接触抵抗率とは

THEME 03 トランジスタ形成 · 集積の作り込みContact Resistivity

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接触抵抗率とは、金属と半導体が触れる界面に生じる、単位面積あたりの抵抗です。 配線の抵抗とは別に、界面そのものが持つ抵抗を表します。

素子が大きかった頃は、この抵抗は全体のごく一部でした。微細化でチャネルや配線の抵抗が下がる一方、界面の抵抗は接触面積に反比例して増えるので、全体に占める割合が大きくなっています。

接触面積が縮むほど、界面の抵抗が全体を支配する

寄生抵抗の内訳

微細化が進むにつれて、コンタクト抵抗が全体に占める割合は大きくなります。

コンタクト抵抗は、コンタクト金属と半導体導電層との間の抵抗値で、微細化が進むにつれて全体に対する寄与が大きくなってきています¹。コンタクト抵抗 $R_\mathrm{c}$ は $\frac{\exp\left(\frac{\Phi_\mathrm{B}}{\sqrt{N_\mathrm{D}}}\right)}{\mathrm{Area}}$ に比例し、 $\mathrm{Area}$ はコンタクト面積です。面積が 4 分の 1 になれば、同じ界面でも抵抗は 4 倍です。チャネルの抵抗が縮むほど、この項が全体を支配します。

不純物濃度を上げるほど、抵抗が下がる

濃度との関係

コンタクト抵抗は exp(ΦB/√ND) に比例するので、不純物濃度を上げるほど下がります。コンタクト開口後に高濃度層を作るのはこのためです。

式の中の $\Phi_\mathrm{B}$ はメタルの仕事関数、 $N_\mathrm{D}$ は基板濃度です。指数の中に $\sqrt{N_\mathrm{D}}$ が分母として入るので、濃度を上げるほど抵抗が下がります。そこで、コンタクトを開口した後にイオン注入で高濃度層を作ります。ガリウム（Ga）イオンをコインプラして低抵抗化する方法もあります。

障壁の高さも、同じ指数の中にある

十分な不純物が導入された界面のコンタクト抵抗率は、 $\rho \propto A \exp(C \Phi/\sqrt{N})$ と近似されます²。 $\Phi$ は界面のショットキー障壁の高さ、 $N$ は半導体中の不純物濃度で、障壁と濃度の両方が指数の中に入っています。この式から、コンタクト抵抗を下げるには、不純物濃度を高くすることに加えて、ショットキー障壁を下げる必要があります。

材料を替えると、濃度と障壁の余地が同時に変わる

Ge は Si より電子・正孔ともに移動度が高く、次世代 CMOS の材料として有力です²。ただし Ge では、金属の仕事関数によらず障壁の高さがほぼ一定になる、極めて強いフェルミレベルピンニングが起きます。材料を替えると、濃度を上げられる余地と障壁を下げられる余地が同時に変わります。接触抵抗率は、この2つの組み合わせで決まります。

濃度・障壁・面積のどれを動かしても、別の上限に当たる

濃度を上げれば接触抵抗は下がります。その代わり固溶度の上限に当たり、超えた原子は格子間へ析出し、抵抗の低減から取り残されます。障壁の低い金属を選べば抵抗は下がるものの、界面のピン止めが強いと仕事関数を替えた効果が薄まります。面積を広げれば確実に下がりますが、素子の面積を使います。

よくある質問（FAQ）

接触抵抗率とは何ですか？

金属と半導体が触れる界面に生じる、単位面積あたりの抵抗です。コンタクト金属と半導体導電層との間の抵抗値を指します。

なぜ微細化で問題になるのですか？

微細化が進むにつれて、全体の抵抗に占める割合が大きくなっているためです。面積が縮むほど、この抵抗の比率が上がります。

どんな式で表しますか？

コンタクト抵抗 Rc は exp(ΦB/√ND)/Area に比例します。ΦB はメタルの仕事関数、ND は基板濃度、Area はコンタクト面積です。

下げる手はありますか？

コンタクト開口後にイオン注入で高濃度層を作る方法と、ガリウム（Ga）イオンをコインプラする方法があります。

障壁の高さも関係しますか？

します。十分な不純物が導入された界面のコンタクト抵抗率は ρ ∝ A exp(C Φ/√N) と近似され、Φ は界面のショットキー障壁高さです。

濃度と障壁のどちらを動かしますか？

両方です。濃度は注入で上げられ、障壁は界面の作りで変えます。式の指数の中に 2 つとも入っています。

測るときは何に気をつけますか？

接触の面積と、下地の濃度を揃えることです。この 2 つが違えば、同じ材料でも値が変わります。

比較・違いを学ぶ

ショットキー障壁とは── 指数の中の $\Phi$
フェルミレベルピニングとは── 障壁が動かなくなる現象
コンタクトプラグとは── 接触を取る構造
サリサイドとは── 界面の材料を替える工程

出典

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