JP2011124268A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、急峻なオン・オフ電流特性を、低電圧で実現する半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device that realizes steep on / off current characteristics at a low voltage.
トランジスタは、スイッチング素子としてコンピュータや様々な電子機器に利用されている。例えば、電界効果型トランジスタ(FET)は、広く一般に用いられている。このFETは、図6Aに示すように、例えばシリコン基板601に絶縁層602を介して形成されたゲート電極603と、ゲート電極603を挟むようにシリコン基板601に形成されたソース604およびドレイン605から構成されている。ソース604およびドレイン605は、いわゆる不純物を導入することで形成されている。
Transistors are used as switching elements in computers and various electronic devices. For example, field effect transistors (FETs) are widely used in general. As shown in FIG. 6A, this FET includes, for example, a
このFETは、ソース604,ドレイン605に用いる不純物の種類、ゲート電極603に印加する電圧、およびソース・ドレイン間に印加すする電圧の制御により、ソース604からドレイン605に対して正孔または電子を流すことが可能になる。このようなFETは、図6Bに示すような、ゲート電圧(Vg)に対するソース・ドレイン間の電流(I)の特性を備えている。
This FET controls the kind of impurities used for the
通常、FETをスイッチング素子として利用するときは、十分なソース・ドレイン間電流(オン電流Ion)が得られるゲート電圧(オン電圧Von)と、電流値が小さいソース・ドレイン間電流(オフ電流Ioff)となるゲート電圧(オフ電圧Voff)とを2値信号として利用する。このため、正常なスイッチング動作を実現するためには、十分に大きなオン電流Ionおよびオン/オフ比(Ion/Ioff)を得ることとが重要となる。一方、低消費電力化などの観点から、オン電圧Vonとオフ電圧Voffの差は小さいことが望まれている。 Usually, when an FET is used as a switching element, a gate voltage (on voltage V on ) at which a sufficient source-drain current (on current I on ) can be obtained, and a source-drain current (off current) having a small current value. used as I off) to become a gate voltage (oFF voltage V off) and a binary signal. Therefore, in order to realize a normal switching operation, it is important to obtain a sufficiently large on-current I on and on / off ratio (I on / I off ). On the other hand, it is desired that the difference between the on voltage V on and the off voltage V off is small from the viewpoint of reducing power consumption.
これらを実現するため、一般的に、ソース・ドレイン間電流が、ゲート電圧に対して非線形に変化する飽和領域にオフ電圧Voffを設定し、線形的に変化する線形領域にオン電圧Vonを設定している。また、さらなる改善として、飽和領域においてlog(I)/Vgを大きくすることも望まれる。このlog(I)/Vgの逆数は、サブスレッショルドスイング値(subthreshold swing value:S値)と表現され、FETの重要な性能(特性)を示すものとして用いられている。現在、FETの構造によりS値を小さくすることが試みられているが、S値の最小値は温度で決定され、上述した構造のFETでは、室温(20℃)で60mV/dec以下にすることはできない。 In order to realize these, generally, the off-voltage V off is set in a saturation region where the source-drain current changes nonlinearly with respect to the gate voltage, and the on-voltage V on is set in a linear region where the current changes linearly. It is set. As a further improvement, it is also desired to increase log (I) / V g in the saturation region. Reciprocal of the log (I) / V g is the subthreshold swing value (subthreshold swing value: S value) is represented, it has been used as an indication of important performance of the FET (characteristics). At present, attempts have been made to reduce the S value due to the structure of the FET. However, the minimum value of the S value is determined by temperature. I can't.
一方、S値を60mV/dec以下にする新たなFETも報告されている。この一例として、インパクト・イオン化現象を用いたMOS(Metal Oxide Semiconductor)がある(非特許文献1参照)。インパクト・イオン化現象を用いるMOSは、図7Aに示すように、絶縁層702を介して形成されたゲート電極703と、ゲート電極703を挟むように配置されたソース704およびドレイン705を備え、ソース704はp型領域とされ、ドレイン705はn型領域とされ、ソース704は、ゲート電極703から離れて形成されている。
On the other hand, a new FET having an S value of 60 mV / dec or less has been reported. As an example of this, there is a metal oxide semiconductor (MOS) using an impact ionization phenomenon (see Non-Patent Document 1). As shown in FIG. 7A, the MOS using the impact ionization phenomenon includes a
このMOSでは、単にドレイン705に正のバイアスを印加した状態では、図7Aの(a)に示すように、pn接合ダイオードの逆バイアス状態となるので、電流は流れない。ところが、この状態で、ゲート電極703にゲート電圧を印加してゲート電極703直下の半導体領域を反転すれば、図7Aの(b)に示すように、キャリアが直下の半導体領域に注入されてドレイン705と同じ電位となり、形成された反転領域の端(ピンチオフ点)とソース704端との間の電界が大きくなる。
In this MOS, when a positive bias is simply applied to the
これにより高電界領域で加速される少数キャリアが、高エネルギーを持つことになり電子−正孔ペアを形成する。この現象が雪崩式に起きることで、図7Aの(b)に示すように、急激に電子(白丸)および正孔(黒丸)が発生し、電子はn領域であるドレイン705に流れ込み、正孔はp領域であるソース704に流れ込む。この結果、ソース・ドレイン電流が発生するようになる。
As a result, minority carriers accelerated in a high electric field region have high energy and form electron-hole pairs. When this phenomenon occurs in an avalanche manner, as shown in FIG. 7A (b), electrons (white circles) and holes (black circles) are generated abruptly, and the electrons flow into the
上述したインパクト・イオン化現象を用いたMOS(インパクト・イオン化MOS)では、雪崩式に発生するキャリアを利用するので、図7Bに示すように、通常のトランジスタに比べ、ゲート電圧の印加により急激に電流が増える特性が得られ、60mV/decより小さなS値を得ることができる。従って、インパクト・イオン化MOSでは、VonとVoffの差を小さくしても大きなIon/Ioffが確保でき、低消費電力化や高速動作が期待できる。このため、インパクト・イオン化MOSは、高性能素子として注目を浴びている。 In the MOS (impact ionization MOS) using the impact ionization phenomenon described above, carriers generated in an avalanche type are used, and therefore, as shown in FIG. Is obtained, and an S value smaller than 60 mV / dec can be obtained. Therefore, in the impact ionization MOS, even if the difference between V on and V off is reduced, a large I on / I off can be secured, and low power consumption and high speed operation can be expected. For this reason, impact ionization MOS is attracting attention as a high-performance device.
しかしながら、上述したインパクト・イオン化MOSは、次に示すような問題がある。 However, the impact ionization MOS described above has the following problems.
まず、インパクト・イオン化MOSは、電子−正孔ペアを形成するのに十分なエネルギーをキャリアに持たせるために、大きなソース・ドレイン間電圧が必要となる点が問題となる。一般的な報告として、上述したソース・ドレイン間電圧として、5V以上は必要となっている。ソース−ドレイン間電圧で消費電力が決まるので、大きなソース・ドレイン間電圧は、低消費電力化の妨げとなる。 First, the impact ionization MOS has a problem in that a large source-drain voltage is required to give carriers sufficient energy to form an electron-hole pair. As a general report, the above-described source-drain voltage requires 5 V or more. Since the power consumption is determined by the source-drain voltage, a large source-drain voltage hinders low power consumption.
また、インパクト・イオン化MOSでは、電流−ゲート電圧特性にヒステリシスが現れる点が、問題点としてあげられる。インパクト・イオン化MOSでは、図7Cに示すように、オン状態における電流−ゲート電圧特性(実線)とオフ状態における電流−ゲート電圧特性(点線)とが異なる。これは、インパクト・イオン化MOSでは、オフ状態からオン状態にし、もう一度オフ状態に戻す際、雪崩的に増えたキャリアを除去することができないためである。また、インパクト・イオン化MOSでは、オフ状態であっても、少数キャリアは電流として流れてしまうので、オフ電流Ioffが通常のFETより大きくなってしまう傾向にある。これらは、本質的に解決が難しいといえる。 Further, in the impact ionization MOS, the point that hysteresis appears in the current-gate voltage characteristic is raised as a problem. In the impact ionization MOS, as shown in FIG. 7C, the current-gate voltage characteristic (solid line) in the on state is different from the current-gate voltage characteristic (dotted line) in the off state. This is because the impact ionized MOS cannot remove the avalanche-increased carriers when it is switched from the off state to the on state and then back to the off state. In the impact ionization MOS, minority carriers flow as current even in the off state, and therefore the off current I off tends to be larger than that of a normal FET. These are inherently difficult to solve.
また、作製上の難しさもある。インパクト・イオン化MOSでは、ソースおよびドレインを異なる導電形とし、また、ソースをゲート電極より離して形成することになる。このように、ソースおよびドレインで導入する不純物を異なるものとし、また、ゲート電極とソースとの間にギャップを形成することは、通常のFETと比較し、作製方法が複雑になるという問題がある。 There is also a difficulty in production. In the impact ionization MOS, the source and drain have different conductivity types, and the source is formed away from the gate electrode. Thus, different impurities are introduced at the source and the drain, and forming a gap between the gate electrode and the source has a problem that the manufacturing method is complicated as compared with a normal FET. .
また、上述したインパクト・イオン化MOS以外にも、S値をより小さくする新しいFETが提案されている。例えば、トンネルFET(非特許文献2参照)および架橋ゲート型FET(非特許文献3参照)などがある。しかしながら、これらのFETにおいても、高いドレイン−ソース間電圧や、複雑な素子構造、電流特性におけるヒステリシスなどの問題がある。 In addition to the above-described impact ionization MOS, a new FET with a smaller S value has been proposed. For example, there are a tunnel FET (see Non-Patent Document 2) and a bridged gate FET (see Non-Patent Document 3). However, these FETs also have problems such as a high drain-source voltage, a complicated element structure, and hysteresis in current characteristics.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、製造しやすい構造で、ソース・ドレイン間電圧を高くすることなく、安定した電流特性で、FETのS値を小さくすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and has a structure that is easy to manufacture, reduces the S value of the FET with stable current characteristics, without increasing the source-drain voltage. The purpose is to do.
本発明に係る半導体装置は、半導体層に形成されたチャネル層と、このチャネル層を挟んで半導体層に形成されたソースおよびドレインと、ソースおよびドレインの位置から離間してチャネル層の上に形成された第1ゲート電極と、第1ゲート電極およびソースの間のチャネル層の上に第1ゲート電極と絶縁分離されて形成された第2ゲート電極と、第1ゲート電極およびドレインの間のチャネル層の上に第1ゲート電極と絶縁分離されて形成された第3ゲート電極と、チャネル層を挟んで第1ゲート電極,第2ゲート電極,および第3ゲート電極に対向配置された第4ゲート電極とを少なくとも備える。 A semiconductor device according to the present invention is formed on a channel layer formed in a semiconductor layer, a source and a drain formed in the semiconductor layer with the channel layer interposed therebetween, and spaced from the position of the source and drain A first gate electrode, a second gate electrode formed on the channel layer between the first gate electrode and the source so as to be insulated from the first gate electrode, and a channel between the first gate electrode and the drain A third gate electrode formed on the layer so as to be insulated from the first gate electrode, and a fourth gate disposed opposite to the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode with the channel layer interposed therebetween And at least an electrode.
上記半導体装置において、第2ゲート電極および第3ゲート電極は等電位とされていてもよい。また、ソースおよびドレインは、半導体層に不純物が導入された領域であればよい。 In the semiconductor device, the second gate electrode and the third gate electrode may be equipotential. In addition, the source and the drain may be regions where impurities are introduced into the semiconductor layer.
上記半導体装置において、第2ゲート電極および第3ゲート電極に各々電圧が印加されることで、第2ゲート電極および第3ゲート電極の位置のチャネル層の各々にキャリアが誘起された2つの蓄積層が形成され、2つの蓄積層が形成されている状態で、第1ゲート電極にゲート電圧が印加されることで、2つの蓄積層の間のチャネル層に反転層が形成されて2つの蓄積層が反転層で接続され、ソースとドレインとの間に電流を流すことが可能とされる。 In the semiconductor device, two storage layers in which carriers are induced in each of the channel layers at the positions of the second gate electrode and the third gate electrode by applying voltages to the second gate electrode and the third gate electrode, respectively. In a state where two storage layers are formed, a gate voltage is applied to the first gate electrode, whereby an inversion layer is formed in the channel layer between the two storage layers, and the two storage layers Are connected by an inversion layer, and a current can flow between the source and the drain.
上記半導体装置において、2つの蓄積層が形成されている状態で、第1ゲート電極にゲート電圧が印加されているときに、第4ゲート電極にゲート電圧と同極性の電圧が印加されるようにしてもよい。また、2つの蓄積層が形成されている状態で、第1ゲート電極にゲート電圧が印加されているときに、第4ゲート電極にゲート電圧と異なる極性の電圧が印加されるようにしてもよい。 In the semiconductor device, when a gate voltage is applied to the first gate electrode in a state where two storage layers are formed, a voltage having the same polarity as the gate voltage is applied to the fourth gate electrode. May be. Further, when a gate voltage is applied to the first gate electrode in a state where two storage layers are formed, a voltage having a polarity different from the gate voltage may be applied to the fourth gate electrode. .
以上説明したように、本発明によれば、第1ゲート電極およびソースの間のチャネル層の上に第1ゲート電極と絶縁分離されて形成された第2ゲート電極、および第1ゲート電極およびドレインの間のチャネル層の上に第1ゲート電極と絶縁分離されて形成された第3ゲート電極を備えるようにしたので、製造しやすい構造で、ソース・ドレイン間電圧を高くすることなく、安定した電流特性で、FETのS値を小さくすることできるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the second gate electrode formed on the channel layer between the first gate electrode and the source and insulated from the first gate electrode, and the first gate electrode and the drain Since the third gate electrode formed on the channel layer between the first gate electrode and the first gate electrode is isolated, the structure is easy to manufacture and stable without increasing the source-drain voltage. With the current characteristic, an excellent effect that the S value of the FET can be reduced is obtained.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について説明する。本実施の形態1における半導体装置は、図1A〜1Cに示すように、まず、半導体層100に形成されたチャネル層101と、チャネル層101の上に形成された第1ゲート電極103と、チャネル層101を挟んで半導体層100に形成されたソース104およびドレイン105とを備えている。また、第1ゲート電極103は、絶縁層102を介してチャネル層101の上に形成され、ソース104およびドレイン105の位置から離間してチャネル層101の上に形成されている。なお、図1Aは、図1Bの平面図のaa’線の断面を示し、図1Cは、図1Bの平面図のcc’線の断面を示している。
[Embodiment 1]
First,
また、本実施の形態における半導体装置は、第1ゲート電極103およびソース104の間のチャネル層101の上に第1ゲート電極103と絶縁分離されて形成された第2ゲート電極109と、第1ゲート電極103およびドレイン105の間のチャネル層101の上に第1ゲート電極103と絶縁分離されて形成された第3ゲート電極111とを備える。また、チャネル層101を挟んで第1ゲート電極103,第2ゲート電極109,および第3ゲート電極111に対向配置された第4ゲート電極107を備える。第2ゲート電極109は、絶縁層108により第第1ゲート電極103と絶縁分離し、第3ゲート電極111は、絶縁層110により第1ゲート電極103と絶縁分離している。また、第4ゲート電極107とチャネル層101との間には、絶縁層106が形成されている。
In addition, the semiconductor device in this embodiment includes a
例えば、よく知られたSOI(Silicon on Insulator)基板を用いることで、本実施の形態における半導体装置を作製することができる。この場合、SOI基板のシリコン基部が、第4ゲート電極107となり、埋め込み絶縁層が絶縁層106となり、表面シリコン層が半導体層100となる。
For example, the semiconductor device in this embodiment can be manufactured by using a well-known SOI (Silicon on Insulator) substrate. In this case, the silicon base portion of the SOI substrate becomes the
製造方法について簡単に説明すると、まず、SOI基板の表面シリコン層を、公知のフォトリソグラフィー技術とエッチング技術とによりパターニングし、幅50nmおよび高さ(厚さ)30nm程度の筋状の半導体層100を形成する。半導体層100に、チャネル層101およびソース104,ドレイン105が形成される。
The manufacturing method will be briefly described. First, the surface silicon layer of the SOI substrate is patterned by a known photolithography technique and etching technique to form a stripe-
次に、形成した半導体層100を覆う絶縁層(絶縁層102)を形成し、この絶縁層の上にポリシリコン層を形成する。これらは、よく知られたCVD法やスパッタ法などにより各材料を堆積することで形成すればよい。次に、形成したポリシリコン層を、公知のフォトリソグラフィー技術とエッチング技術とによりパターニングし、第1ゲート電極103を形成する。第1ゲート電極103は、半導体層100の延在方向に直交する方向に延在する状態に形成する。
Next, an insulating layer (insulating layer 102) covering the formed
次に、第1ゲート電極103を覆う絶縁層を形成する。例えば、第1ゲート電極103の表面を熱酸化することで、この絶縁層を形成することができる。この絶縁層が絶縁層108および絶縁層110となる。
Next, an insulating layer covering the
次に、上述した絶縁層を形成した第1ゲート電極103を覆うように、第1ゲート電極103の上にポリシリコン層を形成し、このポリシリコン層を、公知のフォトリソグラフィー技術とエッチング技術とによりパターニングする。このパターニングでは、半導体層100が延在する方向において、チャネル層101を形成しようとする領域に対応する幅となるポリシリコンパターンを形成する。
Next, a polysilicon layer is formed on the
次に、このポリシリコンパターンをエッチバックして第1ゲート電極103の絶縁層が形成されている上面を露出させ、第1ゲート電極103の両脇に、第2ゲート電極109および第3ゲート電極111が形成された状態とする。例えば、よく知られたCMP法を用いてエッチバックすればよい。
Next, the polysilicon pattern is etched back to expose the upper surface of the
次に、上述したようにすることで形成した第2ゲート電極109,第3ゲート電極111,および第1ゲート電極103をマスクとし、半導体層100の上に形成されている絶縁層を選択的にエッチングする。このエッチングにより、前述した絶縁層102が形成され、絶縁層102により被覆されている領域の半導体層100にチャネル層101が形成され、半導体層100の、ソース104およびドレイン105となる領域が露出する。
Next, using the
次に、例えば、よく知られたイオン注入法により、半導体層100の上述した露出部分に不純物を導入し、例えば、n形とすることで、チャネル層101を挟むソース104およびドレイン105を形成する。以上のことにより、半導体層100,チャネル層101,第1ゲート電極103,ソース104,ドレイン105,第2ゲート電極109,第3ゲート電極111,および第4ゲート電極107が形成される。
Next, an impurity is introduced into the above-described exposed portion of the
この後、図1A〜図1Cには示していないが、第2ゲート電極109,第3ゲート電極111,および第1ゲート電極103などを覆う層間絶縁層を形成し、また、層間絶縁層にコンタクトホールを形成することで、ソース104,ドレイン105に接続するソース電極配線,ドレイン電極配線を形成する。また、同様にすることで、第1ゲート電極103,第2ゲート電極109,第3ゲート電極111の各々に接続するゲート電極配線を形成すればよい。
Thereafter, although not shown in FIGS. 1A to 1C, an interlayer insulating layer covering the
ここで、各部分の設計寸法について、一例を示す。絶縁層102,絶縁層106,絶縁層108,および絶縁層110は、FETを駆動する際の電圧で絶縁破壊が起きない程度で可能な限り薄い方が良い。例えば、これらの層厚は、駆動電圧(ゲート電圧など)が10Vであれば、10nm程度でよい。また、駆動電圧が下がれば、これに比例して層厚を薄くすることができる。また、絶縁層102,絶縁層108,および絶縁層110に関しては、これらの接する各ゲート電極からチャネル層101に電流が流れないことが望ましく、5nm以上が求められる。
Here, an example is shown about the design dimension of each part. The insulating
チャネル層101は、層厚が20〜40nm程度であればよい。また、幅(図1Bの紙面上下方向の長さ)は、20〜100nm程度であればよい。また、第1ゲート電極103の高さ(層厚)は、50nm程度であればよく、幅(図1Bの紙面左右方向の長さ)は、10nm以上であればよい。また、第2ゲート電極109および第3ゲート電極111は、高さが50nm程度であればよい。また、第2ゲート電極109および第3ゲート電極111は、チャネル層101の幅内に収まっていればよい。
The
次に、各ゲート電極や、ソース104およびドレイン105における不純物濃度について説明する。各ゲート電極をシリコンで構成する場合、リンなどのドナーを不純物として導入して金属的な特性を示す状態とすればよい。また、ソース104およびドレイン105についても同様である。このためには、例えば、導入されているリンの濃度が1018/cm3程度あれば問題ない。チャネル層101は、半導体特性を有する程度の不純物濃度であれば良い。ただし、後述するように、ソース104およびドレイン105との間に形成される物理的なpn接合を起因とするオフ電流Ioffを下げるためには、チャネル層101に含まれている不純物は低濃度のほうが望ましい。
Next, the impurity concentration in each gate electrode and the
次に、本実施の形態における半導体装置(FET)の動作について説明する。 Next, the operation of the semiconductor device (FET) in this embodiment will be described.
初期状態としては、第1ゲート電極103,第2ゲート電極109,および第3ゲート電極111に電圧を印加せず、図2Aに示すように、チャネル層101に電子がない場合を考える。
As an initial state, a case is considered in which no voltage is applied to the
この初期状態に対し、第2ゲート電極109および第3ゲート電極111に正の電圧を印加する。例えば、第2ゲート電極109および第3ゲート電極111に、同じ正の電圧を印加する。この印加電圧がある値以上になると、チャネル層101が反転し、図2Bに示すように、第2ゲート電極109の下のチャネル層101に電子(キャリア)が誘起された蓄積層201が形成され、第3ゲート電極111の下のチャネル層101にも、電子が誘起された蓄積層202が形成される。これは、いわゆるソースおよびドレインを、電気的に形成したことを意味する。
A positive voltage is applied to the
このようにして蓄積層201および蓄積層202が形成されている状態で、第1ゲート電極103に正の電圧を印加すれば、図2Cに示すように、第1ゲート電極103の下のチャネル層101に反転層203が形成され、蓄積層201と蓄積層202とが反転層203で接続されて、ソース104とドレイン105との間に電流が流れるようになる。
When a positive voltage is applied to the
以上に説明したように、本実施の形態によれば、トランジスタ電流に寄与する第1ゲート電極103で形成する反転層と、第2ゲート電極109および第3ゲート電極111で電気的に形成するソース(蓄積層)とドレイン(蓄積層)との間に物理的なpn接合がないため、物理的なpn接合に起因するオフ電流Ioffを抑制することが可能となる。よく知られているように、MOSトランジスタなどでは、ソース/反転層および反転層/ドレインにpn接合が存在しており、このpn接合に起因するオフ電流がnチャネルMOSトランジスタで問題となる(非特許文献3参照)。これに対し、本実施の形態における半導体装置によれば、反転層203と、これに隣接する蓄積層201および蓄積層202との間にはpn接合がないため、オフ電流の問題が発生しない。
As described above, according to the present embodiment, the inversion layer formed by the
次に、本実施の形態の半導体装置におけるS値について説明する。まず、ドレイン105に正の電圧を印加し、ソース104を接地した場合を考える。この場合、図3Aに示すように、第1ゲート電極103の下に完全な反転層が形成されず、少数の電子(白丸)がソース104からドレイン105に流れているとき、チャネル層101を構成する半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを持った電子は、ある確率で電子−正孔ペアを形成する。また、新たに発生した電子はドレイン105に流れ込む。
Next, the S value in the semiconductor device of this embodiment will be described. First, consider a case where a positive voltage is applied to the
一方、正孔(黒丸)は、第1ゲート電極103とは反対側(第4ゲート電極107の側)のチャネル層101に溜まる。これは、いわゆる、フローティングボディー効果と呼ばれる現象が原因である。他方、ソース104−チャネル層101−ドレイン105は,n領域−真性領域(または低濃度領域)−n領域というバイポーラ・トランジスタ構造となっており、各々エミッタ−ベース−コレクタの役割をなす。この状態は、図3Bに示すように、通常の電界効果トランジスタにバイポーラ・トランジスタが並列に接続された状態に等しい。
On the other hand, holes (black circles) accumulate in the
従って、チャネル層101に溜まった正孔は、ベース領域に流れ込むことになり、エミッタからコレクタ、つまりソース104からドレイン105に流れ込む電子数が増幅される。これにより、さらに電子−正孔ペアが形成(増幅)され、ソース・ドレイン間電流が雪崩式に急激に増加する。これは、結果的に電流特性のS値が小さくなることに等しい。
Accordingly, holes accumulated in the
本実施の形態によれば、チャネル層101に溜まる正孔や、この正孔と電子との再結合レートなどを、素子寸法およびゲート電圧などで制御することで、図3Cに示すように、ドレイン電圧の低減化、小ヒステリシス特性を実現しながら、S値を60mV/dec以下に下げることができる。
According to the present embodiment, the holes accumulated in the
ところで、上述したようにバイポーラ・トランジスタ構造による増幅効果を利用すると、一般にはオフ電流Ioffも増幅されてしまうが、本実施の形態では、上述したように、オフ電流Ioff自体が抑えられているので、図3Cに示すように良好なオフ電流特性が得られる。 By the way, when the amplification effect by the bipolar transistor structure is used as described above, the off-current I off is generally amplified, but in this embodiment, the off-current I off itself is suppressed as described above. Therefore, good off-current characteristics can be obtained as shown in FIG. 3C.
以上に説明したように、本実施の形態における半導体装置では、まず、第2ゲート電極および第3ゲート電極を新たに設ければよく、また、ソースおよびドレインを同じ導電形とすればよい。また、ソースとゲート電極との間隔およびドレインとゲート電極との間隔を、異なる状態とする必要がない。このように、本実施の形態における半導体装置は、現在一般に用いられているFETの製造プロセスを大きく変更するとなく、容易に製造できる構造となっている。また、本実施の形態における半導体装置によれば、上述したように、ソース・ドレイン間電圧を高くすることなく、安定した電流特性で、FETのS値を小さくすることができる。 As described above, in the semiconductor device in this embodiment, first, the second gate electrode and the third gate electrode may be newly provided, and the source and the drain may have the same conductivity type. In addition, the distance between the source and the gate electrode and the distance between the drain and the gate electrode need not be different. As described above, the semiconductor device according to the present embodiment has a structure that can be easily manufactured without largely changing the manufacturing process of the FET that is generally used at present. Also, according to the semiconductor device of the present embodiment, as described above, the S value of the FET can be reduced with stable current characteristics without increasing the source-drain voltage.
次に、他の動作について説明する。 Next, other operations will be described.
上述では、第4ゲート電極107を固定電位としたが、これに限るものではな。例えば、第4ゲート電極107を利用することで、より柔軟な電流制御が可能となる。第4ゲート電極107もチャネル層101と容量結合しているので、例えば正の電圧を印加することで、チャネル層101における蓄積層や反転層がより形成されやすくなる。この結果、第1ゲート電極103,第2ゲート電極109,および第3ゲート電極111への印加電圧を下げることができる。
In the above description, the
例えば、第4ゲート電極107に正の電圧(ゲート電圧と同極性の電圧)を印加することで、第1ゲート電極103に対するゲート電圧を低くしても、ソース・ドレイン間に流せる電流が小さくならずに済み、第1ゲート電極103に対するゲート電圧を低くしても、前述した場合と同程度の電流を流すことが可能となる。言い換えると、同じゲート電圧であれば、第4ゲート電極107に正の電圧を印加することで、ソース・ドレイン間の電流を増幅することができる。
For example, by applying a positive voltage (a voltage having the same polarity as the gate voltage) to the
ところで、第1ゲート電極103と、第2ゲート電極109および第3ゲート電極111との間には絶縁層108,絶縁層110があるため、これらの絶縁層の直下のチャネル層101においては、形成しようとする蓄積層の電荷密度が下がる。このため、動作時において、第1ゲート電極103,第2ゲート電極109,および第3ゲート電極111への印加電圧が大きくなる可能性がある。これに対し、第4ゲート電極107を利用する(第4ゲート電極107にゲート電圧と同極性の電圧を印加する)ことで、上述した各ゲート電極への印加電圧を補償することが可能となる。
By the way, since there are the insulating
また、第4ゲート電極107に印加する電圧により、ソース104およびドレイン105の間の電圧をさらに下げることが可能となる。第4ゲート電極107に負の電圧(ゲート電圧と異なる極性の電圧)を印加すると、図4に示すように、チャネル層101中の正孔(黒丸)は第4ゲート電極107の側に溜まりやすくなる。これにより、図3Bを用いて説明したバイポーラ・トランジスタ効果が、より顕著になり、さらにソース104−ドレイン105間の低電圧化が可能となる。これは、ソース・ドレイン間電圧を低くしても、前述の場合と同程度のソース・ドレイン間電流が得られることを示しており、言い換えると、第4ゲート電極107に対する電圧の印加により、ソース・ドレイン間電流の増幅効果が得られることになる。
In addition, the voltage applied to the
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について説明する。上述では、第2ゲート電極109および第3ゲート電極111に同じ電位を印加する場合について説明した。これは、第2ゲート電極109および第3ゲート電極111を一体に形成した場合と同様であり、例えば、図5に示すように、第1ゲート電極103の上を跨ぐように、絶縁層508を介して一体に形成した電極509としてもよい。なお、図5において、他の構成は、図1A〜図1Cを用いて説明した半導体装置と同様である。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the above description, the case where the same potential is applied to the
ただし、前述した実施の形態1において、第2ゲート電極109および第3ゲート電極111は、等電位とする必要はなく、各々に異なる電位を与え、第2ゲート電極109および第3ゲート電極111の下のチャネル層101に、各々異なる状態の電子の蓄積層を形成してもよい。
However, in
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。 It should be noted that the present invention is not limited to the embodiment described above, and that many modifications can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
例えば、上述では、ソースおよびドレインとする領域にいわゆる不純物を導入し、半導体層に不純物が導入された領域とすることで、n形もしくはp形としているが、これに限るものではない。例えば、チャネル層およびソース・ドレインを形成するシリコン層が20nm以下と薄い場合、ソース・ドレインに不純物を導入しなくてもよい。この場合、ソース・ドレインに対する電気的なコンタクトを金属で形成する際、金属が半導体領域と反応しその部分がn領域として作用するためである。また、第4ゲート電極107でチャネル層などの半導体領域を反転することでも、ソース・ドレインに不純物を導入する必要がなくなる。
For example, in the above description, so-called impurities are introduced into the source and drain regions and the impurity is introduced into the semiconductor layer to obtain the n-type or p-type, but this is not restrictive. For example, when the silicon layer forming the channel layer and the source / drain is as thin as 20 nm or less, impurities need not be introduced into the source / drain. In this case, when an electrical contact to the source / drain is formed of a metal, the metal reacts with the semiconductor region and the portion acts as an n region. Also, it is not necessary to introduce impurities into the source / drain by inverting the semiconductor region such as the channel layer with the
また、上述では、第1ゲート電極形成位置とソースとの間隔、および第1ゲート電極形成位置とドレインとの間隔を、同じ距離としたが、これに限るものではなく、これらの距離を異なる状態としてもよい。また、上述では、ソースおよびドレインをn形としたが、これに限るものではなく、ソースおよびドレインをp形の領域としてもよい。この場合、電流(ソース・ドレイン間電流)のキャリアは正孔となり、印加する各電圧の極性を逆にする。 In the above description, the distance between the first gate electrode formation position and the source and the distance between the first gate electrode formation position and the drain are the same distance. However, the present invention is not limited to this, and these distances are different. It is good. In the above description, the source and drain are n-type. However, the present invention is not limited to this, and the source and drain may be p-type regions. In this case, carriers of current (source-drain current) become holes, and the polarity of each voltage to be applied is reversed.
また、上述では、半導体としてシリコンを用いて説明したが、これに限るものではなく、例えば、ゲルマニウムや、化合物半導体などの他の半導体材料を用いる場合についても同様である。 In the above description, silicon is used as the semiconductor. However, the present invention is not limited to this, and the same applies to the case of using other semiconductor materials such as germanium and a compound semiconductor.
100…半導体層、101…チャネル層、102…絶縁層、103…第1ゲート電極、104…ソース、105…ドレイン、106…絶縁層、107…第4ゲート電極、108…絶縁層、109…第2ゲート電極、110…絶縁層、111…第3ゲート電極。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
このチャネル層を挟んで前記半導体層に形成されたソースおよびドレインと、
前記ソースおよび前記ドレインの位置から離間して前記チャネル層の上に形成された第1ゲート電極と、
この第1ゲート電極および前記ソースの間の前記チャネル層の上に前記第1ゲート電極と絶縁分離されて形成された第2ゲート電極と、
前記第1ゲート電極および前記ドレインの間の前記チャネル層の上に前記第1ゲート電極と絶縁分離されて形成された第3ゲート電極と、
前記チャネル層を挟んで前記第1ゲート電極,前記第2ゲート電極,および前記第3ゲート電極に対向配置された第4ゲート電極と
を少なくとも備えることを特徴とする半導体装置。 A channel layer formed in the semiconductor layer;
A source and a drain formed in the semiconductor layer across the channel layer;
A first gate electrode formed on the channel layer and spaced apart from the source and the drain;
A second gate electrode formed on the channel layer between the first gate electrode and the source and insulated from the first gate electrode;
A third gate electrode formed on the channel layer between the first gate electrode and the drain so as to be insulated from the first gate electrode;
A semiconductor device comprising: at least a first gate electrode, a second gate electrode, and a fourth gate electrode disposed to face the third gate electrode with the channel layer interposed therebetween.
前記第2ゲート電極および前記第3ゲート電極は等電位とされている
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device characterized in that the second gate electrode and the third gate electrode are equipotential.
前記ソースおよびドレインは、前記半導体層に不純物が導入された領域である
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The source and drain are regions in which impurities are introduced into the semiconductor layer.
前記第2ゲート電極および前記第3ゲート電極に各々電圧が印加されることで、前記第2ゲート電極および前記第3ゲート電極の位置の前記チャネル層の各々にキャリアが誘起された2つの蓄積層が形成され、
2つの前記蓄積層が形成されている状態で、前記第1ゲート電極にゲート電圧が印加されることで、2つの前記蓄積層の間の前記チャネル層に反転層が形成されて2つの前記蓄積層が前記反転層で接続され、前記ソースと前記ドレインとの間に電流を流すことが可能とされる
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
Two storage layers in which carriers are induced in each of the channel layers at the positions of the second gate electrode and the third gate electrode by applying voltages to the second gate electrode and the third gate electrode, respectively. Formed,
In a state where the two storage layers are formed, a gate voltage is applied to the first gate electrode, whereby an inversion layer is formed in the channel layer between the two storage layers, and the two storages A semiconductor device, wherein layers are connected by the inversion layer, and current can flow between the source and the drain.
2つの前記蓄積層が形成されている状態で、前記第1ゲート電極に前記ゲート電圧が印加されているときに、前記第4ゲート電極に前記ゲート電圧と同極性の電圧が印加される
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4.
When the gate voltage is applied to the first gate electrode in a state where the two storage layers are formed, a voltage having the same polarity as the gate voltage is applied to the fourth gate electrode. A featured semiconductor device.
2つの前記蓄積層が形成されている状態で、前記第1ゲート電極に前記ゲート電圧が印加されているときに、前記第4ゲート電極に前記ゲート電圧と異なる極性の電圧が印加される
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4.
When the gate voltage is applied to the first gate electrode in a state where the two storage layers are formed, a voltage having a polarity different from the gate voltage is applied to the fourth gate electrode. A featured semiconductor device.
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