JPH08139053A - ＳｉＣへの電極の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 〔目的〕電気特性が良好なシリコンカーバイド（Ｓｉ
Ｃ）への電極の形成方法を提供する。 〔構成〕高融点金属の砒化物、燐化物又は硼化物から成
る金属間化合物の電極層(M) をＳｉＣ結晶の基板(10)の
表面に堆積させる堆積工程(A〜D)と、この電極層(M) が
堆積されたＳｉＣ結晶の基板を加熱して電極(14)を作成
する加熱工程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温環境下でも動作可
能であるなどの利点を有するＳｉＣ半導体装置の製造に
利用される電極の形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来技術】半導体材料として知られているＳｉＣ（シ
リコンカーバイド）の結晶に関する最新の情報が、「Ｓ
ｉＣ半導体材料、デバイスとコンタクト材料」と題する
松波弘之氏の論文に記載されている（社団法人 日本電
子工業振興協会 平成６年３月編集・発行の「超微細構
造電極材料調査研究報告書」）。この論文によれば、シ
リコンカーバイドの結晶は現在集積回路の素材として慣
用されているシリコン単結晶（Ｓｉ）に比べて約３倍も
の熱伝導率（５Ｗ／ｃｍ^o Ｋ）を有すると共に、約２倍
もの飽和電子ドリフト速度を有する。また、高安定なポ
リタイプとして通常利用される六方晶の６ＨーＳｉＣで
は、禁制帯幅が 2.93 eVもの大きな値に達する。従っ
て、絶縁破壊電圧はＳｉに比べて１０倍程度も高く、ま
た、動作可能温度は 773^o K( 500^o C ) にも達し、しか
も、その導電型をｐ型、ｎ型のいずれにも容易に制御で
きる。

【０００３】ＳｉＣは、上述したような種々の物性値に
関する利点を有するため、高温動作デバイスや、大電力
デバイス、あるいは耐放射線デバイスなど、厳しい環境
下で動作させようとする半導体デバイスの素材として期
待されてきた。実際には、ＳｉＣは、熱的、化学的安定
性のため大面積かつ高品質の結晶の成長が却って困難で
あったために、これを素材とする半導体装置は、バリス
タなどの特殊なものを除いてはほとんど利用されていな
い。しかしながら、ここ数年の結晶成長技術の著しい進
展に伴い、直径30mmもの大型のウエハが市販される状況
になっている。

【０００４】シリコンカーバイドを素材とする半導体装
置を実現するうえで、大面積の結晶の供給と共に重要な
点は、そのような結晶上に安定なオーミック電極やショ
ットキー電極が形成できるか否かの点にある。シリコン
カーバイドは広い禁制帯幅と化学的安定性を有するた
め、これにオーミック接合（コンタクト）を形成するに
は、比較的高温下での合金化が必要になる。シリコンカ
ーバイド結晶へのアロイ・オーミックコンタクトの形成
材料として、ｎ型結晶に対してはＮｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃ
ｒ、Ｗ、ＡｕＴａ、ＴａＳｉ₂ などが、また、ｐ型結晶
に対してはＡｌ、ＡｌＳｉ、ＡＬ／Ｔｉ、Ａｌ／ＴａＳ
ｉ₂ などが知られている。合金形成温度は、最低のＡｌ
の場合の1173 ^oK から最高のＷの場合の2073^o K までと
いう具合にかなりの高温範囲にわたっている。

【０００５】さらに、シリコンカーバイド結晶へのショ
ットキー接合の形成材料として、ｎ型の結晶に対しては
Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｄなどが、またｐ型の結晶に
対してはＡｕとＰｔなどが知られている。これらの金属
は、スパッタリングなどの成膜形成手法によってシリコ
ンカーバイド結晶上に堆積したままの状態で使用した
り、ＰｔやＴｉの場合のように、堆積後に 873 ^oK から
773 ^o K 程度の温度範囲で合金を形成してから使用した
りしている。

【０００６】上記論文によれば、金属としてＮｉを用い
た場合、高温での熱処理に伴い、金属の層とＳｉＣとの
界面にグラファイト相の炭素が偏析することや、シリサ
イド化（珪化）反応の結果、Ｎｉの層内に珪化ニッケル
（ＮｉＳｉ）が形成されることなどが指摘されている。
また、同論文の実験データによれば、炭化反応の結果Ｎ
ｉの層内に炭化ニッケル（ＮｉＣ）が形成されているこ
とも示されている。

【０００７】上述のように、ＳｉＣ結晶上に金属の層を
形成して高温の熱処理を行うと、金属の層との界面近傍
に存在するＳｉＣの組成である珪素と炭素とが共に金属
の層内に侵入し、金属の珪化物と炭化物とを形成する。
金属の炭化物は、金属結晶中に炭素原子が最稠密で入り
こんだいわゆる侵入型構造を持ち、金属（Ｍ）の原子半
径に応じてＭＣやＭＣ₂ の構造の炭化物となる。このよ
うな金属の炭化物は、結合エネルギーが大きいため化学
的に安定で、融点と硬度とがいずれも高く、しかも電気
伝導性を有するという点において、高温環境下での動作
を目的とするＳｉＣ結晶への電極材料としては極めて好
都合である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電極の形成方法には次のような問題がある。すなわち、
上記論文の実験データは不純物を含まない真性のＳｉＣ
結晶について得られたものとみられ、不純物の挙動につ
いては記載も示唆もされていない。実際の半導体装置の
製造に際しては、ＳｉＣ結晶中にＢなどの不純物元素が
必然的に含まれている。この不純物元素は、単独で、あ
るいは、Ｂ₄ Ｃなどの炭化物や、Ｂ₄ Ｓｉなどの珪化物
の形態で金属の電極層内に侵入する。これに伴い、電極
の層との界面近傍に不純物元素が欠乏した高抵抗層が形
成されてしまい、電極としての性能が著しく低下すると
いう問題がある。従って、本発明の一つの目的は、上述
した問題を解決し、高性能の電極を形成できるＳｉＣへ
の電極の形成方法を提供することにある。

【０００９】また、ＳｉＣ結晶は各製造工程中の処理温
度が高くなるため、その表面に砒素、燐、硼素など比較
的蒸気圧の高い元素を不純物元素としてドーピングする
処理が相当困難になるという問題もある。すなわち、気
相拡散の場合には極めて高圧の雰囲気が必要になり、ま
た、結晶の表面に比較的低温のもとで一旦不純物元素の
層を堆積してから全体を高温に保って固相拡散を行わせ
る場合でも、堆積済みの不純物元素の層の蒸発を防止す
るために、相当高圧の雰囲気が必要になる。従って、本
発明の一つの目的は、蒸気圧が高くドーピングが困難な
砒素、燐、硼素などの不純物元素を電極形成時にドーピ
ングすることにより容易化した電極形成方法を提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるＳｉＣへ
の電極の形成方法は、高融点金属の砒化物、燐化物又は
硼化物から成る電極層をＳｉＣ結晶の基板の表面に堆積
する電極堆積工程と、この金属間化合物の電極層が堆積
されたＳｉＣ結晶の基板を加熱する加熱工程とを含んで
いる。

【００１１】

【作用】まず、高融点金属の砒化物、燐化物又は硼化物
から成る金属間化合物の層が基板の表面に堆積される。
硼素は半金属であるという点で、また、砒素と燐は非金
属ではあるが高融点金属と侵入型化合物を形成するとい
う点で、これらと高融点金属との化合物はいずれも金属
間化合物の範疇に属する。電極層とＳｉＣ結晶との界面
近傍に存在するガリウム、硼素、砒素、燐などの不純物
元素は、熱処理中に熱拡散によって、単独であるいは炭
素や珪素と結合した状態で金属の電極層内に侵入する。
これに伴い、界面近傍の不純物元素の密度は減少しよう
とする。しかしながら、電極層内に含まれている砒素や
硼素などの不純物元素が電極層内から逆向きにＳｉＣと
の界面近傍に移動してくることにより、不純物元素の密
度は逆に増加する。

【００１２】高融点金属との間で金属間化合物を形成す
る不純物元素としては、ＳｉＣ結晶中に炭素欠陥を作る
ため１０¹⁹ｃｍ^ー3もの高濃度でＳｉＣ結晶中にトーピン
グ可能な点、不純物元素単体を気中から結晶表面に供給
して内部に熱拡散させることが困難な点などを考慮する
と、砒素、燐、硼素の三つが最適である。特に、ＳｉＣ
結晶の基板の表面に、砒素、燐又は硼素を不純物元素と
する熱拡散層を形成しようとする場合、低不純物濃度の
高抵抗ＳｉＣ結晶の基板表面上に高融点金属の砒化物、
燐化物又は硼化物を堆積させたのち熱処理を行うことに
より、熱拡散層の形成を電極形成と同時に行うこともで
きる。すなわち、砒素、燐、硼素などは、単体ではＳｉ
Ｃ結晶表面から容易に蒸発してしまうが、この実施例で
は結晶表面に蒸気圧が極端に低い高融点金属が存在して
いるため、高温の熱処理中の砒素などの不純物元素の蒸
発が有効に防止される。

【００１３】さらに、基板表面の不純物の導電型と逆の
導電型の不純物元素と高融点金属との金属間化合物の電
極層を形成しておくと、この逆導電型の不純物元素は，
熱処理時に、濃度勾配に従った熱拡散によって金属の電
極層内からＳｉＣの界面近傍に移動してくる。この逆導
電型の不純物元素の密度は、この界面近傍から電極層内
に侵入したため欠乏状態となった不純物元素の密度より
も大きくなって導電型が反転する。この結果、電極層と
の界面近傍のＳｉＣ結晶内に高不純物密度のｐｎ接合が
形成され、互いに逆導電型の層がトンネル電流などによ
る低い抵抗値を介在させながら接続される。以下、本発
明を実施例によって更に詳細に説明する。

【００１４】

【実施例】本発明の一実施例に係わるＳｉＣ結晶の基板
表面への電極の形成方法を図１の断面図を参照しながら
説明する。まず、図１（Ａ）に示すように、ＳｉＣ単結
晶の基板１０の表面の電極形成領域１１上に、周知の写
真触刻法（フォトリゾグラフィ）を用いてマスクｍを形
成する。この状態で全表面に酸素イオンを注入すること
により、基板１０の電極形成領域１１以外の表面上に酸
素イオンが注入された高抵抗層１２を形成する。

【００１５】次に、図１（Ｂ）に示すように、慣用の成
膜手法と写真触刻法との組合せによって基板１０の電極
形成領域１１を除く表面上に窒化アルミニュウム（Ａｌ
Ｎ）の絶縁層１３を形成する。次に、図１（Ｃ）に示す
ように、絶縁層１３上にレジスト層Ｒを形成したのち、
スパッタリグによって高融点金属の砒化物、燐化物又は
硼化物から成る金属間化合物の電極層Ｍを堆積させる。
こののち、電極層Ｍが形成されたＳｉＣ結晶の基板全体
を、高融点金属とＳｉＣ結晶との間に合金が形成される
程度の高温度に保持する熱処理が行われる。

【００１６】上記金属間化合物の電極層Ｍを堆積するた
めの他の方法として、まず、スパッタリングなどの適宜
な成膜手法によってモリブデン（Ｍｏ）などの高融点金
属の層をＳｉＣ結晶の基板表面上に形成したのち、これ
を、比較的低温で中程度の圧力の砒素、燐、硼素などの
雰囲気中に放置することにより、ＭｏＡｓ，ＭｏＰ、Ｍ
ｏＢなどの高融点金属の砒化物、燐化物、硼化物の金属
間化合物の電極層Ｍを形成する方法を採用することもで
きる。

【００１７】高融点金属としては、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｏｓ，
Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄの群、IVａ族、Va族、VIａ族又
は鉄族に属するものや、その金属若しくはそれらの金属
の合金を含むもの、あるいは、Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｃ
ｒ，Ｗ，ＡｕＴａ，ＴａＳｉ₂の群又はＡｌ，ＡｌＳ
ｉ，Ａｌ／Ｔｉ，Ａｌ／ＴａＳｉ₂ の群に属する少なく
とも一つのものなどを選択できる。また、不純物元素と
しては、ＳｉＣ結晶基板の表面の導電型と、その不純物
元素の導電型を表面の導電型に対して同一にするかある
いは逆にするかに応じて、Ａｌ，Ｂ，Ｇａその他のIIIa
族に属する元素、Ｂｅその他のIIb 族に属する元素、
Ｎ，Ｐ，Ａｓその他のＶｂ族に属する元素、Ｃｒその他
のＶIa族に属する元素などを選択できる。

【００１８】すなわち、高融点金属の硼化物として、Ｃ
ｒＢ（融点1550±50^o C)，ＣｒＢ₂（融点1850±50
^o C)，ＦｅＢ，ＦｅＢ₂ ，ＨｆＢ，ＨｆＢ₂ （融点3250
±100 ^oC), Ｍｏ₂ Ｂ，Ｍｏ₃ Ｂ₂ ，ＭｏＢ，Ｍｏ
Ｂ₂ ，Ｍｏ₂ Ｂ₅ ，ＮｂＢ，Ｎｂ₃ Ｂ₄ ，Ｎｂ₂ Ｂ₂ ，
Ｎｂ₂ Ｂ，ＮｂＢ₂ ，Ｎｉ₂ Ｂ，Ｎｉ₃ Ｂ₂ ，ＮｉＢ，
Ｎｉ₂Ｂ₃ ，ＴｉＢ₂ ，ＴｉＢ，Ｔｉ₂ Ｂ₅ ，ＷＢ，Ｗ
₂ Ｂ₅ ，Ｗ₂ Ｂ，ＺｒＢ，ＺｒＢ₂ （融点3250±100 ^o
C)，Ｚｒ₃ Ｂ₄ などが好適である。また、高融点金属の
砒化物としては、ＣｒＡｓ，ＣｏＡｓ，ＮｉＡｓ，Ｔｉ
Ａｓ，ＴａＡｓ₂ ，ＶＡｓ，ＷＡｓ₂ ，ＭｏＡｓ₂ ，Ｆ
ｅＡｓ，ＭｎＡｓ，ＩｒＡｓ₂ ，ＲｈＡｓ₂ ，ＲｕＡｓ
₂ ，ＰｄＡｓ₂ ，ＰｔＡｓ₂ などが、また、燐化物とし
ては、ＣｒＰ，ＣｒＰ₂ ，Ｃｒ₂ Ｐ，Ｃｒ₃ Ｐ，ＰｄＰ
₂ ，ＯｓＰ₂ ，ＲｕＰ₂ ，ＰｔＰ₂ などが好適である

【００１９】金属間化合物の電極層Ｍの形成が終了する
と、レジストＲの層を薬品で溶解することによりその表
面に形成された金属の層Ｍと一緒にレジスト層Ｒを除去
する。最後に、金属の層Ｍが形成されたＳｉＣ結晶基板
１０を高温度に保持する熱処理を施し、結晶との界面を
合金化するとにより、結晶基板１０の表面に金属電極１
４を形成する。

【００２０】以上、本発明の一実施例を説明したが、細
部においてこれとは多少異なる種々の変形例を採用する
ことができる。

【００２１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の電
極形成方法によれば、高融点金属の砒化物、燐化物又は
硼化物から成る電極層をＳｉＣ結晶の基板表面に堆積し
たのち高温の熱処理により合金化する構成であるから、
熱処理後に界面近傍での砒素、燐又は硼素の不純物濃度
が増大し、低抵抗の極めて良好な特性の電極が形成でき
る。

【００２２】また、本発明によれば、高融点金属との金
属間化合物を形成する不純物元素として、蒸気圧が高く
単体でのドーピングが困難な砒素、燐又は硼素を選択す
る構成であるから、電極形成と不純物の熱拡散によるド
ーピングとを同時に行うことができ、熱拡散による不純
物のドーピングが容易になると共に、ＳｉＣ半導体装置
の製造工程を簡略化できるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の電極の形成方法を説明する
ための断面図である。

【符号の説明】

10 ＳｉＣ結晶の基板 11 電極形成領域 12 高抵抗層 13 AlN の絶縁層 14 電極層 R レジストの層 M 高融点金属の砒化物、燐化物又は硼化物の堆積層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高融点金属の砒化物、燐化物又は硼化物か
   ら成る電極層をＳｉＣ結晶の基板の表面に堆積する電極
   堆積工程と、 この電極層が堆積されたＳｉＣ結晶の基板を加熱する加
   熱工程とを含むことを特徴とするＳｉＣへの電極の形成
   方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記電極層が堆積されるＳｉＣ結晶の表面は低不純物濃
   度の高抵抗層から成り、この表面への不純物元素の熱拡
   散層の形成が前記加熱工程において行われることを特徴
   とするＳｉＣへの電極の形成方法。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、 前記高融点金属は、 Ｐｔ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄの群、IVａ
   族、Va族、VIａ族又は鉄族に属する少なくとも一つの金
   属又はその金属若しくはそれらの金属の合金を含むこと
   を特徴とするＳｉＣへの電極の形成方法。
4. 【請求項４】 請求項１又は２において、 前記高融点金属は、 Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ，ＡｕＴａ，ＴａＳｉ₂ の
   群又はＡｌ，ＡｌＳｉ，Ａｌ／Ｔｉ，Ａｌ／ＴａＳｉ₂
   の群に属する少なくとも一つを含むことを特徴とするＳ
   ｉＣへの電極の形成方法。