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JP2013219150A - 炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法 - Google Patents

炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法 Download PDF

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伸一 仲俣
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明将 木下
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Abstract

【課題】 本発明は、膜厚が均一で剥離がなく、かつターゲットの使用効率を向上させることができる炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】 ニッケルと、ニッケルの透磁率を低減させるとともに炭化物を生成する金属とが、所定の組成比に調整された混合体あるいは合金からなるターゲットをスパッタすることにより、炭化珪素基板上にオーミック金属膜を形成する工程と、前記金属膜に熱処理を施し焼成する工程とを含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法。
【選択図】 図６

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置に関し、特に炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法に関するものである。
従来、高周波、大電力の制御を目的として、シリコン基板を用いたパワーデバイス（以下、シリコンパワーデバイスという）の高性能化が進められてきた。しかし、シリコンパワーデバイスは、高温の下で使用することができないことなどから、更に高性能のパワーデバイスを求める声に対して新しい材料の適用が検討されている。
炭化珪素は、シリコンの約３倍という広い禁制帯幅をもつことから高温での電気伝導度の制御性に優れ、またシリコンより約一桁大きい絶縁破壊電圧をもつことから高耐圧素子用基板材料として適用可能である。さらに炭化珪素は、シリコンの約二倍の電子飽和ドリフト速度をもつことから、高周波かつ大電力の制御にも適用可能である。
炭化珪素基板を用いたパワーデバイスの裏面電極を形成する技術に関し、処理を行いニッケルシリサイドからなる反応層を形成することで、基板とニッケル膜とのオーミック特性を得る方法が知られている。
しかし、この方法により形成されたオーミック電極では、オーミック電極表面に偏析した遊離炭素によって、オーミック電極上に形成する配線金属層との密着性が低下し、配線金属層が剥離しやすくなるという問題があった。この問題を解決するため、以下の手法が提案されている。
特許文献１には、炭化珪素基板の表面において、ニッケルもしくはニッケル合金からなる第一の金属膜上に、チタン、タンタルもしくはタングステンのいずれかからなる第二の金属膜を形成し、熱処理を行う方法が開示されている。この方法によれば、ニッケルシリサイドの生成により遊離した炭素が第二の金属膜と反応して炭化物を生成するため、金属膜表面に炭素成分が偏析することを防ぐことができ、オーミック電極と配線金属層との剥離を防ぐことができる旨記載されている。
特許文献１の製造方法では、剥離の原因となる遊離炭素の偏析と、第二の金属が過剰に残留することによる接触抵抗の増大を同時に防ぐためには、ニッケル膜と第二の金属の膜厚比率を高精度に制御する必要がある。
しかし、金属膜の成膜に一般的に用いられるマグネトロンスパッタ法では、強磁性体であるニッケルの成膜を繰り返し行うと、ターゲット外周部の漏洩磁力線が減少してエロージョンがターゲット中心部に集中し、膜厚均一性が悪化することが知られている。また、外周部での堆積速度が減少する一方、中央寄りに偏って堆積速度が増加するので、ターゲット寿命は短くなり、ターゲットの使用効率が悪くなるという問題も発生する。
特開２００６−３４４６８８号公報
本発明は、膜厚が均一で剥離がなく、かつターゲットの使用効率を向上させることができる炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するための手段は次のとおりである。
（１）ニッケルと、ニッケルの透磁率を低減させるとともに炭化物を生成する金属とが、所定の組成比に調整された混合体あるいは合金からなるターゲットをスパッタすることにより、炭化珪素基板上にオーミック金属膜を形成する工程と、前記金属膜に熱処理を施し焼成する工程とを含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法。
（２）炭化珪素基板の第一の主面にエピタキシャル層を成長させる工程と、該炭化珪素基板の第二の主面にニッケルと、ニッケルの透磁率を低減させるとともに炭化物を生成する金属とが、所定の組成比に調整された混合体あるいは合金からなるターゲットをスパッタすることにより、炭化珪素基板上にオーミック金属膜を形成する工程と、前記金属膜に熱処理を施し焼成する工程とを含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法。
（３）前記ニッケルの透磁率を低減させるとともに炭化物を生成する金属は、モリブデン、タングステン、タンタル、バナジウム、ジルコニウム、チタン、クロム、アルミニウムから選定された１種又は２種以上の金属であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法。
（４）前記ニッケルの透磁率を低減させるとともに炭化物を生成する金属がチタンであり、前記ターゲット中のチタン比率が８％以上５０％以下であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法。
（５）前記熱処理を施す温度が１０５０℃以上であることを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法。
本発明によれば、膜厚が均一で剥離のないオーミック電極を炭化珪素基板上に形成することができる。また、ターゲットの使用効率を向上させることができる。
さらに、オーミック電極材料のニッケル：チタン組成比を精度よく制御し、電極の剥離の原因となるオーミック電極層表面の炭素の析出を抑制すると同時に、接触抵抗増大の原因となるチタンの過剰な残留を抑制することができる。
本発明の実施例に係る、炭化珪素ショットキーバリアダイオードの製造工程を説明するための断面模式図である。 本発明の実施例に係る、炭化珪素ショットキーバリアダイオードの製造工程を説明するための断面模式図である。 本発明の実施例に係る、炭化珪素ショットキーバリアダイオードの製造工程を説明するための断面模式図である。 本発明の実施例に係る、炭化珪素ショットキーバリアダイオードの製造工程を説明するための断面模式図である。 本発明の実施例に係る、炭化珪素ショットキーバリアダイオードの製造工程を説明するための断面模式図である。 本発明の実施例に係る、炭化珪素ショットキーバリアダイオードの製造工程を説明するための断面模式図である。 本発明の実施例に係る、オーミック電極中のニッケル対チタン比率の割合と電極膜の密着性の関係を表した図である。 本発明の実施例に係る、オーミック電極中のニッケル対チタン比率の割合と接触抵抗の関係を表した図である。
本発明に係る炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法を、炭化珪素ショットキーバリアダイオードの製造方法を例示して、以下詳細に説明する。
図１〜６は、本発明に係る製造方法にて作成した炭化珪素ショットキーバリアダイオードの製造工程を示す断面構造図である。
図１に示すように、１×１０１８ｃｍ−３の窒素がドーピングされた、厚さ３５０μｍの（０００１）面を有する高濃度ｎ型炭化珪素基板１の第一の主面上に、１．８×１０１６ｃｍ−３の窒素がドーピングされた、厚さ６μｍの低濃度ｎ型炭化珪素ドリフト層２を堆積する。
次に、図２に示すように、低濃度ｎ型炭化珪素ドリフト層２に、チャンネルストッパー用のｎ型領域３を形成するためにイオン注入法によりリンを注入する。
次に、図３に示すように、終端構造用のｐ型領域４とＦＬＲ構造用のｐ型領域５を形成するために、イオン注入法によりアルミニウムを注入する。
また、チャンネルストッパー用のｎ型領域３を形成するために注入されたリンと、終端構造用のｐ型領域４と、ＦＬＲ構造用のｐ型領域５を形成するために注入されたアルミニウムを活性化するために、アルゴン雰囲気中において１６５０℃で２４０秒間の活性化を行う。
次に、図４に示すように、高濃度ｎ型炭化珪素基板１の第二の主面上に、ニッケル：チタン＝８０：２０（at%）からなる混合体あるいは合金によるスパッタリングターゲットを、マグネトロンスパッタ法にて真空中でスパッタし、第一の金属膜を８０ｎｍ堆積させる。
この後、急速加熱処理（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を用いて、１℃/秒の昇温速度で昇温し、１０５０℃以上の１１００℃に到達後２分間保持する。これにより、第一の金属層がシリサイド化され、炭化珪素基板１の第二の主面との間に低抵抗のオーミック電極６が形成される。
さらに、前記高濃度ｎ型炭化珪素基板の第一の主面上に層間絶縁膜７を形成し、ショットキー電極を形成する部分に、例えばチタンを蒸着することで第二の金属層を形成した後、８℃/秒の昇温時間で昇温し、例えば５００℃に到達後５分間保持してショットキー電極８を形成する。ショットキー電極８の終端部分は、ショットキーバリアダイオードを高耐圧素子として動作させるためにショットキー電極８の端とｐ型領域４が重なるようにする。
次に、図５に示すように、ボンディング用電極パットとして例えばアルミニウム−シリコンからなる電極パッド９を例えば５μｍの厚さで形成し、ポリイミドからなるパッシベーション膜１０を形成する。
図には示していないが、ここまでの多数の工程を経る中で、オーミック電極６表面に例えばレジスト残差などの汚染が追加される。これは、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法で裏面を処理することで除去することができる。
次に、図６に示すように、オーミック電極６上に金膜を例えば２００ｎｍ形成する。これにより、剥離がなく抵抗の少ない外部装置と接続するための外部電極１１ができる。
図１〜６に示す製造方法を用いて、オーミック電極６中のニッケルに対するチタン比率を０〜６０at％の範囲で変化させて製造した炭化珪素ショットキーバリアダイオードに対し、剥離耐久性試験を行った。
オーミック電極６中のニッケルに対するチタン比率の条件ごとに１０個の炭化珪素ショットキーバリアダイオードを用意し、ダイオードの外部電極１１の表面を覆うようにスコッチテープを密着させた後、剥がし取るという試験を１０回ずつ行った結果を図７に示す。図７から分かるように、オーミック電極６中のニッケルに対するチタン比率が８〜５０at％の炭化珪素ショットキーバリアダイオードにおいては、外部電極層の剥離が発生しなかった。
さらに、図１〜６に示す製造方法を用いて、オーミック電極６中のニッケルに対するチタン比率を０〜６０at％の範囲で変化させて製造した炭化珪素ショットキーバリアダイオードに対し、接触抵抗測定を行った結果に示す。図８から分かるように、オーミック電極６中のニッケルに対するチタン比率が５０at％を超えると接触抵抗が増大した。
このように、所定のニッケル：チタン組成比に調整されたターゲットを使用することでオーミック電極材料のニッケル：チタン組成比を精度よく制御できるため、電極の剥離の原因となるオーミック電極層表面の炭素の析出を抑制することができる。
また、オーミック電極層表面にチタンが過剰に残留することによる接触抵抗の増大を抑制することができる。
図１〜６で開示した炭化珪素ショットキーバリアダイオードの製造工程は、本願発明の理解のために例示したものであり、ここに開示された製造条件は適宜変更可能であることはいうまでもない。
また、実施例では、主面として（０００１）面を例に述べたが、主面として（０００−１）面を用いてもよい。
さらに、実施例では炭化珪素ショットキーバリアダイオードを製造する場合について述べたが、主面上に他のＭＯＳ等の半導体装置が形成された炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造に適用することが可能である。
すなわち、本明細書では、炭化珪素ショットキーバリアダイオードを実施例として例示しその製造方法を詳述したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、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。
例えば、実施例では、スパッタリングターゲットとして、強磁性材料であるニッケルに透磁率を低減させるためにチタン添加したものを例示したが、強磁性材料であるニッケルに他のモリブデン、タングステン、タンタル、バナジウム、ジルコニウム、クロム、アルミニウムのような材料を添加して透磁率を低減させてもよい。
またこれらの材料を２種以上組み合わせて添加してもよい。
そして、本発明によれば、強磁性材料であるニッケルに透磁率を低減させるためにチタン、モリブデン、タングステン、タンタル、バナジウム、ジルコニウム、クロム、アルミニウを添加して透磁率を低減させたスパッタリングターゲットを用いることで、ターゲットのエロージョンの偏りを低減させ、オーミック電極層の均一性を向上させると同時にターゲットの使用効率を向上させることができる。
１ 高濃度ｎ型炭化珪素基板
２ 低濃度ｎ型炭化珪素ドリフト層
３ ｎ型領域
４ ｐ型領域（終端）
５ ｐ型領域（ＦＬＲ）
６ オーミック電極
７ 層間絶縁膜
８ ショットキー電極
９ 電極パッド
１０ パッシベーション膜
１１ 外部電極層

Claims (5)

  1. ニッケルと、ニッケルの透磁率を低減させるとともに炭化物を生成する金属とが、所定の組成比に調整された混合体あるいは合金からなるターゲットをスパッタすることにより、炭化珪素基板上にオーミック金属膜を形成する工程と、前記金属膜に熱処理を施し焼成する工程とを含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法。
  2. 炭化珪素基板の第一の主面にエピタキシャル層を成長させる工程と、該炭化珪素基板の第二の主面にニッケルと、ニッケルの透磁率を低減させるとともに炭化物を生成する金属とが、所定の組成比に調整された混合体あるいは合金からなるターゲットをスパッタすることにより、炭化珪素基板上にオーミック金属膜を形成する工程と、前記金属膜に熱処理を施し焼成する工程とを含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法。
  3. 前記ニッケルの透磁率を低減させるとともに炭化物を生成する金属は、モリブデン、タングステン、タンタル、バナジウム、ジルコニウム、チタン、クロム、アルミニウムから選定された１種又は２種以上の金属であることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法。
  4. 前記ニッケルの透磁率を低減させるとともに炭化物を生成する金属がチタンであり、前記ターゲット中のチタン比率が８％以上５０％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法。
  5. 前記熱処理を施す温度が１０５０℃以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の炭化珪素半導体装置のオーミック電極の製造方法。
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