JP6164062B2

JP6164062B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP6164062B2
Application number: JP2013242366A
Authority: JP
Inventors: 文一今井; 妙俵; 中嶋　経宏; 経宏中嶋
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: JP2015103630A

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。

従来からパワーデバイスとして用いられている半導体デバイスは、半導体材料としてシリコン（Ｓｉ）を用いたものが主流である。一方、シリコンよりもバンドギャップが広い半導体（以下、ワイドギャップ半導体とする）である炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコンと比較して熱伝導度が３倍、最大電界強度が１０倍、電子のドリフト速度が２倍という物性値を有している。このため、絶縁破壊電圧が高く低損失で高温動作可能なパワーデバイスを作製（製造）するにあたって、近年、炭化珪素を応用する研究が各機関で盛んに行われている。このようなパワーデバイスの構造は、裏面側に低抵抗なオーミック電極を備えた裏面電極を有する縦型の半導体デバイスが主流となっている。

半導体材料として炭化珪素を用いた縦型の半導体デバイスの製造方法として、炭化珪素からなる半導体基板（以下、ＳｉＣ基板とする）上にニッケル（Ｎｉ）層を形成した後、熱処理によりニッケル層をシリサイド化してニッケルシリサイド層を形成することで、ＳｉＣ基板とニッケルシリサイド層とのコンタクト（電気的接触部）をオーミックコンタクトとする方法が提案されている（例えば、下記特許文献１，２参照。）。しかしながら、下記特許文献１，２では、ニッケルシリサイド層の上に形成した裏面電極がニッケルシリサイド層から剥がれやすいという問題がある。

このような問題を解消する方法として、ニッケルシリサイド層の表面に残存するニッケル層を除去してニッケルシリサイド層を露出させた後に、ニッケルシリサイド層上にチタン（Ｔｉ）層、ニッケル層および銀（Ａｇ）層を順に積層してなる裏面電極を形成することで、裏面電極の剥離を抑制する方法が提案されている（例えば、下記特許文献３参照。）。また、別の方法として、ニッケルシリサイド層の表面上に形成された金属の炭化物を除去した後に、ニッケルシリサイド層上に裏面電極を形成することで、裏面電極の密着性を向上させた方法が提案されている（例えば、下記特許文献４参照。）。

特開２００７−１８４５７１号公報特開２０１０−８６９９９号公報特開２００８−５３２９１号公報特開２００３−２４３３２３号公報

しかしながら、上述した特許文献３，４の技術を用いて裏面電極を形成したとしても、ニッケルシリサイド層と、裏面電極の最下層のチタン層との密着性が低く、半導体ウェハを個々のチップ状にダイシング（切断）する際に、裏面電極がニッケルシリサイド層から剥がれてしまうという問題がある。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、裏面電極が剥離することを抑制することができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、次のことを見出した。上記特許文献１によると、下記（１）式に示すニッケルと炭化珪素との固相反応によりニッケルシリサイド層が生成される。

Ｎｉ＋２ＳｉＣ → ＮｉＳｉ₂ ＋２Ｃ・・・（１）

下記（１）式の反応により生成された炭素（Ｃ）は、結晶状態が安定しない過飽和状態または微細な析出体として、ニッケルシリサイド層の内部全体に分散して存在している。ニッケルシリサイド層を形成した後に熱処理を行う場合、ニッケルシリサイド層の内部に分散する炭素が一気に排出され、ニッケルシリサイド層の表面や内部にグラファイトなどの析出物として層状に凝集（析出）する。この炭素が凝集してなる析出物は、脆く、かつ他材料層への付着性に乏しいため、わずかな応力によって容易に破断し、ニッケルシリサイド層上に形成した裏面電極の剥離が発生する。そこで、本発明者らは、ニッケルシリサイド層の形成時にニッケルシリサイド層の内部に炭素を層状に析出させ、この炭素が凝集してなる層（以下、炭素析出層とする）を機械研磨によって削除した後に、ニッケルシリサイド層の研削後の表面に裏面電極を形成することにより、裏面電極の剥離を防止することができることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

すなわち、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、炭化珪素からなる半導体基板の表面に、ニッケルおよびチタンを含む第１金属層を３０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の厚さで形成する第１金属層形成工程を行う。次に、９７５℃以上１２００℃以下の温度で２分間以上３０分間以下の熱処理により前記第１金属層を前記半導体基板と反応させてシリサイド化し、チタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層を形成する熱処理工程を行う。次に、前記ニッケルシリサイド層の表面層を少なくとも前記第１金属層の厚さ分除去して、前記ニッケルシリサイド層の厚さを薄くする除去工程を行う。次に、前記除去工程後に前記半導体基板の表面に残る前記ニッケルシリサイド層の表面に、第２金属層を形成する第２金属層形成工程を行う。前記除去工程では、前記熱処理工程において前記第１金属層よりも厚さの厚くなった炭素析出層を含む前記ニッケルシリサイド層の表面層を、前記第１金属層の厚さよりも１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲内で厚い厚さ分除去することで、前記熱処理工程において前記ニッケルシリサイド層の内部に層状に残存した炭素原子からなる前記炭素析出層を除去し、前記ニッケルシリサイド層の、前記炭素析出層よりも前記半導体基板側の部分を残す。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１金属層形成工程では、前記半導体基板の（０００１）面に前記第１金属層を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第１金属層形成工程では、前記半導体基板の表面に、ニッケル層およびチタン層を順に形成することにより前記第１金属層を形成することを特徴とする。

上述した発明によれば、ニッケルシリサイド層の形成（熱処理工程）後、第２金属層の形成（第２金属層形成工程）前に、ニッケルシリサイド層の厚さを、少なくとも第１金属層の総厚さ分薄くすることにより、熱処理工程時にニッケルシリサイド層中に生じ残存する脆くかつ、付着性に乏しい炭素析出層を除去することができる。このため、例えば半導体基板（半導体ウェハ）を個々のチップ状に切断するダイシング時に、ニッケルシリサイド層が破断して第２金属層が剥離することはない。また、上述した発明によれば、ニッケルシリサイド層の厚さを薄くすることでニッケルシリサイド層中の炭素析出層を除去することにより、半導体基板の裏面に、半導体基板とのオーミックコンタクトを形成したニッケルシリサイド層を残すことができる。

本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、裏面電極が剥離することを抑制することができるとともに、炭化珪素半導体とのオーミックコンタクトを実現した裏面電極を有する炭化珪素半導体装置を提供することができるという効果を奏する。

実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法により製造される炭化珪素半導体装置の一例を示す断面図である。実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、ｎまたはｐを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、ｎやｐに付す＋および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。また、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“−”を付けることで負の指数を表している。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施の形態）
実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法によって作製（製造）される炭化珪素半導体装置の構造について、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を例に説明する。図１は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法により製造される炭化珪素半導体装置の一例を示す断面図である。図１に示すように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置において、炭化珪素（ＳｉＣ）からなるｎ型半導体基板（以下、ｎ型ＳｉＣ基板とする）１のおもて面の表面層には、ｐ⁺型ソース領域２およびｐ⁺型ドレイン領域３がそれぞれ選択的に設けられている。ｐ⁺型ソース領域２とｐ⁺型ドレイン領域３とは離れて設けられている。

ｎ型ＳｉＣ基板１からなるｎ型ドリフト層の、ｐ⁺型ソース領域２とｐ⁺型ドレイン領域３とに挟まれた部分の表面上には、ゲート絶縁膜４を介してゲート電極５が設けられている。ソース電極６は、ｐ⁺型ソース領域２に接して設けられ、層間絶縁膜（不図示）によってゲート電極５と電気的に絶縁されている。ドレイン電極７は、ｐ⁺型ドレイン領域３に接して設けられ、層間絶縁膜によってゲート電極５と電気的に絶縁されている。ｎ型ＳｉＣ基板１の裏面には、ニッケルシリサイド層（不図示）を介して裏面電極８が設けられている。ｎ型ＳｉＣ基板１とニッケルシリサイド層とのコンタクト（電気的接触部）はオーミックコンタクトとなっている。

次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の、裏面電極の形成工程について説明する。図２〜５は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を模式的に示す断面図である。おもて面素子構造の形成工程については説明および図示を省略するが、おもて面素子構造は、一般的な方法により所定のタイミングで形成すればよい。おもて面素子構造とは、ｐ⁺型ソース領域２、ｐ⁺型ドレイン領域３、ゲート絶縁膜４およびゲート電極５からなるＭＯＳゲート（金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート）構造、ソース電極６およびドレイン電極７等のおもて面電極など、ｎ型ＳｉＣ基板１のおもて面側に形成される素子構造である。

まず、例えばスパッタリング装置などの金属成膜装置を用いて、ｎ型ＳｉＣ基板（半導体ウェハ）１の裏面に、ニッケル（Ｎｉ）層１１およびチタン（Ｔｉ）層１２を順に成膜（形成）する。スパッタリング装置を用いてニッケル層１１およびチタン層１２を形成したが、蒸着装置等の他の成膜方法を用いてもよい。ニッケル層１１およびチタン層１２は、後述するニッケルシリサイド層を形成するための金属層（第１金属層）である。ｎ型ＳｉＣ基板１の裏面を例えば（０００１）面、すなわちシリコン（Ｓｉ）面としている。一例としてシリコン（Ｓｉ）面にニッケルシリサイド層を形成する場合について記載したが、カーボン（Ｃ）面であってもシリコン（Ｓｉ）面と同様に炭素析出層が生成するので、カーボン（Ｃ）面に対しても有効である。ニッケル層１１の厚さは、例えば２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度であってもよい。チタン層１２の厚さは、ニッケル層１１の厚さよりも薄くする。具体的には、チタン層１２の厚さは、例えば１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下程度であってもよい。以下、例えば、ニッケル層１１の厚さを６０ｎｍとし、チタン層１２の厚さを３６ｎｍとした場合を例に説明する。ここまでの状態が図２に示されている。

次に、例えば高速アニール（ＲＴＡ）により、ニッケル層１１およびチタン層１２を成膜したｎ型ＳｉＣ基板１を加熱する。この加熱処理は、例えば、赤外線ランプを備えた高速アニール装置を用いて、窒素（Ｎ₂）雰囲気中において９７５℃以上１２００℃以下程度の温度で、２分間以上３０分間以下程度行ってもよいし、水素（Ｈ₂）ガスを４％程度含む窒素雰囲気中において９７５℃程度の温度で２分間程度行ってもよい。この高速アニールにより、ニッケル層１１をシリサイド化してニッケルシリサイド層１３を形成することで、ｎ型ＳｉＣ基板１とニッケルシリサイド層１３とのオーミックコンタクトが形成される。この高速アニールにおいては、ニッケル層１１とｎ型ＳｉＣ基板１とが反応し、ニッケル層１１、チタン層１２およびｎ型ＳｉＣ基板１の裏面の表面層（ニッケル層１１と固相反応した厚さ分の表面層）がニッケルシリサイド層１３となる。このため、ニッケルシリサイド層１３の厚さは、ニッケル層１１およびチタン層１２の総厚さよりも厚くなる。

また、ニッケルシリサイド層１３の形成時、ｎ型ＳｉＣ基板１中の炭素（Ｃ）原子は、チタン層１２と反応してチタンカーバイド（ＴｉＣ：不図示）を生成し、ニッケルシリサイド層１３の表面付近（ｎ型ＳｉＣ基板１側に対して反対側の表面付近）に析出される。また、ニッケルシリサイド層１３中に、ｎ型ＳｉＣ基板１の裏面（すなわち、ｎ型ＳｉＣ基板１とニッケルシリサイド層１３との界面）から例えば２０ｎｍ程度離れた付近に層状に未反応の炭素原子１４が残存する。ここまでの状態が図３に示されている。ニッケルシリサイド層１３中に層状に残存する炭素原子（以下、炭素析出層とする）１４は、脆く、かつ付着性に乏しい。このため、ニッケルシリサイド層１３は、わずかな応力で容易に炭素析出層１４の部分で破断し、ｎ型ＳｉＣ基板１の裏面から剥離してしまう。

そこで、例えば研磨によりニッケルシリサイド層１３の厚さを薄くし、ニッケルシリサイド層１３の表面層（具体的には、ニッケルシリサイド層１３の表面のチタンカーバイドの析出物、および、ニッケルシリサイド層１３の、炭素析出層１４上の部分）ごとニッケルシリサイド層１３中の炭素析出層１４を除去する。具体的には、ニッケルシリサイド層１３の厚さを、少なくとも、成膜（形成）時のニッケル層１１およびチタン層１２の総厚さ（すなわち６０ｎｍ＋３６ｎｍ＝９６ｎｍ）分薄くする。より具体的には、ニッケルシリサイド層１３の厚さを、例えば、［成膜時のニッケル層１１およびチタン層１２の総厚さ＋１５ｎｍ］以上、［成膜時のニッケル層１１およびチタン層１２の総厚さ＋３０ｎｍ］以下程度の厚さ分薄くするのがよい。また、この研磨においては、ニッケルシリサイド層１３中の炭素析出層１４を完全に除去するとともに、ニッケルシリサイド層１３の、炭素析出層１４よりもｎ型ＳｉＣ基板１側の部分（ニッケルシリサイド層１３の、炭素析出層１４とｎ型ＳｉＣ基板１とに挟まれた部分）を残す。ここまでの状態が図４に示されている。

その後、例えば蒸着装置などの金属成膜装置を用いて、ｎ型ＳｉＣ基板１の裏面に残るニッケルシリサイド層１３上に、チタン層、ニッケル層および金（Ａｕ）層を順に蒸着（形成）して裏面電極８となる金属層（第２金属層）を形成する。蒸着装置を用いて裏面電極８となる金属層を形成したが、スパッタリング装置等の他の成膜方法を用いてもよい。裏面電極８を構成するチタン層、ニッケル層および金層の厚さは、例えば、それぞれ７０ｎｍ、７００ｎｍおよび２００ｎｍであってもよい。ここまでの状態が図５に示されている。このように、裏面にニッケルシリサイド層１３を介して裏面電極８を形成し、かつおもて面側に所定のタイミングでおもて面素子構造を形成したｎ型ＳｉＣ基板１を個々のチップ状にダイシング（切断）することにより、図１に示す炭化珪素半導体装置が完成する。

上述したようにｎ型ＳｉＣ基板１の裏面に裏面電極８を形成することにより、ｎ型ＳｉＣ基板１のダイシング時、裏面電極８の剥離は生じないことが確認された。

以上、説明したように、実施の形態によれば、ｎ型ＳｉＣ基板（半導体ウェハ）の裏面にニッケルシリサイド層を形成した後、ニッケルシリサイド層上に裏面電極を形成する前に、ニッケルシリサイド層の厚さを、少なくとも、ニッケルシリサイド層を形成するためにｎ型ＳｉＣ基板の裏面に形成したニッケル層およびチタン層の総厚さ（第１金属層の総厚さ）分薄くすることにより、ニッケルシリサイド層中に残存する脆くかつ、付着性に乏しい炭素析出層を除去することができる。このため、例えばｎ型ＳｉＣ基板を個々のチップ状に切断するダイシング時に、ニッケルシリサイド層が破断して裏面電極が剥離することはない。また、実施の形態によれば、ニッケルシリサイド層の厚さを薄くすることでニッケルシリサイド層中の炭素析出層を除去することにより、ニッケルシリサイド層中の炭素析出層を除去するとともに、ｎ型ＳｉＣ基板の裏面にｎ型ＳｉＣ基板とのオーミックコンタクトを形成したニッケルシリサイド層を残すことができる。したがって、裏面電極が剥離することを十分に抑制することができるとともに、ｎ型ＳｉＣ基板とのオーミックコンタクトを実現した裏面電極を有する特性に優れた炭化珪素半導体装置を作製することができる。

以上において本発明では、横型のＭＯＳＦＥＴを例に説明しているが、これに限らず、縦型のＭＯＳＦＥＴや、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ダイオードなど、炭化珪素半導体とのオーミックコンタクトを形成した電極を有する様々な炭化珪素半導体デバイスにも適用可能である。また、上述した実施の形態では、ｎ型ＳｉＣ基板の裏面にニッケルシリサイド層を形成するための第１金属層を、ニッケル層およびチタン層を順に積層（形成）した積層体としているが、ニッケルおよびチタンを含む１層からなる第１金属層を形成した場合においても同様の効果を有する。また、上述した実施の形態では、裏面電極を形成する場合を例に説明しているが、炭化珪素半導体とのオーミックコンタクトを形成したおもて面電極にも適用可能である。また、上述した実施の形態において、ｎ型ＳｉＣ基板の裏面を研削して、ｎ型ＳｉＣ基板の厚さを製品厚さまで薄くした後に、ｎ型ＳｉＣ基板の研削後の裏面にニッケルシリサイド層を形成してもよい。また、上述した実施の形態では、半導体層または半導体基板の導電型（ｎ型、ｐ型）を反転させても同様に成り立つ。

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭化珪素半導体とのオーミックコンタクトを形成した金属電極を備えたパワー半導体装置に有用である。

１ｎ型ＳｉＣ基板
２ｐ⁺型ソース領域
３ｐ⁺型ドレイン領域
４ゲート絶縁膜
５ゲート電極
６ソース電極
７ドレイン電極
８裏面電極
１１ニッケル層
１２チタン層
１３ニッケルシリサイド層
１４炭素析出層

Claims

炭化珪素からなる半導体基板の表面に、ニッケルおよびチタンを含む第１金属層を３０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下の厚さで形成する第１金属層形成工程と、
９７５℃以上１２００℃以下の温度で２分間以上３０分間以下の熱処理により前記第１金属層を前記半導体基板と反応させてシリサイド化し、チタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層を形成する熱処理工程と、
前記ニッケルシリサイド層の表面層を少なくとも前記第１金属層の厚さ分除去して、前記ニッケルシリサイド層の厚さを薄くする除去工程と、
前記除去工程後に前記半導体基板の表面に残る前記ニッケルシリサイド層の表面に、第２金属層を形成する第２金属層形成工程と、
を含み、
前記除去工程では、前記熱処理工程において前記第１金属層よりも厚さの厚くなった炭素析出層を含む前記ニッケルシリサイド層の表面層を、前記第１金属層の厚さよりも１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲内で厚い厚さ分除去することで、前記熱処理工程において前記ニッケルシリサイド層の内部に層状に残存した炭素原子からなる前記炭素析出層を除去し、前記ニッケルシリサイド層の、前記炭素析出層よりも前記半導体基板側の部分を残すことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
前記第１金属層形成工程では、前記半導体基板の（０００１）面に前記第１金属層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装置の製造方法。
前記第１金属層形成工程では、前記半導体基板の表面に、ニッケル層およびチタン層を順に形成することにより前記第１金属層を形成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。