JP4013842B2

JP4013842B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4013842B2
Application number: JP2003176777A
Authority: JP
Inventors: 範彦桐谷
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: JP2005012099A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素半導体への低抵抗のオーミック・コンタクトを形成する熱処理を含む炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、炭化珪素（以下ＳｉＣと記す）の熱的、化学的に安定な性質を利用した半導体素子の研究が盛んに行われている。炭化珪素半導体の結晶は六方晶のα型と、立方晶のβ型に大別され、２Ｈ，３Ｃ，４Ｈ，６Ｈ，１５Ｒ等多くの多形が存在する。また、ＳｉＣはワイドバンドギャップ半導体のひとつであり、４Ｈタイプでは禁制帯幅が３．２６ｅＶでありシリコンの約３倍大きく、このため電気的な耐圧特性に優れ、電力制御用素子等への応用が期待されている。
【０００３】
一方、エネルギーバンドギャップが大きいために生じる製造プロセス上の課題がある。その一つにオーミック・コンタクトの形成がある。現在、良好なオーミック・コンタクトの形成プロセスは、コンタクトメタルをＳｉＣ表面に蒸着してそのままオーミック・コンタクトを得る所謂室温コンタクト法と、蒸着後に熱処理を施してＳｉＣとの界面反応層を形成する方法（ＰｏｓｔＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＡｎｎｅａｌｉｎｇ法、以下ＰＤＡ法と記す）に大別されている。
【０００４】
ＳｉＣデバイスの特徴である高温環境下での安定動作や、素子の微細化を進めるにあたって、コンタクトホールの開口にドライエッチングによる加工技術を活用すること、ならびに現在のところ熱処理を用いない室温コンタクト法ではｐ型ＳｉＣに対して良好なオーミック特性が得られないことなどを考慮すると、デバイスプロセスにおけるオーミック・コンタクトの形成には、ＰＤＡ法を用いることで設計・製造マージンを広げられるという利点がある。
【０００５】
このような特徴を有するＳｉＣを使用した従来の半導体装置としては、例えば以下に示す文献（特許文献１参照）に記載されものが知られており、炭化珪素基板と金属電極とをオーミック・コンタクトさせる製造方法の技術としては、例えば以下に示す文献（特許文献２参照）に記載されたものが知られている。
【０００６】
ＰＤＡ法によるオーミック・コンタクトの形成で用いられる金属材料として代表的なものとしては、Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｄなどがある。Ｎｉは９００〜１０００℃の熱処理でＳｉＣとの金属間化合物（シリサイド）を形成してｎ型ＳｉＣに対して良好なオーミック・コンタクトが得られだけでなく、ｐ型ＳｉＣに対してもオーミック性を示す。このため、ＳｉＣで作られるＭＯＳＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ，ＪＦＥＴなどの素子形成に広く用いられている。
【０００７】
超低損失スイッチングデバイスとして期待されているＳｉＣ縦型ＭＯＳＦＥＴに適用した例としては、例えば以下に示す文献（非特許文献１参照）に記載されたものが知られている。この文献に記載されたＳｉＣ縦型ＭＯＳＦＥＴは、ソース、ｐウェルコンタクト用材料としてＮｉを用いて、コンタクト・アニール温度を９００℃として熱処理することによってオーミック・コンタクトを形成する方法が示されている。
【０００８】
また、ゲート酸化膜の形成には、一酸化窒素ガス（ＮＯガス）を用い、反転型チャネルで高い電子移動度を得ている。ゲート電極には、シリコン半導体の製造プロセスでも広く用いられているリンを高濃度にドープしたＰｏｌｙＳｉ（ポリシリコン）が用いられている。これにより、良好なＭＯＳＦＥＴの静特性が得られることが示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−０２２１３７号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２００２−２８９５５５号公報
【００１１】
【非特許文献１】
Ｒ．Ｓｃｈｏｒｎｅｒｅｔａｌ．，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ８０，Ｎｕｍｂｅｒ２２，２００２
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の炭化珪素半導体装置を製造するにあたって、以下に示す問題を招いていた。
【００１３】
図８（ａ）ならびに同図（ｂ）は、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴと同一基板上に形成したＭＯＳキャパシタの断面構造を示す図である。図８（ａ）において、高濃度ｎ型のＳｉＣ基板８０上には、１×１０^１６ｃｍ^−３程度の不純物濃度を持つｎ型エピタキシャル層８１が１０μｍ程度の厚さに形成されている。ｎ型エピタキシャル層８１の表面には、シリコン酸化膜からなるゲート酸化膜８２が５０ｎｍ程度の厚さに、フィールド酸化膜８３が６００ｎｍ程度の厚さにそれぞれ所定の位置に形成されている。ゲート酸化膜８２からフィールド酸化膜８３上にかけては、ゲート電位を制御するための高濃度ｎ型ポリシリコン膜が３５０ｎｍ程度の厚さにＬＰＣＶＤ法によって蒸着され、フォトリソグラフィならびにエッチングによりパターニングされてゲート電極８４が形成されている。さらに、ゲート電極８４の上には、ゲート電極８４を被覆するように厚い層間絶縁膜８５が形成されている。
【００１４】
ポリシリコンのゲート電極８４に配線引出用のオーミック・コンタクトを形成するには、まずゲート酸化膜８２の直上の３５０ｎｍ厚のゲート電極８４に対向する層間絶縁膜８５を、ソース、ｐウェルコンタクトと同時に開口してコンタクトホール８６ａを形成する。その後、ソース、ｐウェルコンタクトと同じコンタクトメタル材、例えばＮｉをコンタクトホール８６ａのゲート電極８４に蒸着形成し、Ａｒ雰囲気中で１０００℃程度で、２分間程度の熱処理を加え、コンタクトメタル材のＮｉとゲート電極８４のポリシリコンとの反応層８７ａを形成する。この時、図示していないが、同一のＳｉＣ基板８０上に形成されたＭＯＳＦＥＴのソース、ｐウェルコンタクト上にも、ＮｉとＳｉＣとの反応層が形成される。
【００１５】
最後に、Ｎｉとポリシリコンとの反応層８７ａ、ならびに層間絶縁膜８５上に、ＭＯＳキャパシタの一方の電極となる引き出し電極８８を例えばＡｌで形成し、さらにＭＯＳキャパシタの他方の電極８９をＳｉＣ基板８０の裏面に形成し、ＭＯＳキャパシタが完成する。
【００１６】
一方、同図（ｂ）に示す構成では、層間絶縁膜８５を形成するまでの工程は、同図（ａ）と同様であるが、コンタクトホール８６ｂを、同図（ａ）に示すようにゲート酸化膜８２の直上ではなく、同図（ｂ）に示すように、フィールド酸化膜８３上に延伸されたポリシリコンのゲート電極８４上の層間絶縁膜８５を開口して形成し、形成されたコンタクトホール８６ｂにコンタクトメタル材のＮｉとゲート電極８４のポリシリコンとの反応層８７ｂを形成している。
【００１７】
図８（ａ）、同図（ｂ）に示すＭＯＳキャパシタのＣ（容量）−Ｖ（電圧）特性、あるいはＩ（電流）−Ｖ（電圧）特性を調べたところ、同図（ａ）ではゲート電極８４とＳｉＣ基板８０との間で大きなリーク電流が観測され、ショートモードでのゲート酸化膜８２の絶縁耐圧不良が発生した。一方、同図（ｂ）に示す構成のＭＯＳキャパシタでは、同様のリーク電流は観測されず、ゲート酸化膜８２の絶縁耐圧不良は発生しなかった。
【００１８】
このような現象は次のように説明できる。
【００１９】
３５０ｎｍ程度の厚さのポリシリコンのゲート電極８４上に蒸着形成されたオーミック・コンタクト用の金属であるＮｉは、１０００℃程度で、２分間程度のコンタクト・アニール処理によってポリシリコン中を熱拡散する。１０００℃程度におけるシリコン中のＮｉの拡散定数（Ｄ）を２×１０^−９ｃｍ^２／秒程度とすると、２分間の熱処理でシリコン中を拡散する拡散長√Ｄｔは約４．９μｍ程度となる。
【００２０】
これにより、ポリシリコン表面に蒸着されていたＮｉは、容易にポリシリコン／シリコン酸化膜（ゲート酸化膜８２）の界面に到達する。ポリシリコン／シリコン酸化膜界面に到達したＮｉは、熱処理後の冷却過程で金属間化合物（シリサイド）を形成して析出する。このとき析出したシリサイドは、シリコン酸化膜に食い込んで局所的にシリコン酸化膜を薄膜化する。このため、薄膜化した部分のシリコン酸化膜の実効的な電界が増大し、シリコン酸化膜の耐圧が低下すると考えられる。析出物がシリコン酸化膜を突き破るほど析出が激しい場合には、ピンホールによるリーク不良となる。
【００２１】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＳｉＣに対するオーミック・コンタクトの形成にともなうゲート絶縁膜の耐圧低下を防止した炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、炭化珪素半導体を基体として炭化珪素半導体装置を製造する炭化珪素半導体装置の製造方法において、前記炭化珪素半導体の一表面上に、第１の絶縁膜を選択的に形成する第１の工程と、前記炭化珪素半導体の一表面上に、ゲート絶縁膜を選択的に形成する第２の工程と、前記第１の工程で形成された第１の絶縁膜上、ならびに前記第２の工程で形成されたゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する第３の工程と、前記ゲート電極の表面を選択的に第２の絶縁膜で被覆する第４の工程と、全面に層間絶縁膜を形成し、前記第２の絶縁膜上の前記層間絶縁膜、ならびに前記炭化珪素半導体にオーミック・コンタクトを形成するオーミック・コンタクト形成領域上の前記層間絶縁膜を選択的に除去する第５の工程と、前記第５の工程で前記層間絶縁膜を選択的に除去した、前記第２の絶縁膜上ならびに前記オーミック・コンタクト形成領域上に、第１の金属膜を形成する第６の工程と、前記オーミック・コンタクト形成領域上に形成された第１の金属膜と前記炭化珪素半導体とを反応させて、金属間化合物を形成する第７の工程と、前記ゲート電極上に形成された前記第２の絶縁膜ならびに前記第１の金属膜を選択的に除去する第８の工程と、前記ゲート電極上ならびに前記金属間化合物上に、第２の金属膜を選択的に形成する第９の工程とを有することを特徴とする。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、炭化珪素半導体とのオーミック・コンタクトに用いる金属が拡散することによるゲート絶縁膜における絶縁耐圧の低下を防止し、高信頼性の炭化珪素半導体装置を製造することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００２５】
図１、図２、図３ならびに図４は本発明の第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の工程を示す断面図である。以下に説明するこの第１の実施形態の製造方法は、本発明をＳｉＣの縦型ＭＯＳＦＥＴに適用した一実施形態である。
【００２６】
まず、図１（ａ）において、高濃度ｎ型のＳｉＣ基板１上に、低濃度ｎ型のエピタキシャル層２を形成する。ＳｉＣ結晶は多くの多形があるが、２Ｈ，４Ｈ，６Ｈ，３Ｃ，１５Ｒなどいずれの多形を用いても構わない。また、ＳｉＣ基板１表面の面方位についても例えば４Ｈタイプで多くの研究がなされており、（０００１）、（０００−１）、（１１−２０）、（０３−３８）など何れを用いても以下同様の構成により製造が可能である。
【００２７】
次に、図１（ｂ）において、エピタキシャル層２上に、リン、窒素などのイオン注入によって高濃度ｎ型領城であるソース領域５と、Ａｌ、ボロンなどのイオン注入によってｐ型領域であるｐウェル領域３と、ｐウェル領域３の表面濃度を高くしオーミック・コンタクトを得られやすくするための高濃度ｐ型領域（ｐ^＋型のｐウェルコンタクト）４をそれぞれ形成する。これらのイオン注入は、導入する不純物が電気的に活性化し易いようにＳｉＣ基板１を５００〜１０００℃程度の高温状態で行うことが一般的である。
【００２８】
このような所謂高温イオン注入によって所定の領域に不純物を導入後、概ね１５００〜１８００℃程度の温度範囲でアニール処理を行い、導入した不純物を電気的に活性化させる。アニール処理の時間、雰囲気などの条件は、アニール装置の形態による依存性が大きいが、例えばランプによる急速高温アニール（ＲＴＡ）処理の場合には、不純物の活性化、エピタキシャル層２の表面の荒れなどを考慮して、１〜１０分間程度、Ａｒガス中で行う。
【００２９】
図１（ｂ）には示していないが、高温熱酸化によりエピタキシャル層２の表面上に１０〜５０ｎｍ程度の厚さの熱酸化膜を成長させ、一旦これをＨＦ溶液等でエッチング除去する。この工程を行うことにより、エピタキシャル層２の表面を清浄に露出することができる。なお、ここで形成される熱酸化膜は一般的に犠牲酸化膜と呼ばれ、良質なゲート酸化膜の形成やＳｉＣと金属との良好なオーミック・コンタクト形成には極めて重要なプロセスであり広くその効用が認められている。なお、犠牲酸化工程は、その効果と製造上の作り易さなどを勘案して、ゲート酸化膜形成の直前で行ってもよい。
【００３０】
次に、図１（ｃ）において、エピタキシャル層２の表面上に常圧ＣＶＤ法により厚いシリコン酸化膜を形成し、所定の領域をフォトリソグラフィ、エッチングによって除去し、フィールド酸化膜６となる領域を形成する。なお、厚いシリコン酸化膜は熱酸化法で形成してもよいが、ＳｉＣの結晶面方位によって酸化速度が大きく異なるため、適宜選択すればよい。
【００３１】
例えば熱酸化法によるドライ酸素酸化の場合には、４Ｈ−ＳｉＣでは（０００１）面よりも（０００−１）面の酸化速度は概ね１０倍の酸化速度となるので、（０００−１）面上に厚い酸化膜を形成する場合には、熱酸化法を用いてもよい。なおこの場合には、熱酸化によってＳｉＣ基板１上に形成されるソース領域５、ｐウェルコンタクト領域４、ｐウェル領域３が酸化種の侵入によって接合深さが浅くなったり、消失しないように酸化条件を決める必要がある。
【００３２】
また、フィールド酸化膜６がゲート絶縁膜と同質の材料である場合には、本発明が従来技術の問題点とした、図５に示すような温度特性を有する拡散係数の金属原子における拡散に起因するゲート絶縁膜の絶縁耐圧不良が発生しないようにするために、ゲート絶縁膜の膜厚以上の膜厚が必要であることは言うまでもない。また、厚いフィールド酸化膜６をシリコン酸化膜で形成する場合には、概ね０．３〜１．０μｍ程度の膜厚が用いられる。
【００３３】
次に、図２（ｄ）において、高温熱酸化雰囲気中でフィールド酸化膜６の領域以外の露出した表面を酸化し、ＭＯＳ構造のゲート酸化膜７を形成する。ＭＯＳ構造のゲート酸化膜の形成方法は多くの手法が研究、開発されている。また、この酸化方法については、結晶の面方位によっても最適な温度、雰囲気、アニール等の条件が異なるとされているので、適宜最適なプロセス条件を選択する。例えば、４Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面については、ＮＯガスを用いた酸化あるいはアニール方法が提案されている。
【００３４】
次に、図２（ｅ）において、ゲート酸化膜７が形成された後、ＳｉＣの表面に多結晶シリコンを３５０ｎｍ程度の厚さとなるように減圧ＣＶＤ法によりデポジションする。多結晶シリコンはゲート電極として用いるので低抵抗であることが必要である。このため、減圧ＣＶＤ法によるデポジション中にリン、ボロンなどの不純物元素を含むガスを混合するか、もしくは多結晶シリコンのデポジション後に液体拡散法、スピンコート法にアニールを加えた方法などの手法によって同様にリン、ボロンなどの不純物を高濃度に導入する。
【００３５】
その後、フォトリソグラフィを行い、ドライエッチングによって多結晶シリコンをパターニングして、フィールド酸化膜６ならびにゲート酸化膜７上にゲート電極８を形成する。同図（ｅ）では、ゲート酸化膜７上の多結晶シリコンとフィールド酸化膜上の多結晶シリコンとに分離して記載しているが、同図（ｅ）ではオーミック・コンタクトに関する説明を中心にしているので省略している部分がある。実際には、これらの多結晶シリコンは一体の構造であり電気的に同一電位である。すなわち、同図（ｅ）中では、フィールド酸化膜６上のゲート電極８とゲート酸化膜７上のゲート電極８は、別々に記載されているが、同図（ｅ）はあくまで断面図であるための記載であり、例えばチャネル領域の形状を円形、六角形、四角形などの多角形として電気的に繋がった一体のゲート電極８としている。
【００３６】
続いて、多結晶シリコンのエッチングによって露出したゲート酸化膜７を、フィールド酸化膜６が著しく後退しないように希フッ酸溶液などの精密に調整されたウェットエッチングにより除去する。
【００３７】
次に、図２（ｆ）に示すように、パターニングされた多結晶シリコンの表面を選択的にシリコン酸化膜９で被覆する。シリコン酸化膜９の形成方法としては、通常のＣＶＤ法では先にエッチングにより露出させたＳｉＣの表面にもデポジションされてしまうので熱酸化法が好ましい。また、熱酸化法においても、ＳｉＣと多結晶シリコンとの酸化速度の差が大きいほど望ましい。
【００３８】
一般的な反応管による熱酸化の酸化速度は温度と雰囲気に依存する。温度に関しては、ＳｉＣはシリコンに比べて酸化の活性化エネルギーが大きく、低温では殆ど酸化しない。発明者らの実験によれば、例えば４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）面をドライ酸素酸化では１１００℃、４２０分程度の酸化処理ではせいぜい３０ｎｍ程度の厚さの熱酸化膜しか成長しない。一方、同一条件でシリコン単結晶基板を酸化すると約６００ｎｍ程度酸化するので、２０倍の酸化速度比となる。
【００３９】
更に、酸化雰囲気中の水蒸気分圧（Ｐ_Ｈ２Ｏ）が高い条件では、ＳｉＣとシリコンの酸化速度比は更に増大する。図６は発明者らが実施した、熱酸化法の一つである超純水を直接反応間内部に導入するＨ_２Ｏ直接酸化法による、ＳｉＣ上およびシリコン上酸化膜厚の酸化雰囲気中の水蒸気分圧依存性を示している。図６において、水蒸気分圧を１．０にすれば、１１００℃程度の酸化温度でもＳｉＣ上の酸化速度は非常に小さくなる。一方、シリコン上の酸化膜は厚く形成されるので、ＳｉＣの酸化速度比はほぼ無限大に近く大きくすることができる。
【００４０】
これらの実験事実から、低温で水蒸気分圧が高い雰囲気中での酸化を行うことで、多結晶シリコンの表面にのみ選択的に酸化膜を成長させることが可能となる。
【００４１】
多結晶シリコン上のシリコン酸化膜９は、ゲート電極８上のコンタクトホールの形成において、ＳｉＣ上へのオーミック・コンタクト材である金属薄膜を多結晶シリコンに接触させないための役割があり、また最終的に除去してしまうので１０〜２００ｎｍ程度の膜厚があればよい。
【００４２】
次に、図３（ｇ）において、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などの３００〜４００℃程度の比較的低温で成膜可能な方法により、表面を被覆するように厚い層間絶縁膜１０を形成する。ここで、ゲート電極８上に形成される層間絶縁膜１０の厚さは、少なくともＳｉＣにオーミック・コンタクトを形成するオーミック・コンタクト形成領域上に形成される層間絶縁膜１０の厚さより相対的に厚く形成される。ゲート電極８上に形成される層間絶縁膜１０を、オーミック・コンタクト形成領域上に形成される層間絶縁膜１０の厚さよりも厚く形成する方法としては、ＳｉＣの表面よりゲート電極８の表面の方が熱酸化による酸化速度が大きい熱酸化条件を用いることにより形成される。
【００４３】
この層間絶縁膜１０としては、例えばリン、ボロンを数モル％含んだ所謂ＰＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜などを用いることができる。これによりゲート電極８とソース電極（図示せず）とを電気的に絶縁分離できる。
【００４４】
次に、図３（ｈ）に示すように、ＳｉＣ基板１上に形成されているｎ^＋型のソース領域５ならびに高濃度ｐ型領域４と、フィールド酸化膜６上に延伸されたゲート電極８への引き出し電極の形成のためのコンタクトホールを開口するために、フォトリソグラフィにより所定の位置に選択的にフォトレジストパターン１１を形成する。
【００４５】
続いて、ドライエッチングあるいはウエットエッチングにより、ＳｉＣ基板１上の露出された層間絶縁膜１０が完全に除去されるようにエッチングを行い、コンタクトホールを形成する。この時、フィールド酸化膜６上のゲート電極８を形成するポリシリコン上にはシリコン酸化膜９が形成されているので、ソース領域５、高濃度ｐ型領域４上の層間絶縁膜１０が除去された場合であっても、ゲート電極８上に開口されたコンタクトホールの底部には薄いシリコン酸化膜９が残る。勿論、過剰にエッチングを加えればゲート電極８上のシリコン酸化膜９も除去されてしまうので、層間絶縁膜１０の膜厚を勘案してエッチング条件が決められる。
【００４６】
次に、電子ビーム蒸着、スパッタリング法などにより第１の金属膜１２としてＮｉ，Ｔｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｎｂ，Ｗ，Ｈｆ，Ｖ，Ｔａ，Ｆｅ，Ｍｏ，Ｃｏ，Ｚｒなどの金属を単体もしくは適宜組み合わせ、あるいはこれらの金属のシリサイド膜を５０〜３００ｎｍ程度の厚さに蒸着する。蒸着する金属材料は、ｎ型／ｐ型ＳｉＣに対してそれぞれオーミック・コンタクトが得られる金属材料を選択する。例えばＮｉでは、蒸着後８００〜１０００℃程度の温度でアニールすることによりシリサイドを形成し、ｎ型ＳｉＣに対して１０^−６Ω・ｃｍ^２台程度の良好なオーミック・コンタクトが得られる。さらに、ｐ型ＳｉＣに対しても
１０^−３Ω・ｃｍ^２台程度のオーミック・コンタクトが得られる。これにより、一度の蒸着でｎ，ｐ型領域同時にオーミック・コンタクトの形成が可能となる。
【００４７】
この第１の実施形態では、ｎ型のソース領域５、高濃度ｐ型領域４に対して同一の金属で同一コンタクトホール内でオーミック・コンタクトを形成する構成としている。しかし、それぞれの領域に対して個別にコンタクトホールをフォトリソグラフィ、エッチングによって開口形成し、ｐ型、ｎ型に対してオーミック・コンタクトの抵抗値が最も低くなるように異なる金属を用いてもよい。また、前記金属材料にＡｌ，Ｂなどの元素を適宜混合し、特にｐ型ＳｉＣに対して低低抗となる薄膜構造としてもよい。
【００４８】
第１の金属膜１２は、ＳｉＣ上のフォトレジストパターン１１上、ソース領域５ならびに高濃度ｐ型領域４上のコンタクトホールの底部、ゲート電極８上のコンタクトホールの底部に蒸着される。ソース領域５ならびに高濃度ｐ型領域４上のコンタクトホールの底部の第１の金属膜１２は、直接ＳｉＣ表面に接するが、ゲート電極８のコンタクトホールの底部に蒸着された第１の金属膜１２は、シリコン酸化膜９上に蒸着され、ゲート電極８を形成するポリシリコンとは接しない。
【００４９】
次に、図３（ｉ）において、アセトンなどのフォトレジスト材を溶解する溶剤中に浸し、フォトレジストパターン１１ならびにフォトレジストパターン１１上の第１の金属膜１２を除去し、所謂リフトオフ法によってコンタクトホール底部のみに第１の金属膜１２を残す。フォトレジストパターン１１を溶解する際に、溶液に超音波を印加すれば効果的に余分な金属膜を除去することができる。
【００５０】
この時、使用するフォトレジストの種類や製造方法、層間絶縁膜１０のエッチング方法などによって、コンタクトホールの形状が変わるのでＳｉＣ上のコンタクトホールだけでなく、ゲート電極８上のコンタクトホールの内部にも第１の金属膜１２が残ってしまう場合がある。その場合には、以下のような方法によりＳｉＣに直接接した第１の金属膜１２のみをＳｉＣ上に残すことができる。
【００５１】
次に、図４（ｉ−１）を参照して、上記第１の方法を説明する。この方法は、フッ酸濃度を調整した希フッ酸溶液、もしくはバッファードフッ酸溶液などにより、第１の金属膜１２とゲート電極８との間に挟まれている薄いシリコン酸化膜９をエッチングすることによりＮｉなどの第１の金属膜１２をリフトオフさせて選択的に除去する。この方法おいては、フッ酸溶液によって著しくエッチングされないＮｉなどの金属を用いている場合に特に有効である。また、先のフォトレジストパターン１１のリフトオフプロセス前に行えば、層間絶縁膜１０の損傷をより少なくすることができる。
【００５２】
図４（ｉ−１）において、まず熱処理（ＰＤＡ）を行い、第１の金属膜１２とＳｉＣとの金属間化合物１３を形成する。Ｎｉを第１の金属膜１２として用いた場合には、例えば先に述べたようなアニール条件で熱処理（ＰＤＡ）を行えば、ＳｉＣとの金属間化合物１３が形成できる。
【００５３】
続いて、フッ酸濃度を調整した希フッ酸溶液、バッファードフッ酸溶液などによりゲート電極８上に残った薄いシリコン酸化膜９を除去する。この時、層間絶縁膜１０、ＳｉＣ上に開口したコンタクトホール内に形成された第１の金属膜１２、あるいは第１の金属とＳｉＣとの金属間化合物１３もフッ酸溶液に晒されるが、比較的低温で短時間の処理を行えば他の領域に損傷を与えることなくゲート電極８上のシリコン酸化膜９を除去することが可能である。
【００５４】
一回のフォトリソグラフィ工程によって形成したコンタクトホールにおいて、上述した第１の方法によりＳｉＣ上のコンタクトホールの内部にのみ、ＳｉＣとのオーミック・コンタクトが得られる金属間化合物１３を形成した金属層を選択的に形成することができる。
【００５５】
次に、図４（ｊ）において、ＳｉＣに対してオーミック・コンタクトを得るための金属間化合物１３をＳｉＣ上のコンタクトホール内部に選択的に形成し、ゲート電極８上のコンタクトホールではゲート電極８の表面を露出させた後、第２の金属膜をＥＢ、スパッタリング法などの方法で蒸着する。第２の金属膜としては、ゲート電極材ならびに金属間化合物１３の双方に対して低抵抗のコンタクトが得られることが必要である。また、第２の金属膜は引出し電極としての役割があり、層間絶縁膜１０との接着性が高い例えばＡｌなどの金属が望ましい。さらに、第２の金属膜は複数の異なる元素からなる合金膜、あるいは積層構造を有する金属層でもよい。例えばＴｉ／Ａｌ，Ｔｉ／Ａｌ／Ｗなどでもよい。
【００５６】
続いて、第２の金属膜をフォトリソグラフィ、エッチングによってパターニングして、ゲート電極８に接合したゲート電極パッド１４と、金属間化合物１３に接合したソース電極パッド１５とを形成する。
【００５７】
最後に、製造工程途中で形成された余分な酸化膜、ＣＶＤ膜などをエッチングもしくは研削処理などによって適宜除去した後、ＳｉＣ基板１の裏面に、ＳｉＣ基板１である高濃度ｎ型のＳｉＣに良好なオーミック・コンタクトを形成できる金属膜を蒸着し、ドレイン電極１６をＳｉＣ基板１の裏面に形成し、縦型ＭＯＳＦＥＴが完成する。
【００５８】
上記第１の実施形態においては、第１の金属膜１２をＳｉＣとのオーミック・コンタクト形成領域にのみオーミックコンタクト用の第１の金属膜１２を形成するようにしているので、ＳｉＣへの低抵抗のオーミック・コンタクトを形成する際に行われる高温熱処理によって、オーミック・コンタクトに用いる第１の金属膜１２の金属材料原子がゲート電極８中を熱拡散し、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧が低下することを防止することができる。これにより、高い信頼性を有する炭化珪素半導体装置のＭＯＳＦＥＴ素子を提供することができる。
【００５９】
また、上記第１の実施形態においては、ゲート電極８の材料として多結晶シリコンを用いる構成としたため、高温のアニール処理を行うことなく金属とのオーミック・コンタクトを容易に形成できる。
【００６０】
さらに、上記第１の実施形態においては、ゲート電極８上の層間絶縁膜１０をＳｉＣ上よりも相対的に厚く形成する方法として、ゲート電極８の形成後に、ＳｉＣ表面よりゲート電極８の表面の方が熱酸化による酸化速度が大きい熱酸化条件を用いることにより、高精度にゲート電極８上の層間絶縁膜１０をＳｉＣ上よりも相対的に厚く形成することが可能となる。これにより、ＳｉＣとゲート電極８とのオーミック・コンタクトを異種の金属材料を用いることが可能となる。
【００６１】
また、上記第１の実施形態においては、ＳｉＣと金属とのオーミック・コンタクトの形成にあたって、オーミック・コンタクトを形成する第１の金属膜１２を蒸着後高温熱処理を行いその後第２の金属膜によってゲート電極８へのオーミック・コンタクトの形成と第１の金属膜に対するオーミック・コンタクトの形成を行うようにしているので、ＳｉＣへの低抵抗のオーミック・コンタクトを形成する際に行われる高温熱処理によって、オーミック・コンタクトに用いる第１の金属膜１２の金属材料原子がゲート電極８中を熱拡散し、ゲート絶縁膜の絶縁耐圧が低下することを防止することができる。
【００６２】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００６３】
図７は本発明の第２の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。この第２の実施形態は、先の第１の実施形態に対して、図３（ｉ）においてＳｉＣに直接接した第１の金属膜１２のみを、ＳｉＣとの金属間化合物１３という形でＳｉＣ上に残す第２の方法の実施形態であり、その特徴とするところは、ＳｉＣ上に形成されたコンタクトホール及びゲート電極８上に形成されたコンタクトホール内に第１の金属膜１２が蒸着形成された状態で、高温の熱処理を行うことにある。他の工程は、先の第１の実施形態と同様である。
【００６４】
図７において、図３（ｉ）に示す工程が終了した後、フォトレジストパターン１１のリフトオフプロセスによりコンタクトホール内部にのみ第１の金属膜１２が形成されており、層間絶縁膜１０上には第１の金属膜１２は残存していない。ＳｉＣ上の第１の金属膜１２は、高温の熱処理によってＳｉＣとの間で金属間化合物１３を形成する。ゲート電極８上のコンタクトホール内でシリコン酸化膜９上に形成された第１の金属膜１２は金属間化合物を形成できず、第１の金属膜１２の形態を維持する。
【００６５】
例えば、Ｎｉは９００〜１０００℃、１〜１０分程度の熱処理でＳｉＣと反応し、ニッケルシリサイド（例えばＮｉＳｉ_２）を形成するが、シリコン酸化膜９と接するＮｉは金属間化合物を形成する反応は起こらない。ニッケルシリサイドは硫酸、りん酸、硝酸溶液にはエッチングされないが、フッ酸を含む溶液にはエッチングされる。一方、Ｎｉは例えば硝酸とアセトンとの混合液などによりエッチングされる。従って、一旦Ｎｉをエッチングするエッチング液によってゲート電極８上のコンタクトホール内部のＮｉのみをエッチングして除去する。続いて、ゲート電極８上のコンタクトホール底部に残っている薄いシリコン酸化膜９を希フッ酸溶液でエッチングしゲート電極８の表面を露出させる。なお、希フッ酸溶液によるニッケルシリサイドとシリコン酸化膜のエッチング速度比は大きい程よい。
【００６６】
このような第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができ、かつＳｉＣ上に直接接した第１の金属膜を、金属間化合物１３としてＳｉＣ上に残すことができる。
【００６７】
なお、上記実施形態においては、ｎ型のＳｉＣ基板を用いた実施形態を説明したが、素子の種類によりｐ型のＳｉＣ基板を用いた場合には、勿論ｐ型ＳｉＣに対してオーミック・コンタクトを形成するのに適当な金属材料、工法が用いられるのは言うまでもない。
【００６８】
また、上記実施形態においては、縦型ＭＯＳＦＥＴを一例に説明したが、ＭＯＳＦＥＴのドレイン領域を、ソース領域ならびにゲート電極と同一の基板表面に形成する横型のＭＯＳＦＥＴにも適用できる。さらに、所謂パワー素子だけでなくＭＯＳ構造を有するセンサーなどであっても上述した製造方法は適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の工程を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の工程を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の工程を示す断面図である。
【図５】金属原子におけるシリコン中の拡散係数の温度特性を示す図である。
【図６】ＳｉＣ上の酸化膜厚ならびにＳｉ上の酸化膜厚と水蒸気分圧との関係を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の工程を示す断面図である。
【図８】従来の炭化珪素半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１，８０…ＳｉＣ基板
２，８１…エピタキシャル層
３…ｐウェル領域
４…ｐ型領域
５…ソース領域
６，８３…フィールド酸化膜
７，８２…ゲート酸化膜
８，８４…ゲート電極
９…シリコン酸化膜
１０，８５…層間絶縁膜
１１…フォトレジストパターン
１２…第１の金属膜
１３…金属間化合物
１４…ゲート電極パッド
１５…ソース電極パッド
１６…ドレイン電極
８６ａ，８６ｂ…コンタクトホール
８７ａ，８７ｂ…反応層
８８…引き出し電極
８９…電極

Claims

炭化珪素半導体を基体として炭化珪素半導体装置を製造する炭化珪素半導体装置の製造方法において、
前記炭化珪素半導体の一表面上に、第１の絶縁膜を選択的に形成する第１の工程と、
前記炭化珪素半導体の一表面上に、ゲート絶縁膜を選択的に形成する第２の工程と、
前記第１の工程で形成された第１の絶縁膜上、ならびに前記第２の工程で形成されたゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する第３の工程と、
前記ゲート電極の表面を選択的に第２の絶縁膜で被覆する第４の工程と、
全面に層間絶縁膜を形成し、前記第２の絶縁膜上の前記層間絶縁膜、ならびに前記炭化珪素半導体にオーミック・コンタクトを形成するオーミック・コンタクト形成領域上の前記層間絶縁膜を選択的に除去する第５の工程と、
前記第５の工程で前記層間絶縁膜を選択的に除去した、前記第２の絶縁膜上ならびに前記オーミック・コンタクト形成領域上に、第１の金属膜を形成する第６の工程と、
前記オーミック・コンタクト形成領域上に形成された第１の金属膜と前記炭化珪素半導体とを反応させて、金属間化合物を形成する第７の工程と、
前記ゲート電極上に形成された前記第２の絶縁膜ならびに前記第１の金属膜を選択的に除去する第８の工程と、
前記ゲート電極上ならびに前記金属間化合物上に、第２の金属膜を選択的に形成する第９の工程と
を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記ゲート電極は、高濃度に不純物が導入された多結晶シリコンで形成される
ことを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記炭化珪素半導体の表面より前記ゲート電極の表面の方が熱酸化による酸化速度が大きい熱酸化条件を用いることにより、前記ゲート電極上の前記層間絶縁膜の厚さは、前記オーミック・コンタクト形成領域上の前記層間絶縁膜の厚さよりも相対的に厚く形成される
ことを特徴とする請求項１又は２記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。