JP3646548B2 - SiC半導体デバイス - Google Patents
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Description
【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)を用いた半導体デバイス、特にそのオーミック電極に関する。
【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、高温や放射線の存在下等で使用されることもあり、そのような条件下では、シリコンを用いたパワーデバイスは使用できないことがある。またシリコン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声に対して、新しい材料の適用が検討されている。本発明で取り上げる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、またシリコンより約一桁大き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、シリコンの約二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】
【発明が解決しようとする課題】
一般に電子デバイスには、オーミック電極が必要であり、さらにこれをベース金属にはんだづけする場合が多い。SiCデバイスにおいては、電導型がn型の場合にはニッケル(以下Niと記す)薄膜を形成し、これを熱処理してオーミック電極とすることができる。しかしその熱処理の際にNiは、SiC中のシリコン原子と結合してシリサイドを形成する。SiC中の余った炭素原子は、シリサイドの表面付近に堆積して、炭素層を形成し、はんだ付けの阻害要因となる。オージェ電子分析法によれば、炭素層の厚さは約50nmにもなることがわかった。
【0004】
はんだ付け以外の半導体デバイスでも、シリサイド形成時に余った炭素原子は、半導体基板とオーミック電極との間に析出し、あるいは半導体基板とオーミック電極との間にボイドを生じて、信頼性上あるいは接触抵抗の点から問題になっている。
本発明の目的は、密着性の高いオーミック電極をもつSiC半導体デバイスを提供することにある。
【0005】
【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は、SiCを用いた半導体テバイスにおいて、オーミック電極の材質を、IVa、Va、VIa族の金属のような炭化物を形成し易い金属とニッケルとの合金とし、その合金層の上にニッケル層を積層する。
【0006】
そのようにすれば、オーミック電極を形成した際にシリサイドが形成されて余った炭素原子が消費されるので、従来のように表面に炭素層が形成されて、例えばはんだ付けの阻害要因となる等の悪影響を免れることができる。
【0007】
【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。
図1(a)、(b)は、本発明のオーミック電極を形成したSiC半導体デバイス試料A、試料Bの断面図である。試料AはSiC基板1上のオーミック電極をNiを母材とするNi合金層2としたもの、試料Bは、Ni合金層2の上にNi層3を積層したものである。炭化物を形成し易い金属としては、チタン(以下Tiと記す)を選んだ。
【0008】
以下に、試料の作製方法と、評価方法およびその結果について述べる。
基板には、鏡面研磨した4H型SiC単結晶を用いた。その厚さは、300μm、不純物濃度は、2×1018cm-3である。基板は、ダイサーにより5mm角のチップに切りわけた。本実施例では、(000,−1)C面から<11,−2,0>方向に約8度傾けて研磨した面を使用した。基板の前処理として、有機溶剤と酸による有機物除去、および熱酸化とふっ酸浸漬による表面の不完全層除去をおこなった。
【0009】
以上の方法で処理した基板に、NiとTiの薄膜を同時にスパッタし、約800nmの厚さのNi合金層2を形成し、真空中(1×10-3Pa)において、1000℃、2分間の加熱をおこなって試料Aとした。
この試料AのNi合金層2上に更にNi層3を1μm形成したものを試料Bとした。
【0010】
比較例として、上の方法で処理したSiC基板に、Ni層のみを500nm形成し、真空中(1×10-3Pa)において、1000℃、2分間の加熱をおこなったものを試料Cとした。
作製した試料のはんだづけ、およびその密着性評価は、次の方法でおこなった。
【0011】
Niメッキを施した銅(以下Cuと記す)板をホットプレートで約200℃に加熱し、その上ではんだ(Pb−60%Sn合金)とフラックスを溶かし、上記の各試料を押しつけて冷却し、接合した。銅板の大きさは20mm角、厚さ0.5mmである。
【0012】
このCu板を折り曲げて、試料の剥がれ方を観察した。図2は、密着性評価試験の結果を示す比較図である。
すなわち、はんだづけしたCu板を折り曲げ、SiC基板がCu板に沿って割れたとき、その破片が剥がれなかったものの割合を示している。横軸は、試料の種類で、実施例の内容に対応している。
【0013】
この図から、Tiを加えたNi合金を用いた試料Aおよび試料Bで、密着性が格段に向上していることがわかる。
この結果は、Tiが炭化物を形成し易い金属であるため、炭化物を形成することで、Niシリサイド生成時に余った炭素が消費され、炭素層の形成を抑制できたことによると考えられる。
試料Aと試料Bとの間にも差があり、試料Bの方が密着性が更に向上しているが、いまのところこの理由は不明である。
【0014】
さらに、これらのオーミック特性を評価するため、四探針法による接触抵抗の測定をおこなった。上記の試料作製方法でNi、Tiをスパッタ形成する際、金属マスクを用いて、電極をパターニングした。電極の形状は、直径200μmの円形とし、その間隔を1mmとした。
【0015】
図3は接触抵抗の比較図である。横軸は、試料の種類で、実施例の内容に対応している。
図からTiを添加したNi合金でも接触抵抗は増大せず、むしろ僅かに減少していることがわかる。炭素層の存在が、密着性だけでなく、接触抵抗にも悪影響を与えていたと思われる。
【0016】
表1に、TiおよびIVa族のジルコニウム(Zr)、Va族のバナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、VIa族のクロム(Cr)、タングステン(W)の1000℃における炭化物生成反応のギブス自由エネルギを示した。
【0017】
【表1】
これらの金属は、いずれも炭化物を形成し易い金属であることから、これらの金属とNiとの合金を用いれば、同様の効果が得られると考えられる。他にデータは見当たらなかったが、同じ族のHf、Mo等についても同様と考えられる。
【0018】
また、Ni合金の形成方法としては、上記の同時スパッタの他に、それぞれの金属を例えば400nmずつ連続的に蒸着して積層しても、その後の熱処理で十分合金化し、良い結果が得られることが確かめられた。
【0019】
なお、この実施例では、4H−SiCのC面上に合金層を形成した例を述べたが、本発明の方法は、4H−SiCのSi面、6H−SiCのC面、Si面にも適用できる。
【0020】
【発明の効果】
以上説明したように本発明により、SiC半導体テバイスにおいて、オーミック電極の材質を、炭化物を形成し易い金属とニッケルとの合金とし、炭化物を形成し易い金属とニッケルとの合金層の上にニッケル層を積層することによって、炭素層の介在を免れ、電極の密着性および接触抵抗を大幅に改善することができた。特に、はんだ付けを要するSiC半導体デバイスにおいて、信頼性の向上に大きな貢献をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)、(b)は本発明のSiC半導体デバイスのオーミック電極部分の断面図
【図2】はんだづけした試料の密着性評価試験特性図
【図3】はんだづけした試料の接触抵抗評価試験特性図
【符号の説明】
1 SiC基板
2 Ni合金
3 Ni層
Claims (2)
- SiCを用いた半導体テバイスにおいて、オーミック電極の材質を、炭化物を形成し易い金属とニッケルとの合金とし、炭化物を形成し易い金属とニッケルとの合金層の上にニッケル層を積層したことを特徴とするSiC半導体デバイス。
- 炭化物を形成し易い金属として、IVa、Va、VIa族の金属を用いることを特徴とする請求項1に記載のSiC半導体デバイス。
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