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東工大ﾌﾛﾝﾃｨｱ研1, 東工大総理工2, ○鈴木智之1, 岡本真里2, 宗清修2,
角嶋邦之2, 片岡好則2, 西山彰2, 杉井信之2, 若林整2,
筒井一生2, 名取研二1, 岩井洋1
Tokyo Tech. FRC 1, IGSSE2 , ○T. Suzuki1, M. Okamoto2, S. Munekiyo2,
K. Kakusima2, Y. Kataoka2, A. Nishiyama2, N. Sugii2, H. Wakabayashi2,
K. Tsutsui2, K. Natori1, H. Iwai1
E-mail: suzuki.t.cl@m.titech.ac.jp
Tokyo Institute of Technology
TiC電極,TiSi2電極とSiC基板のSchottkyダイオード特性評価
Schottky diode characteristics of TiC and TiSi2electrodes on SiC substrates
2014年9月17日(水) 第75回応用物理学会秋季学術講演会
1
本研究の技術的背景と利点
高電圧用スイッチング回路などの電力用半導体素子として用いる場合の利点
SiCは耐圧性・耐熱性・熱伝導率が高い
○小型化と省電力化の達成
・絶縁構造や冷却装置を縮小
・効率改善で電力損失を削減
2
SiCショットキーダイオードの利点
IGBTパワーモジュールの例○使用用途の多様化とコストダウン
・高温，高線量環境でも使用可能
・寿命時間の増加
SiCショットキーダイオードの性能の向上で広範な恩恵を得られる
SiC-SBD
SiC-SBD
IGBT
IGBT
本研究の課題と考案
3
・熱処理温度により金属-SiCの界面が反応
・ショットキー障壁値の変動による逆方向漏れ電流増加
SiCショットキーダイオードの課題
○金属-SiC界面反応の制御
○考案
・参照する金属電極としてTi電極を選択 (Reference)
・Cを含む金属電極としてTiC電極を選択 (Si-CのCとの反応を阻止)
・Siを含む金属電極としてTiSi2電極を選択 (Si-CのSiとの反応を阻止)
○ダイオード特性の向上
TiC電極，TiSi2電極は熱処理によりSiCと反応しにくい可能性がある
A. Itoh and H. Matsunami, Physica Status Solidi 162, 390 (1997)
本研究の目的
4
○手順
・金属電極にTiとCまたはSiを積層したSiCショットキーダイオードを作成
・高温熱処理により積層した金属電極をシンタリング(焼結)
・電気特性(I-V特性)を測定，異なる金属電極による整流特性を確認する
○目的・・・TiCまたはTiSi2の金属電極を形成する
・金属電極とSiCの界面反応によるダイオード特性の劣化防止
・ダイオードの整流特性の維持・改善を目指す
理想的な整流特性の例
V
Log I
劣化した整流特性の例
V
Log I
逆方向漏れ電流増加
急峻性が低下
○ SiC基板をSPM，HFで化学洗浄
○プラズマCVD (TEOS)で素子分離
○金属電極 (アノード)
Ti, C, Si を積層スパッタ堆積
Ref.Ti 20 nm
○酸化防止膜
TiN (50 nm)をスパッタ堆積
○裏面電極 (カソード)
Ti (20 nm), TiN (50 nm)をスパッタ堆積
○熱処理 N2雰囲気,1 min, 熱処理温度 500～1050oC, 50 or 100℃刻み
デバイス製作工程
TiN (50 nm) / Ti or TiC or TiSi2 / SiC
Measurement (I-V測定) 54H-SiC (0001) Si-face Nd=1.0x1016 [cm-3]
金属電極
TiN (50 nm)
SiC substrate
Epilayer (12 μm)
Ti (20 nm)
Ti (20 nm), TiC, TiSi2
TiN (50 nm)
SiO2SiO2
裏面電極
I-V特性の熱処理温度依存性(常用対数)
6
10-11
10-9
10-7
10-5
10-3
10-1
101
103
Cu
rre
nt d
en
sity (
A/c
m2)
Anode voltage (V) Anode voltage (V) Anode voltage (V)
Ti TiC TiSi2
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
・Ti に比べて TiC，TiSi2 電極は逆方向漏れ電流の増加傾向が小さい
・熱処理温度800℃を境にダイオード整流特性の劣化が見られる
・特に800℃についてはTiに対し，TiC とTiSi2 電極の整流特性劣化が少ない
－ 1000℃－ 900℃－ 800℃－ 700℃－ 600℃－ 500℃
－ 1000℃－ 900℃－ 800℃－ 700℃－ 600℃－ 500℃
－ 1000℃－ 900℃－ 800℃－ 700℃－ 600℃－ 500℃
電極面積 206×206 μm2
※今回はこのダイオード特性をもとに以下の手順で評価した
TiN
SiC substrate
Epilayer
Ti, TiC, TiSi2SiO2SiO2
I-V特性の電極面積依存性と周辺電流
7
Cu
rre
nt (A
)
Ti
TiC
TiSi2
Ti よりTiC 電極，TiSi2 電極は周辺電流
の増加を抑えられている傾向が見られた
⇒電極による反応が少ないと考えられる
2x10-11
0
4x10-11
8x10-11
6x10-11
1x10-10
0 2x10-5 4x10-5 6x10-5 8x10-5 1x10-4
800℃ 1min in N2 @-1.0 V
Electrode area (cm2)
電極面積を0に近づけると
「周辺電流」が観測できる
金属電極 周辺電流 (A)
Ti 6.2x10-12
TiC 5.6x10-13
TiSi2 2.4x10-12
電極面積 50×50 μm2，100×100 μm2，206×206 μm2 800℃ 1min in N2 @-1.0 V
電極表面
ダイオード特性の評価に用いたモデルと理論式
・Shockleyのダイオード方程式
・逆方向飽和電流 (TEDモデル)
n : n値 (理想的にはn=1)
A** : 実効リチャードソン定数 [A/cm2/K2]
ϕB : ショットキー障壁の高さ [eV]
・理論モデルに基づき実効リチャードソン定数を実験的に定める
・理論式のフィッティングによりショットキー障壁高さϕBとn値を求める8
・Barrier Lowering Effect
金属半導体界面の鏡像効果に
よるショットキー障壁ϕBの低下
伝導帯
鏡像面
金属 半導体
実効リチャードソン定数A**の導出
・逆方向飽和電流 (熱電子放出-拡散TED)
9
温度の関数としてアレニウスプロット
・傾きからショットキー障壁値ϕB-ΔϕB
・切片から実効リチャードソン定数A**
・TiC/SiCショットキー障壁値
ϕB-ΔϕB=0.956 [eV] @-1 V
・実効リチャードソン定数実験値
A**=129 [A/cm2/K2] @-1 V
ln(J
/T2)
(A/c
m2/K
2)
1000/T (K-1)
2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0
-23
-24
-25
-26
-27
-28
-29
-30
TiC/SiC 500℃ 1min in N2
-20 mV
-1 V
大きな逆バイアスでは J≒Jsに近似できる
4H-SiCの理論値 A*=146 [A/cm2/K2]A. Itoh, T. Kimoto and H. Matsunami 1995 IEEE Electron
Device Letters 16 281
【TEモデル】
ショットキーダイオードの温度特性とn値
10
・測定温度を上げると逆方向漏れ電流が増加
・電流-電圧特性が理論モデルで再現できる理想特性(n=1)に近い値を得た
※実効リチャードソン定数を実験値129 A/cm2/K2 としてフィッティング
測定温度(℃) n値
60 1.09
80 1.08
100 1.08
120 1.13
TiC/SiC 500℃ 1min in N2
Curr
ent
density (
A/c
m2)
Anode voltage (V)
10-9
10-7
10-6
10-5
10-4
10-8
-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2
60℃
80℃
100℃
120℃
ϕB=0.995 [eV]
TiC/SiC
熱処理温度 500℃ 1分 N2雰囲気
ショットキー障壁値とn値の熱処理温度依存性
・熱処理温度800℃までTiC と TiSi2
のSiCショットキーダイオードは
変化の少ないショットキー障壁値ϕB
1.1以下の安定したn値を示した
⇒SiCとの反応を制御できている
・TiC や TiSi2の電極を形成すれば
広い熱処理温度範囲において理想
的なダイオード特性を実現できる可
能性がある
ショットキー障壁値ϕB 室温
n値室温
11熱処理温度 (℃)
500 600 700 800 900 1000
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
電極剥離
n値
(a.u
)ϕ
B(e
V) Ti
TiC
TiSi2
Ti
TiC
TiSi2
as-depo.
本発表のまとめ
TiCまたはTiSi2 電極のSiCショットキーダイオードは
広い熱処理温度範囲で界面反応を抑えられており，
ダイオード特性の劣化が少ないことが示唆された
結論
12
研究目的・・・熱処理による金属-SiCの界面反応の抑制と整流特性の維持・改善
プロセス・・・TiとC，Siの積層スパッタリングと高温熱処理によるシンタリング
デバイス・・・TiCまたはTiSi2を金属電極とするSiCショットキーダイオード
Ti に比べて TiC，TiSi2 電極のSiCショットキーダイオードは・・・
・高温熱処理による逆方向漏れ電流の増加傾向が小さい
・実効リチャードソン定数を129 A/cm2/K2と定め，理論モデルのフィッティングにより広い熱処理温度範囲で安定したショットキー障壁値と1.1以下のn値を得た
Backup
13
積層スパッタリング工程
SiC substrate
Epilayer (12um)
Ti (0.8nm)
TiN (50nm)
C (0.45nm)
Ti (0.8nm)
C (0.45nm)
18 sets
SiC substrate
Epilayer (12um)
Ti (0.46nm)
TiN (50nm)
Si (1.19nm)
16 sets
Ti (0.46nm)
Si (1.19nm)
14
22.5 nm 26.4 nm
デバイス全景
15
酸化防止膜
素子分離
エピタキシャル結晶成長層
SiC基板
裏面電極
酸化防止膜
電極面積 206×206 μm2
4H-SiC (0001) Si-face Nd=1.0x1016 [cm-3]
TiN (50 nm)
SiC substrate
Epilayer (12 μm)
Ti (20 nm)
Ti (20 nm), TiC, TiSi2
TiN (50 nm)
SiO2SiO2
金属電極
TiCの電極破損
16
1050℃熱処理後のTiN/TiC/SiCの写真
高温熱処理によるグラファイト層の形
成により剥離が発生するとされている
剥離
SiC
C (Graphite)
TiC
Epilayer
ダイオード特性の熱処理温度依存性(常用対数)
17
10-11
10-9
10-7
10-5
10-3
10-1
101
103
Cu
rre
nt d
en
sity (
A/c
m2)
Anode voltage (V) Anode voltage (V) Anode voltage (V)
(a) Ti (b) TiC (c) TiSi2
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
※実効リチャードソン定数を実験値129 A/cm2/K2 としてフィッティング
Φ b 27 500 600 700 750 800 850 900 950 1000 1050 ℃TiN/Ti 0.942 1.180 1.166 0.971 0.925 0.839 0.768 0.648 0.628 0.756 0.745 eVTiN/TiC 0.842 0.977 0.966 0.916 0.919 0.891 0.922 1.072 1.160 1.273 1.449 eVTiN/TiSi2 0.783 0.938 0.925 0.875 0.869 0.829 0.790 0.760 0.722 0.696 0.880 eV
n 27 500 600 700 750 800 850 900 950 1000 1050 ℃TiN/Ti 1.02 1.06 1.10 1.02 1.03 1.05 1.07 1.14 1.32 1.26 1.34TiN/TiC 1.00 1.01 1.01 1.02 1.02 1.01 1.02 1.02 1.02 1.00 1.38TiN/TiSi2 1.13 1.04 1.03 1.02 1.02 1.03 1.03 1.02 1.03 1.07 1.13
ショットキー障壁ϕB (eV)
n値
・熱処理温度800℃程度まではダイオード特性の劣化を抑えられた
I-V特性の熱処理温度依存性(Ti)
18
Ti103
10-11
10-9
10-7
10-5
10-3
10-1
101
Curr
ent
density (
A/c
m2)
Anode voltage (V)
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
ー 1050℃ー 1000℃ー 950℃ー 900℃ー 850℃
ー 800℃ー 750℃ー 700℃ー 600℃ー 500℃ー asdepo
I-V特性の熱処理温度依存性(TiC)
19
TiC103
10-11
10-9
10-7
10-5
10-3
10-1
101
Curr
ent
density (
A/c
m2)
Anode voltage (V)
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
ー 1050℃ー 1000℃ー 950℃ー 900℃ー 850℃
ー 800℃ー 750℃ー 700℃ー 600℃ー 500℃ー asdepo
I-V特性の熱処理温度依存性(TiSi2)
20
TiSi2
103
10-11
10-9
10-7
10-5
10-3
10-1
101
Curr
ent
density (
A/c
m2)
Anode voltage (V)
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
ー 1050℃ー 1000℃ー 950℃ー 900℃ー 850℃
ー 800℃ー 750℃ー 700℃ー 600℃ー 500℃ー asdepo
補足スライド
21
TiCの形成
22
0
20
40
60
80
100
120
140
160
30 40 50 60 70 80 90
2Ѳ (deg)
Inte
nsi
ty (
Co
un
t)
(111
)(2
00)
(220
)
(311
)(222)
TiC
(d)
SiC substrate
Epilayer (12um)
Ti (0.8nm)
C (0.45nm)
Ti (0.8nm)
C (0.45nm)
18 sets22.5 nm
積層構造で堆積したTiとCは，500oCの熱処理において，
TiCを形成することがXRDにより確認されている
K.Tuokedaerhan Apl 103 111908(2013)
デバイス製作工程
TiN (50 nm) / Ti or TiC or TiSi2 / SiC
SiC基板をSPM，HFで化学洗浄
プラズマCVD(TEOS)で酸化膜形成(100 nm)
フォトリソグラフィーで電極のパターニング
Ti ，C ，Si をスパッタ堆積
酸化防止膜としてTiN (50 nm)をスパッタ堆積
熱処理 N2，500oC～1050oC，1 min
裏面電極としてTi (20 nm)，TiN (50 nm)をスパッタ堆積
Measurement (I-V測定)
酸化膜上の金属をRIEエッチング (素子分離)
23
フォトリソグラフィーでRIEのパターニング SiC substrate
Epilayer (12 μm)
Ti (0.8 nm)
TiN (50 nm)
C (0.45 nm)
Ti (0.8 nm)
C (0.45 nm)
18 sets
SiC substrate
Epilayer (12 μm)
Ti (0.46 nm)
TiN (50 nm)
Si (1.19 nm)
16 sets
Ti (0.46 nm)
Si (1.19 nm)
積層スパッタリング工程
4H-SiC (0001) Si-face Nd=1.0x1016 [cm-3]
研究背景
パワーエレクトロニクス 「電力・電子および制御の技術を総合した，電力変換及び電力開閉に関する技術分野」
電力変換・・・電気の特性を変換すること
・パワ－デバイスを用いて電気の特性を変換できる
・スイッチング動作や漏れ電流によって損失が発生
・電力損失を減らし，高効率な電力制御が必要
24
電気学会電気専門用語集 No.9
低損失デバイス実現に向けて次世代パワー半導体が注目されている
半導体の物理特性 Si 4H-SiC
バンドギャップ (eV) 1.1 3.3
絶縁破壊電圧 (MV/cm) 0.3 2.4
熱伝導率 (W/cm/K) 1.5 4.5
Streetman, Ben G.; Sanjay Banerjee (2000). Solid State Electronic
Devices (5th ed.). New Jersey: Prentice Hall. p. 524.
Siに比べてSiCは・・・
・バンドギャップが大きい
・絶縁破壊電圧が高い
・熱伝導率が高い
SiCは耐電圧性，耐熱性が高く，パワーデバイスに有用
エピレイヤーの有無
25
エピレイヤーの無い裏面にダイオード構造を形成するとオーミック特性と化す
TiN/TiC (線形)
TiN/TiC (対数)
ラフネス大
ラフネス小
電極がザラザラして見える
TiN (50 nm)
SiC substrate
Epilayer (12 μm)
Ti (20 nm)
TiC
TiN (50 nm)
SiO2SiO2
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