JP2006147861A - Semiconductor element and semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To operate a tunnel effect element which shows negative differential resistance characteristic and to increase a peak current value. <P>SOLUTION: The semiconductor element has a first semiconductor region 11 constituting a channel region; a gate electrode 13 formed on the region 11 via a gate insulating film 12; a source electrode 14 and a drain electrode 15 formed in both sides of the region 11 corresponding to the gate electrode 13; an n<SP>+</SP>type second semiconductor region 16 which is formed between the region 11 and the source electrode 14, and has higher impurity concentration than the region 11, and a p<SP>+</SP>type third semiconductor region 17 which is formed between the region 11 and the drain electrode 15, and has a higher impurity concentration than the region 11. The part of the semiconductor regions 16, 17 in contact with the channel region is depleted all over a channel length direction with no voltage applied, and a tunnel diode is formed between the channel region and the semiconductor regions 16, 17. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、負性微分抵抗特性を発現するトンネル効果素子等の半導体素子に係わり、特にソース・ドレインの改良をはかった半導体素子に関する。また、この半導体素子を用いて構成される半導体記憶装置や半導体論理回路装置等の半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor element such as a tunnel effect element that exhibits negative differential resistance characteristics, and more particularly to a semiconductor element that is improved in source / drain. The present invention also relates to a semiconductor device such as a semiconductor memory device or a semiconductor logic circuit device configured using this semiconductor element.

シリコンLSIは、CMOS素子の微細化により性能を向上させてきた。ところが、0.1μmを境にして、CMOS動作が非常に困難になる。原因は、パンチ・スルーに代表される短チャネル効果である。このようなCMOS素子の限界を克服するために、新しい動作原理に基づいた素子、例えば表面接合トンネル素子が提案されている(例えば、特許文献1参照)。表面接合トンネル素子の構造は通常のMOSFETと類似しており、違いは、ソース・ドレインの不純物タイプが互いに逆になっている点である。つまり、ゲート電極を挟んで一方をn++領域のソース、他方をp++領域のドレインという構造になっている。 Silicon LSI has been improved in performance by miniaturizing CMOS elements. However, CMOS operation becomes very difficult at 0.1 μm as a boundary. The cause is a short channel effect typified by punch-through. In order to overcome such limitations of the CMOS device, a device based on a new operation principle, for example, a surface junction tunnel device has been proposed (see, for example, Patent Document 1). The structure of the surface junction tunnel element is similar to that of a normal MOSFET, and the difference is that the impurity types of the source and drain are opposite to each other. In other words, one has an n ++ region source and the other a p ++ region drain with the gate electrode interposed therebetween.

表面接合トンネル素子においては、ゲートに電圧を与えないと、ソース・ドレイン間には通常のp−n接合特性が現れ、一定のドレイン電圧を与えると電流が流れ出す。一方、ゲートに電圧を加えていくと、ドレイン近傍にn+−p++接合、いわゆるエサキ・ダイオードが形成される。エサキ・ダイオードはトンネル効果により負性微分抵抗特性を示す。同様の効果で、表面接合トンネル素子も負性微分抵抗機能を持っている。従って、表面接合トンネル素子は、ゲートによる電流変調機能(スイッチング機能)とエサキ・ダイオード機能を兼ね備えていることになり、エサキ・ダイオード回路の短所を克服できる。 In the surface junction tunnel element, if no voltage is applied to the gate, normal pn junction characteristics appear between the source and the drain, and current flows when a constant drain voltage is applied. On the other hand, when a voltage is applied to the gate, an n + -p ++ junction, so-called Esaki diode, is formed near the drain. Esaki diodes exhibit negative differential resistance characteristics due to the tunnel effect. With the same effect, the surface junction tunnel element also has a negative differential resistance function. Therefore, the surface junction tunnel element has both the current modulation function (switching function) by the gate and the Esaki diode function, and can overcome the disadvantages of the Esaki diode circuit.

このように、表面接合トンネル素子には空乏層領域が一つしか存在しないため、原理的にパンチ・スルーの問題が発生しない。また、トンネル効果というミクロな現象を利用しているため、超微細領域でも正常に動作する。また、機能性を持った素子であるので、容易に機能回路を構成できる利点がある。
特開平9−260690号公報
Thus, since there is only one depletion layer region in the surface junction tunnel element, the problem of punch-through does not occur in principle. Also, since it uses a micro phenomenon called tunnel effect, it operates normally even in the ultrafine region. Further, since the element has functionality, there is an advantage that a functional circuit can be easily configured.
JP-A-9-260690

しかしながら、前述したシリコントンネル効果素子(表面接合トンネル素子)においては、電流値が小さいという問題点があった。実際の回路設計のためには大きな電流値が必要であるが、従来技術では、シリコン素子におけるトンネル電流の電流密度は1A/cm2 であり、化合物半導体素子でのトンネル電流の電流密度が103 A/cm2 であるのに比べて見劣りする電流値であるのが現状である。表面接合トンネル素子に関して、LSIへの組み込みという観点からシリコン素子が望ましく、ゲート電圧による電流変調機能を用いた回路設計のためには、負性微分抵抗特性を示すピーク電流値の改善が問題となる。 However, the above-described silicon tunnel effect element (surface junction tunnel element) has a problem that the current value is small. Although a large current value is required for actual circuit design, in the prior art, the current density of the tunnel current in the silicon device is 1 A / cm 2 , and the current density of the tunnel current in the compound semiconductor device is 10 3. At present, the current value is inferior to that of A / cm 2 . Regarding the surface junction tunnel element, a silicon element is desirable from the viewpoint of incorporation into an LSI. For circuit design using a current modulation function by a gate voltage, improvement of the peak current value showing the negative differential resistance characteristic becomes a problem. .

このように、従来のトンネル効果素子においては、回路性能はトンネル電流のピーク電流によって決まるが、シリコン素子では有効質量が大きいためピーク電流値が低いという問題点があった。   As described above, in the conventional tunnel effect element, the circuit performance is determined by the peak current of the tunnel current. However, the silicon element has a problem that the peak current value is low because the effective mass is large.

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、負性微分抵抗特性を発現するトンネル効果素子の動作を発現することができ、且つピーク電流値の増大をはかり得る半導体素子を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention is to exhibit the operation of a tunnel effect element that exhibits negative differential resistance characteristics and to increase the peak current value. It is to provide a semiconductor device to be obtained.

また、本発明の他の目的は、上記の半導体素子を用いて半導体記憶装置や半導体論理回路装置等を実現できる半導体装置を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of realizing a semiconductor memory device, a semiconductor logic circuit device, or the like using the semiconductor element.

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。   In order to solve the above problems, the present invention adopts the following configuration.

即ち、本発明の一態様は、チャネル領域を構成する第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極に対応して前記第1の半導体領域の両側に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記第1の半導体領域と前記ソース電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いn+ 型の第2の半導体領域と、前記第1の半導体領域と前記ドレイン電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いp+ 型の第3の半導体領域とを具備してなる半導体素子であって、前記第2及び第3の半導体領域の前記チャネル領域に接する部分は、電圧無印加の状態においてチャネル長方向の全体にわたって空乏化され、前記チャネル領域と前記第2及び第3の半導体領域との間にトンネルダイオードが形成されることを特徴とする。 That is, according to one embodiment of the present invention, a first semiconductor region that forms a channel region, a gate electrode formed over the first semiconductor region with a gate insulating film interposed therebetween, and the gate electrode corresponding to the gate electrode A source electrode and a drain electrode formed on both sides of the first semiconductor region, and n + having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region formed between the first semiconductor region and the source electrode. A second semiconductor region of a type, and a third semiconductor region of a p + type formed between the first semiconductor region and the drain electrode and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region. A portion of the second and third semiconductor regions in contact with the channel region is depleted over the entire channel length direction when no voltage is applied, and the channel region and the first semiconductor region are provided. 2 and And a tunnel diode is formed between the third semiconductor region and the third semiconductor region.

また、本発明の一態様は、チャネル領域を構成する第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極に対応して前記第1の半導体領域の両側に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記第1の半導体領域と前記ソース電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いn+ 型の第2の半導体領域と、前記第1の半導体領域と前記ドレイン電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いp+ 型の第3の半導体領域とを具備してなる半導体素子であって、前記第2及び第3の半導体領域の不純物濃度は1×1019cm-3以上であり、前記第2及び第3の半導体領域の前記チャネル領域に接する部分のチャネル長方向の厚さは10nm以下に形成され、且つ前記不純物濃度で決まる空乏層幅よりも薄く形成されていることを特徴とする。 According to one embodiment of the present invention, a first semiconductor region that forms a channel region, a gate electrode formed over the first semiconductor region with a gate insulating film interposed therebetween, and the gate electrode corresponding to the gate electrode A source electrode and a drain electrode formed on both sides of the first semiconductor region, and n + having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region formed between the first semiconductor region and the source electrode. A second semiconductor region of a type, and a third semiconductor region of a p + type formed between the first semiconductor region and the drain electrode and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region. A semiconductor element comprising the second and third semiconductor regions, wherein the impurity concentration of the second and third semiconductor regions is 1 × 10 19 cm −3 or more, and the portions of the second and third semiconductor regions that are in contact with the channel region The thickness in the channel length direction is 10 It is formed to be less than nm and thinner than the depletion layer width determined by the impurity concentration.

また、本発明の一態様は、チャネル領域を構成する第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極に対応して前記第1の半導体領域の両側に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記第1の半導体領域と前記ソース電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いn+ 型の第2の半導体領域と、前記第1の半導体領域と前記ドレイン電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いp+ 型の第3の半導体領域とを具備してなる半導体素子であって、前記第2及び第3の半導体領域の不純物プロファイルの急峻性が4nm/decade以下であることを特徴とする。 According to one embodiment of the present invention, a first semiconductor region that forms a channel region, a gate electrode formed over the first semiconductor region with a gate insulating film interposed therebetween, and the gate electrode corresponding to the gate electrode A source electrode and a drain electrode formed on both sides of the first semiconductor region, and n + having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region formed between the first semiconductor region and the source electrode. A second semiconductor region of a type, and a third semiconductor region of a p + type formed between the first semiconductor region and the drain electrode and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region. The semiconductor element is characterized in that the steepness of the impurity profile of the second and third semiconductor regions is 4 nm / decade or less.

また、本発明の一態様は、チャネル領域を構成する第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の上下にそれぞれゲート絶縁膜を介して形成された第1及び第2のゲート電極と、前記各ゲート電極に対応して前記第1の半導体領域の両側に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記第1の半導体領域と前記ソース電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いn+ 型の第2の半導体領域と、前記第1の半導体領域と前記ドレイン電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いp+ 型の第3の半導体領域とを具備してなる半導体素子であって、前記第2及び第3の半導体領域の前記チャネル領域に接する部分は、電圧無印加の状態においてチャネル長方向の全体にわたって空乏化され、前記チャネル領域と前記第2及び第3の半導体領域との間にトンネルダイオードが形成されることを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, a first semiconductor region that forms a channel region, and first and second gate electrodes formed above and below the first semiconductor region with gate insulating films interposed therebetween, The source and drain electrodes formed on both sides of the first semiconductor region corresponding to the gate electrodes, and the first semiconductor formed between the first semiconductor region and the source electrode An n + -type second semiconductor region having an impurity concentration higher than that of the region, and p + having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region formed between the first semiconductor region and the drain electrode. And a portion of the second and third semiconductor regions in contact with the channel region is depleted over the entire channel length direction when no voltage is applied. And A tunnel diode is formed between the channel region and the second and third semiconductor regions.

また、本発明の一態様は、上記構成の半導体素子と、一端が前記半導体装置のドレイン電極に接続され、他端が電源に接続された負荷素子と、ソースが前記半導体装置のドレイン電極に接続され、ドレインがビット線に接続され、ゲートがワード線に接続されたMOSトランジスタと、を具備してなる記憶信号蓄積部を有することを特徴とする半導体装置である。   Another embodiment of the present invention is a semiconductor element having the above structure, a load element having one end connected to the drain electrode of the semiconductor device and the other end connected to a power source, and a source connected to the drain electrode of the semiconductor device. And a MOS transistor having a drain connected to a bit line and a gate connected to a word line.

また、本発明の一態様は、上記構成の半導体素子と、この半導体装置と電源との間に挿入された、抵抗とインダクタンス素子の直列回路と、を具備してなる電圧制御発振回路を有することを特徴とする半導体装置である。   Another embodiment of the present invention includes a voltage controlled oscillation circuit including the semiconductor element having the above structure and a series circuit of a resistor and an inductance element inserted between the semiconductor device and a power source. A semiconductor device characterized by the above.

本発明によれば、チャネル領域とソース電極及びドレイン電極との間に形成する第2及び第3の半導体領域を前述したように構成することにより、半導体領域からなるソース・ドレイン不純物領域の厚みが極めて薄く高濃度である上に、その領域が完全に空乏化したトンネル効果素子と見なすことができる。半導体領域の濃度勾配は、従来技術では5〜7nm/decadeであり、本発明によれば4nm/decade以下である。これからトンネル距離を見積もり、トンネル電流値を計算すると、従来技術と比較して3桁以上の改善となる。   According to the present invention, by configuring the second and third semiconductor regions formed between the channel region and the source and drain electrodes as described above, the thickness of the source / drain impurity regions made of the semiconductor regions can be reduced. In addition to being extremely thin and highly concentrated, it can be regarded as a tunnel effect element in which the region is completely depleted. The concentration gradient of the semiconductor region is 5 to 7 nm / decade in the prior art, and is 4 nm / decade or less according to the present invention. When the tunnel distance is estimated from this and the tunnel current value is calculated, the improvement is 3 digits or more compared to the conventional technique.

従って本発明によれば、ゲート制御によるトンネル電流のピーク電流値の高い負性抵抗特性を示すトンネル効果素子がシリコンで実現可能となり、化合物半導体並みの性能が達成できる。   Therefore, according to the present invention, a tunnel effect element having a negative resistance characteristic with a high peak current value of a tunnel current by gate control can be realized with silicon, and performance equivalent to that of a compound semiconductor can be achieved.

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。   The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係わるシリコントンネル効果素子の概略構成を示す断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a silicon tunnel effect element according to the first embodiment of the present invention.

シリコン基板(第1の半導体領域)11上にゲート絶縁膜12を介してゲート電極13が形成され、ゲート電極13を挟んで基板11の表面部にはソース電極14及びドレイン電極15が形成されている。そして、ソース電極14と基板11との間にn+ 領域(第2の半導体領域)16が形成され、ドレイン電極15と基板11との間にp+ 領域(第3の半導体領域)17が形成されている。 A gate electrode 13 is formed on a silicon substrate (first semiconductor region) 11 via a gate insulating film 12, and a source electrode 14 and a drain electrode 15 are formed on the surface of the substrate 11 with the gate electrode 13 interposed therebetween. Yes. An n + region (second semiconductor region) 16 is formed between the source electrode 14 and the substrate 11, and a p + region (third semiconductor region) 17 is formed between the drain electrode 15 and the substrate 11. Has been.

第1の半導体領域11は、例えばB(ボロン)をドープしたp型層であり、チャネル領域を形成するものである。第2の半導体領域16は、例えばAsを高濃度にドープしたn+ 型層であり、第3の半導体領域17は、例えばBを高濃度のドープしたp+ 型層である。第2及び第3の半導体領域16,17は、第1の半導体領域11をチャネル長方向から挟んで極めて薄く形成されている。ソース・ドレイン電極14,15は、CoやNi等の金属又はそのシリサイドからなり、第1及び第2の半導体領域16,17とショットキー接合を形成している。 The first semiconductor region 11 is a p-type layer doped with B (boron), for example, and forms a channel region. The second semiconductor region 16 is, for example, an n + type layer doped with As at a high concentration, and the third semiconductor region 17 is, for example, a p + type layer doped with B at a high concentration. The second and third semiconductor regions 16 and 17 are formed extremely thin with the first semiconductor region 11 sandwiched from the channel length direction. The source / drain electrodes 14 and 15 are made of a metal such as Co or Ni or a silicide thereof, and form a Schottky junction with the first and second semiconductor regions 16 and 17.

本実施形態では、ソース・ドレイン領域となる第2及び第3の半導体領域16,17の不純物濃度を極めて高く、且つ厚みを薄くすることによって、第2及び第3の半導体領域16,17がほぼ完全に空乏化していることを特徴としている。即ち、第2及び第3の半導体領域16,17は、電圧無印加の状態においてチャネル長方向の全体が空乏化される厚さに形成されている。本実施形態では、第2及び第3の半導体領域16,17の厚さを10nm以下に設定し、不純物濃度を1×1020cm-3に設定することにより、第2及び第3の半導体領域16,17の完全空乏化を行っている。 In the present embodiment, the impurity concentrations of the second and third semiconductor regions 16 and 17 serving as the source / drain regions are extremely high and the thickness is reduced, so that the second and third semiconductor regions 16 and 17 are substantially formed. It is characterized by being completely depleted. That is, the second and third semiconductor regions 16 and 17 are formed to a thickness that allows the entire channel length direction to be depleted when no voltage is applied. In the present embodiment, the thicknesses of the second and third semiconductor regions 16 and 17 are set to 10 nm or less, and the impurity concentration is set to 1 × 10 20 cm −3 , whereby the second and third semiconductor regions are set. 16 and 17 are completely depleted.

本実施形態のゲート電極13に正の電圧を印加するとシリコン基板11の表面には反転層(n+ 型)が形成され、p+ 型の第3半導体領域17の周囲にトンネルダイオードが形成される。また、ゲート電極13に負の電圧を印加するとシリコン基板11の表面には蓄積層(p+ 型)が形成され、n+ 型の第2半導体領域16の周囲にトンネルダイオードが形成される。 When a positive voltage is applied to the gate electrode 13 of this embodiment, an inversion layer (n + type) is formed on the surface of the silicon substrate 11, and a tunnel diode is formed around the p + type third semiconductor region 17. . When a negative voltage is applied to the gate electrode 13, a storage layer (p + type) is formed on the surface of the silicon substrate 11, and a tunnel diode is formed around the n + type second semiconductor region 16.

その結果、図2(a)(b)に示されるように、いずれの方向のゲート電圧に対しても負性微分抵抗特性を示し、その特性はゲート電圧に応じて変化する。   As a result, as shown in FIGS. 2A and 2B, the negative differential resistance characteristic is exhibited with respect to the gate voltage in any direction, and the characteristic changes according to the gate voltage.

本実施形態でのトンネル電流を見積もる。チャンネルに反転層が形成された場合を考える。蓄積層の場合も結果は同様である。第3の半導体領域17(p+ )とチャネル反転層(n+ )で形成されるp−n接合の空乏層厚みWは、

Figure 2006147861
The tunnel current in this embodiment is estimated. Consider a case where an inversion layer is formed in a channel. The result is the same for the storage layer. The depletion layer thickness W of the pn junction formed by the third semiconductor region 17 (p + ) and the channel inversion layer (n + ) is:
Figure 2006147861

である。 It is.

但し、εs はシリコンの誘電率、Vbiはビルトインポテンシャル、qは素電荷、aは不純物濃度の勾配である。第3の半導体領域17の不純物プロファイルの急峻性をD[nm/decade]、不純物濃度をNとすると、a=N/Dと近似できる。従って、(1)式は次のように表される。

Figure 2006147861
Where ε s is the dielectric constant of silicon, V bi is the built-in potential, q is the elementary charge, and a is the gradient of the impurity concentration. When the steepness of the impurity profile of the third semiconductor region 17 is D [nm / decade] and the impurity concentration is N, it can be approximated as a = N / D. Therefore, the equation (1) is expressed as follows.
Figure 2006147861

また、WKB近似により、トンネル電流はトンネル確率に比例した形で以下のように与えられる。

Figure 2006147861
Further, according to the WKB approximation, the tunnel current is given as follows in a form proportional to the tunnel probability.
Figure 2006147861

但し、m* はシリコンの有効質量、Eg はシリコンのエネルギーギャップ、hはプランク定数である。また、Eはトンネル接合部にかかる電界であり、E=Eg /Wとする。従って、(3)式は第3の半導体領域17の不純物プロファイルの急峻性Dで表すことができ、

Figure 2006147861
Where m * is the effective mass of silicon, E g is the energy gap of silicon, and h is the Planck constant. E is an electric field applied to the tunnel junction, and E = E g / W. Therefore, the expression (3) can be expressed by the steepness D of the impurity profile of the third semiconductor region 17.
Figure 2006147861

図3に(4)式をプロットした図を示す。   FIG. 3 shows a plot of equation (4).

従来技術による第3の半導体領域の不純物プロファイルの急峻性(D1)はD1=5〜7nm/decadeであり、本実施形態によると、第3半導体領域の不純物プロファイルの急峻性(D2)はD2=4nm/decade以下である。式(4)により、トンネル電流値としては従来技術に比べて2桁以上の改善を見積もることができる。   The steepness (D1) of the impurity profile of the third semiconductor region according to the prior art is D1 = 5 to 7 nm / decade, and according to this embodiment, the steepness (D2) of the impurity profile of the third semiconductor region is D2 = 4 nm / decade or less. According to equation (4), the tunnel current value can be estimated to be improved by two orders of magnitude or more compared to the conventional technique.

下記の偏析接合技術を用いて得られた実験結果と従来技術による実験結果も併せて図示してある。本実施形態素子に関して、実験によりトンネル電流値が約2桁改善しているという結果が得られた。   The experimental results obtained using the following segregation joining technique and the experimental results according to the prior art are also shown. With respect to the element of the present embodiment, the experiment showed that the tunnel current value was improved by about two orders of magnitude.

なお、第2及び第3の半導体領域16,17の完全空乏化は、例えば接合容量の測定やEDXによる濃度測定などから確認することが可能である。ここでは具体的にSIMS測定によるプロファイルを示す。図4は、本実施形態によるソース・ドレイン電極部のAs及びCoのSIMSプロファイルである。シリサイド化前のCoスパッタ膜厚は12nmである。SIMSプロファイルでは、界面のミクロな凹凸がプロファイルをブロードに見せてしまうため、これを考慮して不純物プロファイルを見積もると2.5nm/decadeとなる。なお、製造プロセスを最適化することによってさらに急峻な不純物プロファイルを達成することができる。またピーク不純物濃度に関しては、バンド間トンネリングの発現には1×1019cm-3以上の濃度が必要である。 Note that complete depletion of the second and third semiconductor regions 16 and 17 can be confirmed, for example, from measurement of junction capacitance or concentration measurement by EDX. Here, a profile by SIMS measurement is specifically shown. FIG. 4 is a SIMS profile of As and Co of the source / drain electrode part according to the present embodiment. The Co sputtering film thickness before silicidation is 12 nm. In the SIMS profile, micro unevenness at the interface makes the profile appear broad, so that the impurity profile is estimated in consideration of this and becomes 2.5 nm / decade. Note that a more steep impurity profile can be achieved by optimizing the manufacturing process. Regarding the peak impurity concentration, a concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more is required for the development of interband tunneling.

上述のように、薄い領域に極めて高濃度の不純物を導入しようとすると、濃度や深さの制御が極めて困難となる。しかし、例えばここで述べる偏析接合形成法を用いればこれを極めて容易に実現することができる。   As described above, when an extremely high concentration impurity is introduced into a thin region, it is very difficult to control the concentration and depth. However, this can be realized very easily by using, for example, the segregation bonding method described here.

図5は、偏析接合形成法の原理を説明するための工程断面図である。不純物が含まれた半導体基板をシリサイド化する際、イオン注入した深さよりも深い領域をシリサイド化することにより、偏析現象を利用して極めて高濃度の不純物を薄い領域内に導入することができる。図中の21はシリコン基板、22はマスク絶縁膜、23は不純物イオン注入領域、24はシリサイド膜、26は高濃度不純物領域を示している。   FIG. 5 is a process cross-sectional view for explaining the principle of the segregation bonding method. When siliciding a semiconductor substrate containing impurities, a region deeper than the ion-implanted depth is silicidized, so that a very high concentration impurity can be introduced into a thin region by utilizing a segregation phenomenon. In the figure, 21 is a silicon substrate, 22 is a mask insulating film, 23 is an impurity ion implantation region, 24 is a silicide film, and 26 is a high concentration impurity region.

具体的には、加速電圧30keV,ドーズ量2×1015cm-2において、例えばAsのイオン注入を行い、図5(a)に示すように、不純物イオン注入領域23を形成する。続いて、例えばニッケル(Ni)などの金属をスパッタ法などによって10nm程度の厚さに成膜し、例えば300〜500℃で30〜200秒程度アニールし、シリサイド化後、未反応のNiを除去することでメタル電極(シリサイド膜)24を形成する。このメタル電極24の形成に伴い、不純物イオン注入領域23は基板21側に押し出され、これによってメタル電極24とチャネル領域との間に極めて薄い高濃度の第2の半導体領域26が形成されることになる。具体的には、第2の半導体領域26のチャネル方向の膜厚は10nm、不純物濃度は1×1020cm-3であった。 Specifically, for example, As ion implantation is performed at an acceleration voltage of 30 keV and a dose amount of 2 × 10 15 cm −2 to form an impurity ion implantation region 23 as shown in FIG. Subsequently, for example, a metal such as nickel (Ni) is formed to a thickness of about 10 nm by sputtering or the like, and annealed at, for example, 300 to 500 ° C. for about 30 to 200 seconds. After silicidation, unreacted Ni is removed. As a result, a metal electrode (silicide film) 24 is formed. As the metal electrode 24 is formed, the impurity ion implantation region 23 is pushed out toward the substrate 21, thereby forming a very thin high-concentration second semiconductor region 26 between the metal electrode 24 and the channel region. become. Specifically, the thickness of the second semiconductor region 26 in the channel direction was 10 nm, and the impurity concentration was 1 × 10 20 cm −3 .

即ち、図5(a)に示すように、シリコン基板21の表面近傍に浅く不純物をイオン注入した後に、注入深さ(不純物濃度がピークを持つ深さ)よりも深い位置までシリサイド化を行うと、図5(b)に示すように、シリサイド膜24の端部から極めて狭い範囲に高濃度の不純物領域26を形成することができる。これは、シリサイド化を行う温度では、不純物の拡散は起こらず、シリサイド化に伴う偏析現象によって、接合の深さと不純物の濃度を制御できるためである。そして、最初のイオン注入で不純物濃度や深さのばらつきがあっても、その影響を最小限に止めることが可能となる。こうして、従来技術では得ることのできない非常に急峻な(Dの値が非常に小さい)不純物プロファイルが実現できる。   That is, as shown in FIG. 5A, after the impurity is ion-implanted shallowly near the surface of the silicon substrate 21, silicidation is performed to a position deeper than the implantation depth (depth at which the impurity concentration has a peak). As shown in FIG. 5B, the high concentration impurity region 26 can be formed in an extremely narrow range from the end of the silicide film 24. This is because the diffusion of impurities does not occur at the silicidation temperature, and the junction depth and impurity concentration can be controlled by the segregation phenomenon accompanying silicidation. Even if there are variations in impurity concentration and depth in the first ion implantation, the influence can be minimized. In this way, a very steep impurity profile (having a very small value of D) that cannot be obtained by the prior art can be realized.

このように、本実施形態によるトンネル効果素子の構造は、第2及び第3の半導体領域16,17からなるソース・ドレイン領域の厚みが極めて薄く高濃度である上に、その領域が完全に空乏化したトンネル素子と見なすことができる。これは、急峻な不純物プロファイルを作ることを可能にし、実効的なトンネル電流を増加させるという利点を持つ。従って、良好な負性微分抵抗特性が実現でき、さらにトンネル電流量を増やすことができる。これは、実際に回路設計を行う際に極めて重要である。   As described above, the structure of the tunnel effect element according to the present embodiment is such that the thickness of the source / drain region composed of the second and third semiconductor regions 16 and 17 is extremely thin and the concentration is high, and the region is completely depleted. It can be regarded as a tunnel element. This has the advantage of making it possible to create a steep impurity profile and increasing the effective tunneling current. Therefore, good negative differential resistance characteristics can be realized, and the amount of tunnel current can be increased. This is extremely important when actually designing a circuit.

なお、本実施形態では通常のシリコン基板を用いているが、SOI基板を利用することも可能である。図6はSOI基板を用いた例であり、図中の31はシリコン層(第1の半導体領域)、33はゲート電極、34はソース電極、35はドレイン電極、36はn+ 領域(第2の半導体領域)、37はp+ 領域(第3の半導体領域)、38はシリコン基板、39は埋め込み絶縁膜を示している。 In this embodiment, a normal silicon substrate is used, but an SOI substrate can also be used. FIG. 6 shows an example using an SOI substrate, in which 31 is a silicon layer (first semiconductor region), 33 is a gate electrode, 34 is a source electrode, 35 is a drain electrode, and 36 is an n + region (second region). , 37 is a p + region (third semiconductor region), 38 is a silicon substrate, and 39 is a buried insulating film.

素子形成基板をSOI基板にすることで寄生的なp−n接合が排除できるので、負性微分抵抗特性はより一層良好になる。このように、状況に応じて種々変形して用いることができる。   Since the parasitic pn junction can be eliminated by using the element formation substrate as the SOI substrate, the negative differential resistance characteristic is further improved. Thus, it can be used with various modifications depending on the situation.

(第2の実施形態)
図7及び図8は、本発明の第2の実施形態に係わるトンネル効果素子の概略構成を説明するためのもので、図7は平面図、図8は図7の矢視A−A’断面図である。なお、図中の41はシリコン層(第1の半導体領域)、42はゲート絶縁膜、43はゲート電極、44はソース電極、45はドレイン電極、46はn+ 領域(第2の半導体領域)、47はp+ 領域(第3の半導体領域)、51は素子分離用絶縁膜、52は層間絶縁膜、53は配線を示している。
(Second Embodiment)
7 and 8 are diagrams for explaining a schematic configuration of the tunnel effect element according to the second embodiment of the present invention. FIG. 7 is a plan view, and FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. FIG. In the figure, 41 is a silicon layer (first semiconductor region), 42 is a gate insulating film, 43 is a gate electrode, 44 is a source electrode, 45 is a drain electrode, and 46 is an n + region (second semiconductor region). , 47 are p + regions (third semiconductor regions), 51 is an insulating film for element isolation, 52 is an interlayer insulating film, and 53 is a wiring.

図7に示すように、シリコン基板41の素子領域を囲むように素子分離領域51が形成されている。ゲート電極43はドレイン電極45を囲むように形成され、ドレイン電極45は素子分離領域51から離れて形成されている。ソース電極44はドレイン電極45と共にゲート電極43を両脇から挟むように素子領域内に形成されている。ゲートコンタクトは容量による遅延を防ぐため、素子分離領域51上でゲート電極と接続させている。   As shown in FIG. 7, an element isolation region 51 is formed so as to surround the element region of the silicon substrate 41. The gate electrode 43 is formed so as to surround the drain electrode 45, and the drain electrode 45 is formed away from the element isolation region 51. The source electrode 44 and the drain electrode 45 are formed in the element region so as to sandwich the gate electrode 43 from both sides. The gate contact is connected to the gate electrode on the element isolation region 51 in order to prevent delay due to capacitance.

基本的な素子構造は第1の実施形態と同様であり、シリコン基板(第1の半導体領域)41上にゲート絶縁膜42を介してゲート電極44が形成され、ゲート電極43に対応して第2及び第3の半導体領域46,47とソース・ドレイン電極44,45が形成されている。但し、ゲート電極43は上記に説明したように、ドレイン電極45及びドレイン領域46のまわりを囲むように形成されている。   The basic element structure is the same as that of the first embodiment. A gate electrode 44 is formed on a silicon substrate (first semiconductor region) 41 with a gate insulating film 42 interposed therebetween. Second and third semiconductor regions 46 and 47 and source / drain electrodes 44 and 45 are formed. However, the gate electrode 43 is formed so as to surround the drain electrode 45 and the drain region 46 as described above.

第1〜第3の半導体領域41,46,47の導電型や不純物は第1の実施形態と同様である。また、ソース・ドレイン電極44,45は、金属又はシリサイドからなり、第2及び第3の半導体領域44,47とショットキー接合を形成している。   The conductivity types and impurities of the first to third semiconductor regions 41, 46, and 47 are the same as those in the first embodiment. The source / drain electrodes 44 and 45 are made of metal or silicide and form Schottky junctions with the second and third semiconductor regions 44 and 47.

第1の実施形態と同様、ソース・ドレイン領域となる第2及び第3の半導体領域46,47の不純物濃度を極めて高く、且つ厚みを薄くすることによって、第2及び第3の半導体領域46,47は、電圧無印加の状態においてチャネル長方向の全体が空乏化される厚さに形成されている。   Similar to the first embodiment, the impurity concentrations of the second and third semiconductor regions 46 and 47 to be the source / drain regions are made extremely high and the thickness is reduced, so that the second and third semiconductor regions 46 and 47 are formed. 47 is formed to a thickness that allows the entire channel length direction to be depleted when no voltage is applied.

本実施形態による表面接合トンネル素子の構造においては、急峻な不純物プロファイルを作ることを可能にし、実効的なトンネル電流を増加させるという利点と、素子分離端に接してエサキ・ダイオードが形成されないので、素子分離端に起因するリーク電流を排除できるという表面接合トンネル素子の利点の両方を持つ。従って、良好な負性微分抵抗特性が実現でき、さらにトンネル電流量を増やすことができる。   In the structure of the surface junction tunnel device according to the present embodiment, it is possible to create a steep impurity profile and increase the effective tunnel current, and the Esaki diode is not formed in contact with the device isolation end. It has both of the advantages of the surface junction tunnel element that the leakage current caused by the element isolation end can be eliminated. Therefore, good negative differential resistance characteristics can be realized, and the amount of tunnel current can be increased.

シリコン表面に蓄積層を形成して素子を動作させる時には、図7とは逆に、ソース電極43及びn+ 領域46をゲート電極43で囲うようにすればよい。また、双方の領域をゲート電極43で囲うようにもできる。さらに、本実施形態では通常のシリコン基板を用いているが、SOI基板を利用することも、もちろん可能である。 When the storage layer is formed on the silicon surface and the device is operated, the source electrode 43 and the n + region 46 may be surrounded by the gate electrode 43, contrary to FIG. Further, both regions can be surrounded by the gate electrode 43. Furthermore, although a normal silicon substrate is used in this embodiment, it is of course possible to use an SOI substrate.

(第3の実施形態)
図9は、本発明の第3の実施形態に係わるダブルゲート型トンネル効果素子の概略構成を示す断面図である。図示しない半導体基板上に、第1、第2及び第3の半導体領域61,66,67とソース電極64及びドレイン電極65が形成されている。そして、第1、第2及び第3半導体領域上下にゲート絶縁膜を介して第1及び第2ゲート電極63,69が形成されている。
(Third embodiment)
FIG. 9 is a sectional view showing a schematic configuration of a double gate type tunnel effect element according to the third embodiment of the present invention. First, second, and third semiconductor regions 61, 66, and 67, a source electrode 64, and a drain electrode 65 are formed on a semiconductor substrate (not shown). Then, first and second gate electrodes 63 and 69 are formed above and below the first, second and third semiconductor regions via a gate insulating film.

第1の半導体領域61は、例えばB(ボロン)をドープしたp型層であり、チャネル領域を形成するものである。第2の半導体領域64は、例えばAsを高濃度にドープしたn+ 型層であり、第3の半導体領域65は、例えばBを高濃度のドープしたp+ 型層であり、第1の半導体領域61をチャネル長方向から挟んで極めて薄く形成されている。ソース・ドレイン電極64,65は、金属又はシリサイドからなり、第1、第2及び第3の半導体領域61,66,67をチャネル長方向から挟んで形成され、半導体領域66,67とはショットキー接合を形成している。 The first semiconductor region 61 is a p-type layer doped with, for example, B (boron) and forms a channel region. The second semiconductor region 64 is an n + type layer doped with, for example, As at a high concentration, and the third semiconductor region 65 is a p + type layer doped with, for example, a high concentration of B. The region 61 is formed extremely thin across the channel length direction. The source / drain electrodes 64 and 65 are made of metal or silicide, and are formed by sandwiching the first, second and third semiconductor regions 61, 66 and 67 from the channel length direction, and the semiconductor regions 66 and 67 are Schottky. A junction is formed.

本実施形態の第1及び第2ゲート電極63,69に電圧を印加すると“volume inversion”効果(F. Balestra, et al.,“Double-gate silicon-0n-insulator transistor with volume inversion: A new device with greatly enhanced performance,”IEEE Electron Device Lett., vol. EDL-8, no. 9, pp. 410-412, 1987))により、第1の半導体領域61の内部に反転層(n+ 型)が形成され、p+ 型の第3の半導体領域65であるドレイン領域の周囲にトンネルダイオードが形成される。 When a voltage is applied to the first and second gate electrodes 63 and 69 of the present embodiment, the “volume inversion” effect (F. Balestra, et al., “Double-gate silicon-0n-insulator transistor with volume inversion: A new device”). with greatly enhanced performance, "IEEE Electron Device Lett., vol. EDL-8, no. 9, pp. 410-412, 1987)), an inversion layer (n + type) is formed inside the first semiconductor region 61. A tunnel diode is formed around the drain region which is formed and is the p + -type third semiconductor region 65.

トンネル効果素子においては、トンネル接合界面の欠陥がリーク電流の大きな原因になる。リーク電流が大きいとトンネル電流はリーク電流成分に隠れてしまうため、トンネル接合における欠陥制御によるリーク電流の低減は大きな課題となる。本実施形態の構造を用いることにより、トンネル接合は絶縁膜との共通の接点をもたなくなり、シリコン・絶縁膜界面の欠陥の影響は受けない。   In the tunnel effect element, defects at the tunnel junction interface cause a large leakage current. When the leak current is large, the tunnel current is hidden in the leak current component, and thus reducing the leak current by controlling the defects in the tunnel junction is a big problem. By using the structure of this embodiment, the tunnel junction does not have a common contact with the insulating film, and is not affected by defects at the silicon / insulating film interface.

従って、本実施形態によりリーク電流の低減をはかることができ、ピーク電流・バレー電流比は大きく改善でき、良好な負性抵抗特性を得ることができる。   Therefore, according to the present embodiment, the leakage current can be reduced, the peak current / valley current ratio can be greatly improved, and good negative resistance characteristics can be obtained.

(第4の実施形態)
図10は、本発明の第4の実施形態に係わるSRAMセルを示す等価回路図である。このSRAMセルは、例えば第1の実施形態のトンネル効果素子71及び負荷素子72から成る記憶信号蓄積部と、MOSトランジスタ73とにより構成されている。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram showing an SRAM cell according to the fourth embodiment of the present invention. This SRAM cell is composed of, for example, a memory signal storage unit including the tunnel effect element 71 and the load element 72 of the first embodiment, and a MOS transistor 73.

トンネル効果素子71及び負荷素子72は電源端と接地端間に直列に接続されている。MOSトランジスタ73のソースはトンネル効果素子71と負荷素子72との接続点に接続され、ドレインはビット線BLに接続され、ゲートはワード線WLに接続されている。   The tunnel effect element 71 and the load element 72 are connected in series between the power supply terminal and the ground terminal. The source of the MOS transistor 73 is connected to the connection point between the tunnel effect element 71 and the load element 72, the drain is connected to the bit line BL, and the gate is connected to the word line WL.

図11に、このように構成されたSRAMセルにおける本実施形態素子の電流・電圧特性を示す。本実施形態素子における特性曲線と負荷素子による特性曲線の交点において2つの安定した状態をとり、これらの安定した状態を記憶信号に利用する。蓄積電荷の書き込み、読み出しは、MOSトランジスタにより行う。素子数が3個と少ないために、高集積化に適している。   FIG. 11 shows current / voltage characteristics of the element of this embodiment in the SRAM cell configured as described above. Two stable states are taken at the intersection of the characteristic curve of the element of the present embodiment and the characteristic curve of the load element, and these stable states are used for the stored signal. The stored charge is written and read by a MOS transistor. Since the number of elements is as small as three, it is suitable for high integration.

ところで、この種の構成のSRAMセルにおいては、従来のエサキ・ダイオードでは常に一定レベルの駆動電流(トンネル電流)I0が流れるために、待機時の消費電力及び記憶信号の読み出し速度を同時に改善することが困難であった。何故なら、待機時の消費電力を抑えるためには駆動電流I0を小さくする必要があるのに対して、読み出し速度を早くするためには駆動電流I0を大きくする必要があるからである。   By the way, in this type of SRAM cell, a constant level of drive current (tunnel current) I0 always flows in the conventional Esaki diode, so that the power consumption during standby and the reading speed of the memory signal can be improved at the same time. It was difficult. This is because the drive current I0 needs to be reduced in order to reduce power consumption during standby, whereas the drive current I0 needs to be increased in order to increase the reading speed.

本実施形態によれば、第1の実施形態のトンネル効果素子を用いることにより、トンネル電流はゲート電圧によって制御できる。さらに、従来のトンネル素子に比べて大きなトンネル電流値を得ることができる。これにより本実施形態によれば、トンネル電流を大きくすることができ、記憶信号を高速に読み出すことができる。また、本実施形態によれば、ゲート電圧を調整することでトンネル電流を小さくすることができ、待機時の消費電力を小さくすることができる。   According to the present embodiment, the tunnel current can be controlled by the gate voltage by using the tunnel effect element of the first embodiment. Furthermore, a large tunnel current value can be obtained as compared with the conventional tunnel element. As a result, according to the present embodiment, the tunnel current can be increased and the stored signal can be read at high speed. Further, according to the present embodiment, the tunnel current can be reduced by adjusting the gate voltage, and the power consumption during standby can be reduced.

このように本実施形態素子によれば、高集積化、低消費電力及び高速動作に有効なSRAMセルを実現できるようになる。   As described above, according to the element of this embodiment, an SRAM cell effective for high integration, low power consumption, and high-speed operation can be realized.

(第5の実施形態)
図12は、本発明の第5の実施形態に係わる、電圧制御発振回路(VCO)を示す等価回路図である。この電圧制御発振回路は、例えば第1の実施形態のトンネル効果素子とRL回路より構成されている。
(Fifth embodiment)
FIG. 12 is an equivalent circuit diagram showing a voltage controlled oscillation circuit (VCO) according to the fifth embodiment of the present invention. This voltage controlled oscillation circuit is composed of the tunnel effect element and the RL circuit of the first embodiment, for example.

トンネル効果素子81の一端は電源82のマイナス端に接続され、トンネル効果素子81の他端は、抵抗83(R)とインダクタ84(L)の直列回路を介して電源82のプラス単に接続されている。そして、トンネル効果素子81の両端から出力電圧Vout が取り出されるようになっている。   One end of the tunnel effect element 81 is connected to the minus end of the power supply 82, and the other end of the tunnel effect element 81 is simply connected to the plus of the power supply 82 via a series circuit of a resistor 83 (R) and an inductor 84 (L). Yes. An output voltage Vout is taken out from both ends of the tunnel effect element 81.

図13に、本実施形態における発振特性を示す。本実施形態では、トンネル効果素子81の負性微分抵抗特性により、出力電圧が時間とともに振動する発振特性を得ることができる。また、トンネル効果素子81のゲート電圧を調整することで発振特性の周波数を変調できる。本実施形態の構造をとることにより、アナログ回路で必要となるVCO機能を持たせることができ、オンチップ化を実現することができる。   FIG. 13 shows the oscillation characteristics in this embodiment. In the present embodiment, an oscillation characteristic in which the output voltage oscillates with time can be obtained by the negative differential resistance characteristic of the tunnel effect element 81. Further, the frequency of the oscillation characteristic can be modulated by adjusting the gate voltage of the tunnel effect element 81. By adopting the structure of the present embodiment, it is possible to have a VCO function required for an analog circuit and to realize on-chip implementation.

ところで、この種の構成の電圧制御発振回路においては、発振周波数はピーク電流に依存しているため、トンネル効果素子を用いる場合にはトンネル電流量の改善が必要であった。この場合に第1のようなトンネル効果素子を用いることにより、大きなトンネル電流量を得ることができ、より高周波(高速)のVCO回路を実現することができる。   By the way, in the voltage controlled oscillation circuit of this kind of configuration, since the oscillation frequency depends on the peak current, it is necessary to improve the tunnel current amount when the tunnel effect element is used. In this case, by using the first tunnel effect element, a large amount of tunnel current can be obtained, and a higher frequency (high speed) VCO circuit can be realized.

(変形例)
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。第2及び第3の半導体領域の不純物濃度や厚さは、電圧無印加の状態においてチャネル長方向の全体にわたって空乏化され、チャネル領域との間にトンネルダイオードが形成される範囲で、適宜変更可能である。別の言い方をすると、第2及び第3の半導体領域の不純物プロファイルの急峻性が4nm/decade以下となる範囲で、適宜変更可能である。また、より具体的には、不純物濃度としては、バンド間トンネリングの発現に必要な1×1019cm-3以上であればよい。さらに、チャネル方向の膜厚としては、トンネル電流が流れる10nm以下であればよい。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiments. The impurity concentration and thickness of the second and third semiconductor regions can be changed as appropriate within the range in which a tunnel diode is formed between the channel region and the entire channel length direction when no voltage is applied. It is. In other words, the steepness of the impurity profiles of the second and third semiconductor regions can be appropriately changed within a range where the steepness is 4 nm / decade or less. More specifically, the impurity concentration may be 1 × 10 19 cm −3 or more necessary for the development of band-to-band tunneling. Furthermore, the film thickness in the channel direction may be 10 nm or less through which a tunnel current flows.

また、第2及び第3の半導体領域を形成する方法は必ずしも偏析接合形成法に限るものではなく、高濃度の不純物層を十分薄く形成できる方法であればよい。半導体材料、ソース・ドレイン電極形成のためのメタル材料はNiやCoに限るものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。また、本発明の半導体素子は、半導体記憶装置や半導体論理回路装置に限定されるものではなく、負性微分抵抗特性を有するトンネル効果素子を利用した各種の半導体装置に適用することが可能である。   Further, the method for forming the second and third semiconductor regions is not necessarily limited to the segregation junction formation method, and any method can be used as long as the high-concentration impurity layer can be formed sufficiently thin. The semiconductor material and the metal material for forming the source / drain electrodes are not limited to Ni and Co, and can be appropriately changed according to the specifications. The semiconductor element of the present invention is not limited to a semiconductor memory device or a semiconductor logic circuit device, but can be applied to various semiconductor devices using a tunnel effect element having negative differential resistance characteristics. .

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。   In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

第1の実施形態に係わるシリコントンネル効果素子の概略構成を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of the silicon tunnel effect element concerning 1st Embodiment. 第1の実施形態におけるVd−Id特性を示す図。The figure which shows the Vd-Id characteristic in 1st Embodiment. (4)式をプロットして示す図。The figure which plots and shows (4) Formula. ソース・ドレイン電極部のAs及びCoのSIMSプロファイルを示す図。The figure which shows the SIMS profile of As and Co of a source / drain electrode part. 偏析接合形成法の原理を説明するための工程断面図。Process sectional drawing for demonstrating the principle of a segregation joining formation method. SOI基板を用いた例を示す断面図。Sectional drawing which shows the example using an SOI substrate. 第2の実施形態に係わるトンネル効果素子の概略構成を示す平面図。The top view which shows schematic structure of the tunnel effect element concerning 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係わるトンネル効果素子の概略構成を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of the tunnel effect element concerning 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係わるダブルゲート型トンネル効果素子の概略構成を示す断面図。Sectional drawing which shows schematic structure of the double gate type | mold tunnel effect element concerning 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係わるSRAMセルを示す等価回路図。The equivalent circuit diagram which shows the SRAM cell concerning 4th Embodiment. 第4の実施形態に係わるSRAMの電流・電圧特性を示す図。The figure which shows the electric current and voltage characteristic of SRAM concerning 4th Embodiment. 第5の実施形態に係わる電圧制御発振回路(VCO)を示す等価回路図。FIG. 9 is an equivalent circuit diagram showing a voltage controlled oscillation circuit (VCO) according to the fifth embodiment. 第5の実施形態に係わる電圧制御発振回路(VCO)の発振特性を示す図。The figure which shows the oscillation characteristic of the voltage control oscillation circuit (VCO) concerning 5th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

11,21…シリコン基板(第1の半導体領域)
12,42…ゲート絶縁膜
13,33,43…ゲート電極
14,34,44,64…ソース電極
15,35,45,65…ドレイン電極
16,36,46,66…n+ ソース領域(第2の半導体領域)
17,37,47,67…p+ ドレイン領域(第3の半導体領域)
22…マスク絶縁膜
23…不純物イオン注入領域
24…シリサイド膜
26…高濃度不純物領域
31,41,61…シリコン層(第1の半導体領域)
38…シリコン基板
39…埋め込み絶縁膜
51…素子分離用絶縁膜
52…層間絶縁膜
53…配線
63…第1のゲート電極
69…第2のゲート電極
71,81…トンネル効果素子
72…負荷素子
73…MOSトランジスタ73
82…電源
83…抵抗(R)
84…インダクタ(L)
11, 21... Silicon substrate (first semiconductor region)
12, 42 ... Gate insulating film 13, 33, 43 ... Gate electrode 14, 34, 44, 64 ... Source electrode 15, 35, 45, 65 ... Drain electrode 16, 36, 46, 66 ... n + source region (second Semiconductor area)
17, 37, 47, 67... P + drain region (third semiconductor region)
22 ... Mask insulating film 23 ... Impurity ion implantation region 24 ... Silicide film 26 ... High concentration impurity region 31, 41, 61 ... Silicon layer (first semiconductor region)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 38 ... Silicon substrate 39 ... Embedded insulating film 51 ... Element isolation insulating film 52 ... Interlayer insulating film 53 ... Wiring 63 ... First gate electrode 69 ... Second gate electrode 71, 81 ... Tunnel effect element 72 ... Load element 73 ... MOS transistor 73
82 ... Power supply 83 ... Resistance (R)
84: Inductor (L)

Claims (8)

チャネル領域を構成する第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極に対応して前記第1の半導体領域の両側に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記第1の半導体領域と前記ソース電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いn+ 型の第2の半導体領域と、前記第1の半導体領域と前記ドレイン電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いp+ 型の第3の半導体領域とを具備し、
前記第2及び第3の半導体領域の前記チャネル領域に接する部分は、電圧無印加の状態においてチャネル長方向の全体にわたって空乏化され、前記チャネル領域と前記第2及び第3の半導体領域との間にトンネルダイオードが形成されることを特徴とする半導体素子。
A first semiconductor region constituting a channel region; a gate electrode formed on the first semiconductor region via a gate insulating film; and formed on both sides of the first semiconductor region corresponding to the gate electrode A source electrode and a drain electrode, and an n + -type second semiconductor region formed between the first semiconductor region and the source electrode and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region; A p + -type third semiconductor region formed between the first semiconductor region and the drain electrode and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region;
Portions of the second and third semiconductor regions that are in contact with the channel region are depleted over the entire channel length direction when no voltage is applied, and the portion between the channel region and the second and third semiconductor regions is depleted. A tunnel diode is formed in the semiconductor element.
チャネル領域を構成する第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極に対応して前記第1の半導体領域の両側に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記第1の半導体領域と前記ソース電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いn+ 型の第2の半導体領域と、前記第1の半導体領域と前記ドレイン電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いp+ 型の第3の半導体領域とを具備し、
前記第2及び第3の半導体領域の不純物濃度は1×1019cm-3以上であり、前記第2及び第3の半導体領域の前記チャネル領域に接する部分のチャネル長方向の厚さは10nm以下に形成され、且つ前記不純物濃度で決まる空乏層幅よりも薄く形成されていることを特徴とする半導体素子。
A first semiconductor region constituting a channel region; a gate electrode formed on the first semiconductor region via a gate insulating film; and formed on both sides of the first semiconductor region corresponding to the gate electrode A source electrode and a drain electrode, and an n + -type second semiconductor region formed between the first semiconductor region and the source electrode and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region; A p + -type third semiconductor region formed between the first semiconductor region and the drain electrode and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region;
The impurity concentration of the second and third semiconductor regions is 1 × 10 19 cm −3 or more, and the thickness in the channel length direction of the portion of the second and third semiconductor regions in contact with the channel region is 10 nm or less. The semiconductor element is formed to be thinner than a depletion layer width determined by the impurity concentration.
チャネル領域を構成する第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極に対応して前記第1の半導体領域の両側に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記第1の半導体領域と前記ソース電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いn+ 型の第2の半導体領域と、前記第1の半導体領域と前記ドレイン電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いp+ 型の第3の半導体領域とを具備し、
前記第2及び第3の半導体領域の不純物プロファイルの急峻性が4nm/decade以下であることを特徴とする半導体素子。
A first semiconductor region constituting a channel region; a gate electrode formed on the first semiconductor region via a gate insulating film; and formed on both sides of the first semiconductor region corresponding to the gate electrode A source electrode and a drain electrode, and an n + -type second semiconductor region formed between the first semiconductor region and the source electrode and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region; A p + -type third semiconductor region formed between the first semiconductor region and the drain electrode and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region;
A semiconductor element, wherein the steepness of the impurity profile of the second and third semiconductor regions is 4 nm / decade or less.
前記第1の半導体領域は、絶縁膜上に形成されたものであることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 1, wherein the first semiconductor region is formed on an insulating film. 第1乃至第3の半導体領域はシリコンであり、前記ソース電極及びドレイン電極は金属又はシリサイドであることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の半導体素子。   5. The semiconductor element according to claim 1, wherein the first to third semiconductor regions are silicon, and the source electrode and the drain electrode are metal or silicide. チャネル領域を構成する第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の上下にそれぞれゲート絶縁膜を介して形成された第1及び第2のゲート電極と、前記各ゲート電極に対応して前記第1の半導体領域の両側に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記第1の半導体領域と前記ソース電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いn+ 型の第2の半導体領域と、前記第1の半導体領域と前記ドレイン電極との間に形成された、前記第1の半導体領域よりも不純物濃度の高いp+ 型の第3の半導体領域とを具備し、
前記第2及び第3の半導体領域の前記チャネル領域に接する部分は、電圧無印加の状態においてチャネル長方向の全体にわたって空乏化され、前記チャネル領域と前記第2及び第3の半導体領域との間にトンネルダイオードが形成されることを特徴とする半導体素子。
A first semiconductor region constituting a channel region, first and second gate electrodes formed above and below the first semiconductor region via gate insulating films, respectively, and corresponding to each of the gate electrodes A source electrode and a drain electrode formed on both sides of the first semiconductor region, and n + having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region formed between the first semiconductor region and the source electrode. A second semiconductor region of a type, and a third semiconductor region of a p + type formed between the first semiconductor region and the drain electrode and having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region. Equipped,
Portions of the second and third semiconductor regions that are in contact with the channel region are depleted over the entire channel length direction when no voltage is applied, and the portion between the channel region and the second and third semiconductor regions is depleted. A tunnel diode is formed in the semiconductor element.
請求項1〜6の何れかに記載の半導体素子と、一端が前記半導体装置のドレイン電極に接続され、他端が電源に接続された負荷素子と、ソースが前記半導体装置のドレイン電極に接続され、ドレインがビット線に接続され、ゲートがワード線に接続されたMOSトランジスタと、を具備してなる記憶信号蓄積部を有することを特徴とする半導体装置。   The semiconductor element according to claim 1, one end connected to the drain electrode of the semiconductor device, the other end connected to a power source, and a source connected to the drain electrode of the semiconductor device. And a memory signal storage unit comprising a MOS transistor having a drain connected to a bit line and a gate connected to a word line. 請求項1〜6の何れかに記載の半導体素子と、この半導体装置と電源との間に挿入された、抵抗とインダクタンス素子の直列回路と、を具備してなる電圧制御発振回路を有することを特徴とする半導体装置。   A voltage-controlled oscillation circuit comprising: the semiconductor element according to claim 1; and a series circuit of a resistor and an inductance element inserted between the semiconductor device and a power source. A featured semiconductor device.
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