JP2012099752A - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱処理装置のメンテナンス頻度を低減できると共に、電極表面荒れを防止しつつオーミックコンタクトの低抵抗化を図る炭化珪素半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】Ｐ型ＳｉＣ層１０上に電極材料としてのＡｌ−Ｔｉ合金１１を堆積し、その上にＴｉＮの保護膜１２を形成する。その後、Ａｌの融点を超える温度の熱処理を行い、Ａｌ−Ｔｉ合金１１をＰ型ＳｉＣ層１０と反応させて合金化し、電極とＰ型ＳｉＣ層１０とのオーミックコンタクトを得る。保護膜１２により、上記熱処理においてＡｌ−Ｔｉ合金１１からのＡｌの蒸発・飛散が防止される。
【選択図】図２

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関し、特にＰ型炭化珪素層に接続させるオーミック電極の形成技術に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）半導体は、従来の珪素（Ｓｉ）半導体に比べてオン抵抗の低い半導体装置を形成可能な材料であり、次世代の高電力用半導体装置の材料として期待されている。

半導体装置のオン抵抗は、電流が流れる経路の抵抗値の総和によって決定され、半導体と各種電極との接続抵抗も含まれる。そのためＳｉＣ半導体装置では、電極とＳｉＣ層（ＳｉＣ基板やその上に形成されるＳｉＣドリフト層等）との間で、ＳｉＣ層の抵抗よりも充分に低抵抗なオーミック接続（オーミックコンタクト）をとることが求められている。

従来より、Ｐ型ＳｉＣ層上にオーミック接続する電極としては、ＡｌとＴｉとの合金（Ａｌ−Ｔｉ合金）から成るものや、Ａｌ層とＴｉ層との積層構造（Ａｌ／Ｔｉ積層構造）から成るものが開発されてきた（例えば下記の特許文献１および非特許文献１）。

特許文献１のオーミックコンタクト形成技術では、Ｐ型ＳｉＣ層上に電極材料として第１Ａｌ層、Ｔｉ層および第２Ａｌ層を順次堆積し、非酸化性雰囲気中での熱処理を加えることにより第１Ａｌ層を媒介としてＳｉＣ層とＴｉ層との合金層を形成している。これにより、Ｐ型ＳｉＣ層と電極との間で低抵抗なオーミックコンタクトが得られる。

また非特許文献１には、Ｐ型ＳｉＣ層上に電極材料としてのＡｌ−Ｔｉ合金を堆積して熱処理を加えることによって低抵抗オーミックコンタクトを形成する技術が開示されている。

特開２００８−２２７１７４号公報

J.Crofton等「Finding the optimum Al-Ti alloy composition for use as an ohmic contact to p-type SiC」Solid-State Electronics 46 (2002) pp.109-113

上記のように特許文献１および非特許文献１では、オーミックコンタクトの低抵抗化を図るために、電極材料とＳｉＣ層とを反応させる熱処理が行われる。その熱処理の温度は、Ａｌの融点である６６０℃を超える温度、望ましくは１０００℃程度である。しかしＡｌの融点を超える温度で熱処理を行うと、電極の表面が荒れるため、当該電極に接続される電極との密着性が低下するため、信頼性が低下する。

一方、非特許文献１では、ＡｌよりもＴｉの量が少ないＡｌ−Ｔｉ合金を電極材料として使用すれば、より低抵抗なオーミックコンタクトが得られる旨が示されている。しかし配線材料であるＡｌ−Ｔｉ合金のＴｉの量を少なくすると、熱処理による電極表面の荒れがさらに顕著になる傾向がある。この傾向は、特許文献１のようなＡｌ／Ｔｉ積層構造から成る電極にも当てはまる。

またＡｌよりもＴｉの量が少ないＡｌ−Ｔｉ合金に対し、Ａｌの融点を超える温度の熱処理を加えると、熱処理装置内部でＡｌ−Ｔｉ合金からＡｌが蒸発・飛散する。蒸発したＡｌは熱処理装置内部に再付着する。例えばランプアニールを行う熱処理装置では、熱処理チャンバー内に、加熱用のランプや温度測定用のパイロメータが配設するための石英製の窓が設けられているが、石英窓にＡｌが付着してその透過率が低下すると、ランプの出力を増大させる必要が生じたり、パイロメータの温度測定精度が低下したりする。そのため、石英窓の清掃や交換などの熱処理装置のメンテナンスが頻繁に必要となり、半導体装置の生産性を低下させる要因となる。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、熱処理装置のメンテナンス頻度を低減できると共に、電極表面荒れを防止しつつオーミックコンタクトの低抵抗化を図ることが可能な炭化珪素半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、Ｐ型のＳｉＣ層上にＡｌおよびＴｉを含む電極材料を堆積する工程と、前記電極材料上に保護膜を形成する工程と、前記電極材料および前記ＳｉＣ層にＡｌの融点を超える温度の熱処理を施すことで、前記電極材料を前記ＳｉＣ層と反応させて合金化する工程とを備え、前記保護膜は、前記熱処理において前記Ａｌ−Ｔｉ合金からのＡｌの蒸発・飛散を防止するものである。

ＡｌおよびＴｉを含む電極材料を保護膜で覆った状態で、電極材料をＳｉＣ層と反応させて合金化するための熱処理を行うため、当該熱処理の際に、電極材料からＡｌが蒸発・飛散することがなく、熱処理装置内にＡｌが付着することを防止できる。従って、熱処理装置のメンテナンスの頻度を少なくでき、半導体装置の生産性向上に寄与できる。また電極材料の上面が保護膜で覆われているため、上記熱処理により電極材料の上面の荒れが発生することも防止できる。合金化された電極と他の配線との充分な密着性を確保でき、半導体装置の信頼性向上にも寄与できる。

実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態３に係る半導体装置の構成例を示す図である。 実施の形態３に係る半導体装置の構成例を示す図である。

＜実施の形態１＞
図１〜図３は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための図であり、Ｐ型の炭化珪素（ＳｉＣ）層上にオーミック接続する電極の形成工程を示している。以下、これらの図に基づき、本実施の形態の半導体装置の製造方法を説明する。

まずＰ型ＳｉＣ層１０を有するＳｉＣ基板を用意する。当該ＳｉＣ基板の結晶多形は任意のものでよいが、ここでは４ＨのＳｉＣ基板を用いる。Ｐ型ＳｉＣ層１０としては、例えばＳｉＣ基板形成のための結晶成長の際にアルミやボロンを添加して形成したものや、ＳｉＣ基板上にＳｉＣエピタキシャル層を成長させる際にアルミやボロンを添加して形成したもの、ＳｉＣ基板やＳｉＣエピタキシャル層を形成した後、それらにアルミやボロンをイオン注入し１５００℃以上の活性化アニールを施して形成したもの、などを用いることができる。

Ｐ型ＳｉＣ層１０は、不純物濃度が高いほど、金属との接触におけるショットキー障壁の幅が狭くでき、オーミックコンタクトをより低抵抗化できる。そのためＰ型ＳｉＣ層１０の不純物濃度は、電極と接触する界面において、概ね１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であることが望ましい。

続いて図１の如く、Ｐ型ＳｉＣ層１０上に、電極材料としてＡｌ−Ｔｉ合金１１を堆積する。Ａｌ−Ｔｉ合金１１は、質量比でＡｌよりもＴｉが少ない方が、より低抵抗なオーミックコンタクトを得ることができる。よってＡｌ−Ｔｉ合金１１は、質量比でＡｌがＴｉよりも少ない合金（例えばＡｌ：Ｔｉ＝７：３）を用いる。堆積するＡｌ−Ｔｉ合金１１の膜厚は１０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲が好ましい。

その後図２の如く、Ａｌ−Ｔｉ合金１１の上に保護膜１２を形成する。保護膜１２は、この後行われる熱処理（Ａｌの融点（６６０℃）を越える温度の熱処理）の際に、Ａｌ−Ｔｉ合金１１に含まれるＡｌが蒸発・飛散することを防止するものである。また当該熱処理の際に、Ａｌ−Ｔｉ合金１１の上面が保護膜１２で覆われることにより、Ａｌ−Ｔｉ合金１１がＰ型ＳｉＣ層１０と反応してできる合金層の上面に荒れが生じることも防止される。

保護膜１２の材料は、上記熱処理の温度において、Ａｌ−Ｔｉ合金１１およびＰ型ＳｉＣ層１０に含まれるＡｌ、ＴｉおよびＳｉＣと反応しにくい物質であり、本実施の形態ではＴｉＮを使用する。保護膜１２の形成は、スパッタリング法や蒸着法によって行うことができる。堆積する保護膜１２の厚さは１０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲が好ましい。

なお、Ａｌ−Ｔｉ合金１１が自然酸化されるのを防ぐために、保護膜１２は、Ａｌ−Ｔｉ合金１１の堆積後速やかに形成することが好ましい。望ましくは、Ａｌ−Ｔｉ合金１１を堆積させた装置で、Ａｌ−Ｔｉ合金１１を大気に晒すことなく連続して、保護膜１２を堆積させることが望ましい。

保護膜１２の形成後、不活性ガス雰囲気（例えばＡｒ雰囲気）で、Ａｌの融点（６６０℃）を越える温度、望ましくは１０００℃で１分間の熱処理を行い、Ａｌ−Ｔｉ合金１１に含まれるＡｌおよびＴｉと、Ｐ型ＳｉＣ層１０のＳｉＣとを反応させる。その結果、Ｐ型ＳｉＣ層１０上に、Ａｌ、ＴｉおよびＳｉＣが反応してできた合金層１３（以下「反応層」）が形成され、反応層１３から成る電極とＰ型ＳｉＣ層１０との間で低抵抗なオーミックコンタクトが得られる。本実施の形態の手法で作成した反応層１３とＰ型ＳｉＣ層１０との間の接続抵抗は、１０^-6Ωｃｍ²台と良好であった。

上記の熱処理は、Ｐ型ＳｉＣ層１０とＡｌ−Ｔｉ合金１１とを反応させて合金化することができれば任意の手法でよいが、本実施の形態ではランプ加熱によるＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）を用いる。

保護膜１２は、その後も反応層１３上に残存させたままでもよいが、必要に応じて図４のように反応層１３上から保護膜１２を除去してもよい。保護膜１２の除去は、逆スパッタ法や、Ａｒミリング法、ウェットエッチング処理等によって可能である。

以上のように本実施の形態では、Ａｌ−Ｔｉ合金１１をＡｌの蒸発・飛散を防止する保護膜１２で覆った状態で、Ｐ型ＳｉＣ層１０とＡｌ−Ｔｉ合金１１とを反応させる熱処理を行う。よって当該熱処理の際に、Ａｌ−Ｔｉ合金１１からＡｌが蒸発・飛散することがなく、熱処理装置内にＡｌが付着することを防止できる。従って、熱処理装置のメンテナンスの頻度を少なくでき、半導体装置の生産性向上に寄与できる。

また保護膜１２は、上記熱処理の際に、Ｐ型ＳｉＣ層１０とＡｌ−Ｔｉ合金１１とが反応してできる反応層１３の上面に荒れが発生することを防止する働きもする。よって反応層１３から成る電極と他の配線との密着性の低下を抑えることができ、半導体装置の信頼性向上にも寄与できる。

なお、本実施の形態では保護膜１２の材料としてＴｉＮを用いたが、Ｐ型ＳｉＣ層１０とＡｌ−Ｔｉ合金１１とを反応させる熱処理の温度でＡｌ、ＴｉおよびＳｉＣと反応しにくい物質であれば、他の材料の保護膜１２を用いてもよい。例えば、ＴｉＮ以外の他の金属窒化物（ＴａＮ、ＺｒＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＣｒＮ、ＮｂＮ等）や、金属炭化物（ＴｉＣ、ＷＣ、ＶＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ等）、金属ホウ化物（ＴｉＢ、ＷＢ₂、ＺｒＢ等）、金属酸化物（ＡｌＯ、ＴｉＯ₂、ＣｏＯ、ＴａＯ、ＮｉＯ等）等を用いることができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では電極材料としてＡｌ−Ｔｉ合金１１を使用したが、本発明における電極材料は、ＡｌおよびＴｉを含有し、Ｐ型ＳｉＣ層１０との反応により当該Ｐ型ＳｉＣ層１０とのオーミックコンタクトを成す合金を形成可能なものであればよい。

実施の形態２では、Ｐ型ＳｉＣ層１０にオーミック接続する電極材料として、Ａｌ／Ｔｉ積層構造を用いる。この場合図５の如く、Ｐ型ＳｉＣ層１０上に、Ａｌ層２１とＴｉ層２２とを順に堆積することでＡｌ／Ｔｉ積層構造２０を形成し、その上にＡｌの蒸発・飛散を防止する保護膜１２を形成する。Ａｌ層２１およびＴｉ層２２の堆積方法は、スパッタリング法や蒸着法を用いることができる。

Ａｌ／Ｔｉ積層構造２０に関しても、質量比でＡｌよりＴｉが少ないことが、Ｐ型ＳｉＣ層１０との間のオーミックコンタクトを低抵抗化する上で好ましい。よってＡｌ／Ｔｉ積層構造２０を形成する際には、Ａｌ層２１の膜厚よりもＴｉ層２２を薄く（例えばＡｌ層２１の膜厚を１００ｎｍ、Ｔｉ層２２の膜厚を５０ｎｍ）形成するとよい。Ａｌ層２１とＴｉ層２２を合わせたＡｌ／Ｔｉ積層構造２０の総膜厚は、１０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲が好ましい。

その後は実施の形態１と同様に、不活性ガス雰囲気で、Ａｌの融点（６６０℃）を越える温度、望ましくは１０００℃で１分間の熱処理を行い、Ａｌ／Ｔｉ積層構造２０に含まれるＡｌおよびＴｉと、Ｐ型ＳｉＣ層１０のＳｉＣとを反応させる。その結果、図３と同様に、Ｐ型ＳｉＣ層１０上に、当該Ｐ型ＳｉＣ層１０とＡｌ／Ｔｉ積層構造２０とが反応してできた反応層１３が形成される。当該熱処理の後、保護膜１２は、必要に応じて除去してもよい。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。なお図５では、Ａｌ層２１が下層、Ｔｉ層２２が上層のＡｌ／Ｔｉ積層構造２０を示したが、Ａｌ層２１とＴｉ層２２の積層順はその逆でもよい。即ち、Ａｌ／Ｔｉ積層構造２０は、Ｔｉ層２２が下層、Ａｌ層２１が上層であってもよい。

＜実施の形態３＞
実施の形態３では、本発明が適用される半導体装置の具体的な構成例を示す。図６はその一例であり、ＰｉＮ（positive-intrinsic-negative）ダイオードの構成を示している。

図６のようにＰｉＮダイオードは、カソード領域となるＮ⁺型ＳｉＣ基板３１上にＮ^-型ＳｉＣドリフト層３２が設けられ、当該Ｎ^-型ＳｉＣドリフト層３２の表面にアノード領域となるＰ⁺型ＳｉＣ領域３３が形成された構成を有している。Ｎ^-型ＳｉＣドリフト層３２は、例えばエピタキシャル成長によって形成され、Ｐ⁺型ＳｉＣ領域３３は、Ｎ^-型ＳｉＣドリフト層３２の上部へ所定のドーパントをイオン注入することによって形成される。

Ｐ⁺型ＳｉＣ領域３３の上面にアノード電極３４が配設され、Ｎ⁺型ＳｉＣ基板３１の下面にカソード電極３５が設けられる。アノード電極３４およびカソード電極３５は、それぞれアノード電極３４およびＮ⁺型ＳｉＣ基板３１にオーミック接続する。カソード電極３５の材料としては、例えばＮｉが挙げられる。

図６の構成において、Ｐ⁺型ＳｉＣ領域３３とアノード電極３４を、それぞれ実施の形態１または２のＰ型ＳｉＣ層１０および反応層１３に見立てることにより、アノード電極３４とＰ⁺型ＳｉＣ領域３３との間の接続に本発明を適用することができる。すなわち、アノード電極３４の形成工程において、電極材料としてＡｌ−Ｔｉ合金またはＡｌ／Ｔｉ積層構造を用い、その上にＡｌの蒸発・飛散を防止する保護膜を形成した後で、Ａｌの融点（６６０℃）を越える温度、望ましくは１０００℃で１分間の熱処理を行えばよい。

それにより、Ａｌが蒸発・飛散を防止しつつ、Ｐ⁺型ＳｉＣ領域３３とアノード電極３４との間で低抵抗なオーミック接続を得ることができ、さらにアノード電極３４上面に荒れが発生することを防止できる。

また図７は、本発明が適用される半導体装置の他の一例であり、ＭＰＳ（Merged PiN Schottky）ダイオードの構成を示している。ＭＰＳダイオードは、アノード側にＰＮ接合とショットキー接合を併せ持つものである。

図７のようにＰｉＮダイオードは、カソード領域となるＮ⁺型ＳｉＣ基板３１上にＮ^-型ＳｉＣドリフト層３２が設けられ、当該Ｎ^-型ＳｉＣドリフト層３２の表面にアノード領域となるＰ⁺型ＳｉＣ領域３６が所定の間隔で複数個配設された構成を有している。Ｎ^-型ＳｉＣドリフト層３２は、例えばエピタキシャル成長によって形成され、Ｐ⁺型ＳｉＣ領域３６は、Ｎ^-型ＳｉＣドリフト層３２の上部へ所定のドーパントをイオン注入することによって形成される。

ＭＰＳダイオードのアノード電極は、Ｎ^-型ＳｉＣドリフト層３２の上面にショットキー接続するショットキー電極３８の部分と、Ｐ⁺型ＳｉＣ領域３６ｐの上面にオーミック接続するするオーミック電極３７の部分とから成っている。Ｎ⁺型ＳｉＣ基板３１の裏面には、例えばＮｉを材料とするカソード電極３５がオーミック接続される。

図７の構成において、Ｐ⁺型ＳｉＣ領域３６とオーミック電極３７を、それぞれ実施の形態１または２のＰ型ＳｉＣ層１０および反応層１３に見立てることにより、オーミック電極３７とＰ⁺型ＳｉＣ領域３６との接続に本発明を適用することができる。すなわち、オーミック電極３７の形成工程において、電極材料としてＡｌ−Ｔｉ合金またはＡｌ／Ｔｉ積層構造を用い、その上にＡｌの蒸発・飛散を防止する保護膜を形成した後で、Ａｌの融点（６６０℃）を越える温度、望ましくは１０００℃で１分間の熱処理を行えばよい。

それにより、Ａｌが蒸発・飛散を防止しつつ、Ｐ⁺型ＳｉＣ領域３６とオーミック電極３７との間で低抵抗なオーミック接続を得ることができ、さらにオーミック電極３７上面に荒れが発生することを防止できる。なお、ショットキー電極３８の材料としては、例えばＴｉを使用できる。

１０ Ｐ型ＳｉＣ層、１１ Ａｌ−Ｔｉ合金、１２ 保護膜、１３ 反応層、２０ Ａｌ／Ｔｉ積層構造、２１ Ａｌ層、２２ Ｔｉ層。

Claims (10)

1. Ｐ型のＳｉＣ層上にＡｌおよびＴｉを含む電極材料を堆積する工程と、
   前記電極材料上に保護膜を形成する工程と、
   前記電極材料および前記ＳｉＣ層にＡｌの融点を超える温度の熱処理を施すことで、前記電極材料を前記ＳｉＣ層と反応させて合金化する工程とを備え、
   前記保護膜は、前記熱処理において前記Ａｌ−Ｔｉ合金からのＡｌの蒸発・飛散を防止するものである
   ことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
2. 前記電極材料は、Ａｌ−Ｔｉ合金である
   請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
3. 前記電極材料は、Ａｌ層とＴｉ層とが積層して成るＡｌ／Ｔｉ積層構造である
   請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
4. 前記電極材料におけるＡｌおよびＴｉの含有量は、質量比でＡｌよりもＴｉが少ない
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
5. 前記保護膜は、金属窒化物、金属ホウ化物、金属酸化物のいずれかである
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
6. 前記保護膜は、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＺｒＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＣｒＮ、ＮｂＮ、ＴｉＣ、ＷＣ、ＶＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＴｉＢ、ＷＢ₂、ＺｒＢ、ＡｌＯ、ＴｉＯ₂、ＣｏＯ、ＴａＯ、ＮｉＯのいずれかである
   請求項５記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
7. 前記熱処理の後に、前記保護膜を除去する工程をさらに備える
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
8. Ｐ型のＳｉＣ層と、
   前記ＳｉＣ層上に接続し、Ａｌ、ＴｉおよびＳｉＣの合金から成る電極と、
   前記電極の上面に形成され、金属窒化物、金属ホウ化物、金属酸化物のいずれかから成る保護膜とを備える
   ことを特徴とする炭化珪素半導体装置。
9. 前記保護膜は、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＺｒＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＣｒＮ、ＮｂＮ、ＴｉＣ、ＷＣ、ＶＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＴｉＢ、ＷＢ₂、ＺｒＢ、ＡｌＯ、ＴｉＯ₂、ＣｏＯ、ＴａＯ、ＮｉＯのいずれかである
   請求項８記載の炭化珪素半導体装置。
10. 前記電極におけるＡｌおよびＴｉの含有量は、質量比でＡｌよりもＴｉが少ない
    請求項８または請求項９記載の炭化珪素半導体装置。

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