(57)【要約】【課題】  光感度を向上させ、波長４００ｎｍ以下の紫外線を検知する電界効果型トランジスタを提供する。【解決手段】  ｐ型シリコン基板１、埋め込み酸化膜２、及び単結晶シリコン層３から構成されるＳＯＩ基板４において、単結晶シリコン層３にソース領域５およびドレイン領域６を形成する。ここで、ソース領域５とドレイン領域６との間の単結晶シリコン層３の表面側はチャネル層３ａとして機能する。単結晶シリコン層３（チャネル層３ａ）、ソース領域５、及びドレイン領域６の上にゲート絶縁膜８を形成する。ゲート絶縁膜８上には、シリコンナノ粒子層９、シリコン酸化膜層１０、およびＡｕ電極層１１から構成されるゲート電極１２を設け、さらにゲート電極１２の周囲には絶縁膜からなる側壁膜（サイドウォール）１３を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられたソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域およびドレイン領域との間に形成されたチャネル層と、
前記チャネル層上に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極と、を具備し、
前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜側より、紫外光を受光して電子とホールを発生させる受光層、シリコン酸化膜層、及び電極層を含むことを特徴とした電界効果型トランジスタ。
【請求項２】
前記受光層は、シリコンナノ粒子の粒径が０．４ｎｍ以上、２ｎｍ以下であることを特徴とした請求項１に記載の電界効果型トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果型トランジスタに関し、特に波長が４００ｎｍ以下の紫外線を受光して、照射量を計測する光センサや２次元映像を映し出すイメージセンサ用の電界効果型トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として特許文献１に示されている電界効果型トランジスタを図５に基づいて説明する。
【０００３】
絶縁基板１０１上に互いに分離されるように配置されたソース電極１０２およびドレイン電極１０３が形成されている。ソース電極１０２およびドレイン電極１０３は、オーミックコンタクトをとるためにｎ型非晶質シリコン膜１０４，１０５によりそれぞれ被覆されている。ｎ型非晶質シリコン膜１０４，１０５により被覆されたソース電極１０２およびドレイン電極１０３の端部を覆うように、チャネル層１０６が形成されている。チャネル層１０６上には、ゲート絶縁膜１０７が積層され、チャネル領域に対応するゲート絶縁膜１０７上にゲート電極１０８が形成されている。ゲート電極１０８は、ゲート絶縁膜１０７側より、ｐ型非晶質シリコン層（ｐ層）１０８ａ、ノンドープの非晶質シリコン層（ｉ層）１０８ｂ、ｎ型非晶質シリコン層（ｎ層）１０８ｃを積層したｐｉｎ非晶質シリコン層で形成されている。
【０００４】
従来技術によれば、ｐｉｎ非晶質シリコン層をゲート電極１０８として用いることにより、ｐｉｎ非晶質シリコン層のｎ型非晶質シリコン層１０８ｃ側から光が入射することにより発生するキャリアを開放端電圧として取り出し、これがゲート電極１０８に印加される構造の電界効果型トランジスタとすることにより、増幅機能を持った受光素子とすることができる。
【特許文献１】特開平５−４８１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来構造の電界効果型トランジスタでは、非晶質シリコン層１０８のシリコン結晶のバンドギャップが１．７７ｅＶなので、７００ｎｍ以下の波長の光が入射した場合、電子が価電子帯から伝導帯に励起されてしまい、その結果、波長７００ｎｍ以下の光をすべて検知してしまうことになる。従って、この構造の電界効果型トランジスタを紫外線センサとして使用する場合には、可視光（波長４００ｎｍ〜８００ｎｍ）を含んだ太陽光の下では可視光を透過しないフィルターが必要となる。
【０００６】
また、シリコン基板に入射する光は、光の波長によってシリコンに吸収される位置が異なる。図６に示すように、波長の長い光（例えば、波長８００ｎｍ）は、表面から深い位置まで光が吸収されず、表面から３μｍの位置で半分が吸収される。一方、波長の短い光（例えば、波長４００ｎｍ）では、シリコン基板の表面近くで吸収されるようになり、半分が吸収される位置は表面から０．３μｍまで浅くなる。波長４００ｎｍ以下の光ではその位置がさらに浅くなる。したがって、従来構造においては、非晶質シリコン層１０８中に光が入射した場合、特にｎ型非晶質シリコン層１０８ｃの表面側で光が吸収されてしまうことになる。この結果、受光部であるノンドープの非晶質シリコン層１０８ｂに達する光が減少し、従来構造の電界効果型トランジスタでの紫外線の検出感度が低下する。
【０００７】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、電界効果型トランジスタの光感度を向上させ、波長４００ｎｍ以下の紫外線を検知する電界効果型トランジスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の電界効果型トランジスタは、半導体基板と、半導体基板上に設けられたソース領域およびドレイン領域と、ソース領域およびドレイン領域との間に形成されたチャネル層と、チャネル層上に形成されたゲート絶縁膜およびゲート電極と、を具備し、ゲート電極は、ゲート絶縁膜側より、紫外光を受光して電子とホールを発生させる受光層、シリコン酸化膜層、電極層を含むことを特徴とする。
【０００９】
この態様によると、受光層によって波長４００ｎｍ以下の紫外線を選択的に検出することができ、さらに受光層に入射した紫外線で発生する電子・ホール対がトランジスタによって増幅されるので、紫外線を高感度で検出することができる。また、電極層として紫外線に対して透明な導電性材料を用いた場合には、受光層には紫外線に対して透明なシリコン酸化膜層および電極層を介して光が入射するので、従来の非晶質シリコン層を介して入射するのに比べて透過時における光の吸収量が減少し、紫外線の検出感度の低下を抑制することができる。
【００１０】
上記構成において、受光層は、シリコンナノ粒子の粒径が０．４ｎｍ以上、２ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすることにより、受光層のバンドギャップが３．０ｅＶ以上に広がり、波長が４００ｎｍより長い可視光では電子が価電子帯から伝導帯に励起されることはなく、波長４００ｎｍ以下の紫外線で選択的に電子が励起されるようになるので、より効率よく紫外線を検知する電界効果型トランジスタを提供することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、波長４００ｎｍ以下の紫外線を高感度で検知する電界効果型トランジスタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を具現化した実施形態について図面に基づいて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る電界効果型トランジスタを示した断面図である。
【００１４】
電界効果型トランジスタ５０は、ｐ型シリコン基板１、埋め込み酸化膜２、及び単結晶シリコン層３から構成されるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板４において、単結晶シリコン層３にソース領域５およびドレイン領域６を備えている。また、ソース領域５とドレイン領域６との間の単結晶シリコン層３の表面側はチャネル層３ａとして機能する。単結晶シリコン層３（チャネル層３ａ）、ソース領域５、及びドレイン領域６の上にはゲート絶縁膜８が形成されている。ゲート絶縁膜８上には、シリコンナノ粒子層９、シリコン酸化膜層１０、およびＡｕ電極層１１から構成されるゲート電極１２が設けられる。またゲート電極１２の周囲には絶縁膜からなる側壁膜（サイドウォール）１３を設けてある。尚、シリコンナノ粒子層９は本発明の「受光層」の一例である。
【００１５】
図２は、本発明の実施形態による電界効果型トランジスタの製造プロセスを説明するための断面図である。
【００１６】
図２（Ａ）に示すように、ｐ型シリコン基板１、埋め込み酸化膜２、及び単結晶シリコン層３から構成されるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板４を用意する。ここで、基板としてＳＯＩ基板４を用いるのは、単結晶シリコン層３内に形成されるトランジスタのチャネル層３ａ（図１参照）で可視光によるキャリアの発生を防ぐためである。尚、単結晶シリコン層３の層厚は１０〜２００ｎｍであり、より好ましくは５０ｎｍである。埋め込み酸化膜２の膜厚は５０〜２００ｎｍであり、より好ましくは１００ｎｍである。
【００１７】
図２（Ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板４上にソース領域５およびドレイン領域６を形成するためのレジストパターン７を形成し、その後、イオン注入法を用いて、ソース・ドレイン形成用不純物をその領域に導入する。これにより、ソース領域５およびドレイン領域６を形成する。イオン注入条件は、例えば砒素（Ａｓ）を５０ｋｅＶの加速エネルギーで、５×１０１５ｃｍ−２の注入量とする。
【００１８】
図２（Ｃ）に示すように、レジストパターン７の剥離後、ソース領域５およびドレイン領域６を熱処理（７５０℃、３０分、Ｎ２雰囲気）して活性化する。
【００１９】
図３（Ｄ）に示すように、ＳＯＩ基板４上に熱酸化法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜８を形成する。シリコン酸化膜８の膜厚は１〜１０ｎｍ程度であり、より好ましくは２ｎｍである。その後、クラスタービーム法によりシリコンナノ粒子層９を堆積し、その上にシリコン酸化膜１０および金（Ａｕ）電極層１１をＣＶＤ法とスパッタ法を用いてそれぞれ形成する。
【００２０】
シリコンナノ粒子層９において、シリコンナノ粒子の粒径は１ｎｍ程度であり、堆積膜厚は１００ｎｍである。シリコンナノ粒子層９は、例えば、シリコン（Ｓｉ）固体試料にレーザを照射してシリコン原子蒸気を発生させ、その蒸気をヘリウムガス中に導入した後、ヘリウムガスに衝撃波を加えることでシリコンナノ粒子を形成し、それを基板上に堆積させることによって形成される。
【００２１】
また、シリコン酸化膜１０およびＡｕ電極層１１の膜厚はそれぞれ５ｎｍ程度である。ここで、シリコン酸化膜１０の上にＡｕ電極層１１を形成したが、紫外線を透過する導電性材料であれば、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜を用いてもよい。
【００２２】
また、シリコンナノ粒子層９の粒子径は、０．４ｎｍ以上、２ｎｍ以下にすることが好ましい。このようにすることにより、シリコンナノ粒子層９のバンドギャップが３．０ｅＶ以上に広がり、波長が４００ｎｍより長い可視光では電子が価電子帯から伝導帯に励起されることはなく、波長が４００ｎｍ以下の紫外線でのみ選択的に電子が励起されるようになる。粒子径が０．４ｎｍ未満の場合にはシリコン粒子層がシリコン原子１個になってしまい、ナノ粒子層を構成することができず、受光層として機能しない。一方、粒子径が２ｎｍを超える場合には、バンドギャップが３ｅＶ未満となり、紫外線以外の光でも電子が励起されるようになってしまう。
【００２３】
図３（Ｅ）に示すように、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて、Ａｕ電極層１１、シリコン酸化膜１０、及びシリコンナノ粒子層９の不要な部分を除去する。これにより、所望のパターンに加工されたゲート電極１２が形成される。
【００２４】
図３（Ｆ）に示すように、ＣＶＤ法を用いてシリコン酸化膜を形成し、続いてドライエッチングを用いて全面エッチバックすることにより、ゲート電極１２の周囲にサイドウォールと呼ばれるシリコン酸化膜からなる側壁膜１３を形成する。シリコン酸化膜は、例えば、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）／酸素（Ｏ２）混合ガスを７２０℃程度で加熱処理することによって成膜され、膜厚は約１０ｎｍから２００ｎｍ程度とし、より好ましくは１００ｎｍ程度とする。
【００２５】
以上の工程を経て、図１に示すように、本発明の実施形態に係る電界効果型トランジスタ５０が製造される。
【００２６】
以下に具体的な紫外線の検知の原理について説明する。
【００２７】
上記電界効果型トランジスタ５０では、波長４００ｎｍ以下の紫外線に対し透明であるＡｕ電極層１１側から光が入射することにより、シリコンナノ粒子層９で電子とホールが発生する。この時、Ａｕ電極層１１に電圧を印加することによって、電子はＡｕ電極層１１側に、ホールはＳＯＩ基板４側に移動し、それぞれシリコンナノ粒子層９と絶縁膜（ゲート絶縁膜８、シリコン酸化膜１０）界面に蓄積される。図４に示すように、紫外線が入射しない状態（非受光時）でのゲート電極１２内の電位ポテンシャルは破線で示した通り、電位ポテンシャルはＡｕ電極層１１側からＳＯＩ基板４側に向かって緩やかに減少している。これに対して、紫外線の受光時には、電子がＡｕ電極層１１側に、ホールがＳＯＩ基板４側に蓄積されることによって、シリコンナノ粒子層９内に内部電位が発生し、電位ポテンシャルは実線の状態に変化する。ここで、ＳＯＩ基板４側に蓄積されたホールによる電位の上昇によって、単結晶シリコン層３とゲート絶縁膜（シリコン酸化膜）８との間に電子の反転層（チャネル層）３ａが形成される。この時、電子の反転層（チャネル層）３ａの両端側に配置されたソース領域５およびドレイン領域６に予め電圧を印加（例えば、ソース領域５：０Ｖ、ドレイン領域６：１Ｖ）しておけば、ゲート電極１２に印加される電圧によって、ソース−ドレイン間に電流が流れることになる。ソース領域５とドレイン領域６との間に流れる電流は、ソース領域５およびドレイン領域６に印加される電圧に依存する。したがって、紫外光が入射して得られる電流（ソース領域５とドレイン領域６との間に流れる電流）については入射光量に対してゲインを大きく設定することができるので、紫外線を高感度で検出することができるようになる。
【００２８】
また、本構造では紫外線はＡｕ電極層１１とシリコン酸化膜１０を透過して入射することになる。シリコンナノ粒子層９には紫外線に対して透明なシリコン酸化膜１０およびＡｕ電極層１１を介して光が入射するので、従来のｎ型非晶質シリコン層を介して入射するのに比べて透過時における光の吸収量が減少する。この結果、シリコンナノ粒子層９に到達する光量が増加し、従来に比べて紫外線の検出感度が向上する。
【００２９】
さらに、本発明の電界効果型トランジスタ５０では、紫外線の検出後において、シリコンナノ粒子層９内に、シリコンナノ粒子層９とゲート絶縁膜８との界面近傍およびシリコンナノ粒子層９とシリコン酸化膜１０の界面近傍に、同数の電子とホールが残存する。これらのキャリア（電子とホール）を消滅させるために、Ａｕ電極層１１への電圧印加を０Ｖまたは負電圧とすると、キャリアはお互いに拡散・衝突することでキャリアが消滅し、トランジスタ５０は再び紫外線を検知できるようになる。
【００３０】
本発明の実施形態に係る電界効果型トランジスタ５０によれば、シリコンナノ粒子層９によって波長４００ｎｍ以下の紫外線を選択的に検出することができ、さらにシリコンナノ粒子層９に入射した紫外線で発生する電子・ホール対がトランジスタによって増幅されるので、紫外線を高感度で検出することができる。また、シリコンナノ粒子層９には紫外線に対して透明なシリコン酸化膜１０およびＡｕ電極層１１を介して光が入射するので、従来のｎ型非晶質シリコン層を介して入射するのに比べて透過時における光の吸収量が減少し、紫外線の検出感度の低下を抑制することができる。
【００３１】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００３２】
例えば、上記実施形態では、ＳＯＩ基板を用いて電界効果型トランジスタを形成したが、本発明はこれに限らず、一般的に用いられる単結晶シリコン基板に形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係る電界効果型トランジスタの断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電界効果型トランジスタの製造プロセスを示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電界効果型トランジスタの製造プロセスを示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電界効果型トランジスタの電位ポテンシャルを示す図である。
【図５】従来構造の電界効果型トランジスタの断面図である。
【図６】波長によってシリコン表面からの侵入深さが異なることを示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ｐ型シリコン基板
２  埋め込み酸化膜
３  単結晶シリコン層
３ａ  チャネル層
４  ＳＯＩ基板
５  ソース領域
６  ドレイン領域
７  レジストパターン
８  ゲート絶縁膜
９  シリコンナノ粒子層
１０  シリコン酸化膜
１１  Ａｕ電極層
１２  ゲート電極
１３  サイドウォール
【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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