JP5448652B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素基板を用いた半導体装置およびその製造方法に関し、特に、基板の裏面に設ける電極（裏面電極）の形成技術に関するものである。
従来、炭化珪素（ＳｉＣ）基板を用いた半導体装置（ＳｉＣ半導体装置）において、基板の裏面に電極（裏面電極）を形成する際、基板の裏面上に直接、電極材料としてのニッケル膜を形成し、その後、ニッケル膜と基板との間でオーミック特性を得るために、高温の熱処理を行ってニッケル膜と基板との反応層を形成している。
この反応層は、ニッケルシリサイドの他に、ニッケルの炭化物や炭素粒子などの中間生成物を含んでいる。反応層に中間生成物が含まれると、当該反応層の膜質が荒くなり、構造的に脆いものとなる。その結果、反応層上に形成する電極や配線のための金属膜と反応層との密着強度が低下し、金属膜が剥離する問題があった。そのため、この問題を解決するための手法が提案されている。
例えば下記の特許文献１では、上記の熱処理により裏面電極に発生した中間生成物を、電極や配線となる金属膜の形成前に、酸素アッシングやアルゴンスパッタなどの物理的手段で除去することが示されている。
他にも、例えば特許文献２では、ＳｉＣ基板の裏面に第１の金属としてニッケル膜を形成した後、その上を第２の金属としてチタン、タンタルもしくはタングステンで覆ってから、高温の熱処理をする技術が開示されている。この技術によれば、炭素成分は第２の金属と反応して炭化物を形成するため、炭素成分が表面（第２の金属の表面）に析出してこない。これにより、第２の金属層上に形成する電極や配線となる金属層の剥がれを防止することができる。
特許文献１のＳｉＣ半導体装置では、中間生成物を完全には除去できるわけではない上、酸素アッシング時に裏面電極が酸化されたり、アルゴンスパッタ時のイオン照射により裏面電極に損傷層が生じたりすることで、裏面電極のオーミック特性が劣化する可能性がある。
また特許文献２のＳｉＣ半導体装置において、熱処理で生じた炭素成分が第２の金属と反応して炭化物層を形成したとしても、中間生成物は裏面電極の全面に発生するため、裏面電極の脆化を充分に抑えることができない場合がある。特に、中間生成物が全面に残留していると、裏面電極の付着強度（密着性）および耐久性において、充分に良好な特性を得ることは困難である。また、裏面電極を構成する第１の金属と第２の金属との間に炭化物層が介在するため、裏面電極のオーミック特性が低下する懸念もある。
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体装置において、ＳｉＣ基板との良好なオーミック特性が得られると共に、密着性および耐久性に優れた裏面電極を提供することを目的とする。
本願発明に係る半導体装置は、ＳｉＣ基板と、前記ＳｉＣ基板の裏面に形成された第１金属の電極と、前記ＳｉＣ基板と前記電極との間の一部に介在するバリア膜とを備え、前記ＳｉＣ基板と前記電極との間における前記バリア膜以外の部分に、前記第１金属のシリサイドが形成されているものである。
本願発明に係る半導体装置の製造方法は、ＳｉＣ基板の裏面の一部に選択的にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜上に第１金属の電極を形成する工程と、前記ＳｉＣ基板を熱処理することで、前記ＳｉＣ基板と前記第１金属の電極との間における前記バリア膜以外の部分で、前記ＳｉＣ基板と前記第１金属の電極とを反応させて、前記第１金属のシリサイドを形成する工程とを備えるものである。
本発明によれば、良好なオーミック特性が得られるとともに、特に密着性に優れたＳｉＣ基板の裏面電極を得ることができる
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法を示す工程図である。上記のとおり本発明は、ＳｉＣ基板の裏面に設けられる電極（裏面電極）の構造およびその形成手法に関するものであるため、本明細書では特に裏面電極の形成を説明し、ＳｉＣ基板の上面側に形成される半導体デバイスについての説明は省略する。
図１は、本発明の実施の形態１に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法を示す工程図である。上記のとおり本発明は、ＳｉＣ基板の裏面に設けられる電極（裏面電極）の構造およびその形成手法に関するものであるため、本明細書では特に裏面電極の形成を説明し、ＳｉＣ基板の上面側に形成される半導体デバイスについての説明は省略する。
以下、本実施の形態に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法を説明する。まずＳｉＣ基板１を用意し、当該ＳｉＣ基板１の上面側に、イオン注入等による通常の方法で所定の半導体デバイス構造（不図示）を形成する。半導体デバイスとしては、例えばショットキーバリアダイオードや電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等があり、その形成手法は、例えば特開２００８−１３０８１１号公報、特開２００８−２１０９３８号公報等に開示されている。
ＳｉＣ基板１の裏面は、上記の上面の反対側の面、すなわち半導体デバイス構造を形成するためのイオン注入等が施されていない側の面として定義される。本実施の形態では、ＳｉＣ（０００−１）面が裏面となるＳｉＣ基板１を用いた。また本実施の形態では、裏面電極形成の前処理として、有機溶剤と酸による有機物除去およびフッ酸浸漬による表面酸化層の除去などにより、ＳｉＣ基板１の裏面の清浄化処理を行った。
前処理の後、図１（ａ）の如く、ＳｉＣ基板１の裏面全面にバリア膜２を形成する。本実施の形態では、バリア膜２として１００ｎｍ程度の窒化珪素（ＳｉＮ）膜を用い、その形成は珪素（Ｓｉ）ターゲットを窒素雰囲気中で放電させるスパッタリング法で行った。
バリア膜２の上にリソグラフィー法により所定形状にパターニングしたレジスト６ａを形成し、それをマスクとするリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によりバリア膜２の一部を選択的に除去することで、当該バリア膜２に開口部２ａを形成する（図１（ｂ））。
バリア膜２に形成する開口部２ａの形状およびパターンは任意でよいが、図２にその例を示す。図２の各図では、ＳｉＣ半導体装置の１つのチップの裏面が示されている。例えば図２（ａ）は、１つのチップに対して１つ、円形の開口部２ａを設けた例である。図２（ｂ）は、複数の矩形の開口部２ａを行列状に配設した例である。図２（ｃ）は、六角形の開口部２ａを蜂の巣構造に配設した例である。例えば、チップの大きさを３ｍｍ角程度とすると、０．５ｍｍ径程度の開口部２ａを１つ以上設けるとよい。より好ましくは、１００μｍ径程度の開口部２ａを多数設けるとよい。
個々の開口部２ａの形状は、これらの例のように鋭角な部分を含まないことが好ましい。複数の開口部２ａを設ける場合に、大きさ・形態の異なるものが混在していてもよい。なお、裏面全体に対する開口部２ａの面積率は、オーミック特性の確保の観点からは５０％以上であることが望ましく、密着性を向上させる観点からは９０％以下であることが望ましい。
またここでは開口部２ａをリアクティブイオンエッチングで形成したが、開口部２ａの形成手法はそれに限られず、例えばフッ酸によるウェットエッチングなどでもよい。またレジスト６ａの形成方法も、リソグラフィー法に限られず、例えばスクリーン印刷法やシール転写法などを用いてもよい。またメタルマスクを用いたエッチングにより開口部２ａを形成してもよい。
続いて、レジスト６ａを除去し、再びＳｉＣ基板１の裏面の清浄化処理を行った後、図１（ｃ）の如く、ＳｉＣ基板１の裏面全面にニッケル（Ｎｉ）膜３を形成する。本実施の形態では裏面電極となるニッケル膜３（第１金属）を、Ａｒ雰囲気中でのスパッタリング法により、１００ｎｍ〜１μｍ程度の膜厚で形成した。ニッケル膜３は、ニッケルの合金であってもよい。
次に、オーミック特性を得るために、高温（６００〜１１００℃）での熱処理を行う。ここではランプアニール装置を用いて真空中で１０００℃、１分間の高温加熱処理を行った。このとき開口部２ａの部分（バリア膜２以外の部分）では、ニッケル膜３とＳｉＣ基板１とが接触しているため、図１（ｄ）に示すように反応層４が形成される。反応層４は主に、ニッケルとＳｉＣ基板１に含まれる珪素とが反応してできたニッケルシリサイドである。
これらニッケル膜３および反応層４により、裏面電極１１が構成される。ＳｉＣ半導体装置の特徴は、裏面電極１１が、ＳｉＣ基板１との間でオーミック特性が得られる反応層４（ニッケルシリサイド）を備えていることである。つまりニッケル膜３とＳｉＣ基板１との間に反応層４が介在することにより、良好なオーミック特性が得られる。
また上記の高温加熱処理の際、反応層４が形成される過程で、裏面電極１１（反応層４およびニッケル膜３）の内部に、中間生成物５が発生する。中間生成物５はニッケルの炭化物（炭化ニッケル（ＮｉＣ））や炭素粒子（グラファイト（Ｃ））など、炭素を主成分とする物質である。
本実施の形態では、反応層４は、裏面電極１１の全面でなく、バリア膜２の開口部２ａおよびその近傍に選択的に形成される（バリア膜２が存する部分には、ニッケル膜３が合金化による浸食を受けずにそのまま残る）。従って、反応層４が形成される反応の過程で生じる中間生成物５も同様に、開口部２ａの近傍にのみ発生する。
この構成によれば、開口部２ａの近傍において、ニッケル膜３とＳｉＣ基板１との間に反応層４（ニッケルシリサイド）が形成されているため、裏面電極１１の良好なオーミック特性が得られる。また、それ以外の領域では中間生成物５が生成されないため、裏面電極１１は密着性および耐久性に優れたものとなる。つまり、オーミック特性と密着性および耐久性の両方に優れた裏面電極１１が得られる。
なお本実施の形態では、バリア膜２として、窒化珪素（ＳｉＮ）を用いたが、反応層４を形成するための高温（１０００℃程度）の熱処理が行われても構造が安定し、ニッケル膜３を劣化させる酸化作用のない材料であれば、他のものを用いてもよい。その例としては、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化セリウム等の窒化物や、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化セリウム等の炭化物などが挙げられる。
またバリア膜２の膜厚が不足すると１０００℃程度の加熱に耐えられないため、ある程度の厚さを確保することが好ましい。逆に、バリア膜２が厚過ぎると各プロセスに要する時間が長くなる問題が生じる。本実施の形態ではバリア膜２の膜厚は１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度が好適であった。
＜実施の形態２＞
実施の形態２では、本発明に係る裏面電極１１の他の形成手法を示す。図３は、本発明の実施の形態２に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法を示す工程図である。
実施の形態２では、本発明に係る裏面電極１１の他の形成手法を示す。図３は、本発明の実施の形態２に係るＳｉＣ半導体装置の製造方法を示す工程図である。
まず実施の形態１と同様に、ＳｉＣ基板１を用意し、当該ＳｉＣ基板１の上面側に、通常の方法で所定の半導体デバイス構造（不図示）を形成し、前処理としてＳｉＣ基板１の裏面の洗浄化処理を行う。
次に、ＳｉＣ基板１の裏面上にリソグラフィー法により所定形状にパターニングしたレジスト６ｂを形成する。実施の形態１で用いたレジスト６ｂは、開口部２ａの形成領域を除去した形状であったが、本実施の形態で用いるレジスト６ｂは逆に、開口部２ａの形成領域以外を除去した形状にする。
そして、ＳｉＣ基板１の裏面全面にバリア膜２を形成する（図３（ａ））。本実施の形態でも、バリア膜２として１００ｎｍ程度の窒化珪素（ＳｉＮ）膜を用い、その形成は珪素（Ｓｉ）ターゲットを窒素雰囲気中で放電させるスパッタリング法で行った。
その後、レジスト６ｂを除去することで、レジスト６ｂ上のバリア膜２の部分をリフトオフにより除去する。その結果、バリア膜２に開口部２ａが形成される（図３（ｂ））。そして再びＳｉＣ基板１の裏面の清浄化処理を行う。
バリア膜２に形成する開口部２ａの形状およびパターンは、実施の形態１と同様でよい。またレジスト６ａの形成方法は、リソグラフィー法に限られず、例えばスクリーン印刷法やシール転写法などを用いてもよい。
以下、実施の形態１と同様に、ＳｉＣ基板１の裏面全面にニッケル膜３を形成し（図３（ｃ））、高温加熱処理を行って反応層４を形成することで、裏面電極１１を形成する（図３（ｄ））。
以上の工程で形成された裏面電極１１は、実施の形態１と同様の構造となる。つまり、オーミック特性と密着性および耐久性の両方に優れた裏面電極１１が得られる。
本実施の形態においても、バリア膜２として窒化珪素（ＳｉＮ）を用いたが、反応層４を形成するための高温（例えば１０００℃程度）の熱処理が行われても構造が安定し、ニッケル膜３を劣化させる酸化作用のない材料であれば、他のものを用いてもよい。
＜実施の形態３＞
図４は、実施の形態３に係るＳｉＣ半導体の構造を示す断面図である。実施の形態３の当該ＳｉＣ半導体装置は、実施の形態１または２で作成したＳｉＣ半導体装置の裏面電極１１に、これに接続させる配線や半田との接合用の電極として、さらに金属層７（第２金属）および保護膜８を設けたものである。
図４は、実施の形態３に係るＳｉＣ半導体の構造を示す断面図である。実施の形態３の当該ＳｉＣ半導体装置は、実施の形態１または２で作成したＳｉＣ半導体装置の裏面電極１１に、これに接続させる配線や半田との接合用の電極として、さらに金属層７（第２金属）および保護膜８を設けたものである。
金属層７は、裏面電極１１上に形成され、ここではニッケル（Ｎｉ）膜を用いた。金属層７は、厚過ぎると膜応力により剥離しやすいため、１５００ｎｍ以下の厚さが望ましい。また、バリア膜２と開口部２ａとの段差や、反応層４（ニッケルシリサイド）形状の凹凸の影響をなくして表面を平坦化するために、金属層７は５００ｎｍ以上の厚さが望ましい。ここでは金属層７の厚さを７００ｎｍとした。金属層７の材料はニッケルの他、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）、およびこれらの合金を用いてもよい。
保護膜８は、金属層７上に形成され、当該金属層７の酸化を防止する目的で設けられている。よってその材料は、金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）などの貴金属を用いることができる。ここでは厚さ１００ｎｍの金を用いた。
本発明者は、図４の構造のＳｉＣ半導体装置を用いて、裏面電極１１の密着性の評価試験を行った。以下、この評価試験について説明する。
図５は評価試験に用いられたサンプルの構成を示す図である。図５の如く、当該サンプルは、大きさが１０ｍｍ角、厚さが１ｍｍの銅片に、ニッケル（Ｎｉ）膜１７および金（Ａｕ）膜１８を順次スパッタ法で形成した固定用電極を備える。この固定用電極上に、４ｍｍ角程度の面積で塗布された金属接着剤１５を介して、大きさ３ｍｍ角のＳｉＣ半導体装置２３が固定されることで、サンプルが完成する。なお、ＳｉＣ半導体装置２３を固定電極に固定する際には、金属接着剤１５を硬化させるために、２００℃で２時間の加熱処理を行った。
まず第１の評価試験として、ダイシェアー強度試験機を用いて、裏面電極の密着性評価試験を行った。ダイシェアー強度試験とは、ＳｉＣ半導体素子２３に対し、横方向から剥ぎ取るように荷重ストレスを掛け、剥離が生じる荷重を測定する試験である。
図６は、３００℃で高温保存したサンプルのダイシェアー強度の測定結果であり、ＳｉＣ半導体装置２３として、従来のものを用いた場合と、本発明に係るものを用いた場合の測定結果を示している。具体的には、３００℃大気中にて２００時間〜１４００時間保存した複数のサンプルのダイシェアー強度を測定した結果を、３００℃加熱していないサンプルのダイシェアー強度で規格化して示している。
従来のＳｉＣ半導体装置２３では、高温保存時間が１０００時間を越えるとダイシェアー強度が大きく低下したが、本発明のＳｉＣ半導体装置２３では、１４００時間までの間に大きな強度低下は観察されなかった。
また第２の評価試験として、ヒートサイクル試験を行った。図７はその測定結果であり、−５０℃から２００℃の温度負荷を繰り返しかけて、ダイシェアー強度測定を測定した結果を、ヒートサイクル前のダイシェアー強度で規格化して示している。ここでもＳｉＣ半導体装置２３として、従来のものを用いた場合と、本発明に係るものを用いた場合との比較を行ったが、特に、本発明に係るＳｉＣ半導体装置２３では、０．５ｍｍ径の開口部２ａを１つ設けた場合（図２（ａ））と、１００μｍ径の開口部２ａを複数配置した場合（図２（ｂ））との比較も行った。
図７に示すように、従来のＳｉＣ半導体装置２３を用いたサンプルでは、試験回数（ヒートサイクル）が５００回程度で、ダイシェアー強度が大きく低下した。これに対し、本発明のＳｉＣ半導体装置２３を用いたサンプルでは、開口部２ａが１つの場合は、試験回数１０００回程度までダイシェアー強度が維持され、開口部２ａが複数の場合はさらにその寿命が延びた。
以上、第１および第２の評価試験から、本発明に係るＳｉＣ半導体装置では、裏面電極１１の密着性および耐久性が、従来例に比べて飛躍的に向上することが確認できた。
１ ＳｉＣ基板、２ バリア膜、２ａ 開口部、３ ニッケル膜、４ 反応層、５ 中間生成物、６ａ レジスト、６ｂ レジスト、７ 金属層、８ 保護膜、１１ 裏面電極。
Claims (13)
- ＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板の裏面に形成された第１金属の電極と、
前記ＳｉＣ基板と前記電極との間の一部に介在するバリア膜とを備え、
前記ＳｉＣ基板と前記電極との間における前記バリア膜以外の部分に、前記第１金属のシリサイドが形成されている
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記バリア膜は、少なくとも１つの開口部を有する形状である
請求項１に記載の半導体装置。 - 前記第１金属は、ニッケルまたはその合金である
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。 - 前記電極上に、第２金属による金属層をさらに備える
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の半導体装置。 - 前記第２金属は、ニッケル、アルミニウム、銅およびこれらの合金のいずれかである
請求項４記載の半導体装置。 - 前記バリア膜は、
窒化物または炭化物である
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の半導体装置。 - 前記窒化物は、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムおよび窒化セリウムのいずれかであり、
前記炭化物は、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化セリウムのいずれかである
請求項６記載の半導体装置。 - 前記バリア膜の厚さは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である
請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の半導体装置。 - ＳｉＣ基板の裏面の一部に選択的にバリア膜を形成する工程と、
前記バリア膜が形成された前記ＳｉＣ基板の裏面に第１金属の電極を形成する工程と、
前記ＳｉＣ基板を熱処理することで、前記ＳｉＣ基板と前記第１金属の電極との間における前記バリア膜以外の部分で、前記ＳｉＣ基板と前記第１金属の電極とを反応させて、前記第１金属のシリサイドを形成する工程とを備える
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第１金属は、ニッケルまたはその合金であり、
前記熱処理の温度は、６００℃以上１１００℃未満である
請求項９記載の半導体装置の製造方法。 - 前記バリア膜は、１つ以上の開口部を有する形状に形成される
請求項９または請求項１０記載の半導体装置の製造方法。 - 前記バリア膜を形成する工程は、
前記ＳｉＣ基板の裏面全面にバリア膜を形成する工程と、
当該バリア膜の一部をエッチングにより選択的に除去する工程とを含む
請求項９から請求項１１のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。 - 前記バリア膜を形成する工程は、
レジストを前記ＳｉＣ基板の裏面の一部に選択的に形成する工程と、
前記レジストマスクが形成された前記ＳｉＣ基板の裏面全面にバリア膜を形成する工程と、
前記レジストマスクとその上に形成された当該バリア膜を除去する工程とを含む
請求項９から請求項１１のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
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