電気的特性 による金属薄膜

研 究 論 文

電気的特性 による金属薄膜

接触界面の研究

佐 々木 亨 , *浅 野 清 光 *

InterfacePropertiesofGaAs/MetalThin‑FilmsContaetsbyElectricalMeasurements TohruSASAKI†andKiyomitsuAsANO†

It has been important to understand interfacialphenomena of semiconductor/metal thin‑films,likeFermilevelpinning,andcontrolthem forhighlyreliableULSI. GaAsisknownas avaluablematerialusedforhigh‑frequencydevices,high‑efficientlight‑emittingdevices,andso on. InordertounderstandandcontrolinterracialphenomenaonGaAs/metalcontacts,electrical propertiesofGaAs/metal?thin‑films(Au,Pt,Cu,Al)contactsbyRFmagnetronsputteringhave beenstudiedbymeasuringLV and1/C2‑v propertiesbeforeandafterannealing. Theresults showedthattheslopeofbarrierheights￠Btowardtometalworkfunctionsx mwasabout0.1;

hence,SchttokymodelisprobablyunsuitableandBardeenmodelmaybewellforGaAs,acovalent bondsemiconductor. Incasesofohmicproperties,thealloyofGaAsandmetalsformedby annealingandincreasedimpurityconcentrationatinterfacesmaycontributeforchangingthe electricalpropertiesintoohmicones.

Ky Words GaAs,RF magnetronsputtering,metal/semiconductorcontacts,Schottkybarrier

,

1. 諸 言

電子 デバ イスに用 い られてい る

は,現在広 く用 い ら れている

と比べ

lのよ うな特徴 を持 ってお り

で は達成 で きない種 々の機能 を持っ デバ イスの作製 が可能 であ

GaAs

は室温 において

の約

倍 の電子移動度を持つため,

以上 の高周波 デバイスが作製可能 で,消費電力 も抑 え

ることがで きる｡ また

は直接遷移型 のバ ン ド構造 を持 ち, ‑テロ構造の作製が容易なため,高効率の発光 デバイスを 作製す ることがで きる｡ さ らに

のバ ン ドギ ャップは

に比べ広 いため,高温環境で も作動す るデバイスを作製す るこ とがで きる｡ しか も

は放射線 の影響が少 ないため,宇 宙空間 ･原子炉用の耐放射線 デバイス実現の可能性 も秘 めてい

る1 ) ｡

これ らのデバイスには, ショッ トキー接触,オーム性接触 と して必ず金属/半導体接触が用 い られてお り,障壁高 さは金属 の仕事関数 と半導体の電子親和力の差に従 うというショッ トキー モデルが成 り立 たないことも多 い｡ また,近年素子の集積化 に よって,以前 より膜厚が小 さな薄膜が用 い られている｡ その結 果,低温界面反応などがデバイスの信頼性を左右するまでになっ て きてお り,金属/半導体接触界面 の基礎的研究が重要 とな っ て きている｡ そ こで本研究では

マグネ トロンスパ ッタ法 平成

年

日受付

*秋 田工業高等専門学校専攻科

〒011‑851

1 秋 田市飯島文京町

†AdvancedEngineeringFaculty,AkltaNatlOnalCollegeof Technology,1‑1,Iijima‑Bunkyo‑cho,Akita,011‑85

1

E‑mailasano@ipc.akita‑net.ac.jp

Table1 ComparisonbetweenGaAsandSi. GaAS Si Electronmobilitylm2N.S】 0.85 0.15

EnergybandStruCture Diecttran8ition I

nd i r

(1.42eⅥ (1.12e

V)

によ り作製 した金属薄膜

;厚 さはいずれ も

〃m

に統一

接触試料 を用 いて電気 的特性 を測定 し, 界面状態 についての考察を行 ったので, ここに報告す る｡

2.

実験方法

2.1 RF

マグネ トロンスパ ッタ法による試料作製

RF

マグネ トロ ンスパ ッタ法 によ り

￠の

型

面 ウェハ基板 に金属薄膜

をスパ ッタ

した｡使用 した

ウェハ は, キ ャ リア密度が

cm3

で,鏡面研磨後

系の表面処理が行われ ている

lに

マグネ トロ ンスパ ッタ法 の概略を示 す

マグネ トロンスパ ッタ法では,真空蒸着法や

法 などよ りも基板 との密着性の良 い膜が得 られるので,よ り均一 な界面 を得やすい｡

スパ ッタは

(

以下の高真空 まで

排気 し,約

の高純度 アル ゴン中で行

な った

の高周波水晶発振式電源 ( 最高

を

使用 して,投入パ ワー

でスパ ッタ時間を

分間 と し,金

属薄膜膜厚が約

の試料 を作製 した｡ 自然酸化膜 の影響 などを検討す るため表面処理のないものについて も試料 を作製 した｡

2.2

電気的特性の測定方法

電気的特性 の測定 には,作製 した試料 を

2の大 き さに分割 して行 った｡電極 には

合金を使用 し

Ⅴ特性 と,

2 一 逆電圧特性 を測定 した

2 一 逆電圧特性 はプ レシジョン

メー タを用 い,入力信号 の周波数が

の場合 についてそれぞれ測定 した｡

2.3

試料の加熱

デバイスの信頼性を検討す るため,作製 した各試料 の空気中

y

p

Ga

Ar +

Figure1 OverviewofRFmagnetronsputtering.

■VLn43

2 1 0 1

号占

‑

VM

(a)type1Cu/GaA8(血eaned,noanne

a li ng

LO 0 Lr) O

F T

PyuJ]l ^{0. 5}

vM

(C)type3An /GaAS(cleaned,noannea血 g)

での加熱 を行 なった

℃ と

℃で

分間それぞれ加熱 して

Ⅴ 特性

2 一 逆電圧特性 を測定 し,加熱前 の各試料 との特 性 を比較 した｡

3.

測定結果及 び考察

各試料 における

∨特性

得 られた

Ⅴ 特性 は,以下 の

つの タイプに分類す ること がで きた｡

タイプ 1:ショットキー接触である ( 整流性接触)試料 タイプ

ショッ トキー性 とオーム性の中間の試料 タイプ

ニ逆方向での導電性が高い試料

タイプ

オーム性接触の試料

それぞれの代表例 を

に示す｡ また,すべての実験か ら得 られたデータを

に示す

Ⅴ特性 よ り理想因子

値 と障壁高 さを

2 一 逆電圧特性 において直線性が得 られた

ものに関 しては, ドナー密度,空乏層幅,障壁高 さをそれぞれ 計算 した｡ これ らの各 タイプについて考察をす る｡

3.1.1

タイプ

完全なショッ トキー性である場合について 金属 の仕事関数 が

型半導体 の電子親和力 よ り大 きい場合 に成立す るショッ トキー障壁が存在す る場合があることが認 め られた｡ しか し

値が大 きか ったことか ら熱電子放 出理論 を そのまま適用 して ショッ トキー障壁高 さを決定す ることには限 界があると考え られ る

値が大 きいとい うことか らは, トン ネル電流の影響が大 きか ったことが予想 され る｡事実,使用 し た

のキ ャリア密度 は

と高 く, トンネル電流が無

･

竃

:

f

h

(b)type2P

が G

R

弛 o 紳 00 帥 二 ･ ‑ Hr l l DP J]

VM

(^d)type4Au/GaAs (cleaned,annealedat350℃) Figure2 ThefourtypesofI‑V properties.(a)type1Cu/GaAs(cleaned,noannealing).(b)type2Pt

/GaAs(cleaned,annealedat350℃).(C)type3Au/GaAs(deaned,noannealing).(d)type4 Au/GaAs(cleaned,annealedat350℃).

Table2 ElectricalpropertiesofGaAs/metalthinfilmscontacts.

S

h h k

cleaning mde a)nrCrdenBity 叫

e

旭 t ay

N,[ 1/ m l _{w i}

̲h

̲

Pt / 触

9

5 0 t 一一一一 de a 血 5 0℃ ‑‑‑‑

j WG

軸 3

0 ℃

5 63 dea血 , 5

O t

A〟(払由

c k 抑

一一一一

5

℃ 一一一一

0 ℃

E! 鶴 . 6 0 0 0

C

^{JGl 由}

‑‑‑ 1 . 3 4 E･

7 ‑‑‑‑

0

I‑‑ ‑ ‑‑‑ ‑

視で きない可能性 は十分 にあると思われる｡ よって, トンネル 電流 によ って

Ⅴ 特性 に影響が及 ぼ され, 障壁高 さが正確 に

は計算 されていない可能性 はあると言える｡

一方, これ ら障壁の高 さは金属の種類,即 ち金属の仕事関数 にほとん ど依存 してお らず,障壁高 さは金属の仕事関数 に対 し て傾 き

程度 の直線であった

｡つま り,障壁高 さ が金属仕事関数 と半導体電子親和力の差 となるショッ トキーモ デルが成 り立 っていない ことがわか る｡ これは金属

接 触界面 において,後述す るバーディー ンモデルが成 り立 ってい

るためと考え られる｡

･IAO

︻

>

1

t

q

11

S

4,5 5 5.5

Metal workfunctionめmlev]

Figure3 Shottkybarrierheights￠Bagainstmetalwork functionsめmforthemetal/GaAscontacts.

3.1.2

タイプ

シ ョッ トキー性 とオーム性の中間である 場合 について

金属

界面 は後述 のバ ーデ ィー ンモデルによ って一般 には整流性 となると考え られるが, さまざまな要因によって整 流性 は劣化す ることが知 られている｡ タイプ

も整流性が劣化 しつつある, ショッ トキー性か らオーム性‑の遷移状態 と考え ることができる｡ タイプ

はほとん どが加熱 した もの, もしく は表面洗浄 を行 っていない試料であることか ら

,加 熱による界面 の合金化 と,不純物層の存在がオーム性への移行

に寄与 していると考え られ る｡

合金化が起 こると,合金層/半導体 のエネルギー障壁が金属 /半導体 の場合 よ り低 くな り,特性 はオーム性へ と近づ く2 ) ｡ スパ ッタ中におけるわずかの温度上昇で も,低温界面反応によっ て合金化が起 こるとい うケース も報告 されている3 ) ｡ また,辛 導体 のキ ャ リア密度が高 い場合,金属/半導体界面での接触抵 抗 は, トンネル電流の増加 によって減少す ることが報告 されて いる4 ) ｡

3.1.3

タイプ

逆方向に導電性が高い場合 について ほとんどが加熱 した試料であることか ら, この場合 もタイプ

同様 の理 由でオーム性へ と近づいた ものであるといえ るだろ

う｡

3.1.4

タイプ

オーム性である場合について

タイプ

型の試料 は

を表面処理 し

度で加熱 した もの 1種類だけであった｡ この場合 は加熱 によって界面 に おいて完全な合金化が起 こり,オーム性 にな ったの ものと考え

られる

3.1.5

金属の種類 による界面の特徴

Table2

よ り,界面 の特徴 は金属 の違 いによって も傾向があ ることがわか る｡ まず

接触で は加熱 によって特性が タイプ

1

か ら

へ と変化 してお り,加熱 による影響 を受 けやすい ことがわかる｡洗浄を行なわない場合 はタイプ

であ り,界面 特性の劣化が認 め られ る

接触 に も加熱 による変化が認 め られる｡ しか し,洗浄を行なわない場合では整流性 とな った｡

Al

接触では加熱 によって タイプが変化す ることはなか ったが, 加熱後では障壁高さが低下 している｡よって,やはり加熱 によっ て界面特性の劣化が引 き起 こされた もの と考え られ る｡洗浄を 行 なわなか った試料 はタイプ

で,界面特性の劣化が認 め られ る

は洗浄 の有無 に関わ らず, タイプ

であ り,障壁高 さ もほぼ同値である｡

3.2

各試料 における

2 一 逆電圧特性

得 られた

2 一 逆電圧特性 は

に示すような非直線 となった ものが多数 を占めた｡直線的になった もので も,傾 き が小 さく期待 されるもの と違 う結果 になった ものがほとん どで あった｡ これは

ウェ‑のキ ャリア密度が高か ったため に逆方向 リーク電流が大 きくな り,測定 に影響が出たか らであ ると考え られる｡なお

2 一 逆電圧特性の傾 きは理論上,式

dC2 2 dV eseoqND

という形で表 される

｡

汁)

3.3

半導体の共有性 ･イオン性 と障壁の形成

今回の実験では先 に述べたように,障壁高 さが金属仕事関数 と半導体電子親和力の差 となるショッ トキーモデルが成 り立 っ ていない｡ この点 について,半導体 の共有性及びイオ ン性の強 弱 という観点か ら考察す る｡

3.3.1

共有性半導体 における障壁形成

共有結合性半導体の表面部分,つまり共有結合の終端部分で は,半導体原子 の共有結合が半導体外部 に対 しては満たされて いないダング リングボン ドが存在す る｡ このダング リングボ ン ドはフェル ミ準位の どこ ングを起 こす と考え られている ( バー

0

‑VM

Figure 4 1/C2‑v propertiesfortheAl/GaAscontact (cleaned,noannealing).

デ ィー ンモデル

も共有性 の半導体であ るか ら,今 回の実験結果 について このバーデ ィー ンモデルを検討す る必要 がある｡

一方, イオ ン性が強い半導体の場合 は電荷密度が陰イオ ンに 強 く局在 してお り,共有性の半導体 に比べて表面で電子が捕獲 される割合 は低 い｡ よって, イオ ン性 の強い半導体の場合 は半 導体表面 において ダング リングボ ン ドが少 な く,障壁 は金属の 仕事関数で支配 され るシ ョッ トキーモデルによると考 え られ

る6 ) ｡

3.3.2

イオン性の強弱 と障壁高 さの式

障壁高 さの式 は,半導体 のイオ ン性 の強弱を考慮 した結果, 次の式

で表 される｡

￠ B

ここで

￠ B

:障壁高 さ

書:界面挙動指数

x a:半導体 の電子親和力 め 0:表面準位

￠m

･金属の仕事関数

S

*は次のように定義 される

Sヰ(S)

‑ d ￠

( 3)

xm

は金属 の電気陰性度であ る

事の値 は,種 々の半導体 に ついて,半導体の電気陰性度差 と

*の関係 として求め られて いる

｡

もし半導体が強 くイオ ン性であるな らば

*

とな り,

￠B≒￠ m‑X

s

とな り,金属仕事関数 と半導体電子親和力の差 となる (ショッ トキーモデル)0

しか し,半導体が共有性の結晶であるな らば S I ‑ 0とな り,

S3mB∽

糾

︻Aa]tl〇一

息

3t玉OttS ^●

^{● A} l ^{● Il ●}

^{● ● ● ●}

4 4

1

J

B

1

5 B

hbt

f uu

n l e v

Figure5 Shottkybarrierheights￠BtOWardtometalwork functions￠ mforthemetal/Sicontacts.

￠B≒ Eg‑￠｡ (5)

となるか ら,金属の仕事関数 には依存 しな くなる ( バーディー ンモデル

の状態 はバ ーディー ン極限

^の場

合 はショッ トキー極限 とそれぞれ呼ばれ る6 ) ｡

Ge,

S

につ いて S 書は

程度 であ ると報告 されて いる7 ) ｡ また式

よ りS ★は

の金属の仕事関数 に対す る プロ ッ トの傾 きを表すので

において傾 きが

程度 となることを説明で きる｡

Figure5

に以前測定 した

接触 につ い ての障壁高 さのプ ロッ トを示す｡共有性半導体 の

において もショッ トキーモデルが成 り立 っていない ことが認 め られる｡

3.4

金属/半導体接触の他のモデル

障壁高 さが金属仕事関数 に依存 しないモデルは他 に もある｡

金属 が半 導体 に接触 す る と, 金属原子 が半 導体 に浸透 して

を発生 させ

Sと半 導体の電荷中性準位が一致 しフェル ミ準位 を どこ ングす るモデ ルが近年議論 されている8 ) ｡ これ らのモデルで は,障壁高 さが 半導体の電荷中性準位 によって決 まるので,障壁高 さは半導体 の界面準位,即 ち S さの値 に依存せず半導体 それぞれの電荷中 性準位 に対応 した値をとる｡今後 の S ★が

に近いイオ ン性 の 強い半導体 と金属 との接触界面 を研究す る上で考慮す る必要が あるだろう

J.C.InksonandP.W.Anderson

は,金属 の種類 によ らない 障壁高 さがなぜ形成 され るかを理解す るために,金属の存在が 半導体 にどんな影響 を及 ぼすかを定性的に計算 した8 ) ｡ その結 果

のよ うに温度

で は共有結合性 の強い半

s

g( ≦2 . 5 e V )

(e)

Figure6 Thechangeofthesemiconductorbandgap(E g

≦ 2.5eV) andtheS‑M alloy formedatroom temperature.(a) Beforemetaldeposition;(b) aftermetaldeposition

(

(

M(S) formsS‑M alloybyimmediatereaction withM8).

導体 と金属が接触す ると,半導体 のエネルギーギ ャップが界面 付近で閉 じて しまい,半導体

は金属状

にな っ て しまう｡ また,室温では界面で

の合金化がお こる｡

Hiraki

のスク リーニ ングモデルで は

結晶の共有結合 の 原因を担 っているクーロン相互作用が,蒸着金属膜の自由電子 によって弱 め られ,低温で

合金化がお こると報告 されて いる

｡

今回の実験 において,加熱 により合金化が起 こったとされる 試料 については, これ らのモデルによって説明がで きる可能性 がある｡

4.緒 言

本研究で は,RFマグネ トロ ンスパ ッタ法 によ り金属 ( Al ,

薄膜

試料 を金属薄膜 の膜厚

で作製

し

ウェ‑表面洗浄のあるもの とない もの

℃

℃で加熱 した ものそれぞれについて

Ⅴ特性および

2 一 逆電 圧特性 を測定 した｡ そ して

Ⅴ 特性 の結果か らそれ らを分類 し,それぞれについて考察を行 った｡その結果,以下の ことが わか った｡

1 . 整流性 を示す結果 とな った タイプ

で は,障壁高 さの接 触金属 の仕事関数 に対す るプロッ トか ら,バーディー ンモデル が成 り立 っていることがわか った｡更 にS

との比較か ら,界面 挙動指数 S *が 0に近 い

と

では一般 にいわれている

ショッ トキーモデルは成 り立 たないことが確認 された｡

2.

タイプ

は整流性か らオーム性‑の遷移段階で,加 熱 による合金化や不純物層の存在や高濃度のキ ャリアによる接 触抵抗の減少が, これに寄与 しているもの と考え られる｡オー ム性 にな ったタイプ

は加熱後の試料であることか ら,界面で の合金化が起 こり,合金層 と

の間でオーム性 にな った と推測で きる｡

本研究では界面挙動指数 S *の小 さい共有結合性半導体 につ いて,電気的特性の測定か ら界面状態の考察 を行 った｡現在 は より

*の大 きいイオ ン性の強い化合物半導体 について同様 の 研究を行なってお り,障壁高 さとS *の関係を考案す るととも に,オージェ電子分光法 によって電気的特性 と界面状態 との関 連をより詳細 に検討 してい く予定である｡

また,今回はキ ャリア密度が

のオーダと比較的高 い

ウェハを用 いた｡ そのために,良好 な ショッ トキー接触 が得 られないものが多か った可能性がある｡ このキ ャリア濃度 による

Ⅴ特性への影響 も,今後の検討課題 と考え られ る｡

参考文献

1 )奥健夫, 内堀千尋,村上正妃

半導体 の コンタク ト 材料 の問題点 と最近の研究,まて りあ

2)小間篤, 白木靖弘,斉木幸一郎,飯 田厚生 :シリコンの物

性 と評価法

,丸善株式会社

3)村上正妃,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 トのメゾスコピック化, まて りあ

4)

岸野正剛 半導体 デバイスの物理

,丸善株式会社,

5)

園岡昭夫,上村喜一 .新版基礎半導体工学

,朝倉書

店

6)

曽根純一 ,表面 ･界面 の物理

, 丸善株 式会社 ,

平木昭夫,成沢忠 :表面 ･界面 の分析 と評価

,オー

ム社