JP2006522474A - 分離層を備える半導体デバイス - Google Patents
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Abstract
本発明は、半導体本体（１）内に配置された半導体デバイスであって、それぞれ第１導電型である少なくとも１つのソース領域（４）および少なくとも１つのドレイン領域（５）と、ソース領域（４）とドレイン領域（５）との間に配置された第２の導電型の少なくとも１つの本体領域（８）と、分離層（９）によって半導体本体（１）に対して分離されている少なくとも１つのゲート電極（１０）とを備えるデバイスに関する。前記分離層（９）は、それぞれナノ粒子の分離したコアおよび分極可能な陰イオンまたは分極可能な陽イオンのシースからなる分極可能な粒子を含む。分離層（９）は、高い誘電率εを示す。
Description
本発明は、半導体本体中に配置された半導体デバイスであって、それぞれ第１の導電型である少なくとも１つのソース領域および少なくとも１つのドレイン領域と、ソース領域とドレイン領域との間に配置された第２の導電型の少なくとも１つの本体領域と、分離層によって半導体本体に対して分離されている少なくとも１つのゲート電極とを備える半導体デバイスに関する。
トランジスタ機能をもつデバイスは、多くの実施形態において知られている。これらの実施形態の１つは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と呼ばれている種類のトランジスタである。電界効果トランジスタの場合、制御電極（ゲート電極）に電圧を加えることによってソース領域およびドレイン領域に接触する電気的チャネル内の荷電担体密度を変化させる。この制御電極は、ブロックｐｎ接合（ジャンクションＦＥＴ）により、あるいは分離層（一般的にはＳｉＯ２または金属酸化物）により（ＭＯＳＦＥＴ）チャネルから分離することができる。ＭＯＳＦＥＴの場合、導電チャネルは、負のゲート電圧を増大させていくときゲート電極下に生じる誘導によって生成される。
電子デバイスの開発は、特に小型化の傾向によって特徴付けられる。電界効果トランジスタの小型化に関しては、分離層（ゲート酸化物）の層厚もそれに比例して縮小されている。しかし、層厚さがあまり薄いと、リーク電流が急激に増大し、そのためデバイスの機能に悪い影響を及ぼす。しかし、現在、通常、分離層に使用される材料の分極率は、十分に大きくはないので厚い分離層を使用することができない。
したがって、本発明の目的は、分極率が大きな材料を含む分離層を持つ改良された半導体デバイスを提供することにある。
この目的は、半導体本体内に配置された電子デバイスであって、それぞれ第１の導電型である少なくとも１つのソース領域および少なくとも１つのドレイン領域と、ソース領域とドレイン領域との間に配置された第２の導電型の少なくとも１つの本体領域と、分離層によって半導体本体に対して分離されている少なくとも１つのゲート電極とを備え、前記分離層は、それぞれナノ粒子コアを有しコアの表面が分極可能なイオンで改変された分極可能な粒子を含むデバイスによって達成される。
分極可能なイオンでナノ粒子表面を改変すると、全体的に前記ナノ粒子の分極率が大きくなる。この分極可能な粒子の分離層は、より高い誘電率を示す。分離層のこのより高い誘電率によって、半導体デバイス、特に電界効果トランジスタは、半導体デバイスの小型化の場合に、全体的に分離層の層厚が少しも縮小できないか、または半導体デバイスの全体の小型化に比べてわずかしか縮小できないが、本体領域との境界に誘起される電荷密度を低減させずに作製することができる。これらの半導体デバイスは、低いゲート電圧で動作させることできる。
請求項２に記載の有利に選択されるイオンは、容易に変形可能な拡散電子シースを有する、大きく、大部分が多価の陰イオンである。
請求項３に記載の有利に選択されるイオンは、容易に変形可能な拡散電子シースを有する陽イオンである。
請求項４および５に記載の有利に選択された材料は、部分的に高い誘電率ε＞２０を持つ分離材料である。
本発明の上記その他の特徴は、以下に説明する実施形態を参照すると明らかであり、また明らかになるであろう。
図１は、ＭＯＳＦＥＴの構造を概略図で示す。たとえば、シリコン、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮ、またはＩｎＰの半導体本体１は、第１面２（スライスの表面側）と第２面３（スライスの裏面側）を備える。第１面２内には、高濃度にドープされたｎ層ソース領域４と、それから離れて高濃度にドープされたｎ層ドレイン領域５が配置されている。したがって、本実施形態のＭＯＳＦＥＴでは、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であり、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴが得られる。基本的にｎおよびｐドープは逆にすることが可能であり、その場合はｐチャネルＭＯＳＦＥＴが得られる。ｐ導電性領域のためのドープ原子として、たとえばホウ素が使用され、ｎ導電性領域のためのドープ原子として、たとえばリン、ヒ素、またはアンチモンが使用される。ソース領域４は、ソースメタライゼーション６（ソース電極）を介して導電的に接触され、ドレイン領域５は、ドレインメタライゼーション７（ドレイン電極）を介して導電的に接触される。ソース領域４とドレイン領域５との間には、ｐ導電性本体領域８が配置されている。本体領域８の一部分が第１面２に達する領域に、分離層９によって半導体本体１と分離されたゲート電極１０（制御電極）が配置されている。ゲート接続Ｇ、ソース接続Ｓ、およびドレイン接続Ｄにそれぞれ接続された、ゲート電極１０、ソース電極６およびドレイン電極７が、第１面２と離れて配置され、パッシベーション層たとえばフィールド酸化膜（図１に図示せず）によって外部と分離されている。ゲート電極１０、ソース電極６およびドレイン電極７は、たとえば、以下の材料を含むことができる。すなわちＡｌ、Ａｕ−Ｓｂ、Ｎｉ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｎｉ−Ｇｅ、Ｎｉ−Ａｇ−Ｇｅ、Ｎｉ−Ｐｄ−Ｇｅ、Ｎｉ−Ｐｔ−Ｇｅ、Ｎｉ−Ｉｎ−Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｌ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｔｉ−Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ−Ａｕ、またはＰｄ−Ａｕである。個々の場合に、材料の選択は、取分け、使用される半導体材料およびそのドープ型に依存する。
電圧を印加しないか、負の電圧をゲート電極１０に印加する場合、この構成では、どちらの極性に対しても２つのｐｎ接合の１つが常に逆バイアスされるので、ソース領域４からドレイン領域５への電流の流れがブロックされる。正の電圧をゲート電極１０に印加する場合、誘導により、負電荷の担体が分離層９との境界の本体領域８内に蓄積されるようになり、薄いｎ導電性チャネルが形成される。この層は、また導電型がｐからｎに変わるので反転層とも呼ばれる。その結果、ソース領域４とドレイン領域５の間の電流の流れが可能になる。
分離層は、それぞれがナノ粒子コアを含み、コアの表面が分極可能なイオンで改変された分極可能な粒子を含む。前記ナノ粒子コアは、好ましくは分離した金属酸化物を含む。前記ナノ粒子コアは、たとえばＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、およびＢａＴｉＯ３からなる群から選択された材料を含む。特に、このナノ粒子コアは、高い誘電率εを有するのでＺｒＯ２、ＨｆＯ２を含むことが好ましい。
ナノ粒子コアの粒径は、好ましくは２５０ｎｍ以下である。特に、粒径が、１００ｎｍ以下であることが好ましい。分離層９は、ほぼ等しい粒径のナノ粒子コアを含むことができる。あるいは、分離層９は、全く異なる粒径のナノ粒子コアを含むこともできる。後者の場合、分離層９内で高い充填密度が達成され、分離特性の良い分離層９が得られる。
分極可能イオンは、陰イオンまたは陽イオンでよい。
分極可能な陰イオンは、容易に変形可能な拡散電子シースを有する、大きく、大部分が多価の陰イオンである。特に、高い電荷密度を有する陰イオンが適している。この分極可能な陰イオンは、好ましくは、ＮＯ３ −、ＳＯ４ ２−、ＣｌＯ４ −、Ｉ−、ＳＣＮ−、Ｓ２Ｏ３ ２−、ＢｒＯ３ −、ＣｌＯ３ −、Ｐ２Ｏ７ ２−、Ｓｉ２Ｏ７ ２−、ＳｉＯ４ −、およびＢＯ３ −からなる群から選択される。特に、この分極可能な陰イオンは、たとえばＰ２Ｏ７ ２−、Ｓｉ２Ｏ７ ２−、ＳｉＯ４ −、ＢＯ３ −など多価の酸化物クラスターであることが好ましい。
分極可能な陽イオンは、たとえば、（Ｃ６Ｈ５）Ｃ＋または（ＣＨ３）３Ｃ＋である。特に、芳香族置換基を有する陽イオンが適している。この陽イオンは、ナノ粒子の表面にあるイオンを介してナノ粒子と配位結合する。
図２は、ナノ粒子コアの表面に分極可能なチオ硫酸陰イオンを有するＺｒＯ２のナノ粒子コアからなる分極可能な粒子を概略図で示す。
ナノ粒子コアを含みその表面に陰イオンを含む分極可能な粒子を有する分離層９は、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋、またはＨ３Ｏ＋などの小さく、硬い陽イオンをさらに含むことができる。これらの小さな陽イオンは、陰イオンの拡散電子シースの非常に強い変形をもたらす。
分極可能な粒子を作製するために、まずナノ粒子の金属酸化物を含むコアが作製される。量子ドットと呼ばれるナノ粒子複合半導体の作製に使用される合成方法を用いて、前記ナノ粒子コアを作製することができる。次いで、ヘキサデシルアミン（ＨＡＤ）、トリオクチルホスフィンオキサイド（ＴＯＰＯ）トリオクチルホスフィン（ＴＯＰ）などの配位溶媒中で、たとえば有機金属前駆体の熱分解によって高温で、ナノ粒子の金属酸化物を含むコアを作製することができる。ナノ粒子コアの粒径は配位溶媒によって制御される。
あるいは、ナノ粒子コアは、ゾルゲル法やミクロエマルジョン法など他の方法で作製することもできる。適切な合成方法の選択は、ナノ粒子コアの材料によって決まる。
続いて、安定化リガンドを、たとえば分極可能な陰イオンで置き換える。この目的のために、ナノ粒子コアを、それを溶解しない溶媒中に導入する。次いで、析出したナノ粒子コアを、それを溶解する溶媒中、たとえば水、アルコールまたは水とアルコールとの混合液中に導入する。しかし、前記溶媒は、高濃度に分極可能な陰イオンをも含む。ナノ粒子コアと分極可能な陰イオンとの間の高い親和力によって、安定化リガンドが、分極可能な陰イオンで置き換えられる。分極可能な粒子を含む懸濁液が、得られる。
あるいは、分極可能な陰イオンの存在下で金属酸化物を含むナノ粒子コアを直接合成することによって、分極可能な粒子を作製することもできる。たとえば、Ｂａ２ ＋などの適切な金属の付加またはｐＨ値の設定、あるいはその両方により、分極可能な粒子を溶液から析出させることができる。
表面に陽イオンを有する分極可能な粒子を作製するために、（Ｃ６Ｈ５）３ＣＣｌや（ＣＨ３）３ＣＣｌなど適切な前駆体が、酸、たとえばＢＦ３などのルイス酸を使用することによって対応する陽イオンに変換される。次いで、これらの陽イオンが、ナノ粒子の表面において配位結合する。金属酸化物を含むコアの場合、たとえば、コアの表面に在る酸素原子を介して配位結合が起こる。
分離層９を作製するためには、分極可能な粒子を有する懸濁液を、遠心処理または電気泳動被着によって、本体領域８の適切な領域に塗布する。続いて、たとえばＭＮＯ３、Ｍ２ＣＯ３またはＭＨＣＯ３（但しＭ＝Ｌｉ＋、Ｎａ＋、またはＫ＋である）を含む希釈した酸また塩の溶液を加えることにより、分離層９内に、小さな硬い陽イオンを導入することができる。乾燥後、緻密な分離層９が得られる。
本発明に従って半導体デバイスを作製するために、まず、ホウ素ドープしたシリコンの半導体本体１内へのリンのイオン注入によって、ｎ導電性ソース領域４およびｎ導電性ドレイン領域５を形成する。続いて、リソグラフィ法によって、０．５重量％のＣｕをドープしたＡｌのソース電極６およびドレイン電極７を設ける。分離層９を、電気泳動被着および乾燥によって２つの電極４，５の間に設ける。分離層９は、ほぼ１００ｎｍの粒径を有しかつ表面にＢＯ３ −の陰イオンを有するＺｒＯ２を含むナノ粒子コアの分極可能な粒子を含む。次に、分離層９上にＡ１のゲート電極１０を設ける。
慣用の半導体デバイスと比べて、この分離層９は、より厚い層厚を有するように実施することができ、したがって、本発明による半導体デバイスはより低いリーク電流を示す。慣用の半導体デバイスに使用されている層厚と同じ層厚を使用した場合、本発明による半導体デバイスは、より低いゲート電圧で動作することができる。
Claims (5)
- 半導体本体内に配置された半導体デバイスであって、
それぞれ第１導電型である少なくとも１つのソース領域および少なくとも１つのドレイン領域と、
ソース領域とドレイン領域との間に配置された第２の導電型の少なくとも１つの本体領域と、
分離層によって半導体本体に対して分離されている少なくとも１つのゲート電極とを備え、
前記分離層が、それぞれナノ粒子コアを有しコアの表面が分離可能なイオンで改変された分極可能な粒子を含んでいるデバイス。 - 前記分極可能なイオンが、ＮＯ３ −、ＳＯ４ ２−、ＣｌＯ４ −、Ｉ−、ＳＣＮ−、Ｓ２Ｏ３ ２−、ＢｒＯ３ −、ＣｌＯ３ −、Ｐ２Ｏ７ ２−、Ｓｉ２Ｏ７ ２−、ＳｉＯ４ −、およびＢＯ３ −からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の半導体デバイス。
- 前記分極可能なイオンが、（Ｃ６Ｈ５）３Ｃ＋および（ＣＨ３）３Ｃ＋からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の半導体デバイス。
- 前記ナノ粒子コアが、金属酸化物を含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体デバイス。
- 前記ナノ粒子コアが、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、およびＢａＴｉＯ３からなる群から選択された材料を含むことを特徴とする、請求項４に記載の半導体デバイス。
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