JP4281581B2 - 接触抵抗評価素子、その製造方法、及び接触抵抗評価方法 - Google Patents

Description

この発明は、接触抵抗評価素子、その製造方法、及び接触抵抗評価方法に関する。

半導体電子回路を形成する際に、半導体に対し低い接触抵抗特性を有するオーミック電極を形成することが重要である。従来、その接触抵抗を評価するために、伝送線路モデル（ＴＬＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌ）法が行われてきた（例えば、非特許文献１参照）。

図を参照して、ＴＬＭ法について簡単に説明する。図３はＴＬＭ法で用いられる接触抵抗評価素子を説明するための図である。図３（ａ）は、上面からみた概略的平面図であり、図３（ｂ）は、概略的断面図である。

半導体基板１１１中に導電層１１３が形成されている。導電層１１３は、ｎ型不純物又はｐ型不純物のイオン注入によってｎ⁺型又はｐ⁺型の導電層になっている。導電層１１３の表面に同じ大きさかつ同じ形状の第１、第２及び第３コンタクト電極（以下、単に電極と称することもある。）１２１、１２３及び１２５が形成されている。ここでは、第１、第２及び第３電極１２１、１２３及び１２５は長方形状であり、第２及び第３電極１２３及び１２５は、第１電極１２１の長辺に垂直な方向に平行移動された位置に配置されている例について説明する。通常、この第１、第２及び第３電極１２１、１２３及び１２５は、絶縁膜１１５（図３（ａ）では図示しない）の中に埋め込まれていて、計測のための引き出し電極（図示しない。）が取り付けられている。

第１電極１２１と第３電極１２５との間の距離をＬ１、第２電極１２３と第３電極１２５との間の距離をＬ２とする。ここでは、Ｌ２をＬ１の２倍としている。

第１電極１２１と導電層１１３との間のコンタクト抵抗（接触抵抗）をＲｃ１とし、第２電極１２３と導電層１１３との間のコンタクト抵抗をＲｃ２とし、さらに、第３電極１２５と導電層１１３との間のコンタクト抵抗をＲｃ３とする。第１、第２及び第３電極１２１、１２３及び１２５は、同じ大きさであることから、第１、第２及び第３電極１２１、１２３及び１２５と導電層１１３との間のコンタクト抵抗は等しいので、各電極と導電層１１３との間のコンタクト抵抗をＲｃ（＝Ｒｃ１＝Ｒｃ２＝Ｒｃ３）とする。

第１電極１２１と第３電極１２５との間の導電層の抵抗であるシート抵抗をＲｓ１とし、さらに、第２電極１２３と第３電極１２５との間のシート抵抗をＲｓ２とする。第１電極１２１と第２電極１２３を対辺とするような長方形状に限定された領域に導電層１１３が形成されているときは、シート抵抗Ｒｓ１とＲｓ２の値は、電極間の距離に比例して決まるので、Ｒｓ２＝Ｒｓ１×２となる。

第１電極１２１及び第３電極１２５の間の抵抗Ｒ１を測定すると、測定される抵抗Ｒ１は、第１及び第３電極１２１及び１２５の間のシート抵抗Ｒｓ１とそれぞれの接触抵抗Ｒｃ１及びＲｃ３との和になるので、式（１）のように表される。
Ｒ１＝Ｒｃ１＋Ｒｓ１＋Ｒｃ３ （１）

ここで、Ｒｃ１＝Ｒｃ３＝Ｒｃであるので、式（１）は式（２）のように変形される。
Ｒ１＝Ｒｃ×２＋Ｒｓ１ （２）

第２電極１２３と第３電極１２５との間の抵抗Ｒ２を測定すると、測定される抵抗Ｒ２は、式（２）で表された抵抗Ｒ１と同様に式（３）のように表される。
Ｒ２＝Ｒｃ×２＋Ｒｓ２ （３）

式（２）及び式（３）とＲｓ２＝Ｒｓ１×２の関係から、シート抵抗Ｒｓ１及びＲｓ２を消去すると、式（４）が得られる。
Ｒｃ＝（Ｒ１×２−Ｒ２）／２ （４）

接触抵抗Ｒｃは、測定される抵抗値Ｒ１及びＲ２から、式（４）を用いて求められる。
大森正道著「超高速化合物半導体デバイス」ｐ．２００〜２０１、培風館 １９８６年

しかしながら、上述のＴＬＭ法では、接触抵抗評価素子は、コンタクト電極の配置に応じて限定された領域に導電層を備える必要がある。接触抵抗評価素子の限定された領域に導電層を設けるため、半導体表面に絶縁膜を形成する工程、ホトリソ・エッチングにより開口部を設ける工程、選択拡散により導電層を形成する工程などが必要であった。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、コンタクト電極の配置に応じて導電層の領域を限定することなく、接触抵抗を測定できる接触抵抗評価素子の構造、その製造方法、及びこの接触抵抗評価素子を用いた接触抵抗の評価方法を提供することである。

上述した目的を達成するために、この発明の接触抵抗評価素子は、半導体基板上にオーミックコンタクトにより形成された第１及び第２接触抵抗評価電極と共通電極とを備えて構成されている。第１接触抵抗評価電極と共通電極との間の半導体部分の第１半導体抵抗と、第２接触抵抗評価電極と共通電極との間の半導体部分の第２半導体抵抗とを等しくし、かつ第１接触抵抗評価電極の面積と第２接触抵抗評価電極の面積とを異なる面積としている。

上述した接触抵抗評価素子の好適実施例によれば、第１及び第２接触抵抗評価電極が共
通電極に対して対称な位置に配置されているのが良い。また、第１及び第２接触抵抗評価電極が矩形状であり、第１接触抵抗評価電極の、共通電極に対向する辺の長さと、第２接触抵抗評価電極の、共通電極に対向する辺の長さとが等しくするのが良い。

さらに、上述した接触抵抗評価素子は、共通電極の面積が、前記第１及び第２接触抵抗評価電極の面積よりも大きいことが好ましい。

上述した目的を達成するために、この発明の接触抵抗評価素子の製造方法は以下の工程を含んでいる。先ず、半導体基板に、ｐ型又はｎ型の不純物をイオン注入することにより、ｐ型又はｎ型の導電層を設ける。次に、半導体基板の導電層上に、ホトレジストを設ける。次に、ホトリソグラフィ法により、ホトレジストに、共通電極形成用開口部を設け、かつ、ホトレジストの共通電極形成用開口部に対して対称な位置に、第１及び第２接触抵抗評価電極形成用開口部を設けてホトレジストパターンを形成する。次に、ホトレジストパターンをマスクとした蒸着により、共通電極形成用開口部に共通電極を、かつ、第１及び第２接触抵抗評価電極形成用開口部に第１及び第２接触抵抗評価電極を、それぞれオーミック電極として形成する。次に、ホトレジストパターンを除去する。

上述した目的を達成するために、この発明の接触抵抗評価方法は、以下のように実施される。上述の接触抵抗評価素子を用いて、第１接触抵抗評価電極と共通電極間の第１抵抗Ｒ１を測定し、第２接触抵抗評価電極と前記共通電極間の第２抵抗Ｒ２を測定する。第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２、及び第１接触抵抗評価電極に対する第２接触抵抗評価電極の面積の比ｋから第１及び第２接触抵抗評価電極の接触抵抗Ｒｃ１及びＲｃ２を以下の式
Ｒｃ１＝（Ｒ１−Ｒ２）／（１−１／ｋ）
Ｒｃ２＝（Ｒ１−Ｒ２）／（ｋ−１）
から求める。

この発明の接触抵抗評価素子及び接触抵抗評価方法を用いると、導電層の領域を、接触抵抗評価電極の配置によって限定することなく、接触抵抗の評価が可能となるので、従来、導電層の面積が小さいためＴＬＭ法の適応が困難であったメサ型トランジスタに対しても容易に接触抵抗の評価を行うことができる。

共通電極の面積を、第１及び第２接触抵抗評価電極の面積よりも大きくすることで、共通電極の接触抵抗を相対的に小さくし、より精度良く接触抵抗評価を行うことができる。

この発明の接触抵抗評価素子の製造方法によれば、接触抵抗評価電極の配置によって限定された領域の導電層が不要であるので、この限定された領域に導電層を形成するために必要な工程を、含まない簡単な工程で製造することができる。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の大きさ、形状および配置関係についてはこの発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の組成（材質）および数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されない。

（接触抵抗評価素子及び接触抵抗評価方法）
図を参照して、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の接触抵抗評価素子を説明するための図であり、図１（ａ）は、概略的平面図であり、図１（ｂ）は、概略的断面図である。

半導体基板１１中に導電層１３が形成されている。導電層１３は、ｎ型不純物又はｐ型不純物のイオン注入によってｎ⁺型又はｐ⁺型の導電層になっている。導電層の表面１３ａ上に共通電極２５が形成されている。同様に、この導電層の表面１３ａ上に、第１接触抵抗評価電極２１及び第２接触抵抗評価電極２３が、共通電極２５に対して対称な位置に配置されている。以下、接触抵抗評価電極を単に電極と称する。また、ここで説明する構成例では、共通電極２５及び第１及び第２電極を矩形形状とする。従って、第１電極２１と共通電極２５との間の距離をＬ１、第２電極２３と共通電極２５との間の距離をＬ２とすると、Ｌ１とＬ２が等しくなっている。

第１及び第２電極２１及び２３と、共通電極２５とは、絶縁膜１５（図１（ａ）では図示しない）の中に埋め込まれていて、計測のための引き出し電極（図示しない。）が取り付けられている。

第１電極２１及び第２電極２３はその平面形状を矩形形状としてある。第１電極２１及び第２電極２３の、共通電極２５に対向する第１の辺（図１（ａ）中、縦の辺）の長さは同一とし、第１の辺に直交する第２の辺（図１（ａ）中、横の辺）の長さは両者で相違している。この第２の辺の長さの違いによって、第１電極２１と第２電極２３の面積も異なっている。なお、第１電極２１及び第２電極２３の第１の辺の長さを等しくするのは、第１電極２１と共通電極２５との間を流れる電流経路と、第２電極２３と共通電極２５との間を流れる電流経路との対称性が失われないためである。電流経路は、図１（ａ）中、破線Ｉで示している。

第１電極２１と導電層１３との間の接触抵抗をＲｃ１とし、第２電極２３と導電層１３との間の接触抵抗をＲｃ２とし、さらに、共通電極２５と導電層１３との間の接触抵抗をＲｃ３とする。接触抵抗は、電極の面積に逆比例するので、第２電極２３の面積Ｓ２が、第１電極２１の面積Ｓ１のｋ倍、すなわち、Ｓ２／Ｓ１＝ｋのとき、Ｒｃ１／Ｒｃ２＝ｋとなる。

第１電極２１と共通電極２５の間の第１の半導体部分の抵抗（以下、半導体抵抗と称する。）をＲｓ１とし、さらに、第２電極２３と共通電極２５との間の第２半導体抵抗をＲｓ２とする。ここで、第１電極２１と共通電極２５との間の電流経路、及び第２電極２３と共通電極２５との間の電流経路に対称性があるため、Ｒｓ１とＲｓ２は等しい抵抗Ｒ（＝Ｒｓ１＝Ｒｓ２）になる。

第１電極２１と共通電極２５との間の抵抗Ｒ１を測定すると、測定される抵抗Ｒ１は、第１電極２１及び共通電極２５の間の第１半導体抵抗Ｒｓ１とそれぞれの接触抵抗Ｒｃ１及びＲｃ３との和になるので、式（５）のように表される。
Ｒ１＝Ｒｃ１＋Ｒｓ１＋Ｒｃ３ （５）

第２電極２３と共通電極２５との間の抵抗Ｒ２を測定すると、測定される抵抗Ｒ２は、上述のＲ１と同様に式（６）のように表される。
Ｒ２＝Ｒｃ２＋Ｒｓ２＋Ｒｃ３ （６）

ここで、Ｒｓ１＝Ｒｓ２＝Ｒの関係、及び、Ｒｃ１／Ｒｃ２＝ｋの関係を用いて、式（５）及び式（６）からＲｃ１及びＲｃ２を求めると、式（７）及び式（８）となる。
Ｒｃ１＝（Ｒ１−Ｒ２）／（１−１／ｋ） （７）
Ｒｃ２＝（Ｒ１−Ｒ２）／（ｋ−１） （８）

接触抵抗率は、式（７）及び（８）で求めた接触抵抗Ｒｃ１及びＲｃ２に第１電極２１及び第２電極２３のそれぞれの面積Ｓ１及びＳ２をかけることによって求めることができる。

第１電極２１及び第２電極２３の接触抵抗の差を測定するので、第１電極２１及び第２電極２３の面積が異なっている必要がある。ただし、第１電極２１と共通電極２５の間の電流経路と第２電極２３と共通電極２５の間の電流経路との対称性が失われないために、第１電極２１と第２電極２３の面積は、一方が他方の２から３倍程度（ｋ＝２〜３）であるのが好ましい。

共通電極２５の面積Ｓ３については、第１電極２１の面積Ｓ１及び第２電極２３の面積Ｓ２よりも大きく、特に１０倍以上に、するのが好適である。Ｓ３がＳ１及びＳ２よりも大きくなると、面積に逆比例して接触抵抗が小さくなるので、式（５）及び式（６）に含まれているＲｃ３が相対的に小さくなる。したがって、抵抗Ｒ１及びＲ２を測定したときの、半導体抵抗Ｒｓ１及びＲｓ２並びに接触抵抗Ｒｃ１及びＲｃ２の成分が相対的に大きくなり、その結果、共通電極の面積が小さい場合に比べて、接触抵抗評価の精度を向上させることが可能となる。

以上の説明では、第１電極２１及び第２電極２３を共通電極２５に対して対称の位置に配置したが、電流経路が同様であれば、すなわち、半導体抵抗Ｒｓ１及びＲｓ２が等しくなれば、第２電極２３を共通電極２５に対して、第１電極２１と同じ側に配置するなど、設定に応じた配置にしても良い。

また、第１電極２１と共通電極２５の距離Ｌ１及び、第２電極２３と共通電極２５の距離Ｌ２を大きく取ることにより、半導体抵抗Ｒｓ１及びＲｓ３の差を低減するようにしても良い。

図２にこの発明の接触抵抗評価方法をメサ型のトランジスタに適用した例を示す。接触抵抗評価の対象である素子を図２（ａ）に示す。半導体基板１２に導電層１４が設けられ、半導体基板１２の導電層１４の表面１４ａ上に共通電極２６と接触抵抗の評価対象であるオーミック電極２７が形成されている。なお、計測のための引き出し電極等は図示しない。オーミック電極２７は図１を参照して説明した接触抵抗評価素子の第１電極（図１中２１で示す。）に対応しており、図２では図示しない第２電極を用いて、接触抵抗評価を行う。

オーミック電極の接触抵抗評価を行った後に、オーミック電極の周囲に素子分離領域１７を形成して、メサ型のトランジスタとする（図２（ｂ）参照）。

ＴＬＭ法では、上述のような、メサ型のトランジスタでの接触抵抗の評価は困難であったが、この発明の接触抵抗評価素子及び接触抵抗評価方法では、接触抵抗の評価を行った後に、評価を行ったオーミック電極の部分をメサ形状に加工することで、容易に接触抵抗の評価ができる。

更に、この発明の接触抵抗評価方法を利用した導電層の抵抗率の測定方法について説明する。共通電極の面積が大きいなど接触抵抗Ｒｓ３が無視できる場合、抵抗Ｒ１（あるいはＲ２）は、接触抵抗Ｒｃ１（あるいはＲｃ２）と導電層の抵抗からなる。測定した抵抗Ｒ１（あるいはＲ２）から、上述した方法で評価した接触抵抗Ｒｃ１（あるいはＲｃ２）を差し引くと導電層の抵抗値が得られる。この値は電極の形状によって大きく変化する。そこで、あらかじめＴＬＭ法などによって導電層の抵抗率を求めておき、校正することで、導電層の抵抗値より導電層の抵抗率を求めることができる。

また、二つの電極間を流れる電流経路及びその抵抗値は、導電層の抵抗率が既知の場合、シミュレーションによって求めることができる。そこで、測定した抵抗値（例えば抵抗Ｒ１から接触抵抗Ｒｃ１を差し引いたもの）からシミュレーションにより逆算することでも、導電層の抵抗率を求めることができる。

（接触抵抗評価素子の製造方法）
この発明の接触抵抗評価素子の製造方法について説明する。

先ず、半導体基板に、ｐ型又はｎ型の不純物をイオン注入することにより、ｐ型又はｎ型の導電層を設ける。

次に、半導体基板の導電層上に、ホトレジストを設ける。周知のホトリソグラフィ法により、ホトレジストに、共通電極形成用開口部を設け、かつ、ホトレジストの共通電極形成用開口部に対して対称な位置に、第１及び第２接触抵抗評価電極形成用開口部を設けてホトレジストパターンを形成する。

次に、ホトレジストパターンをマスクとした蒸着により、共通電極形成用開口部に共通電極を、かつ、第１及び第２接触抵抗評価電極形成用開口部に第１及び第２接触抵抗評価電極を、それぞれオーミック電極として形成する。次に、ホトレジストパターンを除去する。共通電極並びに第１及び第２接触抵抗評価電極の材質は、半導体基板の材質に応じて、設定可能であるが、例えば半導体基板がシリコン基板の場合は、Ａｌなどが用いられ、ＧａＡｓ基板の場合は、導電層の極性に応じてＡｇＧｅＩｎやＡｇＩｎＺｎなどが用いられる。

最後にホトレジストパターンを除去すると、リフトオフにより共通電極並びに第１及び第２接触抵抗評価電極が半導体基板上に残り、接触抵抗評価素子となる。

この接触抵抗評価素子の製造方法によれば、半導体基板に導電層を設ける際に、導電層の領域を限定する必要がない。このため、導電層を設けるためのマスクを形成したりする工程が不要になり、簡単な工程で、接触抵抗評価素子を製造できる。

この発明の接触抵抗評価素子を説明するための図である。 メサ型トランジスタに対する接触抵抗評価方法を説明するための図である。 ＴＬＭ法に用いられる接触抵抗評価素子を説明するための図である。

符号の説明

１１、１２、１１１ 半導体基板
１３、１４、１１３ 導電層
１３ａ、１４ａ 導電層の表面
１５、１１５ 絶縁膜
１７ 素子分離領域
２１、１２１ 第１電極
２３、１２３ 第２電極
２５、２６ 共通電極
２７ オーミック電極
１２５ 第３電極

Claims (5)

1. 半導体基板上にオーミックコンタクトにより形成された第１及び第２接触抵抗評価電極及び共通電極を備え、
   前記第１及び第２接触抵抗評価電極が前記共通電極に対して対称な位置に配置され、
   前記第１及び第２接触抵抗評価電極が矩形状であり、前記第１接触抵抗評価電極の、前記共通電極に対向する辺の長さと、前記第２接触抵抗評価電極の、前記共通電極に対向する辺の長さとが等しく、かつ、前記第１接触抵抗評価電極の面積と前記第２接触抵抗評価電極の面積とが異なっている
   ことを特徴とする接触抵抗評価素子。
2. 請求項１に記載の接触抵抗評価素子において、
   前記第１及び第２接触抵抗評価電極の一方の面積が、他方の面積の２〜３倍であること
   を特徴とする接触抵抗評価素子。
3. 請求項１又は２に記載の接触抵抗評価素子において、
   前記共通電極の面積が、前記第１及び第２接触抵抗評価電極の面積よりも大きいこと
   を特徴とする接触抵抗評価素子。
4. 半導体基板に、ｐ型又はｎ型の不純物をイオン注入することにより、ｐ型又はｎ型の導電層を設ける工程と、
   前記半導体基板の前記導電層上に、ホトレジストを設ける工程と、
   ホトリソグラフィ法により、前記ホトレジストに、共通電極形成用開口部を設け、かつ、前記ホトレジストの前記共通電極形成用開口部に対して対称な位置に、第１及び第２接触抵抗評価電極形成用開口部を設けてホトレジストパターンを形成する工程と、
   前記ホトレジストパターンをマスクとした蒸着により、前記共通電極形成用開口部に共通電極を、かつ、前記第１及び第２接触抵抗評価電極形成用開口部に第１及び第２接触抵抗評価電極を、それぞれオーミック電極として形成する工程と、
   前記ホトレジストパターンを除去する工程と
   を含み、
   前記第１及び第２接触抵抗評価電極が矩形状であり、前記第１接触抵抗評価電極の、前記共通電極に対向する辺の長さと、前記第２接触抵抗評価電極の、前記共通電極に対向する辺の長さとが等しく、かつ、前記第１接触抵抗評価電極の面積と前記第２接触抵抗評価電極の面積とが異なっている
   ことを特徴とする接触抵抗評価素子の製造方法。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の接触抵抗評価素子を用いた接触抵抗評価方法において、
   前記第１接触抵抗評価電極と前記共通電極間の第１抵抗Ｒ１を測定し、
   前記第２接触抵抗評価電極と前記共通電極間の第２抵抗Ｒ２を測定し、
   前記第１抵抗Ｒ１、前記第２抵抗Ｒ２及び前記第１接触抵抗評価電極に対する第２接触抵抗評価電極の面積の比ｋから前記第１及び第２接触抵抗評価電極の接触抵抗Ｒｃ１及びＲｃ２を以下の式
   Ｒｃ１＝（Ｒ１−Ｒ２）／（１−１／ｋ）
   Ｒｃ２＝（Ｒ１−Ｒ２）／（ｋ−１）
   から求めること
   を特徴とする接触抵抗評価方法。

Images