(57)【要約】【課題】本発明は、半導体素子とオーミック電極の間のコンタクト抵抗値のウエハ面内均一性を向上させる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】多層金属層をアニールしてオーミック電極を形成するアニール工程の前の昇温過程に、第１温度範囲の範囲内の温度を３０秒から１５０秒維持する温度維持工程を設ける。第１温度範囲とは、該多層金属層の各層の融点のうち最も低い融点である最低融点より１００℃低い温度から該最低融点までの範囲の温度である。温度維持工程後にアニール工程に進むための昇温は、該温度維持工程で形成されたウエハ面内の温度均一性を損なわないように５℃／秒から２０℃／秒の昇温速度で炉内温度を昇温する。【選択図】図２
2015119006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハに形成された複数の半導体素子のそれぞれに対し多層金属層を形成する工程と、
前記ウエハをアニール炉に入れる工程と、
前記多層金属層の各層の融点のうち最も低い融点である最低融点より１００℃低い温度から前記最低融点までの第１温度範囲の範囲内の温度へ、前記アニール炉の炉内温度を昇温させる第１昇温工程と、
前記第１昇温工程の後に、前記第１温度範囲の範囲内の温度を３０秒から１５０秒維持する温度維持工程と、
前記温度維持工程の後に、前記多層金属層の各層の融点のうち最も高い融点である最高融点より低く前記最低融点より高い第２温度範囲の範囲内の温度へ、５℃／秒から２０℃／秒の昇温速度で、前記炉内温度を昇温させる第２昇温工程と、
前記第２昇温工程の後に、前記第２温度範囲の範囲内の温度を３０秒から１５０秒維持して、前記多層金属層でオーミック電極を形成するアニール工程と、を備え、
前記多層金属層は、前記最高融点より低い温度で共晶点をもたないことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記多層金属層は、前記半導体素子の上に形成された第１金属層と、前記第１金属層の上に形成された第２金属層と、前記第２金属層の上に前記第１金属層と同じ材料で形成された第３金属層と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１金属層と前記第３金属層はＴｉで形成され、
前記第２金属層はＡｌで形成されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記半導体素子は、窒化物化合物半導体で形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、半導体素子に電力供給するために設けられるオーミック電極を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、半導体素子に電力供給するために設けられるオーミック電極を、イオン注入を用いずに熱処理によって形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１３５５９０号公報
【特許文献２】特開平０９−１２９５７０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Journal of Applied Physics Vol.89 p3143-p3150
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ウエハには、ウエハに形成された半導体素子と接するように多数のオーミック電極が形成される。半導体素子とオーミック電極の間のコンタクト抵抗値は、ウエハ面内で均一であることが好ましい。しかしながら、非特許文献１に開示の熱処理によるオーミック電極の形成方法では、コンタクト抵抗値のウエハ面内均一性が不十分となる問題があった。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体素子とオーミック電極の間のコンタクト抵抗値のウエハ面内均一性を向上させることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、ウエハに形成された複数の半導体素子のそれぞれに対し多層金属層を形成する工程と、該ウエハをアニール炉に入れる工程と、該多層金属層の各層の融点のうち最も低い融点である最低融点より１００℃低い温度から該最低融点までの第１温度範囲の範囲内の温度へ、該アニール炉の炉内温度を昇温させる第１昇温工程と、該第１昇温工程の後に、該第１温度範囲の範囲内の温度を３０秒から１５０秒維持する温度維持工程と、該温度維持工程の後に、該多層金属層の各層の融点のうち最も高い融点である最高融点より低く該最低融点より高い第２温度範囲の範囲内の温度へ、５℃／秒から２０℃／秒の昇温速度で、該炉内温度を昇温させる第２昇温工程と、該第２昇温工程の後に、該第２温度範囲の範囲内の温度を３０秒から１５０秒維持して、該多層金属層でオーミック電極を形成するアニール工程と、を備え、該多層金属層は、該最高融点より低い温度で共晶点をもたないことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、多層金属層の各層の拡散を促進することでウエハ面内の温度均一性を向上させてから多層金属層をアニールするので、コンタクト抵抗値のウエハ面内均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】半導体装置の断面図である。
【図２】熱処理について説明する図である。
【図３】ウエハ面内の７点のコンタクト抵抗値を示す図である。
【図４】温度維持工程を省略した場合のウエハ面内の７点のコンタクト抵抗値を示す図である。
【図５】実施の形態２の半導体装置の断面図である。
【図６】熱処理について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、半導体装置１０の断面図である。半導体装置１０は半導体素子１２を備えている。半導体素子１２の上には多層金属層１４が形成されている。多層金属層１４は、例えば半導体素子１２に電力供給するために半導体素子１２の特定部分に形成されている。多層金属層１４は、第１金属層１６、第２金属層１８、第３金属層２０、及び第４金属層２２を備えている。多層金属層１４は全体として１つのオーミック電極を形成している。
【００１２】
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明する。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、まず、ウエハに形成された複数の半導体素子のそれぞれに対し多層金属層１４を形成する。つまり、ウエハには複数の多層金属層１４が形成される。なお、多層金属層１４は例えば真空蒸着法又はスパッタリング法により形成する。
【００１３】
第１金属層１６の融点はｔ１であり、第２金属層１８の融点はｔ１より低いｔ２であり、第３金属層２０の融点はｔ２より低いｔ３であり、第４金属層２２の融点はｔ３より低いｔ４である。多層金属層１４の各層の融点のうち最も低い融点を最低融点という。最低融点はｔ４である。多層金属層１４の各層の融点のうち最も高い融点を最高融点という。最高融点はｔ１である。なお、多層金属層１４は、最高融点より低い温度で共晶点をもたない。
【００１４】
次に、ウエハをアニール炉に入れる。次に、アニール炉内で多層金属層１４に熱処理を施す。熱処理については図２を参照しつつ説明する。まず、最初の期間Ｐ１について説明する。期間Ｐ１の開始時点での多層金属層１４の温度は通常は室温である。そして、最低融点（ｔ４）より１００℃低い温度から最低融点までの第１温度範囲の範囲内の温度へ、アニール炉の炉内温度を昇温させる。この工程を第１昇温工程と称する。
【００１５】
第１昇温工程における昇温速度は特に限定されないが、例えば５℃／秒から５０℃／秒である。また炉内温度の昇温方法は、特に限定されないが、例えば抵抗加熱又はランプ照射である。
【００１６】
次いで、期間Ｐ２について説明する。期間Ｐ２では、第１昇温工程の後に、第１温度範囲の範囲内の温度を３０秒から１５０秒維持する。この工程を温度維持工程と称する。温度維持工程では、第１温度範囲の範囲内で温度を時間変化させてもよいし、第１温度範囲の中の特定の温度を維持してもよい。
【００１７】
次いで、期間Ｐ３について説明する。期間Ｐ３では、温度維持工程の後に、最高融点より低く最低融点より高い第２温度範囲の範囲内の温度へ、炉内温度を昇温させる。この工程を第２昇温工程と称する。第２昇温工程の昇温速度は５℃／秒から２０℃／秒とする。
【００１８】
次いで、期間Ｐ４について説明する。期間Ｐ４では、第２昇温工程の後に、第２温度範囲の範囲内の温度を３０秒から１５０秒維持して、多層金属層１４でオーミック電極を形成する。この工程をアニール工程と称する。アニール工程により、半導体素子１２と多層金属層１４間に合金化反応を起こさせ、半導体素子-多層金属層間の電子障壁あるいは正孔障壁を下げる。
【００１９】
次いで、期間Ｐ５について説明する。期間Ｐ５では、アニール炉を冷却して室温に戻す。この工程を冷却工程と称する。冷却方法は特に限定されないが、例えば自然冷却する。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法は、上述の工程により、ウエハに複数の多層金属層１４を形成する。
【００２０】
温度維持工程では第１金属層１６、第２金属層１８、第３金属層２０、及び第４金属層２２の相互拡散（固層拡散）が生じて、これらの融点の差が縮まる。相互拡散を十分に生じさせるためには、３０秒から１５０秒の時間が必要である。温度維持工程を設けることで、温度維持工程がない場合と比較して、ウエハ面内の温度均一性を向上させることができる。
【００２１】
そして、第２昇温工程では、昇温速度を５℃／秒から２０℃／秒に限定することで、ウエハ面内の良好な温度均一性を保ちながら第２温度範囲の範囲内の温度へ昇温できる。昇温速度が５℃／秒未満では不純物（残留酸素又は水分など）が電極材料に取り込まれてしまう。他方、昇温速度が２０℃／秒より大きいと昇温時のウエハ面内の温度均一性が悪化する。従って、第２昇温工程では、昇温速度を５℃／秒から２０℃／秒に限定する。これによりウエハ面内の温度均一性を保ちながらアニール工程を実施できるので、半導体素子１２とオーミック電極（多層金属層１４）の間のコンタクト抵抗値のウエハ面内均一性を向上させることができる。
【００２２】
多層金属層１４は最高融点より低い温度で共晶点をもたないので、アニール工程において多層金属層１４全体が溶融することを防止できる。
【００２３】
図３は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法で製造された半導体装置について、ウエハ面内の７点でコンタクト抵抗値を測定した結果を示すグラフである。ウエハ面内の各点でほとんどばらつきのないコンタクト抵抗値が得られている。図４は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法から温度維持工程を除外した製造方法で製造された半導体装置について、ウエハ面内の７点でコンタクト抵抗値を測定した結果を示すグラフである。ウエハ面内の各点でコンタクト抵抗値のばらつきが見られる。
【００２４】
多層金属層１４を構成する各層の並び順は特に限定されない。また、多層金属層１４を構成する層の数は特に限定されない。半導体素子１２はＳｉで形成することが一般的である。しかし、半導体素子１２を高周波素子として機能させるときは、例えばＧａＮなどの窒化物化合物半導体で半導体素子１２を形成してもよい。なお、上記の変形は以下の実施の形態に係る半導体装置の製造方法に応用できる。
【００２５】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法において、多層金属層としてＴｉとＡｌを採用した場合に関する。図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置５０の断面図である。多層金属層５２は、半導体素子１２の上に第１金属層として形成されたＴｉ層５４と、Ｔｉ層５４の上に第２金属層として形成されたＡｌ層５６と、Ａｌ層５６の上に第３金属層として形成されたＴｉ層５８を備えている。
【００２６】
第１金属層であるＴｉ層５４と第３金属層であるＴｉ層５８は同じ材料で形成されている。Ｔｉ層５４、５８の融点は１６６８℃であり、Ａｌ層５６の融点は６６０℃である。Ｔｉ層５４、５８とＡｌ層５６は共晶点をもたない。以後、半導体装置５０の製造方法を説明する。
【００２７】
まず、ウエハに形成された複数の半導体素子のそれぞれに対し多層金属層５２を形成する。次に、ウエハをアニール炉に入れる。次に、ウエハに熱処理を施す。熱処理については図６を参照しつつ説明する。第１昇温工程（期間Ｐ１）について説明する。多層金属層５２の各層の融点のうち最も低い融点である最低融点は６６０℃である。第１温度範囲は、最低融点より１００℃低い温度（５６０℃）から最低融点（６６０℃）である。第１昇温工程では、炉内温度を第１温度範囲の範囲内の温度（５６０℃〜６６０℃）まで昇温させる。
【００２８】
次いで、温度維持工程（期間Ｐ２）では、第１温度範囲の範囲内の温度（５６０℃〜６６０℃）を３０秒から１５０秒維持する。次いで、第２昇温工程（期間Ｐ３）では、多層金属層５２の各層の融点のうち最も高い融点である最高融点（１６６８℃）より低く最低融点（６６０℃）より高い第２温度範囲の範囲内の温度へ、炉内温度を昇温させる。第２昇温工程における昇温速度は５℃／秒から２０℃／秒である。なお、本発明の実施の形態２では、第２温度範囲の範囲内の温度である７５０℃〜９５０℃まで炉内温度を昇温する。
【００２９】
次いで、アニール工程（期間Ｐ４）では、第２温度範囲の範囲内の温度である７５０℃〜９５０℃を３０秒から１５０秒維持して、多層金属層５２でオーミック電極を形成する。最後に、冷却工程（期間Ｐ５）で炉内温度を室温程度まで冷却する。
【００３０】
ＴｉとＡｌの融点差は非常に大きく１０００℃を超えている。そのため、ＴｉとＡｌで多層金属層５２を形成する場合、ウエハ中心部とウエハ外周部との間に温度差が生じやすい。例えば、ＴｉとＡｌを含む多層金属層を、室温からアニール工程の温度（例えば９００℃）まで一気に上昇させてアニールすると、スリップラインが発生したり、化合物半導体の組成が均一でなくなったり、ウエハの反りが発生したりする。これらは全てコンタクト抵抗値のウエハ面内均一性を悪化させる要因となる。
【００３１】
本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法では、５６０℃〜６６０℃の温度を維持する温度維持工程において、Ａｌ層５６のＡｌはＴｉ層５４、５８へ拡散し、Ｔｉ層５４、５８のＴｉはＡｌ層５６へ拡散する相互拡散が生じていると考えられる。この相互拡散によりＴｉ層５４、５８の融点は１６６８℃より低くなり、Ａｌ層５６の融点は６６０℃より高くなる。つまり融点差が小さくなる。従って、ウエハ面内の温度ばらつきを低減できる。
【００３２】
温度維持工程の時間については、この時間を３０秒より短くしたり１５０秒より長くしたりするとコンタクト抵抗値のウエハ面内均一性は改善されずむしろ劣化したので、３０秒から１５０秒とした。温度維持工程を３０秒以上とすることでＴｉとＡｌが十分に相互拡散すると考えられる。温度維持工程を１５０秒より長くした場合のメカニズムは不明である。
【００３３】
第２昇温工程では昇温速度を５℃／秒から２０℃／秒としたことで、ウエハ面内の温度均一性を保ったまま昇温ができる。よって、ウエハ面内の温度均一性を保ったままアニール工程で半導体素子と多層金属層との合金化反応を進行させることができる。
【００３４】
第２昇温工程において昇温速度を５℃／秒未満とすると、昇温中にアニール炉内の不純物（残留酸素又は水分など）が電極材料に取り込まれる不具合が生じると考えられる。他方、昇温速度を２０℃／秒より大きくすると、昇温時のウエハ面内の温度均一性を保てないと考えられる。
【００３５】
アニール工程では、処理時間を３０秒から１５０秒とすることが好ましい。３０秒より短い時間では半導体素子と多層金属層との合金化反応が十分進まない。また１５０秒より長い時間ではウエハ面内の温度が不均一になるものと推定しているが、詳しいことはわかっていない。
【００３６】
本発明の重要な点は、アニール工程の前に温度維持工程を実施することである。温度維持工程では、多層金属層の各層の成分を拡散させてこれらの融点差を低減してウエハ面内の温度均一性を高める。そして、その融点差を十分に低減するために温度維持工程の時間は３０秒以上１５０秒以下とする。こうして得られたウエハ面内の温度均一性を損なうことがないように第２昇温工程を実施し、アニール工程を実施する。この特徴を失わない限り様々な変形が可能である。
【００３７】
実施の形態２では多層金属層を構成する層としてＴｉ層とＡｌ層を採用したが、本発明はこれに限定されない。多層金属層を構成する各層の融点に差があれば、本発明の半導体装置の製造方法によりウエハ面内の温度均一性を高めて、コンタクト抵抗値のウエハ面内均一性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０,５０  半導体装置、  １２  半導体素子、  １４,５２  多層金属層、  １６  第１金属層、  １８  第２金属層、  ２０  第３金属層、  ２２  第４金属層、  ５４  Ｔｉ層、  ５６  Ａｌ層、  ５８  Ｔｉ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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