JP2015126080A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンタクト用のトレンチが形成されている半導体装置の信頼性を向上させる。
【解決手段】半導体装置１は、トレンチ３０の底面に接触する第１金属部１４ａ、トレンチ３０の側面に接触する第２金属部１４ｂ、及び第１金属部１４ａと第２金属部１４ｂに囲まれている第３金属部１４ｃを備えている。第１金属部１４ａとｐ型のベース領域２６が、オーミック接触している。第２金属部１４ｂとｎ型のソース領域２８が、オーミック接触している。第３金属部１４ｃの材料の熱膨張係数が、第２金属部１４ｂの材料の熱膨張係数以下である。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される技術は、コンタクト用のトレンチが形成されている半導体装置に関する。

半導体装置の小型化を進めるために、半導体層の表層部にコンタクト用のトレンチを形成する技術が知られている。コンタクト用のトレンチ内に充填された電極は、コンタクト用のトレンチの側面を利用して半導体層に接触することができる。このため、半導体層の面内方向における電極の接触面積を削減することができるので、半導体装置の小型化が実現される。

この種の半導体装置において、コンタクト用のトレンチ内に充填された電極の接触抵抗を低減することが望まれており、その技術の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示される技術では、コンタクト用のトレンチ内に充填されているソース電極が、３つの金属部で構成されていることを特徴とする。第１金属部は、コンタクト用のトレンチの底面に接触しており、ｐ型のベース領域とオーミック接触する。第２金属部は、コンタクト用のトレンチの側面に接触しており、ｎ型のソース領域とオーミック接触する。第３金属部は、コンタクト用のトレンチ内において第１金属部と第２金属部に囲まれており、コンタクト用のトレンチの外にまで伸びている。

上記半導体装置では、ｐ型のベース領域にオーミック接触する第１金属部とｎ型のソース領域にオーミック接触する第２金属部がコンタクト用のトレンチ内に充填されているので、小型化と接触抵抗の低下の双方が改善されている。

特開２０１０−２３８７３８号公報

しかしながら、上記半導体装置では、第１金属部と第２金属部に囲まれている第３金属部の材料に熱膨張係数の大きいアルミニウムが用いられている。コンタクト用のトレンチ内に充填されている金属の熱膨張は、半導体層の面内方向において、硬い半導体層によって規制される。このため、このような熱膨張係数の大きい金属がコンタクト用のトレンチ内に充填されていると、半導体装置が高温になったときに、金属部と金属部の接合面や金属部と半導体層の接合面に応力が集中し、これらの接合面において剥がれ又はクラックが発生する可能性がある。これらの剥がれ及びクラックは、半導体装置の信頼性を低下させる。

本明細書は、コンタクト用のトレンチが形成されている半導体装置において、信頼性を向上させる技術を提供することを目的としている。

本明細書で開示される半導体装置は、半導体層、第１金属部、第２金属部、第３金属部を備えている。コンタクト用のトレンチが半導体層の表層部に形成されている。第１金属部は、コンタクト用のトレンチに充填されており、コンタクト用のトレンチの底面に接触する。第２金属部は、コンタクト用のトレンチに充填されており、コンタクト用のトレンチの側面に接触する。第３金属部は、コンタクト用のトレンチに充填されており、第１金属部と第２金属部に囲まれている。半導体層は、第１導電型の第１半導体領域と第２導電型の第２半導体領域を有する。第１半導体領域は、コンタクト用のトレンチの底面に露出して設けられている。第２半導体領域は、コンタクト用のトレンチの側面に露出して設けられている。第１金属部と第１半導体領域が、オーミック接触している。第２金属部と第２半導体領域が、オーミック接触している。第３金属部の材料の熱膨張係数が、第２金属部の材料の熱膨張係数以下である。コンタクト用のトレンチに充填される第３金属部の材料に熱膨張係数の小さい材料が用いられているので、半導体装置が高温になったとしても、金属と金属の接合面や金属と半導体層の接合面に加わる応力が緩和され、これらの接合面における剥がれ又はクラックが抑制され、半導体装置の信頼性が向上する。

実施例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 変形例の半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 実施例の半導体装置を製造する方法の一工程の要部断面図を模式的に示す。 実施例の半導体装置を製造する方法の一工程の要部断面図を模式的に示す。 実施例の半導体装置を製造する方法の一工程の要部断面図を模式的に示す。 実施例の半導体装置を製造する方法の一工程の要部断面図を模式的に示す。 実施例の半導体装置を製造する方法の一工程の要部断面図を模式的に示す。 実施例の半導体装置を製造する方法の一工程の要部断面図を模式的に示す。 実施例の半導体装置を製造する方法の一工程の要部断面図を模式的に示す。 実施例の半導体装置を製造する方法の一工程の要部断面図を模式的に示す。

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

（第１特徴）本明細書で開示される半導体装置は、半導体層、第１金属部、第２金属部、第３金属部を備えていてもよい。コンタクト用のトレンチが半導体層の表層部に形成されている。第１金属部は、コンタクト用のトレンチに充填されており、コンタクト用のトレンチの底面に接触する。第２金属部は、コンタクト用のトレンチに充填されており、コンタクト用のトレンチの側面に接触する。第３金属部は、コンタクト用のトレンチに充填されており、第１金属部と第２金属部に囲まれている。半導体層は、第１導電型の第１半導体領域と第２導電型の第２半導体領域を有する。第１半導体領域は、コンタクト用のトレンチの底面に露出して設けられている。第２半導体領域は、コンタクト用のトレンチの側面に露出して設けられている。第１金属部と第１半導体領域が、オーミック接触している。第２金属部と第２半導体領域が、オーミック接触している。第３金属部の材料の熱膨張係数が、第２金属部の材料の熱膨張係数以下である。より好ましくは、第３金属部の材料の熱膨張係数が、第２金属部の材料の熱膨張係数よりも小さいのが望ましい。ここで、第１金属部と第２金属部は、異なる材料であるのが好ましい。第１金属部と第３金属部は、異なる材料であるのが好ましい。第２金属部と第３金属部は、同一材料であってもよく、異なる材料であってもよい。第２金属部と第３金属部が同一材料の場合、第２金属部と第３金属部の材料の熱膨張係数が同一である。このような場合でも、第３金属部の材料の熱膨張係数が第２金属部の材料の熱膨張係数よりも大きく構成されている従来の半導体装置に比して、本明細書で開示される半導体装置の信頼性が高い。

（第２特徴）半導体層の材料は特に限定されるものではない。好ましくは、半導体層の材料は、ワイドバンドギャップ半導体である。このようなワイドバンドギャップ半導体については、ｎ型とｐ型の双方に対して良好にオーミック接触する実用的な金属材料が知られていない。本明細書で開示される半導体装置は、第１金属部と第２金属部を利用して第１半導体領域と第２半導体領域の各々にオーミック接触することができる。このため、本明細書で開示される半導体装置は、半導体層の材料がワイドバンドギャップ半導体のときに特に有用である。ワイドバンドギャップ半導体は、化合物半導体が好ましく、具体的には、炭化珪素又は窒化物半導体が好ましい。

（第３特徴）本明細書で開示される半導体装置の種類は特に限定されない。好ましくは、本明細書で開示される半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴである。半導体装置の種類がＭＯＳＦＥＴの場合、第１半導体領域がｐ型のベース領域であり、第２半導体領域がｎ型のソース領域である。半導体装置の種類がＩＧＢＴの場合、第１半導体領域がｐ型のベース領域であり、第２半導体領域がｎ型のエミッタ領域である。

（第４特徴）半導体層の材料が炭化珪素の場合、第１金属部の材料は、ｐ型の第１半導体領域にオーミック接触するものが好ましく、具体的には、アルミニウムを含む金属が好ましい。第２金属部の材料は、ｎ型の第２半導体領域にオーミック接触するものが好ましく、具体的には、ニッケルを含む金属が好ましい。第３金属部の材料は、第２金属部の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有するものが好ましく、具体的には、タングステン、モリブテン又はタンタルを含む金属が好ましい。

（第５特徴）半導体層の材料が窒化物半導体の場合、第１金属部の材料は、ｐ型の第１半導体領域にオーミック接触するものが好ましく、具体的には、ニッケル、パラジウム、金又は白金を含む金属が好ましい。第２金属部の材料は、ｎ型の第２半導体領域にオーミック接触するものが好ましく、具体的には、チタン又はアルミニウムを含む金属が好ましい。さらに、第３金属部の材料は、第２金属部の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有するものが好ましく、具体的には、タングステン、モリブテン又はタンタルを含む金属が好ましい。

（第６特徴）半導体層の材料が窒化アルミニウムの場合、第１金属部の材料は、ｐ型の第１半導体領域にオーミック接触するものが好ましく、具体的には、パラジウム又は金を含む金属が好ましい。さらに、第２金属部の材料は、ｎ型の第２半導体領域にオーミック接触するものが好ましく、具体的には、チタン又はアルミニウムを含む金属が好ましい。さらに、第３金属部の材料は、第２金属部の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有するものが好ましく、具体的には、タングステン、モリブテン又はタンタルを含む金属が好ましい。

図１に示されるように、半導体装置１は、縦型のMOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であり、半導体層２０、半導体層２０の裏面に設けられているドレイン電極１２、半導体層２０の表面に設けられているソース電極１４及び絶縁ゲート部１７を備えている。

一例では、半導体層２０の材料が炭化珪素である。半導体層２０は、ｎ⁺型のドレイン領域２２、ｎ^-型のドリフト領域２４、ｐ型のベース領域２６及びｎ⁺型のソース領域２８を有している。半導体層２０の表層部には、ソース領域２８を貫通してベース領域２６に達するコンタクト用のトレンチ３０が形成されている。

ドレイン領域２２は、半導体層２０の裏層部に位置しており、ドレイン電極１２に接触している。一例では、ドレイン領域２２は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3の以上の不純物濃度を有している。

ドリフト領域２４は、ドレイン領域２２上に位置しており、ドレイン領域２２とベース領域２６を隔てている。ドリフト領域２４は、エピタキシャル成長技術を利用して、ドレイン領域２２の表面から結晶成長して形成される。一例では、ドリフト領域２４は、１×１０¹⁵〜５×１０¹⁶ｃｍ^-3の不純物濃度を有している。

ベース領域２６は、ドリフト領域２４上に位置しており、ドリフト領域２４とソース領域２８を隔てている。ベース領域２６は、エピタキシャル成長技術を利用して、ドリフト領域２４の表面から結晶成長して形成される。一例では、ベース領域２６は、１．０×１０¹⁶〜２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3の不純物濃度を有している。

ソース領域２８は、半導体層２０の表層部に位置している。ソース領域２８は、エピタキシャル成長技術を利用して、ベース領域２６の表面から結晶成長して形成される。又は、ソース領域２８は、イオン注入技術を利用して、ベース領域２６の表面に形成されてもよい。一例では、ソース領域２８は、約１×１０²¹ｃｍ^-3の不純物濃度を有している。

ドレイン電極１２は、半導体層２０の裏面を被膜している。一例では、ドレイン電極１２の材料がニッケルシリサイドである。ドレイン電極１２は、ドレイン領域２２にオーミック接触している。

ソース電極１４は、第１金属部１４ａ、第２金属部１４ｂ、第３金属部１４ｃ及び第４金属部１４ｄを有している。第１金属部１４ａは、コンタクト用のトレンチ３０内に充填されており、トレンチ３０の底面に接触している。第２金属部１４ｂは、コンタクト用のトレンチ３０内に充填されており、トレンチ３０の側面に接触している。第３金属部１４ｃは、コンタクト用のトレンチ３０内に充填されており、トレンチ３０内において第１金属部１４ａと第２金属部１４ｂによって囲まれている。第４金属部１４ｄは、第２金属部１４ｂ及び第３金属部１４ｃに接触するとともに、層間絶縁膜１８の表面に配設されている。

一例では、第１金属部１４ａの材料は、アルミニウム合金である。具体的には、第１金属部１４ａの材料は、アルミニウムとシリコンの合金である。第１金属部１４ａは、コンタクト用のトレンチ３０の底面に露出するベース領域２６とオーミック接触している。一例では、コンタクト用のトレンチ３０の底面に直交する方向における第１金属部１４ａの厚みは、約２０ｎｍである。

一例では、第２金属部１４ｂの材料は、ニッケル合金である。具体的には、第２金属部１４ｂの材料は、ニッケルシリサイドである。第２金属部１４ｂは、コンタクト用のトレンチ３０の側面に露出するソース領域２８とオーミック接触している。一例では、コンタクト用のトレンチ３０の側面に直交する方向における第２金属部１４ｂの厚みは、２０〜１００ｎｍである。

一例では、第３金属部１４ｃの材料は、タングステンである。これに代えて、第３金属部１４ｃの材料は、モリブテン又はタンタルであってもよい。第３金属部１４ｃの材料の熱膨張係数は、第１金属部１４ａ及び第２金属部１４ｃの材料の熱膨張係数よりも小さい。具体的には、アルミニウムとシリコンの合金である第１金属部１４ａの熱膨張係数は約２０×１０^-6／Ｋであり、ニッケルシリサイドである第２金属部１４ｂの熱膨張係数は約１５×１０^-6／Ｋであり、タングステンである第３金属部１４ｃの熱膨張係数は約４．５×１０^-6／Ｋである。

一例では、第４金属部１４ｄの材料は、アルミニウムである。第４金属部１４ｄは、第２金属部１４ｂ及び第３金属部１４ｃに接触するとともに、層間絶縁膜１８の表面に配設されている。

絶縁ゲート部１７は、半導体層２０の表面からソース領域２８、ベース領域２６を貫通してドリフト領域２４に達するゲート用のトレンチ内に形成されている。絶縁ゲート部１７は、ドリフト領域２４とソース領域２８を隔てているベース領域２６に対向している。絶縁ゲート部１７は、ゲート絶縁膜１５及びゲート絶縁膜１５に被覆されているトレンチゲート電極１６を有している。トレンチゲート電極１６とソース電極１４は、層間絶縁膜１８によって絶縁されている。一例では、ゲート絶縁膜１５の材料がシリコン酸化膜である。一例では、トレンチゲート電極１６の材料がポリシリコンである。一例では、層間絶縁膜１８の材料がシリコン酸化膜である。

半導体装置１は、ドレイン電極１２にソース電極１４よりも高い電圧が印加され、且つトレンチゲート電極１６に閾値電圧よりも高い電圧が印加されると、オン状態となる。オン状態では、絶縁ゲート部１７が対向するベース領域２６に反転層が形成され、ドレイン電極１２とソース電極１４の間が導通する。一方、半導体装置１は、ドレイン電極１２にソース電極１４よりも高い電圧が印加され、且つトレンチゲート電極１６に閾値電圧以下の電圧が印加されると、反転層が消失し、オフ状態となる。このように、半導体装置１は、トレンチゲート電極１６に印加する電圧に基づいてオンとオフが切り換えられるスイッチング素子として機能する。

半導体装置１では、ｐ型のベース領域２６にオーミック接触する第１金属部１４ａとｎ型のソース領域２８にオーミック接触する第２金属部１４ｂがコンタクト用のトレンチ３０内に充填されているので、小型化と接触抵抗の低下の双方が改善されている。

さらに、半導体装置１では、第３金属部１４ｃの材料の熱膨張係数が、第２金属部１４ｂの材料の熱膨張係数よりも小さい。これにより、半導体装置１が高温になったとしても、第３金属部１４ｃと第２金属部１４ｂの接合面や第２金属部１４ｂと半導体層２０の接合面に加わる応力が緩和され、これらの接合面における剥がれ又はクラックが抑制され、半導体装置１の信頼性が向上する。

図２に示される変形例の半導体装置２は、第２金属部１４ｂと第３金属部１４ｃが同一材料で構成されている例である。一例では、第２金属部１４ｂ及び第３金属部１４ｃの材料がニッケルである。このような場合でも、コンタクト用のトレンチ３０内の応力が緩和され、半導体装置２の信頼性が向上する。

以下、半導体装置１の製造方法を説明する。

図３に示されるように、既知技術を利用して半導体層２０内に各半導体領域及び絶縁ゲート部１７が形成された後に、層間絶縁膜１８の表面にレジスト４２がパターニングされる。レジスト４２には、コンタクト用のトレンチの形成範囲に対応して開口が形成されている。

次に、図４に示されるように、ドライエッチング技術を利用して、レジスト４２から露出する層間絶縁膜１８、ゲート絶縁膜１５、ソース領域２８を貫通してベース領域２６に達するトレンチ３０が形成される。一例では、エッチングガスには塩素等が用いられる。

次に、図５に示されるように、スパッタ技術を利用して、レジスト４２の表面及びトレンチ３０の底面に第１金属膜１４Ａが形成される。第１金属膜１４Ａの材料はアルミニウムである。

次に、図６に示されるように、ウェットエッチング技術を利用して、レジスト４２が除去される。これにより、レジスト４２の表面に堆積していた第１金属膜１４Ａの一部も同時に除去される。この結果、トレンチ３０の底面に堆積していた第１金属膜１４Ａの一部が残存する。

次に、図７に示されるように、スパッタ技術を利用して、層間絶縁膜１８の表面及びトレンチ３０内に第２金属膜１４Ｂが形成される。第２金属膜１４Ｂの材料はニッケルである。

次に、図８に示されるように、熱処理が実施される。一例では、熱処理の条件は、無酸素雰囲気下において１０００℃以下である。これにより、トレンチ３０の底面に堆積していた第１金属膜１４Ａの少なくとも一部が合金化し、第１金属部１４ａとなり、第２金属膜１４Ｂのうちのソース領域２８に接触する部分がシリサイド化し、第２金属部１４ｂとなる。

次に、図９に示されるように、ウェットエッチング技術を利用して、シリサイド化されなかった第２金属膜１４Ｂが除去される。

次に、図１０に示されるように、スパッタ技術を利用して、コンタクト用のトレンチ３０内に第３金属部１４ｃが充填される。最後に、スパッタ技術を利用して第４金属部１４ｄ（図示せず）を堆積することで、図１に示される半導体装置１が完成する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。上記実施例では、ＭＯＳＦＥＴを例に説明したが、この例に代えて、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であってもよい。

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１２：ドレイン電極
１４：ソース電極
１４ａ：第１金属部
１４ｂ：第２金属部
１４ｃ：第３金属部
１４ｄ：第４金属部
１７：絶縁ゲート
２０：半導体層
２２：ドレイン領域
２４：ドリフト領域
２６：ベース領域
２８：ソース領域
３０：トレンチ

Claims (5)

1. コンタクト用のトレンチが表層部に形成されている半導体層と、
   前記トレンチに充填されており、前記トレンチの底面に接触する第１金属部と、
   前記トレンチに充填されており、前記トレンチの側面に接触する第２金属部と、
   前記トレンチに充填されており、前記第１金属部と前記第２金属部に囲まれている第３金属部と、を備えており、
   前記半導体層は、
   前記トレンチの底面に露出して設けられている第１導電型の第１半導体領域と、
   前記トレンチの側面に露出して設けられている第２導電型の第２半導体領域と、を有しており、
   前記第１金属部と前記第１半導体領域が、オーミック接触しており、
   前記第２金属部と前記第２半導体領域が、オーミック接触しており、
   前記第３金属部の材料の熱膨張係数が、前記第２金属部の材料の熱膨張係数以下である半導体装置。
2. 前記第３金属部の材料の熱膨張係数が、前記第２金属部の材料の熱膨張係数よりも小さい請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体層の材料が、炭化珪素である請求項１又は２のいずれか一項に記載の半導体装置。
4. 前記第２半導体領域がｎ型であり、
   前記第２金属部の材料が、ニッケルを含む金属である請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記第３金属部の材料が、タングステン、モリブテン又はタンタルを含む金属である請求項４に記載の半導体装置。

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