JPH0582558A - 電界効果型トランジスタ - Google Patents

電界効果型トランジスタ

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JPH0582558A
JPH0582558A JP23924191A JP23924191A JPH0582558A JP H0582558 A JPH0582558 A JP H0582558A JP 23924191 A JP23924191 A JP 23924191A JP 23924191 A JP23924191 A JP 23924191A JP H0582558 A JPH0582558 A JP H0582558A
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JP
Japan
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single crystal
layer
crystal layer
channel
sige
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JP23924191A
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English (en)
Inventor
Hiroyuki Eto
浩幸 江藤
Kiyokazu Nakagawa
清和 中川
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】n型電界効果型トランジスタは、Si(110)
基板1上に形成された歪み緩和したSi1-yGeyバッフ
ァ層2,バッファ層に格子整合して引っ張り歪みを受け
たSiチャネル層3及びSi1-xGex層4,n−Si
1-xGex層5,Si1-zGez層6,Si層7,ソース,
ドレイン領域8,9及びゲート電極11,ソース,ドレ
イン電極10,12からなる。 【効果】Si1-yGey(110)面上に形成したSi1-x
Gex/Si界面の<001>方向をチャネルとするこ
とによって、量子準位間の散乱を減少させ移動度を高め
ることができ、高利得のn型電界効果型トランジスタを
得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、Si系の電界効果型ト
ランジスタ、特に、Si−Geヘテロ接合をした高利得
のn型電界効果型トランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術】Si系のn型電界効果型トランジスタ
(FET)を高利得化するための構造として、SiGe/
Siヘテロ構造の変調ドープ電界効果型トランジスタ
(MODFET)が知られている〔アイイーイーイー トラン
ザクションズ オン エレクトロンデバイシズ(IEEE T
rans.Electron Devices)ED−33 633(198
6)〕。このトランジスタについて、図3,図4を用い
て説明する。
【0003】図3に模式的に示した従来のMODFET
は、Si(001)基板13上に形成された歪みを緩和し
たSi0.75Ge0.25バッファ層14、バッファ層に格子
整合して引っ張り歪みを受けたSiチャネル15及びア
ンド−プSi0.5Ge0.5層16,n型Si0.5Ge0.5
17,Si1-zGez層18,Si層19、及びソース,
ドレイン電極20,22、ゲート電極21から構成され
る。本構造において、電子はドーピング層17からノン
ドープのSi層15へと供給され、SiGe/Si界面
のSi側が電子の走行するチャネルとなるため、電子は
不純物散乱を受けず、二次元的に高移動度で走行するこ
とができる。
【0004】さらに、図4に示したように、Siチャネ
ル層内の引っ張り歪みによって伝導帯の底の六重縮退が
解け、電子は<001>及び<00−1>方向の二つの
バレイに局在する。これらの電子は、チャネル方向で
は、バルクの有効質量me(≒0.26m0:m0は真空中
の電子質量)よりも軽い有効質量mt(≒0.19m0)をも
っている。不純物散乱がなく、フォノン散乱のみによっ
て電子の移動度が決まる場合、移動度は電子の有効質量
の(−5/2)乗に比例する。従って、歪みSi(001)
をチャネルとする電界効果型トランジスタでは、電子移
動度をバルクよりも高い約3300cm2/Vs まで増加
させることができると期待されていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図3に示した
電界効果トランジスタでは、電子濃度(ns)が高くなっ
た場合に、電子はSiGe/Si界面のチャネル内で第
一量子準位だけでなく第二量子準位も占めるようになる
ために、量子準位間の散乱が大きくなり、移動度は15
50cm2/VsとノンドープのバルクSiと同程度であ
った。
【0006】本発明の目的は、高電子濃度でもチャネル
内の量子準位間の散乱を小さくすることによって高移動
度を得ることができ、ひいては相互コンダクタンス
(gm) の大きな高利得の電界効果型トランジスタを得る
ことにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的は、Si1-y
y(110)層上にチャネルとなるSi層、及び不純物
供給層となるSi1-xGexを歪み成長させ、Si1-x
x/Si界面のSi側の<001>方向をチャネルと
することによって達成される。
【0008】
【作用】図1に示したように、歪み緩和したSi1-y
y(110)バッファ層2上に、バッファ層に格子整合
させてSiチャネル3及びSi1-xGex層4,5を形成
すると、図5に示したように、電子はドーピング層5か
らノンドープのSi層4へと供給され、Si1-xGex
Si界面のSi側がチャネルとなる。
【0009】Si1-yGey(110)層上に形成されたS
i層は、図2に示したように、引っ張り歪みのため伝導
帯の底の六重縮退が解け、電子は<100>,<−10
0>,<010>及び<0−10>方向の四つのバレイ
に局在する。これらの電子は、<001>チャネル方向
では有効質量mt をもつため、(001)面上のSi層と
同様に高い移動度が期待できる。ここで、Si1-xGex
/Si界面付近のフェルミレベル(EF)は、第一量子準
位のエネルギE1を基準にすると、プランク定数h′(=
h/2π),2次元電子濃度(ns),バレイ縮退度(gv)
及びチャネル方向の有効質量を用いて次式で表すことが
できる。
【0010】
【数1】 EF−E1=πh′2s/gvt …(1) 図2に示したように、(110)面上に歪み成長したSi
層ではgv=4 であり、図4に示したように、(001)
面上に歪み成長したSi層ではgv=2 である。数1に
基づいてフェルミレベル(EF−E1)とns との関係を計
算した結果を図6に示す。同図に示したように、(11
0)面の方がEFとE1の差が小さくなるので、高濃度で
も電子は第一量子準位のみに局在することが可能とな
り、量子準位間の散乱は減少する。
【0011】さらに、Si1-xGex/Si界面の量子井
戸を三角ポテンシャルで近似すると、第二量子準位と第
一量子準位のエネルギ差は膜厚方向の有効質量mnの(−
1/3)乗に比例する。これらの有効質量は、(001)
面ではmn≒0.92m0、(110)面ではmn≒0.3
2m0であり、第二量子準位と第一量子準位のエネルギ
差は(110)面の方が約1.4 倍大きくなる。従って、
(110)面の方が第一量子準位から第二量子準位への遷
移確率が小さくなり、量子準位間の散乱も小さくなる。
【0012】このような作用によって、(110)面上に
形成したSi1-xGex/Siチャネルにおいて、量子準
位間の散乱を減少させて高移動度、即ち、高利得の電界
効果型トランジスタを実現することが可能となる。
【0013】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明を説明する。
【0014】〈実施例1〉本実施例では、図1を用いて
MES型のFETを作製した例について述べる。まず、
1000Ω・cmのp−Si(110)基板1を化学処理し
た後、分子線成長(MBE)装置内に導入し、基板表面を
清浄化する。基板温度を520℃に設定した後、基板に
Si及びGeの分子線を照射し、y=0.25 なる膜厚
1μmのSi1-yGeyバッファ層2を歪み緩和して成長
させる。さらにその上に、膜厚20nmのSiチャネル
層3、1×1012(1/cm2)のSbを原子層ドープした
x=0.5なるn−Si1-xGex層5を含む膜厚10n
mのSi1-xGex 層4を成長温度400℃で歪み成長
の条件下で、順次、形成した。さらに、表面方向にzが
xから0へと変化するような10nmのSi1-zGez
6を形成した後、10nmのSi層7を形成した。この
様にして作製したヘテロ構造をMBE装置から取り出
し、既知の手法を用いて、<001>方向をチャネル方
向として、ソース,ドレイン領域8,9及びショットキ
ーバリア接合特性をもつゲート電極11、ソース,ドレ
イン電極10,11を形成し、電界効果型トランジスタ
を作製した。
【0015】このようにして作製したMODFETにお
いて、移動度は2500cm2/Vsであり、相互コンダ
クタンスは実行チャネル長0.5μm の素子で200m
S/mmと良好な値を示した。
【0016】本実施例によれば、Si1-yGey(11
0)層上に歪み成長したSiGe/Si界面の<001
>方向をチャネルとすることによって、高利得のMES
型の電界効果型を得ることができる。
【0017】〈実施例2〉本実施例では、図7を用いて
MOS型のFETを作製した例について述べる。まず、
実施例1と同様の方法でp−Si(110)基板1上にy
=0.25なる膜厚1μmのSi1-yGeyバッファ層
2,膜厚20nmのSiチャネル層3,1×1012(1/
cm2)のSbを原子層ドープしたx=0.5なるn−Si
1-xGex層5を含む膜厚10nmのSi1-xGex層4,
10nmのSi1-zGez層6、及び10nmのSi層7
を形成した。この様にして作製したヘテロ構造をMBE
装置から取り出した後、化学気相成長法によって膜厚1
2nmのSi酸化膜23を形成し、さらに既知の手法を
用いて、<001>方向をチャネル方向として、ソー
ス,ドレイン領域8,9及びゲート電極24,ソース,
ドレイン電極10,12を形成し、電界効果型トランジ
スタを作製した。
【0018】このようにして作製したMODFETにお
いて、移動度は2400cm2/Vsであり、相互コンダ
クタンスは実行チャネル長0.5μmの素子で150m
S/mmと良好な値を示した。
【0019】本実施例によれば、Si1-yGey(110)
層上に歪み成長したSiGe/Si界面の<001>方
向をチャネルとすることによって、高利得のMOS型の
電界効果型トランジスタを得ることができる。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、Si1-yGey(110)
面上に形成したSi1-xGex/Si界面の<001>方
向をチャネルとすることによって、量子準位間の散乱を
減少させ移動度を高めることができ、高利得のn型電界
効果型トランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の断面図。
【図2】歪みSi(110)層の伝導帯の底付近のエネル
ギ説明図。
【図3】従来の技術を説明する断面図。
【図4】歪みSi(001)層の伝導帯の底付近のエネル
ギ説明図。
【図5】Si1-xGex/Si界面付近のエネルギバンド
の説明図。
【図6】Si1-xGex/Si界面付近のフェルミレベル
(EF−E1)と電子濃度の関係を示す説明図。
【図7】本発明の他の実施例の断面図。
【符号の説明】
1…Si(110)基板、2…Si1-yGeyバッファ層、
3…歪みSiチャネル層、4…Si1-xGex層、5…n
−Si1-xGex層、6…Si1-zGez層、7…Si層、
8,9…ソース,ドレイン領域、10,12…ソース,
ドレイン電極、11…ゲート電極。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第一のSiGe(110)単結晶上に、面内
    方向に伸長的に歪んだ第一のSi単結晶層を形成し、前
    記第一のSi単結晶層の上に第二のSiGe単結晶層を
    形成し、前記第一のSi単結晶層と第二のSiGe単結
    晶層との界面の<001>方向をチャネルとすることを
    特徴とする電界効果型トランジスタ。
  2. 【請求項2】請求項1において、Si(110)基板上に
    歪みを緩和した第一のSiGe単結晶を形成した電界効
    果型トランジスタ。
  3. 【請求項3】請求項1または2において、前記第二のS
    iGe単結晶層は、前記第一のSi単結晶層と接合して
    いる部分がアンドープであり、前記第一のSi単結晶層
    と離れた部分がn型にドーピングされている電界効果型
    トランジスタ。
  4. 【請求項4】請求項1,2または3において、前記第二
    のSiGe単結晶層上に、表面に向かってGe含有率が
    徐々に0に変化するような第三のSiGe単結晶層を形
    成し、前記第三のSiGe単結晶層の上に前記第二のS
    i単結晶層を形成し、前記第二のSi単結晶層に接合し
    てゲート酸化膜、もしくは前記第二のSi単結晶層に対
    してショットキー接合特性をもつゲート電極を形成した
    電界効果型トランジスタ。
JP23924191A 1991-09-19 1991-09-19 電界効果型トランジスタ Pending JPH0582558A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5354700A (en) * 1993-07-26 1994-10-11 United Microelectronics Corporation Method of manufacturing super channel TFT structure
US6583437B2 (en) 2000-03-17 2003-06-24 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method of manufacturing the same
KR100611783B1 (ko) * 2000-05-23 2006-08-11 주식회사 하이닉스반도체 반도체 소자의 제조 방법

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