JP2014107345A - 炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化珪素半導体素子へプラズマダメージを与えるドライエッチングを用いない、炭化珪素半導体装置の製造方法を得る。
【解決手段】本発明の炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法は、主面と裏面を有する炭化珪素基板１の主面にエピタキシャル層４を形成する工程と、エピタキシャル層４の上面にショットキ電極層５を形成する工程と、ショットキ電極層５の上部にバリアメタル層６を形成する工程と、炭化珪素基板１の裏面にオーミック電極層７を形成する工程と、さらにその下層に裏面保護層８を形成する工程と、ショットキ電極層５、バリアメタル層６、オーミック電極層７及び裏面保護層８を形成した後にバリアメタル層６上のレジストをパターニングして、ショットキ電極層５及びバリアメタル層６をウェットエッチングによりパターニングする工程と、バリアメタル層６の上部に表面外部出力電極１０を形成する工程と、を備えたものである。
【選択図】 図３

Description

この発明は、炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法に関するものであり、詳しくは銅（Ｃｕ）または銅合金の電極を用いた炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法に関するものである。

炭化珪素（ＳｉＣ）半導体素子は、従来の珪素（Ｓｉ）半導体素子に比べ、ＯＮ抵抗が低い半導体素子を形成することが可能であり、また、この炭化珪素半導体素子は耐熱性が高いという特徴も有している。これらの観点からも高電力用半導体素子への適用が期待されている。

炭化珪素半導体素子を用いた高電力用半導体素子は、電力変換器や放熱冷却装置の小型化が進み、それに伴って、さらに動作温度が高くなる傾向があり、高温での信頼性を高めるために炭化珪素半導体素子の電極材料にも高耐熱金属を適用することが求められている。

炭化珪素半導体素子のうち炭化珪素ショットキバリアダイオードの電極に用いる高耐熱金属材料としては、銅又は銅を含む合金が適している。この銅または銅合金を用いた高耐熱電極材料を炭化珪素半導体素子の電極に用い、高温で使用した場合、炭化珪素層へ銅イオンが拡散し、半導体特性を劣化させることが知られている。そのため、銅イオンの拡散を防止するバリアメタル層を銅または銅合金を用いた電極と炭化珪素半導体層との間に形成することが必要であり、このバリアメタル層のパターンを形成するために、ドライエッチング法を用い、バリアメタル層のパターニングを行っている(例えば特許文献１)。

ＷＯ２００９／０５４１４０公報

炭化珪素ショットキバリアダイオードの裏面に形成されたオーミックに接触した電極層を備え、表面のバリアメタル層を、フォトレジスト等の絶縁層で形成したマスクを用いてパターンニングを行う場合、一般にドライエッチング法を用いる。ドライエッチング法を用いた場合、裏面にオーミック電極層を有する場合であってもバリアメタルをパターニングすることが可能である。しかしドライエッチング法を用いて表面のバリアメタル層をパターニングした場合、炭化珪素半導体基板表面に形成した炭化珪素終端構造のガードリングなどにプラズマダメージが残り、高耐圧を維持できなくなるという問題がある。またドライエッチング法には真空装置が必要であり製造装置の大型化に伴うコストアップにつながるという問題もある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、銅又は銅合金の電極を用いバリアメタルのパターニング形成時にドライエッチング法を用いた場合よりもガードリングに対するダメージが軽く、かつ裏面側に形成した低コンタクト抵抗のオーミック電極層を劣化させることのない炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法は、主面と裏面を有する炭化珪素基板の主面にエピタキシャル層を形成する工程と、エピタキシャル層の上面にショットキ電極層を形成する工程と、ショットキ電極層の上部にバリアメタル層を形成する工程と、炭化珪素基板の裏面にオーミック電極層を形成する工程と、さらにその下層に裏面保護層を形成する工程と、ショットキ電極層、バリアメタル層、オーミック電極層及び裏面保護層を形成した後にバリアメタル層上のレジストをパターニングして、ショットキ電極層及びバリアメタル層をウェットエッチングにより所定の形状にパターニングする工程と、バリアメタル層の上部に表面外部出力電極を形成する工程と、を備えたものである。

炭化珪素基板の裏面に、オーミック電極層と裏面保護層を用いることで、表面に形成した、ショットキ電極層、バリアメタル層をウェットエッチングによりパターニングすることができる。そのため、炭化珪素基板のドライエッチングによるプラズマダメージを回避することができ、炭化珪素ショットキバリアダイオードの耐圧を高くすることができる。またドライエッチング法では不可欠な真空装置を必要としないため、装置を小型化することができ、低コスト化に寄与できる。

実施の形態１に係る炭化珪素ショットキバリアダイオードの上面図である。 実施の形態１に係る炭化珪素ショットキバリアダイオードの断面図（図１のＡ−Ａ断面図）である。 実施の形態１に係る炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造工程を示す断面図である。 実施の形態２に係る炭化珪素ショットキバリアダイオードの断面図である。

実施の形態の説明及び各図において、同一の符号を付した部分は、同一又は相当する部分を示すものである。また、炭化珪素ショットキバリアダイオードの構造部分に高濃度、低濃度と付記した場合、イオン注入の濃度の高低を示しているが、絶対的濃度の高低を示すものではなく、周辺の同極性の領域と比べた時の相対的な高濃度／低濃度を示している。

実施の形態１．
＜炭化珪素ショットキバリアダイオードの構造＞
図１は実施の形態１に係る炭化珪素ショットキバリアダイオードの上面図、図２は実施の形態１に係る炭化珪素ショットキバリアダイオードの断面図（図１のＡ−Ａ部分）であり、炭化珪素ショットキバリアダイオードのほぼ中央部分から、周辺部分までの断面図を示している。

高濃度ｎ型炭化珪素半導体基板１の主面に、低濃度ｎ型炭化珪素半導体層であるドリフト層４がエピタキシャル成長法により形成されている。このドリフト層４の表面に、炭化珪素半導体素子周囲から所定の距離の部分に、リング状のガードリング領域２、接合終端拡張（ＪＴＥ：Junction Termination Extension）領域３が隣接して形成されている。ガードリング領域２、ＪＴＥ領域３が形成されたドリフト層４の表面にガードリング領域２の一部を覆う位置から内周側には、ショットキ電極層５が形成され、その上部にバリアメタル層６、金属層９、さらに表面外部出力電極１０が形成されており、これらの外周側には表面保護膜１１が形成されている。ここで金属層９は表面外部出力電極１０の密着力を高めるために用いており省略することもできる。

高濃度ｎ型炭化珪素半導体基板１の裏面には、オーミック電極層７が形成され、さらにこのオーミック電極層７の裏面に裏面外部出力電極８が形成されて、図１、図２に示す炭化珪素ショットキバリアダイオードを構成している。

＜炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法＞
次に本実施の形態に係る炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法を説明する。図３は本実施の形態に係る炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造工程を示している。

高濃度ｎ型炭化珪素半導体基板１の主面に、炭化珪素をエピタキシャル成長させて、ドリフト層４を形成する。次にドリフト層４上にガードリング領域２部分のみが開口したレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとしてアルミニウム（Ａｌ）イオンを注入し、ガードリング領域２を形成した。さらにガードリング領域２の形成と同じ工程を用いて、ＪＴＥ領域３を形成した。

ガードリング領域２、ＪＴＥ領域３の形成工程において、Ａｌイオン注入濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３〜１×１０^１８ｃｍ^−３が適しており、ガードリング領域２と比較し、ＪＴＥ領域３の方のイオン濃度を低くした。注入するイオンは特に限定するものではなく、Ａｌ以外にもｐ型不純物イオンであれば用いることができる。また注入深さは、特に限定するものではなく、０．５〜１μｍの範囲であれば特に良好な特性を得ることができる。ガードリング領域２の形成工程においては、２５℃で０°の方向から４０ｋｅＶ〜７００ｋｅＶのエネルギーでｐ型不純物注入を行い、続けてやや不純物濃度を下げてＪＴＥ領域３を形成した。

ガードリング領域２、ＪＴＥ領域３のＡｌイオンを活性化するため、１７００℃でアニール処理を行い、ｐ型のガードリング領域２、ＪＴＥ領域３を形成した。（図３（ａ））アニールの温度は特に限定するものではなく、不純物イオンの種類に応じて調整することができる。Ａｌイオンの場合は１５００℃〜１９００℃が活性化に適しており、この範囲であれば良好な特性を得ることができる。

次に、炭化珪素半導体基板１の裏面にニッケル（Ｎｉ）をスパッタ法により成膜し、ランプアニール法を用いた約１０００℃のアニール処理により珪化し、珪化ニッケル（ＮｉＳｉ）からなるオーミック電極層７を形成した。次に炭化珪素半導体基板１の表面にチタン（Ｔｉ）を用いてショットキ電極５をスパッタ法で約１００ｎｍ成膜し、その上面にバリアメタル層６として窒化チタン（ＴｉＮ）を成膜した。次にオーミック電極層７の下面にＡｌからなる裏面外部出力電極８を約５０ｎｍ形成した。

本実施の形態においては、ショットキ電極５はＴｉを用いたが、Ｔｉの他にモリブデン（Ｍｏ）、Ｎｉ等を用いることができる。また膜厚は約１００ｎｍとしたが、５０〜５００ｎｍの膜厚であれば用いることができる。膜厚が５０ｎｍ未満の場合、均質な膜を得ることができず、５００ｎｍを超える場合、膜の剥離等が生じやすく、良好なショットキ電極層５を得ることができない。

裏面外部出力電極８はＡｌを用いた。この裏面外部出力電極８は、次の工程でバリアメタル層６をドライエッチングする際に、炭化珪素半導体基板１の裏面のオーミック電極層７を保護するための裏面保護層を兼ねており、耐薬品性、低抵抗の金属膜であることが求められる。具体的には、Ａｌの他にタングステン（Ｗ）、Ｍｏ、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）の単体のいずれか一つ、又はこれらとＴｉとの積層膜を用いることができ、膜厚は１０ｎｍ以上であれば用いることができる。

次に表面にレジスト膜を形成し、写真製版によりバリアメタル層６をパターニングするためのレジストパターン（図示せず）を形成する。レジストパターンをマスクとしてバリアメタル層６とショットキ電極５をウェットエッチング法によりエッチングし、パターンを形成した。ウェットエッチングには、バリアメタル層６がＴｉＮの場合、過酸化水素、過酸化水素とアンモニアまたは過酸化水素と塩酸の混合溶液を用いることができる。さらにショットキ電極５がＴｉの場合、フッ酸の希釈溶液でウェットエッチングすることができる。

ウェットエッチングによりショットキ電極５、バリアメタル層６をパターニングした後（図３（ｂ））、熱処理を行いショットキ接合の特性を調整し、上面にＴｉを用いて金属膜９を成膜する。金属膜９の上面に銅（Ｃｕ）のスパッタ膜を表面外部出力電極１０として成膜する。表面外部出力電極１０はＣｕ又はＣｕを含む合金を用いることができ、スパッタ法またはメッキ法により形成することができる。

写真製版によりレジストパターンを形成しマスクとして用い、金属層９、表面外部出力電極１０をウェットエッチングによりパターン形成を行った。ウェットエッチングの方法は特に限定するものではなく、金属層９、表面外部出力電極１０をエッチングすることができればよく、本実施の形態においては、混酸溶液を用いてエッチングを行った。

次に表面にスピンコート法を用いてポリイミド膜を塗布、乾燥し、写真製版を用いてパターニングを行う。炭化珪素ショットキバリアダイオードの表面電極を取り除き、その後にベーク処理を行いポリイミド膜による保護膜１１を形成して、炭化珪素ショットキバリアダイオードを得た（図３（ｃ））。ベーク処理はポリイミド膜の硬化が進む温度であれば良く、２５０〜４００℃が適しており、３００〜３５０℃であれば、さらに良好な結果を得ることができる

＜炭化珪素ショットキバリアダイオードの特性＞
本実施の形態の製造方法を用いて作成した炭化珪素ショットキバリアダイオードでは、裏面のオーミック電極層７の下面にＡｌからなる裏面外部出力電極８をウェットエッチング時の裏面保護層と兼ねて形成し、ウェットエッチングにより炭化珪素半導体基板１上のショットキ電極５、バリアメタル層６のパターン形成を行った。この工程において、裏面外部出力電極８を裏面保護層として形成したためオーミック電極層７の酸化を防止することができ、またドライエッチングではなく、ウェットエッチングを用いたため炭化珪素半導体基板１上にダメージ層を形成することを防ぐことができた。

ドライエッチングによりショットキ電極５、バリアメタル層６をパターニングした時に見られるガードリング領域２、ＪＴＥ領域３へのダメージを軽減することができ、炭化珪素ショットキバリアダイオードの耐圧を高く維持することができる。またドライエッチング工程が不要となるので大型の真空炉などの装置が不要となり、装置、設備の簡略化により製造コストを削減することができる。またウェットエッチング時の裏面外部出力電極８を裏面保護層と兼ねて用いることができ、プロセスを簡略化することもできる。

実施の形態２．
＜炭化珪素ショットキバリアダイオードの構造＞
図４は、本実施の形態に係る炭化珪素ショットキバリアダイオードの断面図である。裏面のオーミック電極７よりも下の部分が実施の形態１に示した炭化珪素ショットキバリアダイオードと異なっているがその他の部分は同一である。

本実施の形態に係る炭化珪素ショットキバリアダイオードでは、炭化珪素半導体基板１の裏面側に、実施の形態１と同様にＮｉ層を珪化したＮｉＳｉからなるオーミック電極層７が形成され、その下面にＴｉからなる金属層１２、ＴｉＮからなる裏面バリアメタル層１３、Ｔｉからなる金属層１４、ＣｕまたはＣｕを含む合金からなる裏面外部出力電極１５が順に形成されている。裏面バリアメタル層１３の上下に形成された金属層１２、１４は裏面バリアメタル層１３と隣接する層の密着力を高めるために形成されており、これらの金属層１２、１４を省略しても炭化珪素ショットキバリアダイオードは同等の特性を示すことができる。

裏面バリアメタル層１３はＴｉＮに限定するものではなく、ＴａＮ、ＴｉＷＮ、ＷＮ、ＷＳｉＮ等を用いることができ、裏面バリアメタル層は炭化珪素ショットキバリアダイオードの最下層に形成されたＣｕまたはＣｕを含む合金からなる裏面外部出力電極１５からのＣｕイオンの拡散を防止し、表面のバリアメタル層６をウェットエッチングする際の耐エッチング膜としてオーミック電極層７を保護する裏面保護層としても機能する。

＜炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法＞
炭化珪素半導体基板１の主面にドリフト層４を形成し、このドリフト層４にガードリング領域２、ＪＴＥ領域３を実施の形態１と同様の工程で形成した。さらに、炭化珪素半導体基板１の裏面にＮｉＳｉからなるオーミック電極層７、表面にＴｉからなるショットキ電極層５とメタルバリア層６も実施の形態１と同様の方法を用いて形成した。

裏面のオーミック電極層７の下面にＴｉからなる金属膜１２、さらにその下面にＴｉＮからなる裏面メタルバリア層１３を形成した。この後、表面のメタルバリア層６の表面にレジストをパターニングしてマスクを形成し、ウェットエッチングにより表面メタルバリア層６をパターニングした。この工程においては、本実施の形態においては表面と裏面のバリアメタル層６、１３にいずれもＴｉＮを用いているので、裏面のオーミック電極層をエッチングから保護するために、裏面バリアメタル層１３の厚みは表面のバリアメタル層６の厚みよりも厚くすることが必要であり、２倍以上の厚みとすることが好ましい。

ウェットエッチング工程の後、表面には金属膜９と表面外部出力電極１０および保護膜１１を実施の形態１と同様の手法を用いて成膜、パターニングを行い、裏面には金属膜１４、裏面外部出力電極１５を形成して、炭化珪素ショットキバリアダイオードを得た。

＜炭化珪素ショットキバリアダイオードの特性＞
本実施の形態に係る炭化珪素ショットキバリアダイオードでは、裏面のオーミック電極層７を裏面保護層を兼ねた裏面バリアメタル層１３で覆い、表面のショットキ電極５、バリアメタル層６をウェットエッチングによりパターニングするため、裏面のオーミック電極層７の酸化膜、炭化珪素半導体基板１表面のダメージ層の形成を防止することができる。

本実施の形態に係る炭化珪素半導体素子である炭化珪素ショットキバリアダイオードでは、ドライエッチングを用いないため、ガードリング領域２、ＪＴＥ領域３へのダメージを軽減することができ、炭化珪素ショットキバリアダイオードの耐圧を高く維持することができる。またドライエッチング工程が不要となるので大型の真空炉などの装置が不要となり、装置、設備の簡略化により製造コストを削減することができる。また裏面バリアメタル層１３をウェットエッチング時の裏面保護層として用いることができ、プロセスを簡略化することもできる。

１ 炭化珪素半導体基板、２ ガードリング領域、３ ＪＴＥ領域、４ ドリフト層、５ ショットキ電極、６ バリアメタル層、７ オーミック電極層、８ 裏面外部出力電極、９ 金属膜、１０ 表面外部出力電極、１１ 表面保護膜、１２ 金属層、１３ 裏面バリアメタル層、１４ 金属層、１５ 裏面外部出力電極。

Claims (13)

1. 主面と裏面を有する炭化珪素基板の主面にエピタキシャル層を形成する工程と、
   前記エピタキシャル層の上面にショットキ電極層を形成する工程と、
   前記ショットキ電極層の上部にバリアメタル層を形成する工程と、
   前記炭化珪素基板の裏面にオーミック電極層を形成する工程と、
   さらにその下層に裏面保護層を形成する工程と、
   前記ショットキ電極層、前記バリアメタル層、前記オーミック電極層及び前記裏面保護層を形成した後に前記バリアメタル層上のレジストをパターニングして、前記ショットキ電極層及び前記バリアメタル層をウェットエッチングにより所定の形状にパターニングする工程と、
   前記バリアメタル層の上部に表面外部出力電極を形成する工程と、を備えた炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法。
2. 前記バリアメタル層がＴｉＮであることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法。
3. 前記表面外部出力電極材料が銅又は銅を含む合金であることを特徴とする請求項２に記載の炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法。
4. 前記裏面保護層が、裏面外部出力電極として用いる金属膜であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法。
5. 前記裏面保護層が、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｇ、Ａｕのいずれか一つ、またはこれらとＴｉとの積層体からなる金属膜であることを特徴とする請求項４に記載の炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法。
6. 主面と裏面を有する炭化珪素基板の主面にエピタキシャル層を形成する工程と、
   前記エピタキシャル層の上面にショットキ電極層を形成する工程と、
   前記ショットキ電極層の上部にバリアメタル層を形成する工程と、
   前記炭化珪素基板の裏面にオーミック電極層を形成する工程と、
   さらにその下層に裏面保護層を形成する工程と、
   前記ショットキ電極層、前記バリアメタル層、前記オーミック電極層及び前記裏面保護層を形成した後に前記バリアメタル層上のレジストをパターニングして、前記ショットキ電極層、前記バリアメタル層をウェットエッチング工程により所定の形状にパターニングする工程と、
   前記バリアメタル層の上部に表面外部出力電極を形成する工程と、
   前記裏面保護層の下部に裏面外部出力電極を形成する工程と、を備えた炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法。
7. 裏面外部出力電極が銅又は銅を含む合金からなることを特徴とする請求項６に記載の炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法。
8. 前記裏面保護層が、銅イオンの拡散を防止する特性を有する材料であることを特徴とする請求項７に記載の炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法。
9. 前記裏面保護層が、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴｉＷＮ、ＷＮ、ＷＳｉＮのいずれか一つからなることを特徴とする請求項８に記載の炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法。
10. 前記裏面保護層が、レジストであることを特徴とする請求項６に記載の炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法。
11. 前記バリアメタル層がＴｉＮであることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法。
12. 前記裏面保護層がＴｉＮであり、ＴｉＮからなる前記バリアメタル層の２倍以上の膜厚であることを特徴とする請求項１１に記載の炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法。
13. 前記ショットキ電極層と前記表面外部出力電極との間にＴｉ層を備えたことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の炭化珪素ショットキバリアダイオードの製造方法。

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