Tokyo Institute of Technology

Department of Electrical and Electronic Engineering

TiC及びTiSi2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 TiSi2 Electrodes)

2015年2月17日(火) 学士卒業論文発表会

1

Iwai and Kakushima Laboratory

Tomoyuki Suzuki

11_13380 鈴木智之

パワーデバイスに向けたSiCの研究背景

2

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

❏SiCパワーデバイスの利点➔小型化・省電力化

フルSiCパワーモジュールの例

❏金属/SiC接合ショットキーダイオード

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

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

SiC-SBD

SiC-SBD

SiC-

MOSFET

SiC-

MOSFET

W. Wondrak, et al., IEEE Trans. Ind. Electron., 48, 2 (2001).

TOSHIBA Review, Vol.59, No.2 (2004).

金属/SiC界面反応制御の課題

・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

A. Itoh and H. Matsunami, Physica

Status Solidi, 162, 390 (1997).

SiC Ti

三元化合物

(Ti5Si3Cx)

析出TiC

Ti/SiCの界面反応

M. NAKA, J.C. FENG, and J.C. SCHUSTER, Metallurgical

and Materials Transactions 28A, 1385–1390 (1997).

3

SiC Ti

❏金属Ti/SiC界面の例

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

熱処理(1400℃)

本研究の提案

❏提案・・・Si-C-Tiの三元系状態図に着目

TiC及びTiSi2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).

・TiSi2は反応経路外に存在

・TiCは最終的な反応形成物

4

三元化合物 + シリサイド

カーバイド

SiC

Ti

Ti5Si3Cx

❏熱処理反応経路(➔)

Si

C

SiC

Ti

TiC

TiSi Ti5Si3TiSi2

本研究の目的と本発表の内容

❏研究目的

5

❏発表内容

TiC及びTiSi2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

・TiC及びTiSi2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

SiCショットキーダイオードの製作工程

6

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

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) 500～1000oC，N2雰囲気,1 分間

4H-SiC (0001) Si-face Nd=1.0x1016 [cm-3]

I-V測定 (電極面積依存性なども確認)

表面電極

TiN (50 nm)

SiC Substrate

4H-SiC Epilayer (12 μm)

Ti (20 nm)

Ti, TiC, TiSi2

TiN (50 nm)

SiO2SiO2

裏面電極

ダイオード特性の熱処理温度依存性(対数表示)

7

・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

○TiSi2/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

電極面積 206×206 μm2❏実験結果

逆方向電流 オフ状態 オン状態

⇒界面反応の抑制を示唆

ダイオード特性の評価手法

8

❏ショックレーのダイオード方程式

❏逆方向飽和電流 (TEDモデル)

n : ダイオード特性の指標 (理想値⇒1)

ϕBn : ショットキー障壁値 [eV]

A** : 実効リチャードソン定数 [A/cm2/K2]

𝐽 = 𝐽𝑠 exp𝑞𝑉

𝑛𝑘𝑇− 1

𝐽𝑠 = 𝐴∗∗𝑇2 exp −𝜙𝐵𝑛 − ∆𝜙𝐵

𝑘𝑇/𝑞

・実効リチャードソン定数を実験的に129 A/cm2/K2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ϕBnとn値を求めた

金属/半導体界面の鏡像効果

➔ショットキー障壁ϕBnの低下

Δ𝜙𝐵 =𝑞𝐸𝑚4𝜋𝜀

𝐸𝑚 = 2𝑞𝑁𝑑(𝜓𝑏𝑖 − 𝑉𝑎𝑝𝑝)/𝜀

伝導帯

鏡像面Δ𝜙𝐵

金属 半導体

Em : 電界強度

ショットキー障壁値とn値の熱処理温度依存性

9

❏ショットキー障壁値ϕBn

・Ti (参照)

熱処理温度とともに低下

・TiC, TiSi2

◎800℃程度まで安定

❏n値

・Ti (参照)

熱処理温度とともに増加

・TiC, TiSi2

◎広い熱処理温度範囲で

理想値1に近い値

ショットキー障壁値ϕBn

n値

熱処理温度 (℃)

500 600 700 800 900

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

1.20

1.05

1.00

n値

(a.u

.)ϕ

Bn

(eV

)

Ti

TiCTiSi2

Ti

TiC

TiSi2

as-depo.

❏評価結果 (SiCショットキーダイオード)

SiCとの反応制御を示唆

1.15

1.10

本発表のまとめと結論

10TiCはSiCに対して最も熱処理安定な電極である

❏結論

10

❏TiC電極及びTiSi2電極のSiCショットキーダイオード

❏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

◎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

発表内容

11

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

Backup

12

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

金属電極の積層スパッタリング工程

13

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)

22.5 nm 26.4 nm

原子数比 Ti:C=1:1 原子数比 Ti:Si=1:2

TiC TiSi2

ショットキーダイオードのデバイス断面模式図

14

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 (300 μm~)

4H-SiC Epilayer (12 μm)

Ti (20 nm)

Ti (20 nm), TiC, TiSi2

TiN (50 nm)

SiO2SiO2

金属電極

Anode

Cathode

TiCの形成(XRD 500℃熱処理)

15

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)

実効リチャードソン定数A**の導出

16

❏逆方向飽和電流 (熱電子放出-拡散TED)

𝐽𝑠 = 𝐴∗∗𝑇2 exp −𝑞(𝜙𝐵𝑛 − ∆𝜙𝐵)

𝑘𝑇

ln(𝐽𝑠𝑇2) = ln(𝐴∗∗) −

𝑞(𝜙𝐵𝑛 − ∆𝜙𝐵)

𝑘𝑇

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ϕBn-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

ϕBn-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, IEEE Electron

Device Letters 16, 281 (1995).

𝐽 = 𝐽𝑠{exp𝑞𝑉

𝑛𝑘𝑇− 1}

【TEモデル】

実効リチャードソン定数A**導出例 (参考文献)

17

❏Activation-Energy Method

❏実効リチャードソン定数 (本研究)

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

TiC/4H-SiC ショットキーダイオード

A Ferhat Hamida, et. al, Semiconductor Science

and Technology, Vol. 23, 045005 (2008).

❏実効リチャードソン定数 (参考文献)

A**=129.95 [A/cm2/K2]

W/4H-SiC ショットキーダイオード

ショットキーダイオードの温度特性とn値

18

・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℃

ϕBn=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

19

❏ショットキー障壁値ϕBn

・Ti (参照)

熱処理温度とともに低下

・TiC, TiSi2

800℃程度まで安定

❏n値

・Ti (参照)

熱処理温度とともに増加

・TiC, TiSi2

広い熱処理温度範囲で

理想値1.0に近い値

ショットキー障壁値ϕBn

n値

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

n値

(a.u

.)ϕ

Bn

(eV

)

Ti

TiC

TiSi2

Ti

TiC

TiSi2

as-depo.

❏評価結果 (SiCショットキーダイオード)

SiCとの反応制御を示唆

I-V特性の電極面積依存性と周辺電流

20

TiN

SiC substrate

Epilayer

Ti, TiC, TiSi2SiO2SiO2

Curr

ent (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

金属/SiC界面制御における課題と本研究の目的

・熱処理により金属/SiCの界面が反応

❏金属/SiC界面制御の課題

❏金属/SiC界面の制御

❏考案・・・Si-C-Tiの三元系状態図に着目

❏ショットキーダイオード特性の向上

目的：TiC及びTiSi2電極のSiCショットキーダイオード特性の評価

A. Itoh and H. Matsunami, Physica Status Solidi, 162, 390 (1997).

SiC Ti

三元化合物

(Ti5Si3Cx)析出TiC

M. NAKA, J.C. FENG, and J.C. SCHUSTER, Metallurgical

and Materials Transactions 28A, 1385–1390 (1997).

J.S. Park, K. Landry, J.H. Perepezko, Materials Science and Engineering A259, 279–286 (1999).

・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TiSi2電極は熱処理によりSiCと反応しにくい可能性がある

21

熱処理によるTi/SiC界面反応の経路と考察

22

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

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

TiC

TiSi2Ti

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).

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

熱処理によるTi/SiC界面反応の経路

23

・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(Ti5Si3Cx)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

M. NAKA, J.C. FENG, and J.C. SCHUSTER, Metallurgical and

Materials Transactions 28A, 1385–1390 (1997).

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.

TiCの電極剥離(1050℃熱処理後のTiN/TiC/SiC)

24

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

剥離

SiC

C (Graphite)

TiC

Epilayer

S.Tanimoto, et al., Phys．Status Solidi, A 206, No.10, pp.2417－2430 (2009).

ダイオード特性の熱処理温度依存性(常用対数)

2525

※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ϕBn (eV)

n値

10-11

10-9

10-7

10-5

10-3

10-1

101

103

Curr

ent den

sity (

A/c

m2)

Anode voltage (V) Anode voltage (V) Anode voltage (V)

Ti/SiC TiC/SiC TiSi2/SiC

-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

1000℃

900℃

800℃

700℃

600℃500℃

1000℃

900℃

800℃

700℃

500℃

1000℃

900℃

800℃

700℃600℃500℃600℃

電極面積 206×206 μm2

I-V特性の熱処理温度依存性(Ti/SiC)

26

10-11

10-9

10-7

10-5

10-3

10-1

101

103C

urr

ent density (

A/c

m2)

Anode voltage (V)

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Ti / SiC

1000℃

900℃

800℃

700℃

600℃

500℃

I-V特性の熱処理温度依存性(TiC/SiC)

27

10-11

10-9

10-7

10-5

10-3

10-1

101

103C

urr

ent density (

A/c

m2)

Anode voltage (V)

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

TiC / SiC

1000℃

900℃

800℃

700℃

600℃

500℃

I-V特性の熱処理温度依存性(TiSi2/SiC)

28

10-11

10-9

10-7

10-5

10-3

10-1

101

103C

urr

ent density (

A/c

m2)

Anode voltage (V)

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

TiSi2 / SiC

1000℃

900℃

800℃

700℃600℃500℃

Ti-C Phase Diagram

29

TiC

Hirokai Okamoto, Phase Diagrams for Binary Alloys (ASM) (2000).

TiCは高温で安定に存在

TiN/TiC/SiC SEM (500℃ Anneal)

30

SiC

TiC

TiN

Ti-Si Phase Diagram

31

SiTi

TiSi2

http://www.himikatus.ru/art/phase-diagr1/Si-Ti.php

Atomic percent Silicon

応用展開と今後の展望

32

・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

・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

❏応用展開 (TiC電極のSiCショットキーダイオード)

・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

❏今後の展望

𝜏 = 𝐴 exp𝐸𝑎𝑘𝑇

Backup

33

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