JP3858693B2

JP3858693B2 - 半導体素子の製造方法

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Publication number: JP3858693B2
Application number: JP2001400012A
Authority: JP
Inventors: 久永高野; 信之伊藤
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: TW586226B; TW200401447A; JP2003197924A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ショットキバリア電極を備えた半導体素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング素子等として、ショットキ接合を用いるショットキバリアダイオードが広く使用されている。ショットキバリアダイオードは、半導体基板と、半導体基板の一面上に開口を有して形成されたシリコン系絶縁膜と、開口を介して半導体基板の一面に電気的に接続されたアノード電極（ショットキバリア電極）と、半導体基板の他面上に設けられて半導体基板にオーミック接触するカソード電極と、を備える。
【０００３】
ショットキバリア電極は、半導体基板の一面との界面に所定のバリアハイトを有するショットキ障壁を形成する。ショットキ障壁のバリアハイトは、ショットキバリア電極を構成する金属膜の材料によってその大きさが決定される。従って、ショットキバリア電極を構成する金属材料は、所望するバリアハイトの大きさに応じて適宜選択される。
【０００４】
ここで、所望のバリアハイトを有するショットキ障壁を形成するため、例えば、パラジウム（Ｐｄ）等のシリコン系絶縁膜との密着性が低い材料を用いる場合がある。このような場合、図４に示すような、ショットキバリア電極を複数の金属膜から構成する構造が採用される。
【０００５】
図４に示すショットキバリアダイオード１００のショットキバリア電極１０１は、絶縁膜１０２のコンタクト開口１０３内で半導体基板１０４に接する薄膜の金属膜（バリア金属膜１０５）と、バリア金属膜１０５の表面を含む半導体基板１０４の一面上に形成された金属膜（オーバーオキサイド膜１０６）と、オーバーオキサイド膜１０６上に形成された金属膜（電極金属膜１０７）と、から構成される。
【０００６】
図４に示す構成では、オーバーオキサイド膜１０６は、絶縁膜１０２（シリコン酸化膜）と密着性が高い金属、例えば、チタン（Ｔｉ）から構成される。また、電極金属膜１０７は、ワイヤボンディング等が良好に行える金属、例えば、アルミニウム（Ａｌ）から構成される。オーバーオキサイド膜１０６は、金属であるＡｌとの密着性も高く、これにより、ショットキバリア電極１０１全体として、絶縁膜に対する高い密着性が得られる。
【０００７】
上述したようなショットキバリア電極を構成するバリア金属膜は、例えば、リフトオフ法あるいは超音波剥離法を用いて形成される。
リフトオフ法を用いる場合、まず、半導体基板を用意し、その一面上にコンタクト開口を備える絶縁膜を形成する。次いで、半導体基板の一面上にレジスト膜を形成し、コンタクト開口と通じる開口を形成する。さらに、半導体基板に一面上にバリア金属膜を構成するＰｄ等の金属膜を形成する。最後に、レジスト膜上に形成された金属膜をレジスト膜とともに除去する。これにより、コンタクト開口内に選択的にバリア金属膜が形成される。
【０００８】
また、超音波剥離法によれば、まず、半導体基板を用意し、その一面上にコンタクト開口を備える絶縁膜を形成する。次いで、半導体基板の一面上にバリア電極を構成する金属膜を形成する。続いて、半導体基板を水または有機溶媒中に浸積させ、超音波振動を印加する。超音波振動の印加により、絶縁膜と半導体基板とに対する密着性の違いから、絶縁膜との密着性が低い絶縁膜上の電極膜が剥離し、除去される。これにより、コンタクト開口内に選択的にバリア金属膜が形成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような複数の金属膜が積層されたショットキバリア電極を形成する方法には、以下のような問題がある。例えば、上記した方法は超音波装置を使用するなど、一般に工程が煩雑となる。また、リフトオフ法を用いる場合、レジスト膜上に金属膜の成膜を行うため、成膜装置の内部が汚染されやすく、処理の信頼性が低下するおそれがある。また、超音波剥離法を用いる場合、超音波処理によって絶縁膜から剥離した金属粒子が半導体基板や金属膜上に再付着等して、処理の信頼性が低下する場合がある。
【００１０】
このように、従来、絶縁膜との密着性が低いバリア電極を備えたショットキバリア電極を有する半導体素子の製造方法は、工程が煩雑であり、また、信頼性の高い半導体素子が得られない場合があった。
【００１１】
上記事情を鑑みて、本発明は、簡便かつ信頼性の高いショットキバリア電極を備えた半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る半導体素子の製造方法は、
シリコンを含む半導体基板の一面と接触するように設けられ、前記半導体基板の一面との間にショットキ障壁を形成するショットキバリア電極を備えた半導体素子の製造方法であって、
前記半導体基板の一面上に、開口を有するシリコン系絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、第１の金属を含む第１の金属層と、第２の金属を含む第２の金属層と、を順に形成する工程と、
前記第２の金属層に含まれる前記第２の金属を、前記第１の金属層を介して前記半導体基板の表面領域に熱拡散させ、前記開口を介して前記第１の金属層と接し、前記第２の金属のシリサイドを含む第３の金属層を形成する熱拡散工程と、
熱拡散後の前記半導体基板の一面上に、外部電極に接続される、第３の金属を含み、前記第１の金属層と、前記第３の金属層とともにショットキバリア電極を構成する第４の金属層を形成する工程と、
を備え、
前記熱拡散工程では、前記第３の金属層を形成すると同時に、前記半導体基板に含まれるシリコンを前記第１の金属層へ拡散させる、ことを特徴とする。
【００１３】
上記構成の方法によれば、ショットキバリア電極のバリア金属層（第３の金属層）を、第１の金属層を介した半導体基板の表面領域への熱拡散により形成している。このように第１の金属層を介して拡散させることにより、汚染等が防がれた、信頼性の高いバリア金属層が得られる。
【００１４】
上記構成において、前記熱拡散工程では、前記第３の金属層を形成すると同時に、前記半導体基板に含まれるシリコンを前記第１の金属層へ拡散させてもよい。すなわち、第１の金属層をシリサイド化することにより、処理工程における第１の金属層、例えば、チタン層の酸化は防がれ、酸化による電気抵抗を増大を低減させることができる。さらに、シリサイド化により、第１の金属層と、絶縁膜との密着性が向上される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態にかかる半導体素子について、以下図面を参照して説明する。本実施の形態では、本発明をショットキバリアダイオードに適用した例について説明する。
【００２０】
図１は、本実施の形態にかかる半導体素子１１の断面図を示す。図１に示すように、半導体素子１１は、半導体基板１２と、半導体基板１２の一面に設けられ、アノード電極を構成するショットキバリア電極１３と、半導体基板１２の他面に設けられたカソード電極１４と、を備える。
【００２１】
半導体基板１２は、例えば、略方形のシリコン単結晶基板から構成され、半導体基板１２の一面を構成する相対的に不純物濃度の低いＮ型の第１半導体領域１５と、半導体基板１２の他面を構成する相対的に不純物濃度の高いＮ型の第２半導体領域１６と、から構成されている。ここで、第２半導体領域１６は、シリコン単結晶基板から構成される第１半導体領域１５上に、エピタキシャル成長により形成しても良い。
【００２２】
半導体基板１２の一面上には絶縁膜１７が形成されている。絶縁膜１７はシリコン系膜から構成され、例えば、熱酸化等によって形成されたシリコン酸化膜から構成される。絶縁膜１７は、半導体基板１２の略中央に、その内側に第１半導体領域１５が露出するように形成されたコンタクト開口１８を有する。
【００２３】
ショットキバリア電極１３は、第１金属層１９と、第２金属層２０と、第３金属層２１と、から構成される。
【００２４】
第１金属層１９は、パラジウム（Ｐｄ）シリサイドを主成分として構成されている。第１金属層１９は、コンタクト開口１８内に露出するように、第１半導体領域１５の表面領域に形成されている。第１金属層１９は、後述するように、シリコン半導体基板１２（第１半導体領域１５）の表面領域へのＰｄの熱拡散によって形成される。
【００２５】
第１金属層１９は、半導体基板１２と電気的に接続され、半導体基板１２表面との界面にショットキ障壁を形成するバリア金属層として機能する。ショットキ障壁のバリアハイトは、第１金属層１９の厚さを調製することにより、所望の大きさとされる。第１金属層１９は、例えば、２０ｎｍ程度の厚さで設けられている。このように、第１金属層１９は極薄の膜であり、パラジウムシリサイドを含む「拡散領域」とも呼べるものである。
【００２６】
第２金属層２０は、チタン（Ｔｉ）シリサイドを主成分として構成されている。第２金属層２０は、絶縁膜１７の表面およびコンタクト開口１８内の第１金属層１９の表面を含む、半導体基板１２の一面上に設けられている。第２金属層２０はコンタクト開口１８を介して第１金属層１９に接触し、電気的に接続されている。
【００２７】
第２金属層２０は、Ｐｄを含んで構成される第１金属層１９のシリコン系絶縁膜１７との低い密着性を補完するために設けられている。Ｔｉを含む第２金属層２０は、金属膜およびシリコン系膜と密着性が高い。第２金属層２０は、第１金属層１９の表面と、少なくとも第１金属層１９の周囲の絶縁膜の表面と、を被覆し、双方に高い密着性で密着する。
【００２８】
第２金属層２０は、後述するように、半導体基板１２に含まれるシリコン（Ｓｉ）のＴｉ層への熱拡散によって形成される。ここで、熱拡散は、第２金属層２０のシリサイド化が、絶縁膜１７上のＴｉ層においても可能な程度で行われる。
【００２９】
第２金属層２０の形成（Ｔｉシリサイドの形成）は、上述した第１金属層１９の形成（Ｐｄシリサイドの形成）と同一の熱処理（熱拡散）工程で行われる。具体的には、熱処理は、半導体基板１２の一面上に形成されたＴｉ層上にＰｄ層を積層した後に行われる。このとき、ＰｄはＴｉ層を通過して半導体基板１２に向かい、一方、半導体基板１２のＳｉがＴｉ層へと向かう。このようにして、Ｔｉ層におけるシリサイドの形成（第２金属層２０の形成）と、半導体基板１２の表面領域におけるＰｄシリサイド領域の形成（第１金属層１９の形成）と、が同時に進行する。ここで、熱処理後の第２金属層２０はＰｄをほとんど含んでいない。
【００３０】
第３金属層２１はアルミニウムから構成されている。第３金属層２１は、第２金属層２０上に真空蒸着等により形成される。第３金属層２１は、第１金属層１９および第２金属層２０を介して半導体基板１２に電気的に接続される。第２金属層２０を構成するＴｉは、シリコン系絶縁膜１７との密着性は高いものの、ワイヤボンディングに適する材料ではない。第３金属層２１は、これを補完するために設けられ、ワイヤボンディングに適した材料（アルミニウム）から形成されている。第３金属層２１の表面には、ワイヤボンディング等により端子等が接続される。ここで、Ｔｉシリサイドとして形成される第２金属層２０は、通常のＴｉ層よりも、シリコン系膜に対する高い密着性を有する。
【００３１】
以上のように第１〜第３金属層１９〜２１を積層して構成することにより、所望のバリアハイトを有するとともに、絶縁膜１７との高い密着性を有し、かつ、信頼性の高いボンディングの可能なショットキバリア電極１３が得られる。すなわち、シリコン系膜との密着性が低いＰｄを用いた場合でも、ショットキバリア電極１３全体の半導体基板１２および絶縁膜１７に対する高い密着性が得られ、ワイヤボンディング等に適した信頼性の高い半導体素子１１が得られる。
【００３２】
カソード電極１４は、チタン、ニッケル、パラジウムおよび銀を順次積層して構成される。カソード電極１４は、第２半導体領域１６上に真空蒸着等により形成される。カソード電極１４には、外部電極端子等がはんだ付けされる。
【００３３】
以下、本実施の形態の半導体素子１１の製造方法について、図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ｅ）および（ｆ）を参照して説明する。
【００３４】
まず、一面に相対的に不純物濃度の低いＮ型半導体領域１５と、他面に相対的に不純物濃度の高いＮ型半導体領域１６と、を備えた半導体基板１２を用意する。次いで、熱酸化等によって半導体基板１２の他面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１７を形成する。絶縁膜１７は、例えば、１μｍ程度の厚さで形成される。さらに、絶縁膜１７をパターニングして、図２（ａ）に示すように、コンタクト開口１８を形成する。
【００３５】
続いて、図２（ｂ）に示すように、真空蒸着等により、絶縁膜１７を含む半導体基板１２の他面上にＴｉ層２２を形成する。Ｔｉ層２２は、例えば、５０ｎｍ〜１５０ｎｍの厚さで形成する。次に、図２（ｃ）に示すように、Ｔｉ層２２上にＰｄ層２３を真空蒸着等により形成する。Ｐｄ層２３は、例えば、５００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の厚さで設けられる。
【００３６】
続いて、Ｔｉ層２２と、Ｐｄ層２３と、が積層された半導体基板１２に、例えば、６００℃程度の温度で、例えば、４０分程度の時間、熱処理を施す。このとき、Ｔｉ層２２上のＰｄ層２３から、ＰｄがＴｉ層２２を通って半導体基板１２の表面領域まで拡散する。Ｐｄは、半導体基板１２の表面領域のシリコン（Ｓｉ）と反応し、これにより、コンタクト開口１８内の、Ｔｉ層２２と半導体基板１２表面との間にＰｄシリサイド層（第１金属層１９）が形成される。また、これと同時に、半導体基板１２中のＳｉがＴｉ層２２中に拡散し、Ｔｉ層２２はＴｉシリサイド層（第２金属層２０）に変化する。なお、絶縁膜１７の端部の幅は、Ｔｉ層２２がその端部においてもシリサイド化されるように、十分に小さく設定されている。但し、絶縁膜１７上のＴｉ層２０上では、Ｐｄシリサイド層１９上のＴｉ層２０に比べてシリサイド化の程度は低い。
【００３７】
ここで、熱処理は、Ｐｄ層２３のほぼ全体が半導体基板１２側に拡散し、Ｔｉ層２２上のＰｄ層２３が実質的に残存しないように行われる。熱処理の結果、図２（ｄ）に示すように、Ｐｄ層２３は実質的に消失し、半導体基板１２の他面上に、Ｐｄシリサイド層（第１金属層１９）と、Ｔｉシリサイド層（第２金属層２０）と、が積層された状態が得られる。なお、熱処理後に、Ｔｉ層２２上にＰｄ層２３が残存していてもよい。
【００３８】
次いで、図３（ｅ）に示すように、Ｔｉシリサイド層の上にＡｌ層を真空蒸着等により形成する。Ａｌ層（第３金属層２１）は、例えば、１μｍ程度の厚さで設けられる。以上のようにして、Ｐｄシリサイドを含む第１金属層１９と、Ｔｉシリサイドを含む第２金属層２０と、Ａｌを含む第３金属層２１と、からなるショットキバリア電極１３が形成される。
【００３９】
次に、半導体基板１２の他面上に、例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、ＰｄおよびＡｇを順次真空蒸着等により積層して形成する。これにより、カソード電極１４が形成される。なお、カソード電極１４の形成はショットキバリア電極１３の形成の前に行っても良い。以上で、製造工程は終了し、図３（ｆ）に示す半導体素子１１が形成される。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態では、Ｔｉ層２２上に積層されたＰｄ層２３を、熱処理によりその実質的に全体を下方に拡散させ、Ｔｉ層２２下の半導体基板１２の表面領域にＰｄシリサイドからなるバリア金属層（第１金属層１９）を形成している。
【００４１】
第１金属層１９の形成（Ｐｄシリサイドの形成）は熱処理によるため、レジストを用いるリフトオフ法、あるいは、超音波を用いる超音波剥離法のように、煩雑かつ品質の低下を招きやすい工程は必要ではなく、バリア金属層の形成を、簡便に、かつ、信頼性高く行うことができる。
【００４２】
また、この第１金属層１９の形成は、Ｔｉ層２２を介した半導体領域への熱拡散によって行われる。このため、第１金属層１９の形成は、エッチング処理、平坦化処理等を必要とせず、短い工程で、エッチング残さ等による汚染が実質的に無い状態で行うことができる。従って、簡便に、かつ、高い信頼性でショットキバリア電極１３を備えた半導体素子１１を製造することができる。
【００４３】
さらに、Ｔｉ層２２のシリサイド化により形成される第２金属層２０は、その後の第３金属層２１等の成膜時において、通常のＴｉよりも酸化しづらい。このため、酸化膜の形成による抵抗の増大等は防がれる。
【００４４】
本発明は、上記実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な上記実施の形態の変形態様について、説明する。
【００４５】
Ｎ型の第２半導体領域１６に、Ｐ型の半導体領域によって構成される、いわゆるガードリングを設けてもよい。これにより、逆方向電圧の印加時にＰＮ接合から形成される空乏層により、高い逆方向耐圧が得られる。
【００４６】
上記実施の形態では、ワイヤボンディング等が行われる第３金属層２１は、アルミニウムから構成されるものとした。しかし、これに限らず、ワイヤボンディング等を良好に行うことのできる他の金属材料、例えば、ＡｌＣｕ等を用いることができる
【００４７】
上記実施の形態では、バリア金属層（第１金属層１９）は、Ｐｄを含む、Ｐｄシリサイドとして構成されるものとした。しかし、バリア金属層を構成する金属材料は、これに限らず、白金、ニッケル、コバルト等の他の金属材料であってもよい。
また、上記例では、第２金属層２０として、Ｔｉを用いたが、これに限らず、バナジウム、クロム、モリブデン、タンタル、タングステン等の、シリコン系膜との密着性の良好な他の金属材料であってもよい。
【００４８】
上記実施の形態では、Ｎ型の半導体基板を用いる構成とした。しかし、これに限らず、Ｐ形の半導体基板を用いる構成であってもよい。さらに、炭素化シリコンや、シリコンを含有するゲルマニウム等の他の半導体基板を用いることができる。
【００４９】
また、上記実施の形態では、本発明をショットキバリアダイオードに適用した例を示した。しかし、上記例に限らず、電界効果トランジスタ等の素子や、ＬＳＩ（大規模集積回路）やイメージングセンサの構成素子等として基板上にショットキダイオードを形成する場合に本発明を適用できることはいうまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡便かつ信頼性の高い、ショットキーバリア電極を備えた半導体素子の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる半導体素子の断面構成を示す図である。
【図２】図１に示す半導体素子の製造工程を示す図である。
【図３】図１に示す半導体素子の製造工程を示す図である。
【図４】従来のショットキバリア電極の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１半導体素子
１２半導体基板
１３ショットキバリア電極
１４カソード電極
１５第１半導体領域
１６第２半導体領域
１７絶縁膜
１８コンタクト開口
１９第１金属層
２０第２金属層
２１第３金属層

Claims

シリコンを含む半導体基板の一面と接触するように設けられ、前記半導体基板の一面との間にショットキ障壁を形成するショットキバリア電極を備えた半導体素子の製造方法であって、
前記半導体基板の一面上に、開口を有するシリコン系絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、第１の金属を含む第１の金属層と、第２の金属を含む第２の金属層と、を順に形成する工程と、
前記第２の金属層に含まれる前記第２の金属を、前記第１の金属層を介して前記半導体基板の表面領域に熱拡散させ、前記開口を介して前記第１の金属層と接し、前記第２の金属のシリサイドを含む第３の金属層を形成する熱拡散工程と、
熱拡散後の前記半導体基板の一面上に、外部電極に接続される、第３の金属を含み、前記第１の金属層と、前記第３の金属層とともにショットキバリア電極を構成する第４の金属層を形成する工程と、
を備え、
前記熱拡散工程では、前記第３の金属層を形成すると同時に、前記半導体基板に含まれるシリコンを前記第１の金属層へ拡散させる、ことを特徴とする半導体素子の製造方法。