JPH0476954A - 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ａ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
きないとか電極特性が不充分である等という問題があっ
たからである。

絶縁膜については、例えば、阿、　Ｈｅｉｂｌｕｍ〔ソ
リッドステイトエレクトロニクス（ＳｏｌｊｄＳｔａｔ
ｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）　Ｖｏｌ、２４、ｐ、３
４３−３６６．１９８１〕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。他の提案として＃！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ｒｊＪ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
、あるいは酸素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パラつくため、
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。

このような問題を解決するため、本出願人は、絶縁層に
硬質炭素膜を用いること（特開昭６４−７５７７号）を
提案している。硬質炭素膜は常温程度の比較的低温で製
膜が可能であり、良質な膜を均一に、しかも再現性よく
得ることができる。

この特開昭６４−７５７７号にかかる絶縁層に硬質炭素
膜を用いたＭＩＭＩＭ型素子のＭＩＭＩＭの層構成は本
発明の第１図と同じであるので、第１図を用いて説明す
る。

基板１の上に第１の電極２が形成され、第１の電極２の
上には硬質炭素膜からなる第１の絶縁層３が第１の電極
２を覆うように形成されている。第１の絶縁層３の上に
は第２の電極４が形成され、第２の電極４の上には第２
の絶縁層５が形成され、さらに第２の絶縁層５の上には
第３の電極６が形成されている。

以上の構造からなる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−数百オングス
トロームというように十分に薄いので、エミッタである
第１の電極２からの電子はトンネル効果によって第１の
絶縁層３を突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、ベースの膜厚がホットエレクトロンの平均
自由行程よりも薄ければ第２の絶縁層５との界面に到達
する。それらのうちエネルギーの高いものは、第２のＭ
ｍ層５の伝導帯に入り、ここを通過後コレクタにより捕
集される。このホットエレクトロンは、ベースである第
２の電極４の厚さがホットエレクトロンの平均減衰距離
よりも薄ければエミッタに到達するはずである。しかし
従来、ベースの厚さがこの条件よりも薄くてもトランジ
スタ動作が不充分で再現性の良いトランジスタ特性が得
られなかった。

そこで、本発明者等は、この点について更に研究を進め
た結果、その原因は、ベースに入ったホットエレクトロ
ンが格子との衝突でエネルギーを失うだけでなく、結晶
粒界等の各種面欠陥でエネルギーを失うためであること
が判明した。

〔目　　的〕

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し。

ベース中の面欠陥を極力少なくすることにより。

ベース中でのホットエレクトロンのエネルギーロスを少
なくシ、良好なトランジスタ特性を示す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、少なくとも前記第２の電極と他の電極とが重なる部
分の第２の電極部分は単結晶化または多結晶化している
ことを特徴とするＭＩＭＩＭ素子に関する。

第２の電極であるベース電極は、前述したようにエミッ
タからのホットエレクトロンのエネルギーの減少を極力
抑える必要がある。そのために膜厚は、数十人から数百
人と薄くする必要がある。しかし、再現性良くトランジ
スタ動作を得るためにはベース電極の均一性が必要とな
る。そのため１本発明では、素子を構成するエリア、す
なわちＭＩＭＩＭ積層部分でのベース電極を結晶的に面
欠陥の少ないものを使用するものである。

これにより、エネルギーロスを少なくし、トランジスタ
動作の再現性を良くすることに成功したものである。

結晶的に面欠陥がないということは、結晶粒界、積層欠
陥、双晶境界等の面状の格子欠陥の−ないことを意味し
、理想的には、単結晶が最も好ましいが、本発明では、
前記積層部分のみが面欠陥がない、あるいは少なければ
よいので、多結晶であっても結晶粒の面積が大きければ
、機能的には単結晶と同等である。いいかえｔば、積層
部分の多結晶の結晶粒子数が数個以内であれば面欠陥が
少ないので、エネルギーロスがすくなく、実質上単結晶
の場合と大差がない。

この単結晶、又は、粗大結晶粒の作製方法は、先にも記
述したようにスパッタリング、蒸着、ＣＶＤ、ＭＢＥ法
などを用いて行ない、電極材料をエピタキシャル成長さ
せる。もしくは、エピタキシャル成長しないまでも結晶
粒を大きくさせる条件で作製する。もし、十分な大きさ
の結晶粒が得られない時は、アニール、レーザーアニー
ル、フラッシュアニール、電子線照射等の方法を用い結
晶にエネルギーをあたえ結晶の粗大化をはかる。

成膜後の薄膜は、歪や欠陥があるためアニル等の熱処理
は有用である。例えばアニールを行なうと、まず構造の
緩和が起き、ついで再結晶が起き、次に再結晶粒の成長
粗大化が進むという過程をとおる。その条件は、各材料
により異なるが、加わるエネルギーとその時間の関数と
なる。本発明では、素子面積が狭く、マトリックスや集
積回路での使用が多いためスポットアニールができるレ
ーザーアニールが有効的である。

ベース電極の作製方法は、これらの方法に限られるもの
ではなく、単結晶もしくは粗大結晶粒ができるものであ
ればどんな方法でもかまわない。

電極には、例えばＡＱ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｐｔ。

Ｎ　ｉＣｒ　ｔ　Ｔ　ａ　ｒ　Ｔ　ｘ　ｒ　Ｍ　ｏ　＋
　Ｗ　ｒ　Ｃｕ　ｙ　Ａ　ｇ　ｒＡｕ等の金属類、及び
ＩＴＯ，Ｉｎ２Ｏ，、ＳｎＯ□、　ＺｎＯ。

ＺｎＯ：　Ａ　Ｑ　、ＺｎＯ：　Ｓｉ、Ｓｉｎ□：　Ｓ
ｂ等の高導電体が使用され、これは蒸着法、ＣＶＤ法ま
たはスパッタ法等により厚さ数百人〜数μｍに形成され
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。

絶縁層としては硬質炭素膜、ＳｉＮｘ、ＳｉＣ，ＳｉＯ
ｘ。

丁ａ２０．　、Ａ　Ｑ　２０．等を用い、これをスパッ
タリング、蒸着、ＣＶＤ法等の方法で製膜するか又は、
陽極酸化法で作成する。この時の膜厚は、第１の絶縁層
では、数百人と十分に薄くする。第２の絶縁層では、数
十人〜数μｍとする。

本発明を第１〜４図を参照して説明する。

基板１上に第１の電極用材料を堆積した後、所定のパタ
ーンにパターニングして、エミッタとなる第１の電極２
を形成する。つぎに、Ｍ８材料を製膜して第１の絶縁層
３を形成する。ベースとなる第２の電極４も第１の電Ｆ
ｉ２と同様に形成、パターニングする。ついで、第２の
絶縁層４を形成、パターニングする。コレクタとなる第
３の電極６も第１．第２の電極と同様に形成、パターニ
ングする。

ここでは、下からエミッタ、ベース、コレクタ電極とし
たが、逆に下からコレクタ、ベース、エミッタ電極とし
てもよい。又、他の構成でもかまわない。ＭＩＭＩＭ素
子で大切なのは、ベース・エミッタ間の１ｆｉｌ１層と
ベース電極である。

絶縁材料には、炭素原子及び水素原子を主な組織形成元
素とする硬質炭素膜からの特性が好ましい。

ＭＩＭＩＭ素子で絶縁層は薄いため電極のエツジなど素
子になっていない所（積層部以外の個所）でショート等
の欠陥が発生することがある。このため第３図に示すよ
うに眉間絶縁膜７を前記積層部以外の個所にもうけた方
が望ましい。この時絶縁物は、第１，２１０！緑物に使
用した絶縁材料や、ポリイミドや、光硬化性樹脂など各
種の合成樹脂等が使用できる。

本発明における硬質炭素膜について詳しく説明する。

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。

この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，Ｃ２Ｈ，、Ｃ３Ｈ，、Ｃ４Ｈ□。等のパラフィン系
炭化水素、Ｃ２Ｈ４等のアセチレン系炭化水素、オレフ
ィン系炭化水素、ジオレフィン系炭化水素、さらには芳
香族炭化水素などすべての炭化水素を含むガスが使用で
きる。

さらに、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。

ＣＯ，ＣＯ２等の炭素元素を含む化合物であれば使用で
きる。

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、或いは
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、大面積化
、均一性向上、低温成膜の目的で、低圧下で堆積を行な
うため、磁界効果を利用する方法がさらに好ましい。

またこの活性種は高温熱分解によっても形成できる。そ
の他にも、イオン化蒸着法、ある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。

ある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出カニ　０，１〜５０ｗ／ａ＃ 圧　　　カニ　１０−３〜１０Ｔｏｒｒ堆積温度：室温
〜９５０℃ 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μｍ）の少くとも
一方を含む硬質炭素膜が堆積する。なお硬質炭素膜の諸
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Ｉ−Ｖ特性より
求める。

光学的バンドギャップ（Ｅｇｏｐｔ）　：分光特性から
吸収係数（α）を求め。

（ａ　ｈ　ｙ　）’　＝Ｂ（ｈ　ｖ−Ｅｇｏｐｔ）の関
係より決定する。

膜中水素量（ＣＨ）：赤外吸収スペクトルから、２９０
０ａｎ−”付近のピークを積分し、吸収断面積Ａを掛け
て求める。すなわち α（し） ＣＩ（：Ａ−／　−・ｄ　ｖ す Ｓ　Ｐ３／　Ｓ　Ｐ２比：赤外吸収スペクトルを、ｓｐ
’、ｓｐ”にそれぞれ帰属されるガウス関数に分解し。

その面積比より求める。

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：Ｅ　Ｓ　Ｒ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、夫々、第６図及び第７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、Ｉ
Ｒ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、２８００〜３１５０■−１に多く
のモードのスペクトルが重なって副室されるが、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図の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　Ｐ
３／Ｓ　Ｐ２を知ることができる。

また、前記硬質炭素膜はＸ線及び電子線回折分析によれ
ばアモルファス状態（ａ−Ｃ：Ｈ）、及び／又は約５０
人〜５μ町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。

一般に量産に適しているプラズマＣＶＤ法の場合にはＲ
Ｆ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、且つ比抵抗及び硬度
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、磁場閉じ込め効果を利用する方法は比
抵抗の増加により効果的である。

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くする
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。

また硬質炭素膜の構造、物性は表−１に示したように、
広範囲にわたって制御可能であるため、デバイス特性を
自由に設計できる利点がある。

〔実施例〕

以下に実施例を示すが、本発明はこれに限られるもので
はない。

実施例１ 基板１には、パイレックス基板を使用した第１の電極２
としてＣｒを１０００人蒸着レバターニングした。次い
で、硬質炭素膜を４０００人堆積後素子部のみ１５０人
の薄さにドライエツチングして第１の絶縁層３を形成し
た。次いで、ＡＱを蒸着法により１３０人厚堆積させ、
パターンエツチングして第２の電極４を形成した後、Ｘ
ｅエキシマレーザ−により第２の電極の積層領域をスポ
ットアニールしてＡＱを単結晶化した。次いで硬質炭素
を５００人厚１堆積し、第２の絶縁層５を形成し、次い
で第３の電極６としてＮ〕を１０００人厚に堆積し、つ
いで所定のパターンにパターニングしＭＩＭＩＭ素子と
した。このように作製したＭＩＭＩＭ素子は良好なトラ
ンジスタ特性を示した。

実施例２ 基板１には、パイレックス基板を用い第１の電極２とし
て、ＡＱを３０００人堆積後パターニングした。これを
陽極酸化により表面酸化し、酸化層を第１の絶縁Ｎ３と
した。光感光性樹脂で眉間絶縁層７をもうけた。

次いで、Ｃｕを蒸着法で堆積し、所定のパターンにパタ
ーニングし、第２の電極４を形成し、これを真空中３５
０℃２時間アニールし、結晶の粗大化を行った。この上
に第２のＩｌ／Ａ＃層５としてＳｉＮｘを６００人厚８
堆積し、パターニングした。第３の電極６には、Ｔｉを
使用しスパッタリング法で作製後パターニングしＭＩＭ
ＩＭ素子とした。このＭＩＭＩＭ素子も良好なトランジ
スタ特性を示した。

実施例３ 第１の電極２としてＡＱを１００ＯＡ厚に堆積後パター
ニングした。次いで硬質炭素膜を１００人堆８後パター
ニングし第１の絶縁層３とした。

層間Ｎ１ｉ層７としテＳ　ｉ　Ｏｘを３０００人堆積後
パターニングした。次いで第２の電極（ベース電極）４
として、ＡｕをＭＢＥ法によりエピタキシャル成長させ
３００人厚８し、その後パターニングした。ついで第２
の絶縁層５として硬質炭素膜を７００人厚１堆積し、パ
ターニングした。

次いで第３の電極（上部電極）６としてＮｉ　−Ｃｒを
蒸着法により２００ＯＡ厚に堆積後パターニングした。

このようにしてＭＩＭＩＭ素子を得た。

このＭＩＭＩＭ素子は、良好なトランジスタ特性を示し
た。

実施例４ 第１の電極２としてＴａをスパッタ法により５０００人
堆積後パターニングした。これを陽極酸化により５００
人厚０Ｔａ２０５を作成し第１の絶縁層３とした。次い
で、第２の電極（ベース電極）４としてＡＱをエピタキ
シャル成長させ、１００人厚Ａｕ、これをパターニング
した。さらにこの上に硬質炭素膜を１５０人厚１堆積さ
せパターニングし第２の絶縁層５とした６次いで第３の
電極６としてＮ１を１５０ＯＡ厚に堆積し、パターニン
グした。この例では第１電極をコレクタ電極、第２電極
をベース電極、第３電極をエミッタ電極とした。

このＭＩＭＩＭ素子は良好なトランジスタ特性を示した
。

〔効　　果〕

面欠陥のない電極の使用により、再現性のよいトランジ
スタ特性をもつＭＩＭＩＭ素子が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明ＭＩＭＩＭ素子の一具体例の断面図、
第２図は、その斜視図である。第３図は、本発明ＭＩＭ
ＩＭ素子の他の具体例の断面図、第４図は、その斜視図
である。第５図は本発明のＭＩＭＩＭ素子に用いられる
硬質炭素膜系絶縁膜のＩＲスペクトルのガウス分布を、
第６図および第７図は前記絶縁膜のＩＲスペクトル及び
ラマンスペクトルを示す。 １・・・基板　　　　　２・・・第１の電極３・・・第
１のＭＩＩ＃暦　４・・・第２の電極５・・・第２の絶
縁層　６・・・第３の電極７・・・層間絶縁層 第１図

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、少
   なくとも前記第２の電極と他の電極とが重なる部分の第
   ２の電極部分は単結晶化または多結晶化していることを
   特徴とするＭＩＭＩＭ型素子。