JPH09107095A - Field-effect transistor - Google Patents

Field-effect transistor

Info

Publication number
JPH09107095A
JPH09107095A JP26170295A JP26170295A JPH09107095A JP H09107095 A JPH09107095 A JP H09107095A JP 26170295 A JP26170295 A JP 26170295A JP 26170295 A JP26170295 A JP 26170295A JP H09107095 A JPH09107095 A JP H09107095A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor layer
channel
sige
layer
silicon semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP26170295A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kiyohisa Fujinaga
清久 藤永
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP26170295A priority Critical patent/JPH09107095A/en
Publication of JPH09107095A publication Critical patent/JPH09107095A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/778Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7782Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a much higher drivability by considerably increasing the ratio of the quantity of electric charge in an SiGe channel to the quantity of electric charge in a surface Si channel. SOLUTION: In a semiconductor region of a channel region below a gate oxide film 54, a multiple film layer 56 is formed where a first silicon semiconductor layer, a mixed crystal semiconductor layer and a silicon semiconductor layer are alternately formed in the order from the bottom of the gate oxide film 54, and a potential well for the electron hole is formed inside the multiple film layer 56. And at least in an operating state of the field-effect transistor, a potential difference of the base level of a potential well formed in the multiple film layer 56 to the base level of a potential well on the surface of a first silicon semiconductor layer directly below a gate oxide film 54 is made greater.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電界効果トランジ
スタに係わり、特にMOSLSIを構成するp型混晶チ
ャネルMOS電界効果トランジスタに関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field effect transistor, and more particularly to a p-type mixed crystal channel MOS field effect transistor which constitutes a MOS LSI.

【0002】[0002]

【従来の技術】図10は、従来のp型チャネルMOS電
界効果トランジスタの構成を示す断面図である。図10
において、1はn型シリコン基板、2はp+ 拡散層のソ
ース領域、3はp+ 拡散層のドレイン領域、4はゲート
電極、5はゲート酸化膜、6はチャネルである。このよ
うに構成されるp型チャネルMOS電界効果トランジス
タは、ゲート電極4への電圧印加の有無により、ソース
領域2とドレイン領域3との間に電流が流れる状態また
は流れない状態を形成し、スイッチング素子として用い
られる。
2. Description of the Related Art FIG. 10 is a sectional view showing a structure of a conventional p-type channel MOS field effect transistor. FIG.
In one n-type silicon substrate, the source region of 2 p + diffusion layer, the p + drain region of the diffusion layer 3, 4 is a gate electrode, 5 denotes a gate oxide film, 6 is the channel. The p-type channel MOS field effect transistor configured as described above forms a state in which a current flows or does not flow between the source region 2 and the drain region 3 depending on whether or not a voltage is applied to the gate electrode 4 to perform switching. Used as an element.

【0003】ソース領域2に対してドレイン領域3に負
の電圧(ドレイン電圧)を印加した状態でゲート電極4
に負の電圧(ゲート電圧)を印加する。ある閾値電圧
(VT)以上のゲート電圧になると、ゲート酸化膜5の
直下に正孔(ホール)が誘起され、チャネル6が形成さ
れる。これによってソース領域2からチャネル6を通し
てドレイン領域3に正孔が流れてドレイン電流となり、
トランジスタはオン状態となる。また、ゲート電圧が閾
値電圧以下の場合には、チャネル6が形成されないた
め、ソース領域2とドレイン領域3との間には電流が流
れず、トランジスタはオフ状態となる。
The gate electrode 4 is applied with a negative voltage (drain voltage) applied to the drain region 3 with respect to the source region 2.
A negative voltage (gate voltage) is applied to. When the gate voltage exceeds a certain threshold voltage (V T ), holes are induced immediately below the gate oxide film 5 and a channel 6 is formed. As a result, holes flow from the source region 2 through the channel 6 to the drain region 3 to form a drain current,
The transistor is turned on. When the gate voltage is equal to or lower than the threshold voltage, the channel 6 is not formed, so that no current flows between the source region 2 and the drain region 3 and the transistor is turned off.

【0004】図11(a),(b)は、図10に示すp
型チャネルMOS電界効果トランジスタのオン/オフ状
態におけるa−a′線間の切断面に沿った深さ方向のエ
ネルギーバンド図を示す図である。図11において、
7,10は各々ゲート電極4とn型シリコン基板1のフ
ェルミ準位EF 、13は基底状態および励起状態のエネ
ルギー準位、14はチャネル内の正孔、15はチャネル
である。図11(a)はゲート電圧VG =0Vのオフ状
態である。
FIGS. 11A and 11B show p shown in FIG.
It is a figure which shows the energy band diagram in the depth direction along the cross section between aa 'lines in the ON / OFF state of the type channel MOS field effect transistor. In FIG.
Reference numerals 7 and 10 denote Fermi levels E F of the gate electrode 4 and the n-type silicon substrate 1, 13 is energy levels of ground state and excited state, 14 is holes in the channel, and 15 is a channel. FIG. 11A shows an off state in which the gate voltage V G = 0V.

【0005】図11(b)に示すようにゲート電極4に
閾値電圧VT 以上のゲート電圧を印加すると、n型シリ
コン基板1の表面でバンドが曲げられ、価電子帯12の
ゲート酸化膜5の直下にエネルギー準位13が形成され
る。ここに正孔14が誘起されてチャネル15が形成さ
れる。この結果、図10でソース領域2とドレイン領域
3との間に電圧が印加されると、形成されたチャネル6
を通じて正孔がソース領域2からドレイン領域3に流れ
る。
When a gate voltage higher than the threshold voltage V T is applied to the gate electrode 4 as shown in FIG. 11B, the band is bent on the surface of the n-type silicon substrate 1, and the gate oxide film 5 in the valence band 12 is formed. An energy level 13 is formed immediately below. Holes 14 are induced here and a channel 15 is formed. As a result, when a voltage is applied between the source region 2 and the drain region 3 in FIG. 10, the formed channel 6 is formed.
Through the holes, holes flow from the source region 2 to the drain region 3.

【0006】図12は、従来のp型チャネルMOSトラ
ンジスタの他の構成を示す断面図である。図12におい
て、16はn型シリコン基板、17はソース領域、18
はドレイン領域、19はゲート電極、20はゲート酸化
膜、21はシリコン半導体層、22はシリコン・ゲルマ
ニウム(SiGe)混晶半導体層である。この種の電界
効果トランジスタは、例えば、文献(S.Subbannaなどの
VLSI Technology Symp. Digest.pp.103-104.1991)に記
載されている。
FIG. 12 is a sectional view showing another structure of a conventional p-type channel MOS transistor. In FIG. 12, 16 is an n-type silicon substrate, 17 is a source region, 18
Is a drain region, 19 is a gate electrode, 20 is a gate oxide film, 21 is a silicon semiconductor layer, and 22 is a silicon-germanium (SiGe) mixed crystal semiconductor layer. This type of field effect transistor is disclosed in, for example, the literature (S. Subbanna, et al.
VLSI Technology Symp. Digest.pp.103-104.1991).

【0007】このように構成されたp型チャネルMOS
トランジスタでは、SiGe混晶半導体層中での正孔の
移動度がSi中よりも大きいことを利用しており、シリ
コン半導体層の表面チャネルの他にSiGe混晶半導体
層に高移動度の正孔からなるチャネルを形成して全体と
してより大きなドライバビリティ(ドレイン電流,相互
コンダクタンス)を得ようとするものである。前述した
文献によれば、図12の構造では、図10の従来構造に
比べて約70%程度の相互コンダクタンスの増加が観測
されており、より高性能なLSIを構成することが可能
である。図12の電界効果トランジスタの動作方法は、
図10の電界効果トランジスタと同様である。
P-type channel MOS configured as described above
The transistor utilizes the fact that the mobility of holes in the SiGe mixed crystal semiconductor layer is higher than that in Si. Therefore, in addition to the surface channel of the silicon semiconductor layer, holes having high mobility are formed in the SiGe mixed crystal semiconductor layer. It is intended to obtain a larger drivability (drain current, mutual conductance) by forming a channel consisting of According to the above-mentioned documents, in the structure of FIG. 12, an increase in transconductance of about 70% is observed as compared with the conventional structure of FIG. 10, and it is possible to configure a higher performance LSI. The operation method of the field effect transistor of FIG.
It is similar to the field effect transistor of FIG.

【0008】次にシリコン半導体層の表面チャネルの他
にSiGe層にもチャネルが形成され、より大きな相互
コンダクタンスが得られる原理を図13を用いて説明す
る。図13は、図12において、b−b′線で切断した
ときの深さ方向の電位分布を示しており、図13(a)
はゲート電圧VG =0Vのオフ状態,図13(b)はゲ
ート電圧|VG1>閾値|VT |のオン状態,図13
(c)はさらにゲート電圧|VG |を高めたオン状態で
ある。
Next, the principle that a channel is formed in the SiGe layer in addition to the surface channel of the silicon semiconductor layer to obtain a larger transconductance will be described with reference to FIG. FIG. 13 shows the potential distribution in the depth direction when cut along the line bb ′ in FIG. 12, and FIG.
Is the OFF state of the gate voltage V G = 0V, FIG. 13B is the ON state of the gate voltage | V G1 > threshold value | V T |
(C) is an ON state in which the gate voltage | V G | is further increased.

【0009】図13において、29,32は各々ゲート
電極23と半導体領域のフェルミ準位EF 、34は電位
井戸、35はSiGe混晶半導体層26内のチャネル、
36はSiGeチャネル35内の正孔、37は表面Si
チャネル、38は表面Siチャネル37内の正孔であ
る。ここで、SiGe混晶半導体層26のエネルギーギ
ャップEg は、SiとGeとの混晶比によって変化する
が、Siのエネルギーギャップよりは小さく、また、そ
のギャップ差ΔEg の大部分が価電子帯上端のエネルギ
ー準位差となって現れることが知られている。
In FIG. 13, 29 and 32 are the Fermi level E F of the gate electrode 23 and the semiconductor region, 34 is a potential well, 35 is a channel in the SiGe mixed crystal semiconductor layer 26,
36 is holes in the SiGe channel 35, 37 is surface Si
The channel, 38, is a hole in the surface Si channel 37. Here, the energy gap E g of the SiGe mixed crystal semiconductor layer 26 changes depending on the mixed crystal ratio of Si and Ge, but is smaller than the energy gap of Si, and most of the gap difference ΔE g is valence electrons. It is known that it appears as an energy level difference at the top of the band.

【0010】この結果、図13(a)に示す正孔に対す
る電位井戸34がSiGe混晶半導体層26の価電子帯
に形成される。ここでは、従来から使用されているSi
Ge混晶半導体層26の形成条件(Ge含有率約0.
2,膜厚数10nm)で説明する。
As a result, the potential well 34 for holes shown in FIG. 13A is formed in the valence band of the SiGe mixed crystal semiconductor layer 26. Here, Si that has been conventionally used
Conditions for forming the Ge mixed crystal semiconductor layer 26 (Ge content of about 0.
2, the film thickness is 10 nm).

【0011】この条件下では、電位井戸34に形成され
るエネルギー準位の基底は、ほぼ価電子帯33の位置に
あると考えて良く、また、表面Siチャネル37に形成
されるエネルギー準位の基底もゲート電圧が極端に大き
くなければ、価電子帯33の位置にほぼ等しいと考えて
良い。ゲート電極23に負の電圧を印加すると、シリコ
ン半導体層25の表面から空乏層が延び、ゲート電圧が
ある閾値電圧VT を超えると、図13(b)に示すよう
にSiGe混晶半導体層26内に正孔36が誘起され、
SiGeチャネル35が形成され、ソースとドレインと
の間がオン状態になる。この状態では、まだMOSFE
Tは低ドレイン電流領域であり、SiGeチャネル35
を流れる正孔のみによって構成される。
Under this condition, the base of the energy level formed in the potential well 34 may be considered to be almost at the position of the valence band 33, and the energy level formed in the surface Si channel 37 may be considered. It can be considered that the base is almost equal to the position of the valence band 33 unless the gate voltage is extremely large. When a negative voltage is applied to the gate electrode 23, a depletion layer extends from the surface of the silicon semiconductor layer 25, and when the gate voltage exceeds a certain threshold voltage V T , the SiGe mixed crystal semiconductor layer 26 is formed as shown in FIG. 13B. Holes 36 are induced inside,
The SiGe channel 35 is formed and the source and drain are turned on. In this state, it is still MOSFE
T is a low drain current region, and SiGe channel 35
It is composed of only holes flowing through.

【0012】シリコン層25の表面より先にSiGe混
晶半導体層26にチャネルが形成されるのは、前述した
電位井戸34のためにシリコン半導体層25の表面より
SiGe混晶半導体層26内の方が正孔36に対する電
位が低いためである。さらにゲート電極23への負電圧
を大きくしていくと、図13(c)に示すようにシリコ
ン半導体層25の表面にも、正孔38が誘起され、表面
Siチャネル37が形成される。この結果、MOSFE
Tのドレイン電流は、表面Siチャネル37を流れる正
孔38とSiGeチャネル35を流れる正孔36との両
者によって構成されることになる。したがってSi中よ
り大きな移動度を有するSiGe混晶半導体層26中の
正孔の寄与が加わるため、全体としてより大きなドレイ
ン電流が得られることになる。
A channel is formed in the SiGe mixed crystal semiconductor layer 26 prior to the surface of the silicon layer 25 because the potential well 34 causes the channel to be formed in the SiGe mixed crystal semiconductor layer 26 more than in the surface of the silicon semiconductor layer 25. Is due to the low potential with respect to the holes 36. When the negative voltage applied to the gate electrode 23 is further increased, holes 38 are also induced on the surface of the silicon semiconductor layer 25 and a surface Si channel 37 is formed, as shown in FIG. 13C. As a result, MOSFE
The drain current of T is composed of both the holes 38 flowing in the surface Si channel 37 and the holes 36 flowing in the SiGe channel 35. Therefore, the contribution of holes in the SiGe mixed crystal semiconductor layer 26 having a higher mobility than that in Si is added, so that a larger drain current can be obtained as a whole.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】以上、説明したように
図12のSiGeチャネルを利用したMOSFETは、
図10に示した通常のSiチャネルMOSFETよりも
大きなドレイン電流が得られる。このSiGeチャネル
MOSFETのSiGeチャネルに流れるドレイン電流
を増加させるには、ホールの移動度を大きくすることが
効果的であり、そのためには、ホールの有効質量を減少
させる必要がある。このホールの有効質量を減少させる
には、SiGe混晶半導体層のGeの含有率(X)を増
大させなけばならない。これはホールの有効質量(m
X )とGeの含有率(X)との間に近似的にmX =a−
b・X(a,bは正の定数)の関係があるからである。
As described above, the MOSFET using the SiGe channel of FIG.
A drain current larger than that of the normal Si channel MOSFET shown in FIG. 10 can be obtained. In order to increase the drain current flowing in the SiGe channel of this SiGe channel MOSFET, it is effective to increase the mobility of holes, and for that purpose, it is necessary to reduce the effective mass of holes. In order to reduce the effective mass of this hole, the Ge content (X) of the SiGe mixed crystal semiconductor layer must be increased. This is the effective mass of the hole (m
X ) and the Ge content (X) approximately m X = a−
This is because there is a relationship of b · X (a and b are positive constants).

【0014】しかしながら、SiGe混晶半導体層のG
e含有率を増大させると、以下に説明するような問題が
生じる。SiGe層の臨界膜厚(tc )とGeの含有率
(X)との関係は、文献(R.People et al.Appl.Lett.v
ol.47.pp.322,1985)からGeの含有率を増大させる
と、Si上に歪成長ができるSiGe層の臨界膜厚が急
減する。例えば、Geの含有率を0.5にすると、Si
Ge層の臨界膜厚は10nm程度なので、SiGe層の
膜厚はこれ以下にしなければならない。Geの含有率を
大きくし、膜厚を薄くしたSiGeチャネル層は、深い
電位井戸の2次元量子井戸となり、離散的なエネルギー
準位が形成される。これらのエネルギー準位と準位間隔
は、Geの含有率とSiGeの膜厚とで決定される。S
iGe量子井戸をチャネルに利用したMOSFETは、
図12に示した通常のSiGeチャネルMOSFETよ
りも大きなドレイン電流が得られるが、以下に説明する
ような問題があった。
However, the G of the SiGe mixed crystal semiconductor layer is
Increasing the e content causes problems as described below. The relationship between the critical thickness (t c ) of the SiGe layer and the Ge content (X) is described in the literature (R. People et al. Appl. Lett. V.
ol.47.pp.322, 1985), increasing the Ge content sharply reduces the critical thickness of the SiGe layer capable of strain growth on Si. For example, if the Ge content is 0.5, Si
Since the critical thickness of the Ge layer is about 10 nm, the thickness of the SiGe layer must be less than this. The SiGe channel layer having a large Ge content and a small film thickness becomes a two-dimensional quantum well of a deep potential well, and discrete energy levels are formed. These energy levels and level intervals are determined by the Ge content and the SiGe film thickness. S
A MOSFET using an iGe quantum well as a channel is
Although a larger drain current can be obtained than the normal SiGe channel MOSFET shown in FIG. 12, there are problems as described below.

【0015】図14は、SiGe量子井戸チャネルMO
SFETのバンド構造のゲート電圧依存性を示す図であ
る。図14において、41はSiGe量子井戸に形成さ
れた基底準位、42は第1励起準位である。ここでは、
説明を簡単にするため、第2励起準位以上は量子井戸内
に形成されないものと仮定した。また、43は量子井戸
内に誘起された正孔、44はSiGeチャネル、45は
ゲート酸化膜24の直下に形成されたポテンシャル井戸
の基底準位、46は励起準位、47はポテンシャル井戸
に誘起された正孔、48は表面Siチャネルである。
FIG. 14 shows a SiGe quantum well channel MO.
It is a figure which shows the gate voltage dependence of the band structure of SFET. In FIG. 14, reference numeral 41 is the ground level formed in the SiGe quantum well, and 42 is the first excitation level. here,
For simplicity of explanation, it was assumed that the second excitation level and higher were not formed in the quantum well. In addition, 43 is a hole induced in the quantum well, 44 is a SiGe channel, 45 is a ground level of a potential well formed immediately below the gate oxide film 24, 46 is an excitation level, and 47 is a potential well. The generated holes, 48 are surface Si channels.

【0016】このような構成において、ゲート電圧|V
G |の増加に伴ってSiGe量子井戸の基底準位41に
正孔43が誘起され、SiGeチャネルが形成された
後、次第にSiGeチャネル中の電荷量が増大する(図
14(a))。これに続いて表面Siチャネル48が形
成されると、ゲート電圧による電界効果は、ゲート酸化
膜24直下のポテンシャル井戸内の基底準位45をさら
に深いエネルギー位置に移動させ、表面Siチャネル4
8中の電荷を誘起することにほとんど費やされる。この
ため、SiGeチャネル44中の電荷量を誘起する効果
としては有効ではなくなる(図14(b))。
In such a structure, the gate voltage | V
Along with the increase of G |, holes 43 are induced in the ground level 41 of the SiGe quantum well and a SiGe channel is formed, and then the charge amount in the SiGe channel gradually increases (FIG. 14A). When the surface Si channel 48 is subsequently formed, the field effect due to the gate voltage moves the ground level 45 in the potential well immediately below the gate oxide film 24 to a deeper energy position, and the surface Si channel 4 is formed.
Mostly spent in inducing charges in 8. Therefore, it is not effective as an effect of inducing the amount of charges in the SiGe channel 44 (FIG. 14B).

【0017】さらにゲート電圧|VG |を増大させる
と、ポテンシャル井戸内の基底準位45は、SiGe量
子井戸の基底準位41よりも深い位置になり、誘起され
る電荷量の増加は殆ど表面Siチャネル48中になり
(図14(c))、図15に示した表面Siチャネルお
よびSiGeチャネルのそれぞれに誘起される正孔電荷
量のゲート電圧依存性から判るようにSiGeチャネル
中の電荷量は飽和傾向を示す。したがって、SiGeチ
ャネル中の高移動度の正孔の寄与はあるものの、全ドレ
イン電流に占めるSiGeチャネル中の正孔の寄与はゲ
ート電圧|VG |の増加とともに減少していまうという
問題があった。
When the gate voltage | V G | is further increased, the ground level 45 in the potential well becomes deeper than the ground level 41 of the SiGe quantum well, and the increase in the amount of induced charges is almost on the surface. As shown in FIG. 14C, which is in the Si channel 48, and the gate voltage dependence of the hole charge amount induced in each of the surface Si channel and the SiGe channel shown in FIG. Indicates a saturation tendency. Thus, despite the contribution of holes high mobility in SiGe channel, the contribution of holes in the SiGe channel to the total drain current gate voltage | there is a problem that Mau has decreased with increasing | V G .

【0018】ゲート電圧|VG |の増加によって高移動
度の正孔のSiGeチャネルは形成されるものの、低移
動度の正孔の表面Siチャネルは形成されないことが理
想であることは言うまでもない。
The gate voltage | V G | although SiGe channel high mobility of holes by an increase in the formation, it is needless to say that the surface Si channel of low mobility of holes is not formed is ideal.

【0019】したがって本発明は、前述した従来の問題
を解決するためになされたものであり、その目的は、全
ドレイン電流に占めるSiGeチャネル中の正孔の寄与
がゲート電圧の増加とともに減少する効果を抑制し、表
面Siチャネル中の電荷量に対するSiGeチャネル中
の電荷量の比を大幅に増加させて一層大きなドライバビ
リティを有するMOS電界効果トランジスタを提供する
ことにある。
Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problem, and its purpose is to reduce the contribution of holes in the SiGe channel to the total drain current as the gate voltage increases. It is intended to provide a MOS field effect transistor having higher drivability by suppressing the above phenomenon and significantly increasing the ratio of the charge amount in the SiGe channel to the charge amount in the surface Si channel.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、半導体領域内にソース領域,チャネ
ル領域およびドレイン領域を有し、チャネル領域上には
ゲート絶縁膜を介してゲート電極を有する電界効果トラ
ンジスタにおいて、ゲート絶縁膜直下から下方に向かっ
て順に第1のシリコン半導体層と、シリコンとゲルマミ
ウムとの混晶半導体層とシリコン半導体層とが交互に隣
接した多層膜層とが形成され、多層膜層内の混晶半導体
層の膜厚を0.5〜10nmおよびそのゲルマニウム含
有率を10〜90%とし、この多層膜層内のシリコン半
導体層の膜厚を0.5〜10nmとしてこの多層膜層を
ゲート絶縁膜直下の第1のシリコン半導体層下に設け、
この電界効果トランジスタの少なくとも動作状態におい
て、ゲート絶縁膜直下の第1のシリコン半導体層の表面
のポテンシャル井戸の基底準位に対する多層膜層に形成
される電位井戸の基底準位の電位差を大きくしたもので
ある。
In order to achieve such an object, the present invention has a source region, a channel region and a drain region in a semiconductor region, and a gate on the channel region via a gate insulating film. In a field effect transistor having electrodes, a first silicon semiconductor layer, a multilayer film layer in which a mixed crystal semiconductor layer of silicon and germanium and a silicon semiconductor layer are alternately adjacent to each other are formed in this order from directly below the gate insulating film to below. The mixed crystal semiconductor layer formed in the multilayer film layer has a film thickness of 0.5 to 10 nm and a germanium content of 10 to 90%, and the silicon semiconductor layer in the multilayer film layer has a film thickness of 0.5 to 10%. 10 nm, and the multilayer film layer is provided under the first silicon semiconductor layer immediately below the gate insulating film,
A potential difference between the ground level of the potential well formed in the multilayer film layer and the ground level of the potential well on the surface of the first silicon semiconductor layer immediately below the gate insulating film is increased in at least the operating state of the field effect transistor. Is.

【0021】また、他の発明は、前記電界効果トランジ
スタにおいて、ゲート絶縁膜直下から下方に向かって順
に第1のシリコン半導体層と、シリコンとゲルマミウム
との混晶半導体層とシリコン半導体層とが交互に隣接し
た多層膜層と、第2のシリコン半導体層とが形成され、
少なくとも動作状態において、ゲート絶縁膜直下の第1
のシリコン半導体層表面の電位に対する第2のシリコン
半導体層下端の電位差を小さくするように作用する制御
体を第2のシリコン半導体層下に設けたものである。
According to another invention, in the above-mentioned field effect transistor, the first silicon semiconductor layer, the mixed crystal semiconductor layer of silicon and germanium, and the silicon semiconductor layer are alternately arranged from directly below the gate insulating film to downward. A multilayer film layer adjacent to and a second silicon semiconductor layer are formed,
At least in the operating state, the first portion immediately below the gate insulating film
The control body that acts to reduce the potential difference at the lower end of the second silicon semiconductor layer with respect to the potential at the surface of the silicon semiconductor layer is provided below the second silicon semiconductor layer.

【0022】さらに他の発明は、前記電界効果トランジ
スタにおいて、少なくとも動作状態において、ゲート絶
縁膜直下には空乏層が広がり、第2のシリコン半導体層
の下端にまで達し、かつゲート絶縁膜直下の第1のシリ
コン半導体層表面の電位に対する第2のシリコン半導体
層下端の電位差を小さくするように作用する制御体とし
て第2のシリコン半導体層下に絶縁膜が配置され、この
絶縁膜下には第3のシリコン半導体領域または導体領域
を配置し、この絶縁膜の厚さと誘電率とを各々T1 とε
1 とし、第1のシリコン半導体層,多層膜層および第2
のシリコン半導体層の3層からなるチャネル領域の半導
体領域の厚さをTS ,シリコンの誘電率εS とし、この
電界効果トランジスタの動作状態において、第2のシリ
コン半導体層下に絶縁膜がなく、第2のシリコン半導体
層の厚さを半無限と仮定したときの第1のシリコン半導
体層の表面から広がる空乏層の厚さをWD としたとき
に、T1 >(WD −TS )ε1 /εS となるように構成
したものである。
In still another aspect of the invention, in the field effect transistor, at least in an operating state, a depletion layer spreads immediately below the gate insulating film, reaches a lower end of the second silicon semiconductor layer, and is directly below the gate insulating film. An insulating film is arranged below the second silicon semiconductor layer as a control body that acts to reduce the potential difference at the lower end of the second silicon semiconductor layer with respect to the potential at the surface of the first silicon semiconductor layer. A silicon semiconductor region or a conductor region of the insulating film is arranged, and the thickness and the dielectric constant of this insulating film are respectively T 1 and ε.
1 , the first silicon semiconductor layer, the multilayer film layer and the second
The thickness of the semiconductor region of the channel region consisting of the three silicon semiconductor layers is T S , and the dielectric constant ε S of silicon is set. In this operating state of the field effect transistor, there is no insulating film below the second silicon semiconductor layer. , when the thickness of the depletion layer expanding from the first surface of the silicon semiconductor layer when the thickness of the second silicon semiconductor layer assumes a semi-infinite was W D, T 1> (W D -T S ) It is configured so that ε 1 / ε S.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態について詳細に説明する。 (第1の実施の形態)図1は、本発明による電界効果ト
ランジスタの第1の実施の形態による構成を説明するた
めのシリコンとゲルマニウムとの混晶半導体層と、シリ
コン半導体層とが交互に隣接した多層構造の半導体層
(SiGe/Si多層膜層)をチャネルとしたp型MO
SFETの断面図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. (First Embodiment) FIG. 1 shows a structure in which a mixed crystal semiconductor layer of silicon and germanium and a silicon semiconductor layer are alternately arranged for explaining the structure of the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention. P-type MO using adjacent semiconductor layers (SiGe / Si multilayer film layers) having a multilayer structure as channels
It is sectional drawing of SFET.

【0024】図1において、50はn型シリコン基板、
51はソース領域、52はドレイン領域、53はゲート
電極、54はゲート酸化膜、55はシリコン半導体層、
56はSiGe/Si多層膜層である。このSiGe/
Si多層膜層56の断面構造を図2に拡大断面図で示
す。図2において、57はSiGe第1層、58はSi
第1層、59はSiGe第2層、60はSi第2層、6
1はSiGe第3層、62はSi第n−1層、63はS
iGe第n層であり、合計2n−1層の多層膜である。
また、64はSiGe層の膜厚(LSG)、65はSi層
の膜厚(LSi)である。
In FIG. 1, 50 is an n-type silicon substrate,
51 is a source region, 52 is a drain region, 53 is a gate electrode, 54 is a gate oxide film, 55 is a silicon semiconductor layer,
56 is a SiGe / Si multilayer film layer. This SiGe /
The sectional structure of the Si multilayer film layer 56 is shown in an enlarged sectional view in FIG. In FIG. 2, 57 is the SiGe first layer, and 58 is Si.
First layer, 59 is SiGe second layer, 60 is Si second layer, 6
1 is the SiGe third layer, 62 is the Si n-1 layer, and 63 is S
The iGe nth layer is a multilayer film of 2n-1 layers in total.
Further, 64 is the film thickness (L SG ) of the SiGe layer, and 65 is the film thickness (L Si ) of the Si layer.

【0025】この実施の形態では、各SiGe層の混晶
組成比は同一とし、各SiGe層の膜厚LSGおよび各S
i層の膜厚LSiもそれぞれ一定としたが、SiGe層の
各層混晶組成比が異なっても、また、各SiGeと各S
iとの層毎に膜厚が異なっても良いことは言うまでもな
い。
In this embodiment, the mixed crystal composition ratio of each SiGe layer is the same, and the film thickness L SG and each S of each SiGe layer are the same.
Although the film thickness L Si of the i-layer is also constant, each SiGe layer and each S-Ge layer may have different composition ratios of SiGe layers.
It goes without saying that the film thickness may be different for each layer with i.

【0026】また、この実施の形態では、ゲート電極5
3下のチャネル領域の半導体領域がSiGe/Si多層
膜層56によって形成され、正孔に対する電位井戸をこ
のSiGe/Si多層膜層56内に形成し、この電界効
果トランジスタの少なくとも動作状態において、SiG
e/Si多層膜層56の価電子帯の基底準位がゲート酸
化膜54直下のシリコン半導体層55の価電子帯の基底
準位よりも低くなるようにSiGe層の膜厚LSGとSi
層の膜厚LSiとを制御したSiGe/Si多層膜層56
をシリコン半導体層55の直下に設けて構成されてい
る。
In this embodiment, the gate electrode 5
The semiconductor region of the lower channel region 3 is formed by the SiGe / Si multilayer film layer 56, and a potential well for holes is formed in the SiGe / Si multilayer film layer 56, and at least in the operating state of the field effect transistor, the SiG
The SiGe layer thicknesses L SG and Si are set so that the valence band ground level of the e / Si multilayer film 56 is lower than the valence band ground level of the silicon semiconductor layer 55 immediately below the gate oxide film 54.
SiGe / Si multilayer film layer 56 in which the layer thickness L Si is controlled
Is provided immediately below the silicon semiconductor layer 55.

【0027】このような構成によって表面Siチャネル
中の電荷量に対するSiGe/Si多層膜層内チャネル
(SiGeチャネル)中の電荷量の比を従来構造に比べ
て大幅に増加させて一層大きなドライバビリティを有す
るp型チャネルMOSFETが実現できることを図3の
熱平衡状態のエネルギーバンド図と図4のゲート電極を
印加したエネルギーバンド図とを用いて説明する。
With such a configuration, the ratio of the charge amount in the SiGe / Si multilayer film intra-layer channel (SiGe channel) to the charge amount in the surface Si channel is significantly increased as compared with the conventional structure, and a larger drivability is achieved. The realization of the p-channel MOSFET having the structure will be described with reference to the energy band diagram in the thermal equilibrium state of FIG. 3 and the energy band diagram of FIG.

【0028】図3(a)は、従来構造による熱平衡状態
のp型SiGeチャネルMOSFETのエネルギーバン
ド図を示している。図3(a)において、70はゲート
酸化膜、71はシリコン半導体層、72はSiGe層、
73はn型シリコン基板、74はゲート酸化膜70の下
の半導体領域のフェルミ準位EF 、75は単一のSiG
e層からなる量子井戸(SQW)内に形成された基底準
位、76はゲート酸化膜70の下の半導体領域の価電子
帯EC である。
FIG. 3A shows an energy band diagram of a p-type SiGe channel MOSFET in a thermal equilibrium state according to the conventional structure. In FIG. 3A, 70 is a gate oxide film, 71 is a silicon semiconductor layer, 72 is a SiGe layer,
73 is an n-type silicon substrate, 74 is a Fermi level E F in the semiconductor region under the gate oxide film 70, and 75 is a single SiG.
A ground level 76 formed in the quantum well (SQW) formed of the e layer is a valence band E C of the semiconductor region under the gate oxide film 70.

【0029】図3(b)は、本発明によるSiGe/S
i多層膜構造、すなわちSiGeの多重量子井戸構造
(MQW)の半導体層をチャネルとした熱平衡状態のp
型MOSFETにおいて、その多層膜構造内のSi層膜
厚LSiが大きい場合のエネルギーバンド図を示してい
る。図3(b)において、77はSiGe第1層、78
はSiGe第2層、79はSiGe第3層、80はSi
Ge第n層、81はSiGe/Si多層膜層の各SiG
e層の量子井戸内に形成された基底準位、82はその多
層膜層内のSi層の膜厚LSiを示している。
FIG. 3B shows SiGe / S according to the present invention.
i multilayer film structure, that is, p in thermal equilibrium state using a semiconductor layer of SiGe multiple quantum well structure (MQW) as a channel
In the type MOSFET, the energy band diagram when the Si layer thickness L Si in the multilayer film structure is large is shown. In FIG. 3B, 77 is the first layer of SiGe, 78
Is SiGe second layer, 79 is SiGe third layer, and 80 is Si
Ge nth layer, 81 is each SiG of the SiGe / Si multilayer film layer
The ground level formed in the quantum well of the e layer, and 82 indicates the film thickness L Si of the Si layer in the multilayer film layer.

【0030】ここでSiGe/Si多層膜層内の各Si
Ge層のGeの含有率と層厚とが同一でかつ各Si層の
膜厚LSiが十分に大きい場合には、SiGe/Si多層
膜層はn個の孤立したSiGe量子井戸から構成される
ことになり、各量子井戸の基底準位81は図3(a)の
単一のSiGe量子井戸の基底準位75と一致する。
Here, each Si in the SiGe / Si multilayer film layer
When the Ge content and the layer thickness of the Ge layer are the same and the thickness L Si of each Si layer is sufficiently large, the SiGe / Si multilayer film layer is composed of n isolated SiGe quantum wells. Therefore, the ground level 81 of each quantum well coincides with the ground level 75 of the single SiGe quantum well of FIG.

【0031】図3(c)は、本発明によるSiGeの多
重量子井戸(MQW)をチャネルとした熱平衡状態のp
型MOSFETにおいて、Si層膜厚82(LSi)が小
さく、各量子井戸が相互に干渉している場合のエネルギ
ーバンド図を示している。この場合、多重量子井戸内に
はミニバンドが形成され、その基底準位83は図3
(b)の基底準位81よりも低い位置に移動する。その
移動距離は隣接したSiGe量子井戸間の距離(膜厚8
2(LSi))が小さくなるほど大きくなる。このこと
は、量子力学的計算から容易に理解できる。
FIG. 3C shows p in a thermal equilibrium state in which a SiGe multiple quantum well (MQW) according to the present invention is used as a channel.
In the type MOSFET, an energy band diagram when the Si layer film thickness 82 (L Si ) is small and the quantum wells interfere with each other is shown. In this case, a miniband is formed in the multiple quantum well, and its ground level 83 is shown in FIG.
It moves to a position lower than the ground level 81 in (b). The moving distance is the distance between adjacent SiGe quantum wells (film thickness 8
It becomes larger as 2 (L Si )) becomes smaller. This can be easily understood from the quantum mechanical calculation.

【0032】ただし、この場合、前述したSiGe/S
i多層膜層内のSiGe層の膜厚は0.5〜10nmで
ある。この膜厚の下限0.5nmは、ほぼ4原子層程度
で混晶半導体として利用できる最小膜厚であり、膜厚の
上限10nmは、このSiGe層が量子井戸として有意
な基底準位を形成できる膜厚である。
In this case, however, the above-mentioned SiGe / S
The film thickness of the SiGe layer in the i multilayer film layer is 0.5 to 10 nm. The lower limit of the film thickness of 0.5 nm is the minimum film thickness that can be used as a mixed crystal semiconductor in about 4 atomic layers, and the upper limit of the film thickness of 10 nm allows the SiGe layer to form a significant ground level as a quantum well. The film thickness.

【0033】また、前述したSiGe量子井戸層のGe
含有率は10〜90%である。Ge含有率の下限10%
は、SiGe層内の価電子帯にホールが補足されるよう
な電位井戸が形成される最低のGe含有率であり、上限
のGe含有率90%は、膜厚0.5nm以上のSiGe
層をSi層上に格子不整合転位などの格子欠陥を発生す
ることなく、形成できる最大のSiGe層のGe含有率
である。
Further, Ge of the SiGe quantum well layer described above is used.
The content rate is 10 to 90%. Lower limit of Ge content 10%
Is the lowest Ge content rate at which a potential well is formed so that holes are captured in the valence band in the SiGe layer, and the upper limit Ge content rate of 90% is the SiGe thickness of 0.5 nm or more.
This is the maximum Ge content of the SiGe layer that can be formed without generating lattice defects such as lattice mismatch dislocations on the Si layer.

【0034】さらに前述したSiGe/Si多層膜層内
のSi層の膜厚82(LSi)は0.5〜10nmであ
る。この膜厚の下限0.5nmは、4原子層程度でSi
層として存在できる最小限の膜厚であり、膜厚の上限1
0nmは、図3(c)に示すようにこの多層膜層内の各
SiGe量子井戸間で相互干渉し、ミニバンドの形成が
観測される最大のSi層の膜厚である。
Further, the thickness 82 (L Si ) of the Si layer in the SiGe / Si multilayer film layer is 0.5 to 10 nm. The lower limit of the film thickness of 0.5 nm is about 4 atomic layers of Si.
The minimum film thickness that can exist as a layer, with an upper limit of 1
As shown in FIG. 3C, 0 nm is the maximum film thickness of the Si layer in which mutual interference between SiGe quantum wells in this multilayer film layer and formation of a miniband is observed.

【0035】図4は、図3のp型チャネルMOSFET
に一定の大きさのゲート電圧を印加した場合のエネルギ
ーバンド図であり、図4(a),(b),(c)の素子
構造は、それぞれ図3(a),(b),(c)と対応し
ている。図4(a)は図3(a)の単一のSiGe量子
井戸をチャネルとしたp型MOSFETにゲート電圧を
印加したエネルギーバンド図を示している。このMOS
FETにゲート電圧を印加すると、単一のSiGe量子
井戸の基底準位94に正孔87が誘起され、SiGe層
72内にチャネル(SiGeチャネル)85が形成され
る。
FIG. 4 shows the p-type channel MOSFET of FIG.
5A and 5B are energy band diagrams when a gate voltage of a certain magnitude is applied to the device structures of FIGS. 4A, 4B, and 4C, respectively. ). FIG. 4A shows an energy band diagram in which a gate voltage is applied to the p-type MOSFET having the single SiGe quantum well of FIG. 3A as a channel. This MOS
When a gate voltage is applied to the FET, holes 87 are induced in the ground level 94 of a single SiGe quantum well, and a channel (SiGe channel) 85 is formed in the SiGe layer 72.

【0036】それと同時にゲート酸化膜70の直下にも
ポテンシャルの井戸が形成され、その基底準位84に正
孔88が誘起されて表面Siチャネル86が形成され
る。印加したゲート電圧下では、ゲート酸化膜70直下
のポテンシャル井戸の基底準位84が単一のSiGe量
子井戸の基底準位94よりも低いエネルギー位置にある
ため、表面Siチャネル86に誘起される正孔88がS
iGeチャネル85に誘起される正孔87よりも多くな
る。
At the same time, a potential well is formed just below the gate oxide film 70, and holes 88 are induced in the ground level 84 to form a surface Si channel 86. Under the applied gate voltage, the ground level 84 of the potential well immediately below the gate oxide film 70 is at a lower energy level than the ground level 94 of the single SiGe quantum well, so that it is induced in the surface Si channel 86. Hole 88 is S
There are more holes 87 induced in the iGe channel 85.

【0037】図4(b)は、図3(b)のSiGe多重
量子井戸をチャネルとしたp型MOSFETにゲート電
圧を印加したエネルギーバンド図を示している。このM
OSFETにゲート電圧を印加すると、SiGe多重量
子井戸の基底準位89に正孔87が誘起され、SiGe
チャネル85が形成される。
FIG. 4B shows an energy band diagram in which a gate voltage is applied to the p-type MOSFET having the SiGe multiple quantum well of FIG. 3B as a channel. This M
When a gate voltage is applied to the OSFET, holes 87 are induced in the ground level 89 of the SiGe multiple quantum well, and the SiGe
Channel 85 is formed.

【0038】それと同時にゲート酸化膜70直下のポテ
ンシャル井戸の基底準位90に正孔88が誘起され、表
面Siチャネル86が形成される。この場合も印加した
ゲート電圧下では、ゲート酸化膜70直下のポテンシャ
ル井戸の基底準位90がSiGe量子井戸の基底準位8
9よりも低いエネルギー位置にあるため、表面Siチャ
ネル86に誘起される正孔88がSiGeチャネル85
よりも多くなる。
At the same time, holes 88 are induced in the ground level 90 of the potential well immediately below the gate oxide film 70, and the surface Si channel 86 is formed. In this case as well, under the applied gate voltage, the ground level 90 of the potential well immediately below the gate oxide film 70 is equal to the ground level 8 of the SiGe quantum well.
Since the energy position is lower than 9, the holes 88 induced in the surface Si channel 86 can be converted into the SiGe channel 85.
More.

【0039】図4(c)は、図3(c)のSiGe多重
量子井戸をチャネルとしたp型MOSFETにゲート電
圧を印加したエネルギーバンド図を示している。このM
OSFETにゲート電圧を印加すると、SiGe多重量
子井戸内に形成されたミニバンドの基底準位91に正孔
87が誘起される。また、ゲート酸化膜70直下の電位
井戸の基底準位92にも正孔88が誘起され、表面Si
チャネル86が形成される。
FIG. 4C shows an energy band diagram in which a gate voltage is applied to the p-type MOSFET having the SiGe multiple quantum well of FIG. 3C as a channel. This M
When a gate voltage is applied to the OSFET, holes 87 are induced in the ground band 91 of the miniband formed in the SiGe multiple quantum well. Further, holes 88 are also induced in the ground level 92 of the potential well immediately below the gate oxide film 70, and the surface Si
A channel 86 is formed.

【0040】この場合、印加したゲート電圧下では、ゲ
ート酸化膜70直下のポテンシャル井戸の基底準位92
よりも、SiGe多重量子井戸の基底準位91の方が低
いエネルギー位置にあるため、SiGe/Si多層膜層
内のSiGeチャネル93に誘起される正孔87が表面
Siチャネル86よりも多くなる。すなわち、本実施の
形態では、表面Siチャネル86中の電荷量に対するS
iGeチャネル93中の電荷量の比を従来構造に比べて
増加させることができる。つまり、SiGeチャネル9
3中の高移動度を有する正孔の寄与をより大きくするこ
とができるため、一層大きなドライバビリティを有する
p型MOSFETを実現することが可能になる。
In this case, under the applied gate voltage, the ground level 92 of the potential well immediately below the gate oxide film 70.
Since the ground level 91 of the SiGe multiple quantum well is at a lower energy position, the number of holes 87 induced in the SiGe channel 93 in the SiGe / Si multilayer film layer is larger than that in the surface Si channel 86. That is, in the present embodiment, S with respect to the charge amount in the surface Si channel 86 is
The ratio of the amount of charges in the iGe channel 93 can be increased as compared with the conventional structure. That is, the SiGe channel 9
Since the contribution of holes having high mobility in 3 can be further increased, it is possible to realize a p-type MOSFET having even greater drivability.

【0041】以上、説明した効果を図5を用いてさらに
詳しく説明する。図5は、表面SiチャネルとSiGe
/Si多層膜層内のSiGeチャネルとの各々の電荷量
に対するゲート電圧依存性について、図1,図3
(c),図4(c)に示した本実施の形態によるp型S
iGeチャネルMOSFETの場合と、図12,図3
(a),図4(a)に示した従来構造のp型SiGeチ
ャネルMOSFETの場合とを比較したものである。
The effects described above will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 5 shows the surface Si channel and SiGe.
1 and FIG. 3 for the gate voltage dependence of the respective charge amounts with the SiGe channel in the / Si multilayer film layer.
(C), p-type S according to the present embodiment shown in FIG.
In the case of iGe channel MOSFET, and in FIGS.
4A is a comparison with the case of the p-type SiGe channel MOSFET having the conventional structure shown in FIGS.

【0042】図5において、ゲート電圧|VG |を増加
させたとき、従来構造のトランジスタでは、まず、Si
Geチャネルが形成されてこのチャネル内の電荷量が増
加する。さらにゲート電圧|VG |を上昇させると、表
面Siチャネルが形成され、SiGeチャネル内に正孔
電荷が飽和傾向を示すようになる。本実施の形態のトラ
ンジスタの場合も同様にまずSiGeチャネルが形成さ
れてこのチャネル内の電荷量が増加し、さらにゲート電
圧|VG |を上昇させると、表面Siチャネルが形成さ
れ、SiGeチャネル内の正孔電荷量が飽和傾向を示す
ようになる。
In FIG. 5, when the gate voltage | V G | is increased, in the transistor of the conventional structure, first, Si
A Ge channel is formed and the amount of charge in this channel increases. When the gate voltage | V G | is further increased, a surface Si channel is formed and the hole charges tend to be saturated in the SiGe channel. Similarly, in the case of the transistor of this embodiment, a SiGe channel is first formed to increase the amount of charge in this channel, and when the gate voltage | V G | is further increased, a surface Si channel is formed and the SiGe channel The amount of positive hole charges in the above shows a saturation tendency.

【0043】しかし、本実施の形態の場合に以下に説明
する理由により、従来構造に比べてSiGeチャネル内
の正孔電荷量の飽和にはより大きなゲート電圧|VG
が必要となり、また、その飽和電荷量の値も大きくな
る。すなわち、本実施の形態では、SiGeチャネルを
SiGe/Si多層膜層内に形成することにより、従来
構造のSiGe単層内にSiGeチャネルを形成する場
合よりも量子井戸内の基底準位を低くできる。換言すれ
ば、本実施の形態では、SiGeチャネル内への正孔の
誘起が効果的に行われる。したがって、ゲート電圧|V
G |の増加で表面Siチャネルが形成されるまでには、
従来構造に比べてより多くの正孔電荷量がSiGeチャ
ネル内に誘起されることになる。
However, in the case of the present embodiment, for the reason described below, a larger gate voltage | V G | for saturation of the hole charge amount in the SiGe channel than in the conventional structure.
Is required, and the value of the saturated charge amount also becomes large. That is, in the present embodiment, by forming the SiGe channel in the SiGe / Si multilayer film layer, the ground level in the quantum well can be made lower than in the case of forming the SiGe channel in the SiGe single layer having the conventional structure. . In other words, in this embodiment, holes are effectively induced in the SiGe channel. Therefore, the gate voltage | V
By the increase of G |, by the time the surface Si channel is formed,
As compared with the conventional structure, a larger amount of hole charges will be induced in the SiGe channel.

【0044】この結果、ドレイン電流を形成する表面S
iチャネル中の電荷量とSiGeチャネル中の電荷量と
において、本実施の形態では、表面Siチャネル中の電
荷量に対するSiGeチャネル中の電荷量の比を従来構
造に比べて大きくすることができる。そして、SiGe
チャネル中の高移動度を有する正孔の寄与を大きくする
ことができるため、一層大きなドライバビリティを有す
るp型チャネルMOSFETを実現することが可能にな
る。
As a result, the surface S forming the drain current
With respect to the amount of charge in the i channel and the amount of charge in the SiGe channel, in the present embodiment, the ratio of the amount of charge in the SiGe channel to the amount of charge in the surface Si channel can be made larger than that in the conventional structure. And SiGe
Since the contribution of holes having high mobility in the channel can be increased, it is possible to realize a p-type channel MOSFET having even greater drivability.

【0045】(第2の実施の形態)図6は、本発明によ
る電界効果トランジスタの第2の実施の形態による構成
を説明するためのp型SiGeチャネルMOSFETの
断面図である。図6において、101はn型シリコン基
板、102はソース領域、103はドレイン領域、10
4はゲート電極、105はゲート酸化膜、106はシリ
コン半導体層、107はSiGe/Si多層膜層、10
8はシリコン半導体層、109は電位制御体である。
(Second Embodiment) FIG. 6 is a sectional view of a p-type SiGe channel MOSFET for explaining the structure of the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 6, 101 is an n-type silicon substrate, 102 is a source region, 103 is a drain region, 10
4 is a gate electrode, 105 is a gate oxide film, 106 is a silicon semiconductor layer, 107 is a SiGe / Si multilayer film layer, 10
Reference numeral 8 is a silicon semiconductor layer, and 109 is a potential control body.

【0046】本実施の形態では、ゲート電極104下の
チャネル領域の半導体領域がゲート酸化膜105直下か
ら下方に向かって順に第1のシリコン半導体層106,
SiGe/Si多層膜層107,第2のシリコン半導体
層108によって構成され、正孔に対する電位井戸をS
iGe/Si多層膜層107内に形成し、この電界効果
トランジスタの少なくとも動作状態において、ゲート酸
化膜105直下の第1のシリコン半導体層106の表面
の電位に対する第2のシリコン半導体層108の下端の
電位差を小さくするように作用する電位制御体109を
第2のシリコン半導体層108の下に設けられている。
In the present embodiment, the semiconductor region of the channel region below the gate electrode 104 is arranged so that the semiconductor regions of the first silicon semiconductor layer 106 and
The potential well for holes is composed of the SiGe / Si multilayer film layer 107 and the second silicon semiconductor layer 108.
It is formed in the iGe / Si multilayer film layer 107, and at least in the operating state of this field effect transistor, the lower end of the second silicon semiconductor layer 108 with respect to the potential of the surface of the first silicon semiconductor layer 106 immediately below the gate oxide film 105 is formed. A potential control body 109 that acts to reduce the potential difference is provided below the second silicon semiconductor layer 108.

【0047】このような構成によって表面Siチャネル
中の正孔電荷量に対するSiGeチャネル中の正孔電荷
量の比を従来構造に比べて大幅に増加させて一層大きな
ドライバビリティを有するp型チャネルMOSFETを
実現できることを図7を用いて説明する。
With this structure, the ratio of the hole charge amount in the SiGe channel to the hole charge amount in the surface Si channel is greatly increased as compared with the conventional structure, and a p-type channel MOSFET having further drivability is obtained. What can be realized will be described with reference to FIG. 7.

【0048】図7は、図6に示す本実施の形態によるp
型SiGeチャネルMOSFETのエネルギーバンド図
を示している。比較のため、図7には図1に示す第1の
実施の形態によるp型SiGeチャネルMOSFETの
エネルギーバンド図(図4(c))も示している。図7
において、110はゲート酸化膜、111は第1のシリ
コン半導体層、112はSiGe/Si多層膜層、11
3は第2のシリコン半導体層、114は電位制御体であ
る。
FIG. 7 shows p according to the present embodiment shown in FIG.
2 shows an energy band diagram of a SiGe channel MOSFET of a type. For comparison, FIG. 7 also shows an energy band diagram (FIG. 4C) of the p-type SiGe channel MOSFET according to the first embodiment shown in FIG. FIG.
, 110 is a gate oxide film, 111 is a first silicon semiconductor layer, 112 is a SiGe / Si multilayer film layer, 11
3 is a second silicon semiconductor layer, and 114 is a potential control body.

【0049】また、115は半導体領域のフェルミ準位
F 、116は図1の第1の実施の形態のp型MOSF
ET構造の場合の半導体領域における価電子帯上端準
位、117は本実施の形態によるp型MOSFET構造
の半導体領域における価電子帯上端準位、118はSi
Ge/Si多層膜層内の電位井戸、119はSiGeチ
ャネル、120は表面Siチャネル、121はSiGe
チャネルに誘起された正孔、122は表面Siチャネル
に誘起された正孔を示している。
Further, 115 is the Fermi level E F of the semiconductor region, and 116 is the p-type MOSF of the first embodiment of FIG.
In the case of the ET structure, the valence band upper level in the semiconductor region, 117 is the valence band upper level in the semiconductor region of the p-type MOSFET structure according to the present embodiment, and 118 is Si.
Potential well in Ge / Si multilayer film, 119 is SiGe channel, 120 is surface Si channel, 121 is SiGe
The holes induced by the channel and 122 are the holes induced by the surface Si channel.

【0050】ここで、価電子帯上端準位116および価
電子帯上端準位117は、第1のシリコン半導体層11
1,SiGe/Si多層膜層112,第2のシリコン半
導体層113の価電子帯の基底準位から形成されてい
る。本実施の形態では、ゲート酸化膜110直下の第1
のシリコン半導体層111表面の電位に対する第2のシ
リコン半導体層113下端の電位差を小さくするように
作用する電位制御体114を第2のシリコン半導体層1
13下に設けられている。
Here, the valence band upper level 116 and the valence band upper level 117 are the same as those of the first silicon semiconductor layer 11.
1, the SiGe / Si multilayer film layer 112 and the second silicon semiconductor layer 113 are formed from the ground level of the valence band. In this embodiment, the first oxide film immediately below the gate oxide film 110 is formed.
The potential control body 114 that acts to reduce the potential difference at the lower end of the second silicon semiconductor layer 113 with respect to the potential of the surface of the second silicon semiconductor layer 111 of FIG.
It is provided under 13.

【0051】この結果、図7のように図1の第1の実施
の形態の構造と比較して同一表面電位(第1のシリコン
半導体層111の表面における電位)の場合に、本実施
の形態の構造では第2のシリコン半導体層113の下端
の正孔に対する電位が低くなり、必然的に電位井戸11
8の電位も低くなる。したがって、表面Siチャネル1
20中の正孔電荷量が同一でも、SiGeチャネル11
9中の正孔電荷量は、図1の第1の実施の形態の構造と
比べて本実施の形態の構造においてより多くなる。
As a result, in the case of the same surface potential (potential at the surface of the first silicon semiconductor layer 111) as shown in FIG. 7 as compared with the structure of the first embodiment of FIG. In this structure, the potential for holes at the lower end of the second silicon semiconductor layer 113 becomes low, and the potential well 11 is inevitably formed.
The potential of 8 also becomes low. Therefore, the surface Si channel 1
Even if the hole charge amount in 20 is the same, the SiGe channel 11
The hole charge amount in 9 is larger in the structure of the present embodiment than in the structure of the first embodiment of FIG.

【0052】すなわち、本実施の形態では、表面Siチ
ャネル120中の電荷量に対するSiGeチャネル11
9中の電荷量の比を増加させることができ、SiGeチ
ャネル119中の高移動度を有する正孔の寄与をより大
きくすることができるため、一層大きなドライバビリテ
ィを有するp型チャネルMOSFETを実現することが
可能になる。
That is, in this embodiment, the SiGe channel 11 with respect to the charge amount in the surface Si channel 120 is used.
The ratio of the amount of charge in the SiGe channel 9 can be increased, and the contribution of holes having high mobility in the SiGe channel 119 can be further increased, so that a p-type channel MOSFET having even greater drivability is realized. It will be possible.

【0053】(第3の実施の形態)図8は、本発明によ
る電界効果トランジスタの第3の実施の形態による構成
を説明するためのp型SiGeチャネルMOSFETの
断面図である。図8において、130はシリコン基板、
131はソース領域、132はドレイン領域、133は
ゲート電極、134はゲート酸化膜、135はシリコン
半導体層、136はSiGe/Si多層膜層、137は
シリコン半導体層、138はシリコン酸化膜である。
(Third Embodiment) FIG. 8 is a cross-sectional view of a p-type SiGe channel MOSFET for explaining the structure of the field effect transistor according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 8, 130 is a silicon substrate,
131 is a source region, 132 is a drain region, 133 is a gate electrode, 134 is a gate oxide film, 135 is a silicon semiconductor layer, 136 is a SiGe / Si multilayer film layer, 137 is a silicon semiconductor layer, and 138 is a silicon oxide film.

【0054】本実施の形態では、少なくとも動作状態に
おいてゲート酸化膜134の直下には空乏層が広がり、
下層のシリコン半導体層137の下端にまで達し、かつ
ゲート酸化膜134の直下の上層シリコン半導体層13
5の表面電位に対する下層シリコン半導体層137の下
端電位差を小さくするように作用する制御体として下層
シリコン半導体層137の下にシリコン酸化膜138を
配置し、このシリコン酸化膜138の下にはシリコン半
導体領域130(この領域は導体領域でも良い)を配置
する。
In this embodiment, the depletion layer spreads immediately below the gate oxide film 134 at least in the operating state.
The upper silicon semiconductor layer 13 reaching the lower end of the lower silicon semiconductor layer 137 and immediately below the gate oxide film 134.
5, a silicon oxide film 138 is arranged below the lower silicon semiconductor layer 137 as a control body that acts to reduce the lower end potential difference of the lower silicon semiconductor layer 137 with respect to the surface potential of the silicon semiconductor film 138. A region 130 (this region may be a conductor region) is arranged.

【0055】この場合、シリコン酸化膜138の厚さと
その誘電率とを各々T1 とε1 とし、上層シリコン半導
体層135,SiGe/Si多層膜層136,下層シリ
コン半導体層137の3層からなる半導体領域の厚さを
S ,シリコンの誘電率εSとし、この電界効果トラン
ジスタの動作状態において、下層シリコン半導体層13
7の下にシリコン酸化膜138がなく、下層シリコン半
導体層137の厚さを半無限と仮定したときの上層シリ
コン半導体層135の表面から広がる空乏層の厚さをW
D としたときに、T1 >(WD −TS )ε1 /εS とな
るように構成している。
In this case, the thickness of the silicon oxide film 138 and its dielectric constant are T 1 and ε 1 , respectively, and the upper silicon semiconductor layer 135, the SiGe / Si multilayer film layer 136, and the lower silicon semiconductor layer 137 are composed of three layers. When the thickness of the semiconductor region is T S and the dielectric constant of silicon is ε S , the lower silicon semiconductor layer 13 is
7 does not have a silicon oxide film 138 below it, and the thickness of the depletion layer spreading from the surface of the upper silicon semiconductor layer 135 is W when the thickness of the lower silicon semiconductor layer 137 is assumed to be semi-infinite.
When D is set, T 1 > (W D −T S ) ε 1 / ε S.

【0056】このような構成において、上層のシリコ
ン半導体層135,SiGe/Si多層膜層136,下
層シリコン半導体層137の全てが空乏化しているこ
と,電位制御体がシリコン酸化膜138と電位が固定
されたシリコン半導体領域130(または導体領域)か
らなっていることおよびT1 >(WD −TS )ε1
εS なる関係が構造構成上満足されていることである。
In such a structure, the upper silicon semiconductor layer 135, the SiGe / Si multilayer film layer 136, and the lower silicon semiconductor layer 137 are all depleted, and the potential control unit fixes the potential to the silicon oxide film 138. A silicon semiconductor region 130 (or a conductor region) formed by T 1 > (W D −T S ) ε 1 /
It means that the relation ε S is satisfied in terms of structural composition.

【0057】ここで、前述したT1 >(WD −TS
ε1 /εS の意味するところは、以下の通りである。シ
リコン基板130の下端は、通常、接地電位に固定され
ており、ゲート電極133の下方には等価的に3つの容
量が直列接続されているとみなすことができる。第1
は、ゲート酸化膜134による容量COXであり、第2
は、空乏化した上層シリコン半導体層135,SiGe
/Si多層膜層136,下層シリコン半導体層137の
3層からなる容量CS (=εS ′/TS 、ただし、ε
S ′は3層の実効的誘電率)であり、第3は、シリコン
酸化膜138による容量CO (ε1 /T1 )である。チ
ャネルがまだ形成されていない場合には、印加されたゲ
ート電圧はこの3つの容量に分圧される。
Here, the above-mentioned T 1 > (W D −T S ).
The meaning of ε 1 / ε S is as follows. The lower end of the silicon substrate 130 is usually fixed to the ground potential, and it can be considered that three capacitors are equivalently connected in series below the gate electrode 133. First
Is the capacitance C ox due to the gate oxide film 134, and
Is the depleted upper silicon semiconductor layer 135, SiGe
/ Si multi-layer film layer 136 and lower silicon semiconductor layer 137, the capacitance C S (= ε S ′ / T S , where ε
S'is the effective dielectric constant of the three layers, and the third is the capacitance C O1 / T 1 ) of the silicon oxide film 138. If the channel is not yet formed, the applied gate voltage is divided into these three capacitors.

【0058】一方、図1の第1の実施の形態の構造で
は、図8の下層シリコン半導体層137の厚さは半無限
と仮定することができ、このときの上層シリコン半導体
層135の表面から広がる空乏層の厚さをWD とする。
本実施の形態では、(WD−TS)分の空乏層がシリコン
酸化膜138によって抑止されていることになる。この
抑止分の容量Cn はεS /(WD −TS )で表される。
On the other hand, in the structure of the first embodiment of FIG. 1, it can be assumed that the thickness of the lower silicon semiconductor layer 137 of FIG. 8 is semi-infinite. The thickness of the expanding depletion layer is W D.
In the present embodiment, will have been suppressed by (W D -T S) content of the depletion layer is silicon oxide film 138. The capacitance C n of inhibiting amount is expressed by ε S / (W D -T S ).

【0059】本実施の形態における下層シリコン半導体
層137の下端における正孔に対する電位を、図1の第
1の実施の形態の構造における上層シリコン半導体層の
表面から深さTS (すなわち、本実施の形態での下層シ
リコン半導体層の下端位置に相当)での正孔に対する電
位より減少させて上層シリコン半導体層135の表面電
位との電位差(等価的に容量CS に印加される電位差)
を小さくするためには本実施の形態の構造における容量
O を容量Cn より小さくする必要がある。したがっ
て、CO =ε1 /T1 <Cn =εS /(WD −TS )と
なり、前述したの条件となる。
The potential with respect to the holes at the lower end of the lower silicon semiconductor layer 137 in the present embodiment is set to the depth T S (that is, the present embodiment) from the surface of the upper silicon semiconductor layer in the structure of the first embodiment of FIG. Potential difference with respect to holes at the lower silicon semiconductor layer in the form of (1) and the surface potential of the upper silicon semiconductor layer 135 (equivalently the potential difference applied to the capacitor C S ).
In order to reduce the capacitance, the capacitance C O in the structure of the present embodiment needs to be smaller than the capacitance C n . Therefore, C O = ε 1 / T 1 <C n = ε S / (W D -T S) , and becomes a condition for the foregoing.

【0060】なお、ゲート酸化膜134の直下の上層シ
リコン半導体層136の表面電位に対する下層シリコン
半導体層137の下端電位差をより小さくするために
は、容量CO を容量Cn より十分に小さくすれば良いこ
とは言うまでもない。
In order to make the lower end potential difference of the lower silicon semiconductor layer 137 with respect to the surface potential of the upper silicon semiconductor layer 136 directly below the gate oxide film 134 smaller, the capacitance C O should be sufficiently smaller than the capacitance C n. Not to mention good things.

【0061】本発明の実施の形態の製造に当たっては、
以下のようにすれば良い。例えばSIMOX基板または
ウエハ張り合わせ基板などのSOI基板上にMBE法ま
たはCVD法により下層シリコン半導体層,SiGe/
Si多層膜層,上層シリコン半導体層をエピタキシャル
成長させ、素子間分離後に熱酸化によってゲート酸化膜
を形成し、次に不純物をドープしたアモルファスシリコ
ンを堆積し、フォトリソグラフィおよびエッチングによ
りアモルファスシリコンを加工してゲート電極とする。
以後は通常の製造方法と同様にソース領域およびドレイ
ン領域を形成した後、Al配線の形成を行うことで素子
が完成する。
In manufacturing the embodiment of the present invention,
You can do the following: For example, on a SOI substrate such as a SIMOX substrate or a wafer bonded substrate, a lower silicon semiconductor layer, SiGe /
A Si multilayer film layer and an upper silicon semiconductor layer are epitaxially grown, a gate oxide film is formed by thermal oxidation after element isolation, then amorphous silicon doped with impurities is deposited, and the amorphous silicon is processed by photolithography and etching. Use as a gate electrode.
After that, after the source region and the drain region are formed in the same manner as in the usual manufacturing method, the Al wiring is formed to complete the device.

【0062】第3の実施の形態によるp型SiGeチャ
ネルMOSFETの動作原理について図9に示すエネル
ギーバンド図を用いて説明する。図9は、図8において
e−e′線で切断した時の深さ方向電位分布を示してお
り、図8(a)はゲート電圧VG =0Vのオフ状態,図
8(b)はゲート電圧|VG |>閾値電圧|VT |のオ
ン状態,図8(c)はさらにゲート電圧|VG |を高め
たオン状態である。
The operating principle of the p-type SiGe channel MOSFET according to the third embodiment will be described with reference to the energy band diagram shown in FIG. 9A and 9B show the potential distribution in the depth direction when cut along the line ee 'in FIG. 8, FIG. 8A shows an off state of the gate voltage V G = 0V, and FIG. 8B shows a gate. The voltage | V G |> the threshold voltage | V T | is in the ON state, and FIG. 8C shows the ON state in which the gate voltage | V G | is further increased.

【0063】図8において、140はゲート電極、14
1はゲート酸化膜、142はシリコン半導体層、143
はSiGe/Si多層膜層、144はシリコン半導体
層、145はシリコン酸化膜、146はシリコン基板で
ある。また、151,154,148は各々ゲート電極
140,半導体領域(シリコン半導体層142,SiG
e/Si多層膜層143,シリコン半導体層144),
シリコン基板146のフェルミ準位FE 、150,15
3,147は伝導体下端準位(伝導体の基底準位)E
C 、152,155,149は価電子帯上端準位(価電
子帯の基底準位)EV 、156は電位井戸、157はS
iGeチャネル、158はSiGeチャネル内の正孔、
159は表面Siチャネル、160は表面Siチャネル
159内の正孔である。
In FIG. 8, 140 is a gate electrode and 14
1 is a gate oxide film, 142 is a silicon semiconductor layer, 143
Is a SiGe / Si multilayer film layer, 144 is a silicon semiconductor layer, 145 is a silicon oxide film, and 146 is a silicon substrate. Further, 151, 154 and 148 are a gate electrode 140 and a semiconductor region (silicon semiconductor layer 142, SiG, respectively).
e / Si multilayer film layer 143, silicon semiconductor layer 144),
Fermi level F E of silicon substrate 146, 150, 15
3, 147 is the bottom level of the conductor (ground level of the conductor) E
C , 152, 155, and 149 are valence band top levels (ground level of valence band) E V , 156 is a potential well, and 157 is S
iGe channel, 158 are holes in the SiGe channel,
159 is a surface Si channel, and 160 is a hole in the surface Si channel 159.

【0064】このような構成において、SiGe/Si
多層膜層143のエネルギーギャップEg は、Siのエ
ネルギーギャップよりも小さく、また、両者のギャップ
差△Eg の大部分が価電子帯上端エネルギー準位差とな
って現れるため、図9(a)に示すように正孔158に
対する電子井戸156がSiGe/Si多層膜層143
内に形成される。ゲート電極140に負の電圧を印加す
ると、シリコン半導体層142の表面から空乏層が延
び、ゲート電圧がある閾値電圧VT を超えると、図9
(b)に示すようにSiGe/Si多層膜層143内に
正孔158が誘起され、SiGeチャネル157が形成
されてソースとドレインとの間がオン状態となる。
In such a structure, SiGe / Si
The energy gap E g of the multilayer film layer 143 is smaller than the energy gap of Si, and most of the gap difference ΔE g between the two appears as a valence band upper end energy level difference. ), The electron well 156 for the hole 158 has the SiGe / Si multilayer film layer 143.
Formed within. When a negative voltage is applied to the gate electrode 140, a depletion layer extends from the surface of the silicon semiconductor layer 142, and when the gate voltage exceeds a certain threshold voltage V T , FIG.
As shown in (b), holes 158 are induced in the SiGe / Si multilayer film layer 143, a SiGe channel 157 is formed, and the source and drain are turned on.

【0065】この状態では、まだMOSFETは低ドレ
イン電流領域にあるが、さらにゲートへの負電圧を大き
くしていくと、図9(c)にようにシリコン半導体層1
42の表面にも正孔160が誘起され、表面Siチャネ
ル159が形成される。しかし、本実施の形態では、図
1の第1の実施の形態の構造と異なり、シリコン酸化膜
145が存在するため、前述したようにシリコン半導体
層144の下端(シリコン酸化膜145との界面)電位
が図1の第1の実施の形態の構造での同一深さにおける
電位より低くなる。
In this state, the MOSFET is still in the low drain current region, but when the negative voltage to the gate is further increased, the silicon semiconductor layer 1 is formed as shown in FIG. 9C.
Holes 160 are also induced on the surface of 42 and a surface Si channel 159 is formed. However, in the present embodiment, unlike the structure of the first embodiment of FIG. 1, since the silicon oxide film 145 exists, the lower end of the silicon semiconductor layer 144 (interface with the silicon oxide film 145) as described above. The electric potential becomes lower than the electric potential at the same depth in the structure of the first embodiment of FIG.

【0066】この結果、SiGe/Si多層膜層143
の電位井戸156の電位も減少するため、表面Siチャ
ネル159中の正孔電荷量に対するSiゲートチャネル
157中の正孔電荷量の割合が図1の第1の実施の形態
の構造に比べて大きくなる。したがって、Si中より大
きな移動度を有するSiGe中の正孔の寄与が増加する
ため、図1の第1の実施の形態の構造に比べてより大き
なドレイン電流が得られる。
As a result, the SiGe / Si multilayer film layer 143 is formed.
Since the potential of the potential well 156 of the Si gate channel 157 also decreases, the ratio of the hole charge amount in the Si gate channel 157 to the hole charge amount in the surface Si channel 159 is larger than that in the structure of the first embodiment shown in FIG. Become. Therefore, the contribution of holes in SiGe, which has a higher mobility than that in Si, increases, so that a larger drain current can be obtained as compared with the structure of the first embodiment of FIG.

【0067】[0067]

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
SiGeチャネルをSiGe/Si多層膜層で構成する
ことにより、また、このSiGe/Si多層膜層下のシ
リコン半導体層直下にシリコン酸化膜を導入した構成に
することにより、表面シリコンチャネル中の電荷量に対
するSiGeチャネル中の電荷量の比を従来構造に比べ
て大幅に増加させることが可能となり、Si中に比べて
高移動度を有するSiGe中の正孔の寄与を大きくでき
るため、一層大きなドライバビリティを有するp型チャ
ネルMOSFETを実現することができるという極めて
優れた効果が得られる。
As described above, according to the present invention,
By forming the SiGe channel with a SiGe / Si multilayer film layer and by introducing a silicon oxide film directly below the silicon semiconductor layer below the SiGe / Si multilayer film layer, the charge amount in the surface silicon channel is increased. It is possible to significantly increase the ratio of the amount of charge in the SiGe channel to that of the conventional structure, and it is possible to increase the contribution of holes in SiGe, which has a higher mobility than that in Si, so that the drivability is further increased. It is possible to obtain an extremely excellent effect that a p-type channel MOSFET having the above can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明による第1の実施の形態のp型SiG
eチャネルMOSFETの構成を示す断面図である。
FIG. 1 is a p-type SiG according to a first embodiment of the present invention.
It is sectional drawing which shows the structure of an e-channel MOSFET.

【図2】 図1に示したp型SiGeチャネルMOSF
ETにおいてシリコンとゲルマニウムとの混晶半導体層
と、シリコン半導体層とを交互に隣接させて形成したS
iGeチャネルの構成を示す断面図である。
2 is a p-type SiGe channel MOSF shown in FIG.
S formed by alternately admixing a mixed crystal semiconductor layer of silicon and germanium and a silicon semiconductor layer in ET
It is sectional drawing which shows the structure of an iGe channel.

【図3】 本発明によるSiGe/Si多層膜層をチャ
ネルに用いたp型MOSFETのエネルギーバンド図を
従来のp型MOSFETのエネルギーバンド図と比較し
て示した図である。
FIG. 3 is a diagram showing an energy band diagram of a p-type MOSFET using a SiGe / Si multilayer film layer according to the present invention as a channel in comparison with an energy band diagram of a conventional p-type MOSFET.

【図4】 本発明によるSiGe/Si多層膜層をチャ
ネルに用いたp型MOSFETと従来のp型MOSFE
Tにおいて、ゲート電圧を印加したときのエネルギーバ
ンド図を示す図である。
FIG. 4 is a p-type MOSFET using a SiGe / Si multilayer film according to the present invention as a channel and a conventional p-type MOSFET.
It is a figure which shows the energy band diagram when a gate voltage is applied in T.

【図5】 表面SiチャネルとSiGeチャネルとの各
々の電荷量に対するゲート電圧依存性について、図1に
示す第1の実施の形態によるp型SiGeチャネルMO
SFETと図12に示す従来のp型SiGeチャネルM
OSFETとを比較して示す図である。
FIG. 5 shows the gate voltage dependence on the charge amount of each of the surface Si channel and the SiGe channel, and the p-type SiGe channel MO according to the first embodiment shown in FIG.
SFET and conventional p-type SiGe channel M shown in FIG.
It is a figure which compares and shows OSFET.

【図6】 本発明による第2の実施の形態のp型SiG
eチャネルMOSFETの構成を示す断面図である。
FIG. 6 is a p-type SiG according to a second embodiment of the present invention.
It is sectional drawing which shows the structure of an e-channel MOSFET.

【図7】 図6に示す本発明によるSiGe/Si多層
膜層をチャネルに用いたp型MOSFETのエネルギー
バンド図と、図1に示す本発明による第1の実施の形態
のSiGe/Si多層膜層をチャネルに用いたp型MO
SFETのエネルギーバンド図とを比較して示した図で
ある。
7 is an energy band diagram of a p-type MOSFET using a SiGe / Si multilayer film layer according to the present invention for a channel shown in FIG. 6 and the SiGe / Si multilayer film according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. P-type MO using a layer as a channel
It is the figure compared and shown with the energy band figure of SFET.

【図8】 本発明による第3の実施の形態のp型SiG
eチャネルMOSFETの構成を示す断面図である。
FIG. 8 is a p-type SiG according to a third embodiment of the present invention.
It is sectional drawing which shows the structure of an e-channel MOSFET.

【図9】 図8に示す本発明によるp型SiGeチャネ
ルMOSFETにおいて、ゲート電圧に対するエネルギ
ーバンドの変化を示した図である。
9 is a diagram showing a change in energy band with respect to a gate voltage in the p-type SiGe channel MOSFET according to the present invention shown in FIG.

【図10】 従来のp型SiチャネルMOSFETの構
成を示す断面図である。
FIG. 10 is a sectional view showing a configuration of a conventional p-type Si channel MOSFET.

【図11】 図10に示す従来のp型SiチャネルMO
SFETのエネルギーバンド図を示す図である。
FIG. 11 shows a conventional p-type Si channel MO shown in FIG.
It is a figure which shows the energy band figure of SFET.

【図12】 従来のp型SiGeチャネルMOSFET
の構成を示す断面図である。
FIG. 12 Conventional p-type SiGe channel MOSFET
3 is a cross-sectional view showing the configuration of FIG.

【図13】 図12に示す従来のp型SiGeチャネル
MOSFETにおいて、ゲート電圧に対する表面Siチ
ャネルとSiGeチャネルとに誘起される正孔を示すエ
ネルギーバンド図を示す図である。
13 is an energy band diagram showing holes induced in a surface Si channel and a SiGe channel with respect to a gate voltage in the conventional p-type SiGe channel MOSFET shown in FIG.

【図14】 図12に示した従来のp型SiGeチャネ
ルMOSFETにおいて、SiGe層のGe含有率が大
きくかつ層厚が薄い量子井戸構造を有している場合のエ
ネルギーバンド図を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing an energy band diagram in the case where the conventional p-type SiGe channel MOSFET shown in FIG. 12 has a quantum well structure in which the SiGe layer has a large Ge content and the layer thickness is thin.

【図15】 図12に示す従来のp型SiGeチャネル
MOSFETにおいて、表面SiチャネルとSiGeチ
ャネルとの各々の電荷量に対するゲート電圧依存性を示
す図である。
FIG. 15 is a diagram showing the gate voltage dependence of the charge amount of each of the surface Si channel and the SiGe channel in the conventional p-type SiGe channel MOSFET shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,16,27,50,73,101…n型シリコン基
板、2,17,51,102,131…ソース領域、
3,18,52,103,132…ドレイン領域、4,
19,23,53,104,133,140…ゲート電
極、5,20,24,54,70,105,110,1
34,141…ゲート酸化膜、6,15…チャネル、
7,29,151…ゲート電極内のフェルミ準位、8,
28,150…ゲート電極内の伝導帯下端準位、9,3
0,152…ゲート電極内の価電子帯上端準位、10…
n型シリコン基板内のフェルミ準位、11…n型シリコ
ン基板内の伝導帯下端準位、12…n型シリコン基板内
の価電子帯上端準位、13…エネルギー準位、14…チ
ャネル内の正孔、21,25,55,71,106,1
08,111,113,135,137,142,14
4…シリコン半導体層、22,26,72…SiGe
層、31,153…半導体領域の伝導帯下端準位、3
2,39,74,115,154…半導体領域のフェル
ミ準位、33,40,76…半導体領域の価電子帯上端
準位、34,118,156…電位井戸、35,44,
85,93,119,157…SiGeチャネル、3
6,43,87,121,158…SiGeチャネル内
の正孔、37,48,86,120,159…表面Si
チャネル、38,47,88,122,160…表面S
iチャネル内の正孔、41,75,81,89,94…
SiGe量子井戸内の基底準位、42…SiGe量子井
戸内の励起準位、45,84,90,92…Siポテン
シャル井戸内の基底準位、46…Siポテンシャル井戸
内の励起準位、56,107,112,136,143
…SiGe/Si多層膜層、57,77…SiGe第1
層、58…Si第2層、59,78…SiGe第2層、
60…Si第2層、61,79…SiGe第3層、62
…Si第n−1層、63,80…SiGe第n層、64
…SiGe膜厚LSG、65,82…Si膜厚LSI、8
3,91…SiGe多重量子井戸内のミニバンドの基底
準位、109,114…電位制御体、116…第1の実
施の形態の素子構造の価電子帯上端準位、117…第2
の実施の形態の素子構造の価電子帯上端準位、155…
第3の実施の形態の素子構造の価電子帯上端準位、13
8,145…シリコン酸化膜、130,146…シリコ
ン基板、147…シリコン基板内の伝導体下端準位、1
48…シリコン基板内のフェルミ準位、149…シリコ
ン基板内の価電子帯下端準位。
1, 16, 27, 50, 73, 101 ... N-type silicon substrate, 2, 17, 51, 102, 131 ... Source region,
3, 18, 52, 103, 132 ... Drain region, 4,
19, 23, 53, 104, 133, 140 ... Gate electrode, 5, 20, 24, 54, 70, 105, 110, 1
34, 141 ... Gate oxide film, 6, 15 ... Channel,
7, 29, 151 ... Fermi level in gate electrode, 8,
28,150 ... lower level of conduction band in gate electrode, 9,3
0, 152 ... Upper level of valence band in gate electrode, 10 ...
Fermi level in n-type silicon substrate, 11 ... conduction band bottom level in n-type silicon substrate, 12 ... valence band top level in n-type silicon substrate, 13 ... energy level, 14 ... in channel Holes 21, 25, 55, 71, 106, 1
08,111,113,135,137,142,14
4 ... Silicon semiconductor layer, 22, 26, 72 ... SiGe
Layers, 31, 153 ... Lower level of conduction band of semiconductor region, 3
2, 39, 74, 115, 154 ... Fermi level of semiconductor region, 33, 40, 76 ... Upper valence band level of semiconductor region, 34, 118, 156 ... Potential well, 35, 44,
85, 93, 119, 157 ... SiGe channel, 3
6, 43, 87, 121, 158 ... Holes in SiGe channel, 37, 48, 86, 120, 159 ... Surface Si
Channel, 38, 47, 88, 122, 160 ... Surface S
Holes in the i-channel, 41, 75, 81, 89, 94 ...
Ground level in SiGe quantum well, 42 ... excitation level in SiGe quantum well, 45, 84, 90, 92 ... ground level in Si potential well, 46 ... pump level in Si potential well, 56, 107, 112, 136, 143
... SiGe / Si multilayer film layer, 57, 77 ... SiGe first
Layer, 58 ... Si second layer, 59, 78 ... SiGe second layer,
60 ... Si second layer, 61, 79 ... SiGe third layer, 62
... Si n-1 layer, 63, 80 ... SiGe n layer 64
... SiGe film thickness L SG , 65, 82 ... Si film thickness L SI , 8
3, 91 ... Miniband ground level in SiGe multiple quantum well, 109, 114 ... Potential control body, 116 ... Valence band top level of the device structure of the first embodiment, 117 ... Second
Valence band top level of the device structure of the embodiment of 155 ...
Valence band top level of the device structure of the third embodiment, 13
8, 145 ... Silicon oxide film, 130, 146 ... Silicon substrate, 147 ... Conductor bottom level in silicon substrate, 1
48 ... Fermi level in silicon substrate, 149 ... Bottom valence band level in silicon substrate.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体領域内にソース領域,チャネル領
域およびドレイン領域を有し、前記チャネル領域上にゲ
ート絶縁膜を介してゲート電極を有する電界効果トラン
ジスタにおいて、 前記ゲート絶縁膜下のチャネル領域の半導体領域は、前
記ゲート絶縁膜直下から下方に向かって順に第1のシリ
コン半導体層と、シリコンとゲルマニウムとの混晶半導
体層とシリコン半導体層とが交互に隣接した多層膜層と
が形成され、正孔に対する電位井戸が前記多層膜層内に
形成され、この電界効果トランジスタの少なくとも動作
状態において、前記ゲート絶縁膜直下の第1のシリコン
半導体層の表面のポテンシャル井戸の基底準位に対する
前記多層膜層に形成される電位井戸の基底準位の電位差
を大きくしたことを特徴とする電界効果トランジスタ。
1. A field effect transistor having a source region, a channel region and a drain region in a semiconductor region, and having a gate electrode on the channel region via a gate insulating film, wherein the channel region below the gate insulating film is formed. In the semiconductor region, a first silicon semiconductor layer and a multilayer film layer in which a mixed crystal semiconductor layer of silicon and germanium and a silicon semiconductor layer are alternately adjacent to each other are formed in this order from directly below the gate insulating film to below, A potential well for holes is formed in the multilayer film layer, and in at least the operating state of the field-effect transistor, the multilayer film with respect to the ground level of the potential well on the surface of the first silicon semiconductor layer immediately below the gate insulating film. A field effect transistor characterized in that a potential difference of a ground level of a potential well formed in a layer is increased.
【請求項2】 半導体領域内にソース領域,チャネル領
域およびドレイン領域を有し、前記チャネル領域上にゲ
ート絶縁膜を介してゲート電極を有する電界効果トラン
ジスタにおいて、 前記ゲート絶縁膜直下から下方に向かって順に第1のシ
リコン半導体層と、シリコンとゲルマミウムとの混晶半
導体層とシリコン半導体層とが交互に隣接した多層膜層
と、第2のシリコン半導体層とが形成され、前記第2の
シリコン半導体層下に電位制御体を設けたことを特徴と
する電界効果トランジスタ。
2. A field effect transistor having a source region, a channel region and a drain region in a semiconductor region, and having a gate electrode on the channel region via a gate insulating film, wherein the field effect transistor extends downward from directly below the gate insulating film. A first silicon semiconductor layer, a multilayer film layer in which a mixed crystal semiconductor layer of silicon and germanium and a silicon semiconductor layer are alternately adjacent to each other, and a second silicon semiconductor layer, and the second silicon semiconductor layer is formed. A field-effect transistor characterized in that a potential control body is provided under a semiconductor layer.
【請求項3】 請求項2において、前記電位制御体とし
て前記第2のシリコン半導体層下に絶縁膜が配置され、
前記絶縁膜下には第3のシリコン半導体領域または導体
領域が配置され、前記絶縁膜膜の厚さと誘電率とを各々
1 とε1 とし、前記第1のシリコン半導体層,多層膜
層および第2のシリコン半導体層の3層からなる前記チ
ャネル領域の半導体領域の厚さをTS ,シリコンの誘電
率εSとし、この電界効果トランジスタの動作状態にお
いて、前記第2のシリコン半導体層下に前記絶縁膜がな
く、前記第2のシリコン半導体層の厚さを半無限と仮定
したときの前記第1のシリコン半導体層の表面から広が
る空乏層の厚さをWD としたときに T1 >(WD −TS )ε1 /εS となるように構成されたことを特徴とする電界効果トラ
ンジスタ。
3. The insulating film according to claim 2, wherein an insulating film is arranged below the second silicon semiconductor layer as the potential control body.
A third silicon semiconductor region or a conductor region is disposed under the insulating film, and the thickness and the dielectric constant of the insulating film are T 1 and ε 1 , respectively, and the first silicon semiconductor layer, the multilayer film layer, and The thickness of the semiconductor region of the channel region formed of three layers of the second silicon semiconductor layer is T S , and the dielectric constant of silicon is ε S. Under the second silicon semiconductor layer in the operating state of this field effect transistor, When the thickness of the depletion layer spreading from the surface of the first silicon semiconductor layer is W D when the thickness of the second silicon semiconductor layer is assumed to be semi-infinite without the insulating film, T 1 > (W D -T S) field effect transistor, characterized in that it is configured to be ε 1 / ε S.
JP26170295A 1995-10-09 1995-10-09 Field-effect transistor Pending JPH09107095A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP26170295A JPH09107095A (en) 1995-10-09 1995-10-09 Field-effect transistor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP26170295A JPH09107095A (en) 1995-10-09 1995-10-09 Field-effect transistor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH09107095A true JPH09107095A (en) 1997-04-22

Family

ID=17365532

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP26170295A Pending JPH09107095A (en) 1995-10-09 1995-10-09 Field-effect transistor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH09107095A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100426956B1 (en) * 2001-07-23 2004-04-17 한국과학기술원 Formation method for oxidation film of SiGe epitaxial layer
KR100516673B1 (en) * 2000-12-11 2005-09-22 주식회사 하이닉스반도체 A method for manufacturing a semiconductor device
US9318573B2 (en) 2007-05-03 2016-04-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Field effect transistor having germanium nanorod and method of manufacturing the same

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100516673B1 (en) * 2000-12-11 2005-09-22 주식회사 하이닉스반도체 A method for manufacturing a semiconductor device
KR100426956B1 (en) * 2001-07-23 2004-04-17 한국과학기술원 Formation method for oxidation film of SiGe epitaxial layer
US9318573B2 (en) 2007-05-03 2016-04-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Field effect transistor having germanium nanorod and method of manufacturing the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100817949B1 (en) Nonplanar device with stress incorporation layer and method of fabrication
JP3443343B2 (en) Semiconductor device
KR100697141B1 (en) A semiconductor device and manufacturing method thereof
US5834793A (en) Semiconductor devices
US20050093154A1 (en) Multiple gate semiconductor device and method for forming same
US6916727B2 (en) Enhancement of P-type metal-oxide-semiconductor field effect transistors
CN101719499B (en) Composite material accumulation mode all-around-gate CMOS field effect cylindrical transistor
JPWO2006011369A1 (en) Substrate for field effect transistor, field effect transistor, and method for manufacturing the same
US20030052334A1 (en) Structure and method for a high-speed semiconductor device
JP2002057329A (en) Vertical field-effect transistor and its manufacturing method
JP2008028263A (en) Semiconductor device
CN112640132A (en) Diode with a high-voltage source
JP3372110B2 (en) Semiconductor device
US8039892B2 (en) Semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device
JPH09107095A (en) Field-effect transistor
JPH06314790A (en) Semiconductor device and manufacture thereof
JP2003303971A (en) Semiconductor substrate and semiconductor device
US7372106B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
JP3789179B2 (en) Quantization functional element, quantization functional device using the same, and manufacturing method thereof
JPS6020582A (en) Mis transistor and manufacture thereof
CN116632006A (en) Longitudinally stacked grid self-aligned inverter integrated circuit structure
JPH05235334A (en) Field-effect transistor
CN117374082A (en) Short channel planar CMOS integrated circuit structure based on SOI technology
CN116705796A (en) Longitudinally stacked grid self-aligned HVTFET integrated circuit structure
JP4763555B2 (en) Semiconductor device