JPH04361576A - High dielectric constant oxide semiconductor device - Google Patents

High dielectric constant oxide semiconductor device

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JPH04361576A
JPH04361576A JP3137715A JP13771591A JPH04361576A JP H04361576 A JPH04361576 A JP H04361576A JP 3137715 A JP3137715 A JP 3137715A JP 13771591 A JP13771591 A JP 13771591A JP H04361576 A JPH04361576 A JP H04361576A
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JP
Japan
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oxide semiconductor
dielectric constant
region
tunnel barrier
electrode
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Withdrawn
Application number
JP3137715A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasutaka Tamura
泰孝 田村
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
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Publication of JPH04361576A publication Critical patent/JPH04361576A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To realize a high dielectric constant oxide semiconductor device low in contact resistance by a method wherein a high carrier concentration region is provided onto the surface of a high dielectric constant oxide semiconductor region, and a material region lower than the oxide semiconductor in dielectric constant is formed on the high carrier concentration region. CONSTITUTION:A high carrier concentration region 2 of SrTiO3 doped with Nb is made to grow on an oxide semiconductor device 1 of SrTiO3 doped with Nb. Furthermore, a tunnel barrier layer 3 of aluminum oxide is deposited on the region 2, and an electrode 4 of Nb is provided onto the layer 3. As mentioned above, a high carrier concentration region of N<+>-type oxide semiconductor is arrange on an N-type oxide semiconductor region, a tunnel barrier layer of low dielectric constant is formed thereon, and a metal electrode is formed on the barrier layer, so that a tunnel current flows between the electrode and the oxide semiconductor region when a voltage is applied between them.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に関し、特
に高い誘電率を有する酸化物半導体を用い、かつ低抵抗
コンタクトを有する高誘電率酸化物半導体装置に関する
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a high dielectric constant oxide semiconductor device using an oxide semiconductor having a high dielectric constant and having a low resistance contact.

【0002】本明細書において、高誘電率とは少なくと
も100以上の比誘電率を指す。高誘電率を有し、半導
体的バンド構造を持った高誘電率半導体の多くは酸化物
である。これらの高誘電率酸化物半導体は数mV程度の
低電圧で動作し得る高感度半導体素子を作成し得る可能
性を持ち、その将来性が注目されている。
[0002] In this specification, a high dielectric constant refers to a dielectric constant of at least 100 or more. Most high-permittivity semiconductors having a high dielectric constant and a semiconductor-like band structure are oxides. These high dielectric constant oxide semiconductors have the potential to create highly sensitive semiconductor elements that can operate at a low voltage of about several mV, and their future potential is attracting attention.

【0003】たとえば、ダイオードの場合、通常の半導
体ダイオードよりさらに微弱な電磁波を検出するための
検波素子を作成することができる。また、トランジスタ
の場合、消費電力の極めて小さなトランジスタを作成す
ることができる。この様なトランジスタは、高集積度の
集積回路構成要素として、高性能コンピュータの構成要
素として利用価値が高い。
For example, in the case of a diode, it is possible to create a detection element for detecting electromagnetic waves weaker than that of a normal semiconductor diode. Further, in the case of a transistor, a transistor with extremely low power consumption can be manufactured. Such a transistor has high utility value as a component of a highly integrated circuit and a component of a high-performance computer.

【0004】これらの素子を利用して外部にリード線を
取り付けたり、複数の素子を集積化して相互に接続する
ためには、素子を構成する酸化物半導体と導電性物質と
の間に低抵抗コンタクトを形成することが必要となる。
In order to use these elements to attach lead wires to the outside or to integrate multiple elements and connect them to each other, it is necessary to create a low resistance between the oxide semiconductor and the conductive material that constitute the element. It is necessary to form a contact.

【0005】[0005]

【従来の技術】半導体に対する低抵抗コンタクトとして
は、半導体表面に金属層等を形成し、加熱等によってア
ロイイングを行うことによって作成するアロイ型コンタ
クトと、半導体表面に高キャリア濃度層を形成し、その
上に導電性物質の層を形成し、接触電位差による電位障
壁の幅を極めて狭くし、キャリアがトンネリングで容易
に通過するようにしたノンアロイ型コンタクトが知られ
ている。
[Prior Art] Low-resistance contacts to semiconductors include alloy contacts, which are made by forming a metal layer on the semiconductor surface and alloying it by heating, etc., and alloy contacts, which are made by forming a high carrier concentration layer on the semiconductor surface. A non-alloy contact is known in which a layer of a conductive material is formed on top of the contact to extremely narrow the width of the potential barrier created by the contact potential difference, allowing carriers to easily pass through by tunneling.

【0006】酸化物半導体に対しては、アロイ型低抵抗
コンタクトは知られていない。一方、高誘電率酸化物半
導体に対しても、ドーピングは可能である。したがって
、高誘電率酸化物半導体に対してノンアロイ型低抵抗コ
ンタクトを作成できる可能性がある。
[0006] No alloy type low resistance contacts are known for oxide semiconductors. On the other hand, doping is also possible for high dielectric constant oxide semiconductors. Therefore, there is a possibility that a non-alloy type low resistance contact can be made to a high dielectric constant oxide semiconductor.

【0007】図2に従来の概念によるノンアロイ型コン
タクトを高誘電率酸化物半導体に対して形成した場合を
示す。図2(A)は構成を示し、図2(B)はポテンシ
ャル分布を示す。
FIG. 2 shows a case where a non-alloy contact according to the conventional concept is formed for a high dielectric constant oxide semiconductor. FIG. 2(A) shows the configuration, and FIG. 2(B) shows the potential distribution.

【0008】図2(A)において、たとえば高誘電率を
有する酸化物半導体で形成された酸化物半導体領域11
の表面に、高いキャリア濃度を有する高キャリア濃度領
域12を形成し、その上に導電性物質で形成された電極
14を形成する。酸化物半導体の比誘電率ε1は、少な
くとも100以上であり、たとえば1000以上の値を
有する。高キャリア濃度領域12は、たとえば1019
cm−3以上のキャリア濃度を有するn型領域である。 電極14は、たとえばNb等で形成された金属電極であ
る。
In FIG. 2A, an oxide semiconductor region 11 formed of, for example, an oxide semiconductor having a high dielectric constant
A high carrier concentration region 12 having a high carrier concentration is formed on the surface of the substrate, and an electrode 14 made of a conductive material is formed thereon. The dielectric constant ε1 of the oxide semiconductor is at least 100 or more, and has a value of 1000 or more, for example. The high carrier concentration region 12 is, for example, 1019
It is an n-type region having a carrier concentration of cm-3 or more. The electrode 14 is a metal electrode made of, for example, Nb.

【0009】金属あるいは他の導電性物質と半導体の界
面にはショットキバリアが形成される。半導体が10前
後の比誘電率を有する通常の半導体の場合、半導体表面
のキャリア濃度が高ければ、ショットキバリアに伴う表
面空乏層の厚さは非常に薄くなる。このため、薄い空乏
層をキャリアがトンネリングすることによって電流が流
れ、低抵抗コンタクトが得られる。
A Schottky barrier is formed at the interface between a metal or other conductive material and a semiconductor. In the case of a normal semiconductor having a dielectric constant of about 10, if the carrier concentration on the semiconductor surface is high, the thickness of the surface depletion layer associated with the Schottky barrier becomes extremely thin. Therefore, a current flows due to carrier tunneling through the thin depletion layer, resulting in a low resistance contact.

【0010】0010

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな低抵抗コンタクト形成法は誘電率がそれほど高くな
い通常の半導体に対しては有効であるが、高い誘電率を
持つ高誘電率酸化物半導体に対しては有効でない。すな
わち、図2(A)に示すような構成を作成しても低抵抗
コンタクトを得ることは極めて困難である。本発明者は
、その理由を以下のように解析した。
[Problems to be Solved by the Invention] However, although such a low-resistance contact formation method is effective for normal semiconductors whose dielectric constant is not very high, it is not suitable for high-permittivity oxide semiconductors that have a high dielectric constant. It is not effective against That is, it is extremely difficult to obtain a low resistance contact even if the structure shown in FIG. 2(A) is created. The inventor analyzed the reason as follows.

【0011】図2(B)に、図2(A)の構成に電圧を
印加した時のポテンシャル分布を概略的に示す。高キャ
リア濃度領域12がn型である場合を例示する。電極1
4に対して酸化物半導体領域11に正の電圧を印加する
と、高キャリア濃度領域12の表面から空乏層が広がり
、伝導帯の底のポテンシャルは図示のように曲がる。 しかしながら、高キャリア濃度領域12および酸化物半
導体領域11が高誘電率を有すると、このバンドの曲が
りは小さく、幅の広い空乏層が形成されてしまう。半導
体の誘電率が高くなると、その1/2乗に比例して空乏
層の厚さが増加する。高誘電率酸化物半導体が、通常の
半導体に比べ、たとえば数百倍以上の誘電率を有すると
、空乏層の厚さは少なくとも数十倍となる。キャリアが
空乏層をトンネリングすることによる抵抗は、空乏層の
厚さと共に指数関数的に増加する。
FIG. 2(B) schematically shows the potential distribution when a voltage is applied to the configuration of FIG. 2(A). The case where the high carrier concentration region 12 is of n type will be illustrated. Electrode 1
4, when a positive voltage is applied to the oxide semiconductor region 11, a depletion layer spreads from the surface of the high carrier concentration region 12, and the potential at the bottom of the conduction band curves as shown in the figure. However, if the high carrier concentration region 12 and the oxide semiconductor region 11 have a high dielectric constant, this band bending will be small and a wide depletion layer will be formed. As the dielectric constant of the semiconductor increases, the thickness of the depletion layer increases in proportion to the 1/2 power of the dielectric constant. If the high dielectric constant oxide semiconductor has a dielectric constant that is, for example, hundreds of times higher than that of a normal semiconductor, the thickness of the depletion layer will be at least several tens of times thicker. The resistance due to carrier tunneling through the depletion layer increases exponentially with the thickness of the depletion layer.

【0012】したがって、半導体表面を高キャリア濃度
領域としてもその空乏層厚さはトンネルできる厚さより
遙かに大きくなってしまう。このため、高誘電率酸化物
半導体の場合には、表面に高キャリア濃度領域を形成し
ても、形成される表面空乏層の厚さが厚くなり、トンネ
リング抵抗が著しく大きくなってしまう。ショットキバ
リアの高さは一般に1eV以上であり、バリアを越えら
れるようなエネルギを持つキャリアも極めて少ない。こ
のため、低い印加電圧でのコンタクト抵抗は極めて高く
なる。このため、従来と同様の構成によって低抵抗コン
タクトを得ることは極めて困難であった。
Therefore, even if the semiconductor surface is made into a high carrier concentration region, the thickness of the depletion layer will be far greater than the thickness that allows tunneling. For this reason, in the case of a high dielectric constant oxide semiconductor, even if a high carrier concentration region is formed on the surface, the thickness of the formed surface depletion layer becomes thick and the tunneling resistance becomes significantly large. The height of the Schottky barrier is generally 1 eV or more, and there are very few carriers with enough energy to cross the barrier. Therefore, the contact resistance becomes extremely high at low applied voltages. For this reason, it has been extremely difficult to obtain a low resistance contact with a configuration similar to the conventional one.

【0013】たとえば、高誘電率酸化物半導体を用いて
ダイオード構造を作成すると、ダイオード自身は低電圧
で動作するものの、低抵抗コンタクトが得られず、素子
の低電圧性が生かせなかった。
For example, when a diode structure is created using a high dielectric constant oxide semiconductor, although the diode itself operates at a low voltage, a low resistance contact cannot be obtained and the low voltage characteristics of the element cannot be utilized.

【0014】本発明の目的は、低抵抗コンタクトを有す
る高誘電率酸化物半導体装置を提供することである。
An object of the present invention is to provide a high dielectric constant oxide semiconductor device having a low resistance contact.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】図1は、本発明の原理説
明図である。
[Means for Solving the Problems] FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention.

【0016】図1(A)において、高誘電率を有する酸
化物半導体で形成された酸化物半導体領域1の表面部分
には、高いキャリア濃度を有する高キャリア濃度領域2
が形成されている。高キャリア濃度領域2上には酸化物
半導体よりも著しく低い誘電率を有する低誘電率物質で
形成され、キャリアが通過可能な薄いトンネルバリアを
形成するトンネルバリア層が形成され、その表面上に導
電性物質で形成された電極4が配置されている。酸化物
半導体領域1の比誘電率をε1とし、トンネルバリア層
3の比誘電率をε2とすると、ε2<<ε1の関係があ
る。
In FIG. 1A, a high carrier concentration region 2 having a high carrier concentration is formed in the surface portion of an oxide semiconductor region 1 formed of an oxide semiconductor having a high dielectric constant.
is formed. A tunnel barrier layer is formed on the high carrier concentration region 2, which is made of a low dielectric constant material that has a significantly lower dielectric constant than an oxide semiconductor, and forms a thin tunnel barrier through which carriers can pass, and has a conductive layer on its surface. An electrode 4 made of a chemical substance is arranged. When the dielectric constant of the oxide semiconductor region 1 is ε1, and the dielectric constant of the tunnel barrier layer 3 is ε2, there is a relationship of ε2<<ε1.

【0017】[0017]

【作用】酸化物半導体領域1と、電極4の間の電気的結
合は、図1(B)に示す等価回路によって表すことがで
きる。すなわち、容量C1とC2との直列結合によって
表すことができる。容量C1は、酸化物半導体領域1お
よび高キャリア濃度領域2の表面に形成される空乏層に
よる空乏層容量である。容量C2は、トンネルバリア層
3によって形成される容量である。空乏層の幅をd1と
し、トンネルバリア層3の厚さをd2とすると、容量C
1は、ε1/d1に比例し、容量C2は、ε2/d2に
比例する。酸化物半導体領域1と電極4の間に電圧Vを
印加すると、トンネルバリア層3に印加される電圧は、
V/{1+(ε2d1/ε1d2)}となる。これは、
容量の直列接続に電圧を印加すると、各容量に印加され
る電圧は容量に逆比例して分割されるためである。この
ため、ε1>>ε2であれば、ε2d1/ε1d2の値
は極めて小さくなり、印加電圧の大部分はトンネルバリ
ア層に印加される。このため、図1(A)に示す構成に
電圧を印加した状態のポテンシャル分布は図1(C)に
示すようになる。酸化物半導体領域1の表面部分2が高
キャリア濃度であれば、半導体表面は縮退した金属的な
状態となるため、印加電圧はほぼ全てトンネルバリア層
3に印加され、トンネルバリア層3は極めて幅の狭い電
位障壁を形成する。このため、電極4と酸化物半導体領
域1および高キャリア濃度領域2の間はキャリアが移動
できる状態となる。トンネルバリア層3の形成するバリ
アが十分薄ければ、大きなトンネル電流を容易に流すこ
とができる。このようにして、低抵抗コンタクトが得ら
れる。
[Operation] The electrical coupling between the oxide semiconductor region 1 and the electrode 4 can be expressed by the equivalent circuit shown in FIG. 1(B). That is, it can be represented by a series combination of capacitances C1 and C2. The capacitance C1 is a depletion layer capacitance caused by a depletion layer formed on the surfaces of the oxide semiconductor region 1 and the high carrier concentration region 2. Capacitance C2 is a capacitance formed by tunnel barrier layer 3. When the width of the depletion layer is d1 and the thickness of the tunnel barrier layer 3 is d2, the capacitance C
1 is proportional to ε1/d1, and the capacitance C2 is proportional to ε2/d2. When voltage V is applied between oxide semiconductor region 1 and electrode 4, the voltage applied to tunnel barrier layer 3 is
V/{1+(ε2d1/ε1d2)}. this is,
This is because when a voltage is applied to a series connection of capacitors, the voltage applied to each capacitor is divided in inverse proportion to the capacitance. Therefore, if ε1>>ε2, the value of ε2d1/ε1d2 becomes extremely small, and most of the applied voltage is applied to the tunnel barrier layer. Therefore, the potential distribution when a voltage is applied to the configuration shown in FIG. 1(A) is as shown in FIG. 1(C). If the surface portion 2 of the oxide semiconductor region 1 has a high carrier concentration, the semiconductor surface will be in a degenerate metallic state, so that almost all of the applied voltage will be applied to the tunnel barrier layer 3, and the tunnel barrier layer 3 will have a very narrow width. form a narrow potential barrier. Therefore, carriers can move between the electrode 4, the oxide semiconductor region 1, and the high carrier concentration region 2. If the barrier formed by the tunnel barrier layer 3 is sufficiently thin, a large tunnel current can easily flow. In this way, a low resistance contact is obtained.

【0018】[0018]

【実施例】以下、本発明の実施例に沿って説明する。[Embodiments] Hereinafter, embodiments of the present invention will be explained.

【0019】図3(A)、(B)、(C)は、本発明の
3つの実施例による高誘電率酸化物半導体装置を示す。
FIGS. 3A, 3B, and 3C show high dielectric constant oxide semiconductor devices according to three embodiments of the present invention.

【0020】図3(A)においては、Nbを0.005
wt%ドープしたSrTiO3 から形成された酸化物
半導体領域1の上に、Nbを0.5wt%ドープしたS
rTiO3 で形成された高キャリア濃度領域2が高周
波スパッタリングにより、厚さ約300nm成長されて
いる。高キャリア濃度領域2の上には、アルミニウム酸
化物AlOx で形成されたトンネルバリア層3がやは
り高周波スパッタリングにより、厚さ約2nm堆積され
ている。このトンネルバリア層3の上に、Nbで形成さ
れた電極4が作成されている。
In FIG. 3(A), Nb is 0.005
On the oxide semiconductor region 1 formed of SrTiO3 doped with wt%, Sr doped with 0.5 wt% of Nb is formed.
A high carrier concentration region 2 made of rTiO3 is grown to a thickness of about 300 nm by high frequency sputtering. On the high carrier concentration region 2, a tunnel barrier layer 3 made of aluminum oxide AlOx is deposited to a thickness of about 2 nm by high frequency sputtering. On this tunnel barrier layer 3, an electrode 4 made of Nb is formed.

【0021】SrTiO3 は、室温で約250、4.
2Kで約20000の高比誘電率を持つ。AlOx の
比誘電率は12〜15程度である。Nbを0.005w
t%ドープしたSrTiO3 は、約1017cm−3
位のキャリア濃度を有する。また、Nbを0.5wt%
ドープしたSrTiO3 は、1019〜1020cm
−3位のキャリア濃度を有する。したがって、図3(A
)に示す構成は、n型の酸化物半導体領域1の上に、n
+ 型酸化物半導体で形成された高キャリア濃度領域2
が配置され、その上に低誘電率のトンネルバリア層3が
形成され、その上に金属電極4が形成されたものとなる
。このような構成において、電極4と酸化物半導体領域
1の間に電圧を印加すると、前述のように印加電圧はほ
とんどトンネルバリア層3に印加され、電極4と酸化物
半導体領域1、2の間にトンネル電流が流れる。
[0021] SrTiO3 has a temperature of about 250,4.
It has a high dielectric constant of about 20,000 at 2K. The dielectric constant of AlOx is about 12 to 15. 0.005w of Nb
t% doped SrTiO3 is about 1017 cm-3
It has a carrier concentration of about In addition, 0.5 wt% Nb
Doped SrTiO3 is 1019-1020 cm
-Has a carrier concentration of 3rd place. Therefore, Fig. 3 (A
) has an n-type oxide semiconductor region 1 and an n-type oxide semiconductor region 1.
High carrier concentration region 2 formed of + type oxide semiconductor
is arranged, a low dielectric constant tunnel barrier layer 3 is formed thereon, and a metal electrode 4 is formed thereon. In such a configuration, when a voltage is applied between the electrode 4 and the oxide semiconductor region 1, as described above, most of the applied voltage is applied to the tunnel barrier layer 3, and the voltage is applied between the electrode 4 and the oxide semiconductor regions 1 and 2. A tunnel current flows through.

【0022】図3(A)の構成においては、電極として
Nbを用いたが、他の金属を用いてもよい。たとえば、
Alを用いる場合、超音波ボンディングを行うとき形成
される酸化膜をトンネルバリア層として用いてもよい。
In the structure of FIG. 3A, Nb is used as the electrode, but other metals may be used. for example,
When Al is used, an oxide film formed when performing ultrasonic bonding may be used as the tunnel barrier layer.

【0023】図3(A)の構成においては、高キャリア
濃度領域を形成するためにドナ不純物Nbをドープした
が、他の方法によって高キャリア濃度領域を形成するこ
ともできる。
In the structure of FIG. 3A, donor impurity Nb is doped to form a high carrier concentration region, but the high carrier concentration region can also be formed by other methods.

【0024】図3(B)においては、高キャリア濃度領
域2が、SrTiO3 基板1の表面をアルゴンArで
プラズマ処理することによって形成されている。プラズ
マ処理の条件は、たとえば高周波電力密度が0.1W/
cm2 、Arガス圧力が10mTorr、プラズマ処
理時間が5分である。酸化物半導体領域表面がArプラ
ズマで処理されると、酸素欠損が導入される。この酸素
欠損はドナとして作用し、高キャリア濃度領域が形成さ
れる。この方法は、高キャリア濃度領域を高周波スパッ
タリングによって成長する方法に比べ、プロセス温度は
低温でしかも短時間で行える利点を有する。その他の点
は図3(A)の実施例と同様である。
In FIG. 3B, a high carrier concentration region 2 is formed by subjecting the surface of the SrTiO3 substrate 1 to plasma treatment with argon. The conditions for plasma treatment are, for example, a high frequency power density of 0.1 W/
cm2, Ar gas pressure is 10 mTorr, and plasma processing time is 5 minutes. When the surface of the oxide semiconductor region is treated with Ar plasma, oxygen vacancies are introduced. This oxygen vacancy acts as a donor, and a high carrier concentration region is formed. This method has the advantage that the process can be performed at a lower temperature and in a shorter time than the method of growing a high carrier concentration region by high frequency sputtering. Other points are similar to the embodiment shown in FIG. 3(A).

【0025】図3(A)、(B)の実施例においては、
トンネルバリア層3として、アルミニウム酸化物AlO
x を用いた。トンネルバリア層はその他種々の低誘電
率物質で形成することができる。
In the embodiments shown in FIGS. 3(A) and 3(B),
As the tunnel barrier layer 3, aluminum oxide AlO
x was used. The tunnel barrier layer can be formed from various other low dielectric constant materials.

【0026】図3(C)においては、トンネルバリア層
3が厚さ約2nmのチタン酸マグネシウムMgTiO3
 で形成されている。MgTiO3は、SrTiO3 
と同じペロブスカイト構造を有する。MgTiO3 膜
は、SrTiO3 基板上にエピタキシャルに成長させ
ることができる。このため、薄いトンネルバリア層を形
成しても、ピンホールがなく、良好な特性のトンネルバ
リア層を形成することができる。なお、MgTiO3 
は、12〜18程度の比誘電率を有する。このため、良
好な特性を有する低抵抗コンタクトが得られる。
In FIG. 3C, the tunnel barrier layer 3 is made of magnesium titanate MgTiO3 with a thickness of about 2 nm.
It is formed of. MgTiO3 is SrTiO3
It has the same perovskite structure. MgTiO3 films can be grown epitaxially on SrTiO3 substrates. Therefore, even if a thin tunnel barrier layer is formed, the tunnel barrier layer has no pinholes and has good characteristics. In addition, MgTiO3
has a dielectric constant of about 12 to 18. Therefore, a low resistance contact with good characteristics can be obtained.

【0027】図4(A)〜(D)は、本発明の他の4つ
の実施例を示す。図4(A)においては、トンネルバリ
ア層3が高周波スパッタリングによって成膜された厚さ
約6nmのSi薄膜によって形成されている。Siは、
SrTiO3 の電子親和力より大きい電子親和力を有
する。このため、Si/SrTiO3 界面ではSiは
キャリア(電子)の運動に対してはバリアとして働かな
い。 このため、Siバリアを電子が通過する確率が十分高く
なり、容易に低抵抗コンタクトが得られる。Nb電極と
Siとの間のバリア高さも低いため、この実施例におい
てはトンネルバリア層3の厚さを比較的厚くしてもよい
FIGS. 4A to 4D show four other embodiments of the present invention. In FIG. 4A, the tunnel barrier layer 3 is formed of a Si thin film with a thickness of about 6 nm formed by high frequency sputtering. Si is
It has an electron affinity greater than that of SrTiO3. Therefore, at the Si/SrTiO3 interface, Si does not act as a barrier against the movement of carriers (electrons). Therefore, the probability that electrons pass through the Si barrier becomes sufficiently high, and a low resistance contact can be easily obtained. Since the barrier height between the Nb electrode and Si is also low, the thickness of the tunnel barrier layer 3 may be relatively thick in this embodiment.

【0028】以上の実施例においては、高誘電率酸化物
半導体としてSrTiO3 を用いた。SrTiO3 
は、4.2K程度の低温で20000程度の高誘電率を
有する有望な材料ではあるが、高誘電率酸化物半導体と
して種々の他の材料を用いることもできる。たとえば、
チタン酸塩、錫酸塩、ジルコニウム酸塩、ニオブ酸塩、
タンタル酸塩、およびこれらの混晶等を用いることがで
きる。
In the above embodiments, SrTiO3 was used as the high dielectric constant oxide semiconductor. SrTiO3
is a promising material having a high dielectric constant of about 20,000 at a low temperature of about 4.2 K, but various other materials can also be used as the high dielectric constant oxide semiconductor. for example,
titanate, stannate, zirconate, niobate,
Tantalates, mixed crystals thereof, and the like can be used.

【0029】図4(B)においては、酸化物半導体領域
1および高キャリア濃度領域2がKTa1−x Nbx
 O3 (x=0.05)によって形成されている。さ
らに、キャリア濃度を付与するため、Kの一部をCaで
置換している。すなわち、酸化物半導体領域1は、K1
−y Cay Ta1−x Nbx O3 (y=1×
10−5、x=0.05)で形成し、高キャリア濃度領
域2はK1−y Cay Ta1−x Nbx O3 
(y=0.01、x=0.05)で形成した。その他の
点は、図3(A)の実施例と同様である。
In FIG. 4B, the oxide semiconductor region 1 and the high carrier concentration region 2 are KTa1-x Nbx
It is formed by O3 (x=0.05). Furthermore, in order to provide carrier concentration, a part of K is replaced with Ca. That is, the oxide semiconductor region 1 has K1
-y Cay Ta1-x Nbx O3 (y=1×
10-5, x=0.05), and the high carrier concentration region 2 is formed by K1-y Cay Ta1-x Nbx O3
(y=0.01, x=0.05). Other points are similar to the embodiment shown in FIG. 3(A).

【0030】酸化物半導体として混晶を用いると、混晶
組成を制御することによって物性を種々に制御すること
が可能になる。
When a mixed crystal is used as an oxide semiconductor, various physical properties can be controlled by controlling the composition of the mixed crystal.

【0031】図4(B)に用いた酸化物半導体は、77
Kで約20000程度の比誘電率を有する。したがって
、図4(B)の実施例の低抵抗コンタクトは液体窒素温
度で良好に作動させることができる。
The oxide semiconductor used in FIG. 4(B) was 77
It has a dielectric constant of about 20,000 at K. Therefore, the low resistance contact of the embodiment of FIG. 4B can operate well at liquid nitrogen temperatures.

【0032】以上の実施例においては、電極としては、
Nb等の金属を用いた。電極として超伝導体を用いると
、電極抵抗をほぼ0にすることができる。特に、高温超
伝導体を用いると、比較的高温でも超伝導状態となる電
極を得ることができる。
In the above embodiments, the electrodes are as follows:
A metal such as Nb was used. When a superconductor is used as an electrode, electrode resistance can be reduced to almost zero. In particular, when a high-temperature superconductor is used, it is possible to obtain an electrode that becomes superconducting even at relatively high temperatures.

【0033】図4(C)においては、電極4が高温超伝
導体であるYBa2Cu3 O7−x によって形成さ
れている。YBa2 Cu3 O7−x 電極4を形成
するために、その下に配置されるトンネルバリア層3は
、厚さ約2nmのアルミン酸イットリウムYAlO3 
によって形成する。
In FIG. 4C, the electrode 4 is made of YBa2Cu3O7-x, which is a high temperature superconductor. In order to form the YBa2 Cu3 O7-x electrode 4, the tunnel barrier layer 3 disposed thereunder is made of yttrium aluminate YAlO3 with a thickness of about 2 nm.
formed by

【0034】なお、トンネルバリア層としてアルミン酸
塩の他、ランタンガレートLaGaO3 等のガリウム
酸塩を用いることもできる。
In addition to aluminates, gallates such as lanthanum gallate LaGaO3 can also be used as the tunnel barrier layer.

【0035】なお、トンネルバリア層3は、さらに他の
材料、たとえばIV族、III−V族化合物半導体、I
I−VI化合物半導体等によって形成することもできる
Note that the tunnel barrier layer 3 may be made of other materials, such as group IV, group III-V compound semiconductors,
It can also be formed using an I-VI compound semiconductor or the like.

【0036】図4(D)においては、トンネルバリア層
3が厚さ約6nmのInSb層によって形成されている
。このような半導体をトンネルバリアに使うことにより
、トンネルバリアの障壁高さが低くできる。また、種々
の混晶半導体を用いることにより、トンネルバリア層の
物性を様々に制御することもできる。
In FIG. 4D, the tunnel barrier layer 3 is formed of an InSb layer with a thickness of about 6 nm. By using such a semiconductor for the tunnel barrier, the height of the tunnel barrier can be reduced. Further, by using various mixed crystal semiconductors, the physical properties of the tunnel barrier layer can be controlled in various ways.

【0037】図3、図4に示す実施例において、酸化物
半導体に対する低抵抗コンタクトを得ることができる。 たとえば、図3(A)の構成において、2×10−6Ω
cm2 のコンタクト抵抗を得ることができた。また、
図4(A)の構成において、5×10−7Ωcm2 の
コンタクト抵抗を得ることができた。
In the embodiments shown in FIGS. 3 and 4, a low resistance contact to the oxide semiconductor can be obtained. For example, in the configuration of Figure 3(A), 2×10-6Ω
A contact resistance of cm2 could be obtained. Also,
In the configuration of FIG. 4(A), a contact resistance of 5×10 −7 Ωcm 2 could be obtained.

【0038】このような、低抵抗コンタクトを用いるこ
とにより、種々の酸化物半導体装置を形成することがで
きる。
By using such a low resistance contact, various oxide semiconductor devices can be formed.

【0039】図5は、高誘電率酸化物半導体を用いた高
誘電率酸化物半導体装置の実施例を示す。
FIG. 5 shows an example of a high dielectric constant oxide semiconductor device using a high dielectric constant oxide semiconductor.

【0040】図5(A)は、低電圧で動作するダイオー
ドを示す。高誘電率酸化物半導体で形成された酸化物半
導体領域1の表面に選択的に高キャリア濃度領域2が形
成され、高キャリア濃度領域2の上にはトンネルバリア
層3と電極4が積層されている。この構成は図3、図4
において示した実施例のいずれを用いて構成してもよい
。高キャリア濃度領域2の側方には、トンネルバリア層
3よりも厚いキャリア注入制御トンネルバリア層5が形
成され、その上にキャリア注入電極6が積層されている
。キャリア注入制御トンネルバリア層5はトンネルバリ
ア層3と同じ物質のより厚い層で形成することができる
。また、キャリア注入電極6は、電極4と同じ物質で形
成することができる。また、キャリア注入制御トンネル
バリア層5は、トンネルバリア層3よりもトンネル確率
の低いトンネルバリアを形成するものであれば、他の材
料で形成することもできる。また、キャリア注入電極6
は、他の導電性物質で形成してもよい。
FIG. 5A shows a diode operating at low voltage. A high carrier concentration region 2 is selectively formed on the surface of an oxide semiconductor region 1 made of a high dielectric constant oxide semiconductor, and a tunnel barrier layer 3 and an electrode 4 are laminated on the high carrier concentration region 2. There is. This configuration is shown in Figures 3 and 4.
The structure may be constructed using any of the embodiments shown in . A carrier injection control tunnel barrier layer 5 thicker than the tunnel barrier layer 3 is formed on the side of the high carrier concentration region 2, and a carrier injection electrode 6 is laminated thereon. The carrier injection controlled tunnel barrier layer 5 can be formed of a thicker layer of the same material as the tunnel barrier layer 3. Further, the carrier injection electrode 6 can be formed of the same material as the electrode 4. Further, the carrier injection control tunnel barrier layer 5 can be formed of other materials as long as they form a tunnel barrier with a lower tunneling probability than the tunnel barrier layer 3. In addition, the carrier injection electrode 6
may be formed of other conductive materials.

【0041】キャリア注入電極6と、電極4の間に電圧
を印加すると、電極4と酸化物半導体領域1の間は低抵
抗コンタクトを構成し、キャリア注入電極6と酸化物半
導体領域1の間は、印加電極によってトンネル確率の変
化するコンタクトが形成される。このため、低電圧で動
作するダイオードが得られる。
When a voltage is applied between the carrier injection electrode 6 and the electrode 4, a low resistance contact is formed between the electrode 4 and the oxide semiconductor region 1, and a low resistance contact is formed between the carrier injection electrode 6 and the oxide semiconductor region 1. , a contact with varying tunneling probability is formed by the applied electrode. Therefore, a diode that operates at low voltage can be obtained.

【0042】図5(B)は、高誘電率酸化物半導体を用
いたトランジスタ構造を示す。酸化物半導体領域1、高
キャリア濃度領域2、トンネルバリア層3、電極4は、
図5(A)の実施例と同様であり、低抵抗コンタクトを
構成する。酸化物半導体領域1の上には、さらに高キャ
リア濃度領域2側方にエミッタバリア層7、エミッタ電
極8の積層が形成され、他の主表面上にベース電極9が
形成されている。エミッタバリア層7、エミッタ電極8
は、図5(A)に示すキャリア注入制御トンネルバリア
層5、キャリア注入電極6と同様の構成である。ベース
電極9は、酸化物半導体領域1にショットキ接触を形成
する電極である。この様な構成においては、ベース電極
9の電位によって高誘電率を有する酸化物半導体領域1
の電位が制御される。したがって、エミッタ電極8とベ
ース電極9の間に印加する電圧によってエミッタ電極8
から酸化物半導体領域1に注入される電流が制御される
。このようにして低電圧で動作するトランジスタ構造が
得られる。
FIG. 5B shows a transistor structure using a high dielectric constant oxide semiconductor. The oxide semiconductor region 1, high carrier concentration region 2, tunnel barrier layer 3, and electrode 4 are as follows:
This is similar to the embodiment of FIG. 5(A), and constitutes a low resistance contact. On the oxide semiconductor region 1, a laminated layer of an emitter barrier layer 7 and an emitter electrode 8 is further formed on the side of the high carrier concentration region 2, and a base electrode 9 is formed on the other main surface. Emitter barrier layer 7, emitter electrode 8
has the same structure as the carrier injection control tunnel barrier layer 5 and carrier injection electrode 6 shown in FIG. 5(A). Base electrode 9 is an electrode that forms a Schottky contact with oxide semiconductor region 1 . In such a configuration, the oxide semiconductor region 1 having a high dielectric constant is controlled by the potential of the base electrode 9.
The potential of is controlled. Therefore, depending on the voltage applied between the emitter electrode 8 and the base electrode 9, the emitter electrode 8
The current injected into the oxide semiconductor region 1 is controlled. In this way a transistor structure is obtained that operates at low voltages.

【0043】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
[0043] The present invention has been explained above in accordance with the examples.
The present invention is not limited to these. for example,
It will be obvious to those skilled in the art that various changes, improvements, combinations, etc. are possible.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高誘電率の酸化物半導体に対して低抵抗のコンタクトが
容易に得られる。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention,
A low resistance contact can be easily obtained with a high dielectric constant oxide semiconductor.

【0045】このため、高誘電率酸化物半導体の特性を
生かした種々の高誘電率酸化物半導体装置が提供される
For this reason, various high dielectric constant oxide semiconductor devices are provided that take advantage of the characteristics of high dielectric constant oxide semiconductors.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明の原理説明図である。図1(A)は構成
を示し、図1(B)は等価回路を示し、図1(C)はポ
テンシャル分布を示す。
FIG. 1 is a diagram explaining the principle of the present invention. FIG. 1(A) shows the configuration, FIG. 1(B) shows an equivalent circuit, and FIG. 1(C) shows the potential distribution.

【図2】従来の技術を示す。図2(A)は構成を示し、
図2(B)はポテンシャル分布を示す。
FIG. 2 shows a conventional technique. FIG. 2(A) shows the configuration,
FIG. 2(B) shows the potential distribution.

【図3】本発明の実施例を示す。図3(A)、(B)、
(C)は、それぞれ高誘電率酸化物半導体に低抵抗コン
タクトを形成した構成を示す。
FIG. 3 shows an embodiment of the invention. Figures 3(A),(B),
(C) shows a structure in which a low resistance contact is formed on a high dielectric constant oxide semiconductor.

【図4】本発明の実施例を示す。図4(A)、(B)、
(C)、(D)は、それぞれ高誘電率酸化物半導体に低
抵抗コンタクトを形成した構成を示す。
FIG. 4 shows an embodiment of the invention. Figures 4(A),(B),
(C) and (D) each show a structure in which a low resistance contact is formed in a high dielectric constant oxide semiconductor.

【図5】本発明の実施例を示す。図5(A)はダイオー
ドの構成を示し、図5(B)はトランジスタの構成を示
す。
FIG. 5 shows an embodiment of the invention. FIG. 5(A) shows the structure of a diode, and FIG. 5(B) shows the structure of a transistor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1  酸化物半導体領域 2  高キャリア濃度領域 3  トンネルバリア層 4  電極 5  キャリア注入制御トンネルバリア層6  キャリ
ア注入電極 7  エミッタバリア層 8  エミッタ電極 9  ベース電極 11  酸化物半導体領域 12  高キャリア濃度領域 14  電極
1 Oxide semiconductor region 2 High carrier concentration region 3 Tunnel barrier layer 4 Electrode 5 Carrier injection control tunnel barrier layer 6 Carrier injection electrode 7 Emitter barrier layer 8 Emitter electrode 9 Base electrode 11 Oxide semiconductor region 12 High carrier concentration region 14 Electrode

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  高誘電率を有する酸化物半導体で形成
された酸化物半導体領域(1)と、前記酸化物半導体領
域の表面部分に形成され、より高いキャリア濃度を有す
る高キャリア濃度領域(2)と、前記高キャリア濃度領
域上に接触して配置され、前記酸化物半導体よりも著し
く低い誘電率を有する低誘電率物質で形成され、キャリ
アが通過可能な薄いトンネルバリアを形成するトンネル
バリア層(3)と、前記トンネルバリア層上に配置され
、導電性物質で形成された電極(4)とを有し、前記電
極が前記酸化物半導体領域に対して低抵抗コンタクトを
形成する高誘電率酸化物半導体装置。
1. An oxide semiconductor region (1) formed of an oxide semiconductor having a high dielectric constant, and a high carrier concentration region (2) formed in a surface portion of the oxide semiconductor region and having a higher carrier concentration. ), and a tunnel barrier layer disposed in contact with the high carrier concentration region, formed of a low dielectric constant material having a significantly lower dielectric constant than the oxide semiconductor, and forming a thin tunnel barrier through which carriers can pass. (3) and an electrode (4) disposed on the tunnel barrier layer and made of a conductive material, the electrode having a high dielectric constant and forming a low resistance contact with the oxide semiconductor region. Oxide semiconductor device.
【請求項2】  前記高キャリア濃度領域が前記酸化物
半導体の化学量論的組成からずれた組成を有する領域で
形成された請求項1記載の高誘電率酸化物半導体装置。
2. The high dielectric constant oxide semiconductor device according to claim 1, wherein the high carrier concentration region is formed in a region having a composition that deviates from the stoichiometric composition of the oxide semiconductor.
【請求項3】  前記酸化物半導体と前記低誘電率物質
がともにペロブスカイト型結晶構造を有する請求項1な
いし2記載の高誘電率酸化物半導体装置。
3. The high dielectric constant oxide semiconductor device according to claim 1, wherein both the oxide semiconductor and the low dielectric constant material have a perovskite crystal structure.
【請求項4】  前記低誘電率物質が前記酸化半導体よ
りも大きな電子親和力を有する請求項1ないし2記載の
高誘電率酸化物半導体装置。
4. The high dielectric constant oxide semiconductor device according to claim 1, wherein the low dielectric constant material has a larger electron affinity than the oxide semiconductor.
【請求項5】  さらに、前記酸化物半導体領域上に形
成され、キャリアに対して制御可能なトンネルバリアを
形成するキャリア注入制御トンネルバリア層と、前記キ
ャリア注入制御トンネルバリア層上に配置され、導電性
物質で形成されたキャリア注入電極とを有する請求項1
〜4のいずれかに記載の高誘電率酸化物半導体装置。
5. Further, a carrier injection control tunnel barrier layer formed on the oxide semiconductor region and forming a controllable tunnel barrier with respect to carriers, and a conductive layer disposed on the carrier injection control tunnel barrier layer. Claim 1 further comprising a carrier injection electrode made of a chemical substance.
5. The high dielectric constant oxide semiconductor device according to any one of .
【請求項6】  さらに、前記酸化物半導体領域上に配
置され、導電性物質で形成された制御電極を有する請求
項5記載の高誘電率酸化物半導体装置。
6. The high dielectric constant oxide semiconductor device according to claim 5, further comprising a control electrode disposed on the oxide semiconductor region and made of a conductive material.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011074590A1 (en) * 2009-12-17 2011-06-23 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device, measurement apparatus, and measurement method of relative permittivity

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