JP5544778B2 - オーミック電極およびその製造方法 - Google Patents

オーミック電極およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極およびその製造方法に関し、さらに詳しくは表面平滑性が向上したＴｉ（ｚ）Ｓｉ（ｘ）Ｃ（ｙ）におけるｘ、ｙ、ｚ（ｚ＝１−ｘ−ｙ）が特定範囲内にあるオーミック電極層が直接ｐ型ＳｉＣ半導体に積層されているｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極およびその製造方法に関する。
ＳｉＣ単結晶は、熱的、化学的に非常に安定であり、機械的強度に優れ、放射線に強く、しかもＳｉ（シリコン）単結晶に比べて高い絶縁破壊電圧、高い熱伝導率などの優れた物性を有し、不純物の添加によってｐ、ｎ伝導型の電子制御も容易にできるとともに、広い禁制帯幅（４Ｈ型の単結晶ＳｉＣで約３．３ｅＶ、６Ｈ型の単結晶ＳｉＣで約３．０ｅＶ）を有するという特長を備えている。このため、Ｓｉ単結晶やＧａＡｓ（ガリウム砒素）単結晶などの既存の半導体材料では実現できない高温、高周波、耐電圧・耐環境性を実現することが可能であり、次世代の半導体材料として期待が高まっている。
一方、半導体デバイスの実用化のためには良好なオーミック特性を示す電極：オーミック電極が必要であることが知られている。このオーミック特性を示す電極とは、電流の方向と電圧の大きさによらず電流と電圧との間に直線関係がある（すなわち、非線形性がない）電流電圧特性を示し電流が両方向によく流れる低抵抗の電極のことをいう。しかし、ｐ型のＳｉＣ半導体の場合はこれまでオーミック電極を安定して形成する技術が確立されていなかった。このため、ｐ型ＳｉＣ半導体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。
例えば、特開平１−２０６１６号公報には、ｐ型ＳｉＣ単結晶上にＡｌ及びＳｉを順次積層し、その後熱処理を行いオーミック電極を形成する方法において、ｐ型ＳｉＣ単結晶のキャリア濃度を１ｘ１０１７／ｃｍ３以上とするとともに熱処理温度を４００〜５００℃とするｐ型ＳｉＣ電極の製造方法が記載されている。
また、特開２００３−８６５３４号公報には、ｐ型ＳｉＣ半導体基体上に成膜され熱処理によって形成された、Ｓｉと金属間化合物を形成する磁性体とＣとＳｉとＡｌを含む第１の反応層に電極を接続したＳｉＣ半導体のオーミック電極、およびｐ型ＳｉＣ半導体基体の表面にＡｌ膜とＮｉ膜を積層する第１の工程とその後に真空中で熱処理を施し第１の反応層を形成する工程と該第１の反応層に電極を接続する工程とを有するＳｉＣ半導体のオーミック電極の製造方法が記載されている。
また、特開２００８−７８４３４号公報には、ＳｉＣ半導体層に接するＴｉ層を形成する第１工程と、ＳｉＣ半導体層とＴｉ層の温度を、ＴｉとＡｌが反応してＡｌ３Ｔｉが生成する第１基準温度よりも高く、Ａｌ３ＴｉとＳｉＣが反応してＴｉ３ＳｉＣ２が生成する第２基準温度よりも低い温度に上げ、Ｔｉ層の上にＡｌ層を形成する第２工程を備えて、第２工程ではＳｉＣ半導体層のＳｉＣとＡｌ３Ｔｉが反応してＴｉ３ＳｉＣ２が生成し、ＳｉＣ半導体とオーミック接触をするＴｉ３ＳｉＣ２層を形成してＡｌ４Ｃ３やＴｉ５Ｓｉ３ＣＸやＴｉＣなどの副生成物が含まれない半導体装置の製造方法が記載されている。しかし、前記公報には熱処理後の電極表面の平滑性について記載されていない。
また、特開２００８−７８４３５号公報には、ＳｉＣ半導体層に接するＴｉ層を形成する第１工程と、Ｔｉ層の上にＡｌ層を形成する第２工程と、ＳｉＣ半導体層とＴｉ層とＡｌ層に、ＴｉとＡｌが反応してＡｌ３Ｔｉが生成する第１基準温度よりも高く、Ａｌ３ＴｉとＳｉＣが反応してＴｉ３ＳｉＣ２が生成する第２基準温度よりも低い温度で熱処理を行い、Ａｌ３Ｔｉ層を形成する第３工程と、ＴｉとＡｌからＡｌ３Ｔｉが生成する反応が終了した後、ＳｉＣ半導体層とＡｌ３Ｔｉ層に第２基準温度よりも高い温度で熱処理を行い、ＳｉＣ半導体層とオーミック接触するＴｉ３ＳｉＣ２層を形成する第４工程を備えたＡｌ４Ｃ３やＴｉ５Ｓｉ３ＣＸやＴｉＣなどの副生成物が含まれないコンタクト抵抗の低い半導体装置の製造方法が記載されている。しかし、前記公報には熱処理後の電極表面の平滑性について記載されていない。
さらに、特開２００８−２２７１７４号公報には、Ｐ型４Ｈ−ＳｉＣ基板上に厚さ１〜６０ｎｍの第１のＡｌ層とＴｉ層と第２のＡｌ層とを順次堆積する堆積工程、および非酸化性雰囲気中での熱処理により第１のＡｌ層を媒介としてＳｉＣ基板とＴｉ層との合金層を形成する合金化工程を含むＰ型４Ｈ−ＳｉＣ基板上のオーミック電極の形成方法が記載されている。しかし、前記公報には熱処理後の電極表面の平滑性について記載されていない。
そして、上記の従来技術のいくつかにおいてはｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極形成に際してＴｉ３ＳｉＣ２層形成のため反応には本来必要ではないＡｌの蒸着膜とＴｉの蒸着膜を積層形成した後に、１０００℃程度の温度で熱処理するＤＡ（Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法が用いられている。この熱処理において半導体材料のＳｉＣとその上に蒸着したＴｉおよびＡｌの界面反応を生じてＳｉＣ半導体に接して薄いＴｉ３ＳｉＣ２からなる中間半導体層が形成される。
この従来技術による電極形成方法では、ＳｉＣ半導体上の電極部全体に一様な厚さのＴｉ３ＳｉＣ２の中間半導体層を形成することが困難であり、その界面にはＡｌ４Ｃ３、Ｔｉ５Ｓｉ３ＣＸ、ＴｉＣ、Ａｌ３Ｔｉなどの化合物が副生成物として生じ、副生成物が存在する界面領域ではコンタクト抵抗が高いためＳｉＣ半導体上の電極のコンタクト抵抗を低減して良質なオーミック抵抗を得ることは困難である。また、ＡｌがＳｉＣと合金反応し、ＳｉＣを不均一に侵食する結果、電極表面が粗くなるため外部への配線が困難である。ｐ型ＳｉＣ半導体に対して低抵抗のオーミック電極を形成するには他のｐ型広禁制帯半導体と同様に電極直下の半導体領域を重ドープ処理してショットキー障壁を薄くする方法が有効であるが、従来技術のＤＡ法では半導体基板と蒸着膜との界面反応を利用するため重ドープ処理した電極直下の半導体領域を界面反応で消費してしまう。
特開平１−２０６１６号公報 特開２００３−８６５３４号公報 特開２００８−７８４３４号公報 特開２００８−７８４３５号公報 特開２００８−２２７１７４号公報
このように、従来技術によれば電極の平滑性が悪いか、オーミック特性の低い電極が得られる。また、熱処理の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。
このため、本発明者らは、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オーミック電極および該オーミック電極の形成方法について特願２００９−０２０８５０として特許出願を行った。
本発明者らがさらに検討を行ったところ、前記特許出願に記載の発明によればオーミック特性を有するオーミック電極が得られるが、組成比の厳格なコントロールが必要であり、また電極層が多結晶構造であるために電極層に結晶粒界が存在し電極の加工後の工程で電極表面が露出している場合に結晶粒界に薬液が侵入して電極を腐食する場合があることを見出し、さらに検討を行った結果、本発明を完成した。
従って、本発明の目的は、オーミック特性を有し且つアモルファス構造であるオーミック電極層がｐ型ＳｉＣ半導体の表面に直接積層されているｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極を提供することである。
また、本発明の他の目的は、前記ｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極の製造方法を提供することである。
本発明は、下記式の（I）〜（IV）で示される４つの直線および曲線で囲まれる組成域（但し、ｘ＝０の線上およびＴｉ ｎ＋１ ＳｉＣ ｎ （ｎは１、２、３又はそれ以上）の組成を除く）のＴｉ（１−ｘ−ｙ）Ｓｉ（ｘ）Ｃ（ｙ）（以下、Ｔｉ（ｚ）Ｓｉ（ｘ）Ｃ（ｙ）と略記することもある。）三元素混合膜からなり、かつアモルファス構造であって表面粗さが０．１μｍ未満であるオーミック電極層がｐ型ＳｉＣ半導体の表面に直接堆積され積層されているｐ型ＳｉＣ半導体素子のオーミック電極に関する。
（I） ｘ＝０ （０．３５≦ｙ≦０．５）
（II）ｙ＝１．７７８（ｘ−０．３７５）２＋０．１ （０≦ｘ≦０．３７５）
（III）ｙ＝−１．１２０ｘ＋０．５２００ （０．１６６７≦ｘ≦０．３７５）
（IV）ｙ＝−２．５０４ｘ２−０．５８２８ｘ＋０．５ （０≦ｘ≦０．１６６７）
また、本発明は、ｐ型ＳｉＣ半導体表面に、下記式の（I）〜（IV）で示される４つの直線および曲線で囲まれる組成域（但し、ｘ＝０の線上およびＴｉ ｎ＋１ ＳｉＣ ｎ （ｎは１、２、３又はそれ以上）の組成を除く）のＴｉ（１−ｘ−ｙ）Ｓｉ（ｘ）Ｃ（ｙ）三元素混合膜からなり、かつアモルファス構造であって表面粗さが０．１μｍ以下であるオーミック電極層を直接堆積して積層するｐ型ＳｉＣ半導体素子のオーミック電極の製造方法に関する。
（I） ｘ＝０ （０．３５≦ｙ≦０．５）
（II）ｙ＝１．７７８（ｘ−０．３７５）２＋０．１ （０≦ｘ≦０．３７５）
（III）ｙ＝−１．１２０ｘ＋０．５２００ （０．１６６７≦ｘ≦０．３７５）
（IV）ｙ＝−２．５０４ｘ２−０．５８２８ｘ＋０．５ （０≦ｘ≦０．１６６７）
本発明における電極層についての特性は、後述の実施例の欄に詳述される測定法によって規定されるものである。
本発明によれば、オーミック特性を有し且つアモルファス構造であるオーミック電極層がｐ型ＳｉＣ半導体の表面に直接積層されているｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極を得ることができる。
また、本発明によれば、オーミック特性を有し且つアモルファス構造であるオーミック電極層がｐ型ＳｉＣ半導体の表面に直接積層されているｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極を容易に得ることができる。
図１は、本発明の実施態様によるｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極を示す模式図である。 図２は、従来技術によるｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極の一例を示す模式図である。 図３は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃの三元素からなりオーミック特性を示す組成域を示すグラフである。 図４は、本発明の実施例によるｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極のＴＥＭ写真の写しである。 図５は、比較例によるｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極のＴＥＭ写真の写しである。 図６は、本発明の実施例によるｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極の電流電圧特性を示すグラフである。 図７は、本発明の他の実施例によるｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極の電流−電圧特性を示すグラフである。 図８は、比較例によるｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極の電流−電圧測特性を示すグラフである。
図９は、他の比較例によるｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極の電流−電圧特性を示すグラフである。 図１０は、比較例５におけるＡｌ／Ｔｉを用いたＤＡ法により形成した電極／ＳｉＣの熱処理後断面ＴＥＭ写真の写しである。 図１１は、本発明の実施態様によるｐ型ＳｉＣ半導体素子のオーミック電極の製造方法の概略を示す模式図である。 図１２は、従来技術によるｐ型ＳｉＣ半導体素子のオーミック電極の製造方法を示す模式図である。 図１３は、本発明のｐ型ＳｉＣ半導体素子のオーミック電極の適用例であるＳｉＣ製電界効果トランジスタの一例の模式図である。 図１４は、本発明のｐ型ＳｉＣ半導体素子のオーミック電極の他の適用例である縦型構造の炭化珪素Ｎチャネルパワー電界効果トランジスタの一例の模式図である。 図１５は、本発明のｐ型ＳｉＣ半導体素子のオーミック電極の他の適用例である縦型構造の炭化珪素Ｎチャネル絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの一例の模式図である。
以下、図面を参照して本発明について詳説する。
図１および図２を比較すると、本発明の実施態様によるｐ型ＳｉＣ半導体素子のオーミック電極は図１に示すように前記組成域のＴｉ（１−ｘ−ｙ）Ｓｉ（ｘ）Ｃ（ｙ）三元素混合膜であってアモルファス構造でありオーミック電極層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図２に示すように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により電極表面の平滑性が不良である。
図３を参照すると、本発明におけるオーミック電極層は、Ｔｉ、ＳｉおよびＣを頂点とする三角座標において下記式の（I）〜（IV）で示される４つの直線および曲線で囲まれる組成域（但し、ｘ＝０の線上を除く）、従ってこれら直線および曲線上も含まれる組成域のＴｉ（１−ｘ−ｙ）Ｓｉ（ｘ）Ｃ（ｙ）三元素混合膜によってオーミック特性が得られる。
（I） ｘ＝０ （０．３５≦ｙ≦０．５）
（II）ｙ＝１．７７８（ｘ−０．３７５）２＋０．１ （０≦ｘ≦０．３７５）
（III）ｙ＝−１．１２０ｘ＋０．５２００ （０．１６６７≦ｘ≦０．３７５）
（IV）ｙ＝−２．５０４ｘ２−０．５８２８ｘ＋０．５ （０≦ｘ≦０．１６６７）
そして、図３における前記組成域の５点：３、４、５、６および７ではオーミック特性が得られており、組成比の厳格なコントロールを必要とせずオーミック特性を有する電極層が得られるのである。
なお、前記組成域外の３点：１、２および８ではオーミック特性が得られていない。
さらに、図４および図５を参照すると、本発明におけるオーミック電極層は図４に示すようにアモルファス構造であって平滑な表面形態を有していて層全体が均一であり結晶粒界を有さないのに対して、多結晶構造であるＴｉ３ＳｉＣ２のオーミック電極層は図５に示すように層内および層表面に結晶粒界を有している。
このように本発明におけるオーミック電極層は、アモルファス構造であって層全体が均一であり結晶粒界を有さないためオーミック電極の後加工の工程、例えば配線をつけて加工する際や半導体工程を通る際に露出したオーミック電極層に薬液、例えば酸、例えば強酸や弱アルカリ成分を含む現像液によって電極層が腐食されないとか薬液が電極層に侵入することを防止し得るなど耐腐食性、耐薬品性、耐薬品侵入性を向上し得る。さらに、本発明におけるオーミック電極層は平滑な表面形態を有しているため、外部への配線が容易である。これに対して、前記の多結晶構造であるＴｉ３ＳｉＣ２のオーミック電極層は、結晶粒界を有しているため後工程で用いる前記の薬液が粒と粒との隙間である粒界に侵入し、粒界が拡大して凹凸が大きくなり、配線等が困難になり得る。また、粒界に溜った薬液が電極層自らを腐食させ、又は他の電極材や配線材（例えば、Ａｌ、ＡｌＳｉ、Ｃｕなど）を腐食させ得る。さらに、前記の多結晶構造であるＴｉ３ＳｉＣ２のオーミック電極層は製造するために厳密な組成制御が必要である。しかも個々のスパッタリング装置の特性によりＴｉ、ＳｉおよびＣのスパッタリング成膜特性が変化し、Ｔｉ３ＳｉＣ２の厳密な組成を得ることが困難である。また、前記の理由によりスパッタリング装置によってはＴｉ３ＳｉＣ２のスパッタリングターゲットを用いても異なる組成になる場合があり、またスパッタリング蒸着時の使用累積で組成がずれてしまいオーミック特性を得ることができない場合がある。そしてずれた組成値によっては加熱処理を行ってもオーミック性を発現しない場合があることなどにより、製造歩留まりが低くなり、またターゲットを使用できなくなり得る。
図６および図７と図８および図９を参照すると、前記組成域内の組成を有するオーミック電極層は図６および図７に示すようにｐ型ＳｉＣ半導体の表面がＳｉ面又はＣ面であっても低抵抗のオーミック特性を示すのに対して、前記組成域外の組成を有する電極層は図８および図９に示すようにオーミック特性を示さないことが理解される。
また、図１０を参照すると、従来技術によってＴｉおよびＡｌを蒸着して蒸着膜を形成すると、熱処理をしなければオーミック特性が得られず、熱処理により表面平滑性が不良となることが理解される。
さらに、図１１および図１２を参照すると、本発明の実施態様によるｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極の製造方法は、ｐ型ＳｉＣ半導体表面に、（１）三元素複合膜の組成比を前記組成域のＴｉ（１−ｘ−ｙ）−Ｓｉ（ｘ）−Ｃ（ｙ）とすること、（２）スパッタリング（スパッタともいう）時に結晶化しないようにすること、（３）スパッタリング後に高温での熱処理を行わないこと、および(４)スパッタリング蒸着前処理（逆スパッタリング）の４つの処理条件を実施することによってオーミック電極層を直接積層する方法であるのに対して、従来技術によるｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極の製造方法ではｐ型ＳｉＣ半導体表面にＴｉ／Ａｌ積層膜を積層した後、高温で熱処理する方法であり、オーミック電極に副生成物、例えばＡｌ４Ｃ３、Ｔｉ５Ｓｉ３ＣＸ、ＴｉＣなどが生成し、Ｔｉ３ＳｉＣ２のオーミック電極層にＡｌを含む成分である金属間化合物（ＴｉＡｌ３）やＡｌの凝固物の層が形成されるためこれらの層の表面平滑性が悪くオーミック電極のオーミック特性を低下させると考えられる。
前記の本発明の実施態様において、（２）スパッタリング時に結晶化しないようにするために、例えばスパッタリング時に、ＳｉＣ半導体基板を冷却する、ＲＦパワー(高周波スパッタリング)を過度に高くしない、又は蒸着チャンバー内の圧力を制御する、などによってチャンバー内の温度を上がらないようにして実施し得る。
前記のスパッタリング蒸着時の温度は、例えば冷却水や冷媒、例えばフッ素系不活性冷媒、例えばガルデン、フロリナートなどを用いて又は用いないで１００℃以下にすることが適当である。このとき、蒸着膜は気相から急冷凝固することによりアモルファス構造となると考えられる。また、後工程を含めて蒸着後に露出したＴｉ−Ｓｉ−Ｃオーミック電極に熱が加えられる場合はＴｉ−Ｓｉ−Ｃ電極層表面の温度が８００℃以下、特に４００℃であることが好ましい。
また、ＲＦパワー(高周波スパッタリング)は６００Ｗ以下、例えば１００〜６００Ｗ、その中でも１００〜３００Ｗであることが適当であり、ＲＦパワーが大きいと微小結晶が生成する傾向がある。
また、前記の蒸着チャンバー内の圧力は０．１〜１０Ｐａ、特に１〜５Ｐａが好適である。
さらに、前記の（４）スパッタリング蒸着前処理として、蒸着技術に一般的に用いられる逆スパッタリングなどの物理的洗浄又は化学的洗浄が挙げられる。
本発明におけるｐ型ＳｉＣ半導体を与えるＳｉＣとしては、特に制限はなく３Ｃ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣ等の多くのポリタイプが挙げられるが、本発明ではいずれの結晶構造のものも使用することができ、好適には４Ｈ−ＳｉＣが挙げられる。これらＳｉＣは単結晶であって当業界で周知の方法によってＳｉ面、Ｃ面に機械的に切断し、得られたＳｉ面又はＣ面、好適にはＳｉ面がオーミック電極の直接積層に用いられ得る。
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していて、本発明によればオーミック電極層を直接積層して低抵抗の接合を得ることが可能となる。
本発明におけるＳｉＣ半導体は前記ＳｉＣにそれ自体公知の方法によって適した不純物の添加によってｐ型電子制御したものである。このｐ型ＳｉＣ半導体のｐ型電子制御は通常オーミック電極層の積層前に行われるがオーミック電極層の積層後に行われても良い。
前記組成域のＴｉとＳｉとＣとからなる三元素混合膜を形成する積層としては、図１０に示すように十分に洗浄して清浄化したＳｉＣ半導体基板表面にＴｉとＳｉとＣとを前記組成域の三元混合蒸着膜を形成する方法が挙げられる。
前記の三元素混合蒸着膜の形成は、ＴｉとＳｉとＣとの前記原子組成域内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ＴｉＣ＋Ｔｉ５Ｓｉ３Ｃｘ二相平衡組成域、ＴｉＣ＋Ｔｉ５Ｓｉ３Ｃｘ三相平衡組成域、ＴｉＣ＋Ｔｉ５Ｓｉ３Ｃｘ＋Ｔｉ三相平衡組成域の一部の粉末、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、６００Ｗ以下、例えば１００〜６００Ｗ、その中でも１００〜３００Ｗ、好適には２００〜３００ＷのＡｒ順方向出力、０．１〜１０Ｐａ、特に１〜５Ｐａの圧力で、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。
前記の方法によれば、スパッタリング蒸着膜が高温加熱処理を伴わないため、清浄化したＳｉＣ半導体表面に前記組成域のＴｉ（ｚ）Ｓｉ（ｘ）Ｃ（ｙ）三元素混合膜を与える前記条件で三元素混合膜（蒸着膜）を積層することにより、蒸着時の平滑な状態であってオーミック特性およびアモルファス構造を有するオーミック電極を得ることができ、組成域を広くし得るためスパッタリング装置によってオーミック特性の影響を受けることが無くなるか極めて少なくなり、電極層がアモルファス構造であるため多結晶による結晶粒界が存在しない。
前記の方法によって得られる前記Ｔｉ（ｚ）Ｓｉ（ｘ）Ｃ（ｙ）アモルファス構造の三元素混合電極膜がｐ型ＳｉＣ半導体との界面においてオーミック特性を発現するメカニズムは解明されていないが、ショットキー障壁を低減した界面電子構造又はトンネリング現象が効果的に形成され、その結果オーミック特性が得られていると考えられる。
本発明において、好適には厚さが５００ｎｍ以下、特に５〜５００ｎｍの前記組成域組成の三元元混合膜を積層することによって、ｐ型ＳｉＣ半導体に前記組成域のＴｉ（ｚ）Ｓｉ（ｘ）Ｃ（ｙ）のアモルファス構造のオーミック電極層を直接積層し得る。
また、本発明においては、前記の蒸着前の前処理を組み合わせることによってオーミック電極層が、表面粗さが０．１μｍ未満、特に０．０５μｍ以下の良好な表面平滑性およびオーミック特性の良好なアモルファス構造のｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極を容易に得ることができる。
本発明により、ＳｉＣ半導体基板に接して電極部全体に薄くて均一な厚さのＴｉ（ｚ）Ｓｉ（ｘ）Ｃ（ｙ）のアモルファス構造の電極層を形成するとともに、ＳｉＣ半導体と電極部との界面にＡｌ４Ｃ３、Ｔｉ５Ｓｉ３ＣＸ、ＴｉＣ、Ａｌ３Ｔｉなどが生じる副反応を抑制することが可能となり、これにより良好なオーミック特性を有するアモルファス構造のオーミック電極を得ることが可能となると考えられる。
また、本発明によれば、ｐ型ＳｉＣ半導体表面の化学的および／又は物理的洗浄と直接的に電極膜の蒸着形成という簡略化されたプロセスによって、ＳｉＣに接して薄く且つ表面が平滑なアモルファス構造のオーミック電極を形成することが可能となる。
さらに、同時に、本発明により、薬品に対する耐性や酸性ガス雰囲気による腐食耐性が向上し、プロセスコストや性能、信頼性が向上し得る。
以下、本発明の実施例および比較例を示す。
以下の実施例において、試料についての特性評価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）電極層の組成比の算出
算出方法：原料の組成比から算出するか、ＥＰＭＡ（電子線プローブマイクロアナライザー：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｘ−ｒａｙ Ｍｉｃｒｏ−Ａｎａｌｙｚｅｒ）による
２）電極層のオーミック性
測定方法：電極間の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）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
３）電極層の構造
測定方法：電極について断面ＴＥＭ観察し、Ｔｉ（ｚ）−Ｓｉ（ｘ）−Ｃ（ｙ）成膜層の写真からアモルファス構造、又は結晶構造を判断
４）電極層の表面粗さ
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）
実施例１
半導体用基板材料としてｐ型４Ｈ−ＳｉＣ、厚さ３６９μｍ、抵抗率７５−２５００Ωｃｍ、面方位（０００１）８°ｏｆｆ ｔｏｗａｒｄ［１１−２０］を用いて、電極面形成をＳｉ面（確認のためＣ面も）とし、蒸着条件として高周波マグネトロンスパッタリング蒸着、スパッタリングターゲット：Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃ（純度：Ｔｉ９９．９％、Ｓｉ９９．９９％、Ｃ９９．９９％）を各元素が表１に示す組成比（図３におけるＮＯ．３）で、蒸着に先立ち基板クリーニング処理を放電雰囲気：Ａｒ、高周波出力２００Ｗ、時間３００秒で行った後、蒸着を膜厚３５０ｎｍ、放電雰囲気：Ａｒ、圧力：１〜４Ｐａ、高周波出力２００〜３００Ｗにて行って、Ｔｉ（ｚ）−Ｓｉ（ｘ）−Ｃ（ｙ）膜の電極層を形成した。
得られた電極について各特性を評価した。電極の断面ＴＥＭ写真の写しを図４に示し、Ｉ−Ｖ特性の測定結果を図６に示し、図６から判断したオーミック性についての判断結果を他の例の結果をまとめて表１に示す。
図４から、実施例１で得られた電極層はアモルファス構造であることを示している。
また、得られた電極層の表面粗さは０．０５μｍであり良好な表面平滑性を示した。
比較例１
実施例１で得られたＴｉ（ｚ）−Ｓｉ（ｘ）−Ｃ（ｙ）膜の電極層を１０００℃で１５分間加熱処理した。加熱処理後の断面ＴＥＭ写真を図５に示す。
得られた電極層について各特性を評価した。電極の断面ＴＥＭ写真の写しを図５に示す。また、表面粗さを測定したところ０．１−０．２μｍであり表面平滑性が少し低下したことを示す。
図５から、アモルファス構造のＴｉ（ｚ）−Ｓｉ（ｘ）−Ｃ（ｙ）電極層が熱処理により多結晶化したことを示している。
実施例２
スパッタリングターゲットのＴｉ、Ｓｉ、Ｃ（純度：Ｔｉ９９．９％、Ｓｉ９９．９９％、Ｃ９９．９９％）を表１に示す組成（図３におけるＮＯ．４）に変えた他は実施例１と同様に実施して、ｐ型ＳｉＣ半導体のＳｉ面にＴｉ（ｚ）−Ｓｉ（ｘ）−Ｃ（ｙ）電極層を形成した。
得られた電極についてのＩ−Ｖ特性から判断したオーミック性の結果を表１に示す。
実施例２で得られた電極層は良好なオーミック特性（Ｓｉ面）を有していることを示す。
また、これらの結果および膜形成条件から判断して、実施例２で得られた電極層は、実施例１で得られた電極層と同様にアモルファス構造であり、良好な平面平滑性を有することが示唆される。
実施例３
スパッタリングターゲットのＴｉ、Ｓｉ、Ｃ（純度：Ｔｉ９９．９％、Ｓｉ９９．９９％、Ｃ９９．９９％）を表１に示す組成（図３におけるＮＯ．５）に変えた他は実施例１と同様に実施して、ｐ型ＳｉＣ半導体のＳｉ面にＴｉ（ｚ）−Ｓｉ（ｘ）−Ｃ（ｙ）電極層を形成した。
得られた電極についてのＩ−Ｖ特性から判断したオーミック性の結果を表１に示す。
実施例３で得られた電極層は良好なオーミック特性（Ｓｉ面）を有していることを示す。
また、これらの結果および膜形成条件から判断して、実施例３で得られた電極層は、実施例１で得られた電極層と同様にアモルファス構造であり、良好な平面平滑性を有することが示唆される。
実施例４
スパッタリングターゲットのＴｉ、Ｓｉ、Ｃ（純度：Ｔｉ９９．９％、Ｓｉ９９．９９％、Ｃ９９．９９％）を表１に示す組成（図３におけるＮＯ．６）に変えた他は実施例１と同様に実施して、ｐ型ＳｉＣ半導体のＳｉ面にＴｉ（ｚ）−Ｓｉ（ｘ）−Ｃ（ｙ）電極層を形成した。
得られた電極についてのＩ−Ｖ特性から判断したオーミック性の結果を表１に示す。
実施例４で得られた電極層は良好なオーミック特性（Ｓｉ面）を有していることを示す。
また、これらの結果および膜形成条件から判断して、実施例４で得られた電極層は、実施例１で得られた電極層と同様にアモルファス構造であり、良好な平面平滑性を有することが示唆される。
実施例５
スパッタリングターゲットのＴｉ、Ｓｉ、Ｃ（純度：Ｔｉ９９．９％、Ｓｉ９９．９９％、Ｃ９９．９９％）を表１に示す組成（図３におけるＮＯ．７）に変えた他は実施例１と同様に実施して、Ｔｉ（ｚ）−Ｓｉ（ｘ）−Ｃ（ｙ）電極層を形成した。
得られた電極についてのＩ−Ｖ特性を図７に示し、この結果から判断したオーミック性の結果を表１に示す。
また、電極層についての断面ＴＥＭ写真は図６と同様にアモルファスであることを示し、電極層の表面粗さは０．０５μｍであり良好な表面平滑性を示した。
比較例２
スパッタリングターゲットのＴｉ、Ｓｉ、Ｃ（純度：Ｔｉ９９．９％、Ｓｉ９９．９９％、Ｃ９９．９９％）を表１に示す組成（図３におけるＮＯ．１）に変えた他は実施例１と同様に実施して、Ｔｉ（ｚ）−Ｓｉ（ｘ）−Ｃ（ｙ）電極層を形成した。
得られた電極についてのＩ−Ｖ特性を図９に示し、この結果から判断したオーミック性の結果を表１に示す。
また、得られた電極層を比較例１と同様にして熱処理した。熱処理後の電極のオーミック特性を評価したところ、オーミック特性を示さなかった。
比較例３
スパッタリングターゲットのＴｉ、Ｓｉ、Ｃ（純度：Ｔｉ９９．９％、Ｓｉ９９．９９％、Ｃ９９．９９％）を表１に示す組成（図３におけるＮＯ．２）に変えた他は実施例１と同様に実施して、Ｔｉ（ｚ）−Ｓｉ（ｘ）−Ｃ（ｙ）電極層を形成した。
得られた電極についてのＩ−Ｖ特性を図８に示し、この結果から判断したオーミック性の結果を表１に示す。
また、得られた電極層を比較例１と同様にして熱処理した。熱処理後の電極のオーミック特性を評価したところ、オーミック特性を示さなかった。
比較例４
スパッタリングターゲットのＴｉ、Ｓｉ、Ｃ（純度：Ｔｉ９９．９％、Ｓｉ９９．９９％、Ｃ９９．９９％）を表１に示す組成（図３におけるＮＯ．８）に変えた他は実施例１と同様に実施して、電極層を形成した。
得られた電極についてのＩ−Ｖ特性から判断したオーミック性の結果を表１に示す。
比較例５
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、蒸着装置：電子ビーム蒸着装置、蒸着材料：Ｔｉ、Ａｌの条件で蒸着膜を積層し、半導体表面にＴｉ（８０ｎｍ）／Ａｌ（３７５ｎｍ）の蒸着層を有する積層体を得た。
得られた積層体について、電極のＩ−Ｖ特性および表面粗さを測定した。Ｉ−Ｖ特性を図１０に示す。表面粗さは０．０５μｍであった。
この積層体を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Ｉ−Ｖ特性を図１０に示す。
粗さ観察結果から、表面粗さが１．０μｍであり表面平滑性は不良で、オーミック特性有りの結果が得られた。
以上の結果は、実施例１〜５によって得られたＴｉ（ｚ）−Ｓｉ（ｘ）−Ｃ（ｙ）電極層が良好な表面平滑性、オーミック特性（Ｓｉ面、又はＳｉ面およびＣ面のいずれも）および表面平滑性を有していることを示す。また、比較例１の結果は、アモルファス構造を有するＴｉ（ｚ）−Ｓｉ（ｘ）−Ｃ（ｙ）電極層が高温熱処理によって多結晶化することを示している。
また、図３および表１の結果から、組成比の厳格なコントロールを必要とせずオーミック特性を有する電極層が得られること示している。
さらに、表１における比較例２〜４の結果は、本発明におけるＴｉ、Ｓｉ、Ｃの組成域外の組成ではオーミック特性が得られないことを示している。
また、比較例５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示さず、熱処理によってオーミック特性は得られるが平滑性が失われたことを示している。
実施例６
本発明のｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極を適用したＳｉＣ製電界効果トランジスタの模式図を図１３に示す。
実施例７
本発明のｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極を適用した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１４に示す。
実施例８
本発明のｐ型ＳｉＣ半導体のオーミック電極を適用したＳｉＣＮ−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１５に示す。
図１５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。
本発明によって、これまでオーミック電極を安定して形成する技術が確立されていなかったｐ型のＳｉＣ半導体の場合であっても、良好なオーミック特性およびアモルファス構造を有し、従って結晶粒界がなく、表面平滑性の良好なオーミック電極が得られ、その結果ＳｉＣ基パワーエレクトロニクスデバイスによって従来のシリコン基デバイスを置き換えることが可能となり得て各種電子機器や、電動機（モータ、発電機など）のエネルギー効率を飛躍的に高めることを実現し得る。

Claims (2)

  1. 下記式の（I）〜（IV）で示される４つの直線および曲線で囲まれる組成域（但し、ｘ＝０の線上およびＴｉ ｎ＋１ ＳｉＣ ｎ （ｎは１、２、３又はそれ以上）の組成を除く）のＴｉ（１−ｘ−ｙ）Ｓｉ（ｘ）Ｃ（ｙ）三元素混合膜からなり、かつアモルファス構造であって表面粗さが０．１μｍ未満であるオーミック電極層がｐ型ＳｉＣ半導体の表面に直接堆積され積層されているｐ型ＳｉＣ半導体素子のオーミック電極。
    （I） ｘ＝０ （０．３５≦ｙ≦０．５）
    （II）ｙ＝１．７７８（ｘ−０．３７５）２＋０．１ （０≦ｘ≦０．３７５）
    （III）ｙ＝−１．１２０ｘ＋０．５２００ （０．１６６７≦ｘ≦０．３７５）
    （IV）ｙ＝−２．５０４ｘ２−０．５８２８ｘ＋０．５ （０≦ｘ≦０．１６６７）
  2. ｐ型ＳｉＣ半導体表面に、下記式の（I）〜（IV）で示される４つの直線および曲線で囲まれる組成域（但し、ｘ＝０の線上およびＴｉ ｎ＋１ ＳｉＣ ｎ （ｎは１、２、３又はそれ以上）の組成を除く）のＴｉ（１−ｘ−ｙ）Ｓｉ（ｘ）Ｃ（ｙ）三元素混合膜からなり、かつアモルファス構造であって表面粗さが０．１μｍ未満であるオーミック電極層を直接堆積して積層するｐ型ＳｉＣ半導体素子のオーミック電極の製造方法。
    （I） ｘ＝０ （０．３５≦ｙ≦０．５）
    （II）ｙ＝１．７７８（ｘ−０．３７５）２＋０．１ （０≦ｘ≦０．３７５）
    （III）ｙ＝−１．１２０ｘ＋０．５２００ （０．１６６７≦ｘ≦０．３７５）
    （IV）ｙ＝−２．５０４ｘ２−０．５８２８ｘ＋０．５ （０≦ｘ≦０．１６６７）
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