JP5369762B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

炭化珪素半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、炭化珪素(以下、SiCという)で構成される半導体素子に形成される電極のオーミック接触を実現することができるSiC半導体装置の製造方法に関するものである。
従来より、SiC基板に縦型パワーデバイスを形成する場合、このデバイスを電気回路等と接続するための電極をオーミック接触とすることが望まれている。特に、縦型パワーデバイスとして縦型パワーMOSFETのドレイン電極を形成する場合、ドレイン領域を構成するSiC基板の裏面側とドレイン電極との接触抵抗を低減させたオーミック電極にする必要がある。
このようなオーミック電極を形成する方法として、SiC半導体装置において、n型SiCとp型SiCとの双方に対して低抵抗(電位障壁が小さな)接続となるオーミック電極を得るために、SiC基板にNiを蒸着した後、熱処理を行うというシリサイドプロセスを行い、SiC基板にNiシリサイド膜を形成する方法が報告されている(例えば、非特許文献1参照)。
しかしながら、Niをシリサイド化する際に電極表面に炭素が析出して、電極と電極パッドの接触を妨げるという問題がある。そこで、特許文献1では、高温熱処理によって生成したNiの炭化物やC粒子からなる中間生成層をArスパッタ等により除去する方法を提案している。また、特許文献2では、SiC上に形成したNiの表面にカーバイドを生成する金属(TiやW)を積層し、高温熱処理時においてSiC基板の分解物であるC原子をNiの表面に積層した金属と反応させ、その金属にC原子の拡散を防止するストッパとして機能させることで、電極の表面への炭素の析出を抑制する方法が提案されている。
特開2003−243323号公報 特開2006−344688号公報
今井聖支 他1名、「29p−ZM−14、Niサリサイドプロセスを用いたn型およびp型SiC同時コンタクト」、第51回応用物理関係連合講演会講演予稿集。社団法人応用物理学会、2004年3月28日、第1分冊、p.437
しかしながら、本発明者らがMoなどのカーバイドを生成する金属を用いてSiC基板上に電極形成するという実験を行って検討した結果、Moをカーバイド化する際に余ったSiがシリコン粒子またはシリコン酸化物(SiO2)として析出し、電極の低抵抗化を妨げることを確認した。さらに、カーバイド化する金属をシリサイド化する金属の上に積層する組み合わせにおいても、ただ組み合わせただけでは炭素とシリコン酸化物の両方が析出して低抵抗化を妨げることがあることを見出した。そして、これらの析出したシリコン酸化物がオーミック電極の低抵抗化を妨げる要因になっているという問題がある。
本発明は上記点に鑑みて、カーバイド化する金属を用いて、あるいはカーバイド化する金属とシリサイド化する金属とを組み合わせてオーミック電極を形成する際に、より低抵抗化ができるSiC半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、半導体基板を用意し、当該半導体基板の表面に対し、半導体素子と接触するように、カーバイドを生成する金属であるMoを含む金属薄膜(50)を形成する金属薄膜形成工程と、金属薄膜形成工程の後、金属薄膜(50)とSiC中の炭素を反応させてカーバイド層(70)を形成することで、オーミック電極(11)を形成する電極形成工程と、電極形成工程の後、カーバイド層(70)の表面に生じたシリコン酸化物またはシリコン粒子からなる不要膜(80)を除去する除去工程と、を含むことを特徴としている。
このように、カーバイド層(70)を形成することでオーミック電極(11)を形成したのち、そのときにカーバイド層(70)の表面に生じたシリコン酸化膜またはシリコン粒子からなる不要膜(80)を除去することにより、オーミック電極(11)が低抵抗のオーミック接触となるようにできる。したがって、より低抵抗化ができるSiC半導体装置の製造方法を提供できる。
この場合、請求項に記載したように、金属薄膜形成工程では、金属薄膜(50)として、カーバイドを生成する金属であるMoに加えて、シリサイドを生成する金属であるNiを含め、MoとNiとによる積層膜を用いることもできる。なお、このような金属薄膜(50)の膜厚としては、例えば、請求項に記載したように、10nm以上とすることができる。
請求項に記載の発明では、電極形成工程では、レーザアニールにより、金属薄膜(50)とSiC中の炭素を反応させてカーバイド層(70)を形成することを特徴としている。
このようなレーザアニールを用いることで、局所的な加熱が可能となるため、半導体素子全体を高温処理する必要がない。このため、素子構造を形成した後に加熱処理を行っても、素子構造等に熱的ダメージを与えないようにすることができる。なお、レーザアニールの他には、請求項に記載したように、シンター処理により、金属薄膜(50)とSiC中の炭素を反応させてカーバイド層(70)を形成することもできる。
また、請求項に記載したように、除去工程では、プラズマエッチングにより、シリコンの酸化物またはシリコン粒子からなる不要膜(80)を除去することができる。
例えば、上記のような半導体素子としては、請求項に記載したように、半導体基板(1)の主表面(1a)側に素子構造が形成され、主表面(1a)側に表面電極(10)が形成されていると共に、主表面(1a)の反対面である裏面(1b)側にオーミック電極(11)が形成され、表面電極(10)とオーミック電極(11)との間の素子構造に電流を流してなる縦型半導体素子を挙げることができる。この場合、半導体素子の素子構造を形成する工程と、表面電極(10)の形成工程を行った後、金属薄膜形成工程、電極形成工程および除去工程を行うことができる。
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。
本発明の一実施形態における縦型パワーMOSFETの断面図である。 図1に示される半導体装置において、ドレイン電極の製造工程を示した図である。 Mo70nmをレーザーアニールでカーバイド化したものについてSiO2を除去しないものと除去したものについて抵抗測定した結果を示した図である。 Ni50nm/Mo70nmを積層し、レーザーアニールしたものについてSiO2を除去しないものと除去したものについて抵抗測定した結果を示した図である。
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)
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図1に、本実施形態に示すSiC半導体装置の製造方法により製造したプレーナ型MOSFET(縦型パワーMOSFET)の断面図を示す。本デバイスは、例えばインバータに適用すると好適なものである。図1に基づいて縦型パワーMOSFETの構造について説明する。
+型半導体基板(以下、n+型基板という)1は、上面を主表面1aとし、主表面1aの反対面である下面を裏面1bとしたSiC基板であり、単結晶SiCにて構成されている。例えば、n+型基板1の厚さは350μmとされている。このn+型基板1の主表面1a上には、n+型基板1よりも低いドーパント濃度を有するSiCにて構成されたn-型エピタキシャル層(以下、n-型エピ層という)2が積層されている。
-型エピ層2の表層部における所定領域には、所定深さを有するp-型ベース領域3aおよびp-型ベース領域3b(以下、p-型ベース領域3a、3bという)が離間して形成されている。p-型ベース領域3a、3bには、一部厚さが厚くされたディープベース層30a、30bが形成されている。具体的には、ディープベース層30a、30bは、n+型ソース領域4a、4bに重ならない部分に形成されている。そして、p-型ベース領域3a、3bのうち、ディープベース層30a、30bが形成された厚みが厚くなった部分が、ディープベース層30aが形成されていない厚みの薄い部分よりも不純物濃度が濃くされている。
このようなディープベース層30a、30b によって、ディープベース層30a、30b下のn-型エピ層2における厚さが薄く(n+型基板1とディープベース層30a、30bとの距離が短く)なるため、電界強度を高くすることができ、アバランシェブレークダウンさせ易くすることができる。
また、p-型ベース領域3aの表層部における所定領域には、当該p-型ベース領域3aよりも浅いn+型ソース領域4aが形成され、p-型ベース領域3bの表層部における所定領域には、当該p-型ベース領域3bよりも浅いn+型ソース領域4bがそれぞれ形成されている。
さらに、n+型ソース領域4aとn+型ソース領域4bとの間におけるn-型エピ層2およびp-型ベース領域3a、3bの表面部にはn-型層5aおよびn+型層5bからなる n-型SiC層5が延設されている。つまり、p-型ベース領域3a、3bの表面部においてソース領域4a、4bとn-型エピ層2とを繋ぐようにn-型SiC層5が配置されている。このn-型SiC層5は、デバイスの動作時にデバイス表面においてチャネル形成層として機能する。以下、n-型SiC層5を表面チャネル層という。
表面チャネル層5は、例えば、n-型エピ層2およびp-型ベース領域3a、3bの表面部にn型不純物をイオン注入することにより形成されている。このため、n-型層5aの方がn+型層5bよりも不純物濃度が低くされている。例えば、表面チャネル層5のうちp-型ベース領域3a、3bの上部に配置されたn-型層5aのドーパント濃度は、1×1015cm-3〜1×1017cm-3程度の低濃度となっており、かつ、n-型エピ層2およびp-型ベース領域3a、3bのドーパント濃度以下となっている。これにより、低オン抵抗化が図られている。
また、p-型ベース領域3a、3bの上部において、この上に形成された表面チャネル層5の不要部分が除去されることにより、凹部6a、6bが形成されている。これら凹部6aを通じてp-型ベース領域3a、3bが露出させられている。
表面チャネル層5の上面およびn+型ソース領域4a、4bの上面にはゲート絶縁膜(シリコン酸化膜)7が形成されている。さらに、ゲート絶縁膜7の上にはゲート電極8が形成されており、このゲート電極8は、例えばシリコン酸化膜で構成された絶縁膜9にて覆われている。また、絶縁膜9の上には、表面電極に相当するソース電極10が形成されている。このソース電極10は、絶縁膜9に形成されたコンタクトホールおよび上述した凹部6a、6bを通じて、n+型ソース領域4a、4bおよびp-型ベース領域3a、3bと接している。
そして、n+型基板1の裏面1bに、ドレイン電極11が形成されている。このドレイン電極11は、カーバイド化する第1金属であるMo等をカーバイド化したカーバイド層70(図2参照)とその上に積層された第2金属であるTi/Ni/Auからなる金属層90(図2参照)との積層構造によって構成され、n+型基板1の裏面1bに対してオーミック接合されたオーミック電極とされている。
次に、図1に示す縦型パワーMOSFETの製造方法について説明する。ただし、本実施形態にかかる縦型パワーMOSFETの基本的な製造方法に関しては従来と同様であるため、従来と異なるドレイン電極11の形成方法についてのみ説明する。
図2は、図1に示した縦型パワーMOSFETにおけるドレイン電極11の製造工程を示した図である。なお、図2では、簡略化のため縦型パワーMOSFETの素子構造については図示を省略してある。
まず、n+型基板1の表面側に図1に示したデバイスを構成する各要素を形成したもの、すなわちドレイン電極11を除くソース電極10まで形成したものを用意する。
そして、図2(a)に示す工程を行う。具体的には、n+型基板1を裏面からの研削等によって薄膜化し、n+型基板1の厚さを350μmとする。そして、n+型基板1の主表面1a側にソース電極10を覆う保護膜40を形成する。保護膜40は、n+型基板1に形成された表面電極、すなわちソース電極10等を保護するものであり、例えばポリイミド等の樹脂材料で構成される。この保護膜40により、n+型基板1の表面側を固定したのち、さらに金属薄膜形成工程として、n+型基板1の裏面1bにカーバイドを生成する金属を例えば10nm以上の膜厚で形成することで金属薄膜50を形成する。例えば、Mo70nmを蒸着して金属薄膜50を形成する。
次に、図2(b)に示す工程では、電極形成工程として、金属薄膜50にレーザ光60の照射によるレーザアニールを行う。具体的には、LD励起固体レーザ(基本波長1064nm)を用い、波長変換アダプタにて波長355nmの3倍波を生成し、波長355nmのレーザ光60をn+型基板1の裏面1b上で走査することにより、金属薄膜50に対してレーザ光60を照射する。このとき、スキャニング、もしくは、マスキングにより金属薄膜50が形成された部分にのみレーザ光60が照射されるようにすると好ましい。
これにより、図2(c)に示されるように、電極形成工程として、金属薄膜50を構成する金属(本実施形態ではMo)とn+型基板1の構成材料であるSiCに含まれたCとを反応させて、カーバイド層70を生成することができる。そして、このような電極形成工程をレーザ照射にて行っているため、局所的な加熱が可能となり、n+型基板1に対して高温処理を行わなくてもカーバイド層70を形成することができる。
なお、図2(c)では、金属薄膜50すべてがCと反応してカーバイド層70になるような図としているが、少なくともSiCとの界面においてカーバイド層70が形成されていれば良く、SiC界面から離れた箇所において金属薄膜50のまま残存している領域が残っていても良い。
また、このようにしてカーバイド層70を形成する場合、そのとき余ったSiがシリコン粒子もしくはシリコンの酸化物(SiO2)からなる不要膜80がカーバイド層70の表面に形成される。このため、続く図2(d)に示す工程では、除去工程として、不要膜80の除去を行う。この除去工程では、例えばHFを使ったウェットエッチングやイオンプラズマを使ったドライエッチング(プラズマエッチング)などを用いることができる。
そして、図2(e)に示す工程ではカーバイド層70の上に、外部との電気的な接続を行うための金属層90、例えばTi/Ni/Auの積層構造を形成する。これにより、ドレイン電極11が形成される。以上のようにして、図1に示す縦型パワーMOSFETが完成する。そして、このような工程により、シリコン粒子やシリコンの酸化物が除去された低抵抗のオーミック電極にてドレイン電極11を構成することができる。
以上説明したように、本実施形態では、n+型基板1の表面側に素子構造や表面電極を形成した後、n+型基板1の裏面1bに、カーバイドを生成する金属を含む金属薄膜50を形成する金属薄膜形成工程を実施すると共に、金属薄膜50とSiCに含まれるCとを反応させてカーバイド層70を形成する電極形成工程を実施し、その後、カーバイド層70の表面に生じたシリコン粒子やシリコンの酸化物を除去する除去工程を行うことにより、カーバイド層70を含むドレイン電極11を形成するようにしている。
このため、カーバイド層70の表面にシリコン粒子やシリコンの酸化物が残存した状態とならないようにでき、オーミック電極としてドレイン電極11を形成する際に、より低抵抗化を図ることが可能となる。
図3は、Mo70nmをレーザーアニールしてカーバイド層70を形成したものについてシリコン酸化物(SiO2)等を除去しなかった試料とシリコン酸化物等を除去した試料について抵抗値[Ω・cm2]の測定を行った結果を示したグラフである。この図からも、本実施形態のように、シリコン酸化物等を除去する工程を実施することで、オーミック電極となるドレイン電極11とSiCとの接触抵抗が低減していることが分かる。したがって、上記効果を得ることが可能となる。
また、レーザ照射によってカーバイド層70を形成することで局所的な加熱が行えるようにしているため、n+型基板1に高温処理を行うことなく、n+型基板1に低抵抗のドレイン電極11を生成することができる。すなわち、n+型基板1の表面側に形成された素子構造に熱的ダメージを与えることなく、ドレイン電極11をオーミック電極としてn基板1の裏面1bにオーミック接合することができる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してカーバイド層70を形成するために用いるレーザ光を変更したものであり、その他に関しては第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。
上記第1実施形態では、電極形成工程として行ったレーザアニールのレーザ光にLD励起固体レーザを用いたが、本実施形態ではレーザ光にKrFエキシマレーザ(基本波長248nm)を採用する。そして、KrFエキシマレーザのレーザ光の強度を1300mJ/cm2として金属薄膜50にカーバイド層70を生成し、その後、カーバイド層70上に形成された不要膜80の除去工程を行った。
このように、レーザアニールのレーザ光として第1実施形態と異なるKrFエキシマレーザを用いることができる。この場合でも、抵抗測定を行った結果、10-3Ω・cm2以下の低抵抗にできるという結果が得られた。したがって、本実施形態でも、ドレイン電極11を良好なオーミック電極とすることを可能にできる。
(他の実施形態)
(1)上記各実施形態では、SiC半導体装置に形成さ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、これは単なる一例であり、ダイオードやIGBTなどの他の素子構造を備えたSiC半導体装置についても本発明を適用することが可能である。
(2)上記した図2(a)に示す工程では、金属薄膜50としてMo単膜を用いる場合を例に挙げたが、それ以外にTiやW、Taなどのカーバイドを生成する金属を用いても良い。また、これらを2種類以上組み合わせたり、Niのようにシリサイドを生成する金属と組み合わせても良い。シリサイドを生成する金属とカーバイドを生成する金属の積層順についてはいずれであっても良く、シリサイドを生成する金属をカーバイドを生成する金属の下に形成する場合にはSiC内のシリコンとシリサイドを生成する金属とが反応してシリサイド膜を形成することになり、シリサイドを生成する金属をカーバイドを生成する金属の上に形成する場合にはカーバイド層の表面に析出したシリコン粒子などとシリサイドを生成する金属とが反応してシリサイド膜を形成することになる。
この場合、金属薄膜50の合計膜厚が例えば10nm以上となるようにしており、n+型基板1の裏面にカーバイドを生成する金属を形成したのち、その上にNiのようにシリサイドを生成する金属を積層し、レーザアニールを行うことで、カーバイド層とシリサイド層の両方を生成することが可能となる。
参考として、本発明者らは、このような構造の一例として、Mo70nmとNi50nmを積層してレーザアニールを行うという実験を行った。その結果、MoカーバイドとNiシリサイドの両方が生成し、さらに表面にSiO2膜が生成するのを確認した。この場合にも、表面のSiO2膜を除去することによって低抵抗のオーミック電極を得ることができた。図4は、本実験において、シリコン酸化物(SiO2)等を除去しなかった試料とシリコン酸化物等を除去した試料について抵抗値[Ω・cm2]の測定を行った結果を示したグラフである。この図からも、本実施形態のように、シリコン酸化物等を除去する工程を実施することで、オーミック電極とSiCとの接触抵抗が低減していることが分かる。
なお、ここではレーザアニールを行うことで、カーバイド層やシリサイド層を形成する場合について説明したが、シンター処理などによってこれらを形成しても良い。
(3)また、金属薄膜50として、シリサイドを生成する金属を用いる場合についても本発明を適用できる。例えば、SiCからなる基板の表面にシリコン膜を成膜したのち、シリサイドを生成する金属を含む金属薄膜50を形成し、レーザアニールやシンター処理によって反応させてシリサイド膜を形成する場合、シリサイド膜の表面にシリコン酸化物やシリコン粒子が析出することから、それらを除去するための除去工程を行うことにより、上記と同様の効果を得ることができる。
(4)上記した図2(a)に示す工程では、金属薄膜50を蒸着の方法により形成したが、CVD法、塗布・コーティング法、または電気メッキ法などによって金属薄膜50を形成することもできる。
(5)上記第1、第2実施形態では、それぞれ、レーザ光60としてLD励起固体レーザやKrFエキシマレーザのレーザ光を用いたが、その他、半導体レーザやYAGレーザ、ガスレーザなどのレーザ光を用いてレーザ照射することもできる。
1 n+型基板
1a 主表面
1b 裏面
3a、3b p-型ベース領域
4a、4b n+型ソース領域
8 ゲート電極
10 ソース電極
11 ドレイン電極
40 保護膜
50 金属薄膜
60 レーザ光
70 カーバイド層
80 不要膜
90 金属層

Claims (7)

  1. 炭化珪素からなる半導体基板(1)に形成された半導体素子と、
    前記半導体素子に対してオーミック接触させられたオーミック電極(11)と、を有してなる炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体基板を用意し、当該半導体基板の表面に対し、前記半導体素子と接触するように、カーバイドを生成する金属であるMoを含む金属薄膜(50)を形成する金属薄膜形成工程と、
    前記金属薄膜形成工程の後、前記金属薄膜(50)と前記炭化珪素中の炭素を反応させてカーバイド層(70)を形成することで、前記オーミック電極(11)を形成する電極形成工程と、
    前記電極形成工程の後、前記カーバイド層(70)の表面に生じたシリコン酸化物またはシリコン粒子からなる不要膜(80)を除去する除去工程と、を含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
  2. 前記金属薄膜形成工程では、前記金属薄膜(50)として、前記カーバイドを生成する金属であるMoに加えて、シリサイドを生成する金属であるNiを含め、MoとNiとによる積層膜を用いることを特徴とする請求項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  3. 前記金属薄膜形成工程では、前記金属薄膜(50)の膜厚を10nm以上とすることを特徴とする請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  4. 前記電極形成工程では、レーザアニールにより、前記金属薄膜(50)と炭化珪素中の炭素を反応させて前記カーバイド層(70)を形成することを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  5. 前記電極形成工程では、シンター処理により、前記金属薄膜(50)と炭化珪素中の炭素を反応させて前記カーバイド層(70)を形成することを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  6. 前記除去工程では、プラズマエッチングにより、前記シリコンの酸化物またはシリコン粒子からなる不要膜(80)を除去することを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  7. 前記半導体素子は、前記半導体基板(1)の主表面(1a)側に素子構造が形成され、前記主表面(1a)側に表面電極(10)が形成されていると共に、前記主表面(1a)の反対面である裏面(1b)側に前記オーミック電極(11)が形成され、前記表面電極(10)と前記オーミック電極(11)との間の前記素子構造に電流を流してなる縦型半導体素子であり、
    前記半導体素子の素子構造を形成する工程と、前記表面電極(10)の形成工程を行った後、前記金属薄膜形成工程、前記電極形成工程および前記除去工程を行うことを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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