JP2008508717A - 相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造 - Google Patents

相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造 Download PDF

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Abstract

相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造(100)はイオン注入領域(126,128)を2つの相補型素子の内の一方のみに含む。トランジスタ構造(100)は通常、化合物半導体基板(102)と、そしてエピタキシャル層構造(104)と、を含み、エピタキシャル層構造は、エピタキシャル層構造の導電型を決定する一つ以上のドナー層を含む。イオン注入領域は、これらの相補型素子の内の一方に位置するエピタキシャル層構造(104)の導電型を「反転する」または「逆にする」ように作用する。例示として実施形態では、p型アクセプターをドープしたイオン注入領域がpチャネル素子(122)において使用され、nチャネル素子(120)はイオン注入されない状態のままである。

Description

本発明は概して半導体素子に関し、特に相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタに関する。
従来技術には非常に多くの種々の相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)技術がある。例えば、化合物半導体に設けられるエンハンスメント型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ(EMOSFET)では、約4.6eVの金属仕事関数を有する標準の高融点金属ゲート、及びアンドープチャネルを使用してエンハンスメントモード動作(正の閾値電圧及び負の閾値電圧がnチャネル素子及びpチャネル素子にそれぞれ設定される)を行ない、そして自己整合ゲート方式でイオン注入を行なって、低抵抗のソースエクステンション及びドレインエクステンション、及びオーミックコンタクト領域を形成することができる。しかしながらこれまで、pチャネルEMOSFETしか化合物半導体GaAsに形成することができなかった。nチャネルEMOSFETをGaAsに形成する場合、イオン注入ドナーを活性化するための700℃を超える活性化温度は、Ga−GaAs境界の安定化にとって許容されない温度であり、使用することができない。Ga−GaAs境界は700℃以下の温度でのみ維持することができ、この境界は、イオン注入ドナーを活性化するためのアニールの間に700℃を超える温度により完全に破壊される。
先行技術は化合物EMOSFET技術も含み、この技術では、約4.3〜4.6eVの金属仕事関数を有する標準の金属ゲート、エンハンスメントモード動作(例えば、正の閾値電圧がnチャネル素子に設定される)を可能にするためにイオン注入により逆導電型になるように不純物が注入されるチャネル、及び低抵抗のソースエクステンション及びドレインエクステンション、及びオーミックコンタクト領域を形成するためのイオン注入を使用する。n型イオン注入領域はゲート酸化膜成長の前にアニールされるので、酸化膜−GaAs境界は、注入イオンの活性化を行なっている間の高温の影響を受けることがない。
しかしながら、次のゲート酸化膜成長を露出半導体表面において行なう必要があり、これによって欠陥が酸化膜−半導体境界に高い密度で生じる。欠陥密度が高いことによって、目標性能の約1%の性能を示す素子しか形成することができず、素子をほとんど使用することができなくなる。
従って、ゲート酸化技術を適用することができる高性能の相補型半導体FET技術を提供することが望ましい。
一の実用的実施形態によれば、相補型金属−酸化膜−半導体FET構造はイオン注入を一タイプの素子(nチャネル素子またはpチャネル素子のいずれか)にのみ使用する。この構造を使用して、100オーム/□以下のシート抵抗が特定の使用温度範囲内で得られ、これによって、特にゲート長が短い高性能素子が実現する。
本発明の或る態様は、相補型金属−酸化膜−化合物半導体電界効果トランジスタ構造を用いることによって一の形態として実現し、この構造は、化合物半導体基板と、基板上に形成されるnチャネル素子と、基板上に形成されるpチャネル素子と、そしてこれらの素子の内の一方にのみ位置するイオン注入領域と、を有する。
更に、本発明の他の所望の機能及び特徴は、次の詳細な説明及び添付の請求項から、添付の図及び前出の技術分野及び背景技術を参照することにより明らかになると思われる。
以下の詳細な説明は本質的に単なる例示として行なわれるのであり、本発明または本発明の適用形態及び使用を制限するために行なわれるのではない。更に、本発明は、前出の技術分野、背景技術、要約、または以下の詳細な説明において提示されるいずれの明示的な、または暗示的な理論によっても制限されるものではない。
図1は、本発明の例示としての実施形態に従って構成される相補型金属−酸化膜−化合物半導体電界効果トランジスタ構造100の断面図である。トランジスタ構造100は通常、半導体基板102と、半導体基板102上に形成されるエピタキシャル層構造104と、ゲート酸化膜層106と、オーミックコンタクト(参照番号108,110,112,及び114によって示される)と、そしてゲート電極(参照番号116及び118によって示される)と、を含む。本発明の一の実施形態では、半導体基板102は化合物半導体基板である。トランジスタ構造100は2つの相補型素子、すなわち半導体基板102上に形成されるnチャネル素子120、及び半導体基板102上に形成されるpチャネル素子122を含む。素子分離は公知の方法を使用して、例えば酸素イオン注入領域124によって行なわれる。トランジスタ構造100は、イオン注入領域を2つの素子の内の一方の素子にのみ用いる、すなわちnチャネル素子120またはpチャネル素子122のいずれかに用い、両方の素子に用いることはない。図示の実施形態では、注入イオン領域(参照番号126及び128によって示される)はpチャネル素子122に位置するが、nチャネル素子120はイオン注入が行なわれない状態のままである。
更に詳細には、半導体基板102はGaAsのようなIII−V族化合物材料により形成される。III−V族材料を半導体装置の形成に使用する手法は公知であるので、このような材料の特性及び特徴の詳細についてはここでは説明しない。エピタキシャル層構造104は1層ずつ化合物半導体基板102の上に成長させて化合物半導体ウェハ構造を形成し、このウェハ構造に素子が配置される。図示の実施形態では、エピタキシャル層構造104は化合物半導体基板102上に形成されるバッファ層130と、バッファ層130上に形成されるチャネル層132と、そしてチャネル層132上に形成されるスペーサ層134と、を含む。実用的実施形態では、ゲート酸化膜層106はスペーサ層134上に成長させ、そしてGaのようないずれかの適切な材料により、従来の方法を使用して形成することができる。ゲート酸化膜層106の上側表面はウェハ構造の上側表面である。通常のエピタキシャル層構造104を図1に示すが、実際には別の構造を用いることができる。
エピタキシャル層構造104の個々の層の各々は公知の技術及びプロセスを使用してエピタキシャル成長させる。この点に関して、バッファ層130(GaAsのようないずれかの適切なIII−V族材料により形成することができる)は化合物半導体基板102上にエピタキシャル成長させ、チャネル層132(InGa1−xAsのようないずれかの適切なIII−V族材料により形成することができる)はバッファ層130上にエピタキシャル成長させ、そしてスペーサ134(AlGa1−xAsのようないずれかの適切なIII−V族材料により形成することができる)はチャネル層132上にエピタキシャル成長させる。各層の厚さは、所望の素子特性に従って選択されるので、適用形態ごとに変えることができる。
トランジスタ構造100はまた、エピタキシャル層構造104内に形成される少なくとも一つのドーパント層を含む。ドーパント層はドナー原子(n型導電性を示す)またはアクセプター原子(p型導電性を示す)のいずれかを含むことができる。ドナー原子は化合物半導体を用いる実施形態に好適である。図1はバッファ層130内に形成される第1ドナー層136、及びスペーサ134内に形成される第2ドナー層138を示している。実際には、ドナー層はチャネル層132の上方、下方、そして/または内部に設けることができる(通常の素子には1つ、または2つのドナー層が使用され、かつドナー層がチャネル層132の内部に設けられる構造は稀である)。各ドナー層136/138は、化合物半導体基板102上に成長させるシリコン単分子層である。簡単に説明すると、バッファ層130の一部分を成長させ、ドナー層136を第1部分上に成長させ、次にバッファ層130の別の部分をドナー層136上に成長させる。同様の方法を使用してスペーサ層134及びドナー層138を成長させる。少なくとも一つのドナー層によってエピタキシャル層構造104の元来の導電型が決定される。例示としての実施形態では、ドナー層136/138によってエピタキシャル層構造104の導電型がn型に決定される。
上に述べたように、イオン注入領域126/128は2つの相補型素子の内の一方にのみ形成される。例示としての実施形態では、イオン注入領域126/128は、pチャネル素子122に位置し、かつp型アクセプターをドープしたイオン注入領域として形成され、nチャネル素子はイオン注入が行なわれない状態のままである。別の実施形態(図示せず)では、層136/138にアクセプター原子を使用し、更にnチャネル素子に位置し、かつドナーをドープしたイオン注入領域を使用することができ、pチャネル素子はイオン注入が行なわれない状態のままである。イオン注入領域126/128は、エピタキシャル層構造104の本来の導電型を「反転する」または「逆にする」ように作用する。例えば、アクセプターをドープしたイオン注入領域の場合、この導電型反転は、イオン注入領域126/128のアクセプター原子がイオン化することによる正孔濃度が、ドナー層136/138によって形成されるドナー原子がイオン化することによる電子濃度を上回ることにより生じる。この例では、イオン注入領域126/128は、エピタキシャル層構造104のn型の導電型を反転してpチャネル素子122を形成するように作用する。図1に示すように、イオン注入領域126/128は該当するオーミックコンタクト112/114の下にだけでなく、ソースエクステンション及びドレインエクステンションの内部にも位置することが好ましく、そしてチャネルイオン注入は行なう必要がない。別の実施形態では、チャネルイオン注入は、素子の閾値電圧を調整する手段として行なうことができる。
ゲート電極116/118はゲート酸化膜層106上に形成されて、素子のゲートとの電気的接続を可能にするゲートコンタクトとなる。好適な実施形態では、ゲート電極116は大きな仕事関数を有する金属材料により形成される。大きな仕事関数を有するゲート電極116に適する材料として、これらには制限されないが、白金及びイリジウムを挙げることができる。オーミックコンタクト108/110/112/114も化合物半導体ウェハ構造の上側表面の上に堆積することにより素子の適切なソースコンタクト及びドレインコンタクトとなる。実用的な例として、トランジスタ構造100がインバータ回路を表わす場合、オーミックコンタクト108はn型素子120のソースコンタクトとなり、オーミックコンタクト110はn型素子120のドレインコンタクトとなり、オーミックコンタクト112はp型素子122のソースコンタクトとなり、そしてオーミックコンタクト114はp型素子122のドレインコンタクトとなる。オーミックコンタクト108/110/112/114に適する材料は先行技術において公知である。
或る実用的実施形態では、nチャネル素子120の閾値電圧は正であり、そしてこの閾値電圧は、エピタキシャル層構造104を適切な構造とすることにより、そしてゲート電極116に適する材料(特定の仕事関数を有する)を選択することにより調整することができる。p型素子122の閾値電圧は負であり、そしてこの閾値電圧は、ゲート電極118に適する材料を選択することにより調整することができる。一の実用的実施形態によれば、nチャネル素子120の閾値電圧が0.3ボルトに調整される場合、pチャネル素子122の閾値電圧は、両方の素子に同じゲート金属を使用する場合に0.3ボルトからチャネル層132のバンドギャップを減算した値に近似する値になる。トランジスタ構造100が1.2eVのバンドギャップを有するIn0.2Ga0.8Asから成るチャネル層132を使用する場合、−0.9ボルトの閾値電圧がpチャネル素子122に関して得られる。pチャネル素子122に対する更に別の閾値電圧調整方法が、図2に関連して以下に説明する本発明の別の実施形態において開示される。
トランジスタ構造100は幾つかの利点を有し、これらの利点は従来の素子構造を参照しながら最も明瞭に説明することができる。或る従来構造は、化合物半導体を用い、かつエンハンスモードで動作する金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタを含み、このトランジスタは、nチャネル素子及びpチャネル素子の両方に関して約4.6eVの金属仕事関数を有する標準の高融点金属ゲートと、nチャネル素子に正の閾値電圧、及びpチャネル素子に負の閾値電圧を実現するアンドープチャネルと、そしてpチャネル素子及びnチャネル素子の両方に関する低抵抗ソース及びドレインエクステンションを形成するための自己整合ゲート方式によるイオン注入と、を使用する。トランジスタ構造100がこのような構造よりも優れている利点は次のようである。nチャネル素子120においてn型イオン注入領域の代わりにエピタキシャルドナー層136/138を用いることにより熱処理回数が減り、かつ高機能nチャネルMOSFETの形成が可能になり、従って高機能相補型デバイス技術による製造が可能になる。本発明に従って構成される素子の最高処理温度は、pチャネル素子122に位置するp型イオン注入領域126/128に必要な活性化温度によって決定される。マグネシウム(Mg)のようなアクセプター不純物をドープしたイオン注入領域では、600℃という低いアニール温度で、pチャネル素子122の接続領域に必要なシート抵抗より小さい抵抗に相当する、最大1014cm−2以上のシートキャリア濃度が実現する。従って、最高処理温度は、Ga−GaAs境界の安定性の維持が可能な最高温度よりも100℃も下回る。
イオン注入領域126/128のアクセプターを活性化させると、発生した正電荷が、pチャネル素子122の接続領域におけるドナー層136/138によって生成される負電荷を相殺してなお余る。更に、イオン注入がnチャネル素子120に対して行なわれないことにより、高モル比のAlをAlGa1−xAsスペーサ層134に使用することができ、このスペーサ層は、DXセンター(これらのセンターは通常、x>0.2とする場合のn型AlGa1−xAsに生じる)が無いことによりゲート酸化膜層106とチャネル層132との間に挿入することができる。高モル比のAlGa1−xAsをスペーサ層134に使用することにより利点が得られる、というのは、このスペーサ層によって、酸化膜−エピタキシャル層境界に近接するゲート酸化膜層106に位置する界面トラップによる影響が低減されるからである。高モル比のAlGa1−xAsをスペーサ層134に使用することにより更に別の利点が得られる、というのは、このスペーサ層は、電子及び正孔をnチャネル素子120及びpチャネル素子122のそれぞれに、より確実に閉じ込めることができるからである。別の利点は、浅いエピタキシャルドナー層136/138を使用することによって高アスペクト比が得られることであり、これによってトランジスタ構造100がディープサブミクロン技術に適する構造となる。
図2は、本発明の例示としての実施形態に従って構成される金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造200の簡易断面図である。トランジスタ構造200の多数の特徴及び機能はトランジスタ構造100と同じ、同様、または等価であるので、トランジスタ構造100についての上の記述の一部分がトランジスタ構造200にも当てはまる。トランジスタ構造200は通常、化合物半導体基板202と、化合物半導体基板202上に形成されるエピタキシャル層構造204と、ゲート酸化膜層206と、オーミックコンタクト(参照番号208及び210によって示される)と、そしてゲート電極212と、を含む。一の実施形態では、トランジスタ構造200は化合物半導体基板202上に形成されるpチャネル素子214を含み、そしてpチャネル素子214に位置するイオン注入領域を利用する。
化合物半導体基板202はGaAsのようなIII−V族材料により形成され、そしてエピタキシャル層構造204は化合物半導体基板202上に形成されるバッファ層216と、バッファ層216上に形成されるチャネル層218と、そしてチャネル層218上に形成されるスペーサ層220と、を含む。トランジスタ構造200はまた、エピタキシャル層構造204内に形成される少なくとも一つのドナー層を含む。図2は、バッファ層216内に形成される第1ドナー層222と、そしてスペーサ層220内に形成される第2ドナー層224と、を示している。上に記載したように、ドナー層(群)はエピタキシャル層構造204の元来の導電型を決定する、例えば導電型をn型とするように作用し、そしてイオン注入領域によってこの導電型を反転させる、または逆にする。この点に関して、トランジスタ構造200は図2に示すように、イオン注入領域226を用いる。
例示としての実施形態では、イオン注入領域226は、pチャネル素子214に位置し、かつp型アクセプターをドープしたイオン注入領域として形成される。イオン注入領域226はエピタキシャル層構造204の元来の導電型を「反転させる」、または「逆にする」ように作用する。この導電型反転は、イオン注入領域のアクセプター原子がイオン化することによる正孔濃度が、ドナー層のドナー原子がイオン化することによる電子濃度を上回ることにより生じる。この例では、イオン注入領域226は、エピタキシャル層構造204の導電型を反転してp チャネル素子214を形成するように作用する。図2に示すように、イオン注入領域226は該当するオーミックコンタクト208/210の下に、かつソースエクステンション及びドレインエクステンションの内部に位置することが好ましい。更に、トランジスタ構造200は、閾値電圧調整に使用されるチャネルイオン注入領域228を含む。
トランジスタ構造100に関連して上に記載したように、pチャネル素子214の閾値電圧はゲート電極212の材料の仕事関数によって調整することができる。更に、pチャネル素子214の閾値電圧はゲート電極212を設けるためのリセスの深さ、及びアクセプターをイオン注入したチャネル領域228のドーズ量によって調整することができる。例えば、pチャネル閾値電圧は、ゲート電極212を設けるためのリセスの深さを変えることにより、そして/またはアクセプターをイオン注入したチャネル領域228のドーズ量を変えることにより、例えば−0.3ボルトに容易に調整することができる。ゲート電極212を設けるためにリセスを形成する場合、pチャネル素子214の性能も向上する。
少なくとも一つの例示としての実施形態についてこれまでの詳細な記述の中に提示してきたが、非常に多くの変形例が存在することを理解されたい。また、例示としての実施形態、または例示としての複数の実施形態は単なる例示であり、決して本発明の技術範囲、適用可能性、または構成を制限するものではないことを理解されたい。制限するというのではなく、これまでの詳細な記述によって、この技術分野の当業者は、例示としての実施形態、または例示としての複数の実施形態を実施するために非常に役に立つ示唆を得ることができる。種々の変更を構成要素の機能及び構成に、添付の請求項、及びこれらの請求項の制定法上の均等物に示される本発明の技術範囲から逸脱しない範囲において加えることができることを理解されたい。
相補型金属−酸化膜−化合物半導体電界効果トランジスタ構造の概略を示す断面図。 金属−酸化膜−化合物半導体電界効果トランジスタの概略を示す断面図。

Claims (19)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成されるnチャネル素子と、
    前記半導体基板上に形成されるpチャネル素子と、
    前記nチャネル素子または前記pチャネル素子の内の一方にのみ位置するイオン注入領域とを備える相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造。
  2. 前記イオン注入領域は前記pチャネル素子に設けられるとともにアクセプターをドープしたイオン注入領域である、請求項1記載の相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造。
  3. 前記半導体基板は化合物半導体基板である、請求項1記載の相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造。
  4. 前記半導体基板上に形成されるエピタキシャル層構造と、
    前記エピタキシャル層構造内に形成される少なくとも一つのドナー層とをさらに備え、前記イオン注入領域は前記エピタキシャル層構造の導電型を反転するように作用する、請求項1記載の相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造。
  5. 前記エピタキシャル層構造は前記半導体基板上に形成されるバッファ層と、前記バッファ層上に形成されるチャネル層と、前記チャネル層上に形成されるスペーサ層とを含む、請求項4記載の相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造。
  6. 前記少なくとも一つのドナー層は、前記バッファ層または前記スペーサ層の内の一方の内部に形成される、請求項5記載の相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造。
  7. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成されるエピタキシャル層構造と、
    前記エピタキシャル層構造内に形成され、かつ前記エピタキシャル層構造の導電型を決定する少なくとも一つのドーパント層と、
    前記半導体基板上に形成されるnチャネル素子と、
    前記半導体基板上に形成されるpチャネル素子と、
    前記nチャネル素子または前記pチャネル素子の内の一方にのみ設けられるとともに前記エピタキシャル層構造の前記導電型を反転させるように作用するイオン注入領域とを備える相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造。
  8. 前記ドーパント層はドナー原子を含み、前記イオン注入領域は前記pチャネル素子に設けられるとともにアクセプターをドープしたイオン注入領域である、請求項7記載の相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造。
  9. 前記ドーパント層はアクセプター原子を含み、前記イオン注入領域は前記nチャネル素子に設けられるとともにドナーをドープしたイオン注入領域である、請求項7記載の相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造。
  10. 前記エピタキシャル層構造は前記半導体基板上に形成されるバッファ層と、前記バッファ層上に形成されるチャネル層と、前記チャネル層上に形成されるスペーサ層とを含む、請求項7記載の相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造。
  11. 前記少なくとも一つのドーパント層は、前記バッファ層または前記スペーサ層の内の一方の内部に形成される、請求項10記載の相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造。
  12. 前記少なくとも一つのドーパント層は、前記バッファ層内に形成される第1ドナー層と、前記スペーサ層内に形成される第2ドナー層とを含む、請求項10記載の相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造。
  13. 前記半導体基板は化合物半導体基板である、請求項7記載の相補型金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ構造。
  14. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成されるエピタキシャル層構造と、
    前記エピタキシャル層構造内に形成され、かつ前記エピタキシャル層構造の導電型を決定する少なくとも一つのドーパント層と、
    前記エピタキシャル層構造及び前記半導体基板に設けられるとともに前記エピタキシャル層構造の前記導電型を反転させるように作用する少なくとも一つのイオン注入領域とを備える金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ。
  15. 前記導電型はn型であり、
    前記少なくとも一つのイオン注入領域は、p型アクセプターをドープした少なくとも一つのイオン注入領域を含む、請求項14記載の金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ。
  16. 前記エピタキシャル層構造は前記半導体基板上に形成されるバッファ層と、前記バッファ層上に形成されるチャネル層と、前記チャネル層上に形成されるスペーサ層と、を含む、請求項14記載の金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ。
  17. 前記少なくとも一つのドーパント層は、前記バッファ層または前記スペーサ層の内の一方の内部に形成される、請求項16記載の金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ。
  18. 前記少なくとも一つのドーパント層は、前記バッファ層内に形成される第1ドナー層と、前記スペーサ層内に形成される第2ドナー層と、を含む、請求項16記載の金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ。
  19. 前記半導体基板は化合物半導体基板である、請求項14記載の金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ。
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