JP3086556B2 - 半導体ダイヤモンド層上の耐熱性オーミック電極及びその形成方法 - Google Patents
半導体ダイヤモンド層上の耐熱性オーミック電極及びその形成方法Info
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Description
タ、FET及びサーミスタ等の電子部品又は電子デバイ
スを構成する半導体ダイヤモンド層上に形成される半導
体ダイヤモンド層上の耐熱性オーミック電極及びその形
成方法に関する。
薬品性、耐放射線性に優れた絶縁体であり、産業上種々
の利用が検討され、また実用化されている。また、ダイ
ヤモンドはバンドギャップが約5.4eVと大きく、B等の
不純物をドーピングしたものは半導体特性を示し、この
種の半導体ダイヤモンドは、高温半導体としての応用が
期待されている。
薄膜を、プラズマ反応を利用して気相から合成する方法
が確立されて以来、ダイヤモンド薄膜を利用した超硬工
具、スピーカ振動板、半導体デバイスのヒートシンク、
並びにダイオード及びトランジスタ等の電子デバイスの
開発が進められている。
子デバイスにおいては、ダイヤモンド半導体層に対する
密着性が優れたオーミック電極、即ち、電流電圧特性が
線形である電極を形成する必要がある。ダイヤモンド素
子の特徴である高温及び高電圧下での使用を考慮する
と、電極は接触抵抗が小さく、且つ、使用温度より十分
高い温度まで安定である必要がある。これは接触抵抗が
大きいと電極部分で発熱をおこし、局所的に更に一層高
温になってしまうからである。
ク電極作製法としては、A.T.Collins(Diamond Researc
h, pp.19-22, 1970年)等及びK.L.Moazed等(J.Appl.Phy
s., vol.68, No.5, pp.2246-2255,1990年)により提案
された方法がある。即ち、これらの文献に記載されたよ
うに、炭化物を形成しやすいTa、Ti、Mo等を電子
ビーム照射により形成し、又は真空熱処理等を行うこと
により、オーミック電極を得る方法が公知である。
ダイヤモンド層3と、Ta,Ti又はMo等からなる金
属電極層1との界面に炭化物層2を形成することによ
り、良好なオーミック電極を得ようとするものである。
即ち、炭化物を形成し易いTa,Ti,Mo等の金属を
電極材料として使用し、この電極層1とダイヤモンド層
3との間に炭化物層2を形成する。
化物であるTixC1-xを形成するTiを電極材料とし、
このTi電極の上に、酸化を防ぐために、Au、Pt又
はMo/Au(MoとAuとをこの順に積層したもの)
等を酸化防止膜として形成した多層金属薄膜の利用が報
告されている。
は、基板の半導体ダイヤモンド層3の上に、電極Ti層
1を形成し、更に電極Ti層1の上に、拡散防止Au層
4を形成したものである。
は、半導体ダイヤモンド層3上の電極Ti層1の上に、
拡散防止Mo層5を形成し、更にこの拡散防止Mo層5
の上に拡散防止Au層4を形成したものである。このT
i/Mo/Auの多層膜を使用した半導体デバイスとし
ては、サーミスタ(藤森等、NEW DIAMOND Vol.13,P.32,
1989年)等がある。
であるが、反応性に富み、空気中においては、高温で酸
化されやすい。このため、上述の如く、酸化を防ぐため
に、Au、Pt、Mo/Au等を酸化防止膜とした多層
膜が電極として利用されている。
な使用を考慮すると、酸素からの完全な遮蔽は困難であ
る。実際に、下記表1に示す条件で、図4(b)に示す
電極Ti層1/拡散防止Au層4からなる電極を製作
し、その酸化防止性能を試験した。
た各元素の深さ方向分布を示す。図5において、縦軸は
各元素の原子数の割合(原子%)であり、横軸はスパッ
タリング時間を示し、電極表面からの距離に対応する。
図5(a)からわかるように、電極表面から、金、チタ
ン及びダイヤモンド(C)がこの順に積層されているこ
とが確認できる。
中に保持した結果、図5(b)に示すように、Tiが表
面に拡散し、酸化されてTiO2が形成されたことが分
かる。これは、試料を焼鈍することによりダイヤモンド
表面でTiの炭化が開始され、オーミック電極が形成さ
れるが、同時に電極材料のTiがその上層のAu層4の
内部を拡散し、電極表面で酸素と反応し、酸化してしま
うからである。
のMo層5を、Ti層1/Au層4間に挿入したTi/
Mo/Au電極(図4(c))を作製した。下記表2は
その成膜条件を示す。また、図6(a)には、得られた
電極に対し、X線光電子分光法により電極深さ方向の濃
度分布を求めた結果を示す。図6において、縦軸は各元
素の原子数の割合(原子%)、横軸は電極表面からの距
離に対応する。また、作製した電極を500℃で60分間、
大気中に保持した結果、その各元素の濃度分布は図6
(b)に示すように変化した。
に用いたTi/Mo/Au電極においても、Tiの酸化
を防ぎきれないことが分かる。
のであって、Tiの拡散を防止し、高温でも安定なオー
ミック電極を得ることができる半導体ダイヤモンド層上
の耐熱性オーミック電極及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。
ヤモンド層上の耐熱性オーミック電極は、半導体ダイヤ
モンド層上に形成される耐熱性オーミック電極におい
て、厚さが10乃至70Åの電極Ti層と、このTi層
と前記半導体ダイヤモンド層との間の反応により生じた
炭化物層とを有することを特徴とする。
熱性オーミック電極の形成方法は、半導体ダイヤモンド
層上に、電極層として、厚さが10乃至70ÅのTi層
を形成し、次いで焼鈍することにより、前記Ti層と半
導体ダイヤモンド層との間にTixC1-x(但し、0<x
<1)炭化物層を形成することを特徴とする。
と、良好なオーミック電極が形成される。これは、アニ
ールを行うことにより、金属電極とダイヤモンドとが反
応を起こし、炭化物が形成されるからである。この場
合、電流は界面に存在する欠陥準位を通して流れる。そ
して、この特性はそれぞれの波動関数が重なり合うダイ
ヤモンド金属界面近傍にのみ依存する。しかし、厚さが
10Å未満のTi層では、オーミック接触に十分な欠陥密
度を導入することができない。このため、オーミック電
極の作製には、Ti層として10Å以上の厚さが必要とな
る。
iは不要である。図1は後述する実施例1の条件で作製
されたTiの膜厚の異なるTi/Au電極を、大気中で
10時間、500℃で保持したときの接触抵抗の変化を
示す。図1において、横軸は用いたTiの膜厚で縦軸は
接触低抗率である。実線(a)は加熱保持後、点線
(b)は加熱保持前の接触抵抗である。この図1から、
Tiの膜厚が70Åを境に接触抵抗が急激に上昇してい
ることがわかる。これは、Tiの膜厚が70Åを超える
と炭化層形成後に未反応のTiが残り、加熱保持中に酸
化され、絶縁性のTiO2を形成するからである。この
ため、Ti層の厚さは70Å以下であることが必要であ
る。また、形成されたTiCはTiと比較して酸化され
難く、高温で安定である。
と考えられる必要最小限のTi層(10Å以上70Å以下)
のみを、Tiが酸化される前に形成する。これにより、
高温で安定且つ良好なオーミック電極を形成することが
できる。
電極使用温度、アニール条件、電極材料及び拡散防止層
の材質により異なる。つまり、本発明において形成する
Ti層の厚さは電極使用温度又はアニール温度におい
て、拡散防止層中を酸素又はTiが拡散し、Tiが酸化
し始める前に、電極の機能を維持するのに十分なTi層
が炭化できる厚さである。また、Ti層の形成は真空蒸
着、スパッタリング等、一般の成膜法であればよく、T
iの蒸着後は拡散防止のため、W層、Mo層、Au層、
Pt層、Mo/Au2層膜、W/Au2層膜等の高融点
金属、又はTi−W合金等の高融点合金、TiC、Ti
N等の化合物を蒸着し、多層膜を形成すると有効であ
る。
法を用いた。反応ガスには水素希釈したCH4ガスを使
用し、ドーピングガスとしてはB2H6ガスを使用した。
合成条件を下記表3に示す。
2層膜をマグネトロンスパッタで成膜した。成膜は10-6
Torr程度まで真空引きした後、Arガスを10sccm、2mTo
rrの条件で流し、流量が安定した後、下記表4に示す条
件で行った。Tiの膜厚は約40Åである。電極形成後、
真空中、400℃で20分間アニールを行った。
より求めた結果を図2(a)に示す。図2(a)におい
て、縦軸は各元素の原子数の割合(原子%)、横軸はス
パッタリング時間を示し、これは電極表面からの距離に
対応している。
保持した。その結果、得られた元素分布を図2(b)に
示す。なお、Ti層の厚さは40Åである。この図2か
ら、本発明においては、Tiは酸化及び拡散せず、Ti
層がダイヤモンド層の表面にそのまま存在していること
が分かる。このため、本発明に係るオーミック電極が耐
熱性電極として極めて有効である。
使用してフォトリソグラフィの手法によりTLMパター
ンを作製し、接触抵抗を測定した結果、得られた接触抵
抗は約10-3Ωcm2で、良好なオーミック特性を示した。
このように、電極形成後の熱処理においても、電極とし
て10Å以上70Å以下のTi層を使用することにより、T
iの酸化を防止できることがわかる。
じ条件のものである。また、本実施例においては拡散防
止層として高融点金属であるW層を形成した。実施例1
と同様に、合成したダイヤモンド上にTi/W/Auの
3層膜をマグネトロンスパッタで成膜した。即ち、10-6
Torr程度まで真空引きした後、Arガスを流量10sccm、
圧力2mTorrの条件で流し、流量が安定した後、下記表5
の条件で成膜した。Ti層の膜厚は実施例1と同じく約
40Åである。電極形成後、真空中で、400℃に加熱して
アニールした。このときの元素分布を図3(a)に示
す。縦軸は各元素の原子数の割合(原子%)であり、横
軸は電極表面からの距離に対応している。なお、Ti層
の厚さは40Åである。
してアニールした。その結果を、図3(b)に示す。こ
の図3に示すように、Tiの拡散及び酸化が防止されて
いる。これらの結果は、Wを拡散防止層として挿入する
ことがTiの拡散を抑制し、高温で安定な電極を得るの
に有効であることを示している。
u、Pt、Mo/Au、W/Au等の高融点金属、又は
Ti/W等の高融点合金、TiC、TiN等の化合物を
蒸着し、多層膜を形成することが有効であることがわか
る。
においても使用可能な耐熱性オーミック電極を得ること
ができる。
膜厚が異なるTi/Au2層電極の接触抵抗率の変化を
示したものであり、図中(a)は加熱保持前、(b)は
加熱保持後のものである。
u2層電極のX線光電子分光法により求めた深さ方向の
元素分布を示し、(a)はアニール前、(b)はアニー
ル後である。
/Au3層電極のX線光電子分光法により求めた深さ方
向の元素分布を示し、(a)はアニール前、(b)はア
ニール後である。
を電極材料として形成したオーミック電極の模式的断面
図、(b)は酸化防止層としてAu層を形成したTi/
Au2層電極の模式的断面図、(c)は酸化防止層とし
てMo/Au2層膜を形成したTi/Mo/Au3層電
極の模式的断面図である。
線光電子分光法により求めた深さ方向の元素分布を示
し、(a)はアニール前、(b)はアニール後である。
Au3層電極のX線光電子分光法により求めた深さ方向
の元素分布を示し、(a)はアニール前、(b)はアニ
ール後である。
Claims (9)
- 【請求項1】 半導体ダイヤモンド層上に形成される耐
熱性オーミック電極において、厚さが10乃至70Åの
電極Ti層と、このTi層と前記半導体ダイヤモンド層
との間の反応により生じた炭化物層とを有することを特
徴とする半導体ダイヤモンド層上の耐熱性オーミック電
極。 - 【請求項2】 前記電極Ti層の上に、W,Mo,A
u,Pt及びTaからなる高融点金属、Ti−Wからな
る高融点合金、TiC及びTiNからなる高融点化合物
からなる群から選択された少なくとも1種の材料により
拡散防止層が形成されていることを特徴とする請求項1
に記載の半導体ダイヤモンド層上の耐熱性オーミック電
極。 - 【請求項3】 半導体ダイヤモンド層上に、電極層とし
て、厚さが10乃至70ÅのTi層を形成し、次いで焼
鈍することにより、前記Ti層と半導体ダイヤモンド層
との間にTixC1-x(但し、0<x<1)炭化物層を形
成することを特徴とする半導体ダイヤモンド層上の耐熱
性オーミック電極の形成方法。 - 【請求項4】 前記焼鈍後、前記Ti層の上に、拡散防
止層としてW,Mo,Au,Pt及びTaからなる高融
点金属、Ti−Wからなる高融点合金、TiC及びTi
Nからなる高融点化合物からなる群から選択された少な
くとも1種の材料を蒸着して拡散防止層を形成すること
を特徴とする請求項3に記載の半導体ダイヤモンド層上
のオーミック電極の形成方法。 - 【請求項5】 前記電極層又は拡散防止層の上に、ボン
ディングのための表面層として、Al、Au及びPtか
らなる群から選択された少なくとも1種の材料を形成す
ることを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体ダイ
ヤモンド層上のオーミック電極の形成方法。 - 【請求項6】 半導体ダイヤモンド層上に、電極層とし
て、厚さが10乃至70ÅのTi層を形成し、前記Ti
層上に、拡散防止層としてW,Mo,Au,Pt及びT
aからなる高融点金属、Ti−Wからなる高融点金属、
TiC及びTiNからなる高融点化合物からなる群から
選択された少なくとも1種の材料を蒸着して拡散防止層
を形成し、次いで焼鈍することにより、前記Ti層と半
導体ダイヤモンド層との間にTixC1−x(但し、0
<x<1)炭化物層を形成することを特徴とする半導体
ダイヤモンド層上の耐熱性オーミック電極の形成方法。 - 【請求項7】 半導体ダイヤモンド層上に、電極層とし
て、厚さが10乃至70ÅのTi層を形成し、前記Ti
層上に、拡散防止層としてW,Mo,Au,Pt及びT
aからなる高融点金属、Ti−Wからなる高融点金属、
TiC及びTiNからなる高融点化合物からなる群から
選択された少なくとも1種の材料を蒸着して拡散防止層
を形成し、次いで、ボンディングのための表面層とし
て、Al、Au及びPtからなる群から選択された少な
くとも1種の材料を形成し、次いで焼鈍することによ
り、前記Ti層と半導体ダイヤモンド層との間にTix
C1−x(但し、0<x<1)炭化物層を形成すること
を特徴とする半導体ダイヤモンド層上の耐熱性オーミッ
ク電極の形成方法。 - 【請求項8】 半導体ダイヤモンド層上に、電極層とし
て、厚さが10乃至70ÅのTi層を形成し、前記Ti
層上に、ボンディングのための表面層として、Al、A
u及びPtからなる群から選択された少なくとも1種の
材料を形成し、次いで焼鈍することにより、前記Ti層
と半導体ダイヤモンド層との間にTixC1−x(但
し、0<x<1)炭化物層を形成することを特徴とする
半導体ダイヤモンド層上の耐熱性オーミック電極の形成
方法。 - 【請求項9】 前記焼鈍は、真空中又は不活性ガス中
で、350℃乃至1000℃の温度で実施することを特徴とす
る請求項3、6、7又は8項のいずれか1項に記載の半
導体ダイヤモンド層上のオーミック電極の形成方法。
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