JP2007180577A - 炭化珪素半導体素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】SiC基板1とエピタキシャル層2上にゲート絶縁膜7bを介して設けたゲート電極8bが、ゲート絶縁膜7bよりも厚い絶縁膜6上まで延在して形成され、厚い絶縁膜6上に延在されたゲート電極8bの一部上に開口されたコンタクトホール10bと、コンタクトホール10b内に形成され、熱処理によりゲート電極8bとオーミック・コンタクトを形成する電極膜11とを有し、電極膜11とゲート絶縁膜7bとを、熱処理によるゲート電極8b中の、電極膜11を構成する金属原子の拡散長より長い距離だけ離間させた構成。
【選択図】図1
Description
一方でエネルギーバンドギャップが大きいために生じる製造プロセス上の課題がある。その一つにオーミック・コンタクトの形成がある。現在、良好なオーミック・コンタクト形成プロセスは、コンタクトメタルをSiC基体表面に蒸着してそのままオーミック・コンタクトを得る所謂室温コンタクトと、蒸着後に熱処理を施してSiC基体との界面反応層を形成する方法(ポスト デポジション アニーリング(Post Deposition Annealing)法、以下PDA法と記す)に大別されている。
SiCデバイスの特徴である高温環境下での安定動作や、素子の微細化を進めるにあたって、コンタクトホールの開口にドライエッチングによる加工技術を活用すること、現在のところ熱処理を用いない室温コンタクト法ではp型SiCに対して良好なオーミック特性が得られないことなどを考慮すると、デバイスプロセスにおけるオーミック・コンタクト形成にはPDA法を用いる方法が設計・製造マージンを広げることができるという利点がある。
PDA法によるコンタクト形成で用いられる金属材料として代表的なものとしては、Ni、Ti、Pdなどがある。Niは900〜1000℃の熱処理でSiCとの金属間化合物(シリサイド)を形成してn型SiCに対して良好なオーミック・コンタクトが得られるだけでなく、p型に対してもオーミック性を示すので、SiCで作られるMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)、JFET(Junction Field Effect Transistor)などの素子形成に広く用いられている。
超低損失スイッチングデバイスとして期待されるSiC縦型MOSFETに適用した例としては、例えば下記非特許文献1があり、ソース、pウエルコンタクト用材料としてNiを用い、コンタクト・アニール温度900℃で熱処理することによってオーミック・コンタクトを形成する方法が示されている。ゲート酸化膜(例えばSiO2膜)は、一酸化窒素ガス(NOガス)を用いて形成し、反転型チャネルで高い電子移動度を得ている。ゲート電極には、シリコン半導体の製造プロセスでも広く用いられているリンを高濃度にドープしたPolySi(多結晶シリコン)が用いられている。これにより良好なMOSFETの静特性が得られることが示されている。
「R. Schorner et al., App1ied Physics Letters, Volume 80, Number 22,2002」。
SiC縦型MOSFETの製造にあっては、少なくともSiC基板の片側の面に高濃度n型ソース領域であるn+SiC、pウエルコンタクト領域であるp+SiC、ゲート電極であるPolySiが形成され、夫々に対して良好なオーミック・コンタクトを形成することが必要である。そのため単純に上記3箇所に対して個別にコンタクトホールを開口し、夫々に最適な金属材料、熱処理の有無を含む製造方法を採用することも可能であるが、その場合、フォトリソグラフィ/エッチング工程、金属の蒸着工程あるいはこれに加わる熱処理工程などが増加し、製造コストの著しい増加とパターン設計上の制約を生じさせてしまう。
このような理由から、PolySi膜上のオーミック・コンタクト形成もn+、p+SiC上と同一の金属材料、同一のコンタクトホール形成プロセスで形成することが、フォトリソグラフィ/エッチング工程の回数を減らすことができ、製造コストの大幅な削減ができ、パターンレイアウト上の設計自由度も向上するので産業的に非常に有益であると考えられる。
従来のSiC−MOSキャパシタにおいては、PolySiからなる電極とその引き出し配線とを例えばNiを用いてコンタクトを取る際、そのコンタクトホールをゲート酸化膜上に設けていた。このMOSキャパシタのC−V或いはI−V特性を調べたところ、ゲート電極と基板との間で大きなリーク電流が観測され、ショートモードでのゲート酸化膜の絶縁耐圧不良が発生した。
例えば厚さ約350nmのPolySi膜上に蒸着形成されたオーミック・コンタクト用メタルであるNiは、1000℃、2分のコンタクト・アニールによってPolySi膜中を熱拡散する。1000℃におけるSi中のNiの拡散定数:Dを2×10−9cm2/秒とすると、2分間の熱処理でSi中を拡散する拡散長(Dt)1/2は約4.9μmとなるので、PoIySi表面に蒸着されていたNiは容易にPolySi/SiO2界面に到達する。PolySi/SiO2界面に到達したNiは熱処理の冷却過程で金属間化合物(シリサイド)を形成して析出する。このとき、析出物は酸化膜に食い込んで局所的に酸化膜を薄膜化するため、薄膜化した部分の酸化膜の実効的な電界が増大して酸化膜耐圧が低下すると考えられる。析出物が酸化膜を突き破るほど析出が激しい場合にはピンホールによるリーク電流不良となる。このような金属によるMOS構造の絶縁耐圧不良メカニズムについてはシリコン半導体製造プロセスで詳細に論じられている。
本発明の実施の形態を図1、図2を使って説明する。図1では、本発明をSiC縦型MOSFETに適用した例である。
高濃度n型SiC基板1上に低濃度n型エピタキシャル層2(ドレイン領域として機能する)が形成されている。SiC結晶は多くの多形があるが、2H、4H、6H、3C、15Rなどいずれの多形を用いても構わない。また、基板表面の面方位についても、例えば4Hタイプで多くの研究がなされており、(0001)、(000−1)、(11−20)、(03−38)など何れを用いても以下同様の構成により製造が可能である。
MOSキャパシタの構造及び製造について先に説明する。
図2に示すように、高濃度n型SiC基板1上に1×1016cm−3程度の不純物濃度を持つn型エピタキシャル層2が約10μm形成されている。このn型エピタキシャル層2の表面には、ゲート絶縁膜7cである厚さ約50nmのシリコン酸化膜と、シリコン酸化膜からなる厚さ約600nmのフィールド酸化膜である厚い絶縁膜6がそれぞれ所定の位置に形成されている。ゲート絶縁膜7cからフィールド酸化膜である厚い絶縁膜6にかけては、ゲート電位を制御するための高濃度n型PolySi膜が厚さ約350nm、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法によって蒸着され、フォトリソグラフィ/エッチングによりパターニングされて、ゲート電極8cを形成している。更にゲート電極8cを厚い層間絶縁膜9で覆っている。
PolySiからなるゲート電極8cの配線引出しのためのゲート電極8cへのオーミック・コンタクト形成は、ゲート絶縁膜7c直上の厚さ約350nmのゲート電極8cに対して層間絶縁膜のコンタクトホール10cをソース領域及びpウエル領域(図1を用いて後述)のコンタクトと同時に開口し、ソース領域及びpウエル領域のコンタクトと同じコンタクトメタル材、例えばNiを蒸着形成してAr雰囲気中で1000℃、2分の熱処理を加え、NiとPolySiとの反応層を形成した。この時、同一基板1上に形成されたMOSFET(図1を用いて後述)のソース領域、pウエル領域のコンタクト上にはNiとSiCとの反応層が形成されている。最後に、NiとPolySiとの反応層を介してから引き出し電極であるキャパシタ電極パッド12cをAlで形成し、MOSキャパシタが完成する。なお、本実施の形態においては、ゲート電極8c上のコンタクトホール10cをゲート絶縁膜7cの直上ではなく、フィールド酸化膜である厚い絶縁膜6上に延在して形成されたゲート電極8c上に開口している(詳細については図1を用いて後述)。
また、厚い絶縁膜6がゲート絶縁膜7a、7bと同質の材料である場合、本発明が従来技術の問題点とする金属原子の拡散に起因するゲート絶縁膜7a、7bの絶縁耐圧不良が起きないようにするためには、厚い絶縁膜6はゲート絶縁膜7a、7bの膜厚以上の膜厚が必要であることは言うまでもなく、厚い絶縁膜6をシリコン酸化膜で形成する場合、概ね0.3〜1.0μm厚程度の膜厚が用いられる。
これまで述べてきたように、ゲート絶縁膜7bの耐圧劣化を引き起こす原因の一つは、コンタクトホール10b内に蒸着形成されたオーミック・コンタクトを形成する金属膜15の金属原子の熱によるシリコン中の拡散であるので、厳密にはこの電極膜11のパターンの縁からゲート絶縁膜7bまでの距離として規定するべきであるが、一般的に一つのコンタクトホール内部に金属膜をスパッタ法やEB蒸着法、抵抗加熱法などの方法によって蒸着する場合には、コンタクトホール底部に一様に当該金属膜が形成されると考えてよい。従って、ここではゲート絶縁膜7bとコンタクトホール10bのパターン外周までの最短距離として考えるものとする。
また、厳密にはMOSFET積層構造における厚さ方向の距離についても当該電極膜11が接するゲート電極8bの表面からゲート絶縁膜7b/ゲート電極8b界面までの距離も含めて考慮するのが望ましく、フィールド酸化膜である厚い絶縁膜6とゲート絶縁膜7との厚さの差によって生じる段差、及び、ゲート電極8bとするPolySi膜の膜厚も加えて同様の計算方法によりゲート絶縁膜7bとコンタクトホール10bのパターン外周までの最短距離を決定してもよい。
ここではNiをコンタクト材として用いる場合を一例として説明する。
厚さ約350nmのPolySiからなるゲート電極8b上に蒸着形成されたオーミック・コンタクト用メタルであるNiは、高温のコンタクト・アニールによってPolySi膜中を熱拡散する。コンタクト・アニールの熱処理条件については、所望のコンタクト抵抗が得られる条件を選べばよいが、Niを厚さ約50〜100nm程度蒸着する場合、本発明者らの実験結果によれば、概ね900〜1000℃の温度での5分以内の処理により良好なオーミック・コンタクトが形成できることがわかっている。ここでは計算の為にアニール条件を1000℃、2分としておく。
シリコン中の種々の金属の拡散係数については例えば図3(出典:柏木/服部著「シリコンウエーハ表面のクリーン化技術」168頁)に示す温度依存性のグラフを参考にできる。このグラフから読取った1000℃におけるSi中のNiの拡散係数:Dを2×10−9cm2/秒とすると、2分間の熱処理でSi中を拡散する拡散長(Dt)1/2は約4.9μmとなる。従って、計算上は、ゲート絶縁膜7bと厚い絶縁膜6との境界A点と、ゲート電極8b上に開口されたコンタクトホール10b内に蒸着形成されたオーミック・コンタクトを形成する電極膜11のパターンの縁A′点との距離dを、少なくとも4.9μm以上となるようにレイアウト設計すれば耐圧劣化は防止可能である。
このとき最終的に開口されたコンタクトホール10bの底部の位置と直近のゲート絶縁膜7bとの間隔が、ゲート絶縁膜7b耐圧劣化を引き起こさないために重要であるから、先に求めた距離dにこれらの製造ばらつき分を加えた設計をしておくことが必要である。なお、図2のMOSキャパシタにおいても、コンタクトホール10cとゲート絶縁膜7bとの距離も同様に設定されていることは言うまでもない。
2…低濃度n型エピタキシャル層
3…Pウエル領域
4…高濃度p型領域(pウエルコンタクト領域)
5…ソース領域
6…厚い絶縁膜(フィールド酸化膜)
7a、7b、7c…ゲート絶縁膜
8a、8b、8c…ゲート電極
9…層間絶縁膜
10a、10b、10c…コンタクトホール
11…電極膜
12a…ソース電極パッド
12b…ゲート電極パッド
13…ドレイン電極
Claims (6)
- 炭化珪素半導体基体の上に絶縁膜を介して設けた電極を有する炭化珪素半導体素子において、
前記電極と金属配線とのコンタクト部と、前記絶縁膜とを、熱処理による前記電極中の、前記コンタクト部を構成する金属原子の拡散長より長い距離だけ離間させたことを特徴とする炭化珪素半導体素子。 - 炭化珪素半導体基体の上にゲート絶縁膜を介して設けたゲート電極を有する炭化珪素半導体素子において、
前記ゲート電極と金属配線とのコンタクト部が、前記ゲート絶縁膜の上以外の場所に配置されていることを特徴とする炭化珪素半導体素子。 - 炭化珪素半導体基体の上にゲート絶縁膜を介して設けたゲート電極を有する炭化珪素半導体素子において、
前記ゲート電極と金属配線とのコンタクト部が、前記ゲート絶縁膜の上以外のフィールド酸化膜上に配置されていることを特徴とする炭化珪素半導体素子。 - 半導体−絶縁膜−金属構造のゲート絶縁膜上に設けたゲート電極が、前記ゲート絶縁膜よりも厚い第2の絶縁膜上まで延在して形成され、
前記第2の絶縁膜上に延在された前記ゲート電極の一部上に開口されたコンタクトホールと、
前記コンタクトホール内に形成され、熱処理により前記ゲート電極とオーミック・コンタクトを形成する前記ゲート電極引き出し配線用の電極膜とを有し、
炭化珪素半導体を基体とする炭化珪素半導体素子において、
前記電極膜と前記ゲート絶縁膜とを、前記熱処理による前記ゲート電極中の、前記電極膜を構成する金属原子の拡散長より長い距離だけ離間させたことを特徴とする炭化珪素半導体素子。 - 半導体−絶縁膜−金属構造のゲート絶縁膜上に設けたゲート電極が、前記ゲート絶縁膜よりも厚い第2の絶縁膜上まで延在して形成され、
前記第2の絶縁膜上に延在された前記ゲート電極の一部上に開口されたコンタクトホールと、
前記コンタクトホール内に形成され、熱処理により前記ゲート電極とオーミック・コンタクトを形成する前記ゲート電極引き出し配線用の電極膜とを有し、
炭化珪素半導体を基体とする炭化珪素半導体素子において、
前記電極膜と前記ゲート絶縁膜とを、半導体−絶縁膜−半導体構造形成後の製造工程における熱負荷による前記ゲート電極中の、前記電極膜を構成する金属原子の拡散長より長い距離だけ離間させたことを特徴とする炭化珪素半導体素子。 - 前記コンタクト部または前記電極膜が、Ni、Ti、Cr、Pt、Al、Pd、Fe、Cu、Mo、W、Taのいずれかの原子を含むことを特徴とする請求項1、2、3、4または5記載の炭化珪素半導体素子。
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