電子工学科村 上 浩 則 遠 山 尚 武 高 橋 徹

九州工業大学研究報告（工学）No．51 1985年9月       63

金属一シリコン接触におけるリチャードソン定数

（昭和60年5月30日 原稿受付）

電子工学科村 上 浩 則

       遠  山  尚  武        高  橋     徹

The Richardson Constant in Metal・Silicon Contacts

by Hironori MpRAKAMI

   Naotake TOYAMA    T6ru TAKAHASHI

       Ab8t西et

  We fab口cataed silicon Schottky diodes by various kinds of metal for the Schottky electrodes． We examined the varladon ofΨarious diode parameters wlth the meta1−film thickne5s by photoelec恒c measurements． hwas f皿nd that the barrier height vaned at less than 400 A with the met日1．五lm thick．

ne55 in all metal， Furthermore， we found that由e effective Richardson constant showed the particular v臼lue on each metal and varied conspicuously with the metal−film thicknes5． In particular、 the e∬ective Richardson constant depend5 sヒrongly on the tllickness of metaLfilm deposited by spunering than by eva−

poratlng●

       ドを製作し，1−V特性の測定及び分光器を用いた光電

1・まえがき        測定によってφ。．やバなどの打オードパラ・一タを

 白金シ1」サイドーシリコン（PtSi−SDショット  求めた結果，ショットキー電極金属の種類，膜［乳堆積 キーダイオードの電流一電圧く1−V〕特性は．熱処理条  方法の違いに対して．宇の値が変化することが確かめ 件の違いによって大きく変化することが知られている。  られ，A牢はM：Si接触界面の状態を敏感に反映した  従来この変化は障壁の高さ（φn，）の変化が原因であ  量であることが判明した・

るとされてきた： 2〕しかし実際にはφ抑はほぼ一定な

       2．試料の準惜及び測定 値を示しており，1−V特性の変化は実効リチャードソ

ン定数（A章）の変化に依存していることが見い出され   使用したウェハーは，（111）面を有する厚さ28⑪μm た。更に熱処理前の試料についてもA申は数千となって  のN型単結品シリコン基板上に．5μmのN型エピタキ いることから，A・は実際にはAndrew5やLepseherら   シャル層を成長させたもので。エピタキシャル層の室温 によって計算された（1U｝面を有するsiでの値112  での比抵抗は1Ωcmである。このウェハーを5×5

（A「cm 2μく2）3）という一定な値ではなく，金属一シリ  mm 2のペレットに分断し表面を良く洗浄した接．フッ コン（M−Si）接触界面の違いによって変化する量で  化水素酸により酸化膜を除去した。そしてただちにエビ あることが予想される。       タキシャル層側に直径3mmのショットキー電極をス  このような観点から，シ目ットキー電極金属の種類，   パッタリングまたは真空蒸着によって形成し・基板側に 膜厚，堆積方法を変えてM−Siショットキーダイオー  はオーミック接触用のアルミニウムを真空蒸遊した。こ

こでショット⌒⊇いた鰯 撃券昼焉iPt）・金 ・−SA・T・exp（謬り〔exp（1：）−1〕＋∫一（1・）

｛A11），銀（Agユ，ニッケル｛N1），タングステン

（W），ア・・ミニウム〔AD潮（C・）の7種類であ ⇒・・p（器）−1〕＋L−…・………（1b）

≧㌶≧㌶蕊㌶註1−v特性の ⌒國器｝一ユ〕一・一・一・…抽

       ここに∫，A車．φ加，πは各々ショットキー電極

3測定繍及び酬      の酬喘蜘」チ。一ドソ．定数，酬の高さそし

 3コ Pt−Si       てjunction idPality正actOrを示し，更にκ， T，ワ，」5 ，  Pt−Siショゾトキーダイオードは，スパッタリング  ∫㌔1は各々Boltヱmann定数，絶対温、度，電子の電荷，

によりPt電極を形成し，膜厚が100 A−−8000 Aの範囲  真の逆方向飽和電流そして見かけ上の逆方向飽和冗流を の試料を製作した。図一］に300Kで測定したPt膜原を  示している。また（1a）式の右辺第1項は熱電子放出 パラメータとする順方向1−V特性を示す。この図よ1〕  理論による電流式を示し，この電流は，宇が一定であ 膜厚が増加するにつれて，すべての電圧領域に対しても  ればφ憤のみに依存するものである。図2は1−V特性 電流値が次第に増大し、Moo Aで最大となり，それ以  及び（］c）式によって求まるjunction ideaUty factor        り 上の膜叩では急激に減少していることがわかる。また逆  （n）のPt膜厚に対する変化を示したもので．1400 A一 方向1−V特性においても，同様の傾向が見られた。以  4000Aの範囲で1．0に近づいていることから，この領域 上のようにPt−Siショットキーダイオードの1−V特  では理想的な接触界面が形成されていると考えられる。

性は，Pt膜1享の違いによって大きく変化していること  次にφ卵は，分光器を用いた光電測定から得られるファ がわかる。一般に、金属一半導体ショットキーダイオー  ウラープロット4｝により，直接的に求めた。図一3に

ドに順方向電圧vを印加した時．ダイオードを流れる  由，のP1膜厚に対する変化を示す。図より800A以下の 電流は次式であらわされる。      範囲ではかなり変化しているのに対して、それ以上の範       囲では一定仙を示していることがわかる。（1b）式中       の真の逆方向飽和電流ISは．以下に示す光電測定に  二      よって求めた5｝ 6〕。室温でPt−Siショットキーダイ  E 一      オードのPt電極に単色光を照射した時，開放端に数十

三1・1        ミリポルト以下の電圧が生じる．こ嬬圧臓で過鯛 髪      流成分（L｝がオーミ・ク性を示すと仮定すると．単

 u      色光を照射した時のショットキーダイオードは，図一4  昆

 ≦  ロ ￡100

       z        告15       0  2001      5       ム 6。。1   正1・

       o       」       ロ   1400A      ：

    ト       

伯／  二：：lll  垂12

      1．0

162

0        0」        02       0    2．0    40    6D旨が         FORWARD BlA5 （V）      ロ

      円  FILM THICKNESS （A｝

   図一1 Pt膜厚をパラメータとした

      願方向1−V特性      図一2 Pt膜厚に対するn値の変化

金属一シリコン接触におけるリチャードン定数      血5

に示す簡単な等価回路であら：わされる。図中∫助は光電   f2），〔3｝式より∫．hを消去すると，次式に示す工と｝

流，Dは理想特性を有するショットキーダイオード．  の線形方程式が得られる。

；二㌻麗欝蕊莚の㌫㍗Rき γ≡』＋煮一一・・………一・……一（・・）

荷抵抗（100Ω一lMΩ），∫r，，∫。hは各々理想ダイ      ⊥        ．       R止

二蒜㌫遼：漂慧㍍ ｝≡⇒響）一幽） 占◆… 唱『 ｛』b）

方向仁V特性の解析から1〜3Ωであることがわかり．    X≡    ．1㌦一V    ＿＿＿．＿．＿＿（4c）

R、と比較すると非常に小さ・・ため無視することができ  ・・p（繋｝一・・p（親

る。図4の等価回路より・ショットキー電極に単色光を   従って，R、と光の強度を変化させ1ノと1しを測定 照射した時の∫坤は次式であらわされる。        することにより，X−Yのプロットから∫、と星、を求め

ムー』〔・・p（1：）−1〕＋☆＋蓋……一一イ2）ることカ・できる一車は・各々独立な光翻定によって        求めた1，と由、を用いて次式から求めることができる。

 また開放端電圧をV。cとすると

一〔即（牲ヨー1〕＋芸一＿…＿聞 宇一≒壁）………＿＿．．…個

      図3にAオのPt膜厚に対する変化を示す。 A°は

1010員1♂

璽

苫80

三

㌔

⊆6．o

已 望

84，0

吉 い星2・o

壬 呈

匝  00   2．0   4．0   6．Ox103

      Pt FILM丁HICKNEsS｛1］       いるのは． PI Siの形成過程であるためと考えることが       でき．14⑪OA付近でPtSiが形成され，2000A以上の

恥㌫：蒜鑑チャードソ端 範囲では徐々にシリサイド化撒し．・・S‥s・の理

      想的な接触界面が形成されているためにA牢がゆるやか       に変化したと思われる。このような変化の特徴は図1で       はMooA以上でη値がLoに近づいていることに表わ

     ↓ID↓lsh Rs  t建蹴：三㌶漂＝瀦

     1400Aを境として前後で急激な変化をしているのに対   ㌫   し，2000A以上の範囲ではゆるやかな変化を示してい

  豊

α85工  る。またスパッタリング中のSi表而付近の温度を測定   ≡   したところ，スパッタリング基盤を水冷しているにもか   ロ0．80呈   かわらず，Pt膜琿が1400 Aとなる範囲では300℃を示   岳   L．6000A付近では450℃にも遅していた。 PtとSiの   匡 共晶点温度が3・0℃であることから，］4・oA付近で白金

  ロ     シリサイド（Pt Si）が形成されていると考えられる。

     従ってA＊が100A−1400Aの範囲で大きく変化して

 Iph

ｪ

↓ID    ↓lsh Rs

c   Rsh   V

      れている。囲5に300Kで測定した印加電圧0，1Vにおけ      D    Rsh   V  RL   る順方向電流のPt膜厚に対する変化を示す。順方向電       流は膜1享に対して大きく変化しており，この変化がA・

      の変化と非常によく一致しているという興味深い結果が       得られた。また逆方向電流についても同様な変化の特徴       が見られた。以上より，Pt−Siショットキーダイオー       ドにおいて．．4・はPt−Si接触界而の状態に応じて変化

肝4 q三¶㌶：のショットキー し・しかもその変化が1−v㈱変化として表われて

30

2

ト20三 臣 自

自10

葦 巴

」

FORWAR D日IAS     0，1 V

MEA5UREMENT TEMPヨ00K

§ 毛80°

三

畳600

⊆ さ

望4008 吉200

岩 臣

吉 0

正

0     2．0    4．0    60     aO亙10ヨ

         恥FILM TH1⊂K旺55｛1）

  ε   二   δ

ロロロト

  ±   里

むフヨぽ

  禮   量

゜・ ・。 ・・．6。・1・ユ 図＿6、、騨 、対する勲・ノチャードソン趣

       Pt FILM THICKNE55（A｝

       及び障壁の高さの変化   図一5 P濃厚に対する順方向電流の変化

いると思われる。

       言60  3．2 Al」−Sl      35、O        トAu−Siシ・・トキーダイオードは，真空蒸着により  蓮 ・ A．電極を形成し，膜厚が1・・A−9500Aの範囲の試料  §3°

       自2 0 を製作した。図6にφ卵．A車のAu膜厚に対する変化    晋ω を示す。φ創は膜暉に対してほとんど変化しておらず，    きo        エ 約0．80eVでほぼ一定になっている。これに対してA牢     O

FORWARD BlAS    01v MEAsUREMENT TEHP 300 K

       20    40   60   aOx10コ は2。。。A以下の鯛では多少変化しているものの全体     A・FILM THlc・NE55・1・

的【、理論伽12（Al。m・IK・）1、近い値となっている。   図一7 A・餌耐する順方向耐の変化 図一7は，300Kで測定した印加電圧0．1Vにおける順方

向電流のAu膜厚に対する変化を示したもので，ほぼ一

定な値を示しており，この特徴は逆方向電流にも見られ   ぎ た。φ酬，A車がほとんど変化しないのは， AuがPtに    皇        ≦ 比べて比較的安定な接触界面を形成していることによる   ㌔        トためで．これらのことを反映して順方向，逆方向電流が    ま        トほぽ一定になっていると考えられる。       望        8400  3．3 Ag−Sl      z       

A・−Siシ・パキーダ付一ドは・真空蒸着により 目、。。

Ag電極を形成し，膜厚が］10 A−−820 Aの範囲の試料を   呈        呈

製作した。図8にφ肝，A倉のA呂膜厚に対する変化を示   匡 O

㌔て±一

  ㌫08D上   5   竺070生   呈

060r

  巴  庄   富

      0   200  400  600  800 す。図よりφ且wが0．63eV付近で最小となる変化を示し      Ag FILM THICKNE5〜（1｝

ているのに対して，ズは2・・（Al・m21K2）付近で  図＿8 Ag口厚1二対す確効リチャードソン額 ほぽ一定になっており，理胎値に近い値を示している。        及び障壁の高さの変化

図一9は300Kで測定した印加電圧0．1Vにおける順方向 電流のAg膜厚に対する変化を示したもので，400 Aで

最大となる山型を示している。また逆方向電流について   3、4 杣一Sl

も同様な変化の特徴が見られた。このような順方向，逆    N仁Siショットキーダイオードは，真空蒸着により 方向電流の変化はA・がほぽ一定値となっていること  M電極を形成し，膜厚が100A−1400Aの範囲の試料 から，轟丙の変化に大きく依存していると考えられる。   を製作した。図10はφ恥 A°のNi膜厚に対する変化

金属一シリコン接触におけるリチャードン定数       07

エ＜

E      FORWARD BlA5   10．1 V

−        MEASUREMENT TEMP，：300 K

←1．0話

臣

己α8

昆

≦o．6 き

L

 O．4

02

0

0   200   400   600   800       Ag FILM THICKNES5｛1）

15x］O］

婁 宅

§

追1，0

⊆ 已

￡

8

ヱ805

昆 壬 是

  ㌫ O？0ε   邑  9   三   望   吉 065匡   巴   臣   話

060

00     0．5     1．0     1．5x103

        Ni FILM THICKNE55〔1）

図一10 州膜厚に対する実効リチャードソン定散    及び障壁の高さの変化

     図一9 Ag膜厚に対する順方向電流の変化       t5       二       三 を示したもので，φぴ．A‡の変化は非常に良く似てお   ⊆       ロり1階段状の変化を示している。図11に300Kで測定し   庄1．0       コた印加冗圧0．1Vでの顛方向電流のM膜厚に対する変化   u

を示す．脳向電流は輌A・と同椥・5・・Aを境に 曇 変化してお坑この特徴は逆方向電流においても見られ   き た．φ朋の変化の原因として次のことが考えられる。 L°5 φ卵は500A以下で0．63 eVとなっており，この値はNi

とSiの接触によって生じる障壁の高さとほぼ同じであ

り，800A以上でのo．67 evはNiシリサイド（NiSi・）     o

とSiの酬 ・よって生じる魎高さと一致一・ ° °5＿。1謡、C，，ESS（11i5罰゜

以上のことから，500A−800 Aの範囲でNiとSiの接

触界面の温∫勤供品点温度2。。℃1、達し，NiSi，が形成  図一11 Hi膜厚に文寸する齢向蹴の変化 されたと考えられ，このような界面状態の変化によって

φ肝が変化したと思われる。更にA・についても，NiSi  生じる障壁の高さと同じであり，200 A−300 Aでの∪

2の形成によ1）φ由．と回様な変化を示したと考えること  65eVはWシリサイド（WSi・｝とSlの接触によって ができ，また順方向，逆方向電流の変化はφ酬の変化に  生じる障壁の高さと一致している。以上のことから5⑪ 依存していると思われる。       A−200Aの範囲でWSi2が形成されたと考えられ．こ  3．5W−Sl       のような界面状態の変化によってφB・が変化したと思わ  W．Siショフトキーダイ才一ドは，スパッタリング  れる。またA°についてもWSi 2の形成に伴いφ肖・と同 によりW電極を形成し，膜厚が50A−400Aの範囲の試   様な変化をしたと考えられる。

料を製作した。図一12に由、，A申のW膜厚に対する変   3．6 Al−Sl

化を示す。φ椰，A庫の変化は良く似てお1〕，100 A〜   A1−Siショットキーダイ才一ドは・スパッタリング 300A・の範囲で共に一定になっている。φR．は50AでO．  と真空燕着の2方法によりAl電極を形成し、各々膜厚 67eVとなってお｝，，この値はWとSiの接触によって  が40A−340Aの範囲の試料を製作した。真空蒸着によ

竃 圭 呈3。・10］

ご き

雲 208

き 口   10 昆 至 呈 匡    o

    0   100  200   300   oo      の 1．5       WFILH THICKH￡5S（ム｝     O   図一12 1膿厚に対する実効リチャードソン定戯     z       及び障壁の高さの変化       iR 1・O       昆       く       吉o・5 る試料はいずれもほぽオーミフクな特性を示した。これ   左 はAlの仕事閲数がSlの電子親和力より小さいことによ

       o

ると思われる。これに対してスパッタリングによる試料       0  100  200  300 400       ロ では明らかに整流性を示した。図一13はスパッタリング      Al FILM TH1CKNE55（A）

による試料でのφ且．，A申のAl膜厚に対する変化を示     図一13 A順厚に対する実効リチャードソン定敷 したもので，φ8ぎ，宇は共に階段状の変化を示してお         及び障壁の高さの変化

り、特1、A・鯉端と比較すると1・f音以上の値になっ   （Sp enng）

ている。これはスパッタリングの場合，si表面に衝突 するAl原子の持つエネルギーが真空蒸着の場合より格

  ＿    3．Ox103   至

o∈7 置       ⌒

  δ    i≧

  ト       ベ

065匡i       1…  2・5   山         u   ＝       、

      く

  ロ       リ

゜63 掾@ 痴20

  岳   ⊆       已       z       u

段に大きいことによると思われる。以上のことからAl   ＿        ミ 薄膜の堆積方法の違いによるA1−Siに接触における電    苫        三 気的特性の違いは，Al原子の持っているエネルギーの    茱        に 大きさによワて界面状態が異なっているためと考えられ    計゜0        ￡ る。       8コoo  3、7 Cu−Sl       冨        ロコ   Cu−Siショットキーダイ才一ドにおいてもスパァタ            吉

リングと真空蒸着の2方法によりCu電極を形成し，    匡1。o 各々膜厚が50A〜800Aの範囲の試料を製作した・図一     〇

         ㌃

φBN     二

「一一  α75δ

         完          巴          ロ       O．70工          缶          匠          ロ          話

 言06口  三

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058些

 臣 昌

14に難鞘1・よる試鞭のφ・・．A・のC・囎｝・対  ゜2°°4°°，．F謂。1、，＝、）

する変化を示す阜φ枯，A章は膜厚に対して同じ変化の

傾向を示し2・・A以上で一定1・なっている・図一151まス @図一14謡監灘瓢チャードソン融

パ・タリングによる拭料でのφ…A‡のC・膜厚｛二対    （E．、p。，。，1。。）

する変化を示したもので，真空蒸着による試料の変化と は異なり．φ酬，宇は共に増大する傾向にある。真空

蒸着による試料でのA申は300（A∫cm2∫K2）以下であ   は200 A以下の範囲でφ耐がo・62 ev， A°が200｛A／

り理舗に近い値を示しているのに責札て．スパ・タリ ・m2／K2）と1ま 醐じ値になっていることから・各々の ングによる試料では最高1700（Alcm 21K2）にも達し  領域でのCu−Si接触界面の状態が非常に類似している ている。これは真空蒸着に比べてスパッタリングの場合   と思われる。

c。原子の持つエネルギーが格段に大き・涜めと考えら 鍋実効リチャードソン定敷及び腿の高さ れる。また真空蒸着では400A以上，スパッタリングで    図一16にすべての金属におけるA°のショットキー電

金属一シリコン接触におけるリチャードン定数       69

20x103

       り≡      舌   藍

宅         三 壱25 Pt已       エ      ＜

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       ロ         のご       α：   o

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1α5    σ・・ °°2α °6°B．㌫ll。，誌、r；1卍

      図一16 ショットキー電極膜厚に対する        実効リチャードソン定数の変化   0   0      200     400     600     邑OO

      ロ       Cu FILM THICKN巨55 （A）

  田一15 Cu膜厚に対する実効リチャードソン定鼓

      及び障壁の高さの変化      言090       （Sp・tt・・i・g）         』        ←OBO        蔓        聖070

       ロニ

極膜厚に対する変化を不す。図中実線及び点線は各々，    里        ロスパッタリング，真空蒸着によって製作した試料に対す   塁α60

る結果を示している。真空蒸着による試料では，A‡は    050 いずれも500（A／cm 2／K2）以下で比較的変化が小さ

いのに対して，スパッタリングによる試料ではその変化

が非常に大きく，特にPtでは最高8000（A／cm 2／K2）     0 02 0ト  06 08 10 1 2 t細03        ME†AL FILM THIC帆NES5 ｛1｝

にまで違している。このような違いは，真空蒸着の場合

金属が蒸気状となってs・鋼・ゆるやかに付着するの  図一17二量蒜；霊膜厚に対する

に対して，スパッタリングでは金属原子が大きなエネル ギーを有してSi表画に衝突するため． Si表面の構成原

子の再酬や低温固相反応・・瀕空端、比べて起こり 4・むすび，

やすいからだと思われる。またSiとの共品点温度の低   金属一半導体接触における実効リチャードソン定数は，

いNiとPtでは，各々共晶点温度に達する領域でA牢は  従来半導体材料や結品軸方向によって一義的に定まる定 共に600（A／cm 2／K2）付近で一定値を示している。 数と見なされていたが，以上示した様に同一の半導体材 以上のことからA寧は、M−Si接触界面の状態に応じて  料においても，ショットキー電極に用いる金属の種類，

敏感に変化する量であると言える。また図17にすべての  膜厚，堆積方法の違いによって異なった値を示すことが 金属における由．のショットキー電極膜厚に対する変化  確められたPまたこれらのことから，種々の条件に対応

を示す。図中実線及び点線は各々スパッタリング，真空  してM−Si接触界面の状態が異なっていることが予想 蒸着によって製作した試料に対する結果を示している。  される。従って，今後これらの界面状態の変化を実験的，

φ．．はすべての賦料において400A以下で変化しており、  理論的に解明することによって，エレクトロニクス技衛 これはいずれのM−Sl接触においても400 A以下の範囲  に不可欠なLSI素子の信頼性や寿命の点で更に向上す で，金属膜厚の増加に伴って界面の状態が顕著に変化し  ることが期待出来る。

ているためと考えられる。

 謝辞

 本研究を遂行するにあたり，御指導，御助言を頂いた 本学電子工学科電子基礎研究室の滞本健一教授，そして 実験に御協力頂いた卒論生諸氏に深謝致します。

         参考文 献

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