TOP > 国内特許検索 > n+型Ge半導体層形成方法およびオーミック接触構造 > 明細書

明細書 :n+型Ge半導体層形成方法およびオーミック接触構造

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2014-041987 (P2014-041987A)
公開日 平成26年3月6日(2014.3.6)
発明の名称または考案の名称 n+型Ge半導体層形成方法およびオーミック接触構造
国際特許分類 H01L  21/285       (2006.01)
H01L  21/28        (2006.01)
H01L  21/203       (2006.01)
FI H01L 21/285 S
H01L 21/28 301B
H01L 21/28 301Z
H01L 21/203 S
請求項の数または発明の数 2
出願形態 OL
全頁数 8
出願番号 特願2012-184731 (P2012-184731)
出願日 平成24年8月24日(2012.8.24)
発明者または考案者 【氏名】葉 文昌
出願人 【識別番号】504155293
【氏名又は名称】国立大学法人島根大学
個別代理人の代理人 【識別番号】100116861、【弁理士】、【氏名又は名称】田邊 義博
審査請求 未請求
テーマコード 4M104
5F103
Fターム 4M104AA02
4M104BB02
4M104BB05
4M104BB36
4M104BB40
4M104CC01
4M104DD23
4M104DD37
4M104FF13
4M104HH15
5F103AA08
5F103BB22
5F103BB23
5F103BB46
5F103BB47
5F103DD30
5F103GG02
5F103JJ03
5F103KK10
5F103LL08
5F103PP12
要約 【課題】安価なプロセスにより、電極層とn-Ge層の接触抵抗を低減するn+型Ge半導体層形成方法およびオーミック接触構造を提供する。
【解決手段】GeとSbとを同時に直流スパッタ堆積法により所定基板上にエピタキシャル成長させ、電子濃度が1019cm-3以上のn型Ge層を形成する。
【選択図】図2
特許請求の範囲 【請求項1】
GeとSbとを同時に直流スパッタ堆積法により所定基板上にエピタキシャル成長させ、電子濃度が1019cm-3以上のn型Ge層を形成することを特徴とするn型Ge半導体層形成方法。
【請求項2】
電極用金属層とn型Ge層との間に、請求項1に記載のn型Ge半導体層形成方法により電子濃度が1019cm-3以上で厚みが2nm以上のn型Ge層を形成したことを特徴とするオーミック接触構造。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、n型Ge半導体層形成方法およびオーミック接触構造に関し、特に、Ge系LSI等に適用可能なn型Ge半導体層形成方法およびオーミック接触構造に関する。
【背景技術】
【0002】
これまでLSIの材料にはSiが用いられている。しかし、近年では移動度が高いGeが注目されつつある。また、太陽電池に関しても現在主流のSi材料では近赤外光の吸収に限界があり、近赤外を吸収する材料としてGeが注目されている。
【0003】
ここで、Geはn型Ge(以降においてn-Geと適宜表記するものとする。)と金属電極との間でフェルミレベルピンニング現象によって金属からn型Ge方向に流れる電子に対して障壁φが発生し(図1a)、この結果として接触抵抗が高くなることが知られている。
【0004】
n型Geと金属電極の間に、電子濃度(キャリア濃度)を高めたn型Ge層(以降においてn-Geまたはn型Geと適宜表記するものとする。)を入れれば空乏層が極度に狭まり、図1bに示すように電子がトンネリングし、オーミック接触となることが予想される。
【0005】
しかしn型ドーパントとなる5族原子はGeに対する固溶限が低く、また拡散係数が高いため、1018cm-3以上の電子濃度を高めたn-Ge層は実現できておらず、オーミック接触となることも確かめられていない。
【0006】
このフェルミレベルピンニング現象による接触抵抗をなくすため、従来では次の二つのアプローチがなされている。一つは、n-Geと金属電極との界面に超薄絶縁膜を挿入する方法である(非特許文献1ではGeOx膜を挿入している)。もう一つは、n-Geと金属電極との界面に、ドーパントを高濃度にドープしたSi層(以降においてn-Si層と適宜表記するものとする。)を挿入する方法である(特許文献1)。
【0007】
しかしながら、従来の技術では以下の問題点があった。
超薄絶縁膜を挿入する方法では、絶縁膜の持つ高い障壁によりトンネリング抵抗が発生し、十分に低い抵抗が得られない。また、n-Si層を挿入する方法では、Ge上にSi層をエピタキシャル成長させることが困難であり、かつ、形成プロセスが安価でないため工業化が困難である。
【先行技術文献】
【0008】

【特許文献1】特開2012-124483号公報
【0009】

【非特許文献1】TomonoriNishimura et al.,'A Significant Shift of Schottky Barrier Heights at StronglyPinned Metal/Germanium Interface by Inserting an Ultra-Thin Insulating Film'Appl. Phys. Express 1 (2008) 051406.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、安価なプロセスにより、電極層とn-Ge層の接触抵抗を低減するn型Ge半導体層形成方法およびオーミック接触構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
請求項1に記載のn型Ge半導体層形成方法は、GeとSbとを同時に直流スパッタ堆積法により所定基板上にエピタキシャル成長させ、電子濃度が1019cm-3以上のn型Ge層を形成することを特徴とするものである。
【0012】
基板温度はSb原子の凝集抑制と拡散抑制の観点から450℃以下とすることが好ましい。
【0013】
ここで直流スパッタ堆積法とは、断続的にターゲットに直流電圧を印可するパルス直流スパッタ堆積法をも含むものとする。スパッタ堆積法を採用することにより、温度を上記の450℃以下とすることも可能となる。なお、ターゲットを複数用いる場合には、例えばサブのターゲットをRFスパッタとすることも可能であるが、メインのターゲットを直流スパッタとするのであれば、本発明では一部にRFスパッタを用いたとしても直流スパッタに含まれるものとする。
【0014】
請求項2に記載のオーミック接触構造は、電極用金属層とn型Ge層との間に、請求項1に記載のn型Ge半導体層形成方法により電子濃度が1019cm-3以上で厚みが2nm以上のn型Ge層を形成したことを特徴とするものである。好ましくは厚みは5nm以上である。
【0015】
電極用金属の例としては、Al、Ni、NiGeなどを挙げることができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、安価なプロセスにより、Sb濃度が1019cm-3以上のn型Ge層を形成でき、電極層とn型Ge層の接触抵抗を低減するオーミック接触を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】(a)金属/n-Ge接触と(b)金属/n-Ge/n-Ge接触のバンドを示した図である。
【図2】本発明n型Ge半導体層形成方法における直流スパッタ堆積装置の模式図である。
【図3】本発明のn-Ge層の抵抗率、移動度、電子濃度の第二カソードスパッタパワー依存性を示した図である。
【図4】Al/n-Ge/n-Ge接触とAl/n-Ge接触の素子構造および製作工程を示す図である。
【図5】Al/n-Ge/n-Ge接触J-V特性のn-Ge層の電子濃度依存性を示した図である。
【図6】Al/n-Ge/n-Ge接触J-V特性のn-Ge層の膜厚依存性を示した図である。
【図7】(a)Geトランジスタの構成例および(b)Si-Ge積層型太陽電池の構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

【0019】
まず請求項1記載のn型Ge半導体層形成方法について説明する。使用したスパッタ堆積装置は図2に示すように容量結合型、カソードはマグネトロン式である。第一カソードと第二カソードとがあり、カソードに装着したターゲットの大きさは直径5cm、試料とターゲット間距離は5cmである。第一カソードには単結晶真性Geウェーハ(抵抗率>30Ωcm)を設置し、第二カソードには第一カソードと同様の単結晶真性Geウェーハを設置してその表面の10%の面積にSbチップ(純度99.999%)を設置した。スパッタガスには希ガスの中で最も安価で一般的に利用されているArを用いた。

【0020】
使用した基板は(100)面方位のGeまたはSiウェーハである。堆積Ge膜のホール測定には基板として抵抗率>1000ΩcmのSiウェーハを用いた。ここでSi基板を使用した理由は、基板の影響を受けにくい1000Ωcm以上の高抵抗基板であるためである。基板の前処理に関してはまず基板を高濃度オゾン水洗浄と超音波洗浄した後に、1%HF水溶液に浸して基板表面の酸化膜を除去するとともに表面のSi原子を水素終端した。基板を超純水リンスした直後にスパッタ堆積装置に導入し、基板温度を320℃に昇温した。所定温度に到達後に加熱を停止し、その直後にスパッタプラズマの中に基板を搬送してスパッタエピタキシーを開始した。第一カソードのスパッタパワーPは100Wに固定し、第二カソードのスパッタパワーPは0Wから40Wへと変化させた。Pを変化することで、Ge膜中のSb濃度を変化させることができる。得られたエピタキシャルGe膜はVan der Pauw法でホール測定し、抵抗率、電子濃度、および、電子移動度を求めた。ホール測定用に堆積したGe膜厚は1μmであった。

【0021】
得られたGe膜の抵抗率、移動度、電子濃度のP依存性を図3に示す。Pが0Wの時得られたGe膜はp型となっていた。欠陥によりp型に転換したと思われる。Pが1Wでn型になり、電子濃度は7×1017cm-3であった。Pの増大とともに電子濃度は上昇し、P=10Wで電子濃度は最大の9×1019cm-3となった。この時の電子移動度は約105cm/Vs、抵抗率は0.0009Ωcmであった。更にPを15W以上に増やしても電子濃度は上昇せず、Pが30W以上では、スパッタエピタキシャルは実現されずに多結晶Ge膜となった。この結果から、本発明方法により電子濃度が1019cm-3以上のn-Ge層を形成することができることが確認できた。

【0022】
続いて請求項2記載のオーミック接触構造について説明する。ここでは、Al/n-Ge/n-Ge接触を形成して、J-V特性(電流密度-電圧曲線)等を評価した。比較としてAl/n-Geの特性も示している。以降では、n-Ge層の介在する素子をAl/n-Ge、介在しない素子をAl/n-Geと表記することとする。図4a~図4dは、素子の構造と作製工程の模式図である。

【0023】
基板には2cm角、抵抗率0.007Ωcm~0.01ΩcmのSbドープ(100)n-Geウェーハを用いた(図4a)。基板の前処理方法は前述のとおりである。

【0024】
次に基板の片側半分に前述した方法でスパッタエピタキシャルn-Ge層を形成した(図4b)。以降n-Ge層を形成した側を表側とする。ここでn-Ge層の膜厚は0nmから200nmの間で変化させ、電子濃度は5×1018cm-3から9×1019cm-3の間で変化させ、J-V特性への影響を調べた。

【0025】
次に、電極を形成した(図4c)。表側のn-Ge層上と、表側の当該層を設けなかった部分それぞれに、スパッタ堆積法によりシャドウマスクを通して直径350μmのドット状のAl電極を堆積した(厚み>300nm)。また、裏側には基板全面にAlをスパッタ堆積させた(厚み>300nm)。

【0026】
続いて表側に対して四フッ化水素(CF)と酸素(O)を用いた反応性イオンエッチング(RIEエッチング)装置で、Al膜をマスクとして露出しているGe部分に対してGe基板が少しエッチングされるまでエッチングして素子分離した(図4d)。そして得られた素子のJ-V特性を評価した。

【0027】
図5は、本発明のオーミック接触構造のJ-V特性を示したグラフである。グラフでは縦軸の電流Jは絶対値とした。ここではn-Ge層の厚みを20nmに固定しn-Ge層の電子濃度を5×1018cm-3から9×1019cm-3の間で変化させた。また、図5では、Al/n-Geの他、比較としてAl/n-Geの特性も示している。

【0028】
図5から明らかなようにAl/n-Geでは表側電極に正の電圧を印可した場合では電流が流れるのに対して、負の電圧を印可した場合では電流密度は1/100程度しか流れなかった。これは電子がAlからn-Geへ流れた場合にフェルミピニング現象により生じた障壁によるものである。求めた障壁の高さは0.45eV程度であり、一般的に知られている障壁高さと同程度であった。一方でAl/n-Geではn-Ge層の電子密度が5×1018cm-3では負電圧では電流は流れなかったものの電子密度を5×1019cm-3にすれば整流特性は軽減され、電子密度を更に9×1019cm-3にした所ではJ-V特性は正と負で対称となり完全なオーミック接触となった。

【0029】
次に、n-Ge層の電子濃度を9×1019cm-3に固定し、n-Ge層の膜厚を2nmから200nmに変化させた時のJ-V特性を図6に示した。ここでも縦軸の電流Jは絶対値とした。比較としてAl/n-Geの特性も示している。n-Ge層の膜厚が2nmでは正電圧と負電圧印可時の電流密度がAl/n-Geと比較して10倍近く増大し、接触抵抗の大幅減少が実現できていることがわかった。n-Ge層膜厚を更に5nmに厚くするとJ-V特性は正と負で対称となり完全なオーミック接触となった。膜厚を5nmから200nmまで増やしてもJ-V特性は変わらなかった。これよりn-Ge層の層厚を2nm以上にすればオーミック接触の効果が発現することがわかった。

【0030】
以上本発明によれば、GeとSbとを同時に直流スパッタ堆積法により所定基板上にエピタキシャル成長させることで電子濃度が1019cm-3以上のn-Ge層を形成でき、またこのn-Ge層を2nm以上、電極用金属層とn-Ge層との間に形成することでオーミック接触を得ることができる。本発明方法では直流スパッタ堆積法を用いるので安価に製造でき、工業化に好適である。
【産業上の利用可能性】
【0031】
本発明の適用例として、Geトランジスタの構成例およびSi-Ge積層型太陽電池の構成例を図7に示す。なお、p-Si、n-Si、p-Geとは、それぞれ、高濃度にドーパントをドーピングしたp型Si、n型Si、p型Geを示す。
【0032】
上述のように金属電極とn-Ge層の間に直流スパッタエピタキシャル法によってn-Ge層を2nm以上堆積することでオーミック接触が実現できる。プロセス温度は450℃以下と低いので、基板は熱の影響を受けにくい。また直流スパッタエピタキシャル法はプロセスガスにArしか使わないので環境負荷が小さく、低コストである。更に大面積化への対応が簡単なので工業化に適している。
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6