TW201426828A - 半導體裝置之製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種製造方法，形成於基板的其中一個表面之元件結構不易受到用於形成金屬矽化物膜之熱處理時所產生之熱量的影響。在由碳化矽所構成之基板的第1表面形成由鎳或鈦所構成之金屬膜。向金屬膜照射具有紫外線區域的波長之脈衝雷射光束，而在基板與金屬膜的界面發生矽化物反應，藉此形成金屬矽化物膜。在形成金屬矽化物膜之製程中，以金屬膜的表面不熔融之條件照射脈衝雷射光束。
Description
本發明係有關一種在由碳化矽(SiC)所構成之基板的表面形成金屬矽化物膜之半導體裝置的製造方法。
作為半導體功率元件用半導體材料，備受矚目的是具有能帶隙比矽更寬之SiC。以肖特基能障二極體為代表之直立式半導體元件中，在其中一個表面形成有元件結構，在另一個表面(背面)形成有歐姆電極。作為歐姆電極使用鎳矽化物等金屬矽化物。金屬矽化物在背面形成金屬膜之後，藉由進行快速退火處理(RTA)等來形成。
專利文獻1：日本特開2012-248729號公報
專利文獻2：日本特開2012-222074號公報
為了使半導體功率元件的元件電阻降低，採用如下方
法，亦即在SiC基板的其中一個表面形成元件結構之後，磨削另一個表面(背面)而使基板變薄。能夠藉由使基板變薄來降低元件電阻。在不進行用於使基板變薄之磨削時，能夠在形成元件結構之前在背面形成金屬矽化物膜。然而，在形成元件結構之後，採用使基板變薄之方法時，形成元件結構且使基板變薄之後，必須在基板的背面形成金屬矽化物膜。因此，形成於基板的其中一個表面之元件結構會受到在另一個表面(背面)形成金屬矽化物膜時的熱量的影響。若元件結構受到熱量的影響，則有時半導體功率元件的電性特性會下降。
本發明的目的在於提供一種形成於基板的其中一個表面之元件結構不易受到用於形成金屬矽化物膜之熱處理時所產生之熱量的影響之製造方法。
依本發明的一觀點，提供一種半導體裝置的製造方法，其具有如下製程：在由碳化矽所構成之基板的第1表面形成由鎳或鈦所構成之金屬膜的製程；及向前述金屬膜照射具有紫外線區域的波長之脈衝雷射光束，而在前述基板與前述金屬膜的界面發生矽化物反應，藉此形成金屬矽化物膜的製程，在形成前述金屬矽化物膜之製程中，以前述金屬膜的表面不熔融之條件照射前述脈衝雷射光束。
藉由脈衝雷射光束的照射而發生矽化物反應，藉此，與以RTA等產生矽化物反應時相比，能夠抑制與基板的第1表面相反的一側的表面的溫度上升。
10‧‧‧基板
10A‧‧‧第1表面
10B‧‧‧第2表面
11‧‧‧護環
12‧‧‧絕緣膜
13‧‧‧肖特基電極
14‧‧‧表面電極
15‧‧‧元件結構
16‧‧‧金屬膜
17‧‧‧金屬矽化物膜
20‧‧‧脈衝雷射光束
第1圖1中，第1圖A~第1圖D係基於實施例之半導體裝置的製造方法的製造中間階段中的基板的剖面圖。
第1圖2中，第1圖E、第1圖F係基於實施例之半導體裝置的製造方法的製造中間階段中的基板的剖面圖。
第2圖中，第2圖A係表示以脈衝寬度10ns的條件進行退火時的基板及鎳膜的界面的最高到達溫度與鎳膜的厚度的關係的模擬結果之圖表，第2圖B係表示鎳膜表面的最高到達溫度與鎳膜的厚度的關係的模擬結果之圖表。
第3圖中，第3圖A係表示以脈衝寬度20ns的條件進行退火時的基板及鎳膜的界面的最高到達溫度與鎳膜的厚度的關係的模擬結果之圖表，第3圖B係表示鎳膜表面的最高到達溫度與鎳膜的厚度的關係的模擬結果之圖表。
第4圖中，第4圖A係表示以脈衝寬度30ns的條件進行退火時的基板及鎳膜的界面的最高到達溫度與鎳膜的厚度的關係的模擬結果之圖表，第4圖B係表示鎳膜表面的最高到達溫度與鎳膜的厚度的關係的模擬結果之圖表。
第5圖中，第5圖A係表示以脈衝寬度50ns的條件
進行退火時的基板及鎳膜的界面的最高到達溫度與鎳膜的厚度的關係的模擬結果之圖表，第5圖B係表示鎳膜表面的最高到達溫度與鎳膜的厚度的關係的模擬結果之圖表。
第6圖中，第6圖A係表示以脈衝寬度10ns的條件進行退火時的基板及鈦膜的界面的最高到達溫度與鈦膜的厚度的關係的模擬結果之圖表，第6圖B係表示鈦膜表面的最高到達溫度與鈦膜的厚度的關係的模擬結果之圖表。
參閱第1圖A~第1圖F對基於實施例之半導體裝置的製造方法進行說明。
如第1圖A所示，在由n型SiC所構成之基板10的其中一個表層部，藉由離子注入形成p型護環11。將與形成有護環11之表面相反的一側的表面稱作「第1表面」10A，將形成有護環11之表面稱作「第2表面」10B。如第1圖B所示，在第2表面10B形成由氧化矽所構成之絕緣膜12。在絕緣膜12上形成有使由護環11包圍之區域露出之開口。
如第1圖C所示，在形成於絕緣膜12之開口底面上所露出之基板10的表面，形成肖特基電極13。作為一例，形成鈦膜之後進行熱處理，藉此實現肖特基接觸。在肖特基電極13上形成表面電極14。表面電極14使用例如鋁。將護環11、肖特基電極13、及表面電極14稱作「元件結構」15。
如第1圖D所示，藉由磨削基板10的第1表面10A來使基板10變薄。如第1圖E所示，在基板10的第1表面10A形成金屬膜16。金屬膜16係使用例如鎳(Ni)、鈦(Ti)。
如第1圖F所示，藉由向金屬膜16照射脈衝雷射光束20來進行雷射退火。該雷射退火係使脈衝雷射光束20的入射區域在金屬膜16的表面內移動並同時進行。入射區域的重疊(overlap)率係設為例如50%~90%。
藉由該雷射退火，在基板10與金屬膜16的界面形成金屬矽化物膜17。該雷射退火以金屬膜16的表面不熔融之條件進行。若金屬膜16的表面熔融，則固化後，金屬膜16的表面發生龜裂。基於實施例之方法中，以金屬膜16的表面不熔融之條件進行退火，因此能夠抑制金屬膜16的表面龜裂。將無需使金屬膜的表面熔融而在界面上進行矽化物化之情況稱作「非熔融矽化物化」。
即使金屬膜16的表面整體未達到熔點，但在物理性質上，有時會產生表面的極少一部份稍微熔融的情況。其中，「不使金屬膜的表面熔融」這種表現係指不會發生對金屬膜的表面龜裂產生影響之程度的實質性的熔融，並沒有排除發生幾乎不會對表面龜裂產生影響之程度的少許熔融。
脈衝雷射光束20的脈衝寬度比由快速退火處理(RTA)產生之加熱時間更短。若使用不透過基板10之波長區域的脈衝雷射光束20，則脈衝雷射光束達不到形
成於第2表面10B之元件結構15。因此，基板10的第2表面10B的溫度上升會降低。若採用基於實施例之退火方法，則與採用RTA時相比能夠抑制元件結構15的溫度上升。
接著，參閱第2圖A~第5圖B，對在金屬膜16(第1圖E)上使用鎳時的雷射退火為較佳之條件進行說明。在由4H-SiC所構成之基板的表面形成鎳膜，且藉由模擬求出向鎳膜照射波長355nm的脈衝雷射光束時的基板與鎳膜的界面的最高到達溫度、及鎳膜的表面的最高到達溫度。在第2圖A~第5圖B中顯示模擬結果。
在第2圖A、第3圖A、第4圖A、及第5圖A中，表示基板與鎳膜的界面(以下，簡稱為「界面」。)的最高到達溫度與鎳膜的厚度的關係。橫軸係將鎳膜的厚度以單位「nm」表示，縱軸係將界面的最高到達溫度以單位「℃」表示。在第2圖B、第3圖B、第4圖B、及第5圖B中，表示鎳膜的表面(以下，簡稱為「表面」。)的最高到達溫度與鎳膜的厚度的關係。橫軸係將鎳膜的厚度以單位「nm」表示，縱軸係將表面的最高到達溫度以單位「℃」表示。
第2圖A及第2圖B係表示將脈衝雷射光束的脈衝寬度Pw設為10ns時的模擬結果。第3圖A及第3圖B係表示將脈衝雷射光束的脈衝寬度Pw設為20ns時的模擬結果。第4圖A及第4圖B係表示將脈衝雷射光束的脈衝寬度Pw設為30ns時的模擬結果。第5圖A及第5圖B
係表示將脈衝雷射光束的脈衝寬度Pw設為50ns時的模擬結果。
第2圖A及第2圖B的菱形符號、四角形符號、三角形符號、及圓形符號係分別與鎳膜表面的脈衝能量密度(以下，簡稱為「脈衝能量密度」)以1.2J/cm2、1.3J/cm2、1.4J/cm2、及1.5J/cm2的條件進行雷射退火之情況相對應。第3圖A及第3圖B的菱形符號、四角形符號、三角形符號、及圓形符號分別係與脈衝能量密度以1.6J/cm2、1.7J/cm2、1.8J/cm2、及1.9J/cm2的條件進行雷射退火之情況相對應。第4圖A及第4圖B的菱形符號、四角形符號、三角形符號、及圓形符號係分別與脈衝能量密度以1.8J/cm2、2.0J/cm2、2.2J/cm2、及2.4J/cm2的條件進行雷射退火之情況相對應。第5圖A及第5圖B的菱形符號、四角形符號、三角形符號、及圓形符號係分別與脈衝能量密度以2.4J/cm2、2.6J/cm2、2.8J/cm2、及3.0J/cm2的條件進行雷射退火之情況相對應。
「脈衝能量密度」係藉由脈衝雷射光束的每1脈衝的能量除以射束截面的面積而得到。本說明書中，採用在射束截面內連結光強度成為最大值的1/2之位置之封閉曲線所包圍之區域的面積來作為「射束截面面積」。
若脈衝雷射光束照射後的界面的最高到達溫度成為約950℃以上，則在基板與鎳膜的界面上會發生矽化物反應，並形成鎳矽化物膜。
如第2圖A所示，若脈衝寬度為10ns時鎳膜的厚度
為大約20nm以下，則界面的最高到達溫度達不到950℃。這是因為由SiC所構成之基板作為散熱片之作用，而不會在界面積蓄熱量。若將鎳膜的厚度設為30nm以上，則脈衝能量密度至少在1.3~1.5J/cm2範圍內，且界面的最高到達溫度成為950℃以上。
若進一步增大脈衝能量密度，則即使鎳膜的厚度為20nm以下，亦必須存在有將界面的最高到達溫度設為950℃以上之退火條件。但是，如之後參閱第2圖B進行說明，若增大脈衝能量密度，則鎳膜的表面會容易熔融。因此，為了在界面形成鎳矽化物膜，因此將鎳膜的厚度設為30nm以上為較佳。
在鎳膜的厚度為30nm以上的範圍內，界面的最高到達溫度隨著膜厚變厚而下降。但是，至少在膜厚為200nm以下的範圍內，若將脈衝能量密度設為1.4J/cm2以上，則能夠將界面的最高到達溫度設為950℃以上。雖然未表示於第2圖A中，但即使鎳膜的厚度為250nm以上，亦只要調節脈衝能量密度，就能夠將界面的最高到達溫度設為950℃以上。
如第2圖B所示，表面的最高到達溫度隨著鎳膜變厚而增高。若鎳膜較薄，則藉由基板的散熱效果而抑制鎳膜表面的溫度上升，若鎳膜變得較厚，則是因為基板的散熱效果變弱。若鎳膜的表面溫度超過鎳的熔點亦即1455℃，則導致表面熔融。為了避免表面熔融，以表面的最高到達溫度為1455℃以下的條件進行退火為較佳。
作為一例，在脈衝能量密度為1.3J/cm2以上的條件下，能夠藉由調節鎳膜的厚度來將界面的最高到達溫度設為950℃以上。若將脈衝能量密度增大，則鎳膜表面的最高到達溫度會成為鎳的熔點以上。照射之脈衝雷射光束的脈衝能量密度係被設定在低於鎳膜表面的最高到達溫度與鎳的熔點相等時之密度大小之範圍內。
如第3圖A所示，即使脈衝寬度在20ns時，亦能夠在鎳膜的厚度為30nm~250nm的範圍內，將界面的最高到達溫度設為950℃以上。例如，若將脈衝能量密度設為1.9J/cm2以上，則能夠在鎳膜的厚度為30nm~250nm的範圍內，將界面的最高到達溫度設為950℃以上。
如第3圖B所示，作為一例，在脈衝能量密度為1.8J/cm2以上的條件下，能夠藉由調節鎳膜的厚度來將界面的最高到達溫度設為950℃以上，並且將表面的最高到達溫度設為1455℃以下。
如第4圖A所示，脈衝寬度為30ns時亦能夠在鎳膜的厚度為30nm~200nm的範圍內，將界面的最高到達溫度設為950℃以上。雖然未在第4圖A中表示，但即使鎳膜的厚度為250nm以上時，亦能夠將界面的最高到達溫度設為950℃以上。例如，若將脈衝能量密度設為2.2J/cm2，則能夠在鎳膜的厚度為30nm~200nm的範圍內，將界面的最高到達溫度設為950℃以上。雖然未在第4圖A中表示，但即使鎳膜的厚度為250nm以上，只要調節脈衝能量密度，就能夠將界面的最高到達溫度設為950
℃以上。
如第4圖B所示，作為一例，在脈衝能量密度為2.2J/cm2以上的條件下，能夠藉由調節鎳膜的厚度來將界面的最高到達溫度設為950℃以上，並且將表面的最高到達溫度設為1455℃以下。
如第5圖A所示，脈衝寬度為50ns時亦能夠在鎳膜的厚度為30nm~250nm的範圍內，將界面的最高到達溫度設為950℃以上。例如，若將脈衝能量密度設為2.8J/cm2，則能夠在鎳膜的厚度為30nm~250nm的範圍內，將界面的最高到達溫度設為950℃以上。
如第5圖B所示，作為一例，在脈衝能量密度為2.8J/cm2以上的條件下，能夠藉由調節鎳膜的厚度來將界面的最高到達溫度設為950℃以上，並且將表面的最高到達溫度設為1455℃以下。
如參閱第2圖A~第5圖B進行說明，在脈衝寬度為10ns~50ns範圍內且鎳膜的厚度為30nm~250nm範圍內，能夠藉由調節脈衝能量密度來使界面的最高到達溫度成為950℃以上，並且在使表面的最高到達溫度成為1455℃以下之條件下進行退火。亦即能夠進行非熔融矽化物化。
若以將脈衝能量密度設為恒定的狀態延長脈衝寬度，則會導致峰值功率密度下降。因峰值功率密度的下降而界面的最高到達溫度會變得難以達到950℃。因此，如第2圖A、第3圖A、第4圖A、第5圖A所示，為了將界面
的最高到達溫度設為950℃以上，所需之脈衝能量密度會隨著脈衝寬度變長而增大。
若脈衝寬度小於10ns，則表面局部被加熱而熱量難以傳遞到界面。為了抑制表面的溫度上升而使熱量傳遞至界面，將脈衝寬度設為10ns以上為較佳。若脈衝寬度長於50ns，則會導致為了將界面的最高到達溫度設為950℃以上，而所需之脈衝能量密度會增大，從而退火效率下降。為了進行有效的退火，因此將脈衝寬度設為50ns以下為較佳。
接著，參閱第6圖A~第6圖B，對金屬膜16(第1圖E)使用鈦時的雷射退火為較佳之條件進行說明。在由4H-Si所構成之基板的表面形成鈦膜，並藉由模擬求出向鈦膜照射波長355nm的脈衝雷射光束時的基板與鈦膜的界面的最高到達溫度、及鈦膜表面的最高到達溫度。在第6圖A~第6圖B中表示模擬結果。
在第6圖A中，表示基板和鈦膜的界面(以下，簡稱為「界面」。)的最高到達溫度與鈦膜的厚度的關係。橫軸係將鈦膜的厚度以單位「nm」表示，縱軸係將界面的最高到達溫度以單位「℃」表示。第6圖B中，表示鈦膜的表面(以下，簡稱為「表面」。)的最高到達溫度與鈦膜的厚度的關係。橫軸係將鈦膜的厚度以單位「nm」表示，縱軸係將表面的最高到達溫度以單位「℃」表示。脈衝雷射光束的脈衝寬度Pw設為10ns。
第6圖A及第6圖B的菱形符號、四角形符號、三
角形符號、及圓形符號係分別表示鈦膜表面的脈衝能量密度(以下，簡稱為「脈衝能量密度」。)以0.8J/cm2、1.0J/cm2、1.2J/cm2、及1.4J/cm2的條件進行雷射退火之情況時的界面的最高到達溫度。鈦與鎳相比導熱率低，因此熱量難以傳遞到基板與鈦膜的界面。因此，將界面的溫度加熱到950℃時，與鈦膜表面的溫度上升相比，鎳膜表面的溫度上升較大。
如第6圖A所示，脈衝寬度為10ns時，能夠在鈦膜的厚度為30nm~150nm的範圍內，將界面的最高到達溫度設為950℃以上。
如第6圖B所示，作為一例，在脈衝能量密度為1.2J/cm2以上的條件下，能夠藉由調節鈦膜的厚度來將界面的最高到達溫度設為950℃以上，並且將表面的最高到達溫度設為鈦的熔點亦即1668℃以下。
從使用鎳膜時的模擬結果確認到，若延長脈衝寬度，則以維持界面的最高到達溫度成為950℃以上之退火條件之狀態，鎳膜的表面的溫度會變得難以上升。即使是使用鈦膜來代替鎳膜時，若延長脈衝寬度，就能夠以維持界面的最高到達溫度成為950℃以上之退火條件之狀態，抑制鈦膜的表面的溫度上升。
藉由模擬確認到在鈦膜的厚度為30nm~100nm的範圍內，存在有界面的最高到達溫度成為950℃且鈦膜表面的最高到達溫度成為1668℃以下之退火條件。確認到能夠在脈衝寬度為20ns以上且脈衝能量密度為1.6J/cm2以
上的條件下，進行非熔融矽化物化。脈衝能量密度係被設定在低於鈦膜表面的最高到達溫度成為與鈦的熔點相等時之密度大小之範圍內。
在上述模擬中，將脈衝雷射光束的波長設為355nm，但即使使用波長300nm~400nm的紫外線區域的脈衝雷射光束，亦能夠以大致相同的條件進行非熔融矽化物化。作為脈衝雷射光束能夠使用Nd：YAG雷射、Nd：YVO4雷射、Nd：YLF雷射等固態雷射的3倍諧波、準分子雷射等。
SiC吸收該波長區域的光，因此入射到金屬膜16(第1圖F)之脈衝雷射光束20達不到基板10的第2表面10B。因此，能夠抑制元件結構15的溫度上升。
在上述模擬中，將脈衝寬度Pw設定在10ns~50ns的範圍內，但在脈衝寬度Pw為50ns以上的範圍時亦存在有能夠進行非熔融矽化物化之退火條件。若脈衝寬度Pw成為50ns以上，則為了維持充分的峰值功率密度，將脈衝能量密度增高為較佳。
按照以上實施例說明了本發明，但是本發明並不限定於此，例如本領域技術人員顯然能夠進行各種變更、改良以及組合等。
Claims (6)
- 一種半導體裝置的製造方法，其特徵為，具有如下製程：在由碳化矽所構成之基板的第1表面形成由鎳或鈦所構成之金屬膜的製程；及向前述金屬膜照射具有紫外線區域的波長之脈衝雷射光束，而在前述基板與前述金屬膜的界面發生矽化物反應，藉此形成金屬矽化物膜的製程，在形成前述金屬矽化物膜之製程中，以前述金屬膜的表面不熔融之條件照射前述脈衝雷射光束。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置的製造方法，其中，前述脈衝雷射光束的波長在300nm~400nm的範圍內，前述金屬膜由鎳所構成，且前述金屬膜的厚度在30nm~250nm的範圍內。
- 如申請專利範圍第2項所述之半導體裝置的製造方法，其中，前述脈衝雷射光束的脈衝寬度為10ns以上，前述基板的前述第1表面的脈衝能量密度為1.3J/cm2以上，並且低於前述金屬膜表面的最高到達溫度成為與鎳的熔點相等時之密度大小。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置的製造方法，其中， 前述脈衝雷射光束的波長在300nm~400nm的範圍內，前述金屬膜由鈦所構成，且前述金屬膜的厚度在30nm~100nm的範圍內。
- 如申請專利範圍第4項所述之半導體裝置的製造方法，其中，前述脈衝雷射光束的脈衝寬度為10ns以上，前述基板的前述第1表面的脈衝能量密度為1.2J/cm2以上，並且低於前述金屬膜表面的最高到達溫度成為與鈦的熔點相等時之密度大小。
- 如申請專利範圍第1~5項中任一項所述之半導體裝置的製造方法，其中，在形成前述金屬膜之製程之前還包括如下製程：在前述基板的與前述第1表面相反的一側的第2表面形成元件結構的製程；及在形成前述元件結構之後，藉由磨削前述第1表面來使前述基板變薄的製程，在形成前述金屬膜之製程中，在變薄之前述基板的前述第1表面形成前述金屬膜。
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