JP2002289555A - 炭化珪素半導体用電極及びそれを備える炭化珪素半導体素子並びにそれらの製造方法 - Google Patents
炭化珪素半導体用電極及びそれを備える炭化珪素半導体素子並びにそれらの製造方法Info
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Abstract
iC半導体用オーミック電極及びその製造方法を提供す
る。また、このオーミック電極を備える炭化珪素半導体
素子及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 SiC半導体用電極であって、p型Si
Cからなる半導体の表面に形成されたp型Si層と、こ
のSi層の表面に形成されたPtSi等の金属珪化物か
らなる金属珪化物層と、を有するオーミック電極を得
る。p型Si層は、上記p型SiCと同程度若しくはそ
れ以上のキャリア濃度を有するp型Siにより形成する
ことが好ましい。また、Siを堆積し、金属珪化物をレ
ーザアブレーション法により堆積した後、レーザ照射し
て、オーミック化するとともに、堆積層とp型SiC半
導体との密着性を向上させ、その後、レーザアブレーシ
ョン法により更に金属珪化物を堆積して電極を作製する
ことが好ましい。
Description
も安定に動作可能な炭化珪素半導体用電極、より具体的
にはp型炭化珪素半導体用オーミック電極、及びそれを
備える炭化珪素半導体素子、並びにこれら電極及び素子
の製造方法に関する。
が2.3〜3eV程度(3C−SiCでは2.23e
V、6H−SiCでは3.03eV、4H−SiCでは
3.26eVである。但し、Cは立方晶(cubic)
を、Hは六方晶(hexagona1)を表わす。尚、
C及びHに付された3、4、6といった数値は、結晶構
造の繰り返し周期を表わす。)と大きい。そのため、6
00℃前後の高温においても半導体特性が維持され、高
温環境でも動作可能な半導体素子への応用が期待されて
いる。
半導体素子を作製するうえで、重要なのはn及びp両型
における安定なオーミック電極の形成である。この電極
の形成について、例えば、特開平8−139051号公
報には、炭化珪素結晶からなる基板表面に形成した金属
を炭化し、熱処理することによってオーミック電極を形
成する方法が開示されている。
RONIC MATERIALS(Vol.29,N
o.3,391−397,2000)には、p型SiC
層にp−Si/Taを堆積し、1100℃で5分、H2
−Arガス雰囲気において熱処理することにより、Ta
がSiと反応してTaSi2になり、界面付近にSiを
多く含むp型SiCが生じ、オーミック電極が形成され
たという実験結果が報告されている。
LETTERS(Vol.73,No.14,2009
−2011,1998)には、p型4H−SiC層にS
i/Ptを堆積し、1000℃以上の温度で熱処理する
ことによってオーミック電極を形成した実験結果が記載
されている。そして、1100℃で熱処理することによ
り、PtとSiCが反応してPtとSiとCの混合層が
生成していることが、オージェ電子分光法により確認さ
れ、また、その混合層は表面荒れを生じていたことが報
告されている。
て、n型結晶の場合は、n型半導体より仕事関数が小さ
い金属等を選択すれば、オーム性の接合を有するオーミ
ック電極を形成することができる。この金属等として
は、Ni、Ti、Ta、W、NiSix(珪化ニッケ
ル)、TaSix(珪化タンタル)及びWSix(珪化
タングステン)等の金属単体、合金、化合物の他、これ
らの混合物などを使用することができる。これらはいず
れも融点が高く、耐熱性に優れており、600℃程度の
高温環境においても安定して使用し得ることが知られて
いる。
ては、p型半導体より仕事関数が大きい金属等を選択す
れば、オーム性の接合を有するオーミック電極を形成す
ることができるが、そのような金属等はこれまで知られ
ていない。そのため、Alの他、Ti/Al(ここで、
「Ti/Al」とは、半導体の表面からTi、A1がこ
の順に積層された電極であることを意味する。以下も同
様である。)、Al/Ti、Al/Ni等のp型ドーパ
ントであるAlの拡散を利用したものが用いられてい
る。また、PtSix(珪化白金)、TaSix(珪化
タンタル)等の金属珪化物と、基板のSiとの反応を利
用したものが使用されている。しかし、Alを含有する
ものはA1の融点が660℃と低いため、高温環境にお
いて安定して使用することができない。
は、一般に、熱処理等により金属珪化物とSiCとを反
応させてオーミック電極を形成する。しかし、この方法
では、SiC層の表面のSiが金属珪化物の側に吸収さ
れ、SiC層の表面にSi欠乏層、言い換えればC偏析
層が生ずる。一方、金属珪化物は、Siと反応した部分
と、反応していない部分とを生じ、電極の厚さがばらつ
いたりすることもある。尚、珪化物を形成する金属を単
体として電極に用いた場合も、同様な問題が発生するこ
とが、容易に推測される。
たものであり、オーミック電極を形成する際の熱処理等
における金属の珪化による炭化珪素半導体(SiC半導
体)との反応を、抵抗の低い珪素層(Si層)を介在さ
せることにより減少させ、熱的に安定なオーミック電極
からなる炭化珪素半導体用電極を提供することを目的と
する。また、本発明は、この炭化珪素半導体用電極を備
える炭化珪素半導体素子、並びにこれら電極及び素子の
製造方法を提供することを目的とする。
用電極では、p型SiC半導体と金属珪化物層との間に
p型Si層を介在させることにより、珪化の際のSiC
半導体の表層におけるSiの欠乏が回避される構造とな
っている。また、このSi層を、SiCと同程度若しく
はそれ以上のキャリア濃度を有するSiを用いて形成す
ることにより、SiC半導体とSi層との接触抵抗を低
下させ、オーミック電極としての特性を向上させる構造
となっている。尚、上記p型SiC半導体は、n型Si
Cからなる半導体にドーピングにより形成されたp型S
iC半導体領域であってもよい。
C、6H−SiC等の多くのポリタイプがあるが、本発
明ではいずれの結晶構造のものも使用することができ
る。また、Si層は、SiCと同じ伝導型を有するSi
により形成され、上記のようにSiのキャリア濃度が使
用されるSiCと同程度若しくはそれ以上であることが
好ましい。
相堆積法、スパッタリング法、レーザアブレーション法
等の従来の方法により行うことができ、特に限定はされ
ないが、レーザアブレーション法により堆積することが
好ましい。一方、金属珪化物はレーザアブレーション法
により堆積され、金属珪化物層が形成される。また、金
属珪化物層の組成ずれを防止し、良好なオーミック性を
確保する観点から、レーザアブレーション法により金属
珪化物を堆積させた後、レーザ照射及び/又は熱処理を
行って、オーミック性を向上させるとともに、SiC半
導体とSi層及び金属珪化物層との密着性を高めること
が好ましい。
以上と比較的厚い場合は、レーザアブレーション法によ
り金属珪化物を一部堆積させた後、レーザ照射及び/又
は熱処理を行って、オーミック性を向上させるととも
に、SiC半導体とSi層及び金属珪化物層との密着性
を高め、その後、金属珪化物を更に堆積させて所定厚さ
の電極とすることが好ましい。これにより、確実にオー
ミック化することができ、且つSiC半導体と電極とを
十分に密着させることができる。
ザ照射及び熱処理のいずれの方法で行ってもよいが、オ
ーミック化にともなう電極材のSiC半導体への拡散を
より浅くするためには、レーザ照射により行うことが好
ましい。レーザ照射の場合は、例えば、KrFエキシマ
レーザ(λ=248nm、τp=20ns)をエネルギ
ー密度1〜2J/cm2で50〜200パルス照射する
ことにより、十分にオーミック化することができるとと
もに密着性も向上する。一方、熱処理の場合は、800
〜1200℃で1分〜1時間程度加熱することにより、
同様にオーミック化させ、密着性を向上させることがで
きる。
としては、白金族元素、IVa族元素、Va族元素、V
Ia族元素及びVIII族元素から選ばれる少なくとも
1種の金属元素の珪化物を使用することができる。これ
らのうちでは、白金族元素、特にPtが多用され、その
他では、Ta、Ni、W等が用いられる。
物層の各々の厚さは特に限定されないが、レーザ照射に
よりオーミック化する場合は、レーザ光がSiC半導体
層の表面に到達し得る程度の厚さにする必要がある。そ
のため、レーザ照射前のSi層と金属珪化物層との合計
厚さを、1〜100nm、特に5〜70nm、更には1
0〜40nmとすることが好ましい。この合計厚さが1
nm未満であると、レーザ光を照射した際にアブレーシ
ョンされてしまって堆積されたSi及び金属珪化物が消
失してしまうことがある。一方、100nmを越えて厚
いと、レーザ光がSiC半導体の表面に到達できず、十
分にオーミック化されないことがある。尚、レーザ照射
前のSi層と金属珪化物層との厚さの比は特に限定され
ないが、Si層が金属珪化物層より薄いほうが好まし
い。また、オーミック化の後、更に金属珪化物が堆積さ
れて形成される電極の全厚さも限定はされない。
詳しく説明する。 比較例1(Si層が介在していない電極) 真空度3×10-6Torrに減圧にした真空チャンバー
内にターゲットとウェハを配設し、レーザアブレーショ
ン法によってPtSi電極を作製した。PtSi(株式
会社高純度化学研究所製、純度99.9%、元素モル
比;Pt/Si=1/1)をターゲットとして使用し、
KrFエキシマレーザ(λ=248nm、τp=20n
s)をエネルギー密度2.5J/cm2で500パルス
照射した。これにより、ターゲット表面から約3cm離
れた位置に配設してあるp型6H−SiCウェハ(A1
ドープ量;2.01×1018/cm3)の所定の部位に
PtSiを約13nmの厚さに堆積させた。その後、こ
のPtSi層に上記レーザをエネルギー密度1.2J/
cm2で100パルス照射し、PtSi層とSiC半導
体ウェハとの密着性を高めた。
て、再び上記レーザをエネルギー密度2.5J/cm2
で3000パルス照射し、PtSiを約75nmの厚さ
に堆積させて、合計厚さ約90nmのPtSi電極を作
製した。このようにして作製した電極間の電流(I)−
電圧(V)特性を図1に破線で示す。
型SiC半導体用オーミック電極) 真空度3×10-6Torrに減圧にした真空チャンバー
内にターゲットとウェハを配設し、レーザアブレーショ
ン法によってp型SiC半導体ウェハとPtSi層との
間にp型Si層を介在させたオーミック電極を作製し
た。p型Si(Bドープ量;1×1019/cm3)をタ
ーゲットとして使用し、上記レーザをエネルギー密度
2.5J/cm2で500パルス照射した。これによ
り、ターゲット表面から約3cm離れた位置に配設して
あるp型6H−SiCウェハ(Alドープ量;2,01
×1018/cm3)の所定の部位にSiを約10nmの
厚さに堆積させた。その後、ターゲットを上記PtSi
に取り替え、上記レーザをエネルギー密度2.5J/c
m2で500パルス照射し、p型Si層の表面にPtS
iを約13nmの厚さに堆積させ、PtSi層を形成し
た。次いで、Si層とPtSi層との積層体に、上記レ
ーザをエネルギー密度1.2J/cm2で100パルス
照射し、オーミック化するとともに、積層体とSiC半
導体ウェハとの密着性を高めた。
レーザをエネルギー密度2.5J/cm2で3000パ
ルス照射し、PtSiを約75nmの厚さに堆積させ
て、合計厚さ約100nmのPtSiオーミック電極を
作製した。このようにして作製した電極間のI−V特性
を図1に実線で示す。図1における破線と実線とを比較
してみれば、p型Si層を介在させることにより、I−
V特性の直線性が増し、オーミック電極としての特性が
向上していることが分かる。
を、IEEE ELECTRONDEVICE LET
TERS(Vol.EDL−3,No.5,111−1
13,1982)に記載されたlinear TLM
(TransmissionLine Model)法
により算出した接触抵抗率によって評価した。図2に示
す電極間距離[L(cm)]と合計抵抗値[R
T(Ω)]の関係を測定した結果から近似的に得られる
直線は、下記の式により表わされる。 RT=170.02×L+2.163 この直線とx軸との交点[LX(cm)]の絶対値から
伝導長[LT(cm)]は、LT=LX/2=6.36×
10-3cm、y軸との交点[RY(Ω)]から接触抵抗
[RC(Ω)]は、RC=RY/2=1.0815Ωと求
められ、電極幅(W)が0.2cmであるから、接触抵
抗率(ρ)は、 ρ=LT・W・RC=1.38×10-3Ω・cm2 となる。この接触抵抗率は、基板のキャリア濃度や、表
面状態に関係しているが、今回用いた基板のキャリア濃
度に対しては、十分満足できる値である。
−Si/PtSiオーミック電極1の構造を示すもので
あり、p型SiC半導体ウェハ2の表面に、p型Si層
11が形成され、このp型Si層11の表面に金属珪化
物層であるPtSi層12が形成されている。尚、この
図3は模式図であり、各々の層の寸法比等を正確に表わ
すものではない。
場合と、真空蒸着法により堆積させた場合の、形成され
る堆積層の組成を比較した。 実験例1−1(真空蒸着法により形成した堆積層) 到達真空度2×10-6Torrにおいて、タングステン
バスケットに約0.1gのPtSiを載せ、20Aの電
流を流して抵抗線を加熱し、上記SiC半導体ウェハの
所定の部位に堆積させて厚さ約30nmの堆積層を形成
した。
ージェ電子分光法により元素分析を行った。オージェ電
子分光分析のチャートを図4に示す。この図4によれ
ば、原料のPtSiにはPt、Si、O及びCのピーク
がみられるが、堆積層に形成した後はSi、O及びCの
ピークしかなく、この堆積層にはPt成分が含まれてい
ないことが分かる。
より形成した堆積層(PtSi層)] 上記PtSiをターゲットとして使用し、上記レーザを
エネルギー密度2.5J/cm2で3000パルス照射
し、ターゲット表面から約3cm離れた位置に配設して
ある上記SiC半導体ウェハの所定の部位に堆積させて
厚さ約75nmの堆積層(PtSi層)を形成した。
より元素分析を行った。オージェ電子分光分析のチャー
トを図5に示す。この図5によれば、この堆積層にはP
t、Si、O及びCのピークがみられ、PtSi層が形
成されていることが分かる。
ーザアブレーション法によって堆積させて形成した場合
に、目的とするオーミック電極がより確実に形成される
ことを裏付けるものである。
ック電極) (1)電極の作製 従来よりp型SiC半導体ウェハのオーミック電極とし
て用いられているTi/A1積層電極を真空蒸着法によ
り作製した。到達真空度3×10-6Torrにおいて、
タングステンバスケットに約0.05gのTiを載せ、
13Aの電流を流して抵抗線を加熱し、上記SiC半導
体ウェハの所定の部位に約10nmの厚さに堆積させ
た。その後、タングステンバスケットに約0.5gのA
lを載せ、14Aの電流を流して抵抗線を加熱し、Ti
層の表面に約20nmの厚さに堆積させた。次いで、こ
のようにして形成されたTiとAlとの積層体に、上記
レーザをエネルギー密度1.0J/cm2で100パル
ス照射し、オーミック化するとともに、積層体とSiC
半導体ウェハとの密着性を高めた。
ットに14Aの電流を流し、Alを更に堆積させ、合計
厚さ約170nmのオーミック電極を作製した。このよ
うにして作製した電極間のI−V特性を図6に示す。図
6によれば、このTi/A1積層電極はp型SiC半導
体ウェハに対してオーミック接触となっていることが分
かる。
極の耐熱性を評価するため、赤外線ランプにより、これ
らの電極を、大気雰囲気下、600℃で1時間加熱し
た。加熱後の電極間のI−V特性を図7に示す。
は、電流値が図6の加熱前に比べて図7の加熱後では4
桁程度も低下し、電極の厚さも約170nmであったも
のが約10nmにまで薄くなり、電極として機能しなく
なっていた。これにより、融点が660℃と低いAlを
主体とした電極は、600℃程度の高温環境における電
極としては、不安定、且つ信頼性の低いものであること
が分かる。
を示す。n型6H−SiCウェハにイオン注入法により
Al等のp型ドーパントを注入し、後アニールをするこ
とによって活性化させ、p型層を形成してpn接合ダイ
オードを作製した。n型SiC側のオーミック電極とし
てはTaを使用し、その表面をPtからなる耐熱性キャ
ップにより覆った。一方、p型層のオーミック電極とし
ては、本発明におけるp−Si/PtSi積層電極を用
い、同様にしてPtからなる耐熱性キャップにより覆っ
た。尚、これは素子の一例として示しただけであり、そ
の他の素子でもよく、また、ドーピング方法は従来の方
法でよく、電極材等の種類も特に限定されない。この図
8も模式図であり、各々の層の寸法比等を正確に表わす
ものではない。
電極は、耐熱性が高く、熱処理等による影響を受け難
く、信頼性が高い。また、このオーミック電極を備える
本発明の炭化珪素半導体素子は、高温環境において安定
して動作可能である。更に、本発明の方法によれば、こ
れら優れた特性を有する電極及び素子を、容易に、且つ
確実に製造することができる。
れたp−Si/Pt電極と、PtSi電極とのI−V特
性の比較を示すグラフである。
れたp−Si/PtSi電極において、接触抵抗率を算
出するため電極間距離と合計抵抗値とを測定したグラフ
である。
に形成されたp−Si/PtSiオーミック電極の縦断
面を示す模式図である。
層のオージェ電子分光法による元素分析の結果を示すチ
ャートである。
してなる堆積層(PtSi層)のオージェ電子分光法に
よる元素分析の結果を示すチャートである。
れたTi/Al積層電極のI−V特性を示すグラフであ
る。
れたTi/Al積層電極の耐熱性を評価するため600
℃で加熱した後のI−V特性を示すグラフである。
す模式図である。
i層、12;PtSi層、2;p型SiC半導体ウェ
ハ、3;耐熱用Ptキャップ層、4;p型イオン注入
層、5;n型SiC半導体ウェハ、51;バルク層、5
2;n型エピタキシャル層、6;Taオーミック電極。
Claims (12)
- 【請求項1】 炭化珪素半導体用電極であって、p型炭
化珪素からなる半導体の表面に形成されたp型珪素層
と、該p型珪素層の表面に形成された金属珪化物層と、
を有するオーミック電極であることを特徴とする炭化珪
素半導体用電極。 - 【請求項2】 上記p型珪素層が、上記p型炭化珪素と
同程度若しくはそれ以上のキャリア濃度を有するp型珪
素からなる請求項1記載の炭化珪素半導体用電極。 - 【請求項3】 上記金属珪化物層が、白金族元素、IV
a族元素、Va族元素、VIa族元素及びVIII族元
素から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含む請求項
1又は2に記載の炭化珪素半導体用電極。 - 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の
炭化珪素半導体用電極の製造方法であって、上記p型珪
素層及び上記金属珪化物層の少なくとも該金属珪化物層
をレーザアブレーション法により形成することを特徴と
する炭化珪素半導体用電極の製造方法。 - 【請求項5】 上記金属珪化物層をレーザアブレーショ
ン法により形成した後、レーザ照射及び熱処理の少なく
とも一方を行う請求項4記載の炭化珪素半導体用電極の
製造方法。 - 【請求項6】 上記金属珪化物層をレーザアブレーショ
ン法により形成した後、レーザ照射及び熱処理の少なく
とも一方を行い、次いで、該金属珪化物層の表面にレー
ザアブレーション法により更に金属珪化物を堆積する請
求項4記載の炭化珪素半導体用電極の製造方法。 - 【請求項7】 (1)p型炭化珪素からなる半導体と、
(2)該半導体の表面に形成されたp型珪素層及び該p
型珪素層の表面に形成された金属珪化物層を有するオー
ミック電極からなる炭化珪素半導体用電極と、を備える
ことを特徴とする炭化珪素半導体素子。 - 【請求項8】 上記p型珪素層が、上記p型炭化珪素と
同程度若しくはそれ以上のキャリア濃度を有するp型珪
素からなる請求項7記載の炭化珪素半導体素子。 - 【請求項9】 上記金属珪化物層が、白金族元素、IV
a族元素、Va族元素、VIa族元素及びVIII族元
素から選ばれる少なくとも1種の金属元素を含む請求項
7又は8に記載の炭化珪素半導体素子。 - 【請求項10】 請求項7乃至9のいずれか1項に記載
の炭化珪素半導体素子の製造方法であって、上記p型珪
素層及び上記金属珪化物層の少なくとも該金属珪化物層
をレーザアブレーション法により形成することを特徴と
する炭化珪素半導体素子の製造方法。 - 【請求項11】 上記金属珪化物層をレーザアブレーシ
ョン法により形成した後、レーザ照射及び熱処理の少な
くとも一方を行う請求項10記載の炭化珪素半導体素子
の製造方法。 - 【請求項12】 上記金属珪化物層をレーザアブレーシ
ョン法により形成した後、レーザ照射及び熱処理の少な
くとも一方を行い、次いで、該金属珪化物層の表面にレ
ーザアブレーション法により更に金属珪化物を堆積する
請求項10記載の炭化珪素半導体素子の製造方法。
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