WO2022045160A1 - ワイドギャップ半導体装置 - Google Patents

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WO2022045160A1
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gap semiconductor
wide
metal electrode
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雄介 前山
俊一 中村
仁 大貫
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新電元工業株式会社
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    • H01L29/2003—Nitride compounds

Definitions

  • the present invention relates to a wide-gap semiconductor device having a wide-gap semiconductor layer and a metal electrode provided on the wide-gap semiconductor layer.
  • SiC which is a type of wide-gap semiconductor device
  • ⁇ B of N-type SiC-SBD Schottky barrier diode
  • N-type SiC- Ti, Ni, Pt and the like are used as the Schottky electrodes of the SBD.
  • Ti has the smallest ⁇ B
  • most of the commercially available N-type SiC-SBDs use Ti as a Schottky electrode.
  • the inventors of the present application refer to the non-patent document (Extended Abstracts of the 2013 International Conference on Solid State Devices and Materials, Fukuoka, 2013, pp468-469) and have a configuration having two layers of TiO at the interface as a method for lowering ⁇ B.
  • the non-patent document Extended Abstracts of the 2013 International Conference on Solid State Devices and Materials, Fukuoka, 2013, pp468-469) and have a configuration having two layers of TiO at the interface as a method for lowering ⁇ B.
  • the present invention provides a wide-gap semiconductor device capable of lowering ⁇ B without causing an abnormal leak.
  • the wide-gap semiconductor device is Wide-gap semiconductor layer and
  • the metal electrode provided on the wide-gap semiconductor layer and Equipped with The metal electrode has a single crystal layer having a hexagonal close-packed structure (HCP) in the interface region on the metal electrode side with the wide-gap semiconductor layer.
  • the single crystal layer may have a designated element content range containing O, S, P or Se.
  • the metal electrode is made of Ti, Cd, Hf, Mg, Zr or Sc.
  • the designated element content range contains O, S, P or Se.
  • the metal electrode is made of Cd, Hf, Mg, Zr or Sc, the designated element content range may contain O.
  • the total atomic concentration of O, S, P and Se in the designated element content range may be 7% to 33%.
  • the designated element content range may exist between the interface of the metal electrode with the wide-gap semiconductor layer and the distance from the interface to a distance of 11 nm to 37 nm in the thickness direction.
  • the designated element content range may be scattered in an island shape in the in-plane direction.
  • the designated element content range consists of a high concentration designated element content range.
  • the metal electrode is provided on the side of the high concentration designated element content region opposite to the wide gap semiconductor layer side, and has a low concentration designated element content having an oxygen concentration lower than the oxygen concentration contained in the interface region. It may have a region.
  • the metal electrode may have a polycrystalline layer on the side opposite to the wide-gap semiconductor layer side.
  • the metal electrode may have a hydrogen content range containing hydrogen on the side opposite to the wide-gap semiconductor layer side.
  • the metal electrode has a single crystal layer having a hexagonal close-packed structure (HCP) in the interface region on the metal electrode side with the wide gap semiconductor layer, and the single crystal layer contains O, S, P or Se.
  • HCP hexagonal close-packed structure
  • the vertical sectional view which showed the wide-gap semiconductor apparatus by 1st Embodiment of this invention.
  • the graph which showed the relationship between VF (V) and IF (A) in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
  • the graph which showed the relationship between the C-axis lattice constant (nm) and Fermi energy (eV / atm).
  • An image of the metal electrode in the embodiment of the present invention taken by STEM (scanning equivalent electron microscope).
  • An image of the metal electrode in Comparative Example 1 taken by STEM (scanning equivalent electron microscope).
  • FIG. 7A is a diagram following FIG. 7A, showing an example of a method for manufacturing a wide-gap semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • the vertical sectional view which showed the wide gap semiconductor apparatus by the 2nd Embodiment of this invention.
  • the wide-gap semiconductor device of the present embodiment has a wide-gap semiconductor layer 10 and a metal electrode 20 provided on the wide-gap semiconductor layer 10.
  • the metal electrode 20 may have a single crystal layer 21 having a hexagonal close-packed structure (HCP) in the interface region on the metal electrode 20 side (back surface side) with the wide-gap semiconductor layer 10.
  • the single crystal layer 21 has a designated element content range 22 containing O (oxygen), S (sulfur), P (phosphorus) or Se (selenium) in the interface region on the metal electrode 20 side with the wide-gap semiconductor layer 10. You may have.
  • the designated element content range 22 can contain any one or more of O, S, P and Se, but the typical element is O.
  • the wide-gap semiconductor include SiC, GaN and the like.
  • the upper part of FIG. 1 is the front surface side of the wide-gap semiconductor device, and the lower part is the back surface side of the wide-gap semiconductor device.
  • the metal electrode 20 of the present embodiment constitutes a Schottky electrode.
  • the single crystal layer 21 may be made of Ti (titanium), Cd (cadmium), Hf (hafnium), Mg (magnesium), Zr (zirconium) or Sc (scandium), or two or more of these metals. It may consist of a contained embodiment. Of these, the typical metal is Ti, and the following description will be made mainly using an embodiment using Ti. Since Cd, Hf, Mg, Zr and Sc have a hexagonal close-packed structure (HCP) and a lattice constant close to SiC, they are the same as when Ti is used. You will be able to draw conclusions.
  • HCP hexagonal close-packed structure
  • the designated element content range 22 of the single crystal layer 21 may contain O, S, P or Se.
  • the single crystal layer 21 is composed of Cd, Hf, Mg, Zr and Sc, the designated element content range 22 of the single crystal layer 21 may contain O.
  • the total atomic concentration of O, S, P and Se in the designated element content range 22 may be 7% to 33%. Since it is a "total amount", when any two or more of O, S, P and Se are included, the total of them is 7% to 33%. On the other hand, when only one of O, S, P and Se is contained, the atomic concentration of one element contained is 7% to 33%. Of O, S, P and Se, it is typically O, and in the following, O will be mainly used for description. Since the theoretical upper limit of the atomic concentration at which atoms such as O, S, P, and Se can be inserted while maintaining the HCP structure is 33%, an upper limit of 33% is set. If the HCP structure is maintained, no abnormal leak will occur. On the contrary, when the impurity concentration is 33% or more like TiO 2 in the above non-patent document, an abnormal leak occurs because the crystal structure of the single crystal layer 21 cannot maintain the original hexagonal close-packed structure (HCP). It ends up.
  • HCP hexagon
  • any of S, P, and Se can be chemically bonded to Ti, etc., and when they have the same structure, the number of valence electrons is relative. It is thought that the Fermi energy rises when the amount increases. Therefore, in any of S, P and Se, the same conclusion as in the case of using O can be drawn. For example, comparing Ti 6 O and Ti 2 S, assuming that they have the same structure, it is considered that the Fermi energy increases because the number of valence electrons in Ti 2 S is relatively large. Even if they do not have the same structure, the same effect can be obtained if a structure close to it can exist stably.
  • the designated element content region 22 may exist between the interface of the metal electrode 20 with the wide-gap semiconductor layer 10 and the distance from the interface to a distance of 11 nm to 37 nm in the thickness direction.
  • the thickness of the designated element content region 22 from the interface of the metal electrode 20 with the wide-gap semiconductor layer 10 may be 11 nm to 37 nm.
  • the designated element content range 22 is a region in which any of O, S, P, and Se exists in a significant amount in the atomic state, and typically exists at an atomic concentration of 5% or more. This is the area where you are doing.
  • the designated element content range 22 may be provided over one surface in the in-plane direction.
  • the metal electrode 20 may have a polycrystalline layer 29 on the side opposite to the wide-gap semiconductor layer 10 side (front surface side).
  • a single crystal main body layer 25 may be provided between the designated element content range 22 and the polycrystalline layer 29, which does not contain the designated element or contains a smaller amount than the designated element content range 22.
  • the single crystal layer 21 may be formed by the single crystal main body layer 25 and the designated element content range 22.
  • the designated element content range 22 may consist of a high concentration designated element content range.
  • the metal electrode 20 is provided on the side opposite to the wide-gap semiconductor layer 10 side (upper side in FIG. 1) in the high concentration designated element content range, and has a low oxygen concentration lower than the oxygen concentration contained in the interface region. It may have a concentration-designated element content range.
  • the single crystal main body layer 25 has a low concentration designated element content range.
  • the metal electrode 20 may have a hydrogen content range containing hydrogen on the side opposite to the wide-gap semiconductor layer 10 side.
  • the above-mentioned polycrystalline layer 29 may have a hydrogen content range, and in this case, a hydrogen content range is provided in the polycrystalline layer 29. At this time, the entire polycrystalline layer 29 may be in the hydrogen content range, or a part of the polycrystalline layer 29 may be in the hydrogen content range.
  • the metal electrode 20 is made of Ti, Ti is easily oxidized, so that a layer made of TiO 2 is provided on the surface of the metal electrode 20 (see FIG. 7B).
  • FIG. 2 shows an embodiment in which the wide-gap semiconductor layer 10 is made of SiC, the metal electrode 20 is made of Ti, and the designated element content range 22 contains O atoms, and SiC-SBD (Schottky barrier) is used.
  • the IV waveform of the diode) is shown.
  • the embodiment of Comparative Example 1 is an embodiment in which the designated element content region 22 does not contain a significant amount of O atoms
  • Comparative Example 2 contains TiO 2 in the designated element content region 22, and Example 1 is an embodiment.
  • the designated element content range 22 contains a significant amount of O atoms.
  • the rising voltage is high.
  • Comparative Example 2 it can be confirmed that an abnormal leak occurs at 0 to 0.2 V.
  • the abnormal leakage as in the comparative example 2 does not occur, and the rising voltage can be reduced.
  • FIG. 3 shows that the wide-gap semiconductor layer 10 is made of SiC, the metal electrode 20 is made of Ti, and the designated element content range 22 contains O atoms. It is the result of the first-principles calculation showing the relationship between the length of the lattice constant C axis and the Fermi energy when the content of the contained O atom is increased. It can be confirmed that as the concentration of O atoms present in the interface region between Ti and SiC increases, the Fermi energy increases and ⁇ B (Schottky barrier height) decreases.
  • FIG. 4A and 4B show an embodiment in which the wide-gap semiconductor layer 10 is made of SiC, the metal electrode 20 is made of Ti, and the designated element content range 22 contains O atoms, and Ti and O are used.
  • EDX energy dispersive X-ray spectroscopy
  • STEM scan equivalent electron microscope
  • H glow discharge emission analyzer
  • the energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) cut line is shown by straight lines IV-IV in FIG. 4A.
  • the depth of 0 ⁇ m in FIG. 4B is the interface on the front surface side of the metal electrode 20, and the depth of 0.15 ⁇ m is the interface between Ti and SiC.
  • Table 1 below shows the site, crystal structure, composition and crystal orientation in FIG. 4B.
  • the designated element content region 22 exists between the interface of the metal electrode 20 with the wide-gap semiconductor layer 10 and the distance from the interface to 30 nm in the thickness direction.
  • the hydrogen content region is in a region separated from the interface of the metal electrode 20 with the wide-gap semiconductor layer 10 by 80 nm or more in the thickness direction.
  • 5A and 5B show an embodiment in which the wide-gap semiconductor layer 10 is made of SiC and the metal electrode 20 is made of Ti, but the designated element content range 22 does not exist (Comparative Example 1).
  • 5A corresponds to FIG. 4A
  • FIG. 5B corresponds to FIG. 4B.
  • the cut line of energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) is shown by a straight line VV in FIG. 5A.
  • no “hump” of oxygen concentration corresponding to the Ti—O layer was not detected at the interface between the SiC layer and the Ti layer.
  • the oxygen concentration near the interface between the SiC layer and the Ti layer was 6.6%, which was below the lower limit of detection of about 10%.
  • the EELS signal waveform of Ti in the Ti—O layer having the designated element content range 22 is the EELS signal waveform of the single crystal Ti in Comparative Example 1 epigrown on SiC. It is similar to. From this, it can be confirmed that in the Ti—O layer in the designated element content range 22, the O atom exists between the lattices of Ti and is not covalently bonded to Ti and O. In Example 1, the oxygen concentration on the front surface side is as high as 40%, and Ti and O are covalently bonded, so that the EELS signal waveform is shifted. From this, it can be confirmed that in the Ti—O layer in the designated element content range 22, the O atom exists between the lattices of Ti and is not covalently bonded to Ti and O.
  • a metal electrode 20 made of Ti is provided on the wide-gap semiconductor layer 10 made of SiC (see FIG. 7A). At this time, since Ti is easily oxidized, the surface (Hyomen) of the metal electrode 20 made of Ti is exposed to oxygen to form a layer (TIO 2 layer) 30 made of TIO 2 .
  • H 2 gas or H 2 gas diluted with Ar (H 2 gas having a flow rate ratio of 1 to 20%) is supplied and annealed at 300 to 600 degrees.
  • the provided H 2 gas causes a Ti-H layer to be formed on the front surface side.
  • the metal electrode 20 originally made of Ti is formed. It is considered that the contained oxygen is pushed toward the Ti / SiC interface side to form a Ti—O layer having a designated element content range 22. It is considered that the H atom of the provided H 2 gas penetrates into Ti through a defect or the like in the TiO 2 layer.
  • the surface of Ti is oxidized by the residual oxygen and water in the chamber.
  • a part of O atoms derived from oxygen and water in the chamber also penetrates into the inside through the grain boundaries of Ti which is polycrystalline on the front surface side, and the Ti-O layer which is the designated element content range 22. Is thought to increase. More specifically, the oxygen remaining in the chamber is separated into O atoms, penetrates into the metal electrode 20 made of Ti, oxidizes the surface of the metal electrode 20 or moves to the Ti / SiC interface, and increases the Ti—O layer. (The layer indicated by reference numeral 79 in FIG. 7B).
  • the water (H 2 O) remaining in the chamber is separated into H and OH, and the OH penetrates into the metal electrode 20 made of Ti, and the surface is oxidized or moved to the Ti / SiC interface to form the Ti—O layer. It is believed to increase 22.
  • Example 1 is the result of annealing at 350 ° C. or higher in the presence of H2 gas.
  • the metal electrode 20 has a single crystal layer 21 having a hexagonal close-packed structure (HCP) in the interface region on the metal electrode 20 side with the wide gap semiconductor layer 10, and is a single crystal.
  • HCP hexagonal close-packed structure
  • the layer 21 has an embodiment having a designated element content range 22 containing O, S, P or Se, ⁇ B can be lowered without causing an abnormal leak (see FIG. 2).
  • the metal electrode 20 is made of Ti and the designated element content range 22 is O, S, P or Se, or the metal electrode 20 is made of Cd, Hf, Mg, Zr or Sc, the designated element content range.
  • the designated element content range When 22 contains O, ⁇ B can be lowered more reliably without causing an abnormal leak.
  • the total atomic concentration of O, S, P and Se in the designated element content range 22 is 7% to 33%. Is beneficial. This is because if more than 33% of O, S, and P are introduced, the metal electrode 20 cannot maintain the hexagonal close-packed structure (HCP) and an abnormal leak occurs.
  • HCP hexagonal close-packed structure
  • the designated element content region 22 is provided over one surface in the in-plane direction, but is not limited to this.
  • the designated element content regions 22 are scattered in an island shape in the in-plane direction.
  • FIG. 9 is a plan view showing only the designated element content region 22 inside the metal electrode 20 in order to show the designated element content region 22 arranged in an island shape.
  • Such an island-shaped designated element content range 22 can be formed when annealed using H 2 gas diluted with Ar. When diluted with Ar, the push of oxygen or the like by H 2 is not so strong, so that an island-shaped designated element content range 22 may be formed.
  • the same effect as that realized by the first embodiment can be obtained by the present embodiment as well. That is, even in the embodiment in which the designated element content range 22 containing O, S, P or Se is provided in an island shape in the in-plane direction as in the present embodiment, the total atomic concentration is 7%. If it is ⁇ 33%, ⁇ B can be lowered without causing an abnormal leak.

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Abstract

ワイドギャップ半導体装置は、ワイドギャップ半導体層１０と、前記ワイドギャップ半導体層１０に設けられた金属電極２０と、を有している。前記金属電極２０は前記ワイドギャップ半導体層１０との金属電極２０側の界面領域に六方最密充填構造（ＨＣＰ）からなる単結晶層２１を有している。前記単結晶層２１はＯ、Ｓ、Ｐ又はＳｅを含有する指定元素含有量域２２を有している。

Description

ワイドギャップ半導体装置
　本発明は、ワイドギャップ半導体層と、ワイドギャップ半導体層に設けられた金属電極と、を有するワイドギャップ半導体装置に関する。
　従来から、ＳｉＣ等を用いたワイドギャップ半導体装置が知られている（例えば特開２０１５―５６５４３号公報参照）。ワイドギャップ半導体装置においてはＳＢＤのオン電圧を下げたいというニーズがある。ＳＢＤのオン電圧の大半はショットキー接合由来のビルトイン電圧によるものであることから、φＢ（ショットキー障壁高さ）を下げることで効果的にオン電圧を下げることができる。
　ワイドギャップ半導体装置の一種であるＳｉＣを例に挙げると、Ｎ型ＳｉＣ―ＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）のφＢをショットキー電極で制御することが行われることが一般的であり、Ｎ型ＳｉＣ―ＳＢＤのショットキー電極としてはＴｉ、Ｎｉ、Ｐｔ等が用いられている。これらの中では、Ｔｉが最もφＢが小さくなることが知られており、市販されているＮ型ＳｉＣ―ＳＢＤの大半はＴｉをショットキー電極としているものである。
　本願の発明者らは、非特許文献（Extended Abstracts of the 2013 International Conference on Solid State Devices and Materials, Fukuoka, 2013,pp468-469）を参考に、φＢを下げる手法として界面にＴｉＯ２層を有する構成を採用してみたが、順方向電圧の低電圧域で理論的に予想される値より電流値が大きくなるという異常リークが発生してしまうため実用的ではないという問題があることを確認した。
　このような点に鑑み、本発明は、異常リークを生じさせることなく、φＢを下げることができるワイドギャップ半導体装置を提供する。
　本発明によるワイドギャップ半導体装置は、
　ワイドギャップ半導体層と、
　前記ワイドギャップ半導体層に設けられた金属電極と、
　を備え、
　前記金属電極は前記ワイドギャップ半導体層との金属電極側の界面領域に六方最密充填構造（ＨＣＰ）からなる単結晶層を有し、
　前記単結晶層はＯ、Ｓ、Ｐ又はＳｅを含有する指定元素含有量域を有してもよい。
　本発明によるワイドギャップ半導体装置において、
　前記金属電極はＴｉ、Ｃｄ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｚｒ又はＳｃからなり、
　前記金属電極がＴｉからなる場合に、前記指定元素含有量域はＯ、Ｓ、Ｐ又はＳｅを含有し、
　前記金属電極がＣｄ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｚｒ又はＳｃからなる場合には、前記指定元素含有量域はＯを含有してもよい。
　本発明によるワイドギャップ半導体装置において、
　前記指定元素含有量域におけるＯ、Ｓ、Ｐ及びＳｅの原子濃度は総量で７％～３３％であってもよい。
　本発明によるワイドギャップ半導体装置において、
　前記指定元素含有量域は、前記金属電極の前記ワイドギャップ半導体層との界面と当該界面から厚さ方向において１１ｎｍ～３７ｎｍまでの距離との間に存在してもよい。
　本発明によるワイドギャップ半導体装置において、
　前記指定元素含有量域は面内方向において島状に散在してもよい。
　本発明によるワイドギャップ半導体装置において、
　前記指定元素含有量域は高濃度指定元素含有量域からなり、
　前記金属電極は、前記高濃度指定元素含有量域の前記ワイドギャップ半導体層側とは反対側に設けられ、前記界面領域に含有される酸素濃度よりも低い酸素濃度からなる低濃度指定元素含有量域を有してもよい。
　本発明によるワイドギャップ半導体装置において、
　前記金属電極は、ワイドギャップ半導体層側とは反対側に多結晶層を有してもよい。
　本発明によるワイドギャップ半導体装置において、
　前記金属電極は、ワイドギャップ半導体層側とは反対側に水素を含有する水素含有量域を有してもよい。
　本発明において、金属電極がワイドギャップ半導体層との金属電極側の界面領域に六方最密充填構造（ＨＣＰ）からなる単結晶層を有し、単結晶層がＯ、Ｓ、Ｐ又はＳｅを含有する指定元素含有量域を有する態様を採用した場合には、異常リークを生じさせることなく、φＢを下げることができる。
本発明の第１の実施の形態によるワイドギャップ半導体装置を示した縦断面図。 実施例１、比較例１及び比較例２におけるＶＦ（Ｖ）とＩＦ（Ａ）との関係を示したグラフ。 Ｃ軸格子定数（ｎｍ）とフェルミエネルギー（ｅＶ／ａｔｍ）との関係を示したグラフ。 本発明の実施例における金属電極をＳＴＥＭ（走査等価型電子顕微鏡）によって撮影した画像。 本発明の実施例における金属電極に含まれるＴｉ、Ｏ及びＨの含有量を示したグラフ。 比較例１における金属電極をＳＴＥＭ（走査等価型電子顕微鏡）によって撮影した画像。 比較例１における金属電極に含まれるＴｉ、Ｏ及びＨの含有量を示したグラフ。 実施例１及び比較例１におけるＴｉのＥＥＬＳ信号波形を示したグラフとＳＴＥＭ（走査等価型電子顕微鏡）による画像。 本発明の第１の実施の形態によるワイドギャップ半導体装置の製造方法の一例を示す図。 図７Ａに続く図であり、本発明の第１の実施の形態によるワイドギャップ半導体装置の製造方法の一例を示す図。 本発明の第２の実施の形態によるワイドギャップ半導体装置を示した縦断面図。 本発明の第２の実施の形態における島状に配置された指定元素含有量域を示すための平面図。
第１の実施の形態
《構成》
　図１に示すように、本実施の形態のワイドギャップ半導体装置は、ワイドギャップ半導体層１０と、ワイドギャップ半導体層１０に設けられた金属電極２０と、を有する。金属電極２０はワイドギャップ半導体層１０との金属電極２０側（裏面側）の界面領域に六方最密充填構造（ＨＣＰ）からなる単結晶層２１を有してもよい。単結晶層２１は、ワイドギャップ半導体層１０との金属電極２０側の界面領域にＯ（酸素）、Ｓ（硫黄）、Ｐ（リン）又はＳｅ（セレン）を含有する指定元素含有量域２２を有してもよい。このように指定元素含有量域２２にはＯ、Ｓ、Ｐ及びＳｅいずれか１種類以上の元素を含むことができるが、典型的な元素はＯである。なお、ワイドギャップ半導体としては、ＳｉＣ、ＧａＮ等を挙げることができる。図１の上方がワイドギャップ半導体装置のおもて面側になり、下方がワイドギャップ半導体装置の裏面側になる。なお、本実施の形態の金属電極２０はショットキー電極を構成している。
　単結晶層２１は、Ｔｉ（チタン）、Ｃｄ（カドミウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）又はＳｃ（スカンジウム）からなってもよいし、これらの２つ以上の金属を含有する態様からなってもよい。このうち典型的な金属はＴｉであり、以下では、主にＴｉを用いた態様を用いて説明を行う。なお、Ｃｄ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｚｒ及びＳｃは、結晶構造が六方最密充填構造(ＨＣＰ)であり、かつ格子定数がＳｉＣに近い値となっていることから、Ｔｉを用いた場合と同様の結論を導き出せることになる。
　単結晶層２１がＴｉからなる場合には、当該単結晶層２１の指定元素含有量域２２はＯ、Ｓ、Ｐ又はＳｅを含有してもよい。単結晶層２１がＣｄ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｚｒ及びＳｃからなる場合には、当該単結晶層２１の指定元素含有量域２２はＯを含有してもよい。
　指定元素含有量域２２におけるＯ、Ｓ、Ｐ及びＳｅの原子濃度は総量で７％～３３％となってもよい。「総量」であることから、Ｏ、Ｓ、Ｐ及びＳｅのいずれか２つ以上が含まれる場合には、それらの合計が７％～３３％となる。他方、Ｏ、Ｓ、Ｐ及びＳｅのいずれか１つしか含まれない場合には、含まれている１つの元素の原子濃度が７％～３３％となる。Ｏ、Ｓ、Ｐ及びＳｅのうち典型的にはＯであり、以下では、主にＯを用いて説明を行う。なお、ＨＣＰ構造を維持したままＯ、Ｓ、Ｐ、Ｓｅ等の原子を挿入できる原子濃度の理論的な上限値が３３％となることから、３３％という上限値が設定される。ＨＣＰ構造を維持したままであれば、異常リークは発生しない。逆に、上記非特許文献の、ＴｉＯ２のように不純物濃度が３３%以上では、単結晶層２１の結晶構造が元の六方最密充填構造(ＨＣＰ)を維持できないため異常リークが発生してしまう。
　Ｏと同様、Ｓ、Ｐ及びＳｅのいずれにおいても、Ｔｉ等と化学的に結合し得ることが第一原理計算の結果から分かっているところ、同じ構造からなる場合、価電子の数が相対的に多くなると、フェルミエネルギーが上昇すると考えられる。このため、Ｓ、Ｐ及びＳｅのいずれにおいても、Ｏを用いた場合と同様の結論を導き出せる。例えば、Ｔｉ６ＯとＴｉ２Ｓとを比較すると、これらが同じ構造からなるとして、Ｔｉ２Ｓの方が相対的に価電子の数が多くなるので、フェルミエネルギーが上昇すると考えられる。なお、仮に同じ構造からならないとしても、それに近い構造が安定的に存在し得るのであれば、同様の効果が得られる。
　指定元素含有量域２２は、金属電極２０のワイドギャップ半導体層１０との界面と、当該界面から厚さ方向において１１ｎｍ～３７ｎｍまでの距離との間に存在してもよい。図１に示す態様で言えば、金属電極２０のワイドギャップ半導体層１０との界面からの指定元素含有量域２２の厚みが１１ｎｍ～３７ｎｍとなってもよい。なお、指定元素含有量域２２とは、Ｏ、Ｓ、Ｐ及びＳｅのいずれかが原子の状態で有意な量で存在している領域であり、典型的には原子濃度が５％以上で存在している領域である。
　後述する第２の実施の形態とは異なり、指定元素含有量域２２が面内方向において一面にわたって設けられてもよい。
　金属電極２０は、ワイドギャップ半導体層１０側とは反対側（おもて面側）に多結晶層２９を有してもよい。指定元素含有量域２２と多結晶層２９との間に、指定元素を含有しない又は指定元素含有量域２２と比較して少量で含有する単結晶本体層２５が設けられてもよい。この単結晶本体層２５と指定元素含有量域２２によって単結晶層２１が構成されてもよい。
　指定元素含有量域２２は高濃度指定元素含有量域からなってもよい。金属電極２０は、高濃度指定元素含有量域のワイドギャップ半導体層１０側とは反対側（図１では上方側）に設けられ、界面領域に含有される酸素濃度よりも低い酸素濃度からなる低濃度指定元素含有量域を有してもよい。本実施の形態では、単結晶本体層２５が低濃度指定元素含有量域を有する態様となっている。
　金属電極２０は、ワイドギャップ半導体層１０側とは反対側に水素を含有する水素含有量域を有してもよい。前述した多結晶層２９が水素含有量域を有してもよく、この場合には、多結晶層２９内に水素含有量域が設けられることとなる。この際、多結晶層２９の全体が水素含有量域となってもよいし、多結晶層２９の一部が水素含有量域となってもよい。なお金属電極２０がＴｉからなる場合には、Ｔｉは酸化しやすいことから、金属電極２０の表面にはＴｉＯ２からなる層が設けられることになる（図７Ｂ参照）。
　図２は、ワイドギャップ半導体層１０がＳｉＣからなり、金属電極２０がＴｉからなり、指定元素含有量域２２にＯ原子を含有する態様を用いたものであって、ＳｉＣ－ＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード）のＩ－Ｖ波形を示している。比較例１の態様は指定元素含有量域２２にＯ原子を有意な量で含有しない態様であり、比較例２は指定元素含有量域２２にＴｉＯ２を含有したものであり、実施例１は指定元素含有量域２２にＯ原子を有意な量で含有したものである。比較例１の態様では立ち上がり電圧が高くなっていることを確認できる。また比較例２では０～０．２Ｖにおいて異常リークが発生することを確認できる。他方、実施例１の態様では、比較例２のような異常リークは発生せず、かつ立ち上がり電圧を小さくすることができる。
　図３は、ワイドギャップ半導体層１０がＳｉＣからなり、金属電極２０がＴｉからなり、指定元素含有量域２２にＯ原子を含有する態様を用いたものであって、指定元素含有量域２２に含まれるＯ原子の含有量を増加させた場合の格子定数Ｃ軸の長さとフェルミエネルギーとの関係を示した第一原理計算による結果である。ＴｉとＳｉＣとの界面領域に存在するＯ原子の濃度が増加するにつれて、フェルミエネルギーが上昇し、φＢ（ショットキー障壁高さ）が低下することを確認できる。
　図４Ａ及び図４Ｂは、ワイドギャップ半導体層１０がＳｉＣからなり、金属電極２０がＴｉからなり、指定元素含有量域２２にＯ原子を含有する態様を用いたものであって、Ｔｉ及びＯについてはＳＴＥＭ（走査等価型電子顕微鏡）内のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）によって組成分析した結果であり、Ｈについてはグロー放電発光分析装置（ＧＤ－ＯＥＳ）によって分析した結果である。エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）のカットラインは図４Ａの直線ＩＶ－ＩＶで示している。図４Ｂの深さ０μｍは金属電極２０のおもて面側の界面であり、深さ０．１５μｍがＴｉとＳｉＣとの界面になっている。
　下記表１は図４Ｂにおける部位、結晶構造、組成及び結晶の配向を示した結果である。図４Ｂに示す態様では、指定元素含有量域２２が、金属電極２０のワイドギャップ半導体層１０との界面と当該界面から厚さ方向において３０ｎｍまでの距離との間に存在している態様となり、水素含有量域が金属電極２０のワイドギャップ半導体層１０との界面から厚さ方向において８０ｎｍ以上離間した領域にある態様となっている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　以上のとおり、ＳｉＣ層に隣接するＴｉ－Ｏ層では、結晶の配向が「３°」のものだけが検出されており、単結晶六方最密充填Ｔｉの状態でＯが含有されていることを確認できる。また、ＳｉＣ層側とは反対側では、結晶の配向が複数検出されており、多結晶からなるＴｉが形成され、当該多結晶ＴｉにはＨが含有されることを確認できる。なお、Ｔｉは比較的酸化されやすいことから、分析のための断面加工時に瞬時に酸化される。このため、金属電極２０であるＴｉ層中のＯ検出下限値は約１０％であり、ＳｉＣ層中のＯ検出下限である約０％に対して大きくなる。図４Ｂ中の酸素の濃度がＴｉ内部でも高くなっているのは、このようにＴｉが酸化されやすいことに起因していることには留意が必要である。
　図５Ａ及び図５Ｂは、ワイドギャップ半導体層１０がＳｉＣからなり、金属電極２０がＴｉからなるが、指定元素含有量域２２が存在しない態様である（比較例１）。図５Ａは図４Ａに対応し、図５Ｂは図４Ｂに対応している。なお、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）のカットラインは図５Ａの直線Ｖ－Ｖで示している。図４Ｂと異なり、ＳｉＣ層とＴｉ層の界面にはＴｉ－Ｏ層に相当する酸素濃度の「コブ」（図４Ｂの深さ０．１３～０．１５μｍの領域参照）は検出されなかった。ＳｉＣ層とＴｉ層の界面近傍の酸素濃度は６．６%であり、検出下限値である約１０％を下回った。
　図６に示すとおり、実施例１の態様では、指定元素含有量域２２であるＴｉ－Ｏ層におけるＴｉのＥＥＬＳ信号波形は、ＳｉＣ上にエピ成長した比較例１における単結晶ＴｉのＥＥＬＳ信号波形と同様になっている。このことからも、指定元素含有量域２２であるＴｉ－Ｏ層において、Ｏ原子は、Ｔｉの格子間に存在した状態であり、ＴｉとＯと共有結合していないことを確認できる。なお、実施例１において、おもて面側では酸素濃度が４０%と大きくなり、ＴｉとＯとが共有結合することから、ＥＥＬＳ信号波形がシフトしている。このことからも、指定元素含有量域２２であるＴｉ－Ｏ層において、Ｏ原子は、Ｔｉの格子間に存在した状態であり、ＴｉとＯと共有結合していないことを確認できる。
《製造方法》
　次に、本実施の形態の態様における製造方法の一例に説明する。この製造方法では、ワイドギャップ半導体層１０がＳｉＣからなり、金属電極２０がＴｉからなる態様を用いて説明する。
　まず、ＳｉＣからなるワイドギャップ半導体層１０にＴｉからなる金属電極２０を設ける（図７Ａ参照）。この際、Ｔｉは酸化しやすいことから、Ｔｉからなる金属電極２０の表面（ひょうめん）は酸素に触れることでＴｉＯ２からなる層（ＴｉＯ２層）３０が形成されている。
　次に、チャンバー内を真空状態にした後、Ｈ２ガス又はＡｒで希釈したＨ２ガス（１～２０流量比％のＨ２ガス）を供給し、３００～６００度で焼鈍する。提供されるＨ２ガスによって、おもて面側にＴｉ-Ｈ層の形成されることになるが、このようなＴｉ-Ｈ層の形成に伴って、元々、Ｔｉからなる金属電極２０内に含まれていた酸素がＴｉ／ＳｉＣ界面側へ押し込まれることで、指定元素含有量域２２であるＴｉ-Ｏ層を形成すると考えられる。なお、提供されるＨ２ガスのＨ原子はＴｉＯ２層中の欠陥等を介して、Ｔｉ内へ侵入すると考えられる。
　またこの際、チャンバー内の残留酸素及び水分によってＴｉの表面が酸化されることになる。チャンバー内の酸素及び水分由来のＯ原子の一部もおもて面側で多結晶となっているＴｉの粒界を介して内部へ侵入し、指定元素含有量域２２であるＴｉ-Ｏ層を増加させると考えられる。より具体的には、チャンバーに残留した酸素はＯ原子に分離し、Ｔｉからなる金属電極２０内へ侵入し、金属電極２０の表面を酸化又はＴｉ／ＳｉＣ界面へ移動しＴｉ-Ｏ層を増加させる（図７Ｂにおいて符号７９で示す層）と考えられる。また、チャンバー内に残留した水分（Ｈ２Ｏ）は、ＨとＯＨに分離し、ＯＨがＴｉからなる金属電極２０内へ侵入し、表面を酸化又はＴｉ／ＳｉＣ界面へ移動しＴｉ-Ｏ層２２を増加させると考えられる。
　以上のようにして、Ｔｉ-Ｏ層からなる指定元素含有量域２２をＴｉ／ＳｉＣ界面に有し、おもて面側に水素含有量域を有するワイドギャップ半導体装置が生成されることになる。なお、上述した実施例１はＨ２ガスの存在下で３５０℃以上で焼鈍した結果である。
《効果》
　次に、上述した構成からなる本実施の形態による効果であって、未だ説明していないものについて説明する。
　本願発明者らが確認したところによると、金属電極２０がワイドギャップ半導体層１０との金属電極２０側の界面領域に六方最密充填構造（ＨＣＰ）からなる単結晶層２１を有し、単結晶層２１がＯ、Ｓ、Ｐ又はＳｅを含有する指定元素含有量域２２を有する態様を採用した場合には、異常リークを生じさせることなく、φＢを下げることができる（図２参照）。
　特に金属電極２０がＴｉからなり、指定元素含有量域２２がＯ、Ｓ、Ｐ又はＳｅを含有する場合、又は金属電極２０がＣｄ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｚｒ又はＳｃからなり、指定元素含有量域２２がＯを含有する場合には、より確実に、異常リークを生じさせることなく、φＢを下げることができる。
　異常リークを生じさせることなくφＢを下げるという効果をより確実に得るためには、指定元素含有量域２２におけるＯ、Ｓ、Ｐ及びＳｅの原子濃度が総量で７％～３３％となっていることが有益である。なぜならば、３３％より多量のＯ、Ｓ、Ｐが導入されると、金属電極２０は六方最密充填構造（ＨＣＰ）を維持できずに異常リークが発生してしまうからである。
第２の実施の形態
　次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
　第１の実施の形態では、指定元素含有量域２２は面内方向において一面にわたって設けられていたが、これに限られることはない。本実施の形態では、図８及び図９に示すように、指定元素含有量域２２が面内方向において島状に散在している態様となっている。図９は、島状に配置された指定元素含有量域２２を示すために、金属電極２０の内部について指定元素含有量域２２だけを示した平面図であることには留意が必要である。このような島状の指定元素含有量域２２はＡｒで希釈したＨ２ガスを用いて焼鈍した際に生成することができる。Ａｒで希釈した場合にはＨ２による酸素等の押し込みがそれほど強くならないことから、島状の指定元素含有量域２２が形成される場合がある。
　その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。第２の実施の形態において、第１の実施の形態と同じ又は同様の部材等については同じ符号を付し、その説明を省略する。
　本実施の形態によっても、第１の実施の形態によって実現される効果と同様の効果を得ることができる。つまり、本実施の形態のようにＯ、Ｓ、Ｐ又はＳｅを含有する指定元素含有量域２２が面内方向において島状に設けられている態様であっても、原子濃度が総量で７％～３３％となっていれば、異常リークを生じさせることなく、φＢを下げることができる。
　上述した各実施の形態の記載及び図面の開示は、請求の範囲に記載された発明を説明するための一例に過ぎず、上述した実施の形態の記載、変形例の記載又は図面の開示によって請求の範囲に記載された発明が限定されることはない。また、出願当初の請求項の記載はあくまでも一例であり、明細書、図面等の記載に基づき、請求項の記載を適宜変更することもできる。
１０　　　ワイドギャップ半導体層
２０　　　金属電極
２１　　　単結晶層
２２　　　指定元素含有量域
２５　　　単結晶本体層
２９　　　多結晶層
３０　　　ＴｉＯ２からなる層（ＴｉＯ２層）

Claims (8)

  1. 　ワイドギャップ半導体層と、
    　前記ワイドギャップ半導体層に設けられた金属電極と、
    　を備え、
    　前記金属電極は前記ワイドギャップ半導体層との金属電極側の界面領域に六方最密充填構造（ＨＣＰ）からなる単結晶層を有し、
    　前記単結晶層はＯ、Ｓ、Ｐ又はＳｅを含有する指定元素含有量域を有する、
    　ワイドギャップ半導体装置。
  2. 　前記金属電極はＴｉ、Ｃｄ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｚｒ又はＳｃからなり、
    　前記金属電極がＴｉからなる場合に、前記指定元素含有量域はＯ、Ｓ、Ｐ又はＳｅを含有し、
    　前記金属電極がＣｄ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｚｒ又はＳｃからなる場合には、前記指定元素含有量域はＯを含有する、請求項１に記載のワイドギャップ半導体装置。
  3. 　前記指定元素含有量域におけるＯ、Ｓ、Ｐ及びＳｅの原子濃度は総量で７％～３３％である請求項１又は２に記載のワイドギャップ半導体装置。
  4. 　前記指定元素含有量域は、前記金属電極の前記ワイドギャップ半導体層との界面と当該界面から厚さ方向において１１ｎｍ～３７ｎｍまでの距離との間に存在している請求項１乃至３のいずれか１項に記載のワイドギャップ半導体装置。
  5. 　前記指定元素含有量域は面内方向において島状に散在している請求項１乃至４のいずれか１項に記載のワイドギャップ半導体装置。
  6. 　前記指定元素含有量域は高濃度指定元素含有量域からなり、
    　前記金属電極は、前記高濃度指定元素含有量域の前記ワイドギャップ半導体層側とは反対側に設けられ、前記界面領域に含有される酸素濃度よりも低い酸素濃度からなる低濃度指定元素含有量域を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のワイドギャップ半導体装置。
  7. 　前記金属電極は、ワイドギャップ半導体層側とは反対側に多結晶層を有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のワイドギャップ半導体装置。
  8. 　前記金属電極は、ワイドギャップ半導体層側とは反対側に水素を含有する水素含有量域を有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のワイドギャップ半導体装置。
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