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