JP4679146B2 - 電界効果トランジスタ - Google Patents

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Description

本発明は、トランジスタ、特に絶縁ゲートトランジスタ構造、トランジスタを製造する方法、及びトランジスタの使用に関する。
薄膜トランジスタ(TFT)は、半導体の薄膜中にアクティブチャンネルを有している。半導体の薄膜は、一般的にアモルファスシリコンから成るが、ポリシリコンや有機半導体等の別の材料が使用されてもよい。接点が薄膜半導体チャンネルの両端に形成され、ゲートが薄い絶縁層により、チャンネルの中間領域から離間して設けられる。ゲートに印加される電圧は、チャンネル内の電気伝導を制御し、また、チャンネルがドレインでピンチオフすると、チャンネルの飽和が生じる。
TFTとしては、チャンネルの下にゲートが位置するボトムゲート型TFT、又はチャンネルの上にゲートが位置するトップゲート型TFTが知られている。
TFTの特定の用途は、これらを液晶ディスプレイのアクティブプレートや有機発光ダイオードアレイを含むアクティブマトリクスディスプレイで使用することである。複数のピクセルコンポーネントから成るアレイがガラス等の基板上に形成されることにより、ディスプレイ、又はディスプレイのアクティブプレート、ディスプレイの各ピクセルに設けられる、一つ又は複数の薄膜トランジスタが形成されてもよい。
しかし、薄膜トランジスタの特性は、全ての用途において理想的というわけではない。
また、従来のFETは半導体本体を使用するものとして知られているが、そのようなFETの特性も、全ての場合において理想的というわけではない。
したがって、代替的なトランジスタ構造が依然として必要とされている。
本発明は、構造及び動作がTFTと異なる絶縁ゲートトランジスタを提供する。本発明による新規なトランジスタにおける重要な構造的及び動作的な特徴は、添付の請求項に記載する。
第1の態様においては、所定の伝導型の荷電キャリアを使用する電気伝導用の絶縁ゲートトランジスタであって、
半導体本体層と、
半導体本体層のソース領域にわたって延出するとともに、半導体本体層のソース領域との間でショットキー電位バリアを形成するソース電極と、
半導体本体層に接続されたドレイン電極と、
ソース領域が空乏化される際に、バリアを横切ってソース電極から半導体本体層のソース領域へと向かう所定のキャリア型のキャリアの移動を制御するためのゲート電極と、を備え、
ゲート電極は、ソース電極に対して半導体本体層の反対側にソース電極と重なり合う状態で配置されるとともに、ゲート電極と半導体本体層との間にはゲート絶縁層が設けられ、
ゲート電極は、ショットキーバリアのゲート制御領域の全体にわたって、少なくとも半導体本体層とゲート絶縁体とを組み合わせた厚み分だけソース電極から離間される絶縁ゲートトランジスタが提供される。
別の態様においては、所定の伝導型の荷電キャリアを使用する電気伝導用の絶縁ゲートトランジスタにおいて、
少なくとも10nmの厚みを有する半導体本体層と、
半導体本体層のソース領域にわたって延出するとともに、半導体本体層のソース領域との間で電位バリアを形成するソース電極と、
半導体本体層に接続されたドレイン電極と、
ソース領域が空乏化される際に、バリアを横切ってソース電極から半導体本体層のソース領域へと向かう所定のキャリア型のキャリアの移動を制御するためのゲート電極と、を備え、
ゲート電極は、ソース電極に対して半導体本体層の反対側にソース電極と重なり合う状態で配置されるとともに、ゲート電極と半導体本体層との間にはゲート絶縁層が設けられ、
ゲート電極は、ショットキーバリアのゲート制御領域の全体にわたって、少なくとも半導体本体層とゲート絶縁体とを組み合わせた厚み分だけソース電極から離間される絶縁ゲートトランジスタが提供される。
本発明に係るトランジスタは、ソース電極をゲート電極と対向して配置するとともに、これら2つの電極間にソースバリアと半導体本体層とゲート絶縁層とを配置し、これにより、バリアを横切ってキャリアを移動させ、ソースから本体への電流を制御するという原理に基づいている。したがって、電流は、主に、ソース−ゲート電圧によって決定され、ドレイン電圧に殆ど依存しない。そのため、以下では、本発明に係るトランジスタを“ソースゲート型トランジスタ(SGT)”と称する。
SGTは、標準的な薄膜トランジスタ(TFT)と比較して出力インピーダンスが高く、ピンチオフ電圧が低い。ピンチオフ電圧が低いため、低いドレイン電圧と、それに伴う低いワット損で動作することができる。
更なる相違は、SGTが一般にFETよりも小さな寸法でその特性を保つという点である。このことは、SGTが別の多くの用途の中で、高速アナログ回路又は小型アナログ回路のために役立つことを意味している。
SGTとTFTとの間の主な相違点は、TFTではドレインでピンチオフが生じる際に電流が飽和し、その大きさがチャンネルにおける電界及び電流の分布によって決まるのに対し、SGTではソースでピンチオフが生じる際にチャンネルが飽和し、その大きさがソースバリアにおける電界の大きさによって決まるという点である。ピンチオフ電圧が低いため、トランジスタは、小さなドレイン電圧で動作することができ、一方、出力インピーダンスが高いため、例えば電流源、電流ミラー、タイミングデバイス、小型信号増幅器、補正回路を含む多くのタイプの回路において良好な結果が得られる。
ソース本体領域は、ソース領域が従来の空乏化可能な領域としての機能を果たすように十分な厚みを有していることが好ましい。ソース領域が非常に薄い場合には、例えば電子の閉じ込めによって生じる応答のピークのような、望ましくない効果を引き起こしかねない強いエネルギーレベル等の量子効果が作用し始める場合がある。当業者であれば分かるように、最小厚みは使用される材料によって決まるが、好ましくは少なくとも10nm、実施形態では少なくとも15nm、20nmであっても一般的には十分である。
好ましい実施形態において、半導体本体層は、異なるソース及びドレイン領域を形成するようにドーピングされたデバイス中唯一の半導体層である。この場合、従来のデバイスにおいて必要とされた複数の半導体層に比べて、デバイスの製造が簡単になる。
また、SGTの構造は、アモルファスシリコン、ポリシリコン、高分子半導体をはじめとする有機半導体の使用を含む薄膜技術での製造に非常に適している。したがって、トランジスタは、ディスプレイにおける使用に適しているとともに、従来の薄膜トランジスタ(TFT)を現在使用している他の技術における使用にも適している。関連する性能指数は、電圧ゲイン・性能指数g/gである。ここで、gは相互コンダクタンスであり、gは出力コンダクタンスである。想定される電圧ゲイン・性能指数g/gは、従来のアモルファスシリコン又はポリシリコンTFTよりもかなり大きい可能性がある。
トランジスタ構造は、ゲートによって制御される明確なバリアを横切ってソース領域から半導体本体層内へと所定のキャリアを移動させるようになっていなければならない。これは、ゲートによって制御される本体層の領域で、ソース電極及びゲート電極を、バリア層と半導体本体層とゲート絶縁層とによって互いに離間させることにより達成される。
バリアとゲートとの間で分離を行なうため、実施形態においては、ソース電極が半導体本体層と共にバリアを形成し、バリアのゲート制御領域において、バリアはゲート電極に対して半導体本体層の反対側の横方向表面上で単に延出している。
従来、電界効果トランジスタに対するソース接点及びドレイン接点においては、ショットキーバリアが使用されてきた(Sze 半導体デバイス物理学、第2版、491頁〜492頁参照)。別の例は、ウチダらによる「Applied Physics Letters」、第76巻、3392頁〜3994頁(2000年)、及びLinらに対する米国特許US2002/0009833において提供されている。それらのデバイスにおいて、ゲートは従来のFETの場合と同様に、チャンネルを制御する。一方、本発明に係るデバイスにおいては、ゲートがソースと対向して配置されているため、ゲート電圧がソース、すなわち本体のバリア高さを制御するようになっている。一般に、従来のデバイスにおいて、ゲートはソースとドレインとの間のチャンネルを制御するように設けられている。ショットキーバリアを使用するそのようなFETにおいては、トランジスタがONに切換えられる時に電流を妨げないように電流移動に対して低いバリアを与える金属が使用される。例えばpチャンネルデバイスは、正孔のための僅かなバリア電位を必要とするが、電子に対する高いバリアをも必要とし、それにより、マイナス電位がゲートに対して印加され且つデバイスがONに切換えられる際には、電流が接点によって制限されないようにする一方、ゲートにプラスの電圧が印加され且つデバイスがOFFに切換えられる際には、これらが電子に対して大きなバリアとなり、漏れ電流が少なくなるようにしている。
別の従来例である米国特許US5,801,398は、半導体本体層の端部(横方向縁部)と接触するショットキーソース電極を有するトランジスタ構造を開示している。米国特許US5,801,398において、ソース電極からのキャリアは、良好に形成されたバリアを通過する必要はないが、その代わり半導体本体層の端部へと流れ込み、実際にはソース電極を半導体本体層に対して短絡させる。米国特許US5,801,398のデバイスにおいて、そのことは意識的に実施される。すなわち、ソースは従来のソース接点を形成するためのものであり、ゲートはオーム接触を使用する従来のFETの場合と同様に、半導体デバイスのチャンネルを制御して、キャリアの移動を制御する。
本発明による便利な実施方法では、ソース層として金属が使用される。金属は、半導体本体層と共にショットキーバリアを形成する。この場合、バリア電位はショットキーバリア電位である。
本発明の別の利点としては、電圧ゲイン及び出力ゲインが潜在的に高く、高速で高電圧動作である点を挙げることができる。
ソース電流がドレイン電圧によって影響を受けないため、ソース領域とドレイン領域との間の離間距離を短くしてデバイスを形成することができる。したがって、ドレイン領域とソース領域との間の横方向の広がりは、4μm未満であることが好ましい。そのような短いデバイスによれば、デバイスを横切るキャリアの通過時間が短くなるとともに、動作速度が速くなる。ドレイン電圧が短チャンネルデバイスの出力特性を悪化させる従来のTFTの場合とは異なり、SGT電流はチャンネルによってではなく、ソースによって決定する。
好ましい実施形態は、ソースの周囲に電界軽減を提供する。様々な形態に適した電界軽減が知られている(例えば、Sze 半導体デバイスの物理学、第2版、299頁参照)。
したがって、代替的な態様において、半導体本体層と、半導体本体層のソース領域にわたって延出するとともに、半導体本体層のソース領域との間の界面にバリアを形成するソース電極と、半導体本体層のドレイン領域にわたって延出し、且つ当該ドレイン領域に接続されたドレイン電極とを備え、半導体本体層のドレイン領域は、ソース領域から離間されることにより、ソース領域とドレイン領域との間に半導体本体層の中間領域を形成し、また、ソース電極に対して半導体本体層の反対側で延出することによりソース領域の少なくとも一部を含む半導体本体層のゲート制御領域を形成するゲート電極と、ゲート電極と半導体本体層との間に設けられたゲート絶縁体層と、ドレイン領域と対向するソース領域の縁部に設けられた電界軽減構造とを備える絶縁ゲートトランジスタが提供される。
電界軽減における1つの手法は、中間領域の少なくとも一部にわたってソース電極を横方向に延ばすとともに、絶縁層により中間領域から離間させることである。これにより、ソース領域の縁部で半導体本体層における急激な電界変化を回避することができ、したがって、デバイスの品質及び信頼性を高めることができる。
ソースにおけるショットキーバリアの高さは、ドーズ量が低い注入イオンによって制御されてもよい。この技術によれば、バリアの高さを変えることにより、動作電流が異なるトランジスタを形成することができる。低エネルギードナー注入物は電子に対するバリアを低下させ、アクセプタ注入物は電子に対するバリアを高める。
ドナー注入物を更に使用すると、ドナーが中間領域中へ導入される。特に、水素化アモルファスシリコンを半導体本体層として使用するデバイスでは、補償によってソースの縁部において効果的な電界軽減を得ることができる。例えば、半導体本体層が軽くn型ドーピングされている場合には、中間領域を絶縁して、ソースの縁部に電界軽減を提供するために、中間領域にp型ドーピングが行なわれてもよい。
ドレイン電極は、半導体本体層に対するオーム接触を形成してもよい。代替的な手法として、ドレイン電極自体は、半導体本体層に対するオーム接触を形成しなくてもよい。後者の手法によれば、ソース電極と同じ工程でドレイン電極を形成することができる。
実施形態において、トランジスタは、一対のドレイン電極と、ソース領域の横方向両側にある対応するドレイン領域とを有している。これにより、ソース電流はソース領域からソース領域の両側へと流れ、一対のドレイン電極のそれぞれに流れることができるため、電流処理能力が高まる。
本発明に係るトランジスタはトップゲート型であっても、あるいはボトムゲート型であってもよい。したがって、半導体本体層がソース電極上に位置しても良く、また、ゲート電極が半導体本体層上に位置してもよい。代替的には、半導体本体層がゲート電極上に位置しても良く、ソース電極が半導体本体層上に位置してもよい。
また本発明は、基板と、前述した複数のトランジスタとを有するトランジスタ回路に関する。トランジスタは、アレイとして配置されていても良く、また、n型及びp型の両方のトランジスタを含んでいてもよい。
好ましい実施形態において、p型及びn型のトランジスタのバリアの下には、p型トランジスタの正孔に対して有効バリア高さを引き上げ、且つn型トランジスタの電子に対して有効バリア高さを下げるドナー不純物から成る浅い注入物が設けられる。p型及びn型の両方のトランジスタにおいて同じ型のドナー注入物を使用するとよい。
別の態様においては、所定の伝導型の荷電キャリアを使用する電気伝導用の絶縁ゲートトランジスタであって、
アモルファスシリコン、ポリシリコン、又は、有機半導体、又は、高分子半導体の膜から成る半導体本体層と、
半導体本体層のソース領域にわたって延出するとともに、半導体本体層のソース領域との間で電位バリアを形成するソース電極と、
半導体本体層に接続されたドレイン電極と、
ソース領域が空乏化される際に、バリアを横切ってソース電極から半導体本体層のソース領域へと向かう所定のキャリア型のキャリアの移動を制御するためのゲート電極と、を備え、
ゲート電極は、ソース電極に対して半導体本体層の反対側にソース電極と重なり合う状態で配置されるとともに、ゲート電極と半導体本体層との間にはゲート絶縁層が設けられ、
ゲート電極は、ショットキーバリアのゲート制御領域の全体にわたって、少なくとも半導体本体層とゲート絶縁体とを組み合わせた厚み分だけソース電極から離間される絶縁ゲートトランジスタが提供される。
また、本発明は、前述したトランジスタの製造方法、及びそれらのトランジスタの使用に関する。
別の態様において、本発明はソース電極と、ドレイン電極と、ソース電極と接触するソース領域及びドレイン電極と接触するドレイン領域を有する半導体本体層と、ソース電極と対向する絶縁されたゲートとを有するトランジスタを動作させる方法であって、ソース、ゲート、ドレイン電極間に電圧を印加することにより、半導体本体層のソース領域の全体をほぼ空乏化するとともに、キャリアを、ソース電極によりバリア及び空乏化されたソース領域を横切ってドレイン領域へと放出させた後、ドレイン電極へと移動させることを含む方法に関する。
更なる態様において、本発明は半導体本体層と、半導体本体層の両側に対向した状態で配置されたソース電極及びゲート電極とを有し、ソース電極と半導体本体層との間にバリアが設けられ、半導体本体層とゲートとの間にゲート絶縁体が設けられ、半導体本体層に対してドレイン電極が接続された絶縁ゲート電界効果トランジスタと、ソース、ゲート、ドレイン電極に対して電圧を印加することにより、ソース電極の領域で半導体本体層を空乏化するとともに、ソース−ゲート電圧によってバリアの高さを制御して、ソース電極から半導体本体層へのキャリアの放出を制御することによって、ソース−ゲート電圧によりソース−ドレイン電流を制御するように設けられた回路を有するトランジスタ回路に関する。
本発明を更に良く理解するため、単なる例示として、以下に添付図面を参照しつつ、実施形態について説明する。
図面は単なる概略図であり、一定の比率で描かれていない。異なる図面において、同様又は類似の構成要素には、同じ参照符号が付与される。
以下に、図1ないし図3を参照しつつ、本発明の第1の実施形態、本発明の製造、及び本発明の特性について説明する。
図3は、n型伝導SGTの第1の実施形態を示す。すなわち、トランジスタ伝導は電子を使用している。トランジスタは基板2上に形成されている。半導体本体層10はソース電極22を有するとともに、ソース電極22は半導体本体層10の空乏化可能なソース領域32にわたって横方向に延出しており、これにより、半導体本体層のソース領域32とソース電極22との間の界面にバリア48が形成されている。一対のドレイン電極24が設けられており、各ドレイン電極は、横方向に延出するとともに、半導体本体層10のドレイン領域36に接続されている。半導体本体層のドレイン領域36は、ソース領域32から横方向に離間されており、そのためソース領域とドレイン領域との間には、半導体本体層の中間領域34が形成されている。
本発明において、バリアはショットキーバリアであり、また、このバリアの高さを制御するために半導体本体層10中に注入物6が設けられている。
ソース電極に対して半導体本体層の反対側には、ソース電極22と重なり合う状態でゲート電極4が存在しており、このゲート電極4と半導体本体層10との間にはゲート絶縁体層8が設けられている。このように重なり合う状態で絶縁されたゲート電極4は、半導体本体層10及びゲート絶縁体8の厚みを介してのみソースバリア48と結合されている。これにより、ソース領域32が空乏化されると、ゲート電極4に印加された電圧は、バリア48を横切ってソース電極22から半導体本体層10のソース領域32へと向かう所定のキャリア型のキャリアの移動を制御するようになる。上面には、これを覆って保護層20が設けられている。
別の視点から見ると、図3のSGTは、電子(すなわち、トランジスタの所定の伝導型の伝導キャリア)ソース22とこの電荷キャリアドレイン24,34との間に、トランジスタの本体部32,34を提供する半導体層10を備えている。SGTの絶縁されたゲートは、中間ゲート誘電体層8を介して本体部32,34の領域32に結合されたゲート電極4を備えている。ソースは、ソース電極22と半導体層10との間に、前記キャリアに対するバリア48を備えている。このバリア48は、絶縁されたゲート4,8によって制御されるを除き、ソース22から本体部32,34へとキャリアが流れることを防止する。ソース22及び絶縁されたゲート4,8は、対向して横方向に重なり合う関係を成して、半導体層10の両側の各対向主面に位置されており、前記関係により、ソース22は、半導体層10の対向主面同士の間の本体部32,34の少なくとも中間厚み分だけ、絶縁されたゲート4,8から離間される。横方向に重なり合う絶縁されたゲート4,8は、半導体層10のこの中間厚みによって、ソースバリア48に結合されている。絶縁されたゲート4,8から半導体層10の中間厚みにわたって領域32が空乏化すると、前記結合によって、ゲート電極4とソース電極22との間に印加された電圧は、ソースバリア48を横切る前記キャリアの制御された放出により(例えば、熱電子電界放出により)、トランジスタの伝導性を制御することができる。
バリア48の主要部を横切っての導電(むしろ、バリアの端部における導電ではなく)を促進させるため、ソースバリア48には、少なくともドレイン24,34に面するソースバリア48の側縁部に、電界軽減を提供することが有意である。そのような電界軽減手段(補償ドーピングを使用する)の1つが図3の実施形態に組み込まれている。すなわち、補償ドープ領域38が電界軽減を提供している。
図3のトランジスタを製造するために、以下のプロセス(図1ないし図3に示す)が使用された。
第1のマスクを使用することにより、ガラス基板2上にボトムゲート4が堆積されてパターン化された。その後、周知の技術を使用して、300nmのシリコンナイトライドゲート絶縁層8と、半導体本体としての機能を果たす150nmの非ドープ水素化アモルファスシリコン層10とが堆積された。第2のマスクを使用することにより、ゲート電極の上にシリコンの島を形成した。ソースバリアの高さを制御するため、ドーズ量が1×1014cm−2のリン6が10KeVで表面中に注入された。この技術は、Shannonらに対して付与された米国特許US3,943,552でさらに詳細に説明されている。
この構造体上に、クロム金属層18を堆積させた。このクロム金属層18は、第3のマスクを使用して形成され、それにより、ソース電極22と、ソース電極22の両側でソース電極22から離間された一対のドレイン電極24とが形成された。自動的な位置合わせのため、ソース電極22及びドレイン電極24を使用して12Kevで1×1014cm−2のボロンジフルオライド注入物38が形成された。このボロン注入物38はリンを補償する。ボロンの注入は、ソース22に接触するソース領域32とドレインに接触するドレイン領域36との間にあるアモルファスシリコン層10の中間領域34中に対して行なわれる。この構造体上にわたって、保護層20が堆積された。注入されたリン及びボロンを活性化させるため、前記構造体が250℃で30分間アニール処理された。
使用された補償技術の更なる詳細は、米国フィリップス社に譲渡され、Nicholasに対して付与された米国特許US5,047,360に記載されている。
上記処理の後、別の構成要素に必要な任意の処理が実行され、デバイスがパッケージ化される。当業者であれば、トランジスタを必要とし得る多くの様々なタイプのデバイスを認識できよう。そのようなデバイスとしては、例えば液晶ディスプレイ、又は発光ダイオードディスプレイのアクティブプレートを挙げることができる。そのようなディスプレイにおいて、トランジスタは、各ピクセルの補正回路の一部として使用されてもよい。また、トランジスタは、イメージングアレイの低電流増幅器として使用されてもよい。
ソース22及びドレイン24の電極のクロムは、アモルファスシリコン本体に対するショットキーバリアを形成する。リンのドーピングは、低いゲート電圧で電子が高電流作用を引き起こすことができるように、適度に低いショットキーバリア高さを得るために使用される。当業者であれば分かるように、リンのドーピングを変化させることにより、ショットキーバリアの高さ、すなわち必要なゲート電圧を微調整してもよい。
図4,5,6は、SGTのメカニズムを示す。
図4は、2つの異なるドレインソース電圧における、ソースに隣接するソース領域32の空乏領域を示している。第1の空乏領域37(垂直な影線で示す)は、ソース領域32の厚み全体を空乏化させるためには不十分な低い大きさのドレイン−ソース電圧における空乏領域である。第2の空乏領域39(水平な影線で示す)は、ソース領域32の厚み全体を完全に空乏化させるのに十分な大きさのドレイン−ソース電圧における空乏領域であり、ドレイン領域36に向かって中間領域34中に僅かに入り込んで延出している。
また、図4は、ソース−ドレイン電圧を維持するための電源33と、ソース−ゲート電圧を維持するための電源35とを概略的に示している。電源33は、ソース領域を完全に空乏化できる十分な電圧を供給し、また電源35は、ソース−ドレイン電流を制御するために可変電圧を印加する。
図5は、部分的に空乏化された場合におけるバンドダイアグラムであり、図6は、飽和されて完全に空乏化されたケースにおける対応するバンドダイアグラムである。それぞれの場合において、バンドダイアグラムは、ソースとゲートとの間の帯域、すなわち、ソース電極22、半導体本体層10、ゲート絶縁体8、ゲート4における帯域を示している。また、ドレイン電圧も示されている。当業者であれば分かるように、ピンチオフのための十分なドレイン電圧がソース領域全体を空乏化し(図6)、この状態でゲート電圧の増大効果は、金属と半導体との間の界面で電界を増大させることにより、ショットキーソースにおけるバリア48の有効高さを減らす。これにより、バリアを横切る電流が増大する。
SGTにおいては、ドレインとゲートとの間に十分なキャパシタンスCGDが存在している場合がある。そのため、実際のデバイスにおいては、ソースとドレインとの間の隙間を減らすことが好ましい。動作状態では空乏化された領域とドレイン領域との間の距離が重要ではないため、この領域を、性能に著しく影響を与えることなくSGT内において短くすることができる。例えば、ソースとドレインとの間の中間領域は、5μm未満の範囲、好ましくは0.5μm〜2.5μmの範囲で横方向に延出してもよい。
ソースの幅(ソース−ドレイン方向に対して垂直な幅)が600μmのSGTの特性を測定した。また、その特性を図7及び図8に示す。半導体本体層の厚みは100nmであり、ゲートは300nm厚のSiNであり、また、ソースドーピングは図1ないし図3の実施例の場合と同様であった。特性はソースに対応しているとともに、2μmの分離に至るまでソース−ドレイン分離による影響が最小限に抑えられた。このことは、ソースバリアがドレイン領域から良好に遮蔽されていることを示している。比較のため、同じ堆積層を用いて、同様の電流レベルで動作するTFTが形成された。このTFTの特性を図9に示す。
TFTにおいては、SGTにおける場合よりもピンチオフ電圧が非常に高いことが分かる。例えば、ゲートにおいて12Vである場合、SGTは2Vのドレイン電圧に至るまで増幅器として動作することができる。これに対し、TFTは8Vを必要とする。
なお、ピンチオフ後、電流はドレイン−ソース電圧と殆ど無関係になる。ドレイン電圧の変化は伝導に殆ど影響を与えないが、それはその変化によって、バリアを超えたキャリアの注入が殆ど生じないためである。このことから、図7に見られるような非常に平坦な曲線が生じる。すなわち、1019Ω程度の非常に高い出力インピーダンスが生じる。また、ピンチオフ電圧が小さいことがわかる。検査されたデバイスにおいては、ピンチオフ電圧が0.5V〜2.5Vの範囲である。その値は、図9から分かるように、検査された従来のTFTの場合よりも十分に低い。
当業者であれば分かるように、本発明は前述した構造に限定されない。以下に、本発明に係る幾つかの別の構造について説明する。
図10に示す本発明の第2の実施形態においては、基板2上にゲート4を有する更なるボトムゲート型構造が示されている。この構造は、重要な点が図1のそれと異なる。ドレイン領域36は十分にドーピングされたn型であるため、ドレイン接点24は、図1の実施形態の場合のようなショットキー接触の代わりに、ドレイン領域に対するオーム接触を形成する。また、アモルファスシリコン本体層10の中間領域34の一部の上にわたって、電界絶縁体42が設けられており、また、この電界絶縁体42上には、メタライゼーション18がソース電極22を越えて延出しており、これにより、電界プレート44が形成されている。電界プレート44の目的は、ドレインを使用してソースの縁部に電界軽減を提供し、それにより、ソース周囲の電界がドレイン電極24の電圧に影響されないようにすることである。
なお、本実施形態において、ゲート4の全ての横方向延在部は、ソース電極22の下に位置されている。したがって、この配置はゲートの真上であろうとも、事実上、チャンネル領域を全く有しない。すなわち、中間領域34は、ゲートから横方向に離間している。言うまでも無く、このことは、チャンネル上におけるゲートの作用が電流変調の大部分をもたらす従来のTFTとは完全に異なる。
また、図11は、ボトムゲート型の更なる実施形態を示す。この実施形態においては、図10の実施形態の場合のような電界プレートの代わりに、図3の実施形態の場合と同様の補償ドーピング38が使用されている。また、この実施形態においてゲート4は、半導体本体10の補償された注入物38を有する中間領域34の下で、ショットキーソース22を越えて横方向に延出している。補償されていないドナー注入物6は、ソ−ス領域32及びドレイン領域36のソース電極22及びドレイン電極24の下に位置している。この場合、補償されていないドナー注入物6は、ショットキーバリアの高さ及び電流の大きさを制御する。この実施形態は、少数のマスクを使用して行なうことができる。
図12を参照すると、本発明はトップゲート型構造にも適用することができる。図12の構造においては、ガラス基板2上に直接にソース金属22が堆積された後、絶縁体52が堆積される。その後、絶縁体52がパターン化されることにより、ソースコンタクトホール50が形成される。その後、ソースコンタクトホール50を通じてソースメタライゼーション22と接触するように、基板上にアモルファスシリコン層10が堆積される。その後、薄いシリコンナイトライド層8が堆積されてパターン化されるとともに、ソースコンタクトホール50上にわたってゲート4が設けられる。更に、アモルファスシリコン層10のドレイン領域36が十分にn型ドーピングされるとともに、ドレイン領域と接触する状態でオームドレイン接点54が堆積される。
なお、このデバイスにおいて、ゲート4はソース領域32とドレイン領域36との間にある中間領域34を超えて延出してはいない。
図13に示す代替的な実施形態において、ゲート4は、絶縁体8上にわたって横方向に延出しており、それによって更に幅広いソース領域32が形成されている。また、この実施形態において、図12の実施形態のオームドレイン接点54は、ショットキードレイン接点24に置き換えられる。
図12及び図13の両方の実施形態においては、ソースコンタクトホール50の縁部にある絶縁層52の一部が電界絶縁体42としての機能を果たすため、ソース電極22の一部が、アモルファスシリコン層10の中間領域34の下で、電界プレート44としての機能を果たすようになる。そのため、ソース電界はドレインで印加される電圧に殆ど依存しなくなる。
なお、図10ないし図13では、1つの中間領域34を用いてソースの側方に1つのドレイン電極22,54が配置されていることから、基本的に片側配置である。これに対し、図3の配置は、ショットキーソース及びゲートの各側に1つずつ配置された一対のショットキードレイン電極24を有しており、それにより、2つの補償された中間領域38が存在している。図14に示すように、そのような配置は図3のボトムゲート型配置には限定されない。
図14は、トップゲート4の両側に配置された一対のオームドレイン接点54を有するトップゲート型構造を示す。ゲート4はゲート絶縁体8上に配置されており、ゲート絶縁層8の下には、絶縁体52のコンタクトホール50を通じて、半導体本体層10とソース電極22とが順に配置されている。このような配置によって、オームドレイン接点がオン抵抗を可能な限り減少させるため、優れたデバイスを提供できる。この場合も同様に、電界プレートによって、ソースの縁部に電界軽減が提供される。
図15は、別の実施形態を示す。この配置において、下ソース及びドレインショットキー接点22,24は、ソースコンタクトホール50及びドレインコンタクトホール56を形成する絶縁層52の下に配置されている。それらに引き続いて、アモルファスシリコン本体層10と、シリコンナイトライドゲート絶縁層8と、ゲート接点4とが設けられる。電界軽減は、ソース及びドレインにある電界プレート44によって提供される。この手法による製造は非常に簡単である。
更なる手法を、図16に示す。この手法によると、ゲートはケイ素化合物層62が上端に形成された水素化アモルファスシリコン層60によって形成される。ゲート絶縁体8及び半導体本体層10は、段階的に積層することにより形成される。この垂直な段付き構造により、ソース22とドレイン24との間の隙間が短くなる。また、この隙間は層60の厚みに依存する。
先の実施形態では、アモルファスシリコンを半導体本体として使用する場合について説明した。しかし、本発明は、図17に示すようにポリシリコンを使用しても有益である。図17は、基板2上に形成されるデバイスを示す。ゲート電極4及び二酸化ケイ素ゲート絶縁層8が形成された後、ポリシリコン層70が堆積される。ソースの縁部において段差71を有するようにポリシリコン層70がエッチングされ、それにより、ソース電極の縁部に電界軽減が提供される。先と同様に、ショットキーソース電極22及びドレイン電極24には、ショットキーバリアの高さを制御するために使用される浅い注入物6が設けられる。
前述した実施形態においては、電子が支配的な電荷キャリアであった。しかし、デバイスは、主要な電荷キャリアとして正孔を使用してもよい。図18に示すように、ボトムゲート4はゲート絶縁体8によって覆われており、ゲート絶縁体8はポリシリコン層70によって覆われている。ポリシリコン層70は、オームドレイン電極54の下にあるp+ドーピングされたドレイン領域36と、ショットキーソース電極22の電界プレート44の延在部の下にある狭い中間領域34によって分離されたnソース領域32とを有している。電界プレート44は、電界絶縁体42によって中間領域34から分離されている。したがって、p−n接合72は、ポリシリコン層70中に設けられている − ゲート4がこのp−n接合72の下に位置され、それにより、この領域内に1つの経路を形成するとともに、トランジスタがONされる際に、正孔がp−n接合を横切ることが可能となる。
ショットキーソース電極22の材料は、バンドギャップの0.25〜0.75倍の正孔のためのバリアを与えるように選択される。p型トランジスタにおいて、バリアが高い場合、異なるソース電極材料が選択される。マグネシウム、エルビウム、又はインジウムスズ酸化物が使用されてもよい。そのような材料は、n型キャリア輸送のために使用される仕事関数よりも小さい仕事関数を有していてもよい。
なお、この実施形態において、ソース領域32は軽くn型ドーピングされるが、ドーピングされなくても良く、あるいは軽くp型ドーピングされても構わない。
図19は、ポリシリコン中で実施される相補型トランジスタ対を示す。n型ソースゲート型トランジスタ140とp型ソースゲート型トランジスタ142とが共通の基板2上に形成されている。ゲート4が基板上に形成された後、絶縁層8及び半導体本体層10が形成される。半導体本体層は、n型SGT140の第1のソース領域144でp型ドーピングされるとともに、p型SGT142のソース領域を形成するための第2のソース領域146でn型ドーピングされる。トレンチ148は、n型SGT140とp型SGT142とを分離する。n+ドレイン領域152が埋め込まれることにより、n型SGT140のドレインが形成されるとともに、p+ドレイン領域154が埋め込まれることにより、p型SGT142のドレインが形成される。
各SGT140,142は、各ソース144,146にバリアを形成するソース接点156,158を有する。
各トランジスタのバリアで、注入物150が注入される。殆どの金属は、電子に対して高いバリアを形成するとともに、正孔に対して低いバリアを形成するため、n型SGT140のソース電極バリアを低くし、且つp型SGT142のソース電極バリアを高めるように注入物150が使用される。
好ましい実施形態においては、両方の注入物150が同じであり、両方ともドナーの注入を必要とする。例えば、リンの10keV注入が使用されてもよい。
この実施形態により、幾つかの用途で必要とされ得る相補型SGTを1つの基板上で簡単に製造することができる。
ソースと半導体との間のバリアがショットキーバリアである必要はなく、ヘテロ接合バリア層が使用されてもよい。図20は、上端にアモルファスシリコン層78が堆積されたポリシリコン層70を有するデバイスを示す。ソース電極22は、金属接点である。ボトムゲート4は、先と同様に、ゲート絶縁体8によってポリシリコン層70から分離されている。アモルファスシリコンは、ポリシリコンよりも幅広いバンドギャップを有しているため、アモルファスシリコン層78は、金属ソース電極22とポリシリコン層70との間にバリアを形成する。このバリアは、前述した実施形態におけるショットキーバリアと同様に機能する。なお、電界プレート44を形成するために、アモルファス層78とポリシリコン層70との間のソースの縁部には、電界絶縁体42が設けられている。
図21は、トップゲート型ヘテロ接合配置を示す。この場合、ソース電極22の上端に1つのアモルファスシリコン層80が堆積され、その後ソース電極22は、レーザを使用してアモルファスシリコン層80の上端部を結晶化する。これにより、アモルファスシリコン層82上にわたってポリシリコン層84が形成された状態となる。その後、先と同様に、ドレイン電極24と、二酸化ケイ素8と、ゲート4とが形成される。以上から分かるように、1つの半導体層を使用するだけで済むため、このデバイスの製造が更に容易になる。
図22は、更に別の配置構成を示す。この配置構成において、ゲート絶縁体8上のトップゲート4はソース電極22を越えて延出するとともに、ドレイン電極24に接近している。この場合、ドレインは、ドレイン電極24の下に位置するn+ポリシリコン層85と接触している。ポリシリコン本体層70の残りの部分は、軽くp型ドーピングされるか或いはドーピングされるため、ドレイン領域とポリシリコン層の残りの部分との間に、p−n接合72が形成される。
同様の配置構成が、図23に示されている。図23は、ボトムゲート4の両側に一対のドレイン電極24を有する両側配置を示している。これら一対のドレイン電極24は、ソース電極22の両側に位置しており、ソース電極22から横方向に離間されている。ソース領域の電界軽減は、電界プレート44と電界絶縁体42とによって提供される。なお、この場合n+ポリシリコン層85は両方のドレイン電極の下に設けられており、ポリシリコン層70の残りの部分はドーピングされていない状態のまま保持されている。
前述した実施形態はシリコン薄膜を使用しているが、当業者であれば分かるように、別の薄膜材料を使用することもできる。特に有機半導体(高分子半導体を含む)が有用であるが、それは、それらを薄膜として堆積させることができるためである。有機半導体の適当な例として、ポリアルキルチオフェンを挙げることができる。ポリアルキルチオフェンに対しては、良好なショットキーバリアが実証されている。
本発明は薄膜に限定されず、また本発明に係るデバイスは、結晶半導体基板上に形成されてもよい。図24は、n+ドーピングされたゲート領域92を有する単結晶p−基板90を示す。SIMOXプロセスを使用して、二酸化ケイ素層94及びpドーピングされたシリコン層96が形成されている。このプロセスは、酸素イオンを基板90中に所定の深さまで注入して、酸化物層94を形成することを含んでいる。p+注入物98は、ドレイン電極24のためのオーム接触を形成している。酸化物層100は、pドーピングされたシリコン層96にわたって延在しており、ソースコンタクトホール50を形成している。また、このコンタクトホール50を通じて、ショットキーソース電極22がpドーピングされたシリコン層96と接触している。ショットキーソース電極22は、ショットキーバリアの高さを制御するための浅い注入物6を含む半導体本体96の領域上に延在している。
図25は、シリコンソース110が基板90上に形成された更なる実施形態を示す。ソースコンタクトホール50を形成するソース絶縁体52が堆積された後、固相エピタキシーを使用して、ドーピングされていないシリコン層112が形成される。n+注入物114は、ドレイン電極24とのオーム接触を形成するとともに、半導体本体領域との接合部を形成する。ゲート絶縁体8がシリコン層112上にわたって配置されるとともに、シリコン層112上にゲート4が設けられる。なお、ゲート絶縁体及びゲートを使用して、ドレイン接点を形成するn+注入物114を自動的に位置合わせすることができる。
以下に、ソースゲート型トランジスタの利点の幾つかを使用した、更なる実施形態について説明する。
図26は、ソースバリアがバルク単極ダイオードとして設けられる実施形態を示す。図1ないし図3の実施形態の場合と同様、基板2、ゲート4、ゲート絶縁体8、半導体本体層10が設けられている。ソースを形成するために、ゲート4の上には単極ダイオード構造体120が配置されている。単極ダイオード構造体120は、n++ドナー注入物124の下にp+アクセプタ注入物122を有する二重拡散注入物を有している。ソース接点126は、n++ドナー注入物124と接触するとともに、絶縁体128により本体10から絶縁されている。ドレイン接点24は、ソース単極ダイオード構造体120から横方向に離間されている。
基板2上にゲート電極4が形成され、且つゲート電極上にわたって絶縁体8が形成された更なる実施形態が、図27に示されている。この配置構成において、本体層10は横方向領域、すなわち、具体的にはソース電極22に接続され且つn−ドーピングされたソース本体領域32と、ドレイン電極24に接触され且つn+ドーピングされたドレイン領域36と、p型ドーピングされることにより中間領域34を形成する本体10の残りの部分とを有している。このようにして、ゲートがOFFされる時に電流を遮断するドレインにp−n接合が提供される。このことは、低ソースバリアを用いた場合でもOFF電流を非常に低くできることを意味している。したがって、この構造体は、低バリアを必要とする可能性が高い、高電流デバイスに特に適している。
図28は、互いに対向する第1及び第2の主面を有するデバイスにおける単結晶シリコンの更なる実施形態を示す。第2の(後側)主面上のドレイン接点は、n+又はp−層2及びバルク層134に接続されている。バルク層の上(第1の)面には、絶縁体8を有する埋込ゲート4が設けられている。そして、この層の上にn−本体層10が形成されている。第1の主面上には、絶縁層132の穴内に、複数のショットキーソース接点22が形成されている。絶縁層132は、ソース接点22の縁部に電界プレート42を形成している。ソース接点22は、埋込ゲート4上にわたって横方向に位置合わせされている。ゲートは、ソース接点22と本体10との間にあるショットキーバリアにわたる電子の流れに影響を与えるように、したがって、デバイスの電流を制御するように配置されている。
理解されるように、この場合のドレイン電極は、半導体本体のドレイン領域に対して直接には接続されていないが、バルク層134を介して半導体本体10に接続されている。
この配置構成は、パワー半導体デバイスとしての機能を果たすことができる。ON状態においては、デバイスによる電力損失を、DMOS等のFETよりも十分に小さくできる。これは、デバイスが低いドレイン電圧で動作できるためである。
本開示内容を読めば、本発明の変形及び改良は当業者にとっては明らかである。それらの変形及び改良は、トランジスタの設計、製造、使用において周知である等価物及び特徴を含んでもよく、また、本明細書に記載された特徴に追加的、ないし代替的に使用できる等価物及び特徴を含んでもよい。
本発明に係るSGTの第1の実施形態の製造における第1の工程を示す図。 本発明に係るSGTの製造における第2の工程を示す図。 本発明に係るSGTの製造における第3の工程を示す図。 SGTの空乏化を示す図。 ソース領域が空乏化されていない状態におけるSGTのバンドダイアグラム。 動作状態におけるSGTのバンドダイアグラム。 SGTにおける測定されたトランジスタ特性を示す図。 図7で測定されたSGTにおける測定された伝達特性を示す図。 比較のためのTFTにおける測定された伝達特性を示す図。 SGTの第2の実施形態を示す図。 SGTの第3の実施形態を示す図。 SGTの第4の実施形態を示す図。 SGTの第5の実施形態を示す図。 SGTの第6の実施形態を示す図。 SGTの第7の実施形態を示す図。 SGTの第8の実施形態を示す図。 SGTの第9の実施形態を示す図。 SGTの第10の実施形態を示す図。 SGTの第11の実施形態を示す図。 SGTの第12の実施形態を示す図。 SGTの第13の実施形態を示す図。 SGTの第14の実施形態を示す図。 SGTの第15の実施形態を示す図。 SGTの第16の実施形態を示す図。 SGTの第17の実施形態を示す図。 SGTの第18の実施形態を示す図。 SGTの第19の実施形態を示す図。 SGTの第20の実施形態を示す図。
符号の説明
4 ゲート電極
8 ゲート絶縁体
10 半導体本体層
22 ソース電極
24,54 ドレイン電極

Claims (18)

  1. 所定の伝導型の荷電キャリアを使用する電気伝導用の絶縁ゲートトランジスタにおいて、
    半導体本体層と、
    前記半導体本体層の一主面に沿ってソース領域にわたって横方向に延出するとともに、前記半導体本体層の前記ソース領域との間でショットキー電位バリアを形成するソース電極と、
    前記半導体本体層に接続されたドレイン電極であり、前記半導体本体層の前記一主面に沿って前記ソース電極から横方向に離間されたドレイン電極と、
    前記ソース領域が空乏化される際に、前記バリアを横切って前記ソース電極から前記半導体本体層の前記ソース領域へと向かう所定のキャリア型のキャリアの移動を制御するためのゲート電極と、を備え、
    前記ゲート電極及び前記ソース電極は、互いに対向して重なり合う状態で配置され、
    前記ゲート電極は、前記ソース電極に対して前記半導体本体層の反対側に配置されるとともに、前記ゲート電極と前記半導体本体層との間にはゲート絶縁体層が設けられ、
    前記ゲート電極は、前記ショットキーバリアのゲート制御領域の全体にわたって、少なくとも前記半導体本体層と前記ゲート絶縁体層とを組み合わせた厚み分だけ前記ソース電極から離間される
    絶縁ゲートトランジスタ。
  2. 有効バリア高さを制御するため、前記ソース電極の下の前記半導体本体層中にドーパント不純物を含む、請求項に記載の絶縁ゲートトランジスタ。
  3. 前記ドーパントは、正孔に対して有効バリア高さを引き上げ、且つ電子に対して有効バリア高さを下げるドナー不純物から成る浅い注入物である、請求項に記載の絶縁ゲートトランジスタ。
  4. 前記ドレイン電極と対向する前記ソース電極の側縁部に電界軽減構造を備える、請求項1乃至3のいずれかに記載の絶縁ゲートトランジスタ。
  5. 前記ドレイン電極は前記半導体本体層のドレイン領域に接続され、前記ドレイン領域は、前記半導体本体層の中間領域により前記ソース領域から離間され、
    前記電界軽減構造は、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間にある前記半導体本体層の前記中間領域であり、前記中間領域が補償される、請求項に記載の絶縁ゲートトラジスタ。
  6. 前記ドレイン電極は前記半導体本体層のドレイン領域に接続され、前記ドレイン領域は、前記半導体本体層の中間領域により前記ソース領域から離間され、
    前記電界軽減構造は、前記中間領域の少なくとも一部にわたって横方向に延出する前記ソース電極の延在部を有し、電界軽減絶縁層によって前記中間領域の前記一部から離間される、請求項に記載の絶縁ゲートトラジスタ。
  7. 前記ドレイン電極は前記半導体本体層のドレイン領域に接続され、前記ドレイン領域は、前記半導体本体層の中間領域により前記ソース領域から離間され、
    前記ドレイン領域と前記ソース領域との間にある前記中間領域の横方向延在範囲が5マイクロメートル未満である、請求項1乃至6のいずれかに記載の絶縁ゲートトランジスタ。
  8. 前記ドレインへと向かう前記ゲート電極の横方向延在部は、その全体が前記ソース電極と重なり合っている、請求項1乃至7のいずれかに記載の絶縁ゲートトランジスタ。
  9. 一対のドレイン電極と、前記ソース領域の横方向両側にある前記半導体本体層の対応するドレイン領域とを備える、請求項1乃至8のいずれかに記載の絶縁ゲートトランジスタ。
  10. 前記電位バリアは、所定の電荷キャリア型に対して前記半導体本体層の半導体のバンドギャップの0.25〜0.75倍となるバリア電位を有する、請求項1乃至9のいずれかに記載の絶縁ゲートトランジスタ。
  11. 前記半導体本体層は、堆積された半導体材料から成る薄膜である、請求項1乃至10のいずれかに記載の絶縁ゲートトランジスタ。
  12. 前記半導体本体層がアモルファスシリコンから成る、請求項1乃至11のいずれかに記載の絶縁ゲートトランジスタ。
  13. 前記半導体本体層がポリシリコンから成る、請求項1乃至11のいずれかに記載の絶縁ゲートトランジスタ。
  14. 前記半導体本体層が有機半導体から成る、請求項1乃至11のいずれかに記載の絶縁ゲートトランジスタ。
  15. 基板と、
    前記基板上に配設された複数個の、請求項1乃至14のいずれかに記載の絶縁ゲートトランジスタと、
    を備えるトランジスタ構造。
  16. n型及びp型の両方の、請求項1乃至14のいずれかに記載の絶縁ゲートトランジスタを有する、請求項15に記載のトランジスタ構造。
  17. p型及びn型のトランジスタのバリアの下には、p型トランジスタの正孔に対して有効バリア高さを引き上げ、且つn型トランジスタの電子に対して有効バリア高さを下げるドナー不純物から成る浅い注入物が存在する、請求項16に記載のトランジスタ構造。
  18. 請求項1に記載の絶縁ゲートトランジスタを使用する方法であって、
    前記ソース、ゲート及びドレイン電極間に電圧を印加することにより、前記ゲート電極の領域で前記半導体本体層の前記ソース領域の全体をほぼ空乏化するとともに、前記所定のキャリア型のキャリアを、前記ソース電極により前記バリア及び空乏化された前記ソース領域を横切って前記ドレイン領域へと放出させた後、前記ドレイン電極へと移動させることを含む方法。
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