JP4021448B2 - ショットキー接合型半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素エピタキシャル層の表面にショットキー電極層を形成するショットキー接合型半導体装置の製造方法に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、Ｓｉと比べてバンドギャップが約３倍、飽和ドリフト速度が約２倍、絶縁破壊電界強度が約１０倍と優れた物性値を有する半導体であることから、電力用半導体装置の材料として開発が進み、現在ではＳｉＣを用いたショットキーダイオードが市販されるに至っている。

このショットキーダイオードは、昇華法などにより結晶成長させたＳｉＣのバルク単結晶をウエハ状にスライスして得られたＳｉＣ単結晶基板と、このＳｉＣ単結晶基板の表面から化学気相蒸着法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）でＳｉＣ単結晶膜を成長さ
せたエピタキシャル層と、このエピタキシャル層の表面にスパッタ法、真空蒸着法などにより形成したショットキー電極と、ＳｉＣ単結晶基板の裏面側に形成したオーミック電極とから構成される。ショットキー電極の材料としては、ニッケル、チタンなどが用いられている（特許文献１）。

ショットキーダイオードのような、ショットキー接合型の電力用半導体装置では、電力損失を小さくする必要がある。順方向への通電時における電力損失と、逆方向電圧の作用時におけるリーク電流などによる電力損失との総和に基づいたショットキーダイオードの電力損失は、ショットキー電極とＳｉＣエピタキシャル層との接合界面におけるショットキー障壁の高さ（ＳＢＨ：Schottky Barrier Height）に依存する。

例えば、５０％デューティーサイクルにおけるショットキーダイオードの電力損失密度は１／２（Ｖ_fＪ_f＋Ｖ_rＪ_r）と記載できる（非特許文献１）。ここで、Ｖ_rは逆方向電圧
、Ｊ_fは順方向電流、Ｖ_fは順方向電圧、Ｊ_rは逆方向電流である。ショットキーダイオー
ドの評価はＶ_rとＪ_fで表現される。一方、Ｖ_fとＪ_rはＳＢＨに依存する。一例として、Ｊ_fを１００Ａｃｍ^-2、Ｖ_rを４ｋＶとして４Ｈ−ＳｉＣショットキーダイオードの電力損失を計算すると、２５℃〜２００℃の範囲内において、ＳＢＨが１．１８〜１．３ｅＶであるときに最小になる。

逆方向耐電圧が０．６〜５．０ｋＶ程度であるショットキーダイオードが使用されることが多いが、このような逆方向耐電圧では、ＳＢＨが０．９〜１．３ｅＶ程度である場合に電力損失が最小となる。しかし、ニッケルもしくはチタンでショットキー電極を形成した場合、そのＳＢＨは、ニッケルで１．６ｅＶ、チタンで０．８ｅＶ程度となり、ショットキーダイオードの電力損失を最小にすることはできない。

ＳｉＣ層上にＴｉでショットキー電極を形成した後、所定温度で熱処理を行うことによりＳＢＨを制御することが提案されている。ところが、このようにチタンなどでショットキー電極を形成したものに熱処理を施すと、図２にも示したように、ショットキーダイオードの性能を表すパラメータである理想因子（ｎ因子）の値が増大して、理想的な値である１から大きく離れてしまう。

一般に、ショットキー障壁界面を通過する電流が障壁の山の上だけを通過する場合、すなわち熱拡散電流輸送のみであるとした場合では、電圧に対して電流が指数関数的に増大し、電流値はｅｘｐ（ｅＶ／ｋＴ）−１（ここで、ｅは素電荷、Ｖは電圧、ｋはボルツマ
ン定数、Ｔは温度）と表される。しかし、障壁の山の上だけでなく、障壁の内部をトンネリングなどにより通過する場合では、電圧が低くても電流が流れてしまい、電流値は上式からずれるため、電圧Ｖを見かけ上、式に合うようにＶ／ｎで置き換えて、電流値はｅｘｐ（ｅＶ／ｎｋＴ）−１と表現される。このｎが理想因子であり、熱拡散輸送電流のみの理想的な場合ではｎ＝１であるが、各種の要因によりこれ以外の電流が流れる実際の場合では、ｎ因子の値は１よりも大きくなる。

上記したように、Ｔｉなどでショットキー電極を形成した後、ＳＢＨを制御するために所定温度での熱処理を行うとｎ因子の値は１よりも大幅に増加してショットキーダイオードの性能が劣化し、例えば逆方向電圧の作用時におけるリーク電流が増加してしまうなどの問題があった。
特開２０００−１８８４０６号公報 「アイイーイーイー トランス エレクトロン デバイシス（IEEE Trans. Electron Devices）」１９９３年３月、第４０巻、第３号、ｐ．６４５−６５５ 「アイイーイーイー トランス エレクトロン デバイシス（IEEE Trans. Electron Devices）」２００２年４月、第４９巻、第４号、ｐ．６６５−６７２

本発明は、上記したような従来技術における問題点を解決するためになされたものであり、ショットキーダイオードで多く使用される０．６〜５．０ｋＶ程度の耐電圧のものを得る際に、ｎ因子を増加させることなく、ショットキー障壁の高さを電力損失が最小となる所望の値に制御可能なショットキー接合型半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。

本発明者は、モリブテンを用いてショットキー電極を形成して熱処理を行うことにより、ｎ因子を約１．０５以下に保った状態で、ショットキー障壁の高さを１．０〜１．３ｅＶと、電力損失が最小となる領域において所望の最適値に制御することができることを見出し本発明を完成するに至った。

本発明のショットキー接合型半導体装置の製造方法は、炭化珪素単結晶基板上に形成された炭化珪素エピタキシャル層の表面にショットキー電極を形成するショットキー接合型半導体装置の製造方法であって、
４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の裏面にオーミック電極を形成し、オーミック電極として機能するように熱処理を施した後、
ｎ型の４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル層の表面にモリブテンからなるショットキー電極を形成し、６００〜９００℃で熱処理することによって、４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル層とショットキー電極との界面で合金化反応を起こして該界面に合金層を形成し、これにより
、ｎ因子を１．０５以下に保った状態で 熱処理前におけるショットキー障壁の高さから
１．２〜１．２７ｅＶの範囲内の値までショットキー障壁の高さを増加させることを特徴としている。

また、６００〜７００℃で熱処理を行うことで、ｎ因子を１．０５以下に保った状態で、熱処理前におけるショットキー障壁の高さから１．２〜１．２５ｅＶの範囲内の値までショットキー障壁の高さを増加させることができる。

本発明によれば、ｎ因子を大幅に増加させることなく、ショットキー障壁の高さを電力損失が最小となる領域において所望の値に制御することができる。
また、製造時においてショットキー電極に対して予め高温の熱処理が加えられているので、高温環境下の特性がよく、さらにサージ電流等による発熱に対する耐熱性が高いショットキー接合型半導体装置を得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態におけるショットキーダイオードの製造工程を説明する断面図である。図１（ａ）において、１はＳｉＣ単結晶基板、２はＳｉＣエピタキシャル層、３はイオン注入層である。ＳｉＣ単結晶基板１は、高濃度（５×１０¹⁸ｃｍ^-3）に不純物がドープされたｎ型の４Ｈ−ＳｉＣ基板であり、昇華法（改良レーリー法）により結晶成長させたＳｉＣのバルク結晶をスライスしたものを使用している。

改良レーリー法による場合、例えば、坩堝にＳｉＣ粉末を入れて２２００〜２４００℃で加熱して気化し、種結晶の表面に典型的には０．８〜１ｍｍ／ｈの速度で堆積させてバルク成長させる。得られたインゴットを所定の厚さに、所望の結晶面が表出するようにスライスしてＳｉＣ単結晶基板１が得られる。

このＳｉＣ単結晶基板１の表面を研磨処理などで平滑化する。切り出したウエハの表面を、水素エッチング、化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などにより処理して鏡面状に平滑化すると、エピタキシャル膜へのベーサルプレーン転位の伝播密度が低減する。

次に、ＳｉＣ単結晶基板１の平滑化した表面からＣＶＤ法によってＳｉＣ単結晶膜をエピタキシャル成長させる。Ｃの原料ガスとしはプロパン等が用いられ、Ｓｉの原料ガスとしてはシラン等が用いられる。これらの原料ガスと、水素等のキャリアガスと、ドーパントガスである窒素との混合ガスをＳｉＣ単結晶基板の表面に供給する。

これらのガス雰囲気下、例えば１５００〜１６００℃、４０〜８０Ｔｏｒｒの条件で、２〜２０μｍ／ｈの成長速度でＳｉＣをエピタキシャル成長させる。これにより、ＳｉＣ単結晶基板１と同一の結晶型である４Ｈ−ＳｉＣ単結晶がステップフロー成長し、不純物として窒素が２．２×１０¹⁵ｃｍ^-3ドープされた膜厚３０μｍのＳｉＣエピタキシャル層２が形成される。

エピタキシャル成長を行うための具体的な装置としては、縦型ホットウォール炉を用いることができる。縦型ホットウォール炉には、石英で形成された水冷２重円筒管が設置され、水冷２重円筒管の内部には、円筒状断熱材、グラファイトで形成されたホットウォール、およびＳｉＣ単結晶基板を縦方向に保持するための楔形サセプタが設置されている。水冷２重円筒管の外側周囲には、高周波加熱コイルが設置され、高周波加熱コイルによりホットウォールを高周波誘導加熱し、ホットウォールからの輻射熱により、楔形サセプタに保持されたＳｉＣ単結晶基板を加熱する。ＳｉＣ単結晶基板を加熱しながら水冷２重円筒管の下方より反応ガスを供給することによって、ＳｉＣ単結晶基板の表面にＳｉＣがエピタキシャル成長する。

ＳｉＣ単結晶基板１の表面にＳｉＣエピタキシャル層２を成膜した後、この基板を洗浄し、次いで熱酸化炉に基板を導入して１１２５℃で１時間程度の酸化処理を施す。これによって、イオン注入時に汚染を防止するための保護膜として作用する酸化膜をＳｉＣエピタキシャル層２の上に形成する。

次に、フォトリソグラフィーによって酸化膜の一部を除去して開口を形成し、この開口からＳｉＣエピタキシャル層２を露出させる。その後、この開口からｐ型不純物となるアルミニウムをイオン注入し、アルミイオン注入層３（ＪＴＥ：Junction Termination Extension）を形成する。このアルミイオン注入層３は、後に形成するショットキー電極の周縁部における電界集中を緩和して耐電圧性を向上するために、ショットキー電極の周縁部
となる位置に形成される。アルミイオン注入層３中のアルミイオン濃度は、中心から外部に向かって濃度が低くなるように制御され、アルミイオン濃度は中心において２．２×１０¹⁸ｃｍ^-3、外部において３×１０¹⁷ｃｍ^-3となっている。アルミイオンを注入した後、アルミニウムを電気的に活性化するために１７００℃で３分間の熱処理を施す。

次に、得られた基板を洗浄した後、１２００℃で５時間の酸化処理を施し、図１（ｂ）に示したように、基板の両面にＳｉＯ₂の酸化膜４，５を形成する。ＳｉＣ単結晶基板１
の裏面側の酸化膜５をバッファードフッ酸により除去した後、図１（ｃ）に示したように、この裏面に真空蒸着法により膜厚３５０ｎｍのニッケル膜６を堆積させ、次いで、１０５０℃で９０秒間の熱処理を施す。この熱処理によって、図１（ｄ）に示したように、ニッケル膜６とＳｉＣ単結晶基板１は合金（ニッケルシリサイド）層を形成し、オーミック電極７として機能する。

オーミック電極７を形成した後、上記と同様にフォトリソグラフィーによりショットキー電極を形成する領域の酸化膜４を除去する。次いで、スパッタ法により、室温〜５０℃程度で数分間、スパッタガスとしてＡｒを用いてＳｉＣエピタキシャル層２の表面にモリブテン膜８（ショットキー電極）を膜厚１００ｎｍで堆積する。

モリブテン膜８を堆積した後、所定温度で熱処理を施す。好ましくはアルゴン、窒素などの不活性ガスの雰囲気下で熱処理する。
この熱処理によって、炭化珪素エピタキシャル層２とショットキー電極８との界面で合金化が進行し、界面に数ｎｍの合金層が形成される。この合金層の存在は、高分解能透過型電子顕微鏡によってコントラスト像として確認することができる。合金層の組成は、ＭｏＣとＭｏＳｉとからなるアロイであると考えられる。

熱処理によって合金層を形成することにより、ショットキーダイオードの使用時において温度条件などの変動に対して物性を安定化するとともに、電力損失が最小となる領域においてＳＢＨが所望の値となるようにＳＢＨを制御することができる。すなわち、３００〜１２００℃、好ましくは４００〜７００℃の範囲内で熱処理を施すことによって、ＳＢＨを１．１〜１．３ｅＶ（４００〜７００℃では１．１〜１．２５ｅＶ）の間で任意に制御することができる。この際、ｎ因子はこの温度範囲における熱処理によってはほとんど変動せずに、１に近い低い値に保たれる。

熱処理温度とＳＢＨ、および熱処理温度とｎ因子との関係を図２に示す。このように、モリブテンを使用した場合、ＳＢＨは熱処理前の約１．１ｅＶから、６００℃では約１．２ｅＶまで増加するとともに、ｎ因子は１．０５以下のほぼ一定値に保たれる。なお、図示していないが熱処理温度９００℃ではＳＢＨが１．２７ｅＶ、ｎ因子は１．０５以下であった。本実施形態では、６００℃で１０分間熱処理することにより、耐電圧４ｋＶの場合に電力損失を低減するための最適値である１．２ｅＶにＳＢＨを調節した。

これに対して、従来からショットキー電極に使用されている金属の一つであるチタンでは、図２に示したように、熱処理を施すことによりＳＢＨを制御することはできるが、同時にｎ因子が大幅に変動、増加するため、これによって逆方向電圧の印加時におけるリーク電流が増加するなど素子の性能に影響してしまう。

本実施形態により得られたショットキーダイオードについて順方向および逆方向の電流電圧測定を２０℃の温度下において行った結果を図３に示す。図３（ａ）は順方向特性、図３（ｂ）は逆方向特性である。特性オン抵抗（Ｒｏｎ）は１２．２ｍΩｃｍ²、特性オ
ン電圧（Ｖｆ：順方向電流密度が１００Ａｃｍ^-2となる電圧）は２．２Ｖであり、耐電圧は４．４ｋＶであった。このように、高い耐電圧を有するとともに、特性オン抵抗および
特性オン電圧が非常に低い、電力損失の少ないショットキーダイオードが得られた。

上記の実施形態に準じて作製した２つのショットキーダイオードの物性値を下記に示す。
[ショットキーダイオード（１）]
ＳＢＨ：１．２７Ｖ
ｎ因子：１．０２
（以下、２０℃における測定値）
特性オン抵抗：１２．２０ｍΩｃｍ²
特性オン電圧：２．１６Ｖ
耐電圧：４．４０Ｖ
リーク電流密度：０．６６ｍＡｃｍ^-2（逆方向電圧４．０ｋＶ）
[ショットキーダイオード（２）]
ＳＢＨ：１．２８Ｖ
ｎ因子：１．０２
（以下、２０℃における測定値）
特性オン抵抗：９．０７ｍΩｃｍ²
特性オン電圧：１．８９Ｖ
耐電圧：４．１５Ｖ
リーク電流密度：０．１４ｍＡｃｍ^-2（逆方向電圧３．５ｋＶ）
０．９６ｍＡｃｍ^-2（逆方向電圧４．０ｋＶ）
（以下、１５０℃における測定値）
特性オン抵抗：２９．４６ｍΩｃｍ²
特性オン電圧：３．６４Ｖ
リーク電流密度：０．３０ｍＡｃｍ^-2（逆方向電圧３．０ｋＶ）
なお、ショットキーダイオード（２）の逆方向電圧３．５ｋＶにおけるリーク電流密度０．１４ｍＡｃｍ^-2は、上記の非特許文献２において報告された５-ｋＶ Ｎｉ-４Ｈ-ＳｉＣショットキーダイオードの１／１００以下の値であるにもかかわらず、特性オン電圧（at ２５Ａｃｍ^-2）はその約１／２の値であった。

さらに、ショットキーダイオード（２）を１５０℃において順方向電流１００ｍＡｃｍ^-2、逆電圧３ｋＶで作動させたところ、オン状態とオフ状態における電力損失はそれぞれ３６４Ｗｃｍ^-2、０．９Ｗｃｍ^-2であった。このように、高温環境下においてもオフ状態の電力損失はオン状態と比較して非常に小さい。

本発明では、製造工程において予めショットキー電極に高温の熱処理が加えられているので、本発明により得られるショットキーダイオードは高温下においても安定した作動が可能であり、高温環境下の特性がよい。例えば、上記の例のように高温下においてもリーク電流が非常に少なく、例えば２５０℃でも作動が可能である。また、ダイオード等に突発的に流れるサージ電流によって発熱しても、上記したように予めショットキー電極に高温の熱処理が加えられているので損傷しにくく、耐熱性が高い。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変形、変更が可能である。その一例を以下に示す。

ＳｉＣ単結晶基板として、改良レーリー法によりバルク成長させたものの他、ＣＶＤ法によってバルク成長させたものを用いてもよい。

本発明ではＳｉＣ単結晶基板のエピタキシャル成長を行う結晶面、結晶方位は特に限定されない。ＳｉＣ単結晶基板のエピタキシャル成長を行う結晶面としては、例えば（０００１）Ｓｉ面、（０００−１）Ｃ面、（１１−２０）面、（０１−１０）面、（０３−３８）面などが挙げられる。

（０００１）Ｓｉ面、（０００−１）Ｃ面でエピタキシャル成長させる場合、[０１−
１０]方向、[１１−２０]方向、あるいは[０１−１０]方向と[１１−２０]方向との中間
方向のオフ方位に、例えば１〜１２°のオフ角で傾斜させて切り出した基板を使用し、この結晶面からステップフロー成長技術によりＳｉＣをエピタキシャル成長させる。

なお、上記において、格子方位および格子面について、個別方位は[]、個別面は（）で示し、負の指数については結晶学上、”−”（バー）を数字の上に付けることになっているが、明細書の作成の都合上、数字の前に負号を付けてこれに代えている。

ショットキー電極の周縁部における電界集中を緩和するために、本実施形態のようにイオン注入層を形成する場合、例えばＳｉＣエピタキシャル層の導電型とは逆の導電型の他の不純物をイオン注入してもよい。

モリブテンをＳｉＣエピタキシャル層上に堆積する方法として、スパッタ法の他、真空蒸着法、電子ビーム法などを用いてもよい。
上記の実施形態ではショットキーダイオードのショットキー電極にモリブテンを用いて熱処理したが、この他、本発明は、例えばゲート電極としてショットキー電極を用いるＭＥＳＦＥＴなどのショットキー接合型半導体装置の製造にも適用される。

図１は、本発明の一実施形態におけるショットキーダイオードの製造工程を説明する断面図である。 図２は、熱処理温度とＳＢＨおよびｎ因子との関係を示したグラフである。 図３は、本発明の製造方法によって得られたショットキーダイオードについて順方向および逆方向の電流電圧測定を行った結果を示したグラフであり、図３（ａ）は順方向特性、図３（ｂ）は逆方向特性を示す。

符号の説明

１ ＳｉＣ単結晶基板
２ ＳｉＣエピタキシャル層
３ イオン注入層
４ ＳｉＯ₂酸化膜
５ ＳｉＯ₂酸化膜
６ ニッケル膜
７ オーミック電極
８ モリブテン膜

Claims (2)

1. 炭化珪素単結晶基板上に形成された炭化珪素エピタキシャル層の表面にショットキー電極を形成するショットキー接合型半導体装置の製造方法であって、
   ４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板の裏面にオーミック電極を形成し、オーミック電極として機能するように熱処理を施した後、
   ｎ型の４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル層の表面にモリブテンからなるショットキー電極を形成し、６００〜９００℃で熱処理することによって、４Ｈ−ＳｉＣエピタキシャル層とショットキー電極との界面で合金化反応を起こして該界面に合金層を形成し、これにより、ｎ因子を１．０５以下に保った状態で 熱処理前におけるショットキー障壁の高さから
   １．２〜１．２７ｅＶの範囲内の値までショットキー障壁の高さを増加させることを特徴とするショットキー接合型半導体装置の製造方法。
2. ショットキー電極を形成した後６００〜７００℃で熱処理を施し、これにより、ｎ因子を１．０５以下に保った状態で、熱処理前におけるショットキー障壁の高さから１．２〜１．２５ｅＶの範囲内の値までショットキー障壁の高さを増加させることを特徴とする請求項１に記載のショットキー接合型半導体装置の製造方法。

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