JP2018139276A - 炭化珪素半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極−炭化珪素半導体層間の電気抵抗の増大を抑制しつつ、電極の剥離を抑制する。【解決手段】炭化珪素半導体装置は、炭化珪素半導体層と、炭化珪素半導体層の表面に設けられているニッケルシリサイド層と、ニッケルシリサイド層の表面に設けられており、原子半径が１．９Å以上であるとともにイオン化ポテンシャルが１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下の第１金属を主体とする第１金属層と、第１金属層の表面に設けられている窒化物金属層と、窒化物金属層と第１金属層とニッケルシリサイド層を介して炭化珪素半導体層に接合される電極とを備えている。【選択図】図１

Description

本明細書は、炭化珪素半導体装置に関する技術を開示する。

炭化珪素半導体を利用した半導体装置の開発が進められている。特許文献１の炭化珪素半導体装置では、炭化珪素半導体層の表面にチタンとニッケルを含む層を形成して加熱することにより、炭化珪素半導体層の表面にニッケルシリサイド層と炭化チタン層を形成している。ニッケルシリサイド層を形成することにより、ニッケルシリサイド層と炭化珪素半導体層のオーミックコンタクトを実現している。また、炭化チタン層を形成することにより、ニッケルシリサイド層の表面に、炭化珪素半導体層を由来とする炭素が析出することを抑制することができる。なお、炭化チタン層を形成しないと、ニッケルシリサイド層の表面に炭素が析出し、ニッケルシリサイド層の表面に形成される電極がニッケルシリサイド層から剥離しやすくなる。特許文献１は、ニッケルシリサイド層の表面に炭化チタン層を形成することにより、電極がニッケルシリサイド層から剥離することを抑制している。

特開２０１２−２４８７２９号公報

特許文献１のようにニッケルシリサイド層の表面に炭化チタン層を形成することにより、電極がニッケルシリサイド層から剥離することを抑制することはできる。しかしながら、炭化物である炭化チタンは機械的に極めて脆い物質である。そのため、ニッケルシリサイド層の表面に炭化チタン層を形成すると、炭化チタン層が形成された部位の信頼性が損なわれる。このため、ニッケルシリサイド層の表面に炭化チタン層を形成することは望ましくない。

また、電極を構成している金属が炭化珪素半導体層に拡散することを防止するため、ニッケルシリサイド層の表面に窒化物金属層を設けることがある。しかしながら、炭化珪素半導体層を由来とする炭素に対策していないと、ニッケルシリサイド層の表面に炭素が析出し、ニッケルシリサイド層と窒化物金属層の間で剥離が生じ、結果的に電極が炭化物半導体層から剥離する。

本明細書は、炭化珪素半導体装置において、電極−炭化珪素半導体層間の電気抵抗の増大を抑制しつつ、電極の剥離を抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する炭化珪素半導体装置は、炭化珪素半導体層と、炭化珪素半導体層の表面に設けられているニッケルシリサイド層と、ニッケルシリサイド層の表面に設けられており、原子半径が１．９Å以上であるとともにイオン化ポテンシャルが１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下の第１金属を主体とする第１金属層と、第１金属層の表面に設けられている窒化物金属層と、窒化物金属層と第１金属層とニッケルシリサイド層を介して炭化珪素半導体層に接合される電極とを備えていてよい。

上記炭化珪素半導体装置では、ニッケルシリサイド層と窒化物金属層の間に、第１金属を主体とする第１金属層が設けられている。第１金属は、原子半径が１．９Å以上であるとともにイオン化ポテンシャルが１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下である。原子半径が１．９Å以上の金属は、炭素と固溶体（侵入型固溶体）を形成することができる。そのため、ニッケルシリサイド層の表面に第１金属層を設けることにより、炭化珪素半導体層を由来とする炭素がニッケルシリサイド層の表面に析出することを防止することができる。これにより、電極の剥離を抑制することができる。さらに、第１金属層は、炭素が固溶した状態で含まれており、炭化物ではないことから、導電性である。このため、電極−炭化珪素半導体層間の電気抵抗の増大を抑制することができる。

また、第１金属としてイオン化ポテンシャルが１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下の金属を用いることにより、窒化物金属層内の窒素が第１金属層と固溶し、第１金属層と窒化物金属層の密着性が増す。そのため、第１金属層と窒化物金属層が剥離することも抑制できる。なお、「第１金属を主体とする第１金属層」とは、第１金属層が単体の第１金属で構成されていること、あるいは、第１金属層の構成金属のうち第１金属の割合が最も高い合金のことを意味する。

上記した第１金属は、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、タンタルから選択される金属であってよい。これらの金属は、原子半径１．９Å以上、イオン化ポテンシャル１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下を満足する。

窒化物金属層と電極の間に設けられており、窒化物金属層と電極の双方に接しており、イオン化ポテンシャルが１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下の第２金属を主体とする第２金属層が設けられていてもよい。窒化物金属層の窒素が第２金属層に固溶し、窒化物金属層と電極の密着性が増す。

第２金属は、スカンジウム、チタン、バナジウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、タンタルから選択される金属であってよい。これらの金属は、イオン化ポテンシャル１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下を満足する。

本明細書では、炭化珪素半導体装置の製造方法も開示する。その製造方法は、炭化珪素半導体層の表面にニッケル層を形成する工程と、炭化珪素半導体層を熱処理する工程と、熱処理後の前記炭化珪素半導体層の表面に、原子半径が１．９Å以上であるとともにイオン化ポテンシャルが１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下の第１金属を主体とする第１金属層を形成する工程と、第１金属層の表面に窒化物金属層を形成する工程と、窒化物金属層と第１金属層とニッケル層を介して炭化珪素半導体層に電極を接合する工程と、を備える。

炭化珪素半導体装置の断面図を示す。 炭化珪素半導体装置の変形例の断面図を示す。 炭化珪素半導体装置の製造工程を示す。 炭化珪素半導体装置の製造工程を示す。 炭化珪素半導体装置の製造工程を示す。 冷熱サイクル試験方法を説明する図を示す。 冷熱サイクル試験結果を示す。 第１金属層、第２金属層に適用可能な元素を示す。

図１を参照し、半導体装置１００について説明する。図１は、半導体装置１００の一部を示している。具体的には、炭化珪素半導体層２と電極１２の接合部分を示している。半導体装置１００は、炭化珪素半導体層２と、電極１２と、炭化珪素半導体層２と電極１２を接合している接合層２０を備えている。電極１２の材料は銅である。電極１２は、接合層２０を介して炭化珪素半導体層２に接合されている。

接合層２０は、ニッケルシリサイド層４と、第１金属層６と、窒化物金属層８と、第２金属層１０を備えている。ニッケルシリサイド層４は、炭化珪素半導体層２の表面に設けられている。ニッケルシリサイド層４の厚みは、およそ２０ｎｍに調整されている。ニッケルシリサイド層４は、炭化珪素半導体層２とオーミックコンタクトする。ニッケルシリサイド層４を設けることによって、電極１２が炭化珪素半導体層２とオーミックコンタクトする。ニッケルシリサイド層４は、炭化珪素半導体層２の表面にニッケル（Ｎｉ）を成膜し、熱処理を行うことにより形成される。

第１金属層６は、ニッケルシリサイド層４の表面に設けられている。第１金属層６の材料はニオブ（Ｎｂ）である。第１金属層６の厚みは、およそ１００ｎｍに調整されている。第１金属層６は、ニッケルシリサイド層４を形成する工程（熱処理）でニッケルシリサイド層４の表面に析出した炭素を除去する。具体的には、炭化珪素半導体層２に由来する炭素が第１金属層６に固溶し、第１金属層６が炭素を含む侵入型固溶体となる。なお、ニオブの原子半径は１．９８Åであり、炭素の原子半径は０．６７Åである。ニオブの原子半径は、およそ炭素の原子半径の３倍である。ニオブは、炭素を５ａｔ％以上含む侵入型固溶体を形成し得る。なお、ニオブのイオン化ポテンシャルは１５６ｋｃａｌ／ｍｏｌである。また、第１金属層６は、機械的強度が比較的に強い。例えば、背景技術で説明した窒化チタンと比較すると、第１金属層６の機械的強度は強い。このため、電極１２と炭化珪素半導体層２の接合強度が高くなる。

窒化物金属層８は、第１金属層６の表面に設けられている。窒化物金属層８の材料は窒化タンタル（ＴａＮ）である。窒化物金属層８の厚みは、およそ１００ｎｍに調整されている。窒化物金属層８は、電極１２を構成している銅が炭化珪素半導体層２に拡散することを防止する。窒化物金属層８は、バリアメタル層と評価することができる。なお、上記したように、第１金属層６は、イオン化ポテンシャルが１５６ｋｃａｌ／ｍｏｌであるニオブで構成されている。イオン化ポテンシャルが１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下の元素は、平衡状態図状で窒素（Ｎ）を５ａｔ％以上固溶することができる。第１金属層６の材料としてニオブを用いることにより、第１金属層６と窒化物金属層８の密着性も向上する。

第２金属層１０は、窒化物金属層８の表面に設けられている。第２金属層１０は、窒化物金属層８と電極１２の間に設けられており、窒化物金属層８と電極１２の双方に接している。第２金属層１０の材料もニオブである。第２金属層１０厚みは、およそ１００ｎｍに調整されている。上記したように、ニオブのイオン化ポテンシャルは１５６ｋｃａｌ／ｍｏｌである。第２金属層１０は、窒素を５ａｔ％以上固溶することができる。第２金属層１０の材料としてニオブを用いることにより、窒化物金属層８中の窒素が第２金属層１０に固溶する。第２金属層１０と窒化物金属層８の密着性が向上し、電極１２と窒化物金属層８の密着性が向上する。なお、図２に示す半導体装置１００ａのように、第２金属層１０は省略することもできる。

なお、第１金属層６の材料として、ニオブに代えて、単体のイットリウム，ジルコニウム，ハフニウム，タンタル、又は、ニオブ，イットリウム，ジルコニウム，ハフニウム，タンタルを主体（５０ａｔ％以上）とする合金を用いることもできる。また、第２金属層１０の材料として、ニオブに代えて、単体のスカンジウム，チタン，バナジウム，イットリウム，ジルコニウム，ハフニウム，タンタル、又は、ニオブ，スカンジウム，チタン，バナジウム，イットリウム，ジルコニウム，ハフニウム，タンタルを主体とする合金を用いることもできる。

上記金属元素の原子半径及びイオン化ポテンシャルを図８に示している。図８に示すように、第１金属層６として用いることが可能な金属は、原子半径が１．９Å以上であるとともにイオン化ポテンシャルが１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下である。また、第２金属層１０として用いることが可能な金属は、イオン化ポテンシャルが１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下である。

なお、第１金属層６の厚みは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であってよい。１０ｎｍ以上の場合、炭化珪素半導体層２に由来する炭素を十分に固溶することができる。２００ｎｍ以下の場合、第１金属層６の電気抵抗を低く抑えることができる。

また、電極１２の材料として、銅に代えて、銅を主体（５０ａｔ％以上）とする銅合金を用いることもできる。さらに、電極１２の材料として、銅に代えて、単体の銀、または、銀を主体（５０ａｔ％以上）とする銀合金を用いることもできる。また、窒化物金属層８の材料として、窒化タンタルに代えて、窒化チタン（ＴｉＮ）を用いることもできる。窒化タンタル及び窒化チタンは、電極１２に含まれる銅又は銀が炭化珪素半導体層２に拡散することを防止できる。

図３から図５を参照し、半導体装置１００の製造方法について説明する。まず、図３に示すように、炭化珪素半導体層２の表面にニッケル層１４を形成する。ニッケル層１４は、公知の真空蒸着法、スパッタリング法等を用いて形成することができる。次に、図４に示すように、炭化珪素半導体層２を、３％の水素を含む窒素雰囲気（Ｎ_２−３％Ｈ_２）で９００℃で３０分間熱処理する。熱処理は、電気炉、レーザ等を用いて行うことができる。熱処理によって、ニッケル層１４がシリサイド化され、ニッケルシリサイド層４が形成される。なお、熱処理は、５００〜１２００℃で行ってよい。

次に、ニッケルシリサイド層４の表面をエッチングし、シリサイド化の過程（熱処理）でニッケルシリサイド層４の表面に析出した炭素を除去する。エッチングは、逆スパッタリング法等の物理的エッチング法等、公知の技術を利用することができる。

次に、図５に示すように、ニッケルシリサイド層４の表面に、常温（室温）で、第１金属層６、窒化物金属層８及び第２金属層１０を形成する。これにより、炭化珪素半導体層２の表面に接合層２０が形成される。ニッケルシリサイド層４の表面に第１金属層６を形成することにより、ニッケルシリサイド層４の表面に残存していた炭素が第１金属層６に固溶し、ニッケルシリサイド層４と第１金属層６の界面の炭素が除去される。また、窒化物金属層８に含まれる窒素も、第１金属層６に固溶される。その後、接合層２０の表面に電極１２を形成することにより、図１に示す半導体装置１００が完成する。なお、第１金属層６、窒化物金属層８及び第２金属層１０を形成するときに、雰囲気温度を室温以上、例えば、室温〜５００℃に調整してもよい。なお、第１金属層６、窒化物金属層８及び第２金属層１０は、スパッタリング、イオンプレーティング法等、飛来粒子が大きな運動エネルギーを持つ方法で成膜されることが好ましい。

なお、ニッケル層１４の表面に第１金属層６を形成した後に、ニッケル層１４をシリサイド化（熱処理）してもよい。また、ニッケル層１４の表面に第１金属層６，窒化物金属層８及び第２金属層１０を形成した後に、ニッケル層１４をシリサイド化してもよい。あるいは、ニッケル層１４の表面に第１金属層６，窒化物金属層８，第２金属層１０及び電極１２を形成した後に、ニッケル層１４をシリサイド化してもよい。いずれの場合も、シリサイド化（熱処理）に伴なって生じた炭素は、第１金属層６に固溶される。また、半導体装置１００ａ（図２）を形成する場合、第２金属層１０を省略し、窒化物金属層８の表面に電極１２を形成してよい。

（実験例）
接合層２０の構造が異なる半導体装置１００（試料１〜７）を作成し、冷熱サイクル試験を行い、試験後の電極１２の剥離の有無、接合層２０内のボイドの有無について評価した。本実験例で用いた半導体装置１００の特徴を図７に示す。なお、冷熱サイクル試験は、図６に示す試験体２００を用いて行った。試験体２００は、５μｍのすず（Ｓｎ）が被覆された銅板３０上に電極１２が接する状態で半導体装置１００を積層し、Ｎ_２−３％Ｈ_２雰囲気で３５０℃で５分間加熱し、電極１２−銅板３０間にＣｕ−Ｓｎ化合物３２を生成させ、半導体装置１００と銅板３０を接合させて作成した。以下、試料１〜７について説明する。

試料１について説明する。まず、５ｍｍ×５ｍｍ，厚さ１ｍｍの炭化珪素チップの表面にスパッタリングにより２０ｎｍのニッケル膜を成膜し、９００℃で３０分間加熱することにより、炭化珪素チップの表面にニッケルシリサイド膜を成膜した。次に、ニッケルシリサイド膜の表面を逆スパッタリングを利用してエッチングし、ニッケルシリサイド膜の表面をクリーニング（析出炭素の除去）した。その後、スパッタリングを利用して、ニッケルシリサイド膜の表面に膜厚１００ｎｍのＮｂ（第１金属層）、膜厚１００ｎｍのＴａＮ（窒化物金属層）、膜厚１００ｎｍのＮｂ（第２金属層）、膜厚５μｍのＣｕ（電極）をこの順に成膜した。その後、５μｍのすずが被覆された銅板３０上に半導体装置１００を積層し、Ｎ_２−３％Ｈ_２雰囲気で３５０℃で５分間加熱した。

他の試料（試料２〜７）について説明する。試料２は、試料１のＮｂ（第１金属層，第２金属層）に代えて、Ｈｆを用いた。試料３は、試料１のＮｂ（第１金属層，第２金属層）に代えて、Ｔａを用いた。試料４は、ＴａＮ（窒化物金属層）の表面に直接Ｃｕ（電極）を成膜した。すなわち、試料４は、第２金属層を省略した。試料４の他の構成は試料１と同一とした。試料５は、炭化珪素チップの表面に、ニッケル膜、Ｎｂ（第１金属層）、ＴａＮ（窒化物金属層）、Ｎｂ（第２金属層）Ｃｕ（電極）を成膜した後に、ニッケル膜のシリサイド化（９００℃、３０分間の熱処理）を行った。試料６は、ニッケルシリサイド膜の表面に直接ＴａＮ（窒化物金属層）を成膜した。すなわち、試料６は、第１金属層を省略した。試料６の他の構成は試料１と同一とした。試料７は、試料１のＮｂ（第１金属層）に代えて、Ｎｉを用いた。

冷熱サイクル試験について説明する。試験体２００を２００℃で３０分間加熱し、−４０℃で３０分間冷却する処理を１サイクルとし、この処理を１００サイクル行った。１００サイクル終了後の半導体装置１００について、表面からの超音波顕微鏡による観察、断面の走査顕微鏡による観察を行い、剥離、ボイド等の有無を確認した。結果を図７に示す。

図７に示すように、ニッケルシリサイド層の表面に第１金属層としてＮｂ，Ｈｆ又はＴａを設けた試料（試料１〜５）は、剥離及びボイドが確認されなかった。Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａの原子半径は１．９Å以上である（図８も参照）。一方、ニッケルシリサイド層の表面に第１金属層を設けなかった試料（試料６）は、ニッケルシリサイド層とＴａＮ（窒化物金属層）の間に剥離が観察された。また、ニッケルシリサイド層の表面に第１金属層としてＮｉを設けた試料（試料７）は、ＮｉとＴａＮの間に剥離が観察された。Ｎｉの原子半径は１．４９Å（１．９Å未満）である。この結果は、ニッケルシリサイド膜の表面に原子半径が１．９Å以上の金属層（第１金属層）を設けることにより、シリサイド化に伴って生じる炭素が第１金属層に固溶し、ニッケルシリサイド層と第１金属層の界面に炭素が残存していないことを示している。

また、シリサイド化（熱処理）のタイミングは、ニッケル層の表面に第１金属層を作成する前（試料１）であっても、ニッケル層の表面に第１金属層を作成した後（試料５）であっても、シリサイド化に伴って生じる炭素は第１金属層に固溶されることが確認された。なお、試料１及び試料５の結果より、ニッケルシリサイド膜の表面をエッチング等を利用してクリーニングする（析出炭素の除去）工程は必須でないことが分かる。また、試料１及び試料４の結果より、第２金属層も必須でないことが分かる。

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。

２：炭化珪素半導体層
４：ニッケルシリサイド層
６：第１金属層
８：窒化物金属層
１０：第２金属層
１２：電極
１００：炭化珪素半導体装置

Claims (5)

1. 炭化珪素半導体装置であり、
   炭化珪素半導体層と、
   前記炭化珪素半導体層の表面に設けられているニッケルシリサイド層と、
   前記ニッケルシリサイド層の表面に設けられており、原子半径が１．９Å以上であるとともにイオン化ポテンシャルが１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下の第１金属を主体とする第１金属層と、
   前記第１金属層の表面に設けられている窒化物金属層と、
   前記窒化物金属層と前記第１金属層と前記ニッケルシリサイド層を介して前記炭化珪素半導体層に接合される電極と、
   を備えている炭化珪素半導体装置。
2. 前記第１金属は、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、タンタルから選択される金属である請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
3. 前記窒化物金属層と前記電極の間に設けられており、前記窒化物金属層と前記電極の双方に接しており、イオン化ポテンシャルが１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下の第２金属を主体とする第２金属層が設けられている請求項１または２に記載の炭化珪素半導体装置。
4. 前記第２金属は、スカンジウム、チタン、バナジウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、タンタルから選択される金属である請求項３に記載の炭化珪素半導体装置。
5. 炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
   炭化珪素半導体層の表面にニッケル層を形成する工程と、
   前記炭化珪素半導体層を熱処理する工程と、
   熱処理後の前記炭化珪素半導体層の表面に、原子半径が１．９Å以上であるとともにイオン化ポテンシャルが１６０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下の第１金属を主体とする第１金属層を形成する工程と、
   前記第１金属層の表面に窒化物金属層を形成する工程と、
   前記窒化物金属層と前記第１金属層と前記ニッケル層を介して前記炭化珪素半導体層に電極を接合する工程と、
   を備える製造方法。

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