JP4645641B2 - Method for manufacturing SiC Schottky diode - Google Patents

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Description

本発明は、炭化珪素(以下SiCと記す)と金属との界面のバリアによる整流作用を利用するSiCショットキーダイオードの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a SiC Schottky diode that uses a rectifying action by a barrier at an interface between silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) and a metal.

高周波、大電力の制御を目的として、シリコン(以下Siと記す)を用いた電力用半導体素子(以下パワーデバイスと称する)では、各種の工夫により高性能化が進められている。しかし、パワーデバイスは高温や放射線等の存在下で使用されることもあり、そのような条件下ではSiのパワーデバイスは使用できないことがある。また、Siのパワーデバイスより更に高性能のパワーデバイスを求める要求に対して、新しい材料の適用が検討されている。本発明でとりあげるSiCは広い禁制帯幅(4H型で3.26eV、6H型で3.02eV)をもつため、高温での電気伝導度の制御性や耐放射線性に優れ、またSiより約1桁高い絶縁破壊電圧をもつため、高耐圧素子への適用が可能である。さらに、SiCはSiの約2倍の電子飽和ドリフト速度をもつので、高周波大電力制御にも適する。
耐圧素子の一つとして、半導体と金属との界面のバリアによる整流作用を利用するショットキーダイオードがある。
逆方向電圧印加時のもれ電流と順方向の電圧降下(以下オン電圧と称する)はショットキーダイオードを特徴づける重要な指標である。
For the purpose of controlling high frequency and high power, power semiconductor elements (hereinafter referred to as power devices) using silicon (hereinafter referred to as Si) have been improved in performance by various devices. However, the power device may be used in the presence of high temperature or radiation, and the Si power device may not be used under such conditions. In addition, application of new materials is being studied in response to the demand for higher performance power devices than Si power devices. SiC of the present invention has a wide forbidden band width (3.26 eV for the 4H type and 3.02 eV for the 6H type), and therefore has excellent controllability of electrical conductivity at high temperatures and radiation resistance, and is about 1 less than Si. Since it has a dielectric breakdown voltage that is an order of magnitude higher, it can be applied to high voltage devices. Furthermore, since SiC has an electron saturation drift velocity approximately twice that of Si, it is suitable for high-frequency and high-power control.
As one of the withstand voltage elements, there is a Schottky diode that utilizes a rectifying action by a barrier at the interface between a semiconductor and a metal.
Leakage current and reverse voltage drop (hereinafter referred to as ON voltage) when a reverse voltage is applied are important indicators characterizing a Schottky diode.

逆方向電圧印加時のもれ電流は、印加電圧がダイオードの仕様耐圧に達するまで充分小さいことが望まれる。もれ電流の低減方法としてはショットキー電極材料の選択、電極と半導体の界面の制御や耐圧構造の採用等がある。電極材料の選択では障壁高さの制御が、界面の制御では不純物汚染、反応生成物の制御が、構造による対策では、電界集中の緩和がもれ電流低減の鍵となる。
2つめの指標にあげた順方向のオン電圧を小さくするためには、仕事関数の小さな金属をショットキー電極として用いる方法がある。これまでさまざまな金属を用いたショットキーダイオードの報告があり、例えば、 D.Alokらはチタン(以下Tiと記す)を用いたショットキーダイオードで、100Acm -2で約1.5V のオン電圧を得ている〔D.Alok et al., "Effect of Surface Preparation and Thermal Anneal on Electrical Characteristics of 4H-SiC Schottky Barrier Diodes", Materials Science Forum vols. 264-268, pp.929-932, 1998〕。彼らはTi/SiCを熱処理する方法で、もれ電流を低減している。熱処理をおこなうとTi/SiC界面で相互拡散が起き、密着性の向上や反応生成物による障壁高さの変化が予想される。順方向のオン電圧を左右するものとしては、オーミツク電極の接触抵抗もある。
It is desirable that the leakage current when the reverse voltage is applied is sufficiently small until the applied voltage reaches the specified breakdown voltage of the diode. As a method for reducing the leakage current, there are selection of a Schottky electrode material, control of an interface between an electrode and a semiconductor, adoption of a withstand voltage structure, and the like. Control of barrier height is the key for electrode material selection, impurity contamination and reaction products are controlled for interface control, and electric field concentration is the key to reducing current by countermeasures based on the structure.
In order to reduce the forward ON voltage, which is listed as the second index, there is a method of using a metal having a small work function as a Schottky electrode. There have been reports of Schottky diodes using various metals. For example, D. Alok et al. Are Schottky diodes using titanium (hereinafter referred to as Ti), and have an on-voltage of about 1.5 V at 100 Acm -2. [D. Alok et al., “Effect of Surface Preparation and Thermal Anneal on Electrical Characteristics of 4H-SiC Schottky Barrier Diodes”, Materials Science Forum vols. 264-268, pp. 929-932, 1998]. They reduce the leakage current by a method of heat treating Ti / SiC. When heat treatment is performed, mutual diffusion occurs at the Ti / SiC interface, and it is expected that the adhesion is improved and the barrier height is changed by the reaction product. Another factor that affects the forward ON voltage is the contact resistance of the ohmic electrode.

市販されているSiC基板の不純物濃度はたかだかn型では1.1×1019cm-3、p型では1.9×1018cm-3であり、Siデバイスのように素子作製の最終工程で金属膜を形成するだけではショットキー性を示し、或いは小さな接触抵抗をもつオーミック電極を得ることはできない。
これまでのSiCデバイスにおいてオーミック電極を得る際には、工程の初めにNi,Ti等の薄膜を形成し、1000℃程度の高温下で熱処理する方法が採られている〔例えば、 Crofton, J., Porter, L.M. ,and Williams, J.R., Phys. Stat. Sol. vol.(b)202, No.1, (1997) pp.581-603, 参照〕。しかしながら初期の段階でこのような金属層を形成してしまうと、ショットキー電極を形成する直前の表面処理方法が限定される等、その後の工程の自由度が大きく損なわれる。
そこでSiのように最終工程で金属層を形成し、熱処理無しでオーミック電極を得ることができればデバイス作製の簡便化や特性改善に寄与できると思われる。
これを実現する手段としてオーミック電極形成部の不純物濃度を大きくする方法が挙げられる。SiCにおいてドナー不純物となるのは周期表のV族元素である窒素、燐等である。これらの元素のイオン注入により(0001)Si面にオーミック電極を形成した例が幾つか知られている。〔例えば、 Alok, Dev, Baliga, B.J. and Malarty, P. K.,IEDM Technical Digest,(1993) pp.691-694 等参照〕。
The impurity concentration of a commercially available SiC substrate is at most 1.1 × 10 19 cm −3 for the n-type and 1.9 × 10 18 cm −3 for the p-type. It is not possible to obtain an ohmic electrode having a Schottky property or having a small contact resistance only by forming a metal film.
When obtaining an ohmic electrode in a conventional SiC device, a method of forming a thin film of Ni, Ti or the like at the beginning of the process and performing a heat treatment at a high temperature of about 1000 ° C. [for example, Crofton, J., et al. , Porter, LM, and Williams, JR, Phys. Stat. Sol. Vol. (B) 202, No. 1, (1997) pp. 581-603, see]. However, if such a metal layer is formed at an early stage, the degree of freedom in subsequent processes is greatly impaired, such as limiting the surface treatment method immediately before forming the Schottky electrode.
Therefore, if a metal layer is formed in the final step like Si and an ohmic electrode can be obtained without heat treatment, it seems that it can contribute to simplification of device fabrication and improvement of characteristics.
As a means for realizing this, there is a method of increasing the impurity concentration of the ohmic electrode forming portion. In SiC, donor impurities are nitrogen, phosphorus, etc., which are group V elements of the periodic table. Several examples are known in which ohmic electrodes are formed on the (0001) Si surface by ion implantation of these elements. [For example, see Alok, Dev, Baliga, BJ and Malarty, PK, IEDM Technical Digest, (1993) pp. 691-694 etc.].

この他の高濃度層を形成する方法として拡散や液層エピタキシャル成長による方法も試みられているが、SiC中では不純物の拡散係数が小さいためと、エピタキシャル成長法では任意の場所だけの濃度制御が困難なため、デバイスプロセスとして適当でない。また金属膜形成前の表面処理を工夫し、熱処理なしでオーミック電極を形成した例もあるが、実際の工程に用いるのはやはり難しいと思われる。
このような状況に鑑み本発明の目的は、ダイオード特性が良好で、順方向のオン電圧が小さいSiCショットキーダイオードおよびその製造方法を提供することにある。
As another method for forming a high-concentration layer, a method using diffusion or liquid layer epitaxial growth has also been tried. However, in SiC, the impurity diffusion coefficient is small, and it is difficult to control the concentration only at an arbitrary place by the epitaxial growth method. Therefore, it is not suitable as a device process. In addition, there is an example in which the surface treatment before forming the metal film is devised and the ohmic electrode is formed without heat treatment, but it is still difficult to use in an actual process.
In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a SiC Schottky diode having good diode characteristics and a low forward ON voltage, and a method for manufacturing the same.

上記課題解決のため本発明のSiCショットキーダイオードは、半導体SiCの(0001)Si面にショットキーバリアを生ずるショットキー電極と、(000−1)炭素面にオーミック電極が設けられたSiCショットキーダイオードの製造方法において、ショットキー電極を形成する前に(0001)Si面を水素終端処理し、熱処理後直ちにショットキー電極を形成するものとする。特に、水素終端処理後の熱処理条件としては、温度700〜800℃とし、1×10 -4 Pa以下の減圧下または常圧の不活性ガス雰囲気中でおこなうのがよい。
そのようにしたとき、逆方向漏れ電流が小さく、良好なダイオード特性が得られることを見いだした。水素終端処理により、清浄な表面が得られ、熱処理により水素が脱離した後、直ちにショットキー電極を形成できるためと考えられる。
オーミック電極の形成方法としては、(000-1) C面に燐イオンを注入し、1400〜1600℃の熱処理により活性化して高濃度不純物層を形成すると良い。
そのようにすれば、通常のエピタキシャルウェハのサブストレートより高不純物濃度の層を形成できる。1400℃未満の温度では、注入した燐の活性化が不十分であり、1700℃とすると表面が荒れ始める。
In order to solve the above problems, the SiC Schottky diode of the present invention is a SiC Schottky in which a Schottky electrode that generates a Schottky barrier on the (0001) Si surface of semiconductor SiC and an ohmic electrode provided on the (000-1) carbon surface. In the diode manufacturing method, it is assumed that the (0001) Si surface is subjected to hydrogen termination treatment before the Schottky electrode is formed, and the Schottky electrode is formed immediately after the heat treatment. In particular, the heat treatment conditions after the hydrogen termination treatment are preferably performed at a temperature of 700 to 800 ° C. under a reduced pressure of 1 × 10 −4 Pa or less or in an inert gas atmosphere at normal pressure.
It has been found that when doing so, the reverse leakage current is small and good diode characteristics can be obtained. It is considered that a clean surface is obtained by the hydrogen termination treatment, and a Schottky electrode can be formed immediately after hydrogen is desorbed by the heat treatment.
As a method for forming the ohmic electrode, phosphorus ions are preferably implanted into the (000-1) C plane and activated by heat treatment at 1400 to 1600 ° C. to form a high concentration impurity layer.
By doing so, a layer having a higher impurity concentration than that of a normal epitaxial wafer substrate can be formed. When the temperature is lower than 1400 ° C., activation of the implanted phosphorus is insufficient, and when it is set to 1700 ° C., the surface starts to become rough.

更に、ショットキー電極の形成後、オーミック電極の接触する(000−1)炭素面に高不純物濃度層が形成されているものとすれば、接触抵抗が低減される。
高不純物濃度層の不純物が燐であり、平均不純物濃度が1〜3×1020cm-3の範囲にあることが重要である。
SiCでは、燐と窒素が形成するドナー準位はそれぞれ80と110meV (6H-SiC)でほぼ同じ値である〔 Troffer, T., Peppermuller,C., Pensl,G., Rottner,K. and Schoner,A., J. Appl. Phys. vol.80(7),(1996) pp.3739-3743 参照〕。高濃度層を形成する元素としては、原子半径がSiに近い燐の方が適当と考えられる。1×1020cm-3未満では、接触抵抗低減の効果が小さく、一方、3×1020cm-3を越す濃度としても、活性化率が低下するので無効分が増すだけである。
Furthermore, if a high impurity concentration layer is formed on the (000-1) carbon surface with which the ohmic electrode contacts after the formation of the Schottky electrode , the contact resistance is reduced.
It is important that the impurity of the high impurity concentration layer is phosphorus and the average impurity concentration is in the range of 1 to 3 × 10 20 cm −3 .
In SiC, the donor levels formed by phosphorus and nitrogen are approximately the same at 80 and 110 meV (6H-SiC), respectively [Troffer, T., Peppermuller, C., Pensl, G., Rottner, K. and Schoner , A., J. Appl. Phys. Vol. 80 (7), (1996) pp. 3739-3743]. As an element for forming the high concentration layer, phosphorus having an atomic radius close to that of Si is considered appropriate. If the concentration is less than 1 × 10 20 cm −3 , the effect of reducing the contact resistance is small. On the other hand, even if the concentration exceeds 3 × 10 20 cm −3 , the activation rate decreases and only the ineffective portion increases.

SiCがn型で、ショットキー電極とオーミック電極のうちの少なくとも一方が、SiC側からTi/Ni/Auなる三層構造であるものとする。
一般に半導体デバイスを作製する際には、半導体と接触するコンタクト金属(上記のD.Alokの例ではTi)と金(以下Auと記す)等の配線用金属とを密着性よくつなぐ必要がある。このためショットキー電極やオーミック電極にコンタクト金属/密着用金属/配線用金属といった層構造の金属薄膜が用いられる。SiデバイスではTiとAuを接続するためにニッケル(以下Niと記す)を用いる例があり、発明者らのグループではSiCショットキーダイオードにこの金属構成を適用した。
Tiのショットキーバリアは、従来用いられたNiのそれより小さく、同じ電流密度でのオン電圧を低減できる。但し、外部との電気的接続をとるための配線用電極としては適当でなく、中間にNiを挟んで配線用電極を設けるのが良い。
そしてTi、Ni、AuをSiC上に積層後、D.Alokらの報告と同様の条件で加熱処理したところ、加熱しない場合と比べてもれ電流は減少することを見いだした。
特にTi層の厚さが500〜1000nmの範囲にあるときは、境界面へのNiの拡散が抑えられ、均一なショットキーバリアが形成される
It is assumed that SiC is n-type and at least one of the Schottky electrode and the ohmic electrode has a three-layer structure of Ti / Ni / Au from the SiC side.
In general, when a semiconductor device is manufactured, it is necessary to connect a contact metal (Ti in the example of D. Alok described above) and a wiring metal such as gold (hereinafter referred to as Au) with good adhesion. For this reason, a metal thin film having a layer structure of contact metal / contact metal / wiring metal is used for the Schottky electrode or the ohmic electrode. In the Si device, there is an example in which nickel (hereinafter referred to as Ni) is used to connect Ti and Au, and the inventors' group applied this metal configuration to the SiC Schottky diode.
The Schottky barrier of Ti is smaller than that of conventionally used Ni and can reduce the on-voltage at the same current density. However, it is not suitable as a wiring electrode for electrical connection with the outside, and it is preferable to provide a wiring electrode with Ni in between.
Then, after laminating Ti, Ni, and Au on SiC, heat treatment was carried out under the same conditions as reported by D. Alok et al., And it was found that the leakage current was reduced compared to the case without heating.
In particular, when the thickness of the Ti layer is in the range of 500 to 1000 nm, the diffusion of Ni to the interface is suppressed and a uniform Schottky barrier is formed .

本発明によれば、ショットキー電極とオーミック電極のうちの少なくとも一方を、SiC側からTi/Ni/Auなる三層構造とすることによって、SiCショットキーダイオードの通電時のオン電圧を低減することができ、しかもTi膜厚に適値が存在することを示した。
また、燐等のイオン注入により高不純物濃度層を形成し、金属電極を設けることによっても、更にオン電圧の低減が可能である。製造方法としては、表面を水素終端処理し、温度700〜800℃の熱処理後直ちにショットキー電極を形成することにより、特にもれ電流が改善される。よって本発明は、低耐圧のダイオードの損失低減に極めて有効な発明であり、ショットキーダイオードの普及、発展に貢献するものである。
According to the present invention, at least one of the Schottky electrode and the ohmic electrode has a three-layer structure of Ti / Ni / Au from the SiC side, thereby reducing the on-voltage when the SiC Schottky diode is energized. It was shown that there was an appropriate value for the Ti film thickness.
Further, the on-voltage can be further reduced by forming a high impurity concentration layer by ion implantation of phosphorus or the like and providing a metal electrode. As a manufacturing method, the leakage current is particularly improved by forming a Schottky electrode immediately after the heat treatment at a temperature of 700 to 800 ° C. after the surface is hydrogen-terminated. Therefore, the present invention is an extremely effective invention for reducing the loss of a low breakdown voltage diode, and contributes to the spread and development of Schottky diodes.

以下図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
〔実施例1〕
図2は、本実施例1のショットキーダイオードの断面図である。ショットキーダイオードはSiC基板1とショットキー電極2、オーミック電極3とからなる。
以下に実施例1のショットキーダイオードの作製方法と評価方法について述べる。
SiC基板1としては、高濃度のn型不純物を含む4H型のSiC単結晶のn+ サブストレート11上にnエピタキシャル層12を成長したエピタキシャルウェハを用いた。そのn+ サブストレート11、nエピタキシャル層12の厚さはそれぞれ300μm 、10μm であり、不純物濃度はそれぞれ1.1×1019cm-3、1×1016cm-3である。なお本実施例のエピタキシャルウェハは、(0001)Si面から<11-20> 方向に8度傾けた面にnエピタキシャル層12を成長してある。
先ず、ダイサーにより6mm角に切り分けたSiC基板1の前処理として、有機溶剤と酸による有機物除去、および熱酸化とフッ酸浸漬による表面不完全層除去をおこなった。熱酸化は、パイロジェニック法により1100℃で5時間おこなった。このときエピタキシャル層表面に形成される酸化膜厚は約50nmである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Example 1]
FIG. 2 is a cross-sectional view of the Schottky diode according to the first embodiment. The Schottky diode includes a SiC substrate 1, a Schottky electrode 2, and an ohmic electrode 3.
The production method and evaluation method of the Schottky diode of Example 1 are described below.
As the SiC substrate 1, an epitaxial wafer was used in which an n epitaxial layer 12 was grown on a 4H type SiC single crystal n + substrate 11 containing a high concentration of n type impurities. The thicknesses of the n + substrate 11 and the n epitaxial layer 12 are 300 μm and 10 μm, respectively, and the impurity concentrations are 1.1 × 10 19 cm −3 and 1 × 10 16 cm −3 , respectively. In the epitaxial wafer of this example, the n epitaxial layer 12 is grown on a plane inclined by 8 degrees in the <11-20> direction from the (0001) Si plane.
First, as a pretreatment of the SiC substrate 1 cut into 6 mm squares by a dicer, organic substances were removed with an organic solvent and an acid, and an incomplete surface layer was removed by thermal oxidation and hydrofluoric acid immersion. Thermal oxidation was performed at 1100 ° C. for 5 hours by a pyrogenic method. At this time, the oxide film thickness formed on the surface of the epitaxial layer is about 50 nm.

次にこのSiC基板1の表面を水素終端処理する。SiC基板1をCVD(化学気相成長)用横形反応炉に入れ、水素雰囲気中で加熱した。具体的には以下のようにした。これはSiC表面のダングリングボンドに水素を結合させ他元素、例えば酸素の付着を防止するためである。
SiC基板1を(0001)Si面を上にしてカーボンサセプターに載せ、水冷ジャケット付き石英反応管の中に挿入する。反応管を一旦1×10-4Paまで真空引きした後、高純度水素を3Lmin -1 流す。SiC基板1の加熱はカーボンサセプターを高周波誘導加熱しておこなった。加熱は1000℃で30分間おこない、昇温、降温速度はともに100℃min -1とした。この処理方法としては土田らにより報告があり〔H.Tsuchida et al., "FTIR-ATR Analysis of SiC(0001) and SiC(000-1) Surfaces", Materials Science Forum vols.264-268, pp.351-354, 1998 〕、本実施例でも同じ方法を採った。
続いて、上の水素終端処理をしたSiC基板1の(0001)Si面にショットキー電極2を形成する。先ず電極形成に先立ってスパッタ装置の試料加熱用チャンバにおいてSiC基板1を真空中で加熱して、表面を終端している水素原子を脱離させた。加熱初期の真空度を1×10-4Pa、加熱温度を600〜900℃とした。処理時間は30分間である。
Next, the surface of this SiC substrate 1 is subjected to hydrogen termination treatment. The SiC substrate 1 was put in a horizontal reactor for CVD (chemical vapor deposition) and heated in a hydrogen atmosphere. Specifically, it was as follows. This is because hydrogen is bonded to dangling bonds on the SiC surface to prevent adhesion of other elements such as oxygen.
The SiC substrate 1 is placed on a carbon susceptor with the (0001) Si surface facing up, and is inserted into a quartz reaction tube with a water cooling jacket. The reaction tube is once evacuated to 1 × 10 −4 Pa, and then high purity hydrogen is allowed to flow for 3 Lmin −1 . The SiC substrate 1 was heated by induction induction heating of the carbon susceptor. Heating was performed at 1000 ° C. for 30 minutes, and both the temperature increase and decrease rates were 100 ° C. min −1 . This treatment method has been reported by Tsuchida et al. [H. Tsuchida et al., "FTIR-ATR Analysis of SiC (0001) and SiC (000-1) Surfaces", Materials Science Forum vols. 264-268, pp. 351-354, 1998], the same method was adopted in this example.
Subsequently, the Schottky electrode 2 is formed on the (0001) Si surface of the SiC substrate 1 subjected to the above hydrogen termination treatment. First, prior to electrode formation, the SiC substrate 1 was heated in a vacuum in a sample heating chamber of a sputtering apparatus to desorb hydrogen atoms that terminated the surface. The degree of vacuum at the initial stage of heating was 1 × 10 −4 Pa and the heating temperature was 600 to 900 ° C. The processing time is 30 minutes.

このあとSiC基板1をスパッタ用のチャンバへ真空内搬送しショットキー電極2としてNiを成膜した。厚さは200nmとした。薄膜形成後、フォトリソグラフィ法で電極をパターニングした。その大きさは直径200μm である。続いてオーミック電極3を形成するため上記と同じチャンバ内で(000-1) C面にNiをやはり200nmの厚さに成膜した。
最後に両電極とSiCの密着性を向上させるため、SiC基板1を真空中(1×10-4Pa)で加熱した。条件は200℃、5分間である。
このようにして製作したショットキーダイオードについて、水素終端後のスパッタ装置内での加熱の効果を調べるため、電流−電圧(I−V)特性評価とショットキー電極2とnエピタキシャル層12の界面を含めた断面の観察をおこなった。
図1はI−V特性における漏れ電流と、後述のn値の熱処理温度依存性を示した特性図である。横軸はショットキー電極形成前の熱処理温度、縦軸は逆方向に500V 印加したときのもれ電流と順方向特性から算出したn値である。図中の上下を止めた線は、測定値の最大最小値を示す。
n値はダイオード特性の良否の程度をあらわす指標のひとつで、順方向のI−V特性から得られる。具体的には印加電圧Vと、順方向電流Iを規格化した電流密度Jとの関係を表す次の式に含まれる。
After that, the SiC substrate 1 was transported in a vacuum to a sputtering chamber, and Ni was deposited as the Schottky electrode 2. The thickness was 200 nm. After forming the thin film, the electrode was patterned by photolithography. Its size is 200 μm in diameter. Subsequently, in order to form the ohmic electrode 3, Ni was deposited in a thickness of 200 nm on the (000-1) C surface in the same chamber as described above.
Finally, in order to improve the adhesion between both electrodes and SiC, the SiC substrate 1 was heated in vacuum (1 × 10 −4 Pa). The conditions are 200 ° C. and 5 minutes.
In order to investigate the effect of heating in the sputtering apparatus after hydrogen termination for the Schottky diode manufactured in this way, the current-voltage (IV) characteristic evaluation and the interface between the Schottky electrode 2 and the n epitaxial layer 12 were performed. Observation of the included cross section was performed.
FIG. 1 is a characteristic diagram showing the leakage current in the IV characteristic and the heat treatment temperature dependence of the n value described later. The horizontal axis represents the heat treatment temperature before Schottky electrode formation, and the vertical axis represents the n value calculated from the leakage current and forward characteristics when 500 V is applied in the reverse direction. The lines with the top and bottom stopped in the figure indicate the maximum and minimum values of the measured values.
The n value is one index indicating the degree of quality of the diode characteristics, and is obtained from the forward IV characteristics. Specifically, it is included in the following equation that expresses the relationship between the applied voltage V and the current density J normalized for the forward current I.

J = JS [exp(qV/nkT)-1] (1)
ダイオード特性が理想的な場合n=1となり、1からのずれが大きくなるほど(一般にはn>1)その特性が悪いとみなされる。なお式(1) 中のJs 、q、k、Tは、それぞれ飽和電流密度、素電荷量、ボルツマン定数、絶対温度である。
図1から、熱処理温度700℃以上で、もれ電流、n値ともにばらつきが小さくなることがわかる。さらにn値は700、800℃でほぼ1となっており、また、漏れ電流もμA オーダーと小さく、良好なダイオード特性が得られていることが分かる。
断面の評価としてはTEM(透過電子顕微鏡)観察をおこない、800℃で加熱処理した試料ではSiC基板に対してNiの配向性が向上していることがわかった。
別に、水素終端処理をおこなったSiC基板を分析装置内で加熱し、水素の脱離状況を測定した。その結果700〜800℃でほとんどの水素が脱離することがわかった。
以上の結果を総合すると、SiC表面を水素終端処理し、真空中で700〜800℃に加熱した後、ショットキー電極を形成することによって、理想的なダイオード特性が得られることがわかる。これは水素終端処理によりSiC表面が原子レベルで平坦化されるとともに、酸素等の付着原子の汚染に対して不活性となり、電極形成直前に水素を脱離させることによって、急峻な金属−半導体界面を実現できたためと考えられる。
J = J S [exp (qV / nkT) -1] (1)
When the diode characteristics are ideal, n = 1, and as the deviation from 1 increases (generally n> 1), the characteristics are considered to be worse. In the equation (1), J s , q, k, and T are a saturation current density, an elementary charge amount, a Boltzmann constant, and an absolute temperature, respectively.
From FIG. 1, it can be seen that when the heat treatment temperature is 700 ° C. or higher, both the leakage current and the n value are less varied. Further, the n value is almost 1 at 700 and 800 ° C., and the leakage current is as small as μA order, which shows that good diode characteristics are obtained.
As a cross-sectional evaluation, TEM (transmission electron microscope) observation was performed, and it was found that the orientation of Ni with respect to the SiC substrate was improved in the sample heat-treated at 800 ° C.
Separately, the hydrogen-terminated SiC substrate was heated in the analyzer, and the hydrogen desorption state was measured. As a result, it was found that most of hydrogen was desorbed at 700 to 800 ° C.
Summing up the above results, it can be seen that ideal diode characteristics can be obtained by forming a Schottky electrode after hydrogen termination of the SiC surface and heating to 700 to 800 ° C. in vacuum. This is because the surface of SiC is flattened at the atomic level by hydrogen termination treatment, and becomes inactive against contamination of adhering atoms such as oxygen, and hydrogen is desorbed immediately before electrode formation, so that a steep metal-semiconductor interface is obtained. This is thought to be due to the fact that

なお、界面を制御する方法としてSiCを水素ガス中で加熱し、その表面のダングリングボンドを水素終端する方法は知られている[ 原他、"水素ガス処理による金属/6H-SiC界面形成",第58回応用物理学会学術講演会講演予稿集, No.1, pp.300, 1997] 。しかし水素ガス処理を利用してショットキーダイオードの特性を向上したという報告はない。
〔実施例2〕
図3は、本発明第二の実施例のショットキーダイオードの断面図である。
このSBDと実施例1のショットキーダイオードとの違いは、ショットキー電極4が、バリア金属41、密着用金属42、配線用金属43からなっている点である。
次にこのダイオードの作製方法を述べる。
用いたSiC基板と熱酸化、ふっ酸洗浄による表面不完全層除去、水素終端処理、およびその後の熱処理までの処理は実施例1と同じである。熱処理は700℃でおこなった。
その処理の後、nエピタキシャル層12上にショットキー電極4を形成した。バリア金属41にはTiを用い、その厚さを300〜600nmとした。続いて密着用金属42としてNiを300nm、配線用金属43としてAuを2000nm成膜した。成膜法はいずれもスパッタ法である。
As a method of controlling the interface, SiC is heated in hydrogen gas, and the method of terminating dangling bonds on the surface with hydrogen is known [Hara et al., "Metal / 6H-SiC interface formation by hydrogen gas treatment". , Proceedings of the 58th Japan Society of Applied Physics, No.1, pp.300, 1997]. However, there is no report of improving the characteristics of the Schottky diode using hydrogen gas treatment.
[Example 2]
FIG. 3 is a sectional view of a Schottky diode according to the second embodiment of the present invention.
The difference between this SBD and the Schottky diode of the first embodiment is that the Schottky electrode 4 is composed of a barrier metal 41, an adhesion metal 42, and a wiring metal 43.
Next, a method for manufacturing this diode will be described.
The processing up to the used SiC substrate, thermal oxidation, surface incomplete layer removal by hydrofluoric acid cleaning, hydrogen termination treatment, and subsequent heat treatment is the same as in the first embodiment. The heat treatment was performed at 700 ° C.
After the treatment, Schottky electrode 4 was formed on n epitaxial layer 12. Ti was used for the barrier metal 41, and its thickness was set to 300 to 600 nm. Subsequently, Ni was deposited to 300 nm as the adhesion metal 42 and Au was deposited to 2000 nm as the wiring metal 43. All film forming methods are sputtering methods.

ショットキー電極4形成後、フォトリソグラフィ法でパターニングした。電極径は200μm である。
次にSiC基板1のショットキー電極に対向する面上にオーミック電極3を形成した。これにはスパッタ法による200nm厚さのNiを用いた。
最後にバリア金属41とnエピタキシャル層12とをわずかに反応させるため1×10-4Paの減圧下で200℃、5分間加熱した。
Tiのバリア金属41の厚さの影響を調べるため、ショットキーダイオードのI−V特性評価と、ショットキー電極4とSiC基板との界面付近の厚さ方向の元素分析をオージェ電子分光(AES)法によりおこなった。
図4は、I−V特性における漏れ電流と、前述のn値のTi膜厚依存性を示した特性図である。横軸はバリア金属41であるTiの厚さ、縦軸は500V の逆方向電圧を印加した時のもれ電流とn値である。
Tiの厚さが400nm以下では、もれ電流、n値ともに値が大きいだけでなく、ばらつきも大きく良好なダイオード特性は得られていない。一方500、600nmでは、もれ電流が小さく、n値はほぼ1となっており、しかももれ電流、n値ともばらつきは小さくなって、ダイオード特性が向上している。
After forming the Schottky electrode 4, patterning was performed by a photolithography method. The electrode diameter is 200 μm.
Next, ohmic electrode 3 was formed on the surface of SiC substrate 1 facing the Schottky electrode. For this, Ni having a thickness of 200 nm by sputtering was used.
Finally, the barrier metal 41 and the n epitaxial layer 12 were heated at 200 ° C. for 5 minutes under a reduced pressure of 1 × 10 −4 Pa to cause a slight reaction.
In order to investigate the influence of the thickness of the Ti barrier metal 41, IV characteristic evaluation of the Schottky diode and elemental analysis in the thickness direction in the vicinity of the interface between the Schottky electrode 4 and the SiC substrate are performed by Auger electron spectroscopy (AES). It was done by law.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the leakage current in the IV characteristic and the dependence of the n value on the Ti film thickness. The horizontal axis represents the thickness of Ti as the barrier metal 41, and the vertical axis represents the leakage current and the n value when a reverse voltage of 500 V is applied.
When the thickness of Ti is 400 nm or less, not only the leakage current and the n value are large, but also the variation is large and good diode characteristics are not obtained. On the other hand, at 500 and 600 nm, the leakage current is small and the n value is almost 1, and the variation of both the leakage current and the n value is small, and the diode characteristics are improved.

図5と6は、オージェ電子分光法(AES法)により得られた元素プロファイルである。横軸はショットキー電極表面からの深さである。図5はTiの厚さを300nmとした場合、図6は500nmとした場合である。
図5の分析結果では、バリア金属41とnエピタキシャル層12の界面付近にはSi,C,Tiに加えてNiが拡散してきている。一方図6においては、Ti/SiC界面付近にあるのはSi、C、Tiであり、Niは拡散してきていない。
以上の結果から図4で見られたダイオード特性のばらつきは、バリア金属41とnエピタキシャル層12界面へのNiの拡散によるものと言える。そして、Tiの厚さを500nm以上とすることにより、良好なTi/SiC界面が得られることがわかる。
〔実施例3〕
まずSiC基板の(000-1) C面に燐をイオン注入しオーミック電極を形成した場合の接触抵抗を調査した予備実験について記す。予備実験の試料の作製方法は、次の通りである。
〔予備実験1〕
SiC基板としてはn型の4H型SiC単結晶ウェハを用いた。ウェハの不純物濃度は8×1018cm-3、厚さは300μm である。このウェハをダイサーにより6mm角のSiC基板に切り分けた。基板の前処理として有機溶剤と酸による有機物除去および熱酸化とフッ酸浸漬による表面不完全層除去をおこなった。なお本予備実験のウェハは(0001)Si面から<11-20> 方向に8度傾けて鏡面研磨されている。
5 and 6 are element profiles obtained by Auger electron spectroscopy (AES method). The horizontal axis is the depth from the surface of the Schottky electrode. FIG. 5 shows a case where the thickness of Ti is 300 nm, and FIG. 6 shows a case where the thickness is 500 nm.
In the analysis result of FIG. 5, Ni has diffused in the vicinity of the interface between the barrier metal 41 and the n epitaxial layer 12 in addition to Si, C, and Ti. On the other hand, in FIG. 6, Si, C, and Ti are near the Ti / SiC interface, and Ni has not diffused.
From the above results, it can be said that the variation in the diode characteristics seen in FIG. 4 is due to the diffusion of Ni to the interface between the barrier metal 41 and the n epitaxial layer 12. It can be seen that a good Ti / SiC interface can be obtained by setting the thickness of Ti to 500 nm or more.
Example 3
First, a preliminary experiment investigating contact resistance in the case where an ohmic electrode is formed by ion implantation of phosphorus into the (000-1) C face of the SiC substrate will be described. The preparation method of the sample for the preliminary experiment is as follows.
[Preliminary experiment 1]
As the SiC substrate, an n-type 4H-type SiC single crystal wafer was used. The impurity concentration of the wafer is 8 × 10 18 cm −3 and the thickness is 300 μm. This wafer was cut into 6 mm square SiC substrates by a dicer. As a pretreatment of the substrate, organic substances were removed with an organic solvent and an acid, and an incomplete surface layer was removed by thermal oxidation and hydrofluoric acid immersion. The wafer in this preliminary experiment is mirror-polished by tilting it by 8 degrees in the <11-20> direction from the (0001) Si surface.

このSiC基板の(000-1) C面と(0001)Si面に燐イオンを注入した。注入条件は、加速電圧が35〜150keV 、総ドーズ量が3×1015cm-2となる多段注入である。注入したイオンを活性化するため、基板を常圧のAr雰囲気中で1300〜1700℃で30分間加熱した。
イオン注入した面にTi膜をスパッタ法で形成し、4端子法測定のためのパターンをフォトリソグラフィ法で形成した。各電極の径は200μm 、電極間隔は800μm とした。
図7は、イオン注入した後の活性化熱処理による接触抵抗の変化を示した特性図である。なお金属膜形成後の熱処理はしていない。
(000-1) C面にイオン注入した場合(○印)、1300℃の熱処理によりオーミック性を示し始め、1500℃以上の熱処理温度では、約0.35m Ωcm2 の安定した値を示した。
例えば1m Ωcm2 の接触抵抗があれば、100Acm -2で0.1V のオン電圧の増加になるので、大電流の通電時のオン電圧には大きく影響する。なお、1400℃未満の温度では、注入した燐の活性化が不十分であり、1700℃で活性化した場合には、基板の表面荒れが発生した。従って、注入イオンの熱処理温度としては、1400〜1600℃が適当である。
Phosphorus ions were implanted into the (000-1) C face and (0001) Si face of this SiC substrate. The implantation conditions are multi-stage implantation with an acceleration voltage of 35 to 150 keV and a total dose of 3 × 10 15 cm −2 . In order to activate the implanted ions, the substrate was heated at 1300-1700 ° C. for 30 minutes in an atmospheric pressure Ar atmosphere.
A Ti film was formed on the ion-implanted surface by sputtering, and a pattern for 4-terminal measurement was formed by photolithography. The diameter of each electrode was 200 μm, and the electrode interval was 800 μm.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing changes in contact resistance due to activation heat treatment after ion implantation. Note that no heat treatment was performed after the metal film was formed.
When (000-1) ions were implanted into the C plane (marked with a circle), ohmic properties were exhibited by heat treatment at 1300 ° C., and a stable value of about 0.35 mΩcm 2 was exhibited at a heat treatment temperature of 1500 ° C. or higher.
For example, if the contact resistance of 1 m [Omega] cm 2, since the increase of 0.1V on-voltage 100Acm -2, the ON voltage during energization of large current greatly affected. When the temperature was less than 1400 ° C., activation of the implanted phosphorus was insufficient, and when activated at 1700 ° C., surface roughness of the substrate occurred. Therefore, 1400 to 1600 ° C. is appropriate as the heat treatment temperature for the implanted ions.

比較のため(0001)Si面に注入した場合の結果も示した(◇印)。(0001)Si面でも1500℃以上の熱処理温度では、(000-1) C面とほぼ同じ安定した値を示した。なお1700℃で活性化した場合には、基板の表面荒れが発生した。この結果は、試料作製法や測定法が異なるため単純に比較できないが後掲の文献に報告されている傾向と同様である。
〔予備実験2〕
次にコンタクト金属Tiの厚さと接触抵抗の関係を調べるため4端子法による評価をおこなった。
この試料作成方法を述べる。SiC基板としては予備実験1と同じ4H型SiCウェハを用いた。ウェハはダイサーにより6mm角に切り分けた。基板の有機溶剤と酸による有機物除去および熱酸化とフッ酸浸漬による表面不完全層除去から熱処理までの工程は実施例1と同じである。
この処理の後、このSiC基板の(000-1) C面と(0001)Si面とに燐イオンを注入した。注入条件は、加速電圧が35〜150keV 、総ドーズ量が3×1015cm-2の多段注入である。熱処理は、1500℃でおこなった。
SIMS分析により濃度が2×1020cm-3で、深さ方向に0.2μm まで階段状に分布していることを確認した。この熱処理により注入された燐イオンは約25% 活性化したことになる。
For comparison, the result of implantation into the (0001) Si surface is also shown (◇ mark). Even on the (0001) Si surface, at a heat treatment temperature of 1500 ° C. or higher, the same stable value as that of the (000-1) C surface was exhibited. When activated at 1700 ° C., surface roughness of the substrate occurred. This result is similar to the tendency reported in the following literature, although it cannot be simply compared because the sample preparation method and measurement method are different.
[Preliminary experiment 2]
Next, in order to investigate the relationship between the thickness of the contact metal Ti and the contact resistance, evaluation by a four-terminal method was performed.
This sample preparation method will be described. As the SiC substrate, the same 4H type SiC wafer as in the preliminary experiment 1 was used. The wafer was cut into 6 mm squares with a dicer. The steps from the removal of the organic substance by the organic solvent and acid of the substrate and the removal of the surface imperfect layer by thermal oxidation and hydrofluoric acid immersion to the heat treatment are the same as those in Example 1.
After this treatment, phosphorus ions were implanted into the (000-1) C face and the (0001) Si face of this SiC substrate. The implantation conditions are multi-stage implantation with an acceleration voltage of 35 to 150 keV and a total dose of 3 × 10 15 cm −2 . The heat treatment was performed at 1500 ° C.
It was confirmed by SIMS analysis that the concentration was 2 × 10 20 cm −3 and stepwise distributed to the depth of 0.2 μm. The phosphorus ions implanted by this heat treatment are about 25% activated.

活性化熱処理後、表面の欠陥層を除去する目的で再度基板を熱酸化、ふっ酸洗浄した。(000-1) C面に注入した試料はウェット雰囲気下1100℃で30分加熱し、また(0001)Si面に注入したものは5時間加熱して酸化膜を形成した。この酸化条件では、いずれも約50nmの酸化膜が形成される。
酸化膜をフッ酸で除去し、注入層の表面にオーミック電極を形成する。コンタクト金属にはTiを用い、その厚さを300〜600nmとした。成膜法はスパッタ法である。続いて密着用金属としてNiを300nm、配線用金属としてAuを2000nmを成膜した。これら金属薄膜を形成した後、フォトリソグラフィ法で電極をパターニングした。電極径は200μm で、800μm 間隔で格子状に配列した。最後にコンタクト金属と注入層をわずかに反応させるため1×10-4Paの減圧下で200℃、5分間加熱した。
図8は、コンタクト金属としたTiの厚さと接触抵抗の関係を示す特性図である。横軸はTiの厚さ、縦軸は接触抵抗である。また図中の上下を止めた線は測定値の最大最小値を示す。
この図からTiの膜厚が500、600nmのとき、接触抵抗の平均値が約1桁小さくなり、ばらつきも減少することが分かる。数m Ωcm2 の接触抵抗の低減は、0.数V のオン電圧低減を意味している。
After the activation heat treatment, the substrate was again thermally oxidized and washed with hydrofluoric acid for the purpose of removing the defective layer on the surface. The sample injected into the (000-1) C surface was heated at 1100 ° C. for 30 minutes in a wet atmosphere, and the sample injected into the (0001) Si surface was heated for 5 hours to form an oxide film. Under this oxidation condition, an oxide film of about 50 nm is formed in all cases.
The oxide film is removed with hydrofluoric acid, and an ohmic electrode is formed on the surface of the injection layer. Ti was used for the contact metal, and its thickness was set to 300 to 600 nm. The film forming method is a sputtering method. Subsequently, a Ni film of 300 nm was formed as an adhesion metal, and an Au film of 2000 nm was formed as a wiring metal. After these metal thin films were formed, the electrodes were patterned by photolithography. The electrode diameter was 200 μm, and the electrodes were arranged in a lattice pattern at intervals of 800 μm. Finally, the contact metal and the injection layer were heated at 200 ° C. for 5 minutes under a reduced pressure of 1 × 10 −4 Pa in order to slightly react.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness of Ti used as the contact metal and the contact resistance. The horizontal axis is the thickness of Ti, and the vertical axis is the contact resistance. Moreover, the line | wire which stopped the upper and lower sides in a figure shows the maximum and minimum value of a measured value.
From this figure, it can be seen that when the film thickness of Ti is 500, 600 nm, the average value of the contact resistance is reduced by about an order of magnitude and the variation is also reduced. The contact resistance reduction of several mΩcm 2 is 0. This means a reduction in on-voltage of several volts.

この結果は、実施例2で述べたコンタクト金属41のTiと密着用金属42のNiの相互拡散を反映していると考えられる。すなわちTiの膜厚が400nm以下のときは熱処理によりNiがTi/SiC界面に到達して接触抵抗を大きくしている。Ti膜厚が500nm以上の場合はNiが界面まで拡散しないためTi/SiCの急峻な界面が実現されて接触抵抗の平均値、ばらつきが小さくなるのである。
[実施例]
図9は、本発明第三の実施例のSiCショットキーダイオードの断面図である。本実施例のダイオードは、SiC基板1と、Tiのコンタクト金属41、Niの密着用金属42、Auの配線用金属43からなるショットキー電極4が設けられ、SiC下地板11の裏面に燐イオンを高濃度注入した注入層5を有し、その表面に接触して、同じくTiのコンタクト金属61、Niの密着用金属62、Auの配線用金属63からなるオーミック電極6が設けられている。以下、本実施例3のSiCショットキーダイオードの製造方法を説明する。
SiC基板1は、実施例1と同じ4H型SiC単結晶エピウェハを用いた。基板の前処理として有機溶剤と酸による有機物除去および熱酸化とフッ酸浸漬による表面不完全層除去をおこなった。
This result is considered to reflect the mutual diffusion of Ti of the contact metal 41 and Ni of the adhesion metal 42 described in the second embodiment. That is, when the film thickness of Ti is 400 nm or less, Ni reaches the Ti / SiC interface by heat treatment and increases the contact resistance. When the Ti film thickness is 500 nm or more, since Ni does not diffuse to the interface, a steep interface of Ti / SiC is realized, and the average value and variation of the contact resistance are reduced.
[Example]
FIG. 9 is a sectional view of a SiC Schottky diode according to a third embodiment of the present invention. The diode of this embodiment is provided with a Schottky electrode 4 composed of a SiC substrate 1, a Ti contact metal 41, a Ni adhesion metal 42, and an Au wiring metal 43, and phosphorus ions are formed on the back surface of the SiC base plate 11. An ohmic electrode 6 comprising a Ti contact metal 61, a Ni adhesion metal 62, and an Au wiring metal 63 is provided in contact with the surface thereof. Hereinafter, a method for manufacturing the SiC Schottky diode of Example 3 will be described.
As the SiC substrate 1, the same 4H type SiC single crystal epiwafer as in Example 1 was used. As a pretreatment of the substrate, organic substances were removed with an organic solvent and an acid, and an incomplete surface layer was removed by thermal oxidation and hydrofluoric acid immersion.

SiC下地板11の裏面に燐イオンを注入した。注入条件、アニールは、予備実験2と同じである。
フッ酸処理およびRCA洗浄をおこなった後、基板の表面層を除去するため酸化をおこなった。ウェット雰囲気下で1100℃×30分間加熱し、酸化膜を形成した。この酸化で生じる酸化膜は、(000-1) C面で約50nmであり、(0001)Si面では、約15nmである。
酸化膜をフッ酸で除去し、(0001)Si面すなわちエピタキシャル層表面にショットキー電極4を形成した。コンタクト金属41にはTiを用い、その厚さを500nmとした。続いて密着用金属42としてNiを200nm、配線用金属43としてAuを2000nmを成膜した。成膜法はスパッタ法である。これら金属薄膜を形成した後、フォトリソグラフィ法で電極をパターニングした。電極径は200μm である。
その後、燐イオンの注入により形成した注入層5の表面にTi、Ni、Auをそれぞれ厚さが500、200、150nmとなるようにスパッタ法で形成して三層のオーミック電極6とした。
比較例として、従来の一般的な製造方法によるSiCショットキーダイオードも作製した。SiC基板は、同じエピタキシャルウェハから切り出したものを用い、まず(000-1) C面にNiを500nm蒸着し、これを常圧のAr雰囲気下で1000℃、10分間加熱してオーミック電極とした。その後、基板1をフッ酸洗浄し、(0001)Si面上に同じくTi薄膜を形成し、パターニングしてショットキー電極とした。なおこの場合は、ショットキー電極のパターニング前に(000-1) C面にオーミック電極を形成しているため、ショットキー電極のパターニングの際は、エッチング液からオーミック電極を保護するための手段をとらねばならない。
Phosphorus ions were implanted into the back surface of the SiC base plate 11. The implantation conditions and annealing are the same as in preliminary experiment 2.
After hydrofluoric acid treatment and RCA cleaning, oxidation was performed to remove the surface layer of the substrate. An oxide film was formed by heating at 1100 ° C. for 30 minutes in a wet atmosphere. The oxide film generated by this oxidation is about 50 nm on the (000-1) C plane and about 15 nm on the (0001) Si plane.
The oxide film was removed with hydrofluoric acid, and the Schottky electrode 4 was formed on the (0001) Si surface, that is, the epitaxial layer surface. The contact metal 41 is made of Ti and has a thickness of 500 nm. Subsequently, Ni of 200 nm was formed as the adhesion metal 42, and 2000 nm of Au was formed as the wiring metal 43. The film forming method is a sputtering method. After these metal thin films were formed, the electrodes were patterned by photolithography. The electrode diameter is 200 μm.
Thereafter, Ti, Ni, and Au were formed on the surface of the implantation layer 5 formed by phosphorous ion implantation so as to have thicknesses of 500, 200, and 150 nm, respectively, to form a three-layer ohmic electrode 6.
As a comparative example, an SiC Schottky diode manufactured by a conventional general manufacturing method was also manufactured. The SiC substrate cut out from the same epitaxial wafer was used. First, Ni was deposited on the (000-1) C surface to a thickness of 500 nm, and this was heated at 1000 ° C. for 10 minutes in an atmospheric pressure Ar atmosphere to form an ohmic electrode. . Thereafter, the substrate 1 was washed with hydrofluoric acid, a Ti thin film was similarly formed on the (0001) Si surface, and patterned to form a Schottky electrode. In this case, since the ohmic electrode is formed on the (000-1) C surface before patterning the Schottky electrode, there is no means for protecting the ohmic electrode from the etching solution when patterning the Schottky electrode. I have to take it.

このように作製した2種類のダイオードを比較するため、それらの電流−電圧(I−V)測定をおこなった。図10は、電流−電圧特性の比較図である。縦軸は500V の逆方向電圧を印加した時のもれ電流と、電流密度100Acm -2における順方向のオン電圧である。図中の上下を止めた線は測定値の最大最小値を示す。
この図から、比較例のショットキーダイオードに比べ、本実施例3のダイオードでは、逆方向もれ電流の平均値が1桁小さくなり、かつそのばらつきも小さくなっていることがわかる。またオン電圧では平均値が1.35Vから1.30Vと約0.05V低くなり、ばらつきも小さくなっている。
なお、窒素、燐等の元素のイオン注入によりオーミック電極を形成した例には、Dev Alokらがショットキーダイオードのオーミック電極形成部に窒素をイオン注入したもの〔 Alok, Dev, Baliga, B. J. and Malarty, P. K.,IEDM Technical Digest,(1993) pp.691-694〕や、 Khemka,V.らがp型エピタキシャル層のSi面に燐イオンを注入してpnダイオードを作製した例がある〔 Khemka, V., Patel, R., Ramungul,N., Chow, T.P., Ghezzo,M. and Kretchmer,J.,J. Electronic Materials, vol.28(3),(1999) pp.167-174 〕。前者では表面近傍の窒素濃度が1×1020cm-3となるようイオン注入し、1250℃で熱処理、活性化して2×10-5Ωcm-2の接触抵抗値を得ている。後者では4×10-5Ωcm-2程度の接触抵抗値と、160Ω/□のシート抵抗値を得ているが、いずれも(0001)Si面のみへの適用であり、(000-1) C面への適用は報告されていない。
In order to compare the two types of diodes thus produced, their current-voltage (IV) measurements were performed. FIG. 10 is a comparison diagram of current-voltage characteristics. The vertical axis represents the leakage current when a reverse voltage of 500 V is applied and the forward ON voltage at a current density of 100 Acm −2 . The lines with the top and bottom stopped in the figure indicate the maximum and minimum values of the measured values.
From this figure, it can be seen that the average value of the reverse leakage current is smaller by one digit and the variation is smaller in the diode of the third embodiment than in the Schottky diode of the comparative example. In the on-state voltage, the average value decreases from 1.35V to 1.30V by about 0.05V, and the variation is also small.
An example in which an ohmic electrode is formed by ion implantation of elements such as nitrogen and phosphorus is the one in which Dev Alok et al. Implanted nitrogen into the ohmic electrode formation part of a Schottky diode [Alok, Dev, Baliga, BJ and Malarty , PK, IEDM Technical Digest, (1993) pp.691-694] and Khemka, V. et al. Have produced pn diodes by implanting phosphorus ions into the Si surface of the p-type epitaxial layer [Khemka, V Patel, R., Ramungul, N., Chow, TP, Ghezzo, M. and Kretchmer, J., J. Electronic Materials, vol. 28 (3), (1999) pp. 167-174. In the former, ion implantation is performed so that the nitrogen concentration in the vicinity of the surface is 1 × 10 20 cm −3 , heat treatment is performed at 1250 ° C., and activation is performed to obtain a contact resistance value of 2 × 10 −5 Ωcm −2 . In the latter case, a contact resistance value of about 4 × 10 −5 Ωcm −2 and a sheet resistance value of 160Ω / □ are obtained, but both are applied only to the (0001) Si surface, and (000-1) C Application to the surface has not been reported.

〔実施例4〕
実施例3の1100℃×30分間の犠牲酸化後、更に、水素終端処理をおこなった。方法は実施例1と同じで、加熱は1000℃で30分おこなった。更に、スパッタ装置の試料加熱用チャンバにおいて初期真空度1×10-4Paの真空下で700℃×30分間の熱処理をおこない、表面を終端している水素原子を脱離させた。
その後SiC基板をスパッタ用のチャンバへ真空内搬送し、実施例3と同じようにして(0001)Si面にTi/Ni/Au三層のショットキー電極を、燐イオンを注入した高濃度層表面にやはりTi/Ni/Au三層のオーミック電極を形成した。Ti、Ni、Auの厚さはそれぞれ500、200、2000nm、500、200、150nmとした。パターニングしたショットキー電極の大きさは直径200μm であり、1試料あたり20個のショットキー電極を形成した。最後に両電極とSiCの密着性をあげるためチップを真空中(1×10-4Pa)で加熱した。条件は200℃、5分である。
このように作製した実施例4のショットキーダイオードの電流電圧特性を測定した。その結果も図10に示した。
Example 4
After sacrificial oxidation at 1100 ° C. for 30 minutes in Example 3, a hydrogen termination treatment was further performed. The method was the same as in Example 1, and heating was performed at 1000 ° C. for 30 minutes. Further, a heat treatment was performed at 700 ° C. for 30 minutes under a vacuum of an initial vacuum of 1 × 10 −4 Pa in a sample heating chamber of the sputtering apparatus to desorb hydrogen atoms terminating the surface.
After that, the SiC substrate was transported in a vacuum chamber to the sputtering chamber, and a high concentration layer surface in which a Ti / Ni / Au three-layer Schottky electrode was implanted on the (0001) Si surface and phosphorus ions were implanted in the same manner as in Example 3. In addition, an ohmic electrode having three layers of Ti / Ni / Au was formed. The thicknesses of Ti, Ni, and Au were 500, 200, 2000 nm, 500, 200, and 150 nm, respectively. The size of the patterned Schottky electrode was 200 μm in diameter, and 20 Schottky electrodes were formed per sample. Finally, the chip was heated in vacuum (1 × 10 −4 Pa) in order to increase the adhesion between both electrodes and SiC. The conditions are 200 ° C. and 5 minutes.
The current-voltage characteristics of the Schottky diode of Example 4 produced in this way were measured. The results are also shown in FIG.

本実施例4のショットキーダイオードは、比較例は勿論のこと実施例3のものにくらべても、逆方向もれ電流が、更に2桁小さくなり、かつそのばらつきも小さくなっている。また、オン電圧は、実施例3とほぼ同じである。これは実施例1の項において説明したように、水素終端処理によりSiC表面が原子レベルで平坦化されるとともに、酸素等の付着原子の汚染に対して不活性となり、電極形成直前に水素を脱離させることによって、急峻な金属−半導体界面を実現できたためと考えられる。
このような簡便な方法によって、優れた特性のSiCショットキーダイオードを作製できることが分かった。以上の実施例では4H−SiCの(0001)Si面上にショットキー電極を形成した例を述べたが、本発明の方法は4H−SiCの(000-1) C面や6H−SiCの(0001)Si、(000-1) C面にも適用できることを確認した。
In the Schottky diode of the fourth embodiment, the reverse leakage current is two orders of magnitude smaller and the variation is smaller than that of the third embodiment as well as the comparative example. The on-voltage is substantially the same as in the third embodiment. As explained in the section of Example 1, this is because the SiC surface is flattened at the atomic level by hydrogen termination treatment, becomes inactive against contamination of attached atoms such as oxygen, and the hydrogen is removed immediately before the electrode formation. It is considered that a steep metal-semiconductor interface could be realized by separating them.
It was found that a SiC Schottky diode having excellent characteristics can be produced by such a simple method. In the above embodiment, an example in which the Schottky electrode is formed on the (0001) Si surface of 4H—SiC has been described. However, the method of the present invention can be applied to the (000-1) C surface of 4H—SiC or ( It was confirmed that the present invention can also be applied to the (0001) Si, (000-1) C plane.

実施例1のショットキーダイオードの漏れ電流、n値の熱処理温度依存性を示す特性図Characteristic diagram showing leakage current of Schottky diode of Example 1 and dependence of n value on heat treatment temperature 実施例1のショットキーダイオードの断面図Sectional drawing of the Schottky diode of Example 1 実施例2のショットキーダイオードの断面図Sectional drawing of the Schottky diode of Example 2 実施例2のショットキーダイオードのTi膜の厚さと漏れ電流、n値との関係を示す特性図Characteristic diagram showing relationship between thickness of Ti film, leakage current, and n value of Schottky diode of Example 2 実施例2のショットキーダイオードのショットキー電極周辺の元素分布図(コンタクト金属の厚みが300nmの場合)Element distribution diagram around Schottky electrode of Schottky diode of Example 2 (when contact metal thickness is 300 nm) 実施例2のショットキーダイオードのショットキー電極周辺の元素分布図(コンタクト金属の厚みが500nmの場合)Element distribution diagram around the Schottky electrode of the Schottky diode of Example 2 (when the contact metal thickness is 500 nm) 燐イオン注入を用いて形成したオーミック電極の接触抵抗を示す図The figure which shows the contact resistance of the ohmic electrode which is formed using phosphorus ion implantation Ti膜の厚さと接触抵抗の関係を示す特性図Characteristic diagram showing the relationship between thickness of Ti film and contact resistance 実施例3のショットキーダイオードの断面図Sectional drawing of the Schottky diode of Example 3 実施例3、4のショットキーダイオードと比較例との特性比較図Comparative chart of characteristics of Schottky diodes of Examples 3 and 4 and comparative examples

1 SiC基板
11 n型SiC下地板
12 nエピタキシャル層 2 ショットキー電極
3 オーミック電極
4 ショットキー電極
41 コンタクト金属
42 密着用金属
43 配線用金属
5 高濃度層
6 オーミック電極
61 コンタクト金属
62 密着用金属
63 配線用金属
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 SiC substrate 11 n-type SiC base plate 12 n epitaxial layer 2 Schottky electrode 3 Ohmic electrode 4 Schottky electrode 41 Contact metal 42 Metal for adhesion 43 Metal for wiring 5 High concentration layer 6 Ohmic electrode 61 Contact metal 62 Metal for adhesion 63 Metal for wiring

Claims (3)

半導体SiCの(0001)Si面にショットキーバリアを生ずるショトキー電極と、(000−1)炭素面にオーミック電極が設けられたSiCショットキーダイオードの製造方法において、ショットキー電極を形成する前に(0001)Si面を水素終端処理し、水素終端処理後の熱処理条件としては、温度700〜800℃とし、1×10 -4 Pa以下の減圧下または常圧の不活性ガス雰囲気中でおこなう熱処理後直ちにショットキー電極を形成することを特徴とするSiCショットキーダイオードの製造方法。 And shots hotkey electrodes in (0001) Si face of a semiconductor SiC produce a Schottky barrier, in the manufacturing method of (000-1) SiC Schottky diode ohmic electrodes are provided on carbon surface to form a Schottky electrode The (0001) Si surface was previously hydrogen-terminated, and the heat treatment conditions after the hydrogen-termination were as follows: the temperature was 700 to 800 ° C., and the pressure was 1 × 10 −4 Pa or less or in an inert gas atmosphere at normal pressure. A method for producing a SiC Schottky diode, characterized in that a Schottky electrode is formed immediately after heat treatment to be performed . ショットキー電極の形成後、(000−1)炭素面に燐イオンを注入し、1400〜1600℃の熱処理により活性化して高濃度不純物層を形成し、高濃度不純物層表面にオーミック電極を形成することを特徴とする請求項1に記載のSiCショットキーダイオードの製造方法。 After forming the Schottky electrode, (000-1) Phosphorus ions are implanted into the carbon surface and activated by heat treatment at 1400 to 1600 ° C. to form a high concentration impurity layer, and an ohmic electrode is formed on the surface of the high concentration impurity layer. The method of manufacturing a SiC Schottky diode according to claim 1 . 半導体SiCがn型で、ショットキー電極とオーミック電極のうちの少なくとも一方が、SiC側からチタン/ニッケル/金なる三層構造とすることを特徴とする請求項1に記載のSiCショットキーダイオードの製造方法。2. The SiC Schottky diode according to claim 1, wherein the semiconductor SiC is n-type, and at least one of the Schottky electrode and the ohmic electrode has a three-layer structure of titanium / nickel / gold from the SiC side. Production method.
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