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電気的特性による Y，Cu，Ni ナノ薄膜 /SiC 接触界面の研究斉藤晃

一＊・浅野清光Interface Properties of Y, Cu, Ni Thin Films/SiC Contacts
by Electrical Measurements
Koichi SAITO ＊ and Kiyomitsu ASANO（平成21年11月10日受理）
Silicon Carbide（SiC）is the compound semiconductor showing excellent physical properties
such as the wide band gap and high breakdown field strength, and the promising material torealize high-performance devices. The electrode formation for the semiconductor is required
to gain low resistive ohmic contacts with metal materials, but it is difficult to gain the goodohmic contact on the SiC surfaces. In this study, to develop the ohmic electrodes with low
contact resistance, the I-V properties have been measured for the metal thin films（Y, Cu,Ni）/SiC interfaces formed by RF magnetron sputtering method. The I-V properties of theY/SiC contacts showed to be diﬃcult to ﬂow the current through a high reverse voltage. And,the Cu/SiC and Ni/SiC interfaces showed the varistor properties with the almost all heatingconditions. We found the better ohmic properties for the Ni/SiC contacts after 70～150℃
heating for 30 minutes as a result of the ideal factor and Schottky barrier heights calculations.

1.

緒言

ワイドギャップ半導体は高出力スイッチングデバ
イス，耐環境デバイスなどをはじめとした，応用デバイスとしての可能性を多く秘めており，エネル
ギー問題，環境問題，資源問題の面において重要な材料である1）。
SiC は広いバンドギャップ，高い絶縁破壊電界などの優れた物性を有する化合物半導体であり，Si の限界を打破する高耐圧・低損失・高速パワーデバイス実現に有望な材料である2）。SiC には数多くのポリタイプがあるが，特に 4H-SiC は Si に比べてバンドギャップが 3 倍広い，絶縁破壊電界強度が10倍大きい，熱伝導率が 3 倍高いなどの特徴を持ち，SiCのポリタイプの中では最もデバイス応用に適していると考えられている3）。表1.1に Si と 4H-SiC の物性値を，図1.1に 4H-SiC の結晶構造を示す。
SiC の優れた物性の物理的原因は主にその強固な原子間結合力にあり，この強い結合力は SiC デバイ
ス作製プロセスに大きな影響を与える。よって，す＊

秋田高専専攻科学生

でに確立された Si プロセスの延長ではなく，SiC 固有の問題を解決するための新しいプロセス技術の開発が重要となる2）。
4H-SiC の電子親和力は約3.6eV，バンドギャップは3.26eV であるので，高濃度ドーピングを行わなければ，ほとんど全ての金属は高温熱処理を加えない限り，ショットキー障壁となる。つまり，Si に比べて SiC ではショットキー障壁の作製は容易であり，オーム性接触を得るのが困難であるといえる2）。
本研究では，低接触抵抗のオーミック電極開発を目的とし，金属ナノ薄膜 /SiC 接触試料を RF マグネ
トロンスパッタ法により作製した。そして，その電気的特性を測定し，比較検討した。また，オージェ
電子分光法により試料加熱前後の金属薄膜表面のオージェスペクトルを測定し，比較検討したので報告する。
2.

金属 / 半導体接触

今日，半導体デバイスの基本接触である金属薄膜/半導体接触は，その界面の特性を生かして，半導体集積回路中にショットキー接触やオーム性接触とし
平成22年２月

― 65 ―
電気的特性による Y，Cu，Ni ナノ薄膜 /SiC 接触界面の研究て必ず用いられている5）。ここではショットキーモ
デルにおける金属 / 半導体接触の障壁の形成について示す。
2.1 金属 /n 形半導体接触
2.1.1 ショットキー接触の場合
図2.1は接触前のエネルギーバンド図である。φmは金属の仕事関数，φs は半導体の仕事関数，χs は半導体の電子親和力，EF はフェルミ準位である。
φm ＞χs の関係が成り立つとき，金属に比べて半導体のフェルミ準位が高く，半導体中の伝導電子が金属中の伝導電子よりも高いエネルギーを持つ。これを接触させると伝導電子が半導体表面から金属へと移動し，後にはイオン化したドナーが残される。
よって，図2.2のように空乏層が形成され，整流性が現れる。ここで，q は電荷である。半導体表面の空乏層に形成された電位差 VD を拡散電位という6）。
図2.3，図2.4はショットキー接触に電圧 V を印加した場合のエネルギーバンド図である。順方向電圧を印加した場合，図2.3のように半導体のフェルミ準位は qV だけ上がり，半導体から金属に向かう伝導障壁が低くなる。逆方向電圧を印加した場合，
図2.4のように半導体のフェルミ準位は qV だけ下がり，半導体から金属に向かう伝導障壁が高くなる6）。
2.1.2 オーム性接触の場合
図2.5は接触前のエネルギーバンド図である。φm＜χs の関係が成り立つときに接触させると，ショットキー接触とは逆に，伝導電子は金属から半導体へと移動し，図2.6のようになる。この場合，フェルミ準位が一致するようにキャリアが移動しても空乏層は形成されず，電流―電圧特性が直線となるオーム性接触となる6）。
表1.1

図1.14H-SiC の（1120）面から見た原子配置図4）

図2.1 φ m ＞χs における金属 /n 形半導体接触（接触前）

Si と4H-SiC の物性値の比較4）

バンドギャップ［eV］

Si

4H － SiC

1.123.26

バンド構造

間接

間接結晶構造ダイヤモンド型

六方晶

絶縁破壊電界強度［MV/cm］

0.3

3.5

電子移動度［cm2/V・s］

1500

1000

飽和電子速度［cm/s］

1.0×107

2.7×107

熱伝導率［W/cm・K］

1.5

4.9

2.2 ショットキー接触の I-V 特性による評価法
ショットキー接触の順方向電流密度 J は，

秋田高専研究紀要第45号

図2.2 φ m ＞χs における金属 /n 形半導体接触（接触後）

― 66 ―
斉藤晃一・浅野清光

図2.6 φ m ＜χs における金属 /n 形半導体接触
図2.3（接触後）電圧を印加した場合のエネルギーバンド図（順方向 V > 0）qV

J ＝ J0 e kT

（2）

また，実際の特性では印加電圧に対する電流密度の増加の割合は（2）式よりも小さい場合が多いので，qVJ ＝ J0 e nkT（3）と書き直す。ここで n は理想係数である。n ＝1 ならば，（3）式は（2）式と一致し，ほぼ理論通りの電流が流れることになる。また，J0 は，
図2.4電圧を印加した場合のエネルギーバンド図（逆方向 V < 0）－φB

J0＝ A* T 2e kT（4）と表せる。A* はリチャードソン定数，φB はショットキー障壁高さである。ここで，A* は次式で表される。
A*＝

4πqm*ek2h3（5）m*e は電子の有効質量，h はプランク定数である。
本研究では，SiC の m*e を0.3m0（m0は電子の静止質
5－2 －2量）とし，A* を3.60×10［AmK ］とする7）。電流密度 J に試料の面積を掛けて電流 I に書き直すと，
qV

図2.5 φ m ＜χs における金属 /n 形半導体接触（接触前）qV

J ＝ J0（e kT －1）

I ＝ I0 e nkT（6）となる。両辺の常用対数をとると，（1）と表せる。ここで，V は電圧，q は電荷，T は絶対温度，k はボルツマン定数，J0 は逆方向電流密度である。
しかし，V ≫ kT/q であるときは，指数項が 1 よりも非常に大きいことから，理論的には以下のようになる。

log10 I ＝

qlog10 e
V ＋ log10 I0nkT（7）と 書 き 表 せ る。 こ の 式 は V の 一 次 関 数 で，qlog10e/nkT は図2.7で示される直線部分の傾きを表す。
qlog10 e Δlog10 I＝nkT
ΔV（8）

平成22年２月

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電気的特性による Y，Cu，Ni ナノ薄膜 /SiC 接触界面の研究（8）式から n 値が求められる。
n＝q log10 eΔlog10 IkTΔV（9）また，ショットキー障壁高さφB は，（4）式より，φB ＝ kT ln

A* T 2J0（10）と求められる6）。

図2.8

金属薄膜 /Si 接触における金属の仕事関数とショットキー障壁高さの関係8）

図2.7

図2.9log10I-V 特性の例

金属薄膜 /GaAs 接触における金属の仕事関数とショットキー障壁高さの関係8）2.3

金属の仕事関数とショットキー障壁高さの関係について
図2.8に RF マグネトロンスパッタ法で作製した金属ナノ薄膜 /Si 接触，図2.9に金属ナノ薄膜 /GaAs 接触に対する金属の仕事関数とショットキー障壁高さの関係を示す。ショットキーモデルではショットキー障壁高さφB は金属の仕事関数φm に依存する
式，
φB ＝φm －χs（11）で表される。しかし，Si や GaAs に対する金属 / 半導体接触のφB は金属の仕事関数φm に依存しない
バーディーンモデルに従う結果となることが図2.8，
図2.9からわかる8）。SiC についてどうなるのかは未だ解明されていない。
3.

実験方法

3.1 RF マグネトロンスパッタ法による試料作製
2 inchφの n 形 4H-SiC ウ ェ ハ 基 板 の Si 面 に Y，Cu，Ni ナノ薄膜を RF マグネトロンスパッタ法によりスパッタした。
真空中で Ar ガスなどを導入し，グロー放電に秋田高専研究紀要第45号

図3.1

RF マグネトロンスパッタ装置の概略図

よってプラズマを形成し，正イオンをターゲット材料にぶつけて，そこからたたき出された原子をセットした基板に付着させて薄膜を形成する方法をスパッタ法という。RF マグネトロンスパッタ法はターゲット裏面に永久磁石を配置してターゲット表面と平行に磁界を発生させたものである。この磁界により，Ar のイオン化効率を高めることができる。
また，高周波電源を用いることにより，正イオンは常にプラズマ中に停留し，連続的にスパッタが行える9）。

― 68 ―
斉藤晃一・浅野清光

図3.3

試料の加熱方法

キー障壁高さφB を算出した。
図3.2

金属ナノ薄膜 /SiC 接触試料

図3.1に RF マグネトロンスパッタ装置の概略図を示す。チャンバー内を1.33×10－6Pa 以下の高真
空 ま で 排 気 し， 約0.665Pa の 高 純 度 Ar ガ ス（ 純度99.999 %） を 導 入 し た。 ス パ ッ タ リ ン グ に は
13.56MHz の高周波水晶発振式電源を用い，投入パ
ワー 50W で約15分間スパッタし，金属薄膜膜厚が約30nm の試料を作製した。作製した試料を図3.2に示す。
3.2 試料の加熱作製した試料は数十～数百 mm2の大きさに分割し，加熱前後の I-V 特性を測定した。加熱は電気炉で行い，測定時には電極として InGa 合金を SiC の C面に塗布した。
試料は図3.3のように60分かけて炉内の温度を加熱温度まで上昇させ，それを維持する。表3.1に試料の加熱温度および加熱時間を示す。加熱後は炉冷した後，I-V 特性を測定した。測定した結果は加熱温度，加熱時間，金属薄膜の違いについてそれぞれ比較，検討した。ここで，I-V 特性を定量的に評価するために理想係数 n を算出した。また，ショット
表3.1

加熱温度［℃］

加熱時間

試料の加熱温度と加熱時間
Y/SiC

Cu/SiC

Ni/SiC

2507070300

100150350150250400200500

500

300

60分

30分，60分

3.3 InGa の塗布について
図3.4は Ni/SiC 接触（非加熱）の I-V 特性である。
SiC の C 面に InGa を塗布した場合，順方向電流がより多く流れるようになった。これは InGa を塗布しない場合に半導体とマイナス電極との接触抵抗が大きいため，電子が流れにくくなり，順方向電流が落ちたものと考えられる。

図3.4 Ni/SiC 接触試料の I-V 特性に対する InGa 塗布の影響

3.4 実験データの再現性について
図3.5，図3.6は Ni/SiC 接触の I-V 特性である。図3.5は同一の試料を 2 度測定したもの，図3.6は同一の試料における電圧の印加の方法による違いを比較したものである。どちらも特性に差がほとんど見られないことがわかる。
図3.7は Ni/SiC 接触（非加熱）の I-V 特性である。
分割された試料のうちの 4 つについて比較をしたところ，図3.7のような誤差があることがわかったが，これは SiC の C 面に塗布した InGa の濡れ性によるものと考えられる。

30分，90分

平成22年２月

― 69 ―
電気的特性による Y，Cu，Ni ナノ薄膜 /SiC 接触界面の研究

図3.5

Ni/SiC 接触試料の I-V 特性の再現性

図4.1

Y/SiC（60分加熱）の I-V 特性

図3.6 Ni/SiC 接触試料の I-V 特性における電圧の印加方法の影響
図4.2 Cu/SiC（30分加熱）の I-V 特性

図3.7 Ni/SiC（非加熱）の I-V 特性に対する測定試料の影響

4.

実験結果および考察
図4.3

金属ナノ薄膜 /SiC 接触試料の加熱前後の I-V特性
図4.1に Y/SiC 接 触60分 加 熱 の I-V 特 性， 図4.2にCu/SiC 接触30分加熱の I-V 特性，図4.3に Cu/SiC 接
触60分 加 熱 の I-V 特 性， 図4.4に Ni/SiC 接 触30分 加熱の I-V 特性，図4.5に Ni/SiC 接触90分加熱の I-V 特性をそれぞれ示す。Y/SiC は高い逆方向電圧まで電流が流れにくくなっていることがわかる。Cu/SiC，Ni/SiC はほぼ全ての加熱条件でバリスタ特性

Cu/SiC（60分加熱）の I-V 特性

4.1

秋田高専研究紀要第45号

を 示 し た が，Ni/SiC は500 ℃90分 加 熱 で，Cu/SiCは300℃加熱で整流性を示した。これは高温の加熱を施したことにより，金属表面の酸化が起こり，酸化層が形成されたために，逆方向電流が流れにくくなったものと考えられる。
金属の仕事関数は，Ni は5.1eV，Cu は4.65eV，Yは3.1eV である。また 4H-SiC の電子親和力は3.6eVである2）。よって，一般にショットキーモデルに従― 70 ―斉藤晃一・浅野清光ているため，n 値はより大きい値を得ることが要求される。
4.3 ショットキー障壁高さの結果と比較
表4.6にショットキー障壁高さφB の計算結果を示す。これより，Ni/SiC が最も低い範囲をとることがわかる。Ni/SiC のφB は900～1000℃の高温加熱により，1.7eV と報告2） されているが，この結果は500℃以下の比較的低温で1/2以下のφB が得られたことを示している。
図4.4

Ni/SiC（30分加熱）の I-V 特性

表4.1
加熱温度

0.5～1.0

非加熱
250℃
300℃
350℃
400℃
500℃

4.20
9.05
6.44
5.61
5.34
3.95
表4.2

図4.5

Ni/SiC（90分加熱）の I-V 特性

う場合，n 形 4H-SiC に対して Ni，Cu との接触では整流性，Y との接触ではオーム性を示す。しかし，
本研究での条件で得られた I-V 特性はバリスタ特性を示した。Si や GaAs はバーディーンモデルに従う実験結果が出たが，SiC については今後の検討課題になると考えられる。
4.2 理想係数 n の結果と比較
表4.1に Y/SiC 接 触60分 加 熱， 表4.2に Cu/SiC 接触30分加熱，表4.3に Cu/SiC 接触60分加熱，表4.4にNi/SiC 接触30分加熱，表4.5に Ni/SiC 接触90分加熱の n 値の計算結果をそれぞれ示す。Y/SiC はほぼ全ての加熱条件において，1.5～2.0V の電圧範囲で10程度の n 値が得られた。Cu/SiC は70～150℃で30分または60分加熱した試料において，1.5～2.0V の電圧 範 囲 で30程 度 の n 値 が 得 ら れ た。Ni/SiC は70～150℃で30分加熱した試料において，2.0～3.0V の電圧範囲で40程度の高い n 値が得られた。I-V 特性は n値が 1 に近いほど理論的なショットキー接触（指数関数曲線）に近づき，n 値が大きいほど直線に近づく。本研究ではオーム性接触を得ることを目的とし

Y/SiC（60分加熱）の n 値

0.5～1.0

非加熱
70℃
100℃
150℃
200℃
300℃

10.63
8.42
12.32
13.51
11.73
5.85

9.83
11.23
10.70
11.11
13.71
10.62

電圧範囲［V］
1.0～1.5
n値
16.55
15.45
20.25
21.55
16.48
8.12

1.5～2.0
25.22
28.70
29.52
31.78
22.52
11.02

Cu/SiC（60分加熱）の n 値

加熱温度

0.5～1.0

非加熱
70℃
100℃
150℃
200℃
300℃

10.63
11.69
13.45
12.08
12.46
9.54
表4.4

1.5～2.0

Cu/SiC（30分加熱）の n 値

加熱温度

表4.3

電圧範囲［V］
1.0～1.5
n値
7.51
7.88
8.147.61
7.98
7.82

電圧範囲［V］
1.0～1.5
n値
16.55
17.21
18.60
17.97
16.82
12.43

1.5～2.0
25.22
27.95
31.26
26.46
25.02
20.60

Ni/SiC（30分加熱）の n 値

加熱温度

0.2～1.0

非加熱
70℃
150℃
250℃
500℃

7.10
8.43
12.69
7.62
11.59

電圧範囲［V］
1.0～2.0
n値
16.93
17.76
22.76
17.48
21.47

2.0～3.0
30.41
41.69
46.74
32.04
33.64

平成22年２月

― 71 ―
電気的特性による Y，Cu，Ni ナノ薄膜 /SiC 接触界面の研究

表4.5

Ni/SiC（90分加熱）の n 値

加熱温度

0.2～1.0

非加熱
70℃
150℃
250℃
500℃

7.10
8.47
7.1011.18
19.49

表4.6

電圧範囲［V］
1.0～2.0
n値
16.93
16.64
16.24
13.06
13.50

2.0～3.0
30.41
32.63
29.64
22.47
14.59

ショットキー障壁高さφB の計算値

試料
Y/SiC
Cu/SiC
Ni/SiC

ショットキー障壁高さ［eV］
0.58～0.85
0.48～0.74
0.48～0.69

4.4 金属薄膜表面状態の考察
Y/SiC を500℃で30分加熱した試料に黒紫色の変色が見られた。そこで，オージェ電子分光法により，SiC ウェハ表面および加熱前後の試料の Y 表面に対してオージェスペクトルの測定を行った。図4.6に0～1000eV における測定結果を示す。図4.6（a）では Si と C が検出され，図4.6（b）～図4.6（d）では Y が検出された。また，510eV 付近に出ているスペクト
ルは O である。図4.6の各スペクトルの比較により，500℃30分加熱の試料の Y 表面に C が出ていることがわかった。これは500℃加熱により Si と C の結合が切れて C が Y 表面に形成されたものと考えられ
る10）11）。
5.

結言

本研究では SiC に対する低接触抵抗のオーミック
電極開発を目的として，RF マグネトロンスパッタ法により，Y/SiC，Cu/SiC，Ni/SiC の金属ナノ薄膜 /SiC 接触試料を作製した。そして，加熱前後においての I-V 特性を測定した。その結果，以下のことがわかった。
1）Ni/SiC と Cu/SiC は70～150℃の低温加熱を施したときが最もオーム性に近づいた。Y/SiC は高い逆方向電圧まで電流が流れにくかった。
2）理想係数 n およびショットキー障壁高さφB の結果から本研究の条件では70～150℃の加熱を30分施した Ni/SiC が最もオーム性に近づいた。
3）Ni/SiC のφB は900～1000℃の高温加熱では1.7eVと報告2）されているが，500℃以下の比較的低温で1/2以下の低いφB が得られた。この結果は比較的低温でのデバイス作製プロセスの可能性を示していると考えられる。
秋田高専研究紀要第45号

図4.6

SiC および Y/SiC 試料加熱前後の Y 表面に対するオージェスペクトル

謝辞
本研究の一部は，秋田工業高等専門学校学科横断型プロジェクト研究経費の支援のもとに行われた。
参考文献
1）名西穗之，応用物理 73，313（2004）．
2）木本恒暢，応用物理 74，371（2005）．
3） 松波弘之，半導体 SiC 技術と応用 日刊工業新聞社（2003）．pp.9-12．
4） 荒井和雄・吉田貞史，SiC 素子の基礎と応用
オーム社（2003）．p.14，17．
5） B.L.Sharma, Metal-Semiconductor Schottky

― 72 ―
斉藤晃一・浅野清光

Barrier Junction and Their Applications,
Plenum Press New York and London（1984）．
6）國岡昭夫・上村喜一，新版基礎半導体工学 朝倉書店（1985）．pp.111-118，121，126-128．
7）長谷川文夫・吉川明彦，ワイドギャップ半導体
光・電子デバイス 森北出版（2006）．p.24．
8）本間弘樹・浅野清光，秋田工業高等専門学校研究紀要 37，48（2002）．

9） 李正中・㈱アルバック（訳），光学薄膜と成膜
技 術 ア グ ネ 技 術 セ ン タ ー（2002）．pp.287291．
10）斉藤晃一・浅野清光，平成20年度日本表面科学会東北・北海道支部講演会講演予稿集 P-03（2009）．
11）斉藤晃一・浅野清光，日本素材物性学会平成21年度（第19回）年会講演要旨集 A-11，39（2009）．

平成22年２月