JP4501488B2

JP4501488B2 - 炭化珪素半導体のオーミック電極及びその製造方法

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Publication number: JP4501488B2
Application number: JP2004090818A
Authority: JP
Inventors: 智弘酒井; 享着本; 正紀村上; 直樹柴田
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005277240A

Description

本発明は、ｎ型炭化珪素半導体及びｐ型炭化珪素半導体に対するオーミック電極及び、その製造方法に関する。

近年、現在のエレクトロニクスの中心であるシリコン半導体では達成できない超低損失な高パワー・高周波・高集積を目的とし、炭化珪素（ＳｉＣ）やダイヤモンドなどのワイドギャップ半導体による電子デバイスの開発が進められており、特に炭化珪素（ＳｉＣ）を用いた高耐圧ＭＯＳＦＥＴは、シリコン半導体を用いたパワーデバイスよりもオン抵抗が低いことが報告されている。
これらの電子デバイスにおいては、電気を流すために電極（金属）を形成する必要があるが、半導体材料の電気的特性を最大に生かすためには、この金属と半導体界面における接触抵抗が少ないオーミック電極を形成する必要がある。
ところで、ワイドギャップ半導体と電極（金属）との接触面においては、界面のエネルギー障壁（ショットキ障壁）が大きくなる傾向にあるので、接触面の抵抗値が大きくなってしまい、低抵抗値のオーミック電極を実現することは容易ではない。加えて、ショットキー障壁の高さは理論的には半導体の電子親和力χと接触する金属の仕事関数差で決まるので、炭化珪素（ＳｉＣ）のようなワイドギャップ半導体ではｎ型とｐ型でオーミック電極に形成に適した金属材料が異なる。
そこで、従来、ｎ型炭化珪素半導体及びｐ型炭化珪素半導体に対するオーミック電極としては、以下のような報告がされている。
「ＳｉＣ半導体材料、デバイスとコンタクト材料」、まてりあ第３３巻、第６号（１９９４）松波弘之、木元恒暢ｎ型炭化珪素半導体のｎ形オーミック電極として、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、タンタル金（ＴａＡｕ）やタンタルシリサイド（ＴａＳｉ２）、ｐ形オーミック電極として、アルミニウム（Ａｌ）、アルミシリコン（ＡｌＳｉ）、Ａｌ／Ｔｉ、Ａｌ／ＴａＳｉ２）ＥＴＬＮＥＷＳ２０００．５、８頁から１２頁ｎ型炭化珪素半導体（ＳｉＣ）の電極として、Ｔｉ（１００ｎｍ）／Ｎｉ（２００ｎｍ）を用い、コンタクト抵抗（ρｃ）＝４．６×１０−６Ωｃｍ２を達成した。特開平５−１３８１２号公報ｐ型ＳｉＣに対するオーミック電極としてＴｉとＡｌを用いた。特開２００３−７７８６０号公報ｐ型ＳｉＣに対するオーミック電極としてＮｉ／Ｔｉ／Ａｌ、ｎ型ＳｉＣに対するオーミック電極としてバナジウム（Ｖ）／Ａｌを用いた半導体素子が開示され、Ｎｉ（２５ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ａｌ（３００ｎｍ）でρｃ＝６．６４×１０−５Ωｃｍ２を達成した。特開２００３−８６５３４号公報ｐ型ＳｉＣ上に熱反応により形成されたＮｉと炭素とＳｉとＡｌを含む第１の反応層に電極を接続することで、オーミック電極でのρｃのバラツキ低減を図った。米国特許第５４０９８５９号公報ｐ型ＳｉＣに対するオーミック電極として白金（Ｐｔ）を用いる。

しかし、前述のように炭化珪素半導体のオーミック電極については、ｎ型、ｐ型別々に研究が進められており、最低のコンタクト抵抗（ρｃ）が得られる条件（雰囲気、温度）も選択される金属毎に異なっているのが現状である。一方、ｎ型炭化珪素半導体とｐ型炭化珪素半導体を有する半導体素子においては、ｎ型及びｐ型両方のオーミック電極が必要であり、個々のオーミック電極において最適条件が得られていても（例えば、ｎ型オーミック電極をＡ、加熱温度ｘ℃、雰囲気はＡｒ、ｐ型オーミック電極をＢ、加熱温度ｙ℃、雰囲気は真空が最適条件）、半導体素子作製を考えると、ｎ型とｐ型のオーミック電極の作製条件に差があれば、デバイス作製プロセスは複雑になり、歩留まりおよび製造コストの低下は期待できない。
従って、本発明の目的は、ｎ型炭化珪素半導体とｐ型炭化珪素半導体のオーミック電極について、それらの間のコンタクト抵抗実現の最適条件がｎ型炭化珪素半導体とｐ型炭化珪素半導体とで同一の金属材料を提供すると同時に同一の製造条件を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の炭化珪素半導体のオーミック電極は、請求項１によれば、ｎ型炭化珪素半導体基体と、ｐ型炭化珪素半導体基体を有する半導体素子に対するオーミック電極であって、該オーミック電極は複数の金属で構成され、該複数の金属の組成は該ｎ型炭化珪素半導体基体と該ｐ型炭化珪素半導体基体で同一であり、該ｎ型炭化珪素半導体基体と該ｐ型炭化珪素半導体基体に接触する側から、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）がその順で積層されていることを特徴とする。ここで、炭化珪素半導体基体とは、半導体基板と半導体層の双方を含む意味である。また、炭化珪素半導体の型は特に限定されず、後述の実施例で使用される４Ｈ型の他、６Ｈ型、１５Ｒ型、２１Ｒ型、３Ｃ型等を含み、さらに、半導体素子とは、高周波デバイス、高出力デバイス、高温デバイス、光デバイス等の各種素子を含む意味である。
上記課題を解決するために、本発明の炭化珪素半導体のオーミック電極は、請求項２によれば、請求項１に記載のオーミック電極であって、前記ニッケル（Ｎｉ）の膜厚は５ｎｍから５０ｎｍ、前記チタン（Ｔｉ）の膜厚は３０ｎｍから８０ｎｍ、前記アルミニウム（Ａｌ）の膜厚は３０ｎｍから８０ｎｍであることを特徴とする
上記課題を解決するために、本発明の炭化珪素半導体のオーミック電極は、請求項３によれば、ｎ型炭化珪素半導体基体と、ｐ型炭化珪素半導体基体を有する半導体素子に対するオーミック電極の製造方法であって、前記オーミック電極は複数の金属で構成され、該複数の金属の組成は該ｎ型炭化珪素半導体基体と該ｐ型炭化珪素半導体基体で同一であり、該ｎ型炭化珪素半導体基体と該ｐ型炭化珪素半導体基体に接触する側から、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）がその順で積層され、積層後に７５０℃から９５０℃で同時に加熱処理されることを特徴とする。なお、加熱処理温度は７５０℃から９５０℃で良好なオーミック特性を得ることができるが、好適には約８００℃である。
上記課題を解決するために、本発明の炭化珪素半導体のオーミック電極は、請求項４によれば、請求項３記載のオーミック電極の製造方法であって、前記オーミック電極は前記ｎ型炭化珪素半導体基体と前記ｐ型炭化珪素半導体基体上に同時に形成された後に同一の温度で加熱処理されることを特徴とする。
上記課題を解決するために、本発明の炭化珪素半導体のオーミック電極は、請求項５によれば、請求項３及び請求項４記載のオーミック電極の製造方法であって、前記加熱処理は、真空状態若しくは不活性ガス雰囲気で行われることを特徴とする。なお、真空状態と不活性ガス雰囲気を比較した場合は、真空状態の方が若干好ましい。ここで、不活性ガスとは、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等を意味する。

請求項１乃至請求項５の発明は、ｎ型炭化珪素半導体基体とｐ型炭化珪素半導体基体を有する半導体素子において、ｎ型及びｐ型双方に対して低コンタクト抵抗のオーミック電極を提供することが可能となるため、素子の駆動電圧を低減することができる。また、同じ金属材料で形成でき、且つ同時加熱処理も可能となるため、デバイスプロセスにおける作業の効率化が図られ、更に、素子への熱履歴が少なくなるため、素子の信頼性向上にもつながるといった効果を有する。

（炭化珪素半導体基体の用意）
炭化珪素半導体基体には、ｎ型の４Ｈ−ＳｉＣ基板とｐ型の４Ｈ−ＳｉＣ基板を用いた。ＳｉＣのｎ型化は、窒素（Ｎ）を不純物とし、１．４×１０^１９ｃｍ^−３添加した。また、ｐ型化は、アルミニウム（Ａｌ）を不純物とし、４．８×１０^１８ｃｍ^−３添加した。
（金属膜の積層）
基板を化学洗浄後、熱酸化膜を１０ｎｍ製膜し、フォトリソグラフにより円形ＴＬＭパターンを作製した。バッファードフッ酸を用いて、酸化膜を除去した後、電子ビーム蒸着法及び抵抗加熱蒸着法を用い、室温で、Ｎｉを２０ｎｍ、Ｔｉを５０ｎｍ、Ａｌを５０ｎｍ積層した。リフトオフ工程により電極パターンを形成した（図１）。

（加熱処理）
上記で得られた試料を超高真空チャンバ内で６００℃から１０００℃で５分から４５分間加熱処理を行った。具体的には、６００℃で４５分、８００℃で４５分、１０００℃で４５分である。

（評価）
評価は、円形ＴＬＭ法、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法、ラザフォード後方散乱（ＲＢＳ）法、光学顕微鏡観察により各試料の抵抗率、表面結晶性を評価した。

（結果）
ｐ型ＳｉＣに対する電流−電圧特性を図２に示す。金属膜の積層直後（ａｓｄｐ；二点鎖線）と６００℃（一点鎖線）ではオーミック特性が得られないが、８００℃（実線）、１０００℃（点線）では良好なオーミック特性が得られていることがわかる。最も良好なオーミック特性は８００℃で得られ、このときのコンタクト抵抗（ρｃ）は１×１０^−３Ωｃｍ^２であった。８００℃と１０００℃を比較すると８００℃の方がコンタクト抵抗が低いことがわかる。

ｎ型ＳｉＣに対する電流−電圧特性を図３に示す。ｐ型の場合とは異なり、金属膜の積層直後（ａｓｄｐ；二点鎖線）からオーミック特性に近い特性が得られているが、厳密にはショットキー特性を示している。６００℃（一点鎖線）、８００℃（実線）、１０００℃（点線）では良好なオーミック特性が得られていることがわかる。最も良好なオーミック特性は１０００℃で得られているが、８００℃と余り変わらず、８００℃ではコンタクト抵抗（ρｃ）はｐ型コンタクト材と同じく１×１０^−３Ωｃｍ^２であった。
８００℃と１０００℃では、コンタクト抵抗（ρｃ）の差はｐ型の方がｎ型よりも大きいことから、約８００℃での加熱処理が最も良いことがわかる。なお、加熱時間であるが、今回は４５分で行ったが、２分から１００分でもほぼ同様な結果が得られた。好適には５分から３０分である。更に、本実施例では、Ｎｉを２０ｎｍ、Ｔｉを５０ｎｍ、Ａｌを５０ｎｍ積層したが、同様な結果が得られる膜厚としては、Ｎｉが５ｎｍから５０ｎｍ、Ｔｉが３０ｎｍから８０ｎｍ、Ａｌが３０ｎｍから８０ｎｍである。

図４に比較例として、（１）ＴｉとＡｌの積層を用いた場合、（２）Ｎｉを用いた場合、（３）ＮｉとＡｌの積層を用いた場合で、金属膜形成直後（ａｓｄｐ；二点鎖線）、６００℃（一点鎖線）、８００℃（実線）、１０００℃（点線）（なお、ＮｉとＡｌの積層の場合は、金属膜形成直後（ａｓｄｐ；二点鎖線）、８００℃（実線）、１０００℃（点線））における加熱処理後のｎ型ＳｉＣに対する電圧−電流特性（（ａ））及びｐ型ＳｉＣに対する電圧−電流特性（（ｂ））を示す。図４において、グラフの横軸は電圧（Ｖ）、縦軸は電流（ｍＡ）を示す。

（１）ＴｉとＡｌの積層の場合、ｎ型ＳｉＣにおいては、金属膜形成直後（ａｓｄｐ）にオーミック特性が得られ、加熱処理では逆にオーミック特性が得られない（ショットキー特性）傾向を示す。一方、ｐ型ＳｉＣにおいては、金属膜形成直後（ａｓｄｐ）では、オーミック特性が得られないが、１０００℃で加熱処理することでオーミック特性が得られることが分かる。

（２）Ｎｉの場合、ｎ型ＳｉＣにおいては、金属膜形成直後（ａｓｄｐ）では、オーミック特性が得られないが、８００℃、１０００℃で加熱処理することでオーミック特性が得られる。一方、ｐ型ＳｉＣにおいては、金属膜形成直後（ａｓｄｐ）及び６００℃、８００℃、１０００℃での加熱処理全ての条件でオーミック特性が得られていないことが分かる。

（３）ＮｉとＡｌの積層の場合、ｎ型ＳｉＣとｐ型ＳｉＣともに金属膜形成直後（ａｓｄｐ）では、オーミック特性が得られないが、加熱処理により電圧−電流特性は改善していることが分かる。しかし、ｎ型ＳｉＣにおいて、１０００℃で加熱処理した場合でもオーミック特性とはなっていないことが分かる。

本発明により積層した金属膜形成直後（ａｓｄｐ）の電極の図であり、（ａ）がｎ型ＳｉＣ、（ｂ）がｐ型ＳｉＣの場合ある。本発明により形成したｐ型ＳｉＣでのオーミック電極の電圧−電流特性を表す図である。本発明により形成したｎ型ＳｉＣでのオーミック電極の電圧−電流特性を表す図である。比較例としての（１）ＴｉとＡｌの積層を用いた場合、（２）Ｎｉを用いた場合、（３）ＮｉとＡｌの積層を用いた場合の電圧−電流特性（（ａ）がｎ型ＳｉＣ、（ｂ）がｐ型ＳｉＣの場合である。）

符号の説明

１ｎ型ＳｉＣ基板
２ｐ型ＳｉＣ基板
３Ｎｉ
４Ｔｉ
５Ａｌ

Claims

ｎ型炭化珪素半導体基体と、ｐ型炭化珪素半導体基体を有する半導体素子に対するオーミック電極であって、該オーミック電極は複数の金属で構成され、該複数の金属の組成は該ｎ型炭化珪素半導体基体と該ｐ型炭化珪素半導体基体で同一であり、該ｎ型炭化珪素半導体基体と該ｐ型炭化珪素半導体基体に接触する側から、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）がその順で積層されていることを特徴とする炭化珪素半導体のオーミック電極。
請求項１に記載のオーミック電極であって、前記ニッケル（Ｎｉ）の膜厚は５ｎｍから５０ｎｍ、前記チタン（Ｔｉ）の膜厚は３０ｎｍから８０ｎｍ、前記アルミニウム（Ａｌ）の膜厚は３０ｎｍから８０ｎｍであることを特徴とする炭化珪素半導体のオーミック電極。
ｎ型炭化珪素半導体基体と、ｐ型炭化珪素半導体基体を有する半導体素子に対するオーミック電極の製造方法であって、前記オーミック電極は複数の金属で構成され、該複数の金属の組成は該ｎ型炭化珪素半導体基体と該ｐ型炭化珪素半導体基体で同一であり、該ｎ型炭化珪素半導体基体と該ｐ型炭化珪素半導体基体に接触する側から、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）がその順で積層され、積層後に７５０℃から９５０℃で同時に加熱処理されることを特徴とする炭化珪素半導体のオーミック電極の製造方法。
請求項３記載のオーミック電極の製造方法であって、前記オーミック電極は前記ｎ型炭化珪素半導体基体と前記ｐ型炭化珪素半導体基体上に同時に形成された後に同一の温度で加熱処理されることを特徴とする炭化珪素半導体のオーミック電極の形成方法。
請求項３及び請求項４記載のオーミック電極の製造方法であって、前記加熱処理は、真空状態若しくは不活性ガス雰囲気で行われることを特徴とする炭化珪素半導体のオーミック電極の形成方法。