JP5052169B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関するものであり、特に炭化珪素半導体装置の電極形成の製造方法に関するものである。

炭化珪素半導体装置は、電気接続するための電極を備えており、例えば特許文献１および特許文献２に開示されている。

特許文献１によれば、ｐ型の炭化珪素基板上にチタンおよびアルミを積層して熱処理を施すことで、電極を形成することを開示している。

しかしながら、特許文献１に基づいて電極を形成する場合、電極のコンタクト抵抗を低減するために大量のアルミに加えて高温・長時間の熱処理を必要とする。これにより熱的損傷によって表面モホロジーの悪化や、素子機能の低下および素子寿命の低下などを招くことが問題となっていた。

そこで、特許文献２では、高温・長時間の熱処理を不要とすべく、ｐ型の炭化珪素基板上に少なくともニッケル、コバルト、パラジウムおよびプラチナを１種類含む層を形成し、該層上にチタンおよびアルミを順に積層して熱処理を施して電極を形成することを開示している。これにより高温・長時間の熱処理が不要となり、熱的損傷によって生じる表面モホロジーの悪化や、素子機能の低下および素子寿命の低下の防止が図られている。
特開平５−１３８１２ 特開２００３−７７８６０

しかしながら、特許文献２に開示されたニッケル、コバルト、パラジウムおよびプラチナなどのＮＮＭ（Ｎｅａｒ Ｎｏｂｌｅ Ｍｅｔａｌ）と称される金属は、銅などの金属と比較して高価であることから、製造コストの低減を図ることができず、これが問題となっていた。また、ＮＮＭに代えて安価な銅を用いて電極を単に形成した場合、良好な電気的特性を得ることができないことも問題となっていた。

従って、本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は良好な特性の電極を低コストで形成し得る炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために創案されたものであり、ｐ型炭化珪素基板上に金属層を積層して熱処理を施すことで成る電極を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法において、Ｐ型の炭化珪素領域上に、少なくとも銅およびアルミを積層して多重層を形成する処理と、多重層に対し、アルミの溶融温度以下で銅およびアルミを合金化する熱処理を第1の熱処理として施し、第1の熱処理後に、銅珪化物を形成するための熱処理を第２の熱処理として施して電極を形成することを特徴とする。

第1の熱処理は、摂氏４００度〜摂氏６５０度の熱を１分間以上に亘って施すことを特徴とする。
第２の熱処理は、摂氏８００度〜摂氏１１００度の熱を施すことを特徴とする。
多重層の形成は、銅およびアルミ間にチタンを積層することを特徴とする。

第1の熱処理および第２の熱処理は、何れか一方の熱処理又はその両方の熱処理が希ガスの加熱雰囲気中、または水素ガスの加熱雰囲気中、または希ガスと水素ガスの混合ガスの加熱雰囲気中で行なわれることを特徴とする。
第1の熱処理および第２の熱処理は、何れか一方の熱処理又はその両方の熱処理が真空中で行なわれることを特徴とする。

本発明によれば、ｐ型炭化珪素基板上に、少なくとも銅およびアルミを積層して多重層を形成する。その後、アルミの溶融温度以下で銅およびアルミを合金化する第1の熱処理を施した後、銅珪化物を形成するための第２の熱処理を施して電極を形成する。これにより、第1の熱処理によって溶融温度の低いアルミが分離することを防止して合金を形成し、第２の熱処理によって合金とｐ型炭化珪素基板とによる銅珪化物を形成し、良好なオーミックコンタクトを得る電極を安価な銅を用いて低コストで形成することができる。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明するが、以下の説明では、実施の形態に用いる図面について同一の構成要素は同一の符号を付し、かつ重複する説明は可能な限り省略する。

本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、特に当該炭化珪素半導体装置に備える電極の製造方法に特徴がある。この電極の製造方法の詳細な説明に先立ち、当該電極を備えた炭化珪素半導体装置として、ＳｉＣショットバリアキーダイオードを例にその全体構造を説明する。

ＳｉＣショットキーダイオード１０は、図２に示すように、Ｎ型不純物を含むＮ型炭化珪素層１と、該Ｎ型炭化珪素層１の表面近傍に所定の間隔を有してＰ型の不純物が導入されて形成されたガードリング２と、該各ガードリング２上に形成された電極３と、該各電極３間に設けられＮ型炭化珪素層１の表面上にチタンによって形成されたショットキ電極４と、電極３およびショットキ電極４を覆うアルミ電極層５と、Ｎ型炭化珪素層１の裏面においてオーミック接触を得るよう形成された裏面電極６とを備える。

Ｎ型炭化珪素層１は、Ｎ型の不純物を１Ｅ１９ｃｍ^−３で含むＮ＋ＳｉＣ層１１と、該Ｎ＋ＳｉＣ層１１上にＮ型の不純物を１Ｅ１６ｃｍ^−３で含むＮ−ＳｉＣ層１２とが積層されて構成されている。

裏面電極６はカソード側の電極であり、Ｎ型炭化珪素層１のＮ＋ＳｉＣ層１１の表面上にチタン、ニッケルおよび銀を順に積層して熱処理を施すことで形成される。

ガードリング２は、平面的に見ればＰ型の不純物が環状に導入された領域であり、該領域は濃度の異なる２つの領域によって形成されている。つまり図２に示すように、ガードリング２は、Ｐ型の不純物を５Ｅ１８ｃｍ^−３〜１Ｅ２０ｃｍ^−３で含むＰ＋ＳｉＣ領域２１と、該Ｐ＋ＳｉＣ領域２１の周囲をＰ型の不純物を１Ｅ１７ｃｍ^−３〜５Ｅ１７ｃｍ^−３で含む覆うＰ−ＳｉＣ領域２２とで構成されている。

ガードリング２のＰ＋ＳｉＣ領域２１上には、本発明の製造方法によって形成される電極３が形成されており、該電極３とショットキ電極４とこれらの電極を覆うアルミ電極層５とによってアノード側の電極が形成されている。

ここで、アノード側の電極を構成する電極３について詳細に説明する。
当該電極３は、本発明の製造方法を用いて形成されており、その製造方法が図１のフローチャートに示されている。

本発明の製造方法を用いて形成する電極３は、図２の（Ａ）に示すように、先ずＮＮＭなどの高価な金属に代わる銅をＰ＋ＳｉＣ領域（Ｐ型の炭化珪素領域）２１上に積層し、該銅上にチタンおよびアルミを順に積層して多重層を形成する（ステップＳ１）。次に、形成した多重層に対し、アルミの融点温度以下で銅およびアルミを合金化する第1の熱処理を施し（ステップＳ２）、その後銅珪化物を形成するための第２の熱処理（ステップＳ３）を施す。

ここで、各ステップを詳細に説明する。
ステップ１の多重層の形成において、銅、チタンおよびアルミから成る多重層の構成比は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｔｉ系の状態図に基づいている（図３参照）。これによって、３つの元素が反応して生成した合金の融点が高くなり、溶融に伴うボールアップ現象を避けることができる。ここで言うボールアップ現象とは、溶融した合金が、表面エネルギーが大きいので、液滴として球状に盛り上がって表面の凹凸が激しくなり、微細加工を要するデバイスの作製が困難になる現象を指す。

尚、本実施例では、銅が１４．３モルパーセント、チタンが２５．７モルパーセントおよびアルミが６０モルパーセントで多重層が構成されており、これらを層厚さ寸法に換算すると、銅が２００Å、チタンが５３５Åおよびアルミが１１８０Åとなるように積層されて、多重層が形成されている。また多重層の形成は、真空蒸着法によって行なわれている。

尚、前記した実施例では具体的な数値を示したが、これに限る必要は無く例えばモザイク状になるよう極薄膜に各層を形成してもよい。

ところで、本願における課題を解決のための構成要件として、多重層の構成に必ずしもチタンを必要としないが、銅とアルミの間にチタンを積層することによって、反応して生成した合金の融点が高くなり、溶融に伴うボールアップ現象を避けることが容易になるので、本願の実施例ではチタンが用いられている例で説明を行なう。

次に、ステップ２の銅およびアルミを合金化する第1の熱処理を説明する。
第1の熱処理は、希ガスとしてのアルゴンを９８モルパーセントおよび水素を２モルパーセント含む混合ガスの加熱雰囲気中で行なわれており、加熱温度としては摂氏４００度〜摂氏６５０度であり、当該温度に制御された熱が１分間以上に亘って多重層に施す。好適には摂氏６００度の熱を３０分間に亘って施すことが好ましい。これにより、溶融温度の低いアルミがボールアップすることを防止して合金を形成することができる。

次に、ステップ３の第２の熱処理を説明する。
第２の熱処理も前記した第1の熱処理と同様に、希ガスとしてのアルゴンを９８モルパーセントおよび水素を２モルパーセント含む混合ガスの加熱雰囲気中で行なわれている。水素は金属の表面に化学吸着して表面エネルギーを下げるので、仮に溶融現象が生じてもボールアップ現象を抑制することが出来る。従って熱処理の雰囲気ガスとしては水素濃度が高い方が有利である。尚、水素の含有率は、実プロセスにおいて万一水素ガスが大気に漏れた場合、発火・爆発を避けるために爆発下限である４モルパーセントを下回ることが好ましい。

ところで、第２の熱処理では、第1の熱処理で形成した合金に、該合金を珪化物化するために摂氏８００度〜摂氏１１００度の熱を５分〜３０分に亘って施す。好適には、摂氏８５０度の熱を５分間に亘って施すことが好ましい。これにより、第1の熱処理で形成した合金とＰ＋ＳｉＣ領域２１とによる銅珪化物を形成し、良好なオーミックコンタクトを得ることができる。

ところで、発明者は、第２の熱処理において、銅はＰ＋ＳｉＣ領域２１と式１に示す化学式のように反応するのでＳｉＣ最表面にＳｉの原子空孔を形成し、この原子空孔にＰ型不純物となるＡｌが入って高濃度のＰ型層を形成することで良好なオーミック接触が可能になると考えている。残ったＣは、Ｔｉと結合してＴｉＣとなることから、余剰Ｃが脆い黒鉛として単体で析出することを防止でき、もって電極の剥離といった問題を避けることができると考えている。
３Ｃｕ＋ＳｉＣ→Ｃｕ_３Ｓｉ＋Ｃ・・・・・・（式１）

尚、第1の熱処理と第２の熱処理とにおける温度と時間との関係を示すプロファイルが図４に示されている。該図において第1の熱処理から第２の熱処理への温度遷移は５度／ｍｉｎ〜３０度／ｍｉｎで示す範囲で遷移することが好ましく、好適には第1の熱処理から第２の熱処理処理へ、１０度／ｍｉｎで遷移するように制御することが好ましい。

前記したようにして形成した電極は、図５の写真図に示すように、２段階の加熱処理を行なわない無い場合と比較して巨大なボールアップが生じることが無く、また接触抵抗も１．６Ｅ−１Ωｃｍ^２から４．４Ｅ−４Ωｃｍ^２に低減することが確認されている。

尚、形成した多重層に対し、第1の熱処理として摂氏６００度で３０分加熱し、その後第２の熱処理として摂氏８５０度で５分間加熱して形成した本発明の電極と、多重層に対し摂氏８５０度で５分間加熱して形成した電極との特性が、図６のグラフに示されている。

当該グラフで明らかなように、本発明の製造方法で形成した電極は、電圧に応じて電流が直線的変化を示す良好なオーミック接触を得ることができる。しかも、本発明では、ＮＮＭなどの高価な金属を用いる必要が無く、安価な銅を用いて良好なオーミック接触を得ることができる。

尚、本発明の製造方法を用いて形成した電極を備えたＳｉＣショットキーダイオード１０も、当然に当該電極の特性を反映しており、良好な電気特性を安価に得ることができる。

前記した実施例では、第1の熱処理および第２の熱処理において、希ガスと水素ガスの混合ガスの加熱雰囲気中で行なう例で説明を行なったが、これに限る必要は無く、例えば希ガスのみの加熱雰囲気中、または水素ガスのみの加熱雰囲気中、または真空中で熱処理を行なうようにしてもよい。

また、前記した実施例では、第1の熱処理および第２の熱処理の何れにおいても、加熱雰囲気中で行なう例で説明を行なったが、これに限る必要は無く、第1の熱処理および第２の熱処理の何れか一方において加熱雰囲気中で熱処理を行なうようにしてもよい。

前記した実施例では、多重層の構成比を具体的な数値を用いて例示したが、これに限る必要は無く、本発明の効果と同様の効果を得ることができる範囲内で、適宜その値を変更してもよい。

本発明の製造方法を用いた半導体装置の構造を示す全体図（Ａ）と電極を形成するための多重層の構成を示す図（Ｂ）である。 本発明を適用した電極の製造方法を示すフローチャートである。 ５４０℃におけるＡｌ−Ｃｕ−Ｔｉ系状態図である。 本発明の製造方法における温度プロファイルを示す図である。 本発明の製造方法における２段階加熱処理を適用して形成した電極の写真図および１回の加熱処理で形成した電極の写真図である。 2段階加熱で形成した電極の特性と、1段階加熱で形成した電極の特性とを示す図である。

符号の説明

１ Ｎ型炭化珪素層
２ ガードリング
３ 電極
４ ショットキ電極
５ アルミ電極層
６ 裏面電極
１０ ＳｉＣショットキーダイオード
１１ Ｎ＋ＳｉＣ層
１２ Ｎ−ＳｉＣ層
２１ Ｐ＋ＳｉＣ領域
２２ Ｐ−ＳｉＣ領域

Claims (6)

1. Ｐ型の炭化珪素領域上に金属層を積層して熱処理を施すことで成る電極を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法において、
   前記Ｐ型の炭化珪素領域上に、少なくとも銅およびアルミを積層して多重層を形成する処理と、
   前記多重層に対し、アルミの溶融温度以下で銅およびアルミを合金化する熱処理を第1の熱処理として施し、
   前記第1の熱処理後に、銅珪化物を形成するための熱処理を第２の熱処理として施して前記電極を形成することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
2. 前記第1の熱処理は、摂氏４００度〜摂氏６５０度の熱を１分間以上に亘って施すことを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
3. 前記第２の熱処理は、摂氏８００度〜摂氏１１００度の熱を施すことを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
4. 前記多重層の形成は、銅およびアルミ間にチタンを積層することを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
5. 前記第1の熱処理および前記第２の熱処理は、何れか一方の熱処理又はその両方の熱処理が希ガスの加熱雰囲気中、または水素ガスの加熱雰囲気中、または希ガスと水素ガスの混合ガスの加熱雰囲気中で行なわれることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
6. 前記第1の熱処理および前記第２の熱処理は、何れか一方の熱処理又はその両方の熱処理が真空中で行なわれることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。