JP6772495B2 - 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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実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造についてプレーナゲート構造の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配置された他の単位セルや、活性領域の周囲を囲むエッジ終端領域に配置された耐圧構造を図示省略する。エッジ終端領域は、n-型ドリフト領域(第1半導体領域)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る。耐圧構造は、例えば、ガードリング、フィールドプレートまたはリサーフ等、もしくはこれらを組み合わせた構造を有していてもよい。
一般的に、SiC−パワーMOSFETには、駆動時にゲート電極に正電圧・負電圧双方の高電圧が印加される。また、SiC−パワーMOSFETは高温動作となるため、ジャンクション温度が200℃以上となる高温動作下での動作を保証する必要がある。具体的には、ゲート絶縁膜に加わる電界強度±2MV/cm〜±4MV/cm程度、および動作保証温度200℃程度を必要とするが、この場合、ある条件下においてゲート閾値電圧が大きく変動する現象が観測された。
次に、上述した実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置にしたがい、チタン膜15およびアルミニウム配線層12を形成するためのスパッタリング時の基板温度を380℃とした条件で作製したSiC−MOSFET(以下、比較例2とする)についてゲート閾値電圧を測定した。その結果、比較例2では、ゲート閾値電圧が変動することが確認された。この比較例2のアルミニウム配線層を観察してみると、一部の領域において、TiAl合金膜がソースコンタクト部に接している構造となっていた。TiAl合金膜に吸蔵される水素分子濃度はチタン膜と比較して極端に低いため、TiAl合金膜とソースコンタクト部との接触部分を経由して水素原子・水素イオンが炭化珪素基体側に移動し、ゲート閾値変動が発生するものと推測される。したがって、本発明のように、TiAl合金膜16とソースコンタクト部11とが接触しない構成とすることで、より確実にゲート閾値変動を抑制することができる。
2,102 n-型ドリフト領域
3,133 p型ベース領域
4,134 p-型ベース領域
5,135 p+型コンタクト領域
6,136a n+型ソース領域
7 n型領域
8,138 ゲート絶縁膜
9,139 ゲート電極
10,140 層間絶縁膜
11,141a ソースコンタクト部
12,112,142a,142b アルミニウム配線層
13 パッシベーション保護膜
14 裏面電極
15 チタン膜
16 TiAl合金膜
20,120 炭化珪素基体
21,121 n-型炭化珪素層
22,122 p-型炭化珪素層
136b n+型ドレイン領域
141b ドレインコンタクト部
Claims (8)
- 炭化珪素部に接する二酸化珪素膜をゲート絶縁膜とし、当該ゲート絶縁膜上にゲート電極を有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、
前記炭化珪素部にオーミック接触するコンタクト部と、
前記層間絶縁膜および前記コンタクト部の表面全体に接して設けられた、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、かつ前記炭化珪素部に電気的に接続された金属電極層と、
前記第1金属膜と前記金属電極層との間の全体に設けられた第2金属膜と、
を備え、
前記第1金属膜は、前記層間絶縁膜および前記コンタクト部の表面全体に接して覆い、前記第1金属膜の厚さは、10nm以上1.0μm以下であり、
前記第2金属膜は、前記第1金属膜が前記層間絶縁膜および前記コンタクト部の表面全体に介在することで前記コンタクト部と離して配置され、前記第2金属膜の厚さは、1nm以上100nm以下であり、
前記第1金属膜は、チタン膜であり、
前記金属電極層は、アルミニウム層であり、
前記第2金属膜は、チタンおよびアルミニウムを含む金属膜であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 前記第2金属膜の厚さは、50nm以上100nm以下であ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1金属膜に吸蔵される水素分子濃度は、1×1016/cm2以上6×1018/c
m2以下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。 - 前記金属電極層の結晶粒径は、100nm以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記炭化珪素部は、
炭化珪素からなる半導体基板と、
前記半導体基板のおもて面に設けられた、前記半導体基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の炭化珪素からなる第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の、前記半導体基板側に対して反対側に設けられた第2導電型の炭化珪素からなる第2半導体領域と、
前記第2半導体領域の内部に選択的に設けられた第1導電型の第3半導体領域と、で構成され、
前記第2半導体領域の、前記第3半導体領域と前記第1半導体領域との間の領域に接して設けられた前記ゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2半導体領域の反対側に設けられ、前記絶縁ゲート構造を構成するゲート電極と、
前記第2半導体領域および前記第3半導体領域に電気的に接続された前記金属電極層からなる第1電極と、
前記半導体基板の裏面に設けられた第2電極と、
を備える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。 - 炭化珪素部に接する二酸化珪素膜をゲート絶縁膜とし、当該ゲート絶縁膜上にゲート電極を有する絶縁ゲート構造を形成する第1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2工程と、
前記炭化珪素部にオーミック接触するコンタクト部を形成する第3工程と、
前記層間絶縁膜および前記コンタクト部の表面全体に接して、水素を吸蔵または遮蔽する第1金属膜を形成する第4工程と、
前記第1金属膜の表面全体に、前記炭化珪素部に電気的に接続された金属電極層を形成する第5工程と、
を含み、
前記第5工程の後に行う450℃以下の温度での熱処理により前記第1金属膜と前記金属電極層とが反応して前記第1金属膜と前記金属電極層との間の全体に生じる厚さが1nm以上100nm以下の第2金属膜と、前記層間絶縁膜および前記コンタクト部の表面全体に前記第1金属膜を10nm以上1.0μm以下の厚さで残し、
前記第1金属膜は、チタン膜であり、
前記金属電極層は、アルミニウム層であり、
前記第2金属膜は、チタンおよびアルミニウムを含む金属膜であることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記熱処理後に残る前記第1金属膜に吸蔵される水素分子濃度は1×1016/cm2以上6×1018/cm2以下であることを特徴とする請求項6に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記熱処理が400℃以上450℃以下の温度であることを特徴とする請求項6または7に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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