2014 年 9 月 17 日 ( 水 ) 第 75 回応用物理学会秋季学術講演会 TiC 電極,TiSi 2 電極と SiC 基板の Schottky ダイオード特性評価 Schottky diode characteristics of TiC and TiSi 2 electrodes on SiC substrates 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, IGSSE 2, T. Suzuki 1, M. Okamoto 2, S. Munekiyo 2, K. Kakusima 2, Y. Kataoka 2, A. Nishiyama 2, N. Sugii 2, H. Wakabayashi 2, K. Tsutsui 2, K. Natori 1, H. Iwai 1 E-mail: suzuki.t.cl@m.titech.ac.jp Tokyo Institute of Technology 1
本研究の技術的背景と利点 SiC ショットキーダイオードの利点 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 絶縁構造や冷却装置を縮小 効率改善で電力損失を削減 小型化と省電力化の達成 高温, 高線量環境でも使用可能 寿命時間の増加 IGBT IGBT SiC-SBD SiC-SBD 使用用途の多様化とコストダウン IGBT パワーモジュールの例 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 2
本研究の課題と考案 SiC ショットキーダイオードの課題 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 金属 -SiC 界面反応の制御 考案 ダイオード特性の向上 A. Itoh and H. Matsunami, Physica Status Solidi 162, 390 (1997) 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TiSi 2 電極を選択 (Si-CのSiとの反応を阻止) TiC 電極,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 3
本研究の目的 目的 TiCまたはTiSi 2 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 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 Log I Log I 逆方向漏れ電流増加 V 理想的な整流特性の例 急峻性が低下 V 劣化した整流特性の例 4
デバイス製作工程 TiN (50 nm) / Ti or TiC or TiSi 2 / SiC 金属電極 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 ) SiO 2 TiN (50 nm) Ti (20 nm), TiC, TiSi 2 Epilayer (12 μm) SiO 2 Ti, C, Si を積層スパッタ堆積 Ref.Ti 20 nm SiC substrate 酸化防止膜 Ti (20 nm) TiN (50 nm) をスパッタ堆積 TiN (50 nm) 裏面電極 ( カソード ) Ti (20 nm), TiN (50 nm) をスパッタ堆積 裏面電極 熱処理 N 2 雰囲気,1 min, 熱処理温度 500~1050 o C, 50 or 100 刻み Measurement (I-V 測定 ) 4H-SiC (0001) Si-face N d =1.0x10 16 [cm -3 ] 5
Current density (A/cm 2 ) I-V 特性の熱処理温度依存性 ( 常用対数 ) 10 3 10 1 Ti TiC TiSi 2 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 - 1000-900 - 800-700 - 600-500 - 1000-900 - 800-700 - 600-500 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 Anode voltage (V) Anode voltage (V) Anode voltage (V) Ti に比べて TiC,TiSi 2 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 - 1000-900 - 800-700 - 600-500 電極面積 206 206 μm 2 特に 800 については Ti に対し,TiC と TiSi 2 電極の整流特性劣化が少ない 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 6
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 Ti TiSi 2 電極面積を 0 に近づけると 周辺電流 が観測できる 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 金属電極周辺電流 (A) Ti よりTiC 電極,TiSi 2 電極は周辺電流 Ti 6.2x10-12 の増加を抑えられている傾向が見られた TiC 5.6x10-13 電極による反応が少ないと考えられる TiSi 2 2.4x10-12 電極面積 50 50 μm 2,100 100 μm 2,206 206 μm 2 800 1min in N 2 @-1.0 V 7
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) 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 ϕ B の低下 n : n 値 ( 理想的には n=1) A** : 実効リチャードソン定数 [A/cm 2 /K 2 ] ϕ B : ショットキー障壁の高さ [ev] 金属 半導体 鏡像面 伝導帯 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 ϕ B と n 値を求める 8
実効リチャードソン定数 A** の導出 ln(j/t 2 ) (A/cm 2 /K 2 ) 逆方向飽和電流 ( 熱電子放出 - 拡散 TED) 大きな逆バイアスでは J J s に近似できる -23-24 -25 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 B -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 B -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 1000/T (K -1 ) TEモデル 4H-SiCの理論値 A*=146 [A/cm 2 /K 2 ] A. Itoh, T. Kimoto and H. Matsunami 1995 IEEE Electron Device Letters 16 281 9
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 B =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 10
n 値 (a.u) ϕ B (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 ショットキー障壁値 ϕ B 室温 Ti TiC TiSi 2 熱処理温度 800 までTiC と TiSi 2 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 ϕ B 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 1.4 1.3 n 値室温 電極剥離 TiC や TiSi 2 の電極を形成すれば 1.2 Ti 広い熱処理温度範囲において理想 1.1 1.0 TiSi 2 TiC 的なダイオード特性を実現できる可能性がある as-depo. 500 600 700 800 900 1000 熱処理温度 ( ) 11
本発表のまとめ 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 TiSi 2 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,TiSi 2 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/cm 2 /K 2 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 結論 TiC または TiSi 2 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 12
Backup 13
積層スパッタリング工程 TiN (50nm) TiN (50nm) C (0.45nm) Ti (0.8nm) 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 14
デバイス全景 電極面積 206 206 μm 2 酸化防止膜 TiN (50 nm) 素子分離 SiO 2 Ti (20 nm), TiC, TiSi 2 SiO 2 金属電極 Epilayer (12 μm) エピタキシャル結晶成長層 SiC substrate SiC 基板 Ti (20 nm) 裏面電極 TiN (50 nm) 酸化防止膜 4H-SiC (0001) Si-face N d =1.0x10 16 [cm -3 ] 15
TiC の電極破損 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 TiC C (Graphite) Epilayer SiC 剥離 16
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 (a) Ti (b) TiC (c) TiSi 2-5 -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 Anode voltage (V) Anode voltage (V) Anode voltage (V) ショットキー障壁 ϕ B (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 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 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 17
Current density (A/cm 2 ) I-V 特性の熱処理温度依存性 (Ti) 10 3 10 1 Ti 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 ー 1050 ー 1000 ー 950 ー 900 ー 850 ー 800 ー 750 ー 700 ー 600 ー 500 ー asdepo 10-11 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 Anode voltage (V) 18
Current density (A/cm 2 ) I-V 特性の熱処理温度依存性 (TiC) 10 3 10 1 TiC 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 ー 1050 ー 1000 ー 950 ー 900 ー 850 ー 800 ー 750 ー 700 ー 600 ー 500 ー asdepo 10-11 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 Anode voltage (V) 19
Current density (A/cm 2 ) I-V 特性の熱処理温度依存性 (TiSi 2 ) 10 3 10 1 TiSi 2 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 ー 1050 ー 1000 ー 950 ー 900 ー 850 ー 800 ー 750 ー 700 ー 600 ー 500 ー asdepo 10-11 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 Anode voltage (V) 20
補足スライド 21
TiC の形成 Intensity (Count) 160 140 120 100 80 60 40 (111) (200) TiC (220) (311) (222) (d) C (0.45nm) Ti (0.8nm) 22.5 nm 18 sets C (0.45nm) Ti (0.8nm) Epilayer (12um) 20 SiC substrate 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 22
デバイス製作工程 TiN (50 nm) / Ti or TiC or TiSi 2 / SiC 積層スパッタリング工程 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) をスパッタ堆積フォトリソグラフィーでRIEのパターニング酸化膜上の金属をRIEエッチング ( 素子分離 ) TiN (50 nm) C (0.45 nm) Ti (0.8 nm) 18 sets C (0.45 nm) Ti (0.8 nm) Epilayer (12 μm) SiC substrate TiN (50 nm) Si (1.19 nm) Ti (0.46 nm) 16 sets Si (1.19 nm) Ti (0.46 nm) Epilayer (12 μm) SiC substrate 裏面電極として Ti (20 nm),tin (50 nm) をスパッタ堆積 熱処理 N 2,500 o C~1050 o C,1 min Measurement (I-V 測定 ) 4H-SiC (0001) Si-face N d =1.0x10 16 [cm -3 ] 23
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 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 24
エピレイヤーの有無 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 電極がザラザラして見える ラフネス大 TiN/TiC ( 線形 ) SiO 2 TiN (50 nm) TiC SiO 2 SiC substrate Epilayer (12 μm) Ti (20 nm) TiN (50 nm) TiN/TiC ( 対数 ) ラフネス小 25