JPS6285469A - 障壁の高さを高くする方法とシヨツトキ−障壁 - Google Patents

障壁の高さを高くする方法とシヨツトキ−障壁

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JPS6285469A
JPS6285469A JP61179807A JP17980786A JPS6285469A JP S6285469 A JPS6285469 A JP S6285469A JP 61179807 A JP61179807 A JP 61179807A JP 17980786 A JP17980786 A JP 17980786A JP S6285469 A JPS6285469 A JP S6285469A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 り組し２２Ｊ！ＩＪＩＩ　４１　！Ｐ）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
を用いたショッｌ−、ｔ＝−障壁に閏する。
従来のり一ベーＬ１町鹿力 金属と半導体の間の接触は、Ｗ而に電気障壁（ショット
キー障壁）を０す、障壁の高さｔｉｔ、金属及び半導体
のイ１事関数、゛Ｖ導体のドーピング・レベル、表面状
態密度等の要因に関係ηる。全般的には、Ｓｚｅの著占
［フィジックス・Ａプ・ヒミコンダクタ・デバイ［ズ（
Ｐｌ＋ｙｓｉｃｓ　ｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　
Ｄｅｖｉｃｅｓ）　ｌ第５章（１９８１年、ジョン・ワ
イリー・アンド・リンズ（Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙａｎｄ
　５ｏｎｓ＋ン１発行、第２版）参照。ノーマリ−Ｊフ
（エンハンスメント形）のＭ　Ｆ　Ｓ　Ｆ　Ｆ　ｌに基
づく低電力の論理回路では、装置をターンメン４る為に
ゲート電極に正の電圧を印加しイ口Ｊればならない。（
即ら、ゲー］・電圧を印加しない時、ゲート／チャンネ
ル界面の作り（Ｊ　１．Ｊ電位（ま、チ亀７ンネルを空
乏状ｆフにする稈大きい。）然【ノ、ゲート電流を制限
する為に、グー１〜電圧は大まかに云うと障壁の高さよ
り数ｋＴだＩｆ低い値に制限される（砒化ガリウム１−
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＃）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小要である多
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■−ｖ族半導体では、金属と半導体の界
面のｌ１ｉｉｌ壁の高さは、半導体の表面状態にＪ：っ
てフェノレミ・レベルがピン１］二めされる為に、金属
の１１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ｌ！Ｉ壁の高さが
約０．８Ｖである。この障壁の高さは、■ンハンスメン
］〜形の９好なＭＥＳＦＥ丁にとっては低すぎる。その
為、砒化ガリウム及び同様な半導体ど金属の接触の障壁
の高さを高くＭることが問題である。
ドーピングＩｔ（ｆをゆえること等により、金属ど半１
３稀の接融に於１−Ｊる障壁の＾さを変λる試Ｊメがな
されたが、障壁の１１′！ｌさを低くする結束しか（：
１られなかつＩ、：ｏ更に、ａ？い絶縁体を使うど、実
効的な障壁の高さが＾くなるが、この結束１１〕られる
ダイオードは、絶縁体を通【ノ（の１〜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ＩＦのれ八を高くする公知の
ｈ法は、金属と下導体のｌｉｉ目１−反対にドープされ
た半導体のＡｌＰｒ４を１ｉｌｉ八すること（゛ある。
例えば、（たとえば、ｊ７ンヂｔンを打込んだ後、ニッ
ケルをデボジツＩ−りる前にアニール−４ることにより
）ｎ形シリ−１ンとニッケルとの間に厚さ１００人のｐ
＋シリ−１ン層を種入りるど障りの高さは大体アンチモ
ンのけに対し−（１１線的に１（１加４る。
１９ソリツド・ステー１〜・二Ｆ１ツク］〜ロニクス誌
Ｆｉ３７（１９７６年）所載のＪ　、シＡ７ノン（Ｓｈ
ａｎｎｏｎ　）論文［＾庶にドープされｌこ表面層を用
いたショツ１へ−１−一障壁のｌＴ′ｆＩさの制ｔａｌ
ｌ　＋参照３．然し、こういう方法は、金属と半導体の
界面の１ｌｉｌｌｔｌｌｌ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イにい為に、イ
れがうまく行く程疫も限られている。
こういう制限を、分子ビーム■ピタキシＡフル法（ＭＲ
Ｅ）を使うことにＪ：って解決することが出来る。例え
ば、２２ジヤパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フ
ィジックス・勺ブリメン１−（ＪＪＡＰ、５ｕｐ１．）
　４３１　（１９８３年）所載ノエクラツシコ（Ｆｇｌ
ａｓｂ　ｅｌ　ａｔ）の論文では、ｎ形砒化ガリウム（
ドナー製電５Ｘ　１０”’／１ｉｎ３）　−ｉ−に１×
１０　乃至１×１０２°／　ｃｔｔｒ　３の範囲内のア
ク［ブタ８１痘をドープして、５０乃至３６０人の範囲
内の厚さのｐ４−形砒化ガリウム層を成長させ、ｐ＋形
の層をアルミニウムと接触させた。障壁の高さは０．７
９Ｖから１．２４Ｖに高くなった。
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、非錯及びベリリウムの様なｐ形
ドーバン１〜を砒化ガリウムに打込んで反対にドープさ
れた酵い層を形成４ることは、打込みの後のアニールの
間、ドーパン１〜が急速に拡散する為に失敗４る。この
為、出来高を大きくして、筒中＜ｉ処理１′稈を達成す
ることが、公知の障壁の＾さを高くする方法の問題点で
ある。
肌１−虐コＬ解遣丸Ｊる為へ（段−崎−ｑ−作」■本発
明は障壁の高さを高くした金属ど半導体の接触と、半導
体の表面からのドーバン１への急速イ「熱拡散を利用し
−Ｃ、バルク半う９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、薄層の十に
金属接触を形成Ｊ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ｔ’＊−ｙるド
ーパントどして並鉛を用い、金属としてチタン−白金及
びアルミニウムを用いる。再現Ｈのある簡Ｉｌｌ　４．
−プロ１！スを用いて、高くなったｌＩ！Ｊ壁の高さが
１ｉＩられ、公知の障壁の高さを高くする方法の問題員
が解決される。
支度１ 第１図は全体を３０で示す第１の好ましい実施例のショ
ットキー障壁の簡略側面断面図である。
このシ」ツ１〜キー障壁は、ｎ形砒化ガリウムの基板３
２、薄い［）十形砒化ガリウム層３４、金属層３６及び
Ａ−ミック接触３８を含む。ダイオード３０の特徴キ１
トびに動作を説明りる為、ショッ１−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ェルミ・レベルを
示す。この図のノを側が金属を表わし、右側がｎ形半導
体を示し、電子親和力は金属の仕事関数Ｊ：りも小さい
。アルミニウムの仕事関数が約４．２５６Ｖであり、砒
化ガリウムの電子親和ノＪ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 δφ６−δφ□−δχ で表わされる。ここでδφ、は金属の什１■閏数、δχ
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Ｊ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、
川われた電荷が第２Ａ図に」−符号で示されている。ｐ
形２１′導体でｌ；ｔ、ＩＩ！［の高さが次の様にイ「
ることにｉ１意されたい。
δφ８−４（Ｉ−（δφ、−δχ） ここでＥ、は半導体のバンド「ヤツブである。
砒化ガリウムの様イｒ　ＩＨ−Ｖ成子導体は金属と半導
体の接触におい−（＾い表面状態密鴎を持つＣいる。障
壁の高さにり・１４る人血状態の効宋が第２Ｂ図に示さ
れている。本質的には、接触が形成された時、アク廿ブ
タ表面状態が空に（２って、金属表面の負の電荷を部分
的に中相４る。この為、空乏層の深さＷが減少し、隆部
！の高さが低くなる。
第３図は第１図の線３−３から児た装ｆ？ｆｆ３０の伝
導帯及び価電子帯の−１−ツジを示している。金属３６
と基板３２０間が直接的に接触していた場合の初めの障
壁の高さδφ６と、ｐｌ一層３４による障壁の高さの増
加δΔΦＢの両１１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Ｉ？ブタからの００空間電荷により、各帯
のエツジのイ１の曲率が１１する。層３４のこの空乏状
態が層３４及びＶ板３２の接合がｐ−ｎ接合として振舞
わない様に保証し、装置３０が真のショットキー・ダイ
オードどしで振舞う。
障壁の高さの増加は、理論的に δＮ　ａ２／ε　で近似することが出来る。ここＳ でＮ、は層３４のドーピング濃度、ａは層３４の厚さ、
ε８は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、＞＞Ｎｏ及びａＮ、＞＞ＷＮｏ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。
（２）　酸化亜鉛２０％及び二酸化シリコン８０％の厚
さ２００人の層４ｏを、１×１０１８／ｃｍ３の担体Ｉ
Ｉ頂にｎ形にシリコンでドープされた砒化ガリウムの１
００配向の結晶３２の上にスパッタリングにＪ：ってデ
ポジットする。層４０に、プラズマ強化ＣＶＤによって
デポジツ１−された厚さ５００人の窒化シリコ２層４２
を被せる。第４Ａ図参−〇　− 照。
０　光学アニール装置を用い−（−１層４００渇疫を２
秒間約７００　Ｔに高める。この熱パルスが亜鉛を層４
０から基板３２の中へ約１７０人の深さに追い込み、Ｆ
ｒｌ３４を形成する。第４１３図参照。
この結束前られる層３４の１ニーピング濃葭は約１　Ｘ
　１０　　担体／　ｃｍ　”である。第５ＦＡ＋、ｉ、
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Ｊξに急速に増
加することに性急されたい。更に、がイ「り低い温度で
も、什鉛が急速に拡散し、鋭い接合を形成することに性
急されたい。
（へ）　窒化物４２及び酸化物４０を剥し、層３４を露
出する。フＡトレジストをＨ３４の１にデボジツ］〜し
、パターンを定めて、約１０ミク■ン平方の能動区域を
限定する。次にパターンを定めたフ第１・レジス］〜及
び層３４の１−にアルミニウムを３．０００人の厚さに
スパッタリングにＪ、ってデボジツ１へし、フ、１１１
〜１ノジストど共に持１−げて頗し、約１０ミクロン平
１ｊのドツト３６を形成する。第４０図参照。
（０アルミニウム・ドツト３６を層３４をプラズマ・Ｔ
ツチングＡる為のマスクとして使う。若干の１□（板３
２を除く過剰■ツヂがあっても、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／「い。最後に、基
板３２の反対側に金−ゲルマニウムのＡ−ミック接触を
つＩ−ｊて装置３０を完成する。
装置３０の障壁の高さは約１．ＯｅＶであったが、これ
に対してｐ十層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＜Ｔ
指数関数形の関係からｊｌ　ｌしたが、これによ−）で
次の様にイする。
ここでＡ　ＬＬは実効的なリチＡ７−ドソンの定数であ
り、１ＪＳ１．Ｌ電圧がゼ［ｌの時の飽和電流である。
φ８の値が、Ａ　ＬＬが２倍になっても、室温では１８
１１ｅＶＬ／か増加せず、Ａ″のＩｆｆｋあまり影ヤ！
、きれないことにン１怠され！こい。史に、装置３０の
理想度係数を電流−電圧データからｉｌ−ＩＩしＩＣが
、２Ｃはなく、１に近い。こねは、接合の再結合電流が
存在しないことを示４゜９１に、順方向の漏れ電流が小
さく、この為装置ｆｆ３０のＭ４造を持′）　Ｍ　Ｉ−
８ＩＥＴゲー１へを実現し１【ｌる。
第５図は非錯を車Ｊ板３２の中；３二追込む熱パルスに
対する種々の温度及び時間条ｆｌ　ｌ；：対し、層３４
の厚さを示している。特に６７５℃、７（）０℃及び７
２５℃の温度と２秒乃′１″！１０秒の時間に３１、す
、１００人乃〒５００人以１の１１ノ（きが４！１られ
Ｉご。層３４の厚さが約４００人を越えるど、接合１１
１結合効宋を招く。前述の編１α及び１１．’ｉ間条ｎ
を用いて製造された、装置３０ど同様イＩ−ｖ装置は、
０．７５乃至１．２ｅＶの範囲の障壁の高さを持つ（い
ＩＪ０第６図は障壁の＾さを高く４６層を持つ−１−ン
ハンスメント形Ｍ　Ｆ　Ｓ　Ｆ　ｌ−ｒ　１３０の簡略
側面断面図であり、廃絶縁Ｈの砒化ガリウム基板１３１
、ｎ形砒化ガリウム・チ１フンネル１３２、ｐｌ形砒化
ガリウムの、障壁の高さを高くする層１３４、チタン−
白金ゲー１−１３６、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−金のソース
及びドレイン・オーミック接触１３９を含む。ヂ亀７ン
ネル１３２の浅さは約０．１ミク目ンであり、障壁の高
さを高くする層１３４の岸さは約１００人である。
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
イｔ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、装置の構成部品の司法及
び幾何学＞ｒ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飴から、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【１更に多元の合金を含む■−Ｖ族系は砒化ガリ
ウムと同様′Ｃある。テルル化水銀カドミウムの様な■
、−Ｖｌ族系は熱にＪ：　−）で影響されることがある
こと、並びにシリコンはフェルミ・レベルの重大なピン
１１め作用を持たないことに注意されたい。
同様に、ゲーｉ・にはチタン、白金及び子の他の金属及
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１−どしては非錯、ベリリウｌ＼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１−とじては硫黄、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バン１−
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Ｈ　Ｅ　Ｍ　Ｔ論理回
路に対しては、全般的にエピタキシＡフル層を超格子及
びヘテロ接合に置ぎ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Ｔ稈が簡単に４Ｔす、プロセス・パ
ラメータの調節にＪ：って層の特性を調節４ることが出
来、標準的な処理工程と両立し１５＃ることが挙げられ
る。
１ス十の説明に関連して更に下記の項を開示する。
ｍ　　２＋’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１〜の急速な熱拡
散により、前記半導体上に前記第１の８１電型とは反対
のｓｉ型の薄層を形成し、前記金属をｉＩｌ記Ｍ層の上
にデポジットして前記接触を形成覆る二Ｆ稈を含む方法
。
（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■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、ドーバン
１〜がｑｂ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ボジツ１−された酸化亜鉛を含む６
２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］へが亜鉛、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ｈ法に於て、前記第１
の導電型がｎ形であり、前記ドーパントが硫黄、錫、セ
レン及びテｌノルから成る群から選ばれるｈ法。
（８）　　第１の導電型にドープされていで、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って特徴づけ
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ョット４ニー障壁。
（９）　　第（８）項に記載したショットキー障壁に於
て、前記半導体本体が■及びＶ族の元素の化合物である
ショットキー障壁。
（１０）第（９）項に記載したショツ］−キー障壁に於
て、前配化合物が砒化ガリウムであるショットキー障壁
。
（１１）第（８）項に記載したショットキー障壁に於て
、前記薄層が、亜鉛、ベリリウム及びマグネシウムから
成るＲＹから選ばれた元素でドープされているショット
キー障壁。
（１２）第（８）項に記載したショットキー障壁に於て
、前記薄層が、硫黄、錫、セレン及びテレルから成る群
の中の元素によってドープされているショツ１−キー障
壁。
（１３）第（１１）項に記載したショットキー障壁に於
て、前記ドーパン］・が亜鉛であるショットキー障壁。
（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
らの拡散によっ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■及びＶ族の元素の化合物であるＭＥ
ＳＦＥＴ。
（１６）第（１５）項に記載したＭＥＳＦＥＴに於て、
前配化合物が砒化ガリウムであるＭＥＳＦＥＴ。
（１７）第（１４）項に記載したＭＦＳＦＥＴに於−Ｃ
１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ってドープされているＭＥＳＦＥＴ
０ （１８）第（１４）項に記載したＭＦＳＦＥＴ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ＭＦＳＦＥＴ。
（１９）第（１４）項に記載したＭＥＳＦＦＴ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って製造され
た第１の好ましい実施例のショットキー・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Ａ７ン
ネルに沿った薄片の側部断面図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. （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
    デポジツトして前記接触を形成する工程と、 を含む方法。
  2. （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と、 前記薄層の上の金属層と を有するショットキー障壁。
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