JPH04364781A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に関し、よ
り詳しくは、電気的信号を増幅あるいはスイッチングす
るために使用される誘電体ベーストランジスタを備えた
半導体装置に関する。

【０００２】コンピュータに代表される情報処理用エレ
クトロニクス装置の分野においては電気的信号を増幅し
たり、スイッチング動作を行うトランジスタが重要な役
割を果たしている。装置の中に使用されているトランジ
スタの性能を向上させることは、情報処理装置の性能を
向上させる上で第一義的に重要なことである。特にトラ
ンジスタのスイッチング速度の向上は直接的に情報処理
装置の処理速度向上に結びついている。

【０００３】トランジスタの高速度化には種々な方向が
あるが、その基本になるのは素子寸法の小型化、縮小化
である。素子寸法を小さくすれば、それに伴って静電容
量やインダクタンスは減少し、高速化に有効である。ま
た、トランジスタの中のキャリア走行距離が短くなるこ
とによる高速化も期待できるのである。寸法を極限まで
小さくしたトランジスタを従来の半導体材料だけでなく
、金属、酸化物、金属超伝導体或いは酸化物超伝導体を
用いて構成することができれば、トランジスタの応用範
囲が大きく広がることになり、産業上有用と考えられる
。

【０００４】

【従来の技術】情報処理装置の処理速度向上の要求に応
えるトランジスタとして、誘電体ベーストランジスタが
提案されている。

【０００５】この誘電体ベーストランジスタはベース領
域に誘電体を用いたトランジスタの総称であり、図３（
Ａ）　に例示するような構造をしている。

【０００６】即ち、高誘電率のＳｒＴｉＯ３基板よりな
る誘電体ベース層３１の平坦な面の上に、厚さ６ｎｍの
シリコンよりなるトンネルバリア層３２，３３が間隔を
おいて２つの領域に形成され、それらの上にエミッタ層
３４とコレクタ層３５がぞれぞれ形成されている。また
、高誘電率のベース層３１の下面にはベース電極３６が
接触され、この電極３６に与えた電位により誘電体ベー
ス層３１の電位が制御される。

【０００７】そして、エミッタ層３４から供給された電
子は、トンネル効果によりトンネルバリア層３２を抜け
て誘電体ベース層３１を走行し、他方のトンネルバリア
層３３を超えてコレクタ層３５に到達することになる。 そして、ベース電極３６から誘電体ベース層３１に印加
する電圧を変化して、エミッタ層３４から誘電体ベース
層３１に注入されるキャリアの量を変え、これによりト
ランジスタの電流を制御することになる。

【０００８】ところで、このトランジスタは図４に示す
ような電流−電圧特性を有し、また、その電圧ゲインは
約２倍が得られるが、電流ゲインはベース層３１が絶縁
性であるためにベース電流が流れず、極めて高い値とな
る。

【０００９】したがって、誘電体ベーストランジスタは
、ＦＥＴと同様に極めて大きな電流ゲインをもつという
特徴があるが、相互コンダクタンスの大きさをエミッタ
の単位長さで正規化すると約１０ｍＳ／ｍｍとなり、さ
らに大きなものが要求されている。

【００１０】トランジスタの相互コンダクタンスは、誘
電体ベース層３１内のキャリアの走行時間で制限され、
走行時間が短いほど相互コンダクタンスは大きくなり、
キャリア走行時間を短縮する最も効果的な方法の一つと
して、エミッタとコレクタの距離を短縮することが考え
られる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記したよう
な誘電体ベース層３１の平坦面にエミッタ層３４、コレ
クタ層３５を形成する構造によれば、通常のフォトリソ
グラフィー法を用いて形成できるそれらの層の間隔は１
μｍ前後であり、誘電体ベーストランジスタの相互コン
ダクタンスを飛躍的に改善するには不十分である。

【００１２】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであって、相互コンダクタンスの大きな誘電体ベース
トランジスタを備えた半導体装置を提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、図１に
例示するように、誘電性物質よりなるベース層１と、前
記ベース層１に段差のある面を形成する段部２と、前記
ベース層１より誘電率の低いバリア層４，６を介して、
前記段部２の上段と下段のそれぞれの面に形成された第
一、第二の導電性膜３，５と、前記ベース層１の前記段
部２のない面に接触させた第三の導電膜７とを備えてな
る誘電体ベーストランジスタを有することを特徴とする
半導体装置によって達成する。

【００１４】または、図２に例示するように、前記第三
の導電膜７を絶縁性基板１１に接触させて、前記誘電体
ベーストランジスタを該絶縁性基板１１の上に形成する
ことを特徴とする前記半導体装置により達成する。

【００１５】または、前記第一、第二、第三の導電膜３
，５，７のうち少なくとも一つが、超伝導を示す金属又
は酸化物材料で構成されていることを特徴とする前記半
導体装置によって達成する。

【００１６】

【作　　用】第１の発明によれば、エミッタ、コレクタ
となる第一の導電性膜３と第二の導電性膜５の間隙を段
部２の段差によって形成することになる。

【００１７】この場合、厚さ方向となる段部２の段差の
制御が容易であり、その間隙を数百ｎｍと小さくできる
ため、ベース走行時間が短縮されてトランジスタの電流
レベルと相互コンダクタンスを改善できる。

【００１８】また、第２の発明によれば、誘電体ベース
トランジスタを絶縁性基板１１の上に形成しているため
、集積化が可能になる。

【００１９】さらに、第３の発明によれば、エミッタ、
コレクタとなる導電性膜３，５を超伝導材料により形成
しているために、これらの間に超伝導電流を流せ、高速
化、低消費電力化が図れる。

【００２０】

【実施例】

（ａ）本発明の第１の実施例の説明 図１は、本発明の一実施例を示す装置の断面図とそのエ
ネルギーバンド図を示している。

【００２１】図において符号１は、ＳｒＴｉＯ３のよう
な絶縁体的バンド構造をもつ物質よりなる誘電体ベース
層で、その上面には段部２が形成され、その上段面には
段部２の縁に至るエミッタ層３が第１のトンネルバリア
層４を介して形成され、またその下段面には、コレクタ
層５が第２のトンネルバリア層６を介して形成されてい
る。さらに、誘電体ベース層１の下面にはベース電極７
が形成されている。

【００２２】ところで、その段部２は、イオンミリング
法、エッチング法等によって誘電体ベース層１の一部を
均等に除去して形成されるものである。そして、その上
にトンネルバリア層となるＳｉＯ２をＣＶＤにより形成
し、ついで、Ｔａ等の金属材を蒸着法により堆積すれば
、その金属材は段差によって不連続になって分離され、
分離した金属材をそれぞれエミッタ層３、コレクタ層５
として適用することになる。

【００２３】また、エミッタ層３、コレクタ層５の間隔
は段部２の段差によって決定され、その段差の制御は数
百ｎｍまで可能であり、段差を３００ｎｍとした場合に
それらの層３，５の厚さを１５０ｎｍ程度にすればよい
。

【００２４】ところで、段部２の立上がり面が僅かに下
方向に傾くようにイオンミリング等を行えば、その側壁
面とコレクタ層５の間に僅かな隙間が形成され、それら
が接触することはなくなる。

【００２５】８は、誘電体ベース層１、エミッタ層３及
びコレクタ層５を覆うＳｉＯ２等の層間絶縁膜で、２０
０ｎｍ程度の厚さに形成され、この膜には、エミッタ層
３、コレクタ層５の一部をそれぞれ露出するコンタクト
ホール８ａ，８ｂが形成され、各コンタクトホール８ａ
，８ｂにはエミッタ電極９及びコレクタ電極１０が形成
されている。

【００２６】次に、上記した誘電体トランジスタの作用
を説明する。

【００２７】上述した実施例において、エミッタ電極９
とコレクタ電極１０の間に電圧を印加してエミッタ層３
がコレクタ層５よりも低電位となるようにすると、上記
した誘電体ベーストランジスタの模式的バンド図は図１
（Ｂ）　に示すようになる。

【００２８】なお、この図は、キャリアが電子の場合に
対するものであるが、キャリアが正孔の場合でも同様な
説明が可能である。

【００２９】この状態で、ベース電極７に所定の電圧を
印加してベース層１のポテンシャルを低下させると、エ
ミッタ層３内のキャリアは、第１のトンネルバリア層４
をトンネルして誘導体ベース層１に注入され、ついで段
部２の領域を通り、第２のトンネルバリア層６を超えて
コレクタ層５に到達する。

【００３０】この場合、ベース電極７の電圧を変化する
と電流の通路（チャネル）のポテンシャルも変化し、ト
ランジスタ電流がベース層１に与えた電位によって制御
されることになる。

【００３１】ここで、エミッタ層３とコレクタ層５との
間の間隔は段部２の段差によって形成され、しかも、そ
の段差をイオンミリング等により数百Åと極めて小さく
することができる。従って、段差を小さくすることによ
りベース走行時間は短縮され、トランジスタの電流レベ
ルと相互コンダクタンスが改善される。

【００３２】（ｂ）本発明のその他の実施例の説明第１
の実施例装置は単体のトランジスタについて説明したが
、図２に示すように、この誘電体ベーストランジスタの
ゲート電極をＬａＡｌＯ３等の絶縁性基板１１の上に接
触させて形成する構造を採れば、複数の誘電体ベースト
ランジスタを同一基板１１の上に集積できることになる
。

【００３３】また、第１の実施例では、エミッタ層３、
コレクタ層５及びベース層１をＴａ等の金属材料により
形成し、トンネルバリア層４，６をＳｉＯ２により形成
したが、エミッタ層３、コレクタ層５及びベース層１を
ＹＢａ２Ｃｕ３ＯＸ　等の酸化物超伝導材料により形成
するとともに、トンネルバリア層をＹＡｌＯ３　によっ
て構成することもできる。

【００３４】これによれば、エミッタ・コレクタ間の間
隙が段差により小さく形成された上記装置において、超
伝導電流を流すことができるという利点がある。

【００３５】なお、エミッタ層３，コレクタ層５の材料
としては、その他にＮｂやＰｂ合金等の金属系超伝導体
、半導体がある。

【００３６】また、トンネルバリア層４，６の材料は、
ＳｉＯ２、ＹＡｌＯ３　に限定されるものではなく、誘
電体ベース層１よりも誘電率が低く、しかも、キャリア
の流れに対してトンネルバリアとして働く薄い絶縁体で
あればよい。

【００３７】さらに、第１の実施例においては、誘電体
ベース層１をＳｒＴｉＯ３によって形成したが、ＫＴａ
１−ＸＮｂＸ　Ｏ３のような他の材料により形成するこ
ともできる。そして、ＫＴａ１−ＸＮｂＸ　Ｏ３を用い
れば、例えば液体窒素温度で誘電率が最大になるように
組成比ｘを調整して、その温度で良好な特性をもつよう
に素子を設計することができる利点がある。その組成比
ｘを０．０５とすれば、液体窒素温度での比誘電率が数
万となる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、エミ
ッタ、コレクタとなる第一の導電性膜と第二の導電性膜
の間隙を、制御が容易な段部の段差によって形成したの
で、その間隙を数百ｎｍと小さくでき、ベース走行時間
を短縮してトランジスタの電流レベルと相互コンダクタ
ンスを改善することができる。

【００３９】また、第２の発明によれば、誘電体ベース
トランジスタを絶縁性基板の上に形成しているので、集
積化が可能になる。

【００４０】さらに、第３の発明によれば、エミッタ、
コレクタとなる導電性膜を超伝導材料により形成してい
るので、これらの間に超伝導電流を流すことができ、高
速化、低消費電力化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例装置を示す断面図及びそ
のエネルギーバンド図である。

【図２】本発明の第２実施例装置を示す断面図である。

【図３】従来装置の一例を示す断面図及びそのエネルギ
ーバンド図である。

【図４】誘電体ベーストランジスタの特性図である。

【符号の説明】

１　　　　誘電体ベース層 ２　　　　段部 ３　　　　エミッタ層（導電膜） ４　　　　トンネルバリア層 ５　　　　コレクタ層（導電膜） ６　　　　トンネルバリア層 ７　　　　ベース電極 ８　　　　層間絶縁膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘電性物質よりなるベース層（１）と、前
   記ベース層（１）に段差のある面を形成する段部（２）
   と、前記ベース層（１）より誘電率の低いバリア層（４
   ，６）を介して、前記段部（２）の上段と下段のそれぞ
   れの面に形成された第一、第二の導電性膜（３，５）と
   、前記ベース層（１）の前記段部（２）のない面に接触
   させた第三の導電膜（７）とを備えてなる誘電体ベース
   トランジスタを有することを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】前記第三の導電膜（７）を絶縁性基板（１
   １）に接触させて、前記誘電体ベーストランジスタを該
   絶縁性基板（１１）の上に形成することを特徴とする請
   求項１記載の半導体装置。
3. 【請求項３】前記第一、第二、第三の導電膜（３，５，
   ７）のうち少なくとも一つが、超伝導を示す金属又は酸
   化物材料で構成されていることを特徴とする請求項１，
   ２記載の半導体装置。