レーザーアニーリングによるSiCウェハ上のオーミックコンタクトの作製と性能検討 +

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高集積化と高出力密度を目指したパワーデバイスの開発に伴い、直列抵抗を低減するためにデバイスの基板厚さは減少し続けており、これにより裏面オーミックコンタクトの準備プロセスに対するより高い要件が課せられています。従来の急速熱アニーリング (RTA) プロセスは高温で実行されるため、デバイスの前面構造 (ショットキー コンタクトなど) の性能低下につながりやすく、熱バジェットが大きくなります。近年、レーザーアニーリング技術は、局所加熱、小さな熱影響部、および柔軟なプロセスという利点により、SiC オーミックコンタクトの作製に広く研究され、応用されています。

1. SiCレーザーアニールプロセスの機構とパラメータの最適化

レーザーアニーリングプロセスでは、レーザー波長、エネルギー密度、パルス数、ベース温度などのパラメータがオーミックコンタクトの形成に決定的な影響を与えます。研究によると、波長が 355nm 未満の紫外線レーザーは金属電極により吸収されやすく、局所的な加熱に有益であり、金属と SiC 間の反応を促進します。たとえば、Berger et al. 355nmフラットトップレーザーを使用してTi/4H-SiCをアニールし、4.25J/cm2のエネルギー密度で1.4×10-4Ω・cm2の接触抵抗率を得た。

マルチパルスレーザーアニール (MPLA) は、低抵抗コンタクトの形成に必要なエネルギー密度をさらに低減します。オプレヒトら。は、ベース温度 400°C で、単一パルスレーザーが 10-5Ω・cm2 という低い接触抵抗率でオーム接触を達成できることを発見しました。さらに、パルス数が増加するにつれてシリサイド反応が進行し、炭素の再分布がより均一になり、接触抵抗の低減に有利になります。

図1 異なるパルス数におけるRsとエネルギー密度の関係

2. 電極とシリサイドの反応

現在最も広く研究されているオーム接触金属は、ニッケル (Ni) とチタン (Ti) です。 Ni は高温で SiC 内の Si と反応してニッケルシリコン化合物 (Ni2Si、NiSi、NiSi2 など) を形成します。これは低抵抗のオーミックコンタクトを形成するための基礎となります。ただし、Ni の反応プロセス中に炭素クラスターが析出し、金属の接着力や界面の安定性に影響を与えます。

対照的に、Ti は SiC 内の Si および C と反応して Ti を形成することができます。₅シ₃ TiC は、炭素の析出を効果的に抑制し、界面の品質を向上させます。デ・シルバら。らは、パルスレーザーアニーリングによってＣ面４Ｈ−ＳｉＣ上にＴｉ−Ｓｉ−Ｃエピタキシャルコンタクトを作製し、７．９×１０-5Ω・ｃｍ2のコンタクト抵抗率を得た。

XRDおよびTEM分析は、レーザーアニール中に形成されるシリサイド相が接触抵抗と密接に関係していることを示しています。バダラら。基板の損傷の程度が増加すると、シリサイド反応がニッケルリッチ相 (Ni35Si など) からニッケル不足相 (Ni25Si など) に移行し、それに応じて接触抵抗が減少することを発見しました。

図2 Ni電極とTi電極のXRD界面構造とTEM界面構造の比較

基板の薄化と結晶損傷の影響

基板の薄化はデバイスの直列抵抗を低減するための重要なステップですが、機械的研磨により表面粗さや表面下の結晶損傷が生じる可能性があり、それがオーム接触の形成に影響を与えます。バダラら。は、Ni/4H-SiC のオーム接触特性に及ぼす 3 つの薄化プロセス、すなわち粗研削、微研削、および超微研削の影響を体系的に研究しました。

研究によると、表面粗さと欠陥密度が増加すると、同じレーザー条件下でシリサイド反応がより完全になり、接触抵抗が大幅に減少することがわかりました。 TEM 分析により、粗く研磨されたサンプルのシリサイド層の厚さは不均一であり、界面に依然として結晶損傷が存在することがわかりました。ただし、反応界面は欠陥で下方に伸びており、反応に利用できる Si ソースが増加します。

図 3 異なる薄膜化プロセスにおけるシリサイド層の TEM 断面図

4. オーミックコンタクトの電気特性の正確な特性評価

オーミックコンタクトの性能は通常、比接触抵抗 (SCR) によって評価され、円形伝送線路法 (c-TLM) が一般的に使用される測定方法です。しかし、Berger et al. TLM 構造を高濃度にドープした SiC 基板上に直接作製すると、基板内で電流が拡散する可能性があり、接触界面の真の抵抗を正確に反映できないことを指摘しました。

TCADシミュレーションを通じて、彼らは、基板とコンタクト層の間に低ドーピング絶縁層（5×10¹3cm⁻3ドーパントを含む厚さ10μmのn⁻層など）を挿入することを提案しました。これにより、上部n⁺層の電流の流れを効果的に制限し、10⁻⁶Ω・cm⁻という低いSCR値を正確に測定できます。この結論は、レーザーアニールされたオーミックコンタクトの正確な特性評価に重要な基礎を提供します。

図4 分離層構造を有する4H-SiCウェーハの電流密度分布のシミュレーション図

図5 Ti/4H-SiCコンタクトのIV特性と実験で測定した抵抗と間隔の関係

5. レーザーアニールによるオーミックコンタクトの性能検証と応用展望

レーザーアニールされたオーミックコンタクトは、SiC ショットキーバリアダイオード (SBD) や接合バリアショットキーダイオード (JBS) などのデバイスで検証されています。キムら。レーザーアニールした JBS デバイスと RTA 処理した JBS デバイスを比較したところ、レーザーアニールしたサンプルの順方向ターンオン電圧が低く、逆方向降伏電圧が高いことがわかりました。

ラッシュら。らは、基板の薄化とレーザーアニーリングプロセスを使用した 6A/650V SiC ダイオードの作製を報告しました。ターンオン電圧は RTA プロセスの 1.78V から 1.62V に低下し、定格電圧での漏れ電流は 1μA 未満でした。これらの結果は、レーザーアニーリング技術がデバイスの性能を向上させる上で大きな利点があることを示しています。

レーザーアニーリングは、局所的、低温、効率的なアニーリング技術として、SiC パワーデバイスのオーミックコンタクトの作製において大きな可能性を示しています。レーザーパラメータ、電極材料、および基板処理技術を最適化することにより、接触抵抗率が 10-5Ω・cm2 未満の高品質のオーム接触を実現できます。

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参考文献：

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