JP6582537B2 - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、炭化珪素を基板に用いた半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device using silicon carbide as a substrate and a method for manufacturing the semiconductor device.

炭化珪素(SiC)は高い絶縁破壊電界を有し、低損失パワーデバイスに最適な半導体として近年注目されている。   Silicon carbide (SiC) has a high breakdown electric field, and has recently attracted attention as an optimal semiconductor for low-loss power devices.

SiC基板上に熱酸化により二酸化珪素(SiO2)膜を形成でき、SiO2膜を用いたSiCパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)の開発が進められている。熱酸化によりSiC基板上に形成されたMOSゲート(金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート)のゲート絶縁膜とSiC基板との接合界面(以下、SiC−MOS界面とする)には高密度の界面準位密度(Dit)があり、チャンネル移動度の低下をもたらす。炭化珪素基板と二酸化珪素膜の界面特性を評価する指標として、界面準位密度がある。一般的には、界面準位密度が低い方がチャネル移動度に代表される界面特性が良好となる傾向がある。 A silicon dioxide (SiO 2 ) film can be formed on a SiC substrate by thermal oxidation, and an SiC power MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) using the SiO 2 film has been developed. The junction interface between the gate insulating film of the MOS gate (metal-oxide film-semiconductor insulating gate) formed on the SiC substrate by thermal oxidation and the SiC substrate (hereinafter referred to as the SiC-MOS interface) has a high density. There is an interface state density (Dit), which causes a decrease in channel mobility. As an index for evaluating the interface characteristics between the silicon carbide substrate and the silicon dioxide film, there is an interface state density. In general, the interface characteristics represented by channel mobility tend to be better when the interface state density is lower.

近年、亜酸化窒素(N2O)ガス雰囲気・一酸化窒素(NO)ガス雰囲気での酸化によりDitを低減したSiC−MOS界面を形成できるプロセスが開発された。 In recent years, a process capable of forming a SiC-MOS interface with reduced Dit by oxidation in a nitrous oxide (N 2 O) gas atmosphere or a nitric oxide (NO) gas atmosphere has been developed.

2O・NOガスを用いて作成された酸化膜の界面準位密度は2×1012cm-2eV-1以下とすることができ、高チャンネル移動度を実現でき、SiC−MOSFETのゲート酸化膜として良質な構造であると考えられてきた。 The interface state density of the oxide film prepared using N 2 O · NO gas can be 2 × 10 12 cm −2 eV −1 or less, can realize high channel mobility, and can be used as a gate of SiC-MOSFET. It has been considered that the oxide film has a good structure.

炭化珪素基板と二酸化珪素膜の界面特性を改善する一般的な手法としては、炭化珪素基板を酸素を含んだ雰囲気で酸化し、酸化後のアニール(POA:Post Oxidation Annealing)として一酸化二窒素や一酸化窒素の窒素を含むガスを用いる方法が知られている。この場合、酸化と同時に窒化が起こり、窒素原子が二酸化珪素膜中や炭化珪素基板と二酸化珪素膜との界面のダングリングボンド(未結合手)の終端に寄与し、界面準位密度を低減する効果があるとされている(例えば、下記特許文献1参照。)。   As a general method for improving the interface characteristics between the silicon carbide substrate and the silicon dioxide film, the silicon carbide substrate is oxidized in an atmosphere containing oxygen, and dinitrogen monoxide or post-oxidation annealing (POA) is performed. A method using a nitrogen-containing gas containing nitrogen is known. In this case, nitridation occurs simultaneously with oxidation, and nitrogen atoms contribute to termination of dangling bonds (unbonded hands) in the silicon dioxide film or at the interface between the silicon carbide substrate and the silicon dioxide film, thereby reducing the interface state density. It is said that there is an effect (for example, refer to the following Patent Document 1).

特表2004−511101号公報Special table 2004-511101 gazette

このような背景技術の中、SiCパワーMOSFETの実用化の課題は、SiC−MOSFETの信頼性確保である。SiC−MOSFETの信頼性試験を検証したところ負バイアスでのしきい値電圧が大きく変動するという課題があることが判明した。以下その内
容について説明する。
Among such background technologies, the issue of putting the SiC power MOSFET into practical use is ensuring the reliability of the SiC-MOSFET. As a result of verifying the reliability test of the SiC-MOSFET, it has been found that there is a problem that the threshold voltage at the negative bias varies greatly. The contents will be described below.

SiCパワーMOSFETは駆動時にゲート電極に正電圧、負電圧双方の高電圧を印加しなければならない。また高温動作のため200℃での動作保証も必要となる。そのため、動作保証として、ゲート酸化膜に加わる電界強度がプラスマイナス2MV/cm〜4MV/cm、動作温度200℃が必要となる。この場合に、ある条件ではMOSFETのしきい値電圧(Vth)が大きく変動する現象が観測されている。   The SiC power MOSFET must apply a high voltage, both positive and negative, to the gate electrode when driven. In addition, because of the high temperature operation, it is necessary to guarantee the operation at 200 ° C. Therefore, as an operation guarantee, the electric field strength applied to the gate oxide film needs to be plus or minus 2 MV / cm to 4 MV / cm and an operating temperature of 200 ° C. In this case, a phenomenon in which the threshold voltage (Vth) of the MOSFET greatly fluctuates under certain conditions has been observed.

図4は、従来例を示すSiC縦型MOSFETの断面図である。製造方法を説明すると、はじめに、高濃度n+型基板1上に5×1015/cm3の窒素ドーピングした低濃度n型ドリフト層2を10μmの厚さに堆積する。次に高濃度p+型層3をイオン注入し形成する。次に、表面に5×1015/cm3のアルミニウムをドープした低濃度p-型層4を0.5μmの厚さに堆積する。その後、低濃度n-型層7を窒素イオン注入し形成する。 FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional SiC vertical MOSFET. The manufacturing method will be described. First, a low-concentration n-type drift layer 2 doped with nitrogen of 5 × 10 15 / cm 3 is deposited on a high-concentration n + -type substrate 1 to a thickness of 10 μm. Next, a high concentration p + -type layer 3 is formed by ion implantation. Next, a low concentration p -type layer 4 doped with 5 × 10 15 / cm 3 of aluminum is deposited on the surface to a thickness of 0.5 μm. Thereafter, the low concentration n -type layer 7 is formed by nitrogen ion implantation.

この後、高濃度n+型層6をリンイオン注入により、また、高濃度p+型層5をアルミニウム(Al)イオン注入により形成する。その後、アルゴン雰囲気中1600℃で活性化アニールを行う。その後、熱酸化により、SiO2からなるゲート酸化膜8をN2O雰囲気で70nm形成する。その後、ゲート電極9、層間絶縁膜10を形成する。その後、オーミック電極を形成するため、ニッケルシリサイド電極11を形成する。その後、ソース配線金属12のアルミニウム(Al)金属層を5μm形成し、保護膜14であるポリイミドを形成し、380℃でポリイミドを硬化(キュア)し、次に裏面電極(ドレイン電極)13を形成してデバイスを完成する。 Thereafter, the high concentration n + type layer 6 is formed by phosphorus ion implantation, and the high concentration p + type layer 5 is formed by aluminum (Al) ion implantation. Thereafter, activation annealing is performed at 1600 ° C. in an argon atmosphere. Thereafter, a gate oxide film 8 made of SiO 2 is formed to 70 nm in an N 2 O atmosphere by thermal oxidation. Thereafter, the gate electrode 9 and the interlayer insulating film 10 are formed. Thereafter, a nickel silicide electrode 11 is formed in order to form an ohmic electrode. Then, 5 μm of an aluminum (Al) metal layer of the source wiring metal 12 is formed, polyimide as the protective film 14 is formed, polyimide is cured (cured) at 380 ° C., and then a back electrode (drain electrode) 13 is formed. To complete the device.

このSiC−MOSFETを200℃の高温でゲート酸化膜に加わる電界強度がプラス3MV/cmとマイナス3MV/cmのゲート電圧を10分間印加した後のしきい値電圧変動について、プラス印加ではしきい値電圧シフト量は±0.1V以下であるが、マイナス印加ではしきい値電圧が負に大きくシフトする現象が観測された。   With respect to the threshold voltage fluctuation after applying a gate voltage of plus 3 MV / cm and minus 3 MV / cm to the gate oxide film at a high temperature of 200 ° C. for 10 minutes, Although the amount of voltage shift is ± 0.1 V or less, a phenomenon in which the threshold voltage is greatly shifted negatively when negative voltage is applied was observed.

このことは、高温雰囲気でゲート電極9へ負バイアスを印加することで、ゲート酸化膜8とSiC半導体部との界面(以下、SiO2/SiC界面とする)近傍またはゲート酸化膜8中に正の固定電荷が発生したことを示す。しきい値電圧が負側にシフトする現象は正の電荷であるホールがSiO2/SiC界面に発生したことを示す。 This is because a negative bias is applied to the gate electrode 9 in a high temperature atmosphere, so that it is positive in the vicinity of the interface between the gate oxide film 8 and the SiC semiconductor portion (hereinafter referred to as the SiO 2 / SiC interface) or in the gate oxide film 8. This shows that the fixed charge is generated. The phenomenon that the threshold voltage shifts to the negative side indicates that holes that are positive charges are generated at the SiO 2 / SiC interface.

Si系のSi−MOSFET、Si−IGBTデバイスでは、負バイアス時に正電荷が発生する報告は少ない。Si−Pチャネル型MOSFETで負バイアス時にしきい値電圧シフトの現象(スロートラップ現象)が報告されているが、ゲート電圧印加によってゲート酸化膜に加わる電界強度を−3MV/cm、動作温度150℃の条件で、しきい値電圧変動幅は1000時間後に0.1Vの変動幅である。   In Si-based Si-MOSFET and Si-IGBT devices, there are few reports that positive charges are generated at the time of negative bias. Although a phenomenon of threshold voltage shift (slow trap phenomenon) has been reported in a Si-P channel type MOSFET at negative bias, the electric field strength applied to the gate oxide film by applying the gate voltage is -3 MV / cm, and the operating temperature is 150 ° C. Under these conditions, the threshold voltage fluctuation width is a fluctuation width of 0.1 V after 1000 hours.

SiC−MOSFETの場合は、ゲート電圧印加によってゲート酸化膜に加わる電界強度を−3MV/cm、動作温度150℃の条件では−7V以上変動し、Si−MOSFETと大きく異なる。ゲート酸化膜とSi半導体部との界面(以下、SiO2/Si界面とする)の界面準位密度は1.0×1011以下であるのに対し、SiO2/SiC界面の界面準位密度は1.0×1012以上であり、SiO2/SiC界面にはホールトラップが多く存在していることを示している。界面準位密度の低減化について多くの研究がされているが、SiO2/SiC界面についてSiO2/Si界面と同等の界面準位密度になった報告はない。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るが、現在の段階でSiO2/SiC界面の欠陥量・歪量・バンド構造の違いから界面準位密度が高くなるのかは明らかではない。 In the case of the SiC-MOSFET, the electric field strength applied to the gate oxide film by applying the gate voltage varies by −7 V or more under the conditions of −3 MV / cm and the operating temperature of 150 ° C., which is greatly different from the Si-MOSFET. The interface state density at the interface between the gate oxide film and the Si semiconductor portion (hereinafter referred to as SiO 2 / Si interface) is 1.0 × 10 11 or less, whereas the interface state density at the SiO 2 / SiC interface Is 1.0 × 10 12 or more, indicating that many hole traps exist at the SiO 2 / SiC interface. Many studies have been made on reducing the interface state density, but there is no report that the interface state density of the SiO 2 / SiC interface is equivalent to that of the SiO 2 / Si interface. The interface state density of SiO 2 / SiC interface is high, is a problem specific to SiO 2 / SiC interface, the interface from the difference in the amount of defects, strain amount band structure of SiO 2 / SiC interface at the current stage It is not clear whether the level density increases.

図5は、従来例を示すSiC横型MOSFETの断面図である。次に、しきい値電圧シフトの原因を調査するため、図5に示すように、層間絶縁膜10上にAl配線金属層12(12a,12b)のない横型MOSFETを準備した。製造方法を説明すると、はじめに、高濃度n型基板1上に5×1015/cm3の窒素ドーピングした低濃度n型ドリフト層2を10μmの厚さに堆積する。次に、高濃度p+型層3をイオン注入し形成する。次に、表面に5×1015/cm3のアルミニウムをドープした低濃度p-型層4を0.5μmの厚さに堆積する。その後、低濃度n型層7を窒素イオン注入し形成する。 FIG. 5 is a cross-sectional view of a SiC lateral MOSFET showing a conventional example. Next, in order to investigate the cause of the threshold voltage shift, a lateral MOSFET having no Al wiring metal layer 12 (12a, 12b) on the interlayer insulating film 10 was prepared as shown in FIG. The manufacturing method will be described. First, a low-concentration n-type drift layer 2 doped with nitrogen of 5 × 10 15 / cm 3 is deposited on a high-concentration n-type substrate 1 to a thickness of 10 μm. Next, a high concentration p + type layer 3 is formed by ion implantation. Next, a low concentration p -type layer 4 doped with 5 × 10 15 / cm 3 of aluminum is deposited on the surface to a thickness of 0.5 μm. Thereafter, the low concentration n-type layer 7 is formed by nitrogen ion implantation.

次に、高濃度n型層6をリンイオン注入により、また、高濃度p型層5をアルミニウムイオン注入により形成する。その後、アルゴン雰囲気中1600℃で活性化アニールを行う。その後、ゲート酸化膜8をN2O雰囲気で70nm形成する。その後、ゲート電極9、層間絶縁膜10を形成する。その後、オーミック電極を形成するため、ニッケルシリサイド電極11を1.0μm形成する。その後、アルミニウム配線金属層12を5μm堆積してパターニングし、ソース用Al配線金属層(12a)とドレイン用Al配線金属層(12b)を層間絶縁膜10に接触せずに形成して、横型MOSFETを完成する。 Next, the high concentration n-type layer 6 is formed by phosphorus ion implantation, and the high concentration p-type layer 5 is formed by aluminum ion implantation. Thereafter, activation annealing is performed at 1600 ° C. in an argon atmosphere. Thereafter, a gate oxide film 8 is formed to a thickness of 70 nm in an N 2 O atmosphere. Thereafter, the gate electrode 9 and the interlayer insulating film 10 are formed. Thereafter, a nickel silicide electrode 11 is formed to have a thickness of 1.0 μm in order to form an ohmic electrode. Thereafter, an aluminum wiring metal layer 12 is deposited by 5 μm and patterned, and a source Al wiring metal layer (12a) and a drain Al wiring metal layer (12b) are formed without contacting the interlayer insulating film 10, thereby forming a lateral MOSFET. To complete.

このデバイスでは、200℃の高温動作でゲート酸化膜に加わる電界強度が−3MV/cmとなるゲート電圧を10分間印加した後、しきい値電圧変動は±0.1Vであった。本結果からMOSゲート上(層間絶縁膜10上)にAl配線金属層12(12a,12b)がない横型MOSFETは負バイアス時にしきい値電圧変動がないことを示している。   In this device, the threshold voltage fluctuation was ± 0.1 V after a gate voltage of -3 MV / cm applied to the gate oxide film at a high temperature operation of 200 ° C. was applied for 10 minutes. This result shows that the lateral MOSFET having no Al wiring metal layer 12 (12a, 12b) on the MOS gate (on the interlayer insulating film 10) has no threshold voltage fluctuation at the time of negative bias.

Al配線金属層12が層間絶縁膜10と接触していない構造はしきい値電圧変動がないことから、層間絶縁膜10/Al配線金属層12(12a,12b)の構造元素分析を昇温脱離ガス分光法による分析を行った結果、200℃以上の温度で3×1014/cm2以上の水素原子・水素イオンを検出した。Al配線金属層12中、および層間絶縁膜10(SiO2)/Al配線金属層12の界面からの水素発生はAl配線金属層12と水の反応と推定している。 Since the structure in which the Al wiring metal layer 12 is not in contact with the interlayer insulating film 10 has no threshold voltage fluctuation, the structural element analysis of the interlayer insulating film 10 / Al wiring metal layer 12 (12a, 12b) is performed at a high temperature. As a result of the analysis by the separated gas spectroscopy, hydrogen atoms and hydrogen ions of 3 × 10 14 / cm 2 or more were detected at a temperature of 200 ° C. or more. Hydrogen generation in the Al wiring metal layer 12 and from the interface of the interlayer insulating film 10 (SiO 2 ) / Al wiring metal layer 12 is presumed to be a reaction between the Al wiring metal layer 12 and water.

SiO2/SiC界面には800℃以上の高温でのゲート酸化膜8形成時または800℃以上高温でのアニール処理により多くの水素イオンが取り込まれるが、高温での処理のため取り込まれたシリコン−水素(Si−H)結合、炭素−水素(C−H)結合は400℃以下の低温熱処理では容易には変化しない。 A large amount of hydrogen ions are taken into the SiO 2 / SiC interface when the gate oxide film 8 is formed at a high temperature of 800 ° C. or higher or by annealing at a high temperature of 800 ° C. or higher. Hydrogen (Si—H) bonds and carbon-hydrogen (C—H) bonds are not easily changed by low-temperature heat treatment at 400 ° C. or lower.

しかしながら低温(400℃以下)で堆積したAl配線金属層12から発生した水素原子・水素イオンは固定化されていない。高温・ゲート電圧印加状態では、Al配線金属層12から発生した水素原子・水素イオンはSiO2/SiC界面に移動し、SiO2/SiC界面のSi−H結合、C−H結合がSi+C+のダングリングボンドとなり正電荷を発生すると考えられる。200℃でのゲート酸化膜8中の水素原子・水素イオンの拡散係数は1.0×10-8[cm2/s]であり、10分後の水素原子・水素イオンの拡散長は24.5μmであり、容易にゲート酸化膜8中を移動し、SiO2/SiC界面に拡散し、しきい値電圧変動を起こす。 However, hydrogen atoms and hydrogen ions generated from the Al wiring metal layer 12 deposited at a low temperature (400 ° C. or lower) are not fixed. The high temperature and gate voltage application state, a hydrogen atom, the hydrogen ions generated from the Al wiring metal layer 12 is moved to the SiO 2 / SiC interface, Si-H bonds of SiO 2 / SiC interface, C-H bonds are Si + C + dangling of It is thought that it becomes a ring bond and generates a positive charge. The diffusion coefficient of hydrogen atoms / hydrogen ions in the gate oxide film 8 at 200 ° C. is 1.0 × 10 −8 [cm 2 / s], and the diffusion length of hydrogen atoms / hydrogen ions after 10 minutes is 24.10. It is 5 μm and easily moves in the gate oxide film 8 and diffuses to the SiO 2 / SiC interface, causing threshold voltage fluctuations.

このように、ソース用Al配線金属層12aと層間絶縁膜10を接触させないMOS構造のデバイスを作ることは可能であるが、MOSFETのセルサイズが大きくなり実用に向かない。   As described above, it is possible to make a device having a MOS structure in which the source Al wiring metal layer 12a and the interlayer insulating film 10 are not brought into contact with each other, but the cell size of the MOSFET becomes large and is not suitable for practical use.

上記課題を解決するため、本発明は、ゲート電圧印加後のしきい値電圧変動を低減することを目的とする。   In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to reduce threshold voltage fluctuation after gate voltage application.

上記目的を達成するため、本発明の半導体装置は、炭化珪素半導体基板上に二酸化珪素膜を形成した半導体装置において、アルミニウムからなるソース配線電極とゲート酸化膜との間にチタン膜と窒化チタン膜とチタン膜の積層を有し、前記チタン膜または前記窒化チタン膜の結晶粒径が50nm未満の柱状多結晶からなる構造であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which a silicon dioxide film is formed on a silicon carbide semiconductor substrate, and a titanium film and a titanium nitride film between a source wiring electrode made of aluminum and a gate oxide film. The titanium film or the titanium nitride film has a structure made of columnar polycrystal having a crystal grain size of less than 50 nm.

また、前記基板は第1導電型であり、当該基板上に設けた第1導電型ドリフト層と、前記第1導電型ドリフト層に設けた第2導電型ウエル層と、前記第2導電型ウエル層に設けた第1導電型不純物領域と、前記第2導電型ウエル層上に形成した二酸化珪素膜の前記ゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成したゲート電極と、前記第1導電型不純物領域と電気的に接続された前記ソース配線電極と、前記基板の第1導電型ドリフト層が形成された面と、反対側の面に設けたドレイン電極と、を備えたことを特徴とする。   The substrate is of a first conductivity type, a first conductivity type drift layer provided on the substrate, a second conductivity type well layer provided on the first conductivity type drift layer, and the second conductivity type well. A first conductivity type impurity region provided in a layer; a gate insulating film of a silicon dioxide film formed on the second conductivity type well layer; a gate electrode formed on the gate insulating film; and the first conductivity A source wiring electrode electrically connected to the type impurity region; a surface on which the first conductivity type drift layer of the substrate is formed; and a drain electrode provided on the opposite surface. To do.

また、本発明の半導体装置の製造方法は、炭化珪素半導体基板上に二酸化珪素膜を形成した半導体装置の製造方法において、アルミニウムからなるソース配線電極とゲート酸化膜との間にチタン膜と窒化チタン膜とチタン膜の積層を、結晶粒径が50nm未満の柱状多結晶に形成することを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device comprising: a silicon film formed on a silicon carbide semiconductor substrate; and a titanium film and a titanium nitride between a source wiring electrode made of aluminum and a gate oxide film. A laminate of a film and a titanium film is formed into a columnar polycrystal having a crystal grain size of less than 50 nm.

また、前記チタン膜と窒化チタン膜とチタン膜がスパッタ法によって成膜され、当該スパッタ法の圧力が0.15Pa以上0.4Pa未満、前記基板の温度が200℃以上400℃未満であることを特徴とする。 It pre Symbol titanium film and a titanium nitride film and a titanium film is deposited by sputtering, the pressure of the sputtering is less than or 0.15 Pa 0.4 Pa, temperature of the substrate is less than 200 ° C. or higher 400 ° C. It is characterized by.

また、前記ソース配線電極の形成後のアニール温度が450℃以下であることを特徴とする。   The annealing temperature after the formation of the source wiring electrode is 450 ° C. or lower.

上記構成によれば、チタン膜および窒化チタン膜を、スパッタ法で製膜される結晶粒径50nm未満の多結晶膜とすることで、ソース配線電極からゲート酸化膜・SiC界面への水素原子・水素イオンの移動を防止する。   According to the above configuration, the titanium film and the titanium nitride film are formed into a polycrystalline film having a crystal grain size of less than 50 nm formed by sputtering, so that hydrogen atoms from the source wiring electrode to the gate oxide film / SiC interface. Prevent movement of hydrogen ions.

本発明によれば、ゲート電圧印加後のしきい値電圧変動を低減できる効果を奏する。   According to the present invention, it is possible to reduce the threshold voltage fluctuation after the gate voltage is applied.

図1は、実施の形態1にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. 図2は、実施の形態2にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment. 図3は、実施の形態3にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the semiconductor device according to the third embodiment. 図4は、従来例を示すSiC縦型MOSFETの断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional SiC vertical MOSFET. 図5は、従来例を示すSiC横型MOSFETの断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a SiC lateral MOSFET showing a conventional example.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本明細書では、ミラー指数(結晶学的面指数)の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“−”を付けることで負の指数をあらわしている。   Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region where it is not attached. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted. Further, in this specification, in the notation of Miller index (crystallographic plane index), “−” means a bar attached to the index immediately after that, and “−” is added before the index to make it negative. It represents an index.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。図1には、SiC縦型MOSFETの断面図を示している。この半導体装置の製造方法を順に説明すると、高濃度第1導電型(n+)基板1上に5×1015/cm3の窒素ドーピングした低濃度第1導電型(n-)ドリフト層2を10μmの厚さに堆積する。次に、高濃度第2導電型(p+)層3をイオン注入し形成する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a SiC vertical MOSFET. The manufacturing method of this semiconductor device will be described in order. A low concentration first conductivity type (n ) drift layer 2 doped with nitrogen of 5 × 10 15 / cm 3 is formed on a high concentration first conductivity type (n + ) substrate 1. Deposit to a thickness of 10 μm. Next, a high concentration second conductivity type (p + ) layer 3 is formed by ion implantation.

次に、表面に5×1015/cm3のアルミニウムをドープした低濃度第2導電型(p-)層4を0.5μmの厚さに堆積する。その後、低濃度第1導電型(n-)層7を窒素イオン注入し形成する。次に、高濃度第1導電型(n+)層6をリンイオン注入により、また、高濃度第2導電型(p+)層5をアルミニウムイオン注入により形成する。その後、アルゴン雰囲気中で1600℃の活性化アニールを行う。 Next, a low-concentration second conductivity type (p ) layer 4 doped with 5 × 10 15 / cm 3 aluminum is deposited to a thickness of 0.5 μm on the surface. Thereafter, a low concentration first conductivity type (n ) layer 7 is formed by nitrogen ion implantation. Next, the high concentration first conductivity type (n + ) layer 6 is formed by phosphorus ion implantation, and the high concentration second conductivity type (p + ) layer 5 is formed by aluminum ion implantation. Thereafter, activation annealing at 1600 ° C. is performed in an argon atmosphere.

その後、熱酸化により、ゲート酸化膜8をN2O雰囲気で70nm形成する。その後、ゲート電極9と、層間絶縁膜10を形成する。そして、層間絶縁膜10を深さ方向に貫通するコンタクトホールを形成し、高濃度第1導電型(n+)層6および高濃度第2導電型(p+)層5を露出させる。この後、SiC半導体部との電気的接触部となるオーミック電極を形成するため、コンタクトホールに露出するSiC半導体部(高濃度第1導電型(n+)層6および高濃度第2導電型(p+)層5)にニッケルシリサイド電極11を形成する。 Thereafter, a gate oxide film 8 is formed to 70 nm in an N 2 O atmosphere by thermal oxidation. Thereafter, a gate electrode 9 and an interlayer insulating film 10 are formed. Then, a contact hole penetrating through the interlayer insulating film 10 in the depth direction is formed to expose the high concentration first conductivity type (n + ) layer 6 and the high concentration second conductivity type (p + ) layer 5. Thereafter, in order to form an ohmic electrode to be an electrical contact portion with the SiC semiconductor portion, the SiC semiconductor portion (high concentration first conductivity type (n + ) layer 6 and high concentration second conductivity type ( A nickel silicide electrode 11 is formed on the p + ) layer 5).

その後、ソース配線電極であるAl膜(Al配線金属層)12を形成するにあたって、基板おもて面にチタン(Ti)膜15およびAl膜12を順に例えばそれぞれ0.1μmおよび5.0μmの厚さでスパッタにより成膜(形成)する(Ti/Al構造)。スパッタ条件は、基板温度250℃、アルゴン圧力0.3Paのマグネトロンスパッタなどを用いることができる。これによって、層間絶縁膜10はチタン(Ti)膜15で覆われ、ニッケルシリサイド電極11に接するAl膜(Al配線金属層)12が形成される。   Thereafter, when forming an Al film (Al wiring metal layer) 12 as a source wiring electrode, a titanium (Ti) film 15 and an Al film 12 are sequentially formed on the front surface of the substrate, for example, with a thickness of 0.1 μm and 5.0 μm, respectively. A film is formed (formed) by sputtering (Ti / Al structure). As the sputtering conditions, magnetron sputtering with a substrate temperature of 250 ° C. and an argon pressure of 0.3 Pa can be used. Thereby, the interlayer insulating film 10 is covered with the titanium (Ti) film 15 and an Al film (Al wiring metal layer) 12 in contact with the nickel silicide electrode 11 is formed.

その後、Al膜12のエッチングをし、ソース配線電極を形成する。その後、ソース配線電極を保護する保護膜14であるポリイミド膜を基板おもて面に形成し、例えば380℃程度の温度でのアニールにより保護膜14を硬化(ポリイミドキュア)し、基板1の裏面に裏面電極13を形成し、デバイスを完成させる。   Thereafter, the Al film 12 is etched to form a source wiring electrode. Thereafter, a polyimide film that is a protective film 14 for protecting the source wiring electrode is formed on the front surface of the substrate, and the protective film 14 is cured (polyimide cure) by annealing at a temperature of about 380 ° C., for example. A back electrode 13 is formed on the substrate to complete the device.

Ti膜15とAl膜12との界面にはTiAl合金層16がアニールにより形成される。380℃のアニールでは、Al膜12下にTiAl合金層16は10nm以下の厚さで形成され、その下層のTi膜15は90nmの厚さで残っている。Al膜12下のTi膜15により、Al膜12中の水素原子・水素イオンはTi膜15に吸収され、ゲート酸化膜8に水素が拡散することは無くなり、しきい値電圧の安定したゲート酸化膜8を形成することができる。   A TiAl alloy layer 16 is formed at the interface between the Ti film 15 and the Al film 12 by annealing. In the annealing at 380 ° C., the TiAl alloy layer 16 is formed under the Al film 12 with a thickness of 10 nm or less, and the underlying Ti film 15 remains with a thickness of 90 nm. Due to the Ti film 15 under the Al film 12, hydrogen atoms and hydrogen ions in the Al film 12 are absorbed by the Ti film 15, and hydrogen does not diffuse into the gate oxide film 8, and gate oxidation with a stable threshold voltage is achieved. A film 8 can be formed.

上記構造を用いることにより、ゲート電圧印加時にゲート酸化膜に加わる電界強度を−3MV/cmとし、動作温度を200℃としたときに、1000時間後のしきい値電圧変動幅は0.1V以下に抑えることができた。   By using the above structure, the threshold voltage fluctuation width after 1000 hours is 0.1 V or less when the electric field strength applied to the gate oxide film when the gate voltage is applied is −3 MV / cm and the operating temperature is 200 ° C. I was able to suppress it.

また、Ti膜15は堅い材質であり、厚さが1.0μm以上となると割れが発生する。このため、Ti膜15の膜厚は10nm以上1.0μm未満とする。すなわち、Ti膜15の膜厚は、380℃のアニールで形成可能なTiAl合金層16の厚さ以上で、かつTi膜15に割れが発生しない厚さとする。また、Al膜12からなる金属電極層を形成するための熱処理は、素子特性に悪影響を与えない例えば400℃以下程度の低温条件で行うことが一般的である。そして、400℃以上でTiAl合金層16が反応し、50nm以上の反応層が形成されることが知られている(例えば、特開平06−330287号などを参照)。なお、400℃未満ではTi膜15とAl膜12との反応は原理的には起こらないが、実際には界面での局所拡散、アニール装置の温度ムラ、化合物生成温度を下げるような不純物の混入(コンタミ)などの様々な要因で生成される可能性がある。発明者らの実験では、380℃のアニールでは、TiAl合金層16の膜厚が10nm以下であった。よって、TiAl合金層16の膜厚は、後述するように450℃以下の温度の熱処理によって形成可能な50nm未満が好ましい。   Further, the Ti film 15 is a hard material, and cracks occur when the thickness is 1.0 μm or more. Therefore, the thickness of the Ti film 15 is set to 10 nm or more and less than 1.0 μm. That is, the thickness of the Ti film 15 is set to a thickness that is equal to or greater than the thickness of the TiAl alloy layer 16 that can be formed by annealing at 380 ° C. and that does not cause cracks in the Ti film 15. Further, the heat treatment for forming the metal electrode layer made of the Al film 12 is generally performed under a low temperature condition such as about 400 ° C. or less which does not adversely affect the element characteristics. It is known that the TiAl alloy layer 16 reacts at 400 ° C. or higher to form a reaction layer of 50 nm or longer (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 06-330287). Although the reaction between the Ti film 15 and the Al film 12 does not occur in principle below 400 ° C., in reality, local diffusion at the interface, temperature unevenness of the annealing apparatus, and mixing of impurities that lower the compound generation temperature There is a possibility that it is generated due to various factors such as (contamination). In the experiments by the inventors, in the annealing at 380 ° C., the thickness of the TiAl alloy layer 16 was 10 nm or less. Therefore, the thickness of the TiAl alloy layer 16 is preferably less than 50 nm, which can be formed by a heat treatment at a temperature of 450 ° C. or lower, as will be described later.

ソース配線電極形成後のアニール温度は450℃以下で形成する。発明者らの実験では、450℃で50nm以上の膜厚のTiAl合金層16が形成されることが確認された。微結晶膜同士の界面で反応が起こるため、TiAl合金層16は一様に均一な厚さの層ではない。そのため、450℃のアニール温度で形成されるTiAl合金層16の厚さは、観察された範囲内で最も薄い値の50nm以上と定義する。後述するようにTi膜15の膜厚の上限が50nm未満であるため、ソース配線電極を形成するための熱処理の温度の上限を450℃とした。   The annealing temperature after forming the source wiring electrode is 450 ° C. or lower. In the experiments by the inventors, it was confirmed that the TiAl alloy layer 16 having a thickness of 50 nm or more is formed at 450 ° C. Since the reaction occurs at the interface between the microcrystalline films, the TiAl alloy layer 16 is not a layer having a uniform thickness. Therefore, the thickness of the TiAl alloy layer 16 formed at an annealing temperature of 450 ° C. is defined as the thinnest value of 50 nm or more within the observed range. As will be described later, since the upper limit of the thickness of the Ti film 15 is less than 50 nm, the upper limit of the temperature of the heat treatment for forming the source wiring electrode is set to 450 ° C.

Ti膜15によるHの吸蔵効果のため、アニール後のTi膜15の膜厚は10nm以上とする。このTi膜15の吸蔵効果について実験を行った。実験では、100nmの膜厚のTi膜15に400℃の温度で水素イオン注入を行ったところ、6×1017/cm2の水素原子・水素イオンが吸蔵されたので、10nmの膜厚では1×1015/cm2以上の水素原子・水素イオンを吸蔵できる。 Due to the effect of occlusion of H by the Ti film 15, the thickness of the Ti film 15 after annealing is set to 10 nm or more. An experiment was conducted on the occlusion effect of the Ti film 15. In the experiment, when hydrogen ions were implanted into the Ti film 15 having a thickness of 100 nm at a temperature of 400 ° C., 6 × 10 17 / cm 2 of hydrogen atoms and hydrogen ions were occluded. It can occlude hydrogen atoms and hydrogen ions of × 10 15 / cm 2 or more.

(実施の形態2)
図2は、実施の形態2にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。実施の形態1では、Ti/Al構造を示したが、実施の形態2では、Al膜12中の水素原子・水素イオンの遮蔽性を高めるため、ソース配線電極であるAl膜12を形成するにあたって、基板おもて面にTi膜15、窒化チタン(TiN)膜17およびAl膜12をそれぞれ0.1μm、0.1μmおよび5.0μmの厚さで順にスパッタにより成膜する(Ti/TiN/Al構造)。スパッタ条件は、基板温度250℃、アルゴン圧力0.3Paのマグネトロンスパッタなどを用いることができる。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment. In the first embodiment, the Ti / Al structure is shown. However, in the second embodiment, the Al film 12 that is the source wiring electrode is formed in order to improve the shielding property of hydrogen atoms and hydrogen ions in the Al film 12. Then, a Ti film 15, a titanium nitride (TiN) film 17 and an Al film 12 are sequentially formed on the front surface of the substrate at a thickness of 0.1 μm, 0.1 μm and 5.0 μm by sputtering (Ti / TiN / Al structure). As the sputtering conditions, magnetron sputtering with a substrate temperature of 250 ° C. and an argon pressure of 0.3 Pa can be used.

TiN膜17の水素拡散係数を調査するため、TiN/SiO2膜を形成し、400℃水素雰囲気中で30分アニールした後、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)を用いて分析した。その結果、水素原子・水素イオンはTiN膜17が遮蔽し、ゲート酸化膜8には届いていないことを検証した。また、Ti膜15とAl膜12との間にTiN膜17を形成することにより、TiAl合金層ができていないことから、Ti吸蔵効果を高めることができる。このように、実施の形態2によれば、Ti/TiN/Al構造を用いることでさらに、水素原子・水素イオンの遮蔽性を高めることができ、しきい値電圧変動幅を小さくできる。 In order to investigate the hydrogen diffusion coefficient of the TiN film 17, a TiN / SiO 2 film is formed, annealed in a hydrogen atmosphere at 400 ° C. for 30 minutes, and then subjected to secondary ion mass spectrometry (SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry). analyzed. As a result, it was verified that the hydrogen atoms and hydrogen ions were shielded by the TiN film 17 and did not reach the gate oxide film 8. Further, by forming the TiN film 17 between the Ti film 15 and the Al film 12, since the TiAl alloy layer is not formed, the Ti occlusion effect can be enhanced. As described above, according to the second embodiment, by using the Ti / TiN / Al structure, it is possible to further improve the shielding properties of hydrogen atoms and hydrogen ions, and to reduce the threshold voltage fluctuation range.

(実施の形態3)
図3は、実施の形態3にかかる半導体装置の構成を示す断面図である。実施の形態3では、ソース配線電極であるAl膜12を形成するにあたって、基板おもて面にTi膜15、TiN膜17、Ti膜18およびAl膜12をそれぞれ0.1μm、0.1μm、0.1μmおよび5.0μmの厚さで順に積層する(Ti/TiN/Ti/Al構造)。Ti/TiN/Ti/Al構造は、スパッタによる成膜で形成し、スパッタ条件は、基板温度300℃、アルゴン圧力0.2Paのマグネトロンスパッタなどを用いることができる。Ti膜18とAl膜12とが反応してなるTiAl合金層16は、実施の形態1と同様に形成されるが、実施の形態3ではさらに、水素原子・水素イオンの遮蔽性を高めることが可能である。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the semiconductor device according to the third embodiment. In the third embodiment, when forming the Al film 12 as the source wiring electrode, the Ti film 15, TiN film 17, Ti film 18 and Al film 12 are formed on the front surface of the substrate by 0.1 μm, 0.1 μm, The layers are sequentially stacked with a thickness of 0.1 μm and 5.0 μm (Ti / TiN / Ti / Al structure). The Ti / TiN / Ti / Al structure is formed by film formation by sputtering, and the sputtering conditions may be magnetron sputtering with a substrate temperature of 300 ° C. and an argon pressure of 0.2 Pa. The TiAl alloy layer 16 formed by the reaction between the Ti film 18 and the Al film 12 is formed in the same manner as in the first embodiment. However, in the third embodiment, the shielding property of hydrogen atoms and hydrogen ions is further improved. Is possible.

以上説明したように、本発明の各実施の形態によれば、Ti膜およびTiN膜を、スパッタ法で製膜される結晶粒径を50nm未満の柱状多結晶膜とすることで、ソース配線電極からゲート酸化膜/SiC界面(SiO2/SiC界面)への水素原子・水素イオンの移動を防止する効果を高めることができる。そして、Ti膜およびTiN膜を、基板の温度200℃以上400℃未満かつ雰囲気圧力0.15Pa以上0.4Pa未満となるスパッタ条件にて形成された膜とすることで、水素原子・水素イオンのソース配線電極からゲート酸化膜/SiC界面への移動を防止する効果を高めることができる。 As described above, according to each embodiment of the present invention, the Ti film and the TiN film are formed as columnar polycrystalline films having a crystal grain size of less than 50 nm formed by sputtering. The effect of preventing the movement of hydrogen atoms and hydrogen ions from the gate oxide film / SiC interface (SiO 2 / SiC interface) can be enhanced. Then, by forming the Ti film and the TiN film under the sputtering conditions in which the substrate temperature is 200 ° C. or higher and lower than 400 ° C. and the atmospheric pressure is 0.15 Pa or higher and lower than 0.4 Pa, hydrogen atoms / hydrogen ions The effect of preventing the movement from the source wiring electrode to the gate oxide film / SiC interface can be enhanced.

これにより、マイナスゲートバイアス・プラスゲートバイアス時(ゲート電極に正電圧印加時・負電圧印加時)のしきい値電圧(Vth)の変動量を抑制でき、安定した電気的特性を有するSiC−MOSFETデバイスを提供することが可能となる。   This makes it possible to suppress the fluctuation amount of the threshold voltage (Vth) at the time of negative gate bias and positive gate bias (when positive voltage is applied to the gate electrode and when negative voltage is applied), and SiC-MOSFET having stable electrical characteristics. A device can be provided.

ここで、結晶粒径50nm以上のTi膜およびTiN膜においては、微細構造部に対する被覆性が悪く、結晶粒径10nm未満のTi膜およびTiN膜においては、ボイドが多く十分な水素原子・水素イオン遮蔽性が得られない。   Here, in the Ti film and the TiN film having a crystal grain size of 50 nm or more, the coverage with respect to the fine structure is poor, and in the Ti film and the TiN film having a crystal grain diameter of less than 10 nm, there are many voids and sufficient hydrogen atoms / hydrogen ions. Shielding property cannot be obtained.

このような効果は、基板1に用いるSiCのC面(000−1)上にチャンネルを有するデバイスにて効果があるが、その他の方位面(たとえばSi面(0001)、(112−0)、(033−8))上にチャンネルを有するデバイスにおいても同様の効果がある。   Such an effect is effective in a device having a channel on the SiC C plane (000-1) used for the substrate 1, but other orientation planes (for example, Si plane (0001), (112-0), (033-8)) A device having a channel above has the same effect.

また、ゲート電極の下のゲート酸化膜を有するデバイス(たとえばSiC−IGBTなど)のデバイスにおいても同様の効果を得ることができる。また、本発明は、導電型を反転させても同様に成り立つ。   The same effect can be obtained also in a device having a gate oxide film under the gate electrode (for example, SiC-IGBT). Further, the present invention is similarly established even when the conductivity type is reversed.

以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用される半導体装置に有用である。   As described above, the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention are useful for a semiconductor device used for a power conversion device, a power supply device such as various industrial machines, and the like.

1 SiC基板
2 エピタキシャル結晶(ドリフト層)
3 p+
4 エピタキシャル結晶(ウエル層)
5 p+
6 n+
7 n-
8 ゲート酸化膜
9 ゲート電極
10 層間絶縁膜
11 電極コンタクト(ニッケルシリサイド電極)
12 Al膜(ソース配線電極)
13 裏面電極
14 保護膜
15,18 Ti膜
16 TiAl合金層
17 TiN膜
1 SiC substrate 2 Epitaxial crystal (drift layer)
3 p + layer 4 Epitaxial crystal (well layer)
5 p + layer 6 n + layer 7 n layer 8 Gate oxide film 9 Gate electrode 10 Interlayer insulating film 11 Electrode contact (nickel silicide electrode)
12 Al film (source wiring electrode)
13 Back electrode 14 Protective film 15, 18 Ti film 16 TiAl alloy layer 17 TiN film

Claims (5)

炭化珪素半導体基板上に二酸化珪素膜を形成した半導体装置において、
アルミニウムからなるソース配線電極とゲート酸化膜との間にチタン膜と窒化チタン膜とチタン膜の積層を有し、前記チタン膜または前記窒化チタン膜の結晶粒径が50nm未満の柱状多結晶からなる構造であることを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device in which a silicon dioxide film is formed on a silicon carbide semiconductor substrate,
A titanium film, a titanium nitride film, and a titanium film are laminated between a source wiring electrode made of aluminum and a gate oxide film, and the titanium film or the titanium nitride film is made of a columnar polycrystal having a crystal grain size of less than 50 nm. A semiconductor device having a structure.
前記基板は第1導電型であり、当該基板上に設けた第1導電型ドリフト層と、
前記第1導電型ドリフト層に設けた第2導電型ウエル層と、
前記第2導電型ウエル層に設けた第1導電型不純物領域と、
前記第2導電型ウエル層上に形成した二酸化珪素膜の前記ゲート酸化膜と、
前記ゲート酸化膜の上に形成したゲート電極と、
前記第1導電型不純物領域と電気的に接続された前記ソース配線電極と、
前記基板の第1導電型ドリフト層が形成された面と、反対側の面に設けたドレイン電極と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The substrate is of a first conductivity type; a first conductivity type drift layer provided on the substrate;
A second conductivity type well layer provided in the first conductivity type drift layer;
A first conductivity type impurity region provided in the second conductivity type well layer;
The gate oxide film of a silicon dioxide film formed on the second conductivity type well layer;
A gate electrode formed on the gate oxide film ;
The source wiring electrode electrically connected to the first conductivity type impurity region;
A drain electrode provided on a surface of the substrate on which the first conductivity type drift layer is formed and an opposite surface;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising:
炭化珪素半導体基板上に二酸化珪素膜を形成した半導体装置の製造方法において、
アルミニウムからなるソース配線電極とゲート酸化膜との間にチタン膜と窒化チタン膜とチタン膜の積層を、結晶粒径が50nm未満の柱状多結晶に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor device in which a silicon dioxide film is formed on a silicon carbide semiconductor substrate,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: stacking a titanium film, a titanium nitride film, and a titanium film between a source wiring electrode made of aluminum and a gate oxide film into a columnar polycrystal having a crystal grain size of less than 50 nm. .
記チタン膜と窒化チタン膜とチタン膜がスパッタ法によって成膜され、当該スパッタ法の圧力が0.15Pa以上0.4Pa未満、前記基板の温度が200℃以上400℃未満であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 Wherein the pre-Symbol titanium film and a titanium nitride film and a titanium film is deposited by sputtering, the pressure of the sputtering is less than or 0.15 Pa 0.4 Pa, temperature of the substrate is less than 200 ° C. or higher 400 ° C. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3 . 前記ソース配線電極の形成後のアニール温度が450℃以下であることを特徴とする請求項3または4に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein an annealing temperature after the formation of the source wiring electrode is 450 ° C. or lower.
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