JP2817217B2 - 金属・半導体接合を有する半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

金属・半導体接合を有する半導体装置およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、金属とIII−Ｖ族化合物半導体のショット
キー接合を有する半導体装置およびその製造方法に関す
る。
（従来の技術） ショットキー性の金属・半導体接合はGaAsを代表とし
た化合物半導体ダイオードや、MESFETのゲート接合とし
て広く用いられている。特にGaAsの場合には表面に多数
存在する界面準位により良好なMIS構造が形成できない
ため、高速論理素子あるいは高周波増幅素子としてMESF
ETが盛んに開発され、実用化がなされている。
従来は、例えばGaAsのショットキー接合および、それ
を用いたMESFETは（100）基板を用いて製造されてい
る。ショットキーゲートの特性はショットキーバリアハ
イト（φｂ）で表されるが、従来の方法で製造した場合
は、GaAsの場合、φｂの値は被着した金属によらずほぼ
一定の値となることが、例えば、フィジックス オブ
セミコンダクター デバイセズ（Physics of Semicondu
ctor Devices:John Wiley ＆ Sons.Inc.,1981）276頁に
示されているように、一般に知られている。
（発明が解決しようとする課題） φｂの値をひとつのパラメータとして安定して変化さ
せることは、デバイスの設計において、例えば次のよう
な場合に重要となる。
MESFETを用いた論理回路素子の場合は、φｂでゲート
電極に加えられる電圧のハイレベルが制限され、集積度
を向上するために充分な動作マージンを確保するために
はφｂの向上が必要である。また、オーミック接合を形
成する場合にはバリアハイトを小さくして接触抵抗を低
下する必要がある。ところが、従来の技術で述べたよう
に、従来の（100）面を用いた通常の製造方法によるシ
ョットキー接合ではφｂの値を変化させることは困難で
あるという課題があった。さらに、変化したφｂを制御
性よく安定して製造することが困難であるという課題が
あった。
本発明の目的は、上記課題を解決し、バリアハイトの
変化した金属・半導体接合を有する半導体装置およびバ
リアハイトを制御性よく安定に製造する製造方法を提供
することにある。
（課題を解決するための手段） 本発明の第１の金属・半導体接合を有する半導体装置
は、閃亜鉛鉱型III−Ｖ族化合物半導体と金属との接合
を有する半導体装置において、該化合物半導体の表面の
面方位が（111）Ａ面であって、接合を形成する時の該
半導体面超構造が２×２であることを特徴とするもので
ある。
また、本発明の第２の金属・半導体接合を有する半導
体装置は、閃亜鉛鉱型III−Ｖ族化合物半導体と金属と
の接合を有する半導体装置において、該化合物半導体の
表面の面方位が（111）Ｂ面であって、接合を形成する
時の該半導体表面構造が２×２構造であることを特徴と
するものである。
また、本発明の第１の金属・半導体接合を有する半導
体装置の製造方法は、超高真空中で閃亜鉛鉱型III−Ｖ
族化合物半導体の（111）Ａ面にＶ族元素を当てながら6
00度以上のサーマルエッチングにより酸化層を除去して
２×２の表面超構造を形成する工程と、該表面超構造を
保持したまま基板を室温まで冷却する工程と、該表面上
に金属を被着する工程とを含んでなることを特徴とする
ものである。
また、本発明の第２の金属・半導体接合を有する半導
体装置の製造方法は、超高真空中で閃亜鉛鉱型III−Ｖ
族化合物半導体の（111）Ｂ面にＶ族元素を当てながら6
00度以上のサーマルエッチングにより酸化層を除去して
２×２の表面超構造を形成する工程と、該表面超構造を
保持したまま基板を室温まで冷却する工程と該表面上に
金属を被着する工程とを含んでなることを特徴とするも
のである。
（作用） III−Ｖ族化合物半導体の（111）面にはIII族元素が
終端面である（111）Ａ面とＶ族元素が終端面である（1
11）Ｂ面との２種類がある。本発明者らが鋭意検討した
ところ、（111）Ａ面およびＢ面上に現れる超構造２×
２構造上に金属を被着することによって、φｂがそれぞ
れＡ面では向上し、Ｂ面では低下するという実験結果が
得られた。また、600℃以上のサーマルエッチングによ
り安定して良好な２×２の超構造が実現でき、室温への
冷却工程と超高真空中での金属被着工程により良好な接
合が安定して得られることがわかった。
（実施例） 本発明の第１の金属・半導体接合を有する半導体装置
およびその製造方法についてのGaAsとAlの接合を例にと
った実施例について以下に説明する。
第１図は本発明にかかるAlとGaAsの接合を用いた縦型
ダイオードの断面図である。第１図において１はSiを２
×1017cm-3ドープしたｎ型GaAs（111）Ａ面基板、２はA
l、３はオーム性電極である。第１図の接合は以下のよ
うにして製造した。鏡面研磨したGaAs（111）Ａ面を、
硫酸系のエッチング液を用いて表面層を除去した後、塩
酸で自然酸化膜を除去する。その後、分子線エピタキシ
ー装置（MBE）内に導入し、300℃でプリヒートし、さら
に、500℃以上になったところでAsビームを１×10-5tor
rのAs圧条件で照射しながら、650℃まで基板温度を上昇
させる。この工程により、良好な２×２の表面超構造が
得られる。数分間、反射高エネルギー電子回折（RHEE
D）パターンを観察しながら、２×２の表面超構造が現
れるまで酸化膜を除去する。その後、基板温度を500℃
まではAsビームを照射しながら、500℃以下ではAsビー
ムをきって、室温まで基板を冷却する。その後、Alを蒸
着により約200nm被着して接合を形成する。さらに、裏
面にオーム性電極３を通常の方法で形成して、第１図の
縦型ダイオードが完成する。我々の実験による電流電圧
測定の結果からφｂを求めるとφｂは0.87eVとなった。
本発明通常の（100）面基板の場合にはφｂは、0.76eV
であり、0.11eVのφｂ上昇が実現できた。
この時の接合付近の熱平衡状態でのバンドを模式的に
示すと第２図のようになり、フェルミレベル21のピンニ
ング位置が、本発明の伝導帯端22から界面で0.87eVとな
っており、本発明の伝導帯端22及び価電子帯端23は、従
来の接合の伝導帯端24及びは、伝導帯端25からそれぞれ
0.11eVずつポテンシャルが高くなっていると考えられ
る。
また、本発明の第２の金属・半導体接合を有する半導
体装置およびその製造方法に関して、AlとGaAsの接合を
例にとって説明する。第３図は本発明にかかるAl・GaAs
接合を用いた縦型ダイオードの断面図である。第３図に
おいて31はｎ型GaAs（111）Ｂ面基板、32はAl、33はオ
ーム性電極である。第３図の接合は以下のようにして製
造した。鏡面研磨したGaAs（111）Ｂ面を、上記と同様
にして、自然酸化膜を除去した後、基板温度を630℃ま
で上昇させる以外は上記（111）Ａ面と同様の工程によ
り、２×２の表面超構造を得る。上記実施例と同様に室
温まで基板を冷却した後、Alを蒸着により約200nm被着
して接合を形成する。さらに裏面にオーム性電極33を通
常の方法で形成して、第３図の縦型ダイオードが完成す
る。ダイオードの電流電圧測定の結果からφｂを求める
と、我々の実験によればφｂは0.67eVとなった。通常の
（100）面基板の場合にはφｂは、0.76eVであり、0.09e
Vのφｂ低減が実現できた。これにより、コンタクト抵
抗は従来の場合の約1/6となる。
この時の接合付近の熱平衡状態でのバンドを模式的に
示すと第４図のようになり、フェルミレベル41のピンニ
ング位置が、本発明では伝導帯端42から界面で0.67eVと
なっていると考えられ、本発明ではそれぞれ伝導帯端4
2、価電子帯端43が従来の接合の場合の伝導帯端44、価
電子帯端45からそれぞれ0.09eVポテンシャルがひくくな
っていると考えられる。
なお実施例として示したAl・GaAs接合以外の金属・化
合物半導体においても同様の効果が得られ、金属として
は、Au,Ag,W,WSi,WAl,WN等、半導体としてはAlxGa1-xA
s、InAs、InAs、GaSbなど多くの組合せが可能である。
（発明の効果） 以上説明したように、本発明の第１の金属・半導体接
合を有する半導体装置においては、（111）Ａ面がIII族
元素で終端した状態で安定である性質と（111）Ａ面に
現れる２×２構造がφｂを向上する表面を提供するとい
う実験結果に基ずき、界面に於けるフェルミレベルのピ
ンニング位置を価電子帯端側に移動させ、その効果によ
ってショットキーバリアハイトを向上する効果がある。
この効果により、例えば本発明の接合をゲート接合に用
いたGaAsMESFETにより論理回路を構成する場合、ゲート
電極に加えられる正電位の限界がひろがり、論理振幅を
大きくできるなど、集積回路の集積度を向上する上で大
きな効果がある。さらに、本発明の第１の金属・半導体
接合を有する半導体装置の製造方法によれば、再現性よ
く（111）Ａ面上に２×２の超構造を実現して、φｂの
高い接合を安定して製造できるという効果がある。
また、本発明の第２の金属・半導体接合を有する半導
体装置においては、（111）Ｂ面がＶ族元素で終端した
状態で安定であるという性質と、（111）Ｂ面に現れる
２×２表面超構造上のショットキー接合においてφｂが
低減したという実験結果に基ずき従来の技術ではできな
かったφｂを低減する効果がある。例えば本発明の接合
をオーミック接合に用いた場合、バリアの低下により、
コンタクト抵抗の低減が実現でき、FETをはじめとして
素子の寄生抵抗の低減につながり、ひいては素子性能の
向上を実現する効果がある。さらに、本発明の第２の金
属・半導体接合を有する半導体装置の製造方法によれ
ば、再現性よく（111）Ｂ面上に２×２の超構造を実現
して、φｂの低い接合を安定して製造できるという効果
がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の金属・半導体接合を用いたダイ
オードの実施例を示す断面図、 第２図は本発明の第１の金属・半導体接合にかかる接合
付近のバンド構造を示す模式図、 第３図は本発明の第２の金属・半導体接合を用いたダイ
オードの実施例を示す断面図、 第４図は本発明の第２の金属・半導体接合にかかる接合
付近のバンド構造を示す模式図である。 １……ｎ型GaAs（111）Ａ基板、31……ｎ型GaAs（111）
Ｂ基板、2,32……Al電極、3,33……オーム性電極、21,4
1……フェルミレベル、22,42……本発明の接合の伝導帯
端、23,43……本発明の接合の価電子帯端、24,44……従
来の接合の伝導帯端、25,45……従来の接合の価電子帯
端。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】閃亜鉛鉱型III−Ｖ族化合物半導体と金属
    との接合を有する半導体装置において、該化合物半導体
    の表面の面方位が（111）Ａ面であって、接合を形成す
    る時の該半導体表面超構造が2x2構造であることを特徴
    とする金属・半導体接合を有する半導体装置。
  2. 【請求項２】閃亜鉛鉱型III−Ｖ族化合物半導体と金属
    との接合を有する半導体装置において、該化合物半導体
    の表面の面方位が（111）Ｂ面であって、接合を形成す
    る時の該半導体表面超構造が2x2構造であることを特徴
    とする金属・半導体接合を有する半導体装置。
  3. 【請求項３】超高真空中で閃亜鉛鉱型III−Ｖ族化合物
    半導体の（111）Ａ面にＶ族元素を照射しながら600℃以
    上のサーマルエッチングにより酸化層を除去して2x2の
    表面超構造を形成する工程と、該表面超構造を保持した
    まま基板を室温まで冷却する工程と、該表面上に金属を
    被着する工程とを含んでなることを特徴とする金属・半
    導体接合を有する半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項４】超高真空中で閃亜鉛鉱型III−Ｖ族化合物
    半導体の（111）Ｂ面にＶ族元素を照射しながら600℃以
    上のサーマルエッチングにより酸化層を除去して2x2の
    表面超構造を形成する工程と、該表面超構造を保持した
    まま基板を室温まで冷却する工程と、該表面上に金属を
    被着する工程とを含んでなることを特徴とする金属・半
    導体接合を有する半導体装置の製造方法。
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