JP6799247B2 - Semiconductor device - Google Patents
Semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP6799247B2 JP6799247B2 JP2016156494A JP2016156494A JP6799247B2 JP 6799247 B2 JP6799247 B2 JP 6799247B2 JP 2016156494 A JP2016156494 A JP 2016156494A JP 2016156494 A JP2016156494 A JP 2016156494A JP 6799247 B2 JP6799247 B2 JP 6799247B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- doping layer
- film
- semiconductor device
- graphene
- graphene film
- 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.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Description
本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.
大規模集積回路(large scale integrated circuit:LSI)等の半導体装置の特性は、半導体装置に含まれるトランジスタの閾値電圧の影響を受ける。不純物を多量に含むポリシリコンゲートを含むトランジスタの閾値電圧は、チャネル領域のドーパントの濃度の制御により調整することができる。 The characteristics of semiconductor devices such as large scale integrated circuits (LSIs) are affected by the threshold voltage of the transistors included in the semiconductor devices. The threshold voltage of the transistor containing the polysilicon gate containing a large amount of impurities can be adjusted by controlling the concentration of the dopant in the channel region.
しかし、ポリシリコンゲートは近年のトランジスタの微細化の要請に十分に対応できない。例えば、トランジスタが微細になるほど、ポリシリコンゲートの空乏化及び抵抗の高さが顕著になる。そこで、近年では、ポリシリコンゲートに代えて金属ゲートが用いられることがある。 However, polysilicon gates cannot sufficiently meet the recent demand for transistor miniaturization. For example, the finer the transistor, the more depleted the polysilicon gate and the higher the resistance. Therefore, in recent years, a metal gate may be used instead of the polysilicon gate.
しかしながら、金属ゲートを含む微細なトランジスタでは、チャネル領域のドーパントの濃度のゆらぎによる特性のばらつきが生じやすい。ドーパントの濃度を低くすることで上記の特性のばらつきを抑制することが可能である。しかし、ドーパントの濃度が低い場合、トランジスタの閾値電圧は主に金属ゲートの仕事関数に依存する。このため、閾値電圧をフレキシブルに調整することができない。また、閾値電圧が相違する複数のトランジスタを形成する場合、それらの間で金属ゲートの材料を異ならせる必要がある。例えば、nチャネルトランジスタの金属ゲート及びpチャネルトランジスタの金属ゲートに同じ材料を用いることができない。更に、金属ゲートには、ゲート絶縁膜との界面での界面準位の形成及びゲート絶縁膜中への金属原子の拡散等の懸念がある。これらはトランジスタの特性に影響を及ぼし得るため、仮に所望の閾値電圧が得られるとしても、金属ゲートに用いることができない材料もある。 However, in a fine transistor including a metal gate, variations in characteristics are likely to occur due to fluctuations in the concentration of the dopant in the channel region. By lowering the concentration of the dopant, it is possible to suppress the variation in the above characteristics. However, when the concentration of the dopant is low, the threshold voltage of the transistor depends mainly on the work function of the metal gate. Therefore, the threshold voltage cannot be adjusted flexibly. Further, when forming a plurality of transistors having different threshold voltages, it is necessary to make the material of the metal gate different between them. For example, the same material cannot be used for the metal gate of an n-channel transistor and the metal gate of a p-channel transistor. Further, the metal gate has concerns such as the formation of an interface state at the interface with the gate insulating film and the diffusion of metal atoms into the gate insulating film. Since these can affect the characteristics of the transistor, some materials cannot be used for metal gates even if a desired threshold voltage can be obtained.
本発明の目的は、トランジスタの閾値電圧をフレキシブルに調整することができる半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of flexibly adjusting the threshold voltage of a transistor.
半導体装置の一態様は、チャネル領域、並びに前記チャネル領域を間に挟むソース領域及びドレイン領域と、前記チャネル領域上のゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上のグラフェン膜と、前記グラフェン膜をドーピングする前記グラフェン膜上のドーピング層と、前記ドーピング層を覆う保護膜と、を有し、前記ドーピング層に開口部が形成されており、前記保護膜は前記開口部を通じて前記グラフェン膜に接している。ここで、グラフェン膜とは、1又は2以上のグラフェンの単位層からなる膜をいう。 One aspect of the semiconductor device is to dope a channel region, a source region and a drain region sandwiching the channel region, a gate insulating film on the channel region, a graphene film on the gate insulating film, and the graphene film. It has a doping layer on the graphene film and a protective film covering the graphite layer, and an opening is formed in the doping layer, and the protective film is in contact with the graphene film through the opening. .. Here, the graphene film refers to a film composed of one or more unit layers of graphene.
上記の半導体装置等によれば、適切なドーピング層が含まれているため、トランジスタの閾値電圧をフレキシブルに調整することができる。 According to the above-mentioned semiconductor device or the like, since an appropriate doping layer is included, the threshold voltage of the transistor can be flexibly adjusted.
以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。第1の実施形態は、電界効果トランジスタを含む半導体装置に関する。図1は、第1の実施形態に係る半導体装置を示す図である。図1(a)は断面図であり、図1(b)は図1(a)中の一部の要素を示す平面図である。図1(a)は図1(b)のI−I線に沿った断面を示す。
(First Embodiment)
First, the first embodiment will be described. The first embodiment relates to a semiconductor device including a field effect transistor. FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 1 (a) is a cross-sectional view, and FIG. 1 (b) is a plan view showing some elements in FIG. 1 (a). FIG. 1 (a) shows a cross section along the line I-I of FIG. 1 (b).
第1の実施形態に係る半導体装置100では、図1(a)に示すように、第1導電型の半導体基板101に素子領域を区画する素子分離領域102が形成され、素子領域内に第2導電型のソース領域103s及びドレイン領域103dが形成されている。半導体基板101のソース領域103s及びドレイン領域103dの間の部分がチャネル領域101aである。例えば、半導体基板101の導電型はp型であり、ソース領域103s及びドレイン領域103dの導電型はn型である。半導体基板101上に絶縁膜104が形成されている。絶縁膜104にソース領域103s上の開口部104s及びドレイン領域103d上の開口部104dが形成されている。絶縁膜104上にチャネル領域101a上方のグラフェン膜111が形成されている。グラフェン膜111は、1又は2以上のグラフェンの単位層からなる。絶縁膜104のチャネル領域101a及びグラフェン膜111に挟まれた部分がゲート絶縁膜104aである。半導体基板101の導電型がn型、ソース領域103s及びドレイン領域103dの導電型がp型であってもよい。
In the semiconductor device 100 according to the first embodiment, as shown in FIG. 1A, an
グラフェン膜111をドーピングするドーピング層112がグラフェン膜111上に形成されている。ドーピング層112は、例えば、2,3,5,6−テトラフルオロ−7,7,8,8−テトラシアノキノジメタン(F4−TCNQ)、3,6−ジフルオロ−2,5,7,7,8,8−ヘキサシアノキノジメタン(F2-HCNQ)、テトラシアノキノジメタン(TCNQ)、2,5−ジフルオロ−テトラシアノキノジメタン(F2−TCNQ)、二酸化窒素(NO2)、フッ化ペンタセン、ジアゾニウム塩、ベンジルビオロゲン若しくは塩化鉄又はこれらの任意の組み合わせを含む。ジアゾニウム塩として、4−(N,N−ジメチルアミノ)ベンゼンジアゾニウムテトラフルオロボラート(4-(N,N-Dimethylamino)benzenediazonium Tetrafluoroborate)及び4−ブロモベンゼンジアゾニウムテトラフルオロボラート(4-Bromobenzenediazonium Tetrafluoroborate)が例示される。ドーピング層112が、ポリエーテルイミド(PEI)、フェロセン、コバルトセン若しくはテトラチアフルバレン(TTF)又はこれらの任意の組み合わせを含んでいてもよい。
A
図1(a)及び(b)に示すように、絶縁膜104上に開口部104sを通じてソース領域103sと接する金属膜105s及び開口部104dを通じてドレイン領域103dと接する金属膜105dが形成されている。グラフェン膜111の上面は素子分離領域102上方でドーピング層112から露出している。そして、素子分離領域102上方で、グラフェン膜111に接する金属膜105gがグラフェン膜111上に形成されている。ドーピング層112を覆う保護膜113が半導体装置100に含まれる。保護膜113は、例えばアルミナ膜である。金属膜105sの少なくとも一部、金属膜105dの少なくとも一部及び金属膜105gの少なくとも一部が保護膜113から露出している。金属膜105s、金属膜105d、金属膜105gは、それぞれソースコンタクト電極、ドレインコンタクト電極、ゲートコンタクト電極として用いられる。
As shown in FIGS. 1A and 1B, a
ここで、グラフェンの特性について説明する。グラフェンが金属的な性質を示す一方で、図2に示すように、グラフェンの状態密度はフェルミ準位付近で小さい。このため、グラフェンをドーピングすることにより仕事関数の値を自由に変化させることができる。グラフェンの状態密度とディラック点からのエネルギー差との関係は以下の式で与えられる。ここで、Eはエネルギー、vFはフェルミ速度(1×106m/s)、hはプランク定数、EDiracはディラック点の位置である。 Here, the characteristics of graphene will be described. While graphene exhibits metallic properties, the density of states of graphene is small near the Fermi level, as shown in FIG. Therefore, the value of the work function can be freely changed by doping graphene. The relationship between the density of states of graphene and the energy difference from the Dirac point is given by the following equation. Here, E is energy, v F is Fermi velocity (1 × 10 6 m / s), h is Planck's constant, and E Dirac is the position of Dirac point.
例えば、この式から、フェルミ準位が丁度ディラック点にある場合、1012cm-2の電子でグラフェンをドーピングすることで仕事関数が120meV程度変化することが算出される。 For example, from this equation, it is calculated that when the Fermi level is exactly at the Dirac point, the work function changes by about 120 meV by doping graphene with 10 12 cm -2 electrons.
第1の実施形態では、ドーピング層112が、それが含有する材料及び量に応じてグラフェン膜111をドーピングする。従って、グラフェン膜111の仕事関数を自由に変化させ、トランジスタの閾値電圧をフレキシブルに調整することができる。また、ゲート絶縁膜104aにグラフェン膜111が接するため、金属ゲートが用いられた場合に懸念される界面準位の形成を回避できる。また、グラフェン膜111はドーピング層112に含まれる原子のゲート絶縁膜104aへの拡散を防止する。従って、このような拡散に伴うゲート絶縁膜104aの特性の変動を回避できる。
In the first embodiment, the
次に、第1の実施形態に係る半導体装置100の製造方法について説明する。図3A乃至図3Bは、第1の実施形態に係る半導体装置100の製造方法を工程順に示す断面図であり、図4は、第1の実施形態に係る半導体装置100の製造方法を工程順に示す平面図である。 Next, a method of manufacturing the semiconductor device 100 according to the first embodiment will be described. 3A to 3B are cross-sectional views showing the manufacturing method of the semiconductor device 100 according to the first embodiment in process order, and FIG. 4 shows the manufacturing method of the semiconductor device 100 according to the first embodiment in process order. It is a plan view.
先ず、図3A(a)に示すように、半導体基板101にp型不純物をイオン注入して半導体基板101の導電型をp型とし、素子分離領域102を形成し、素子領域内にn型不純物をイオン注入してソース領域103s及びドレイン領域103dを形成する。次いで、半導体基板101の表面に絶縁膜104を形成する。絶縁膜104は、例えば熱酸化により形成することができる。
First, as shown in FIG. 3A (a), p-type impurities are ion-implanted into the
その後、図3A(b)に示すように、絶縁膜104上にグラフェン膜111を設ける。グラフェン膜111は、例えば成長基板上へのグラフェン膜の成長及び絶縁膜104上への転写により設けることができる。
After that, as shown in FIG. 3A (b), the
続いて、図3A(c)及び図4(a)に示すように、グラフェン膜111をパターニングする。グラフェン膜111は、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によりパターニングすることできる。エッチング技術としては、例えば酸素プラズマを用いたリアクティブイオンエッチング(reactive ion etching:RIE)が挙げられる。
Subsequently, as shown in FIGS. 3A (c) and 4 (a), the
次いで、図3A(d)に示すように、絶縁膜104をパターニングして開口部104s及び開口部104dを形成する。絶縁膜104は、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によりパターニングすることできる。
Next, as shown in FIG. 3A (d), the insulating
その後、図3B(e)及び図4(b)に示すように、開口部104sを通じてソース領域103sと接する金属膜105s、開口部104dを通じてドレイン領域103dと接する金属膜105d、及び素子分離領域102上方でグラフェン膜111に接する金属膜105gを形成する。金属膜105s、金属膜105d及び金属膜105gの形成では、例えば、これらを形成する予定の領域を露出するマスクを形成し、真空蒸着法により金属膜を形成し、マスクをその上の金属膜と共に除去する。すなわち、金属膜105s、金属膜105d及び金属膜105gはリフトオフ法により形成することができる。金属膜の形成では、例えば、厚さがのTi膜を形成し、その上に厚さが200nmのAu膜を形成する。
After that, as shown in FIGS. 3B (e) and 4 (b), the
続いて、図3B(f)及び図4(c)に示すように、グラフェン膜111上にドーピング層112を形成する。ドーピング層112の形成では、例えば、F4−TCNQを真空蒸着する。トルエン等の溶媒にF4−TCNQを溶解させたF4−TCNQ溶液をスピンコートすることによりドーピング層112を形成してもよい。F4−TCNQ溶液を滴下することによりドーピング層112を形成してもよい。トランジスタの閾値電圧に応じてドーピング層112の厚さを調整する。
Subsequently, as shown in FIGS. 3B (f) and 4 (c), the
次いで、図3B(g)に示すように、ドーピング層112を覆う保護膜113を形成し、保護膜113に、金属膜105sの少なくとも一部、金属膜105dの少なくとも一部及び金属膜105gの少なくとも一部を露出する開口部を形成する。保護膜としては、例えば原子層堆積(atomic layer deposition:ALD)法により形成することができる。
Next, as shown in FIG. 3B (g), a
このようにして第1の実施形態に係る半導体装置100を製造することができる。 In this way, the semiconductor device 100 according to the first embodiment can be manufactured.
ここで、本願発明者が行った実験について説明する。この実験では、ドーピング層112の厚さを異ならせた3種類の半導体装置100を製造した。ドーピング層112の形成では、トルエンを溶媒とし濃度が0.05mMのF4−TCNQ溶液を準備し、このF4−TCNQ溶液を面積が約1cm2の領域に面積に滴下し、F4−TCNQ溶液を乾燥させた。この際に、F4−TCNQ溶液の滴下量(10μl、40μl、70μl)でドーピング層112の厚さを調整した。参考のために、ドーピング層112を形成しない参考例の半導体装置も製造した。そして、これら半導体装置のゲート電圧とドレイン電流との関係を求めた。この結果を図5に示す。図5に示すように、ドーピング層112を含む半導体装置100の閾値電圧は、参考例の半導体装置の閾値電圧から約300meV変化していた。また、F4−TCNQ溶液の滴下量に応じて、つまりドーピング層112の厚さに応じて閾値電圧が変化した。本実験では10μlの滴下量でもF4−TCNQが十分堆積されていたため、閾値電圧の滴下量に応じた変化は比較的小さかった。しかし、滴下量をさらに小さくなる方向に変化させれば、様々な閾値のトランジスタが実現可能である。
Here, the experiment conducted by the inventor of the present application will be described. In this experiment, three types of semiconductor devices 100 having different thicknesses of the
ドーピング層112が、F4−TCNQ、F2-HCNQ、TCNQ、F2−TCNQ、NO2、フッ化ペンタセン、ジアゾニウム塩、ベンジルビオロゲン若しくは塩化鉄又はこれらの任意の組み合わせを含む場合、半導体装置100の閾値電圧は、ドーピング層112を含まない参考例の閾値電圧から正側にシフトする。一方、ドーピング層112が、PEI、フェロセン、コバルトセン若しくはTTF又はこれらの任意の組み合わせを含む場合、半導体装置100の閾値電圧は、ドーピング層112を含まない参考例の閾値電圧から負側にシフトする。
If the
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、電界効果トランジスタを含む半導体装置に関する。図6は、第2の実施形態に係る半導体装置を示す図である。図6(a)は断面図であり、図6(b)は図6(a)中の一部の要素を示す模式図である。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described. The second embodiment relates to a semiconductor device including a field effect transistor. FIG. 6 is a diagram showing a semiconductor device according to the second embodiment. 6 (a) is a cross-sectional view, and FIG. 6 (b) is a schematic view showing a part of the elements in FIG. 6 (a).
図6(a)に示すように、第2の実施形態に係る半導体装置200には、第1の実施形態におけるドーピング層112に代えて、基部220及び自己組織化単分子層(self-assembled monolayer:SAM)230を含むドーピング層212が含まれる。自己組織化単分子層230には、図6(b)に示すように、骨格部231及び官能基232が含まれており、官能基232がグラフェン膜111に接するようにドーピング層212が配置されている。官能基232は、例えばNH2基、NH(CH3)基、N(CH3)2基、CF3基又はCOOH基である。基部220は、例えばアルミナからなる。そして、ドーピング層212が保護膜113に覆われている。他の構成は第1の実施形態と同様である。
As shown in FIG. 6A, the semiconductor device 200 according to the second embodiment has a
第2の実施形態では、グラフェン膜111に官能基232が接しているため、グラフェン膜111中に電荷が発生する。つまり、ドーピング層212によりグラフェン膜111がドーピングされる。官能基232がNH2基、NH(CH3)基又はN(CH3)2基である場合、グラフェン膜111中に電子が発生し、官能基232がCF3基又はCOOH基である場合、グラフェン膜111中に正孔が発生する。従って、第1の実施形態と同様に、グラフェン膜111の仕事関数を自由に変化させ、トランジスタの閾値電圧をフレキシブルに調整することができる。また、界面準位の形成及びゲート絶縁膜104aへの異物の拡散を回避することもできる。
In the second embodiment, since the
図7は、第2の実施形態におけるゲート電圧とドレイン電流との関係を示す図である。官能基232がN(CH3)2基である場合、グラフェン膜111中に電子が発生するため、ドーピング層212を含まない参考例よりも閾値電圧が負側にシフトする。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the gate voltage and the drain current in the second embodiment. When the
次に、第2の実施形態に係る半導体装置200の製造方法について説明する。図8は、第2の実施形態に係る半導体装置200の製造方法を工程順に示す断面図である。 Next, a method of manufacturing the semiconductor device 200 according to the second embodiment will be described. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the manufacturing method of the semiconductor device 200 according to the second embodiment in the order of processes.
先ず、図8(a)に示すように、第1の実施形態と同様にして、金属膜105s、金属膜105d及び金属膜105gの形成までの処理を行う。また、ドーピング層212を準備する。図9は、ドーピング層212を準備する方法を工程順に示す模式図である。
First, as shown in FIG. 8A, the treatment up to the formation of the
ドーピング層212の準備では、先ず、図9(a)に示すように、支持基板240上にアルミナの基部220を形成する。支持基板240として、ニッケル箔、銅箔、ニッケル膜及び銅膜が例示される。表面にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板を準備し、シリコン酸化膜上に厚さが200nm程度のアルミニウム膜を形成したものを支持基板240として用いてもよい。アルミナの基部220は、例えば前駆体としてのトリメチルアルミニウム(TMA)及び水を用いたALD法により形成することができる。基部220の厚さは、例えば20nm程度とする。
In the preparation of the
基部220の形成後、図9(b)に示すように、基部220上に自己組織化単分子層230を形成する。自己組織化単分子層230の形成では、自己組織化単分子層230の前駆体を入れた開放容器並びに支持基板240及び基部220の積層体を、グローブボックス内の密閉容器中に大気圧下で封入する。封入後、密閉容器を電気炉内に置いて加熱する。例えば、加熱時間は数時間とし、加熱温度は100℃程度とする。この加熱により、自己組織化単分子層230が形成される。加熱後、密閉容器を開封し、自己組織化単分子層230が形成された積層体の洗浄を行う。この洗浄では、エタノールを用いた洗浄、トルエンを用いた洗浄、水酸化カリウムを用いた洗浄及び硝酸を用いた洗浄を、それぞれ10分間程度行い、更に純水を用いた洗浄を行う。洗浄後、窒素(N2)ブロー処理を行う。このようにして、ドーピング層212を準備することができる。
After the formation of the
金属膜105s、金属膜105d及び金属膜105gの形成並びにドーピング層212の準備の完了後、図8(b)に示すように、官能基232がグラフェン膜111に接するようにして、支持基板240及びドーピング層212の積層体をグラフェン膜111上に設ける。
After the formation of the
次いで、図8(c)に示すように、支持基板240を除去する。支持基板240としてニッケル箔が用いられている場合、支持基板240は塩酸で除去することができる。
Then, as shown in FIG. 8C, the
その後、第1の実施形態と同様にして、保護膜113の形成以降の処理を行う。このようにして第2の実施形態に係る半導体装置200を製造することができる。
Then, in the same manner as in the first embodiment, the treatment after the formation of the
自己組織化単分子層230の前駆体としては、例えば、N−ジメチル−3−アミノプロピルメトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシ(エトキシ)シラン、N−メチル−3−アミノプロピルメトキシシラン、フッ化アルキルシラン、又はカルボン酸アルキルシランが用いられる。フッ化アルキルシランとして、トリメトキシ(1H,1H,2H,2H−ヘプタデカフルオロデシル)シラン(heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydro-decyl-1-trimethoxysilane)及びトリエトキシトリデカフルオロオクチルシランが例示される。N−ジメチル−3−アミノプロピルメトキシシランが用いられた場合、官能基232はN(CH3)2基となり、3−アミノプロピルトリメトキシ(エトキシ)シランが用いられた場合、官能基232はNH2基となり、N−メチル−3−アミノプロピルメトキシシランが用いられた場合、官能基232はNH(CH3)基となる。フッ化アルキルシランが用いられた場合、官能基232はCF3基となり、カルボン酸アルキルシランが用いられた場合、官能基232はCOOH基となる。自己組織化単分子層の形成方法は、例えば「H. Sugimura et al., Surf. Interf. Anal. 34, 550 (2002)」に詳しく説明されている。
Examples of the precursor of the self-assembled
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態は、電界効果トランジスタを含む半導体装置に関する。図10は、第3の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
(Third Embodiment)
Next, a third embodiment will be described. A third embodiment relates to a semiconductor device including a field effect transistor. FIG. 10 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the third embodiment.
図10に示すように、第3の実施形態に係る半導体装置300には、第1の実施形態におけるドーピング層112に代えて、ドーピング層312が含まれる。ドーピング層312は、例えば、白金、金、銀、銅、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、オスニウム、イリジウム等の金属を含む。ドーピング層312は、金属単体の1又は2以上の膜を含んでいてもよく、合金の1又は2以上の膜を含んでいてもよく、これらの両方を含んでいてもよい。他の構成は第1の実施形態と同様である。
As shown in FIG. 10, the semiconductor device 300 according to the third embodiment includes a doping layer 312 instead of the
第3の実施形態では、グラフェン膜111に金属を含むドーピング層312が接しているため、金属の仕事関数に応じた電荷の移動が生じる。つまり、ドーピング層312によりグラフェン膜111がドーピングされる。従って、第1の実施形態と同様に、グラフェン膜111の仕事関数を自由に変化させ、トランジスタの閾値電圧をフレキシブルに調整することができる。また、ゲート絶縁膜104aとドーピング層312との間にグラフェン膜111が介在するため、界面準位の状態はほとんど変化せず、ドーピング層312からゲート絶縁膜104aへの金属原子の拡散を回避することもできる。
In the third embodiment, since the
図11は、第3の実施形態におけるゲート電圧とドレイン電流との関係を示す図である。ドーピング層312が白金膜である場合、グラフェン膜111中に正孔が発生するため、ドーピング層312を含まない参考例よりも閾値電圧が正側にシフトする。
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the gate voltage and the drain current in the third embodiment. When the doping layer 312 is a platinum film, holes are generated in the
第3の実施形態では、金属膜105gを省略して、ドーピング層312の一部をゲートコンタクト電極として用いてもよい。金属膜105gにバルク状の膜が用いられてもよく、金属ナノ粒子の集合体が用いられてもよい。 In the third embodiment, 105 g of the metal film may be omitted and a part of the doping layer 312 may be used as the gate contact electrode. A bulk film may be used for 105 g of the metal film, or an aggregate of metal nanoparticles may be used.
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について説明する。第4の実施形態は、電界効果トランジスタを含む半導体装置に関する。図12は、第4の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
(Fourth Embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. A fourth embodiment relates to a semiconductor device including a field effect transistor. FIG. 12 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the fourth embodiment.
図12に示すように、第4の実施形態に係る半導体装置400には、第1の実施形態におけるドーピング層112に代えて、開口部412aが形成されたドーピング層412が含まれる。そして、保護膜113の一部が開口部412aを通じてグラフェン膜111に接している。ドーピング層412には、例えば、ドーピング層112、212又は312と同様の材料が用いられる。他の構成は第1の実施形態と同様である。
As shown in FIG. 12, the semiconductor device 400 according to the fourth embodiment includes a doping layer 412 having an opening 412a formed in place of the
第4の実施形態によっても、ドーピング層412の材料に応じて第1、第2又は第3の実施形態と同様の効果が得られる。第4の実施形態では、ドーピング層412に開口部412aが形成されているため、開口部412aが形成されていない場合とは異なる閾値電圧が得られる。つまり、ドーピング層412の材料が共通していても、ドーピング層412の面密度を変化させることで閾値電圧を調整できる。 The fourth embodiment also has the same effect as the first, second, or third embodiment, depending on the material of the doping layer 412. In the fourth embodiment, since the opening 412a is formed in the doping layer 412, a threshold voltage different from the case where the opening 412a is not formed can be obtained. That is, even if the materials of the doping layer 412 are common, the threshold voltage can be adjusted by changing the surface density of the doping layer 412.
開口部412aは、例えばエッチングにより形成することができる。ドーピング層412にドーピング層212のように自己組織化単分子層が含まれる場合、自己組織化単分子層の成長サイトを制御することで開口部412aを形成することもできる。ドーピング層412に金属ナノ粒子が用いられる場合、金属ナノ粒子の個数密度が低ければ金属ナノ粒子同士の隙間が開口部412aに相当し得る。
The opening 412a can be formed, for example, by etching. When the doping layer 412 contains a self-assembled monolayer such as the
(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態について説明する。第5の実施形態は、電界効果トランジスタを含む半導体装置に関する。図13は、第5の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
(Fifth Embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. A fifth embodiment relates to a semiconductor device including a field effect transistor. FIG. 13 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the fifth embodiment.
図13に示すように、第5の実施形態に係る半導体装置500には、第1の実施形態におけるドーピング層112に代えて、ドーピング層512が含まれ、このドーピング層512の上にグラフェン膜111及びドーピング層512の組が設けられている。つまり、半導体装置500には、グラフェン膜111及びドーピング層512が2組含まれる。ドーピング層512には、例えば、ドーピング層112、212又は312と同様の材料が用いられる。他の構成は第1の実施形態と同様である。
As shown in FIG. 13, the semiconductor device 500 according to the fifth embodiment includes a
第5の実施形態によっても、ドーピング層512の材料に応じて第1、第2又は第3の実施形態と同様の効果が得られる。第5の実施形態では、2つのドーピング層512のうちチャネルに近いドーピング層512がグラフェン膜111に挟まれているため、ドーパントが不安定であっても、当該ドーパントの変成及び離脱を抑制しやすい。また、2つのグラフェン膜111が含まれているため、グラフェン膜111の数が1つの場合よりもゲート抵抗を低減することができる。更に、グラフェン膜111及びドーピング層512が2組含まれるため、1組のみ含まれる場合とは異なる閾値電圧が得られることがある。グラフェン膜111及びドーピング層512の組の数は限定されず、3組以上であってもよい。ドーピング層512の材料が共通していても、グラフェン膜111及びドーピング層512の組の数を変化させることで閾値電圧を調整できる場合がある。
The fifth embodiment also has the same effect as the first, second, or third embodiment, depending on the material of the
チャネル領域、ソース領域及びドレイン領域の材料はバルク半導体でなくてもよい。例えば、二次元半導体材料がチャネル領域、ソース領域及びドレイン領域に用いられてもよい。チャネル領域、ソース領域及びドレイン領域が薄膜トランジスタ(thin film transistor:TFT)に含まれていてもよい。 The material of the channel region, the source region and the drain region does not have to be a bulk semiconductor. For example, two-dimensional semiconductor materials may be used for the channel region, source region and drain region. A channel region, a source region, and a drain region may be included in a thin film transistor (TFT).
いずれの実施形態においても、グラフェン膜に含まれる単位層数は限定されない。 In any of the embodiments, the number of unit layers contained in the graphene film is not limited.
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as appendices.
(付記1)
チャネル領域、並びに前記チャネル領域を間に挟むソース領域及びドレイン領域と、
前記チャネル領域上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上のグラフェン膜と、
前記グラフェン膜をドーピングする前記グラフェン膜上のドーピング層と、
を有することを特徴とする半導体装置。
(Appendix 1)
A channel region, a source region and a drain region sandwiching the channel region, and
With the gate insulating film on the channel region,
The graphene film on the gate insulating film and
A doping layer on the graphene film that doping the graphene film,
A semiconductor device characterized by having.
(付記2)
前記ドーピング層を覆う保護膜を有することを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(Appendix 2)
The semiconductor device according to
(付記3)
前記ドーピング層は、2,3,5,6−テトラフルオロ−7,7,8,8−テトラシアノキノジメタン、3,6−ジフルオロ−2,5,7,7,8,8−ヘキサシアノキノジメタン、テトラシアノキノジメタン、2,5−ジフルオロ−テトラシアノキノジメタン、二酸化窒素、フッ化ペンタセン、ジアゾニウム塩、ベンジルビオロゲン若しくは塩化鉄若しくはこれらの任意の組み合わせ、又はポリエーテルイミド、フェロセン、コバルトセン若しくはテトラチアフルバレン若しくはこれらの任意の組み合わせを含むことを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(Appendix 3)
The doping layer is 2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane, 3,6-difluoro-2,5,7,7,8,8-hexacyanoquinodimethane. Dimethane, tetracyanoquinodimethane, 2,5-difluoro-tetracyanoquinodimethane, nitrogen dioxide, pentacene fluoride, diazonium salts, benzylviologen or iron chloride or any combination thereof, or polyetherimide, ferrocene, The semiconductor device according to
(付記4)
前記ドーピング層は、前記グラフェン膜に接する官能基を備えた自己組織化単分子層を含むことを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(Appendix 4)
The semiconductor device according to
(付記5)
前記官能基は、NH2基、NH(CH3)基、N(CH3)2基、CF3基又はCOOH基であることを特徴とする付記4に記載の半導体装置。
(Appendix 5)
The functional group, NH 2 group, NH (CH 3) group, N (CH 3) 2 group, a semiconductor device according to
(付記6)
前記ドーピング層は、金属を含むことを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(Appendix 6)
The semiconductor device according to
(付記7)
前記ドーピング層は、白金、金、銀、銅、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、オスニウム若しくはイリジウム又はこれらの任意の組み合わせを含むことを特徴とする付記6に記載の半導体装置。
(Appendix 7)
The doping layer includes platinum, gold, silver, copper, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, zinc, aluminum, ittrium, zirconium, niobium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, hafnium, and tantalum. , Tungsten, osnium or iridium, or any combination thereof, according to Appendix 6.
(付記8)
前記ドーピング層に開口部が形成され、
前記保護膜は前記開口部を通じて前記グラフェン膜に接していることを特徴とする付記2乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 8)
An opening is formed in the doping layer,
The semiconductor device according to any one of
(付記9)
前記グラフェン膜はグラフェンの1つの単位層から構成されることを特徴とする付記1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 9)
The semiconductor device according to any one of
(付記10)
前記ドーピング層上の第2のグラフェン膜と、
前記第2のグラフェン膜上の第2のドーピング層と、
を有することを特徴とする付記1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 10)
With the second graphene film on the doping layer,
With the second doping layer on the second graphene membrane,
The semiconductor device according to any one of
100、200、300、400、500:半導体装置
101a:チャネル領域
103s:ソース領域
103d:ドレイン領域
104a:ゲート絶縁膜
111:グラフェン膜
112、212、312、412、512:グラフェン膜
100, 200, 300, 400, 500:
Claims (5)
前記チャネル領域上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上のグラフェン膜と、
前記グラフェン膜をドーピングする前記グラフェン膜上のドーピング層と、
前記ドーピング層を覆う保護膜と、
を有し、
前記ドーピング層に開口部が形成されており、
前記保護膜は前記開口部を通じて前記グラフェン膜に接していることを特徴とする半導体装置。 A channel region, a source region and a drain region sandwiching the channel region, and
With the gate insulating film on the channel region,
The graphene film on the gate insulating film and
A doping layer on the graphene film that doping the graphene film,
A protective film covering the doping layer and
Have,
An opening is formed in the doping layer,
A semiconductor device characterized in that the protective film is in contact with the graphene film through the opening.
前記他のグラフェン膜をドーピングする前記他のグラフェン膜上の他のドーピング層と、
を更に有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。 With other graphene membranes on the doping layer,
With other doping layers on the other graphene membranes that dope the other graphene membranes,
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 , further comprising.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016156494A JP6799247B2 (en) | 2016-08-09 | 2016-08-09 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016156494A JP6799247B2 (en) | 2016-08-09 | 2016-08-09 | Semiconductor device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018026428A JP2018026428A (en) | 2018-02-15 |
| JP6799247B2 true JP6799247B2 (en) | 2020-12-16 |
Family
ID=61194711
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016156494A Active JP6799247B2 (en) | 2016-08-09 | 2016-08-09 | Semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6799247B2 (en) |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5356066B2 (en) * | 2009-02-24 | 2013-12-04 | 株式会社東芝 | Switching element and nonvolatile memory device |
| SG10201503073QA (en) * | 2010-05-05 | 2015-06-29 | Univ Singapore | Hole doping of graphene |
| JP2013035716A (en) * | 2011-08-09 | 2013-02-21 | Sony Corp | Graphene structure and method for producing the same |
| US8815739B2 (en) * | 2012-07-10 | 2014-08-26 | Globalfoundries Inc. | FinFET device with a graphene gate electrode and methods of forming same |
| WO2014030534A1 (en) * | 2012-08-20 | 2014-02-27 | 富士電機株式会社 | Graphene laminate and method for producing same |
| JP2014241387A (en) * | 2013-06-12 | 2014-12-25 | 住友電気工業株式会社 | Substrate, method of manufacturing the same, and electronic equipment |
| JP6172522B2 (en) * | 2013-12-04 | 2017-08-02 | ソニー株式会社 | Infrared detector, detection method thereof, and electronic device |
-
2016
- 2016-08-09 JP JP2016156494A patent/JP6799247B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2018026428A (en) | 2018-02-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xu et al. | Status and prospects of MXene-based nanoelectronic devices | |
| US10985019B2 (en) | Method of forming a semiconductor device using layered etching and repairing of damaged portions | |
| US11532709B2 (en) | Field effect transistor including channel formed of 2D material | |
| US9362413B2 (en) | MOTFT with un-patterned etch-stop | |
| TWI632679B (en) | Electronic device and method of manufacturing same | |
| EP3121840B1 (en) | Thin-film transistor and preparation method therefor, array substrate, and display panel | |
| US7442588B2 (en) | Method for fabricating thin film transistor using local oxidation and transparent thin film transistor | |
| JP6323113B2 (en) | Connection structure, method for manufacturing the same, and semiconductor device | |
| US20140138682A1 (en) | Thin film transistor, method for manufacturing same, display device, and method for manufacturing same | |
| CN102122673B (en) | Oxide semiconductor thin film transistor structure and manufacturing method thereof | |
| EP2339633B1 (en) | Method of manufacturing transistor, and of electronic device including transistor | |
| JP2008219008A (en) | Thin film transistor and manufacturing method thereof | |
| US9147824B1 (en) | Reactive contacts for 2D layered metal dichalcogenides | |
| WO2011058651A1 (en) | Semiconductor device and process for manufacturing same | |
| TW201246312A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| CN104282576A (en) | Method for manufacturing metallic oxide thin film transistor | |
| WO2011125940A1 (en) | Thin-film transistor and method for manufacturing the same | |
| CN102939658A (en) | Thin film transistor and manufacturing method thereof | |
| Pyeon et al. | Wafer-scale, conformal, and low-temperature synthesis of layered tin disulfides for emerging nonplanar and flexible electronics | |
| US9754970B2 (en) | Thin film transistor, fabricating method thereof, array substrate and display device | |
| CN113454793A (en) | Graphene-based TFT including nitrogen-doped graphene layer as active layer | |
| Cho et al. | Modulation doping of single-layer semiconductors for improved contact at metal interfaces | |
| JP6799247B2 (en) | Semiconductor device | |
| KR101972739B1 (en) | Semiconductor device and Method for manufacturing thereof | |
| Bastani et al. | Interface-induced negative differential resistance and memristive behavior in Gr/MoSe2 heterostructure |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190513 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200225 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200228 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200424 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200602 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200626 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20201020 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20201102 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6799247 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |