JP6304909B2 - 炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の構造について、プレーナーゲート構造のSiC−縦型MOSFETを例に説明する。図1は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。図1には、電流駆動を担う活性領域(オン状態のときに電流が流れる領域)の1つの単位セル(素子の機能単位)を示し、この単位セルに隣接するように繰り返し配置された他の単位セルや、活性領域の周囲を囲む耐圧構造部を図示省略する(図2,3,9〜11においても同様)。耐圧構造部は、n-型ドリフト層2の基体おもて面側の電界を緩和し耐圧を保持する領域であり、例えばガードリング、フィールドプレートおよびリサーフ等を組み合わせた耐圧構造を有する。
次に、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の構造について説明する。図2は、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置が実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置と異なる点は、層間絶縁膜10上にチタン膜16および窒化チタン膜11の順に設けられている点である。すなわち、実施の形態2においては、チタン膜16と窒化チタン膜11との配置とが実施の形態1と入れ替わった状態となっている。また、実施の形態2においては、おもて面シリサイド層12上にチタン膜16は設けられておらず、ソース電極14はおもて面シリサイド層12に接する。
次に、実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置の構造について説明する。図3は、実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置が実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置と異なる点は、次の2点である。1つ目の相違点は、窒化チタン膜11とソース電極14との間に、チタン膜21が設けられている点である。すなわち、層間絶縁膜10とソース電極14との間に設けられた積層膜は、窒化チタン膜11を介して複数のチタン膜(以下、第1,2チタン膜)16,21が積層されてなる。第2チタン膜21は、第1チタン膜16と同様に、ソース電極14中から発生する水素原子・水素イオンを吸蔵し、下層の層間絶縁膜10に達しないように遮蔽する機能を有する。
実施の形態4にかかる炭化珪素半導体装置の構造について説明する。図9は、実施の形態4にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。図9では、符号3の導電型をp型と図示する(図10,11においても同様)。実施の形態4にかかる炭化珪素半導体装置が実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置と異なる点は、チタン膜16とソース電極14との間に、チタンアルミニウム(例えばTiAl3)合金膜56を設けた点である。なお、実施の形態4においては、チタン膜16と層間絶縁膜10との間に、窒化チタン膜11を設けていない。
次に、実施の形態5にかかる炭化珪素半導体装置の構造について説明する。図10は、実施の形態5にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態5にかかる炭化珪素半導体装置は、製造プロセスフローの違いからコンタクトホール内の金属膜の積層構造が実施の形態2と異なるが、実施の形態2と同様にチタン膜16とソース電極14との間に窒化チタン膜11を備える。上述したように、窒化チタン膜11は、ソース電極14中からゲート絶縁膜8側へ移動する水素原子・水素イオンを遮蔽する機能を有する。すなわち、窒化チタン膜11中における水素原子・水素イオンの拡散係数は、窒化チタン膜11中を移動する水素原子・水素イオンが下層のチタン膜16にほぼ達しない程度に小さい。
次に、実施の形態6にかかる炭化珪素半導体装置の構造について説明する。図11は、実施の形態6にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態6にかかる炭化珪素半導体装置が実施の形態5にかかる炭化珪素半導体装置と異なる点は、窒化チタン膜11とソース電極14との間に、第2チタン膜58およびチタンアルミニウム合金膜56が設けられている点である。第2チタン膜58は、窒化チタン膜11の下層のチタン膜(以下、第1チタン膜とする)16と同様に、ソース電極14中から発生する水素原子・水素イオンを吸蔵する機能を有する。
次に、従来のSiC−MOSFET(以下、従来例とする。図8参照)においてしきい値電圧変動が生じる原因について検証した。従来例においてSiO2/SiC界面の界面準位密度が高いのは、SiO2/SiC界面に特有の問題であり、SiO2/SiC界面の欠陥量、歪量およびバンド構造の違いから生じるかは現時点では明らかではない。そこで、各電極層として形成されるアルミニウム層の配置が従来例と異なるSiC−MOSFET(以下、比較例とする)を参照して、従来例のしきい値電圧変動の原因について検証した。図4は、比較例の炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。まず、図4に示す比較例の構造について説明する。
2 n-型ドリフト層
3 p型半導体領域
4 p-型ウエル層
5 p+型コンタクト領域
6 n+型ソース領域
7 JFET領域
8 ゲート絶縁膜
9 ゲート電極
10 層間絶縁膜
11 窒化チタン膜
12 おもて面シリサイド層
13 裏面シリサイド層
14 ソース電極(アルミニウム層)
15 裏面電極
16 チタン膜(第1チタン膜)
17 n+型エミッタ領域
18 p+型炭化珪素基板(p+型コレクタ領域)
19 n型バッファ層(またはn型フィールドストップ層)
20 コレクタ電極
21,58 チタン膜(第2チタン膜)
22 エミッタ電極
54 パッシベーション保護膜
56 チタンアルミニウム合金膜
Claims (18)
- 炭化珪素半導体部に接する二酸化珪素膜をゲート絶縁膜とする絶縁ゲート構造と、
前記絶縁ゲート構造を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の表面に設けられた、水素を吸蔵または遮蔽する第1金属膜と、
前記第1金属膜の表面に設けられ、かつ前記炭化珪素半導体部に電気的に接続された第1主電極と、
前記層間絶縁膜と前記第1金属膜との間、または前記第1主電極と前記第1金属膜との間に設けられた窒化チタン膜と、
を備え、
前記第1主電極は、前記第1金属膜および前記窒化チタン膜を介して前記層間絶縁膜と接する領域、および前記窒化チタン膜を介さず前記炭化珪素半導体部と接する領域を有し、
前記第1金属膜と前記第1主電極との間に、チタンおよびアルミニウムを含む合金膜が設けられていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 炭化珪素半導体部に接する二酸化珪素膜をゲート絶縁膜とする絶縁ゲート構造と、
前記絶縁ゲート構造を覆う層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の表面に設けられた、水素を吸蔵または遮蔽する第1金属膜と、
前記第1金属膜の表面に設けられ、かつ前記炭化珪素半導体部に電気的に接続された第1主電極と、
前記層間絶縁膜と前記第1金属膜との間、または前記第1主電極と前記第1金属膜との間に設けられた窒化チタン膜と、
を備え、
前記第1主電極は、前記第1金属膜および前記窒化チタン膜を介して前記層間絶縁膜と接する領域、および前記窒化チタン膜を介さず前記炭化珪素半導体部と接する領域を有し、
前記第1金属膜は、前記窒化チタン膜と前記第1主電極との間に設けられており、
前記炭化珪素半導体部と前記第1主電極との間に、水素を吸蔵または遮蔽する第3金属膜が設けられ、
前記第3金属膜と前記第1主電極との間に、チタンおよびアルミニウムを含む合金膜が設けられていることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 前記第1金属膜は、チタン膜であることを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記窒化チタン膜は、前記層間絶縁膜と前記第1金属膜との間に設けられ、
前記第1主電極は、前記窒化チタン膜を介さず前記炭化珪素半導体部と接する領域において、前記第1金属膜を介して前記炭化珪素半導体部に接することを特徴とする請求項3に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記第1金属膜は、前記層間絶縁膜の表面全体を覆うことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記層間絶縁膜は、前記絶縁ゲート構造を覆い、前記ゲート絶縁膜に接することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第1主電極は、前記層間絶縁膜および前記ゲート絶縁膜に接しないように設けられていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第1金属膜の厚さは、10nm以上1.0μm以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第1金属膜の厚さは、80nm以上150nm以下であることを特徴とする請求項8に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第1金属膜に吸蔵される水素分子濃度は、1×10 16 /cm 2 以上であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第1金属膜は、前記窒化チタン膜と前記第1主電極との間に設けられており、前記炭化珪素半導体部と前記第1主電極との間には水素を吸蔵または遮蔽する第3金属膜をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記第3金属膜は、チタン膜であることを特徴とする請求項11に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記合金膜の厚さは、10nm以上50nm以下であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 炭化珪素半導体からなる半導体基板と、
前記半導体基板の一方の主面に設けられた、炭化珪素半導体からなるn型ドリフト層と、
前記n型ドリフト層の、前記半導体基板側に対して反対側に選択的に設けられ、前記炭化珪素半導体部を構成するp型半導体領域と、
前記p型半導体領域の内部に選択的に設けられ、前記炭化珪素半導体部を構成するn型半導体領域と、
前記p型半導体領域の、前記n型ドリフト層と前記n型半導体領域とに挟まれた部分の表面上に設けられた前記ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に設けられ、前記絶縁ゲート構造を構成するゲート電極と、
前記n型半導体領域に電気的に接続された前記第1主電極と、
前記半導体基板の他方の主面に設けられた第2主電極と、
を備えることを特徴とする請求項1〜13のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記半導体基板はn型であり、前記n型ドリフト層よりも不純物濃度が高いことを特徴とする請求項14に記載の炭化珪素半導体装置。
- 炭化珪素半導体部を熱酸化して、前記炭化珪素半導体部の表面に二酸化珪素膜を形成する工程と、
前記二酸化珪素膜をゲート絶縁膜とする絶縁ゲート構造を形成する工程と、
前記絶縁ゲート構造を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜の上にチタン膜を形成する工程と、
前記チタン膜の上に、チタンおよびアルミニウムを含む合金膜を形成する工程と、
前記合金膜の上に、前記炭化珪素半導体部に電気的に接続されるように第1主電極を形成する工程と、
前記第1主電極が窒化チタン膜を介して前記層間絶縁膜と接し、かつ前記窒化チタン膜を介さず前記炭化珪素半導体部と接するように、前記窒化チタン膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 炭化珪素半導体部を熱酸化して、前記炭化珪素半導体部の表面に二酸化珪素膜を形成する第1工程と、
前記二酸化珪素膜をゲート絶縁膜とする絶縁ゲート構造を形成する第2工程と、
前記絶縁ゲート構造を覆う層間絶縁膜を形成する第3工程と、
前記層間絶縁膜の上に第1チタン膜を形成する第4工程と、
前記第1チタン膜の上に、窒化チタン膜を形成する第5工程と、
前記窒化チタン膜の上に、第2チタン膜を形成する第6工程と、
前記第2チタン膜の上に、チタンおよびアルミニウムを含む合金膜を形成する第7工程と、
前記合金膜の上に、前記炭化珪素半導体部に電気的に接続されるように第1主電極を形成する第8工程と、
を含み、
前記第5工程では、前記第1主電極が前記窒化チタン膜を介して前記層間絶縁膜と接し、かつ前記窒化チタン膜を介さず前記炭化珪素半導体部と接するように、前記窒化チタン膜を形成することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記第1主電極の形成後に行う熱処理の温度は450℃以下であることを特徴とする請求項16または17に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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