(57)【要約】【課題】オーミック特性を確保しつつ、炭素の遊離を抑制して電極の密着性を確保できるオーミック電極を形成する。【解決手段】炭化珪素基板１にコンタクト電極を形成する工程を含み、コンタクト電極を形成する工程は、コンタクト電極として、炭化物を生成し易くかつ窒化物も生成し易い金属（チタン、ジルコニウム、ハフニウムの内いずれか１種類以上を含む純金属もしくは合金）を電極主材料として用い、窒素を主成分とする雰囲気中で熱アニールを行い、炭化珪素基板１とコンタクト電極の材料の金属とが直接接触しているコンタクトホール９の領域において、熱アニール時にコンタクト電極の材料の金属を炭化物と窒化物の両方を含む混合層１２に変換する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶の炭化珪素基板を用いた炭化珪素半導体素子の製造方法において、
前記炭化珪素基板にコンタクト電極を形成する工程を含み、
当該コンタクト電極を形成する工程は、
前記コンタクト電極として、炭化物を生成し易くかつ窒化物も生成し易い金属を電極主材料として用い、
窒素を主成分とする雰囲気中で熱アニールを行い、前記炭化珪素基板と前記コンタクト電極の材料の金属とが直接接触しているコンタクトホールの領域において、当該熱アニール時に前記コンタクト電極の材料の金属を炭化物と窒化物の両方を含む混合物に変換することを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記コンタクト電極の材料の金属が、チタン、ジルコニウム、ハフニウムの内いずれか１種類以上を含む純金属もしくは合金であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶の炭化珪素基板を用いた炭化珪素半導体素子の製造方法に関し、特に、高耐圧縦型デバイスとして製造する炭化珪素半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶炭化珪素（ＳｉＣ）は、単結晶シリコン（Ｓｉ）を大幅に上回るバンドギャップや破壊電界強度を有し、単体で耐圧１０ｋＶを超える超高耐圧半導体素子を実現することができると期待されている。炭化珪素半導体素子の製造プロセスでは、オーミック電極を形成する際、金属薄膜を堆積し、アルゴンなどの不活性ガス中で１０００℃程度の熱アニールを行うのが、最も簡便であるとされている。上記金属の材料としては、現在のところニッケル（Ｎｉ）系が一般的である（例えば、下記非特許文献１参照。）。
【０００３】
オーミック電極形成の熱アニールの際、ニッケルと炭化珪素との組み合わせからは珪化ニッケルしか生成されないため、余った炭素がグラファイトの形で電極の内部や表面に析出し、コンタクト抵抗の増大、電極の密着性の低下、といった問題の原因になることが知られている。解決策の一つとして、チタンなど炭化物を生成し易い金属をニッケルと共に予め堆積しておき、これをグラファイトと反応させる、という手法が開発されている（例えば、下記特許文献１，２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２０８４３８号公報
【特許文献２】特開２００６−３４４６８８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】佐治学、安田和人、早川俊高：電気学会研究会資料、ＥＦＭ−９０、１７−２３号、ｐｐ．３１−３３、１９９０年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、一般的な半導体素子の製造工程において、配線同士の電気的な分離に用いられる、二酸化珪素を主成分とする堆積膜（層間絶縁膜）と、上記のチタンやニッケルといった金属が直接接触している部分があると、熱アニールの条件によっては、金属が層間絶縁膜を分解しながら拡散し、下地の基板まで達してしまうことがある（スパイク現象と呼ぶ）。層間絶縁膜に設けた開口部にのみ金属を残し、不要な部分を薬液エッチングあるいはドライエッチングで除去すれば、このような問題は起こらないが、これらの手法では、フォトリソグラフィ工程の位置合わせ精度が要求され、エッチングに伴い金属有効線幅が減少するという問題が生じるため、プロセスルールの微細化を達成できなくなる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、オーミック特性を確保しつつ、炭素の遊離を抑制して電極の密着性を確保できるオーミック電極を形成できる炭化珪素半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の炭化珪素半導体素子の製造方法は、単結晶の炭化珪素基板を用いた炭化珪素半導体素子の製造方法において、前記炭化珪素基板にコンタクト電極を形成する工程を含み、当該コンタクト電極を形成する工程は、前記コンタクト電極として、炭化物を生成し易くかつ窒化物も生成し易い金属を電極主材料として用い、窒素を主成分とする雰囲気中で熱アニールを行い、前記炭化珪素基板と前記コンタクト電極の材料の金属とが直接接触しているコンタクトホールの領域において、当該熱アニール時に前記コンタクト電極の材料の金属を炭化物と窒化物の両方を含む混合物に変換することを特徴とする。
【０００９】
また、前記コンタクト電極材料の金属が、チタン、ジルコニウム、ハフニウムの内いずれか１種類以上を含む純金属もしくは合金であることを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、炭化珪素基板とコンタクト電極の材料の金属とが直接接触しているコンタクトホールの領域において、熱アニール時にコンタクト電極の材料の金属を炭化物と窒化物の両方を含む混合物に変換する。これにより、ニッケルを用いなくても実用に足る低コンタクト抵抗を確保でき、かつ層間絶縁膜中にスパイクを起こさない。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、オーミック特性を確保しつつ、炭素の遊離を抑制して電極の密着性を確保できるオーミック電極を得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態における炭化珪素半導体素子の電極の製造工程を示す断面図である（その１）。
【図２】この発明の実施の形態における炭化珪素半導体素子の電極の製造工程を示す断面図である（その２）。
【図３】この発明の実施の形態における炭化珪素半導体素子の電極の製造工程を示す断面図である（その３）。
【図４】比較例におけるコンタクト電極の電流電圧特性を示す図表である。
【図５】実施例におけるコンタクト電極の電流電圧特性を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体素子の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
発明者は、上記課題を解決するべく検討を重ねた結果、オーミック電極について、ニッケル（Ｎｉ）を含まず、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）といった、炭化物を生成し易くかつ窒化物も生成し易い金属を電極主材料の内いずれか１種類以上を含む純金属もしくは合金を用い、窒素（Ｎ）を主成分とする雰囲気中で熱アニールを行って、炭化物と窒化物の両方を含む混合物に変換することとした。これにより、ニッケルを用いなくても実用に足る低コンタクト抵抗を確保でき、かつ層間絶縁膜中にスパイクを起こさないという本発明を完成するに至った。
【００１５】
（実施の形態）
以下、本発明による炭化珪素半導体素子の製造方法の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは炭化物を生成し易くかつ窒化物も生成し易い金属として、チタンを用いるものとする。
【００１６】
図１〜図３は、それぞれこの発明の実施の形態における炭化珪素半導体素子の電極の製造工程を示す断面図である。ｎ型炭化珪素基板１上に形成するオーミック電極の断面を、各製造工程で断面方向から見た模式図である。また、下記の手順１〜手順３はそれぞれ、図１〜図３の各番号と対応している。以下、オーミック電極をニッケルを含まず、チタンを用いて形成する例について説明する。
【００１７】
〔手順１〕
図１に示すように、薬液洗浄やプラズマエッチングなどの方法で清浄化された単結晶ｎ型炭化珪素基板（炭化珪素基板）１の上に、必要なデバイス構造を形成し、層間絶縁膜２で密封する。本実施例では上記デバイス構造の一例として、ＭＯＳＦＥＴ構造の一部を示している。ＭＯＳＦＥＴ形成時には、ｐ型ウェル層３、ｎ型ドリフト層４、ｎ型イオン注入領域５、ゲート酸化膜６、ゲート電極７、素子分離メサ８を有する。
【００１８】
〔手順２〕
次に、図２に示すように、ドライエッチングなどの手法を用い、層間絶縁膜２およびゲート酸化膜６の一部を開口してコンタクトホール９を形成し、メタルスパッタ装置を用いて層間絶縁膜２およびｎ型イオン注入領域５を覆うチタン層１０を堆積する。このように、チタン層１０は、手順２で堆積させ、最初の手順１において窒化チタンの形で堆積しない。これは、窒化チタンは化学的安定性が高いため、電極として窒化チタン層を形成した場合、薬液エッチングで窒化チタン層をパターニングできず、チタン層１０上に形成するパターンニング工程（後述する）がドライエッチングに限定されてしまうためである。チタン層１０は、薬液エッチングおよびドライエッチングのいずれでもパターニング可能なチタン層がよい。
【００１９】
チタン層１０の膜厚は、最低５０ｎｍ程度あればオーミック接合を形成することが可能だが、縦型デバイスの裏面電極として用いる場合は、炭化珪素基板１の裏面がダイヤモンドスラリー等の機械研磨により仕上げられることが多いため、研磨ダメージ層よりも深くまでチタンを浸透させなければならない。この観点から、チタン層１０の膜厚を最低でも１００ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００２０】
電極パターンの形成が必要な場合は、一般的なフォトリソグラフィ工程の手順で所望の電極パターンをチタン層１０の上に塗布したフォトレジストに焼き付け（図示略）、電極パターンが形成されたレジストマスクをマスクとして薬液エッチングもしくはドライエッチングでチタン層１０のパターンニングを行う。薬液エッチングの場合は、アンモニアを含む薬液（例えばアンモニア水−過酸化水素混合液）を、ドライエッチングの場合は、塩素系のプラズマをエッチャントとして用いると良い。なお、実施にあたっては、必ずしもエッチャントが上記の薬液やプラズマに限定されるものではない。
【００２１】
〔手順３〕
次に、図３に示すように、炭化珪素基板１をアニール炉に導入し、高純度の窒素雰囲気中で熱アニールを行う。窒素の純度は、半導体デバイス製造工程で一般的に使われる６Ｎ（９９．９９９９％）で良い。窒素の分圧は、本発明の性格上、反応性スパッタで窒化チタンを堆積する場合（１Ｐａ前後）と比べてかなり高めに設定する必要があるが、１００ｋＰａ程度あれば確実にチタンの窒化反応が起こることが確認されている。
【００２２】
コンタクトホール９の部分では、チタン層１０は、最表面３０〜４０ｎｍ程度が窒素のみと反応して窒化チタン層１１に変化する。また、このコンタクトホール９のより深い部分、炭化珪素基板１側では、窒素および炭化珪素と反応して、窒化チタンと炭化チタンの混合層１２に変化する。
【００２３】
一方、層間絶縁膜２の上では、チタン層１０の最表面３０〜４０ｎｍ程度が窒素のみと反応して窒化チタン層１１に変化し、残りは二酸化珪素とも反応して、窒化チタンと酸化チタンと珪化チタンの混合層１３に変化する。窒素を主成分とする雰囲気中では、二酸化珪素とチタンとの反応がほぼ均一に進むため、真空中もしくは希ガス中での反応のようにスパイク現象を起こすことはない。
【００２４】
（実施例および比較例）
比較例としての従来の真空中での熱アニールと、実施例として上記手順の窒素雰囲気中での熱アニールとを行った。この際、いずれもｎ型ベア基板（窒素ドープ、１×１０18ｃｍ-3、表面は０．５μｍダイヤモンドスラリーによる機械研磨仕上げ）に、伝送線路モデルに基づく測定を行うためのＴＬＭ電極パターンを形成し、コンタクト抵抗の違いを比べた。
【００２５】
熱アニール前の金属の膜厚は、比較例では、ニッケル１００ｎｍとチタン８０ｎｍの積層構造（ニッケルが基板に近い側）であり、実施例ではチタン１００ｎｍである。各電極間のギャップ長は１０μｍから１００μｍまで刻み幅１０μｍとした。熱アニールのピーク温度は全て１０００℃とした。
【００２６】
図４は、比較例におけるコンタクト電極の電流電圧特性を示す図表である。横軸が電圧、縦軸が電流である。比較例のニッケルとチタンとを含むコンタクト電極では、図４に示すように電流−電圧特性にショットキー接合の成分が乗る形となっており、ほぼ直線と見なせる範囲で定義したコンタクト抵抗は５×１０-3Ωｃｍ2と高くなった。また、膜厚５００ｎｍの層間絶縁膜２を介した測定では、コンタクト電極と下地の炭化珪素基板１との間に僅か１Ｖ未満の交流電圧を印加した時点で導通が確認され、スパイク現象が起きていることが示された。
【００２７】
図５は、実施例におけるコンタクト電極の電流電圧特性を示す図表である。横軸が電圧、縦軸が電流である。本実施例のコンタクト電極は、チタンのみでニッケルを含まないコンタクト電極であり、図５に示すように、ニッケルを用いなくても、電流−電圧特性にショットキー接合の成分が乗らなくなり、コンタクト抵抗は１×１０-4Ωｃｍ2と明確な改善が見られた。また、膜厚５００ｎｍの層間絶縁膜２を介した測定では、縦型パワーＭＯＳＦＥＴのゲート／ソース間耐久試験を想定した８０Ｖの交流電圧を印加しても、コンタクト電極と下地の炭化珪素基板１との間で全く導通は確認されず、絶縁が保たれていることが示された。
【００２８】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、オーミック電極について、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）といった、炭化物を生成し易くかつ窒化物も生成し易い金属を電極主材料として用い、窒素（Ｎ）を主成分とする雰囲気中で熱アニールを行って、炭化物と窒化物の両方を含む混合物に変換する。これにより、ニッケルを用いなくても実用に足る低コンタクト抵抗を確保でき、かつ層間絶縁膜中にスパイクを起こさない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体素子の製造方法は、例えばパワーデバイス等の電力用半導体装置や、産業用のモーター制御やエンジン制御に使用されるパワー半導体装置に有用である。
【符号の説明】
【００３０】
１  単結晶ｎ型炭化珪素基板（炭化珪素基板）
２  層間絶縁膜
３  ｐ型ウェル層
４  ｎ型ドリフト層
５  ｎ型イオン注入領域
６  ゲート酸化膜
７  ゲート電極
８  素子分離メサ
９  コンタクトホール
１０  チタン層
１１  窒化チタン層
１２  窒化チタンと炭化チタンの混合層
１３  窒化チタンと酸化チタンと珪化チタンの混合層
【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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