(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属と半導体との界面に生ずるショットキー障壁を利用したショットキーバリアダイオードにおいて、半導体に対して異なるショットキーバリア高さを示し、金属間化合物を形成しない組み合わせの、２種類以上の金属材料の合金からなるバリア金属を有し、該バリア金属を構成する金属元素のうち、二種類の金属の組み合わせがスカンジウムと、エルビウム、イットリウム、チタン、マンガン、ジルコニウム、バナジウム、クロム、タンタル、モリブデン、白金のいずれかとの組み合わせ、
エルビウムと、イットリウム、チタン、ジルコニウム、バナジウム、タンタル、モリブデンのいずれかとの組み合わせ、
イットリウムと、チタン、ジルコニウム、バナジウム、タンタル、モリブデンのいずれかとの組み合わせ、
チタンと、ジルコニウム、バナジウム、クロム、ニッケル、タンタルのいずれかとの組み合わせ、
マンガンと、バナジウム、コバルト、タンタルのいずれかとの組み合わせ、
ジルコニウムとタンタルとの組み合わせ、
バナジウムと、クロム、タンタル、モリブデンのいずれかとの組み合わせ、
クロムと、ニッケルとの組み合わせ、
タンタル、とモリブデンとの組み合わせのいずれかであることを特徴とするショットキーバリアダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属と半導体との界面に生ずるショットキーバリアを利用した半導体整流素子であるショットキーバリアダイオード（以下ＳＢＤと略す）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属と半導体との界面に生ずるショットキーバリアを利用したＳＢＤは、順方向特性と逆方向特性の間にトレードオフの関係があるため、ショットキーバリア高さ（以後、φbと記す）を調整する必要がある。［S.M.Sze. " Physics of Semiconductor Devices " p.378 参照］
半導体基板としてシリコンウェハを用いる場合、φbを調整する方法には、主に次の二つの方法がある。
【０００３】
▲１▼バリア金属の選択［この場合、界面は金属／シリコン界面となる。例えば前掲 " Physics of Semiconductor Devices " 参照］
▲２▼シリサイド層の制御［この場合、界面は金属シリサイド／シリコン界面となる。例えば、大泊、原、知京、応用物理,vol.56, (1987),  pp.311-331, “電子的尺度で見たシリサイド／シリコン界面の構造”参照］
▲１▼の方法では、一般にφbは基板の仕事関数と金属の電子親和力の差で決まる。仕事関数および電子親和力は材料固有の値であるため、金属材料を選択することにより、φbの制御はある程度の範囲で可能であるが、微妙な調整はできない。
【０００４】
▲２▼の方法は、熱処理により金属／シリコン界面ではなく、金属シリサイド／シリコン界面のショットキーバリアを形成する方法である。金属シリサイドの組成は熱処理温度によって変るため、φbは熱処理温度によって変化させることができる。しかし、扱い易さの問題や材料が限定されることから万能な方法ではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方法では、金属単体あるいは、金属シリサイド固有の仕事関数で決定されるので、任意のφbを得ることはできなかった。
本発明の目的は、バリア高さφbの精密な制御を行うことにより、順方向特性および逆方向特性の調整をおこなえるＳＢＤを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題解決のため本発明のＳＢＤは、半導体に対して異なるφbを示し、金属間化合物を形成しない組み合わせの、２種類以上の金属材料の合金からなるバリア金属を有するものとする。
【０００７】
Ａ金属とＢ金属との２種類の金属の合金が例えば共晶合金の場合、組織はＡ金属とＢ金属とが非常に微細に混合した組織となる。従って、そのような合金からなるバリア金属を有するＳＢＤは、各々の金属単独のＳＢＤのバリア高さφbの中間のφbを持つことから、合金組成を調整することによって、単体金属では達成できなかったφbをもつＳＢＤとすることができ、電気的特性の精密な制御が可能となる。
【０００８】
バリア金属を構成する合金のうち、二種類の金属の組み合わせとしては、スカンジウムと、エルビウム、イットリウム（以下Ｙと記す）、チタン（以下Ｔｉと記す）、マンガン（以下Ｍｎと記す）、ジルコニウム（以下Ｚｒと記す）、バナジウム（以下Ｖと記す）、クロム（以下Ｃｒと記す）、タンタル（以下Ｔａと記す）、モリブデン（以下Ｍｏと記す）、白金（以下Ｐｔと記す）のいずれかとの組み合わせ、エルビウムと、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏのいずれかとの組み合わせ、Ｙと、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏのいずれかとの組み合わせ、Ｔｉと、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、ニッケル（以下Ｎｉと記す）、Ｔａのいずれかとの組み合わせ、Ｍｎと、Ｖ、コバルト、Ｔａのいずれかとの組み合わせ、ＺｒとＴａとの組み合わせ、Ｖと、Ｃｒ、Ｔａ、Ｍｏのいずれかとの組み合わせ、Ｃｒと、Ｎｉとの組み合わせ、Ｔａと、Ｍｏとの組み合わせのいずれかとする。
これらの組み合わせは、シリコンに対して異なるφbを示し、金属間化合物を形成しない組み合わせである。
【０００９】
２種類以上の金属材料の合金が金属間化合物を作る組み合わせの場合は、組織は、一方のＡ金属、またはＢ金属と金属間化合物とが微細に混合した組織となる。従って、そのような合金からなるバリア金属を有するＳＢＤは、Ａ金属と金属間化合物の中間のφbを持つと考えられるが、金属間化合物のφbは必ずしもＡ金属と、Ｂ金属とのφbの間の値をとるとは限らない。従って、単体金属のφbから合金のφbを知ることはできず、合金のφbを制御することはできない。或いはまた金属間化合物が多数ある場合には、金属間化合物と金属間化合物とが微細に混合した組織となるかも知れず、その場合も同様である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
金属間化合物を作らない金属の組み合わせとして先ずＴｉとＹの組み合わせを選び、その合金からなるバリア金属をもつＳＢＤを試作した。
【００１１】
図３はＴｉ−Ｙ系の状態図である［Dr.William G.Moffatt,"THE HANDBOOK OF BINARY PHASE DIAGRAMS"  他］。この図から、Ｔｉ−Ｙ系では、金属間化合物を生じないことがわかる。
【００１２】
図２は、バリア金属にＴｉとＹとの合金を用いたＳＢＤの断面図である。
ｎ型のシリコン基板１の表面にＴｉ−Ｙ合金のバリア金属２が接触し、その上をＡｌ電極３が覆っている。４は裏面のオーミック電極である。５はシリコン基板１の表面層に形成されたｐガードリングであり、その外側のシリコン基板１の表面には酸化膜６が形成されている。
【００１３】
Ｔｉ−Ｙ合金膜の形成は次のようにおこなった。ＴｉとＹとの二つの蒸発源を用いた同時蒸着により、Ｔｉ−Ｙ合金のバリア金属を形成する。Ｔｉ−Ｙ合金の組成制御は、成膜速度で制御し、Ｔｉ：Ｙ＝２：８、４：６、８：２の三種類の組成比の合金の試料を試作した。その後、裏面のオーミック電極４としてＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ三層膜を形成した。
【００１４】
図１は、試作したＳＢＤの電流−電圧特性から算出したφbのＴｉ−Ｙ合金組成依存性を示す特性図である。比較のために、それぞれＴｉ単体およびＹ単体をバリア金属に用いたＳＢＤについても併せて示した。
【００１５】
ＴｉとＹとの蒸着速度（組成）を変化させた合金のＳＢＤのφbは、Ｔｉ１００% （Ｙ：０% ）のφbからＹ１００% （Ｔｉ：０% ）のφbを結んだ直線［φb(ＴｉX Ｙ1-X ）＝ｘφb（Ｔｉ）＋（１−ｘ）φb（Ｙ），０≦ｘ≦１］上にほぼ載っている。
従って、Ｔｉ−Ｙ合金の成膜速度（組成）を変化させることでφbを制御できることが確認された。
【００１６】
［実施例２］
実施例１のｎ型シリコンウェハの代わりにｐ型シリコンウェハを用いたＳＢＤを試作した。
【００１７】
バリア金属は実施例１と同様にＴｉ−Ｙ合金を蒸着にて形成した。その結果、図１と同様な傾向を示し、ｐ型シリコンウェハにおいてもＴｉ−Ｙ組成を変化させることでφbを制御できることが確認された。
【００１８】
［実施例３］
次に、金属間化合物を形成しない金属の組合せとして、ＺｒとＴａを選び、その合金をバリア金属とするＳＢＤを試作した。
【００１９】
ＺｒとＴａとは、共に蒸気圧が非常に低い材料であるため、蒸着法でバリア金属を堆積させるのは難しい。そこで、スパッタ法によりＺｒ−Ｔａ合金の形成をおこなった。Ｔａターゲットとその上に添加したチップ形状のＺｒターゲットの面積を変えて、合金組成を変化させた。
【００２０】
図４は、試作したＳＢＤの電流−電圧特性から算出したφbのＺｒ−Ｔａ合金組成依存性を示す特性図である。比較のために、それぞれＺｒ単体およびＴａ単体をバリア金属に用いたＳＢＤについても併せて示した。
【００２１】
結果は、図１と同様な傾向を示し、ＺｒとＴａとの蒸着速度（組成）を変化させた合金のＳＢＤのφbは、Ｚｒ１００% （Ｔａ：０% ）のφbからＴａ１００% （Ｚｒ：０% ）のφbを結んだ直線［φb(ＺｒX Ｔａ1-X ）＝ｘφb（Ｚｒ）＋（１−ｘ）φb（Ｔａ），０≦ｘ≦１］上にほぼ載っている。従って、Ｚｒ−Ｔａ合金の成膜速度（組成）を変化させることでφbを制御できることが確認された。
【００２２】
図５はＺｒ−Ｔａ系の状態図である［前掲"THE HANDBOOK OF BINARY PHASE DIAGRAMS" ］。この図から、Ｚｒ−Ｔａ系では、金属間化合物を生じないことがわかる。
【００２３】
［比較例１］
次に、  金属間化合物を作る金属の組み合わせとして、ＭｎとＹの組み合わせを選び、それをバリア金属とするＳＢＤを試作した。
【００２４】
図６はＭｎ−Ｙ系状態図である［Francis A.Shunk,"Constitution of Binary Alloys,Second Supplement"］。
ＭｎとＹとは、ＹＭｎ12やＹ6 Ｍｎ23などの様々な金属間化合物を形成することがわかる。
実施例１と同様に、バリア金属の合金組成比を蒸着速度により制御し、それぞれのサンプルの成膜速度も実施例１のＴｉＹの比と同じにした。
【００２５】
図７は、試作したＳＢＤの電流−電圧特性から算出したφbのＭｎ−Ｙ合金組成依存性を示す特性図である。比較のために、それぞれＭｎ単体およびＹ単体をバリア金属に用いたＳＢＤについても併せて示した。
【００２６】
ＭｎとＹとの蒸着速度（組成）を変化させたにも関わらず、合金のＳＢＤのφbはＭｎ／Ｙの比に依存せず、Ｍｎ１００% （Ｙ：０% ）のφbと同程度の値を示した。すなわち合金のＳＢＤのφbはＭｎのＳＢＤのφbとＹのＳＢＤのφbとの間には入っていない。従って、合金組成によるφbの制御はできないことになる。
【００２７】
［比較例２］
金属間化合物を形成する金属の組み合わせとして、ＺｒとＶの組み合わせを選び、それをバリア金属とするＳＢＤを試作した。
その結果、合金組成によるφbの制御はできなかった。
【００２８】
図８はＺｒ−Ｖ系状態図である［前掲"Constitution of Binary Alloys,Second Supplement"］。
ＺｒとＶとは、Ｖ2 Ｚｒなる金属間化合物を形成することがわかる。
【００２９】
図９は、バリア金属とされた合金の金属元素の組み合わせ図である。図中の●印は金属間化合物を形成しない材料、×印は金属間化合物を形成する材料を示す。
金属間化合物を作らない組み合わせ（●印）では、合金をバリアメタルとして試作したＳＢＤにおけるφbの組成依存性が線形であり、組成によるφbの制御が可能であった。
【００３０】
一方、金属間化合物を形成する組み合わせ（×印）の合金をバリアメタルとして試作したＳＢＤでは、合金組成を変えてもφbにほとんど変化がなかったり、φbの線形性が悪かったりして、組成によるφbの制御はできなかった。
【００３１】
［実施例４］
合金を作る二種類の金属の、それぞれを単独でバリア金属としたＳＢＤにおけるφbの差が大きい場合、合金組成の小さなズレでφbが急激に変化してしまうことになる。
そのような場合、大小φbの中間値を示す材料を添加し、３元合金とすることにより、φbの制御性を高め、精密な制御をすることができる。
【００３２】
実際に、Ｙ、ＶおよびＭｏの３種類の金属からなる合金をバリア金属とするＳＢＤを試作した。バリア金属の形成方法は実施例１と同様に蒸着法にておこなった。ＶおよびＭｏの蒸着速度を一定にし、Ｙの蒸着速度を変化させて、合金組成を変化させた。
【００３３】
その結果、図１と同様に組成比に依存〔φb(Ｙm Ｖn Ｍｏ1-m-n ) ＝ｍφb(Ｙ) ＋ｎφb(Ｖ) ＋( １−ｍ−ｎ) φb(Ｍｏ) ，０≦ｍ≦１，０≦ｎ≦１，０≦ｍ＋ｎ≦１〕した傾向を示し、Ｙ−Ｖ−Ｍｏ三元合金においてもφbを制御できることが確認された。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、金属間化合物を形成しない２種類の金属をバリア金属として用い、そのバリア金属の組成比を変化させることによって、半導体との界面に形成されるφbを任意に制御できる。この方法をとることによって、単独の金属をバリア金属として用いたＳＢＤでは得られなかった、順方向特性と逆方向特性とをもつＳＢＤが得られるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｔｉ−Ｙ合金バリアを用いたＳＢＤの組成とφbとの関係を示す特性図
【図２】Ｔｉ−Ｙ合金バリアを用いたＳＢＤの断面図
【図３】Ｔｉ−Ｙ系の状態図
【図４】Ｚｒ−Ｔａ合金バリアを用いたＳＢＤの組成とφbとの関係を示す特性図
【図５】Ｚｒ−Ｔａ系の状態図
【図６】Ｍｎ−Ｙ合金バリアを用いたＳＢＤの組成とφbとの関係を示す特性図
【図７】Ｍｎ−Ｙ系の状態図
【図８】Ｚｒ−Ｖ系の状態図
【図９】バリア金属材料候補の一覧図
【符号の説明】
１    シリコン基板
２    バリア金属
３    Ａｌ電極
４    オーミック電極
５    ｐガードリング
６    酸化膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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