JPWO2015076128A1 - 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 - Google Patents
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Abstract
ＳｉＣウェハの裏面にチタン層およびニッケル層を順に形成する。次に、高温熱処理によりＳｉＣウェハを加熱してチタン層およびニッケル層をシンタリングし、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。この高温熱処理により、ＳｉＣウェハとニッケルシリサイド層とのオーミックコンタクトが形成される。その後、ニッケルシリサイド層上に、チタン層、ニッケル層および金層を順に積層してなる裏面電極積層体を形成する。このとき、裏面電極積層体を構成するニッケル層を形成するにあたって、ニッケル層の厚さをｘ［ｎｍ］とし、ニッケル層の成膜速度をｙ［ｎｍ／秒］としたときに、０．０＜ｙ＜−０．００１３ｘ＋２．０を満たす条件でニッケル層を形成する。このようにすることで、裏面電極が剥離することを抑制することができる。
Description
この発明は、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。この縦型の半導体デバイスの裏面電極には、様々な材料および構造が用いられており、その中の１つとして、チタン（Ｔｉ）層、ニッケル（Ｎｉ）層および銀（Ａｇ）層の積層体（例えば、下記特許文献１参照。）や、チタン層、ニッケル層および金層の積層体（例えば、下記特許文献２参照。）などからなる裏面電極が提案されている。
例えばショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）に代表される炭化珪素を用いた縦型の半導体デバイスでは、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裏面電極を形成した場合、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層、ニッケル層および銀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。）。
しかしながら、上記特許文献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。例えば、上記特許文献３では、ＳｉＣ基板上にニッケル層を形成し、その後、続けて熱処理を行うことによりニッケルシリサイド層を形成して、ＳｉＣ基板とニッケルシリサイド層とのオーミックコンタクトを形成する。上記特許文献１によると、ニッケルシリサイド層は、下記（１）式で示されるニッケルと炭化珪素との固相反応により生成される。
Ｎｉ ＋ ２ＳｉＣ → ＮｉＳｉ2 ＋ ２Ｃ ・・・（１）
上記（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。このニッケルシリサイド層の内部に分散する炭素は、ニッケルシリサイド層の形成後に行う熱処理により、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析出（凝集）する。この炭素が凝集してなる析出物は、脆く、かつ付着性に乏しいため、わずかな応力によっても容易に破断し、ニッケルシリサイド層上に形成した裏面電極が剥離するという問題がある。
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および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、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。炭化珪素からなる半導体基板上に、前記半導体基板とのオーミックコンタクトを形成する金属層が設けられている。前記金属層上に、少なくともチタン層およびニッケル層を順に積層してなる金属電極積層体が設けられている。そして、前記ニッケル層の残留応力は、２００ＭＰａ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、前記ニッケル層の残留応力は、１００ＭＰａ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、前記ニッケル層は、前記ニッケル層の厚さをｘ［ｎｍ］とし、前記ニッケル層の成膜速度をｙ［ｎｍ／秒］としたときに、０．０＜ｙ＜−０．００１３ｘ＋２．０を満たす条件で形成されてい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、前記ニッケル層は、０．０＜ｙ＜−０．００１５ｘ＋１．２を満たす条件で形成されてい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、前記金属層は、チタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層であることを特徴とする。
また、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上に金属層を形成する第１工程を行う。次に、熱処理により、前記半導体基板と前記金属層とのオーミックコンタクトを形成する第２工程を行う。次に、前記金属層上に、少なくともチタン層およびニッケル層を順に積層して金属電極積層体を形成する第３工程を行う。そして、前記第３工程では、前記ニッケル層の厚さをｘ［ｎｍ］とし、前記ニッケル層の成膜速度をｙ［ｎｍ／秒］としたときに、０．０＜ｙ＜−０．００１３ｘ＋２．０を満たす条件で前記ニッケル層を形成する。
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３工程では、０．０＜ｙ＜−０．００１５ｘ＋１．２を満たす条件で前記ニッケル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３工程では、蒸着法により前記ニッケル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工程では、前記半導体基板上にチタンおよびニッケルを含む前記金属層を形成し、前記第２工程では、熱処理により前記半導体基板および前記金属層を反応させてチタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層を形成して、前記半導体基板と前記ニッケルシリサイド層とのオーミックコンタクトを形成することを特徴とする。
上述した発明によれば、金属電極積層体を構成するニッケル層の残留応力が２００ＭＰａ以下となるようにニッケル層の厚さおよびニッケル層の成膜速度を決定することにより、炭化珪素基板と金属層、および金属層と裏面電極積層体との密着性を向上させることができる。これにより、炭化珪素基板上の電極（金属層および金属電極積層体）が剥離することを抑制することができる。
本発明にかかる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、裏面電極が剥離することを抑制することができ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および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。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構造について説明する。実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる半導体基板（以下、ＳｉＣ基板とする）とのコンタクト（電気的接触部）がオーミックコンタクトとなる裏面電極を備える。裏面電極は、ＳｉＣ基板上にニッケルシリサイド層（ＳｉＣ基板とのオーミックコンタクトを形成する金属層）および裏面電極積層体（金属電極積層体）が順に積層されてなる。裏面電極積層体は、ニッケルシリサイド層側から例えばチタン（Ｔｉ）層、ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層が順に積層されてなる。ＳｉＣ基板の内部には、素子構造に応じた半導体領域が設けられている。炭化珪素半導体装置の素子構造（おもて面電極やＳｉＣ基板の内部の半導体領域など）は、設計条件に応じて種々変更可能であるため、説明を省略する。
実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造について説明する。実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる半導体基板（以下、ＳｉＣ基板とする）とのコンタクト（電気的接触部）がオーミックコンタクトとなる裏面電極を備える。裏面電極は、ＳｉＣ基板上にニッケルシリサイド層（ＳｉＣ基板とのオーミックコンタクトを形成する金属層）および裏面電極積層体（金属電極積層体）が順に積層されてなる。裏面電極積層体は、ニッケルシリサイド層側から例えばチタン（Ｔｉ）層、ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層が順に積層されてなる。ＳｉＣ基板の内部には、素子構造に応じた半導体領域が設けられている。炭化珪素半導体装置の素子構造（おもて面電極やＳｉＣ基板の内部の半導体領域など）は、設計条件に応じて種々変更可能であるため、説明を省略する。
本発明にかかる炭化珪素半導体装置の裏面電極を形成するには、まず、例えばスパッタリング装置や真空蒸着装置などの金属成膜装置を用いて、炭化珪素からなる半導体ウェハ（以下、ＳｉＣウェハとする）の裏面にチタンおよびニッケルを含む金属層を形成する。次に、高温熱処理によりＳｉＣウェハを加熱してチタンおよびニッケルを含む金属層をシンタリング（焼結）し、チタンカーバイド（ＴｉＣ）を含むニッケルシリサイド層を形成する。この高温熱処理により、ＳｉＣウェハとニッケルシリサイド層とのオーミックコンタクトが形成される。その後、ニッケルシリサイド層上に、チタン層、ニッケル層および金層を順に積層してなる裏面電極積層体を形成する。
上述したように生成（形成）されたチタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層は、裏面電極積層体の最下層であるチタン層と良好な密着性を示すため、裏面電極積層体の剥離を抑制する機能を有する。また、発明者らが鋭意研究を重ねた結果、裏面電極積層体の形成後に裏面電極積層体に残留する内部応力（残留応力）を低減させることにより、ＳｉＣ基板とニッケルシリサイド層、およびニッケルシリサイド層と裏面電極積層体との密着性を向上させることができ、裏面電極（ニッケルシリサイド層および裏面電極積層体）の剥離をさらに抑制することができることが判明した。
具体的には、裏面電極積層体の最下層であるチタン層上に積層されるニッケル層の厚さおよび成膜速度を最適化し、このニッケル層の残留応力を２００ＭＰａ以下にしている。ニッケル層の残留応力を２００ＭＰａ以下にするために、裏面電極積層体を構成するニッケル層を形成する際の成膜条件は、ニッケル層の厚さをｘ［ｎｍ］とし、ニッケル層の成膜速度をｙ［ｎｍ／秒］としたときに、下記（２）式を満たすのがよく、望ましくは下記（３）式を満たすのがよい。下記（２）式（望ましくは下記（３）式）を満たす成膜条件で裏面電極積層体を構成するニッケル層を形成することにより、ニッケル層の残留応力を低減させることができ、剥離しにくい裏面電極積層体を形成することができる。
０．０＜ｙ＜−０．００１３ｘ＋２．０ ・・・（２）
０．０＜ｙ＜−０．００１５ｘ＋１．２ ・・・（３）
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詳細に説明する。図１〜５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示す断面図である。おもて面素子構造（おもて面電極や基板おもて面側の半導体領域）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、裏面素子構造（裏面電極や基板裏面側の半導体領域）の形成と並行して、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。実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の裏面素子構造を形成するにあたって、まず、図１に示すように、ｎ型のＳｉＣウェハ１の裏面に例えばリン（Ｐ）などのｎ型不純物をイオン注入１１する。
次に、例えば赤外線ランプを備えた高速アニール（ＲＴＡ）装置を用いてＳｉＣウェハ１を加熱し、ＳｉＣウェハ１の裏面に注入したｎ型不純物を活性化させる。不純物活性化のための熱処理は、例えば、アルゴン（Ａｒ）雰囲気において１６２０℃程度の温度で１８０秒間程度行ってもよい。このイオン注入１１および熱処理により、ＳｉＣウェハ１の裏面の表面層に、ＳｉＣウェハ１よりも不純物濃度の高いｎ型半導体領域（不図示）が形成される。ＳｉＣウェハ１の裏面側に高不純物濃度の半導体領域を形成することにより、ＳｉＣウェハ１と、後述するニッケルシリサイド層とのコンタクト抵抗を低減することができる。
次に、例えばスピンコート装置を用いて、ＳｉＣウェハ１のおもて面に例えば２μｍの厚さの表面保護用の保護レジスト膜（不図示）を形成する。次に、例えばフッ酸緩衝液を用いて、ＳｉＣウェハ１の裏面に形成されている自然酸化膜を除去する。次に、例えばレジスト除去液を用いてＳｉＣウェハ１のおもて面の保護レジスト膜を除去する。次に、図２に示すように、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、ＳｉＣウェハ１の裏面（すなわちｎ型半導体領域上）に、チタン層２およびニッケル層３を順に成膜（形成）する。チタン層２およびニッケル層３の厚さは、例えば、それぞれ６０ｎｍ程度および４０ｎｍ程度であってもよい。後述するニッケルシリサイド層４の場合は、成膜後のアニール処理でニッケルシリサイド層４の状態が決まるため、その前駆体である金属層（チタン層２およびニッケル層３）の成膜手法は問わない。しかし、蒸着法よりもスパッタリング法の方が成膜した膜（金属層）の付着強度が高いので、成膜後の膜剥がれ（金属層の剥離）を防止することを重視した場合は、スパッタリング法を用いてニッケルシリサイド層４となる金属層の成膜を行うのが好ましい。
なお、スパッタリング法の場合、金属層の成膜中は基板（ウェハ）温度が高温になる。このため、金属層の成膜終了後（室温に戻した際）に熱応力で膜剥がれを生じる虞があるが、この膜剥がれの現象はニッケルシリサイド層４の厚さを厚くする場合に発生し、本発明のような１００ｎｍ以下の厚さのニッケルシリサイド層４を形成する場合には問題にならない。また、裏面電極層（後述する裏面電極積層体８）の場合は、裏面電極層を構成するニッケル層６の厚さが厚い（下記実施例では４００ｎｍ程度）ので、スパッタリング法を用いると、上記した熱応力変化が大きく、剥離が発生する虞がある。このため、裏面電極層を形成する場合は蒸着法を用いるのが好ましい。
次に、図３に示すように、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ＳｉＣウェハ１を加熱し、チタン層２およびニッケル層３をシンタリング（焼結）する。シンタリングのための熱処理は、例えば、アルゴン雰囲気において９５０℃程度の温度で１２０秒間程度行ってもよい。この熱処理により、ＳｉＣウェハ１中のシリコン（Ｓｉ）原子がニッケル層３中のニッケル原子と反応してニッケルシリサイド層４が形成され、ＳｉＣウェハ１とニッケルシリサイド層４とのオーミックコンタクトが形成される。また、ＳｉＣウェハ１中の炭素（Ｃ）原子がチタン層２中のチタン原子と反応してニッケルシリサイド層４中にチタンカーバイドが生成される。
次に、例えばスピンコート装置を用いて、ＳｉＣウェハ１のおもて面に例えば２μｍの厚さの表面保護用の保護レジスト膜（不図示）を形成する。次に、図４に示すように、シンタリングのための熱処理時にニッケルシリサイド層４中の炭素原子がニッケルシリサイド層４の表面（ＳｉＣウェハ１側に対して反対側の面）に析出して形成された厚さの薄い炭素析出層（不図示）を、例えばイオン化したアルゴンを衝突させて不純物除去する逆スパッタ１２によって除去する。炭素析出層を除去するための逆スパッタ１２は、６Ｐａ程度の圧力下において、３００Ｗ程度の高周波（ＲＦ）電力で１８０秒間程度行ってもよい。
次に、図５に示すように、例えば蒸着装置などの金属成膜装置を用いて、ニッケルシリサイド層４上に、チタン層５、ニッケル層６および金（Ａｕ）層７を順に蒸着（形成）して裏面電極積層体８を形成する。このとき、裏面電極積層体８を構成するニッケル層６は、上記（２）式（望ましくは上記（３）式）を満たす成膜条件で形成する。裏面電極積層体８を構成するチタン層５、ニッケル層６および金層７の厚さは、例えば、それぞれ７０ｎｍ、４００ｎｍおよび２００ｎｍであってもよい。その後、ＳｉＣウェハ１を個々のチップ状にダイシング（切断）することにより、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置が完成する。
次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の裏面電極積層体８を構成するニッケル層６の残留応力と、裏面電極（ニッケルシリサイド層４および裏面電極積層体８）の密着性との関係について説明する。上述した実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法にしたがい、裏面電極構造（ニッケルシリサイド層４、裏面電極積層体８および基板裏面側の半導体領域）を形成した複数のＳｉＣウェハ１（試料）を用意した（以下、実施例１とする）。実施例１の各試料は、それぞれ、０．３ｎｍ／秒〜１．２ｎｍ／秒の範囲内の異なる成膜速度で形成された厚さの異なるニッケル層６を備える。チタン層５の厚さは各試料ともに等しく７０ｎｍであり、金層７の厚さは各試料ともに等しく２００ｎｍである。おもて面素子構造は形成していない。
これら実施例１の各試料について、まず、裏面電極積層体８を構成するニッケル層６の残留応力を評価した。具体的には、試料（半導体ウェハ）を試料ホルダーに貼り付けて広角Ｘ線回析（微小部Ｘ線回析）法を用いてＸ線回析パターンを測定し、ウェハ中央部の残留応力を評価した。応力評価にはｓｉｎ２ψ法（側傾法）を用い、残留応力評価の指標としてニッケルの（３３１）面の回析線ピークを用いた。ブルカー・エイエックスエス（Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ）株式会社製のＸ線回折装置（型名：Ｄ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲ μＨＲ Ｈｙｂｒｉｄ（登録商標））を用いて配向評価を行った。Ｘ線源にＣｕＫα線（多層膜ミラーを使用した平行ビーム光学系）を用い、Ｘ線管の電圧および電流をそれぞれ５０ｋＶおよび２２ｍＡとした。入射するＸ線の幅を決める発散スリットに直径１ｍｍのピンホールスリットを用いた。
検出器には、２次元ＰＳＰＣ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｃｏｕｎｔｅｒ：位置敏感型比例計数管）を用いた。検出器の位置を回折角２θ＝１３５．４°に固定した。試料に対するＸ線の入射角ωをニッケルの（３３１）面のブラッグ角θ0＝７２．３３５°に固定した。試料面の法線と結晶格子面の法線とのなす角ψが０°、２０°、３０°、４０°、５０°、６０°および７０°のときのＸ線回析パターンを測定した。１フレームあたりの積算時間を６００秒／フレームとした。そして、実施例１の各試料について、Ｘ線回折装置によって試料の格子面間隔（ｄ値）を測定し、格子面間隔の変化から試料にかかる残留応力σ［ＭＰａ］を算出した。
残留応力σの算出には、下記（４）式を用いた。下記（４）式において、Ｅはヤング率［ＭＰａ］であり、νはポアソン比であり、θ0はブラッグ角である。実施例１の各試料においてニッケル層６の残留応力σを算出するにあたって、ニッケルのヤング率Ｅおよびポアソン比νをそれぞれ１９９０００ＭＰａおよび０．３１とした。また、２θ／ｓｉｎ2ψは、ψ角ごとの回折角２θをプロットした図（ｓｉｎ2ψ−２θ図）の傾きから算出した。
次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の裏面電極（ニッケルシリサイド層４および裏面電極積層体８）の密着性を評価した。実施例１の各試料（半導体ウェハ）について、それぞれ、裏面電極側（すなわち裏面電極積層体８上）にダイシングフレーム付きのダイシングテープを貼り付けた後、５ｍｍ×５ｍｍのチップサイズで個々のチップにダイシングした。ダイシングには、株式会社ディスコのダイシング装置（型名：ＤＡＤ３３５０（登録商標））、およびダイシングブレ−ド（型名：ＮＢＣ−Ｚ、外径×厚さ×内径：５６ｍｍ×０．０５ｍｍ×４０ｍｍ）を用いた。スピンドル（回転軸）の回転数を４００００ｒｐｍとし、送り速度を１ｍｍ／秒とし、切込み量（ダイシングブレ−ドが試料を貫通してダイシングテープを切り込む深さ）を０．０４５ｍｍとした。デンカアドテックス株式会社製のダイシングテープ（Ｔ−８０ＭＢ（登録商標））を用いた。
そして、各チップをダイシングテープから剥がしたときに、ダイシングテープ側に裏面電極が残っているか否かを観察し、かつ、裏面電極の、チップ外周に沿った端部を目視（顕微鏡）にて観察して裏面電極剥離の有無を確認した。その結果を図６に示す。図６は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の裏面電極積層体を構成するニッケル層の成膜条件と裏面電極の密着性との関係を示す図表である。図６には、ニッケル層６の成膜速度（Ｎｉ成膜速度）ごと、かつニッケル層６の厚さ（Ｎｉ層の厚さ）ごとに裏面電極剥離の有無を示す。図６において、「○：剥離なし」とは、ニッケルシリサイド層４および裏面電極積層体８ともに剥離していないことを示す。「△：微小剥離あり」とは、ニッケルシリサイド層４または裏面電極積層体８が部分的に剥離しているものの、製品の性能を損なわない程度に微小であることを示す。「×：剥離あり」とは、ニッケルシリサイド層４または裏面電極積層体８が完全に剥離していることを示す。図６に示す結果より、ニッケル層６の厚さが厚く、かつニッケル層６の成膜速度が速いほど、裏面電極の密着性が低下し、裏面電極の剥離が生じることが確認された。
また、上記（４）式を用いて算出されたニッケル層６の残留応力σと、ニッケル層６の厚さおよび成膜速度との関係を図７に示す。図７は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の裏面電極積層体を構成するニッケル層の成膜条件とニッケル層の残留応力との関係を示す特性図である。図７には、ニッケル層６の厚さ（Ｎｉ層の厚さ）を変化させたときのニッケル層６の残留応力σの近似曲線を、ニッケル層６の成膜速度ごとに図示している。また、図７には、図６の裏面電極の密着性試験結果（○：剥離なし、△：剥離混在（図６の微小剥離ありに相当）、×：剥離あり）も示す。
図７に示す結果より、ニッケル層６の厚さを薄くするほど、また、ニッケル層６の成膜速度を遅くするほど、ニッケル層６の残留応力σが小さくなることが確認された。そして、ニッケル層６の残留応力σが２００ＭＰａ以下である場合、ニッケル層６の厚さおよび成膜速度によらず、「○：剥離なし」または「△：剥離混在」となり、裏面電極の剥離が抑制されていることが確認された（△印が分布する残留応力の範囲（以下、剥離混在領域とする）および○印が分布する残留応力の範囲（以下、剥離未発生領域とする））。さらに、ニッケル層６の残留応力σが１００ＭＰａ以下である場合、ニッケル層６の厚さおよび成膜速度によらず、「○：剥離なし」となり、裏面電極の剥離が生じないことが確認された（剥離未発生領域）。
一方、ニッケル層６の厚さを厚くするほど、また、ニッケル層６の成膜速度を早くするほど、ニッケル層６の残留応力σが大きくなることが確認された。そして、ニッケル層６の残留応力σが２００ＭＰａを超える場合、ニッケル層６の厚さおよび成膜速度によらず、「×：剥離あり」となり、ＳｉＣウェハ１とニッケルシリサイド層４、およびニッケルシリサイド層４と裏面電極積層体８との間で剥離が生じることが確認された（×印が分布する残留応力の範囲（以下、剥離発生領域とする））。したがって、ニッケル層６の残留応力σの許容範囲は２００ＭＰａ以下であり、ニッケル層６の残留応力σが２００ＭＰａ以下、好ましくは１００ＭＰａ以下となるようにニッケル層６の厚さを薄くし、ニッケル層６の成膜速度を遅くすることで、裏面電極の剥離を発生しにくくすることができることが確認された。
次に、図６の結果から導き出すことができるニッケル層６の厚さとニッケル層６の成膜速度との関係について説明する。図８は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の裏面電極積層体を構成するニッケル層の厚さとニッケル層の成膜速度との関係について示す特性図である。図８には、横軸をニッケル層６の厚さ（Ｎｉ層の厚さ）とし、縦軸をニッケル層６の成膜速度（Ｎｉ成膜速度）としたときの剥離未発生領域、剥離混在領域および剥離発生領域の関係を示す。図８に示すように、ニッケル層６の厚さが薄い側から厚い側に向かって、かつニッケル層６の成膜速度が遅い側から早い側に向かって、剥離未発生領域、剥離混在領域および剥離発生領域の順に互いに交わることなく層状にこれらの領域が隣接することが確認された。
また、図８に示す結果より、ニッケル層６の厚さをｘ［ｎｍ］とし、ニッケル層６の成膜速度をｙ［ｎｍ／秒］としたときに、剥離発生領域と剥離混在領域との境界線は下記（５）式であり、剥離混在領域と剥離未発生領域との境界線は下記（６）式であることが確認された。したがって、下記（５）式よりも原点（０，０）側（すなわち上記（２）式を満たす範囲内）となるようにニッケル層６の厚さおよびニッケル層６の成膜速度を決定することにより、裏面電極の剥離を抑制することができることが確認された。また、下記（６）式よりも原点（０，０）側（すなわち上記（３）式を満たす範囲内）となるようにニッケル層６の厚さおよびニッケル層６の成膜速度を決定することにより、裏面電極が剥離しないことが確認された。例えば、ニッケル層６の厚さを４００ｎｍとする場合、ニッケル層６の成膜速度を０．５ｎｍ／秒以下とすることで、裏面電極が剥離することを防止することができる。
ｙ＝−０．００１３ｘ＋２．０ ・・・（５）
ｙ＝−０．００１５ｘ＋１．２ ・・・（６）
以上、説明したように、実施の形態によれば、裏面電極積層体を構成するニッケル層の残留応力が２００ＭＰａ以下となるようにニッケル層の厚さおよびニッケル層の成膜速度を決定することにより、ＳｉＣウェハとニッケルシリサイド層、およびニッケルシリサイド層と裏面電極積層体との密着性を向上させることができる。これにより、裏面電極（ニッケルシリサイド層および裏面電極積層体）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、ＳｉＣウェハ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は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した発明では、ＳｉＣウェハと裏面電極とのオーミックコンタクトを形成した場合を例に説明しているが、ＳｉＣウェハとおもて面電極とのオーミックコンタクトを形成する場合においても適用可能である。また、本発明は、ＳｉＣウェハ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炭化珪素半導体装置に適用可能であり、例えば絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やショットキーダイオードなど様々なデバイスに適用可能である。また、上述した実施の形態では、ＳｉＣウェハに代えて、ＳｉＣウェハ上にＳｉＣエピタキシャル層を積層したエピタキシャルウェハを用いてもよい。また、上述した実施の形態では、ｎ型ＳｉＣウェハの裏面の表面層にｎ型半導体領域を形成する場合を例に説明したが、ｎ型ＳｉＣウェハの裏面にｐ型不純物をイオン注入してｐ型不純物を形成してもよい。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および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する金属電極を備えたパワー半導体装置に有用である。
１ ＳｉＣウェハ
２ ニッケルシリサイド層となるチタン層
３ ニッケルシリサイド層となるニッケル層
４ ニッケルシリサイド層
５ 裏面電極積層体を構成するチタン層
６ 裏面電極積層体を構成するニッケル層
７ 裏面電極積層体を構成する金層
８ 裏面電極積層体
１１ イオン注入
１２ 逆スパッタ
２ ニッケルシリサイド層となるチタン層
３ ニッケルシリサイド層となるニッケル層
４ ニッケルシリサイド層
５ 裏面電極積層体を構成するチタン層
６ 裏面電極積層体を構成するニッケル層
７ 裏面電極積層体を構成する金層
８ 裏面電極積層体
１１ イオン注入
１２ 逆スパッタ
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる縦型の炭化珪素半導体装置は、次の特徴を有する。炭化珪素からなる半導体基板上に、前記半導体基板とのオーミックコンタクトを形成する金属層が設けられている。前記金属層上に、少なくともチタン層およびニッケル層を順に積層してなる裏面金属電極積層体が設けられている。そして、前記ニッケル層の残留応力は、２００ＭＰａ以下である。
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる縦型の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上に金属層を形成する第１工程を行う。次に、熱処理により、前記半導体基板と前記金属層とのオーミックコンタクトを形成する第２工程を行う。次に、前記金属層上に、少なくともチタン層およびニッケル層を順に積層して裏面金属電極積層体を形成する第３工程を行う。そして、前記第３工程では、前記ニッケル層の厚さをｘ［ｎｍ］とし、前記ニッケル層の成膜速度をｙ［ｎｍ／秒］としたときに、０．０＜ｙ＜−０．００１３ｘ＋２．０を満たす条件で残留応力が２００ＭＰａ以下となる前記ニッケル層を形成する。
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３工程では、０．０＜ｙ＜−０．００１５ｘ＋１．２を満たす条件で残留応力が１００ＭＰａ以下となる前記ニッケル層を形成することを特徴とする。
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。また、本発明は、ＳｉＣウェハ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炭化珪素半導体装置に適用可能であり、例えば絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やショットキーダイオードなど様々なデバイスに適用可能である。また、上述した実施の形態では、ＳｉＣウェハに代えて、ＳｉＣウェハ上にＳｉＣエピタキシャル層を積層したエピタキシャルウェハを用いてもよい。また、上述した実施の形態では、ｎ型ＳｉＣウェハの裏面の表面層にｎ型半導体領域を形成する場合を例に説明したが、ｎ型ＳｉＣウェハの裏面にｐ型不純物をイオン注入してｐ型不純物を形成してもよい。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。
Claims (9)
- 炭化珪素からなる半導体基板上に設けられ、前記半導体基板とのオーミックコンタクトを形成する金属層と、
前記金属層上に、少なくともチタン層およびニッケル層を順に積層してなる金属電極積層体と、
を備え、
前記ニッケル層の残留応力は、２００ＭＰａ以下であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 - 前記ニッケル層の残留応力は、１００ＭＰａ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。
- 前記ニッケル層は、前記ニッケル層の厚さをｘ［ｎｍ］とし、前記ニッケル層の成膜速度をｙ［ｎｍ／秒］としたときに、０．０＜ｙ＜−０．００１３ｘ＋２．０を満たす条件で形成されてい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。
- 前記ニッケル層は、０．０＜ｙ＜−０．００１５ｘ＋１．２を満たす条件で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素半導体装置。
- 前記金属層は、チタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置。
- 炭化珪素からなる半導体基板上に金属層を形成する第１工程と、
熱処理により、前記半導体基板と前記金属層とのオーミックコンタクトを形成する第２工程と、
前記金属層上に、少なくともチタン層およびニッケル層を順に積層して金属電極積層体を形成する第３工程と、
を含み、
前記第３工程では、前記ニッケル層の厚さをｘ［ｎｍ］とし、前記ニッケル層の成膜速度をｙ［ｎｍ／秒］としたときに、０．０＜ｙ＜−０．００１３ｘ＋２．０を満たす条件で前記ニッケル層を形成する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３工程では、０．０＜ｙ＜−０．００１５ｘ＋１．２を満たす条件で前記ニッケル層を形成することを特徴とする請求項６に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記第３工程では、蒸着法により前記ニッケル層を形成することを特徴とする請求項６に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記第１工程では、前記半導体基板上にチタンおよびニッケルを含む前記金属層を形成し、
前記第２工程では、熱処理により前記半導体基板および前記金属層を反応させてチタンカーバイドを含むニッケルシリサイド層を形成して、前記半導体基板と前記ニッケルシリサイド層とのオーミックコンタクトを形成することを特徴とする請求項６〜８のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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