JP6060476B2 - 電極形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素半導体装置と金属堆積膜の密着性を向上させる炭化珪素半導体装置の電極形成方法に関するものである。
炭化珪素は化学的に非常に安定な材料であり、バンドギャップが３eVと広く、高温でも半導体として極めて安定的に使用できる。また、最大電界強度もシリコンより１桁以上大きいため、パワー半導体素子の観点から性能限界の近いシリコンに代わる材料として注目されている（非特許文献１参照）。
半導体装置は工程の終盤で外部装置と接続するための配線用金属膜の形成を行う。この配線用金属膜に要求される項目は接触抵抗が小さいこと、ダイシング時に剥離がないこと、ボンディングやダイボンディング後の長時間の使用にも耐えられ剥離が起こらない等、多くの項目があるが特に剥離が起こらないことが求められ密着性の強さが要求される。これは炭化珪素半導体装置の電極形成方法でも例外ではない。
炭化珪素を材料とした半導体装置は炭化珪素がカーボンを含み、半導体製造装置作製の工程で高温の処理が多用されることから、図１(a)に示されるように表面にグラファイト層が形成されやすい。そのため配線用等の金属膜を堆積すると剥離が起こりやすい。
特に、炭化珪素半導体装置において低抵抗接続となるオーミック電極を形成する工程に注目すると、炭化珪素上にＮｉを堆積した後、熱処理を行い金属と炭化珪素中のシリコンと反応させ炭化珪素上に、例えばＮｉシリサイド膜を形成すればよいことが報告されているが、Ｎｉを熱処理してＮｉシリサイド膜を形成した場合、Ｎｉはカーボンと反応しないため、余ったカーボンがシリサイド膜上にグラファイト層を形成する。この面上に外部装置と接続用の配線用金属膜を作製すると密着力が低下し、配線用金属膜の剥離を引き起こす要因となる。
このため、グラファイト層を不活性ガス（Ａｒなど）雰囲気中でのプラズマプロセスにて除去することや、Ｎｉを熱処理する前に予めＮｉ上にＮｉシリサイドを形成させグラファイトを表面に出ないようにする方法（特許文献１参照）や、カーボンと反応する金属を堆積して熱処理をさせることにより析出グラファイトを除去する方法（特許文献２参照）により剥離を抑制する方法が提案されている。
ところが、炭化珪素半導体装置の製造工程において配線用金属膜の剥離を引き起こすグラファイト層が形成される要因は多くある。この剥離原因となるグラファイトをＡｒスパッタ等の物理的手段で除去するとグラファイトの除去のみならず低抵抗接続に必要なＮｉシリサイドの除去もされてしまう。正確にグラファイト層のみを物理的手段で除去する方法は工程が複雑になる。また、カーボンと反応する金属を堆積して熱処理をさせることにより析出グラファイトを除去する方法は工程が簡略化できるが、Ｎｉシリサイドを形成した後から配線用金属膜を形成させるまでに多くの工程を流す必要があるため、この工程の過程で様々な要因によりグラファイトが配線用金属膜用の面に堆積し剥離を誘発する可能性がある。
IEEETransaction on Electron Devices(Vol.36, p.1811, 1989)
炭化珪素半導体装置において、製造されたデバイスの金属/炭化珪素デバイス界面の密着性を向上し剥離を抑制することができる炭化珪素半導体装置の電極形成方法を提供することを課題とする。
上記の課題は、以下の炭化珪素半導体装置の電極形成方法によって解決される。
（１）表面にグラファイトが形成されている炭化珪素基板上にカーバイドを形成できる金属を被着する工程と、炭化珪素基板をアニールし、該金属層と該炭化珪素基板との間にカーバイドを形成する工程とを含む炭化珪素基板への電極形成方法。
（２）表面にグラファイトが形成されている炭化珪素基板上にカーバイドを形成できる金属及び配線用金属膜を順次被着する工程と、炭化珪素基板をアニールし、該金属層と該炭化珪素基板との間にカーバイドを形成する工程とを含む炭化珪素基板への電極形成方法。
（３）上記金属層は、Ｔｉであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の炭化珪素基板への電極形成方法。
（４）上記炭化珪素基板は、表面に金属シリサイドが形成された炭化珪素基板であることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の炭化珪素基板への電極形成方法。
（５）上記金属シリサイドは、ニッケルシリサイドであることを特徴とする（４）に記載の炭化珪素基板への電極形成方法。
（６）上記炭化珪素基板のアニールは、５００Ｋ以上で行うことを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載の炭化珪素基板への電極形成方法。
（７）上記炭化珪素基板のアニールは、真空中で行うことを特徴とする（１）ないし（６）のいずれかに記載の炭化珪素基板への電極形成方法。
（１）表面にグラファイトが形成されている炭化珪素基板上にカーバイドを形成できる金属を被着する工程と、炭化珪素基板をアニールし、該金属層と該炭化珪素基板との間にカーバイドを形成する工程とを含む炭化珪素基板への電極形成方法。
（２）表面にグラファイトが形成されている炭化珪素基板上にカーバイドを形成できる金属及び配線用金属膜を順次被着する工程と、炭化珪素基板をアニールし、該金属層と該炭化珪素基板との間にカーバイドを形成する工程とを含む炭化珪素基板への電極形成方法。
（３）上記金属層は、Ｔｉであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の炭化珪素基板への電極形成方法。
（４）上記炭化珪素基板は、表面に金属シリサイドが形成された炭化珪素基板であることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の炭化珪素基板への電極形成方法。
（５）上記金属シリサイドは、ニッケルシリサイドであることを特徴とする（４）に記載の炭化珪素基板への電極形成方法。
（６）上記炭化珪素基板のアニールは、５００Ｋ以上で行うことを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載の炭化珪素基板への電極形成方法。
（７）上記炭化珪素基板のアニールは、真空中で行うことを特徴とする（１）ないし（６）のいずれかに記載の炭化珪素基板への電極形成方法。
本発明によれば、炭化珪素半導体装置を製造する過程において、配線用金属膜の剥離を引き起こすグラファイト層が形成された場合に、カーバイドを形成することが可能な金属を堆積させて室温より高い温度でアニールすることによりグラファイトと金属を反応させグラファイト層を無くし密着力を向上させることができる。さらに、カーバイドを形成する金属の上に任意の金属膜を形成しても密着力の向上の効果は変化せず、配線用金属膜を自由に選択し作製することができる。
本発明に係る炭化珪素半導体装置の電極形成方法について、図面を参照して詳細に説明する。
（本発明の原理）
炭化珪素半導体基板上に形成されているグラファイト層とカーバイドを形成することが可能な金属膜との接合状態を説明するための断面図を図１に示す。
（本発明の原理）
炭化珪素半導体基板上に形成されているグラファイト層とカーバイドを形成することが可能な金属膜との接合状態を説明するための断面図を図１に示す。
図１(a)に示すような炭化珪素基板１の表面にグラファイト層２が形成された場合、図１(b)に示すようにカーバイドを形成することが可能な金属層３を堆積する。さらに堆積し終わった後室温より高い温度でアニールすることで剥離の原因となるグラファイト層２のカーボンとカーバイドを形成することが可能な金属層３の金属と反応させることで、図１(c)に示すように金属カーバイド層を炭化珪素基板１とカーバイドを形成することが可能な金属層３の間に形成することで剥離を抑制することができる。
図１(b)に示されるカーバイドを形成することが可能な金属層３を堆積中にアニールを行うと、グラファイト層２と反応し図１(c)の金属カーバイド層４が形成されるが、カーバイドを形成することが可能な金属層３に含まれる金属と炭化珪素基板１の熱膨張率が異なるため、温度を下げた後に応力が加わり密着力が低下する。このため、アニールはカーバイドを形成することが可能な金属層３の堆積後に行うのがよい。
次に炭化珪素半導体基板上に形成されているグラファイト層とカーバイドを形成することが可能な金属膜と配線用金属膜の接合状態を説明するための断面図を図２に示す。
炭化珪素基板１の表面にグラファイト層２が形成された場合（図２(a)）、図２(b)に示すようにカーバイドを形成することが可能な金属層３を堆積し、続けて配線用金属膜５として任意の必要な金属を単層もしくは複数層堆積させることにより、カーバイドを形成することが可能な金属層３と配線用金属膜５間の密着力は保障される。さらに堆積し終わった後、室温より高い温度でアニールすることで剥離の原因となるグラファイト層２を堆積しカーバイドを形成することが可能な金属層３の金属と反応させる。
図２(c)に示すようにカーバイド層４を炭化珪素基板１とカーバイドを形成することが可能な金属層３の間に形成することで、配線用金属膜の金属を自由に選択して炭化珪素半導体装置を製造することができ、且つ剥離を抑制することができる。
炭化珪素基板１の表面にグラファイト層２が形成された場合（図２(a)）、図２(b)に示すようにカーバイドを形成することが可能な金属層３を堆積し、続けて配線用金属膜５として任意の必要な金属を単層もしくは複数層堆積させることにより、カーバイドを形成することが可能な金属層３と配線用金属膜５間の密着力は保障される。さらに堆積し終わった後、室温より高い温度でアニールすることで剥離の原因となるグラファイト層２を堆積しカーバイドを形成することが可能な金属層３の金属と反応させる。
図２(c)に示すようにカーバイド層４を炭化珪素基板１とカーバイドを形成することが可能な金属層３の間に形成することで、配線用金属膜の金属を自由に選択して炭化珪素半導体装置を製造することができ、且つ剥離を抑制することができる。
次に炭化珪素半導体基板上に金属シリサイドを形成した時に生成されるグラファイト層とカーバイドを形成することが可能な金属膜と配線用金属膜の接合状態を説明するための断面図を図３に示す。
特に、図３(a)に示すようにオーミック電極を形成するために金属、例えばカーボンと反応しにくいＮｉ、を堆積した後アニールを行い炭化珪素基板１と金属膜６の界面で反応させると、図３(b)に示すように金属膜６が薄い場合は、金属シリサイドとグラファイトのいずれか複数を含む混合層７が形成され表面にグラファイト層２が形成されやすい。
ここで、図３(c)に示すようにカーバイドを形成することが可能な金属層３を堆積し、続けて配線用金属膜５として必要な金属を複数層堆積、さらに図３(d)に示すように堆積し終わった後室温より高い温度でアニールすることでカーバイド層４を形成し、剥離の原因となるグラファイト層２を無くし剥離を抑制することを特徴としている。
特に、図３(a)に示すようにオーミック電極を形成するために金属、例えばカーボンと反応しにくいＮｉ、を堆積した後アニールを行い炭化珪素基板１と金属膜６の界面で反応させると、図３(b)に示すように金属膜６が薄い場合は、金属シリサイドとグラファイトのいずれか複数を含む混合層７が形成され表面にグラファイト層２が形成されやすい。
ここで、図３(c)に示すようにカーバイドを形成することが可能な金属層３を堆積し、続けて配線用金属膜５として必要な金属を複数層堆積、さらに図３(d)に示すように堆積し終わった後室温より高い温度でアニールすることでカーバイド層４を形成し、剥離の原因となるグラファイト層２を無くし剥離を抑制することを特徴としている。
また、通常真空中で金属膜の堆積が行われることから、カーバイドを形成することが可能な金属膜３と、必要であれば連続して配線用金属膜５を堆積後、引き続きアニールを真空中で行うことにより、空気中の酸素や窒素との反応を回避できることで剥離に対して効果がある。
（第一の実施例）
図４は本発明に係る第一の実施例である炭化珪素半導体装置の電極形成方法を示したものである。以下に第一の実施例である炭化珪素半導体装置の電極形成方法について、詳細に説明する。
図４は本発明に係る第一の実施例である炭化珪素半導体装置の電極形成方法を示したものである。以下に第一の実施例である炭化珪素半導体装置の電極形成方法について、詳細に説明する。
図４(a)に示すように、炭化珪素基板１、例えば４Ｈ−ＳｉＣが含まれる基板、上にグラファイト層２が堆積している基板を用意する。この炭化珪素基板１は、すべてが炭化珪素で構成されているものであってもよく、本発明を実施する面の反対側の面に任意の構造、例えばＳＢＤ等のデバイス、が形成されていてもよい。このグラファイト層２は、この炭化珪素基板１が多数の工程を通しているため、例えば本発明を実施する面の反対側の面にＳＢＤやＭＯＳ等の構造を形成している、電極用金属膜を形成する直前で、例えばエッチングなどの工程を通すことができず、グラファイト膜２を完全に除去されず残っている。ここで、グラファイト膜２は本発明を実施する面一様に残っている場合もあり、一部にのみ残っている場合もある。
図４(b)に示すようにこの炭化珪素基板１に、例えば蒸着装置によって真空中で、Ｔｉ膜８を例えば１００ｎｍを形成する。この時炭化珪素基板１の本発明を実施する面の一部についてのみ電極用金属膜を形成する場合には、その一部にのみＴｉ膜が堆積されるようにパターニングされる場合もある。
この後、例えば蒸着直後真空中で、高温処理、好ましくは５００Ｋ（２２３℃）以上で行う。これにより、図４(c)に示されるように、Ｔｉ膜８とグラファイト層２の間で反応が起こり、グラファイト層２がＴｉＣ層１０になり、剥離の原因となるグラファイトが除去される。
このとき、炭化珪素基板１とＴｉＣ層９の界面と、ＴｉＣ層９とＴｉ膜８の界面は科学的に結合することになる。このため、炭化珪素基板１からＴｉ膜８まで高い密着強度で接合される。
このように、グラファイト層２の除去工程を前もって物理的手段等で行わなくても、配線用Ｔｉ膜８の剥離を防止することが可能となる。
なお、蒸着後高温処理を行うことにより熱膨張率の違いにより引き起こされる応力の影響も無くなり密着力が高くなる。
なお、蒸着後高温処理を行うことにより熱膨張率の違いにより引き起こされる応力の影響も無くなり密着力が高くなる。
（第二の実施例）
図５は本発明に係る第二の実施例である炭化珪素半導体装置の電極形成方法を示したものである。以下に第二の実施例である炭化珪素半導体装置の電極形成方法について、詳細に説明する。
図５は本発明に係る第二の実施例である炭化珪素半導体装置の電極形成方法を示したものである。以下に第二の実施例である炭化珪素半導体装置の電極形成方法について、詳細に説明する。
図５(a)に上記第一実施形態と同様に、炭化珪素基板１、例えば４Ｈ−ＳｉＣが含まれる基板、上にグラファイト層２が堆積している基板を用意する。
図５(b)に示すように、この基板に例えば蒸着装置によって真空中で、Ｔｉ膜８を例えば１００ｎｍを形成する。続けて、Ｎｉ膜１０を例えば５００ｎｍ、Ａｕ膜１１を例えば２００ｎｍ形成する。この時炭化珪素基板１の本発明を実施する面の一部についてのみ電極用金属膜、例えばＮｉやＡｕ、を形成する場合には、その一部にのみＴｉ膜が堆積されるようにパターニングされる場合もある。
この後、例えば蒸着直後真空中で、高温処理、好ましくは５００Ｋ（２２３℃）以上で行う。これにより、図５(b)のＴｉ膜８とグラファイト層２の間で反応が起こり、図５(c)で示されるようにグラファイト層２がＴｉＣ層９になり、剥離の原因となるグラファイトが除去される。
このとき、炭化珪素基板１とＴｉＣ層９の界面と、ＴｉＣ層９とＴｉ膜８の界面は科学的に結合することになる。また、Ｔｉ膜８とＮｉ膜１０の界面と、Ｎｉ膜１０とＡｕ膜１１の界面は真空中で続けて蒸着したため密着力は十分強い。このため、炭化珪素基板１からＡｕ膜１１まで高い密着強度で接合される。
このように、グラファイト層２の除去工程を前もってスパッタなど物理的手段等によって行わなくても、配線用Ｔｉ層８、Ｎｉ層１０、Ａｕ層１１の剥離を防止することが可能となる。この後の工程に関しては図示していないが、配線用金属膜として再表面層に酸化されないＡｕ層１２を形成することによりこの後のはんだ接合などをスムーズに行うことでき、安定した炭化珪素半導体装置を製造できる。
なお、蒸着後高温処理を行うことにより炭化珪素基板１、ＴｉＣ層９、Ｔｉ層８、Ｎｉ層１０、Ａｕ層１１の各熱膨張率の違いにより引き起こされる応力の影響も無くなり密着力が高くなる。
（第三の実施例）
図６は本発明に係る第三の実施例である炭化珪素半導体装置の電極形成方法を示したものである。以下に第三の実施例である炭化珪素半導体装置の電極形成方法について、詳細に説明する。
図６は本発明に係る第三の実施例である炭化珪素半導体装置の電極形成方法を示したものである。以下に第三の実施例である炭化珪素半導体装置の電極形成方法について、詳細に説明する。
図６(a)に、炭化珪素基板１、例えば４Ｈ−ＳｉＣが含まれる基板を用意しオーミック電極用Ｎｉ膜１２を例えば５０ｎｍ堆積する。この時炭化珪素基板１の本発明を実施する面の一部についてのみ電極用金属膜を形成する場合には、その一部にのみＮｉ膜１２が堆積されるようにパターニングされる場合もある。
この後、急速加熱処理（ＲＴＡ：R a p i d T h e r m a l A n n e a l）装置を用いて、３００℃以上、例えば１０００℃で２分間の熱処理を行うというシリサイド層を形成することがきる。これにより、図６(a)のＮｉ層１２がシリサイド化され、図６(b)に示すように炭化珪素基板１の表面に低抵抗のオーミックコンタクトとなるＮｉシリサイド層１３が形成される。しかし、Ｎｉはカーボンと非常に反応しにくいため、Ｎｉシリサイド層１３の上にグラファイト層２が形成される。このＮｉシリサイド層１３の中にはグラファイト等他の物質が混じっている場合もある。
この後の工程に関しては図示していないが、例えば縦型ＳＢＤを製造するには本発明を実施する面の反対側にショットキーコンタクト等の構造を作製するため、多数の工程を通す。このため多数の工程を通す過程で形成される汚染、例えばレジストの残渣、によって形成されるグラファイトが表面に追加される。よって、低抵抗のオーミックコンタクトとなるＮｉシリサイド層１３の表面に、もともと存在するグラファイト層２を前もって除去しても配線用金属膜を形成する直前には剥離を誘発するグラファイト層２が再び形成されてしまう。
図６(c)に示すように、この基板に例えば蒸着装置によって真空中で、Ｔｉ膜８を例えば１００ｎｍを形成する。続けて、Ｎｉ膜１０を例えば５００ｎｍ、Ａｕ膜１１を例えば２００ｎｍ形成する。
この後、例えば蒸着直後真空中で、高温処理、好ましくは５００Ｋ（２２３℃）以上で行う。これにより、図６(d)に示されるように、Ｔｉ膜８とグラファイト層２の間で反応が起こり、グラファイト層２がＴｉＣ層９になり、剥離の原因となるグラファイトが除去される。
このとき、炭化珪素基板１とＮｉシリサイド層１３の界面と、Ｎｉシリサイド層１３とＴｉＣ層９の界面と、ＴｉＣ層９とＴｉ膜８の界面は科学的に結合することになる。また、Ｔｉ膜８とＮｉ膜１０の界面と、Ｎｉ膜１０とＡｕ膜１１の界面は真空中で続けて蒸着したため密着力は十分強い。このため、炭化珪素基板１からＡｕ膜１１まで高い密着強度で接合される。
このように、グラファイト層２の除去工程をスパッタ等で前もって行わなくても、Ｔｉ層８、Ｎｉ層１０、Ａｕ層１１の剥離を防止することが可能となる。この後の工程に関しては図示していないが、配線用金属膜として再表面層に酸化されないＡｕ層１１を形成することによりこの後のはんだ接合などをスムーズに行うことでき、安定した炭化珪素半導体装置を製造できる。
なお、蒸着後高温処理を行うことにより炭化珪素基板１、Ｎｉシリサイド層１３、ＴｉＣ層９、Ｔｉ層８、Ｎｉ層１０、Ａｕ層１１の各熱膨張率の違いにより引き起こされる応力の影響も無くなり密着力が高くなる。
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は前記実施例に限定されるものではない。そして、本発明の趣旨を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。
前記発明を実施するための最良の形態において、全面均一な電極を形成した断面図に従って説明したが、表面に部分的に電極を形成した炭化珪素半導体装置、例えばＭＰＳ構造ダイオードのコンタクトに対応させることができ、また本発明を実施する面の反対側に構造の無い断面図に従って説明したが、本発明を実施する面の反対側に構造がある装置、例えば縦型ＳＢＤのショットキー電極等に対応することができることはいうまでもないことである。
１ 炭化珪素基板
２ グラファイト層
３ カーバイドを形成することが可能な金属層
４ カーバイド層
５ 配線用金属膜
６ 金属
７ 金属シリサイドと金属カーバイドとグラファイトのいずれか複数を含む混合層
８ カーバイドを形成する金属としてＴｉを使用した膜
９ ＴｉＣ
１０ 配線用Ｎｉ膜
１１ 配線用Ａｕ膜
１２ オーミック電極用Ｎｉ
１３ Ｎｉシリサイドとカーボンが混合した層
２ グラファイト層
３ カーバイドを形成することが可能な金属層
４ カーバイド層
５ 配線用金属膜
６ 金属
７ 金属シリサイドと金属カーバイドとグラファイトのいずれか複数を含む混合層
８ カーバイドを形成する金属としてＴｉを使用した膜
９ ＴｉＣ
１０ 配線用Ｎｉ膜
１１ 配線用Ａｕ膜
１２ オーミック電極用Ｎｉ
１３ Ｎｉシリサイドとカーボンが混合した層
Claims (2)
- 真空中において、表面に、グラファイトを含むグラファイト層が形成されている炭化珪素基板上に、Ｔｉ膜およびＮｉ膜を順次形成する第１の工程と、
前記第１の工程に引き続き真空中において、アニール処理をすることにより、前記グラファイト層とＴｉ膜の間で反応させて、ＴｉＣ層を前記炭化珪素基板と前記Ｔｉ膜との間に形成することにより、前記グラファイトを除去し、前記炭化珪素基板と前記ＴｉＣ層の界面および前記ＴｉＣ層と前記Ｔｉ膜の界面を結合させる第２の工程と、
を含むことを特徴とする炭化珪素基板への電極形成方法。 - 前記第１の工程において、前記Ｎｉ膜に引き続きＡｕ膜を形成することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素基板への電極形成方法。
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