JP4430485B2 - Method for detecting charge state of impurities in semiconductor - Google Patents
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Description
本発明は、チャネルに導入された不純物の荷電状態の制御によりソース・ドレイン間に流れる電流の制御を可能とするための半導体中の不純物の荷電状態の検出方法に関するものである。 The present invention relates to a method for detecting the charge state of an impurity in a semiconductor to enable control of the current flowing between the source and drain by controlling the charge state of the impurity introduced into the channel.
近年、量子力学の基本原理を基礎とした量子コンピュータや、電子,あるいは原子核のスピンを利用したいわゆる「スピントロニクス」といった新しい情報処理技術の発展がめざましい。これらの技術では、半導体中の不純物の状態を利用した素子を用いるものが多い。例えば、シリコンからなる素子を用いた量子コンピュータとして、シリコン中でドナーとして働くリンの核スピンや電子スピンを用いるものが提案されている(非特許文献1,2参照)。
In recent years, the development of new information processing technologies such as quantum computers based on the fundamental principles of quantum mechanics and so-called "spintronics" using spins of electrons or nuclei has been remarkable. Many of these techniques use elements utilizing the state of impurities in a semiconductor. For example, a quantum computer using an element made of silicon has been proposed that uses a nuclear spin or electron spin of phosphorus acting as a donor in silicon (see Non-Patent
これらの技術では、計算(演算)にスピンを用いるが、計算結果の読み出しや計算の初期化は、リンドナーにとらえられた電子(ドナー電子)を介在して行われている。従って、リンドナーによる電子の占有状態を制御することが非常に重要となる。
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
The applicant has not yet found prior art documents related to the present invention by the time of filing other than the prior art documents specified by the prior art document information described in this specification.
しかしながら、従来の技術では、半導体層に導入されたリンなどの不純物における電子などのキャリアの占有状態を制御することができなかった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、半導体層に導入されたリンなどの不純物における電子などのキャリアの占有状態が、制御できるようにすることを目的とする。
Want only goods, in the prior art, it was not possible to control the occupancy of carriers such as electrons in the impurity such as phosphorus is introduced into the semiconductor layer.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to control the occupation state of carriers such as electrons in impurities such as phosphorus introduced into a semiconductor layer. To do.
本発明に係る半導体中の不純物の荷電状態の検出方法は、第1不純物が導入された半導体からなるチャネル領域と、チャネル領域を挾むように配置されて第2不純物が導入された半導体からなるソース及びドレインと、ソース及びドレインの配列方向とは異なる方向で、チャネル領域を挾むように対向して配置された第1および第2のゲート電極とを少なくとも備え、第1および第2のゲート電極に挟まれたチャネル領域の厚みが2〜400nmであるトランジスタを用い、第1不純物のイオン化エネルギーをE、ボルツマン定数をkとしたときに、絶対温度E/(10k)以下の温度に設定し、第1のゲート電極の電位の変化に対するトランジスタのしきい値の理論値からのシフト量により、イオン化している第1不純物の濃度を求める。 The method for detecting the charge state of an impurity in a semiconductor according to the present invention includes a channel region made of a semiconductor into which a first impurity is introduced, a source made of a semiconductor that is arranged so as to sandwich the channel region and into which a second impurity is introduced, and A drain and at least first and second gate electrodes arranged opposite to each other so as to sandwich the channel region in a direction different from the arrangement direction of the source and drain, and sandwiched between the first and second gate electrodes Using a transistor having a channel region thickness of 2 to 400 nm, the ionization energy of the first impurity is set to E, and the Boltzmann constant is set to k, the temperature is set to a temperature equal to or lower than the absolute temperature E / (10 k). The concentration of the ionized first impurity is obtained from the shift amount from the theoretical value of the threshold value of the transistor with respect to the change in the potential of the gate electrode .
上記、半導体中の不純物の荷電状態の検出方法において、イオン化エネルギーが、0.2eV以下である場合、第1不純物は、第2不純物と同一導電形であればよい。
一方、イオン化エネルギーが、0.2eVを超える場合、第1不純物は、第2不純物と異なる導電形であってもよい。
In the above-described method for detecting the charged state of impurities in a semiconductor , when the ionization energy is 0.2 eV or less , the first impurity may have the same conductivity type as the second impurity.
On the other hand, when the ionization energy exceeds 0.2 eV , the first impurity may have a conductivity type different from that of the second impurity.
以上説明したように、本発明によれば、チャネル領域に導入した第1不純物の中性状態とイオン化した状態とを、2つのゲート電極に印加する電位により制御するようにしたので、半導体層に導入されたリンなどの不純物における電子などのキャリアの占有状態が、制御できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the neutral state and the ionized state of the first impurity introduced into the channel region are controlled by the potential applied to the two gate electrodes. An excellent effect is obtained in that the occupation state of carriers such as electrons in the introduced impurities such as phosphorus can be controlled.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態において用いられる半導体装置(トランジスタ)の構成例を示す模式的な断面図である。この半導体装置は、例えば単結晶シリコンからなる半導体層101、半導体層101に形成されたn形のソース102及びドレイン103、ソース102及びドレイン103に挾まれた半導体層101に形成されたチャネル領域104を備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Figure 1 is a schematic sectional view showing a configuration example of a semiconductor device that is used to have your to the embodiment of the present invention (transistor). This semiconductor device includes a
ここで、チャネル領域104には、ソース102及びドレイン103より低い濃度で、リンがドナーとして導入されている。
加えて、図1に示す半導体装置は、チャネル領域104を挾むように形成された2つのゲート絶縁膜105,106、ゲート絶縁膜105,106を介してチャネル領域104を挾むように設けられた2つのゲート電極107,ゲート電極108を備える。なお、図1において、チャネル領域104の中に示す黒丸は、導入されている不純物の状態を模式的に示すものである。
Here, phosphorus is introduced into the
In addition, the semiconductor device illustrated in FIG. 1 includes two
例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いることで、図1に示す半導体装置が形成できる。この場合、SOI基板の埋め込み絶縁層の上に形成されているシリコン層に、チャネル領域、ソース・ドレインを形成し、これらの上に絶縁層を介して一方のゲート電極を形成し、埋め込み絶縁層の下のシリコン部分を他方のゲート電極として用いればよい。シリコン層の上の絶縁層がゲート絶縁膜105に対応し、埋め込み絶縁層がゲート絶縁膜106に対応する。この場合、シリコン層の表面を熱酸化することで、絶縁層を形成することができる。
For example, the semiconductor device shown in FIG. 1 can be formed by using an SOI (Silicon on Insulator) substrate. In this case, the channel region, the source / drain are formed on the silicon layer formed on the buried insulating layer of the SOI substrate, and one gate electrode is formed on the silicon layer via the insulating layer. The lower silicon portion may be used as the other gate electrode. The insulating layer on the silicon layer corresponds to the
また、ソース102・ドレイン103及びチャネル領域104には、例えばイオン注入法により不純物を導入すればよい。なお、不純物としては、リンに限らず、ヒ素,アンチモンであってもよい。
また、半導体層101の厚さは、2〜400nm程度であればよい。
Further, impurities may be introduced into the
Further, the thickness of the
次に、図1に示す半導体装置の動作例について、図2のバンド図を用いて説明する。
まず、図2(a)は、ゲート電極107に印加する電圧Vg1及びゲート電極108に印加する電圧Vg2がともにゼロボルトの場合のバンドの状態を示している。また、図2(b)は、ゲート電極107に印加する電圧Vg1が正、ゲート電極108に印加する電圧Vg2が負の場合のバンドの状態を示している。また、図2(c)は、ゲート電極107に印加する電圧Vg1が負、ゲート電極108に印加する電圧Vg2が正の場合のバンドの状態を示している。
Next, an operation example of the semiconductor device illustrated in FIG. 1 is described with reference to a band diagram in FIG.
First, FIG. 2A shows a band state when the voltage V g1 applied to the
図2(a)に示すように、ゲート電極107,ゲート電極108の電圧が、ともにゼロボルト程度であるときは、チャネル領域104のシリコンのポテンシャルプロファイル(状態)は平坦であり、全てのドナーがフリーズアウトして中性化している。ここで、図1に示す半導体装置によれば、この状態においてもチャネル領域104にはキャリアが生成する状態であり、ソース102及びドレイン103の間に電流が流れる。
As shown in FIG. 2A, when the voltages of the
一方、ゲート電極107及びゲート電極108の両電極に、反対符号の電圧を印加すると、図2(b)及び図2(c)に示すように、チャネル領域104のシリコンに電界が生じ、ドナーのイオン化が始まる。チャネル領域104における電界が強くなるに従い、イオン化するドナーの数が増大し、やがて一定値となる。この結果、この状態では、図2(a)に示した状態に比較し、チャネル領域104において生成するキャリアの状態が変化し、ソース102及びドレイン103の間に流れる電流の状態が変化する。
On the other hand, when voltages of opposite signs are applied to both the
このように、対向配置される2つのゲート電極を用いることにより、チャネル領域104中のポテンシャルを制御することが可能となり、チャネル領域104に導入されている不純物原子の荷電状態の制御が可能となる。また、いずれの状態においてもソース102及びドレイン103の間に電流が流れ、これが状態により変化するので、各状態を観察(観測)することが可能となる。
As described above, by using two gate electrodes arranged opposite to each other, the potential in the
なお、ゲート電極107とゲート電極108の両電圧とも正の場合や、両電圧とも負の場合には、MOSトランジスタの特性がしきい値近傍にはない状態となる。また、ドレイン電圧をピンチオフが起こらない程度に小さくしておくことで、チャネル領域のチャネル方向に渡って、均一に不純物原子の荷電状態が制御できる。一方、ドレイン電圧をピンチオフが起こる程度に大きくすると、ピンチオフが起きている領域では、ゲート電圧に関わらす、全ての不純物原子がイオン化しているので、チャネル領域のソース近傍のみの不純物の荷電状態が制御できる。
Note that when both the voltages of the
ここで、前述した半導体層101の厚さについて説明する。
半導体層101の膜厚の上限は、不純物の濃度に依存する。不純物がイオン化している状態では、例えば不純物がドナーの場合、バンドは下に凸に曲がるが、この曲がり量が半導体のバンドギャップ以上になると、界面にホールが涌きだしてしまい、これ以上シリコン(チャネル領域104)に電圧がかからない状態になる。
Here, the thickness of the
The upper limit of the thickness of the
言い換えると、ある値以上にゲート電圧を印加しても、ドナーを電界によりイオン化することができなくなる。この条件は、半導体層の膜厚をt、不純物濃度をN、素電荷をq、半導体の誘電率をε、半導体のバンドギャップをEgとすると、「(1/2)×(q/ε)×t2<Eg」で与えられる。半導体がシリコンの場合、N=1El6cm-3の濃度で400nm程度、N=1E18cm-3の濃度で、40nm程度以下となる。 In other words, the donor cannot be ionized by the electric field even if the gate voltage is applied to a certain value or more. This condition is expressed as “(1/2) × (q / ε) where t is the thickness of the semiconductor layer, N is the impurity concentration, q is the elementary charge, ε is the dielectric constant of the semiconductor, and Eg is the band gap of the semiconductor. Xt 2 <Eg ”. When the semiconductor is silicon, about 400nm in a concentration of N = 1El6cm -3, a concentration of N = 1E18 cm -3, the following order of 40 nm.
一方、半導体の膜厚の下限は、半導体に電界がかかった場合のチャネル電子(あるいは正孔)の波動関数の広がりで制限される。これは、波動関数の広がりより薄くはチャネル電子の位置を制御できないためである。半導体に電界がかかった場合の波動関数の広がりは、半導体の種類に強く依存せず、1〜3nm程度である。従って、この広がりの2倍程度(2〜6nm)が半導体膜厚の下限となる。 On the other hand, the lower limit of the semiconductor film thickness is limited by the spread of the wave function of channel electrons (or holes) when an electric field is applied to the semiconductor. This is because the position of the channel electrons cannot be controlled thinner than the spread of the wave function. The spread of the wave function when an electric field is applied to the semiconductor does not depend strongly on the type of semiconductor and is about 1 to 3 nm. Therefore, about twice this spread (2 to 6 nm) is the lower limit of the semiconductor film thickness.
ところで、チャネル領域104における不純物(ドナー)の荷電状態は、以降に説明するように、図1に示すMOSトランジスタのしきい値を調べることで観察できる。
図1に示す半導体装置のしきい値の変化は、図3に示すものとなる。
なお、チャネル領域104に不純物(リン)が含まれていない場合を図3(a)に示し、チャネル領域104に不純物が含まれている場合を図3(b)に示す。また、図3において、横軸(Vg1)は、ゲート電極107の電圧、縦軸(ID)はソース・ドレイン間を流れる電流である。また、ゲート電極108の電圧(Vg2)をパラメータとしている。また、図3に示す各曲線は、ドレイン電圧10mVのときの特性である。
Incidentally, the charge state of the impurity (donor) in the
The change in threshold value of the semiconductor device shown in FIG. 1 is as shown in FIG.
Note that FIG. 3A shows the case where the
図3(a)に示すように、MOS特性が、ゲート電極108の電圧を正にすることにより、負側へシフトすることがわかる。このシフトは、チャネル領域104中の電子がゲート電極108に誘起された正電荷を感じたためである。逆に、ゲート電極108の電圧を負にすると負電荷が誘起され正側へとシフトする。ただし、シフト量は、ゲート電極108の電圧の極性や値には関係なく一定であることがわかる。
As shown in FIG. 3A, it can be seen that the MOS characteristics shift to the negative side by making the voltage of the
一方、チャネル領域104にリンが導入されている場合、図3(b)に示すように、ゲート電極108の電圧の変化によりMOSの特性がシフトする。しかしながら、この場合、シフト量は一定ではなく、ゲート電極108電圧の値により異なる。これは、ゲート電極108に誘起された電荷以外の電荷が発生または消滅していることを示している。
On the other hand, when phosphorus is introduced into the
この結果を定量的に考察するために、しきい値(VTH)をゲート電極108電圧(Vg2)の関数としてプロットしたものを図4に示す。なお、図4では、ドレイン電圧を10mVとしたときに、ドレイン電流がlnAとなるゲート電圧(Vg1)をしきい値(VTH)としている。
図4に白丸で示すように、チャネル領域104に不純物(リン)が含まれていない場合、シフト量が一定となり直線となる。一方、チャネル領域104がリンを含む場合、白四角で示すように、直線とはなっていない。
In order to consider this result quantitatively, FIG. 4 shows a plot of the threshold value (V TH ) as a function of the
As indicated by white circles in FIG. 4, when the
ところが、ゲート電極108の電圧がゼロボルト付近では、両者のしきい値がほぼ等しくなる。このことは、ゲート電極108の電圧がゼロボルト付近では、正電荷が存在しない、すなわち、不純物(リンドナー)が全て中性化していることを示している。
また、ゲート電極108の電圧を正負のどちらに変化させても、チャネル領域が不純物を含まない場合のしきい値に対して徐々に負側へのずれが生ずる。これは、ゲート電極108の電圧により、チャネル領域104のシリコン中に電界が生じ、この電界のために不純物(リン)がイオン化していることを示している。
However, when the voltage of the
In addition, regardless of whether the voltage of the
チャネル領域にリンを含まない場合のしきい値からのシフト量(しきい値の理論値からのシフト量)から、チャネル領域104におけるイオン化されているリンドナーの濃度を算出することが可能である。また、チャネル領域104におけるポテンシャルプロファイルとチャネル波動関数の計算結果とを比較することにより、特定の位置の不純物(ドナー)のイオン化率を算定することも可能となる。
The concentration of ionized phosphorus donors in the
以上は、23Kという低温測定の結果である。低温で行うことにより、熱雑音による影響を低減でき、測定結果の信頼性が上がる。どの程度の温度が好ましいかは、対象とするドナーのイオン化エネルギーに依存する。イオン化エネルギーが大きいドナーほど高温での結果の信頼性が向上する。信頼性のあるデータを得るためには、不純物のイオン化エネルギーをE、ボルツマン定数をkとして、E/(10k)以下の温度で行う必要がある。イオン化エネルギーが、45meVであるリンの場合には、約50K以下の温度が必要となる。 The above is the result of the low temperature measurement of 23K. By performing at a low temperature, the influence of thermal noise can be reduced, and the reliability of the measurement results increases. What temperature is preferred depends on the ionization energy of the donor in question. The higher the ionization energy, the more reliable the results at higher temperatures. In order to obtain reliable data, the ionization energy of impurities must be E, the Boltzmann constant should be k, and it is necessary to carry out at a temperature of E / (10k) or less. In the case of phosphorus whose ionization energy is 45 meV, a temperature of about 50 K or less is required.
上述した観察の手法は、リン以外の浅い準位を有するドナーに対しても適用できることはいうまでもない。ここで、浅い準位を有するドナーとは、イオン化エネルギーが、0.2eV以下のドナーであり、半導体がシリコンである場合には、リチウム、アンチモン、リン、ヒ素、ビスマス、テルルである。 Needless to say, the above-described observation technique can be applied to a donor having a shallow level other than phosphorus. Here, the donor having a shallow level is a donor having an ionization energy of 0.2 eV or less, and lithium, antimony, phosphorus, arsenic, bismuth, and tellurium when the semiconductor is silicon.
ところで、チャネルにドナーを有するnチャネルMOSトランジスタのしきい値が、低温において異常な振る舞いを起こすことが報告されている。この現象は、1970年代に発見され、低温下でフリーズアウトしたドナーが、基板バイアスにより再イオン化することが原因と判明している(非特許文献:F.H.Gaensslen and R.C.Jaeger, "TEMPERATURE DEPENDENT THRESHOLD BEHAVIOR OF DEPLETION MODE MOSFETst,CHARACTERIZATION AND SIMULATION"Solid-State Electron. 22,(1979) 423.)。低温で回路を動作させる、いわゆるクライオエレクトロニクスを念頭においた研究から発見されている。これは、異常な振る舞いのため、しきい値制御が難しく、現在のところ、ドナーを有するnチャネルMOSトランジスタの欠点ととらえられている現象である。 By the way, it has been reported that the threshold value of an n-channel MOS transistor having a donor in the channel causes an abnormal behavior at a low temperature. This phenomenon was discovered in the 1970s, and it was found that donors frozen out at low temperatures were reionized due to substrate bias (Non-Patent Document: FHGaensslen and RCJaeger, "TEMPERATURE DEPENDENT THRESHOLD BEHAVIOR OF DEPLETION MODE MOSFETst, CHARACTERIZATION AND SIMULATION "Solid-State Electron. 22, (1979) 423.). It has been discovered from research with so-called cryoelectronics in mind, which operates circuits at low temperatures. This is a phenomenon that is difficult to control the threshold value due to an abnormal behavior, and is currently regarded as a defect of an n-channel MOS transistor having a donor.
また、SOI基板を用いた2つのゲート電極を有するMOSトランジスタにおけるチャネル電子の波動関数の中心位置が、2つのゲート電極の電圧を変化させることにより変化する現象も報告されている(Seiji Horiguchi st al., "Analysis of Back-Gate Voltage Dependence of Threshold Voltage of Thin Silicon-on-Insulator Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor and Its Application of Si Single-Electron Transistor"Jpn.J.Appl.Phys.43,(2004)2036.)。 In addition, a phenomenon has been reported in which the center position of the wave function of channel electrons in a MOS transistor having two gate electrodes using an SOI substrate is changed by changing the voltage of the two gate electrodes (Seiji Horiguchi st al ., "Analysis of Back-Gate Voltage Dependence of Threshold Voltage of Thin Silicon-on-Insulator Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor and Its Application of Si Single-Electron Transistor" Jpn.J.Appl.Phys.43, ( 2004) 2036.).
上述した2つの現象について説明する。
はじめに、チャネル中にドナーを有するnチャネルMOSトランジスタの低温でのしきい値の振る舞いに関して説明する。
図5にドナーの電荷状態とフェルミレベルとの関係を示す。熱雑音のエネルギー(kT:kはボルツマン定数、Tは絶対温度)が、ドナーのイオン化エネルギーに比べ十分に小さい場合、すなわち、十分に低温の場合、フェルミレベルがドナーレベルよりも下にある時には、ドナーレベルは電子が空の状態にあり正に帯電している。逆に、フェルミレベルがドナーレベルよりも上にある時には、ドナーレベルには、電子が入り中性状態となる。
The two phenomena described above will be described.
First, the behavior of the threshold value at a low temperature of an n-channel MOS transistor having a donor in the channel will be described.
FIG. 5 shows the relationship between the charge state of the donor and the Fermi level. When the energy of thermal noise (kT: k is Boltzmann constant, T is absolute temperature) is sufficiently smaller than the ionization energy of the donor, that is, when the temperature is sufficiently low, when the Fermi level is below the donor level, The donor level is positively charged with electrons empty. Conversely, when the Fermi level is above the donor level, electrons enter the donor level and become neutral.
フェルミレベルとドナーレベルとの位置関係は、ゲート電圧により制御可能であり、ドナーの荷電状態もゲート電極の電圧を変化させることにより制御可能である。通常、シリコン中の浅い準位に関して上記のような現象が起こるのは、液体窒素温度以下である。
図6に、ドナーを含むpチャネルMOSトランジスタ及びnチャネルMOSトランジスタのバンド図を示す。ドナーを含むチャネルに対して、ソース、ドレイン電極がp形である場合、pチャネルトランジスタとなり、キャリアは正孔となる。
The positional relationship between the Fermi level and the donor level can be controlled by the gate voltage, and the charge state of the donor can also be controlled by changing the voltage of the gate electrode. In general, the phenomenon described above with respect to a shallow level in silicon occurs below the temperature of liquid nitrogen.
FIG. 6 shows band diagrams of a p-channel MOS transistor and an n-channel MOS transistor including a donor. When the source and drain electrodes are p-type with respect to a channel including a donor, a p-channel transistor is formed, and carriers are holes.
図6(a)は、pチャネルMOSトランジスタにおいて、しきい値付近の電圧(負電圧)をゲート電極に印加した場合を示している。図6(a)の場合、正孔チャネルが開くときは、フェルミレベルは価電子帯エッジ近傍にあるので、伝導帯エッジ近傍にレベルを持つドナーは、常に電子を放出した状態である。従って、ゲート電圧がしきい値付近で変化しても、チャネル中のドナーが荷電状態を変えることはない。従って、低温においてもしきい値の異常を示すことはない。 FIG. 6A shows a case where a voltage near the threshold (negative voltage) is applied to the gate electrode in the p-channel MOS transistor. In the case of FIG. 6A, when the hole channel is opened, the Fermi level is in the vicinity of the valence band edge. Therefore, the donor having the level in the vicinity of the conduction band edge is always in a state of emitting electrons. Therefore, even if the gate voltage changes near the threshold value, the donor in the channel does not change the charge state. Accordingly, there is no abnormality in the threshold value even at a low temperature.
一方、ドナーを含むチャネルに対し、ソース・ドレインがn形である場合、図6(b)に示すように、フェルミレベルが伝導帯の底付近にある時にMOSのしきい値が現れる。従って、nチャネルMOSの場合、チャネルにおけるドナーの荷電状態の変化がMOSのしきい値に敏感に反映される。従って、例えば基板バイアスを変化させると、図6(c)に示すように、チャネルにおける一部のドナーの荷電状態が変化し、異常なしきい値変化となって現れる。この異常なしきい値変化は、チャネルにおけるシリコンのポテンシャルプロファイルと、MOSトランジスタ(ソース・ドレイン間)を流れるチャネル電子の波動関数の位置とが、制御されていないためと推測される。 On the other hand, when the source / drain is n-type for a channel including a donor, a MOS threshold appears when the Fermi level is near the bottom of the conduction band, as shown in FIG. Therefore, in the case of an n-channel MOS, a change in the charge state of the donor in the channel is sensitively reflected on the threshold value of the MOS. Therefore, for example, when the substrate bias is changed, as shown in FIG. 6C, the charge state of a part of the donors in the channel changes, and an abnormal threshold change appears. This abnormal threshold change is presumed to be because the potential profile of silicon in the channel and the position of the wave function of the channel electrons flowing through the MOS transistor (between the source and drain) are not controlled.
次に、SOI層中のチャネル電子の波動関数変化に関する現象を説明する。
SOIは、絶縁体である二酸化シリコン(以下埋め込み酸化膜)上に単結晶シリコンの層(SOI層)が形成されているシリコン基板である。従って、埋め込み酸化膜の下のシリコンからなる基板部を一方のゲート電極として利用することで、図1に示したような、上下にゲート電極を有するSOI−MOS構造が得られる。2つのゲート電極は、SOI層に対して等価に働くので、どちらをゲート電極として用いてもよく、両方同時に用いてもよい。この2つのゲート電極の電圧を変化させることにより、シリコン層中のチャネル電子の波動関数の位置を変化させることができる。
Next, a phenomenon related to a change in the wave function of channel electrons in the SOI layer will be described.
The SOI is a silicon substrate in which a single crystal silicon layer (SOI layer) is formed on silicon dioxide (hereinafter referred to as a buried oxide film) which is an insulator. Therefore, by using the substrate portion made of silicon under the buried oxide film as one gate electrode, an SOI-MOS structure having gate electrodes on the upper and lower sides as shown in FIG. 1 can be obtained. Since the two gate electrodes work equivalently to the SOI layer, either one may be used as the gate electrode, or both may be used simultaneously. By changing the voltages of the two gate electrodes, the position of the wave function of the channel electrons in the silicon layer can be changed.
例えば、SOI層の上にゲート絶縁膜を介して形成した上部ゲート電極に正の電圧を印加し、基板のシリコンから構成された下部ゲート電極に負の電圧を印加した場合、SOI層のポテンシャルは、上部ゲート電極側が低くなる。このため、SOI層におけるチャネル電子の波動関数は、上部ゲート電極側のゲート絶縁膜に当接した(押しつけられた)ような形となる。 For example, when a positive voltage is applied to the upper gate electrode formed on the SOI layer through the gate insulating film and a negative voltage is applied to the lower gate electrode made of silicon of the substrate, the potential of the SOI layer is The upper gate electrode side becomes lower. For this reason, the wave function of the channel electrons in the SOI layer has a shape that is in contact with (pressed against) the gate insulating film on the upper gate electrode side.
一方、上部ゲート電極に負の電圧を印加し、下部ゲート電極に正の電圧を印加した場合、SOI層のポテンシャルは、下部ゲート電極側が低くなる。このため、SOI層におけるチャネル電子の波動関数は、下部電極側のゲート絶縁膜である埋め込み絶縁膜に当接した(押しつけられた)ような形となる。 On the other hand, when a negative voltage is applied to the upper gate electrode and a positive voltage is applied to the lower gate electrode, the potential of the SOI layer becomes lower on the lower gate electrode side. For this reason, the wave function of the channel electrons in the SOI layer has a shape that is in contact with (pressed against) the buried insulating film that is the gate insulating film on the lower electrode side.
これらの中間の電圧では、上部電極側の界面から下部電極側の界面へ、連続的に波動関数の位置が変化する。従って、2つのゲート電極の電圧が変化すると、チャネル電子のシリコン層中の深さ方向に波動関数の分布が連続的に変化することになる。
以上の結果は、2つの対向するゲート電極を有するSOI−MOS構造を用いることにより、シリコンのポテンシャルプロファイルと波動関数の位置を制御する有効な手法であると見なすことができる。
At these intermediate voltages, the position of the wave function continuously changes from the interface on the upper electrode side to the interface on the lower electrode side. Accordingly, when the voltages of the two gate electrodes change, the distribution of the wave function continuously changes in the depth direction of the channel electrons in the silicon layer.
The above results can be regarded as an effective method for controlling the potential profile and the position of the wave function of silicon by using an SOI-MOS structure having two opposing gate electrodes.
従って、上述した2つの現象を組み合わせることで、チャネルにドナーを含むnチャネルMOSなどのように、ソース・ドレインと同一導電形の不純物をチャネルに含む電界効果型のトランジスタにおいて、チャネルを挾むように配置した2つのゲート電極により、チャネル中の電子(正孔)の荷電状態が制御可能となり、また、荷電状態を観測することが可能となる。 Therefore, by combining the two phenomena described above, in a field-effect transistor that includes an impurity of the same conductivity type as the source / drain in the channel, such as an n-channel MOS including a donor in the channel, the channel is disposed so as to hold the channel. The two gate electrodes can control the charge state of electrons (holes) in the channel, and can observe the charge state.
ところで、上述では、各層が積層方向において、チャネルの層を挾むように2つのゲート電極を配置したが、これに限るものではない。例えば、図7に示すように、基板701の平面方向に、ソース・ドレインと同一導電形の不純物が導入されているチャネル領域704を挾むように2つのゲート電極707,ゲート電極708を配置してもよい。
In the above description, the two gate electrodes are arranged so that each layer sandwiches the channel layer in the stacking direction, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 7, two
図7に示す半導体装置は、絶縁性の基板701の上に、ソース領域702及びドレイン領域703、ソース領域702とドレイン領域703に各々接して挾まれたチャネル領域704、チャネル領域704を挾むように配置されたゲート電極707及びゲート708を備える。ソース領域702,ドレイン領域703,チャネル領域704、ゲート電極707,ゲート708は、基板701の同一平面上に配置されている。
The semiconductor device illustrated in FIG. 7 is provided on an insulating
また、ゲート電極707及びゲート電極708は、ソース領域702及びドレイン領域703と異なる方向において、ゲート絶縁層705及びゲート絶縁層706を介してチャネル領域704を挾むように対向配置されている。
図1に示した半導体装置と同様に、チャネル領域704のポテンシャルプロファイルを制御するためには、2つのゲート電極707,ゲート電極708は、対向配置されている必要がある。なお、ゲート電極707,ゲート電極708とチャネル領域704との間は、空間であってもよい。
Further, the
Similar to the semiconductor device shown in FIG. 1, in order to control the potential profile of the
なお、上述では、ドナー不純物をソース・ドレイン及びチャネル領域に導入した場合について説明したが、これに限るものではなく、浅い準位を有するアクセプタ不純物を導入するようにしても同様である。浅い準位を有するアクセプタは、イオン化エネルギーが、0.2eV以下のアクセプタであり、半導体がシリコンである場合には、ボロン、アルミニウム、ガリウム、インジウムである。 In the above description, the case where the donor impurity is introduced into the source / drain and the channel region has been described. However, the present invention is not limited to this, and the same applies even when acceptor impurities having a shallow level are introduced. An acceptor having a shallow level is an acceptor having an ionization energy of 0.2 eV or less, and boron, aluminum, gallium, and indium when the semiconductor is silicon.
また、シリコンのバンドギャップの中央付近にエネルギー準位を有するいわゆる深い準位を作る不純物の場合は、ソース、ドレインの極性はp形でもn形でも構わない。上記の、浅い準位を有するドナーとアクセプタ以外の元素は、深い準位と見なされる。 In the case of an impurity that forms a so-called deep level having an energy level near the center of the silicon band gap, the polarity of the source and drain may be p-type or n-type. The elements other than the above-described donor and acceptor having a shallow level are regarded as deep levels.
ところで、ソース・ドレインにn形の不純物が導入されている場合、チャネル領域にp形の不純物が導入されていても、例えば、23Kと低温の状態とすることで、チャネル領域に導入されているp形の不純物は、中性状態となる。また、2つのゲート電極に、異なる極性の電圧を印加し、チャネル領域のp形不純物の一部がイオン化する。しかしながら、この場合、p形の不純物が中性の状態では、n形のソース・ドレインの間においては、キャリアが生成することがなく、電流が流れない。 By the way, when an n-type impurity is introduced into the source / drain, even if a p-type impurity is introduced into the channel region, it is introduced into the channel region, for example, at a low temperature of 23K. The p-type impurity is in a neutral state. Further, voltages having different polarities are applied to the two gate electrodes, and part of the p-type impurity in the channel region is ionized. However, in this case, when the p-type impurity is in a neutral state, carriers are not generated between the n-type source and drain, and no current flows.
これに対し、図1に示す半導体装置によれば、ソース・ドレインにn形の不純物が導入され、チャネル領域にもn形の不純物が導入されているので、チャネル領域に導入されているn形の不純物が中性状態であっても、チャネル領域においてはキャリアが生成され、電流を流すことができる。 On the other hand, according to the semiconductor device shown in FIG. 1, since n-type impurities are introduced into the source / drain and n-type impurities are introduced into the channel region, the n-type impurity introduced into the channel region. Even if the impurities are in a neutral state, carriers are generated in the channel region and current can flow.
言い換えると、図1に示す半導体装置の特徴は、2つのゲート電極に電位を印加せずにチャネル領域に電界が印加されない状態で中性状態となり得、2つのゲート電極に異なる極性の電位を印加することで一部がイオン化し、かつ、いずれの状態においてもチャネル領域にキャリアが生成する状態となる不純物が、チャネル領域に導入されていることにある。 In other words, the feature of the semiconductor device shown in FIG. 1 is that it can be in a neutral state when no electric field is applied to the channel region without applying a potential to the two gate electrodes, and different potentials are applied to the two gate electrodes. As a result, an impurity that is partially ionized and in which the carrier is generated in the channel region in any state is introduced into the channel region.
例えば、シリコン中に導入したリンは、23K以下とすることで、電界が印加されていなければ、中性状態となる。このように、半導体に導入された不純物は、所定温度より低い温度範囲とすることで、中性状態となり得る。また、リンを導入した場合、中性状態においても、n形のソース・ドレイン間のチャネル領域においては、キャリアが生成した状態となり電流を流すことができる。また、ソース・ドレインの極性がp形の場合は、チャネル領域にアクセプター不純物が導入されていれば、上述と同様である。 For example, phosphorus introduced into silicon is set to 23K or less, and becomes neutral when no electric field is applied. Thus, the impurities introduced into the semiconductor can be in a neutral state by setting the temperature range to be lower than a predetermined temperature. Further, when phosphorus is introduced, even in the neutral state, in the channel region between the n-type source and drain, carriers are generated and current can flow. Further, when the source / drain polarity is p-type, the same as described above, if acceptor impurities are introduced into the channel region.
従って、ソース・ドレインと同じ導電形の浅い準位の不純物がチャネル領域に導入されていればよいことになる。
また、前述した深い準位を作る不純物は、ソース・ドレインの極性がいずれの場合であっても、中性状態においてチャネル領域にキャリアが生成される状態となる。従って、チャネル領域に深い準位の不純物を導入する場合、ソース・ドレインと同じ導電形である必要はない。
Therefore, it is only necessary that a shallow level impurity having the same conductivity type as that of the source / drain is introduced into the channel region.
In addition, the above-described impurities that generate deep levels are in a state where carriers are generated in the channel region in a neutral state regardless of the polarity of the source and drain. Therefore, when a deep level impurity is introduced into the channel region, it does not have to have the same conductivity type as the source / drain.
以上に説明した本実施の形態によれば、チャネル中の不純物の荷電状態が制御可能であり、この状態を観察(読み出す)ことができるので、トランジスタを、量子コンピュータ、スピントロニクス、微細MOSトランジスタ集積回路などの素子として、用いることが可能となる。
なお、半導体はシリコンに限るものではなく、他の半導体を用いるようにしてもよい。また、ジャンクションFETのように、ゲート絶縁膜は必ず必要なものではない。
According to the shape condition of the present embodiment described above, the charge state of the impurity in the channel it is possible control, since the state observation (reading) can be a transistor, a quantum computer, spintronics, fine MOS transistor integrated It can be used as an element such as a circuit.
Note that the semiconductor is not limited to silicon, and other semiconductors may be used. Further, unlike the junction FET, the gate insulating film is not necessarily required.
101…半導体層、102…ソース、103…ドレイン、104…チャネル領域、105,106…ゲート絶縁膜、107,108…ゲート電極。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記チャネル領域を挾むように配置されて第2不純物が導入された半導体からなるソース及びドレインと、
前記ソース及びドレインの配列方向とは異なる方向で、前記チャネル領域を挾むように対向して配置された第1および第2のゲート電極と
を少なくとも備え、
前記第1および第2のゲート電極に挟まれた前記チャネル領域の厚みが2〜400nmであるトランジスタを用い、
前記第1不純物のイオン化エネルギーをE、ボルツマン定数をkとしたときに、絶対温度E/(10k)以下の温度に設定し、前記第1のゲート電極の電位の変化に対する前記トランジスタのしきい値の理論値からのシフト量により、イオン化している前記第1不純物の濃度を求める
ことを特徴とする半導体中の不純物の荷電状態の検出方法。 A channel region made of a semiconductor doped with a first impurity;
A source and a drain made of a semiconductor which is arranged so as to sandwich the channel region and into which a second impurity is introduced;
And at least first and second gate electrodes arranged opposite to each other so as to sandwich the channel region in a direction different from the arrangement direction of the source and drain,
A transistor in which the thickness of the channel region sandwiched between the first and second gate electrodes is 2 to 400 nm;
When the ionization energy of the first impurity is E and the Boltzmann constant is k, it is set to a temperature equal to or lower than the absolute temperature E / (10k), and the threshold value of the transistor with respect to the potential change of the first gate electrode The concentration of the ionized first impurity is obtained from the shift amount from the theoretical value of
A method for detecting a charged state of impurities in a semiconductor .
前記第1不純物は、前記第2不純物と同一導電形である
ことを特徴とする半導体中の不純物の荷電状態の検出方法。 The method for detecting a charge state of an impurity in a semiconductor according to claim 1,
The first impurity has the same conductivity type as the second impurity. A method for detecting a charged state of an impurity in a semiconductor .
前記第1不純物は、イオン化エネルギーが、0.2eV以下である
ことを特徴とする半導体中の不純物の荷電状態の検出方法。 The method for detecting a charge state of an impurity in a semiconductor according to claim 2,
The method for detecting a charged state of an impurity in a semiconductor, wherein the first impurity has an ionization energy of 0.2 eV or less .
前記第1不純物は、前記第2不純物と異なる導電形であり、イオン化エネルギーが、0.2eVを超えるものである
ことを特徴とする半導体中の不純物の荷電状態の検出方法。 The method for detecting a charge state of an impurity in a semiconductor according to claim 1,
The method for detecting a charged state of an impurity in a semiconductor, wherein the first impurity has a conductivity type different from that of the second impurity, and ionization energy exceeds 0.2 eV .
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