JPH01120069A - 半導体装置 - 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】 〔技術分野〕 本発明は電極および周辺配線部を超伝導材料により形成
したＳＯＩ型薄膜トランジスタ（以下、ＴＰＴという）
からなる半導体装置に関する。

〔従来技術〕

Ｓ　ＯＩ　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌｕｔｏ
ｒ）型ＴＦＴは光電変換素子と一体化されて形成され、
密着型等倍センサーの駆動回路等として広く使用されて
いる。このような従来のＳＯＩ型ＴＰＴで問題となるの
は金属配線と不純物が高濃度にドープされた部分でのコ
ンタクト性である。このコンタクト性は抵抗性の接続（
オーミック接続）か非抵抗性の接続（ノンオーミック接
続）かで区別される。ＴＰＴにおいて、コンタクト性が
問題となるのは拡散層とソース・ドレイン電極との接触
部分である。通常のＴＰＴにおいては拡散層はポリシリ
コンに不純物が拡散され、その形成工程において拡散層
となるべきポリシリコンが大気中に曝されることにより
ＳｉＯ□からなるバリア層がその表面に形成されるよう
になる。この酸素等の絶縁性の強い材料が混入するとノ
ンオーミック性を示し、ひいてはトランジスタの電流が
制限されてしまうものである。

一方、近時における超伝導材料の研究が著しく進歩し、
この応用として超伝導材料をＴＰＴの電極配線部に適用
することが考えられているが、この場合にも拡散層表面
に形成される５ｉ０２からなるバリア層の存在により、
超伝導材料の特性がいかされることが難しく、ＴＰＴへ
の超伝導材料の適用を困難にしていた。

〔目　　的〕

本発明はＳＯＩ型ＴＰＴの電極配線部に超伝導材料を使
用し、拡散層との接続部をオーミック性をもたせること
によりＴＰＴの高速駆動を可能とした半導体装置を提供
することを目的とするものである。

〔構　　成〕

本発明は透明絶縁基板上に形成されるＳＯＩ型薄膜トラ
ンジスタにおいて、ソース・ドレイン電極、ゲート電極
を含む電極配線材料として超伝導材料を用い、これら超
伝導材料と拡散層との間にＳｉ＋超伝導材料＋不純物、
もしくは超伝導材料＋不純物からなり、該不純物が■。

■、■、■族から選ばれるいずれか１種もしくは２種以
上の原子を含む不純物層を介在させたことを特徴とする
ものである。

第１図は本発明に係る半導体装置としてＳＯＩ型ＴＰＴ
の一実施例を示すものである。第１図において、１は石
英等の透明絶縁基板であり、この透明絶縁基板１上には
活性層２、拡散層３が形成され、活性層２上にはゲート
酸化［１１４およびゲート電極５が形成され、一方拡散
層３上にはソース・ドレイン電極６が形成されている。

なお、図中の７は層間絶縁膜である。このような構成に
おいて、ソース・ドレイン電極６およびゲート電極５が
超伝導材料で形成され、拡散層３とソース・ドレイン電
極６との間およびゲート電極５上には不純物層８が形成
されている。

なお、第１図におけるゲート電極上の不純物層８はこの
ＴＰＴ作製工程中に形成されるもので、この不純物層８
は本発明に要件ではない。

ここで、本発明で使用する超伝導材料とは、一般式　Ｒ
ｒＸｘＺｚＤδＡα （ただし、上記式中 ＲはＳｃ、Ｙ、Ｌａおよびランタノイド族の少なくとも
一種の元素、 又はＩＩａ族のうちの少なくとも一種の元素。

Ｚは遷移金属元素の少なくとも一種、 ＤはＶｌａ族の元素の少なくとも一種。

ＡはＢ、Ｃ，Ｎ、Ｆの元素のうちの少なくとも一種であ
って、 ｒは約１．０ Ｘは１，４〜２．１ ２は２．４〜３．２ δは５．９〜９．０ αは０〜０．５ 各成分元素は各群内の二つ以上の元素を同時に含む場合
がある。） で示されるもの（以下、化合物Ｓという）が使用できる
。

化合物Ｓは種々の方法で作製することが可能である。例
えば上述の各元素の酸化物、炭酸化物などから乾式法、
湿式法により混合微粉体とする。次に通常の大気雰囲気
または酸素分圧を調節した雰囲気を有する炉により、任
意の温度で任意へ時間にわたり仮焼する。室温にまで冷
却した後、粉砕・混合を入念におこなった後、約３０Ｋ
ｇ相当の圧力で加圧成形し、上記と同じ雰囲気・温度・
時間でもって焼成する。これらの方法については概略が
以下の文献で述べられている。

■Ｃ、Ｍｉｃｈｅｌ　ａｎｄ　Ｂ　、　Ｒａ５ａｕ、　
Ｒｅｖ、　ＣｈｉｍｉｃＭｉｎｅｒａｌ　２１，４０７
（１９８４）■Ｊ　、Ｇ、Ｂａｒｄｎｏｒｚ　ａｎｄ　
　Ｋ、Ａ、Ｍｊｌｌｅｒ、　Ｚ。

Ｐｈｙｓ、　Ｂ　６４，１８９（１９８６）０Ｍ、に、
Ｗｕ、　Ｊ　、Ｒ，Ａｓｈｂｕｒｎ、Ｃ，Ｊ　、Ｔｏｒ
ｎｇ。

Ｐ　、Ｈ，Ｈｏｒ、　Ｒ，Ｌ　、Ｍｅｎｇ、　Ｌ　、Ｇ
ａｏ；　Ｚ　、　Ｊ　、Ｈｕａｎｇ、　Ｙ　、Ｑ、Ｗａ
ｎｇ　ａｎｄ　Ｃ，Ｗ、Ｃｈｕ、　Ｐｈｙｓ、　Ｒｅｖ
。

Ｌ　ｅｔｔ、５８，９０８（１９８７）別の製法として
は、該化合物Ｓを仮焼前あるいは仮焼後の状態の粉体に
ついてアルコールや水溶性ポリマーなどのいわゆるバイ
ンダー中に分散させ、任意の形状に成形後、前述のよう
な条件で焼成することも出来る またの方法としては、スクリーン印刷法、スバッタリン
グ法、分子線エピタキシャル法、プラズマ溶射法などに
よることも出来る。これらの方法においては基板の種類
、性質を選択することによってエピタキシーの効果によ
り、生成物の性能を高めることを可能になる。また生成
物は上述の焼成条件のもと、さらに熱処理をおこなうこ
とによって特性を改善出来る。

このようにして得られる化合物Ｓは、さきの文献■、■
などで知られるように、良好な導電性を有するとともに
、任意の温度以下に冷却する時、超電導性を呈する。す
なわちこの時、超電導性に加えて完全反磁性、ジョセフ
ソン効果を示すことになる。

上記のような化合物Ｓからなるソース・ドレイン電極６
と拡散層３との間に形成される不純物層８としてはＳｉ
十化合物Ｓ十不純物、もしくは化合物Ｓ中不純物で構成
される。そして、この不純物としては■、■、■、■族
から選ばれるいずれか１種または２種以上の原子、代表
的にはＰ、Ａｓ、Ｂ、Ｃｄ、Ｔｅ、Ｇｏ、Ｓｂ、Ａ１２
、ＳＬ等のいずれか１種または２種以上が含まれている
ものである。

この第１図に示すＳＯＩ型ＴＰＴの作製工程を第２図に
示すプロセスフローを参照して次に説明する。

石英基板１上にポリシリコン層２を減圧ＣＶＤ法により
、製膜圧カニ０．１〜１０Ｔｏｒｒ、製膜温度：６５０
℃、反応ガス：　５ｉＨ４（９９，９９９％）の条件で
膜厚１５００人製膜する（第２図（ａ））。

得られたポリシリコン層２をパターニングしく第２図（
ｂ））、次いで熱酸化法により大気圧下、製膜温度１０
００℃、反応ガスｄｒｙ　Ｏ、で膜厚１５００人のゲー
ト酸化膜４を形成する（第２図（Ｃ））。このゲート酸
化膜４上に化合物ＳとしてＹ−Ｂａ−Ｃｕ−〇を膜厚４
０００人形成し、ゲート電極５を形成する（第２図（ｄ
））、ゲート酸化膜４およびゲート電極５をバターニン
グした後、ｐ−ＭＯＳ側をレジストで覆い、ｎ　−Ｍ　
ＯＳ側にＰ１イオンを４０ＫｅＶでドーズ量が５ＸＩＯ
”／ａ＃となるようにイオン注入しく第２図（ｅ））、
次いで、ｎ　−Ｍ　ＯＳ側をレジストで覆い、ｐ−ＭＯ
Ｓ側に８３イオンを４０ＫｅＶでドーズ量が５Ｘ１０”
／ｄとなるようにイオン注入しく第２図（ｆ））、ソー
ス・ドレイン拡散を行う。

ソース・ドレイン拡散に続いて、不純物としてＢ＋イオ
ンを２０ＫｅＶでドーズ量が５Ｘ１０”／ｄとなるよう
にイオン注入し、不純物層８を形成しく第２図（ｇ））
、これを９００℃、大気圧下、０、雰囲気中で３０分間
端面酸化を施す。これは同時に拡散層の活性化を促す（
第２図（ｈ））　。

不純物層８を形成後、減圧ＣＶＤ法により、製膜圧力０
．１〜Ｉ　Ｔｏｒｒ、製膜温度３７０℃、反応ガスＳｉ
Ｈ４＋Ｏ□の条件でＳｉＯ□からなる層間絶縁膜７を膜
厚６０００人形成しく第２図（ｉ））、これにコンタク
トホールを形成する（第２図（ｊ））。次いで、ソース
・ドレイン電極６としてＹ−Ｂａ−Ｃｕ−○からなる化
合物Ｓを膜厚６０００人形成する（第２図（ｋ））。そ
の上に減圧ＣＶＤ法により。

製膜圧力０．１〜ＩＴｏｒｒ、製膜温度３７０℃、反応
ガＸ５ｉＨ，＋Ｏ，もしくはＳｉＨ，＋ＰＨ，＋Ｏ，の
条件により、ＳｉＯ，＋ＰＳＧからなる保護膜９を膜厚
１ｕｍ形成する（第２図（１））、この保護膜９の製膜
時の加熱により、ソース・ドレイン電極６の化合物Ｓが
不純物層８中に拡散し、不純物層８が化合物Ｓ中不純物
、もしくはＳｉ十化合物Ｓ十不純物の組成を有するよう
になる。

上記したプロセスフローにより、形成した第１図に示す
ＳＯＩ型ＴＰＴの電流−電圧特性は不純物層８を設けな
い場合の第３図に比べ、第４図に示す如く著しく改善さ
れ、良好なオーミック接合が得られるようになった。こ
れによりトランジスタの電流駆動能力が増加し、Ｃ−Ｍ
ＯＳ１段の伝達遅延時間は８０ｎｓｅｃから５ｎｓｅｃ
となり、１／１６の伝達遅延時間の改善が図られた。

第５図および第６図は本発明の他の実施例を示すもので
あり、これらは不純物層８の形成をＴＰＴ作製後にイオ
ン注入法により行う場合の例である。これらの例ではイ
オン注入法により不純物層８の形成を行うため、バリア
障壁が完全になくなり、より良好なコンタクト性が得ら
れる。その結果、第５図の実施例における電流−電圧特
性は第７図のようになる。

ここで、第６図に示した実施例におけるプロセスフロー
を示す第８図を参照して説明する。

この第８図において、第２図の（ａ）〜（ｆ）工程まで
は、第２図と全く同様にしてソース・ドレイン拡散を行
い、その後、第２図（ｉ）工程と同様にして層間絶縁膜
７を形成しく第８図（ａ））、コンタクトホールを形成
する（第８図（ｂ））、そして、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０か
らなる化合物Ｓを膜厚６０００人形成し、ソース・ドレ
イン電極６とする（第８図（Ｃ））。しかる後に、Ｐ＋
イオンを１００ＫｅＶでドーズｆＬＩＸ１０１ｓ／ａ＃
となるようにイオン注入し、不純物［１１０を形成する
（第８図（ｄ））。

次いで、　Ｐ＋イオンを１４０ＫｅＶでドーズ量１×１
０”／ｄとなるようにイオン注入し、不純物層［１１を
形成する（第８図（８））。この不純物層Ｉ。

■の形成に際し、化合物Ｓはその形成方法にもよるが通
常はポーラスな構造を有し、イオン注入によって注入イ
オンが容易に化合物Ｓ層を浸透し、拡散層にまで達する
。そして、その拡散層３における不純物層深さは、イオ
ン注入エネルギーを調整することで任意に選択形成でき
るようになる。この不純物層Ｉ、ＩＩを形成後、第２図
の（Ω）工程と同様にしてＳｉＯ□十ＰＳＧからなる保
護膜９を形成する（第８図（ｆ））。

なお、第６図に示す実施例における不純物層８を不純物
層１１０および不純物層ｌ１１１の２層にする場合、こ
れら不純物層■、■の組合せは次表に示すような種々の
態様が考えられる。

第１表 不純物層■　　不純物層■ タイプｉ　）　　（Ｓ　）　＋　Ｄ　　　　Ｓ　ｉ　＋
　（Ｓ　）　＋　Ｄｉｔ）　　Ｓｉ＋（Ｓ）＋Ｄ　　Ｓ
ｉ＋（Ｓ）＋Ｄ”ｉｉｉ　）　　（Ｓ　）　＋　Ｄ　　
　　　（Ｓ　）　＋Ｄ　”神）　　（Ｓ）＋Ｄ　　　　
　Ｓｉ＋（Ｓ）＋Ｄ”第１表において、ＳＬはシリコン
、（Ｓ）は超伝導材料、Ｄは不純物、Ｄｏは高ドープ不
純物を示す、ここで、Ｄはドーズ量か５　Ｘ　１０”　
／　ｄ以下、Ｄ＋はドーズ量が５Ｘ１０”／ａＪ以上と
する。

かくして得られるＳＯＩ型ＴＰＴは化合物（Ｓ）と拡散
層とがオーミック接触するようになり、第４図および第
７図に示すように電流−電圧特性が著しく改善され、電
極配線部への超伝導材料の適用が可能となる。従って、
使用した超伝導材料の臨界温度以下にすることにより、
電極配線部が超伝導性を示すようになる。

〔効　　果〕

以上のような本発明によれば、ＳＯＩ型ＴＰＴの電極配
線部に超伝導材料を使用し、これと拡散層との間の接触
をオーミック接合させたため、トランジスタの電流駆動
能力が著しく増加し、伝達遅延時間が飛躍的に短縮され
ることになる。また、スイッチング素子部１周辺配線部
を一体で形成でき、抵抗零の特性によってさらに配線の
ひきまわしが可能で、立体配線やワンウェイコンピュー
ターへの道をひらくものといえる。さらに１素子として
は４０μＩあるいはそれ以下の大きさで製作できるので
、センサアレイの高密度化も実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面説明図である。 第２図は第１図のＳＯＩ型ＴＦ′Ｔを作製する場合のプ
ロセスフローである。 第３図は不純物層を設けない場合のＴＰＴの電流−電圧
特性図である。 第４図は本発明により不純物層を設けた場合のＴＰＴの
電流−電圧特性図である。 第５図および第６図は本発明の他の実施例を示す断面説
明図である。 第７図は第５図の実施例における電流−電圧特性図であ
る。 第８図は第６図のＳＯＩ型ＴＰＴを作製する場合のプロ
セスフローである。 １・・・透明絶縁基板２・・・活性層 ３・・・拡散層　　　　４・・・ゲート酸化膜５・・・
ゲート電極　　６・・・ソース・ドレイン電極７・・・
層間絶縁膜　８・・・不純物層９・・・保護膜　　　１
０・・・不純物層■１１・・・不純物層■

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、透明絶縁基板上に形成されるＳＯＩ型薄膜トランジ
   スタにおいて、ソース・ドレイン電極、ゲート電極を含
   む電極配線材料として超伝導材料を用い、これら超伝導
   材料と拡散層との間にＳｉ＋超伝導材料＋不純物、もし
   くは超伝導材料＋不純物からなり、該不純物がII、III
   、IV、Ｖ族から選ばれるいずれか１種もしくは２種以上
   の原子を含む不純物層を介在させたことを特徴とする半
   導体装置。