JP2011100948A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 裏面電極に対してアニール処理を実施したときに、そのアニール処理に起因する熱ダメージを低減すること。
【解決手段】 半導体装置は、縦型のショットキーダイオードが形成されている炭化珪素基板１０と、その炭化珪素基板１０の表面側に設けられているアノード電極２０と、その炭化珪素基板１０の裏面側に設けられているカソード電極５０と、炭化珪素基板１０とカソード電極５０の間に設けられている導電性の断熱領域４０を備えている。断熱領域４０は、炭化珪素基板１０の半導体材料の熱伝導率よりも小さな熱伝導率である。
【選択図】図１１

Description

本発明は、縦型の素子構造が形成されている半導体基板を備えた半導体装置とその製造方法に関する。

半導体装置が備える半導体基板には、例えば、結晶成長技術、イオン注入技術、エッチング技術及び蒸着技術の半導体製造技術を利用して、ある種の機能を実現する素子構造が形成されている。半導体基板に形成される素子構造の一例には、整流作用を有するダイオード素子構造、電流の導通状態と非導通状態を制御するスイッチング素子構造、光を受光又は発光する光素子構造が挙げられる。

これらの素子構造は、縦型に構成されていることが多い。縦型の素子構造を備えた半導体装置では、半導体基板の表面側に表面電極が設けられているとともに、半導体基板の裏面側に裏面電極が設けられている。縦型の素子構造が形成されている半導体装置では、半導体基板を介して表面電極と裏面電極の間を電流が流れる。

例えば、特許文献１には、半導体基板に縦型のパワーデバイス（素子構造の一例）が形成された半導体装置が開示されている。この種の半導体装置では、半導体基板と裏面電極のオーミック性を改善することが望まれている。特許文献１では、半導体基板と裏面電極のオーミック性を改善するために、半導体基板の裏面に裏面電極を形成した後に、その裏面電極に向けてレーザー光を照射してアニール処理を実施する。

特開２００８−１３５６１１号公報

この種の半導体装置では、裏面電極を形成するのに先立って、半導体基板には縦型の素子構造が形成されているとともに、半導体基板の表面側には表面電極も形成されていることが多い。したがって、半導体基板と裏面電極のオーミック性を改善する目的でアニール処理を実施したときに、その熱が半導体基板の表面側まで伝熱されると、縦型の素子構造及び表面電極に熱ダメージ（例えば、熱膨張差に起因する熱ストレスなど）が加わってしまう。

特許文献１のように、レーザー光照射を利用したアニール処理によれば、局所的な加温を行うことが可能である。しかしながら、例えば、縦型の素子構造のオン抵抗を低減するために半導体基板が薄層化されていると、レーザー光照射を利用したアニール処理であっても、半導体基板の表面側にまで熱が伝熱され、縦型の素子構造及び表面電極に熱ダメージを与えてしまう。また、特許文献１のように、半導体基板の半導体材料に炭化珪素が用いられていると、炭化珪素の熱伝導率が大きいことから、半導体基板の表面側にまで熱が伝熱され易い。このため、半導体基板の半導体材料によっては、レーザー光照射を利用したアニール処理であっても、縦型の素子構造及び表面電極に熱ダメージを与えてしまう。

上記の熱ダメージに関する課題は、レーザー光照射を利用したアニール処理に限らず、また、半導体基板の半導体材料に限らず、裏面電極に対してアニール処理をする場合に対策すべきものである。熱ダメージに対策する技術は、様々なアニール処理において、また、様々な半導体材料において必要とされている。

本明細書で開示される技術は、裏面電極に対してアニール処理を実施したときに、熱ダメージが縦型の素子構造及び表面電極に加わることを抑制する技術を提供することを目的としている。

本明細書で開示される技術は、半導体基板と裏面電極の間に、導電性の断熱領域を設けることを特徴としている。断熱領域が設けられていると、裏面電極に対してアニール処理を実施したときに、その熱が半導体基板の表面側に伝熱することが抑制され、その結果、縦型の素子構造及び表面電極に対する熱ダメージが低減される。また、断熱領域を設けることによって、裏面電極に対してアニール処理を実施したときに、その熱を半導体基板の裏面側に蓄積させることによって局所的な加温が可能とする。本明細書で開示される技術によれば、縦型の素子構造及び表面電極に対する熱ダメージを低減しながら、半導体基板と裏面電極のオーミック性を改善することができる。また、断熱領域は導電性であることから、表面電極と裏面電極の間の電流の流れを阻害することがない。

即ち、本明細書で開示される半導体装置は、縦型の素子構造が形成されている半導体基板と、その半導体基板の表面側に設けられている表面電極と、その半導体基板の裏面側に設けられている裏面電極を備えている。さらに、本明細書で開示される半導体装置は、半導体基板と裏面電極の間に設けられており、半導体基板の半導体材料の熱伝導率よりも小さな熱伝導率である導電性の断熱領域を備えている。ここで、縦型の素子構造とは、その素子構造を介して半導体基板の縦方向（厚み方向ともいう）に沿って電流が流れるものをいう。縦型の素子構造の一例には、整流作用を有するダイオード素子構造、電流の導通状態と非導通状態を制御するスイッチング素子構造、光を受光又は発光する光素子構造が挙げられる。

断熱領域が、ポーラス構造であることが好ましい。ポーラス構造の熱伝導率は極めて低い。一方、ポーラス構造を構成する材料に導電性の材料を選択すれば、ポーラス構造を導電性にすることができる。ポーラス構造は、本明細書で開示される断熱領域の構造として有用である。

断熱領域が、裏面電極に接しているのが望ましい。断熱領域が裏面電極に接していると、裏面電極に対してアニール処理を実施したときに、裏面電極の一部がポーラス構造である断熱領域の細孔内に侵入する。これにより、断熱領域と裏面電極の接触面積が大きくなり、断熱領域と裏面電極の接触抵抗が小さくなる。

半導体基板の半導体材料が、炭化珪素系半導体であってもよい。炭化珪素系半導体は、熱伝導率が高い。このため、上記したように、裏面電極に対するアニール処理による熱が半導体基板の表面側に伝熱し易いことから、熱ダメージに対策することが望まれている。このような半導体材料を用いた半導体装置においては、本明細書で開示される技術を適用することが極めて有用である。

本明細書で開示される技術は、縦型の素子構造が形成されている半導体基板を備えた半導体装置の製造方法も提供することができる。本明細書で開示される製造方法は、裏面電極を形成するのに先立って、半導体基板の半導体材料の熱伝導率よりも小さな熱伝導率である導電性の断熱領域を半導体基板の裏面に形成する断熱領域形成工程を備えている。これにより、裏面電極を形成する際にアニール処理を実施したとしても、断熱領域が予め形成されているので、熱ダメージの影響が低減される。

断熱領域形成工程は、陽極化成法を利用することが望ましい。陽極化成法を利用すると、ポーラス構造を形成することができる。

本明細書で開示される製造方法は、断熱領域を薄層化する薄層化工程をさらに備えているのが望ましい。この製造方法では、断熱領域形成工程が縦型の素子構造を半導体基板に形成するのに先立って実施されるのが望ましい。さらに、薄層化工程が、縦型の素子構造を半導体基板に形成した後に実施されるのが望ましい。この製造方法によると、断熱領域が半導体基板の強度を補強する補強材としても機能する。膜厚な断熱領域を形成した後に縦型の素子構造を半導体基板に形成すれば、半導体基板の強度を維持しながら縦型の素子構造を形成することができる。

本明細書で開示される技術は、半導体基板と裏面電極の間に導電性の断熱領域を設けることにより、裏面電極に対してアニール処理を実施したときに、そのアニール処理に起因する熱ダメージが縦型の素子構造及び表面電極に加わるのを抑制することができる。

第１製造方法の製造工程の概略に係るフローチャートを示す。 第１製造方法の製造工程途中の半導体基板の断面図を模式的に示す（１）。 第１製造方法の製造工程途中の半導体基板の断面図を模式的に示す（２）。 第１製造方法の製造工程途中の半導体基板の断面図を模式的に示す（３）。 第１製造方法の製造工程途中の半導体基板の断面図を模式的に示す（４）。 第１製造方法の製造工程途中の半導体基板の断面図を模式的に示す（５）。 第１製造方法の製造工程途中の半導体基板の断面図を模式的に示す（６）。 陽極化成法に用いられる陽極化成装置の概略を示す。 第１製造方法の製造工程途中の半導体基板の断面図を模式的に示す（７）。 第１製造方法の製造工程途中の半導体基板の断面図を模式的に示す（８）。 第１製造方法の製造工程途中の半導体基板の断面図を模式的に示す（９）。 第２製造方法の製造工程の概略に係るフローチャートを示す。 第２製造方法の製造工程途中の半導体基板の断面図を模式的に示す（１）。 第２製造方法の製造工程途中の半導体基板の断面図を模式的に示す（２）。 第２製造方法の製造工程途中の半導体基板の断面図を模式的に示す（３）。

まず、以下の実施例で開示される技術を整理しておく。
（第１特徴） 断熱領域は、ポーラス構造を有しているのが望ましい。さらに、断熱領域は、半導体基板の半導体材料と同一の半導体材料で構成されるポーラス半導体であるのが望ましい。
（第２特徴） 断熱領域は、半導体基板内に形成されていてもよく、半導体基板の裏面に形成されていてもよい。また、断熱領域は、横方向において、分散して配置されていてもよく、広範囲に延びて形成されていてもよい。好ましくは、断熱領域は、半導体基板の裏面の全面に形成されているのが望ましい。
（第３特徴） 断熱領域は、断熱効果が得られる厚みを有していればよく、その厚みは特に限定されない。例えば、断熱領域がポーラス構造の場合、その厚みは約１μｍ〜２μｍの範囲であるのが望ましい。
（第４特徴） 縦型の素子構造は、縦型のダイオードであるのが望ましい。また、半導体基板の半導体材料は、炭化珪素（ＳｉＣ）であるのが望ましい。炭化珪素を半導体材料に用いた縦型のダイオードは特に、炭化珪素の熱伝導率が大きいことから、熱ダメージに対して対策する必要がある。また、縦型のダイオードは、オン抵抗に占める半導体基板の厚みの影響が大きいことから、半導体基板を薄層化することが望まれている。断熱領域を用いる技術は、これらの課題を同時に解決することができる。

（ショットキーダイオードを備えた半導体装置の第１製造方法）
以下、図面を参照して、素子構造として縦型のショットキーダイオードを備えた半導体装置の第１製造方法を説明する。図１に、製造工程の概略をフローチャートで示す。図２〜図１０に、各製造工程における半導体基板の断面図の様子を模式的に示す。

図１に示されるように、本実施例の製造方法では、まず炭化珪素基板を準備する。次に、炭化珪素基板に縦型の素子構造を形成する。次に、炭化珪素基板の表面に表面電極を形成する。次に、半導体装置に要求される特性に応じて、炭化珪素基板を所望の厚みにまで研磨する。次に、炭化珪素基板の裏面に断熱領域を形成する。次に、断熱領域上に裏面電極を形成する。最後に、裏面電極に向けてレーザー光を照射し、アニール処理を実施する。

以下、図２〜図１０を参照して、素子構造として縦型のショットキーダイオードを備えた半導体装置の製造方法を具体的に説明する。
まず、図２に示されるように、炭化珪素（ＳｉＣ）の炭化珪素基板１０を準備する。炭化珪素基板１０は、例えば、化学気相成長技術、分子線エピタキシー技術又は液相エピタキシー技術を利用して、炭化珪素の下地基板１２の表面上に炭化珪素のエピ層１４を形成することで得ることができる。下地基板１２の厚み１２Ｔは、約３５０μｍである。エピ層１４の厚み１４Ｔは、約１０μｍである。下地基板１２には、不純物として窒素が導入されており、その不純物濃度は約１×１０^１８ｃｍ^−３である。エピ層１４には、不純物として窒素が導入されており、その不純物濃度は約５×１０^１５ｃｍ^−３である。

次に、図３に示されるように、イオン注入技術を利用して、エピ層１４の表層部にｐ型の電界緩和層１６を形成する。電界緩和層１６には、不純物としてアルミニウムが導入されており、その不純物濃度は約１×１０^１７ｃｍ^−３である。なお、ショットキーダイオードに代えてｐｎダイオードを形成する場合は、エピ層１４の表層部のうちのアノード電極が形成される範囲の全面にｐ型層を形成すればよい。また、ショットキーダイオードに代えてジャンクション・バリア・ショットキーダイオードを形成する場合は、エピ層１４の表層部のうちのアノード電極が形成される範囲に複数のｐ型層を分散した状態で形成すればよい。

次に、図４に示されるように、蒸着技術を利用して、炭化珪素基板１０の表面にアノード電極２０を形成する。アノード電極２０には、炭化珪素にショットキー接触する金属材料が用いられており、この例ではモリブデンとアルミニウムの積層電極が用いられている。

次に、図５に示されるように、研磨技術を利用して、炭化珪素基板１０の裏面を研磨する。研磨する厚みは、ショットキーダイオードに要求される特性（例えば、オン抵抗、耐圧）に基づいて設定される。一例では、研磨後の炭化珪素基板１０の厚みＴ１０は約１００μｍである。

次に、図６に示されるように、炭化珪素基板１０の表面に、フッ酸に対して耐性を有する保護膜３０を形成する。保護膜３０は、例えばポリイミド膜である。保護膜３０は、次に説明する陽極化成法において、炭化珪素基板１０の表面がフッ酸によってダメージを受けることから保護する。

次に、図７に示されるように、陽極化成法を利用して、炭化珪素基板１０の裏面に断熱領域４０を形成する。断熱領域４０は、ポーラス構造を有している。断熱領域４０の厚み４０Ｔは、約１μｍである。陽極化成法は、具体的には以下の手順で実施される。図８に、陽極化成装置６０の概略を示す。陽極化成装置６０は、直流電源６２と、電解溶液６６で満たされている容器６４と、炭化珪素基板１０に対向配置されている参照電極６８を備えている。電解溶液６６には、フッ酸溶液が用いられている。参照電極６８には、金が用いられている。直流電源６２の陽極端子は炭化珪素基板１０に接続されており、直流電源６２の陰極端子は参照電極６８に接続されている。炭化珪素基板１０と参照電極６８の間を通電させると、炭化珪素基板１０の裏面側の一部がエッチングされ、ポーラス構造の断熱領域４０が形成される。断熱領域４０に所望する形態及び厚みに基づいて、通電電流及び／又は通電時間が設定される。

次に、図９に示されるように、エッチング技術を利用して、保護膜３０を除去する。

次に、図１０に示されるように、蒸着技術を利用して、断熱領域４０の裏面の全面にカソード電極５０を形成する。カソード電極３２には、炭化珪素にオーミック接触する金属材料が用いられており、この例ではニッケルとチタニウムと金の積層電極が用いられている。

次に、図１１に示されるように、レーザアニール処理技術を利用して、カソード電極５０に対してアニール処理を実施する。本実施例の製造方法では、断熱領域４０が設けられているので、カソード電極５０に対してアニール処理を実施したときに、その熱が炭化珪素基板１０の表面側に伝熱することが抑制される。その結果、エピ層１４、電界緩和層１６及びアノード電極２０に対する熱ダメージの影響が抑制される。また、断熱領域４０が設けられているので、カソード電極５０に対してアニール処理を実施したときに、その熱を炭化珪素基板１０の裏面側に蓄積させることによって局所的な加温が可能とする。これにより、カソード電極５０は、断熱領域４０及び炭化珪素基板１０に対して良好なオーミック接合をすることができる。特に、カソード電極５０に対してアニール処理を実施したときに、カソード電極５０の一部が断熱領域４０の細孔内に侵入する。これにより、断熱領域４０とカソード電極５０の接触面積が大きくなり、断熱領域４０とカソード電極５０の接触抵抗が小さくなる。これらの工程を経て、ショットキーダイオードを備えた半導体装置が製造される。

（ショットキーダイオードを備えた半導体装置の第２製造方法）
次に、図１２〜図１５を参照して、ショットキーダイオードを備えた半導体装置の第２製造方法を具体的に説明する。図１２に、製造工程の概略をフローチャートで示す。図１３〜図１５に、各製造工程における半導体基板の断面図の様子を模式的に示す。なお、上述したショットキーダイオードと実質的に共通する構成要素に関しては、共通の符号を付し、その説明を省略する。

図１２に示されるように、本実施例の製造方法では、まず炭化珪素基板を準備する。次に、縦型の素子構造を半導体基板に形成するのに先立って、炭化珪素基板の裏面に断熱領域を形成する。次に、炭化珪素基板に縦型の素子構造を形成する。次に、炭化珪素基板の表面に表面電極を形成する。次に、断熱領域を研磨して断熱領域を薄層化する。次に、断熱領域上に裏面電極を形成する。最後に、裏面電極に向けてレーザー光を照射して、アニール処理を実施する。

以下、図１３〜図１５を参照して、素子構造として縦型のショットキーダイオードを備えた半導体装置の他の製造方法を具体的に説明する。
まず、図１３に示されるように、炭化珪素（ＳｉＣ）の炭化珪素基板１００を準備する。炭化珪素基板１００の裏面には、膜厚な断熱領域４００が形成されている。断熱領域４００は、ポーラス構造を有しており、上述した陽極化成法を利用して形成することができる。断熱領域４００の厚み４００Ｔは、約２５０μｍである。

次に、図１４に示されるように、イオン注入技術を利用して、エピ層１４の表層部にｐ型の電界緩和層１６を形成する。さらに、蒸着技術を利用して、炭化珪素基板１００の表面にアノード電極２０を形成する。

次に、図１５に示されるように、断熱領域４００を薄層化する。この後の工程は、上述の図９及び図１０の工程と同一である。これらの工程を経て、ショットキーダイオードを備えた半導体装置が製造される。

上記の第２製造方法によると、断熱領域４００が炭化珪素基板１００の強度を補強する補強材としても機能する。膜厚な断熱領域４００を形成した後に電界緩和層１６及びアノード電極２０を形成しているので、炭化珪素基板１００の強度を維持しながら縦型の素子構造を形成することができる。また、上述の第１製造方法の場合、炭化珪素基板１０を薄層化した後に陽極化成法を実施しているので、陽極化成法を実施したときに炭化珪素基板１０が破損する虞がある。一方、第２製造方法によれば、炭化珪素基板１００を薄層化する前に陽極化成法を実施することができるので、炭化珪素基板１００の破損する事態を抑制することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０，１００：炭化珪素基板
１２：下地基板
１４：エピ層
１６：電界緩和層
２０：アノード電極
３０：保護膜
３２：カソード電極
４０，４００：断熱領域
５０：カソード電極

Claims (7)

1. 縦型の素子構造が形成されている半導体基板と、
   その半導体基板の表面側に設けられている表面電極と、
   その半導体基板の裏面側に設けられている裏面電極と、
   半導体基板と裏面電極の間に設けられており、半導体基板の半導体材料の熱伝導率よりも小さな熱伝導率である導電性の断熱領域と、を備える半導体装置。
2. 断熱領域が、ポーラス構造である請求項１に記載の半導体装置。
3. 断熱領域が、裏面電極と接している請求項２に記載の半導体装置。
4. 半導体基板の半導体材料が、炭化珪素系半導体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 縦型の素子構造が形成されている半導体基板を備えた半導体装置の製造方法であって、
   裏面電極を形成するのに先立って、半導体基板の半導体材料の熱伝導率よりも小さな熱伝導率である導電性の断熱領域を半導体基板の裏面に形成する断熱領域形成工程を備える製造方法。
6. 断熱領域形成工程は、陽極化成法を利用する請求項５に記載の製造方法。
7. 断熱領域を薄層化する薄層化工程をさらに備えており、
   断熱領域形成工程は、縦型の素子構造を半導体基板に形成するのに先立って実施され、
   薄層化工程は、縦型の素子構造を半導体基板に形成した後に実施される請求項５又は６に記載の製造方法。

Images