JP2010157547A - 炭化珪素半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】順方向電流が高く、逆方向リーク電流が低い炭化珪素半導体素子を簡便な方法で得られる炭化珪素半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】炭化珪素基板1の一方の面にニッケルからなる第1の電極材料膜を成膜し、930〜950℃の温度範囲で熱処理してオーミック性の電極2を形成する。炭化珪素基板の他方の面にモリブデンからなる第2の電極材料膜を成膜し、600〜700℃の温度範囲で熱処理してショットキー性の電極3を形成する。この後電極パッド6、電極パッド4を形成する。
【選択図】図1
【解決手段】炭化珪素基板1の一方の面にニッケルからなる第1の電極材料膜を成膜し、930〜950℃の温度範囲で熱処理してオーミック性の電極2を形成する。炭化珪素基板の他方の面にモリブデンからなる第2の電極材料膜を成膜し、600〜700℃の温度範囲で熱処理してショットキー性の電極3を形成する。この後電極パッド6、電極パッド4を形成する。
【選択図】図1
Description
本発明は、炭化珪素半導体素子の製造方法に関するものである。
炭化珪素半導体は、シリコン半導体よりも絶縁破壊電圧が大きく、エネルギーバンドギャップが広く、また、熱伝導度が高いなど優れた特徴を有するので、発光素子、大電力パワーデバイス、耐高温素子、耐放射線素子、高周波素子等への応用が期待されている。
ところで、上記炭化珪素半導体を用いた素子(SiC半導体素子)として、ショットキーバリアダイオードが知られている。このショットキーバリアダイオードは、金属と半導体との接合面で生じる整流作用(ショットキー効果)を利用したダイオードであり、PNダイオードに比べると順方向の電圧降下が低く、逆回復時間が短いという特性を有していることから、高周波スイッチングを行うスイッチング・レギュレータ等の電源回路に多用されている。
しかしながら、PNダイオードに比べると逆方向漏れ電流が大きく、逆耐圧は低いという欠点を有する。したがって、SiC半導体素子を用いたショットキーバリアダイオードでは、順方向電流を増加するために低コンタクト抵抗であるオーミック電極を形成すると共に、逆方向のリーク電流を低減させることが課題であった。
一般的に、低コンタクト抵抗であるオーミック電極を得るためには、ニッケル(Ni)を電極として用いることが知られている(例えば、特許文献1又は2を参照)。また、SiC基板の表面にNiを成膜した後、高い温度で熱処理することが低コンタクト抵抗のオーミック電極を得るのに有効であることが知られている。
一方、逆方向のリーク電流を低減させるために、様々な検討がなされている。例えば、基板やエピ層に存在するマイクロパイプなどの結晶欠陥の低減、ショットキー電極端部の電界集中を防ぐ為のガードリング構造等が提案されている。さらに、ショットキー電極側のSiC層の不純物濃度やショットキー電極の高さなどが検討されている(特許文献3〜5参照)。
特開2003−243323号公報
特開2007−184571号公報
特開2000−133819号公報
特開2004−266115号公報
特開2007−149839号公報
しかしながら、特許文献3〜5に記載されている従来のリーク電流を低減するための検討は、リーク電流の原因を基板、エピタキシャル層の結晶性、ショットキー電極が存在する表面側の構造及び作製条件等に解決策を求めるものであった。そして、いずれの方法も工程が複雑になることから、リーク電流が低減されたショットキーバリアダイオードを安定的に生産することが困難であるという問題があった。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、順方向電圧が低く、逆方向リーク電流が低い炭化珪素半導体素子を簡便な方法で得られる炭化珪素半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
本願発明者は、SiC半導体素子(ショットキーバリアダイオード)のリーク電流を抑制する方法について検討し、低コンタクト抵抗のオーミック電極を得るためにオーミック電極(Ni)の熱処理温度を高くすると、逆方向リーク電流が増加することを解明した。そして、本願発明者は、オーミック電極形成時の熱処理温度の最適な範囲とすることで、順方向電流通流時の抵抗値が小さく、逆方向電圧印加時のリーク電流が低いという特性を両立させるSiC半導体素素子が得られることを見出して本願発明を完成させた。
すなわち、本発明は以下に関する。
(1) 炭化珪素基板の一方の面に第1の電極材料からなる膜を成膜し、930〜950℃の温度範囲で熱処理してオーミック性の電極を形成する工程と、前記炭化珪素基板の他方の面に第2の電極材料からなる膜を成膜し、熱処理してショットキー性の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。
(2) 前記第1の電極材料が、少なくともニッケルを含むことを特徴とする前項(1)に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
(3) 前記第2の電極材料が、モリブデンであることを特徴とする、前項(1)又は(2)に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
(4) 前記ショットキー性の電極を形成する工程の熱処理が、600〜700℃の温度範囲であることを特徴とする前項(1)乃至(3)のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
(5) 前記炭化珪素半導体素子がショットキーバリアダイオードであることを特徴とする前項(1)乃至(4)のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
(1) 炭化珪素基板の一方の面に第1の電極材料からなる膜を成膜し、930〜950℃の温度範囲で熱処理してオーミック性の電極を形成する工程と、前記炭化珪素基板の他方の面に第2の電極材料からなる膜を成膜し、熱処理してショットキー性の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。
(2) 前記第1の電極材料が、少なくともニッケルを含むことを特徴とする前項(1)に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
(3) 前記第2の電極材料が、モリブデンであることを特徴とする、前項(1)又は(2)に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
(4) 前記ショットキー性の電極を形成する工程の熱処理が、600〜700℃の温度範囲であることを特徴とする前項(1)乃至(3)のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
(5) 前記炭化珪素半導体素子がショットキーバリアダイオードであることを特徴とする前項(1)乃至(4)のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
本発明の炭化珪素半導体素子の製造方法によれば、炭化珪素基板の一方の面にオーミック性の電極を形成する際の熱処理の温度範囲を930〜950℃に限定した構成を有している。そして、上記炭化珪素基板の他方の面にショットキー性の電極を形成することにより、順方向電流が高く、逆方向リーク電流が低い炭化珪素半導体素子が得られる。すなわち、ショットキー性の電極が形成される反対側の炭化珪素基板の面にオーミック性の電極の形成する際に、熱処理温度を最適な温度範囲とするという簡便な方法により、順方向電流が高く、逆方向リーク電流が低い炭化珪素半導体素子を製造することができる。
以下、本発明を適用した一実施形態である炭化珪素半導体素子の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。ここでは、炭化珪素半導体素子の一つとして、ショットキーバリアダイオードを用いて説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
図1は、本発明を適用した一実施形態であるショットキーバリアダイオードの断面模式図である。図1に示すように、ショットキーバリアダイオード30は、炭化珪素(SiC)基板1と、このSiC基板1の一方の面に設けられたオーミック電極(オーミック性の電極)2と、SiC基板1の他方の面に設けたれたショットキー電極(ショットキー性の電極)3とから概略構成されている。SiC基板1は、具体的には、n+型SiC半導体基板1aと、このn+型SiC半導体基板1a上にエピタキシャル成長されたn−型SiC半導体層1bとから構成されている。
n+型SiC半導体基板1aは、n型の4H−SiC基板であり、例えば1.0×1018〜1.0×1019cm−3の窒素がドーピングされた厚さ200〜400μmの基板である。また、n−型SiC半導体層1bは、例えば厚さ4〜10μmのエピタキシャル成長層であり、0.5〜2.0×1016cm−3の窒素がドーピングされている。
SiC基板1の底面、すなわち、n+型SiC半導体基板1aのn−型SiC半導体層1bと反対側の面には、オーミック電極2が設けられている。そして、オーミック電極2の底面(すなわち、n+型SiC半導体基板1aと反対側の面)には、カソード電極となる電極パッド4が設けられている。
オーミック電極2の材質(第1の電極材料)は、n+型SiC半導体基板1aとオーミック接合を形成するものであれば特に限定されるものではないが、例えばニッケル(Ni)やニッケル/チタン(Ni/Ti)等のニッケルを含有するものが好ましい。また、オーミック電極2の厚さは20〜1000nmの範囲が好ましく、50〜200nmの範囲がより好ましく、90〜110nmの範囲が特に好ましい。厚さが20nm未満であると、非オーミック性となるため好ましくない。また、厚さが1000nmを超えると、カーボン析出増大による特性劣化があるため好ましくない。
電極パッド4の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、チタン/ニッケル/銀(Ti/Ni/Ag)等を用いることができる。また、電極パッド4の厚さは、200〜700nmの範囲が好ましい。
SiC基板1の上面、すなわち、n−型SiC半導体層1bのn+型SiC半導体基板1aと反対側の面は、数μm程度の厚さのシリコン酸化膜5で被覆されている。このシリコン酸化膜5の一部に開口部が設けられており、この開口部から露出するn−型SiC半導体層1bの表面にショットキー電極3が設けられている。そして、ショットー電極3の上面には、アノード電極となる電極パッド6が設けられている。
ショットー電極3の材質(第2の電極材料)は、n−型SiC半導体層1bに対する障壁が大きな金属であれば特に限定されるものではないが、例えばモリブデン(Mo)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)等を用いることができる。本実施形態では、特にモリブデン(Mo)を用いることが高温でも安定であるために好ましい。また、ショットー電極3の厚さは、10〜1000nmの範囲が好ましく、50〜500nmの範囲がより好ましく、90〜110nmの範囲が特に好ましい。厚さが10nm未満であると、特性不安定であるため好ましくない。また、厚さが1000nmを超えると、応力による剥離があるため好ましくない。
電極パッド6の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、ニッケル/チタン/アルミニウム(Ni/Ti/Al)等を用いることができる。また、電極パッド6の厚さは、2000〜7000nmの範囲が好ましい。
また、n−型半導体層1bのn+型SiC半導体基板1aと反対側の表面には、JTE(Junction Termination Extension)構造としての低不純物濃度のp型領域7が設けられている。このp型領域7は、ショットキー電極3の周囲に、上記ショットキー電極3と一部重なるように接続されて設けられている。
p型領域7は、たとえば、アルミニウム(Al)を注入する。Al濃度は、例えば、1.0×1017〜1.0×1019cm−3が好ましい。また、p型領域7の厚さは、0.1〜1.0μmが好ましい。
シリコン酸化膜5の上面は、ポリイミド等の保護層8で被覆されている。この保護層8の一部に開口部が設けられており、この開口部から電極パッド6の上面が露出している。そして、p型領域7に囲まれた中心領域がショットキーダイオードとしての活性領域である。
次に、本実施形態のショットキーバリアダイオード30の製造方法について説明する。
本実施形態のショットキーバリアダイオード30は、例えば次のような方法で製造できる。図2(a)〜(d)、図3(a)〜(d)及び図4(a)〜(d)は、本実施形態のショットキーバリアダイオード30の製造方法を例示する工程断面図である。
本実施形態のショットキーバリアダイオード30は、例えば次のような方法で製造できる。図2(a)〜(d)、図3(a)〜(d)及び図4(a)〜(d)は、本実施形態のショットキーバリアダイオード30の製造方法を例示する工程断面図である。
まず、図2(a)に示すように、n+型SiC半導体基板1aの表面(ここではSi面)にn−型半導体層1bをエピタキシャル成長させることにより、SiC基板1を得る。n−型半導体層1bの形成には、CVD法を用いることができる。プロセス条件としては、例えば、10−6Pa以下の減圧雰囲気下、成長温度1600℃で原料ガスであるシランおよびプロパンと、ドーパントガスである窒素をチャンバーに供給する。このようにして、厚さが8μm、不純物濃度が1×1016cm−3のn−型半導体層1bを形成する。
n−型半導体層1bは、ショットキーダイオード30の活性領域を構成する活性層となり、ショットキーダイオード30のオフ耐圧を確保する機能を有する。例えば、1.65Vの耐圧を有するショットキーダイオードを作製する場合、n−型半導体層1bの厚さは4〜10μm、不純物濃度は0.5×1016〜2.0×1016cm−3に設定される。
次に、図2(a)に示すように、n−型半導体層1bの表面に酸化膜からなるマスク層11を形成する。具体的には、n−型半導体層1bの表面に、CVD法等により酸化膜を形成する。本実施形態では、n−型半導体層1bの表面に厚さが2.0μmの酸化膜からなるマスク層11を形成する。
次に、図2(b)に示すように、マスク層11をパターニングして開口部11aを形成する。開口部11aは、p型領域7を形成するn−型半導体層1bの表面が露出するように形成する。
次に、図2(c)に示すように、マスク層11の開口部11aから露出するn−型半導体層1bの表面にp型領域7を形成するための不純物、例えばアルミニウム(Al)を加速電圧10〜300kVで注入する。また、注入されたAl濃度は、例えば、2.0×1018cm−3とする。このようにして、不純物注入層12を形成する。
次に、図2(d)に示すように、不純物注入に用いたマスク11を除去する。続いて、n−型半導体層1b及び不純物注入層12の上に、活性化熱処理の保護膜となるカーボン膜13を形成する。
カーボン膜13の形成方法は、活性加熱処理の保護膜として用いることができるカーボン膜を形成可能であれば、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、n−型半導体層1b上にレジストを塗布した後、加熱して炭化膜としても良い。また、カーボン膜13は、スパッタやCVDによって成膜しても良い。
次に、カーボン膜13を保護膜として活性加熱処理を行う。活性化熱処理は、例えばアルゴン(Ar)雰囲気あるいは1×10−2Pa以下に減圧した雰囲気で、加熱温度が1600〜2000℃、加熱時間が1〜5分で行う。これにより、p型領域7が形成される。
次に、図3(a)に示すように、保護膜として用いたカーボン膜13を除去する。カーボン膜13の除去は、酸素雰囲気の熱酸化によりカーボン膜を灰化して除去する。
次に、図3(b)に示すように、SiC基板1の表面及び裏面に対して熱酸化処理を行い、n+型SiC半導体基板1aおよびn−型半導体層1bの表面に、表面保護膜として、それぞれ酸化膜14、15を形成する。この熱酸化処理は、熱酸化炉を用いて、乾燥酸素雰囲気中、1200℃の温度で0.5時間行う。これにより、n+型SiC半導体基板1aの表面に厚さが90nm程度の酸化膜14が形成されるとともに、n−型半導体層1bの表面に厚さが20nm程度の酸化膜15が形成される。
次に、図3(c)に示すように、SiC基板1の一方の面、すなわち、n+型SiC半導体基板1aの表面に、オーミック電極2を形成する。
オーミック電極2は、例えば次のような方法で形成できる。まず、n+型SiC半導体基板1aの表面に形成された酸化膜14を除去して、n+型SiC半導体基板1aを露出する。酸化膜14は、フッ酸を用いてエッチングを行うことによって除去できる。次に、露出したn+型SiC半導体基板1aの上に、電極材料(第1の電極材料)として例えばニッケルからなる膜(厚さ:200nm程度)を真空蒸着法あるいはスパッタで成膜する。
続いて、アルゴンなどの不活性雰囲気中、930〜950℃の温度範囲で1〜10分のアニールを行う。これにより、ニッケルとn+型SiC半導体基板1aにおけるSiとが反応してニッケルシリサイドとなる。このようにして、オーミック電極2を形成する。オーミック電極2とn+型SiC半導体基板1aとの界面には、ニッケルシリサイドが形成されているため、良好なオーミック特性を実現できる。
この後、図3(d)に示すように、n−型半導体層1bの表面に形成した酸化膜15の表面に、CVD法等を用いてさらに酸化膜を堆積させることで、シリコン酸化膜5を形成する。
次に、図4(a)に示すように、シリコン酸化膜5の一部を除去して、SiC基板1の他方の面、すなわち、n−型半導体層1bの表面に接するショットキー電極3を形成する。なお、ショットキー電極3は、n−型半導体層1bの表面のうちp型領域7に包囲された領域に、このp型領域7の表面における内縁部に接するように設けられる。
ショットキー電極3は、例えば次のような方法で形成できる。まず、シリコン酸化膜5における所定の領域上に、公知のフォトリソグラフィーにより図示略のレジスト層を形成する。この後、フッ酸をエッチング液として用いてウェットエッチングを行い、シリコン酸化膜5のうちレジスト層によって覆われていない部分を除去する。これによって、n−型半導体層1bの表面が露出する。
続いて、露出したn−型半導体層1bの表面およびレジスト層の上に、電極材料(第2の電極材料として例えばモリブデン(Mo)からなる膜(厚さ:100nm程度)を真空蒸着法あるいはスパッタにより成膜する。その後、レジスト層を除去することにより、モリブデン膜がパターニングされ(リフトオフ法)、ショットキー電極3が形成される。
本実施形態では、ショットキー電極3とn−型半導体層1bとの密着性を強化するために、レジスト層を除去した後に、アルゴンなどの不活性雰囲気中、600〜700℃の温度で約30分間のアニールを行う。なお、ショットキー接合安定化のための上記熱処理は、オーミック電極2のアニール温度より低い温度で行う。また、ショットキー接合安定化のための熱処理は、オーミック電極2のアニール温度より低いので、この工程はオーミック電極2のアニール温度より後に行う。
次に、図4(b)に示すように、ショットキー電極3の表面に電極パッド6を形成する。先ず、ショットキー電極3を覆うように、CVD法を用いて酸化シリコンなどの絶縁材料(図示せず)を堆積させる。次に、公知のドライエッチング技術を用いて、絶縁材料にショットキー電極3に達するコンタクトホールを形成した後、コンタクトホール内部に電極パッド6を設ける。電極パッド6は、例えば、ニッケル/チタン/アルミニウム(Ni/Ti/Al)等の導電材料をコンタクトホール内部に堆積させて導電膜(厚さ:例えば3μm)を形成し、この導電膜に対して、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることによって形成できる。
次に、図4(c)に示すように、シリコン酸化膜5及び電極パッド6の表面に保護層8を形成する。保護層8は、先ず、シリコン酸化膜5及び電極パッド6の表面を覆うように、ポリイミド等の絶縁材料からなる層を形成する。次に、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることによって、保護層8の一部に開口部を形成し、この開口部から電極パッド6の上面を露出させる。
次に、図4(d)に示すように、オーミック電極2の表面に電極パッド4を形成する。電極パッド4は、チタン/ニッケル/銀(Ti/Ni/Ag)等の導電材料をオーミック電極2の表面に堆積させて形成する。このようにして、ショットキーバリアダイオード30が得られる。
以上説明したように、本実施形態のショットキーバリアダイオード30の製造方法によれば、SiC基板1の一方の面、すなわちn+型SiC半導体基板1aの表面にオーミック電極2を形成する際の熱処理の温度範囲を930〜950℃に限定した構成を有している。そして、SiC基板1の他方の面、すなわちn−型半導体層1bの表面にショットキー電極3を形成することにより、順方向電流が高く、逆方向リーク電流が低いショットキーバリアダイオード30が得られる。このように、オーミック電極2の形成する際に、熱処理温度を最適な温度範囲とするという簡便な方法により、順方向電流が高く、逆方向リーク電流が低いショットキーバリアダイオード30を製造することができる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、本実施形態においては、n+型SiC半導体基板1aにおけるSi面にn−型半導体層1bをエピタキシャル成長させたが、C面にn−型半導体層1bをエピタキシャル成長させて、ショットキーダイオードを構成してもよい。また、本実施形態では保護膜としてシリコン酸化膜5(熱酸化膜、CVD酸化膜)を用いているが、これを用いずにポリイミドを直接半導体表面に形成しても良い。また、この方法は、ショットキーバリアダイオード単体に限らず、構成要素にショットキーバリアを含むFETや集積素子なども同様に適用できる。
以下、本発明の効果を、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
<実施例1>
(試料作製)
実施例のショットキーバリアダイオードを以下の手順で製造した。
先ず、SiC半導体として、口径3インチのn型4H−SiC半導体基板(厚さ350μm・抵抗率0.02Ωcm)上に、n型4H−SiC半導体層を厚さ8μm、キャリア濃度1×1016cm−3でエピタキシャル成長させたものを用意した。
(試料作製)
実施例のショットキーバリアダイオードを以下の手順で製造した。
先ず、SiC半導体として、口径3インチのn型4H−SiC半導体基板(厚さ350μm・抵抗率0.02Ωcm)上に、n型4H−SiC半導体層を厚さ8μm、キャリア濃度1×1016cm−3でエピタキシャル成長させたものを用意した。
次に、上記SiC半導体の表面を洗浄後、酸素雰囲気中、1200℃で2時間加熱して、熱酸化膜を形成させた。その後、n型4H−SiC半導体エピ層側にレジスト膜を塗布し、HF中に10分間浸すことにより、4H−SiC半導体基板側の熱酸化膜を除去した。そして、有機溶剤に浸すことにより、レジスト膜を除去した。このようにして、n型4H−SiC半導体エピ層側にのみ熱酸化膜が形成されている状態とした。
次に、蒸着装置に上記SiC半導体を入れて、4H−SiC半導体基板側にニッケル(Ni)を100nmの厚さとなるように蒸着した。そして、チャンバー内に入れて、アルゴン(Ar)雰囲気中で、950℃で3分間加熱して熱処理を行った。このように、ニッケルをシリサイド化させて、良好なコンタクト抵抗を有するオーミック電極を形成した。
次に、SiC半導体をHF中に浸漬してn型4H−SiC半導体エピ層側の熱酸化膜を除去し、フォトリソグラフィー技術を用いてショットキー電極が2mm□に成るようにn型4H−SiC半導体エピ層側の表面にレジストパターンを形成した。そして、蒸着装置にSiC半導体を入れて、n型4H−SiC半導体層エピ層側の表面にモリブデン(Mo)を形成し、有機溶剤中でリフトオフを実施してショットキー電極のパターンを作製した。
そして、チャンバー内に入れて、アルゴン(Ar)雰囲気中で、650℃で10分間熱処理を行った。このようにして、ショットキー特性を有するモリブデン(Mo)電極を形成した。
(特性評価)
このようにして製造した実施例のショットキーバリアダイオードは、逆方向電圧300Vを印加した際のリーク電流が1×10−6A以下であった。また、順方向電圧1.65Vを印加した際の順方向電流が500A/cm2であった。以上より、本発明の炭化珪素半導体素子は、低リーク電流と高順方向電流(低順方向電圧)とを高次元で両立することが確認された。
このようにして製造した実施例のショットキーバリアダイオードは、逆方向電圧300Vを印加した際のリーク電流が1×10−6A以下であった。また、順方向電圧1.65Vを印加した際の順方向電流が500A/cm2であった。以上より、本発明の炭化珪素半導体素子は、低リーク電流と高順方向電流(低順方向電圧)とを高次元で両立することが確認された。
<実施例2>
(試料作製)
実施例のショットキーバリアダイオードを以下の手順で製造した。
先ず、SiC半導体として、口径3インチのn型4H−SiC半導体基板(厚さ350μm・抵抗率0.02Ωcm)上に、n型4H−SiC半導体層を厚さ8μm、キャリア濃度1×1016cm−3でエピタキシャル成長させたものを用意した。
(試料作製)
実施例のショットキーバリアダイオードを以下の手順で製造した。
先ず、SiC半導体として、口径3インチのn型4H−SiC半導体基板(厚さ350μm・抵抗率0.02Ωcm)上に、n型4H−SiC半導体層を厚さ8μm、キャリア濃度1×1016cm−3でエピタキシャル成長させたものを用意した。
次に、上記SiC半導体の表面を洗浄後、酸素雰囲気中、1200℃で2時間加熱して、熱酸化膜を形成させた。その後、n型4H−SiC半導体エピ層側にレジスト膜を塗布し、HF中に10分間浸すことにより、4H−SiC半導体基板側の熱酸化膜を除去した。そして、有機溶剤に浸すことにより、レジスト膜を除去した。このようにして、n型4H−SiC半導体エピ層側にのみ熱酸化膜が形成されている状態とした。
次に、蒸着装置に上記SiC半導体を入れて、4H−SiC半導体基板側にニッケル(Ni)を100nmの厚さとなるように蒸着した。そして、チャンバー内に入れて、アルゴン(Ar)雰囲気中で、930℃で3分間加熱して熱処理を行った。このように、ニッケルをシリサイド化させて、良好なコンタクト抵抗を有するオーミック電極を形成した。
次に、SiC半導体をHF中に浸漬してn型4H−SiC半導体エピ層側の熱酸化膜を除去し、フォトリソグラフィー技術を用いてショットキー電極が2mm□に成るようにn型4H−SiC半導体エピ層側の表面にレジストパターンを形成した。そして、蒸着装置にSiC半導体を入れて、n型4H−SiC半導体層エピ層側の表面にモリブデン(Mo)を形成し、有機溶剤中でリフトオフを実施してショットキー電極のパターンを作製した。
そして、チャンバー内に入れて、アルゴン(Ar)雰囲気中で、650℃で10分間熱処理を行った。このようにして、ショットキー特性を有するモリブデン(Mo)電極を形成した。
(特性評価)
このようにして製造した実施例のショットキーバリアダイオードは、逆方向電圧300Vを印加した際のリーク電流が1×10−6A以下であった。また、順方向電圧1.65Vを印加した際の順方向電流が500A/cm2であった。以上より、本発明の炭化珪素半導体素子は、低リーク電流と高順方向電流とを高次元で両立することが確認された。
このようにして製造した実施例のショットキーバリアダイオードは、逆方向電圧300Vを印加した際のリーク電流が1×10−6A以下であった。また、順方向電圧1.65Vを印加した際の順方向電流が500A/cm2であった。以上より、本発明の炭化珪素半導体素子は、低リーク電流と高順方向電流とを高次元で両立することが確認された。
<比較例1>
(試料作製)
実施例のショットキーバリアダイオードを以下の手順で製造した。
先ず、SiC半導体として、口径3インチのn型4H−SiC半導体基板(厚さ350μm・抵抗率0.02Ωcm)上に、n型4H−SiC半導体層を厚さ8μm、キャリア濃度1×1016cm−3でエピタキシャル成長させたものを用意した。
(試料作製)
実施例のショットキーバリアダイオードを以下の手順で製造した。
先ず、SiC半導体として、口径3インチのn型4H−SiC半導体基板(厚さ350μm・抵抗率0.02Ωcm)上に、n型4H−SiC半導体層を厚さ8μm、キャリア濃度1×1016cm−3でエピタキシャル成長させたものを用意した。
次に、上記SiC半導体の表面を洗浄後、酸素雰囲気中、1200℃で2時間加熱して、熱酸化膜を形成させた。その後、n型4H−SiC半導体エピ層側にレジスト膜を塗布し、HF中に10分間浸すことにより、4H−SiC半導体基板側の熱酸化膜を除去した。そして、有機溶剤に浸すことにより、レジスト膜を除去した。このようにして、n型4H−SiC半導体エピ層側にのみ熱酸化膜が形成されている状態とした。
次に、蒸着装置に上記SiC半導体を入れて、4H−SiC半導体基板側にニッケル(Ni)を100nmの厚さとなるように蒸着した。そして、チャンバー内に入れて、アルゴン(Ar)雰囲気中で、970℃で3分間加熱して熱処理を行った。このように、ニッケルをシリサイド化させて、良好なコンタクト抵抗を有するオーミック電極を形成した。
次に、SiC半導体をHF中に浸漬してn型4H−SiC半導体エピ層側の熱酸化膜を除去し、フォトリソグラフィー技術を用いてショットキー電極が2mm□に成るようにn型4H−SiC半導体エピ層側の表面にレジストパターンを形成した。そして、蒸着装置にSiC半導体を入れて、n型4H−SiC半導体層エピ層側の表面にモリブデン(Mo)を形成し、有機溶剤中でリフトオフを実施してショットキー電極のパターンを作製した。
そして、チャンバー内に入れて、アルゴン(Ar)雰囲気中で、650℃で10分間熱処理を行った。このようにして、ショットキー特性を有するモリブデン(Mo)電極を形成した。
(特性評価)
このようにして製造した実施例のショットキーバリアダイオードは、逆方向電圧300Vを印加した際のリーク電流が1×10−7A以上であり、オーミック電極の熱処理温度が950℃以下に対してリーク電流が高くなることが確認された。
このようにして製造した実施例のショットキーバリアダイオードは、逆方向電圧300Vを印加した際のリーク電流が1×10−7A以上であり、オーミック電極の熱処理温度が950℃以下に対してリーク電流が高くなることが確認された。
<比較例2>
(試料作製)
実施例のショットキーバリアダイオードを以下の手順で製造した。
先ず、SiC半導体として、口径3インチのn型4H−SiC半導体基板(厚さ350μm・抵抗率0.02Ωcm)上に、n型4H−SiC半導体層を厚さ8μm、キャリア濃度1×1016cm−3でエピタキシャル成長させたものを用意した。
(試料作製)
実施例のショットキーバリアダイオードを以下の手順で製造した。
先ず、SiC半導体として、口径3インチのn型4H−SiC半導体基板(厚さ350μm・抵抗率0.02Ωcm)上に、n型4H−SiC半導体層を厚さ8μm、キャリア濃度1×1016cm−3でエピタキシャル成長させたものを用意した。
次に、上記SiC半導体の表面を洗浄後、酸素雰囲気中、1200℃で2時間加熱して、熱酸化膜を形成させた。その後、n型4H−SiC半導体エピ層側にレジスト膜を塗布し、HF中に10分間浸すことにより、4H−SiC半導体基板側の熱酸化膜を除去した。そして、有機溶剤に浸すことにより、レジスト膜を除去した。このようにして、n型4H−SiC半導体エピ層側にのみ熱酸化膜が形成されている状態とした。
次に、蒸着装置に上記SiC半導体を入れて、4H−SiC半導体基板側にニッケル(Ni)を100nmの厚さとなるように蒸着した。そして、チャンバー内に入れて、アルゴン(Ar)雰囲気中で、900℃で3分間加熱して熱処理を行った。このように、ニッケルをシリサイド化させて、良好なコンタクト抵抗を有するオーミック電極を形成した。
次に、SiC半導体をHF中に浸漬してn型4H−SiC半導体エピ層側の熱酸化膜を除去し、フォトリソグラフィー技術を用いてショットキー電極が2mm□に成るようにn型4H−SiC半導体エピ層側の表面にレジストパターンを形成した。そして、蒸着装置にSiC半導体を入れて、n型4H−SiC半導体層エピ層側の表面にモリブデン(Mo)を形成し、有機溶剤中でリフトオフを実施してショットキー電極のパターンを作製した。
そして、チャンバー内に入れて、アルゴン(Ar)雰囲気中で、650℃で10分間熱処理を行った。このようにして、ショットキー特性を有するモリブデン(Mo)電極を形成した。
(特性評価)
このようにして製造した実施例のショットキーバリアダイオードは、順方向電流が500A/cm2における順方向電圧は1.75V以上であり、オーミック電極の熱処理温度が930℃以上に対して順方向電圧が高くなることが確認された。
このようにして製造した実施例のショットキーバリアダイオードは、順方向電流が500A/cm2における順方向電圧は1.75V以上であり、オーミック電極の熱処理温度が930℃以上に対して順方向電圧が高くなることが確認された。
<特性評価>
上記実施例及び比較例で得られたショットキーバリアダイオードを用いて、オーミック電極の形成時のアニール温度の影響を確認した。なお、ショットキー電極の大きさは、2mm□であった。
上記実施例及び比較例で得られたショットキーバリアダイオードを用いて、オーミック電極の形成時のアニール温度の影響を確認した。なお、ショットキー電極の大きさは、2mm□であった。
(逆方向リーク電流の温度依存性)
図5は、オーミック電極を形成する際の熱処理温度と逆方向リーク電流との関係を示す図である。図5に示すように、逆方向印加電圧300Vにおける逆方向リーク電流は、オーミック電極を形成する際のアニール温度が、特定温度より高い場合に増加することがわかった。すなわち、一般的に要求される逆方向印加電圧300Vにおける逆方向リーク電流値1×106Aを基準にすると、オーミック電極2を形成する際のアニール温度が950℃以下で達成されることがわかった。
図5は、オーミック電極を形成する際の熱処理温度と逆方向リーク電流との関係を示す図である。図5に示すように、逆方向印加電圧300Vにおける逆方向リーク電流は、オーミック電極を形成する際のアニール温度が、特定温度より高い場合に増加することがわかった。すなわち、一般的に要求される逆方向印加電圧300Vにおける逆方向リーク電流値1×106Aを基準にすると、オーミック電極2を形成する際のアニール温度が950℃以下で達成されることがわかった。
(順方向電圧の温度依存性)
図6は、オーミック電極を形成する際の熱処理温度と順方向電圧との関係を示す図である。図6に示すように、500A/cm2を流す際の順方向電圧は、オーミック電極を形成する際のアニール温度が、特定温度より高い場合に、オーミック電極の接触抵抗が低下することにより、順方向電圧が低下する。したがって、順方向電圧が安定化して目標値である1.65Vとなるのは、アニール温度930℃以上で達成されることがわかった。
図6は、オーミック電極を形成する際の熱処理温度と順方向電圧との関係を示す図である。図6に示すように、500A/cm2を流す際の順方向電圧は、オーミック電極を形成する際のアニール温度が、特定温度より高い場合に、オーミック電極の接触抵抗が低下することにより、順方向電圧が低下する。したがって、順方向電圧が安定化して目標値である1.65Vとなるのは、アニール温度930℃以上で達成されることがわかった。
逆方向リーク電流及び順方向電圧の温度依存性の調査した結果から、オーミック電極を形成する際の熱処理温度は、930℃〜950℃が最適な範囲であった。この最適な範囲とすることで、順方向電流通流時の抵抗値が小さく、逆方向電圧印加時のリーク電流が低いという特性を両立させるショットキーバリアダイオードが得られることを確認した。
ここで、オーミック電極を形成する際のアニール温度が、逆方向リーク電流に影響を与えているということは、オーミック電極の形成をショットキー電極の形成の後に行い、かつアニールを行わない比較実験により確認できる。この場合、逆方向リーク電流は、低いレベルで安定している。ただし、このような条件では、オーミック電極の接触抵抗が大きく、実用的なショットキーバリアダイオードの作製条件としては採用できないことがわかった。
また、同様の実験を、ショットキー電極を付ける前に、オーミック電極を付着させず、熱履歴だけを加えた後に行った場合でも、逆方向リーク電流が低いレベルで安定であることも、確認した。
このように、SiC基板の一方の面に形成されたオーミック電極のアニール温度が、他方の面に形成されたショットキー電極のリーク電流に影響を与える理由は、現時点では明らかではないが、SiC基板の一方の面から空孔或いはそれを伴う欠陥等の結晶中を移動しやすい欠陥が原因していることが考えられる。
なお、オーミック電極の電極材料(NiやNi−Ti)を付けた状態で、一定温度以上でアニールした場合、ショットキー電極側の表面の状態が変化した。すなわち、走査キャパシタンス測定による電子濃度から、電気的状態だけが変わっていると推定される。但し、この際、KOHエッチングによるEPDなどの欠陥、AFMで測定するレベルの表面モフォロジー、SIMSで測定した不純物などは全く変化が無く、電気的状態だけが変わっていると推定される。
1・・・炭化珪素(SiC)基板
1a・・・n+型SiC半導体基板1a
1b・・・n−型SiC半導体層
2・・・オーミック電極(オーミック性の電極)
3・・・ショットキー電極(ショットキー性の電極)
4,6・・・電極パッド
5・・・シリコン酸化膜
7 ・・・p型領域
8・・・保護層
30・・・ショットキーバリアダイオード(炭化珪素半導体素子)
1a・・・n+型SiC半導体基板1a
1b・・・n−型SiC半導体層
2・・・オーミック電極(オーミック性の電極)
3・・・ショットキー電極(ショットキー性の電極)
4,6・・・電極パッド
5・・・シリコン酸化膜
7 ・・・p型領域
8・・・保護層
30・・・ショットキーバリアダイオード(炭化珪素半導体素子)
Claims (5)
- 炭化珪素基板の一方の面に第1の電極材料からなる膜を成膜し、930〜950℃の温度範囲で熱処理してオーミック性の電極を形成する工程と、
前記炭化珪素基板の他方の面に第2の電極材料からなる膜を成膜し、熱処理してショットキー性の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。 - 前記第1の電極材料が、少なくともニッケルを含むことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
- 前記第2の電極材料が、モリブデンであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
- 前記ショットキー性の電極を形成する工程の熱処理が、600〜700℃の温度範囲であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
- 前記炭化珪素半導体素子がショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
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