JP2000516769A - 超低電力―遅延積nnn/pppロジック装置 - Google Patents

超低電力―遅延積nnn/pppロジック装置

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Abstract

(57)【要約】 トンラジスタはすべて同じ伝導形のソース、ドレインおよびバルク領域を有する。バルク領域は非常に薄く、500Å以下、好ましくは約300Å又は丁度100Åの厚さを有する。約100Å未満で、20Å程度、好ましくは約5〜10Åの厚さを有する非常に薄い酸化物層がゲート電極をバルク領域から絶縁する。150°K以下、例えば77°Kの温度で動作するとき、25ミリボルト以下の非常に低いしきい値電圧が達成される。隣接するNNNとPPP装置によって形成されるギガヘルツ速度補足型MOSトランジスタは、100ミリボルト以下の供給電圧で動作する約1E−16ジュールの電圧−遅延積を表し、非常に低い電圧で数ギガヘルツの処理速度を得るための特に興味を引くこの技術をもたらす。

Description

【発明の詳細な説明】 超低電力−遅延積NNN/PPPロジック装置 発明の背景 発明の分野 この発明は、同じ伝導形の不純物ですべてドープされたソース、ドレインおよ びチャンネル領域を有する非常に薄いゲート酸化物半導体装置、および一方の装 置の3つの領域がすべて同じ伝導形でもう一方の装置の3つの領域の伝導形とは 逆である補足型(complementary)装置に関する。背景情報 従来の補足型金属酸化物シリコン(CMOS)トランジスタは、同じ伝導形の ソースおよびドレイン領域を備え、その両者間に逆の伝導形のチャンネル領域を 有する。従って、一方のトランジスタはnpn装置であり、補足型トランジスタ はpnpタイプである。これらの装置は一般的に約500〜1500ミリボルト のしきい値電圧を有する。さらに、約100〜500オングストローム(Å)の 厚さを有してゲート電極をチャンネル領域から絶縁する酸化物層のために、その ような装置のキャパシタンスは高い。これらの装置に必要な電力とスイッチング 速度は、キャパシタンスとしきい値電圧の両方の直接的な関数であり、それらの 装置はいくつかの適用に対し比較的電力を必 要とすると共に低速度になる。 そのような適用はの1つは、一般的に77°Kで動作する高温超伝導(HTS C)回路と、周囲条件(300°K)で動作する従来のシリコン装置との間のイ ンターフェイスである。HTSC回路は潜在的に1E−17〜1E−16ジュー ル程度の低いP*Tau(電力−遅延)積を有する。従来のシリコンNPN/P NPロジック族は比較的高いしきい値電圧と低い応答時間のために、それら自体 がそのような電力−遅延積に近くなることがなく、従ってHTSC族用のグルー (glue)回路として働かせるにはふさわしくない。 そのため、高速で極めて低電力の半導体装置が一般的に要求され、例えばHS TC回路と周囲温度で動作するシコン装置との間のインターフェイスとして働く ことができるような装置が特に要求されている。 これに関連して、さらに低いしきい値電圧、とくに約100ミリボルト程度以 下のしきい値電圧を有するように改良された半導体装置が要求されている。発明の概要 これらの要求やその他は、基板と、両者が同じ導電形を有し間隔をおいて配置 されたソースおよびドレイン領域を有する基板上活性層と、前記同じ伝導形をま た有しソースおよびドレイン領域間に設けられたバルク領域とを備える半導体装 置に関するこの発明により、満たされる。重要な特徴は、バルク領域が約500 Å以下の、好ましくはわずか約100Åの厚さを有す ることである。酸化物層はバルク領域とゲート電極との間に設けられる。この発 明の他の重要な特徴は、この酸化物層が100Å以下の厚さで、わずか約20Å の厚さであればさらに適当であり、厚さが約5Åと10Åとの間にあれば好まし いということである。この装置はフェルミレベルを多量不純物レベル又はその近 傍に固定する温度、つまり、約150°K未満から約77°Kまでの温度で動作 するように適用される。電極もまた、ソースおよびドレイン領域に対して設けら れる。補足型装置は、ソース、バルク、ドレイン領域がN+,N,N+であるそ のような装置と、隣接したP+,P,P+装置とを備える。 酸化物層が基板と活性層との間に設けられてバルク領域の厚さをさらに容易に 規定することが好ましい。活性層はシリコンであることが好ましいが、シリコン 炭化物やガリウム砒化物のようなMOS特性を有する他の材料を用いることがで きる。周知のように、ドープされるポリシリコンはゲート電極を含む電極用の金 属の代わりに用いることができる。 ゲート電圧が零値の時に流れる電流は、ソースおよびドレイン間のバルク領域 の厚さにより、最低値に維持される。ソースおよびドレイン領域間に200Åの 厚さのバルク領域を組合せることより100以上のオン/オフ比に容易に応じる ことが可能であること、および、ゲート電極上の(数ミリボルトの)微小な逆バ イアスが、バルク領域におけるチャンネルを完全に消滅させ、VI(電圧/電流 )曲線の原点において電流をほぼ零にさせるということを示すことができる。 この発明の好ましい形においては、バルク領域は約3〜10E10電荷/cm2 の不純物−厚さ積を有する。また、ソースおよびドレイン領域間のバルク領域 の長さは、約500〜2500Å、好ましくは約1250Åである。図面の簡単な説明 この発明の十分な理解は、好ましい実施態様についての以下の説明を添付図と 関連付けて読みときに得ることができる。 図1は先行技術のCMOS装置のダイヤグラムである。 図2は図1の先行技術のCMOS装置用のエネルギーレベルのダイヤグラムで ある。 図3はこの発明による半導体装置の断面図である。 図4はこの発明によるNNN装置用エネルギーダイヤグラムである。 図5はこの発明による装置のバルク領域の複数のドーピングレベルについての 温度対フェルミレベルのプロット図である。 図6aはこの発明によるNNN装置のしきい値電圧を示すゲート電圧対平方セ ンチメートル当たりの移動電荷のプロット図である。 図6bはNNN装置のしきい値電圧と従来のNPN装置のしきい値電圧との比 較を示す縮小された同様のプロット図である。 図7はこの発明のNNN装置におけるバルク材料の複数のドーピングレベルに ついての温度対電子濃度のプロット図である。 図8はこの発明を含む複数の半導体装置についての速度対電 力消費のプロット図である。好ましい実施態様の説明 この発明をさらによく理解するためには、図1に示すような従来のCMOS装 置1をまず考慮することが有用である。この装置1は、N+ソースおよびドレイ ン領域5と7、およびP領域9によって形成されたnpnトランジスタ3を備え る。薄い酸化物層11がソース、バルク(bulk)およびドレイン領域に渡って延 びている。一般的にこの酸化物層11は100〜500Åの厚さを有する。金属 又はポリシリコンのゲート電極13はバルク領域9から酸化物層11により絶縁 されている。ソースとドレイン電極15と17はそれぞれ酸化物層11を介して ソースとドレイン領域の上に配置されている。 端部のNPNトランジスタ3に隣接する補足型のPNPトランジスタ19は、 N形基板25により分離されたP+ソース領域21とドレイン領域23を備える 。酸化物層11はこれらの領域に渡って延び、ゲート電極27をバルク領域から 基板25により絶縁する。酸化物層11を介して配置された電極29と31は、 それぞれソースとドレイン電極を形成する。 図2は図1のNPNトランジスタ部分についてのフェルミダイアグラムである 。このダイアグラムにおいて、Ecは伝導バンド、Evは結合バンド、Edはドナ ーレベル、EFはフェルミレベルである。NPN装置3においてp領域9にpド ーピングすればしきい値電圧が高くなるが、それは電流のオンセットは伝導およ び結合バンドが一般的に約0.5〜0.75ボルト である2φpだけ点33で示されるように曲がることを要求するという事実によ って示される。上述のように、この高いターンオンゲート電圧によって装置3が 電力を必要とし遅鈍になるが、これはゲートのキャパシタンスが2φpボルト程 度まで充電される必要があるからである。 図1の従来のCMOS装置に対して、この発明はソース、ドレインおよびバル ク領域に同じ伝導形の材料を利用した装置に関する。つまり、図3に示すように 、補足型装置35は、基板43上に形成された活性層41の中に並んで形成され たNNNトランジスタ37とPPPトランジスタ39を備える。好ましくは、酸 化物層45が基板43と活性層41との間に設けられる。NNN装置37は、活 性層41の中でNバルク領域51により分離されたN+ソース領域47とN+ド レイン領域49とによって形成される。薄い酸化物層53はゲート電極55をバ ルク領域51から絶縁する。酸化物層53はまた、ソースおよびドレインコンタ クト57と59がそれぞれ形成されたソースおよびドレイン領域47と49に渡 って延びている。 PPP装置39は、活性層41の中にPバルク領域65によって分離されたP +ソース領域61とP+ドレイン領域63を備える。NNN装置の場合のように 、薄い酸化物層67はゲート電極69をバルク領域65から絶縁し、ソース電極 コンタクト71とドレイン電極コンタクト73が形成されたソースおよびドレイ ン領域61と63を横切って延びている。 バルク領域51と65は非常に薄く、つまり厚さが約500 Å未満で、好ましくは約300Åであり、100Åであってもよい。酸化物層5 3と67もまた非常に薄く、つまり約100Å以下、20Å程度で好ましくは5 〜10Åである。バルク領域51と65の長さはソースとドレイン領域間におい て、約500〜2500Åであり、好ましくは約500〜1500Åであり、1 250Åが適当である。好ましくは、活性層41はシコンであり、その中にソー スとドレイン領域がフォトリソグラフィ技術によって分散および分離され、バル ク領域を形成する。しかしながら、シリコン炭化物やガリウム砒化物のようなM OS活性を示す他の材料を用いることができる。実例の装置においてソースおよ びドレイン領域49、63および47、61は約1E20電荷/cm3までドー プされる。バルク領域51と65は約1E+16電荷/cm3のレベルまでドー プされることが可能で、約3〜約30E+10電荷/cm2の範囲で不純物厚み 積を生成する。図4のNNN装置37用フェルミダイアグラムに示されるように 、フェルミレベルEFを伝導バンドECまで移動させるために必要な電圧降下は2 φの電圧項を含まない。特に、バルク領域51と65が約1E16/cm3の範 囲までドープされ、77KにおけるフェルミレベルはドナーレベルEdの上の丁 度近くに存在し、図5において1E+16不純物曲線77の点75で示される燐 の伝導バンドECから約50ミリエレクトロンボルトしか離れていない。 最小の印加表面電界によって伝導を容易に引き起こす多量キャリアバンド端か ら既知の微小距離だけ離れて図4における 多量不純物レベルEdの近くにフェルミレベルEFを固定するために、温度が用い られるということが、本発明の鍵となる原理である。 伝導用のゲート電圧のオンセットは、図2に示す従来のCMOS装置に必要な 2φボルトより十分小さい約Ed/2ボルトに等しい79におけるバンドの曲り である。 次式は従来のMOSトランジスタにおけるしきい値電圧用の成分を示す。 第1項はバンドの曲りの電圧降下であり、NPNトランジスタでは約0.8ボ ルトである。第2項は空間電荷電圧降下であり一般的には約1ボルトである。最 後の項は仕事関数差電圧降下であり、ゲート金属又はポリシリコン仕事関数の適 当な調整により無視できる。従って、一般的な従来のMOS装置のしきい値電圧 は約1.8ボルトの大きさにすることができる。 この発明によるNNN装置では、伝導しきい値電圧は である。 式2を上記式1と比較すると、式1の第2と第3項がNNN又はPPP装置に はなく、式1の第1項2φは、式2において は、Edから伝導バンド端へのフェルミレベルの小さな動き、数十ミリボルトに 関連するごくわずかなバンドの曲がりによって置換される。なお、ゲート55, 69とバルク領域51,65との間に酸化物層45,67を置くことは、20Å 程度の厚さの酸化物に対するこの貢献を通常倍増させる。更に厚い酸化物層は微 小しきい値電圧に対して有害となり得る。 従って、期待されることは、ドナーエネルギーEd程度のしきい値電圧を有す る薄い酸化物NNN装置が得られることであり、さらに期待できることは、高電 流と高速度が生じる伝導バンドへフェルミレベルを追いやる低い酸化物電界を有 することである。酸化物層53の厚さが20Åで温度が77Kであった時の、ゲ ート電圧に対するNNNトランジスタの移動キャリアの図式計算結果81が図6 aに示されている。バルク領域は1E16/cm3までドープされ、200Åの 厚さを有する。なお、電流は原点からほとんどすぐに立上り、83において約2 0ミリボルトのしきい値ゲート電圧を示すような非直線性を有している。その低 いしきい値と同様に重要なことは、ゲート上にわずか60ミリボルトを印加する だけで3E11キャリア/cm2のチャンネル電子伝導層が84において達成さ れ、そのような低いゲート電圧に対して大きな値になるということである。1E 16/cm3の従来の厚いバルク領域のNPN装置における20Åの厚さの酸化 物層と77Kの温度についての図6bの曲線85の挙動と対比する。NNN装置 についての曲線81も比較のために図6bに含まれている。式1における2φプ ラス空間電荷の項は、従来の厚膜バルク領域NPN装置、図6bの右の曲線85 、のターンオン電圧を追いやり、20Åの厚さの酸化物を有するNPN装置にお いてさえ、しきい値電圧の差が約880ミリボルトとなる。これは、NPN/P NPシステムが100ミリボルト供給電圧ロジックを達成することを本質的に損 なわせる。 文献にはMOST装置におけるしきい値電圧の調整方法が示されている。しか しながら、1)イオン注入、又は2)分離基板電圧操作(当該技術分野で最近公 知になった)のいずれかによってしきい値電圧を約10ミリボルトの何分の一の 精度まで調整しても、以下に論議するNNN/PPP装置のような精度まで全チ ップのしきい値を正確に制御できないであろう。その論議は、大きなしきい値電 圧の根本原因、特に製造時にウエハーに生じる基板ドーピングの不可避な不均一 性に対するしきい値電圧の依存性を除去する点からなされる。N/N/N構造が 用いられるということと、酸化物とシリコン層の両方が非常に薄いということの 両方によって、基板ドーピングに対するしきい値電圧の感受性が減少する。 温度に対する電子濃度をバルク領域のドーピングの3つのレベルについてプロ ットした図7は、軌跡87によって示される1E16/cm3の材料が77Kに おいて点89で部分的に消イオンされることを単純に示している。これは2つの 方法において役立つ。つまり、1)「まさに出発しようとする」伝導バンドエッ ジの近くにEdの近くのフェルミレベルを固定するこ とを助けるのは、この消イオンであり、2)図3のバルク領域51が更に少なく 伝導し、装置のオンオフ比を増大する。上述のように、これは1E16/cm3 の近くのフェルミレベルをの材料が非常に薄く(100〜200Å)ゲート上の 負の2、3ミリボルトにより、基板が電流を遮断することおよびオンオフ比を著 しく増大させることがなくなる場合には、さほど重要ではない。 さらに、図3の層45のシリコン厚さが、NNN装置のバルク層の不純物NO に関連するデバイ(debye)長さにより十分に薄く作られていると、NNN装置 のしきい値電圧は層45の厚さとその正確なnドーピングレベルとの両方にむし ろ鈍感になる。なお、デバイ長さは半導体の文献でよく知られている。これによ って装置を再現性よく製造することが、当該技術分野で現在知られている厚膜ベ ースバルク領域MOS装置(〜1000Å+)の製造から期待されるものよりも 著しく容易になる。 次は、2000cm2/ボルト秒(77°Kにおける)のN型チャンネル移動 度μn、電荷q、0.25ミクロンのチャンネル長さL、5.0ミクロンのチャ ンネル幅および20Åの厚さWOXと0.100ボルトのVsuppLyについて.33 E−12ファラッド/cmの透電率εOXとを有するゲート酸化物を備えるN+/ N/N+トランジスタの動作性能(ドレイン電流I、相互コンダクタンスgm、 キャパシタンスCおよび作動周波数foper)の計算である。 =192マイクロアンペア(図6aにおける点84からQmobiLeの値をとる)。 ファンアウトを3とすると、負荷CLoadのキャパシタンスは3×Cgateに等し く、従って約12GHzの動作周波数に対して これは、シリコン技術にとって印象的に低い値であり、ここに開示された発明 によって、低くかつ良く整合したしきい値電圧と、ロジックにおいて用いられる 非常に薄いゲート酸化物とのために非常に低い供給電圧で操作できるので、この ように低い値になるのである。 最後に、図8は他の装置に対して競争できるP×TAU積を示す。 なお、CMOS91と冷却CMOS93は約1〜2E−13ジュールのP×T AU積を有し、ここに提供されるロジック95は、2E−16のファンアウトを 3と仮定すると現在のシリコン装置よりも約1000倍小さいP×TAU積を有 する。なお、提供される装置の50ピコ秒の遅延は、ジョセフソン接合ラッチン グシリーズ97にうまく適合する。換言すれば、この発明において説明したトラ ンジスタの1つ又は2つのステージは、JJ信号を1ミリボルトから、これらの 装置を駆動するために必要な40ミリボルトまで増幅し、5の要素の遅延におけ る差は単一の5Xマルチプレクサにより作られ、この発明から3GHzトランジ スタを再び用いる。図8はまた、ジョセフソン・ジャンクション・シングル・ク ワンタム・フラックス(JJSFQ)装置99、ガリウム砒素MESFET10 1、冷却 MODFETおよびシリコンバイポーラ装置105の性能を示している。 この発明の低電力NNN/PPP技術は、非常に魅力的なシリコンベースのP ×TAU積を提供する。低温環境が説明されたが、その説明内容を用いることは 、若干ではあるがさらに高温においても有益である。 好ましいSOIの実施態様が説明されるが、それはそのような構造がNNNと PPP装置間の魅力的なDC絶縁と、物理的な基板に対する装置の低いキャパシ タンスとを提供するからである。 SOIでない形態にもまた、ここに述べたことを利用することができる。 重要なことは、図1におけるゲート13とチャンネル領域9との間の仕事関数 の差をできるだけ小さくすることである。これは、ポリシリコンゲート13とP チャンネル領域9の基礎ドーピングとが同じ注入によって同時にドーピングされ 、ゲートのドーピングがチャンネルのドーピングより十分高くなるように注入電 圧が十分低く選択されてゲート酸化物電界によるゲートの電圧降下が生じないこ とを保証することを暗示する。これによってNNNMOSTのしきい値電圧は上 昇するであろう。妥協が必要となる。多くドープされたゲートは、デプリーショ ンを意味しないが仕事関数の差によるより大きな影響を意味する。 薄い20Åの酸化物層は、電界が低い(1E5v/cm)の でトンネル現像を特に許すものではない。なお、酸化物は、電力のみ増大するが 速度(Gmとキャパシタンスは本質的にWOXにより増加する)に影響を与えるこ となく20〜30Åまで増大でき、必要ならば直接ゲート酸化物のトンネル現像 によるゲートの漏洩とうまく取り引きされることが可能である。 この技術の速度を十分に利用するためには、公知の空中に浮かせた低キャパシ タンスの配線が必要となるかも知れない。この発明の特定の実施態様を詳細に説 明したが、開示の全体の内容を参照すれば細部に対する種々の変更を行うことが できるということは当業者の認めるところであろう。従って、開示した特定の構 成は単なる例証であってこの発明の技術の範囲を限定するものではない。この発 明の技術範囲は、添付の請求の範囲の全幅とそのすべての均等物に与えられるべ きである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.基板、 同じ伝導形の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 ン領域間にあって約500QÅ以下の厚さを有し前記同じ伝導形のバルク領域と を有する、前記基板上の活性層、 前記バルク領域にわたる厚さが約100Å以下の酸化物層、 前記酸化物層の上のゲート電極、および 前記ソースおよびドレイン領域用の電極 を備え、約150°K未満の温度で動作するようにした半導体装置。 2.前記活性層がシリコン、シリコン炭化物およびガリウム砒化物を含む組から 選択された請求の範囲1記載の半導体装置。 3.前記活性層と前記基板との間に絶縁層を備えた請求の範囲1記載の半導体装 置。 4.前記活性層のバルク領域が約100Åの厚さを有する請求の範囲3記載の半 導体装置。 5.前記バルク領域が約200Åの厚さを有する請求の範囲3記載の半導体装置 。 6.前記酸化物層が約20Å以下の厚さを有する請求の範囲5記載の半導体装置 。 7.前記酸化物層が約5〜10Åの厚さを有する請求の範囲6記載の半導体装置 。 8.前記バルク領域は、約3〜30E10電荷/cm2の不純物/厚さ積を有す る請求の範囲7記載の半導体装置。 9.前記バルク領域は前記ソースとドレイン領域の間で約500〜2500Åの 長さを有する請求の範囲8記載の半導体装置。 10.前記バルク領域は約1000〜1500Åの長さを有する請求の範囲9記載 の半導体装置。 11.前記バルク領域は前記ソースとドレイン領域の間で約500〜2500Åの 長さを有する請求の範囲5記載の半導体装置。 12.前記バルク領域が約1000〜1500Åの長さを有する請求の範囲11記 載の半導体装置。 13.前記バルク領域は約3〜30E10電荷/cmの不純物/厚さ積を有する請 求の範囲5記載の半導体装置。 14.前記活性層は、すべてが第1伝導形の第1ソース領域と第1ドレイン領域と 第1バルク領域と、すべてが第2伝導形の第2ソース領域と第2ドレイン領域と 第2バルク領域とを有し、第1および第2バルク領域は各々500Å以下の厚さ を有し、100Å以下の厚さの前記酸化物層が第1バルク領域と第2バルク領域 の両方に渡って設けられ、前記ゲート電極が各酸化物層上に設けられ、電極が第 1および第2のソースおよびドレイン領域用に設けられてなる請求の範囲1記載 の半導体装置。 15.前記活性層はシリコン、シリコン炭化物およびガリウム砒化物を含む組から 選択され、絶縁層が前記活性層と前記基板との間に設けられた請求の範囲14記 載の半導体装置。 16.第1および第2バルク領域が約300Åの厚さを有し、約3〜30E10電 荷/cmの不純物/厚さ積を有する請求の範囲15記載の半導体装置。 17.前記酸化物層が約5〜15Åの厚さを有する請求の範囲16記載の半導体装 置。 18.第1および第2バルク領域は各々が約500〜2500Åの長さを有する請 求の範囲17記載の半導体装置。
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