專利名稱：膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有肖特基電流及肖特基勢壘高度不同的多個微小區(qū)域的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體及其制造方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體元件中，各種界面對于元件的工作來說起到基本的作用。在界面上存在電位變化，產(chǎn)生載流子的非熱平衡狀態(tài)。其中，已知在金屬與半導(dǎo)體的結(jié)界面上產(chǎn)生電位勢壘、所謂的肖特基勢壘。肖特基勢壘具有整流作用。將顯示該整流作用的金屬-半導(dǎo)體結(jié)、即所謂的肖特基結(jié)，作為肖特基勢壘二極管、肖特基柵晶體管等來利用，成為半導(dǎo)體元件的基礎(chǔ)。
控制在金屬-半導(dǎo)體界面上形成的肖特基勢壘這一點在元件的設(shè)計、制造上是重要的，但關(guān)于勢壘的形成機(jī)構(gòu)還沒有統(tǒng)一的理解。此外，在將電極連接到元件上時，存在金屬-半導(dǎo)體界面，雖然有必要得到非整流性的歐姆接觸，但一般來說要完全避免整流性的勢壘是極為困難的。利用肖特基勢壘也好、利用歐姆接觸也好，對金屬-半導(dǎo)體界面處的電位勢壘進(jìn)行控制是不可缺少的。但是，在現(xiàn)有的界面上不可避免地形成界面能級，控制肖特基勢壘是困難的。
此外，由于在界面形成時的半導(dǎo)體表面的晶體結(jié)構(gòu)方面的缺陷、雜質(zhì)的存在、界面反應(yīng)等，難以形成均勻的界面，這也使金屬-半導(dǎo)體界面的電位勢壘的控制變得困難。這是界面形成過程的理解沒有得到進(jìn)展的一個原因。為了解決上述的問題，有必要理解原子級的界面形成過程并進(jìn)行控制。
如上所述，迄今為止，作為肖特基勢壘二極管、肖特基柵晶體管等，使用了利用肖特基勢壘的各種電子元件。這些元件不過是利用了金屬-半導(dǎo)體界面的總體的肖特基勢壘，其利用領(lǐng)域限于在整個界面上控制電荷的流動及量等那樣的元件。
通過控制金屬-半導(dǎo)體界面的電位勢壘，尋求在制造具有均勻的電位勢壘的界面的同時，使電位勢壘不同的界面存在于鈉米級的區(qū)域中。如果可實現(xiàn)這一點，則預(yù)期可謀求鈉米級的半導(dǎo)體元件的微細(xì)化、進(jìn)而向介子(mesoscopic)元件等的新的功能元件的應(yīng)用進(jìn)展。但是，迄今為止，尚未發(fā)現(xiàn)那樣的電子元件。
另一方面，已報告了，關(guān)于肖特基勢壘高度的值本身，即使是相同的金屬-半導(dǎo)體結(jié)，也因界面的狀態(tài)等的不同而不同。例如，已報告了，在NiSi2/Si(111)的結(jié)系統(tǒng)中，在Si的(111)面和NiSi2的(111)面滿足完全的外延關(guān)系的情況下和這些面處于雙晶關(guān)系的情況下，肖特基勢壘高度的值不同。具體地說，前者為0.65eV，而后者為0.79eV(R.T.Tung，Phys.Rev.Lett.52，461(1984))。一般認(rèn)為，這是因為在結(jié)界面上的Ni原子和Si原子的排列不同，這一點使得在肖特基勢壘高度方面產(chǎn)生差別。
上述的報告雖然顯示了因界面結(jié)構(gòu)的不同從而肖特基勢壘高度不同的情況，但該情況是以金屬-半導(dǎo)體的測定結(jié)區(qū)域內(nèi)的肖特基勢壘高度是相同的這一點為前提。這不過是顯示了在不同的金屬-半導(dǎo)體結(jié)中的肖特基勢壘高度的不同。因而，不是顯示在金屬-半導(dǎo)體的微小結(jié)區(qū)域內(nèi)共存肖特基勢壘高度不同的多個區(qū)域，這樣的結(jié)構(gòu)不超出利用了現(xiàn)有的肖特基勢壘的電子元件的范圍。
如上所述，現(xiàn)有的利用了肖特基勢壘的電子元件不過是利用了金屬-半導(dǎo)體界面的總體的肖特基勢壘高度，未能得到使肖特基勢壘不同的界面在鈉米級的區(qū)域中存在的膜結(jié)構(gòu)。由這一點可知，希望在實現(xiàn)鈉米級的半導(dǎo)體元件的微細(xì)化及新的功能元件方面，控制金屬-半導(dǎo)體界面的電位勢壘。而且，尋求在制造具有均勻的電位勢壘的界面的同時，使肖特基電流、進(jìn)而肖特基勢壘高度不同的界面共存于鈉米級的區(qū)域中的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體。
本發(fā)明的目的在于通過實現(xiàn)金屬-半導(dǎo)體界面的肖特基勢壘的控制來提供一種使肖特基電流及肖特基勢壘高度不同的鈉米級的多個區(qū)域存在于微小區(qū)域內(nèi)的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體及其制造方法。
發(fā)明的公開本發(fā)明的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體的特征在于具備半導(dǎo)體層、在上述半導(dǎo)體層上形成的厚度在20nm以下的金屬層和中間層，該中間層部分地介入于上述半導(dǎo)體層與上述金屬層之間，而且由絕緣體、與上述金屬層不同的金屬或與上述半導(dǎo)體層不同的半導(dǎo)體構(gòu)成，并且厚度在10nm以下，上述金屬層具有與上述半導(dǎo)體層直接相接的第1區(qū)域和將上述中間層介入于與上述半導(dǎo)體層之間的、肖特基電流與上述第1區(qū)域不同的第2區(qū)域。
本發(fā)明的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體的特征在于第1區(qū)域和第2區(qū)域的各區(qū)域內(nèi)的各界面分別具有實際上均勻的電位勢壘。再有，其特征在于第1區(qū)域和第2區(qū)域具有不同的肖特基勢壘高度，而且第1區(qū)域和第2區(qū)域分別在各區(qū)域內(nèi)具有實際上均勻的肖特基勢壘高度。
在本發(fā)明的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體中，根據(jù)所希望的元件圖形，例如相對于金屬層的全部區(qū)域，部分地設(shè)置了第2區(qū)域。第2區(qū)域根據(jù)中間層的形狀而形成。作為中間層的具體形狀，可舉出最大直徑在100nm以下的島狀體，或?qū)挾仍?00nm以下的帶狀體等。
本發(fā)明的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體的制造方法的特征在于具備在半導(dǎo)體層上以島狀或帶狀形成由絕緣體、第1金屬或與上述半導(dǎo)體層不同的半導(dǎo)體構(gòu)成的厚度在10nm以下的中間層的工序和在具有上述中間層的半導(dǎo)體層上形成由與上述第1金屬不同的第2金屬構(gòu)成的厚度在20nm以下的金屬層的工序。
發(fā)現(xiàn)了，在形成金屬-半導(dǎo)體界面時，通過例如在控制單晶半導(dǎo)體襯底的初始表面的同時，以原子級控制金屬薄膜、絕緣體薄膜或半導(dǎo)體薄膜的形成，可控制界面的電位勢壘。本發(fā)明是基于這樣的發(fā)現(xiàn)而完成的。
即，降低單晶半導(dǎo)體襯底表面的表面能級密度。再有，以原子級使單晶半導(dǎo)體襯底的表面平坦化，同時，在中間層和金屬層的形成中例如利用分子束外延(MBE)法。在超高真空中控制了初始表面之后，一邊控制襯底溫度及蒸發(fā)速度，一邊形成中間層和金屬層。由此，可控制各界面的電位勢壘。
基于界面的電位勢壘的控制，金屬層與半導(dǎo)體層直接相接的第1區(qū)域和在金屬層與半導(dǎo)體層之間介入了厚度在10nm以下的中間層的第2區(qū)域的各區(qū)域內(nèi)的界面分別具有均勻的電位勢壘。這樣的各區(qū)域內(nèi)的肖特基電流及肖特基勢壘高度可分別地控制。而且，因為第1區(qū)域和第2區(qū)域具有中間層的有無那樣的界面結(jié)構(gòu)的差別，故可作成肖特基電流及肖特基勢壘高度不同的區(qū)域。
另一方面，由金屬、絕緣體或半導(dǎo)體構(gòu)成的厚度為10nm以下的中間層，例如可通過利用半導(dǎo)體層表面的平臺以島狀或條狀等的所希望的圖形部分地形成。因而，通過形成金屬層使之覆蓋包含這樣的中間層上的半導(dǎo)體層表面，能以鈉米級得到具有肖特基電流及肖特基勢壘高度不同的多個區(qū)域的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體。
在這樣的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體中，例如能以下述方式來確認(rèn)鈉米級的微小區(qū)域的復(fù)合化狀態(tài)。即，在超高真空中制造了膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體之后，在不破壞真空的情況下，在超高真空中進(jìn)行彈道電子發(fā)射顯微鏡(BEEM)觀察。利用BEEM觀察來測定每個區(qū)域的肖特基電流、進(jìn)而肖特基勢壘高度。通過這樣做，可確認(rèn)鈉米級的微小區(qū)域的復(fù)合化狀態(tài)。
本發(fā)明的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體利用上述的第1區(qū)域和第2區(qū)域中的不同的肖特基電流及不同的肖特基勢壘高度，可應(yīng)用于以鈉米級微細(xì)化了的肖特基二極管及肖特基柵晶體管等各種高集成化功能元件。
例如，使隧道電流由探針流到金屬層中。在到達(dá)金屬層的表面的電子中的在金屬層內(nèi)不受散射地到達(dá)了金屬層與半導(dǎo)體層的界面的電子(彈道電子)的一部分超越金屬-半導(dǎo)體界面的電位勢壘、即所謂的肖特基勢壘，作為肖特基電流(也稱為收集極電流或BEEM電流)流到半導(dǎo)體層中。
特別是在彈道電子充分地到達(dá)界面的條件下，相對于施加到探針上的電壓，肖特基電流從肖特基勢壘高度附近起急劇地增加。因而，如果第1區(qū)域和第2區(qū)域的肖特基勢壘高度不同，則可根據(jù)流到金屬層中的隧道電流的電壓(探針電壓)來控制在各區(qū)域間流到半導(dǎo)體層中的電流、即肖特基電流。此外，即使在中間層使彈道電子受到較強(qiáng)的散射的情況下，同樣也可在第1區(qū)域和第2區(qū)域間控制肖特基電流。
本發(fā)明的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體進(jìn)而還可應(yīng)用于利用鈉米級的區(qū)域的BEEM電流值的不同來進(jìn)行讀出的高密度存儲元件等。這樣，本發(fā)明的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體具有應(yīng)用于各種高集成化功能元件的可能性。
附圖的簡單說明

圖1是示意性地示出本發(fā)明的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體的一實施形態(tài)的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2是作為本發(fā)明的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體中的各區(qū)域的確認(rèn)結(jié)果而示出的Au膜的STM照片。
圖3是與圖2中示出的STM照片處于相同部位的BEEM照片。
圖4是示意性地示出圖2中示出的Au膜的BEEM照片的一部分的圖。
圖5是示出圖2中示出的Au膜的Au-Si界面和具有Au-Si反應(yīng)物的界面的BEEM譜的測定結(jié)果的圖。
圖6是示出本發(fā)明的一實施例的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體的Ag-Si界面和Au-Si界面的BEEM譜的測定結(jié)果的圖。
用于實施發(fā)明的形態(tài)以下，說明用于實施本發(fā)明的形態(tài)。
圖1是示意性地示出本發(fā)明的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體的基本結(jié)構(gòu)的剖面圖。在該圖中，1是半導(dǎo)體層?？墒褂酶鞣N半導(dǎo)體的單晶襯底或外延生長膜作為半導(dǎo)體層1，其材料不作特別限定。作為半導(dǎo)體層1的具體例，可舉出Si單晶襯底、Ge單晶襯底、Si-Ge襯底、GaAs、GaSb、InP、ZnTe、CdCe、CdTe等各種化合物半導(dǎo)體的單晶襯底、或上述各種半導(dǎo)體的外延生長膜等。
在半導(dǎo)體層1上形成了厚度為20nm以下的薄膜狀的金屬層2。該金屬層2的構(gòu)成材料也不作特別限定，可使用Au、Ag、Pt、Cu、Al等各種單質(zhì)金屬、或合金等。將該金屬層2的厚度定為20nm以下。這是因為，如果金屬層2的厚度太厚，則與后面詳細(xì)敘述的中間層3的存在的有無無關(guān)，在對金屬(2)-半導(dǎo)體(1)的結(jié)界面注入彈道電子時，流到半導(dǎo)體層1中的肖特基電流(收集極電流/BEEM電流)變得太小，肖特基電流的控制變得困難。
金屬層2具有與半導(dǎo)體層1直接相接的第1區(qū)域A和在與半導(dǎo)體層1之間介入了厚度為10nm以下的中間層3的第2區(qū)域B。利用該第1區(qū)域A和第2區(qū)域B構(gòu)成了金屬(2)-半導(dǎo)體(1)的結(jié)界面(金屬-半導(dǎo)體界面)。
該第1區(qū)域A和第2區(qū)域B的各區(qū)域內(nèi)的金屬層2與半導(dǎo)體層1的界面、中間層3與半導(dǎo)體層1和金屬層2與中間層3的界面分別具有實際上均勻的電位勢壘。這樣的具有實際上均勻的電位勢壘的界面可利用BEEM觀察來確認(rèn)。即，如果各區(qū)域內(nèi)的界面的電位勢壘實際上是均勻的，則與各區(qū)域?qū)?yīng)的BEEM像(使BEEM電流的測定結(jié)果圖象化后的結(jié)果)幾乎沒有反差。利用這樣的BEEM像可進(jìn)行界面狀態(tài)的確認(rèn)。
通過在控制半導(dǎo)體層1的初始表面的同時以原子級來控制中間層3及金屬層2的形成，可得到具有實際上均勻的電位勢壘的界面。例如，通過有意識地將由單晶半導(dǎo)體襯底構(gòu)成的半導(dǎo)體層1的表面處理得較深，可降低表面能級密度和實現(xiàn)原子級的表面平坦化。
例如如分子束外延(MBE)法那樣，在超高真空中控制了初始表面之后，利用能控制對金屬薄膜、絕緣體薄膜、半導(dǎo)體薄膜等進(jìn)行成膜時的襯底溫度及蒸發(fā)速度的成膜方法，在具有上述那樣的表面的半導(dǎo)體層1上來形成中間層3、進(jìn)而形成金屬層2，由此可得到分別具有實際上均勻的電位勢壘的界面。具體地說，最好在1×10-7Pa以下那樣的超高真空中形成中間層3及金屬層2。
作為中間層3的構(gòu)成材料，可使用絕緣體、與金屬層2不同的金屬、或與半導(dǎo)體層1不同的半導(dǎo)體。除了積極地使由絕緣體、不同種類的金屬或半導(dǎo)體構(gòu)成的第3物質(zhì)介入以外，也可利用金屬層2與半導(dǎo)體層1的反應(yīng)層等作為中間層3。將這樣的中間層3的厚度定為10nm以下。如果中間層3的厚度超過10nm，則難以形成所希望的圖形形狀。
相對于金屬2-半導(dǎo)體1的結(jié)界面、即金屬層2的整個區(qū)域，部分地設(shè)置了中間層3。通過利用半導(dǎo)體層1表面的平臺等，可將中間層3的形狀作成與所希望的圖形對應(yīng)的形狀。
即，通過利用例如由單晶半導(dǎo)體襯底構(gòu)成的半導(dǎo)體層1的平坦的平臺，可將厚度為10nm以下的中間層3形成為最大直徑例如約為1～100nm的島狀體。或者，可沿臺階形成為寬度例如約為1～100nm的帶狀體。也可這樣來形成中間層3，使其只覆蓋特定的平臺。利用來自半導(dǎo)體層1表面的特定結(jié)晶面的角度調(diào)整及在大氣中的氧化處理和在超高真空中的加熱處理的適當(dāng)?shù)慕M合等，可在幾十nm～幾百nm的范圍內(nèi)控制平臺寬度。
這樣，通過將中間層3的厚度定為10nm以下的同時利用半導(dǎo)體層1表面的平臺及臺階，可作為最大直徑約為1～100nm的島狀體或?qū)挾燃s為1～100nm的帶狀體來形成?？蓪⒅虚g層3以所希望的圖形來形成。
在半導(dǎo)體層1上形成了厚度為10nm以下的中間層3之后，通過用上述那樣的成膜方法連續(xù)地形成金屬層2，可得到在每個區(qū)域A、B中界面的電位勢壘是均勻的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體4。膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體4的各區(qū)域A、B內(nèi)的肖特基電流和肖特基勢壘高度如下所述。
例如，在使用厚度為10nm以下的絕緣體薄膜作為中間層3的情況下，因為金屬(2)-半導(dǎo)體(1)的結(jié)界面中的第1區(qū)域A的半導(dǎo)體層1與金屬層2直接相接，故具有基于構(gòu)成半導(dǎo)體層1的半導(dǎo)體和構(gòu)成金屬層2的金屬的肖特基勢壘高度。因為第1區(qū)域A內(nèi)的界面具有實際上均勻的電位勢壘，故在第1區(qū)域A內(nèi)該肖特基勢壘高度實際上為均勻的。在這樣的第1區(qū)域A中，例如在使隧道電流由探針流到金屬層2中的情況下，彈道電子作為與上述的肖特基勢壘高度對應(yīng)的肖特基電流流到半導(dǎo)體層1中。
另一方面，由于在半導(dǎo)體層1與金屬層2之間介入了由絕緣體構(gòu)成的中間層3，故第2區(qū)域B成為金屬(M)-絕緣體(I)-半導(dǎo)體(S)結(jié)，具有基于所謂的MIS結(jié)的肖特基勢壘高度。因為第2區(qū)域B內(nèi)的各界面具有實際上均勻的電位勢壘，故基于該MIS結(jié)的肖特基勢壘高度在第2區(qū)域B內(nèi)實際上是均勻的。在這樣的第2區(qū)域B中，流到金屬層2中的隧道電流作為與基于MIS結(jié)的肖特基勢壘高度對應(yīng)的肖特基電流流到半導(dǎo)體層1中?；蛘撸谟山^緣體構(gòu)成的中間層3使彈道電子受到較強(qiáng)的散射的情況下，沒有肖特基電流本身的流動。
此外，在中間層3由與金屬層2不同的金屬構(gòu)成的情況下，在構(gòu)成該中間層3的金屬與半導(dǎo)體層1之間的金屬-半導(dǎo)體界面就支配第2區(qū)域B的肖特基勢壘高度。因而，在這樣的第2區(qū)域B中，在使隧道電流流到金屬層2中的情況下，根據(jù)基于與金屬層2不同的金屬與半導(dǎo)體層1的界面的肖特基勢壘高度，電流作為肖特基電流流到半導(dǎo)體層1中。即，第2區(qū)域B具有與第1區(qū)域A不同的肖特基勢壘高度和肖特基電流。
再有，在中間層3由與半導(dǎo)體層1不同的半導(dǎo)體構(gòu)成的情況下，在構(gòu)成該中間層3的半導(dǎo)體與金屬層2之間的金屬-半導(dǎo)體界面就支配第2區(qū)域B的肖特基勢壘高度。因而，在這樣的第2區(qū)域B中，在使隧道電流流到金屬層2中的情況下，根據(jù)基于金屬層2與半導(dǎo)體層1不同的半導(dǎo)體之間的界面的肖特基勢壘高度，電流作為肖特基電流流到半導(dǎo)體層1中。即，第2區(qū)域B具有與第1區(qū)域A不同的肖特基勢壘高度和肖特基電流。
這樣，在使中間層3部分地存在于金屬層2與半導(dǎo)體層1之間的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體4中，可控制第1區(qū)域A和第2區(qū)域B的肖特基電流以及肖特基勢壘高度、具體地說，相對于第1區(qū)域A和第2區(qū)域B，例如通過使隧道電流由探針流到金屬層2中，可在各區(qū)域間控制肖特基電流。即，可使肖特基電流及肖特基勢壘高度不同的鈉米級的多個微小區(qū)域(第1區(qū)域A和第2區(qū)域B)存在于金屬(2)-半導(dǎo)體(1)的結(jié)界面(金屬-半導(dǎo)體界面)內(nèi)。
上述那樣的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體利用在第1區(qū)域A和第2區(qū)域B中的不同的肖特基電流及肖特基勢壘高度，可應(yīng)用于以鈉米級微細(xì)化了的肖特基二極管及肖特基柵晶體管等各種高集成化元件、以及利用鈉米區(qū)域的BEEM電流值的不同來進(jìn)行讀出的高密度存儲元件及介子元件等新的功能元件。
其次，敘述用BEEM觀察來確認(rèn)在金屬(2)-半導(dǎo)體(1)界面上存在上述那樣的鈉米級的微小的第1區(qū)域A和第2區(qū)域B的情況的具體例。
首先，使用Si(111)襯底作為半導(dǎo)體層1，在該Si(111)襯底表面上在1×10-7Pa以下的超高真空中對Au進(jìn)行成膜。為了減少成為表面及界面的控制或測定的妨礙的來自氣氛的氧、水、有機(jī)物等吸附，利用能在超高真空中進(jìn)行從成膜到評價為止的全部過程的裝置來實施Au的成膜及其評價。
上述的裝置首先具有適用于在控制性方面良好的分子束外延(MBE)法的成膜室。將STM準(zhǔn)備室通過樣品運送室連接到成膜室。將STM準(zhǔn)備室連接到STM室，STM室具有STM觀察裝置和BEEM觀察裝置。STM準(zhǔn)備室可實施附加BEEM測定用的電極等的操作。從以上的成膜到STM觀察和BEEM觀察為止的過程，要保持于2×10-8Pa以下的超高真空中。
使用上述的超高真空成膜-評價裝置，將Si(111)襯底的(7×7)表面定為成膜面，用MBE法在該清潔的Si(111)·(7×7)表面上對厚度為3.0nm的Au進(jìn)行成膜。成膜時的襯底溫度受到Au的蒸發(fā)源的影響，約為423K。接著，用超高真空成膜-評價裝置進(jìn)行Au膜的同一部位的STM觀察和BEEM觀察。在圖2中示出STM像，在圖3中示出BEEM像。觀察范圍為100nm×100nm。BEEM像因BEEM電流的強(qiáng)弱而帶有反差。
由圖中示出的STM像可知，Au以大小的島狀來生長。由于在BEEM中到達(dá)界面的彈道電流隨膜厚的增加而減少，故BEEM電流也隨膜厚的增加而減少。因而，大的島與小的島相比，BEEM電流減少。
圖3中示出的BEEM像受到以上所述的影響，籠統(tǒng)地說，成為使STM像的反差反轉(zhuǎn)后的像。但是，在BEEM像中，在與STM像的島狀部對應(yīng)的部分內(nèi)，存在黑色區(qū)域、即BEEM電流極低的區(qū)域。在圖4中示意性地示出該狀態(tài)。圖4示意性地示出圖3中示出的BEEM像的一部分，加上點的部分是黑色區(qū)域。此外，用圖4的虛線包圍的區(qū)域(斜線區(qū)域)示出同一部位的因STM像引起的島狀部。
關(guān)于上述的Au的原來的島狀區(qū)域(在圖4中用箭頭a示出的部分/黑色區(qū)域以外的部分)和黑色區(qū)域(在圖4中用箭頭b示出的部分)，評價了BEEM電流的芯片(chip)電壓的依存性、即所謂的BEEM譜線。在圖5中示出其結(jié)果。在區(qū)域a中，BEEM電流顯示出從Au/Si(111)的肖特基勢壘高度、即0.8eV起上升的譜線。另一方面，在區(qū)域b中，即使增加電子能量，也未見到BEEM電流的增加。
一般認(rèn)為，在區(qū)域b中，如通常的Au/Si(111)界面那樣，未見到BEEM電流的增加這一點，是由于在Au/Si(111)界面上存在Au與Si的反應(yīng)物。由于在成膜時襯底溫度上升到約423K，故該反應(yīng)物是Au與Si因該襯底溫度而發(fā)生低溫反應(yīng)的反應(yīng)物。通過將上述樣品在573K、30分的條件下再次退火、以促進(jìn)在界面處的反應(yīng)時，在樣品整個面上BEEM電流成為檢測極限以下，確認(rèn)了這一點。如果在界面上存在Au與Si的反應(yīng)物層，則由于彈道電子在通過該反應(yīng)物層時受到較強(qiáng)的散射，故BEEM電流(肖特基電流)幾乎不流過。
如上述的區(qū)域a和區(qū)域b那樣，在金屬-半導(dǎo)體界面上存在BEEM電流不同的多個區(qū)域這一點，只利用STM觀察是不能知道的。通過合并使用STM觀察和BEEM觀察，首次確定了BEEM電流不同的多個區(qū)域。
這樣，通過使Au與Si的反應(yīng)物層部分地存在于界面上，可得到在Au/Si(111)界面上不存在其它雜質(zhì)的區(qū)域(相當(dāng)于圖1的第1區(qū)域A)和在界面上存在Au-Si反應(yīng)物的區(qū)域(相當(dāng)于圖1的第2區(qū)域B)。這樣的界面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致具有肖特基電流不同的多個區(qū)域的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體。Au/Si(111)界面上的反Au-Si應(yīng)物的生成，可通過Si(111)襯底的表面狀態(tài)、成膜時的襯底溫度等來控制。因而，在被控制的狀態(tài)下可得到與本發(fā)明的第2區(qū)域相當(dāng)?shù)脑诮缑嫔洗嬖贏u-Si反應(yīng)物的區(qū)域。
但是，上述的Au-Si反應(yīng)物的生成狀態(tài)及生成區(qū)域的可控性較低。因此，其次敘述通過控制Si襯底的表面狀態(tài)及成膜時的襯底溫度等，在不使Au-Si反應(yīng)物等的雜質(zhì)存在于Au/Si(111)界面上的情況下，對只由Au-Si界面構(gòu)成的Au膜進(jìn)行成膜的例子。
首先，Si(111)·(7×7)DAS(Dimar吸附原子堆垛層錯)結(jié)構(gòu)含有較多的懸掛鍵(dangling bond)，由于該懸掛鍵具有化學(xué)活性，故為了抑制Au-Si的低溫反應(yīng)，以沒有為好。因此，作為Au生長的初始狀態(tài)，使用了Si(111)·(31/2×31/2)·Au表面。
在Au的蒸發(fā)量為2個分子層以下時，即使將襯底加熱到約973K，Au原子也不與Si原子產(chǎn)生低溫反應(yīng)，Au原子與Si原子配合，在表面上形成穩(wěn)定的再排列狀態(tài)。此外，在蒸發(fā)量約為1.5個分子層(膜厚0.2nm)時，在襯底溫度約為573K時，成為(31/2×31/2)結(jié)構(gòu)。因此，首先，在襯底溫度573K下形成了約0.2nm厚的Au膜之后，為了抑制Au-Si的低溫反應(yīng)，將襯底一度在運送室中冷卻到室溫，然后再次導(dǎo)入到MBE室中，形成3.0nm厚的Au膜。
在進(jìn)行所得到的Au膜的STM觀察和BEEM觀察時，由STM像確認(rèn)了Au作為約10nm的島狀體存在的情況。該島狀A(yù)u膜的BEEM像幾乎無反差，此外在其內(nèi)部的代表性的BEEM譜線中觀察到從0.8eV附近起的上升。由這些情況可知，BEEM像的反差的缺乏顯示了BEEM電流的強(qiáng)度是均勻的。于是，確認(rèn)了島狀A(yù)u膜內(nèi)的界面的電位勢壘實際上是均勻的，而且在界面上的肖特基勢壘高度實際上是均勻的。
上述的島狀A(yù)u膜可作為圖1中示出的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體4的中間層3來使用，通過在Si襯底上包含該島狀A(yù)u膜而形成其它的金屬層、例如厚度約為10nm的Ag層，可得到圖1中示出的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體4。
其次，根據(jù)上述的Au膜的成膜結(jié)果，敘述介入了第3物質(zhì)作為中間層3的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體4的制造例及其評價結(jié)果。再有，使用上述的超高真空成膜-評價裝置由各膜的成膜來進(jìn)行評價。
實施例1首先，使用Si(111)·(7×7)襯底作為半導(dǎo)體層1，利用在大氣中的氧化處理和在超高真空中的加熱處理，將該Si襯底表面的平臺的大小控制為約50nm。在具有這樣的平臺的清潔的Si(111)·(7×7)襯底的表面上，首先，一邊將襯底溫度控制為303K，一邊用MBE法形成厚度為1nm的Au膜。接著，一邊將襯底溫度控制為303K，一邊用MBE法形成厚度為10nm的Ag膜。在此，將Au膜作為中間層3來形成，在其上形成的Ag膜成為金屬層2。
在進(jìn)行這樣的復(fù)合膜的STM觀察和BEEM觀察時，確認(rèn)了下述情況Au膜在平臺上作為島狀體存在，Ag形成了與Si襯底的界面的區(qū)域和存在Au中間層且Au形成了與Si襯底的界面的區(qū)域共存。由BEEM像確認(rèn)了各界面的電位勢壘實際上是均勻的。
再者，在圖6中示出Ag-Si界面區(qū)域的BEEM譜線的測定結(jié)果和Au-Si界面區(qū)域的BEEM譜線的測定結(jié)果。顯示出在Ag-Si界面區(qū)域處BEEM電流從Ag-Si的肖特基勢壘高度、即0.7eV附近起上升的譜線，另一方面，顯示出在Au-Si界面區(qū)域處BEEM電流從Au-Si的肖特基勢壘高度、即0.8eV附近起上升的譜線。由這些情況確認(rèn)了肖特基勢壘高度不同的多個區(qū)域共存的情況。
實施例2使用Si(111)·(7×7)襯底作為半導(dǎo)體層1，在該清潔的Si(111)·(7×7)襯底的表面上，首先，一邊將襯底溫度控制為973K，一邊用MBE法形成厚度為1nm的作為絕緣體的CaF2膜。該CaF2膜從臺階起以帶狀生長。其次，將襯底溫度控制為303K，用MBE法包含該CaF2膜形成厚度為5.0nm的Au膜。在此，將CaF2膜作為中間層3來形成，在其上形成的Au膜成為金屬層2。
在進(jìn)行這樣的復(fù)合膜的STM觀察和BEEM觀察時，確認(rèn)了Au膜形成了與Si襯底的直接界面的區(qū)域和厚度為1nm的帶狀的CaF2膜介入于Au-Si界面處的區(qū)域共存。由該各區(qū)域的BEEM譜線確認(rèn)了各區(qū)域的肖特基勢壘高度是不同的。
實施例3使用Si(111)·(7×7)襯底作為半導(dǎo)體層1，利用在大氣中的氧化處理和在超高真空中的加熱處理，將該Si襯底表面的平臺的大小控制為約50nm。在具有這樣的平臺的清潔的Si(111)·(7×7)襯底的表面上，首先，一邊將襯底溫度控制為773K，一邊用MBE法形成厚度為1nm的作為絕緣體的CaF2膜。其次，將襯底溫度控制為303K，用MBE法包含該CaF2膜形成厚度為5.0nm的Au膜。在此，將CaF2膜作為中間層3來形成，在其上形成的Au膜成為金屬層2。
在進(jìn)行這樣的復(fù)合膜的STM觀察和BEEM觀察時，確認(rèn)了下述情況CaF2膜在平臺上作為島狀體存在，厚度為1nm的CaF2膜介入于Au-Si界面處的區(qū)域和Au膜形成了與Si襯底的直接界面的區(qū)域共存。由該各區(qū)域的BEEM譜線確認(rèn)了各區(qū)域的肖特基勢壘高度是不同的。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性按照本發(fā)明的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體及其制造方法，可在金屬-半導(dǎo)體界面內(nèi)制成肖特基電流及肖特基勢壘高度不同的多個微小區(qū)域。具有這樣的金屬-半導(dǎo)體界面的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體可用于集成度高的肖特基二極管及肖特基柵晶體管等各種功能元件、以及利用鈉米區(qū)域的BEEM電流值的不同來進(jìn)行讀出的高密度存儲元件等。
權(quán)利要求
1.一種膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其特征在于具備半導(dǎo)體層；在上述半導(dǎo)體層上形成的厚度在20nm以下的金屬層；以及中間層，該中間層部分地介入于上述半導(dǎo)體層與上述金屬層之間，而且由絕緣體、與上述金屬層不同的金屬或與上述半導(dǎo)體層不同的半導(dǎo)體構(gòu)成，并且厚度在10nm以下，上述金屬層具有與上述半導(dǎo)體層直接相接的第1區(qū)域和第2區(qū)域，該第2區(qū)域中將上述中間層介入于與上述半導(dǎo)體層之間，該第2區(qū)域的肖特基電流與上述第1區(qū)域不同。
2.如權(quán)利要求1中所述的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其特征在于上述第1區(qū)域和上述第2區(qū)域的各區(qū)域內(nèi)的各界面分別具有實際上均勻的電位勢壘。
3.如權(quán)利要求1中所述的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其特征在于上述第1區(qū)域和上述第2區(qū)域具有不同的肖特基勢壘高度，而且上述第1區(qū)域和上述第2區(qū)域分別在各區(qū)域內(nèi)具有實際上均勻的肖特基勢壘高度。
4.如權(quán)利要求1中所述的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其特征在于根據(jù)所希望的圖形，相對于上述金屬層的全部區(qū)域，部分地設(shè)置了上述第2區(qū)域。
5.如權(quán)利要求1中所述的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其特征在于上述中間層在上述半導(dǎo)體層與金屬層之間作為最大直徑在100nm以下的島狀體而存在。
6.如權(quán)利要求1中所述的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其特征在于上述中間層在上述半導(dǎo)體層與金屬層之間作為寬度在100nm以下的帶狀體而存在。
7.如權(quán)利要求1中所述的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其特征在于上述半導(dǎo)體層是半導(dǎo)體單晶襯底，而且在上述半導(dǎo)體單晶襯底表面的平臺上部分地形成了上述中間層。
8.一種膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于，具備在半導(dǎo)體層上以島狀或帶狀形成由絕緣體、第1金屬或與上述半導(dǎo)體層不同的半導(dǎo)體構(gòu)成的厚度在10nm以下的中間層的工序；以及在具有上述中間層的半導(dǎo)體層上形成由與上述第1金屬不同的第2金屬構(gòu)成的厚度在20nm以下的金屬層的工序。
9.如權(quán)利要求8中所述的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于上述金屬層具有上述金屬層與上述半導(dǎo)體層直接相接的第1區(qū)域和在上述金屬層與上述半導(dǎo)體層之間介入了上述中間層的第2區(qū)域，上述第1區(qū)域與上述第2區(qū)域的肖特基電流不同。
10.如權(quán)利要求8中所述的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于上述中間層作為最大直徑在100nm以下的島狀體來形成。
11.如權(quán)利要求8中所述的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于上述中間層作為寬度在100nm以下的帶狀體來形成。
12.如權(quán)利要求8中所述的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體的制造方法，其特征在于作為上述半導(dǎo)體層使用半導(dǎo)體單晶襯底，而且在上述半導(dǎo)體單晶襯底表面的平臺上部分地形成上述中間層。
全文摘要
在由半導(dǎo)體單晶襯底等構(gòu)成的半導(dǎo)體層1上形成了厚度為20nm以下的金屬層2。金屬層2具有與半導(dǎo)體層1直接相接的第1區(qū)域A和在與半導(dǎo)體層1之間介入了由絕緣體、與金屬層2不同的金屬或與半導(dǎo)體層1不同的半導(dǎo)體構(gòu)成的、且厚度為10nm以下的中間層3的第2區(qū)域B。第1區(qū)域A與第2區(qū)域B的肖特基電流以及肖特基勢壘高度不同。該各區(qū)域A、B都有鈉米級的大小,而且各區(qū)域A、B內(nèi)的各界面分別具有實際上均勻的電位勢壘。這樣的膜狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體對實現(xiàn)鈉米級的半導(dǎo)體元件的微細(xì)化及新的功能元件等有貢獻(xiàn)。
文檔編號H01L29/66GK1245587SQ97181513
公開日2000年2月23日 申請日期1997年12月3日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月3日
發(fā)明者三浦忠男, 田中俊一郎, 角谷透 申請人:科學(xué)技術(shù)振興事業(yè)團(tuán), 株式會社東芝