JP5863069B2 - Semiconductor device and manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、支持基板上に絶縁膜を介して設けられた半導体層に形成されたIII−V CMOSトランジスタである半導体装置及び製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device which is a III-V CMOS transistor formed in a semiconductor layer provided on a support substrate via an insulating film, and a manufacturing method.

高移動度材料を利用したCMOSトランジスタは、省消費電力デバイスや高速CPUといった高速動作回路への応用が期待されている。特に、n−MOSFETとp−MOSFETのいずれにおいても、Siより高い移動度を有するIII−V族化合物半導体を利用する構造が期待される。さらに、III−V族化合物半導体チャネル層がSi基板上に絶縁膜を介して形成されたIII−V族化合物半導体CMOSトランジスタの応用が期待される。   CMOS transistors using high mobility materials are expected to be applied to high-speed operation circuits such as power-saving devices and high-speed CPUs. In particular, in both the n-MOSFET and the p-MOSFET, a structure using a III-V group compound semiconductor having higher mobility than Si is expected. Further, application of a III-V compound semiconductor CMOS transistor in which a III-V compound semiconductor channel layer is formed on an Si substrate via an insulating film is expected.

図18に、従来提案されてきた、n−MOSFETとp−MOSFET、それぞれに適したチャネルを集積した、複数チャネルを有するIII−V族化合物半導体装置の構造を示す。Si基板1801上埋め込み酸化膜(BOX:Buried Oxide Layer)層1802を積層し、その上にIII−Sb層1803およびIII−As層1804が積層されている。ここで、III−Sb層1803は、High−Kゲート絶縁層1806−1、金属ゲート層1807−1を積層し形成されたゲートスタックと、金属ソース/ドレイン層1805−1が形成され、p−MOSFETを構成している。また、III−As層1804は、High−Kゲート絶縁層1806−2、金属ゲート層1807−2を積層し形成されたゲートスタックと、金属ソース/ドレイン層1805−2が形成され、n−MOSFETを構成している。   FIG. 18 shows a structure of a group III-V compound semiconductor device having a plurality of channels, which has been conventionally proposed, in which channels suitable for n-MOSFETs and p-MOSFETs are integrated. A buried oxide layer (BOX) layer 1802 is stacked on a Si substrate 1801, and a III-Sb layer 1803 and a III-As layer 1804 are stacked thereon. Here, the III-Sb layer 1803 includes a gate stack formed by stacking a High-K gate insulating layer 1806-1 and a metal gate layer 1807-1, and a metal source / drain layer 1805-1. A MOSFET is formed. The III-As layer 1804 includes a gate stack formed by stacking a High-K gate insulating layer 1806-2 and a metal gate layer 1807-2, and a metal source / drain layer 1805-2, and an n-MOSFET. Is configured.

S. Takagi et al., Solid-State Electron. 51, 526 (2007).S. Takagi et al., Solid-State Electron. 51, 526 (2007).

しかしながら、従来の手法では、n−MOSFETとp−MOSFETのチャネルとなる層がIII−Sb層1803、III−As層1804のように種類が異なるため、それぞれの層を別々に形成する必要があるという課題があった(非特許文献1参照)。   However, in the conventional method, the layers that become the channels of the n-MOSFET and the p-MOSFET are different in type, such as the III-Sb layer 1803 and the III-As layer 1804, and therefore it is necessary to form each layer separately. (See Non-Patent Document 1).

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、同一チャネルにIII−As層とIII−Sb層を形成し、電界制御によりチャネル極性を制御し、n−MOSFETとp−MOSFETを切り替えることができるIII−V CMOSトランジスタである半導体装置及び製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems. The object of the present invention is to form a III-As layer and a III-Sb layer in the same channel, control the channel polarity by electric field control, and n- An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a manufacturing method which are III-V CMOS transistors capable of switching between a MOSFET and a p-MOSFET.

上記の課題を解決するために、本発明は、半導体装置であって、Si基板と、前記Si基板上に積層された第1の絶縁膜と、前記絶縁膜上に積層された半導体層であって、III−Sb層と前記III−Sb層上に積層されたIII−As層を含む半導体層と、前記III−As層の上面あるいは側面に形成された金属ソース・ドレイン電極、あるいは、前記III−As層と前記III−Sb層とに接合するよう形成された金属ソース・ドレイン電極と、を備え、前記III−As層は、n−MOSFETおよびp−MOSFETに共通のチャネル層として構成されており、前記Si基板の裏面に形成されたバックゲート電極を備え、前記バックゲート電極に第1のバックゲート電圧を印加することで前記n−MOSFETとして動作し、前記バックゲート電極に第2のバックゲート電圧を印加することで前記p−MOSFETとして動作することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a semiconductor device, which includes a Si substrate, a first insulating film stacked on the Si substrate, and a semiconductor layer stacked on the insulating film. A semiconductor layer including a III-Sb layer and a III-As layer stacked on the III-Sb layer, a metal source / drain electrode formed on an upper surface or a side surface of the III-As layer , or III comprising a metal source and drain electrodes formed so as to be joined to the the -As layer the III-Sb layer, the III-as layer is configured as a common channel layer n-MOSFET and p-MOSFET cage, wherein the Si comprises a back gate electrode formed on the back surface of the substrate, a first back gate voltage acts as the said n-a MOSFET T by applying to the back gate electrode, Characterized in that it operates as the p-MOSFET by applying a second back gate voltage to the back gate electrode.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の半導体装置において、前記半導体層上に積層された第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜上に形成された金属フロントゲート電極と、をさらに備え、前記フロントゲート電極に第3のゲート電圧を印加することで前記n−MOSFETとして動作し、前記フロントゲート電極に第4のゲート電圧を印加することで前記p−MOSFETとして動作することを特徴とする。すなわち、単一素子からなるトランジスタのチャネルの極性をpチャネルとnチャネルに制御できることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first aspect, a second insulating film stacked on the semiconductor layer, and a metal front gate electrode formed on the second insulating film, further comprising a operates as the n-MOSFET by applying a third gate voltage to the front gate electrode, operates as the p-MOSFET by applying a fourth gate voltage to the front gate electrode It is characterized by that. That, characterized in that to control the polarity of the channel of a transistor made of single element p-channel and n-channel.

請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の半導体装置において、前記III−As層は、InAsであり、前記III−Sb層は、GaSb又はInGaSbであることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first or second aspect, the III-As layer is InAs, and the III-Sb layer is GaSb or InGaSb.

請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置において、前記III−As層の膜厚は 0.6 nm 以上 2.5 nm 以下であり、前記III−Sb層の膜厚は 0.6 nm 以上 20 nm 以下であることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, the film thickness of the III-As layer is 0.6 nm to 2.5 nm, and the III-Sb The film thickness of the layer is 0.6 nm or more and 20 nm or less.

請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装置において、前記半導体層は、第2のIII−As層をさらに含み、前記III−Sb層前記第2のIII−As層上に積層されていることを特徴とする。 Invention according to claim 5, in the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the semiconductor layer further comprises a second III-As layer, before Symbol III-Sb layer is the second It is characterized by being laminated on the III-As layer.

請求項6に記載の発明は、半導体装置の製造方法であって、Si基板上に第1の絶縁膜を積層するステップと、InAs基板上にIII−Sbエッチストッパー層を積層するステップと、前記III−Sbエッチストッパー層上にIII−V族半導体層を積層するステップと、前記III−V族半導体層上に第2の絶縁膜を積層するステップと、前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜を貼り合わせるステップと、前記InAs基板および前記III−Sbエッチストッパー層をエッチングするステップと、前記III−V族半導体層上に金属ソース・ドレイン電極を形成するステップと、前記Si基板の裏面にバックゲート電極を形成するステップと、を有することを特徴とする。 The invention according to claim 6 is a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: laminating a first insulating film on a Si substrate; laminating a III-Sb etch stopper layer on an InAs substrate; Laminating a group III-V semiconductor layer on the III-Sb etch stopper layer, laminating a second insulating film on the group III-V semiconductor layer, the first insulating film and the second layer insulating the steps of bonding a film, and etching the InAs substrate and the III-Sb etch stopper layer, and Luz step to form the metal source and drain electrode on the group III-V semiconductor layer, wherein forming a back gate electrode on the back surface of the Si substrate, it characterized by having.

請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の半導体装置の製造方法において、前記III−V族半導体層上に第3の絶縁膜を積層するステップと、前記第3の絶縁膜上に金属フロントゲート電極を積層するステップと、をさらに有することを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the sixth aspect, a step of laminating a third insulating film on the III-V group semiconductor layer, and a step of forming on the third insulating film a step of laminating a metal front gate electrode, further comprising a.

請求項8に記載の発明は、請求項6に記載の半導体装置の製造方法において、前記III−V族半導体層を積層するステップは、前記III−Sbエッチストパー層上に第1のIII−As層を積層するステップと、前記第1のIII−As層上に第2のIII−Sb層を積層するステップと、前記第2のIII−Sb層上に第2のIII−As層を積層するステップと、を含むことを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the sixth aspect, the step of laminating the group III-V semiconductor layer includes the step of: Laminating a layer, laminating a second III-Sb layer on the first III-As layer, and laminating a second III-As layer on the second III-Sb layer. And a step.

請求項に記載の発明は、請求項8に記載の半導体装置の製造方法において、前記InAs基板および前記III−Sbエッチストッパー層をエッチングするステップは、濃度36%の塩酸を用いて、前記InAs基板を前記III−Sbエッチストッパー層から選択エッチングするステップと、濃度0.6−1.0%の硫化アンモニウム溶液を用いて、前記III−Sbエッチストッパー層を前記第1のIII−As層から選択エッチングするステップと、を含むことを特徴とする。 The invention according to claim 9 is the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the step of etching the InAs substrate and the III-Sb etch stopper layer uses hydrochloric acid having a concentration of 36%, and the InAs Selectively etching the substrate from the III-Sb etch stopper layer, and using an ammonium sulfide solution with a concentration of 0.6-1.0% to remove the III-Sb etch stopper layer from the first III-As layer. And selectively etching.

本発明によれば、III−V−OI単一チャネル構造において、バックゲート電極、および、フロントゲート電極を用いて電圧を制御することで、チャネル層に誘起される支配的なキャリアの極性を制御できるため、チャネルの極性の制御が可能となり、単一素子トランジスタにおいて、III−V CMOSトランジスタの動作が可能となるため、III−V―OI CMOS on Si構造およびそのトランジスタを少ない製造工程で作製する製造方法を提供することができる。   According to the present invention, the dominant carrier polarity induced in the channel layer is controlled by controlling the voltage using the back gate electrode and the front gate electrode in the III-V-OI single channel structure. Therefore, the polarity of the channel can be controlled, and the operation of the III-V CMOS transistor can be performed in a single element transistor. A manufacturing method can be provided.

本発明の実施形態1に係る半導体装置の断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. (a)はエネルギーバンド図であり、(b)、(c)は本願発明の一実施形態に係る単一チャネルによるIII−V CMOSトランジスタの動作の概要を説明する図である。(A) is an energy band figure, (b), (c) is a figure explaining the outline | summary of operation | movement of the III-V CMOS transistor by the single channel which concerns on one Embodiment of this invention. (a)、(b)は、本願発明の一実施形態に係る単一チャネルによるIII−V CMOSトランジスタの金属ソース/ドレイン接合の概念図である。(A), (b) is a conceptual diagram of the metal source / drain junction of the III-V CMOS transistor by the single channel which concerns on one Embodiment of this invention. (a)は、半導体の積層構造を示す図であり、(b)はバンド図であり、(c)はInAs層の実効バンドギャップのInAs層膜厚依存性の計算結果を示す図である。(A) is a figure which shows the laminated structure of a semiconductor, (b) is a band figure, (c) is a figure which shows the calculation result of the InAs layer film thickness dependence of the effective band gap of an InAs layer. (a)は、半導体の積層構造を示す図であり、(b)、(c)は単一チャネル層における電圧印加時のキャリア濃度分布の計算結果を示す図である。(A) is a figure which shows the laminated structure of a semiconductor, (b), (c) is a figure which shows the calculation result of the carrier concentration distribution at the time of the voltage application in a single channel layer. (a)、(b)はバックゲート電圧を 0 V とした時のキャリア濃度とフロントゲート電圧の関係のInAs層とGaSb層の膜厚依存性の計算結果を示す図であり、(c)はInAs層とGaSb層の膜厚を一定とした時のキャリア濃度とフロントゲート電圧の関係のバックゲート電圧依存性の計算結果を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the calculation result of the film thickness dependence of the InAs layer and GaSb layer of the relationship between a carrier concentration when a back gate voltage is 0 V and a front gate voltage, (c) It is a figure which shows the calculation result of the back gate voltage dependence of the relationship between a carrier concentration when the film thickness of an InAs layer and a GaSb layer is made constant, and a front gate voltage. (a)〜(d)は、InAs層の導入による、GaSb MOS界面の改善の様子を示す図である。(A)-(d) is a figure which shows the mode of the improvement of the GaSb MOS interface by introduction | transduction of an InAs layer. (a)は、本発明の一実施形態に係るIII−V CMOSトランジスタで用いるIII−V−OI on Si基板の作製手順を説明する図であり、(b)〜(f)は、III−V−OI on Si基板の作製結果を示す図である。(A) is a figure explaining the preparation procedure of the III-V-OIonSi substrate used with the III-V CMOS transistor which concerns on one Embodiment of this invention, (b)-(f) is III-V It is a figure which shows the preparation results of -OI on Si substrate. (a)〜(d)は、それぞれの選択エッチング前後でのXPS測定結果を示す図である。(A)-(d) is a figure which shows the XPS measurement result before and behind each selective etching. Si基板上に絶縁膜を介してInAs/GaSb/InAs層を積層した半導体の断面TEM像およびEDXマッピング測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the cross-sectional TEM image and EDX mapping measurement of the semiconductor which laminated | stacked the InAs / GaSb / InAs layer via the insulating film on Si substrate. (a)は、本願発明の一実施形態に係るバックゲート構造のInAs/GaSb III−V CMOSトランジスタの構造を示す図であり、(b)〜(e)は、そのバックゲート動作を示す図である。(A) is a figure which shows the structure of the InAs / GaSb III-V CMOS transistor of the back gate structure which concerns on one Embodiment of this invention, (b)-(e) is a figure which shows the back gate operation | movement. is there. (a)は、本願発明の一実施形態に係るフロントゲート構造のInAs/GaSb III−V CMOSトランジスタの構造を示す図であり、(b)〜(e)は、そのフロントゲート動作を示す図である。(A) is a figure which shows the structure of the InAs / GaSb III-V CMOS transistor of the front gate structure which concerns on one Embodiment of this invention, (b)-(e) is a figure which shows the front gate operation | movement. is there. (a)、(b)は、バックゲート動作における、InAs n−MOSFETとGaSb p−MOSFETそれぞれの実効電子移動度と実効正孔移動度を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the effective electron mobility and effective hole mobility of InAs n-MOSFET and GaSb p-MOSFET in a back gate operation | movement, respectively. (a)〜(c)は、InGaSb−OI基板とInAs/InGaSb/InAs−OI基板の作製結果を示す図である。(A)-(c) is a figure which shows the preparation results of an InGaSb-OI board | substrate and an InAs / InGaSb / InAs-OI board | substrate. (a)〜(d)は、バックゲート構造のInGaSb−OI p−MOSFETのデバイス特性を示す図である。(A)-(d) is a figure which shows the device characteristic of InGaSb-OI p-MOSFET of a back gate structure. (a)〜(d)は、バックゲート構造のInAs/InGaSb III−V CMOSトランジスタの構造とそのバックゲート動作を示す図である。(A)-(d) is a figure which shows the structure of an InAs / InGaSb III-V CMOS transistor of a back gate structure, and its back gate operation | movement. (a)、(b)、バックゲート動作における、InAs n−MOSFETとInGaSb p−MOSFETそれぞれの実効電子移動度と実効正孔移動度を示す図である。It is a figure which shows the effective electron mobility and effective hole mobility of InAs n-MOSFET and InGaSb p-MOSFET in back gate operation | movement (a), (b) respectively. 従来のn−MOSFETとp−MOSFETに対して複数チャネルを有するIII−V族化合物半導体装置の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the III-V group compound semiconductor device which has multiple channels with respect to the conventional n-MOSFET and p-MOSFET.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明では、絶縁膜上に設けられた、III−Sb層、III−As層が積層された単一チャネルを利用したIII−V CMOSトランジスタを作製可能にするため、基板貼り合わせ手法、エピタキシャル成長、選択エッチングを用いて作製したIII−V−OI(III族半導体−V族半導体−on insulator=絶縁体=Al23、絶縁膜はHfO2、La23、ZrO2等、あるいは、それらの一つを含んだ複合構造の絶縁膜でも良い)基板を用いる。また、本発明は、このIII−V−OI基板においてIII−Sb層、III−As層の膜厚を所定の厚さにすることで、単一チャネルを利用したIII−V CMOSトランジスタを、同一素子において、n−MOSFETおよびp−MOSFETとして動作させることができる。 In the present invention, in order to make it possible to produce a III-V CMOS transistor using a single channel in which an III-Sb layer and a III-As layer are stacked on an insulating film, a substrate bonding method, epitaxial growth, III-V-OI (group III semiconductor-group V semiconductor-on insulator = insulator = Al 2 O 3 , insulating film is HfO 2 , La 2 O 3 , ZrO 2, etc. manufactured by selective etching A substrate having a composite structure including one of the above may be used. In the present invention, the III-V-OI substrate has the same thickness as the III-Sb layer and the III-As layer so that the III-V CMOS transistor using a single channel is identical. The device can be operated as an n-MOSFET and a p-MOSFET.

(実施形態1)
図1に、本発明の実施形態1に係る半導体装置の断面概略図を示す。Si基板101上にBOX層102を積層し、その上にIII−Sb層103、III−As層104が順に積層されている。それらの上にHigh−Kゲート絶縁層106、金属フロントゲート層107を積層し、ゲートスタックが形成されている。さらに、III−Sb層103、III−As層104に対して、金属ソース/ドレイン層105が形成されている。この時、ソース/ドレインの金属として、Niを用い、ゲートファーストプロセスで、自己整合型プロセスによる合金化を行うことで、InAsとGaSbチャネルまで到達するソース/ドレイン接合を形成してもよい。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. The BOX layer 102 is laminated on the Si substrate 101, and the III-Sb layer 103 and the III-As layer 104 are laminated in this order. A High-K gate insulating layer 106 and a metal front gate layer 107 are stacked on the gate stack to form a gate stack. Further, a metal source / drain layer 105 is formed for the III-Sb layer 103 and the III-As layer 104. At this time, Ni may be used as the source / drain metal, and the source / drain junction reaching the InAs and GaSb channels may be formed by alloying by a self-aligned process in a gate-first process.

III−As層104の膜厚は 0.6 nm 以上 2.5 nm 以下であり、III−Sb層103の膜厚は 0.6 nm 以上 20 nm 以下である。膜厚の上限は後述する理由によって決まるが、膜厚の下限は、膜厚を精密に制御し、層状の薄膜を作製することができる限界が二分子層程度(0.6 nm)であることにより決まったものである。   The film thickness of the III-As layer 104 is 0.6 nm or more and 2.5 nm or less, and the film thickness of the III-Sb layer 103 is 0.6 nm or more and 20 nm or less. The upper limit of the film thickness is determined by the reason described later, but the lower limit of the film thickness is that the thickness at which the film thickness can be precisely controlled and a layered thin film can be produced is about bilayer (0.6 nm). It is decided by.

図2(a)に、エネルギーバンド図を示し、図2(b)、(c)に、本願発明の一実施形態に係る単一チャネルによるIII−V CMOSトランジスタの動作の概要を説明する図を示す。III−V CMOSトランジスタにおけるInAs層のバンドギャップ(図2(b)、(c))は、量子閉じ込め効果によりバルク状態時(図2(a))よりも拡大している。このように本願発明のIII−V CMOSトランジスタは、適当な電圧でチャネルの極性を制御することにより、単一チャネルでn−MOSFETとp−MOSFETの動作を行うことができる。   FIG. 2 (a) shows an energy band diagram, and FIGS. 2 (b) and 2 (c) are diagrams for explaining the outline of the operation of a single channel III-V CMOS transistor according to an embodiment of the present invention. Show. The band gap (FIGS. 2B and 2C) of the InAs layer in the III-V CMOS transistor is larger than that in the bulk state (FIG. 2A) due to the quantum confinement effect. As described above, the III-V CMOS transistor of the present invention can operate the n-MOSFET and the p-MOSFET with a single channel by controlling the polarity of the channel with an appropriate voltage.

図3(a)、(b)に、本願発明の一実施形態に係る単一チャネルによるIII−V CMOSトランジスタの金属ソース/ドレインの概念図を示す。InAsとGaSbのフェルミ準位ピンニングにより、InAs、GaSbのそれぞれと金属ソース/ドレインとのチャネルに対して、低いショットキー障壁を提供できる。   3A and 3B are conceptual diagrams of metal sources / drains of a single channel III-V CMOS transistor according to an embodiment of the present invention. Fermi level pinning of InAs and GaSb can provide a low Schottky barrier for each channel of InAs and GaSb and the metal source / drain.

図4(a)に、半導体層の積層構造を示し、図4(b)にエネルギーバンド図を示し、図4(c)にInAs層の実効バンドギャップのInAs膜厚依存性の計算結果を示す。図4(b)、(c)は、GaSb層401、InAs層402、Al23層403(図1のHigh−Kゲート絶縁層106に相当)、ゲート層404(図1の金属フロントゲート層107に相当)を順に積層し、InAs層402の膜厚TInAsを変化させた場合について実効バンドギャップを計算したものである。InAs層402の膜厚TInAsを薄くすることで、量子効果で実効的なバンドギャップが増大することがわかる。このように、InAs層の膜厚を適当な値に設計することで、InAs層をn−MOSFETのチャネルとしてだけでなく、GaSb層をp−MOSFETのチャネルとしたときの絶縁層として利用することが可能となる。 4A shows a stacked structure of semiconductor layers, FIG. 4B shows an energy band diagram, and FIG. 4C shows a calculation result of the InAs film thickness dependence of the effective band gap of the InAs layer. . 4B and 4C show a GaSb layer 401, an InAs layer 402, an Al 2 O 3 layer 403 (corresponding to the High-K gate insulating layer 106 in FIG. 1), a gate layer 404 (the metal front gate in FIG. 1). The effective band gap is calculated when the film thickness T InAs of the InAs layer 402 is changed. It can be seen that by reducing the film thickness T InAs of the InAs layer 402, the effective band gap is increased by the quantum effect. Thus, by designing the thickness of the InAs layer to an appropriate value, not only the InAs layer can be used as an n-MOSFET channel but also an insulating layer when the GaSb layer is used as a p-MOSFET channel. Is possible.

図5(a)に、半導体層の積層構造を示し、図5(b)、(c)に単一チャネル層における電圧印加時のキャリア濃度分布の計算結果を示す。計算に用いた単一チャネル層は、バックゲート層501、Al23層502(図1のBOX層102に相当)、InAs層503、GaSb層504、InAs層505、Al23層506(図1のHigh−Kゲート絶縁層106に相当)、フロントゲート層507を順に積層したものである。各層の膜厚は、Al23層502、506が 5 nm、InAs層503、505が 1.5 nm、GaSb層504が 20 nm とした。図5(b)は、バックゲート層501に 0 V、フロントゲート層507に −1 V を印加したときの正孔の濃度分布を示し、図5(c)は、バックゲート層501に 0 V、フロントゲート層507に 1 V を印加したときの電子の濃度分布を示している。 FIG. 5A shows the stacked structure of the semiconductor layers, and FIGS. 5B and 5C show the calculation results of the carrier concentration distribution during voltage application in the single channel layer. The single channel layers used for the calculation are a back gate layer 501, an Al 2 O 3 layer 502 (corresponding to the BOX layer 102 in FIG. 1), an InAs layer 503, a GaSb layer 504, an InAs layer 505, and an Al 2 O 3 layer 506. A front gate layer 507 is sequentially stacked (corresponding to the High-K gate insulating layer 106 in FIG. 1). The thickness of each layer was 5 nm for the Al 2 O 3 layers 502 and 506, 1.5 nm for the InAs layers 503 and 505, and 20 nm for the GaSb layer 504. FIG. 5B shows the hole concentration distribution when 0 V is applied to the back gate layer 501 and −1 V is applied to the front gate layer 507. FIG. 5C shows 0 V to the back gate layer 501. The electron concentration distribution when 1 V is applied to the front gate layer 507 is shown.

適当な電圧を印加することにより、図2に示したように、InAs層に電子が、GaSb層に正孔が蓄積されることがわかる。ここでは、仕事関数により計算しているため、実際の外部電圧とは異なる。ゲート電極の仕事関数を適切に選択することにより、適切な電圧でチャネル極性とデバイス動作を制御できるものと考えられる。   By applying an appropriate voltage, it can be seen that electrons are accumulated in the InAs layer and holes are accumulated in the GaSb layer as shown in FIG. Here, since it is calculated by the work function, it differs from the actual external voltage. It is considered that the channel polarity and device operation can be controlled with an appropriate voltage by appropriately selecting the work function of the gate electrode.

図6(a)、(b)にバックゲート電圧を0 V とした時のキャリア濃度とフロントゲート電圧の関係のInAs層とGaSb層の膜厚依存性の計算結果を示し、図6(c)にInAs層とGaSb層の膜厚を一定とした時のキャリア濃度とフロントゲート電圧の関係のバックゲート電圧依存性の計算結果を示す。バックゲートに適当な電圧を印加することにより、単一チャネルにおいて、InAs層、GaSb層のそれぞれが、フロントゲートに対してn−MOSFET、p−MOSFETとして動作するように、キャリア濃度を制御し、チャネルの極性を制御することができる。このように、InAs/GaSb−OI構造の単一チャネルを利用することで、n−MOSFET、p−MOSFETとして動作可能なIII−V CMOSトランジスタの作製が可能である。   FIGS. 6A and 6B show the calculation results of the film thickness dependence of the InAs layer and the GaSb layer in the relationship between the carrier concentration and the front gate voltage when the back gate voltage is 0 V. FIG. 4 shows the calculation result of the back gate voltage dependency of the relationship between the carrier concentration and the front gate voltage when the thickness of the InAs layer and the GaSb layer is constant. By applying an appropriate voltage to the back gate, the carrier concentration is controlled so that each of the InAs layer and the GaSb layer operates as an n-MOSFET and a p-MOSFET with respect to the front gate in a single channel. The polarity of the channel can be controlled. Thus, by using a single channel having an InAs / GaSb-OI structure, a III-V CMOS transistor that can operate as an n-MOSFET or a p-MOSFET can be manufactured.

図7(a)〜(d)に、InAs層の導入による、GaSb MOS界面の改善の様子を示す。1.5 nm の膜厚のInAs層を挿入することにより、GaSbのミッドギャップ付近から伝導電子帯での界面準位の改善が確認された。そして、InAs/GaSb−OI構造においては、フロントゲート側だけでなくバックゲート側の界面も重要であるため、BOX層側にもInAs層を導入し、InAs/GaSb/InAs−OI構造としている。   7A to 7D show how the GaSb MOS interface is improved by introducing the InAs layer. By inserting an InAs layer having a thickness of 1.5 nm, it was confirmed that the interface state in the conduction electron band was improved from the vicinity of the GaSb mid gap. In the InAs / GaSb-OI structure, not only the front gate side but also the interface on the back gate side is important. Therefore, an InAs layer is also introduced into the BOX layer side to form an InAs / GaSb / InAs-OI structure.

図8(a)に、本発明の一実施形態に係るIII−V CMOSトランジスタで用いるIII−V−OI on Si基板の作製手順を説明する図を示す。また、図8(b)〜(f)に、III−V−OI on Si基板の作製結果を示す。先ず、InAs(100)基板808上に、GaSb層807、InAs層806、GaSb層805、InAs層804、Al23層803を順に積層する。これとは別に、Si(100)基板801上にAl23層802を積層する。 FIG. 8A is a diagram for explaining a manufacturing procedure of a III-V-OI on Si substrate used in a III-V CMOS transistor according to an embodiment of the present invention. FIGS. 8B to 8F show the results of manufacturing a III-V-OI on Si substrate. First, a GaSb layer 807, an InAs layer 806, a GaSb layer 805, an InAs layer 804, and an Al 2 O 3 layer 803 are sequentially stacked on an InAs (100) substrate 808. Separately, an Al 2 O 3 layer 802 is laminated on the Si (100) substrate 801.

次に、InAs(100)基板808を含む半導体層上に設けられたAl23層803をSi(100)基板801上に設けられたAl23層802と貼り合わせ、InAs(100)基板808、GaSb層807は選択エッチングする。ここで、III−V−OI on Si基板の作製プロセスにおけるエッチングについて説明する。選択エッチングは、塩酸と硫化アンモニウム溶液を用いて行う。まず、硫酸過水でInAs(100)基板808を薄層化し、さらに、濃度36%の塩酸を用いて、InAs(100)基板808をGaSbエッチストッパー層であるGaSb層807から、選択エッチングする。このプロセスは、GaSb単層の場合と同じである。Ga組成が1であれば、GaSb層807は、塩酸でほとんどエッチングされないため、InAs(100)基板808との選択エッチングは高い選択比が得られる。但し、InGaSbのようにInが入ると、塩酸での選択比は落ちるため注意が必要である。 Next, the Al 2 O 3 layer 803 provided on the semiconductor layer including the InAs (100) substrate 808 is bonded to the Al 2 O 3 layer 802 provided on the Si (100) substrate 801, and the InAs (100) The substrate 808 and the GaSb layer 807 are selectively etched. Here, etching in a manufacturing process of the III-V-OI on Si substrate will be described. The selective etching is performed using hydrochloric acid and an ammonium sulfide solution. First, the InAs (100) substrate 808 is thinned with sulfuric acid / hydrogen peroxide, and the InAs (100) substrate 808 is selectively etched from the GaSb layer 807, which is a GaSb etch stopper layer, using hydrochloric acid having a concentration of 36%. This process is the same as for GaSb single layer. If the Ga composition is 1, since the GaSb layer 807 is hardly etched with hydrochloric acid, a high selectivity can be obtained for selective etching with the InAs (100) substrate 808. However, when In enters like InGaSb, the selectivity with hydrochloric acid drops, so care must be taken.

エッチストッパー層のGaSb層807をInAs層806から選択エッチングする場合は、濃度0.6−1.0%の硫化アンモニウム溶液を利用する。アルカリ系溶液であれば、Sb系のエッチングレートがAs系より早いため、選択エッチングが可能である。ただし、例えば、濃度29%のアンモニア水では、As系のエッチングレートも早いため、InAs層が薄い場合、その選択エッチングに利用するのは困難である。そのため、InAs層806が 1−2 nm 程度の薄い場合は、InAs層806がほとんどエッチングされず、InAs層806表面の硫黄終端が可能な濃度0.6−1.0%の硫化アンモニウム溶液を利用する必要がある。   When the etching stopper layer GaSb layer 807 is selectively etched from the InAs layer 806, an ammonium sulfide solution having a concentration of 0.6 to 1.0% is used. In the case of an alkaline solution, selective etching is possible because the Sb-based etching rate is faster than that of the As-based solution. However, for example, ammonia water with a concentration of 29% has a high As-based etching rate, and therefore, when the InAs layer is thin, it is difficult to use it for selective etching. Therefore, when the InAs layer 806 is as thin as about 1-2 nm, the InAs layer 806 is hardly etched, and an ammonium sulfide solution having a concentration of 0.6 to 1.0% capable of sulfur termination on the surface of the InAs layer 806 is used. There is a need to.

図9(a)〜(d)に、それぞれの選択エッチング前後でのXPS(X線光電子分光分析:X−ray Photoelectron Spectroscopy)測定結果を示す。塩酸と硫化アンモニウム溶液を利用することで、InAsとGaSbの選択エッチングがなされたことを示している。   9A to 9D show XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) measurement results before and after each selective etching. This shows that selective etching of InAs and GaSb was performed by using hydrochloric acid and an ammonium sulfide solution.

このようにして、基板貼り合わせ手法と、選択エッチングを利用することにより、2インチ基板サイズで、InAs/GaSb/InAs層をSi基板上に絶縁膜(Al23)を介して集積することができる。尚、図1のIII−As層104はInAs層806、III−Sb層103はGaSb層805、BOX層102がAl23層802、803に対応する。基板の大きさはこれよりも大きくても小さくてもよい。 In this way, by using the substrate bonding method and selective etching, the InAs / GaSb / InAs layer is integrated on the Si substrate through the insulating film (Al 2 O 3 ) with a 2-inch substrate size. Can do. In FIG. 1, the III-As layer 104 corresponds to the InAs layer 806, the III-Sb layer 103 corresponds to the GaSb layer 805, and the BOX layer 102 corresponds to the Al 2 O 3 layers 802 and 803. The size of the substrate may be larger or smaller than this.

図10に、Si基板上に絶縁膜を介してInAs/GaSb/InAs層を積層した半導体の断面TEM像およびEDX(エネルギー分散型X線分光法:Energy Dispersive X−ray Spectroscopy)マッピング測定の結果を示す。図10からも、Si基板上に集積されたInAs/GaSb/InAs層は良好な結晶性を保っていることがわかる。このIII−V CMOSトランジスタ用基板の作製手法は、InAs層の膜厚が、1.5 nm のときでも適用でき、本発明で用いた選択エッチングの選択性の高さを示している。   FIG. 10 shows a cross-sectional TEM image and EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) mapping measurement result of a semiconductor in which an InAs / GaSb / InAs layer is stacked on an Si substrate via an insulating film. Show. FIG. 10 also shows that the InAs / GaSb / InAs layer integrated on the Si substrate maintains good crystallinity. This method for manufacturing a substrate for III-V CMOS transistor can be applied even when the thickness of the InAs layer is 1.5 nm, and shows the high selectivity of the selective etching used in the present invention.

(実施形態2)
図11(a)に、本願発明の一実施形態に係るバックゲート構造のInAs/GaSb III−V CMOSトランジスタの構造を示し、図11(b)〜(e)に、そのバックゲート動作を示す。図11(a)に示すようにトランジスタは、Alバックゲート電極1001、n+−Si(100)層1002、Al23 BOX層1003、InAs/GaSb−OIチャネルを形成するInAs層1004、GaSb層1005、InAs層1006の積層構造、Ni層1007と、Al層1008を積層したソース/ドレイン電極により形成されている。尚、InAs層1004、1006の膜厚は 2.5 nm であり、GaSb層1005の膜厚は 20 nm である。
(Embodiment 2)
FIG. 11A shows the structure of an InAs / GaSb III-V CMOS transistor having a back gate structure according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 11B to 11E show the back gate operation. As shown in FIG. 11A, the transistor includes an Al back gate electrode 1001, an n + -Si (100) layer 1002, an Al 2 O 3 BOX layer 1003, an InAs layer 1004 that forms an InAs / GaSb-OI channel, and GaSb. A layered structure of a layer 1005, an InAs layer 1006, and a source / drain electrode in which a Ni layer 1007 and an Al layer 1008 are stacked. The InAs layers 1004 and 1006 have a thickness of 2.5 nm, and the GaSb layer 1005 has a thickness of 20 nm.

ここで、フロントゲート側は、電極がないものの、ある一定の電圧が印加されている状態とみなすことができる。その結果、InAs層1004とGaSb層1005、それぞれが、n−MOSFETとp−MOSFETとして動作する。ここで、InAs層1004の膜厚が、5 nm 以上の場合は、n−MOSFET動作のみとなることが確認された。   Here, the front gate side can be regarded as a state in which a certain voltage is applied although there is no electrode. As a result, the InAs layer 1004 and the GaSb layer 1005 operate as an n-MOSFET and a p-MOSFET, respectively. Here, it was confirmed that when the thickness of the InAs layer 1004 is 5 nm or more, only the n-MOSFET operation is performed.

(実施形態3)
図12(a)に、本願発明の一実施形態に係るフロントゲート構造のInAs/GaSb III−V CMOSトランジスタの構造を示し、図12(b)〜(e)に、そのフロントゲート動作を示す。図12(a)に示すようにトランジスタは、Alバックゲート電極1101、n+−Si層1102、Al23 BOX層1103、InAs/GaSb−OIチャネルを形成するInAs層1104、GaSb層1105、InAs層1106の積層構造、Ni層1007かなるソース/ドレイン電極、Al23層1108、Niフロントゲート電極1109により形成されている。尚、InAs層1106の膜厚は 2.5 nm で、GaSb層1105の膜厚は 20 nm である。
(Embodiment 3)
FIG. 12A shows the structure of a front gate InAs / GaSb III-V CMOS transistor according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 12B to 12E show the front gate operation. As shown in FIG. 12A, the transistor includes an Al back gate electrode 1101, an n + -Si layer 1102, an Al 2 O 3 BOX layer 1103, an InAs layer 1104 forming an InAs / GaSb-OI channel, a GaSb layer 1105, The InAs layer 1106 is formed by a laminated structure, a source / drain electrode made of a Ni layer 1007, an Al 2 O 3 layer 1108, and a Ni front gate electrode 1109. The InAs layer 1106 has a thickness of 2.5 nm, and the GaSb layer 1105 has a thickness of 20 nm.

ここで、バックゲートに適当な電圧を印加することにより、InAs層1106およびGaSb層1105が、単一素子において、それぞれ、n−MOSFETとp−MOSFETとして動作することが確認できた。本実施形態では、バックゲートに −0.5 V を印加したときn−MOSFETとして、−2 V を印加したときp−MOSFETとして動作する。   Here, it was confirmed that by applying an appropriate voltage to the back gate, the InAs layer 1106 and the GaSb layer 1105 operate as an n-MOSFET and a p-MOSFET, respectively, in a single element. In the present embodiment, when −0.5 V is applied to the back gate, it operates as an n-MOSFET, and when −2 V is applied, it operates as a p-MOSFET.

図13(a)、(b)に、バックゲート動作における、InAs n−MOSFETとGaSb p−MOSFETそれぞれの実効電子移動度と実効正孔移動度を示す。InAs層の膜厚が、2.5 nm のとき、InAs n−MOSFETは同程度の膜厚のSOI MOSFETの移動度を上回る。また、InAs層の膜厚が 5 nm では、実効電子移動度は 1200 cm2/Vs を超えた。 FIGS. 13A and 13B show effective electron mobility and effective hole mobility of the InAs n-MOSFET and the GaSb p-MOSFET, respectively, in the back gate operation. When the thickness of the InAs layer is 2.5 nm, the InAs n-MOSFET exceeds the mobility of the SOI MOSFET having the same thickness. Further, when the thickness of the InAs layer was 5 nm, the effective electron mobility exceeded 1200 cm 2 / Vs.

一方、GaSb層は、GaSb単層では、GaSb MOS界面の高い界面準位密度のため、Siに比べ移動度が高くない。しかし、InAs層を表面不動層として導入して、GaSb MOS界面を改善することにより、Siを超える移動度を実現できる。   On the other hand, the GaSb layer is not high in mobility as compared with Si because the GaSb single layer has a high interface state density at the GaSb MOS interface. However, mobility exceeding Si can be realized by introducing an InAs layer as a surface immobile layer and improving the GaSb MOS interface.

以上から、InAs/GaSbの単一チャネル層からなるIII−V CMOSトランジスタにおいて、III−V CMOS動作が可能であり、n−MOSFETとp−MOSFETそれぞれにおいて、Siを超える移動度を実現できる。   From the above, III-V CMOS operation is possible in an III-V CMOS transistor composed of a single channel layer of InAs / GaSb, and mobility exceeding Si can be realized in each of an n-MOSFET and a p-MOSFET.

III−V CMOSトランジスタにおけるp−MOSFETの移動度向上のために、InGaSb層の導入を検討した。図14(a)〜(c)に、InGaSb−OI基板とInAs/InGaSb/InAs−OI基板の作製結果を示す。XRD測定の結果は、InGaSb−OI基板とInAs/InGaSb/InAs層が良好な結晶性を保持していることを示している。   In order to improve the mobility of the p-MOSFET in the III-V CMOS transistor, introduction of an InGaSb layer was examined. 14A to 14C show the results of manufacturing an InGaSb-OI substrate and an InAs / InGaSb / InAs-OI substrate. The result of the XRD measurement shows that the InGaSb-OI substrate and the InAs / InGaSb / InAs layer retain good crystallinity.

尚、実施形態2、3では、III−As層、III−Sb層、III−As層を積層した半導体層を用いているが、III−Sb層、III−As層、III−Sb層を積層した半導体層としてもよい。   In the second and third embodiments, the semiconductor layer in which the III-As layer, the III-Sb layer, and the III-As layer are stacked is used, but the III-Sb layer, the III-As layer, and the III-Sb layer are stacked. A semiconductor layer may be used.

(実施形態4)
図15(a)〜(d)に、バックゲート構造のInGaSb−OI p−MOSFETのデバイス特性を示す。InGaSb−OI p−MOSFETは図11(a)のInAs/GaSb/InAsをInGaSbで置き換えた構造である。図15(a)はVDを−0.05 V、−0.5 V とした時のIDのVG(−3〜3 V)に対する変化、図15(b)はVGを3〜−3Vで変化させた時のIDのVD(0〜−0.5 V)に対する変化、図15(c)はVDを−0.05 V、−1 V とした時のIDのVG(−3〜3 V)に対する変化、図15(d)はVGを 3〜−3 V で変化させた時のIDのVD(0〜−1 V)に対する変化をそれぞれ示している。また、図15(c)には比較のために、InGaSbをGaSbで置き換えた時のデータも同時に示している。この結果から、InGaSb−OI p−MOSFETは、GaSb−OI p−MOSFETと比較して電流値IDが向上することがわかる。
(Embodiment 4)
15A to 15D show device characteristics of an InGaSb-OI p-MOSFET having a back gate structure. The InGaSb-OI p-MOSFET has a structure in which InAs / GaSb / InAs in FIG. 11A is replaced with InGaSb. FIG. 15 (a) -0.05 V to V D, -0.5 changes to V G of I D when the V (-3~3 V), FIG. 15 (b) 3 to the V G FIG. 15C shows the change in I D when V D is −0.05 V and −1 V when I D is changed at −3 V with respect to V D (0 to −0.5 V). changes to V G (-3 to 3 V), FIG. 15 (d) show no changes to V D (0~-1 V) of I D when changing in. 3 to-3 V to V G, respectively Yes. FIG. 15C also shows data when InGaSb is replaced with GaSb for comparison. This result, InGaSb-OI p-MOSFET can be seen to increase the current value I D as compared to the GaSb-OI p-MOSFET.

(実施形態5)
図16(a)〜(d)に、バックゲート構造のInAs/InGaSb III−V CMOSトランジスタの構造とそのバックゲート動作を示す。バックゲート構造のInAs/InGaSb III−V CMOSトランジスタは図11(a)のInAs/GaSb/InAsのGaSbをInGaSbで置き換えた構造である。ここで、InAs層の膜厚は、2.5 nm で、InGaSb層の膜厚は、20 nm である。ここで、フロントゲート側は、電極がないものの、ある一定の電圧が印加されている状態とみなすことができる。その結果、InAs層とInGaSb層、それぞれが、n−MOSFETとp−MOSFETとして動作することが確認できた。ここで、InAs層の膜厚が、5 nm 以上の場合は、n−MOSFET動作のみとなる。
(Embodiment 5)
FIGS. 16A to 16D show the structure of an InAs / InGaSb III-V CMOS transistor having a back gate structure and its back gate operation. The InAs / InGaSb III-V CMOS transistor having a back gate structure has a structure in which the InAs / GaSb / InAs GaSb in FIG. 11A is replaced with InGaSb. Here, the thickness of the InAs layer is 2.5 nm, and the thickness of the InGaSb layer is 20 nm. Here, the front gate side can be regarded as a state in which a certain voltage is applied although there is no electrode. As a result, it was confirmed that the InAs layer and the InGaSb layer operate as an n-MOSFET and a p-MOSFET, respectively. Here, when the thickness of the InAs layer is 5 nm or more, only the n-MOSFET operation is performed.

図17(a)、(b)に、バックゲート動作における、InAs n−MOSFETとInGaSb p−MOSFETそれぞれの実効電子移動度と実効正孔移動度を示す。InAs層の膜厚が、2.5 nm のとき、同程度の膜厚のSOI MOSFETの移動度を上回る。一方、InGaSb層は、InGaSb単層でもSiを超える移動度を実現しており、さらに、InAs層を表面不動層として導入してInGaSb MOS界面を改善することで、移動度の改善が可能である。   17A and 17B show the effective electron mobility and effective hole mobility of the InAs n-MOSFET and InGaSb p-MOSFET, respectively, in the back gate operation. When the thickness of the InAs layer is 2.5 nm, the mobility of the SOI MOSFET having the same thickness is exceeded. On the other hand, the InGaSb layer realizes mobility exceeding Si even in an InGaSb single layer, and the mobility can be improved by introducing the InAs layer as a surface immobile layer and improving the InGaSb MOS interface. .

同様に、InAs/InGaSbの単一チャネル層からなるIII−V CMOSトランジスタにおいても、III−V CMOS動作が可能であり、n−MOSFETとp−MOSFET、それぞれにおいてSiを超える移動度を実現できる。   Similarly, III-V CMOS operation is also possible in an III-V CMOS transistor composed of a single channel layer of InAs / InGaSb, and mobility exceeding Si can be realized in each of an n-MOSFET and a p-MOSFET.

101、801、1701、1801 Si基板
102、1802 BOX層
103、1803 III−Sb層
104、1804 III−As層
105、1805 金属ソース/ドレイン層
106、1806 High−Kゲート絶縁層
107、1807 金属ゲート層
401、504、805、807、1005、1105、1705、1707 GaSb層
402、503、505、804、806、1004、1006、1104、1106、1704、1706 InAs層
403、502、506、802、803、1108、1702、1703 Al23
404 ゲート層
501 バックゲート層
507 フロントゲート層
808、1708 InAs(100)基板
1001、1101 Al基板
1002、1102 n+−Si(100)層
1003、1103 Al23 BOX層
1007、1107、1109 Ni層
1008 Al層
101, 801, 1701, 1801 Si substrate 102, 1802 BOX layer 103, 1803 III-Sb layer 104, 1804 III-As layer 105, 1805 Metal source / drain layer 106, 1806 High-K gate insulating layer 107, 1807 Metal gate Layer 401, 504, 805, 807, 1005, 1105, 1705, 1707 GaSb layer 402, 503, 505, 804, 806, 1004, 1006, 1104, 1106, 1704, 1706 InAs layer 403, 502, 506, 802, 803 , 1108,1702,1703 Al 2 O 3 layer 404 gate layer 501 back gate layer 507 front gate layer 808,1708 InAs (100) substrate 1001,1101 Al substrate 1002,1102 n + -S (100) layers 1003,1103 Al 2 O 3 BOX layer 1007,1107,1109 Ni layer 1008 Al layer

Claims (9)

Si基板と、
前記Si基板上に積層された第1の絶縁膜と、
前記絶縁膜上に積層された半導体層であって、III−Sb層と前記III−Sb層上に積層されたIII−As層を含む半導体層と、
前記III−As層の上面あるいは側面に形成された金属ソース・ドレイン電極、あるいは、前記III−As層と前記III−Sb層とに接合するよう形成された金属ソース・ドレイン電極と、
を備え、
前記III−As層は、n−MOSFETおよびp−MOSFETに共通のチャネル層として構成されており、
前記Si基板の裏面に形成されたバックゲート電極を備え、前記バックゲート電極に第1のバックゲート電圧を印加することで前記n−MOSFETとして動作し、前記バックゲート電極に第2のバックゲート電圧を印加することで前記p−MOSFETとして動作することを特徴とする半導体装置。
A Si substrate;
A first insulating film laminated on the Si substrate;
A semiconductor layer stacked on the insulating film, the semiconductor layer including a III-Sb layer and a III-As layer stacked on the III-Sb layer;
The III-As layer on the top surface or side to form made metal source and drain electrodes or the metal source and drain electrodes formed so as to be bonded to the III-As layer and the III-Sb layer,
With
The III-As layer is configured as a channel layer common to the n-MOSFET and the p-MOSFET,
The Si comprises a back gate electrode formed on the back surface of the substrate, said first back gate voltage acts as the said n-a MOSFET T by applying to the back gate electrode, the second to the back gate electrode wherein a operating as the p-MOSFET by applying a back gate voltage.
前記半導体層上に積層された第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜上に形成された金属フロントゲート電極と
をさらに備え、前記フロントゲート電極に第3のゲート電圧を印加することで前記n−MOSFETとして動作し、前記フロントゲート電極に第4のゲート電圧を印加することで前記p−MOSFETとして動作することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
A second insulating film stacked on the semiconductor layer;
The second insulating anda metal front gate electrode formed on the membrane operates in said n-a MOSFET T by applying a third gate voltage to the front gate electrode, the front gate electrode the semiconductor device according to claim 1, characterized in that to operate as the p-MOSFET by applying a fourth gate voltage.
前記III−As層は、InAsであり、前記III−Sb層は、GaSb又はInGaSbであることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the III-As layer is InAs, and the III-Sb layer is GaSb or InGaSb. 前記III−As層の膜厚は0.6 nm 以上2.5 nm 以下であり、前記III−Sb層の膜厚は0.6 nm 以上20 nm 以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。   The film thickness of the III-As layer is 0.6 nm or more and 2.5 nm or less, and the film thickness of the III-Sb layer is 0.6 nm or more and 20 nm or less. 4. The semiconductor device according to any one of 3. 前記半導体層は、第2のIII−As層をさらに含み、前記III−Sb層が前記第2のIII−As層上に積層されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer further includes a second III-As layer, and the III-Sb layer is stacked on the second III-As layer. The semiconductor device described. Si基板上に第1の絶縁膜を積層するステップと、
InAs基板上にIII−Sbエッチストッパー層を積層するステップと、
前記III−Sbエッチストッパー層上にIII−V族半導体層を積層するステップと、
前記III−V族半導体層上に第2の絶縁膜を積層するステップと、
前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜を貼り合わせるステップと、
前記InAs基板および前記III−Sbエッチストッパー層をエッチングするステップと、
前記III−V族半導体層上に金属ソース・ドレイン電極を形成するステップと、
前記Si基板の裏面にバックゲート電極を形成するステップと、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Laminating a first insulating film on a Si substrate;
Laminating a III-Sb etch stopper layer on an InAs substrate;
Laminating a III-V semiconductor layer on the III-Sb etch stopper layer;
Laminating a second insulating film on the III-V semiconductor layer;
Bonding the first insulating film and the second insulating film;
Etching the InAs substrate and the III-Sb etch stopper layer;
And Luz step to form the metal source and drain electrode on the group III-V semiconductor layer,
Forming a back gate electrode on the back surface of the Si substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記III−V族半導体層上に第3の絶縁膜を積層するステップと、
前記第3の絶縁膜上に金属フロントゲート電極を積層するステップと、
をさらに有することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
Laminating a third insulating film on the III-V semiconductor layer;
Laminating a metal front gate electrode on the third insulating film;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, further comprising:
前記III−V族半導体層を積層するステップは、
前記III−Sbエッチストパー層上に第1のIII−As層を積層するステップと、
前記第1のIII−As層上に第2のIII−Sb層を積層するステップと、
前記第2のIII−Sb層上に第2のIII−As層を積層するステップと、
を含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
The step of stacking the III-V semiconductor layer includes
Laminating a first III-As layer on the III-Sb etch stopper layer;
Laminating a second III-Sb layer on the first III-As layer;
Laminating a second III-As layer on the second III-Sb layer;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, comprising:
前記InAs基板および前記III−Sbエッチストッパー層をエッチングするステップは、濃度36%の塩酸を用いて、前記InAs基板を前記III−Sbエッチストッパー層から選択エッチングするステップと、
濃度0.6−1.0%の硫化アンモニウム溶液を用いて、前記III−Sbエッチストッパー層を前記第1のIII−As層から選択エッチングするステップと、
を含むことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
Etching the InAs substrate and the III-Sb etch stopper layer selectively etching the InAs substrate from the III-Sb etch stopper layer using hydrochloric acid having a concentration of 36%;
Selectively etching the III-Sb etch stopper layer from the first III-As layer using an ammonium sulfide solution having a concentration of 0.6-1.0%;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, comprising:
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