宽带隙半导体装置

技术领域

本发明涉及一种具有宽带隙半导体层以及设置在宽带隙半导体层上的金属电极的宽带隙半导体装置。

背景技术

以往，已知有使用SiC等的宽带隙半导体装置(例如参照日本特开2015―56543号公报)。在宽带隙半导体装置中，存在降低SBD的导通电压的需求。由于SBD的导通电压大部分来自肖特基结的内置电压，因此通过降低φB(肖特基势垒高度)，可以有效地降低导通电压。

以作为宽带隙半导体装置的一种的SiC为例，一般用肖特基电极控制N型SiC-SBD(肖特基势垒二极管)的φB，作为N型SiC-SBD的肖特基电极，可以使用Ti、Ni、肖特基电极。其中，已知Ti的φB最小，市面上销售的N型SiC―SBD的大部分以Ti为肖特基电极。

然而，本申请发明人在参考了非专利文献(Extended Abstracts of the2013International Conference on Solid State Devices and Materials，Fukuoka，2013，pp468-469)后，发现作为降低φB的方法，在尝试了采用在界面处具有TiO

鉴于这一点，本发明提供一种不会发生异常泄漏并能够降低φB的宽带隙半导体装置。

发明内容

本发明的宽带隙半导体装置，其特征在于，包括：

宽带隙半导体层；以及

金属电极，设置在所述宽带隙半导体层上，

其中，所述金属电极在靠近所述宽带隙半导体层的金属电极侧的界面区域具有由六方最密堆积结构(HCP)构成的单晶层，

所述单晶层具有含有O、S、P或Se的指定元素含量区域。

在本发明宽带隙半导体装置中，

所述金属电极由Ti、Cd、Hf、Mg、Zr或Sc构成，

在所述金属电极由Ti构成情况下，所述指定元素含量区域含有O、S、P或Se，

当所述金属电极由Cd、Hf、Mg、Zr或Sc构成的情况下，所述指定元素含量区域含有O。

在本发明宽带隙半导体装置中，

所述指定元素含量区域中O、S、P和Se的原子浓度以总量计为7％～33％。

在本发明宽带隙半导体装置中，

所述指定元素含量区域存在于所述金属电极与所述宽带隙半导体层之间的界面与从该界面沿厚度方向上11nm～37nm的距离之间。

在本发明宽带隙半导体装置中，

所述指定元素含量区域在面内方向上以岛状分散配置。

在本发明宽带隙半导体装置中，

所述指定元素含量区域由高浓度指定元素含量区域构成，

所述金属电极设置在所述高浓度指定元素含量区域的与所述宽带隙半导体层侧相反的一侧，并具有由比所述界面区域中含有的氧浓度低的氧浓度构成的低浓度指定元素含量区域。

在本发明宽带隙半导体装置中，

所述金属电极在与宽带隙半导体层侧的相反一侧具有多晶层。

在本发明宽带隙半导体装置中，

所述金属电极在与宽带隙半导体层侧的相反一侧具有含氢的氢含量区域。

发明效果

本发明中，在采用金属电极在与宽带隙半导体层的金属电极侧之间的界面区域具有由六方最密堆积结构(HCP)构成的单晶层，并且单晶层具有含有O、S、P或Se的指定元素含量区域的结构时，就能够在不发生异常泄漏的情况下降低φB。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式涉及的宽带隙半导体装置的纵向截面图。

图2是展示实施例一、比较例一以及比较例二中涉及的VF(V)与IF(A)之间关系的曲线图。

图3是展示C轴晶格常数(nm)与费米能量(eV/atm)之间关系的曲线图。

图4A是本发明的实施方式中通过STEM(扫描透射电子显微镜)拍摄的金属电极的示例性图像。

图4B是展示本发明的实施方式中金属电极中所含的Ti、O和H的含量的曲线图。

图5A是通过STEM(扫描透射电子显微镜)对比较例一中的金属电极进行拍摄而得到的图像。

图5B是展示比较例一中的金属电极中所含的Ti、O和H的含量的曲线图。

图6是展示实施例一和比较例一中的Ti的EELS信号波形的图表以及基于STEM(扫描透射电子显微镜)的图像。

图7A是展示本发明的第一实施方式涉及的宽带隙半导体装置的制造方法的示例图。

图7B是展示本发明的第一实施方式涉及的宽带隙半导体装置的制造方法的示例图。

图8是本发明第二实施方式涉及的宽带隙半导体装置的纵向截面图。

图9是展示本发明第二实施方式中配置在岛状的指定元素含量区域的平面图。

具体实施方式

第一实施方式

《构成》

如图1所示，本实施方式的宽带隙半导体装置具有：宽带隙半导体层10、以及设置在宽带隙半导体层10上的金属电极20。金属电极20可以在靠近宽带隙半导体层10的金属电极20侧(背面侧)的界面区域具有由六方最密堆积结构(HCP)构成的单晶层21。单晶层21可以在靠近宽带隙半导体层10的金属电极20侧的界面区域中具有含有O(氧)、S(硫)、P(磷)或Se(硒)的指定元素含量区域22。在指定元素含量区域22中可以含有O、S、P和Se中任意一种以上的元素，但典型的元素是O。另外，作为宽带隙半导体，可以例举SiC、GaN等。图1的上方为宽带隙半导体装置的正面侧，下方为宽带隙半导体装置的背面侧。另外，本实施方式的金属电极20构成肖特基电极。

单晶层21可以由Ti(钛)、Cd(镉)、Hf(铪)、Mg(镁)、Zr(锆)或Sc(钪)构成，也可以是含有上述两种以上金属的形态。其中典型的金属为Ti，以下，主要对使用Ti的方式进行说明。另外，Cd、Hf、Mg、Zr及Sc的结晶结构为六方最密堆积结构(HCP)，且晶格常数为接近SiC的值，因此可以得出与使用Ti时相同的结论。

在单晶层21由Ti构成的情况下，该单晶层21的指定元素含量区域22也可以含有O、S、P或Se。在单晶层21由Cd、Hf、Mg、Zr及Sc构成的情况下，该单晶层21的指定元素含量区域22也可以含有O。

指定元素含量区域22中O、S、P和Se的原子浓度也可以占总量的7％～33％。由于是“总量”，因此在含有O、S、P及Se中任意两种以上的情况下，它们的合计为7％～33％。另一方面，在只含有O、S、P及Se中任一种的情况下，所含的一个元素的原子浓度为7％～33％。O、S、P及Se中典型的为O，以下主要使用O进行说明。另外，由于能够在维持HCP结构的状态下插入O、S、P、Se等原子的原子浓度的理论上限值为33％，因此设定为33％的上限值。如果维持HCP结构，就不会发生异常泄漏。相反，在上述非专利文献的如TiO

与O一样，从第一原理计算的结果可知，在S、P和Se中，均可以与Ti等化学键合，在由相同结构构成的情况下，价电子的数量相对较多时，费米能上升。因此，在S、P及Se的任何一个中，都能得出与使用O时相同的结论。例如，在比较Ti

指定元素含量区域22也可以存在于金属电极20与宽带隙半导体层10之间的界面与从该界面起在厚度方向上位于11nm～37nm的距离之间的位置上。以图1所示的方式来说，距离金属电极20的与宽带隙半导体层10的界面的指定元素含量区域22的厚度可以为11nm～37nm。指定元素含量区域22是指O、S、P和Se中的任一个以原子的状态且以有意义的量存在的区域，典型的是原子浓度为5％以上的区域。

与后述的第二实施方式不同，指定元素含量区域22也可以在面内方向遍及整个面设置。

金属电极20可以在宽带隙半导体层10侧的相反侧(表面侧)具有多晶层29。在指定元素含量区域22与多晶层29之间，可以设置不含指定元素或与指定元素含量区域22相比含有少量指定元素的单晶主体层25。可以由该单晶主体层25和指定元素含量区域22来构成单晶层21。

指定元素含量区域22也可以由高浓度指定元素含量区域构成。金属电极20可以设置在高浓度指定元素含量区域的宽带隙半导体层10侧的相反侧(在图1中为上方侧)，并且具有由比界面区域中含有的氧浓度低的氧浓度构成的低浓度指定元素含量区域。在本实施方式中，单晶主体层25为具有低浓度指定元素含量区域的形态。

金属电极20可以在宽带隙半导体层10侧的相反侧具有含氢的氢含氢量区域。所述多晶层29可以具有氢含量区域，在这种情况下，在多晶层29内设置氢含量区域。此时，多晶层29整体可以为氢含量区域，多晶层29的一部分也可以为氢含量区域。另外，在金属电极20由Ti构成的情况下，由于Ti容易氧化，因此在金属电极20的表面设置由TiO

图2中的宽带隙半导体层10由SiC构成，金属电极20由Ti构成，在指定元素含量区域22中含有O原子，图中示出了SiC-SBD(肖特基势垒二极管)的I-V波形。比较例一中的指定元素含量区域22中不含有实际意义上的量的O原子，比较例二中在指定元素含量区域22中含有TiO

图3中的宽带隙半导体层10由SiC构成，金属电极20由Ti构成，在指定元素含量区域22中含有O原子，图中战士了在增加了指定元素含量区域22中所含的O原子的含量时的晶格常数C轴的长度与费米能之间的关系的第一原理计算结果。可以确认，随着存在于Ti和SiC界面区域的O原子浓度的增加，费米能上升，φB(肖特基势垒高度)下降。

图4A和图4B中的宽带隙半导体层10由SiC构成，金属电极20由Ti构成，并且在指定元素含量区域22中含有O原子，图中Ti和O是通过STEM(扫描等效型电子显微镜)内的能量分散型X射线分光法(EDX)进行组成分析的结果，图中H是通过辉光放电发光分析装置(GD-OES)分析的结果。能量分散型X射线分光法(EDX)的明暗截止线用图4A的直线IV-IV表示。图4B中的深度0μm表示金属电极20的表面侧的界面，深度0.15μm表示Ti和SiC的界面。

下述表1展示的是图4B中的部位、晶体结构、组成及晶体的取向的结果。在图4B所示的形态中，指定元素含量区域22存在于金属电极20的与宽带隙半导体层10的界面与从该界面在厚度方向上延伸至30nm的距离之间，氢含量区域位于从金属电极20的与宽带隙半导体层10的界面在厚度方向上离开80nm以上的区域上。

【表1】

如上所述，在与SiC层邻接的Ti-O层中，仅检测出结晶的取向为"3°"的物质，可以确认以单晶六方最密堆积Ti的状态含有O。在SiC层侧的相反侧，检测到多个结晶的取向，可以确认形成由多晶构成的Ti，该多晶Ti中含有H。由于Ti比较容易被氧化，因此在用于分析的截面加工时会瞬间被氧化。因此，作为金属电极20的Ti层中的O检出下限值约为10％，其相大于作为SiC层中的O检出下限的约0％。需要注意的是，图4B中的氧的浓度在Ti内部也变高是因为Ti容易被氧化。

图5A和图5B中的宽带隙半导体层10由SiC构成，金属电极20由Ti构成，其不存在指定元素含量区域22(比较例一)。图5A对应于图4A，图5B对应于图4B。另外，能量分散型X射线分光法(EDX)的明暗截止线用图5A的直线V-V表示。与图4B不同，在SiC层与Ti层的界面上没有检测出相当于Ti-O层的氧浓度的“驼峰”(参照图4B的深度0.13～0.15μm的区域)。SiC与Ti层的界面附近的氧浓度为6.6％，低于检出下限值约10％。

如图6所示，在实施例一方式中，作为指定元素含量区域22的Ti-O层中的Ti的EELS信号波形与在SiC上外延生长的比较例一中的单晶Ti的EELS信号波形相同。由此也可以确认，在作为指定元素含量区域22的Ti-O层中，O原子是存在于Ti的晶格之间的状态，其未与Ti和O共价键合。另外，在实施例一中，在表面侧氧浓度增大到40％，Ti和O共价键合，因此EELS信号波形发生偏移。由此也可以确认，在作为指定元素含量区域22的Ti-O层中，O原子是存在于Ti的晶格之间的状态，其未与Ti和O共价键合。

《制造方法》

接着，对本实施方式形态的制造方法的一例进行说明。在该制造方法中，宽带隙半导体层10由SiC构成、金属电极20由Ti构成。

首先，在由SiC构成的宽带隙半导体层10上设置由Ti构成的金属电极20(参照图7A)。此时，由于Ti容易氧化，所以由Ti构成的金属电极20的表面(表面)通过接触氧而形成由TiO

接着，使腔室内成为真空状态后，供给H2气体或用Ar稀释后的H2气体(1～20流量比％的H2气体)，并以300～600度进行退火。利用所提供的H2气体，在表面侧形成Ti-H层，随着该Ti-H层的形成，原本包含在由Ti构成的金属电极20内的氧被压入Ti/SiC界面侧，从而在作为指定元素含量区域22的Ti-O层。另外，可以认为提供的H2气体的H原子通过TiO

另外，此时Ti的表面会被腔室内的残留氧及水分氧化。来自腔室内的氧和水分的O原子的一部分也经由在表面侧成为多晶的Ti的晶界侵入内部，使作为指定元素含量区域22的Ti-O层增加。更具体而言，腔室中残留的氧分离成O原子，侵入由Ti构成的金属电极20内，使金属电极20的表面氧化或向Ti/SiC界面移动并使Ti-O层增加(在图7B中用符号79表示的层)。另外，残留在腔室内的水分(H

如上所述，生成在Ti/SiC界面具有由Ti-O层构成的指定元素含量区域22、且在表面侧具有氢含量区域的宽带隙半导体装置。另外，上述实施例一是在H

《效果》

接着，将对具有上述结构的本实施方式的效果中未提及的结果进行说明。

根据本申请的发明人等确认的情况，在采用金属电极20在与宽带隙半导体层10的金属电极20侧的界面区域具有由六方最密堆积结构(HCP)构成的单晶层21，且单晶层21具有含有O、S、P或Se的指定元素含量区域22的形态的情况下，就能够在防止异常泄漏的情况下，降低φB(参照图2)。

特别是在金属电极20由Ti构成，且指定元素含量区域22含有O、S、P或Se的情况下，或者在金属电极20由Cd、Hf、Mg、Zr或Sc构成，且指定元素含量区域22含有O的情况下，能够更加切实地再不发生异常泄漏的情况下，降低φB。

为了更切实地获得不发生异常泄漏而降低φB的效果，优选指定元素含量区域22中的O、S、P和Se的原子浓度以总量计为7％～33％。这是因为，如果导入比33％更多的O、S、P，则金属电极20无法维持六方最密堆积结构(HCP)，从而会导致发生异常泄漏。

第二实施方式

接下来，将描述本发明的第二实施方式。

在第一实施方式中，指定元素含量区域22设置在面内方向的整个面上，但不限于此。在本实施方式中，如图8及图9所示，指定元素含量区域22在面内方向上呈岛状分散配置。需要注意的是，图9是为了表示以岛状配置的指定元素含量区域22，而针对金属电极20的内部仅表示了指定元素含量区域22的平面图。这种岛状的指定元素含量区域22可以在使用用Ar稀释的H

第二实施方式其他结构与第一实施方式相同。在第二实施方式中，对与第一实施方式相同或相同的部件等标注相同的符号，并省略对其的说明。

根据本实施方式，也可以获得与第一实施方式相同的效果。也就是说，即使如本实施方式这样含有O、S、P或Se的指定元素含量区域22在面内方向设置为岛状的方式，只要原子浓度为总量的7％～33％，也能够在不发生异常泄漏的情况下降低φB。

上述已描述的各实施方式的公开内容以及附图仅仅是用于说明由权利要求书记载的本发明的一个示例，但是由所述实施方式的记载、变形例的记载以及附图的公开内容并不限于由权利要求书记载的本发明。另外，申请最初的权利要求的记载只是一个例子，也能够根据说明书、附图等的记载适当变更权利要求的记载。

符号说明

10宽带隙半导体层

20金属电极

21单晶层

22指定元素含量区域

25单晶主体层

29多晶层

30由TiO