JP2015035478A - Field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディラック電子系材料を用いた電界効果トランジスタに関する。 The present invention relates to a field effect transistor using a Dirac electronic material.
現在のコンピュータの消費電力は、情報を操作し蓄積するために必要なエネルギーのほかに、デバイスや配線で散逸されるジュール熱によって大きくなっている。このエネルギー散逸は、電子の流れが格子欠陥やフォノンによって散乱される過程で生じる。よって、昨今の省電力化の要請に応えるためには、デバイス中における電子散乱を如何にして抑制するかが重要である。 In addition to the energy required to manipulate and store information, current computer power consumption is increased by Joule heat dissipated in devices and wiring. This energy dissipation occurs in the process in which the electron flow is scattered by lattice defects and phonons. Therefore, in order to meet the recent demand for power saving, it is important how to suppress electron scattering in the device.
電子散乱を抑制するための一つの解決策として、近年、ディラック電子系と呼ばれる結晶系の伝導特性を活用することが提案されている。この新規材料において電子散乱が抑制されるのは、キャリアの有効方程式が質量ゼロのディラック方程式と同形となり、バンド構造の特異点まわりでトポロジカルな量子力学的位相がちょうどπとなるからである(非特許文献1)。このことは、量子力学的干渉によって電子の後方散乱が大幅に抑制され、デバイスチャネルの移動度が高くなり、電力消費が減ることを意味している。 In recent years, as one solution for suppressing electron scattering, it has been proposed to use the conduction characteristics of a crystal system called a Dirac electron system. Electron scattering is suppressed in this new material because the effective carrier equation is the same as the Dirac equation with zero mass, and the topological quantum mechanical phase around the singular point of the band structure is exactly π (non- Patent Document 1). This means that the backscattering of electrons is greatly suppressed by quantum mechanical interference, the mobility of the device channel is increased, and the power consumption is reduced.
ディラック電子系の中で特に注目を集めているのが、2004年に作製されたグラフェンと、2007年に理論的に提案されたトポロジカル絶縁体である(非特許文献2)。 Of particular interest in the Dirac electron system are graphene produced in 2004 and topological insulators theoretically proposed in 2007 (Non-Patent Document 2).
上述のように、ディラック電子系の量子効果を活用することにより電子散乱を抑制できることが理論的に予想されている。そして、グラフェンやトポロジカル絶縁体がディラック電子系としてのバンド構造を有していることは、第一原理計算と実験の両方から確認もされている。 As described above, it is theoretically expected that electron scattering can be suppressed by utilizing the quantum effect of the Dirac electron system. It has also been confirmed from both first-principles calculations and experiments that graphene and topological insulators have a band structure as a Dirac electron system.
しかしながら、ディラック電子系の量子効果は、そのデバイス化においては、十分に活用できていなかった。まず、トポロジカル絶縁体は、その存在が予言されたのが2007年と比較的最近であり、現在でも基礎研究の方に重点が置かれている。また、グラフェンは、デバイス化の研究においてはトポロジカル絶縁体に先行してはいるが、作製されたデバイス中では量子効果を活用して電子散乱を抑制できる段階には至っていなかった。それどころか、トランジスタとして使用するために必要とされる最低限の3つの機能、スイッチング(高いオン/オフ比)、ドレイン電流の飽和、素早い応答性、を同時に達成することすら実現できてはいなかった。 However, the quantum effect of the Dirac electron system has not been fully utilized in the device formation. First, the existence of topological insulators was predicted relatively recently in 2007, and the basic research is still emphasized. Graphene precedes topological insulators in device research, but has not yet reached the stage where electron scattering can be suppressed using the quantum effect in the fabricated devices. On the contrary, it has not been possible to simultaneously achieve the minimum three functions required for use as a transistor, switching (high on / off ratio), drain current saturation, and quick response.
また、グラフェントランジスタは現在のところ、オン/オフ比を高めようとするとチャネル移動度が犠牲になる、チャネル移動度が最大化されるようなトランジスタチャネルにおいてはドレイン電流が飽和しない、というジレンマを抱えており、実際的応用に必要な条件を満たすことができていなかった。 In addition, graphene transistors currently have the dilemma that channel mobility is sacrificed when the on / off ratio is increased, and that the drain current does not saturate in transistor channels where channel mobility is maximized. And did not meet the requirements for practical application.
本発明の目的は、高いチャネル移動度と高いオン/オフ比とを両立しうる電界効果トランジスタを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a field effect transistor that can achieve both high channel mobility and high on / off ratio.
実施形態の一観点によれば、ディラック電子系材料よりなるチャネル層と、前記チャネル層に接続されたソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層の第1の面上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に形成された第1のゲート電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層の第2の面上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2の絶縁膜上に形成された第2のゲート電極とを有し、前記第1のゲート絶縁膜は、前記チャネル層と前記第1のゲート電極との間の静電容量が、前記ソース電極側から前記ドレイン電極側に向かって徐々に大きくなっている電界効果トランジスタが提供される。 According to one aspect of the embodiment, a channel layer made of a Dirac electronic material, a source electrode and a drain electrode connected to the channel layer, and a first of the channel layer between the source electrode and the drain electrode. A first gate insulating film formed on the surface of the first gate electrode, a first gate electrode formed on the first insulating film, and a second layer of the channel layer between the source electrode and the drain electrode. A second gate insulating film formed on the surface and a second gate electrode formed on the second insulating film, wherein the first gate insulating film includes the channel layer and the channel layer. A field effect transistor is provided in which a capacitance between the first gate electrode and the first gate electrode gradually increases from the source electrode side toward the drain electrode side.
また、実施形態の他の観点によれば、ディラック電子系材料よりなるチャネル層と、前記チャネル層に接続されたソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層の第1の面上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に形成された複数の第1のゲート電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層の第2の面上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2の絶縁膜上に形成された第2のゲート電極とを有する電界効果トランジスタが提供される。 According to another aspect of the embodiment, a channel layer made of a Dirac electronic material, a source electrode and a drain electrode connected to the channel layer, and the channel layer between the source electrode and the drain electrode A first gate insulating film formed on the first surface, a plurality of first gate electrodes formed on the first insulating film, and between the source electrode and the drain electrode. A field effect transistor having a second gate insulating film formed on the second surface of the channel layer and a second gate electrode formed on the second insulating film is provided.
開示の電界効果トランジスタによれば、高いチャネル移動度と高いオン/オフ比とを両立した高速且つ低消費電力の電界効果トランジスタを実現することができる。 According to the disclosed field effect transistor, it is possible to realize a high-speed and low power consumption field-effect transistor that achieves both high channel mobility and a high on / off ratio.
[第1実施形態]
第1実施形態による電界効果トランジスタ及びその製造方法について図1乃至図20を用いて説明する。
[First Embodiment]
The field effect transistor and the manufacturing method thereof according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
図1は、本実施形態による電界効果トランジスタの構造を示す概略断面図である。図2は、伝統的MOSFETにおけるオフ状態のエネルギーバンド図である。図3は、本実施形態による電界効果トランジスタにおけるオフ状態のエネルギーバンド図である。図4は、Sb2Te3薄膜におけるZ2不変量と外部電界との関係を示すグラフである。図5は、Sb2Te3の構造を示す概略図である。図6は、本実施形態による電界効果トランジスタの相変化材料層の構造を示す図である。図7及び図8は、本実施形態による電界効果トランジスタの動作を説明するエネルギーバンド図である。図9乃至図20は、本実施形態による電界効果トランジスタの製造方法を示す工程断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the field effect transistor according to the present embodiment. FIG. 2 is an off-state energy band diagram for a traditional MOSFET. FIG. 3 is an energy band diagram of an off state in the field effect transistor according to the present embodiment. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the Z 2 invariant and the external electric field in the Sb 2 Te 3 thin film. FIG. 5 is a schematic diagram showing the structure of Sb 2 Te 3 . FIG. 6 is a view showing the structure of the phase change material layer of the field effect transistor according to the present embodiment. 7 and 8 are energy band diagrams for explaining the operation of the field effect transistor according to the present embodiment. 9 to 20 are process cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the field effect transistor according to the present embodiment.
[電界効果トランジスタの断面構造と動作概略]
はじめに、本実施形態による電界効果トランジスタの構造について図1乃至図6を用いて説明する。
[Cross-sectional structure and operation outline of field effect transistor]
First, the structure of the field effect transistor according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
シリコン基板10には、不純物層24が形成されている。不純物層24が形成されたシリコン基板10には、アクティブ領域22A,22Bを画定する素子分離絶縁膜22が形成されている。アクティブ領域22Aはトランジスタ形成領域であり、アクティブ領域22Bは不純物層24へのコンタクト領域である。
An
シリコン基板10のアクティブ領域22A上には、第1のゲート絶縁膜28、相変化材料層36及び第2のゲート絶縁膜46が積層されている。相変化材料層36は、トポロジカル相転移が生じるディラック電子系材料により形成されている。第1のゲート絶縁膜28は、ソース領域側(図において左側)からドレイン領域側(図において右側)に向かって、膜厚が徐々に増加している。一方、第2のゲート絶縁膜46は、ソース領域側(図において左側)からドレイン領域側(図において右側)に向かって、膜厚が徐々に減少している。第2のゲート絶縁膜46上には、ゲート電極52が形成されている。
On the
これにより、シリコン基板10には、バックゲート電極として機能する不純物層24、第1のゲート絶縁膜28、チャネル層として機能する相変化材料層36、第2のゲート絶縁膜46、トップゲート電極としてのゲート電極52を有する電界効果トランジスタが形成されている。
Thereby, the
電界効果トランジスタが形成されたシリコン基板10上には、層間絶縁膜54が形成されている。層間絶縁膜54上には、ゲート電極52に接続された配線68A、相変化材料層36に接続された配線68B(ソース電極),68C(ドレイン電極)、不純物層24に接続された配線68Dが形成されている。
An interlayer insulating
このように、本実施形態による電界効果トランジスタは、トポロジカル相転移が生じる相変化材料層36をチャネル層とし、ソース電極(配線68B)とドレイン電極(配線68C)との間に流れる電流を、バックゲート電極(不純物層24)とトップゲート電極(ゲート電極52)との間に印加する電界によって制御するものである。
As described above, the field effect transistor according to the present embodiment uses the phase
本実施形態による電界効果トランジスタでは、チャネル層(相変化材料層36)の静電ポテンシャルにチャネル長方向に沿って勾配が形成されるように、ソース領域側からドレイン側に向かうほど、第1のゲート絶縁膜28の膜厚を厚く、第2のゲート絶縁膜の膜厚を薄くしている。こうすることで、チャネル長方向に沿ったチャネル層内の静電ポテンシャルに勾配をもたせることができる。
In the field effect transistor according to the present embodiment, the first potential increases from the source region side toward the drain side so that a gradient is formed along the channel length direction in the electrostatic potential of the channel layer (phase change material layer 36). The thickness of the
これまでのディラック電子系のデバイスの開発においては、非ディラック電子系について最適化されてきた従来型のトランジスタ動作モデル(以下、「伝統的MOSFETモデル」という)を用いたアプローチが取られていた。 In the development of devices of the Dirac electronic system so far, an approach using a conventional transistor operation model (hereinafter referred to as “traditional MOSFET model”) that has been optimized for a non-Dirac electronic system has been taken.
しかしながら、そもそもディラック電子系と非ディラック電子系とでは、キャリアの有効方程式からしてまったく異なっている。実際、グラフェンでは、キャリアの有効方程式はトポロジカル絶縁体の表面状態と同様に質量ゼロのディラック方程式と同形の1階の微分方程式となるのに対して、非ディラック電子系である通常の半導体では、有効方程式はシュレーディンガー方程式と同形の2階の微分方程式である。そして、この2階の微分方程式の形を、無理に、質量ゼロのディラック電子系のバンド構造に当てはめれば、その有効質量は無限大となってしまう。非ディラック電子系のためのモデルを、ディラック電子系に適用するという従来のアプローチは、グラフェントランジスタの性能を劣化させているだけでなく、理論的に破綻している。 However, in the first place, the Dirac electronic system and the non-Dirac electronic system are completely different from the effective equation of carriers. In fact, in graphene, the effective carrier equation is a first-order differential equation of the same shape as the mass-free Dirac equation, similar to the surface state of the topological insulator, whereas in a normal semiconductor that is a non-Dirac electron system, The effective equation is a second-order differential equation that is identical to the Schroedinger equation. If the form of this second-order differential equation is forcibly applied to the band structure of a Dirac electron system with zero mass, the effective mass becomes infinite. The conventional approach of applying a model for a non-Dirac electronic system to a Dirac electronic system not only deteriorates the performance of the graphene transistor, but also theoretically fails.
また、伝統的MOSFETモデルに基づくグラフェントランジスタ(以下、「古典的グラフェントランジスタ」という)には、リーク電流を抑制しようとするとチャネル移動度が下がってしまい、他方、チャネル移動度を下げようとすればリーク電流が増加してしまうというジレンマがある。このジレンマは、古典的グラフェントランジスタにおいては、移動度−バンドギャップのトレードオフ関係に帰着する。これをトレードオフと呼ぶのは、高い移動度は小さなバンドギャップの代償としてのみ得ることができ、他方、大きなバンドギャップは低い移動度の代償としてのみ得ることができるからである。このトレードオフは、自然の性質から生じているため、理論的上限を超えて、改善することはできない。 In addition, in a graphene transistor based on the traditional MOSFET model (hereinafter referred to as “classical graphene transistor”), channel mobility decreases when attempting to suppress the leakage current, and on the other hand, if channel mobility is decreased. There is a dilemma that leakage current increases. This dilemma results in a mobility-bandgap tradeoff relationship in classical graphene transistors. This is called a trade-off because high mobility can only be obtained at the cost of a small bandgap, while a large bandgap can only be obtained at the cost of a low mobility. This trade-off arises from the nature of nature and cannot be improved beyond the theoretical limit.
すなわち、伝統的MOSFETモデルに沿って製造されたグラフェントランジスタでは、オフ状態のリーク電流は、バンドギャップの大きさによって決定される。そして、移動度−バンドギャップのトレードオフを変更できないということは、移動度の増加とリーク電流の低減とを両立できないということを意味する。 That is, in the graphene transistor manufactured according to the traditional MOSFET model, the off-state leakage current is determined by the size of the band gap. The inability to change the mobility-bandgap trade-off means that it is impossible to achieve both an increase in mobility and a reduction in leakage current.
つまりは、移動度−リーク電流のジレンマは、変更可能な古典的デザインを量子効果に適用するように変えることなく、変更不可能なトレードオフ関係のもとにある移動度やバンドギャップだけを増やそうとする錯誤から生じるものである。実際、古典的デザインを変えずに、どれだけ移動度を高くしても、或いは、バンドギャップを大きくしても、次の問題1と問題2の間を行き来するだけである(非特許文献3を参照)。
In other words, the mobility-leakage current dilemma increases only the mobility and bandgap with an unchangeable trade-off relationship without changing the classical design that can be changed to apply the quantum effect. It arises from the mistake of trying. Actually, no matter how much the mobility is increased or the band gap is increased without changing the classic design, only the
(問題1)バンドギャップを小さいままにすれば、移動度を高めることができる。しかし、オフ状態リーク電流が大きくなる。 (Problem 1) If the band gap is kept small, the mobility can be increased. However, the off-state leakage current increases.
(問題2)バンドギャップを広げれば、オフ状態リーク電流を抑えることができる。しかし、移動度は劣化してしまう。 (Problem 2) If the band gap is widened, the off-state leakage current can be suppressed. However, the mobility is degraded.
トランジスタには、スイッチング(高いオン/オフ比、すなわちリーク電流の抑制)だけでなく、素早い応答性(高いチャネル移動度)も必要条件として求められる。にもかかわらず、古典的グラフェントランジスタでは、たとえ最良の形で実現されたとしても、どちらか一方しか達成することはできない。 A transistor is required not only for switching (high on / off ratio, that is, suppression of leakage current) but also quick response (high channel mobility) as a necessary condition. Nevertheless, with classical graphene transistors, only one can be achieved, even if best implemented.
古典的グラフェントランジスタの設計には、伝統的MOS構造が「MOS極限(MOS limit)」(チャネルの静電容量≫ゲートの静電容量)で良く動作するように設計されたものであるのに対して、ディラック電子系はそれとは反対の「量子キャパシタンス極限(bipolar limit)」(チャネルの静電容量≪ゲートの静電容量)に近い振る舞いをする、という矛盾がある(MOS limit, bipolar limitについては非特許文献4を参照)。実際、これまでの実験で、グラフェントランジスタにおいてはチャネルの静電容量<ゲートの静電容量、或いは、2つの静電容量は同じオーダであることが示されている(非特許文献5を参照)。 The classical graphene transistor design is based on the traditional MOS structure designed to work well in the "MOS limit" (channel capacitance >> gate capacitance). And there is a contradiction that the Dirac electronic system behaves close to the opposite "bipolar limit" (channel capacitance << gate capacitance) (for MOS limit and bipolar limit) (Refer nonpatent literature 4). Actually, experiments so far show that in a graphene transistor, the capacitance of the channel <the capacitance of the gate, or the two capacitances have the same order (see Non-Patent Document 5). .
図2は、伝統的MOSFETにおけるオフ状態のエネルギーバンド図である。図3は、本実施形態による電界効果トランジスタにおけるオフ状態のエネルギーバンド図である。図中、EVは価電子帯端のエネルギー、ECは伝導帯底のエネルギー、EFはフェルミエネルギー、Egはエネルギーバンドギャップ、Uは静電ポテンシャルを表す。 FIG. 2 is an off-state energy band diagram for a traditional MOSFET. FIG. 3 is an energy band diagram of an off state in the field effect transistor according to the present embodiment. In the figure, E V is the energy of the valence band edge, the E C represents the energy of the conduction band, E F is the Fermi energy, E g is the energy band gap, U the electrostatic potential.
チャネル層をディラック電子系材料により形成する本実施形態による電界効果トランジスタでは、チャネル容量が古典的グラフェントランジスタの設計原理に適合するほど大きくないことを考慮すると、バックゲート電極(不純物層24)とトップゲート電極(ゲート電極52)とに電圧を加えることで、チャネル部のエネルギーバンドは、図3に示すように傾斜する。 In the field effect transistor according to the present embodiment in which the channel layer is formed of a Dirac electronic material, the back gate electrode (impurity layer 24) and the top are taken into consideration that the channel capacitance is not so large as to conform to the design principle of the classical graphene transistor By applying a voltage to the gate electrode (gate electrode 52), the energy band of the channel portion is inclined as shown in FIG.
また、ディラック電子系の伝導電子の平均自由工程が数百ナノメートルと長いことは、伝統的MOSFETにおいて想定されているような古典的伝導モデルではなく、量子伝導モデルに適合する。よって、チャネルを透過する電流を見積もるのにランダウアー(Landauer)式を用いると、リーク電流は、フェルミ準位から静電ポテンシャル障壁の頂上(チャネルでの伝導帯の底)まで電子が熱励起される確率(ボルツマン因子)に比例することがわかる。 In addition, the long mean free path of conduction electrons of Dirac electrons is several hundred nanometers, which is not a classical conduction model as assumed in a traditional MOSFET but a quantum conduction model. Thus, using the Landauer equation to estimate the current passing through the channel, the leakage current causes the electrons to be thermally excited from the Fermi level to the top of the electrostatic potential barrier (the bottom of the conduction band in the channel). It can be seen that it is proportional to the probability (Boltzmann factor).
これにより、リーク電流のもととなる熱励起のエネルギー幅は、伝統的MOSFETではたかだかバンドギャップに相当するエネルギー幅となるのに対して、本実施形態による電界効果トランジスタでは、その数倍のエネルギー幅となる。つまり、トランスポートギャップが倍増される。オフ時リーク電流で比較すると、伝統的MOSFETではリーク電流はexp(−β(Eg−(EF−EC)))に比例するのに対し、本実施形態による電界効果トランジスタではexp(−β(αEg−(EF−EC)))に比例するものとなる。すなわち、本実施形態による電界効果トランジスタによれば、伝統的MOSFETの場合と比較して、オフ状態リーク電流を大幅に低減することができる。 As a result, the energy width of the thermal excitation that causes the leakage current is an energy width corresponding to the band gap at most in the traditional MOSFET, whereas the field effect transistor according to the present embodiment has several times the energy width. It becomes width. That is, the transport gap is doubled. In comparison with the off-state leakage current, the leakage current in the traditional MOSFET is proportional to exp (−β (E g − (E F −E C ))), whereas in the field effect transistor according to the present embodiment, exp (− β (αE g − (E F −E C ))). That is, according to the field effect transistor according to the present embodiment, the off-state leakage current can be greatly reduced as compared with the case of the traditional MOSFET.
[電界印加時のトポロジカル相変化の利用]
また、本実施形態による電界効果トランジスタでは、ディラック電子系の伝導特性の源であるトポロジカル位相に着目し、チャネル層を、トポロジカル相転移が生じる相変化材料により形成している。トポロジカル位相とは、ハミルトニアンの外部パラメータが変化する際の波動関数の位相変化であり、ベリー位相とも呼ばれている。この位相から計算されるZ2不変量は、トポロジカル絶縁体と通常の絶縁体という2つのトポロジカル量子相を特徴づけており、量子相ごとに別々の値をとる。
[Use of topological phase change when electric field is applied]
Further, in the field effect transistor according to the present embodiment, paying attention to the topological phase that is the source of the conduction characteristics of the Dirac electron system, the channel layer is formed of a phase change material that causes a topological phase transition. The topological phase is a phase change of the wave function when the external parameter of the Hamiltonian changes, and is also called a belly phase. The Z 2 invariant calculated from this phase characterizes two topological quantum phases, a topological insulator and a normal insulator, and takes different values for each quantum phase.
トポロジカル絶縁体では、質量ゼロのディラック電子系の特殊なバンド構造は、内核電子の相対論的効果から生じる。これは、トポロジカル絶縁体に含まれる重元素では、内核電子の相対論的効果が無視できないほどの速い速度(〜光速の10%)で運動しているからである。この相対論的効果のうちで、非相対論的なシュレーディンガー方程式に対する補正として最も大きいのは、電子の軌道運動量とスピンの相互作用である。そのため、トポロジカル絶縁体では、スピン軌道相互作用がなければ縮退していたはずのエネルギー準位が分裂して、バンド構造が変化する。その結果、物質内部に対応するバンドには絶縁体のようにギャップがあるのに、表面準位に対応する2つのバンドは伝導体のように交差するという、特殊なバンド構造がもたらされる(非特許文献2,6,7を参照)。
In topological insulators, the special band structure of the zero-mass Dirac electron system results from the relativistic effect of the inner core electrons. This is because the heavy elements contained in the topological insulator are moving at such a high speed (˜10% of the speed of light) that the relativistic effect of the inner core electrons cannot be ignored. Of these relativistic effects, the largest correction to the non-relativistic Schroedinger equation is the interaction between the orbital momentum of electrons and spin. Therefore, in the topological insulator, the energy level that would have been degenerated if there was no spin-orbit interaction was split, and the band structure changed. As a result, there is a special band structure in which the band corresponding to the inside of the material has a gap like an insulator, but the two bands corresponding to the surface level intersect like a conductor (non-conducting). (See
トポロジカル絶縁体という名称は、位相幾何学、トポロジーに由来している。これは、位相幾何学における不変量が、図形の連続的変形によっては変化しないのと同様に、バンド構造を特徴づける指標が、電子ハミルトニアンの連続的変形によっては変化しないからである。 The name topological insulator is derived from topology and topology. This is because the index characterizing the band structure does not change with the continuous deformation of the electronic Hamiltonian, just as the invariant in topology does not change with the continuous deformation of the figure.
現在では、トポロジカル絶縁体は、理論的に可能というだけでなく、現実に存在することが確認されている。ただ、熔融合金の冷却法等によって作製された単結晶は、トポロジカル絶縁体となっても、伝導状態が真空との界面に限られるため、電子デバイスに直ちに応用できるものではなかった。 At present, it has been confirmed that topological insulators are not only theoretically possible, but actually exist. However, even if a single crystal produced by a method of cooling molten metal or the like is a topological insulator, it cannot be immediately applied to an electronic device because its conduction state is limited to the interface with vacuum.
本願発明者等は、真空との界面だけでなく、総ての合金層の境界がトポロジカル伝導状態となりうる超格子構造を探し当て、その超格子構造を用いたデバイスを提案している(特許文献1及び特許文献2を参照)。このような超格子構造を用いることにより、デバイス内においてトポロジカル伝導状態を実現することが可能となり、低消費電力化を実現することができる。 The inventors of the present application have found a superlattice structure in which not only the interface with the vacuum but also the boundaries of all the alloy layers can be in a topological conduction state, and have proposed a device using the superlattice structure (Patent Document 1). And Patent Document 2). By using such a superlattice structure, it is possible to realize a topological conduction state in the device and to realize low power consumption.
また、本願発明者等は、外部電場によるトポロジカル量子相の転移を用いることで、グラフェントランジスタ性能のジレンマを解消できることを新たに見出した。 The inventors of the present application have newly found that the dilemma of the graphene transistor performance can be eliminated by using the transition of the topological quantum phase by the external electric field.
通常、トポロジカル量子相の転移とは、ビスマス・テルル合金、アンチモン・テルル合金で実験的に示されているように、それらの合金組成によって、通常の絶縁体がトポロジカル絶縁体に変化することとして知られている。ところが、最近の理論計算により、外部電場の変化もまた、超格子構造をもつ固体に量子相転移を引き起こしうることが示唆されている(非特許文献6)。 Usually, the transition of the topological quantum phase is known as a change from a normal insulator to a topological insulator depending on the alloy composition, as experimentally shown for bismuth-tellurium and antimony-tellurium alloys. It has been. However, recent theoretical calculations suggest that changes in the external electric field can also cause a quantum phase transition in a solid having a superlattice structure (Non-Patent Document 6).
図4は、Sb2Te3薄膜に外部電場を印加したときのZ2不変量の変化を示すグラフである(非特許文献6から引用)。図において、Z2不変量が0のときは通常の絶縁体を表し、Z2不変量が1のときはトポロジカル絶縁体を表す。図中、●印のプロットが3QLsの場合であり、■印のプロットが4QLsの場合である。QLとは、図3に示すように、5原子層で形成されるSb2Te3の単位構造層(図中、「ONE QUINTUPLE LAYER」と表す)であり、「3QLs」はこの単位構造層が3層積層されたものであり、「4QLs」はこの単位構造層が4層積層されたものである。外部電場は、図5に示すように、単位構造層に対して垂直方向に印加している。 FIG. 4 is a graph showing changes in the Z 2 invariant when an external electric field is applied to the Sb 2 Te 3 thin film (cited from Non-Patent Document 6). In the figure, when the Z 2 invariant is 0, it represents a normal insulator, and when the Z 2 invariant is 1, it represents a topological insulator. In the figure, the ● mark plot is 3QLs, and the ▪ mark plot is 4QLs. As shown in FIG. 3, QL is a unit structure layer of Sb 2 Te 3 formed of five atomic layers (in the figure, expressed as “ONE QUINTUPLE LAYER”), and “3QLs” Three layers are stacked, and “4QLs” is a stack of four unit structure layers. As shown in FIG. 5, the external electric field is applied in the direction perpendicular to the unit structure layer.
図4に示すように、3QLsのSb2Te3では、外部電場の印加によって通常の絶縁体からトポロジカル絶縁体へと変化する。逆に、4QLsのSb2Te3では、外部電場の印加によってトポロジカル絶縁体から通常の絶縁体へと変化する。Sb2Te3では、単位構造層が3層以下の場合には外部電場の印加によって通常の絶縁体からトポロジカル絶縁体へと変化し、単位構造層が4層以上の場合には外部電場の印加によってトポロジカル絶縁体から通常の絶縁体へと変化することが確認されている。 As shown in FIG. 4, in Sb 2 Te 3 of 3QLs, it changes from a normal insulator to a topological insulator by application of an external electric field. On the other hand, in Sb 2 Te 3 of 4QLs, it changes from a topological insulator to a normal insulator by application of an external electric field. In Sb 2 Te 3 , when the number of unit structure layers is three or less, the application of an external electric field changes from a normal insulator to a topological insulator, and when the number of unit structure layers is four or more, an external electric field is applied. Is confirmed to change from a topological insulator to a normal insulator.
本願発明者等は、上述の超格子構造がトポロジカル絶縁体となることを、第一原理計算からのバンド構造と、円偏光の反射率の変化の両方で確認した(非特許文献7)。検証を行った超格子構造は、ゲルマニウムとテルルからなる結晶合金層とアンチモンとテルルからなる結晶合金層とを、それぞれのもつ<111>面軸とc軸とを整合させて積層構造として形成したものである。第一原理計算によれば、アンチモン−テルル合金層が1ブロック数以上のときに超格子構造はトポロジカル絶縁体となり、6ブロックより厚いときには通常の絶縁体となることを見いだした。そして、本願発明者等は、シリコンウェーハ上にアンチモン−テルル合金層の厚さを変えた前記超格子型相変化膜を形成し、外部磁場を面に対して垂直方向に加え、時間反転対称性を壊すことでスピン電子密度を変化させ、この状態に円偏光の光を入射させて反射率の変化を測定した。すると、サンプルの縁に存在するはずのスピン流の変化が確認され、本願発明者等の超格子構造がトポロジカル絶縁体となることが結論づけられた。また、空間反転対称性が電場によって崩れると大きなラシュバ効果を伴って通常の絶縁体に相転移することを見い出した。 The inventors of the present application have confirmed that the above-described superlattice structure is a topological insulator by both the band structure from the first-principles calculation and the change in reflectance of circularly polarized light (Non-Patent Document 7). The superlattice structure that has been verified was formed as a laminated structure in which a crystalline alloy layer composed of germanium and tellurium and a crystalline alloy layer composed of antimony and tellurium are aligned with the <111> plane axis and the c-axis of each. Is. According to the first-principles calculation, it was found that the superlattice structure becomes a topological insulator when the antimony-tellurium alloy layer is one block or more, and becomes a normal insulator when it is thicker than 6 blocks. Then, the inventors of the present application formed the superlattice type phase change film having a different thickness of the antimony-tellurium alloy layer on the silicon wafer, applied an external magnetic field in a direction perpendicular to the surface, and time-reversal symmetry. The spin electron density was changed by breaking and the circularly polarized light was incident on this state, and the change in reflectance was measured. Then, the change of the spin current that should exist at the edge of the sample was confirmed, and it was concluded that the superlattice structure of the present inventors becomes a topological insulator. We also found that when the space reversal symmetry is broken by an electric field, it undergoes a phase transition to a normal insulator with a large Rashba effect.
したがって、外部電場の印加によってトポロジカル量子相の転移が生じるこのような材料の層を含む相変化材料層36をチャネル層に用いることで、トポロジカル伝導状態で動作するトランジスタを実現することができる。
Therefore, a transistor that operates in a topological conduction state can be realized by using, for the channel layer, the phase-
[電界効果トランジスタの駆動方法]
次に、本実施形態による電界効果トランジスタの動作について図1,7,8を用いて説明する。
[Driving Method of Field Effect Transistor]
Next, the operation of the field effect transistor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
ここでは、相変化材料層36は、外部電場の印加によって通常の絶縁体からトポロジカル絶縁体へと変化するものであるものとする。例えば、GeTe層とSb2Te3層とを積層した超格子構造の相変化材料層36では、6QL以上のSb2Te3層を用いる。
Here, the phase
まず、トランジスタを駆動させるための前提条件について説明する。 First, preconditions for driving the transistor will be described.
ソースは接地し、その電位VSをフェルミ準位EFと同じにする(VS=−EF/e=0)。また、バックゲート電極には正の電圧を印加して、静電支配(電界効果ドーピング)によりソース領域のフェルミ準位EFを伝導帯の底よりも十分に高く、すなわち縮退極限となるようにする(EF−EC≫kBT)。 The source is grounded, and its potential V S is set equal to the Fermi level E F (V S = −E F / e = 0). Further, the back gate electrode by applying a positive voltage, the electrostatic governed sufficiently higher than the bottom of the conduction band and the Fermi level E F of the source region by (field effect doping), i.e. such that the degenerate extreme (E F -E C >> k B T).
なお、量子伝導を議論する際、慣用的に、チャネル領域の、ソース電極に接しておりトップゲート電極に影響されない部分は左リードと呼ばれ、ドレイン電極に接しておりトップゲート電極に影響されない部分は右リードと呼ばれている。本明細書ではこれら左リード及び右リードを、それぞれ、ソース領域及びドレイン領域と呼ぶ。 When discussing quantum conduction, the part of the channel region that is in contact with the source electrode and not affected by the top gate electrode is commonly called the left lead, and is the part that is in contact with the drain electrode and is not affected by the top gate electrode. Is called the right lead. In this specification, the left lead and the right lead are referred to as a source region and a drain region, respectively.
次に、トランジスタをオフ状態にする電圧印加条件について説明する。 Next, voltage application conditions for turning off the transistor will be described.
トランジスタをオフ状態とするときには、トップゲート電極であるゲート電極52には、相変化材料層36がトポロジカル相転移を起こす閾値電圧VTG Cよりも小さい負の電圧VTGを印加する(|VTG|<VTG C)。また、バックゲート電極としての不純物層24には、相変化材料層36がトポロジカル相転移を起こす閾値電圧VBG Cよりも小さい正の電圧VBGを印加する(0<VBG<VBG C)。また、ソース電極68Bは接地するものとし、ドレイン電極68Cには所定のソース−ドレイン間電圧が印加されるように正の電圧を印加する。
When the transistor is turned off, a negative voltage V TG smaller than the threshold voltage V TG C at which the phase
トランジスタの各端子にこのような電圧を印加すると、ソース領域からチャネル領域を介してドレイン領域に至る領域のエネルギーバンド構造は、図7に示すようになる。図7中、EFはフェルミ準位、ECは伝導帯のバンド端、EVは価電子帯のバンド端、Uは静電ポテンシャルを表している。 When such a voltage is applied to each terminal of the transistor, an energy band structure in a region from the source region to the drain region through the channel region is as illustrated in FIG. In Figure 7, E F is the Fermi level, E C is the band edge of the conduction band, E V is the band edge of the valence band, U is represents the electrostatic potential.
相変化材料層36のソース領域は、バックゲート電極(不純物層24)に近接しているためバックゲート電極による静電支配が強められており、静電ポテンシャルUはフェルミ準位EFよりも引き下げられる。
A source region of the phase
これに対して、相変化材料層36のチャネル領域では、バックゲート電極による静電支配が弱まることに加えて、トップゲート電極(ゲート電極52)の電圧VTGの影響も受けるため、静電ポテンシャルUはフェルミ準位EFよりも高くなる。この傾向は、第1のゲート絶縁膜28及び第2のゲート絶縁膜46の膜厚勾配に応じて、ドレイン領域に近づくほどに大きくなる。これにより、チャネル領域中の静電ポテンシャルUはドレイン領域端において最も高くなり、エネルギーバンドもこれにつれて曲がることになる。
On the other hand, the channel region of the phase
この状態で電子がソース領域側からドレイン領域側に抜けるためには、その透過が起こる前に電子は、チャネル領域の持ち上げられた伝導帯の底のエネルギーECよりも高いエネルギー準位へと、予め熱励起されている必要がある。なぜなら、それより低いエネルギーしかもたない電子は、チャネル領域ではフォノンから(或いは他の非弾性散乱によって)エネルギーを受けることはできないため、バンドギャップに妨げられてドレイン領域側へと抜けられないからである。因みに、チャネル領域内でフォノン散乱が生じないのは、チャネル長が非弾性散乱長よりも短くなるように、トランジスタを製造するからである。 In order for electrons to escape from the source region side to the drain region side in this state, before the transmission takes place, the electrons move to an energy level higher than the energy E C at the bottom of the raised conduction band of the channel region. It must be pre-heated. This is because electrons having lower energy cannot receive energy from phonons (or by other inelastic scattering) in the channel region, and therefore cannot escape to the drain region side due to the band gap. is there. Incidentally, the phonon scattering does not occur in the channel region because the transistor is manufactured so that the channel length is shorter than the inelastic scattering length.
この結果、ドレイン電流は流れることはなく、トランジスタはオフ状態となる。 As a result, no drain current flows and the transistor is turned off.
次に、トランジスタをオン状態にする電圧印加条件について説明する。 Next, voltage application conditions for turning on the transistor will be described.
トランジスタをオン状態とするときには、トップゲート電極であるゲート電極52には、相変化材料層36がトポロジカル相転移を起こす閾値電圧VTG Cよりも大きい正の電圧VTGを印加する。また、バックゲート電極である不純物層42には、オフ状態と同様の、相変化材料層36がトポロジカル相転移を起こす閾値電圧VTG Cよりも小さい正の電圧VBGを印加する。また、ソース電極68Bは接地するものとし、ドレイン電極68Cには所定のソース−ドレイン間電圧が印加されるように正の電圧を印加する。
When the transistor is turned on, a positive voltage V TG greater than the threshold voltage V TG C at which the phase
トランジスタの各端子にこのような電圧を印加すると、ソース領域からチャネル領域を介してドレイン領域に至る領域のエネルギーバンド構造は、図8に示すようになる。図8中、EFはフェルミ準位、ECは伝導帯のバンド端、EVは価電子帯のバンド端、Uは静電ポテンシャルを表している。 When such a voltage is applied to each terminal of the transistor, an energy band structure in a region from the source region to the drain region through the channel region is as illustrated in FIG. In Figure 8, E F is the Fermi level, E C is the band edge of the conduction band, E V is the band edge of the valence band, U is represents the electrostatic potential.
相変化材料層36のソース領域は、オフ状態と同じように、バックゲート電極(不純物層24)に近接しているためバックゲート電極による静電支配が強められており、静電ポテンシャルUはフェルミ準位EFよりも引き下げられる。これにより、十分なキャリア密度が得られる。
As in the OFF state, the source region of the phase
また、相変化材料層36のチャネル領域にはトポロジカル相転移を起こす閾値電圧VTG Cよりも大きい電圧が印加され、相変化材料層36が通常の絶縁体からトポロジカル絶縁体へと相転移し、チャネル領域のバンドギャップが閉じる。
Further, a voltage larger than the threshold voltage V TG C causing the topological phase transition is applied to the channel region of the phase
また、トップゲート電極の静電支配によってチャネル中央部の静電ポテンシャルUは押し下げられるため、ソース領域とドレイン領域との間を隔てるエネルギー障壁は消失する。この静電ポテンシャルUにあわせて伝導帯の底のエネルギーECも曲がるため、フェルミ準位の電子はソース領域からドレイン領域へとバリスティック(或いは量子コヒーレンスを保ったまま)に透過できることとなり、ドレイン電流が流れ、トランジスタはオン状態となる。 In addition, since the electrostatic potential U at the center of the channel is pushed down by the electrostatic control of the top gate electrode, the energy barrier separating the source region and the drain region disappears. Since the energy E C at the bottom of the conduction band also bends in accordance with the electrostatic potential U, Fermi level electrons can be transmitted ballistically (or while maintaining quantum coherence) from the source region to the drain region. A current flows and the transistor is turned on.
ドレイン電圧VDSを正に大きくしていくと、ドレイン領域のフェルミ準位EFは、ソース領域のフェルミ準位EFよりも下に押し下げられる。これにより、ソース領域側の伝導帯の電子は、ドレイン領域側の開いているエネルギー準位へと抜けられるようになる。 As you just increase the drain voltage V DS, the Fermi level E F of the drain region, pushed down below the Fermi level E F of the source region. As a result, electrons in the conduction band on the source region side can escape to the open energy level on the drain region side.
このトランジスタのソース領域は縮退極限のため、ドレイン電流は、ソース領域のフェルミ準位EFとドレイン領域のフェルミ準位EFに差に比例する。つまり、ドレイン電流は、ドレイン電圧比に比例して大きくなる。しかし、ドレイン領域のフェルミ準位EFがソース領域の伝導帯の底のエネルギーECよりも小さくなると、やがて、ドレイン電流はそれ以上、増えなくなる(非特許文献8)。すなわち、ドレイン電流は、飽和する。 A source region of the transistor due to the degeneracy extreme, the drain current is proportional to the difference in the Fermi level E F the Fermi level E F and the drain region of the source region. That is, the drain current increases in proportion to the drain voltage ratio. However, the Fermi level E F of the drain region is smaller than the energy E C at the bottom of the conduction band of the source region, eventually, the drain current is greater, increasing not (Non-Patent Document 8). That is, the drain current is saturated.
このように、本実施形態による電界効果トランジスタによれば、従来のグラフェントランジスタのようなジレンマに阻まれることなく、チャネル領域におけるキャリア移動度を最大化しつつ、ドレイン電流を飽和させることができる。 As described above, the field effect transistor according to the present embodiment can saturate the drain current while maximizing the carrier mobility in the channel region without being blocked by the dilemma of the conventional graphene transistor.
[トポロジカル相変化を起こすトランジスタチャネルの具体的構造]
本実施形態による電界効果トランジスタの相変化材料層36に適用可能な、外部電場によりトポロジカル量子相の転移が生じる材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、Ge(ゲルマニウム)、Te(テルル)又はBi(ビスマス)を主成分とする材料層が挙げられる。或いは、相変化材料層20は、Ge、Sb及びTeを主成分としていてもよく、Ge、Bi及びTeを主成分としていてもよく、Al、Sb及びTeを主成分としていてもよく、Al、Bi及びTeを主成分としていてもよい。なお、「主成分」とは、最も多く含有している成分を意味する。
[Specific structure of transistor channel causing topological phase change]
The material that can be applied to the phase
相変化材料層36の主成分を構成する元素の組み合わせとしては、GeとSbとTeとの組み合わせや、GeとBiとTeの組み合わせや、AlとSbとTeとの組み合わせや、AlとBiとTeとの組み合わせ等が挙げられ、これらの中ではGeとSbとTeとの組み合わせが好ましい。
As a combination of elements constituting the main component of the phase
相変化材料層36の構成成分としては、相変化材料層36がGe、Sb及びTeを主成分とする場合には、GeTe、Sb2Te3等が挙げられる。また、相変化材料層36がGe、Bi及びTeを主成分とする場合には、GeTe、Bi2Te3、Bi等が挙げられる。また、相変化材料層36がAl、Sb及びTeを主成分とする場合には、AlTe、Sb2Te3等が挙げられる。また、相変化材料層36がAl、Bi及びTeを主成分とする場合には、AlTe、Bi2Te3、Bi等が挙げられる。
Examples of the constituent components of the phase
Ge、Sb及びTeを主成分とする相変化材料層36では、GeTe層とSb2Te3層とを隣接して積層することが望ましい。これにより、GeTe層とSb2Te3層とにより構成される超格子構造を形成することができる。
In the phase
GeTe層とSb2Te3層とにより構成される超格子構造は、Γ点と呼ばれるバンド中心で二つの異なるスピン状体をもったバンドが一点で縮退する特徴をもっている。この状態は時間反転対称性と呼ばれる物理保存則によって堅牢に守られており、非磁性不純物の混入等によって破壊されることはない。このため、散乱が著しく抑制されるとともに、線形分散関係によって理論的には無限大の移動度をもってよい。また、グラフェンとは異なり、ディラックコーンは二つの異なるスピン状態をもったバンドから構成されているため、外部電場の印加等によってディラック点にバンドギャップを形成できる。つまり、電場によってバンドギャップの開閉が可能である。 The superlattice structure composed of the GeTe layer and the Sb 2 Te 3 layer has a feature that a band having two different spin-like bodies at the band center called Γ point is degenerated at one point. This state is firmly protected by a physical conservation law called time reversal symmetry, and is not destroyed by the incorporation of nonmagnetic impurities. For this reason, scattering is remarkably suppressed, and theoretically, the mobility may be infinite due to the linear dispersion relation. Unlike graphene, the Dirac cone is composed of two bands having different spin states, and therefore a band gap can be formed at the Dirac point by applying an external electric field. That is, the band gap can be opened and closed by the electric field.
このようなディラックコーンをもち、外部電場によってバンドギャップを可逆的に開閉できるGeTe層とSb2Te3層とにより構成される超格子構造としては、特に、[(GeTe)x(Sb2Te3)y]zからなる繰り返し構造が挙げられる。ここで、x、y、zは整数であり、特にx≧2,y≧1,z≧2でこの特性が発現し、x=2,y=4,z=8が最適であるが、yとzはこの限りではない。なお、xが4を超えると電場を加えてもギャップは開いたままとなる。各単位層の厚さは、GeTeで0.5nm、Sb2Te3で約1nmである。 A superlattice structure composed of a GeTe layer and an Sb 2 Te 3 layer having such a Dirac cone and capable of reversibly opening and closing a band gap by an external electric field is particularly [[GeTe) x (Sb 2 Te 3 ) Y ] The repeating structure consisting of z is mentioned. Here, x, y, and z are integers. In particular, this characteristic is exhibited when x ≧ 2, y ≧ 1, z ≧ 2, and x = 2, y = 4, and z = 8 are optimal. And z are not limited to this. If x exceeds 4, the gap remains open even when an electric field is applied. The thickness of each unit layer is 0.5 nm for GeTe and about 1 nm for Sb 2 Te 3 .
バンドギャップの開閉は、GeTe薄膜層のGe原子とTe原子層の位置関係に依存する。バルクのGeTeは強誘電体として古くからよく知られており、また、Ge−Te間にσ結合をもった薄膜の積層構造から構成されていることもよく知られている。原子層の積み方には幾つかあって、Ge−Te−Te−Ge型、Ge−Te−Ge−Te型、Te−Ge−Ge−Te型の3タイプが代表的であるが、Sb2Te3と超格子層を形成する成膜温度ではTe−Ge−Ge−Te型とTe−Ge−Te−Ge型が最安定である。Te−Ge−Ge−Te型(図6(a)参照)は上下において空間対称性をもち、強誘電性を示さないが、Te−Ge−Te−Ge型(図6(b)参照)は分極をもち強誘電体である。このため、Sb2Te3層で上下に挟まれたGeTe層は、Sb2Te3層からのトポロジカルバンドとバンド混成することで空間対称性が欠如したTe−Ge−Te−Ge型ではバンドギャップが開き、空間対称性を維持したTe−Ge−Ge−Te型ではディラックコーンを伴ってバンドギャップが閉じるという特徴をもつ。どちらの超格子構造もエネルギー的には安定であり、また、強誘電体型は外部電場を加えることで非強磁性体型に相転移させることが可能である。 The opening and closing of the band gap depends on the positional relationship between the Ge atoms and the Te atom layer of the GeTe thin film layer. Bulk GeTe has long been well known as a ferroelectric, and it is also well known that it is composed of a thin film laminated structure having a σ bond between Ge-Te. There are several methods for stacking atomic layers, and three types of Ge—Te—Te—Ge type, Ge—Te—Ge—Te type, and Te—Ge—Ge—Te type are typical, but Sb 2 Te 3 and the film forming temperature for forming the superlattice layer Te-Ge-Ge-Te type and Te-Ge-Te-Ge type is the most stable. The Te-Ge-Ge-Te type (see FIG. 6A) has spatial symmetry in the upper and lower sides and does not show ferroelectricity, but the Te-Ge-Te-Ge type (see FIG. 6B) is It is a ferroelectric material with polarization. Therefore, GeTe sandwiched vertically Sb 2 Te 3 layer layer, a band gap in the Te-GeTe-Ge type spatial symmetry is lacking by topological bands and band hybrid from Sb 2 Te 3 layer The Te-Ge-Ge-Te type that maintains the spatial symmetry has a feature that the band gap closes with a Dirac cone. Both superlattice structures are stable in terms of energy, and the ferroelectric type can be transformed into a non-ferromagnetic type by applying an external electric field.
つまり、[(GeTe)x(Sb2Te3)y]zからなる繰り返し構造の上下面に誘電体薄膜を形成し、その上にゲート電極を形成すれば、バンドギャップの開閉が可能となる。ソース電流は超格子構造の界面を流れるようにソース電極を配置すれば、線形分散をもち、高移動度をもったキャリアをドレイン電極に流すことができる。 That is, if a dielectric thin film is formed on the upper and lower surfaces of a repetitive structure composed of [(GeTe) x (Sb 2 Te 3 ) y ] z and a gate electrode is formed thereon, the band gap can be opened and closed. If the source electrode is arranged so that the source current flows through the interface of the superlattice structure, carriers having linear dispersion and high mobility can flow to the drain electrode.
なお、チャネル層を形成する材料は、ディラック電子系の伝導機構を呈する材料であれば、必ずしもトポロジカル相転移を生じる相変化材料である必要はない。例えば、電界印加によりバンドギャップが開く二層グラフェン、バンドギャップをもつアームチェア型のグラフェンナノリボン、MoS2等の他のディラック電子系材料を適用することができる。トランジスタがオン状態のときにディラック電子系の伝導機構を呈するように、トランジスタの各端子への印加電圧を、チャネル層材料に応じて適宜設定すればよい。 Note that the material forming the channel layer is not necessarily a phase change material that causes a topological phase transition as long as it is a material exhibiting a Dirac electron conduction mechanism. For example, other Dirac electronic materials such as double-layer graphene that opens a band gap by applying an electric field, an armchair graphene nanoribbon having a band gap, and MoS 2 can be used. What is necessary is just to set suitably the voltage applied to each terminal of a transistor according to a channel layer material so that the conduction mechanism of a Dirac electron system may be exhibited when the transistor is in an on state.
[電界効果トランジスタの製造方法]
次に、本実施形態による電界効果トランジスタの製造方法について図9乃至図20を用いて説明する。
[Method for Manufacturing Field Effect Transistor]
Next, the method for fabricating the field effect transistor according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
まず、面方位が(100)面であるシリコン基板10を、例えば酸素・水素混合気流中で、例えば温度950℃で加熱することにより、シリコン基板10の表面に、膜厚が例えば300nmの酸化シリコン層12を形成する。
First, the
次いで、酸化シリコン層12上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相堆積)法により、膜厚が例えば30nmの窒化シリコン層14を形成する(図9(a))。
Next, a
次いで、窒化シリコン層14上に、フォトリソグラフィにより、デバイスのアクティブ領域部分を覆い素子分離領域を露出するレジスト膜16を形成する。
Next, a resist
次いで、レジスト膜16をマスクとして、RIE(Reactive Ion etching:反応性イオンエッチング)法により、窒化シリコン層14及び酸化シリコン層12をエッチングし、素子分離領域の窒化シリコン層14及び酸化シリコン層12を除去する(図9(b))。エッチング条件としては、例えば、基板温度を60℃〜80℃、処理チャンバ内の圧力を0.1Pa〜1Paとし、エッチングガスにはCHF3,CHF3/CF4/He/Ar等を用い、シリコン基板10の表面でストップさせるのが好ましい。酸化シリコン層12とシリコン基板10との間のエッチング選択比が小さい場合は、膜厚に応じた時間エッチングを行い、シリコン基板10の表面を数nm程度掘り込んでも差し支えはない。
Next, using the resist
次いで、減圧酸素プラズマ環境にて、基板温度60℃〜150℃でアッシング処理を行い、レジスト膜16を除去する。
Next, ashing is performed at a substrate temperature of 60 ° C. to 150 ° C. in a reduced pressure oxygen plasma environment, and the resist
次いで、レジスト膜16を除去した基板を、硫酸:過酸化水素水=3〜8:1程度の混合溶液(SPM(硫酸過水)溶液:Sulfuric acid-hydrogen PeroxideMixture)で処理し、洗浄する。
Next, the substrate from which the resist
次いで、パターニングした窒化シリコン層14をマスクとして、例えばRIE法によりシリコン基板10をエッチングし、シリコン基板10に素子分離溝18を形成する(図9(c))。エッチング条件としては、例えば、基板温度を60℃〜80℃、処理チャンバ内の圧力を0.1Pa〜5Paとし、エッチングガスにはCl2,HBr,HBr/O2混合ガス,HBr/He混合ガス等のハロゲン系のガスを主体にしたガス系を用い、窒化シリコン層14に対して十分な選択比(具体的には10以上)を得ることが望ましい。素子分離溝18の深さは、100nm〜500nm程度が望ましい。素子分離溝18の幅は、所望のデバイスサイズとデバイスレイアウトに依存するが、100nm〜1μmが典型的である。
Next, using the patterned
次いで、SPM溶液による洗浄、過酸化水素水:アンモニア水溶液:水=1:1:3〜8程度の混合溶液(APM(アンモニア過水)溶液:Ammonium hydroxide-hydrogen Peroxide Mixture)による洗浄(温度70℃)、過酸化水素:塩酸:水=1:1:3〜8程度の混合溶液(HPM(塩酸過水)溶液:Hydrochloric acid-hydrogen Peroxide Mixture)による洗浄(温度70℃)を、順次行う。
Next, cleaning with SPM solution, cleaning with hydrogen peroxide water: ammonia aqueous solution: water = 1: 1: 3 to 8 (APM (ammonia hydrogen peroxide) solution: ammonium hydroxide-hydrogen peroxide mixture) (
次いで、全面に、CVD法により、例えばTEOS(Tetraethyl orthosilicate)を原料に用いて酸化シリコン層20を堆積し、素子分離溝18内を酸化シリコン層20で埋め込む(図10(a))。酸化シリコン層20の堆積膜厚は、素子分離溝18内を完全に埋め込むように、少なくとも素子分離溝18の幅の1/2に相当する膜厚以上とする。
Next, a
次いで、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)法により、窒化シリコン層14上の酸化シリコン層20を除去する。これにより、素子分離溝18内に埋め込まれた酸化シリコン層20よりなる素子分離絶縁膜22を形成し、シリコン基板10内にアクティブ領域22A,22Bを画定する(図10(b))。
Next, the
次いで、SPM溶液、APM溶液、HPM溶液により洗浄を行い、さらに弗化水素酸(49%):水=1:20の希釈弗酸水溶液で処理し、素子分離絶縁膜22の表面を30nm程度エッチングするとともに、窒化シリコン層14表面のSiON膜(図示せず)を除去する。
Next, the substrate is cleaned with an SPM solution, an APM solution, and an HPM solution, and further treated with a diluted hydrofluoric acid solution (49%): water = 1: 20, and the surface of the element
次いで、温度120℃〜180℃程度の加熱した燐酸で処理し、窒化シリコン層14を除去する(図10(c))。燐酸はシリコン及び酸化シリコンをエッチングしないため、窒化シリコン層14のみを除去することが可能である。
Next, the
次いで、シリコン基板10の表面部に、ドーパント不純物を導入する。ドーパント不純物の導入方法は、特に限定されるものではないが、イオン注入が望ましい。バックゲート電圧を負に設定する場合は、B(硼素)、BF2(弗化硼素)等のアクセプタ不純物を含む不純物をイオン注入し、シリコン基板10内にP型キャリア(正孔)を導入する。バックゲート電圧を正に設定する場合は、P(燐)、As(砒素)、Sb(アンチモン)等のドナー不純物を含む不純物をイオン注入し、シリコン基板10内にN型キャリア(電子)を導入する。
Next, dopant impurities are introduced into the surface portion of the
イオン注入条件は、素子分離絶縁膜22のトレンチ深さやバックゲート電極に求められる導電率等に応じて設定される。例えば、素子分離絶縁膜22のトレンチ深さが100nmの場合、BF2 +イオンやAs+イオンであれば、加速エネルギーを40keV程度とし、基板法線方向に対して7°オフした方向からイオン注入を行う。注入ドーズ量は、例えば3×1015cm−2程度とする。
The ion implantation conditions are set according to the trench depth of the element
次いで、SPM溶液、APM溶液、HPM溶液により基板を洗浄した後、注入したドーパント不純物の拡散及び活性化のための熱処理を行い、バックゲート電極としての不純物層24を形成する(図11(a))。
Next, the substrate is washed with an SPM solution, an APM solution, and an HPM solution, and then a heat treatment for diffusing and activating the implanted dopant impurities is performed to form an
この熱処理では、イオン注入したドーパント不純物が素子分離絶縁膜22よりも深くまで拡散するように行うのが望ましい。例えば、素子分離絶縁膜22のトレンチ深さが100nmの場合、窒素気流中で1000℃で、10分程度の熱処理を行う。上述のイオン注入条件を用いた場合、この熱処理により、シリコン基板10の表面から深さ150nm程度以上に渡って1×1020cm−3以上の高濃度領域を有する不純物層24が形成される。
In this heat treatment, it is desirable that ion-implanted dopant impurities are diffused deeper than the element
次いで、弗化水素酸(49%):水=1:20の希釈弗酸水溶液で処理し、シリコン基板10表面の酸化シリコン層12を除去する(図11(b))。室温であれば、典型的には1分〜2分程度のエッチング時間である。
Next, treatment with a dilute hydrofluoric acid aqueous solution of hydrofluoric acid (49%): water = 1: 20 is performed to remove the
次いで、シリコン基板10上に、フォトリソグラフィにより、アクティブ領域22Aを露出するレジスト膜26を形成する。レジスト膜26の膜厚は、100nm〜1μm程度が望ましい。ここでは、膜厚がdresistであり、トランジスタのソース−ドレイン方向に沿った開口部の幅がLACであるレジスト膜26を形成するものとする(図12(a))。
Next, a resist
次いで、レジスト膜26をマスクとして、斜めスパッタリング法により、シリコン基板10の法線方向に対してソース領域側へ傾斜した方向から成膜を行い、第1のゲート絶縁膜28を形成する(図12(b))。これにより、ソース領域側からドレイン領域側に向かって膜厚が徐々に増加する第1のゲート絶縁膜28を形成する。
Next, using the resist
スパッタ分子の進行方向(概ねターゲット表面の法線方向と考えてよい)に対するシリコン基板10の法線方向の傾斜角度は、第1のゲート絶縁膜28に求められる膜厚の勾配に応じて適宜選択される。傾斜角度は、典型的には、スパッタ分子の進行方向(概ねターゲット表面の法線方向と考えてよい)とシリコン基板10の法線方向(図中、一点鎖線で表す)とのなす角度をθ1として、
tanθ1=(LAC/2)/dresist〜tanθ1=LAC/dresist
の範囲に設定することが望ましい。レジスト膜26の膜厚を1μm、開口部の幅を1μmとするような典型的なデバイス設計の場合、傾斜角度θ1は、26.6°≦θ1≦45°程度の範囲に設定することが望ましい。また、成膜中は、シリコン基板10を回転しないことが望ましい。
The inclination angle of the normal direction of the
tanθ 1 = (L AC / 2 ) / d resist ~
It is desirable to set it within the range. In the case of a typical device design in which the thickness of the resist
第1のゲート絶縁膜28は、スパッタリング法により良好な絶縁特性を有する膜が得られる材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、SiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、HfAlOx、HfSiOx、Ta2O5、TaHfOx、Y2O3等が挙げられる。ここでは、一例として、HfO2よりなる第1のゲート絶縁膜28を形成する場合を例にして説明する。
The first
HfO2よりなる第1のゲート絶縁膜28は、例えば、HfO2ターゲットを用い、パワーを100W、成膜室圧力を0.5Pa、室温にて、RFマグネトロンスパッタにより成膜することができる。
The first
次いで、レジスト膜26を選択的に除去する。レジスト膜26の除去には、第1の絶縁膜28の形成材料に応じて、第1のゲート絶縁膜28に与えるダメージの少ない方法を適宜選択する。例えば、SiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、HfAlOx、HfSiOx、Ta2O5、TaHfOx、Y2O3等であれば、SPM溶液を用いることができる。SPM溶液を用いることにより、第1のゲート絶縁膜28にダメージを与えることなくレジスト膜26を除去することができる。また、レジスト膜26に付着している部分の第1のゲート絶縁膜28は、レジスト膜26とともに除去される(図13(a))。
Next, the resist
次いで、第1のゲート絶縁膜28上に、例えばスパッタリング法により、チャネルとなる相変化材料層36を形成する(図13(b))。相変化材料層36としては、例えば、ゲルマニウムとテルルからなる結晶合金層(GeTe層)と、アンチモンとテルルからなる結晶合金層(Sb2Te3層)とを、それぞれのもつ<111>面軸とc軸とが整合するように積層した超格子構造を適用することができる。
Next, a phase
例えば、Ge、Sb、Teそれぞれの純金属からなるターゲットを配置したRFスパッタリング装置を用い、圧力0.5Pa下で、スパッタガスにArを用い、Teターゲットには12.5Wのパワーを、Sbターゲットには12.8Wのパワーを、Geターゲットには45Wのパワーを適宜印加し、所望の結晶合金層を順次積層していく。基板温度は、成膜する結晶合金層の結晶化相転移温度に応じて適宜選択することが望ましい。例えば、Sb2Te3の結晶化相転移温度は約100℃、GeTeの結晶化相転移温度は最大でも230℃であるため、超格子構造を作製するための基板温度は、最低でも230℃より高い温度とすることが望ましい。 For example, an RF sputtering apparatus in which targets made of pure metals of Ge, Sb, and Te are arranged, Ar is used as a sputtering gas under a pressure of 0.5 Pa, a power of 12.5 W is used as a Te target, and an Sb target is used. A 12.8 W power is appropriately applied to the Ge target, and a 45 W power is appropriately applied to the Ge target, and desired crystal alloy layers are sequentially stacked. It is desirable that the substrate temperature is appropriately selected according to the crystallization phase transition temperature of the crystal alloy layer to be formed. For example, since the crystallization phase transition temperature of Sb 2 Te 3 is about 100 ° C. and the crystallization phase transition temperature of GeTe is 230 ° C. at the maximum, the substrate temperature for fabricating the superlattice structure is at least 230 ° C. A high temperature is desirable.
例えば、GeTeの1:1組成からなる1nmの膜と、Sb2Te3組成からなる6nmの膜(Sb2Te3の1nmは1QLに相当)とを繰り返し積層する。これにより、[(Ge2Te2)/(Sb2Te3)6]の繰り返しからなる超格子構造の相変化材料層36を形成する。この2つの異なるカルコゲン化合物は、対角線方向に歪んだ立方晶からなるGeTeの結晶[111]面と立方晶をもつSb2Te3の[0001]面の格子定数差が小さく、これらの面を共有して一軸結晶配向したヘテロ超格子構造を形成できる。この超格子は、200℃から250℃の温度で例えばスパッタリング法のような真空成膜法で容易に作製することができる。
For example, a 1 nm film having a 1: 1 composition of GeTe and a 6 nm film having a Sb 2 Te 3 composition (1 nm of Sb 2 Te 3 corresponds to 1QL) are repeatedly stacked. As a result, a phase
次いで、フォトリソグラフィにより、アクティブ領域22A上を覆うレジスト膜42を形成する(図14(a))。
Next, a resist
次いで、レジスト膜42をマスクとして相変化材料層36をドライエッチングし、相変化材料層36をアクティブ領域上に選択的に残存させる。
Next, the phase
次いで、レジスト膜42を除去する(図14(b))。レジスト膜42の除去は、例えば、100℃の酸素プラズマ中での燃焼剥離と、その後のアセトン等を用いた有機洗浄とにより行う。
Next, the resist
なお、相変化材料層36のパターニング工程は、例えば複数のトランジスタを形成する際に隣接素子間を分離する場合など、必要に応じて適宜行ってもよい。
Note that the patterning step of the phase
次いで、シリコン基板10上に、フォトリソグラフィにより、アクティブ領域22Aを露出するレジスト膜44を形成する。レジスト膜44の膜厚は、100nm〜1μm程度が望ましい。ここでは、膜厚がdresistであり、トランジスタのソース−ドレイン方向に沿った開口部の幅がLACであるレジスト膜44を形成するものとする(図15(a))。
Next, a resist
次いで、レジスト膜44をマスクとして、斜めスパッタリング法により、シリコン基板10の法線方向に対してドレイン領域側へ傾斜した方向から成膜を行い、第2のゲート絶縁膜46を形成する(図15(b))。これにより、ソース領域側からドレイン領域側に向かって膜厚が徐々に減少する第2のゲート絶縁膜46を形成する。
Next, using the resist
スパッタ分子の進行方向(概ねターゲット表面の法線方向と考えてよい)に対するシリコン基板10の法線方向の傾斜角度は、第2のゲート絶縁膜46に求められる膜厚の勾配に応じて適宜選択される。傾斜角度は、典型的には、スパッタ分子の進行方向(概ねターゲット表面の法線方向と考えてよい)とシリコン基板10の法線方向とのなす角度をθ2として、
tanθ2=(LAC/2)/dresist〜tanθ2=LAC/dresist
の範囲に設定することが望ましい。レジスト膜44の膜厚を1μm、開口部の幅を1μmとするような典型的なデバイス設計の場合、傾斜角度θ2は、26.6°≦θ2≦45°程度の範囲に設定することが望ましい。また、成膜中は、シリコン基板10を回転しないことが望ましい。
The inclination angle of the normal direction of the
tanθ 2 = (L AC / 2 ) / d resist ~
It is desirable to set it within the range. In the case of a typical device design in which the thickness of the resist
傾斜角度θ2は、|θ2|=|θ1|とすることが望ましいが、必ずしも|θ2|=|θ1|とする必要はない。第2のゲート絶縁膜46の膜厚は、第1のゲート絶縁膜28の膜厚と同じでも異なっていてもよい。
The inclination angle theta 2 is, | θ 2 | = | θ 1 | it is desirable to necessarily | θ 2 | = | θ 1 | and need not be. The film thickness of the second
第1のゲート絶縁膜28及び第2のゲート絶縁膜46の膜厚並びに膜厚勾配は、ゲート電極52及びバックゲート電極(シリコン基板10)から所望の電界効果が得られるように、適宜設定することが望ましい。
The film thickness and the film thickness gradient of the first
第2のゲート絶縁膜46は、第1のゲート絶縁膜28と同様、スパッタリング法により良好な絶縁特性を有する膜が得られる材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、SiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、HfAlOx、HfSiOx、Ta2O5、TaHfOx、Y2O3等が挙げられる。ここでは、一例として、HfO2よりなる第1のゲート絶縁膜28を形成する場合を例にして説明する。
The second
HfO2よりなる第2のゲート絶縁膜46は、例えば、HfO2ターゲットを用い、パワーを100W、成膜室圧力を0.5Pa、室温にて、RFマグネトロンスパッタにより成膜することができる。
The second
次いで、レジスト膜44を選択的に除去する。レジスト膜44の除去には、第2の絶縁膜46の形成材料に応じて、第2のゲート絶縁膜46に与えるダメージの少ない方法を適宜選択する。例えば、SiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、HfAlOx、HfSiOx、Ta2O5、TaHfOx、Y2O3等であれば、SPM溶液を用いることができる。SPM溶液を用いることにより、第2のゲート絶縁膜46にダメージを与えることなくレジスト膜44を除去することができる。また、レジスト膜44に付着している部分の第2のゲート絶縁膜46は、レジスト膜44とともに除去される(図16(a))。
Next, the resist
次いで、全面に、例えばスパッタリング法により、例えば膜厚30nm程度の、電極となる導電材料、例えばTiN層48を形成する。例えば、純金属Tiターゲットを装備したRFスパッタ装置を用いて、例えばArと窒素を1:1で混合した0.1Paのガス中で1kWのパワーでスパッタを行うことにより、TiN層48を形成する。
Next, a conductive material to be an electrode, for example, a
次いで、TiN層48上に、フォトリソグラフィーにより、形成しようとするゲート電極52のパターンを有するレジスト膜50を形成する(図16(b))。
Next, a resist
次いで、レジスト膜50をマスクとしてTiN層48をパターニングし、第2のゲート絶縁膜46上に、TiNよりなるゲート電極52を形成する(図17(a))。なお、チャネル長は、このように形成されるゲート電極52のゲート長によって規定されるが、ディラック電子がフォノンによって散乱される長さ(非弾性散乱長)よりも短くする。このようなチャネル長は、典型的には、1μm程度以下である。
Next, the
TiN層48のパターニングには、ドライエッチング法及びウェットエッチング法を適宜選択して使用できる。例えばドライエッチング法では、HBrとArの混合ガス中で10WのRFプラズマパワーにおいて30秒程度処理を行うことにより、30nmのTiNをエッチングできる。この組成に限らず、ArのみやCl2等のガスも使用できる。また、ウェットエッチング法では、HFとH2O2との混合溶液等が使用できる。弗酸、過酸化水素及び水を約1:1:10程度の組成で混合した溶液で約15分エッチングを行うことにより、30nmのTiNをエッチングできる。
For patterning the
次いで、レジスト膜50を除去する。レジスト膜50の除去は、例えば、100℃の酸素プラズマ中での燃焼剥離と、その後のアセトン等を用いた有機洗浄とにより行う。
Next, the resist
次いで、全面に、例えばプラズマCVD法により、例えば膜厚300nm程度の酸化シリコンを堆積し、酸化シリコンよりなる層間絶縁膜54を形成する。酸化シリコンは、例えば、シランガスとプラズマにより活性化されたN2Oガスを利用することなどにより、200℃〜350℃程度の低温で成長することができる。
Next, for example, silicon oxide having a film thickness of about 300 nm is deposited on the entire surface by, eg, plasma CVD to form an
次いで、層間絶縁膜54上に、フォトリソグラフィにより、不純物層24へのコンタクト領域を露出するフォトレジスト膜56を形成する。
Next, a
次いで、フォトレジスト膜56をマスクとして層間絶縁膜54をエッチングし、層間絶縁膜54に、不純物層24に達するコンタクトホール58を形成する(図18)。エッチング条件としては、例えば、基板温度を60℃〜80℃、処理チャンバ内の圧力を0.1Pa〜1Paとし、エッチングガスにはCHF3,CHF3/CF4/He/Ar等を用い、シリコン基板10の表面でストップさせるのが好ましい。酸化シリコンよりなる層間絶縁膜54とシリコン基板10との間のエッチング選択比が小さい場合は、膜厚に応じた時間エッチングを行い、シリコン基板10の表面を数nm程度掘り込んでも差し支えはない。
Next, the
次いで、レジスト膜56を除去する。レジスト膜56の除去は、例えば、100℃の酸素プラズマ中での燃焼剥離と、その後のアセトン等を用いた有機洗浄とにより行う。
Next, the resist
次いで、層間絶縁膜54上に、フォトリソグラフィにより、ゲート電極52へのコンタクト領域、相変化材料層36のソース/ドレイン領域へのコンタクト領域を露出するフォトレジスト膜60を形成する。
Next, a
次いで、フォトレジスト膜60をマスクとして層間絶縁膜54をエッチングし、層間絶縁膜60に、ゲート電極52及びソー片化材料層36に達するコンタクトホール62を形成する(図19(a))。エッチング条件としては、例えば、基板温度を60℃〜80℃、処理チャンバ内の圧力を0.1Pa〜1Paとし、エッチングガスにはCHF3等を用いる。
Next, the
ゲート電極54を形成するTiNは、CHF3に対する難エッチング性を有しているため、コンタクトホール62のエッチングはゲート電極52上で停止する。また、CHF3は、酸化物に対しては高いエッチングレートをもつが、相変化材料層36は殆どエッチングされないため、コンタクトホール62のエッチングは相変化材料層36上で停止する。
Since TiN forming the
次いで、レジスト膜60を除去する。レジスト膜60の除去は、例えば、100℃の酸素プラズマ中での燃焼剥離と、その後のアセトン等を用いた有機洗浄とにより行う。また、弗化水素酸(49%):水=1:20の希釈弗酸水溶液で処理し、シリコン基板10表面の自然酸化膜等を除去する。
Next, the resist
次いで、全面に、スパッタリング法により、配線層となる導電膜64を堆積する(図19(b))。導電膜64としては、特に限定されるものではないが、例えば、TiN層や、Al/TiN(10nm)/Ti(2nm)の積層構造等を適用することができる。
Next, a
次いで、導電膜64上に、電極パッドのパターンを有するフォトレジスト膜66を形成する。
Next, a
次いで、フォトレジスト膜66をマスクとして導電膜64をパターニングし、ゲート電極52、相変化材料層36のソース領域及びドレイン領域、不純物層24に電気的に接続された配線68A,68B,68C,68Dを形成する(図20(a))。なお、配線68Bはソース電極であり、配線68Cはドレイン電極である。
Next, the
導電層64は、例えば、0.3Paの塩素ガスを用いて10Wのバイアスパワーでエッチングを行うことにより、層間絶縁膜54を削ることなく導電層64のみをエッチングすることができる。
For example, the
次いで、レジスト膜66を除去する。レジスト膜66の除去は、例えば、100℃の酸素プラズマ中での燃焼剥離と、その後のアセトン等を用いた有機洗浄とにより行う(図20(b))。
Next, the resist
この後、必要に応じて所定のバックエンドプロセスを行い、本実施形態による電界効果トランジスタを完成する。 Thereafter, a predetermined back-end process is performed as necessary to complete the field effect transistor according to the present embodiment.
このように、本実施形態によれば、高いチャネル移動度と高いオン/オフ比とを両立した高速且つ低消費電力の電界効果トランジスタを実現することができる。 Thus, according to the present embodiment, it is possible to realize a high-speed and low power consumption field effect transistor that achieves both high channel mobility and high on / off ratio.
[第2実施形態]
第2実施形態による電界効果トランジスタ及びその製造方法について図21乃至図28を用いて説明する。図1乃至図20に示す第1実施形態による電界効果トランジスタ及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
[Second Embodiment]
The field effect transistor and the manufacturing method thereof according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. The same components as those of the field effect transistor and the manufacturing method thereof according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 20 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
図21は、本実施形態による電界効果トランジスタの構造を示す概略断面図である。図22乃至図28は、本実施形態による電界効果トランジスタの製造方法を示す工程断面図である。 FIG. 21 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the field effect transistor according to the present embodiment. 22 to 28 are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the field effect transistor according to the present embodiment.
[電界効果トランジスタの断面構造と動作概略]
はじめに本実施形態による半導体装置の構造について図21を用いて説明する。
[Cross-sectional structure and operation outline of field effect transistor]
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
シリコン基板10には、不純物層24が形成されている。不純物層24が形成されたシリコン基板10には、アクティブ領域22A,22Bを画定する素子分離絶縁膜22が形成されている。
An
シリコン基板10のアクティブ領域22A上には、第1のゲート絶縁膜34、相変化材料層36及び第2のゲート絶縁膜74が積層されている。相変化材料層36は、トポロジカル相転移が生じるディラック電子系材料により形成されている。第1のゲート絶縁膜34は、ソース領域側(図において左側)からドレイン領域側(図において右側)に向かって、誘電率が徐々に低くなっている。一方、第2のゲート絶縁膜74は、ソース領域側(図において左側)からドレイン領域側(図において右側)に向かって、誘電率が徐々に高くなっている。
On the
これにより、シリコン基板10には、バックゲート電極として機能する不純物層24、第1のゲート絶縁膜28、チャネル層として機能する相変化材料層36、第2のゲート絶縁膜46、トップゲート電極としてのゲート電極52を有する電界効果トランジスタが形成されている。
Thereby, the
電界効果トランジスタが形成されたシリコン基板10上には、層間絶縁膜54が形成されている。層間絶縁膜54上には、ゲート電極52に接続された配線68A、相変化材料層36に接続された配線68B(ソース電極),68C(ドレイン電極)、不純物層24に接続された配線68Dが形成されている。
An interlayer insulating
このように、本実施形態による電界効果トランジスタは、トポロジカル相転移が生じる相変化材料層36をチャネル層とし、ソース電極(配線68B)とドレイン電極(配線68C)との間に流れる電流を、バックゲート電極(不純物層24)とトップゲート電極(ゲート電極52)との間に印加する電界によって制御するものである。
As described above, the field effect transistor according to the present embodiment uses the phase
本実施形態による電界効果トランジスタでは、チャネル層(相変化材料層36)の静電ポテンシャルにチャネル長方向に沿って勾配が形成されるように、ソース領域側からドレイン領域側に向かうほど、第1のゲート絶縁膜34の誘電率を低く、第2のゲート絶縁膜74の誘電率を高くしている。こうすることで、チャネル長方向に沿ったチャネル層内の静電ポテンシャルに勾配をもたせることができる。
In the field effect transistor according to the present embodiment, the first from the source region side toward the drain region side so that a gradient is formed along the channel length direction in the electrostatic potential of the channel layer (phase change material layer 36). The
チャネル層内の静電ポテンシャルにチャネル長方向に沿って勾配を形成するためには、ソース領域側からドレイン領域側に向かうほど、第1のゲート絶縁膜34の静電容量が小さくなっており、第2のゲート絶縁膜74の静電容量が大きくなっていることが望ましい。ここで、面積を一定とした場合、静電容量を変化するパラメータとしては、膜厚と誘電率とが考えられる。このうち、ゲート絶縁膜の膜厚の変化を利用したものが第1実施形態の電界効果トランジスタである。本実施形態の電界効果トランジスタでは、ゲート絶縁膜の誘電率の変化を利用することで、チャネル層の静電ポテンシャルにチャネル長方向に沿って勾配を形成している。
In order to form a gradient along the channel length direction in the electrostatic potential in the channel layer, the capacitance of the first
第1のゲート絶縁膜34及び第2のゲート絶縁膜74は、例えば、第1の誘電率を有する第1の誘電体材料と、第1の誘電率よりも大きい第2の誘電率を有する第2の誘電体材料との混晶により形成し、チャネル長方向に沿って組成を徐々に変化することによって実現することができる。
The first
例えば、第1のゲート絶縁膜34としては、ソース領域側からドレイン領域側に向かって、Al2O3→HfAlOx→HfO2に徐々に組成が変化する膜を適用することができる。また、第2のゲート絶縁膜74としては、ソース領域側からドレイン領域側に向かって、HfO2→HfAlOx→Al2O3に徐々に組成が変化する膜を適用することができる。
For example, as the first
なお、組成によって誘電率が変化する誘電体材料としては、HfAlOx(HfO2−Al2O3の化合物)のほか、HfSiOx(HfO2−SiO2の化合物)、ZrArOx(ZrO2−Al2O3の化合物)、ZrSiOx(ZrO2−SiO2の化合物)など、多数の誘電体材料が挙げられる。 The dielectric material whose dielectric constant varies depending on the composition includes HfAlO x (HfO 2 —Al 2 O 3 compound), HfSiO x (HfO 2 —SiO 2 compound), ZrArO x (ZrO 2 —Al). 2 O 3 compound), ZrSiO x (ZrO 2 —SiO 2 compound) and many other dielectric materials.
また、誘電体材料の簿層に僅かの不純物をドープして結晶構造を変化させることにより、膜の誘電率を変えることもできる。そのような材料系としては、HfO2に微量(数%)のSi,Y等をドープした系が考えられる。 Also, the dielectric constant of the film can be changed by doping the book layer of dielectric material with a small amount of impurities to change the crystal structure. As such a material system, a system in which HfO 2 is doped with a small amount (several percent) of Si, Y, or the like can be considered.
第1のゲート絶縁膜34及び第2のゲート絶縁膜74を形成する材料は、これらから任意に選択することができる。第1のゲート絶縁膜34を形成する誘電体材料と第2のゲート絶縁膜74を形成する誘電体材料は、同じでも異なっていてもよい。
The material for forming the first
また、誘電体材料の簿層に僅かの不純物をドープして結晶構造を変化させることにより、膜の誘電率を変えることもできる。そのような材料系としては、HfO2に微量(数%)のSi,Y等をドープした系が考えられる。 Also, the dielectric constant of the film can be changed by doping the book layer of dielectric material with a small amount of impurities to change the crystal structure. As such a material system, a system in which HfO 2 is doped with a small amount (several percent) of Si, Y, or the like can be considered.
[電界効果トランジスタの駆動方法]
本実施形態による電界効果トランジスタの動作は、第1実施形態による電界効果トランジスタと同様である。
[Driving Method of Field Effect Transistor]
The operation of the field effect transistor according to the present embodiment is the same as that of the field effect transistor according to the first embodiment.
[電界効果トランジスタの製造方法]
次に、本実施形態による電界効果トランジスタの製造方法について、図22乃至図28を用いて説明する。
[Method for Manufacturing Field Effect Transistor]
Next, the method for fabricating the field effect transistor according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
まず、例えば図9(a)乃至図11(b)に示す第1実施形態による電界効果トランジスタの製造方法と同様にして、シリコン基板10に、アクティブ領域22A,22Bを画定する素子分離絶縁膜22、不純物層24を形成する(図22(a))。
First, for example, in the same manner as in the method of manufacturing the field effect transistor according to the first embodiment shown in FIGS. 9A to 11B, the element
次いで、シリコン基板10上に、フォトリソグラフィにより、アクティブ領域22Aを露出するレジスト膜26を形成する。レジスト膜26の膜厚は、100nm〜1μm程度が望ましい。ここでは、膜厚がdresistであり、トランジスタのソース−ドレイン方向に沿った開口部の幅がLACであるレジスト膜26を形成するものとする(図22(b))。
Next, a resist
次いで、レジスト膜26をマスクとして、斜めスパッタリング法により、シリコン基板10の法線方向に対してソース領域側へ傾斜した方向から成膜を行い、ソース領域側からドレイン領域側に向かって膜厚が徐々に増加する低誘電率膜30を形成する(図23(a))。
Next, the resist
スパッタ分子の進行方向(概ねターゲット表面の法線方向と考えてよい)に対するシリコン基板10の法線方向の傾斜角度は、低誘電率膜30に求められる膜厚の勾配に応じて適宜選択される。傾斜角度は、典型的には、スパッタ分子の進行方向(概ねターゲット表面の法線方向と考えてよい)とシリコン基板10の法線方向(図中、一点鎖線で表す)とのなす角度をθ1として、
tanθ1=(LAC/2)/dresist〜tanθ1=LAC/dresist
の範囲に設定することが望ましい。レジスト膜26の膜厚を1μm、開口部の幅を1μmとするような典型的なデバイス設計の場合、傾斜角度θ1は、26.6°≦θ≦45°程度の範囲に設定することが望ましい。また、成膜中は、シリコン基板10を回転しないことが望ましい。低誘電率膜30の最大膜厚は、2nm程度とすることが望ましい。
The inclination angle of the normal direction of the
tanθ 1 = (L AC / 2 ) / d resist ~
It is desirable to set it within the range. In the case of a typical device design in which the thickness of the resist
形成しようとする第1のゲート絶縁膜がHfAlOx、HfSiOx、ZrArOx、ZrSiOxの場合、低誘電率膜30は、それぞれ、Al2O3、SiO2、Al2O3,SiO2とする。また、母相に不純物を添加し、母相の結晶構造を変化させることにより誘電率を変化させる場合の例として、HfO2に微量(数%)のSi,Y等をドープする場合は、SiO2又はY2O3を堆積する。
When the first gate insulating film to be formed is HfAlO x , HfSiO x , ZrArO x , ZrSiO x , the low dielectric
Al2O3、SiO2及びY2O3の何れの場合も、これらの酸化物をターゲットとして、パワーを100W、成膜室圧力を0.5Pa、室温にて、RFマグネトロンスパッタにより成膜することができる。 In any case of Al 2 O 3 , SiO 2, and Y 2 O 3 , film formation is performed by RF magnetron sputtering with these oxides as targets and power of 100 W, film formation chamber pressure of 0.5 Pa, and room temperature. be able to.
次いで、レジスト膜26をマスクとして、スパッタリング法により、高誘電率膜32を形成する(図23(b))。高誘電率膜32の成膜は、基板法線方向に対して垂直に、すなわち一様な膜厚で堆積することが望ましい。高誘電率膜32の膜厚は、2nm〜10nm程度が好ましい。
Next, a high dielectric
形成しようとする第1のゲート絶縁膜がHfAlOx、HfSiOx、ZrArOx、ZrSiOxの場合、高誘電率膜32は、それぞれ、HfO2、HfO2、ZrO2,ZrO2とする。また、母相に不純物を添加し、母相の結晶構造を変化させることにより誘電率を変化させる場合の例として、HfO2に微量(数%)のSi,Y等をドープする場合は、HfO2を堆積する。
When the first gate insulating film to be formed is HfAlO x , HfSiO x , ZrArO x , ZrSiO x , the high dielectric
次いで、レジスト膜26を選択的に除去する。レジスト膜26の除去には、低誘電率膜30及び高誘電率膜32の形成材料に応じて、これら膜に与えるダメージの少ない方法を適宜選択する。例えば、SiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、HfAlOx、HfSiOx、Ta2O5、TaHfOx、Y2O3等であれば、SPM溶液を用いることができる。SPM溶液を用いることにより、低誘電率膜30及び高誘電率膜32にダメージを与えることなくレジスト膜26を除去することができる。また、レジスト膜26に付着している部分の低誘電率膜30及び高誘電率膜32は、レジスト膜26とともに除去される(図24(a))。
Next, the resist
次いで、窒素気流中で、500℃〜1000℃にて熱処理を行う。熱処理時間は、絶縁膜材料にもよるが、HfAlOx(HfO2−Al2O3)の場合は、500℃〜900℃が望ましい。この熱処理により、低誘電率膜30と高誘電率膜32との間で反応が生じ、或いは低誘電率膜30の構成元素(Si,Y)が不純物として母相としての高誘電率膜32中にドープされる。これにより、ソース領域側からドレイン領域側に向かうほど誘電率の低い第1のゲート絶縁膜34が形成される(図24(b))。
Next, heat treatment is performed at 500 ° C. to 1000 ° C. in a nitrogen stream. The heat treatment time depends on the insulating film material, but in the case of HfAlO x (HfO 2 —Al 2 O 3 ), 500 ° C. to 900 ° C. is desirable. By this heat treatment, a reaction occurs between the low dielectric
次いで、第1のゲート絶縁膜34上に、図13(b)に示す第1実施形態による電界効果トランジスタの製造方法と同様にして、チャネルとなる相変化材料層36を形成する(図24(c))。
Next, a phase
次いで、フォトリソグラフィにより、アクティブ領域22A上を覆うレジスト膜42を形成する。
Next, a resist
次いで、レジスト膜42をマスクとして相変化材料層36をドライエッチングし、相変化材料層36をアクティブ領域22A上に選択的に残存させる(図25(a))。
Next, the phase
次いで、レジスト膜42を除去する。レジスト膜42の除去は、例えば、100℃の酸素プラズマ中での燃焼剥離と、その後のアセトン等を用いた有機洗浄とにより行う。
Next, the resist
なお、相変化材料層36のパターニング工程は、例えば複数のトランジスタを形成する際に隣接素子間を分離する場合など、必要に応じて適宜行ってもよい。
Note that the patterning step of the phase
次いで、シリコン基板10上に、フォトリソグラフィにより、アクティブ領域22Aを露出するレジスト膜44を形成する。レジスト膜44の膜厚は、100nm〜1μm程度が望ましい。ここでは、膜厚がdresistであり、トランジスタのソース−ドレイン方向に沿った開口部の幅がLACであるレジスト膜44を形成するものとする(図25(b))。
Next, a resist
次いで、レジスト膜44をマスクとして、斜めスパッタリング法により、シリコン基板10の法線方向に対してドレイン領域側へ傾斜した方向から成膜を行い、ドレイン領域側からソース領域側に向かって膜厚が徐々に増加する低誘電率膜70を形成する(図26(a))。
Next, the resist
スパッタ分子の進行方向(概ねターゲット表面の法線方向と考えてよい)に対するシリコン基板10の法線方向の傾斜角度は、低誘電率膜70に求められる膜厚の勾配に応じて適宜選択される。傾斜角度は、典型的には、スパッタ分子の進行方向(概ねターゲット表面の法線方向と考えてよい)とシリコン基板10の法線方向(図中、一点鎖線で表す)とのなす角度をθ2として、
tanθ2=(LAC/2)/dresist〜tanθ2=LAC/dresist
の範囲に設定することが望ましい。レジスト膜44の膜厚を1μm、開口部の幅を1μmとするような典型的なデバイス設計の場合、傾斜角度θ2は、26.6°≦θ≦45°程度の範囲に設定することが望ましい。また、成膜中は、シリコン基板10を回転しないことが望ましい。低誘電率膜70の最大膜厚は、2nm程度とすることが望ましい。傾斜角度θ2は、|θ2|=|θ1|とすることが望ましいが、必ずしも|θ2|=|θ1|とする必要はない。
The inclination angle of the normal direction of the
tanθ 2 = (L AC / 2 ) / d resist ~
It is desirable to set it within the range. In the case of a typical device design in which the thickness of the resist
低誘電率膜70の材料選択例は、低誘電率膜30の場合と同様である。
The material selection example of the low dielectric
次いで、レジスト膜44をマスクとして、スパッタリング法により、高誘電率膜72を形成する(図26(b))。高誘電率膜72の成膜は、基板法線方向に対して垂直に、すなわち一様な膜厚で堆積することが望ましい。高誘電率膜72の膜厚は、2nm〜10nm程度が好ましい。
Next, a high dielectric
低誘電率膜72の材料選択例は、低誘電率膜32の場合と同様である。
The material selection example of the low dielectric
次いで、レジスト膜44を選択的に除去する。レジスト膜44の除去には、低誘電率膜70及び高誘電率膜72の形成材料に応じて、これら膜に与えるダメージの少ない方法を適宜選択する。例えば、SiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、HfAlOx、HfSiOx、Ta2O5、TaHfOx、Y2O3等であれば、SPM溶液を用いることができる。SPM溶液を用いることにより、低誘電率膜70及び高誘電率膜72にダメージを与えることなくレジスト膜44を除去することができる。また、レジスト膜44に付着している部分の低誘電率膜70及び高誘電率膜72は、レジスト膜44とともに除去される(図27(a))。
Next, the resist
次いで、窒素気流中で、500℃〜1000℃にて熱処理を行う。熱処理時間は、絶縁膜材料にもよるが、HfAlOx(HfO2−Al2O3)の場合は、500℃〜900℃が望ましい。この熱処理により、低誘電率膜70と高誘電率膜72との間で反応が生じ、或いは低誘電率膜70の構成元素(Si,Y)が不純物として母相としての高誘電率膜72中にドープされる。これにより、ソース領域側からドレイン領域側に向かうほど誘電率の高い第2のゲート絶縁膜74が形成される(図27(b))。
Next, heat treatment is performed at 500 ° C. to 1000 ° C. in a nitrogen stream. The heat treatment time depends on the insulating film material, but in the case of HfAlO x (HfO 2 —Al 2 O 3 ), 500 ° C. to 900 ° C. is desirable. By this heat treatment, a reaction occurs between the low dielectric
次いで、図16(b)乃至17(a)に示す第1実施形態による電界効果トランジスタの製造方法と同様にして、第2のゲート絶縁膜72上に、ゲート電極52を形成する(図28(a))。
Next, a
次いで、図17(b)乃至図20(b)に示す第1実施形態による電界効果トランジスタの製造方法と同様にして、層間絶縁膜54、配線68A,68B,68C,68Dを形成する(図28(b))。
Next, in the same manner as in the method of manufacturing the field effect transistor according to the first embodiment shown in FIGS. 17B to 20B, the
この後、必要に応じて所定のバックエンドプロセスを行い、本実施形態による電界効果トランジスタを完成する。 Thereafter, a predetermined back-end process is performed as necessary to complete the field effect transistor according to the present embodiment.
このように、本実施形態によれば、高いチャネル移動度と高いオン/オフ比とを両立した高速且つ低消費電力の電界効果トランジスタを実現することができる。 Thus, according to the present embodiment, it is possible to realize a high-speed and low power consumption field effect transistor that achieves both high channel mobility and high on / off ratio.
[第3実施形態]
第3実施形態による電界効果トランジスタ及びその製造方法について図29乃至図35を用いて説明する。図1乃至図28に示す第1及び第2実施形態による電界効果トランジスタ及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
[Third Embodiment]
The field effect transistor and the method for manufacturing the same according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. Constituent elements similar to those of the field effect transistor and the manufacturing method thereof according to the first and second embodiments shown in FIGS. 1 to 28 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
図29は、本実施形態による電界効果トランジスタの構造を示す概略断面図である。図30及び図31は、本実施形態による電界効果トランジスタの動作を説明するエネルギーバンド図である。図32乃至図35は、本実施形態による電界効果トランジスタの製造方法を示す工程断面図である。 FIG. 29 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the field effect transistor according to the present embodiment. 30 and 31 are energy band diagrams for explaining the operation of the field effect transistor according to the present embodiment. 32 to 35 are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the field effect transistor according to the present embodiment.
[電界効果トランジスタの断面構造と動作概略]
はじめに本実施形態による電界効果トランジスタの構造について図29を用いて説明する。
[Cross-sectional structure and operation outline of field effect transistor]
First, the structure of the field effect transistor according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
シリコン基板80には、第1のゲート絶縁膜82が形成されている。第1のゲート絶縁膜82上には、相変化材料層84が形成されている。第1のゲート絶縁膜82上には、また、相変化材料層84の両端部に接続して、ソース電極88及びドレイン電極90が形成されている。ソース電極88とドレイン電極90との間の相変化材料層84上には、第2のゲート絶縁膜92が形成されている。第2のゲート絶縁膜92上には、ゲート電極96A,96B,96Cが形成されている。
A first
このように、本実施形態による電界効果トランジスタは、相変化材料層84をチャネル層とし、ソース電極88とドレイン電極90との間に流れる電流を、バックゲート電極(シリコン基板10)とトップゲート電極(ゲート電極96A,96B,96C)との間に印加する電界によって制御するものである。
As described above, the field effect transistor according to the present embodiment uses the phase
本実施形態による電界効果トランジスタでは、チャネル層(相変化材料層84)の静電ポテンシャルにチャネル長方向に沿って勾配が形成されるように、異なる駆動電圧を印加できる複数のゲート電極96A,96B,96Cを有している。こうすることで、チャネル長方向に沿ったチャネル層内の静電ポテンシャルを折り曲げて、広いエネルギー領域でバンドギャップに電子透過をブロックさせることができる。つまりは、電子透過がブロックされるエネルギー領域の大きさはトップゲート電極の数を増やすことで、増倍することができる。
In the field effect transistor according to the present embodiment, a plurality of
[電界効果トランジスタの駆動方法]
次に、本実施形態による電界効果トランジスタの動作について図29乃至図31を用いて説明する。
[Driving Method of Field Effect Transistor]
Next, the operation of the field effect transistor according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
まず、トランジスタを駆動させるための前提条件について説明する。 First, preconditions for driving the transistor will be described.
ソースは接地し、その電位VSをフェルミ準位EFと同じにする(VS=−EF/e=0)。また、バックゲート電極には正の電圧を印加して、静電支配(電界効果ドーピング)によりソース領域のフェルミ準位EFを伝導帯の底よりも十分に高く、すなわち縮退極限となるようにする(EF−EC≫kBT)。 The source is grounded, and its potential V S is set equal to the Fermi level E F (V S = −E F / e = 0). Further, the back gate electrode by applying a positive voltage, the electrostatic governed sufficiently higher than the bottom of the conduction band and the Fermi level E F of the source region by (field effect doping), i.e. such that the degenerate extreme (E F -E C >> k B T).
次に、トランジスタをオフ状態にする電圧印加条件について説明する。 Next, voltage application conditions for turning off the transistor will be described.
トランジスタをオフ状態とするときには、トップゲート電極であるゲート電極96A,96B,96Cには、0>VTGA>VTGB>VTGCの関係となる電圧VTGA,VTGB,VTGCを、それぞれ印加する。また、バックゲート電極には、前述のように、正の電圧VBGを印加する。また、ソース電極88は接地するものとし、ドレイン電極90には所定のソース−ドレイン間電圧が印加されるように正の電圧を印加する。
When the transistor is turned off, voltages V TGA , V TGB , and V TGC are applied to the
トランジスタの各端子にこのような電圧を印加すると、ソース領域からチャネル領域を介してドレイン領域に至る領域のエネルギーバンド構造は、図30に示すようになる。図30中、EFはフェルミ準位、ECは伝導帯のバンド端、EVは価電子帯のバンド端、Uは静電ポテンシャルを表している。 When such a voltage is applied to each terminal of the transistor, an energy band structure in a region from the source region to the drain region through the channel region is as illustrated in FIG. In Figure 30, E F is the Fermi level, E C is the band edge of the conduction band, E V is the band edge of the valence band, U is represents the electrostatic potential.
すなわち、バックゲート電極には正の電圧VBGが印加されているため、ソース領域とドレイン領域との間のチャネル領域では、静電ポテンシャルUはフェルミ準位EFよりも引き下げられる。フェルミ準位EFは、ドレイン電圧によりソース領域側が最も高く、ドレイン領域側が最も低くなる。 That is, the back gate electrode, the positive voltage V BG is applied, the channel region between the source region and the drain region, the electrostatic potential U is lowered than the Fermi level E F. Fermi level E F is the source region side is highest by the drain voltage, the drain region side is the lowest.
また、ゲート電極96A,96B,96Cに上述のような負の駆動電圧を印加することにより、ゲート電極96A,96B,96C部分のチャネル層の静電ポテンシャルUが持ち上げられる。ゲート電極96A,96B,96Cによる静電制御(電界効果ドーピング)の効果は、印加電圧の大きさに応じて、ソース領域側のゲート電極96よりもドレイン領域側のゲート電極96の方が大きくなるため、ドレイン領域に近いゲート電極96部分ほど静電ポテンシャルUは大きく持ち上げられる。
Further, by applying a negative driving voltage as described above to the
そして、静電ポテンシャルUとともに、ゲート電極96A,96B,96C下のチャネル領域では、バンドギャップも持ち上げられることになる。このバンドギャップはコヒーレントな電子透過を妨げることでエネルギー軸上にトランスポートギャップを形成するため、それぞれのトップゲートによるトランスポートギャップはエネルギー軸上で重なり合っている方が、ドレイン電流を流さないためには都合がよい。そのため、ドレイン電流が最小となるような、隣り合ったトップゲートの電圧差を求めておいて、その電圧差の条件を満たすようなトップゲート電圧VTGA,VTGB,VTGCを使用することが望ましい。
In addition to the electrostatic potential U, the band gap is lifted in the channel region under the
図30に示すようにバンドギャップが屈曲すると、電子がソース領域側からドレイン領域側に抜けるには、ソース領域で電子は、最も右側のトップゲートによって持ち上げられた伝導帯の底のエネルギーECよりも高いエネルギー準位に熱励起される必要がある。なぜなら、そのエネルギー準位からソース領域での伝導帯の底のエネルギーECまでのエネルギー領域は、トランスポートギャップに覆われて、電子が透過できなくなってしまっているからである。このエネルギー領域で電子がソース領域側からドレイン領域側へと抜けるには、バンドギャップを透過しなければならないが、このトランジスタではチャネル内でフォノンとのエネルギー授受により(或いは他の非弾性散乱により)電子のエネルギーが変化することはなく一定であるので、電子はバンドギャップが薄くなっている箇所に回り込んでバンド−バンド間トンネル(band-to-band tunneling)によってチャネルを透過することはできない。因みに、チャネル領域内でフォノン散乱が生じないのは、チャネル長が非弾性散乱長よりも短くなるように、トランジスタを製造するからである。 When the band gap is bent as shown in FIG. 30, in order for the electrons to escape from the source region side to the drain region side, the electrons in the source region are from the energy E C at the bottom of the conduction band lifted by the rightmost top gate. Must be thermally excited to a higher energy level. This is because the energy region from the energy level to the energy E C at the bottom of the conduction band in the source region is covered with the transport gap, and electrons cannot be transmitted. In order for electrons to escape from the source region side to the drain region side in this energy region, they must pass through the band gap. In this transistor, energy is exchanged with phonons in the channel (or by other inelastic scattering). Since the energy of the electrons does not change and is constant, the electrons cannot pass through the channel by band-to-band tunneling by wrapping around where the band gap is thin. Incidentally, the phonon scattering does not occur in the channel region because the transistor is manufactured so that the channel length is shorter than the inelastic scattering length.
この結果、ドレイン電流は流れることはなく、トランジスタはオフ状態となる。 As a result, no drain current flows and the transistor is turned off.
次に、トランジスタをオン状態にする電圧印加条件について説明する。 Next, voltage application conditions for turning on the transistor will be described.
トランジスタをオン状態とするときには、トップゲート電極であるゲート電極96A,96B,96Cには、それらによってエネルギーバンドが持ち上げられないように、十分に小さい値か0Vである電圧VTGA,VTGB,VTGCを、それぞれ印加する。また、バックゲート電極には、前述のように、正の電圧VBGを印加する。また、ソース電極88は接地するものとし、ドレイン電極90には所定のソース−ドレイン間電圧が印加されるように正の電圧を印加する。
When the transistor is turned on, the
トランジスタの各端子にこのような電圧を印加すると、ソース領域からチャネル領域を介してドレイン領域に至る領域のエネルギーバンド構造は、図31に示すようになる。図31中、EFはフェルミ準位、ECは伝導帯のバンド端、EVは価電子帯のバンド端、Uは静電ポテンシャルを表している。 When such a voltage is applied to each terminal of the transistor, an energy band structure in a region from the source region to the drain region through the channel region is as illustrated in FIG. In Figure 31, E F is the Fermi level, E C is the band edge of the conduction band, E V is the band edge of the valence band, U is represents the electrostatic potential.
これにより、ソース領域からドレイン領域へとエネルギーバンドは段差を生じることなく繋がるので、ソース領域のフェルミ準位EFの電子は、ドレイン領域へとバリスティック(或いは電子コヒーレンスを保ったまま)に透過できることとなり、ドレイン電流が流れ、トランジスタはオン状態となる。 Thus, since the source region to the drain region energy bands leads without causing a step, the Fermi level of the electrons of E F of the source region, the transmission to the drain region ballistically (or keeping the electrons coherence) As a result, drain current flows and the transistor is turned on.
ドレイン電圧VDSを正に大きくしていくと、ドレイン領域のフェルミ準位EFは、ソース領域のフェルミ準位EFよりも下に押し下げられる。これにより、ソース領域側の伝導帯の電子は、ドレイン領域側の開いているエネルギー準位へと抜けられるようになる。 As you just increase the drain voltage V DS, the Fermi level E F of the drain region, pushed down below the Fermi level E F of the source region. As a result, electrons in the conduction band on the source region side can escape to the open energy level on the drain region side.
このトランジスタのソース領域は縮退極限のため、ドレイン電流は、ソース領域のフェルミ準位EFとドレイン領域のフェルミ準位EFに差に比例する。つまり、ドレイン電流は、ドレイン電圧比に比例して大きくなる。しかし、ドレイン領域のフェルミ準位EFがソース領域の伝導帯の底のエネルギーECよりも小さくなると、やがて、ドレイン電流はそれ以上、増えなくなる(非特許文献8)。すなわち、ドレイン電流は、飽和する。 A source region of the transistor due to the degeneracy extreme, the drain current is proportional to the difference in the Fermi level E F the Fermi level E F and the drain region of the source region. That is, the drain current increases in proportion to the drain voltage ratio. However, the Fermi level E F of the drain region is smaller than the energy E C at the bottom of the conduction band of the source region, eventually, the drain current is greater, increasing not (Non-Patent Document 8). That is, the drain current is saturated.
このように、本実施形態による電界効果トランジスタによれば、従来のグラフェントランジスタのようなジレンマに阻まれることなく、チャネル領域におけるキャリア移動度を最大化しつつ、ドレイン電流を飽和させることができる。 As described above, the field effect transistor according to the present embodiment can saturate the drain current while maximizing the carrier mobility in the channel region without being blocked by the dilemma of the conventional graphene transistor.
[電界効果トランジスタの製造方法]
次に、本実施形態による電界効果トランジスタの製造方法について図32乃至図35を用いて説明する。
[Method for Manufacturing Field Effect Transistor]
Next, the method for fabricating the field effect transistor according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
まず、面方位が(100)面であるシリコン基板80上に、例えば熱酸化法により、例えば温度800℃の酸素雰囲気中で10分間加熱することにより、例えば膜厚10nmの酸化シリコン層を形成する。これにより、酸化シリコン層よりなる第1のゲート絶縁膜82を形成する(図32(a))。シリコン基板80には、第1及び第2実施形態の場合と同様、素子分離絶縁膜22や不純物層24を設けてもよい。
First, a silicon oxide layer having a thickness of, for example, 10 nm is formed on a
第1のゲート絶縁膜82の膜厚は、ゲート電極96A,96B,96C及びバックゲート電極としてのシリコン基板80からの静電的な影響を考慮して、適宜選択することが望ましい。すなわち、薄くなるほどに、ソース領域及びドレイン領域におけるバックゲート電極からの静電支配が強くなる。第1のゲート絶縁膜82の構成材料は、酸化シリコンに限らず、窒化シリコンや高誘電率絶縁膜等、他の絶縁膜を適宜選択することができる。また、成膜方法も特に限定されるものではなく、CVD法やスパッタリング法等により形成してもよい。
The film thickness of the first
次いで、第1のゲート絶縁膜82上に、例えばスパッタリング法により、チャネル層となる相変化材料層84を形成する(図32(b))。相変化材料層84としては、例えば、ゲルマニウムとテルルからなる結晶合金層(GeTe層)と、アンチモンとテルルからなる結晶合金層(Sb2Te3層)とを、それぞれのもつ<111>面軸とc軸とが整合するように積層した超格子構造を適用することができる。
Next, a phase
例えば、Ge、Sb、Teそれぞれの純金属からなるターゲットを配置したRFスパッタリング装置を用い、圧力0.5Pa下で、スパッタガスにArを用い、Teターゲットには12.5Wのパワーを、Sbターゲットには12.8Wのパワーを、Geターゲットには45Wのパワーを適宜印加し、所望の結晶合金層を順次積層していく。基板温度は、成膜する結晶合金層の結晶化相転移温度に応じて適宜選択することが望ましい。例えば、Sb2Te3の結晶化相転移温度は約100℃、GeTeの結晶化相転移温度は最大でも230℃であるため、超格子構造を作製するための基板温度は、最低でも230℃より高い温度とすることが望ましい。 For example, an RF sputtering apparatus in which targets made of pure metals of Ge, Sb, and Te are arranged, Ar is used as a sputtering gas under a pressure of 0.5 Pa, a power of 12.5 W is used as a Te target, and an Sb target is used. A 12.8 W power is appropriately applied to the Ge target, and a 45 W power is appropriately applied to the Ge target, and desired crystal alloy layers are sequentially stacked. It is desirable that the substrate temperature is appropriately selected according to the crystallization phase transition temperature of the crystal alloy layer to be formed. For example, since the crystallization phase transition temperature of Sb 2 Te 3 is about 100 ° C. and the crystallization phase transition temperature of GeTe is 230 ° C. at the maximum, the substrate temperature for fabricating the superlattice structure is at least 230 ° C. A high temperature is desirable.
例えば、GeTeの1:1組成からなる1nmの膜と、Sb2Te3組成からなる6nmの膜(Sb2Te3の1nmは1QLに相当)とを繰り返し積層する。これにより、[(Ge2Te2)/(Sb2Te3)6]の繰り返しからなる超格子構造の相変化材料層84を形成する。
For example, a 1 nm film having a 1: 1 composition of GeTe and a 6 nm film having a Sb 2 Te 3 composition (1 nm of Sb 2 Te 3 corresponds to 1QL) are repeatedly stacked. As a result, a phase
次いで、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、相変化材料層84を所定の形状にパターニングする(図33(a))。このパターニング工程は、例えば複数のトランジスタを形成する際に隣接素子間を分離する場合など、必要に応じて適宜行えばよい。相変化材料層84をパターニングすることには、相変化材料層84の側面部にソース電極88及びドレイン電極90を接触させ、導電率の高い合金結晶層に直接ソース側からキャリアを注入することにより、より大きい電流が得られるメリットもある。
Next, the phase
次いで、相変化材料層84上に、例えばスパッタリング法により、例えば膜厚30nm程度の、電極となる導電材料、例えばTiN層86を形成する(図33(b))。例えば、純金属Tiターゲットを装備したRFスパッタ装置を用いて、例えばArと窒素を1:1で混合した0.1Paのガス中で1kWのパワーでスパッタリングを行うことにより、TiN層86を形成する。
Next, a conductive material to be an electrode, for example, a
次いで、フォトリソグラフィ及びエッチングによりTiN層86をパターニングし、相変化材料層84の両端部に配置されたソース電極88及びドレイン電極90を形成する(図34(a))。TiN層86のエッチングには、ドライエッチング法及びウェットエッチング法を適時選択して使用できる。例えばドライエッチング法では、HBrとArの混合ガス中で1500WのRFプラズマパワーにおいて30秒程度処理を行うことにより、30nmのTiNをエッチングできる。この組成に限らず、ArのみやCl2等のガスも使用できる。また、ウェットエッチング法では、HFとH2O2との混合溶液等が使用できる。弗酸、過酸化水素及び水を約1:1:10程度の組成で混合した溶液で約15分エッチングを行うことにより、30nmのTiNをエッチングできる。
Next, the
ソース電極88とドレイン電極90との間隔は、ディラック電子がフォノンによって散乱される長さ(非弾性散乱長)よりも短くするが、1μm以下が望ましい。
The distance between the
次いで、相変化材料層84上に、例えばCVD法やスパッタリング法等により、第2のゲート絶縁膜92を形成する(図34(b))。第2のゲート絶縁膜92の構成材料及び膜厚は、ゲート電極96A,96B,96C及びバックゲート電極としてのシリコン基板80からの静電的な影響を考慮して、適宜選択することが望ましい。良好な絶縁性を維持するためには、膜厚は2nm以上が望ましい。
Next, a second
第2のゲート絶縁膜92をスパッタリング法により形成する場合は、スパッタリング法により良好な絶縁特性を有する膜が得られる材料、例えば、SiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、HfAlOx、HfSiOx、Ta2O5、TaHfOx、Y2O3等が望ましい。ここでは、一例として、HfO2よりなる第2のゲート絶縁膜92を形成する場合を例にして説明する。
In the case where the second
HfO2よりなる第2のゲート絶縁膜92は、例えば、HfO2ターゲットを用い、パワーを100W、成膜室圧力を0.5Pa、室温にて、RFマグネトロンスパッタにより成膜することができる。
The second
次いで、第2のゲート絶縁膜92上に、例えばスパッタリング法により、例えば膜厚30nm程度の、ゲート電極96A,96B,96Cとなる導電材料、例えばTiN層94を形成する(図35(a))。例えば、純金属Tiターゲットを装備したRFスパッタ装置を用いて、例えばArと窒素を1:1で混合した0.1Paのガス中で1kWのパワーでスパッタリングを行うことにより、TiN層94を形成する。
Next, a conductive material, for example, a
次いで、フォトリソグラフィ及びエッチングによりTiN層94をパターニングし、ソース電極88とドレイン電極90との間の第2のゲート絶縁膜92上に、ゲート電極96A,96B,96Cを形成する(図35(b))。TiN層94のエッチングには、ドライエッチング法及びウェットエッチング法を適時選択して使用できる。例えばドライエッチング法では、HBrとArの混合ガス中で1500WのRFプラズマパワーにおいて30秒程度処理を行うことにより、30nmのTiNをエッチングできる。この組成に限らず、ArのみやCl2等のガスも使用できる。また、ウェットエッチング法では、HFとH2O2との混合溶液等が使用できる。弗酸、過酸化水素及び水を約1:1:10程度の組成で混合した溶液で約15分エッチングを行うことにより、30nmのTiNをエッチングできる。
Next, the
ゲート電極96A,96B,96Cの間隔は、ゲート電圧で誘起される電界のフリンジ効果が問題とならない程度に大きくなるように、30nm以上とするのが望ましい。ゲート長は、チャネル長とゲート電極間隔から決定する。それぞれのゲート電極96A,96B,96Cのゲート長をそれぞれ最適な性能となるように異なる寸法で形成するようにしてもよい。
The interval between the
この後、必要に応じて所定のバックエンドプロセスを行い、本実施形態による電界効果トランジスタを完成する。 Thereafter, a predetermined back-end process is performed as necessary to complete the field effect transistor according to the present embodiment.
このように、本実施形態によれば、高いチャネル移動度と高いオン/オフ比とを両立した高速且つ低消費電力の電界効果トランジスタを実現することができる。 Thus, according to the present embodiment, it is possible to realize a high-speed and low power consumption field effect transistor that achieves both high channel mobility and high on / off ratio.
[変形実施形態]
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.
例えば、上記第1実施形態では、第1のゲート絶縁膜の膜厚をソース領域側からドレイン領域側に向かって徐々に増加したが、第1のゲート絶縁膜の膜厚は、必ずしも変化する必要はない。また、上記第2実施形態では、第1のゲート絶縁膜の誘電率をソース領域側からドレイン領域側に向かって徐々に小さくしたが、第1のゲート絶縁膜の誘電率は、必ずしも変化する必要はない。チャネル層の静電ポテンシャルに傾斜をもたせるためには、少なくとも第2のゲート絶縁膜に膜厚或いは誘電率を変化すればよく、第1のゲート絶縁膜及び第2のゲート絶縁膜の双方を変化させることは必ずしも必要ではない。 For example, in the first embodiment, the film thickness of the first gate insulating film is gradually increased from the source region side to the drain region side, but the film thickness of the first gate insulating film is necessarily changed. There is no. In the second embodiment, the dielectric constant of the first gate insulating film is gradually decreased from the source region side toward the drain region side. However, the dielectric constant of the first gate insulating film is not necessarily changed. There is no. In order to incline the electrostatic potential of the channel layer, it is sufficient to change the film thickness or the dielectric constant of at least the second gate insulating film, and change both the first gate insulating film and the second gate insulating film. It is not always necessary to make it.
また、上記第1実施形態では第1のゲート絶縁膜及び第2のゲート絶縁膜の膜厚を変化し、上記第2の実施形態では第1のゲート絶縁膜及び第2のゲート絶縁膜の誘電率を変化したが、これらは任意に組み合わせるようにしてもよい。例えば、第1のゲート絶縁膜の膜厚を変化し、第2のゲート絶縁膜の誘電率を変化するようにしてもよく、第1のゲート絶縁膜の誘電率を変化し、第2のゲート絶縁膜の膜厚を変化するようにしてもよい。また、膜厚及び誘電率の双方を変化するようにしてもよい。 In the first embodiment, the thicknesses of the first gate insulating film and the second gate insulating film are changed. In the second embodiment, the dielectrics of the first gate insulating film and the second gate insulating film are changed. Although the rate was changed, these may be arbitrarily combined. For example, the film thickness of the first gate insulating film may be changed to change the dielectric constant of the second gate insulating film, or the dielectric constant of the first gate insulating film may be changed to change the second gate insulating film. The thickness of the insulating film may be changed. Further, both the film thickness and the dielectric constant may be changed.
また、上記第1及び第2実施形態では、第1のゲート絶縁膜の構成材料と第2のゲート絶縁膜の構成材料を同じとしたが、必ずしも同じである必要はなく、任意の材料を適宜組み合わせるようにしてもよい。 In the first and second embodiments, the constituent material of the first gate insulating film and the constituent material of the second gate insulating film are the same. However, it is not always necessary to use the same material. You may make it combine.
また、上記第1乃至第3実施形態では、チャネル層を構成するディラック電子系材料の一例として、電界の印加によりトポロジカル相の転移が生じる相変化材料を示したが、必ずしもトポロジカル相転移を生じる相変化材料である必要はない。例えば、電界印加によりバンドギャップが開く二層グラフェンを適用するようにしてもよい。また、第3実施形態の電界効果トランジスタについては、電界印加によってバンドギャップが開く必要がないので、バンドギャップをもつアームチェア型のグラフェンナノリボン、MoS2等の他のディラック電子系材料を適用するようにしてもよい。 In the first to third embodiments, as an example of the Dirac electronic material constituting the channel layer, the phase change material in which the topological phase transition is caused by the application of the electric field has been described. It need not be a change material. For example, double-layer graphene that opens a band gap by applying an electric field may be used. Further, in the field effect transistor of the third embodiment, it is not necessary to open a band gap by applying an electric field, so that other Dirac electronic materials such as armchair graphene nanoribbons having a band gap and MoS 2 are applied. It may be.
また、上記第1乃至第3実施形態では、電界の印加によりトポロジカル相の転移が生じる相変化材料として、Ge、Te又はBiを主成分とする相変化材料を例示したが、上記実施形態に適用可能な相変化材料は、これに限定されるものではない。トポロジカル絶縁体に関する研究は始まって間もないものであり、今後様々な材料が見出される可能性がある。電界の印加によって通常の絶縁体とトポロジカル絶縁体との間で相転移するものであれば、Ge、Te又はBiを主成分とする相変化材料に代えて適用することが可能である。 In the first to third embodiments, the phase change material mainly composed of Ge, Te, or Bi is exemplified as the phase change material in which the transition of the topological phase is caused by the application of the electric field. However, the first to third embodiments are applied to the above embodiment. Possible phase change materials are not limited to this. Research on topological insulators has just begun, and various materials may be found in the future. Any material that undergoes a phase transition between a normal insulator and a topological insulator by application of an electric field can be used instead of a phase change material mainly composed of Ge, Te, or Bi.
また、上記実施形態では、チャネル層の材料に、外部電場の印加によって通常の絶縁体からトポロジカル絶縁体へと変化する相変化材料を用いた例を示したが、外部電場の印加によってトポロジカル絶縁体から通常の絶縁体へと変化する相変化材料を用いてもよい。例えば、GeTe層とSb2Te3層とを積層した超格子構造の相変化材料では、4QLs以上のSb2Te3層を用いればよい。この場合も、トランジスタがオン状態のときにディラック電子系の伝導機構を呈するように、トランジスタの各端子への印加電圧を適宜設定すればよい。 In the above embodiment, an example in which a phase change material that changes from a normal insulator to a topological insulator by applying an external electric field is used as the material of the channel layer is shown. However, a topological insulator is applied by applying an external electric field. A phase change material that changes from a normal insulator to a normal insulator may be used. For example, in a phase change material having a superlattice structure in which a GeTe layer and an Sb 2 Te 3 layer are stacked, an Sb 2 Te 3 layer of 4QLs or more may be used. In this case as well, the voltage applied to each terminal of the transistor may be set as appropriate so as to exhibit a Dirac electronic conduction mechanism when the transistor is on.
また、上記第3実施形態では、3つのトップゲート電極を有する電界効果トランジスタを示したが、トップゲート電極の数はこれに限定されるものではなく、適宜増減することができる。 In the third embodiment, a field effect transistor having three top gate electrodes is shown. However, the number of top gate electrodes is not limited to this, and can be increased or decreased as appropriate.
また、上記第3実施形態では、第2のゲート絶縁膜を一様な材料で形成したが、第1又は第2実施形態と同様に、膜厚を変化し或いは誘電率を変化するようにしてもよい。 In the third embodiment, the second gate insulating film is formed of a uniform material. However, as in the first or second embodiment, the film thickness is changed or the dielectric constant is changed. Also good.
また、上記実施形態に記載した電界効果トランジスタの各構成部分の構成材料、製造条件等は、一例を示したものにすぎず、当業者の技術常識等に応じて適宜修正や変更が可能である。 In addition, the constituent materials, manufacturing conditions, and the like of each constituent part of the field effect transistor described in the above embodiment are merely examples, and can be appropriately modified or changed according to the common general knowledge of those skilled in the art. .
10,80…シリコン基板
12,20…酸化シリコン層
14…窒化シリコン層
16,26,32,42,44,50,56,60,66…レジスト膜
18…素子分離溝
22…素子分離絶縁膜
24…不純物層(バックゲート電極)
28,34,82…第1のゲート絶縁膜
30,70…低誘電率膜
32,72…高誘電率膜
36,84…相変化材料層
46,74,92…第2のゲート絶縁膜
48,86,94…TiN層
52,96A,96B,96C…ゲート電極
54…層間絶縁膜
58,62…コンタクトホール
64…導電膜
68A,68B,68C,68D…配線
88…ソース電極
90…ドレイン電極
DESCRIPTION OF
28, 34, 82 ... first
Claims (12)
前記チャネル層に接続されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層の第1の面上に形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に形成された第1のゲート電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層の第2の面上に形成された第2のゲート絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上に形成された第2のゲート電極とを有し、
前記第1のゲート絶縁膜は、前記チャネル層と前記第1のゲート電極との間の静電容量が、前記ソース電極側から前記ドレイン電極側に向かって徐々に大きくなっている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 A channel layer made of Dirac electronic material,
A source electrode and a drain electrode connected to the channel layer;
A first gate insulating film formed on a first surface of the channel layer between the source electrode and the drain electrode;
A first gate electrode formed on the first insulating film;
A second gate insulating film formed on a second surface of the channel layer between the source electrode and the drain electrode;
A second gate electrode formed on the second insulating film,
The first gate insulating film is characterized in that the capacitance between the channel layer and the first gate electrode gradually increases from the source electrode side to the drain electrode side. Field effect transistor.
前記第2のゲート絶縁膜は、前記チャネル層と前記第2のゲート電極との間の静電容量が、前記ソース電極側から前記ドレイン電極側に向かって徐々に小さくなっている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor of claim 1, wherein
The second gate insulating film is characterized in that the capacitance between the channel layer and the second gate electrode gradually decreases from the source electrode side toward the drain electrode side. Field effect transistor.
前記第2のゲート絶縁膜は、前記ソース電極側から前記ドレイン電極側に向かって徐々に厚くなっている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor of claim 2, wherein
The field effect transistor according to claim 1, wherein the second gate insulating film is gradually thickened from the source electrode side toward the drain electrode side.
前記第2のゲート絶縁膜の誘電率は、前記ソース電極側から前記ドレイン電極側に向かって徐々に小さくなっている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor of claim 2, wherein
The dielectric constant of the second gate insulating film is gradually reduced from the source electrode side toward the drain electrode side.
前記第1のゲート絶縁膜は、前記ソース電極側から前記ドレイン電極側に向かって徐々に薄くなっている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 4,
The field effect transistor according to claim 1, wherein the first gate insulating film is gradually thinned from the source electrode side toward the drain electrode side.
前記第1のゲート絶縁膜の誘電率は、前記ソース電極側から前記ドレイン電極側に向かって徐々に大きくなっている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 4,
The field effect transistor according to claim 1, wherein a dielectric constant of the first gate insulating film gradually increases from the source electrode side toward the drain electrode side.
前記チャネル層に接続されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層の第1の面上に形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に形成された複数の第1のゲート電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層の第2の面上に形成された第2のゲート絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上に形成された第2のゲート電極と
を有することを特徴とする電界効果トランジスタ。 A channel layer made of Dirac electronic material,
A source electrode and a drain electrode connected to the channel layer;
A first gate insulating film formed on a first surface of the channel layer between the source electrode and the drain electrode;
A plurality of first gate electrodes formed on the first insulating film;
A second gate insulating film formed on a second surface of the channel layer between the source electrode and the drain electrode;
A field effect transistor comprising: a second gate electrode formed on the second insulating film.
前記複数の第1のゲート電極の間隔は、前記複数の第1のゲート電極に印加する電圧によって誘起される電界のフリンジ効果の影響が生じない間隔以上、電子伝導のコヒーレンス長以下である
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor of claim 7, wherein
The interval between the plurality of first gate electrodes is not less than the interval at which the influence of the fringe effect of the electric field induced by the voltage applied to the plurality of first gate electrodes does not occur and not more than the coherence length of electron conduction. A characteristic field effect transistor.
前記ディラック電子系材料は、電界の印加によりトポロジカル相転移が生じる相変化材料である
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 8,
The field effect transistor, wherein the Dirac electronic material is a phase change material in which a topological phase transition is caused by application of an electric field.
前記相変化材料は、電界の印加により通常の絶縁体からトポロジカル絶縁体に相転移する
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor of claim 9,
The phase change material undergoes a phase transition from a normal insulator to a topological insulator by applying an electric field.
前記チャネル層は、Te又はBiを主成分とする第1の結晶層と、Te又はBiを主成分とし前記第1の結晶層とは組成の異なる第2の結晶層との積層構造を有する
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 9 or 10,
The channel layer has a stacked structure of a first crystal layer mainly composed of Te or Bi and a second crystal layer composed mainly of Te or Bi and having a composition different from that of the first crystal layer. A field effect transistor characterized by.
前記ディラック電子系材料は、グラフェンナノリボン又はMoS2である
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
The field effect transistor according to any one of claims 1 to 8,
The Dirac electronic material is a graphene nanoribbon or MoS 2 .
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013165252A JP2015035478A (en) | 2013-08-08 | 2013-08-08 | Field effect transistor |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10543545B2 (en) | 2015-03-16 | 2020-01-28 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Method of initializing multiferroic element |
WO2022094666A1 (en) * | 2020-11-06 | 2022-05-12 | Monash University | Topological quantum field effect transistor |
-
2013
- 2013-08-08 JP JP2013165252A patent/JP2015035478A/en active Pending
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