JP7434908B2 - 炭化珪素半導体装置 - Google Patents
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Description
この発明は、炭化珪素半導体装置に関する。
高耐圧、大電流を制御するパワー半導体素子の材料として従来は、シリコン（Ｓｉ）単結晶が用いられている。シリコンのパワー半導体素子にはいくつかの種類があり、用途に合わせてそれらが使い分けられているのが現状である。例えば、ＰｉＮダイオード（Ｐ－ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ－Ｎ ｄｉｏｄｅ）やバイポーラトランジスタ、さらに、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）は、いわゆるバイポーラ型デバイスである。これらの素子は、電流密度は多く取れるものの高速でのスイッチングができず、バイポーラトランジスタは数ｋＨｚが、ＩＧＢＴでは２０ｋＨｚ程度の周波数がその使用限界である。一方、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型電解効果トランジスタ）は、大電流は取れないものの、数ＭＨｚまでの高速で使用できる。しかしながら、市場では大電流と高速性を兼ね備えたパワーデバイスへの要求は強く、シリコンのＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどの改良に力が注がれ、現在ではほぼシリコン材料物性限界に近いところまで開発が進んできた。
また、パワー半導体素子の観点からの材料検討も行われ、炭化珪素（ＳｉＣ）が次世代のパワー半導体素子として、低オン電圧、高速・高温特性に優れた素子であることから、最近特に注目を集めている。というのも、ＳｉＣ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ためである。また、最大電界強度もシリコンより１桁以上大きいからである。ＳｉＣはシリコンにおける材料限界を超える可能性大であることから、パワー半導体用途で今後の伸長が大きく期待される。特に、耐圧１０ｋＶを超えるような電力ならびにパルスパワーなどの超高耐圧用途では、バイポーラデバイスであるＰｉＮダイオードへの期待もＳｉＣに集まっている。
パワー半導体モジュールは、１つまたは複数のパワー半導体チップを内蔵して電力変換装置の一部または全体を構成し、かつ、パワー半導体チップと積層基板または金属基板との間が電気的に絶縁された構造を持つパワー半導体デバイスである。パワー半導体モジュールは、産業用途としてエレベータなどのモータを駆動する制御インバータなどに使われている。さらに近年では、車載用モータを駆動する制御インバータにも広く用いられるようになっている。車載用インバータでは、車の燃費向上のため小型・軽量化や、エンジンルーム内の駆動用モータ近傍に配置されることから、高温動作での長期信頼性が求められる。
ここで、車載用パワー半導体モジュールは、産業用パワー半導体モジュールに比べ、設置空間の制約から小型、軽量化が求められる。また、モータを駆動するための出力パワー密度が高くなるため、運転時における半導体チップ温度が高くなるとともに、高温動作時の長期信頼性の要求も高まってきている。このため、高温動作・長期信頼性を有したパワー半導体モジュール構造が要求されてきている。
ここで、従来の炭化珪素半導体装置では、炭化珪素半導体基板にパワー半導体チップを搭載した場合、パワー半導体チップを電気回路等と接続するための電極、特にドレイン電極等の裏面電極を形成するに際し、炭化珪素半導体基板と裏面電極との接触抵抗を低減させたオーミック電極を形成している。
上記オーミック電極を形成する方法として、炭化珪素半導体基板で構成される半導体装置において、ｎ型ＳｉＣとｐ型ＳｉＣとの双方に対して低抵抗（電位障壁が小さな）接続となるオーミック電極を得るために、炭化珪素半導体基板にニッケル（Ｎｉ）を蒸着した後、熱処理を行うというシリサイドプロセスを行い、炭化珪素半導体基板にＮｉシリサイド膜を形成する方法が知られている。
例えば、炭化珪素半導体基板の裏面にシリサイドを形成する金属薄膜を形成し、レーザーを照射し、金属薄膜にシリサイド層を形成することで裏面電極を形成している（例えば、下記特許文献１参照）。金属薄膜としてＮｉ、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）のいずれか１つもしくは複数を含む金属を用いている。シリサイド層を形成するために、半導体基板の裏面の粗さ（Ｒａ）が１０ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下となるように研磨して、３５５ｎｍ波長のレーザー光を使用し、光子エネルギー（ｅＶ）とレーザー出力（ｍＪ／ｃｍ2）の積が、１０００（ｅＶ・ｍＪ／ｃｍ2）以上かつ８０００（ｅＶ・ｍＪ／ｃｍ2）以下となる範囲のレーザー光を照射している。
また、カーバイドを生成する金属であるＭｏに加えて、シリサイドを生成する金属であるＮｉを含め、ＭｏとＮｉとによる積層膜である金属薄膜を形成し、金属薄膜と炭化珪素中の炭素を反応させてカーバイド層を形成することで、オーミック電極を形成し、カーバイド層の表面に生じたシリコン酸化物またはシリコン粒子からなる不要膜を除去することで裏面電極を形成している（例えば、下記特許文献２参照）。ここでは、レーザーアニールにより、金属薄膜と炭化珪素中の炭素を反応させてカーバイド層を形成している。
上記文献では、炭化珪素半導体基板の裏面に一様にシリサイド層が形成されるように図示されている。しかし、実際には、炭化珪素半導体基板の裏面の研磨状況により、シリサイド層の厚さにムラが生じる。
更に上記文献では、シリサイド層の厚さのムラおよびシリサイド形成後の炭化珪素半導体基板の裏面の粗面性についての条件は記載されていない。また従来技術では、オーミック電極上に形成される領域との密着性を向上させたオーミック電極を形成することは難しかった。
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、オーミック電極とオーミック電極上に形成される領域との密着性を向上させ、長期信頼性を有する炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。
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は、次の特徴を有する。半導体基板に設けられた半導体素子と、前記半導体素子の裏面に設けられた、ニッケルシリサイドとモリブデンカーバイド、またはニッケルシリサイドとチタンカーバイドから構成されたオーミック電極と、を備える。前記オーミック電極は、シリサイドが厚い第１領域と、シリサイドが薄い第２領域とから構成され、前記オーミック電極の面積に対する前記第２領域の面積の比率は、１０％以上３０％以下である。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、上述した発明において、前記半導体素子の裏面の粗さ（Ｒａ）は、０．１μｍ以上０．１５μｍ以下であ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は、上述した発明において、前記オーミック電極の、前記半導体素子と反対側の面に設けられたチタン、窒化チタンまたはタンタルから構成された保護膜を備えることを特徴とする。
上述した発明によれば、オーミック電極において、シリサイドが薄い第２領域の面積の比率は、１０％以上３０％以下である。これにより、オーミック電極とＴｉ膜（保護膜）との密着性を向上させ、オーミック電極とＴｉ膜との抵抗を良好にすることができる。また、オーミック電極を形成する前に、裏面を研磨して、裏面の粗さ（Ｒａ）を２ｎｍ以上１０ｎｍ未満にしている。これにより、裏面にダメージ層が形成され、レーザーアニールでシリサイドが形成されやすくなる。
本発明にかかる炭化珪素半導体装置によれば、オーミック電極とオーミック電極上に形成される領域との密着性を向上させ、長期信頼性を有するという効果を奏する。
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好適な実施の形態を詳細に説明する。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。なお、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。
（実施の形態）
図１は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。図１に示すように、パワー半導体モジュール５０は、パワー半導体チップ１と、絶縁基板２と、接合材３ａ、３ｂ、３ｃと、電極パターン４と、金属基板５と、リードフレーム配線６と、樹脂ケース７と、封止樹脂８と、金属端子９と、金属ワイヤ１０と、を備える。
図１は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。図１に示すように、パワー半導体モジュール５０は、パワー半導体チップ１と、絶縁基板２と、接合材３ａ、３ｂ、３ｃと、電極パターン４と、金属基板５と、リードフレーム配線６と、樹脂ケース７と、封止樹脂８と、金属端子９と、金属ワイヤ１０と、を備える。
パワー半導体チップ１は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）あるいはダイオードチップ等の半導体素子である。半導体素子に特に制限はなく、他の半導体素子であってもかまわない。絶縁性を確保するセラミック基板等の絶縁基板２のおもて面（パワー半導体チップ１側）および裏面（金属基板５側）には、銅（Ｃｕ）板などからなる電極パターン４が設けられている。なお、絶縁基板２の少なくとも片面に電極パターン４が設けられた基板を積層基板１２とする。おもて面の電極パターン４上には、はんだなどの接合材３ｂにてパワー半導体チップ１が接合される。裏面の電極パターン４上には、はんだなどの接合材３ｃにて放熱フィン（不図示）が設けられた金属基板５が接合される。また、パワー半導体チップ１の上面（接合材３ｂと接する面と反対側の面）には、電気接続用の配線としてリードフレーム配線６の一端がはんだなどの接合材３ａにて接合される。リードフレーム配線６の他端は、接合材３ｂにて電極パターン４と接合される。
樹脂ケース７は、パワー半導体チップ１と積層基板１２と金属基板５とが積層された積層組立体に組み合わされる。例えば、樹脂ケース７は、積層組立体とシリコーン系接着剤などの接着剤を介して接着されている。また、樹脂ケース７内部には、積層基板１２上のパワー半導体チップ１を絶縁保護するため、エポキシ樹脂などの硬質樹脂等の封止樹脂８が充填されている。実施の形態１では、封止樹脂８としてエポキシ樹脂などの硬質樹脂を用いており、蓋を使用していない。また、金属ワイヤ１０がパワー半導体チップ１と金属端子９との間を接続している。金属端子９は樹脂ケース７を貫通して、外部に突き出ている。
図２は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの裏面電極部の構成を示す断面図である。図２は図１の点線で囲まれた部分の拡大図である。図２に示すように、半導体基板の炭化珪素半導体素子２０（図１のパワー半導体チップ１に対応）の裏面に、半導体基板とオーミック接触するオーミック電極２１が設けられている。オーミック電極２１は、ニッケルシリサイドとモリブデンカーバイド、またはニッケルシリサイドとチタンカーバイドから構成された複合膜である。ニッケルシリサイドとモリブデンカーバイドの複合膜は、炭化珪素半導体素子２０にＭｏ、Ｎｉをこの順で堆積した後、レーザーアニールにより形成したＭｏＮｉシリサイド層である。ニッケルシリサイドとチタンカーバイドの複合膜は、炭化珪素半導体素子２０にＴｉ、Ｎｉをこの順で堆積した後、レーザーアニールにより形成したＴｉＮｉシリサイド層である。
オーミック電極２１の裏面に、保護膜として機能するＴｉ膜２２が設けられている。Ｔｉ膜２２は、ＴｉＮ（窒化チタン）膜であってもよいし、Ｔａ（タンタル）膜であってもよい。Ｔｉ膜２２の裏面に、Ｔｉ膜２２との密着性を向上させるためのニッケルと、酸化を防止するための金を堆積したＮｉ／Ａｕ膜２３が設けられている。Ｎｉ／Ａｕ膜２３の裏面にリードフレーム配線６を接合するためのはんだ２４（図１の接合材３ｂに対応）が設けられる。また、はんだ２４は、例えば、スズ（Ｓｎ）系の低温はんだを用いることができる。
ここで、炭化珪素半導体基板の裏面の粗さ（Ｒａ）は、０．１μｍ以上０．１５μｍとなっている。ここで、粗さ（Ｒａ）とは、裏面の算術平均粗さ（Ｒａ）のことである。また後述するように、パワー半導体モジュールの製造途中で、炭化珪素半導体基板の裏面の粗さ（Ｒａ）は、２ｎｍ以上１０ｎｍ未満に研磨される。この粗さは、オーミック電極２１を形成する際のレーザーアニールにより大きくなるため、製造後の炭化珪素半導体基板の裏面の粗さ（Ｒａ）は上記のようになる。
また、炭化珪素半導体基板の裏面の研磨状況により、シリサイド層の厚さにムラが出る。図３Ａおよび図３Ｂは、ＭｏＮｉシリサイド層の断面の全体像を示す図である。図４Ａは、ＭｏＮｉシリサイド層の図３Ａの点線部分の拡大像を示し、図４Ｂは、ＭｏＮｉシリサイド層の図３Ｂの点線部分の拡大像を示す図である。図３Ａおよび図３Ｂは、倍率５０００倍の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による像であり、図５Ａおよび図５Ｂは、倍率３００００倍の像である。図３Ａ～図４Ｂでは、後述するレーザーの重なり６７／５０でＭｏＮｉシリサイド層２１を形成し、ＭｏＮｉシリサイド層２１上に保護膜を形成した後の断面の像を撮影している。
図３Ａおよび図３Ｂは、同一の半導体チップの異なる断面であり、図３Ａは、シリサイドが厚い領域が多い箇所の断面であり、図３Ｂは、シリサイドが厚い領域が少ない箇所の断面である。図３Ａ～図４Ｂでシリサイドが厚い領域は、白い部分Ｓ３である。
図３Ａ～図４Ｂで示すように、オーミック電極２１は、シリサイドが厚い第１領域と、シリサイドが薄い第２領域とから構成される。第２領域を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で確認すると、第２領域にも、オーミック接触する層は形成されているが、この層の約半分は析出カーボン（Ｃ）層となっている。このため、第２領域は、Ｔｉ膜２２との密着性が悪くなっている。
図２は、オーミック電極２１を模式的に示し、オーミック電極２１は、シリサイドが厚い第１領域３０（図２でハッチングされた領域）と、析出カーボンを含むシリサイドが薄い第２領域３１とから構成される。
次に、第２領域３１の割合と、Ｔｉ膜２２との密着性との関係を調べるため、オーミック電極２１をＭｏＮｉシリサイド層として、レーザーアニールの条件を変えて、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との密着性を試験した。レーザーアニールでは、１回で炭化珪素半導体基板の全面にレーザー光を照射できないため、レーザー光の１照射を少しずつずらして行っている。例えば、レーザー光の１照射後、レーザーの位置をｘ方向にずらして次の照射を行う。レーザーの位置が炭化珪素半導体基板の最外周に出た場合、レーザーの位置をｙ方向にずらして、次の照射を行う。このように、炭化珪素半導体基板上をスキャンしてレーザー光の照射を行っている。また、レーザーとして、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザー等の固体レーザーを用いている。
この際、ｘ方向およびｙ方向にずらして次の照射を行う場合、レーザー光の１照射を重ねることができる。レーザー光の１照射と次のレーザー光の１照射でのｘ方向での照射の重なりがＡ％であり、ｙ方向での照射の重なりがＢ％であることを、レーザーの重なりＡ／Ｂで示している。また、レーザー光の１照射とは、レーザー光の強度が半分になるまでの領域（半値幅）である。また、ｘ方向は、例えば、＜１１－２０＞方向であり、炭化珪素半導体装置がストライプ状のトレンチ構造を有する場合、ストライプの方向である。ｙ方向は、炭化珪素半導体基板の裏面上でｘ方向と直交する方向である。
例えば、レーザーの重なり０／０は、レーザー光の１照射と次のレーザー光の１照射でのｘ方向での照射の重なりが０％であり、ｙ方向での照射の重なりが０％であることを示している。同様に、レーザーの重なり６７／５０は、レーザー光の１照射と次のレーザー光の１照射での照射のｘ方向での重なりが６７％であり、ｙ方向での照射の重なりが５０％であることを示している。
以下、レーザーアニールの条件として、レーザーの重なりが０／０、３３／３３、６７／５０、６７／６７、８０／８０の場合でのオーミック電極２１とＴｉ膜２２との密着性の試験結果を示す。
図５Ａは、レーザーの重なり０／０でのＭｏＮｉシリサイド層の表面像を示す図である。図５Ｂは、レーザーの重なり０／０でのＭｏＮｉシリサイド層の表面の拡大像を示す図である。図５Ｃは、レーザーの重なり０／０でのＭｏＮｉシリサイド層の断面像を示す図である。図５Ａ～図５Ｃは、ＭｏＮｉシリサイド層２１を形成後の走査型電子顕微鏡による像である。図５Ａは、倍率５００倍の像であり、図５Ｂは、倍率５０００倍の像であり、図５Ｃは、倍率２００００倍の像である。図５Ｃでは、ＭｏＮｉシリサイド層２１上に保護膜を形成した後、断面の像を撮影している。
レーザーの重なり０／０では、レーザー光の１照射が円形であるため、ｘ方向およびｙ方向での照射の重なりが０％であると炭化珪素半導体基板の裏面でレーザー光の照射が不十分の部分が出てくる。例えば、図５Ａで円形の白い部分Ｓ１はレーザー光が照射され、シリサイドが厚い第１領域３０であり、黒い部分Ｓ２はレーザー光の照射が不十分で熱が十分に上がらずに、シリサイドが形成されない領域である。また、図５Ｃの断面において中央の白い部分Ｓ３が、シリサイドが厚い第１領域３０である。
レーザーの重なり０／０では、レーザーが照射されない、又はレーザーの照射で十分に加熱されずにシリサイドが形成されない領域が発生する。このため、析出カーボンを含むシリサイドが薄い第２領域３１の割合が少なく、第２領域３１の面積比率は、６％程度であった。第２領域３１の面積比率とは、シリサイドの厚い領域面積に対する、析出カーボンを含むシリサイドが薄い領域の面積の比である。例えば、図２において、Ｅ２とＥ４が第２領域３１の面積であり、第２領域３１の面積比率は、Ｅ２＋Ｅ４／（Ｅ１＋Ｅ２＋Ｅ３＋Ｅ４＋Ｅ５）である。この面積比率については、ＭｏＮｉシリサイド層の表面の拡大像について、例えば、画像の輝度を２５６階調とし、輝度７５を閾値として黒点を検出してその面積比率を算出した。このように画像の輝度に閾値を設定して２値化することで測定できる。
この場合、レーザーの重なり０／０では、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との密着性はよかった。ただし、シリサイドが薄い第２領域３１では、カーボンが析出しているため、抵抗が低くなっている。レーザーの重なり０／０では、シリサイドが薄い第２領域３１の他にレーザーが照射されない、または十分に加熱されずにシリサイド化しない、オーミック接合が形成されない部分も生ずるので、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との抵抗は高くなった。
図６Ａは、レーザーの重なり３３／３３でのＭｏＮｉシリサイド層の表面像を示す図である。図６Ｂは、レーザーの重なり３３／３３でのＭｏＮｉシリサイド層の表面の拡大像を示す図である。図６Ｃは、レーザーの重なり３３／３３でのＭｏＮｉシリサイド層の断面像を示す図である。図６Ａ～図６Ｃの撮影条件は図５Ａ～図５Ｃと同様である。
レーザーの重なり３３／３３では、炭化珪素半導体基板の裏面に、ｘ方向のスキャンで照射の重なりが３３％のレーザー光が照射され、ｙ方向のスキャンで照射の重なりが３３％のレーザー光が照射される。このため、レーザー光が照射された円形の中央部はレーザー光が１回照射されることになる。図６Ａでは、シリサイドが厚い第１領域３０とシリサイドが薄い第２領域３１との境界は明確ではないが、より拡大した図６Ｂでは、シリサイドが厚い第１領域３０である白い部分Ｓ１と、シリサイドが薄い第２領域３１である黒い部分Ｓ２とが観察される。また、図６Ｃの断面においても、シリサイドが厚い第１領域３１である中央の白い部分Ｓ３が観察される。
このように、レーザーの重なり３３／３３では、シリサイドが薄い第２領域３１の割合がレーザーの重なり０／０より増え、１０％程度であった。この場合、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との密着性はよく、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との抵抗も良好であった。
図７Ａは、レーザーの重なり６７／５０でのＭｏＮｉシリサイド層の表面像を示す図である。図７Ｂは、レーザーの重なり６７／５０でのＭｏＮｉシリサイド層の表面の拡大像を示す図である。図７Ｃは、レーザーの重なり６７／５０でのＭｏＮｉシリサイド層の断面像を示す図である。図７Ａ～図７Ｃの撮影条件は図５Ａ～図５Ｃと同様である。
レーザーの重なり６７／５０では、炭化珪素半導体基板の裏面に、ｘ方向のスキャンで照射の重なりが６７％のレーザー光が照射され、ｙ方向のスキャンで照射の重なりが５０％のレーザー光が照射される。このため、少なくともｘ方向で３回はレーザー光が照射されることになる。このため、図６Ａ～図６Ｃの場合と同様に、図７Ａでは、シリサイドが厚い第１領域とシリサイドが薄い第２領域との境界は明確ではないが、より拡大した図７Ｂでは、シリサイドが厚い第１領域である白い部分Ｓ１と、シリサイドが薄い第２領域である黒い部分Ｓ２とが観察される。また、図７Ｃの断面においても、シリサイドが厚い第１領域である中央の白い部分Ｓ３が観察される。
このように、レーザーの重なり６７／５０では、シリサイドが薄い第２領域３１の割合がレーザーの重なり３３／３３より増え、１４％程度であった。この場合、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との密着性はよく、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との抵抗も良好であった。
図８Ａは、レーザーの重なり６７／６７でのＭｏＮｉシリサイド層の表面像を示す図である。図８Ｂは、レーザーの重なり６７／６７でのＭｏＮｉシリサイド層の表面の拡大像を示す図である。図８Ｃは、レーザーの重なり６７／６７でのＭｏＮｉシリサイド層の断面像を示す図である。図８Ａ～図８Ｃの撮影条件は図５Ａ～図５Ｃと同様である。
レーザーの重なり６７／６７では、炭化珪素半導体基板の裏面に、ｘ方向のスキャンで照射の重なりが６７％のレーザー光が照射され、ｙ方向のスキャンで照射の重なりが６７％のレーザー光が照射される。このため、ｘ方向で３回、ｙ方向で３回の少なくとも６回はレーザー光が照射されることになる。このため、図６Ａ～図６Ｃの場合と同様の像が得られる。
このように、レーザーの重なり６７／６７では、シリサイドが薄い第２領域３１の割合がレーザーの重なり６７／５０より増え、２５％程度であった。この場合、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との密着性はよく、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との抵抗も良好であった。
図９Ａは、レーザーの重なり８０／８０でのＭｏＮｉシリサイド層の表面像を示す図である。図９Ｂは、レーザーの重なり８０／８０でのＭｏＮｉシリサイド層の表面の拡大像を示す図である。図９Ｃは、レーザーの重なり８０／８０でのＭｏＮｉシリサイド層の断面像を示す図である。図９Ａ～図９Ｃの撮影条件は図５Ａ～図５Ｃと同様である。
レーザーの重なり８０／８０では、炭化珪素半導体基板の裏面に、ｘ方向のスキャンで照射の重なりが８０％のレーザー光が照射され、ｙ方向のスキャンで照射の重なりが８０％のレーザー光が照射される。このため、ｘ方向で少なくとも４回はレーザー光が照射されることになる。このため、図９Ａでは、シリサイドが厚い第１領域３０とシリサイドが薄い第２領域３１との境界は明確ではないが、より拡大した図９Ｂでは、シリサイドが薄い第２領域３１である黒い部分Ｓ２の割合が図６Ｂ～図８Ｂの場合より多くなっている。これは、レーザー照射を過剰に行ったためである。さらに、図９Ｂと図８Ｂと比較すると、図９Ｂではシリサイドが薄い第２領域３１が大きくなっている。
このように、レーザーの重なり８０／８０では、シリサイドが薄い第２領域３１の割合がレーザーの重なり６７／６７より増え、３４％程度であった。この場合、第２領域３１の割合が高すぎ、第２領域３１が大きいため、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との密着性は悪かった。また、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との抵抗も良好でなかった。これは、第２領域３１とＴｉ膜２２との密着が不十分となり、空隙等の形成により、抵抗が高くなると考えられる。
さらに、図示していないが、レーザーの重なり６７／８０では、シリサイドが薄い第２領域３１の割合は、レーザーの重なり６７／６７とレーザーの重なり８０／８０との間になり、３０％程度であった。この場合、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との密着性はよく、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との抵抗も良好であった。
また、以上の図５Ａ～図９Ｃは、ＭｏＮｉシリサイド層の結果であるが、ＴｉＮｉシリサイド層でも同様の結果になる。
図１０は、レーザーの重なりとシリサイドが薄い第２領域の比率との関係を示すグラフである。図１０において、横軸は、ｘ方向のレーザーの重なりを示し、単位は％である。縦軸は、シリサイドが薄い第２領域３１の比率を示し、単位は％である。図１０は、上記の図５Ａ～図９Ｃの結果をグラフにしたものであるが、図５Ａ～図９Ｃにない６７／８０の結果も追加してある。
シリサイドが薄い第２領域３１では、Ｔｉ膜２２との密着性が悪いため、シリサイドが薄い第２領域３１の面積の比率が高いと、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との密着性が悪くなる。具体的には、レーザーの重なり６７／６７とレーザーの重なり８０／８０との結果により、シリサイドが薄い第２領域３１の面積の比率が３０％超えるとオーミック電極２１とＴｉ膜２２との密着性が悪くなる。このため、第２領域の面積比率は、０％以上３０％以下であることが好ましい。また、シリサイドが薄い第２領域３１では、カーボンが析出しているため、抵抗が低くなっている。シリサイドが薄い第２領域３１が少なすぎると抵抗が高くなるため、第２領域の面積比率は、１０％以上であることが好ましい。
このため、実施の形態では、オーミック電極２１の面積に対する第２領域３１の面積の比率を、１０％以上３０％以下としている。これにより、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との密着性を向上させ、オーミック電極２１とＴｉ膜２２との抵抗を良好にしている。
（実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法）
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について、説明する。図１１～図１３は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの裏面電極の製造途中の状態を示す断面図である。まず、従来技術による炭化珪素半導体装置の製造方法と同様に、炭化珪素半導体基板上に炭化珪素半導体素子２０を形成する。例えば、炭化珪素半導体装置がＭＯＳＦＥＴである場合、炭化珪素半導体基板上にエピタキシャル成長によりドリフト層を形成し、イオン注入で不純物を注入することにより、おもて面にベース領域、ソース領域等を形成する。次に、おもて面に熱酸化等でゲート絶縁膜を選択的に形成し、ＭＯＳゲート構造を形成する。次に、上面電極を形成する。ここまでの状態が、図１１に記載される。図１１では、炭化珪素半導体素子２０の素子構造および上面電極の記載は省略されている。
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について、説明する。図１１～図１３は、実施の形態にかかるパワー半導体モジュールの裏面電極の製造途中の状態を示す断面図である。まず、従来技術による炭化珪素半導体装置の製造方法と同様に、炭化珪素半導体基板上に炭化珪素半導体素子２０を形成する。例えば、炭化珪素半導体装置がＭＯＳＦＥＴである場合、炭化珪素半導体基板上にエピタキシャル成長によりドリフト層を形成し、イオン注入で不純物を注入することにより、おもて面にベース領域、ソース領域等を形成する。次に、おもて面に熱酸化等でゲート絶縁膜を選択的に形成し、ＭＯＳゲート構造を形成する。次に、上面電極を形成する。ここまでの状態が、図１１に記載される。図１１では、炭化珪素半導体素子２０の素子構造および上面電極の記載は省略されている。
次に、炭化珪素半導体素子２０の裏面を研磨して、裏面の粗さ（Ｒａ）を２ｎｍ以上１０ｎｍ未満にする。比較的粗い砥粒を用いた粗研磨のみであると裏面の粗さ（Ｒａ）は、１０ｎｍ以上になるので、粗研磨を行った後、粗研磨で用いた砥粒（♯２０００番）より５倍程度細かい砥粒（♯１００００番）を用いた仕上げ研磨を行うことで、裏面の粗さ（Ｒａ）を２ｎｍ以上１０ｎｍ未満にすることができる。この粗さ（Ｒａ）とすることで、炭化珪素半導体素子２０の裏面にダメージ層が形成され、レーザーアニールでシリサイドが形成されやすくなる。また、ドライポリッシュを行うと粗さ（Ｒａ）は、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下となり、裏面にダメージ層が形成されず、レーザーアニールでシリサイドが形成されにくいため、ドライポリッシュは好ましくない。
次に、半導体素子２０の裏面にＭｏ膜３２を堆積する。Ｍｏ膜３２は、例えば、スパッタリング蒸着を行うことで形成することができる。次に、Ｍｏ膜３２上にＮｉ膜３３を堆積する。Ｎｉ膜３３は、例えば、スパッタリング蒸着を行うことで形成することができる。ここまでの状態が、図１２に記載される。ＴｉＮｉシリサイド層を形成する場合は、同様の方法によりＴｉ膜とＮｉ膜の堆積を行う。
ここで、図１４Ａは、レーザー照射前のＭｏ膜およびＮｉ膜の断面像を示す図である。図１４Ｂは、レーザー照射前のＭｏ膜およびＮｉ膜の図１４Ａの点線部分の断面像を示す図である。図１４Ａおよび図１４Ｂは、裏面の粗さ（Ｒａ）を２ｎｍ以上１０ｎｍ未満にした炭化珪素半導体素子２０の裏面にＭｏ膜３２とＮｉ膜３３を堆積した後の断面のＳＥＭ画像である。図１４Ｂに示すように、半導体素子２０の裏面とＭｏ膜３２との間にダメージ層３４が形成され、レーザーアニールでシリサイドが形成されやすくなっている。また、このダメージ層３４は、レーザーアニール後の像（例えば、図９Ａおよび図９Ｂ）には、存在しないため、レーザーアニールのシリサイド形成過程で緩和したと考えられる。
次に、レーザーアニールを行い、ニッケルシリサイドとモリブデンカーバイドで構成されたオーミック電極２１を形成する。レーザーアニールは、レーザーとして、例えば、ＹＡＧレーザーの第３高周波（３５５ｎｍ）を用いて、レーザーエネルギーを２．０Ｊ／ｃｍ2以上３．０Ｊ／ｃｍ2以下とする。また、レーザーアニールは、同じ場所に２回または３回レーザー光が照射されるようにする。例えば、炭化珪素半導体基板上をスキャンしてレーザー光の照射を行っている場合、レーザーの重なりを３３／３３、６７／５０、６７／６７、６７／８０とすることで同じ場所に２回または３回レーザーが照射されるようにできる。ここまでの状態が、図１３に記載される。次に、例えばＴｉ膜２２、Ｎｉ／Ａｕ膜２３を順に積層した積層膜などの厚い膜を電子ビーム（ＥＢ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）蒸着などで形成する。このようにして、パワー半導体チップ１が形成される。
図１のパワー半導体モジュールの製造方法は、従来技術によるパワー半導体モジュールと同様である。パワー半導体モジュールの製造方法では、まず、積層基板１２にパワー半導体チップ１を実装し、パワー半導体チップ１と、絶縁基板２上に設けられた電極パターン４とを、はんだ２４（接合材３ｂ）を介して、リードフレーム配線６で電気的に接続する。次に、これらを金属基板５に接合して、パワー半導体チップ１、積層基板１２および金属基板５からなる積層組立体を組み立てる。この積層組立体に樹脂ケース７をシリコーン系接着剤などの接着剤で接着する。
次に、金属ワイヤ１０でパワー半導体チップ１と金属端子９との間を接続し、樹脂ケース７内にエポキシ樹脂などの硬質樹脂等の封止樹脂８を充填する。これにより、図１に示す実施の形態にかかるパワー半導体モジュールが完成する。なお、封止樹脂８がエポキシ樹脂等の硬質樹脂でない場合、封止樹脂８が外に漏れないようにするため、蓋を取り付けるようにする。
以上、説明したように、実施の形態の炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、オーミック電極において、シリサイドが薄い第２領域の面積の比率は、１０％以上３０％以下である。これにより、オーミック電極とＴｉ膜との密着性を向上させ、オーミック電極とＴｉ膜との抵抗を良好にすることができる。また、オーミック電極を形成する前に、裏面を研磨して、裏面の粗さ（Ｒａ）を２ｎｍ以上１０ｎｍ未満にしている。これにより、裏面にダメージ層が形成され、レーザーアニールでシリサイドが形成されやすくなる。
以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、実施の形態は、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等の炭化珪素半導体装置に適用可能である。
以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置は、インバータなどの電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置や自動車のイグナイタなどに使用されるパワー半導体装置に有用である。
１ パワー半導体チップ
２ 絶縁基板
３ａ、３ｂ、３ｃ 接合材
４ 電極パターン
５ 金属基板
６ リードフレーム配線
７ 樹脂ケース
８ 封止樹脂
９ 金属端子
１０ 金属ワイヤ
１２ 積層基板
２０ 炭化珪素半導体素子
２１ オーミック電極
２２ Ｔｉ膜
２３ Ｎｉ／Ａｕ膜
２４ はんだ
３０ シリサイドが厚い第１領域
３１ シリサイドが薄い第２領域
３２ Ｍｏ膜
３３ Ｎｉ膜
３４ ダメージ層
２ 絶縁基板
３ａ、３ｂ、３ｃ 接合材
４ 電極パターン
５ 金属基板
６ リードフレーム配線
７ 樹脂ケース
８ 封止樹脂
９ 金属端子
１０ 金属ワイヤ
１２ 積層基板
２０ 炭化珪素半導体素子
２１ オーミック電極
２２ Ｔｉ膜
２３ Ｎｉ／Ａｕ膜
２４ はんだ
３０ シリサイドが厚い第１領域
３１ シリサイドが薄い第２領域
３２ Ｍｏ膜
３３ Ｎｉ膜
３４ ダメージ層
Claims (3)
- 半導体基板上に設けられた半導体素子と、
前記半導体素子の裏面に設けられた、ニッケルシリサイドとモリブデンカーバイド、またはニッケルシリサイドとチタンカーバイドから構成されたオーミック電極と、
を備え、
前記オーミック電極は、シリサイドが厚い第１領域と、シリサイドが薄い第２領域とから構成され、前記オーミック電極の面積に対する前記第２領域の面積の比率は、１０％以上３０％以下であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 前記半導体素子の裏面の粗さ（Ｒａ）は、０．１μｍ以上０．１５μｍ以下であ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。
- 前記オーミック電極の、前記半導体素子と反対側の面に設けられたチタン、窒化チタンまたはタンタルから構成された保護膜を備え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。
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