DE3632209A1 - Elektrodenstruktur fuer einen siliciumcarbid-einkristallhalbleiter - Google Patents
Elektrodenstruktur fuer einen siliciumcarbid-einkristallhalbleiterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenstruktur bzw. einen
Elektrodenaufbau bzw. eine Elektrodenkonstruktion für
Siliciumcarbid-(SiC)-Halbleiter. Die Erfindung betrifft
insbesondere eine ohm′sche Elektrodenstruktur für
SiC-Halbleitervorrichtungen, die als bei hohen Temperaturen operierende
Vorrichtungen, Vorrichtungen zur Verwendung mit großer
elektrischer Kraft, strahlungsbeständige Vorrichtungen,
photoelektrische Umwandlungsvorrichtungen etc. geeignet sind.
Viele Kristallstrukturen liegen für SiC vor, das verbotene
Bandbreiten von 2,2 bis 3,3 eV je nach der Kristallstruktur
besitzt. SiC ist weiterhin thermisch, chemisch und mechanisch
sehr stabil, und es kann im p-Typ und n-Typ, in beiden
Fällen mit hoher Stabilität, vorliegen, was bei Breitspalthalbleitern
selten der Fall ist. Demgemäß finden Halbleitervorrichtungen,
die einen SiC-Einkristall aufweisen, der
mit einer Elektrode für einen elektrischen Anschluß an
äußere Stromkreise versehen ist, auf verschiedenen Gebieten
der elektrischen Techniken, beispielsweise als Vorrichtungen,
die bei hohen Temperaturen operieren, Vorrichtungen
zur Verwendung mit großer elektrischer Kraft, strahlungsbeständige
Vorrichtungen, photoelektrische Umwandlungsvorrichtungen,
etc. weite Anwendung.
Herkömmlicherweise wird die auf den SiC-Halbleitern zu bildende
Elektrode aus Nickel (Ni) für SiC vom n-Typ oder aus
einem eutektischen Kristall von Aluminium (Al) und Silicium
(Si) für SiC vom p-Typ hergestellt, indem man das Material
durch Vakuumaufdampfen auf dem SiC abscheidet und den abgeschiedenen
Film in Kontakt mit dem SiC bei einer hohen
Temperatur von etwa 1100°C in eine Legierung umwandelt.
("Breakdown Field in Vapor-Grown Silicon Carbide P-N Junctions",
Journal of Applied Physics, Bd. 48, Nr. 11, Seiten
4831 bis 4833 (1977)).
Wenn eine Elektrode auf SiC-Halbleitern auf diese Weise gebildet
werden soll, dann erfordert der abgeschiedene Elektrodenfilm
eine Wärmebehandlung bei hoher Temperatur bei
etwa 1100°C, um eine Legierung zu bilden. Da das Elektrodenmaterial
während der Umwandlung eine Agglomerierung erfährt,
wird es schwierig, eine gleichförmige ohm′sche Elektrode
herzustellen. Weiterhin bewirkt die Agglomerierung
des Elektrodenmetalls Spannungen im SiC-Einkristall, der
sich damit in Kontakt befindet, was aufgrund einer Verwerfung
des Kristalls, einer erhöhten Dislokation, etc. zu
einer niedrigeren Kristallinität führt. Dies verschlechtert
den elektrischen Kontakt zwischen dem SiC-Einkristall und
der Elektrode. Weiterhin werden dadurch Schwierigkeiten,
wie die Abtrennung der Elektrode von dem SiC-Halbleiter,
wenn die Vorrichtung eine große Fläche hat, hervorgerufen,
wodurch das Problem auftritt, daß der Halbleiter nicht dazu
imstande ist, die gewünschte Verläßlichkeit beizubehalten.
Eine Elektrode, die durch Abscheidung von Ti, Al oder dergleichen
auf einem SiC-Halbleiter durch Vakuumverdampfen
abgeschieden wird, ist bislang noch nicht beschrieben worden.
Spekulativ wurde schon angenommen, daß aufgrund der Eigenschaften,
die von Ti, Al oder dergleichen auf Si zu erwarten
sind, ein solches Element einen schottky′schen Kontakt ergeben
will, um als eine Schottky-Elektrode zu wirken (SEMI-
CONDUCTORS HANDBOOK, überarbeitete Auflage, Seiten 315 bis
317, gedruckt von OHM Corporation, Japan (1984)).
Es wurden nun umfangreiche Untersuchungen durchgeführt und
dabei festgestellt, daß, wenn Ti, Al oder dergleichen auf
einem SiC-Halbleiter durch Vakuumverdampfen abgeschieden
werden, ein kompakter Film mit ausgezeichneter Haftung und
Dichte gebildet werden kann. Es wurde weiterhin überraschenderweise
gefunden, daß der Film als ohm′sche Elektrode
wirkt.
Gegenstand der Erfindung ist daher eine Elektrodenstruktur
für einen Siliciumcarbid-Einkristallhalbleiter, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Oberfläche des Siliciumcarbid-
Einkristalls mit einer Metallschicht von Titan, Aluminium,
Chrom oder Molybdän oder der Metallschicht und einer auf
der Metallschicht gebildeten elektrisch leitenden Schutzschicht
laminiert ist, um eine ohm′sche Elektrode zu bilden.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1(A) ein Diagramm, das eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur
betreffend einem Siliciumcarbid-Halbleiter
darstellt,
Fig. 1(B) ein Diagramm, das eine weitere Ausführungsform
darstellt,
Fig. 2 ein graphisches Diagramm, das die Stromstärke-
Spannungsabhängigkeit der Elektrodenstruktur
gemäß Beispiel 1 zeigt, und
Fig. 3 ein graphisches Diagramm, das die Stromstärke-
Spannungsabhängigkeit der Elektrodenstruktur
gemäß Beispiel 3 zeigt.
Der erfindungsgemäß verwendete SiC-Einkristall ist gewöhnlich
ein solcher, der auf einem SiC-Einkristallsubstrat
durch Kristallwachstum gebildet worden ist. Das Kristallwachstumsverfahren
ist keinen speziellen Beschränkungen unterworfen.
Es wurde jedoch gefunden, daß ein epitaxiales
Wachstum durch den chemischen Dampfabscheidungsprozeß (CVD-
Prozeß) zu einem SiC-Kristall mit kubischer Struktur
(β-Typ) führt, die für die Ziele der vorliegenden Erfindung
geeignet ist. Von A. Suzuki et al., Journal of Crystal
Growth, 70 (1984), 287 bis 290, wird ein CVD-Prozeß beschrieben,
der für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet
ist und bei dem ein SiC-Kristall in zwei voneinander getrennten
Stufen, d. h. in einem Niedertemperaturbereich
(800 bis 1200°C) und einem Hochtemperaturbereich (1200 bis
1400°C) gezüchtet bzw. wachsen gelassen wird.
Der SiC-Einkristall kann entweder vom n-Typ oder vom p-Typ
sein. Er kann so hergestellt werden, daß er die Struktur
einer Halbleiter-Betriebsvorrichtung, z. B. eines Feldeffekttransistors,
besitzt, indem man ihn mit Verunreinigungen
vom n-Typ und p-Typ dotiert. Vom Standpunkt der Haftung an
Ti, Al oder dergleichen hat der SiC-Einkristall vorzugsweise
winzige Oberflächenunregelmäßigkeiten (winzige Eindrücke
oder Vorsprünge). Wenn der Kristall keine solchen Oberflächenunregelmäßigkeiten
hat, weil er beispielsweise durch
ein Kristallwachstum gebildet worden ist, dann ist es zweckmäßig,
den Kristall an der Oberfläche aufzurauhen, was beispielsweise
durch Bestrahlen mit einem Ionenstrahl unter
Verwendung von Argongas oder durch Plasmaätzen geschehen
kann.
Die Metallschicht, die auf der Oberfläche des SiC-Einkristalls
gebildet wird, ist eine Schicht von Titan, Aluminium,
Chrom oder Molybdän. Von diesen wird eine Titan- oder Aluminiumschicht
bevorzugt. Die Metallschicht wird vorzugsweise
aus einem Metallpulver oder -stück durch Vakuumverdampfen
bzw. Vakuumaufdampfen, d. h. durch Verdampfen des Metallmaterials,
durch Widerstandserhitzen oder Erhitzen mit einem
Elektronenstrahl hergestellt, obgleich die Schicht auch
durch Aufspritzen bzw. Aufsprühen bzw. Zerstäuben gebildet werden kann. Für
diesen Zweck können bekannte Einrichtungen bzw. Maßnahmen
Anwendung finden. Der anzuwendende Grad des Vakuums ist vorzugsweise
bis zu 10-6 torr. Die Metallschicht wird somit
dadurch gebildet, daß ein Metall auf der Oberfläche des
SiC-Einkristalls abgeschieden wird. Es ist geeignet, daß
die Metallschicht eine Dicke von 200 bis 800 Å aufweist.
Die Elektrode kann in der Form eines Musters hergestellt
werden, was gewöhnlich durch Ätzen der durch Vakuumverdampfung
erhaltenen Metallschicht oder unter Verwendung einer Maske
für die Verdampfung geschehen kann. Die durch Vakkumverdampfen
gebildete Metallschicht hat eine gute Haftung an
dem SiC-Einkristall und eine sehr kompakte Struktur. Sie
kann daher so wie sie ist an einen äußeren Draht, beispielsweise
durch Löten, angeschlossen werden. Auf diese Weise
wird eine ohm′sche Elektrodenstruktur verfügbar.
Nichtsdestoweniger, wenn die Metallschicht dünn ist, dann
ist es im allgemeinen zweckmäßig, eine elektrisch leitfähige
Schutzschicht auf der Metallschicht auszubilden. Beispiele
für geeignete Schutzmaterialien sind Al, Cu, Ni und dergleichen.
Insbesondere dann, wenn die Metallschicht eine Ti-
Schicht ist, dan wird eine Al-Schutzschicht bevorzugt. Wie
die Metallschicht kann die Schutzschicht durch Vakuumverdampfung
mit Widerstandserhitzen oder mittels eines Elektronenstrahls
gebildet werden. Es ist geeignet, daß die
Schutzschicht eine Dicke von 1000 bis 3000 Å aufweist. Die
Schutzschicht kann auch zwei Schichten umfassen. Die so
hergestellte Schutzschicht gewährleistet eine Zuverlässigkeit
gegenüber äußeren Schlageinwirkungen und dergleichen.
Die erfindungsgemäße ohm′sche Elektrode ist für SiC-Halbleiter
geeignet, und sie gibt SiC-Halbleitervorrichtungen für
die tatsächliche Verwendung in verschiedenen elektronischen
Vorrichtungen und Systemen eine verbesserte Zuverlässigkeit
bzw. Betriebssicherheit. Da die erfindungsgemäße Elektrode
ohne die Notwendigkeit der Durchführung einer Hochtemperatur-
Wärmebehandlung, wie es herkömmlicherweise der Fall ist,
hergestellt werden kann, können ohne weiteres Halbleiter-
Vorrichtungen mit verminderter Gefahr einer Beschädigung
hergestellt werden.
Ein Substrat aus einem Si-Einkristall (Durchmesser 5,08 cm)
wurde auf 1050°C erhitzt, und Monosilan (SiH4) und Propan
(C3H8) als Quellengase wurden dem Substrat mit Fließgeschwindigkeiten
von 2,2 cc/min bzw. 0,4 cc/min 1 Minute lang zugeführt.
Die Gase wurden von Wasserstoff(H2)-Gas als Trägergas
mitgeführt, welches mit einer Fließgeschwindigkeit von
3 l/min zugeführt wurden. Auf diese Weise wurde eine polykristalline
SiC-Schicht mit einer Dicke von etwa 250 Å auf
dem Substrat gebildet. Danach wurde die Zuführung der
Quellengase abgebrochen, ohne daß der Strom des Wasserstoffgases
abgebrochen wurde, und das Si-Substrat wurde auf
1350°C erhitzt. Danach wurden SiH4 und C3H8 mit Fließgeschwindigkeiten
von 0,4 cc/min und 0,02 cc/min 2 Stunden
lang eingeführt, wodurch ein dünner Film eines SiC-Einkristalls
vom β-Typ mit einer Dicke von 2,5 µm auf dem gebildeten Si-
Substrat mit einer sehr dünnen polykristallinen SiC-Schicht
wachsen gelassen wurde.
Sodann wurde Ti auf der gesamten Oberfläche des SiC-Einkristallfilms
durch Vakuumverdampfung mit Widerstandserhitzen
abgeschieden, wobei feinverteiltes Ti als Material verwendet
wurde. Der Vakuumgrad betrug etwa 1 × 10-6 torr. Die
gebildete Ti-Schicht hatte eine Dicke von etwa 500 Å.
Hierauf wurde eine Ti-Elektrode mit der Gestalt eines Musters
gebildet, indem die Ti-Schicht mit Fluorwasserstoffsäure
(HF) durch Photolithographie geätzt wurde (vgl. Fig. 1(A)).
In der Zeichnung bedeutet 1 den SiC-Einkristall, 2 die Ti-
Schicht und 4 das Si-Einkristallsubstrat.
Die durch Vakuumaufdampfen gebildete Ti-Schicht 2 haftete
fest an dem darunterliegenden SiC-Einkristall, und sie war
sehr kompakt. Die Ti-Schicht 2 kann daher sofort zum Anschluß
an einen äußeren Stromkreis mit einem Draht versehen
werden, um als ohm′sche Kontaktelektrodenstruktur zu wirken.
Zur Bestätigung der Tatsache, daß die Ti-Elektrode einen
ohm′schen Kontakt hat, wurden ein SiC-Einkristall (in Fig. 1(A)
durch 1 angegeben) und eine Ti-Schicht auf den Vorder-
bzw. Rückseiten eines Si-Einkristallsubstrats in der gleichen
Weise wie oben beschrieben gebildet. Das Produkt wurde auf
die Stromstärke-Spannungscharakteristik untersucht. Das
Ergebnis ist in Fig. 2 dargestellt. Die Fig. 2 zeigt, daß
der Wert der Stromstärke linear mit der Variierung der
Spannung variiert, während der betreffende Widerstand niedrig
ist. Dies weist darauf hin, daß die Ti-Schicht wirksam
als ohm′sche Elektrode wirkt.
Wie in Fig. 1(B) dargestellt, wurde eine Ti-Schicht 2 auf
einem SiC-Einkristall 1 durch Vakuumverdampfen in der gleichen
Weise wie im Beispiel 1 wachsen gelassen. Hierauf wurde
eine Al-Schicht 3 auf der Ti-Schicht 2 gleichfalls durch
Vakuumverdampfung mit Widerstandserhitzen gebildet. Der
Grad des Vakuums betrug etwa 1 × 10-6 torr, und die Ti-
Schicht 2 und die Al-Schicht 3 hatten eine Dicke von etwa
300 Å bzw. etwa 1000 Å. Auf diese Weise wurde eine Elektrode
aus einer Ti-Al-Zweischichtstruktur auf dem SiC-Einkristall
gebildet.
Bei der Elektrodenstruktur dieses Beispiels ist die Ti-
Schicht 2 fest an dem darunterliegenden SiC-Einkristall 1
im innigen Kontakt damit verbunden, wodurch ein ohm′scher
Kontakt erhalten wird, während die Al-Schicht 3 eine Oberfläche
ergibt, die ohne weiteres an ein äußeres System angeschlossen
werden kann. Die Zweischichtenelektrode, bestehend
aus der Ti-Schicht 2 und der Al-Schicht 3, wirkt daher
als stabile ohm′sche Elektrode für den SiC-Einkristall 1.
Die dicke Al-Schicht 3, die die Elektrodenstruktur schützt,
gewährleistet eine verbesserte Betriebssicherheit gegen
äußere Schlageinwirkungen und dergleichen.
Die Ti-Al-Elektrode dieses Beispiels wurde auf die Stromstärke-
Spannungscharakteristik wie im Zusammenhang mit Beispiel 1
getestet. Das Ergebnis ist ähnlich wie in Fig. 2
gezeigt, was darauf hinweist, daß die Elektrode eine zufriedenstellende
ohm′sche Elektrode ist.
In der gleichen Weise wie im Beispiel 1 wurde eine Al-Schicht
mit einer Dicke von etwa 2000 Å auf dem SiC-Einkristall
durch Vakuumverdampfen mit Widerstandserhitzen gebildet.
Die Stromstärke-Spannungscharakteristik der Elektrode wurde
wie im Beispiel 1 bestimmt, und das Ergebnis ist in Fig. 3
dargestellt. Dies zeigt, daß die Al-Schicht, obgleich sie
einen geringfügig höheren Widerstand besitzt, zufriedenstellende
ohm′sche Eigenschaften zeigt und effektiv als
ohm′sche Elektrode wirkt.
Der gleiche SiC-Einkristall wie im Beispiel 1 verwendet und
ein SiC-Einkristall (5 mm × 5 mm), hergestellt durch den
Sublimationsprozeß, wurden auf ihren Oberflächen mit einem
Ionenstrahl bzw. einem Ionenbündel bestrahlt (Beschleunigungsspannung
3 kV, Emissionsstromstärke 20 mA), wobei Argongas verwendet
wurde, um Eindrücke mit ungefähr 300 Å in den Oberflächen
zu bilden. Eine Ti-Schicht wurde auf den Kristallen in der
gleichen Weise wie in Beispiel 1 gebildet. Die Oberflächenunregelmäßigkeiten
resultieren in einer verbesserten Haftung
und höherer Betriebssicherheit. Die erhaltenen Elektroden
zeigen die gleiche Stromstärke-Spannungscharakteristik
wie diejenigen in Fig. 2. Sie waren daher als ohm′sche Elektroden
geeignet.
Claims (9)
1. Elektrodenstruktur für einen Siliciumcarbid-Einkristall-
Halbleiter, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberfläche des Siliciumcarbid-Einkristalls mit einer Metallschicht
von Titan, Aluminium, Chrom oder Molybdän oder der
Metallschicht und einer auf der Metallschicht gebildeten
elektrisch leitenden Schutzschicht laminiert ist, um eine
ohm′sche Elektrode zu bilden.
2. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Siliciumcarbid-Einkristall
durch einen chemischen Dampfphasen-Abscheidungsprozeß gebildet
worden ist.
3. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Siliciumcarbid-Einkristall
Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweist.
4. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallschicht aus Titan
hergestellt ist.
5. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallschicht aus Aluminium
hergestellt ist.
6. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die leitfähige Schutzschicht
eine Aluminiumschicht ist.
7. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallschicht eine Dicke
von 200 bis 800 Å aufweist.
8. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Metallschicht eine Dicke
von 1000 bis 3000 Å aufweist.
9. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Siliciumcarbid-Einkristall
auf einem Silicium-Einkristallsubstrat gebildet ist.
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