JP3996282B2

JP3996282B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3996282B2
Application number: JP32025798A
Authority: JP
Inventors: 潔太田; 忠夫戸田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-11-11
Filing date: 1998-11-11
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2018-11-11
Also published as: JP2000150417A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に係り、特に、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体の熱処理方法、特に、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体への電極形成方法に用いて好適な炭化珪素（ＳｉＣ）半導体の熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードや半導体レーザ等の光半導体素子材料として開発が進んでいる炭化珪素（ＳｉＣ）半導体は、熱的、科学的に安定であり、耐放射線性に優れていることから、耐環境デバイスや高出力デバイスの材料として注目を集めている。
【０００３】
また、ＳｉＣ半導体はＧａＡｓ半導体に比べて、電子移動度が約２倍から３倍大きいことから、高周波半導体素子材料としても開発が行われている。
【０００４】
従来、ＳｉＣ半導体へのオーミック電極は、オーミック電極となる金属膜をＳｉＣ半導体層上に形成した後、高温の熱処理を施して、オーミック性を取るようにしている。例えば、ｎ型ＳｉＣのオーミック電極としてＮｉ（ニッケル）電極を形成する場合、Ｎｉ膜を電子ビーム技術によって蒸着した後、フォトリソグラフィ技術及びＮｉ膜のケミカルエッチング技術によってパターンニングする。そして、その後に、例えば、Ａｒガスを用いて１０００℃で１０分の熱処理（アニール）を行って、Ｎｉオーミック電極を形成する方法が用いられている。
【０００５】
かかる従来のオーミック電極の形成方法によると、不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度のｎ型ＳｉＣ半導体に安定してＮｉオーミック電極を形成する場合、Ａｒガス中で１１００℃で５分程度の熱処理を施すことが必要となる。
【０００６】
このような場合、ＮｉのＳｉＣ半導体中への拡散深さが約１μｍ程度となるため、例えば、ｐｎ接合深さが０．２μｍ程度からなる、ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層とｐ型ＳｉＣエピタキシャル層とｎ型ＳｉＣ型基板からなるデバイスにおいては、ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層へオーミック電極を形成することが不可能になる等の問題が生じる。
【０００７】
また、従来の熱処理方法では、オーミック特性の再現性が得られないこともしばしば発生していた。
【０００８】
一方、前述したように、ＳｉＣ半導体は、電子移動度がＧａＡｓ半導体に比べて大きい。しかしながら、結晶欠陥はＧａＡｓ半導体に比べて２桁ほど多く、半導体特性を考えると更なる結晶性の向上が望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、かかる従来のオーミック電極形成条件の高温熱処理から生じる問題やオーミック特性の再現性が得られない等の問題点を解決することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、炭化珪素半導体基板上にｎ型炭化珪素エピタキシャル層を形成した後、窒素ガス中で２００℃以上９００℃以下の温度で熱処理を施したことを特徴とする。
【００１２】
ＳｉＣのフォトルミネッセンス（ＰＬ）信号強度から、Ｎ₂ガス中で熱処理を施すと、結晶性の向上もしくは不純物の活性化（キャリア化）の向上が図れることがわかる。
【００１３】
また、この発明は、炭化珪素半導体基板上に形成されたｎ型炭化珪素エピタキシャル層上にオーミック電極用金属を形成した後、窒素ガス中で９００℃以上１０００℃以下の温度で熱処理を施し、オーミック接触をとることを特徴とする。
【００１５】
ＳｉＣのフォトルミネッセンス（ＰＬ）信号強度から、Ｎ₂ガス中で熱処理を施すと、結晶性の向上もしくは不純物の活性化（キャリア化）の向上のような現象が確認され、これらのことが作用することで、オーミック電極の形成条件の低温化や特性の再現性向上等が図れる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。図１は、オーミック電極の特性を測定するために用いた試料構造を示す断面図である。また、図２及び図３は、この発明による熱処理方法によって得られたオーミック電極の特性と従来方法によって得られたオーミック電極の特性とを比較した電圧−電流特性図である。
【００１７】
図１に示すように、ｎ型ＳｉＣ半導体基板１上にｐ型ＳｉＣエピタキシャル層２及びｎ型ＳｉＣエピタキシャル層３が設けられ、このｎ型ＳｉＣエピタキシャル層３上にＮｉ膜を電子ビーム技術によって蒸着した後、フォトリソグラフィ技術及びＮｉ膜のケミカルエッチング技術によってパターンニングして、Ｎｉ電極４、４を形成する。その後熱処理を施して、測定針５を両電極につけ、電流を流して、電流−電圧特性を測定した。
【００１８】
図２は、キャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ型ＳｉＣエピタキシャル層３上に電子ビーム蒸着によって膜厚４０００オングストロームのＮｉ膜を形成した後、１０００℃で５分間の熱処理をそれぞれＮ₂（窒素）ガス中及びＡｒ（アルゴン）ガス中で行い、オーミック特性を測定した結果を示す。なお、ガス流量はいずれも１．０Ｌ／分である。
【００１９】
図２において、ａはＮ₂ガス中で熱処理したものであり、ｂはＡｒガス中で熱処理したものである。
【００２０】
この図２から明らかなように、Ａｒガス中で熱処理した場合には非オーミック特性を示しているのに対して、Ｎ₂ガス中で熱処理した場合には完全なオーミック特性を示していることが分かる。
【００２１】
図３は、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＳｉＣエピタキシャル層３上に電子ビーム蒸着によって膜厚４０００オングストロームのＮｉ膜を形成した後、９００℃で５分間の熱処理をそれぞれＮ₂ガス中及びＡｒガス中で行い、オーミック特性を測定した結果を示す。なお、ガス流量はいずれも１．０Ｌ／分である。
【００２２】
図３において、ａはＮ₂ガス中で熱処理したものであり、ｂはＡｒガス中で熱処理したものである。
【００２３】
この図３から明らかなように、Ａｒガス中で熱処理した場合には非オーミック特性を示しているのに対して、Ｎ₂ガス中で熱処理した場合には完全なオーミック特性を示していることが分かる。
【００２４】
上記したこの発明の実施の形態から明らかなように、オーミック電極形成の熱処理をＮ₂ガス中で行うことにより、安定してオーミック電極を形成できるとともに、熱処理温度の低下が可能になる。
【００２５】
また、熱処理時間の短縮も可能になることから、浅いｐｎ接合を有するＳｉＣ半導体素子でのオーミック電極形成が極めて容易となる。
【００２６】
次に、上記した熱処理によりＳｉＣ半導体の結晶性の向上、不純物の活性化（キャリア化）の向上をもたらしていることを確認するために、フォトルミネッセンス（ＰＬ）強度を測定した。
【００２７】
測定は、エピタキシャル成長層を形成したＳｉＣ半導体ウェハをＮ₂ガス中で７００℃、５分間の熱処理を施したサンプルと、熱処理を施していないサンプルとを用意し、それぞれのフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度を測定した。その結果を図４に示す。
【００２８】
図４より、ディープレベルからの発光と思われる５７０ｎｍ付近の信号強度は熱処理を施したものと施していないものとは殆ど変化が見られないのに対して、バンド端発光と思われる４２５ｎｍ付近の信号強度は熱処理を施したものが非常に強くなっていることが分かる。この結果、Ｎ₂ガス中で７００℃、５分間の熱処理を施したものが、ＳｉＣ半導体の結晶性の向上、不純物の活性化（キャリア化）の向上をもたらしていることが分かる。
【００２９】
次に、熱処理条件によって、ＰＬ信号強度がどのように変化しているかを調べた。その結果を表１に示す。ディープレベルからの発光と思われる５７０ｎｍ付近の信号強度に対するバンド端発光と思われる４２５ｎｍ付近の信号強度の比率で表したのがＰＬ強度比である。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１からＮ₂ガス中で熱処理した場合は、２００℃からＰＬ強度比が大きくなり、９００℃程度で平衡になる。これに対して、Ａｒガス中での熱処理の場合は、１１００℃でも熱処理無しのサンプルと殆ど変わらないことが分かる。
【００３２】
表１から、ＳｉＣ半導体の結晶性の向上並びに不純物の活性化（キャリア化）の向上させるためには、Ｎ₂ガス中で２００℃以上の熱処理を行えばよいことが分かる。
【００３３】
以上の結果から、Ｎ₂ガス中で熱処理によって、結晶性の向上やドーピング不純物の活性化率の向上などをもたらすことができると考えることができる。
【００３４】
次に、ＳｉＣ半導体装置において、Ｎ₂ガスの熱処理を行って好適な例につき図５以下に従い説明する。
【００３５】
まず、ＳｉＣ電界効果型トランジスタ（ＳｉＣＭＥＳＦＥＴ）の製造にこの発明を適用した場合を図５の工程図に従い説明する。
【００３６】
まず、図５（ａ）に示すように、ｎ型ＳｉＣ基板１０の主面に膜厚５．０μｍ程度のｐ型ＳｉＣエピタキシャル層１１、膜厚０．２μｍ程度のｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１２が順次形成される。このウェハの主面にＲＩＥ選択用マスクを形成し、ＲＩＥ法によりｐ型ＳｉＣエピタキシャル層１１に到達する用にメサエッチングを施す。
【００３７】
次いで、図５（ｂ）に示すように、ＲＩＥ選択用マスクを除去し、ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１２上に３０００オングストロームの厚さでＮｉ膜を蒸着して、パターニングした後、Ｎ₂ガス雰囲気中で、１０００℃、５分間の熱処理を施す。この熱処理により、Ｎｉ膜はオーミック接触が得られ、Ｎｉオーミック電極からなるソース、ドレイン電極１３、１３が形成される。また、このＮ₂ガス雰囲気中での熱処理により、ＳｉＣ半導体は結晶性及び不純物の活性率が向上される。
【００３８】
尚、結晶性等向上のための熱処理は、上記オーミック電極形成の際の熱処理と兼用しても、或いはウェハ状態で行っても良い。結晶性等向上のためのＮ₂ガス雰囲気中における熱処理は、前述したように、９００℃で平衡するので、結晶性等向上だけを目的とする場合には、９００℃以下の温度で熱処理を行えばよい。ただ、オーミック性を得るためには、やはり１０００℃前後の温度で熱処理を行う方が好ましい。
【００３９】
続いて、図５（ｃ）に示すように、リフトオフ技術を用いてＰｔからなるショットキ接合を有するゲート電極１４が形成される。このゲート電極は、Ｎ₂ガス雰囲気中での熱処理により、ＳｉＣ半導体表面が結晶性及び不純物の活性率が向上されているので、安定に形成され、ＦＥＴ特性が向上する。
【００４０】
尚、ウェハ状態での熱処理とオーミック電極形成時の熱処理を重ねて行っても同様の効果が得られる。
【００４１】
次に、ＦＥＴ特性の向上につき図６に従い説明する。
例えば、図６に示すように、ｎ型ＳｉＣ基板１０の主面にｐ型ＳｉＣエピタキシャル層１１、ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層１２が順次形成されたウェハに、ＦＥＴのソース、ドレイン領域を形成するために、窒素（Ｎ）をイオン注入し、イオン注入領域１５を形成する。そして、イオン注入領域１５を活性化するために、Ｎ₂ガス雰囲気中で２００℃以上の温度で熱処理を施す。このＮ₂ガス雰囲気中で熱処理により、イオン注入領域の結晶性の回復が良くなり、また、不純物の活性化が向上するために、ＦＥＴ特性の向上が図れる。
【００４２】
次に、ＳｉＣ発光ダイオードにつき図７に従い説明する。
図７（ａ）に示すように、ｎ型ＳｉＣ半導体基板２０の一主面に膜厚１．０μｍ程度のｎ型ＳｉＣエピタキシャル層２１、膜厚０．３μｍ程度のｐ型エピタキシャル層２２を順次形成する。このウェハ状態でＮ₂ガス雰囲気中の熱処理を行う。結晶性等向上のための熱処理は、前述したように、８００℃で平衡するので、結晶性等向上だけを目的とする場合には、８００℃以下の温度で熱処理を行なえばよい。
【００４３】
続いて、図７（ｂ）に示すように、ｐ型電極として、ｐ型エピタキシャル層２２上に、Ａｌ電極２３を設け、ｎ型ＳｉＣ半導体基板１の他主面にＮｉ電極２４設け、熱処理（アロイ）して発光ダイオードを得る。
【００４４】
上記したように、この発明により製造したＳｉＣ発光ダイオードは、ＦＥＴの場合と同様に、Ｎ₂ガス雰囲気中の熱処理の効果により、ＬＥＤの発光効率が改善されて、高輝度化が図れる。
【００４５】
次に、ＳｉＣバイポーラトランジスタにつき図８に従い説明する。
図８に示すように、ｎ型ＳｉＣ半導体基板３０をＮ₂ガス雰囲気中の熱処理を行う。結晶性等向上のための熱処理は、前述したように、９００℃で平衡するので、結晶性等向上だけを目的とする場合には、９００℃以下の温度で熱処理を行なえばよい。
【００４６】
その後ｎ型ＳｉＣ半導体基板３０一主面に膜厚１．０μｍ程度のベース層となるｐ型ＳｉＣエピタキシャル層３１を形成し、Ｎ₂ガス雰囲気中の熱処理を行う。続いて、ｐ型ＳｉＣエピタキシャル層３１上に膜厚０．３μｍ程度のエミッタ層となるｎ⁺型エピタキシャル層３２を形成し、Ｎ₂ガス雰囲気中の熱処理を行う。このＮ₂ガス雰囲気中の熱処理は、基板の熱処理と同様に８００℃以下の温度で行なえばよい。
【００４７】
続いて、ベース層まで届くメサエッチングを施した後、ＳｉＯ₂からなる絶縁層３３を設け、この絶縁層３３のベース領域とエミッタ領域にそれぞれ窓部を形成し、ｐ型ＳｉＣエピタキシャル層３１にＡｌからなるベース電極３４を、ｎ⁺型エピタキシャル層上にＮｉからなるエミッタ電極３５を、ｎ型ＳｉＣ半導体基板３０の他主面側にＮｉからなるコレクタ電極３６を形成する。その後、アロイすることによりＳｉＣバイポーラトランジスタを得る。
【００４８】
上記したように、ｎ型ＳｉＣ半導体基板３０をＮ₂ガス雰囲気中で熱処理を行った後に、ｐ型ＳｉＣエピタキシャル層３１形成し、この層を成形してＮ₂ガス雰囲気中で熱処理を行った後に、ｎ⁺型エピタキシャル層３２を形成し、Ｎ₂ガス雰囲気中で熱処理を行った後に、ＳｉＯ₂膜及び電極形成を行う。このように製造することで、各層間の結晶欠陥の低減や表面準位の低減が可能となり、トランジスタ特性の向上が図れる。
【００４９】
ＳｉＣＭＯＳＦＥＴの製造にこの発明を適用した場合を示す図９に従い説明する。
【００５０】
図９に示すように、ｎ型ＳｉＣ基板４０の主面に膜厚５．０μｍ程度のｐ型ＳｉＣエピタキシャル層４１が形成される。そして、ＦＥＴのソース、ドレイン領域を形成するために、窒素（Ｎ）をイオン注入し、ソース、ドレイン領域４２、４２を形成する。
【００５１】
次いで、ｐ型ＳｉＣエピタキシャル層４１上に３０００オングストロームの厚さでＮｉ膜を蒸着して、パターニングし、ソース、ドレイン領域４２、４２上にソース、ドレイン電極４３、４３を形成した後、Ｎ₂ガス雰囲気中で、１０００℃、５分間の熱処理を施す。この熱処理により、Ｎｉ膜はオーミック接触が得られ、Ｎｉオーミック電極からなるソース、ドレイン電極４３、４３が形成される。また、このＮ₂ガス雰囲気中での熱処理により、イオン注入領域の結晶性の回復がされ、ＳｉＣ半導体は結晶性の向上や不純物の活性率が向上される。
【００５２】
尚、イオン注入領域の結晶性の回復のための熱処理は、上記したように、オーミック電極形成の際の熱処理に兼用しても、或いはイオン注入後、電極形成前にＮ₂ガス雰囲気中の熱処理を行っても良い。結晶性の回復及び結晶性の向上等のための熱処理は、前述したように、９００℃で平衡するので、結晶性等の向上だけを目的とする場合には、９００℃以下の温度で熱処理を行っても良い。ただ、オーミック性を得るためには、やはり１０００℃前後の温度で熱処理を行う方が好ましい。
【００５３】
続いて、ＳｉＯ₂膜からなるゲート絶縁膜４４を形成し、このゲート絶縁膜４４上にＡｌからなるゲート電極４５が形成される。
【００５４】
尚、結晶性等向上のために、ｐ型ＳｉＣエピタキシャル層４１形成後に、Ｎ₂ガス雰囲気中の熱処理を行っていてもよい。
【００５５】
上記したように、ｐ型ＳｉＣエピタキシャル層４１形成後、或いはイオン注入後及び、ソース・ドレイン電極４３、４３形成時の熱処理によりトランジスタ特性の向上が図れる。
【００５６】
次に、ＳｉＣ光センサーにつき図１０に従い説明する。
【００５７】
図１０に示すように、ｐ型ＳｉＣ半導体基板５０の一主面に膜厚１．０μｍ程度のｐ型ＳｉＣエピタキシャル層５１、膜厚２０００オングストローム以下のｎ⁺型エピタキシャル層５２を順次形成する。このウェハ状態でＮ₂ガス雰囲気中の熱処理を行っても良い。結晶性等向上のための熱処理は、前述したように、９００℃で平衡するので、結晶性向上だけを目的とする場合には、９００℃以下の温度で熱処理を行なえばよい。
【００５８】
続いて、カソード電極として、ｎ⁺型エピタキシャル層５２上に、Ｎｉ電極５３を設け、ｐ型ＳｉＣ半導体基板５０の他主面にアノード電極としてＡｌ電極５４を設け、Ｎ₂ガス雰囲気中で熱処理してＳｉＣ光センサーを得る。
【００５９】
上記したように、ｎ⁺型エピタキシャル層５２を形成後の熱処理や電極形成時の熱処理でセンサー感度の向上が図れる。特に、ｎ⁺型エピタキシャル層５２が２０００オングストローム以下と薄膜であるため、電極金属であるＮｉが熱処理によっって拡散する深さをできる限り浅くしなければならない。この点では、Ｎ₂ガスによる熱処理の場合、Ａｒガスでの熱処理の場合に比べて熱処理温度を１００℃程度低温化できることが有効になる。
【００６０】
上記した熱処理は窒素ガスを主成分とする混合ガスを用いても同様の効果が得られる。
【００６１】
更に、上記した実施の形態では、ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層へのオーミック電極形成に関して述べたが、ｎ型ＳｉＣ基板や、ｐ型ＳｉＣエピタキシャル層及びｐ型ＳｉＣ基板へのオーミック電極形成に関しても同様の効果を有する。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、オーミック電極形成の熱処理を窒素ガス中で行うことにより、安定してオーミック電極を形成できるとともに、熱処理温度の低下が可能となる。また熱処理時間の短縮も可能となることから、浅いｐｎ接合を有するＳｉＣ半導体素子でのオーミック電極形成が極めて容易になる。
【００６３】
また、ＳｉＣ半導体基板やＳｉＣエピタキシャル層の熱処理を窒素ガス中で行うことにより基板の安定化やエピタキシャル層の安定化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オーミック電極の特性を測定するために用いた試料構造を示す断面図である。
【図２】この発明による熱処理方法によって得られたオーミック電極の特性と従来方法によって得られたオーミック電極の特性とを比較した電圧−電流特性図である。
【図３】この発明による熱処理方法によって得られたオーミック電極の特性と従来方法によって得られたオーミック電極の特性とを比較した電圧−電流特性図である。
【図４】ＳｉＣ半導体ウェハをＮ₂ガス中で熱処理を施したサンプルと、熱処理を施していないサンプルとのフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度の特性図である。
【図５】この発明をＳｉＣＭＥＳＦＥＴの製造に適用した場合を示す断面図である。
【図６】この発明をＦＥＴの製造に適用した場合を示す断面図である。
【図７】この発明をＳｉＣ発光ダイオードの製造に適用した場合を示す断面図である。
【図８】この発明をＳｉＣバイポーラトランジスタの製造に適用した場合を示す断面図である。
【図９】この発明をＳｉＣＭＯＳＦＥＴの製造に適用した場合を示す断面図である。
【図１０】この発明をＳｉＣ光センサーの製造に適用した場合を示す断面図である。
【符号の説明】
１ｎ型ＳｉＣ半導体基板
２ｐ型ＳｉＣエピタキシャル層
３ｎ型ＳｉＣエピタキシャル層
４Ｎｉ電極

Claims

炭化珪素半導体基板上にｎ型炭化珪素エピタキシャル層を形成した後、窒素ガス中で２００℃以上９００℃以下の温度で熱処理を施したことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
炭化珪素半導体基板上に形成されたｎ型炭化珪素エピタキシャル層上にオーミック電極用金属を形成した後、窒素ガス中で９００℃以上１０００℃以下の温度で熱処理を施し、オーミック接触をとることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。