JP6004561B2 - 炭化珪素半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
パワーデバイスには、トランジスタとダイオードがあり、トランジスタにはMOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)やIGBT(insulated gate bipolar transistor)などが、ダイオードにはpinダイオードやショットキーバリアダイオード(SBD)などがあり、動作周波数・電圧・電流によって最適な素子が用いられる。
図1は、素子の断面図であり、図中、1は、SiC基板、2は、該基板1上に成長させた、ドリフト層となるn型エピタキシャル層、3は、素子の活性領域に、Alイオン注入により形成されたJBS(Junction Barrier Schottky)構造、4は、素子耐圧向上を目的として形成された活性領域のエッジ外周部、5は、表面に形成された熱酸化膜(堆積酸化膜)、6は、基板の裏面に設けられたオーミック合金層、7は、表面に設けられたショットキー電極、8は、表面に設けられたAlワイヤーとの接着用のAl電極、9は、半田との密着性を高めるための積層メタルを示す。
結晶構造が4H型の炭化ケイ素(4H−SiC)では、3.25eVと大きなバンドギャップを有するため、絶縁破壊電界強度が2〜3MV/cmと、従来広く用いられてきたシリコン(Si)の0.2〜0.3MV/cmに対して約10倍となる。したがって、4H−SiC半導体を用いるとドリフト層抵抗をシリコン半導体の数100分の1に抑制することができる。4H−SiC半導体を用いたパワーデバイスは放熱が容易となる大きな熱伝導度の特性ともあいまって、次世代の低損失なパワーデバイスとしての期待が持たれている(特許文献1)。
FZ−Siウェハを用いる半導体プロセスの開発では、耐圧に必要な厚さにまで研磨された薄いウェハ、例えば、厚さ70μm程度のウェハを処理する技術を確立することが終着点の一つであり、薄いウェハを扱うウェハハンドリングの方法の改善など、かなりの程度、進展しつつある(特許文献2)。
したがって、同文献は、基板の厚さが文言上200μm以下である半導体装置を開示しているが、具体的には研磨等により基板の厚さを約200μmにする製造方法のみを開示するものである。
他方、現在入手可能な炭化珪素からなる低抵抗基板の体積抵抗率は、シリコン基板に比べて高い。例えば、シリコンの場合には0.0001Ωcm未満の抵抗率を有するウェハを入手可能であるのに対し、炭化珪素の場合は、その10倍以上大きい0.02〜0.01Ωcmの抵抗率を有するウェハしか利用できない。基板中のn型不純物として添加する窒素原子濃度を過度に添加すると、4H−SiC結晶品質を劣化させた結果、らせん転位、刃状転位、積層欠陥などが増加し素子耐圧を劣化させる問題があった。
しかしながら、現在入手可能な炭化珪素基板の体積抵抗率は0.01Ωcm程度であり、これを低減するにはさらなる技術開発が必要であり、困難も予想される。
炭化珪素や窒化ガリウムを主材料とする半導体装置では、前記背景技術でも触れたように、耐圧領域の厚みが約10μmあれば1000V前後の耐圧が得られる。したがって、オン抵抗を下げる目的で、シリコンプロセスと同様に、炭化珪素からなる基板を、例えば耐圧に必要な10μm厚程度になるように薄くする製造方法が考えられる。
しかし、半導体基板又はウェハを10μm程度まで薄く研磨しようとすると、割れ、欠けなどの不良や無数のパーティクルの発生が避けられず、良好な製造プロセスの確立は困難と考えられる。なお、シリコン半導体装置では、耐圧領域の厚さが600Vに対し70μm、1200Vに対し100μmであるので、ウェハの全面を薄くするプロセスが可能になっている。
しかしながら、RIEではエッチングレートが一般的には1μm/minであるから300μmの厚さを研削するのに300分もの長時間がかかってしまう。また、マスク材として一般的に用いられるNiとの選択比は数10程度であるから、300μmのエッチングに10μm程度の非常に厚膜のNiを形成する必要がある。これらのことからRIEによる薄膜化には困難が伴う。
またサンドブラスト法では、マスクとの選択比はほぼ1であり、マスクの厚さを数100μmとする必要があり、マスクおよびマスクパターンの形成に困難が伴う。
さらにFIBで薄膜化する方法についても、FIBで薄膜化できる領域は数10μmとウェハ面積と比較すると非常に小さなエリアであり、ウェハ全面のパターン形成は非現実的である。
このように特許文献4には薄膜化の方法に問題がある。
[1]炭化珪素からなる半導体基板の、一方の主面側に高耐圧を保持する役割を有するドリフト層を有し、他方の裏面側にオーミック電極を有する炭化珪素半導体素子の製造方法において、
裏面側にオーミック電極を形成する前に、基板の、ドリフト層と反対側の面の素子活性領域に、少なくとも1本のダイシングラインが入るようにダイシングする工程を有することを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。
[2]ダイシングブレードによってダイシングをおこなう[1]に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
[3]前記ダイシングブレードが、前記基板の特定方向から入るようにし、入射方向とは反対側の基板端に到達する前にダイシングブレードを基板から離すようにすることを特徴とする[1]又は[2]に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
[4]前記ダイシングライン間の距離を、ダイシングブレードより小さくすることによって特定方向のみの基板端を残して、基板裏面の全面を薄膜化することを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
[5]ダイシングのダメージ除去のためRIEと犠牲酸化のプロセスを追加することを特徴とする[1]〜[4]のいずれかに記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
[6]炭化珪素からなる半導体基板の、一方の主面側に高耐圧を保持する役割を有するドリフト層を有し、他方の裏面側にオーミック電極を有する炭化珪素半導体素子において、
前記基板は、ドリフト層と反対側の面の素子活性領域に、少なくとも1本のダイシングラインが設けられることにより、基板抵抗が減少されていることを特徴とする炭化珪素半導体素子。
[7]前記ダイシングラインが、前記基板の特定端から一方向に設けられており、少なくとも反対側の基板端部を残して形成されていることを特徴とする[6]に記載の炭化珪素半導体素子。
次いで、このようなエピウェハ上に素子の活性領域にJBS構造3をAlイオン注入により形成する。この構造は、逆方向時のリーク電流を低減するためのものである。また素子耐圧向上を目的として活性領域のエッジ外周部4にドーズ量が1012〜1013cm-2となるようにAlイオン注入を実施する。さらに、イオン注入されたAlを1600℃前後の温度でアニールし電気的に活性化する。その後、ウェハ表面を熱酸化膜(堆積酸化膜)5で被覆する。この後、ウェハ裏面にオーミック合金層6を形成し、表面にショットキー電極7とAlワイヤーとの接着用のAl電極8を順次形成した後、裏面の半田との密着性を高めるための積層メタル9を形成して、ウェハの前工程は終了する。
図2は、ダイシングされた基板の一部分の断面を、模式的に示すものである。図中、WBは、ダイシングブレードの幅、DBは、ダイシングの高さ(深さ)、WPは、ダイシングピッチ、tSUBは、基板の厚さ、をそれぞれ示している。
本発明においては、WB、DB、及びWPは、適宜決めることができるが、ダイシングブレードの幅(WB)は、通常60μm、好ましくは、120μmである。
また、ダイシングの深さ(DB)は、深ければ深いほど基板抵抗を減少させることができるが、基板の主面側に形成されたドリフト層に至らない範囲、すなわち基板の厚さ(tSUB)の範囲内にとどめることが必要である。
さらに、ダイシングピッチ(WP)が小さくなるほど、基板抵抗を減少させることができる。ダイシングピッチ(WP)をダイシシングブレード幅(WB)より小さくして、基板全面を研削して薄膜化することもできるが、この場合は、後述するとおり、機械的強度を保つために基板の端部を切らずに残しておくことが好ましい。
図3は、ダイシングの切断痕であるダンシングラインの一例を示すものである。
本発明においては、図3に示すように、ダイシングラインが、基板の一端から特定方向に入るようにし、反対側の他端までは到達しないようにして、端部を切らずに残しておくことにより、基板の機械的強度をさらに向上させることができる。
犠牲酸化は、RIEの工程でできた表面層を取り除くために、熱酸化し、それにより形成された熱酸化膜を、希フッ酸等で直ちに除去するものであって、この熱酸化膜は、SiC基板の表面を清浄な状態にするために一時的に形成させるものであるため、犠牲酸化膜と呼ばれている。
この後、ダイシングソーにより、基板裏面をダイシングした。この時、ダイシングにはダイヤモンドブレード等のダイシングブレードを使用した。
本実施例で用いたダイシングブレード(WB)の幅は60μmである。この時のダイシングの高さ(DB)及びダイシングピッチ(WP)をパラメータとして実験を行った。
また、1方向のダイシングを行う場合、特定の方向からダイシングを入れ反対側の端部はウェハ外周端から10mmの切り代が残るようにダイシングブレードを引き上げた。(図3参照)。
裏面のダイシングおよびダメージ除去工程は、オーミック層を形成する前であればどの工程に挿入しても構わない。
図6は、ダイシングなしの場合と、ダイシングピッチ100μm、ダイシング深さ300μmの時の場合での、順方向IV特性を示す図である。
400A/cm2の電流密度にて、0.14Vの順方向電圧の低減が実現できた。
図7及び図8は、それぞれ、ダイシングをストライプ状に実施した場合の、基板抵抗および400A/cm2時の順方向電圧低減値を示し、図9及び図10は、ぞれぞれ、ダイシングを格子状に実施した場合の、基板抵抗および400A/cm2時の順方向電圧低減値を示している。
これらの図からあきらかなように、ダイシングピッチが小さくなるほど、ダイシング深さが大きくなるほど、基板抵抗が減少することが分かる。また、ストライプ方向を一方向より二方向とした方が、基板抵抗は減少することが分かった。
これらの図から明らかなように、ダイシング深さが深いほど基板抵抗は減少し、300μmの深さで基板抵抗は0.1mΩcm2となった。すなわち、基板を研削する量が多いほど基板抵抗は減少する結果となった。
2:n型エピタキシャル層
3:JBS(Junction Barrier Schottky)構造
4:エッジ外周部
5:熱酸化膜(堆積酸化膜)
6:オーミック合金層
7:ショットキー電極
8:Alワイヤーとの接着用のAl電極
9:積層メタル
DB:ダイシングの深さ
WB:ダイシングブレードの幅
WP:ダイシングピッチ
tSUB:基板の厚さ
Claims (4)
- 炭化珪素からなる半導体基板の、おもて面側に高耐圧を保持する役割を有するドリフト層を備え、裏面側にオーミック電極を有する炭化珪素半導体素子の製造方法において、
前記半導体基板の裏面側にオーミック電極を形成する前に、前記半導体基板の、前記ドリフト層と反対側の面の素子活性領域に、少なくとも1本のスリット状の溝を形成する第1工程と、
前記第1工程の後に、前記スリット状に溝が形成された前記半導体基板の裏面に反応性イオンエッチング(RIE)および犠牲酸化のプロセスをおこなう第2工程と、
を含むことを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。 - 前記第1工程は、ダイシングブレードによって前記スリット状の溝を形成することを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
- 炭化珪素からなる半導体基板の、おもて面側に高耐圧を保持する役割を有するドリフト層を備え、裏面側にオーミック電極を備える炭化珪素半導体素子の製造方法において、
前記半導体基板の裏面側にオーミック電極を形成する前に、前記半導体基板の、前記ドリフト層と反対側の面の素子活性領域に、スリット状の溝を形成する工程を含み、
前記スリット状の溝間の距離を、ダイシングブレードの幅より小さくすることによって特定方向のみの前記半導体基板端を残して、前記半導体基板の裏面側の全面を薄膜化することを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。 - 前記ダイシングブレードが、前記半導体基板の特定方向から入るようにし、前記ダイシングブレードの入射方向とは反対側の前記半導体基板端に到達する前にダイシングブレードを前記半導体基板から離すようにすることを特徴とする請求項2または3に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
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