JPH01248667A - 電界効果トランジスタ - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用骨！ＩＩＦ） 本発明は電界効果トランジスタに係り、特にチャネル部
にアモルファス半導体の超格子構造を用いた電界効果ト
ランジスタに関する。

（従来の技術） 水素化アモルファスシリコン（ａ−３ｔ：Ｈ）等のアモ
ルファス半導体は、低温下で堆積可能である上、大面積
化が容易であることから、最近いろいろなデバイスへの
利用が盛んである。

例えば、水素化アモルファスシリコン層を半導体層とし
て用いた電界効果トランジスタ（薄膜トランジスタ）は
、その１例を第５図に示すごとく、ガラス基板１上に（
ｎ型）水素化アモルファスシリコン層２を形成し、更に
この上層に２つの２４領域（ソース領域３およびドレイ
ン領域４）としてｐ”型水素化アモルファスシリコン層
を形成し、これらの領域の間にあるゲート電極５に正の
大きな電圧を印加するとゲート直下にある水素化アモル
ファスシリコン層２の表面は反転し伝導性のρ型チャネ
ルが誘起され、ソース領域およびドレイン領域が導通す
るという現象を用いたもので、ゲート電極に印加する電
圧すなわちゲート電圧を変えることにより、チャネルの
伝導率を変調させてトランジスタ動作を行うものである
。

ところで、不純物をドーピングしていない水素化アモル
ファスシリコン層は弱いｎ型の導電性を呈する膜である
。このため、第６図にこの電界効果トランジスタの断面
のエネルギーバンド構造を示すように、水素化アモルフ
ァスシリコン層をチャネルに用いた電界効果トランジス
タにおける電子の伝導帯は、（０，８〜０．９　ｅＶ程
度の活性化エネルギーを持っており）真性半導体をチャ
ネルに用いた電界効果トランジスタにおけるものに比べ
て少し下に位置する。

つまり、従来のアモルファスシリコン電界効果トランジ
スタでは第７図に点線ａで示すように、電子をキャリア
とするスイッチングの閾値電圧（ｖｔｈ）と正孔をキャ
リアとするスイッチングの閾値電圧とが０（ｖ）に対し
て対称にならない、このため、このトランジスタの駆動
はゲート電極への印加電圧Ｖがｏｎ　＜Ｖ＜ＶＨ，であ
るような範囲内で行っている。しかし、ゲート絶縁膜に
欠陥が存在した場合これに電荷がなまり、闇値電圧がシ
フトするなどトランジスタの動特性に悪影響を与えると
いう問題があった すなわち従来の電界効果トランジスタでは、ゲート絶縁
ＷＡ６と半導体（水素化アモルファスシリコン層２）と
の界面にキャリアが蓄積される。このため、半導体内部
の欠陥のみならずゲート絶縁膜の界面および内部に欠陥
があったような場合は、動作中にゲート絶縁膜中にキャ
リアが捕獲され、ｒＡｆａ電圧が変化したり、スイッチ
ング動作にヒステリシスを生じる等の問題があった。

そこで、ヘテロ界面のエネルギーバンドｔｌＡ　造の変
化と超薄膜の積層による量子効果に着目し、水素化アモ
ルファスシリコンの超薄膜と水素化アモルファスシリコ
ンカーバイトの超薄膜とを交互に積層してなる超格子＃
Ｉ造の薄膜パターンをチャネル部に用い、この薄膜パタ
ーンの両側面にこの積層方向に垂直となるようにソース
およびドレイン電極を形成した電界効果トランジスタが
従業されている。

このような電界効果トランジスタのチャネル部では、フ
ェルミレベルが不純物のドーピングによることなく、伝
導帯と荷電子帯のほぼ中央に位置する構造となり、電子
をキャリアとするスイッチングの閾値電圧（■、）と正
孔をキャリアとするスイッチングの闇値電圧とが０（ｖ
）に対してほぼ対称となる。従って、トランジスタの駆
動はｏ（Ｖ）〜ＯＦＦ状態、±ｖ（ｖくｖｔｈ）〜ＯＮ
状ｎで行うことができる。このなめ、閾値電圧がシフト
したりするなどの不良の発生はなくなる。

（発明が解決しようとする課り ところで、このような電界効果トランジスタの場合、ソ
ースおよびドレイン電極は、チャネル長のばらつきを防
ぐため、寸法精度良く形成された薄膜パターンの両側面
に、この薄膜パターンの積層方向に垂直となるように形
成される必要がある。

従って、水素化アモルファスシリコンの超薄膜と水素化
アモルファスシリコンカーバイトの超薄膜とを交互に積
層し超格子＃Ｊ造の薄膜を形成した後、反応性イオンエ
ツチング法などにより、この薄膜を精度良くパターニン
グし、このパターンの端面にソースおよびトレイン電極
を形成するという方法がとられる。

しかしながら、このような反応性イオンエツチング工程
では、シャープなパターンエツジを得ることができる反
面、エツチングガスに対する水素化アモルファスシリコ
ン層と水素化アモルファスシリコンカーバイト層とのエ
ツチング速度が異なるため、第４図に示すように薄膜パ
ターン（チャネル）の両側面に段差がでｂてしよう。

この上に電極を直接蒸着すると、段差のくぼみの部分の
水素化アモルファスシリコン層に接触せず、従ってキャ
リアの注入が良好に行えずトラン。

ジスタの特性を著しく損なうことになる。

また、通常の薄膜トランジスタのように電極金属の蒸着
の前にオーミック接触層として不純物をドーピングした
水素化アモルファスシリコン層を堆積すると、接触性は
高められるが、不純物の種類によってキャリアが電子か
正孔のいずれかに限定され、ゲート電圧が正または負の
いずれかの領域でしかスイッチング動作できなくなる。

本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、ゲート電圧
が正および負の領域でスイッチング動作し、高速で動作
特性の優れた電界効果トランジスタを提供することを目
的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） そこで本発明では、水素化アモルファスシリコンの超薄
膜と水素化アモルファスシリコンカーバイトの超薄膜と
を交互に積層してなる超格子構造の薄膜パターンをチャ
ネル部に用いた電界効果トランジスタにおいて、この薄
膜パターンの両側面にこの積層方向に垂直となるように
形成される金属のシリサイド層からなるオーミック接触
層を介して金属層からなるソースおよびトレイン電極を
形成すると共にこの薄膜パターンの上層または下層にゲ
ート絶縁膜を介してゲート電極を配設している。

（作用） 上記構成によれば、チャネル部の端面に段差があっても
、この超格子構造の薄膜パターンからなるチャネルの両
側面に、金属のシリサイド層が形成されているため、電
極金属とのオーミック接触性も良好となる。

ここで、金属のシリサイド層は、電極金属にシリコンと
反応し易い材料を用い、電極金属形成後、熱処理を行う
ことによりこの薄膜パターンと電極金属との界面反応を
生ぜしめ、容易に形成することが可能である。そしてこ
の金属のシリサイド層は良好なオーミック接触層として
働きチャネルに電子、正孔の両方をキャリアとして注入
ｊ−ることができるようにする。

このように本発明では、金属のシリサイド層がチャネル
部を構成する薄膜パターンと電極金属との界面反応によ
り容易に形成することができることおよび良好な導電性
を有することという二つの性質を利用し、特性の優れた
超格子ｍ造の電界効果トランジスタを形成することがで
きる。

そして、チャネル部では、フェルミレベルが不純物のド
ーピングによることなく、伝導帯と荷電子帯のほぼ中央
に位置する構造となる（第３図参照）。

このため、この電界効果トランジスタでは、第７図に実
線すで示すように、電子をキャリアとするスイッチング
の閾（ｍ　ｔｈ圧（ｖｔｈ）と正孔をキャリアとするス
イッチングの閾値電圧とがｏ（Ｖ）に対してほぼ対称と
なる。従って、トランジスタの駆動は０（ｖ）〜ＯＦＦ
状態、±Ｖ（ＶくＶ、ｈ）〜ＯＮ状態で行うことができ
る。つまり、＋■のゲート電圧の印加で一旦ゲート絶縁
膜にたまった電荷は次の一■のゲート電圧の印加で放出
される。

このため、閾値電圧がシフトしたりするなどの不良の発
生はなくなる。

さらにこのような超格子構造では水素化アモルファスシ
リコン層にあるキャリアは２次元状態となり３次元状態
での散乱確率よりも大幅に小さくなるためキャリアの移
動度は水素化アモルファスシリコン層をチャネル部に用
いた薄膜トランジスタの場合に比べて５〜１０倍となり
、高速化をはかることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ訂細に
説明する。

本発明実施例のアモルファス超格子トランジスタは、第
１図に断面図を示すように、ガラス基板１１上に、水素
化アモルファスシリコン　（ａ−３ｌ　：　Ｈ）の超薄
Ｍ！１２　ａと水素化アモルファスシリコンカーバイト
（ａ−８ｉＣ：Ｈ）の超薄膜１２ｂとを交互に積層して
なる超格子構造の薄膜パターン１２からなるチャネル部
と、この薄膜パターンの両側面にこの薄膜パターンの積
層方向に垂直となるように形成されたオーミック接触層
としてのアルミニウムシリサイド層１３を介して形成さ
れたアルミニウム層からなるソースおよびドレイン電極
１４．１５と、この薄膜パターン１２の上層に順次積層
されたゲート絶縁ｗｌ！１６およびゲート電極１７とか
ら構成される装置 上記構成により、アルミニウムシリサイド層１３が良好
なオーミック接触層として働きチャネルに電子、正孔の
両方をキャリアとして注入することができるため、ゲー
ト絶縁膜に不要な電荷がなまらず、閾値電圧のシフトが
起こることもなくなり、動作の安定した電界効果トラン
ジスタを得ることが可能となる。

また、チャネル部に超格子を用いていることからキャリ
アの散乱は２次元状態となるため、キャリアの移動度は
従来の薄膜トランジスタの５〜１０倍となり、動作速度
が大幅に向上する。

次に、このアモルファス超格子トランジスタの製造方法
を説明する。

まず、第２図（ａ）に示すごとく、ガラス基板１１上に
、プラズマＣＶＤ法により順次ガス比などの成膜条件を
繰返切り替えながら、水素化アモルファスシリコン（ａ
−８ｉ：Ｈ）の超薄膜１２ａと水素化アモルファスシリ
コンカーバイト（ａ−３ｉＣ：Ｈ）の超薄膜１２ｂとを
交互に積層してなる超格子構造薄膜を形成′する。

続いて、第２図（ｂ）に示すごとく、反応性イオンエツ
チング法により、上記超格子構造薄膜をパターンエツジ
が基板に対して垂直となるようにバターニングする。

この後、第２図（ｃ）に示すごとく、プラズマＣＶＤ法
により薄い水素化アモルファスシリコン層１８を形成し
た後、蒸着法によりソース及びドレイン電極１４．１５
としてのアルミニウム層を形成し、所望の形状にバター
ニングする。なお、このとき超格子構造薄膜パターンの
側面にのみ薄い水素化アモルファスシリコン［１８およ
びアルミニウム層が形成され、超格子構造薄膜パターン
の表面は形成されないようにするため、水素化アモルフ
ァスシリコン層１８の形成に先立ち、レジストパターン
Ｒを超格子構造薄膜パターンの表面に形成しておく。

さらに、第２図（ｄ）に示すごとく、プラズマＣＶＤ法
によりゲート絶縁Ｍ１６としての酸化シリコン層を堆積
した後、ゲート電極として高濃度にドーピングされたポ
リシリコン層からなるゲート環＠１７を形成する。

そして最後に、窒素（、Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、ア
ルゴン（Ａｒ）、または水素（Ｈ２）雰囲気中で１５０
〜３５０℃２時間の熱処理をおこない、アルミニウムを
水素化アモルファスシリコン層１８中に拡散させ、オー
ミック接触層としてのアルミニウムシリサイド層１３を
形成する。

このようにして、第１図に示したようなアモルファス超
格子トランジスタが完成する。

この方法によれば、熱処理を行うのみで極めて良好なオ
ーミックコンタクトを得ることが可能となる。

なお、実施例では、超格子構造の薄膜パターンの上層に
ゲート′ｒ４極を形成したが、この構造に限定されるこ
となく、ゲート電極、ゲート絶縁膜、超格子構造の薄膜
パターンの順に積層した構造でもよいことはいうまでも
ない。

また、アルミニウム層の形成に先立ち形成した水素化ア
モルファスシリコン層１８は必ずしも必要ではなく超格
子両側面に直接アルミニウムを拡散させるようにしても
良い。

更に、ゲート絶縁膜の形成工程で１５０℃２時間以上の
熱処理工程を経る場合には上記熱処理工程は不要となる
。

加えて、電極金属としては、アルミニウムに限定される
ことなく、鉄（Ｆｅ）などシリコン中に拡散しやすい金
属であれば他のものでもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明では、水素化アモルファス
シリコンの超薄膜と水素化アモルファスシリコンカーバ
イトのｆｉ薄膜とを交互に積層してなる超格子ｍ道の薄
膜パターンをチャネル部に用い、この薄膜パターンの両
側面にこの積層方向に垂直となるように形成される金属
のシリサイド層からなるオーミック接触層を介して金属
層からなるソースおよびトレイン電極を形成するように
しているため、ゲート電圧が正および負の領域でスイッ
チング動作し、高速で動作特性の優れた電界効果トラン
ジスを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明実施例のアモルファス超格子トランジス
タを示す図、第２図（ａ）乃至第２図（ｄ）は同アモル
ファス超格子トランジスタの製造工程図、第３図は同ア
モルファス超格子トランジスタのエネルギーバンド構造
を示す図、第４図は超格子薄膜のエツチング後のパター
ン断面を示す図、第５図は従来のアモルファスシリコン
電界効果トランジスタの構造を示す図、第６図はアモル
ファスシリコン電界効果トランジスタのエネルギーバン
ド構造を示す図、第７図は本発明実施例のアモルファス
超格子トランジスタおよび従来のアモルファスシリコン
電界効果トランジスタの特性を示す比較図である。 １・・・ガラス基板、２・・・（ｎ型）水素化アモルフ
ァスシリコン層、３・・・ソース領域（ｐ＋型水素化ア
モルファスシリコン層）、４・・・ドレイン領域（Ｐ４
型水素化アモルファスシリコン層）、５・・・ゲート電
極、６・・・ゲート絶縁膜、１１・・・ガラス基板、１
２ａ・・・水素化アモルファスシリコン超薄膜、１２ｂ
・・・水素化アモルファスシリコンカーバイト（ａ−３
ｉＣ：Ｈ）超Ｒ膜、１２　・（超格子薄膜パターン）チ
ャネル部、１３・・・アルミニウムシリサイド層、１４
・・・ソース’＠、極、１５・・・ドレイン電極、１６
・・・ゲート絶縁膜、１７・・・ゲート電極、１８・・
・水素化アモルファスシリコン層。 代理人弁理士　　三　好　保　男 第３図 第４図 第５Ｚ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　水素化アモルファスシリコン超薄膜と水素化アモルフ
   ァスシリコンカーバイト超薄膜とを交互に積層してなる
   超格子構造の薄膜パターンからなるチャネル部と この薄膜パターンの両側面に、この積層方向に垂直とな
   るように形成される金属層のパターンからなるソースお
   よびドレイン電極と、 この薄膜パターンの上層または下層にゲート絶縁膜を介
   して積層されたゲート電極とからなる電界効果トランジ
   スタにおいて、 前記薄膜パターンとソースおよびドレイン電極との間に
   金属シリサイド層からなるオーミック接触層を界在せし
   めたことを特徴とする電界効果トランジスタ。