CN102804342A - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

电极层(16)设置在碳化硅衬底（90）上并与其接触，并且具有Ni原子和Si原子。Ni原子的数量至少为Ni原子和Si原子的总数的67％。至少电极层（16）的与碳化硅衬底（90）接触的一侧包含Si和Ni的化合物。在电极层（16）的表面侧上，C原子浓度小于Ni原子浓度。因此，可以实现提高电极层（16）的电导率以及抑制电极层（16）表面处的C原子析出两者。

Description

半导体器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，并且更具体涉及一种具有碳化硅衬底的半导体器件及其制造方法。
背景技术
对于制造包括碳化硅衬底的半导体器件的方法，已经研发出在碳化硅衬底上形成欧姆电极的技术。
例如，根据日本专利特开No.7-99169(PTL 1)，通过在SiC基底（碳化硅衬底）上形成Ni-Si合金层或Si和Ni的堆叠，可以在不从SiC基底提供Si的情况下形成NiSi2（33原子％的Ni和67原子％的Si），并且获得与SiC基底欧姆接触的电极。此外，根据该公开，当Ni的原子比为不大于33％时，Si过量并使电导率下降，并且当Ni为不小于67％时，在NiSi2和SiC的界面处存在过量的Ni，且该界面变得不连续。此外，根据上述公开，因为不从SiC提供Si，因此不会发生过量的C扩散进Ni并且其在电极表面处析出为石墨的现象。
引用文献列表
专利文献
PTL 1:日本专利公开7-99169
发明内容
技术问题
如上所述，在形成具有Ni原子和Si原子的电极（电极层）时，为了提高电极层的电导率，应当提高Ni的比例。当Ni的比例提高时，许多C原子会在用于形成电极层的退火过程中从碳化硅衬底析出到电极层的表面。因此难于实现提高电极层的电导率以及抑制电极层表面处的C原子析出两者。
因此，本发明的一个目的是提供一种能够实现提高电极层的电导率以及抑制电极层表面处的C原子析出两者的半导体器件及其制造方法。
解决问题的方案
根据本发明的半导体器件具有碳化硅衬底和电极层。电极层位于碳化硅衬底上并与其接触，并且具有Ni原子和Si原子。Ni原子的数量不小于Ni原子和Si原子的总数的67%。电极层的至少与碳化硅衬底接触的一侧包含Si和Ni的化合物。在电极层的表面侧上，C原子浓度低于Ni原子浓度。
根据该半导体器件，在电极层中，Ni原子的数量不小于Ni原子和Si原子的总数的67%。因此，与百分比低于67％的情况相比较，可以提高电极层的电导率。此外，根据该半导体器件，在电极层的表面侧上，C原子浓度低于Ni原子浓度。因此，当形成与电极层的表面侧接触的金属垫层时，该金属垫层不容易剥落。
优选地，在电极层的表面侧上，C原子浓度低于3％。
优选地，半导体器件具有与电极层的表面侧接触的金属垫层。金属垫层优选是Al层。优选地，金属垫层包括形成在电极层上的粘着层以及形成在粘着层上的主体层。粘着层由Ti、TiW和TiN中的任何构成。
优选地，在电极层的表面侧上的Si原子浓度低于30％。因此，可进一步提高电极层的电导率。
根据本发明的制造半导体器件的方法具有以下步骤。制备碳化硅衬底。形成材料层，该材料层位于碳化硅衬底上并与其接触，并且具有Ni原子和Si原子。Ni原子的数量不小于Ni原子和Si原子的总数的67％。通过利用激光束对材料层退火而形成电极层，该电极层的至少与碳化硅衬底接触的一侧包含Si和Ni的化合物。
根据该制造半导体器件的方法，在用作用于电极层的材料的材料层中，Ni原子的数量不小于Ni原子和Si原子的总数的67％。因此，与该百分比低于67％的情况相比较，可以提高电极层的电导率。此外，根据该制造半导体器件的方法，通过使用激光束在短时间段内执行退火。因此，与执行长时间段退火的情况相比较，可以抑制C原子的扩散。因此，可以降低在电极层的表面侧上的C原子浓度。因此，当形成与电极层的表面侧接触的金属垫层时，该金属垫层不容易剥落。
优选地，在电极层上形成金属垫层。金属垫层优选包括Al层。优选地，形成金属垫层的步骤包括在金属层上形成粘着层的步骤以及在粘着层上形成主体层的步骤。粘着层由Ti、TiW和TiN中的任何构成。
形成材料层的步骤包括形成Si和Ni的混合层的步骤。替代地，形成材料层的步骤包括堆叠Si层和Ni层的步骤。
发明的有益效果
如上所述，根据本发明，可以实现提高电极层电导率以及抑制电极层表面处C原子析出两者。
附图说明
图1是示意性示出本发明第一实施例中的半导体器件构造的横截面图。
图2是示意性示出在制造图1中所示的半导体器件的方法中的第一步骤（A）和第二步骤（B）的横截面图。
图3是示意性示出图1中所示的半导体器件的变型例的横截面图。
图4是示意性示出在制造本发明第二实施例中的半导体器件的方法中的一个步骤的横截面图。
图5是示意性示出本发明第三实施例中的半导体器件的构造的横截面图。
图6示出第一比较例中的半导体器件的原子浓度分布曲线。
图7示出第二比较例中的半导体器件的原子浓度分布曲线。
图8示出第三比较例中的半导体器件的原子浓度分布曲线。
具体实施方式
以下参考附图说明本发明的一个实施例
（第一实施例）
参考图1，本实施例中的半导体器件具有碳化硅衬底90、电极层16以及金属垫层19。
电极层16设置在碳化硅衬底90上并与其接触，并且具有Ni原子和Si原子。Ni原子的数量不小于Ni原子和Si原子的总数的67％。更具体地，用于电极层16的材料的大致组成是不低于67原子％的Ni和为基本上剩余物的Si的混合物。注意到除Ni和Si之外的添加物可以根据需要加入到用于电极层16的材料中。此外，用于电极层16的材料在工业制造方法中可能不可避免的包含杂质。
优选地，电极层16中的Si原子的数量不小于Ni原子和Si原子的总数的10％。
电极层16的至少与碳化硅衬底90接触的一侧包含Si和Ni的化合物，即硅化镍。因此，电极层16和碳化硅衬底90彼此建立欧姆接触。即，电极层16具有作为欧姆电极的功能。
在电极层16与碳化硅衬底90接触的一侧上（图中所示的下侧），上述化合物通常是Ni2Si。即，在电极层16与碳化硅衬底90接触的一侧上，Ni原子的数量与Ni和Si原子的总数的比例约为2/3，即约为67%。该比例在电极层16的表面侧（图中所示的上侧）上更高，并且在极端情况下其可以为接近于100％。即，除工业制造方法中的不可避免的杂质或来自外界环境的不可避免的沉积之外，电极层16的表面侧基本上由Ni构成。在这种情况下，在电极层16的表面侧上的电导率高于主要包含Si的情况。
在电极层16的表面侧上，C原子浓度低于Ni原子浓度。优选地，该C原子浓度低于3％且更优选低于1％。更优选地，在电极层16的表面侧上基本上没有C原子。即，除来自外界环境的不可避免的C原子沉积之外，电极层16的表面侧基本上由Ni构成。
此处，在表面侧上的原子浓度是指从电极层16的表面（图中所示的上表面）延伸至5nm深度的区域中的特定原子的数量与原子的总数的比例。该原子浓度可以利用在深度方向上具有高分辨率的元素分析来测量，并且其例如可以利用SIMS（二次离子质谱）来测量。如果电极层16的表面在用于测量准备的操作中暴露于大气环境，则应当清洗电极层16的表面。清洗例如是使用诸如丙酮的有机溶剂的超声清洗。
优选地，电极层16的表面本身是没有通过蚀刻、抛光等从其移除物质的表面。因此，可以进一步简化形成电极层16的步骤。但是，即使在这种情况下也可以将在形成电极层16之后从外部环境沉积在电极层16表面上的污染物移除。移除例如可以通过上述清洗实现。
金属垫层19与电极层16的表面侧接触。优选地，金属垫层19是Al层或Al-Si层。
以下将说明制造本实施例中的半导体器件的方法。
参考图2（A），首先制备碳化硅衬底90。随后，形成材料层50a，该材料层50a设置在碳化硅衬底90上并与其接触，并且具有Ni原子和Si原子。Ni原子的数量为Ni原子和Si原子的总数的67％以上。材料层50a是Si和Ni的混合层。该混合层可以例如通过同时溅射由Si构成的靶和由Ni构成的靶而形成。
优选地，材料层50a中的Si原子的数量不小于Ni原子和Si原子的总数的10％。
进一步参考图2（B），利用激光束辐照其上已经形成了材料层50a(图2(A))的碳化硅衬底90作为退火处理。由于该退火，由材料层50a形成了电极层16（图2(B)）。执行上述退火使得电极层16的至少与碳化硅衬底90接触的一侧包含Si和Ni的化合物，即硅化镍。
优选地，激光束具有不超过386nm的波长，该波长对应于碳化硅的能带隙。因此，激光束被吸收进碳化硅衬底90的表面。可以采用具有355nm波长的光束作为这种激光束，该波长的光束是YAG激光或YVO4激光的三次谐波。
激光束的输出强度为不小于0.5J/cm2且不大于1.5J/cm2，并且更优选不小于0.7J/cm2且不大于1.3J/cm2。因此，可以获得充分的退火功能并且可以抑制由激光束造成的破坏。
激光束具有不小于10ns且不大于10μs的脉冲宽度，并且更优选不小于50ns且不大于1μs。因此，可以在使用具有实用脉冲宽度的激光的同时，在足够短的时间段内执行退火。
再次参考图1，金属垫层19形成在电极层16上。金属垫层19优选为Al层。如上获得本实施例中的半导体器件。
根据本实施例中的半导体器件，在电极层16中的Ni原子的数量不小于Ni原子和Si原子的总数的67％。因此，与该百分比低于67％的情况相比较，可以提高电极层16的电导率。此外，根据该半导体器件，电极层16的表面侧具有低于Si原子浓度和Ni原子浓度之和的C原子浓度。因此，当形成与电极层16的表面侧接触的金属垫层19时，该金属垫层19不容易剥落。
优选地，在电极层16的表面侧上的Si原子浓度低于30％。因此，可以进一步提高电极层16的电导率。
此外，根据制造本实施例中的半导体器件的方法，在用作用于电极层16的材料的材料层50a中，Ni原子的数量不小于Ni原子和Si原子的总数的67％。因此，与该百分比低于67％的情况相比较，可以提高电极层16的电导率。
此外，通过使用激光束可以在短时间段内执行退火。因此，与执行诸如灯加热退火的长时间段退火的情况相比较，可以抑制C原子的扩散。因此，可以降低在电极层16的表面侧上的C原子浓度。因此，当形成与电极层16的表面侧接触的金属垫层19时，金属垫层19不容易剥落。
优选地，电极层16或材料层50a中的Ni原子的数量不小于Ni原子和Si原子的总数的70％。因此，可以更可靠地获得上述功能和效果。进一步优选地，Ni原子的数量不大于Ni原子和Si原子的总数的90％。因此，可以进一步抑制C原子从碳化硅衬底90扩散。
以下将说明本实施例的变型例。
参考图3，在根据本变型例的半导体器件中的金属垫层19V包括形成在电极层16上的粘着层19a以及形成在粘着层19a上的主体层19b。粘着层19a由Ti、TiW和TiN中的任何构成。主体层19b优选是Al层或Al-Si层。
根据本变型例，可以提高金属垫层19V对电极层16的粘着性。
（第二实施例）
主要参考图4，在本实施例中，形成材料层50b以替代材料层50a（图2(A)）。形成材料层50b的步骤包括堆叠Si层51和Ni层52的步骤。优选地，形成的堆叠的最上层是Ni层52。因此，因为可以提高在退火之后获得的电极层16的表面侧上的Ni原子比例，因此可以提高电极层16的表面侧上的电导率。
因为除上述特征之外的特征基本上与上述第一实施例中的特征相同，因此相同或相应的元件分配有相同附图标记并不再重复其说明。
根据本实施例，不必形成如第一实施例中所述的Ni和Si的混合层。
（第三实施例）
在本实施例中，将说明上述第一或第二实施例中的半导体器件的进一步详细结构的一个实例。
参考图5，本实施例中的半导体器件是垂直MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），并且其具有碳化硅衬底90、电极层16、金属垫层19、栅极绝缘膜15以及栅电极17。碳化硅衬底90具有n+层11、n-层12、p体层13、n+源极区14以及p+区18。
设置电极层16以与碳化硅衬底90的一个表面（附图中所示的上表面）处的n+源极区14以及p+区18中的每一个欧姆接触。电极层16具有例如约100至200nm的厚度。
栅电极17设置在碳化硅衬底90的一个表面（附图中所示的上表面）上，并且栅极绝缘膜15插入其间，并且栅电极17与作为p体层13的表面侧的沟道区13A相对。此外，在碳化硅衬底90的另一个表面（附图中所示的下表面）上设置漏电极20。
根据本实施例，获得了垂直MOSFET，其具有高电导率的电极层16以及不容易剥落的金属垫层19。
注意到可以通过在碳化硅衬底90的面对漏电极20的一侧上形成p集电极层而构造垂直IGBT（绝缘栅双极型晶体管）以替代垂直MOSFET。替代地，可以采用将栅电极嵌入到于碳化硅衬底中形成的沟槽中，并且栅极绝缘膜插入其间的结构（沟槽栅结构）。
（比较例）
将参考使用SIMS的浓度分布曲线说明本发明的比较例。因为未在金属层的表面上形成金属垫层，浓度分布曲线中的溅射时间段0附近的部分对应于电极层的表面。此外，溅射速度被设定为约10nm/分钟。此外，在测量之前执行表面清洗处理。以下将具体说明比较例。
（第一比较例）
采用Ni层替代材料层50a。此外，采用灯加热退火替代激光退火。
参考图6，在电极层的表面处（曲线图横坐标上的0附近），C原子占原子的一半或更多。此外，跨越整个电极层，C原子和Si原子中的每一个具有显著比例。此外，Ni原子向更深的部分扩散，即向碳化硅衬底的内部扩散。
（第二比较例）
采用具有80原子％的Ni和20原子％的Si的堆叠作为材料层50b（图4）。此外，采用灯加热退火替代激光退火。
参考图7，如第一比较例中，在电极层的表面处（曲线图横坐标上的0附近），C原子占原子的一半或更多。
（第三比较例）
采用Ni比例较低的层替代材料层50a（图2(A)）。具体地，采用具有65原子％的Ni和35原子％的Si的组成的混合层。此外，采用灯加热退火替代激光退火。获得的电极层的平均电导率小于本发明实例中的平均电导率。
参考图8，跨越整个电极层，Si原子以较大比例存在。即，在电极层中，没有基本上由Ni构成的部分。
应当理解，在此公开的实施例在各种意义上都是说明性而非限制性的。本发明的范围由权利要求项而不是上述说明书限定，并且其旨在包括与权利要求项范围等同的范围和含义内的任何修改。
附图标记列表
16：电极层；19：金属垫层；50a,50b：材料层；51：Si层；52：Ni层；以及90：碳化硅衬底。

Claims (12)

1.一种半导体器件，包括：
碳化硅衬底(90)；以及
电极层(16)，所述电极层(16)位于所述碳化硅衬底上并与所述碳化硅衬底接触，并且具有Ni原子和Si原子，
所述Ni原子的数量不小于所述Ni原子和所述Si原子的总数的67％，
至少所述电极层的与所述碳化硅衬底接触的一侧包含Si和Ni的化合物，以及
在所述电极层的表面侧上，C原子浓度低于Ni原子浓度。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中
在所述电极层的表面侧上，C原子浓度低于3%。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，进一步包括与所述电极层的表面侧接触的金属垫层(19)。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中
所述金属垫层包括Al层。
5.根据权利要求3所述的半导体器件，其中
所述金属垫层包括形成在所述电极层上的粘着层(19a)以及形成在所述粘着层上的主体层(19b)，并且所述粘着层由Ti、TiW和TiN中的任何构成。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其中
在所述电极层的表面侧上的Si原子浓度低于30%。
7.一种制造半导体器件的方法，包括如下步骤：
制备碳化硅衬底(90)；
形成材料层(50a、50b)，所述材料层(50a、50b)位于所述碳化硅衬底上并与所述碳化硅衬底接触，并且具有Ni原子和Si原子，所述Ni原子的数量不小于所述Ni原子和所述Si原子的总数的67%；以及
通过利用激光束对所述材料层退火来形成电极层(16)，至少所述电极层的与所述碳化硅衬底接触的一侧包含Si和Ni的化合物。
8.根据权利要求7所述的制造半导体器件的方法，进一步包括在所述电极层上形成金属垫层(19)的步骤。
9.根据权利要求8所述的制造半导体器件的方法，其中
所述金属垫层包括Al层。
10.根据权利要求8所述的制造半导体器件的方法，其中
所述形成金属垫层的步骤包括在所述电极层上形成粘着层(19a)以及在所述粘着层上形成主体层(19b)的步骤，并且所述粘着层由Ti、TiW和TiN中的任何构成。
11.根据权利要求7所述的制造半导体器件的方法，其中
所述形成材料层(50a)的步骤包括形成Si和Ni的混合层的步骤。
12.根据权利要求7所述的制造半导体器件的方法，其中
所述形成材料层(50b)的步骤包括堆叠Si层和Ni层的步骤。
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