JP4788390B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、シリコン基板の裏面に電極(以下、裏面電極という)が形成される半導体素子が備えられた半導体装置およびその製造方法に関する。
従来より、シリコン基板に裏面電極が形成される半導体素子、つまりシリコン基板の板厚方向に電流が流れるタイプの素子が備えられた半導体装置がある。この種の半導体装置では、裏面研削工程において、粗研削を行った後、例えば#2000程度の砥石で仕上げ研削を行うという2軸研削を行うことで、シリコン基板を所望厚さとし、その後、裏面電極を形成するという手法が用いられる。
このような手法を用いる場合において、仕上げ研削の際に、シリコン基板の裏面に微細な転位や欠陥の集合体が形成され、シリコン基板の裏面一面にアモルファスシリコンが形成されてしまうような条件で研削しなければならない場合がある。この場合、アモルファスシリコン上に裏面電極が形成されることになり、アモルファスシリコン/裏面電極界面のバリアハイトが高くなり、これらがショットキー接続となるため、半導体素子のオン抵抗が大きくなるという問題が生じる。
この問題を解決する手法が特許文献1、2で提案されている。具体的には、特許文献1では、2軸研削後にウェットエッチングを行うことで、アモルファスシリコンを除去し、その後、電極を形成する手法が提案されている。また、特許文献2では、裏面電極を成膜後に400〜500℃でアニールすることで裏面電極を構成する金属をシリコンと合金化させる手法が提案されている。
特開2004−193369号公報 特許第3339552号公報
しかしながら、特許文献1に示される手法では、シリコンのウェットエッチング工程が増えるだけでなく、シリコン基板の厚みが薄くなり、かつ、その厚み制御をエッチング時間の調整などで行わなければならないため、厚みを均一に制御するのが難しい。また、シリコン基板の厚みが反りや耐久性面などで限界に達している場合には、それ以上薄くするのは好ましくない。
また、特許文献2に示される手法では、アニール工程が増えるだけでなく、アニールによる高温の影響で半導体素子に接続されるアルミ配線のシリコン中への拡散や表面保護膜へのダメージが懸念されることになる。
本発明は上記点に鑑みて、シリコン基板の厚みを薄くすることなく、かつ、アニール工程を行わなくてもよい半導体装置およびそ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、請求項に記載の発明では、シリコン基板(1)を裏面から研削する工程と、研削が行われたシリコン基板(1)の裏面に、スパッタによってAl膜(10a)を形成することで、研削の際にシリコン基板(1)の裏面に形成されるアモルファスシリコン(11)を再結晶化させることで再結晶化シリコン(12)にするとともに、該再結晶化シリコン(12)にAl膜(10a)をオーミック接合させる工程と、を含み、Al膜(10a)を含む金属膜で第2電極(10)を構成すると共に、Al膜(10a)のスパッタを行う場合、スパッタのエネルギーを3kW以上に設定し、かつ、Al膜(10a)を750〜2200Å(好ましくは1800Å以上)の厚さで形成することを特徴としている。
このように、Al膜(10a)をスパッタによって形成することで、研削によりシリコン基板(1)の裏面に形成されるアモルファスシリコン(11)を再結晶化させることが可能となる。これにより、Al膜(10a)と再結晶化シリコン(12)つまりシリコン基板(1)とをオーミック接続することが可能となる。したがって、シリコン基板(1)の厚みを薄くすることなく、かつ、アニール工程を行わなくてもよい構造の半導体装置とすることが可能となる。
請求項に記載の発明では、シリコン基板(1)を裏面から研削する工程と、研削が行われたシリコン基板(1)の裏面に、スパッタによってAl膜(10a)を形成することで、研削の際にシリコン基板(1)の裏面に形成されるアモルファスシリコン(11)を再結晶化させた再結晶化シリコン(12)にする工程と、Al膜(10a)を除去する工程と、Al膜(10a)が除去された後における再結晶化シリコン(12)の表面に第2電極(10)を形成する工程と、を含んでいることを特徴としている。
このようにすれば、シリコン基板(1)の裏面と接するのがAl膜(10a)でなくても良くなるため、n型不純物層に対してオーミック接続となる材料、例えば請求項に示されるTiを再結晶化シリコン(12)の表面に形成し、それを含む金属膜によって第2電極(10)を構成すれば、第2電極(10)を再結晶化シリコン(12)にオーミック接続させることが可能になる。
請求項に記載の発明では、シリコン基板(1)を裏面から研削する工程と、研削が行われたシリコン基板(1)の裏面に、スパッタによってAu膜(10e)を形成することで、研削の際にシリコン基板(1)の裏面に形成されるアモルファスシリコン(11)を再結晶化させた再結晶化シリコン(12)にするとともに、該再結晶化シリコン(12)にAu膜(10e)をオーミック接合させる工程と、を含み、Au膜(10e)を含む金属膜で第2電極(10)を構成すると共に、スパッタのエネルギーを2kW以上に設定し、かつ、Au膜(10e)を350〜650Åの厚さで形成することを特徴としている。
このように、請求項で説明したAl膜(10a)に代えてAu膜(10e)を用いることも可能である。
請求項に記載の発明では、研削が行われたシリコン基板(1)の裏面に対して低温プラズマ処理を行うことで、研削の際にシリコン基板(1)の裏面に形成されるアモルファスシリコン(11)を再結晶化させた再結晶化シリコン(12)にする工程と、再結晶化シリコン(12)に対してオーミック接合される金属膜(10b)を含む第2電極(10)を形成する工程と、を含み、室温以上かつ200℃以下の温度の低温プラズマ処理を行うことを特徴としている
このように、シリコン基板(1)の裏面に対して低温プラズマ処理を行い、アモルファスシリコン(11)の原子を再配列させることで、再結晶化シリコン(12)とすることができる。このため、再結晶化シリコン(12)の表面に直接オーミック接触させられる金属膜(10b)を形成することができ、請求項などと同様の効果を得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。
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)
図1は、本発明の一実施形態にかかる半導体装置の断面構成を示したものである。この半導体装置は、トレンチゲート構造を有するPチャネル型のパワーMOSFETを有したものとされている。
図1において、p型のシリコン基板1上にp型のドリフト層2が形成され、その上にチャネル領域を設定するn型のベース領域3が形成されている。このn型のベース領域3における中央位置にはn型のボディ層3aが形成されていると共に、このn型のボディ層3aの表面部においてn型のコンタクト領域3bが形成されている。
また、n型のベース領域3の表層部にはp型のソース領域4が形成され、これらシリコン基板1、p型のドリフト層2、n型のベース領域3およびp型のソース領域4によって半導体基板が構成されている。この半導体基板には、p型のソース領域4及びn型のベース領域3を貫通してp型のドリフト層2に達するようにトレンチ5が形成されており、このトレンチ5の内壁にはゲート絶縁膜6が形成されている。
また、トレンチ5内におけるゲート絶縁膜6の表面にはドープトポリシリコンで構成されたゲート電極7が形成されている。そして、ゲート電極7上を含み、n型のベース領域3及びp型のソース領域4の上にはBPSG等からなる層間絶縁膜8が形成されている。この層間絶縁膜8に形成されたコンタクトホールを介して、n型のベース領域3及びp型のソース領域4に電気的に接続されたAlからなるソース電極9が形成されている。そして、シリコン基板1の裏面には、後述するアモルファスシリコン11(図2参照)が再結晶化されてできた再結晶化シリコン12を介して、Al、Ti、Ni、Auの積層構造の金属膜からなる裏面電極10が形成されている。
このような構成により、n型のベース領域3のうちトレンチ5の側面に位置する部分をチャネル領域とするトレンチゲート構造のpチャネル型のパワーMOSFETが構成される。
次に、上記した半導体装置の製造方法について、図2に示す工程図を参照して説明する。
〔図2(a)に示す工程〕
まず、p型のシリコン基板1を用意し、このシリコン基板1の上にエピタキシャル成長によってp型のドリフト層2を成膜したのち、p型のドリフト層2の所定領域に、n型のベース領域3およびp型のソース領域4をイオン注入及び熱拡散によって順次形成する。
次に、シリコン酸化膜等のマスク材を例えばCVD法によって堆積したのち、このマスク材をフォトリソグラフィおよびドライエッチングによってパターニングし、トレンチ5と対応する部分を開口させる。その後、パターニングされたマスク材を用いた異方性ドライエッチングにより、n型のソース領域4及びp型のベース領域3を貫通してn型のドリフト層2に達するトレンチ5を形成する。そして、必要に応じて犠牲酸化等を行ったのち、熱酸化等によるシリコン酸化膜等により、ゲート絶縁膜6を形成する。
続いて、例えばLPCVD法により、ゲート電極7を形成するためのドープトポリシリコン膜を成膜したのち、このドープトポリシリコン膜を所望の厚さにエッチバックし、さらにドープトポリシリコン膜をパターニングすることでゲート電極7を形成する。
この後、所望のマスクを用いて、イオン注入および熱拡散を行うことで、n型のボディ層3aおよびn型のコンタクト領域3bを形成する。さらに、CVD法による層間絶縁膜8の形成、フォトリソグラフィ及び異方性エッチングによる層間絶縁膜8へのコンタクトホールの形成、スパッタ法によるソース電極9等の電極形成を行う。
そして、シリコン基板1を裏面研磨することによって厚みを200〜400μmに薄くする。このとき、図中に示したように、シリコン基板1の裏面一面に厚さ100〜150Å程度のアモルファスシリコン11が形成される。
〔図2(b)に示す工程〕
シリコン基板1の裏面側に、スパッタによりAl膜10aを形成する。このとき、スパッタのエネルギーを3kW以上とし、Al膜10aの膜厚を750〜2200Å程度、好ましくは1000Å以上とする。これにより、アモルファスシリコン11を再結晶化させることが可能となる。
このようなアモルファスシリコン11の再結晶化のメカニズムは明らかになっていないが、スパッタによって衝突させられるAlのエネルギーおよびAlの拡散作用により、微細な転位や欠陥の集合体となっていたシリコン原子がアルミニウム原子と共に再配列されるために上記再結晶化が行われていると解される。
このようにAl膜10aをスパッタによって形成することにより、シリコン基板1の裏面とAl膜10aによるシリコン/Alコンタクト部はオーミック接続となる。
〔図2(c)に示す工程〕
Al膜10aの表面に、Ti膜10b、Ni膜10cおよびAu膜10dを順に積層する。これにより、Al膜10a、Ti膜10b、Ni膜10cおよびAu膜10dの積層構造により構成された裏面電極10が形成される。このようにして、図1に示す半導体装置が完成する。
以上説明した本実施形態の半導体装置においては、Al膜10aをスパッタによって形成することでシリコン基板1の裏面に形成されるアモルファスシリコン11を再結晶化させることが可能となる。これにより、Al膜10aとシリコン基板1とをオーミック接続すること、つまり裏面電極10とシリコン基板1とをオーミック接続することが可能となる。
したがって、シリコン基板1の厚みを薄くすることなく、かつ、アニール工程を行わなくてもよい構造の半導体装置とすることが可能となる。これにより、従来のようにシリコンのウェットエッチング工程を行わなければならない場合と比較して、シリコン基板1の厚みを薄くしなくても済み、反り量増大による電気検査、カット等後工程での不具合を回避することが可能となると共に、ウェットエッチングの際に必要とされるシリコン基板1の厚みの制御も必要なくなり、シリコン基板1の厚みの均一化を図ることが容易になる。
また、従来のようにアニール工程を行わなければならない場合と比較して、高温の影響で発生するパワーMOSFETに接続されるアルミ配線のシリコン中への拡散や表面保護膜へのダメージの心配を無くすこともできる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。上記第1実施形態では、アモルファスシリコン11にスパッタによりAl膜10aを形成する場合について説明したが、Al以外に金を用いることもできる。図3は、上記第1実施形態で使用したAl膜10aに代えて、Au膜10eを使用した場合における半導体装置の断面構造を示したものである。
この図に示されるように、本実施形態では、シリコン基板1の裏面にスパッタによりAu膜10eを形成し、このAu膜10eの表面に、Ti膜10b、Ni膜10cおよびAu膜10dを順に積層した構造としている。このように、Au膜10eとした場合にも、シリコン基板1の裏面に形成されるアモルファスシリコン11を再結晶化させることが可能であり、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
ただし、本実施形態のようにAu膜10eを用いる場合には、Al膜10aが使用される場合と比べてスパッタのエネルギーを変え、2kW以上とする必要がある。また、Au膜10eの厚さも350〜650Å程度にすることになる。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。上記第1実施形態では、Pチャネル型のパワーMOSFETに本発明の一実施形態を適用する場合について説明したが、ここではNチャネル型のパワーMOSFETに本発明の一実施形態が適用される場合について説明する。
図4は、本実施形態の半導体装置の断面図である。この図に示されるように、シリコン基板1はn型、ドリフト層2はn型、ベース領域3およびボディ層3aはp型、コンタクト領域3bはp型、ソース領域4はn型となっており、第1実施形態のパワーMOSFETと各導電型が反転した構成となっている。
このような構造の半導体装置に対しても、上記第1実施形態のようにAl膜10aをスパッタによって形成すれば、アモルファスシリコン11を再結晶化させることができる。しかしながら、Alはn型不純物層に対してオーミック接続となる材料ではないため、そのままの状態ではAl膜10aとシリコン基板1によるシリコン/Alコンタクト部のバリアハイトが高くなってオーミック接続にならない。
したがって、この場合には、Al膜10aを形成する前に、シリコン基板1の裏面にn型不純物をイオン注入もしくは拡散(固相拡散など)させ、例えばシリコン基板1の裏面におけるn型不純物の濃度が表面側よりも高くなるように、例えば1×1019cm−3以上の高濃度となるようにしておくことで、シリコン/Alコンタクト部のバリアハイトを低くすることができ、オーミック接続とすることが可能になる。
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態も、第3実施形態と同様に、Nチャネル型のパワーMOSFETに本発明の一実施形態が適用される場合について説明する。
図5は、本実施形態の半導体装置の断面図である。上述したように、Al膜10aをスパッタした場合、シリコン基板1のn型不純物の濃度が薄いとシリコン/Alコンタクト部のバリアハイトが高くなってオーミック接続にならない。
したがって、一旦スパッタによってAl膜10aを形成したあと、図5に示されるように、Al膜10aを除去し、アモルファスシリコン11が再結晶化された後のシリコン基板1の裏面にTi膜10b、Ni膜10cおよびAu膜10dを順に積層し、これらによって裏面電極10を構成することも可能である。このようにすれば、シリコン基板1の裏面と接するのがTi膜10bとなり、Tiがn型不純物層に対してオーミック接続となる材料であることから、シリコン/Tiコンタクト部のバリアハイトを低くすることができ、オーミック接続とすることが可能になる。
このようにした場合、Al膜10aを除去するための工程が必要になるが、Al膜10aを除去するために用いるエッチング材料はシリコンのウェットエッチングに用いる材料とことなることから、シリコン基板1の厚みを薄くする必要はないため、上記各実施形態と同様の効果が得られる。
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態について説明する。上記第3実施形態では、アモルファスシリコン11にスパッタによりAl膜10aを形成する場合について説明したが、本実施形態では、Al膜10aなどのスパッタを行わないでアモルファスシリコン11を再結晶化させる場合について説明する。
本実施形態の半導体装置の構造は、図5と同様に再結晶化シリコン12とTi膜10bとの間のAl膜10aを無くした構造となる。すなわち、Al膜10aを用いない方法によってアモルファスシリコン11を再結晶化させているため、シリコン基板1の裏面に直接Ti膜10b、Ni膜10c、Au膜10dという積層構造で構成された裏面電極10を構成することが可能となる。
以下、本実施形態の半導体装置の具体的な製造方法について説明するが、Pチャネル型MOSFETをNチャネル型MOSFETにすることと、アモルファスシリコン11の再結晶化以外の工程に関しては、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。
シリコン基板1を裏面研磨したときに形成されるアモルファスシリコン11に対して、低温プラズマ処理にてエネルギーを与える。これにより、アモルファスシリコン11の原子を再配列させることで再結晶化させることができ、再結晶化シリコン12が形成される。なお、低温プラズマ処理とは、一般的なプラズマ処理、すなわち400℃〜800℃という温度下で行われる処理と異なり、上限200℃程度として行われるものである。低温プラズマ処理の温度下限値としては、プラズマ処理が行えさえすればどのような温度であっても構わないが、少なくとも室温(25℃程度)以上であれば良い。
このように、低温プラズマ処理によってアモルファスシリコン11を再結晶化させられるため、再結晶化シリコン12の表面に何も残らない。したがって、再結晶化シリコン12の表面に直接Ti膜10bを形成することが可能となり、裏面電極10とのオーミック接触を得ることができる。
なお、ここではp型で構成される再結晶化シリコン12とのオーミック接触材料としてTiを例に挙げたが、その他の材料であっても構わない。
(他の実施形態)
上記実施形態では、半導体装置に備えられる半導体素子としてパワーMOSFETを例に挙げて説明したが、縦型のIGBTやパワートランジスタ、さらにはダイオードなどに対しても適用することができる。要するに、シリコン基板1の内部を通じてシリコン基板1の表裏に電流を流すような縦型の半導体素子が備えられる半導体装置に対して本発明を適用することが可能である。
なお、半導体素子としてIGBTを用いる場合には、上記各実施形態におけるシリコン基板1の導電型が反転したものとなる。したがって、例えば第1、第2実施形態においては、シリコン基板1がn型となるが、この場合には、上記第3実施形態もしくは第4実施形態の手法を用いることで、シリコン基板1と裏面電極10とをオーミック接続することが可能となる。
また、上記第1、第3、第4実施形態では、Al膜10aを用いる場合について説明したが、ここでいいうAl膜10aは100%Alで構成されたものである必要は無い。例えば、電極材料としてよく用いられているAl−Siのように、Siが含有されたものでAl膜10aが構成されていても構わない。
なお、上記各実施形態において、アモルファスシリコン11を再結晶化シリコン12にすると記載したが、必ずしもアモルファスシリコン11すべてを完全に再結晶化シリコン12にしなければならない訳ではない。すなわち、アモルファスシリコン11が部分的に残っていても構わない。
本発明の第1実施形態における半導体装置の断面構成を示す図である。 図1に示す半導体装置の製造工程を示した図である。 本発明の第2実施形態における半導体装置の断面構成を示す図である。 本発明の第3実施形態における半導体装置の断面構成を示す図である。 本発明の第4実施形態における半導体装置の断面構成を示す図である。
符号の説明
1…シリコン基板、2…ドリフト層、3…ベース領域、3a…ボディ層、3b…コンタクト領域、4…ソース領域、5…トレンチ、6…ゲート絶縁膜、7…ゲート電極、8…層間絶縁膜、9…ソース電極(第1電極)、10…裏面電極(第2電極)、10a…Al膜、10b…Ti膜、10c…Ni膜、10d、10e…Au膜、11…アモルファスシリコン。

Claims (7)

  1. シリコン基板(1)の表面側に形成された第1電極(9)と裏面に形成された第2電極(10)とを有し、前記第1電極(9)と前記第2電極(10)の間に電流を流すように構成された縦型の半導体素子が備えられてなる半導体装置の製造方法において、
    前記シリコン基板(1)を裏面から研削する工程と、
    前記研削が行われた前記シリコン基板(1)の裏面に、スパッタによってAl膜(10a)を形成することで、前記研削の際に前記シリコン基板(1)の裏面に形成されるアモルファスシリコン(11)を再結晶化させることで再結晶化シリコン(12)にするとともに、該再結晶化シリコン(12)に前記Al膜(10a)をオーミック接合させる工程と、を含み、
    前記Al膜(10a)を含む金属膜で前記第2電極(10)を構成すると共に、
    前記Al膜(10a)をスパッタする工程では、スパッタのエネルギーを3kW以上に設定し、かつ、前記Al膜(10a)を750〜2200Åの厚さで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記シリコン基板(1)としてp型のものを用いることにより、前記Al膜(10a)をスパッタする工程において、前記Al膜(10a)がp型の前記再結晶化シリコン(12)と接続されるようにすることを特徴とする請求項に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記シリコン基板(1)としてn型のものを用い、前記Al膜(10a)をスパッタする工程の前に、前記シリコン基板(1)の裏面におけるn型不純物の濃度を高くする工程を行うことを特徴とする請求項に記載の半導体装置の製造方法。
  4. シリコン基板(1)の表面側に形成された第1電極(9)と裏面に形成された第2電極(10)とを有し、前記第1電極(9)と前記第2電極(10)の間に電流を流すように構成された縦型の半導体素子が備えられてなる半導体装置の製造方法において、
    前記シリコン基板(1)を裏面から研削する工程と、
    前記研削が行われた前記シリコン基板(1)の裏面に、スパッタによってAl膜(10a)を形成することで、前記研削の際に前記シリコン基板(1)の裏面に形成されるアモルファスシリコン(11)を再結晶化させた再結晶化シリコン(12)にする工程と、
    前記Al膜(10a)を除去する工程と、
    前記Al膜(10a)が除去された後における前記再結晶化シリコン(12)の表面に前記第2電極(10)を形成する工程と、を含み、
    前記Al膜(10a)をスパッタする工程では、スパッタのエネルギーを3kW以上に設定し、かつ、前記Al膜(10a)を750〜2200Åの厚さで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 前記第2電極(10)を形成する工程は、前記Al膜(10a)が除去された後における前記再結晶化シリコン(12)の表面にTi膜(10b)をオーミック接合させる工程を含んでいることを特徴とする請求項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. シリコン基板(1)の表面側に形成された第1電極(9)と裏面に形成された第2電極(10)とを有し、前記第1電極(9)と前記第2電極(10)の間に電流を流すように構成された縦型の半導体素子が備えられてなる半導体装置の製造方法において、
    前記シリコン基板(1)を裏面から研削する工程と、
    前記研削が行われた前記シリコン基板(1)の裏面に、スパッタによってAu膜(10e)を形成することで、前記研削の際に前記シリコン基板(1)の裏面に形成されるアモルファスシリコン(11)を再結晶化させた再結晶化シリコン(12)にするとともに、該再結晶化シリコン(12)に前記Au膜(10e)をオーミック接合させる工程と、を含み、
    前記Au膜(10e)を含む金属膜で前記第2電極(10)を構成すると共に、
    前記Au膜(10e)をスパッタする工程では、スパッタのエネルギーを2kW以上に設定し、かつ、前記Au膜(10e)を350〜650Åの厚さで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. シリコン基板(1)の表面側に形成された第1電極(9)と裏面に形成された第2電極(10)とを有し、前記第1電極(9)と前記第2電極(10)の間に電流を流すように構成された縦型の半導体素子が備えられてなる半導体装置の製造方法において、
    前記シリコン基板(1)を裏面から研削する工程と、
    前記研削が行われた前記シリコン基板(1)の裏面に対して低温プラズマ処理を行うことで、前記研削の際に前記シリコン基板(1)の裏面に形成されるアモルファスシリコン(11)を再結晶化させた再結晶化シリコン(12)にする工程と、
    前記再結晶化シリコン(12)に対してオーミック接合される金属膜(10b)を含む前記第2電極(10)を形成する工程と、を含み、
    前記低温プラズマ処理を室温以上かつ200℃以下で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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