JP2878887B2 - 半導体電極構造体 - Google Patents

半導体電極構造体

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semiconductor
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体電極構造体、特
に半導体基板をその配設台にＰｂ−Ｓｎ半田付けにより
接合するための半導体電極構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年の半導体技術の進歩に伴い、各種の
半導体デバイスが開発されている。そして、このような
半導体デバイスにとって、外部との電気的な接続をいか
に行うかが非常に重要な問題である。なぜなら、半導体
デバイスに所望の動作を行わせるためには、電気的な接
続を行うための電極を設けることが必須であるが、しか
し、リード線等の接続によって、不純物が拡散したりす
るとデバイスが十分動作しなくなり、また半導体との電
気的な接続が十分でないと信号の伝達が不十分になり、
いずれにしてもデバイスの性能が十分でなくなってしま
うからである。
【０００３】従来より、このような半導体デバイスの電
気的な接続を行う構造として、半導体基板を配設台に接
合して外部と電気的に接続することが行われている。こ
の場合、半導体基板の裏面にＣｒまたはＴｉ層、Ｎｉ層
を順次二層形成し、これらの電極層を半田層を介して配
設台に接合することが行われている。この場合、Ｃｒま
たはＴｉ層は半導体とのコンタクト層、Ｎｉ層は半田中
の錫の半導体基板側への拡散防止層の役割を担ってい
る。この構成により、十分な電気的な接続を維持しなが
ら、不純物（半田中の錫）の半導体基板への拡散を防止
することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年の
半導体技術の進歩に伴い、より精度の高い動作を達成す
るために、高い比抵抗を有するＳｉウエハに対し、より
低抵抗で電気的接続が可能な電極構造が求められるよう
になり、上記の電極構造では接触抵抗が大きくなってし
まい、電気的抵抗の十分低いオーミックな接続が行えな
いという問題点があった。
【０００５】一方、半導体と金属の境界における電気的
障壁（ショットキーバリア）の高さの低い材料である希
土類金属または希土類金属シリサイドは、Ｃｒまたは金
属より接触抵抗が小さいことは公知である（Applied Ph
ysics Letters 36,594(1980).,Applied Physics Letter
s 38,626(1981)。等）。しかしながら、これらの金属ま
たはそのシリサイドは非常に酸素と反応しやすく、すぐ
に酸化されるので通常の電極構造体に使用不可能であっ
た。さらに、半田中の錫の半導体側への拡散防止層とし
てＴｉＷ、Ｗ層を採用し希土類金属または希土類金属シ
リサイドの酸化を防止することが考えられるが、この電
極は半田のぬれ性が悪く、このままでは利用することが
できなかった。
【０００６】また、従来技術であるＣｒ／Ｎｉ／Ａｕの
電極構造から、希土類金属／Ｎｉ／Ａｕの電極構造が考
えられる。しかしながら、この構造においては、半田と
の接合性及び錫の拡散防止の効果はあるものの、Ｎｉ自
身が希土類金属及び半導体中へ２５０℃程度の熱処理に
より拡散し反応してしまうという欠点を有し、熱的に安
定して接触抵抗を低く保つことができず、到底実用技術
として採用することができなかった。
【０００７】さらに、拡散防止層として鉄合金を用いた
Ｆｅシリサイド／Ｆｅ／Ｆｅ−Ｓｎの電極構造も従来よ
り提案されている（特開昭６３−６０５３７号公報）。
しかし、この電極では、Ｆｅより錫の拡散を効果的に防
止できるが、半導体との接触抵抗を十分低くすることが
できず、高い比抵抗を有するＳｉウエハに対し十分低抵
抗で接合することができないという問題点があった。
【０００８】発明の目的 本発明の目的は、比抵抗の高い半導体基板に対し接触抵
抗が十分低くかつ半田中の錫の拡散を防止しつつ半田接
合性も優れ、かつ熱的安定性にも優れた半導体電極構造
体を提供することにある。
【０００９】着眼点 本発明者らは、まず接触抵抗の低い希土類金属または希
土類金属シリサイドに着目し、これら金属の酸化を防止
しつつ、かついかに低接触抵抗を保つかについて鋭意検
討した。つまり、希土類金属または希土類金属シリサイ
ドは、ＣｒまたはＴｉ金属に比べショットキーバリヤー
高さが低いので、一桁接触抵抗が小さくすることができ
る。しかし、そのままでは酸化しやすくかつＮｉ等の金
属と反応しやすいので、これについての対策を講じる必
要がある。
【００１０】そこで、希土類金属または希土類金属シリ
サイド層またはそれらの複合物からなるコンタクト層と
組み合わせるための拡散防止層として、１）希土類金属
または希土類金属シリサイドと接合強度が強くかつ相互
拡散しにくい、２）半田との接合性に優れかつ錫の拡散
を防止できる、の条件を満足する金属を採用することを
考えた。
【００１１】そして、系統的実験を重ねた結果、鉄含有
金属を見いだした。つまり、鉄含有金属は錫の拡散を防
止するだけでなく、希土類金属層または希土類金属シリ
サイド層との組み合わせにおいて高温においても鉄自身
半導体基板側へ拡散せず、接触抵抗を低く保つことがで
きる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体電極構造
体は、半導体基板と該基板上に形成した希土類金属膜ま
たは希土類金属シリサイド膜またはそれらの複数膜から
なるコンタクト層と、該コンタクト層上に形成した鉄含
有金属薄膜からなる拡散防止層と、該拡散防止層上に形
成した鉛及び錫を主成分とする半田層を有することを特
徴とする。
【００１３】ここで、半導体基板は、Ｓｉ、Ｇｅ等であ
り、コンタクト層は、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ等の希土類
金属またはその希土類金属シリサイドまたはそれらの複
合物を主成分とし、不純物としては酸素を２０ａｔ％
（７重量％）まで含むものでもよい。
【００１４】また、コンタクト層は、希土類金属または
希土類金属シリサイド、またはそれらの複合物を主成分
とするものが好適であり、不純物として、Ｃａ＜１％、
Ｍｇ＜１％、Ｆｅ＜１％、Ｚｎ＜０．０１％、Ｓｉ＜
０．０１％、Ａｌ＜０．０１％、Ｏ＜７％をそれぞれ重
量％として含んでもよい。
【００１５】さらに、コンタクト層として機能するため
の膜厚は１０ｎｍ以上が好適であり、それより薄いと均
一とならず部分的に直接半導体と拡散防止層が接し接触
抵抗が大きくなってしまう。また、１０００ｎｍより厚
いと層中の応力によって層が剥離する場合がある。
【００１６】また、拡散防止層は鉄を主成分として、不
純物として、Ｃ＜０．２％，Ｓｉ＜０．５％，Ｍｎ＜１
％，Ｐ＜０．０３％，Ｓ＜０．０３％，Ｃｒ＜２％，Ｍ
ｏ＜０．５％の条件また膜厚が５０ないし２０００ｎｍ
の条件を満すことが好適であり、これにより十分な錫等
の拡散防止の機能を果す。なお、不純物が上記の条件以
上であると、その不純物がコンタクト層中へ拡散し接触
抵抗を大きくしてしまう。また、膜厚が５０ｎｍ以下で
あると半田中の錫がコンタクト層へ拡散し、２０００ｎ
ｍ以上であると応力によって剥離する場合がある。
【００１７】さらに、本発明の半導体電極構造体は、例
えば次のようにして製造できる。まず、シリコン基板を
スパッタ、蒸着等の物理的成膜装置内にセットし、真空
度が５×１０-6ｔｏｒｒ以下になるまで真空排気する。
次に、コンタクト層、拡散防止層を順に作製する。例え
ば、スパッタ法により成膜する場合には、希土類金属タ
ーゲットを用い、スパッタガスＡｒ、ガス圧５×１０-3
ｔｏｒｒ、基板温度３００℃等の条件下で、希土類金属
膜または希土類金属シリサイド膜、またはそれらの複合
膜を作製し、さらに同一成膜装置内において鉄含有金属
ターゲットを用い鉄含有金属薄膜を作製する。その後、
成膜装置からシリコン基板を取り出し、配設台に対しＰ
ｂ−Ｓｎ系半田によってすみやかに接合し、本発明の半
導体電極構造体を得ることができる。
【００１８】そして、本発明の半導体電極構造体におい
ては、拡散金属層として鉄含有金属層を用いている。こ
の鉄含有金属は、半田中の錫が半導体基板側へ拡散する
ことを防止する機能に加え、希土類金属膜または希土類
金属シリサイド膜との組み合わせにおいて鉄自身が希土
類金属膜または希土類金属シリサイド膜側へ拡散しな
い。その結果、本発明の半導体電極構造体は、高温にお
いても安定であり、耐熱性に優れている。
【００１９】このように、鉄含有金属からなる拡散防止
層を設けることによって、半導体基板と希土類金属膜ま
たは希土類金属シリサイド膜の界面は４５０℃程度の高
温下でも保存され、良好なオーム性を優し、かつその熱
的安定性にも優れた電極構造体を得ることができる。
【００２０】
【発明の効果】本発明の半導体電極構造体は、半導体基
板と該基板上に形成した希土類金属膜または希土類金属
シリサイド膜、またはそれらの複合膜からなるコンタク
ト層と、該コンタクト層上に形成した鉄含有金属膜から
なる拡散防止層と、該拡散防止層上に形成した鉛及び錫
を主成分とする半田層とからなるので、半田層により配
設台を接合することにより、比抵抗の大きい半導体基板
に対しても、接触抵抗が十分小さくかつ半田接合性も優
れ、強い接合力で結合した電極を得ることが可能とな
る。さらに、４５０℃までの温度範囲においてオーム性
及び接合性は劣化しない。例えば、０．０１Ωｃｍの比
抵抗を有するｎタイプシリコンに対しても２×１０-4Ω
ｃｍ2 より低い接触抵抗値を得ることができ、かつ−３
０℃から４５０℃の範囲においてもオーム性は劣化しな
いという効果が得られる。
【００２１】
【実施例】以下に、本発明の実施例について図面に基づ
いて説明する。
【００２２】第１実施例 図１には、第１実施例の半導体電極構造が示されてい
る。半導体装置に使用される単結晶シリコンからなる半
導体基板１０に、イットリウムからなるコンタクト層１
２と、鉄からなる拡散防止層１４とが形成され、これが
鉛錫系半田１６を介して配設台１８に接合されている。
シリコン基板１０は、Ｐ（リン）ドープｎ型（１００）
ウエハーで、比抵抗０．０１Ωｃｍである。また、コン
タクト層１２は、１００ｎｍ、拡散防止層１４は２００
ｎｍの厚さで作製された。
【００２３】本第１実施例の半導体電極は、以下のよう
に作製された。まず、シリコン基板１０をスパッタ成膜
装置内でセットした。真空度が５×１０-6ｔｏｒｒ以下
になるまで真空排気したあと、イットリウムターゲット
を用いＤＣスパッタ法により、スパッタガスＡｒ、ガス
圧５×１０-3ｔｏｒｒ、基板温度３００℃の条件でイッ
トリウム薄膜（コンタクト層１２）を作製し、さらに同
一成膜装置内において鉄ターゲットを用い鉄薄膜（拡散
防止層１４）を作製した。その後、成膜装置からシリコ
ン基板１０を取り出し、すみやかに配設台１８にＰｂ−
Ｓｎ系半田層１６によって接合し、本発明の半導体電極
構造体を得た。なお、スパッタ法だけでなく真空蒸着
法、イオンプレーティング法を用いても本発明の半導体
電極構造体が得られることは確認されている。
【００２４】作製された半導体電極構造体の接触抵抗値
を測定したところ、１×１０-4Ωｃｍ2 であった。さら
に、半導体電極構造体の耐熱性評価試験を実施した。第
１表には熱処理温度とその温度での耐熱試験後の接触抵
抗値を示す。
【００２５】
【表１】 この表１より明らかなように、第１実施例の半導体電極
構造体は、２００〜５００℃の熱処理後においても１．
０×１０-4〜２．１×１０-4Ωｃｍ2 と低い接触抵抗で
あり、安定したオーム性（低抵抗）を有していることが
わかる。特に、４５０℃以下の熱処理においては、２×
１０-4Ωｃｍ2 以下の接触抵抗を得られる。一方、本実
施例においてコンタクト層１２としてイットリウムの代
わりにＥｕ、Ｃｅ等希土類金属を用いても、イットリウ
ムを用いた場合と同様の性能（接触抵抗値及びその熱的
安定性）を得ることができた。
【００２６】また、比較例として鉄の代わりにニッケル
を用いた電極構造体における耐熱性評価試験結果も合わ
せて示す。第１表に示されるように接触抵抗値が一桁以
上も増加しており、オーム性が劣化していることがわか
る。
【００２７】第２実施例 本発明の第２実施例を図２に示す。単結晶シリコンから
なる半導体基板２０にイットリウムシリサイド膜からな
るコンタクト層２２、鉄合金膜からなる拡散防止層２
４、金層２６が形成され、鉛錫系半田層２８を介して配
設台３０へと接合されている。この第２実施例の半導体
電極構造を得る場合は、第１実施例の場合と同一のスパ
ッタ装置内を利用して第１実施例と同様の条件で、半導
体基板２０上にコンタクト層（イットリウムシリサイド
膜）２２、拡散防止層（鉄合金膜）２４、金層２６を順
次形成した。その後、成膜装置から三層が形成してある
半導体基板２０を取り出し、一週間空気中に放置した。
【００２８】この第２実施例の場合には、拡散防止層２
４の上に金層２６が設けられている。そして、この金層
２６が酸化防止のための保護膜として機能を有している
ので、第１実施例のようにすぐに半田接合する必要はな
い。このため、金層までの三層を形成した状態で一週間
放置した後、鉛錫系半田２８を介して配設台３０へと接
合し、第２実施例の半導体電極構造体を得た。
【００２９】第１実施例と同様に、電極構造体の接触抵
抗を測定し、さらにその耐熱性評価試験を実施した。そ
の結果を第２表に示す。
【００３０】
【表２】 この表２からも明らかなように、本第２実施例の半導体
電極構造体は、２００〜５００℃の熱処理後も１．０×
１０-4〜３．２×１０-4Ωｃｍ2 と低い接触抵抗で、安
定したオーム性を有していることがわかる。特に、４５
０℃以下の熱処理においては、２×１０-4Ωｃｍ2 以下
の接触抵抗を得られる。
【００３１】また、第２表には、比較例として、従来技
術であるＣｒ／Ｎｉ／Ａｕ層を半導体基板２０上に作製
した電極構造体の接触抵抗及びその耐熱性の結果もあわ
せて示す。第２表に示されるように実施例にくらべ一桁
接触抵抗が大きく、比抵抗の大きい半導体基板に対して
良好なオーム性を示さないことが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の半導体電極構造体の断面図であ
る。
【図２】第２実施例の半導体電極構造体の断面図であ
る。
【符号の説明】
１０、２０ 半導体基板 １２、２２ コンタクト層 １４、２４ 拡散防止層 ２６ 金層 １６、２８ 鉛及び錫を主成分とする半田層 １８、３０ 配設台
フロントページの続き (72)発明者 多賀 康訓 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/52 H01L 21/58

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板と、該基板上に形成した希土
    類金属膜または希土類金属シリサイド膜またはそれらの
    複合膜からなるコンタクト層と、該コンタクト層上に形
    成した鉄含有金属薄膜からなる拡散防止層と、該拡散防
    止層上に形成した鉛及び錫を主成分とする半田層と、を
    有することを特徴とする半導体電極構造体。
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