JP4978024B2

JP4978024B2 - ＳｉＣ半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4978024B2
Application number: JP2006044793A
Authority: JP
Inventors: 研一黒田; 吉徳松野; 博司杉本; 健一大塚
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-02-22
Also published as: JP2007227495A

Description

この発明は、ショットキーバリアダイオードを有するＳｉＣ半導体装置の製造方法及びＳｉＣ半導体装置に関するものである。

従来のショットキーバリアダイオードを有するＳｉＣ半導体装置の製造方法においては、清浄なショットキー接合界面を形成するために、ＳｉＣ基板上にエピタキシャル成長させたＳｉＣのエピタキシャル層の表面に熱酸化層を形成し、ショットキーバリアダイオードを形成しようとする領域の熱酸化層を除去することで清浄なエピタキシャル層の表面を露出させ、その表面上にショットキー接合を形成するための金属層を堆積し、さらに、形状加工することで、ショットキー電極を形成していた（例えば、非特許文献１参照）。

ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，Ｖ．４６，ｐ４５６，１９９９（ｐ４５７、Ｆｉｇ．１）

ショットキーバリアダイオードを形成しようとする領域の熱酸化層を除去するためには、熱酸化層上に写真製版処理で前記領域が開口したレジスト層を設けて、その開口領域の熱酸化層をエッチング液でウェットエッチングし、レジスト剥離液で不要となったレジスト層を除去する。

したがって、従来の非特許文献１に記載のＳｉＣ半導体装置の製造方法においては、ウェットエッチングやレジスト層除去の際に、レジスト層表面やＳｉＣ基板裏面等に付着している汚れがエッチング液中やレジスト剥離液中に混入し、熱酸化層を除去することで局部的に露出された清浄なエピタキシャル層の表面をそれらの汚れによって汚染してしまったり、自然酸化膜の形成を引き起こされたりすることにより、逆バイアス時のリーク電流増加等のショットキバリアダイオードのショットキー接合電気特性の劣化や、耐電圧の低下が生じるという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するために為されたもので、清浄なショットキー接合界面が形成でき、その結果、良好なショットキー接合電気特性と良好な耐電圧を有するＳｉＣ半導体装置を製造できるＳｉＣ半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法では、ＳｉＣ基板の一主面上に形成されたＳｉＣのエピタキシャル層の表面に、酸化されると電気的絶縁性を示す金属からなる金属層を形成した後、前記金属層の上にＡｌないしはＡｌ合金からなる導電層を形成し、前記導電層の表面のショットキー接合形成領域上を覆うレジスト層を形成し、少なくとも前記レジスト層で覆われていない領域の前記導電層を除去して庇状電極部を形成し、さらに、少なくとも前記庇状電極部で覆われていない領域の前記金属層を酸化して前記金属からなるショットキー電極と前記金属の金属酸化物からなる保護層とを形成し、最後に、レジスト層を除去するようにした。前記金属はＴｉであり、希フッ酸に浸漬して酸化するようにした。

この発明によれば、清浄なＳｉＣのエピタキシャル層の表面に金属層を形成した後は、一切、エピタキシャル層の表面を露出させること無しに、前記金属からなるショットキー電極と前記金属の金属酸化物からなる保護層を形成するようにしたので、エピタキシャル層の表面が汚染されたり自然酸化されることが無く、その結果、清浄なショットキー接合界面が形成でき、逆バイアス時のリーク電流が小さく良好なショットキー接合電気特性と良好な耐電圧を有するＳｉＣ半導体装置を製造できるという効果を得ることができる。

以下、この発明の実施の形態によるＳｉＣ半導体装置の製造方法を、既に一主面上にＳｉＣのエピタキシャル層が成長されたＳｉＣ基板を用いる場合を例に説明する。

実施の形態１．
Ｔｉは、ＳｉＣのエピタキシャル層と接することでショットキー接合が形成でき、酸化されると電気的絶縁性を示す金属であるが、酸化する手法として、希フッ酸の溶液に浸漬することで酸化することが可能である。Ｔｉを熱酸化によって酸化する場合は、通常酸素を含む雰囲気で少なくとも５００℃以上（例えば厚さが２００ｎｍ程度のＴｉ層であれば６５０℃程度）に加熱する必要があるが、この希フッ酸の溶液に浸漬する方法は低温で酸化することができる。
図１は、この発明に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法の実施の形態１の工程を説明するための工程フロー図である。ここでは、ＳｉＣ基板は導電型がｎ型でドーパントが高濃度に添加された低抵抗のｎ^＋−ＳｉＣ基板の場合を例に説明する。

図１（ａ）に示すように、ｎ^＋−ＳｉＣ基板１の一主面上には導電型がｎ型のＳｉＣのｎ−エピタキシャル層２が形成されている。このｎ−エピタキシャル層２の表面を高温の酸化性雰囲気に暴露して、図１（ｂ）に示す熱酸化層３を形成する。

次に、図１（ｃ）に示すように、ｎ^＋−ＳｉＣ基板１の裏面にＮｉを例えばスパッタリング法により成膜し、熱処理をして裏面オーミック電極４を形成し、さらに、フッ酸溶液で熱酸化層３を除去して、図１（ｄ）に示すように、ｎ−エピタキシャル層２を露出させる。この際、熱酸化層３は犠牲酸化膜として働き、ｎ−エピタキシャル層２の表面や極最表層に付着していた汚れが熱酸化層３とともに除去されることとなり、その結果、エピタキシャル層２の表面は極めて清浄な状態となる。

次に、この清浄なｎ−エピタキシャル層２の上に、酸化されると電気的絶縁性を示す金属であるＴｉを例えばスパッタリング法により成膜し、図１（ｅ）に示すように、膜厚２００ｎｍのＴｉ層５を形成し、さらに、図１（ｆ）に示すように、通常の写真製版処理を用いて、ダイオードを形成しようとする領域上を覆うレジスト層６を形成する。

この状態で、常温（２５℃）で１％の濃度の希フッ酸の溶液に３０秒間浸漬すると、図１（ｇ）に示すように、レジスト層６に覆われていない領域のＴｉ層５は酸化され、電気的絶縁性を有するＴｉ酸化物に変わり、保護層７が形成される。一方、レジスト層６で覆われている領域のＴｉ層５は、酸化されずに金属であるＴｉのままであり、ショットキー電極８となる。なお、このような酸化反応はＴｉ層５に対して等方的に働くこととなるので、図１（ｇ）に示すように、レジスト層６の端の部分で覆われているＴｉ層５の部分も酸化されることとなって、保護層７はレジスト層６の下側に一部潜り込むように形成される。

最後に、不要となったレジスト層６を有機溶剤等のレジスト剥離液で除去することにより、図１（ｈ）に示すように、ｎ−エピタキシャル層２の表面には、Ｔｉからなりｎ−エピタキシャル層２との界面にショットキー接合を形成するショットキー電極８と、Ｔｉ酸化物からなりエピタキシャル層界面の電気的安定性が得られるように保護する保護層７が形成され、ＳｉＣショットキーバリアダイオードを構成する。

このＳｉＣショットキーバリアダイオードは、清浄なｎ−エピタキシャル層２にＴｉ層５を形成した後は、一切、そのｎ−エピタキシャル層２の表面を露出させること無しに製造するようにしたので、ショットキー接合界面が極めて清浄であり、逆バイアス時のリーク電流が小さく良好なショットキー接合電気特性と良好な耐電圧を有するＳｉＣ半導体装置を製造することができる。

なお、上記では、エピタキシャル層の導電型がｎ型の場合についてのみ説明したが、エピタキシャル層の導電型がｐ型であっても、この発明に係る実施の形態１の製造方法を適用できることはいうまでもない。

実施の形態２．
実施の形態１のＳｉＣ半導体装置の製造方法においては、金属がＴｉからなるショットキー電極とＴｉ酸化物からなる保護層を形成するために、希フッ酸の溶液に浸漬することで金属であるＴｉを酸化するようにしたが、ＳｉＣのエピタキシャル層の導電型がｐ型であれば、陽極酸化法によって金属を酸化することが可能である。陽極酸化法は、熱酸化法のように高温に加熱する必要が無く、低温で酸化できる方法である。

以下では、一例として金属がＡｌの場合を例にして説明する。ただし、ＳｉＣのエピタキシャル層と接することでショットキー接合が形成でき、陽極酸化が可能で金属酸化物が電気的絶縁性を有するような金属であれば、例えばＴｉのようにＡｌ以外の金属であっても良いことはいうまでもない。

図２は、この発明に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法の実施の形態２の酸化方法として陽極酸化法を用いた製造方法を説明するための構成図である。図１と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

図２において、半絶縁性ＳｉＣ基板９の一主面には導電型がｐ型でドーパントが高濃度に添加された低抵抗のｐ^＋−エピタキシャル層１０が形成され、さらに、その上には導電型がｐ型のｐ−エピタキシャル層１１が形成されている。

まず、ｐ−エピタキシャル層１１の表面を清浄にするために、実施の形態１で説明した製造方法と同様に、ｐ-エピタキシャル層１１の表面を熱酸化して熱酸化層を形成し、フッ酸溶液でこの熱酸化層を除去する。

一方、オーミック電極については、実施の形態１ではｎ^＋−ＳｉＣ基板１の裏面に裏面オーミック電極４を設けるようにしていたが、実施の形態２では半絶縁性ＳｉＣ基板９を用いるため、オーミック電極を裏面に設ける代わりに、ｐ^＋−エピタキシャル層１１の一部を露出させて例えばＡｌ／Ｔｉ積層膜をその露出部に積層し熱処理することで局部オーミック電極１２を形成する。

次に、この清浄なｐ−エピタキシャル層１１の上に、酸化されると電気的絶縁性を示す
金属であるＡｌを例えばスパッタリング法により成膜し、膜厚２００ｎｍのＡｌ層１３を形成する。さらに、通常の写真製版処理を用いて、ダイオードを形成しようとする領域上を覆うレジスト層６を形成する。

さらに、陽極酸化をしようとするレジスト層６で覆われていないＡｌ層１３の領域を残して、それ以外全体を保護するレジスト層１４を形成した上で、図２の電解液１５の中に浸漬する。なお、電解液１５に対してＡｌ層１３を陽極側、白金電極１６を陰極側にして、電流が流せるように、定電流電源１７の陽極と局部オーミック電極１２との間、及び、定電流電源１７の陰極と白金電極１６との間を、それぞれ、絶縁導線１８と絶縁導線１９で接続する。

ところで、電解液１５としては、例えば、ホウ酸アンモニウム水溶液とエチレングリコールを混合した陽極酸化液を用いることができる。

定電流電源１７を動作させて通電すると、Ａｌ層５とｐ−エピタキシャル層１１とはショットキー接合を形成しているが、順方向の電圧が印加されることとなるので、定電流電源１７の陽極から出た電流は、絶縁導線１８、局部オーミック電極１２、ｐ^＋−エピタキシャル層１０、ｐ−エピタキシャル層１１、Ａｌ層１３を通って、電解液１５に流れ込み、さらに、対極の白金電極１６、絶縁導線１９を通って定電流電源１７の陰極に戻ってくる。

以上のように、陽極酸化電流が流れることで、レジスト層６で覆われずに電解液１５に接している領域のＡｌ層１３は陽極酸化される。一方、レジスト層６で覆われている領域のＡｌ層１３は電解液１５に接していないので電流が流れないことから酸化されずに金属のＡｌのままである。したがって、陽極酸化処理を行った後に、レジスト層６とレジスト層１４を有機溶剤等のレジスト剥離液で除去してやると、Ａｌからなりｐ−エピタキシャル層１１との界面にショットキー接合を形成するショットキー電極と、Ａｌ酸化物からなりエピタキシャル層界面の電気的安定性が得られるように保護する保護層が形成され、ＳｉＣショットキーバリアダイオードを構成する。

このＳｉＣショットキーバリアダイオードは、清浄なｐ−エピタキシャル層１１にＡｌ層１３を形成した後は、一切、そのｐ−エピタキシャル層１１の表面を露出させること無しに製造するようにしたので、ショットキー接合界面が極めて清浄であり、逆バイアス時のリーク電流が小さく良好なショットキー接合電気特性と良好な耐電圧を有するＳｉＣ半導体装置を製造することができる。

さらに、既に上記で述べたように、実施の形態２の製造方法においては、陽極酸化法により金属を酸化するようにしたので、金属としては、Ａｌに限られるものでは無く、ＳｉＣのエピタキシャル層と接することでショットキー接合が形成でき、陽極酸化が可能で金属酸化物が電気的絶縁性を有するような金属であれば、例えばＴｉのようなＡｌ以外の金属であっても良いことはいうまでもない。

実施の形態３．
実施の形態１や実施の形態２にて説明したＳｉＣ半導体装置のショットキー電極は、周端に電界が集中しやすい形状となっているが、エピタキシャル層の表面にＴｉ層を形成し、さらにその上に、ＡｌないしはＡｌ合金からなる導電層を形成してから、ダイオード形成領域上をレジスト層で覆い、覆われていない領域の前記導電層を除去して庇状電極部を形成し、さらに、希フッ酸に浸漬して庇状電極部をマスクにしてＴｉ層を酸化すれば、酸化されなかったＴｉ層からなる接合電極部と前記庇状電極部から構成されるショットキー電極は、周端が電界緩和される形状となり、さらに耐電圧特性の向上を図ることが可能となる。

図３は、この発明に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法の実施の形態３の電界緩和形状を有するショットキー電極の製造工程を説明するための工程フロー図である。図１と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

なお、ここでは、ＳｉＣ基板は導電型がｎ型でドーパントが高濃度に添加された低抵抗のｎ^＋−ＳｉＣ基板１であって、そのｎ^＋−ＳｉＣ基板１の一主面に導電型がｎ型のＳｉＣのｎ−エピタキシャル層２が形成されており、図１の（ａ）から（ｄ）と同様の方法で、清浄なｎ−ＳｉＣエピタキシャル層２の表面に２００ｎｍの厚さのＴｉ層５を形成した時点を図３（ａ）に示して、これ以降の工程を以下に詳細に説明する。

まず、図３（ｂ）に示すように、Ｔｉ層５の上にＡｌないしはＡｌ合金からなる導電層２０を例えばスパッタリング法により成膜する。

次に、図３（ｃ）に示すように、通常の写真製版処理を用いて、ダイオードを形成しようとする領域上を覆うレジスト層６を形成する。

さらに、図３（ｄ）に示すように、レジスト層６で覆われていない領域のＡｌないしはＡｌ合金からなる導電層２０を、Ｈ_３ＰＯ_４、ＨＮＯ_３、及びＣＨ_３ＣＯＯＨを混合した燐酸系エッチング液で除去して、庇状電極部２１を形成する。

次に、この状態で、常温（２５℃）で１％の濃度の希フッ酸の溶液に３０秒間浸漬すると、図３（ｅ）に示すように、庇状電極部２１で覆われていない領域のＴｉ層５は酸化され、電気的絶縁性を有するＴｉ酸化物に変わり、保護層７が形成される。一方、庇状電極部２１で覆われている領域のＴｉ層５は、酸化されずに金属であるＴｉのままであり、接合電極部２２となる。実施の形態１においても述べたように、このような酸化反応はＴｉ層５に対して等方的に働くこととなるので、図３（ｅ）に示すように、庇状電極部２１の端の部分で覆われているＴｉ層５の部分も酸化されることとなって、保護層７は庇状電極部２１の下側に一部潜り込むように形成される。

したがって、ＡｌないしはＡｌ合金からなる庇状電極部２１の周端は、Ｔｉからなる接合電極部２２に対して突き出す形状となっており、庇状電極部２１と接合電極部２２により構成されたショットキー電極は、周端が電界緩和される形状を有している。

最後に、不要となったレジスト層６を有機溶剤等のレジスト剥離液で除去することにより、図３（ｆ）に示すように、ｎ−エピタキシャル層２の表面に、庇状電極部２１と接合電極部２２で構成され電界緩和形状を有したショットキー電極と、Ｔｉ酸化物からなる保護層７とが形成され、ＳｉＣショットキーバリアダイオードを構成する。

このＳｉＣショットキーバリアダイオードは、ショットキー接合界面が清浄であるだけでなく、ショットキー電極が電界緩和形状を有しているので、さらに耐電圧が向上したＳｉＣ半導体装置を製造することができる。

さらに、このショットキー電極の電界緩和形状は、庇状電極部２１と、この庇状電極部２１をマスクとして下地のＴｉ層５を酸化して形成した接合電極部２２とから構成されているので、接合電極部２２の全周に対して庇状電極部２１の周端が庇状に突き出すようにセルフアライメントで形成されることとなり、庇状電極部２１と接合電極部２２の位置ずれが生じるようなことが無く、その結果、ショットキー電極の全周にわたってその周端の電界緩和形状が安定して確実に形成できるという効果がある。したがって、耐電圧が向上したＳｉＣ半導体装置が容易に実現できる。

なお、上記では、エピタキシャル層の導電型がｎ型の場合についてのみ説明したが、エピタキシャル層の導電型がｐ型であっても、この発明に係る実施の形態３の製造方法を適用できることはいうまでもない。

実施の形態４．
実施の形態３の電界緩和形状を有するショットキー電極の製造方法においては、庇状電極部をマスクとしてＴｉ層を酸化することで接合電極部をセルフアライメントで形成するようにしたが、先に接合電極部を形成しておいてから、その上に庇状電極部を形成するようにしても良い。この場合は、導電層を庇状電極部に加工するために用いるレジスト層を形成する際の写真製版処理において、先に形成されてその上が導電層で覆われて位置を目視確認できない接合電極部の全周に対して、レジスト層の形成位置を確実に位置決めする必要があり、実施の形態３に比べると手間がかかる。しかし、接合電極部の形成としては、実施の形態１で説明したＴｉを希フッ酸で酸化する製造方法、ないしは、実施の形態２にて説明した陽極酸化を用いた製造方法のいずれも用いることが可能で、接合電極部を構成する金属としては、Ｔｉに限られることが無く、ＳｉＣのエピタキシャル層と接することでショットキー接合が形成でき、陽極酸化が可能で金属酸化物が電気的絶縁性を有するような金属であれば用いることができる。さらに、庇状電極部を形成するのと同時に、例えばワイヤーパッド電極へのＡｌないしはＡｌ合金からなる配線も形成することが可能で、工程を簡略化できる。

図４は、この発明に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法の実施の形態４の電界緩和形状を有するショットキー電極の製造工程を説明するための工程フロー図である。図１及び図３と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

なお、ここでは、ＳｉＣ基板は導電型がｎ型でドーパントが高濃度に添加された低抵抗のｎ^＋−ＳｉＣ基板１であって、そのｎ^＋−ＳｉＣ基板１の一主面に導電型がｎ型のＳｉＣのｎ−エピタキシャル層２が形成されており、実施の形態１の製造方法を示す図１の（ａ）から（ｈ）と同様の方法で、清浄なｎ−ＳｉＣエピタキシャル層２の表面に、Ｔｉからなりｎ−エピタキシャル層２との界面にショットキー接合を形成する接合電極部２２（図１のショットキー電極８に相当）と、Ｔｉ酸化物からなりエピタキシャル層界面を保護する保護層７が形成された時点を図４（ａ）に示して、これ以降の工程を以下に詳細に説明する。

なお、この接合電極部２２と保護層７が、実施の形態３の陽極酸化を用いた製造方法で形成されても良いことはいうまでもない。

図４（ｂ）に示すように、ＡｌないしはＡｌ合金からなる導電層２０を例えばスパッタリング法により成膜する。

次に、図４（ｃ）に示すように、通常の写真製版処理を用いて、ダイオードを形成しようとする領域上を覆うレジスト層６を形成する。この際、接合電極部２２は導電層２０で覆われて位置を目視確認できないので、例えば、あらかじめダイオードを形成しない位置に位置決めのためのアライメントマークを形成しておき、このアライメントマークを覆い隠す導電層２０を除去する工程を行った上で、このアライメントマークを基準に接合電極部２２と写真製版処理で形成しようとするレジスト層６との位置決めを確実に行うようにする。

なお、ＡｌないしはＡｌ合金からなる例えばワイヤーパッド電極へ接続するための配線も同時に形成するのであれば、この配線に対応したレジストパターンも同時に形成しておく。

次に、図４（ｄ）に示すように、レジスト層６で覆われていない領域のＡｌないしはＡｌ合金からなる導電層２０を、Ｈ_３ＰＯ_４、ＨＮＯ_３、及びＣＨ_３ＣＯＯＨを混合した燐酸系エッチング液で除去して、庇状電極部２１を形成する。配線に対応したレジストパターンが形成されてあれば、配線も同時に形成される。

最後に、不要となったレジスト層６を有機溶剤等のレジスト剥離液で除去することにより、図４（ｅ）に示すように、ｎ−エピタキシャル層２の表面に、庇状電極部２１と接合電極部２２で構成され電界緩和形状を有したショットキー電極と、Ｔｉ酸化物からなる保護層７とが形成され、ＳｉＣショットキーバリアダイオードを構成する。

さらに、実施の形態４におけるショットキー電極の製造方法では、先に接合電極部を形成しておいてから、その上に庇状電極部を形成するようにしたので、接合電極部を構成する金属はＴｉに限られることが無く、ＳｉＣのエピタキシャル層と接することでショットキー接合が形成でき、陽極酸化が可能で金属酸化物が電気的絶縁性を有するような金属であれば、例えばＡｌのようなＴｉ以外の金属であっても良いという効果がある。

さらに、庇状電極部を形成するのと同時に、例えばワイヤーパッド電極へのＡｌないしはＡｌ合金からなる配線も形成することが可能で、工程を簡略化できるという効果がある。

この発明に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法の実施の形態１の工程フロー図である。この発明に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法の実施の形態２の酸化方法として陽極酸化法を用いた製造方法を説明するための構成図である。この発明に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法の実施の形態３の工程フロー図である。この発明に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法の実施の形態４の工程フロー図である。

符号の説明

１ｎ^＋−ＳｉＣ基板
２ｎ−エピタキシャル層
５Ｔｉ層
６レジスト層
７保護層
８ショットキー電極
９半絶縁性ＳｉＣ基板
１１ｐ−エピタキシャル層
１３Ａｌ層
１４レジスト層
２０導電層
２１庇状電極部
２２接合電極部

Claims

ＳｉＣ基板の一主面上に形成されたＳｉＣのエピタキシャル層の表面に、酸化されると電気的絶縁性を示す金属からなる金属層を形成する工程と、
前記金属層の上にＡｌないしはＡｌ合金からなる導電層を形成する工程と、
前記導電層の表面のショットキー接合形成領域上を覆うレジスト層を形成する工程と、
少なくとも前記レジスト層で覆われていない領域の前記導電層を除去して庇状電極部を形成する工程と、
少なくとも前記庇状電極部で覆われていない領域の前記金属層を酸化する工程と、
前記レジスト層を除去する工程と、を備え、
前記金属がＴｉで、希フッ酸に浸漬して酸化することを特徴とする
半導体装置の製造方法。