JPH0488681A

JPH0488681A - Ｍｉｍｉｍ素子

Info

Publication number: JPH0488681A
Application number: JP2203733A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Takahashi; 高橋　正悦; Hitoshi Kondo; 均近藤; Hidekazu Ota; 英一太田; Yuji Kimura; 裕治木村; Kenji Kameyama; 健司亀山; Katsuyuki Yamada; 勝幸山田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 1992-03-23

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、絶縁膜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、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慢性がバラつくため、
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。

第１図に特開昭６４−７５７７号の硬質炭素膜を用いた
ＭＩＭＩＭ型素子の断面図を示す。

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Ｓ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。

しかし第１図より明らかなように第１の電極２の断面形
状が四角形の外形を有しているため、気相合成法（例え
ばプラズマＣＶＤ法）等で形成される第１の絶縁層３は
、電極２のサイド部分では上面部に比べて膜厚が薄くな
る、あるいは不均一になるなどの欠点がある。第１の１
１層３は電子をトンネルさせることができるほど極薄膜
であるため、その部分で短絡や特性不良が生じ易くなる
。また第１の電極２は角部を有するため、そこで電界の
集中が起こり、上記と同様の欠点を生じる。

〔目　　的〕

本発明の目的は、このような従来の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持つＭＩＭＩ
Ｍ型素子を提供することにある。

〔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の電極の断面形状が角のない連続した曲線状で
あ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の絶縁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。

以下に本発明を一具体例に基づいて説明する。

第２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３図には第１図に示されているＭＩ
ＭＩＭ型素子の製造工程が示されている。

基板１の上に角のない連続した曲線状の断面をもつ第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。

以下に本発明のＭＩＭＩＭ型素子の製造方法の一例を第
３図に基づいて説明する。

まずガラス、プラスチック板、Ｓｉウェハ等の基板１上
に第１の電極用薄膜としてＡＱ、Ｃｒ、　　　Ｎｉ、　
　　Ｐｔ、　　　Ｔａ、　　　Ｔｉ、　　　Ｍｏ、　　
　Ｃｕ　　、Ｗ、ＮｉＣｒ、Ａｕ等の金属およびＩＴＯ
１■ｎ、０３、ＳｎＯ，、ＺｎＯ等の透明導電体を蒸着
法またはスパッタ法等により成膜する。その上にフォト
レジスト７を、断面形状が角のない連続した曲線状、例
えばほぼ半円状または半楕円状になるように形成する。

このような形状を形成するには、ポジレジストの場合、
感度ノ高いレジストを用いるか、あるいは現像液の溶解
能力を高めればよい。なおレジストの断面形状としては
、図示したものに限らず、比較的ゆるやかなテーパ状で
あってもよい。

次に反応性イオンエツチング法（ＲＩＥ）、イオンビー
ムエツチング法等のドライエツチング法等によりエツチ
ングし、第１の電極２を形成する［第３図（ｂ）］。こ
の際、第１の電極２を図示のようにほぼ半円状または半
楕円状にするためには、例えばＲ４Ｅの場合、異方性エ
ツチングを行い、かつレジストとの選択比が小さいよう
な条件、すなわちガス圧力を低く、かつＲＦ電力を高く
して行えばよい。

次いで第１の絶縁層３としてＳｉＮｘ膜、硬質炭素膜等
をプラズマＣＶＤ法、イオンビーム法、スパッタリング
法等によって成膜した後、第２の電極４としてＡＱ、Ｃ
ｒ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗｌ、Ｃｕ、Ｎｉ
Ｃｒ、Ａｕ等の金属およびＩＴＯｌＩ　ｎ、ｏ、、５ｎ
０２、Ｚｎ○等の透明導電体を蒸着法またはスパッタ法
等により成膜し、所定のパターンにエツチングする〔第
３図（Ｃ）〕。さらに第２の絶縁層５としてＳｉＮｘ膜
、硬質炭素膜等をプラズマＣＶＤ法、イオンビーム法、
スパッタリング法等によって成膜した後、第３の電極６
としてＡＱ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、　　Ｐｔ、Ｔａ、
Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属およびＩＴＯｌＩ
　ｎ２０．、ＳｎＯ，、ＺｎＯ等の透明導電体を蒸着法
またはスパッタ法等により成膜し、所定のパターンにエ
ツチングする〔第３図（ａ）〕。

このようにして作製されたＭＩＭＩＭ型素子は第１の電
極２のサイドがゆるやかな曲面を有するため、Ｉ？！縁
層線層相合成法で形成される際に膜厚、物性が比較的均
一なものとなり、また角を有していないので電圧印加時
に電界が集中することもない。従って長時間安定に動作
するものとなり、本発明の目的を達成することができる
。

本発明において使用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，Ｃ２Ｈ，、Ｃ，Ｈｌ。等のパラフィン系炭化水素、
Ｃ２Ｈ，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　Ｉｔ／ｃｄ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
結品質（結晶の大きさは数１０人〜数μ醜）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トｖ特性より求
める。

ビッカース硬度（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。

ＳＰｓ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、２８００〜３１５０ａｌ−１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呂し、その比率を求めれば
ＳＰ’／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μ−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。

また本発明の硬質炭素膜は必要に応じてドーパントを含
有できる。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Ｓｉ
□Ｉｌｌ　＊　（ｃ、Ｈｇ）３ＳｉＨ，ＳｉＦ４　ｔ　
ＳｉＨ，ＣＱ２　ｐＳｉＣら、　Ｓｉ（ＯＣＨ３）＊ｔ
　５ｉ（０’ＣＪＪ＊ｐ　５ｄＯＣＪ、）、。

ＧｅＣＱ４＋　Ｇ６Ｈ＊＊　Ｇｅ（ＯＣｔＨｓ）＊ｒＧ
ｅｌ（ＣｚＨＪ４ｐ（ＣＨ３）＊５ｎ−ＣＣ２Ｈ，）’
、Ｓｎ、　５ｎＣＵ４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５
０％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）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〕

本発明を実施例に基づき、さらに詳細に説明する。

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、所定のパターンにパターニング
し、エミッタである第１の電極２を形成した。この時の
レジスト７の膜厚は最高部で５０００人とした。エツチ
ングは、平行平板型ＲｒＥによりＣＣＱ、ガスを用い、
圧力０．０ＺＴｏｒｒ、　ＲＦパワー０．３Ｗ／、ｆｆ
ｌで行った。次に第１の絶縁層３である硬質炭素膜をプ
ラズマＣＶＤ法により形成した。本実施例では、平行平
板型プラズマＣＶＤ装置を使用した。ＣＨ。

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１３．５６ＭＨｚ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、および第１の電極２の上に硬質炭
素膜を堆積させた。

次にＡｕ薄膜を蒸着法で製膜し、所望のパターンにパタ
ーニングして、ベースである第２の電［ｉ１４を形成し
た。この上に、絶縁層３と同様に硬質炭素膜からなる絶
縁層５をプラズマＣＶＤ法により形成した。さらに、Ａ
ｕ薄膜を蒸着法で製膜し、所望のパターンにパターニン
グして、コレクタである第３の電極層６を形成した。

実施例２本発明の他の実施例を示す。

パイレックスガラス基板１上にＡ［を蒸着法により製膜
し、所定のパターンにパターニングし、エミッタである
第１の電極２を形成した。

この時のレジスト膜厚は実施例１と同じにした。

エツチングはガスにｃ　ｃＩｌ、と酸素の混合ガスを用
いた以外は実施例１と同じにして行い、この上に硬質炭
素膜を被覆した。次に、Ａｕ薄膜を蒸着法により製膜し
、所定のパターンにパターニングし、ベースである第２
の電極層４を形成した。続いて、第２の絶縁層５、およ
びコレクタである第３の電極層６を実施例１と同様に形
成した。

〔効　　果〕

本発明によれば、第１の電極が角のない連続した曲線の
外形を持つ断面形状を有しているので、この上に積層さ
れる絶縁層の膜厚、膜質の均一性が優れるため、ＭＩＭ
ＩＭ型素子の高信頼性、安定性につながる。その結果、
トランジスタ動作がより安定で確実である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図は、従来のＭＩＭＩＭ型素子を示す断面図、第２
図は本発明によるＭＩＭＩＭ型素子の実施例を示す断面
図、第３図は、本発明のＭＩＭＩＭ型素子の製造工程を
示す断面図、第４図および第５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スペクト
ル法およびＩＲ吸収法で分析した分析結果を示すスペク
トル図、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３・・・第１の絶縁層５・・・第２の絶縁層７・・・レジスト２・・・第１の電極４・・・第２の電極６・・・第３の電極特許呂願人　株式会社　リ　コ　− 代理人弁理士　友　　松　　英　　爾第図第３図第４図ラマンスペクトル（波＆）第図ＩＲλベクトル（４叡）第６図濾＆）−−’

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、前
記第１の電極の断面形状が角のない連続した曲線状であ
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。