JP2003229565A

JP2003229565A - 半導体素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003229565A
Application number: JP2002027014A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sugimoto; 博司杉本; Kenichi Otsuka; 健一大塚; Yoichiro Tarui; 陽一郎樽井; Yoshinori Matsuno; 吉徳松野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2003-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】光照射による加熱を利用した熱処理を行う電
極部の形成工程を含む、シリコンより広い禁制帯を持つ
半導体材料を基板に用いた半導体素子であって、光照射
熱処理における半導体素子の加熱温度分布の均一化を図
った半導体素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】オーミック電極部の形成工程時に、基板
の一方の面に電極金属のある部分とない部分とを混在し
て電極部を形成し、光照射加熱装置の被加熱試料を保持
しかつ加熱するための試料保持台に、この基板を設置し
て光照射することとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンより広い
禁制帯を持つ半導体材料を基板に用いた半導体素子及び
その製造方法に関するものである。例えば、シリコンカ
ーバイドを基板に用いた半導体素子について、光照射に
よる加熱を利用した熱処理を行うオーミック電極部の形
成工程を含む製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコンを基板に用いた半導体素
子では、オーミック電極部の形成工程において、シリコ
ン基板のオーミック電極部全面に電極金属を成膜し、熱
処理によって電極金属とシリコンとを反応させてオーミ
ック特性を示す電極を形成してきた。このときの熱処理
は、電極金属とシリコンの界面のみに反応を限定するた
め、赤外光を利用した光照射処理が行われている。この
光照射処理は、赤外光をシリコン基板に照射し、シリコ
ンが赤外光を吸収して加熱されることを利用した熱処理
である。この場合、シリコン基板が急速に昇温するた
め、熱処理時間が短いという長所がある。

【０００３】ところで、最近は絶縁破壊電界が大きく、
高電圧耐圧、低損失のパワーエレクトロニクス用素子を
実現するため、シリコンカーバイドなどシリコンより広
い禁制帯を持つ半導体材料の応用が盛んである。赤外光
を利用した光照射処理を、シリコンより広い禁制帯を持
つ半導体材料を基板に用いた半導体素子のオーミック電
極部の形成工程にそのまま利用しようとすると、このよ
うな半導体基板では赤外光に対する吸収特性がシリコン
基板よりも劣るため、半導体基板の加熱が不十分であっ
た。すなわちシリコンは、赤外光を照射されると、赤外
光の光エネルギーを吸収した結晶内電子が禁制帯を超え
て励起準位に遷移し、次いでこの励起電子が元のエネル
ギー準位に戻る。励起電子が戻るときに熱エネルギーを
放出するためにシリコンは加熱される。一方、シリコン
カーバイドなどでは、赤外光の照射されても、結晶内電
子が広い禁制帯を超えて励起準位に遷移するのに十分な
エネルギーを得られないため、光エネルギーの吸収がで
きない。そのため、シリコンより広い禁制帯を持つ半導
体材料は、赤外光を照射してもほとんど吸収されずに透
過してしまい、十分な加熱ができない。

【０００４】そのため、図５に示すように、赤外光に対
して優れた吸収特性を示し加熱されやすい材料で光照射
加熱装置の試料保持台を形成するなどの工夫が、なされ
てきた。図５において、１０１はシリコンより広い禁制
帯を持つ半導体材料を用いた基板、１０２は全面に電極
金属を配したオーミック電極部、１０５は光源としての
赤外線ランプ、１０６は基板１０１を保持し、かつ赤外
線を吸収することにより加熱される試料保持台である。
この試料保持台１０６に基板１０１を設置し、赤外線ラ
ンプ１０５により光照射を行う。赤外線ランプ１０５の
赤外光は試料保持台１０６に吸収され、試料保持台１０
６を加熱する。これによって加熱された試料保持台１０
６の熱が基板１０１に伝わることによってオーミック電
極部の熱処理を行うものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなシリコンより広い禁制帯を持つ半導体材料を基板に
用いた半導体素子にあっては、オーミック電極部１０２
の電極金属によって赤外光が反射されてしまうため、試
料保持台１０６のうち電極金属が被さった部分に対して
は赤外光が遮蔽されてしまう。このため、試料保持台１
０６は、電極金属が被さっていない部分では十分に加熱
されるものの、電極金属が被さった部分は十分に加熱で
きない。したがって、試料保持台の加熱温度分布が不均
一であり、これに起因して半導体素子の加熱温度分布も
不均一であるという問題があった。

【０００６】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたものであり、光照射による加熱を利用
した熱処理を行う電極部の形成工程を含む、シリコンよ
り広い禁制帯を持つ半導体材料を基板に用いた半導体素
子であって、光照射熱処理における半導体素子の加熱温
度分布の均一化を図った半導体素子及びその製造方法を
提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１にかかる半導体
素子は、シリコンより広い禁制帯を持つ半導体材料を基
板に用いた半導体素子において、前記基板の一方の面に
オーミック電極部を備え、前記オーミック電極部は電極
金属のある部分とない部分とが混在して形成されたもの
である。

【０００８】請求項２にかかる半導体素子は、前記電極
金属のある部分とない部分との配列が周期的であるもの
である。

【０００９】請求項３にかかる半導体素子は、前記電極
金属のない部分の面積が、前記オーミック電極部の面積
の２５〜９０％を占めるものである。

【００１０】請求項４にかかる半導体素子の製造方法
は、光照射による加熱を利用した熱処理を行う電極部の
形成工程を含む、シリコンより広い禁制帯を持つ半導体
材料を基板に用いた半導体素子の製造方法において、オ
ーミック電極部の形成工程時に、前記基板の一方の面に
電極金属のある部分とない部分とを混在して前記オーミ
ック電極部を形成し、光照射加熱装置の被加熱試料を保
持しかつ加熱するための試料保持台に、前記基板を設置
して光照射するものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は本発明が適
用される実施の形態１を説明するための半導体素子の斜
視図である。具体的には、ｎ型ＳｉＣ基板の裏面オーミ
ック電極としてＮｉオーミック電極を備える構造の例で
ある。１は基板、２はオーミック電極部、３はオーミッ
ク電極部２のうち電極金属のある部分、４は電極金属の
ない部分である。基板１は、シリコンより広い禁制帯を
持つ半導体材料としてシリコンカーバイドを用いたＳｉ
Ｃ基板である。ＳｉＣ基板１の一方の面に、オーミック
電極部２を備えている。オーミック電極部２は電極金属
としてのＮｉのある部分３とＮｉのない部分４とが周期
的に配列して形成されている。ここで、Ｎｉのない部分
４の面積は、オーミック電極部２の面積のうち７５％を
占めている。このＮｉの配列構造は、通常の感光レジス
トを用いた製版工程を利用しても作製でき、また、メタ
ルマスクを利用した位置選択的なＮｉ成膜でも容易に形
成できる。

【００１２】次に、シリコンより広い禁制帯を持つ半導
体材料を基板に用いた半導体素子の製造方法のうち、光
照射による加熱を利用した熱処理を行う電極部の形成工
程について述べる。半導体素子は一般に、半導体材料か
らなる基板にトランジスタ、ダイオードなどの素子を複
雑な工程を経て形成して製造される。このなかで、電極
部の形成工程における熱処理において、半導体材料と電
極金属との界面での接触抵抗の低減を図ることは重要な
技術のひとつである。

【００１３】図２は、半導体素子を熱処理するための光
照射加熱装置の要部模式図である。この半導体素子は、
ＳｉＣ基板１の一方の面にＮｉのある部分３とない部分
４とを配列してオーミック電極部を形成したものであ
り、熱処理によってＳｉＣとＮｉとの界面での接触抵抗
の低減が図られる。５は光源としての赤外線ランプ、６
はＳｉＣ基板１を保持し、かつ赤外光を吸収することに
より加熱される試料保持台である。ＳｉＣ基板１は、光
照射加熱装置の試料保持台６に設置されている。この実
施の形態では、オーミック電極部が試料保持台６に接し
ている。ＳｉＣ基板１のオーミック電極部を形成してい
ない面は赤外線ランプに面しており、この面に赤外光が
照射される。ただし、基板の面の向き、または赤外光の
照射方向は、これに限定するものではない。

【００１４】試料保持台６のうち、ＳｉＣ基板１が被さ
っていない部分では、赤外光を吸収して加熱される。一
方、ＳｉＣ基板１が被さっている部分では、まず赤外光
はシリコンカーバイドを透過する。そして、Ｎｉのない
部分４では、赤外光は試料保持台６に到達し、赤外光を
吸収して加熱される。しかし、Ｎｉのある部分３では、
赤外光はＮｉに遮蔽されてしまうために試料保持台６に
到達できず、赤外光を吸収できない。したがって、試料
保持台６には、赤外光を吸収した部分と吸収できなかっ
た部分が存在する。赤外光を吸収できなかった部分は、
加熱された赤外光を吸収した部分からの熱伝導によって
加熱される。赤外光を吸収した部分と吸収できなかった
部分が近接しているほど、オーミック電極部の加熱温度
分布は均一化される。このため、熱処理によるＳｉＣと
Ｎｉとの界面でのオーミック接触抵抗も均一に低減され
る。

【００１５】図１に示した半導体素子を例として説明す
ると、オーミック電極部２の面積のうち、２５％はＮｉ
のある部分３、７５％はＮｉのない部分４で構成されて
いる。この場合、赤外光のうち２５％はＮｉにより遮蔽
されるが、７５％はＮｉのない部分４を通過し、試料保
持台６に到達する。試料保持台６は、透過してきた７５
％の赤外光を吸収して加熱される。

【００１６】このように、この実施の形態におけるＮｉ
による赤外光遮蔽面積は、従来のオーミック電極部が全
面Ｎｉに覆われた場合と比較して、４分の１に低減され
る。このため、全面Ｎｉに覆われた場合と比較しＮｉに
よって赤外光を遮蔽された部分の温度が上昇し、遮蔽さ
れた部分と遮蔽されない部分の温度差が低減する。この
結果、従来に比べ、加熱温度の均一性が大幅に改善され
る効果がある。なお、Ｎｉのある部分３の面積を従来の
４分の１にすることにより、実効的な電極面積は４分の
１に減少する。しかしながら、半導体素子の加熱温度分
布が均一となって赤外光を遮蔽された部分の温度が上昇
し、ＳｉＣとＮｉとの界面における単位面積当たりのオ
ーミック接触抵抗が十分に低減されれば、オーミック電
極として満足する特性が得られる。

【００１７】ここで、図３は、半導体素子の加熱温度と
オーミック接触抵抗の一般的な関係を示した図である。
Ｒｃはオーミック接触抵抗値である。一般に、加熱温度
が高くなるにつれて、オーミック接触抵抗値は図中の曲
線のように低減される。したがって、この実施の形態の
ようなオーミック電極部の構造をとることにより、半導
体素子の加熱温度分布が均一となって赤外光を遮蔽され
た部分の温度が上昇すれば、赤外光を遮蔽された部分で
もオーミック接触抵抗は十分に低減できる。このため、
実効的な電極面積が減少しても、オーミック電極の特性
を満足した半導体素子が得られる。

【００１８】ここまで、ｎ型ＳｉＣ基板の裏面オーミッ
ク電極の例を示したが、これに限定するものではない。
赤外光を透過しやすく吸収が少ない、すなわちシリコン
より広い禁制帯を持つｎ型またはｐ型の半導体材料を用
いた基板に対する、表面または裏面のオーミック電極と
して適用可能である。シリコンより広い禁制帯を持つ半
導体材料として、他にＧａＮ、ＡｌＧａＮが例示される
が、これらに限定するものでない。当然金属としては、
半導体種、伝導型に応じ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、
Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃｏなどすべての金属に適用可能であ
る。

【００１９】また、オーミック電極部の面積のうち、電
極金属のない部分の面積が７５％を占める例を示した
が、素子特性仕様に必要なオーミック接触抵抗の条件を
満たす範囲で設定することが可能である。半導体素子の
加熱温度の均一性とオーミック接触抵抗との観点から、
電極金属のない部分の面積はオーミック電極部の面積の
２５〜９０％を占めることが望ましい。

【００２０】例えば、ｎ型導電性ＳｉＣ基板の裏面への
Ｎｉを用いたオーミック電極部に、ｎ型オーミックコン
タクトを形成する場合、一般に７００℃から１０００℃
程度で１分間の熱処理を行うと、５×１０^−５Ωｃｍ^２
以下の接触抵抗が得られる。順方向抵抗５×１０^−３Ω
ｃｍ^２程度の素子を設計する場合、裏面抵抗はその１０
％程度の５×１０^−４Ωｃｍ^２が望まれる。これより、
このようなｎ型オーミックコンタクトを形成する場合、
Ｎｉのない部分の面積がオーミック電極部の９０％を占
め、実効的な電極面積が１０分の１になっても、５×１
０^−４Ωｃｍ^２の設計条件を満たすことが可能である。

【００２１】オーミック電極部のうち電極金属のない部
分の面積の比率が小さくなると、加熱温度の均一性を図
ったこの発明の効果は小さくなる。ここで、加熱温度が
完全に均一でない場合、高温側と低温側との差が３００
℃程度までは許容範囲として得られており、Ｎｉのない
部分の面積が２５％以上であれば、許容範囲に収まる温
度分布を実現可能である。

【００２２】また、オーミック電極部の配列構造は、電
極金属のある部分が島状に配列されている例を示した
が、縞状あるいはメッシュ状であっても構わない。各電
極金属がある部分または各電極金属がない部分の寸法
は、最小は都合のよいパターンの作製条件が制限する寸
法から、最大は半導体コンタクト層の膜厚とほぼ等しい
範囲まで設定することができる。

【００２３】なお、オーミック電極部の素材金属によっ
ては、赤外光を完全に遮蔽しないこともありうる。この
ような場合、同一基板の面内あるいは作製ロッドの異な
る基板のオーミック電極部において、電極膜の緻密性が
不均一であると、それに起因して赤外光の透過性の不均
一が生じる。また、透過の度合いは電極膜厚にも依存す
る。このような透過性の不均一は、加熱温度の面内不均
一や作製ロッドごとの加熱温度の非再現性をもたらすお
それがある。また、比較的赤外光を透過しやすい電極金
属の部分では、半導体材料との界面での反応が進行しや
すく、反応によって界面層が赤外光の吸収を示すように
なり、ますます加熱温度の不均一性が増してしまう。熱
処理条件は、これらを考慮して冗長的に設定する必要が
あり、過剰に加熱している傾向があった。

【００２４】上記のような問題に対しても、この実施の
形態のようなオーミック電極部に電極金属がない部分を
配列すれば、加熱温度の面内均一性向上、作製ロッドご
との加熱温度の再現性向上を図ることができる。これ
は、電極金属のない部分を透過した赤外光によって加熱
される試料保持台の温度が熱処理条件の最も支配的な因
子であり、電極の膜厚や緻密性の不均一がもたらす悪影
響を低減できるためである。したがって、加熱処理条件
の冗長性が不要となる。また製造した半導体装置の特性
の均一性、製造再現性が向上する利点が大きい。

【００２５】実施の形態２．図４は実施の形態２を説明
するための半導体素子の断面図である。この実施の形態
における半導体素子は、実施の形態１で説明した半導体
素子と同様にして裏面にオーミック電極を形成した後、
表面にも別の電極を形成したもので、例えばショットキ
ーダイオードなどに適用できる。１１はＳｉＣ基板、１
３はオーミック電極部のうち電極金属のある部分、１４
は電極金属のない部分、１７はアノード電極である。こ
のとき、ＳｉＣ基板１１はｎ型ＳｉＣウエハー上にｎ型
ＳｉＣエピタキシャル層を形成したものであってもよ
い。アノード電極１７は蒸着法などによって形成され
る。アノード電極７には、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、
Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃｏなどすべての金属が適用可能であ
る。

【００２６】この実施の形態のように、半導体素子の裏
面にオーミック電極を形成した後、表面にも別の電極を
形成することにより、ショットキーダイオード、ｐｎダ
イオードなどに適用でき、用途が拡大する。なお、実施
の形態１で説明した半導体素子のように裏面のみにオー
ミック電極を形成した場合にも、測温素子などの用途が
ある。

【００２７】

【発明の効果】この発明によれば、基板の一方の面にオ
ーミック電極部を備え、このオーミック電極部は電極金
属のある部分とない部分とが混在して形成されたため、
オーミック電極部の形成工程時に光照射熱処理をする
際、半導体素子の加熱温度分布が均一化する。

【００２８】また、電極金属のある部分とない部分との
配列が周期的であるため、半導体素子の加熱温度分布の
均一性が一層向上する。

【００２９】また、電極金属のない部分の面積が、オー
ミック電極部の面積の２５〜９０％を占めるため、半導
体素子の加熱温度が均一化することに加え、適切なオー
ミック接触抵抗値が得られる。

【００３０】この発明によれば、オーミック電極部の形
成工程時に、この基板の一方の面に電極金属のある部分
とない部分とを混在してオーミック電極部を形成し、光
照射加熱装置の被加熱試料を保持しかつ加熱するための
試料保持台に、この基板を設置して光照射するため、半
導体素子の加熱温度分布が均一化する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１を説明するための半導体素子の
斜視図である。

【図２】半導体素子を熱処理するための光照射加熱装
置の要部模式図である。

【図３】半導体素子の加熱温度とオーミック接触抵抗
の一般的な関係を示した図である。

【図４】実施の形態２を説明するための半導体素子の
断面図である。

【図５】従来技術を説明するための光照射加熱装置の
要部模式図である。

【符号の説明】

１基板、２オーミック電極部、３電極金属のある
部分、４電極金属のない部分、５赤外線ランプ、６
試料保持台、１１ＳｉＣ基板、１３電極金属のあ
る部分、１４電極金属のない部分、１７アノード電
極、１０１基板、１０２オーミック電極部、１０５
赤外線ランプ、１０６試料保持台

フロントページの続き (72)発明者樽井陽一郎東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者松野吉徳東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 4M104 AA03 AA04 BB02 BB04 BB05 BB13 BB14 BB16 BB17 BB18 CC01 CC03 DD34 DD80 DD83 FF02 FF11 GG03 GG18 HH15 HH20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコンより広い禁制帯を持つ半導体材
料を基板に用いた半導体素子において、前記基板の一方
の面にオーミック電極部を備え、前記オーミック電極部
は電極金属のある部分とない部分とが混在して形成され
たことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】前記電極金属のある部分とない部分との
配列が周期的であることを特徴とする請求項１記載の半
導体素子。
【請求項３】前記電極金属のない部分の面積が、前記
オーミック電極部の面積の２５〜９０％を占めることを
特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項４】光照射による加熱を利用した熱処理を行
う電極部の形成工程を含む、シリコンより広い禁制帯を
持つ半導体材料を基板に用いた半導体素子の製造方法に
おいて、オーミック電極部の形成工程時に、前記基板の
一方の面に電極金属のある部分とない部分とを混在して
前記オーミック電極部を形成し、光照射加熱装置の被加
熱試料を保持しかつ加熱するための試料保持台に、前記
基板を設置して光照射することを特徴とする半導体素子
の製造方法。