JPS6138625B2 - - Google Patents
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Description
(1) 発明の利用分野
本発明は、室温動作できる高性能薄膜トランジ
スタとして用いる、高い電子移動度を有する
InSb MIS構造の製造方法に関する
(2) 従来技術
InSb膜を0.03μ厚に形成しMIS構造を作れば、
室温で動作しうるMIS―FET(MIS電界効果トラ
ンジスタ)が作成できることは公知である(参考
文献:一例F.C.Lno and M.Epstein:
Proceeding of the IEEE,Vol.60No.8,page
997〜999,1972)。InSb結晶はSiやGe,GaAsな
どに比べ、電子移動度μHが約100倍大きいため
に、MIS―FETのトランスコンダクタンスGmが
大きくなり、低電界(ソース・ドレイン間)で演
算動作が可能なICが作れると期待される。しか
し実際には、このμHの比較はバルク半導体にお
けるものであつてもInSbの厚さを0.03μm前後に
すると従来はバルクの値(μH≡60000〜78000
cm2/vs)よりもはるかに小さく1600〜100cm2/vs
の値にしかならなかつた。(SiMISFETのn型反
転層中で電子移動度は600cm2/vs程度である。)
これは完全結晶に近い性質をもつInSb膜がこの
厚さでは形成できなかつたことと、電子が結晶表
面に衝突する機会が増えるためであつた。このこ
とからμHを大きくするには、InSb膜厚を大きく
すべきであるがdが大きいと室温ではFET動作
が生じない。(詳細後述)したがつてInSb膜厚は
0.03μmの前後でなければならなかつた。
従来このように薄いInSb膜を平担に形成する
方法は一般には蒸着法しかなく、膜特性からみて
製造プロセスに再現性が乏しくまた膜の電子移動
度μHも1600cm2/vsを越えるものが容易には得ら
れなかつた。
さらにMIS―FETとしての動作を保障するた
めには、ゲート電圧の掃引に対してヒステリシス
を生ぜず、表面準位密度を1012cm-2以下に小さく
して膜中固定電荷数を減らせるような安定な絶縁
膜形成方法が確立されていなかつた。この絶縁物
層としてこれまでに試されたものは、InSb蒸着
膜に対してはSiOx(x=1〜2、通常SiOと称さ
れる)膜である。一方、低温(−180℃〜−273
℃)で動作できるMOS―FETとしてInSb単結晶
(厚さ0.1〜2mm)上に絶縁層を形成する場合に
は、InSbの陽極酸化膜やグロー放電CVD法によ
るSiO2膜が知られている。一般にこれらの絶縁
膜形成法では、FET動作をさせた場合2V以上の
ゲートヒステリシスを生じることが多かつた。す
なわち、同じゲート電圧でもゲート電圧を増加さ
せているときと、減少させているときで、MISト
ランジスタ内を流れる電流値は異なることが多か
つた。なおこの絶縁膜形成や電極形成プロセスに
おいてInSb膜を400℃以上に加熱する工程は、
InSb膜を変成させるのですべて不適当であるこ
とを注記する必要がある(参考文献:特公昭51―
17032)。
以上のごととく、従来のInSb―FET作成技術
の難点は
(1) MIS―FET動作をおこす膜厚でInSb膜の電
子移動度μHを2000cm2/vs以上とする技術が得
られなかつたこと、
(2) InSb結晶膜を蒸着法以外の方法で作成して
平坦に一様な厚さで形成できなかつたこと、
(3) ヒステリシスを起さないゲート絶縁膜層を得
る技術が確立されていなかつたこと、
にあつた。一方InSbに限らず薄膜半導体からな
るFET(一般にTFTと称される)では、Siの
SOS技術と共に、トランジスタ間の分離のため絶
縁層を形成するのに特別の工夫なく半導体をエツ
チングで除去すればよいことが知られていた。こ
のことが集積回路にするとき、基板内に高密度に
素子を配列できる利点になると考えられて来た。
しかし、電極配線を作る際にオーミツク接触とす
るため、一般には不純物を高濃度に含有する部分
を半導体中に形成する必要があつた。したがつて
(4) 不純物導入のための拡散加熱工程がある場
合、MIS―FETのソース・ドレイン電極間隔
を1μm以下に形成することはできず、素子間
の距離も1μm以下に詰めることは不可能であ
つた。
しかし、薄膜InSbによるMIS―FET形成の場
合には、唯一の例外として高濃度n+層を形成す
るのにH+イオンを打込む技術が知られており、
この場合加熱拡散が不必要である(参膏文献:小
寺ほか、Physical Review B. Vol5,No.
8Page3065―3078,1972年4月)。
従来薄膜を用いたトランジスタ(TFT)は、
InSb以外にCdSe,CdSなどの半導体膜により検
討されて来た。(参考文献:佐々木ほか、山口大
学工学部研究報告、Vol22,No.2,173(1971)
およびP.K.Weimerほか、RCA Review,
page661,December(1963))これらは室温
intrinsic伝導を示すInSbとは異なりextrinsic伝導
を示すものである。このため、元来InSbよりも
移動度μHが小さい欠点のほかに、結晶粒界や結
晶欠陥が著しく電気伝導特性に影響をおよぼし、
キヤリヤーが欠陥(トラツプ)などに捕えられる
ので高速動作トランジスタを作ることは困難であ
つた。しかし、InSb膜では特にゾーンメルトを
施した場合、結晶粒界ポテンシヤルが電気伝導に
余り影響しないので室温動作トランジスタとして
適していることを注記すべきである。(参考文
献:小寺ほか、Thin Solid Films,vol.36,
page483(1976)および重田ほか、Journal of
Applied Physics,Vol.47,No.2,page621
(1976))。
(3) 発明の目的
本発明は、InSb半導体薄膜を高い電子移動度
をもたせて形成し、しかし安定なゲート酸化膜を
形成して複数個のInSbMIS構造を一基板上に作成
できるデバイスの製造方法を提供するにある。
(4) 発明の総括説明
本発明の要件はMIS―FET動作ができる程
InSb膜を薄く平坦に形成してしかもその電子移
動度μHを少なくも2000cm2/vs以上にできるInSb
膜の製法、InSb膜厚を減じるとμHが相応に減
少するのでその膜厚を従来の2倍にとりμHを高
めたまゝMIS動作ができる素子構造の作成法、
前記したInSb膜に対してゲートヒステリシスを
小さくできる絶縁膜の形成法、にある。
以下順を追つてこれらの解決法を述べる。
高移動度InSb薄膜の製法
表面から見た形状が所望の素子形状に等しく深
さが2μmの前後であるような凹溝上にInSb膜
を形成し、ゾーンメルトと研摩によつてInSb薄
膜素子を得る方法は公知である(参考文献:小寺
ほか、電子通信学会資料MR77―41977年6月)。
2〜3cm角の基板上に厚さ1.4±0.05μmのInSb
膜を残すために、気体イオンスパツタ法による無
歪研摩を施すことも公知である(同上文献)。ゾ
ーンメルトによつて結晶粒は約3mm×0.15mmとゾ
ーン方向に長く伸びた粗大結晶粒となつている。
1.4μm厚さで(6.0±0.3)×104cm2/vsecと高い電
子移動度μH(室温の値)がこのとき得られてい
る。
FET動作を起させるにたる薄さである0.03〜
0.1μmの厚さに均一にInSb膜を仕上げるには、
軟金属ラツプ上で研摩した後の厚みが上の厚さの
範囲よりも大きいように凹溝深さを(0.1〜2.0μ
m程度に)設定し、所望の厚みまで気体イオンに
よるスパツタ法で薄くするのが適当である。
これまでに知られている他の方法(蒸着法のみ
など)よりも前記したような比較的厚いInSb膜
(1〜10μm厚さ)ゾーンメルトを施して而後
0.03〜0.1μmの厚さまで薄膜化する方が第1図
のように高い電子移動度μHを得やすいことが本
発明者らの実験により初めて明らかとなつた。す
なわち、従来知られている方法と比較すると、第
1表に例示したように本法による方が2倍以上μ
Hが大きい。
なお、このとき気体イオンによるスパツタエツ
チングの後に適当なエツチング液で表面を化学エ
ツチしてのイオンによる損傷を除去することは任
意である。
(1) Field of Application of the Invention The present invention has high electron mobility and is used as a high-performance thin film transistor that can operate at room temperature.
(2) Conventional technology regarding the manufacturing method of InSb MIS structure If an MIS structure is made by forming an InSb film with a thickness of 0.03μ,
It is well known that MIS-FETs (MIS field effect transistors) that can operate at room temperature can be created (References: For example, FCLno and M.Epstein:
Proceeding of the IEEE, Vol.60No.8, page
997-999, 1972). The electron mobility μH of InSb crystal is about 100 times higher than that of Si, Ge, GaAs, etc., so the transconductance Gm of MIS-FET becomes large and calculation operation can be performed in a low electric field (between source and drain). It is expected that ICs can be made. However, in reality, even though this comparison of μ H is for bulk semiconductors, when the thickness of InSb is around 0.03 μm, the conventional bulk value (μ H ≡60000 to 78000
cm 2 /vs) much smaller than 1600-100cm 2 /vs
The value could only be . (Electron mobility in the n-type inversion layer of SiMISFET is about 600 cm 2 /vs.)
This was because an InSb film with near-perfect crystal properties could not be formed at this thickness, and the chances of electrons colliding with the crystal surface increased. From this, in order to increase μH , the InSb film thickness should be increased, but if d is large, FET operation will not occur at room temperature. (Details will be explained later) Therefore, the InSb film thickness is
It had to be around 0.03 μm. Conventionally, the only method to form such a thin InSb film flatly is generally the vapor deposition method, but in terms of film properties, the manufacturing process has poor reproducibility, and the electron mobility of the film μH exceeds 1600 cm 2 /vs. It was not easy to obtain. Furthermore, in order to ensure operation as a MIS-FET, it is necessary to reduce the number of fixed charges in the film by reducing the surface state density to 10 12 cm -2 or less without causing hysteresis with the sweep of the gate voltage. A stable method for forming an insulating film has not yet been established. What has been tried so far as this insulating layer is a SiOx (x=1 to 2, usually referred to as SiO) film for the InSb vapor-deposited film. On the other hand, low temperature (−180℃~−273℃)
When forming an insulating layer on an InSb single crystal (thickness: 0.1 to 2 mm) for a MOS-FET that can operate at temperatures (°C), anodized InSb films and SiO 2 films produced by glow discharge CVD are known. In general, these insulating film formation methods often cause gate hysteresis of 2V or more when FET is operated. That is, even when the gate voltage is the same, the value of the current flowing through the MIS transistor often differs when the gate voltage is increased and when it is decreased. Note that the process of heating the InSb film to 400°C or higher in this insulating film formation and electrode formation process is
It is necessary to note that all of these are unsuitable because they denature the InSb film (Reference: Japanese Patent Publication No. 1973-
17032). As mentioned above, the drawbacks of the conventional InSb-FET fabrication technology are (1) the inability to obtain a technology to increase the electron mobility μH of the InSb film to 2000 cm 2 /vs or more at a film thickness that causes MIS-FET operation; (2) It was not possible to form an InSb crystal film with a flat and uniform thickness using a method other than vapor deposition, and (3) the technology to obtain a gate insulating film layer that does not cause hysteresis has not been established. It happened to me. On the other hand, in FETs made of thin film semiconductors (generally referred to as TFTs) other than InSb, Si
Along with SOS technology, it was known that semiconductors could be removed by etching without any special effort to form an insulating layer for isolation between transistors. This has been considered to be an advantage in making it possible to arrange elements in a high density on a substrate when integrated circuits are manufactured.
However, in order to make ohmic contact when making electrode wiring, it is generally necessary to form a portion containing a high concentration of impurities in the semiconductor. Therefore, (4) if there is a diffusion heating process for introducing impurities, it is impossible to form the source/drain electrode spacing of MIS-FET to 1 μm or less, and it is impossible to reduce the distance between elements to 1 μm or less. It was possible. However, in the case of MIS-FET formation using thin film InSb, the only exception is the known technique of implanting H + ions to form a high concentration n + layer.
In this case, heating diffusion is unnecessary (Gypsum reference: Kodera et al., Physical Review B. Vol. 5, No.
8Page 3065-3078, April 1972). Conventional thin film transistors (TFT)
In addition to InSb, semiconductor films such as CdSe and CdS have been investigated. (Reference: Sasaki et al., Yamaguchi University Faculty of Engineering Research Report, Vol. 22, No. 2, 173 (1971)
and PK Weimer et al., RCA Review,
page661, December (1963)) These are room temperature
Unlike InSb, which exhibits intrinsic conduction, it exhibits extrinsic conduction. Therefore, in addition to the disadvantage that the mobility μ H is originally smaller than that of InSb, grain boundaries and crystal defects significantly affect the electrical conduction characteristics.
It has been difficult to create high-speed operating transistors because the carrier is trapped by defects. However, it should be noted that InSb films, especially when subjected to zone melting, are suitable for room temperature transistors because the grain boundary potential does not significantly affect electrical conduction. (Reference: Kodera et al., Thin Solid Films, vol.36,
page483 (1976) and Shigeta et al., Journal of
Applied Physics, Vol.47, No.2, page621
(1976)). (3) Purpose of the Invention The present invention provides a method for manufacturing a device in which a plurality of InSb MIS structures can be created on one substrate by forming an InSb semiconductor thin film with high electron mobility and forming a stable gate oxide film. is to provide. (4) General explanation of the invention The requirement of the present invention is to enable MIS-FET operation.
InSb that can form a thin and flat InSb film with an electron mobility μH of at least 2000cm 2 /vs or higher.
A method for manufacturing the film, since μ H decreases accordingly when the InSb film thickness is reduced, a method for creating an element structure that can perform MIS operation while increasing μ H by doubling the thickness of the conventional film,
The present invention relates to a method for forming an insulating film that can reduce gate hysteresis compared to the above-mentioned InSb film. These solutions will be described below in order. Manufacturing method of high-mobility InSb thin film An InSb film is formed on a groove whose shape as seen from the surface is equal to the desired device shape and the depth is approximately 2 μm, and an InSb thin film device is obtained by zone melting and polishing. The method is publicly known (Reference: Kodera et al., Institute of Electronics and Communication Engineers material MR77-4, June 1977).
InSb with a thickness of 1.4 ± 0.05 μm on a 2-3 cm square substrate
In order to leave a film, it is also known to perform strain-free polishing using a gas ion sputtering method (ibid.). Due to zone melting, the crystal grains are coarse crystal grains measuring approximately 3 mm x 0.15 mm and elongated in the zone direction.
At this time, a high electron mobility μ H (value at room temperature) of (6.0±0.3)×10 4 cm 2 /vsec was obtained with a thickness of 1.4 μm. 0.03~, which is thin enough to cause FET operation
To finish the InSb film uniformly to a thickness of 0.1μm,
Adjust the groove depth (0.1~2.0μ) so that the thickness after polishing on the soft metal lap is larger than the upper thickness range.
It is appropriate to set the thickness to about 1.5 m) and thin it to the desired thickness by a sputtering method using gas ions. Compared to other methods known up to now (e.g. vapor deposition only), a relatively thick InSb film (1 to 10 μm thick) as described above is zone melted.
Experiments conducted by the present inventors have revealed for the first time that it is easier to obtain a high electron mobility μ H as shown in FIG. 1 by reducing the film thickness to 0.03 to 0.1 μm. In other words, compared to conventionally known methods, the present method reduces μ by more than twice as much as shown in Table 1.
H is large. At this time, it is optional to chemically etch the surface with an appropriate etching solution to remove damage caused by the ions after sputter etching with gaseous ions.
【表】
(参考文献:1 水島ほか、薄膜物性工学界面
物性工学、オーム社、1968年、140頁、2 X、
M、Burvenich,Thin Solid Films,Vol27,
page129〜134,1957年、3 F,C,Epsteinほ
か、proc,of IEEE,Vol,60,No.8,page997
〜999,1972年。)
μHを大きくかつMIS―FET動作をさせる構
造:
室温でintrinsic伝導を示すInSb結晶では、外部
から加えるゲート電界が侵入できる距離(奥行)
はおよそデバイしやへい距離lpで与えられる。
キヤリヤーのintrinsic濃度は1.6×1016cm-3である
からlDは約0.03μmになる。このため、室温で
FET動作をさせるためには、InSb膜厚dは式d
≦0.03μmを満す必要がある。(参考文献:D,
R,Frankl,Electrical Properties of
Semiconductor Sunfaces,Pergamon,1967,
Page23〜27)しかし第1図のようにdが小さい
とμHが減少しFETの動作特性(Gmおよび演算
速度)が劣化するので、dは大きい方が好まし
い。このためd=0.03μmとすべきである。
しかし、上例はゲート電極を片側に設けた場合
であつて、もしInSb膜の上面と下面の両側にゲ
ート電極を設けるときはdは上例の2倍にするこ
とができるFET動作が可能になる、このとき、
2つのゲートは共通電位に保つことが良い。この
工夫によりμHの値をより大きく設定できる。実
際にはこの構造でd=0.10μmとしてもMIS―
FETまたはMISダイオードとしての機能をはた
すことができる。
ヒステリンスの少ないゲート絶縁膜の形成法:
MIS構造中の絶縁膜に要求される条件膜内部の
固定(分極)電荷が少なくゲート電界により半導
体の伝導度が変化すること膜内部のslowstates
が少なくゲート電圧掃引のときヒステリシスを生
じないこと、である。これまでInSbの陽極酸化
膜では第2図aのように、ゲートと半導体間のキ
ヤパシタンスCをゲート電圧VGを変えて測定す
ると10〜20Vにおよびヒステリシスを生ずること
が知られている。この図はわれわれのInSb単結
晶を用いた実験結果で、このとき上記の条件が
不満足である。これにかわり、N2ガスをキヤリ
ヤーとしてテトラエトキシシラン(C2H6O)4Si蒸
気とO2ガス(特公昭51―17032参照)およびArガ
スをキヤリヤーとしてトリイソブチルアルミ蒸気
とO2ガス(関口ほか、わかりやすい集積回路、
産報、1967年、141頁参照)を混合してプラズマ
CVD装置(前記特許参照)内に導入し、
(SiO2)1-X(Al2O3)Xの混合膜(x=0.18)をInSb
単結晶上に0.6μm厚さに形成すると第2図bの
点線試料(番号#3)のように2〜7Vにおよぶ
ヒステリンスを生じることが頻繁に生じた。この
ため、本発明者はInSb単結晶上に0.6μm厚さの
(SiO2)1-X(Al2O3)X混合膜(ただしx=0.18)を
形成したのち、大気中で温度を変えた熱処理実験
を行つて少なくとも100℃で16時間(好ましくは
20時間)の熱処理がこのヒステリシスを0.05〜
0.4Vまで(絶縁膜厚0.6μmのとき)減少させる
に有効との知見を初めて得た。このとき24時間以
上にしても一層の改善は見られない。熱処理温度
は100〜200℃が最適であり、300℃を越えること
は結晶が変質するので不適当であつた。100℃、
22時間の熱処理を行つて得たInSb―MIS構造のC
―VG特性を第2図b中に実線(試料番号#4)
で示した。なお本法に替えてグロー放電CVD法
でSiO2のみを被着し、さらにその上部にレーザ
ー蒸着法で200℃以下の基板温度でCO2レーザー
によりAl2O3を被着してSiO2/Al2O32層構造とす
ることは任意である。(特願昭:51―113097参
照)。
これらの方法を組合せて室温でInSb膜による
MIS―FET動作が可能となるが詳細は実施例で
述べる。ただしこのMIS―FETは、半導体InSb
膜中に(intrinsic carrierである)電子が多数存
在するが欠乏状態にあるかの二通りの状態のみが
実規できるので、いわゆるコンプリメンタリIC
は形成できない。このMIS―FETはMISダイオー
ドとしても使用可能であり、これらを一基板上で
複数個組合せて電極配線を形成するとMIS―IC基
板が得られる。
MISダイオードの断面構造を第3図に示す。同
図aはゲート電極31がInSb膜35の上部にある
例で、bはゲート電極32が下部に形成される例
である。またMIS―FETの断面構造を第4図に
示す。同図aはInSb膜45の上部にのみゲート電
極41を設けた例であり、ゲート電圧VGが0の
とき導通状態(normally―ON)にある場合は電
極形成用にn+層451を作る必要がない。しかしV
Gが0のときカツトオフ
(normally―OFF)ならばH+イオンを200KeV
で1015dose/cm2だけ打込みn+層451を形成するの
が良い。このとき打込み後の熱処理は不要であ
る。(参考文献:小寺ほか、Physical Review,
B,Vol,5,No.8,page3065〜3078)。この間
題をさけるための構造が同図bであり、この場合
は特にn+層を形成する必要がない。
InSb膜の上下にゲート電極41,42を設け
て、μHを大きくすべくInSb膜45を厚くする構造
では、同図cのような断面構造になる。
以上例示したMISダイオード、MIS―FETにお
いては、電極用n+層451を必要とする場合でも
而後の熱処理が不要で工程が少なくて済み、また
n+層を必要としない使用方法
(normally―ON)ではn+層形成工程(ion―
implantation)自身が不要になる。すなわち、電
極形成に際して熱処理が不要であるため、特に結
晶粒界、双晶、欠陥をふくむ薄膜の場合、熱処理
過程で不純物が膜面に平行に広く拡散して小面積
のn+領域を作ることが困難になる欠点を逃れて
いる。したがつて、本発明の構成によれば幾何学
的寸法できまる素子電極の形成が可能であるた
め、素子の微小化に適した構成であるといえる。
されに、IC上の各素子間の分離絶縁のために、
熱拡散を行う必要がなく、InSb薄膜自身が初め
から埋込構造によつて分離されている。ゆえに、
本発明によればフオトエツチング技術や電子ビー
ム露光技術などで可能な限界まで素子の微小化が
はかられるため、一基板上に形成する素子の集積
密度が高め得る。ゲート面積も縮小できるから、
ゲートキヤパシタンスCoxが小さくとれる上、ト
ランスコンダクタンスGmの大きい半導体InSbを
用いているので、Gm/Coxで評価されるICの演
算速度を大く設計できることが本発明の特徴であ
る。
なお本発明の構成例、第3図、第4図において
ゲート電極を分割して複数個のゲートを設けるこ
とは任意である。
(5) 実施例
以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明す
る。目的とする素子構造を第5図に示す、MISダ
イオード(平面図a)およびMIS―FET(平面
図b)とする。同図bのAA′線に沿う素子構造断
面を同図cに示す。この断面は基板側(InSb膜
55の下側)とInSb膜55の上面に2つのゲート電
極51,52をもつFETをあらわす。ゲート5
1,52は図示されない方向で結線されており、
このゲート電圧VGによつてソース電極53、ド
レイン電極54間の電流Isdが制御される。InSb
膜55はガラス56,57,58中に埋込まれてい
る。ガラス56,58はSiO2としたが、ガラス
57はアルミナを含有するシリカガラス
(SiO2)1-X(Al2O3)xである。電極51,5
3,54はAl蒸着膜である。ゲート電極52は
基板である高抵抗Siの一部をn+層としたSiゲート
である。
これらの構造を得るまでの製造工程を第6図に
よつて順次述べる。IC用基板としては直径25mm
φ、厚さ3mmのSi板60(抵抗率p〓100Ωcm)を
用いた。この60上でSiゲート62となるべき局部
に不純物を予め導入してある。これはスパツタし
たSiO2膜をマスクとして、リンPを拡散するこ
で達成される(同図1)。次にSiO266を0.5μm厚
さにスパツタしてフオトエツチし、所望のFET
形状である矩形にSiO2を除去して凹溝を形成す
る(同図2)。次に、下地ガラス67をx=0・18
とする(SiO21-X(Al2O3)X混合膜とするよう前
記したプラズマCVD法により0.2μm被着して
InSb蒸着用基版とする(同図3)。続いて公知の
三温度蒸着法によりInるつぼ、Sbるつぼからス
トイキオメトリ組成のInSb膜65を6μm蒸着す
る。このとき基板温度は330℃に設定した。而後
In651をこの上に0.15μm被着して大気中で350
℃、5分間の加熱処理を行つてゾーンメルト用基
板とする(同図4)。次に公知のホツトワイヤゾ
ーンメルト法により微量のO2ガスを含むHeガス
中でInSb膜をゾーンメルトして結晶粒を粗大し
かつ不純物精製を行う(特開昭51―20682)。この
ようにして得られたInSb膜を、Sn定盤上で下地
ガラス67の面が露出するまで研摩すると厚さ0.5
μmのInSb膜が得られる(同図5)。このあと、
Arガスを用いるイオンミリング装置によりInSb
膜を0.06μmまで薄膜くし乳酸硝酸混液により表
面を0.005μm以下だけ少量エツチングする(同
図6)。かくして得られた約0.06μm厚のInSb膜
のμHは0.58×104cm2/vsecである。このInSb膜を
有する基板上に、基板温度200℃以下でクロー放
電CVD法によりSiO2膜68を0.2μm被着した。
(同図7)。このあと、FETのソースおよびドレ
イン電極用にSiO2膜68上にコンタクトホール
をフオトエツチングによつて設ける(同図8)。
このとき引きつづき下部ゲート62に達する、ゲ
ート電極結合用のコンタクトホールもフオトエツ
チング法によつて設ける。次に配線用電極材69
として、Crを約0.01μm被着してのち(特開昭50
―34471参照)Alを0.8μm被着する(同図9)。
次に再びフオトエツチング法により、Alを部分
的に除去してソース電極63、ドレイン電極6
4、ゲート電極61を形成する(同図10)。こ
のとき、二つのゲート電極61と62はコンタク
トホールにより結合されている。このあと、かく
して得られたMIS構造基板を大気中で100℃,20
時間の熱処理を施し、InSbとガラスとの間の界
面準位を安定化させてヒステリシスを0.02Vにで
きた。
ここで作成したMIS―FETのデイメンジヨン
は、ソース・ドレイン間距離はL=5μm,
InSb膜の幅はW=10μmに設計してある。InSb
膜の抵抗率はρ=6.6×10-2Ωcmであつたから、
フラツトバンドの時の素子直流抵抗はRsd=5.5K
Ωである。
一般にソース・ドレイン間の電界Edに対して
ゲート・ソース間キヤパシタンスをCとする、ト
ランスコンダクタンスGmは(三極管動作領域
で)
Gm=C/L×μH×Ed
で与えられる。これから演算速度の指標Gm/C
は
Gm/C=μHEd/L
となる。μH=0.58×104cm2/vs,Ed=2×102v/
cm,L=5μmに対しては、Gm/C=2.3×
1010sec-1=(0.043nsec)-1が得られる。このとき
ソース・ドレイン間電圧LEdは0.10Vであるか
ら、(ゲート電圧より十分小さくなるため)前記
した三極間動作領域にあることが立証される。
前記したパラメータGm/Cの値を三極管また
は五極管動作領域でnチヤネルSi―MIS―FETの
場合に計算すると、μH=600cm2/vsec,ED=
104v/cm、であるからL=5μmに対しては
Gm/C=1.2×1010sec-1=(0.083nsec-1)-1であ
る。すなわちInSb―MIS―FETの方が約2倍だ
け早く演算できる。
実際のSi―MOS―ICでは、1トランジスタあ
たりの演算時間は、1〜0.3nsecで上記した
0.083nsecより長いが、これは電極と配線の容量
が考慮されていないためである。InSb―MIS―
ICを想定すると、素子間分離が不要である分だ
け電極配線容量が小さくできるので、ICにした
場合に演算時間を約0.1nsecに設計し易い。
(6) まとめ
以上説明したごとく本発明によれば、従来達成
できなかつたμH=2−8×103cm2/vsecの値を示
すInSb薄膜を、MIS―FET動作ができる厚さ0.03
〜0.1μmのときに実際に作成でき、さらに従来
ゲートヒステリシスを抑制できなかつたのに対し
てこれがMIS―FET動作をするにたる値まで小
さくすることができるので、初めて高速演算回路
に適するInSb―MIS―FETを設計できるように
なつた。このFETによるICは、従来汎用されて
いるSi―FET―ICよりも早い演算速度をもつ可
能性を示したので、本発明は産業界に十分寄与で
きるものと信ずる。[Table] (References: 1 Mizushima et al., Thin film physical properties engineering, Interface physical properties engineering, Ohmsha, 1968, p. 140, 2
M. Burvenich, Thin Solid Films, Vol27,
pages 129-134, 1957, 3 F, C, Epstein et al., proc, of IEEE, Vol, 60, No. 8, page 997
~999, 1972. ) Structure that increases μH and allows MIS-FET operation: In an InSb crystal that exhibits intrinsic conduction at room temperature, the distance (depth) that an externally applied gate electric field can penetrate
is approximately given by the Debye distance l p .
Since the carrier has an intrinsic concentration of 1.6×10 16 cm −3 , L D is about 0.03 μm. Therefore, at room temperature
In order to operate as a FET, the InSb film thickness d must be calculated using the formula d
It is necessary to satisfy ≦0.03μm. (References: D,
R, Frankl, Electrical Properties of
Semiconductor Sunfaces, Pergamon, 1967,
(Page 23-27) However, as shown in FIG. 1, if d is small, μH decreases and the operating characteristics (Gm and calculation speed) of the FET deteriorate, so it is preferable that d be large. Therefore, d should be 0.03 μm. However, the above example is for the case where the gate electrode is provided on one side, but if the gate electrode is provided on both the top and bottom surfaces of the InSb film, d can be twice that of the above example, allowing FET operation. At this time,
It is preferable to keep the two gates at a common potential. This idea allows the value of μH to be set larger. Actually, even if d=0.10μm with this structure, MIS
It can function as a FET or MIS diode. Method of forming gate insulating film with low hysteresis:
Required conditions for the insulating film in MIS structure: Low fixed (polarized) charge inside the film. Semiconductor conductivity changes due to gate electric field. Slow states inside the film.
is small and does not cause hysteresis when sweeping the gate voltage. It has been known that in the case of an InSb anodic oxide film, when the capacitance C between the gate and the semiconductor is measured by varying the gate voltage V G , hysteresis occurs in the range of 10 to 20 V, as shown in FIG. 2a. This figure shows the results of an experiment using our InSb single crystal, in which the above conditions were not satisfied. Instead, tetraethoxysilane (C 2 H 6 O) 4 Si vapor and O 2 gas (see Japanese Patent Publication No. 17032) using N 2 gas as a carrier, and triisobutylaluminum vapor and O 2 gas (see Japanese Patent Publication No. 17032) using Ar gas as a carrier. Sekiguchi et al., Easy-to-understand integrated circuits,
Sanpo, 1967, p. 141) and plasma.
Introduced into a CVD device (see above patent),
(SiO 2 ) 1-X ( Al 2 O 3 )
When formed on a single crystal to a thickness of 0.6 μm, hysteresis of 2 to 7 V frequently occurred, as shown in the dotted line sample (number #3) in FIG. 2b. For this reason, the present inventor formed a 0.6 μm thick (SiO 2 ) 1-X ( Al 2 O 3 ) Perform a heat treatment experiment at 100°C for at least 16 hours (preferably
Heat treatment for 20 hours) reduces this hysteresis to 0.05~
For the first time, we have found that it is effective in reducing the voltage to 0.4V (when the insulation film thickness is 0.6μm). At this time, no further improvement was observed even after 24 hours. The optimal heat treatment temperature is 100 to 200°C, and temperatures exceeding 300°C are inappropriate because the crystals will change in quality. 100℃,
C of InSb-MIS structure obtained by heat treatment for 22 hours
-V G characteristics are shown as a solid line in Figure 2 b (sample number #4)
It was shown in Note that instead of this method, only SiO 2 is deposited by glow discharge CVD method, and then Al 2 O 3 is deposited on top of it by laser evaporation method using CO 2 laser at a substrate temperature of 200°C or less to form SiO 2 / The Al 2 O 3 two-layer structure is optional. (See Tokugansho: 51-113097). Combining these methods to produce InSb films at room temperature
MIS-FET operation is possible, but details will be described in Examples. However, this MIS-FET is a semiconductor InSb
Since there are only two states in which there are many electrons (intrinsic carriers) in the film and there is a deficiency state, so-called complementary IC
cannot be formed. These MIS-FETs can also be used as MIS diodes, and a MIS-IC substrate can be obtained by combining a plurality of these on one substrate and forming electrode wiring. Figure 3 shows the cross-sectional structure of the MIS diode. Figure a shows an example in which the gate electrode 31 is formed on the upper part of the InSb film 35, and figure b shows an example in which the gate electrode 32 is formed in the lower part. Figure 4 shows the cross-sectional structure of MIS-FET. Figure a shows an example in which the gate electrode 41 is provided only on the top of the InSb film 45, and when the gate voltage V G is 0 and it is in a conductive state (normally-ON), an n + layer 451 is formed for electrode formation. There's no need. But V
If G is cut off (normally-OFF) when G is 0, H + ion is 200KeV
It is preferable to form the n + layer 451 by implanting 10 15 dose/cm 2 . At this time, heat treatment after implantation is not necessary. (Reference: Kodera et al., Physical Review,
B, Vol, 5, No. 8, pages 3065-3078). A structure to avoid this problem is shown in FIG. 2B, and in this case there is no need to form an n + layer. In a structure in which gate electrodes 41 and 42 are provided above and below the InSb film and the InSb film 45 is made thicker in order to increase μH , the cross-sectional structure is as shown in FIG. In the MIS diode and MIS-FET illustrated above, even if the n + layer 451 for electrode is required, subsequent heat treatment is not required and the number of steps is reduced.
In the usage method that does not require the n + layer (normally-ON), the n + layer formation process (ion-
implantation) itself becomes unnecessary. In other words, since heat treatment is not required when forming electrodes, impurities can diffuse widely parallel to the film surface during the heat treatment process, creating small-area n + regions, especially in the case of thin films that contain grain boundaries, twins, and defects. It will be difficult to avoid the drawbacks. Therefore, according to the configuration of the present invention, it is possible to form an element electrode whose geometric dimensions are determined, so it can be said that the configuration is suitable for miniaturization of elements.
In addition, in order to separate and insulate each element on the IC,
There is no need for thermal diffusion, and the InSb thin film itself is separated by the buried structure from the beginning. therefore,
According to the present invention, elements can be miniaturized to the limit possible using photoetching technology, electron beam exposure technology, etc., and therefore the integration density of elements formed on one substrate can be increased. Since the gate area can also be reduced,
A feature of the present invention is that the gate capacitance Cox can be kept small and the semiconductor InSb having a large transconductance Gm is used, so that the IC operation speed evaluated by Gm/Cox can be designed to be large. In the configuration examples of the present invention shown in FIGS. 3 and 4, it is optional to divide the gate electrode to provide a plurality of gates. (5) Examples Hereinafter, the present invention will be explained in detail with reference to examples. The target device structures are shown in FIG. 5, an MIS diode (plan view a) and an MIS-FET (plan view b). A cross section of the device structure taken along the line AA' in FIG. 2B is shown in FIG. This cross section is on the substrate side (InSb film
A FET having two gate electrodes 51 and 52 on the bottom side of the InSb film 55 and the top surface of the InSb film 55 is shown. gate 5
1 and 52 are connected in a direction not shown,
The current Isd between the source electrode 53 and the drain electrode 54 is controlled by this gate voltage V G . InSb
Membrane 55 is embedded in glass 56, 57, 58. Glasses 56 and 58 were made of SiO 2 , but glass 57 was made of silica glass (SiO 2 ) 1-X (Al 2 O 3 )x containing alumina. Electrodes 51,5
3 and 54 are Al vapor deposited films. The gate electrode 52 is a Si gate in which a part of the high-resistance Si substrate is an n + layer. The manufacturing steps to obtain these structures will be sequentially described with reference to FIG. Diameter 25mm for IC substrate
A Si plate 60 (resistivity p = 100 Ωcm) with a diameter of 3 mm and a thickness of 3 mm was used. Impurities are introduced in advance into a portion of this 60 that is to become the Si gate 62. This is achieved by using the sputtered SiO 2 film as a mask to diffuse phosphorus (P) (Figure 1). Next, sputter SiO 2 66 to a thickness of 0.5 μm and photo-etch it to form the desired FET.
SiO 2 is removed to form a groove in a rectangular shape (FIG. 2). Next, attach the base glass 67 to x=0.18
(SiO 21-X ( Al 2 O 3 )
This will be used as a base plate for InSb deposition (Figure 3). Subsequently, an InSb film 65 having a stoichiometric composition is deposited to a thickness of 6 μm from an In crucible and an Sb crucible using a known three-temperature deposition method. At this time, the substrate temperature was set at 330°C. Afterwards
0.15 μm of In651 was coated on this and 350 μm was applied in the atmosphere.
C. for 5 minutes to obtain a zone melt substrate (FIG. 4). Next, the InSb film is zone-melted in He gas containing a trace amount of O 2 gas by the known hot wire zone melting method to coarsen the crystal grains and purify impurities (Japanese Patent Laid-Open No. 51-20682). When the InSb film thus obtained is polished on a Sn surface plate until the surface of the underlying glass 67 is exposed, it becomes 0.5 in thickness.
A μm-thick InSb film is obtained (Figure 5). after this,
InSb was produced using an ion milling device using Ar gas.
The film is combed to a thickness of 0.06 μm and the surface is etched by a small amount of 0.005 μm or less using a lactic acid/nitric acid mixture (Figure 6). The μH of the InSb film having a thickness of about 0.06 μm thus obtained is 0.58×10 4 cm 2 /vsec. On the substrate having this InSb film, a 0.2 μm thick SiO 2 film 68 was deposited by the claw discharge CVD method at a substrate temperature of 200° C. or lower.
(Figure 7). Thereafter, contact holes are formed on the SiO 2 film 68 for the source and drain electrodes of the FET by photoetching (FIG. 8).
At this time, a contact hole for connecting the gate electrode that reaches the lower gate 62 is also formed by photoetching. Next, wiring electrode material 69
After coating approximately 0.01 μm of Cr as
-Refer to 34471) Deposit Al to a thickness of 0.8μm (Figure 9).
Next, by photo-etching again, Al is partially removed to form the source electrode 63 and drain electrode 6.
4. Form a gate electrode 61 (FIG. 10). At this time, the two gate electrodes 61 and 62 are coupled through a contact hole. After this, the MIS structure substrate obtained in this way was placed in the atmosphere at 100℃ and 20℃.
By applying heat treatment for several hours, we were able to stabilize the interface level between InSb and glass and achieve a hysteresis of 0.02V. The dimension of the MIS-FET created here has a source-drain distance of L = 5 μm,
The width of the InSb film is designed to be W=10 μm. InSb
Since the resistivity of the film was ρ=6.6×10 -2 Ωcm,
The element DC resistance at flat band is Rsd = 5.5K
It is Ω. Generally, the transconductance Gm (in the triode operating region), where C is the gate-source capacitance with respect to the source-drain electric field Ed, is given by Gm=C/L×μ H ×Ed. From now on, the calculation speed index Gm/C
is Gm/C=μ H Ed/L. μ H =0.58×10 4 cm 2 /vs, Ed=2×10 2 v/
cm, for L=5μm, Gm/C=2.3×
10 10 sec -1 = (0.043nsec) -1 is obtained. At this time, the source-drain voltage LEd is 0.10V, which proves that it is in the above-described three-electrode operation region (because it is sufficiently smaller than the gate voltage). When the value of the parameter Gm/C mentioned above is calculated in the case of an n-channel Si-MIS-FET in the triode or pentode operating region, μ H = 600 cm 2 /vsec, E D =
10 4 v/cm, so for L=5μm
Gm/C=1.2×10 10 sec −1 =(0.083 nsec −1 ) −1 . In other words, InSb-MIS-FET can perform calculations about twice as fast. In actual Si-MOS-IC, the calculation time per transistor is 1 to 0.3 nsec, as mentioned above.
It is longer than 0.083 nsec, but this is because the capacitance of electrodes and wiring is not taken into account. InSb―MIS―
Assuming an IC, the capacitance of the electrode wiring can be reduced by eliminating the need for isolation between elements, so it is easy to design the calculation time to about 0.1 nsec when using an IC. (6) Summary As explained above, according to the present invention, an InSb thin film exhibiting a value of μ H = 2-8×10 3 cm 2 /vsec, which could not be achieved conventionally, can be made to a thickness of 0.03 that allows MIS-FET operation.
This is the first InSb film suitable for high-speed arithmetic circuits, as it can actually be produced with a thickness of ~0.1 μm, and while conventional gate hysteresis could not be suppressed, this can be reduced to a value sufficient for MIS-FET operation. It became possible to design MIS-FET. Since this FET-based IC has shown the possibility of faster calculation speed than the conventionally widely used Si-FET-IC, we believe that the present invention can make a sufficient contribution to industry.
第1図は本発明の製法によるInSb薄膜の膜厚
dと電子移動度の関係を示す図、第2図は陽極酸
化膜と本発明のプラズマCVD法による絶縁膜が
示すゲート電圧とキヤパシタンスの関係を示す
図、第3図はMISダイオードの構成例(断面
図)、第4図はMIS―FETの構成例(断面図)、
第5図はMISダイオードとFETの具体例(平面
図および断面図)、第6図はその具体的製法の工
程毎断面図を示す。
Figure 1 is a diagram showing the relationship between the film thickness d and electron mobility of an InSb thin film produced by the manufacturing method of the present invention, and Figure 2 is a diagram showing the relationship between gate voltage and capacitance of an anodic oxide film and an insulating film produced by the plasma CVD method of the present invention. Figure 3 is a configuration example of an MIS diode (cross-sectional view), Figure 4 is a configuration example of an MIS-FET (cross-sectional view),
FIG. 5 shows a specific example (plan view and cross-sectional view) of an MIS diode and FET, and FIG. 6 shows a cross-sectional view of each step of the specific manufacturing method.
Claims (1)
ート上に深さが0.1〜2.0μmでありその平面形状
が所望の素子形状である凹溝が設けられてあり、
しかも該凹溝の表面が(SiO2)0.82(Al2O3)0.18で
構成されている構造体の上に、InSb半導体膜を
蒸着しさらにマイクロゾーンメルトを施したの
ち、該構造体を軟金属ラツプ上で研磨して前記凹
溝内のみにInSb半導体膜を残し、さらにこの
InSb膜を気体イオンによるスパツタ法で薄膜化
してその厚さを0.03〜0.1μmに一様に減じたの
ち、少なくともInSb膜表面にSiO2からなるゲー
ト絶縁膜を形成し、その上部に導電体ゲート層を
形成して、さらに該MIS構造体を大気中で100〜
200℃の温度で16〜24時間加熱処理することを特
徴とするInSbMIS構造の製造方法。1. A groove having a depth of 0.1 to 2.0 μm and a planar shape of a desired device shape is provided on a conductive gate formed by introducing impurities into a substrate,
Moreover, after depositing an InSb semiconductor film on the structure whose groove surface is composed of (SiO 2 ) 0.82 (Al 2 O 3 ) 0.18 and performing microzone melting, The structure is polished on a soft metal lap to leave the InSb semiconductor film only in the groove, and then this
After the InSb film is thinned by a sputtering method using gas ions to uniformly reduce its thickness to 0.03 to 0.1 μm, a gate insulating film made of SiO 2 is formed at least on the surface of the InSb film, and a conductive gate is placed on top of it. After forming a layer, the MIS structure is further heated in the atmosphere for 100~
A method for manufacturing an InSbMIS structure, characterized by heat treatment at a temperature of 200°C for 16 to 24 hours.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12094077A JPS5454584A (en) | 1977-10-11 | 1977-10-11 | Production of insb mis structure and device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12094077A JPS5454584A (en) | 1977-10-11 | 1977-10-11 | Production of insb mis structure and device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5454584A JPS5454584A (en) | 1979-04-28 |
| JPS6138625B2 true JPS6138625B2 (en) | 1986-08-30 |
Family
ID=14798722
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12094077A Granted JPS5454584A (en) | 1977-10-11 | 1977-10-11 | Production of insb mis structure and device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5454584A (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5629371A (en) * | 1979-08-20 | 1981-03-24 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Manufacture of insulated gate type field effect transistor |
-
1977
- 1977-10-11 JP JP12094077A patent/JPS5454584A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5454584A (en) | 1979-04-28 |
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