JP2013004718A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
Semiconductor device and manufacturing method of the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013004718A JP2013004718A JP2011134072A JP2011134072A JP2013004718A JP 2013004718 A JP2013004718 A JP 2013004718A JP 2011134072 A JP2011134072 A JP 2011134072A JP 2011134072 A JP2011134072 A JP 2011134072A JP 2013004718 A JP2013004718 A JP 2013004718A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- graphene layer
- graphene
- metal catalyst
- channel region
- gate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Abstract
Description
本発明の実施形態は、グラフェン層をチャネルに用いた電界効果型の半導体装置及びその製造方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a field effect semiconductor device using a graphene layer as a channel and a method for manufacturing the same.
近年、グラフェン層をチャネルに用いたグラフェントランジスタが提案されている(例えば特許文献1及び非特許文献1参照)。このグラフェントランジスタは、シリコンデバイスとの置き換えにより、超高速動作や超低消費電力化を実現するものとして注目されている。 In recent years, a graphene transistor using a graphene layer as a channel has been proposed (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). This graphene transistor is attracting attention as a super high speed operation and ultra low power consumption by replacing it with a silicon device.
しかし、この種のグラフェントランジスタにおいては、チャネルのエネルギーバンドギャップが小さいため、オフリーク電流が大きく、消費電力増大を生じさせる問題がある。また、エネルギーバンドギャップを生成した状態のグラフェンでは、キャリアの移動度が低下する場合があり、これがトランジスタの高速動作を妨げる要因となる。さらに、従来技術のグラフェントランジスタでは、バックゲートでグラフェンの電子状態をn型やp型に制御した際、トップゲートとコンタクト領域の間に、高抵抗のp/n接合が形成される場合があり、これがトランジスタの駆動電流値を下げる要因になる。 However, since this type of graphene transistor has a small channel energy band gap, there is a problem that off-leakage current is large and power consumption is increased. Further, in graphene in a state where an energy band gap is generated, carrier mobility may decrease, which is a factor that hinders high-speed operation of the transistor. Further, in the graphene transistor of the prior art, when the electronic state of graphene is controlled to n-type or p-type by the back gate, a high resistance p / n junction may be formed between the top gate and the contact region. This causes a decrease in the drive current value of the transistor.
また、工業的に製造可能なグラフェン層は、金属触媒層等の伝導体の表面上に形成されるが、グラフェントランジスタ製造のためにはこの金属触媒層を除去する必要がある。この金属触媒層の除去された宙吊り状態のグラフェン層をチャネルとして用いる場合、この宙吊り状態のグラフェンに対してトップゲート等の構造を付加する加工は非常に困難である。特に、宙吊り状態のグラフェン層が、グラフェンナノリボン等の極微細構造である場合は、トップゲート等の加工の際に容易に壊れるため、更に加工が困難である。 In addition, an industrially manufacturable graphene layer is formed on the surface of a conductor such as a metal catalyst layer, but it is necessary to remove the metal catalyst layer in order to produce a graphene transistor. When the suspended graphene layer from which the metal catalyst layer is removed is used as a channel, it is very difficult to add a structure such as a top gate to the suspended graphene. In particular, when the suspended graphene layer has a very fine structure such as a graphene nanoribbon, it is easily broken during processing of a top gate or the like, and is further difficult to process.
発明が解決しようとする課題は、グラフェン層をチャネルに用いたグラフェントランジスタにおいて、オフリークの低減により低消費電力化をはかり得る電界効果型の半導体装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a field effect semiconductor device capable of reducing power consumption by reducing off-leakage in a graphene transistor using a graphene layer as a channel.
また、発明が解決しようとする他の課題は、上記の半導体装置の製造に際して、トップゲート形成工程によるナノリボン構造へのダメージを回避できる半導体装置の製造方法を提供することである。 Another problem to be solved by the invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of avoiding damage to the nanoribbon structure due to the top gate formation process in manufacturing the semiconductor device.
本発明の一態様の半導体装置は、基板上に形成され、所定のバンドギャップを有するグラフェン層から成るチャネル領域と、前記チャネル領域の両側にそれぞれ形成され、バンドギャップが前記チャネル領域よりも小さいグラフェン層から成るソース/ドレイン領域と、前記ソース/ドレイン領域の前記チャネル領域に接する部分の上にそれぞれ形成され、前記チャネルを横切るように相互に平行配置された2つのゲート電極と、前記ソース/ドレイン領域のコンタクト部にそれぞれ形成された金属触媒層と、を具備したことを特徴とする。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a channel region formed on a substrate and including a graphene layer having a predetermined band gap, and graphene formed on both sides of the channel region, each having a smaller band gap than the channel region. A source / drain region composed of layers, two gate electrodes formed on a portion of the source / drain region in contact with the channel region and arranged in parallel to each other so as to cross the channel, and the source / drain And a metal catalyst layer formed on each contact portion of the region.
また、本発明の別の態様の半導体装置の製造方法は、基板上に金属触媒層を島状に形成する工程と、前記金属触媒層上にグラフェン層を形成する工程と、前記グラフェン層上に相互に平行に2つのゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極間の前記グラフェン層上に、前記ゲート電極の対向方向に沿ったストライプを有し、且つ前記ゲート電極間よりも外側の前記グラフェン層を被覆する保護膜を形成する工程と、前記保護膜及び前記ゲート電極をマスクに用いて前記グラフェン層を選択エッチングする工程と、前記グラフェン層のエッチングにより露出した前記金属触媒層をエッチングすることにより、前記ゲート電極間の前記グラフェン層の下の前記金属触媒層を除去する工程と、を含むことを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a metal catalyst layer in an island shape on a substrate; forming a graphene layer on the metal catalyst layer; and forming the graphene layer on the graphene layer. Forming two gate electrodes in parallel to each other; and the graphene layer on the graphene layer between the gate electrodes, having a stripe along the opposing direction of the gate electrode and outside the gate electrode Forming a protective film covering the layer, selectively etching the graphene layer using the protective film and the gate electrode as a mask, and etching the metal catalyst layer exposed by etching the graphene layer And a step of removing the metal catalyst layer under the graphene layer between the gate electrodes.
本発明によれば、グラフェン層上に形成された2つのゲート電極に互いに逆方向の電圧を印加することにより、ゲート電極間に存するエネルギーバンドギャップがポテンシャル障壁となり、高いポテンシャル障壁を得ることができる。従って、オフリークの低減が可能となり、低消費電力化をはかることができる。 According to the present invention, by applying voltages in opposite directions to the two gate electrodes formed on the graphene layer, the energy band gap existing between the gate electrodes becomes a potential barrier, and a high potential barrier can be obtained. . Accordingly, off-leakage can be reduced, and power consumption can be reduced.
また、トップゲート加工の後にナノリボン加工を施すため、トップゲート形成工程によるナノリボン構造へのダメージを回避することができる。従って、金属触媒表面上に形成されたグラフェン層をチャネルに用いたトランジスタ構造を実現することができる。 Moreover, since nanoribbon processing is performed after top gate processing, damage to the nanoribbon structure due to the top gate formation step can be avoided. Therefore, a transistor structure using a graphene layer formed on the surface of the metal catalyst as a channel can be realized.
以下、実施形態の詳細を、図面を参照して説明する。 Details of the embodiment will be described below with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係わるグラフェントランジスタの概略構成を説明するためのもので、(a)は平面図、(b)は(a)の矢視A−A’断面図、(c)は(a)の矢視B−B’断面図である。
(First embodiment)
1A and 1B are diagrams for explaining a schematic configuration of the graphene transistor according to the first embodiment, in which FIG. 1A is a plan view, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. ) Is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG.
絶縁基板10上に、矩形状の金属触媒の薄膜21,22が、後述するトランジスタのソース・ドレイン方向に一定距離離して形成されている。ここで、薄膜21がソース側、薄膜22がドレイン側とする。各々の金属触媒薄膜21,22の対向領域と反対側にそれぞれ、例えば金等のコンタクト31,32が形成されている。そして、金属触媒薄膜21,22の表面上に、薄膜21,22間を跨ぐように1〜10層の膜厚のグラフェン層40が形成されている。従って、グラフェン層40は薄膜21,22間で宙吊り構造となっている。なお、絶縁基板10は基板そのものが絶縁体であっても良いし、半導体又は導電性の基板上にシリコン酸化膜或いはサファイア等の絶縁膜を形成したものであっても良い。
On the insulating
グラフェン層40上に、2組のゲートスタック(トップゲート)が、ソース・ドレイン間を分断する方向に相互に平行に形成されている。ソース側のゲートスタックは、例えば酸化アルミニウム等のゲート絶縁膜51と金等の金属を用いたゲート電極61で形成され、ドレイン側のゲートスタックは、例えば酸化アルミニウム等のゲート絶縁膜52と、金等の金属を用いたゲート電極62で形成されている。
On the
ゲート電極間のグラフェン層40はエッチングにより幅が狭くなっており、リボン状に加工されている。リボン状に加工されたグラフェンナノリボン45の幅は、例えば10nmに設定されている。
The
次に、本実施形態のグラフェントランジスタの製造方法について、図2〜図5を参照して説明する。なお、図2〜図5において、(a)は平面図、(b)は(a)の矢視A−A’断面図、(c)は(a)の矢視B−B’断面図を示している。 Next, the manufacturing method of the graphene transistor of this embodiment is demonstrated with reference to FIGS. 2 to 5, (a) is a plan view, (b) is a sectional view taken along line AA ′ in (a), and (c) is a sectional view taken along line BB ′ in (a). Show.
まず、図2(a)(b)に示すように、絶縁基板10上に、グラフェン成長のための触媒となる金属、例えば銅等の薄膜20を堆積させた後、例えばRIE(反応性イオンエッチング)等の手法にて、例えば矩形などの所望の形状の領域のみ薄膜20が残るようにエッチング工程を施し、金属触媒薄膜20のメサ構造を形成する。この矩形メサ構造の金属触媒薄膜20に対してその両端に、例えば金等のコンタクト31,32を形成した後に、金属触媒薄膜20の表面上に、化学的気相成長法等の既知の方法にて1層乃至10層の膜厚のグラフェン層40を形成させる。具体的には、例えばエチレンやアセチレンのガスを用いて金属触媒薄膜20の表面上にカーボンを析出させるようにする。
First, as shown in FIGS. 2A and 2B, a
なお、金属触媒上に形成するグラフェンは、絶縁層上に形成するグラフェンと比較して格段に作りやすく、より工業的に現実的なものである。また、グラフェン層40の成長工程は、コンタクト31,32の形成工程前でも良く、更に金属触媒薄膜20のメサ加工の前でも良い。
Note that graphene formed on a metal catalyst is much easier to make than graphene formed on an insulating layer, and is more industrially realistic. Further, the growth process of the
次いで、図3(a)(b)に示すように、例えば酸化アルミニウム等の絶縁膜と金等の金属膜を積層した後に、これらをRIE等でゲート構造に加工することにより、2組のゲートスタックを形成する。即ち、ゲート絶縁膜51,52とゲート電極61,62から成る2組のゲートスタック(トップゲート)を、ソース・ドレイン間を分断する方向に二本、平行に形成する。この際、2本のゲート電極の間隔は素子の性能の要請から決められる。即ち、ゲート間隔が短すぎるとソース・ドレイン間のトンネル電流が大きくなり過ぎるため、間隔は1nm以上あるとよい。一方、ゲート間隔が長過ぎるとチャネルの抵抗が高くなり、回路の動作速度が低下するので、ゲート間隔は100nm以下、望ましくは20nm以下がよい。
Next, as shown in FIGS. 3A and 3B, an insulating film such as aluminum oxide and a metal film such as gold are stacked, and then processed into a gate structure by RIE or the like, whereby two sets of gates are formed. Form a stack. That is, two sets of gate stacks (top gates) composed of the
次いで、図4(a)〜(c)に示すように、ソース側のコンタクト31とゲートスタック51,61との間のグラフェン層40と、ドレイン側のコンタクト32とゲートスタック52,62との間のグラフェン層40とを、それぞれ被覆する保護膜70を、例えばSiO2 等で形成する。さらに、この保護膜70は、2つのゲート電極の間に露出したグラフェン領域の一部を被覆する細線部分75を有する。
Next, as shown in FIGS. 4A to 4C, the
次いで、図5(a)〜(c)に示すように、例えばRIEにて保護膜70にて被覆されていない部分のグラフェン層40を除去する。その結果、2つのゲート領域の間にのみグラフェンナノリボン45が形成される。ここで、グラフェンナノリボン45の幅はエネルギーバンドギャップに関係する。即ち、十分なバンドギャップを得るためには、ナノリボン幅は20nm以下が望ましく、更に望ましくは10nm以下がよい。
Next, as shown in FIGS. 5A to 5C, the portion of the
なお、グラフェン層40にバンドギャップを形成する方法としては、必ずしもグラフェン層40をナノリボンに加工するに限らない。例えば、グラフェン層40に、酸素や水素等をドーピングする化学的修飾によっても良いし、グラフェン層に半径が10nm前後の微小な穴を高密度で形成し、グラフェン層40を網目状に加工するアンチドット欠陥導入によっても良い。
Note that a method for forming a band gap in the
続いて、酸等の薬液により金属触媒薄膜20を溶解し、除去する工程を施す。この際、2つのゲートの間の金属触媒薄膜20が露出した状態で薬液に浸すことにより、薬液が両ゲートの下部の領域の金属触媒薄膜20まで侵入し、更に2つのゲートスタックの間のグラフェンナノリボン45の下部の領域の金属触媒薄膜20にも同様に侵入する。即ち、等方的エッチングで除去される部分25は、2つのゲートスタックの間のギャップ部分を中心に、2つのゲートスタックの下部の領域、及びグラフェンナノリボン45の下部の金属触媒薄膜20をも含む領域に及ぶ。これにより、金属触媒薄膜20はソース側21とドレイン側22とに分離されることになる。
Subsequently, a step of dissolving and removing the metal catalyst
ここで、ゲート下部の金属触媒薄膜20の一部が残留していたとしても、ナノリボン側のゲート端下部の金属触媒が十分に除去されているならば、何ら問題はない。本実施形態では、トップゲート領域下部の金属触媒薄膜20が全て除去された場合を示している。
Here, even if a part of the metal catalyst
これ以降は、保護膜70を除去することにより、前記図1に示した本実施形態の素子構造が完成することになる。なお、保護膜70は必ずしも除去しなくてもよい。
Thereafter, by removing the
次に、本実施形態のトランジスタの動作について説明する。図6は、第1の実施形態のトランジスタの動作を説明するためのもので、(a)はグラフェン層とゲートとの配置を示す図、(b)(c)は(a)の構造のグラフェン素子の、グラフェンナノリボンを含むA−A’線上のエネルギーバンド図である。さらに、図6(b)はオフ状態におけるバンド構造を示し、図6(c)はオン状態におけるバンド構造を示している。 Next, the operation of the transistor of this embodiment will be described. 6A and 6B are diagrams for explaining the operation of the transistor of the first embodiment. FIG. 6A is a diagram illustrating the arrangement of a graphene layer and a gate, and FIGS. 6B and 6C are graphenes having the structure of FIG. It is an energy band figure on the AA 'line containing a graphene nanoribbon of an element. Further, FIG. 6B shows the band structure in the off state, and FIG. 6C shows the band structure in the on state.
ここで、バンドギャップの生成されていないグラフェン領域においては、伝導バンドと荷電子バンドが接するディラック点80が存在する。一方、グラフェンナノリボン45が形成された領域では、伝導バンドと荷電子バンドの間にエネルギーバンドギャップ81が存在する。
Here, in the graphene region where no band gap is generated, there is a
まず、オフ状態を図6(b)で説明する。ドレインに正のバイアスを与えることにより、電子のフェルミエネルギー82は、ドレイン領域においてソース領域よりも低下する(図6(b)83)。このとき、ソース側のゲート電極61に負のバイアスを与えることにより、該ゲート下のグラフェン領域のディラック点の移動84が生じ、その結果、該グラフェン領域はp型となる。同時に、ドレイン側のゲート電極62に正のバイアスを与えることにより、該ゲート下のグラフェン領域のディラック点の移動85が生じ、その結果、該グラフェン領域はn型となる。
First, the off state will be described with reference to FIG. By applying a positive bias to the drain, the
以上の操作によりフェルミエネルギー近傍の伝導電子のソース側からドレイン側への伝播において、グラフェンナノリボンのソース端に高いエネルギー障壁が形成され、同時に、正孔のドレイン側からソース側への伝播においても同様に高いエネルギー障壁が形成される。従って、オフ状態における熱的励起によるリーク電流は、バンドギャップのエネルギー値以上のポテンシャル障壁により、低減されると期待される。また、グラフェンナノリボン長を最適に設計することにより、p型のソース領域からn型のドレイン領域へのバンド間トンネリングの距離(トンネリング長)を十分に長く設定することが可能であり、従って、トンネル電流によるオフリーク電流が抑制されることが期待される。 By the above operation, a high energy barrier is formed at the source end of the graphene nanoribbon in the propagation of conduction electrons near the Fermi energy from the source side to the drain side, and at the same time, the same is true in the propagation of holes from the drain side to the source side. A high energy barrier is formed. Therefore, the leakage current due to thermal excitation in the off state is expected to be reduced by a potential barrier equal to or higher than the band gap energy value. In addition, by optimizing the length of the graphene nanoribbon, it is possible to set a sufficiently long interband tunneling distance (tunneling length) from the p-type source region to the n-type drain region. It is expected that off-leakage current due to current is suppressed.
次に、オン状態を図6(c)で説明する。オフ状態において負のバイアスを与えたソース側のゲート電極61に対して、電圧の極性を反転させると、ソース側ゲートの下のグラフェン領域におけるディラック点の移動84の極性が反転する。その結果、グラフェンナノリボンで生成されたエネルギーバンドギャップが、常にフェルミエネルギーよりも低エネルギー側に存在することになる。これにより、グラフェンナノリボンを電子が伝播できるようになり、従ってトランジスタがオン状態になる。ここで、ソース側のゲート電極61ではなく、ドレイン側のゲート電極62に対して、逆極性の負のバイアスを与えても、グラフェンナノリボンのエネルギーバンドギャップ81が、常にフェルミエネルギー82よりも高エネルギー側になるため、トランジスタはオン状態にできる。さらに、ソース側或いはドレイン側の少なくとも一方のゲートバイアスの大きさをオフ状態よりも更に大きくすると、バンド間のトンネル長が短くなり、従ってトランジスタをオン状態にすることも可能である。
Next, the ON state will be described with reference to FIG. When the polarity of the voltage is reversed with respect to the source-
ここで、グラフェントランジスタがオン状態の時、グラフェンナノリボン領域に注入される電子は、幅広のグラフェンにおける高い速度を有しており、従って高速度の注入電子速度が期待される。さらに、グラフェンナノリボンのリボン長を、従来技術と比較して格段に短くすることが可能であり、グラフェンナノリボンにおける移動度の劣化の回路の動作速度に対する影響を最低限に抑制することが可能である。 Here, when the graphene transistor is in the ON state, electrons injected into the graphene nanoribbon region have a high speed in the wide graphene, and thus a high injection electron speed is expected. Furthermore, the ribbon length of the graphene nanoribbon can be significantly shortened compared to the prior art, and the influence of the mobility deterioration in the graphene nanoribbon on the operation speed of the circuit can be minimized. .
以上の方法により、高速かつ低リーク電流で動作する、本実施形態のトランジスタが、金属触媒層上のグラフェンで製造される。特に、本実施形態のトランジスタにおいては、バンドギャップが生成された領域は宙吊り構造のグラフェンであるため、更に高い電荷移動度が期待される。さらに、トップゲートのゲート長を短くできるため、トップゲートとグラフェン層間の静電容量の低減が期待される。 By the above method, the transistor of this embodiment that operates at high speed and with low leakage current is manufactured with graphene on the metal catalyst layer. In particular, in the transistor of this embodiment, since the region where the band gap is generated is graphene having a suspended structure, higher charge mobility is expected. Furthermore, since the gate length of the top gate can be shortened, the capacitance between the top gate and the graphene layer is expected to be reduced.
また、上記実施形態の動作バイアスの電圧の極性を全て反転させても、同様の原理でトランジスタ動作が可能である。即ち、負のドレインバイアス、正のソース側ゲートバイアス、負のドレイン側ゲートバイアスでオフ状態が得られソース側ゲートバイアスを負に、或いはドレイン側ゲートバイアスを正にすることでオン状態が得られる。これは、本実施形態のトランジスタの極性が、n型にもp型にも自由に変化可能であることを意味し、従って電気的に再構成可能な回路が実現する。 Further, even if the polarity of the operation bias voltage in the above embodiment is reversed, the transistor operation can be performed based on the same principle. That is, an off state can be obtained by a negative drain bias, a positive source side gate bias, and a negative drain side gate bias, and an on state can be obtained by making the source side gate bias negative or by making the drain side gate bias positive. . This means that the polarity of the transistor of the present embodiment can be freely changed between n-type and p-type, and thus an electrically reconfigurable circuit is realized.
このように本実施形態によれば、グラフェン層40のグラフェンナノリボン領域45を横切るように2本のゲートを形成しているため、これらのゲートに逆方向の電圧を印加することにより、2つのゲートの間に存するエネルギーバンドギャップがポテンシャル障壁となる。従って、高いポテンシャル障壁により確実なオフ状態が得られ、消費電力の低減をはかることができる。
As described above, according to the present embodiment, since the two gates are formed so as to cross the
また、移動度の低いナノリボン領域を極力短くでき、更にナノリボン部分への電荷の注入速度がバルクのグラフェンにおける非常に高速度な電子によるものであるため、トランジスタの動作速度が向上する。さらに、最も移動度の劣化するナノリボン部分が宙吊りグラフェン状態であることが、電荷の移動度上昇をもたらすため、本実施形態の構造は更なるトランジスタの動作速度向上に寄与する。また、本実施形態の構造では、トップゲート加工の後にナノリボン加工を施すため、トップゲート工程によるナノリボン構造へのダメージを回避できる利点もある。 In addition, the nanoribbon region having low mobility can be shortened as much as possible, and further, the operation speed of the transistor is improved because the charge injection speed into the nanoribbon portion is due to very high-speed electrons in the bulk graphene. Further, since the nanoribbon portion where the mobility is most deteriorated is in the suspended graphene state, the mobility of the charge is increased, so that the structure of this embodiment contributes to further increase in the operation speed of the transistor. In addition, the structure of this embodiment has an advantage that damage to the nanoribbon structure due to the top gate process can be avoided because nanoribbon processing is performed after top gate processing.
なお、本実施形態の構成において、グラフェン層にエネルギーオフセットを与えるためにバックゲートを形成しても良いし、グラフェン層全体に不純物付着により電子又は正孔をドープすることによりグラフェン層をp型又はn型にしても良い。 Note that in the configuration of this embodiment, a back gate may be formed in order to give an energy offset to the graphene layer, or the graphene layer may be p-type or doped by doping electrons or holes by attaching impurities to the entire graphene layer. It may be n-type.
(第2の実施形態)
図7は、第2の実施形態に係わるグラフェントランジスタの概略構成を説明するためのもので、(a)は平面図、(b)は(a)の矢視A−A’断面図、(c)は(a)の矢視B−B’断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
(Second Embodiment)
7A and 7B are diagrams for explaining a schematic configuration of the graphene transistor according to the second embodiment, in which FIG. 7A is a plan view, FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. ) Is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same part as FIG. 1, and the detailed description is abbreviate | omitted.
本実施形態が先に説明した第1の実施形態と異なる点は、ゲート領域下部の金属触媒を全て除去するのではなく、ゲート領域下部の金属触媒の一部を残留させたことにある。基本的な構成は第1の実施形態と同様であり、ゲート領域下の金属触媒薄膜は、グラフェンリボン側が除去され、ソース・ドレイン電極側が残っている。 The difference between this embodiment and the first embodiment described above is that not all of the metal catalyst in the lower portion of the gate region is removed, but a part of the metal catalyst in the lower portion of the gate region is left. The basic configuration is the same as in the first embodiment, and the metal catalyst thin film under the gate region is removed on the graphene ribbon side and the source / drain electrode side remains.
このような構成であれば、先に説明した第1の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、次のような利点も得られる。即ち、ゲート領域下部における金属触媒層が一部残留するので、ゲート電極61,62で制御された状態のグラフェン層40に金属触媒薄膜21,22が電気的に直に接する。このため、ゲート領域の内外で極性が異なる場合にそれらの境界にディラック点を含む高抵抗の状態を回避することができ、駆動電流の増大に寄与する。このとき、ゲート領域とコンタクト領域のオーバーラップが生じるため、素子面積の低減にも寄与する。
With such a configuration, the following advantages can be obtained as well as the same effects as those of the first embodiment described above. That is, since a part of the metal catalyst layer remains in the lower part of the gate region, the metal catalyst
(第3の実施形態)
図8は、第3の実施形態に係わるグラフェントランジスタの概略構成を説明するためのもので、(a)は平面図、(b)は(a)の矢視A−A’断面図、(c)は(a)の矢視B−B’断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
(Third embodiment)
8A and 8B are diagrams for explaining a schematic configuration of the graphene transistor according to the third embodiment. FIG. 8A is a plan view, FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. ) Is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same part as FIG. 1, and the detailed description is abbreviate | omitted.
本実施形態が先の第1の実施形態と異なる点は、ゲートを2本ではなく1本にしたことである。 The difference between this embodiment and the first embodiment is that the number of gates is one instead of two.
本実施形態では、グラフェン層40に対して、ゲート絶縁膜51及びゲート電極61からなる1本のトップゲートを形成する。グラフェン層40で構成されるチャネル領域は、以下の通りの方法で規定される。即ち、チャネル領域の片方の端がゲートをマスクとして限定され、もう一方の端がマスク(図示せず)によって限定されるようにして、チャネル部分を露出させる。その上で、チャネル領域が半導体的になるような加工、即ちグラフェン層40にバンドギャップを形成する工程を施す。ここで、チャネル領域が半導体的になるような加工とは、第1の実施形態において説明した方法と同様であり、化学的修飾によっても良いし、アンチドット欠陥導入によっても良い。
In the present embodiment, one top gate including the
なお、本実施形態では、ゲート動作に必要な電圧の極性を一方のみで良くするために、グラフェン層全体をp型或いはn型にドーピングするようになっている。グラフェン層全体に、例えばカリウム等の金属を付着させることによって電子をドープすれば、グラフェン層はn型になる。同様に、グラフェン層全体に、例えば酸素等の物質を付着させることによって正孔をドープすれば、グラフェン層はp型になる。さらに、必ずしもグラフェン層全体をドーピングによりn型又はp形にするのではなく、チャネル領域及びソース/ドレイン領域の一方のみをp形或いはn形にドーピングするようにしても良い。 In the present embodiment, the entire graphene layer is doped p-type or n-type in order to improve the polarity of the voltage required for the gate operation to only one side. If electrons are doped by attaching a metal such as potassium to the entire graphene layer, the graphene layer becomes n-type. Similarly, if holes are doped by attaching a substance such as oxygen to the entire graphene layer, the graphene layer becomes p-type. Furthermore, the entire graphene layer is not necessarily made n-type or p-type by doping, but only one of the channel region and the source / drain region may be doped p-type or n-type.
また、グラフェン層をn型又はp形にする代わりに、例えば基板の裏面側にバックゲートを形成し、バックゲートバイアスを与える構造としても良い。グラフェン素子構造において、バックゲートバイアスを印加することで、フェルミエネルギーに対するディラック点のエネルギーオフセットを与えることで、グラフェン層全体に亘ってn型、或いはp型にすることが可能になる。 Further, instead of making the graphene layer n-type or p-type, for example, a back gate may be formed on the back side of the substrate to give a back gate bias. In a graphene element structure, by applying a back gate bias, an energy offset of a Dirac point with respect to Fermi energy is given, so that it can be made n-type or p-type over the entire graphene layer.
このような構造を採用することにより、第1の実施形態の構造と比較して、ゲートが一つ少ないため、素子の面積を低減することができ、従って作製プロセスの簡略化、及び集積度の増大をはかることができる。さらに、これによって、ゲート動作に必要な電圧の極性が正負の一方のみで良くなり、従って回路の設計が容易となる。 By adopting such a structure, the area of the element can be reduced because the number of gates is less than that of the structure of the first embodiment, so that the manufacturing process can be simplified and the degree of integration can be reduced. Can increase. In addition, this allows only one of the positive and negative polarities of the voltage required for the gate operation, and therefore facilitates circuit design.
図9は、第3の実施形態のトランジスタの動作を説明するためのもので、(a)はグラフェン層とゲートとの配置を示す図、(b)はオン状態におけるバンド構造を示す図、(c)はオフ状態におけるバンド構造を示す図である。なお、図9中の90〜95は図6中の80〜85に相当している。 9A and 9B are diagrams for explaining the operation of the transistor according to the third embodiment. FIG. 9A is a diagram illustrating the arrangement of the graphene layer and the gate, and FIG. 9B is a diagram illustrating the band structure in the ON state. c) is a diagram showing a band structure in an off state. Note that 90 to 95 in FIG. 9 correspond to 80 to 85 in FIG. 6.
まず、正電圧のバックゲートバイアス等によりグラフェン層の全体がn型になった場合を説明する。このとき、フェルミエネルギーがバンドギャップよりも高エネルギー側にあるため、トランジスタはオン状態であり、高い電荷注入速度で電流が流れる。この場合、ドレインバイアスは正電圧であり、図9(b)に示すように、ドレイン電圧によるフェルミエネルギーの移動93が生じる。ここで、ゲートに負の電圧を印加することにより、図9(c)に示すように、ディラック点の移動96が生じる。その結果、チャネルのソース端ではポテンシャル障壁が高くなり、従って熱励起リーク電流が抑制される。また、チャネルのソース側がp型、ドレイン側がn型の極性を有しており、それらの間はバンドギャップ91で仕切られるため、その半導体的領域の長さを適切に選ぶことで、バンド間トンネリングが十分に抑制され、従ってオフリーク電流が抑制される。
First, a case where the entire graphene layer becomes n-type due to a positive voltage back gate bias or the like will be described. At this time, since the Fermi energy is on the higher energy side than the band gap, the transistor is in an on state, and a current flows at a high charge injection rate. In this case, the drain bias is a positive voltage, and as shown in FIG. 9B, a
次に、負電圧のバックゲートバイアス等によりグラフェン層の全体がp型になった場合も、上記の正電圧のバックゲートバイアスの場合と同様である。即ち、ゲートに電圧を印加しなければトランジスタはオン状態であり、高い電荷注入速度で電流が流れる。この場合、ドレインバイアスは負電圧であり、ゲート電極に正の電圧を印加することによって、トランジスタのオフ状態を得ることができる。 Next, the case where the entire graphene layer becomes p-type due to a negative voltage back gate bias or the like is the same as the case of the positive voltage back gate bias. That is, if no voltage is applied to the gate, the transistor is on, and current flows at a high charge injection rate. In this case, the drain bias is a negative voltage, and an off state of the transistor can be obtained by applying a positive voltage to the gate electrode.
このように本実施形態によれば、ゲートが1本でありながら第1の実施形態と同様の原理でトランジスタ動作が可能となり、第1の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、第1の実施形態の構造と比較してゲートが一つ少ないため、作製プロセスの簡略化及び集積度の増大化をはかり得ると云う利点もある。 As described above, according to the present embodiment, although the number of gates is one, the transistor operation can be performed on the same principle as in the first embodiment, and the same effect as in the first embodiment can be obtained. Moreover, since the number of gates is one less than that of the structure of the first embodiment, there is an advantage that the manufacturing process can be simplified and the degree of integration can be increased.
(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。実施形態では、チャネル領域を構成するグラフェンナノリボンは1本としたが、必ずしもこれに限らずグラフェンナノリボンを複数本にしても良い。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiments. In the embodiment, the number of graphene nanoribbons constituting the channel region is one, but the present invention is not limited to this, and a plurality of graphene nanoribbons may be used.
グラフェン層の下地となる金属触媒層は、必ずしも銅に限るものではなく、化学的気相成長法等によりグラフェンが形成されるものであれば良く、鉄、コバルト、ニッケル等を用いることも可能である。ゲート電極間のグラフェン層に対してエネルギーバンドギャップを生じさせる加工を施す方法としては、グラフェン層をリボン状に加工するに限らず、化学的修飾によっても良いし、アンチドット欠陥導入によっても良い。 The metal catalyst layer that is the base of the graphene layer is not necessarily limited to copper, and any graphene can be used as long as graphene is formed by chemical vapor deposition or the like, and iron, cobalt, nickel, or the like can be used. is there. The method of performing the process for generating the energy band gap on the graphene layer between the gate electrodes is not limited to processing the graphene layer into a ribbon shape, but may be performed by chemical modification or by introducing antidot defects.
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…絶縁基板
20,21,22…金属触媒層
31…コンタクト層(ソース)
32…コンタクト層(ドレイン)
40…グラフェン層
51…ゲート絶縁膜(ソース側)
61…ゲート電極(ソース側)
52…ゲート絶縁膜(ドレイン側)
62…ゲート電極(ドレイン側)
70…保護膜
25…等方的エッチングで除去される部分
45…グラフェンナノリボン
80…ディラック点
81…エネルギーバンドギャップ
82…フェルミエネルギー
83…ドレイン電圧によるフェルミエネルギーの移動
84…ソース側ゲートの電界によるディラック点の移動
85…ドレイン側ゲートの電界によるディラック点の移動
10 ... Insulating
32 ... Contact layer (drain)
40 ...
61 ... Gate electrode (source side)
52. Gate insulating film (drain side)
62 ... Gate electrode (drain side)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記チャネル領域の両側にそれぞれ形成され、バンドギャップが前記チャネル領域よりも小さいグラフェン層から成るソース/ドレイン領域と、
前記ソース/ドレイン領域の前記チャネル領域に接する部分の上にそれぞれ形成され、前記チャネルを横切るように相互に平行配置された2つのゲート電極と、
前記ソース/ドレイン領域のコンタクト部にそれぞれ形成された金属触媒層と、
を具備したことを特徴とする半導体装置。 A channel region formed of a graphene layer formed on a substrate and having a predetermined band gap;
A source / drain region formed on each side of the channel region and comprising a graphene layer having a smaller band gap than the channel region;
Two gate electrodes respectively formed on portions of the source / drain regions in contact with the channel region and arranged in parallel with each other so as to cross the channel;
Metal catalyst layers respectively formed on contact portions of the source / drain regions;
A semiconductor device comprising:
前記金属触媒層上にグラフェン層を形成する工程と、
前記グラフェン層上に相互に平行に2つのゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極間の前記グラフェン層上に、前記ゲート電極の対向方向に沿ったストライプを有し、且つ前記ゲート電極間よりも外側の前記グラフェン層を被覆する保護膜を形成する工程と、
前記保護膜及び前記ゲート電極をマスクに用いて前記グラフェン層を選択エッチングする工程と、
前記グラフェン層のエッチングにより露出した前記金属触媒層をエッチングすると共に、前記ゲート電極間の前記グラフェン層の下の前記金属触媒層をエッチングする工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a metal catalyst layer in an island shape on the substrate;
Forming a graphene layer on the metal catalyst layer;
Forming two gate electrodes parallel to each other on the graphene layer;
Forming a protective film on the graphene layer between the gate electrodes, having a stripe along the facing direction of the gate electrode, and covering the graphene layer outside the gate electrode;
Selectively etching the graphene layer using the protective film and the gate electrode as a mask;
Etching the metal catalyst layer exposed by etching the graphene layer and etching the metal catalyst layer under the graphene layer between the gate electrodes;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記チャネル領域の両側にそれぞれ形成され、バンドギャップが前記チャネル領域よりも小さいグラフェン層から成るソース/ドレイン領域と、
前記ソース/ドレイン領域の一方で前記チャネル領域に接する部分の上に、前記チャネル領域を横切るように配置されたゲート電極と、
前記ソース/ドレイン領域のコンタクト部にそれぞれ形成された金属触媒層と、
を具備し、
前記チャネル領域及び前記ソース/ドレイン領域の一方はドーパントを有することを特徴とする半導体装置。 A channel region formed of a graphene layer formed on a substrate and having a predetermined band gap;
A source / drain region formed on each side of the channel region and comprising a graphene layer having a smaller band gap than the channel region;
A gate electrode disposed across the channel region on a portion of the source / drain region contacting the channel region;
Metal catalyst layers respectively formed on contact portions of the source / drain regions;
Comprising
One of the channel region and the source / drain region has a dopant.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011134072A JP2013004718A (en) | 2011-06-16 | 2011-06-16 | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011134072A JP2013004718A (en) | 2011-06-16 | 2011-06-16 | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013004718A true JP2013004718A (en) | 2013-01-07 |
Family
ID=47672975
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011134072A Withdrawn JP2013004718A (en) | 2011-06-16 | 2011-06-16 | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2013004718A (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014017592A1 (en) * | 2012-07-27 | 2014-01-30 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Graphene transistor and manufacturing method therefor |
CN103903987A (en) * | 2014-03-25 | 2014-07-02 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | Method for manufacturing suspension graphene transistor based on self-alignment |
WO2014162625A1 (en) * | 2013-04-03 | 2014-10-09 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Connection structure, manufacturing method for same, and semiconductor device |
US9312368B2 (en) | 2013-11-15 | 2016-04-12 | Samsuung Electronics Co., Ltd. | Graphene device including separated junction contacts and method of manufacturing the same |
JP2016525995A (en) * | 2013-05-01 | 2016-09-01 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェKoninklijke Philips N.V. | Method for producing a partially independent two-dimensional crystal film and device comprising such a film |
-
2011
- 2011-06-16 JP JP2011134072A patent/JP2013004718A/en not_active Withdrawn
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014017592A1 (en) * | 2012-07-27 | 2014-01-30 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Graphene transistor and manufacturing method therefor |
WO2014162625A1 (en) * | 2013-04-03 | 2014-10-09 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Connection structure, manufacturing method for same, and semiconductor device |
JP2014212308A (en) * | 2013-04-03 | 2014-11-13 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Connection structure, manufacturing method of the same, and semiconductor device |
TWI552191B (en) * | 2013-04-03 | 2016-10-01 | Fujitsu Ltd | Connection structure and manufacturing method thereof, semiconductor device |
US10008605B2 (en) | 2013-04-03 | 2018-06-26 | Fujitsu Limited | Connecting structure and method for manufacturing the same, and semiconductor device |
JP2016525995A (en) * | 2013-05-01 | 2016-09-01 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェKoninklijke Philips N.V. | Method for producing a partially independent two-dimensional crystal film and device comprising such a film |
TWI655327B (en) * | 2013-05-01 | 2019-04-01 | 皇家飛利浦有限公司 | Method of manufacturing a partially freestanding two-dimensional crystal film and device comprising such a film |
US11033862B2 (en) | 2013-05-01 | 2021-06-15 | Koninklijke Philips N.V. | Method of manufacturing partially freestanding two-dimensional crystal film and device comprising such a film |
US9312368B2 (en) | 2013-11-15 | 2016-04-12 | Samsuung Electronics Co., Ltd. | Graphene device including separated junction contacts and method of manufacturing the same |
CN103903987A (en) * | 2014-03-25 | 2014-07-02 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | Method for manufacturing suspension graphene transistor based on self-alignment |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5553266B2 (en) | Fabrication method of nanowire field effect transistor | |
KR102191220B1 (en) | Integrated circuit devices including source/drain extension regions and method of forming the same | |
JP4309967B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP5513955B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP5279807B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP6671371B2 (en) | Tunnel field effect transistor and method of manufacturing the same | |
KR100696197B1 (en) | Multiple-gate MOS transistor using the Si substrate and a method for manufacturing the same | |
US8735999B2 (en) | Semiconductor device | |
JP2011192667A (en) | Transistor and method of manufacturing the same | |
JP6588340B2 (en) | Nitride power device and manufacturing method thereof | |
WO2009119479A1 (en) | Semiconductor device, and method for manufacturing the same | |
JP2011198938A (en) | Transistor | |
JP2014220522A (en) | Semiconductor element | |
WO2014017592A1 (en) | Graphene transistor and manufacturing method therefor | |
JP2013004718A (en) | Semiconductor device and manufacturing method of the same | |
US7511344B2 (en) | Field effect transistor | |
US9997596B2 (en) | Tunneling field-effect transistor with a plurality of nano-wires and fabrication method thereof | |
US20180138288A1 (en) | Silicon carbide semiconductor element and method of manufacturing silicon carbide semiconductor | |
CN102157548A (en) | Transistor based on graphene layer | |
KR102059131B1 (en) | Graphene device, and method of fabricating the same | |
JP5170958B2 (en) | Field effect transistor and manufacturing method thereof | |
JP2018101667A (en) | Semiconductor device and manufacturing method of the same | |
CN108417635B (en) | Quantum dot device and manufacturing method thereof | |
CN106898643B (en) | High-mobility channel double-nanowire field effect transistor and preparation method thereof | |
JP5196470B2 (en) | Double insulated gate field effect transistor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20140902 |