JPH04361576A - 高誘電率酸化物半導体装置 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に関し、特
に高い誘電率を有する酸化物半導体を用い、かつ低抵抗
コンタクトを有する高誘電率酸化物半導体装置に関する
。

【０００２】本明細書において、高誘電率とは少なくと
も１００以上の比誘電率を指す。高誘電率を有し、半導
体的バンド構造を持った高誘電率半導体の多くは酸化物
である。これらの高誘電率酸化物半導体は数ｍＶ程度の
低電圧で動作し得る高感度半導体素子を作成し得る可能
性を持ち、その将来性が注目されている。

【０００３】たとえば、ダイオードの場合、通常の半導
体ダイオードよりさらに微弱な電磁波を検出するための
検波素子を作成することができる。また、トランジスタ
の場合、消費電力の極めて小さなトランジスタを作成す
ることができる。この様なトランジスタは、高集積度の
集積回路構成要素として、高性能コンピュータの構成要
素として利用価値が高い。

【０００４】これらの素子を利用して外部にリード線を
取り付けたり、複数の素子を集積化して相互に接続する
ためには、素子を構成する酸化物半導体と導電性物質と
の間に低抵抗コンタクトを形成することが必要となる。

【０００５】

【従来の技術】半導体に対する低抵抗コンタクトとして
は、半導体表面に金属層等を形成し、加熱等によってア
ロイイングを行うことによって作成するアロイ型コンタ
クトと、半導体表面に高キャリア濃度層を形成し、その
上に導電性物質の層を形成し、接触電位差による電位障
壁の幅を極めて狭くし、キャリアがトンネリングで容易
に通過するようにしたノンアロイ型コンタクトが知られ
ている。

【０００６】酸化物半導体に対しては、アロイ型低抵抗
コンタクトは知られていない。一方、高誘電率酸化物半
導体に対しても、ドーピングは可能である。したがって
、高誘電率酸化物半導体に対してノンアロイ型低抵抗コ
ンタクトを作成できる可能性がある。

【０００７】図２に従来の概念によるノンアロイ型コン
タクトを高誘電率酸化物半導体に対して形成した場合を
示す。図２（Ａ）は構成を示し、図２（Ｂ）はポテンシ
ャル分布を示す。

【０００８】図２（Ａ）において、たとえば高誘電率を
有する酸化物半導体で形成された酸化物半導体領域１１
の表面に、高いキャリア濃度を有する高キャリア濃度領
域１２を形成し、その上に導電性物質で形成された電極
１４を形成する。酸化物半導体の比誘電率ε１は、少な
くとも１００以上であり、たとえば１０００以上の値を
有する。高キャリア濃度領域１２は、たとえば１０１９
ｃｍ−３以上のキャリア濃度を有するｎ型領域である。 電極１４は、たとえばＮｂ等で形成された金属電極であ
る。

【０００９】金属あるいは他の導電性物質と半導体の界
面にはショットキバリアが形成される。半導体が１０前
後の比誘電率を有する通常の半導体の場合、半導体表面
のキャリア濃度が高ければ、ショットキバリアに伴う表
面空乏層の厚さは非常に薄くなる。このため、薄い空乏
層をキャリアがトンネリングすることによって電流が流
れ、低抵抗コンタクトが得られる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな低抵抗コンタクト形成法は誘電率がそれほど高くな
い通常の半導体に対しては有効であるが、高い誘電率を
持つ高誘電率酸化物半導体に対しては有効でない。すな
わち、図２（Ａ）に示すような構成を作成しても低抵抗
コンタクトを得ることは極めて困難である。本発明者は
、その理由を以下のように解析した。

【００１１】図２（Ｂ）に、図２（Ａ）の構成に電圧を
印加した時のポテンシャル分布を概略的に示す。高キャ
リア濃度領域１２がｎ型である場合を例示する。電極１
４に対して酸化物半導体領域１１に正の電圧を印加する
と、高キャリア濃度領域１２の表面から空乏層が広がり
、伝導帯の底のポテンシャルは図示のように曲がる。 しかしながら、高キャリア濃度領域１２および酸化物半
導体領域１１が高誘電率を有すると、このバンドの曲が
りは小さく、幅の広い空乏層が形成されてしまう。半導
体の誘電率が高くなると、その１／２乗に比例して空乏
層の厚さが増加する。高誘電率酸化物半導体が、通常の
半導体に比べ、たとえば数百倍以上の誘電率を有すると
、空乏層の厚さは少なくとも数十倍となる。キャリアが
空乏層をトンネリングすることによる抵抗は、空乏層の
厚さと共に指数関数的に増加する。

【００１２】したがって、半導体表面を高キャリア濃度
領域としてもその空乏層厚さはトンネルできる厚さより
遙かに大きくなってしまう。このため、高誘電率酸化物
半導体の場合には、表面に高キャリア濃度領域を形成し
ても、形成される表面空乏層の厚さが厚くなり、トンネ
リング抵抗が著しく大きくなってしまう。ショットキバ
リアの高さは一般に１ｅＶ以上であり、バリアを越えら
れるようなエネルギを持つキャリアも極めて少ない。こ
のため、低い印加電圧でのコンタクト抵抗は極めて高く
なる。このため、従来と同様の構成によって低抵抗コン
タクトを得ることは極めて困難であった。

【００１３】たとえば、高誘電率酸化物半導体を用いて
ダイオード構造を作成すると、ダイオード自身は低電圧
で動作するものの、低抵抗コンタクトが得られず、素子
の低電圧性が生かせなかった。

【００１４】本発明の目的は、低抵抗コンタクトを有す
る高誘電率酸化物半導体装置を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】図１は、本発明の原理説
明図である。

【００１６】図１（Ａ）において、高誘電率を有する酸
化物半導体で形成された酸化物半導体領域１の表面部分
には、高いキャリア濃度を有する高キャリア濃度領域２
が形成されている。高キャリア濃度領域２上には酸化物
半導体よりも著しく低い誘電率を有する低誘電率物質で
形成され、キャリアが通過可能な薄いトンネルバリアを
形成するトンネルバリア層が形成され、その表面上に導
電性物質で形成された電極４が配置されている。酸化物
半導体領域１の比誘電率をε１とし、トンネルバリア層
３の比誘電率をε２とすると、ε２＜＜ε１の関係があ
る。

【００１７】

【作用】酸化物半導体領域１と、電極４の間の電気的結
合は、図１（Ｂ）に示す等価回路によって表すことがで
きる。すなわち、容量Ｃ１とＣ２との直列結合によって
表すことができる。容量Ｃ１は、酸化物半導体領域１お
よび高キャリア濃度領域２の表面に形成される空乏層に
よる空乏層容量である。容量Ｃ２は、トンネルバリア層
３によって形成される容量である。空乏層の幅をｄ１と
し、トンネルバリア層３の厚さをｄ２とすると、容量Ｃ
１は、ε１／ｄ１に比例し、容量Ｃ２は、ε２／ｄ２に
比例する。酸化物半導体領域１と電極４の間に電圧Ｖを
印加すると、トンネルバリア層３に印加される電圧は、
Ｖ／｛１＋（ε２ｄ１／ε１ｄ２）｝となる。これは、
容量の直列接続に電圧を印加すると、各容量に印加され
る電圧は容量に逆比例して分割されるためである。この
ため、ε１＞＞ε２であれば、ε２ｄ１／ε１ｄ２の値
は極めて小さくなり、印加電圧の大部分はトンネルバリ
ア層に印加される。このため、図１（Ａ）に示す構成に
電圧を印加した状態のポテンシャル分布は図１（Ｃ）に
示すようになる。酸化物半導体領域１の表面部分２が高
キャリア濃度であれば、半導体表面は縮退した金属的な
状態となるため、印加電圧はほぼ全てトンネルバリア層
３に印加され、トンネルバリア層３は極めて幅の狭い電
位障壁を形成する。このため、電極４と酸化物半導体領
域１および高キャリア濃度領域２の間はキャリアが移動
できる状態となる。トンネルバリア層３の形成するバリ
アが十分薄ければ、大きなトンネル電流を容易に流すこ
とができる。このようにして、低抵抗コンタクトが得ら
れる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例に沿って説明する。

【００１９】図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の
３つの実施例による高誘電率酸化物半導体装置を示す。

【００２０】図３（Ａ）においては、Ｎｂを０．００５
ｗｔ％ドープしたＳｒＴｉＯ３　から形成された酸化物
半導体領域１の上に、Ｎｂを０．５ｗｔ％ドープしたＳ
ｒＴｉＯ３　で形成された高キャリア濃度領域２が高周
波スパッタリングにより、厚さ約３００ｎｍ成長されて
いる。高キャリア濃度領域２の上には、アルミニウム酸
化物ＡｌＯｘ　で形成されたトンネルバリア層３がやは
り高周波スパッタリングにより、厚さ約２ｎｍ堆積され
ている。このトンネルバリア層３の上に、Ｎｂで形成さ
れた電極４が作成されている。

【００２１】ＳｒＴｉＯ３　は、室温で約２５０、４．
２Ｋで約２００００の高比誘電率を持つ。ＡｌＯｘ　の
比誘電率は１２〜１５程度である。Ｎｂを０．００５ｗ
ｔ％ドープしたＳｒＴｉＯ３　は、約１０１７ｃｍ−３
位のキャリア濃度を有する。また、Ｎｂを０．５ｗｔ％
ドープしたＳｒＴｉＯ３　は、１０１９〜１０２０ｃｍ
−３位のキャリア濃度を有する。したがって、図３（Ａ
）に示す構成は、ｎ型の酸化物半導体領域１の上に、ｎ
＋　型酸化物半導体で形成された高キャリア濃度領域２
が配置され、その上に低誘電率のトンネルバリア層３が
形成され、その上に金属電極４が形成されたものとなる
。このような構成において、電極４と酸化物半導体領域
１の間に電圧を印加すると、前述のように印加電圧はほ
とんどトンネルバリア層３に印加され、電極４と酸化物
半導体領域１、２の間にトンネル電流が流れる。

【００２２】図３（Ａ）の構成においては、電極として
Ｎｂを用いたが、他の金属を用いてもよい。たとえば、
Ａｌを用いる場合、超音波ボンディングを行うとき形成
される酸化膜をトンネルバリア層として用いてもよい。

【００２３】図３（Ａ）の構成においては、高キャリア
濃度領域を形成するためにドナ不純物Ｎｂをドープした
が、他の方法によって高キャリア濃度領域を形成するこ
ともできる。

【００２４】図３（Ｂ）においては、高キャリア濃度領
域２が、ＳｒＴｉＯ３　基板１の表面をアルゴンＡｒで
プラズマ処理することによって形成されている。プラズ
マ処理の条件は、たとえば高周波電力密度が０．１Ｗ／
ｃｍ２　、Ａｒガス圧力が１０ｍＴｏｒｒ、プラズマ処
理時間が５分である。酸化物半導体領域表面がＡｒプラ
ズマで処理されると、酸素欠損が導入される。この酸素
欠損はドナとして作用し、高キャリア濃度領域が形成さ
れる。この方法は、高キャリア濃度領域を高周波スパッ
タリングによって成長する方法に比べ、プロセス温度は
低温でしかも短時間で行える利点を有する。その他の点
は図３（Ａ）の実施例と同様である。

【００２５】図３（Ａ）、（Ｂ）の実施例においては、
トンネルバリア層３として、アルミニウム酸化物ＡｌＯ
ｘ　を用いた。トンネルバリア層はその他種々の低誘電
率物質で形成することができる。

【００２６】図３（Ｃ）においては、トンネルバリア層
３が厚さ約２ｎｍのチタン酸マグネシウムＭｇＴｉＯ３
　で形成されている。ＭｇＴｉＯ３は、ＳｒＴｉＯ３　
と同じペロブスカイト構造を有する。ＭｇＴｉＯ３　膜
は、ＳｒＴｉＯ３　基板上にエピタキシャルに成長させ
ることができる。このため、薄いトンネルバリア層を形
成しても、ピンホールがなく、良好な特性のトンネルバ
リア層を形成することができる。なお、ＭｇＴｉＯ３　
は、１２〜１８程度の比誘電率を有する。このため、良
好な特性を有する低抵抗コンタクトが得られる。

【００２７】図４（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の他の４つ
の実施例を示す。図４（Ａ）においては、トンネルバリ
ア層３が高周波スパッタリングによって成膜された厚さ
約６ｎｍのＳｉ薄膜によって形成されている。Ｓｉは、
ＳｒＴｉＯ３　の電子親和力より大きい電子親和力を有
する。このため、Ｓｉ／ＳｒＴｉＯ３　界面ではＳｉは
キャリア（電子）の運動に対してはバリアとして働かな
い。 このため、Ｓｉバリアを電子が通過する確率が十分高く
なり、容易に低抵抗コンタクトが得られる。Ｎｂ電極と
Ｓｉとの間のバリア高さも低いため、この実施例におい
てはトンネルバリア層３の厚さを比較的厚くしてもよい
。

【００２８】以上の実施例においては、高誘電率酸化物
半導体としてＳｒＴｉＯ３　を用いた。ＳｒＴｉＯ３　
は、４．２Ｋ程度の低温で２００００程度の高誘電率を
有する有望な材料ではあるが、高誘電率酸化物半導体と
して種々の他の材料を用いることもできる。たとえば、
チタン酸塩、錫酸塩、ジルコニウム酸塩、ニオブ酸塩、
タンタル酸塩、およびこれらの混晶等を用いることがで
きる。

【００２９】図４（Ｂ）においては、酸化物半導体領域
１および高キャリア濃度領域２がＫＴａ１−ｘ　Ｎｂｘ
　Ｏ３　（ｘ＝０．０５）によって形成されている。さ
らに、キャリア濃度を付与するため、Ｋの一部をＣａで
置換している。すなわち、酸化物半導体領域１は、Ｋ１
−ｙ　Ｃａｙ　Ｔａ１−ｘ　Ｎｂｘ　Ｏ３　（ｙ＝１×
１０−５、ｘ＝０．０５）で形成し、高キャリア濃度領
域２はＫ１−ｙ　Ｃａｙ　Ｔａ１−ｘ　Ｎｂｘ　Ｏ３　
（ｙ＝０．０１、ｘ＝０．０５）で形成した。その他の
点は、図３（Ａ）の実施例と同様である。

【００３０】酸化物半導体として混晶を用いると、混晶
組成を制御することによって物性を種々に制御すること
が可能になる。

【００３１】図４（Ｂ）に用いた酸化物半導体は、７７
Ｋで約２００００程度の比誘電率を有する。したがって
、図４（Ｂ）の実施例の低抵抗コンタクトは液体窒素温
度で良好に作動させることができる。

【００３２】以上の実施例においては、電極としては、
Ｎｂ等の金属を用いた。電極として超伝導体を用いると
、電極抵抗をほぼ０にすることができる。特に、高温超
伝導体を用いると、比較的高温でも超伝導状態となる電
極を得ることができる。

【００３３】図４（Ｃ）においては、電極４が高温超伝
導体であるＹＢａ２Ｃｕ３　Ｏ７−ｘ　によって形成さ
れている。ＹＢａ２　Ｃｕ３　Ｏ７−ｘ　電極４を形成
するために、その下に配置されるトンネルバリア層３は
、厚さ約２ｎｍのアルミン酸イットリウムＹＡｌＯ３　
によって形成する。

【００３４】なお、トンネルバリア層としてアルミン酸
塩の他、ランタンガレートＬａＧａＯ３　等のガリウム
酸塩を用いることもできる。

【００３５】なお、トンネルバリア層３は、さらに他の
材料、たとえばＩＶ族、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、Ｉ
Ｉ−ＶＩ化合物半導体等によって形成することもできる
。

【００３６】図４（Ｄ）においては、トンネルバリア層
３が厚さ約６ｎｍのＩｎＳｂ層によって形成されている
。このような半導体をトンネルバリアに使うことにより
、トンネルバリアの障壁高さが低くできる。また、種々
の混晶半導体を用いることにより、トンネルバリア層の
物性を様々に制御することもできる。

【００３７】図３、図４に示す実施例において、酸化物
半導体に対する低抵抗コンタクトを得ることができる。 たとえば、図３（Ａ）の構成において、２×１０−６Ω
ｃｍ２　のコンタクト抵抗を得ることができた。また、
図４（Ａ）の構成において、５×１０−７Ωｃｍ２　の
コンタクト抵抗を得ることができた。

【００３８】このような、低抵抗コンタクトを用いるこ
とにより、種々の酸化物半導体装置を形成することがで
きる。

【００３９】図５は、高誘電率酸化物半導体を用いた高
誘電率酸化物半導体装置の実施例を示す。

【００４０】図５（Ａ）は、低電圧で動作するダイオー
ドを示す。高誘電率酸化物半導体で形成された酸化物半
導体領域１の表面に選択的に高キャリア濃度領域２が形
成され、高キャリア濃度領域２の上にはトンネルバリア
層３と電極４が積層されている。この構成は図３、図４
において示した実施例のいずれを用いて構成してもよい
。高キャリア濃度領域２の側方には、トンネルバリア層
３よりも厚いキャリア注入制御トンネルバリア層５が形
成され、その上にキャリア注入電極６が積層されている
。キャリア注入制御トンネルバリア層５はトンネルバリ
ア層３と同じ物質のより厚い層で形成することができる
。また、キャリア注入電極６は、電極４と同じ物質で形
成することができる。また、キャリア注入制御トンネル
バリア層５は、トンネルバリア層３よりもトンネル確率
の低いトンネルバリアを形成するものであれば、他の材
料で形成することもできる。また、キャリア注入電極６
は、他の導電性物質で形成してもよい。

【００４１】キャリア注入電極６と、電極４の間に電圧
を印加すると、電極４と酸化物半導体領域１の間は低抵
抗コンタクトを構成し、キャリア注入電極６と酸化物半
導体領域１の間は、印加電極によってトンネル確率の変
化するコンタクトが形成される。このため、低電圧で動
作するダイオードが得られる。

【００４２】図５（Ｂ）は、高誘電率酸化物半導体を用
いたトランジスタ構造を示す。酸化物半導体領域１、高
キャリア濃度領域２、トンネルバリア層３、電極４は、
図５（Ａ）の実施例と同様であり、低抵抗コンタクトを
構成する。酸化物半導体領域１の上には、さらに高キャ
リア濃度領域２側方にエミッタバリア層７、エミッタ電
極８の積層が形成され、他の主表面上にベース電極９が
形成されている。エミッタバリア層７、エミッタ電極８
は、図５（Ａ）に示すキャリア注入制御トンネルバリア
層５、キャリア注入電極６と同様の構成である。ベース
電極９は、酸化物半導体領域１にショットキ接触を形成
する電極である。この様な構成においては、ベース電極
９の電位によって高誘電率を有する酸化物半導体領域１
の電位が制御される。したがって、エミッタ電極８とベ
ース電極９の間に印加する電圧によってエミッタ電極８
から酸化物半導体領域１に注入される電流が制御される
。このようにして低電圧で動作するトランジスタ構造が
得られる。

【００４３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高誘電率の酸化物半導体に対して低抵抗のコンタクトが
容易に得られる。

【００４５】このため、高誘電率酸化物半導体の特性を
生かした種々の高誘電率酸化物半導体装置が提供される
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。図１（Ａ）は構成
を示し、図１（Ｂ）は等価回路を示し、図１（Ｃ）はポ
テンシャル分布を示す。

【図２】従来の技術を示す。図２（Ａ）は構成を示し、
図２（Ｂ）はポテンシャル分布を示す。

【図３】本発明の実施例を示す。図３（Ａ）、（Ｂ）、
（Ｃ）は、それぞれ高誘電率酸化物半導体に低抵抗コン
タクトを形成した構成を示す。

【図４】本発明の実施例を示す。図４（Ａ）、（Ｂ）、
（Ｃ）、（Ｄ）は、それぞれ高誘電率酸化物半導体に低
抵抗コンタクトを形成した構成を示す。

【図５】本発明の実施例を示す。図５（Ａ）はダイオー
ドの構成を示し、図５（Ｂ）はトランジスタの構成を示
す。

【符号の説明】

１　　酸化物半導体領域 ２　　高キャリア濃度領域 ３　　トンネルバリア層 ４　　電極 ５　　キャリア注入制御トンネルバリア層６　　キャリ
ア注入電極 ７　　エミッタバリア層 ８　　エミッタ電極 ９　　ベース電極 １１　　酸化物半導体領域 １２　　高キャリア濃度領域 １４　　電極

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　高誘電率を有する酸化物半導体で形成
   された酸化物半導体領域（１）と、前記酸化物半導体領
   域の表面部分に形成され、より高いキャリア濃度を有す
   る高キャリア濃度領域（２）と、前記高キャリア濃度領
   域上に接触して配置され、前記酸化物半導体よりも著し
   く低い誘電率を有する低誘電率物質で形成され、キャリ
   アが通過可能な薄いトンネルバリアを形成するトンネル
   バリア層（３）と、前記トンネルバリア層上に配置され
   、導電性物質で形成された電極（４）とを有し、前記電
   極が前記酸化物半導体領域に対して低抵抗コンタクトを
   形成する高誘電率酸化物半導体装置。
2. 【請求項２】　　前記高キャリア濃度領域が前記酸化物
   半導体の化学量論的組成からずれた組成を有する領域で
   形成された請求項１記載の高誘電率酸化物半導体装置。
3. 【請求項３】　　前記酸化物半導体と前記低誘電率物質
   がともにペロブスカイト型結晶構造を有する請求項１な
   いし２記載の高誘電率酸化物半導体装置。
4. 【請求項４】　　前記低誘電率物質が前記酸化半導体よ
   りも大きな電子親和力を有する請求項１ないし２記載の
   高誘電率酸化物半導体装置。
5. 【請求項５】　　さらに、前記酸化物半導体領域上に形
   成され、キャリアに対して制御可能なトンネルバリアを
   形成するキャリア注入制御トンネルバリア層と、前記キ
   ャリア注入制御トンネルバリア層上に配置され、導電性
   物質で形成されたキャリア注入電極とを有する請求項１
   〜４のいずれかに記載の高誘電率酸化物半導体装置。
6. 【請求項６】　　さらに、前記酸化物半導体領域上に配
   置され、導電性物質で形成された制御電極を有する請求
   項５記載の高誘電率酸化物半導体装置。