JP3924628B2

JP3924628B2 - ＳｉＣショットキーダイオードの製造方法

Info

Publication number: JP3924628B2
Application number: JP3819899A
Authority: JP
Inventors: 隆一浅井
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2019-02-17
Also published as: JP2000236099A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化けい素（以下ＳｉＣと記す）を用いたショットキーダイオードの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
パワーデバイスの一つとして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はショットキーダイオードを特徴づける重要な性能である。こ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。
【０００４】
従来、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、耐圧構造の採用などがなされている。例えば、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、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、それぞれもれ電流低減の鍵となる。このうち界面を制御する方法として電極形成後の熱処理がある。
【０００５】
Ｓｉ、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）とショットキー接合を形成する電極用金属は、比較的低温でこれら半導体と反応し、適当な条件によりもれ電流を低減できるとの報告がある[ E.H.Rhoderick, "Metal-Semiconductor Contacts 2nd edition", Oxford Science Publishing, pp.189-193,(1988) ] 。
【０００６】
ＳｉＣは様々な金属とショットキー接合を作ることが知られている［例えばItoh,A. et al, Phys. Stat. Sol.(a), vol.162, no.1, pp.389-408 (1997) 参照］。また、ＳｉＣダイオードで逆方向特性を改善する方法として、エッジターミネーション構造やｐｎダイオードを組み合わせたデバイス構造の工夫がなされている［Itoh,A. et al, IEEE Electron Device Lett., vol.17, pp.139-141 (1996) 参照］。またＴｉをショットキー電極としたショットキーダイオードでは熱処理によるもれ電流の低減効果が報告されている［D.Alok et al., Materials Science Forum vol.264-268, pp.929-932,(1998)］。Ｎｉ−ＳｉＣショットキーダイオードについても、もれ電流対策としてはエッジターミネーションが用いられている［K.J.Schoen et al.,IEEE Trans. ED, vol.45, no.7,(1998) pp.1595-1603］。
【０００７】
一方、Ｎｉ−ＳｉＣ接合を加熱することでニッケルシリサイドが生成し、順方向の特性が変化することが知られている［J.R.Warldrop et al.,Appl. Phys. Lett., Vol.62, no.21, pp.2685-2687 (1993) ］。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＳｉＣショットキーダイオードにおいても、上記のように逆方向もれ電流を低減するための様々な試みがなされているが、逆方向もれ電流についてはなお一層の低減が望まれている。
本発明の目的は、Ｎｉをショットキー電極とするＳｉＣショットキーダイオードにおいて、逆方向もれ電流の低減を図ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題解決のため本発明のＳｉＣショットキーダイオードの製造方法は、ショットキー電極とするＮｉ膜を被着後、熱処理の雰囲気を水素と窒素との混合ガス、真空のいずれかとし、２００±５０℃または６００±５０℃で５〜３０分間熱処理するものとする。
【００１０】
後述する実験によれば、上記の熱処理により、逆方向もれ電流の低減が認められた。詳細な機構は不明であるが、熱処理によりＮｉ₂Ｓｉ、ＮｉＳｉ等のＮｉシリサイドが界面に生成して、ショットキー接合の密着性が向上し、欠陥が減少したためと考えられる。４００℃の前後では、シリサイドがこの温度付近で転移するためか、特性の劣化が見られる。
特に、熱処理の雰囲気としては、水素と窒素との混合ガス、真空のいずれでも良いことが、やはり実験でわかった。
【００１１】
【発明の実施の形態】
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。
［実験１］
図２は、本発明のための実験をおこなったＳｉＣショットキーダイオードの断面図である。
【００１２】
高不純物濃度のｎ⁺サブストレート４上に低不純物濃度のｎエピタキシャル層３を積層したＳｉＣウェハのｎエピタキシャル層３の表面にＮｉのショットキー電極１が、ｎ⁺サブストレート４の裏面にＮｉのオーミック電極５がそれぞれ設けられている。２は界面のシリサイド層である。
【００１３】
以下に試料の作製方法と評価について述べる。
ＳｉＣ基板として４Ｈ型ＳｉＣ単結晶エピタキシャルウェハを用いた。そのｎ⁺サブストレート４の厚さは３００μm 、ｎエピタキシャル層３の厚さは１０μm で、不純物濃度はそれぞれ８×１０¹⁸cm^-3、１×１０¹⁶cm^-3である。ＳｉＣウェハはダイサーにより５mm角のチップに切り分けた後、電極形成のため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。なお本実験に用いたエピタキシャルウェハでは、（０００１）Ｓｉ面から〈１１、−２、０〉方向に８度傾けた面にｎエピタキシャル層３が成長されている。
【００１４】
まず、ｎ⁺サブストレート４裏面の炭素面（以下Ｃ面と記す）にオーミック電極５の形成をおこなう。オーミック電極５としては、Ｎｉ膜を２００μm の厚さにスパッタ蒸着し、約１０００℃で５分間の熱処理をおこなった。
【００１５】
次にｎエピタキシャル層３のＳｉ面にＮｉ膜をスパッタ蒸着した。厚さは２００ｎｍである。
Ｎｉ膜を形成後、フォトリソグラフィによりパターニングし、ショットキー電極１とした。その大きさは、直径０．５mmとした。
【００１６】
続いて、真空アニール炉でショットキー電極１の熱処理をおこなった。処理条件は圧力を１×１０^-3Pa、温度を２００〜６５０℃、時間を１０分とした。
以上で作製したＳｉＣショットキーダイオードを銅板上にはんだづけした。はんだ付け温度は約２００℃であり、時間は約１分である。
【００１７】
熱処理をしないものを試料Ａ、熱処理温度を２００、４００、６００℃とした試料をそれぞれＢ，Ｃ，Ｄとする。なおショットキー電極のエッジターミネーションはおこなっていない。
【００１８】
ショットキーダイオードを評価するため電流−電圧測定をおこなった。図１は、試料Ａ〜Ｄに逆方向に２００V （以下−２００V と表記する）の電圧を印加した際に流れた電流と、試料の特性指標であるｎ値の比較図である。縦軸は、２００V に於ける逆もれ電流密度、およびｎ値であり、横軸は熱処理温度である。表１には、測定結果から得られたダイオード特性をまとめた。
【００１９】
ｎ値は、ダイオード特性の良否の程度を表す指標の一つで、順方向の電流−電圧特性から得られる。具体的には、印加電圧Ｖと順方向電流密度Ｊとの関係を表す次の式に含まれている。
【００２０】
J＝ J_s[exp(qV/nkT)-1] (1)
ここで、J は電流密度、J _sは飽和電流密度、q は電子電荷、V は電圧、k はボルツマン定数、T は絶対温度である。ダイオード特性が、理想的な場合には、ｎ＝１となる。一般的にはｎ＞１であり、１からのずれが大きくなる程、そのダイオードの特性は悪いと見なされる。
【００２１】
【表１】

この図１および表１から以下のことが分かる。
▲１▼熱処理をおこなわない試料Ａと比較して、熱処理をした試料Ｂ、Ｄでは、障壁高さ、ｎ値の順方向特性は余り変化していない。
一方で、逆方向特性が改善されており、２００V 印加時のもれ電流は２〜３桁小さくなり、処理温度が低い程低減されている。
【００２２】
▲２▼４００℃で熱処理した試料Ｃは、もれ電流は２〜３桁小さいが、ｎ値は、１．１０と最も悪く、その障壁高さが最も小さい。
これらは熱処理によりＮｉ₂Ｓｉ、ＮｉＳｉ等のニッケルシリサイドが界面に生成して、ショットキー接合の密着性が向上し、欠陥が減少したためと考えられる。４００℃の前後で特性が変化しているのは熱処理により生成するシリサイドがこの温度付近で転移するためと思われる。
【００２３】
これらの点を総合すると、Ｎｉ電極をもつＳｉＣショットキーダイオードの熱処理としては、２００℃を中心とする温度か、６００℃を中心とする温度がよく、４００℃を中心とする温度は避けるべきと考えられる。
【００２４】
なお、Ｎｉの膜厚は本実施例では２００nmとしたが、別の実験において１００〜１０００nmの範囲で本実施例と同様の効果が得られることがわかっている。
【００２５】
［実験２］
本実験では熱処理時の雰囲気を水素と窒素との混合ガスとし、熱処理温度を２００〜５５０℃の範囲で変えた。
ショットキーダイオードの作製方法において電極をパターニングするまでの方法は実験１と同じである。
【００２６】
本実験では、ショットキー電極形成後の熱処理を水素と窒素との混合ガスを流した石英管状炉でおこなった。窒素の流量を毎分２．５L とし、混合ガスの体積比は水素：窒素＝１：１０とした。熱処理時の圧力は大気圧、時間を３０分とした。
【００２７】
以上で作製した基板を銅板上にはんだづけした。処理温度を２００、４００、５５０℃とした試料をそれぞれＥ，Ｆ，Ｇとする。
ショットキーダイオードを評価するため電流−電圧測定をおこなった。図３は、それぞれ試料Ｅ〜Ｇの測定結果を図１と同様にまとめた温度依存性を示す比較図である。また表１に順方向特性から求めたｎ値および障壁高さを記入した。
図３、表１から、本実験の熱処理方法によっても実験１と同様の結果が得られることが分かる。
【００２８】
▲３▼実験１の傾向とは異なるが、熱処理をおこなわない試料Ａと比較して、熱処理をした試料Ｅ，Ｇでは逆方向特性が改善されており、２００V 印加時のもれ電流は１桁小さくなっている。
【００２９】
この場合も熱処理によりＮｉ₂Ｓｉ、ＮｉＳｉ等のニッケルシリサイドが界面に生成してショットキー接合の密着性が向上し、欠陥が減少したためと考えられる。
【００３０】
▲４▼４００℃で熱処理した試料Ｆは逆方向もれ電流が大きく、また、順方向特性のｎ値は、１．０２と悪くないが、その障壁高さは最も小さい。
この原因は実験１と同様に４００℃の前後でシリサイドが転移するためかも知れない。
【００３１】
これらの点を総合すると、Ｎｉ電極をもつＳｉＣショットキーダイオードの熱処理としては、２００℃を中心とする温度か、６００℃を中心とする温度がよく、水素と窒素との混合ガスの雰囲気でも４００℃を中心とする温度は避けるべきと考えられる。
【００３２】
以上２つの実施例では熱処理の時間をそれぞれ１０、３０分としたが追加の実験で共に５分以上の処理で効果が現れることが分かっている。
さらに本実施例では４Ｈ−ＳｉＣのＳｉ面上にショットキー電極を形成する例を述べたが、本発明の方法は４Ｈ−ＳｉＣのＣ面や６Ｈ−ＳｉＣのＳｉ面、Ｃ面にも適用できることを確認した。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、Ｎｉショットキー電極のＳｉＣショットキーダイオードの製造方法において、Ｎｉ膜を被着後、熱処理の雰囲気を水素と窒素との混合ガス、真空のいずれかとし、２００℃または６００℃近傍で熱処理することにより、順方向特性を損なうことなく逆方向もれ電流を低減することができる。
【００３４】
従って本発明は、Ｓｉショットキーダイオードを超えたパワーデバイスとしてのＳｉＣショットキーダイオードの発展、普及に貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験１の試料Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおける特性の温度依存性を示す比較図
【図２】本実施例のショットキーバリアダイオードの断面図
【図３】実験２の試料Ｅ、Ｆ、Ｇにおける特性の温度依存性を示す比較図
【符号の説明】
１ショットキー電極
２シリサイド層
３ｎエピタキシャル層
４ｎ⁺サブストレート
５オーミック電極

Claims

半導体炭化けい素を用い、ニッケルをショットキー電極とする炭化けい素ショットキーダイオードの製造方法において、ショットキー電極とするニッケル膜を被着後、熱処理の雰囲気を水素と窒素との混合ガス、真空のいずれかとし、２００±５０℃または６００±５０℃で５〜３０分間熱処理することを特徴とする炭化けい素ショットキーダイオードの製造方法。