JP2025021846A - Semiconductor Device - Google Patents
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Abstract
【課題】Siからなる半導体層に金属電極層を積層させた積層構造を含み、動作安定性の高い半導体装置の提供。【解決手段】p型Siからなるp型半導体層に第1金属電極層を積層させた整流性を示す積層構造と、及び/又は、n型Siからなるn型半導体層に第2金属電極層を積層させたオーミック性を示す積層構造と、を含む半導体装置である。p型Si半導体層及び第1金属電極層との間、及び/又は、n型半導体層及び第2金属電極層との間には、Sb及び/又はBiとTeとの層状化合物からなる層状化合物層を介挿されている。【選択図】図1[Problem] To provide a semiconductor device with high operational stability, including a laminated structure in which a metal electrode layer is laminated on a semiconductor layer made of Si. [Solution] A semiconductor device including a laminated structure exhibiting rectification properties in which a first metal electrode layer is laminated on a p-type semiconductor layer made of p-type Si, and/or a laminated structure exhibiting ohmic properties in which a second metal electrode layer is laminated on an n-type semiconductor layer made of n-type Si. A layered compound layer made of a layered compound of Sb and/or Bi with Te is interposed between the p-type Si semiconductor layer and the first metal electrode layer, and/or between the n-type semiconductor layer and the second metal electrode layer. [Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、Siからなる半導体層に金属電極層を積層させた積層構造を含む半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device that includes a laminated structure in which a metal electrode layer is laminated on a semiconductor layer made of Si.
Siからなる半導体層と金属層とを接触させると、整流作用を示す「ダイオード接合(ショットキー接合)」となる場合と、このような整流作用を示さない「オーミック接合」となる場合がある。この差異は、Si半導体層と金属層とのエネルギー障壁の大きさに依存し、Si半導体層がp型又はn型の半導体からなるかとともに、組み合わせる金属の種類にも依存する。 When a semiconductor layer made of Si is brought into contact with a metal layer, it can either form a "diode junction (Schottky junction)" that exhibits rectification, or an "ohmic junction" that does not exhibit such rectification. This difference depends on the size of the energy barrier between the Si semiconductor layer and the metal layer, and also on whether the Si semiconductor layer is made of a p-type or n-type semiconductor, as well as the type of metal that is combined with it.
例えば、特許文献1では、半導体素子の一方の表面にショットキーダイオードとpn型ダイオードとを交互に配置し、n型半導体領域にショットキー接合、p型半導体領域にオーミック接合を与えたMPS(Merged p-i-n Schottky)構造を含む半導体装置を開示している。ここでは、半導体基体としてSiCを用いn型半導体領域上にショットキー接合するNiAl合金を接合させると界面が安定しないことを述べた上で、n型半導体領域のショットキー接合層と、p型半導体領域のオーミック接合層とをそれぞれ異なる材料で形成すべきことを述べている。具体的には、オーミック接合層にはアルミニウムとチタンとを含む合金、ショットキー接合層にはモリブデンを主成分とする金属からなるとしている。
For example,
Siからなる半導体層と金属層とを接触させたときに、整流性及びオーミック性のいずれであっても、接触界面が安定しないと動作安定性を得られない。上記したように、モリブデンのような高融点の金属を用いたとしても接触界面が波打って十分な動作安定性を得られないことが確認された。 When a semiconductor layer made of Si is brought into contact with a metal layer, whether it is rectifying or ohmic, unless the contact interface is stable, operational stability cannot be obtained. As mentioned above, it has been confirmed that even if a high-melting-point metal such as molybdenum is used, the contact interface becomes wavy and sufficient operational stability cannot be obtained.
本発明は、上記したような事情を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、Siからなる半導体層に金属電極層を積層させた積層構造を含み、動作安定性の高い半導体装置の提供を目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a semiconductor device with high operational stability, including a laminated structure in which a metal electrode layer is laminated on a semiconductor layer made of Si.
本願発明者らは、例えば、高融点金属であるWであってもSiと接合させた界面では十分に平坦にならず、結果として、整流性及びオーミック性といった半導体装置での動作安定性を欠くことに着目した。 The inventors of the present application have noted that, for example, even W, a high melting point metal, does not form a sufficiently flat interface when bonded to Si, resulting in a lack of operational stability in the semiconductor device, such as rectification and ohmic properties.
すなわち、本発明による半導体装置は、p型Siからなるp型半導体層に第1金属電極層を積層させた整流性を示す積層構造と、及び/又は、n型Siからなるn型半導体層に第2金属電極層を積層させたオーミック性を示す積層構造と、を含む半導体装置であって、前記p型Si半導体層及び前記第1金属電極層との間、及び/又は、前記n型半導体層及び前記第2金属電極層との間には、Sb及び/又はBiとTeとの層状化合物からなる層状化合物層を介挿されていることを特徴とする。 That is, the semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device including a laminated structure exhibiting rectification in which a first metal electrode layer is laminated on a p-type semiconductor layer made of p-type Si, and/or a laminated structure exhibiting ohmic properties in which a second metal electrode layer is laminated on an n-type semiconductor layer made of n-type Si, and is characterized in that a layered compound layer made of a layered compound of Sb and/or Bi and Te is interposed between the p-type Si semiconductor layer and the first metal electrode layer, and/or between the n-type semiconductor layer and the second metal electrode layer.
かかる特徴によれば、半導体層との間で整流性及びオーミック性を示し、しかも界面平滑性の高い層状化合物層を介挿していることで動作安定性の高い半導体装置とできるのである。 This feature allows for a semiconductor device with high operational stability by interposing a layered compound layer that exhibits rectification and ohmic properties between the semiconductor layer and has a high interfacial smoothness.
上記した発明において、前記層状化合物層は非晶質相を含むことを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、良好な界面平滑性を得られ、動作安定性の高い半導体装置とできるのである。 In the above-mentioned invention, the layered compound layer may be characterized by including an amorphous phase. This characteristic allows for good interface smoothness and results in a semiconductor device with high operational stability.
上記した発明において、前記層状化合物層は1~10nmの厚さを有することを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、金属電極層の金属種によらず、動作安定性の高い半導体装置とできるのである。 In the above-mentioned invention, the layered compound layer may be characterized by having a thickness of 1 to 10 nm. This characteristic allows a semiconductor device with high operational stability to be obtained, regardless of the metal type of the metal electrode layer.
上記した発明において、前記層状化合物は、(SbxBi1-x)2Te3(但し、0<x<1)からなることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、良好な整流性及びオーミック性を示しかつ良好な界面平滑性を与え動作安定性の高い半導体装置とできるのである。 In the above-mentioned invention, the layered compound may be characterized in that it is composed of (Sb x Bi 1-x ) 2 Te 3 (where 0<x<1). With this characteristic, it is possible to provide a semiconductor device that exhibits good rectification and ohmic properties, and also provides good interface smoothness, resulting in a high operational stability.
前記p型SiはSiにGeを含むことを特徴としてもよい。又、前記n型SiはSiにCを含むことを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、良好な整流性及びオーミック性を示すとともに動作安定性の高い半導体装置とできるのである。 The p-type Si may be characterized in that it contains Ge in Si. The n-type Si may be characterized in that it contains C in Si. With these characteristics, it is possible to obtain a semiconductor device that exhibits good rectification and ohmic properties and has high operational stability.
以下、本発明を実施するための一形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。 Below, one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、図1に沿って半導体装置の製造方法及び得られた半導体装置について説明する。 First, the manufacturing method of the semiconductor device and the resulting semiconductor device will be described with reference to FIG.
図1に示すように、まず、半導体層2の上にSb及び/又はBiとTeからなる非晶質膜からなる層状化合物層4を形成する。半導体層2は、Si半導体によって形成される。Si半導体は、p型Siからなるp型半導体、又は、n型Siからなるn型半導体のいずれか一方から選択される。C又はGeを含むSi半導体によって形成されてもよい。そして、層状化合物層4の上には金属電極層3が設けられる。その結果、半導体層2及び金属電極層3の間には、Sb及び/又はBiとTeからなる層状化合物による層状化合物層4が介挿されることになる。
As shown in FIG. 1, first, a
金属電極層3の材料に特に限定はなく、例えば、タングステン(W)、コバルト(Co)、ルテニウム(Ru)、などを用いることができる。
There are no particular limitations on the material of the
層状化合物層4の材料としては、SbxTe1-x、BixTe1-x、(BixSb1-x)2Te3が挙げられる。ここで0<x<1である。
Examples of materials for the
次いで、熱処理によって層状化合物層4の非晶質膜を結晶化させる。非晶質膜は、適切な温度で熱処理することにより結晶化されて結晶相による層状化合物となる。なお、後述するように、層状化合物層4は、非晶質相を含んでもよく熱処理を行わないようにすることもできる。また、熱処理を行いながら、半導体層2の上に層状化合物層4を形成することで、結晶化した層状化合物層4を得ることもできる。
Then, the amorphous film of the
このようにして得た半導体装置1は、金属電極層/半導体層の積層構造を含み、金属電極層と半導体層とを直接接合した場合に比べ、この層間の電位障壁高さを変化させ得る。そして、例えば、接触抵抗を減じ、あるいは、ダイオード電流のon/off比を向上させることができる。
The
ここで図2(a)を参照すると、一般に、半導体層2としてn型のSi半導体(n-Si)と金属電極層3(W)とを接合させると、金属の仕事関数と半導体層の仕事関数の差や、金属誘起準位(MIGS:Metal induced gap states)を起因とするフェルミ準位のピンニングによって電位障壁高さ(BH)の高いダイオード接合となる。そのため、n型のSi半導体による半導体層2に金属電極層3を接合させると接触抵抗が増大してしまう。
Referring now to FIG. 2(a), generally, when an n-type Si semiconductor (n-Si) is bonded to a metal electrode layer 3 (W) as the
これに対し、図2(b)に示すように、本実施例における半導体装置1の構造によれば、半導体層2にSb2Te3からなる層状化合物層4を接合させると、フェルミ準位のピンニングの位置が異なり、電位障壁高さ(BH)を低くすることができる。これにより、半導体層に金属電極層を直接接合した場合に比べて接触抵抗を減じて、オーミック性を示すオーミック接合とすることができる。
2B, in the structure of the
また、図3(a)に示すように、一般に、半導体層2と金属電極層3とを接合させると、平坦な接合界面を得ることが難しい。一方、同図(b)に示すように、本実施例における積層構造では、半導体層2と層状化合物層4との間において原子レベルで平坦な接合界面を得ることができる。なお、層状化合物層4は、層状化合物の最小単位となる1層の厚さである約1nmを厚さの下限とする。また、層状化合物層4は、抵抗を過度に高くしないために10nm以下の厚さとされることが好ましい。この厚さの上限値は、層状化合物層4の垂直方向の抵抗率が0.01Ωcm程度であることに基づいている。例えば、固有接触抵抗率として10-8Ωcm2以下を得るためには、垂直方向の抵抗率×膜厚=固有接触抵抗率とすると、膜厚は10nm以下と計算できる。つまり、層状化合物層4の厚さは1~10nmの範囲内であることが好ましい。
Also, as shown in FIG. 3(a), it is generally difficult to obtain a flat bonded interface when the
また、図4に示すように、このような原子レベルで平坦な接合面を得られることで、半導体層2(Si半導体)と層状化合物層4(Te系層状物質)との間には、接合面として理想的な無欠陥な界面を形成することができる。これによって、動作安定性の高い半導体装置とすることができる。 As shown in FIG. 4, by obtaining such an atomically flat bonding surface, a defect-free interface that is ideal as a bonding surface can be formed between the semiconductor layer 2 (Si semiconductor) and the layered compound layer 4 (Te-based layered material). This allows for a semiconductor device with high operational stability.
さらに、図5に示すように、半導体層2に用いられるSiには、価電子帯の最上位EV、伝導帯の最下位ECの間にバンドギャップが存在する。同図の例によれば、n型のSiには、伝導帯最下位ECと近い仕事関数を有する層状化合物層4を用いると低抵抗化に有利であり、例えばSb2Te3を用いると良い。また、p型のSiには、価電子帯の最上位EVと近い仕事関数を有する層状化合物層4を用いると低抵抗化に有利であり、例えばBi2Te3を用いると良い。このように、層状化合物層4に用いるSb及び/又はBiとTeからなる層状化合物は、Si半導体に対して特徴的なバンドアライメントを有する。
5, the Si used in the
特に、(BixSb1-x)2Te3からなる層状化合物において、xの値を0から1の範囲内で変えることで組成比を変化させると、その仕事関数は、Sb2Te3の仕事関数とBi2Te3の仕事関数との間で変化する。つまり、(BixSb1-x)2Te3の仕事関数は、xの値による組成比に応じて、Siの伝導帯最下位EC付近からSiの価電子帯最上位EV付近の範囲内で調整可能である。よって、半導体層2と金属電極層3との接触による電子障壁高さを単に変化させるだけでなく、この仕事関数の変化に応じて調整可能である。
In particular, in a layered compound made of (Bi x Sb 1-x ) 2 Te 3 , when the composition ratio is changed by changing the value of x within the range of 0 to 1, the work function changes between the work function of Sb 2 Te 3 and the work function of Bi 2 Te 3. In other words, the work function of (Bi x Sb 1-x ) 2 Te 3 can be adjusted within the range from near the lowest E C of the conduction band of Si to near the highest E V of the valence band of Si according to the composition ratio based on the value of x. Therefore, the electron barrier height due to the contact between the
また、図6に示すように、n型のSiに対する電位障壁高さについて、Ec(伝導帯)エッジに近くなる材料がランタノイドなどの希土類元素を除いて、従来は見つかっていなかった。ところが、本実施例の層状化合物層4に用いるSb及びTeの層状化合物によれば、Siとの電位障壁高さを希土類元素に匹敵する程度にEcエッジに近いものとできる。これにより、SbTe系化合物による層状化合物層4は、n型のSiからなる半導体層2と金属電極層3との接触抵抗を低くすることができる。
As shown in FIG. 6, in the past, no materials were found that, except for rare earth elements such as lanthanides, had a potential barrier height with n-type Si that was close to the Ec (conduction band) edge. However, the layered compounds of Sb and Te used in the layered
図7に示すように、p型で抵抗率5ΩcmのSi半導体からなる半導体層2に金属層(W)を直接接合させた場合(W/Si)に比べて、Sb2Te3による層状化合物層を介して金属層(W)を接合させた場合に電位障壁高さ(BH)が高くなることが判った。また、層状化合物層について、非晶質膜として形成したまま(As-deposited)のときと、100、200、300、400℃の4通りの熱処理温度(Annealing temperature)で熱処理したときとで、電位障壁高さにほとんど変化がないことも確認された。つまり、非晶質相であっても結晶相と同等の電位障壁高さを得られることが判った。 As shown in Fig. 7, it was found that the potential barrier height (BH) is higher when the metal layer (W) is bonded via the layered compound layer of Sb2Te3 than when the metal layer (W) is directly bonded to the semiconductor layer 2 made of a p-type Si semiconductor with a resistivity of 5 Ωcm (W/Si). It was also confirmed that there is almost no change in the potential barrier height of the layered compound layer when it is as-deposited as an amorphous film and when it is heat-treated at four heat treatment temperatures (annealing temperatures) of 100, 200, 300, and 400°C. In other words, it was found that the potential barrier height can be obtained in the amorphous phase as well as in the crystalline phase.
また、図8に示すように、n型で抵抗率5ΩcmのSi半導体を用いた従来の金属接合によるショットキーバリアダイオードに比べて、層状化合物層としてSb2Te3を用いた本実施例による積層構造では、逆方向電圧を印加したときの電流が大きくなる。順方向電圧を印加したときの電流についての差はほとんどない。このように、従来の金属接合に比べて、on/off比の低い特性を得られる。つまり、接触抵抗の低いオーミック接合による積層構造を得ることができる。 Also, as shown in FIG. 8, in the stacked structure of this embodiment using Sb 2 Te 3 as the layered compound layer, the current when a reverse voltage is applied is larger than that of a conventional Schottky barrier diode using an n-type Si semiconductor with a resistivity of 5 Ωcm. There is almost no difference in the current when a forward voltage is applied. In this way, compared to the conventional metal junction, a characteristic with a low on/off ratio can be obtained. In other words, a stacked structure with an ohmic junction with low contact resistance can be obtained.
一方、図9に示すように、p型で抵抗率5ΩcmのSi半導体を用いた従来の金属接合によるショットキーバリアダイオードに比べて、層状化合物層にSb2Te3を用いた本実施例による積層構造では、逆方向電圧を印加したときの電流が小さくなる。順方向電圧を印加したときの電流についての差はほとんどない。このように、従来の金属接合に比べて、on/off比の高い特性を得られる。つまり、リーク電流の少ない整流作用に優れたダイオード接合による積層構造を得ることができる。 On the other hand, as shown in FIG. 9, in the stacked structure of this embodiment using Sb 2 Te 3 in the layered compound layer, the current when a reverse voltage is applied is smaller than that of a conventional Schottky barrier diode using a p-type Si semiconductor with a resistivity of 5 Ωcm. There is almost no difference in the current when a forward voltage is applied. In this way, compared to the conventional metal junction, a high on/off ratio characteristic can be obtained. In other words, a stacked structure with a diode junction that has excellent rectification and little leakage current can be obtained.
つまり、従来の半導体層と金属電極層との接合と比べた場合において、以下のように表現できる。層状化合物層にSbTe系薄膜を用いた場合には、半導体層にn型のSi半導体を用いると接触抵抗を低減でき、半導体層にp型のSi半導体を用いると電流のon/off比を高くできる。 In other words, compared to the conventional junction between a semiconductor layer and a metal electrode layer, it can be expressed as follows: When an SbTe-based thin film is used for the layered compound layer, the contact resistance can be reduced by using an n-type Si semiconductor for the semiconductor layer, and the on/off ratio of the current can be increased by using a p-type Si semiconductor for the semiconductor layer.
これに併せて、再び図5を参照すると、同様に従来の半導体層と金属電極層との接合と比べた場合において、以下のことも明らかである。すなわち、層状化合物層としてBiTe系薄膜を用いた場合には、半導体層にp型のSi半導体を用いると接触抵抗を低減でき、半導体層にn型のSi半導体を用いると電流のon/off比を高くできる。 In addition, referring again to FIG. 5, the following is also clear when compared with the conventional junction between a semiconductor layer and a metal electrode layer. That is, when a BiTe-based thin film is used as the layered compound layer, the contact resistance can be reduced by using a p-type Si semiconductor for the semiconductor layer, and the on/off ratio of the current can be increased by using an n-type Si semiconductor for the semiconductor layer.
以上のように、これらの実施例によれば、半導体層と金属電極層との接触による電位障壁高さを変化させることができる。 As described above, these embodiments allow the height of the potential barrier due to contact between the semiconductor layer and the metal electrode layer to be changed.
次に、半導体装置1としてトランジスタの製造例について説明する。
Next, we will explain an example of manufacturing a transistor as the
図10~図13に、上記した積層構造を適用した半導体装置の一例として、トップゲート型の電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)の製造工程を示す。 Figures 10 to 13 show the manufacturing process of a top-gate field effect transistor (FET) as an example of a semiconductor device that uses the above-mentioned stacked structure.
図10(a)に示すように、まず、半導体基板6上に絶縁膜8を原子層堆積(ALD)法によって成膜する。さらに、同図(b)に示すように、絶縁膜8上にゲート電極層9を成膜する。そして、同図(c)に示すように、リソグラフィーによってゲート領域をパターニングして、ゲート電極層9のドライエッチングにてゲート電極を成形する。
As shown in FIG. 10(a), first, an insulating
その後、図11(a)に示すように絶縁膜8をエッチングし、同図(b)に示すように、半導体基板6上にSb及び/又はBiとTeからなる非晶質膜である層状化合物層4を例えばスパッタリング法により、10nm以下の膜厚で堆積させる。そして、リソグラフィーとドライエッチングによって、同図(c)に示すように、ソース/ドレイン領域以外の層状化合物層4を除去する。
Then, as shown in FIG. 11(a), the insulating
半導体基板6の材料としてはSi半導体を用いる。
A silicon semiconductor is used as the material for the
絶縁膜8の材料は、任意の材料で形成されており、例えば、SiO2、Al2O3、HfO2、ZrO2、Y2O3、La2O3などの酸化膜を用いることができる。
The insulating
ゲート電極層9の材料に特に限定はなく、例えば、タングステン(W)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)、また、これらのうち2種以上を含む合金や積層膜を用いることができる。
There are no particular limitations on the material of the
そして、図12(a)に示すように、適切な温度で熱処理する事で層状化合物層4の非晶質膜を結晶化させて結晶相による層状化合物を形成させる。その後、同図(b)に示すように、層間絶縁膜10を成膜し、同図(c)に示すように、コンタクトホール10’をエッチングする。
Then, as shown in FIG. 12(a), the amorphous film of the layered
さらに、図13(a)に示すように、プラグ電極となる金属電極層3を成膜し、同図(b)に示すように、リソグラフィーとドライエッチングによって、金属電極層3によるプラグ電極を形成させる。これによって、Si半導体による半導体層2(半導体基板6)と金属電極層3との間に層状化合物層4を介挿させた半導体装置としてFETを得ることができる。これによって、接触抵抗を減じたトップゲート型の電界効果トランジスタとすることができた。なお、熱処理の温度としては、例えば、100℃以上の範囲から定められることが好ましい。
Furthermore, as shown in FIG. 13(a), a
このように、Si半導体による半導体層2と金属電極層3の間に層状化合物層4を介挿させたことで、半導体層2と金属電極層3との接触抵抗を減じることができる。
In this way, by inserting the
上記した積層構造は、トランジスタの他、ショットキーダイオード、発光ダイオード、太陽電池、熱電変換素子など、金属電極層とSi半導体による半導体層の接合部を有する任意の電子デバイスや光デバイスなどの半導体装置に適用することができる。 The above-mentioned laminated structure can be applied to semiconductor devices such as transistors, Schottky diodes, light-emitting diodes, solar cells, thermoelectric conversion elements, and any other electronic or optical devices that have a junction between a metal electrode layer and a semiconductor layer made of a silicon semiconductor.
ここまで本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれらの例に限定されるものではない。また、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。 Although the present invention has been described above with reference to examples and variations thereof, the present invention is not necessarily limited to these examples. Furthermore, a person skilled in the art will be able to find various alternative embodiments and modifications without departing from the spirit of the present invention or the scope of the appended claims.
1 半導体装置
2 半導体層
3 金属電極層(プラグ)
4 層状化合物層
6 半導体基板
8 絶縁膜
9 ゲート電極層
10 層間絶縁膜
4
Claims (6)
前記p型Si半導体層及び前記第1金属電極層との間、及び/又は、前記n型半導体層及び前記第2金属電極層との間には、Sb及び/又はBiとTeとの層状化合物からなる層状化合物層を介挿されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device including a laminated structure exhibiting rectification properties in which a first metal electrode layer is laminated on a p-type semiconductor layer made of p-type Si, and/or a laminated structure exhibiting ohmic properties in which a second metal electrode layer is laminated on an n-type semiconductor layer made of n-type Si,
A semiconductor device, characterized in that a layered compound layer made of a layered compound of Sb and/or Bi and Te is interposed between the p-type Si semiconductor layer and the first metal electrode layer, and/or between the n-type semiconductor layer and the second metal electrode layer.
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the n-type Si contains C.
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