JP6112698B2 - 炭化珪素半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
低いオーミック接触抵抗に対しては、Niを堆積した後に還元雰囲気中で900℃以上の温度でシンタリングすることにより、Ni2Siを形成すると良いことが知られている。基板濃度1019cm-3に対して、接触抵抗が10-7Ωcm2の良好な値が得られている(非特許文献1)。
SiC+2Ni→Ni2Si+C・・・(1)
したがって、図2に示すように、オーミック層を形成した段階では、表面側から、グラファイト層/Ni2Si層/SiC基板と言う構造となっている。
半田との接着のために、例えばTi、Ni、Auを順次堆積した多層膜をこのオーミック層上に形成するが、グラファイト層のために剥離が発生することが知られている(非特許文献2)。
SiC+sNi+Ti→Ni2Si+TiC・・・(2)
この場合のオーミック層を形成した段階での表面側からの層構成は、図3に示すように、TiC層/Ni2Si層/SiC基板となっている(非特許文献3)。このTiC層上に、例えばTi、Ni、Auを順次堆積した多層膜を形成したところ、密着性は非常に良好となる。
例えば、ショットキーバリアダイオードを例とすると、オーミック電極層(TiC+Ni2Si)形成後の工程は、ショットキーコンタクトホール、ショットキーメタル形成、Al−Siメタル形成、ポリイミド形成となる。オーミック電極工程が、これらの工程の前に実施されるのは、オーミック電極層のシンタリング温度が900℃以上と高いためである。また、Ti、Ni、Auから成る3層膜が、前工程の最後に実施されるのは、Auの製造ライン内へのクロスコンタミネーションを防止するためである。以降、前工程の最後に堆積されるTi、Ni、Auから成る3層膜のことを、「裏面3層メタル」と呼ぶこととする。
また、上記の裏面構造においてシンタリング前に堆積されるTiおよびNiの膜厚比がTi/Ni=0.2〜0.63となるようにすればよいことも判明した。
さらに、上記に記載の構造において、TiCを表面側とするNi2SiおよびTiCから成る薄膜を形成する工程と、第一の薄膜としてTi、第二の薄膜としてNiを含む多層薄膜を順次堆積する工程との間に、TiC上にTi薄膜を堆積する工程を入れるとよいことも判明した。
[1]炭化珪素基板上に、Niからなる薄層及びTiからなる薄層を堆積した後のシンタリングによって形成されたNi2SiおよびTiCから成る薄膜が、TiCが表面に析出する構造となっており、さらにこのTiC表面に第一の薄膜としてTi、第二の薄膜としてNiを含む多層薄膜が形成された構造を有し、前記TiCからなる層と前記Ti層との界面において、前記界面に存在する元素に対するTiC由来のC組成比が15at%〜28at%であることを特徴とする炭化珪素半導体素子。
[2][1]に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法であって、
炭化珪素基板上にNiなる薄膜及びTiからなる薄層を堆積する工程(A)、
前記堆積の後にシンタリングして、前記基板上にNi2SiおよびTiCから成る薄膜を、TiCが表面に析出するように形成する工程(B)、及び
該TiCからなる薄層の表面に、第一の薄膜としてTi、第二の薄膜としてNiを含む多層薄膜を形成する工程(C)、
を少なくとも有し、
前記工程(A)において、Tiからなる薄層及びNiからなる薄層の膜厚比(Ti/Ni)が0.2〜0.63となるように堆積することを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。
[3]前記工程(B)と、前記工程(C)との間に、Tiからなる薄層を堆積する工程(D)を有することを特徴とする[2]に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
図1は、本発明の炭化珪素半導体素子の一実施形態の層構成を模式的に示す図である。
本発明の炭化珪素半導体素子は、該図に示すように、炭化珪素(SiC)基板上に、Niからなる薄層及びTiからなる薄層を堆積した後のシンタリングによって形成されたNi2SiおよびTiCから成る薄膜が、TiCが表面に析出する構造となっており、さらにこのTiC表面に第一の薄膜としてTi、第二の薄膜としてNiを含む多層薄膜が順次堆積された構造を有しており、該TiCとTiとの界面においてTiC由来のC組成比を15%以上と高くすることにより、3層メタル(Ti/Ni/Au)の剥離を防止するものである。
最初に、本発明者らが検証した剥離のメカニズムについて説明する。
剥離の原因を調査するため、最初に、深さ方向における剥離箇所を調査したところ、どのウェハにおいても剥離面は、オーミック電極層と裏面3層メタル中のTiとの界面であることが分かった。
次に、剥離に至るメカニズムを解明するために、剥離面を含んだ領域を分析することとした。
その結果、剥離したウェハと剥離が起こらないウェハで、剥離面に存在するカーボンの組成に差が見られた。すなわち、図4(a)に示すように、剥離したウェハは、剥離面でのカーボン組成が数%と低いのに対し、図4(b)に示すように、剥離なく密着しているウェハでは、剥離面に存在するカーボン組成が20%以上と高いことが判明した。
C1sスペクトル、Ti2pスペクトル、及びO1sスペクトルを、それぞれ、図5(a)ないし図5(c)に示す。
その結果、C1sのケミカルシフト(図5(a))より、剥離界面で検出されるカーボンは金属元素との結合状態にあることが分かった。一方、Ti2pのケミカルシフト(図5(b))を調べると、剥離界面ではTiOまたはTiCの結合状態にあることが分かった)。また、O1sのケミカルシフト(図5(c))が示すように、剥離界面での酸素元素の検出がほとんどないことから、剥離界面に存在するのはTiCと結論付けられる。
このようにオーミック層と裏面3層メタルのTiとの界面に存在するTiC量が剥離に影響するパラメータであることが分かった。
そこで、考察としてTiC量が減少しても裏面全体に一様に分布していればTiCと裏面3層メタルのTiとの結合状態は変わらないので密着強度は変化しないが、TiCが面内でモザイク状になり結合力が低い物質が露出してくれば密着強度は低下すると予想した。
さらに、TiCは、製造工程で使用される、アンモニア過水、リン硝酢酸にエッチングされ、BHF(バッファードフッ酸)にはエッチングされないと言うことが知られている(参考文献:M.Eizenberg and S.P.Mararka, J.Appl.Phys.,Vol.54,No.6 (1983) pp.3190-3194)ので、薬液によるエッチングによりTiCがモザイク状になることも予想した。
調査したウェハは、(a)オーミック工程のみのもの(すなわち、シンタリング直後のもの)、(b)オーミック層工程からショットキーメタル工程までを経たもの(すなわち、アンモニア過水処理後のもの)、(c)オーミック層工程からAl−Siメタル工程までを経たもの(すなわち、リン硝酢酸エッチング後のもの)、(d)オーミック層工程から裏面3層メタル直前までの工程を経たもの(すなわち、BHFエッチング後のもの)、の4種類である。
図6からわかるように、(a)のオーミック層工程直後では一様にTiが形成されておりNiがほとんど検出されないことから、TiCが面内に一様に堆積されているものと思われる。(b)→(c)→(d)と工程が進むにつれ、Tiの面内分布がまばらになり、Tiのピークが低下した領域でNiのピークが増加した。
このことから工程が進むにつれ、TiCが一部エッチングされ、下地のNi2Siが露出してくるものと考えられ、想定メカニズムが検証された。
図7からまず分かることは、工程が進むにつれてTiおよびCが検出される膜厚、すなわちTiC膜厚が減少することである。さらに、図7(b)、(c)でのTiC膜厚の減少が大きいことが分かる。(b)ではアンモニア過水の工程を、(c)ではリン硝酢酸の工程を経ていること、(d)ではバッファードフッ酸の工程を経ているがほとんどTiCがエッチングされていない。
これらのことから、TiCがエッチングされる原因は、各工程で使用するウェットエッチング液、特に、アンモニア過水とリン硝酢酸によるものと考えられる。
ショットキーメタル形成時にはアンモニア過水処理の後、500℃でのアニールを行っている。また、Al−Siメタル形成後のポリイミド工程ではポリイミドの硬化のために350℃でのアニールを行っている。谷本らの報告によると、100℃〜600℃のアニールにより、一部Ni2Si中に分散していたカーボンが再拡散し、エネルギー的に安定なNi2Siの表面にグラファイトとして析出することが報告されている(特開2007−184571号公報参照)。
本工程でもTiCが表面を被覆している領域では、Ni2Si中に分散しているカーボンはTiCに吸収される。しかし、一部Ni2Siが表面に露出している領域では、分散カーボンはそのまま表面にグラファイトとして析出する。このようなことが起こる結果、裏面オーミック層の表面はTiCとグラファイトが混在した状況になっており、グラファイトの面積が増加するほど裏面3層メタルのTiとの密着強度が低下し、遂には剥離に至ると考えられる。
基板となるウェハとして4H−SiCを用い、(0001)Si面上に、濃度1×1016cm-3、膜厚10μmのn型エピタキシャル層を成長させた。このエピタキシャル層上に素子を作製した。以下ショットキーバリアダイオードを例として記載するが、縦型素子であればpinダイオード、MOSFET、IGBTなどに対しても適用できる。
バッファードフッ酸液にウェハを浸漬し、裏面を被覆している酸化膜を除去した後、NiおよびTiを順次堆積する。この時の堆積方法は、スパッタリング法、電子線蒸着法、抵抗加熱蒸着法など、いずれの方法を用いても構わない。また、NiとTiを順次積層しても、NiおよびTiの合金ターゲットをスパッタ、あるいは多元蒸着法にてNiとTiを同時に蒸着しても構わない。
一方Ti膜厚に関しても、薄過ぎるとその後のシンタリングにてオーミック合金層表面に形成されるTiC量が少なくなり、逆に厚過ぎるとTiCの抵抗成分が無視できなくなってしまう。このような観点からTi膜厚の適正な範囲は5〜100nmとすることが望ましい。
このような観点から、本実施例では、Ni膜厚60nmに対して、Ti膜厚を10nm、20nm、30nm、40nmと変化させ、剥離との相関を調査した。
またNi、Tiの酸化により接触抵抗が増加することを防ぐために、シンタリング中の雰囲気は真空、Ar、He、H2およびこれらの混合ガスとする必要がある。
これらの観点から、実施例では、シンタリング条件として、保持温度1050℃、保持時間2分、シンタリング雰囲気常圧Arとした。
従ってこれらの条件の詳細は割愛する。
また、XPSによりオーミック層と裏面3層メタルTiとの界面におけるTiC由来のカーボン組成も調査した。
これらの結果を図8にまとめた。
図8に示すように、Ti膜厚10nmおよび40nmは剥離が発生したのに対し、20nm、30nmでは剥離は発生しなかった。TiC由来のカーボン組成割合は、剥離した場合で最大12.3%、剥離なしの場合で最小24.0%であり、これまでの実験結果と一致した。
図8から、カーボン組成が15%となるTi膜厚の範囲は15nm〜40nmであり、Ti/Ni膜厚比にして、0.2〜0.67となった。
実施例1に記載の裏面メタルの作製方法において、オーミック層形成用シンタリング後に裏面オーミック層のTiCを含む表面にTi薄膜を堆積する工程を追加した。このとき後の工程で実施されるアンモニア過水ウェットエッチングによりTiCが露出しないようにTi膜厚を十分大きくした。さらに後の工程で実施されるリン硝酢酸に対してはこのTi薄膜はエッチングされない。また、このTi薄膜は裏面3層メタル前のバッファードフッ酸処理により除去される。すなわち、このTi薄膜はTiCの保護膜として機能する。その他の工程は実施例1と同様である。
さらに、本発明による裏面構造を有するショットキーバリアダイオードを作製したウェハをダイシングおよびピックアップ後、半田接着により裏面を、Alワイヤーボンディングにてアノード電極をTO−220リードフレームにそれぞれ接着し、ΔTc=90℃となるように、周期的に素子のオン/オフを繰り返すパワーサイクル試験を実施した。結果を図10に示す。
図10に示す結果から明らかなように、従来の手法では、数1000サイクルにて順方向電圧の増加が見られ、超音波検査では裏面の剥離が確認された。
一方、本発明の各手段を用いて同様のパワーサイクル試験を実施、15000サイクル経過後でも、順方向電圧は一定、裏面の剥離もなく、効果が確認できた。
Claims (3)
- 炭化珪素基板上に、Niからなる薄層及びTiからなる薄層を堆積した後のシンタリングによって形成されたNi2SiおよびTiCから成る薄膜が、TiCが表面に析出する構造となっており、さらにこのTiC表面に第一の薄膜としてTi、第二の薄膜としてNiを含む多層薄膜が形成された構造を有し、前記TiCからなる層と前記Ti層との界面において、前記界面に存在する元素に対するTiC由来のC組成比が15at%〜28at%であることを特徴とする炭化珪素半導体素子。
- 請求項1に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法であって、
炭化珪素基板上にNiなる薄膜及びTiからなる薄層を堆積する工程(A)、
前記堆積の後にシンタリングして、前記基板上にNi2SiおよびTiCから成る薄膜を、TiCが表面に析出するように形成する工程(B)、及び
該TiCからなる薄層の表面に、第一の薄膜としてTi、第二の薄膜としてNiを含む多層薄膜を形成する工程(C)、
を少なくとも有し、
前記工程(A)において、Tiからなる薄層及びNiからなる薄層の膜厚比(Ti/Ni)が0.24〜0.63となるように堆積することを特徴とする炭化珪素半導体素子の製造方法。 - 前記工程(B)と、前記工程(C)との間に、100nm以上の膜厚のTiからなる薄層を堆積する工程(D)を有することを特徴とする請求項2に記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
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