JP2010177581A - オーミック電極およびその形成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】p型SiC半導体の表面にTi3SiC2のオーミック電極層が直接積層されているp型SiC半導体素子のオーミック電極、およびp型SiC半導体表面にTiとSiとCとからなる3元混合膜(原子数組成比がTi:Si:C=3:1:2である。)を積層する工程(a)と、得られた積層体を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱して熱処理する工程(b)とによるp型SiC半導体表面にTi3SiC2のオーミック電極層が直接積層されているp型SiC半導体素子のオーミック電極の形成方法。
【選択図】図3
Description
このため、p型SiC半導体素子のオーミック電極の開発について種々の提案がされている。
このため、従来技術によれば電極の平滑性が悪く、オーミック特性の低い電極が得られる。また、アニール温度を低下させることで平滑性はやや改善するものの、界面反応が進行せず、オーミック特性が悪く接触抵抗が大きい電極しか得られない。
また、本発明の他の目的は、Ti3SiC2のオーミック電極層表面の平滑性が良好でありオーミック特性の良好なp型SiC半導体素子のオーミック電極の形成方法を提供することである。
また、本発明によれば、Ti3SiC2のオーミック電極層表面の平滑性が良好でありオーミック特性の良好なp型SiC半導体素子のオーミック電極を容易に形成することができる。
図1および図2を比較すると、本発明のp型SiC半導体素子のオーミック電極はTi3SiC2の中間半導体層(電極)に不純物が含まれず表面の平滑性が良好であるのに対して、従来技術によるp型SiC半導体素子のオーミック電極はTi3SiC2に副生成物が含有された中間半導体層上の金属間化合物(TiAl3)とAlの凝固物との混合層が電極表面の平滑性の不良をもたらしていると考えられる。
このSiC半導体とTiとの界面反応を抑制するには、膜内での反応に伴う発熱で温度が局所的に上昇することを防止することが望ましい。これは、非常に薄いTi3SiC2層を形成する必要があることから、蒸着膜の厚さを極限まで薄くすることで反応熱量を低く抑えられることに加えてSiC半導体が高い熱伝道度を有していることを利用して、反応が進行している膜局所から効果的に抜熱できることにより、制御が可能である。
このSiCは非常に硬い材料であるため切り出し部の平坦度を上げることが難しく、p型SiC半導体基板に金属電極を圧着させると隙間が残った状態で圧着され、低抵抗の接合を得ることが困難である。それ故、通常はp型SiC半導体に電極成分を蒸着して積層する方法が採用される。
前記の3元混合蒸着膜の形成は、TiとSiとCとの原子数組成比がTi:Si:C=3:1:2となる前記元素を含む任意の原料、例えばTi、SiおよびC(カーボン)の粉末、塊又は成形体、Ti、SiCおよびCの粉末、塊又は成形体、Ti、SiおよびTiCの粉末、塊又は成形体、又はTi3SiC2の粉末、塊又は成形体をターゲットとして蒸着装置、例えば高周波マグネトロンスパッタリング装置を用いて、放電雰囲気:希ガス雰囲気、例えばAr雰囲気、例えば100〜300W、例えば200WのAr順方向出力、例えば5〜500秒、好適には10〜360秒の条件で蒸着させることによって行うことができる。
前記のTi3SiC2は、金属とセラミック材料の両方の特性を合わせ持つチタンシリコンカーバイドであり、例えば特表2003−517991号公報、特開2004−107152号公報、特開2006−298762号公報に記載の方法によって得ることができる。
前記の(b)工程は、900℃以上で且つ3元混合膜が加熱の間終始固相状態を保ったまま進行する温度、好適には900〜1000℃の温度で5分〜120分間、特に5〜30分間加熱することによって行うことが好ましい。
以下の実施例において、試料についての評価法は以下に示す方法によって行った。なお、以下の測定法は例示であって、他の同等の装置、条件を用いて測定し得る。
1.電極の表面粗さ
測定方法:算術平均粗さ(μm)を測定
測定装置:触針式表面粗さ測定機 小坂研究所製
サーフコーダSE−40C(検出器モデル DR−30)
2.オーミック特性
測定方法:電極間の電流電圧特性の測定
測定装置:高精度デジタルマルチメータ アドバンテスト社製 R6581
定電圧電源 高砂製作所製 KX−100H
1.p型SiC半導体に蒸着膜の積層
半導体基板材料として厚さ369μm、抵抗率75−2500Ωcm、面方位(0001)8° off toward[11−20]、電極形成面Si面のp型の4H−SiCを用いて、以下の条件で蒸着膜を積層した。
蒸着装置:高周波マグネトロンスパッタリング蒸着装置
スパッタリングターゲット:Ti、Si、C粉末、塊又は成形体(組成比:原子数比でTi:Si:C=3:1:2)
蒸着条件:Ti−S−C膜の蒸着に先立って常法により基板を清浄化処理し、Ar放電雰囲気、200Wの順方向出力、360秒間の放電時間
上記の条件で半導体表面にTiとSiとCとからなる3元混合蒸着膜(組成比:原子数比でTi:Si:C=3:1:2)を積層して、3元混合蒸着膜の厚さが300nmの積層体を得た。
得られた積層体について、表面粗さおよびオーミック特性を評価した。表面粗さの結果を表1に、オーミック特性の結果まとめて図5および表2に示す。
前記の工程で得られた積層体を真空雰囲気下(1〜10×104Pa)、あるいはAr又はN2雰囲気下、1000℃で10分間又は15分間加熱して熱処理することによって、オーミック電極を形成した。
得られたオーミック電極について、表面粗さおよびオーミック特性を評価した。表面粗さの結果を表1に、オーミック特性の結果をまとめて図5および表2に示す。
1.p型SiC半導体に蒸着膜の積層
半導体基板材料として厚さ369μm、抵抗率75−2500Ωcm、面方位(0001)8° off toward[11−20]、電極形成面Si面のp型の4H−SiCを用いて、以下の条件で蒸着膜を積層した。
蒸着装置:電子ビーム蒸着装置
蒸着材料:Ti、Al
上記の条件で半導体表面に、Ti(80nm)/Al(375nm)を蒸着して積層体を得た。
得られた積層体について、表面粗さおよびオーミック特性を評価した。表面粗さの結果を表1に、オーミック特性の結果をまとめて図5および表2に示す。
前記の工程で得られた積層体をAr又はN2雰囲気下(大気圧)、1000℃で10分間加熱して熱処理して、オーミック電極を形成した。
得られたオーミック電極について、表面粗さおよびオーミック特性を評価した。表面粗さの結果を表1に、オーミック特性の結果まとめて図5および表2に示す。
また、実施例1の3元混合膜を半導体基板材料に蒸着した積層体は良好な平滑性とオーミック特性を有しており、熱処理によってオーミック特性がさらに向上したことを示している。
これに対して、比較例1によって得られたオーミック電極はオーミック特性を有しているが平滑性が不良であることを示している。
また、比較例1のTi/Al蒸着膜を半導体基板材料に蒸着した積層体は良好な平滑性は有しているがオーミック特性を有してなく、熱処理によってオーミック特性は得られたが平滑性が低下したことを示している。
従って、Ti3SiC2オーミック電極層の厚さは例えば20nm以下、例えば10nm以下に制御し得る。
本発明のp型SiC半導体素子のオーミック電極を用いて得られるSiC製電界効果トランジスタの模式図を図7に示す。
本発明のp型SiC半導体素子のオーミック電極を用いて得られるN−チャネルパワー電界効果トランジスタ(パワーMOSFET)の模式図を図8に示す。
本発明のp型SiC半導体素子のオーミック電極を用いて得られる炭化珪素N−チャネル絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)の模式図を図9に示す。
図9に示すIGBTは、室温、又は比較的低温でオーミック特性を確保できるためゲート酸化膜形成、イオン注入等の表面プロセス終了後においても、熱影響なく、裏面のドレイン電極が実現できる。
Claims (5)
- p型SiC半導体の表面にTi3SiC2のオーミック電極層が直接積層されているp型SiC半導体素子のオーミック電極。
- オーミック電極層が、Al成分を含有しない請求項1に記載のオーミック電極。
- p型SiC半導体表面にTiとSiとCとからなる3元混合膜(原子数組成比がTi:Si:C=3:1:2である。)を積層する工程(a)と、得られた積層体を真空中又は不活性ガス雰囲気中で加熱して熱処理する工程(b)とによるp型SiC半導体表面にTi3SiC2のオーミック電極層が直接積層されているp型SiC半導体素子のオーミック電極の形成方法。
- 前記工程(a)が、蒸着装置内でp型SiC半導体表面を清浄化した後蒸着法によって3元混合蒸着膜を形成する方法である請求項3に記載の形成方法。
- 前記熱処理が、900℃以上で且つ3元混合膜が終始固相状態を保ったまま進行する温度での加熱である請求項3又は4に記載の製造方法。
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