碳化硅半導體元件的制造方法
【專利摘要】通過在p型碳化硅半導體部(1)的表面形成石墨烯層(11)之后，在石墨烯層(11)的表面形成金屬電極(2)，從而在p型碳化硅半導體部(1)和金屬電極(2)的接合界面形成偶極。由此，使在p型碳化硅半導體部(1)和金屬電極(2)的接合界面產(chǎn)生的電位差減小，p型碳化硅半導體部(1)和金屬電極(2)的接觸成為低電阻歐姆接觸。p型碳化硅半導體部(1)的載流子濃度為1×1016/cm3以上。石墨烯層(11)具有單層結(jié)構(gòu)或者三層以下的層疊結(jié)構(gòu)。石墨烯層(11)對p型碳化硅半導體部(1)的覆蓋率為p型碳化硅半導體部(1)的表面積的30％以上。如此，能夠再現(xiàn)性良好地形成低電阻的歐姆接觸。
【專利說明】
碳化硅半導體元件的制造方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及碳化娃半導體元件的制造方法。
【背景技術】
[0002]碳化娃(SiC)半導體具有與作為以往的半導體材料的娃(Si)半導體或GaAs(砷化鎵)半導體相比約10倍左右高的絕緣擊穿電場強度，并且具有高導熱性。因此，近年來，碳化硅半導體作為能夠制作(制造)兼具耐壓維持和小型化的功率器件用的M0SFET(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor:絕緣棚.型場效應晶體管)的半導體材料備受注目。
[0003]一般，MOSFET動作時的能量損耗主要由因漂移電阻(漂移層的電阻成分)、溝道電阻(形成于基區(qū)的反轉(zhuǎn)層(溝道)的電阻成分)、以及接觸電阻(半導體部與金屬電極的電接觸電阻成分)所導致的損耗所決定。這些電阻成分中接觸電阻需要比漂移電阻和/或溝道電阻等足夠低。在制作(制造)使用了碳化硅半導體的半導體元件(以下稱為碳化硅半導體元件)的情況下，與金屬電極形成歐姆接觸也是一個技術問題。
[0004]以往，碳化硅半導體部與金屬電極的歐姆接觸是挪用硅半導體部與金屬電極的接觸形成方法，通過利用退火(熱處理)使形成在半導體部的表面的鎳(Ni)和/或鈦(Ti)等的金屬膜硅化而形成。例如，通過該接觸形成方法而得到的η型碳化硅半導體部與金屬電極的接觸電阻若為10—4Qcm2左右則與溝道電阻等相比足夠小。另外，公開了作為半導體材料使用與碳化硅半導體同樣地帶隙大到3.2eV的摻雜有鈮(Nb)的鈦酸鍶(SrT13)時的接觸形成方法。
[0005]作為使用了摻雜有Nb的SrT13的半導體元件的制造方法，提出了如下的方法，SP通過在摻雜有Nb的SrT13層和作為金屬氧化膜的氧化鍶(SrO: SrRuO3)膜之間的接合界面設置與SrO膜相比帶正電荷的氧化鑭(LaO)層，從而在該接合界面形成偶極子(Dipole:偶極)，降低肖特基勢皇(例如，參照下述非專利文獻I)。下述非專利文獻I示出對于一層(單層)的半導體層和金屬膜的界面特性可通過形成在該界面的偶極進行控制。即，是提高通過簡單地在半導體部上堆積金屬電極而形成的半導體部和金屬電極的接合界面的特性的界面特性控制方法。
[0006]另外，作為其它的碳化娃半導體元件的制造方法，提出了使用石墨稀(graphene:碳原子呈六邊形的格子狀結(jié)合的具有相當于一個碳原子的厚度的片狀的物質(zhì))而形成電極的方法(例如，參照下述專利文獻I?3和下述非專利文獻2、3)。在下述專利文獻I (第0023?0024、0037段)中公開了碳化娃MOSFET的源極和漏極使用石墨稀。對于下述專利文獻I，在碳化硅半導體部上堆積金屬膜或者碳(C)膜，通過退火接觸使碳化硅半導體部和金屬膜或者碳膜反應而形成源極和漏極。
[0007]在下述專利文獻2中公開了在碳化硅半導體部上依次堆積碳(C)層和金屬層，通過接觸退火使金屬層和碳化硅半導體部或碳層反應而形成低接觸電阻的歐姆接觸。在下述專利文獻3(第0061?0068段)中公開了在碳化硅半導體基板的C面依次形成碳層和鉭(Ta)層，通過熱處理使碳層和鉭層反應而形成由碳化鉭(TaC)構(gòu)成的歐姆接觸。另外，在下述專利文獻2(第0063段)和下述專利文獻3(第0071段)中公開了使用石墨烯作為碳層。
[0008]現(xiàn)有技術文獻
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:日本特開2012-190982號公報
[0011]專利文獻2:日本特開2011-096905號公報
[0012]專利文獻3:日本特開2013-187420號公報
[0013]非專利文獻
[OOM]非專利文獻1:1^」丨11^(^^一.亇夕^)和其他9人，使用了|丐鈦礦氧化物異質(zhì)界面中的界面偶極的能帶偏移控制(ControlIing Band Alignments by EngineeringInterface Dipoles at Perovskite Oxide Heterointerfaces)，光電工廠新聞(PhotonFactory News)，高能量加速器研究機構(gòu)，2012年2月，第29卷，第4號，p.13?16
[0015]非專利文獻2:M.J.Tadjer(工厶.0工彳.夕夕一少)和其他9人，在低溫下的外延石墨稀/n型4H_Si異質(zhì)結(jié)的垂直傳導機制(Vertical conduct1n mechanism of theepitaxial graphene/n-type 4H_SiC heterojunct1n at cryogenic temperatures)，應用物理快報(Applied Physics Letters)，(美國)，美國物理研究所(American Instituteof Physics)，2012年，第 100卷，第 193506號
[0016]非專利文獻3:S.Hertel(工只.?少亍少)和其他8人，調(diào)整單片晶片級電子的石墨稀/碳化娃界面(Tai loring the graphene/si I icon carbide interface formonolithic wafer-scale electronics)，自然通訊(Nature Communicat1ns)，(英國)，麥克米倫出版(Macmillan Publishers)，2012年7月17日，第3卷，第957號

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]技術問題
[0018]然而，碳化娃半導體與娃半導體相比帶隙(禁帶(forbidden band)的寬度)大很多，由此在碳化硅半導體部和金屬電極的接合界面的性質(zhì)在P型和η型下是不相同的。即，在娃半導體中，存在具有與價帶(valence band)頂上的能級近似的費米能級的金屬。通過使用這樣的金屬而形成金屬電極，能夠在P型和η型下幾乎不改變在硅半導體部和金屬電極之間的接合界面產(chǎn)生的電位差(肖特基勢皇高度)。
[0019]另一方面，在碳化硅半導體中，價帶頂上的能級為6.6eV時非常深，即便將功函數(shù)(真空能級和費米能級的能量差)最高的鉑(Pt)用作金屬電極，與碳化硅半導體的功函數(shù)差也為1.2eV以上。因此，如果僅在P型碳化硅半導體部上普通地堆積金屬電極，則在P型碳化硅半導體部和金屬電極的接合界面相對于空穴形成高的肖特基勢皇，從而難以形成歐姆接觸。
[0020]即使挪用上述的娃半導體部和金屬電極的接觸形成方法，使在P型碳化娃半導體部的表面上形成的鎳膜、鈦膜等硅化，P型碳化硅半導體和金屬電極的接觸電阻為10—2Qcm2?10—3Qcm2,這是實用方面不充分的值。另外，通過硅化而形成歐姆接觸的原理不明確且缺乏再現(xiàn)性。因此，將通過硅化而形成歐姆接觸的方法應用于形成P型碳化硅半導體和金屬電極的接觸是當前一個技術問題。
[0021]另外，如上所述，p型碳化硅半導體部和金屬電極的接觸電阻變高的初始原因是因為碳化硅半導體的價帶頂上的能級較深端。因此，即使從在半導體部和金屬電極的接合界面產(chǎn)生肖特基勢皇的原理推測也可以知道，對于在單純地在半導體部上堆積金屬電極而形成半導體部和金屬電極的接觸的方法，也非常難以實現(xiàn)P型碳化娃半導體部和金屬電極的接觸的低電阻化。
[0022]另外，在上述非專利文獻I中，控制作為離子性結(jié)晶(原子間為離子鍵的結(jié)晶)的氧化膜(SrRuO3膜)的離子價是對摻雜有Nb的SrT13層和SrRuO3膜的接合界面的特性控制的重要的原理。然而，對于作為共價結(jié)晶(原子間為共價鍵的結(jié)晶)的碳化硅半導體，即使進行元素取代(控制碳化硅半導體的離子價)，也不會發(fā)生在碳化硅半導體和金屬電極的接合界面簡單地形成偶極這樣的電荷移動。因此，難以將上述非專利文獻I那樣的通過元素取代而形成接觸的方法應用于碳化硅半導體和金屬電極的接觸形成。
[0023]為了解決上述的現(xiàn)有技術的問題，本發(fā)明的目的在于提供在形成P型碳化硅半導體部和金屬電極的歐姆接觸時，能夠再現(xiàn)性良好地形成低電阻的歐姆接觸的碳化硅半導體元件的制造方法。
[0024]技術方案
[0025]為了解決上述的課題且實現(xiàn)目的，本發(fā)明的發(fā)明人等經(jīng)過銳意研究，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)了通過在碳化硅半導體部和金屬電極之間設置石墨烯層，偶極將形成在碳化硅半導體部和金屬電極的接合界面。石墨烯是不具有帶隙的半導體，其費米能級根據(jù)來自與石墨烯層接觸的材料層的電荷移動容易變化。如果使用該原理，則看起來好像是電子從在P型碳化硅半導體部上形成的石墨烯層向P型碳化硅半導體部移動，正電荷(空穴)有效地從P型碳化硅半導體部向石墨稀層移動。碳化娃半導體部上的石墨稀層由通過在高溫下對碳化娃半導體部進行加熱并使硅原子蒸發(fā)而殘余的碳原子形成是廣而周知的。本發(fā)明基于上述的情況而完成。
[0026]為了解決上述的課題，且實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的碳化硅半導體元件的制造方法是形成P型碳化硅半導體部和金屬電極的接觸的碳化硅半導體元件的制造方法，具有下述的特征。首先，進行第一工序，在上述P型碳化娃半導體部的表面，形成使在上述P型碳化硅半導體部和上述金屬電極的接合界面產(chǎn)生的電位差減小的石墨烯層。接下來，進行第二工序，在上述石墨稀層的表面形成上述金屬電極。
[0027]另外，本發(fā)明的碳化硅半導體元件的制造方法的特征在于，在上述的發(fā)明中，在上述第一工序中，形成單層以上且三層以下的上述石墨烯層。
[0028]另外，本發(fā)明的碳化硅半導體元件的制造方法的特征在于，在上述的發(fā)明中，在上述第一工序中，使上述石墨稀層對上述P型碳化娃半導體部的覆蓋率為上述P型碳化娃半導體部的表面積的30 %以上。
[0029]另外，本發(fā)明的碳化硅半導體元件的制造方法的特征在于，在上述的發(fā)明中，上述P型碳化硅半導體部的載流子濃度為I X 11Vcm3以上。
[0030]另外，本發(fā)明的碳化硅半導體元件的制造方法的特征在于，在上述的發(fā)明中，上述金屬電極的電極材料為金、銀、鉑、鈦、鎳、鐵、鈷、銅、鉻、鋁或鈀、或者包含這些金屬中的一種以上金屬的合金。
[0031]另外，本發(fā)明的碳化硅半導體元件的制造方法的特征在于，在上述的發(fā)明中，在上述第一工序后且上述第二工序前，進一步進行第三工序，在上述石墨烯層的表面，形成由六方氮化硼構(gòu)成的絕緣體層。并且，在上述第二工序中，在上述絕緣體層的表面形成上述金屬電極。
[0032]另外，本發(fā)明的碳化硅半導體元件的制造方法的特征在于，在上述的發(fā)明中，在上述第三工序中，形成單層或者雙層的上述絕緣體層。
[0033]發(fā)明效果
[0034]根據(jù)本發(fā)明的碳化娃半導體元件的制造方法，能夠在P型碳化娃半導體部和金屬電極的接合界面形成偶極，能夠減小在P型碳化硅半導體部和金屬電極的接合界面產(chǎn)生的電位差。由此起到能夠再現(xiàn)性良好地形成P型碳化硅半導體部和金屬電極的低電阻的歐姆接觸的效果。
【附圖說明】
[0035]圖1是表示實施方式I的碳化硅半導體元件的結(jié)構(gòu)的主要部分的剖視圖。
[0036]圖2是表示實施方式2的碳化硅半導體元件的結(jié)構(gòu)的主要部分的剖視圖。
[0037]圖3是表示本發(fā)明的碳化硅半導體元件的電壓-電流特性的圖表。
[0038]符號說明
[0039]1:p型碳化娃半導體部(P型半導體晶片或P型半導體晶圓)
[0040]2:金屬電極[0041 ]11:石墨烯層
[0042]12:h_BN層
【具體實施方式】
[0043]以下，參照附圖，對本發(fā)明的碳化硅半導體元件的制造方法的優(yōu)選實施方式進行詳細的說明。在本說明書和附圖中，對于標記了η或P的層、區(qū)域，分別指電子或空穴為多數(shù)載流子。另外，對η、ρ附加的+和-是指與沒有附加它們的層、區(qū)域相比為高雜質(zhì)濃度和低雜質(zhì)濃度。應予說明，在以下的實施方式的說明和附圖中，對相同的構(gòu)成標注相同的符號，省略重復的說明。另外，在米勒指數(shù)的表述中，是直接附加在指數(shù)后的橫線，在指數(shù)前附加
表示負的指數(shù)。
[0044](實施方式I)
[0045]實施方式I的碳化娃(SiC)構(gòu)成的半導體元件(碳化娃半導體元件)的剖面結(jié)構(gòu)進行說明。圖1是表示實施方式I的碳化硅半導體元件的結(jié)構(gòu)的主要部分的剖視圖。圖1中放大示出了設置于P型碳化硅半導體部I的表面的金屬電極2的附近(圖2中也相同)。？型碳化硅半導體部I例如為由P型的碳化硅半導體構(gòu)成的半導體基板(以下稱為碳化硅半導體基板(半導體晶片))、層疊在碳化硅半導體基板上的P型碳化硅半導體層、或者設置于碳化硅半導體基板的表面層的P型碳化硅半導體區(qū)域。
[0046]P型碳化硅半導體部I可以是碳化硅的六層周期六方晶(6H_SiC)、四層周期六方晶(4H-SiC)、或者三層周期立方晶(3H-SiC)。對P型碳化硅半導體部I的表面進行表面平坦處理直到例如可得到原子級的平坦性的程度。在P型碳化硅半導體部I被平坦化的表面，設置有作為不具有帶隙的半導體的石墨烯(graphene:碳(C)原子呈六邊形的格子狀結(jié)合的具有相當于一個碳原子的厚度的片狀的物質(zhì))的層(以下稱為石墨烯層)11(點狀的陰影部分hp型碳化硅半導體部I的與石墨烯層11接觸的表面的晶面取向可以為例如(OOOl)面、(000-1)面、(11-20)面。
[0047]石墨烯層11對P型碳化硅半導體部I的覆蓋率(以下簡稱為石墨烯層11的覆蓋率)，即石墨烯層11的表面積Al相對于P型碳化硅半導體部I的表面積A0(=A1/A0)可以為P型碳化硅半導體部I的表面積的30%以上。P型碳化硅半導體部I的載流子濃度例如可以為I X11Vcm3以上。石墨烯層11可以是由一層的石墨烯構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)、或者以三層以下層疊石墨烯而成的層疊結(jié)構(gòu)。其理由是能夠在P型碳化硅半導體部I和金屬電極2的接合界面可靠地形成偶極子(偶極)。通過在P型碳化硅半導體部I和金屬電極2的接合界面形成偶極，能夠減小在P型碳化硅半導體部I和金屬電極2的接合界面產(chǎn)生的電位差(肖特基勢皇高度)。
[0048]更優(yōu)選為石墨烯層11為單層結(jié)構(gòu)。其理由是單層沒有間隙而費米能級能夠容易移動。圖1中示出了單層結(jié)構(gòu)的石墨烯層11。另外，將構(gòu)成石墨烯層11的多個碳原子分別表示成圓形，將碳原子的共價鍵表示成連接相鄰的圓形部分的直線狀。另外，圖1中為了使P型碳化硅半導體部I與石墨烯層11和金屬電極2的各接合界面位置明確，圖示的是石墨烯層11與P型碳化娃半導體部I和金屬電極2是分開的，然而石墨稀層11分別與P型碳化娃半導體部I和金屬電極2接觸。
[0049]在石墨烯層11上，設置有金屬電極2。金屬電極2利用設置在與P型碳化硅半導體部I之間的石墨烯層11，形成與P型碳化硅半導體部I的歐姆接觸。具體而言，金屬電極2例如可以是MOSFET的源極、漏極等構(gòu)成一般的元件結(jié)構(gòu)的表面電極。作為金屬電極2的電極材料，可以使用金(Au)、銀(Ag)、鈾(Pt)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、鈷(Co)、銅(Cu)、絡(Cr)、招(Al)或鈀(Pd)、或者包含這些金屬中的一種以上金屬的合金。另外，金屬電極2可以是以不同的組合層疊多個由上述的金屬和合金中的任一個構(gòu)成的金屬膜而成的層疊膜。
[0050]接下來，參照圖1對實施方式I的碳化硅半導體元件的制造方法進行說明。這里，雖然對石墨烯層11和金屬電極2以外的元件結(jié)構(gòu)的形成工序省略了說明，但石墨烯層11和金屬電極2以外的元件結(jié)構(gòu)通過一般的方法在預定的時刻形成即可。首先，準備例如通過化學機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)處理被雙面鏡面研磨的由直徑三英寸的P型碳化娃半導體構(gòu)成的半導體晶圓(以下稱為P型SiC晶圓)型SiC晶圓的厚度可以是例如430μπι。SiC晶圓的主面例如可以是在<11-20>方向具有從4到8度左右的偏離角的(0001)面。
[0051 ] 接下來，利用化學氣相生長(CVD:Chemical Vapor Deposit1n)法，在p型SiC晶圓的主面上堆積(形成)P型外延層。該P型外延層的載流子濃度和厚度例如可以分別為I X1019/cm3和ΙΟμπι。據(jù)此，開$成在P型SiC晶圓上堆積P型外延層而成的P型外延晶圓。該P型外延晶圓在預定的時機被切割成晶片狀，例如形成1mm的晶片尺寸的P型半導體晶片(P型碳化硅半導體部1:以下稱為P型半導體晶片I)。
[0052]接下來，例如利用紫外線(UV:Ultra V1let)和使用了臭氧(O3)的UV臭氧清洗進行晶片表面的改質(zhì)、或利用有機清洗處理除去晶片表面的附著物。接下來，利用熱處理，在P型半導體晶片I的正面生長(形成)單層的石墨烯層11。具體而言，作為形成石墨烯層11的方法，可以使用通過將P型半導體晶片I加熱到例如1200°C以上左右，使硅原子從構(gòu)成P型半導體晶片I的碳化硅半導體脫離，形成由剩余的碳原子構(gòu)成的石墨烯層11的方法。
[0053]另外，作為形成石墨稀層11的方法，可使用CVD法、分子束外延(MBE:MolecularBeam Epitaxy)法、將預先形成的石墨稀層11轉(zhuǎn)印到p型半導體晶片I上的方法。更具體而言，例如在使用對P型半導體晶片I進行加熱而形成石墨烯層11的方法的情況下，如下所述形成石墨烯層11。首先，在紅外線聚光式超高溫加熱裝置的反應爐(爐腔)內(nèi)插入P型半導體晶片I。接下來，將反應爐內(nèi)抽真空至例如6.6 X 10—1Pa左右。接下來，在反應爐內(nèi)導入例如氬(Ar)氣直到變成大氣壓，通過以預定的流速持續(xù)流入而將P型半導體晶片I暴露在氬氣氛中。
[0054]然后，將反應爐內(nèi)的溫度以例如20 °C/分的升溫速率(升溫速度)從室溫(例如25 0C左右)加熱到1650°C (最高溫度)左右后，將反應爐內(nèi)的溫度以最高溫度例如維持5分鐘左右。由此，在P型半導體晶片I的正面形成單層的石墨烯層11。在設為層疊結(jié)構(gòu)的石墨烯層11的情況下，在反應爐內(nèi)的溫度到達最高溫度后，進一步延長最高溫度下的維持時間即可。然后，將反應爐內(nèi)的溫度降溫至室溫后，從反應爐內(nèi)取出P型半導體晶片I。之后，通過在石墨烯層11上例如形成金電極作為金屬電極2，從而完成在圖1所示的P型半導體晶片I上依次形成有石墨稀層11和金屬電極2的半導體元件。
[0055]金屬電極2例如能夠利用蒸鍍法、MBE法等形成。另一方面，利用濺射法等靶原子(分子)的運動能量高的成膜(形成)方法將金屬電極2成膜的情況下，在金屬電極2的成膜中石墨稀層11等可能被破壞，因而不優(yōu)選。另外，在上述的實施方式I的碳化娃半導體元件的制造方法中，舉例說明利用切割形成晶片狀之后，在各P型半導體晶片I形成石墨烯層11和金屬電極2的情況，但也可以在P型外延晶圓形成石墨稀層11和金屬電極2之后，切割P型外延晶圓。
[0056]如以上所述，根據(jù)實施方式I，通過在P型碳化硅半導體部和金屬電極的接合界面插入石墨烯層，能夠在P型碳化硅半導體部和金屬電極的接合界面形成偶極。由此，能夠減小在P型碳化硅半導體部和金屬電極的接合界面產(chǎn)生的電位差(肖特基勢皇高度)，能夠在P型碳化硅半導體部和金屬電極的接合界面再現(xiàn)性良好地形成低電阻的歐姆接觸。
[0057](實施方式2)
[0058]接下來，對實施方式2的碳化硅半導體元件的剖面結(jié)構(gòu)進行說明。圖2是表示實施方式2的碳化硅半導體元件的結(jié)構(gòu)的主要部分的剖視圖。實施方式2的碳化硅半導體元件與實施方式I的碳化硅半導體元件的不同點在于，在石墨烯層11與金屬電極2之間，設置有作為絕緣體的六方氮化硼(h-BN)的層(以下稱為h-BN層)12 A-BN層12可以是單層結(jié)構(gòu)，也可以是層疊結(jié)構(gòu)。h-BN層12具有防止石墨烯層11和金屬電極2相互作用而引起不良影響的功會K。
[0059]例如，已知能夠用作金屬電極2的電極材料的鎳與石墨烯層11強烈相互作用。其結(jié)果是石墨烯層11的能帶被調(diào)制，在P型碳化硅半導體部I與金屬電極2之間不易產(chǎn)生用于形成P型碳化硅半導體部I和金屬電極2的歐姆接觸的電荷移動。因此，在石墨烯層11與金屬電極2之間形成h-BN層12，利用h-BN層12切斷石墨稀層11和金屬電極2的相互作用。
[0060]實施方式2的碳化硅半導體元件的制造方法在實施方式I的碳化硅半導體元件的制造方法中，可以是在形成石墨烯層11之后利用MBE法、CVD法而直接形成的方法、或在形成石墨烯層11之后且形成金屬電極2之前，在石墨烯層11上例如形成單層的h-BN層12即可。h-BN層12例如可以利用CVD法、MBE法、以及將預先形成的h_BN層12轉(zhuǎn)印到石墨烯層11上的方法而形成。具體而言，首先，與實施方式I同樣地依次進行準備通過化學機械研磨處理而被雙面鏡面研磨的P型SiC晶圓，直到形成石墨稀層11的工序。接下來，在石墨稀層11上例如形成單層的h-BN層12。
[0061]例如，在1mm的晶片尺寸的P型半導體晶片l(p型碳化硅半導體部I)上的石墨烯層11轉(zhuǎn)印h-BN層12的情況下，轉(zhuǎn)印到石墨烯層11的薄片狀的h-BN層12如下所述形成即可。首先，作為用于形成薄片狀的h-BN層12的支撐基板，準備1mm四方形且例如ΙΟΟμπι的厚度的被化學機械研磨的銅箔。該銅箔的平均表面粗糙度例如可以為lnm。接下來，將銅箔插入CVD裝置的反應爐內(nèi)，在反應爐內(nèi)插入銅箔。接下來，將反應爐內(nèi)抽真空至例如I X 10—3Pa左右。
[0062]接下來，將例如氫(H2)氣導入直到反應爐內(nèi)的壓力變?yōu)槔?.6Pa(= 5X 10—2Torr)左右，通過以預定的流速持續(xù)流入而將P型半導體晶片I暴露于氫氣氛中。接下來，將反應爐內(nèi)的溫度以例如50 °C/分的升溫速率從室溫加熱到1000 °C左右。接下來，在將反應爐內(nèi)的溫度維持到100tC左右的狀態(tài)下，停止向反應爐內(nèi)導入氫氣。接下來，向反應爐內(nèi)導入氬氣，以預定的流速持續(xù)流入而將P型半導體晶片I暴露于氬氣氛中。接下來，在氬氣的流路中，使作為h-BN層12的原料源的硼烷氨(H3NBH3)升華而使氬氣作為載流子氣體，在反應爐內(nèi)導入例如666Pa(約5Torr)左右的硼烷氨。接下來，通過在維持銅箔的溫度和氣壓的狀態(tài)下維持例如10分鐘，在銅箔上形成(成膜)單層的h-BN層12。
[0063]在設為層疊結(jié)構(gòu)的h-BN層12的情況下，在向反應爐內(nèi)導入原料氣體之后，將在維持反應爐內(nèi)的溫度(銅箔的溫度)和氣壓的狀態(tài)下的維持時間進一步延長即可。然后，將反應爐內(nèi)的溫度快速冷卻至100°C/秒的冷卻速率(冷卻速度)。接下來，將形成有h-BN層12的銅箔從反應爐取出。接下來，在h-BN層12上，例如形成聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA: Polymethy Imethacrylate)膜(未圖示)等的丙烯酸樹脂膜。PMMA膜例如在h-BN層12上滴加20μ1左右的向二氯苯中以10wt%的比例溶解PMMA而成的PMMA溶液，以轉(zhuǎn)速4000rpm且60秒鐘的條件下旋轉(zhuǎn)涂布之后，在40°C左右的溫度下進行30分鐘干燥而形成即可。
[0064]接下來，利用蝕刻，除去銅箔。具體而言，例如浸漬到鹽酸(HCl)10ml、過氧化氫(H2O2) 1ml以及純水50ml的混合液中直到形成有h-BN層12和PMMA膜的銅箔消失。接下來，例如通過在5分鐘的流水清洗后進行干燥，形成被PMMA膜支撐的薄片狀的h-BN層12。在除去銅箔之后，利用PMMA膜等的丙烯酸樹脂膜支撐h-BN層12。接下來，將被PMMA膜支撐的h_BN層12按壓到P型半導體晶片I上的石墨烯層11。然后，接下來，例如邊加熱到80°C的溫度，邊在49kPa的壓力下對石墨稀層11壓接h_BN層12。
[0065]接下來，例如在1800C的溫度下通過30分鐘的熱處理使PMMA膜軟化，使h_BN層12與石墨烯層11密合。接下來，將使h-BN層12與石墨烯層11密合而成的P型半導體晶片I浸漬到例如丙酮(CH3COCH3)中5分鐘，溶解PMMA膜。接下來，例如利用超純水對形成有石墨烯層11和h-BN層12的P型半導體晶片I整體進行5分鐘左右的清洗。由此，h-BN層12轉(zhuǎn)印到石墨烯層
11。之后，通過在h-BN層12上形成金屬電極2，從而完成在圖2所示的P型半導體晶片I上依次形成有石墨烯層11、h-BN層12以及金屬電極2的半導體元件。金屬電極2的形成方法與實施方式I相同。
[0066]如上述說明，根據(jù)實施方式2，可得到與實施方式I相同的效果。另外，根據(jù)實施方式2，在石墨稀層與金屬電極之間形成h-BN層，通過利用h-BN層切斷石墨稀層和金屬電極的相互作用，能夠防止石墨烯層的能帶被調(diào)制。因此，作為金屬電極的電極材料，即使使用與石墨烯層強烈相互作用的金屬的情況下，也能夠形成P型碳化硅半導體部和金屬電極的歐姆接觸。
[0067](實施例)
[0068]接下來，對本發(fā)明的半導體元件的電壓-電流特性(1-V特性)進行驗證。圖3是表示本發(fā)明的碳化硅半導體元件的電壓-電流特性的圖表。上述的實施方式1、2的碳化硅半導體元件的制造方法、后述的實施例1?13中例示的材料、材料的使用量、混合比，或處理內(nèi)容、處理順序、處理裝置(單元或者部件)的取向或具體的配置等是一個例子，在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)能夠進行各種變更。因此，本發(fā)明并不限于以下的實施例1?13的范圍。首先，根據(jù)上述的實施方式I的碳化硅半導體元件的制造方法，制作七個試樣(以下稱為實施例I?6、12)。
[0069]實施例1?6、12中，石墨稀層11的層疊數(shù)、石墨稀層11的覆蓋率以及P型半導體晶片1(P型外延層)的載流子濃度(圖3中記載為p-SiC載流子濃度)中的一個以上分別不同。在實施例1中，在上述的實施方式I的碳化硅半導體元件的制造方法中例示的上述各條件下，在載流子濃度I X 11Vcm3的P型半導體晶片I上，形成了單層結(jié)構(gòu)的石墨烯層11。并且，將形成有直徑ΙΟΟμπι的襯墊圖案的金屬掩模配置在石墨稀層11上，利用電子束(EB-ElectronBeam)蒸鍍法層疊500nm的厚度的金電極作為金屬電極2 ο
[0070]在實施例2中，將紅外線聚光式超高溫加熱裝置的反應爐內(nèi)的最高溫度下的維持時間設為10分鐘而形成雙層結(jié)構(gòu)的石墨烯層U。實施例2的除了紅外線聚光式超高溫加熱裝置的反應爐內(nèi)的最高溫度下的維持時間以外的制造方法與實施例1相同。在實施例3中，將紅外線聚光式超高溫加熱裝置的反應爐內(nèi)的最高溫度下的維持時間設為30分鐘而形成三層結(jié)構(gòu)的石墨烯層11。實施例3的除了紅外線聚光式超高溫加熱裝置的反應爐內(nèi)的最高溫度下的維持時間以外的制造方法與實施例1相同。
[0071]在實施例4中，將P型半導體晶片I的載流子濃度設為IX 1018/cm3。實施例4的除了P型半導體晶片I的載流子濃度以外的制造方法與實施例1相同。在實施例5中，將P型半導體晶片I的載流子濃度設為I X 1017/cm3。實施例5的除了P型半導體晶片I的載流子濃度以外的制造方法與實施例1相同。在實施例6中，將P型半導體晶片I的載流子濃度設為I X 1016/cm3。實施例6的除了P型半導體晶片I的載流子濃度以外的制造方法與實施例1相同。在實施例12中，將紅外線聚光式超高溫加熱裝置的反應爐內(nèi)的最高溫度下的維持時間設為2分鐘而形成單層的石墨烯層11，使石墨烯層11的覆蓋率為30 %。實施例12的除了石墨烯層11的覆蓋率以外的制造方法與實施例1相同。
[0072]另外，根據(jù)上述的實施方式2的碳化硅半導體元件的制造方法，制作六個試樣(以下稱為實施例7?11、13)。實施例7?11、13中石墨烯層11的覆蓋率、h-BN層12的層疊數(shù)以及P型半導體晶片I的載流子濃度中的一個以上分別不同。在實施例7中，將在上述的實施方式2的碳化硅半導體元件的制造方法中例示的上述各條件下形成的單層的h-BN層12轉(zhuǎn)印到石墨烯層11上。另外，使金屬電極2的電極材料為鎳。實施例7中的除了形成h-BN層12這一點、將金屬電極2的電極材料變更為鎳這一點以外的制造方法與實施例1相同。
[0073]在實施例8中，在向反應爐內(nèi)導入原料氣體之后，將維持反應爐內(nèi)的溫度和氣壓的狀態(tài)下的維持時間設為30分鐘而形成了雙層結(jié)構(gòu)的h-BN層12。實施例8的除了維持反應爐內(nèi)的溫度和氣壓的狀態(tài)下的維持時間以外的制造方法與實施例7相同。在實施例9中，使P型半導體晶片I的載流子濃度為I X 1018/cm3。實施例9的除了P型半導體晶片I的載流子濃度以外的制造方法與實施例7相同。在實施例10中，將P型半導體晶片I的載流子濃度設為I X1017/cm3。實施例10的除了 P型半導體晶片I的載流子濃度以外的制造方法與實施例7相同。
[0074]在實施例11中，使P型半導體晶片I的載流子濃度為IX 11Vcm3。實施例11的除了p型半導體晶片I的載流子濃度以外的制造方法與實施例7相同。在實施例13中，將紅外線聚光式超高溫加熱裝置的反應爐內(nèi)的最高溫度下的維持時間設為2分鐘而形成單層的石墨烯層11，使石墨烯層11的覆蓋率為30%。實施例13的除了石墨烯層11的覆蓋率以外的制造方法與實施例7相同。
[0075]作為比較，制作不形成石墨烯層11，而在P型半導體晶片I上直接形成金電極作為金屬電極2而成的試樣(以下稱為比較例I)。比較例I的除了不形成石墨烯層11這一點以外的制造方法與實施例1相同。另外，制作了不形成(轉(zhuǎn)印)h-BN層12，而在石墨烯層11上直接形成鎳層作為金屬電極2而成的試樣(以下稱為比較例2)。比較例2的除了不形成h-BN層12這一點以外的制造方法與實施例7相同。
[0076]將這些實施例1?13和比較例1、2的1-V特性(P型半導體晶片I和金屬電極2接觸時的1-V特性)的測定結(jié)果示于圖3?？纱_認，在作為實施例1?3制作的形成單層結(jié)構(gòu)的石墨烯層11、雙層結(jié)構(gòu)或者三層結(jié)構(gòu)的石墨烯層11的全部試樣中，1-V特性顯示歐姆性(借助石墨烯層11而形成P型半導體晶片I和金屬電極2的歐姆接觸)，且接觸電阻低。另外，可確認，作為實施例1、4?6制作的使P型半導體晶片I的載流子濃度在I X 11Vcm3以上且I X 11Vcm3以下的范圍內(nèi)變化而得到的全部的試樣中，1-V特性顯示歐姆性，且接觸電阻低。
[0077]另一方面，可確認，在P型半導體晶片I與金屬電極2之間不形成石墨烯層11的比較例I中，1-V特性顯示肖特基性(借助石墨烯層11而形成P型半導體晶片I和金屬電極2的肖特基接觸)，且接觸電阻高。另外，可確認，即使在石墨烯層11上形成與石墨烯層11強烈相互作用的鎳層作為金屬電極2的比較例2中，1-V特性顯示肖特基性，且接觸電阻高。因此，可確認，在實施例7、8中，在石墨烯層11與金屬電極2之間形成了單層結(jié)構(gòu)或者雙層結(jié)構(gòu)的h-BN層12的結(jié)果，實施例7、8的1-V特性均顯示歐姆性，且接觸電阻低。
[0078]另外，可確認，在作為實施例7、9?11制作的石墨烯層11與金屬電極2之間形成h-BN層12，并且在使P型半導體晶片I的載流子濃度在I X 11Vcm3以上且I X 1019/cm3以下的范圍內(nèi)變化而成的全部的試樣中，1-V特性顯示歐姆性，且接觸電阻低。并且，可確認，在作為實施例12制作的將單層的石墨烯層11形成為覆蓋率30%，并且形成了金電極(金屬電極2)的試樣中，1-V特性顯示歐姆性，且接觸電阻低。另外，可確認，在作為實施例13制作的將單層的石墨烯層11形成為覆蓋率30%，在石墨烯層11上形成h-BN層12，并且形成了鎳電極(金屬電極2)的試樣中，1-V特性顯示歐姆性，且接觸電阻低。根據(jù)以上的結(jié)果，可證實根據(jù)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)低接觸電阻化。
[0079]以上，本發(fā)明在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)能夠進行各種變更，在上述的各實施方式中，例如各部的尺寸、雜質(zhì)濃度等根據(jù)要求的規(guī)格等進行各種設定。另外，上述的各實施方式和實施例是一個例子，根據(jù)將上述的各實施方式、實施例和其他的構(gòu)成在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍進行組合而成的變形例，也可得到本發(fā)明的效果。具體而言，本發(fā)明能夠應用于例如MOSFET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絕緣棚.雙極型晶體管)等形成P型碳化娃半導體部和金屬電極的歐姆接觸的半導體元件。
[0080]產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0081]以上，本發(fā)明的碳化硅半導體元件的制造方法對具有P型碳化硅半導體和金屬的歐姆接觸的碳化硅半導體元件有用。
【主權(quán)項】
1.一種碳化娃半導體元件的制造方法，其特征在于，形成P型碳化娃半導體部和金屬電極之間的接觸，所述碳化硅半導體元件的制造方法包括: 第一工序，在所述P型碳化娃半導體部的表面，形成使在所述P型碳化娃半導體部與所述金屬電極的接合界面產(chǎn)生的電位差減小的石墨烯層； 第二工序，在所述石墨烯層的表面形成所述金屬電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅半導體元件的制造方法，其特征在于， 在所述第一工序中，形成單層以上且三層以下的所述石墨烯層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅半導體元件的制造方法，其特征在于， 在所述第一工序中，使所述石墨烯層對所述P型碳化硅半導體部的覆蓋率為所述P型碳化硅半導體部的表面積的30%以上。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅半導體元件的制造方法，其特征在于， 所述P型碳化硅半導體部的載流子濃度為I X 11Vcm3以上。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅半導體元件的制造方法，其特征在于， 所述金屬電極的電極材料為金、銀、鉑、鈦、鎳、鐵、鈷、銅、鉻、鋁或鈀、或者包含這些金屬中的一種以上金屬的合金。6.根據(jù)權(quán)利要求1?5中任一項所述的碳化硅半導體元件的制造方法，其特征在于， 在所述第一工序之后且在所述第二工序之前，還包括第三工序，在所述石墨烯層的表面，形成由六方氮化硼構(gòu)成的絕緣體層， 在所述第二工序中，在所述絕緣體層的表面形成所述金屬電極。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的碳化硅半導體元件的制造方法，其特征在于， 在所述第三工序中，形成單層或者雙層的所述絕緣體層。
【文檔編號】H01L21/28GK105874567SQ201580003543
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年5月25日
【發(fā)明人】藤井健志, 佐藤麻里子, 稻本拓朗
【申請人】富士電機株式會社