JP4118459B2 - ショットキーバリアダイオード - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属と半導体との界面に生ずるショットキーバリアを利用した半導体整流素子であるショットキーバリアダイオード(以下SBDと略す)に関する。
【0002】
【従来の技術】
金属と半導体との界面に生ずるショットキーバリアを利用したSBDは、順方向特性と逆方向特性の間にトレードオフの関係があるため、ショットキーバリア高さ(以後、φbと記す)を調整する必要がある。[S.M.Sze. " Physics of Semiconductor Devices " p.378 参照]
半導体基板としてシリコンウェハを用いる場合、φbを調整する方法には、主に次の二つの方法がある。
【0003】
▲1▼バリア金属の選択[この場合、界面は金属/シリコン界面となる。例えば前掲 " Physics of Semiconductor Devices " 参照]
▲2▼シリサイド層の制御[この場合、界面は金属シリサイド/シリコン界面となる。例えば、大泊、原、知京、応用物理,vol.56, (1987), pp.311-331, “電子的尺度で見たシリサイド/シリコン界面の構造”参照]
▲1▼の方法では、一般にφbは基板の仕事関数と金属の電子親和力の差で決まる。仕事関数および電子親和力は材料固有の値であるため、金属材料を選択することにより、φbの制御はある程度の範囲で可能であるが、微妙な調整はできない。
【0004】
▲2▼の方法は、熱処理により金属/シリコン界面ではなく、金属シリサイド/シリコン界面のショットキーバリアを形成する方法である。金属シリサイドの組成は熱処理温度によって変るため、φbは熱処理温度によって変化させることができる。しかし、扱い易さの問題や材料が限定されることから万能な方法ではない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方法では、金属単体あるいは、金属シリサイド固有の仕事関数で決定されるので、任意のφbを得ることはできなかった。
本発明の目的は、バリア高さφbの精密な制御を行うことにより、順方向特性および逆方向特性の調整をおこなえるSBDを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の課題解決のため本発明のSBDは、半導体に対して異なるφbを示し、金属間化合物を形成しない組み合わせの、2種類以上の金属材料の合金からなるバリア金属を有するものとする。
【0007】
A金属とB金属との2種類の金属の合金が例えば共晶合金の場合、組織はA金属とB金属とが非常に微細に混合した組織となる。従って、そのような合金からなるバリア金属を有するSBDは、各々の金属単独のSBDのバリア高さφbの中間のφbを持つことから、合金組成を調整することによって、単体金属では達成できなかったφbをもつSBDとすることができ、電気的特性の精密な制御が可能となる。
【0008】
バリア金属を構成する合金のうち、二種類の金属の組み合わせとしては、スカンジウムと、エルビウム、イットリウム(以下Yと記す)、チタン(以下Tiと記す)、マンガン(以下Mnと記す)、ジルコニウム(以下Zrと記す)、バナジウム(以下Vと記す)、クロム(以下Crと記す)、タンタル(以下Taと記す)、モリブデン(以下Moと記す)、白金(以下Ptと記す)のいずれかとの組み合わせ、エルビウムと、Y、Ti、Zr、V、Ta、Moのいずれかとの組み合わせ、Yと、Ti、Zr、V、Ta、Moのいずれかとの組み合わせ、Tiと、Zr、V、Cr、ニッケル(以下Niと記す)、Taのいずれかとの組み合わせ、Mnと、V、コバルト、Taのいずれかとの組み合わせ、ZrとTaとの組み合わせ、Vと、Cr、Ta、Moのいずれかとの組み合わせ、Crと、Niとの組み合わせTaとMoとの組み合わせのいずれかとする。
これらの組み合わせは、シリコンに対して異なるφbを示し、金属間化合物を形成しない組み合わせである。
【0009】
2種類以上の金属材料の合金が金属間化合物を作る組み合わせの場合は、組織は、一方のA金属、またはB金属と金属間化合物とが微細に混合した組織となる。従って、そのような合金からなるバリア金属を有するSBDは、A金属と金属間化合物の中間のφbを持つと考えられるが、金属間化合物のφbは必ずしもA金属と、B金属とのφbの間の値をとるとは限らない。従って、単体金属のφbから合金のφbを知ることはできず、合金のφbを制御することはできない。或いはまた金属間化合物が多数ある場合には、金属間化合物と金属間化合物とが微細に混合した組織となるかも知れず、その場合も同様である。
【0010】
【発明の実施の形態】
[実施例1]
金属間化合物を作らない金属の組み合わせとして先ずTiとYの組み合わせを選び、その合金からなるバリア金属をもつSBDを試作した。
【0011】
図3はTi−Y系の状態図である[Dr.William G.Moffatt,"THE HANDBOOK OF BINARY PHASE DIAGRAMS" 他]。この図から、Ti−Y系では、金属間化合物を生じないことがわかる。
【0012】
図2は、バリア金属にTiとYとの合金を用いたSBDの断面図である。
n型のシリコン基板1の表面にTi−Y合金のバリア金属2が接触し、その上をAl電極3が覆っている。4は裏面のオーミック電極である。5はシリコン基板1の表面層に形成されたpガードリングであり、その外側のシリコン基板1の表面には酸化膜6が形成されている。
【0013】
Ti−Y合金膜の形成は次のようにおこなった。TiとYとの二つの蒸発源を用いた同時蒸着により、Ti−Y合金のバリア金属を形成する。Ti−Y合金の組成制御は、成膜速度で制御し、Ti:Y=2:8、4:6、8:2の三種類の組成比の合金の試料を試作した。その後、裏面のオーミック電極4としてTi/Ni/Au三層膜を形成した。
【0014】
図1は、試作したSBDの電流−電圧特性から算出したφbのTi−Y合金組成依存性を示す特性図である。比較のために、それぞれTi単体およびY単体をバリア金属に用いたSBDについても併せて示した。
【0015】
TiとYとの蒸着速度(組成)を変化させた合金のSBDのφbは、Ti100% (Y:0% )のφbからY100% (Ti:0% )のφbを結んだ直線[φb(TiX 1-X )=xφb(Ti)+(1−x)φb(Y),0≦x≦1]上にほぼ載っている。
従って、Ti−Y合金の成膜速度(組成)を変化させることでφbを制御できることが確認された。
【0016】
[実施例2]
実施例1のn型シリコンウェハの代わりにp型シリコンウェハを用いたSBDを試作した。
【0017】
バリア金属は実施例1と同様にTi−Y合金を蒸着にて形成した。その結果、図1と同様な傾向を示し、p型シリコンウェハにおいてもTi−Y組成を変化させることでφbを制御できることが確認された。
【0018】
[実施例3]
次に、金属間化合物を形成しない金属の組合せとして、ZrとTaを選び、その合金をバリア金属とするSBDを試作した。
【0019】
ZrとTaとは、共に蒸気圧が非常に低い材料であるため、蒸着法でバリア金属を堆積させるのは難しい。そこで、スパッタ法によりZr−Ta合金の形成をおこなった。Taターゲットとその上に添加したチップ形状のZrターゲットの面積を変えて、合金組成を変化させた。
【0020】
図4は、試作したSBDの電流−電圧特性から算出したφbのZr−Ta合金組成依存性を示す特性図である。比較のために、それぞれZr単体およびTa単体をバリア金属に用いたSBDについても併せて示した。
【0021】
結果は、図1と同様な傾向を示し、ZrとTaとの蒸着速度(組成)を変化させた合金のSBDのφbは、Zr100% (Ta:0% )のφbからTa100% (Zr:0% )のφbを結んだ直線[φb(ZrX Ta1-X )=xφb(Zr)+(1−x)φb(Ta),0≦x≦1]上にほぼ載っている。従って、Zr−Ta合金の成膜速度(組成)を変化させることでφbを制御できることが確認された。
【0022】
図5はZr−Ta系の状態図である[前掲"THE HANDBOOK OF BINARY PHASE DIAGRAMS" ]。この図から、Zr−Ta系では、金属間化合物を生じないことがわかる。
【0023】
[比較例1]
次に、 金属間化合物を作る金属の組み合わせとして、MnとYの組み合わせを選び、それをバリア金属とするSBDを試作した。
【0024】
図6はMn−Y系状態図である[Francis A.Shunk,"Constitution of Binary Alloys,Second Supplement"]。
MnとYとは、YMn12やY6 Mn23などの様々な金属間化合物を形成することがわかる。
実施例1と同様に、バリア金属の合金組成比を蒸着速度により制御し、それぞれのサンプルの成膜速度も実施例1のTiYの比と同じにした。
【0025】
図7は、試作したSBDの電流−電圧特性から算出したφbのMn−Y合金組成依存性を示す特性図である。比較のために、それぞれMn単体およびY単体をバリア金属に用いたSBDについても併せて示した。
【0026】
MnとYとの蒸着速度(組成)を変化させたにも関わらず、合金のSBDのφbはMn/Yの比に依存せず、Mn100% (Y:0% )のφbと同程度の値を示した。すなわち合金のSBDのφbはMnのSBDのφbとYのSBDのφbとの間には入っていない。従って、合金組成によるφbの制御はできないことになる。
【0027】
[比較例2]
金属間化合物を形成する金属の組み合わせとして、ZrとVの組み合わせを選び、それをバリア金属とするSBDを試作した。
その結果、合金組成によるφbの制御はできなかった。
【0028】
図8はZr−V系状態図である[前掲"Constitution of Binary Alloys,Second Supplement"]。
ZrとVとは、V2 Zrなる金属間化合物を形成することがわかる。
【0029】
図9は、バリア金属とされた合金の金属元素の組み合わせ図である。図中の●印は金属間化合物を形成しない材料、×印は金属間化合物を形成する材料を示す。
金属間化合物を作らない組み合わせ(●印)では、合金をバリアメタルとして試作したSBDにおけるφbの組成依存性が線形であり、組成によるφbの制御が可能であった。
【0030】
一方、金属間化合物を形成する組み合わせ(×印)の合金をバリアメタルとして試作したSBDでは、合金組成を変えてもφbにほとんど変化がなかったり、φbの線形性が悪かったりして、組成によるφbの制御はできなかった。
【0031】
[実施例4]
合金を作る二種類の金属の、それぞれを単独でバリア金属としたSBDにおけるφbの差が大きい場合、合金組成の小さなズレでφbが急激に変化してしまうことになる。
そのような場合、大小φbの中間値を示す材料を添加し、3元合金とすることにより、φbの制御性を高め、精密な制御をすることができる。
【0032】
実際に、Y、VおよびMoの3種類の金属からなる合金をバリア金属とするSBDを試作した。バリア金属の形成方法は実施例1と同様に蒸着法にておこなった。VおよびMoの蒸着速度を一定にし、Yの蒸着速度を変化させて、合金組成を変化させた。
【0033】
その結果、図1と同様に組成比に依存〔φb(Ym n Mo1-m-n ) =mφb(Y) +nφb(V) +( 1−m−n) φb(Mo) ,0≦m≦1,0≦n≦1,0≦m+n≦1〕した傾向を示し、Y−V−Mo三元合金においてもφbを制御できることが確認された。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、金属間化合物を形成しない2種類の金属をバリア金属として用い、そのバリア金属の組成比を変化させることによって、半導体との界面に形成されるφbを任意に制御できる。この方法をとることによって、単独の金属をバリア金属として用いたSBDでは得られなかった、順方向特性と逆方向特性とをもつSBDが得られるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】Ti−Y合金バリアを用いたSBDの組成とφbとの関係を示す特性図
【図2】Ti−Y合金バリアを用いたSBDの断面図
【図3】Ti−Y系の状態図
【図4】Zr−Ta合金バリアを用いたSBDの組成とφbとの関係を示す特性図
【図5】Zr−Ta系の状態図
【図6】Mn−Y合金バリアを用いたSBDの組成とφbとの関係を示す特性図
【図7】Mn−Y系の状態図
【図8】Zr−V系の状態図
【図9】バリア金属材料候補の一覧図
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 バリア金属
3 Al電極
4 オーミック電極
5 pガードリング
6 酸化膜

Claims (1)

  1. 金属と半導体との界面に生ずるショットキー障壁を利用したショットキーバリアダイオードにおいて、半導体に対して異なるショットキーバリア高さを示し、金属間化合物を形成しない組み合わせの、2種類以上の金属材料の合金からなるバリア金属を有し、該バリア金属を構成する金属元素のうち、二種類の金属の組み合わせがスカンジウムと、エルビウム、イットリウム、チタン、マンガン、ジルコニウム、バナジウム、クロム、タンタル、モリブデン、白金のいずれかとの組み合わせ、
    エルビウムと、イットリウム、チタン、ジルコニウム、バナジウム、タンタル、モリブデンのいずれかとの組み合わせ、
    イットリウムと、チタン、ジルコニウム、バナジウム、タンタル、モリブデンのいずれかとの組み合わせ、
    チタンと、ジルコニウム、バナジウム、クロム、ニッケル、タンタルのいずれかとの組み合わせ、
    マンガンと、バナジウム、コバルト、タンタルのいずれかとの組み合わせ、
    ジルコニウムとタンタルとの組み合わせ、
    バナジウムと、クロム、タンタル、モリブデンのいずれかとの組み合わせ、
    クロムと、ニッケルとの組み合わせ
    タンタルとモリブデンとの組み合わせのいずれかであることを特徴とするショットキーバリアダイオード。
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