JP2013214659A - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

炭化珪素半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】将来的に素子破壊に至るか否かを製造段階において顕在化させる。
【解決手段】接合用電極8の形成後に、ショットキー電極4よりも接合用電極8のバリアハイトが低くなる温度でアニール処理を行う。また、表面電極9の形成後にも、表面電極9の構成材料がマイグレーションを起こす温度でアニール処理を行う。これにより、将来的に素子破壊に至るか否かを製造段階において顕在化させることが可能となり、良不良判定の工程において、不良チップを取除き、良チップのみに選別することが可能となる。
【選択図】図1

Description

本発明は、炭化珪素(以下、SiCという)半導体装置の製造方法に関するものである。
従来より、SiC半導体装置としてショットキーバリアダイオード(以下、SBDという)を備えたものが提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。SBDは、図9(a)に示すようにSiCにて構成されたドリフト層J1の表面にショットキー電極J2を形成したのち、ショットキー電極J2の表面に接合電極J3および表面電極J4を形成した構造とされている。例えば、接合電極J3にはTi、Niなど、表面電極J4にはAlなどが一般的に用いられている。
特開2007−149839号公報 特開2008−210938号公報
しかしながら、加速試験による経年的な変化を調べるべく、耐量試験や高温通電試験などを行ったところ、破壊に至る素子が発生することが確認された。
このような破壊に至る素子が発生するのは、以下のメカニズムによると推定される。まず、図9(b)に示すように、SBDを製造する際にショットキー電極J2に形成されるピンホールやパーティクルJ5などによりショットキー電極J2に接合電極J3や表面電極J4を構成するTiやAlなどが入り込み、SiCとTiやAlなどとの接触が起こる。この状態で使用による負荷が掛かることで素子の温度が上昇し、この温度上昇に伴ってTiとSiCのオーミック接触化や、AlのマイグレーションによるSiCとの接触面積が増加する。このようなSiCとTiやAlとの接触状態の変化に伴って特性が変化し、使用時にその部分に局所的に電流集中が生じ、素子破壊に至ると考えられる。
具体的には、逆方向リーク波形を調べてみると、図10(a)に示すように、逆方向電圧と逆方向電流との関係を示した特性が、使用による特性変動により、使用初期の正常波形(実線)と比較してより低い逆方向電圧で高い逆方向電流が生じる波形(破線)に変化していた。また、順方向波形を調べてみると、図10(b)に示すように、順方向電圧と順方向電流との関係を示した特性が、使用による特性変動により、使用初期の正常波形(実線)と比較してより低い順方向電圧でも順方向電流が大きくなる波形(破線)となった。このような特性の変化からも、上記のようなメカニズムに基づいて素子破壊に至っているものと考えられる。
このように使用によって素子破壊に至るSiC半導体装置については、製品の信頼性などの観点からも、製造段階において顕在化させ、市場に出回る前に不良チップとして取除けるようにすることが好ましい。
本発明は上記点に鑑みて、将来的に素子破壊に至るか否かを製造段階において顕在化させる工程を行うことで、不良チップを取除き、良チップのみに選別できるようにしたSiC半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明では、ショットキー電極(4)の表面に接合用電極(8)を形成する工程と、接合用電極の形成後に、ショットキー電極よりも接合用電極のバリアハイトが低くなる温度で第1アニール処理を行う工程と、接合用電極の表面に表面電極(9)を形成する工程と、表面電極の形成後に、表面電極の構成材料がマイグレーションを起こす温度で第2アニール処理を行う工程と、第1、第2アニール処理の後に、ショットキーバリアダイオード(10)の特性に基づいて良不良判定を行うことで、良チップと不良チップとを選別する工程と、を含んでいることを特徴としている。
このように、接合用電極の形成後に、ショットキー電極よりも接合用電極のバリアハイトが低くなる温度で第1アニール処理を行うようにしている。また、表面電極の形成後にも、表面電極の構成材料がマイグレーションを起こす温度でアニール処理を行うようにしている。これにより、将来的に素子破壊に至るか否かを製造段階において顕在化させることが可能となり、良不良判定の工程において、不良チップを取除き、良チップのみに選別することが可能となる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
本発明の第1実施形態にかかるSiC半導体装置の断面図である。 図1に示すSiC半導体装置の上面レイアウト図である。 図1に示すSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。 図3に続くSiC半導体装置の製造工程を示した断面図である。 図4(c)〜図4(e)の一部を拡大した拡大断面図である。 ショットキー電極4の構成材料と接合用電極8の構成材料のアニール温度に対するバリアハイトの関係を示した図表である。 本発明の第2実施形態にかかるSiC半導体装置の断面図である。 図7に示すSiC半導体装置の上面レイアウト図である。 SBDの部分拡大断面図である。 図9に示すSBDの逆方向リーク波形および順方向特性を示したグラフである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。まず、本実施形態にかかるSiC半導体装置の製造方法によって製造されるSiC半導体装置の構造について、図1および図2を参照して説明する。なお、図1は、図2のA−A断面図に相当している。
図1に示すように、SiC半導体装置は、例えば2×1018〜1×1021cm-3程度不純物濃度とされた炭化珪素からなるn+型基板1を用いて形成されている。n+型基板1の上面を主表面1a、主表面1aの反対面である下面を裏面1bとすると、主表面1a上には、基板1よりも低いドーパント濃度、例えば1×1014〜1×1017cm-3程度不純物濃度とされた炭化珪素からなるn-型層2が積層されている。これらn+型基板1およびn-型層2によって構成されたSiC半導体基板のセル部にSBD10が形成されていると共に、その外周領域に終端構造が形成されることでSiC半導体装置が構成されている。
具体的には、n-型層2の表面には、例えばシリコン酸化膜などで構成された絶縁膜3が形成されている。絶縁膜3には、セル部において部分的に開口部3aが形成されており、この絶縁膜3の開口部3aにおいてn-型層2とショットキー接触するように、例えばMo(モリブデン)にて構成されたショットキー電極4が形成されている。そして、n+型基板1の裏面と接触するように、例えばNi(ニッケル)、Ti(チタン)、Mo、Au(金)等により構成されたオーミック電極5が形成されている。これにより、SBD10が構成されている。SBD10の上面レイアウトはどのようなものであっても良いが、本実施形態では、図2に示すように各角部が丸められた正方形状となるようにしてある。
また、SBD10の外周領域に形成された終端構造として、ショットキー電極4の外縁部において、n-型層2の表層部にショットキー電極4と接するように、p型リサーフ層6が形成されていると共に、p型リサーフ層6の外周をさらに囲むように複数個のp型ガードリング層7等が配置され、終端構造が構成されている。p型リサーフ層6やp型ガードリング層7は、例えばAlを不純物として用いて構成されたものであり、例えば、5×1016〜1×1019cm-3程度の不純物濃度で構成されている。これらp型リサーフ層6やp型ガードリング層7を配置することにより、SBD10の外周において電界が広範囲に延びるようにでき、電界集中を緩和できる。このため、耐圧を向上させることができる。
さらに、ショットキー電極4の表面には、接合用電極8と表面電極9とが順に積層されている。接合用電極8は、例えばTiやNiなどの金属材料によって構成されており、ショットキー電極4と表面電極9との間においてバリア層として備えられ、ショットキー電極4よりも低いバリアハイトに設定されている。表面電極9は、例えばAlなどの金属材料によって構成されており、ボンディングワイヤなどが接続されるパッドとしての役割を果たしている。このような構造により、SBD10が構成されている。
このような構造のSBD10を備えたSiC半導体装置では、ショットキー電極4をアノード、オーミック電極5をカソードとして、ショットキー電極4に対してショットキー障壁を超える電圧を印加することにより、ショットキー電極4とオーミック電極の間に電流を流す。また、外周部領域に関しては、p型リサーフ層6やp型ガードリング層7を備えてあるため、等電位線が偏り無く広範囲で延びるようにすることができる。これにより、高耐圧素子とすることが可能となる。
次に、本実施形態にかかるSiC半導体装置の製造方法について、図3および図4を参照して説明する。なお、図3および図4は、図1に示すSiC半導体装置の製造工程中の断面を示しているが、簡略化のためp型ガードリング層7を省略してある。
まず、図3(a)に示すように、例えばSi面またはC面を主表面1aとするn+型基板1の主表面1aにn-型層2をエピタキシャル成長させたSiC半導体基板を用意する。次に、図3(b)に示すように、LTO(low-temperature oxide)等で構成されたイオン注入用マスクとなる酸化膜11をCVD装置などを用いて配置したのち、酸化膜11の上にレジスト12を塗布する。
続いて、図3(c)に示すように、フォトリソグラフィによってレジスト12をパターニングし、CHF3やCF4のガスを用いてRIE(Reactive Ion Etching)やICP(誘導結合型プラズマ)エッチャーでレジスト12の開口部分において酸化膜11を除去する。これにより、酸化膜11のうちp型リサーフ層6およびp型ガードリング層7の形成予定領域を開口させる。
そして、図3(d)に示すように、酸化膜11を用いて例えばアルミニウムやホウ素などのp型不純物をイオン注入したのち、酸化膜11をHFによって除去する。これにより、p型リサーフ層6およびp型ガードリング層7が形成される。なお、ここではp型リサーフ層6およびp型ガードリング層7を同時に形成する場合について説明したが、これらを異なる濃度や異なる深さで形成する場合には、別々の工程によって形成しても良い。
さらに、図3(e)に示すように、例えばレジストを炭化して形成したカーボン層13にてp型リサーフ層6などが形成されたn-型層2の表面をキャップする。そして、キャップアニール、すなわちこの状態でp型リサーフ層6などに含まれるp型不純物の活性化アニールを行う。例えば、1600〜2000℃の範囲で加熱する。これにより、イオン注入された原子が活性化する。
この後、図4(a)に示すように、カーボン層13を除去する。例えば、アッシング装置による酸素(O2)プラズマを用いて、または、酸化炉を600℃以上で昇温したのち、O2雰囲気で酸化処理を行うことにより、カーボン層13を除去する。そして、必要に応じて平坦化処理を行ったのち、図4(b)に示すように、n-型層2およびp型リサーフ層6などの表面に絶縁膜3を形成し、さらに絶縁膜3に開口部3aを形成する。
そして、図4(c)に示すように、p型リサーフ層6およびp型ガードリング層7の表面を含め、n-型層2の表面にMoなどにて構成されるショットキー電極4を蒸着またはスパッタなどにより成膜したのち、さらにショットキー電極4を所望形状にパターニングする工程を行う。このとき、後に不良チップと判定される可能性があるものである場合、図5(a)に示すように、パーティクル20の存在によってショットキー電極4が部分的に浮き上がっていたり、ショットキー電極4にピンホール21が形成されていたりする。
続いて、図4(d)に示すように、ショットキー電極4の表面にTiやNiなどによって構成される接合用電極8を蒸着またはスパッタなどによって成膜し、さらに接合用電極8を所望形状にパターニングする工程を行う。このとき、パーティクル20の存在によってショットキー電極4が部分的に浮き上がっていたものや、ショットキー電極4にピンホール21が形成されていたものについては、図5(b)に示すように、その中に接合用電極8の構成材料が入り込み、下地となっているn-型層2に接触した状態になることがある。
このような状態になっている場合、後述する良不良判定の工程において、順方向電圧や逆方向電圧を印加したときに、基本的には不良チップであることが特性として現れる。しかしながら、接触面積や接合用電極8の成膜時の温度によっては、製品完成の初期時、つまり使用による負荷が掛かる前の状態であると、良不良判定の工程の際に未だ不良チップであることが特性として現れないことがある。このような場合には、将来的に使用によって不良チップになるのに良チップと判定されることになり、製品の信頼性を損ねることになり兼ねない。
このため、接合用電極8を成膜したのち、アニール処理(第1アニール処理)を行うことで、将来的に使用によって不良チップになるものについて、不良箇所を顕在化させ、不良チップであることを示す特性が現れるようにする。すなわち、接合用電極8による特性の変化は、不良箇所において、ショットキー電極4よりもバリアハイトが低くなることで発生すると考えられる。このため、接合用電極8を成膜してから実施するアニール処理を、ショットキー電極4よりも接合用電極8のバリアハイトが低くなる条件で実施すれば、良不良判定の工程において不良チップであることを示す特性が現れる。
したがって、n-型層2に対するショットキー電極4のバリアハイトよりも接合用電極8のバリアハイトの方が低くなる温度条件としてアニール処理を実施する。具体的には、図6に示すように、アニール処理無しもしくはアニール温度が低いと、ショットキー電極4のバリアハイトと接合用電極8のバリアハイトとが同等もしくは前者の方が後者よりも低くなる。しかしながら、アニール温度を高くすると、ショットキー電極4のバリアハイトよりも接合用電極8のバリアハイトの方が低くなる。この関係は、ショットキー電極4がMoにて構成されていると共に接合用電極8がTiにて構成されている場合にはアニール温度が500℃以上で成り立ち、ショットキー電極4がMoにて構成されていると共に接合用電極8がNiにて構成されている場合にはアニール温度が700℃以上で成り立つことを確認している。したがって、この関係を満たす温度条件でアニール処理を実施する。なお、アニール処理については、高温であればあるほどショットキー電極4のバリアハイトと接合用電極8のバリアハイトの差が大きくなるが、これらを構成する金属の融点以下であることが必要であるため、1100℃以下の温度条件とするのが好ましい。
この後、図4(e)に示すように、接合用電極8の表面にAlなどによって構成される表面電極9を蒸着またはスパッタなどによって成膜したのち、さらに表面電極9を所望形状にパターニングする工程を行う。このときにも、図5(d)に示すようにパーティクル20の存在によってショットキー電極4が部分的に浮き上がっていたものや、ショットキー電極4にピンホール21が形成されていたものについては、その中に表面電極9の構成材料が入り込み、下地となっているn-型層2に接触した状態になることがある。また、製造段階では表面電極9がn-型層2に接触していなかったとしても、使用による負荷に起因した表面電極9の構成材料のマイグレーションにより、表面電極9がn-型層2に接触することがある。
しかしながら、表面電極9がn-型層2に接触することのみによる不良については、上記した接合用電極8の形成の後に行うアニール処理では顕在化させることができず、後述する良不良判定の工程において、不良チップであることを示す特性が現れない。このため、表面電極9を成膜した後にもアニール処理(第2アニール処理)を行うことで、不良箇所を顕在化させ、不良チップであることを示す特性が現れるようにする。
具体的には、表面電極9による特性の変化は、使用による負荷に基づく表面電極9の構成材料のマイグレーションによって、表面電極9がn-型層2に接触することにより発生することから、表面電極9の構成材料がマイグレーションを起こす温度でアニール処理を行う。表面電極9をAlにて構成する場合には、例えば100℃以上の温度でアニール処理を行えば、マイグレーションを起こさせることができる。これにより、不良箇所を顕在化させられ、不良チップであることを示す特性が現れるようにできる。ただし、アニール処理を表面電極9の構成材料の蒸発温度以上で実施すると、表面電極9が機能しなくなるため、例えば表面電極9をAlにて構成する場合には650℃以下の温度でアニール処理を行うようにしている。
この後、図示しないが、n+型基板1の裏面1b側にニッケル、チタン、モリブデン、金等により構成される金属層を形成することにより、オーミック電極5を形成する。その後、表面電極9とオーミック電極5の間に対して検査用電圧を印加し、アノード−カソード間に順方向電圧および逆方向電圧を印加することで良不良判定の工程を行う。すなわち、順方向電圧を印加したときの順方向電圧と順方向電流との関係を示した特性や、逆方向電圧を印加したときの逆方向電圧と逆方向電流との関係を示した特性をモニタする。
このとき、上記したように、接合用電極8の成膜後に、ショットキー電極4よりも接合用電極8のバリアハイトが低くなる温度でアニール処理を行っているため、接合用電極8がn-型層2に接触していれば、それが特性として現れることになる。また、上記したように、表面電極9の成膜後にも、表面電極9の構成材料がマイグレーションを起こす温度でアニール処理を行うようにしているため、表面電極9がn-型層2に接触していれば、それが特性として現れることになる。このため、製造段階において、使用による負荷に基づいて不良チップとなり得るチップについては、良不良判定の工程において、不良チップの特性が現れるようにできる。したがって、図10(a)、(b)における実線で示した特性であれば良チップとして採用し、破線で示した特性であれば不良チップとして取り除くという選別を行うことで、製造段階において将来的に不良チップとなり得るチップも取り除くことが可能となる。
このようにして、図1に示したSBD10を備えたSiC半導体装置の製造工程が完了し、SiC半導体装置が完成する。
以上説明したように、本実施形態のSiC半導体装置の製造方法では、接合用電極8の形成後に、ショットキー電極4よりも接合用電極8のバリアハイトが低くなる温度でアニール処理を行うようにしている。また、表面電極9の形成後にも、表面電極9の構成材料がマイグレーションを起こす温度でアニール処理を行うようにしている。これにより、将来的に素子破壊に至るか否かを製造段階において顕在化させることが可能となり、良不良判定の工程において、不良チップを取除き、良チップのみに選別することが可能となる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して、SBD10にp型層を加えることでジャンクションバリアショットキーダイオード(以下、JBSという)としたものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図7に示すように、終端構造を構成する部分のうち最もセル部側に位置しているp型リサーフ層6の内側(内周側)の端部よりもさらに内側に、ショットキー電極4と接するように構成された複数のp型層30が形成されている。図8に示すように、複数のp型層30は同じ幅とされ、等間隔にストライプ状に配置されている。各p型層30は、ショットキー電極4のうちn-型層2との接触箇所において対称的にレイアウトされており、最も外側に位置しているものについてはリサーフ層6から離間して配置してあるが、リサーフ層6と重なり合ったレイアウトとされていても良い。このようなp型層30は、例えば、5×1017〜1×1020cm-3程度の不純物濃度で構成され、各p型層30の間隔が0.3〜5.0μm程度、幅が0.3〜5.0μm程度、深さが0.3〜1.0μm程度とされている。
このような構造により、SBD10に対してp型層30が備えられることでJBSとされたSiC半導体装置が構成されている。このようなSiC半導体装置も、基本的に第1実施形態のSiC半導体装置と同様の動作を行うが、外周部領域に関しては、オフ時にショットキー電極4の下方に配置した複数個のp型層30からn-型層2に向かって伸びる空乏層により、p型層30に挟まれたn-型層2が完全空乏化する。このため、逆方向電圧印加時のリーク電流を低減することが可能となるという効果も得られる。
このようなSiC半導体装置の製造方法に対しても、第1実施形態で説明した製造方法を適用することができる。すなわち、接合用電極8の形成後に、ショットキー電極4よりも接合用電極8のバリアハイトが低くなる温度でアニール処理を行う。また、表面電極9の形成後にも、表面電極9の構成材料がマイグレーションを起こす温度でアニール処理を行う。これにより、第1実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。なお、本実施形態のSiC半導体装置の製造方法として、第1実施形態に対してp型層30の製造工程を追加することになるが、p型リサーフ層6やp型ガードリング層7を形成する際に同時にp型層30も形成すれば良い。勿論、p型リサーフ層6やp型ガードリング層7とp型層30とを異なる濃度や異なる深さで形成する場合には、別々の工程によって形成しても良い。
(他の実施形態)
上記各実施形態では、接合用電極8の形成後にショットキー電極4よりも接合用電極8のバリアハイトが低くなる温度で行うアニール処理と、表面電極9の形成後に表面電極9の構成材料がマイグレーションを起こす温度で行うアニール処理とを異なる工程として実施した。しかしながら、これらを表面電極9の形成後に同時に行うようにしても良い。ただし、この場合には、ショットキー電極4よりも接合用電極8のバリアハイトが低くなる温度以上、かつ、表面電極9の蒸発温度よりも低い温度となるようにする必要がある。
上記各実施形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型として、n+型基板1の主表面1aにn-型層2が形成され、n-型層2に対してp型リサーフ層6などを形成したSiC半導体装置に対して本発明を適用した場合について説明した。しかしながら、各部の導電型を反転させ、第1導電型をp型、第2導電型をn型とするSiC半導体装置に対して本発明を適用することもできる。
1 n+型基板
1a 主表面
1b 裏面
2 n-型層
3 絶縁膜
4 ショットキー電極
5 オーミック電極
6 p型リサーフ層
7 p型ガードリング層
8 接合用電極
9 表面電極
10 SBD
30 p型層

Claims (6)

  1. 主表面(1a)および裏面(1b)を有した第1導電型の炭化珪素からなる基板(1)の前記主表面上に第1導電型層(2)が形成されることで炭化珪素半導体基板(1、2)が構成されていると共に、前記第1導電型層の表面に該第1導電型層に対してショットキー接触させられるショットキー電極(4)と、前記ショットキー電極の表面に形成されたバリア層としての接合用電極(8)と、前記接合用電極の表面に形成されたパッドを構成する表面電極(9)とが備えられ、さらに、前記基板の裏面に形成されたオーミック電極(5)と、を備えてなるショットキーバリアダイオード(10)を有する炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
    前記ショットキー電極の表面に前記接合用電極を形成する工程と、
    前記接合用電極の形成後に、前記ショットキー電極よりも前記接合用電極のバリアハイトが低くなる温度で第1アニール処理を行う工程と、
    前記接合用電極の表面に前記表面電極を形成する工程と、
    前記表面電極の形成後に、表面電極9の構成材料がマイグレーションを起こす温度で行う第2アニール処理と、
    前記第1、第2アニール処理の後に、ショットキーバリアダイオードの特性に基づいて良不良判定を行うことで、良チップと不良チップとを選別する工程と、を含んでいることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
  2. 前記接合用電極を形成する工程では、前記接合用電極をTiにて構成し、
    前記第1アニール処理を行う工程では、該第1アニール処理の温度を500℃以上かつ1100℃以下とすることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  3. 前記接合用電極を形成する工程では、前記接合用電極をNiにて構成し、
    前記第1アニール処理を行う工程では、該第1アニール処理の温度を700℃以上かつ1100℃以下とすることを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  4. 前記表面電極を形成する工程では、前記表面電極をAlにて構成し、
    前記第2アニール処理を行う工程では、該第2アニール処理の温度を100℃以上かつ650℃以下とすることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  5. 前記第1アニール処理を行う工程を行った後で前記表面電極を形成する工程を行うことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  6. 前記ショットキー電極を形成する前に、前記第1導電型層の表層部に、第2導電型層(30)を形成することで、ジャンクションバリアショットキーダイオードを構成することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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