JP5936042B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
フェムト秒レーザをあるエネルギー以上で材料の表面に照射すると、材料の表面の加熱を抑えて蒸発(アブレーションという)できることが知られている。該エネルギーの値を加工しきい値という。さらに、金属や半導体などの基板の表面に、該基板の加工しきい値近傍のエネルギーを有するフェムト秒レーザを照射すると、該フェムト秒レーザの波長に近い周期の縞状にアブレーションが発生する現象が知られている。
本発明者は、この現象を利用し、フェムト秒レーザを加工しきい値近傍のエネルギーで基板に照射し、基板上にナノレベルの周期的な凹凸(ナノ周期構造という)を形成し、その上に金属膜を成膜することによって、ショットキー抵抗を低減できることを見出した。
従来、SiC基板の特にC面に対しては金属膜成膜時にショットキー抵抗を低減することが難しいとされていた。これは、従来のような金属膜成膜後に高温でアニールしてショットキー抵抗を低減する手法では、高温に加熱されることによりC面でC原子が析出し、金属膜の密着性が低下してしまうためである。それに対して、本発明に係る金属膜成膜方法は、金属膜成膜後に従来のような高温でアニールしなくともオーミック接触が得られるため、SiC基板のC面上にも好適に適用できる。
本実施形態に係る金属膜成膜方法は、SiC基板のC面に限定されず、SiC基板のSi面にも適用できる。また、高融点、高硬度であるGaN基板やダイヤモンド半導体基板にも適用できる。
図1(a)〜(c)に示す金属膜成膜方法を用いて基板1上に金属膜3が成膜されている半導体装置を製造することによって、基板の加熱および不純物の混入を抑制し、かつ高温アニールを行わなくとも、基板1と金属膜3との界面のショットキー抵抗を低減させてオーミック接触させることができる。特にSiC基板のC面に対して金属膜3を形成する際には、高温アニールにより半導体/金属界面にC原子が析出して金属膜3の剥離が発生することを抑制することができる。
出力減衰器103としては、例えば偏光ビームスプリッタが使用できる。偏光ビームスプリッタは入射した光を偏光方向にしたがって2方向に分岐させる機能を有するが、1/2波長板102を回転することによってレーザ光Aの偏光方向を変更すると、偏光ビームスプリッタにおいてレーザ光Aが分岐される割合が変わる。そのため、1/2波長板102と偏光ビームスプリッタである出力減衰器103とを調整することで、基板に照射されるレーザ光Aの出力を減衰することができる。なお、レーザ光Aの出力が減衰できれば、1/2波長板と偏光ビームスプリッタとの組み合わせに限らず、任意の手段が適用できる。
本実施形態では、出力減衰器103によりレーザ光Aの出力を0.1Wに減衰させているが、適宜調整してよい。
なお、本実施形態では、ミラーと集光レンズを用いてレーザ光を基板に照射したが、ガルバノスキャナを用いてレーザ光を基板表面全域に走査してもよい。
また、シリンドリカルレンズを用いてレーザ光を線状に形成して基板表面の大面積にレーザ光を照射してもよい。
また、DOE(diffractive optical element)を用いてレーザ光を複数本に分岐して複数のレーザ光を基板表面に同時に照射してもよい。
なお、制御部108を設けずに、ユーザがレーザ光源101およびステージ駆動部107を操作してもよい。
なお、本実施形態では、ガウシアンビームを照射しているが、DOEなどを用いてビームスポット全域で光強度が均一のビームを形成して照射しても良い。
まず、ユーザは、レーザ光源101のレーザ出射条件、1/2波長板102および出力減衰器103によるレーザ光Aの減衰割合、ならびにレーザ光Aのスポット径を調整することによって、レーザ光Aが基板1に照射される際のエネルギーを基板1の加工しきい値近傍に調整する。
レーザ照射予定範囲は、予め制御部108にプログラムされていてもよく、または処理開始時にユーザにより制御部108に設定されてもよい。
図1に示す金属膜成膜方法を用いて形成した金属電極に対して、抵抗を測定する実験を行った。図3(a)に、本実施例の構成を示す。本実施例では、基板1上の離れた位置に2箇所のナノ周期構造2が形成され、それぞれのナノ周期構造2上に金属膜3が形成されている。2つの金属膜3に抵抗測定器109が導線を介して接続されている。基板1はSiC基板であり、金属膜3はCrである。ナノ周期構造2は、図2に示すナノ周期構造形成装置100を用いてSiC基板のC面上に形成されている。また、図3(b)に、比較例の構成を示す。比較例は、ナノ周期構造2が形成されておらず、基板1上の離れた位置に2つの金属膜3が直接形成されている点を除けば、本実施例の構成と同様である。
これにより、半導体/金属界面にナノ周期構造が形成されている構成を有する本実施例では、そうでない比較例と比較して、抵抗値が最大で1/5程度に低減されることがわかった。測定された抵抗値は、接触抵抗(基板1と金属膜3との間の抵抗)とシート抵抗(基板1上の2つの金属膜3間の抵抗)との和になっているため、接触抵抗、つまり半導体/金属界面のショットキー抵抗を単独で見るとさらに大きく低減されていると考えられる。
ナノ周期構造が形成された基板の表面の性質が変わっていることを検証するために、半導体/金属界面ではなく電極間にナノ周期構造を形成し、抵抗を測定する実験を行った。図4(a)に、本実施例の構成を示す。本実施例では、基板1上にナノ周期構造2が形成され、ナノ周期構造2を基板1表面に平行な2方向から挟むように基板1上に2つの金属膜3が形成されている。2つの金属膜3に抵抗測定器109が導線を介して接続されている。基板1はSiC基板であり、金属膜3はCrである。ナノ周期構造2は、図2に示すナノ周期構造形成装置100を用いてSiC基板のC面上に形成されている。また、図4(b)に、比較例の構成を示す。比較例は、2つの金属膜3の間にナノ周期構造2が形成されていない点を除けば、本実施例の構成と同様である。
これにより、2つの金属膜3の間の基板表面にナノ周期構造が形成されている構成を有する本実施例では、そうでない比較例と比較して、抵抗値が大きく低減されることがわかった。
図5(a)〜(c)に、本発明を適用して構成されるデバイスの例を示す。
図5(a)は、例示的な縦型ショットキーバリアダイオード(SBD)200aの模式断面図である。縦型SBD200aでは、n+型SiC層203の一面(Si面)上にn−型SiC層204が積層されている。n−型SiC層204の表面(Si面)にはショットキー電極206が形成され、ショットキー電極206上に配線電極207が形成されている。さらに、n−型SiC層204、ショットキー電極206、および配線電極207を覆うように絶縁膜208で被覆されている。絶縁膜208が有する開口部を介して配線電極207の一部が露出されている。n−型SiC層204内でショットキー電極206の両端に接する部分には、p型SiC層205が形成されている。
n+型SiC層203のn−型SiC層204から反対側の面(C面)には、ナノ周期構造202が形成されている。ナノ周期構造202は、図2に示すナノ周期構造形成装置100を用いて形成することができる。さらに、ナノ周期構造202上にオーミック電極201が形成される。
n型SiCチャネル層213および第2のp型SiCバリア層214には2つのリセス218a、218bが形成されている。リセス218aにおいて、n型SiCチャネル層213の露出面にはナノ周期構造216が形成されており、ナノ周期構造216と、第1のp型SiCバリア層212と、第2のp型SiCバリア層214とに接するオーミック電極215が形成されている。リセス218b上には第1のp型SiCバリア層212と、n型SiCチャネル層213と、第2のp型SiCバリア層214とに接するショットキー電極217が形成されている。
n型SiCチャネル層223および第2のp型SiCバリア層224には2つのリセス228a、228bが形成されている。リセス228aにおいて、n型SiCチャネル層223の露出面にはナノ周期構造226aが形成されており、ナノ周期構造226aと、第1のp型SiCバリア層222と、第2のp型SiCバリア層224とに接するドレイン電極225が形成されている。リセス228bにおいて、n型SiCチャネル層223の露出面にはナノ周期構造226bが形成されており、ナノ周期構造226bと、第1のp型SiCバリア層222と、第2のp型SiCバリア層224とに接するソース電極227が形成されている。
また、ドレイン電極225とソース電極227との間において、第2のp型SiCバリア層224を貫通してn型SiCチャネル層223に接するショットキーゲート電極229が形成されている。
2 ナノ周期構造
3 金属膜
100 ナノ周期構造形成装置
101 レーザ光源
102 1/2波長板
103 出力減衰器
104 ミラー
105 集光レンズ
106 ステージ
107 ステージ駆動部
108 制御部
109 抵抗測定器
Claims (6)
- SiC基板上に導電膜が形成される半導体装置の製造方法であって、
前記SiC基板の表面にフェムト秒レーザを照射して前記表面のC原子を除去することによって、前記表面においてSi原子が露出して結晶構造が変化したナノ周期構造を有する表面改質領域を形成する表面改質ステップと、
前記表面改質領域に前記導電膜を形成する導電膜形成ステップと、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記フェムト秒レーザが、前記SiC基板の加工しきい値の近傍のエネルギーを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記表面改質ステップにおいて、前記表面に前記フェムト秒レーザを照射することによって、前記表面に周期的な凹凸を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記表面改質ステップにおいて、前記表面に前記フェムト秒レーザを照射することによって、前記表面に表面抵抗が低下した領域を形成することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記SiC基板は、C原子が配列されているC面と、Si原子が配列されているSi面とを有し、
前記表面は前記C面であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記導電膜形成ステップの後に、前記SiC基板からC原子が析出しない温度で前記SiC基板を加熱するアニーリングステップをさらに備えることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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