(57)【要約】【課題】ＳｉＣ基板に対する接触抵抗が低くて、密着性に優れ、尚且つ、高温環境や大電力条件において動作可能なＳｉＣ半導体デバイス、及びその製造方法を提供する。【解決手段】ＳｉＣ基板上にＮｂを成膜し、熱処理して得られたＮｂ電極と、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、及びＡｕからなる群から選ばれたいずれか１種又は２種以上からなる金属電極とを備えたＳｉＣ半導体デバイスであって、前記Ｎｂ電極が、ＮｂとＳｉを含んだ厚さ０．０６μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂシリサイド層、ＮｂとＣを含んだ厚さ０．０６μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂカーバイド層、及び厚さ０．０１μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂ層を有するＳｉＣ半導体デバイスであり、また、所定の熱処理によって上記ＳｉＣ半導体デバイスを製造するＳｉＣ半導体デバイスの製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板上にＮｂを成膜し、熱処理して得られたＮｂ電極と、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、及びＡｕからなる群から選ばれたいずれか１種又は２種以上からなり、Ｎｂ電極上に形成された金属電極とを備えたＳｉＣ半導体デバイスであって、前記Ｎｂ電極が、ＳｉＣ基板側から順に、ＮｂとＳｉを含んだ厚さ０．０６μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂシリサイド層、ＮｂとＣを含んだ厚さ０．０６μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂカーバイド層、及び厚さ０．０１μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂ層を有することを特徴とするＳｉＣ半導体デバイス。
【請求項２】
Ｎｂシリサイド層、Ｎｂカーバイド層、及びＮｂ層の合計の厚みが１．０μｍ以下である請求項１に記載のＳｉＣ半導体デバイス。
【請求項３】
Ｎｂカーバイド層の厚さがＮｂシリサイド層の厚さの７０％以上１００％以下である請求項１又は２に記載のＳｉＣ半導体デバイス。
【請求項４】
金属電極の膜厚が０．０５μｍ以上６．０μｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載のＳｉＣ半導体デバイス。
【請求項５】
Ｎｂシリサイド層が、Ｎｂ３Ｓｉ及びＮｂ５Ｓｉ３を含む請求項１〜４のいずれかに記載のＳｉＣ半導体デバイス。
【請求項６】
Ｎｂカーバイド層が、Ｎｂ２Ｃ及びＮｂ６Ｃ５を含む請求項１〜４のいずれかに記載のＳｉＣ半導体デバイス。
【請求項７】
ＳｉＣ基板上にＮｂを成膜し、非酸化性雰囲気下、９００℃以上で熱処理してＮｂ電極を形成した後、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、及びＡｕからなる群から選ばれたいずれか１種又は２種以上を成膜して金属電極を形成するＳｉＣ半導体デバイスの製造方法であって、ＳｉＣ基板上に０．０９μｍ以上０．８１μｍ以下の膜厚でＮｂを成膜して熱処理することで、ＳｉＣ基板側から順に、ＮｂとＳｉを含む厚さ０．０６μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂシリサイド層、ＮｂとＣを含む厚さ０．０６μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂカーバイド層、及び厚さ０．０１μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂ層を備えたＮｂ電極を形成することを特徴とするＳｉＣ半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
Ｎｂシリサイド層がＮｂ３Ｓｉ及びＮｂ５Ｓｉ３を含み、Ｎｂカーバイド層がＮｂ２Ｃ及びＮｂ６Ｃ５を含む請求項７に記載のＳｉＣ半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
金属電極を０．０５μｍ以上６．０μｍ以下の膜厚で成膜する請求項７又は８に記載のＳｉＣ半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＳｉＣ半導体デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＣ（炭化珪素）半導体は、Ｓｉ半導体に比べてバンドギャップが約３倍であり、また、絶縁破壊電圧はＳｉの約１０倍、熱伝導率はＳｉの約３倍であることから、Ｓｉ半導体では不可能な大電力条件及び高温環境で利用することができ、注目が集まっている。従来のＳｉ半導体の動作温度は高温でも１７５℃程度であるが、ＳｉＣ半導体ではこれより高い温度で動作させることができ、その特性を発揮させるために、２００℃以上、好適には２５０℃以上で動作可能なデバイスの開発が強く望まれている。
【０００３】
このＳｉＣ半導体を用いて、高温環境において高速作動が可能なデバイス作製を実現するには、少なくとも、高温環境における密着性が高く、かつ接触抵抗の低い、高温信頼性に優れた電極を形成する技術が不可欠になる。すなわち、ＳｉＣ半導体と電極との接触（コンタクト）には、界面で密着強度低下の原因となるボイドやき裂が発生せず、更には、電流ＯＮ／ＯＦＦのスイッチング速度を遅延させないためにその接触抵抗はできるだけ低くなくてはならない。また、ショットキーコンタクトのような整流作用が存在しないオーミックコンタクトが必要であることは言うまでもない。
【０００４】
ＳｉＣ半導体における電極の形成については、ＳｉＣ半導体上に電極材料となる金属をスパッタ蒸着等の手法を用いて形成した後、高温で熱処理を行うＰＤＡ法（Post Deposition Annealing）により、ショットキー障壁が低いＳｉＣ半導体／電極界面を形成し、オーミック性を確保する方法がある。例えば、非特許文献１に示されるように、ＮｉをＳｉＣ半導体に蒸着し、不活性雰囲気又は真空中で、１０００℃以上で３０分間熱処理することで、ＳｉＣ半導体との界面にＮｉ及びＳｉを含んだＮｉシリサイド反応層を設けた電極が知られている。
【０００５】
ところが、非特許文献２に示されるように、ＮｉがＳｉＣと反応してＮｉシリサイドを形成する際に残留生成物として余剰なＣが発生し、それに起因して生じるボイドによって、ＳｉＣ半導体／Ｎｉ電極の界面での密着強度が低下することが判明している。このような密着強度の低い電極を高温環境で用いると、ボイドを起点としてき裂が発生し故障の原因となる。
【０００６】
そこで、特許文献１に記載の発明においては、余剰のＣの発生を防ぐために、Ｎｉ電極とＳｉＣとの間にＣと結合し易い金属であるＴｉを約８００ｎｍ配して、１０００℃で２分間熱処理することで、炭化物を形成させて密着性を改善する技術を開示している。しかしながら、この場合、ＴｉＣのような二元系炭化物のほかに、Ｔｉ３ＳｉＣ２などの電気抵抗の高い三元系炭化物が形成されて接触抵抗が上昇してしまうことから、高温環境において低い接触抵抗を安定して得るのが難しいと言う問題がある。
【０００７】
また、特許文献２には、ＳｉＣ単結晶にＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗの中からの一種類の金属の合金又は一種類の金属の積層膜を積層した後に熱処理することによって、合金／半導体界面に金属珪化物、金属炭化物及び金属、珪素、炭素からなる複合化合物の複数種類を含む層を形成し、オーム性電極としたことを特徴とする電極が記載されている。すなわち、この技術は、ＳｉＣに対して接触抵抗が低く、かつ高温環境下での安定性に優れたオーミック性を得ようとするものである。しかしながら、この特許文献２記載の方法では、ＳｉＣ基板と電極との間に形成される各化合物層の厚さが明確でなく、例えば、金属炭化物の厚さが薄くなると、高温環境で使用した場合に上記で述べたような余剰Ｃに起因するボイドが発生し、密着性が不十分になるおそれがある。つまり、高温環境における高い密着性と低抵抗化とを両立することが困難である。
【０００８】
ところで、ＳｉＣ半導体デバイスを実装する際には、半導体素子上の電極と外部端子との間を接続する必要があり、その方法としてボンディングワイヤやはんだボールを利用した接続方法が用いられる。これらの接続方法を用いる場合、電極の最表面層には電気抵抗が低い材料、すなわちＡｌやＣｕ等を用いるのが一般的である。ところが、例えばＮｉを用いた電極では、電極作製時の熱処理によって電極の表面にＣが偏析して凹凸が発生し、ＡｌやＣｕと十分な密着強度を得ることが困難になる。そのため剥離発生の原因となってしまうほか、電極作製時に剥離が発生しなくても、高温環境で長時間使用した場合には密着強度や抵抗低下の原因となるため、ＳｉＣが本来備える高温での動作特性を十分に引き出すことができない。
【０００９】
ここで、非特許文献３には、ＳｉＣ基板上にＮｂを成膜して１０００℃で熱処理することで、Ｎｂ及びＳｉを含んだＮｂシリサイド層と、Ｎｂ及びＣを含んだＮｂカーバイド層とを有したＮｂ電極を形成することが記載されている。このようなＮｂ電極によれば、ＣがＮｂカーバイド層として利用されるため、Ｎｂ電極の表面でのＣの偏析を防ぐことができると考えられる。そして、この非特許文献３では、Ｎｂ電極上にＡｌを成膜した上でＡｕのワイヤボンディングテストを行い、Ｎｉ電極にＡｌを成膜した場合と比べて、優れた密着性が得られたことを確認している。ところが、このようなＡｌ／Ｎｂ電極では２５０℃以上のような高温動作における密着強度（高温信頼性）を十分に得ることはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−２０８４３８号公報
【特許文献２】特開平８−６４８００号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】A. V. Naumov et.al. Sov. Phys. Semicond. 21, 377(1987)
【非特許文献２】J. H. Park and P. H. Holloway, J. Vac. Sci. Technol. B23, 486(2005)
【非特許文献３】Kunhwa Jung, Yuji Sutou, Junichi Koike, Thin Solid Films 520(2012) 6922-6928
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の目的は、ＳｉＣ基板に対する接触抵抗が低くて、密着性に優れ、尚且つ、高温環境や大電力条件において動作可能なＳｉＣ半導体デバイスを提供することにある。
【００１３】
また、本発明の別の目的は、このようなＳｉＣ半導体デバイスの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
そこで、本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、ＳｉＣ基板上にＮｂを成膜して熱処理することで、Ｎｂシリサイド層、Ｎｂカーバイド層、及びＮｂ層を備えたＮｂ電極を形成すると共に各層を所定の厚さにし、更にこのＮｂ電極の上には、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、及びＡｕからなる群から選ばれたいずれか１種又は２種以上からなる金属電極を設けることで、ＳｉＣ基板との界面や各膜での界面において、いずれも高温環境における密着性や接触抵抗に優れたものを得ることができ、しかも、高温動作が可能な半導体デバイスを実現できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１５】
すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）ＳｉＣ基板上にＮｂを成膜し、熱処理して得られたＮｂ電極と、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、及びＡｕからなる群から選ばれたいずれか１種又は２種以上からなり、Ｎｂ電極上に形成された金属電極とを備えたＳｉＣ半導体デバイスであって、前記Ｎｂ電極が、ＳｉＣ基板側から順に、ＮｂとＳｉを含んだ厚さ０．０６μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂシリサイド層、ＮｂとＣを含んだ厚さ０．０６μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂカーバイド層、及び厚さ０．０１μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂ層を有することを特徴とするＳｉＣ半導体デバイス。
（２）Ｎｂシリサイド層、Ｎｂカーバイド層、及びＮｂ層の合計の厚みが１．０μｍ以下である（１）に記載のＳｉＣ半導体デバイス。
（３）Ｎｂカーバイド層の厚さがＮｂシリサイド層の厚さの７０％以上１００％以下である（１）又は（２）に記載のＳｉＣ半導体デバイス。
（４）金属電極の膜厚が０．０５μｍ以上６．０μｍ以下である（１）〜（３）のいずれかに記載のＳｉＣ半導体デバイス。
（５）Ｎｂシリサイド層が、Ｎｂ３Ｓｉ及びＮｂ５Ｓｉ３を含む（１）〜（４）のいずれかに記載のＳｉＣ半導体デバイス。
（６）Ｎｂカーバイド層が、Ｎｂ２Ｃ及びＮｂ６Ｃ５を含む（１）〜（４）のいずれかに記載のＳｉＣ半導体デバイス。
【００１６】
（７）ＳｉＣ基板上にＮｂを成膜し、非酸化性雰囲気下、９００℃以上で熱処理してＮｂ電極を形成した後、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、及びＡｕからなる群から選ばれたいずれか１種又は２種以上を成膜して金属電極を形成するＳｉＣ半導体デバイスの製造方法であって、ＳｉＣ基板上に０．０９μｍ以上０．８１μｍ以下の膜厚でＮｂを成膜して熱処理することで、ＳｉＣ基板側から順に、ＮｂとＳｉを含む厚さ０．０６μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂシリサイド層、ＮｂとＣを含む厚さ０．０６μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂカーバイド層、及び厚さ０．０１μｍ以上０．５μｍ以下のＮｂ層を備えたＮｂ電極を形成することを特徴とするＳｉＣ半導体デバイスの製造方法。
（８）Ｎｂシリサイド層がＮｂ３Ｓｉ及びＮｂ５Ｓｉ３を含み、Ｎｂカーバイド層がＮｂ２Ｃ及びＮｂ６Ｃ５を含む（７）に記載のＳｉＣ半導体デバイスの製造方法。
（９）金属電極を０．０５μｍ以上６．０μｍ以下の膜厚で成膜する（７）又は（８）に記載のＳｉＣ半導体デバイスの製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＳｉＣ半導体との界面での接触抵抗が低くて、密着性にも優れ、尚且つ、高温環境や大電力条件における動作の信頼性を高めたＳｉＣ半導体デバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明におけるＳｉＣ半導体デバイスの一例の構造を示すための断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明について詳しく説明する。
本発明におけるＳｉＣ半導体デバイスは、ＳｉＣ基板上に成膜したＮｂを熱処理して得られたＮｂ電極と、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、及びＡｕからなる群から選ばれたいずれか１種又は２種以上からなり、Ｎｂ電極上に形成された金属電極とを備えるものである。
【００２０】
本発明においては、図１に示した模式図のように、Ｎｂ電極を得るための熱処理により、ＳｉＣ基板上には、Ｎｂ及びＳｉを含んだ低抵抗のＮｂシリサイド層が形成される。その際、後述するように、ＳｉＣ基板との界面にはＮｂ５Ｓｉ３が存在してオーミック性が確保され、ほぼ平坦な面を保っているものと考えられる。また、Ｎｂシリサイド層の形成における反応で余剰となったＣは、Ｎｂシリサイド層上に形成されるＮｂカーバイド層で炭化物として利用される。このＮｂシリサイド層とＮｂカーバイド層との界面は凹凸であると考えられるが、余剰のＣがＮｂカーバイド層の形成に使われるため、ＳｉＣ基板／Ｎｂ電極の界面においてボイドの発生を防ぐことができ、優れた密着性を得ることができる。更には、Ｎｂカーバイド層上には熱処理によって反応しなかったＮｂ層が存在し、このＮｂ層は凹凸のない平滑な表面を有することから、Ｎｂ電極上に形成する金属電極との間に高い密着性が付与される。
【００２１】
ここで、Ｎｂ電極を形成する各層の厚さについては、Ｎｂシリサイド層は０．０６μｍ以上０．５μｍ以下、好ましくは０．０６μｍ以上０．３μｍ以下であり、Ｎｂカーバイド層は０．０６μｍ以上０．５μｍ以下、好ましくは０．０６μｍ以上０．３μｍ以下であり、Ｎｂ層は０．０１μｍ以上０．５μｍ以下、好ましくは０．０３μｍ以上０．５μｍ以下となるようにする。このうち、Ｎｂシリサイド層とＮｂカーバイド層の厚みについては、０．０６μｍ未満であるとＳｉＣ基板／Ｎｂ電極での界面の強度が十分に得られず、２００℃以上の高温環境下で剥離が生じるおそれがある。反対に、これらの厚みが０．５μｍを超えると高温環境下でのＳｉＣ基板／Ｎｂ電極の接触抵抗が増加し、スイッチング速度の低下につながってしまう。
【００２２】
一方で、Ｎｂ層の厚みが０．０１μｍ未満であると、Ｎｂカーバイド層が有する表面凹凸の影響を受けてしまい、金属電極との間の密着強度が低下してしまうおそれがある。反対に、Ｎｂ層の厚みが０．５μｍを超えると、抵抗の増加によってスイッチング速度が低下してしまう。これらのとおり、ＳｉＣ半導体デバイスを２００℃以上、好適には２５０℃以上の高温環境で動作させることを考えると、Ｎｂ電極を形成する各層の厚みの制御が重要になる。また、Ｎｂシリサイド層、Ｎｂカーバイド層、及びＮｂ層の合計の厚みは１．０μｍ以下になるようにするのが好ましい。すなわち、これらの層から形成されるＮｂ電極の膜厚を１．０μｍ以下にすることで、ＳｉＣ半導体デバイスにおける電気抵抗をより小さくすることができる。
【００２３】
上記のようなＮｂ電極を得るにあたり、ＳｉＣ基板上にＮｂを成膜する際には、好適にはスパッタリングにより形成するのがよいが、勿論、これ以外にも、例えば、蒸着法等の公知の手段を用いて成膜することができる。また、ＳｉＣ基板上に成膜するＮｂの膜厚については、上述した各層の厚みが得られることを考慮した上で、０．０９μｍ以上０．８１μｍ以下、好ましくは０．１１μｍ以上０．７１μｍ以下となるようにする。成膜するＮｂの膜厚が０．０９μｍ未満であると、得られたＮｂ電極とＳｉＣ基板との間の密着強度を確保するのが難しくなるおそれがある。反対に０．８１μｍより厚くＮｂを成膜しても効果が飽和するばかりか、かえって接触抵抗が増加して、スイッチング速度が低下するおそれがある。
【００２４】
また、Ｎｂ電極を得るための熱処理については、ＳｉＣ基板上にＮｂを成膜した後、非酸化性雰囲気下で９００℃以上、好ましくは１０００℃以上にして行うようにする。この際、加熱温度が９００℃未満であると良好なオーミック特性を得ることができず、そもそも電極としての使用に適さなくなってしまう。例えば、ＳｉＣ基板上に成膜したＮｂを８５０℃で８分間熱処理した場合には、Ｎｂ３ＳｉのＮｂシリサイド層とＮｂ２ＣのＮｂカーバイド層の形成は認められるものの、十分なオーミック特性を得ることはできなかった。これに対して、９００℃で８分間の熱処理を行った場合には、オーミック特性が得られることが分かった。この場合、Ｎｂ３Ｓｉと共にＮｂ５Ｓｉ３を有したＮｂシリサイド層が形成され、また、Ｎｂ２Ｃと共にＮｂ６Ｃ５を有したＮｂカーバイド層が形成された。特に、Ｎｂシリサイド層はＳｉＣ半導体側に形成されることから、Ｎｂ５Ｓｉ３の存在が良好なオーミック特性に寄与するものと考えられる。
【００２５】
この熱処理では、ＳｉＣ基板とＮｂ電極との間でオーミック特性が得られるようにする必要があり、少なくとも９００℃で５分間程度の熱処理を行うようにすればよい。より高温かつ長時間の熱処理を行うことでもＮｂ５Ｓｉ３は形成されるが、相対的に抵抗率の高いＮｂカーバイド層の成長が促進されてしまうことから、Ｎｂカーバイド層の過度の成長を抑えるようにするために、熱処理温度は１３００℃以下であるのが望ましく、また、熱処理時間は３０分以下であるのが望ましい。なお、熱処理の際の非酸化性雰囲気としては、例えば、不活性雰囲気や真空中などが挙げられる。
【００２６】
Ｎｂ電極を形成する各層の厚さは、ＳｉＣ基板に成膜するＮｂの膜厚と共に、熱処理温度や熱処理時間によって制御することが可能である。例えば、ＳｉＣ基板上にＮｂを１００ｎｍ成膜して１０５０℃で８分間の真空熱処理をおこなうと、Ｎｂシリサイド層とＮｂカーバイド層とを合わせたＮｂ化合物層は８０〜９０ｎｍ程度形成され、未反応のＮｂからなるＮｂ層は１０〜２０ｎｍ程度形成される。
【００２７】
ここで、上述したように、オーミック特性を示すＮｂ電極では、Ｎｂシリサイド層がＮｂ３Ｓｉ及びＮｂ５Ｓｉ３を含むと共に、Ｎｂカーバイド層がＮｂ２Ｃ及びＮｂ６Ｃ５を含む。これらの化合物の形成について、本発明者らの推測によれば、以下のような反応によって生成すると考えられる。
43Nb ＋ 15SiC ＝ 5Nb５Si３ + 3Nb６C５  …（1）
5Nb + SiC ＝ Nb３Si ＋ Nb２C  …（2）
【００２８】
そして、上記（1）の反応式をもとに、形成されるＮｂ５Ｓｉ３の体積ＶNb5Si3とＮｂ６Ｃ５の体積ＶNb6C5との関係は、ＶNb6C5≒０．５ＶNb5Si3で表されると考えられる（Nb５Si３の分子量を549、密度を7.2g/cm3とし、Nb６C５の分子量を618、密度を7.8g/cm3として、（1）式でのモル比をもとに計算）。また、これらをＮｂ電極における膜厚に換算すると、Ｎｂ５Ｓｉ３の膜厚ＹNb5Si3とＮｂ６Ｃ５の膜厚ＹNb6C5とが、ＹNb6C5≒０．８ＹNb5Si3の関係を有すると考えられる（Nb電極を立方体で仮定して縦断面の厚みに換算）。すなわち、（1）の反応式によって得られるＮｂ電極でのＮｂ６Ｃ５の厚さは、Ｎｂ５Ｓｉ３の厚さの約８０％であると見積もることができる。
【００２９】
同様にして、上記（2）の反応式に基づけば、Ｎｂ電極におけるＮｂ３Ｓｉの膜厚ＹNb3SiとＮｂ２Ｃの膜厚ＹNb2Cとは、ＹNb2C≒１．１ＹNb3Siの関係を有すると考えられ、（2）の反応式によって得られるＮｂ電極でのＮｂ２Ｃの厚さは、Ｎｂ３Ｓｉの厚さの約１１０％であると見積もることができる。
【００３０】
すなわち、Ｎｂ電極におけるＮｂカーバイド層とＮｂシリサイド層の形成が、全て上記（1）の反応に基づくと仮定すれば、Ｎｂカーバイド層はＮｂシリサイド層の厚さの約８０％に相当する。一方、全て（2）の反応に基づくものと仮定すれば、Ｎｂカーバイド層はＮｂシリサイド層の厚さの約１１０％に相当することになる。ところが、上述したように、ＳｉＣ基板とＮｂ電極とがオーミック特性を有するようにするには、Ｎｂ５Ｓｉ３とＮｂ２Ｃの形成が必要になると考えられることから、本発明においては、ＳｉＣ基板上に成膜したＮｂを熱処理して、Ｎｂカーバイド層の厚さがＮｂシリサイド層の厚さの７０％以上１００％以下となるようにするのが好適である。
【００３１】
また、本発明におけるＳｉＣ半導体デバイスは、図１に示したように、Ｎｂ電極上に形成された金属電極を備える（図１はＣｕを使った例の場合）。この金属電極は、例えばボンディングワイヤとの電気的な接続を得るなどの目的から設けるものであって、詳しくは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、及びＡｕからなる群から選ばれたいずれか１種又は２種以上によって形成される。これらの組み合わせは適宜可能であるが、なかでも好適には、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｕを単独で設けて金属電極とする場合のほか、成膜したＮｉを介して、Ｐｄ又はＡｕ膜を形成して金属電極としたり、成膜したＮｉを介して、ＰｄとＡｕの２種を含んだ混合膜を形成して金属電極とするのがよい。
【００３２】
また、金属電極の膜厚については、０．０５μｍ以上６．０μｍ以下であるのがよく、好ましくは０．５μｍ以上３．０μｍ以下であるのがよい。金属電極の厚さが０．０５μｍ未満であると、Ｎｂ電極との間での密着強度を確保するのが難しくなったり、例えば２００℃以上の高温環境下で使用した際にボンディングワイヤとの接合部の強度が低下するなど、高温接合信頼性が維持できなくなるおそれがある。反対に６．０μｍより厚くしても効果が飽和するばかりか、例えばスパッタリングによる成膜に時間が掛かるなど、生産性や経済性が低下するおそれがある。なお、このような金属電極を得るには、好適にはスパッタリングにより形成することができるが、これ以外にも、蒸着法やめっき法等の公知の手法を用いて形成することも可能である。
【００３３】
上述したように、本発明のＳｉＣ半導体デバイスは、ＳｉＣ基板側に低抵抗のＮｂシリサイド層を有すると共に、これにより余剰となったＣをＮｂカーバイドとして析出させており、加えて、各層の厚さを制御することによって、高温環境においてもＳｉＣ半導体との界面での密着性に優れ、かつ化合物の成長による接触抵抗の増加を使用性能上問題のない水準まで抑制することができる。そのため、例えば、金属電極にボンディングワイヤを接合し、このボンディングワイヤを介して、各種配線との間を接続することで、ＳｉＣ基板を用いた半導体装置を形成することができる。なお、本発明のＳｉＣ半導体デバイスを形成するＳｉＣ基板については公知のものを用いることができる。
【００３４】
金属電極にボンディングワイヤを接合する際には、一般的な手段と同様にすることができ、本発明ではＮｂ電極と金属電極との界面の密着強度に優れることから、ボンディングワイヤの接合時や高温環境で長時間使用したとしても、Ｎｂ電極／金属電極の界面において剥離が生じるようなおそれもない。また、接触抵抗についても各層を形成する金属膜や化合物膜の厚さが薄いため、仮に高温環境により金属膜や化合物膜間で反応が進んだとしても接触抵抗への影響は小さい。更には、ＳｉＣ基板とＮｂ電極での界面をはじめ、ボイドの発生等を抑えることができることから、それによる接触抵抗の増加も抑制され、ＳｉＣの特性を活かして、高温環境下や大電力条件において使用可能なＳｉＣ半導体装置を実現することができる。
【００３５】
ここで、ボンディングワイヤについては、例えば、Ａｕワイヤ、Ｃｕワイヤ、Ｃｕ芯材の表面をＰｄで被覆したＰｄ被覆Ｃｕワイヤなど、公知のものを使用することができる。なかでも、Ｃｕを用いた金属電極を備える場合には、Ｃｕワイヤ又はＰｄ被覆Ｃｕワイヤを用いるのがよく、好ましくはＣｕワイヤであるのがよい。Ｃｕを材質に有したボンディングワイヤであれば金属電極とワイヤの接合部での熱応力による疲労破壊のおそれを低減することができる。加えて、高価なＡｕワイヤの使用が抑えられる点でも有利である。更には、Ｃｕワイヤであれば、接合部での劣化の原因となる金属間化合物の形成を抑えることができるため、高温信頼性により優れた接合部を得ることができる。
【実施例】
【００３６】
以下、各種評価試験の結果を基にしながら、本発明をより詳しく説明する。
【００３７】
（ＳｉＣ基板／Ｎｂ電極／金属電極の試験片作製）
本発明に係るＳｉＣ半導体デバイスに関する各種評価を行うにあたり、（０００１）面から８°のオフ角を有した１２ｍｍ×１２ｍｍのｎ型のＳｉＣ基板を用意した。このＳｉＣ基板は、ポリタイプが４Ｈ型であり、また、窒素のドーピング濃度がおよそ１×１０１９ｃｍ−３であって、抵抗値は０．０１７Ω・ｃｍである。このＳｉＣ基板に対して、以下のようにしてＮｂ電極及び金属電極を設けて、下記表１〜４に示した試験Ｎｏ.１〜８７の試験片を作製した。
【００３８】
先ず、アセトンを用いてＳｉＣ基板を１０分間超音波洗浄すると共に、エタノール中で１０分間洗浄して、表面に付着した有機物を除去した。また、ＨＦ水溶液に１分間浸漬して表面酸化物層を除去した後、蒸留水で洗浄して、ドライヤーを用いて乾燥させた。
【００３９】
次に、洗浄後のＳｉＣ基板に対して、高周波スパッタリング（ＲＦスパッタリング）装置により、表１〜４に記した各厚さのＮｂを成膜した。このとき、ＲＦ出力を５０Ｗとし、Ａｒ分圧が７．５×１０−５Torr（スパッタチャンバーの基準圧：1.5×10-7Torr）となるようにした。次いで、Ｎｂを成膜した各試験Ｎｏ.に係るＳｉＣ基板について、それぞれ赤外炉を用いて、３．７５×１０−７Torrの真空下において、表１〜４に記した温度及び時間による熱処理を行ってＮｂ電極を形成した。上記の方法で作製することにより、ＳｉＣ基板とＮｂ電極との界面にはボイドやフリーカーボンの形成は確認されず、ＳｉＣ基板上に連続的な層（Nb電極）が形成された。
【００４０】
次いで、上記と同じ高周波スパッタリング装置を用いて、熱処理後のＮｂ膜上に金属膜を成膜して金属電極を形成し、試験Ｎｏ.１〜８７に係る各試験片を完成させた。ここで、金属膜の種類及びその膜厚は表１〜４に示したとおりである。例えば、試験Ｎｏ.１の場合には、Ｎｂ電極上にＣｕを厚さ０．０６μｍで成膜した。試験Ｎｏ.４の場合は、Ｎｂ電極上にＮｉを厚さ０．０５μｍで成膜した後、Ａｕを厚さ０．０５μｍで成膜した。試験Ｎｏ.６の場合は、Ｎｂ電極上にＮｉを厚さ０．０５μｍで成膜した後、Ｐｄを厚さ０．０５μｍで成膜した。試験Ｎｏ.８の場合は、Ｎｂ電極上にＮｉを厚さ０．０５μｍで成膜した後、Ｐｄを厚さ０．０５μｍで成膜し、更にＡｕを厚さ０．０５μｍで成膜した。その他の試験Ｎｏ.１〜７２に係る試験片についても、これらいずれかの手順と同様にして作製した。但し、試験Ｎｏ.７３の試験片のみ、Ａｌを１．０μｍの厚みで成膜して金属電極とした。なお、成膜条件はＮｂ膜の場合と同様にした。
【００４１】
また、表１〜４に示したＮｂ電極における各層の厚みについては、断面ＴＥＭを観察して求めた。すなわち、各試験片のＮｂ電極面に対して垂直方向に切り出した断面から２００ｎｍ×２００ｎｍの範囲で任意の視野を５つ選び、ＴＥＭを用いてＮｂシリサイド層（Nb-Si層）、Ｎｂカーバイド層（Nb-C層）、及びＮｂ層の厚さを測定し、それらの平均値から各層の厚みを算出した。Ｎｂ−Ｓｉ層にはＮｂ３ＳｉとＮｂ５Ｓｉ３とが含まれ、ＳｉＣ基板との界面にはＮｂ５Ｓｉ３が存在していることが分かった。一方のＮｂ−Ｃ層には、Ｎｂ２ＣとＮｂ６Ｃ５とが含まれていた。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
【表２】
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【００４４】
【表３】
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【００４５】
【表４】
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【００４６】
（高温信頼性評価）
上記で得られた試験Ｎｏ.１〜８７の各試験片について、高温での使用環境を模して２５０℃で１０００時間、２５０℃で３０００時間、及び２５０℃で５０００時間の加熱をそれぞれ行い、常温まで炉冷した後の密着強度と接触比抵抗（電気抵抗）を評価した。
【００４７】
ここで、密着強度の測定では、市販の接着剤を用いて各試験片の金属電極上にプルスタッドを垂直に接着させてこれを引張り、金属電極が剥離したときの応力（N/mm2）を最大密着力とした。そして、この最大密着力が１８Ｎ／ｍｍ２以上の場合を◎、１０Ｎ／ｍｍ２以上１８Ｎ／ｍｍ２未満の場合を○、１０Ｎ／ｍｍ２未満の場合を×とする３段階の評価を行った。結果を表１〜表４に示す。
【００４８】
一方の接触比抵抗の測定については、その評価のために以下の手順で別途評価サンプルを作製した。
先ず、上記「ＳｉＣ基板／Ｎｂ電極／金属電極の試験片作製」の場合と同様にしてＳｉＣ基板を洗浄した後、その表面にポジティブフォトレジスト（東京応化製OFPR-800LB）をスピンコートにより塗布し、紫外線を照射した。その際、ガラスマスクを介して紫外線を照射することで、ＴＬＭ（transmission-line-method）により接触比抵抗を測るための電極パターンが形成できるようにした。すなわち、後にＳｉＣ基板の表面に１２０μｍ×６０μｍの“Ｎｂ電極＋金属電極”の電極パッドが７つ形成されるようにし、かつ、７つの電極パッド間の距離が順に２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、３５μｍ、４０μｍ、４５μｍで並ぶようにした。
【００４９】
次に、紫外線を照射したレジスト付きＳｉＣ基板を現像液（東京応化製NMD-3；TMAH 2.38％）に３分間浸した後、１２５℃で９０秒間フォトレジストを硬化させてレジストパターンを形成した。次いで、このレジストパターンが形成されたＳｉＣ基板に対し、上記「ＳｉＣ基板／Ｎｂ電極／金属電極の試験片作製」の場合と同様にして、各試験Ｎｏ.の試験片に対応させた厚さでＮｂ膜を成膜した。Ｎｂを成膜した後はアセトンに数分間浸漬し、ＳｉＣ基板上に残ったフォトレジストとフォトレジスト上に成膜した余分なＮｂとを取り外した。
【００５０】
そして、上記「ＳｉＣ基板／Ｎｂ電極／金属電極の試験片作製」の場合と同様にして、各試験Ｎｏ.の試験片に対応させた熱処理を施してＮｂ電極を形成した。次に、再度同じ電極パターンが得られるようにフォトレジストと紫外線照射によるパターン形成を行った上で、上記「ＳｉＣ基板／Ｎｂ電極／金属電極の試験片作製」の場合と同様にして、各試験Ｎｏ.の試験片に対応させて金属電極を成膜し、余分なフォトレジストと金属膜を除去して、ＳｉＣ基板上に“Ｎｂ電極＋金属電極”が積層された７つの電極パッドを備える評価サンプルを作製した。
【００５１】
上記で得られた各試験Ｎｏ.に対応する評価サンプルについて、半導体パラメータアナライザを用いてＩ−Ｖ曲線を作成し、接触比抵抗を求めた。そして、接触比抵抗が２．５×１０−３Ωcm２未満の場合を◎、２．５×１０−３Ωcm２以上８．０×１０−３Ωcm２未満の場合を○、８．０×１０−３Ωcm２以上の場合を×として、３段階の評価を行った。結果を表１〜表４に示す。
【００５２】
上記評価結果から分かるように、Ｎｂ電極を形成する各層の厚みが十分でないと、高温環境下に晒されたときに密着強度を十分保つことができなかった。逆に、これらの層を厚くし過ぎると電気抵抗が増してしまう。それに対して、本発明の実施例に相当する試験片の場合には、高温環境下に晒されたときでも密着強度及び電気抵抗のいずれも良好な結果を示した。そのため、本発明によれば、ＳｉＣを使って、高温動作が可能な半導体デバイスを実現することができる。
【図１】
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