JP7079927B2 - Silicon Carbide Semiconductor Device and Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device - Google Patents

Silicon Carbide Semiconductor Device and Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device Download PDF

Info

Publication number
JP7079927B2
JP7079927B2 JP2018050233A JP2018050233A JP7079927B2 JP 7079927 B2 JP7079927 B2 JP 7079927B2 JP 2018050233 A JP2018050233 A JP 2018050233A JP 2018050233 A JP2018050233 A JP 2018050233A JP 7079927 B2 JP7079927 B2 JP 7079927B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon carbide
layer
carbide semiconductor
semiconductor device
type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018050233A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2019161195A (en
Inventor
皓洋 小山
智教 水島
喜幸 米澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Mitsubishi Electric Corp
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Mitsubishi Electric Corp
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd, Mitsubishi Electric Corp, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP2018050233A priority Critical patent/JP7079927B2/en
Publication of JP2019161195A publication Critical patent/JP2019161195A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7079927B2 publication Critical patent/JP7079927B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

この発明は、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に関する。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.

炭化珪素(SiC)半導体は、従来の珪素(Si)を用いた半導体に比べて絶縁破壊が生じる電位が高く、またオン抵抗も低くできるので、次世代の半導体装置の材料として開発が進められている。p型の炭化珪素半導体装置は、特にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やPiN(P-intrinsic-N diode)ダイオードなどによって、超高耐圧領域での使用が期待されている。半導体装置のオン抵抗は抵抗値の総和であるため、半導体装置のオン抵抗を低減するためにSiC層よりも、電極がSiC層と十分に低抵抗なオーミック接続を取り、接触抵抗を低くすることが求められている。 Silicon carbide (SiC) semiconductors have a higher potential for insulation breakdown and lower on-resistance than conventional semiconductors using silicon (Si), and are therefore being developed as materials for next-generation semiconductor devices. There is. The p-type silicon carbide semiconductor device is expected to be used in an ultrahigh withstand voltage region, particularly by an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a PiN (P-intrinsic-N diode) diode, or the like. Since the on-resistance of the semiconductor device is the sum of the resistance values, in order to reduce the on-resistance of the semiconductor device, the electrode should have a sufficiently low resistance ohmic connection with the SiC layer to lower the contact resistance than the SiC layer. Is required.

p型SiC半導体層上にオーミック接続する方法としては、p型SiC半導体層上にアルミニウム(Al)-チタン(Ti)合金層(例えば、下記非特許文献1参照)や、Ti層、Al層を順番に堆積し、1000℃程度の高温で熱処理する方法が数多く報告されている。 As a method of ohmic connection on the p-type SiC semiconductor layer, an aluminum (Al) -titanium (Ti) alloy layer (for example, see Non-Patent Document 1 below), a Ti layer, and an Al layer are formed on the p-type SiC semiconductor layer. Many methods of depositing in order and heat-treating at a high temperature of about 1000 ° C. have been reported.

また、下記非特許文献2では、Ti層とAl層の総膜厚に対してAl層の原子組成比率が75原子%未満ではp型のオーミックコンタクトが得られないと述べられており、多くの報告例においてはTi層とAl層の総膜厚に対してAl層の原子組成比率が75原子%より多い比率の電極形成条件が使用されていた(例えば、下記非特許文献2~6参照)。 Further, in Non-Patent Document 2 below, it is stated that p-type ohmic contacts cannot be obtained when the atomic composition ratio of the Al layer is less than 75 atomic% with respect to the total thickness of the Ti layer and the Al layer. In the reported example, an electrode forming condition was used in which the atomic composition ratio of the Al layer was more than 75 atomic% with respect to the total thickness of the Ti layer and the Al layer (see, for example, Non-Patent Documents 2 to 6 below). ..

また、下記非特許文献2、非特許文献3、非特許文献4では、Al-Ti合金層や、Ti層、Al層がp型SiC半導体層と反応することによって、界面層(Ti3SiC2)が生成され、この界面層がオーミック特性に影響を及ぼしていると報告されている。 Further, in the following Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, and Non-Patent Document 4, the Al—Ti alloy layer, the Ti layer, and the Al layer react with the p-type SiC semiconductor layer to cause an interface layer (Ti 3 SiC 2 ). ) Is generated, and it is reported that this interface layer affects the ohmic properties.

また、下記特許文献1では、Al3TiとSiC層が反応してTi3SiC2層が生成されることを述べており、界面層(Ti3SiC2)を効率的に生成するために、第1基準温度(686℃)よりも高く、第2基準温度(970℃)よりも低い温度で熱処理し界面にAl3Tiを生成した後に第2基準温度(970℃)よりも高い温度で熱処理し界面層(Ti3SiC2)を生成する方法を示している。 Further, Patent Document 1 below describes that the Al 3 Ti and the SiC layer react to form the Ti 3 SiC 2 layer, and in order to efficiently generate the interface layer (Ti 3 SiC 2 ), the interface layer (Ti 3 SiC 2) is formed. Heat treatment is performed at a temperature higher than the first reference temperature (686 ° C.) and lower than the second reference temperature (970 ° C.) to generate Al 3 Ti at the interface, and then heat treatment is performed at a temperature higher than the second reference temperature (970 ° C.). The method of forming the interface layer (Ti 3 SiC 2 ) is shown.

また、下記特許文献2では、質量比でAlよりもTiが少ないAl-Ti合金、またはAl/Ti、Ti/Al積層構造をp型SiC層上に堆積し、その後Al-Ti合金やAl/Ti積層構造からのAlの蒸発・飛散を防止するための保護膜を形成した後にAlの融点を超える温度の熱処理を行い、合金化してオーミックコンタクトを形成する方法が述べられている。 Further, in Patent Document 2 below, an Al—Ti alloy having less Ti than Al in terms of mass ratio, or an Al / Ti, Ti / Al laminated structure is deposited on a p-type SiC layer, and then an Al—Ti alloy or Al / A method is described in which a protective film for preventing the evaporation and scattering of Al from the Ti laminated structure is formed, and then heat treatment is performed at a temperature exceeding the melting point of Al and alloyed to form an ohmic contact.

特開2008-78435号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-78435 特開2012-99752号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-99752

J.Crofton他「Finding the optimum Al-Ti alloy composition for use as an ohmic contact to p-type SiC」 Solid-State Electronics 46 (2002) 109-113J. Crofton et al. "Finding the option Al-Ti alloy compatibility for us as an ohmic contact to p-type SiC" Solid-State Electronics 46 (2002) 109-113 O.Nakatska他「Low Resistance TiAl Ohmic Contacts with Multi-Layered Structurefor p-Type 4H-SiC」 Materials Transactions,Vol.43,No.7(2002)pp.1684to1688O. Nakatska et al., "Low Response TiAl Ohmic Contacts with Multi-Layered Structurefor p-Type 4H-SiC" Materials Transactions, Vol. 43, No. 7 (2002) pp. 1684 to 1688 S.Tsukimoto他「Correlation between the Electrical Properties and the InterfacialMicrostructures of TiAl-Based Ohmic Contacts to p-Type 4H-SiC」Journal of ELECTRONIC MATERIALS,Vol.33,No.5,2004S. Tsukimoto et al. "Correlation behind the Electrical Properties and the Interfacial Microstructures of TiAl-Based Ohmic Contacts to p-Type4H 33, No. 5,2004 B.J.Johnson他「Mechanism of ohmic behavior of Al/Ti contacts to p-type 4H-SiC after annealing」J.Appl.Phys.Vol.95(2004)5616-5620.B. J. Johnson et al., "Mechanism of ohmic behavior of Al / Ti contacts to p-type 4H-SiC after annealing" J. Apple. Phys. Vol. 95 (2004) 5616-5620. A Frazzetto他「Structural and transport properties inalloyed Ti/Al Ohmic contacts formed on p-type Al-implanted 4H-SiC annealed athigh temperature」J.Phys.D:Appl.Phys.44(2011)255302A Frazzetto et al. "Structural and transport projects inalloyed Ti / Al Ohmic contact's formed on p-type Al-implanted 4H-SiC annealed against" Phys. D: Appl. Phys. 44 (2011) 255302 S.Tanimoto他「Ohmic Contact Structure and Fabrication Process Applicable to Practical SiC Devices Material」Material Science Forum Vols.389-393(2002)pp879-884S. Tanimoto et al. "Ohmic Contact Structure and Fabrication Process Applicable to Practical SiC Devices Material" Material Science Forum Vols. 389-393 (2002) pp879-884 T.Abi-Tannous他「A Study on the Temperature of Ohmic Contact to p-Type SiC Based on Ti3SiC2 Phase」IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.63,NO.6,JUNE2016T. Abi-Tannous et al. "A Study on the Temperature of Ohmic Contact to p-Type SiC Based on Ti3SiC2 Phase" IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONDE. 63, NO. 6, JUNE2016 M.Maeda他「FORMATION OF Ti3SiC2 ON SiC BY CONTROL OFINTERFACIAL REACTION BETWEEN SiC AND Ti / Al MULTILAYER」Preprints of the National Meeting of the Japan Welding Society,Vol.82,pp.224-225M. Maeda et al. "FORMATION OF Ti3SiC2 ON SiC BY CONTROLL OFINTERVACIAL REACTION BETWEEEN SiC AND Ti / Al MULTILAYER" Preprints of the System 82, pp. 224-225

上記のように、Al-Ti系の金属材料を用いることにより、p型SiC半導体層との間に低抵抗なオーミックコンタクトの形成が可能であるが、従来のAl-Ti系電極では非特許文献3に記載のあるように、高温熱処理時にAlが揮発し、電極表面が荒れる問題があった。この問題は、PiNダイオード等の表面p型電極への適用を考えた場合には、後工程の露光工程でフォーカス異常が発生する虞があり、モジュール等への実装工程においては、ワイヤーボンディングの密着性不良を起こす虞があった。n型IGBT等の裏面p型電極への適用を考えた場合には、露光工程等において、ウエハ搬送時に吸着トラブルを起こし、プロセス流動に支障が生じる虞があった。 As described above, by using an Al—Ti-based metal material, it is possible to form a low-resistance ohmic contact with the p-type SiC semiconductor layer, but conventional Al—Ti-based electrodes are non-patent documents. As described in No. 3, there is a problem that Al volatilizes during high temperature heat treatment and the surface of the electrode becomes rough. When considering application to a surface p-type electrode such as a PiN diode, this problem may cause a focus abnormality in the exposure process in the subsequent process, and in the mounting process on a module or the like, the wire bonding adheres closely. There was a risk of causing poor sex. When considering application to a back surface p-type electrode such as an n-type IGBT, there is a possibility that a suction problem may occur during wafer transfer in an exposure process or the like, which may hinder process flow.

Al-Ti系電極でオーミック接触を得るためには1000℃程度の高温熱処理を必要とするが、Al層の絶対量が多いと、コンタクト抵抗率は低抵抗な値が得られるものの、表面p型電極にAl-Ti系電極を適用する場合、急激な熱処理時の温度変化により素子分離しているフィールド酸化膜中を高温熱処理時にAl融液が膜中拡散し、パターン電極間で配線ショートする虞もあった。 In order to obtain ohmic contact with an Al—Ti electrode, high temperature heat treatment of about 1000 ° C is required, but if the absolute amount of the Al layer is large, the contact resistivity can be a low resistance value, but the surface p type. When an Al—Ti electrode is applied to the electrode, the Al melt diffuses in the field oxide film separated by the temperature change during the rapid heat treatment during the high temperature heat treatment, and there is a risk that the wiring will be short-circuited between the pattern electrodes. There was also.

ここで、図27は、n型炭化珪素バルクダミー基板を用いた従来例のAl-Ti系電極形成結果の写真を示す図である。従来例のようなAl-Ti系電極形成条件を用いて950℃以上の高温で熱処理すると、図27の様にAlの蒸発・飛散に起因すると思われるAlのドロップレット(例えば、図27の粒状の突起A)が電極内に見られていた。Alのドロップレット部分は高低差が大きく、このような電極条件を用いてSiCウエハに対してp型裏面電極形成後、プロセス流動を行うとウエハ搬送時に吸着トラブルが発生し、プロセス流動に支障が発生することが分かった。 Here, FIG. 27 is a diagram showing a photograph of the results of forming an Al—Ti based electrode of a conventional example using an n-type silicon carbide bulk dummy substrate. When heat-treated at a high temperature of 950 ° C. or higher using the Al—Ti electrode forming conditions as in the conventional example, Al droplets (for example, granules in FIG. 27) which are considered to be caused by evaporation and scattering of Al as shown in FIG. 27. Projection A) was seen in the electrode. The height difference of the Al droplet portion is large, and if process flow is performed after forming a p-type back surface electrode for a SiC wafer using such electrode conditions, adsorption problems will occur during wafer transfer, which will hinder process flow. It turned out to occur.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、従来例では実現できない電極とp型SiC層との間の低抵抗なオーミックコンタクト抵抗と、電極の表面荒れの抑制とを両立することができる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を提供することを目的とする。 In the present invention, in order to solve the problems caused by the above-mentioned conventional technique, it is possible to achieve both low resistance ohmic contact resistance between the electrode and the p-type SiC layer, which cannot be realized by the conventional example, and suppression of surface roughness of the electrode. It is an object of the present invention to provide a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、次の特徴を有する。炭化珪素半導体装置は、第1導電型の炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板の主面側、または、前記炭化珪素基板の主面とは反対側に設けられた第2導電型の炭化珪素半導体層と、前記炭化珪素半導体層に接触して配置される第2導電型のオーミックコンタクト電極とを備える。前記オーミックコンタクト電極はチタンおよびアルミニウムを含む層の厚さが20nm以上150nm以下であり、かつ前記チタンおよびアルミニウムを含む層全体に対して、アルミニウムの含有率が50原子%~75原子%の間である。前記オーミックコンタクト電極を構成するアルミニウム-チタン合金シリサイドの20μm×20μm領域内の主要な平均粒子の直径が、0.5μm以上1.3μm以下で高さが10nm以上80nm以下である。
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the silicon carbide semiconductor device according to the present invention has the following features. The silicon carbide semiconductor device is a first conductive type silicon carbide substrate and a second conductive type silicon carbide semiconductor provided on the main surface side of the silicon carbide substrate or on the side opposite to the main surface of the silicon carbide substrate. A layer and a second conductive type ohmic contact electrode arranged in contact with the silicon carbide semiconductor layer are provided. The ohmic contact electrode has a layer containing titanium and aluminum having a thickness of 20 nm or more and 150 nm or less, and the content of aluminum is between 50 atomic% and 75 atomic% with respect to the entire layer containing titanium and aluminum. be. The diameter of the main average particles in the 20 μm × 20 μm region of the aluminum-titanium alloy silicide constituting the ohmic contact electrode is 0.5 μm or more and 1.3 μm or less, and the height is 10 nm or more and 80 nm or less.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、上述した発明において、前記オーミックコンタクト電極の20μm×20μm領域内全体の二乗平均粗さ値が50nm以下であることを特徴とする。 Further, the silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the root mean square roughness value of the entire 20 μm × 20 μm region of the ohmic contact electrode is 50 nm or less.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、上述した発明において、前記オーミックコンタクト電極の20μm×20μm領域内全体の平均面に対する最大高低差が、400nm以下であることを特徴とする。 Further, the silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the maximum height difference with respect to the average surface of the entire 20 μm × 20 μm region of the ohmic contact electrode is 400 nm or less.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、上述した発明において、前記炭化珪素半導体層と前記オーミックコンタクト電極の界面には、Ti3SiC2層が形成されていることを特徴とする。 Further, the silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, a Ti 3 SiC 2 layer is formed at the interface between the silicon carbide semiconductor layer and the ohmic contact electrode.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、第1導電型の炭化珪素基板の主面側、または、前記炭化珪素基板の主面とは反対側に第2導電型の炭化珪素半導体層を形成する第1工程を行う。次に、前記炭化珪素半導体層に接触して配置される第2導電型のオーミックコンタクト電極を形成する第2工程を行う。前記第2工程では、前記オーミックコンタクト電極をチタンおよびアルミニウムを含む層が20nm以上150nm以下であり、かつ前記チタンおよびアルミニウムを含む層全体に対して、アルミニウムの含有率が50原子%~75原子%の間に形成し、前記オーミックコンタクト電極を構成するアルミニウム-チタン合金シリサイドの20μm×20μm領域内の主要な平均粒子の直径を、0.5μm以上1.3μm以下で高さが10nm以上80nm以下に形成するIn order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention has the following features. First, the first step of forming the second conductive type silicon carbide semiconductor layer on the main surface side of the first conductive type silicon carbide substrate or on the side opposite to the main surface of the silicon carbide substrate is performed. Next, a second step of forming a second conductive type ohmic contact electrode arranged in contact with the silicon carbide semiconductor layer is performed. In the second step, the layer containing titanium and aluminum in the ohmic contact electrode is 20 nm or more and 150 nm or less, and the content of aluminum is 50 atomic% to 75 atomic% with respect to the entire layer containing titanium and aluminum. The diameter of the main average particles in the 20 μm × 20 μm region of the aluminum-titanium alloy silicide formed between the two and constituting the ohmic contact electrode is 0.5 μm or more and 1.3 μm or less and the height is 10 nm or more and 80 nm or less. Form .

上述した発明によれば、Ti層に対してAl層の膜厚または含有量を減らし、かつTi層とAl層の合計総膜厚を薄層化している。具体的には、Ti、及びAlを含む層が20nm以上150nm以下かつTi層とAl層全体に対してAl層のAlの含有率が50原子%~75原子%である。これにより、熱処理時の電極の表面荒れが抑制されるため、おもて面のp型オーミック電極への適用を考えた場合には、後工程の露光工程でフォーカス異常が発生することなく、モジュール等への実装工程においては、ワイヤーボンディングの密着性不良を起こす虞をなくすことができる。裏面のp型オーミック電極への適用を考えた場合には、露光工程等において、ウエハ搬送時の吸着トラブルを回避してプロセス流動への支障をなくすことができる。 According to the above-mentioned invention, the film thickness or the content of the Al layer is reduced with respect to the Ti layer, and the total total film thickness of the Ti layer and the Al layer is thinned. Specifically, the layer containing Ti and Al is 20 nm or more and 150 nm or less, and the Al content of the Al layer is 50 atomic% to 75 atomic% with respect to the entire Ti layer and Al layer. As a result, the surface roughness of the electrode during heat treatment is suppressed, so when considering application to the p-type ohmic electrode on the front surface, the module does not cause focus abnormality in the subsequent exposure process. In the process of mounting on the or the like, it is possible to eliminate the possibility of causing poor adhesion of wire bonding. When considering the application to the p-type ohmic electrode on the back surface, it is possible to avoid the adsorption trouble at the time of wafer transfer in the exposure process and the like, and to eliminate the hindrance to the process flow.

本発明にかかる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によれば、従来例では実現できない電極とp型SiC層との間の低抵抗なオーミックコンタクト抵抗と、電極の表面荒れの抑制とを両立することができるという効果を奏する。 According to the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention, low resistance ohmic contact resistance between the electrode and the p-type SiC layer, which cannot be realized by the conventional example, and suppression of surface roughness of the electrode are achieved. It has the effect of being able to achieve both.

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。It is sectional drawing which shows the structure of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その1)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 1 (the 1). 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その2)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 1 (the 2). 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その3)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 1 (the 3). 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その4)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 1 (the 4). 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その5)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 1 (the 5). 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。It is sectional drawing which shows the structure of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その1)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 2 (the 1). 実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その2)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 2 (the 2). 実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その3)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 2 (the 3). 実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その4)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 2 (the 4). 実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である(その5)。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 2 (the 5). 実施の形態1、2にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiments 1 and 2. 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置でのAl層の原子組成比率に対する、p型炭化珪素イオン注入層の不純物濃度別のコンタクト抵抗を示すグラフである。It is a graph which shows the contact resistance by the impurity concentration of the p-type silicon carbide ion implantation layer with respect to the atomic composition ratio of the Al layer in the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置でのAl層の原子組成比率に対する、表面粗さを示すグラフである。It is a graph which shows the surface roughness with respect to the atomic composition ratio of the Al layer in the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置でのAl層の原子組成比率に対する、p型炭化珪素イオン注入層の不純物濃度別のコンタクト抵抗を示すグラフである。It is a graph which shows the contact resistance by the impurity concentration of the p-type silicon carbide ion implantation layer with respect to the atomic composition ratio of the Al layer in the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置でのAl層の原子組成比率に対する、表面粗さを示すグラフである。It is a graph which shows the surface roughness with respect to the atomic composition ratio of the Al layer in the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 2. 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置でのTi膜厚に対する、p型炭化珪素イオン注入層の不純物濃度別のコンタクト抵抗を示すグラフである。It is a graph which shows the contact resistance by the impurity concentration of the p-type silicon carbide ion implantation layer with respect to the Ti film thickness in the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置でのTi膜厚に対する、p型炭化珪素イオン注入層の不純物濃度別のコンタクト抵抗を示すグラフである。It is a graph which shows the contact resistance according to the impurity concentration of the p-type silicon carbide ion implantation layer with respect to the Ti film thickness in the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施の形態1および実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置でのTi膜厚に対する、表面粗さを示すグラフである。It is a graph which shows the surface roughness with respect to the Ti film thickness in the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 1 and Embodiment 2. 実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置と従来技術による炭化珪素半導体装置との比較結果を示す表である。It is a table which shows the comparison result of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 1 and the silicon carbide semiconductor device by the prior art. 実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置と従来技術による炭化珪素半導体装置との比較結果を示す表である。It is a table which shows the comparison result of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 2 and the silicon carbide semiconductor device by the prior art. 比較例1-1の炭化珪素半導体装置のSi面の原子間力顕微鏡写真を示す図である。It is a figure which shows the atomic force microscope photograph of the Si surface of the silicon carbide semiconductor device of the comparative example 1-1. 比較例1-1の炭化珪素半導体装置のSi面の表面粗さ深さのプロファイルを示すグラフである(その1)。It is a graph which shows the profile of the surface roughness depth of the Si surface of the silicon carbide semiconductor device of the comparative example 1-1 (the 1). 実施の形態1の炭化珪素半導体装置の表面の原子間力顕微鏡写真を示す図である。It is a figure which shows the atomic force microscope photograph of the surface of the silicon carbide semiconductor device of Embodiment 1. FIG. 実施の形態1の炭化珪素半導体装置の表面粗さ深さのプロファイルを示すグラフである(その1)。It is a graph which shows the profile of the surface roughness depth of the silicon carbide semiconductor device of Embodiment 1 (the 1). 比較例1-1の炭化珪素半導体装置のC面の原子間力顕微鏡写真を示す図である。It is a figure which shows the atomic force microscope photograph of the C plane of the silicon carbide semiconductor device of the comparative example 1-1. 比較例1-1の炭化珪素半導体装置のC面の表面粗さ深さのプロファイルを示すグラフである(その1)。It is a graph which shows the profile of the surface roughness depth of the C surface of the silicon carbide semiconductor device of the comparative example 1-1 (the 1). 実施の形態2の炭化珪素半導体装置の表面の原子間力顕微鏡写真を示す図である。It is a figure which shows the atomic force microscope photograph of the surface of the silicon carbide semiconductor device of Embodiment 2. 実施の形態2の炭化珪素半導体装置の表面粗さ深さのプロファイルを示すグラフである(その1)。It is a graph which shows the profile of the surface roughness depth of the silicon carbide semiconductor device of Embodiment 2 (the 1). n型炭化珪素バルクダミー基板を用いた従来例のAl-Ti系電極形成結果の写真を示す図である。It is a figure which shows the photograph of the Al—Ti system electrode formation result of the conventional example using the n-type silicon carbide bulk dummy substrate. シリコンウエハを用いたTi/Al層の表面モフォロジー観察実験結果の写真を示す図である。It is a figure which shows the photograph of the surface morphology observation experiment result of the Ti / Al layer using a silicon wafer.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる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。+および-を含めたnやpの表記が同じ場合は近い濃度であることを示し濃度が同等とは限らない。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。 Hereinafter, preferred embodiments of the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that the electron or hole is a large number of carriers in the layer or region marked with n or p, respectively. Further, + and-attached to n and p mean that the concentration of impurities is higher and the concentration of impurities is lower than that of the layer or region to which it is not attached, respectively. When the notations of n and p including + and-are the same, it indicates that the concentrations are close to each other, and the concentrations are not necessarily the same. In the following description of the embodiment and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same configurations, and duplicate description will be omitted.

ここで、図28は、シリコンウエハを用いたTi/Al層の表面モフォロジー観察実験結果の写真を示す図である。図28は、発明者がシリコンウエハの裏面に対してTi層に対するAl層の比率を1:4に固定して、Ti層の厚みを減らしTi層とAl層の合計総膜厚を変化させて形成し、1000℃の熱処理後に電極表面を観察する実験を行った結果である。図28に示すように、Ti層の厚みが減り、Ti層とAl層の合計総膜厚が減っていくことによってAlドロップレットの粒径が減少していくことが分かった。 Here, FIG. 28 is a diagram showing photographs of the surface morphology observation experiment results of the Ti / Al layer using a silicon wafer. In FIG. 28, the inventor fixed the ratio of the Al layer to the Ti layer to 1: 4 with respect to the back surface of the silicon wafer to reduce the thickness of the Ti layer and change the total total thickness of the Ti layer and the Al layer. This is the result of an experiment in which the electrode surface was formed and observed after heat treatment at 1000 ° C. As shown in FIG. 28, it was found that the particle size of the Al droplet decreased as the thickness of the Ti layer decreased and the total film thickness of the Ti layer and the Al layer decreased.

これらの条件で作製したSiウエハを用いて露光装置で搬送テストを実施したところ、Ti層厚み40nm以下の条件では搬送トラブルは発生しなかった。この結果を元にSiCウエハでも同様の実験を行ったところ、Ti層の厚みを減らしTi層とAl層の合計総膜厚を減少させることでAlドロップレットの粒径が小さくでき、表面モフォロジーが改善できることが分かった。 When a transfer test was carried out with an exposure apparatus using Si wafers produced under these conditions, no transfer trouble occurred under the condition that the Ti layer thickness was 40 nm or less. Based on this result, a similar experiment was performed on a SiC wafer. By reducing the thickness of the Ti layer and reducing the total film thickness of the Ti layer and the Al layer, the particle size of the Al droplets could be reduced, and the surface morphology was improved. It turned out that it could be improved.

発明者は、この実験結果を元に、以下の実施の形態1、2の炭化珪素半導体装置で実験をさらに行い、低抵抗なオーミックコンタクトと表面モフォロジーの両立ができるp型オーミック電極形成条件を見つけ出した。 Based on the results of this experiment, the inventor further conducted an experiment with the silicon carbide semiconductor device of the following embodiments 1 and 2, and found a p-type ohmic electrode forming condition capable of achieving both low resistance ohmic contact and surface morphology. rice field.

このため、発明者は、Ti層とAl層の合計総膜厚を薄層化させた条件で、p型SiC半導体層のSi面(主面、おもて面)とC面(主面反対側の面、裏面)に対するコンタクト抵抗率と表面モフォロジーを評価する実験を行った。以下の実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置は、p型SiC半導体層のSi面が低抵抗なオーミックコンタクトと表面モフォロジーの両立する炭化珪素半導体装置であり、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置は、p型SiC半導体層のC面が低抵抗なオーミックコンタクトと表面モフォロジーの両立できる炭化珪素半導体装置である。 Therefore, the inventor has made the Si surface (main surface, front surface) and C surface (opposite to the main surface) of the p-type SiC semiconductor layer under the condition that the total total thickness of the Ti layer and the Al layer is thinned. An experiment was conducted to evaluate the contact resistivity and surface morphology with respect to the side surface and the back surface). The silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment below is a silicon carbide semiconductor device having both ohmic contact and surface morphology in which the Si surface of the p-type SiC semiconductor layer has low resistance, and the silicon carbide semiconductor according to the second embodiment. The device is a silicon carbide semiconductor device capable of achieving both ohmic contact and surface morphology in which the C surface of the p-type SiC semiconductor layer has low resistance.

(実施の形態1)
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のように、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置は、n型4H-SiC(四層周期六方晶の炭化珪素)基板1上にn型Si面4H-SiCエピタキシャル層2が形成され、その内部にp型SiCイオン注入層3を有している。図1ではp型SiCイオン注入層3は1種類しか示していないが、後述するように実際は4種類のp型SiCイオン注入層3を有している。p型SiCイオン注入層3の上には熱酸化膜4とフィールド酸化膜5が形成され、熱酸化膜4とフィールド酸化膜5の開口部にp型オーミック電極6が形成されている。p型オーミック電極6上にAl配線電極7が形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment, an n-type Si surface 4H-SiC epitaxial layer 2 is formed on an n-type 4H-SiC (four-layer periodic hexagonal silicon carbide) substrate 1. , It has a p-type SiC ion injection layer 3 inside. Although only one type of p-type SiC ion-implanted layer 3 is shown in FIG. 1, it actually has four types of p-type SiC ion-implanted layer 3 as described later. A thermal oxide film 4 and a field oxide film 5 are formed on the p-type SiC ion implantation layer 3, and a p-type ohmic electrode 6 is formed at the openings of the thermal oxide film 4 and the field oxide film 5. An Al wiring electrode 7 is formed on the p-type ohmic electrode 6.

(実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法)
次に、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について、説明する。図2~図6は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。初めにn型4H-SiC基板1を準備し、その上にCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、ND-NA:1.0×1016cm-3、厚さ10μmのn型Si面4H-SiCエピタキシャル層2を形成する。また、ND-NAは、半導体層中のドナー濃度とアクセプター濃度との差を示す。ここで、図2に示される構造となる。
(Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment)
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment will be described. 2 to 6 are cross-sectional views showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. First, an n-type 4H-SiC substrate 1 is prepared, and an n-type Si surface 4H having an ND-NA: 1.0 × 10 16 cm -3 and a thickness of 10 μm is used on the n-type 4H - SiC substrate 1 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. -The SiC epitaxial layer 2 is formed. Further, N D - NA indicates the difference between the donor concentration and the acceptor concentration in the semiconductor layer. Here, the structure is as shown in FIG.

次に、簡略化のため図示していないが、n型Si面4H-SiCエピタキシャル層2の上にフォトリソグラフィーとエッチングにより、位置合わせのためのアライメントマークを形成する。 Next, although not shown for simplification, an alignment mark for alignment is formed on the n-type Si surface 4H-SiC epitaxial layer 2 by photolithography and etching.

次に、n型Si面4H-SiCエピタキシャル層2の上にイオン注入を選択的に行う酸化膜マスクを形成し、フォトリソグラフィーとエッチングにより開口した後、Alイオンを深さ約0.3μm、注入温度200~600℃の範囲の条件でn型Si面4H-SiCエピタキシャル層2の上に注入してp型SiCイオン注入層3を形成した後、酸化膜マスクを除去する。このAlイオン注入工程は、p型SiCイオン注入層3の最大不純物濃度が1.0×1019cm-3、3.0×1019cm-3、1.0×1020cm-3、3.0×1020cm-3の4条件となる様に4回繰り返される。ここで、図3に示される構造となる。 Next, an oxide film mask that selectively implants ions is formed on the n-type Si surface 4H-SiC epitaxial layer 2, and after opening by photolithography and etching, Al ions are implanted to a depth of about 0.3 μm. After implanting onto the n-type Si surface 4H-SiC epitaxial layer 2 under the condition of a temperature in the range of 200 to 600 ° C. to form the p-type SiC ion implantation layer 3, the oxide film mask is removed. In this Al ion injection step, the maximum impurity concentration of the p-type SiC ion injection layer 3 is 1.0 × 10 19 cm -3 , 3.0 × 10 19 cm -3 , 1.0 × 10 20 cm -3 , 3. It is repeated 4 times so as to have 4 conditions of 0.0 × 10 20 cm -3 . Here, the structure is as shown in FIG.

次に、表面荒れを防止するためのC(カーボン)キャップを成膜した後、1500~1800℃の範囲の条件で活性化アニールを行い、p型SiCイオン注入層3を電気的に活性化させる。その後、Cキャップを除去する。 Next, after forming a C (carbon) cap for preventing surface roughness, activation annealing is performed under conditions in the range of 1500 to 1800 ° C. to electrically activate the p-type SiC ion implantation layer 3. .. After that, the C cap is removed.

次に、酸化温度800~1400℃の範囲の条件で熱酸化を行った後、フッ化水素(HF)酸によるエッチングによりこれを除去する犠牲酸化工程を行う。次に、再度酸化温度800~1400℃の範囲の条件で熱酸化し、熱酸化膜4を形成する。ここで、図4に示される構造となる。 Next, after performing thermal oxidation under the condition of an oxidation temperature in the range of 800 to 1400 ° C., a sacrificial oxidation step of removing this by etching with hydrogen fluoride (HF) acid is performed. Next, thermal oxidation is performed again under the condition that the oxidation temperature is in the range of 800 to 1400 ° C. to form the thermal oxide film 4. Here, the structure is as shown in FIG.

次に、CVD法により、フィールド酸化膜5を成膜する。ここで、図5に示される構造となる。次に、フォトリソグラフィーとフッ化水素酸を用いたエッチングにより熱酸化膜4とフィールド酸化膜5の所定の位置を開口し、Ti、及びAlを含む層が20nm以上150nm以下かつTi層とAl層全体に対してAl層のAlの含有率が50原子%~87原子%の間となるようにTi及びAlを含む層を蒸着、またはスパッタで堆積し、リフトオフ法によりAl層/Ti層/p型SiCイオン注入層3となる積層構造を形成する。 Next, the field oxide film 5 is formed by the CVD method. Here, the structure is as shown in FIG. Next, the thermal oxide film 4 and the field oxide film 5 are opened at predetermined positions by sputtering and etching using hydrofluoric acid, and the layer containing Ti and Al is 20 nm or more and 150 nm or less, and the Ti layer and the Al layer are formed. A layer containing Ti and Al is deposited by vapor deposition or sputtering so that the Al content of the Al layer is between 50 atomic% and 87 atomic% with respect to the whole, and the Al layer / Ti layer / p is deposited by the lift-off method. A laminated structure to be the type SiC ion injection layer 3 is formed.

次に、RTA(Rapid Thermal annealing)装置を用いて950℃以上の温度でRTA処理を行い、p型イオン注入層3とTi層、Al層を合金化させ、p型オーミック電極6を形成する。ここで、図6に示される構造となる。 Next, RTA treatment is performed at a temperature of 950 ° C. or higher using an RTA (Rapid Thermal annealing) device to alloy the p-type ion implantation layer 3, the Ti layer, and the Al layer to form a p-type ohmic electrode 6. Here, the structure is as shown in FIG.

最後に、スパッタにより厚さ400nm~3.0μmの範囲の条件でAlを製膜し、フォトリソグラフィーとエッチング測定用のAl配線電極7を形成し、図1に示す炭化珪素半導体装置が完成する。 Finally, Al is formed by sputtering under the condition of a thickness in the range of 400 nm to 3.0 μm to form an Al wiring electrode 7 for photolithography and etching measurement, and the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 1 is completed.

(実施の形態2)
図7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。図7のように、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置は、n型4H-SiC基板1上にn型C面4H-SiCエピタキシャル層8が形成され、さらにその上にp型C面4H-SiCエピタキシャル層9が形成されており、その内部にp型SiCイオン注入層3を有している。図7ではp型SiCイオン注入層3は1種類しか示していないが、後述するように実際は4種類のp型SiCイオン注入層3を有している。p型SiCイオン注入層3の上には熱酸化膜4とフィールド酸化膜5が形成され、熱酸化膜4とフィールド酸化膜5の開口部にp型オーミック電極6が形成されている。p型オーミック電極6上にAl配線電極7が形成されている。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment. As shown in FIG. 7, in the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment, the n-type C surface 4H-SiC epitaxial layer 8 is formed on the n-type 4H-SiC substrate 1, and the p-type C surface 4H is further formed on the n-type C surface 4H-SiC epitaxial layer 8. -A SiC epitaxial layer 9 is formed, and a p-type SiC ion injection layer 3 is provided therein. Although only one type of p-type SiC ion-implanted layer 3 is shown in FIG. 7, it actually has four types of p-type SiC ion-implanted layer 3 as described later. A thermal oxide film 4 and a field oxide film 5 are formed on the p-type SiC ion implantation layer 3, and a p-type ohmic electrode 6 is formed at the openings of the thermal oxide film 4 and the field oxide film 5. An Al wiring electrode 7 is formed on the p-type ohmic electrode 6.

(実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法)
次に、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について、説明する。図8~図12は、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。初めにn型4H-SiC基板1を準備し、その上にCVD法により、ND-NA:1.0×1016cm-3、厚さ10μmのn型C面4H-SiCエピタキシャル層8を形成し、その後、NA-ND:2.0×1017cm-3、厚さ8μmのp型C面4H-SiCエピタキシャル層9を形成する。また、NA-NDは、半導体層中のアクセプター濃度とドナー濃度との差を示す。ここで、図8に示される構造となる。
(Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment)
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment will be described. 8 to 12 are cross-sectional views showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment. First, an n-type 4H-SiC substrate 1 is prepared, and then an n-type C surface 4H - SiC epitaxial layer 8 having an ND-NA: 1.0 × 10 16 cm -3 and a thickness of 10 μm is prepared on the n-type 4H-SiC substrate 1 by a CVD method. After that, a p-type C surface 4H-SiC epitaxial layer 9 having NA- ND : 2.0 × 10 17 cm -3 and a thickness of 8 μm is formed. Further, NA - ND indicates the difference between the acceptor concentration and the donor concentration in the semiconductor layer. Here, the structure is as shown in FIG.

次に、簡略化のため図示していないが、p型C面4H-SiCエピタキシャル層9の上にフォトリソグラフィーとエッチングにより、位置合わせのためのアライメントマークを形成する。 Next, although not shown for simplification, an alignment mark for alignment is formed on the p-type C surface 4H-SiC epitaxial layer 9 by photolithography and etching.

次に、p型C面4H-SiCエピタキシャル層9の上にイオン注入を選択的に行う酸化膜マスクを形成し、フォトリソグラフィーとエッチングにより開口した後、Alイオンを深さ0.3μm、注入温度200~600℃の範囲の条件でp型C面4H-SiCエピタキシャル層9の上に注入してp型SiCイオン注入層3を形成した後、酸化膜マスクを除去する。このAlイオン注入工程は最大濃度が1.0×1019cm-3、3.0×1019cm-3、1.0×1020cm-3、3.0×1020cm-3の4条件となる様に4回繰り返される。ここで、図9に示される構造となる。 Next, an oxide film mask that selectively implants ions is formed on the p-type C surface 4H-SiC epitaxial layer 9, and after opening by photolithography and etching, Al ions are implanted to a depth of 0.3 μm and the implantation temperature. After implanting onto the p-type C surface 4H-SiC epitaxial layer 9 under the condition of 200 to 600 ° C. to form the p-type SiC ion implantation layer 3, the oxide film mask is removed. In this Al ion implantation process, the maximum concentration is 1.0 × 10 19 cm -3 , 3.0 × 10 19 cm -3 , 1.0 × 10 20 cm -3 , 3.0 × 10 20 cm -3 . It is repeated 4 times so as to be a condition. Here, the structure is as shown in FIG.

次に、表面荒れを防止するためのCキャップを成膜した後、1500~1800℃の範囲の条件で活性化アニールを行い、p型SiCイオン注入層3を電気的に活性化させる。その後、Cキャップを除去する。 Next, after forming a C cap for preventing surface roughness, activation annealing is performed under conditions in the range of 1500 to 1800 ° C. to electrically activate the p-type SiC ion implantation layer 3. After that, the C cap is removed.

次に、酸化温度800~1400℃の範囲の条件で熱酸化を行った後、フッ化水素酸によるエッチングによりこれを除去する犠牲酸化工程を行う。次に、再度酸化温度800~1400℃の範囲の条件で熱酸化し、熱酸化膜4を形成する。ここで、図10に示される構造となる。 Next, after performing thermal oxidation under the condition of an oxidation temperature in the range of 800 to 1400 ° C., a sacrificial oxidation step of removing this by etching with hydrofluoric acid is performed. Next, thermal oxidation is performed again under the condition that the oxidation temperature is in the range of 800 to 1400 ° C. to form the thermal oxide film 4. Here, the structure is as shown in FIG.

次に、CVD法により、フィールド酸化膜5を成膜する。ここで、図11に示される構造となる。次に、フォトリソグラフィーとフッ化水素酸を用いたエッチングにより熱酸化膜4とフィールド酸化膜5の所定の位置を開口し、Ti、及びAlを含む層が20nm以上150nm以下かつTi層とAl層全体に対してAl層のAlの含有率が50原子%~87原子%の間となる様にTi及びAlを含む層を蒸着、またはスパッタで堆積し、リフトオフ法によりAl層/Ti層/p型SiCイオン注入層3となる積層構造を形成する。 Next, the field oxide film 5 is formed by the CVD method. Here, the structure is as shown in FIG. Next, the thermal oxide film 4 and the field oxide film 5 are opened at predetermined positions by photolithography and etching using hydrofluoric acid, and the layer containing Ti and Al is 20 nm or more and 150 nm or less, and the Ti layer and the Al layer are formed. A layer containing Ti and Al is deposited by vapor deposition or sputtering so that the Al content of the Al layer is between 50 atomic% and 87 atomic% with respect to the whole, and the Al layer / Ti layer / p is deposited by the lift-off method. A laminated structure to be the type SiC ion injection layer 3 is formed.

次に、RTA装置を用いて950℃以上の温度でRTA処理を行い、p型イオン注入層3とTi層、Al層を合金化させ、p型オーミック電極6を形成する。ここで、図12に示される構造となる。 Next, RTA treatment is performed at a temperature of 950 ° C. or higher using an RTA apparatus to alloy the p-type ion implantation layer 3, the Ti layer, and the Al layer to form a p-type ohmic electrode 6. Here, the structure is as shown in FIG.

最後に、スパッタにより厚さ400nm~3.0μmの範囲の条件でAlを成膜し、フォトリソグラフィーとエッチング測定用のAl配線電極7を形成し、図7に示す炭化珪素半導体装置が完成する。 Finally, Al is formed by sputtering under the condition of a thickness in the range of 400 nm to 3.0 μm to form an Al wiring electrode 7 for photolithography and etching measurement, and the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 7 is completed.

以下に実施の形態1および実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の実験結果を示す。ここで、図13は、実施の形態1、2にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す上面図である。実験において、コンタクト抵抗率は、半径rが200μm,電極間隔lが7μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μmのCTLM(環状伝送線路モデル:Circular Transmission Line Model)パターンを用いて室温下で評価し、コンタクト抵抗率は0.1V時の電圧値から算出した。以下の実験結果では、コンタクト抵抗率は3~4箇所のパターン測定結果の平均値をプロットしている。 The experimental results of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment and the second embodiment are shown below. Here, FIG. 13 is a top view showing the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the first and second embodiments. In the experiment, the contact resistivity was evaluated at room temperature using a CTLM (Circular Transmission Line Model) pattern with a radius r of 200 μm and an electrode spacing l of 7 μm, 10 μm, 15 μm, 20 μm, 25 μm, and 30 μm. , The contact resistivity was calculated from the voltage value at 0.1 V. In the following experimental results, the contact resistivity is plotted as the average value of the pattern measurement results at 3 to 4 points.

また、表面モフォロジーは、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscopy)を用いて、20μm×20μmの領域を走査し、二乗平均粗さ(RMS:Root Mean Square)値によって評価した。 The surface morphology was evaluated by scanning a region of 20 μm × 20 μm using an atomic force microscope (AFM) and using a root mean square (RMS) value.

最初に、p型SiC半導体層のSi面の結果を示す。図14は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置でのAl層の原子組成比率に対する、p型炭化珪素イオン注入層の不純物濃度別のコンタクト抵抗を示すグラフである。図14において、縦軸はコンタクト抵抗を示し、単位はΩcm2であり、横軸はAl層の原子組成比率を示し、単位は原子%(at%)である。Al層の原子組成比率とは、p型オーミック電極6のアルミニウムの含有率のことである。また、p型炭化珪素イオン注入層3の不純物濃度の単位は、cm-3である。 First, the result of the Si surface of the p-type SiC semiconductor layer is shown. FIG. 14 is a graph showing the contact resistance of the p-type silicon carbide ion-implanted layer according to the impurity concentration with respect to the atomic composition ratio of the Al layer in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. In FIG. 14, the vertical axis represents contact resistance, the unit is Ωcm 2 , the horizontal axis represents the atomic composition ratio of the Al layer, and the unit is atomic% (at%). The atomic composition ratio of the Al layer is the content of aluminum in the p-type ohmic electrode 6. The unit of the impurity concentration of the p-type silicon carbide ion implantation layer 3 is cm -3 .

図14は、Ti層の厚みを小さくし、総膜厚を薄層化した状態でTi層とAl層の総膜厚に対してAl層の原子組成比率を50原子%~87原子%の間で変化させた時のp型イオン注入濃度別のコンタクト抵抗率変化の実験結果であり、Ti層の厚みを20nmに固定した時の実験結果である。 In FIG. 14, the atomic composition ratio of the Al layer to the total thickness of the Ti layer and the Al layer is between 50 atomic% and 87 atomic% in a state where the thickness of the Ti layer is reduced and the total thickness is thinned. It is an experimental result of the contact resistivity change for each p-type ion injection concentration when it was changed by, and it is an experimental result when the thickness of the Ti layer was fixed at 20 nm.

図14に示すように、全てのp型イオン注入濃度条件で、87原子%からAl層の原子組成比率が下がるにつれてコンタクト抵抗率が低下していき、Al層の原子組成比率が65原子%付近でコンタクト抵抗率が極小点を持つ傾向がある実験結果が得られた。図14には示していないが、他のTi膜厚条件でも同様の傾向が得られた。 As shown in FIG. 14, under all p-type ion injection concentration conditions, the contact resistivity decreases as the atomic composition ratio of the Al layer decreases from 87 atomic%, and the atomic composition ratio of the Al layer is around 65 atomic%. The experimental results that the contact resistivity tends to have the minimum point were obtained. Although not shown in FIG. 14, the same tendency was obtained under other Ti film thickness conditions.

次に、表面モフォロジーの結果を示す。図15は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置でのAl層の原子組成比率に対する、表面粗さを示すグラフである。図15において、縦軸は表面粗さRMSを示し、単位はnmであり、横軸はAl層の原子組成比率を示し、単位は原子%である。 Next, the results of surface morphology are shown. FIG. 15 is a graph showing the surface roughness with respect to the atomic composition ratio of the Al layer in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. In FIG. 15, the vertical axis represents the surface roughness RMS, the unit is nm, the horizontal axis represents the atomic composition ratio of the Al layer, and the unit is atomic%.

図15は、Al層の原子組成比率を50原子%~87原子%の間で変化させたp型イオン注入濃度3.0×1020cm-3の時の表面粗さ変化の実験結果である。AFM評価は電気特性評価後に実施しており、AFM評価の前にAl配線電極7はエッチングにより事前に除去してある。 FIG. 15 shows the experimental results of the surface roughness change at a p-type ion implantation concentration of 3.0 × 10 20 cm -3 in which the atomic composition ratio of the Al layer was changed between 50 atomic% and 87 atomic%. .. The AFM evaluation is performed after the electrical characteristic evaluation, and the Al wiring electrode 7 is removed in advance by etching before the AFM evaluation.

図15に示すように、Ti層の厚み20nm固定時の表面粗さ変化はAl層の原子組成比率を下げていくと、81原子%より低い比率では比較的安定していた。 As shown in FIG. 15, the change in surface roughness when the thickness of the Ti layer was fixed at 20 nm was relatively stable at a ratio lower than 81 atomic% when the atomic composition ratio of the Al layer was lowered.

次に、p型SiC半導体層のC面の結果を示す。図16は、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置でのAl層の原子組成比率に対する、p型炭化珪素イオン注入層の不純物濃度別のコンタクト抵抗を示すグラフである。図16において、縦軸はコンタクト抵抗を示し、単位はΩcm2であり、横軸はAl層の原子組成比率を示し、単位は原子%である。 Next, the result of the C plane of the p-type SiC semiconductor layer is shown. FIG. 16 is a graph showing the contact resistance of the p-type silicon carbide ion-implanted layer according to the impurity concentration with respect to the atomic composition ratio of the Al layer in the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment. In FIG. 16, the vertical axis represents contact resistance, the unit is Ωcm 2 , the horizontal axis represents the atomic composition ratio of the Al layer, and the unit is atomic%.

図16は、Ti層の厚みを小さくし、総膜厚を薄層化した状態でTi層とAl層の総膜厚に対してAl層の原子組成比率を50原子%~87原子%の間で変化させた時のp型イオン注入濃度別のコンタクト抵抗率変化の実験結果であり、Ti層の厚みを20nmに固定した時の実験結果である。ここで、SiC層とTi層、Al層の合金化は1000℃で2分、Ar(アルゴン)雰囲気中の熱処理条件で実施した。 In FIG. 16, the atomic composition ratio of the Al layer to the total thickness of the Ti layer and the Al layer is between 50 atomic% and 87 atomic% in a state where the thickness of the Ti layer is reduced and the total thickness is thinned. It is an experimental result of the contact resistivity change for each p-type ion injection concentration when it was changed by, and it is an experimental result when the thickness of the Ti layer was fixed at 20 nm. Here, the alloying of the SiC layer, the Ti layer, and the Al layer was carried out at 1000 ° C. for 2 minutes under heat treatment conditions in an Ar (argon) atmosphere.

図16に示すように、Si面の実験結果とは異なり、C面のコンタクト抵抗率変化の依存性は小さかったが、p型イオン注入濃度とTi膜厚条件の全てで実施の形態1の実験結果と同様にAl層の原子組成比率が65原子%付近でコンタクト抵抗率が極小点を持つ傾向がある実験結果が得られた。 As shown in FIG. 16, unlike the experimental results of the Si surface, the dependence of the contact resistivity change on the C surface was small, but the experiment of the first embodiment under all the p-type ion injection concentration and the Ti film thickness condition. Similar to the results, experimental results were obtained in which the atomic composition ratio of the Al layer was around 65 atomic% and the contact resistivity tended to have a minimum point.

図17は、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置でのAl層の原子組成比率に対する、表面粗さを示すグラフである。図17において、縦軸は表面粗さRMSを示し、単位はnmであり、横軸はAl層の原子組成比率を示し、単位は原子%である。 FIG. 17 is a graph showing the surface roughness with respect to the atomic composition ratio of the Al layer in the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment. In FIG. 17, the vertical axis represents the surface roughness RMS, the unit is nm, the horizontal axis represents the atomic composition ratio of the Al layer, and the unit is atomic%.

図17は、Al層の原子組成比率を50原子%~87原子%の間で変化させたp型イオン注入濃度3.0×1020cm-3の時の表面粗さ変化の実験結果である。AFM評価は電気特性評価後に実施しており、AFM評価の前にAl配線電極7はエッチングにより事前に除去してある。 FIG. 17 shows the experimental results of the surface roughness change at a p-type ion implantation concentration of 3.0 × 10 20 cm -3 in which the atomic composition ratio of the Al layer was changed between 50 atomic% and 87 atomic%. .. The AFM evaluation is performed after the electrical characteristic evaluation, and the Al wiring electrode 7 is removed in advance by etching before the AFM evaluation.

図17に示すように、Ti層の厚み20nm固定時の表面粗さは、Al層の原子組成比率を下げていくと、75原子%を境に大きくなり、表面が荒くなったが、70原子%~75原子%の範囲では比較的平坦な値が得られた。 As shown in FIG. 17, the surface roughness of the Ti layer when the thickness of the Ti layer was fixed at 20 nm became larger at 75 atomic% as the atomic composition ratio of the Al layer was lowered, and the surface became rough, but 70 atoms. A relatively flat value was obtained in the range of% to 75 atomic%.

以上の実験結果により、従来例の報告の多くではTi層とAl層の総膜厚に対してAl層の原子組成比率が75原子%以上ないとp型のオーミックコンタクトが得られないとされていたが、Ti層の厚みを小さくし、総膜厚を減少させた状態ならばTi層とAl層の総膜厚に対してAl層の原子組成比率が75原子%以上なくても低抵抗なp型のオーミックコンタクトが得られることが新規に明らかになった。 Based on the above experimental results, in many of the reports of conventional examples, it is said that p-type ohmic contacts cannot be obtained unless the atomic composition ratio of the Al layer is 75 atomic% or more with respect to the total thickness of the Ti layer and the Al layer. However, if the thickness of the Ti layer is reduced and the total film thickness is reduced, the resistance is low even if the atomic composition ratio of the Al layer to the total film thickness of the Ti layer and the Al layer is not 75 atomic% or more. It has been newly revealed that p-type ohmic contacts can be obtained.

したがって、実施の形態1または実施の形態2のように、Ti層の厚みを小さくし、総膜厚を薄層化した状態でTi層とAl層の総膜厚に対してAl層の原子組成比率が50原子%~75原子%の間においてp型オーミック電極形成条件を選択すれば、低抵抗なコンタクト抵抗率と表面荒れの抑制の両立化を図ることができる。 Therefore, as in the first embodiment or the second embodiment, the atomic composition of the Al layer is relative to the total film thickness of the Ti layer and the Al layer in a state where the thickness of the Ti layer is reduced and the total film thickness is thinned. If the p-type aluminum electrode forming conditions are selected when the ratio is between 50 atomic% and 75 atomic%, it is possible to achieve both low resistance resistivity and suppression of surface roughness.

次に、Ti層とAl層の総膜厚の影響を見るため、実施の形態1および実施の形態2の方法で炭化珪素半導体装置を作製し、Ti層とAl層の総膜厚に対してAl層の原子組成比率を50原子%~75原子%の間で固定し、Ti膜厚10nm、20nm、50nm、80nm、100nmと増加させ、総膜厚を増加させてコンタクト抵抗率と表面粗さを評価した。 Next, in order to see the influence of the total thickness of the Ti layer and the Al layer, the silicon carbide semiconductor device was manufactured by the methods of the first and second embodiments, and the total thickness of the Ti layer and the Al layer was relative to the total thickness of the Ti layer and the Al layer. The atomic composition ratio of the Al layer is fixed between 50 atomic% and 75 atomic%, and the Ti film thickness is increased to 10 nm, 20 nm, 50 nm, 80 nm, and 100 nm, and the total film thickness is increased to increase the contact resistivity and surface roughness. Was evaluated.

コンタクト抵抗率は、半径rが200μm、電極間隔lが7μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μmのCTLMパターン(図13参照)を用いて室温下で評価し、コンタクト抵抗率は0.1V時の電圧値から算出した。以下の実験結果では、コンタクト抵抗率は4箇所のパターン測定結果の平均値をプロットしている。また、表面モフォロジーは原子間力顕微鏡を用いて、20μm×20μmの領域を走査し、二乗平均粗さ値によって評価した。 The contact resistivity was evaluated at room temperature using a CTLM pattern (see FIG. 13) having a radius r of 200 μm and an electrode spacing l of 7 μm, 10 μm, 15 μm, 20 μm, 25 μm, and 30 μm, and the contact resistivity was 0.1 V. It was calculated from the voltage value of. In the following experimental results, the contact resistivity is plotted as the average value of the pattern measurement results at four locations. The surface morphology was evaluated by scanning a region of 20 μm × 20 μm using an atomic force microscope and using a root mean square roughness value.

最初に、p型SiC半導体層のSi面の結果を示す。図18は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置でのTi膜厚に対する、p型炭化珪素イオン注入層の不純物濃度別のコンタクト抵抗を示すグラフである。図18において、縦軸はコンタクト抵抗を示し、単位はΩcm2であり、横軸はTi膜厚を示し、単位はnmである。また、p型炭化珪素イオン注入層3の不純物濃度の単位は、cm-3である。 First, the result of the Si surface of the p-type SiC semiconductor layer is shown. FIG. 18 is a graph showing the contact resistance of the p-type silicon carbide ion-implanted layer for each impurity concentration with respect to the Ti film thickness in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. In FIG. 18, the vertical axis represents contact resistance, the unit is Ωcm 2 , the horizontal axis represents Ti film thickness, and the unit is nm. The unit of the impurity concentration of the p-type silicon carbide ion implantation layer 3 is cm -3 .

図18は、Ti膜厚を変化させた時のp型イオン注入濃度別のコンタクト抵抗率変化の実験結果である。ここで、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置においては、Ti層膜厚80nm、Ti層膜厚100nmではオーミックコンタクトが得られなかった。コンタクト抵抗率はTi層20nm以下で大きく増加し、Ti層20nmとTi層50nmではあまり変化がなかった。これは従来例の非特許文献2でTi層とAl層の総膜厚に対してAl層の原子組成比率が75原子%未満ではp型のオーミックコンタクトが得られないと述べられていることと整合している。非特許文献2で用いられている総膜厚は300~350nmであり、実施例1~2の実験結果を考察すると、総膜厚を減少させ、ある程度薄層化した場合のみAl層の原子組成比率が75原子%未満の条件でも低抵抗なp型のオーミックコンタクトが得られるということが示唆された。 FIG. 18 shows the experimental results of the contact resistivity change for each p-type ion implantation concentration when the Ti film thickness was changed. Here, in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment, ohmic contact could not be obtained when the Ti layer film thickness was 80 nm and the Ti layer film thickness was 100 nm. The contact resistivity increased significantly below the Ti layer of 20 nm, and did not change much between the Ti layer of 20 nm and the Ti layer of 50 nm. This is because it is stated in Non-Patent Document 2 of the conventional example that p-type ohmic contact cannot be obtained when the atomic composition ratio of the Al layer is less than 75 atomic% with respect to the total thickness of the Ti layer and the Al layer. It is consistent. The total film thickness used in Non-Patent Document 2 is 300 to 350 nm. Considering the experimental results of Examples 1 and 2, the atomic composition of the Al layer is obtained only when the total film thickness is reduced and the layer is thinned to some extent. It was suggested that p-type ohmic contacts with low resistance can be obtained even when the ratio is less than 75 atomic%.

次に、p型SiC半導体層のC面の結果を示す。図19は、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置でのTi膜厚に対する、p型炭化珪素イオン注入層の不純物濃度別のコンタクト抵抗を示すグラフである。図19において、縦軸はコンタクト抵抗を示し、単位はΩcm2であり、横軸はTi膜厚を示し、単位はnmである。 Next, the result of the C plane of the p-type SiC semiconductor layer is shown. FIG. 19 is a graph showing the contact resistance of the p-type silicon carbide ion-implanted layer for each impurity concentration with respect to the Ti film thickness in the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment. In FIG. 19, the vertical axis represents contact resistance, the unit is Ωcm 2 , the horizontal axis represents Ti film thickness, and the unit is nm.

図19は、Ti膜厚を変化させた時のp型イオン注入濃度別のコンタクト抵抗率変化の実験結果である。ここで、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置においてはTi層膜厚80nm、Ti層膜厚100nmの時、p型イオン注入濃度1.0×1019cm-3、3.0×1019cm-3ではオーミックコンタクトが得られなかった。コンタクト抵抗率も、Ti膜厚20nmを境に増加した。 FIG. 19 shows the experimental results of the contact resistivity change for each p-type ion implantation concentration when the Ti film thickness was changed. Here, in the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment, when the Ti layer thickness is 80 nm and the Ti layer thickness is 100 nm, the p-type ion implantation concentration is 1.0 × 10 19 cm -3 , 3.0 × 10 19 . Ohmic contact was not obtained with cm -3 . The contact resistivity also increased after the Ti film thickness was 20 nm.

次に、表面モフォロジーの結果を示す。図20は、実施の形態1および実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置でのTi膜厚に対する、表面粗さを示すグラフである。図20において、縦軸は表面粗さRMSを示し、単位はnmであり、横軸はTi膜厚を示し、単位はnmである。 Next, the results of surface morphology are shown. FIG. 20 is a graph showing the surface roughness with respect to the Ti film thickness in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment and the second embodiment. In FIG. 20, the vertical axis indicates the surface roughness RMS, the unit is nm, the horizontal axis indicates the Ti film thickness, and the unit is nm.

図20は、Ti膜厚を変化させた時のp型イオン注入濃度3.0×1020cm-3時の表面粗さ変化の実験結果である。図20より、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の表面粗さはTi膜厚20nmを境に増加し、Ti層50nmからTi層100nmにかけてやや減少傾向が見られた。一方、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置はTi層の膜厚増加に比例して表面粗さが減少し、Ti層50nm以上は同程度の表面粗さであった。 FIG. 20 shows the experimental results of the surface roughness change when the p-type ion implantation concentration is 3.0 × 10 20 cm -3 when the Ti film thickness is changed. From FIG. 20, the surface roughness of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment increased with a Ti film thickness of 20 nm as a boundary, and a slight decreasing tendency was observed from the Ti layer of 50 nm to the Ti layer of 100 nm. On the other hand, in the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment, the surface roughness decreased in proportion to the increase in the film thickness of the Ti layer, and the surface roughness of the Ti layer of 50 nm or more was about the same.

以上の実験結果をまとめると、総膜厚を減少させ、ある程度薄層化した場合のみAl層の原子組成比率が75原子%未満の条件でも低抵抗なp型のオーミックコンタクトが得られるということが示唆された。したがって、実施の形態1または実施の形態2のように、総膜厚150nm以下程度にTi層とAl層の合計最大総膜厚を設定すると低抵抗なコンタクト抵抗率と表面荒れの抑制が両立できると考えられる。 Summarizing the above experimental results, it can be said that low resistance p-type ohmic contact can be obtained even under the condition that the atomic composition ratio of the Al layer is less than 75 atomic% only when the total film thickness is reduced and the layer is thinned to some extent. It was suggested. Therefore, when the total maximum total film thickness of the Ti layer and the Al layer is set to about 150 nm or less as in the first embodiment or the second embodiment, low resistance resistivity and suppression of surface roughness can be achieved at the same time. it is conceivable that.

以下に、本発明の実施の形態1および実施の形態2に対する比較例として、非特許文献3、非特許文献5、非特許文献6のp型オーミック電極形成条件を用いてSi面が表面の炭化珪素半導体装置と、C面が表面の炭化珪素半導体装置を作製し、コンタクト抵抗率と表面粗さを評価した。 Hereinafter, as a comparative example with respect to the first embodiment and the second embodiment of the present invention, the Si surface is carbonized on the surface using the p-type ohmic electrode forming conditions of Non-Patent Document 3, Non-Patent Document 5, and Non-Patent Document 6. A silicon semiconductor device and a silicon carbide semiconductor device having a C surface surface were manufactured, and the contact resistance and surface roughness were evaluated.

図21は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置と従来技術による炭化珪素半導体装置との比較結果を示す表である。図22は、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置と従来技術による炭化珪素半導体装置との比較結果を示す表である。図21、図22において、表面粗さは、20μm×20μmの領域を走査し、二乗平均粗さ値によって評価した。また、最大高低差は、20μm×20μm領域内全体の平均面に対する最大高低差であり、粒子平均直径は、20μm×20μm領域内全体の粒子の直径の平均であり、粒子平均高さは、20μm×20μm領域内全体の粒子の高さの平均である。 FIG. 21 is a table showing the results of comparison between the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment and the silicon carbide semiconductor device according to the prior art. FIG. 22 is a table showing the results of comparison between the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment and the silicon carbide semiconductor device according to the prior art. In FIGS. 21 and 22, the surface roughness was evaluated by scanning a region of 20 μm × 20 μm and using a root mean square roughness value. The maximum height difference is the maximum height difference with respect to the average surface in the entire 20 μm × 20 μm region, the particle average diameter is the average of the diameters of the entire particles in the 20 μm × 20 μm region, and the particle average height is 20 μm. It is the average of the heights of the whole particles in the × 20 μm region.

比較例1-1(非特許文献3)の条件においては、全てのp型イオン注入濃度条件においてオーミック特性を示した。図21に示すようにSi面が表面の炭化珪素半導体装置はp型イオン注入濃度条件に対してコンタクト抵抗率はばらつきのためかp型イオン注入濃度に比例して一様には減少しなかったが、1.8×10-5~3.1×10-4Ωcm2と低抵抗なコンタクト抵抗率を示した。一方、表面粗さは123nmとかなり大きく表面は荒かった。 Under the conditions of Comparative Example 1-1 (Non-Patent Document 3), ohmic characteristics were shown under all p-type ion implantation concentration conditions. As shown in FIG. 21, in the silicon carbide semiconductor device having a Si surface surface, the contact resistivity did not decrease uniformly in proportion to the p-type ion injection concentration, probably because the contact resistivity varied with respect to the p-type ion injection concentration condition. However, the contact resistivity was as low as 1.8 × 10 -5 to 3.1 × 10 -4 Ωcm 2 . On the other hand, the surface roughness was as large as 123 nm and the surface was rough.

一方、C面が表面の炭化珪素半導体装置では、電極間隔7μmと10μmは熱処理後に電極パターンがAl融液のフィールド酸化膜中を拡散し、電極パターン間がショートしたためコンタクト抵抗率の算出から除外し、15μm,20μm,25μm,30μmから算出した。C面が表面の炭化珪素半導体装置は、図22に示すようにp型イオン注入濃度条件に対してコンタクト抵抗率がp型イオン注入濃度に比例して一様に減少し、p型イオン注入濃度3.0×1020cm-3の時最小で1.4×10-4Ωcm2と低抵抗なコンタクト抵抗率を示した。表面粗さはやや大きい38.6nmであった。 On the other hand, in the silicon carbide semiconductor device whose C surface is the surface, the electrode spacing of 7 μm and 10 μm is excluded from the calculation of contact resistivity because the electrode pattern diffuses in the field oxide film of the Al melt after the heat treatment and the electrode patterns are short-circuited. , 15 μm, 20 μm, 25 μm, 30 μm. As shown in FIG. 22, in the silicon carbide semiconductor device having the C surface surface, the contact resistivity uniformly decreases in proportion to the p-type ion injection concentration with respect to the p-type ion injection concentration condition, and the p-type ion injection concentration. At 3.0 × 10 20 cm -3 , the minimum contact resistivity was 1.4 × 10 -4 Ω cm 2 . The surface roughness was 38.6 nm, which was rather large.

比較例1-2(非特許文献5)の条件においては、Si面が表面の炭化珪素半導体装置は全て非オーミック特性となり、C面が表面の炭化珪素半導体装置においてもp型イオン注入濃度1.0×1019cm-3、3.0×1019cm-3とp型イオン注入濃度がやや低い条件では全て非オーミック特性となり、オーミック特性が得られなかった。表面粗さはSi面が表面の炭化珪素半導体装置において20.0nm、C面が表面の炭化珪素半導体装置においても13.6nmと比較的良好であった。 Under the conditions of Comparative Example 1-2 (Non-Patent Document 5), all the silicon carbide semiconductor devices having the Si surface surface have non-ohmic characteristics, and the p-type ion injection concentration even in the silicon carbide semiconductor devices having the C surface surface 1. Under the conditions of 0 × 10 19 cm -3 and 3.0 × 10 19 cm -3 , where the p-type ion injection concentration was slightly low, all had non-ohmic characteristics, and no ohmic characteristics could be obtained. The surface roughness was relatively good at 20.0 nm in the silicon carbide semiconductor device having the Si surface on the surface and 13.6 nm in the silicon carbide semiconductor device having the C surface on the surface.

比較例1-3(非特許文献6)の条件では、熱処理後にフィールド酸化膜によって隔たれている電極パターンがAl融液のフィールド酸化膜中を拡散し、電極パターン間がショートし、全てコンタクト抵抗率の算出ができなかった。また、表面粗さもSi面が表面の炭化珪素半導体装置において79.0nm、C面が表面の炭化珪素半導体装置においても215.0nmとやや大きく表面は荒かった。 Under the conditions of Comparative Example 1-3 (Non-Patent Document 6), the electrode patterns separated by the field oxide film after the heat treatment diffused in the field oxide film of the Al melt, short-circuited between the electrode patterns, and all the contact resistivityes. Could not be calculated. Further, the surface roughness was 79.0 nm in the silicon carbide semiconductor device having the Si surface as the surface, and 215.0 nm in the silicon carbide semiconductor device having the C surface as the surface, and the surface was rough.

これに対して、本発明の条件では全てのp型イオン注入濃度条件においてオーミック特性を示した。図21に示すように、Si面が表面の実施の形態1は、p型イオン注入濃度条件に対してコンタクト抵抗率がp型イオン注入濃度に比例して一様に減少し、p型イオン注入濃度3.0×1020cm-3の時最小で2.2×10-5Ωcm2と低抵抗なコンタクト抵抗率を示した。また、表面粗さは17.9nmと比較的良好であった。図22に示すように、C面が表面の実施の形態2においてもp型イオン注入濃度条件に対してコンタクト抵抗率はp型イオン注入濃度に比例して一様に減少し、p型イオン注入濃度3.0×1020cm-3の時最小で3.7×10-4Ωcm2と低抵抗なコンタクト抵抗率を示した。表面粗さは20.0nmと比較的良好であった。また、粒子の平均直径に関しては比較例と本発明ではあまり差がないが、本発明の粒子の平均高さにおいてはSi面が表面の実施の形態1では30.5nm、C面が表面の実施の形態2では40.0nmと比較例に対して小さな値が得られた。また、本発明の最大高低差は、400nm以下と小さな値が得られた。 On the other hand, under the conditions of the present invention, ohmic characteristics were exhibited under all p-type ion implantation concentration conditions. As shown in FIG. 21, in the first embodiment in which the Si surface is the surface, the contact resistivity uniformly decreases in proportion to the p-type ion implantation concentration with respect to the p-type ion implantation concentration condition, and the p-type ion implantation. When the concentration was 3.0 × 10 20 cm -3 , the minimum contact resistivity was 2.2 × 10 -5 Ω cm 2 . The surface roughness was 17.9 nm, which was relatively good. As shown in FIG. 22, even in the second embodiment where the C surface is the surface, the contact resistivity uniformly decreases in proportion to the p-type ion injection concentration with respect to the p-type ion injection concentration condition, and the p-type ion injection. When the concentration was 3.0 × 10 20 cm -3 , the minimum contact resistivity was 3.7 × 10 -4 Ω cm 2 . The surface roughness was relatively good at 20.0 nm. Further, the average diameter of the particles is not so different between the comparative example and the present invention, but in the average height of the particles of the present invention, the Si surface is 30.5 nm in the first embodiment and the C surface is the surface. In Form 2, a small value of 40.0 nm was obtained as compared with the comparative example. Further, the maximum height difference of the present invention was as small as 400 nm or less.

ここで、図23Aは、比較例1-1の炭化珪素半導体装置のSi面の原子間力顕微鏡写真を示す図である。図23Bは、比較例1-1の炭化珪素半導体装置のSi面の表面粗さ深さのプロファイルを示すグラフである。また、図24Aは、実施の形態1の炭化珪素半導体装置の表面の原子間力顕微鏡写真を示す図である。図24Bは、実施の形態1の炭化珪素半導体装置の表面粗さ深さのプロファイルを示すグラフである。 Here, FIG. 23A is a diagram showing an atomic force micrograph of the Si surface of the silicon carbide semiconductor device of Comparative Example 1-1. FIG. 23B is a graph showing the profile of the surface roughness depth of the Si surface of the silicon carbide semiconductor device of Comparative Example 1-1. Further, FIG. 24A is a diagram showing an atomic force micrograph of the surface of the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment. FIG. 24B is a graph showing a profile of the surface roughness depth of the silicon carbide semiconductor device of the first embodiment.

また、図25Aは、比較例1-1の炭化珪素半導体装置のC面の原子間力顕微鏡写真を示す図である。図25Bは、比較例1-1の炭化珪素半導体装置のC面の表面粗さ深さのプロファイルを示すグラフである。また、図26Aは、実施の形態2の炭化珪素半導体装置の表面の原子間力顕微鏡写真を示す図である。図26Bは、実施の形態2の炭化珪素半導体装置の表面粗さ深さのプロファイルを示すグラフである。また、図23A、図24A、図25A、図26Aにおいて、白線の十字間で炭化珪素半導体装置の表面の高低差を示している。 Further, FIG. 25A is a diagram showing an atomic force microscope photograph of the C surface of the silicon carbide semiconductor device of Comparative Example 1-1. FIG. 25B is a graph showing the profile of the surface roughness depth of the C surface of the silicon carbide semiconductor device of Comparative Example 1-1. Further, FIG. 26A is a diagram showing an atomic force microscope photograph of the surface of the silicon carbide semiconductor device of the second embodiment. FIG. 26B is a graph showing a profile of the surface roughness depth of the silicon carbide semiconductor device of the second embodiment. Further, in FIGS. 23A, 24A, 25A, and 26A, the height difference on the surface of the silicon carbide semiconductor device is shown between the crosses of the white lines.

図23B、図24B、図25B、図26Bは、それぞれ、縦軸が炭化珪素半導体装置の表面の高低差を示し、単位はnmであり、横軸は表面の位置を示し、単位はμmである。また、縦軸の0の位置は、平均面を示す。 In FIGS. 23B, 24B, 25B, and 26B, the vertical axis indicates the height difference of the surface of the silicon carbide semiconductor device, the unit is nm, the horizontal axis indicates the position of the surface, and the unit is μm. .. The 0 position on the vertical axis indicates the average plane.

図23A~図26Bでは、p型イオン注入濃度3.0×1020cm-3時の表面粗さ深さプロファイルを示す。図23A~図26Bより、比較例1-1に対して本発明の表面粗さが平坦になっていることが確認できる。以上より、本発明条件ではパターン間がショートすることなくオーミック特性が安定して得られ、従来例と同程度のコンタクト抵抗率が得られるとともに表面粗さが比較的良好な20.0nm程度に抑制できることが確認された。 23A to 26B show the surface roughness depth profile when the p-type ion implantation concentration is 3.0 × 10 20 cm -3 . From FIGS. 23A to 26B, it can be confirmed that the surface roughness of the present invention is flatter than that of Comparative Example 1-1. From the above, under the conditions of the present invention, ohmic characteristics can be stably obtained without short-circuiting between patterns, contact resistivity of the same level as in the conventional example can be obtained, and surface roughness is suppressed to about 20.0 nm, which is relatively good. It was confirmed that it could be done.

以上、説明したように、実施の形態1および実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置によれば、Ti層に対してAl層の膜厚または含有量を減らし、かつTi層とAl層の合計総膜厚を薄層化している。具体的には、Ti、及びAlを含む層の厚さが20nm以上150nm以下かつTi層とAl層全体に対してAl層のAlの含有率が50原子%~75原子%である。これにより、熱処理時の電極の表面荒れが抑制されるため、おもて面のp型オーミック電極への適用を考えた場合には、後工程の露光工程でフォーカス異常が発生することなく、モジュール等への実装工程においては、ワイヤーボンディングの密着性不良を起こす虞をなくすことができる。裏面のp型オーミック電極への適用を考えた場合には、露光工程等において、ウエハ搬送時の吸着トラブルを回避してプロセス流動への支障をなくすことができる。 As described above, according to the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment and the second embodiment, the film thickness or the content of the Al layer is reduced with respect to the Ti layer, and the total of the Ti layer and the Al layer is reduced. The total film thickness is thinned. Specifically, the thickness of the layer containing Ti and Al is 20 nm or more and 150 nm or less, and the Al content of the Al layer is 50 atomic% to 75 atomic% with respect to the entire Ti layer and Al layer. As a result, the surface roughness of the electrode during heat treatment is suppressed, so when considering application to the p-type ohmic electrode on the front surface, the module does not cause focus abnormality in the subsequent exposure process. In the process of mounting on the or the like, it is possible to eliminate the possibility of causing poor adhesion of wire bonding. When considering the application to the p-type ohmic electrode on the back surface, it is possible to avoid the adsorption trouble at the time of wafer transfer in the exposure process and the like, and to eliminate the hindrance to the process flow.

また、合金化に係るAlの絶対量が減るために急激な熱処理時の温度変化により高温熱処理時にAl融液が膜中拡散してパターン電極間で配線ショートする虞がない。以上のように、本発明では、従来例では実現できないp型オーミック電極とp型SiC層との間の低抵抗なオーミックコンタクト抵抗と表面荒れの抑制が両立できる。 Further, since the absolute amount of Al related to alloying is reduced, there is no possibility that the Al melt diffuses in the film during the high temperature heat treatment due to the temperature change during the rapid heat treatment and the wiring is short-circuited between the pattern electrodes. As described above, in the present invention, low resistance ohmic contact resistance between the p-type ohmic electrode and the p-type SiC layer, which cannot be realized by the conventional example, and suppression of surface roughness can be achieved at the same time.

以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、上述した各実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではない。また、各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。 In the above, the present invention can be variously modified without departing from the spirit of the present invention, and in each of the above-described embodiments, for example, the dimensions of each part, the impurity concentration, and the like are set variously according to the required specifications and the like. Further, each of the above-described embodiments is an example in all respects and is not limiting. Further, in each embodiment, the first conductive type is n-type and the second conductive type is p-type, but in the present invention, the first conductive type is p-type and the second conductive type is n-type. It holds.

以上のように、本発明にかかる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高耐圧半導体装置に有用である。 As described above, the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention are useful for high withstand voltage semiconductor devices used in power supply devices such as power conversion devices and various industrial machines.

1 n型4H-SiC基板
2 n型Si面4H-SiCエピタキシャル層
3 p型SiCイオン注入層
4 熱酸化膜
5 フィールド酸化膜
6 p型オーミック電極
7 Al配線電極
8 n型C面4H-SiCエピタキシャル層
9 p型C面4H-SiCエピタキシャル層
1 n-type 4H-SiC substrate 2 n-type Si surface 4H-SiC epitaxial layer 3 p-type SiC ion injection layer 4 thermal oxide film 5 field oxide film 6 p-type ohmic electrode 7 Al wiring electrode 8 n-type C surface 4H-SiC epitaxial Layer 9 p-type C surface 4H-SiC epitaxial layer

Claims (5)

第1導電型の炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板の主面側、または、前記炭化珪素基板の主面とは反対側に設けられた第2導電型の炭化珪素半導体層と、
前記炭化珪素半導体層に接触して配置される第2導電型のオーミックコンタクト電極と、
を備え、
前記オーミックコンタクト電極はチタンおよびアルミニウムを含む層の厚さが20nm以上150nm以下であり、かつ前記チタンおよびアルミニウムを含む層全体に対して、アルミニウムの含有率が50原子%~75原子%の間であり、
前記オーミックコンタクト電極を構成するアルミニウム-チタン合金シリサイドの20μm×20μm領域内の主要な平均粒子の直径が、0.5μm以上1.3μm以下で高さが10nm以上80nm以下であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
The first conductive type silicon carbide substrate and
A second conductive type silicon carbide semiconductor layer provided on the main surface side of the silicon carbide substrate or on the side opposite to the main surface of the silicon carbide substrate.
A second conductive type ohmic contact electrode arranged in contact with the silicon carbide semiconductor layer,
Equipped with
The ohmic contact electrode has a layer containing titanium and aluminum having a thickness of 20 nm or more and 150 nm or less, and the content of aluminum is between 50 atomic% and 75 atomic% with respect to the entire layer containing titanium and aluminum. Yes,
The aluminum-titanium alloy silicide constituting the ohmic contact electrode is characterized in that the diameter of the main average particles in the 20 μm × 20 μm region is 0.5 μm or more and 1.3 μm or less and the height is 10 nm or more and 80 nm or less . Silicon carbide semiconductor device.
前記オーミックコンタクト電極の20μm×20μm領域内全体の二乗平均粗さ値が50nm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。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the root mean square roughness value of the entire 20 μm × 20 μm region of the ohmic contact electrode is 50 nm or less. 前記オーミックコンタクト電極の20μm×20μm領域内全体の平均面に対する最大高低差が、400nm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。 The silicon carbide semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the maximum height difference with respect to the average surface of the entire 20 μm × 20 μm region of the ohmic contact electrode is 400 nm or less. 前記炭化珪素半導体層と前記オーミックコンタクト電極の界面には、Ti3SiC2層が形成されてい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。 The silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein a Ti 3 SiC 2 layer is formed at the interface between the silicon carbide semiconductor layer and the ohmic contact electrode. 第1導電型の炭化珪素基板の主面側、または、前記炭化珪素基板の主面とは反対側に第2導電型の炭化珪素半導体層を形成する第1工程と、The first step of forming the second conductive type silicon carbide semiconductor layer on the main surface side of the first conductive type silicon carbide substrate or on the side opposite to the main surface of the silicon carbide substrate.
前記炭化珪素半導体層に接触して配置される第2導電型のオーミックコンタクト電極を形成する第2工程と、The second step of forming the second conductive type ohmic contact electrode arranged in contact with the silicon carbide semiconductor layer, and
を含み、Including
前記第2工程では、前記オーミックコンタクト電極をチタンおよびアルミニウムを含む層が20nm以上150nm以下であり、かつ前記チタンおよびアルミニウムを含む層全体に対して、アルミニウムの含有率が50原子%~75原子%の間に形成し、前記オーミックコンタクト電極を構成するアルミニウム-チタン合金シリサイドの20μm×20μm領域内の主要な平均粒子の直径を、0.5μm以上1.3μm以下で高さが10nm以上80nm以下に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。In the second step, the layer containing titanium and aluminum in the ohmic contact electrode is 20 nm or more and 150 nm or less, and the content of aluminum is 50 atomic% to 75 atomic% with respect to the entire layer containing titanium and aluminum. The diameter of the main average particles in the 20 μm × 20 μm region of the aluminum-titanium alloy silicide formed between the two and constituting the ohmic contact electrode is 0.5 μm or more and 1.3 μm or less and the height is 10 nm or more and 80 nm or less. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, which comprises forming.
JP2018050233A 2018-03-16 2018-03-16 Silicon Carbide Semiconductor Device and Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device Active JP7079927B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018050233A JP7079927B2 (en) 2018-03-16 2018-03-16 Silicon Carbide Semiconductor Device and Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018050233A JP7079927B2 (en) 2018-03-16 2018-03-16 Silicon Carbide Semiconductor Device and Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019161195A JP2019161195A (en) 2019-09-19
JP7079927B2 true JP7079927B2 (en) 2022-06-03

Family

ID=67996603

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018050233A Active JP7079927B2 (en) 2018-03-16 2018-03-16 Silicon Carbide Semiconductor Device and Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7079927B2 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008078434A (en) 2006-09-22 2008-04-03 Toyota Motor Corp Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2010050267A (en) 2008-08-21 2010-03-04 Showa Denko Kk Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008078434A (en) 2006-09-22 2008-04-03 Toyota Motor Corp Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2010050267A (en) 2008-08-21 2010-03-04 Showa Denko Kk Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019161195A (en) 2019-09-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4140648B2 (en) Ohmic electrode for SiC semiconductor, method for producing ohmic electrode for SiC semiconductor, semiconductor device, and method for producing semiconductor device
JP5449786B2 (en) Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP3462720B2 (en) N-type nitride semiconductor electrode, semiconductor element having the electrode, and method of manufacturing the same
JP6222771B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP5889171B2 (en) Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2018098227A (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP6160541B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP4501488B2 (en) Silicon carbide semiconductor ohmic electrode and method of manufacturing the same
JP7079927B2 (en) Silicon Carbide Semiconductor Device and Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device
JP6395299B2 (en) Silicon carbide semiconductor element and method for manufacturing silicon carbide semiconductor element
JP4038499B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
JP6057032B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2008244006A (en) Diode and manufacturing method thereof
JP6808952B2 (en) Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device
JP2017168676A (en) Silicon carbide semiconductor element and silicon carbide semiconductor element manufacturing method
WO2019154222A1 (en) Ohmic contact structure of nitride semiconductor device and manufacturing method therefor
JP5311792B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
TW591707B (en) Method for producing substrate material and semiconductor device including plasma processing
JP2000106350A (en) Manufacture of ohmic electrode and semiconductor element
JP6458525B2 (en) Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2016086131A5 (en)
JP2016086131A (en) Silicon carbide semiconductor device manufacturing method
KR20200016585A (en) SiC semiconductor device and making method
JP5303008B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
Kalbarczyk et al. Low-resistance contact layers on the basis of polymer composites containing silver nanoparticles dedicated to semiconductor devices

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20181029

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20181030

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210112

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20211210

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20211221

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220218

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220419

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220516

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7079927

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150