・浅野清光

(1)

電気的特性による金属薄膜/半導体接触界面の研究

佐々木亨＊・浅野清光

InterfacePropertiesofMetalThinFilm/SemiconductorContactsby

ElectricalMeasurements

TohruSAsAKI*andKiyomitsuAsANo (2003年11月28日受理）

ULSIincludesmanymicroscopicmetal/semiconductorcontacts. Themicroscopicinter‑

facescausesomeproblemssuchasametal‑semiconductorinteractionatroomtemperature, whichcanspoilsemiconductordevices. Evennow,thereisnovalidmodelforthebarrierfor‑

mationatthemetal/semiconductorinterfaces. Thebasicstudyforthemetal/semiconductor interfacesisworthrecently. Inordertounderstandthephenomenaonmetal/semiconductor interfaces,wehavemeasuredelectricalpropertiesofmetal(Au,Pt,Cu,Al)/n‑VI(ZnSe,CdTe, ZnTe, ZnO) compoundsemiconductorcontactsandTi,Ni/GaAscontactsformedbyRF magnetronsputteringwiththemetalfilmthicknessl"m. Onthemetal/n‑VIcompound semiconductorcontacts,Cu/ZnSe,Al/ZnSe,Al/ZnOshowedthatthe indexof interfacial behaviorS*determinesthemechanismofbarrierformation. Andalmostoftheohmic contactsobtainedfromtheseexperimentsseemtobeduetothealloysatinterfacesformedby sputtering. OntheTi,Ni/GaAscontacts, imperfectrectifiedpropertieswereobservedbecause ofthehigherconcentrationofimpuritiesintheGaAssubstrate. Andtheannealingcontrib‑

utedtochangeintotheohmicorimprovedcharacteristics.

的な見解はなされていない。従って，半導体デバイスの性能向上のために，金属/半導体接触界面の基礎的研究がますます重要となってきている2)。また，

光情報処理や光通信などの分野の発達によって，現在光デバイスは重要性を増してきている。光デバイスとして高頻度に用いられている半導体材料としては, GaAsをはじめとするⅢ‑V族化合物半導体や ZnSe, ZnOなどのⅡ‑Ⅵ族化合物半導体が挙げられる。従って, GaAsやⅡ‑Ⅵ族化合物半導体について研究を行うことは，光エレクトロニクス技術のため非常に重要であると考えられる。

以上のような背景を受け，本研究ではRFマグネトロンスパッタ法によって金属/半導体接触試料を作製し，以下のような研究を行った。

・半導体のイオン性，共有性という観点から，金属

／半導体接触における障壁形成についてより深く考察を行うため， Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体の界面挙動指数S簿が0.25から1.0の場合の金属/半導体接触試料について電気的特性による研究を行った。

緒言

1．

近年の高度情報化社会に対しては，半導体デバイスの高性能化による貢献が非常に大きいと考えられる。半導体デバイスの高性能化は，デバイスを縮小，

高集積化することによって達成されてきた。半導体デバイスが縮小を続けた結果，電極として用いられている金属/半導体接触では，接触金属薄膜の膜厚が低下し，接触界面が微細化しているl)Oその結果，

金属/半導体接触界面においては，低温界面反応によるオーム性接触の形成などが報告されており，信頼性の点で問題となっている。高集積化に伴う省電力化も重要な課題となっている')。また，界面において形成される障壁の高さは，金属の仕事関数と半導体の電子親和力の差で表されるというショットキーモデルに従わないことも多い。さらに，金属/半導体接触界面における障壁の形成について，未だ統一

＊秋田高専専攻科学生

(2)

−86−

佐々木亨・浅野清光

･Ti,Niの二つの高融点金属について電極材料としての可能性を考察するため, Ti/GaAs接触と Ni/GaAs接触について電気的特性による研究を行った。安定したデバイス作製のための信頼性や，

良好なオーム性接触形成の可能性についても検討するために，試料を加熱して電気的特性を測定し

た。

4

3．5

3

２１

5

︷二④︶麺︾

＜

2．金属/半導体接触界面における現象

⁵

1

0

2.1 金属/半導体接触界面における障壁形成3）

金属/半導体接触における整流作用は1874年にF.

Braunによって報告されている。その整流作用，

つまり金属/半導体接触界面における障壁の形成についてはSchottkyらによって最初の理解が得られた3)｡Schottkyによれば，金属/半導体接触界面において形成される障壁の高さのBは，式

のβ=｡",‑X,

（1）

で与えられるという。ここで，のmは接触金属の仕事関数, XⅢは半導体の電子親和力である。しかしながら，共有結合性の強い半導体と金属の接触は，

このショットキーの理論に従わないことが知られている。金属と共有結合性の強い半導体との接触の場合についてはBardeenによって最初に解釈が試みられた3.)O以下にBardeenによる理論について説明する。

2.1.1 Bardeenのモデルによる金属/共有結合性半導体接触

Schottkyの理論によれば，金属/半導体接触界面における障壁の高さは接触金属の仕事関数に依存している。しかし共有結合性の半導体では，障壁高さが接触金属によらず一定に近い値である（図14))。

この問題に対しての理解はBardeenによって，表面準位という概念を用いて以下のように説明された。

Bardeenによれば, Si､GaAsのような共有性の強い半導体には表面準位が存在し，表面準位によって図2(a)のようにフェルミ準位がピニングされて障壁が形成されるという。表面準位密度が高い場合に金属と半導体を接触させると，表面準位を占める電子のみが金属側に流入することになり，ピニングによるフェルミ準位の湾曲は影響を受けない。従って，接触後も図2(b)のように接触金属によらず障壁が形成される。よって，共有性の強い半導体においては障壁高さが金属仕事関数に対して依存しないことが説明できる。この表面準位の原因の一つとしては，半導体表面に存在するダングリングボンドが

5

5 0

Z

図1 SiO2,GaSe,Siと種々の金属との接触における障壁高さ4）

一一一一v＆ClK』m1画■

一一一

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創

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一一︽

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一

E

I酎創

除≦ V

Metal Semoconductor

MetaI Semiconduc1or

(a)接触前

(b)接触後

図2表面準位がある場合の金属/半導体接触'）

、

考えられている。

共有結合性の半導体では，結晶表面にダングリングボンドが存在している。ダングリングポンドとは，

結晶表面における結合の終端で結合する相手のいない結合手である。ダングリングボンドは電気的に活性であり，電子または正孔を容易に捕獲することができる。半導体表面に局在するこのような電子状態は半導体の禁制帯中にもエネルギー準位を作る。

表面準位の概念を導入した結果，表面準位の密度が高い場合の障壁高さは次式3)で表される。

平成16年2月

▲SiO3

− ．G■Se

一

＞

●

・Si

Cs

ー

Al

P AI Pb AgPd ^Au_■

ー

Ni Cu

(S‑0.05]

▲ 1 1 1 1

(3)

(2) 属/半導体接触におけるバン"ド図を図47)に示す。

のβ＝島一の0

ここで，の0は表面準位である。このようにして形成される接触金属の仕事関数に依存しない障壁は BardeenBarrierと呼ばれる。以前に行った金属と共有性の半導体の接触についての実験では, GaAs やSiについては障壁高さの金属仕事関数に対する依存性は少ないという結果が得られた5)O

2.1.2半導体の共有性・イオン性を考慮した障壁高さ

以上のように，半導体が共有性であれば，障壁高さは接触金属の仕事関数に依存せず，イオン性であれば金属の仕事関数に依存するようになる。半導体の共有性，イオン性を考盧すると，障壁高さの式は，

現象論的に次式6)のように表される。

のβ=S*(の卿一x,)+(1‑y)(Ew−の0) (3)

ここで，

｡B :障壁高さ S* :界面挙動指数 X$ ;半導体の電子親和力の0 ：表面準位

dn, :金属の仕事関数

2.2低温界面反応による合金化4）

金属/半導体接触界面においては，室温程度の低い温度でも互いの構成原子の相互移動を伴う固相間の反応が起こることが報告されている。

例えば, Pt/Si接触は僅か300〜400℃の温度でも反応してPtSiを作るという。こうしてできたシリサイドは一般に金属的性質をもつので，良好なオーム性接触を作るために低温界面反応は有益である。

しかしながら，電極である金属/半導体接触は近年の素子の超小型化，超高集積化を受けて微細化し，

電極￨司士も接近している。そのため，図5のように低温界面反応によって接合部の短絡など素子機能の破壊が起こる問題も報告されている。

C

■■ーー一一

G

一ｅｅｅ

−

﹄

eee界置

V

金属金属

(a)バ S*は次のように定義される3)。

S"(s)="8/t/x" （4）

Sゞは，半導体が共有性の場合ではOに，反対にイオン性の場合では1に近づく（図3)｡S*が0の状態をバーディーン極限， 1の状態をショットキー極限と呼ぶ7)。それぞれの極限，及び両者の中間の金

ーディーン極限

S*=0

(b)0<S"<1

C

aも碗

図4界面挙動指数S"を

考慮した場合の金属/半導体接触界面バンド図7）

一ｅｅｅＧ

V

型竺一璽登̲塗鎧

●G､S IONIC

●G、S IONIC

金属

(c)ショ

ID

ソトキー極限S*=1

C LENT C LENT Q8

S 唖X酵酬T醗為CE

唾H即 ■

畜鋤鋤

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CdSe

農 Ⅷ陰

CdSe OS

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● SIC 0.4 ●

静

■

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爵勵帥

加脚鱸

0.llmW

InP InP mSb

O両冨一雨茂一而一而一1豆一画三画三F20 22 24

△XELECT…ATIⅥTYD1FFE賑睡E

1

図3種々の半導体についての電気陰性度差に対するS*

のプロット3）

図5低温界面反応によるp‑n接合の破壊4》

(4)

−88−

た。加熱時間は, 200℃で2時間, 500℃と700℃でそれぞれ10分間と2時間である。

3．実験方法

3.1 RFマグネトロンスバッタ法による試料の作製 RFマグネトロンスパッタ法により，金属薄膜を半導体上にスパッタした。 Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体は ZnSe,CdTe,ZnTe,ZnOの4種類を用いた｡S"=

1.0のものとしてTeO2についてもスパツタを行った。

ZnSe,CdTe,ZnTe,ZnO,TeO2にはAl,Cu,Au,Pt をスパッタした。それぞれの試料の大きさは，

15〜40mm2程度であった。GaAsは2inchのの、型 (100)面のウエハを用いた。GaAsには高融点金属として, TiとNiをそれぞれスパッタした。次に，

RFマグネトロンスパッタ法の概略を示す（図6)。

スパッタは1×10‑8Torr以下の高真空まで排気した後，約5×10‑3Torrの高純度アルゴン中で行った。

電源には13.56MHzの高周波水晶発振式電源（最高 500W)を使用して，投入パワー50Wでスパッタ時間を20分間とし，金属薄膜の膜厚が約1〃mの試料を作製した。

4．結果と考察

4.1金属／Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体接触試料の結果と考察

4.1.1 金属/Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体接触試料の1‑V特性表1に，測定された1‑V特性のタイプ。とショットキーモデルによる予測をまとめたものを,図7に，

Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体接触の1‑V特性の例を示す。

表1における1‑V特性のタイブ°とは，タイプ1が整流性，タイプ2が整流性とオーム性の中間タイプ3がオーム性をそれぞれ指す。

最初にAl/ZnSeとCu/ZnSeの結果について述べる。この二つののb=｡m‑X｡の計算結果はオーム性を示すが，実験結果はタイプ°1及び2でありオーム性にはならなかった。しかし, ZnSeはイオン性と共有性の中間の半導体であり, S*は0.5程度であるので， (3)式によれば障壁が形成されることが考えられる。従って, Al/ZnSeとCu/ZnSeについてはフェルミ準位のピニングが起こっている試料であると考えられる。

次に, Al/ZnOの測定結果について説明する。

ZnOはイオン性が強く, S*=1.0の半導体である。

3.2電気的特性による評価

作製した試料のI‑V特性とC‑V特性を測定した。

電極にはIn‑Ga合金を用い, Ti,Ni/GaAs接触試料については20〜30mm2程度の大きさに分割して測定を行った｡C‑V特性はプレシジョンLCR(HP 4285A, 75kHz〜30MHz)メータを用い，入力信号の周波数が75kHz, 2MHzの場合についてそれぞれ測定したc

I‑V特性より障壁高さとダイオード理想係数n を, C‑V特性より障壁高さと不純物濃度をそれぞれ求め，試料の評価を行った。

表1 1

sput蛇red metal

金属/Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体接触のI‑V特性

Atypeof l‑V Proper鯨

Expectedproperwby ScbottkymOdel

（ b=巾m‑xe）

SemicOnducmr

ｗ２２２３作１６２

−咋咋咋一恥恥蔀睡

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ZnTb(110）

化02， s*毒1．0 ZnO(101⑱， S☆多言1.0 ZnSe(110)，S衝弩0.5

Cd化(11の， S舎堯0．25 唖02，s*琴1.0

Al nhm弛

巾b=1.83eV ゆb=0.85eV

ohmic

nhm5企

巾b=0.14eV

3.3試料の加熱

Ti,Ni/GaAs接触試料については試料を空気中で加熱し，加熱後のI‑V特性とC‑V特性を測定し

Cu

ー

B W）

ZnSe(100)， S☆篝0.5 Cd唖(10⑩， S★＝0.25

Tb02， s*弩1．0

ｖＶ誕生１２

●●

却却ゆゆ

２２

︾咋一

Au 釣6x

下

− 一一一−

ZnSe(111)，S奮箒0.5 cd企(110)， S*＝0.25

ZnTb(1《x、

恥02， s食寿1．o zno(1010)，S舎堯1.0

ＶＶＶ蛾睡睦ＱＬ２ＦＦ族ゆゆゆ

Pt 咋恥咋恥平

２３２３３

簾撫＝ typel:Rectification. ^{ゅb＝1.02eV}

type2:Declinedrectification type3:Ohmicproperties 図6 RFマグネトロンスパッタ装置の概略図

平成16年2月

(5)

I[mA]

群Ｊ制．卵Ｓ藏購ｅ顎罵昇ａ︶乳汽哉タペの︑Ⅱ﹂己作で汁乳酬針が︵ご乳酬酬映営．熊営蹄測ｅ芹柵認簿汽寄刺叫が伊Ｓ作訓賎胱苦駅︒シミ聟○行Ｊラ八ｓ︵ご乳ｅ理柵謙細寓斗１腸︾醇引針戸洲簿講細ひ坪Ｉ腸詳作働Ｊパタが︒群ｄ八・国旨ＯＳ升Ｊ鉢へ斗尽膵ｅ溌乞のゞⅡ﹄ｂｅ弾逵酬昇刈隅ご独僻宮Ｓｍ

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(6)

-90-

図10(a)より，加熱を行わない場合では順方向電流の増加は急激ではなく，逆方向電流も電圧が低い状態から増加が確認できる。つまり，加熱を行わない場合の特性は劣化した整流性であると考えることができる。整流性の劣化が起こった原因は，トンネル電流の影響にあると考えられる。今回用いた GaAsウエハのキャリア密度は10'8[cm‑3]のオーダと比較的高い。キャリア密度が高い場合は障壁をトンネルする電流が増加する。従って，このトンネル電流によって整流性が劣化しているものと考えられ

る。

しかし,加熱を行った場合では特性に変化が見られる。第一に， 500℃の加熱を行った場合だが，図 10(b)を見ると500℃10分の加熱, 2時間の加熱ともに順方向電流の増加が急峻になっている。特に2 時間の加熱では，逆方向電流も加熱を行わない場合より少ない。よって, 500｡Cの場合では10分, 2時間の場合ともに整流特性が改善されていると考えられる。また，表2より500｡C10分, 2時間の加熱を行った場合では，加熱前よりn値が低下し，障壁高さのBは増加していることが分かる。この結果からも，加熱によって整流特性が改善されたのではないかと考えることができる。第二に700･C2時間の加熱を行った場合であるが，図10(c)を見ると，順方向電流について増加の割合が一定へと近づいている。これは，低温界面反応によって合金化が進み，

特性がオーム性に近づいているものと考えられる。

更にこのまま加熱を続ければ，完全なオーム性を得ることができるのではないかとも予想される。最後に200℃2時間の加熱と700℃10分の加熱であるが，

これらでは大きな順方向電流を得ることができなかつ‐

た。これは，酸化の影響によるものと考えられる。

4.2.2 Ni/GaAs接触試料の1‑V特性

図11に測定されたNi/GaAsの1‑V特性を示す。

また，表3に, 1‑V特性より障壁高さのB及びダイオード理想係数nを求めた結果を示す。

加熱を行わない場合ではTi/GaAs同様に劣化した整流性となっていることが分かる。また，この Ni/GaAsについても加熱による特性の変化が認められる。しかし，その変化はTi/GaAsの場合と若干異なっている。最初に, 200℃2時間の加熱を行った場合についてだが，図11(a)を見ると，順方向電流の増加の割合は加熱前と大差が無い。しかし，

逆方向電流についてはその値が大幅に減っていてほぼOに近い。よって, 200｡C2時間の加熱の場合では整流特性が改善されているといえる。

次に， 500℃の加熱の場合について説明する。第表2Ti/GaAs接触のI‑V特性によるn値とのBの計算結果

annealing d嚇壽'駕謡灘鰯『

metal/

semiconductor

0.39 0.50 0.43 0.30 Ti/GaAs

3=0.1

noannealing 500oC10min 500℃2h 700℃2h

28.39 4.08 10.81 78.36

５皿Ⅷ棚皿珈棚一珈伽剛

２２１１０００１１ ■●●ｐ●●●●●

一一一竃Ｅ言 ◇一︲︲・ウー︒

●１ＩｌＩＩｌＩ１ＩＩ４ｊ６８０りりｌｑ８Ｈ．○４００︲１︐０︲０や

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(a)加熱前及び200｡C2h

迦皿迦皿迦咽一知皿迦争●●●●●●●■２２１１００氾引訓

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(b)加熱前及び500℃10min,2h

５卯叩的卯５０５０５０５０５２２１１ＱＱも乱乱

︒﹇くＥ旨窪呼

VⅣ］

(c)加熱前及び700℃10min,2h 図10 Ti/GaAs接触のI‑V特性

平成16年2月

(7)

表3 Ni/GaAs接触のI〃特性によるn値との8の計算結果４３２１０

■●●●●

ＥＥＥＥＥＯＯＯＯＯ９９９９０刊矧刊刊細

﹇軸ｌＬ﹈園︒︑一

4

metal/ ｡. diodeideaI Schottkybarrier

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semiconductor factorn height･B[eV]

ＳぐＩ胡Ｑ

Ｇ・一．ノノ＊ＭＳ

noannealing

200℃2h 500℃10min 700℃10min

26.42 5．17 5．10 3．73

O.34 0.46 0.49 0.51

0.0 1．0 2．0 3．0 4．0 5．0

逆電圧VM

(a)Ti/GaAs接触,500･C2h,f=75[kHz]

部剛酬帥即帥即剛

１１１８６４２０４２００００００

_{ゆ■●●●ｅ●●}

﹇函

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︑ 一

１１﹇くＥ﹈一一一一一２０８６４２０２４６８皿伽剛伽剛皿伽恥皿皿皿 1

2.0 3．0 4．0 5．0 逆電圧vM

0.0 1．0

夕亨４▲﹃

(b)Ni/GaAs接触, 200℃2h,f=2[MHz]

図12 Ti,Ni/GaAs接触の1/C2特性

、

VM

(a)加熱前及び200･C2h

一に500℃10分の加熱の場合だが，図11(b)のように，これは順方向，逆方向電流ともに小さくなった。

これは酸化の影響ではないかと思われるo500℃2 時間の加熱の場合では特性は完全なオーム性となった。この場合は，低温界面反応が進んだことによって界面で完全に合金化したため，オーム性になったものと推測できる。 700℃の加熱の場合についても，

図11(c)のとおり700｡C10分では順方向，逆方向共に電流の値が小さくなり, 700℃2時間ではオーム性となるという結果となっている。つまり，

Ni/GaAsの700℃加熱においては500℃と￨司様の傾向が見られる。

4.2.3高融点金属/GaAs接触試料の逆電圧 1/C2 特性

図12に, Ti/GaAs,Ni/GaAsそれぞれのC‑V特性より求めた逆電圧‑1/C2特性を示す。結果は，ほぼ全てがこの図に示すような傾きの小さな直線や曲線となった。これは金属/Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体接触の実験と同様である。このような特性となった原因は，トンネル電流にあるものと思われる。今回用いたGaAsウエハは，前述したようにキャリア密度が1018[Cm 3]のオーダと比較的高い。キャリア密度が高いとトンネル電流が増加する。よって，

C‑V特性の測定においてトンネル電流が影響を与え，

このような期待されていなかった特性になったものと思われる。

伽伽伽Ⅲ伽伽伽Ⅲ皿ⅢⅢ２０８６４２０２４６８１１

①●●ＧＱＯ■●■Ｃ●

一一一一︹くＥ旨

V[V]

(b)加熱前及び500℃10min,2h

Ｏ００００００Ｇ０００００００００００００００００００００００００ ■●●●の●︒●●●◇ ２０８６４２０２４６８１１ −一一一

﹇くＥ旨

VM

(c)加熱前及び700℃10min,2h 図11 Ni/GaAs接触のI畠V特性

‑◆E=金三全三宝三全土全三全一

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(8)

−92−

5．結

済産業省地域産学官連携プロジェクト形成促進事業

｢真空製膜研究会」を通じて，秋田県高度技術研究所とあきた産業振興機構にご支援頂き，ここに深く感謝申し上げます。

言一目

RFマグネトロンスパッタ法を用いて作製した金属/Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体接触，及び高融点金属／

GaAs接触の電気的測定による研究を行った結果，

以下のことがわかった。

1）金属/Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体接触について

Cu/ZnSe, Al/ZnSe接触及びAl/ZnO接触の結果は， (3)式に従っているものと考えられる。よって，金属/半導体接触における障壁の形成は，半導体のイオン性の強弱に大きく影響を受けている可能性があることがわかった。劣化した整流性やオーム性接触が多かったことについては，半導体のⅡ族面とスパッタした金属とで合金化が起こったことが要因ではないかと考えられる。そこで，今後はへき開面，Ⅵ族面についても同様の実験を行ない，障壁の形成についてより詳細に検討していくことが課題であると考えられる。

2）高融点金属/GaAs接触について

加熱を行わなかった場合では，ウエハのキャリア密度が高く劣化した整流性が得られた。しかし，加熱を行うことで整流性が改善されたり，オーム性接触の形成が確認できたりした。オーム性接触については低温界面反応により合金化が進んだのではないかと思われる。

また，今後は膜厚がより小さい場合について実験を行っていくことも，重要な課題であると考えられる。

参考文献

1）村上正紀，守山実希：金属・半導体接合界面制御によるオーム性電極材料開発一n型GaAs化合物半導体を例として−，真空,Vol.45,No.11, pp.783‑786(2002)

2）村上正紀，奥健夫，小出康夫，津久井克幸，大槻微：化合物半導体用コンタクト材料のメゾス

コピック化，まてりあ, Vol.34,No.8,pp.987‑

991 （1995）

3)B.L.Sharma:Metal‑SemiconductorSchottky Barrier JunctionandTheirApplications, PlenumPressNewYorkandLondon, (1984),

pp.1‑11

4）小間篤八木克道，塚田捷，青野正和編：表面物性工学ハンドブック，丸善, (1987), p.328‑

335 5）佐々木亨，浅野清光：電気的特性による金属薄膜/GaAs接触界面の研究，素材物性学雑誌，

Vol.16,No.1,pp.1‑6(2003)

6）曽根純一：表面・界面の物理，丸善，（1996)，

pp.206‑207

7）岩沢康裕，梅澤喜夫，澤田嗣郎，辻井薫監修：

界面ハンドブック，エヌ・ティー・エス, (2001),

p.228

8）國岡昭夫，上村喜一：新版基礎半導体工学，朝倉書店, (1997), p.94

謝辞

最後に，文部科学省プロジェクト「秋田県地域結集型共同研究事業」（科学技術振興機構）および経

平成16年2月

・浅野清光

ElectricalMeasurements

TohruSAsAKI*andKiyomitsuAsANo (2003年11月28日受理）

ULSIincludesmanymicroscopicmetal/semiconductorcontacts. Themicroscopicinter‑

facescausesomeproblemssuchasametal‑semiconductorinteractionatroomtemperature, whichcanspoilsemiconductordevices. Evennow,thereisnovalidmodelforthebarrierfor‑

utedtochangeintotheohmicorimprovedcharacteristics.

的な見解はなされていない。従って，半導体デバイ スの性能向上のために，金属/半導体接触界面の基 礎的研究がますます重要となってきている2)。また，

以上のような背景を受け，本研究ではRFマグネ トロンスパッタ法によって金属/半導体接触試料を 作製し，以下のような研究を行った。

・半導体のイオン性，共有性という観点から，金属

／半導体接触における障壁形成についてより深く 考察を行うため， Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体の界面挙 動指数S簿が0.25から1.0の場合の金属/半導体接触 試料について電気的特性による研究を行った。

1．

近年の高度情報化社会に対しては，半導体デバイ スの高性能化による貢献が非常に大きいと考えられ る。半導体デバイスの高性能化は，デバイスを縮小，

高集積化することによって達成されてきた。半導体 デバイスが縮小を続けた結果，電極として用いられ ている金属/半導体接触では，接触金属薄膜の膜厚 が低下し，接触界面が微細化しているl)Oその結果，

＊秋田高専専攻科学生

･Ti,Niの二つの高融点金属について電極材料と しての可能性を考察するため, Ti/GaAs接触と Ni/GaAs接触について電気的特性による研究を 行った。安定したデバイス作製のための信頼性や，

良好なオーム性接触形成の可能性についても検討 するために，試料を加熱して電気的特性を測定し

２１

2． 金属/半導体接触界面における現象

2.1 金属/半導体接触界面における障壁形成3）

金属/半導体接触における整流作用は1874年にF.

Braunによって報告されている。その整流作用，

つまり金属/半導体接触界面における障壁の形成に ついてはSchottkyらによって最初の理解が得られ た3)｡Schottkyによれば，金属/半導体接触界面に おいて形成される障壁の高さのBは，式

（1）

で与えられるという。ここで， のmは接触金属の仕 事関数, XⅢは半導体の電子親和力である。 しかし ながら，共有結合性の強い半導体と金属の接触は，

このショットキーの理論に従わないことが知られて いる。金属と共有結合性の強い半導体との接触の場 合についてはBardeenによって最初に解釈が試み られた3.)O以下にBardeenによる理論について説明 する。

2.1.1 Bardeenのモデルによる金属/共有結合性半 導体接触

Schottkyの理論によれば，金属/半導体接触界 面における障壁の高さは接触金属の仕事関数に依存 している。 しかし共有結合性の半導体では，障壁高 さが接触金属によらず一定に近い値である（図14))。

この問題に対しての理解はBardeenによって，表 面準位という概念を用いて以下のように説明された。

門﹃

(a)接触前

考えられている。

共有結合性の半導体では，結晶表面にダングリン グボンドが存在している。ダングリングポンドとは，

表面準位の概念を導入した結果，表面準位の密度 が高い場合の障壁高さは次式3)で表される。

(2) 属/半導体接触におけるバン"ド図を図47)に示す。

のβ＝島一の0

2.1.2半導体の共有性・イオン性を考慮した障壁 高さ

以上のように，半導体が共有性であれば，障壁高 さは接触金属の仕事関数に依存せず， イオン性であ れば金属の仕事関数に依存するようになる。半導体 の共有性， イオン性を考盧すると，障壁高さの式は，

現象論的に次式6)のように表される。

ここで，

｡B :障壁高さ S* :界面挙動指数 X$ ;半導体の電子親和力 の0 ：表面準位

dn, :金属の仕事関数

2.2低温界面反応による合金化4）

金属/半導体接触界面においては，室温程度の低 い温度でも互いの構成原子の相互移動を伴う固相間 の反応が起こることが報告されている。

例えば, Pt/Si接触は僅か300〜400℃の温度でも 反応してPtSiを作るという。こうしてできたシリ サイドは一般に金属的性質をもつので，良好なオー ム性接触を作るために低温界面反応は有益である。

しかしながら，電極である金属/半導体接触は近年 の素子の超小型化，超高集積化を受けて微細化し，

電極￨司士も接近している。そのため，図5のように 低温界面反応によって接合部の短絡など素子機能の 破壊が起こる問題も報告されている。

eee界置

(a)バ S*は次のように定義される3)。

S"(s)="8/t/x" （4）

Sゞは，半導体が共有性の場合ではOに，反対にイ オン性の場合では1に近づく （図3)｡S*が0の状 態をバーディーン極限， 1の状態をショットキー極 限と呼ぶ7)。それぞれの極限，及び両者の中間の金

ーディーン極限

(b)0<S"<1

図4界面挙動指数S"を

(c)ショ

畜鋤鋤

如、

爵勵帥

0.llmW

のプロット3）

た。加熱時間は, 200℃で2時間, 500℃と700℃で それぞれ10分間と2時間である。

3． 実験方法

3.1 RFマグネトロンスバッタ法による試料の作製 RFマグネトロンスパッタ法により，金属薄膜を 半導体上にスパッタした。 Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体は ZnSe,CdTe,ZnTe,ZnOの4種類を用いた｡S"=

1.0のものとしてTeO2についてもスパツタを行った。

ZnSe,CdTe,ZnTe,ZnO,TeO2にはAl,Cu,Au,Pt をスパッタした。それぞれの試料の大きさは，

15〜40mm2程度であった。GaAsは2inchのの、型 (100)面のウエハを用いた。GaAsには高融点金属 として, TiとNiをそれぞれスパッタした。次に，

RFマグネトロンスパッタ法の概略を示す（図6)。

スパッタは1×10‑8Torr以下の高真空まで排気し た後，約5×10‑3Torrの高純度アルゴン中で行った。

電源には13.56MHzの高周波水晶発振式電源（最高 500W)を使用して，投入パワー50Wでスパッタ時 間を20分間とし，金属薄膜の膜厚が約1〃mの試料 を作製した。

4． 結果と考察

4.1金属／Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体接触試料の結果と 考察

4.1.1 金属/Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体接触試料の1‑V特性 表1に，測定された1‑V特性のタイプ。とショッ トキーモデルによる予測をまとめたものを,図7に，

Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体接触の1‑V特性の例を示す。

表1における1‑V特性のタイブ°とは， タイプ1が 整流性， タイプ2が整流性とオーム性の中間タイ プ3がオーム性をそれぞれ指す。

次に, Al/ZnOの測定結果について説明する。

ZnOはイオン性が強く, S*=1.0の半導体である。

3.2電気的特性による評価

作製した試料のI‑V特性とC‑V特性を測定した。

I‑V特性より障壁高さとダイオード理想係数n を, C‑V特性より障壁高さと不純物濃度をそれぞれ 求め，試料の評価を行った。

表1 1

−咋咋咋一恥恥蔀睡

的な見解はなされていない。従って，半導体デバイスの性能向上のために，金属/半導体接触界面の基礎的研究がますます重要となってきている2)。また，

以上のような背景を受け，本研究ではRFマグネトロンスパッタ法によって金属/半導体接触試料を作製し，以下のような研究を行った。

／半導体接触における障壁形成についてより深く考察を行うため， Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体の界面挙動指数S簿が0.25から1.0の場合の金属/半導体接触試料について電気的特性による研究を行った。

近年の高度情報化社会に対しては，半導体デバイスの高性能化による貢献が非常に大きいと考えられる。半導体デバイスの高性能化は，デバイスを縮小，

高集積化することによって達成されてきた。半導体デバイスが縮小を続けた結果，電極として用いられている金属/半導体接触では，接触金属薄膜の膜厚が低下し，接触界面が微細化しているl)Oその結果，

･Ti,Niの二つの高融点金属について電極材料としての可能性を考察するため, Ti/GaAs接触と Ni/GaAs接触について電気的特性による研究を行った。安定したデバイス作製のための信頼性や，

良好なオーム性接触形成の可能性についても検討するために，試料を加熱して電気的特性を測定し

2．金属/半導体接触界面における現象

つまり金属/半導体接触界面における障壁の形成についてはSchottkyらによって最初の理解が得られた3)｡Schottkyによれば，金属/半導体接触界面において形成される障壁の高さのBは，式

で与えられるという。ここで，のmは接触金属の仕事関数, XⅢは半導体の電子親和力である。しかしながら，共有結合性の強い半導体と金属の接触は，

このショットキーの理論に従わないことが知られている。金属と共有結合性の強い半導体との接触の場合についてはBardeenによって最初に解釈が試みられた3.)O以下にBardeenによる理論について説明する。

2.1.1 Bardeenのモデルによる金属/共有結合性半導体接触

Schottkyの理論によれば，金属/半導体接触界面における障壁の高さは接触金属の仕事関数に依存している。しかし共有結合性の半導体では，障壁高さが接触金属によらず一定に近い値である（図14))。

この問題に対しての理解はBardeenによって，表面準位という概念を用いて以下のように説明された。

共有結合性の半導体では，結晶表面にダングリングボンドが存在している。ダングリングポンドとは，

表面準位の概念を導入した結果，表面準位の密度が高い場合の障壁高さは次式3)で表される。

2.1.2半導体の共有性・イオン性を考慮した障壁高さ

以上のように，半導体が共有性であれば，障壁高さは接触金属の仕事関数に依存せず，イオン性であれば金属の仕事関数に依存するようになる。半導体の共有性，イオン性を考盧すると，障壁高さの式は，

｡B :障壁高さ S* :界面挙動指数 X$ ;半導体の電子親和力の0 ：表面準位

金属/半導体接触界面においては，室温程度の低い温度でも互いの構成原子の相互移動を伴う固相間の反応が起こることが報告されている。

例えば, Pt/Si接触は僅か300〜400℃の温度でも反応してPtSiを作るという。こうしてできたシリサイドは一般に金属的性質をもつので，良好なオーム性接触を作るために低温界面反応は有益である。

しかしながら，電極である金属/半導体接触は近年の素子の超小型化，超高集積化を受けて微細化し，

電極￨司士も接近している。そのため，図5のように低温界面反応によって接合部の短絡など素子機能の破壊が起こる問題も報告されている。

Sゞは，半導体が共有性の場合ではOに，反対にイオン性の場合では1に近づく（図3)｡S*が0の状態をバーディーン極限， 1の状態をショットキー極限と呼ぶ7)。それぞれの極限，及び両者の中間の金

た。加熱時間は, 200℃で2時間, 500℃と700℃でそれぞれ10分間と2時間である。

3．実験方法

3.1 RFマグネトロンスバッタ法による試料の作製 RFマグネトロンスパッタ法により，金属薄膜を半導体上にスパッタした。 Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体は ZnSe,CdTe,ZnTe,ZnOの4種類を用いた｡S"=

15〜40mm2程度であった。GaAsは2inchのの、型 (100)面のウエハを用いた。GaAsには高融点金属として, TiとNiをそれぞれスパッタした。次に，

スパッタは1×10‑8Torr以下の高真空まで排気した後，約5×10‑3Torrの高純度アルゴン中で行った。

電源には13.56MHzの高周波水晶発振式電源（最高 500W)を使用して，投入パワー50Wでスパッタ時間を20分間とし，金属薄膜の膜厚が約1〃mの試料を作製した。

4．結果と考察

4.1金属／Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体接触試料の結果と考察

4.1.1 金属/Ⅱ‑Ⅵ族化合物半導体接触試料の1‑V特性表1に，測定された1‑V特性のタイプ。とショットキーモデルによる予測をまとめたものを,図7に，

表1における1‑V特性のタイブ°とは，タイプ1が整流性，タイプ2が整流性とオーム性の中間タイプ3がオーム性をそれぞれ指す。

I‑V特性より障壁高さとダイオード理想係数n を, C‑V特性より障壁高さと不純物濃度をそれぞれ求め，試料の評価を行った。

Ti,Ni/GaAs接触試料については試料を空気中で加熱し，加熱後のI‑V特性とC‑V特性を測定し

ｖＶ誕生１２

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更にこのまま加熱を続ければ，完全なオーム性を得ることができるのではないかとも予想される。最後に200℃2時間の加熱と700℃10分の加熱であるが，

また，表3に, 1‑V特性より障壁高さのB及びダイオード理想係数nを求めた結果を示す。

逆方向電流についてはその値が大幅に減っていてほぼOに近い。よって, 200｡C2時間の加熱の場合では整流特性が改善されているといえる。

次に， 500℃の加熱の場合について説明する。第表2Ti/GaAs接触のI‑V特性によるn値とのBの計算結果

１１１８６４２０４２００００００

一に500℃10分の加熱の場合だが，図11(b)のように，これは順方向，逆方向電流ともに小さくなった。

図11(c)のとおり700｡C10分では順方向，逆方向共に電流の値が小さくなり, 700℃2時間ではオーム性となるという結果となっている。つまり，

Ni/GaAsの700℃加熱においては500℃と￨司様の傾向が見られる。

このような期待されていなかった特性になったものと思われる。