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2015 年 2 月 17 日 ( 火 ) 学士卒業論文発表会 TiC 及び TiSi 2 電極と SiC ショットキーダイオードの電気特性評価 (Electrical Characteristics of SiC Schottky Diodes with TiC and TiSi 2 Electrodes) Iwai and Kakushima Laboratory Tomoyuki Suzuki 11_13380 鈴木智之 Tokyo Institute of Technology Department of Electrical and Electronic Engineering 1

パワーデバイスに向けた SiC の研究背景 SiC パワーデバイスの利点 小型化 省電力化 高電圧用スイッチング回路で用いる場合 大きなバンドギャップ 高い絶縁破壊電界 高い熱伝導率 高い放熱性 絶縁構造 冷却装置を縮小可能 金属 /SiC 接合ショットキーダイオード SiC- MOSFET SiC- MOSFET SiC-SBD SiC-SBD ユニポーラデバイス 高速応答 低オン抵抗 高周波 低損失パワーデバイス実現に寄与 TOSHIBA Review, Vol.59, No.2 (2004). フル SiC パワーモジュールの例 SiC によるパワーデバイスの広範な性能向上が期待されている W. Wondrak, et al., IEEE Trans. Ind. Electron., 48, 2 (2001). 2

金属 /SiC 界面反応制御の課題 金属 Ti/SiC 界面の例 Ti/SiC の界面反応 SiC Ti SiC Ti 熱処理 (1400 ) 三元化合物 (Ti 5 Si 3 C x ) 析出 TiC 熱処理によって金属 /SiC 界面が不均一に反応 電気伝導が局在化 ショットキーダイオード特性が劣化 最適な電極の調査と界面反応制御 ショットキーダイオード特性の向上 M. NAKA, J.C. FENG, and J.C. SCHUSTER, Metallurgical and Materials Transactions 28A, 1385 1390 (1997). 独立行政法人産業技術総合研究所 https://staff.aist.go.jp/shiro-hara/schottky/schottky-physics.html A. Itoh and H. Matsunami, Physica Status Solidi, 162, 390 (1997). 3

本研究の提案 提案 Si-C-Ti の三元系状態図に着目 C 熱処理反応経路 ( ) SiC 三元化合物 + シリサイド SiC TiC カーバイド Ti Ti 5 Si 3 C x TiSi 2 は反応経路外に存在 Si Ti TiSi TiSi Ti 5 Si 2 3 J.S. Park, K. Landry, J.H. Perepezko, Materials Science and Engineering A259, 279 286 (1999). TiC は最終的な反応形成物 TiC 及び TiSi 2 電極は熱処理により SiC と反応しにくい可能性がある 4

本研究の目的と本発表の内容 研究目的 TiC 及び TiSi 2 電極による SiC との界面反応の制御 SiC ショットキーダイオード特性の向上 発表内容 TiC 及びTiSi 2 電極のSiCショットキーダイオードの製作工程 SiCショットキーダイオード特性の測定結果 ショットキー障壁値とn 値の評価結果 5

SiC ショットキーダイオードの製作工程 4H-SiC (0001) Si-face N d =1.0x10 16 [cm -3 ] 表面電極 1 n 型 SiC 基板をSPM,HFで化学洗浄 2 プラズマCVD (TEOS) で素子分離 SiO 2 TiN (50 nm) Ti, TiC, TiSi 2 SiO 2 4H-SiC Epilayer (12 μm) 3 表面電極 (Anode) TiとC,TiとSi を積層スパッタ堆積参照 : Ti (20 nm) 4 酸化防止膜 TiN (50 nm) をスパッタ堆積 5 裏面電極 (Cathode) Ti (20 nm), TiN (50 nm) をそれぞれスパッタ堆積 6 熱処理 (RTA) 500~1000 o C,N 2 雰囲気,1 分間 SiC Substrate Ti (20 nm) TiN (50 nm) 裏面電極 I-V 測定 ( 電極面積依存性なども確認 ) 6

ダイオード特性の熱処理温度依存性 ( 対数表示 ) 逆方向電流オフ状態オン状態 実験結果 電極面積 206 206 μm 2 参照の Ti/SiC ダイオードでは逆方向電流の大幅な増加を確認した TiC/SiC ダイオードは高温熱処理においてもダイオード特性を維持できた TiSi 2 /SiC ダイオードは Ti/SiC と比較して逆方向電流の増加を抑制できた 界面反応の抑制を示唆 7

ダイオード特性の評価手法 ショックレーのダイオード方程式 J = J s exp qv nkt 1 逆方向飽和電流 (TED モデル ) 金属 / 半導体界面の鏡像効果 ショットキー障壁 ϕ Bn の低下 Δφ B = qe m 4πε E m : 電界強度 J s = A T 2 exp φ Bn φ B kt/q n : ダイオード特性の指標 ( 理想値 1) ϕ Bn : ショットキー障壁値 [ev] A ** : 実効リチャードソン定数 [A/cm 2 /K 2 ] E m = Δφ B 金属 2qN d (ψ bi V app )/ε 鏡像面伝導帯半導体 実効リチャードソン定数を実験的に 129 A/cm 2 /K 2 と定めた 理論曲線のフィッティングからショットキー障壁値 ϕ Bn と n 値を求めた 8

n 値 (a.u.) ϕ Bn (ev) ショットキー障壁値と n 値の熱処理温度依存性 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 1.20 1.15 1.10 1.05 評価結果 (SiC ショットキーダイオード ) ショットキー障壁値 ϕ Bn Ti TiC TiSi 2 n 値 Ti TiSi 2 TiC 1.00 as-depo. 500 600 700 800 900 ショットキー障壁値 ϕ Bn Ti ( 参照 ) 熱処理温度とともに低下 TiC, TiSi 2 800 程度まで安定 n 値 Ti ( 参照 ) 熱処理温度とともに増加 TiC, TiSi 2 広い熱処理温度範囲で理想値 1に近い値 熱処理温度 ( ) SiCとの反応制御を示唆 9

本発表のまとめと結論 TiC 電極及び TiSi 2 電極の SiC ショットキーダイオード 熱処理 800 程度まで安定したショットキー障壁値 広い熱処理温度範囲で理想値 1に近いn 値 接合界面における反応制御の可能性を示唆 特にTiC 電極のSiCショットキーダイオード Si-C-Ti 系における最終的な反応形成物 TiC 高温熱処理後のダイオード特性維持を実証 結論 TiC は SiC に対して最も熱処理安定な電極である 10

発表内容 2015 年 2 月 17 日 ( 火 ) 学士卒業論文発表会 1. タイトル 2. パワーデバイスに向けたSiCの研究背景 3. 金属 /SiC 界面反応制御の課題 4. 本研究の提案 5. 本研究の目的 6. SiCショットキーダイオードの製作工程 7. ダイオード特性の熱処理温度依存性 ( 対数表示 ) 8. ダイオード特性の評価手法 9. ショットキー障壁値とn 値の熱処理温度依存性 10. 本発表のまとめと結論 11

Backup 2015 年 2 月 17 日 ( 火 ) 学士卒業論文発表会 13. 積層工程 14. デバイス全景 15. TiC 形成 (XRD) 16-18. 実効リチャードソン定数 19-20. I-V 特性の評価結果 21-23. Si-C-Ti 系 24. TiC 電極剥離 25-28. I-V 特性の測定結果 29. Ti-C Phase Diagram 30. TiC SEM 31. Ti-Si Phase Diagram 32. 応用展開 今後の展望 12

金属電極の積層スパッタリング工程 TiC TiSi 2 TiN (50nm) C (0.45nm) Ti (0.8nm) TiN (50nm) Si (1.19nm) Ti (0.46nm) 22.5 nm 18 sets 26.4 nm 16 sets C (0.45nm) Ti (0.8nm) Epilayer (12um) SiC substrate Si (1.19nm) Ti (0.46nm) Epilayer (12um) SiC substrate 原子数比 Ti:C=1:1 原子数比 Ti:Si=1:2 13

ショットキーダイオードのデバイス断面模式図 電極面積 206 206 μm 2 Anode 酸化防止膜 SiO 2 TiN (50 nm) Ti (20 nm), TiC, TiSi 2 SiO 2 素子分離金属電極 4H-SiC Epilayer (12 μm) エピタキシャル結晶成長層 SiC Substrate (300 μm~) SiC 基板 Ti (20 nm) 裏面電極 TiN (50 nm) 酸化防止膜 Cathode 4H-SiC (0001) Si-face N d =1.0x10 16 [cm -3 ] 14

TiC の形成 (XRD 500 熱処理 ) Intensity (Count) 160 140 120 100 80 60 40 20 (111) (200) TiC (220) (311) (222) (d) 22.5 nm C (0.45nm) Ti (0.8nm) C (0.45nm) Ti (0.8nm) Epilayer (12um) SiC substrate 18 sets 0 30 40 50 60 70 80 90 2Ѳ (deg) K.Tuokedaerhan Apl 103 111908(2013) 積層構造で堆積した Ti と C は,500 o C 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 15

ln(j/t 2 ) (A/cm 2 /K 2 ) 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) J s = A T 2 exp q(φ Bn φ B ) kt ln( J s T 2) = ln(a ) q(φ Bn φ B ) kt -23-24 -25 J = J s {exp qv nkt 1} 大きな逆バイアスでは J J s に近似できる TiC/SiC 500 1min in N 2-1 V 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 ϕ Bn -Δϕ B 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 ϕ Bn -Δϕ B =0.956 [ev] @-1 V 実効リチャードソン定数実験値 A ** =129 [A/cm 2 /K 2 ] @-1 V -26-27 -28-29 -20 mv -30 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 TEモデル 1000/T (K -1 ) 4H-SiC の理論値 A * =146 [A/cm 2 /K 2 ] A. Itoh, T. Kimoto and H. Matsunami, IEEE Electron Device Letters 16, 281 (1995). 16

ln(j/t 2 ) (A/cm 2 /K 2 ) 実効リチャードソン定数 A ** 導出例 ( 参考文献 ) Activation-Energy Method W/4H-SiC ショットキーダイオード -23-24 -25 TiC/4H-SiC ショットキーダイオード TiC/SiC 500 1min in N 2-1 V -26-27 -28-29 -20 mv 実効リチャードソン定数 ( 参考文献 ) A ** =129.95 [A/cm 2 /K 2 ] A Ferhat Hamida, et. al, Semiconductor Science and Technology, Vol. 23, 045005 (2008). -30 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 1000/T (K -1 ) 実効リチャードソン定数 ( 本研究 ) A ** =129 [A/cm 2 /K 2 ] @-1 V 17

Current density (A/cm 2 ) ショットキーダイオードの温度特性と n 値 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 TiC/SiC 500 1min in N 2 120 100 80 60-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2 Anode voltage (V) TiC/SiC 熱処理温度 500 1 分 N 2 雰囲気 ϕ Bn =0.995 [ev] 測定温度 ( ) n 値 60 1.09 80 1.08 100 1.08 120 1.13 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/cm 2 /K 2 としてフィッティング 18

n 値 (a.u.) ϕ Bn (ev) 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 ショットキー障壁値と n 値の熱処理温度依存性 評価結果 (SiC ショットキーダイオード ) ショットキー障壁値 ϕ Bn ショットキー障壁値 ϕ Bn Ti ( 参照 ) Ti 熱処理温度とともに低下 TiC TiC, TiSi 2 TiSi 2 800 程度まで安定 n 値 n 値 Ti ( 参照 ) Ti 熱処理温度とともに増加 TiSi 2 TiC, TiSi 2 TiC 広い熱処理温度範囲で理想値 1.0に近い値 as-depo. 500 600 700 800 900 1000 熱処理温度 ( ) SiC との反応制御を示唆 19

Current (A) I-V 特性の電極面積依存性と周辺電流 1x10-10 8x10-11 6x10-11 800 1min in N 2 @-1.0 V 電極面積を0に近づけると Ti 周辺電流 が観測できる TiSi 2 4x10-11 2x10-11 TiC SiO 2 TiN SiO 2 Ti, TiC, TiSi 2 Epilayer 0 0 2x10-5 4x10-5 6x10-5 8x10-5 1x10-4 Electrode area (cm 2 ) SiC substrate 電極表面 Ti よりTiC 電極,TiSi 2 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 電極面積 50 50 μm 2,100 100 μm 2,206 206 μm 2 金属電極 周辺電流 (A) Ti 6.2x10-12 TiC 5.6x10-13 TiSi 2 2.4x10-12 800 1min in N 2 @-1.0 V 20

金属 /SiC 界面制御における課題と本研究の目的 金属 /SiC 界面制御の課題 SiC Ti 熱処理により金属 /SiC の界面が反応 金属 /SiC 界面の制御 ショットキーダイオード特性の向上 A. Itoh and H. Matsunami, Physica Status Solidi, 162, 390 (1997). 三元化合物 (Ti 5 Si 3 C x ) 析出 TiC M. NAKA, J.C. FENG, and J.C. SCHUSTER, Metallurgical and Materials Transactions 28A, 1385 1390 (1997). 考案 Si-C-Ti の三元系状態図に着目 Ti/SiC 界面に三元化合物を生成 最終的には TiC が析出 TiC 及び TiSi 2 電極は熱処理により SiC と反応しにくい可能性がある J.S. Park, K. Landry, J.H. Perepezko, Materials Science and Engineering A259, 279 286 (1999). 目的 :TiC 及び TiSi 2 電極の SiC ショットキーダイオード特性の評価 21

熱処理による Ti/SiC 界面反応の経路と考察 高温熱処理によるTiとSiCの界面反応では,SiCが分解 拡散しTiと反応相を形成する TiとSiCは界面に不安定なτ 相 (Ti-SiC 化合物 ) とシリサイドを形成し, 続いてカーバイドが Ti 側に析出する SiC パワーデバイス最新技術, サイエンス & テクノロジー, pp.169-172. SiC TiC TiSi 2 Ti J.S. Park, K. Landry, J.H. Perepezko, Materials Science and Engineering A259, 279 286 (1999). M. NAKA, J.C. FENG, and J.C. SCHUSTER, Metallurgical and Materials Transactions 28A, 1385 1390 (1997). 考察 : あらかじめ TiC を形成しておけば τ 相に移行すること無く, 熱処理安定性を保てる 22

熱処理による Ti/SiC 界面反応の経路 高温熱処理による Ti と SiC の界面反応では,SiC が分解 拡散し Ti と反応相を形成する Ti と SiC は界面に τ 相 (Ti 5 Si 3 C x ) とシリサイドを形成し, 続いてカーバイドが Ti 側に析出する SiC パワーデバイス最新技術, サイエンス & テクノロジー, pp.169-172. M. NAKA, J.C. FENG, and J.C. SCHUSTER, Metallurgical and Materials Transactions 28A, 1385 1390 (1997). 23

TiC の電極剥離 (1050 熱処理後の TiN/TiC/SiC) 金属 /SiC 接合界面は高温熱処理により グラファイト層が形成し, 多層膜剥離が 発生すると言われている TiC C (Graphite) Epilayer SiC 剥離 S.Tanimoto, et al., Phys.Status Solidi, A 206, No.10, pp.2417-2430 (2009). 24

Current density (A/cm 2 ) ダイオード特性の熱処理温度依存性 ( 常用対数 ) 10 3 10 1 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 10-11 -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 ショットキー障壁 ϕ Bn (ev) 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 ev TiN/TiC 0.842 0.977 0.966 0.916 0.919 0.891 0.922 1.072 1.160 1.273 1.449 ev TiN/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 値 Ti/SiC TiC/SiC TiSi 2 /SiC 900 1000 800 700 600 500 800 700 600 500 900 1000 1000 900 800 600 700 500 Anode voltage (V) Anode voltage (V) Anode voltage (V) 電極面積 206 206 μm 2 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 1.34 TiN/TiC 1.00 1.01 1.01 1.02 1.02 1.01 1.02 1.02 1.02 1.00 1.38 TiN/TiSi2 1.13 1.04 1.03 1.02 1.02 1.03 1.03 1.02 1.03 1.07 1.13 実効リチャードソン定数を実験値 129 A/cm 2 /K 2 としてフィッティング 25

Current density (A/cm 2 ) I-V 特性の熱処理温度依存性 (Ti/SiC) 10 3 10 1 Ti / SiC 10-1 10-3 10-5 10-7 900 1000 800 700 500 10-9 10-11 600-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 Anode voltage (V) 26

I-V 特性の熱処理温度依存性 (TiC/SiC) Current density (A/cm 2 ) 10 3 10 1 10-1 10-3 10-5 10-7 TiC / SiC 900 1000 800 700 500 10-9 10-11 600-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 Anode voltage (V) 27

I-V 特性の熱処理温度依存性 (TiSi 2 /SiC) Current density (A/cm 2 ) 10 3 10 1 TiSi 2 / SiC 10-1 10-3 10-5 1000 900 800 10-7 10-9 10-11 600 500 700-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 Anode voltage (V) 28

Ti-C Phase Diagram TiC Hirokai Okamoto, Phase Diagrams for Binary Alloys (ASM) (2000). TiC は高温で安定に存在 29

TiN/TiC/SiC SEM (500 Anneal) TiN TiC SiC 30

Ti-Si Phase Diagram TiSi 2 Ti Atomic percent Silicon Si http://www.himikatus.ru/art/phase-diagr1/si-ti.php 31

応用展開と今後の展望 応用展開 (TiC 電極の SiC ショットキーダイオード ) プロセス温度範囲が広い アレニウスモデルによる寿命時間増加 τ = A exp E a kt 低損失化と高速化に向けて最適なショットキー障壁値の可能性 今後の展望 各熱処理温度における断面 TEM 図や組成分析 (XRD など ) 他の電極材料と SiC のショットキーダイオードの比較 検討 32

Backup 2015 年 2 月 17 日 ( 火 ) 学士卒業論文発表会 東京工業大学工学部 電気電子工学科 33