JP2007242744A - 炭化ケイ素半導体装置の製造方法および炭化ケイ素半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】炭化ケイ素半導体の(000-1)面8上に、少なくとも酸素と水分を含むガス中で熱酸化し前記炭化ケイ素半導体の(000-1)面8上に接するように絶縁膜18を形成する工程と、絶縁膜18の一部を除去し開口部を形成する工程と、開口部の少なくとも一部にコンタクトメタル20を堆積する工程と、熱処理によりコンタクトメタル20と炭化ケイ素の反応層21を形成する工程とを有する炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、前記熱処理を不活性ガスと水素の混合ガス中にて実施することを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法である。
【選択図】図3
Description
また、炭化ケイ素(SiC)には、シリコン(Si)と同様に、熱酸化によって絶縁膜を形成できるという特徴がある。これらの理由から、炭化ケイ素(SiC)を基板材料とした高耐圧で低オン抵抗のMOSFETが実現できると考えられ、数多くの研究開発が行われている。
図8(a)と図8(b)は、(0001)面を用い、ゲート酸化膜を1200℃のウェット酸化で形成している。図8(c)と図8(d)は、(000-1)面を用い、ゲート酸化膜を900℃のウェット酸化で形成している。n型ソース・ドレイン領域とのオーミックコンタクトは、図8(a)と図8(c)は、アルミニウムを蒸着するのみで形成し、図8(b)と図8(d)は、ニッケルを蒸着した後アルゴン雰囲気にて1000℃で2分間アニールして形成している。p型領域とのオーミックコンタクトは基板裏面の全面より得ている。特性は、まず(0001)面上ではオーミックコンタクトアニールの有無に関わらず、10 cm2/Vs程度の低いチャネル移動度を示している。一方(000-1)面では、図8(c)のアニール無ではゲート電圧を増加させると、ソース・ドレイン間の電流が増大し、チャネル移動度が最大で約88 cm2/Vsと高い値を示すのに対して、図8(d)のアニール有ではゲート電圧に関わらず、チャネル移動度がゼロと電流が全く流れていない。
この原因は、詳細は不明であるが、ウェット雰囲気で酸化すると、(0001)面よりも(000-1)面の方で水素が界面準位を終端する効率が高く、それによってチャネル移動度が高くなる反面、その後に不活性ガス中でアニールすると水素が界面準位から容易に脱離してしまうためと考えられる。
請求項1の発明は、炭化ケイ素半導体の(000-1)面上に、少なくとも酸素と水分を含むガス中で熱酸化し前記炭化ケイ素半導体の(000-1)面上に接するように絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜の一部を除去し開口部を形成する工程と、該開口部の少なくとも一部にコンタクトメタルを堆積する工程と、熱処理により前記コンタクトメタルと炭化ケイ素の反応層を形成する工程とを有する炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、前記熱処理を不活性ガスと水素の混合ガス中にて実施することを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法である。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記少なくとも酸素と水分を含むガス中で熱酸化し前記炭化ケイ素半導体の(000-1)面上に接するように絶縁膜を形成する工程が、ゲート絶縁膜を形成する工程の少なくとも一部であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法である。
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記熱処理の温度が800℃以上1000℃以下の範囲であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法である。
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3のいずれか1つの発明において、前記不活性ガスと水素の混合ガス中の水素濃度が1%以上20%以下の範囲であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法である。
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4のいずれか1つの発明において、前記炭化ケイ素半導体の(000-1)面からのオフ角が0度から1度であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法である。
請求項6の発明は、請求項1ないし請求項5のいずれか1つの発明によって製造された炭化ケイ素半導体装置において、絶縁膜中の水素濃度が5×1019cm-3以上1×1022cm-3以下の範囲であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置である。
図1は、本発明に係るMOSキャパシタの構成を示す図である。
このMOSキャパシタは次のようにして作製される。
まず、n型4H-SiC(000-1)基板1((000-1)面から0〜8度オフ基板、好ましくは0〜1度オフ基板)上にドナー密度1×1016cm-3のn型エピタキシャル膜2を成長させる。なお、4H-SiC基板単体、あるいは4H-SiC基板とエピタキシャル膜を併せて4H-SiC半導体と呼ぶ。
4H-SiC半導体を洗浄した後に900℃のウェット酸化を120分間にわたり行い厚さ50nmの絶縁膜3を形成し、室温まで冷却する。冷却中の雰囲気は例えばアルゴンや窒素などの不活性ガスでもよく、またウェット雰囲気から不活性ガスへの切り替えは冷却開始の30分程度前から行ってもよい。室温まで冷却した後、アルゴンガスまたはフォーミングガス(He+1〜20%H2、または好ましくはHe+1〜4%H2、または特に好ましくはHe+3.4%H2)中にて900℃で2分間保持、昇降温時間1分でアニールする。その後、絶縁膜3上にドット状のAlゲート電極4を蒸着し、裏面には全面にAlを蒸着したAl裏面電極5からなるMOSキャパシタを作製した。表面と裏面の間でC-Vメーター6を用いて容量-電圧測定を行い、酸化膜の界面準位密度に及ぼすアニールの雰囲気の影響について調べた。
同図に示すように、図2(a)のアニール無しのMOSキャパシタに比べて、図2(b)のアルゴンガス中でアニールしたMOSキャパシタでは界面準位密度が大幅に増加しているのに対して、図2(c)のフォーミングガス中でアニールしたMOSキャパシタでは界面準位密度の増加は極めて小さい。
このように、上記の測定結果から明らかなように、ウェット酸化によって形成した酸化膜のアニールを水素を含む雰囲気で行うことにより、ウェット酸化によって得られた低い界面準位密度がアニールによって増加するのを抑制できることがわかる。
図3は本発明に係る炭化ケイ素(000-1)面上へのMOSFETの製造方法を説明するための断面図である。
まず、図3(a)に示すように、p型4H-SiC(000-1)基板7((000-1)面から0〜8度オフ基板、好ましくは0〜1度オフ基板)上にアクセプター密度1×1016cm-3のp型エピタキシャル膜8を成長させる。なお、4H-SiC基板単体、あるいは4H-SiC基板とエピタキシャル膜を併せて4H-SiC半導体と呼ぶ。
次いで、図3(b)に示すように、p型エピタキシャル膜8の表面上に減圧CVD法により厚さ1umのSiO2膜を堆積し、フォトリソグラフィによりパターン加工してマスク9を形成する。その後、例えば、リンイオン10を基板温度500℃、加速エネルギー40keV〜250keVの多段、注入量2×1020cm-3でイオン注入する。
次いで、図3(c)に示すように、マスク9を除去し表面上に減圧CVD法により厚さ1umのSiO2膜を堆積し、フォトリソグラフィによりパターン加工してマスク11を形成する。その後、例えば、アルミニウムイオン12を基板温度500℃、加速エネルギー40keV〜200keVの多段、注入量2x1020cm-3でイオン注入する。
その後、図3(d)に示すように、マスク11を除去しアルゴン雰囲気中にて1600℃で5分間にわたる活性化アニールを行ってドレイン領域13、ソース領域14、およびグラウンド領域15を形成する。
次いで、図3(e)に示すように、減圧CVD法により厚さ0.5umのフィールド酸化膜16を堆積し、フォトリソグラフィとウェットエッチングによりアクティブ領域17を形成する。
次いで、図3(f)に示すように、900℃のウェット雰囲気にて熱酸化し、厚さ50nmのゲート絶縁膜18を形成する。ゲート絶縁膜18上には、減圧CVD法によって多結晶シリコンを0.3umの厚さで堆積し、フォトリソグラフィによりパターン加工してゲート電極19を形成する。
次いで、図3(g)に示すように、フォトリソグラフィとフッ酸エッチングによりドレイン領域13、ソース領域14およびグラウンド領域15上にコンタクトホールを形成し、その上から厚さ10nmのアルミニウムとさらに60nmのニッケルが蒸着されリフトオフによりパターン加工されてコンタクトメタル20を形成する。
次いで、図3(h)に示すように、フォーミングガス(He+1〜20%H2、または好ましくはHe+1〜4%H2、または特に好ましくはHe+3.4%H2)中にて、1000℃で2分間保持、昇降温時間1分でアニールし、コンタクトメタル20と炭化ケイ素の反応層21を形成する。
次いで、図3(i)に示すように、表面にアルミニウムを300nm蒸着しフォトリソグラフィとリン酸エッチングによりゲート電極19および反応層21上にパッド電極22を形成し、裏面にアルミニウムを100nm蒸着し裏面電極23を形成する。
同図において、図4 (a)は図3(h)の工程においてアニールをせずにオーミックコンタクトを形成し、p型領域のオーミックコンタクトを基板裏面から取った場合であり、図4(b)は図3(h)の工程においてフォーミングガス中でアニールを行った場合、図4(c)は図3(h)の工程においてアニールをフォーミングガスではなくアルゴン中にて行った場合、図4(d)は図3(h)の工程においてアニールをアルゴン中で行い、一旦室温に下がった後に再びフォーミングガス中にて同じ温度でアニールした場合の結果を示すものである。
図中図5(a)はアニールをせずにオーミックコンタクトを形成し、p型領域のオーミックコンタクトを基板裏面から取った場合、図5(b)は1000℃、図5(c)は900℃、図5(d)は800℃でフォーミングガス中にてアニールを行った場合の結果である。1000℃でアニールすると最大で約70cm2/Vsと高いチャネル移動度を示し、アニール温度を下げるとチャネル移動度がさらに上昇している。これよりアニール温度は1000℃以下の低温で行うのが望ましいことがわかる。
測定用試料は、まずn型4H-SiC(000-1)基板にアルミニウムイオンを基板温度500℃、加速エネルギー40keV〜200keVの多段で注入量2×1020cm-3としてイオン注入し、1600℃で5分間の活性化アニールを行った。その後、アルミニウムとニッケルの積層構造からなるコンタクト金属を堆積しパターン加工を施し、フォーミングガス中にてアニールを行い、その上にパッド電極を形成した。
このように本発明の炭化ケイ素MOSFETによれば、(000-1)面上での水素含有雰囲気でのオーミックコンタクトアニールを800℃以上で行うため、低い接触抵抗を有するオーミックコンタクトが実現できた。
このように本発明の炭化ケイ素(000-1)面上でのMOSFET製造方法によれば、ゲート酸化膜をウェット酸化で形成した後にオーミックコンタクトアニールを水素含有雰囲気で行うことにより、酸化膜と炭化ケイ素の界面に多量の水素を含有できることが分かる。
2 n型エピタキシャル膜
3 絶縁膜
4 Alゲート電極
5 Al裏面電極
6 C-Vメーター
7 p型4H-SiC(000-1)基板
8 p型エピタキシャル膜
9 マスクリンイオン
10 リンイオン
11 マスク
12 アルミニウムイオン
13 ドレイン領域
14 ソース領域
15 グラウンド領域
16 フィールド酸化膜
17 アクティブ領域
18 ゲート絶縁膜
19 ゲート電極
20 コンタクトメタル
21 反応層
22 パッド電極
23 裏面電極
Claims (6)
- 炭化ケイ素半導体の(000-1)面上に、少なくとも酸素と水分を含むガス中で熱酸化し前記炭化ケイ素半導体の(000-1)面上に接するように絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜の一部を除去し開口部を形成する工程と、該開口部の少なくとも一部にコンタクトメタルを堆積する工程と、熱処理により前記コンタクトメタルと炭化ケイ素の反応層を形成する工程とを有する炭化ケイ素半導体装置の製造方法において、
前記熱処理を不活性ガスと水素の混合ガス中にて実施することを特徴とする炭化ケイ素半導体装置の製造方法。 - 前記少なくとも酸素と水分を含むガス中で熱酸化し前記炭化ケイ素半導体の(000-1)面上に接するように絶縁膜を形成する工程が、ゲート絶縁膜を形成する工程の少なくとも一部であることを特徴とする請求項1に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
- 前記熱処理の温度が800℃以上1000℃以下の範囲であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
- 前記不活性ガスと水素の混合ガス中の水素濃度が1%以上20%以下の範囲であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1つの請求項に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
- 前記炭化ケイ素半導体の(000-1)面からのオフ角が0度から1度であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1つの請求項に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか1つの請求項に記載の炭化ケイ素半導体装置の製造方法にて製造された炭化ケイ素半導体装置の絶縁膜中の水素濃度が5×1019cm-3以上1×1022cm-3以下の範囲であることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置。
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