JP4410894B2

JP4410894B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4410894B2
Application number: JP2000013275A
Authority: JP
Inventors: 芳樹佐久間
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2020-01-21
Also published as: JP2001203382A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光機能を備えた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｓｉ−ＭＯＳトランジスタを代表とするＭＩＳ型トランジスタを集積してなる、いわゆるＬＳＩの高集積化は、１９７０年代以降３０年もの長い間、個々のトランジスタの微細化を進めることにより着実に進められてきた。ギガビット級の集積度を持つＤＲＡＭが市場に登場しつつある現在でも、将来の集積回路の更なる性能向上を果たすための様々な方法が考えられている。例えば、ゲート絶縁膜に高誘電体膜を採用したり、チャネルにＳｉＧｅ系の材料を採用したり、更にはＳＯＩ( Silicon(semiconductor) On Insulator)などの構造を採用することで個々のトランジスタの性能向上を図ることが検討されている。
【０００３】
しかしその一方では、将来のＬＳＩの性能向上の鍵を握るのは、配線における信号伝搬の遅延を解決することであることが指摘されている。事実、ロジックＬＳＩについては、従来のＡｌ配線に代わってＣｕ配線を用いた製品が市場に登場している。また、配線間の容量を減少させる目的で、誘電率の低い層間絶縁膜の研究も盛んに行なわれている。
【０００４】
しかしながら、配線や絶縁膜の材料を代えるだけでは、配線の信号伝搬速度の向上を図る本質的な解決にはならず、近い将来にはＬＳＩチップ間やチップ内を光信号を用いて情報の授受を行なう技術の現実化が予測されている。このため、Ｓｉ基板上にＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いた面発光型の半導体レーザを実装する研究や、Ｓｉそのもの或いはＳｉと相性の良いＳｉＧｅで発光素子を作製しようという材料研究も盛んに行なわれている。特に後者の研究は、将来を考えた場合、Ｓｉ基板上にモノリシックに電子デバイスと光デバイスを作製できるので魅力がある。
【０００５】
ところが、ＳｉやＳｉＧｅは間接遷移半導体であり、一般には発光強度は極めて弱い。最近の研究においてＳｉ系の発光物質として実用の可能性が高いものに、Ｓｉ，ＳｉＧｅ，Ｇｅなどのナノクリスタルがある。これらをＳｉＯ₂などのエネルギーギャップの大きい材料中に作り込み、レーザなどの光で励起すると比較的強い発光が起こることが報告されている。
【０００６】
また、希土類元素であるＥｒなどを酸素原子が共存する母材料にドープしたり、ＳｉＯ₂などのギャップの大きな絶縁体中にドープすることにより、Ｅｒイオンの内殻遷移に起因した発光が非常に強くなることが報告されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、各種の半導体ナノクリスタルやＥｒなどの発光は材料の研究としては数多く報告されているものの、発光素子としてどのような素子構造にすれば有用であるかといった研究や提案はこれまで殆どなされていない。
【０００８】
ナノクリスタルやＥｒなどは、ＳｉＯ₂のようにバンドギャップの大きな材料にドープすることで高い発光効率が得られている。しかしこれらの結果は、光励起や電子線励起によるものであり、通常の素子に使われるような電流注入の手法を採るため絶縁膜に直接電気的なコンタクトをとっても、母材が絶縁体であるから殆ど電流が流れず満足な発光強度は得られない。
【０００９】
そこで本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、高い発光効率を容易且つ確実に得ることができ、従来のＳｉ−ＭＯＳトランジスタ構造との整合性に優れ、光インターコネクト用にも利用可能であり、ＬＳＩの格段な性能向上を図ることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題に関する鋭意検討の結果、以下に示す発明に想到した。
【００１１】
本発明の第１の構成は、ゲート電極及びソース／ドレインを備えたＭＩＳ型のトランジスタ構造を有してなる半導体装置を発光素子として構成するものである。即ち、ゲート絶縁膜内に、ＩＶ族を含む半導体ナノクリスタル、ＩＶ族を含む半導体微結晶、化合物半導体の多結晶又は単結晶、希土類元素及び蛍光物質から選ばれた少なくとも１種である発光物質が添加されており、前記ソース／ドレインにホットエレクトロンを発生させる電圧を印加し、前記ゲート電極にバイアス電圧を印加することで前記ゲート絶縁膜中に導電性キャリアを注入し、前記ゲート絶縁膜を発光せしめることを特徴とする。
【００１４】
また、前記ゲート絶縁膜は、複数種の絶縁膜が積層されてなるものとすることが好適である。
【００１５】
この場合、前記複数種の絶縁膜は、前記ゲート電極の近傍の第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜を介して前記ゲート電極から離間した第２の絶縁膜とを含み、前記第２の絶縁膜に前記発光物質が添加されており、前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜よりも、前記キャリアに対してエネルギー障壁として作用するバンドギャップの大きなものとすることが好ましい。
【００１６】
本発明の第２の構成は、ゲート電極及びソース／ドレインを備えたＭＩＳ型のトランジスタ構造を有してなる半導体装置を製造するに際して、ゲート絶縁膜の形成時に、当該ゲート絶縁膜内に発光物質を添加することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
（発光素子の構成）
本例では、発光機能を備えた半導体装置として、ＭＩＳトランジスタ型の発光素子（ＭＩＳ型発光素子）を例示する。
図１は、本実施形態のＭＩＳ型発光素子の主要構成を示す概略断面図であり、（ａ）がｎチャネル型、（ｂ）がｐチャネル型のものをそれぞれ示す。
【００１９】
このＭＩＳ型発光素子は、通常のＳｉ−ＭＯＳＦＥＴとほぼ同様に構成されており、Ｓｉ−半導体基板１の表層に形成されたソース／ドレイン２と、当該ソース／ドレイン２間のチャネル上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）からなるゲート絶縁膜３を介してパターン形成されたゲート電極４とを有して構成される３端子デバイスである。
【００２０】
当該発光素子の主な特徴として、ゲート絶縁膜３が通常のＳｉ−ＭＯＳＦＥＴのそれより厚く（５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度）形成されるとともに、ゲート絶縁膜３内に発光物質がドープされている。この発光物質として好適なものとしては、Ｓｉ，ＳｉＧｅ，Ｇｅなどの半導体ナノクリスタル、または直接遷移型の半導体の多結晶や微結晶、更にはＥｒ，Ｅｕなどの希土類元素、ＺｎＳ：Ｍｎなどの蛍光物質が挙げられる。ここで、発光素子のチャネルの導電型としては、ｎ型でもｐ型でも良いが、それぞれの発光物質の発光機構を考慮して選択すべきであり、使用時の電圧印加によりゲート絶縁膜３中に電子を注入する場合にはｎチャネルを、正孔を注入する場合にはｐチャネルとするのが良い。
【００２１】
ゲート絶縁膜４の材料としては、ＳｉＯ₂以外に、Ｓｉ₃Ｎ₄，Ａｌ₂Ｏ₃，ＴｉＯ₂なども使用できる。
【００２２】
ゲート電極４は、発光する波長帯に応じて透明な電極であることが望ましいことは言うまでもない。例えば、可視域で透明な電極材料にはＩＴＯ（ＩｎＳｎＯ）などを用いれば良い。また、ゲート金属４の一部に窓を開けて、発光する光を取り出す構造としても好適である。
【００２３】
（ＭＩＳ型発光素子の機能）
上記のように構成されたＭＩＳ型発光素子の発光機能について、図２を用い、ｎチャネルの発光素子（図１（ａ）参照）を例に採って総括的に説明する。
【００２４】
ソース／ドレイン２間に比較的大きな電界が印加されるようにチャネル長とソース／ドレイン２間の印加電圧を設定すれば、チャネルの伝導電子は電界によりエネルギーを得て高いエネルギーを持つ、いわゆるホットエレクトロンとなる。このような状況下で、ゲート電極４に比較的大きな正バイアス電圧を印加すると、チャネルの電子の一部がゲート絶縁膜３のポテンシャルバリアを熱的に越えたり、あるいはファウラー・ノルドハイム型のトンネル過程によりゲート絶縁膜３中に注入される。注入された電子に起因するゲート絶縁膜３中での複数の過程により、発光が惹起されることになる。
【００２５】
ＭＩＳ型発光素子の前記総括的機能を踏まえ、ゲート絶縁膜３にドープする発光物質毎の発光過程について説明する。
【００２６】
（１）半導体ナノクリスタル、直接遷移半導体の多結晶や微粒子、又はＺｎＳ：Ｍｎなどの蛍光物質
この場合、図３に示すように、ゲート絶縁膜３内で注入された電子がゲート電圧で加速されながら当該発光物質を含んだ材料に衝突して電離過程を起こし、バンド間の励起による電子・正孔対が形成されたり、Ｍｎの場合のように内殻電子が一部失われてイオン化が起こる。その後、電子正孔対が再結合する際にバンド間発光が起こったり、Ｍｎなどでは電子捕獲や内殻遷移により蛍光材料に固有の発光を起こす。この過程は、電子銃から放出された熱電子や電界放出電子を加速してサンプルに照射した際に発光が起こるカソード・ルミネッセンスと同様のものである（テレビのブラウン管に応用されている。）。
【００２７】
（２）Ｅｒ，Ｅｕなどの希土類元素
この場合、（１）と同様に、希土類元素をホストとなる半導体材料と共にＳｉＯ₂などからなるゲート絶縁膜３中に埋め込む方法もあるが、ゲート絶縁膜３中に直接的に希土類元素をドープして、この希土類元素の原子の内殻の電子遷移に起因した波長１．５４μｍの発光を得る方法がこれまでの報告を見るかぎり発光効率が高い。図４に示すように、いずれにしても固体中で、例えばＥｒは主に３価の陽イオンに電離しており、このイオンに捉えられた電子が原子内殻のｆ軌道内で遷移を起こして波長１．５４μｍの発光が起こる。あるいは（１）の場合と同様に、Ｅｒが衝突電離により内殻電子を失って、電子捕獲と内殻遷移により発光することも考えられる。
【００２８】
（３）ｎ型又はｐ型にドープされた半導体ナノクリスタル、直接遷移半導体の多結晶や微粒子
ここでは発光物質として、ゲート絶縁膜３中にＩＩＩ−Ｖ，ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のような直接遷移半導体の多結晶や半導体ナノクリスタル、又は発光効率の高いＳｉ，ＳｉＧｅ，Ｇｅなどの半導体ナノクリスタルを形成しておき、且つこれらをｎ型又はｐ型にドープしておく。この場合、図５に示すように、これらの発光物質に少数キャリアとなる電子あるいは正孔をチャネルからゲート絶縁膜３中に注入すると、発光物質に元々存在する多数キャリアと再結合が起こり、これによりバンドギャップに相当する発光が起こる。ここで例えば、発光物質をｐ型にドープした場合にはｎチャンネルトランジスタを用い、逆にｎ型にドープした場合にはｐチャンネルトランジスタを用いるのが良い。
【００２９】
本実施形態のＭＩＳ型発光素子と異なり、ソース／ドレインを持たない２端子デバイス構造の発光素子（例えばダイオード型の発光素子）では、極めて大きなゲート電圧を印加する必要があるばかりでなく、注入されるキャリアの数が少ないため発光強度が弱くなってしまう。これに対して、本実施形態ではＭＩＳ型トランジスタ構造のゲート絶縁膜３に発光部を形成し、ソース／ドレイン２間にホットエレクトロン（ホール）が発生する程度の大きな電圧を印加し、さらにゲート電極４に適当な方向のバイアスを印加することでホットエレクトロン（ホール）を注入するため、従来の素子構造よりも多数のキャリアをゲート絶縁膜３内に注入でき、発光強度を大きく得ることができる。
【００３０】
更に、本実施形態のＭＩＳ型発光素子において、発光を引き起こす基になるホットキャリアの個数は、ソース／ドレイン電圧、ゲート電圧で独立して制御可能である。カソード・ルミネセンスのアナロジーで表現すれば、電子銃のフィラメント電圧がソース／ドレイン電圧に相当し、加速電圧（引き出し電圧）がゲート電圧に相当する。従って、これらの電圧を調整することで、注入電子（ホール）のエネルギー分布を制御することも可能である。
【００３１】
（発光素子の製造方法）
以下、上記した本実施形態の発光素子の製造方法について、工程順に説明する。
図６は、本実施形態のＭＩＳ型発光素子の製造方法を示す概略断面図である。ここでは、ｎチャネルのＭＯＳ型発光素子について例示する。
【００３２】
先ず、図６（ａ）に示すように、ｐ型のＳｉ−半導体基板１を用意し、ＣＶＤ法などにより基板１上に発光物質を含むＳｉＯ₂膜１１を膜厚５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度に形成する。具体的には、基板１の表面に熱酸化層（下層）１２を形成した後、熱酸化層１２上にＳｉナノクリスタルを成長させる。そして、ＳｉナノクリスタルからなるＳｉ層１３を覆うようにＣＶＤ法等により酸化層（上層）１４を形成し、下層１２と上層１４でＳｉ層１３を包み込むようにＳｉＯ₂膜１１が形成される。
【００３３】
この場合、Ｓｉナノクリスタルを状況に応じてｎ型又はｐ型にドープした状態で下層膜１２上に成長形成するようにしてもよい。
【００３４】
ここで、ＳｉＯ₂膜１１を形成する他の手法としては、ＣＶＤ法により、通常のＳｉＯ₂を堆積させる場合よりも原料ガス中のＳｉの割合を多く設定し（Ｓｉリッチ）、基板１上にＳｉＯ₂を堆積させる方法もある。この場合、堆積時にＳｉリッチに起因してＳｉＯ₂中に未反応の微細なＳｉナノクリスタルが含有するかたちで、ＳｉＯ₂膜１１が形成されることになる。更には、基板１上にＳｉＯ₂を形成した後、当該ＳｉＯ₂内にＳｉをイオン注入するようにドープしてもよい。
【００３５】
また、半導体ナノクリスタルとしては、Ｓｉの代わりにＧｅ，ＳｉＧｅ等を用いてもよい。また、半導体ナノクリスタルの代わりに、ＩＶ族を含む半導体微結晶や、ＧａＡｓ等の化合物半導体の多結晶又は単結晶、Ｅｒ，Ｅｕ等の希土類元素、ＺｎＳ：Ｍｎ等の蛍光物質を形成するようにしてもよい。
【００３６】
また、ＳｉＯ₂の代わりに、Ｓｉ₃Ｎ₄，Ａｌ₂Ｏ₃，ＴｉＯ₂などを材料としても好適である。
【００３７】
続いて、図６（ｂ）に示すように、ＳｉＯ₂膜１１上に多結晶シリコン膜を膜厚２０ｎｍ程度に形成し、当該多結晶シリコン膜及びＳｉＯ₂膜１１にフォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングを施し、電極形状にパターニングする。これにより、基板１上にゲート絶縁膜３を介したゲート電極４が形成される。
【００３８】
続いて、図６（ｃ）に示すように、ゲート電極４をマスクとして、基板１の表層にｎ型不純物をイオン注入する。具体的には、ｎ型不純物として例えばリン（Ｐ）を加速エネルギー５０〜１００ｋｅＶ、ドーズ量５×１０¹⁵／ｃｍ²でイオン注入する。そして、基板１に所定のアニール処理を施すことにより、ゲート電極４の両側における基板１の表層にソース／ドレイン２を形成する。
【００３９】
しかる後、ゲート電極４を覆う層間絶縁膜の形成、ゲート電極４、ソース／ドレイン２と電気的に接続される各種配線層の形成等を経て、ＭＯＳ型発光素子を完成させる。
【００４０】
このＭＯＳ型発光素子は、アレイ化して集積することにより各種装置に適用が期待される。具体的には、画像表示装置のディスプレイをはじめとする各種の駆動回路や、記憶用キャパシタと共に配されてなるＤＲＡＭ型などの記憶用集積回路、ＣＭＯＳトランジスタと同様に配されてなる論理演算用集積回路等に搭載して好適なものである。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態のＭＩＳ型（主にＭＯＳ型）発光素子によれば、高い発光効率を容易且つ確実に得ることができ、従来のＳｉ−ＭＯＳ構造のトランジスタと整合性の良い構造を持つため、Ｓｉ基板上に集積することができる。また、光インターコネクトに必要なＳｉ基板上のモノリシック発光素子として利用できるため、ＬＳＩの高集積化による性能向上を阻む主要因である配線遅延の問題を解決することが可能となる。
【００４２】
−変形例−
以下、本実施形態のＭＩＳ型発光素子の諸変形例について説明する。なお、本例の発光素子と同様の構成要素等については同符号を記して説明を省略する。
【００４３】
（変形例１）
ここでは、図７に示すように、ゲート絶縁膜２１を、ＳｉＯ₂層２２、Ｓｉ₃Ｎ₄層２３及びＳｉＯ₂層２４をこの順に積層してなる３層構造に形成し、Ｓｉ₃Ｎ₄層２３内に前記発光物質を添加する。
【００４４】
この場合、ＳｉＯ₂はＳｉ₃Ｎ₄に比してエネルギーギャップが大きく、従って図８に示すように、Ｓｉ₃Ｎ₄をＳｉＯ₂で挟持することにより、ＳｉＯ₂膜２２，２４が注入されたキャリアに対するエネルギー障壁として機能する。このためのキャリアはＳｉ₃Ｎ₄に閉じ込められることとなり、キャリアがゲート電極４側に抜ける現象を抑止することが可能となり、更なる高い発光強度を得ることができる。
【００４５】
（変形例２）
ここでは、図９に示すように、ゲート絶縁膜３の構成要素である上層１４の膜厚を下層１２よりも厚く形成する。
【００４６】
この場合、図１０に示すように、発光物質の添加されたＳｉ層１３が、当該Ｓｉ層１３からゲート電極４までの距離がチャネルまでの距離よりも長くなるように配されることに特徴がある。ゲート電圧の上層と下層絶縁膜への分配が異なるため、上層１４が注入されたキャリアに対するエネルギー障壁として有効に機能する。これにより、キャリアがゲート電極４側に抜ける現象を抑止することが可能となり、更なる高い発光強度を得ることができる。
【００４７】
（変形例３）
ここでは、図１１に示すように、ゲート絶縁膜３１を、誘電体膜３２、ＳｉＯ₂層３３及び誘電体膜３４をこの順に積層してなる多層構造に形成し、ＳｉＯ₂層３３内に前記発光物質を添加する。誘電体膜３２，３４は、誘電率の異なる材料膜が積層され構成されており、具体的にはそれぞれ、ＳｉＯ₂層４１、Ｓｉ₃Ｎ₄層４２、ＳｉＯ₂層４３、Ｓｉ₃Ｎ₄層４４がこの順に積層されてなる４層構造とされている。なお、ここでは４層構造について例示するが、更なる多層構造としても好適である。
【００４８】
この場合、ＳｉＯ₂とＳｉ₃Ｎ₄の誘電率の相違によるいわゆるブラッグ反射の効果を利用すれば、ブロードな発光波長を持つ発光体から任意の波長の発光を選択したり、条件が許せば誘導放出を行わせることも可能である。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、高い発光効率を容易且つ確実に得ることができ、従来のＳｉ−ＭＯＳトランジスタ構造との整合性に優れ、光インターコネクト用にも利用可能であり、ＬＳＩの高集積化による性能向上を阻む主要因である配線遅延の問題を解決することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のＭＩＳ型発光素子の主要構成を示す概略断面図である。
【図２】本実施形態のＭＩＳ型発光素子の発光機能を説明するための模式図である。
【図３】本実施形態のＭＩＳ型発光素子の他の例の発光機能を説明するための模式図である。
【図４】本実施形態のＭＩＳ型発光素子の他の例の発光機能を説明するための模式図である。
【図５】本実施形態のＭＩＳ型発光素子の他の例の発光機能を説明するための模式図である。
【図６】本実施形態のＭＩＳ型発光素子の製造方法を工程順にを示す概略断面図である。
【図７】変形例１のＭＩＳ型発光素子の主要構成を示す概略断面図である。
【図８】変形例１のＭＩＳ型発光素子の発光機能を説明するための模式図である。
【図９】変形例２のＭＩＳ型発光素子の主要構成を示す概略断面図である。
【図１０】変形例２のＭＩＳ型発光素子の発光機能を説明するための模式図である。
【図１１】変形例３のＭＩＳ型発光素子の主要構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１Ｓｉ−半導体基板
２ソース／ドレイン
３，２１，３１ゲート絶縁膜
４ゲート電極
１１ＳｉＯ₂膜
１２熱酸化層（下層）
１３Ｓｉ層
１４酸化層（上層）
２２，２４，３３，４１，４３ＳｉＯ₂層
２３，４２，４４Ｓｉ₃Ｎ₄層
３２，３４誘電体膜

Claims

ゲート電極及びソース／ドレインを備えたＭＩＳ型のトランジスタ構造を有してなる半導体装置であって、
ゲート絶縁膜内に、ＩＶ族を含む半導体ナノクリスタル、ＩＶ族を含む半導体微結晶、化合物半導体の多結晶又は単結晶、希土類元素及び蛍光物質から選ばれた少なくとも１種である発光物質が添加されており、
前記ソース／ドレインにホットエレクトロンを発生させる電圧を印加し、前記ゲート電極にバイアス電圧を印加することで前記ゲート絶縁膜中に導電性キャリアを注入し、前記ゲート絶縁膜を発光せしめることを特徴とする半導体装置。
前記ゲート絶縁膜は、複数種の絶縁膜が積層されてなるものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記複数種の絶縁膜は、前記ゲート電極の近傍の第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜を介して前記ゲート電極から離間した第２の絶縁膜とを含み、前記第２の絶縁膜に前記発光物質が添加されており、前記第１の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜よりも、前記キャリアに対してエネルギー障壁として作用するバンドギャップの大きなものであることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。