ〜３５０ｋｅＶの範囲で全面に注入し、前記炭化珪素基板の前記第二の主面と、当該第二の主面にオーミック電極として形成される前記金属膜の間に、前記炭化珪素基板よりバンドギャップの小さい３Ｃ−ＳｉＣを含む層が熱処理により形成されるオーミック電極形成によってオーミック電極と合金化され、合金化されずに残る３Ｃ−ＳｉＣと４Ｈ−ＳｉＣの混晶状態の層が５０ｎｍ〜２００ｎｍである、
   ことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
2. 前記第二の主面の表面の前記炭化珪素基板中の３Ｃ−ＳｉＣの比率が１０％〜９０％であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

Images