JP7176417B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

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本明細書が開示する技術は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。
炭化珪素半導体層を用いて製造された炭化珪素半導体装置の開発が進められている。この種の炭化珪素半導体装置では、絶縁ゲート部に接続されるゲート配線が炭化珪素半導体層の一方の主面上に配設されており、そのゲート配線を含んで炭化珪素半導体層の一方の主面上を覆うように層間絶縁膜が形成されている。層間絶縁膜には、炭化珪素半導体層の一方の主面に形成されている半導体領域(例えば、n型のソース領域、p型のボディ領域等)に連通する第1コンタクトホールが形成されており、さらに、ゲート配線に連通する第2コンタクトホールが形成されている。
フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程を削減するためには、第1コンタクトホールと第2コンタクトホールを同時に形成し、その第1コンタクトホールと第2コンタクトホールに金属電極を同時に充填するのが望ましい。
ところで、炭化珪素に対して良好なオーミック接触を実現するために、金属電極としてニッケルシリサイド膜を利用する技術が知られている。この技術では、炭化珪素半導体層の表面にニッケル膜を成膜した後に、熱処理技術を利用して、ニッケル膜のニッケルと炭化珪素半導体層のシリコンを反応させてニッケルシリサイド膜を形成する。このようなニッケルシリサイド膜は、炭化珪素半導体層の表面に形成されている半導体領域に対して良好にオーミック接触することができる。
第1コンタクトホールと第2コンタクトホールに金属電極を同時に充填する製造方法にこの技術を適用すると、第1コンタクトホールの底面に露出する炭化珪素半導体層の表面だけでなく、第2コンタクトホールのゲート配線の表面にもニッケル膜が成膜される。通常、ゲート配線の材料にはポリシリコンが用いられることから、第2コンタクトホールにおいても、ニッケル膜のニッケルとゲート配線のシリコンが反応してしまう。このとき、ニッケル膜のニッケルとゲート配線のシリコンの過剰反応によってゲート配線の下方の絶縁膜にまで拡散したニッケルによって絶縁膜の膜質が劣化することが懸念される。
特許文献1は、このような事態を避けるために、第2コンタクトホールが連通する部分に位置するゲート配線を膜厚の厚いフィールド酸化膜上に配設するとともに、絶縁ゲート部のゲート絶縁膜から十分に離れた位置に第2コンタクトホールを形成することを提案する。これにより、ニッケル膜のニッケルとゲート配線のシリコンが過剰反応したとしても、ゲート配線の下方には膜厚の厚いフィールド酸化膜が設けられているので、炭化珪素半導体装置の電気的特性に与える影響が抑えられる。また、第2コンタクトホールを絶縁ゲート部のゲート絶縁膜から十分に離れた位置に形成することで、絶縁ゲート部のゲート絶縁膜にまでニッケルが拡散し、ゲート絶縁膜の膜質が劣化することが抑えられる。
特開2004-288890号公報
しかしながら、特許文献1の技術では、第2コンタクトホールが連通する部分に位置するゲート配線をフィールド酸化膜上に形成する必要があり、また、第2コンタクトホールを形成する位置を絶縁ゲート部のゲート絶縁膜から十分に離す必要があり、レイアウト上の制約がある。本明細書は、レイアウト上の制約を受けることなく、ニッケルシリサイド膜を良好に形成することができる技術を提供する。
本明細書が開示する炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素半導体層の一方の主面上に設けられているポリシリコンのゲート配線を含んで前記炭化珪素半導体層の前記一方の主面上を覆う層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、前記層間絶縁膜に第1コンタクトホールと複数の第2コンタクトホールを形成するコンタクトホール形成工程であって、前記第1コンタクトホールが前記炭化珪素半導体層の前記一方の主面に形成されている半導体領域に連通しており、複数の前記第2コンタクトホールが前記ゲート配線に連通している、コンタクトホール形成工程と、前記第1コンタクトホールに露出する前記半導体領域の表面上、及び、複数の前記第2コンタクトホールに露出する前記ゲート配線の表面上にニッケル膜を成膜する成膜工程と、熱処理技術を利用して、前記ニッケル膜をシリサイド化するシリサイド化工程と、を備えることができる。複数の前記第2コンタクトホールの各々のアスペクト比が、前記第2コンタクトホールのアスペクト比よりも高い。隣り合う前記第2コンタクトホール間の最大距離が、前記第2コンタクトホールの開口幅の3倍以下である。
上記製造方法によると、前記第2コンタクトホールのアスペクト比が前記第1コンタクトホールのアスペクト比よりも高いので、前記第2コンタクトホール内に成膜される前記ニッケル膜の厚みが、前記第1コンタクトホール内に成膜される前記ニッケル膜の厚みよりも薄くなる。これにより、前記第1コンタクトホールにおいては、十分な厚みの前記ニッケル膜が成膜されているので、前記ニッケル膜のニッケルと前記炭化珪素半導体層のシリコンが十分に反応して良好なオーミック接触を確保することができるニッケルシリサイド膜が形成される。一方、前記第2コンタクトホールにおいては、前記ニッケル膜の厚みが薄いので、前記ニッケル膜のニッケルと前記ゲート配線のシリコンの過剰反応が抑えられる。この製造方法によると、前記第1コンタクトホールと前記第2コンタクトホールのアスペクト比を変えるだけであり、レイアウト上の制約を受けることがない。
炭化珪素半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 平面視したときの第1コンタクトホールの開口形状の一例を模式的に示す。 平面視したときの第2コンタクトホールの開口形状の一例を模式的に示す。 平面視したときの第2コンタクトホールの開口形状の他の一例を模式的に示す。 図1の炭化珪素半導体装置の一製造工程における要部断面図を模式的に示す。 図1の炭化珪素半導体装置の一製造工程における要部断面図を模式的に示す。 図1の炭化珪素半導体装置の一製造工程における要部断面図を模式的に示す。 図1の炭化珪素半導体装置の一製造工程における要部断面図を模式的に示す。 図1の炭化珪素半導体装置の一製造工程における要部断面図を模式的に示す。 図1の炭化珪素半導体装置の一製造工程における要部断面図を模式的に示す。 図1の炭化珪素半導体装置の一製造工程における要部断面図を模式的に示す。 図1の炭化珪素半導体装置の一製造工程における要部断面図を模式的に示す。 図1の炭化珪素半導体装置の一製造工程における要部断面図を模式的に示す。
以下、図面を参照し、本明細書が開示する技術が適用された炭化珪素半導体装置及びその製造方法を説明する。以下の説明では、プレーナ型の絶縁ゲート部を備えるMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)と称される種類の炭化珪素半導体装置について説明するが、この例に代えて、絶縁ゲート部はトレンチ型であってもよく、炭化珪素半導体装置の種類もIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。なお、活性領域12と周辺領域14の間には他の領域(例えば、ガードリング等の耐圧構造が形成されている終端領域等)が形成されることがあり、この例では、そのような他の領域を省略して図示している。
図1に示されるように、炭化珪素半導体装置1は、活性領域12と周辺領域14を有する炭化珪素半導体層20を備えている。活性領域12は、半導体チップを平面視したときに中央部に位置しており、素子構造(この例ではMOSFET)が形成された領域である。周辺領域14は、半導体チップを平面視したときに周辺部に位置しており、そのような素子構造が形成されておらず、活性領域12の絶縁ゲート部から伸びているゲート配線が配設された領域である。
炭化珪素半導体装置1はさらに、炭化珪素半導体層20の裏面上を被覆するドレイン電極32、炭化珪素半導体層20の活性領域12の表面上の一部に設けられているソース電極34、炭化珪素半導体層20の活性領域12の表面上の一部に設けられている絶縁ゲート部36、炭化珪素半導体層20の周辺領域14の表面上に一部に設けられているゲート配線38、及び、炭化珪素半導体層20の周辺領域14のゲート配線38上の一部に設けられているゲートパッド電極39を備えている。また、酸化シリコンの層間絶縁膜42が、活性領域12の絶縁ゲート部36及び周辺領域14のゲート配線38を含んで炭化珪素半導体層20の表面上を被覆している。
炭化珪素半導体層20は、n+型のドレイン領域21、n型のドリフト領域22、p型のボディ領域23、n+型のソース領域24、p+型のボディコンタクト領域25を有している。ボディ領域23、ソース領域24及びボディコンタクト領域25は、活性領域12に選択的に形成されている。
ドレイン領域21は、炭化珪素半導体層20の活性領域12及び周辺領域14の双方の裏層部に配置されており、炭化珪素半導体層20の裏面に露出している。ドレイン領域21は、後述するドリフト領域22がエピタキシャル成長するための下地基板でもある。ドレイン領域21は、炭化珪素半導体層20の裏面上を被膜するドレイン電極32にオーミック接触している。
ドリフト領域22は、活性領域12及び周辺領域14の双方のドレイン領域21上に設けられている。ドリフト領域22は、エピタキシャル成長技術を利用して、ドレイン領域21の表面から結晶成長して形成される。
ボディ領域23は、活性領域12のドリフト領域22上に設けられており、炭化珪素半導体層20の表層部に配置されている。ボディ領域23は、イオン注入技術を利用して、炭化珪素半導体層20の表層部にアルミニウムを導入して形成される。
ソース領域24は、ボディ領域23上に設けられており、炭化珪素半導体層20の表層部に配置されており、炭化珪素半導体層20の表面に露出しており、ボディ領域23によってドリフト領域22から隔てられている。ソース領域24は、イオン注入技術を利用して、炭化珪素半導体層20の表層部に窒素等を導入して形成される。
ボディコンタクト領域25は、ボディ領域23上に設けられており、炭化珪素半導体層20の表層部に配置されており、炭化珪素半導体層20の表面に露出している。ボディコンタクト領域25は、イオン注入技術を利用して、炭化珪素半導体層20の表層部にアルミニウムを導入して形成される。
ソース電極34は、炭化珪素半導体層20の活性領域12の表面上の一部に設けられており、層間絶縁膜42に形成された第1コンタクトホール52内に充填されているとともに層間絶縁膜42の表面上の一部を被覆している。第1コンタクトホール52は、層間絶縁膜42を貫通して形成されており、その底面にソース領域24及びボディコンタクト領域25が露出している。第1コンタクトホール52は、平面視したときの形状が例えば矩形である(図2参照)。また、第1コンタクトホール52のアスペクト比は、後述の第2コンタクトホール54よりも小さい。ここで、第1コンタクトホール52のアスペクト比は、層間絶縁膜42の厚み方向における第1コンタクトホール52の深さとその厚み方向に直交する方向における第1コンタクトホール52の最小幅の比によって定義される。
ソース電極34は、ニッケルシリサイド膜34aとアルミニウム膜34bを有している。ニッケルシリサイド膜34aは、ソース領域24及びボディコンタクト領域25に接触しており、これら領域とのオーミック性を向上させることができる。なお、ニッケルシリサイド膜34aとアルミニウム膜34bの間に、チタンと窒化チタンからなるバリアメタル層が設けられていてもよい。また、アルミニウム膜34bのうちの第1コンタクトホール52内に充填される部分は、埋め込み性を改善するために例えばタングステン層が設けられていてもよい。
絶縁ゲート部36は、炭化珪素半導体層20の活性領域12の表面上の一部に設けられており、酸化シリコンのゲート絶縁膜36a及びポリシリコンのゲート電極36bを有している。ゲート電極36bは、ドリフト領域22とソース領域24を隔てる部分のボディ領域23にゲート絶縁膜36aを介して対向している。
ゲート配線38は、絶縁ゲート部36のゲート電極36bから伸びており、炭化珪素半導体層20の周辺領域14の表面上の一部に絶縁膜を介して配設されている。なお、この例では、ゲート配線38及びゲート配線38の下方の絶縁膜は、後述の製造方法でも説明するように、絶縁ゲート部36のゲート電極36bとゲート絶縁膜38aと同一工程で形成される。
ゲートパッド電極39は、炭化珪素半導体層20のゲート配線38の表面上に設けられており、層間絶縁膜42に形成されている複数の第2コンタクトホール54の各々に充填されているとともに層間絶縁膜42の表面上の一部を被覆している。複数の第2コンタクトホール54の各々は、層間絶縁膜42を貫通して形成されており、その底面にゲート配線38が露出している。複数の第2コンタクトホール54は、平面視したときのレイアウトが例えばドッド状(図3(A)及び(B)参照)又はストライプ状(図4参照)に配置されている。複数の第2コンタクトホール54の各々のアスペクト比は、先述の第1コンタクトホール52よりも高い。ここで、複数の第2コンタクトホール54の各々のアスペクト比は、層間絶縁膜42の厚み方向における第2コンタクトホール54の深さとその厚み方向に直交する方向における第2コンタクトホール54の最小幅の比によって定義される。なお、複数の第2コンタクトホール54のレイアウトは、第2コンタクトホール54のアスペクト比が第1コンタクトホール52のアスペクト比よりも高い関係がある限り、特に限定されるものではない。なお、隣り合う第2コンタクトホール54間の距離が大きいと、複数の第2コンタクトホール54が疎にレイアウトされることとなり、ゲートパッド電極39とゲート配線38のコンタクト抵抗が大きくなる。このため、隣り合う第2コンタクトホール54間の最大距離は、要求されるコンタクト抵抗に応じて適宜に設定される。例えば、隣り合う第2コンタクトホール54間の最大距離は、第2コンタクトホール54の開口幅(ストライプの場合、短手方向の開口幅)の3倍以下であってもよい。
ゲートパッド電極39は、ニッケルシリサイド膜39aとアルミニウム膜39bを有している。ニッケルシリサイド膜39aは、ゲート配線38に接触しており、ゲート配線38とのオーミック性を向上させることができる。なお、ニッケルシリサイド膜39aとアルミニウム膜39bの間に、チタンと窒化チタンからなるバリアメタル層が設けられていてもよい。また、アルミニウム膜39bのうちの第2コンタクトホール54内に充填される部分は、埋め込み性を改善するために例えばタングステン層が設けられていてもよい。
次に、炭化珪素半導体装置1の製造方法を説明する。まず、図5に示されるように炭化珪素半導体層20を準備する。この炭化珪素半導体層20は、エピタキシャル成長技術を利用してドレイン領域21からドリフト領域22を結晶成長させた後に、イオン注入技術を利用して炭化珪素半導体層20の表層部の一部にリンを導入してソース領域24を形成し、イオン注入技術を利用して炭化珪素半導体層20の表層部の一部にアルミニウムを導入してボディ領域23及びボディコンタクト領域25を形成することで準備される。なお、図示明瞭化のために、各種の半導体領域については図示を省略している。次に、CVD技術を利用して、炭化珪素半導体層20の表面上に、絶縁性の酸化シリコンのゲート絶縁膜36aを成膜する。さらに、CVD技術を利用して、ゲート絶縁膜36aの表面上に、導電性のポリシリコンのゲート電極36bを成膜する。
次に、図6に示されるように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を利用して、ゲート絶縁膜36aとゲート電極36bの一部を除去し、活性領域12に絶縁ゲート部36を形成する。このとき、周辺領域14に残存して配設されるゲート電極36bがゲート配線38となる。
次に、図7に示されるように、CVD技術を利用して、絶縁ゲート部36及びゲート配線38を含んで炭化珪素半導体層20の表面上に酸化シリコンの層間絶縁膜42を被膜する。
次に、図8に示されるように、フォトリソグラフィー技術を利用して、層間絶縁膜42の表面上にレジスト膜60をパターニングする。レジスト膜60には、第1コンタクトホールを形成する箇所に対応して第1開口62が形成されており、第2コンタクトホールを形成する箇所に対応して複数の第2開口64が形成されている。
次に、図9に示されるように、エッチング技術を利用して、レジスト膜60の第1開口62から露出する層間絶縁膜42を除去して第1コンタクトホール52を形成し、レジスト膜60の第2開口64から露出する層間絶縁膜42を除去して複数の第2コンタクトホール54を形成する。複数の第2コンタクトホール54の各々のアスペクト比は、第1コンタクトホール52のアスペクト比よりも高くなるように形成される。第1コンタクトホール52の底面には、炭化珪素半導体層20の表面に形成されているソース領域24(図示省略)及びボディコンタクト領域25(図示省略)が露出している。第2コンタクトホール54の底面には、ゲート配線38が露出している。
次に、図10に示されるように、エッチング技術を利用して、レジスト膜60を除去する。
次に、図11に示されるように、スパッタリング技術を利用して、第1コンタクトホール52の底面に露出する炭化珪素半導体層20の表面及び第2コンタクトホール54の底面に露出するゲート配線38の表面にニッケル膜72を成膜する。このとき、第2コンタクトホール54のアスペクト比が第1コンタクトホール52のアスペクト比よりも高いことから、第2コンタクトホール54内のゲート配線38の表面上に成膜されるニッケル膜72の厚みは、第1コンタクトホール52内の炭化珪素半導体層20の表面上に成膜されるニッケル膜72の厚みよりも薄くなる。
次に、図12に示されるように、熱処理技術を利用して、第1コンタクトホール52内の炭化珪素半導体層20の表面上に成膜されたニッケル膜72をシリサイド化してニッケルシリサイド膜34aを形成するとともに、第2コンタクトホール54内のゲート配線38の表面上に成膜されたニッケル膜72をシリサイド化してニッケルシリサイド膜39aを形成する。この熱処理は、後述の熱処理よりも比較的に低温で実施され、ニッケル膜72のニッケルと炭化珪素半導体層20のシリコンを反応させることを目的としている。
次に、図13に示されるように、エッチング技術を利用して、未反応のニッケル膜72を除去する。
次に、熱処理技術を利用して、ニッケルシリサイド膜34a,39aの膜質を改善する。この熱処理工程では、特に、第1コンタクトホール52内のニッケルシリサイド膜34aと炭化珪素半導体層20の表面に形成されているソース領域24(図示省略)及びボディコンタクト領域25(図示省略)のオーミック性を向上させることを目的としている。最後に、ソース電極34のうちのアルミニウム膜34b及びゲートパッド電極39のうちのアルミニウム膜39bを成膜し、炭化珪素半導体装置1が完成する。
上記製造方法によると、第2コンタクトホール54のアスペクト比が第1コンタクトホール52のアスペクト比よりも高いので、第2コンタクトホール54内のゲート配線38の表面上に成膜されるニッケル膜72の厚みが、第1コンタクトホール52内の炭化珪素半導体層20の表面上に成膜されるニッケル膜72の厚みよりも薄くなる。このため、ニッケル膜72をシリサイド化してニッケルシリサイド膜34a,39aを形成するときの熱処理工程、及び、ニッケルシリサイド膜34a,39aのオーミック性を改善するための熱処理工程のときに、第2コンタクトホール54内においては、ニッケル膜72由来のニッケルがゲート配線38のシリコンと過剰反応することが抑えられる。これにより、ニッケルがゲート配線38を超えてゲート配線38の下方の絶縁膜の膜質を劣化させることが抑えられ、また、層間絶縁膜42内のシリコンとニッケルが反応して層間絶縁膜42に欠損が生じることが抑えられる。
上記製造方法では、第1コンタクトホール52と第2コンタクトホール54のアスペクト比を変えるだけであり、レイアウト上の制約を受けることがない。一方で、第1コンタクトホール52においては、十分な厚みのニッケル膜72が成膜され、ニッケル膜72のニッケルと炭化珪素半導体層20のシリコンが十分に反応して良好なオーミック接触を確保することができるニッケルシリサイド膜36aが形成される。また、第2コンタクトホール54においては、ニッケル膜72の厚みが薄いので、ニッケル膜72のニッケルとゲート配線38のシリコンの過剰反応が抑えられる。
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。
本明細書が開示する炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素半導体層の一方の主面上に設けられているポリシリコンのゲート配線を含んで前記炭化珪素半導体層の前記一方の主面上を覆う層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、前記層間絶縁膜に第1コンタクトホールと第2コンタクトホールを形成するコンタクトホール形成工程であって、前記第1コンタクトホールが前記炭化珪素半導体層の前記一方の主面に形成されている半導体領域に連通しており、前記第2コンタクトホールが前記ゲート配線に連通している、コンタクトホール形成工程と、前記第1コンタクトホールに露出する前記半導体領域の表面上、及び、前記第2コンタクトホールに露出する前記ゲート配線の表面上にニッケル膜を成膜する成膜工程と、熱処理によって前記ニッケル膜をシリサイド化するシリサイド化工程と、を備えることができる。前記第2コンタクトホールのアスペクト比が、前記第1コンタクトホールのアスペクト比よりも高い
本明細書が開示する炭化珪素半導体装置は、炭化珪素半導体層と、炭化珪素半導体層の一方の主面上に配設されているポリシリコンのゲート配線と、前記ゲート配線を含んで前記炭化珪素半導体層の前記一方の主面上を覆う層間絶縁膜であって、前記炭化珪素半導体層の前記一方の主面に形成されている半導体領域に連通する第1コンタクトホールと、前記ゲート配線に連通している第2コンタクトホールと、を有する、層間絶縁膜と、を備えることができる。前記第2コンタクトホールのアスペクト比が、前記第1コンタクトホールのアスペクト比よりも高い
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
1:炭化珪素半導体装置
12:活性領域
14:周辺領域
20:炭化珪素半導体層
38:ゲート配線
42:層間絶縁膜
52:第1コンタクトホール
54:第2コンタクトホール

Claims (1)

  1. 炭化珪素半導体層の一方の主面上に設けられているポリシリコンのゲート配線を含んで前記炭化珪素半導体層の前記一方の主面上を覆う層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、
    前記層間絶縁膜に第1コンタクトホールと複数の第2コンタクトホールを形成するコンタクトホール形成工程であって、前記第1コンタクトホールが前記炭化珪素半導体層の前記一方の主面に形成されている半導体領域に連通しており、複数の前記第2コンタクトホールが前記ゲート配線に連通している、コンタクトホール形成工程と、
    前記第1コンタクトホールに露出する前記炭化珪素半導体層の表面上、及び、複数の前記第2コンタクトホールに露出する前記ゲート配線の表面上にニッケル膜を成膜する成膜工程と、
    熱処理技術を利用して、前記ニッケル膜をシリサイド化するシリサイド化工程と、を備えており、
    複数の前記第2コンタクトホールの各々のアスペクト比が、前記第1コンタクトホールのアスペクト比よりも高く、
    隣り合う前記第2コンタクトホール間の最大距離が、前記第2コンタクトホールの開口幅の3倍以下である、炭化珪素半導体装置の製造方法。
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