JP6309211B2

JP6309211B2 - 炭化ケイ素半導体装置

Info

Publication number: JP6309211B2
Application number: JP2013126053A
Authority: JP
Inventors: 福田　祐介; 祐介福田
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2018-04-11
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: JP2015002266A

Description

本発明は、炭化ケイ素を用いた炭化ケイ素半導体装置及び炭化ケイ素半導体装置の製造方法に関する。

従来から炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いた炭化ケイ素半導体装置が知られている。このような炭化ケイ素半導体装置において、炭化ケイ素半導体基板の厚みを薄くすることは、炭化ケイ素半導体装置のＯＮ抵抗を低減するのに非常に有効である。

この点、従来から半導体装置の基板の下面（裏面）をバックグラインド、メカニカルポリッシュ等によって研削することは知られている。例えば特許文献１では、所定の深さに埋設された複数の埋め込み電極を備えた半導体ウエーハの下面を研削して、全ての埋め込み電極をウエーハの下面に表出させるウエーハの研削方法が開示されている。

特開２０１１−４０５１１号公報

しかしながら、炭化ケイ素は硬くて脆く、バックグラインド、メカニカルポリッシュ等の研削によって炭化ケイ素半導体基板１０を薄くすると、炭化ケイ素半導体基板１０の下面の縁に非常に破損しやすいナイフ形状のエッジ（以下「ナイフエッジ」という。）が形成されてしまい（図５参照）、このようなナイフエッジが破損されてしまうことがある。また、炭化ケイ素半導体基板１０全体を薄くすると、炭化ケイ素半導体基板１０の反り量が大きくなってしまう。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、炭化ケイ素半導体装置のＯＮ抵抗を低減しつつ、炭化ケイ素半導体基板の強度を高くし、さらに当該炭化ケイ素半導体基板に反りが発生することも防止することができる炭化ケイ素半導体装置及び炭化ケイ素半導体装置の製造方法を提供する。

本発明による炭化ケイ素半導体装置は、
炭化ケイ素半導体基板と、
前記炭化ケイ素半導体基板上に形成された炭化ケイ素半導体層と、
前記炭化ケイ素半導体層上に設けられた電極と、
を備え、
前記炭化ケイ素半導体基板の下面であって前記電極の鉛直方向下方を含む領域に限定して、レーザー光を照射することによって形成された凹部が設けられている。

本発明による炭化ケイ素半導体装置において、
前記凹部の水平方向の幅は、前記電極の水平方向の幅よりも大きくなっていてもよい。

本発明による炭化ケイ素半導体装置において、
複数の凹部及び複数の電極が設けられ、
各凹部は、各電極の鉛直方向下方に設けられていてもよい。

本発明による炭化ケイ素半導体装置において、
前記凹部の縦断面形状はＵ字形状になっていてもよい。

本発明による炭化ケイ素半導体装置において、
前記凹部は、前記炭化ケイ素半導体基板内に形成され、その上端が前記炭化ケイ素半導体層に達していなくてもよい。

本発明による炭化ケイ素半導体装置において、
前記レーザー光のエネルギーは、０．５J／ｃｍ^２以上であってもよい。

本発明による炭化ケイ素半導体装置において、
前記レーザー光によって、前記凹部の露出面に炭素の導電層が形成されてもよい。

本発明による炭化ケイ素半導体装置の製造方法は、
炭化ケイ素半導体基板上に炭化ケイ素半導体層を形成する工程と、
前記炭化ケイ素半導体層上に電極を設ける工程と、
前記炭化ケイ素半導体基板の下面であって前記電極の鉛直方向下方又は前記電極の配置予定箇所の鉛直方向下方を含む領域に限定してレーザー光を照射することで凹部を形成する工程と、
を備える。

本発明によれば、電極の鉛直方向下方に凹部が設けられている。このため、電極の鉛直方向下方における炭化ケイ素半導体基板の厚みを薄くすることができ、炭化ケイ素半導体装置のＯＮ抵抗を低減することができる。また、このような凹部はレーザー光を用いて形成されるので、バックグラインド、メカニカルポリッシュ等による研削と異なり、炭化ケイ素半導体基板の下面にナイフエッジが形成されてしまうことがなく、炭化ケイ素半導体基板の強度を高いものにすることができる。さらに、炭化ケイ素半導体基板全体を薄くすることなく、電極の鉛直方向下方を含む領域に限定して凹部を設けるので、炭化ケイ素半導体基板に反りが発生することも防止することができる。

図１は、本発明の実施の形態による炭化ケイ素半導体装置の全体構成を示すための断面図である。図２は、本発明の実施の形態による炭化ケイ素半導体装置の構成を説明するための断面図である。図３は、本発明の実施の形態による炭化ケイ素半導体装置を製造する工程を説明するための断面図である。図４は、本発明の実施の形態の変形例による炭化ケイ素半導体装置の構成を説明するための断面図である。図５は、バックグラインド、メカニカルポリッシュ等の研削によって炭化ケイ素半導体基板を薄くした際に形成されるナイフエッジを説明するための断面図である。

実施の形態
《構成》
以下、本発明に係る炭化ケイ素半導体装置（ＳｉＣ半導体装置）及び炭化ケイ素半導体装置の製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１乃至図４は本発明の実施の形態を説明するための図である。本発明の炭化ケイ素半導体装置は特に限定されることはないが、例えばショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）やＭＯＳＦＥＴ等である。以下では、半導体装置としてショットキーバリアダイオードを用いて説明するが、このショットキーバリアダイオードはあくまでも半導体装置の一例に過ぎない点には留意が必要である。

図１に示すように、本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置は、炭化ケイ素半導体基板（ＳｉＣ半導体基板）１０と、炭化ケイ素半導体基板１０上に形成された炭化ケイ素半導体層（ＳｉＣ半導体層）２０と、炭化ケイ素半導体層２０上に設けられたショットキー電極（特許請求の範囲で記載された「電極」に対応する。）５０と、を備えている。

より具体的には、本実施の形態の半導体装置は、高濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体基板（第1導電型炭化ケイ素半導体基板）１０と、高濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体基板１０上に形成された低濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体層（第1導電型炭化ケイ素半導体層）２０と、低濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体層２０内にリング状で形成されたｐ型の炭化ケイ素半導体層（第２導電型炭化ケイ素半導体層）３０と、を備えている。なお、ｎ型の炭化ケイ素半導体基板１０は、上面（以下「表面」とも言う。）と、当該上面に背向する下面（以下「裏面」とも言う。）とを有しており、ｎ型の炭化ケイ素半導体基板１０の表面側に上述した低濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体層２０が形成されている。また、図２に示すように、ｎ型の炭化ケイ素半導体基板１０の裏面側には、炭化ケイ素半導体基板１０の裏面の形状に沿ったオーミック電極８０が形成される。図示しないが、このオーミック電極８０には、はんだ、Ａｌ等を介して半導体チップ等が実装される。なお、図１ではこのオーミック電極８０は示されていない。

図２に示すように、低濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体層２０及びｐ型の炭化ケイ素半導体層３０の上には、これらに跨がってショットキー電極５０が設けられている。そして、このショットキー電極５０上には引き出し電極５５が設けられている。また、ショットキー電極５０及び引き出し電極５５を取り囲むようにして、リング状で絶縁層６０が設けられている。なお、ショットキー電極５０の材料としては、例えばＴｉ、Ｍｏ、Ｎｉ等を挙げることができる。引き出し電極５５の材料としては、例えばＡｌ、Ｎｉ、Ａｕ等を挙げることができる。絶縁層６０の材料としては、例えば酸化珪素、窒化珪素、ポリイミド等を挙げることができる。

ｎ型の炭化ケイ素半導体基板１０のうち後述する凹部１５が形成されている箇所の厚みは例えば約２５０μｍであり、ショットキー電極５０及び引き出し電極５５を含んだ炭化ケイ素半導体装置の厚みは例えば約３５０μｍである。このため、この例で言うと、凹部１５の深さは約１００μｍとなっている。

炭化ケイ素半導体基板１０の下面であってショットキー電極５０の鉛直方向下方を含む領域に限定して、レーザー光Ｌを照射することによって形成された凹部１５が設けられている。なお、本実施の形態で用いられるレーザー光Ｌのエネルギーは、例えば０．５J／ｃｍ^２以上となっている。また、本実施の形態における凹部１５の露出面には、レーザー光Ｌによってケイ素（Ｓｉ）が飛び炭素（Ｃ）の導電層が形成されている。これは、一般にケイ素の方が炭素よりも飛びやすいことに由来している。すなわち、レーザー光Ｌを用いて凹部１５を形成すると、炭素とケイ素が飛んでいくが、最終的に形成される表面ではケイ素が飛んだ後の炭素によって導体層が形成されることとなる。

ちなみに、レーザー光Ｌは例えば５０μｍのスポットで照射され、各スポットを重なり合わせつつずらすことで、凹部１５が形成される。また、レーザー光Ｌの波長は例えば５５５ｎｍ以下となっている。本願発明者による実験によれば、５５５ｎｍよりもレーザー光Ｌの波長が長いと炭化ケイ素半導体基板１０をレーザー光が透過してしまい炭化ケイ素半導体基板１０に凹部１５を形成することができなかったが、レーザー光Ｌの波長が５５５ｎｍ以下となっている場合には、炭化ケイ素半導体基板１０に凹部１５を形成することができた。なお、このような波長のレーザー光としては、グリーンレーザー（波長は約５３２ｎｍ）やエキシマレーザー等を用いることができる。一般にグリーンレーザー等の波長が長いレーザー光（例えば４００ｎｍ以上の波長のレーザー光）を照射する機械は低額であることから、このようなレーザー光によって凹部１５を形成する場合には低額な機械で処理することができる点で有益である。

上述したように、炭化ケイ素半導体基板１０の裏面側にはオーミック電極８０が形成されている。そして、このオーミック電極８０の材料としては、例えばＮｉ、Ｍｏ等を挙げることができる。ちなみに、炭化ケイ素は熱伝導性が高く放熱性に優れており、銅等と同程度の熱伝導性を有し、はんだ、Ｎｉ、Ａｌ等よりも高い熱伝導性を有している。

図２に示すように、凹部１５の水平方向の幅Ｗ２はショットキー電極５０の水平方向の幅Ｗ１よりも大きくなっている。また、本実施の形態の炭化ケイ素半導体装置には、複数の凹部１５及び複数のショットキー電極５０が設けられている（図１参照）。そして、各凹部１５は各ショットキー電極５０の鉛直方向下方に設けられており、ショットキー電極５０と凹部１５とが一対一の関係で形成されている。なお、本実施の形態の凹部１５は、その縦断面形状がＵ字形状になっている。

図２に示すように、本実施の形態の凹部１５は、炭化ケイ素半導体基板１０内に形成されているが、その上端１５ｔはｎ型の炭化ケイ素半導体層２０に達していない。すなわち、凹部１５の上端１５ｔは、鉛直方向において、低濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体層２０の下端よりも下方に位置している。

《製造工程》
次に、上述した構成からなる本実施の形態の半導体装置の製造工程について、主に図３を用いて説明する。

まず、高濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体基板１０を準備する（図３（ａ）参照）。

次に、高濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体基板１０上に、エピタキシャル成長によって低濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体層２０を形成する（図３（ａ）参照）。この低濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体層２０は、耐圧を確保するのに必要な不純物濃度及び厚さになっている。

次に、低濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体層２０上に、ＡｌやＢ等をイオン注入し、例えば１５００℃以上の加熱処理を施すことでｐ型の炭化ケイ素半導体層３０を形成する（図３（ｂ）参照）。より具体的には、低濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体層２０の表面にＳｉＯ_２をＣＶＤによって堆積する。次いで、ＳｉＯ_２上にフォトレジストを形成し、そのフォトレジストのうちｐ型の炭化ケイ素半導体層３０の形成位置に対応する部分を除去する。この状態でエッチング処理を施すことで、ｐ型の炭化ケイ素半導体層３０の形成位置に対応する部分のＳｉＯ_２を除去し、その部分の低濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体層２０を露出させる。その後、残りのフォトレジストを除去する。その後、低濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体層２０の露出部位から例えばＡｌやＢ等をイオン注入する。そして、残りのＳｉＯ_２を除去した後で、１５００℃以上の熱処理を施すことで、注入された不純物を活性化する。

次に、低濃度のｎ型の炭化ケイ素半導体層２０及びｐ型の炭化ケイ素半導体層３０の上に、これらに跨がってＴｉ、Ｍｏ、Ｎｉ等からなるショットキー電極５０が、例えばスパッタ法によって設けられる（図３（ｃ）参照）。

次に、ショットキー電極５０上に、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等からなる引き出し電極５５が設けられる（図３（ｃ）参照）。

次に、ショットキー電極５０及び引き出し電極５５を取り囲むようにして、酸化珪素、窒化珪素、ポリイミド等からなる絶縁層６０が設けられる（図３（ｃ）参照）。

上述のようにして、ショットキー電極５０、引き出し電極５５及び絶縁層６０が設けられた後又は設けられる前に、炭化ケイ素半導体基板１０の下面（すなわち裏面）であってショットキー電極５０の鉛直方向下方又はショットキー電極５０の配置予定箇所の鉛直方向下方を含む領域に限定してレーザー光Ｌを照射することで凹部１５が形成される（図３（ｄ）参照）。なお、図３に示す態様では、ショットキー電極５０、引き出し電極５５及び絶縁層６０が設けられた後で、炭化ケイ素半導体基板１０の裏面にレーザー光Ｌが照射されて、凹部１５が形成されている。また、照射されるレーザー光Ｌのエネルギーは例えば０．５J／ｃｍ^２以上となっている。

このようにして形成される凹部１５の水平方向の幅Ｗ２はショットキー電極５０の水平方向の幅Ｗ１よりも大きくなっている（図２参照）。また、凹部１５の縦断面形状はＵ字形状になっている。また、凹部１５は、炭化ケイ素半導体基板１０内に形成されており、その上端１５ｔが炭化ケイ素半導体層２０に達していない（図２参照）。

各凹部１５は各ショットキー電極５０の鉛直方向下方に対応して形成され、ショットキー電極５０と凹部１５とが一対一の関係で形成される（図１参照）。ちなみに、凹部１５の露出面には炭素（Ｃ）の導電層が形成されることとなる。

次に、炭化ケイ素半導体基板１０の下面（裏面）にオーミック電極８０が形成される（図３（ｅ）参照）。より具体的には、Ｎｉ、Ｍｏ等の金属を炭化ケイ素半導体基板１０の下面（裏面）に蒸着させたり、Ｎｉ、Ｍｏ等の金属で炭化ケイ素半導体基板１０の下面（裏面）をメッキしたりし、その後、例えば真空中において１０００度程度の温度で２分間の加熱処理が行われることで、オーミック電極８０が形成される。その後、オーミック電極８０に、はんだ等を介して半導体チップが実装される。

《効果》
次に、上述した構成からなる本実施の形態による効果について説明する。

本実施の形態によれば、ショットキー電極（電極）５０の鉛直方向下方に凹部１５が設けられている（図１及び図２参照）。このため、ショットキー電極（電極）５０の鉛直方向下方における炭化ケイ素半導体基板１０の厚みを薄くすることができ、炭化ケイ素半導体装置のＯＮ抵抗を低減することができる。

また、このような凹部１５はレーザー光Ｌを用いて形成されるので、バックグラインド、メカニカルポリッシュ等による研削と異なり、炭化ケイ素半導体基板１０の下面にナイフエッジが形成されてしまうことがなく、炭化ケイ素半導体基板１０の強度を高いものにすることができる。さらに、炭化ケイ素半導体基板１０全体を薄くすることなく、ショットキー電極５０の鉛直方向下方を含む領域に限定して凹部１５を設けるので、炭化ケイ素半導体基板１０に反りが発生することも防止することができる。

これらの点について説明する。

炭化ケイ素半導体基板１０の厚みを薄くすることは、炭化ケイ素半導体装置のＯＮ抵抗を低減するのに非常に有効である。しかしながら、炭化ケイ素は硬くて脆く、バックグラインド、メカニカルポリッシュ等の研削によって薄くすると、炭化ケイ素半導体基板１０の下面の縁に非常に破損しやすいナイフエッジが形成されてしまい、このようなナイフエッジが破損されてしまうことがある（図５参照）。また、炭化ケイ素半導体基板１０全体を薄くすると、炭化ケイ素半導体基板１０の反り量が大きくなってしまう。

この点、本実施の形態では、ショットキー電極５０の鉛直方向下方を含む領域に限定して炭化ケイ素半導体基板１０の厚みを薄くすることから、炭化ケイ素半導体基板１０に反りが発生することも防止することができる。

また、凹部１５がレーザー光Ｌを用いて形成されるので、炭化ケイ素半導体基板１０の下面にナイフエッジが形成されてしまうことがなく、炭化ケイ素半導体基板１０の強度を高いものにすることができる。ちなみに、レーザー光を用いずに物理的に研鑽する等して凹部を形成した場合には炭化ケイ素半導体基板１０にダメージ層ができてしまうが、本実施の形態では、このようなダメージ層が生成されることを防止することもできる。

本実施の形態では、凹部１５の水平方向の幅Ｗ２がショットキー電極５０の水平方向の幅Ｗ１よりも大きくなっている（図２参照）。このため、ショットキー電極５０の鉛直方向下方の全体にわたって炭化ケイ素半導体基板１０の厚みを薄くすることができ、炭化ケイ素半導体装置のＯＮ抵抗を確実に低減することができる。ちなみに、ショットキー電極５０等の電極から炭化ケイ素半導体基板１０の下面（裏面）に向かって流れる電流は一定の広がりを持つことから、凹部１５の水平方向の幅Ｗ２がショットキー電極５０の水平方向の幅Ｗ１と等しくなっているのではなく、凹部１５の水平方向の幅Ｗ２がショットキー電極５０の水平方向の幅Ｗ１よりも大きくなっている方が好ましい。

また、本実施の形態では、各凹部１５が各ショットキー電極５０の鉛直方向下方に設けられており、各ショットキー電極５０に対応して各凹部１５が設けられている（図１参照）。このため、ショットキー電極５０の鉛直方向下方において炭化ケイ素半導体基板１０の厚みが薄くなっていない箇所がなく、各ショットキー電極５０の鉛直方向下方で炭化ケイ素半導体基板１０の厚みが薄くなっているので、炭化ケイ素半導体装置のＯＮ抵抗をより確実に低減することができる。また、ショットキー電極５０が設けられていない箇所の鉛直下方に凹部１５が設けられていないことから、炭化ケイ素半導体基板１０の厚みが薄くなる箇所を極力少なくすることができ、炭化ケイ素半導体基板１０に反りが発生することを極力防止することができる。

また、本実施の形態では、凹部１５の縦断面形状がＵ字形状になっており、凹部１５が角張った形状となっていない（図１及び図２参照）。この点、凹部が角張った形状となっている場合には、蒸着処理、メッキ処理、ダイボンド処理等を行う際に上端の角に金属がつきにくいこと等で不都合が発生しうるが、本実施の形態のように凹部１５の縦断面形状がＵ字形状になっている場合には、このように金属がつきにくい状況が生じることを防止することができる。

また、本実施の形態では、凹部１５が炭化ケイ素半導体基板１０内に形成され、その上端１５ｔが炭化ケイ素半導体層２０に達していない（図２参照）。このため、耐圧を確保するための炭化ケイ素半導体層２０が薄くなることを防止することができ、ひいては、高い耐圧を維持することができる。

ちなみに、凹部１５内にはＮｉ等の金属でオーミック電極８０が形成された後で、はんだ等が入り込むことになるが、炭化ケイ素は、これらＮｉ及びはんだよりも熱伝導性が高いことから、炭化ケイ素半導体基板を介して熱を逃がすことができる。このため、本実施の形態によれば、熱を持つことで電気抵抗が上昇することを防止することができる。

変形例
上述した実施の形態では、凹部１５の縦断面形状がＵ字形状になっている態様を用いて説明した。しかしながら、この態様はあくまでも一例であり、別の態様も用いることができる。別の態様の一例としては、図４に示すように、凹部１５’の縦断面形状が矩形状になっているものを挙げることができる。ちなみに、図４において「１５’ｔ」は、凹部１５’の上端を示している。

このような変形例による矩形状の凹部１５’では、ショットキー電極５０（電極）の鉛直方向下方を均一に薄くすることができるので、炭化ケイ素半導体装置のＯＮ抵抗を低減することを期待できる。

最後になったが、上述した実施の形態の記載、変形例の記載及び図面の開示は、特許請求の範囲に記載された発明を説明するための一例に過ぎず、上述した実施の形態の記載又は図面の開示によって特許請求の範囲に記載された発明が限定されることはない。

１０炭化ケイ素半導体基板
１５凹部
１５’ 凹部
１５ｔ凹部の上端
１５’ｔ凹部の上端
２０ｎ型の炭化ケイ素半導体層
３０ｐ型の炭化ケイ素半導体層
５０ショットキー電極（電極）
Ｌレーザー光
Ｗ１ショットキー電極の水平方向の幅
Ｗ２凹部の水平方向の幅

Claims

炭化ケイ素半導体基板と、
前記炭化ケイ素半導体基板上に形成された炭化ケイ素半導体層と、
前記炭化ケイ素半導体層上に設けられた複数のショットキー電極と、
を備え、
前記炭化ケイ素半導体基板の下面に複数の凹部が設けられており、
前記各凹部は、前記各ショットキー電極の鉛直方向下方に設けられており、かつ前記複数のショットキー電極が設けられていない箇所の鉛直下方には、前記凹部が設けられておらず、前記各凹部の縦断面形状はＵ字形状になっており、前記各凹部は当該凹部の縦断面形状に沿って形成されたオーミック電極により被覆され、前記ショットキー電極および前記ショットキー電極の上に設けられた引き出し電極はリング状の絶縁層により取り囲まれており、前記ショットキー電極、前記引き出し電極および前記絶縁層と、前記凹部とが一対一の関係で形成されていることを特徴とする炭化ケイ素半導体装置。
前記凹部の水平方向の幅は、前記ショットキー電極の水平方向の幅よりも大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素半導体装置。
前記凹部は、前記炭化ケイ素半導体基板内に形成され、その上端が前記炭化ケイ素半導体層に達していないことを特徴とする請求項１または２に記載の炭化ケイ素半導体装置。