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公開番号2025103787
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-09
出願番号2023221421
出願日2023-12-27
発明の名称炭化珪素半導体装置及びその製造方法
出願人三安ジャパンテクノロジー株式会社
代理人個人,個人
主分類H10D 30/66 20250101AFI20250702BHJP()
要約【課題】水素イオンがゲート電極及びゲート絶縁膜に浸入することを防止し、信頼性が向上する炭化珪素半導体装置を提供する。
【解決手段】炭化珪素半導体装置であって、第1導電型の炭化珪素で形成された炭化珪素基板2と、炭化珪素基板の第1面30において第1導電型の炭化珪素で形成されたドリフト層3と、ドリフト層の上において第2導電型の炭化珪素で形成されたボディ層4と、第1導電型の炭化珪素からなる複数のソース層5と、ボディ層およびソース層と接するように形成されたゲート絶縁膜7と、ゲート電極8と、ゲート電極をゲート絶縁膜とともに覆うように形成された層間絶縁膜9と、前記ソース電極及び前記層間絶縁膜を覆うように形成されたソース配線電極15とを備え、前記ソース電極配線は、平均粒径が1μm以上の多結晶金属からなる第1層16と、平均粒径が0.1μm以下の多結晶金属からなる第2層17を有する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
第１導電型の炭化珪素で形成された炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板の第１面において第１導電型の炭化珪素で形成されたドリフト層と、
前記ドリフト層の上において第２導電型の炭化珪素で形成された複数のボディ層と、
前記複数のボディ層のそれぞれの上において前記ドリフト層よりも高不純物濃度の第１導電型の炭化珪素でそれぞれ形成された複数のソース層と、
前記ボディ層および前記ソース層と接するように形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を前記ゲート絶縁膜とともに覆うように形成された層間絶縁膜と、
前記ソース層の上に形成されたソース電極と、
前記ソース電極及び前記層間絶縁膜を覆うように形成されたソース配線電極と、を備え、
前記ソース電極配線は、平均粒径が１μｍ以上の多結晶金属からなる第１層と、
前記第１層上に形成され、平均粒径が０．１μｍ以下の多結晶金属からなる第２層を有する、
炭化珪素半導体装置。
続きを表示（約 530 文字）【請求項２】
前記第１層と前記第２層の間に形成された導電性バリア層を備える、
請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項３】
前記導電性バリア層は、タンタル、窒化タンタル、又は窒化チタンからなる、
請求項２に記載の炭化珪素半導体装置。
【請求項４】
炭化珪素基板上にドリフト層を形成する工程と、
前記ドリフト層上にイオン注入によりボディ層及びソース層を形成する工程と、
前記ボディ層及び前記ソース層と接するようにゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
前記ソース層を覆うようにソース電極を形成する工程と、
前記層間絶縁膜及び前記ソース電極を覆うようにソース配線電極を形成する工程と、を含み、
前記ソース配線電極を形成する工程は、
デポジション法により、３５０℃以上５５０℃以下でアルミニウムからなる第１層を形成する工程と、
０℃以上２５０℃以下でアルミニウムからなる第２層を形成する工程と、を含む、
炭化珪素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、炭化珪素半導体装置及びその製造方法に関する。
続きを表示（約 3,100 文字）【背景技術】
【０００２】
基板及びドリフト層（エピタキシャル層）に炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた半導体装置は、基板に珪素（Ｓｉ）を用いた半導体装置よりも高耐圧、低損失、及び高速を実現できることから、例えばパワー半導体装置として用いられている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の炭化珪素半導体装置としてのＳｉＣ―ＭＯＳＦＥＴが開示されている。非特許文献１には、トレンチ型のパワーＳｉＣ―ＭＯＳＦＥＴにおいて、水素イオン（Ｈ
＋
）がデバイスに入り込むとＨＴＲＢ（High_Temperature_Reverse_Bias：高温逆電圧）試験の信頼性を損なう作用があること、及びその対策として層間絶縁膜にリン濃度が高い材料を採用することで水素イオンを吸着し、半導体装置の内部に水素イオンが浸入することを防止して半導体装置の信頼性を向上させうることが示されている。非特許文献２には、アルミニウムの平均粒径（グレンサイズ）が小さいと水素の拡散速度（水素透過率）が低下する傾向があることが記載されている。図１０は、従来のプレーナ型ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴの最小単位構造となるユニットセルとしての炭化珪素半導体装置１００が二つ並んだ状態を示す断面図である。この炭化珪素半導体装置１００は、炭化珪素基板１０２、ドリフト層１０３、ソース配線電極１１１、ソース電極１１０、ゲート絶縁膜１０７、ゲート電極１０８、層間絶縁膜１０９、ボディ層１０４、ソース層１０５、ボディコンタクト層１０６及びドレイン電極１１２を備える。また、炭化珪素半導体装置１００は、ソース配線電極１１１上にワイヤボンディングで設けられた配線１１３とともに樹脂１１４により封止されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０２１－９３４９６号公報
【非特許文献】
【０００５】
Ai Loon Ooi, David Goh, V. C. Ngwan,STMicroelectronics Pte Ltd “High Temperature ReverseBias (HTRB) & Temperature Humidity Bias (THB) Reliability FailureMechanisms and Improvements in Trench Power MOSFET and IGBT” DOI 10.1109/JEDS.2021.3109347, IEEE Journal of the Electron DevicesSociety
Minoru Ichimura*, Yasushi Sasajima* and mamoru Imabayashi* “GrainBoundary Effect on Diffusion of Hydrogen in Pure Aluminium” Materials Transactions,JIM, Vol. 32, No. 12(1991), pp. 1109 to 1114
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１０に示したＳｉＣ―ＭＯＳＦＥＴなどの炭化珪素半導体装置１００は、封止に用いられる樹脂１１４から析出した水素イオンが、ソース配線電極１１１、ゲート電極１０８、ゲート絶縁膜１０７を通り、ボディ層１０４のチャネルエリアに到達することにより、ＨＴＲＢ（高温逆電圧）試験における信頼性を損なうとともに、炭化珪素半導体装置１００のゲート閾値電圧（Vth）の変動及びリーク電流の増加を招くと考えられる。このため、水素イオンをチャネルエリアに到達させないことが好ましい。このため、半導体装置の信頼性向上のためには、上記非特許文献２のとおり、ソース配線電極のアルミニウムの粒径を小さくして、水素イオンの透過を抑制することも考えられる。しかしながら、ソース配線電極１１１は、低温で成膜すると、ソース配線電極１１１成膜の時にボイド（空所）ができやすくなる傾向があり、特に図１０の隣り合う層間絶縁膜１０９同士の間の領域１２０付近に、層間絶縁膜１０９とソース電極１１０との段差のために、成膜工程中に成膜されない空洞が生じやすくなることから、ソース配線電極１１１を低温で成膜することは難しい。
本発明は、これらの問題に鑑みて、ソース配線電極の空洞発生を防止しつつ、ソース配線電極を通じてチャネルエリアに水素イオンが到達することを防止し、信頼性が向上する炭化珪素半導体装置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】
【０００７】
本発明の炭化珪素半導体装置の１つの態様は、
第１導電型の炭化珪素で形成された炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板の第１面において第１導電型の炭化珪素で形成されたドリフト層と、
前記ドリフト層の上において第２導電型の炭化珪素で形成された複数のボディ層と、
前記複数のボディ層のそれぞれの上において前記ドリフト層よりも高不純物濃度の第１導電型の炭化珪素でそれぞれ形成された複数のソース層と、
前記ボディ層および前記ソース層と接するように形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を前記ゲート絶縁膜とともに覆うように形成された層間絶縁膜と、
前記ソース層の上に形成されたソース電極と、
前記ソース電極及び前記層間絶縁膜を覆うように形成されたソース配線電極と、を備え、
前記ソース電極配線は、平均粒径が１μｍ以上の多結晶金属からなる第１層と、
前記第１層上に形成され、平均粒径が０．１μｍ以下の多結晶金属からなる第２層を有する
ものである。
【０００８】
このように、本発明の炭化珪素半導体装置は、そのソース配線電極において、平均粒径が０．１μｍ以下の多結晶金属からなる第２層を有することとしたため、第２層は水素透過率を低くすることができる。この第２層により樹脂から析出する水素イオンがチャネルエリアに到達することを防止することができ、水素イオンを要因とした信頼性低下を防止して、炭化珪素半導体の信頼性を長期にわたって確保することができる。その上、第２層よりも炭化珪素基板側の第１層は、平均粒径１μｍ以上の多結晶金属からなるので、従来どおりの温度で成膜できるので、製造工程において、段差による空洞の発生もない。従って、水素イオンを要因とする信頼性低下を防止して、炭化珪素半導体の信頼性を向上させることと、製造工程での空洞発生の防止を両立させることができる。
【０００９】
本発明の炭化珪素半導体装置は、上述の態様の具体的態様として、前記第１層と前記第２層の間に形成された、前記第１層の多結晶金属よりも水素透過率が低い導電性バリア層を備えるものである。
【００１０】
このように、第１層と第２層の間に形成された、導電性バリア層は、第１層の多結晶金属よりも水素透過率が低いこととしたため、電気抵抗値を上げずに導電性バリア層として水素イオンの通過を防止することが可能である。これにより、炭化珪素半導体装置の信頼性を高めることが可能となる。
（【００１１】以降は省略されています）

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