東工大フロンティア研，東工大総理工 岡本真里，常石佳奈-，陳江寧, 角嶋邦之，Parhat Ahmet，片岡好則，西山彰，杉井信之，筒井一生，名取研二，服部健雄，岩井洋

Tokyo Tech.FRC, Tokyo Tech. IGSSE M. Okamoto, K. Tsuneishi, J. Chen,K.Kakushima,

P. Ahmet, Y. Kataoka, A. Nishiyama, N. Sugii, K. Natori, T. Hattori, H. Iwai

Tokyo Institute of Technology

AlGaN/GaNAlGaN/GaN基板に形成した基板に形成したTiSiTiSi22コンタクトの熱処理時間依存性コンタクトの熱処理時間依存性

Annealing Time Dependent Contact Resistance of TiSiAnnealing Time Dependent Contact Resistance of TiSi22 Electrodes for AlGaN/GaNElectrodes for AlGaN/GaN

1

2013年第60回応用物理学会春季学術講演会

エネルギー消費の現状とワイドギャップデバイス

パワーエレクトロニクスに用いられる半導体基板の物性値の比較

省エネ化社会の実現

高出力が可能な物質が必要

エネルギー消費量の中でモーターが多く占めている

高効率電力変換の実現

2

Si 4H-SiC GaNEg (eV)bandgap 1.1 3.2 3.4

µe (cm2/Vs)mobility 1500 900 ~2000

HEMT

νsat (cm/s)saturated velocity 1.0x107 2.2x107 2.7x107

EBD (V/cm)breakdown field 3.0x105 2.5x106 3.0x106

κ (W/cmK)thermal conductivity 1.5 4.9 2.3

ρC (Ωcm2)Reported specific contact resistance

~10-8 ~10-5 ~10-5

Si 4H-SiC GaNEg (eV)bandgap 1.1 3.2 3.4

µe (cm2/Vs)mobility 1500 900 ~2000

HEMT

νsat (cm/s)saturated velocity 1.0x107 2.2x107 2.7x107

EBD (V/cm)breakdown field 3.0x105 2.5x106 3.0x106

κ (W/cmK)thermal conductivity 1.5 4.9 2.3

ρC (Ωcm2)Reported specific contact resistance

~10-8 ~10-5 ~10-5

インバータ化

High EBDLarge νsatLarge κ

4H-SiC, GaN

HEMT構造可能Si(111)上に成長可能→大口径化

大型エピウェハによる利点からAlGaN/GaNデバイスが期待できる

GaNの利点

motor

lighting

othersheat

IT

2005年：9996億kW･hr (素子協調査)

57%

14%

10%

5%

5731億kWh

motor

lighting

othersheat

IT

2005年：9996億kW･hr (素子協調査)

57%

14%

10%

5%

5731億kWh

消費電力

出力2012年：日立産機システム

約50％削減

GaNの課題と本研究の論点

GaN HEMTの課題

コンタクト抵抗の低減の研究に着目

・信頼性

結晶欠陥による絶縁耐圧の低下

電流コラプス現象

・しきい値制御

ヘテロ構造によるnormally-on特性

・コンタクト抵抗の低減

現状は面積比抵抗(ρc)10-5Ωcm2程度

3

100 1000 1000

10

1

0.1

0.01オン抵抗

, Ron

A(m

Ωcm

2 )

Cg=35nF/cm2

Lch=0.5µmVg-Vth=5V

縦型

GaNデバイス限界

ρc=10µΩcm2

1µΩcm2

0.1µΩcm2

0.01µΩcm2

損失60%減横型

Siデバイス限界

750V 横型GaNデバイス

数百V程度のAlGaN/GaN横型デバイスは面積比抵抗(ρc)10-6 Ωcm2以下が必須(現状ρc~10-5Ωcm2程度)

W.Saito Solid-State Electronics 48(2004)

AlGaN/GaNへの低抵抗コンタクトへのアプローチ

①低いショットキー障壁の金属

②トンネル伝導の増加

仕事関数の小さな金属: Ti, Al, TiN

AlGaN層の薄膜化

窒素欠損(VN)の形成

・プラズマによる欠損形成

・金属との反応による窒素欠損形成

・2DEG形成に必要な膜厚限界(tAlGaN>13nm)

電子のエネルギー分布

φBnAlGaN Ef

電子

4

ショットキー障壁の低い金属選択と窒素欠損によりトンネル伝導を増加させる

L. Wang, APL, 87, 141915 (2005)

T.Hasizume,J.Vac.Sci. Technol,B 21(4)(2003)

5

AlGaN/GaNへの低抵抗コンタクトの報告例Siの導入による低抵抗化

Si層の挿入

AlGaN+Al → AlGaN + VN + AlN

VNの多い

AlNの形成熱処理

AlSiなどの共晶を形成後、800oCでAlGaN層から窒素を引き抜き欠損の多いAlNを形成→Siの挿入量に敏感でAlN形成が困難

B. Daele, APL, 89, 201908 (2006)

TiNの貫通転移による低抵抗化

熱処理

L. Wang, APL, 87, 141915 (2005)

Ti層堆積

TiN→2DEGによる局所的伝導のコンタクトであるため抵抗が高いTiNの形成が過剰であると抵抗が高くなりプロセス温度が狭くなる

局所伝導の依存性やSiの挿入量に左右される課題を有する

研究目的

窒素欠損を形成し面で反応する金属の選択

AlGaNから窒素を引き抜きつつ、AlGaNとの反応や貫通転移を形成しない金属材料が望ましい→耐熱性の高い金属材料

凝集しにくく融点が高い一方、比較的低温で形成(300oC)

(仕事関数=4.5eV, 融点1540oC)TiSi2電極を用いたコンタクト

シリサイド

TiSi2電極による窒素欠陥形成を利用した低コンタクト抵抗の実現

6

デバイス試作手順

7

TiN(50nm)/TiSi2(20nm)distanceSiO2(100nm)

GaN(1.3µm)

AlGaN(26nm)

Si sub

Buffer layer

i-Al0.25Ga0.75N (26nm)/i-GaN(1.3µm)/buffer(AlN/GaN layer stack)/Si(111)

Chemical cleaning (SPM,HF)

Annealing in N2

Device isolation (RIE with Cl2)

Oxide passivation (plasma-TEOS)

Contact opening (Buffered HF)

Metal patterning (RIE)

Metal deposition (Sputtering)・TiN(15nm)/Ti(60nm) [reference]・TiN(45nm)/TiSi2(20nm)

Current-voltage measurements, TLM evaluation

TiSi2電極の熱処理温度依存性

850oC

900oC

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

2.0

0.51.01.5

0.0

-0.5

-1.0-1.5

-2.0

Cur

rent（m

A）

Voltage（V）

TiSi2950oC

800oC750oC

700oC

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

2.0

0.51.01.5

0.0

-0.5

-1.0-1.5

-2.0

Cur

rent（m

A）

Voltage（V）

Ti900oC950oC

750oC

700oC

850oC

TiSi2電極は950oC,Ti電極は750oCでオーミック特性が得られる 8

750oCでオーミック特性が得られるが更に高温の熱処理で、オーミック特性でなくなり、電流が減少する

温度の上昇と共に電流が少しずつ増加950oCでオーミック特性が得られる

報告例と同じ特性

9

アニール時間を変化させた時の電流

TiSi2電極：安定してオーミック特性となるTi 電極：5min~20minのみオーミック特性となる

TiSi2電極では熱処理時間を変化させてもオーミック特性が得られる

Tiは750oCTiSi2950oC

10

TiSi2電極の距離依存性

TiSi2電極は距離依存性があり、面積比抵抗が得られる

11

TiSi2・AlGaN界面状態 TEM結果

AlGaN

GaN

TiSi2

TiN

TiSi2電極とAlGaN層の間に反応層を確認

貫通転位の存在は反応に関与しない

TiN/TiSi2堆積後、熱処理950OC60min(N2ambient)

12

電極剥離後の表面ラフネスの測定

TiSi2とAlGaN層の界面は熱処理で荒れない

AlGaN基板N2750oC 20minアニール

AlGaN

Buffer layerGaN

Si sub.

RMS=0.19nm RMS=0.91nm RMS=0.43nm

N2950oC 20minアニール

AlGaN

Buffer layerGaN

Si sub.

ＴｉＮ/TiAlGaN

Buffer layerGaN

Si sub.

AlGaN

Buffer layerGaN

Si sub.

TiN/TiSi2AlGaN

Buffer layerGaN

Si sub.

初期基板 Ti電極 TiSi2電極

まとめ

13

XPSの物理分析により、TiSi2とAlGaNの反応は面伝導であり窒素欠損形成が可能

TiSi2電極の選択によりオーミック特性を得られる

熱処理時間に依らず安定なオーミック特性を得られる

ご清聴ありがとうございました

15

16

TiSi2電極ではTi-Gaの形成を抑制→AlGaN層との反応を抑制

Ga-Nの結合エネルギーの高エネルギー側へのシフト→AlGaN層中に窒素欠陥の導入でバンドが曲がる

Binding energy (eV)1115111611171118111911201121

Inte

nsity

(a.u

.)

Ti(20nm)

TiSi2(20nm)

Ti-Ga

Ga-N 900oC, 1min in N2

(hν=7940eV, TOA=80o)

0.16eV

XPSによる界面反応とバンドの変化

バンド図

16

17

TiとTiSi2電極の界面反応の違い

Ti電極の場合

Ti + AlGaN → TiGax + (Al+Ti+N)過剰反応により2DEGの消失→コンタクトができなくなる

局所的な反応

膜の反応貫通転移へのTiの拡散→2DEGと直接コンタクト

TiSi2電極の場合

(750oCの熱処理が必要)

(800oC以上の熱処理で起こる)

局所的な反応

膜の反応

なし

AlGaN中に窒素欠陥形成 (900oC以上の熱処理が必要)

TiSi2は2DEGを消失させずに窒素欠陥を形成することが可能局所領域ではなく、面で電子伝導ができる可能性を有している17

結果C

urre

nt（A）

‐0.002

‐0.0015

‐0.001

‐0.0005

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

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

950

900

850

800750

700

Voltage（V）

300µm

150µm

80µm

‐0.002

‐0.0015

‐0.001

‐0.0005

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

-5 -3 -1 1 3 5

850800

750

700

950

Voltage（V）

900

Cur

rent（A）

300µm

150µm

80µm

Ti

Ti電極は、750でオーミック特性になる→TiNが形成され2DEGと直接結合温度を上げていくと、オーミックではなくなる→2DEG消失

TiSi2電極は、950でオーミック特性になる→AlGaN中に窒素欠陥形成

TiSi2

TiSi2電極は2DEGを消失させずにAlGaNの窒素欠陥導入が可能18

19

研究目的

コンタクトに用いる金属材料の選択

耐熱性の高い金属材料の候補

純金属(W、Mo、Taなど)→熱処理でボールアップ(凝集)し、表面のラフネスが増大

金属化合物→凝集しにくく、融点は1000oC以上シリサイド: 比較的低温で形成(300oC)カーバイド: 形成に高温が必要(750oCなど)

AlGaNから窒素を引き抜きつつ、AlGaNとの反応や貫通転移を形成しない金属材料が望ましい→耐熱性の高い金属材料

TiSi2電極を用いたコンタクトを検討(仕事関数=4.5eV, 融点1540oC) 19

20

まとめ

AlGaN/GaNへのコンタクト電極としてTiとTiSi2の比較を行なった

Ti電極で750oCの熱処理でオーミック特性を実現TiGaが形成され、更に高温の熱処理で抵抗が高くなる

(2DEG消失の可能性が示唆される)

TiSi2電極ではTiGaは形成されない900oCからAlGaN中に窒素欠陥を誘起950oCでオーミック特性を実現

TiSi2電極は2DEGを消失させずにAlGaNの窒素欠陥導入が可能

20

AlGaNのバンド変化

Al1s

0.2eV

Band Structure of Al 1s

AlGaNの結合エネルギーが0.2eV高エネルギー側にシフト→AlGaN層中に窒素欠損の導入でバンドが曲がるバンドシフトより、約1.7×1017cm-3窒素欠損量が形成されている

SiO2を高温熱処理することでAlGaN層における窒素欠損の形成可能 21

SiO2熱処理無

(1000oC,1min,N2)

1559 1561 15621560 1563 1564 1565

Inte

nsity

[a.u.

]

Binding Energy[eV]

0.2eV

(hν=7940eV, TOA=80o)

1559 1561 15621560 1563 1564 1565

Inte

nsity

[a.u.

]

Binding Energy[eV]

0.2eV

1559 1561 15621560 1563 1564 15651559 1561 15621560 1563 1564 1565

Inte

nsity

[a.u.

]

Binding Energy[eV]

0.2eV

(hν=7940eV, TOA=80o)

Al1s

SiO2熱処理有

SiO2熱処理無

(1000oC,1min,N2)

1559 1561 15621560 1563 1564 1565

Inte

nsity

[a.u.

]

Binding Energy[eV]

0.2eV

(hν=7940eV, TOA=80o)

1559 1561 15621560 1563 1564 1565

Inte

nsity

[a.u.

]

Binding Energy[eV]

0.2eV

1559 1561 15621560 1563 1564 15651559 1561 15621560 1563 1564 1565

Inte

nsity

[a.u.

]

Binding Energy[eV]

0.2eV

(hν=7940eV, TOA=80o)

Al1s

SiO2熱処理有

22

10-4

10-3

10-2

10-1

ρ c(Ω

cm2 )

10 100Annealing time (min)

2 5 20 501

TiSi2 950oC

750oC

10-4

10-3

10-2

10-1

ρ c(Ω

cm2 )

10 1002 5 20 50110-4

10-3

10-2

10-1

ρ c(Ω

cm2 )

10 100Annealing time (min)

2 5 20 501

TiSi2 950oC

750oC

10-4

10-3

10-2

10-1

ρ c(Ω

cm2 )

10 1002 5 20 501

23

TiNが局所的に形成され、TiN→2DEGに局所的な伝導のコンタクトであるため抵抗が高いTiNの形成が過剰であると抵抗が高くなる→プロセス窓が小さい基板の結晶成長技術が向上し、貫通転位が減少するとコンタクト抵抗は増加する可能性がある

従来のAu/ (Ni, Mo)/Al/Ti のコンタクト方法

Annealing850oCN2 for 30s

結晶欠陥

AlGaN

GaN

Au/Mo/Al/Ti

TiN TiN

AuAl,Mo,TiN

L. Wang, APL, 87, 141915 (2005)TiがAlGaNの貫通転位に拡散して2DEGと接触する

課題

ρc~25104.1 cmΩ× −

L. Wang, APL, 95, 172107 (2009)

24

貫通転位に依存しないコンタクト実現法

N N

AlGaN

Au/Mo/Al/Ti

B. Daele, APL, 89, 201908 (2006)

VN-rich AlN formation

GaN

Si or SiNx

VNVN VN

VN

AlGaN+Al → VN-rich AlGaN + VN-rich AlN

anneal

VN-rich AlN

AlGaN

GaN

(need 800oC for this reaction)

AlGaN層への窒素欠損形成には高温の熱処理が必要→Siの導入によりAlSiの共晶を形成し高温熱処理→AlNの形成

形成されたAlNを介した局所伝導課題

ρc~ 2510 cmΩ−

Si層の挿入

25

TiとTiSi2面積比抵抗(ρc)の比較

TiSi2電極では超時間の熱処理で面積比抵抗がさらに減少

10-4

10-3

10-2

10-1

ρ c(Ω

cm2 )

10 100Annealing time (min)

2 5 20 501

TiSi2 950oC

750oC

Ohmic for Ti

Spec

ific

cont

act r

esis

tivity

(Ωcm

2 )

Tiの面積比抵抗はアニール時間とともに増加している

TiSi2の面積比抵抗はアニール時間の増加とともに減少している

26

反応層のEDX結果