(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上に接し、かつＮｉ原子、Ｓｉ原子、および不可避不純物からなる電極層とを備え、
前記Ｎｉ原子および前記Ｓｉ原子の総数に対する前記Ｎｉ原子の数の比率は６７％以上であり、
前記比率は前記電極の表面側において高くなっており、
前記電極層の少なくとも前記炭化珪素基板に接する側はＳｉおよびＮｉの化合物を含み、
前記電極層の表面側において、前記Ｓｉ原子は前記総数の３０％より小さく、Ｃ原子濃度は３％未満である、半導体装置。
【請求項２】
前記電極層の表面側に接する金属パッド層をさらに備える、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属パッド層はＡｌ層を含む、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属パッド層は、前記電極層上に形成された密着層と、前記密着層上に形成された本体層とを含み、前記密着層は、Ｔｉ、ＴｉＷ、およびＴｉＮのいずれかから作られている、請求項２または請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記電極層の表面側におけるＳｉ原子濃度は３０％より小さい、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
炭化珪素基板を準備する工程と、
前記炭化珪素基板上に接し、かつＮｉ原子およびＳｉ原子を有する材料層を形成する工程とを備え、
前記Ｎｉ原子の数は前記Ｎｉ原子および前記Ｓｉ原子の総数の６７％以上であり、さらに
前記材料層を、出力密度が０．５Ｊ／ｃｍ２以上１．５Ｊ／ｃｍ２以下であるレーザ光でアニールすることによって、Ｃ原子の拡散を抑制しなから、少なくとも前記炭化珪素基板に接する側がＳｉおよびＮｉの化合物を含む電極層を形成する工程を備える、半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記電極層の上に金属パッド層を形成する工程をさらに備える、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記金属パッド層はＡｌ層を含む、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記金属パッド層を形成する工程は、前記電極層上に密着層を形成する工程と、前記密着層上に本体層を形成する工程とを含み、前記密着層は、Ｔｉ、ＴｉＷ、およびＴｉＮのいずれかから形成される、請求項７または請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記材料層を形成する工程はＳｉおよびＮｉの混合層を形成する工程を含む、請求項６〜請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記材料層を形成する工程はＳｉ層およびＮｉ層を積層する工程を含む、請求項６〜請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、より特定的には、炭化珪素基板を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素基板を用いた半導体装置の製造方法において、炭化珪素基板上にオーミック電極を形成する技術の開発が行なわれている。
【０００３】
たとえば特開平７−９９１６９号公報（特許文献１）によれば、ＳｉＣ基体（炭化珪素基板）の上にＮｉ−Ｓｉ合金層、あるいはＳｉ、Ｎｉ積層体を形成しておくと、ＳｉＣ基体からのＳｉの供給なしにＮｉＳｉ2(Ｎｉ３３原子％、Ｓｉ６７原子％)が形成でき、ＳｉＣ基体に対してオーミック接触をする電極が得られる、とされている。またこの公報によれば、Ｎｉが原子比で３３％以下ではＳｉが余剰となり伝導性を阻害し、６７％以上あるとＮｉＳｉ2とＳｉＣとの界面に余剰のＮｉが存在し、不連続な界面となってしまう、とされている。またこの公報によれば、ＳｉをＳｉＣから供給するのでないため、余剰になったＣがＮｉ中に拡散して電極の表面にグラファイトとして析出する現象も生じない、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−９９１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、Ｎｉ原子およびＳｉ原子を有する電極（電極層）の形成に際して、電極層の電気伝導度を高くするためには、Ｎｉの割合を高める必要がある。しかしＮｉの割合が高められると、電極層形成のためのアニールの際に、炭化珪素基板から電極層の表面へと多くのＣ原子が析出してしまう。このため、電極層の電気伝導度を高くすることと、電極層の表面へのＣ原子の析出の抑制とを両立させることが困難であった。
【０００６】
それゆえ本発明の目的は、電極層の電気伝導度の向上と、電極層の表面へのＣ原子の析出の抑制とを両立させることができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体装置は炭化珪素基板および電極層とを有する。電極層は、炭化珪素基板上に接し、かつＮｉ原子およびＳｉ原子を有する。Ｎｉ原子の数はＮｉ原子およびＳｉ原子の総数の６７％以上である。電極層の少なくとも炭化珪素基板に接する側はＳｉおよびＮｉの化合物を含む。電極層の表面側においてＣ原子濃度はＮｉ原子濃度よりも小さい。
【０００８】
この半導体装置によれば、電極層においてＮｉ原子の数はＮｉ原子およびＳｉ原子の総数の６７％以上である。これによりこのパーセンテージが６７％未満である場合に比して電極層の電気伝導度を高めることができる。またこの半導体装置によれば、電極層の表面側においてＣ原子濃度はＮｉ原子濃度よりも小さい。これにより、電極層の表面側に接する金属パッド層が形成された場合に、この金属パッド層が剥離しにくくなる。
【０００９】
好ましくは電極層の表面側において、Ｃ原子濃度は３％未満である。
好ましくは半導体装置は、電極層の表面側に接する金属パッド層を有する。金属パッド層は好ましくはＡｌ層である。好ましくは金属パッド層は、電極層上に形成された密着層と、密着層上に形成された本体層とを含む。密着層は、Ｔｉ、ＴｉＷ、およびＴｉＮのいずれかから作られている。
【００１０】
好ましくは電極層の表面側におけるＳｉ原子濃度は３０％より小さい。これにより電極層の電気伝導度をより高めることができる。
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法は、以下の工程を有する。炭化珪素基板が準備される。炭化珪素基板上に接し、かつＮｉ原子およびＳｉ原子を有する材料層が形成される。Ｎｉ原子の数はＮｉ原子およびＳｉ原子の総数の６７％以上である。材料層をレーザ光でアニールすることによって、少なくとも炭化珪素基板に接する側がＳｉおよびＮｉの化合物を含む電極層が形成される。
【００１２】
この半導体装置の製造方法によれば、電極層の材料となる材料層において、Ｎｉ原子の数はＮｉ原子およびＳｉ原子の総数の６７％以上である。これによりこのパーセンテージが６７％未満である場合に比して電極層の電気伝導度を高めることができる。またこの半導体装置の製造方法によれば、レーザ光が用いられることによってアニールが短時間で行なわれる。これにより、より長時間に渡るアニールが行われた場合に比して、Ｃ原子の拡散を抑制することができる。よって電極層の表面側におけるＣ原子濃度を低くすることができる。これにより、電極層の表面側に接する金属パッド層が形成された場合にこの金属パッド層が剥離しにくくなる。
【００１３】
好ましくは、電極層の上に金属パッド層が形成される。金属パッド層は好ましくはＡｌ層を含む。好ましくは金属パッド層を形成する工程は、電極層上に密着層を形成する工程と、密着層上に本体層を形成する工程とを含む。密着層は、Ｔｉ、ＴｉＷ、およびＴｉＮのいずれかから形成される。
【００１４】
材料層を形成する工程は、ＳｉおよびＮｉの混合層を形成する工程を含んでもよい。また材料層を形成する工程は、Ｓｉ層およびＮｉ層を積層する工程を含んでもよい。
【発明の効果】
【００１５】
上述したように本発明によれば、電極層の電気伝導度を高めることと、電極層の表面へのＣ原子の析出の抑制とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図１の半導体装置の製造方法の第１の工程（Ａ）および第２の工程（Ｂ）を概略的に示す断面図である。
【図３】図１の半導体装置の変形例を概略的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の一工程を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３における半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図６】第１の比較例の半導体装置の原子濃度プロファイルである。
【図７】第２の比較例の半導体装置の原子濃度プロファイルである。
【図８】第３の比較例の半導体装置の原子濃度プロファイルである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１を参照して、本実施の形態の半導体装置は、炭化珪素基板９０と、電極層１６と、金属パッド層１９とを有する。
【００１８】
電極層１６は、炭化珪素基板９０上に接し、かつＮｉ原子およびＳｉ原子を有する。Ｎｉ原子の数はＮｉ原子およびＳｉ原子の総数の６７％以上である。より具体的には、電極層１６の材料の概略的な組成は、６７原子％以上のＮｉと、その実質的な残部であるＳｉとの混合物である。ただし必要に応じて電極層１６の材料にＮｉおよびＳｉ以外の添加物が加えられていてもよい。また電極層１６の材料は、工業的な製造方法において不可避的にともなわれる不純物を含み得る。
【００１９】
好ましくは、電極層１６におけるＳｉ原子の数は、Ｎｉ原子およびＳｉ原子の総数の１０％以上である。
【００２０】
電極層１６の少なくとも炭化珪素基板９０に接する側はＳｉおよびＮｉの化合物、すなわちニッケルシリサイドを含む。これにより電極層１６と炭化珪素基板９０とはオーミックに接続されている。すなわち電極層１６はオーミック電極としての機能を有する。
【００２１】
電極層１６の炭化珪素基板９０に接する側（図中、下側）においては、上記の化合物はおおよそＮｉ2Ｓｉである。つまり、電極層１６の炭化珪素基板９０に接する側においては、ＮｉおよびＳｉの総原子数対するＮｉ原子数の比率は、おおよそ、３分の２すなわちほぼ６７％である。この比率は、電極層１６の表面側（図中、上側）においてより高くなっており、極端な場合１００％に近い値であってもよい。すなわち、工業的な製造方法における不可避的な不純物、または外部環境からの不可避的な付着物を別とすれば、電極層１６の表面側が実質的にＮｉから構成されていてもよい。この場合、電極層１６の表面側の電気伝導度は、Ｓｉを有意に含む場合に比して、より高くなる。
【００２２】
電極層１６の表面側において、Ｃ原子濃度はＮｉ原子濃度よりも小さい。好ましくはこのＣ原子濃度は３％未満であり、より好ましくは１％未満である。より好ましくは、電極層１６の表面側に実質的にＣ原子が存在しない。すなわち外部環境からの不可避的なＣ原子の付着を別とすれば、電極層１６の表面側が実質的にＮｉから構成されていてもよい。
【００２３】
ここで表面側における原子濃度とは、電極層１６の表面（図中の上面）から深さ５ｎｍまでの領域における全原子数に対する特定の原子の数の比率である。この原子濃度は、深さ方向の分解能が高い元素分析によって測定することができ、たとえばＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）によって測定することができる。なお測定の準備作業において電極層１６の表面が大気に暴露さていた場合は、電極層１６の表面を洗浄する必要がある。この洗浄は、たとえば、アセトンなどの有機溶剤を用いた超音波洗浄である。
【００２４】
好ましくは、電極層１６自体の表面は、エッチングまたは研磨などによる物質除去が行われていない面である。これにより電極層１６の形成工程がより簡便化されている。ただしこの場合でも、電極層１６の形成後に外部環境から電極層１６の表面に付着した汚染物質は除去されていてよい。この除去は、たとえば上述したような洗浄によって行われ得る。
【００２５】
金属パッド層１９は電極層１６の表面側に接している。金属パッド層１９は好ましくはＡｌ層またはＡｌ−Ｓｉ層である。
【００２６】
次に本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
図２（Ａ）を参照して、まず炭化珪素基板９０が準備される。次に、炭化珪素基板９０上に接し、かつＮｉ原子およびＳｉ原子を有する材料層５０ａが形成される。Ｎｉ原子の数はＮｉ原子およびＳｉ原子の総数の６７％以上である。材料層５０ａは、ＳｉおよびＮｉの混合層である。この混合層の形成は、たとえば、Ｓｉからなるターゲットと、Ｎｉからなるターゲットとを同時にスパッタすることによって行うことができる。
【００２７】
好ましくは、材料層５０ａにおけるＳｉ原子の数は、Ｎｉ原子およびＳｉ原子の総数の１０％以上である。
【００２８】
さらに図２（Ｂ）を参照して、アニール処理として、材料層５０ａ（図２（Ａ））が形成された炭化珪素基板９０上へレーザ光が照射される。このアニールによって材料層５０ａから電極層１６（図２（Ｂ））が形成される。このアニールは、電極層１６の少なくとも炭化珪素基板９０に接する側がＳｉおよびＮｉの化合物すなわちニッケルシリサイドを含むものとなるように行われる。
【００２９】
好ましくはレーザ光の波長は、炭化珪素のバンドギャップに対応する波長である３８６ｎｍ以下である。これにより炭化珪素基板９０の表面においてレーザ光の吸収が生じる。このようなレーザ光としては、たとえば、ＹＡＧレーザまたはＹＶＯ4レーザの第３高調波である波長３５５ｎｍの光を用いることができる。
【００３０】
またレーザ光の出力密度は、０．５Ｊ／ｃｍ2以上１．５Ｊ／ｃｍ2以下であり、より好ましくは、０．７Ｊ／ｃｍ2以上１．３Ｊ／ｃｍ2以下である。これにより、十分なアニールの作用を得るとともに、レーザ光によるダメージの発生を抑えることができる。
【００３１】
またレーザ光のパルス幅は、１０ｎｓ以上１０μｓ以下とされ、より好ましくは５０ｎｓ以上１μｓ以下とされる。これにより、実用的なパルス幅を有するレーザを用いつつ、十分に短い時間でアニールを行うことができる。
【００３２】
再び図１を参照して、電極層１６の上に金属パッド層１９が形成される。金属パッド層１９は好ましくはＡｌ層である。以上により本実施の形態の半導体装置が得られる。
【００３３】
本実施の形態の半導体装置によれば、電極層１６においてＮｉ原子の数はＮｉ原子およびＳｉ原子の総数の６７％以上である。これによりこのパーセンテージが６７％未満である場合に比して電極層１６の電気伝導度を高めることができる。またこの半導体装置によれば、電極層１６の表面側はＳｉ原子濃度およびＮｉ原子濃度の和よりも小さいＣ原子濃度を有する。これにより、電極層１６の表面側に接する金属パッド層１９が形成された場合にこの金属パッド層１９が剥離しにくくなる。
【００３４】
好ましくは電極層１６の表面側におけるＳｉ原子濃度は３０％より小さい。これにより電極層１６の電気伝導度をより高めることができる。
【００３５】
また本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、電極層１６の材料となる材料層５０ａにおいて、Ｎｉ原子の数はＮｉ原子およびＳｉ原子の総数の６７％以上である。これによりこのパーセンテージが６７％未満である場合に比して電極層１６の電気伝導度を高めることができる。
【００３６】
またレーザ光が用いられることによってアニールが短時間で行なわれる。これにより、たとえばランプアニールのように、より長時間に渡るアニールが行われた場合に比して、Ｃ原子の拡散を抑制することができる。よって電極層１６の表面側におけるＣ原子濃度を低くすることができる。これにより、電極層１６の表面側に接する金属パッド層１９が形成された場合に金属パッド層１９が剥離しにくくなる。
【００３７】
好ましくは、電極層１６または材料層５０ａのＮｉ原子の数はＮｉ原子およびＳｉ原子の総数の７０％以上である。これにより上述した作用効果をより確実に得ることができる。また好ましくはＮｉ原子の数はＮｉ原子およびＳｉ原子の総数の９０％以下である。これにより炭化珪素基板９０からのＣ原子の拡散をより抑制することができる。
【００３８】
次に本実施の形態の変形例について説明する。
図３を参照して、本変形例の半導体装置の金属パッド層１９Ｖは、電極層１６上に形成された密着層１９ａと、密着層１９ａ上に形成された本体層１９ｂとを含む。密着層１９ａは、Ｔｉ、ＴｉＷ、およびＴｉＮのいずれかから作られている。本体層１９ｂは、好ましくはＡｌ層またはＡｌ−Ｓｉ層である。
【００３９】
本変形例によれば、金属パッド層１９Ｖの電極層１６への密着性をより高めることができる。
【００４０】
（実施の形態２）
主に図４を参照して、本実施の形態においては材料層５０ａ（図２（Ａ））の代わりに材料層５０ｂが形成される。材料層５０ｂを形成する工程はＳｉ層５１およびＮｉ層５２を積層する工程を含む。好ましくは、形成される積層体の最上層はＮｉ層５２とされる。これにより、アニール後に得られる電極層１６の表面側におけるＮｉ原子の比率を高めることができるので、電極層１６の表面側の電気伝導度を高めることができる。
【００４１】
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
【００４２】
本実施の形態によれば、実施の形態１において行われたようなＮｉおよびＳｉの混合層の形成が不要となる。
【００４３】
（実施の形態３）
本実施の形態においては、上述した実施の形態１または２の半導体装置のより詳しい構造の一例について説明する。
【００４４】
図５を参照して、本実施の形態の半導体装置は、縦型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であり、炭化珪素基板９０と、電極層１６と、金属パッド層１９と、ゲート絶縁膜１５と、ゲート電極１７とを有する。炭化珪素基板９０は、ｎ+層１１、ｎ-層１２、ｐボディ層１３、ｎ+ソース領域１４、ｐ+領域１８を有する。
【００４５】
電極層１６は、炭化珪素基板９０の一方面（図中の上面）上において、ｎ+ソース領域１４およびｐ+領域１８の各々にオーミックに接するように設けられている。電極層１６の厚さは、たとえば１００〜２００ｎｍ程度である。
【００４６】
ゲート電極１７は、炭化珪素基板９０の一方面（図中の上面）上にゲート絶縁膜１５を介して設けられており、ｐボディ層１３の表面側であるチャネル領域１３Ａに対向している。また炭化珪素基板９０の他方面（図中の下面）上にはドレイン電極２０が設けられている。
【００４７】
本実施の形態によれば、電気伝導度の高い電極層１６と、剥離しにくい金属パッド層１９とを有する縦型ＭＯＳＦＥＴが得られる。
【００４８】
なお炭化珪素基板９０のドレイン電極２０に面する側にｐコレクタ層が形成されることによって、縦型ＭＯＳＦＥＴの代わりに縦型ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が構成されてもよい。また炭化珪素基板に形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜を介してゲート電極が埋め込まれる構造（トレンチゲート構造）が用いられてもよい。
【００４９】
（比較例）
ＳＩＭＳを用いた濃度プロファイルデータを参照しつつ、本発明に対する比較例について説明する。なお金属層の表面上への金属パッド層の形成は行わなかったので、濃度プロファイルにおけるスパッタ時間０の近傍が電極層の表面に対応する。またスパッタレートは約１０ｎｍ／分とされた。また測定の前には、表面の洗浄処理が行われた。以下に、比較例について具体的に説明する。
【００５０】
（第１の比較例）
材料層５０ａの代わりにＮｉ層が用いられた。またレーザアニールの代わりにランプアニールが用いられた。
【００５１】
図６を参照して、電極層の表面（グラフの横軸の０近傍）において、半分以上の原子がＣ原子であった。また電極層全体に渡ってＣ原子およびＳｉ原子の各々が有意な比率で存在していた。またＮｉ原子が、深い方へ、すなわち炭化珪素基板内へ拡散していた。
【００５２】
（第２の比較例）
材料層５０ｂ（図４）として、Ｎｉが８０原子％、Ｓｉが２０原子％となるような積層体が用いられた。またレーザアニールの代わりにランプアニールが用いられた。
【００５３】
図７を参照して、第１の比較例と同様に、電極層の表面（グラフの横軸の０近傍）において、半分以上の原子がＣ原子であった。
【００５４】
（第３の比較例）
材料層５０ａ（図２（Ａ））の代わりに、よりＮｉ比率の低い層が用いられた。具体的には、Ｎｉ６５原子％、Ｓｉ３５原子％の組成を有する混合層が用いられた。またレーザアニールの代わりにランプアニールが用いられた。得られた電極層の平均的な電気伝導度は、本発明の実施例のものに比して低かった。
【００５５】
図８を参照して、電極層全体に渡ってＳｉ原子が有意な比率で存在していた。すなわち電極層中に実質的にＮｉからなる部分は存在しなかった。
【００５６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５７】
１６  電極層、１９  金属パッド層、５０ａ，５０ｂ  材料層、５１  Ｓｉ層、５２  Ｎｉ層、９０  炭化珪素基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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