JP4013842B2 - Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents

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    • H01L21/048Making electrodes
    • H01L21/0485Ohmic electrodes

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent lowering of breakdown strength of a gate insulating film involved in formation of an ohmic contact to SiC. <P>SOLUTION: The method comprises processes for: forming a first metallic film 12 for an ohmic contact on a gate electrode 8 wherein a layer insulating film 10 is selectively removed and on an ohmic contact formation region; and leaving a first metallic film 12 only in the ohmic contact formation region by selectively removing the first metallic film 12 formed on the gate electrode 8 in the first metallic film 12 formed in the process. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&amp;NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素半導体への低抵抗のオーミック・コンタクトを形成する熱処理を含む炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、炭化珪素(以下SiCと記す)の熱的、化学的に安定な性質を利用した半導体素子の研究が盛んに行われている。炭化珪素半導体の結晶は六方晶のα型と、立方晶のβ型に大別され、2H,3C,4H,6H,15R等多くの多形が存在する。また、SiCはワイドバンドギャップ半導体のひとつであり、4Hタイプでは禁制帯幅が3.26eVでありシリコンの約3倍大きく、このため電気的な耐圧特性に優れ、電力制御用素子等への応用が期待されている。
【0003】
一方、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・コンタクトの形成プロセスは、コンタクトメタルをSiC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法と、蒸着後に熱処理を施してSiCとの界面反応層を形成する方法(Post Deposition Annealing法、以下PDA法と記す)に大別されている。
【0004】
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、ならびに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・コンタクトの形成には、PDA法を用いることで設計・製造マージンを広げられるという利点がある。
【0005】
このような特徴を有するSiCを使用した従来の半導体装置としては、例えば以下に示す文献(特許文献1参照)に記載されものが知られており、炭化珪素基板と金属電極とをオーミック・コンタクトさせる製造方法の技術としては、例えば以下に示す文献(特許文献2参照)に記載されたものが知られている。
【0006】
PDA法によるオーミック・コンタクトの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だけでなく、p型SiCに対してもオーミック性を示す。このため、SiCで作られるMOSFET,MESFET,JFETなどの素子形成に広く用いられている。
【0007】
超低損失スイッチングデバイスとして期待されているSiC縦型MOSFETに適用した例としては、例えば以下に示す文献(非特許文献1参照)に記載されたものが知られている。この文献に記載されたSiC縦型MOSFETは、ソース、pウェルコンタクト用材料としてNiを用いて、コンタクト・アニール温度を900℃として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。
【0008】
また、ゲート酸化膜の形成には、一酸化窒素ガス(NOガス)を用い、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(ポリシリコン)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。
【0009】
【特許文献1】
特開2000−022137号公報
【0010】
【特許文献2】
特開2002−289555号公報
【0011】
【非特許文献1】
R.Schorner et al.,Applied Physics Letters,Volume 80,Number 22,2002
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の炭化珪素半導体装置を製造するにあたって、以下に示す問題を招いていた。
【0013】
図8(a)ならびに同図(b)は、SiC−MOSFETと同一基板上に形成したMOSキャパシタの断面構造を示す図である。図8(a)において、高濃度n型のSiC基板80上には、1×1016cm−3程度の不純物濃度を持つn型エピタキシャル層81が10μm程度の厚さに形成されている。n型エピタキシャル層81の表面には、シリコン酸化膜からなるゲート酸化膜82が50nm程度の厚さに、フィールド酸化膜83が600nm程度の厚さにそれぞれ所定の位置に形成されている。ゲート酸化膜82からフィールド酸化膜83上にかけては、ゲート電位を制御するための高濃度n型ポリシリコン膜が350nm程度の厚さにLPCVD法によって蒸着され、フォトリソグラフィならびにエッチングによりパターニングされてゲート電極84が形成されている。さらに、ゲート電極84の上には、ゲート電極84を被覆するように厚い層間絶縁膜85が形成されている。
【0014】
ポリシリコンのゲート電極84に配線引出用のオーミック・コンタクトを形成するには、まずゲート酸化膜82の直上の350nm厚のゲート電極84に対向する層間絶縁膜85を、ソース、pウェルコンタクトと同時に開口してコンタクトホール86aを形成する。その後、ソース、pウェルコンタクトと同じコンタクトメタル材、例えばNiをコンタクトホール86aのゲート電極84に蒸着形成し、Ar雰囲気中で1000℃程度で、2分間程度の熱処理を加え、コンタクトメタル材のNiとゲート電極84のポリシリコンとの反応層87aを形成する。この時、図示していないが、同一のSiC基板80上に形成されたMOSFETのソース、pウェルコンタクト上にも、NiとSiCとの反応層が形成される。
【0015】
最後に、Niとポリシリコンとの反応層87a、ならびに層間絶縁膜85上に、MOSキャパシタの一方の電極となる引き出し電極88を例えばAlで形成し、さらにMOSキャパシタの他方の電極89をSiC基板80の裏面に形成し、MOSキャパシタが完成する。
【0016】
一方、同図(b)に示す構成では、層間絶縁膜85を形成するまでの工程は、同図(a)と同様であるが、コンタクトホール86bを、同図(a)に示すようにゲート酸化膜82の直上ではなく、同図(b)に示すように、フィールド酸化膜83上に延伸されたポリシリコンのゲート電極84上の層間絶縁膜85を開口して形成し、形成されたコンタクトホール86bにコンタクトメタル材のNiとゲート電極84のポリシリコンとの反応層87bを形成している。
【0017】
図8(a)、同図(b)に示すMOSキャパシタのC(容量)−V(電圧)特性、あるいはI(電流)−V(電圧)特性を調べたところ、同図(a)ではゲート電極84とSiC基板80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82の絶縁耐圧不良が発生した。一方、同図(b)に示す構成のMOSキャパシタでは、同様のリーク電流は観測されず、ゲート酸化膜82の絶縁耐圧不良は発生しなかった。
【0018】
このような現象は次のように説明できる。
【0019】
350nm程度の厚さのポリシリコンのゲート電極84上に蒸着形成されたオーミック・コンタクト用の金属であるNiは、1000℃程度で、2分間程度のコンタクト・アニール処理によってポリシリコン中を熱拡散する。1000℃程度におけるシリコン中のNiの拡散定数(D)を2×10−9cm/秒程度とすると、2分間の熱処理でシリコン中を拡散する拡散長√Dtは約4.9μm程度となる。
【0020】
これにより、ポリシリコン表面に蒸着されていたNiは、容易にポリシリコン/シリコン酸化膜(ゲート酸化膜82)の界面に到達する。ポリシリコン/シリコン酸化膜界面に到達したNiは、熱処理後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。このとき析出したシリサイドは、シリコン酸化膜に食い込んで局所的にシリコン酸化膜を薄膜化する。このため、薄膜化した部分のシリコン酸化膜の実効的な電界が増大し、シリコン酸化膜の耐圧が低下すると考えられる。析出物がシリコン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不良となる。
【0021】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、SiCに対するオーミック・コンタクトの形成にともなうゲート絶縁膜の耐圧低下を防止した炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、炭化珪素半導体を基体として炭化珪素半導体装置を製造する炭化珪素半導体装置の製造方法において、前記炭化珪素半導体の一表面上に、第1の絶縁膜を選択的に形成する第1の工程と、前記炭化珪素半導体の一表面上に、ゲート絶縁膜を選択的に形成する第2の工程と、前記第1の工程で形成された第1の絶縁膜上、ならびに前記第2の工程で形成されたゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する第3の工程と、前記ゲート電極の表面を選択的に第2の絶縁膜で被覆する第4の工程と、全面に層間絶縁膜を形成し、前記第2の絶縁膜上の前記層間絶縁膜、ならびに前記炭化珪素半導体にオーミック・コンタクトを形成するオーミック・コンタクト形成領域上の前記層間絶縁膜を選択的に除去する第の工程と、前記第の工程で前記層間絶縁膜を選択的に除去した、前記第2の絶縁膜上ならびに前記オーミック・コンタクト形成領域上に、第1の金属膜を形成する第の工程と、前記オーミック・コンタクト形成領域上に形成された第1の金属膜と前記炭化珪素半導体とを反応させて、金属間化合物を形成する第7の工程と、前記ゲート電極上に形成された前記第2の絶縁膜ならびに前記第1の金属膜を選択的に除去するの工程と、前記ゲート電極上ならびに前記金属間化合物上に、第2の金属膜を選択的に形成する第の工程とを有することを特徴とする。
【0023】
【発明の効果】
本発明によれば、炭化珪素半導体とのオーミック・コンタクトに用いる金属が拡散することによるゲート絶縁膜における絶縁耐圧の低下を防止し、高信頼性の炭化珪素半導体装置を製造することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【0025】
図1、図2、図3ならびに図4は本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の工程を示す断面図である。以下に説明するこの第1の実施形態の製造方法は、本発明をSiCの縦型MOSFETに適用した一実施形態である。
【0026】
まず、図1(a)において、高濃度n型のSiC基板1上に、低濃度n型のエピタキシャル層2を形成する。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、SiC基板1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。
【0027】
次に、図1(b)において、エピタキシャル層2上に、リン、窒素などのイオン注入によって高濃度n型領城であるソース領域5と、Al、ボロンなどのイオン注入によってp型領域であるpウェル領域3と、pウェル領域3の表面濃度を高くしオーミック・コンタクトを得られやすくするための高濃度p型領域(p型のpウェルコンタクト)4をそれぞれ形成する。これらのイオン注入は、導入する不純物が電気的に活性化し易いようにSiC基板1を500〜1000℃程度の高温状態で行うことが一般的である。
【0028】
このような所謂高温イオン注入によって所定の領域に不純物を導入後、概ね1500〜1800℃程度の温度範囲でアニール処理を行い、導入した不純物を電気的に活性化させる。アニール処理の時間、雰囲気などの条件は、アニール装置の形態による依存性が大きいが、例えばランプによる急速高温アニール(RTA)処理の場合には、不純物の活性化、エピタキシャル層2の表面の荒れなどを考慮して、1〜10分間程度、Arガス中で行う。
【0029】
図1(b)には示していないが、高温熱酸化によりエピタキシャル層2の表面上に10〜50nm程度の厚さの熱酸化膜を成長させ、一旦これをHF溶液等でエッチング除去する。この工程を行うことにより、エピタキシャル層2の表面を清浄に露出することができる。なお、ここで形成される熱酸化膜は一般的に犠牲酸化膜と呼ばれ、良質なゲート酸化膜の形成やSiCと金属との良好なオーミック・コンタクト形成には極めて重要なプロセスであり広くその効用が認められている。なお、犠牲酸化工程は、その効果と製造上の作り易さなどを勘案して、ゲート酸化膜形成の直前で行ってもよい。
【0030】
次に、図1(c)において、エピタキシャル層2の表面上に常圧CVD法により厚いシリコン酸化膜を形成し、所定の領域をフォトリソグラフィ、エッチングによって除去し、フィールド酸化膜6となる領域を形成する。なお、厚いシリコン酸化膜は熱酸化法で形成してもよいが、SiCの結晶面方位によって酸化速度が大きく異なるため、適宜選択すればよい。
【0031】
例えば熱酸化法によるドライ酸素酸化の場合には、4H−SiCでは(0001)面よりも(000−1)面の酸化速度は概ね10倍の酸化速度となるので、(000−1)面上に厚い酸化膜を形成する場合には、熱酸化法を用いてもよい。なおこの場合には、熱酸化によってSiC基板1上に形成されるソース領域5、pウェルコンタクト領域4、pウェル領域3が酸化種の侵入によって接合深さが浅くなったり、消失しないように酸化条件を決める必要がある。
【0032】
また、フィールド酸化膜6がゲート絶縁膜と同質の材料である場合には、本発明が従来技術の問題点とした、図5に示すような温度特性を有する拡散係数の金属原子における拡散に起因するゲート絶縁膜の絶縁耐圧不良が発生しないようにするために、ゲート絶縁膜の膜厚以上の膜厚が必要であることは言うまでもない。また、厚いフィールド酸化膜6をシリコン酸化膜で形成する場合には、概ね0.3〜1.0μm程度の膜厚が用いられる。
【0033】
次に、図2(d)において、高温熱酸化雰囲気中でフィールド酸化膜6の領域以外の露出した表面を酸化し、MOS構造のゲート酸化膜7を形成する。MOS構造のゲート酸化膜の形成方法は多くの手法が研究、開発されている。また、この酸化方法については、結晶の面方位によっても最適な温度、雰囲気、アニール等の条件が異なるとされているので、適宜最適なプロセス条件を選択する。例えば、4H−SiCの(0001)面については、NOガスを用いた酸化あるいはアニール方法が提案されている。
【0034】
次に、図2(e)において、ゲート酸化膜7が形成された後、SiCの表面に多結晶シリコンを350nm程度の厚さとなるように減圧CVD法によりデポジションする。多結晶シリコンはゲート電極として用いるので低抵抗であることが必要である。このため、減圧CVD法によるデポジション中にリン、ボロンなどの不純物元素を含むガスを混合するか、もしくは多結晶シリコンのデポジション後に液体拡散法、スピンコート法にアニールを加えた方法などの手法によって同様にリン、ボロンなどの不純物を高濃度に導入する。
【0035】
その後、フォトリソグラフィを行い、ドライエッチングによって多結晶シリコンをパターニングして、フィールド酸化膜6ならびにゲート酸化膜7上にゲート電極8を形成する。同図(e)では、ゲート酸化膜7上の多結晶シリコンとフィールド酸化膜上の多結晶シリコンとに分離して記載しているが、同図(e)ではオーミック・コンタクトに関する説明を中心にしているので省略している部分がある。実際には、これらの多結晶シリコンは一体の構造であり電気的に同一電位である。すなわち、同図(e)中では、フィールド酸化膜6上のゲート電極8とゲート酸化膜7上のゲート電極8は、別々に記載されているが、同図(e)はあくまで断面図であるための記載であり、例えばチャネル領域の形状を円形、六角形、四角形などの多角形として電気的に繋がった一体のゲート電極8としている。
【0036】
続いて、多結晶シリコンのエッチングによって露出したゲート酸化膜7を、フィールド酸化膜6が著しく後退しないように希フッ酸溶液などの精密に調整されたウェットエッチングにより除去する。
【0037】
次に、図2(f)に示すように、パターニングされた多結晶シリコンの表面を選択的にシリコン酸化膜9で被覆する。シリコン酸化膜9の形成方法としては、通常のCVD法では先にエッチングにより露出させたSiCの表面にもデポジションされてしまうので熱酸化法が好ましい。また、熱酸化法においても、SiCと多結晶シリコンとの酸化速度の差が大きいほど望ましい。
【0038】
一般的な反応管による熱酸化の酸化速度は温度と雰囲気に依存する。温度に関しては、SiCはシリコンに比べて酸化の活性化エネルギーが大きく、低温では殆ど酸化しない。発明者らの実験によれば、例えば4H−SiC(0001)面をドライ酸素酸化では1100℃、420分程度の酸化処理ではせいぜい30nm程度の厚さの熱酸化膜しか成長しない。一方、同一条件でシリコン単結晶基板を酸化すると約600nm程度酸化するので、20倍の酸化速度比となる。
【0039】
更に、酸化雰囲気中の水蒸気分圧(PH2O) が高い条件では、SiCとシリコンの酸化速度比は更に増大する。図6は発明者らが実施した、熱酸化法の一つである超純水を直接反応間内部に導入するHO 直接酸化法による、SiC上およびシリコン上酸化膜厚の酸化雰囲気中の水蒸気分圧依存性を示している。図6において、水蒸気分圧を1.0にすれば、1100℃程度の酸化温度でもSiC上の酸化速度は非常に小さくなる。一方、シリコン上の酸化膜は厚く形成されるので、SiCの酸化速度比はほぼ無限大に近く大きくすることができる。
【0040】
これらの実験事実から、低温で水蒸気分圧が高い雰囲気中での酸化を行うことで、多結晶シリコンの表面にのみ選択的に酸化膜を成長させることが可能となる。
【0041】
多結晶シリコン上のシリコン酸化膜9は、ゲート電極8上のコンタクトホールの形成において、SiC上へのオーミック・コンタクト材である金属薄膜を多結晶シリコンに接触させないための役割があり、また最終的に除去してしまうので10〜200nm程度の膜厚があればよい。
【0042】
次に、図3(g)において、常圧CVD法、プラズマCVD法などの300〜400℃程度の比較的低温で成膜可能な方法により、表面を被覆するように厚い層間絶縁膜10を形成する。ここで、ゲート電極8上に形成される層間絶縁膜10の厚さは、少なくともSiCにオーミック・コンタクトを形成するオーミック・コンタクト形成領域上に形成される層間絶縁膜10の厚さより相対的に厚く形成される。ゲート電極8上に形成される層間絶縁膜10を、オーミック・コンタクト形成領域上に形成される層間絶縁膜10の厚さよりも厚く形成する方法としては、SiCの表面よりゲート電極8の表面の方が熱酸化による酸化速度が大きい熱酸化条件を用いることにより形成される。
【0043】
この層間絶縁膜10としては、例えばリン、ボロンを数モル%含んだ所謂PSG膜、BPSG膜などを用いることができる。これによりゲート電極8とソース電極(図示せず)とを電気的に絶縁分離できる。
【0044】
次に、図3(h)に示すように、SiC基板1上に形成されているn型のソース領域5ならびに高濃度p型領域4と、フィールド酸化膜6上に延伸されたゲート電極8への引き出し電極の形成のためのコンタクトホールを開口するために、フォトリソグラフィにより所定の位置に選択的にフォトレジストパターン11を形成する。
【0045】
続いて、ドライエッチングあるいはウエットエッチングにより、SiC基板1上の露出された層間絶縁膜10が完全に除去されるようにエッチングを行い、コンタクトホールを形成する。この時、フィールド酸化膜6上のゲート電極8を形成するポリシリコン上にはシリコン酸化膜9が形成されているので、ソース領域5、高濃度p型領域4上の層間絶縁膜10が除去された場合であっても、ゲート電極8上に開口されたコンタクトホールの底部には薄いシリコン酸化膜9が残る。勿論、過剰にエッチングを加えればゲート電極8上のシリコン酸化膜9も除去されてしまうので、層間絶縁膜10の膜厚を勘案してエッチング条件が決められる。
【0046】
次に、電子ビーム蒸着、スパッタリング法などにより第1の金属膜12としてNi,Ti,Pd,Pt,Nb,W,Hf,V,Ta,Fe,Mo,Co,Zrなどの金属を単体もしくは適宜組み合わせ、あるいはこれらの金属のシリサイド膜を50〜300nm程度の厚さに蒸着する。蒸着する金属材料は、n型/p型SiCに対してそれぞれオーミック・コンタクトが得られる金属材料を選択する。例えばNiでは、蒸着後800〜1000℃程度の温度でアニールすることによりシリサイドを形成し、n型SiCに対して10−6Ω・cm 台程度の良好なオーミック・コンタクトが得られる。さらに、p型SiCに対しても
10−3Ω・cm台程度のオーミック・コンタクトが得られる。これにより、一度の蒸着でn,p型領域同時にオーミック・コンタクトの形成が可能となる。
【0047】
この第1の実施形態では、n型のソース領域5、高濃度p型領域4に対して同一の金属で同一コンタクトホール内でオーミック・コンタクトを形成する構成としている。しかし、それぞれの領域に対して個別にコンタクトホールをフォトリソグラフィ、エッチングによって開口形成し、p型、n型に対してオーミック・コンタクトの抵抗値が最も低くなるように異なる金属を用いてもよい。また、前記金属材料にAl,Bなどの元素を適宜混合し、特にp型SiCに対して低低抗となる薄膜構造としてもよい。
【0048】
第1の金属膜12は、SiC上のフォトレジストパターン11上、ソース領域5ならびに高濃度p型領域4上のコンタクトホールの底部、ゲート電極8上のコンタクトホールの底部に蒸着される。ソース領域5ならびに高濃度p型領域4上のコンタクトホールの底部の第1の金属膜12は、直接SiC表面に接するが、ゲート電極8のコンタクトホールの底部に蒸着された第1の金属膜12は、シリコン酸化膜9上に蒸着され、ゲート電極8を形成するポリシリコンとは接しない。
【0049】
次に、図3(i)において、アセトンなどのフォトレジスト材を溶解する溶剤中に浸し、フォトレジストパターン11ならびにフォトレジストパターン11上の第1の金属膜12を除去し、所謂リフトオフ法によってコンタクトホール底部のみに第1の金属膜12を残す。フォトレジストパターン11を溶解する際に、溶液に超音波を印加すれば効果的に余分な金属膜を除去することができる。
【0050】
この時、使用するフォトレジストの種類や製造方法、層間絶縁膜10のエッチング方法などによって、コンタクトホールの形状が変わるのでSiC上のコンタクトホールだけでなく、ゲート電極8上のコンタクトホールの内部にも第1の金属膜12が残ってしまう場合がある。その場合には、以下のような方法によりSiCに直接接した第1の金属膜12のみをSiC上に残すことができる。
【0051】
次に、図4(i−1)を参照して、上記第1の方法を説明する。この方法は、フッ酸濃度を調整した希フッ酸溶液、もしくはバッファードフッ酸溶液などにより、第1の金属膜12とゲート電極8との間に挟まれている薄いシリコン酸化膜9をエッチングすることによりNiなどの第1の金属膜12をリフトオフさせて選択的に除去する。この方法おいては、フッ酸溶液によって著しくエッチングされないNiなどの金属を用いている場合に特に有効である。また、先のフォトレジストパターン11のリフトオフプロセス前に行えば、層間絶縁膜10の損傷をより少なくすることができる。
【0052】
図4(i−1)において、まず熱処理(PDA)を行い、第1の金属膜12とSiCとの金属間化合物13を形成する。Niを第1の金属膜12として用いた場合には、例えば先に述べたようなアニール条件で熱処理(PDA)を行えば、SiCとの金属間化合物13が形成できる。
【0053】
続いて、フッ酸濃度を調整した希フッ酸溶液、バッファードフッ酸溶液などによりゲート電極8上に残った薄いシリコン酸化膜9を除去する。この時、層間絶縁膜10、SiC上に開口したコンタクトホール内に形成された第1の金属膜12、あるいは第1の金属とSiCとの金属間化合物13もフッ酸溶液に晒されるが、比較的低温で短時間の処理を行えば他の領域に損傷を与えることなくゲート電極8上のシリコン酸化膜9を除去することが可能である。
【0054】
一回のフォトリソグラフィ工程によって形成したコンタクトホールにおいて、上述した第1の方法によりSiC上のコンタクトホールの内部にのみ、SiCとのオーミック・コンタクトが得られる金属間化合物13を形成した金属層を選択的に形成することができる。
【0055】
次に、図4(j)において、SiCに対してオーミック・コンタクトを得るための金属間化合物13をSiC上のコンタクトホール内部に選択的に形成し、ゲート電極8上のコンタクトホールではゲート電極8の表面を露出させた後、第2の金属膜をEB、スパッタリング法などの方法で蒸着する。第2の金属膜としては、ゲート電極材ならびに金属間化合物13の双方に対して低抵抗のコンタクトが得られることが必要である。また、第2の金属膜は引出し電極としての役割があり、層間絶縁膜10との接着性が高い例えばAlなどの金属が望ましい。さらに、第2の金属膜は複数の異なる元素からなる合金膜、あるいは積層構造を有する金属層でもよい。例えばTi/Al,Ti/Al/Wなどでもよい。
【0056】
続いて、第2の金属膜をフォトリソグラフィ、エッチングによってパターニングして、ゲート電極8に接合したゲート電極パッド14と、金属間化合物13に接合したソース電極パッド15とを形成する。
【0057】
最後に、製造工程途中で形成された余分な酸化膜、CVD膜などをエッチングもしくは研削処理などによって適宜除去した後、SiC基板1の裏面に、SiC基板1である高濃度n型のSiCに良好なオーミック・コンタクトを形成できる金属膜を蒸着し、ドレイン電極16をSiC基板1の裏面に形成し、縦型MOSFETが完成する。
【0058】
上記第1の実施形態においては、第1の金属膜12をSiCとのオーミック・コンタクト形成領域にのみオーミックコンタクト用の第1の金属膜12を形成するようにしているので、SiCへの低抵抗のオーミック・コンタクトを形成する際に行われる高温熱処理によって、オーミック・コンタクトに用いる第1の金属膜12の金属材料原子がゲート電極8中を熱拡散し、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧が低下することを防止することができる。これにより、高い信頼性を有する炭化珪素半導体装置のMOSFET素子を提供することができる。
【0059】
また、上記第1の実施形態においては、ゲート電極8の材料として多結晶シリコンを用いる構成としたため、高温のアニール処理を行うことなく金属とのオーミック・コンタクトを容易に形成できる。
【0060】
さらに、上記第1の実施形態においては、ゲート電極8上の層間絶縁膜10をSiC上よりも相対的に厚く形成する方法として、ゲート電極8の形成後に、SiC表面よりゲート電極8の表面の方が熱酸化による酸化速度が大きい熱酸化条件を用いることにより、高精度にゲート電極8上の層間絶縁膜10をSiC上よりも相対的に厚く形成することが可能となる。これにより、SiCとゲート電極8とのオーミック・コンタクトを異種の金属材料を用いることが可能となる。
【0061】
また、上記第1の実施形態においては、SiCと金属とのオーミック・コンタクトの形成にあたって、オーミック・コンタクトを形成する第1の金属膜12を蒸着後高温熱処理を行いその後第2の金属膜によってゲート電極8へのオーミック・コンタクトの形成と第1の金属膜に対するオーミック・コンタクトの形成を行うようにしているので、SiCへの低抵抗のオーミック・コンタクトを形成する際に行われる高温熱処理によって、オーミック・コンタクトに用いる第1の金属膜12の金属材料原子がゲート電極8中を熱拡散し、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧が低下することを防止することができる。
【0062】
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
【0063】
図7は本発明の第2の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。この第2の実施形態は、先の第1の実施形態に対して、図3(i)においてSiCに直接接した第1の金属膜12のみを、SiCとの金属間化合物13という形でSiC上に残す第2の方法の実施形態であり、その特徴とするところは、SiC上に形成されたコンタクトホール及びゲート電極8上に形成されたコンタクトホール内に第1の金属膜12が蒸着形成された状態で、高温の熱処理を行うことにある。他の工程は、先の第1の実施形態と同様である。
【0064】
図7において、図3(i)に示す工程が終了した後、フォトレジストパターン11のリフトオフプロセスによりコンタクトホール内部にのみ第1の金属膜12が形成されており、層間絶縁膜10上には第1の金属膜12は残存していない。SiC上の第1の金属膜12は、高温の熱処理によってSiCとの間で金属間化合物13を形成する。ゲート電極8上のコンタクトホール内でシリコン酸化膜9上に形成された第1の金属膜12は金属間化合物を形成できず、第1の金属膜12の形態を維持する。
【0065】
例えば、Niは900〜1000℃、1〜10分程度の熱処理でSiCと反応し、ニッケルシリサイド(例えばNiSi)を形成するが、シリコン酸化膜9と接するNiは金属間化合物を形成する反応は起こらない。ニッケルシリサイドは硫酸、りん酸、硝酸溶液にはエッチングされないが、フッ酸を含む溶液にはエッチングされる。一方、Niは例えば硝酸とアセトンとの混合液などによりエッチングされる。従って、一旦Niをエッチングするエッチング液によってゲート電極8上のコンタクトホール内部のNiのみをエッチングして除去する。続いて、ゲート電極8上のコンタクトホール底部に残っている薄いシリコン酸化膜9を希フッ酸溶液でエッチングしゲート電極8の表面を露出させる。なお、希フッ酸溶液によるニッケルシリサイドとシリコン酸化膜のエッチング速度比は大きい程よい。
【0066】
このような第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができ、かつSiC上に直接接した第1の金属膜を、金属間化合物13としてSiC上に残すことができる。
【0067】
なお、上記実施形態においては、n型のSiC基板を用いた実施形態を説明したが、素子の種類によりp型のSiC基板を用いた場合には、勿論p型SiCに対してオーミック・コンタクトを形成するのに適当な金属材料、工法が用いられるのは言うまでもない。
【0068】
また、上記実施形態においては、縦型MOSFETを一例に説明したが、MOSFETのドレイン領域を、ソース領域ならびにゲート電極と同一の基板表面に形成する横型のMOSFETにも適用できる。さらに、所謂パワー素子だけでなくMOS構造を有するセンサーなどであっても上述した製造方法は適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の工程を示す断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の工程を示す断面図である。
【図3】本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の工程を示す断面図である。
【図4】本発明の第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の工程を示す断面図である。
【図5】金属原子におけるシリコン中の拡散係数の温度特性を示す図である。
【図6】SiC上の酸化膜厚ならびにSi上の酸化膜厚と水蒸気分圧との関係を示す図である。
【図7】本発明の第2の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の工程を示す断面図である。
【図8】従来の炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
1,80…SiC基板
2,81…エピタキシャル層
3…pウェル領域
4…p型領域
5…ソース領域
6,83…フィールド酸化膜
7,82…ゲート酸化膜
8,84…ゲート電極
9…シリコン酸化膜
10,85…層間絶縁膜
11…フォトレジストパターン
12…第1の金属膜
13…金属間化合物
14…ゲート電極パッド
15…ソース電極パッド
16…ドレイン電極
86a,86b…コンタクトホール
87a,87b…反応層
88…引き出し電極
89…電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device including a heat treatment for forming a low-resistance ohmic contact to a silicon carbide semiconductor.
[0002]
[Prior art]
In recent years, research on semiconductor devices utilizing the thermally and chemically stable properties of silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) has been actively conducted. Silicon carbide semiconductor crystals are roughly classified into hexagonal α-type and cubic β-type, and there are many polymorphs such as 2H, 3C, 4H, 6H, and 15R. SiC is one of the wide band gap semiconductors. The 4H type has a forbidden band width of 3.26 eV, which is about three times larger than that of silicon. Therefore, it has excellent electrical withstand voltage characteristics and can be applied to power control devices. Is expected.
[0003]
On the other hand, there is a problem in the manufacturing process caused by the large energy band gap. One of them is the formation of ohmic contacts. At present, a good ohmic contact formation process includes a so-called room temperature contact method in which contact metal is deposited on the SiC surface to obtain the ohmic contact as it is, and a method of forming an interface reaction layer with SiC by performing a heat treatment after the deposition ( Post Deposition Annealing method (hereinafter referred to as PDA method).
[0004]
In the stable operation under high temperature environment and the miniaturization of elements, which are the characteristics of SiC devices, the use of dry etching processing technology for the opening of contact holes, and the room temperature contact method that currently does not use heat treatment Considering that good ohmic characteristics cannot be obtained for p-type SiC, etc., the formation of ohmic contacts in the device process has the advantage that the design / manufacturing margin can be expanded by using the PDA method.
[0005]
As a conventional semiconductor device using SiC having such characteristics, for example, those described in the following document (see Patent Document 1) are known, and an ohmic contact is made between a silicon carbide substrate and a metal electrode. As a technique of the manufacturing method, for example, one described in the following document (see Patent Document 2) is known.
[0006]
Typical examples of the metal material used for forming the ohmic contact by the PDA method include Ni, Ti, and Pd. Ni forms an intermetallic compound (silicide) with SiC by heat treatment at 900 to 1000 ° C., and not only provides good ohmic contact with n-type SiC, but also has ohmic properties with respect to p-type SiC. Show. For this reason, it is widely used for forming elements such as MOSFET, MESFET, and JFET made of SiC.
[0007]
As an example applied to a SiC vertical MOSFET expected as an ultra-low loss switching device, for example, one described in the following document (see Non-Patent Document 1) is known. The SiC vertical MOSFET described in this document shows a method for forming an ohmic contact by using Ni as a source and p-well contact material and performing a heat treatment at a contact annealing temperature of 900 ° C.
[0008]
Further, nitrogen monoxide gas (NO gas) is used to form the gate oxide film, and high electron mobility is obtained in the inversion channel. For the gate electrode, PolySi (polysilicon) doped with phosphorus at a high concentration, which is widely used in the manufacturing process of silicon semiconductors, is used. This indicates that good MOSFET static characteristics can be obtained.
[0009]
[Patent Document 1]
JP 2000-022137 A
[0010]
[Patent Document 2]
JP 2002-289555 A
[0011]
[Non-Patent Document 1]
R. Schorner et al. , Applied Physics Letters, Volume 80, Number 22, 2002.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in manufacturing the conventional silicon carbide semiconductor device as described above, the following problems have been caused.
[0013]
FIG. 8A and FIG. 8B are diagrams showing a cross-sectional structure of a MOS capacitor formed on the same substrate as the SiC-MOSFET. In FIG. 8A, on the high-concentration n-type SiC substrate 80, 1 × 1016cm-3An n-type epitaxial layer 81 having an impurity concentration of about 10 is formed to a thickness of about 10 μm. On the surface of the n-type epitaxial layer 81, a gate oxide film 82 made of a silicon oxide film is formed in a predetermined position at a thickness of about 50 nm and a field oxide film 83 is formed at a thickness of about 600 nm. From the gate oxide film 82 to the field oxide film 83, a high-concentration n-type polysilicon film for controlling the gate potential is deposited by LPCVD to a thickness of about 350 nm, and patterned by photolithography and etching to form a gate electrode. 84 is formed. Further, a thick interlayer insulating film 85 is formed on the gate electrode 84 so as to cover the gate electrode 84.
[0014]
In order to form an ohmic contact for wiring extraction on the polysilicon gate electrode 84, first, the interlayer insulating film 85 facing the 350 nm thick gate electrode 84 immediately above the gate oxide film 82 is formed simultaneously with the source and p-well contacts. A contact hole 86a is formed by opening. Thereafter, the same contact metal material as that of the source and p-well contacts, for example, Ni is deposited on the gate electrode 84 of the contact hole 86a, and heat treatment is performed at about 1000 ° C. for about 2 minutes in an Ar atmosphere, thereby forming Ni of the contact metal material. And a reaction layer 87a of polysilicon of the gate electrode 84 is formed. At this time, although not shown, a reaction layer of Ni and SiC is also formed on the source and p-well contact of the MOSFET formed on the same SiC substrate 80.
[0015]
Finally, on the Ni / polysilicon reaction layer 87a and the interlayer insulating film 85, an extraction electrode 88, which is one electrode of the MOS capacitor, is formed of, for example, Al, and the other electrode 89 of the MOS capacitor is formed on the SiC substrate. The MOS capacitor is completed on the back surface of 80.
[0016]
On the other hand, in the configuration shown in FIG. 6B, the process until the formation of the interlayer insulating film 85 is the same as that in FIG. 6A, but the contact hole 86b is gated as shown in FIG. As shown in FIG. 5B, not on the oxide film 82, an interlayer insulating film 85 on the polysilicon gate electrode 84 extended on the field oxide film 83 is formed with an opening, and formed contacts. A reaction layer 87b of Ni as a contact metal material and polysilicon of the gate electrode 84 is formed in the hole 86b.
[0017]
When the C (capacitance) -V (voltage) characteristics or the I (current) -V (voltage) characteristics of the MOS capacitors shown in FIGS. 8A and 8B were examined, the gates in FIG. A large leakage current was observed between the electrode 84 and the SiC substrate 80, and a breakdown voltage defect of the gate oxide film 82 occurred in the short mode. On the other hand, in the MOS capacitor having the configuration shown in FIG. 4B, the same leakage current was not observed, and the breakdown voltage defect of the gate oxide film 82 did not occur.
[0018]
Such a phenomenon can be explained as follows.
[0019]
Ni, which is an ohmic contact metal deposited on a polysilicon gate electrode 84 having a thickness of about 350 nm, is thermally diffused in the polysilicon by a contact annealing process at about 1000 ° C. for about 2 minutes. . The diffusion constant (D) of Ni in silicon at about 1000 ° C. is 2 × 10-9cm2Assuming approximately / sec, the diffusion length √Dt for diffusing in silicon by heat treatment for 2 minutes is approximately 4.9 μm.
[0020]
Thereby, Ni deposited on the polysilicon surface easily reaches the interface of the polysilicon / silicon oxide film (gate oxide film 82). Ni that has reached the polysilicon / silicon oxide film interface is deposited by forming an intermetallic compound (silicide) in the cooling process after the heat treatment. The silicide deposited at this time bites into the silicon oxide film and locally thins the silicon oxide film. For this reason, it is considered that the effective electric field of the silicon oxide film in the thinned portion increases and the breakdown voltage of the silicon oxide film decreases. In the case where the precipitation is so intense that the precipitate breaks through the silicon oxide film, a leak failure due to pinholes occurs.
[0021]
Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device that prevents a decrease in breakdown voltage of a gate insulating film due to the formation of an ohmic contact with SiC. There is to do.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, means for solving the problems of the present invention is a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device in which a silicon carbide semiconductor device is manufactured using a silicon carbide semiconductor as a base, on one surface of the silicon carbide semiconductor, A first step of selectively forming a first insulating film; a second step of selectively forming a gate insulating film on one surface of the silicon carbide semiconductor; and the first step. The gate formed on the first insulating film and in the second stepInsulationA third step of forming a gate electrode on the film;A fourth step of selectively covering the surface of the gate electrode with a second insulating film;An interlayer insulating film is formed onSecond insulating filmThe interlayer insulating film on the upper side and the interlayer insulating film on the ohmic contact formation region for forming an ohmic contact with the silicon carbide semiconductor are selectively removed.5And the step5The interlayer insulating film is selectively removed in the step,Second insulating filmForming a first metal film on the top and on the ohmic contact formation region;6And the process ofA seventh step of forming an intermetallic compound by reacting the first metal film formed on the ohmic contact formation region and the silicon carbide semiconductor;Formed on the gate electrodeThe second insulating film andSelective removal of the first metal filmDoFirst8And on the gate electrode and theIntermetallic compoundsA second metal film selectively formed on the second metal film;9It has the process of this.
[0023]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fall of the withstand voltage in a gate insulating film by the metal used for ohmic contact with a silicon carbide semiconductor diffusing can be prevented, and a highly reliable silicon carbide semiconductor device can be manufactured.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0025]
1, FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 4 are cross-sectional views showing steps of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The manufacturing method of the first embodiment described below is an embodiment in which the present invention is applied to a SiC vertical MOSFET.
[0026]
First, in FIG. 1A, a low-concentration n-type epitaxial layer 2 is formed on a high-concentration n-type SiC substrate 1. There are many polymorphs of SiC crystals, but any polymorph such as 2H, 4H, 6H, 3C, and 15R may be used. Further, for example, the 4H type has been studied for the plane orientation of the surface of the SiC substrate 1, and any of (0001), (000-1), (11-20), (03-38), etc. is used. Thereafter, the same structure can be used for manufacturing.
[0027]
Next, in FIG. 1B, a source region 5 which is a high-concentration n-type region by ion implantation of phosphorus, nitrogen or the like and a p-type region by ion implantation of Al, boron or the like on the epitaxial layer 2. The p-type well region 3 and a high-concentration p-type region (p-type region) for increasing the surface concentration of the p-type well region 3 and making it easy to obtain ohmic contact+Type p-well contact) 4 is formed. These ion implantations are generally performed at a high temperature of about 500 to 1000 ° C. so that the impurities to be introduced are easily activated electrically.
[0028]
After introducing impurities into a predetermined region by such so-called high-temperature ion implantation, annealing treatment is performed in a temperature range of about 1500 to 1800 ° C. to electrically activate the introduced impurities. Conditions such as annealing time and atmosphere largely depend on the form of the annealing apparatus. For example, in the case of rapid high temperature annealing (RTA) processing using a lamp, activation of impurities, rough surface of the epitaxial layer 2, etc. Is performed in Ar gas for about 1 to 10 minutes.
[0029]
Although not shown in FIG. 1B, a thermal oxide film having a thickness of about 10 to 50 nm is grown on the surface of the epitaxial layer 2 by high-temperature thermal oxidation, and this is once removed by etching with an HF solution or the like. By performing this step, the surface of the epitaxial layer 2 can be exposed cleanly. The thermal oxide film formed here is generally called a sacrificial oxide film, and is an extremely important process for forming a good gate oxide film and a good ohmic contact between SiC and metal. Utility is allowed. The sacrificial oxidation process may be performed immediately before the formation of the gate oxide film in consideration of the effect and ease of manufacturing.
[0030]
Next, in FIG. 1C, a thick silicon oxide film is formed on the surface of the epitaxial layer 2 by atmospheric pressure CVD, a predetermined region is removed by photolithography and etching, and a region to be the field oxide film 6 is formed. Form. Although a thick silicon oxide film may be formed by a thermal oxidation method, the oxidation rate varies greatly depending on the crystal plane orientation of SiC.
[0031]
For example, in the case of dry oxygen oxidation by a thermal oxidation method, in 4H-SiC, the oxidation rate of the (000-1) plane is approximately 10 times that of the (0001) plane, so In the case of forming a thick oxide film, a thermal oxidation method may be used. In this case, the source region 5, the p-well contact region 4, and the p-well region 3 formed on the SiC substrate 1 by thermal oxidation are oxidized so that the junction depth does not become shallow or disappear due to the penetration of the oxidizing species. It is necessary to decide the conditions.
[0032]
Further, when the field oxide film 6 is made of the same material as the gate insulating film, the present invention is a problem of the prior art, which is caused by diffusion in the metal atom having a diffusion coefficient having temperature characteristics as shown in FIG. Needless to say, a thickness greater than that of the gate insulating film is necessary in order to prevent a breakdown voltage failure of the gate insulating film. When the thick field oxide film 6 is formed of a silicon oxide film, a film thickness of about 0.3 to 1.0 μm is used.
[0033]
Next, in FIG. 2D, the exposed surface other than the region of the field oxide film 6 is oxidized in a high-temperature thermal oxidation atmosphere to form a gate oxide film 7 having a MOS structure. Many methods have been researched and developed for forming a gate oxide film having a MOS structure. Also, for this oxidation method, the optimum temperature, atmosphere, annealing, and other conditions differ depending on the crystal plane orientation, and therefore optimum process conditions are appropriately selected. For example, an oxidation or annealing method using NO gas has been proposed for the (0001) plane of 4H—SiC.
[0034]
Next, in FIG. 2E, after the gate oxide film 7 is formed, polycrystalline silicon is deposited on the surface of SiC by a low pressure CVD method so as to have a thickness of about 350 nm. Since polycrystalline silicon is used as a gate electrode, it must have low resistance. For this reason, methods such as mixing gases containing impurity elements such as phosphorus and boron during deposition by the low pressure CVD method, or adding annealing to the liquid diffusion method and spin coating method after the deposition of polycrystalline silicon Similarly, impurities such as phosphorus and boron are introduced at a high concentration.
[0035]
Thereafter, photolithography is performed and the polycrystalline silicon is patterned by dry etching to form the gate electrode 8 on the field oxide film 6 and the gate oxide film 7. In FIG. 5E, the polycrystalline silicon on the gate oxide film 7 and the polycrystalline silicon on the field oxide film are separated and described. In FIG. Because there is a part that is omitted. In practice, these polycrystalline silicons have an integral structure and are electrically at the same potential. That is, in FIG. 9 (e), the gate electrode 8 on the field oxide film 6 and the gate electrode 8 on the gate oxide film 7 are shown separately, but FIG. 8 (e) is a sectional view only. For example, the shape of the channel region is an integrated gate electrode 8 electrically connected as a polygon such as a circle, hexagon, or rectangle.
[0036]
Subsequently, the gate oxide film 7 exposed by the etching of the polycrystalline silicon is removed by wet etching precisely adjusted such as dilute hydrofluoric acid solution so that the field oxide film 6 does not recede significantly.
[0037]
Next, as shown in FIG. 2F, the surface of the patterned polycrystalline silicon is selectively covered with a silicon oxide film 9. As a method for forming the silicon oxide film 9, a thermal oxidation method is preferable because it is also deposited on the surface of SiC that has been previously exposed by etching in the ordinary CVD method. Also in the thermal oxidation method, it is desirable that the difference in oxidation rate between SiC and polycrystalline silicon is larger.
[0038]
The oxidation rate of thermal oxidation by a general reaction tube depends on temperature and atmosphere. Regarding the temperature, SiC has a higher activation energy for oxidation than silicon, and hardly oxidizes at low temperatures. According to experiments by the inventors, for example, when a 4H—SiC (0001) surface is oxidized at 1100 ° C. for about 420 minutes by dry oxygen oxidation, only a thermal oxide film having a thickness of about 30 nm grows at most. On the other hand, when the silicon single crystal substrate is oxidized under the same conditions, it is oxidized by about 600 nm, so that the oxidation rate ratio is 20 times.
[0039]
Furthermore, the partial pressure of water vapor (PH2O) Is high, the oxidation rate ratio between SiC and silicon further increases. FIG. 6 shows an H-type method in which ultrapure water, one of the thermal oxidation methods carried out by the inventors, is introduced directly into the interior of the reaction23 shows the dependency of the oxide film thickness on SiC and silicon on the partial pressure of water vapor in the oxidizing atmosphere by the direct oxidation method. In FIG. 6, if the water vapor partial pressure is 1.0, the oxidation rate on SiC becomes very small even at an oxidation temperature of about 1100 ° C. On the other hand, since the oxide film on silicon is formed thick, the oxidation rate ratio of SiC can be increased to almost infinite.
[0040]
From these experimental facts, it is possible to grow an oxide film selectively only on the surface of polycrystalline silicon by performing oxidation in an atmosphere at a low temperature and a high water vapor partial pressure.
[0041]
The silicon oxide film 9 on the polycrystalline silicon serves to prevent the metal thin film, which is an ohmic contact material on the SiC, from contacting the polycrystalline silicon in forming the contact hole on the gate electrode 8. Therefore, it is sufficient that the film thickness is about 10 to 200 nm.
[0042]
Next, in FIG. 3G, a thick interlayer insulating film 10 is formed so as to cover the surface by a method capable of forming a film at a relatively low temperature of about 300 to 400 ° C. such as an atmospheric pressure CVD method or a plasma CVD method. To do. Here, the thickness of the interlayer insulating film 10 formed on the gate electrode 8 is relatively thicker than the thickness of the interlayer insulating film 10 formed at least on the ohmic contact formation region for forming an ohmic contact on SiC. It is formed. As a method of forming the interlayer insulating film 10 formed on the gate electrode 8 to be thicker than the thickness of the interlayer insulating film 10 formed on the ohmic contact formation region, the surface of the gate electrode 8 is more than the surface of SiC. Is formed by using thermal oxidation conditions in which the oxidation rate by thermal oxidation is high.
[0043]
As the interlayer insulating film 10, for example, a so-called PSG film or BPSG film containing several mol% of phosphorus and boron can be used. Thereby, the gate electrode 8 and the source electrode (not shown) can be electrically insulated and separated.
[0044]
Next, as shown in FIG. 3H, n formed on the SiC substrate 1 is formed.+In order to open a contact hole for forming an extraction electrode to the gate electrode 8 extended on the source electrode 5 and the high-concentration p-type region 4 and the gate electrode 8 extended on the field oxide film 6, a predetermined position is formed by photolithography. A photoresist pattern 11 is selectively formed.
[0045]
Subsequently, etching is performed by dry etching or wet etching so that the exposed interlayer insulating film 10 on the SiC substrate 1 is completely removed, thereby forming a contact hole. At this time, since the silicon oxide film 9 is formed on the polysilicon forming the gate electrode 8 on the field oxide film 6, the interlayer insulating film 10 on the source region 5 and the high concentration p-type region 4 is removed. Even in this case, the thin silicon oxide film 9 remains at the bottom of the contact hole opened on the gate electrode 8. Of course, if the etching is performed excessively, the silicon oxide film 9 on the gate electrode 8 is also removed, so that the etching conditions are determined in consideration of the film thickness of the interlayer insulating film 10.
[0046]
Next, a metal such as Ni, Ti, Pd, Pt, Nb, W, Hf, V, Ta, Fe, Mo, Co, and Zr is used alone or as appropriate as the first metal film 12 by electron beam evaporation, sputtering, or the like. A combination or a silicide film of these metals is deposited to a thickness of about 50 to 300 nm. As the metal material to be vapor-deposited, a metal material that can provide ohmic contact with respect to n-type / p-type SiC is selected. For example, in Ni, silicide is formed by annealing at a temperature of about 800 to 1000 ° C. after deposition, and 10% of n-type SiC.-6Ω · cm2 Good ohmic contact on the order of tens can be obtained. Furthermore, for p-type SiC
10-3Ω · cm2A level of ohmic contact can be obtained. This makes it possible to form an ohmic contact simultaneously with the n and p type regions by a single deposition.
[0047]
In the first embodiment, an ohmic contact is formed in the same contact hole with the same metal for the n-type source region 5 and the high-concentration p-type region 4. However, contact holes may be individually formed in each region by photolithography and etching, and different metals may be used so that the ohmic contact has the lowest resistance value for p-type and n-type. In addition, an element such as Al or B may be appropriately mixed with the metal material to form a thin film structure that has a low resistance to p-type SiC.
[0048]
The first metal film 12 is deposited on the photoresist pattern 11 on SiC, the bottom of the contact hole on the source region 5 and the high concentration p-type region 4, and the bottom of the contact hole on the gate electrode 8. The first metal film 12 at the bottom of the contact hole on the source region 5 and the high concentration p-type region 4 is in direct contact with the SiC surface, but is deposited on the bottom of the contact hole of the gate electrode 8. Is deposited on the silicon oxide film 9 and is not in contact with the polysilicon forming the gate electrode 8.
[0049]
Next, in FIG. 3I, the photoresist pattern 11 and the first metal film 12 on the photoresist pattern 11 are removed by dipping in a solvent that dissolves a photoresist material such as acetone, and contact is made by a so-called lift-off method. The first metal film 12 is left only at the bottom of the hole. When dissolving the photoresist pattern 11, if an ultrasonic wave is applied to the solution, the excess metal film can be effectively removed.
[0050]
At this time, since the shape of the contact hole changes depending on the type of photoresist used, the manufacturing method, the etching method of the interlayer insulating film 10 and the like, not only the contact hole on the SiC but also the inside of the contact hole on the gate electrode 8. The first metal film 12 may remain. In that case, only the first metal film 12 in direct contact with SiC can be left on the SiC by the following method.
[0051]
Next, the first method will be described with reference to FIG. In this method, the thin silicon oxide film 9 sandwiched between the first metal film 12 and the gate electrode 8 is etched with a dilute hydrofluoric acid solution or a buffered hydrofluoric acid solution with adjusted hydrofluoric acid concentration. Thus, the first metal film 12 such as Ni is lifted off and selectively removed. This method is particularly effective when a metal such as Ni that is not significantly etched by the hydrofluoric acid solution is used. Further, if the process is performed before the lift-off process for the photoresist pattern 11, the damage to the interlayer insulating film 10 can be reduced.
[0052]
In FIG. 4I-1, first, heat treatment (PDA) is performed to form an intermetallic compound 13 of the first metal film 12 and SiC. When Ni is used as the first metal film 12, an intermetallic compound 13 with SiC can be formed, for example, by performing heat treatment (PDA) under the annealing conditions described above.
[0053]
Subsequently, the thin silicon oxide film 9 remaining on the gate electrode 8 is removed with a dilute hydrofluoric acid solution, a buffered hydrofluoric acid solution, or the like with adjusted hydrofluoric acid concentration. At this time, the interlayer insulating film 10, the first metal film 12 formed in the contact hole opened on the SiC, or the intermetallic compound 13 of the first metal and SiC is also exposed to the hydrofluoric acid solution. If the treatment is performed at a low temperature for a short time, the silicon oxide film 9 on the gate electrode 8 can be removed without damaging other regions.
[0054]
In a contact hole formed by a single photolithography process, a metal layer in which an intermetallic compound 13 is formed that can provide ohmic contact with SiC only within the contact hole on SiC by the above-described first method is selected. Can be formed.
[0055]
Next, in FIG. 4 (j), an intermetallic compound 13 for obtaining an ohmic contact with SiC is selectively formed inside the contact hole on the SiC. After the surface is exposed, a second metal film is deposited by a method such as EB or sputtering. As the second metal film, it is necessary to obtain a low-resistance contact with both the gate electrode material and the intermetallic compound 13. Further, the second metal film has a role as an extraction electrode, and a metal such as Al having high adhesiveness with the interlayer insulating film 10 is desirable. Further, the second metal film may be an alloy film made of a plurality of different elements or a metal layer having a laminated structure. For example, Ti / Al, Ti / Al / W, etc. may be used.
[0056]
Subsequently, the second metal film is patterned by photolithography and etching to form a gate electrode pad 14 bonded to the gate electrode 8 and a source electrode pad 15 bonded to the intermetallic compound 13.
[0057]
  Finally, after removing an excess oxide film, CVD film, etc. formed during the manufacturing process as appropriate by etching or grinding, the back surface of the SiC substrate 1 is good for high-concentration n-type SiC as the SiC substrate 1 A metal film capable of forming an ohmic contact is deposited, and the drain electrode 16 is formed on the back surface of the SiC substrate 1 to complete the vertical MOSFET.
[0058]
  In the first embodiment, since the first metal film 12 is formed only in the ohmic contact formation region with SiC, the first metal film 12 for ohmic contact is formed. The metal material atoms of the first metal film 12 used for the ohmic contact are thermally diffused in the gate electrode 8 due to the high temperature heat treatment performed when forming the ohmic contact, and the withstand voltage of the gate insulating film is lowered. Can be prevented. Thereby, a MOSFET element of a silicon carbide semiconductor device having high reliability can be provided.
[0059]
  In the first embodiment, since polycrystalline silicon is used as the material of the gate electrode 8, ohmic contact with the metal can be easily formed without performing high-temperature annealing.
[0060]
  Furthermore, in the first embodiment, as a method of forming the interlayer insulating film 10 on the gate electrode 8 to be relatively thicker than that on SiC, after the formation of the gate electrode 8, the surface of the gate electrode 8 is formed more than the SiC surface. By using thermal oxidation conditions in which the oxidation rate by thermal oxidation is higher, the interlayer insulating film 10 on the gate electrode 8 can be formed with a relatively thicker thickness than on SiC. This makes it possible to use a different metal material for the ohmic contact between SiC and the gate electrode 8.
[0061]
  In the first embodiment, in forming the ohmic contact between SiC and metal, the first metal film 12 for forming the ohmic contact is deposited and then subjected to high-temperature heat treatment, and then gated by the second metal film. Since the ohmic contact is formed on the electrode 8 and the ohmic contact is formed on the first metal film, the ohmic contact is performed by a high-temperature heat treatment performed when forming a low-resistance ohmic contact on SiC. It can be prevented that the metal material atoms of the first metal film 12 used for the contact are thermally diffused in the gate electrode 8 and the withstand voltage of the gate insulating film is lowered.
[0062]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0063]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. This second embodiment is different from the previous first embodiment in that only the first metal film 12 in direct contact with SiC in FIG. 3I is formed as an intermetallic compound 13 with SiC. This is an embodiment of the second method to be left on, and is characterized in that the first metal film 12 is formed by vapor deposition in the contact hole formed on the SiC and the contact hole formed on the gate electrode 8. In this state, high-temperature heat treatment is performed. Other steps are the same as those in the first embodiment.
[0064]
In FIG. 7, after the process shown in FIG. 3I is completed, the first metal film 12 is formed only inside the contact hole by the lift-off process of the photoresist pattern 11, and the first metal film 12 is formed on the interlayer insulating film 10. No metal film 12 remains. The first metal film 12 on SiC forms an intermetallic compound 13 with SiC by high-temperature heat treatment. The first metal film 12 formed on the silicon oxide film 9 in the contact hole on the gate electrode 8 cannot form an intermetallic compound, and maintains the form of the first metal film 12.
[0065]
For example, Ni reacts with SiC by heat treatment at 900 to 1000 ° C. for about 1 to 10 minutes, and nickel silicide (for example, NiSi)2However, Ni in contact with the silicon oxide film 9 does not cause a reaction to form an intermetallic compound. Nickel silicide is not etched in a sulfuric acid, phosphoric acid, or nitric acid solution, but is etched in a solution containing hydrofluoric acid. On the other hand, Ni is etched by, for example, a mixed solution of nitric acid and acetone. Therefore, only Ni inside the contact hole on the gate electrode 8 is etched and removed by an etching solution for once etching Ni. Subsequently, the thin silicon oxide film 9 remaining on the bottom of the contact hole on the gate electrode 8 is etched with a diluted hydrofluoric acid solution to expose the surface of the gate electrode 8. Note that the larger the etching rate ratio between nickel silicide and silicon oxide film by dilute hydrofluoric acid solution, the better.
[0066]
Also in the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the first metal film in direct contact with SiC is left on SiC as the intermetallic compound 13. Can do.
[0067]
In the above embodiment, an embodiment using an n-type SiC substrate has been described. However, if a p-type SiC substrate is used depending on the type of element, of course, an ohmic contact is provided to the p-type SiC. Needless to say, metal materials and construction methods suitable for forming are used.
[0068]
In the above embodiment, the vertical MOSFET has been described as an example. However, the present invention can also be applied to a lateral MOSFET in which the drain region of the MOSFET is formed on the same substrate surface as the source region and the gate electrode. Furthermore, the manufacturing method described above can be applied to a sensor having a MOS structure as well as a so-called power element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross sectional view showing a process of a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a cross sectional view showing a step in the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view showing a process of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the invention. FIG.
4 is a cross-sectional view showing a process of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the invention. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing temperature characteristics of diffusion coefficients in silicon of metal atoms.
FIG. 6 is a diagram showing an oxide film thickness on SiC and a relationship between an oxide film thickness on Si and a water vapor partial pressure.
FIG. 7 is a cross sectional view showing a step in the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross sectional view showing a configuration of a conventional silicon carbide semiconductor device.
[Explanation of symbols]
1,80 ... SiC substrate
2, 81 ... epitaxial layer
3 ... p-well region
4 ... p-type region
5 ... Source area
6, 83 ... Field oxide film
7, 82 ... Gate oxide film
8,84 ... Gate electrode
9 ... Silicon oxide film
10, 85 ... interlayer insulating film
11 ... Photoresist pattern
12 ... 1st metal film
13 ... Intermetallic compounds
14 ... Gate electrode pad
15 ... Source electrode pad
16 ... Drain electrode
86a, 86b ... contact holes
87a, 87b ... reaction layer
88 ... Extraction electrode
89 ... Electrode

Claims (3)

炭化珪素半導体を基体として炭化珪素半導体装置を製造する炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記炭化珪素半導体の一表面上に、第1の絶縁膜を選択的に形成する第1の工程と、
前記炭化珪素半導体の一表面上に、ゲート絶縁膜を選択的に形成する第2の工程と、
前記第1の工程で形成された第1の絶縁膜上、ならびに前記第2の工程で形成されたゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する第3の工程と、
前記ゲート電極の表面を選択的に第2の絶縁膜で被覆する第4の工程と、
全面に層間絶縁膜を形成し、前記第2の絶縁膜上の前記層間絶縁膜、ならびに前記炭化珪素半導体にオーミック・コンタクトを形成するオーミック・コンタクト形成領域上の前記層間絶縁膜を選択的に除去する第の工程と、
前記第の工程で前記層間絶縁膜を選択的に除去した、前記第2の絶縁膜上ならびに前記オーミック・コンタクト形成領域上に、第1の金属膜を形成する第の工程と、
前記オーミック・コンタクト形成領域上に形成された第1の金属膜と前記炭化珪素半導体とを反応させて、金属間化合物を形成する第7の工程と、
前記ゲート電極上に形成された前記第2の絶縁膜ならびに前記第1の金属膜を選択的に除去するの工程と、
前記ゲート電極上ならびに前記金属間化合物上に、第2の金属膜を選択的に形成する第の工程と
を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device in which a silicon carbide semiconductor device is manufactured using a silicon carbide semiconductor as a base,
A first step of selectively forming a first insulating film on one surface of the silicon carbide semiconductor;
A second step of selectively forming a gate insulating film on one surface of the silicon carbide semiconductor;
A third step of forming a gate electrode on the first insulating film formed in the first step and on the gate insulating film formed in the second step;
A fourth step of selectively covering the surface of the gate electrode with a second insulating film;
An interlayer insulating film is formed on the entire surface, and the interlayer insulating film on the second insulating film and the interlayer insulating film on the ohmic contact formation region for forming an ohmic contact on the silicon carbide semiconductor are selectively removed. And a fifth step
A sixth step of forming a first metal film on the second insulating film and the ohmic contact formation region, wherein the interlayer insulating film is selectively removed in the fifth step;
A seventh step of forming an intermetallic compound by reacting the first metal film formed on the ohmic contact formation region and the silicon carbide semiconductor;
An eighth step of selectively removing said second insulating film and the first metal film formed on the gate electrode,
And a ninth step of selectively forming a second metal film on the gate electrode and the intermetallic compound . A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising:
前記ゲート電極は、高濃度に不純物が導入された多結晶シリコンで形成される
ことを特徴とする請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
2. The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is formed of polycrystalline silicon doped with impurities at a high concentration.
前記炭化珪素半導体の表面より前記ゲート電極の表面の方が熱酸化による酸化速度が大きい熱酸化条件を用いることにより、前記ゲート電極上の前記層間絶縁膜の厚さは、前記オーミック・コンタクト形成領域上の前記層間絶縁膜の厚さよりも相対的に厚く形成される
ことを特徴とする請求項1又は2記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
By using thermal oxidation conditions in which the surface of the gate electrode has a higher oxidation rate due to thermal oxidation than the surface of the silicon carbide semiconductor, the thickness of the interlayer insulating film on the gate electrode is set to the ohmic contact formation region. 3. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon carbide semiconductor device is formed to be relatively thicker than a thickness of the upper interlayer insulating film.
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