JP6120340B2 - 異種材料接合を有する半導体デバイス - Google Patents
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Description
また結晶シリコンデバイスではソース、ドレイン等のトランジスタのpn接合はシリコン基板にイオン注入と高温熱処理、またはエピタキシャル成長等の800℃以上の高温製造技術が適用されてきた。
具体的には以下(1)〜(9)の手段による。
ただし前記所定の膜厚は、数式(1)による。
ここで空間電荷層とは価電子制御不純物から電子、正孔が離脱して価電子制御不純物が荷電状態になっている層、電子または正孔が半導体の中性状態より不足して存在するまたは過剰に存在する層を言う。この空間電荷層が前記第1表面と前記第2表面間に広がるための第1半導体薄膜の膜厚dは、
ε0:真空の誘電率
κ :第1半導体薄膜の比誘電率
φf:第1半導体薄膜のエネルギギャップの中央から測定したフェルミレべル
q :電子電荷
N :第1半導体薄膜の(価電子制御)不純物濃度。
この空間電荷層が形成される第1導電領域の電位は、該第1導電領域の仕事関数と該異種材料の仕事関数差、前記第1絶縁膜中に存在する電荷の量で変化する。例えば、該半導体薄膜がp形半導体の場合、該電荷が正電荷の場合は、該空間電荷層が形成される第1導電領域の電位は負方向へシフトする。
前記第2領域と前記第3領域間を前記第1半導体薄膜内または前記第1表面または前記第2表面を通って流れる電流は、前記第1導電性領域の電位により変化する。言い換えれば前記第2領域と第3領域間の抵抗値は第1導電性領域の電位により調節可能である。
したがって、第2領域と第3領域間の第1半導体薄膜に電界効果トランジスタなどのトランジスタ要素を組み込めば、第2領域、第3領域から該トランジスタ要素の電流を取り出すことが出来る。たとえば下記(2)の構成が提供できる。
該第2絶縁膜は,第1半導体薄膜が結晶シリコンの時、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、第1半導体薄膜がInGaAsの時、酸化アルミニウムなどが使われる。
ここで凸の形状とは円形、楕円形、多角形等、外側に凸部分を有する閉図形の一部である。
(4)前記断面外周のうち前記第2絶縁膜に覆われない部分の幅が前記第1半導体薄膜の厚さの2倍以下であることを特徴とする(3)記載の半導体デバイス。
前記断面の外周が前記第2絶縁膜および第2導電膜に覆われている前記第1半導体薄膜の凸形状の部分では、それ以外の部分より、前記第1半導体薄膜を通る電流の前記第2導電膜の電位による制御能力が向上する。したがって、それ以外の部分での前記第1半導体薄膜の抵抗値を第1導電性領域の電位により低く設定し、第2導電膜の電位による凸形状の部分の第1半導体薄膜の制御特性をより精度よくデバイス外部へ取り出すことができる。前記断面外周のうち前記第2絶縁膜に覆われない部分の幅は図11において「}14」で示されている。
第2多層膜は例えば第2導電膜側からシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜、酸化アルミニウム膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜、シリコン酸化膜/シリコン窒化膜などからなり、第2導電膜と第1半導体膜との間に電圧を印加することにより電子情報を記憶させることが出来る。
第2多層膜は2層膜でも記憶機能を発現させることが出来る。
(7)更に支持基板が設けられ、前記第1導電性領域は該支持基板上に電気的に分離されて設けられていることを特徴とする(1)記載の半導体デバイス。
「電気的に分離」とは該支持基板が半導体基板の場合は該支持基板と整流接合を形成して、該整流接合が逆バイアスされる電位関係では前記第1導電性領域は該整流接合の耐圧の範囲で任意の電位をとりうる状態を言う。更に該支持基板上に第3絶縁膜を設け絶縁性支持基板とし、該第3絶縁膜上に接して前記第1導電性領域が設けられ、該第3絶縁膜の耐圧の範囲で第1導電性領域は任意の電位をとることが出来る。
(8)前記第2領域および前記第3領域はアルミニウム薄膜であることを特徴とする(1)記載の半導体デバイス。
(9)前記第2領域および前記第3領域は金属と水素化アモルファスシリコンの2層膜で、該水素化アモルファスシリコンが第1半導体薄膜に接していることを特徴とする(1)記載の半導体デバイス。
(7)更に支持基板が設けられ、前記第1導電性領域は該支持基板上に電気的に分離されて設けられていることを特徴とする(1)記載の半導体デバイス。
「電気的に分離」とは該支持基板が半導体基板の場合は該支持基板と整流接合を形成して、該整流接合が逆バイアスされる電位関係では前記第1導電性領域は該整流接合の耐圧の範囲で任意の電位をとりうる状態を言う。更に該支持基板上に第3絶縁膜を設け絶縁性支持基板とし、該第3絶縁膜上に接して前記第1導電性領域が設けられ、該第3絶縁膜の耐圧の範囲で第1導電性領域は任意の電位をとることが出来る。
(8)前記第2領域および前記第3領域はアルミニウム薄膜であることを特徴とする(1)記載の半導体デバイス。
(9)前記第2領域および前記第3領域は金属と水素化アモルファスシリ5コンの2層膜で、該水素化アモルファスシリコンが第1半導体薄膜に接し該2層膜で整流性接合を形成していることを特徴とする(1)記載の半導体デバイス。
図1は本発明の第1実施形態例の断面図である。10は第1半導体薄膜、11は該第1半導体薄膜の第1表面、12は該第1半導体薄膜の第2表面、20は第2領域、30は第3領域、100は第1導電性領域、101は該第1導電性領域の第1表面、102は該第1導電性領域の第2表面、110は該第1導電性領域の該第1表面に設けた第1絶縁膜で、該第1絶縁膜に該第1半導体薄膜がその第1表面で接して設けられている。
これらの第2および第3領域材料は電子ビーム蒸着、低温CVD、スパッタなど低温で第1半導体薄膜上に形成することが出来る。
この比例関係は第1導電性領域100の電位V1により増減された電流通路(第1半導体薄膜10内または表面の)のキャリア数が電流電圧特性を決めている場合に現れるが、本実施例1の半導体デバイスはこの原理により動作していないことがわかる。とすると、図2の電流電圧特性から、第3領域と第1半導体薄膜との接合のバリア高さまたはバリア厚をV1が変化させた結果電流がV1の値により増減していると考えられる。このためには第1半導体薄膜の第1表面から第3領域の接する第2表面にいたる部分で第1半導体薄膜が空間電荷層を形成している必要があり、ハードウエア構造は類似であるが、電子構造は従来のいわゆる絶縁ゲート電界効果トランジスタとは異なるトランジスタである。
上記半導体薄膜の材料の誘電率(この場合、シリコンで誘電率は1.06E-12(Farad/cm))、導電形、抵抗率を用いて(1)式からdの上限を計算すると500nmとなるので、25nm厚の第1半導体薄膜は第1半導体薄膜内全体に空間電荷層が作られる条件を満たしている。したがって第1導電領域の電位V1または第1絶縁膜内の電荷量により第1表面に形成されたバリアの高さを制御することが出来る。
上記半導体薄膜の材料の誘電率(この場合、シリコンで誘電率は1.06E-12(Farad/cm))、導電形、抵抗率を用いて(1)式からdの上限を計算すると500nmとなるので、35nm厚の第1半導体薄膜は第1半導体薄膜内全体に空間電荷層が作られる条件を満たしている。したがって第1導電領域の電位V1または第1絶縁膜内の電荷量により第1表面に形成されたバリアの高さを制御することが出来る。
上記半導体薄膜の材料の誘電率(この場合、シリコンで誘電率は1.06E-12(Farad/cm))、導電形、抵抗率を用いて(1)式からdの上限を計算すると500nmとなるので、70nm厚の第1半導体薄膜は第1半導体薄膜内全体に空間電荷層が作られる条件を満たしている。したがって第1導電領域の電位V1または第1絶縁膜内の電荷量により第1表面に形成されたバリアの高さを制御することが出来る。
22/21、32/31の構造としてニッケル/クロム、アルミニウム/水素化アモルファスシリコンなどの材料の組み合わせを用いることが出来る。
パッシベーション膜15には水素化アモルファスシリコン系薄膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化アルミニウムなどを用いることが出来る。
水素化アモルファスシリコン薄膜は荷電子制御用不純物の添加をせず、室温に近い温度で製膜した。
第2絶縁膜としては酸化アルミニウム、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化ハフニウムなど高誘電率膜が用いられる。必要に応じて第1半導体薄膜との界面にバッファー層を設ける。
第2導電膜はアルミニウム、TiNなどが用いられる。
図9はこの第5実施例の半導体デバイスの電流電圧特性である。電流I23、電圧V23は第2領域、第3領域から取り出されているが、第2導電膜の電位V2が変化するにしたがって、電流が変化している。この電流変化は第2導電膜下のトランジスタ要素の特性が現れている。なお、第1導電性領域の電位V1は0V一定としている。
第2表面12は、図11において点線の囲み13で示される部分で該第1方向を軸として前記第1半導体薄膜10の一部を囲む形状を有する。図11には2−2と記された二点鎖線で点線の囲み13で示される部分が切断された断面図も同時に示されている。その部分での前記第1半導体薄膜の第1方向と直交する断面の外周は外に凸の形状を有している。図11ではこの断面形状は台形であるが、該凸の形状は円形、楕円形、多角形等任意の閉図形の一部である。第2表面12は該点線の囲み13で示される部分で第1半導体薄膜をすべて囲んだ構造でもよい。図11の実施様態の場合は、「}14」で示されている台形の底面は第2表面が第1半導体薄膜を囲んでいないので「一部を囲む」と記述しているが、該点線の囲み部分13で第1半導体薄膜10を第1絶縁膜110、第1導電性領域100と離間させ、第2表面で第1半導体薄膜のすべてを囲む構造とすることも出来る。
また、本発明の低温技術により、ガラス基板、有機フレキシブル基板上のディスプレイ回路またはセンサ回路に制御、メモリ機能を搭載することが出来る。
2←→2 上記第1方向と直交する方向で、第1半導体薄膜を切断する線
10 第1半導体薄膜
11 第1半導体薄膜の第1表面
12 第1半導体薄膜の第2表面
13 第1半導体薄膜の閉図形の一部の断面を有する部分
15 パッシベーション膜
20 第2領域
21 第2領域の一部
22 第2領域の一部
30 第3領域
31 第3領域の一部
32 第3領域の一部
100 第1導電性領域
101 第1導電性領域の第1表面
102 第1導電性領域の第2表面
103 第1導電性領域と半導体基板の接合
110 第1絶縁膜
120 第2絶縁膜
120 第2多層膜
121 第2多層膜の第1層
122 第2多層膜の第2層
123 第2多層膜の第3層
130 第2導電膜
200 絶縁性支持基板
201 導電性基板の第1表面
210 第3絶縁膜
220 導電性支持基板
230 半導体基板
Claims (9)
- 第1導電性領域と、該第1導電性領域に接して設けられた第1絶縁膜と、第1表面と第2表面を有し所定の膜厚を有する第1半導体薄膜と、該第1半導体薄膜と異種材料の第2領域と、該第1半導体薄膜と異種材料の第3領域と、該第1半導体薄膜は該第1表面で該第1絶縁膜と接して設けられ、該第2領域と該第3領域は互いに離間して該第2表面で該第1半導体薄膜と接して設けられ、該第2表面と該第2領域が接する部分でまたは該第2表面と該第3領域が接する部分で該第2表面は該第1表面と対向し且つ該第1導電性領域は該第1表面と対向し、該第1表面と該第2表面間に亘って該第1半導体薄膜に形成された空間電荷層から少なくとも構成され、該第2領域と該第3領域間に電圧を印加すると該第1導電性領域の電位により該第2領域と該第3領域間の電流が変化することを特徴とする半導体デバイス。
ただし前記所定の膜厚は、
ε 0 :真空の誘電率
κ :第1半導体薄膜の比誘電率
φ f :第1半導体薄膜のエネルギギャップの中央から測定したフェルミレべル
q :電子電荷
N :第1半導体薄膜の(価電子制御)不純物濃度、
として、次の数式を満たすものとする。
- 請求項1記載の半導体デバイスにおいて、前記第2領域と前記第3領域間の前記第1半導体薄膜の前記第2表面に設けられた第2絶縁膜と、該第2絶縁膜に接して、かつ前記第2領域、前記第3領域と離間して設けられた第2導電膜とから、更に構成され、前記第1導電性領域の電位が一定の場合でも、前記第2導電膜の電位が変化すると前記第2領域と第3領域間の電流が変化することを特徴とする請求項1記載の半導体デバイス。
- 前記第2表面と前記第2絶縁膜と前記第2導電膜は前記第1半導体薄膜の延在する第1方向を軸として前記第1半導体薄膜を前記第2領域と前記第3領域間で少なくとも一部囲む形状を有し、その部分での前記第1半導体薄膜の前記第1方向と直交する断面の外周は外に凸の形状を有することを特徴とする請求項2記載の半導体デバイス。
- 前記断面外周のうち前記第2絶縁膜に覆われない部分の幅が前記第1半導体薄膜の厚さの2倍以下であることを特徴とする請求項3記載の半導体デバイス。
- 前記第2絶縁膜を第2多層膜としたことを特徴とする請求項2記載の半導体デバイス。
- 前記第1導電性領域は半導体基板であることを特徴とする請求項1記載の半導体デバイス。
- 更に支持基板が設けられ、前記第1導電性領域は該支持基板上に電気的に分離されて設けられていることを特徴とする請求項1記載の半導体デバイス。
- 前記第2領域および前記第3領域はアルミニウム薄膜であることを特徴とする請求項1記載の半導体デバイス。
- 前記第2領域および前記第3領域は金属と水素化アモルファスシリコンの2層膜で、該水素化アモルファスシリコンが第1半導体薄膜に接し該2層膜で整流性接合を形成していることを特徴とする請求項1記載の半導体デバイス。
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