JP2007149917A - Field effect transistor and its manufacturing method - Google Patents

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Kazunori Isogai
和範 磯貝
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ferroelectric gate FET operable at a low voltage and having a long data retention period, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: The field effect transistor comprises a semiconductor substrate 1; a gate insulating film 4 formed of a single crystal ferroelectric on the semiconductor substrate 1; a gate electrode 5 provided on the gate insulating film 4; and a source region 7 and a drain region 8 located laterally of the gate insulating film 4 and the gate electrode 5 on the semiconductor substrate 1, and involving impurities formed in a region sandwiching the gate electrode 5 as viewed in a plane. The gate insulating film 4 is composed of a single crystal ferroelectric, so that it is possible to reduce a leakage current on the gate insulating film 4. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電界効果トランジスタおよびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a field effect transistor and a manufacturing method thereof.

ゲート絶縁膜の少なくとも一部に強誘電体を使用した電界効果トランジスタ(以下、「強誘電体ゲートFET」と表記する)はスケーリング則に従って微細化することが可能で、かつ低電圧動作が可能な点を特徴とする不揮発性メモリである。そのため、強誘電体ゲートFETは、現在盛んに研究されている。   A field effect transistor (hereinafter, referred to as “ferroelectric gate FET”) using a ferroelectric as at least a part of a gate insulating film can be miniaturized according to a scaling law and can be operated at a low voltage. It is a non-volatile memory characterized by a point. Therefore, ferroelectric gate FETs are currently being actively researched.

強誘電体は電源を切った状態でも残留分極により電荷を有し、またこの分極の方向はゲート電極から強誘電体に印加する電圧の極性により切り替えができるため、不揮発性メモリに利用される。ただし、強誘電体が残留分極を有するためには結晶化している必要があり、結晶化に必要な温度は一般に600℃以上の高温である。   Ferroelectrics have a charge due to remanent polarization even when the power is turned off, and the direction of this polarization can be switched by the polarity of the voltage applied from the gate electrode to the ferroelectric, and thus is used for a nonvolatile memory. However, in order for the ferroelectric to have remanent polarization, it must be crystallized, and the temperature required for crystallization is generally a high temperature of 600 ° C. or higher.

図4は、従来の強誘電体ゲートFETを示す断面図である。同図に示すように、従来の強誘電体ゲートFETは、P型シリコン基板101上に設けられたゲート絶縁膜104と、ゲート絶縁膜104上に設けられたゲート電極105と、P型シリコン基板101のうちゲート絶縁膜104およびゲート電極105の側方に位置する領域に形成され、N型不純物を含むソース領域107およびドレイン領域108とを備えている。ゲート絶縁膜104は、P型シリコン基板101上に設けられた酸化シリコン膜204と、酸化シリコン膜204上に設けられた強誘電体膜205とからなっている(特許文献1参照)。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing a conventional ferroelectric gate FET. As shown in the figure, a conventional ferroelectric gate FET includes a gate insulating film 104 provided on a P-type silicon substrate 101, a gate electrode 105 provided on the gate insulating film 104, and a P-type silicon substrate. 101 includes a source region 107 and a drain region 108 which are formed in regions located on the sides of the gate insulating film 104 and the gate electrode 105 and contain N-type impurities. The gate insulating film 104 includes a silicon oxide film 204 provided on the P-type silicon substrate 101 and a ferroelectric film 205 provided on the silicon oxide film 204 (see Patent Document 1).

この強誘電体ゲートFETにおいて、ゲート電極105に印加された電圧は、強誘電体膜205と酸化シリコン膜204で分圧される。印加電圧をVとし、強誘電体膜205の比誘電率、膜厚をそれぞれεF、tFとし、酸化シリコン膜204の比誘電率、膜厚をそれぞれεI(=4)、tIとすると、強誘電体膜205に印加される電界EFは式(1)のようになる。
F=1/(tF+εFI/εI)×V ・・・(1)
強誘電体の比誘電率は材料によって異なるが、一般に数百程度である。強誘電体の残留分極の方向を切り替えるためには、抗電界以上の電界が必要となる。ここで、抗電界とは、強誘電体の分極を反転させるために必要な最低限の電界のことであり、強誘電体材料に固有のものである。
In this ferroelectric gate FET, the voltage applied to the gate electrode 105 is divided by the ferroelectric film 205 and the silicon oxide film 204. The applied voltage is V, the relative dielectric constant and film thickness of the ferroelectric film 205 are ε F and t F , respectively, and the relative dielectric constant and film thickness of the silicon oxide film 204 are ε I (= 4) and t I , respectively. Then, an electric field E F applied to the ferroelectric film 205 is as equation (1).
E F = 1 / (t F + ε F t I / ε I ) × V (1)
The relative dielectric constant of the ferroelectric differs depending on the material, but is generally about several hundreds. In order to switch the direction of the remanent polarization of the ferroelectric, an electric field higher than the coercive electric field is required. Here, the coercive electric field is a minimum electric field necessary for reversing the polarization of the ferroelectric material, and is inherent to the ferroelectric material.

次に、強誘電体ゲートFETの従来の製造方法について説明する。図5(a)〜(c)は、従来の強誘電体ゲートFETの製造方法の一部を示す断面図である。   Next, a conventional manufacturing method of the ferroelectric gate FET will be described. 5A to 5C are cross-sectional views showing a part of a conventional method for manufacturing a ferroelectric gate FET.

まず、図5(a)に示すように、P型シリコン基板101上面に熱酸化法などにより酸化シリコン膜204を形成した後、酸化シリコン膜204の上にスパッタ法などにより強誘電体膜205を形成する。次に、強誘電体膜205の残留分極特性を向上させる目的で600℃以上でアニールを行う。このとき、酸化シリコン膜204が無ければ、強誘電体膜205の構成元素がP型シリコン基板101へ拡散してしまい、チャネル特性が劣化する。すなわち、酸化シリコン膜204は拡散バリアとして機能する。   First, as shown in FIG. 5A, after a silicon oxide film 204 is formed on the upper surface of a P-type silicon substrate 101 by a thermal oxidation method or the like, a ferroelectric film 205 is formed on the silicon oxide film 204 by a sputtering method or the like. Form. Next, annealing is performed at 600 ° C. or higher for the purpose of improving the remanent polarization characteristics of the ferroelectric film 205. At this time, if there is no silicon oxide film 204, the constituent elements of the ferroelectric film 205 are diffused into the P-type silicon substrate 101, and the channel characteristics are deteriorated. That is, the silicon oxide film 204 functions as a diffusion barrier.

次に、図5(b)に示すように、強誘電体膜205上にポリシリコン層を形成し、その上にパターニングされたレジスト106を形成する。次いで、レジスト106をマスクとしてポリシリコン層、強誘電体膜205、酸化シリコン膜204を順次エッチングする。これにより、ポリシリコンからなるゲート電極105、およびゲート絶縁膜104が形成される。   Next, as shown in FIG. 5B, a polysilicon layer is formed on the ferroelectric film 205, and a patterned resist 106 is formed thereon. Next, the polysilicon layer, the ferroelectric film 205, and the silicon oxide film 204 are sequentially etched using the resist 106 as a mask. Thereby, a gate electrode 105 made of polysilicon and a gate insulating film 104 are formed.

次に、図5(c)に示すように、レジスト106を除去した後、ゲート電極105をマスクとしてP型シリコン基板101にN型不純物イオンを注入し、ソース領域107、ドレイン領域108を形成する。
特開平6−29549号公報
Next, as shown in FIG. 5C, after removing the resist 106, N-type impurity ions are implanted into the P-type silicon substrate 101 using the gate electrode 105 as a mask to form a source region 107 and a drain region 108. .
JP-A-6-29549

従来の強誘電体ゲートFETにおいて、酸化シリコンが拡散バリアとして機能するためにはある程度の膜厚が必要となる。一方、酸化シリコンの比誘電率は強誘電体より2桁ほど小さい。したがって、式(1)の右辺の分母の第2項εFI/εIは大きい。そのため、強誘電体に印加される電圧EFを抗電界以上にするためには電圧Vを大きくすることが必要となる。これは、微細化に伴い電源電圧が低電圧化する半導体業界のトレンドと合わない。 In a conventional ferroelectric gate FET, a certain thickness is required for silicon oxide to function as a diffusion barrier. On the other hand, the relative dielectric constant of silicon oxide is about two orders of magnitude smaller than that of a ferroelectric. Therefore, the second term ε F t I / ε I of the denominator on the right side of Equation (1) is large. Therefore, it is necessary to increase the voltage V in order to the voltage E F applied to the ferroelectric than coercive electric field. This is inconsistent with the trend of the semiconductor industry in which the power supply voltage is lowered with miniaturization.

また、従来の製造方法により作製された強誘電体ゲートFETでは、強誘電体からのリーク電流が大きく、分極電荷(データ)保持期間が短いという不具合があった。   In addition, the ferroelectric gate FET manufactured by the conventional manufacturing method has a problem that the leakage current from the ferroelectric is large and the polarization charge (data) holding period is short.

本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、低電圧動作が可能であり、データ保持期間の長い強誘電体ゲートFETおよびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a ferroelectric gate FET that can operate at a low voltage and has a long data retention period, and a method for manufacturing the same. .

上記課題を解決するために、本発明の電界効果トランジスタは、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、単結晶の誘電体からなるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、前記半導体基板のうち前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極の両側方に位置する領域に形成された不純物拡散領域とを備えている。   In order to solve the above problems, a field effect transistor of the present invention includes a semiconductor substrate, a gate insulating film provided on the semiconductor substrate and made of a single crystal dielectric, and a gate provided on the gate insulating film. And an impurity diffusion region formed in regions of the semiconductor substrate located on both sides of the gate insulating film and the gate electrode.

ゲート絶縁膜が単結晶の誘電体から構成されていることにより、多結晶の誘電体を用いる場合に比べてリーク電流を低減することができる。このため、例えば電界効果トランジスタを不揮発性メモリとして機能させる際に、データ保持時間を長くすることが可能となる。   Since the gate insulating film is composed of a single crystal dielectric, leakage current can be reduced as compared with the case where a polycrystalline dielectric is used. For this reason, for example, when the field effect transistor functions as a nonvolatile memory, it is possible to lengthen the data retention time.

特に、ゲート絶縁膜が単結晶の強誘電体からなっている場合には、分極特性を利用して電界効果トランジスタを不揮発性メモリとして動作させることができる。ここで、強誘電体の例としては、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスランタン、チタン酸鉛、タンタル酸ストロンチウムビスマスなどがある。   In particular, when the gate insulating film is made of a single crystal ferroelectric, the field effect transistor can be operated as a nonvolatile memory by utilizing polarization characteristics. Here, examples of the ferroelectric include bismuth titanate, bismuth lanthanum titanate, lead titanate, and strontium bismuth tantalate.

また、本発明の電界効果トランジスタによれば、ゲート電極に印加された電圧はすべて単結晶の強誘電体に印加される。そのため、不揮発性メモリとして動作する場合に、動作電圧を低減することが可能になる。   Further, according to the field effect transistor of the present invention, all the voltages applied to the gate electrode are applied to the single crystal ferroelectric. Therefore, the operating voltage can be reduced when operating as a non-volatile memory.

本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程(a)と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程(b)とを備え、前記工程(a)は、前記半導体基板上に単結晶の誘電体粒子を前記ゲート絶縁膜として配置する工程(a1)を含んでいる。   The field effect transistor manufacturing method of the present invention includes a step (a) of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate and a step (b) of forming a gate electrode on the gate insulating film, wherein the step (a ) Includes a step (a1) of disposing single-crystal dielectric particles as the gate insulating film on the semiconductor substrate.

この方法により、ゲート絶縁膜の形成後に結晶化アニール工程を行う必要がなくなる。特に誘電体粒子が強誘電体からなっている場合には、強誘電体材料の拡散防止膜を設ける必要がなくなり、ゲート電極に印加される電圧がほぼ全部ゲート絶縁膜に印加されるようになる。このため、駆動電圧を低くすることが可能となる。   This method eliminates the need for a crystallization annealing step after the gate insulating film is formed. In particular, when the dielectric particles are made of a ferroelectric, it is not necessary to provide a ferroelectric material diffusion prevention film, and almost all the voltage applied to the gate electrode is applied to the gate insulating film. . For this reason, the drive voltage can be lowered.

前記工程(a1)は、第1の走査プローブに電気パルスを印加して前記誘電体粒子を前記第1の走査プローブに接着させる工程と、前記第1の走査プローブに接着させた前記誘電体粒子を前記半導体基板上の所望の位置に移動する工程と、前記第1の走査プローブに前記電気パルスと反対符号の電気パルスを印加して前記誘電体粒子を前記半導体基板上に載置する工程とを含んでいてもよい。この方法によれば、第1の走査プローブを用いて所望の位置に誘電体粒子を配置させることができる。また、どのようなサイズの誘電体粒子もゲート絶縁膜として配置させることができるので、微細な電界効果トランジスタも作製することができる。   In the step (a1), an electric pulse is applied to the first scanning probe to bond the dielectric particles to the first scanning probe, and the dielectric particles bonded to the first scanning probe. To the desired position on the semiconductor substrate, and to apply the electric pulse having the opposite sign to the electric pulse to the first scanning probe to place the dielectric particles on the semiconductor substrate; May be included. According to this method, the dielectric particles can be arranged at a desired position using the first scanning probe. In addition, since any size of dielectric particles can be disposed as a gate insulating film, a fine field-effect transistor can be manufactured.

なお、前記工程(a)は、前記工程(a1)の後に、前記半導体基板を450℃以下で熱処理する工程をさらに含んでいてもよい。これにより、ゲート絶縁膜と半導体基板の密着性を向上させることができる。なお、この熱処理は従来の結晶化アニール工程よりも低い温度で行われるため、例えば強誘電体などの絶縁膜材料が用いられる場合、強誘電体材料の半導体基板への拡散が抑制されている。   In addition, the said process (a) may further include the process of heat-processing the said semiconductor substrate at 450 degrees C or less after the said process (a1). Thereby, the adhesion between the gate insulating film and the semiconductor substrate can be improved. Since this heat treatment is performed at a temperature lower than that of the conventional crystallization annealing process, for example, when an insulating film material such as a ferroelectric is used, diffusion of the ferroelectric material to the semiconductor substrate is suppressed.

本発明の電界効果トランジスタの製造方法によれば、単結晶の強誘電体からなるゲート絶縁膜を実現でき、ゲート絶縁膜と基板との間の拡散バリアは不要であるので低電圧動作が可能であり、データ保持期間の長い強誘電体ゲートFETを提供できる。   According to the method of manufacturing a field effect transistor of the present invention, a gate insulating film made of a single crystal ferroelectric can be realized, and a diffusion barrier between the gate insulating film and the substrate is not necessary, so that low voltage operation is possible. In addition, a ferroelectric gate FET having a long data retention period can be provided.

図1は、本発明の実施形態に係る電界効果トランジスタを示す断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a field effect transistor according to an embodiment of the present invention.

同図に示すように、本実施形態の電界効果トランジスタは、P型シリコン基板(半導体基板)1と、P型シリコン基板1の上に設けられ、単結晶の強誘電体からなるゲート絶縁膜4と、ゲート絶縁膜4の上に設けられ、例えばニッケル(Ni)からなるゲート電極5と、P型シリコン基板1のうちゲート絶縁膜4およびゲート電極5の側方であって、平面的に見てゲート電極5を挟む領域に形成されたN型不純物を含むソース領域7およびドレイン領域8(不純物拡散領域)とを備えている。本実施形態の電界効果トランジスタでは、ゲート絶縁膜4の材料として例えば単結晶のチタン酸ビスマスランタン(以下、「BLT」と略記する)により構成されている。ゲート絶縁膜4の膜厚は約65nmである。また、ゲート電極5の膜厚は、約50nmである。また、P型シリコン基板1のうち、ゲート電極5の直下方であってソース領域7とドレイン領域8とに挟まれた領域は、動作時にキャリアが走行するチャネル領域9となっている。このチャネル領域9のキャリア走行方向の幅(チャネル長)は約40nmである。   As shown in the figure, the field effect transistor of the present embodiment includes a P-type silicon substrate (semiconductor substrate) 1 and a gate insulating film 4 provided on the P-type silicon substrate 1 and made of a single crystal ferroelectric. And a gate electrode 5 made of, for example, nickel (Ni) and on the side of the gate insulating film 4 and the gate electrode 5 of the P-type silicon substrate 1. And a source region 7 containing an N-type impurity and a drain region 8 (impurity diffusion region) formed in a region sandwiching the gate electrode 5. In the field effect transistor of the present embodiment, the material of the gate insulating film 4 is composed of, for example, single crystal bismuth lanthanum titanate (hereinafter abbreviated as “BLT”). The thickness of the gate insulating film 4 is about 65 nm. The thickness of the gate electrode 5 is about 50 nm. In the P-type silicon substrate 1, a region immediately below the gate electrode 5 and sandwiched between the source region 7 and the drain region 8 is a channel region 9 in which carriers travel during operation. The width (channel length) of the channel region 9 in the carrier traveling direction is about 40 nm.

本実施形態の電界効果トランジスタでは、後述するようにゲート絶縁膜4の形成後に結晶化アニール工程を行わないので、強誘電体材料のP型シリコン基板1への拡散が抑制されている。そのため、強誘電体膜の下に拡散バリアを設ける必要がなくなっている。そして、拡散バリアを設けないことで、ゲート電極5に印加された電圧がほぼ全て強誘電体からなるゲート絶縁膜4に印加できるようになるため、本実施形態の電界効果トランジスタは、低電圧動作が可能となっている。また、ゲート絶縁膜4は単結晶の強誘電体で構成されているためゲート絶縁膜4におけるリーク電流が小さく抑えられており、分極電荷(データ)を長時間保持することが可能となっている。   In the field effect transistor of this embodiment, since the crystallization annealing step is not performed after the formation of the gate insulating film 4 as will be described later, diffusion of the ferroelectric material into the P-type silicon substrate 1 is suppressed. Therefore, it is not necessary to provide a diffusion barrier under the ferroelectric film. Since the diffusion barrier is not provided, almost all of the voltage applied to the gate electrode 5 can be applied to the gate insulating film 4 made of a ferroelectric. Therefore, the field effect transistor according to the present embodiment operates at a low voltage. Is possible. Further, since the gate insulating film 4 is made of a single crystal ferroelectric, the leakage current in the gate insulating film 4 is suppressed to be small, and polarization charges (data) can be held for a long time. .

本実施形態の電界効果トランジスタでは、ゲート絶縁膜4の抗電圧が例えば1.0V程度であるので、書き込み動作を1.8V程度、読み出し動作を0.3V程度で行うことができる。同一のゲート電圧を印加した場合、データが書き込まれた状態とデータが書き込まれていない状態とでは、ゲート絶縁膜4での残留分極の方向が異なるためにドレイン電流に差が出る。本実施形態の電界効果トランジスタでは、例えばドレイン電流の差を検出することによってデータを読み出すことができる。   In the field effect transistor of this embodiment, the coercive voltage of the gate insulating film 4 is, for example, about 1.0 V, so that the write operation can be performed at about 1.8 V and the read operation can be performed at about 0.3 V. When the same gate voltage is applied, there is a difference in drain current between the state where data is written and the state where data is not written because the direction of remanent polarization in the gate insulating film 4 is different. In the field effect transistor of this embodiment, data can be read by detecting a difference in drain current, for example.

次に、本実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法について説明する。図2(a)〜(c)は、本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法を説明するための図である。   Next, a method for manufacturing the field effect transistor according to this embodiment will be described. 2A to 2C are views for explaining a method of manufacturing the field effect transistor of this embodiment.

まず、図2(a)に示すように、あらかじめ準備された1辺が約65nmの直方体球状をしたBLT単結晶粒子14の積層体40に、AFM(原子間力顕微鏡)のプローブ10を接近させ、プローブ10に電気パルスを印加すると、BLT単結晶粒子14は残留分極を有するのでプローブ10に接着される。次に、BLT単結晶粒子14を接着させたプローブ10をP型シリコン基板1上の所望の位置まで移動させ、接着の際に印加した電気パルスとは反対符号の電気パルスを印加するなどして、P型シリコン基板1上に配置する。次に、450℃以下で熱処理を行い、BLT単結晶粒子14とP型シリコン基板1との密着性を向上させる。なお、以後の工程において、P型シリコン基板1に密着されたBLT単結晶粒子14を「ゲート絶縁膜4」と称する。本工程では、BLT単結晶粒子14の分極が発現する方位にBLT単結晶粒子14を配置することができる。   First, as shown in FIG. 2 (a), an AFM (Atomic Force Microscope) probe 10 is brought close to a layered body 40 of BLT single crystal particles 14 having a rectangular parallelepiped spherical shape with a side of about 65 nm prepared in advance. When an electric pulse is applied to the probe 10, the BLT single crystal particles 14 have remanent polarization and are bonded to the probe 10. Next, the probe 10 to which the BLT single crystal particles 14 are bonded is moved to a desired position on the P-type silicon substrate 1, and an electric pulse having a sign opposite to that applied at the time of bonding is applied. And placed on the P-type silicon substrate 1. Next, heat treatment is performed at 450 ° C. or lower to improve the adhesion between the BLT single crystal particles 14 and the P-type silicon substrate 1. In the subsequent steps, the BLT single crystal particles 14 in close contact with the P-type silicon substrate 1 are referred to as “gate insulating film 4”. In this step, the BLT single crystal particles 14 can be arranged in an orientation in which the polarization of the BLT single crystal particles 14 appears.

次に、図2(b)に示すように、あらかじめ準備された強磁性を有する導電体粒子、例えば1辺が約50nmの直方体形状をしたのニッケル粒子15の積層体50に、先端がニッケルでコーティングされ、適当な磁場が印加されたAFMのプローブ11を接近させると、磁場作用によりニッケル粒子15はプローブ11に接着される。次に、ニッケル粒子15を接着させたプローブ11をゲート絶縁膜4上に移動させ、プローブ11を400℃に加熱する。このとき、ニッケルのキュリー温度(強磁性が失われる温度)は360℃であるので、ニッケル粒子15はプローブ11から脱離し、ゲート絶縁膜4上に配置される。この後で、ニッケル粒子15とゲート絶縁膜4の密着性を向上させるため、熱処理を行ってもよい。なお、以後の工程ではゲート絶縁膜4上に載置されたニッケル粒子15のことを「ゲート電極5」と称する。   Next, as shown in FIG. 2 (b), the conductive particles having ferromagnetism prepared in advance, for example, a laminated body 50 of nickel particles 15 having a rectangular parallelepiped shape having a side of about 50 nm, the tip is made of nickel. When the AFM probe 11 coated and applied with an appropriate magnetic field is brought close, the nickel particles 15 are adhered to the probe 11 by the magnetic field action. Next, the probe 11 to which the nickel particles 15 are bonded is moved onto the gate insulating film 4, and the probe 11 is heated to 400 ° C. At this time, since the Curie temperature of nickel (the temperature at which ferromagnetism is lost) is 360 ° C., the nickel particles 15 are detached from the probe 11 and disposed on the gate insulating film 4. Thereafter, heat treatment may be performed to improve the adhesion between the nickel particles 15 and the gate insulating film 4. In the subsequent steps, the nickel particles 15 placed on the gate insulating film 4 are referred to as “gate electrodes 5”.

次に、図2(c)に示すように、ゲート電極5およびゲート絶縁膜4をマスクとして、P型シリコン基板1にN型不純物イオンを注入し、ソース領域7、ドレイン領域8、チャネル領域を形成する。チャネル領域のキャリアの走行方向に対して垂直方向での幅(チャネル幅)は約40nmである。以上により、本実施形態の電界効果トランジスタの主要部分が製造される。本実施形態の方法によれば、ゲート絶縁膜4の形成後に残留分極を十分に発現させるための結晶化アニール工程を行う必要がなくなるので、強誘電体の拡散防止膜を設ける必要がなくなる。そのため、本実施形態の電界効果トランジスタでは、ゲート電極5に印加された電圧がほぼ全部ゲート絶縁膜4に印加されることとなる。従って、本実施形態の電界効果トランジスタは、拡散防止膜を形成する場合に比べて低電圧で駆動することが可能になっている。   Next, as shown in FIG. 2C, N-type impurity ions are implanted into the P-type silicon substrate 1 using the gate electrode 5 and the gate insulating film 4 as a mask, and the source region 7, the drain region 8, and the channel region are formed. Form. The width of the channel region in the direction perpendicular to the carrier traveling direction (channel width) is about 40 nm. As described above, the main part of the field effect transistor of this embodiment is manufactured. According to the method of the present embodiment, it is not necessary to perform a crystallization annealing step for sufficiently expressing the remanent polarization after the gate insulating film 4 is formed, so that it is not necessary to provide a ferroelectric diffusion prevention film. Therefore, in the field effect transistor of this embodiment, almost all the voltage applied to the gate electrode 5 is applied to the gate insulating film 4. Therefore, the field effect transistor according to the present embodiment can be driven at a lower voltage than the case where the diffusion prevention film is formed.

次に、図2(a)に示されたBLT単結晶粒子14の作製方法について説明する。このBLT単結晶粒子14の作製は、図2の工程とは独立に行う。本実施形態ではプラズマ法を用いた作製方法を採用している(例えば、シーエムシー出版 小泉・奥山・目編集 2002年10月発行「ナノ粒子の製造・評価・応用・機器の最新情報」を参照)。本手法では酸素プラズマ中にBLTの有機原料液を噴霧し、1200℃以上の高温で瞬時に焼結させる。高温で作製するので強誘電性を有する層状ペロブスカイト結晶構造の粒子を得るのに適し、かつ大量生成が可能である。また、本手法によれば、全粒子の平均サイズを制御することもできる。   Next, a method for producing the BLT single crystal particle 14 shown in FIG. The production of the BLT single crystal particles 14 is performed independently of the process of FIG. In this embodiment, a manufacturing method using a plasma method is adopted (for example, see “Latest Information on Nanoparticle Production, Evaluation, Application, and Equipment” published in October 2002 by CMC Publishing, Koizumi, Okuyama, and Eye Editing). ). In this method, an organic raw material liquid of BLT is sprayed into oxygen plasma and sintered instantaneously at a high temperature of 1200 ° C. or higher. Since it is produced at a high temperature, it is suitable for obtaining particles having a layered perovskite crystal structure having ferroelectricity and can be produced in a large amount. Moreover, according to this method, the average size of all particles can also be controlled.

図3(a)は、上記の方法で作製されたBLT単結晶粒子14の、走査型電子顕微鏡(SEM)による表面観察写真である。同図より、上記の方法で作製されたBLT単結晶粒子14は球状に近く、その直径は25〜300nmの範囲内に分布していることが分かった。本実施形態の方法では、プローブ10(図2参照)を用いて適当な直径のBLT単結晶粒子14を選択してP型シリコン基板1上に載置させることができる。   FIG. 3A is a surface observation photograph of a BLT single crystal particle 14 produced by the above method using a scanning electron microscope (SEM). From the figure, it was found that the BLT single crystal particles 14 produced by the above method are almost spherical and their diameters are distributed in the range of 25 to 300 nm. In the method of this embodiment, the BLT single crystal particle 14 having an appropriate diameter can be selected and placed on the P-type silicon substrate 1 using the probe 10 (see FIG. 2).

また、図3(b)は、上述の方法により作製されたBLT単結晶粒子14のX線解析(XRD)パターンを示す図である。同図に示す解析から、BLTの層状ペロブスカイト結晶構造に特有の指数に関連したピークのみが検出され、BLTの結晶構造がほぼ単一であることが確認された。さらに、この結晶粒子を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、当該結晶粒子14は単結晶であることが確認された。   FIG. 3B is a diagram showing an X-ray analysis (XRD) pattern of the BLT single crystal particles 14 produced by the above-described method. From the analysis shown in the figure, only the peak related to the index peculiar to the layered perovskite crystal structure of BLT was detected, and it was confirmed that the crystal structure of BLT was almost single. Furthermore, when this crystal particle was observed with a transmission electron microscope (TEM), it was confirmed that the crystal particle 14 was a single crystal.

なお、上述の方法で作製されたBLT単結晶粒子14に対して沈降法あるいは遠心分離法などを用いれば、これらの結晶粒子群から1辺が約65nmの立方体形状をした粒子を分級することができる。このようにして、本実施形態の電界効果トランジスタに用いられるBLT単結晶粒子14を作製することができる。   If a sedimentation method or a centrifugal separation method is used for the BLT single crystal particles 14 produced by the above-described method, cubic particles having a side of about 65 nm can be classified from these crystal particle groups. it can. Thus, the BLT single crystal particle 14 used for the field effect transistor of this embodiment can be produced.

なお、本実施の電界効果トランジスタに用いられる1辺が約50nmの直方体形状をしたニッケル粒子15は、Science(2002)298、2176に掲載されている金粒子の作製方法を用いれば作製することができる。   Note that the nickel particles 15 having a rectangular parallelepiped shape with a side of about 50 nm used for the field effect transistor of the present embodiment can be manufactured by using the gold particle manufacturing method described in Science (2002) 298, 2176. it can.

なお、以上では、ゲート絶縁膜4の材料として単結晶のBLTを用いる例を説明したが、チタン酸ビスマス、チタン酸鉛、タンタル酸ストロンチウムビスマスなどの他の強誘電体の単結晶をゲート絶縁膜4として用いても効果は同様である。この場合でも、上述のプラズマ法を用いた作製方法により強誘電体の結晶粒子を作製することができる。   In the above, an example in which single crystal BLT is used as the material of the gate insulating film 4 has been described. However, other ferroelectric single crystals such as bismuth titanate, lead titanate, and strontium bismuth tantalate are used as the gate insulating film. Even if it is used as 4, the effect is similar. Even in this case, ferroelectric crystal particles can be manufactured by the above-described manufacturing method using the plasma method.

なお、本実施形態の電界効果トランジスタには、P型シリコン基板以外にも、N型シリコン基板や、シリコン以外の半導体材料からなる基板を用いることができる。   In addition, the field effect transistor of this embodiment can use not only a P-type silicon substrate but also an N-type silicon substrate or a substrate made of a semiconductor material other than silicon.

なお、BLT単結晶粒子14やニッケル粒子15は、上述した方法以外の方法によって作製されたものであってもよい。   The BLT single crystal particles 14 and the nickel particles 15 may be produced by a method other than the method described above.

本実施形態の製造方法では、強誘電体メモリとして用いられる電界効果トランジスタを作製したが、走査プローブを用いて金属酸化物などの誘電体単結晶を半導体基板上に載置することによって、単結晶の金属酸化物膜などの単結晶の誘電体膜をゲート絶縁膜とする電界効果トランジスタを作製することができる。従って、本実施形態の電界効果トランジスタは、単結晶の強誘電体に限らず、単結晶の金属酸化物などの誘電体からなるゲート絶縁膜を備えていてもよい。   In the manufacturing method of the present embodiment, a field effect transistor used as a ferroelectric memory is manufactured. By using a scanning probe to place a dielectric single crystal such as a metal oxide on a semiconductor substrate, the single crystal A field effect transistor having a single-crystal dielectric film such as a metal oxide film as a gate insulating film can be manufactured. Therefore, the field effect transistor of this embodiment is not limited to a single crystal ferroelectric material, and may include a gate insulating film made of a dielectric material such as a single crystal metal oxide.

また、ゲート電極の材料はNiに限られず、強磁性を有する材料であれば走査プローブを用いる本実施形態の方法を適用することができる。   The material of the gate electrode is not limited to Ni, and the method of this embodiment using a scanning probe can be applied as long as the material has ferromagnetism.

本発明の電界効果トランジスタおよびその製造方法は、ゲート絶縁膜の材料として強誘電体などを用いた不揮発性メモリトランジスタに有用である。   The field effect transistor and the manufacturing method thereof of the present invention are useful for a nonvolatile memory transistor using a ferroelectric or the like as a material of a gate insulating film.

本発明の実施形態に係る電界効果トランジスタを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the field effect transistor which concerns on embodiment of this invention. (a)〜(c)は、本発明の実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法を説明するための図である。(A)-(c) is a figure for demonstrating the manufacturing method of the field effect transistor which concerns on embodiment of this invention. (a)は、実施形態に係る電界効果トランジスタに用いられるBLT単結晶粒子の集団の走査型電子顕微鏡(SEM)による表面観察写真であり、(b)は、当該BLT単結晶粒子の集団のX線解析(XRD)パターンを示す図である。(A) is a surface observation photograph of a group of BLT single crystal particles used in the field effect transistor according to the embodiment by a scanning electron microscope (SEM), and (b) is an X of the group of BLT single crystal particles. It is a figure which shows a line analysis (XRD) pattern. 従来の強誘電体ゲートFETを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional ferroelectric gate FET. (a)〜(c)は、従来の強誘電体ゲートFETの製造方法の一部を示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows a part of manufacturing method of the conventional ferroelectric gate FET.

符号の説明Explanation of symbols

1 P型シリコン基板
4 ゲート絶縁膜
5 ゲート電極
7 ソース領域
8 ドレイン領域
9 チャネル領域
10、11 プローブ
14 BLT単結晶粒子
15 ニッケル粒子
40、50 積層体
1 P-type silicon substrate 4 Gate insulating film 5 Gate electrode 7 Source region 8 Drain region 9 Channel region 10, 11 Probe 14 BLT single crystal particle 15 Nickel particle 40, 50 Laminate

Claims (10)

半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、単結晶の誘電体からなるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、
前記半導体基板のうち前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極の両側方に位置する領域に形成された不純物拡散領域とを備えていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
A semiconductor substrate;
A gate insulating film provided on the semiconductor substrate and made of a single crystal dielectric;
A gate electrode provided on the gate insulating film;
A field effect transistor comprising an impurity diffusion region formed in a region of the semiconductor substrate located on both sides of the gate insulating film and the gate electrode.
前記ゲート絶縁膜は、単結晶の強誘電体からなることを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。   2. The field effect transistor according to claim 1, wherein the gate insulating film is made of a single crystal ferroelectric. 前記強誘電体は、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスランタン、チタン酸鉛、タンタル酸ストロンチウムビスマスのうちから選ばれた1つであることを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。   The field effect transistor according to claim 1, wherein the ferroelectric is one selected from bismuth titanate, bismuth lanthanum titanate, lead titanate, and strontium bismuth tantalate. 半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程(a)と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程(b)とを備え、
前記工程(a)は、前記半導体基板上に単結晶の誘電体粒子を前記ゲート絶縁膜として配置する工程(a1)を含むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
A step (a) of forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
And (b) forming a gate electrode on the gate insulating film,
The method (a) includes a step (a1) of disposing single-crystal dielectric particles as the gate insulating film on the semiconductor substrate.
前記誘電体粒子は強誘電体材料からなることを特徴とする請求項4に記載の電界効果トランジスタの製造方法。   5. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 4, wherein the dielectric particles are made of a ferroelectric material. 前記工程(a1)は、
第1の走査プローブに電気パルスを印加して前記誘電体粒子を前記第1の走査プローブに接着させる工程と、
前記第1の走査プローブに接着させた前記誘電体粒子を前記半導体基板上の所望の位置に移動する工程と、
前記第1の走査プローブに前記電気パルスと反対符号の電気パルスを印加して前記誘電体粒子を前記半導体基板上に載置する工程とを含んでいることを特徴とする請求項4記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The step (a1)
Applying an electrical pulse to a first scanning probe to adhere the dielectric particles to the first scanning probe;
Moving the dielectric particles adhered to the first scanning probe to a desired position on the semiconductor substrate;
5. The electric field according to claim 4, further comprising: applying an electric pulse having a sign opposite to that of the electric pulse to the first scanning probe and placing the dielectric particles on the semiconductor substrate. Effect transistor manufacturing method.
前記工程(a)は、前記工程(a1)の後に、前記半導体基板を450℃以下で熱処理する工程をさらに含んでいることを特徴とする請求項4記載の電界効果トランジスタの製造方法。   5. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 4, wherein the step (a) further includes a step of heat-treating the semiconductor substrate at 450 [deg.] C. or lower after the step (a1). 前記工程(b)は、前記ゲート絶縁膜上に導電体材料よりなる粒子を前記ゲート電極として配置する工程(b1)を含むことを特徴とする請求項4に記載の電界効果トランジスタの製造方法。   5. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 4, wherein the step (b) includes a step (b1) of disposing particles made of a conductive material on the gate insulating film as the gate electrode. 前記導電体材料は強磁性を有することを特徴とする請求項8に記載の電界効果トランジスタの製造方法。   9. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 8, wherein the conductor material has ferromagnetism. 前記工程(b1)は、
一部が強磁性材料でコートされた第2の走査プローブに磁場を印加して、前記第2の走査プローブに導電体材料からなる強磁性粒子を接着させる工程と、
前記第2の走査プローブに接着させた前記強磁性粒子を前記ゲート絶縁膜上に移動する工程と、
前記第2の走査プローブを前記強磁性粒子のキュリー温度以上にして前記強磁性粒子を前記ゲート絶縁膜上に載置する工程とを含んでいることを特徴とする請求項8に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
The step (b1)
Applying a magnetic field to a second scanning probe partially coated with a ferromagnetic material to adhere ferromagnetic particles made of a conductive material to the second scanning probe;
Moving the ferromagnetic particles adhered to the second scanning probe onto the gate insulating film;
9. The field effect according to claim 8, further comprising the step of placing the ferromagnetic particles on the gate insulating film by setting the second scanning probe to be equal to or higher than the Curie temperature of the ferromagnetic particles. A method for manufacturing a transistor.
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