(57)【要約】  金属絶縁体相転移高速スイッチングトランジスタ及びその製造方法を提供する。金属絶縁体相転移高速スイッチングトランジスタは、シリコン基板上のゲート電極（バックゲート構造）と、電場の変化により絶縁体相から金属相に又はその逆に変化するＶＯ２の金属絶縁体相転移チャネル層とを備える。この製造方法により、高い電流利得特性を有し、熱的に安定した金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタを作製することができる。
2007515055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、
前記基板上のゲートと、
前記ゲート電極および前記シリコン基板上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上の、電場の変化によって絶縁体相から金属相に又は逆に変化する金属絶縁体相転移チャンネル層と、
前記金属絶縁体相転移チャンネル層の両端とそれぞれ接したソースおよびドレインと
を備えることを特徴とする金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタ。
【請求項２】
前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載の金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタ。
【請求項３】
前記ソースおよびドレインは、クロム（Ｃｒ）層および金（Ａｕ）層、またはタングステン（Ｗ）層およびチタン（Ｔｉ）層のいずれかからなるグループから選択された材料により構成された二重層であることを特徴とする請求項１に記載の金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタ。
【請求項４】
前記金属絶縁体相転移チャンネル層は、二酸化バナジウム（ＶＯ２）薄膜から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタ。
【請求項５】
シリコン基板上にゲート電極を形成するステップと、
前記シリコン基板および前記ゲート上にゲート絶縁膜を形成するステップと、
前記ゲート絶縁膜上にソース電極およびドレイン電極を形成するステップと、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に金属絶縁体相転移チャンネル層を形成するステップと
を含むことを特徴とする金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記ソースおよび前記ドレインは、クロム（Ｃｒ）層および金（Ａｕ）層、またはタングステン（Ｗ）層およびチタン（Ｔｉ）層のいずれかからなるグループから選択された材料により構成された二重層であることを特徴とする請求項５に記載の金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記ソースおよび前記ドレインを形成するステップは、リフトオフプロセスを利用して実行されることを特徴とする請求項５に記載の金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記金属絶縁体相転移チャンネル層は、二酸化バナジウム（ＶＯ２）薄膜を利用して形成されたことを特徴とする請求項５に記載の金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記ＶＯ２薄膜は、４５０から４７０℃の範囲の成長温度で、５から６ＳＣＣＭの範囲の酸素流量変化のもとで成長されたことを特徴とする請求項８に記載の金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明は、金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタ（三端子デバイス）及びその製造方法に関し、より詳細には、二酸化バナジウム（ＶＯ２）薄膜を金属絶縁体相転移チャンネル層として使用した金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超小型および超高速を目的として開発されてきた従来のトランジスタとしては、代表的には金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）およびＩＢＭ社が開発したモットトランジスタがある。モットトランジスタについては、非特許文献１に開示されている。しかし、この２種類のトランジスタは、電流チャンネル層として半導体領域を利用するので、チャンネル層のチャネル長を縮小させる場合に、チャネル内の欠乏範囲の増大に起因して電流利得が下がるという問題点がある。したがって、電流増幅を引き起こすためには、複数のゲートを使用するマルチゲート構造が不可避的に用いられている。
【０００３】
また、従来のトランジスタでは、半導体内のキャリア数は限られているという半導体の特性を利用するので、ＰＮ接合およびマルチゲート構造等の形成のために大きなチャネル長を必要とする。したがって、構造の改変にもかかわらずその電流利得は制限されるだろう。
【０００４】
金属絶縁体相転移を利用するトランジスタとして、ＭＧＢＲＫ（Ｍｏｔｔ−Ｇｕｔｚｗｉｌｌｅｒ−Ｂｒｉｎｋｍａｎ−Ｒｉｃｅ−Ｋｉｍ）トランジスタがＥＴＲＩにより開発されてきた。ＭＧＢＲＫトランジスタは、Hyun-Tak Kim および Kwang-Yong Kangらの特許文献１に開示されている。これは、ＬａＴｉＯ３（またはＶ２Ｏ３）のチャネル層が絶縁体基板上にあるトップダウン構造からなる。この構造では、金属状態においてジュール加熱により引き起こされる熱の冷却（または放射）が容易でない。チャネル層材料、ＬａＴｉＯ３（またはＶ２Ｏ３）、はＶＯ２よりも大きなリーク電流を有する。これらは、高速スイッチングトランジスタにとって欠陥である。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第6,624,463 B2号明細書
【非特許文献１】D. M. Newns, J. A. Misewich, C. C. Tsuei, A. Gupta, B. A. Scott, and A. Schrott, Appl. Phys. Lett. Vol. 73, 780(1998)
【非特許文献２】”NATO Science Series” Kluwer, 2002, Vol II/67 p. 137, by Hyun-Tak Kim
【非特許文献３】http://www.lanl.gov/abs/condmat/0110112
【非特許文献４】”Metal-Insulator Transition”, Chapter 3, Taylor & Frances, 2nd edition, 1990, by N. F. Mott
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、小型で高電流利得特性を有する金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタ及びその製造方法を対象とする。加えて、本発明のトランジスタは、熱的に安定である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、シリコン基板と、基板上のゲート電極(バックゲート構造)と、ゲートおよび基板上のゲート絶縁膜と、電場の変化によって絶縁体状態から金属状態に又は逆に変化する、ゲート絶縁膜上のＶＯ２の金属絶縁体相転移チャンネル層と、金属絶縁体相転移チャンネル層の両端とそれぞれ接したソースおよびドレインとを備える金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタを提供することである。
【０００８】
ここで、基板はシリコン基板である。ソース電極およびドレイン電極は、クロム（Ｃｒ）層および金（Ａｕ）層、またはタングステン（Ｗ）層およびチタン（Ｔｉ）層のいずれかからなるグループから選択された材料により構成された二重層である。加えて、金属絶縁体相転移チャンネル層は、ＶＯ２薄膜から構成されている。
【０００９】
本発明の別の態様は、基板上にゲートを形成するステップと、基板およびゲート上にゲート絶縁膜を形成するステップと、ゲート絶縁膜上にソース電極およびドレイン電極を形成するステップと、ソース電極とドレイン電極との間に金属絶縁体相転移チャンネル層を形成するステップとを含む金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの製造方法を提供することである。
【００１０】
ここで、ソース電極およびドレイン電極は、クロム（Ｃｒ）層および金（Ａｕ）層、またはタングステン（Ｗ）層およびチタン（Ｔｉ）層のいずれかからなるグループから選択された材料により構成された二重層である。ソースおよびドレインを形成するステップは、リフトオフプロセスを利用して実行される。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態では、金属絶縁体相転移チャネル層は二酸化バナジウム（ＶＯ２）により形成され、ＶＯ２薄膜は４５０から４７０℃の範囲の成長温度で、５から６ＳＣＣＭの酸素流量変化のもとで成長される。
【００１２】
本発明の上記および他の目的、利点、および特徴は、添付図面と共に与えられる以下の好ましい実施形態の説明から明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明が、添付図面の参照とともに好ましい実施形態により説明される。同様の参照番号は、同一または類似の部分を識別するように使用される。
【００１４】
図１および図２は、本発明の好ましい実施形態による金属絶縁体相転移（ＭＩＴ）スイッチングトランジスタの断面図および平面図である。
【００１５】
図１および図２を参照すると、金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタは、基板１０、ゲート電極２０、ゲート絶縁膜３０、ソース電極４０、ドレイン電極５０、および金属絶縁体相転移チャンネル層６０を備える。
【００１６】
好ましくは、基板１０は熱導電率に優れたシリコン基板である。熱的に不安定な特性を有する二酸化バナジウム（ＶＯ２）薄膜が金属絶縁体相転移チャンネル層６０に使用される場合には、熱導電率の低い従来のサファイア基板の代わりに熱導電率の非常に高いシリコン基板を使用することによって、トランジスタを動作させるために高電圧を印加するときに、トランジスタ内部で金属相において生成される熱に起因してトランジスタ特性が劣化することを防止することができる。ゲート電極２０、ゲート絶縁膜３０、ソース電極４０、電極ドレイン５０、および金属絶縁体相転移チャンネル層６０は、基板１０上に作製される。これは、Ｓｉ基板上にＶＯ２を有するバックゲート構造であり、Hyun-Tak Kim oおよび Kwang-Yong Kangらの特許文献１で説明される、基板上にチャネル層を有するトップダウン構造とは異なる。
【００１７】
ゲート電極２０は、１００ｎｍの厚さのタングステン−シリサイド（Ｗ／Ｓｉ）を使用して形成することができる。
【００１８】
ゲート絶縁膜３０として、２００ｎｍの厚さを有するシリコン酸化膜を用いることができる。ゲート絶縁膜３０は、ゲート２０と金属絶縁体相転移チャンネル層６０との間に位置する。
【００１９】
ソース電極４０およびドレイン電極５０として、クロム（Ｃｒ）層および金（Ａｕ）層から構成された二重層を使用することができ、二重層の厚さは、５０ｎｍとすることができる。クロム（Ｃｒ）層は、ゲート絶縁膜３０とＡｕ層との間の接着を向上させるために使用され、その厚さは約５０ｎｍである。加えて、Ａｕ／Ｃｒ膜の代わりにＴｉ／Ｗ層を電極として使用することができる。
【００２０】
金属絶縁体相転移チャンネル層６０は、電場の変化によって絶縁体相から金属相に又は逆に変化する。金属絶縁体相転移チャンネル層６０は、ソース４０とドレイン５０との間に位置し、それらと接する。金属絶縁体相転移チャンネル層６０は、例えば、厚さおよび幅がそれぞれ９０から１００ｎｍ、および３から１０μｍの範囲であるＶＯ２を使用して形成することができる。ゲート２０に定電圧が印加されるとき、金属絶縁体相転移チャンネル層６０内にホールを生じさせることにより、金属絶縁体相転移が起きる。その結果、大量の電流が流れる、電子キャリアを備えた導電性チャンネル７０が形成される。ホールの誘導についての理論は、非特許文献２、３および４に開示されている。
【００２１】
以下に、本発明の好ましい実施形態による金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの動作原理を説明する。
【００２２】
ソース電極４０およびドレイン電極５０に定電圧を印加すると、所定の値の電位が生成される。加えて、ゲート電極２０にゲート電圧（Ｖｇａｔｅ）を印加すると、ゲート絶縁体３０により誘起された（低濃度の帯電キャリアである）ホールが金属絶縁体相転移チャンネル層６０に注入される。ホールが加えられた金属絶縁体相転移チャンネル層６０には、急激な金属絶縁体相転移現象の発生に起因して導電性チャンネル７０が形成される。上述のような導電性のチャンネルを通じてソース４０とドレイン５０との間に大量の電流が流れる。
【００２３】
次に、図３ないし図６を参照して、本発明の好ましい実施形態による金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの製造方法を説明する。
【００２４】
図３に示すように、基板１０上にゲート２０のパターンが形成される。好ましくは、基板１０は熱導電率の高いシリコン基板であり、ゲート２０は、１００ｎｍの厚さのタングステン−シリサイド（Ｗ／Ｓｉ）を使用して形成することができる。加えて、ゲート２０は、シリコン基板にゲート電極材料をドーピングすることによって形成することができる。
【００２５】
図４で、ゲート絶縁膜３０は、２００ｎｍの厚さのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を使用して形成される。
【００２６】
図５に示すように、ソース電極４０およびドレイン電極５０が形成される。ソース４０およびドレイン５０を形成するための方法としては、蒸発装置により２００ｎｍの厚さのＡｕ／Ｃｒを蒸着した後に、リフトオフプロセスを利用してパターンを形成するなどの方法を用いることができる。クロム（Ｃｒ）は、ゲート絶縁膜３０とＡｕ層との間の接着を向上させるために使用され、その厚さは約５０ｎｍである。加えて、Ａｕ／Ｃｒ膜の代わりにＴｉ／Ｗ層を電極として使用することができる。
【００２７】
図６で、金属絶縁体相転移チャンネル層６０が形成される。金属絶縁体相転移チャンネル層６０は、厚さおよび幅がそれぞれ９０から１００ｎｍ、および３から１０μｍの範囲であるＶＯ２を使用して形成することができる。
【００２８】
以下に、本発明の好ましい実施形態による金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの製造方法の特徴を説明する。
【００２９】
従来技術のＭＯＳＦＥＴの製造方法と同様の方法により金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタを製造する場合、まず、金属絶縁体相転移チャンネル層を形成し、プラズマＣＶＤのような高温蒸着プロセスを使用してゲート絶縁膜を蒸着し、ついで、ソース、ドレインおよびゲートを形成する。上述のように金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタを製造する場合、高温で行われる後続プロセスによって、下部に既に形成された熱に敏感な金属絶縁体相転移チャンネル層の特性が変化する可能性がある。
【００３０】
このような問題点を回避するために、本発明の金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタにおいて、バックゲート構造のトランジスタの製造方法を用いることができる。ここで、バックゲート構造とは、上述のように、まずゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース電極、およびドレイン電極を形成し、ついで金属絶縁体相転移チャネル層を形成することを意味する。したがって、得られる金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタは、Hyun-Tak Kimおよび Kwang-Yong Kang らの特許文献１のトランジスタよりも、熱的により安定で、より高い信頼性を有するだろう。
【００３１】
図７および図８を参照して、ＶＯ２薄膜を用いて金属絶縁体相転移チャンネル層を形成するときのＶＯ２薄膜の成長条件を説明する。
【００３２】
図７は、成長温度が４６５℃で酸素流量が５０ＳＣＣＭのもとで成長されたＶＯ２薄膜を高分解能透過型電子顕微鏡で観察した写真であり、図８は、それのＸ線回折ピーク分析の結果である。図７で、結晶粒のサイズが大きく表面が平坦であり、優れた特性を有するＶＯ２薄膜が、前記の成長条件で得られるということが確認できる。図８で、前記の成長条件で多結晶のＶＯ２薄膜が得られるということを確認できる。すなわち、（０１１）および（０１２）面のＶＯ２ピークが現れているので、前記の成長条件で多結晶のＶＯ２薄膜が形成されるということが分かる。また、成長温度４５０℃ないし４７０℃および酸素流量変化５ないし６ＳＣＣＭで成長したＶＯ２薄膜は、実験結果から、前記と同様に優れた特性を有するということに注意されたい。
【００３３】
成長温度が４５０℃以下の場合には、結晶粒のサイズが縮小し、表面が平坦ではなく、ＶＯ２薄膜が非晶質となるという問題点がある。対照的に成長温度が４７０℃以上の場合には、酸素欠乏相であるＶ２Ｏ３などが形成される可能性がある。一方、酸素流量が５ＳＣＣＭ以下の場合には、酸素欠乏相であるＶ２Ｏ３などが形成される可能性があり、酸素流量が６ＳＣＣＭ以上の場合には、細長い結晶粒が増加する現象から把握できるように、酸素を多量に有するＶ２Ｏ５またはＶ３Ｏ７が生成される可能性がある。
【００３４】
以下に、図９を参照して、本発明の好ましい実施形態による金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの電流特性を説明する。
【００３５】
図９は、金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの、ゲート電極に印加されるゲート電圧（Ｖｇａｔｅ）およびソース・ドレイン電圧（Ｖｄｓ）によるドレイン電流（Ｉｄｓ）の変化を示している。
【００３６】
ソース・ドレイン間電圧（Ｖｄｓ）をＶｄｓ＝０から２０Ｖの範囲で変化させ、ゲートに印加されるゲート電圧（Ｖｇａｔｅ）をＶｇａｔｅ＝０から−１０Ｖの範囲で−２Ｖの間隔で変化させながら、常温でドレイン電流（Ｉｄｓ）の変化を測定した。
【００３７】
ゲートに電圧を印加せずに、すなわち、Ｖｇａｔｅ＝０Ｖである状態で、ソース・ドレイン間電圧（Ｖｄｓ）を０から２０Ｖまで変化させる場合、１５Ｖ（１１０）のソース・ドレイン間電圧（Ｖｄｓ）で、ドレイン電流Ｉｄｓが劇的に増加するという電流ジャンプの現象を初めて観測した。このようなドレイン電流（Ｉｄｓ）の急激な変化は、金属絶縁体相転移に起因する電流の急激な増加から生じる。
【００３８】
ソース・ドレイン間電圧（Ｖｄｓ）の印加とともに、ゲートに印加されるゲート電圧（Ｖｇａｔｅ）をＶｇａｔｅ＝０から−１０Ｖまで−２Ｖの間隔で変化させる場合、ドレイン電流（Ｉｄｓ）が急激に増加する点でのソース・ドレイン電圧（金属絶縁体相転移Ｖｄｓ）が図９の１１０から１５０まで連続して、つまり図９に示すように１１０＝＞１２０＝＞１３０＝＞１４０＝＞１５０（１１０から１５０は、図９の参照番号に対応する）の順に、移動することが観測された。これは、ゲートに印加される電圧（Ｖｇａｔｅ）をＶｇａｔｅ＝０Ｖから−１０Ｖまで−２Ｖの間隔で交互に変化させつつ高電流利得特性を制御できるということを意味する。すなわち、ソース・ドレイン電圧（Ｖｄｓ）を１２Ｖに設定した場合に、ゲートに印加される電圧（Ｖｇａｔｅ）を０Ｖに設定すれば、ドレイン電流（Ｉｄｓ）が０に近づく。ゲートに印加される電圧（Ｖｇａｔｅ）を−２Ｖに設定すれば、ドレイン電流（Ｉｄｓ）が大きい値を持ち、したがってトランジスタはオン状態となる。その間に、最大ドレイン電流は、測定時にトランジスタを保護するために２０ｍＡに制限される。
【００３９】
本発明によると、金属絶縁体相転移チャンネル層を従来のＰＮ接合タイプの半導体チャンネル層の代わりに用いることによって、サイズの制限なく、高い電流利得を有するスイッチングトランジスタを具現できる効果がある。
【００４０】
また、本発明は、従来のサファイア基板の代わりに熱導電率に優れたシリコン基板およびバックゲート構造を用い、それによって、内部で発生する熱によって金属絶縁体相転移チャンネル層の特性が変化することを防止することができる。
【００４１】
さらに、バックゲート構造方式で本発明の金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタを製造するため、後半部のプロセスによるＶＯ２薄膜の特性変化を防止することができる。
【００４２】
本発明によると、大きなチャネル長を有する金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタを、シリコン基板およびバックゲート構造を利用することにより安価に作製することができ、従来のシリコンベース技術を容易に適合させることができる。
【００４３】
本発明の好ましい実施形態を例示の目的で説明してきたが、当業者は、添付の特許請求の範囲において開示される本発明の範囲および精神から逸脱することなく、様々な変更、追加、および代用が可能であることを理解するだろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の好ましい実施形態による金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの断面図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態による金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの平面図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態による金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの製造プロセスの透視図を順次に示す図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態による金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの製造プロセスの透視図を順次に示す図である。
【図５】本発明の好ましい実施形態による金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの製造プロセスの透視図を順次に示す図である。
【図６】本発明の好ましい実施形態による金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの製造プロセスの透視図を順次に示す図である。
【図７】成長温度が４６５℃で酸素流量変化が５０ＳＣＣＭのもので成長されたＶＯ２薄膜を高分解能透過型電子顕微鏡で観察した写真である。
【図８】図７のＶＯ２薄膜のＸ線回折ピーク分析の結果である。
【図９】本発明の好ましい実施形態による金属絶縁体相転移スイッチングトランジスタの、ゲートに印加されるゲート電圧（Ｖｇａｔｅ）およびソース・ドレイン電圧（Ｖｄｓ）によるドレイン電流（Ｉｄｓ）の変化を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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2007515055.tif 000013