JP3890311B2

JP3890311B2 - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP3890311B2
Application number: JP2003083667A
Authority: JP
Inventors: 裕司岡村; 政志松下
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP2004221513A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化シリコン半導体基板を用いたショットキバリアダイオード等の半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化シリコン（ＳｉＣ）半導体基板を用いたショットキバリアダイオード（ＳｃｈｏｔｔｋｙＢａｒｒｉｅｒＤｉｏｄｅ）の構造は、図９の（ｅ）に示すとおりである。ＳｉＣ半導体基板１００は、一方表面がシリコン面１１０であり、他方表面がカーボン面１２０である。シリコン面１１０側には、ＳｉＣエピタキシャル層１０１が形成されている。
【０００３】
シリコン面１１０には、たとえばチタン（Ｔｉ）金属層３０が形成されており、シリコン面１１０とＴｉ金属層３０との界面には、ショットキ接合が形成されている。また、外部電極との接続のための、たとえばアルミニウム（Ａｌ）などの金属ワイヤとの良好な接続性を確保するために、Ｔｉ金属層３０の表面には、たとえばＡｌ表面電極５０が形成されている。
一方、カーボン面１２０には、たとえばニッケル（Ｎｉ）金属層２０が形成されており、カーボン面１２０とＮｉ金属層２０との界面にはオーミック接合が形成されている。また、このショットキバリアダイオードを、たとえば銅（Ｃｕ）配線を有する外部基板上に良好に接続するために、Ｎｉ金属層２０の表面には、たとえば銀（Ａｇ）裏面電極４０が形成されている。
【０００４】
このショットキバリアダイオードの製造にあたっては、まず、図９（ａ）および図１０のステップＴ１，Ｔ２に示すように、シリコン面１１０にエピタキシャル層１０１を有するＳｉＣ半導体基板１００のカーボン面１２０にＮｉ金属層２０が成膜される（ステップＴ１）。そして、カーボン面１２０とＮｉ金属層２０との界面に良好なオーミック接合を形成するために、１０００℃で２０分間、Ｎｉ金属層２０の熱処理が行われる（ステップＴ２）。
【０００５】
次に、図９（ｂ）および図１０のステップＴ３に示すように、ＳｉＣ半導体基板１００のシリコン面１１０にＴｉ金属層３０が成膜される（ステップＴ３）。その後、図９（ｃ）および図１０のステップＴ４，Ｔ５に示すように、Ｔｉ金属層３０表面にレジスト６０が塗布されてパターニングが行われた後（ステップＴ４）、Ｔｉ金属層３０がエッチング処理される（ステップＴ５）。
そして、レジスト６０が除去された後、ＳｉＣ半導体基板１００と良好なショットキ接合を形成するために、図９（ｄ）および図１０のステップＴ６に示すように、４００℃で２０分間、Ｔｉ金属層３０の熱処理が行われる（ステップＴ６）。この後、Ａｌ表面電極５０およびＡｇ裏面電極４０が、それぞれＴｉ金属層３０およびＮｉ金属層の表面に形成されて（ステップＴ７）、図９（ｅ）に示すショットキバリアダイオードが形成される。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１６４５２８号公報
【非特許文献１】
宗宮重行・猪股吉三編，「新素材シリーズ炭化珪素セラミックス」，ローム株式会社半導体デバイス研究開発部，株式会社内田老鶴圃発行，１９８８年９月１５日，ｐ．１７７−１８２
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、Ｎｉ金属層２０およびＴｉ金属層３０は製造工程中で各々個別に成膜されて（ステップＴ１，Ｔ３）、それぞれ個別に熱処理される（ステップＴ２，Ｔ６）。そのため、少なくとも２回の熱処理が必要であるので、製造工程の短縮化が困難であるという問題がある。
また、オーミック電極としてＮｉ金属層２０が使用されているので、図１０のステップＴ２に示すように、１０００℃程度の高温で熱処理を行わなければ、Ｎｉ金属層２０とＳｉＣ半導体基板１のカーボン面１２０との界面に良好なオーミック接合を形成することができない。そのため、製造工程中の熱処理によって半導体装置の動作特性に悪影響が及ぶおそれがあり、製造歩留まりが悪いという問題もある。
【０００８】
そこで、この発明の１つの目的は、製造工程の短縮化を図ることができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
また、この発明の他の目的は、製造工程中の熱処理によって動作特性に悪影響が及ぶおそれのない半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、シリコン面（１１）およびカーボン面（１２）を有する炭化シリコン半導体基板（１）と、この炭化シリコン半導体基板の上記カーボン面にオーミック接合され、モリブデンからなるか、またはモリブデンとチタン、クロム、マンガン、ジルコニウム、タンタルおよびタングステンを含む群から選択される少なくとも１つの金属との合金からなるオーミック金属層（２）とを含むことを特徴とする半導体装置である。
【００１０】
なお、括弧内の数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
この構成によれば、モリブデンからなるか、またはモリブデンとチタン、クロム、マンガン、ジルコニウム、タンタルおよびタングステンを含む群から選択される少なくとも１つの金属との合金で、炭化シリコン半導体基板のカーボン面にオーミック接触するオーミック金属層が形成される。上記の金属材料は、珪化物の生成自由エネルギーおよび炭化物の生成自由エネルギーが、当該オーミック金属層を炭化シリコン半導体基板のカーボン面にオーミック接触させるための熱処理時の温度においても、いずれも負の値をとる。したがって、良好なオーミック接合を形成できる。しかも、上記のような金属材料は、比較的低温（たとえば、３００℃〜５００℃。当該半導体装置の動作時における炭化シリコン半導体基板の温度以上の温度が好ましい。）の熱処理で、炭化シリコン半導体基板との界面に良好なオーミック接合を形成する。したがって、熱処理による動作特性への悪影響を排除することができる。
【００１２】
請求項２記載の発明は、上記炭化シリコン半導体基板の上記カーボン面側の半導体層（１）におけるキャリア濃度が、１０¹⁸〜１０¹⁹／ｃｍ³ の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置である。
【００１３】
この構成によれば、オーミック金属層が接触する半導体層のキャリア濃度が十分に高いため、炭化シリコン半導体基板の表面にオーミック金属層が低抵抗で接合される。これにより、良好なオーミック接合を形成できる。
請求項３記載の発明は、上記オーミック金属層の表面に、さらに、当該オーミック金属層とは異なる金属材料からなる他の金属層（４）を成膜した多層金属構造（２，４）を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置である。
【００１４】
上記の他の金属層として、アルミニウムや金等の金属ワイヤ（ボンディングワイヤ）などと良好な密着性を有する金属材料を用いれば、素子の外部接続を良好に行うことができる。
たとえば、上記半導体装置を外部接続用の電極（外部電極）を設けたパッケージに装着する場合に、外部電極とオーミック金属層との間を金属ワイヤやリードフレームを用いて良好に接続できる。たとえば外部電極との間に接続される金属ワイヤが、アルミニウムワイヤである場合は、上記オーミック金属層上にアルミニウム（Ａｌ）、アルミニウムおよびシリコンの合金（Ａｌ／Ｓｉ）、またはアルミニウム、シリコンおよび銅の合金（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）の金属層を形成しておくことが好ましい。また、外部電極と上記オーミック金属層とを直接接続する場合、すなわち、たとえば、リードフレームにオーミック金属層側をダイボンディングする場合には、上記オーミック金属層の表面にたとえば銀（Ａｕ）や金（Ａｇ）の金属層を形成しておくことが好ましい。これにより、たとえば外部基板上に形成された銅（Ｃｕ）配線からなる外部基板に対してオーミック金属層を良好な密着性で接続することかできる。
【００１５】
また、オーミック金属層の表面に２層以上の金属層が設けられてもよい。
たとえば、本発明の範囲外の例であるが、オーミック金属層をチタン金属層で構成する場合に、このチタン金属層上にモリブデン金属層を積層し、さらにこのモリブデン金属層上にアルミニウム金属層またはＡｌ−Ｓｉ合金金属層などを積層した多層金属構造としてもよい。すなわち、アルミニウムやＡｌ−Ｓｉ合金はチタン金属層に対する密着性があまり良好ではないが、これらの間にモリブデン金属層を介在させることにより、各金属層間の界面で良好な密着状態が得られ、信頼性の高い半導体装置を作製することができる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、上記炭化シリコン半導体基板の上記カーボン面側の第１半導体層（１）におけるキャリア濃度が、当該炭化シリコン半導体基板の上記シリコン面（１１）側の第２半導体層（１０）におけるキャリア濃度よりも高く、上記シリコン面にショットキ接合され、上記オーミック金属層と同じ材料からなるショットキ金属層（３）をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置である。
【００１７】
この構成により、ＳｉＣ半導体のショットキバリアダイオードが得られる。炭化シリコン半導体基板の両面に同じ金属材料の金属層が形成されるので、いずれか一方の金属層の形成後に他方の金属層を形成しても、いずれかの金属層が汚染されるといったことがない。
また、オーミック金属層およびショットキ金属層を構成する金属材料は、いずれも、珪化物の生成自由エネルギーおよび炭化物の生成自由エネルギーが負の値をとる金属材料であるから、比較的低温の熱処理により、オーミック接合を形成することができる。そこで、オーミック金属層およびショットキ金属層を形成した後に、比較的低温の熱処理を行うと、キャリア濃度の比較的高い第１半導体層に接触するオーミック金属層は上記第１半導体層に良好にオーミック接合され、キャリア濃度が比較的低い第２半導体層に接触するショットキ金属層は、この第２半導体層との間に良好なショットキ接合を形成することになる。このようにして、比較的低温の１回の熱処理により、良好な特性のショットキバリアダイオードを作製することができる。
【００１８】
本願発明者の実験によれば、上記の構成のショットキバリアダイオードは、良好な耐圧を有することが判明している。また、ＳｉＣ半導体基板の両面に同一金属材料の金属層が形成されるので、基板両面の熱処理を一回にまとめることができるから、製造工程の短縮化を図ることができる。
請求項５記載の発明は、上記第１半導体層のキャリア濃度が、１０¹⁸〜１０¹⁹／／ｃｍ³ の範囲内であり、上記第２半導体層のキャリア濃度が、１０¹⁵〜１０¹⁶／ｃｍ³ の範囲内であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置である。
【００１９】
この構成によれば、第１半導体層に良好にオーミック接合するオーミック金属層を形成でき、第２半導体層に良好にショットキ接合するショットキ金属層を形成することができる。
請求項６記載の発明は、シリコン面（１１）およびカーボン面（１２）を有する炭化シリコン半導体基板（１）の上記カーボン面に接触するように、モリブデンからなるか、またはモリブデンとチタン、クロム、マンガン、ジルコニウム、タンタルおよびタングステンを含む群から選択される少なくとも１つの金属との合金からなるカーボン面側金属層（２）を成膜するカーボン面側金属層成膜工程と、このカーボン面側金属層成膜工程の後、上記カーボン面側金属層に所定温度の熱処理を施し、上記カーボン面側金属層と上記炭化シリコン半導体基板の上記カーボン面との間にオーミック接合を形成する熱処理工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００２０】
この発明によれば、比較的低温（３００℃〜５００℃。当該半導体装置の動作時における炭化シリコン半導体基板の温度以上の温度が好ましい。）の温度範囲の熱処理によって、炭化シリコン半導体基板のカーボン面にオーミック接合する金属層（オーミック金属層）を形成することができる。これにより、良好な特性の炭化シリコン半導体デバイスを作製することができる。
【００２１】
請求項７記載の発明は、上記炭化シリコン基板は、上記カーボン面側の第１半導体層（１）におけるキャリア濃度が、上記シリコン面側の第２半導体層（１０）におけるキャリア濃度よりも高いものであり、上記シリコン面に接触するように、上記カーボン面側金属層と同じ材料からなるシリコン面側金属層（３）を成膜するシリコン面側金属層成膜工程をさらに含み、上記熱処理工程は、上記カーボン面側金属層成膜工程および上記シリコン面側成膜工程の後、上記カーボン面側金属層およびシリコン面側金属層を同時に上記所定温度で熱処理することによって、上記カーボン面側金属層と上記第１半導体層との間にオーミック接合を形成するとともに、上記シリコン面側金属層と上記第２半導体層との間にショットキ接合を形成する工程であることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法である。
【００２２】
なお、シリコン面側金属層のパターニングが必要な場合には、シリコン面側金属層を先に成膜し、その後に、カーボン面側金属層を成膜するとよい。
この方法により、炭化シリコン半導体基板を用いたショットキバリアダイオードを作製することができる。この場合に、１回の熱処理によって、キャリア濃度が比較的高い第１半導体層においてはカーボン面側金属層をオーミック接合させることができ、キャリア濃度が比較的低い第２半導体層の表面においてはシリコン面側金属層をショットキ接合させることができる。このようにして、オーミック金属層およびショットキ金属層を形成するための熱処理を同時に行えるから、製造工程の短縮化を図ることができる。
【００２３】
請求項８記載の発明は、上記熱処理工程は、３００℃〜５００℃の温度範囲内で熱処理する工程であることを特徴とする請求項６または７記載の半導体装置の製造方法である。
この方法では、３００℃〜５００℃の低温の温度範囲で熱処理が行われるので、熱処理によりデバイス特性を悪化させることがない。
また、３００℃以下の温度で熱処理を行うと、良好なオーミック接合を形成することができないおそれがあり、また、熱処理に要する時間が長くなるから、製造工程の時間が長くなってしまい、製造効率の低下を招く。一方、５００℃以上の温度で熱処理を行うと、ショットキ接合とすべき界面がオーミック接合になってしまうおそれがある。そのため、３００℃〜５００℃の温度範囲内で熱処理を行えば、製造工程の時間が長くなるおそれもなく、さらに、良好なオーミック接合およびショットキ接合を形成することができる。
【００２５】
なお、炭化シリコン半導体基板と、これに接触する上記のような金属層との界面のショットキ接合がオーミック接合になる温度の上限は約５００℃であるので、３５０℃〜４５０℃の温度範囲内で上記熱処理工程が行われることが好ましい。これにより、製造工程中の熱処理温度によって、半導体装置の動作特性に影響が及ぶ虞れがなく、製造歩留りを向上することができる。
なお、上記カーボン面側金属層成膜工程の後に、上記カーボン面側金属層上にこのカーボン面側金属層の構成金属材料とは異なる金属材料からなる別の金属層を成膜する成膜工程を行い、上記シリコン面側金属層成膜工程の後に、上記シリコン面側金属層上にこのシリコン面側金属層の構成材料とは異なる金属材料からなる別の金属層を成膜する成膜工程を行うとともに、上記熱処理工程は、上記カーボン面側金属層および上記シリコン面側金属層上にそれぞれ上記別の金属層を成膜した後に行うことが好ましい。
【００２６】
これにより、上記カーボン面側金属層側の多層金属構造および上記シリコン面側金属層側の多層金属構造に対する熱処理を一括して行うことができる。この熱処理によって、カーボン面側金属層と炭化シリコン半導体基板との界面にはオーミック接合が形成され、シリコン面側金属層と炭化シリコン半導体基板の表面との界面にはショットキ接合が形成される。それとともに、カーボン面側金属層とその表面上の他の金属層との界面およびシリコン面側金属層とその表面上の他の金属層との界面の密着性も高めることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を図解的に示す断面図である。この半導体装置は、たとえば、ショットキバリアダイオード（ＳｃｈｏｔｔｋｙＢａｒｒｉｅｒＤｉｏｄｅ）であって、半導体基板として、たとえば、面方位が｛０００１｝でオフアングルが８°のＮ型ＳｉＣ半導体基板（たとえば４Ｈ−ＳｉＣエピウエハ）１が使用されており、このＳｉＣ半導体基板１には、ボロンのインプランテーションおよび比較的低温のアニール（約１０００℃）によるエッジターミネーション１５が形成されている。
【００２８】
ＳｉＣ半導体基板１は、一方表面がシリコン面１１であり、他方表面がカーボン面１２である。
シリコン面１１側には、厚さが１０μm程度でキャリア濃度が４．０×１０¹⁵／ｃｍ³〜８．０×１０¹⁵／ｃｍ³のＮ型ＳｉＣ半導体エピタキシャル層１０が形成されている。これにより、シリコン面１１側は、ＳｉＣ半導体基板１内のキャリア濃度が相対的にカーボン面１２側よりも低くなっており、カーボン面１２側はＳｉＣ半導体基板１内のキャリア濃度が相対的にシリコン面１１側よりも高くなっている。具体的には、シリコン面１１側のキャリア濃度は、１０¹⁵〜１０¹⁶／ｃｍ³の範囲内になり、カーボン面１２側のキャリア濃度は、１０¹⁸〜１０¹⁹／ｃｍ³の範囲内になる。
【００２９】
シリコン面１１側には、表面モリブデン金属層３（シリコン面側金属層）が形成されている。この表面モリブデン金属層３は、シリコン面１１の所定領域（エッジターミネーション１５で囲まれた領域）を被覆しており、表面モリブデン金属層３と表面モリブデン金属層３が接触しているシリコン面１１との界面には、ショットキ接合が形成されている。
また、モリブデン金属層３の表面には、表面電極として、モリブデン金属以外の金属で形成された表面金属層５が形成されている。表面金属層５は、表面モリブデン金属層３と良好な密着性を有する金属で形成されている。
【００３０】
たとえば、外部電極から延びるアルミニウム（Ａｌ）ワイヤと表面モリブデン金属層３側とがワイヤボンディングされる場合、表面金属層５は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）やアルミニウムおよびシリコンの合金（Ａｌ−Ｓｉ）若しくはアルミニウム、シリコンおよび銅の合金（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）等（アルミニウムに対して良好な密着性を示す金属）で形成されるのが好ましい。これにより、表面モリブデン金属層３およびＡｌワイヤは、表面金属層５を介して良好に電気接続されることになる。
【００３１】
一方、カーボン面１２側には、裏面モリブデン金属層２（カーボン面側金属層）が形成されている。裏面モリブデン金属層２は、カーボン面１２全体を被覆しており、裏面モリブデン金属層２と裏面モリブデン金属層２が接触しているカーボン面１２との界面には、オーミック接合が形成されている。
また、裏面モリブデン金属層２の表面には、裏面電極として、モリブデン金属以外の金属で形成された裏面金属層４が形成されている。裏面金属層４は、裏面モリブデン金属層２と良好な密着性を有する金属で形成されている。
【００３２】
たとえば、配線基板に形成された銅（Ｃｕ）配線と裏面モリブデン金属層２側とが接続される場合、この裏面金属層４は、たとえば金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）等（銅との密着性が良い金属）で形成されるのが好ましい。これにより、裏面モリブデン金属層２およびＣｕ配線は、裏面金属層４を介して良好に電気接続されることになる。
図２は、上記の構成のショットキバリアダイオードの製造工程を工程順に示す図解的な断面図であり、図３は、その製造工程を示すフローチャートである。
【００３３】
図２（ａ）および図３のステップＳ１に示すように、まず、シリコン面１１側に形成されたエピタキシャル層１０を有するＳｉＣ半導体基板１（エッジターミネーション１５の形成後のもの）のシリコン面１１上にＲＣＡ等の酸洗浄後、希フッ酸洗浄して、表面モリブデン金属層３が成膜される（ステップＳ１）。この表面モリブデン金属層３は、モリブデンターゲットにアルゴンイオンを衝突させることによるスパッタ法により成膜される。アルゴンガス導入前のスパッタチャンバ内の真空度は、たとえば１０^-3〜１０^-4Ｐａとされる。
【００３４】
表面モリブデン金属層３の成膜処理が終了すると、図２（ｂ）および図３のステップＳ２に示すように、表面モリブデン金属層３の表面にモリブデン以外の金属からなる金属層がスパッタ法によって成膜されて（ステップＳ２）、表面金属層５が形成される。この表面金属層５の成膜（ステップＳ２）は、表面モリブデン金属層３の成膜（ステップＳ１）が行われた処理チャンバと同じ処理チャンバで、チャンバ内を大気状態にせず高真空状態のままターゲットを交換して実行される、いわゆる連続スパッタ処理で行われる。このとき、連続スパッタせずに一度大気状態にするとＩ−Ｖ特性が悪くなるおそれがある（順方向立ち上がり電圧Ｖ_Fが高くなる等）。
【００３５】
次に、図２（ｃ）および図３のステップＳ３に示すように、表面モリブデン金属層３および表面金属層５のパターニングを行うために、レジスト６の塗布や露光処理などによるフォトリソグラフィ処理が実行される（ステップＳ３）。フォトリソグラフィ処理の終了後、図２（ｄ）および図３のステップＳ４に示すように、表面モリブデン金属層３および表面金属層５が、レジスト６をマスクとして一括してエッチングすることにより、エッジターミネーション１５によって囲まれた領域にパターニングされた後（ステップＳ４）、レジスト６が除去される。
【００３６】
この後、希フッ酸洗浄後、図２（ｅ）および図３のステップＳ５に示すように、裏面モリブデン金属層２が、スパッタ法によってＳｉＣ半導体基板１のカーボン面１２に成膜される（ステップＳ５）。このとき、裏面モリブデン金属層２とカーボン面１２との界面が良好なオーミック接合となるように、スパッタ時の順方向電圧をかける前に、逆方向電圧をかける逆スパッタを行うことが好ましい。これにより、ＳｉＣ半導体基板１のカーボン面１２表面にアルゴンイオンが照射されて、カーボン面１２上の不所望な酸化膜が取り除かれる。
【００３７】
裏面モリブデン金属層２の成膜処理が終了すると、図２（ｆ）および図３のステップＳ６に示すように、裏面モリブデン金属層２の表面にモリブデン以外の金属からなる金属層がスパッタ法によって成膜されて（ステップＳ６）、裏面金属層４が形成される。この裏面金属層４の成膜は、裏面モリブデン金属層２の成膜（ステップＳ５）が行われた処理チャンバと同じ処理チャンバで、チャンバ内を大気状態にせず高真空状態のままターゲットを交換して実行される、いわゆる連続スパッタ処理で行われる。このとき、連続スパッタせずに、一度大気状態にすると、Ｉ−Ｖ特性が悪くなるおそれがある（順方向立ち上がり電圧Ｖ_Fが高くなる等）。
【００３８】
このようにして、表面モリブデン金属層３および表面金属層５がＳｉＣ半導体基板１のシリコン面１１側に積層されて形成され、裏面モリブデン金属層２および裏面金属層４がＳｉＣ半導体基板１のカーボン面１２側に積層されて形成されてから、たとえば、４００℃、２０分間の熱処理が実行される（ステップＳ７）。この１回の熱処理により、シリコン面１１とシリコン面１１に形成された表面モリブデン金属層３との界面には良好なショットキ接合が形成されるとともに、表面モリブデン金属層３と表面金属層５との界面の密着力が高められる。それと同時に、カーボン面１２とカーボン面１２に形成された裏面モリブデン金属層２との界面には良好なオーミック接合が形成されるとともに、裏面モリブデン金属層２と裏面金属層４との界面の密着力が高められる。
【００３９】
すなわち、シリコン面にショットキ接合する金属とカーボン面にオーミック接合する金属とをモリブデンに統一したことによって、２つのモリブデン金属層２，３および２つの金属層４，５に関する熱処理を一括して行うことができる。これにより、ショットキバリアダイオードの製造工程を著しく短縮できる。
熱処理温度は３００℃〜５００℃の温度範囲内（たとえば、３５０℃〜４５０℃）とされる。これにより、従来、Ｎｉ金属層を使用していた場合に必要であった１０００℃の熱処理よりもはるかに低温の処理で足りるので、製造工程中の熱処理温度によって、ショットキバリアダイオードの動作特性に悪影響が及ぶおそれがなく、製造歩留まりを改善することができる。
【００４０】
ここで、たとえば３００℃以下の温度で熱処理を行えば、カーボン面１２とカーボン面１２に接触して形成された裏面モリブデン金属層２との界面では良好なオーミック接合を形成することができず、さらに、製造工程の時間が長くなってしまい、製造効率の低下を招く。また、５００℃以上の温度で熱処理を行えば、シリコン面１１とシリコン面１１に接触して形成された表面モリブデン金属層３との界面のショットキ接合がオーミック接合になってしまう。そのため、３００℃〜５００℃の温度範囲内で熱処理を行えば、製造工程の時間が長くなるおそれもなく、カーボン面１２とカーボン面１２に接触して形成された裏面モリブデン金属層２との界面には良好なオーミック接合を形成することができる。同時に、シリコン面１１とシリコン面１１に接触して形成された表面モリブデン金属層３との界面には、良好なショットキ接合を形成することができる。
【００４１】
シリコン面１１とシリコン面１１に接触して形成された表面モリブデン金属層３との界面のショットキ接合がオーミック接合になる温度の上限は５００℃であるので、３５０℃〜４５０℃の温度範囲内で熱処理工程が行われることがより好ましい。
このようにして製造されたショットキバリアダイオードは、逆方向降伏電圧が６００Ｖ〜１０００Ｖとなり、さらに、順方向立ち上がり電圧が１．３Ｖ／１Ａとなって、良好な動作特性を示す。これにより、ＳｉＣ半導体基板１の両面にモリブデン金属層２，３を共通に使用して製造工程の短縮を図っても、充分に実用にたえるショットキバリアダイオードを製造することができる。
【００４２】
同様の特性のショットキバリアダイオードは、モリブデン（Ｍｏ）の代わりに、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）もしくはタングステン（Ｗ）、またはこれらから選択される２つ以上の金属の合金を、オーミック接合およびショットキ接合の形成のための金属層２，３の材料として共通に用いても得ることができる。モリブデンの場合も同様であるが、これらの金属は、ＳｉＣと次のような化学反応式に従う反応を示す。
【００４３】
ＳｉＣ＋Ｍ → Ｍ_xＳｉ_y＋Ｍ_mＣ_n
ただし、Ｍは金属を表わす。ｘ，ｙ，ｍ，ｎは自然数である。
すなわち、上記のような金属は、ＳｉＣの中のＳｉおよびＣの両方と反応し、その結果、ＳｉＣとの界面にオーミック接合を形成し易い。
これに対して、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）および鉛（Ｐｂ）などの金属は、
ＳｉＣ＋Ｍ → Ｍ_xＳｉ_y＋Ｃ
のような反応となり、ＳｉＣ中のＣとのみ反応する。また、アルミニウム（Ａｌ）などは、
ＳｉＣ＋Ｍ → Ｍ_mＣ_n＋Ｓｉ
のような反応となり、ＳｉＣ中のＳｉとのみ反応する。
【００４４】
つまり、鉄、ニッケル、銅、鉛およびアルミニウムなどの金属は、ＳｉＣ中のＣまたはＳｉのいずれかとだけ反応するので、ＳｉＣとの界面にオーミック接合を形成しにくい。
モリブデン、チタン、クロム、マンガン、ジルコニウム、タンタルおよびタングステンは、それらの金属の珪化物の生成自由エネルギー（ギブスの生成自由エネルギーΔＧ）が零未満（負の値）であり、かつ、それらの金属の炭化物の生成自由エネルギーも零未満である。生成自由エネルギーは、小さいほど生成化学反応が生じやすく、負の値の場合には化学反応が自発的に進み、正の値の場合には、その生成物を生成するための化学反応を進行させるために、外部からエネルギーを与える必要がある。
【００４５】
したがって、珪化物の生成自由エネルギーおよび炭化物の生成自由エネルギーがいずれも負の値となる上記の金属群は、ＳｉＣ中のＳｉおよびＣの両方と容易に反応し、良好なオーミック接合を形成する物質であると言える。
図４は、モリブデン、チタンおよびニッケルの珪化物の生成自由エネルギーを示している。この図４から、モリブデン、チタンおよびニッケルは、４００℃〜１０００℃の温度範囲において、いずれも珪化物の生成自由エネルギーが負の値をとることがわかる。
【００４６】
図５は、モリブデン、チタン、ニッケルおよびアルミニウムについて、それらの炭化物の生成自由エネルギーを示した図である。この図５から、アルミニウム、モリブデンおよびチタンは、４００℃〜１０００℃の温度範囲において、炭化物の生成自由エネルギーが負の値をとることがわかる。これに対して、ニッケルの炭化物であるＮｉ₃Ｃの生成自由エネルギーは、４００℃〜１０００℃の温度範囲において正の値をとる。このことから、ニッケルの金属膜をＳｉＣ半導体基板の表面に形成しても、良好なオーミック接合を得にくいことが理解される。
【００４７】
また、図４には現れていないが、アルミニウムは、Ｓｉと反応して珪化物を生成せず、それゆえ、珪化物の生成自由エネルギーは、図４に示すことができないほど大きな値である。よって、アルミニウムの金属層をＳｉＣ半導体基板表面に形成しても、やはり良好なオーミック接合を得ることができない。
ＳｉＣ半導体基板の表面に良好なオーミック接合を形成するためには、炭化物および珪化物の生成自由エネルギーがいずれも低いほどよいから、モリブデンよりもチタンを用いた方が良好なオーミック接合を形成できる。
【００４８】
また、上記の図４および図５は、非特許文献１の記述に基づいて作成したものであるが、この非特許文献１の記載によれば、ジルコニウムは、チタンよりもさらに、珪化物および炭化物の生成自由エネルギーが低い。したがって、チタンよりもジルコニウムを用いた方がさらに良好なオーミック接合を形成できると考えられる。
本願の発明者は、ＳｉＣ半導体基板１の両面にモリブデン金属層２，３を接合させて作製したショットキバリアダイオードに関し、シリコン面およびカーボン面と金属層２，３との界面を、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）で観察した。
【００４９】
その結果、カーボン面１２においては、ＳｉＣ結晶界面に周期性のある結晶構造を維持した準結晶と考えられる厚さ約３０Åの領域ができていることを確認した。すなわち、ＳｉＣ半導体基板１の表面にモリブデン金属が十分に拡散し、良好なオーミック接合が得られていることが確認された。
一方、シリコン面１１においては、モリブデン金属層３とＳｉＣ半導体基板１との界面に、厚さ約１０Åの非結晶合金領域が形成されていることが確認された。これにより、シリコン面においては、良好なショットキ接合が形成されていると言える。
【００５０】
さらに本願発明者は、シリコン面１１とモリブデン金属層３の界面にある非結晶合金領域をエネルギー分散型Ｘ線分光法（Energy Disperse X-ray：ＥＤＸ）により分析している。その分析結果によれば、非結晶合金領域には酸素原子が含まれていることが確認されている。
同様に、本願発明者は、カーボン面１２とモリブデン金属層２との間の界面のＥＤＸ分析を行っており、その結果から、準結晶を形成していると思われるＳｉＣ／Ｍｏ拡散領域において酸素原子が存在することが確認されている。
【００５１】
このように、ＳｉＣ半導体基板１のカーボン面１２におけるオーミック接合部にも酸素原子が存在しているのは、空気中で洗浄処理等を行った結果であると考えられるが、それでもなお、上記実施形態のショットキバリアダイオードは、良好な特性を示すことが確認されている。
すなわち、図６には、上記ショットキバリアダイオードにおける順方向電圧Ｖ_Fに対する順方向電流Ｉ_Fの関係が示されているが、曲線Ｌ１で示す従来のＳｉＣショットキバリアダイオード（オーミック電極にＮｉ、ショットキ電極にＴｉを用いたもの）に比較して、モリブデン金属層２，３をカーボン面１２およびシリコン面１１に共通に適用した上記の実施形態に係るＳｉＣショットキバリアダイオードでは、曲線Ｌ２に示すように、順方向電流の良好な立ち上がり特性が得られた。すなわち、順方向立ち上がり電圧Ｖ_Fを低くすることができた。
【００５２】
さらに、ＳｉＣ半導体基板のカーボン面およびシリコン面にチタンおよびモリブデンの合金（Ｔｉ−Ｍｏ）からなる金属層を適用した場合には、曲線Ｌ３で示すように、モリブデン金属層を用いた場合よりもさらに良好な順方向立ち上がり特性が得られた。
なお、曲線Ｌ０は、Ｓｉ半導体基板を用いたショットキバリアダイオードの特性を示す。
【００５３】
また、図７には、ＳｉＣショットキバリアダイオードのオン抵抗特性が示されている。曲線Ｌ１１は、シリコン半導体デバイスにおけるオン抵抗の限界値を示し、曲線Ｌ１２は、４Ｈ−ＳｉＣ半導体デバイスにおけるオン抵抗の限界値を示している。
モリブデン金属層をＳｉＣ半導体基板のカーボン面およびシリコン面に形成した上記実施形態のショットキバリアダイオードは、ポイントＰ１で示すように、極めて低いオン抵抗を示した。また、ＳｉＣ半導体基板の両面にチタン金属層を適用すれば、領域Ａの付近のオン抵抗特性が得られると期待される。
なお、従来品（オーミック電極にＮｉを用い、ショットキ電極にＴｉを用いたもの）のオン抵抗特性は、ポイントＰ１０で示されている。
【００５４】
図８は、ＳｉＣ半導体基板の両面にチタン金属層を形成してショットキバリアダイオードを作成する場合の構造例を示す図解的な断面図である。この構造例では、ＳｉＣ半導体基板１の両面のチタン金属層の表面にモリブデン金属層がそれぞれ形成され、ショットキ電極側には、モリブデン金属層上にアルミニウムワイヤとの接着性に優れるＡｌ−Ｓｉ合金層が形成されている。また、オーミック電極側のモリブデン金属層上には、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）または金および銀の合金（Ａｕ−Ａｇ）からなる金属層が形成されていて、リードフレーム等への良好なダイボンディングができるようになっている。
【００５５】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、上記の実施形態では、ＳｉＣ半導体基板の両面にモリブデン等からなる金属層を形成してショットキバリアダイオードを構成する例について説明したが、この発明は、ＳｉＣ半導体基板を用いた接合型電界効果トランジスタ（Junction field effect transistor）や、ＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）や、集積回路素子のように、ＳｉＣ半導体基板の表面にオーミック接合する電極（ソース電極、ドレイン電極など）を設ける必要のある任意のＳｉＣ半導体デバイスに適用することができる。
【００５６】
また、上記の実施形態では、Ｎ型ＳｉＣ半導体基板を用いる例について説明したが、Ｐ型ＳｉＣ半導体基板が用いられる場合も同様にして、ショットキバリアダイオード等のＳｉＣ半導体デバイスを作製することができる。
【００５７】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかる半導体装置の構造を図解的に示す断面図である。
【図２】この発明の一実施形態にかかるショットキバリアダイオードの製造工程を工程順に示す図解図である。
【図３】この発明の一実施形態にかかるショットキバリアダイオードの製造工程を工程順に示すフローチャートである。
【図４】珪化物の生成自由エネルギーを示す図である。
【図５】炭化物の生成自由エネルギーを示す図である。
【図６】ショットキバリアダイオードの順方向電圧対順方向電流特性を示す図である。
【図７】ショットキバリアダイオードのオン抵抗特性を示す図である。
【図８】炭化シリコン半導体基板の両面にチタン金属層を形成したショットキバリアダイオードの構造例を示す図解的な断面図である。
【図９】従来のショットキバリアダイオードの製造工程を工程順に示す図解図である。
【図１０】従来のショットキバリアダイオードの製造工程を工程順に示すフローチャートである。
【符号の説明】
１炭化シリコン半導体基板
２裏面モリブデン金属層
３表面モリブデン金属層
４裏面金属層
５表面金属層
１１シリコン面
１２カーボン面

Claims

シリコン面およびカーボン面を有する炭化シリコン半導体基板と、
この炭化シリコン半導体基板の上記カーボン面にオーミック接合され、モリブデンからなるか、またはモリブデンとチタン、クロム、マンガン、ジルコニウム、タンタルおよびタングステンを含む群から選択される少なくとも１つの金属との合金からなるオーミック金属層とを含むことを特徴とする半導体装置。
上記炭化シリコン半導体基板の上記カーボン面側の半導体層におけるキャリア濃度が、１０¹⁸〜１０¹⁹／ｃｍ³の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
上記オーミック金属層の表面に、さらに、当該オーミック金属層とは異なる金属材料からなる他の金属層を成膜した多層金属構造を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
上記炭化シリコン半導体基板の上記カーボン面側の第１半導体層におけるキャリア濃度が、当該炭化シリコン半導体基板の上記シリコン面側の第２半導体層におけるキャリア濃度よりも高く、
上記シリコン面にショットキ接合され、上記オーミック金属層と同じ材料からなるショットキ金属層をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置。
上記第１半導体層のキャリア濃度が、１０¹⁸〜１０¹⁹／ｃｍ³の範囲内であり、
上記第２半導体層のキャリア濃度が、１０¹⁵〜１０¹⁶／ｃｍ³の範囲内であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
シリコン面およびカーボン面を有する炭化シリコン半導体基板の上記カーボン面に接触するように、モリブデンからなるか、またはモリブデンとチタン、クロム、マンガン、ジルコニウム、タンタルおよびタングステンを含む群から選択される少なくとも１つの金属との合金からなるカーボン面側金属層を成膜するカーボン面側金属層成膜工程と、
このカーボン面側金属層成膜工程の後、上記カーボン面側金属層に所定温度の熱処理を施し、上記カーボン面側金属層と上記炭化シリコン半導体基板の上記カーボン面との間にオーミック接合を形成する熱処理工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
上記炭化シリコン基板は、上記カーボン面側の第１半導体層におけるキャリア濃度が、上記シリコン面側の第２半導体層におけるキャリア濃度よりも高いものであり、
上記シリコン面に接触するように、上記カーボン面側金属層と同じ材料からなるシリコン面側金属層を成膜するシリコン面側金属層成膜工程をさらに含み、
上記熱処理工程は、上記カーボン面側金属層成膜工程および上記シリコン面側成膜工程の後、上記カーボン面側金属層およびシリコン面側金属層を同時に上記所定温度で熱処理することによって、上記カーボン面側金属層と上記第１半導体層との間にオーミック接合を形成するとともに、上記シリコン面側金属層と上記第２半導体層との間にショットキ接合を形成する工程であることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
上記熱処理工程は、３００℃〜５００℃の温度範囲内で熱処理する工程であることを特徴とする請求項６または７記載の半導体装置の製造方法。