JP2664051B2 - 障壁の高さを高くする方法とシヨツトキー障壁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体電子装置に関し、特に砒化ガリウム及
び関連した半導体を用いたシヨツトキー障壁に関する。 従来の技術及び問題点 金属と半導体の間の接触は、界面に電気障壁（シヨツ
トキー障壁）を作り、障壁の高さは、金属及び半導体の
仕事関数、半導体のドーピング・レベル、表面状態密度
等の要因に関係する。全般的には、Szeの著書「フイジ
ツクス・オブ・セミコンダクタ・デバイセズ（Physics
of Semiconductoy Devices）」第５章（1981年、ジヨン
・ワイリー・アンド・サンズ（John Wiley and Sons）
社発行、第２版）参照。ノーマリ・オフ（エンハンスメ
ント形）のMESFETに基づく低電力の論理回路では、装置
をターンオンする為にゲート電極に正の電圧を印加しな
ければならない。（即ち、ゲート電圧を印加しない時、
ゲート／チヤンネル界面の作り付け電位は、チヤンネル
を空乏状態にする程大きい。）然し、ゲート電流を制限
する為に、ゲート電圧は大まかに云うと障壁の高さより
数kTだけ低い値に制限される（砒化ガリウム上のチタン
−白金ゲートでは約0.6V）。これによって、論理回路が
持ち得る論理スイング及び雑音の余裕が制限される。こ
の為、雑音耐性を持つ為に重要である多きな論理スイン
グを得る為には、障壁の高さを高くすることが必要であ
る。 然し、砒化ガリウム、アンチモン化ガリウム及び燐化
インジウムの様なIII−Ｖ族半導体では、金属と半導体
の界面の障壁の高さは、半導体の表面状態によつてフエ
ルム・レベルがピン止めされる為に、金属の仕事関数に
無関係である。例えば、砒化ガリウムが白金、パラジウ
ム、アルミニウム及びタングステンの様な金属と共に形
成する接触は、何れも障壁の高さが約0.8Vである。この
障壁の高さは、エンハンスメント形の良好なMESFETにと
つては低すぎる。その為、砒化ガリウム及び同様な半導
体と金属の接触の障壁の高さを高くすることが問題であ
る。 ドーピング濃度を変えること等により、金属と半導体
の接触に於ける障壁の高さを変える試みがなされたが、
障壁の高さを低くする結果しか得られなかつた。更に、
薄い絶縁体を使うと、実効的な障壁の高さが高くなる
が、この結果得られるダイオードは、絶縁体を通しての
トンネルスルーの確率が印加電圧に強い関係を持つ為
に、理想的ではない。金属と半導体の接触の障壁の高さ
を高くする公知の方法は、金属と半導体の間に反対にド
ープされた半導体の薄層を挿入することである。例え
ば、（たとえば、アンチモンを打込んだ後、ニツケルを
デポジツトする前にアニールすることにより）ｎ形シリ
コンとニツケルとの間に厚さ100Åのｐ＋シリコン層を
挿入すると障壁の高さは大体アンチモンの量に対して直
線的に増加する。19ソリツド・ステート・エレクトロニ
クス誌537（1976年）所載のJ.シヤノン（Shannon）論文
「高度にドープされた表面層を用いたシヨツトキー障壁
の高さの制御」参照。然し、こういう方法は、金属と半
導体の界面の制御が出来ず、ドーピング濃度並びに接合
の急峻さを制御することが出来ない為に、それがうまく
行く程度も限られている。 こういう制限を、分子ビームエピタキシヤル法（MB
E）を使うことによつて解決することが出来る。例え
ば、22ジヤパン・ジヤーナル・オブ・アプライド・フイ
ジツクス・サプリメント（JJAP,Supl.）431（1983年）
所載のエグラツシユ（Eglash et al）の論文では、ｎ形
砒化ガリウム（ドナー濃度５×10¹⁶/cm³）上に１×10¹⁸
乃至１×10²⁰/cm³の範囲内のアクセプタ濃度をドープし
て、50乃至360Åの範囲内の厚さのｐ＋形砒化ガリウム
層を成長させ、ｐ＋形の層のアルミニウムと接触させ
た。障壁の高さは0.79Vから1.24Vに高くなつた。 然し、MBEは反対にドープされた薄い層を形成するの
に比較的遅くて費用のかかるプロセスであり、大きな出
来高には適しておらず、亜鉛及びベリリウムの様なｐ形
ドーパントを砒化ガリウムに打込んで反対にドープされ
た薄い層を形成することは、打込みの後のアニールの
間、ドーパントが急速に拡散する為に失敗する。この
為、出来高を大きくして、簡単な処理工程を達成するこ
とが、公知の障壁の高さを高くする方法の問題点であ
る。 問題点を解決する為の手段及び作用 本発明は障壁の高さを高くした金属と半導体の接触
と、半導体の表面からのドーパントの急速な熱拡散を利
用して、バルク半導体と反対の導電型の薄層を形成する
製造方法を提供する。この層を形成した後、薄層の上に
金属接触を形成する。好ましい実施例は半導体として砒
化ガリウム及び燐化インジウム用い、拡散するドーパン
トとして亜鉛を用い、金属としてチタン−白金及びアル
ミニウムを用いる。再現性のある簡単なプロセスを用い
て、高くなつた障壁の高さが得られ、公知の障壁の高さ
を高くする方法の問題点が解決される。 実施例 第１図は全体を30で示す第１の好ましい実施例のシヨ
ツトキー障壁の簡略側面断面図である。このシヨツトキ
ー障壁は、ｎ形砒化ガリウムの基板32、薄いｐ＋形砒化
ガリウム層34、金属層36及びオーミツク接触38を含む。
ダイオード30の特徴並びに動作を説明する為、シヨツト
キー・ダイオードのバンド構造を最初に考える。 第2A図はｎ形半導体の理想的な金属半導体間接触に対
する伝導帯及び価電子帯のエツジとフエルミ・レベルを
示す。この図の左側が金属を表わし、右側がｎ形半導体
を示し、電子親和力は金属の仕事関数よりも小さい。ア
ルミニウムの仕事関数が約4.25/Vであり、砒化ガリウム
の電子親和力が4.07eVであることに注意されたい。仕事
関数と電子親和力の間のこの関係は特別のものではな
い。接触の障壁の高さは ｑφ_Ｂ＝ｑφ_ｍ−qx で表わされる。ここでｑφ_ｍは金属の仕事関数、qxは半
導体の電子親和力である。負の電荷が金属表面に溜り、
対応する正の電荷が半導体の空乏層内に現われることに
注意されたい。空乏層の深さをＷで表わしてあり、現わ
れた電荷が第2A図に＋符号で示されている。ｐ形半導体
では、障壁の高さが次の様になることに注意されたい。 ｑφ_Ｂ＝E_g−（ｑφ_ｍ−qx） ここでE_gは半導体のバンドギヤツプである。 砒化ガリウムの様なIII−Ｖ族半導体は金属と半導体
の接触において高い表面状態密度を持つている。障壁の
高さに対する表面状態の効果が第2B図に示されている。
本質的には、接触が形成された時、アクセプタ表面状態
が空になつて、金属表面の負の電荷を部分的に中和す
る。この為、空乏層の深さＷが減少し、障壁の高さが低
くなる。 第３図は第１図の線３−３から見た装置30の伝導帯及
び価電子帯のエツジを示している。金属36と基板32の間
が直接的に接触していた場合の初めの障壁の高さｑφ_Ｂ
と、ｐ＋層34による障壁の高さの増加ｑΔΦ_Ｂの両方が
示されている。熱的な平衡状態では、層34は実質的に完
全に空乏状態になり、アクセプタからの負の空間電荷に
より、各帯のエツジの負の曲率が生ずる。層34のこの空
乏状態が層34及基板32の接合がｐ−ｎ接合として振舞わ
ない様に保証し、っ装置30が真のシヨツトキー・ダイオ
ードとして振舞う。 障壁の高さの増加は、理論的にqN_pa²/ε_ｓで近似する
ことが出来る。ここでN_pは層34のドーピング濃度、ａは
層34の厚さ、ε_ｓはN_nを基板32のドーピング濃度及びＷ
を空乏領域の幅として、N_n＞＞_ｎ及びaN_p＞＞WN_nである
場合、半導体の誘電率である。 装置30の特徴と動作のその他の特性は、次に述べる第
１の好ましい実施例の製造方法を考えれば最も説明し易
い。この方法の工程が第4A図乃至第4C図に示されてい
る。 （ａ） 酸化亜鉛20％及び二酸化シリコン80％の厚さ20
0Åの層40を、１×10¹⁸/cm³の担体濃度にｎ形にシリコ
ンでドープされた砒化ガリウムの100配向の結晶32の上
にスツタリングによつてデポジツトする。層40に、プラ
ズマ強化CVDによつてデポジツトされた厚さ500Åの窒化
シリコン層42を被せる。第4A図参照。 （ｂ） 光学アニール装置を用いて、層40の温度を２秒
間約700℃に高める。この熱パルスが亜鉛を層40から基
板32の中へ約170Åの深さに追い込み、層34を形成す
る。第4B図参照。この結果得られる層34のドーピング濃
度は約１×10¹⁹担体/cm³である。第５図は、熱パルスの
温度及び持続時間の関数といて、亜鉛の拡散の深さを示
している。この深さが大まかに云えば、パルスの持続時
間の平方根に比例し、温度と共に急速に増加することに
注意されたい。更に、かなり低い温度でも、亜鉛が急速
に拡散し、鋭い接合を形成することに注意されたい。 （ｃ） 窒化物42及び酸化物40を剥し、層34を露出す
る。フオトレジストを層34の上にデポジツトし、パター
ン定めて、約10ミクロン平方の能動区域を限定する。次
にパターンを定めたフオトレジスト及び層34の上にアル
ミニウムを3,000Åの厚さにスパツタリングによつてデ
ポジツトし、フオトレジストと共に持上げて離し、約10
ミクロン平方のドツト36を形成する。第4C図参照。 （ｄ） アルミニウム・ドツト36を層34をプラズマ・エ
ツチングする為のマスクとして使う。若干の基板32を除
く過剰エツチがあつても、これは能動区域の外側である
から、装置の性能には影響しない。最後に、基板32の反
対側に金−ゲルマニウムのオーミツク接触をつけて装置
30を完成する。 装置30の障壁の高さは約1.0eVであつたが、これに対
してｐ＋層34を持たないこれに相当する装置は障壁の高
さが約0.75eVである。障壁の高さの測定値は、電圧に対
する電流の標準的な指数関数形の関係から計算したが、
これによつて次の様になる。 ここでＡ″は実効的なリチヤードオンの定数であり、
J_sは電圧がゼロの時の飽和電流である。φ_Ｂの値が、
Ａ″が２倍になつても、室温では18meVしか増加せず、
Ａ″の値にあまり影響されないことに注意されたい。更
に装置30の理想度係数を電流−電圧データから計算した
が、２ではなく、１に近い。これは、接合の再結合電流
が存在しないことを示す。更に、順方向の漏れ電流が小
さく、この為装置30の構造を持つMESFETゲートを実現し
得る。 第５図は亜鉛を基板32の中に追込む熱パルスに対する
種々の温度及び時間条件に体し、層34の厚さを示してい
る。特に675℃、700℃及び725℃の温度と２秒乃至10秒
の時間により、100Å乃至500Å以上の厚さが得られた。
層34の厚さが約400Åを越えると、接合再結合効果を招
く。前述の温度及び時間条件を用いて製造された、装置
30と同様な装置は、0.75乃至1.2eVの範囲の障壁の高さ
を持つていた。 第６図は障壁の高さを高くする層を持つエンハンスメ
ント形MESFET130の簡略側面断面図であり、半絶縁性の
砒化ガリウム基板131、ｎ形砒化ガリウム・チヤネル13
2、ｐ＋形砒化ガリウムの、障壁の高さを高くする層13
4、チタン−白金ゲート136、ｎ＋形砒化ガリウムのソー
ス及びドレイン領域138、及びゲルマニウム−の金のソ
ース及びドレイン・オーミツク接触139を含む。チヤン
ネル132の浅さは約0.1ミクロンであり、障壁の高さを高
くする層134の厚さは約100Åである。 この装置及び方法の障壁を高くする簡単な特徴を活か
しながら、好ましい実施例の装置及び方法に種々の変更
を加えることが出来る。特に、装置の構成部品の寸法及
び幾何学な形を変えることが出来る。例えば、障壁の高
さを高くする層の厚さは無視し得る様な値から、接合と
しての挙動が開始されることを示す様な厚さまで変える
ことが出来る。それと同時に、障壁の高さを高くする層
のドーピング・レベルを変えて、障壁の高さを調節する
ことが出来る。利用し得るドーピング・レベルの範囲は
層の厚さに関係する。 材料もいろいろ変更することが可能である。例えば、
砒化インジウム・ガリウム、燐化インジウム又はその他
の４元又は更に多元の合金を含むIII−Ｖ族系は砒化ガ
リウムと同様である。テルル化水銀カドミウムの様なＩ
−VI族系は熱によつて影響されることがあること、並び
にシリコンはフエルミ・レベルの重大なピン止め作用を
持たないことに注意されたい。 同様に、ゲートにはチタン、白金及びその他の金属及
び合金を使うことが出来る。ｎ形砒化ガリウム上のｐ形
ドーパントとしては亜鉛、ベリリウム及び無マグネシウ
ムを使うことが出来、ｐ形砒化ガリウム上のｎ形ドーパ
ントとしては硫黄、錫、セレン及びテレルを使うことが
出来る。この他の拡散の速い材料もドーパントとして役
立つことがある。 エンハンスメント形の動作をするHEMT論理回路に対し
ては、全般的にエピタキシヤル層を超格子及びヘテロ接
合に置き換えることが出来る。 障壁の高さを高くする層を形成する為に速い熱拡散を
使う利点として、処理工程が簡単になり、プロセス・パ
ラメータの調節によつて層の特性を調節することが出
来、標準的な処理工程と両立し得ることが挙げられる。 以上の説明に関連して更に下記の項を開示する。 （１） 半導体が第１の導電型にドープされている様な
金属と半導体の接触の障壁の高さを高くする方法に於
て、前記半導体の表面からのドーパントの急速な熱拡散
により、前記半導体上に前記第１の導電型とは反対の導
電型の薄層を形成し、前記金属を前記薄層の上にデポジ
ツトして前記接触を形成する工程を含む方法。 （２） 第（１）項に記載した方法に於て、前記半導体
が周期律表のIII及びＶ族の元素の化合物である方法。 （３） 第（２）項に記載した方法に於て、前記半導体
が砒化ガリウムである方法。 （４） 第（１）項に記載した方法に於て、ドーパント
が亜鉛である方法。 （５） 第（４）項に記載した方法に於て、前記亜鉛が
前記表面の上にデポジツトされた酸化亜鉛を含む混合物
から供給される方法。 （６） 第（１）項に記載した方法に於て、前記第１の
導電型がｎ形であり、前記ドーパントが亜鉛、ベリリウ
ム及びマグネシウムから成る群から選ばれる方法。 （７） 第（１）項に記載した方法に於て、前記第１の
導電型がｐ形であり、前記ドーパントが硫黄、錫、セレ
ン及びテレルから成る群から選ばれる方法。 （８） 第１の導電型にドープされていて、その表面に
前記第１の導電型と反対の導電型にドープされた薄層を
持ち、該薄層が前記表面からの拡散によつて特徴づけら
れるドーピング分布を持つ半導体本体と、前記薄層の上
の金属層とを有するシヨツトキー障壁。 （９） 第（８）項に記載したシヨツトキー障壁に於
て、前記半導体本体がIII及びＶ族の元素の化合物であ
るシヨツトキー障壁。 （10） 第（９）項に記載したシヨツトキー障壁に於
て、前記化合物が砒化ガリウムであるシヨツトキー障
壁。 （11） 第（８）項に記載したシヨツトキー障壁に於
て、前記薄層が、亜鉛、ベリリウム及びマグネシウムか
ら成る群から選ばれた元素でドープされているシヨツト
キー障壁。 （12） 第（８）項に記載したシヨツトキー障壁に於
て、前記薄層が、硫黄、錫、セレン及びテレルから成る
群の中の元素によつてドープされているシヨツトキー障
壁。 （13） 第（11）項に記載したシヨツトキー障壁に於
て、前記ドーパントが亜鉛であるシヨツトキー障壁。 （14） 第１の導電型にドープされた半導体本体を有
し、該本体の表面には前記第１の導電型とは反対の導電
型にドープされた薄層があり、該薄層が前記表面からの
拡散によつて特徴づけられるドーピング分布を持ち、更
に、前記薄層を実質的に覆う金属ゲートと、前記薄層に
隣接して前記本体内にあるソース及びドレイン領域とを
有するMESFET。 （15） 第（14）項に記載したMESFETに於て、前記半導
体本体がIII及びＶ族の元素の化合物であるMESFET。 （16） 第（15）項に記載したMESFETに於て、前記化合
物が砒化ガリウムであるMESFET。 （17） 第（14）項に記載したMESFETに於て、前記薄層
が亜鉛、ベリリウム及びマグネシウムから成る群の中の
元素によつてドープされているMESFET。 （18） 第（14）項に記載したMESFETに於て、前記薄層
が硫黄、錫、セレン及びテレルから成る群の中の元素で
ドープされているMESFET。 （19） 第（14）項に記載したMESFETに於て、前記ドー
パントが亜鉛であるMESFET。

【図面の簡単な説明】 第１図は第１の好ましい実施例の方法によつて製造され
た第１の好ましい実施例のシヨツトキー・ダイオードの
簡略側面断面図、第2A図及び第2B図はｎ形半導体に対す
る理想的な及び表面状態密度が高い金属−半導体接触に
対する伝導帯及び価電子帯のエツジを示す線図、第３図
は、ｎ形半導体で、金属とｎ形半導体の間にｐ＋形半導
体層を持つ場合の金属−半導体接触の伝導帯及び価電子
帯のエツジを示す線図、第4A図乃至第4C図は第１の好ま
しい実施例の製造方法の処理工程を示す略図、第５図は
第１の好ましい実施例の方法の拡散工程の温度及び時間
に対する依存性を示すグラフ、第６図は第１の好ましい
実施例のゲートを持つMESFETのチヤンネルに沿つた薄片
の側部断面図である。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−105578（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−176275（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−251077（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−251078（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−296775（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．半導体が第１の導電型にドープされている場合の金
   属−半導体接触の障壁の高さを高くする方法に於て、 前記半導体の表面からのドーパントの急速な熱拡散によ
   り、前記半導体の上に前記第１の導電型とは反対の導電
   型の薄層を形成する工程と、 前記金属を前記薄層の上にデポジットして前記接触を形
   成する工程と、 を含む方法。 ２．第１の導電型にドープされていて、その表面に前記
   第１の導電型と反対の導電型にドープされた薄層を持
   ち、該薄層が前記表面からの急速な熱拡散によって特徴
   づけられるドーピング分布を持つ半導体と、 前記薄層の上の金属層と を有するショットキー障壁。