JP2609523B2 - Ｍｉｍｉｍ型素子 - Google Patents
Ｍｉｍｉｍ型素子Info
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- JP2609523B2 JP2609523B2 JP62129756A JP12975687A JP2609523B2 JP 2609523 B2 JP2609523 B2 JP 2609523B2 JP 62129756 A JP62129756 A JP 62129756A JP 12975687 A JP12975687 A JP 12975687A JP 2609523 B2 JP2609523 B2 JP 2609523B2
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はトンネル素子または超薄膜素子、とくにMIMI
M型素子に関する。
M型素子に関する。
従来技術 メタルベーストランジスタであるMIMIM型素子は、MIM
構造の絶縁層をトンネルする電子の確率をMIM構造の中
間に挿入した金属電極によって制御することによりトラ
ンジスタ動作を行なう素子である。MIMIM型素子の構造
は、ベースが金属であり抵抗が小さいことから、高速動
作が可能な素子として注目されている。しかし、このMI
MIM型素子は、その基本概念が1961年に確立されていた
にもかかわらず、今だに実用化されていない。その理由
の一つには、良質の絶縁膜を均一にしかも再現性よく形
成させることができないという問題があった。
構造の絶縁層をトンネルする電子の確率をMIM構造の中
間に挿入した金属電極によって制御することによりトラ
ンジスタ動作を行なう素子である。MIMIM型素子の構造
は、ベースが金属であり抵抗が小さいことから、高速動
作が可能な素子として注目されている。しかし、このMI
MIM型素子は、その基本概念が1961年に確立されていた
にもかかわらず、今だに実用化されていない。その理由
の一つには、良質の絶縁膜を均一にしかも再現性よく形
成させることができないという問題があった。
この絶縁膜については、例えば、M.Heiblum（ソリッ
ド ステイト エレクトロニクス（Solid−State Elect
ronics）Vol.24,pp.343−366,1981）による絶縁膜の形
成が知られている。この提案では、絶縁膜の形成に金属
の自然酸化を利用しているため、製作する場合に膜厚を
厳密にコントロールすることが困難であり、しかも膜中
の欠陥が多く発生するため、実用化に適した十分な特性
を得ることができなかった。他の提案として絶縁膜を酸
化雰囲気中あるいは電界指向プラズマ中において成長さ
せるもの（特開昭61−145880）等がある。しかし、これ
らの提案には具体的な記述が示されておらず、これらの
提案による製造方法では、膜厚あるいは膜質のコントロ
ールが困難であり、また再現性にも問題があるため実用
化するまでに至らなかった。
ド ステイト エレクトロニクス（Solid−State Elect
ronics）Vol.24,pp.343−366,1981）による絶縁膜の形
成が知られている。この提案では、絶縁膜の形成に金属
の自然酸化を利用しているため、製作する場合に膜厚を
厳密にコントロールすることが困難であり、しかも膜中
の欠陥が多く発生するため、実用化に適した十分な特性
を得ることができなかった。他の提案として絶縁膜を酸
化雰囲気中あるいは電界指向プラズマ中において成長さ
せるもの（特開昭61−145880）等がある。しかし、これ
らの提案には具体的な記述が示されておらず、これらの
提案による製造方法では、膜厚あるいは膜質のコントロ
ールが困難であり、また再現性にも問題があるため実用
化するまでに至らなかった。
また、金属の表面に良質の酸化膜を形成させる方法と
して、熱酸化法や陽極酸化法が使用されている。しか
し、熱酸化法は、約400〜500℃といった高温の基板温度
が必要となるため、高温に耐えられる基耐材料に制約を
受けるとともに薄膜を形成することが困難であった。陽
極酸化法では、酸化剤による化学反応によって行なうた
め、酸化剤や反応条件の最適化が難しく、また酸化後に
約150℃程度のアニールが必要となるため、MIMIM型素子
等の素子の製造には不適当であった。さらに他の方法と
して、蒸着法による酸化膜の堆積、プラズマ酸化法、あ
るいは酸化イオンの打ち込みによる方法等があるが、い
ずれ方法においても酸化膜の欠陥、不均一性または金属
と酸化膜の間の界面状態の不均一性が問題になってい
た。
して、熱酸化法や陽極酸化法が使用されている。しか
し、熱酸化法は、約400〜500℃といった高温の基板温度
が必要となるため、高温に耐えられる基耐材料に制約を
受けるとともに薄膜を形成することが困難であった。陽
極酸化法では、酸化剤による化学反応によって行なうた
め、酸化剤や反応条件の最適化が難しく、また酸化後に
約150℃程度のアニールが必要となるため、MIMIM型素子
等の素子の製造には不適当であった。さらに他の方法と
して、蒸着法による酸化膜の堆積、プラズマ酸化法、あ
るいは酸化イオンの打ち込みによる方法等があるが、い
ずれ方法においても酸化膜の欠陥、不均一性または金属
と酸化膜の間の界面状態の不均一性が問題になってい
た。
このように従来のMIMIM型素子では、その製造が困難
であり、さらに酸化膜や金属−酸化膜の界面状態の不均
一性に起因して素子間の特性がばらつくため、良好なト
ランジスタ特性を得ることができない等、希望する特性
を持った素子を得ることができなかった。
であり、さらに酸化膜や金属−酸化膜の界面状態の不均
一性に起因して素子間の特性がばらつくため、良好なト
ランジスタ特性を得ることができない等、希望する特性
を持った素子を得ることができなかった。
目 的 本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、良質の
絶縁膜が均一にしかも再現性よく形成されたMIMIM型素
子を提供することを目的とする。
絶縁膜が均一にしかも再現性よく形成されたMIMIM型素
子を提供することを目的とする。
構 成 本発明は上記の目的を達成させるため、基板と、基板
の上に形成された第１の電極と、第１の電極の上に形成
された第１の絶縁層と、第１の絶縁層の上に形成された
第２の電極と、第２の電極の上に形成された第２の絶縁
層と、第２の絶縁層の上に形成された第３の電極とから
なるMIMIM型素子において、絶縁層のうち少なくとも一
つは、炭素原子および水素原子を主な組織形成元素とす
る非晶質性硬質炭素材料を含むことを特徴としたもので
ある。以下、本発明の一実施例に基づいて具体的に説明
する。
の上に形成された第１の電極と、第１の電極の上に形成
された第１の絶縁層と、第１の絶縁層の上に形成された
第２の電極と、第２の電極の上に形成された第２の絶縁
層と、第２の絶縁層の上に形成された第３の電極とから
なるMIMIM型素子において、絶縁層のうち少なくとも一
つは、炭素原子および水素原子を主な組織形成元素とす
る非晶質性硬質炭素材料を含むことを特徴としたもので
ある。以下、本発明の一実施例に基づいて具体的に説明
する。
第１図には本発明によるMIMIM型素子の一実施例の断
面図が、また第２図には第１図に示されているMIMIM型
素子の外観斜視図が示されている。
面図が、また第２図には第１図に示されているMIMIM型
素子の外観斜視図が示されている。
基板10の上に第１の電極材料層20が形成され、電極材
料層20の上にはダイヤモンド状の炭素膜である非晶質性
硬質炭素膜からなる第１の絶縁層30が電極材料層20を覆
うように形成されている。絶縁層30の上には第２の電極
材料層40が形成され、電極材料層40の上に第２の絶縁層
50が形成され、さらに絶縁層50の上には第３の電極材料
層60が形成されている。
料層20の上にはダイヤモンド状の炭素膜である非晶質性
硬質炭素膜からなる第１の絶縁層30が電極材料層20を覆
うように形成されている。絶縁層30の上には第２の電極
材料層40が形成され、電極材料層40の上に第２の絶縁層
50が形成され、さらに絶縁層50の上には第３の電極材料
層60が形成されている。
以上の構造からなるMIMIM型素子は、第１の絶縁層30
の厚さが例えば数オングストローム〜数十オングストロ
ームというように十分に薄いので、第１の電極材料層20
からの電子はトンネル効果によって絶縁層30をつき抜け
てベースである第２の電極材料層40に流入する。この電
子はエネルギー状態の高いホットエレクトロンあり、そ
の一部は第２の絶縁層50をも通過し、コレクタである第
３の電極材料層60に達する。電子が第１の絶縁層30をト
ンネルする確率は、エミッタである第１の電極材料層20
とベースである第２の電極材料層40との間の電圧の差に
より非常に大きく変化するため、トランジスタの動作が
可能となる。
の厚さが例えば数オングストローム〜数十オングストロ
ームというように十分に薄いので、第１の電極材料層20
からの電子はトンネル効果によって絶縁層30をつき抜け
てベースである第２の電極材料層40に流入する。この電
子はエネルギー状態の高いホットエレクトロンあり、そ
の一部は第２の絶縁層50をも通過し、コレクタである第
３の電極材料層60に達する。電子が第１の絶縁層30をト
ンネルする確率は、エミッタである第１の電極材料層20
とベースである第２の電極材料層40との間の電圧の差に
より非常に大きく変化するため、トランジスタの動作が
可能となる。
第１の絶縁層30に使用した非晶質性硬質炭素膜は、炭
素原子および水素原子を主な組織形成元素とするアモル
ファス材料であり、例えばグラファイトのような結合構
造（SP2結合）を有するとともに、ダイヤモンドのよう
な結合構造（SP3結合）を合せ持つ膜である。その性質
は、非晶質で化学的安定性に優れ、強度的にも硬質なも
のである。また非晶質性硬質炭素膜は、後述するように
常温程度の比較的低温で製膜が可能であり、良質な膜を
均一に、しかも再現性よく得ることができる。この非晶
質性硬質炭素膜は、例えばｉ−カーボン、ダイヤモンド
ライクカーボン、または硬質カーボンなどと称されてい
る。
素原子および水素原子を主な組織形成元素とするアモル
ファス材料であり、例えばグラファイトのような結合構
造（SP2結合）を有するとともに、ダイヤモンドのよう
な結合構造（SP3結合）を合せ持つ膜である。その性質
は、非晶質で化学的安定性に優れ、強度的にも硬質なも
のである。また非晶質性硬質炭素膜は、後述するように
常温程度の比較的低温で製膜が可能であり、良質な膜を
均一に、しかも再現性よく得ることができる。この非晶
質性硬質炭素膜は、例えばｉ−カーボン、ダイヤモンド
ライクカーボン、または硬質カーボンなどと称されてい
る。
電極材料20、40、および60は、例えばAl、Cr、NiCr、
Ni、Pt、およびAu等が使用されており、蒸着法またはス
パッタ法等により形成されている。
Ni、Pt、およびAu等が使用されており、蒸着法またはス
パッタ法等により形成されている。
なお、本実施例においては、非晶質性硬質炭素膜を第
１の絶縁層30に使用したが、絶縁層30だけではなく第２
の絶縁層50にも使用することができる。
１の絶縁層30に使用したが、絶縁層30だけではなく第２
の絶縁層50にも使用することができる。
第３図には、第１図に示されている実施例に能動部制
限用絶縁層70が形成された場合の例が示されている。第
３図に示されているように能動部制限用絶縁層70は、電
極材料20の上に形成された絶縁層30に、絶縁層30の一部
を除いてほぼ全体に重なるように形成されており、能動
部制限用絶縁層70の周囲は基板10の上に接するように形
成されている。
限用絶縁層70が形成された場合の例が示されている。第
３図に示されているように能動部制限用絶縁層70は、電
極材料20の上に形成された絶縁層30に、絶縁層30の一部
を除いてほぼ全体に重なるように形成されており、能動
部制限用絶縁層70の周囲は基板10の上に接するように形
成されている。
能動部制限用絶縁層70は、トランジスタ動作を行なう
部分の面積を制限することによって、薄膜に存在するピ
ンホール等の欠陥による正規の動作の妨害の確率を小さ
くし、動作により確実なものとするためのものである。
部分の面積を制限することによって、薄膜に存在するピ
ンホール等の欠陥による正規の動作の妨害の確率を小さ
くし、動作により確実なものとするためのものである。
ここで、絶縁層に使用される非晶質性硬質炭素膜の合
成（形成）方法の一例をプラズマCVD法により説明す
る。
成（形成）方法の一例をプラズマCVD法により説明す
る。
この例では、平行平板型プラズマCVD装置が使用され
ている。膜を形成させる基板10は、セルフバイアスのた
め正イオンの衝撃が促進されるRF給電側に取り付けられ
ている。例えば、CH4、C2H6、C3H6、またはC4H10等の炭
化水素と水素とを混合した原料ガスを装置に導入し、平
行平板の電極間に約13.56MHzの高周波電界を印加すると
グロー放電が発生し、原料ガスはラジカルとイオンとに
分解され反応することによって、基板10の上に炭素原子
と水素原子とからなるアモルファス材料が堆積する。こ
れが、ダイヤモンド状炭素膜である非晶質性硬質炭素膜
である。上記の反応に必要な条件は、本明細書に添付さ
れている第１表に示されている。
ている。膜を形成させる基板10は、セルフバイアスのた
め正イオンの衝撃が促進されるRF給電側に取り付けられ
ている。例えば、CH4、C2H6、C3H6、またはC4H10等の炭
化水素と水素とを混合した原料ガスを装置に導入し、平
行平板の電極間に約13.56MHzの高周波電界を印加すると
グロー放電が発生し、原料ガスはラジカルとイオンとに
分解され反応することによって、基板10の上に炭素原子
と水素原子とからなるアモルファス材料が堆積する。こ
れが、ダイヤモンド状炭素膜である非晶質性硬質炭素膜
である。上記の反応に必要な条件は、本明細書に添付さ
れている第１表に示されている。
以上の製膜方法により製膜された非晶質性硬質炭素膜
は、添付された第２表に示されているような物性を有し
ており、Ｘ線および電子回折分析によればアモルファス
状態（ａ−C:H）、または約50オングストローム〜100オ
ングストローム程度の微結晶粒を含むアモルファス状態
である。IR吸収法およびラマン分光法による分析の結
果、第４図および第５図に示されているように炭素原子
がSP3の混成軌道とSP2の混成軌道とを形成した原子間結
合が混在していることが明らかになっている。なお、以
上の非晶質性硬質炭素膜は、SP3を主体としてSP2を含む
ものと、SP2を主体としてSP3を含むものとがある。
は、添付された第２表に示されているような物性を有し
ており、Ｘ線および電子回折分析によればアモルファス
状態（ａ−C:H）、または約50オングストローム〜100オ
ングストローム程度の微結晶粒を含むアモルファス状態
である。IR吸収法およびラマン分光法による分析の結
果、第４図および第５図に示されているように炭素原子
がSP3の混成軌道とSP2の混成軌道とを形成した原子間結
合が混在していることが明らかになっている。なお、以
上の非晶質性硬質炭素膜は、SP3を主体としてSP2を含む
ものと、SP2を主体としてSP3を含むものとがある。
また製膜においては、RF出力が大きく圧力が低いほど
膜の比抵抗値および硬度が増加し、水素混合比が大きい
ほど屈折率が増加して欠陥密度が減少する、つまり良質
な膜を得ることができる。
膜の比抵抗値および硬度が増加し、水素混合比が大きい
ほど屈折率が増加して欠陥密度が減少する、つまり良質
な膜を得ることができる。
この例の製膜方法により製造される膜は、金属表面の
自然酸化膜に比較して膜厚の制御性または再現性等の製
造性に優れ、また、従来、一般に使用されている熱酸化
法、陽極酸化法、プラズマ酸化また酸化イオン打ち込み
等の酸化法により得られる酸化膜と比較して酸化膜の均
一性や、金属と絶縁膜の界面状態の均一性が優れてい
る。したがって、本製膜方法によって得られた非晶質性
硬質炭素膜をMIMIM型素子に使用することにより、素子
特性のバラツキや再現性を著しく向上させることができ
る。さらに、非晶質性硬質炭素膜は、常温から約150℃
というように比較的低い温度において製造した場合でも
あまり膜質が劣化しない特徴を有しているため、素子製
造プロセスの低温化には最適であり、使用する基板材料
の選択自由度が広がる。
自然酸化膜に比較して膜厚の制御性または再現性等の製
造性に優れ、また、従来、一般に使用されている熱酸化
法、陽極酸化法、プラズマ酸化また酸化イオン打ち込み
等の酸化法により得られる酸化膜と比較して酸化膜の均
一性や、金属と絶縁膜の界面状態の均一性が優れてい
る。したがって、本製膜方法によって得られた非晶質性
硬質炭素膜をMIMIM型素子に使用することにより、素子
特性のバラツキや再現性を著しく向上させることができ
る。さらに、非晶質性硬質炭素膜は、常温から約150℃
というように比較的低い温度において製造した場合でも
あまり膜質が劣化しない特徴を有しているため、素子製
造プロセスの低温化には最適であり、使用する基板材料
の選択自由度が広がる。
なお、この例では製膜にプラズマCVD法を使用した
が、この例で使用した原料ガスによるイオンビーム法に
よってもほぼ同質な膜を製作することができる。
が、この例で使用した原料ガスによるイオンビーム法に
よってもほぼ同質な膜を製作することができる。
以上の本実施例に示された素子の構造によれば、絶縁
層30および絶縁層50の少なくとも一方に非晶質性硬質炭
素膜を使用しているため、従来のような複雑な製造工程
を必要とせず、しかも素子特性の均一性および再現性に
優れた良質な膜を得ることができる。さらに、室温（常
温）での素子製造が可能となるため、基板材料の選択の
自由度が広くなり、しかも低いコストによって素子を製
造することができる。
層30および絶縁層50の少なくとも一方に非晶質性硬質炭
素膜を使用しているため、従来のような複雑な製造工程
を必要とせず、しかも素子特性の均一性および再現性に
優れた良質な膜を得ることができる。さらに、室温（常
温）での素子製造が可能となるため、基板材料の選択の
自由度が広くなり、しかも低いコストによって素子を製
造することができる。
本発明によるMIMIM型素子は、メタルベーストランジ
スタ等の高速のトランジスタや、高速トランジスタを使
用した高速動作回路等に応用することができる。
スタ等の高速のトランジスタや、高速トランジスタを使
用した高速動作回路等に応用することができる。
効 果 本発明によれば、絶縁層の少なくとも一方に非晶質性
硬質炭素膜を使用しているため、従来のような複雑な製
造工程を必要とせず、しかも良質な膜を再現性よく得る
ことができることから、高速素子であるMIMIM型素子を
実現することができる。
硬質炭素膜を使用しているため、従来のような複雑な製
造工程を必要とせず、しかも良質な膜を再現性よく得る
ことができることから、高速素子であるMIMIM型素子を
実現することができる。
第１図は、本発明によるMIMIM型素子の一実施例を示す
断面図、 第２図は、第１図に示すMIMIM型素子の外観斜視図、 第３図は、本発明によるMIMIM型素子の他の実施例を示
す断面図、 第４図は、本発明のMIMIM型素子の絶縁層に使用した非
晶質性硬質炭素物質をIR吸収法で分析した分析結果を示
すスペクトル図、 第５図は、本発明のMIMIM型素子の絶縁層に使用した非
晶質性硬質炭素物質をラマン分光法で分析した分析結果
を示すスペクトル図である。 主要部分の符号の説明 10……基板 20、40、60……電極材料 30、50……絶縁層
断面図、 第２図は、第１図に示すMIMIM型素子の外観斜視図、 第３図は、本発明によるMIMIM型素子の他の実施例を示
す断面図、 第４図は、本発明のMIMIM型素子の絶縁層に使用した非
晶質性硬質炭素物質をIR吸収法で分析した分析結果を示
すスペクトル図、 第５図は、本発明のMIMIM型素子の絶縁層に使用した非
晶質性硬質炭素物質をラマン分光法で分析した分析結果
を示すスペクトル図である。 主要部分の符号の説明 10……基板 20、40、60……電極材料 30、50……絶縁層
Claims (1)
- 【請求項１】基板と、 該基板の上に形成された第１の電極と、 第１の電極の上に形成された第１の絶縁層と、 第１の絶縁層の上に形成された第２の電極と、 第２の電極の上に形成された第２の絶縁層と、 第２の絶縁層の上に形成された第３の電極とからなるMI
MIM型素子において、 前記絶縁層のうち少なくとも一つは、炭素原子および水
素原子を主な組織形成元素とする非晶質性硬質炭素材料
を含むことを特徴とするMIMIM型素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62129756A JP2609523B2 (ja) | 1987-03-28 | 1987-05-28 | Ｍｉｍｉｍ型素子 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62-73015 | 1987-03-28 | ||
| JP7301587 | 1987-03-28 | ||
| JP62129756A JP2609523B2 (ja) | 1987-03-28 | 1987-05-28 | Ｍｉｍｉｍ型素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS647577A JPS647577A (en) | 1989-01-11 |
| JP2609523B2 true JP2609523B2 (ja) | 1997-05-14 |
Family
ID=26414149
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62129756A Expired - Fee Related JP2609523B2 (ja) | 1987-03-28 | 1987-05-28 | Ｍｉｍｉｍ型素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2609523B2 (ja) |
-
1987
- 1987-05-28 JP JP62129756A patent/JP2609523B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS647577A (en) | 1989-01-11 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |