JPH021174A - 薄膜電界効果素子 - 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〕 本発明は薄膜電界効果素子に係り、特に平面テレビ用等
の高速動作を必要とする薄膜電界効果素子に関する。

〔従来の技術〕

従来の薄膜電界効果素子は、例えばエクステンデッド、
アブストラクトオブザエイティーンスコンファレンスオ
ンソリッドステイ１−デバイスアンドマテリアルス、ト
ーキヨウ。

１９８６年、第６９９頁から第７０２頁（Ｅ　ｘｔｅｎ
ｄｅｄＡｂｓｔｒａｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１８ｔｈ　
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　５ｏｌｉｄｓｔａｔｅ　
Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、　Ｔｏ
ｋｙｏ、　１９８６゜ρｐ６９９〜７０２）において論
じられている。第４図にこの従来例記載のアモルファス
シリコン（以下ａ−３Ｌと略す）を用いた薄膜電界効果
素子の断面図を示す。この素子は活性層４からゲート絶
縁層５でへだてられたゲート電極６をもち、また活性層
４にはｎ”−ａ−５ｉからなるソース・ドレイン電極接
続層３を介してＣｒ／Ａのを電極材料としてソース及び
ドレイン電極２をもつ。活性層４は数千０厚のｎ−−ａ
−３ｉで構成されている。

ゲートに正負の電位を与え、ゲート絶縁層と半導体層（
活性層）の界面の半導体層側の電子を輸送するチャンネ
ルを断続してトランジスタ動作を行う。高速動作を行う
ためには電子の移動度が高い方が望ましいが、この素子
ではせいぜい０．５ａｍ”／Ｖｓ程度と低い。加えて外
部から光が入射すると光キャリヤが発生し、トランジス
タ特性が変動する問題があった。

この点を解決するために活性層を極端に薄くする方法が
提案されている。それは応用物理学会。

応用電子物性分科会研究報告（１９８６年、１月）第３
０頁〜３５頁において論じられている。この方法は１０
０人程０の極薄ａ−８ｉ膜を活性層として用いることに
より、（１）電流の流れる断面積と光の吸収量が減る。

（２）界面再結合効果により光励起キャリヤ密度が下が
る。（３）量子効果により光学的禁制帯幅が増加し、光
吸収係数が小さくなる、等によりオフ電流が少なく出来
るとしている。しかし２００〜３００人程度より薄程度
ると自由電子の移動度は急激に減少する。この点を改善
するためａ−８ｉ膜を二層化することを提案している。

すなわち、第１層を比較的低温で形成し、高成長を防止
する。しかし低温で形成すると膜質そのものは低下する
ので、５〜１０人程度程度く薄くし、続いて１００〜１
０００人のａ−８ｉ膜を比較的高温で形成し、良質膜を
島成長無く形成出来るとしている。

しかし移動度は１ｃｍ’″／ｖＳ以下程度である。

この移動度を向上するために多結晶Ｓｉ薄膜を用いたＦ
ＥＴが試作されている。例えばダイジェストオフテクニ
カルペーパー、ザフォーティーンスコンファレンスオン
ソリッドステイトデバイシス、トーキヨウ１９８２年、
第１３９頁〜１４０頁及び第１４１頁〜１４２頁（Ｄｉ
ｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈ、　ＰａｐｅｒｓＴｈｅ　１
４ｔｈ　　Ｃｏｎｆ、　　（１９８２Ｉｎｔｅｒｎａｔ
ｉｏｎａｌ）　ｏｎＳｏｌｉｄ　　５ｔａｔｅ　　Ｄｅ
ｖｉｃｅｓ、Ｔｏｋｙｏ　ｐｐ１３９〜１４０１４１〜
１４２）に論じられている。この方法によれば移動度は
前記二つの従来例のｌａｗ２／Ｖｓ程度に比べて約１桁
程度大きな値が得られており、高速動作が可能であるこ
とを示している。加えて光感度が低いことから光照射に
於いても安定である特徴を有する。しかしながらオフ電
流が高く、オン・オフ比が４桁程度とアモルファスＳｉ
の場合の８桁程度に比べて極めて悪い。これは薄膜電界
効果素子が通常集積化して使われることを考えれば、こ
の様な用途では大きな問題となっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術はいずれもオン抵抗の低減と高速化に必要
な移動度の向上、光照射による誤動作を防ぐ光感度の低
減、マトリクス化等の高集積化に必要なオン／オフ電流
比の向上の３項目を全て満たすことについては配慮され
ておらず、上記３項目を同時に満たすことができないと
いう問題があった・ 本発明の目的は、移動度が向上し、光照射による特性変
化が小さく、かつオン／オフ電流比の高い薄膜電界効果
素子を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、電子又は正孔を主として輸送する通路と、
これに直接又は間接に接したゲート電極と、少なくとも
上記通路に２箇所以上設けられたソース及びドレインを
なす電極とを有する薄膜電界効果素子において、上記通
路が微結晶薄膜とアモルファス薄膜のそれぞれ少なくと
も一層からなることを特徴とする薄膜電界効果素子によ
って達成される。

本発明において、多結晶ＳＬ薄膜中の結晶粒径を小さく
するため膜厚を極めて薄くするとともに、この極めて藩
い微結晶薄膜を均一に形成するためにアモルファス薄膜
との二層化を行ったものである。この場合単に二層化す
るだけでなく、この二層化構造をさらに多層化すること
もインピーダンスの制御の目的から有効であるとともに
、いわゆる「超格子」化することによる量子化効果や二
次元化効果も移動度向上に有効である。

上記微結晶薄膜は１０〜３０００人の範囲の厚みである
ことが好ましく、１０〜３００人の範囲の厚みであるこ
とがより好ましい。１０人未満の厚みでは安定な均一な
膜を形成することが困難であり、３０００人を越えると
薄膜としての効果が認め難くなる。また上記アモルファ
ス薄膜は、　３０〜３０００人の範囲の厚みであること
が好ましい。３０人未満では安定で均一な膜を形成する
ことが困難であり、３０００人を越えると４膜としての
効果が認め難くなる。

微結晶薄膜及びアモルファスＲ膜は、２層以上積層され
ていてもよく、例えば５，６組の積層であってもよい。

また、必ずしも常に１組ずつ積層するのでなく、例えば
、アモルファス薄膜、微結晶薄膜、アモルファス薄膜と
いう三層構造でもよい。また、ゲート電極側がアモルフ
ァス薄層であることが好ましい。

さらに炭素を含むアモルファス薄層を用いた場合、短波
長の光にしか感度がなく、それ故全体として光感度が低
下する。

第１図は本発明の一実施例を示す素子の断面図である。

素子は絶縁性基板２１の上にゲート電極２８となる金属
電極を、その上にゲート絶縁膜２２を介して半導体アモ
ルファス薄膜２３．微結晶薄膜２４を形成する。ソース
・ドレイン電極２６．２７はオーム接触用のｎ＋半導体
層２５を介して被着される。この上に保護膜２９を形成
する。

〔作用〕

アモルファス薄膜と微結晶薄膜からなる活性層の移動度
は実質微結晶薄膜の大きな値に近く、かつアモルファス
薄膜は薄く、微結晶薄膜は光感度が低いので、光照射に
よる誤動作は起こりにくい。

加えて微結晶薄膜が薄く、結晶粒形が小さいので、膜が
平滑で半導体材料として見た時にリーク電流が少なく、
オフ電流が小さい特徴を有する。特に数１００Å以下の
微結晶薄膜を用いる場合は膜厚と電子波長が同程度とな
り、量子効果によりバンドエツジの状態密度の切れが良
く、かつ膜面にそった方向の移動度が大きくなる特徴も
加わって素子の実効移動度が大きく、しきい値での切れ
が良い等の優れた効果も合わせ持つ。

〔実施例〕 以下１本発明を実施例により説明する。

実施例　１ 第１図は本発明の詳細な説明する図であるが。

同時に本発明の基本的な一実施例を示す図でもある。基
板２１は厚さ０　、５ｍｍの光学研摩された白板ガラス
である。この上にゲート電極２８となるＣ「を約５００
人電子ビーム蒸着法で蒸着し、フォトリソグラフィ技術
により巾１０μｍ、長さ（図では奥行）５０μＩとした
。もちろん外部電極接続のための端子は別に残しである
。この上に２２のゲート絶縁膜。

２３のアモルファス薄膜、２４の微結晶薄膜、２５のｎ
＋半導体層を別々の反応室で、かつ大気にふれることな
く各反応室を移送する方式で順次形成する。まず第１の
反応室でゲート絶縁膜としてアンモニアＮＨ，とモノシ
ランＳｉＨ４の混合カスを用い、約０．６Ｔｏｒｒの圧
力で１３．５６ＭＨｚの高周波グロー放電分解法により
２０００人厚のＳｉＮ膜を形成した。次に第２の反応室
で２３のアモルファス薄膜としてモノシランＳｉＨ４と
約３０倍の水素Ｈ２の混合ガスを用い、約０．２Ｔｏｒ
ｒで１３．５６ＭＨｚの高周波グロー放電分解法により
約８０入庫のアモルファスＳＬ膜を形成した。このまま
放電を継続すると微結晶Ｓｉ膜が形成され、約３００人
の厚みの微結晶薄膜がアモルファスＳｉ膜上に形成出来
た。次に第３の反応室で２５のｎ＋半導体層をモノシラ
ンＳｉＨ，，水素Ｉ（３，ジボランＢ２Ｈ，の混合ガス
を用い、約０．５Ｔｏｒｒの圧力で１３．５６ＭＨｚの
高周波グロー放電分解法により約１００人の厚みに形成
した。

その後フォトリソグラフィ技術を利用し、２２〜２５の
薄膜のパターニングを行い、ソース・ドレイン電極とな
るＣｒ／Ａの２層膜を蒸看法で約５０００人の厚みに形
成し、再びフォトリソグラフィ技術によりソース・ドレ
イン電極２６．２７を形成する。最後に２９の保護膜と
なるＳｉＮ膜を２２のゲート絶縁膜と同様の方法で約２
０００人形成し、ゲート、ソース・ドレイン電極接続部
分のみ穴あけし、素子を形成した。

この様にして形成した素子の実効移動度を」ダ定した所
、７ｃｎｆ／Ｖｓと従来のアモルファスＳ１を用いたも
のの約１０倍であった。また２９の保護膜側から白熱電
球で約２０００　Ｑ　ｘの照度で照射した所、オフ抵抗
は約１桁小さくなったが、従来のアモルファスＳｉを用
いたものに比べて約１／ｌＯであった。

そのため比較的簡単な光遮蔽を行うだけで、実用上光の
影響を受けることは無かった。またオン・オフ電流比は
６，５桁程度とアモルファスＳＬを用いたものより約１
桁小さかったが、多結晶Ｓｉを用いたものに比べ２〜３
桁も大きかった。以上光の照射効果が多少あり、オン・
オフ比もアモルファスＳＬを用いたものに比べて多少小
さいが、移動度は約１桁高い等、総合的に見て、従来の
いず才しの方式のものよりも優れていることが明らかと
なった。

また第１図の場合が一部構造を変更することでさらに移
動度が向上することが分かった。すなわち第１図の２８
のゲート電極を２４の微結晶Ｓ１形成後にその上に重ね
て形成した構造の素子を形成した所、移動度は　７．８
ｃｎｆ／Ｖｓと増加した。しかしオフ電流は３割程度増
加した。しかし総合的には優れた特性であることにはか
わりなかった。このオフ電流の値を抑制するため、微結
晶薄膜２４とゲート電極の間に約３０人のアモルファス
シリコンまたはアモルファスシリコンカーボン膜を挿入
した所、移動度を低下させることなく、オフ電流を逆に
３割程度減少させることが出来た。

実施例２ 第２図は本発明の他の実施例を示す図である。

素子の基本構造や各層の形成法、パターニング法等は実
施例１と同じである。相異点はゲート絶縁膜２２を形成
後、Ｓｉのアモルファス薄膜２３．微結晶薄膜２４の二
層膜各々７０人及び１５０人を２回くり返し形成した。

その他の構成は実施例１と同じである。この様にして形
成した素子の実効移動度を測定した所、９ａｎ２／Ｖｓ
、光照射によるオフ抵抗の減少は実施例１と同程度、オ
ン・オフ電流比は７桁程度と総合的に見ると実施例１の
場合より秀れた結果が得られた。

実施例３ 第３図は本発明の他の実施例を示す図である。

基板２１は厚さ０　、８ｍｍの光学研摩した青板ガラス
を用いた。青板ガラスからアモルファス薄膜や微結晶薄
膜への不純物拡散等による影響を防ぐため。

ガラス板表面はスパッタリング法でＳｊｎ、薄膜コーテ
ィングがされている。この基板上に２３のアモルファス
薄膜ＳｉＣ：　Ｈ膜と２４の微結晶薄膜（ＳｉＣ二Ｈ膜
）を交互に積層した。この場合アモルファスＳｉＣ：　
Ｈ及び微結晶ＳｉＣ：　Ｈｅはマイクロ波を用いた電子
サイクロトロン共鳴方式のＣＶＤ装置を用いて形成した
。２３のアモルファス薄膜は各々７０人の厚さ、２４の
微結晶薄膜は各々１５０人の厚さに選定した。その後２
３．２４の各層をフォトリソグラフィー技術により必要
部分のみ残してエツチングした。引続き全面にＡの電極
を約５０００人形成し、フォトリソグラフィー法により
ゲート電極２８を付ける部分のＡＯ電極を取る。次に全
面に４４のａ−３ｉＮ：Ｈ膜を１２０人被潰し、ソース
・ドレインの部分に穴あけし、１！極引出し部分とした
。

次にゲート電極となるＣ　ｒ　／　Ａのを蒸着法で３０
００人看け１同様にフォトリソグラフィー法により、ゲ
ート電極２８を形成した。

この様にして形成した素子の実効移動度を測定した所３
■”／Ｖｓと従来のアモルファスＳＬを用いたものの５
倍程度と高かった。またＣを含むので、光照射によるオ
フ抵抗の低下も少なく、実施例１の場合に比べてさらに
光照射の影響を受けることが少なくなった。またＣを含
むため、耐熱性も高く、８０’Ｃ程度の高温でも動作さ
せることが出来た。オン・オフ電流比も室温で７桁以上
が得られた。この様に超格子構造にすることにより実効
移動度を上げるとともに、光感度を格段に低減出来、し
かもオン・オフ電流比が大きく出来ることが実証された
。さらにその特性を詳細に見ると、超格子構造であるた
め材料の光学ギャップ端の光吸収の切れが良く、ゲート
電圧に対するしきい値前後での電流の切れが良く、暗電
流の温度係数も小さいと言った長所も合わせもつことが
判明した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、移動度を１００倍程に高められるとと
もに、光照射による特性変化を小さく出来、かつソース
・ドレイン電流のオン・オフ比を７桁程度に高めること
が出来る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図及び第３図はそれぞれ本発明の一実施例
の素子の断面図、第４図は従来の素子の断面図である。 ｌ・・・保護１摸 ２・・・ソース・ドレイン電極 ３・・・ソース・ドレイン電極接続層 ４−・・活性層　　　　　５・・・ゲート絶縁層６・・
・ゲート電極　　　７・・・基板２１・・・基板　　　
　　　２２・・・ゲート絶縁膜２３・・・アモルファス
薄膜 ２４・・・微結晶薄膜　　　２５・・・ｎ＋半導体層２
６、２７・・・ソース・ドレイン電極２８・・・ゲート
電極　　　２９・・・保護膜４４−　ａ　−ＳｉＮ　：
　Ｈ膜 代理人弁理士　　中　村　純之助 ２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子又は正孔を主として輸送する通路と、これに直
   接又は間接に接したゲート電極と、少なくとも上記通路
   に２箇所以上設けられたソース及びドレインをなす電極
   とを有する薄膜電界効果素子において、上記通路が微結
   晶薄膜とアモルファス薄膜のそれぞれ少なくとも一層か
   らなることを特徴とする薄膜電界効果素子。 ２、上記微結晶薄膜の膜厚は１０〜３０００Åの範囲の
   厚みである特許請求の範囲第１項記載の薄膜電界効果素
   子。 ３、上記アモルファス薄膜の膜厚は３０〜３０００Åの
   範囲の厚みである特許請求の範囲第１項記載の薄膜電界
   効果素子。 ４、上記通路は、上記ゲート電極が配置されている側に
   少なくとも上記アモルファス薄膜が配置されている特許
   請求の範囲第１項、第２項又は第３項記載の薄膜電界効
   果素子。 ５、上記通路は、上記微結晶薄膜及び上記アモルファス
   薄膜がそれぞれ二層以上配置されている特許請求の範囲
   第１項記載の薄膜電界効果素子。