JP2002198528A - P-channel field-effect transistor - Google Patents

P-channel field-effect transistor

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JP2002198528A
JP2002198528A JP2001119576A JP2001119576A JP2002198528A JP 2002198528 A JP2002198528 A JP 2002198528A JP 2001119576 A JP2001119576 A JP 2001119576A JP 2001119576 A JP2001119576 A JP 2001119576A JP 2002198528 A JP2002198528 A JP 2002198528A
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layer
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effect transistor
composition
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Yoshihiro Hara
義博 原
Takeshi Takagi
剛 高木
Minoru Kubo
実 久保
Seiji Onaka
清司 大仲
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heterojunction p-channel field-effect transistor that inhibits formation of a parasitic channel, at the same time, can be speedily operated, and has a high drive current. SOLUTION: In a channel layer 103 made of SiGe containing C, a Ge composition is linearly changed from 0 to 50% from the end section of a silicon buffer layer side 102 toward that of the side of a silicon cap layer 104, and C is selectively contained by 0.5% in a region with 40 to 50% Ge composition, namely, a region where the Ge composition exceeds 30%. On the SiGe channel layer 103, the Si cap layer 104 is provided. In the Si cap layer 104, a layer containing carbon is provided, where the layer containing carbon prevents impurities from being diffused from the SiGe channel layer for entering a gate insulating film 105, thus reducing a threshold while the critical film thickness in the SiGe channel layer 103 is being largely secured for increasing a driving current, and at the same time inhibiting drop in a threshold voltage due to the entry of the impurities to the gate insulating film 105.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、SiGeC層中に
チャネルが形成されるpチャネル型電界効果トランジス
タに関する。
The present invention relates to a p-channel field effect transistor having a channel formed in a SiGeC layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、電界効果トランジスタの高速
化を目的として、SiとGeとの混晶であるSi1-x
x 層(0<x<1)(以下SiGe層と記す)とSi
層との間に形成されるヘテロ障壁を利用して、SiGe
層にホールを閉じこめてpチャネルを形成するようにし
たMOS(Metal-Oxide-Semiconductor )型電界効果ト
ランジスタが報告されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, for the purpose of increasing the speed of a field effect transistor, Si 1-x G which is a mixed crystal of Si and Ge has been used.
e x layer (0 <x <1) (hereinafter referred to as SiGe layer) Si
Utilizing a hetero barrier formed between the SiGe layer and the SiGe layer,
There has been reported a MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) type field effect transistor in which a hole is confined in a layer to form a p-channel.

【0003】図22は、このような従来のpチャネル型
電界効果トランジスタ(p−MOSFET)の一例を示
す断面図である。同図に示すように、n型Si基板30
1上に、Siバッファ層302と、SiGeチャネル層
303と、Siキャップ層304とがUHV−CVD法
等により順次エピタキシャル成長されている。Siバッ
ファ層302,SiGeチャネル層303及びSiキャ
ップ層304の膜厚は、それぞれ10nm,10nm及
び5nmであり、各層302,303及び304には不
純物のドーピングが行なわれていない。また、Siキャ
ップ層304上には、シリコン酸化膜からなるゲート絶
縁膜305と、ポリシリコン膜からなるゲート電極30
6とが設けられている。また、Siバッファ層302,
SiGeチャネル層303及びSiキャップ層304に
亘る広い領域のうち,ゲート電極306の両側方に位置
する領域には、高濃度のp型不純物(例えばボロン)を
含むソース領域307およびドレイン領域308が形成
されている。そして、ソース領域307の上にはソース
電極309が設けられ、ドレイン領域308の上にはド
レイン電極310が設けられている。なお、MOS型電
界効果トランジスタのチャネル長およびチャネル幅は、
例えば0.5μm、10μmである。
FIG. 22 is a sectional view showing an example of such a conventional p-channel field effect transistor (p-MOSFET). As shown in FIG.
1, a Si buffer layer 302, a SiGe channel layer 303, and a Si cap layer 304 are sequentially epitaxially grown by a UHV-CVD method or the like. The thicknesses of the Si buffer layer 302, the SiGe channel layer 303, and the Si cap layer 304 are 10 nm, 10 nm, and 5 nm, respectively, and the layers 302, 303, and 304 are not doped with impurities. A gate insulating film 305 made of a silicon oxide film and a gate electrode 30 made of a polysilicon film are formed on the Si cap layer 304.
6 are provided. Further, the Si buffer layer 302,
A source region 307 and a drain region 308 containing a high-concentration p-type impurity (for example, boron) are formed in regions located on both sides of the gate electrode 306 in a wide region extending over the SiGe channel layer 303 and the Si cap layer 304. Have been. Then, a source electrode 309 is provided over the source region 307, and a drain electrode 310 is provided over the drain region 308. The channel length and channel width of the MOS field effect transistor are
For example, they are 0.5 μm and 10 μm.

【0004】ここで、図23(a),(b)は、SiG
e単結晶とSi単結晶との格子定数の相違を示す図、及
びSi層の上にSiGe層がエピタキシャル成長された
ときの状態を示す断面図である。図23(a)に示すよ
うに、SiGe単結晶の格子定数はSi単結晶の格子定
数よりも大きいので、図23(b)に示すように、Si
Geチャネル層303は、Siバッファ層302の上に
圧縮歪みを受けた状態でエピタキシャル成長されてい
る。そして、この歪んだSiGeチャネル層303にお
いては、エネルギバンドの縮退が解けてライトホールと
ヘビーホールとのバンドが生じ、このライトホールはS
i単結晶中の縮退したホールに比べて大きな移動度を有
している。そこで、従来のSi/SiGeヘテロ接合を
利用したpチャネル型電界効果トランジスタにおいて
は、圧縮歪みを受けているSiGe層をチャネルとして
利用することにより、高速動作の実現を図っている。
Here, FIGS. 23A and 23B show SiG
FIG. 4 is a diagram illustrating a difference in lattice constant between an e single crystal and a Si single crystal, and a cross-sectional view illustrating a state when a SiGe layer is epitaxially grown on a Si layer. As shown in FIG. 23A, the lattice constant of the SiGe single crystal is larger than the lattice constant of the Si single crystal, and therefore, as shown in FIG.
The Ge channel layer 303 is epitaxially grown on the Si buffer layer 302 under a compressive strain. In the distorted SiGe channel layer 303, the degeneracy of the energy band is released, and a band of a light hole and a heavy hole is generated.
It has a higher mobility than the degenerated holes in the i single crystal. Therefore, in a conventional p-channel field effect transistor using a Si / SiGe heterojunction, high-speed operation is realized by using a SiGe layer which has undergone compressive strain as a channel.

【0005】上述したような、歪んだSiGeをチャネ
ルとした電界効果トランジスタにおいては、ゲート電圧
が大きいときにSiキャップ層304のゲート絶縁膜3
05に隣接する領域に寄生的に発生するチャネル(以
下、「寄生チャネル」と呼ぶ)の問題が挙げられる。以
下に、この寄生チャネルについて説明する。
In the field effect transistor using the strained SiGe as a channel as described above, when the gate voltage is high, the gate insulating film 3 of the Si cap layer 304 is formed.
There is a problem of a channel (hereinafter, referred to as a “parasitic channel”) parasitically generated in a region adjacent to the region 05. Hereinafter, the parasitic channel will be described.

【0006】図24(a),(b)(実線)は、pチャ
ネル型電界効果トランジスタのゲート電極306−ゲー
ト絶縁膜305−Siキャップ層304−SiGeチャ
ネル層303−Siバッファ層302−Si基板301
を縦断する断面における小電圧,大電圧印加時のエネル
ギーバンドを示すバンド図である。この例では、SiG
eチャネル層303は、Geの含有率(以下、単にGe
組成という)がSiバッファ層302との境界部では0
%でSiキャップ層304との境界部では30%になる
ようにほぼ連続的にGe組成を傾斜させている。図24
(a)に示すように、ゲート電極306に印加する負の
電圧Vgが小さいとき(絶対値が小さいとき)には、そ
れほど目立った寄生チャネルは現れていないが、ゲート
電極306に印加する負の電圧を大きくすると(絶対値
を大きくすると)、Siキャップ層304の上端部のエ
ネルギーレベルが上昇することにより、目立った寄生チ
ャネルが現れることがわかる。
FIGS. 24A and 24B (solid lines) show a gate electrode 306, a gate insulating film 305, a Si cap layer 304, a SiGe channel layer 303, a Si buffer layer 302, and a Si substrate of a p-channel field effect transistor. 301
FIG. 3 is a band diagram showing an energy band when a small voltage and a large voltage are applied in a cross-section taken along a line. In this example, the SiG
The e-channel layer 303 has a Ge content (hereinafter simply referred to as Ge
At the boundary with the Si buffer layer 302).
%, The Ge composition is almost continuously inclined so as to be 30% at the boundary with the Si cap layer 304. FIG.
As shown in (a), when the negative voltage Vg applied to the gate electrode 306 is small (when the absolute value is small), a remarkable parasitic channel does not appear, but the negative voltage applied to the gate electrode 306 is small. It can be seen that when the voltage is increased (when the absolute value is increased), the energy level at the upper end of the Si cap layer 304 is increased, so that a noticeable parasitic channel appears.

【0007】また、図24(a),(b)には、Ge組
成が一定値15%である場合のバンド構造が点線で示さ
れている。実線のバンド構造はSiGeチャネル層のG
e含有率を0%から30%までほぼ直線的に増大させた
場合の構造であり、点線のバンド構造と比べると、価電
子帯の上端の傾斜が急になっている,つまり、SiGe
チャネル層303とシリコンキャップ層304の界面に
おけるバンド不連続(ΔEv)が大きくなっている。
FIGS. 24A and 24B show the band structure in the case where the Ge composition is a constant value of 15% by a dotted line. The band structure of the solid line is the G of the SiGe channel layer.
This is a structure in which the e content is increased almost linearly from 0% to 30%. Compared with the dotted line structure, the upper end of the valence band has a steep slope, that is, SiGe.
The band discontinuity (ΔEv) at the interface between the channel layer 303 and the silicon cap layer 304 is large.

【0008】図25(a),(b)は、それぞれ順に、
Ge組成のプロファイルと、歪み量のプロファイルとを
示す図である。実線に示す傾斜組成と、点線に示す一定
組成とでは全体としての歪み量が同じであるので、熱的
安定性が同等であるといえる。
FIGS. 25 (a) and 25 (b) show, respectively,
It is a figure which shows the profile of Ge composition, and the profile of the amount of distortion. Since the overall strain amount is the same between the gradient composition shown by the solid line and the constant composition shown by the dotted line, it can be said that the thermal stability is equivalent.

【0009】図24(a),(b)に示すように、弱く
オーバードライブされた状態では、価電子帯の上端のエ
ネルギーレベルがSiGe層303内で最大となるた
め、ホールはほとんどすべてがSiGe層303に存在
し、伝導に寄与するチャネルはSiGe層303に形成
される。このチャネルは、半導体層全体の最表面からシ
リコンキャップ層304の厚みだけ奥に入った部分に形
成されるため、埋め込みチャネルと呼ばれる。しかし、
オーバードライブが強くなると、シリコンキャップ層3
04のバンド端のプロファイルの傾斜が急になり、Si
Ge層303以外に、シリコンキャップ層304内でゲ
ート絶縁膜305との界面にもホールが存在するように
なる。このシリコンキャップ層304内に形成されるチ
ャネルを寄生チャネルと呼ぶ。
As shown in FIGS. 24 (a) and 24 (b), in a weakly overdriven state, the energy level at the upper end of the valence band becomes maximum in the SiGe layer 303, so that almost all holes are formed of SiGe. Channels present in layer 303 and contributing to conduction are formed in SiGe layer 303. Since this channel is formed in a portion that is deeper than the outermost surface of the entire semiconductor layer by the thickness of the silicon cap layer 304, it is called a buried channel. But,
When the overdrive becomes strong, the silicon cap layer 3
04 band edge profile steepened,
In addition to the Ge layer 303, holes also exist at the interface with the gate insulating film 305 in the silicon cap layer 304. The channel formed in the silicon cap layer 304 is called a parasitic channel.

【0010】SiGe層303に形成される埋め込みチ
ャネル中のホールは、上述したように、歪みの効果によ
り、Siに比べて大きな移動度を有する。一方、寄生チ
ャネル中のホールは、ゲート絶縁膜305とシリコンキ
ャップ層304との界面のラフネスによる散乱等を受け
るので、埋め込みチャネルにおける移動度に比べて小さ
い移動度で走行する。したがって、埋め込みチャネルが
支配的である場合は、全体としてホールの移動度は大き
く、Siによるp−MOSFETに比べて高速に動作
し、また、電流駆動力も大きくできる。しかし、寄生チ
ャネルが支配的になると、全体としてホールの移動度は
小さくなり、高速動作が妨げられ、電流駆動力も小さく
なってしまう。
As described above, holes in the buried channel formed in the SiGe layer 303 have a higher mobility than Si due to the effect of distortion. On the other hand, holes in the parasitic channel are scattered due to roughness at the interface between the gate insulating film 305 and the silicon cap layer 304, and thus travel with a lower mobility than the mobility in the buried channel. Therefore, when the buried channel is dominant, the hole mobility is large as a whole, and the hole can operate at a higher speed than the p-MOSFET made of Si, and the current driving force can be increased. However, when the parasitic channel becomes dominant, the mobility of holes as a whole decreases, hindering high-speed operation and reducing the current driving force.

【0011】図26は、埋め込みチャネルおよび寄生チ
ャネルにおけるホールのシートキャリア濃度(ホールシ
ート濃度)のゲートバイアス依存性を示す図である。図
26中の点線で示す曲線はGe組成が15%で一定、実
線で示したものはGe組成が0%から30%に直線的に
変化する場合を示す。図24(a)および(b)からも
類推できるようにように、Ge組成を0%から30%に
直線的に変化させて、SiGeチャネル層303とシリ
コンキャップ層304の界面におけるバンド不連続(Δ
Ev)を大きくとったものの方が、Ge組成が一定する
場合に比べて、同等の熱的安定性を有しながら、埋め込
みチャネル中のホールシート濃度を高くし、寄生チャネ
ル中のホールシート濃度を小さく抑えることができる。
その結果、より広範囲なゲート電圧にわたって、高速動
作および高電流駆動力を維持することができる。このよ
うに、Ge組成を傾斜させることによって寄生チャネル
を抑制した電界効果トランジスタの従来例は、例えば、
文献(S.V.Vandebroek etal., IEEE Transactions on E
lectron Devices, vol41, p.90(1994))や、米国特許
公報5,821,577号に示されている。
FIG. 26 is a diagram showing the gate bias dependence of the sheet carrier concentration (hole sheet concentration) of holes in the buried channel and the parasitic channel. The curve shown by the dotted line in FIG. 26 shows the case where the Ge composition is constant at 15%, and the curve shown by the solid line shows the case where the Ge composition changes linearly from 0% to 30%. As can be inferred from FIGS. 24A and 24B, by changing the Ge composition linearly from 0% to 30%, the band discontinuity at the interface between the SiGe channel layer 303 and the silicon cap layer 304 ( Δ
In the case where Ev) is increased, the hole sheet concentration in the buried channel is increased and the hole sheet concentration in the parasitic channel is increased while having the same thermal stability as compared with the case where the Ge composition is constant. It can be kept small.
As a result, high-speed operation and high current driving force can be maintained over a wider range of gate voltage. As described above, the conventional example of the field effect transistor in which the parasitic channel is suppressed by inclining the Ge composition is, for example,
Literature (SVVandebroek et al., IEEE Transactions on E
lectron Devices, vol. 41, p. 90 (1994)) and U.S. Pat. No. 5,821,577.

【0012】また、従来より、電界効果トランジスタの
電流駆動力を増大させるための他の手段として、変調ド
ープ構造が用いられている。
Further, conventionally, a modulation doping structure has been used as another means for increasing the current driving force of a field effect transistor.

【0013】図27は、変調ドープ構造を採用した場合
のGe組成およびp型不純物濃度(ここではホウ素)の
プロファイルの一例を示す図である。シリコンバッファ
層302中でチャネル303近傍に、キャリアを供給す
る不純物を高濃度にドープしてなるいわゆるδドープ層
を設けている。このδドープ層は、シリコンキャップ層
304中に設けられることもある。図27において、チ
ャネル層303のGe組成、トランジスタのサイズ等、
その他の条件については図22の条件と同じである。こ
のように、δドープ層をチャネル層とは別に設けて、両
者を空間的に分離することにより、高い電流駆動力を実
現しながらチャネル中での不純物散乱を抑制し、チャネ
ルを走行するキャリアの移動度を高く保つことができ
る。このような構造を有する、SiGeをホールチャネ
ルとする電界効果トランジスタは、例えば、S.P.Voinig
escu et al., IEDM Tech. Dig., p.369(1994) に記
載されている。
FIG. 27 is a diagram showing an example of a profile of a Ge composition and a p-type impurity concentration (here, boron) when a modulation doping structure is adopted. A so-called δ-doped layer is provided near the channel 303 in the silicon buffer layer 302 by doping impurities for supplying carriers at a high concentration. This δ-doped layer may be provided in the silicon cap layer 304. 27, the Ge composition of the channel layer 303, the size of the transistor, etc.
Other conditions are the same as those in FIG. As described above, by providing the δ-doped layer separately from the channel layer and spatially separating the δ-doped layer, the scattering of impurities in the channel is suppressed while realizing a high current driving force, and the carrier traveling through the channel is reduced. The mobility can be kept high. A field effect transistor having such a structure and using SiGe as a hole channel is, for example, SPVoinig.
escu et al., IEDM Tech. Dig., p.369 (1994).

【0014】図28は、Geおよびホウ素のプロファイ
ルが図25(a)および図27で示されるようなトラン
ジスタにおける,ドレイン電圧−ドレイン電流特性(V
d−Id特性)を示す図である。実線曲線と破線曲線と
を比較するとわかるように、図27に示す変調ドープ構
造を採用することで、より高い電流駆動力を得ることが
できる。
FIG. 28 shows a drain voltage-drain current characteristic (V.sub.V) of a transistor whose Ge and boron profiles are as shown in FIGS.
(d-Id characteristic). As can be seen by comparing the solid curve and the broken curve, a higher current driving force can be obtained by employing the modulation doping structure shown in FIG.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のSiGe層をチャネルとする電界効果トランジスタ
では、以下に述べるような問題があった。それは、歪み
に起因する熱的安定性の問題と、変調ドープにおける不
純物拡散の問題であり、これらについて以下に説明す
る。
However, the above-mentioned conventional field-effect transistor using a SiGe layer as a channel has the following problems. These are the problem of thermal stability due to strain and the problem of impurity diffusion in modulation doping, which will be described below.

【0016】寄生チャネルを抑制するためには、上述し
たように、SiGeチャネル層とシリコンキャップ層と
の界面におけるバンドオフセット値ΔEvを大きくして
やればよく、そのためにはGe組成を大きくすればよい
が、そうするとSiGeチャネル層303はより大きな
圧縮歪みを受けることになる。歪みが大きくなりすぎる
と、結晶は歪んだ状態を保持できずに結晶欠陥を生じて
本来の格子定数に戻ろうとする。これを格子緩和と呼
ぶ。結晶の格子緩和が発生すると、結晶欠陥により局在
準位が生じ、これがリーク電流やホールの移動度の低下
の原因となり、デバイス特性を劣化させる。
In order to suppress the parasitic channel, as described above, the band offset value ΔEv at the interface between the SiGe channel layer and the silicon cap layer may be increased. For this purpose, the Ge composition may be increased. Then, the SiGe channel layer 303 receives a larger compressive strain. If the distortion is too large, the crystal cannot maintain the distorted state, and causes a crystal defect to return to the original lattice constant. This is called lattice relaxation. When the lattice relaxation of the crystal occurs, a localized level is generated due to a crystal defect, which causes a decrease in the leakage current and the mobility of holes, and deteriorates the device characteristics.

【0017】この格子緩和の起こりやすさは、薄膜結晶
の膜厚にも依存する。すなわち、歪みを内包した状態で
(格子緩和を起こさずに)結晶成長できる膜厚には上限
値が存在し、この上限膜厚を臨界膜厚と呼ぶ。図29
は、Si基板上の歪みSiGeのGe組成と臨界膜厚と
の関係を示す図である。図29に示されるように、臨界
膜厚はGe組成の増加、すなわち、歪み量の増加ととも
に急激に減少するが、SiGeチャネル層として、実用
的には十数nm程度以上の膜厚が必要であることを考え
れば、歪み量はできれば0.5〜0.8%程度までに抑
える必要がある。これは、実用的に必要な熱的安定性を
有するトランジスタを得るためにはGe組成を15%程
度以内に抑えなければならないことを意味し、従来例で
示したGe組成(15%)はこの上限値にほぼ対応して
いる。一方、Ge組成が0%から30%まで変化する傾
斜組成を有する従来例でも、平均的なGe組成は15%
であるから、この値は、Ge組成を一定とした場合の上
限値に等しい。
The likelihood of lattice relaxation also depends on the thickness of the thin film crystal. That is, there is an upper limit to the film thickness at which crystal growth can be performed in a state containing strain (without causing lattice relaxation), and this upper limit film thickness is called a critical film thickness. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a Ge composition of strained SiGe on a Si substrate and a critical film thickness. As shown in FIG. 29, the critical film thickness sharply decreases with an increase in the Ge composition, that is, with an increase in the amount of strain. However, a film thickness of about ten and several nm or more is practically required for the SiGe channel layer. Considering this, it is necessary to suppress the distortion amount to about 0.5 to 0.8% if possible. This means that the Ge composition must be suppressed to about 15% or less in order to obtain a transistor having practically necessary thermal stability, and the Ge composition (15%) shown in the conventional example is less than this. Almost corresponds to the upper limit. On the other hand, even in the conventional example having a gradient composition in which the Ge composition changes from 0% to 30%, the average Ge composition is 15%.
Therefore, this value is equal to the upper limit value when the Ge composition is fixed.

【0018】以上のことから、寄生チャネルを抑制する
ためには、Ge組成を大きくすればよいことがわかる。
しかし、この時には歪み量も大きくなるので、格子緩和
が起こりやすくなる。このような構造においては、トラ
ンジスタの作製工程における熱処理によっても格子緩和
が生じやすくなる。すなわち、熱的安定性に乏しい。良
質なゲート絶縁膜の形成やソース領域およびドレイン領
域等の不純物の十分な活性化のためにはより高温の熱処
理が必要とされるが、上述のように、SiGe層の熱的
安定性が乏しい状態では十分な熱処理を加えることがで
きず、トランジスタの十分な性能を引き出すことができ
なくなってしまう。
From the above, it can be seen that the Ge composition should be increased in order to suppress the parasitic channel.
However, at this time, since the amount of distortion also increases, lattice relaxation is likely to occur. In such a structure, lattice relaxation is likely to occur even by heat treatment in a transistor manufacturing process. That is, the thermal stability is poor. Higher temperature heat treatment is required to form a good-quality gate insulating film and to sufficiently activate impurities in the source region and the drain region. However, as described above, the thermal stability of the SiGe layer is poor. In this state, sufficient heat treatment cannot be performed, and sufficient performance of the transistor cannot be obtained.

【0019】また、図27に示す変調ドープ構造におい
て、電流駆動力を大きくとるためにはδドープ層をチャ
ネル層にできるだけ近づける方が有利であるが、両者が
あまりに接近しすぎていると、図27にも示したよう
に、δドープ層中の不純物がδドープ層(ピーク位置)
からチャネル層303に拡散しやすくなる。その場合に
は、チャネル層303中でキャリアに対する不純物散乱
が生じて、キャリアの移動度が低下し、駆動電流が減少
することになる。
In the modulation doping structure shown in FIG. 27, it is advantageous to bring the δ-doped layer as close as possible to the channel layer in order to obtain a large current driving force. As shown in FIG. 27, the impurity in the δ-doped layer is changed to the δ-doped layer (peak position).
From the channel layer 303. In that case, impurity scattering with respect to carriers occurs in the channel layer 303, so that the carrier mobility is reduced and the driving current is reduced.

【0020】本発明の目的は、SiGeチャネル層を有
する電界効果トランジスタにおいて、寄生チャネルの抑
制及び優れた熱的安定性の両立と、チャネル層への不純
物の拡散の抑制とを実現することにある。
An object of the present invention is to achieve both suppression of a parasitic channel and excellent thermal stability and suppression of diffusion of impurities into a channel layer in a field effect transistor having a SiGe channel layer. .

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】本発明の第1のpチャネ
ル型電界効果トランジスタは、半導体基板上に形成され
た電界効果トランジスタであって、シリコンからなる第
1の半導体層と、上記第1の半導体層上に設けられ、S
1-x Gex (0<x<1)で表される組成を有する第
2の半導体層と、上記第2の半導体層上に設けられたシ
リコンからなる第3の半導体層と、上記第3の半導体層
上に設けられたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上に
設けられたゲート電極とを備え、上記第2の半導体層
は、上記ゲート電極に負の電圧が印加されたときにホー
ルが走行するpチャネル領域になるとともに、上記Ge
の含有率の最大値を含む領域において、上記Cを含有し
ている。
A first p-channel field-effect transistor according to the present invention is a field-effect transistor formed on a semiconductor substrate, the first p-channel field-effect transistor comprising a first semiconductor layer made of silicon; Provided on the semiconductor layer of
a second semiconductor layer having a composition represented by i 1-x Ge x (0 <x <1); a third semiconductor layer made of silicon provided on the second semiconductor layer; 3, a gate insulating film provided on the semiconductor layer, and a gate electrode provided on the gate insulating film, wherein the second semiconductor layer is provided when a negative voltage is applied to the gate electrode. The hole becomes a p-channel region where the hole travels, and the Ge
C is contained in a region including the maximum value of the content ratio of C.

【0022】これにより、第2の半導体層にCが含まれ
ていることで、SiGeチャネル領域となる第2の半導
体層における不純物の拡散が抑制される。したがって、
キャリアに対する不純物散乱を抑制することができ、キ
ャリアの移動度の高い、駆動電流の大きいトランジスタ
が得られる。また、Cの含有率を調整することで、歪み
を小さくすることができるが、その場合にも、第1の半
導体層と第2の半導体層との間に形成される価電子帯上
端のバンドオフセットの値はほとんど変化しない。した
がって、Cを含まずに同じGe組成を有するものと同じ
しきい値を確保しつつ、歪みを小さくして熱的安定の向
上を図ることができる。すなわち、格子緩和によるキャ
リア移動度の劣化が起こらないため、高い電流駆動力を
実現することができる。そして、上記第2の半導体層が
上記Geの含有率の最大値を含む領域において、上記C
を含有していることにより、実際にキャリアが閉じこめ
られる部分への不純物の拡散を確実に防止することがで
きる。
Thus, since C is contained in the second semiconductor layer, diffusion of impurities in the second semiconductor layer to be a SiGe channel region is suppressed. Therefore,
Impurity scattering of carriers can be suppressed, so that a transistor having high carrier mobility and large driving current can be obtained. The distortion can be reduced by adjusting the content of C. In this case, too, the band at the upper end of the valence band formed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. The value of the offset hardly changes. Therefore, while maintaining the same threshold value as that having the same Ge composition without containing C, distortion can be reduced and thermal stability can be improved. That is, since the carrier mobility does not deteriorate due to lattice relaxation, a high current driving force can be realized. In the region where the second semiconductor layer includes the maximum value of the Ge content,
, It is possible to reliably prevent diffusion of impurities into a portion where carriers are actually confined.

【0023】上記第2の半導体層は、上記第1の半導体
層に接する領域及び上記第3の半導体層に接する領域の
うち少なくともいずれか一方の部分における格子歪みが
0.5%以下であるように構成されていることにより、
格子緩和を生じない範囲でチャネル層の厚みを十分確保
することができる。
The second semiconductor layer may have a lattice strain of 0.5% or less in at least one of a region in contact with the first semiconductor layer and a region in contact with the third semiconductor layer. By being configured in
The thickness of the channel layer can be sufficiently ensured within a range in which lattice relaxation does not occur.

【0024】上記第2の半導体層は、すべての領域にお
いて上記第1の半導体層および上記第3の半導体層と格
子整合するように構成されていることがより好ましい。
It is more preferable that the second semiconductor layer is configured to lattice-match with the first semiconductor layer and the third semiconductor layer in all regions.

【0025】上記第1の半導体層のうち上記第2の半導
体層に隣接する部分に設けられ、高濃度のp型不純物を
含むδドープ層をさらに備えていることにより、チャネ
ル領域を走行するキャリアを供給しつつ、チャネル領域
における不純物散乱を抑制することができる。
[0025] The semiconductor device further includes a δ-doped layer provided in a portion of the first semiconductor layer adjacent to the second semiconductor layer and containing a high-concentration p-type impurity. While suppressing impurity scattering in the channel region.

【0026】その場合、上記第2の半導体層のうちCが
含まれている上記少なくとも一部の領域は、上記第1の
半導体層に隣接していることが好ましい。
In this case, it is preferable that at least a part of the second semiconductor layer containing C is adjacent to the first semiconductor layer.

【0027】また、上記第3の半導体層のうち上記第2
の半導体層に隣接する部分に設けられ、高濃度のp型不
純物を含むδドープ層をさらに備えていてもよい。
Further, the second semiconductor layer of the third semiconductor layer
And a δ-doped layer provided at a portion adjacent to the semiconductor layer and containing a high concentration of p-type impurities.

【0028】その場合には、上記第2の半導体層中のC
が含まれている上記少なくとも一部の領域は、上記第3
の半導体層に隣接していることが好ましい。
In that case, C in the second semiconductor layer
Is included in the at least a part of the third region.
Is preferably adjacent to the semiconductor layer.

【0029】本発明の第2のpチャネル型電界効果トラ
ンジスタは、半導体基板上に形成された電界効果トラン
ジスタであって、シリコンからなる第1の半導体層と、
上記第1の半導体層上に設けられ、Si1-x Gex (0
<x<1)で表される組成を有する第2の半導体層と、
上記第2の半導体層上に設けられたシリコンからなる第
3の半導体層と、上記第3の半導体層上に設けられたゲ
ート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート
電極とを備え、上記第2の半導体層は、上記ゲート電極
に負の電圧が印加されたときにホールが走行するpチャ
ネル領域になるとともに、上記第3の半導体層中の少な
くとも一部の領域はCを含んでいる。
A second p-channel field-effect transistor of the present invention is a field-effect transistor formed on a semiconductor substrate, comprising: a first semiconductor layer made of silicon;
Provided on the first semiconductor layer, Si 1-x Ge x (0
A second semiconductor layer having a composition represented by <x <1);
A third semiconductor layer made of silicon provided on the second semiconductor layer, a gate insulating film provided on the third semiconductor layer, and a gate electrode provided on the gate insulating film. The second semiconductor layer is a p-channel region where holes travel when a negative voltage is applied to the gate electrode, and at least a part of the third semiconductor layer has C Contains.

【0030】これにより、第2の半導体層にCが含まれ
ていることで、SiGeチャネル領域となる第2の半導
体層における不純物の拡散が抑制される。したがって、
キャリアに対する不純物散乱を抑制することができ、キ
ャリアの移動度の高い、駆動電流の大きいトランジスタ
が得られる。また、Cの含有率を調整することで、歪み
を小さくすることができるが、その場合にも、第1の半
導体層と第2の半導体層との間に形成される価電子帯上
端のバンドオフセットの値はほとんど変化しない。した
がって、Cを含まずに同じGe組成を有するものと同じ
しきい値を確保しつつ、歪みを小さくして熱的安定の向
上を図ることができる。すなわち、格子緩和によるキャ
リア移動度の劣化が起こらないため、高い電流駆動力を
実現することができる。そして、第3の半導体層中の少
なくとも一部の領域がCを含んでいることにより、ゲー
ト絶縁膜への不純物の拡散を抑制することができ、ゲー
ト絶縁膜への不純物の侵入に起因するしきい値電圧のば
らつきなどの不具合の発生を回避することができる。
Thus, since C is contained in the second semiconductor layer, the diffusion of impurities in the second semiconductor layer to be the SiGe channel region is suppressed. Therefore,
Impurity scattering to carriers can be suppressed, and a transistor having high carrier mobility and high driving current can be obtained. The distortion can be reduced by adjusting the content of C. In this case, too, the band at the upper end of the valence band formed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. The value of the offset hardly changes. Therefore, while maintaining the same threshold value as that having the same Ge composition without containing C, distortion can be reduced and thermal stability can be improved. That is, since the carrier mobility does not deteriorate due to lattice relaxation, a high current driving force can be realized. Further, since at least a part of the region in the third semiconductor layer contains C, diffusion of impurities into the gate insulating film can be suppressed, which may be caused by intrusion of impurities into the gate insulating film. It is possible to avoid occurrence of problems such as variation in threshold voltage.

【0031】上記第3の半導体層中のCが含まれている
上記少なくとも一部の領域が、上記第2の半導体層に隣
接していることにより、より効果的に第3の半導体層中
の不純物の拡散を抑制することができる。
Since at least a part of the region containing C in the third semiconductor layer is adjacent to the second semiconductor layer, the region in the third semiconductor layer can be more effectively used. Diffusion of impurities can be suppressed.

【0032】上記第2の半導体層中のCが含まれている
上記少なくとも一部の領域は、上記ゲート絶縁膜から1
nm以上離れていることが好ましく、上記ゲート絶縁膜
から2nm以上離れていることがより好ましい。ゲート
絶縁膜中にCが入ることにより、ゲート絶縁膜の品質が
劣化してMOSトランジスタの信頼性が低下するのを回
避するためである。
In the second semiconductor layer, at least a part of the region where C is contained is one part from the gate insulating film.
The distance is preferably at least 2 nm, more preferably at least 2 nm from the gate insulating film. This is to prevent C from entering the gate insulating film to prevent the quality of the gate insulating film from deteriorating and reducing the reliability of the MOS transistor.

【0033】本発明の第3のpチャネル型電界効果トラ
ンジスタは、半導体基板上に形成された電界効果トラン
ジスタであって、シリコンからなる第1の半導体層と、
上記第1の半導体層上に設けられ、Si1-x Gex (0
<x<1)で表される組成を有する第2の半導体層と、
上記第2の半導体層上に設けられたシリコンからなる第
3の半導体層と、上記第3の半導体層上に設けられたゲ
ート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート
電極とを備え、上記第2の半導体層は、上記ゲート電極
に負の電圧が印加されたときにホールが走行するpチャ
ネル領域になるとともに、上記第2の半導体層における
Ge含有率は、30%を越えている。
A third p-channel field effect transistor of the present invention is a field effect transistor formed on a semiconductor substrate, comprising: a first semiconductor layer made of silicon;
Provided on the first semiconductor layer, Si 1-x Ge x (0
A second semiconductor layer having a composition represented by <x <1);
A third semiconductor layer made of silicon provided on the second semiconductor layer, a gate insulating film provided on the third semiconductor layer, and a gate electrode provided on the gate insulating film. The second semiconductor layer becomes a p-channel region where holes travel when a negative voltage is applied to the gate electrode, and the Ge content in the second semiconductor layer exceeds 30%. ing.

【0034】これにより、第2の半導体層にCが含まれ
ていることで、SiGeチャネル領域となる第2の半導
体層における不純物の拡散が抑制される。したがって、
キャリアに対する不純物散乱を抑制することができ、キ
ャリアの移動度の高い、駆動電流の大きいトランジスタ
が得られる。また、Cの含有率を調整することで、歪み
を小さくすることができるが、その場合にも、第1の半
導体層と第2の半導体層との間に形成される価電子帯上
端のバンドオフセットの値はほとんど変化しない。した
がって、Cを含まずに同じGe組成を有するものと同じ
しきい値を確保しつつ、歪みを小さくして熱的安定の向
上を図ることができる。すなわち、格子緩和によるキャ
リア移動度の劣化が起こらないため、高い電流駆動力を
実現することができる。そして、第2の半導体層におけ
るGe含有率が30%を越えていることにより、バンド
オフセットをできるだけ高くしつつ、急峻な不純物濃度
プロファイルを実現することができる。
Thus, since C is contained in the second semiconductor layer, the diffusion of impurities in the second semiconductor layer to be the SiGe channel region is suppressed. Therefore,
Impurity scattering to carriers can be suppressed, and a transistor having high carrier mobility and high driving current can be obtained. The distortion can be reduced by adjusting the content of C. In this case, too, the band at the upper end of the valence band formed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. The value of the offset hardly changes. Therefore, while maintaining the same threshold value as that having the same Ge composition without containing C, distortion can be reduced and thermal stability can be improved. That is, since the carrier mobility does not deteriorate due to lattice relaxation, a high current driving force can be realized. Since the Ge content in the second semiconductor layer exceeds 30%, a steep impurity concentration profile can be realized while increasing the band offset as much as possible.

【0035】上記第1〜第3のpチャネル型電界効果ト
ランジスタにおける半導体基板が、絶縁層の上に半導体
層を設けてなるSOI基板であり、上記第1の半導体層
が、上記SOI基板上の半導体層であり、上記ゲート電
極に負の電圧が印加されたときに、空乏層が上記第1の
半導体層の下端にまで達するように構成されていること
により、寄生チャネルの発生をより確実に抑制すること
ができる。
The semiconductor substrate in each of the first to third p-channel field-effect transistors is an SOI substrate having a semiconductor layer provided on an insulating layer, and the first semiconductor layer is provided on the SOI substrate. A depletion layer configured to reach the lower end of the first semiconductor layer when a negative voltage is applied to the gate electrode; Can be suppressed.

【0036】[0036]

【発明の実施の形態】(第1の実施形態)まず、本発明
の第1の実施形態について説明する。図1は、チャネル
層がCを含む歪みSiGe層よりなるp型電界効果トラ
ンジスタの断面図である。n型シリコン基板101上
に、UHV−CVD法により、シリコンバッファ層10
2、チャネル層103、及びシリコンキャップ層104
が順次エピタキシャル成長されている。チャネル層10
3は、Cを含む,かつ歪みのあるSiGe層によって構
成されている。シリコンバッファ層102、チャネル層
103、シリコンキャップ層104の膜厚は、それぞれ
10nm、10nm、5nmであり、各層への不純物の
ドーピングのための処理は行なわれていない。また、S
iキャップ層104上には、シリコン酸化膜からなるゲ
ート絶縁膜105と、ポリシリコン膜からなるゲート電
極106とが設けられている。また、Siバッファ層1
02,SiGeチャネル層103及びSiキャップ層1
04に亘る広い領域のうち,ゲート電極106の両側方
に位置する領域には、高濃度のp型不純物(例えばボロ
ン)を含むソース領域107およびドレイン領域108
が形成されている。そして、ソース領域107の上には
ソース電極109が設けられ、ドレイン領域108の上
にはドレイン電極110が設けられている。なお、MO
S型電界効果トランジスタのチャネル長およびチャネル
幅は、例えば0.5μm、10μmである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) First, a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a sectional view of a p-type field effect transistor in which a channel layer is formed of a strained SiGe layer containing C. A silicon buffer layer 10 is formed on an n-type silicon substrate 101 by UHV-CVD.
2. Channel layer 103 and silicon cap layer 104
Are sequentially grown epitaxially. Channel layer 10
3 is composed of a SiGe layer containing C and having a strain. The thicknesses of the silicon buffer layer 102, the channel layer 103, and the silicon cap layer 104 are 10 nm, 10 nm, and 5 nm, respectively, and a process for doping impurities in each layer is not performed. Also, S
On the i-cap layer 104, a gate insulating film 105 made of a silicon oxide film and a gate electrode 106 made of a polysilicon film are provided. In addition, the Si buffer layer 1
02, SiGe channel layer 103 and Si cap layer 1
In the wide region extending over the region 04, regions located on both sides of the gate electrode 106 include a source region 107 and a drain region 108 containing a high-concentration p-type impurity (for example, boron).
Are formed. A source electrode 109 is provided on the source region 107, and a drain electrode 110 is provided on the drain region 108. Note that MO
The channel length and channel width of the S-type field effect transistor are, for example, 0.5 μm and 10 μm.

【0037】図2(a),(b),(c),(d)は、
それぞれ順に、図1のA−A’線断面に沿ったGeおよ
びCの深さ方向の組成プロファイルと、価電子帯上端の
エネルギーレベルEv(Siの上端を基準とする)およ
び歪み量のプロファイルとを示す図である。図2
(a),(b)に示すように、Ge組成は、シリコンバ
ッファ層102側の端部からシリコンキャップ層104
側の端部に向かって0%から50%に直線的に変化し、
CはGe組成が40%から50%の領域に選択的に0.
5%含有されている。図2(c),(d)において、実
線は本実施形態によるもの、点線は従来のCを含まない
傾斜組成を有するSiGeをチャネルとする電界効果ト
ランジスタを示す。実線のみが示されているものは、本
実施形態と従来例で全く同じか、あるいは、わずかに差
があってもこのスケールでは違いがほとんど現れないも
のである。
FIGS. 2 (a), (b), (c) and (d)
In order, the composition profiles of Ge and C in the depth direction along the cross section taken along the line AA ′ of FIG. 1, the energy level Ev (based on the upper end of Si) and the strain amount profile at the upper end of the valence band. FIG. FIG.
As shown in (a) and (b), the Ge composition is changed from the end on the silicon buffer layer 102 side to the silicon cap layer 104.
Linearly from 0% to 50% towards the side edge,
C is selectively 0.1% in the region where the Ge composition is 40% to 50%.
Contains 5%. 2 (c) and 2 (d), a solid line indicates a transistor according to the present embodiment, and a dotted line indicates a conventional field effect transistor having a channel of SiGe having a gradient composition not including C. In the case where only the solid line is shown, the present embodiment and the conventional example are completely the same, or even if there is a slight difference, little difference appears on this scale.

【0038】また、図3は、シリコン基板上に歪んだ状
態で形成されたSi1-x-y Gexy (0≦x≦1,0<
Y≦1)について、Ge組成,C組成と、歪み量および
Evの関係を示す図である。歪み量およびEvが等しく
なるGeおよびCの組成を、それぞれ点線および一点鎖
線で示している。図3中には、チャネル層内でのGeお
よびC組成の変化が矢印により示されている。矢印の始
点はチャネル層のシリコンバッファ層側の端部での組成
を表し、矢印の終点はチャネル層のシリコンキャップ層
側の端部での組成を表し、その間のGe組成,C組成を
矢印に沿って変化させることを示している。矢印は本
実施形態によるもの、矢印は従来のCを含まない傾斜
組成を有するSiGeをチャネルとする電界効果トラン
ジスタを示す。
FIG. 3 shows a strained Si 1-xy Ge x C y (0 ≦ x ≦ 1, 0 <) formed on a silicon substrate.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the Ge composition and the C composition, the amount of strain, and Ev for Y ≦ 1). The compositions of Ge and C at which the strain amount and Ev are equal are indicated by a dotted line and an alternate long and short dash line, respectively. In FIG. 3, changes in the Ge and C compositions in the channel layer are indicated by arrows. The starting point of the arrow represents the composition at the end of the channel layer on the silicon buffer layer side, and the ending point of the arrow represents the composition at the end of the channel layer on the silicon cap layer side. Along the line. The arrows indicate those according to the present embodiment, and the arrows indicate conventional field effect transistors having a channel of SiGe having a gradient composition not containing C.

【0039】図2および図3からわかるように、Ge組
成が40%から50%の領域(つまり30%を越える領
域)でCを0.5%含有させることにより、歪み量はそ
れぞれ12%,10%程度だけ低減させることができる
が、Evはほとんど変化しないことがわかる。(図2
(c)のスケールでは、Evの違いは見えない程度であ
る。)つまり、SiGeチャネル層の臨界膜厚を大きく
確保しながら、駆動電流の増大を図ることができる。特
に、従来のSiGe−pMOSFETにおいては、研究
レベルではともかく実用レベルでは、SiGe層のGe
含有率が30%を越えるものは、十分な駆動電流を得る
ために必要な膜厚を臨界膜厚の範囲内で確保しながら、
プロセス中での格子緩和が生じないような熱的安定性を
得ることが困難であることから、未だ存在していないの
が現状である。それに対し、本実施形態においては、C
を微量含有させることにより、Evを確保しつつ格子歪
みのみを低減させることができるので、SiGe層(厳
密にはSiGeC層)におけるGeの含有率を30%以
上にしても、十分な駆動電流と大きな熱的安定性とを確
保することができる。
As can be seen from FIGS. 2 and 3, by containing 0.5% of C in a region where the Ge composition is 40% to 50% (that is, a region exceeding 30%), the amounts of strain are 12% and 12%, respectively. It can be seen that although it can be reduced by about 10%, Ev hardly changes. (Figure 2
At the scale of (c), the difference in Ev is invisible. That is, it is possible to increase the drive current while securing a large critical film thickness of the SiGe channel layer. In particular, in a conventional SiGe-pMOSFET, the Ge level of the SiGe layer is at a practical level aside from a research level.
When the content exceeds 30%, the film thickness necessary for obtaining a sufficient drive current is secured within the range of the critical film thickness.
Since it is difficult to obtain thermal stability such that lattice relaxation does not occur during the process, it has not yet existed. On the other hand, in the present embodiment, C
Is contained only in a small amount, only the lattice strain can be reduced while Ev is secured. Therefore, even if the Ge content in the SiGe layer (strictly speaking, the SiGeC layer) is 30% or more, a sufficient driving current and Great thermal stability can be ensured.

【0040】次に、寄生チャネルの抑制効果について、
従来のCを含まないものと比較して説明する。図4
(a),(b)は、上述のp−MOSFETのゲート電
極106に負のゲート電圧Vgを印加した時の、図1の
A−A’線断面における伝導帯および価電子帯のバンド
端のプロファイルを示す図である。図4(a)はゲート
電圧がしきい値電圧から弱くオーバードライブされた状
態、図4(b)はゲート電圧がしきい値電圧から強くオ
ーバードライブされた状態を示す。図中、101等の符
号が示す領域は、図1中に示す符号の領域に対応してい
る。チャネル層における価電子帯上端のプロファイルが
本実施形態と従来のCを含まないものとでほとんど変わ
らないため、図4(a),(b)における全体のプロフ
ァイルも同じになる。したがって、従来のSiGe傾斜
組成のものと同等に寄生チャネルを抑制することができ
る。
Next, regarding the effect of suppressing the parasitic channel,
A description will be given in comparison with a conventional case not including C. FIG.
(A) and (b) show the band edges of the conduction band and the valence band in the cross section taken along line AA ′ in FIG. 1 when a negative gate voltage Vg is applied to the gate electrode 106 of the p-MOSFET. It is a figure showing a profile. FIG. 4A shows a state in which the gate voltage is weakly overdriven from the threshold voltage, and FIG. 4B shows a state in which the gate voltage is strongly overdriven from the threshold voltage. In the figure, the area indicated by the reference numeral 101 and the like corresponds to the area indicated by the reference numeral in FIG. Since the profile of the upper end of the valence band in the channel layer is hardly different between the present embodiment and the conventional one not including C, the entire profile in FIGS. 4A and 4B is also the same. Therefore, the parasitic channel can be suppressed as well as the conventional SiGe gradient composition.

【0041】図5は、埋め込みチャネル103および寄
生チャネル104のシートキャリア濃度(ホールシート
濃度)のゲート電圧依存性を示す図である。このよう
に、寄生チャネルの抑制に関しては本実施形態と従来の
SiGe傾斜組成のもので同等である。
FIG. 5 is a diagram showing the gate voltage dependence of the sheet carrier concentration (hole sheet concentration) of the buried channel 103 and the parasitic channel 104. As described above, the present embodiment and the conventional SiGe gradient composition are equivalent with respect to the suppression of the parasitic channel.

【0042】図6は、SiGeチャネル層にCを含む本
発明の電界効果トランジスタとCを含まない従来の電界
効果トランジスタとにおけるVd−Id特性を示す図で
ある。図6に示すように、本発明の電界効果トランジス
タでは、Ge組成が大きい領域にCを含有させることに
より、従来の電界効果トランジスタに比べて大きなドレ
イン電流が得られている。
FIG. 6 is a diagram showing Vd-Id characteristics of the field effect transistor of the present invention containing C in the SiGe channel layer and the conventional field effect transistor not containing C. As shown in FIG. 6, in the field-effect transistor of the present invention, by including C in a region having a large Ge composition, a larger drain current is obtained as compared with a conventional field-effect transistor.

【0043】すなわち、本発明によると、チャネル層1
03にCを含ませることにより、チャネル層103の歪
みが低減し、熱的安定性が大幅に向上する一方、キャッ
プ層とのバンドオフセットの値は、Cを含まずにGe組
成が同じであるものと変わらないので、低いしきい値を
維持しつつ格子緩和を抑制することができる。このよう
に、SiGeチャネル層の結晶の格子緩和によるキャリ
ア移動度の劣化が起こらないため、従来のCを含まない
Ge傾斜組成を有するものと比較して、高い電流駆動力
を実現することができ、実用上の優位性を有している。
That is, according to the present invention, the channel layer 1
By including C in 03, the strain of the channel layer 103 is reduced and the thermal stability is greatly improved, but the value of the band offset with respect to the cap layer is the same as the Ge composition without including C. Since this is not different from the above, it is possible to suppress lattice relaxation while maintaining a low threshold value. As described above, since the carrier mobility is not deteriorated due to the lattice relaxation of the crystal of the SiGe channel layer, a higher current driving force can be realized as compared with the conventional Ge-graded composition not containing C. It has practical advantages.

【0044】(第2の実施形態)次に、本発明による電
界効果トランジスタの第2の実施形態について説明す
る。本発明による,チャネル層がSiGeCよりなる電
界効果トランジスタ(SiGeC−pMOSFET)に
ついて、その優位性を説明するために、チャネル層が
(Cを含まない)傾斜組成のSiGeよりなる従来の電
界効果トランジスタ(SiGe−pMOSFET)と比
較しながら説明する。
(Second Embodiment) Next, a second embodiment of the field effect transistor according to the present invention will be described. In order to explain the superiority of the field effect transistor (SiGeC-pMOSFET) in which the channel layer is made of SiGeC according to the present invention, a conventional field effect transistor in which the channel layer is made of SiGe having a graded composition (not including C) ( (SiGe-pMOSFET).

【0045】本実施形態においても、SiGeC−pM
OSFETの構造は、チャネル層が全体的にCを含むS
iGeCにより構成されている点を除けば第1の実施形
態で述べた図1に示す構造と基本的に同様であるので、
説明を省略する。シリコンバッファ層102、チャネル
層103、シリコンキャップ層104の各層の膜厚はそ
れぞれ10nm、10nm、5nmであり、不純物のド
ーピングは行っていない。トランジスタのチャネル長お
よびチャネル幅はそれぞれ0.5μm、10μmであ
る。
Also in this embodiment, SiGeC-pM
The structure of the OSFET is such that the channel layer entirely contains C
The structure is basically the same as the structure shown in FIG. 1 described in the first embodiment except that the structure is made of iGeC.
Description is omitted. The thicknesses of the silicon buffer layer 102, the channel layer 103, and the silicon cap layer 104 are 10 nm, 10 nm, and 5 nm, respectively, and no impurity doping is performed. The channel length and channel width of the transistor are 0.5 μm and 10 μm, respectively.

【0046】図7は、本実施形態のSiGeC−pMO
SFET、および第1および第2の従来のSiGe−p
MOSFETのチャネル層におけるGe組成およびC組
成の調整方法を示す図である。図7における矢印、
、は、本実施形態のSiGeC−pMOSFET,
第1および第2の従来のSiGe−pMOSFETのチ
ャネル層におけるGe組成およびC組成を示す。
FIG. 7 shows the SiGeC-pMO of this embodiment.
SFET and first and second conventional SiGe-p
FIG. 3 is a diagram illustrating a method of adjusting a Ge composition and a C composition in a channel layer of a MOSFET. Arrow in FIG. 7,
, Are the SiGeC-pMOSFET of the present embodiment,
The Ge composition and the C composition in the channel layer of the first and second conventional SiGe-pMOSFETs are shown.

【0047】すなわち、本発明によるSiGeC−pM
OSFET(矢印)では、チャネル層103は、その
シリコンバッファ層102側の端部においてはGeおよ
びCを含まないシリコンであり、そのシリコンキャップ
層104側の端部におけるGeおよびCの組成は、それ
ぞれ45%,3.8%である。矢印の始点から終点ま
で直線的にGe組成及びC組成が変化している。矢印
の終点におけるバンドオフセットは約250meVであ
り、歪み量は約0.5%(圧縮歪み)である。
That is, the SiGeC-pM according to the present invention
In the OSFET (arrow), the channel layer 103 is silicon that does not contain Ge and C at the end on the silicon buffer layer 102 side, and the composition of Ge and C at the end on the silicon cap layer 104 side is 45% and 3.8%. The Ge composition and the C composition change linearly from the start point to the end point of the arrow. The band offset at the end of the arrow is about 250 meV, and the amount of distortion is about 0.5% (compression distortion).

【0048】第1の従来のSiGe−pMOSFET
(矢印)では、チャネル層103はシリコンバッファ
層102側の端部においてはGeおよびCを含まないシ
リコンであり、シリコンキャップ層104側の端部にお
けるGe組成は、40%である。矢印の始点から終点
まで直線的にGe組成が変化している。矢印の終点に
おけるEvは、本実施形態のSiGeC−pMOSFE
Tと同じく約250meVであり、歪み量は本実施形態
のSiGeC−pMOSFETに比べて3倍以上の約
1.6%(圧縮歪み)である。
First Conventional SiGe-pMOSFET
In (arrow), the channel layer 103 is silicon that does not contain Ge and C at the end on the silicon buffer layer 102 side, and the Ge composition at the end on the silicon cap layer 104 side is 40%. The Ge composition changes linearly from the start point to the end point of the arrow. Ev at the end point of the arrow is the SiGeC-pMOSFE of the present embodiment.
As in the case of T, the strain is about 250 meV, and the amount of strain is about 1.6% (compression strain), which is three times or more that of the SiGeC-pMOSFET of the present embodiment.

【0049】第2の従来のSiGe−pMOSFET
(矢印)では、チャネル層103は、そのシリコンバ
ッファ層102側の端部においてはGeおよびCを含ま
ないシリコンであり、そのシリコンキャップ層104側
の端部におけるGe組成は、12%である。そして、こ
の矢印の始点から終点まで直線的にGe組成が変化し
ている。矢印の終点におけるEvはSiGeC−pM
OSFETの3分の1の約80meVであり、歪み量は
SiGeC−pMOSFETと同じく約0.5%(圧縮
歪み)である。
Second Conventional SiGe-pMOSFET
In (arrow), the channel layer 103 is silicon that does not contain Ge and C at the end on the silicon buffer layer 102 side, and the Ge composition at the end on the silicon cap layer 104 side is 12%. The Ge composition changes linearly from the start point to the end point of the arrow. Ev at the end of the arrow is SiGeC-pM
It is about 80 meV, which is one third that of the OSFET, and the amount of strain is about 0.5% (compressive strain) as in the case of the SiGeC-pMOSFET.

【0050】図8(a),(b),(c),(d)は、
それぞれ順に、本実施形態のSiGeC−pMOSFE
T及び従来のSiGe−pMOSFETのGe組成,C
組成,Evおよび歪み量のプロファイルを示す図であ
る。図中の符号が示す領域は、図1に示す符号で示され
る領域に対応しており、図中の丸数字は、図7に示す矢
印の番号に対応している。
FIGS. 8 (a), (b), (c) and (d)
In this order, the SiGeC-pMOSFE of this embodiment is
T and Ge composition of conventional SiGe-pMOSFET, C
It is a figure which shows the profile of composition, Ev, and the amount of distortion. The regions indicated by the reference numerals in the drawing correspond to the regions indicated by the reference numerals in FIG. 1, and the circled numbers in the drawing correspond to the numbers indicated by the arrows in FIG.

【0051】まず、本実施形態のSiGeC−pMOS
FET(矢印)と第1の従来のSiGe-pMOSF
ET(矢印)を比較する。
First, the SiGeC-pMOS of the present embodiment
FET (arrow) and first conventional SiGe-pMOSF
Compare ET (arrow).

【0052】チャネル層103におけるEvのプロファ
イルが本発明と第1の従来のもので同じであるため、図
1中のA−A’線断面におけるゲート電極からSi基板
までの全体のプロファイルも同じになる。したがって、
第1の実施形態で説明したように、寄生チャネルの抑制
に関しては本実施形態のSiGeC−pMOSFETと
第1の従来のSiGe-pMOSFETとで同等であ
る。
Since the profile of Ev in the channel layer 103 is the same as that of the present invention and the first conventional one, the entire profile from the gate electrode to the Si substrate in the cross section taken along line AA ′ in FIG. Become. Therefore,
As described in the first embodiment, the suppression of the parasitic channel is the same in the SiGeC-pMOSFET of the present embodiment and the first conventional SiGe-pMOSFET.

【0053】図9は、本実施形態のSiGeC−pMO
SFETのVd−Id特性を示す図である。図8(d)
に示すように、本実施形態によるSiGeC−pMOS
FET(矢印)では第1の従来のSiGe−pMOS
FET(矢印)と比較して、歪み量が3分の1以下に
なっており、熱的安定性が大幅に向上する。したがっ
て、高温での熱処理によっても結晶の格子緩和が生じに
くいので、キャリア移動度の劣化を抑制でき、高速動作
かつ高電流駆動力を実現することができる。そして、比
較的高温での熱処理が可能であることにより、良質なゲ
ート絶縁膜105の形成や、ゲート絶縁膜105におけ
るリーク電流の低減が可能となり、また、ソース領域1
07やドレイン領域108を十分に活性化することによ
り低抵抗化が実現できるなど、トランジスタの高性能化
を実現することができる。
FIG. 9 shows the SiGeC-pMO of this embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a Vd-Id characteristic of an SFET. FIG. 8 (d)
As shown in the figure, the SiGeC-pMOS according to the present embodiment
FET (arrow) shows the first conventional SiGe-pMOS
Compared with the FET (arrow), the amount of distortion is one third or less, and the thermal stability is greatly improved. Therefore, the lattice relaxation of the crystal hardly occurs even by the heat treatment at a high temperature, so that the deterioration of the carrier mobility can be suppressed, and the high speed operation and the high current driving force can be realized. Since the heat treatment can be performed at a relatively high temperature, it is possible to form a high-quality gate insulating film 105 and to reduce a leak current in the gate insulating film 105.
07 and the drain region 108 can be sufficiently activated, so that the transistor can have high performance, such as low resistance.

【0054】このように、本実施形態によるSiGeC
−pMOSFETは第1の従来のSiGe−pMOSF
ETと比較して、寄生チャネルの抑制に関して同等の効
果を保ちながら熱的安定性を大幅に向上させることがで
き、トランジスタの高性能化を実現することができるの
で、実用上の優位性を有している。
As described above, the SiGeC according to the present embodiment is
-PMOSFET is the first conventional SiGe-pMOSF
Compared to ET, thermal stability can be greatly improved while maintaining the same effect on suppression of parasitic channels, and higher performance of the transistor can be realized. are doing.

【0055】次に、本実施形態によるSiGeC−pM
OSFET(矢印)と第2の従来のSiGe−pMO
SFET(矢印)を比較する。
Next, the SiGeC-pM according to the present embodiment
OSFET (arrow) and second conventional SiGe-pMO
Compare SFETs (arrows).

【0056】図10は、埋め込みチャネル103および
寄生チャネル104のシ−トキャリア濃度(ホールシー
ト濃度)のゲ−ト電圧依存性を示す図である。図8
(c)からわかるように、チャネル層103における本
実施形態でのEvは、第2の従来のものと比較して3倍
以上も大きい。したがって、本実施形態のSiGeC−
pMOSFETでは、埋め込みチャネル中のホ−ルシ−
ト濃度を高くし、寄生チャネル中のホ−ルシ−ト濃度を
小さく抑えることができる。その結果、より広範囲なゲ
−ト電圧にわたって、高速動作および高電流駆動力を維
持することができ、実用上の優位性を有している。
FIG. 10 is a diagram showing the gate voltage dependence of the sheet carrier concentration (hole sheet concentration) of the buried channel 103 and the parasitic channel 104. FIG.
As can be seen from (c), Ev in the present embodiment in the channel layer 103 is three times or more as large as that in the second conventional one. Therefore, the SiGeC-
In the case of a pMOSFET, the holes in the buried channel
Therefore, it is possible to increase the gate concentration and to reduce the hole sheet concentration in the parasitic channel. As a result, a high-speed operation and a high current driving force can be maintained over a wider range of gate voltage, which has practical advantages.

【0057】また、図8(d)に示したように、本実施
形態のSiGeC−pMOSFET(矢印)と第2の
従来のSiGe−pMOSFET(矢印)とでは、歪
み量が同じであり、したがって、熱的安定性はほぼ同等
と考えて差し支えない。
Further, as shown in FIG. 8D, the strain amount is the same between the SiGeC-pMOSFET (arrow) of the present embodiment and the second conventional SiGe-pMOSFET (arrow). Thermal stability can be considered almost equal.

【0058】このように、本実施形態のSiGeC−p
MOSFETは、第2の従来のSiGe−pMOSFE
Tと比較して、熱的安定性に関して同等の効果を保ちな
がら寄生チャネルを大幅に抑制することができ、トラン
ジスタの高性能化を実現することができ、実用上の優位
性を有している。
As described above, the SiGeC-p of the present embodiment
The MOSFET is a second conventional SiGe-pMOSFE
Compared with T, the parasitic channel can be greatly suppressed while maintaining the same effect on thermal stability, and the performance of the transistor can be improved, which has a practical advantage. .

【0059】また、チャネル層103をSiGeCによ
り形成することにより、次のような利点もある。電界効
果トランジスタのゲ−ト長が短くなるにつれて、しきい
値電圧の減少等の短チャネル効果が顕著になってくる。
この短チャネル効果を抑制するために、LDD注入やポ
ケット注入等、ソ−スおよびドレイン領域近傍の注入プ
ロファイルを2次元的に細かく制御することが行われて
いる。しかしながら、この細かいプロファイル制御を行
なった後に、不純物の活性化等のための高温での熱処理
が行なわれると、不純物が拡散して2次元プロファイル
がぼやけてしまい、短チャネル効果が十分に抑制されな
くなってしまう。それに対し、本実施形態の電界効果ト
ランジスタでは、チャネル層にCを含有しているため
に、不純物の拡散が抑制され、細かな2次元プロファイ
ルを高温での熱処理後も維持することができ、短チャネ
ル効果を十分に抑制することができる。
The following advantages are also obtained by forming the channel layer 103 of SiGeC. As the gate length of the field effect transistor becomes shorter, short channel effects such as a decrease in threshold voltage become more pronounced.
In order to suppress this short channel effect, finely controlling the implantation profile near the source and drain regions in two dimensions, such as LDD implantation and pocket implantation, is performed. However, if a high-temperature heat treatment for activating the impurities is performed after performing the fine profile control, the impurities are diffused and the two-dimensional profile is blurred, and the short channel effect is not sufficiently suppressed. Would. On the other hand, in the field-effect transistor of this embodiment, since C is contained in the channel layer, diffusion of impurities is suppressed, and a fine two-dimensional profile can be maintained even after the heat treatment at a high temperature. The channel effect can be sufficiently suppressed.

【0060】(第3の実施形態)本発明による電界効果
トランジスタの第3の実施形態について説明する。本実
施形態における,チャネル層がSiGeCよりなる電界
効果トランジスタ(SiGeC−pMOSFET)の優
位性を説明するために、チャネル層が(Cを含まない)
傾斜組成SiGeよりなる従来の電界効果トランジスタ
(SiGe−pMOSFET)と比較しながら説明す
る。
(Third Embodiment) A third embodiment of the field effect transistor according to the present invention will be described. In order to explain the superiority of the field effect transistor (SiGeC-pMOSFET) whose channel layer is made of SiGeC in this embodiment, the channel layer is made of (does not contain C).
A description will be given in comparison with a conventional field effect transistor (SiGe-pMOSFET) made of a gradient composition SiGe.

【0061】本実施形態のSiGeC−pMOSFET
の構造は、チャネル層が全体的にCを含んでいてSiG
eCにより構成されている点を除けば第1の実施形態に
おける図1に示す構造と基本的に同じであり、説明を省
略する。シリコンバッファ層102、チャネル層10
3、シリコンキャップ層104の各層の膜厚はそれぞれ
10nm、10nm、5nmであり、各層への不純物の
ド−ピングのための処理は行っていない。トランジスタ
のチャネル長およびチャネル幅はそれぞれ0.5μm、
10μmである。
The SiGeC-pMOSFET of the present embodiment
Has a structure in which the channel layer entirely contains C and the SiG
The structure is basically the same as that of the first embodiment shown in FIG. 1 except that the structure is made of eC, and the description is omitted. Silicon buffer layer 102, channel layer 10
3. The thickness of each layer of the silicon cap layer 104 is 10 nm, 10 nm, and 5 nm, respectively, and no treatment for doping impurities into each layer is performed. The channel length and channel width of the transistor are each 0.5 μm,
10 μm.

【0062】図11は、本実施形態のSiGeC−pM
OSFETおよび従来のSiGe−pMOSFETのチ
ャネル層におけるGeおよびC組成のプロファイルを示
す図である。図11中の矢印、は、本実施形態及び
従来のpMOSFETのチャネル層におけるGeおよび
C組成のプロファイルを示す。
FIG. 11 shows the SiGeC-pM of this embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing profiles of Ge and C compositions in a channel layer of an OSFET and a conventional SiGe-pMOSFET. The arrows in FIG. 11 indicate the profiles of the Ge and C compositions in the channel layers of the present embodiment and the conventional pMOSFET.

【0063】すなわち、本実施形態のSiGeC−pM
OSFET(矢印)では、チャネル層103は、その
シリコンバッファ層102側の端部においてはGeおよ
びCを含まないシリコンであり、そのシリコンキャップ
層104側の端部におけるGeおよびCの組成は、それ
ぞれ25%,3%である。そして、この矢印の始点か
ら終点まで直線的にGe組成,C組成が変化している。
矢印の終点におけるEvは約140meVである。ま
た、チャネル層103は、シリコンバッファ層102に
接する部分からシリコンキャップ層104に接する部分
にかけてのいたるところで歪み量は0%であり、シリコ
ン基板101に格子整合している。チャネル層103が
歪みを有していない場合でも、SiGeCの材料的性質
により、SiGeC層中のホ−ルは、Si層中のホ−ル
に比べて大きな移動度を有し、電界効果トランジスタの
高速動作を実現することができる。
That is, the SiGeC-pM of the present embodiment
In the OSFET (arrow), the channel layer 103 is silicon that does not contain Ge and C at the end on the silicon buffer layer 102 side, and the composition of Ge and C at the end on the silicon cap layer 104 side is 25% and 3%. The Ge composition and the C composition change linearly from the start point to the end point of the arrow.
Ev at the end of the arrow is about 140 meV. The channel layer 103 has a strain amount of 0% from the portion in contact with the silicon buffer layer 102 to the portion in contact with the silicon cap layer 104, and is lattice-matched to the silicon substrate 101. Even when the channel layer 103 has no strain, the hole in the SiGeC layer has a higher mobility than the hole in the Si layer due to the material properties of SiGeC, High-speed operation can be realized.

【0064】また、従来のSiGe−pMOSFET
(矢印)では、チャネル層103は、そのシリコンバ
ッファ層102側の端部においてはGeおよびCを含ま
ないシリコンであり、そのシリコンキャップ層104側
の端部におけるGe組成は、22%である。そして、矢
印の始点から終点まで直線的にGe組成が変化してい
る。矢印の終点におけるEvは約140meVであ
り、歪み量は約0.8%(圧縮歪み)である。
Further, a conventional SiGe-pMOSFET
In (arrow), the channel layer 103 is silicon that does not contain Ge and C at the end on the silicon buffer layer 102 side, and the Ge composition at the end on the silicon cap layer 104 side is 22%. The Ge composition changes linearly from the start point to the end point of the arrow. Ev at the end point of the arrow is about 140 meV, and the distortion amount is about 0.8% (compression distortion).

【0065】図12(a)、(b),(c),(d)
は、それぞれ順に、第3の実施形態のSiGeC−pM
OSFET及び従来のSiGe−pMOSFETのGe
組成,C組成,Evおよび歪み量のプロファイルを示す
図である。図中の番号は、図11中の矢印の番号に対応
している。
FIGS. 12 (a), (b), (c) and (d)
Are, in order, the SiGeC-pM of the third embodiment.
OSFET and conventional SiGe-pMOSFET Ge
It is a figure which shows the profile of composition, C composition, Ev, and the amount of distortion. The numbers in the figure correspond to the numbers of the arrows in FIG.

【0066】チャネル層103におけるEvのプロファ
イルは、本実施形態と従来例のもので同じであるため、
図1中、A−A’で示した断面のゲ−ト電極からSi基
板までの全体のプロファイルも同じになる。したがっ
て、第1の実施形態で説明したように、寄生チャネルの
抑制に関しては本実施形態のSiGeC−pMOSFE
T(矢印)と、従来のSiGe−pMOSFET(矢
印)とで同等である。
Since the profile of Ev in the channel layer 103 is the same as that of the present embodiment and that of the conventional example,
In FIG. 1, the entire profile from the gate electrode of the cross section indicated by AA 'to the Si substrate becomes the same. Therefore, as described in the first embodiment, with respect to the suppression of the parasitic channel, the SiGeC-pMOSFE of the present embodiment is used.
T (arrow) is equivalent to the conventional SiGe-pMOSFET (arrow).

【0067】図13は、本実施形態と従来のMOSFE
TのVd−Id特性を示す図である。図12(d)に示
すように、本実施形態のSiGeC−pMOSFETで
はチャネル層103はシリコン基板101に格子整合し
ており、いたるところで歪み量は0%である。したがっ
て、熱的安定性がSiと同等レベルに飛躍的に向上す
る。したがって、高温での熱処理によっても結晶の格子
緩和が起こらないので、キャリア移動度の劣化が起こら
ないことから、高速動作かつ高電流駆動力を実現できる
ことがわかる。また、高温での熱処理が可能になること
で、良質なゲ−ト絶縁膜105の形成や、ゲ−ト絶縁膜
におけるリ−ク電流の低減が可能となり、また、ソ−ス
領域107やドレイン領域108を十分に活性化するこ
とにより低抵抗化が実現できるなど、トランジスタの高
性能化を実現することができる。
FIG. 13 shows this embodiment and a conventional MOSFE.
FIG. 4 is a diagram showing Vd-Id characteristics of T. As shown in FIG. 12D, in the SiGeC-pMOSFET of this embodiment, the channel layer 103 is lattice-matched to the silicon substrate 101, and the distortion amount is 0% everywhere. Therefore, the thermal stability is dramatically improved to the same level as Si. Accordingly, since the lattice relaxation of the crystal does not occur even by the heat treatment at a high temperature, the carrier mobility does not deteriorate, which indicates that a high-speed operation and a high current driving force can be realized. Further, since the heat treatment at a high temperature becomes possible, it is possible to form a high-quality gate insulating film 105 and to reduce a leak current in the gate insulating film. By sufficiently activating the region 108, a high-performance transistor can be realized, for example, a low resistance can be realized.

【0068】このように、本実施形態によるSiGeC
−pMOSFETは従来のSiGe−pMOSFETと
比較して、寄生チャネルの抑制に関して同等の効果を保
ちながら熱的安定性を飛躍的に向上させることができ、
トランジスタの高性能化を実現でき、実用上の優位性を
有する。
As described above, the SiGeC according to the present embodiment is
Compared with the conventional SiGe-pMOSFET, the −pMOSFET can dramatically improve the thermal stability while maintaining the same effect on suppressing the parasitic channel,
Higher performance of the transistor can be realized, which has practical advantages.

【0069】(第4の実施形態)次に、本発明の第4の
実施形態について説明する。本実施形態においても、電
界効果トランジスタの構造は、基本的には第1の実施形
態における図1に示される構造と基本的には同じであ
る。ただし、本実施形態では、チャネル層が変調ド−プ
構造を有しており、シリコンバッファ層102中に高濃
度のp型不純物ド−プ層8δドープ層)を含んでいるこ
とを特徴とする。シリコンバッファ層102、チャネル
層103、シリコンキャップ層104の各層の膜厚はそ
れぞれ10nm、10nm、5nmであり、チャネル層
およびシリコンキャップ層への不純物のド−ピングは行
っていない。トランジスタのチャネル長およびチャネル
幅はそれぞれ0.5μm、10μmである。
(Fourth Embodiment) Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. Also in this embodiment, the structure of the field effect transistor is basically the same as the structure shown in FIG. 1 in the first embodiment. However, the present embodiment is characterized in that the channel layer has a modulation doping structure and the silicon buffer layer 102 contains a high concentration p-type impurity doped layer 8δ doped layer). . The thicknesses of the silicon buffer layer 102, the channel layer 103, and the silicon cap layer 104 are 10 nm, 10 nm, and 5 nm, respectively, and doping of impurities into the channel layer and the silicon cap layer is not performed. The channel length and channel width of the transistor are 0.5 μm and 10 μm, respectively.

【0070】図14は、本実施形態の電界効果トランジ
スタのチャネル層におけるGe組成およびC組成のプロ
ファイルを示す図である。図14中の矢印は、本実施形
態の電界効果トランジスタのチャネル層におけるGe組
成,C組成の変化を示している。
FIG. 14 is a diagram showing profiles of the Ge composition and the C composition in the channel layer of the field-effect transistor of this embodiment. Arrows in FIG. 14 indicate changes in the Ge composition and C composition in the channel layer of the field-effect transistor of the present embodiment.

【0071】すなわち、本実施形態の電界効果トランジ
スタのチャネル層103は、そのシリコンバッファ層1
02側の端部におけるGe組成,C組成は、それぞれ8
%,0.9%である。また、矢印に示されるように、シ
リコンキャップ層104側に近づくにつれてチャネル層
内のGe組成は直線的に増加し、チャネル層内のある深
さで、Ge組成は20%に、C組成は0.9%になる。
さらに、チャネル層内において、シリコンキャップ層1
04側に近づくにつれてGe組成およびC組成は再び直
線的に増加し、そのシリコンキャップ層104側の端部
においてGe組成は30%に、C組成は3.4%にな
る。
That is, the channel layer 103 of the field-effect transistor of this embodiment is
The Ge composition and the C composition at the end on the 02 side are 8
%, 0.9%. Further, as indicated by the arrow, the Ge composition in the channel layer linearly increases toward the silicon cap layer 104 side, and at a certain depth in the channel layer, the Ge composition becomes 20% and the C composition becomes 0%. 0.9%.
Further, in the channel layer, the silicon cap layer 1
The Ge composition and the C composition linearly increase again as approaching the 04 side, and at the end on the silicon cap layer 104 side, the Ge composition becomes 30% and the C composition becomes 3.4%.

【0072】図15(a),(b),(c),(d)
は、それぞれ順に、図1のA−A’線断面に沿ったGe
組成,C組成,p型不純物(ボロン)の濃度及びEvと
歪み量のプロファイルを示す図である。これらのプロフ
ァイルはトランジスタ作製後のものを示しており、作製
工程における熱処理により、ホウ素の拡散が起こってい
るが、チャネル層103中のCにより、チャネル層中で
のホウ素の拡散が阻止されていることが分かる。
FIGS. 15 (a), (b), (c), (d)
Are in sequence Ge along the section AA 'of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a composition, a C composition, a concentration of a p-type impurity (boron), and profiles of Ev and a strain amount. These profiles show the state after the transistor is manufactured. In the heat treatment in the manufacturing process, the diffusion of boron occurs. However, the diffusion of boron in the channel layer is prevented by C in the channel layer 103. You can see that.

【0073】これにより、本実施形態の電界効果トラン
ジスタでは、チャネル層における不純物散乱による移動
度の劣化を防いで高速動作を実現することができる。ま
た、このことは、高濃度のp型不純物ド−プ層を極力チ
ャネル層103に近づけることができるということを意
味しているので、本実施形態ではより高い電流駆動力を
得ることができる。
As a result, in the field-effect transistor of this embodiment, high-speed operation can be realized while preventing deterioration of mobility due to scattering of impurities in the channel layer. This means that the high concentration p-type impurity doped layer can be brought as close as possible to the channel layer 103, so that a higher current driving force can be obtained in this embodiment.

【0074】次に、図15(c)に示すように、チャネ
ル層103におけるEvは、そのシリコンバッファ層1
02側の端部からシリコンキャップ層104側の端部に
かけて単調に増加し、シリコンバッファ層102側の端
部において約45meVとなり、シリコンキャップ層1
04側の端部において約165meVとなる。したがっ
て、チャネル層103のシリコンキャップ層104側の
端部において十分なバンドオフセットが得られるので、
しきい値電圧を小さく維持しながら、寄生チャネルの形
成を確実に抑制することができる。
Next, as shown in FIG. 15C, Ev in the channel layer 103 is the same as that of the silicon buffer layer 1.
02 monotonically increases from the end on the side of the silicon buffer layer 102 to the end on the side of the silicon buffer layer 102, and increases to about 45 meV at the end on the side of the silicon buffer layer 102.
It becomes about 165 meV at the end on the 04 side. Therefore, a sufficient band offset can be obtained at the end of the channel layer 103 on the silicon cap layer 104 side.
The formation of a parasitic channel can be reliably suppressed while keeping the threshold voltage small.

【0075】次に、図15(d)に示すように、チャネ
ル層103中の歪み量は、チャネル層103の中間部の
Ge組成が20%、C組成が0.9%の箇所で0.5%
と最大になり、そのシリコンバッファ層102側の端部
およびシリコンキャップ層104側の端部においては共
に0%(無歪み)になる。本実施形態の電界効果トラン
ジスタでは、チャネル層103は、そのシリコンバッフ
ァ層102側の端部およびシリコンキャップ層104側
の端部の両方において、シリコン層と格子整合している
ために、優れた熱的安定性を有する。したがって、高温
での熱処理によっても結晶の緩和が起こりにくく、キャ
リア移動度の劣化が起こらないため、高速動作かつ高電
流駆動力を有する電界効果トランジスタを実現すること
ができる。また、高温での熱処理が可能になるので、良
質なゲ−ト絶縁膜105の形成や、ゲ−ト絶縁膜におけ
るリ−ク電流の低減が可能となり、また、ソ−ス領域1
07やドレイン領域108を十分に活性化することによ
り低抵抗化が実現できるなど、トランジスタの高性能化
を実現することができる。
Next, as shown in FIG. 15D, the amount of strain in the channel layer 103 is set at 0.2% at the center of the channel layer 103 where the Ge composition is 20% and the C composition is 0.9%. 5%
And 0% (no distortion) at both the end on the silicon buffer layer 102 side and the end on the silicon cap layer 104 side. In the field-effect transistor of the present embodiment, the channel layer 103 is lattice-matched with the silicon layer at both the end on the silicon buffer layer 102 side and the end on the silicon cap layer 104 side, so that excellent heat dissipation is obtained. It has stable stability. Therefore, even when the heat treatment is performed at a high temperature, the crystal is not easily relaxed and the carrier mobility is not deteriorated, so that a field effect transistor having a high-speed operation and a high current driving force can be realized. Further, since heat treatment at a high temperature becomes possible, it is possible to form a high-quality gate insulating film 105 and to reduce a leak current in the gate insulating film.
07 and the drain region 108 can be sufficiently activated, so that the transistor can have high performance, such as low resistance.

【0076】図16は、SiGeC−pMOSFETに
おいて、シリコンバッファ層中のp型不純物ド−プ層
(δドープ層)がある場合とない場合のVd−Id特性
を示す図である。同図に示すように、δド−プ層を設け
て変調ド−プ構造とすることにより、さらに電流駆動力
を高めることができる。
FIG. 16 is a diagram showing Vd-Id characteristics in a SiGeC-pMOSFET with and without a p-type impurity doped layer (δ-doped layer) in a silicon buffer layer. As shown in the figure, the current driving force can be further increased by providing a δ-doping layer to form a modulation doping structure.

【0077】図30(a),(b)は、SiGeC−p
MOSFETにおいて、p型不純物ド−プ層(δドープ
層)をそれぞれシリコンバッファ層,シリコンキャップ
層中に設けた場合のゲートバイアス印加時におけるバン
ド構造を示す図である。同図に示すように、特に、δド
ープ層をシリコンキャップ層中に設けることにより、バ
ンドオフセット部に鋭いくぼみが形成されるので、キャ
リアを閉じ込める機能をより高くすることが可能にな
る。
FIGS. 30A and 30B show SiGeC-p
FIG. 4 is a diagram showing a band structure when a gate bias is applied when a p-type impurity doped layer (δ-doped layer) is provided in a silicon buffer layer and a silicon cap layer, respectively, in a MOSFET. As shown in the figure, in particular, by providing the δ-doped layer in the silicon cap layer, a sharp depression is formed in the band offset portion, so that the function of confining carriers can be further enhanced.

【0078】以上のように、本実施形態による電界効果
トランジスタは、寄生チャネルの形成を確実に抑制しつ
つ、熱的安定性を向上させることができるだけでなく、
さらに変調ド−プ構造により電流駆動力を高めることが
できるなどトランジスタを高性能化でき、実用上の優位
性を有する。
As described above, the field effect transistor according to the present embodiment can not only improve the thermal stability while reliably suppressing the formation of the parasitic channel, but also can improve the thermal stability.
Further, the transistor can be improved in performance, for example, the current driving force can be increased by the modulation doping structure, and it has a practical advantage.

【0079】(第5の実施形態)次に、本発明の第5の
実施形態について説明する。本実施形態においても、電
界効果トランジスタの構造は、基本的には第1の実施形
態における図1で説明した構造と同じである。ただし、
本実施形態では、トランジスタが変調ド−プ構造を有し
ており、シリコンキャップ層104中に高濃度のp型不
純物ド−プ層(δドープ層)を含んでいる点が特徴であ
る。シリコンバッファ層102、チャネル層103、シ
リコンキャップ層104の各層の膜厚はそれぞれ10n
m、10nm、5nmであり、チャネル層およびシリコ
ンバッファ層への不純物のド−ピングは行っていない。
トランジスタのチャネル長およびチャネル幅はそれぞれ
0.5μm、10μmである。
(Fifth Embodiment) Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. Also in this embodiment, the structure of the field effect transistor is basically the same as the structure described in the first embodiment with reference to FIG. However,
The present embodiment is characterized in that the transistor has a modulation doping structure, and that the silicon cap layer 104 includes a high concentration p-type impurity doping layer (δ-doped layer). The thickness of each of the silicon buffer layer 102, the channel layer 103, and the silicon cap layer 104 is 10 n.
m, 10 nm, and 5 nm, and doping of impurities into the channel layer and the silicon buffer layer is not performed.
The channel length and channel width of the transistor are 0.5 μm and 10 μm, respectively.

【0080】本実施形態においても、電界効果トランジ
スタのチャネル層におけるGe組成およびC組成のプロ
ファイルは、図14中の矢印で示されている第4の実施
形態におけるものと同じである。
Also in this embodiment, the profiles of the Ge composition and the C composition in the channel layer of the field-effect transistor are the same as those in the fourth embodiment indicated by the arrow in FIG.

【0081】図17(a),(b),(c),(d)
は、それぞれ順に、図1のA−A’線断面に沿ったGe
組成,C組成,p型不純物(ボロン)の濃度及びEvと
歪み量のプロファイルを示す図である。これらのプロフ
ァイルはトランジスタ作製後のものを示しており、図1
7(b)に示すように、作製工程における熱処理によ
り、ホウ素の拡散が起こっているが、チャネル層103
中のCにより、チャネル層中でのホウ素の拡散が阻止さ
れていることが分かる。
FIGS. 17A, 17B, 17C, and 17D.
Are in sequence Ge along the section AA 'of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a composition, a C composition, a concentration of a p-type impurity (boron), and profiles of Ev and a strain amount. These profiles are shown after the transistor is manufactured, and FIG.
As shown in FIG. 7B, the diffusion of boron occurs due to the heat treatment in the manufacturing process.
It can be seen that C in the figure prevents the diffusion of boron in the channel layer.

【0082】これにより、本実施形態の電界効果トラン
ジスタでは、チャネル層における不純物散乱による移動
度の劣化を防いで高速動作を実現することができる。ま
た、このことは、高濃度のp型不純物ド−プ層(δドー
プ層)を極力チャネル層103に近づけることができる
ということを意味し、より高い電流駆動力を得ることが
できる。
As a result, in the field-effect transistor of the present embodiment, high-speed operation can be realized while preventing mobility degradation due to impurity scattering in the channel layer. This means that a high concentration p-type impurity doped layer (δ-doped layer) can be made as close as possible to the channel layer 103, and a higher current driving force can be obtained.

【0083】次に、図17(c)および(d)に示すよ
うに、本実施形態においても、第4の実施形態と同様
に、チャネル層103のシリコンキャップ層104側の
端部において十分大きいEvを有していることから、バ
ンドオフセットを大きく確保することでき、寄生チャネ
ルを十分に抑制することができる。また、チャネル層1
03のシリコンバッファ層102側の端部およびシリコ
ンキャップ層104側の端部において歪み量が共に0%
となっているので、第4の実施形態と同様に、本実施形
態のMOSFETも優れた熱的安定性を有する。
Next, as shown in FIGS. 17C and 17D, in the present embodiment, similarly to the fourth embodiment, the end of the channel layer 103 on the silicon cap layer 104 side is sufficiently large. Because of having Ev, a large band offset can be secured, and a parasitic channel can be sufficiently suppressed. In addition, channel layer 1
The strain amount is 0% at both the end of the silicon buffer layer 102 and the end of the silicon cap layer 104 on the side of the silicon buffer layer 102.
Therefore, similarly to the fourth embodiment, the MOSFET of the present embodiment also has excellent thermal stability.

【0084】図18は、SiGeC−pMOSFETに
おいて、シリコンキャップ層中のp型不純物ド−プ層
(δドープ層)がある場合とない場合のVd−Id特性
を示す図である。同図に示すように、p型不純物ド−プ
層(δドープ層)を設けて変調ド−プ構造とすることに
より、さらに電流駆動力を高めることができる。
FIG. 18 is a diagram showing Vd-Id characteristics in a SiGeC-pMOSFET with and without a p-type impurity doped layer (δ-doped layer) in a silicon cap layer. As shown in the figure, the current driving force can be further increased by providing a p-type impurity doped layer (δ-doped layer) to form a modulation doped structure.

【0085】ここで、図17(b)の破線に示すよう
に、シリコンキャップ層104において、高濃度のp型
不純物(例えばボロン)がドープされたp型不純物ドー
プ層(δドープ層)の少なくとも一部を含む領域を、炭
素(例えば0.3%)を含有する炭素含有層によって構
成することにより、チャネル領域及びゲート酸化膜への
p型不純物(例えばボロン)の拡散を抑制することがで
きる。これにより、ゲート酸化膜へのボロンなどの侵入
に起因するトランジスタのしきい値電圧のばらつきの発
生を抑制することができる。この炭素含有層の範囲は、
ゲート酸化膜から1nm以上離れていることが好まし
く、2nm以上離れていることがより好ましい。ゲート
酸化膜中にCが入ることにより、ゲート絶縁膜の品質が
劣化してMOSトランジスタの信頼性が低下するのを回
避するためである。
Here, as shown by the broken line in FIG. 17B, at least a p-type impurity-doped layer (δ-doped layer) doped with a high-concentration p-type impurity (for example, boron) in the silicon cap layer 104. By forming a region including a part thereof with a carbon-containing layer containing carbon (for example, 0.3%), diffusion of a p-type impurity (for example, boron) into a channel region and a gate oxide film can be suppressed. . Thus, it is possible to suppress the occurrence of variations in the threshold voltage of the transistor due to the intrusion of boron or the like into the gate oxide film. The range of this carbon-containing layer is:
It is preferably at least 1 nm from the gate oxide film, more preferably at least 2 nm. This is to prevent C from entering the gate oxide film to prevent the quality of the gate insulating film from being deteriorated and the reliability of the MOS transistor from being lowered.

【0086】以上のように、本実施形態の電界効果トラ
ンジスタによると、寄生チャネルの形成を確実に抑制し
つつ、熱的安定性を向上させることができるだけでな
く、さらに変調ド−プ構造により電流駆動力を高めるこ
とができるなどトランジスタを高性能化でき、実用上の
優位性を有する。
As described above, according to the field effect transistor of this embodiment, not only the thermal stability can be improved while the formation of the parasitic channel is reliably suppressed, but also the current The transistor can have higher performance, such as higher driving force, and has practical advantages.

【0087】(第6の実施形態)次に、本実施形態で
は、SOI基板上に形成されチャネル層が歪んだSiG
eC層よりなるp型電界効果トランジスタ(SiGeC
−pMOSFET)について説明する。
(Sixth Embodiment) Next, in this embodiment, a SiG layer formed on an SOI substrate and having a strained channel layer is used.
p-type field-effect transistor (SiGeC)
-PMOSFET) will be described.

【0088】図19は、本実施形態におけるSiGeC
−pMOSFETの断面図である。シリコン基板21
1、埋め込み酸化膜212及び表面シリコン層213に
よって構成されるSOI基板201の表面シリコン層2
13の上に、UHV−CVD法により、シリコンバッフ
ァ層202、チャネル層203、およびシリコンキャッ
プ層204が順次エピタキシャル成長されている。チャ
ネル層203はSiGeCにより構成されている。埋め
込み酸化膜212上の表面シリコン層213の膜厚は3
0nmであり、電圧が印加されると活性領域全体が空乏
層となって、いわゆる完全空乏型の電界効果トランジス
タとして動作するように構成されている。
FIG. 19 shows SiGeC in this embodiment.
It is sectional drawing of -pMOSFET. Silicon substrate 21
1. Surface silicon layer 2 of SOI substrate 201 composed of buried oxide film 212 and surface silicon layer 213
A silicon buffer layer 202, a channel layer 203, and a silicon cap layer 204 are sequentially epitaxially grown on the substrate 13 by UHV-CVD. The channel layer 203 is made of SiGeC. The thickness of the surface silicon layer 213 on the buried oxide film 212 is 3
When a voltage is applied, the entire active region becomes a depletion layer, and operates as a so-called fully depleted field-effect transistor.

【0089】シリコンバッファ層202、チャネル層2
03、シリコンキャップ層204の膜厚は、それぞれ1
0nm、10nm、5nmであり、各層への不純物のド
ーピングのための処理は行なわれていない。また、Si
キャップ層204上には、シリコン酸化膜からなるゲー
ト絶縁膜205と、ポリシリコン膜からなるゲート電極
206とが設けられている。また、Siバッファ層20
2,SiGeチャネル層203及びSiキャップ層20
4に亘る広い領域のうち,ゲート電極206の両側方に
位置する領域には、高濃度のp型不純物(例えばボロ
ン)を含むソース領域207およびドレイン領域208
が形成されている。そして、ソース領域207の上には
ソース電極209が設けられ、ドレイン領域208の上
にはドレイン電極210が設けられている。なお、MO
S型電界効果トランジスタのチャネル長およびチャネル
幅は、例えば0.5μm、10μmである。
Silicon buffer layer 202, channel layer 2
03, the thickness of the silicon cap layer 204 is 1
The thicknesses are 0 nm, 10 nm, and 5 nm, and no treatment is performed for doping each layer with impurities. In addition, Si
On the cap layer 204, a gate insulating film 205 made of a silicon oxide film and a gate electrode 206 made of a polysilicon film are provided. Also, the Si buffer layer 20
2, SiGe channel layer 203 and Si cap layer 20
4, a region located on both sides of the gate electrode 206 includes a source region 207 and a drain region 208 containing a high-concentration p-type impurity (for example, boron).
Are formed. A source electrode 209 is provided on the source region 207, and a drain electrode 210 is provided on the drain region 208. Note that MO
The channel length and channel width of the S-type field effect transistor are, for example, 0.5 μm and 10 μm.

【0090】本実施形態の電界効果トランジスタのチャ
ネル層におけるGeおよびC組成のプロファイルは、図
7中の矢印で示されている第2の実施形態におけるも
のと同じである。すなわち、本実施形態のSiGeC−
pMOSFETでは、チャネル層203は、そのシリコ
ンバッファ層202側の端部においてはGeおよびCを
含まないシリコンであり、そのシリコンキャップ層20
4側の端部におけるGe組成およびC組成は、それぞれ
45%,3.8%である。そして、図7中の矢印の始
点から終点までの間におけるGe組成,C組成は直線的
に変化している。矢印の終点におけるバンドオフセッ
トは約250meVであり、歪み量は約0.5%(圧縮
歪み)である。
The profiles of the Ge and C compositions in the channel layer of the field-effect transistor of this embodiment are the same as those in the second embodiment indicated by the arrows in FIG. That is, the SiGeC-
In the pMOSFET, the channel layer 203 is made of silicon that does not contain Ge and C at the end on the silicon buffer layer 202 side, and the silicon cap layer 20 is formed.
The Ge composition and the C composition at the four end portions are 45% and 3.8%, respectively. The Ge composition and the C composition between the start point and the end point of the arrow in FIG. 7 change linearly. The band offset at the end of the arrow is about 250 meV, and the amount of distortion is about 0.5% (compression distortion).

【0091】図20(a),(b)は、本実施形態およ
び第2の実施形態におけるSiGeC−pMOSFET
のゲ−ト電極206に負のゲ−ト電圧Vgを印加した時
の、A−A’線断面における伝導帯および価電子帯のバ
ンド端のプロファイルをそれぞれ示す図である。
FIGS. 20A and 20B show SiGeC-pMOSFETs according to the present embodiment and the second embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a band edge profile of a conduction band and a band edge of a valence band in a cross section taken along line AA ′ when a negative gate voltage Vg is applied to the gate electrode 206 of FIG.

【0092】図20(a)に示すように、本実施形態に
おけるSiGeC−pMOSFETでは、表面シリコン
層213が完全に空乏化しているために、ゲ−ト電圧V
gの一部(Vg,box)が埋め込み酸化膜212にも印加
されている。そのため、シリコンキャップ層204にか
かる電圧は同一のゲート電圧Vgをゲ−ト電極206に
かけた場合、第1の実施形態で述べたSiGeC−pM
OSFET(図20(b))に比べて小さくなる。この
ため、完全空乏型のSOI基板上のSiGeC−pMO
SFETは、シリコンキャップ層204付近のバンドの
曲がりがゆるやかになる。この時、図20(a)を見れ
ば明らかなように、寄生チャネルの形成を第2の実施形
態よりもさらに強く抑制することができる。
As shown in FIG. 20A, in the SiGeC-pMOSFET according to the present embodiment, since the surface silicon layer 213 is completely depleted, the gate voltage V
Part of g (Vg, box) is also applied to the buried oxide film 212. Therefore, when the same gate voltage Vg is applied to the gate electrode 206, the voltage applied to the silicon cap layer 204 is the same as the voltage applied to the SiGeC-pM described in the first embodiment.
It is smaller than the OSFET (FIG. 20B). Therefore, SiGeC-pMO on a fully depleted SOI substrate
In the SFET, the bending of the band near the silicon cap layer 204 becomes gentle. At this time, as is apparent from FIG. 20A, the formation of the parasitic channel can be more strongly suppressed than in the second embodiment.

【0093】図21は、本実施形態のMOSFETにお
ける埋め込みチャネル203および寄生チャネル204
それぞれのシ−トキャリア濃度のゲ−ト電圧依存性を示
す図である。
FIG. 21 shows a buried channel 203 and a parasitic channel 204 in the MOSFET of this embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing the gate voltage dependence of each sheet carrier concentration.

【0094】以上述べたように、本実施形態におけるS
OI基板上のSiGeC−pMOSFETは、SOI基
板の表面シリコン層が完全に空乏化しているため、同一
の傾斜組成を有する(SOI基板でない)通常のシリコ
ン基板上のSiGeC−pMOSFETと比較して、寄
生チャネルの形成をより強く抑制することができ、実用
上の優位性を有する。
As described above, S in the present embodiment is
Since the surface silicon layer of the SOI substrate is completely depleted, the SiGeC-pMOSFET on the OI substrate has a higher parasitic effect than the SiGeC-pMOSFET on the normal silicon substrate having the same gradient composition (not the SOI substrate). Channel formation can be more strongly suppressed, and it has a practical advantage.

【0095】なお、上述したすべての実施形態において
ゲ−ト絶縁膜は酸化膜としたが、これが窒化膜等の他の
絶縁膜であっても本発明により同様の効果を発揮するこ
とができる。
Although the gate insulating film is an oxide film in all the embodiments described above, the same effect can be exerted by the present invention even if the gate insulating film is another insulating film such as a nitride film.

【0096】[0096]

【発明の効果】本発明によると、チャネル層をCを含有
するSiGe(又はSiGeC)により構成したので、
チャネル層全体の歪み量を抑制して十分な熱的安定性を
保ちつつ、ホ−ルを埋め込みチャネル内に強く閉じ込め
て寄生チャネルを強く抑制することができ、実用上の優
位性を発揮することができる。また、Cを添加したこと
の効果により、変調ド−プ構造において、チャネル層へ
の不純物の拡散を抑制することにより高い電流駆動力を
実現できる。さらに、SOI基板上に本実施形態のトラ
ンジスタを形成することにより寄生チャネル抑制の効果
をさらに高めることができる。
According to the present invention, the channel layer is made of C-containing SiGe (or SiGeC).
While maintaining sufficient thermal stability by suppressing the amount of strain in the entire channel layer, it is possible to strongly confine the hole in the buried channel and strongly suppress the parasitic channel, thereby exhibiting practical advantages. Can be. Further, by the effect of adding C, a high current driving force can be realized by suppressing the diffusion of impurities into the channel layer in the modulated doping structure. Further, by forming the transistor of this embodiment on an SOI substrate, the effect of suppressing the parasitic channel can be further enhanced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】チャネル層がCを含む歪みSiGe層よりなる
p型電界効果トランジスタの断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a p-type field-effect transistor in which a channel layer is formed of a strained SiGe layer containing C.

【図2】(a),(b),(c),(d)は、それぞれ
順に、図1のA−A’線断面に沿ったGeおよびCの深
さ方向の組成プロファイルと、価電子帯上端のエネルギ
ーレベルEv(Siの上端を基準とする)および歪み量
のプロファイルとを示す図である。
2 (a), (b), (c), and (d) are, respectively, a composition profile of Ge and C in a depth direction along a cross section taken along line AA ′ of FIG. It is a figure which shows the energy level Ev (based on the upper end of Si) of the band upper end, and the profile of the amount of distortion.

【図3】シリコン基板上に歪んだ状態で形成されたSi
1-x-y Gexy (0≦x≦1,0<Y≦1)について、
Ge組成,C組成と、歪み量およびEvの関係を示す図
である。
FIG. 3 shows a strained Si formed on a silicon substrate.
For 1-xy Ge x C y (0 ≦ x ≦ 1, 0 <Y ≦ 1),
It is a figure which shows the relationship between Ge composition, C composition, the amount of distortion, and Ev.

【図4】(a),(b)は、上述のp−MOSFETの
ゲート電極106に負のゲート電圧Vgを印加した時
の、図1のA−A’線断面における伝導帯および価電子
帯のバンド端のプロファイルを示す図である。
FIGS. 4A and 4B are a conduction band and a valence band in a cross section taken along line AA ′ of FIG. 1 when a negative gate voltage Vg is applied to the gate electrode 106 of the p-MOSFET. FIG. 6 is a diagram showing a profile of a band edge of the present invention.

【図5】埋め込みチャネルおよび寄生チャネルのシート
キャリア濃度(ホールシート濃度)のゲート電圧依存性
を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the gate voltage dependence of the sheet carrier concentration (hole sheet concentration) of the buried channel and the parasitic channel.

【図6】SiGeチャネル層にCを含む本発明の電界効
果トランジスタとCを含まない従来の電界効果トランジ
スタとにおけるVd−Id特性を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing Vd-Id characteristics of a field effect transistor of the present invention containing C in a SiGe channel layer and a conventional field effect transistor not containing C;

【図7】第2の実施形態のSiGeC−pMOSFE
T、および第1および第2の従来のSiGe−pMOS
FETのチャネル層におけるGe組成およびC組成の変
化を示す図である。
FIG. 7 shows a SiGeC-pMOSFE according to a second embodiment.
T, and first and second conventional SiGe-pMOS
FIG. 4 is a diagram showing changes in Ge composition and C composition in a channel layer of the FET.

【図8】(a),(b),(c),(d)は、それぞれ
順に、本実施形態のSiGe−pMOSFET及び第
1,第2の従来のSiGe−pMOSFETのGe組
成,C組成,Evおよび歪み量のプロファイルを示す図
である。
FIGS. 8 (a), (b), (c), and (d) respectively show the Ge composition, C composition, and Si composition of the SiGe-pMOSFET of the present embodiment and the first and second conventional SiGe-pMOSFETs, respectively. It is a figure which shows the profile of Ev and distortion amount.

【図9】本発明の第2の実施形態のSiGeC−pMO
SFETのVd−Id特性を示す図である。
FIG. 9 shows a SiGeC-pMO according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a Vd-Id characteristic of an SFET.

【図10】第2の実施形態の埋め込みチャネルおよび寄
生チャネルシ−トキャリア濃度のゲ−ト電圧依存性を示
す図である。
FIG. 10 is a diagram showing the gate voltage dependence of the buried channel and parasitic channel sheet carrier concentration of the second embodiment.

【図11】第3の実施形態のSiGeC−pMOSFE
Tおよび従来のSiGe−pMOSFETのチャネル層
におけるGe組成およびC組成のプロファイルを示す図
である。
FIG. 11 shows a SiGeC-pMOSFE according to a third embodiment.
It is a figure which shows the profile of Ge composition and C composition in T and the channel layer of the conventional SiGe-pMOSFET.

【図12】(a)、(b),(c),(d)は、それぞ
れ順に、第3の実施形態のSiGeC−pMOSFET
及び従来のSiGe−pMOSFETのGe組成,C組
成,Evおよび歪み量のプロファイルを示す図である。
FIGS. 12 (a), (b), (c), and (d) show the SiGeC-pMOSFET of the third embodiment, respectively.
FIG. 6 is a diagram showing profiles of Ge composition, C composition, Ev, and strain amount of a conventional SiGe-pMOSFET.

【図13】第3の実施形態と従来のMOSFETのVd
−Id特性を示す図である。
FIG. 13 shows Vd of the third embodiment and a conventional MOSFET.
It is a figure which shows -Id characteristic.

【図14】第4,第5の実施形態の電界効果トランジス
タのチャネル層におけるGe組成およびC組成のプロフ
ァイルを示す図である。
FIG. 14 is a diagram illustrating profiles of a Ge composition and a C composition in a channel layer of the field-effect transistors according to the fourth and fifth embodiments.

【図15】(a),(b),(c),(d)は、それぞ
れ順に、第4の実施形態における図1のA−A’線断面
に沿ったGe組成,C組成,p型不純物(ボロン)の濃
度及びEvと歪み量のプロファイルを示す図である。
FIGS. 15 (a), (b), (c), and (d) show a Ge composition, a C composition, and a p-type, respectively, taken along line AA ′ of FIG. 1 in the fourth embodiment. FIG. 3 is a diagram showing the concentration of impurities (boron), and profiles of Ev and the amount of distortion.

【図16】SiGeC−pMOSFETにおいて、シリ
コンバッファ層中のp型不純物ド−プ層がある場合とな
い場合のVd−Id特性を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing Vd-Id characteristics in a SiGeC-pMOSFET with and without a p-type impurity doped layer in a silicon buffer layer.

【図17】(a),(b),(c),(d)は、それぞ
れ順に、第5の実施形態における図1のA−A’線断面
に沿ったGe組成,C組成,p型不純物(ボロン)の濃
度及びEvと歪み量のプロファイルを示す図である。
17 (a), (b), (c), and (d) show a Ge composition, a C composition, and a p-type, respectively, taken along line AA ′ of FIG. 1 in the fifth embodiment. FIG. 3 is a diagram showing the concentration of impurities (boron), and profiles of Ev and the amount of distortion.

【図18】第5の実施形態のSiGeC−pMOSFE
Tにおいて、シリコンキャップ層中のp型不純物ド−プ
層がある場合とない場合のVd−Id特性を示す図であ
る。
FIG. 18 shows a SiGeC-pMOSFE according to a fifth embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing Vd-Id characteristics in T with and without a p-type impurity doped layer in the silicon cap layer.

【図19】第6の実施形態におけるSiGeC−pMO
SFETの断面図である。
FIG. 19 shows a SiGeC-pMO according to the sixth embodiment.
It is sectional drawing of SFET.

【図20】(a),(b)は、第6,第2の実施形態の
SiGeC−pMOSFETのゲ−ト電極に負のゲ−ト
電圧Vgを印加した時のA−A’線断面における伝導帯
および価電子帯のバンド端のプロファイルをそれぞれ示
す図である。
FIGS. 20 (a) and (b) are cross-sectional views taken along line AA ′ when a negative gate voltage Vg is applied to the gate electrodes of the SiGeC-pMOSFETs of the sixth and second embodiments. It is a figure which shows the profile of the band edge of a conduction band and a valence band, respectively.

【図21】第6の実施形態のMOSFETにおける埋め
込みチャネルおよび寄生チャネルそれぞれのシ−トキャ
リア濃度のゲ−ト電圧依存性を示す図である。
FIG. 21 is a diagram showing the gate voltage dependence of the sheet carrier concentration of each of the buried channel and the parasitic channel in the MOSFET according to the sixth embodiment.

【図22】従来のpチャネル型電界効果トランジスタ
(p−MOSFET)の一例を示す断面図である。
FIG. 22 is a cross-sectional view illustrating an example of a conventional p-channel field effect transistor (p-MOSFET).

【図23】(a),(b)は、SiGe単結晶とSi単
結晶との格子定数の相違を示す図、及びSi層の上にS
iGe層がエピタキシャル成長されたときの状態を示す
断面図である。
FIGS. 23 (a) and (b) are diagrams showing a difference in lattice constant between a SiGe single crystal and a Si single crystal, and FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state when an iGe layer is epitaxially grown.

【図24】(a),(b)は、従来のpチャネル型電界
効果トランジスタの縦断面における小電圧,大電圧印加
時のエネルギーバンドを示すバンド図である。
FIGS. 24A and 24B are band diagrams showing energy bands when a small voltage and a large voltage are applied in a vertical section of a conventional p-channel field effect transistor.

【図25】(a),(b)は、それぞれ順に、従来のp
チャネル型MOSFETのGe組成のプロファイルと、
歪み量のプロファイルとを示す図である。
FIGS. 25A and 25B respectively show a conventional p
A profile of the Ge composition of the channel MOSFET;
It is a figure which shows the profile of the amount of distortion.

【図26】従来のpチャネル型電界効果トランジスタの
埋め込みチャネルおよび寄生チャネルにおけるホールの
シートキャリア濃度のゲートバイアス依存性を示す図で
ある。
FIG. 26 is a diagram showing gate bias dependence of sheet carrier concentration of holes in a buried channel and a parasitic channel of a conventional p-channel field-effect transistor.

【図27】従来のpチャネル型電界効果トランジスタに
おいて変調ドープ構造を採用した場合のGe組成および
p型不純物濃度のプロファイルの一例を示す図である。
FIG. 27 is a diagram showing an example of a profile of a Ge composition and a p-type impurity concentration when a modulation doping structure is employed in a conventional p-channel field effect transistor.

【図28】従来のpチャネル型電界効果トランジスタの
ドレイン電圧−ドレイン電流特性(Vd−Id特性)を
示す図である。
FIG. 28 is a diagram showing drain voltage-drain current characteristics (Vd-Id characteristics) of a conventional p-channel type field effect transistor.

【図29】Si基板上の歪みSiGeのGe組成と臨界
膜厚との関係を示す図である。
FIG. 29 is a diagram showing a relationship between a Ge composition of strained SiGe on a Si substrate and a critical film thickness.

【図30】(a),(b)は、SiGeC−pMOSF
ETにおいて、p型不純物ド−プ層をそれぞれバッファ
層,キャップ層中に設けた場合のゲートバイアス印加時
におけるバンド構造を示す図である。
30A and 30B are SiGeC-pMOSF.
FIG. 4 is a diagram showing a band structure when a gate bias is applied when a p-type impurity doped layer is provided in a buffer layer and a cap layer in ET, respectively.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101、201、301 −−− 半導体基板 102、202、302 −−− シリコンバッファ層 103、203、303 −−− チャネル層 104、204、304 −−− シリコンキャップ層 105、205、305 −−− ゲ−ト絶縁膜 106、206、306 −−− ゲ−ト電極 107、207、307 −−− ソ−ス領域 108、208、308 −−− ドレイン領域 109、209、309 −−− ソ−ス電極 110、210、310 −−− ドレイン電極 211 −−− シリコン基板 212 −−− 埋め込み酸化膜 213 −−− 表面シリコン層 101, 201, 301 --- Semiconductor substrate 102, 202, 302 --- Silicon buffer layer 103, 203, 303 --- Channel layer 104, 204, 304 --- Silicon cap layer 105, 205, 305 --- Gate insulating film 106, 206, 306 --- Gate electrode 107, 207, 307 --- Source region 108, 208, 308 --- Drain region 109, 209, 309 --- Source Electrodes 110, 210, 310 --- Drain electrode 211 --- Silicon substrate 212 --- Buried oxide film 213 --- Surface silicon layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保 実 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 大仲 清司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5F110 AA01 CC02 DD05 DD13 EE09 FF02 GG01 GG02 GG07 GG12 GG19 GG25 GG28 GG29 GG33 GG36 GG44 GG47 HJ01 5F140 AA01 AC01 AC28 AC36 BA01 BA05 BA17 BB06 BB13 BB16 BB18 BC12 BF01 BF04  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Minoru Kubo, 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Term (reference) 5F110 AA01 CC02 DD05 DD13 EE09 FF02 GG01 GG02 GG07 GG12 GG19 GG25 GG28 GG29 GG33 GG36 GG44 GG47 HJ01 5F140 AA01 AC01 AC28 AC36 BA01 BA05 BA17 BB06 BB13 BB16 BB18 BC12 BF01

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板上に形成された電界効果トラ
ンジスタであって、 シリコンからなる第1の半導体層と、 上記第1の半導体層上に設けられ、Si1-x Gex (0
<x<1)で表される組成を有する第2の半導体層と、 上記第2の半導体層上に設けられたシリコンからなる第
3の半導体層と、 上記第3の半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、 上記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを備え、 上記第2の半導体層は、上記ゲート電極に負の電圧が印
加されたときにホールが走行するpチャネル領域になる
とともに、上記Geの含有率の最大値を含む領域におい
て、上記Cを含有していることを特徴とするpチャネル
型電界効果トランジスタ。
1. A field effect transistor formed on a semiconductor substrate, comprising: a first semiconductor layer made of silicon; and a Si 1-x Ge x (0
A second semiconductor layer having a composition represented by <x <1), a third semiconductor layer made of silicon provided on the second semiconductor layer, and provided on the third semiconductor layer A gate insulating film, and a gate electrode provided on the gate insulating film, wherein the second semiconductor layer is formed in a p-channel region where holes travel when a negative voltage is applied to the gate electrode. A p-channel field-effect transistor comprising the above C in a region containing the maximum value of the Ge content.
【請求項2】 請求項1に記載のpチャネル型電界効果
トランジスタにおいて、 上記第2の半導体層は、上記第1の半導体層に接する領
域及び上記第3の半導体層に接する領域のうち少なくと
もいずれか一方の部分における格子歪みが0.5%以下
であるように構成されていることを特徴とするpチャネ
ル型電界効果トランジスタ。
2. The p-channel field-effect transistor according to claim 1, wherein the second semiconductor layer is at least one of a region in contact with the first semiconductor layer and a region in contact with the third semiconductor layer. A p-channel field effect transistor, wherein the lattice distortion in one of the portions is 0.5% or less.
【請求項3】 請求項1又は2に記載のpチャネル型電
界効果トランジスタにおいて、 上記第2の半導体層は、すべての領域において上記第1
の半導体層および上記第3の半導体層と格子整合するよ
うに構成されていることを特徴とするpチャネル型電界
効果トランジスタ。
3. The p-channel field-effect transistor according to claim 1, wherein said second semiconductor layer is provided in all regions of said first semiconductor layer.
A p-channel field effect transistor, which is configured to lattice-match with said semiconductor layer and said third semiconductor layer.
【請求項4】 請求項1〜3のうちいずれか1つに記載
のpチャネル型電界効果トランジスタにおいて、 上記第1の半導体層のうち上記第2の半導体層に隣接す
る部分に設けられ、高濃度のp型不純物を含むδドープ
層をさらに備えていることを特徴とするpチャネル型電
界効果トランジスタ。
4. The p-channel field effect transistor according to claim 1, wherein said p-channel field effect transistor is provided in a portion of said first semiconductor layer adjacent to said second semiconductor layer, A p-channel field-effect transistor further comprising a δ-doped layer containing a p-type impurity at a concentration.
【請求項5】 請求項4記載の電界効果トランジスタに
おいて、 上記第2の半導体層のうちCが含まれている上記少なく
とも一部の領域は、上記第1の半導体層に隣接している
ことを特徴とするpチャネル型電界効果トランジスタ。
5. The field effect transistor according to claim 4, wherein at least a part of the second semiconductor layer containing C is adjacent to the first semiconductor layer. A p-channel field-effect transistor.
【請求項6】 請求項1〜5のうちいずれか1つに記載
のpチャネル型電界効果トランジスタにおいて、 上記第3の半導体層のうち上記第2の半導体層に隣接す
る部分に設けられ、高濃度のp型不純物を含むδドープ
層をさらに備えていることを特徴とするpチャネル型電
界効果トランジスタ。
6. The p-channel field effect transistor according to claim 1, wherein said p-channel field effect transistor is provided in a portion of said third semiconductor layer adjacent to said second semiconductor layer, A p-channel field effect transistor, further comprising a δ-doped layer containing a concentration of p-type impurities.
【請求項7】 請求項6に記載のpチャネル型電界効果
トランジスタにおいて、 上記第2の半導体層中のCが含まれている上記少なくと
も一部の領域は、上記第3の半導体層に隣接しているこ
とを特徴とするpチャネル型電界効果トランジスタ。
7. The p-channel field effect transistor according to claim 6, wherein at least a part of the second semiconductor layer containing C is adjacent to the third semiconductor layer. A p-channel field effect transistor, characterized in that:
【請求項8】 半導体基板上に形成された電界効果トラ
ンジスタであって、 シリコンからなる第1の半導体層と、 上記第1の半導体層上に設けられ、Si1-x Gex (0
<x<1)で表される組成を有する第2の半導体層と、 上記第2の半導体層上に設けられたシリコンからなる第
3の半導体層と、 上記第3の半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、 上記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを備え、 上記第2の半導体層は、上記ゲート電極に負の電圧が印
加されたときにホールが走行するpチャネル領域になる
とともに、 上記第3の半導体層中の少なくとも一部の領域は、Cを
含んでいることを特徴とするpチャネル型電界効果トラ
ンジスタ。
8. A field effect transistor formed on a semiconductor substrate, comprising: a first semiconductor layer made of silicon; and a Si 1-x Ge x (0
A second semiconductor layer having a composition represented by <x <1), a third semiconductor layer made of silicon provided on the second semiconductor layer, and provided on the third semiconductor layer A gate insulating film, and a gate electrode provided on the gate insulating film, wherein the second semiconductor layer is formed in a p-channel region where holes travel when a negative voltage is applied to the gate electrode. Wherein at least a part of the third semiconductor layer contains C.
【請求項9】 請求項8記載のpチャネル型電界効果ト
ランジスタにおいて、 上記第3の半導体層中のCが含まれている上記少なくと
も一部の領域は、上記第2の半導体層に隣接しているこ
とを特徴とするpチャネル型電界効果トランジスタ。
9. The p-channel field effect transistor according to claim 8, wherein the at least a part of the third semiconductor layer containing C is adjacent to the second semiconductor layer. A p-channel field effect transistor.
【請求項10】 請求項9記載のpチャネル型電界効果
トランジスタにおいて、 上記第3の半導体層中のCが含まれている上記少なくと
も一部の領域は、上記ゲート絶縁膜から1nm以上離れ
ていることを特徴とするpチャネル型電界効果トランジ
スタ。
10. The p-channel field effect transistor according to claim 9, wherein the at least a part of the third semiconductor layer containing C is separated from the gate insulating film by 1 nm or more. A p-channel field-effect transistor characterized by the above-mentioned.
【請求項11】 請求項10記載のpチャネル型電界効
果トランジスタにおいて、 上記第3の半導体層中のCが含まれている上記少なくと
も一部の領域は、上記ゲート絶縁膜から2nm以上離れ
ていることを特徴とするpチャネル型電界効果トランジ
スタ。
11. The p-channel field-effect transistor according to claim 10, wherein the at least a part of the third semiconductor layer containing C is at least 2 nm away from the gate insulating film. A p-channel field-effect transistor characterized by the above-mentioned.
【請求項12】 半導体基板上に形成された電界効果ト
ランジスタであって、 シリコンからなる第1の半導体層と、 上記第1の半導体層上に設けられ、Si1-x Gex (0
<x<1)で表される組成を有する第2の半導体層と、 上記第2の半導体層上に設けられたシリコンからなる第
3の半導体層と、 上記第3の半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、 上記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを備え、 上記第2の半導体層は、上記ゲート電極に負の電圧が印
加されたときにホールが走行するpチャネル領域になる
とともに、 上記第2の半導体層におけるGe含有率は、30%を越
えていることを特徴とするpチャネル型電界効果トラン
ジスタ。
12. A field-effect transistor formed on a semiconductor substrate, comprising: a first semiconductor layer made of silicon; and a Si 1-x Ge x (0
A second semiconductor layer having a composition represented by <x <1), a third semiconductor layer made of silicon provided on the second semiconductor layer, and provided on the third semiconductor layer A gate insulating film, and a gate electrode provided on the gate insulating film, wherein the second semiconductor layer is formed in a p-channel region where holes travel when a negative voltage is applied to the gate electrode. And a Ge content in the second semiconductor layer is more than 30%.
【請求項13】 請求項1〜12のうちいずれか1つに
記載のpチャネル型電界効果トランジスタにおいて、 上記半導体基板は、絶縁層の上に半導体層を設けてなる
SOI基板であり、 上記第1の半導体層は、上記SOI基板上の半導体層で
あり、上記ゲート電極に負の電圧が印加されたときに、
空乏層が上記第1の半導体層の下端にまで達するように
構成されていることを特徴とするpチャネル型電界効果
トランジスタ。
13. The p-channel field effect transistor according to claim 1, wherein said semiconductor substrate is an SOI substrate having a semiconductor layer provided on an insulating layer. The first semiconductor layer is a semiconductor layer on the SOI substrate, and when a negative voltage is applied to the gate electrode,
A p-channel field effect transistor, wherein a depletion layer is configured to reach a lower end of the first semiconductor layer.
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