JPH0488680A - 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Ｍ　Ｉ　Ｍ　Ｉ　Ｍ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。、ＭＩＭ
ＩＭ型素子は、ペ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ＭＩＭＩ
Ｍ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、１１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６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、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。

このような問題を解決するため、！線層に硬質炭素膜を
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
できるとされている。この特開昭６４−７５７７号にが
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、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の絶縁層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。

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。

しかし、前述したように、ベースである第２の電極をホ
ットエレクトロンの平均自由行程より薄く形成しなけれ
ばならないため、ベースの引出し電極を素子部分と同様
な非常に薄い膜厚で構成すると、電極部の配線抵抗が大
きくなるため、トランジスタの動作不良を起こすことが
ある。また、膜厚が薄いため電極の断線の危険性も大き
くなる。

〔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、前記構成の積層部分のうち第２の電極からの引出部
分の膜厚が前記積層部分の第２の電極の膜厚より厚くな
っていることを特徴とするＭＩＭＩＭ型素子に関する。

前記ＭＩＭＩＭ型素子において、前記第１の絶縁層およ
び第２のＭ＃層のうち少くとも一方は硬質炭素膜である
ことが好ましい。

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。

従来のＭＩＭＩＭ型素子と同様に基板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、たとえば硬質
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。続いて第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Ｓが形成され５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、 本発明によるＭＩＭＩＭ型素子においては、素子部以外
の部分における第２の電極の膜厚を、素子部における膜
厚より厚くすることが特徴的であるが、これは例えば第
２の電極４に補助電極材料層７を設けることで実現でき
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
，、Ｃ，Ｈ□ＣゆＨｌｌ等のパラフィン系炭化水素、Ｃ
２Ｈ４等のオレフィン系炭化水素５ジオレフイン系炭化
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比出力：　　０．１〜５０　Ｗ／ａｊ圧力　　　：
　　１０−３〜１０　Ｔｏｒｒ堆積温度　：　室温〜９
５０℃、 好ましくは室温〜３００’ｌ：。

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。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ょるＩ−Ｖ特性より
求める。

ビッカース硬度（Ｈ）：マイクロビッヵース計による。

屈析率（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ラマン分光法及びＩＲ
吸収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ＳＦ３の混成軌道とＳＰ′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、２８００〜３１５０ｃｎ−”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：　Ｈ）、及び／又は約５０
Ａ〜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比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（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。

周期律表第■族元素を含む化合物としては、例えばＳｘ
、Ｈ，、（ＣｚＨｓ）ａｓｉＦＩｔ　ＳｉＦ４．５ｉＨ
２ＣＱ２゜５ｉＣＱ４ｊ　５ｌ（ＯＣＨ，）４．５ｉ（
ｏｃｚＨｓ）ｏｐ　５ｉ（ＯＣ３Ｈｔ）４ｒＧｅＣＬ　
＋　ＧｅＨ＊　＋　Ｇｅ　（ｏｃ２Ｈ５）４　ｅ　Ｇｅ
　（Ｃ２Ｈ５）４　ｔ　（ＣＨ３）４　ｓｎ　＊（Ｃ２
Ｈ，）４Ｓｎ、　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、三酸化二窒素、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２．４．６および補助電極７には、例えばＡＱ、Ｃ
ｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、Ｐｔ、ＴａｒＴｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃ
ｕ＋Ａｕ等の金属、およびＩＴＯ，Ｉｎ２Ｏ，、ＳｎＯ
□、　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〕

実施例１ 基板１としてパイレックスガラスを用い、この上にＡＱ
を蒸着法により製膜し、所望のパターンにバターニング
し、エミッタである第１の電極層２を形成する。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。本実施例では、平行平板型プラズマＣＶ
Ｄ装置を使用している。ＣＨ２と水素とを混合した原料
ガスを装置に導入し、平行平板の電極間に約１３．５６
ＭＨｚの高周波電界を印加し、原料ガスをラジカルとイ
オンとに分解させ反応させることによって、基板１およ
びＡＱ電極２の上に硬質炭素膜を堆積させる。次にＡＱ
薄膜を蒸着法で製膜し、所望のパターンにバターニング
して、ベースである第２の電極４を形成する。さらにＡ
Ｑ薄膜を蒸着法で製膜し、所望のパターンにバターニン
グして、補助電極７を設ける。この上に第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法により形成する。さらにＡＱ薄膜を蒸着法で製
膜し、所望のパターンにバターニングして、コレクタで
ある第３の電極６を形成する。

以上の本実施例に示された素子の構造によれば、補助電
極７を設けたことにより、素子部以外の部分における第
２の電極の引出部の膜厚が、素子部における膜厚よりも
厚く形成されるため、電極部の配線抵抗が低くなり、か
つ断線の危険性も小さくなる。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。

実施例２ 本発明の他の実施例を示す。

第２図は本発明の第２の実施例を説明するためのＭＩＭ
ＩＭ型素子の断面図である。エミッタである第１の電＄
１２および第１の絶縁層３を実施例１と同様な方法で形
成した。次にＡｕ薄膜を蒸着法により製膜し所望のパタ
ーンにパターニングし、ベースである第２の電極４を形
成した。さらにＡｕ薄膜を蒸着法により製膜し弓出部（
補助電極）７を形成した。このとき、Ａｕ薄膜が素子の
能動部を取り囲むようにパターニングした。続いて、第
２の絶縁層５およびコレクタである第３の電［！６を実
施例１と同様に形成した。本実施例によれば、素子の能
動部を取り囲むように厚い電極層７が有るため、能動部
以外ではホットエレクトロンは散乱され、第２の絶縁層
５、さらにコレクタ６に到達することはできない。この
ため、能動部の面積を補助電極７により制限できること
になり、素子特性のばらつきを抑えることもできる。

〔効　　果〕

本発明によれば、素子部以外の部分における第２の電極
の引出部の膜厚が、素子部における膜厚より厚く形成さ
れるため、電極部の配線抵抗が低くなり、かつ、断線の
危険性も小さくなる。その結果、トランジスタ動作がよ
り安定で確実であるＭＩＭ、１Ｍ型素子を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるＭＩＭ４Ｍ型素子の一具体例を
示す断面図、第２は１本発明によるＭＩＭＩＭ型素子の
他の実施例を示す断面図、第３図は従来のＭＩＭＩＭ型
素子を示す断面図、第４図、第５図は、本発明のＭＩＭ
ＩＭ型素子の絶縁層に使用した硬質炭素膜をラマンスペ
クトル法、ＩＲ吸収法で分析した分析結果を示すスペク
トル図、第６７！ｌは、本発明のＭｒＭ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である。 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７・・・第２の電極の引出
部（補助型４１）第１図 第２図 特許出願人　株式会社　リ　コ　− 代理人弁理士　友　　松　　英　　爾 第３図 第４ 図 手続補正書（７ｆｆよ。 平成２年１１月７日 特許庁長官　植　松　敏　殿　　　く、工、事件の表示 平成２年特許願第２０３７３１号 第５ 第６ 図 図 ３、補正をする者 事件との関係

Claims (1)

1. 【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、前
   記構成の積層部分のうち第２の電極からの引出部分の膜
   厚が前記積層部分の第２の電極の膜厚より厚くなってい
   ることを特徴とするＭＩＭＩＭ型素子。 ２、前記第１の絶縁層および第２の絶縁層のうち少くと
   も一方が硬質炭素膜である請求項１記載のＭＩＭＩＭ素
   子。