JPH04109676A

JPH04109676A - Ｍｉｍｉｍ素子

Info

Publication number: JPH04109676A
Application number: JP2228845A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kondo; 均近藤; Hidekazu Ota; 英一太田; Yuji Kimura; 裕治木村; Masayoshi Takahashi; 高橋　正悦; Kenji Kameyama; 健司亀山; Katsuyuki Yamada; 勝幸山田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1990-08-30
Publication date: 1992-04-10

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、高畠力、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。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
１５０℃程度のアニールが必要となるため、Ｍ、　Ｉ　
Ｍ　Ｉ　Ｍ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Ｍ　Ｉ　Ｍ　Ｉ　Ｍ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。

このような問題を解決するため、絶縁層に硬質炭素膜を
用いること（特開昭６４−７５７７号）が提案されてい
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８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型素子の断面図を第３図
に示す。

基板１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Ｍ３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１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、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、そ
の一部は第２の絶縁層５を通過し、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６しかし、こ
のような構造においてはＭＪＩ／！３はトンネル効果を
示すほどの極薄膜であるため、特に電極材料２の側面あ
るいはエツジ部ではカバレッジが不充分となり、電極材
料４との間で短絡を起こしやすくなり、信頼性に欠ける
ものとなる。

〔目　　的〕

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、信頼性の
高い良好なトランジスタ特性をもつ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！＃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、少くとも第２の絶縁層の厚さが第１の絶縁層の厚
さよりも薄いことを特徴とするＭＩＭＩＭ型素子に関す
る。

第１図に本発明によるＭＩＭＩＭ型素子を説明するため
の断面図を示す。（ｂ）は（ａ）の側面図〔（ａ）を９
０５回転して見たもの〕である。

基板］の上に第１の電極２′が形成され、電極２′の上
には第１の絶縁Ｍ３′が電極２′を覆うように形成され
ている。続いて第２の電極４′が形成され、電極４′の
上には絶縁層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。本発明においては
少くとも第２の絶縁層５′の厚さが第１の＃＠縁層３′
の厚さよりも薄いことが特徴的である。

この際、第１、第２および第３の電極がそれぞれコレク
タ、ベース５エミツタとして機能するのが好適である。

すなわち、第３の電極６′からの電子がトンネル効果に
よって＄１！縁層５′を突き抜けてベースである第２の
電極４′に流入する。この電子の一部は第１の絶ａＦｆ
１３′　をも通過し、コレクタである第１の電極２′に
達する。以上の動作が可能であるためには、■絶縁層５
′はトンネル効果を示すほどの極薄膜であること、■ベ
ースとなる電極４′は電子が散乱によってエネルギーを
失うことがないような超薄膜であることが要求される。

他の材料層に対してはそれほど厳しい制約はないので、
積層構造において最も大きな段差が生しるのは第１図に
おけるＡ及びＡ′で示す部位である。図かられかるよう
にＡの部位では仮に絶’４１Ｍ　５　’のステップカバ
レッジが悪くても、その上に電極材料層が形成されない
ので短絡にはいたらない。

またＡ′の部位では電極材料層４′の膜厚が薄いため段
差は小さく、絶８Ｎ５’のカバレッジは比較的良好なも
のとなり、短絡は起こりにくい。一方、第３図に示す従
来の構成においては比較的膜厚の大きい第１の電極２の
上に極薄膜の絶縁層３が形成されるので、Ａの部位にお
けるステップカバレッジは不充分なものとなり、第２の
電極４との間で短絡を起こしやすくなる。

尚、電極２’　、４’及び６′には従来と同様、例えば
ＡＱ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、ＰｅｒＴａ、Ｔｉ、Ｍｏ
、Ｗ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等の金属及びＩＴＯ，Ｉｎ２Ｏ
，、ＳｎＯ２，ＺｎＯ等の透明導電体が使用され、蒸着
法、またはスパッタ法等により形成される。

本発明の絶縁層に使用できる材料については格別の制限
はなく、硬質炭素膜やＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ等が使用され
るがとりわけ、硬質炭素膜が好適である。

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、液相でも固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，Ｃ２ＨＩｌ、Ｃ４Ｈ，、等のパラフィン系炭化水素
、Ｃ，Ｈ４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高出力二０．１〜５０　Ｗ／ｃｄ圧力　　　：　　１０−’〜１０　Ｔｏｒｒ堆積温度　
：　室温〜９５０℃、好ましくは室温〜３００°Ｃ０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）及び微結品質（結晶の大きさは数１０人〜
数μｎ＋）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。

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。

ビッカース硬度（Ｈ）：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４図および第５図に示すよ
うに炭素原子にＢＦ３の混成軌道とＢＦ２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。

ＢＦ３結合とＢＦ２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、２８００〜３Ｉ５０■−１に多く
のモート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
６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呂し、その比率を求めればＳ
Ｐ’／ＳＰ２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：Ｈ）、及び／又は約５０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高出力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。

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、第■族、第■族元
素、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、窒素素
子、酸素原子、又はハロゲン元素は、硬質炭素膜形成用
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。

ここで周期律表第■族元素を含む化合物としでは、例え
ばＢ　（ＯＣ２Ｈｓ　）３ｐ　Ｂ２　Ｈ５ｙ　ＢＣＱ、
１　ｒ　ＢＢｒ、　ｌＢＦ３　、　ＡＱ（０−４−Ｃｓ
Ｈｔ）ｓ　＋　（Ｃ）＋３）３Ａβ、　（Ｃ，Ｈ５）□
Ａｆｌ。

（１−Ｃ４Ｈ，）、ＡＱ、　ＡＱＣＱ３．　Ｇａ（０−
ｉ−（：、Ｆｌ、）３．（ＣＩ（、）、Ｇａ１（Ｃ，Ｈ
，）、Ｇａ、　ＧａＣＱ、、　ＧａＢｒ３．　（０−ｉ
−Ｃ，Ｈ７）３Ｉｎ。

（Ｃ２Ｈ５）３Ｉｎ等がある。

周期律表第■族元素を含む化合物としては。

例えばＳｉ、Ｈ，、（ＣｚＨｓ）ａｓｌＨｙ　５ＩＦ４
１５ＩＨｚＣＱｚｙＳｉＣＲ４，５ｉ（ｏｃＨ３）４．
５ｄＯＣ，１１，）４．５ｘ（ＱＣ３Ｈ７）４゜ＧａＣ
Ｑ４．　ＧｅＨ４，Ｇｅ（ＯＣｚＨ５）＊−Ｇｅ（Ｃｚ
Ｈ５）＊、（ＣＨ３）４Ｓｎ−（Ｃ２Ｈ，）４Ｓｎ、　
５ｎＣＱ４等がある。

周期律表第■族元素を含む化合物としては、例えばＰＨ
，、ＰＦ、、　ＰＦ、、　ＰＣＱ２Ｆ、、　Ｐ（４，、
ＰＣＩ２２Ｆ。

ＰＢｒ３．　ＰＯ（ＯＣＨ３）３７　Ｐ（Ｃ２ＨＥ）３
１　ＰＯＣＱ３．　ＡＳＨ３゜、ＡｓＣＱ、３＋　　Ａ
ＳＢ’３＋　　ＡｓＦ３＋　　ＡｓＦ５＋　　ＡｓＣＱ
３＋　　ｓｂＨ，，５ｂＦｉｔＳｂＣＱ、、　５ｂ（Ｏ
Ｃ２Ｈ，）３等がある。

アルカリ金属原子を含む化合物としては例えばＬｉ０−
ｉ−Ｃ，Ｈ，、Ｎａ０−ｉ−Ｃ，Ｈ７，ＫＯ−ｉ−Ｃ，
８７等がある。

アルカリ土類金属原子を含む化合物としては例えばＣａ
（ＯＣ２Ｈ５）！　ｒ　Ｍｇ（ＯＣｚｔ（ｓ）ｚ　ｔ　
（ＣｚＨｓ）２Ｍｇ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
（特願平２−９３３５２．２−１１４８６７．２−１２
４４６９号参照）。

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。

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〕

以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれらに限定
されるものではない。

実施例１第１図に示すＭＩＭＩＭ型素子を以下のように作製した
。

基板１としてパイレックスガラスを用い、この上にＡＱ
を蒸着法により成膜し、パターニングして第１の電極層
２′を形成した。次にプラズマＣＶＤ法により硬質炭素
膜を成膜し、第１の絶縁層３′とした。さらに、ＡＱを
蒸着法で成膜し、パターンニングして第２の電極層４′
を形成した。この上に、プラズマＣＶＤ法により硬質炭
素膜を成膜し、第２の絶縁層５′とし。

さらにその上にＡＱを蒸着法で成膜し、パターンニング
して第３の電極層６′を形成した。

本実施例によれば段差部での短絡による不良が発生する
ことがなく、長時間安定に動作した。

実施例２第２図に示すＭＩＭＩＭ型素子を以下のように作製した
。実施例１と大きく異なるのは能動部制限用の絶縁層７
を設けている点で、こうすることにより、ピンホール等
の微少欠陥による特性不良の生じる確立を減少せしめ、
より信頼性の高い素子が作製できる。第１の電極層２′
第１の絶縁層３′、第２の電極層４′及び第２の絶縁層
５′の形成方法は実施例１と同様とした。この上に能動
部制限用の絶縁層７を、ポリイミド系感光性樹脂である
「フォトニース」（東し■製）をスピナーで塗布し、露
光、現像、リンスを経てパターン化した後、熱処理を行
なうことにより形成した。さらに、その上にＡＱを蒸着
法で成膜し、パターンニングして第３の電極層６′を形
成した。尚、絶縁層７として他の材料、例えば硬質炭素
膜等の使用を妨げるものではない。

本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、パターン
化された第３の絶縁層ともいうべき能動部制限用絶縁層
７により素子の能動部が制限されているため、能動部の
絶縁層中にピンホール等の微少な欠陥が入る確立が小さ
くなる。その結果、素子のトランジスタ動作がより安定
で確実なものとなる。また、素子の能動部以外の部分に
は第３の絶縁層があるためにエミッタとベースの確実な
眉間絶縁が可能となる。

〔効　　果〕

本発明の構造としたことにより、段差部での短絡が起こ
りにくくなり、その結果、長時間安定に動作する信頼性
の高いＭＩＭＩＭ型素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明のＭＩＭＩＭ素子の一具体例の
断面図、（ｂ）は（ａ）の側面図、第２図は、本発明の
ＭＩＭＩＭ素子の他の例を示す断面図、第３図は、従来
型ＭＩＭＩＭ素子の断面図、第４図は本発明のＭＩＭＩ
Ｍ型素子の絶縁層に使用した硬質炭素膜をラマン分光法
で分析した分析結果を示すスペクトル図、第５図および
第６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ＩＲ吸収法で分析した分析結果を示すス
ペクトル図である。１・・・基板　　　　　　　　　２，２′・・・第１の
電極３．３′・・・第１の絶縁層　　４，４′・・・第
２の電極５．５′・・・第２の絶縁Ｎ　　　６，６’・
・・第３の電極７・・・能動部制限用絶縁層

Claims

【特許請求の範囲】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
くとも第２の絶縁層の厚さが第１の絶縁層の厚さよりも
薄いことを特徴とするＭＩＭＩＭ型素子。２、少くとも一方の絶縁層が硬質炭素膜であることを特
徴とする請求項１記載のＭＩＭＩＭ型素子。