JP2006245589A - 物性変換層を利用したトランジスタと、その動作及び製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】物性変換層を利用したトランジスタ並びに、その動作及び製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に形成された絶縁膜42と、絶縁膜42上に離隔された第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bと、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間の絶縁膜42上に形成された物性変換層46と、物性変換層46上に積層された高誘電膜48と、高誘電膜48上に形成されたゲート電極50と、を備えることを特徴とするトランジスタである。
【選択図】図1
【解決手段】基板上に形成された絶縁膜42と、絶縁膜42上に離隔された第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bと、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間の絶縁膜42上に形成された物性変換層46と、物性変換層46上に積層された高誘電膜48と、高誘電膜48上に形成されたゲート電極50と、を備えることを特徴とするトランジスタである。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体素子及びその製造方法に係り、さらに詳細には、物性変換層を利用したトランジスタ並びに、その動作及び製造方法に関する。
半導体技術の発展によって半導体装置の集積度が急速に高まっている。半導体装置の集積度が高まるにつれて、半導体装置を構成する半導体素子、例えば、電界効果トランジスタのサイズも小さくなる。電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)のサイズが小さくなれば、ソースとドレインとの間のチャンネル長が短くなり、その結果、いわゆる短チャンネル効果と称する異常現象が表れる。短チャンネル効果によってFETの閾電圧が非常に低くなることによって、キャリアの移動度が低くなり、DIBL(Drain Induced Barrier Lowering)などによってFETの特性が低下する。
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点を改善するためのものであって、低電圧動作が可能であり、短チャンネル効果を減らし得る物性変換層を利用したトランジスタを提供するところにある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、このようなトランジスタの動作方法を提供するところにある。
本発明が解決しようとするさらに他の技術的課題は、前記トランジスタの製造方法を提供するところにある。
前記技術的課題を解決するために、本発明は、基板と、前記基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に離隔された第1導電層パターン及び第2導電層パターンと、前記第1導電層パターンと第2導電層パターンとの間の前記絶縁膜上に形成された物性変換層と、前記物性変換層上に積層された高誘電膜と、前記高誘電膜上に形成されたゲート電極と、を備えることを特徴とするトランジスタを提供する。
前記物性変換層は、前記第1導電層パターンと第2導電層パターンとの電位差によって、物性が金属から半導体、あるいは逆に変わる物質層であって、カルコゲニド物質膜、遷移金属酸化膜、複数の遷移金属酸化物を含む合成物質膜、アルミニウム酸化膜、及び複数のアルミニウム酸化物を含む合成物質膜からなる群から選択された何れか一つでありうる。
前記遷移金属酸化膜をなす遷移金属は、チタン(Ti)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、ニオビウム(Nb)、及びタンタル(Ta)からなる群から選択された何れか一つでありうる。
前記高誘電膜は、Al2O3膜、HfO2膜、及びZrO2膜のうち何れか一つでありうる。
前記第1導電層パターン及び第2導電層パターンは、前記物性変換層とショットキー接合され得る金属膜及びシリサイド膜のうち何れか一つでありうる。
前記他の技術的課題を解決するために、本発明は、前記第1導電層パターンと第2導電層パターンとの電位差を維持し、前記ゲート電極に0Vまたはこれと異なる電圧を印加することを特徴とするトランジスタの動作方法を提供する。
このとき、前記他の電圧は、0Vより大きな電圧でありうる。また、前記電位差は、前記ゲート電極に0Vが印加された状態で前記物性変換層を金属層に変換するために、前記第1導電層パターンと第2導電層パターンとの間に印加される最小電位差より小さい。
前記さらに他の技術的課題を解決するために、本発明は、基板上に絶縁膜を形成する第1工程と、前記絶縁膜上に離隔された第1導電層パターン及び第2導電層パターンを形成する第2工程と、前記絶縁膜上に前記第1導電層パターン及び第2導電層パターンを覆う物性変換層、高誘電膜及びゲート電極を順次に積層する第3工程と、前記ゲート電極、前記高誘電膜及び前記物性変換層の一部を順次にエッチングして、前記第1導電層パターン及び第2導電層パターンの一部を露出させる第4工程と、を含むことを特徴とするトランジスタの製造方法を提供する。
前記第2工程は、前記絶縁膜の前記第1導電層パターン及び第2導電層パターンが形成される領域を露出させるマスクを形成する工程と、前記絶縁膜の露出された領域上に導電層を形成する工程と、前記マスクを除去する工程と、をさらに含み得る。
前記物性変換層は、前記第1導電層パターンと第2導電層パターンとの電位差によって物性が金属から半導体、あるいは逆に変わる物質層で形成できる。前記物質層は、カルコゲニド物質膜、遷移金属酸化膜、複数の遷移金属酸化物を含む合成物質膜、アルミニウム酸化膜、及び複数のアルミニウム酸化物を含む合成物質膜からなる群から選択された何れか一つで形成できる。
本発明のトランジスタは、ゲート電圧を印加して駆動に必要なソース電極とドレイン電極との間の最小電圧を低め得る。したがって、本発明を利用すれば、低電圧動作が可能であるため、発熱及び電力消耗を減らし得る。また、ソース電極とドレイン電極との間のチャンネルとして物性変換層を利用するので、短チャンネル効果を減らし得る。
以下、本発明の実施形態による物性変換層を利用したトランジスタ並びに、その動作方法及び製造方法を、添付された図面を参照して詳細に説明する。この過程で図面に示す層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張されて示されている。
まず、本発明の実施形態によるトランジスタ(以下、本発明のトランジスタ)について説明する。
図1に示すように、基板40上に絶縁膜42が積層されている。基板40は、所定の導電性の不純物がドーピングされた半導体基板であり、例えば、n型不純物がドーピングされたシリコン基板でありうる。絶縁膜42は、例えば、熱酸化膜でありうる。絶縁膜42上に第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bが存在する。第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bは、所定間隔で離隔されている。第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bのうち何れか一つは、ソースとして使用され、他の一つは、ドレインとして使用される。第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bは、下記の物性変換層46とショットキー接合され得る金属膜またはシリサイド膜でありうる。前記金属膜としては、例えば、Al膜、Ti膜、Au膜などが使用され、前記シリサイド膜としては、例えば、PtSi膜、NiSi2膜が使用され得る。第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間の絶縁膜42上に物性変換層46が形成されている。物性変換層46は、第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bの上部面まで拡張されている。物性変換層46は、金属−半導体(絶縁体)変換物質膜であって、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間に印加される電圧の大きさによって金属または半導体(絶縁体)となる物質膜である。物性変換層46は、カルコゲニド物質膜、遷移金属酸化膜、または多様な遷移金属酸化物を含む合成物質膜でありうる。また、物性変換層46は、アルミニウム酸化膜またはアルミニウム酸化物を含む合成物質膜でありうる。前記遷移金属酸化膜をなす遷移金属は、例えば、Ti、V、Fe、Ni、Nb、Taでありうる。物性変換層46上に高誘電膜48が存在する。高誘電膜48は、物性変換層46と反応性が低く、超薄膜加工の可能な物質膜、例えば、Al2O3膜、HfO2膜、ZrO2膜等でありうる。高誘電膜48上にゲート電極50が存在する。
次いで、図1に示すトランジスタの動作について説明する。
まず、図2に示すように、ゲート電極50に印加される電圧(以下、「ゲート電圧」と称する)Vgを0Vに維持して、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの電位差Vdを、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間の閾電圧Vthより低く維持する場合、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間の物性変換層46は、半導体あるいは絶縁体のような特性を維持する。したがって、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間にはチャンネルが形成されない。
一方、図3に示すように、ゲート電圧Vgを0Vで維持した状態で第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの電位差Vdが閾電圧Vthより大きい場合(Vd>Vth)、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間の物性変換層46は金属と同じ特性を有する。これにより、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間にチャンネルCが形成されて、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間に電流が流れる。
一方、図4に示すように、ゲート電圧Vgが0より大きい場合、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間の物性変換層46で底部の近傍のホールhの密度が高まる。これにより、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの電位差Vdが閾電圧Vthより小さくても、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間の物性変換層46にチャンネルC1が形成される。このような結果は、ゲート電圧Vgが0より大きいとき、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間の閾電圧Vthが低くなるということを意味する。
本発明者は、このような事実を確認するために、実験用のトランジスタを製作し、それを対象として、図2ないし図4に示すような印加条件でVd及びVgを印加して電流−電圧の特性を測定した。
前記実験用のトランジスタで第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bに該当するソース及びドレイン電極は、それぞれ30μm*30μmの面積を有するPtで形成した。また、物性変換層46は、50nmの厚さのTiAlOxで形成した。
図5は、前記実験用のトランジスタから測定した電流−電圧の特性を示すグラフである。
図5に示すように、前記実験用のトランジスタでソース電極とドレイン電極との間に流れる電流は、前記ソース電極とドレイン電極との電位差が1.6Vである時と2Vである時とに急増するということが分かる。前記ソース電極とドレイン電極との電位差、2Vは、前記実験用のトランジスタのゲート電圧Vgが0Vであるときの閾電圧(以下、「第1閾電圧」と称する)である。そして、前記ソース電極とドレイン電極との電位差、1.6Vは、前記実験用のトランジスタのゲート電極に0より大きなゲート電圧が印加されることによる低くなった閾電圧(以下、「第2閾電圧」と称する)である。したがって、前記実験用のトランジスタは、前記ソース電極とドレイン電極との電位差を、前記第1閾電圧と第2閾電圧との間の電圧、例えば、約1.8Vに維持した状態で、ゲート電極に0より大きな所定の電圧を印加すれば、オン状態になり、前記ゲート電極に0Vを印加すれば、オフ状態になるスイッチング素子として使用できる。すなわち、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの電位差Vdを、ゲート電極に0Vが印加された状態で物性変換層46を金属層に変換するために、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間に印加されるトランジスタの駆動に必要な最小電位差(第2閾電圧)より小さくすることで、低電圧動作が可能となる。
次いで、前述した本発明の実施形態によるトランジスタの製造方法を、図6ないし図8を参照して説明する。
図6に示すように、基板40上に絶縁膜42を形成する。絶縁膜42上に第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bを形成する。第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bは、所定間隔を有して離隔されて形成する。第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bは、通常の写真及びエッチング工程で形成できる。また、第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bは、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間の絶縁膜42上に感光膜パターン(図示せず)を形成した後、第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bが形成された位置に導電層を積層し、前記感光膜パターンを除去するリフトオフ(lift−off)方式で形成しても良い。基板40は、所定の導電性の不純物がドーピングされた半導体基板、例えば、n+型不純物がドーピングされたシリコン基板で形成できる。そして、絶縁膜42は、熱酸化膜、例えば、SiO2膜で形成することが望ましいが、他の絶縁膜、例えば、HfO2またはSiNxで形成しても良い。また、第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bは、後続工程で形成される物性変換層とショットキー接合され得る金属膜またはシリサイド膜でありうる。前記金属膜としては、Al、Ti、Auなどが使用され、前記シリサイド膜としては、PtSi膜またはNiSi2膜が使用され得る。
次いで、図7に示すように、絶縁膜42上に第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bを覆う物性変換層46を形成する。物性変換層46は、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの電位差によって、物性が金属から半導体、あるいは逆に変わる物質膜で形成できる。このような物性変換層46は、カルコゲニド物質膜または遷移金属酸化膜で形成してもよく、また複数の遷移金属酸化物を含む合成物質膜で形成しても良い。前記遷移金属酸化膜をなす遷移金属は、例えば、Ti、V、Fe、Ni、Nb、Taでありうる。また、物性変換層46は、アルミニウム酸化膜またはアルミニウム酸化物を含む合成物質膜で形成しても良い。
次いで、物性変換層46上に高誘電膜48とゲート電極50とを順次に形成する。高誘電膜48は、物性変換層46と反応性が低く、超薄膜加工の可能な物質膜で形成できるが、例えば、Al2O3、HfO2、ZrO2等で形成できる。次いで、ゲート電極50上に感光膜パターンPRを形成する。感光膜パターンPRは、第1導電層パターン44aと第2導電層パターン44bとの間の離隔された部分を覆い、第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bの一部も覆う。このような感光膜パターンPRにより第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bの露出された領域が決まる。感光膜パターンPRを形成した後、これをマスクとしてゲート電極50の露出された部分をエッチングする。前記エッチングは、第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bが露出されるまで実施する。前記エッチングの結果、図8に示すように、第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bが露出される。前記エッチングの後、前記感光膜パターンPRを除去すれば、図1のトランジスタが形成される。
前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものと言うより、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、当業者ならば、物性変換層46をソース電極とドレイン電極との間にのみ形成するか、または絶縁膜42の代わりに、基板40の表面を所定の厚さほど酸化させ得るであろう。また、高誘電膜48を複数層として備え得るであろう。また、第1導電層パターン44a及び第2導電層パターン44bを、表面にシリサイド膜が形成された金属で形成できるであろう。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決まらずに、特許請求の範囲に記載された技術的な思想によって決まらねばならない。
本発明は、トランジスタに関連した技術分野に好適に適用され得る。
40 基板、
42 絶縁膜、
44a 第1導電層パターン、
44b 第2導電層パターン、
46 物性変換層、
48 高誘電膜、
50 ゲート電極。
42 絶縁膜、
44a 第1導電層パターン、
44b 第2導電層パターン、
46 物性変換層、
48 高誘電膜、
50 ゲート電極。
Claims (23)
- 基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に離隔された第1導電層パターン及び第2導電層パターンと、
前記第1導電層パターンと第2導電層パターンとの間の前記絶縁膜上に形成された物性変換層と、
前記物性変換層上に積層された高誘電膜と、
前記高誘電膜上に形成されたゲート電極と、を備えることを特徴とするトランジスタ。 - 前記物性変換層は、前記第1導電層パターンと第2導電層パターンとの電位差によって、物性が金属から半導体、あるいは逆に変わる物質層であることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。
- 前記物質変換層は、カルコゲニド物質膜、遷移金属酸化膜、複数の遷移金属酸化物を含む合成物質膜、アルミニウム酸化膜、及び複数のアルミニウム酸化物を含む合成物質膜からなる群から選択された何れか一つであることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。
- 前記遷移金属酸化膜をなす遷移金属は、Ti、V、Fe、Ni、Nb、及びTaからなる群から選択された何れか一つであることを特徴とする請求項3に記載のトランジスタ。
- 前記高誘電膜は、Al2O3膜、HfO2膜、及びZrO2膜のうち何れか一つであることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。
- 前記第1導電層パターン及び第2導電層パターンは、前記物性変換層とショットキー接合され得る金属膜及びシリサイド膜のうち何れか一つであることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。
- 前記金属膜は、Al膜、Ti膜、及びAu膜のうち何れか一つであることを特徴とする請求項6に記載のトランジスタ。
- 前記シリサイド膜は、PtSi膜またはNiSi2膜であることを特徴とする請求項6に記載のトランジスタ。
- 基板と、前記基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に離隔された第1導電層パターン及び第2導電層パターンと、前記第1導電層パターンと第2導電層パターンとの間の前記絶縁膜上に形成された物性変換層と、前記物性変換層上に積層された高誘電膜と、前記高誘電膜上に形成されたゲート電極と、を備えるトランジスタの動作方法において、
前記第1導電層パターンと第2導電層パターンとの電位差を維持し、前記ゲート電極に0Vまたはこれと異なる電圧を印加することを特徴とするトランジスタの動作方法。 - 前記他の電圧は、0Vより大きな電圧であることを特徴とする請求項9に記載のトランジスタの動作方法。
- 前記電位差は、前記ゲート電極に0Vが印加された状態で前記物性変換層を金属層に変換するために、前記第1導電層パターンと第2導電層パターンとの間に印加される最小電位差より小さいことを特徴とする請求項9に記載のトランジスタの動作方法。
- 前記物質変換層は、カルコゲニド物質膜、遷移金属酸化膜、複数の遷移金属酸化物を含む合成物質膜、及びアルミニウム酸化膜及び複数のアルミニウム酸化物を含む合成物質膜からなる群から選択された何れか一つであることを特徴とする請求項9に記載のトランジスタの動作方法。
- 前記遷移金属酸化膜をなす遷移金属は、Ti、V、Fe、Ni、Nb、及びTaからなる群から選択された何れか一つであることを特徴とする請求項12に記載のトランジスタの動作方法。
- 前記第1導電層パターン及び第2導電層パターンは、前記物性変換層とショットキー接合され得る金属膜及びシリサイド膜のうち何れか一つであることを特徴とする請求項9に記載のトランジスタの動作方法。
- 前記金属膜は、Al膜、Ti膜、及びAu膜のうち何れか一つであることを特徴とする請求項14に記載のトランジスタの動作方法。
- 前記シリサイド膜は、PtSi膜またはNiSi2膜であることを特徴とする請求項14に記載のトランジスタの動作方法。
- 基板上に絶縁膜を形成する第1工程と、
前記絶縁膜上に離隔された第1導電層パターン及び第2導電層パターンを形成する第2工程と、
前記絶縁膜上に前記第1導電層パターン及び第2導電層パターンを覆う物性変換層、高誘電膜、及びゲート電極を順次に積層する第3工程と、
前記ゲート電極、前記高誘電膜及び前記物性変換層の一部を順次にエッチングして、前記第1導電層パターン及び第2導電層パターンの一部を露出させる第4工程と、を含むことを特徴とするトランジスタの製造方法。 - 前記第2工程は、
前記絶縁膜の前記第1導電層パターン及び第2導電層パターンが形成される領域を露出させるマスクを形成する工程と、
前記絶縁膜の露出された領域上に導電層を形成する工程と、
前記マスクを除去する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項17に記載のトランジスタの製造方法。 - 前記物性変換層は、前記第1導電層パターンと第2導電層パターンとの電位差によって物性が金属から半導体、あるいは逆に変わる物質層で形成することを特徴とする請求項17に記載のトランジスタの製造方法。
- 前記物質層は、カルコゲニド物質膜、遷移金属酸化膜、複数の遷移金属酸化物を含む合成物質膜、アルミニウム酸化膜、及び複数のアルミニウム酸化物を含む合成物質膜からなる群から選択された何れか一つで形成することを特徴とする請求項19に記載のトランジスタの製造方法。
- 前記遷移金属酸化膜をなす遷移金属は、Ti、V、Fe、Ni、Nb、及びTaからなる群から選択された何れか一つで形成することを特徴とする請求項20に記載のトランジスタの製造方法。
- 前記高誘電膜は、Al2O3膜、HfO2膜、及びZrO2膜のうち何れか一つで形成することを特徴とする請求項17に記載のトランジスタの製造方法。
- 前記第1導電層パターン及び第2導電層パターンは、前記物性変換層とショットキー接合され得る金属膜及びシリサイド膜のうち何れか一つで形成することを特徴とする請求項17に記載のトランジスタの製造方法。
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