JP2017216258A - Field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体ナノワイヤにより形成されたチャネルを備えた電界効果トランジスタに関し、より詳細には、閾値電圧のばらつきを抑制するとともにオン電流も充分に取ることを可能とするソース・ドレイン構造を有する電界効果トランジスタに関する。 The present invention relates to a field effect transistor having a channel formed of semiconductor nanowires. More specifically, the present invention relates to an electric field having a source / drain structure that can suppress variation in threshold voltage and can sufficiently take on current. The present invention relates to an effect transistor.
半導体ナノワイヤを用いた電界効果トランジスタを形成する際には、ソース領域およびドレイン領域にドーピングを行う必要があるが、ゲート電極をマスクにして直接ドーパントをイオン注入すると熱処理を行っても、トランジスタ本体にイオン注入誘起の結晶欠陥が残留してしまう。 When forming a field effect transistor using semiconductor nanowires, it is necessary to dope the source region and the drain region. However, even if heat treatment is performed by implanting dopant ions directly using the gate electrode as a mask, Ion implantation-induced crystal defects remain.
固相拡散法によりドーピングしてソース領域およびドレイン領域を形成する場合には上述のような欠陥残留は回避できるが、拡散によりチャネル領域にまでドーパントが侵入してしまい、トランジスタの閾値電圧がシフトしてしまうという問題がある。また、閾値電圧のシフトを抑制するためにドーパント濃度を下げた場合には、充分なオン電流を取ることができなくなる。 When the source region and the drain region are formed by doping by the solid phase diffusion method, the above-described defect residue can be avoided, but the dopant penetrates into the channel region due to the diffusion, and the threshold voltage of the transistor shifts. There is a problem that it ends up. In addition, when the dopant concentration is lowered to suppress the threshold voltage shift, a sufficient on-current cannot be obtained.
本発明者らは、電界効果トランジスタの閾値ばらつきを抑制することを目的として、ドーパントをイオン注入するに先立ち、ゲート電極の側壁にスペーサを設けておき、当該側壁スペーサ直下の半導体領域にはドーパントが注入されないようにしておく技術を検討した(植松ら:非特許文献1)。そして、このような側壁スペーサを設けることにより、ドーパントがチャネル領域に侵入し難くなり、その結果、オフ電流の変動と閾値電圧のばらつきが顕著に抑制されることを確認した。 The inventors of the present invention have provided a spacer on the side wall of the gate electrode prior to ion implantation of the dopant for the purpose of suppressing the threshold variation of the field effect transistor, and the dopant is present in the semiconductor region immediately below the side wall spacer. A technique for preventing injection was studied (Uematsu et al .: Non-Patent Document 1). It was confirmed that by providing such a side wall spacer, the dopant hardly enters the channel region, and as a result, fluctuations in off-current and threshold voltage are remarkably suppressed.
しかし、非特許文献1に開示のようにゲート電極側壁にスペーサを設けたとしても、イオン注入後の熱処理等に伴うチャネル領域へのドーパントの侵入を充分に抑制することはできない。しかも、ドーパントからは電子の「浸み出し」があるため、チャネルへの影響は、上記ドーパントの侵入だけではなく、この電子の「浸み出し長」も考慮する必要がある。例えば、半導体ナノワイヤがシリコン結晶でありドーパントがヒ素である場合、電子の「浸み出し長」は2nm程度である。 However, even if a spacer is provided on the side wall of the gate electrode as disclosed in Non-Patent Document 1, it is not possible to sufficiently suppress the penetration of the dopant into the channel region due to the heat treatment after ion implantation. In addition, since there is “leaching” of electrons from the dopant, it is necessary to consider not only the penetration of the dopant but also the “leaching length” of the electrons as an influence on the channel. For example, when the semiconductor nanowire is a silicon crystal and the dopant is arsenic, the “leaching length” of electrons is about 2 nm.
尤も、このようなドーパントの侵入や電子の「浸み出し」があっても、ゲート長が長い場合には然程問題とならない。しかし、電界効果トランジスタの微細化に伴ってゲート長が短くなると、上記ドーパントの侵入や電子の「浸み出し」はチャネル領域に大きく影響を及ぼし、閾値電圧のばらつきをもたらす結果となる。従って、チャネル領域へのドーパントの侵入を更に抑制するとともに、電子の「浸み出し長」も考慮したチャネルの形成技術(ソース・ドレインの形成技術)が求められる。また、トランジスタ本体にイオン注入誘起の結晶欠陥が残留してしまう問題を回避する必要もある。 However, even if such dopant intrusion or electron “seepage” occurs, it does not matter so much when the gate length is long. However, when the gate length is shortened along with the miniaturization of the field effect transistor, the intrusion of the dopant and the “leaching” of the electrons greatly affect the channel region, resulting in a variation in threshold voltage. Accordingly, there is a need for a channel formation technique (source / drain formation technique) that further suppresses the penetration of dopants into the channel region and also considers the “leaching length” of electrons. It is also necessary to avoid the problem that ion implantation-induced crystal defects remain in the transistor body.
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、閾値電圧のばらつきを抑制するとともにオン電流も充分に取ることを可能とするソース・ドレイン構造を有し、しかも、トランジスタ本体にイオン注入による結晶欠陥が誘起されることもない、半導体ナノワイヤにより形成されたチャネルを備えた電界効果トランジスタを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to have a source / drain structure that suppresses variations in threshold voltage and can sufficiently take on current. Another object of the present invention is to provide a field effect transistor having a channel formed of semiconductor nanowires, in which crystal defects due to ion implantation are not induced in the transistor body.
上記課題を解決するために、本発明に係る電界効果トランジスタは、厚みがH(nm)の半導体ナノワイヤにより形成されたチャネルと、該チャネルに隣接して形成されたソース領域およびドレイン領域と、前記チャネルの上方に設けられたゲート領域を備えた電界効果トランジスタであって、前記半導体ナノワイヤの主面に設けられた、ドナーまたはアクセプタとなるドーパント原子を含むマスク層であって、前記ゲート領域に設けられたゲート電極の側壁の厚みがW(nm)のマスク層を備え、前記マスク層は前記ソース領域およびドレイン領域が形成された前記半導体ナノワイヤの主面部を被覆しており、前記ゲート領域のゲート長(Lg)は4nm以上で10nm以下であり、前記チャネルの中央領域のドーパント原子数が1以下である、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a field effect transistor according to the present invention includes a channel formed of a semiconductor nanowire having a thickness of H (nm), a source region and a drain region formed adjacent to the channel, A field effect transistor including a gate region provided above a channel, the mask layer including a dopant atom serving as a donor or an acceptor provided on a main surface of the semiconductor nanowire, and provided in the gate region A gate layer having a thickness of W (nm) on the side wall of the gate electrode, and the mask layer covers a main surface portion of the semiconductor nanowire in which the source region and the drain region are formed; The length (Lg) is 4 nm or more and 10 nm or less, and the number of dopant atoms in the central region of the channel is 1 or less. That, characterized in that.
好ましくは、前記チャネルの端部から前記ソース領域および前記ドレイン領域側への2nmの領域のドーパント濃度が、5×1019cm-3以上である。 Preferably, a dopant concentration in a region of 2 nm from the end portion of the channel to the source region and the drain region side is 5 × 10 19 cm −3 or more.
また、好ましくは、前記ゲート電極の側壁の前記マスク層の厚みW(nm)は[3H−2]/7+[10−Lg]/2≦W≦[3H+19]/7の範囲にある。 Preferably, the thickness W (nm) of the mask layer on the side wall of the gate electrode is in the range of [3H−2] / 7 + [10−Lg] / 2 ≦ W ≦ [3H + 19] / 7.
さらに好ましくは、前記半導体ナノワイヤは、シリコン・ナノワイヤ、ゲルマニウム・ナノワイヤ、III−V族化合物半導体ナノワイヤの何れかである。 More preferably, the semiconductor nanowire is any one of a silicon nanowire, a germanium nanowire, and a III-V compound semiconductor nanowire.
例えば、前記半導体ナノワイヤはシリコン・ナノワイヤであり、前記マスク層はシリコン酸化膜またはシリサイド膜である。 For example, the semiconductor nanowire is a silicon nanowire, and the mask layer is a silicon oxide film or a silicide film.
この場合、例えば、前記ドーパントはリン、アンチモン、ヒ素、ホウ素、アルミニウム、インジウム、ガリウムの何れかである。 In this case, for example, the dopant is any one of phosphorus, antimony, arsenic, boron, aluminum, indium, and gallium.
また、例えば、前記半導体ナノワイヤはゲルマニウム・ナノワイヤであり、前記マスク層はゲルマニウム酸化膜またはジャーマナイド膜である。 For example, the semiconductor nanowire is a germanium nanowire, and the mask layer is a germanium oxide film or a germanide film.
この場合、例えば、前記ドーパントはリン、アンチモン、ヒ素、ホウ素、アルミニウム、インジウム、ガリウムの何れかである。 In this case, for example, the dopant is any one of phosphorus, antimony, arsenic, boron, aluminum, indium, and gallium.
また、例えば、前記半導体ナノワイヤはIII−V族化合物半導体ナノワイヤであり、前記マスク層はシリコン酸化膜である。 For example, the semiconductor nanowire is a III-V compound semiconductor nanowire, and the mask layer is a silicon oxide film.
この場合、例えば、前記ドーパントは亜鉛、シリコン、ベリリウムの何れかである。 In this case, for example, the dopant is any one of zinc, silicon, and beryllium.
本発明によれば、半導体ナノワイヤの主面にドーパント原子を含むマスク層であってゲート電極の側壁の厚みがWのマスク層を備え、チャネルの中央領域のドーパント原子数が1以下の電界効果トランジスタが提供される。その結果、閾値電圧のばらつきが抑制されるとともにオン電流も充分に取ることができる。 According to the present invention, a field effect transistor having a mask layer containing dopant atoms on the main surface of a semiconductor nanowire, the mask layer having a side wall thickness of the gate electrode of W, and the number of dopant atoms in the central region of the channel being 1 or less. Is provided. As a result, variation in threshold voltage can be suppressed and sufficient on-current can be obtained.
図1は、本発明に係る電界効果トランジスタの構造を概念的に説明するための断面図である。なお、この図では、説明を簡略化するために、ゲート電極をひとつ有する(シングルゲート)構造のものを図示しているが、このような態様のものに限定されず、ダブルゲートやトリゲート構造のトランジスタでもよく、チャネルの周囲すべてがゲートとされた構造のトランジスタなどであってもよい。 FIG. 1 is a cross-sectional view for conceptually explaining the structure of a field effect transistor according to the present invention. In this figure, in order to simplify the explanation, a single gate electrode structure (single gate) is shown, but the present invention is not limited to such a structure, and a double gate or trigate structure is shown. It may be a transistor, or a transistor having a structure in which the entire periphery of the channel is a gate.
この電界効果トランジスタ100は、半導体ナノワイヤ30により形成されたチャネル30cを備えている。このチャネル30cに隣接して、ソース領域30sおよびドレイン領域30dが形成されており、チャネルの上方に、ゲート酸化膜45を介して、ゲート電極40が設けられており、当該ゲート電極の下方がゲート長Lgのゲート領域40gとなる。 The field effect transistor 100 includes a channel 30 c formed by the semiconductor nanowire 30. A source region 30s and a drain region 30d are formed adjacent to the channel 30c. A gate electrode 40 is provided above the channel via a gate oxide film 45, and a gate electrode 40 is provided below the gate electrode. The gate region 40g has a length Lg.
半導体ナノワイヤ30は、例えば、SOI基板の半導体層を加工して得られたシリコン・ナノワイヤや、n型もしくはp型の伝導型のシリコン基板10上に形成されたシリコン酸化膜(SiO2)からなる絶縁体膜20の上に設けられたシリコン・ナノワイヤである。なお、半導体ナノワイヤは、シリコン・ナノワイヤに限定されず、ゲルマニウム・ナノワイヤやGaAsなどのIII−V族化合物半導体ナノワイヤであってもよい。 The semiconductor nanowire 30 is made of, for example, a silicon nanowire obtained by processing a semiconductor layer of an SOI substrate, or a silicon oxide film (SiO 2 ) formed on an n-type or p-type conductive silicon substrate 10. It is a silicon nanowire provided on the insulator film 20. The semiconductor nanowire is not limited to a silicon nanowire, and may be a group III-V compound semiconductor nanowire such as germanium nanowire or GaAs.
半導体ナノワイヤ30は、長さと幅の比(アスペクト比)が大きい細線状の結晶であり、その厚みH(nm)は例えば10nm程度である。このような半導体ナノワイヤ30は、絶縁体上の半導体層の加工、もしくは、化学気相堆積法(CVD法)やプラズマ強化化学気相堆積法(PECVD法)で形成することができる。半導体ナノワイヤ30がシリコン・ナノワイヤである場合、SOI基板を用いて半導体ナノワイヤを形成したり、或いは、シラン(SiH4)ガスや四塩化シリコン(SiCl4)ガスを原料ガスとして形成するなどすればよい。 The semiconductor nanowire 30 is a thin line crystal having a large length to width ratio (aspect ratio), and its thickness H (nm) is, for example, about 10 nm. Such a semiconductor nanowire 30 can be formed by processing a semiconductor layer on an insulator, or by chemical vapor deposition (CVD) or plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). When the semiconductor nanowire 30 is a silicon nanowire, the semiconductor nanowire may be formed using an SOI substrate, or silane (SiH 4 ) gas or silicon tetrachloride (SiCl 4 ) gas may be formed as a source gas. .
半導体ナノワイヤ30の主面には、ドナーまたはアクセプタとなるドーパント原子を含むマスク層50が設けられている。このマスク層50は、例えばシリコン酸化膜からなり、ゲート領域40gの上方に設けられたゲート電極40の側壁の厚みがW(nm)となるように形成されるとともに、ソース領域30sおよびドレイン領域30dが形成された半導体ナノワイヤ30の主面部を被覆している。 On the main surface of the semiconductor nanowire 30, a mask layer 50 including a dopant atom that becomes a donor or an acceptor is provided. The mask layer 50 is made of, for example, a silicon oxide film, and is formed such that the side wall thickness of the gate electrode 40 provided above the gate region 40g is W (nm), and the source region 30s and the drain region 30d. The main surface portion of the semiconductor nanowire 30 on which is formed is covered.
マスク層50は、例えばシリコン酸化膜を形成後に半導体ナノワイヤ30中でドナーまたはアクセプタとなるドーパント原子がイオン注入されたものである。 The mask layer 50 is formed by, for example, ion-implanting dopant atoms that become donors or acceptors in the semiconductor nanowire 30 after forming a silicon oxide film.
半導体ナノワイヤ30がシリコン・ナノワイヤである場合、マスク層50は、シリコン酸化膜のほかにシリサイド膜からなる層としてもよく、マスク層50が含むドーパント原子として、リン、アンチモン、ヒ素、ホウ素、アルミニウム、インジウム、ガリウムを例示することができる。 When the semiconductor nanowire 30 is a silicon nanowire, the mask layer 50 may be a layer made of a silicide film in addition to the silicon oxide film. As dopant atoms contained in the mask layer 50, phosphorus, antimony, arsenic, boron, aluminum, Examples include indium and gallium.
半導体ナノワイヤ30はゲルマニウム・ナノワイヤであってもよい。この場合、マスク層50は、ゲルマニウム酸化膜やジャーマナイド膜からなる層としてもよく、マスク層50が含むドーパント原子として、リン、アンチモン、ヒ素、ホウ素、アルミニウム、インジウム、ガリウムを例示することができる。 The semiconductor nanowire 30 may be a germanium nanowire. In this case, the mask layer 50 may be a layer made of a germanium oxide film or a germanide film, and examples of dopant atoms included in the mask layer 50 include phosphorus, antimony, arsenic, boron, aluminum, indium, and gallium.
半導体ナノワイヤ30はIII−V族化合物半導体ナノワイヤであってもよい。この場合、マスク層50は、例えばシリコン酸化膜からなる層とし、マスク層50が含むドーパント原子として、亜鉛、シリコン、ベリリウムを例示することができる。 The semiconductor nanowire 30 may be a III-V compound semiconductor nanowire. In this case, the mask layer 50 is a layer made of, for example, a silicon oxide film, and zinc, silicon, and beryllium can be exemplified as dopant atoms included in the mask layer 50.
マスク層50は、本発明に係る電界効果トランジスタを作製する際に、ソース領域30sおよびドレイン領域30dへのドーパントの拡散源としての機能を有している。 The mask layer 50 functions as a dopant diffusion source to the source region 30s and the drain region 30d when the field effect transistor according to the present invention is manufactured.
従来、例えばシリコン・ナノワイヤのソース領域およびドレイン領域にドーピングを行う際、ゲート電極をマスクとし、シリコン・ナノワイヤに直接ドーパントをイオン注入し、その後に熱処理を行うことで注入イオンを電気的に活性化させてドナーやアクセプタとする手法が採用されていた。しかし、このような手法では、トランジスタ本体に、イオン注入により結晶欠陥が誘起され、熱処理後にも欠陥が残留してトランジスタ特性を低下させてしまうという問題がある。 Conventionally, for example, when doping a source region and a drain region of a silicon nanowire, a dopant is ion-implanted directly into the silicon nanowire using a gate electrode as a mask, and then heat treatment is performed to electrically activate the implanted ions. The technique used as donors and acceptors was adopted. However, such a method has a problem that crystal defects are induced in the transistor body by ion implantation, and the defects remain after the heat treatment to deteriorate the transistor characteristics.
この問題を回避するためにいわゆる固相拡散法を採用した場合にも、トランジスタのチャネル領域にまでドーパントが拡散してしまい、トランジスタの閾値電圧がシフトしてしまうという問題がある。一方で、閾値電圧シフトを抑えるためにドーパント濃度を下げると充分なオン電流を取ることができなくなる。 Even when a so-called solid phase diffusion method is employed in order to avoid this problem, there is a problem that the dopant is diffused to the channel region of the transistor and the threshold voltage of the transistor is shifted. On the other hand, if the dopant concentration is lowered to suppress the threshold voltage shift, a sufficient on-current cannot be obtained.
そこで、本発明では、イオン注入前の段階でゲート電極を含む領域にマスク層50を形成し、このマスク層50の上からイオン注入する。イオン注入時のダメージはこのマスク層50で吸収されるから、半導体ナノワイヤ30へのダメージが回避され、結晶欠陥を誘起することがないから、ダメージ回復のための熱処理は不要となる。また、マスク層50はドーパントの拡散源として機能するが、どの程度のドーピングを行うかはイオン注入量(ドーズ量)で容易に制御することができる。 Therefore, in the present invention, a mask layer 50 is formed in a region including the gate electrode at a stage before ion implantation, and ions are implanted from above the mask layer 50. Since damage at the time of ion implantation is absorbed by the mask layer 50, damage to the semiconductor nanowire 30 is avoided and crystal defects are not induced, so that heat treatment for recovering damage is not required. The mask layer 50 functions as a dopant diffusion source, but how much doping is performed can be easily controlled by the ion implantation amount (dose amount).
ゲート電極40の側壁部におけるマスク層50中にもドーパント原子がイオン注入されるが、注入イオンは上方部に留まる。すなわち半導体ナノワイヤ30の主面に接する部分にまでは注入されない。そのため、ゲート電極40の側壁に厚みW(nm)で形成されているマスク層部分は、ドーパントの拡散源としては機能しない。その結果、この厚みW(nm)を適切に設計することで、チャネル領域30cへのドーパントの侵入を回避することができ、閾値電圧のばらつきを低減するとともに、充分なオン電流を取ることが可能となる。 Although dopant atoms are also ion-implanted into the mask layer 50 in the side wall portion of the gate electrode 40, the implanted ions remain in the upper portion. That is, it is not injected even into the portion in contact with the main surface of the semiconductor nanowire 30. Therefore, the mask layer portion formed with a thickness W (nm) on the side wall of the gate electrode 40 does not function as a dopant diffusion source. As a result, by appropriately designing the thickness W (nm), it is possible to avoid dopant penetration into the channel region 30c, to reduce variation in threshold voltage, and to obtain sufficient on-current. It becomes.
図2は、上述した構造の電界効果トランジスタにおいて、ゲート電極40の側壁のマスク層50の厚みW(nm)の適正範囲を決定するために行ったシミュレーション結果を示す図である。横軸は半導体ナノワイヤの厚みH(nm)であり、縦軸はゲート電極40の側壁のマスク層50の厚みW(nm)である。 FIG. 2 is a diagram showing a simulation result performed to determine an appropriate range of the thickness W (nm) of the mask layer 50 on the side wall of the gate electrode 40 in the field effect transistor having the above-described structure. The horizontal axis represents the thickness H (nm) of the semiconductor nanowire, and the vertical axis represents the thickness W (nm) of the mask layer 50 on the side wall of the gate electrode 40.
このシミュレーション時の条件は表1のとおりであり、ここでは、ナノワイヤMOS電界効果トランジスタ(10nm角以下、長さ30nm)のゲート電極を含む全面にシリコン酸化膜を堆積し、その上からヒ素をイオン注入の後、1000℃の熱処理を行うことでドーパントを拡散させている。 Conditions for this simulation are as shown in Table 1. Here, a silicon oxide film is deposited on the entire surface including the gate electrode of the nanowire MOS field effect transistor (10 nm square or less, length 30 nm), and arsenic is ionized from above. After the implantation, the dopant is diffused by performing a heat treatment at 1000 ° C.
ここで、イオン注入時の加速電圧を0.5keVとしたのは、tgが3nmの堆積Si酸化膜中にヒ素を注入するためである。また、イオン注入後にドーパントを拡散させる際の時間は、半導体ナノワイヤの厚みH(nm)に応じた最適値としており、SD(ソース・ドレイン)部をほぼ均一にドーピングするための最少時間であり、具体的には、H=2nm,3nm,5nm,7.5nm,10nmのそれぞれにつき、0.25秒,0.5秒,1秒,2.5秒,5秒である。 Here, the acceleration voltage at the time of ion implantation is set to 0.5 keV because arsenic is implanted into the deposited Si oxide film having a tg of 3 nm. The time for diffusing the dopant after ion implantation is an optimum value according to the thickness H (nm) of the semiconductor nanowire, and is the minimum time for doping the SD (source / drain) portion almost uniformly. Specifically, for H = 2 nm, 3 nm, 5 nm, 7.5 nm, and 10 nm, 0.25 seconds, 0.5 seconds, 1 second, 2.5 seconds, and 5 seconds, respectively.
先ず、厚みW(nm)の上限についてみると、チャネル端からソース領域およびドレイン領域側への2nmにおいてドーパント(ここではヒ素)の濃度が5×1019cm-3以上となる条件で評価した場合、厚みW(nm)の上限値Wu(nm)は[3H+19]/7となる。この厚み以上となると、充分なオン電流を取ることができない。 First, regarding the upper limit of the thickness W (nm), the evaluation is performed under the condition that the concentration of the dopant (arsenic in this case) is 5 × 10 19 cm −3 or more at 2 nm from the channel end to the source region and the drain region. The upper limit value W u (nm) of the thickness W (nm) is [3H + 19] / 7. When the thickness exceeds this value, sufficient on-current cannot be obtained.
なお、チャネル端から2nmにおいてドーパント濃度が5×1019cm-3以上となる条件を設定したのは、これよりも低いドーパント濃度の場合には、オン電流を取ることができないためである。 The reason why the dopant concentration is set to 5 × 10 19 cm −3 or more at 2 nm from the channel end is that the on-current cannot be obtained when the dopant concentration is lower than this.
一方、厚みW(nm)の下限についてみると、チャネル中央へのドーパント(ここではヒ素)の侵入が1以下となる条件で評価した場合、厚みW(nm)の下限値Wl(nm)は[3H−2]/7+[10−Lg]/2となる。この厚み以下となると、閾値のばらつきが大きくなる。 On the other hand, regarding the lower limit of the thickness W (nm), the lower limit value W l (nm) of the thickness W (nm) is, when evaluated under the condition that the penetration of the dopant (arsenic) into the channel center is 1 or less. [3H-2] / 7 + [10-Lg] / 2. When the thickness is less than or equal to this thickness, the variation in threshold value increases.
従って、本発明においては、ゲート電極40の側壁のマスク層50の厚みW(nm)を、[3H−2]/7+[10−Lg]/2≦W≦[3H+19]/7の範囲に定める。なお、この関係式からわかるように、上限値Wu(nm)はゲート長Lgには依存しない一方、下限値Wl(nm)はゲート長Lgに依存する。 Therefore, in the present invention, the thickness W (nm) of the mask layer 50 on the side wall of the gate electrode 40 is set in the range of [3H−2] / 7 + [10−Lg] / 2 ≦ W ≦ [3H + 19] / 7. . As can be seen from this relational expression, the upper limit value W u (nm) does not depend on the gate length Lg, whereas the lower limit value W l (nm) depends on the gate length Lg.
本発明に係る電界効果トランジスタにおいて、チャネルの中央領域のドーパント原子数を1以下とするためには、ゲート領域のゲート長Lgは4nm以上で10nm以下あることが好ましい。 In the field effect transistor according to the present invention, the gate length Lg of the gate region is preferably 4 nm or more and 10 nm or less so that the number of dopant atoms in the central region of the channel is 1 or less.
上述したように、本発明に係る電界効果トランジスタは、厚みがH(nm)の半導体ナノワイヤにより形成されたチャネルと、該チャネルに隣接して形成されたソース領域およびドレイン領域と、前記チャネルの上方に設けられたゲート領域を備えた電界効果トランジスタであって、前記半導体ナノワイヤの主面に設けられた、ドナーまたはアクセプタとなるドーパント原子を含むマスク層であって、前記ゲート領域に設けられたゲート電極の側壁の厚みがW(nm)のマスク層を備え、前記マスク層は前記ソース領域およびドレイン領域が形成された前記半導体ナノワイヤの主面部を被覆しており、前記ゲート領域のゲート長(Lg)は4nm以上で10nm以下あり、前記チャネルの中央領域のドーパント原子数が1以下である、電界効果トランジスタである。 As described above, the field effect transistor according to the present invention includes a channel formed of a semiconductor nanowire having a thickness of H (nm), a source region and a drain region formed adjacent to the channel, and an upper portion of the channel. A field effect transistor having a gate region provided on the semiconductor nanowire, the mask layer including a dopant atom serving as a donor or an acceptor provided on a main surface of the semiconductor nanowire, the gate provided on the gate region The electrode includes a mask layer having a sidewall thickness of W (nm), the mask layer covering a main surface portion of the semiconductor nanowire in which the source region and the drain region are formed, and a gate length (Lg) of the gate region ) Is 4 nm or more and 10 nm or less, and the number of dopant atoms in the central region of the channel is 1 or less. It is a transistor.
上記電界効果トランジスタが備えるマスク層50は、例えばシリコン酸化膜からなり、ゲート領域40gの上方に設けられたゲート電極40の側壁の厚みがW(nm)となるように形成されるとともに、ソース領域30sおよびドレイン領域30dが形成された半導体ナノワイヤ30の主面部を被覆しており、電界効果トランジスタを作製する際に、ソース領域30sおよびドレイン領域30dへのドーパントの拡散源としての機能を有している。 The mask layer 50 included in the field effect transistor is made of, for example, a silicon oxide film, and is formed such that the thickness of the side wall of the gate electrode 40 provided above the gate region 40g is W (nm) and the source region. The main surface portion of the semiconductor nanowire 30 in which 30s and the drain region 30d are formed is covered, and has a function as a dopant diffusion source to the source region 30s and the drain region 30d when a field effect transistor is manufactured. Yes.
ゲート電極40の側壁部におけるマスク層50において、注入イオンは上方部に留まり、半導体ナノワイヤ30の主面に接する部分にまでは注入されない。そのため、ゲート電極40の側壁に厚みW(nm)で形成されているマスク層部分は、ドーパントの拡散源としては機能しない。その結果、この厚みW(nm)を適切に設計することで、チャネル領域30cへのドーパントの侵入を回避することができ、閾値電圧のばらつきを低減するとともに、充分なオン電流を取ることが可能となる。 In the mask layer 50 on the side wall portion of the gate electrode 40, the implanted ions remain in the upper portion and are not implanted into the portion in contact with the main surface of the semiconductor nanowire 30. Therefore, the mask layer portion formed with a thickness W (nm) on the side wall of the gate electrode 40 does not function as a dopant diffusion source. As a result, by appropriately designing the thickness W (nm), it is possible to avoid dopant penetration into the channel region 30c, to reduce variation in threshold voltage, and to obtain sufficient on-current. It becomes.
このように、本発明によれば、半導体ナノワイヤの主面にドーパント原子を含むマスク層であってゲート電極の側壁の厚みがWのマスク層を備え、チャネルの中央領域のドーパント原子数が1以下の電界効果トランジスタが提供される。その結果、閾値電圧のばらつきが抑制されるとともにオン電流も充分に取ることができる。 Thus, according to the present invention, a mask layer containing dopant atoms on the main surface of the semiconductor nanowire, the mask layer having a side wall thickness of W of the gate electrode is provided, and the number of dopant atoms in the central region of the channel is 1 or less. A field effect transistor is provided. As a result, variation in threshold voltage can be suppressed and sufficient on-current can be obtained.
本発明は、閾値電圧のばらつきを抑制するとともにオン電流も充分に取ることを可能とするソース・ドレイン構造を有する、半導体ナノワイヤにより形成されたチャネルを備えた電界効果トランジスタを提供する。 The present invention provides a field effect transistor having a channel formed of semiconductor nanowires, which has a source / drain structure that suppresses variations in threshold voltage and can sufficiently take on current.
10 シリコン基板
20 絶縁体膜
30 半導体ナノワイヤ
30c チャネル
30s ソース領域
30d ドレイン領域
40 ゲート電極
40g ゲート領域
45 ゲート酸化膜
50 マスク層
100 電界効果トランジスタ
10 silicon substrate 20 insulator film 30 semiconductor nanowire 30c channel 30s source region 30d drain region 40 gate electrode 40g gate region 45 gate oxide film 50 mask layer 100 field effect transistor
Claims (10)
前記半導体ナノワイヤの主面に設けられた、ドナーまたはアクセプタとなるドーパント原子を含むマスク層であって、前記ゲート領域に設けられたゲート電極の側壁の厚みがW(nm)のマスク層を備え、
前記マスク層は前記ソース領域およびドレイン領域が形成された前記半導体ナノワイヤの主面部を被覆しており、
前記ゲート領域のゲート長(Lg)は4nm以上で10nm以下であり、
前記チャネルの中央領域のドーパント原子数が1以下である、
電界効果トランジスタ。 A field effect transistor comprising a channel formed of a semiconductor nanowire having a thickness of H (nm), a source region and a drain region formed adjacent to the channel, and a gate region provided above the channel. And
A mask layer including a dopant atom serving as a donor or an acceptor provided on a main surface of the semiconductor nanowire, the gate electrode provided on the gate region having a mask layer having a sidewall thickness of W (nm);
The mask layer covers a main surface portion of the semiconductor nanowire in which the source region and the drain region are formed,
The gate length (Lg) of the gate region is 4 nm or more and 10 nm or less,
The number of dopant atoms in the central region of the channel is 1 or less,
Field effect transistor.
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