JP4920596B2 - 急激な金属−絶縁体転移素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、急激な金属−絶縁体転移物質膜を利用した素子及びその製造方法に係り、特に、改善された電極を持つ急激な金属−絶縁体転移素子及びその製造方法に関する。

最近、相転移物質を利用したメモリ素子への関心及びそれによる研究と開発が活発に進行しつつある。相転移物質を利用したメモリ素子のうち、高温で生じる結晶相と非晶質相との構造的な相変化を利用した相変化メモリ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｏｒｙ：ＰＣＭ）素子がある。このようなＰＣＭ素子は、構造的な相変化による状態変化を利用できるので、メモリ素子として利用されることはあるが、他の分野は、例えばスイッチング素子として利用することには適切でない。その理由は、構造的相変化による原子の位置変化によって速いスイッチング速度を具現できないためである。

相転移を利用したスイッチング素子の例として、連続的金属−絶縁体転移を行うモット・ハバード（Ｍｏｔｔ−Ｈｕｂｂａｒｄ）絶縁体をチャンネル層として使用するモット・ハバード電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）が提案された。モット・ハバードＦＥＴは、非特許文献１に紹介されている。モット・ハバードＦＥＴは、金属−絶縁体転移によってオン／オフ動作を行い、一般的なＭＯＳＦＥＴとは異なって空乏層が存在しないので、素子の集積度を大きく向上させることができるだけでなく、ＭＯＳＦＥＴより高速のスイッチング特性を表すと知られている。しかし、モット・ハバードＦＥＴは、連続的に発生する金属−絶縁体転移を利用するので、金属的特性を最もよく表すまで連続的に運搬子（ｃａｒｒｉｅｒ）として利用される電荷を添加せねばならない。したがって、添加する電荷が高濃度でなければならないが、それにより、ゲート絶縁膜の誘電率が大きいか、ゲート絶縁膜の厚さが薄いか、または印加されるゲート電圧が大きくならねばならない。しかし、誘電率があまり大きくなれば、高速スイッチング動作で誘電体の疲労特性が急激に悪くなってトランジスタの寿命が短縮される。そして、ゲート絶縁膜の厚さを薄くするのは、工程上の限界によって難しい点がある。また、ゲート電圧が大きくなる場合、電力消耗が増大して低電力用に使用し難いという問題がある。

このような問題を解決するために、連続的でない急激な金属−絶縁体転移物質を利用した急激な金属−絶縁体転移素子が特許文献１に開示されている。急激な金属−絶縁体転移物質は、モット−ブリンクマン−ライス絶縁体に低濃度の正孔を添加することによって、絶縁体から金属への転移が連続的でない急激に起こる特性を持つ物質である。低濃度の正孔添加による正孔誘導金属−絶縁体理論（Ｈｏｌｅ−ｄｒｉｖｅｎｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ）は、非特許文献２あるいはｈｔｔｐ：／／ｘｘｘ．ｌａｎｌ．ｇｏｗ／ａｂｓ／ｃｏｎｄ−ｍａｔ／０１１０１１２に提示されている。添加する正孔の濃度が非常に低濃度であるため、連続的な金属−絶縁体転移物質を利用したＦＥＴが持っていた問題点が解決される。

ところが、急激な金属−絶縁体転移素子で金属−絶縁体相転移が起きる時、突然に大きい電流がソース電極とドレイン電極との間に流れる（ｃｕｒｒｅｎｔ−ｊｕｍｐ）。一度に多くの電流が微細な大きさを持つ素子内部を流れれば、高温発熱作用を起こして問題になる。

図１は、急激な金属−絶縁体転移素子の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性曲線である。図１を参照すれば、約２７Ｖのドレイン電圧で突然に大きいドレイン電流が流れることが分かる。この時、ソース電極とドレイン電極との間隔が約５μmであり、ゲート電極の線間幅が２５μmであるとすれば、ソース電極とドレイン電極との間に流れる電流密度は、約５ｘ１０^５Ａ／cm²になる。したがって、非常に大きい電流がソース電極とドレイン電極との間に流れることが分かる。電流は、ジュールヒーティングにより素子を加熱する。

現在、急激な金属−絶縁体転移素子には、Ｃｒ／Ａｕをソース電極及びドレイン電極として使用している。ところが、Ｃｒ／Ａｕは、このような高い電流密度に耐えられずに熱的劣化して、図２のようにチャンネル上のソース電極とドレイン電極とが電極破綻してしまう。このように電極が損傷すれば素子特性が低下し、激しい場合には全く素子として使用できなくなる。
米国特許第６，６２４，４６３号明細書 Ｄ．Ｍ．Ｎｅｗｎｓらの論文［Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７３（１９９８）７８０］ 金ヒョンタクの論文"Ｎｅｗ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ"［ＮＡＴＯ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ Ｖｏｌ ＩＩ／６７（Ｋｌｕｗｅｒ，２００２）ｐ１３７］

本発明では高出力動作時に劣化による電極破綻及びこれによる素子特性低下を防止できる電極を持つ急激な金属−絶縁体転移素子及びその製造方法を提供する。

本発明による急激な金属−絶縁体転移素子は、２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔とを持つ急激な金属−絶縁体転移物質膜と、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜にコンタクトする２つの電極と、を備える。前記電極は、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜上に形成されてＮｉまたはＣｒを含む第１層と、前記第１層上に形成されてＩｎを含む第２層と、前記第２層上に形成されてＭｏまたはＷを含む第３層と、前記第３層上に形成されてＡｕを含む第４層とで形成された積層膜を熱処理して形成したものである。

このような本発明の急激な金属−絶縁体転移素子は、２端子スイッチング素子として具現されうる。この時、前記２つの電極のうち、第１電極は、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜の下面に配置され、前記２つの電極のうち、第２電極は、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜の上面に配置されて、電流が基板に垂直に流れる構造（以下、垂直構造）になる。その代わりに、前記２つの電極は、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜上で相互対向しつつ離隔されるように配置されて、電流が基板に水平に流れる構造（以下、水平構造）になってもよい。

このような本発明の急激な金属−絶縁体転移素子は、３端子スイッチング素子として具現されうる。この時、前記２つの電極上に、ゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記２つの電極間の前記急激な金属−絶縁体転移物質膜上に配置されているまた一つの電極と、をさらに備える。前記さらに一つの電極も、ＮｉまたはＣｒを含む第１層と、前記第１層上に形成されてＩｎを含む第２層と、前記第２層上に形成されてＭｏまたはＷを含む第３層と、前記第３層上に形成されてＡｕを含む第４層とで形成された積層膜を熱処理して形成したものでありうる。

本発明の望ましい実施形態では、急激な金属−絶縁体転移物質膜としてＧａＡｓ層を利用した水平構造の２端子スイッチング素子を提示する。この素子の電極は、望ましくはＮｉ／Ｉｎ／Ｍｏ／Ａｕの積層膜を熱処理して形成したものである。そして、電極とＧａＡｓ層との間にＩｎＧａＡｓからなる中間層をさらに備える。この中間層は、熱処理による境界面反応により形成される。

本発明による急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法は、２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔とを持つ急激な金属−絶縁体転移物質膜を形成する工程と、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜にコンタクトする２つの電極を形成する工程と、を含む。ここで、前記電極は、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜上に、ＮｉまたはＣｒで構成される第１層と、前記第１層上に形成されてＩｎで構成される第２層と、前記第２層上に形成されてＭｏまたはＷで構成される第３層と、前記第３層上に形成されてＡｕで構成される第４層と、を備える積層膜を形成する工程、及び前記積層膜を熱処理する工程を行って形成することを特徴とする。

前記熱処理工程で、またはその以後の高温過程で、前記積層膜の前記第１層と前記急激な金属−絶縁体転移物質膜との境界面反応を起こす工程をさらに含むことが望ましい。そして、前記積層膜の前記第２層と前記急激な金属−絶縁体転移物質膜とを反応させて、前記電極と前記急激な金属−絶縁体転移物質膜との間に前記急激な金属−絶縁体転移物質膜より小さなバンドギャップを持つ中間層を形成する工程をさらに含むことが望ましい。

前記積層膜の前記第１層ないし第４層それぞれは、電子ビーム蒸着で形成できる。そして、所望の電極パターンを得るために、前記積層膜をリフトオフ工程でパターニングする工程をさらに含むことができる。前記急激な金属−絶縁体転移物質膜はＧａＡｓ層で形成することが望ましいが、このＧａＡｓ層は、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）結晶成長方法で形成できる。

このように、本発明による急激な金属−絶縁体転移素子は、Ｎｉ（またはＣｒ）／Ｉｎ／Ｍｏ（またはＷ）／Ａｕの積層膜で形成された電極を備える。この電極は、コンタクト抵抗が低く、電流流入効率を高めることができ、高出力素子の駆動時に高温発熱反応による電極の熱的劣化を防止できる。したがって、このような電極を持つ急激な金属−絶縁体転移素子は電極破綻の問題がなく、これによる特性低下の問題がなくて信頼性が高い。

本発明による急激な金属−絶縁体転移素子は、電極破綻の問題がなく、これによる素子特性低下を防止できるので信頼性が優秀である。

本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下で開示される実施例に限定されるものではなく、相異なる多様な形態で具現され、単に本実施例は本発明の開示を完全にし、当業者に発明の範ちゅうを完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範ちゅうによってのみ定義されるものである。明細書全体にわたって同一参照符号は同一構成要素を称する。

第１実施例

図３は、本発明の第１実施例による急激な金属−絶縁体転移素子１００の断面図であり、水平構造の２端子スイッチング素子として具現された例を図示する。

図３を参照すれば、基板１０上に急激な金属−絶縁体転移物質膜２０が形成されている。図示したように、急激な金属−絶縁体転移物質膜２０は、基板１０の一部表面上にのみ配置されたものでありうる。基板１０と急激な金属−絶縁体転移物質膜２０との間にバッファ層（図示せず）がさらに配置されていることがある。このバッファ層は基板１０の全面に配置されている。

急激な金属−絶縁体転移物質膜２０は２ｅＶ以下のエネルギーギャップを持って正孔準位内の正孔を持つ物質からなる。急激な金属−絶縁体転移物質膜２０は、望ましくはＧａＡｓ層、すなわち、ｐ型ＧａＡｓ層からなる。この時の基板１０は、ｐ型ＧａＡｓ基板のような半絶縁性基板でありうる。

本明細書で急激な金属−絶縁体転移物質膜２０は、低濃度の正孔が添加される時に急激な金属−絶縁体転移を起こす物質からなる薄膜を意味する。例えば、低濃度の正孔が添加されたｐ型半導体、低濃度の正孔が添加されたｐ型酸化物半導体、半導体元素（III−V族、II−VI族）、遷移金属元素、希土類元素、ランタン系元素を含む低濃度の正孔が添加されたｐ型無機物化合物半導体、または低濃度の正孔が添加されたｐ型有機物半導体及び絶縁体などでありうる。ここで、低濃度というのはモットの基準（ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）から考えるが、正孔濃度ｎは、ほぼ（０．２／ａ_Ｈ）^３（ここで、ａ_Ｈはその物質でボーア半径（Ｂｏｈｒ ｒａｄｉｕｓ））で与えられる。例えば、エネルギーギャップが０．６ｅＶでありつつ正孔準位を持つＶＯ_２に対して、正孔濃度は、ほぼｎ＝０．００１８％程度であって約ｎ＝３ｘ１０^１８ｃｍ^−３である。また他の例は、エネルギーギャップが１．４５ｅＶ程度でありつつ正孔準位を持つｐ型ＧａＡｓに対して、正孔濃度は、ほぼｎ＝０．００１％程度であって約ｎ＝１ｘ１０^１４ｃｍ^−３である。

このような急激な金属−絶縁体転移物質膜２０を形成できる基板１０としては特別な制限がないが、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ＧａＡｓ、Ａｌ_２Ｏ_３、プラスチック、ガラス 、Ｖ_２Ｏ_５、ＰｒＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ_３、ＮｂがドーピングされたＳｒＴｉＯ_３、または絶縁膜上のシリコン（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ：ＳＯＩ）基板を使用できる。バッファ層は、基板１０上に急激な金属−絶縁体転移物質膜２０がよく成長するように配置されるものであり、図示したように省略されてもよい。周知の意味のように、バッファ層は、基板１０と急激な金属−絶縁体転移物質膜２０との間の格子整合をなしうる物質、例えば、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４膜で形成される。

急激な金属−絶縁体転移物質膜２０には、２つの電極、例えば、第１電極と第２電極、すなわち、ソース電極３０とドレイン電極４０とがコンタクトされている。ソース電極３０とドレイン電極４０とは、急激な金属−絶縁体転移物質膜２０上で一定間隔、すなわち、チャンネル長さほど相互離隔して配置されている。

ソース電極３０とドレイン電極４０それぞれは、図３のＡ部分を図４に拡大図示したような積層膜を熱処理して形成したものである。図４は、ソース電極３０を拡大図示したものであるが、ドレイン電極４０も同じ構成を持つ。

図４を参照すれば、ソース電極３０は、基板１０と急激な金属−絶縁体転移物質膜（図３の２０）上に形成され、ＮｉまたはＣｒを含む第１層２２と、第１層２２上に形成されてＩｎを含む第２層２４と、第２層２４上に形成されてＭｏまたはＷを含む第３層２６と、第３層２６上に形成されてＡｕを含む第４層２８とで形成された積層膜を熱処理して形成したものである。最も望ましい積層膜の例は、Ｎｉ／Ｉｎ／Ｍｏ／Ａｕである。

ここで、ソース電極３０とドレイン電極４０とを構成するＮｉ（またはＣｒ）／Ｉｎ／Ｍｏ（またはＷ）／Ａｕの金属層の各役割について説明する。

コンタクト抵抗を低めるために導入されたＮｉ（またはＣｒ）を含む第１層２２は、望ましくは、ＧａＡｓからなる急激な金属−絶縁体転移物質膜２０とコンタクトされる第１のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）コンタクト用金属層である。それだけでなく、金属蒸着後にオーミックコンタクトを得るための高温熱処理過程で金属とＧａＡｓ層との境界面反応を誘導できる反応性物質層である。Ｎｉ（またはＣｒ）を含む第１層２２を蒸着すれば、ソース電極３０及びドレイン電極４０と、望ましくはＧａＡｓからなる急激な金属−絶縁体転移物質膜２０の表面との間の熱拡散が可能になる。このように境界面反応を通じて高温の熱的反応温度（すなわち、高融点）を持つＮｉＧａ化合物を形成することによって、素子高温動作時にも熱的に安定化する役割を行う。

Ｉｎを含む第２層２４は、望ましくはＧａＡｓからなる急激な金属−絶縁体転移物質膜２０とコンタクトされる第２の金属層であり、オーミックコンタクトのための金属層である。また、Ｉｎは、高温熱処理過程で第１層２２下のＧａＡｓからなる 急激な金属−絶縁体転移物質膜２０に拡散して、大きいバンドギャップを持つＧａＡｓ層と境界面反応を起こして、ＧａＡｓ層より小さなバンドギャップを持つＩｎＧａＡｓ層を金属−絶縁体転移物質膜２０と電極との間に形成する。これで、ＧａＡｓ層とソース及びドレイン電極３０、４０との間のポテンシャルバリアを低くして素子特性を極大化する役割を行うことができる。すなわち、Ｉｎは、金属層とＧａＡｓ層の中間のバンドギャップを持つ新たな化合物を生成してポテンシャルバリアを低くすることによって電流流入効率を高める。一般的に、ＧａＡｓのような化合物半導体を利用した素子製作において、大きいバンドギャップ物質であるＧａＡｓ層と電流流入のために組成される電極との間には相異なるバンドギャップサイズから来るバンドギャップオフセット、すなわち、ポテンシャルバリアが存在する。素子動作のために電流を流入させる場合、このポテンシャルバリアによって円滑な電流流入がなされずにＧａＡｓ層と電極との間に大きい電圧消耗が起きる。これは、結局素子の駆動電圧を高めてＧａＡｓのような化合物半導体を利用した素子の動作効率を低める問題点を持っている。しかし、本発明のようにＩｎを含む第２層２４を利用すれば、ＧａＡｓ層より小さなバンドギャップを持つＩｎＧａＡｓ層を形成してポテンシャルバリアを低くするので、素子電流流入が円滑に行われる。したがって、望ましくは、ＧａＡｓからなる急激な金属−絶縁体転移物質膜２０とソース及びドレイン電極３０、４０との間に大きい電圧消耗がない。このように、本発明による急激な金属−絶縁体転移素子のソース及びドレイン電極３０、４０にはＩｎを含む第２層２４を備えるので、ソース及びドレイン電極３０、４０と急激な金属−絶縁体転移物質膜２０との間に急激な金属−絶縁体転移物質膜２０より小さなバンドギャップを持つ中間層（図示せず）をさらに備えることができる。

Ｍｏ（またはＷ）を含む第３層２６は、望ましくは、ＧａＡｓからなる急激な金属−絶縁体転移物質膜２０とコンタクトされる第３の金属層である。Ｍｏ（またはＷ）は、第２層２４のＩｎと第４層２８のＡｕとの間に導入されて、高出力素子駆動時に高温動作過程でＡｕの熱拡散によるオーミック特性抵抗を防止する役割を行う。また、高融点を持つために、高出力素子の駆動時に熱的劣化による電極破綻を防止できる。

Ａｕを含む第４層２８は、望ましくは、ＧａＡｓからなる急激な金属−絶縁体転移物質膜２０とコンタクトされる第４の金属層である。Ａｕはワイヤーボンディング（ｗｉｒｅｂｏｎｄｉｎｇ）のために電極材料最も上部層に蒸着される。Ａｕは基本的にＧａＡｓ層に対して電流流入効率が低いショットキー（ｓｃｈｏｔｔｋｙ）特性を持つ。ところが、Ａｕが高温熱処理過程時下部のオーミック特性を持つＮｉ及びＩｎ方向に熱拡散によって流入される場合、低抵抗特性低下を起こしてオーミック特性の低下をもたらす。前述のように、第３層２６は、このような熱拡散を防止する。

このように、本発明ではバンドギャップリエンジニアリングによって低抵抗オーミックコンタクトを得ることができ、高温での動作時にも、熱的劣化による電極材料変形のない安定したオーミック電極形成が可能になる。

再び図３を参照して、このような構造の急激な金属−絶縁体転移素子１００の動作を説明すれば、ソース電極３０とドレイン電極４０とに一定サイズのバイアスを印加すれば、ソース電極３０とドレイン電極４０との間の急激な金属−絶縁体転移物質膜２０の両端に一定サイズの電界が形成される。この電界により、急激な金属−絶縁体転移物質膜２０内の正孔準位にある正孔が価電子帯（ｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ）に注入される正孔ドーピング現象が発生する。正孔ドーピング現象が発生するにつれて急激な金属−絶縁体転移物質膜２０が絶縁体から金属に転移し、その結果、ソース電極３０とドレイン電極４０との間に多くの電流が流れる。

ところが、本発明による急激な金属−絶縁体転移素子１００のソース電極３０とドレイン電極４０とは、電極破綻を防止するために高融点を持つＭｏ（またはＷ）を含む第３層２６を、オーミックコンタクトのためのＮｉ（またはＣｒ）を含む第１層２２とＩｎを含む第２層２４、及びワイヤーボンディングのためのＡｕを含む第４層２８との間に導入したものであるので、高電流 、高出力動作時にもＡｕの熱拡散によってＮｉ、Ｉｎなどの下部層の低抵抗特性が低下する問題及び劣化発生の問題がない。

次いで、図５ないし図７を参照して、水平構造の２端子スイッチング素子の急激な金属−絶縁体転移素子１００の製造方法を説明する。

まず図５のように、基板１０、望ましくは、ｐ型ＧａＡｓ基板を準備する。

次いで、図６のように、基板１０上に急激な金属−絶縁体転移半導体物質、望ましくは、ｐ型ＧａＡｓ層を蒸着しパターニングして急激な金属−絶縁体転移物質膜２０を形成する。ＧａＡｓ層は、ＭＢＥ結晶成長方法で蒸着できる。ＧａＡｓ層上にフォトレジスト膜をスピンコータ（ｓｐｉｎ−ｃｏａｔｅｒ）で塗布し、Ｃｒマスクを利用したフォトリソグラフィ工程を行ってパターニングする。エッチング方法としてはＲＦイオンミーリング法を使用でき、このようなパターニング工程を経れば、図６のようにアイソレーションされた急激な金属−絶縁体転移物質膜２０を形成できる。ここで、基板１０上に急激な金属−絶縁体転移半導体物質を蒸着する前にバッファ層を形成する工程をさらに行ってもよい。

次いで、図７のように、金属−絶縁体転移物質膜２０上に相互対向しつつ離隔して配置されるようにソース電極３０とドレイン電極４０とを形成する。このために、図４を参照して説明したように、ＮｉまたはＣｒを含む第１層、Ｉｎを含む第２層、ＭｏまたはＷを含む第３層及びＡｕを含む第４層で形成された積層膜を形成する。第１層ないし第４層それぞれは、電子ビーム蒸着法を利用して蒸着する。次いで、リフトオフ工程を利用してパターニングして、チャンネル領域として使われる急激な金属−絶縁体転移物質膜２０の一部表面を露出させ、この露出部分の両側に相互対向しつつ離隔して配置されるように、ソース電極３０とドレイン電極４０の形態を形成する。以後、オーミックコンタクトのための高温熱処理を進めて必要な境界面反応を誘導する。

第２実施例

図８は、本発明の第２実施例による急激な金属−絶縁体転移素子２００の断面図であり、垂直構造の２端子スイッチング素子として具現された例を図示する。

図８を参照すれば、基板１１０上に第１電極１３０、急激な金属−絶縁体転移物質膜１２０及び第２電極１４０が順次に積層される構造を持つ。すなわち、２つの電極のうち、第１電極、例えば、ソース電極１３０は、急激な金属−絶縁体転移物質膜１２０の下面に配置されており、２つの電極のうち、第２電極、例えば、ドレイン電極１４０は、急激な金属−絶縁体転移物質膜１２０の上面に配置されている。

このような金属−絶縁体転移素子２００の動作は、急激な金属−絶縁体転移物質膜１３０が金属に転移されて流れる電流の方向が、基板１１０に垂直方向であるという点を除いては、図３ないし図７を参照して説明した水平構造の２端子スイッチング素子である急激な金属−絶縁体転移素子１００と同一である。第１電極１３０、急激な金属−絶縁体転移物質膜１２０及び第２電極１４０の積層順序を除いては、その製造方法も前述 した急激な金属−絶縁体転移素子１００の製造方法と同一である。

第３実施例

図９は、本発明の第３実施例による急激な金属−絶縁体転移素子３００のレイアウトであり、図１０は、図９のＸ−Ｘ’線の切断線に対応して示す断面図である。本実施例で急激な金属−絶縁体転移素子３００は、３端子スイッチング素子である。

図９及び図１０を参照すれば、基板２１０上に急激な金属−絶縁体転移物質膜２２０が形成されている。図９のように、急激な金属−絶縁体転移物質膜２２０は、基板２１０の一部表面上にのみ方形に配置されてもよい。急激な金属−絶縁体転移物質膜２２０には２つの電極、例えば、第１電極と第２電極、すなわち、ソース電極２３０とドレイン電極２４０とがコンタクトされている。ソース電極２３０とドレイン電極２４０とは、急激な金属−絶縁体転移物質膜２２０上で一定間隔、すなわち、チャンネル長ほど相互離隔して配置されている。

ソース電極２３０は、急激な金属−絶縁体転移物質膜２２０の左側側面と一部表面とに接着される。ドレイン電極２４０は、急激な金属−絶縁体転移物質膜２２０の右側側面と一部表面とに接着される。

以上のような急激な金属−絶縁体転移物質膜２２０、ソース電極２３０及びドレイン電極２４０との構造及び形成方法は、前述した急激な金属−絶縁体転移素子１００と同一ないし類似している。

このように形成されたソース電極２３０とドレイン電極２４０、急激な金属−絶縁体転移物質膜２２０、そして基板２１０の一部の表面上に、図１０のようにゲート絶縁膜２５０が形成される。ゲート絶縁膜２５０としては、誘電率がほぼ４３であるＢａ_０．５Ｓｒ_０．５ＴｉＯ_３（ＢＳＴ）誘電体膜を使用できるが、これに限定されない。ゲート絶縁膜２５０として、ＢＳＴ誘電体膜の代りに他の誘電体膜、例えば、Ｔａ_２Ｏ_５のような高誘電率誘電体膜、またはＳｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯ_２誘電体膜のような一般的な絶縁特性を持つゲート絶縁膜を使用してもよい。ゲート絶縁膜２５０上にはさらに他の電極、すなわち、ゲート電極２６０が形成される。ゲート電極２６０も、Ｎｉ（またはＣｒ）を含む第１層／Ｉｎを含む第２層／Ｍｏ（またはＷ）を含む第３層／Ａｕを含む第４層で形成された積層膜を熱処理して形成することが望ましい。このようなゲート電極２６０の形成方法は、ソース電極２３０とドレイン電極２４０の形成方法と同一である。すなわち、第１実施例でのソース電極３０とドレイン電極４０の形成方法をそのまま利用できる。

このように、本発明による急激な金属−絶縁体転移素子は、水平構造の２端子スイッチング素子、垂直構造の２端子スイッチング素子及び３端子スイッチング素子として多様に具現でき、Ｎｉ（またはＣｒ）／Ｉｎ／Ｍｏ（またはＷ）／Ａｕの積層膜で形成された電極を少なくとも２つ備える 。この電極は、コンタクト抵抗が低く、電流流入効率を高めることができ、高出力素子の駆動時に高温発熱反応による電極の熱的劣化を防止できる。したがって、電極破綻の問題がなく、これによる特性低下がなく、信頼性が高い。

本発明に関するさらに詳細な内容は、次の具体的な実験例を通じて説明し、ここに記載されていない内容は当業者ならば十分に技術的に類推できるものであるため、その説明を省略する。また、次の実験例は、本発明を制限しようとするものではない。

実験例

図３ないし図７を参照して、前記の第１実施例で説明したような水平構造の２端子スイッチング素子を製作した。

まず、基板１０としてｐ型ＧａＡｓ基板を準備し、その上に急激な金属−絶縁体転移物質膜２０としてｐ型ＧａＡｓ層を厚さ３５０nmになるようにＭＢＥ結晶成長方法で成長させた。次いで、ＲＦイオンミーリング法でエッチングして素子アイソレーション領域を製作した。次いで、電極形成のための積層膜の第１層２２／第２層２４／第３層２６／第４層２８として厚さがそれぞれ２５nm 、２０nm、５０nm及び２００nmのＮｉ／Ｉｎ／Ｍｏ／Ａｕ薄膜を電子ビーム蒸着法を利用して蒸着した後、リフトオフ工程を利用してソース電極とドレイン電極とのパターンで形成した。この時、チャンネルの長さと幅はそれぞれ５μm、１０μmとした。

前記の工程を経て製作した素子で、チャンネル層であるＧａＡｓ層に電圧印加による電流流入がなされるにつれてＧａＡｓ層内部に正孔の誘起が起き、その時、ＧａＡｓ層では急激な金属−絶縁体転移現象が起きてＧａＡｓ層が金属になって、莫大な量の電流が流れる伝導性チャンネルが形成された。

あらゆる条件は前記と同一にし、ソース及びドレイン電極のみ従来のＣｒ／Ａｕからなる水平構造の２端子スイッチング素子も比較例として製作した。

図１１は、多様な駆動電流による急激な金属−絶縁体転移素子の電流−電圧特性曲線である。図面で−△−、−○−、−□−は駆動電流がそれぞれ３、１０、１５ｍＡである場合を表す。図１１を参照すれば、比較例の場合、３ｍＡ程度の駆動電流でも電極破綻が起きて使われなくなるが、本発明の場合には、１５ｍＡの高い駆動電流でも電極破綻がおきず、“Ｂ”で表示したようにＣｕｒｒｅｎｔ−ｊｕｍｐが起きる。したがって、本発明のようにＮｉ／Ｉｎ／Ｍｏ／Ａｕの積層膜で形成された電極を備える場合に、高い駆動電流を使用しても問題のない高出力の急激な金属−絶縁体転移素子として具現されるということが分かる。

図１２は、本発明と比較例による急激な金属−絶縁体転移素子のコンタクト抵抗測定のためのＴＬＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）パターンである。図１２のように、コンタクト抵抗測定のためのＴＬＭパターンＰは、二パターン間の間隔をそれぞれ１０、１５、２０、２５μmとし、パターン幅は１００μmとして製作した。

図１３及び図１４は、それぞれ本発明と比較例とによる急激な金属−絶縁体転移素子に対して、２つの電極間を流れる電流量を測定したグラフである。各グラフで−□−、−○−、−△−、−▽−は、ＴＬＭパターン間隔がそれぞれ１０、１５、２０、２５μmである場合を表す。

図１３を見れば、本発明の場合、ＴＬＭパターン間隔が１０μmである時（−□−）に２５Ｖのドレイン電圧で１５０μAのドレイン電流を得ることができる。ところが、図１４を見れば、比較例の場合、ＴＬＭパターン間隔が１０μmである時（−□−）に同じ２５Ｖのドレイン電圧で５０μAのドレイン電流を得ることができる。したがって、同じ電圧を印加しても本発明の場合が比較例より３倍以上電流が増加する効果があるということが確認できる。これは、本発明でチャンネル層であるＧａＡｓ層に接する最初の金属としてＮｉとＩｎとを使用することによって、既存のＣｒ／Ａｕを使用する場合より、電極とＧａＡｓ層表面との間のコンタクト抵抗が低くなったためである。

図１５及び図１６はそれぞれ、本発明と比較例とによる急激な金属−絶縁体転移素子に対して信頼性を評価したグラフである。本発明の場合電流流入量を約５×１０^５Ａ／cm² 程度として数十回以上反復測定しても電極破綻されなかった。図１５は、５回連続測定結果を図示する。グラフで−◇−、−▽−、−△−、−○−、−□−は、それぞれ１回、２回、３回、４回、５回目の測定結果を表す。そして、図１７は、本発明による急激な金属−絶縁体転移素子を、図１５のように５回連続測定した後に撮影した電極パターンのＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真であり、劣化による電極破壊がないことを表す。ところが、比較例の 場合には、図１６のように２回測定時に劣化による電極破綻が発生して短絡された。このように、本発明の場合に信頼性がさらに高いということが確認できるが、これは、本発明に利用された電極に高融点を持つＭｏ、Ｗなどを使用したためである。

次いで、図１８及び図１９は、それぞれ本発明と比較例とによる急激な金属−絶縁体転移素子に対する動作特性を示すグラフである。図１８から分かるように、本発明の場合にコンタクト抵抗を低めることによって駆動開始電圧（Ｔｕｒｎ−Ｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ：Ｖ_ｔ）が１０．２Ｖ程度に低くなった。ところが、比較例の場合は、図１９から分かるようにＶ_ｔが２３．５Ｖ程度である。したがって、本発明の場合にＶ_ｔを１０Ｖ以上低減できるということが分かる。これは、電力消費が小さく、かつ高出力を持つ高効率のスイッチング素子具現が可能であるということを意味する。

本発明による急激な金属−絶縁体転移素子は、Ｎｉ（またはＣｒ）／Ｉｎ／Ｍｏ（またはＷ）／Ａｕの積層膜で形成された電極を備える。この電極は低抵抗高耐圧という特性を持つ。

すなわち、このような電極はコンタクト抵抗が低くて電流流入効率を高めることができるので、これを備えた急激な金属−絶縁体転移素子の電流利得が良い。そして、高出力素子の駆動時に高温発熱反応による電極の熱的劣化を防止できて、このような電極を備えた急激な金属−絶縁体転移素子は熱的に安定している。

以上、本発明を望ましい実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、当業者によって色々な多くの変形が可能であるということは明らかである。

本発明は、相転移物質を利用したメモリ素子関連の技術分野に好適に用いられる。

急激な金属−絶縁体転移素子の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性曲線である。 急激な金属−絶縁体転移素子で劣化によるソース−ドレイン電極破綻を示すＳＥＭ写真である。 本発明の第１実施例による急激な金属−絶縁体転移素子の断面図である。 図３のＡ部分を拡大図示した図面である。 本発明の第１実施例による急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法を説明するための工程ステップ別斜視図である。 本発明の第１実施例による急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法を説明するための工程ステップ別斜視図である。 本発明の第１実施例による急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法を説明するための工程ステップ別斜視図である。 本発明の第２実施例による急激な金属−絶縁体転移素子の断面図である。 本発明の第３実施例による急激な金属−絶縁体転移素子のレイアウトである。 図９のＸ−Ｘ’線の切断線に対応して示す断面図である。 多様な駆動電流による急激な金属−絶縁体転移素子の電流−電圧特性曲線である。 本発明と比較例とによる急激な金属−絶縁体転移素子のコンタクト抵抗測定のためのＴＬＭパターンである。 本発明による急激な金属−絶縁体転移素子に対して２つの電極間を流れる電流量を測定したグラフである。 比較例による急激な金属−絶縁体転移素子に対して２つの電極間を流れる電流量を測定したグラフである。 本発明による急激な金属−絶縁体転移素子に対して信頼性を評価したグラフである。 比較例による急激な金属−絶縁体転移素子に対して信頼性を評価したグラフである。 本発明による急激な金属−絶縁体転移素子を図１５のように５回連続測定した後に撮影した電極パターンのＳＥＭ写真であり、劣化による電極破壊なしを示す。 本発明による急激な金属−絶縁体転移素子に対して動作特性を示すグラフである。 比較例による急激な金属−絶縁体転移素子に対して動作特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ 基板
２０ 金属−絶縁体転移物質膜
３０ ソース電極
４０ ドレイン電極
１００ 金属−絶縁体転移素子

Claims (19)

1. ２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔を持つ急激な金属−絶縁体転移物質膜と、
   前記急激な金属−絶縁体転移物質膜にコンタクトする２つの電極と、を備え、
   前記電極は、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜上に形成されてＮｉまたはＣｒを含む第１層と、前記第１層上に形成されてＩｎを含む第２層と、前記第２層上に形成されてＭｏまたはＷを含む第３層と、前記第３層上に形成されてＡｕを含む第４層とで形成された積層膜を熱処理して形成されているとともに、
   前記急激な金属−絶縁体転移物質膜は、ＧａＡｓで形成される、
   ことを特徴とする急激な金属−絶縁体転移素子。
2. 前記電極と前記急激な金属−絶縁体転移物質膜との間に、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜より小さなバンドギャップを持つ中間層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の急激な金属−絶縁体転移素子。
3. 前記２つの電極のうち、第１電極は、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜の下面に配置されており、前記２つの電極のうち、第２電極は、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜の上面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の急激な金属−絶縁体転移素子。
4. 前記２つの電極は、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜上で相互対向しつつ離隔されるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の急激な金属−絶縁体転移素子。
5. 前記２つの電極上に、
   ゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記２つの電極間の前記急激な金属−絶縁体転移物質膜上に配置されているさらに一つの電極と、をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の急激な金属−絶縁体転移素子。
6. 前記また一つの電極は、前記ゲート絶縁膜上に形成されてＮｉまたはＣｒを含む第１層と、前記第１層上に形成されてＩｎを含む第２層と、前記第２層上に形成されてＭｏまたはＷを含む第３層と、前記第３層上に形成されてＡｕを含む第４層とで形成された積層膜を熱処理して形成したことを特徴とする請求項５に記載の急激な金属−絶縁体転移素子。
7. ＧａＡｓからなる急激な金属−絶縁体転移物質膜と、
   前記急激な金属−絶縁体転移物質膜上で相互対向しつつ離隔されるように配置されている２つの電極を備え、
   前記電極は、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜上に形成されてＮｉまたはＣｒを含む第１層と、前記第１層上に形成されてＩｎを含む第２層と、前記第２層上に形成されてＭｏまたはＷを含む第３層と、前記第３層上に形成されてＡｕを含む第４層とで形成された積層膜を熱処理して形成したことを特徴とする急激な金属−絶縁体転移素子。
8. 前記電極と前記急激な金属−絶縁体転移物質膜との間に、ＩｎＧａＡｓからなる中間層をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の急激な金属−絶縁体転移素子。
9. ２ｅＶ以下のエネルギーギャップと正孔準位内の正孔を持つ急激な金属−絶縁体転移物質膜を形成する工程と、
   前記急激な金属−絶縁体転移物質膜にコンタクトする２つの電極を形成する工程と、を含み、
   前記電極を形成する工程は、
   前記急激な金属−絶縁体転移物質膜上に、ＮｉまたはＣｒで構成される第１層と、前記第１層上に形成されてＩｎで構成される第２層と、前記第２層上に形成されてＭｏまたはＷで構成される第３層と、前記第３層上に形成されてＡｕで構成される第４層と、を備える積層膜を形成する工程と、
   前記積層膜を熱処理する工程と、を含んでいるとともに、
   前記急激な金属−絶縁体転移物質膜は、ＧａＡｓ層で形成される、
   ことを特徴とする急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法。
10. 前記積層膜の前記第１層ないし第４層それぞれは、電子ビーム蒸着で形成することを特徴とする請求項９に記載の急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法。
11. 前記積層膜をリフトオフ工程でパターニングする工程をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法。
12. 前記ＧａＡｓ層は、ＭＢＥ結晶成長方法で形成することを特徴とする請求項９に記載の急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法。
13. 前記積層膜の前記第２層と前記急激な金属−絶縁体転移物質膜とを反応させて、前記電極と前記急激な金属−絶縁体転移物質膜との間にＩｎＧａＡｓからなる中間層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法。
14. 前記積層膜の前記第１層と前記急激な金属−絶縁体転移物質膜との境界面反応を起こす工程をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法。
15. 前記積層膜の前記第２層と前記急激な金属−絶縁体転移物質膜とを反応させて、前記電極と前記急激な金属−絶縁体転移物質膜との間に前記急激な金属−絶縁体転移物質膜より小さなバンドギャップを持つ中間層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法。
16. 前記２つの電極のうち、第１電極は、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜の下面に配置されるように形成し、前記２つの電極のうち、第２電極は、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜の上面に配置されるように形成することを特徴とする請求項９に記載の急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法。
17. 前記２つの電極は、前記急激な金属−絶縁体転移物質膜上で相互対向しつつ離隔して配置されるように形成することを特徴とする請求項９に記載の急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法。
18. 前記２つの電極上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記ゲート絶縁膜上に前記２つの電極間の前記急激な金属−絶縁体転移物質膜上に配置されているまた一つの電極を形成する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法。
19. 前記さらに一つの電極を形成する工程は、
    前記ゲート絶縁膜上にＮｉまたはＣｒで構成される第１層と、前記第１層上に形成されてＩｎで構成される第２層と、前記第２層上に形成されてＭｏまたはＷで構成される第３層と、前記第３層上に形成されてＡｕで構成される第４層と、を備える積層膜を形成する工程と、
    前記積層膜を熱処理する工程と、を含むことを特徴とする請求項１７に記載の急激な金属−絶縁体転移素子の製造方法。