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JP2009043880A - 炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置 - Google Patents

炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置 Download PDF

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JP2009043880A JP2007206541A JP2007206541A JP2009043880A JP 2009043880 A JP2009043880 A JP 2009043880A JP 2007206541 A JP2007206541 A JP 2007206541A JP 2007206541 A JP2007206541 A JP 2007206541A JP 2009043880 A JP2009043880 A JP 2009043880A
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将志 林
Masao Uchida
正雄 内田
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Abstract

【課題】同一のオーミック電極形成条件であっても、n型不純物領域では特性を改善させ、p型不純物領域ではオーミック特性を維持することができる炭化珪素半導体装置の製造方法、炭化珪素半導体装置を提供すること。
【解決手段】リンを含む第1層間絶縁膜12を用いる場合に、p型不純物領域7上にリンを含まない第2層間絶縁膜を形成することによって第1層間絶縁膜12をp型不純物領域7に直接的に接触させないことができるので、第1層間絶縁膜12からp型不純物領域7へのリンの拡散を防止することにより、p型コンタクトのオーミック性を劣化させることない。また、n型不純物領域5にリンを含む第1層間絶縁膜12を接触させて熱処理することにより、n型不純物領域5にリンを拡散させたリン拡散不純物領域13を形成でき、n型コンタクトの特性を改善したオーミック電極を形成することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置に関し、特にn型及びp型オーミック電極を有する炭化珪素半導体装置及びその製造方法に関する。
パワーエレクトロニクス用のデバイスとして、シリコン(Si)半導体を用いたパワーデバイスが従来、用いられている。パワーエレクトロニクス用のデバイスは、より高周波かつ大電流で動作することが求められており、さまざまな研究開発により、シリコンパワーデバイスの性能向上が図られてきた。
しかし、近年、シリコンパワーデバイスの性能は、理論限界に近づきつつある。また、パワーデバイスは、高温や放射線等の悪環境下における動作が求められる場合があるが、シリコン半導体は、このような悪環境下には適していない。このため、シリコンに替わる半導体材料を用いたデバイスの研究がなされている。
種々の半導体の中で、炭化珪素半導体は、広い禁制帯幅(4H型の場合、3.26eV)を持ち、高温での電気伝導制御や耐放射線性に優れる。また、シリコンより約1桁高い絶縁破壊電界を有し、高耐圧化に優れる。またシリコンの約2倍の電子の飽和ドリフト速度を有し、高周波大電力制御を可能とする。これらの半導体としての物性から、炭化珪素は、より高周波かつ大電流で動作するパワーデバイス用の半導体材料として期待されている。
炭化珪素(SiC)を用いて、MISFET等の素子が形成する場合、n型及びp型炭化珪素上にオーミック電極の形成が必要となる。特にp型の不純物濃度を高濃度化した上で、ニッケル(Ni)またはチタン(Ti)を用いて、1000℃前後の高温での合金化が必須となる。また、層間膜材料にPSGや、BSGを用いて、MOSFETやバイポーラTr等の素子特性改善を実現するものは、特許文献1や特許文献2に開示されている。
特開昭59−147454号公報 特開昭61−176154号公報
図9は、オーミック電極を有する従来の炭化珪素半導体装置の構造の一部を模式的に示している。図9に示すように、n型不純物領域105とp型不純物領域107が近接するようなコンタクト構造の場合、同一金属材料、構造のオーミック電極115の形成が一般的である。また、PSGからなる層間絶縁膜112は炭化珪素層102を覆うようにゲート110の上に形成されている。
本発明者は、鋭意研究の結果、リンを含む層間絶縁層112から炭化珪素層102(n型不純物領域105やp型不純物領域107)へリンが比較的低温な熱処理条件下で拡散する現象を新たに発見した。本発明は、上述発見に基づきなされたものであって、同一のオーミック電極形成条件であっても、n型不純物領域105では特性を改善させ、p型不純物領域107ではオーミック特性を維持することを目的とする。
上記課題を解決するために、本願発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素層を有する炭化珪素基板と、前記炭化珪素層の表面に接するように前記炭化珪素層中に設けられたn型不純物を含むn型不純物領域と、前記n型不純物領域に近接するように設けられたp型不純物を含む不純物領域と、前記炭化珪素層の表面を覆うリンを含むシリコン酸化膜からなる第1層間絶縁膜と、前記n型不純物領域及び前記p型不純物領域上に設けられたオーミック電極と、備える半導体装置の製造方法であって、前記炭化珪素層を含む炭化珪素半導体基板を用意する工程(a)と、前記p型不純物領域上にのみリンを含まない第2層間絶縁膜を形成する工程(b)と、前記n型不純物領域に接触させ、かつ、前記炭化珪素層及び前記第2層間絶縁膜を覆うように前記第1層間絶縁膜を形成し、熱処理によりn型不純物領域の表面上にリンを拡散する工程(c)と、前記第1層間絶縁膜の前記n型不純物領域及び前記p型不純物領域上にコンタクトを形成してオーミック電極を形成する工程(d)と、を含む。
好適な実施形態として、前記工程(b)において、前記p型不純物領域上にのみに前記第2層間絶縁膜が設けられるように、不要な部分の除去をドライエッチングする。
好適な実施形態として、前記熱処理を850℃以上1000℃以下の温度で行う。
好適な実施形態として、前記工程(d)において、オーミック電極材料にニッケルを用いて、不要な部分をパターニングにより除去した後、熱処理によりニッケルシリサイド層を形成する。
好適な実施形態として、前記工程(d)において、オーミック電極材料にニッケルを用いて、熱処理により、ニッケルシリサイド層を形成した後、未反応ニッケル層をウェットエッチングにより選択的に除去して形成する。
好適な実施形態として、前記工程(d)において、オーミック電極材料にチタンを用いて、不要な部分をパターニングにより除去した後、熱処理により、チタンシリサイド層及び窒化チタン層を形成する。
好適な実施形態として、前記工程(d)において、オーミック電極材料にチタンを用いて、熱処理により、チタンシリサイド層を形成した後、未反応チタン層及び窒化チタン層をウェットエッチングにより選択的に除去して形成する。
本願発明の炭化珪素半導体装置は、炭化珪素層を有する炭化珪素基板と、前記炭化珪素層の表面に接するように、前記炭化珪素層中に設けられたn型不純物を含む不純物領域と、前記n型不純物領域の表面に設けられたリンを含む高濃度n型不純物領域と、前記n型不純物領域に近接するように設けられたp型不純物を含む不純物領域と、前記炭化珪素層の表面を覆う、リンを含むシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜と前記n型不純物領域及び前記p型不純物領域上に設けられたオーミック電極と、を備える。
好適な実施形態として、前記高濃度n型不純物領域におけるリンが、前記層間絶縁膜から拡散したリンを含む。
好適な実施形態として、前記p型不純物領域中には、リンを含まない。
好適な実施形態として、前記オーミック電極は、ニッケルシリサイド層、チタンシリサイド層、窒化チタン層の群から選択された少なくとも1つの材料を含む。
本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法及び炭化珪素半導体装置によれば、リンを含む第1層間絶縁膜を用いる場合に、p型不純物領域上にリンを含まない第2層間絶縁膜を形成することによって第1層間絶縁膜をp型不純物領域に直接的に接触させないことができるので、第1層間絶縁膜からp型不純物領域へのリンの拡散を防止することにより、p型コンタクトのオーミック性を劣化させることない。また、n型不純物領域にリンを含む第1層間絶縁膜を接触させて熱処理することにより、n型不純物領域にリンを拡散させることができ、n型コンタクトの特性を改善したオーミック電極を形成することができる。
本発明者は、炭化珪素(SiC)半導体において、比較的低温な熱処理条件下(1000℃前後)においても、従来技術である図9におけるリンを含む層間絶縁層112から炭化珪素層102上に形成されてたn型不純物領域105やp型不純物領域107へ、リンが拡散する現象を新たに発見した。更に、このリンの拡散によってオーミック特性に影響を及ぼすことを発見した。以下に、詳しく説明する。
図2は、層間絶縁膜としてリンを含むPSGを用いた場合とリンを含まないシリコン酸化膜(p−SiO)を用いた場合において、n型またはp型不純物領域上に、ニッケル膜を100nm蒸着し、950℃、2分の高温熱処理により、ニッケルシリサイド層を形成した場合のコンタクトの電流電圧特性の層間膜材料比較を示している。なお、図2(a)はn型不純物領域の場合のグラフであって、n型不純物領域は窒素イオン注入(不純物濃度:5×1019cm−3)により形成した。図2(b)はp型不純物領域の場合のグラフであって、p型不純物領域は、アルミイオン注入(不純物濃度:8×1020cm−3)により形成した。それぞれ、横軸は電圧、縦軸は電流である。
図2に示すように、950℃という炭化珪素半導体では比較的低温な熱処理条件下において、層間膜材料にPSGを用いた場合に、リンを含まないシリコン酸化膜(p−SiO)を用いた場合と比較して、オーミック電極形成条件が同一であっても、n型では特性が改善することがわかる。一方、p型ではオーミック特性であったのが、非オーミック特性に劣化することが分かる。これは、PSG堆積後の高温熱処理(今回の場合、950℃、30分)により、n型、p型不純物領域の表面にリンが拡散し、n型では表面の実効的な不純物濃度が増加し、p型では低下したためである。
以下、上述発見に基づいた実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
以下、本発明による炭化珪素半導体装置の製造方法を説明する。本実施形態は、第1の実施形態に係る炭化珪素半導体装置の製造方法であり、図3(a)〜(l)は、その製造工程での断面図である。
まず、図3(a)に示すように、4H−SiCの(0001)面から8度のオフ角を持つ炭化珪素基板1を用意する。炭化珪素基板1には、n型不純物が8×1018cm−3程度ドープされている。熱CVD等により、炭化珪素基板1の主面上に炭化珪素基板1よりも低濃度のn型不純物を含む高抵抗の炭化珪素層2をエピタキシャル成長させる。このとき、例えば、原料ガスとしてシラン(SiH)とプロパン(C)を、キャリアガスとして水素(H)を、ドーパントガスとして窒素(N)をそれぞれ用いる。例えば1400Vの耐圧を備えたMISFETを製造する場合には、高抵抗の炭化珪素層2の不純物濃度は1×1015cm−3〜1×1016cm−3であることが望ましく、その厚さは10μm以上であることが望ましい。
次に炭化珪素層2の一部に、p型不純物(アルミニウム,ホウ素など)をイオン注入によりドープして、pウェル領域4を形成する。pウェル領域4の形成の際には、まず、注入マスクとなる厚さ3μm程度のシリコン酸化膜(図示せず)を炭化珪素層2の上面上に堆積し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングによって、シリコン酸化膜のうちpウェル領域4を形成する部分のみに開口を設ける。その後、注入欠陥を低減するために、基板温度を500℃以上の高温に保ってアルミニウムまたはボロンのイオン注入を行ない、イオン注入の後、マスクとして用いたシリコン酸化膜をフッ酸水溶液によって除去する。pウェル領域4におけるp型不純物の濃度は、通常1×1017cm−3前後から1×1018cm−3であり、pウェル領域4の深さはピンチオフしないように1μm前後とする。
次にpウェル領域4の表面部の一部に高濃度のn型不純物(窒素等)をイオン注入によってドープして、n型不純物領域5を形成する。その際、基板上に、注入マスク3となる厚さ1μm程度のシリコン酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングによって、シリコン酸化膜のうちn型不純物領域5を形成する部分のみに開口を設ける。そして、注入欠陥を低減するために、基板温度を500℃以上の高温に保って、イオン注入を行ない、イオン注入の後、マスクとして用いたシリコン酸化膜をふっ酸によって除去する。このn型不純物領域5は、MISFETのソースとして機能する。なお、n型不純物領域5における不純物濃度がp型不純物領域7の不純物濃度と同程度の場合には、n型不純物領域5形成のための注入マスクがp型不純物領域7を覆っている必要がある。また、ソース領域4の深さは、p型不純物領域7の深さよりは浅く、例えば200nm程度である。
次に、図3(b)に示すよう、マスク6を用いて、pウェル領域4と後に形成されるオーミック電極15とのコンタクトをとるために、pウェル領域4の表面部の一部にp型不純物をイオン注入によって高濃度でドープして、p型不純物領域7を形成する。p型不純物領域7の厚みは200nm前後で、不純物の濃度は約5×1019cm−3以上であり、好ましくは、2×1020cm−3以上である。このとき、イオン注入の方法は、pウェル領域4の形成と同じである。
次に注入された不純物を活性化するために、アルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中で、1700℃、30分の活性化アニールを施す。このとき、炭化珪素層2、pウェル領域4、p型不純物領域7及びn型不純物領域5の露出している表面には、高さ10nm〜100nm程度のマクロステップや、ヒロックが生じ、表面粗さが大きくなり、表面の平滑性が悪化する。
次に、図3(c)に示すように、たとえば熱CVDにより、炭化珪素層2,pウェル領域4,n型不純物領域5及びp型不純物領域7の上にチャネル層8をエピタキシャル成長させる。チャネル層8の形成の際には、例えば、原料ガスとしてシラン(SiH)とプロパン(C)を、キャリアガスとして水素(H)を、ドーパントガスとして窒素(N)をそれぞれ用いる。その後、チャネル層8のうちn型不純物領域5,p型不純物領域7の上方に位置する部分を、例えばRIEなどによって除去して、コンタクトホールを設ける。
次に、チャネル層8,n型不純物領域5及びp型不純物領域7の露出している表面を熱酸化して、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜9を形成する。例えば、石英管中で基板を保持し、酸素を流量2.5(l/min)で石英管中に導入し、石英管内の温度を1180℃に保って2.5時間、熱酸化することで厚み約70nmの熱酸化膜を形成できる。
次に、減圧CVDにより、厚さ500nmのポリシリコン膜を堆積し、例えば、RIEなどにより、ゲート電極10のうちコンタクトホール内及びその周囲に位置する部分を除去することにより、ゲート絶縁膜9上にポリシリコン層10を形成する。
次に、図3(d)に示すように、プラズマCVDにより、炭化珪素層2の表面及びゲート電極10を覆う、リンを含まないシリコン酸化膜からなる第2層間絶縁膜11を100nm前後成長させる。
次に、図3(e)に示すように、ここで、通常のフォトリソグラフィー、RIEにより、第2層間絶縁膜11のうち、p型不純物領域7以外の部分を除去する。
次に、図3(f)に示すように、n型不純物領域5に接触し、かつ、炭化珪素層2の表面及びゲート電極10を覆う第1層間絶縁膜12として厚さ1μm程度のリンを含むシリコン酸化膜(PSG)を堆積する。
次に、図3(g)に示すように、平坦化のため、窒素、アルゴンなどの不活性ガス中で950℃前後の温度で、30分以上の熱処理を施す。炭化珪素半導体では比較的低い熱処理にも関わらず、PSGからのリン拡散により、n型不純物領域5の表面には、リン拡散不純物領域13が形成できる。この一方、p型不純物領域7上は、第2層間絶縁膜11でカバーすることにより、リン拡散を抑制できる。
次に、図3(h)に示すように、RIE等により、第1層間絶縁膜12を貫通してリン拡散不純物領域13及びp型不純物領域7に達するコンタクトホールを形成する。
次に、図3(i)に示すように、オーミック用金属膜14(ニッケルまたはチタン)で真空蒸着などによって、第1層間絶縁膜12上、及び第1層間絶縁膜12が除去されている領域(オーミック電極15が形成される部分)に堆積する。堆積する金属膜厚は、100nm前後、好ましくは、50nm以上200nm以下であることが望ましい。
次に、図3(j)に示すように、第1層間絶縁膜12上のオーミック用金属膜14をオーミック電極15となる部分以外をRIEのドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去する。ウェットエッチングによる除去の場合、オーミック用金属膜14がニッケルの場合は、燐酸系エッチング薬液を用い、チタンの場合は、過酸化水素水を含む燐酸系エッチング薬液またはフッ酸水溶液を用いる。
次に、図3(k)に示すように、窒素、アルゴンなどの不活性ガス中で1分以上の熱処理を施す。この熱処理によって、第1層間絶縁膜12が除去されているリン拡散不純物領域13及びp型不純物領域7の上に、オーミック用金属膜14のニッケルまたはチタンと炭化珪素中のシリコンが選択的に反応し、シリサイド層を含むオーミック電極15が形成される。熱処理温度は、ニッケルまたはチタンと炭化珪素中のシリコンがシリサイド反応し、かつ層間膜材料として使用するSiO等の材料の変質や変形を防止するため、850℃以上1000℃以下が望ましい。より好ましくは、900℃以上950℃以下である。
その後、図3(l)に示すように、厚さ3μm程度のアルミニウム膜を真空蒸着等で堆積し、通常のフォトリソグラフィー,エッチングによってパタ−ニングすることにより、パッド用電極16を形成する。その後、ドレイン電極17として、Ti,Ni,Au,Ag,Pt等のいずれか1つまたは積層膜を真空蒸着等で堆積し、裏面電極を形成する。
このようにして、二重注入型MISFETが完成する。このMISFETのチャネル移動度は30cm/Vsec以上と高く、オフ耐圧1000Vでオン抵抗は5mΩ・cm以下であった。
以下の工程により、二重注入型MISFETが完成する。作製したMISFETの特性は以下の通りであった。
・チャネル移動度:30cm/Vsec以上(Vds=1V)
・オフ耐圧:1400V以上
・オン抵抗:5mΩcm以下
・n型コンタクト抵抗:1×10−5Ωcm以下(従来:4×10−5Ωcm
・p型コンタクト抵抗:1×10−3Ωcm以下(従来の非オーミック特性)
なお、測定条件は、ゲート電圧:20V、ドレイン電圧:1Vである。
このように、リンを含む第1層間絶縁膜12を用いる場合に、p型不純物領域7上にリンを含まない第2層間絶縁膜11を形成することによって第1層間絶縁膜12をp型不純物領域7に直接的に接触させないことができるので、第1層間絶縁膜12からp型不純物領域7へのリンの拡散を防止することにより、p型コンタクトのオーミック性を劣化させることない。また、n型不純物領域5にリンを含む第1層間絶縁膜を接触させて熱処理することにより、n型不純物領域5にリンを拡散させたリン拡散不純物領域13を形成することができ、n型コンタクトの特性を改善したオーミック電極を形成することができる。
また、本発明のオーミック電極は、電極材料(ニッケルやチタン等)を問わない。MISFETにおいて、p型のオーミック電極形成によるコンタクト抵抗低減は、スイッチング(ターンオフ)特性を向上させることができ、またn型コンタクト抵抗の低減により、オン抵抗を低減することができる。
(第2の実施形態)
本実施形態では、第1の実施形態の製造方法で完成した炭化珪素半導体装置の完成物の構成について説明する。
以下、本発明による半導体装置の実施形態を説明する。図1(a)は、本発明による半導体装置の一実施形態を示す模式的断面図である。まず、図1(a)の半導体装置の構造を概略的に説明する。
本発明による半導体装置は、炭化珪素層2を有する炭化珪素半導体基板1を備える。炭化珪素半導体基板1は、例えば、4H−SiCの(0001)面から8度のオフ角を持つオフ基板である。炭化珪素半導体基板1は、窒素、リン、砒素などのn型不純物が例えば、1×1018cm−3以上の濃度でドープされており、低抵抗である。炭化珪素層2は、炭化珪素半導体基板1上にエピタキシャル成長によって設けられている。炭化珪素層2は、窒素などのn型不純物が1×1015cm−3〜1×1016cm−3程度にドープされている高抵抗であることが好ましい。
炭化珪素層2には、炭化珪素層2の表面に接するようにpウェル領域4が設けられ、さらにpウェル領域4内において、炭化珪素層2の表面から内部にかけてn型不純物領域5が形成されている。n型不純物領域5は、ソースとして機能する。またn型不純物領域5に接するように、p型不純物領域7が炭化珪素層2の表面から内部にかけて形成されている。例えば、pウェル領域4、n型不純物領域5、p型不純物領域7の不純物濃度は、1×1016cm−3〜1×1018cm−3、約5×1019cm−3、約2×1020cm−3である。n型不純物領域5の表面には、リン拡散不純物領域13が形成され、リン拡散不純物領域13及びp型不純物領域7上には、オーミック電極15が設けられている。
pウェル領域4が設けられていない炭化珪素2の表面、炭化珪素2の表面において露出したpウェル領域4の一部及びn型不純物領域5の一部を覆うようにチャネル層8が設けられている。チャネル層8は、急峻な濃度勾配を示す複数の高濃度ドープ層(δドープ層)を低濃度ドープ層)と交互に積層した構造であり、エピタキシャル成長により形成されている。
チャネル層8の上にゲート絶縁膜9が設けられ、ゲート絶縁膜9上にゲート電極10が設けられている。以下において説明するように、ゲート電極10は、例えば、リンなどのn型不純物ドープされたポリシリコンを減圧CVD法により形成されている。第1層間絶縁膜12は、ゲート電極10及びオーミック電極15を除く炭化珪素層2の表面を覆っている。第1層間絶縁膜12上には、パッド用電極16が設けられている。パッド用電極16は、アルミニウム、シリコン、チタン、銅のいずれか1つまたはいくつかの合金から構成され、第1層間絶縁膜12に設けられたコンタクトホールを介してオーミック電極15と電気的に接続している。
炭化珪素半導体基板1の炭化珪素層2が設けられていない主面には、ドレイン電極に対応する他のオーミック電極17が設けられている。
本発明による半導体装置は、ゲート電極10に印加する電圧を変化させることにより、チャネル層8内で形成されるチャネル領域を通過する電流を制御することができる。これにより、オーミック電極17、炭化珪素半導体基板1、炭化珪素層2、チャネル層8、n型不純物領域5、リン拡散不純物領域13及びオーミック電極15によって形成される経路を流れる電流を調節することができる。
本発明の炭化珪素半導体装置は、第1の実施形態の通りに作られているので、第1層間絶縁膜12に接するn型不純物領域5には、比較的低い温度条件下の熱処理によって、リン拡散不純物領域13が形成されている。また、リン拡散不純物領域13の形成の際には、p型不純物領域7の上にリンを含まないシリコン酸化膜である第2層間絶縁膜が形成され、その上にリンを含むPSGの第1層間絶縁膜が形成されているので、熱処理によってリンはp型不純物層に拡散しない。
このように、本発明による半導体装置によれば、リンを含む第1層間絶縁膜12を用いる場合に、p型不純物領域7上にリンを含まない第2層間絶縁膜11を形成することによって第1層間絶縁膜12をp型不純物領域7に直接的に接触させないことができるので、第1層間絶縁膜12からp型不純物領域7へのリンの拡散を防止することにより、p型コンタクトのオーミック性を劣化させることない。また、n型不純物領域5にリンを含む第1層間絶縁膜を接触させて熱処理することにより、n型不純物領域5にリンを拡散させたリン拡散不純物領域13を形成することができ、n型コンタクトの特性を改善したオーミック電極を形成することができる。
また本発明のオーミック電極は、電極材料(ニッケルやチタン等)を問わない。MISFETにおいて、p型のオーミック電極形成によるコンタクト抵抗低減は、スイッチング(ターンオフ)特性を向上させることができ、またn型コンタクト抵抗の低減により、オン抵抗を低減することができる。さらに、n型不純物の高濃度注入が不要となるため、製造コストの低減、製造に要する時間の短縮などを達成することもできる。
また、本実施形態では、エピタキシャル成長によるチャネル層を備えているが、上述の説明から明らかなように、本発明の効果は、チャネル領域の位置や構造に依存しない。このため、種々のチャネル構造と上述したオーミック電極を組み合わせた半導体装置として本発明を実現してもよい。例えば、チャネル層8の代わりに、ゲート電極10に印加する電圧によって、pウェル領域4内の炭化珪素層2の表面部分に形成される反転層をチャネル領域として用いるMISFETにも本発明は好適に用いることができる。
また、本実施形態では、熱酸化によるゲート絶縁膜を備えているが、必ずしも熱酸化膜ある必要はなく、CVD等によって堆積されたシリコン酸化膜でもよい。あるいは、ゲート絶縁膜が熱酸化膜と堆積膜との積層構造を有していてもよい。また、ゲート絶縁膜がシリコン酸化膜である必要はなく、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜や酸化タンタル膜、酸化ハフニウム膜などの金属酸化物膜でもよい。
また、本実施形態では、ゲート電極をn型不純物ドープされたポリシリコンを減圧CVD法により形成しているが、必ずしもポリシリコンである必要はなく、蒸着やスパッタ等によって堆積されたアルミニウムやモリブデン等の金属膜でもよい。
(第3の実施形態)
第1の実施形態の変形実施例として、図4(a)〜(l)を参照しながら、オーミック用金属膜14のパターニングを行わないで、オーミック電極15を形成する工程を含む半導体装置の製造方法を説明する。
まず、図3(a)〜(i)は、図4(a)〜(i)の工程と同様であり、説明を省略する。こらの工程により、図4(i)に示すように、第1層間絶縁膜12が除去されているオーミック電極15が形成される部分及び、第1層間絶縁膜12の上面にオーミック用金属膜14が堆積されたものが得られる。
次に、図4(j)に示すように、窒素、アルゴンなどの不活性ガス中で1分以上の熱処理を施す。この熱処理によって、第1層間絶縁膜12が除去されているリン拡散不純物領域13及びp型不純物領域7の上に、オーミック用金属膜14のニッケルまたはチタンと炭化珪素中のシリコンが選択的に反応し、シリサイド層を含むオーミック電極15が形成される。熱処理温度は、ニッケルまたはチタンと炭化珪素中のシリコンがシリサイド反応し、かつ層間膜材料として使用するSiO等の材料の変質や変形を防止するため、850℃以上1000℃以下が望ましい。この時、第1層間絶縁膜12とニッケルまたはチタンとは実質的に反応しない。
次に、図4(k)に示すように、第1層間絶縁膜12上のシリサイドを形成せず、そのまま残っているオーミック用金属膜14をウェットエッチングにより、選択的に除去する。オーミック用金属膜14がニッケルの場合は、燐酸系エッチング薬液を用い、チタンの場合は、過酸化水素水を含む燐酸系エッチング薬液を用いる。これにより不要なオーミック用金属膜14が除去され、オーミック電極15が形成される。
このように、図4(a)〜(l)の製造方法によれば、オーミック用金属膜14をパターニングする必要がないため、半導体装置の製造工程の数を減らし、製造コストの低減や製造に要する時間の短縮を図ることができる。
(第4の実施形態)
本発明の着想点である、炭化珪素においてリンを含む層間絶縁膜からリンが炭化珪素へ比較的低温の熱処理で拡散する物理現象を利用した応用実施形態である「n型コンタクト」の製造方法を説明する。図5(a)〜(f)は、本発明によるn型コンタクトの製造途中を示す断面図である。
まず、図5(a)に示すように、4H−SiCの(0001)面から8度のオフ角を持つ炭化珪素基板1を用意する。炭化珪素基板1には、n型不純物が8×1018cm−3程度ドープされている。熱CVD等により、炭化珪素基板1の主面上に炭化珪素基板1よりも低濃度のn型またはp型不純物を含む高抵抗の炭化珪素層2をエピタキシャル成長させる。
次に炭化珪素層2の一部に、高濃度のn型不純物(窒素等)をイオン注入によってドープして、n型不純物領域5を形成する。その際、基板上に、注入マスク3となる厚さ1μm程度のシリコン酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングによって、シリコン酸化膜のうちn型不純物領域5を形成する部分のみに開口を設ける。そして、注入欠陥を低減するために、基板温度を500℃以上の高温に保って、イオン注入を行ない、イオン注入の後、マスクとして用いたシリコン酸化膜をフッ酸によって除去する。
その後、注入された不純物を活性化するために、アルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中で、1700℃、30分の活性化アニールを施す。
次に、図5(b)に示すように、基板上に、第2層間絶縁膜11となる厚さ100nm程度の不純物を含まないシリコン酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングによって、シリコン酸化膜のうちn型不純物領域5を形成する部分のみに開口を設ける。また、本実施形態では、第2層間絶縁膜11は、不純物を含まないシリコン酸化膜を用いているが、不純物としてボロンを含むシリコン酸化膜(BSG)でもよい。第2層間絶縁膜11のパターン形成後、炭化珪素層2の開口部及び第2層間絶縁膜11を覆う第1層間絶縁膜12として厚さ1μm程度のリンを含むシリコン酸化膜(PSG)を堆積する。PSGのリン濃度については、好ましくは、1wt%以上20wt%以下、より好ましくは、5wt%以上15wt%以下である。さらに、窒素、アルゴンなどの不活性ガス中で、炭化珪素では比較的低い温度である950℃の温度で、30分以上の熱処理を施す。熱処理によるPSGからのリン拡散により、n型不純物領域5の表面には、リン拡散不純物領域13が形成される。
次に、図5(c)に示すように、RIE等により、第1層間絶縁膜12を貫通してリン拡散不純物領域13に達するコンタクトホールを形成する。
次に、図5(d)に示すように、オーミック用金属膜14(ニッケルまたはチタン)で真空蒸着などによって、第1層間絶縁膜12上、及び第1層間絶縁膜12が除去されている領域(オーミック電極15が形成される部分)に堆積する。堆積する金属膜厚は、100nm前後、好ましくは、50nm以上200nm以下であることが望ましい。
次に、図5(e)に示すように、第1層間絶縁膜12上のオーミック用金属膜14をオーミック電極15となる部分以外をRIEのドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去する。ウェットエッチングによる除去の場合、オーミック用金属膜14がニッケルの場合は、燐酸系エッチング薬液を用い、チタンの場合は、過酸化水素水を含む燐酸系エッチング薬液またはフッ酸水溶液を用いる。
その後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス中で1分以上の熱処理を施す。この熱処理によって、第1層間絶縁膜12が除去されているリン拡散不純物領域13の上に、オーミック用金属膜14のニッケルまたはチタンと炭化珪素中のシリコンが選択的に反応し、シリサイド層を含むオーミック電極15が形成される。熱処理温度は、ニッケルまたはチタンと炭化珪素中のシリコンがシリサイド反応し、かつ層間膜材料として使用するSiO等の材料の変質や変形を防止するため、850℃以上1000℃以下が望ましい。より好ましくは、900℃以上950℃以下である。
次に、図5(f)に示すように、厚さ3μm程度のアルミニウム膜を真空蒸着等で堆積し、通常のフォトリソグラフィー,エッチングによってパタ−ニングすることにより、パッド用電極16を形成する。
このようにして、n型コンタクトが形成できる。このn型コンタクトのコンタクト抵抗は1×10−5Ω・cm以下であった(リン拡散不純物領域13が無い従来のコンタクト抵抗値は4×10−5Ω・cm)。
このように、リンを含む第1層間絶縁膜12の材料(例えば、PSG)を用いる場合に、特にn型不純物領域5の表面にPSGからのリン拡散によりリン拡散不純物領域13を形成し、製造コストや製造に要する時間を増大させる高ドーズ注入をすることなく、高濃度n型不純物領域を形成し、n型コンタクトの特性を改善したオーミック電極を形成することができる。また本発明のオーミック電極は、電極材料(ニッケルやチタン等)を問わない。
(第5の実施形態)
第4の実施形態の変形実施形態について、図6(a)〜(f)を参照しながら説明する。本実施形態は、オーミック用金属膜14のパターニングを行わないで、オーミック電極15を形成する工程を含む半導体装置の製造方法である。
まず、図5(a)〜(c)は、図6(a)〜(c)と同様な工程であり、説明を省略する。図6(c)に示すように、RIE等により、第1層間絶縁膜12を貫通してリン拡散不純物領域13に達するコンタクトホールが開口されたものが得られる。
次に、図6(d)に示すように、オーミック用金属膜14(ニッケルまたはチタン)で真空蒸着などによって、第1層間絶縁膜12上、及び第1層間絶縁膜12が除去されている領域(オーミック電極15が形成される部分)に堆積する。堆積する金属膜厚は、100nm前後、好ましくは、50nm以上200nm以下であることが望ましい。
その後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス中で1分以上の熱処理を施す。この熱処理によって、第1層間絶縁膜12が除去されているリン拡散不純物領域13の上に、オーミック用金属膜14のニッケルまたはチタンと炭化珪素中のシリコンが選択的に反応し、シリサイド層を含むオーミック電極15が形成される。熱処理温度は、ニッケルまたはチタンと炭化珪素中のシリコンがシリサイド反応し、かつ層間膜材料として使用するSiO等の材料の変質や変形を防止するため、850℃以上1000℃以下が望ましい。この時、第2の層間絶縁膜12とニッケルまたはチタンとは実質的に反応しない。
次に、図6(e)に示すように、第1層間絶縁膜12上のシリサイドを形成せず、そのまま残っているオーミック用金属膜14をウェットエッチングにより、選択的に除去する。オーミック用金属膜14がニッケルの場合は、燐酸系エッチング薬液を用い、チタンの場合は、過酸化水素水を含む燐酸系エッチング薬液を用いる。これにより不要なオーミック用金属膜14が除去され、オーミック電極15が形成される。
このように、図6(a)〜(f)の製造方法によれば、オーミック用金属膜14をパターニングする必要がないため、半導体装置の製造工程の数を減らし、製造コストの低減や製造に要する時間の短縮を図ることができる。
(第6の実施形態)
本発明の着想点である、炭化珪素においてリンを含む層間絶縁膜からリンが炭化珪素へ比較的低温の熱処理で拡散する物理現象を利用した応用実施形態である「p型コンタクト」の製造方法を説明する。図7(a)〜(f)は、本発明によるp型コンタクトの製造途中を示す断面図である。
まず、図7(a)に示すように、4H−SiCの(0001)面から8度のオフ角を持つ炭化珪素基板1を用意する。炭化珪素基板1には、n型不純物が8×1018cm−3程度ドープされている。熱CVD等により、炭化珪素基板1の主面上に炭化珪素基板1よりも低濃度のn型またはp型不純物を含む高抵抗の炭化珪素層2をエピタキシャル成長させる。
次に炭化珪素層2の一部に、高濃度のp型不純物(アルミニウム,ホウ素など)をイオン注入によってドープして、p型不純物領域7を形成する。その際、基板上に、注入マスク6となる厚さ1μm程度のシリコン酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングによって、シリコン酸化膜のうちp型不純物領域7を形成する部分のみに開口を設ける。そして、注入欠陥を低減するために、基板温度を500℃以上の高温に保って、イオン注入の後、マスクとして用いたシリコン酸化膜をフッ酸によって除去する。
その後、注入された不純物を活性化するために、アルゴンなどの不活性ガスの雰囲気中で、1700℃、30分の活性化アニールを施す。このとき、炭化珪素層2、p型不純物領域7の露出している表面には、高さ10nm〜100nm程度のマクロステップや、ヒロックが生じ、表面粗さが大きくなり、表面の平滑性が悪化する。
次に、図7(b)に示すように、基板上に、第2層間絶縁膜11となる厚さ100nm程度のシリコン酸化膜を堆積する。さらに、第2層間絶縁膜11を覆うように、第1層間絶縁膜12として厚さ1μm程度のリンを含むシリコン酸化膜(PSG)を堆積する。さらに、平坦化のため、窒素、アルゴンなどの不活性ガス中で、炭化珪素では比較的低い温度である950℃の温度で30分以上の熱処理を施す。第2層間絶縁膜11でカバーすることにより、熱処理によるPSGからのリン拡散を抑制する。
次に、図7(c)に示すように、RIE等により、第1層間絶縁膜12を貫通してp型不純物領域7に達するコンタクトホールを形成する。
次に、図7(d)に示すように、オーミック用金属膜14(ニッケルまたはチタン)で真空蒸着などによって、第1層間絶縁膜12上、及び第1層間絶縁膜12が除去されている領域(オーミック電極15が形成される部分)に堆積する。堆積する金属膜厚は、100nm前後、好ましくは、50nm以上200nm以下であることが望ましい。
次に、図7(e)に示すように、第1層間絶縁膜12上のオーミック用金属膜14をオーミック電極15となる部分以外をRIEのドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去する。ウェットエッチングによる除去の場合、オーミック用金属膜14がニッケルの場合は、燐酸系エッチング薬液を用い、チタンの場合は、過酸化水素水を含む燐酸系エッチング薬液またはフッ酸水溶液を用いる。
その後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス中で1分以上の熱処理を施す。この熱処理によって、第1層間絶縁膜12が除去されているp型不純物領域7の上に、オーミック用金属膜14のニッケルまたはチタンと炭化珪素中のシリコンが選択的に反応し、シリサイド層を含むオーミック電極15が形成される。熱処理温度は、ニッケルまたはチタンと炭化珪素中のシリコンがシリサイド反応し、かつ層間膜材料として使用するSiO等の材料の変質や変形を防止するため、850℃以上1000℃以下が望ましい。より好ましくは、900℃以上950℃以下である。
次に、図7(f)に示すように、厚さ3μm程度のアルミニウム膜を真空蒸着等で堆積し、通常のフォトリソグラフィー,エッチングによってパタ−ニングすることにより、パッド用電極16を形成する。
このようにして、p型コンタクトが形成できる。このp型コンタクトのコンタクト抵抗は1×10−3Ω・cm以下であった(リン拡散不純物領域13がある従来のコンタクト特性は非オーミック特性であった。)。
このように、第1層間絶縁膜12の材料にPSGを用いる場合に、特にp型不純物領域7上にPSGからのリン拡散を防止することにより、p型コンタクトの特性を劣化させることなく、オーミック特性を実現することができる。また本発明のオーミック電極は、電極材料(ニッケルやチタン等)を問わない。
(第7の実施形態)
第6の実施形態の変形実施形態について、図8(a)〜(f)を参照しながら説明する。本実施形態は、オーミック用金属膜14のパターニングを行わないで、オーミック電極15を形成する工程を含む半導体装置の製造方法である。
まず、図7(a)〜(c)は、図8(a)〜(c)と同様な工程であり、説明を省略する。図8(c)に示すように、RIE等により、第1層間絶縁膜12を貫通してp型不純物領域7に達するコンタクトホールが開口されたものが得られる。
次に、図8(d)に示すように、オーミック用金属膜14(ニッケルまたはチタン)で真空蒸着などによって、第1層間絶縁膜12上、及び第1層間絶縁膜12が除去されている領域(オーミック電極15が形成される部分)に堆積する。堆積する金属膜厚は、100nm前後、好ましくは、50nm以上200nm以下であることが望ましい。
その後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス中で1分以上の熱処理を施す。この熱処理によって、第1層間絶縁膜12が除去されているリン拡散不純物領域13及びp型不純物領域7の上に、オーミック用金属膜14のニッケルまたはチタンと炭化珪素中のシリコンが選択的に反応し、シリサイド層を含むオーミック電極15が形成される。熱処理温度は、ニッケルまたはチタンと炭化珪素中のシリコンがシリサイド反応し、かつ層間膜材料として使用するSiO等の材料の変質や変形を防止するため、850℃以上1000℃以下が望ましい。この時、第2の層間絶縁膜12とニッケルまたはチタンとは実質的に反応しない。
次に、図8(e)に示すように、第1層間絶縁膜12上のシリサイドを形成せず、そのまま残っているオーミック用金属膜14をウェットエッチングにより、選択的に除去する。オーミック用金属膜14がニッケルの場合は、燐酸系エッチング薬液を用い、チタンの場合は、過酸化水素水を含む燐酸系エッチング薬液を用いる。これにより不要なオーミック用金属膜14が除去され、オーミック電極15が形成される。
このように、図8(a)〜(f)の製造方法によれば、オーミック用金属膜14をパターニングする必要がないため、半導体装置の製造工程の数を減らし、製造コストの低減や製造に要する時間の短縮を図ることができる。
本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法及び炭化珪素半導体装置は、特にパワーデバイス用の炭化珪素半導体装置に好適に用いることができる。
(a)は本発明の半導体装置の一実施形態の構成を示す断面構造図、(b)はオーミック電極近傍の拡大図 (a)はn型炭化珪素基板の熱処理後の炭化珪素/ニッケル界面の電流電圧特性図、(b)はp型炭化珪素基板上の同様の電流電圧特性図 (a)〜(l)は、本発明の第1の実施形態の炭化珪素半導体装置の製造途中の構造を示す断面図 (a)〜(l)は、本発明の第3の実施形態の炭化珪素半導体装置の製造途中の構造を示す断面図 (a)〜(f)は、本発明の第4の実施形態の炭化珪素半導体装置の製造途中の構造を示す断面図 (a)〜(f)は、本発明の第5の実施形態の炭化珪素半導体装置の製造途中の構造を示す断面図 (a)〜(f)は、本発明の第6の実施形態の炭化珪素半導体装置の製造途中の構造を示す断面図 (a)〜(f)は、本発明の第7の実施形態の炭化珪素半導体装置の製造途中の構造を示す断面図 (a)は従来の半導体装置の一実施形態の構成を示す断面構造図、(b)はオーミック電極近傍の拡大図
符号の説明
1,101 炭化珪素基板
2,102 高抵抗炭化珪素層
3,103 n型不純物注入マスク
4,104 pウェル領域
5,105 n型不純物領域
6 p型不純物注入マスク
7,107 p型不純物領域
8,108 チャネル層
9,109 ゲート絶縁膜
10,110 ゲート電極
11,111 第2層間絶縁膜
12,112 第1層間絶縁膜
13 リン拡散不純物領域
14,114 オーミック用金属膜
15,115 オーミック電極
16,116 パッド用電極
17,117 ドレイン電極

Claims (11)

  1. 炭化珪素層を有する炭化珪素基板と、前記炭化珪素層の表面に接するように前記炭化珪素層中に設けられたn型不純物を含むn型不純物領域と、前記n型不純物領域に近接するように設けられたp型不純物を含む不純物領域と、前記炭化珪素層の表面を覆うリンを含むシリコン酸化膜からなる第1層間絶縁膜と、前記n型不純物領域及び前記p型不純物領域上に設けられたオーミック電極と、備える半導体装置の製造方法であって、
    前記炭化珪素層を含む炭化珪素半導体基板を用意する工程(a)と、
    前記p型不純物領域上にのみリンを含まない第2層間絶縁膜を形成する工程(b)と、
    前記n型不純物領域に接触させ、かつ、前記炭化珪素層及び前記第2層間絶縁膜を覆うように前記第1層間絶縁膜を形成し、熱処理によりn型不純物領域の表面上にリンを拡散する工程(c)と、
    前記第1層間絶縁膜の前記n型不純物領域及び前記p型不純物領域上にコンタクトを形成してオーミック電極を形成する工程(d)と、
    を含む炭化珪素半導体装置の製造方法。
  2. 前記工程(b)において、前記p型不純物領域上にのみに前記第2層間絶縁膜が設けられるように、不要な部分の除去をドライエッチングする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  3. 前記工程(c)において、前記熱処理を850℃以上1000℃以下の温度で行う請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  4. 前記工程(d)において、オーミック電極材料にニッケルを用いて、不要な部分をパターニングにより除去した後、熱処理によりニッケルシリサイド層を形成する請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  5. 前記工程(d)において、オーミック電極材料にニッケルを用いて、熱処理により、ニッケルシリサイド層を形成した後、未反応ニッケル層をウェットエッチングにより選択的に除去して形成する請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  6. 前記工程(d)において、オーミック電極材料にチタンを用いて、不要な部分をパターニングにより除去した後、熱処理により、チタンシリサイド層及び窒化チタン層を形成する請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  7. 前記工程(d)において、オーミック電極材料にチタンを用いて、熱処理により、チタンシリサイド層を形成した後、未反応チタン層及び窒化チタン層をウェットエッチングにより選択的に除去して形成する請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  8. 炭化珪素層を有する炭化珪素基板と、
    前記炭化珪素層の表面に接するように、前記炭化珪素層中に設けられたn型不純物を含む不純物領域と、
    前記n型不純物領域の表面に設けられたリンを含む高濃度n型不純物領域と、
    前記n型不純物領域に近接するように設けられたp型不純物を含む不純物領域と、
    前記炭化珪素層の表面を覆う、リンを含むシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜と
    前記n型不純物領域及び前記p型不純物領域上に設けられたオーミック電極と、を備える、炭化珪素半導体装置。
  9. 前記高濃度n型不純物領域におけるリンが、前記層間絶縁膜から拡散したリンを含む、請求項8に記載の炭化珪素半導体装置。
  10. 前記p型不純物領域中には、リンを含まない請求項8記載の炭化珪素半導体装置。
  11. 前記オーミック電極は、ニッケルシリサイド層、チタンシリサイド層、窒化チタン層の群から選択された少なくとも1つの材料を含む請求項8に記載の炭化珪素半導体装置。
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