JP5513955B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電界効果型の半導体装置およびその製造方法に関わる。 The present invention relates to a field effect semiconductor device and a method for manufacturing the same.
ロジック回路用の半導体集積回路やメモリー用の半導体集積回路における性能向上を実現するために、半導体素子の微細化が進められている。しかしこれらの半導体素子としてのMOSFETの微細化には物理的限界、即ち接合やゲートのリーク電流の増大や素子間の特性ばらつきの増大に起因する高性能化の限界が認識されている。 In order to improve the performance of a semiconductor integrated circuit for a logic circuit and a semiconductor integrated circuit for a memory, miniaturization of semiconductor elements has been promoted. However, the miniaturization of MOSFETs as these semiconductor elements has been recognized as a physical limit, that is, a limit of high performance due to an increase in junction and gate leakage current and an increase in characteristic variation between elements.
このような微細化によるMOSFETの性能向上の困難の解決のため、シリコン以外の物質のチャネル材料への応用が検討されている。特に、単層のグラファイトであるグラフェンが次世代の半導体素子材料として注目を集めている(非特許文献1参照)。グラフェンは炭素の六員環構造が単一原子層を構成しており、その2次元結晶構造に起因して、図1に示すバンド構造を有し、伝導電子のエネルギーはフェルミ面付近で波数に直線的に比例し、従って伝導電子の速度はフェルミ速度の一定値のみを取りうる。その結果グラフェン中の電荷は非常に高い移動度を示し、特に宙吊り構造のグラフェンにおいては200,000cm2/Vs以上という非常に高い値が知られている(非特許文献2参照)。 In order to solve the difficulty in improving the performance of MOSFETs due to such miniaturization, applications of materials other than silicon to channel materials are being studied. In particular, graphene, which is a single layer of graphite, has attracted attention as a next-generation semiconductor element material (see Non-Patent Document 1). Graphene has a six-membered ring structure of carbon that forms a single atomic layer. Due to its two-dimensional crystal structure, the graphene has the band structure shown in FIG. 1, and the energy of conduction electrons has a wavenumber near the Fermi surface. It is linearly proportional, so the velocity of conduction electrons can take only a certain value of Fermi velocity. As a result, the electric charge in the graphene shows very high mobility, and in particular, a very high value of 200,000 cm 2 / Vs or more is known for graphene having a suspended structure (see Non-Patent Document 2).
一方で、エネルギーバンドギャップが無いこと、及び擬スピンの自由度に起因するヘリシティ自由度の保存の要請から後方散乱が不可能であることに起因して、ポテンシャルバリアでクライントンネリングにより完全に透過する(非特許文献3参照)。このため、ポテンシャルバリアでの電荷の伝導の阻止が不可能であり、MOSFETのチャネルに応用した際のカットオフ特性が不十分になる問題が生じる。 On the other hand, it is completely transmitted by Klein tunneling at the potential barrier due to the absence of energy band gap and the impossibility of backscattering due to the requirement of conservation of helicity freedom due to pseudo-spin degrees of freedom. (Refer nonpatent literature 3). For this reason, it is impossible to prevent charge conduction in the potential barrier, and there arises a problem that the cut-off characteristics are insufficient when applied to the channel of the MOSFET.
このカットオフ特性の問題を解決するため、グラフェンにバンドギャップを形成する必要がある。そのための方法としてグラフェンナノリボン(GNR)構造による量子力学的閉じ込め効果及びリボン端の局在状態を用いる方法、或いはグラフェンへの酸素や水素、水酸基などの物質の吸着、アンチドット等の欠陥導入、或いはバッファ層のポテンシャル変調等により局所的にグラフェンの電子構造を破壊すること、等の手法で、ディラック点付近にバンドギャップを生成する方法が知られている。 In order to solve this cutoff characteristic problem, it is necessary to form a band gap in graphene. As a method for that, a method using the quantum mechanical confinement effect by the graphene nanoribbon (GNR) structure and the localized state of the ribbon edge, adsorption of substances such as oxygen, hydrogen, hydroxyl group, etc. to graphene, introduction of defects such as antidots, or A method of generating a band gap near the Dirac point by a technique such as locally destroying the electronic structure of graphene by potential modulation of the buffer layer or the like is known.
グラフェンにバンドギャップを生成するために例えばナノリボンを形成した場合、得られるバンドギャップは高々0.3eV程度であることが現在知られている。このナノリボン構造によりバンドギャップの生成された部分に対して、ゲート電圧を印加することでポテンシャル変調を与え、その結果バンドギャップが障壁となり、トランジスタのチャネルがオフ状態になる(図2)。 For example, when a nanoribbon is formed to generate a band gap in graphene, it is currently known that the obtained band gap is about 0.3 eV at most. By applying a gate voltage to the portion where the band gap is generated by this nanoribbon structure, potential modulation is applied, and as a result, the band gap becomes a barrier and the transistor channel is turned off (FIG. 2).
しかし、グラフェンナノリボンにおいては、バンドギャップが小さいため利用可能なポテンシャル障壁が低い。このため、熱励起リーク電流が大きくなる。この大きなリーク電流は、大規模集積回路において消費電力の増大の原因となる。 However, in the graphene nanoribbon, the available potential barrier is low due to the small band gap. For this reason, the thermal excitation leakage current increases. This large leakage current causes an increase in power consumption in a large scale integrated circuit.
また、トランジスタのチャネルがオン状態の場合、ソース端からの電荷の注入速度は電荷の有効質量が大きいほど遅くなるが、この有効質量はバンドギャップが大きいほど大きくなることが知られている。即ち、グラフェンナノリボンでは電気抵抗が高くなる。従って、良好なオフ状態を得るためにバンドギャップを大きくすると、オン状態での電荷の移動度を犠牲にする必要に迫られる。このようなトレードオフは、ナノリボン以外の方法でバンドギャップを形成した場合にも同様に生じる問題である。 In addition, when the channel of the transistor is in the on state, the charge injection rate from the source end is slower as the effective mass of the charge is larger, but it is known that this effective mass is larger as the band gap is larger. That is, the electrical resistance is increased in the graphene nanoribbon. Therefore, when the band gap is increased in order to obtain a good off state, it is necessary to sacrifice the charge mobility in the on state. Such a trade-off is a problem that similarly occurs when a band gap is formed by a method other than the nanoribbon.
本発明は、オフ状態における上記リーク電流の低減と、オン状態での高い電流密度との両方を同時に得られるグラフェントランジスタの構造とその製造方法とを提供することを目的とする。
It is an object of the present invention to provide a graphene transistor structure and a method for manufacturing the same that can simultaneously achieve both the reduction of the leakage current in the off state and a high current density in the on state.
本発明の半導体装置は、基板と、基板上に形成され、バンドギャップが生成されたグラフェンを有するチャネル領域と、チャネル領域の両側に形成され、チャネル領域のグラフェンに比して小さいバンドギャップが生成されたグラフェンを有するソース/ドレイン領域と、ソース/ドレイン領域のチャネルに接する部分の上に、夫々形成された第1および第2のゲート電極と、を備えることを特徴とする。 The semiconductor device of the present invention has a substrate, a channel region having graphene formed on the substrate and having a band gap generated thereon, and a band gap formed on both sides of the channel region and smaller than the graphene in the channel region. And a source / drain region having graphene formed, and first and second gate electrodes formed on portions of the source / drain region in contact with the channel, respectively.
また、本発明の半導体装置は、バックゲート電極を有する基板と、基板上に形成され、バンドギャップが生成されたグラフェンを有するチャネル領域と、チャネル領域の両側に形成され、チャネル領域のグラフェンに比して小さいバンドギャップが生成されたグラフェンを有するソース/ドレイン領域と、ソース/ドレイン領域のチャネルに接する部分の何れか一方の上に、形成されたゲート電極と、を備えることを特徴とする。 In addition, a semiconductor device of the present invention includes a substrate having a back gate electrode, a channel region having graphene formed on the substrate and having a band gap formed thereon, and formed on both sides of the channel region, compared to the graphene in the channel region. And a source / drain region having graphene in which a small band gap is generated, and a gate electrode formed on any one of the portions in contact with the channel of the source / drain region.
また、本発明の半導体装置は、基板と、基板上に形成され、バンドギャップが生成されたグラフェンを有するチャネル領域と、チャネル領域の両側に形成され、チャネル領域のグラフェンに比して小さいバンドギャップが生成されたグラフェンを有するソース/ドレイン領域と、ソース/ドレイン領域のチャネルに接する部分の何れか一方の上に、形成されたゲート電極と、を備え、チャネル領域およびソース/ドレイン領域の何れかはドーパントを有することを特徴とする。 In addition, a semiconductor device of the present invention includes a substrate, a channel region having graphene formed on the substrate and having a band gap formed thereon, and a band gap formed on both sides of the channel region and smaller than the graphene in the channel region. A source / drain region having a graphene formed thereon and a gate electrode formed on any one of the portions in contact with the channel of the source / drain region, and any one of the channel region and the source / drain region Has a dopant.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に、バンドギャップが生成されたグラフェンを形成する工程と、グラフェン上に、ゲート電極を形成する工程と、ゲート電極上に、マスク材を形成する工程と、マスク材およびゲート電極をマスクとして用いて、グラフェンを細線状にエッチングする工程と、を備えることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming graphene with a band gap formed on a substrate, a step of forming a gate electrode on the graphene, and a mask material on the gate electrode. And a step of etching graphene into a thin line using a mask material and a gate electrode as a mask.
本発明の半導体装置は、良好なカットオフ特性と高速動作とを両立して改善できる。 The semiconductor device of the present invention can improve both good cut-off characteristics and high-speed operation.
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shall be attached | subjected to a common structure through embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted. Each figure is a schematic diagram for promoting explanation and understanding of the invention, and its shape, dimensions, ratio, and the like are different from those of an actual device. However, these are in consideration of the following explanation and known techniques. The design can be changed as appropriate.
(本発明の概要)
上記カットオフ特性の問題、並びにバンドギャップ生成によるオン電流密度減少の問題とを解決するための手段として、本発明では次のような素子構造を採用している。
(Outline of the present invention)
The present invention employs the following element structure as means for solving the above-described problem of cut-off characteristics and the problem of reduction of on-current density due to band gap generation.
即ち本発明は、バンドギャップを有するチャネル部分、例えばグラフェンナノリボンの両側が、ギャップレス部分、即ちバンドギャップが無い或いはバンドギャップが非常に小さいグラフェン部分に接しており、そのギャップレス部分の少なくとも一方において、極性及び電荷密度がゲート電圧で局所的に制御されることを特徴とする。 That is, according to the present invention, a channel portion having a band gap, for example, both sides of a graphene nanoribbon are in contact with a gapless portion, that is, a graphene portion having no band gap or a very small band gap, and at least one of the gapless portions has a polarity. And the charge density is locally controlled by the gate voltage.
ここで、グラフェンにおける極性とは、図1に示すように、フェルミエネルギー1がグラフェンのディラック点2或いはバンドギャップの上端よりも高エネルギー側に存在する場合(図1の5)に極性がN型であるとみなし、逆にフェルミエネルギーがグラフェンのディラック点或いはバンドギャップの下端よりも低エネルギー側に存在する場合(図1の3)に極性がP型であるとみなす。
Here, the polarity in graphene is N-type when Fermi
上記素子構造により、グラフェン全体の極性及び、ゲートで制御されたグラフェン領域の極性を適切に選ぶことにより、素子内のチャネル部分にバンドギャップが存在し、かつチャネル部分の両端でグラフェンの極性が互いに異なる状態を得ることができる。この状態では電荷がチャネルを伝導するにはP型領域とN型領域を相互に移動する必要があるが、これら極性の異なる部分の間にはバンドギャップが存在することにより電荷の伝導は阻止される。更に、フェルミエネルギーから見たポテンシャル障壁をバンドギャップよりも大きく出来るため、熱励起によるリーク電流が抑制される。また、バンド間トンネリングは、チャネル長を適切な長さに制御することで抑制できる。これらの効果により、良好なカットオフ特性が期待される。 With the above device structure, by appropriately selecting the polarity of the entire graphene and the polarity of the graphene region controlled by the gate, there is a band gap in the channel portion in the device, and the polarities of the graphene at both ends of the channel portion are mutually Different states can be obtained. In this state, it is necessary to move the P-type region and N-type region relative to each other in order for the charge to pass through the channel, but the conduction of the charge is blocked by the existence of a band gap between these different polarities. The Furthermore, since the potential barrier viewed from Fermi energy can be made larger than the band gap, leakage current due to thermal excitation is suppressed. Further, interband tunneling can be suppressed by controlling the channel length to an appropriate length. Due to these effects, good cut-off characteristics are expected.
一方、ゲートに印加するバイアスを適切に選ぶことにより、ポテンシャル障壁を下げることができて、容易にトランジスタをオン状態にできる。このとき、チャネルのソース端に接するソース部分はギャップレスのグラフェン領域であるため、電荷はグラフェンに特有の高い速度を持ったままチャネル部分に注入され、従って高い電荷移動度でトランジスタ動作させることが可能となる。同時に、高抵抗のチャネル部分を最低限の長さに抑制することで抵抗を低減し、従って駆動電流を上昇させる効果が得られる。 On the other hand, by appropriately selecting the bias applied to the gate, the potential barrier can be lowered and the transistor can be easily turned on. At this time, since the source part in contact with the source end of the channel is a gapless graphene region, charges are injected into the channel part while maintaining a high speed peculiar to graphene, so that transistor operation can be performed with high charge mobility. It becomes. At the same time, it is possible to obtain an effect of reducing the resistance by suppressing the high resistance channel portion to a minimum length, and thus increasing the drive current.
以上の効果により、良好なカットオフ特性と高駆動電流とを両立することが可能となる。 With the above effects, it is possible to achieve both good cut-off characteristics and high drive current.
グラフェン層は、例えば炭化シリコン基板を熱処理することによってその基板表面に形成される。ここで、炭化シリコン層は通常のシリコン等の基板上に形成されたものでもよい。また化学的気相成長法を用いて例えば絶縁層上の触媒層表面に形成して触媒層を除去したものを用いてもよい。或いは、触媒上に形成されたグラフェン層を絶縁膜層上に移したものでもよい。 The graphene layer is formed on the surface of the substrate by, for example, heat-treating the silicon carbide substrate. Here, the silicon carbide layer may be formed on a normal substrate such as silicon. Further, for example, a chemical vapor deposition method may be used in which the catalyst layer is removed by forming on the surface of the catalyst layer on the insulating layer. Alternatively, the graphene layer formed on the catalyst may be transferred onto the insulating film layer.
ここではグラフェン層は基板21として表面に酸化シリコン層を有するシリコン単結晶基板上に形成されたものを用いるものとして説明する。例えば図3(a)に示すように、グラフェン層12に対してソース及びドレインのコンタクト17を形成する。コンタクトは導電性の物質であれば金属類でもカーボン類でも構わない。また、コンタクトは後述のゲートやチャネル構造を形成した後に形成してもよい。グラフェン層12に対して上層に、ゲート絶縁膜22を形成する。該ゲート絶縁膜22の材質及びその形成方法は、例えばNO2界面層とAl2O3を、原子層堆積法 (ALD法)を用いて成長させることができる(Science 317 p638 (2007)参照)。
Here, the graphene layer will be described assuming that the
(第一の実施の形態)
ここでは、図3を参照して、第一の実施の形態を説明する。上記方法にて形成されたグラフェン層12に対して金属やポリシリコン等の伝導体でソース側ゲート13、及びドレイン側ゲート14を図3(a)に示す通りに形成する。即ち、2つのゲートがグラフェン層12を、並列して横切り、ソース領域15とドレイン領域16とを分割する。該ゲート電極対は、良好な導電性があれば、物質の種類は問わない。また、該ゲート構造は、例えば電子線リソグラフィー等の手法により、形成できる。上記ゲート電極13及び14で挟まれた領域のグラフェン層が、半導体的、即ちエネルギーバンドギャップが0.1eV以上になるように加工する。その加工方法は、従来技術の項で説明した通りの方法で加工すればよい。
(First embodiment)
Here, the first embodiment will be described with reference to FIG. A
本実施の形態では、その中からグラフェンナノリボン構造を例に挙げて、実施方法を説明する。 In the present embodiment, an implementation method will be described using a graphene nanoribbon structure as an example.
まず、図3(b)に示す通りに、2つのゲート電極13および14の間に、細線構造をマスク18の一部として転写する。ここで、マスク18として、例えば電子線リソグラフィー等の手法で、例えばレジストを所望の形状に加工し、保護膜とする。このマスク18に加えて、2つのゲート電極13及び14もチャネル加工の際の保護膜として、同時に利用する。これらレジスト18並びにゲート電極13及び14を保護膜として、例えば酸素プラズマエッチング等の手法により、図3(b)で示された除去される領域19を選択的に除去できる。このとき、マスク18の形状は、細線部分の長さがゲート13及び14の間隔よりも長く、かつ、細線部分の両端が両方のゲートの領域内にあればよい。そうすることで、チャネル領域20のソース並びにドレイン端が2つのゲート電極の端と揃った構造が、自己整合的かつ容易に形成される。
First, as shown in FIG. 3B, the fine line structure is transferred as a part of the
なお、該グラフェンナノリボンは1本でもよいが、複数本あればオン電流の増大が期待できるので、可能な限り増やすことが望ましい。 The number of graphene nanoribbons may be one, but if there are a plurality of graphene nanoribbons, an increase in on-current can be expected, so it is desirable to increase as much as possible.
また、エッチングによるグラフェンの除去に限ったものではなく、例えば酸素や水素等の物質で修飾することで絶縁体化しても、同様の効果が得られる。また、ソース及びドレインのコンタクト6は、ゲート電極と電気的に接触しない限り、ゲート電極の下にあっても構わない。
In addition, the present invention is not limited to the removal of graphene by etching, and the same effect can be obtained even if the insulator is formed by modification with a substance such as oxygen or hydrogen. The source and
また、半導体的グラフェンチャネル領域の形成方法として、グラフェンナノリボン以外の手法を用いる場合は、図3(b)のマスク18において、細線部分の無い形状のマスクを作製し、両ゲート13及び14をも同時に保護膜として利用することにより、両ゲートの間のグラフェン領域12のみを露出することができる。該グラフェン領域に対して、化学的修飾、或いはアンチドット欠陥導入加工等の処理を施すことにより、該グラフェン領域のみに選択的にバンドギャップ34を形成することが可能である。この場合も、上記グラフェンナノリボン形成の場合と同様に、チャネル端とゲート端が自己整合的に揃った構造が容易に実現する。ここでソース側ゲート13とドレイン側ゲート14の間隔は2nm以上であり、間隔の上限は、素子の集積度及びチャネルの電気抵抗低減の要請からできるだけ狭い方がよく、具体的には200nm以下であることが望ましい。形成された素子の断面図を図3(d)に示す。
When a method other than graphene nanoribbons is used as a method for forming a semiconducting graphene channel region, a mask having a shape without a thin line portion is prepared in the
該グラフェン素子構造において、正の電圧をドレイン16に印加すると、図4(a)に示すように、ドレイン電圧によるフェルミエネルギーの移動35が生じる。この場合、ソース側ゲート13に負の電圧を、ドレイン側ゲート14に正の電圧を印加することにより、それぞれディラック点の移動36及び37が生じる。その結果、チャネルのソース端ではポテンシャル障壁が高くなり、従って熱励起リーク電流の抑制が期待される。また、ソース側がP型、ドレイン側がN型の極性を有しており、それらの間はバンドギャップ領域で仕切られるため、その半導体的領域の長さを適切に選ぶことで、バンド間トンネリングを抑制することが可能であり、従ってオフリーク電流が抑制される。
In the graphene element structure, when a positive voltage is applied to the
この素子のオン状態を図4(b)に示す。即ち、ソース側ゲート13とドレイン側ゲート14の両方に正の電圧を与えることで、ディラック点の移動36及び37が共に負のエネルギー方向となり、チャネル領域20のバンドギャップがフェルミエネルギーよりも低エネルギー側に移動し、従ってトランジスタがオン状態となる。このとき、チャネルのソース端は、ギャップレスのグラフェン領域に直に接しているため、ソース端からの電荷の注入速度はギャップレスのグラフェンの速度であって非常に高い速度であるため、トランジスタの高速動作が実現する。更に、高抵抗な半導体的グラフェンチャネルの長さを必要最小限に抑制することが可能であり、従って、素子の高速動作が得られる。
The on state of this element is shown in FIG. That is, by applying a positive voltage to both the
この素子では、ゲートの電界によるディラック点の移動36及び37が図4(b)の場合の逆方向、即ち、両方のゲートの電圧が共に負であっても、同様にオン状態が得られ、高い電荷注入速度が同様に実現する。また、上記のすべてのトランジスタ動作の例において、ドレイン電圧を反転したとしても、ゲート電圧の極性をすべて反転させることにより、全く同様の効果、即ちオフリーク電流の抑制及び高速動作が実現する。
In this element, the
また、この構造を形成した後に、半導体的グラフェンで構成されるチャネル部分の下部のシリコン酸化膜部分を、例えばフッ酸などで除去することにより、宙吊りグラフェンをチャネルとしたトランジスタにすることができる。ゲートスタックがグラフェンチャネル層に直に接する従来技術のグラフェントランジスタでは、宙吊りグラフェンチャネル構造は不可能である。宙吊りグラフェンではキャリア移動度がおよそ10倍になることが知られており、本発明におけるトランジスタ構造でキャリアの移動を最も律速するチャネル部分のキャリア移動度が著しく増加し、従って駆動電流の著しい増加が期待される。 In addition, after forming this structure, the silicon oxide film portion below the channel portion made of semiconducting graphene is removed with, for example, hydrofluoric acid, so that a transistor using suspended graphene as a channel can be obtained. A suspended graphene channel structure is not possible with a prior art graphene transistor in which the gate stack is in direct contact with the graphene channel layer. In suspended graphene, it is known that the carrier mobility is about 10 times, and in the transistor structure in the present invention, the carrier mobility of the channel part that most determines the carrier movement is significantly increased, and thus the driving current is significantly increased. Be expected.
(第二の実施の形態)
第二の実施の形態は、上記第一の実施の形態に説明した素子の構成に対して、バックゲートバイアスを印加できる構造を追加したものである。バックゲートは、例えば基板の裏面側に形成される。図5を用いて説明する。バックゲートバイアスを印加することによって、フェルミエネルギー31に対するディラック点32のエネルギーオフセット38を与えることで、グラフェン層全体に亘ってN型、或いはP型にすることが可能になる。このエネルギーオフセット38はバンドギャップエネルギー34の半分よりも大きいものとする。これによって、ゲート動作に必要な電圧の極性が、第一の実施の形態では正負両方必要であったのに対して、正或いは負のどちらか一方のみで動作可能になり、従って回路の設計が容易になる。
(Second embodiment)
In the second embodiment, a structure capable of applying a back gate bias is added to the configuration of the element described in the first embodiment. The back gate is formed on the back side of the substrate, for example. This will be described with reference to FIG. By applying a back gate bias, an energy offset 38 of the
まず、正電圧のバックバイアスによりグラフェン層全体がN型になった場合を説明する。図5(a)に示すように、両方のゲート13及び14に電圧を印加しなければトランジスタはオン状態であり、高い電荷注入速度で動作する。ドレインバイアスが正の場合、ソース側ゲート電極13に負の電圧を印加することによって、図5(b)に示すように、ゲートの電界によるディラック点の移動40が生じて、上記第一の実施の形態の場合と同様の原理で、トランジスタのオフ状態を得ることができる。また、負のドレインバイアスが印加された場合には、ドレイン側ゲート14に対して負の電圧を印加することで、同様にオフ状態を得ることができる。
First, the case where the entire graphene layer is N-type due to a positive back bias will be described. As shown in FIG. 5 (a), if no voltage is applied to both
次に、負電圧のバックバイアスによりグラフェン層全体がP型になった場合を説明する。両方のゲート13及び14に電圧を印加しなければトランジスタはオン状態であり、高い電荷注入速度で動作する。ドレインバイアスが正の場合、ドレイン側ゲート電極14に正の電圧を印加することによってトランジスタのオフ状態を得ることができる。また、負のドレインバイアスが印加された場合には、ソース側ゲート13に対して正の電圧を印加することで、同様にオフ状態を得ることができる。
Next, a case where the entire graphene layer becomes P-type due to a negative voltage back bias will be described. If no voltage is applied to both
上記バックバイアス操作は、各トランジスタに独立に印加してもよく、また複数のトランジスタにまとめて印加してもよい。 The back bias operation may be applied to each transistor independently, or may be applied to a plurality of transistors collectively.
また、本実施の形における素子においても、上記第一の実施の形態に記載の宙吊りグラフェンチャネル構造が可能である。 Also in the element in the present embodiment, the suspended graphene channel structure described in the first embodiment is possible.
(第三の実施の形態)
第三の実施の形態は、上記第二の実施の形態において、エネルギーオフセット38を与えるためにバックゲートバイアスを印加する替わりに、グラフェン層全体をP型或いはN型にドーピングすることで、同様な効果を得ることができる、とするものである。ここで、グラフェン層全体に例えばカリウム等の金属を付着させることによって電子をドープすれば、グラフェン層はN型になる。同様に、グラフェン層全体に例えば酸素等の物質を付着させることによって正孔をドープすれば、グラフェン層はP型になる。
(Third embodiment)
The third embodiment is similar to the second embodiment in that the entire graphene layer is doped P-type or N-type instead of applying a back gate bias to give the energy offset 38. An effect can be obtained. Here, if electrons are doped by attaching a metal such as potassium to the entire graphene layer, the graphene layer becomes N-type. Similarly, if holes are doped by attaching a substance such as oxygen to the entire graphene layer, the graphene layer becomes P-type.
まず、電子ドープされた場合、両方のゲート13及び14に電圧を印加しなければトランジスタはオン状態であり、高い電荷注入速度で電流が流れる。ドレインバイアスが正の場合、ソース側ゲート電極13に負の電圧を印加することによって、上記第一の実施の形態の場合と同様の原理で、トランジスタのオフ状態を得ることができる。また、負のドレインバイアスが印加された場合には、ドレイン側ゲート14に対して負の電圧を印加することで、同様にオフ状態を得ることができる。
First, in the case of electron doping, if no voltage is applied to both
次に、正孔ドープされた場合は、電子ドープされた場合と電圧の極性を反転することで、同様な効果が得られる。即ち、両方のゲートに電圧が印加されなければトランジスタはオン状態であり、高い電荷注入速度で電流が流れる。ドレインバイアスが正の場合、ドレイン側ゲート電極14に正の電圧を印加することによって、上記第一の実施の形態の場合と同様の原理で、トランジスタのオフ状態を得ることができる。また、負のドレインバイアスが印加された場合には、ソース側ゲート13に対して正の電圧を印加することで、同様にオフ状態を得ることができる。
Next, in the case of hole doping, the same effect can be obtained by reversing the polarity of the voltage as in the case of electron doping. That is, if no voltage is applied to both gates, the transistor is on, and current flows at a high charge injection rate. When the drain bias is positive, by applying a positive voltage to the drain-
上記ドーピングは回路上のトランジスタに個別に与えることができる。また、N型グラフェンに対して負電圧のバックゲートバイアスを印加することでP型にすることができ、更にP型のグラフェンに対して正電圧のバックゲート電圧を印加することでN型にすることができる。また、チャネルよりもソース側の領域或いはドレイン側領域の、どちらか片方のみのドーピング、或いは両方で互いに異なる極性のドーピングも可能である。これらのあらゆる極性の組み合わせにおいても、それぞれ上記の例と同様の原理でトランジスタ動作し、良好なカットオフ特性と高速動作が同時に期待される。 The doping can be applied individually to the transistors on the circuit. Moreover, it can be made P-type by applying a negative back gate bias to N-type graphene, and it can be made N-type by applying a positive back-gate voltage to P-type graphene. be able to. Further, doping of only one of the source side region and the drain side region with respect to the channel, or doping with different polarities in both are possible. In any combination of these polarities, transistor operation is performed on the same principle as in the above example, and good cut-off characteristics and high-speed operation are expected at the same time.
また、本実施の形における素子においても、上記第一の実施の形態に記載の宙吊りグラフェンチャネル構造が可能である。 Also in the element in the present embodiment, the suspended graphene channel structure described in the first embodiment is possible.
(第四の実施の形態)
第四の実施の形態における素子構造は、第二の実施の形態における素子構造において、ソース側ゲート13、或いはドレイン側ゲート14のどちらか一方を省略したものである。この構造を採用することにより、上記第一乃至第三の実施の形態における構造と比較して、ゲートが一つ少ないため、素子の面積を低減することができ、従って作製プロセスの簡略化、及び集積回路の集積度を増大させる効果がある。第四の実施の形態における実施方法を、例えば図3(c)でドレイン側ゲート14を省略した構造について、図6で示しつつ説明する。
(Fourth embodiment)
The element structure in the fourth embodiment is obtained by omitting one of the
上記第一乃至三の実施の形態における方法と同様にして、図6(a)で示すように、グラフェン層12に対してゲート絶縁膜を形成し、ゲート39を形成する。チャネルとなる半導体的グラフェンで構成されるチャネル領域20は、以下の通りの方法で規定される。即ち、チャネル領域20の片方の端がゲート39をマスクとして限定され、もう一方の端がマスク18によって限定されるようにして、チャネル部分20を露出させる。その上でチャネル領域が半導体的になるような加工を施す。ここで、チャネル領域が半導体的になるような加工とは、上記第一の実施の形態において説明した方法と同様であり、一本以上のグラフェンナノリボンを形成してもよいし、化学的修飾によってもよいし、アンチドット欠陥導入によってもよい。図6(b)及び(c)は一本のグラフェンナノリボンを形成する方法を例示している。本第四の実施の形態においては、チャネル部分20の長さは2nm以上あればよく、長さの上限は素子の集積度及びびチャネルの電気抵抗低減の要請によって決定されるが、具体的には200nm以下であることが望ましい。得られたグラフェン素子構造において、バックゲートバイアスを印加することで、フェルミエネルギー33に対するディラック点32のエネルギーオフセット38を与えることで、グラフェン層全体に亘ってN型、或いはP型にすることが可能になる。このエネルギーオフセット38はバンドギャップエネルギー34の半分よりも大きいものとする。形成された素子の断面図を図6(d)に示す。
In the same manner as in the first to third embodiments, a gate insulating film is formed on the
まず、正電圧のバックバイアスによりグラフェン層の全体がN型になった場合を説明する。このとき、フェルミエネルギーがバンドギャップよりも高エネルギー側にあるため、トランジスタはオン状態であり、高い電荷注入速度で電流が流れる。この場合、ドレインバイアスは正電圧であり、図7(a)に示すように、ドレイン電圧によるフェルミエネルギーの移動35が生じる。ここで、ゲート39に負の電圧を印加することにより、図7(b)に示すように、ディラック点の移動36が生じる。その結果、チャネルのソース端ではポテンシャル障壁が高くなり、従って熱励起リーク電流が抑制される。また、チャネルのソース側がP型、ドレイン側がN型の極性を有しており、それらの間はバンドギャップ34で仕切られるため、その半導体的領域の長さを適切に選ぶことで、バンド間トンネリングが十分に抑制され、従ってオフリーク電流が抑制される。
First, the case where the entire graphene layer is N-type due to a positive back bias will be described. At this time, since the Fermi energy is on the higher energy side than the band gap, the transistor is in an on state, and a current flows at a high charge injection rate. In this case, the drain bias is a positive voltage, and as shown in FIG. 7A, a
次に、負電圧のバックバイアスによりグラフェン層の全体がP型になった場合も、上記の正電圧バックゲートの場合と同様である。即ち、ゲート39に電圧を印加しなければトランジスタはオン状態であり、高い電荷注入速度で電流が流れる。この場合、ドレインバイアスは負電圧であり、ゲート電極39に正の電圧を印加することによって、トランジスタのオフ状態を得ることができる。
Next, the case where the entire graphene layer becomes P-type due to the negative voltage back bias is the same as the case of the positive voltage back gate. That is, if no voltage is applied to the
上記バックバイアス操作は、各トランジスタに独立に印加してもよく、また複数のトランジスタにまとめて印加してもよい。また、ゲート39がある領域をソースの替わりにドレインとして動作させても、同様の原理でトランジスタ動作させることができる。
The back bias operation may be applied to each transistor independently, or may be applied to a plurality of transistors collectively. Further, even if a region where the
また、本実施の形態における素子においても、上記第一の実施の形態に記載の宙吊りグラフェンチャネル構造が可能である。 Also in the element in the present embodiment, the suspended graphene channel structure described in the first embodiment is possible.
(第五の実施の形態)
第五の実施の形態は、上記第四の実施の形態において、エネルギーオフセット38を与えるためにバックゲートバイアスを印加する替わりに、グラフェン層全体をP型或いはN型にドーピングすることで、同様な効果を得ることができるとするものである。これらドープの手法は第三の実施の形態の場合と同様である。この場合でも、ゲート39に電圧を印加しなければトランジスタはオン状態であり、高い電荷注入速度で電流が流れる。
(Fifth embodiment)
The fifth embodiment is similar to the fourth embodiment in that the entire graphene layer is doped P-type or N-type instead of applying the back gate bias to give the energy offset 38. The effect can be obtained. These doping methods are the same as those in the third embodiment. Even in this case, if no voltage is applied to the
まず、グラフェン層全体がP型にドーピングされた場合について説明する。ドレインバイアスとして負電圧を印加し、ゲート電極39に対して正電圧を印加することによって、上記第四の実施の形態の場合と同様の原理で、トランジスタのオフ状態が得られ、良好なカットオフ特性が得られる。
First, a case where the entire graphene layer is doped P-type will be described. By applying a negative voltage as the drain bias and applying a positive voltage to the
次に、グラフェン層全体がN型にドーピングされた場合について説明する。ドレインバイアスとして正電圧を印加し、ゲート電極39に対して負電圧を印加することによって、上記第四の実施の形態の場合と同様の原理で、トランジスタのオフ状態が得られ、良好なカットオフ特性が得られる。
Next, a case where the entire graphene layer is doped N-type will be described. By applying a positive voltage as a drain bias and applying a negative voltage to the
上記ドーピングは回路上のトランジスタに個別に与えることができる。また、ゲート39がある領域をソースの替わりにドレインとして動作させても、同様の原理でトランジスタ動作させることができる。また、N型グラフェンに対して負電圧のバックゲートバイアスを印加することでP型にすることができ、更にP型のグラフェンに対して正電圧のバックゲート電圧を印加することでN型にすることができる。また、チャネル領域から見てソース側或いはドレイン側の片方のみのドーピング、或いは両方で互いに異なる極性のドーピングも可能である。これらのあらゆる極性の組み合わせにおいても、それぞれ上記の例と同様の原理でトランジスタ動作し、良好なカットオフ特性と高速動作が同時に実現する。
The doping can be applied individually to the transistors on the circuit. Further, even if a region where the
また、本実施の形態における素子においても、上記第一の実施の形態に記載の宙吊りグラフェンチャネル構造が可能である。 Also in the element in the present embodiment, the suspended graphene channel structure described in the first embodiment is possible.
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。また、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not restricted to these, In the category of the summary of the invention as described in a claim, it can change variously. In addition, the present invention can be variously modified without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Furthermore, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment.
1: フェルミエネルギー
2: ディラック点
3: P型状態
4: 通常のグラフェンの状態
5: N型状態
6: グラフェンナノリボン
7: トップゲート
8: ソース
9: チャネル
10: バンドギャップ
11: 熱励起リーク電流
12: グラフェン層
13: ソース側ゲート
14: ドレイン側ゲート
15: ソース
16: ドレイン
17: コンタクト
18: マスク
19: 除去される領域
20: 半導体的グラフェンチャネル
21: 基板
22: ゲート絶縁膜
31: ソースのフェルミエネルギー
32: ギャップレスグラフェンのディラック点
33: ドレインのフェルミエネルギー
34: バンドギャップ
35: ドレイン電圧によるフェルミエネルギーの移動
36: ソース側ゲートの電界によるディラック点の変化
37: ドレイン側ゲートの電界によるディラック点の変化
38: エネルギーオフセット
39: ゲート
40: ゲートの電界によるディラック点の変化
1: Fermi energy
2: Dirac point
3: P-type state
4: Normal graphene state
5: N-type state
6: Graphene nanoribbon
7: Top gate
8: Source
9: Channel
10: Band gap
11: Thermally excited leakage current
12: Graphene layer
13: Source side gate
14: Drain side gate
15: Source
16: Drain
17: Contact
18: Mask
19: Area to be removed
20: Semiconducting graphene channel
21: Board
22: Gate insulation film
31: Fermi energy of the source
32: Dirac point of gapless graphene
33: Fermi energy of drain
34: Band gap
35: Transfer of Fermi energy by drain voltage
36: Dirac point change due to electric field of source side gate
37: Dirac point change by electric field of drain side gate
38: Energy offset
39: Gate
40: Dirac point change due to gate electric field
Claims (4)
前記基板上に形成され、バンドギャップが生成されたグラフェンを有するチャネル領域と、
前記チャネル領域の両側に形成され、前記チャネル領域のグラフェンに比して小さいバンドギャップが生成されたグラフェンを有するソース/ドレイン領域と、
前記ソース/ドレイン領域の前記チャネル領域に接する部分の上に、夫々形成された第1および第2のゲート電極と、
を備える半導体装置。 A substrate,
A channel region having graphene formed on the substrate and having a band gap generated;
A source / drain region having graphene formed on both sides of the channel region and having a smaller band gap than the graphene of the channel region;
First and second gate electrodes respectively formed on portions of the source / drain regions in contact with the channel region ;
Semiconductor device Ru equipped with.
前記グラフェン上に、ゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極上に、マスク材を形成する工程と、
前記マスク材および前記ゲート電極をマスクとして用いて、前記グラフェンを細線状にエッチングする工程と、
を備える半導体装置の製造方法。 Forming a graphene with a band gap generated on a substrate;
Forming a gate electrode on the graphene;
Forming a mask material on the gate electrode;
Etching the graphene into a thin line using the mask material and the gate electrode as a mask;
The method of manufacturing a semiconductor device Ru comprising a.
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Family Cites Families (8)
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US20090174435A1 (en) * | 2007-10-01 | 2009-07-09 | University Of Virginia | Monolithically-Integrated Graphene-Nano-Ribbon (GNR) Devices, Interconnects and Circuits |
JP2009094190A (en) * | 2007-10-05 | 2009-04-30 | Fujitsu Ltd | Semiconductor apparatus |
JP2009182173A (en) * | 2008-01-31 | 2009-08-13 | Fujitsu Ltd | Graphene transistor and electronic apparatus |
JP2009277803A (en) * | 2008-05-13 | 2009-11-26 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device, method for manufacturing the semiconductor device and transistor |
US8227794B2 (en) * | 2008-07-25 | 2012-07-24 | Taiichi Otsuji | Complementary logic gate device |
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-
2010
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20160019345A (en) * | 2014-08-11 | 2016-02-19 | 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 | Seimiconductor device and method of formation |
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