JPH0472766A - Ｍｉｍｉｍ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】 〔技術分野〕 本発明はメタルベーストランジスタであるＭＩＭＩＭ型
素子に関する。

〔従来技術〕

メタルベーストランジスタであるＭＩＭＩＭ型素子は、
ＭＩＭ構造の絶縁層をトンネルする電子の確率をＭＩＭ
構造の中間に挿入した電極によって制御することにより
トランジスタ動作を行う素子である。ＭＩＭＩＭ型素子
は、ベースが金属であり抵抗が小さく、かつ、トンネル
電子を利用するため、高出力、高速動作が可能な素子と
して注目されている。しかし、このＭＩＭＩＭ型素子は
、その基本概念が１９６１年に確立されていたにもかか
わらず、今だに実用化されていない。その理由のひとつ
には、良質の絶縁膜を均一にしかも再現性よく形成させ
ることができないという問題があった。

この絶縁膜については、例えば、Ｍ、　Ｈｅｉｂｌｕｍ
〔ソリッドステイトエレクトロニクス（ＳｏｌｉｄＳｔ
ａｔｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）　Ｖｏｌ、２４、ｐ
、３４３−３６６、１９８１）による絶縁層の形成が知
られている。この提案では、絶縁層の形成に金属の自然
酸化を利用しているため、製作する場合に膜厚を厳密に
コントロールすることが困難であり、しかも膜中の欠陥
が多く発生するため、実用化に適した十分な特性を得る
ことができなかった６他の提案として絶縁膜を酸化雰囲
気中あるいは電界指向プラズマ中において成長させるも
の（特開昭６１−１４５８８０号）等がある。しかし、
これらの提案には具体的な記述が示されておらず、これ
らの提案による製造方法では、膜厚あるいは膜質のコン
トロールが困難であり、また再現性にも問題があるため
実用化するまでには至らなかった。

また、金属の表面に良質の酸化膜を形成させる方法とし
て、熱酸化法や陽極酸化法が使用されている。しかし、
熱酸化法は、約４００〜５００℃といった高温の基板温
度が必要となるため、高温に耐えられる基板材料に制約
を受けるとともに薄膜を得ることが困難であった。陽極
酸化法では、溶液中の化学反応によって行うため、溶液
の組成や反応条件の最適化が難しく、また酸化後に約１
５０℃程度のアニールが必要となるため、ＭＩＭＩＭ型
素子等の素子の製造には不適当であった。さらに他の方
法として、蒸着法による酸化膜の堆積、プラズマ酸化法
、あるいは酸化イオンの打ち込みによる方法等があるが
、いずれの方法においても酸化膜の欠陥、不均一性また
は金属と酸化膜の間の界面状態の不均一性が問題になっ
ていた。

このように従来のＭＩＭＩＭ型素子では、その製造が困
難であり、さらに酸化膜の膜質や金属−酸化膜の界面状
態の不均一性に起因して素子間の特性がバラつくため、
良好なトランジスタ特性を持った素子を得ることができ
なかった。

〔目　　的〕

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、良質の絶
縁膜が均一に、しかも再現性よく形成されたＭＩＭＩＭ
型素子を提供することを目的とする。

〔構　　成〕

本発明は基板と、該基板上に形成された第１の電極と、
第１の電極の上に形成された第１の絶縁膜と、第１の絶
縁層の上に形成された第２の電極と、第２の電極の上に
形成された第２の絶縁層と、第２の絶縁層の上に形成さ
れた第３の電極とからなるＭＩＭＩＭ型素子において。

前記第１および第２の絶縁層のうち少なくとも一つは硬
質炭素膜であり、かつ線膜が周期律表第■族原子、ハロ
ゲン、窒素および酸素よりなる群から選らばれた少くと
も１つの原子を含有することを特徴とするＭＩＭＩＭ型
素子に関する。

以下に本発明を一具体例に基づいて説明する。

第１図には本発明によるＭＩＭＩＭ型素子の一具体例の
断面図が、また第２図には第１図に示されているＭＩＭ
ＩＭ型素子の概観斜視図が示されている。

基板１の上に第１の電極２が形成され、電極２の上には
前記特定の原子がドーピングされた硬質炭素膜からなる
第１の絶縁層３が電極２を覆うように形成されている。

絶縁層３の上には第２の電極４が形成され、電極４の上
に第２の絶縁層５が形成され、さらに絶縁層５の上には
第３の電極６が形成されている。

この具体例における第２の絶、ＩＩ／ｉＦ５は、第１の
絶縁層３を形成する材料と同一のものであってもよいが
、他のＭＡ縁材料１例えばドーピングされていない硬質
炭素膜、ベーマイト（ＡＱＯ・ＯＨ）、ＡＱ２０３．Ｔ
ａ２Ｏ，、ＴｉＯ，、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ。

ＳｉＣ等が使用できる。

以上の構成からなるＭＩＭＩＭ型素子は、第１の絶縁層
３の厚さが、例えば数オングストローム−数十オングス
トロームというように十分に薄いので、第１の電極２か
らの電子は１−ンネル効果によって第１の絶縁層３をつ
き抜けてベースである第２の電極４に流入する。この電
子はエネルギー状態の高いホットエレクトロンであり、
その一部は第２の絶縁Ｍ５をも通過し、コレクタである
第３の電極６に達する＃電子が第１の絶縁層３をトンネ
ルする確率は、エミッタである第１の電極２とベースで
ある第２の電極４との間の電位差により非常に大きく変
化するため、トランジスタの動作が可能となる。

本発明の前記具体例では、ドーピングされた硬質炭素膜
を第１の絶縁層３に使用したが、２つの絶縁層のすべて
をドーピングされた硬質炭素膜とすることもできるし、
１つの絶縁層のみを他の絶縁材料で形成することもでき
る。

硬質炭素膜を形成するためには有機化合物ガス、特に炭
化水素ガスが用いられる。これら原料における相状態は
常温、常圧において必ずしも気相である必要はなく、加
熱或いは減圧等により溶融、蒸発、昇華等を経て気化し
得るものであれば、液相でも同相でも使用可能である。

原料ガスとしての炭化水素ガスについては、例えばＣＨ
４，Ｃ，Ｈ，、Ｃ４Ｈ工。等のパラフィン系炭化水素、
Ｃ，Ｈ，等のオレフィン系炭化水素、ジオレフィン系炭
化水素、アセチレン系炭化水素、さらには芳香族炭化水
素などすべての炭化水素を少なくとも含むガスが使用可
能である。

また、炭化水素以外でも、例えばアルコール類、ケトン
類、エーテル類、エステル類等であって少なくとも炭素
元素を含む化合物であれば使用可能である。

本発明における原料ガスからの硬質炭素膜の形成方法と
しては、成膜活性種が直流、低周波、高周波あるいはマ
イクロ波等を用いたプラズマ法により生成されるプラズ
マ状態を経て形成される方法が好ましいが、より大面積
化、均−性向上及び／又は低温製膜の目的で低圧下で堆
積を行わせしめるのには磁界効果を利用する方法がさら
に好ましい。また、高温における熱分解によっても活性
種を形成できる。

その他にも、イオン化蒸着法或いはイオンビーム蒸着法
等により生成されるイオン状態を経て形成されてもよい
し、真空蒸着法或いはスパッタリング法等により生成さ
れる中性粒子から形成されてもよいし、さらには、これ
らの組み合わせにより形成されてもよい。

こうして作製される硬質炭素膜の堆積条件の一例はプラ
ズマＣＶＤ法の場合、概ね次の通りである。

ＲＦ出力　：　　０．１〜５０　％ｌ／ａ＃圧力　　　
：　　１０−３〜１０　Ｔｏｒｒ堆積温度　：　室温〜
９５０℃、 好ましくは室温〜３００℃。

このプラズマ状態により原料ガスがラジカルとイオンと
に分解され反応することによって。

基板上に炭素原子Ｃと水素原子Ｈとからなるアモルファ
ス（非晶質）及び微結晶質（結晶の大きさは数１０人〜
数μ園）の少くとも一方を含む硬質炭素膜が堆積する。

硬質炭素膜の諸特性を表−１に示す。

表−１ 注）測定法； 比抵抗（ρ）：コプレナー型セルによるニー■特性より
求める。

ピットス硬度（Ｈ）二マイクロビッカース計による。

屈折率（ｎ）：エリプソメーターによる。

欠陥密度：ＥＳＲによる。

こうして形成される硬質炭素膜はＩＲ吸収法及びラマン
分光法による分析の結果、第３図および第４図に示すよ
うに炭素原子にＳＦ３の混成軌道とＳＦ３の混成軌道と
を形成した原子間結合が混在していることが明らかにな
っている。

ＳＰ３結合とＳＰ２結合との比率は、ＩＲスペクトルを
ピーク分離することで概ね推定できる。

ＩＲスペクトルには、２８００〜３１５０ａｎ−”に多
くのモードのスペクトルが重なって測定されるが、夫々
の波数に対応するピークの帰属は明らかになっており、
第５図に示すようにガウス分布によってピーク分離を行
ない、夫々のピーク面積を算出し、その比率を求めれば
Ｓ　Ｐ３／Ｓ　Ｐ２を知ることができる。

また、Ｘ線及び電子回折分析によれば硬質炭素膜は、ア
モルファス状態（ａ　−Ｃ：　ｌ（）、及び／又は約５
０人〜数μｍ程度の微結晶粒を含むアモルファス状態に
あることが判っている。

一般に硬質炭素膜の量産に適しているプラズマＣＶＤ法
の場合には、ＲＦ出力が小さいほど膜の比抵抗値および
硬度が増加し、低圧力なほど活性種の寿命が増加するた
めに基板温度の低温化、大面積での均一化が図れ、かつ
比抵抗、硬度が増加する傾向にある、更に、低圧力では
プラズマ密度が減少するため、磁界閉じ込め効果を利用
する方法は、比抵抗の増加には特に効果的である。さら
に、この方法は常温〜１５０℃程度の比較的低い温度条
件でも同様に良質の硬質炭素膜を形成できるという特徴
を有しているため、ＭＩＭＩＭ素子製造プロセスの低温
化には最適である。従って、使用する基板材料の選択自
由度が広がり、基板温度をコントロールし易いために大
面積に均一な膜が得られるという特徴をもっている（特
願平２−９３３５２．２−１１４８６７．２−１２４４
６９号参照）。

本発明の硬質炭素膜にはドーパントを含有させることが
できる。

ドーパントとしての周期律表第■族元素、窒素素子、酸
素原子、又はハロゲン元素は、硬質ＲＩＡ膜形成用の原
料ガス中に混合して使用する。

ドーパントの混合形態は、その単体の形でも使用できる
が、それを含む化合物（又は分子）（以下、これらを「
他の化合物）ということもある）のガスとしても用いる
ことができる。

周期律表第■族元素を含む化合物としては、例えば５ｉ
３ｆ（Ｇ、　（Ｃ２Ｈｓ）、５ｉ）ｌ、　ＳｉＦ４．　
ＳｉＨ，Ｃ８４゜５ｉＣＵ、、　５ｉ（ＯＣＨ，）、ｔ
　５ｉ（ＯＣ２Ｈ，）、、　５ｉ（ＱＣ，）１７）４＊
ＧｅＣＱ４．　ＧｅＨ４，Ｇｅ（ＯＣｚｌ（ｓ）４＋Ｇ
ｅ（ＣＪｓ）４＋（Ｃ）Ｉ、）＊５ｎｔ（Ｃａｂｓ）Ｊ
ｎｔ　５ｎＣＱ４等がある。

窒素原子を含む化合物としては例えば窒素ガス、アンモ
ニア等の無機化合物、アミノ基、シアノ基等の官能基を
有する有機化合物及び窒素を含む複素環等がある。

酸素原子を含む化合物としては例えば酸素ガス、オゾン
、水（水蒸気）、過酸化水素、−酸化炭素、二酸化炭素
、亜酸化炭素、−酸化窒素、二酸化窒素、三酸化二窒素
、五酸化二窒素、三酸化窒素等の無機化合物、水酸基、
アルデヒド基、アシル基、ケトン基、ニトロ基、ニトロ
ソ基、スルホン基、エーテル結合、エステル結合、ペプ
チド結合、酸素を含む複素環等の官能基或いは結合を有
する有機化合物、更には金属アルコキシド等が挙げられ
る。

またハロゲン元素を含む化合物としては例えば弗素、塩
素、臭素、沃素、弗化水素、弗化塩素、弗化臭素、弗化
沃素、塩化水素、塩化臭素、塩化沃素、臭化水素、臭化
沃素、沃化水素等の無機化合物、ハロゲン化アルキル、
ハロゲン化アリール、ハロゲン化スチレン、ハロゲン化
ポリメチレン、ハロホルム等の有機化合物が用いられる
。

本発明の硬質炭素膜中に構成元素の一つとして含有させ
ることのできるドーパントの量は次の表−２のＡに示す
とおりである。なおこれら元素又は原子の量は元素分析
の常法、例えばオージェ分析によって測定することがで
きる。またこの量は原料ガスに含まれる他の化合物の量
や成膜条件等で調節可能である。膜中に含まれる元素又
は原子の量は原料ガス中の化合物の流量比とは一致しな
い、膜中にとり込まれる量はガス種、成膜条件等で異な
るが、はぼ５０％程度かそれ以下の量となっている。

本発明におけるそれぞれの化合物の使用量は、炭素を含
む化合物に対して、次の表−２のＢに示すとおりである
。

（以下余白） 電極２，４および６の材料は、たとえばＡΩ。

Ｃｒ、ＮｉＣｒ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｔｉ。

Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属およびＩＴＯ。

Ｉｎ２Ｏ，、ＳｎＯ，、ＺｎＯ等の透明導電体が使用さ
れており、蒸着法またはスパッタ法等により形成されて
いる。

本発明に使用される基板は、ガラス、プラスチックス、
プラスチックフィルム、無機およびまたは有機材料を表
面コートあるいは表面処理した上記基板等積々のものが
挙げられる。軽量化、低コスト化といった点では、プラ
スチックス、プラスチックフィルム基板の使用が有利で
ある。

本発明は上記説明のような構成のＭＩＭＩＭ型素子に少
なくとも一方の絶縁層に特定の硬質炭素膜を用いること
以外には、素子の作成方法等によりいっさい制限を受け
るものではない。

本発明によるＭＩＭＩＭ型素子は、メタルベーストラン
ジスタ等の高速のトランジスタや、高速トランジスタを
使用した高速動作回路等に応用することができる。

〔実施例〕

基板１としてパイレックスガラスを用い、この上に１を
蒸着法により成膜し、所望のパターンにバターニングし
、第１の電極２を形成する１次に第１の絶縁層３である
硬質炭素膜をプラズマＣＶＤ法により形成する０本実施
例では、平行平板型プラズマＣＶＤ装置を使用している
。

ＣＨ，、Ｈ，、ドープガスを混合した原料ガスを装置に
導入し、平行平板の電極間に約１３．５６ＭＨｚの高周
波電界を印加し、原料ガスはラジカルとイオンとに分解
させ反応させることによって。

基板１及びＡｊｌよりなる第１の電極２の上に硬質炭素
膜を堆積させる。高周波電力は５０Ｗ、反応圧力は０．
０３Ｔｏｒｒであった０次にＡＩ薄膜を蒸着法で成膜し
、所望のパターンにバターニングして、第２の電極４を
形成する。この上に前記と同様の方法で第１の絶縁層３
と同様に硬質炭素膜からなる第２の絶縁層５をプラズマ
ＣＶＤ法により形成した。さらにＡＱ薄膜を蒸着法で成
膜し、所望のパターンにバターニングして。

第３の電極６を形成した（第２図参照）。

素子構造としては上記の他にピンホール等による素子欠
陥を防ぎ、ＭＩＭＩＭ部の面積を規定するために眉間絶
縁膜７を設け、これに第１図のごとくコンタクトホール
をあけてから第２の電極４を形成する構造も効果的であ
った。

ドープガス量とドーパントの膜中量及び膜の耐熱性、連
続動作時の特性変化量を表−３にまとめた。

（以下余白） 〔効　　果〕 本発明によれば、絶縁層の少なくとも一方に特定の硬質
炭素膜を使用しているため、素子の電気的、熱的安定性
が著るしく向上した。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明によるＭＩＭＩＭ型素子の１具体例を
示す断面図、第２図は第１図に示すＭＩＭＩＭ型素子概
観斜視図、第３図は１本発明のＭＩＭＩＭ型素子の絶縁
層に使用した硬質炭素膜をＩＲ吸収法で分析した分析結
果を示すスペクトル図、第４図は本発明のＭＩＭＩＭ型
素子の絶縁層に使用した硬質炭素膜をラマン分光法で分
光した分析結果を示すスペクトル図。 第５図は、ＩＲスペクトルのガウス分布を示す。 １・・・基板　　　　　　２・・・第１の電極３・・・
第１の絶縁層　　４・・・第２の電極５・・・第２の絶
縁層　　６・・・第３の電極特許出願人　株式会社　リ
　コ　− ラマンスペクトル （波数） 第４ 図 ＩＲスペクトル １１に数）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、基板と、該基板の上に形成された第１の電極と、第
   １の電極の上に形成された第１の絶縁層と、第１の絶縁
   層の上に形成された第２の電極と、第２の電極の上に形
   成された第２の絶縁層と、第２の絶縁層の上に形成され
   た第３の電極とからなるＭＩＭＩＭ型素子において、前
   記第１および第２の絶縁層のうち少なくとも一つは硬質
   炭素膜であり、かつ該膜が周期律表第IV族原子、ハロゲ
   ン、窒素および酸素よりなる群から選らばれた少くとも
   １つの原子を含有することを特徴とするＭＩＭＩＭ型素
   子。