(57)【要約】【課題】金属−二次元物質−半導体の接合を含む半導体素子を提供する。【解決手段】金属と半導体との間に二次元結晶構造を有する二次元物質層を介在させることによって接触抵抗を低下させた半導体素子に係り、該半導体素子は、半導体層、半導体層に電気的に接触する金属層、及び半導体層と金属層との間に配置されたものであり、二次元結晶構造を有する二次元物質層を含んでもよい。該二次元物質層は、トンネリング電流を介して、金属と半導体との間の電流フローを円滑にさせることによって、半導体層と金属層との間の接触抵抗を低減させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型にドーピングされたウェル領域、及び第１導電型と電気的に相反する第２導電型にドーピングされた、ソース領域及びドレイン領域を具備する半導体層と、
前記半導体層に電気的に接触する金属層と、
前記半導体層と金属層との間に配置されたものであり、二次元結晶構造を有する二次元物質層と、を含み、
前記二次元物質層は、前記ソース領域上に配置された第１二次元物質層を含み、前記金属層は、前記第１二次元物質層上に配置されたソース電極を含み、
前記二次元物質層は、前記ドレイン領域上に配置された第２二次元物質層を含み、前記金属層は、前記第２二次元物質層上に配置されたドレイン電極を含む半導体素子。
【請求項２】
前記二次元物質層は、炭素系二次元物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記炭素系二次元物質は、グラフェン及びナノ結晶グラフェン（ｎｃ−Ｇ）のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記二次元物質層は、遷移金属ジカルコゲナイドを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記遷移金属ジカルコゲナイドは、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＴａＳ２、ＨｆＳ２、ＲｅＳ２、ＴｉＳ２、ＮｂＳ２、ＳｎＳ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳｅ２、ＴａＳｅ２、ＨｆＳｅ２、ＲｅＳｅ２、ＴｉＳｅ２、ＮｂＳｅ２、ＳｎＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＴｅ２、ＴａＴｅ２、ＨｆＴｅ２、ＲｅＴｅ２、ＴｉＴｅ２、ＮｂＴｅ２、ＳｎＴｅ２のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記二次元物質層は、ＴｉＯｘ、ＮｂＯｘ、ＭｎＯｘ、ＶａＯｘ、ＭｎＯ３、ＴａＯ３、ＷＯ３、ＭｏＣｌ２、ＣｒＣｌ３、ＲｕＣｌ３、ＢｉＩ３、ＰｂＣｌ４、ＧｅＳ、ＧａＳ、ＧｅＳｅ、ＧａＳｅ、ＰｔＳｅ２、Ｉｎ２Ｓｅ３、ＧａＴｅ、ＩｎＳ、ＩｎＳｅ、ＩｎＴｅ、ｈ−ＢＮ（hexagonal ＢＮ）及びフォスフォレンのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記二次元物質層は、二次元結晶構造を構成する元素のうち一部を他の元素で置換するか、あるいは二次元結晶構造に他の元素を追加して結合することによって、ドーピングされた構造を有する請求項１から６の何れか１項に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記二次元物質層は、ナノワイヤパターン、ナノスリットパターン、ナノドットパターンまたはナノホールのパターンによってパターニングされていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記二次元物質層の厚みは、前記半導体層と前記金属層との接触抵抗が、１０−７Ωｃｍ２以下になるように選択されることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記二次元物質層の厚みは、０．３ｎｍないし５ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項９に記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記二次元物質層は、Ｔ１の厚みを有する単一層二次元結晶構造の複数の層を含み、
前記二次元物質層の総厚ＴＤは、それぞれの単一層二次元結晶構造の厚みＴ１の和であることを特徴とする請求項９に記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記二次元物質層と接する前記半導体層の表面が単層原子で表面処理されていることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載の半導体素子。
【請求項１３】
前記二次元物質層と金属層との間に配置された、前記金属層を形成する金属材料と、前記半導体層を形成する半導体材料との混合物層をさらに含むことを特徴とする請求項１から１２の何れか１項に記載の半導体素子。
【請求項１４】
前記ソース領域とドレイン領域との間で、前記ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極との側壁を取り囲むスペーサと、を含むことを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載の半導体素子。
【請求項１５】
前記第１二次元物質層と第２二次元物質層は、それぞれ前記スペーサの下部面と接触するように延長されていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体素子。
【請求項１６】
前記第１二次元物質層と第２二次元物質層は、それぞれ前記スペーサの側面と接触するように延長されていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体素子。
【請求項１７】
前記ソース領域及びドレイン領域のドーピング濃度は、１０１９／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項１から１６の何れか１項に記載の半導体素子。
【請求項１８】
ゲート電極とアンドーピング半導体層との間に配置されたゲート絶縁膜と、
前記半導体層に電気的に接触する金属層と、
前記半導体層と金属層との間に配置されたものであり、二次元結晶構造を有する二次元物質層と、を含み、
前記二次元物質層は、炭素以外の元素の結晶からなる非炭素系二次元結晶を含む半導体素子。
【請求項１９】
前記金属層は、前記ゲート絶縁膜上に配置され、前記半導体層の第１側面に対向するソース電極、及び前記ゲート絶縁膜上に配置され、前記半導体層の第２側面に対向するドレイン電極を含み、
前記二次元物質層は、前記ソース電極と、前記半導体層の第１側面との間に配置された第１二次元物質層、及び前記ドレイン電極と、前記半導体層の第２側面との間に配置された第２二次元物質層を含むことを特徴とする請求項１８に記載の半導体素子。
【請求項２０】
前記第１二次元物質層は、前記半導体層の第１側面から、前記半導体層の上部表面の第１領域まで延長されるように折り曲げられており、前記第２二次元物質層は、前記半導体層の第２側面から、前記半導体層の上部表面の第２領域まで延長されるように折り曲げられていることを特徴とする請求項１９に記載の半導体素子。
【請求項２１】
アンドーピング半導体層とゲート電極との間に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の第１側面に隣接して配置されたものであり、非炭素系二次元結晶を含む二次元結晶構造を有する第１二次元物質層と、
前記第１側面の反対側である前記ゲート絶縁膜の第２側面に隣接して配置されたものであり、非炭素系二次元結晶を含む二次元結晶構造を有する第２二次元物質層と、
前記第１二次元物質層上に配置されたソース電極と、
前記第２二次元物質層上に配置されたドレイン電極と、を含む半導体素子。
【請求項２２】
前記ソース電極とドレイン電極は、前記ゲート絶縁膜と離れていることを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子に係り、さらに詳細には、金属と半導体との間に、二次元（２−dimensional）結晶構造を有する二次元物質層を介在させることによって、接触抵抗（contact resistivity）を低下させた半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は、外部と電気的信号を送受信するために、半導体素子の特定部分において、金属と半導体との接合を含む。金属は、半導体より相対的に低い抵抗を有しており、外部への配線が容易であるからである。しかし、その場合、半導体／金属の異種接合による接触抵抗が発生する。
【０００３】
そのような接触抵抗を低下させるために、半導体と金属との間のショットキーエネルギー障壁（Schottky energy barrier）を低くする多様な方案が提示されている。例えば、ｎ型半導体には、仕事関数が４ｅＶ近傍である金属を使用したり、ｐ型半導体には、仕事関数が５ｅＶ近傍である金属を使用したりする。しかし、金属の仕事関数が半導体の表面で固定（pinning）される現象が示されるために、金属の種類に関係なく、ショットキーエネルギー障壁を低くするのには限界がある。他の方案として、金属と接触する半導体の表面を高い濃度にドーピングすることによって、空乏幅（depletion width）を狭めることもできる。しかし、さらに小型化されるサイズの半導体素子が要求されることにより、ドーピング濃度をさらに上昇させなければならないが、ドーピング濃度を上昇させる方法、ドーピング状態を安定的に維持する方法、及びドーピング濃度の上昇による空乏幅を狭めることに限界がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、金属と半導体との間に二次元結晶構造を有する二次元物質層を介在させることによって、接触抵抗を低下させた半導体素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一例による半導体素子は、第１導電型にドーピングされたウェル領域、及び第１導電型と電気的に相反する第２導電型にドーピングされた、ソース領域及びドレイン領域を具備する半導体層；前記半導体層に電気的に接触する金属層；並びに前記半導体層と金属層との間に配置されたものであり、二次元（２−dimensional）結晶構造を有する二次元物質層；を含み、前記二次元物質層は、前記ソース領域の上に配置された第１二次元物質層を含み、前記金属層は、前記第１二次元物質層上に配置されたソース電極を含み、前記二次元物質層は、前記ドレイン領域の上に配置された第２二次元物質層を含み、前記金属層は、前記第２二次元物質層上に配置されたドレイン電極を含んでもよい。
【０００６】
前記二次元物質層は、例えば、炭素系二次元物質を含んでもよい。
【０００７】
前記炭素系二次元物質は、例えば、グラフェン及びナノ結晶グラフェンのうち少なくとも一つを含んでもよい。
【０００８】
代案として、前記二次元物質層は、遷移金属とカルコゲナイド元素との化合物である遷移金属ジカルコゲナイドを含んでもよい。
【０００９】
例えば、前記遷移金属ジカルコゲナイドは、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＴａＳ２、ＨｆＳ２、ＲｅＳ２、ＴｉＳ２、ＮｂＳ２、ＳｎＳ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳｅ２、ＴａＳｅ２、ＨｆＳｅ２、ＲｅＳｅ２、ＴｉＳｅ２、ＮｂＳｅ２、ＳｎＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＴｅ２、ＴａＴｅ２、ＨｆＴｅ２、ＲｅＴｅ２、ＴｉＴｅ２、ＮｂＴｅ２、ＳｎＴｅ２のうち少なくとも一つを含んでもよい。
【００１０】
それ以外にも、前記二次元物質層は、ＴｉＯｘ、ＮｂＯｘ、ＭｎＯｘ、ＶａＯｘ、ＭｎＯ３、ＴａＯ３、ＷＯ３、ＭｏＣｌ２、ＣｒＣｌ３、ＲｕＣｌ３、ＢｉＩ３、ＰｂＣｌ４、ＧｅＳ、ＧａＳ、ＧｅＳｅ、ＧａＳｅ、ＰｔＳｅ２、Ｉｎ２Ｓｅ３、ＧａＴｅ、ＩｎＳ、ＩｎＳｅ、ＩｎＴｅ、ｈ−ＢＮ（hexagonal ＢＮ、六方晶窒化ホウ素）及びフォスフォレン（phosphorene）のうち少なくとも一つを含んでもよい。
【００１１】
前記二次元物質層は、二次元結晶構造を構成する元素のうち一部を他の元素で置換するか、あるいは二次元結晶構造に他の元素を追加して結合することによって、ドーピングされた構造を有することができる。
【００１２】
前記二次元物質層は、例えば、ナノワイヤパターン、ナノスリットパターン、ナノドットパターンまたはナノホールのパターンにパターニングされてもよい。
【００１３】
前記二次元物質層の厚みは、前記半導体層と前記金属層との接触抵抗が、例えば、１０−７Ωｃｍ２以下になるように選択されてもよい。
【００１４】
例えば、前記二次元物質層の厚みは、０．３ｎｍないし５ｎｍの範囲にある。
【００１５】
前記二次元物質層は、Ｔ１の厚みを有する単一層二次元結晶構造の複数の層を含み、前記二次元物質層の総厚ＴＤは、それぞれの単一層二次元結晶構造の厚みＴ１の和でもある。
【００１６】
また、前記半導体層は、例えば、シリコン、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＶ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＶ−ＩＶ族化合物半導体、酸化物半導体、及びバンドギャップを有する二次元結晶構造の半導体のうち少なくとも一つを含んでもよい。
【００１７】
前記二次元物質層と接する前記半導体層の表面が、単層原子で表面処理されてもよい。
【００１８】
前記半導体素子は、前記二次元物質層と金属層との間に配置された、前記金属層を形成する金属材料と、前記半導体層を形成する半導体材料との混合物層をさらに含んでもよい。
【００１９】
前記半導体素子は、前記ソース領域とドレイン領域との間で、前記ウェル領域上に配置されたゲート絶縁膜；前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極；及び前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極との側壁を取り囲むスペーサ；をさらに含んでもよい。
【００２０】
前記第１二次元物質層と第２二次元物質層は、それぞれ前記スペーサの下部面と接触するように延長されてもよい。
【００２１】
また、前記第１二次元物質層と第２二次元物質層は、それぞれ前記スペーサの側面と接触するように延長されてもよい。
【００２２】
例えば、前記ソース領域及びドレイン領域のドーピング濃度は、１０１９／ｃｍ３以上でもある。
【００２３】
また、他の例による半導体素子は、ゲート電極とアンドーピング半導体層との間に配置されたゲート絶縁膜；前記半導体層に電気的に接触する金属層；及び前記半導体層と金属層との間に配置されたものであり、二次元結晶構造を有する二次元物質層；を含み、前記二次元物質層は、炭素以外の元素の結晶からなる非炭素系二次元結晶を含んでもよい。
【００２４】
前記金属層は、前記ゲート絶縁膜上に配置され、前記半導体層の第１側面に対向するソース電極、及び前記ゲート絶縁膜上に配置され、前記半導体層の第２側面に対向するドレイン電極を含んでもよい。
【００２５】
前記二次元物質層は、前記ソース電極と、前記半導体層の第１側面との間に配置された第１二次元物質層、及び前記ドレイン電極と、前記半導体層の第２側面との間に配置された第２二次元物質層を含んでもよい。
【００２６】
前記第１二次元物質層は、前記半導体層の第１側面から、前記半導体層の上部表面の第１領域まで延長されるように折り曲げられ、前記第２二次元物質層は、前記半導体層の第２側面から、前記半導体層の上部表面の第２領域まで延長されるように折り曲げられる。
【００２７】
さらに他の例による半導体素子は、アンドーピング半導体層とゲート電極との間に配置されたゲート絶縁膜；前記ゲート絶縁膜の第１側面に隣接して配置されたものであり、非炭素系二次元結晶を含む二次元結晶構造を有する第１二次元物質層；前記第１側面の反対側である前記ゲート絶縁膜の第２側面に隣接して配置されたものであり、非炭素系二次元結晶を含む二次元結晶構造を有する第２二次元物質層；前記第１二次元物質層上に配置されたソース電極；及び前記第２二次元物質層上に配置されたドレイン電極；を含んでもよい。
【００２８】
前記ソース電極とドレイン電極は、前記ゲート絶縁膜と離れている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】一実施形態による半導体素子の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】二次元物質層がない、比較例による半導体素子でのエネルギーバンドダイヤグラムを概略的に示す図面である。
【図３Ａ】二次元物質層が非炭素系二次元結晶である場合、図１に図示された半導体素子でのエネルギーバンドダイヤグラムを概略的に示す図面である。
【図３Ｂ】二次元物質層が炭素系二次元結晶である場合、図１に図示された半導体素子でのエネルギーバンドダイヤグラムを概略的に示す図面である。
【図４】二次元物質層の種類による接触抵抗の変化を示すグラフである。
【図５】二次元物質層の層数が異なる半導体素子の構造を概略的に示す断面図である。
【図６】二次元物質層の層数が異なる半導体素子の構造を概略的に示す断面図である。
【図７Ａ】二次元物質層の多様なパターンの例を示す概略的な平面図である。
【図７Ｂ】二次元物質層の多様なパターンの例を示す概略的な平面図である。
【図７Ｃ】二次元物質層の多様なパターンの例を示す概略的な平面図である。
【図７Ｄ】二次元物質層の多様なパターンの例を示す概略的な平面図である。
【図８】他の実施形態による半導体素子の構造を概略的に示す断面図である。
【図９】さらに他の実施形態による半導体素子の構造を概略的に示す断面図である。
【図１０】さらに他の実施形態による半導体素子の構造を概略的に示す断面図である。
【図１１】さらに他の実施形態による半導体素子の構造を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付された図面を参照し、金属−二次元物質−半導体の接合を含む半導体素子について詳細に説明する。以下の図面において同一参照符号は、同一構成要素を指し、図面上において、各構成要素の大きさは、説明の明瞭さ及び便宜さのために誇張されてもいる。また、以下で説明する実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、そのような実施形態から多様な変形が可能である。また、以下で説明する層構造において、「上部」や「上」と記載された表現は、接触して真上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものも含んでもよい。
【００３１】
図１は、一実施形態による半導体素子の構造を概略的に示す断面図である。図１を参照すれば、一実施形態による半導体素子１００は、半導体層１０１，１０２，１０３、半導体層１０１，１０２，１０３に電気的に接触する金属層１０６，１０７、及び半導体層１０１，１０２，１０３と、金属層１０６，１０７との間に配置された二次元物質層１０４，１０５を含んでもよい。
【００３２】
ここで、半導体層１０１，１０２，１０３は、例えば、第１導電型にドーピングされたウェル領域１０１、及び第１導電型と電気的に相反する第２導電型にドーピングされた、ソース領域１０２とドレイン領域１０３とを含んでもよい。図１には、ウェル領域１０１がｐ型にドーピングされ、ソース領域１０２及びドレイン領域１０３がｎ型にドーピングされているように図示されているが、それは、単に一例であるに過ぎず、ウェル領域１０１がｎ型にドーピングされ、ソース領域１０２及びドレイン領域１０３がｐ型にドーピングされてもよい。ウェル領域１０１は、約１０１４〜１０１８／ｃｍ３の比較的低濃度にドーピングされ、ソース領域１０２及びドレイン領域１０３は、空乏幅を狭めるために、約１０１９／ｃｍ３以上の比較的高濃度にドーピングされる。
【００３３】
そのような半導体層１０１，１０２，１０３は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）のようなＩＶ族半導体、ＧａＡｓ、ＧａＰのようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＣｄＳ、ＺｎＴｅのようなＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＰｂＳのようなＩＶ−ＶＩ族化合物半導体、ＳｉＣのようなＩＶ−ＩＶ族化合物半導体、ＩＧＺＯのような酸化物半導体、またはＭｏＳ２のようなバンドギャップを有する二次元（２−dimensional）結晶構造の半導体でもある。
【００３４】
また、後述する二次元物質層１０４，１０５と接触する、ソース領域１０２とドレイン領域１０３との上部表面は、二次元物質層１０４，１０５との結合特性を向上させるために、単層原子で表面処理される。シリコンのような半導体は、一般的に、二次元物質との結合力が弱いために、ソース領域１０２とドレイン領域１０３との上に配置された二次元物質層１０４，１０５は、ソース領域１０２及びドレイン領域１０３から容易に離れてしまう。そのような現象を防止するために、ソース領域１０２とドレイン領域１０３との上部表面を、二次元物質層１０４，１０５との結合力が優れた元素で表面処理することが可能である。例えば、ソース領域１０２とドレイン領域１０３との表面に、酸素、硫黄、セレンなどを単層で結合させることができる。
【００３５】
二次元物質層１０４，１０５は、ソース領域１０２上に配置された第１二次元物質層１０４、及びドレイン領域１０３上に配置された第２二次元物質層１０５を含んでもよい。二次元物質層１０４，１０５は、二次元結晶構造を有する二次元物質からなるので、層状構造に形成される。二次元物質層１０４，１０５の層は、ファンデルワールス力（Van der Waals force）を介して、非常に弱い相互作用が可能である。従って、二次元物質層１０４，１０５は、層単位で形成されるために、厚み調節が容易である。
【００３６】
そのような二次元物質層１０４，１０５は、炭素系二次元物質または非炭素系二次元物質からもなる。炭素系二次元物質は、例えば、グラフェンやナノ結晶グラフェン（ｎｃ−Ｇ：nano crystalline graphene）のように、炭素元素の結晶に形成される。一般的なグラフェンは、触媒金属上で、化学気相蒸着（ＣＶＤ）方式によって形成され、約７００ないし１，０００℃の高温工程が必要であり、粒径が数μｍほどである。一般的なグラフェンは、ニッケル（Ｎｉ）や銅（Ｃｕ）のような金属上で成長されるために、成長後、半導体のような他層に転写される。一方、ナノ結晶グラフェンは、約６００℃以下の比較的低温で、誘導結合プラズマ化学気相蒸着（ＩＣＰ−ＣＶＤ：inductively coupled plasma ＣＶＤ）やプラズマ化学気相蒸着方式（ＰＥ−ＣＶＤ：plasma enhanced ＣＶＤ）によって形成され、粒径が約１００ｎｍ以下である。ナノ結晶グラフェンは、シリコンのような半導体上でも、低温で成長が可能である。
【００３７】
非炭素系二次元物質は、炭素以外の元素を含む二次元物質である。非炭素系二次元物質として、代表的には、遷移金属とカルコゲナイド元素との化合物である遷移金属ジカルコゲナイド（ＴＭＤ：transition metal dichalcogenide）がある。例えば、遷移金属ジカルコゲナイドは、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＴａＳ２、ＨｆＳ２、ＲｅＳ２、ＴｉＳ２、ＮｂＳ２、ＳｎＳ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳｅ２、ＴａＳｅ２、ＨｆＳｅ２、ＲｅＳｅ２、ＴｉＳｅ２、ＮｂＳｅ２、ＳｎＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＴｅ２、ＴａＴｅ２、ＨｆＴｅ２、ＲｅＴｅ２、ＴｉＴｅ２、ＮｂＴｅ２、ＳｎＴｅ２を含んでもよい。遷移金属ジカルコゲナイド以外にも、多様な非炭素系二次元物質がある。例えば、非炭素系二次元物質はｈ−ＢＮ（hexagonal ＢＮ）、フォスフォレン（phosphorene）、ＴｉＯｘ、ＮｂＯｘ、ＭｎＯｘ、ＶａＯｘ、ＭｎＯ３、ＴａＯ３、ＷＯ３、ＭｏＣｌ２、ＣｒＣｌ３、ＲｕＣｌ３、ＢｉＩ３、ＰｂＣｌ４、ＧｅＳ、ＧａＳ、ＧｅＳｅ、ＧａＳｅ、ＰｔＳｅ２、Ｉｎ２Ｓｅ３、ＧａＴｅ、ＩｎＳ、ＩｎＳｅ、ＩｎＴｅなどを含んでもよい。ｈ−ＢＮは、ホウ素（Ｂ）と窒素（Ｎ）とが結合し、六方結晶構造に形成されたものである。フォスフォレンは、黒リンの二次元同素体である。
【００３８】
二次元物質層１０４，１０５として説明した材料のうち、いずれも使用することができるが、半導体層１０１，１０２，１０３が二次元結晶構造の半導体である場合、二次元物質層１０４，１０５の材料は、半導体層１０１，１０２，１０３の材料と異なるように選択される。
【００３９】
また、二次元物質層１０４，１０５は、上述の材料をそのまま使用することもできるが、半導体素子１００の電気的特性をさらに向上させるためにドーピングされる。言い換えれば、二次元物質層１０４，１０５の二次元結晶構造を構成する元素のうち一部を他の元素で置換するか、あるいは二次元結晶構造に、他の元素を追加して結合することによって、ドーピングされた構造を有することができる。例えば、二次元物質層１０４，１０５がグラフェンである場合、グラフェンを形成する炭素原子のうち一部がホウ素や窒素のような他の原子で置換されるか、あるいは炭素原子のうち一部が、ホウ素や窒素のような他の原子と結合することもできる。
【００４０】
金属層１０６，１０７は、第１二次元物質層１０４上に配置されたソース電極１０６、及び第２二次元物質層１０５上に配置されたドレイン電極１０７を含んでもよい。ソース電極１０６及びドレイン電極１０７を含む金属層１０６，１０７は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉛（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、カドミウム（Ｃｄ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、ランタン（Ｌａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、ビズマス（Ｂｉ）などのような金属、またはそれらの合金からもなる。
【００４１】
また、半導体素子１００は、ソース領域１０２とドレイン領域１０３との間のウェル領域１０１上に配置されたゲート絶縁膜１０８、ゲート絶縁膜１０８上に配置されたゲート電極１０９、及びゲート絶縁膜１０８とゲート電極１０９との側壁を取り囲むスペーサ１１０をさらに含んでもよい。スペーサ１１０は、ゲート絶縁膜１０８とゲート電極１０９とが、ソース電極１０６及びドレイン電極１０７と直接接触することを防止することができる。ゲート絶縁膜１０８は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３などによって形成され、ゲート電極１０９は、ポリシリコンまたは金属層１０６，１０７と同一金属材料からもなる。スペーサ１１０は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘのような絶縁性材料からもなる。
【００４２】
前述のように、本実施形態による半導体素子１００は、半導体と金属との間に介在された二次元物質を含んでもよい。具体的には、半導体素子１００は、ソース領域１０２とソース電極１０６との間に介在された第１二次元物質層１０４；及びドレイン領域１０３とドレイン電極１０７との間に介在された第２二次元物質層１０５；を含んでもよい。二次元物質層１０４，１０５は、表面に反応物（reactant）がないために、ソース電極１０６とドレイン電極１０７との金属の仕事関数がそれぞれソース領域１０２とドレイン領域１０３との表面で固定（pinning）される現象を除去することができる。従って、ソース電極１０６とドレイン電極１０７との金属の固有仕事関数による効果が示され、その結果、ソース領域１０２とソース電極１０６との間、及びドレイン領域１０３とドレイン電極１０７との間で接触抵抗を低くすることができる。
【００４３】
例えば、図２は、二次元物質層１０４，１０５がない比較例による半導体素子でのエネルギーバンドダイヤグラムを概略的に図示している。図２においてＥｃは、半導体の伝導帯レベルを示し、Ｅｖは、半導体の価電子帯レベルを示し、Ｗ１は、金属の仕事関数を示す。図２を参照すれば、二次元物質層１０４，１０５がない比較例の場合、半導体と金属との界面において、金属の仕事関数がＷ１に固定されるために、高いショットキーエネルギー障壁が生じる。従って、半導体と金属との接触面での接触抵抗が大きくなる。
【００４４】
図３Ａは、二次元物質層１０４，１０５が非炭素系二次元結晶である場合の、図１に図示された半導体素子１００でのエネルギーバンドダイヤグラムを概略的に図示している。本実施形態の場合、二次元物質層１０４，１０５によって、ソース電極１０６とドレイン電極１０７との金属の固有仕事関数Ｗ２による効果が示される。従って、ソース領域１０２とソース電極１０６との間、及びドレイン領域１０３とドレイン電極１０７との間のショットキーエネルギー障壁が低くなる。また、二次元物質層１０４，１０５の厚みがトンネリングが起こるほどに小さいために、電子は、二次元物質層１０４，１０５をトンネリングして通過することができる。従って、ソース領域１０２とソース電極１０６との間、及びドレイン領域１０３とドレイン電極１０７との間の接触抵抗が低くなる。例えば、二次元物質層１０４，１０５の材料と厚みは、接触抵抗が１０−７Ωｃｍ２以下になるように選択される。
【００４５】
図３Ｂは、二次元物質層１０４，１０５が炭素系二次元結晶である場合、図１に図示された半導体素子１００でのエネルギーバンドダイヤグラムを概略的に図示している。図３Ｂに図示されているように、グラフェンのような炭素系二次元結晶は、バンドギャップを有さないという点で、バンドギャップを有する非炭素系二次元結晶と違いがあるに過ぎず、炭素系二次元結晶を使用する場合にも、非炭素系二次元結晶を使用する場合と同一効果を得ることができる。
【００４６】
図４は、二次元物質層１０４，１０５の種類による接触抵抗の変化を示すグラフである。図４のグラフにおいて、金属としては、チタン（Ｔｉ）を使用し、半導体としては、シリコンを使用した。また、図４のグラフにおいて、最も左側は、二次元物質層１０４，１０５がない比較例による半導体素子での接触抵抗を示し、右側方向に沿って順に、二次元物質層１０４，１０５として、２Ｄ−１はグラフェンを使用し、２Ｄ−２は、ｈ−ＢＮを使用し、２Ｄ−３は、ＭｏＳ２を使用した。図４のグラフから分かるように、二次元物質層１０４，１０５がない場合、接触抵抗が最も高く、二次元物質層１０４，１０５を使用する場合には、接触抵抗が低くなる。
【００４７】
また、二次元物質層１０４，１０５は、二次元の層状結晶構造を有しながら、１層ずつ形成することが可能であるために、二次元物質層１０４，１０５の層数によって、二次元物質層の厚みを５ｎｍ以内において、容易に調節することができ、厚み均一性にもすぐれる。例えば、図５及び図６は、二次元物質層１０４，１０５の層数が異なる半導体素子１００の構造を概略的に示す断面図である。図１には、二次元物質層１０４，１０５が単一層であるように図示されているが、二次元物質層１０４，１０５は、図５に図示されているように、２層に形成されもし、または、図６に図示されているように、３層、またはそれ以上に形成されもする。二次元物質層１０４，１０５の厚みは、単純に単一層二次元結晶構造の厚みの倍数になるので、単一層二次元結晶構造の厚みと層数との倍数として簡単に決定される。例えば、二次元物質層１０４，１０５の厚みが約０．３ｎｍないし５ｎｍの範囲にあるように、層数を選択することができる。そのように、二次元物質層１０４，１０５の厚み均一性が優秀であるために、ソース領域１０２とソース電極１０６との間、及びドレイン領域１０３とドレイン電極１０７との間の全体領域において、均一な接触抵抗を確保することができる。
【００４８】
また、二次元物質層１０４，１０５は、一般的に高い熱的安定性を有するために、半導体素子１００の耐久性を向上させることもできる。そして、二次元物質層１０４，１０５が、半導体原子及び金属原子に対する拡散防止膜（diffusion barrier）の役割を行うことができるために、ソース領域１０２とソース電極１０６との間、及びドレイン領域１０３とドレイン電極１０７との間に、別途の拡散防止膜を形成する必要がない。従って、半導体素子１００の全体抵抗をさらに低下させることができる。
【００４９】
そのような二次元物質層１０４，１０５は、ソース領域１０２とソース電極１０６との間、及びドレイン領域１０３とドレイン電極１０７との間に完全に充填される。しかし、必要によっては、ソース領域１０２の一部が、ソース電極１０６と直接接触し、ドレイン領域１０３の一部が、ドレイン電極１０７と直接接触するように、二次元物質層１０４，１０５がパターニングされてもよい。例えば、図７Ａないし図７Ｄは、二次元物質層１０４，１０５の多様なパターンの例を示す概略的な平面図である。図７Ａに図示されているように、二次元物質層１０４，１０５は、複数の平行なナノワイヤ形態にパターニングされる。また、図７Ｂに図示されているように、二次元物質層１０４，１０５は、複数の平行なナノスリット形態を有するようにパターニングされる。一方、図７Ｃに図示されているように、二次元物質層１０４，１０５は、二次元アレイに配列された複数のナノドット形態を有するようにパターニングされる。それとは反対に、図７Ｄに図示されているように、二次元物質層１０４，１０５は、二次元アレイに配列された複数のナノホールを有するようにパターニングされる。そのように、二次元物質層１０４，１０５を特定形態にパターニングし、バンドギャップのような、二次元物質層１０４，１０５の電気的特性を変化させることによって、接触抵抗を含む半導体素子１００の特性を調節することができる。
【００５０】
図８は、他の実施形態による半導体素子（２００）の構造を概略的に示す断面図である。図１に図示された半導体素子１００の場合、ウェル領域１０１、ソース領域１０２及びドレイン領域１０３は、同一表面高を有し、二次元物質層１０４，１０５は、スペーサ１１０の側面と接触するように延長されている。一方、図８に図示された半導体素子２００において、二次元物質層１０４，１０５は、スペーサ１１０の下部面と接触するように延長されている。そのために、ウェル領域１０１の上部表面は、ソース領域１０２とドレイン領域１０３との上部表面よりさらに高く形成される。例えば、ウェル領域１０１と、ソース領域１０２及びドレイン領域１０３との高さ差は、二次元物質層１０４，１０５の厚みと同じである。二次元物質層１０４，１０５は、スペーサ１１０の下部面に沿って、スペーサ１１０とゲート絶縁膜１０８との境界面まで延長される。その場合、ソース領域１０２、並びにドレイン領域１０３及びウェル領域１０１との境界面は、スペーサ１１０とゲート絶縁膜１０８との境界面と一致する。従って、ソース領域１０２及びドレイン領域１０３と、二次元物質層１０４，１０５との接触面積が広くなるために、接触抵抗がさらに低下する。
【００５１】
図９は、さらに他の実施形態による半導体素子３００の構造を概略的に示す断面図である。図１に図示された半導体素子１００と比較するとき、図９に図示された半導体素子３００は、二次元物質層１０４，１０５と、金属層１０６，１０７との間に配置された混合物層１１１ａ，１１１ｂをさらに含んでもよい。具体的には、半導体素子３００は、第１二次元物質層１０４とソース電極１０６との間に配置された第１混合物層１１１ａ、及び第２二次元物質層１０５とドレイン電極１０７との間に配置された第２混合物層１１１ｂを含んでもよい。第１混合物層１１１ａは、ソース電極１０６を形成する金属材料と、ソース領域１０２を形成する半導体材料との混合物でもある。同様に、第２混合物層１１１ｂは、ドレイン電極１０７を形成する金属材料と、ドレイン領域１０３を形成する半導体材料との混合物でもある。例えば、半導体層１０１，１０２，１０３がシリコンによって形成される場合、混合物層１１１ａ，１１１ｂは、シリサイド（silicide）によって形成される。そのような混合物層１１１ａ，１１１ｂは、ショットキーエネルギー障壁をさらに低くし、接触抵抗がさらに低下する。
【００５２】
以上で説明した半導体素子１００，２００，３００は、半導体層１０１，１０２，１０３において、ウェル領域１０１が、ソース領域１０２及びドレイン領域１０３と反対極性を有するようにドーピングされた単極型（unipolar）金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：metal oxide silicon field effect transistor）である。しかし、前述の原理は、単極型ＭＯＳＦＥＴだけではなく、金属と半導体との異種接合を有する全ての半導体素子に適用が可能である。例えば、半導体層の全領域がドーピングされていないか、あるいは半導体層の全領域が同一極性にドーピングされる場合にも、半導体と金属との間に二次元物質を介在させ、接触抵抗を低くすることができる。
【００５３】
例えば、図１０は、さらに他の実施形態による半導体素子４００の概略的な構造を示す断面図である。図１０を参照すれば、半導体素子４００は、ゲート電極２０１、ゲート電極２０１上に配置されたゲート絶縁膜２０２、ゲート絶縁膜２０２上に配置された半導体層２０３、半導体層２０３の両側にそれぞれ配置され、半導体層２０３に電気的に接触する金属層２０５，２０６、及び半導体層２０３と金属層２０５，２０６との間に配置され、二次元結晶構造を有する二次元物質層２０４ａ，２０４ｂを含んでもよい。ここで、半導体層２０３は、チャネル層としての役割を行いアンドーピング（undoped）でもある。
【００５４】
金属層２０５，２０６は、ゲート絶縁膜２０２上に配置され、半導体層２０３の一側面に対向するソース電極２０５、及びゲート絶縁膜２０２上に配置され、半導体層２０３の他側面に対向するドレイン電極２０６を含んでもよい。また、ゲート電極２０１も、金属材料からもなる。ゲート電極２０１、ソース電極２０５及びドレイン電極２０６の金属材料は、前述の材料を使用することができる。
【００５５】
二次元物質層２０４ａ，２０４ｂは、ソース電極２０５と半導体層２０３との一側面の間に配置された第１二次元物質層２０４ａ、及びドレイン電極２０６と半導体層２０３との他側面の間に配置された第２二次元物質層２０４ｂを含んでもよい。図１０に図示されているように、第１二次元物質層２０４ａは、半導体層２０３の一側面から、上部表面の一部領域まで延長される。また、第２二次元物質層２０４ｂは、第１二次元物質層２０４ａと接触しないように、半導体層２０３の他側面から、上部表面の他の一部領域まで延長される。従って、二次元物質層２０４ａ，２０４ｂは、半導体層２０３の側面と、上部表面との間で約９０°ほど折り曲げられる。そのような二次元物質層２０４ａ，２０４ｂは、前述の二次元結晶物質からもなる。特に、炭素以外の元素の結晶からなる非炭素系二次元結晶を、二次元物質層２０４ａ，２０４ｂとして使用することができる。
【００５６】
図１１は、さらに他の実施形態による半導体素子５００の構造を概略的に示す断面図である。図１０の半導体素子４００は、ゲート電極２０１が、半導体層２０３の下部に配置されている下部ゲート構造であるが、図１１に図示された半導体素子５００は、上部ゲート構造という点で違いがある。図１１を参照すれば、半導体素子５００は、基板２２１、基板２２１の上部表面に配置された絶縁層２２２、絶縁層２２２の上部表面に配置された半導体層２２３、半導体層２２３の上部表面の一部領域に配置されたゲート絶縁膜２２５、ゲート絶縁膜２２５の上部表面に配置されたゲート電極２２６、半導体層２２３の上部表面の他の領域に配置された二次元物質層２２４ａ，２２４ｂ、及び二次元物質層２２４ａ，２２４ｂの上部表面に配置された金属層２２７，２２８を含んでもよい。ここで、半導体層２２３は、チャネル層としての役割を行い、アンドーピングでもある。
【００５７】
二次元物質層２２４ａ，２２４ｂは、半導体層２２３の上部表面上で、ゲート絶縁膜２２５の両側面に隣接し、それぞれ配置された第１二次元物質層２２４ａ及び第２二次元物質層２２４ｂを含んでもよい。例えば、半導体層２２３の上部表面の中心領域に、ゲート絶縁膜２２５が配置され、第１二次元物質層２２４ａと第２二次元物質層２２４ｂは、ゲート絶縁膜２２５の両側に配置される。図１１には、第１二次元物質層２２４ａ及び第２二次元物質層２２４ｂがゲート絶縁膜２２５に完全に接触するように図示されているが、第１二次元物質層２２４ａ及び第２二次元物質層２２４ｂは、ゲート絶縁膜２２５と離れていてもよい。その場合、ゲート絶縁膜２２５と、第１二次元物質層２２４ａ及び第２二次元物質層２２４ｂとの間で、半導体層２２３の上部表面が部分的に露出されもする。
【００５８】
また、金属層２２７，２２８は、第１二次元物質層２２４ａ上に配置されたソース電極２２７、及び第２二次元物質層２２４ｂ上に配置されたドレイン電極２２８を含んでもよい。ここで、金属層２２７，２２８および二次元物質層２２４ａ，２２４ｂの材料は、図１０で説明したところと同様である。図１１に図示されているように、ソース電極２２７とドレイン電極２２８は、第１二次元物質層２２４ａと第２二次元物質層２２４ｂとの上にそれぞれ部分的に配置され、ゲート絶縁膜２２５とは離れている。従って、第１二次元物質層２２４ａと第２二次元物質層２２４ｂとの上部表面の一部が露出されもする。しかし、ソース電極２２７とドレイン電極２２８は、第１二次元物質層２２４ａおよび第２二次元物質層２２４ｂの全体表面を完全に覆うこともできる。
【００５９】
以上、技術的原理に対する理解の一助とするために、金属−二次元物質−半導体の接合を含む半導体素子に係わる例示的な実施形態について説明し、添付された図面に図示した。しかし、そのような実施形態は、単に技術的原理を例示するためのものであり、それらを制限するものではないという点が理解されなければならない。そして、特許の権利範囲は、図示されて説明された説明に限られるものではないという点が理解されなければならない。それは、多様な他の変形が、本技術分野で当業者に可能であるからである。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の金属−二次元物質−半導体の接合を含む半導体素子は、例えば、電子機器関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１００，２００，３００，４００，５００    半導体素子
１０１    ウェル領域
１０２    ソース領域
１０３    ドレイン領域
１０４，１０５，２０４ａ，２０４ｂ，２２４ａ，２２４ｂ    二次元物質層
１０６，２０５，２２７    ソース電極
１０７，２０６，２２８    ドレイン電極
１０８，２０２，２２５    ゲート絶縁膜
１０９，２０１，２２６    ゲート電極
１１０    スペーサ
１１１ａ    第１混合物層
１１１ｂ    第２混合物層
２０３，２２３    半導体層
２２１    基板
２２２    絶縁層
【図１】
2016219788.tif 000003
【図２】
2016219788.tif 000004
【図３Ａ】
2016219788.tif 000005
【図３Ｂ】
2016219788.tif 000006
【図４】
2016219788.tif 000007
【図５】
2016219788.tif 000008
【図６】
2016219788.tif 000009
【図７Ａ】
2016219788.tif 000010
【図７Ｂ】
2016219788.tif 000011
【図７Ｃ】
2016219788.tif 000012
【図７Ｄ】
2016219788.tif 000013
【図８】
2016219788.tif 000014
【図９】
2016219788.tif 000015
【図１０】
2016219788.tif 000016
【図１１】
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