(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを含む半導体基板の一面と接触するように設けられ、前記半導体基板の一面との間にショットキ障壁を形成するショットキバリア電極を備えた半導体素子の製造方法であって、
前記半導体基板の一面上に、開口を有するシリコン系絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、Ｔｉを含む第１の金属層と、第２の金属を含む第２の金属層と、を順に形成する工程と、
前記第２の金属層に含まれる前記第２の金属を、前記第１の金属層を介して前記半導体基板の表面領域に熱拡散させ、前記開口を介して前記第１の金属層と接し、前記第２の金属のシリサイドを含む第３の金属層を形成するとともに、前記半導体基板に含まれるシリコンを前記第１の金属層へ熱拡散させる工程と、
熱処理後の前記半導体基板の一面上に、外部電極に接続される、第３の金属を含む第４の金属層を形成する工程と、
熱処理により、前記第１の金属層と前記第４の金属層との間に、前記Ｔｉと、前記第３の金属と、シリコンと、を含み、前記第１の金属層と前記第３の金属層と前記第４の金属層とともにショットキバリア電極を構成する第５の金属層を形成する熱処理工程と、
を備える、ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ショットキバリア電極を備えた半導体素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング素子等として、ショットキ接合を用いるショットキバリアダイオードが広く使用されている。ショットキバリアダイオードは、半導体基板と、半導体基板の一面上に開口を有して形成されたシリコン系絶縁膜と、開口を介して半導体基板の一面に電気的に接続されたアノード電極（ショットキバリア電極）と、半導体基板の他面上に設けられて半導体基板にオーミック接触するカソード電極と、を備える。
【０００３】
ショットキバリア電極は、半導体基板の一面との界面に所定のバリアハイトを有するショットキ障壁を形成する。ショットキ障壁のバリアハイトは、ショットキバリア電極を構成する金属膜の材料によってその大きさが決定される。従って、ショットキバリア電極を構成する金属材料は、所望するバリアハイトの大きさに応じて適宜選択される。
【０００４】
ここで、所望のバリアハイトを有するショットキ障壁を形成するため、例えば、パラジウム（Ｐｄ）等のシリコン系絶縁膜との密着性が低い材料を用いる場合がある。このような場合、図４に示すような、ショットキバリア電極を複数の金属膜から構成する構造が採用される。
【０００５】
図４に示すショットキバリアダイオード１００のショットキバリア電極１０１は、絶縁膜１０２のコンタクト開口１０３内で半導体基板１０４に接する薄膜の金属膜（バリア金属膜１０５）と、バリア金属膜１０５の表面を含む半導体基板１０４の一面上に形成された金属膜（オーバーオキサイド膜１０６）と、オーバーオキサイド膜１０６上に形成された金属膜（電極金属膜１０７）と、から構成される。
【０００６】
図４に示す構成では、オーバーオキサイド膜１０６は、絶縁膜１０２（シリコン酸化膜）と密着性が高い金属、例えば、チタン（Ｔｉ）から構成される。また、電極金属膜１０７は、ワイヤボンディング等が良好に行える金属、例えば、アルミニウム（Ａｌ）から構成される。オーバーオキサイド膜１０６は、金属であるＡｌとの密着性も高く、これにより、ショットキバリア電極１０１全体として、絶縁膜に対する高い密着性が得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記構成のショットキバリア電極を備えた半導体素子に４００℃程度の熱処理を施すと、例えばＴｉからなるオーバーオキサイド膜１０６と、例えばＡｌからなる電極金属膜１０７との間に、Ａｌ３Ｔｉのような金属間化合物が形成される。このような金属間化合物の生成は、２つの金属膜同士の密着性を低下させ、素子の信頼性を低下させる。このように、従来の、積層構造のショットキバリア電極を備えた半導体素子には、熱処理により、金属層間の密着性が低下し、素子の信頼性が低下するおそれがある、という問題があった。
【０００８】
上記事情を鑑みて、本発明は、信頼性の高いショットキバリア電極を備えた半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、金属間の良好な密着性が得られる、信頼性の高いショットキバリア電極を備えた半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る半導体素子の製造方法は、
シリコンを含む半導体基板の一面と接触するように設けられ、前記半導体基板の一面との間にショットキ障壁を形成するショットキバリア電極を備えた半導体素子の製造方法であって、
前記半導体基板の一面上に、開口を有するシリコン系絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、Ｔｉを含む第１の金属層と、第２の金属を含む第２の金属層と、を順に形成する工程と、
前記第２の金属層に含まれる前記第２の金属を、前記第１の金属層を介して前記半導体基板の表面領域に熱拡散させ、前記開口を介して前記第１の金属層と接し、前記第２の金属のシリサイドを含む第３の金属層を形成するとともに、前記半導体基板に含まれるシリコンを前記第１の金属層へ熱拡散させる工程と、
熱処理後の前記半導体基板の一面上に、外部電極に接続される、第３の金属を含む第４の金属層を形成する工程と、
熱処理により、前記第１の金属層と前記第４の金属層との間に、前記Ｔｉと、前記第３の金属と、シリコンと、を含み、前記第１の金属層と前記第３の金属層と前記第４の金属層とともにショットキバリア電極を構成する第５の金属層を形成する熱処理工程と、
を備える、ことを特徴とする。
【００１３】
上記構成の方法によって製造された半導体素子においては、第１の金属層（シリサイド）と第４の金属層との界面に、Ｔｉと、第３の金属と、シリコンと、を含む第５の金属層を形成している。このような、Ｔｉおよび第３の金属の他にシリコンを含む第５の金属層を設けることにより、第１の金属層と第４の金属層との間に金属間化合物が形成されることを防ぐことができる。２層間の密着性を低下させる金属間化合物の発生を防ぐことにより、金属層間の密着性の高い、信頼性の高い半導体素子が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態にかかる半導体素子について、以下図面を参照して説明する。本実施の形態では、本発明をショットキバリアダイオードに適用した例について説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態にかかる半導体素子１１の断面図を示す。図１に示すように、半導体素子１１は、半導体基板１２と、半導体基板１２の一面に設けられ、アノード電極を構成するショットキバリア電極１３と、半導体基板１２の他面に設けられたカソード電極１４と、を備える。
【００１６】
半導体基板１２は、例えば、略方形のシリコン単結晶基板から構成され、半導体基板１２の一面を構成する相対的に不純物濃度の低いＮ型の第１半導体領域１５と、半導体基板１２の他面を構成する相対的に不純物濃度の高いＮ型の第２半導体領域１６と、から構成されている。ここで、第２半導体領域１６は、シリコン単結晶基板から構成される第１半導体領域１５上に、エピタキシャル成長により形成しても良い。
【００１７】
半導体基板１２の一面上には絶縁膜１７が形成されている。絶縁膜１７はシリコン系膜から構成され、例えば、熱酸化等によって形成されたシリコン酸化膜から構成される。絶縁膜１７は、半導体基板１２の略中央に、その内側に第１半導体領域１５が露出するように形成されたコンタクト開口１８を有する。
【００１８】
ショットキバリア電極１３は、第１金属層１９と、第２金属層２０と、第３金属層２１と、第４金属層２２と、から構成される。
【００１９】
第１金属層１９は、パラジウム（Ｐｄ）シリサイドを主成分として構成されている。第１金属層１９は、コンタクト開口１８内に露出する第１半導体領域１５上に接触するように形成されている。第１金属層１９は、後述するように、シリコン半導体基板１２（第１半導体領域１５）の表面領域へのＰｄの熱拡散によって形成される。
【００２０】
第１金属層１９は、半導体基板１２と電気的に接続され、半導体基板１２表面との界面にショットキ障壁を形成するバリア金属層として機能する。ショットキ障壁のバリアハイトは、第１金属層１９の厚さを調製することにより、所望の大きさとされる。第１金属層１９は、例えば、２０μｍ程度の厚さで設けられている。このように、第１金属層１９は極薄の膜であり、パラジウムシリサイドを含む「拡散領域」ともよべるものである。
【００２１】
第２金属層２０は、チタン（Ｔｉ）シリサイドを主成分として構成されている。第２金属層２０は、絶縁膜１７の表面およびコンタクト開口１８内の第１金属層１９の表面を含む、半導体基板１２の一面上に設けられている。第２金属層２０はコンタクト開口１８を介して第１金属層１９に接触し、電気的に接続されている。
【００２２】
第２金属層２０は、Ｐｄを含んで構成される第１金属層１９のシリコン系絶縁膜１７との低い密着性を補完するために設けられている。Ｔｉを含む第２金属層２０は、金属膜およびシリコン系膜と密着性が高い。第２金属層２０は、第１金属層１９の表面と、少なくとも第１金属層１９の周囲の絶縁膜の表面と、を被覆し、双方に高い密着性で密着する。
【００２３】
第２金属層２０は、後述するように、半導体基板１２に含まれるシリコン（Ｓｉ）のＴｉ層への熱拡散によって形成される。ここで、熱拡散は、第２金属層２０のシリサイド化が、絶縁膜１７上のＴｉ層においても可能な程度で行われる。
【００２４】
第２金属層２０の形成（Ｔｉシリサイドの形成）は、上述した第１金属層１９の形成（Ｐｄシリサイドの形成）と同一の熱処理（熱拡散）工程で行われる。具体的には、熱処理は、半導体基板１２の一面上に形成されたＴｉ層上にＰｄ層を積層した後に行われる。このとき、ＰｄはＴｉ層を通過して半導体基板１２に向かい、一方、半導体基板１２のＳｉがＴｉ層へと向かう。このようにして、Ｔｉ層におけるシリサイドの形成（第２金属層２０の形成）と、半導体基板１２の表面領域におけるＰｄシリサイド領域の形成（第１金属層１９の形成）と、が同時に進行する。ここで、熱処理後、第２金属層２０はＰｄをほとんど含んでいない。
【００２５】
第３金属層２１はアルミニウムから構成されている。第３金属層２１は、第２金属層２０上に真空蒸着等により形成される。第３金属層２１は、第１金属層１９および第２金属層２０を介して半導体基板１２に電気的に接続される。
【００２６】
第２金属層２０を構成するＴｉは、シリコン系絶縁膜１７との密着性は高いものの、ワイヤボンディングに適する材料ではない。第３金属層２１は、これを補完するために設けられ、ワイヤボンディングに適した材料（アルミニウム）から形成されている。第３金属層２１の表面には、ワイヤボンディング等により端子等が接続される。ここで、Ｔｉシリサイドとして形成される第２金属層２０は、通常のＴｉ層よりも、シリコン系膜に対する高い密着性を有する。
【００２７】
第４金属層２２は、第２金属層２０と、第３金属層２１と、の界面に形成されている。第４金属層２２は、Ｔｉと、Ｓｉと、Ａｌと、を主成分とする合金、例えば、Ｔｉ７Ｓｉ１２Ａｌ５から構成されている。
【００２８】
第４金属層２２は、後述するように、第２金属層２０を構成するＴｉシリサイド層と、これに積層され、第３金属層２１を構成するＡｌ層と、を熱処理することによって形成される。このため、第２金属層２０と第４金属層２２との境界、および、第３金属層２１と第４金属層２２との境界は、明確なものではなく、例えば、所定の検出手法によって検出可能な量のＴｉ、ＳｉおよびＡｌがそれぞれ含有される金属層として定義される。このような定義によれば、第２〜第４金属層２０〜２２は、例えば、１００ｎｍ、１μｍ、５０ｎｍ程度の厚さでそれぞれ形成される。
【００２９】
第４金属層２２は、第２金属層２０と第３金属層２１との界面の、ほぼ全体に存在するように形成され、第４金属層２２は、第２金属層２０と第３金属層２１との間の密着性を高く維持するために設けられている。但し、第４金属層２２の内、絶縁膜１７の上面部分のＳｉ含有量は、第１金属層１９の上面部分のＳｉ含有量に比べて低くなっている。
【００３０】
ここで、第２金属層２０と第３金属層２１とが接する状態でショットキバリア電極２１を形成すると、４００℃程度に加熱した場合に、第２金属層２０と第３金属層２１との間にＡｌ３Ｔｉ等の金属間化合物が形成される。このような金属間化合物の生成は、２つの金属層間の密着性を低下させ、半導体素子１１の信頼性を低下させる。
【００３１】
しかし、Ｓｉを含んで構成される第４金属層２２が第２金属層２０と第３金属層２１との間に存在することにより、このような金属間化合物の発生は防がれ、２つの金属層間の密着性は高く維持される。従って、熱処理にも安定な、信頼性の高い半導体素子１１が得られる。
【００３２】
カソード電極１４は、チタン、ニッケル、パラジウムおよび銀を順次積層して構成される。カソード電極１４は、第２半導体領域１６上に真空蒸着等により形成される。カソード電極１４は、端子等にはんだ付けされる。
【００３３】
以下、本実施の形態の半導体素子１１の製造方法について、図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ｅ）〜（ｇ）を参照して説明する。
【００３４】
まず、一面に相対的に不純物濃度の低いＮ型半導体領域１５と、他面に相対的に不純物濃度の高いＮ型半導体領域１６と、を備えた半導体基板１２を用意する。次いで、熱酸化等によって半導体基板１２の他面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１７を形成する。絶縁膜１７は、例えば、１μｍ程度の厚さで形成される。さらに、絶縁膜１７をパターニングして、図２（ａ）に示すように、コンタクト開口１８を形成する。
【００３５】
続いて、図２（ｂ）に示すように、真空蒸着等により、絶縁膜１７を含む半導体基板１２の他面上にＴｉ層２３を形成する。Ｔｉ層２３は、例えば、５０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さで形成する。次に、図２（ｃ）に示すように、Ｔｉ層２３上にＰｄ層２４を真空蒸着等により形成する。Ｐｄ層２４は、例えば、１０００ｎｍ程度の厚さで設けられる。
【００３６】
続いて、Ｔｉ層２３と、Ｐｄ層２４と、が積層された半導体基板１２に、例えば、６００℃程度の温度で、例えば、４０分程度の時間、熱処理を施す。このとき、Ｔｉ層２３上のＰｄ層２４から、ＰｄがＴｉ層２３を通って半導体基板１２の表面領域まで拡散する。Ｐｄは、半導体基板１２の表面領域のシリコン（Ｓｉ）と反応し、これにより、コンタクト開口１８内の、Ｔｉ層２３と半導体基板１２表面との間にＰｄシリサイド層（第１金属層１９）が形成される。また、これと同時に、半導体基板１２中のＳｉがＴｉ層２３中に拡散し、Ｔｉ層２３はＴｉシリサイド層に変化する。なお、絶縁膜１７の端部の幅は、Ｔｉ層２３がその端部においてもシリサイド化されるように、十分に小さく設定されている。但し、絶縁膜１７上のＴｉシリサイド層２０では、Ｐｄシリサイド層１９上のＴｉシリサイド層２０に比べて、シリサイド化の程度が低い。
【００３７】
ここで、熱処理は、Ｐｄ層２４のほぼ全体が半導体基板１２側に拡散し、Ｔｉ層２３上のＰｄ層２４が実質的に残存しないように行われる。熱処理の結果、図２（ｄ）に示すように、Ｐｄ層２４は実質的に消失し、半導体基板１２の他面上に、Ｐｄシリサイド層１９と、Ｔｉシリサイド層２３と、が積層された状態が得られる。なお、熱処理後に、Ｔｉシリサイド層２３上に、Ｐｄ層２４が残存していてもよい。
【００３８】
次いで、図３（ｅ）に示すように、Ｔｉシリサイド層２３の上にＡｌ層２５を真空蒸着等により形成する。Ａｌ層２５は、例えば、１μｍ程度の厚さで設けられる。さらに、この半導体基板１２に４００℃以上の温度での熱処理を施す。これにより、図３（ｆ）に示すように、第２金属層２０（Ｔｉシリサイド層２３）と第３金属層２１（Ａｌ層２５）との間に、ＴｉとＳｉとＡｌとを主成分として構成される合金層（第４の金属層２２）が形成される。ここで、熱処理は、合金層が、Ｔｉシリサイド層２３とＡｌ層２５との界面のほぼ全体にわたって形成され、例えば、５０μｍ程度の厚さで形成されるような条件で行われる。
【００３９】
以上のようにして、Ｐｄシリサイドを含む第１金属層１９と、Ｔｉシリサイドを含む第２金属層２０と、Ａｌを含む第３金属層２１と、が積層され、第２金属層２０と第３金属層２１との間に、ＴｉとＳｉとＡｌとを含む第４金属層２２が設けられたショットキバリア電極１３が形成される。
【００４０】
次に、半導体基板１２の他面上に、例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｇを順次真空蒸着等により積層して形成する。これにより、カソード電極１４が形成される。なお、カソード電極１４の形成はショットキバリア電極１３の形成の前に行っても良い。以上で、製造工程は終了し、図３（ｇ）に示す半導体素子１１が形成される。
【００４１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、複数の金属層が積層されたショットキバリア電極を備えた半導体素子において、密着層としてのＴｉシリサイド層（第２金属層２０）と、外部接続層としてのＡｌ層（第３金属層２１）と、の間に、ＴｉとＳｉとＡｌとを主成分とする合金層２２を形成している。
【００４２】
このように、Ｔｉシリサイド層とＡｌ層との間に、Ｓｉを含む金属層を形成することにより、熱処理時にＴｉシリサイド層とＡｌ層との間にＡｌ３Ｔｉ等の、２層間の密着性を低下させる金属間化合物が形成されることは防がれる。このため、上記のような複数の金属層が積層されたショットキバリア電極１３に熱処理が施された場合においても、金属層間の高い密着性が維持され、信頼性の高い半導体素子１１の製造が可能となる。
【００４３】
本発明は、上記実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な上記実施の形態の変形態様について、説明する。
【００４４】
Ｎ型の第２半導体領域１６に、Ｐ型の半導体領域によって構成される、いわゆるガードリングを設けてもよい。これにより、逆方向電圧の印加時にＰＮ接合から形成される空乏層により、高い逆方向耐圧が得られる。
【００４５】
上記実施の形態では、バリア金属層（第１金属層１９）は、Ｐｄを含む、Ｐｄシリサイドとして構成されるものとした。しかし、バリア金属層を構成する金属材料は、これに限らず、白金、ニッケル、コバルト等の他の金属材料であってもよい。
【００４６】
上記実施の形態では、第２金属層２０はＴｉシリサイドから構成され、第３金属層２１はＡｌから構成され、結果として、第４金属層２２はＴｉとＳｉとＡｌとから構成されるものとした。しかし、これに限らず、本発明は、積層された場合にその界面に金属化合物が形成されやすい、いかなる金属の組み合わせにも適用することができる。例えば、第２金属層２０を、バナジウム、クロム、モリブデン、タンタル、タングステン等のシリサイドから構成し、これに合わせて、第３金属層２１をＡｌ、銅、ニッケル等から選択するようにしてもよい。
【００４７】
上記実施の形態では、第１金属層１９を第２金属層２０を介したＴｉの熱拡散により形成されたＴｉシリサイドから構成するものとした。しかし、第１の金属層１９を形成し、その後、第２金属層２０および第３金属層２１を形成するようにしてもよい。また、この場合、第１金属層１９は、金属シリサイドから構成せず、金属膜（例えば、Ｐｄ膜）として構成してもよい。
【００４８】
上記実施の形態では、Ｎ型の半導体基板を用いる構成とした。しかし、これに限らず、Ｐ形の半導体基板を用いる構成であってもよい。さらに、炭化シリコンや、シリコンを含有するゲルマニウム等の他の半導体基板を用いることができる。
【００４９】
また、上記実施の形態では、本発明をショットキバリアダイオードに適用した例を示した。しかし、上記例に限らず、電界効果トランジスタ等の素子や、ＬＳＩ（大規模集積回路）やイメージセンサの構成素子等として基板上にショットキバリアダイオードを形成する場合に本発明を適用できることはいうまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡便かつ信頼性の高い、ショットキバリア電極を備えた半導体素子の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる半導体素子の断面構成を示す図である。
【図２】図１に示す半導体素子の製造工程を示す図である。
【図３】図１に示す半導体素子の製造工程を示す図である。
【図４】従来のショットキバリア電極の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１  半導体素子
１２  半導体基板
１３  ショットキバリア電極
１４  カソード電極
１５  第１半導体領域
１６  第２半導体領域
１７  絶縁膜
１８  コンタクト開口
１９  第１金属層
２０  第２金属層
２１  第３金属層
２２  第４金属層
【図１】
0003823826.tif 000002
【図２】
0003823826.tif 000003
【図３】
0003823826.tif 000004
【図４】
0003823826.tif 000005