JP3884070B2 - 炭化ケイ素表面に電気接触部を形成する方法 - Google Patents
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Description
炭化ケイ素(SiC)の上の電気接触部は、一般に、例えば白金、タングステン、チタン、ニッケル或いはクロムのような金属をSiC表面に直接設けることにより作られる。SiC上のオーム接触部もショットキー接触部も公知である。
「応用物理誌(Appl. Phys. Lett.)」第65巻、第16号、1994年10月17日、第2075〜2066頁にはn導電形の立方晶系β−SiCの表面に、150nmの厚さの炭化チタン(TiC)からなる膜を化学蒸着(CVD)法によりβ−SiCの(111)表面にエピタキシャル成長させてオーム接触部を作ることが公知である。このCVDプロセスに使用されたプロセスガスはTiCl4及びC2H4である。
SiC表面に電気接触部を形成する公知の製造方法の問題は、酸素雰囲気において露出されているSiC表面に自然に酸化膜が形成されることである。オーム接触部の場合この自然の酸化膜により接触抵抗が高くなる。ショットキー接触部の場合にはこの酸化膜は接触障壁の低下、従って阻止電圧を印加したとき漏れ電流が大きくなる。自然の酸化膜はそれ故一般に金属或いはTiCを施す前にスパッタにより或いはフッ化水素酸(HF)で除去しなければならない。
この発明の課題は、SiCの表面に電気接触部を作る特別な方法を提示することにある。
この課題は、この発明によれば、請求項1の特徴事項によって解決される。即ち、第一の製造工程においてSiC表面に炭素膜が形成される。これに続く第二の工程において炭素膜は炭化物を形成する少なくとも1つの金属とで少なくとも殆どがその金属炭化物に変換される。
この発明は、炭素膜には、露出されたSiC表面とは異なり、接触特性を劣化させる酸化膜が形成されないという考え方に基づいている。炭素(C)と金属との化学反応により、電気接触部に対して殆ど酸素のない金属炭化物−炭化ケイ素−境界面が作られる。
この発明による方法のその他の有利な実施態様及び改良は請求項1の従属請求項に記載されている。
この発明による方法は、SiC単結晶の表面に、特に立方晶系ポリタイプ(β−SiC)或いは非立方晶系ポリタイプ(α−SiC)の表面に電気接触部を形成するのに特に有利である。その場合SiC表面としては、特にSiC単結晶のケイ素面或いは炭素面(底面)が使用される。ケイ素面はα−SiCにおいては(0 0 0 1)結晶面に、β−SiCにおいては(1 1 1)結晶面に相当する。炭素面は、これに対して、α−SiCにおいては(0 0 0 -1)結晶面に、β−SiCにおいては(-1-1-1)結晶面に相当する。SiC単結晶は、好ましくは、化学蒸着(CVD)法により基板上に作られるが、また分子線エピタキシー(MBE)法或いは昇華プロセスによっても作られる。SiC単結晶の製造方法の特別な変形例は、CVD或いはMBEプロセス工程を順次行い、ケイ素原子の層及び炭素原子の層を交互に作り、SiC結晶格子構造に形成する原子層エピタキシー(ALE)法である。
炭素膜は、特に有利な実施態様においては、SiC表面及び/又はその下にあるSiCからケイ素原子を気化させることにより作られる。好ましくは、SiC表面はこのために真空或いは不活性ガス雰囲気中において少なくとも約1000℃の温度に加熱される。炭素膜はしかしまた化学蒸着(CVD)法により或いは分子線エピタキシー(MBE)法によっても作られる。好ましくは、炭素膜は少なくともグラファイトに類似の結晶構造に作られる。炭素膜の厚さは特に好ましい実施態様においては、1nmより薄く設定される。その場合、炭素膜は炭素原子の少数層しか或いは1層しか含まない。
炭化物を形成する金属は特にスパッタプロセス或いは蒸発プロセスにより炭素膜に形成される。スパッタの場合には好ましい実施態様では加速された金属イオン或いは金属原子の運動エネルギーが、少なくとも金属炭化物を形成するために必要なエネルギーの程度の大きさに設定される。金属炭化物はその場合金属粒子が衝突する際に既に形成される。しかしまた、先ず炭化物を形成する金属を、例えば金属炭化物を形成するエネルギーより低い運動エネルギーの蒸着或いはスパッタにより、炭素膜に金属膜として形成し、次にこの金属を炭素と熱処理により化学的に反応させることもできる。炭化物を形成する金属としては、例えばタングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)或いはスカンジウム(Sc)が使用される。
さらに異なる実施態様においてはSiC表面は炭素膜を形成する前に少なくとも500℃の温度で水素雰囲気にさらされる。このようにして実質的に酸素のないSiC表面を得ることができる。
この発明をさらに説明するために図面を参照する。図面において、
図1及び2はSiC表面に炭素膜を形成する第一の実施例を、
図3及び4はSiC表面に炭素膜を形成する第二の実施例を、
図5乃至7は炭素膜をSiC表面で金属炭化物の膜に変換して電気接触部を形成する2つの実施例を概略的に示す。なお、図において互いに対応する部分は同一の符号で示す。
全ての図示の実施例においてSiC単結晶は2で、このSiC単結晶2のSiC表面は3で表されている。
図1においてSiC表面3に炭素CXが元素Cの形で例えばスパッタにより、或いは炭素化合物の形で例えばCVD或いはMBE法により供給される。
供給された炭素CXから、図2に示されるように、SiC表面3には炭素膜4が析出される。CVDプロセス或いはMBEプロセスにおいては、一般に、例えばC2H2のような炭化水素ガスが使用され、このガスから適当に設定されたプロセス条件、例えば特に圧力及び温度条件で、化学反応によりSiC表面3に炭素膜4が形成される。代表的なプロセス温度は、この場合、500℃から1500℃の間である。
これに対して、図3に示される他の実施例においては、SiC結晶格子に結合されているケイ素原子がSiC表面3から除去、特に気化される。ケイ素原子の気化(昇華)のためにSiC表面3は特に少なくとも1000℃の温度で、好適には真空或いは不活性ガス雰囲気中で熱処理される。この場合、不活性ガスとは、使用された温度においてSiCと実際上反応しないガス、例えばアルゴン(Ar)を意味する。SiCにおけるケイ素(Si)の蒸気圧は炭素(C)の蒸気圧より高いので、ケイ素原子の気化の際にSiC表面3には余剰の炭素原子が残る。
この余剰の炭素原子は、図4に示される炭素膜4に整列される。炭素膜4に接してやや後退して新たなSiC表面3’が生ずる。ケイ素原子を気化される前の炭素膜表面3は図4において破線で示されている。
図1及び2のように炭素の供給によっても、また図3及び4のようにケイ素の気化によっても、既ちSiC表面3もしくは3’には炭素膜4が形成される。この炭素膜4は例えば実質的にアモルファス構造に、特にグラファイト構造或いは少なくともグラファイトに類似の構造に作られる。有利な実施例においては1nm以下の厚さの炭素膜4が形成される。
この発明による方法の特に有利な実施態様においては、SiC表面3としてSiC単結晶2の極側(底面)の1つ、即ちケイ素面或いは炭素面が使用される。ケイ素面は立方晶系ポリタイプ3C(β−SiC)のSiC単結晶2の場合には有極結晶格子における(1 1 1)結晶面に相当し、そして例えば4H、6H或いは15Rのような非立方晶系ポリタイプのSiC単結晶(α−SiC)の場合には有極結晶格子における(0 0 0 1)結晶面に相当する。これに対して、炭素面は立方晶系ポリタイプ3C(β−SiC)のSiC結晶2の場合には有極結晶格子における(-1 -1 -1)結晶面に相当し、そして例えば4H、6H或いは15Rのような非立方晶系ポリタイプのSiC結晶(α−SiC)の有極結晶格子における(0 0 0 -1)結晶面である。
この実施例においては炭素膜4は特にSiC表面3からのケイ素原子の気化により作られる。SiC単結晶2のケイ素面或いは炭素面はこのために既に説明した熱処理を受ける。熱処理の時間経過及び使用される温度によりどれだけの個々の(1 1 1)もしくは(0 0 0 1)ケイ素原子層がSiC結晶格子から取り除かれるかが極めて正確に設定される。特にまた最上面のケイ素原子層だけを取り除くこともできる。その場合、ケイ素面には炭素原子の単層だけからなる炭素膜4が、炭素面には炭素原子の2層からなる炭素膜4が得られる。表面に残った炭素は、一般に、開いている結合の飽和によってグラファイト構造に再構成される(グラファイト化)。種々異なった熱処理におけるSiC単結晶のケイ素面から或いは炭素面からのケイ素原子の気化及びこれにより生じた炭素膜の電子分光による研究はミュールホフ氏他の論文「SiC(0 0 0 1)及びSiC(0 0 0 -1)に関する表面偏析の電子分光による比較研究(Comperative electron spectroscopic studies of surface segregation on SiC(0001) and SiC(000-1))」応用物理ジャーナル(Journal of Applied Physics)、第60巻、第8号、1986年10月15日、第2842頁乃至2853頁に記載されている。その内容もこの出願の開示に含まれるものとする。
図5乃至7においてはSiC表面3に形成された炭素膜4を金属炭化物の膜7に変換することによりSiC表面3に電気接触部を作る2つの実施例が図示されている。この両実施例は、SiC表面3に形成された、図2、図4或いは図5による炭素膜4の構造を基にしている。炭素膜4には、図5に示されるように、炭化物を形成する少なくとも1つの金属Meが供給される。好ましくはこの金属Meはスパッタプロセスにより或いは蒸着により炭素膜4に施される。
第一の実施例においては炭素膜4に衝突する金属原子或いはイオンのエネルギーが金属Meと炭素膜4の炭素Cとの間に金属炭化物MeXCを形成する化学結合エネルギーよりも小さく設定される。その場合には、図6に示すように、先ず炭素膜4の上に金属Meからなる分離された金属膜5が析出される。この金属膜5は次いで、好ましくは、熱処理によって炭素膜4とで化学的に金属炭化物の膜7に変換される。熱処理における温度、従って熱エネルギーは、その場合、金属炭化物MeXCを形成することを可能にするために、充分な大きさに選ばれる。
これに対して、第二の実施例においては、炭素膜4に到達する金属原子或いはイオンのエネルギーはこれに属する金属炭化物MeXCの化学結合エネルギーと同じ程度に、例えばスパッタプロセスにおける加速圧を充分に大きくすることにより設定される。この場合少なくとも1つの金属Meを金属膜5に形成する際に、第一の実施例の場合のように金属膜5を形成することなく、図7による金属炭化物の膜7が直接形成される。
好ましくは、金属Meと炭素膜4の炭素Cとの化学量論的関係は、炭素膜4の少なくともほぼ全体の炭素Cが金属Meと反応して金属炭化物MeXCを形成するように設定される。勿論、炭素Cの一部だけを変換することもできる。
炭化物を形成する金属としては例えばタングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)或いはスカンジウム(Sc)が使用される。これにより作られる金属炭化物MeXCはそれぞれW2C、TiC、TaC又はTa2C、B4C、Al4C3、Ni3C及びSc2Cである。
好ましいことに、この発明による方法によれば、特にSiCをベースとするショットキー・ダイオードに使用されるショットキー接触部が作られる。この方法により作られる炭化ケイ素−金属炭化物−境界面は殆ど理想的な接触障壁を示し、従ってSiC単結晶2と金属炭化物7との間に高い電圧が加わったときでも比較的洩れ電流が小さい。
SiC単結晶2は、図5の実施例においては基板6の上に層の形で配置され、好ましくは、それ自体公知の方法でCVDプロセス或いはMBEプロセスにより、特に原子層エピタキシー法により、約1000℃と約1800℃の間の温度で或いはまた昇華により一般に約2000℃及び約2300℃の間の温度で基板6の上に成長する。基板6は、好ましくは同様にSiCからなる。しかしまた、昇華プロセスにより成長したSiC単結晶2を使用することもできる。
SiC単結晶2がCVD或いはMBE法により作られるときには、炭素膜4はSiC表面3に、CVDプロセスもしくはMBEプロセスの間に成長するSiC単結晶へのケイ素の供給が中断され、炭素だけが供給されることにより成長させることができる。さらに炭素膜4は、SiC単結晶2がCVDプロセス或いはMBEプロセスの直後に真空或いは不活性ガス雰囲気において一般に室温まで所定の温度経過に従って冷却されることにより形成することができる。
今まで説明してきたこの発明の実施例においてはSiC単結晶の表面が使用されたけれども、この方法は、また特に焼結により作られる単結晶でないSiC、例えば多結晶のSiCの表面に電気接触部を形成する方法にも同様に適用可能である。
Claims (16)
- a)炭化ケイ素(SiC)の表面(3)に炭素膜(4)を形成し、
b)この炭素膜(4)を、次いで炭化物を形成する少なくとも1つの金属とで完全に又は部分的に金属炭化物に変換することにより炭化ケイ素表面(3)に電気接触部を形成する方法において、
前記炭素膜(4)を1nm以下の厚さに形成することを特徴とする方法。 - SiC単結晶(2)の表面を炭化ケイ素表面(3)として使用する請求項1記載の方法。
- SiC単結晶(2)を、ガス相からのエピタキシャル成長(CVD)により基板(1)上に形成する請求項2記載の方法。
- 炭化ケイ素の表面(3)を、SiCが立方晶系ポリタイプ(β−SiC)の場合には(1 1 1)結晶面に、非立方晶系ポリタイプ(α−SiC)の場合には(0 0 0 1)結晶面にそれぞれ相当するSiC単結晶(2)のケイ素面で形成する請求項2記載の方法。
- 炭化ケイ素表面(3)を、SiCが立方晶系ポリタイプ(β−SiC)の場合には(-1 -1 -1)結晶面に、非立方晶系ポリタイプ(α−SiC)の場合には(0 0 0 -1)結晶面にそれぞれ相当するSiC単結晶(2)の炭素面で形成する請求項2記載の方法。
- 炭素膜(4)がグラファイト構造を備えている請求項1ないし5の1つに記載の方法。
- 炭素膜(4)を、炭化ケイ素表面(3)からケイ素原子を気化させることによって形成する請求項1ないし6の1つに記載の方法。
- ケイ素原子を、炭化ケイ素表面(3)を少なくとも1000℃の温度で真空に或いは不活性ガス雰囲気にさらすことにより気化させる請求項7記載の方法。
- 炭素膜(4)をCVDプロセスにより形成する請求項1ないし6の1つに記載の方法。
- 炭素膜(4)を分子線エピタキシー法により形成する請求項1ないし6の1つに記載の方法。
- 炭化物を形成する金属として、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)及びスカンジウム(Sc)を含むグループから選んだ元素を使用する請求項1ないし10の1つに記載の方法。
- 炭化物を形成する少なくとも1つの金属を、スパッタにより炭素膜(4)上に形成する請求項1ないし10の1つに記載の方法。
- 金属原子或いはイオンの運動エネルギーを、それに属する金属炭化物の化学的形成エネルギーと少なくとも同じ大きさに設定する請求項12記載の方法。
- 炭化物を形成する金属を、先ず炭素膜(4)の上に形成し、次に熱処理により炭素と化学反応させる請求項1ないし13の1つに記載の方法。
- 炭化物を形成する金属を、炭化ケイ素表面(3)に蒸着する請求項14記載の方法。
- 炭化ケイ素表面(3)を、炭素膜(4)を形成する前に少なくとも500℃の温度で水素雰囲気にさらす請求項1ないし15の1つに記載の方法。
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