特開 2024-41450 半導体装置及び半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024041450

(43)【公開日】2024-03-27

(54)【発明の名称】半導体装置及び半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/78 20060101AFI20240319BHJP

   H01L 29/12 20060101ALI20240319BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20240319BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 652M

H01L29/78 653A

H01L29/78 652T

H01L29/78 658F

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022146279

(22)【出願日】2022-09-14

(71)【出願人】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】藤田 康晴

(57)【要約】

【課題】バリア層の密着性を確保しつつ、電極から絶縁膜への金属の拡散を効果的に抑制できる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置は、第１主面を有する基板と、前記第１主面の上に設けられる絶縁膜と、前記絶縁膜の上に設けられ、チタン及び窒素を含むバリア層と、前記バリア層の上に設けられる電極と、を有し、前記バリア層は、前記絶縁膜の側から前記電極の側に向かうにつれて前記窒素の濃度が連続的に高くなる第１領域と、前記第１領域の上に設けられ、前記電極の側に向かうにつれて前記窒素の濃度が連続的に低くなる第２領域と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１主面を有する基板と、
前記第１主面の上に設けられる絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に設けられ、チタン及び窒素を含むバリア層と、
前記バリア層の上に設けられる電極と、
を有し、
前記バリア層は、
前記絶縁膜の側から前記電極の側に向かうにつれて前記窒素の濃度が連続的に高くなる第１領域と、
前記第１領域の上に設けられ、前記電極の側に向かうにつれて前記窒素の濃度が連続的に低くなる第２領域と、
を有する、
半導体装置。

【請求項2】

前記バリア層は、前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記窒素の濃度が一定である第３領域を有する、
請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第３領域における前記窒素の含有量は、３８ａｔｍ％以上６２ａｔｍ％以下である、
請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記バリア層は、
前記絶縁膜と前記第１領域との間に設けられ、前記窒素を含まない第４領域と、
前記第２領域の上に設けられ、前記窒素を含まない第５領域と、
を有する、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記基板は炭化珪素基板である
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項6】

第１主面を有する基板の前記第１主面の上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に、ターゲットとしてチタンを用い、かつスパッタガスとして窒素ガス及びアルゴンガスを用いるスパッタリング法により、チタン及び窒素を含むバリア層を形成する工程と、
前記バリア層の上に電極を形成する工程と、
を有し、
前記バリア層を形成する工程は、
前記アルゴンガスに対する前記窒素ガスの流量比を第１値から第２値まで連続的に増加させる工程と、
前記増加させる工程の後に、前記アルゴンガスに対する前記窒素ガスの流量比を前記第２値から前記第１値まで連続的に減少させる工程と、
を有する、
半導体装置の製造方法。

【請求項7】

前記増加させる工程と前記減少させる工程との間に、前記アルゴンガスに対する前記窒素ガスの流量比を前記第２値に維持する工程を有する、
請求項６に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項8】

前記電極を形成する工程の後に、前記バリア層を９００℃以上１１００℃以下の温度で加熱する工程を有する、
請求項６又は請求項７に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項9】

前記加熱する工程の後に、前記バリア層の比抵抗を測定する工程を有する、
請求項８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】

本開示は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置において、層間絶縁膜とソース電極との間に窒化チタンからなるバリア層を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１９／１２３８２６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の半導体装置では、バリア層が加熱された場合に層間絶縁膜の表面からバリア層が剥離する場合がある。

【0005】

本開示は、バリア層の密着性を確保しつつ、電極から絶縁膜への金属の拡散を効果的に抑制できる半導体装置及び半導体装置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】

【0006】

本開示の半導体装置は、第１主面を有する基板と、前記第１主面の上に設けられる絶縁膜と、前記絶縁膜の上に設けられ、チタン及び窒素を含むバリア層と、前記バリア層の上に設けられる電極と、を有し、前記バリア層は、前記絶縁膜の側から前記電極の側に向かうにつれて前記窒素の濃度が連続的に高くなる第１領域と、前記第１領域の上に設けられ、前記電極の側に向かうにつれて前記窒素の濃度が連続的に低くなる第２領域と、を有する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、バリア層の密着性を確保しつつ、電極から絶縁膜への金属の拡散を効果的に抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。

【図2】図２は、バリアメタル膜の厚さ方向における窒素濃度分布の第１例を示す図である。

【図3】図３は、バリアメタル膜の厚さ方向における窒素濃度分布の第２例を示す図である。

【図4】図４は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。

【図5】図５は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。

【図6】図６は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その３）である。

【図7】図７は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その４）である。

【図8】図８は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その５）である。

【図9】図９は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その６）である。

【図10】図１０は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その７）である。

【図11】図１１は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その８）である。

【図12】図１２は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その９）である。

【図13】図１３は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その１０）である。

【図14】図１４は、バリアメタル膜を形成する際のスパッタガス流量と時間との関係の第１例を示す図である。

【図15】図１５は、バリアメタル膜を形成する際のスパッタガス流量と時間との関係の第２例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

実施するための形態について、以下に説明する。

【0010】

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一又は対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。

【0011】

〔１〕 本開示の一態様に係る半導体装置は、第１主面を有する基板と、前記第１主面の上に設けられる絶縁膜と、前記絶縁膜の上に設けられ、チタン及び窒素を含むバリア層と、前記バリア層の上に設けられる電極と、を有し、前記バリア層は、前記絶縁膜の側から前記電極の側に向かうにつれて前記窒素の濃度が連続的に高くなる第１領域と、前記第１領域の上に設けられ、前記電極の側に向かうにつれて前記窒素の濃度が連続的に低くなる第２領域と、を有する。この場合、バリア層の密着性を確保しつつ、電極から絶縁膜への金属の拡散を効果的に抑制できる。

【0012】

〔２〕 〔１〕において、前記バリア層は、前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記窒素の濃度が一定である第３領域を有していてもよい。この場合、チタンリッチの領域が増えるので、電極から絶縁膜への金属の拡散を抑制しやすい。

【0013】

〔３〕 〔２〕において、前記第３領域における前記窒素の含有量は、３８ａｔｍ％以上６２ａｔｍ％以下であってもよい。第３領域における窒素の含有量が３８ａｔｍ％以上６２ａｔｍ％以下の場合に（１１１）配向のＴｉＮ膜となる。第３領域における窒素の含有量が６２ａｔｍ％を超えると（１１１）配向から（２００）配向が強くなり膜応力が高く密着性の低下につながる。第３領域における窒素の含有量が３８ａｔｍ％未満では、（１１１）配向の結晶ではなくなるので、所望のバリア性が担保できない。第３領域における窒素の含有量が３８ａｔｍ％以上６２ａｔｍ％以下の膜は上下に（００１）配向のＴｉ膜に挟まれる為に（１１１）配向をもつＴｉＮ膜は安定となる。

【0014】

〔４〕 〔１〕から〔３〕のいずれかにおいて、前記バリア層は、前記絶縁膜と前記第１領域との間に設けられ、前記窒素を含まない第４領域と、前記第２領域の上に設けられ、前記窒素を含まない第５領域と、を有していてもよい。この場合、バリア層と、絶縁膜及び電極との間の密着性を高めやすい。

【0015】

〔５〕 〔１〕から〔４〕のいずれかにおいて、前記基板は炭化珪素基板であってもよい。この場合、優れた耐圧を得やすい。

【0016】

〔６〕 本開示の他の一態様に係る半導体装置の製造方法は、第１主面を有する基板の前記第１主面の上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上に、ターゲットとしてチタンを用い、かつスパッタガスとして窒素ガス及びアルゴンガスを用いるスパッタリング法により、チタン及び窒素を含むバリア層を形成する工程と、前記バリア層の上に電極を形成する工程と、を有し、前記バリア層を形成する工程は、前記アルゴンガスに対する前記窒素ガスの流量比を第１値から第２値まで連続的に増加させる工程と、前記増加させる工程の後に、前記アルゴンガスに対する前記窒素ガスの流量比を前記第２値から前記第１値まで連続的に減少させる工程と、を有していてもよい。この場合、バリア層の密着性を確保しつつ、電極から絶縁膜への金属の拡散を効果的に抑制できる。

【0017】

〔７〕 〔６〕において、前記増加させる工程と前記減少させる工程との間に、前記アルゴンガスに対する前記窒素ガスの流量比を前記第２値に維持する工程を有していてもよい。この場合、バリア層においてチタンリッチの領域が増えるので、電極から絶縁膜への金属の拡散を抑制しやすい。

【0018】

〔８〕 〔６〕又は〔７〕において、前記電極を形成する工程の後に、前記バリア層を９００℃以上１１００℃以下の温度で加熱する工程を有していてもよい。この場合、基板とオーミック接合する電極を形成できる。

【0019】

〔９〕 〔８〕において、前記加熱する工程の後に、前記バリア層の比抵抗を測定する工程を有していてもよい。この場合、加熱後のバリア層の比抵抗を管理できるので、半導体装置の歩留りを安定化できる。

【0020】

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の実施形態について詳細に説明するが、本開示はこれらに限定されるものではない。

【0021】

（半導体装置）
実施形態に係る半導体装置１００について説明する。図１は、実施形態に係る半導体装置１００を示す断面図である。

【0022】

図１に示されるように、実施形態に係る半導体装置１００は、炭化珪素基板１０と、ゲート絶縁膜８１と、ゲート電極８２と、層間絶縁膜８３と、バリアメタル膜８４と、ソース電極６０と、ドレイン電極７０とを主に有する。

【0023】

炭化珪素基板１０は、基板の一例である。炭化珪素基板１０を用いる場合、優れた耐圧を得やすい。炭化珪素基板１０は、炭化珪素単結晶基板５０と、炭化珪素単結晶基板５０上にある炭化珪素エピタキシャル層４０とを含む。炭化珪素基板１０は、第１主面１と、第１主面１と反対の第２主面２とを有する。炭化珪素エピタキシャル層４０は第１主面１を構成し、炭化珪素単結晶基板５０は第２主面２を構成する。炭化珪素単結晶基板５０及び炭化珪素エピタキシャル層４０は、例えばポリタイプ４Ｈの六方晶炭化珪素から構成される。炭化珪素単結晶基板５０は、例えば窒素（Ｎ）等のｎ型不純物を含み、ｎ型を有する。炭化珪素基板１０には、半導体素子の一例として電界効果トランジスタが形成されている。

【0024】

炭化珪素エピタキシャル層４０は、ドリフト領域１１と、ボディ領域１２と、ソース領域１３と、コンタクト領域１８とを主に有する。

【0025】

ドリフト領域１１は、例えば窒素又はリン（Ｐ）等のｎ型不純物を含み、ｎ型を有する。

【0026】

ボディ領域１２は、ドリフト領域１１上に設けられている。ボディ領域１２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）等のｐ型不純物を含み、ｐ型を有する。

【0027】

ソース領域１３は、ボディ領域１２によってドリフト領域１１から隔てられるようにボディ領域１２上に設けられている。ソース領域１３は、例えば窒素又はリン等のｎ型不純物を含み、ｎ型を有する。ソース領域１３は、第１主面１を構成する。

【0028】

コンタクト領域１８は、例えばアルミニウム等のｐ型不純物を含み、ｐ型を有する。コンタクト領域１８は、第１主面１を構成する。コンタクト領域１８は、ソース領域１３を貫通し、ボディ領域１２に接する。

【0029】

第１主面１には、複数のゲートトレンチ５が設けられている。各ゲートトレンチ５は、例えば第１主面１に平行な第１方向に延びる。複数のゲートトレンチ５は、例えば第１主面１に平行かつ第１方向と直交する第２方向に並んでいる。各ゲートトレンチ５は、ドリフト領域１１からなる底面４を有する。各ゲートトレンチ５は、ソース領域１３及びボディ領域１２を貫通して底面４に連なる側面３を有する。底面４は、例えば第２主面２と平行な平面である。底面４を含む平面に対する側面３の角度は、例えば５０°以上６５°以下である。この角度は、例えば５５°以上であってもよい。この角度は、例えば６０°以下であってもよい。底面４を含む平面に対する側面３の角度が９０°であってもよい。

【0030】

ゲート絶縁膜８１は、側面３及び底面４に接する。ゲート絶縁膜８１は、底面４においてドリフト領域１１と接する。ゲート絶縁膜８１は、側面３においてソース領域１３、ボディ領域１２及びドリフト領域１１の各々と接する。ゲート絶縁膜８１は、第１主面１においてソース領域１３と接していてもよい。ゲート絶縁膜８１は、例えば酸化膜である。ゲート絶縁膜８１は、例えば二酸化珪素を含む材料により構成される。

【0031】

ゲート電極８２は、ゲート絶縁膜８１上に設けられている。ゲート電極８２は、例えば導電性不純物を含むポリシリコン（ポリＳｉ）から構成される。ゲート電極８２は、ゲートトレンチ５の内部に配置されている。ゲート電極８２の一部は、第１主面１上に配置されていてもよい。

【0032】

層間絶縁膜８３は、ゲート絶縁膜８１及びゲート電極８２に接して設けられている。層間絶縁膜８３は、例えば二酸化珪素を含む材料から構成される。層間絶縁膜８３は、ソース電極６０とゲート電極８２とを電気的に絶縁する。層間絶縁膜８３の一部は、ゲートトレンチ５の内部に設けられていてもよい。

【0033】

ゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３には、第２方向に一定の間隔でコンタクトホール９０が形成されている。コンタクトホール９０は、第１主面１に垂直な方向から平面視したときに、第２方向で隣り合うコンタクトホール９０の間にゲートトレンチ５が位置するように設けられている。コンタクトホール９０は、第１方向に延びる。コンタクトホール９０を通じて、ソース領域１３及びコンタクト領域１８がゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３から露出する。

【0034】

バリアメタル膜８４は、ゲート絶縁膜８１の側面と、層間絶縁膜８３の上面及び側面とを覆う。バリアメタル膜８４は、ゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３の各々と接する。バリアメタル膜８４は、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）を含む材料から構成される。バリアメタル膜８４は、バリア層の一例である。

【0035】

図２は、バリアメタル膜８４の厚さ方向における窒素濃度分布の第１例を示す図である。図２中、横軸はバリアメタル膜８４の厚さ方向の位置を示し、縦軸はバリアメタル膜８４の窒素濃度を示す。図２に示されるように、バリアメタル膜８４は、層間絶縁膜８３の側からソース電極６０の側に向かって順に、第１Ｔｉ領域８４ａと、第１ＴｉＮ領域８４ｂと、第２ＴｉＮ領域８４ｃと、第２Ｔｉ領域８４ｄとを有する。

【0036】

第１Ｔｉ領域８４ａは、層間絶縁膜８３の上に設けられている。第１Ｔｉ領域８４ａは、ゲート絶縁膜８１の側面と、層間絶縁膜８３の上面及び側面とに接する。第１Ｔｉ領域８４ａは、チタン（Ｔｉ）を含みかつ窒素を含まない。第１Ｔｉ領域８４ａは、例えばチタンから構成される。チタンは絶縁膜に対する密着性が高いので、バリアメタル膜８４とゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３との間の密着性を高めやすい。第１Ｔｉ領域８４ａの厚さは、例えば１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であってよい。第１Ｔｉ領域８４ａは、第４領域の一例である。

【0037】

第１ＴｉＮ領域８４ｂは、第１Ｔｉ領域８４ａの上に設けられている。第１ＴｉＮ領域８４ｂは、第１Ｔｉ領域８４ａと第２ＴｉＮ領域８４ｃとの間に設けられている。第１ＴｉＮ領域８４ｂは、チタンと窒素とを含む。第１ＴｉＮ領域８４ｂは、例えば窒化チタンから構成される。窒化チタンは金属に対するバリア性が高いので、ソース電極６０からゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３への金属の拡散を効果的に抑制できる。第１ＴｉＮ領域８４ｂは、層間絶縁膜８３の側からソース電極６０の側に向かうにつれて窒素濃度が連続的に高くなる。この場合、第１Ｔｉ領域８４ａとの密着性を確保すると共に内部応力を低減できるので、バリアメタル膜８４の剥離を抑制できる。第１ＴｉＮ領域８４ｂの第１Ｔｉ領域８４ａとの境界における窒素濃度は、例えば０ａｔｍ％であってよい。第１ＴｉＮ領域８４ｂの第２ＴｉＮ領域８４ｃとの境界における窒素濃度は、例えば３８ａｔｍ％以上６２ａｔｍ％以下であってもよい。この場合、ＴｉＮは（１１１）配向性を持つ。第１ＴｉＮ領域８４ｂの厚さは、例えば１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であってよい。第１ＴｉＮ領域８４ｂは、第１領域の一例である。

【0038】

第２ＴｉＮ領域８４ｃは、第１ＴｉＮ領域８４ｂの上に設けられている。第２ＴｉＮ領域８４ｃは、第１ＴｉＮ領域８４ｂと第２Ｔｉ領域８４ｄとの間に設けられている。第２ＴｉＮ領域８４ｃは、チタンと窒素とを含む。第２ＴｉＮ領域８４ｃは、例えば窒化チタンから構成される。窒化チタンは金属に対するバリア性が高いので、ソース電極６０からゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３への金属の拡散を効果的に抑制できる。第２ＴｉＮ領域８４ｃは、層間絶縁膜８３の側からソース電極６０の側に向かうにつれて窒素濃度が連続的に低くなる。この場合、第２Ｔｉ領域８４ｄとの密着性を確保すると共に内部応力を低減できるので、バリアメタル膜８４の剥離を抑制できる。第２ＴｉＮ領域８４ｃの第２Ｔｉ領域８４ｄとの境界における窒素濃度は、例えば０ａｔｍ％であってよい。第２ＴｉＮ領域８４ｃは、例えば１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であってよい。第２ＴｉＮ領域８４ｃは、第２領域の一例である。

【0039】

第２Ｔｉ領域８４ｄは、第２ＴｉＮ領域８４ｃの上に設けられている。第２Ｔｉ領域８４ｄは、ソース電極６０と接する。第２Ｔｉ領域８４ｄは、チタンを含みかつ窒素を含まない。第２Ｔｉ領域８４ｄは、例えばチタンから構成される。チタンは金属に対する密着性が高いので、バリアメタル膜８４とソース電極６０との間の密着性を高めやすい。第２Ｔｉ領域８４ｄの厚さは、例えば１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であってよい。第２Ｔｉ領域８４ｄは、第５領域の一例である。

【0040】

図３は、バリアメタル膜８４の厚さ方向における窒素濃度分布の第２例を示す図である。図３中、横軸はバリアメタル膜８４の厚さ方向の位置を示し、縦軸はバリアメタル膜８４の窒素濃度を示す。図３に示されるように、バリアメタル膜８４は、層間絶縁膜８３の側からソース電極６０の側に向かって順に、第１Ｔｉ領域８４ａと、第１ＴｉＮ領域８４ｂと、第３ＴｉＮ領域８４ｅと、第２ＴｉＮ領域８４ｃと、第２Ｔｉ領域８４ｄとを有する。

【0041】

第１Ｔｉ領域８４ａ、第１ＴｉＮ領域８４ｂ、第２ＴｉＮ領域８４ｃ及び第２Ｔｉ領域８４ｄは、図２に示される例と同じであってよい。

【0042】

第３ＴｉＮ領域８４ｅは、第１ＴｉＮ領域８４ｂの上に設けられている。第３ＴｉＮ領域８４ｅは、第１ＴｉＮ領域８４ｂと第２ＴｉＮ領域８４ｃとの間に設けられている。第３ＴｉＮ領域８４ｅは、チタンと窒素とを含む。第３ＴｉＮ領域８４ｅは、例えば窒化チタンから構成される。第３ＴｉＮ領域８４ｅは、厚さ方向において窒素濃度が一定である。この場合、チタンリッチの領域が増えるので、ソース電極６０からゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３への金属の拡散を抑制しやすい。第３ＴｉＮ領域８４ｅの窒素濃度は、例えば３８ａｔｍ％以上６２ａｔｍ％以下であってもよい。この場合、ＴｉＮは（１１１）配向性を持つ。第３ＴｉＮ領域８４ｅの厚さは、例えば１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であってよい。第３ＴｉＮ領域８４ｅは、第３領域の一例である。

【0043】

ソース電極６０は、第１主面１に接する。ソース電極６０は、コンタクト電極６１と、ソース配線６２とを有する。コンタクト電極６１は、第１主面１において、ソース領域１３及びコンタクト領域１８に接していてもよい。コンタクト電極６１は、例えば第１電極領域６１ａと、第２電極領域６１ｂとを有する。第１電極領域６１ａは、ソース領域１３及びコンタクト領域１８と接する。第１電極領域６１ａは、ソース領域１３及びコンタクト領域１８とオーミック接合する。第１電極領域６１ａは、例えばニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）を含む材料から構成される。第１電極領域６１ａは、チタンと、アルミニウムと、シリコンとを含む材料から構成されていてもよい。第２電極領域６１ｂは、バリアメタル膜８４の上面及び側面を覆う。第２電極領域６１ｂは、設けられなくてもよい。第２電極領域６１ｂは、例えばニッケルを含む材料から構成される。ソース配線６２は、コンタクト電極６１の上面及び側面を覆う。ソース配線６２は、例えばアルミニウム又は銅（Ｃｕ）を含む材料から構成される。ソース配線６２は、アルミニウム及び銅を含む材料から構成されていてもよい。ソース電極６０は、層間絶縁膜８３によりゲート電極８２から電気的に絶縁されている。ソース電極６０は、電極の一例である。

【0044】

ドレイン電極７０は、第２主面２に接する。ドレイン電極７０は、第２主面２において炭化珪素単結晶基板５０と接する。ドレイン電極７０は、ドリフト領域１１と電気的に接続されている。ドレイン電極７０は、例えばニッケルシリサイドを含む材料から構成される。ドレイン電極７０は、チタンと、アルミニウムと、シリコンとを含む材料から構成されていてもよい。ドレイン電極７０は、炭化珪素単結晶基板５０とオーミック接合する。

【0045】

以上に説明したように、実施形態に係る半導体装置１００は、層間絶縁膜８３とソース電極６０との間に、第１ＴｉＮ領域８４ｂと、第１ＴｉＮ領域８４ｂの上に設けられる第２ＴｉＮ領域８４ｃとを有するバリアメタル膜８４を有する。第１ＴｉＮ領域８４ｂは、層間絶縁膜８３の側からソース電極６０の側に向かうにつれて窒素濃度が連続的に高くなる。第２ＴｉＮ領域８４ｃは、層間絶縁膜８３の側からソース電極６０の側に向かうにつれて窒素濃度が連続的に低くなる。この場合、バリアメタル膜８４の密着性を確保しつつ、ソース電極６０からゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３への金属の拡散を効果的に抑制できる。

【0046】

なお、バリアメタル膜８４の窒素濃度は、例えば二次イオン質量分析法（secondary ion mass spectrometry：ＳＩＭＳ）、Ｘ線回折（X-ray diffraction：ＸＲＤ）により測定できる。

【0047】

（半導体装置の製造方法）
実施形態に係る半導体装置１００の製造方法について説明する。図４から図１３は、実施形態に係る半導体装置１００の製造方法を示す断面図である。

【0048】

まず、図４に示されるように、炭化珪素単結晶基板５０を準備する。次に、炭化珪素単結晶基板５０の上に炭化珪素エピタキシャル層４０を形成する。例えば、炭化珪素単結晶基板５０は、窒素等のｎ型不純物を含み、ｎ型を有する。例えば、炭化珪素エピタキシャル層４０は、窒素等のｎ型不純物を添加したエピタキシャル成長により形成できる。このようにして、第１主面１と、第２主面２とを有する炭化珪素基板１０が得られる。

【0049】

次に、図５に示されるように、炭化珪素エピタキシャル層４０へのイオン注入を行う。例えば、イオン注入により、ボディ領域１２、ソース領域１３及びコンタクト領域１８が形成される。炭化珪素エピタキシャル層４０の残部がドリフト領域１１として機能する。ボディ領域１２又はコンタクト領域１８を形成するためのイオン注入においては、例えばアルミニウム等のｐ型不純物をイオン注入する。ソース領域１３を形成するためのイオン注入においては、例えばリン等のｎ型不純物をイオン注入する。

【0050】

次に、図６に示されるように、ソース領域１３、ボディ領域１２及びドリフト領域１１に複数のゲートトレンチ５を形成する。ゲートトレンチ５は、次のようにして形成できる。

【0051】

まず、ゲートトレンチ５を形成しようとする領域上に開口を有するマスク（図示せず）を形成する。次に、マスクを用いて、ソース領域１３の一部と、ボディ領域１２の一部と、ドリフト領域１１の一部とをエッチングにより除去する。エッチングは、例えば反応性イオンエッチング（reactive ion etching：ＲＩＥ）である。エッチングにより、ゲートトレンチ５を形成しようとする領域に、第１主面１に対してほぼ垂直な側部と、側部と連続的に設けられ、かつ第１主面１とほぼ平行な底部とを有する凹部が形成される。

【0052】

次に、凹部において熱エッチングを行う。熱エッチングは、第１主面１上にマスクが形成された状態で、例えば、少なくとも１種類以上のハロゲン原子を有する反応ガスを含む雰囲気での加熱によって行い得る。少なくとも１種類以上のハロゲン原子は、塩素（Ｃｌ）原子及びフッ素（Ｆ）原子の少なくともいずれかを含む。当該雰囲気は、例えば、塩素（Ｃｌ_２）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）又は四フッ化炭素（ＣＦ_４）を含む。例えば、塩素ガスと酸素（Ｏ_２）ガスとの混合ガスを反応ガスとして用い、熱処理温度を８００℃以上９００℃以下として、熱エッチングが行われる。なお、反応ガスは、上述した塩素ガスと酸素ガスとに加えて、キャリアガスを含んでいてもよい。キャリアガスとしては、例えば窒素（Ｎ_２）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガスを利用できる。熱エッチングにより、第１主面１にゲートトレンチ５が形成される。ゲートトレンチ５は、ドリフト領域１１からなる底面４と、ソース領域１３及びボディ領域１２を貫通して底面４に連なる側面３とを有する。熱エッチングの後、マスクが第１主面１から除去される。

【0053】

次に、図７に示されるように、ゲート絶縁膜８１を形成する。例えば炭化珪素基板１０を熱酸化することにより、ソース領域１３と、ボディ領域１２と、ドリフト領域１１と、コンタクト領域１８とに接するゲート絶縁膜８１が形成される。具体的には、炭化珪素基板１０を、酸素を含む雰囲気において、例えば１３００℃以上１４００℃以下の温度で加熱する。これにより、第１主面１と、側面３と、底面４とに接するゲート絶縁膜８１が形成される。なお、ゲート絶縁膜８１が熱酸化により形成された場合、厳密には、炭化珪素基板１０の一部がゲート絶縁膜８１に取り込まれる。このため、以降の処理では、熱酸化の後のゲート絶縁膜８１と炭化珪素基板１０との間の界面に第１主面１、側面３及び底面４が若干移動したものとする。

【0054】

次に、図８に示されるように、ゲート電極８２を形成する。ゲート電極８２は、ゲート絶縁膜８１上に形成される。ゲート電極８２は、例えば減圧ＣＶＤ（low pressure - chemical vapor deposition：ＬＰ－ＣＶＤ）法により形成される。ゲート電極８２は、ソース領域１３と、ボディ領域１２と、ドリフト領域１１との各々に対面するように形成される。

【0055】

次に、図９に示されるように、層間絶縁膜８３を形成する。具体的には、ゲート電極８２を覆い、かつゲート絶縁膜８１と接するように層間絶縁膜８３が形成される。層間絶縁膜８３は、例えばＣＶＤ法により形成される。層間絶縁膜８３は、例えば二酸化珪素を含む材料から構成される。層間絶縁膜８３の一部がゲートトレンチ５の内部に形成されてもよい。

【0056】

次に、図１０に示されるように、ゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３のエッチングを行うことで、ゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３にコンタクトホール９０を形成する。この結果、ソース領域１３及びコンタクト領域１８がゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３から露出する。

【0057】

次に、図１１に示されるように、ゲート絶縁膜８１の側面と、層間絶縁膜８３の上面及び側面とを覆うバリアメタル膜８４を形成する。バリアメタル膜８４は、例えば窒化チタンを含む材料から構成される。バリアメタル膜８４は、例えばスパッタリング法により形成される。

【0058】

図１４は、バリアメタル膜８４を形成する際のスパッタガス流量と時間との関係の第１例を示す図である。図１４中、横軸は時間を示し、縦軸はスパッタガス流量を示す。図１４中、実線は窒素ガスの流量を示し、破線はアルゴンガスの流量を示す。

【0059】

まず、スパッタリング装置のチャンバ内に炭化珪素基板１０を収容する。スパッタリング装置は、チャンバと、基板保持部と、ターゲット保持部と、ＲＦ（Radio Frequency）電源と、ＤＣ（Direct Current）電源と、ガス供給部とを有する。基板保持部は、炭化珪素基板１０を保持する。ターゲット保持部は、ターゲットを保持する。ＲＦ電源は、基板保持部にＲＦ電圧を印加する。ＤＣ電源は、ターゲット保持部にＤＣ電圧を印加する。ガス供給部は、チャンバ内にスパッタガスを供給する。ターゲットは、チタンターゲットであってよい。スパッタガスは、アルゴンガス及び窒素ガスであってよい。

【0060】

続いて、時刻ｔ１１において、チャンバ内にアルゴンガスを供給し、基板保持部にＲＦ電圧を印加し、ターゲット保持部にＤＣ電圧を印加することにより、層間絶縁膜８３の上に、チタンから構成される第１Ｔｉ領域８４ａを形成する。チタンは絶縁膜に対する密着性が高いので、バリアメタル膜８４とゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３との間の密着性を高めやすい。時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの期間において、例えばアルゴンガスの流量を一定に維持してもよい。

【0061】

続いて、時刻ｔ１２において、チャンバ内にアルゴンガスを供給し、基板保持部にＲＦ電圧を印加し、ターゲット保持部にＤＣ電圧を印加した状態で、チャンバ内への窒素ガスの供給を開始する。時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの期間において、アルゴンガスの流量を連続的に減少させると共に窒素ガスの流量を連続的に増加させることにより、アルゴンガスに対する窒素ガスの流量比を第１値から第２値まで連続的に増加させる。これにより、層間絶縁膜８３の側からソース電極６０の側に向かうにつれて窒素濃度が連続的に高くなる第１ＴｉＮ領域８４ｂが形成される。この場合、第１Ｔｉ領域８４ａとの密着性を確保すると共に内部応力を低減できるので、バリアメタル膜８４の剥離を抑制できる。第１値は、例えば０であってよい。第２値は、例えば０．１７以上６．０以下であってよい。時刻ｔ１２からｔ１３までの期間において、例えばＲＦ電圧やＤＣ電圧を連続的に変化させてもよい。この場合、バリアメタル膜８４の金属に対するバリア性を制御できる。時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの期間において、ＲＦ電圧やＤＣ電圧を一定に維持してもよい。

【0062】

続いて、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までの期間において、アルゴンガスの流量を連続的に増加させると共に窒素ガスの流量を連続的に減少させることにより、アルゴンガスに対する窒素ガスの流量比を第２値から第１値まで連続的に減少させる。これにより、層間絶縁膜８３の側からソース電極６０の側に向かうにつれて窒素濃度が連続的に低くなる第２ＴｉＮ領域８４ｃが形成される。この場合、第２Ｔｉ領域８４ｄとの密着性を確保すると共に内部応力を低減できるので、バリアメタル膜８４の剥離を抑制できる。時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までの期間において、例えばＲＦ電圧やＤＣ電圧を連続的に変化させてもよい。この場合、バリアメタル膜８４の金属に対するバリア性を制御できる。時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までの期間において、ＲＦ電圧やＤＣ電圧を一定に維持してもよい。

【0063】

続いて、時刻ｔ１４において、チャンバ内にアルゴンガスを供給し、基板保持部にＲＦ電圧を印加し、ターゲット保持部にＤＣ電圧を印加した状態で、チャンバ内への窒素ガスの供給を停止する。これにより、第２ＴｉＮ領域８４ｃの上に、チタンから構成される第２Ｔｉ領域８４ｄが形成される。チタンは金属膜に対する密着性が高いので、バリアメタル膜８４とソース電極６０との間の密着性を高めやすい。時刻ｔ１４から時刻ｔ１５までの期間において、例えばアルゴンガスの流量を一定に維持してもよい。

【0064】

図１４に示される例では、第１Ｔｉ領域８４ａ、第１ＴｉＮ領域８４ｂ、第２ＴｉＮ領域８４ｃ及び第２Ｔｉ領域８４ｄを同じチャンバ内で連続して形成する。この場合、第１ＴｉＮ領域８４ｂ及び第２ＴｉＮ領域８４ｃを形成する際にチャンバ内に付着する窒化チタンが、第２Ｔｉ領域８４ｄを形成する際にチャンバ内に付着するチタンで被覆される。チタンは窒化チタンよりも内部応力が小さいので、チャンバ内に付着した窒化チタンの膜剥がれが抑制される。このため、チャンバ内でパーティクルが発生することを抑制できる。

【0065】

図１５は、バリアメタル膜８４を形成する際のスパッタガス流量と時間との関係の第２例を示す図である。図１５中、横軸は時間を示し、縦軸はスパッタガス流量を示す。図１５中、実線は窒素ガスの流量を示し、破線はアルゴンガスの流量を示す。

【0066】

まず、スパッタリング装置のチャンバ内に炭化珪素基板１０を収容する。

【0067】

続いて、時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの期間において、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの期間と同様の方法により、第１Ｔｉ領域８４ａを形成する。

【0068】

続いて、時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの期間において、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの期間と同様の方法により、第１Ｔｉ領域８４ａの上に第１ＴｉＮ領域８４ｂを形成する。

【0069】

続いて、時刻ｔ２３から時刻ｔ２４までの期間において、アルゴンガスの流量及び窒素ガスの流量を一定に維持することにより、アルゴンガスに対する窒素ガスの流量比を第２値に維持する。これにより、厚さ方向において窒素濃度が一定の第３ＴｉＮ領域８４ｅが形成される。この場合、チタンリッチの領域が増えるので、ソース電極６０からゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３への金属の拡散を抑制しやすい。

【0070】

続いて、時刻ｔ２４から時刻ｔ２５までの期間において、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までの期間と同様の方法により、第３ＴｉＮ領域８４ｅの上に第２ＴｉＮ領域８４ｃを形成する。

【0071】

続いて、時刻ｔ２５から時刻ｔ２６までの期間において、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５までの期間と同様の方法により、第２ＴｉＮ領域８４ｃの上に第２Ｔｉ領域８４ｄを形成する。

【0072】

図１５に示される例では、第１Ｔｉ領域８４ａ、第１ＴｉＮ領域８４ｂ、第３ＴｉＮ領域８４ｅ、第２ＴｉＮ領域８４ｃ及び第２Ｔｉ領域８４ｄを同じチャンバ内で連続して形成する。この場合、第１ＴｉＮ領域８４ｂ、第３ＴｉＮ領域８４ｅ及び第２ＴｉＮ領域８４ｃを形成する際にチャンバ内に付着する窒化チタンが、第２Ｔｉ領域８４ｄを形成する際にチャンバ内に付着するチタンで被覆される。チタンは窒化チタンよりも内部応力が小さいので、チャンバ内に付着した窒化チタンの膜剥がれが抑制される。このため、チャンバ内でパーティクルが発生することを抑制できる。

【0073】

次に、図１２に示されるように、第１主面１においてソース領域１３及びコンタクト領域１８に接するコンタクト電極６１用の金属膜（図示せず）を形成する。コンタクト電極６１用の金属膜は、例えばスパッタリング法により形成される。コンタクト電極６１用の金属膜は、例えばニッケルを含む材料から構成される。次に、第２主面２において炭化珪素単結晶基板５０に接するドレイン電極７０用の金属膜を形成する。ドレイン電極７０用の金属膜は、例えばニッケルを含む材料から構成される。

【0074】

次に、合金化アニールを行う。コンタクト電極６１用の金属膜及びドレイン電極７０用の金属膜が、例えば９００℃以上１１００℃以下の温度で５分間程度保持される。これにより、コンタクト電極６１用の金属膜の少なくとも一部及びドレイン電極７０用の金属膜の少なくとも一部が、炭化珪素基板１０が含む珪素と反応してシリサイド化する。これにより、ソース領域１３及びコンタクト領域１８とオーミック接合する第１電極領域６１ａと、炭化珪素単結晶基板５０とオーミック接合するドレイン電極７０が形成される。また、バリアメタル膜８４の上面及び側面に、シリサイド化していない第２電極領域６１ｂが形成される。第１電極領域６１ａは、チタンと、アルミニウムと、シリコンとを含む材料から構成されてもよい。ドレイン電極７０は、チタンと、アルミニウムと、シリコンとを含む材料から構成されてもよい。

【0075】

次に、図１３に示されるように、ソース配線６２を形成する。具体的には、コンタクト電極６１を覆うソース配線６２が形成される。ソース配線６２は、例えばスパッタリング法により形成される。ソース配線６２は、例えばアルミニウム又は銅を含む材料から構成される。ソース配線６２は、アルミニウム及び銅を含む材料から構成されてもよい。このようにして、コンタクト電極６１とソース配線６２とを有するソース電極６０が形成される。

【0076】

次に、バリアメタル膜８４の比抵抗を測定してもよい。この場合、合金化アニールによる加熱後のバリアメタル膜８４の比抵抗を管理できるので、半導体装置１００の歩留りを安定化できる。

【0077】

このようにして、電界効果トランジスタを含む半導体装置１００を製造できる。

【0078】

以上に説明したように、実施形態に係る半導体装置１００の製造方法は、層間絶縁膜８３の上に、ターゲットとしてチタンを用い、スパッタガスとして窒素ガス及びアルゴンガスを用いるスパッタリング法により、バリアメタル膜８４を形成する工程を有する。バリアメタル膜８４を形成する工程は、アルゴンガスに対する窒素ガスの流量比を第１値から第２値まで連続的に増加させる工程と、アルゴンガスに対する窒素ガスの流量比を第２値から第１値まで連続的に減少させる工程とをこの順に行う。これにより、層間絶縁膜８３とソース電極６０との間に、第１ＴｉＮ領域８４ｂと、第１ＴｉＮ領域８４ｂの上に設けられる第２ＴｉＮ領域８４ｃとを有するバリアメタル膜８４が形成される。第１ＴｉＮ領域８４ｂは、層間絶縁膜８３の側からソース電極６０の側に向かうにつれて窒素濃度が連続的に高くなる。第２ＴｉＮ領域８４ｃは、ソース電極６０の側に向かうにつれて窒素濃度が連続的に低くなる。この場合、バリアメタル膜８４の密着性を確保しつつ、ソース電極６０からゲート絶縁膜８１及び層間絶縁膜８３への金属の拡散を効果的に抑制できる。

【0079】

以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

【符号の説明】

【0080】

１ 第１主面
２ 第２主面
３ 側面
４ 底面
５ ゲートトレンチ
１０ 炭化珪素基板
１１ ドリフト領域
１２ ボディ領域
１３ ソース領域
１８ コンタクト領域
４０ 炭化珪素エピタキシャル層
５０ 炭化珪素単結晶基板
６０ ソース電極
６１ コンタクト電極
６２ ソース配線
７０ ドレイン電極
８１ ゲート絶縁膜
８２ ゲート電極
８３ 層間絶縁膜
８４ バリアメタル膜
８４ａ 第１Ｔｉ領域
８４ｂ 第１ＴｉＮ領域
８４ｃ 第２ＴｉＮ領域
８４ｄ 第２Ｔｉ領域
８４ｅ 第３ＴｉＮ領域
９０ コンタクトホール
１００ 半導体装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】