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JP6261155B2 - SiC半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、SiC半導体デバイスの製造方法及び該製造方法により製造されたSiC半導体デバイスに関する。特に均質な裏面電極の形成方法に関する。
従来からパワーデバイスとして用いられている半導体デバイスは、半導体材料としてシリコンを用いたものが主流であるが、ワイドギャップ半導体であるSiCは、シリコンに比較して熱伝導度が3倍、最大電界強度が10倍、電子のドリフト速度2倍という物性値を有していることから、絶縁破壊電圧が高く低損失で高温動作可能なパワーデバイスとして、近年その応用が各機関で盛んに研究されている。そのようなパワーデバイスの構造は、裏面側に低抵抗なオーミック電極を備えた裏面電極を有する縦型の半導体デバイスが主流である。裏面電極には、様々な材料および構造が用いられているが、その中の1つとして、チタン層とニッケル層と銀層との積層体(特許文献1参照)や、チタン層とニッケル層と金層との積層体(特許文献2参照)などが提案されている。
ショットキーバリアダイオードに代表されるSiCを用いた縦型半導体デバイスにおいては、SiC基板上にニッケル層を製膜後、加熱によりニッケルシリサイド層を形成して、SiC基板とニッケルシリサイド層との間にオーミックコンタクトを形成する手法が用いられている(特許文献1および特許文献2参照)。
また、オーミック電極を形成する方法として、SiC基板上に複数の金属(Ni、Ti、Al)の積層膜を成膜後、700℃から1100℃で加熱処理することが提案され、最も好適には800℃でオーミック特性が得られることが示されている(特許文献3参照)。また、SiC基板の裏面にレーザ光を照射することで低温プロセスにおいてオーミック電極を形成することが提案されている(特許文献4参照)。
特開2007−184571号公報 特開2010−86999号公報 特開2005−277240号公報 特開2008−135611号公報
特許文献3や特許文献4のような従来技術により得られるオーミック電極は、コンタクト抵抗のばらつきが大きく、良好な順方向降下電圧(Vf)が得られないという問題がある。
特許文献4に記されたSiC半導体デバイス用裏面電極の製造方法では、SiC基板上にニッケル層を形成したのち、KrFエキシマレーザ(248nm)を用いて0.9J/cmの強度のレーザ光照射を行うことにより、ニッケルシリサイド層を形成し、SiCとニッケルシリサイド層の間にオーミックコンタクトを形成している。
ニッケルシリサイドは、特許文献1によると、以下の反応式で示される固相反応により生成する。
Ni + 2SiC → NiSi2 + 2C
例えば、特許文献1では、SiC基板上にニッケル層を製膜後、加熱によりニッケルシリサイド層を形成してSiC基板とニッケルシリサイド層との間にオーミックコンタクトを形成している製法において、上記加熱を、Arガス雰囲気中で、1000℃、2分急速加熱で行うことが記載されている。
しかしながら、上記反応式の固相反応が均一に進行しないとオーミックコンタクト抵抗がばらついてしまい、作製したSiC半導体デバイスで良好なVF特性を得ることができないという問題がある。
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、ニッケル及びチタンを含む層を加熱してチタンカーバイドを包含した均質なニッケルシリサイド層を形成する新規なSiC半導体デバイスの製造方法を提供し、かつ、裏面電極構造の裏面コンタクト抵抗が十分に低く且つ均質なSiC半導体デバイスを提供することを目的とする。
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
本発明は、SiC半導体に電極構造を形成する半導体デバイスの製造方法であって、前記SiC半導体に、ニッケル及びチタンを含む層を形成した後、1150℃以上1350℃以下及び昇温速度が10℃/分以上100℃/分以下、加熱保持時間が30分以上120分以下の加熱によりチタンカーバイドを有するニッケルシリサイド層を生成し、前記チタンカーバイドを有するニッケルシリサイド層上に、金属層を形成することにより、上記電極構造を形成することを特徴とする。
本発明の半導体デバイスは、具体例として、電極構造として、チタンカーバイドを有するニッケルシリサイド層のオーミック電極と金属層の裏面電極とからなる裏面電極構造を有し、表面電極構造としてショットキー電極と表面電極を有する。また、前記電極構造は、具体例として、SiC半導体上に、チタンカーバイドを有するニッケルシリサイド層、チタン層、ニッケル層、金層の順に積層された電極構造である。また、前記チタンカーバイドを有するニッケルシリサイド層は、前記SiC半導体に近い方から、ニッケルシリサイド層、チタンカーバイド層の順に積層されている。
本発明の製造方法によれば、裏面コンタクト抵抗が、十分に低くかつ均質なSiC半導体デバイス用裏面電極を得ることができる。具体的には、SiC半導体上に、チタン及びニッケルを含む層を積層した後、加熱によりチタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層を形成させることにより、裏面コンタクト抵抗が十分に低く、かつばらつきの少ないSiC半導体デバイス用裏面電極を得ることができる。ばらつきが少ないので、歩留まりがよい。さらに、加熱の際の条件を、所定の条件にすることにより、裏面コンタクト抵抗とそのばらつきが改善できる。
本発明の実施例に係るショットキーバリアダイオードの製造方法において、SiC基板を示す断面図である。 本発明の実施例に係るショットキーバリアダイオードの製造方法において、ガードリングを形成する工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係るショットキーバリアダイオードの製造方法において、絶縁層およびニッケルシリサイド層を形成する工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係るショットキーバリアダイオードの製造方法において、コンタクトホールを形成する工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係るショットキーバリアダイオードの製造方法において、ショットキー電極を形成する工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係るショットキーバリアダイオードの製造方法において、表面電極を形成する工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係るショットキーバリアダイオードの製造方法において、裏面電極を形成する工程を示す断面図である。 フィールドリミッティングリング(FLR)構造を持つSBDの断面図である。 本発明のオーミック電極のシート抵抗と加熱温度の関係を示す図である。 本発明の加熱温度1100℃における加熱保持時間とオーミック電極のシート抵抗との関係を示す図である。 ジャンクションバリアショットキー(JBS)構造を持つSBDの断面図である。
本発明の実施の形態について、以下説明する。
本発明では、SiC半導体上への電極形成において、従来のNi層を形成する方法に換えて、チタン及びニッケルを含む層を形成して、加熱によりチタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層を形成させることを行った。SiC半導体上に、チタン及びニッケルを含む層を、例えば、ニッケル層、チタン層の順で積層した後、加熱によりチタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層を形成させることができ、チタンカーバイドが生成されることにより、炭素の析出を防ぐことができる。
本発明では、ニッケルシリサイド層を形成させる加熱を、特定の条件で行うことにより、裏面コンタクト抵抗が十分低くかつ均質な裏面電極構造を得ることができる。
なお、チタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層を形成後に行う様々な処理工程(ショットキー電極の形成など)を経ることで表面に析出する炭素層を、裏面電極金属膜の形成前に、逆スパッタ等により除去することにより、裏面電極金属膜の剥離を防止することができる。
本発明では、チタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層の上に金属層を形成している。ニッケルシリサイド層をオーミック電極、その上の金属層を裏面電極と呼び、オーミック電極と裏面電極とからなる構造を裏面電極構造と、便宜上呼ぶ。一方、SiC基板の裏面電極構造とは反対の面に、SiC基板に接してショットキー電極と該ショットキー電極上に金属層からなる表面電極を形成して設ける。ショットキー電極と表面電極とからなる構造を表面電極構造と呼ぶ。
本発明に係るSiC半導体デバイスの好ましい実施の形態として、ショットキーバリアダイオードについて、図1〜7を参照して説明する。図1〜7は、ショットキーバリアダイオードの製造方法を説明するための図であり、製造工程のショットキーバリアダイオードの断面を模式的に表している。図7は、製造されたショットキーバリアダイオードの構造を表している。SiC半導体を用いたショットキーバリアダイオードは、SiC基板1、ガードリング2、絶縁層3、チタンカーバイドを包含したニッケルシリサイド層4、ショットキー電極6、表面電極7、裏面電極8を備えている。
図1は、SiC基板を示す断面図である。SiC基板1は、SiCからなるウェーハ層とSiCからなるエピタキシャル層で構成される。
図2は、ガードリングを形成する工程を示す図である。図2に示すように、SiC基板1のエピタキシャル層の一部にイオン注入を施すことにより、ガードリング2を形成する。
図3は、絶縁層およびニッケルシリサイド層を形成する工程を示す断面図である。ガードリング2の上にSiO2からなる絶縁層3を形成した後、SiC基板1の裏面にニッケルおよびチタンを含む層を製膜し、引き続いて行う加熱によりチタンカーバイドを包含したニッケルシリサイド層4からなるオーミック電極を形成する。
ニッケルおよびチタンを含む層は、ニッケル層、チタン層の順で、SiC基板に形成することが好ましい。ニッケルとチタンの割合は、ニッケルとチタンを積層で形成する場合は、それぞれの膜厚の比を1対1から10対1、好ましくは3対1から6対1とすることで実施できる。その際、ニッケルの膜厚は20〜100nm、チタンの膜厚は10〜50nmであることが好ましい。又、ニッケル中にチタンが含まれるように合金として形成してもよい。ニッケルとチタンの割合は、1対1から10対1、好ましくは3対1から6対1とすることで実施できる。前記ニッケルおよびチタンを含む層を1050℃以上1350℃以下で加熱することにより、SiC基板との反応によりチタンカーバイドが生成し、チタンカーバイドを包含したニッケルシリサイド層が得られる。
ニッケル層とチタン層の形成方法は、蒸着、スパッタ等の薄膜の形成方法を用いることができる。薄膜形成後、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で圧力0.1Pa以上1.013MPa以下、望ましくは0.1MPa以上0.2MPa以下、およびガス流量100cc/分以上10000cc/分以下、望ましくは500cc/分以上3000cc/分以下で加熱して、ニッケルシリサイド層を得る。該加熱は、加熱炉を用い、昇温速度は10℃/分以上1350℃/分以下、望ましくは10℃/分以上100℃/分以下、到達温度は1100℃以上1350℃以下、望ましくは1150℃または1200℃以上1350℃以下、加熱保持時間は0分以上120分以下、望ましくは2分以上30分以下である。
実施例で示すように、オーミック電極のシート抵抗を測定したところ、到達温度1100℃以上で抵抗値が低くなり、且つ、ばらつきも小さくなった結果が得られている。昇温速度及び到達温度及び加熱保持時間が上記の範囲内であると、裏面コンタクト抵抗がシート抵抗0.7Ω/□以下と十分に低く、かつ裏面コンタクト抵抗が均質で歩留まりがよい。好ましい場合は、シート抵抗が0.4Ω/□以下で且つばらつきの小さい素子が得られる。また、昇温速度については、10℃/分未満であると、生産性が著しく低下するので好ましくない。一方1350℃/分を超えると加熱装置で使用している部材のサーマルショックによる破損等の不具合が発生する。昇温速度が10℃/分以上100℃/分以下であると、生産性を確保しつつ上記不具合が発生しないため、その効果がより顕著である。到達温度が1050℃未満であると、ニッケルシリサイド層の生成が不十分である。到達温度が1350℃を超えると加熱装置で使用している部材の耐熱温度を超えるため装置に不具合が発生することがあり、加熱温度の上限は装置の耐熱温度により制約を受ける。到達温度が1200℃以上1350℃以下であると、その効果がより顕著である。加熱保持時間が0分でもよいが、加熱保持する場合120分を超えると、生産性が著しく低下するとともに装置がオーバーヒートを生じるおそれがある。加熱保持時間は、上記の観点から2分以上30分以下がより好ましい。
形成されたチタンカーバイドを包含したニッケルシリサイド層は、厚さ10〜100nm、好ましくは20〜30nmである。
なお、チタンカーバイドはオーミック電極の上に成膜する裏面電極積層体のチタンと良好な密着性を示すため、裏面電極剥離を抑制する機能を有する。
図4は、絶縁層3の一部をエッチングにより取り除き、コンタクトホールを形成する工程を示す断面図である。図5は、ショットキー電極を形成する工程を示す断面図である。図5に示すように、エッチングにより露出した部分にショットキー電極6としてたとえばチタンを製膜後、引き続いて行う加熱によりショットキーコンタクトが形成される。加熱温度は400〜600℃程度である。加熱雰囲気はアルゴンまたはヘリウムである。
図6は、表面電極7を形成する工程を示す断面図である。図6に示すように、ショットキー電極6を、たとえばアルミニウムで覆い表面電極7を形成する。
図7は、金属層の積層体を形成して裏面電極8とする工程を示す断面図である。炭素層を取り除いた、チタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層4上に、図7に示すように、例えば、チタン、ニッケル、金の順で積層した積層体からなる裏面電極8を形成する。
全ての製膜操作が完了した基板をダイシングして、SiCショットキーバリアダイオードのチップを得る。以上、ショットキーバリアダイオードについて説明したが、本発明に係るSiC半導体デバイスは、ショットキーバリアダイオードに限定されず、MOSFETなど、SiCを用いた種々の半導体デバイスにおいても同様である。
(実施例1)
本発明の実施例について、図1〜8を参照して以下説明する。図8に、フローティングリミッティングリング(FLR)構造を持つショットキーバリアダイオード(SBD)の模式図を示す。
エピタキシャル層(低濃度n型ドリフト層13)を形成したSiC基板(高濃度n型基板12)に、イオン注入によりチャンネルストッパー用のn型領域と、終端構造用のp型領域(p型不純物イオン注入領域14)とFLR構造16用のp型領域を形成する。その後、チャンネルストッパー用のn型領域を形成するために注入されたリンと、終端構造用のp型領域とFLR構造用のp型領域を形成するために注入されたアルミニウムとを、活性化するために、アルゴン雰囲気中において1620℃で180秒間の活性化を行った。その後、常圧CVD装置を用いて基板表面側に厚さ500nmのSiO2膜を形成した後、裏面側にスパッタ装置を用いて、厚さ20nmのチタン層と厚さ60nmのニッケル層を製膜した。なお、基板側から、厚さ60nmのニッケル層、厚さ20nmのチタン層の順で積層した。製膜した基板は、赤外線ランプを備えた高速アニール装置(RTA)を用いて、アルゴン雰囲気中、昇温速度20℃/分、到達温度1100℃、加熱保持時間2分間の加熱処理を行った。この加熱処理によりSiC基板のシリコン原子はニッケルと反応してニッケルシリサイドを生成し、オーミックコンタクトを得ることができる。また、SiC基板の炭素原子はチタンと反応してチタンカーバイドを生成してニッケルシリサイドの表面に析出する。
フッ酸緩衝液を用いて表面側の酸化膜にコンタクトホールを形成し(図4参照)、スパッタ装置でショットキー電極15用のチタンを200nm製膜後、RTAを用いてアルゴン雰囲気中500℃で5分間の処理を行う。
次に、蒸着装置を用いてニッケルシリサイド層の上に、チタン70nm、ニッケル700nm、金200nmを連続蒸着して、裏面電極を形成する。ここで用いる裏面電極材料は、銀、アルミニウム、銅なども使用可能であり、層構成は単層または2層でも構わない。また、形成方法はスパッタ法、メッキ法なども可能である。
得られた基板をダイシングして電気特性を評価した結果、室温でのオン電圧(Vf)が1.39±0.045VのSiCショットキーバリアダイオードを得ることができた。±0.045Vは、複数の素子のばらつきの程度を示している。
(実施例2)
本実施例では、SiC半導体上に、チタン及びニッケルを含む層を積層した後、加熱によりチタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層を形成させる際の、該加熱の条件について、複数の条件を設定して調べた。赤外線ランプを備えた高速アニール装置(RTA)を用いて、アルゴン雰囲気中、昇温速度10℃/分でかつ加熱温度条件を異ならせて作製したオーミック電極のシート抵抗を測定した。加熱保持時間は30分である。測定結果を表1に示す。
Figure 0006261155
表1の、オーミック電極のシート抵抗と加熱温度の関係を図9に示す。図中、縦棒の長さはシート抵抗のばらつきを示す。加熱温度が高くなるほど抵抗値が低くなり、ばらつきも小さくなる傾向が認められた。しかし、加熱温度1100℃以上では、抵抗値とそのばらつきは、共にほぼ一定となった。表1からわかるように、加熱温度1050℃以上で、シート抵抗が0.57Ω/□以下を示し、かつ、ばらつきも0.14以下を示し、1000℃の場合より改善されていることがわかる。加熱温度1100℃以上で、シート抵抗が0.42Ω/□以下を示し、かつ、ばらつきも0.14以下を示し、優れていることがわかる。また、加熱温度1150℃以上であれば、シート抵抗が0.39Ω/□以下とさらに低くでき、かつばらつきも0.06以下とさらに改善される。さらに、加熱温度1200℃以上であれば、シート抵抗が0.37Ω/□以下を示し、かつばらつきも0.05以下を示し、さらに改善される。加熱温度が1350℃を超えると、シート抵抗及びばらつきも優れているが、改善の効果が特に向上しない。
さらに、昇温速度50℃/分および100℃/分で作製したサンプルについても、測定を行ったところ、ほぼ同様の結果が得られた。
次に、昇温速度10℃/分、加熱温度1100℃において加熱保持時間を異ならせて作製した複数のオーミック電極のシート抵抗を測定した。測定結果を表2に示す。
Figure 0006261155
表2の、オーミック電極のシート抵抗と加熱温度1100℃における加熱保持時間の関係を、図10に示す。図中、横軸は保持時間を分の単位で示す。図中、縦棒の長さはシート抵抗のばらつきを示す。加熱保持時間が長いほど抵抗値が低くなり、ばらつきも小さくなる傾向が認められた。しかし、20分以上では、抵抗値、ばらつき共に、ほぼ一定となった(図10)。
このことから、加熱保持時間0分以上で、シート抵抗が0.7Ω/□以下を示し、かつ、ばらつきも0.15以下を示し、特性が優れていることがわかる。また、加熱保持時間が1分以上であれば、シート抵抗が0.66Ω/□以下とさらに低くでき、ばらつきも0.14以下とさらに改善される。さらに、加熱保持時間2分以上であれば、シート抵抗が0.62Ω/□以下を示し、かつばらつきも0.13以下を示し、さらに改善される。さらに、加熱保持時間が、5分以上、10分以上、20分以上にすれば、より改善される。しかし、加熱保持時間を長くしても改善の効果が特に向上しないので、加熱保持時間の上限は、120分以下とすることが好ましく、30分以下でもよい。
さらに、加熱温度1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃、昇温速度50℃/分、100℃/分で作製したサンプルについて測定したところ、図10と同様の結果が得られた。
(実施例3)
本発明の実施例3について、図11を参照して以下説明する。図11に、ジャンクションバリアショットキー(JBS)構造を持つショットキーバリアダイオード(SBD)の模式図を示す。実施例1のショットキーバリアダイオードの代わりに、図11に示したジャンクションバリアショットキー(JBS)構造17を持つショットキーバリアダイオード(SBD)についても、実施例1と同様に作製した。同様の加熱条件で同様の結果が得られた。
(比較例)
本比較例では、本発明による裏面電極の形成法を用いない、SiC半導体デバイスの製造工程について説明する。エピタキシャル層を形成したSiC基板に、イオン注入によりチャンネルストッパー用のn型領域と、終端構造用のp型領域とフローティングリミッティングリング(FLR)構造用のp型領域を形成後、チャンネルストッパー用のn型領域を形成するために注入されたリンと終端構造用のp型領域とFLR構造用のp型領域を形成するために注入されたアルミニウムを活性化するために、アルゴン雰囲気中において1620℃で180秒間の活性化を行った。常圧CVD装置を用いて基板表面側に厚さ500nmのSiO2膜を形成した後、裏面側にスパッタ装置を用いて厚さ60nmのニッケル層を製膜し、RTAを用いて、アルゴン雰囲気中、昇温速度1500℃/分で1000℃に昇温後、2分間の処理を行ってニッケルシリサイドを生成した。その後、実施例1と同じ方法で裏面電極を形成した。得られた基板をダイシングして電気特性を評価した結果、室温でのオン電圧(Vf)が1.41±0.242Vであった。
実施例1と比較例の結果から、実施例1は、オン電圧(Vf)が1.39で、比較例の1.41より低いこと、さらに、オン電圧のばらつきが、実施例1では±0.045Vで、比較例の±0.242より一桁以上小さいことがわかる。本発明のSiC半導体デバイス用裏面電極構造およびSiC半導体デバイスの製造方法を用いることによって、裏面コンタクト抵抗が十分に低く且つ均質なSiC半導体デバイスを得ることができる。
上記実施の形態及び実施例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。本発明に係るSiC半導体デバイスは、ショットキーバリアダイオードに限定されず、たとえばMOSFETなど、SiCを用いた種々の半導体デバイスが含まれる。
1 SiC基板
2 ガードリング
3 絶縁層
4 チタンカーバイドを包含したニッケルシリサイド層
6 ショットキー電極
7 表面電極
8 裏面電極
11 オーミック電極
12 高濃度n型基板
13 低濃度n型ドリフト層
14 p型不純物イオン注入領域
15 ショットキー電極
16 FLR構造
17 JBS構造

Claims (4)

  1. SiC半導体に電極構造を形成する半導体デバイスの製造方法であって、
    前記SiC半導体に、ニッケル及びチタンを含む層を形成した後、1150℃以上1350℃以下及び昇温速度が10℃/分以上100℃/分以下、加熱保持時間が30分以上120分以下の加熱によりチタンカーバイドを有するニッケルシリサイド層を生成し、前記チタンカーバイドを有するニッケルシリサイド層上に金属層を形成することにより、上記電極構造を形成することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
  2. 前記半導体デバイスは、前記電極構造として、前記チタンカーバイドを有するニッケルシリサイド層のオーミック電極と前記金属層の裏面電極とからなる裏面電極構造を有し、表面電極構造としてショットキー電極と表面電極を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイスの製造方法。
  3. 前記電極構造は、SiC半導体上に、チタンカーバイドを有するニッケルシリサイド層、チタン層、ニッケル層、金層の順に積層された電極構造であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体デバイスの製造方法。
  4. 前記チタンカーバイドを有するニッケルシリサイド層は、前記SiC半導体に近い方から、ニッケルシリサイド層、チタンカーバイド層の順に積層されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体デバイスの製造方法。
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