DE102017201550B4

DE102017201550B4 - Siliciumcarbid-halbleitervorrichtung und verfahren zum herstellen einer siliciumcarbid-halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102017201550B4
Application number: DE102017201550.0A
Authority: DE
Inventors: Takuya Komatsu; Fumikazu Imai
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2037-02-01
Also published as: US20170271486A1; US10032894B2; CN107204363A; DE102017201550A1; JP6705231B2; JP2017168684A

Abstract

Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung umfassend:eine auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats (20) umfassend Siliciumcarbid angeordnete isolierte Gate-Struktur;eine Isolierschicht (8) zum Abdecken der isolierten Gate-Struktur;ein die Isolierschicht (8) in einer Tiefenrichtung durchdringendes Kontaktloch (8a);eine zum Abdecken der Isolierschicht (8) angeordnete Titannitridschicht (9); undeine auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (20) im Kontaktloch (8a) angeordnete und einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat (20) bildende Nickelsilicidschicht (10), wobeieine Korngröße der Titannitridschicht (9) 20 nm bis 50 nm beträgt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die hier beschriebenen Ausführungsformen betreffen eine Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Bei herkömmlicherweise als Leistungsgeräte verwendeten Halbleitervorrichtungen haben sich solche, die Silicium (Si) als Halbleitermaterial verwenden, bewährt. Im Vergleich zu Silicium weist Siliciumcarbid (SiC) einen breiteren Bandabstand (nachfolgend als Halbleiter mit großem Bandabstand bezeichnet) und physikalische Eigenschaften wie eine Wärmeleitfähigkeit, die dreimal so groß ist wie die von Silicium, eine kritische elektrische Feldstärke, die zehnmal so groß ist wie die von Silicium, und eine Elektronenstromgeschwindigkeit, die zweimal so hoch ist wie die von Silicium, auf. Daher wird die Anwendung von SiC für Leistungsgeräte, die sich für einen Hochtemperaturbetrieb mit geringem Verlust eignen und für welche die Durchschlagfestigkeit hoch ist, erforscht.
Auch bei Halbleitervorrichtungen, die Siliciumcarbid verwenden (nachfolgend als Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtungen (SiC-Vorrichtungen) bezeichnet), in Leistungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET)) und Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT)) ist typischerweise eine Nickelsilicidschicht (NiSi-Schicht) auf einer Vorderfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet, um einen ohmschen Kontakt einer Vorderelektrode und des Halbleitersubstrats zu bilden (beispielsweise japanische offengelegte Patentschrift JP 2015-109474 A ).
Ferner ist in einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung, die Siliciumcarbid verwendet, eine Titannitridschicht, die ein Sperrschichtmetall zum Verhindern der Diffusion von Aluminium (Al) von einer Aluminiumschicht, die eine Vorderelektrode wird, zwischen der Vorderelektrode und einer Zwischenlagen-Isolierschicht angeordnet. Um beispielsweise die Diffusion von Nickel (Ni) zu einer Zwischenlagen-Isolierschicht von einer Nickelschicht zu verhindern, die ein Bestandteil einer Nickelsilicidschicht ist und die auf einer Vorderfläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wurde ein Verfahren zum Ausbilden einer Titannitridschicht zum Abdecken der Zwischenlagen-Isolierschicht vor dem Ausbilden der Nickelschicht vorgeschlagen.
Nachfolgend ist ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung beschrieben. Zunächst wird eine MOS-Gate-Struktur auf einer Vorderflächenseite eines aus Siliciumcarbid gebildeten Halbleitersubstrats (nachfolgend als Siliciumcarbidsubstrat bezeichnet) ausgebildet. Anschließend wird eine Zwischenlagen-Isolierschicht auf der Vorderfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet und die MOS-Gate-Struktur wird von der Zwischenlagen-Isolierschicht abgedeckt. Die Zwischenlagen-Isolierschicht wird strukturiert und ein Kontaktloch wird ausgebildet, wodurch ein Kontaktbildungsbereich (elektrischer Kontaktteil) des Siliciumcarbidsubstrats freigelegt wird. Anschließend wird durch Sputtern oder Bedampfung eine Titannitridschicht (TiN-Schicht) entlang einer Oberfläche der Zwischenlagen-Isolierschicht und einer Innenwand des Kontaktlochs ausgebildet.
Das Titannitrid wird teilweise durch Ätzen entfernt und der Bildungsbereich für den Kontakt mit dem Siliciumcarbidsubstrat wird erneut freigelegt. Anschließend wird eine Nickelschicht (Ni-Schicht) entlang der Oberfläche der Titannitridschicht und der Innenwand des Kontaktlochs durch Sputtern oder Bedampfung ausgebildet. Das Siliciumcarbidsubstrat und die Nickelschicht werden durch Wärmebehandlung zum Reagieren gebracht, wodurch am Kontaktloch eine Nickelsilicidschicht zum Bilden eines ohmschen Kontakts auf der Vorderfläche des Siliciumcarbidsubstrats ausgebildet wird. Anschließend wird eine Vorderelektrode mit Kontakt zum Nickelsilicidfilm ausgebildet und eine Rückelektrode auf einer Rückseite des Siliciumcarbidsubstrat ausgebildet, wodurch die SiC-Vorrichtung fertiggestellt wird.
Des Weiteren beschreibt die DE 11 2014 001 741 T5 eine MOS-Gate-Struktur, enthaltend ein p-Basisgebiet, eine p-Epitaxialschicht, ein n⁺⁺-Source-Gebiet, ein p⁺-Kontaktgebiet, ein n-Inversionsgebiet, einen Gate-Isolierfilm und eine Gate-Elektrode, und eine Vorderseitenelektrode sind auf der Vorderseite eines durch Niederschlagen einer n^--Epitaxialschicht auf der Vorderseite eines SiC-Substrats erhaltenen Epitaxialsubstrats vorgesehen. Ein erster Metallfilm ist auf der Oberfläche der Vorderseitenelektrode so vorgesehen, dass er 10% oder mehr der Oberfläche der Vorderseitenelektrode, vorzugsweise 60% bis 90% der Oberfläche der Vorderseitenelektrode bedeckt. Der SiC-MOSFET wird durch Bilden einer Rückseitenelektrode, Bilden des ersten Metallfilms auf der Oberfläche der Vorderseitenelektrode und Durchführen von Tempern in einer N₂-Atmosphäre hergestellt.
Andrievski, R. A.; Anisimova, I. A. und Anisimov, V. P. beschreiben in ihrem Artikel „Structure and microhardness of TiN compositional and alloyed films“, Thin Solid Films, 1991, 205. Jg., Nr. 2, S. 171-175, dass die Mikrohärte (H_m) von Lichtbogen-abgeschiedenen Mehrfachschichten und legierten (gemischten) (Ti,Al)N, (Ti,Zr)N, (Ti,Nb)N und (Ti,Cr)N Filmen die Werte von H_m für Monoschicht-Filme übersteigt.
Und Lacerda, M. M., et al. beschreiben in ihrem Artikel „Synthesis of hard TiN coatings with suppressed columnar growth and reduced stress“, Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 1999, 17. Jg., Nr. 5, S. 2915-2919, dass die Härte und die innere Spannung von Überzügen aus TiN/CN_x über die Periode, die Kohlenstoffnitrid Dicke und Substrat Bias kontrolliert werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung eine auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats umfassend Siliciumcarbid angeordnete isolierte Gate-Struktur; eine Isolierschicht zum Abdecken der isolierten Gate-Struktur; ein die Isolierschicht in einer Tiefenrichtung durchdringendes Kontaktloch; eine so angeordnete Titannitridschicht, dass sie die Isolierschicht abdeckt; und eine auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats im Kontaktloch angeordnete und einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat bildende Nickelsilicidschicht. Eine Korngröße der Titannitridschicht beträgt 20 nm bis 50 nm.
In der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung beträgt eine Dicke der Titannitridschicht zwischen 50 nm und 150 nm.
In der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung weist die Titannitridschicht eine Kristallstruktur auf, die eine aus in einer vertikalen Richtung auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats gewachsenen und entlang einer horizontalen Richtung auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgerichteten kolumnaren Körnern gebildete kolumnare Struktur ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung ein Ausbilden einer isolierten Gate-Struktur auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats umfassend Siliciumcarbid; ein Ausbilden einer Isolierschicht auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats zum Abdecken der isolierten Gate-Struktur; ein Ausbilden eines die Isolierschicht in einer Tiefenrichtung durchdringenden Kontaktlochs, um die Oberfläche des Halbleitersubstrats teilweise freizulegen; ein Ausbilden einer Titannitridschicht auf der Oberfläche des Hableitersubstrats, um die Isolierschicht abzudecken; ein Ausbilden einer Nickelschicht auf der im Kontaktloch freigelegten Oberfläche des Halbleitersubstrats, und eine Wärmebehandlung des Halbleitersubstrats und der Nickelschicht, so dass diese reagieren und ein Silicid bilden, so dass sich eine Nickelsilicidschicht bildet, die einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat bildet. Die Wärmebehandlung wird so durchgeführt, dass eine Korngröße der Titannitridschicht zunimmt, so dass Zwischenräume von Körnern der Titannitridschicht kleiner werden als vor der Wärmebehandlung oder beseitigt werden. Die Wärmebehandlung wird so durchgeführt, dass die Korngröße der Titannitridschicht 20 nm bis 50 nm beträgt.
Im Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung besteht die Wärmebehandlung in einem Kurzzeitausheilen bei einer Temperatur von 800 °C bis 1.100 °C.
Im Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung wird die Nickelschicht so ausgebildet, dass sie sich auf der Titannitridschicht von der im Kontaktloch freigelegten Oberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt, und das Verfahren umfasst ferner das Entfernen eines ersten Teils der Nickelschicht nach der Wärmebehandlung unter Ausschluss eines zweiten Teils der Nickelschicht zum Bilden des Silicids.
Im Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung erfolgt eine Folgewärmebehandlung nach der Wärmebehandlung zum Bilden des Silicids bei einer Temperatur von 400 °C oder weniger.
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen hervor.
Figurenliste

1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Struktur einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
2, 3, 4, 5, 6 und 7 zeigen Querschnittsansichten der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung während der Herstellung gemäß der Ausführungsform.
8 und 9 zeigen Querschnittsansichten einer herkömmlichen Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung während der Herstellung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es werden ausführlich Ausführungsformen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung und eines Verfahrens zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der vorliegenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen bedeuten Schichten und Bereiche mit dem Präfix n oder p, dass Majoritätsträger Elektronen oder Löcher sind. Zusätzlich bedeutet ein an das n oder p angehängtes + oder -, dass die Verunreinigungskonzentration jeweils höher oder niedriger ist als bei Schichten und Bereichen ohne + oder -. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen und den beigefügten Zeichnungen sind identische Hauptteile ebenfalls mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht noch einmal beschrieben.
Es wird eine Struktur einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit einem vertikalen MOSFET als Beispiel beschrieben. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eine Struktur der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform. In 1 ist ein aktiver Bereich, der Treiberstrom führt (Bereich, durch den Strom in einem Ein-Zustand fließt), für eine Elementarzelle (Halbleiterelement-Funktionseinheit) dargestellt, und andere angrenzend an diese Elementarzelle angeordnete Elementarzellen und eine in einem Randabschlussbereich angeordnete Randabschlussstruktur sind in der Zeichnung weggelassen. Der Randabschlussbereich ist ein Bereich, der einen Umfang des aktiven Bereichs umgibt und das elektrische Feld einer Vorderflächenseite einer Basisvorderflächenseite eines n^--Drift-Bereichs 2 dämpft, um die Durchschlagspannung zu erhalten.
Die Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform und wie in 1 dargestellt ist ein vertikaler MOSFET mit einer MOS-Gate-Struktur einer planaren Gate-Struktur auf einer Vorderflächenseite (n^--Drift-Bereich-2-Seite) einer Siliciumcarbidbasis (Halbleiterchip) 20. Die Siliciumcarbidbasis 20 ist ein durch Bilden einer n^--Siliciumcarbidschicht 21 durch epitaxiales Wachstum epitaxial gewachsenes Substrat, um einen n^--Drift-Bereich 2 auf einer Vorderfläche eines n⁺-Auflagesubstrats (n⁺-Siliciumcarbidsubstrat) 1, zu bilden, der zu einem n⁺-Drain-Bereich wird. In einer Oberflächenschicht auf einer gegenüberliegenden Seite der n^--Siliciumcarbidschicht 21 (die zum n^--Drift-Bereich 2 wird) von einer Seite des n⁺-Siliciumcarbidsubstrats 1 hiervon sind p-Basisbereiche 3 selektiv angeordnet.
In den p-Basisbereichen 3 sind n⁺-Source-Bereiche 4 und p⁺-Kontaktbereiche 5 selektiv angeordnet. Ein anderer Teil der n^--Siliciumcarbidschicht 21 als die p-Basisbereiche 3, die n⁺-Source-Bereiche 4 und die p⁺-Kontaktbereiche 5 ist der n^--Drift-Bereich 2. Auf einer Oberfläche der p-Basisbereiche 3 ist an einem Teil zwischen dem n^--Drift-Bereich 2 und den n⁺-Source-Bereichen 4 eine Gate-Isolierschicht 6 angeordnet, die über den n^--Drift-Bereich 2 reicht. Auf der Gate-Isolierschicht 6 ist eine Gate-Elektrode 7 angeordnet. Die p-Basisbereiche 3, die n⁺-Source-Bereiche 4, die p⁺-Kontaktbereiche 5, die Gate-Isolierschicht 6 und die Gate-Elektrode 7 bilden die MOS-Gate-Struktur.
Eine Zwischenlagen-Isolierschicht 8 (Isolierschicht) ist auf der gesamten Vorderfläche der Siliciumcarbidbasis 20 angeordnet und deckt die Gate-Elektrode 7 ab. Eine Titannitridschicht (TiN-Schicht) 9 ist auf der gesamten Oberfläche der Zwischenlagen-Isolierschicht 8 angeordnet und deckt die Zwischenlagen-Isolierschicht 8 ab. Ferner erstreckt sich an einem Kontaktloch 8a die Titannitridschicht 9 auf die Vorderfläche der Siliciumcarbidbasis 20 und deckt ein Ende 6a der Gate-Isolierschicht 6 ab. Durch ein solches Anordnen der Titannitridschicht 9 weisen die Gate-Isolierschicht 6 und die Zwischenlagen-Isolierschicht 8 keinen Kontakt mit einer ersten Nickelsilicidschicht (NiSi-Schicht) 10, die nachfolgend beschrieben wird, auf. Die Titannitridschicht 9 dient als ein Sperrschichtmetall, die eine Diffusion von Metall von der ersten Nickelsilicidschicht 10 und einer nachfolgend beschriebenen Vorderelektrode 11 auf die Seite der Zwischenlagen-Isolierschicht 8 verhindert.
Eine Kristallstruktur der Titannitridschicht 9 ist eine aus in einer vertikalen Richtung von der Substratvorderfläche gewachsenen kolumnaren Körnern gebildete kolumnare Struktur und diese Körner sind entlang einer horizontalen Richtung auf der Substratvorderfläche ausgerichtet. Eine Korngröße der Titannitridschicht beträgt beispielsweise etwa 20 nm oder mehr und 50 nm oder weniger. Da die Korngröße der Titannitridschicht 9 etwa 20 nm bis 50 nm beträgt, sind Zwischenräume der Körner der Titannitridschicht 9 kleiner als die einer herkömmlichen Struktur (siehe 8 und 9) oder fehlen. Die Korngröße der Titannitridschicht 9 kann beispielsweise vorzugsweise etwa 40 nm oder weniger und noch besser etwa 30 nm oder weniger betragen. Die kleinere Korngröße der Titannitridschicht 9 ermöglicht ein Verhindern eines Ablösens zwischen Körnern der Titannitridschicht 9 und verringert die Wahrscheinlichkeit des Bildens von Rissen in der Titannitridschicht 9.
Im Kontaktloch 8a ist die Nickelsilicidschicht (nachfolgend als erste Nickelsilicidschicht bezeichnet) 10 auf der Vorderfläche der Siliciumcarbidbasis 20 angeordnet. Die erste Nickelsilicidschicht 10 ist nur auf der Vorderfläche der Siliciumcarbidbasis 20 im Kontaktloch 8a angeordnet und weist einen Kontakt mit den n⁺-Source-Bereichen 4 und den p⁺-Kontaktbereichen 5 auf. Die erste Nickelsilicdschicht 10 bildet einen ohmschen Kontakt (elektrischer Kontaktteil) mit der Siliciumcarbidbasis 20. Die erste Nickelsilicidschicht 10 endet auf der Vorderfläche der Siliciumcarbidbasis 20 im Kontaktloch 8a und weist einen Kontakt mit der Titannitridschicht 9 auf.
Auf einer Oberfläche der Titannitridschicht 9 und der ersten Nickelsilicidschicht 10 ist die Vorderelektrode 11 angeordnet, so dass sie im Kontaktloch 8a eingebettet ist. Die Vorderelektrode 11 ist elektrisch mit den n⁺-Source-Bereichen 4 und den p⁺-Kontaktbereichen 5 über die erste Nickelsilicidschicht 10 verbunden, dient als eine Source-Elektrode und ist elektrisch von der Gate-Elektrode 7 durch die Zwischenlagen-Isolierschicht 8 isoliert. Auf der gesamten Rückseite der Siliciumcarbidbasis 20 (Rückseite des n⁺-Siliciumcarbidsubstrats 1) ist eine Nickelsilicidschicht (nachfolgend als zweite Nickelsilicidschicht bezeichnet) 12 angeordnet. Die zweite Nickelsilicdschicht 12 bildet einen ohmschen Kontakt mit der Siliciumcarbidbasis 20. Auf der Oberfläche der zweiten Nickelsilicidschicht 12 ist eine Rückelektrode 13 angeordnet. Die Rückelektrode 13 dient als eine Drain-Elektrode.
Nachfolgend ist ein Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform beschrieben. 2, 3, 4, 5, 6 und 7 zeigen Querschnittsansichten der Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung während der Herstellung gemäß der Ausführungsform. Wie in 2 dargestellt wird das n⁺-Siliciumcarbidsubstrat 1, das zum n⁺-Drain-Bereich wird, vorbereitet. Auf der Vorderseite des n⁺-Siliciumcarbidsubstrats 1 wird die n^--Siliciumcarbidschicht 21, die beispielsweise zum n^--Drift-Bereich 2 wird, durch epitaxiales Wachstum auf eine Dicke von 15 µm ausgebildet. Durch die bisherigen Prozesse wird die Siliciumcarbidbasis 20 ausgebildet, die ein epitaxiales Substrat ist, bei dem die n^--Siliciumcarbidschicht 21 auf dem n⁺-Siliciumcarbidsubstrat 1 aufgetragen (ausgebildet) wird.
Wie in 3 dargestellt werden durch Ionenimplantation die p-Basisbereiche 3 selektiv in der Oberflächenschicht der n^--Siliciumcarbidschicht 21 ausgebildet. Anschließend wird die Ionenimplantation wiederholt unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt, um die n⁺-Source-Bereiche 4 und die p⁺-Kontaktbereiche 5 in den p-Basisbereichen 3 auszubilden. Es wird eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von beispielsweise etwa 1.800 °C durchgeführt, um die von den Ionenimplantationen ausgebildeten Bereiche zu aktivieren.
Die Wärmebehandlung zur Aktivierung kann für jede Ausbildung eines Bereichs durch Ionenimplantation durchgeführt werden. Ein anderer Teil der n^--Siliciumcarbidschicht 21 als die p-Basisbereiche 3, die n⁺-Source-Bereiche 4 und die p⁺-Kontaktbereiche 5 wird zum n^--Drift-Bereich 2.
Anschließend wird wie in 4 dargestellt die Gate-Isolierschicht 6 auf der Vorderfläche (Oberfläche auf der Seite der n^--Siliciumcarbidschicht 21) der Siliciumcarbidbasis 20 ausgebildet. Mit einer Verunreinigung dotiertes Polysilicium (Poly-Si) wird auf der Gate-Isolierschicht 6 aufgetragen und strukturiert, wobei Polysilicium bleibt, um zur Gate-Elektrode 7 zu werden. Die Zwischenlagen-Isolierschicht 8 ist auf der gesamten Vorderfläche der Siliciumcarbidbasis 20 ausgebildet, um die Gate-Elektrode 7 abzudecken. Die Zwischenlagen-Isolierschicht 8 und die Gate-Isolierschicht 6 werden strukturiert, das Kontaktloch 8a wird ausgebildet und die n⁺-Source-Bereiche 4 und die p⁺-Kontaktbereiche 5 werden freigelegt.
Anschließend wird wie in 5 dargestellt die Titannitridschicht 9 entlang der Oberfläche der Zwischenlagen-Isolierschicht 8 und der Innenwand des Kontaktlochs 8a beispielsweise durch Sputtern ausgebildet. Das Sputtern der Titannitridschicht 9 kann beispielsweise unter den Bedingungen des Erwärmens der Siliciumcarbidbasis 20 auf eine Temperatur (Temperatur der Basis) von etwa 200 °C oder höher und 400 °C oder niedriger und einer Gasatmosphäre eines Drucks von etwa 0,15 Pa oder höher und 0,4 Pa oder niedriger erfolgen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Korngröße der Titannitridschicht 9 beispielsweise etwa kleiner als 20 nm und zwischen den Körnern der Titannitridschicht 9 werden Zwischenräume wie etwa die in einer herkömmlichen Struktur (siehe 8) erzeugt.
Eine Dicke der Titannitridschicht 9 kann vorzugsweise etwa 50 nm oder mehr und 150 nm oder weniger betragen. Hierfür gibt es den folgenden Grund. Wenn die Dicke der Titannitridschicht 9 150 nm überschreitet, werden Risse in der Titannitridschicht 9 während der folgenden Wärmebehandlung aufgrund einer Differenz des Wärmedehnungskoeffizienten relativ zur Zwischenlagen-Isolierschicht 8 erzeugt. Wenn die Dicke der Titannitridschicht 9 kleiner ist als 50 nm, treten Beschichtungsfehler auf, so dass die Dicke der Titannitridschicht 9 an Teilen dünn wird, die Zwischenlagen-Isolierschicht 8 nicht von der Titannitridschicht 9 abgedeckt und teilweise freigelegt ist usw.
Anschließend wird die Titannitridschicht 9 strukturiert und die n⁺-Source-Bereiche 4 und die p⁺-Kontaktbereiche 5 werden erneut im Kontaktloch 8a freigelegt. Hier kann die Titannitridschicht 9 verbleiben, so dass sie sich auf der im Kontaktloch 8a freigelegten Vorderseite der Siliciumcarbidbasis 20 erstreckt. Dadurch ist an einer Seitenwand des Kontaktlochs 8a das Ende 6a der Gate-Isolierschicht 6 von der Titannitridschicht 9 abgedeckt. Somit kann eine Diffusion von Metall von einer ersten Nickel-(Ni-)Schicht 31 wie nachfolgend beschrieben und der Vorderelektrode 11 zur Seite der Gate-Elektrode 7 über das Ende 6a der Gate-Isolierschicht 6 verhindert werden.
Anschließend wird wie in 6 dargestellt entlang der Oberfläche der Titannitridschicht 9 und der Innenwand des Kontaktlochs 8a die erste Nickelschicht 31 beispielsweise durch Sputtern mit einer Dicke von beispielsweise 60 nm ausgebildet. Das Sputtern der ersten Nickelschicht 31 kann beispielsweise durch Magnetronsputtern unter den Bedingungen der Temperatur der Basis gleich der Raumtemperatur RT (beispielsweise 25 °C) und einer Argon-(Ar-)Gasatmosphäre mit einem Druck von etwa 0,3 Pa erfolgen. Die erste Nickelschicht 31 wird strukturiert, so dass ein Teil 31a der ersten Nickelschicht 31 auf der Vorderfläche der Siliciumcarbidbasis 20 bleibt, so dass sie sich auf der Titannitridschicht 9 erstreckt.
Durch Belassen der ersten Nickelschicht 31, so dass sie sich auf der Titannitridschicht 9 vom Teil 31a auf der Vorderseite der Siliciumcarbidbasis 20 erstreckt, kann die erste Nickelschicht 31 so belassen werden, dass sich keine Lücken zwischen der ersten Nickelschicht 31 und der Titannitridschicht 9 bilden, selbst wenn Schwankungen beim Ätzen auftreten. Dadurch wird in folgenden Prozessen die erste Nickelsilicidschicht 10 auf der gesamten Vorderseite (Öffnungsteil der Titannitridschicht 9) der im Kontaktloch 8a ausgebildeten Siliciumcarbidbasis 20 ausgebildet. Somit kann eine Abnahme im Bereich des ohmschen Kontakts verhindert werden.
Nachfolgend werden wie in 7 dargestellt beispielsweise durch Kurzzeitausheilen 32 bei einer Temperatur von etwa 800 °C oder höher und 1.100 °C oder niedriger die Siliciumcarbidbasis 20 und die erste Nickelschicht 31 zum Reagieren und Bilden eines Silicids gebracht. Somit wird der Teil 31a der ersten Nickelschicht 31 auf der Vorderseite der Siliciumcarbidbasis 20 in ein Silicid umgewandelt, und es wird die erste Nickelsilicidschicht 10 zum Bilden eines ohmschen Kontakts mit der Siliciumcarbidbasis 20 ausgebildet. Ein Teil 31b der ersten Nickelschicht 31 auf der Titannitridschicht 9 weist keinen Kontakt mit der Siliciumcarbidbasis 20 auf und wird somit nicht in ein Silicid umgewandelt und bleibt unverändert. Somit wird der Teil 31b entfernt, bevor die nachfolgend beschriebene Vorderelektrode 11 ausgebildet wird.
Ferner werden durch Kurzzeitausheilen 32 zum Bilden dieses ohmschen Kontakts die Körner der Titannitridschicht 9 vergrößert und die Korngröße der Titannitridschicht 9 wird größer gestaltet als im Zustand vor dem Kurzzeitausheilen 32. Dadurch können Zwischenräume der Körner der Titannitridschicht 9 kleiner gestaltet werden als die in einem Zustand vor dem Kurzzeitausheilen 32 oder beseitigt werden. Daher kann während des Kurzzeitausheilens 32 zum Bilden des ohmschen Kontakts das Eindringen von Nickel zwischen den kolumnaren Körnern der Titannitridschicht 9 von der ersten Nickelschicht 31 auf der Titannitridschicht 9 verhindert werden. Somit kann Nickel am Durchdringen der Zwischenlagen-Isolierschicht 8 (der Schicht unter der Titannitridschicht 9) von der ersten Nickelschicht 31 gehindert werden.
Insbesondere wird durch das Kurzzeitausheilen 32 eine Korngröße der Titannitridschicht 9 von beispielsweise 20 nm oder mehr und 50 nm oder weniger erzielt. Hierfür gibt es den folgenden Grund. Wenn die Korngröße der Titannitridschicht 9 kleiner ist als 20 nm, ist die Umwandlung der ersten Nickelschicht 31 in ein Silicid unzureichend und somit kann ein niedriger Kontaktwiderstand durch den ohmschen Kontakt nicht ausreichend erzielt werden. Wenn die Korngröße der Titannitridschicht 9 50 nm überschreitet, werden die Körner der Titannitridschicht 9 zu groß, wodurch ein Ablösen zwischen Körnern der Titannitridschicht 9 auftritt und Risse in der Titannitridschicht 9 entstehen.
Die Korngröße der Titannitridschicht 9 wird beispielsweise durch die Sputterbedingungen (Druck und Temperatur der Gasatmosphäre, hinzugefügte Menge an Stickstoff u. Ä.) zum Ausbilden der Titannitridschicht 9 bestimmt. Daher werden die Sputterbedingungen zum Ausbilden der Titannitridschicht 9 so bestimmt, dass sich die Korngröße der Titannitridschicht 9 im Bereich oberhalb nach dem Kurzzeitausheilen 32 befindet. Beispielsweise beträgt beim Ausbilden der Titannitridschicht 9 unter den zuvor genannten Sputterbedingungen die Korngröße der Titannitridschicht 9 etwa 20 nm oder mehr und 50 nm oder weniger nach dem Kurzzeitausheilen 32 wie zuvor beschrieben.
Anschließend wird eine zweite Nickelschicht 33 auf der gesamten Oberfläche der Rückseite (Rückseite des n⁺-Siliciumcarbidsubstrats 1) der Siliciumcarbidbasis 20 ausgebildet. Ein Verfahren zum Ausbilden der zweiten Nickelschicht 33 ist beispielsweise das gleiche wie das Verfahren zum Ausbilden der ersten Nickelschicht 31. Die zweite Nickelschicht 33 der Rückseite der Siliciumcarbidbasis 20 wird in ein Silicid umgewandelt, wodurch die zweite Silicidschicht 12 auf der Rückseite der Siliciumcarbidbasis 20 ausgebildet wird. Ein Verfahren zum Ausbilden der zweiten Nickelsilicidschicht 12 ist beispielsweise das gleiche wie das Verfahren zum Ausbilden der ersten Nickelsilicidschicht 10. Erste und zweite Nickelschicht 31, 33 können gleichzeitig auf beiden Oberflächen der Siliciumcarbidbasis 20 ausgebildet werden. Erste und zweite Nickelsilicidschicht 10, 12 können gleichzeitig auf beiden Oberflächen der Siliciumcarbidbasis 20 ausgebildet werden.
Anschließend werden eine Titan-(Ti-)Schicht und eine Aluminium-(Al-)Schicht kontinuierlich in dieser Reihenfolge durch Sputtern als Vorderelektrode 11 ausgebildet. Das Sputtern der Metallschichten zum Bilden der Vorderelektrode 11 kann beispielsweise durch Magetronsputtern unter den Bedingungen der Temperatur der Basis gleich 250 °C und einer Argongasatmosphäre mit einem Druck von etwa 0,3 Pa erfolgen. Die Dicken der Titanschicht und der Aluminiumschicht zum Bilden der Vorderelektrode 11 können beispielsweise jeweils etwa 0,1 µm und etwa 5,0 µm betragen.
Ferner kann zum Zeitpunkt des Sputterns die Dicke der Titanschicht zum Bilden der Frontelektrode 11 beispielsweise vorzugsweise etwa 1,0 µm oder weniger betragen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass, da Titan ein Hartmetall ist, wenn eine Dicke t11 der Titanschicht größer ist als 1,0 µm, Risse in der Titanschicht auftreten.
Anschließend wird die Vorderelektrode 11 strukturiert und ein Teil zum Bilden der Source-Elektrode wird freigelassen. Anschließend wird auf der Vorderflächenseite der Siliciumcarbidbasis 20 eine Polyimidschicht (nicht dargestellt) zum Bilden eines Passivierungsschutzfilms ausgebildet und beispielsweise durch eine Wärmebehandlung (Glühen) bei einer Temperatur von 380 °C gehärtet.
Durch die Wärmebehandlung zum Härten des Passivierungsschutzfilms oder durch die folgende Wärmebehandlung schreitet die Bildung einer Legierung an einer Schnittstelle der Titanschicht und der Aluminiumschicht zum Bilden der Vorderelektrode 11 fort und eine Legierungsschicht (nachfolgend als TiAl-Legierungsschicht (nicht dargestellt) bezeichnet) umfassend Titan und Aluminium wird zwischen der Titanschicht und der Aluminiumschicht ausgebildet. Somit bleibt, selbst wenn die TiAl-Legierungsschicht nicht zwischen der Titanschicht und der Aluminiumschicht zum Bilden der Vorderelektrode 11 ausgebildet wird, die Titanschicht über den gesamten Oberflächen der Titannitridschicht 9 und der ersten Nickelsilicidschicht 10.
Daher werden aus dem Inneren der Aluminiumschicht zum Bilden der Vorderelektrode 11 erzeugte Wasserstoffatome/Wasserstoffionen in der Titanschicht darunter eingeschlossen und bewegen sich nicht zu Schichten unterhalb der Titanschicht (zur Seite der Siliciumcarbidbasis 20). Somit diffundieren Wasserstoffatome/Wasserstoffionen in der Aluminiumschicht zum Bilden der Vorderelektrode 11 nicht zur Gate-Isolierschicht 6. Daher kann die Gate-Isolierschicht 6 erzielt werden, die eine stabile Gate-Schwellenspannung aufweist. Die Wasserstoffatome/Wasserstoffionen sind Partikel, die Wasserstoffatome als den kleinsten Bestandteil aufweisen und insbesondere Wasserstoffatome, Wasserstoffionen und Wasserstoffmoleküle sind.
Beispielsweise beträgt die Dicke der zwischen der Titanschicht und der Aluminiumschicht zum Bilden der Vorderelektrode 11 ausgebildeten TiAl-Legierungsschicht etwa 10 nm oder weniger und die Dicke der in der Schicht unterhalb verbleibenden Titanschicht beträgt etwa 90 nm. Der Erfinder wies nach, dass durch solch eine Struktur unter Hochtemperaturbetrieb, bei dem die Betriebstemperatur (Sperrschichttemperatur) 200 °C beträgt, die Menge der Änderung der Gate-Schwellenspannung nach Anlegen einer negativen Spannung von -3 MV/cm an der Gate-Elektrode 7 über 1.000 Stunden auf ±0,1 V oder weniger gesenkt werden kann.
Ferner muss zum Erzielen der Einschlusswirkung von Wasserstoffatome/Wasserstoffionen durch die Titanschicht zum Bilden der Vorderelektrode 11 die Dicke der nach der Wärmebehandlung verbleibenden Titanschicht etwa 10 nm oder mehr wie beschrieben betragen. Ergebnisse der Überprüfung der Konzentration der in der Titanschicht eingeschlossenen Wasserstoffmoleküle bestätigten, dass, wenn die Dicke der Titanschicht 100 nm beträgt und Wasserstoff bei 400 °C zugeführt wird, die Konzentration der in der Titanschicht eingeschlossenen Wasserstoffmoleküle 6×10¹⁷/cm² beträgt. Daher kann durch Festlegen der Dicke der nach der Wärmebehandlung verbleibenden Titanschicht auf 10 nm oder mehr wie beschrieben eine Konzentration der in der Titanschicht eingeschlossenen Wasserstoffmoleküle von 1×10¹⁵/cm² oder erzielt werden.
Ferner kann zum Erzielen einer Dicke der nach der Wärmebehandlung verbleibenden Titanschicht von 10 nm oder mehr die Dicke der durch Reagieren der Titanschicht und der Aluminiumschicht darüber ausgebildeten TiAl-Legierungsschicht beispielsweise vorzugsweise 1 nm oder mehr und 50 nm oder weniger betragen. Beispielsweise wies der Erfinder nach, dass, wenn die Temperatur der nach der Ausbildung der Vorderelektrode 11 durchgeführten Wärmebehandlung 400 °C oder höher ist, die Dicke der TiAl-Legierungsschicht 50 nm oder mehr beträgt, und wenn die Temperatur der Wärmebehandlung etwa 380 °C beträgt, die Dicke der TiAl-Legierungsschicht 10 nm oder weniger beträgt. Daher kann die nach der Ausbildung der Vorderelektrode 11 durchgeführte Wärmebehandlung vorzugsweise bei 400 °C oder weniger erfolgen.
Anschließend wird die Rückelektrode 13 auf der Oberfläche der zweiten Nickelsilicidschicht 12 ausgebildet, wodurch der in 1 dargestellte vertikale MOSFET fertiggestellt wird.
Wie beschrieben nimmt gemäß der Ausführungsform die Korngröße der zwischen der Nickelschicht und der Zwischenlagen-Isolierschicht ausgebildeten Titannitridschicht auf etwa 20 nm oder mehr und 50 nm oder weniger durch das Kurzzeitausheilen zum Bilden des ohmschen Kontakts der Siliciumcarbidbasis und der Nickelschicht zu. Somit kann während des Kurzzeitausheilens das Eindringen von Nickel von der Nickelschicht in Räume zwischen den kolumnaren Körnern der Titannitridschicht verhindert werden, wodurch ein weiteres Eindringen von Nickel in die Zwischenlagen-Isolierschicht unterhalb der Titannitridschicht verhindert werden kann. Daher können Abnahmen der Durchschlagfestigkeit der Zwischenlagen-Isolierschicht und Abnahmen der Zuverlässigkeit des Halbleiterelements verhindert werden, was vorteilhafte Elementeigenschaften ermöglicht. Ferner ist gemäß der Ausführungsform ähnlich wie bei einer herkömmlichen Struktur (siehe 8) das Anordnen der Titannitridschicht zum Abdecken der Zwischenlagen-Isolierschicht möglich und daher kann eine Wechselwirkung zwischen der Vorderelektrode und der Zwischenlagen-Isolierschicht, die durch die Titannitridschicht gegenüberliegen, verhindert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschränkt und es können verschiedene Änderungen daran in einem Umfang vorgenommen werden, der nicht von der Wesensart der Erfindung abweicht. Beispielsweise wurde in den vorhergehenden Beispielen ein vertikaler MOSFET als ein Beispiel beschrieben; die Erfindung ist aber auch auf andere Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtungen wie IGBTs anwendbar. Ferner werden ähnliche Wirkungen erzielt, wenn statt einer planaren Gate-Struktur eine Trench-Gate-Struktur verwendet wird. Ähnliche Wirkungen werden ferner erzielt, wenn ein Kurzzeitausheilen zum Umwandeln der ersten Nickelschicht in ein Silicid in einem Zustand, in dem die gesamte Oberfläche der Titannitridschicht von der ersten Nickelschicht abgedeckt ist, ohne Mustern der ersten Nickelschicht durchgeführt wird. In jeder Ausführungsform wird ein erster Leitfähigkeitstyp als eine n-Leitfähigkeit und ein zweiter Leitfähigkeitstyp als ein p-Leitfähigkeit betrachtet; die vorliegende Erfindung ist aber ähnlich anwendbar, wenn der erste Leitfähigkeitstyp eine p-Leitfähigkeit ist und der zweite Leitfähigkeitstyp eine n-Leitfähigkeit ist.
Hingegen muss herkömmlicherweise beim Ausbilden einer Nickelsilicidschicht durch Reagieren eines Siliciumcarbidsubstrats (nicht dargestellt) und einer Nickelschicht ein Kurzzeitausheilen bei einer Temperatur von 800 °C oder höher erfolgen. 8 und 9 zeigen Querschnittsansichten einer herkömmlichen Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung während der Herstellung. 8 und 9 zeigen jeweils eine Titannitridschicht 109 vor und nach dem Kurzzeitausheilen zum Bilden eines ohmschen Kontakts. Während dieses Kurzzeitausheilens wird zum Verhindern der Diffusion von Nickel von einer Nickelschicht 110 zu einer Zwischenlagen-Isolierschicht 108 die Titannitridschicht 109 zwischen der Nickelschicht 110 und der Zwischenlagen-Isolierschicht 108 ausgebildet wie in 8 dargestellt.
Eine Kristallstruktur der Titannitridschicht 109 ist eine kolumnare Struktur von in einer vertikalen Richtung auf der Substratvorderfläche gewachsenen kolumnaren Körnern. Körner der Titannitridschicht 109 sind diskontinuierlich in einer horizontalen Richtung auf der Substratvorderfläche vorhanden und es werden Zwischenräume der Körner erzeugt. Daher dringt beim herkömmlichen Verfahren wie zuvor beschrieben und in 9 dargestellt nach dem Kurzzeitausheilen Nickel 121 von der Nickelschicht 110 auf der Titannitridschicht 109 zwischen die kolumnaren Körner der Titannitridschicht 109 ein, erreicht die Zwischenlagen-Isolierschicht 108 und durchdringt die Zwischenlagen-Isolierschicht 108. Somit kann, selbst wenn die Titannitridschicht 109 zwischen der Nickelschicht 110 und der Zwischenlagen-Isolierschicht 108 angeordnet wird, das Nickel nicht vollständig am Durchdringen der Zwischenlagen-Isolierschicht 108 von der Nickelschicht 110 gehindert werden. Somit treten Probleme wie die Abnahme der Durchschlagfestigkeit der Zwischenlagen-Isolierschicht 108, die Abnahme der Zuverlässigkeit des Halbleiterelements u. Ä. auf.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann während des Kurzzeitausheilens das Eindringen von Nickel zwischen den kolumnaren Körnern der Titannitridschicht von der Nickelschicht verhindert werden, wodurch das Nickel am Durchdringen der Isolierschicht unterhalb der Titannitridschicht gehindert wird. Daher können Abnahmen der Durchschlagfestigkeit der Isolierschicht und Abnahmen der Zuverlässigkeit des Halbleiterelements verhindert werden.
Die Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erzielen eine Wirkung, die das Erzielen vorteilhafter Elementeigenschaften ermöglicht.
Wie beschrieben sind die Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung und das Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung für in Stromversorgungsvorrichtungen für Wechselrichter und zum Schalten verwendete Leistungs-Halbleitervorrichtungen nützlich.

Claims

Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung umfassend: eine auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats (20) umfassend Siliciumcarbid angeordnete isolierte Gate-Struktur; eine Isolierschicht (8) zum Abdecken der isolierten Gate-Struktur; ein die Isolierschicht (8) in einer Tiefenrichtung durchdringendes Kontaktloch (8a); eine zum Abdecken der Isolierschicht (8) angeordnete Titannitridschicht (9); und eine auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (20) im Kontaktloch (8a) angeordnete und einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat (20) bildende Nickelsilicidschicht (10), wobei eine Korngröße der Titannitridschicht (9) 20 nm bis 50 nm beträgt.
Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Titannitridschicht (9) eine Kristallstruktur aufweist, die eine aus in einer vertikalen Richtung auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (20) gewachsenen und entlang einer horizontalen Richtung auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (20) ausgerichteten kolumnaren Körnern gebildete kolumnare Struktur ist.
Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Dicke der Titannitridschicht (9) zwischen 50 nm und 150 nm beträgt.
Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Ausbilden einer isolierten Gate-Struktur auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats (20) umfassend Siliciumcarbid; Ausbilden einer Isolierschicht (8) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (20), um die isolierte Gate-Struktur abzudecken; Ausbilden eines die Isolierschicht (8) in einer Tiefenrichtung durchdringenden Kontaktlochs (8a), um die Oberfläche des Hableitersubstrats (20) selektiv freizulegen; Ausbilden einer Titannitridschicht (9) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (20), um die Isolierschicht (8) abzudecken; Ausbilden einer Nickelschicht (31) auf der Oberfläche des im Kontaktloch (8a) freigelegten Halbleitersubstrats (20); und Wärmebehandlung des Halbleitersubstrats (20) und der Nickelschicht (31) zum Reagieren und Bilden eines Silicids, wobei eine Nickelsilicidschicht (10) ausgebildet wird, die einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat (20) bildet, wobei die Wärmebehandlung so durchgeführt wird, dass eine Korngröße der Titannitridschicht (9) zunimmt, so dass Zwischenräume von Körnern der Titannitridschicht (9) kleiner werden als vor der Wärmebehandlung oder beseitigt werden, und wobei die Wärmebehandlung so durchgeführt wird, dass die Korngröße der Titannitridschicht (9) 20 nm bis 50 nm beträgt.
Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Wärmebehandlung in einem Kurzzeitausheilen bei einer Temperatur von 800 °C bis 1100 °C besteht.
Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die Nickelschicht (31) so ausgebildet wird, dass sie sich auf der Titannitridschicht (9) von der im Kontaktloch (8a) freigelegten Oberfläche des Halbleitersubstrats (20) erstreckt, und das Verfahren ferner das Entfernen eines ersten Teils der Nickelschicht (31) unter Ausschluss eines zweiten Teils der Nickelschicht (31) zum Bilden des Silicids umfasst.
Verfahren zum Herstellen einer Siliciumcarbid-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei eine Folgewärmebehandlung nach der Wärmebehandlung zum Bilden des Silicids bei einer Temperatur von 400 °C oder weniger erfolgt.