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2013年第74回応用物理学会秋季学術講演会 Tokyo Institute of Technology

AlGaN/GaN

AlGaN/GaN

基板に形成した

基板に形成した

TiC

TiC

電極の電流電圧特性の熱処理時間依存性

電極の電流電圧特性の熱処理時間依存性

Annealing Time Dependent Contact Resistance of TiC Electrodes on

Annealing Time Dependent Contact Resistance of TiC Electrodes on AlGaN/GaNAlGaN/GaN

東工大フロンティア研，東工大総理工, 東芝セミコンダクター＆ストレージ社

○_{松川佳弘，岡本真里，角嶋邦之，}

片岡好則，西山彰，杉井信之，若林整，筒井一生，名取研二，服部健雄，岩井洋，齋藤渉

Tokyo Tech.FRC, Tokyo Tech. IGSSE, Toshiba, ○_{Y. Matsukawa, M. Okamoto, K. Kakushima, Y. Kataoka, A. Nishiyama,} N. Sugii, H. Wakabayashi, K. Tsutsui , K. Natori, T. Hattori, H. Iwai, W.Saito

次世代パワー半導体デバイスの期待

インバータやコンバータを構成する パワー半導体素子の低損失化、耐圧向上が必要 motor lighting others heat IT 2005年：9996億kW･hr (素子協調査) 57% 14% 10% 5% 5731億kWh motor lighting others heat IT 2005年：9996億kW･hr (素子協調査) 57% 14% 10% 5% 5731億kWh

次世代パワー半導体素子材料であるGaNに注目

Si

GaN

バンドギャップ[eV] 1.1 3.39 絶縁破壊電界[MV/cm] 0.3 3.3 キャリア移動度[cm2_{/V/s] 1350 900(HEMT:2000} ) 電子飽和速度[1×107_{cm/s] 1 2.5} 熱伝導率[W/cm/K] 1.5 2.1

冷却性に優れた、高耐圧かつ高周波数で動作可能

な低コストパワーデバイスの作成が可能

GaNパワー半導体の課題

図：AlGaN/GaN HEMTの簡易デバイス構造

AlGaN、GaN層とのオーミックコンタクト、

低コンタクト抵抗が実現できる金属電極の選択

100 1000 1000 10 1 0.1 0.01 オン 抵 抗 , R o n A (m Ω cm 2 ) C_g=35nF/cm2 Lch=0.5µm Vg-Vth=5V 縦型 GaN デバ イス 限界 ρ_c=10µΩcm2 1µΩcm2 0.1 µΩcm2 0.01 µΩcm2 損失60%減 横型 Siデ バイ ス限 界 750V _横型GaN デバイス

W.Saito Solid-State Electronics 48(2004)

10000 1000 耐圧(V) 100

コンタクト抵抗の低減に着目

GaN AlGaN Buffer Layer Si Substrate Metal 2DEG Metal Metal 保護膜 絶縁膜 保護膜 Metal コンタクト抵抗 ドリフト抵抗 チャネル抵抗

4

従来電極の伝導構造

850℃で熱処理を行ったTi/Al/Ni/Au電極の低分解能(a)および高分解能(b)HAADF‐STEM像 電子の エネルギー 分布

φ

_Bn

AlGaN _E f 電子 4 [1]L.Wang Apl 95 172107(2005) Ti GaN Ti GaN 結晶欠陥 _結晶欠陥 アニール後 Ti GaN TiN TiN VN VN VN VN VN VN VNVN Ti GaN

TiN TiNTiN

VN VN VN VN VN VN VNVN

貫通転位に依存したTiNの形成により、二次元電子ガス

の減少やトンネリングの障壁となり、高抵抗の可能性

本研究の電極金属

TiNの形成を抑えて窒素欠損を形成する電極金属の選択

TiC電極を用いた、窒素欠損を利用した

低コンタクト抵抗の実現

融点が常圧下では存在せず、窒素欠損を形成するための高温熱処理が可能。かつ 、均一な界面を形成。また、化学的に安定しているため耐薬品性も高い。 炭素（カーバイド）

TiCを用いたコンタクト電極の形成

（仕事関数 4.3eV , 融点 3160o_{C、粒径3.9nm)}

298Kにおける

生成エンタルピー

高温熱処理のため高融点金属で、窒

素を引き抜くことが可能な材料

TiB₂,TiC,TiSi₂などのTi系化合物

AlGaN層とTiCの反応

TiとX(B,C,Siなど)を交互に堆積させる積層構 造を採用することで電極の組成を制御する

kJ/mol

7

.

190

Ga

2

3

Al

2

1

CN

TiN

+

↑

+

+

−

=

TiC

N

Ga

2Al

_{0.25 0.75}

+

Substance ‐ΔH298 (kJ/mol) Al_0.25Ga_0.75N _162.7 TiN _265.5 TiC _184.5 CN _435.1

TiCによる窒素欠損形成の可能性

TiCの堆積とアニールで、CNの生成による窒

素欠損を形成する可能性

TiN GaN AlGaN Ti C Ti C Ti C 18set 50nm 1set 0.85nm 0.45nm 20nm

製造、測定プロセス

リソグラフィ、BHF(コンタクト穴あけ) SPM,HF 洗浄 リソグラフィ BHFエッチング リソグラフィ、RIEエッチング I‐V測定(TLM法) TEOSによる堆積 SiO₂ (100nm) RIE(Cl₂系)によるエッチング TEOSによる堆積SiO₂(100nm) TiC(20nm)、TiN(50nm)堆積 500o_C~1100o_{Cでアニール(N} 2雰囲気)

TiC/TiN

素子分離 TiN(50nm)/TiC(20nm) distance SiO₂(100nm) GaN AlGaN Si sub Buffer layer

TiC生成の確認

積層構造で堆積したTi（チタン）とC(炭素）は、500o_{Cのアニール} で、TiCとなることがXRDにより確認出来ている。 30 50 70 90 θ‐2θ(deg) Log(coun ts) TiC(111) TiC(200) TiC(220) TiC(311) TiC(222) SiO_Si2 Ti C Ti C Annealing temperature:500o_C 18set K.Tuokedaerhan Apl 103 111908(2013) 1set

オーミック特性の得られる温度

‐5.0 ‐4.0 ‐3.0 ‐2.0 ‐1.0 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0 ‐1.0 ‐2.0 ‐3.0 ‐4.0 ‐5.0 Cur ren t( m A ) Voltage(V) 800o_C 900o_C 1100o_C 950o_C 1000o_C 1050o_C

I-V characteristic of TiC.

TiC電極では1000~1050℃でオーミック特性が得られることが 確認出来た。

300μm

低温測定における距離依存性

0 50 100 150 200 250 300 Contact distance(μm) 1200 1000 800 600 400 200 0 To ta l re si sta n ce (Ω ) 293K 200K 56K 低温になるにつれ、ドリフト抵抗の影響が小さくなっていき、 傾きが緩やかになっていく。 このグラフから各測定温度の面積比抵抗が導き出せる。 Dependence of total resistance on distance

Annealing temperature:1000o_C

面積比抵抗の温度依存性

Dependence of contact specific resistivity on temperature

コンタクトの面積比抵抗の温度依存性が低いことから、 電気伝導がトンネリングによるものだと予想される。 Cont act  specific  r e sis tivity( Ω cm 2 ) 1000/Temperature(K) 293K 56K 10‐1 10‐2 10‐3 10‐4 0    2    4    6    8   10  12  14  16  18  20

1 10 100 Annealing time(min) Con tact  specific  r e sis tivity( Ω cm 2 ) 10‐1 10‐2 10‐3 10‐4

熱処理時間依存性

Annealing time dependent contact specific resistivity of TiC

アニール時間が増大するにつれ、面積比抵抗が増大している。

13

電極表面状態の悪化

500o_C∼1000o_{C 1minアニールしたTiC/TiN電極 950}o_{C 50minアニールしたTiC/TiN電極} 1100o_{C 1minアニールしたTiC/TiN電極} 950o_{C以上の高温で熱処理した場合に電極表面が青みがかった状態になる。} 電極表面のTiの酸化により、TiO₂やTiOが生成し、電気特性 に影響を与えている可能性 1000o_{C 1minアニールしたTiC/TiN電極の表面（SEM)}

まとめ

■

_{TiC電極を選ぶことにより、オーミック特性を得られる。}

■

熱処理時間の増大により、総抵抗が増大してしまっ

たが、アニール後の電極表面の状態から表面の組成

が変化したためではないかと推測出来る。

■

_{低温測定の結果、TiC電極の電気伝導が温度によら}

ないトンネリングによるものだと考えられる

質疑

1, 金属堆積を積層構造にしているのは何故か？

2, チャネル部分に保護膜をしているか？

3, 高温熱処理により、チャネル層の二次元原子ガス

の減少は起こっていないのか？

4, TiCの材料的特性は？

応答

1, 電極金属の組成比を制御するため。 TiN GaN AlGaN Ti C Ti C Ti C 18set 50nm 1set 0.85nm 0.45nm 20nm 2, チャネル部分の保護膜は素子分離したAlGaN層の上にSiO₂を堆積

Ti:C=1:1

TiN(50nm)/TiC(20nm) distance SiO₂(100nm) GaN AlGaN Si sub Buffer layer

応答（続き）

4, TiCの材料的特性 TiC 電気抵抗率[μΩcm] 80(Bulk),687(20nm,薄膜) 密度[g/cm3_{] 4.92~4.938} 比熱[J/g] 0.7~0.9 結晶構造 立方晶 CRC Materials Science and Engineering Handbook (2000) 3, 高温熱処理により、チャネル層の二次元原子ガスの減少は起こ っていないのか？ 従来電極(Ti/Al/Mo)とTiCを堆積させた場合で、各温度でア ニール後にホール測定することで今後確認する予定

19

コンタクト抵抗低減における目標

図：オン抵抗の内訳 数百Vで使用するAlGaN/GaN横型デバイスは、消費電力の 面から面積比抵抗ρc=10‐6Ωcm2以下が求められる。現在 では、ρc=10‐5Ωcm2程度を達成している。 19 100 1000 1000 10 1 0.1 0.01 オン 抵 抗 , R o n A (m Ω cm 2 ) C_g=35nF/cm2 L_ch=0.5µm V_g-V_th=5V 縦型 GaN デバ イス 限界 ρ_c=10µΩcm2 1µΩcm2 0.1 µΩcm2 0.01 µΩcm2 損失60%減 横型 Siデ バイス 限界 750V _横型GaN デバイス

W.Saito Solid-State Electronics 48(2004)

10000 1000 耐圧(V) 100 GaN AlGaN Buffer Layer Si Substrate Metal 2DEG Metal Metal 保護膜 絶縁膜 保護膜 Metal コンタクト抵抗 ドリフト抵抗 チャネル抵抗 民生用の750V以下では、電力損失を決定するオン抵抗の内、コンタクト抵抗が大 きな割合を占める。（耐圧1000V以上では、徐々にドリフト抵抗が支配的になる。）

20

GaNの材料的優位点

GaNの利点 ①絶縁破壊電界[MV/cm]が大きい（Siの約10倍） ②熱伝導率[W/cm/K]が高い(Siの約1.5倍) ③電子飽和速度[cm/s]が大きい(Siの約2.5倍) ④ＨＥＭＴ構造が可能である ⑤大型エピウェハ形成による低コスト化

Si

SiC

GaN

バンドギャップ[eV] 1.1 3.26 3.39 絶縁破壊電界[MV/cm] 0.3 2 3.3 キャリア移動度[cm2_{/V/s] 1350 650~720 900} 電子飽和速度[1×107_{cm/s] 1 2 2.5} 熱伝導率[W/cm/K] 1.5 4.5 2.1 表１：各種材料の比較 20 冷却性に優れた、高耐圧かつ高周波数で動作可能 な低コストパワーデバイスの作成が可能

21

従来使用されている電極

これまでに低抵抗が報告されている電極構造① これまでに低抵抗が報告されている電極構造② 基板側 表面 基板側 表面 Fig1. The Ti/Al specific resistivity on  n‐GaN vs annealing time at 900o_C

M.E.Lin Appl. Phys. Lett. 64(8) (1994)

Fig2. Al/Ti/Al/Ni/Au及び_Ti/Al/Ni/Auの接触抵抗率 の熱処理温度による変化

M.Hiroki IEICE Techical Report ED2008-11(2008)

21 Ti Al Ni/Ti/Pt/Mo Au Ti Al Ni Au Al 現在、この電極構造で面積比抵抗10‐6_<ρc（Ωcm2）<10‐5を実 現している。

22

従来電極の伝導構造（続き）

GaN基板の結晶欠陥に依存した局所伝導により、低コンタクト抵抗を実現 Ti GaN Ti GaN 結晶欠陥 _結晶欠陥 アニール後

L.Wang Apl 95 172107(2005) _{L.Wang Apl 95 172107(2005)}

GaN層の結晶成長技術の向上により、従来の電極構造では コンタクト抵抗の増大が予想される 22 Ti GaN TiN TiN VN VN VN VN VN VN VNVN Ti GaN

TiN TiNTiN

VN VN VN VN VN VN VNVN

TiCの使用目的

Tiの役割

AlGaN層から窒素を引き抜いて、

窒素欠損VＮを形成する役割

電子の エネルギー 分布

φ

_Bn

AlGaN _E f 電子

トンネル電流の増加

Cの役割

AlGaN層に堆積する際、粒子半径がSi(原子半径

117.6×10

-12

_{m)よりも小さくなる(C:原子半径70×10}

-12

_m)

ＴｉＣの形成により基板上で二次元型成長を実現する。

界面が均一な膜で覆われる

求められる電極条件

①低いショットキー障壁（仕事関数）の金属

例：Ti,Al,AlN

②局所伝導に依存しないために、接合部である

AlGaN層と面で反応して、窒素を引き抜ける金属

真空準位 Metal 仕事関数W Semiconductor Schottky障壁 結晶欠陥を利用した局所伝導 窒素を均一に抜き取った面伝導 TiSi₂ AlGaN GaN VN VN VN VN VN VN VN VN VN VN TiSi₂ AlGaN GaN VN VN VN VN VN VN VN VN VN VN Ti GaN TiN TiN VN VN VN VN VN VN VNVN Ti GaN TiN TiNTiN

VN VN VN VN VN VN VNVN

求められる電極条件（続き）

③界面を均一にするために、低い表面自由エネルギー、

界面エネルギーの金属

図：表面自由エネルギー、界面の考え方 バルク分子 表面分子 界面エネルギー（Ｊ/cm2_） 表面自由エネルギー（Ｊ/cm2_） 界面 異種材料界面の測定と評価技術(2012)

核生成後の薄膜成長

界面が均一な薄膜の形成が可能

θ

基板表面

rf

rs

rfs

結晶欠陥に依存しない面での伝導が可能

図：薄膜成長過程の説明 異種材料界面の測定と評価技術(2012) rf:薄膜表面自由エネルギー(Ｊ/m2_） rs:基板表面自由エネルギー（Ｊ/m2_） rfs:薄膜・基板間の界面エネルギー（Ｊ/m2_） ２次元成長過程：Frank‐van der Merwe(FM)型成長 |γ_s−γ_fs/γ_f|≧1の場合は（θ=0）、基板全面が薄膜で覆われた方が、全自由 エネルギーが減少するので、薄膜が基板表面上に２次元的に成長していく。

Youngの式

薄膜成長

薄膜形成後の集塊作用

薄膜形成後の集塊作用（界面粗さについて）

Substrate Air or overlayer γ_b γ_s γ_s γ_b γ_i γ_i θs θi γ:過剰自由エネルギー θ:溝の角度

熱処理後の界面粗さの増大を防ぐ

(a) (b) (c) (d) X:薄膜の厚さ Lc:最大粒径

Youngの式

T.P.Nolan and R.Sinclair J.Appl.Phys.71(2)(1991)

低い界面エネルギーにより、界面の角度が 小さくなる

基板表面 ：薄膜原子 A,吸着 B,再蒸発 C,表面移動 D,核生成 図：薄膜形成の初期過程 異種材料界面の測定と評価技術(2012)

スパッタリング時における薄膜形成

初期の薄膜形成過程

スパッタレート:C(0.0075nm/sec) Ti(0.013nm/sec)

堆積時間

_{：C(60sec)      Ti(65sec)/Ti(39sec)}

Ti

C

1set

GaN

AlGaN

Ti

C

Ti

C

18set

0.45nm 0.85nm

TiC

コンタクト堆積

オーミック特性の得られる温度(続き)

●アニール温度上昇とともに電流値 が増加し、1050o_{Cでオーミック特性が} 得られた。 ●1050o_{C以上のアニール温度では、} オーミック特性が崩れていくことが読 み取れる。 ●アニール温度上昇とともに総抵抗 値が低下していくのが、読み取れる。 ●オーミック特性の得られた1050o_C の抵抗値が最も小さく、1.64×103Ω であった。 Annealing Temperature(o_C) 1.0×108 1.0×107 1.0×106 1.0×105 1.0×104 1.0×103 1.0×102 1.0×101 1.0×100 T o ta l R esi st a n c e (Ω )@ -1V TiN(50nm)/TiC distance SiO2 GaN(1.3µm) AlGaN(26nm) distance SiO2 GaN(1.3µm) AlGaN(26nm) distance SiO2 GaN(1.3µm) AlGaN(26nm) (17.68nm) distance SiO2 GaN(1.3µ m) AlGaN(26nm) 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Ohmic Annealing Temperature(o_C) 1.0×108 1.0×107 1.0×106 1.0×105 1.0×104 1.0×103 1.0×102 1.0×101 1.0×100 T o ta l R esi st a n c e (Ω )@ -1V TiN(50nm)/TiC distance SiO2 GaN(1.3µm) AlGaN(26nm) distance SiO2 GaN(1.3µm) AlGaN(26nm) distance SiO2 GaN(1.3µm) AlGaN(26nm) (17.68nm) distance SiO2 GaN(1.3µ m) AlGaN(26nm) 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Annealing Temperature(o_C) 1.0×108 1.0×107 1.0×106 1.0×105 1.0×104 1.0×103 1.0×102 1.0×101 1.0×100 T o ta l R esi st a n c e (Ω )@ -1V TiN(50nm)/TiC distance SiO2 GaN(1.3µm) AlGaN(26nm) distance SiO2 GaN(1.3µm) AlGaN(26nm) distance SiO2 GaN(1.3µm) AlGaN(26nm) (17.68nm) distance SiO2 GaN(1.3µ m) AlGaN(26nm) 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Ohmic Voltage（V) Cur rent （ mA ) -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 1050o_C 1000o_C 1100o_C 800o_C 900o_C 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 300μm 80μm 150μm 300μm 80μm 150μm Voltage（V) Cur rent （ mA ) -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 1050o_C 1000o_C 1100o_C 800o_C 900o_C 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 Voltage（V) Cur rent （ mA ) -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 1050o_C 1000o_C 1100o_C 800o_C 900o_C 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 300μm 80μm 150μm 300μm 80μm 150μm

Fig. 5 I-V characteristic of TiC. Fig. 6 Total resistance on annealing temperature.

Ti

5

C

8

電極では1050℃でオーミック特性が得られる。