JPH01117369A - シリコンナイトライド膜を有する半導体デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体領域と導電性対向領域間にシリコンナイ
トライド膜またはシリコン酸化膜とシリコンナイトライ
ド膜との二重層から成るトンネル絶縁膜を有する半導体
デバイスに関し、特に、当該トンネル絶縁膜を介して上
記半導体領域と対向領域間に流れる主電流ないし素子電
流を、第三領域に印加する電圧により制御可能とした改
良に関する。

［従来の技術］ 従来、電流制御型の負性抵抗を介して導通状態と遮断状
態の間を遷移するスイッチ特性を有する素子として、第
１図示のような基本構造を持つ素子が提案された。

本発明も、最も基本的な構造においてはこの第１図に示
される素子構造を利用し、これに改良を施すという形を
採るので、まず、この基本構造自体について説明すると
、半導体領域１００と、これに対向する対向領域ｌＯと
があり、これら二つの領域・１０，１００間には、シリ
コンナイトライド膜またはシリコン酸化膜とシリコンナ
イトライド膜との二重層１が直接に挟み込んである。

しかるに、この素子構造においては、それ以前の常識で
は専ら絶縁膜として用いられていたシリコンナイトライ
ド膜（またはシリコン酸化膜とシリコンナイトライド膜
との二重層）１を介し、半導体領域１００と対向領域１
０間に電流を流すことにより、その特性として第２図示
のように電流制御型の負性抵抗を持ち、導通状態と遮断
状態の間で遷移するスイッチ特性を呈することに特徴が
あるとされていた。

すなわち、この第２図示のようなスイッチング特性が生
ずるのは、対向領域１０からシリコンナイトライド膜（
またはシリコン酸化膜とシリコンナイトライド膜との二
重層）１を介して直接トンネルまたはファウラー・ノル
ドハイム・トンネルにより半導体領域１００にキャリア
を流すと、半導体領域表面で当該キャリアを高エネルギ
・キャリアとなし得、キャリアの増倍効果を生じさせ得
るがためである。

そしてまた、逆に、第１図示のような基本素子構造で上
記め効果を満足するために要求される最低限の事項は、
シリコンナイトライド膜またはシリコン酸化膜とシリコ
ンナイトライド膜との二重層１の膜厚に関し、対向領域
と半導体領域間への所定値以上（少なくとも第２図中の
Ｂ点：保持電圧以上）のバイアス印加条件下で当該シリ
コンナイトライド膜またはシリコン酸化膜とシリコンナ
イトライド膜との二重層１を介してのトンネル電流の存
在を許すことができ、かつ、このトンネル電流によって
半導体領域内に注入されたキャリアのエネルギが半導体
領域のエネルギ・バンド・ギャップ以上となり得る膜厚
に設定されているということである。

こうした第１図示装置の実際例としては、対向領域１０
にＡＩ蒸着膜、半導体領域１００にｎ型シリコン基板を
用い、対向領域ｌＯと半導体領域１００の間に挟まれる
シリコンナイトライド膜１には、上記のｎ型シリコン基
板上に成長させた、望ましくは約９０定形度の熱窒化膜
を挙げることができる。

もう少し具体的に言うと、半導体領域１００がシリコン
である場合、例えば９００℃〜１２００℃の温度で、か
つ、酸素含有量を特に少なくした窒素またはアンモニア
ガス雰囲気中において、ＩＯ分分数数時間亙り当該半導
体領域を加熱（熱窒化）処理すれば、適当なるシリコン
ナイトライド膜１が得られる。

もっとも、半導体領域１００がシリコン以外の場合、す
なわちＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ等の化合物半導体の場
合にも、　６００℃〜８００℃でシランとアンモニアを
原料とした化学蒸着法を採用すれば、同様に適当なるシ
リコンナイトライド＠１が得られるし、この化学蒸着法
はまた、逆にシリコン基板に対しても採用することがで
きる。

さらに、上記の熱窒化に際しては、微量の酸素の混入に
より、シリコン窒化膜の上にシリコン酸化膜が成長する
ことがあるが、それが３０人前後までならば、第２図と
同様、良好な電気特性を示す。シリコンナイトライド＠
ｌの厚さも、２０人から約１５０定形度までは第２図に
示されるような特性が得られ、同図中、Ｂ点の電流（保
持電流）はシリコンナイトライド膜が薄い程大きくなり
、また、Ｂ点の電圧（保持電圧）はシリコンナイトライ
ド膜の膜厚の増加と共に膜厚の厚い部分で増加する。

なお、対向領域ｌＯとしては、導電性の領域を形成する
ものならば、上記のＡＩ蒸着膜以外にも、他の金属膜、
半導体膜等を用いることもできる。

［発明が解決しようとする課題］ しかるに本発明は、上記のように従来は負性特性素子と
してしか使われていなかった第１図示の素子構造を、特
に微小な電流領域でも第三領域に印加する電圧により、
当該素子電流を制御し得る半導体デバイスに改良せんと
するものである。

従来、こうし試みは全くなく、一方で将来的な見地から
すれば、例えばピコ・アンペア・オーダ等、微小な電流
領域において素子電流の制御可能な素子の要請が高まる
ことから思うと、上記本発明の目的は達成するに値する
価値を持つ。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するため、半導体領域と導電性
の対向領域間にシリコンナイトライド膜またはシリコン
酸化膜とシリコンナイトライド膜との二重層から成るト
ンネル絶縁膜を挟み込み、半導体領域と対向領域間に所
定値以上のバイアスを印加すると上記のトンネル絶縁膜
を介してトンネル電流が流れる半導体デバイスに対し、
さらに、上記の半導体領域に対して整流性の接合を形成
し、対向領域から半導体領域にトンネル注入された高エ
ネルギ・キャリアに伴って発生する少数キャリアの到達
距離以内の位置に第三の領域を設けることにより、この
第三の領域を上記対向領域と半導体領域間に得られる電
圧対電流特性を制御する制御領域とする。

［作　用］ 本発明のデバイス構造では、対向領域から注入された高
エネルギ・キャリアにより発生した少数キャリアは、そ
の拡散またはドリフトによる到達距離以内に設けられた
第三の領域に集められるため、この第三領域に印加する
電圧を変化させることにより、半導体領域と対向領域間
に得られる電圧対電流特性を制御する。

換言すれば、本発明により新たに付与された第三領域に
印加する制御電圧ないし制御信号により、半導体領域と
対向領域間を流れるデバイス主電流ないし素子電流を制
御する。

これは結局、第三領域の存在により、既述の負性特性に
寄与していた少数キャリアを集めて制御できるようにな
ったため、一対の素子電流端子間、すなわち半導体領域
に付した端子と対向領域に付した端子の間に負性特性が
認められなくなった代わりの効果と認識することもでき
る。

ただ、第三領域と対向領域間の入力特性には負性抵抗が
見られることもある。上記トンネル注入による発生した
少数キャリアが第三領域に同極性で吸収されるからであ
る。対向領域から注入されたキャリアが少数キャリアを
発生しない場合には負性特性は認められないが、第三領
域は対向領域に対向した半導体領域表面部分の少数キャ
リアを制御できるので、結局は素子電流を制御すること
ができる。

いずれにしても、素子電流端子間の電圧対電流特性を外
部から制御し得るため、適当なる負荷条件の下、本デバ
イスは増幅素子として利用可能であり、また、後述の実
験例から明らかなように、マイクロ・アンペア程度の相
対的に高い電流領域からピコ・アンペア・オーダ程度の
微小電流領域まで、本デバイス構造に従った場合には第
三領域に印加する電圧の如何により、素子電流を制御可
能となって、特に微小電流駆動を採る集積回路要素の一
つとして有用となる。

［実　施　例］ 第３図には本発明に従って構成された半導体デバイスの
一実施例が示されている。

ただし、この実施例においても、対向領域ｌＯ、シリコ
ンナイトライド膜またはシリコン酸化膜とシリコンナイ
トライド膜との二重層ｌ、そして半導体領域！００を有
する基本構造部分の構成は、すでに第１，２図に即して
述べた基本構造におけると同様で良く、特にシリコンナ
イトライド＠１またはシリコン酸化膜とシリコンナイト
ライド膜との二重層１の膜厚に関する限定（特にトンネ
ル電流を流し得るという点において）や製造例等も、ま
た同様に採用して良い。

この実施例で半導体領域１００の導電型にｎ形を想定す
ると、既述した第１図示の基本構造部分のメカニズムに
より、対向領域ｌＯから半導体領域１００に注入された
高エネルギ・キャリアである電子により発生した少数キ
ャリア（この場合は正孔）は、当該少数キャリアである
正孔の拡散またはドリフトによる到達距離以内に設けら
れた第三領域としてのｐ形半導体領域１０１Ｂに集めら
れる。

その結果、本発明において付設された第三領域１０１Ｂ
のない従来の基本構造のままでは、素子電流端子である
半導体領域１００に付した端子と、対向領域ＩＯに付し
た端子との間に第２図示のようなＳ字型負性特性が得ら
れていたのに、この特性を生起する囚であるキャリア増
倍効果により発生する少数キャリアに対し、これを集め
て制御する第三領域が増設されたため、本発明デバイス
では、それら一対の素子電流端子間に得られる電圧対電
流特性が第４図示のように変わる。

この第４図は、当該図面中にも併記のように、電極１０
１Ｅを介し第三領域１０１Ｂに印加する電圧を対向領域
ｌＯに対して４〜５ボルトの範囲内で変化させた場合を
示しており、明らかに、当該電極１０１Ｅを介し当該第
三領域１０１Ｂに印加する電圧信号により、素子電流を
制御できること、したがって適当なる負荷線の下、本デ
バイスを増幅素子として利用し得ることを示している。

しかも、縦軸の電流軸目盛が単位をピコ・アンペアとす
る対数目盛で付されていることからも理解されるように
、本発明デバイスによる電流制御の範囲は極めて広く、
マイクロ・アンペア程度の相対的に高い電流領域から、
図示の場合は百ピコ・アンペア程度のオーダの微小電流
領域にまで、応用が利くことが分かる。

将来的に各種集積回路の集積密度がより一層向上してく
ると、単位素子あたりの消費電力は極めて微小に抑えな
ければならならくなることは当然に予想され、そうした
意味からすれば、第４図の示す効果は極めて大きいもの
がある。

なお、本デバイス構造では、上記したように、半導体領
域端子と対向領域端子間には負性特性が失われても、第
三領域１０１Ｂと対向領域ＩＯとの間の入力特性には負
性抵抗が見られることもあった。

上記のトンネル注入により発生した少数キャリアが当該
第三領域に印加される電圧に対し、同極性で吸収される
からである。

また、半導体領域１００と整流性接合を形成する第三領
域１０１Ｂを、例えば第３図中に仮想線で示すように対
向領域ｌＯの下に一部重なるように設けるか、あるいは
同図に示すように、対向領域１０にあって絶縁膜２の上
へ延在した部分１０ａの下に一部重なるように設けた場
合には、第三領域１０１Ｂの存在の影響は当然に高くな
るから、上記の制御機能をより高めることができる。

以上、種々説明したが、上記において半導体領域の導電
型を逆とし、正孔と電子とを逆にした場合にも本発明は
成立すること、言うまでもないし、上記説明では半導体
領域１００は基板であったが、他の半導体基板表面の上
に分離された状態で形成された領域であったり、絶縁基
板上に形成された半導体薄層であっても良い。

さらに本発明の応用例において、他の電界効果トランジ
スタのソースまたはドレイン、あるいは他のバイポーラ
・トランジスタのコレクタと半導体領域とを共通領域と
すること等もできる。

［効　果コ 本発明によると、シリコンナイトライド膜またはシリコ
ン酸化膜とシリコンナイトライド膜との二重層から成る
薄膜をトンネル絶縁膜として利用し、当該トンネル絶縁
膜を挟む半導体領域と対向領域間に従来は負性特性を得
るために構成されていたデバイスを、第三領域からの電
圧信号でその素子電流を制御可能な増幅素子として利用
可能にし、もって各種電子回路に新たなデバイス要素を
提供し、技術の豊富化に寄与することができる。

また、制御可能な電流オーダはピコ・アンペア・オーダ
にも及ぶから、特に将来的に集積回路の密度向上に伴い
、微小電力駆動とせざるを得ない状況に鑑みると、本発
明デバイスは極めて有用な要素となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明素子に用いられ、改良の対象とされる基
本素子構造部分のみの原理的ないし基本的な構成図。 第２図は第１図示の基本素子構造のみに即することによ
り、素子電流に関して従来得られていた負性特性の説明
図。 第３図は本発明の一実施例の概略構成図。 第４図は第３図示の実施例デバイスにより得られる素子
電圧対素子電流の特性図、である。 図中、ｌはシリコンナイトライド膜またはシリコン酸化
膜とシリコンナイトライド膜との二重層から成る絶縁膜
（トンネル絶縁膜）、ｌＯは対向領域、１００は半導体
領域、ｌ０ＩＢは本発明により新たに付加された制御領
域としての第三領域、ｌ０ＩＥは第三領域に電圧を印加
するための電極、である。 矛１図 才３図 ；ｔ４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　半導体領域と、該半導体領域に対向する導電性の対向
   領域と、上記半導体領域および対向領域間に挟まれたシ
   リコンナイトライド膜またはシリコン酸化膜とシリコン
   ナイトライド膜との二重層とから成り、上記半導体領域
   と上記対向領域間に所定値以上のバイアスを印加すると
   上記シリコンナイトライド膜またはシリコン酸化膜とシ
   リコンナイトライド膜との二重層を介してトンネル電流
   が流れる半導体デバイスにおいて； 上記半導体領域に対して整流性の接合を形成すると共に
   、上記対向領域から半導体領域内にトンネル注入された
   高エネルギ・キャリアに伴って発生する少数キャリアの
   到達距離以内の位置に第三の領域を設け、該第三の領域
   を、上記対向領域と半導体領域間の電圧対電流特性を制
   御する制御領域としたことを特徴とする半導体デバイス
   。