JPH11503568A - 炭化ケイ素表面に電気接触部を形成する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 炭化ケイ素表面（３）に先ず炭素膜（４）、特にグラファイト膜が形成される。次いでこの炭素膜（４）が炭化物を形成する金属（Ｍｅ）とで金属炭化物の膜（７）に変換される。このようにして作られたＳｉＣと金属炭化物との接触部は特に殆ど障害のないショットキー接触部を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 炭化ケイ素表面に電気接触部を形成する方法 この発明は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の表面に電気接触部を形成する方法に関す る。 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（1 1 1）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洩れ電 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Ｓｉ Ｃ表面は３で表されている。 図１においてＳｉＣ表面３に炭素Ｃ_x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Ｃ_x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、化学反応によりに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１５０ ０℃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（Ａ ｒ） 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せる前の 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、即ち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１ｎ ｍ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Ｓ ｉＣ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 spectrosco pic 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Ｍ ｅ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Ｍｅ_xＣ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Ｍｅ_xＣ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Ｍｅ_xＣ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Ｍｅ_xＣ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Ｍｅ_x Ｃ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プロセスの聞に成長する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Ｍ ＢＥ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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）炭化ケイ素（ＳｉＣ）の表面（３）に炭素膜（４）が形成され、 ｂ）この炭素膜（４）が次いで炭化物を形成する少なくとも１つの金属とで少な くとも殆どが金属炭化物に変換される 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。 ２．ＳｉＣ単結晶（２）の表面が炭化ケイ素表面（３）として使用される請求項 １記載の方法。 ３．ＳｉＣ単結晶（２）がガス相からのエピタキシャル成長（ＣＶＤ）により基 板（１）に形成される請求項２記載の方法。 ４．炭化ケイ素の表面（３）が、ＳｉＣの立方晶系ポリタイプ（β−ＳｉＣ）に おいて（1 1 1）結晶面に、、非立方晶系ポリタイプ（α−ＳｉＣ）において（0 0 0 1）結晶面に相当するＳｉＣ単結晶（２）のケイ素面で形成される請求項２ 記載の方法。 ５．炭化ケイ素表面（３）が、ＳｉＣの立方晶系ポリタイプ（β−ＳｉＣ）にお いて（-1 -1 -1）結晶面に、非立方晶系ポリタイプ（α−ＳｉＣ）において（0 0 0 -1）結晶面にそれぞれ相当するＳｉＣ単結晶（２）の炭素面で形成される請 求項２記載の方法。 ６．炭素膜（４）が主としてグラファイト構造或いはグラファイトに類似の結晶 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。 ７．炭素膜（４）が炭化ケイ素表面（３）からケイ素原子を気化させることによ って形成される請求項１ないし６の１つに記載の方法。 ８．ケイ素原子が、炭化ケイ素表面（３）が少なくとも１０００℃の温度で真空 に或いは希ガス雰囲気にさらされることにより気化される請求項７記載の方法。 ９．炭素膜（４）がＣＶＤプロセスにより形成される請求項１ないし６の１つに 記載の方法。 １０．炭素膜（４）が分子線エピタキシー法により形成される請求項１ないし６ の１つに記載の方法。 １１．炭素膜（４）が１ｎｍ以下の厚さに形成される請求項１ないし１０の１つ に記載の方法。 １２．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なる元素が使用される請求項１ないし１ １の１つに記載の方法。 １３．炭化物を形成する少なくとも１つの金属がスパッタにより炭素膜（４）に 形成される請求項１ないし１２の１つに記載の方法。 １４．金属原子或いはイオンの運動エネルギーがそれに属する金属炭化物の化学 的形成エネルギーと同じ程度の大きさに設定される請求項１３記載の方法。 １５．炭化物を形成する金属が先ず炭素膜（４）の上に形成され、次に温度処理 により炭素と化学反応される請求項１ないし１４の１つに記載の方法。 １６．炭化物を形成する金属が炭化ケイ素表面（３）に蒸着される請求項１５記 載の方法。 １７．炭化ケイ素表面（３）が炭素膜（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される請求項１ないし１６の１つに記載の方法。