JP2008004749A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】チャネル領域をカーボンナノチューブで形成したON/OFF比の高い高性能な電界効果トランジスタを有する半導体装置を提供する。
【解決手段】チャネル領域がカーボンナノチューブ1で形成された電界効果トランジスタを有する半導体装置であって、カーボンナノチューブ1のカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p+1で、あるいは、n−m=3p−1で表され、カーボンナノチューブの軸と平行方向に引張り、あるいは、圧縮ひずみが加わっていることを特徴とする半導体装置。
【選択図】図1
A semiconductor device having a high-performance field-effect transistor with a high ON / OFF ratio in which a channel region is formed of carbon nanotubes is provided.
A semiconductor device having a field effect transistor in which a channel region is formed of a carbon nanotube 1, wherein the chirality (n, m) of the carbon nanotube 1 is n−m = 3p + 1 where p is an integer, or n A semiconductor device represented by −m = 3p−1, wherein a tensile force or a compressive strain is applied in a direction parallel to the axis of the carbon nanotube.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体装置に係り、特にチャネル領域がカーボンナノチューブで形成されている電界効果トランジスタを有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a field effect transistor in which a channel region is formed of carbon nanotubes.
シリコン超集積回路(LSI)は、将来の高度情報化社会を支える基盤技術の一つである。集積回路の高機能化には、その構成要素であるMIS型電界効果トランジスタの高性能化が必要である。素子の高性能化は基本的には比例縮小則(スケーリング)により行われてきたが、近年、種々の物性的限界により素子の超微細化による高性能化だけでなく、素子そのものの動作も困難な状況にある。このような状況を打破するために、シリコンに変わる材料を使ってチャネル領域を形成することにより高性能トランジスタを実現しようという試みが世界中でなされている。 Silicon super integrated circuits (LSIs) are one of the fundamental technologies that will support the advanced information society in the future. In order to increase the functionality of an integrated circuit, it is necessary to improve the performance of the MIS field effect transistor that is a component of the integrated circuit. The enhancement of device performance has been basically done by the proportional reduction law (scaling), but in recent years, due to various physical limitations, not only the enhancement of device performance by ultra-miniaturization of the device but also the operation of the device itself is difficult. It is in the situation. In order to overcome this situation, attempts have been made all over the world to realize a high-performance transistor by forming a channel region using a material that changes to silicon.
たとえば、ゲルマニウムによってp型電界効果トランジスタのチャネル領域を形成しようとする試み、ガリウム砒素やインジウム砒素などの化合物半導体によってn型電界効果トランジスタのチャネル領域を形成しようとする試み、カーボンナノチューブによってチャネル領域を形成しようとする試みなどがある。なかでも、カーボンナノチューブでチャネル領域を形成する方法は、微細なゲート長の電界効果トランジスタを実現することが容易であること、n型とp型双方の電界効果トランジスタのチャネル領域をひとつの材料で形成できることなどから極めて有望視されている。
このため、チャネル領域をカーボンナノチューブで形成し、金属/カーボンナノチューブ(半導体)接合をソース・ドレイン接合とするショットキー・トランジスタ、また、カリウムをドープすることでn型層を作り、pn接合をソース・ドレイン接合とするトランジスタなどが精力的に研究されている(例えば、非特許文献1)。
For example, an attempt to form a channel region of a p-type field effect transistor with germanium, an attempt to form a channel region of an n-type field effect transistor with a compound semiconductor such as gallium arsenide or indium arsenide, and a channel region with a carbon nanotube There are attempts to form it. In particular, the method of forming a channel region with carbon nanotubes facilitates the realization of a field effect transistor with a fine gate length, and the channel region of both n-type and p-type field effect transistors with a single material. It is very promising because it can be formed.
Therefore, a Schottky transistor in which the channel region is formed of carbon nanotubes and the metal / carbon nanotube (semiconductor) junction is the source / drain junction, or an n-type layer is formed by doping potassium, and the pn junction is the source -Transistors having drain junctions have been energetically studied (for example, Non-Patent Document 1).
しかしながら、今後、カーボンナノチューブでチャネル領域を形成した電界効果トランジスタ、いわゆるカーボンナノチューブ・トランジスタを現実のLSIデバイスに使用していくためには、カーボンナノチューブ・トランジスタの性能を持続的に向上させる手法が必要である。従来のシリコン・トランジスタの場合には、ゲート長を短くし、不純物プロファイルなどを最適化することで、OFF電流を抑えつつON電流の大きなON/OFF比の高いトランジスタを実現することが可能であった。ところが、カーボンナノチューブ・トランジスタでは、チャネル内で電荷キャリアがほとんど散乱されないバリスティック輸送が実現されている。したがって、チャネル長を短くしても、チャネル内での散乱を減らすことによる電荷キャリアの移動度増加を期待することができず、ON電流はほとんど大きくならないという問題があった。 However, in the future, in order to use a field effect transistor in which a channel region is formed of carbon nanotubes, a so-called carbon nanotube transistor, in an actual LSI device, a technique for continuously improving the performance of the carbon nanotube transistor is necessary. It is. In the case of a conventional silicon transistor, by shortening the gate length and optimizing the impurity profile, it is possible to realize a transistor with a large ON current and a high ON / OFF ratio while suppressing the OFF current. It was. However, in the carbon nanotube transistor, ballistic transport is realized in which charge carriers are hardly scattered in the channel. Therefore, even if the channel length is shortened, it is not possible to expect an increase in charge carrier mobility due to reduction of scattering in the channel, and there is a problem that the ON current hardly increases.
この問題に関し、カーボンナノチューブの直径を大きくすることによってON電流が増加することが報告されている(非特許文献2)。しかしながら、カーボンナノチューブの直径を大きくすると、ON電流に加え、OFF電流も同時に増加することが判明している。したがって、ON電流が大きくOFF電流が小さいという真に高性能なカーボンナノチューブ・トランジスタは実現できていない。
このように、カーボンナノチューブ・トランジスタにおいては、ON/OFF比がより高い高性能トランジスタにするための指針、すなわち、シリコン・トランジスタの場合の微細化に替わる高性能化の指針が必要とされている。
As described above, the carbon nanotube transistor requires a guideline for making a high-performance transistor with a higher ON / OFF ratio, that is, a guideline for improving performance instead of miniaturization in the case of a silicon transistor. .
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、チャネル領域をカーボンナノチューブで形成したON/OFF比の高い高性能な電界効果トランジスタを有する半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high-performance field effect transistor with a high ON / OFF ratio in which a channel region is formed of carbon nanotubes. There is.
本発明の一態様の半導体装置は、
チャネル領域がカーボンナノチューブで形成された電界効果トランジスタを有する半導体装置であって、
前記カーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p+1で表され、
前記カーボンナノチューブの軸と平行方向に引張りひずみが加わっていることを特徴とする。
A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes:
A semiconductor device having a field effect transistor having a channel region formed of carbon nanotubes,
The chirality (n, m) of the carbon nanotube is represented by nm = 3p + 1, where p is an integer,
A tensile strain is applied in a direction parallel to the axis of the carbon nanotube.
また、本発明の一態様の半導体装置は、
チャネル領域がカーボンナノチューブで形成された電界効果トランジスタを有する半導体装置であって、
前記カーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p−1で表され、
前記カーボンナノチューブの軸と平行方向に圧縮ひずみが加わっていることを特徴とする。
In addition, a semiconductor device of one embodiment of the present invention includes
A semiconductor device having a field effect transistor having a channel region formed of carbon nanotubes,
The chirality (n, m) of the carbon nanotube is represented by nm = 3p-1 where p is an integer,
A compressive strain is applied in a direction parallel to the axis of the carbon nanotube.
ここで、前記カーボンナノチューブの直径が1nm以上3nm以下、より望ましくは1.5nm以上3nm以下、
前記電界効果トランジスタのゲート絶縁膜のシリコン酸化膜換算膜厚が0を超え0.5nm以下であることが望ましい。
Here, the diameter of the carbon nanotube is 1 nm to 3 nm, more preferably 1.5 nm to 3 nm,
It is desirable that the equivalent gate oxide film thickness of the gate insulating film of the field effect transistor is more than 0 and 0.5 nm or less.
また、前記電界効果トランジスタが絶縁膜上に形成され、
前記絶縁膜のシリコン酸化膜換算膜厚が160nm以上であることが望ましい。
The field effect transistor is formed on an insulating film,
It is desirable that the insulating film has a silicon oxide equivalent film thickness of 160 nm or more.
また、本発明の一態様の半導体装置は、
チャネル領域がカーボンナノチューブで形成されたn型電界効果トランジスタと、チャネル領域がカーボンナノチューブで形成されたp型電界効果トランジスタを有する半導体装置であって、
前記n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p+1で表され、
前記p型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブのカイラリティ(j,k)がqを整数としてj−k=3q+1で表され、
前記n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブと、前記p型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブが平行に配置され、
前記n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブの軸および前記p型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブの軸と、平行方向に引張りひずみが加わっていることを特徴とする。
In addition, a semiconductor device of one embodiment of the present invention includes
A semiconductor device having an n-type field effect transistor having a channel region formed of carbon nanotubes and a p-type field effect transistor having a channel region formed of carbon nanotubes,
The chirality (n, m) of the carbon nanotube of the n-type field effect transistor is represented by nm = 3p + 1, where p is an integer,
The chirality (j, k) of the carbon nanotube of the p-type field effect transistor is represented by j−k = 3q + 1, where q is an integer,
The carbon nanotubes of the n-type field effect transistor and the carbon nanotubes of the p-type field effect transistor are arranged in parallel,
A tensile strain is applied in a direction parallel to the axis of the carbon nanotube of the n-type field effect transistor and the axis of the carbon nanotube of the p-type field effect transistor.
また、本発明の一態様の半導体装置は、
チャネル領域がカーボンナノチューブで形成されたn型電界効果トランジスタと、チャネル領域がカーボンナノチューブで形成されたp型電界効果トランジスタを有する半導体装置であって、
前記n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p−1で表され、
前記p型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブのカイラリティ(j,k)がqを整数としてj−k=3q−1で表され、
前記n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブと、前記p型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブが平行に配置され、
前記n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブの軸および前記p型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブの軸と、平行方向に圧縮ひずみが加わっていることを特徴とする。
In addition, a semiconductor device of one embodiment of the present invention includes
A semiconductor device having an n-type field effect transistor having a channel region formed of carbon nanotubes and a p-type field effect transistor having a channel region formed of carbon nanotubes,
The chirality (n, m) of the carbon nanotube of the n-type field effect transistor is represented by nm = 3p-1 where p is an integer,
The carbon nanotube chirality (j, k) of the p-type field effect transistor is represented by jk = 3q-1 where q is an integer,
The carbon nanotubes of the n-type field effect transistor and the carbon nanotubes of the p-type field effect transistor are arranged in parallel,
Compressive strain is applied in a direction parallel to the axis of the carbon nanotube of the n-type field effect transistor and the axis of the carbon nanotube of the p-type field effect transistor.
本発明によれば、チャネル領域をカーボンナノチューブで形成したON/OFF比の高い高性能な電界効果トランジスタを有する半導体装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having a high-performance field effect transistor with a high ON / OFF ratio in which a channel region is formed of carbon nanotubes.
本発明の発明者は、チャネル領域をカーボンナノチューブで形成した電界効果トランジスタ(以下、カーボンナノチューブ・トランジスタという)において、チャネルを形成するカーボンナノチューブの軸方向に平行に、カーボンナノチューブのカイラリティに応じて、引張りまたは圧縮ひずみを加えることが、カーボンナノチューブ・トランジスタを高性能化する上で有効であることを見出した。
ここで、カイラリティとは、カーボンナノチューブの構造を特徴づけるパラメータである。カーボンナノチューブはグラファイト・シートを巻いた構造になっているが、その巻き方を特定する構造パラメータがカイラリティである。
以下、本発明の実施の形態を説明しつつ、発明者らの見出したカーボンナノチューブ・トランジスタの特性およびその原理について詳述する。
The inventor of the present invention, in a field effect transistor having a channel region formed of carbon nanotubes (hereinafter referred to as a carbon nanotube transistor), in parallel to the axial direction of the carbon nanotubes forming the channel, according to the chirality of the carbon nanotubes, It has been found that applying tensile or compressive strain is effective in improving the performance of a carbon nanotube transistor.
Here, the chirality is a parameter that characterizes the structure of the carbon nanotube. Carbon nanotubes have a structure in which a graphite sheet is wound, and the structural parameter for specifying the winding method is chirality.
Hereinafter, the characteristics of the carbon nanotube transistor found by the inventors and the principle thereof will be described in detail while explaining embodiments of the present invention.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に関するカーボンナノチューブ・トランジスタを有する半導体装置の素子構造を示す概略図である。本実施の形態のカーボンナノチューブ・トランジスタは、電子をキャリアとするn型のカーボンナノチューブ・トランジスタである。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic view showing an element structure of a semiconductor device having a carbon nanotube transistor according to the first embodiment of the present invention. The carbon nanotube transistor of the present embodiment is an n-type carbon nanotube transistor using electrons as carriers.
図1のカーボンナノチューブ・トランジスタは、チャネル領域を形成するカーボンナノチューブ1と、チャネル領域上(あるいはチャネル領域表面)にゲート絶縁膜6を介してゲート電極7を備えている。また、チャネル領域の両側にはソース・ドレイン領域5が設けられている。そして、ソース・ドレイン領域5に接して、コンタクト電極4が形成されている。チャネル領域を形成するカーボンナノチューブには、その軸と平行方向(図1中の矢印方向)に引張りひずみが加わっている。以下にさらにその構成の詳細について説明する。
The carbon nanotube transistor of FIG. 1 includes a
膜厚500nmのシリコン酸化膜からなる埋め込み絶縁膜2を形成したシリコン基板3を支持基板としてカーボンナノチューブ・トランジスタが形成されている。チャネル領域を形成するカーボンナノチューブ1の直径は約1.5nmである。また、カイラリティ(n,m)が、pを整数として、n−m=3p+1で表される関係を満たす、カイラリティ(19,0)のカーボンナノチューブが用いられている。
カーボンナノチューブ上には、物理膜厚8nmのHfO2(シリコン酸化膜換算膜厚約2nm)からなるゲート絶縁膜6を介してゲート電極7が形成されている。ゲート長は約75nmである。そして、ソース・ドレイン領域5を水平方向それぞれ約87.5nmの範囲で、例えば、カリウム(K)をドープすることによってn型化し、1.2×107/cm程度の電子を誘起している。また、例えば、パラジウム(Pd)からなるコンタクト電極4がソース・ドレイン領域に接して形成されている。
そして、チャネル領域を形成するカーボンナノチューブには、その軸と平行方向(図1中の矢印方向)に引張りひずみが加わっている。
A carbon nanotube transistor is formed using a
On the carbon nanotube, a gate electrode 7 is formed via a
A tensile strain is applied to the carbon nanotube forming the channel region in a direction parallel to the axis (the arrow direction in FIG. 1).
図2に、本実施の形態のカーボンナノチューブ・トランジスタのドレイン電流の引張りひずみ量依存性のシミュレーション結果を示す。横軸はゲート電圧、縦軸はリニアおよびログスケールで示したドレイン電流である。ドレイン電圧(Vd)は0.5Vとし、引張りひずみ量は、カーボンナノチューブの伸縮率にして、0%(無ひずみ)、1%引張りひずみ、3%引っ張りひずみの各条件で計算した。
本図から明らかなように、引張りひずみを加えるにつれ、OFF電流(ゲート電圧が0V以下の場合のドレイン電流)が劇的に減少する。一方、引張りひずみを加えた場合、ON電流もやや減少するが、OFF電流減少の効果が劇的である。したがって、ON/OFF比は表1に示すように、引張りひずみを加えることにより劇的に増大する。よって、本実施の形態により、ON/OFF比の大きな、すなわち、スイッチング特性に優れた高性能なカーボンナノチューブ・トランジスタが実現可能である。
As is apparent from this figure, as the tensile strain is applied, the OFF current (the drain current when the gate voltage is 0 V or less) decreases dramatically. On the other hand, when a tensile strain is applied, the ON current also decreases slightly, but the effect of reducing the OFF current is dramatic. Therefore, as shown in Table 1, the ON / OFF ratio increases dramatically by applying tensile strain. Therefore, according to this embodiment, a high-performance carbon nanotube transistor having a large ON / OFF ratio, that is, excellent switching characteristics can be realized.
ここで、引張りひずみを加えることによって、OFF電流が減少する原因は、カーボンナノチューブのバンドギャップが大きくなることで理解できる。カーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p+1の時に引張りひずみを加えた場合と、カーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p−1の時に圧縮ひずみを加えた場合に、カーボンナノチューブのバンドキャップが増大することが報告されている(L. Yang et al.,Phsical Review Lett,Vol.85,No.1,pp154−157,2000.)。したがって、カイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p+1の条件を満たす本実施の形態においては、引張りひずみを加えることにより、カーボンナノチューブのバンドギャップが増大していると考えられる。よって、カーボンナノチューブ・トランジスタのソース・ドレイン間リーク電流(OFF電流)の主成分であるバンド間トンネル電流が抑えられ、OFF電流が減少していると理解できる。 Here, the reason why the OFF current is reduced by applying tensile strain can be understood from the fact that the band gap of the carbon nanotube is increased. When the tensile strain is applied when the chirality (n, m) of the carbon nanotube is n−m = 3p + 1 where p is an integer, the chirality (n, m) of the carbon nanotube is nm = 3p−1 where p is an integer. It has been reported that the band cap of carbon nanotubes increases when compressive strain is applied at the time (L. Yang et al., Physical Review Lett, Vol. 85, No. 1, pp154-157, 2000. ). Therefore, in the present embodiment where the chirality (n, m) satisfies the condition of n−m = 3p + 1 where p is an integer, it is considered that the band gap of the carbon nanotube is increased by applying tensile strain. Therefore, it can be understood that the interband tunnel current, which is the main component of the leakage current (OFF current) between the source and drain of the carbon nanotube transistor, is suppressed, and the OFF current is reduced.
一方、前述のとおり、ON電流も引張りひずみを加えることによりわずかに減少する。しかしながら、このON電流の減少はバンドギャップの増大によっては必ずしも説明することができない。
そこで、ON電流減少の物理的起源を明らかにするため、発明者はカーボンナノチューブの状態密度の引張りひずみ量依存性を計算した。図3にその結果を示す。横軸は電子エネルギーを電子ボルトの単位で示しており、縦軸には状態密度を示している。本図から明らかように、引張りひずみを加えるにつれ、状態密度が大きくなっている。
ここで、一般に、状態密度が大きいほど、一定のゲート電圧を印加した時のフェルミ準位は低くなる。そして、カーボンナノチューブ中で実現されているバリスティック伝導においては、フェルミ準位が低いほど流れるドレイン電流(ON電流)は小さくなる。したがって、カーボンナノチューブ・トランジスタにおいては、引張りひずみを増すことによってドレイン電流(ON電流)が小さくなるといえる。つまり、カーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p+1の関係を有するカーボンナノチューブ・トランジスタのON電流が、引張りひずみの増大とともに減少するのは、(1)引張りひずみによる状態密度の増大、(2)フェルミ準位の減少、(3)ドレイン電流(ON電流)の減少という過程でおこることが明らかになった。
On the other hand, as described above, the ON current is slightly reduced by applying tensile strain. However, this decrease in ON current cannot always be explained by an increase in band gap.
Therefore, in order to clarify the physical origin of the ON current decrease, the inventor calculated the dependence of the state density of the carbon nanotube on the tensile strain. The result is shown in FIG. The horizontal axis indicates the electron energy in units of electron volts, and the vertical axis indicates the density of states. As is apparent from the figure, the density of states increases as the tensile strain is applied.
Here, in general, the higher the density of states, the lower the Fermi level when a constant gate voltage is applied. In ballistic conduction realized in carbon nanotubes, the lower the Fermi level, the smaller the drain current (ON current) that flows. Therefore, in the carbon nanotube transistor, it can be said that the drain current (ON current) is reduced by increasing the tensile strain. In other words, the ON current of the carbon nanotube transistor having a relationship of chirality (n, m) of carbon nanotubes where n is m = 3p + 1, where p is an integer, decreases with increasing tensile strain (1) due to tensile strain It has become clear that this occurs in the process of increasing the density of states, (2) decreasing the Fermi level, and (3) decreasing the drain current (ON current).
なお、上記カーボンナノチューブ・トランジスタでは、カーボンナノチューブの直径を1.5nmとしているが、カーボンナノチューブの直径は、1nm以上3nm以下、より望ましくは1.5nm以上3nm以下であることが好適である。なぜなら、直径が1.5nmを下回るとバンドギャップが広がることによりON電流の低下が顕著になり、1nmを下回るとその低下が一層顕著となってトランジスタの駆動力低下が実使用上問題となるからである。また、3nmを超えると、カーボンナノチューブのバンドギャップが小さくなりすぎてしまい、常温においてはもはや半導体として機能し難くなるからである。 In the carbon nanotube transistor, the diameter of the carbon nanotube is 1.5 nm. The diameter of the carbon nanotube is preferably 1 nm to 3 nm, more preferably 1.5 nm to 3 nm. This is because when the diameter is less than 1.5 nm, the band gap is widened and the ON current is significantly reduced. When the diameter is less than 1 nm, the reduction is further noticeable, and the reduction of the driving capability of the transistor becomes a problem in practical use. It is. On the other hand, if it exceeds 3 nm, the band gap of the carbon nanotube becomes too small, and it becomes difficult to function as a semiconductor at room temperature.
また、上記カーボンナノチューブ・トランジスタでは、支持基板のシリコン酸化膜からなる埋め込み絶縁膜2(図1)の膜厚を500nmとしているが、この埋め込み絶縁膜2の膜厚はシリコン酸化膜換算膜厚で160nm以上であることが望ましい。なぜなら、埋め込み絶縁膜が薄くなるにつれ、リーク電流が増大し、シリコン酸化膜換算膜厚で160nmより薄くなると、高性能ロジックLSIの待機電流スペックを満足できなくなる恐れが高いからである。
図4に、本実施の形態のカーボンナノチューブ・トランジスタのドレイン電流の埋め込み絶縁膜厚依存性のシミュレーション結果を示す。横軸はゲート電圧、縦軸はログスケール表示のドレイン電流であり、ドレイン電圧(Vd)は0.5Vである。そして、埋め込み絶縁膜のシリコン酸化膜換算膜厚を5nmから500nmの間で変化させ計算した。本図から明らかなように、埋め込み絶縁膜の膜厚が薄くなるにつれ、リーク電流(ドレイン電流の最小値)が大きくなっていることが分かる。ここで、ロジックLSIの待機電流スペックを満足するためには、100本のカーボンナノチューブのトータルリーク電流量が100nA以下であることが望ましい。すなわち、カーボンナノチューブ1本のリーク電流量は1nA以下であることが望ましい。したがって、図4より、この条件を満足するためには埋め込み絶縁膜のシリコン酸化膜換算膜厚が160nm以上であることが望ましい。
In the carbon nanotube transistor, the thickness of the buried insulating film 2 (FIG. 1) made of the silicon oxide film of the support substrate is 500 nm. The thickness of the buried insulating
FIG. 4 shows a simulation result of the dependency of the drain current of the carbon nanotube transistor of this embodiment on the buried insulating film thickness. The horizontal axis represents the gate voltage, the vertical axis represents the drain current in the log scale display, and the drain voltage (Vd) is 0.5V. The calculation was performed while changing the equivalent oxide thickness of the buried insulating film from 5 nm to 500 nm. As can be seen from the figure, the leakage current (the minimum value of the drain current) increases as the buried insulating film becomes thinner. Here, in order to satisfy the standby current specification of the logic LSI, it is desirable that the total leakage current amount of 100 carbon nanotubes is 100 nA or less. That is, the leakage current amount of one carbon nanotube is desirably 1 nA or less. Therefore, from FIG. 4, in order to satisfy this condition, it is desirable that the equivalent oxide thickness of the buried insulating film is 160 nm or more.
このように、埋め込み絶縁膜が厚い場合にリーク電流が減少し、薄い場合に増加する原因について図5のソース・ドレインおよびチャネル領域のバンド図を用いて説明する。
図5(a)は埋め込み絶縁膜のシリコン酸化膜換算膜厚が500nmの時のバンド図、図5(b)は埋め込み絶縁膜のシリコン酸化膜換算膜厚が10nmの時のバンド図である。リーク電流の原因となるキャリア(電子やホール)のバンド間トンネルは、破線で示しているフェルミ準位の近傍で生ずる。そして、破線近傍での伝導帯端のプロファイル(Ec)と価電子帯端のプロファイル(Ev)の距離(トンネル距離)は、図5(a)で長く、図5(b)で短くなっていることが分かる。このように、埋め込み絶縁膜の厚さが薄いと、支持基板の電位の影響を受けやすくなり、ソース・ドレイン領域でのプロファイルが一定(支持基板の電位と同じ程度)になり、ソース・ドレイン領域からチャネル領域への移り変わりでのポテンシャルが急峻になる。よって、トンネル距離が短くなってリーク電流が増大することになる。
The reason why the leakage current decreases when the buried insulating film is thick and increases when the buried insulating film is thin will be described with reference to the band diagrams of the source / drain and channel regions in FIG.
FIG. 5A is a band diagram when the equivalent oxide thickness of the buried insulating film is 500 nm, and FIG. 5B is a band diagram when the equivalent oxide thickness of the buried insulating film is 10 nm. A band-to-band tunnel of carriers (electrons and holes) that causes a leak current occurs in the vicinity of the Fermi level indicated by a broken line. The distance (tunnel distance) between the conduction band edge profile (Ec) and the valence band edge profile (Ev) in the vicinity of the broken line is longer in FIG. 5A and shorter in FIG. 5B. I understand that. Thus, if the buried insulating film is thin, it is easily affected by the potential of the support substrate, and the profile in the source / drain region becomes constant (approximately the same as the potential of the support substrate). The potential at the transition from to the channel region becomes steep. Therefore, the tunnel distance is shortened and the leakage current is increased.
以上、電子をキャリアとするn型カーボンナノチューブ・トランジスタを有する半導体装置について記載してきたが、カーボンナノチューブは、バンド構造が価電子帯側と伝導帯側でまったく対称となっているため、正孔をキャリアとするp型カーボンナノチューブ・トランジスタにおいてもまったく同様の作用・効果が得られることになる。 As described above, the semiconductor device having an n-type carbon nanotube transistor using electrons as a carrier has been described. However, since the band structure of the carbon nanotube is completely symmetrical between the valence band side and the conduction band side, The p-type carbon nanotube transistor used as a carrier can obtain the same operation and effect.
次に、本実施の形態のカーボンナノチューブ・トランジスタを有する半導体装置の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device having a carbon nanotube transistor of this embodiment will be described.
まず、はじめに支持基板となるシリコン基板を1000℃の酸素雰囲気中で酸化し、500nmのシリコン酸化膜を形成する。
次に、CVD法で別途作成した単層カーボンナノチューブを、界面活性剤(例えば、Triton X−100)を添加した水中に投入し、超音波を加えることによって1本1本の単層カーボンナノチューブに分離した溶液を作成する。
この溶液を、支持基板となるシリコン基板にスピンコートすることで、単層カーボンナノチューブがシリコン酸化膜上にランダムに分布する。
1本1本の単層カーボンナノチューブのカイラリティは走査型トンネル顕微鏡を利用することで調べることができるので、カイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p+1の条件を満たす単層カーボンナノチューブのみをシリコン酸化膜上で選別する。
選別した単層カーボンナノチューブは原子間力顕微鏡などを用いてトランジスタのチャネルとなる領域に並べ、それ以外のカイラリティの条件を満たさない単層カーボンナノチューブは集積回路となる領域から除外する。
First, a silicon substrate serving as a support substrate is oxidized in an oxygen atmosphere at 1000 ° C. to form a 500 nm silicon oxide film.
Next, single-walled carbon nanotubes separately prepared by the CVD method are put into water to which a surfactant (for example, Triton X-100) is added, and ultrasonic waves are applied to form single-walled carbon nanotubes one by one. Make a separate solution.
By spin-coating this solution onto a silicon substrate as a support substrate, single-walled carbon nanotubes are randomly distributed on the silicon oxide film.
Since the chirality of each single-walled carbon nanotube can be examined by using a scanning tunneling microscope, the single-walled carbon satisfying the condition that the chirality (n, m) satisfies nm = 3p + 1 where p is an integer. Only nanotubes are sorted on the silicon oxide film.
The selected single-walled carbon nanotubes are arranged in a region that becomes a channel of a transistor using an atomic force microscope or the like, and single-walled carbon nanotubes that do not satisfy other chirality conditions are excluded from the region that becomes an integrated circuit.
次に、チャネル領域上に8nmのHfO2からなるゲート絶縁膜とゲート電極を形成し、つづいてリフト・オフ法によってパラジウム(Pd)などを材料とする電極を形成する。
そして、ゲート電極とソース・ドレイン電極の間の領域にカリウム(K)を蒸着しn型層を形成することにより、n型カーボンナノチューブ・トランジスタが形成される。
なお、p型カーボンナノチューブ・トランジスタを形成する場合には、特段のドーピングは不要である。
そして、このn型カーボンナノチューブ・トランジスタ上に、引張り応力を有する上層膜、例えば、シリコン窒化膜を堆積することにより、カーボンナノチューブの軸方向に平行に引張りひずみを加える。本実施の形態においては、トランジスタの高性能化を実現するためには、引張りひずみを与えることが必要であったが、後の実施の形態のように、圧縮ひずみを与えることが必要な場合は、堆積するシリコン窒化膜の成膜条件や膜種を変えることによってその実現が可能である。また、半導体装置をパッケージングする際に、凹形状や凸形状に湾曲したベッド上に、カーボンナノチューブ・トランジスタが搭載された素子(半導体装置)をベッド形状に沿って接着することによりマウントすることでも引張り・圧縮ひずみを加えることが可能である。
Next, a gate insulating film made of 8 nm of HfO 2 and a gate electrode are formed on the channel region, and then an electrode made of palladium (Pd) or the like is formed by a lift-off method.
Then, by depositing potassium (K) in a region between the gate electrode and the source / drain electrodes to form an n-type layer, an n-type carbon nanotube transistor is formed.
In addition, when forming a p-type carbon nanotube transistor, special doping is unnecessary.
Then, an upper layer film having a tensile stress, for example, a silicon nitride film is deposited on the n-type carbon nanotube transistor to apply a tensile strain parallel to the axial direction of the carbon nanotube. In this embodiment, in order to realize high performance of the transistor, it is necessary to apply tensile strain. However, in the case where it is necessary to apply compressive strain as in the following embodiment, This can be realized by changing the film formation conditions and film type of the silicon nitride film to be deposited. Also, when packaging a semiconductor device, it is possible to mount an element (semiconductor device) on which a carbon nanotube transistor is mounted on a bed curved in a concave shape or a convex shape by adhering along the bed shape. It is possible to apply tensile / compressive strain.
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態に関するカーボンナノチューブ・トランジスタを有する半導体装置について説明する。本実施の形態の半導体装置は、ゲート絶縁膜の厚さがシリコン酸化膜換算膜厚で0.5nm以下と薄くなっていること以外は、第1の実施の形態の半導体装置と同様であるので、記述を省略する。
なお、ここでシリコン酸化膜換算膜厚とは、ゲート絶縁膜の膜厚にそのゲート絶縁膜の誘電率とシリコン酸化膜の誘電率の比を乗じたものである。
本実施の形態においては、例えば、物理膜厚0.8nmのHfO2をゲート絶縁膜に適用することが可能である。この場合、シリコン酸化膜換算膜厚は約0.2nmとなる。
(Second Embodiment)
Next, a semiconductor device having a carbon nanotube transistor according to the second embodiment of the present invention will be described. The semiconductor device according to the present embodiment is the same as the semiconductor device according to the first embodiment except that the gate insulating film has a thickness equivalent to a silicon oxide film thickness of 0.5 nm or less. The description is omitted.
Here, the equivalent silicon oxide film thickness is obtained by multiplying the thickness of the gate insulating film by the ratio of the dielectric constant of the gate insulating film to that of the silicon oxide film.
In this embodiment, for example, HfO 2 having a physical film thickness of 0.8 nm can be applied to the gate insulating film. In this case, the equivalent silicon oxide film thickness is about 0.2 nm.
図6に、実施の形態1の構造に、物理膜厚0.8nmのHfO2をゲート絶縁膜に適用した本実施の形態のn型カーボンナノチューブ・トランジスタのドレイン電流の引張りひずみ量依存性のシミュレーション結果を示す。横軸はゲート電圧、縦軸はリニアおよびログスケールで示したドレイン電流である。ドレイン電圧(Vd)は0.5Vとし、引張りひずみ量は、カーボンナノチューブの伸縮率にして、0%(無ひずみ)、3%引張りひずみの各条件で計算した。 FIG. 6 shows a simulation of the dependence of the drain current on the tensile strain of the n-type carbon nanotube transistor of the present embodiment in which HfO 2 having a physical thickness of 0.8 nm is applied to the gate insulating film in the structure of the first embodiment. Results are shown. The horizontal axis is the gate voltage, and the vertical axis is the drain current shown in linear and log scale. The drain voltage (Vd) was set to 0.5 V, and the tensile strain was calculated based on the stretching rate of the carbon nanotubes under the conditions of 0% (no strain) and 3% tensile strain.
本図から明らかなように、3%の引張りひずみを加えることにより、第1の実施の形態同様、OFF電流が劇的に小さくなっている。さらに特筆すべきは、ON電流も引張りひずみを加えることによって増大していることが分かる。 As is apparent from this figure, by applying a tensile strain of 3%, the OFF current is dramatically reduced as in the first embodiment. It should also be noted that the ON current is increased by applying tensile strain.
ここで、本実施の形態のように、ゲート絶縁膜の膜厚が薄くなった場合に、引張りひずみによってON電流が大きくなることは、ゲート絶縁膜容量Coxとチャネルの量子容量Cqを使って理解することができる。
トータルの容量(全容量)Ctotはこれら2つの合成容量として、1/Ctot=1/Cq+1/Coxで求まる。そして、チャネルに湧くキャリア数は、ゲート電圧をVgとしてCtot×Vgで決まる。
Here, it can be understood using the gate insulating film capacitance Cox and the channel quantum capacitance Cq that the ON current increases due to the tensile strain when the thickness of the gate insulating film is reduced as in the present embodiment. can do.
The total capacity (total capacity) Ctot is obtained as 1 / Ctot = 1 /
ゲート絶縁膜が厚くCoxがCqに比べて小さい場合には、全容量CtotはCoxに支配される。このときには、ゲート電圧を印加したときに誘起されるキャリア数は、状態密度によらずほぼ一定である。その一方で、前述のようにフェルミ準位は状態密度が大きいほど(ひずみが大きいほど)低くなり、ドレイン電流(ON電流)は低下する。
これに対し、ゲート絶縁膜が薄くなるとCoxが大きくなるために、全容量CtotはCqで支配されるようになる。したがって、引張りひずみを印加して状態密度が大きくなると、量子容量Cqが大きくなり、結果としてCtotも大きくなる。したがって、同一ゲート電圧で誘起できるキャリア数が増加してドレイン電流(ON電流)も増加すると理解できる。
このように、ゲート絶縁膜をシリコン酸化膜換算で0.5nm以下にすると、CqよりもCoxが十分大きくなるため、引張りひずみによる量子容量Cqの増大が、ON電流増大に寄与することになる。
When the gate insulating film is thick and Cox is smaller than Cq, the total capacitance Ctot is dominated by Cox. At this time, the number of carriers induced when a gate voltage is applied is substantially constant regardless of the density of states. On the other hand, as described above, the Fermi level decreases as the state density increases (as the strain increases), and the drain current (ON current) decreases.
On the other hand, since the Cox increases as the gate insulating film becomes thinner, the total capacitance Ctot is dominated by Cq. Therefore, when tensile strain is applied and the density of states increases, the quantum capacity Cq increases, and as a result, Ctot also increases. Therefore, it can be understood that the number of carriers that can be induced with the same gate voltage increases and the drain current (ON current) also increases.
Thus, when the gate insulating film is made 0.5 nm or less in terms of a silicon oxide film, Cox becomes sufficiently larger than Cq. Therefore, an increase in quantum capacitance Cq due to tensile strain contributes to an increase in ON current.
したがって、本実施の形態のように、ゲート絶縁膜をシリコン酸化膜換算で0.5nm以下にすることによって、ON/OFF比の向上に加えON電流も増加し、スイッチング特性にすぐれ、かつ、高い駆動力を有する高性能なカーボンナノチューブ・トランジスタを有する半導体装置を実現することが可能となる。 Therefore, by setting the gate insulating film to 0.5 nm or less in terms of silicon oxide film as in this embodiment, the ON current is increased in addition to the improvement of the ON / OFF ratio, and the switching characteristics are excellent and high. A semiconductor device having a high-performance carbon nanotube transistor having driving force can be realized.
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態に関するカーボンナノチューブ・トランジスタを有する半導体装置について説明する。本実施の形態の半導体装置は、カーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p−1で表される関係を満たす、カイラリティ(20,0)のカーボンナノチューブによりチャネル領域を形成していること、および、チャネル領域を形成するカーボンナノチューブには、その軸と平行方向に圧縮ひずみが加わっていること以外は、第1の実施の形態の半導体装置と同様であるので記述を省略する。
(Third embodiment)
Next, a semiconductor device having a carbon nanotube transistor according to the third embodiment of the present invention will be described. In the semiconductor device of this embodiment, the chirality (n, m) of the carbon nanotube satisfies the relationship represented by nm = 3p−1 where p is an integer, and the channel region is formed by the chirality (20, 0) carbon nanotube. And the carbon nanotube forming the channel region is the same as the semiconductor device of the first embodiment except that a compressive strain is applied in a direction parallel to the axis. Is omitted.
図7に、本実施の形態のカーボンナノチューブ・トランジスタのドレイン電流の圧縮ひずみ量依存性のシミュレーション結果を示す。横軸はゲート電圧、縦軸はリニアおよびログスケールで示したドレイン電流である。ドレイン電圧(Vd)は0.5Vとし、圧縮ひずみ量は、カーボンナノチューブの伸縮率にして、0%(無ひずみ)、1%圧縮ひずみ、3%圧縮ひずみの各条件で計算した。
本図から明らかなように、圧縮ひずみを加えるにつれ、OFF電流(ゲート電圧が0V以下の場合のドレイン電流)が劇的に減少する。一方、圧縮ひずみを加えた場合、ON電流もやや減少するが、OFF電流減少の効果が劇的である。よって、本実施の形態により、ON/OFF比の大きな、すなわち、スイッチング特性に優れた高性能なカーボンナノチューブ・トランジスタが実現可能である。
FIG. 7 shows a simulation result of the dependence of the drain current of the carbon nanotube transistor of this embodiment on the amount of compressive strain. The horizontal axis is the gate voltage, and the vertical axis is the drain current shown in linear and log scale. The drain voltage (Vd) was 0.5 V, and the amount of compressive strain was calculated based on the expansion / contraction ratio of the carbon nanotubes under the following conditions: 0% (no strain), 1% compressive strain, and 3% compressive strain.
As is apparent from this figure, as compressive strain is applied, the OFF current (drain current when the gate voltage is 0 V or less) decreases dramatically. On the other hand, when compressive strain is applied, the ON current also decreases slightly, but the effect of reducing the OFF current is dramatic. Therefore, according to this embodiment, a high-performance carbon nanotube transistor having a large ON / OFF ratio, that is, excellent switching characteristics can be realized.
本実施の形態は第1の実施の形態と、カーボンナノチューブのカイラリティ、および、ひずみの印加方向が異なるが、その作用・効果においてはまったく同様である。
そして、その作用・効果について、OFF電流の減少が圧縮ひずみによるバンドギャップの増大に起因し、また、ON電流の減少が、図8の状態密度図に見られる圧縮ひずみによる状態密度増加に起因する点においても第1の実施の形態と同様である。
Although the present embodiment differs from the first embodiment in the chirality of carbon nanotubes and the direction in which strain is applied, the functions and effects are exactly the same.
As for the action and effect, the decrease in the OFF current is caused by the increase in the band gap due to the compressive strain, and the decrease in the ON current is caused by the increase in the state density due to the compressive strain shown in the state density diagram of FIG. This is also the same as in the first embodiment.
(第4の実施の形態)
次に、本発明の第4の実施の形態に関するカーボンナノチューブ・トランジスタを有する半導体装置について説明する。本実施の形態の半導体装置は、カーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p−1で表される関係を満たす、カイラリティ(20,0)のカーボンナノチューブによりチャネル領域を形成していること、および、チャネル領域を形成するカーボンナノチューブには、その軸と平行方向に圧縮ひずみが加わっていること以外は、第2の実施の形態の半導体装置と同様であるので記述を省略する。
(Fourth embodiment)
Next, a semiconductor device having a carbon nanotube transistor according to the fourth embodiment of the present invention will be described. In the semiconductor device of this embodiment, the chirality (n, m) of the carbon nanotube satisfies the relationship represented by nm = 3p−1 where p is an integer, and the channel region is formed by the chirality (20, 0) carbon nanotube. And the carbon nanotube forming the channel region is the same as the semiconductor device of the second embodiment except that a compressive strain is applied in a direction parallel to the axis thereof. Is omitted.
図9に、本実施の形態のn型カーボンナノチューブ・トランジスタのドレイン電流の圧縮ひずみ量依存性のシミュレーション結果を示す。横軸はゲート電圧、縦軸はリニアおよびログスケールで示したドレイン電流である。ドレイン電圧(Vd)は0.5Vとし、圧縮ひずみ量は、カーボンナノチューブの伸縮率にして、0%(無ひずみ)、1%圧縮ひずみ、3%圧縮ひずみの各条件で計算した。 FIG. 9 shows a simulation result of the compressive strain dependence of the drain current of the n-type carbon nanotube transistor of this embodiment. The horizontal axis is the gate voltage, and the vertical axis is the drain current shown in linear and log scale. The drain voltage (Vd) was 0.5 V, and the amount of compressive strain was calculated based on the expansion / contraction ratio of the carbon nanotubes under the following conditions: 0% (no strain), 1% compressive strain, and 3% compressive strain.
本図から明らかなように、圧縮ひずみを加えることにより、第2の実施の形態同様、OFF電流が劇的に小さくなり、かつ、ON電流も圧縮ひずみを加えることによって増大していることが分かる。 As is apparent from this figure, it can be seen that, by applying compressive strain, the OFF current is dramatically reduced as in the second embodiment, and the ON current is also increased by applying compressive strain. .
本実施の形態は第2の実施の形態と、カーボンナノチューブのカイラリティ、および、ひずみの印加方向は異なるが、その作用・効果においてはまったく同様である。
そして、その作用・効果について、OFF電流の減少が圧縮ひずみによるバンドギャップの増大に起因し、また、ON電流の増加が、ゲート絶縁膜薄膜化と、図8の状態密度図に見られる圧縮ひずみによる状態密度増加に起因する点においても第2の実施の形態と同様である。
Although the present embodiment is different from the second embodiment in the chirality of carbon nanotubes and the direction in which strain is applied, the operation and effect are exactly the same.
As for the action and effect, the decrease in the OFF current is caused by the increase in the band gap due to the compressive strain, and the increase in the ON current is caused by the thinning of the gate insulating film and the compressive strain shown in the state density diagram of FIG. This is the same as in the second embodiment in that it is caused by an increase in the state density due to.
(第5の実施の形態)
図10は、本発明の第5の実施の形態に関するカーボンナノチューブ・トランジスタを有する半導体装置を示す。
本実施の形態の半導体装置には、n型カーボンナノチューブ・トランジスタ105とp型カーボンナノチューブ・トランジスタ106によって構成されるCMOS回路が形成されていることを特徴とする。図10には、CMOSインバータがCMOS回路の1例として記載されている。すなわち、n型カーボンナノチューブ・トランジスタ105およびp型カーボンナノチューブ・トランジスタ106と、p型カーボンナノチューブ・トランジスタ106のソースにつながる電源端子104、n型カーボンナノチューブ・トランジスタ105のソースにつながる接地端子103、n型カーボンナノチューブ・トランジスタ105とp型カーボンナノチューブ・トランジスタ106双方のゲート電極につながる入力端子101、および、双方のドレインにつながる出力端子102が形成されている。
そして、n型カーボンナノチューブ・トランジスタ105のチャネル領域を形成するカーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p+1で表され、p型カーボンナノチューブ・トランジスタ106のチャネル領域を形成するカーボンナノチューブのカイラリティ(j,k)がqを整数としてn−m=3q+1で表される。
(Fifth embodiment)
FIG. 10 shows a semiconductor device having a carbon nanotube transistor according to the fifth embodiment of the present invention.
The semiconductor device according to the present embodiment is characterized in that a CMOS circuit including an n-type
The chirality (n, m) of the carbon nanotube forming the channel region of the n-type
また、これらの、n型カーボンナノチューブ・トランジスタ105のカーボンナノチューブと、p型カーボンナノチューブ・トランジスタ106のカーボンナノチューブは図10に示されるように平行に配置されている。そして、n型カーボンナノチューブ・トランジスタ105のカーボンナノチューブの軸と、p型カーボンナノチューブ・トランジスタ106のカーボンナノチューブの軸と、平行方向(図10中の矢印方向)に引張りひずみが加えられている。
Also, the carbon nanotubes of the n-type
カーボンナノチューブ・トランジスタは、カイラリティに応じて引張り・圧縮ひずみを加えることにより特性が向上し、引張り・圧縮ひずみのどちらが特性を向上させるかは純粋にカイラリティのみで決まり、キャリアのタイプ(電子か正孔か)には依存しない。
したがって、本実施の形態のように、カイラリティ(n,m)がn−m=3p+1のn型カーボンナノチューブ・トランジスタと、カイラリティ(j,k)がn−m=3q+1のp型カーボンナノチューブ・トランジスタを平行に配置し、全体に引張りひずみを印加することにより、n型、p型双方のカーボンナノチューブ・トランジスタの特性が向上する。よって、スイッチング特性にすぐれ、低消費電力で高速なCMOS回路を有する半導体装置が実現できる。
Carbon nanotubes / transistors improve their properties by applying tensile / compressive strain according to their chirality, and whether the tensile / compressive strain improves the properties is determined solely by chirality, and the carrier type (electron or hole) Do not depend on.
Therefore, as in the present embodiment, an n-type carbon nanotube transistor having a chirality (n, m) of nm = 3p + 1 and a p-type carbon nanotube transistor having a chirality (j, k) of nm = 3q + 1 Are arranged in parallel, and tensile strain is applied to the whole to improve the characteristics of both the n-type and p-type carbon nanotube transistors. Therefore, a semiconductor device having excellent switching characteristics, a low power consumption, and a high-speed CMOS circuit can be realized.
(第6の実施の形態)
本発明の第6の実施の形態に関するカーボンナノチューブ・トランジスタを有する半導体装置は、n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p−1で表され、p型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブのカイラリティ(j,k)がqを整数としてj−k=3q−1で表され、n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブの軸およびp型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブの軸と、平行方向に圧縮ひずみが加わっていること以外は、第5の実施の形態と同様であるので記述を省略する。
(Sixth embodiment)
In the semiconductor device having the carbon nanotube transistor according to the sixth embodiment of the present invention, the chirality (n, m) of the carbon nanotube of the n-type field effect transistor is represented by nm = 3p−1 where p is an integer. , The chirality (j, k) of the carbon nanotube of the p-type field effect transistor is represented by jk = 3q-1 where q is an integer, and the carbon nanotube axis of the n-type field effect transistor and the carbon of the p-type field effect transistor The description is omitted because it is the same as that of the fifth embodiment except that compressive strain is applied in the direction parallel to the axis of the nanotube.
本実施の形態においても、第5の実施の形態とひずみを加える方向は異なるが、ひずみを加えることにより、n型、p型双方のカーボンナノチューブ・トランジスタの特性が向上する。よって、第5の実施の形態同様、スイッチング特性にすぐれ、低消費電力で高速なCMOS回路を有する半導体装置が実現できる。 Also in this embodiment, the direction of applying strain is different from that of the fifth embodiment, but by applying strain, the characteristics of both the n-type and p-type carbon nanotube transistors are improved. Therefore, as in the fifth embodiment, a semiconductor device having excellent switching characteristics, low power consumption, and a high-speed CMOS circuit can be realized.
なお、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではない。例えば、単層カーボンナノチューブについては、単層ナノチューブのみならず多層のカーボンナノチューブを適用することも可能である。そして、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。 In addition, this invention is not limited to each embodiment mentioned above. For example, for single-walled carbon nanotubes, not only single-walled nanotubes but also multi-walled carbon nanotubes can be applied. Various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 カーボンナノチューブ
2 埋め込み絶縁膜
3 シリコン基板
4 コンタクト電極
5 ソース・ドレイン領域
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
101 入力端子
102 出力端子
103 接地端子
104 電源端子
105 n型カーボンナノチューブ・トランジスタ
106 p型カーボンナノチューブ・トランジスタ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記カーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p+1で表され、
前記カーボンナノチューブの軸と平行方向に引張りひずみが加わっていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a field effect transistor having a channel region formed of carbon nanotubes,
The chirality (n, m) of the carbon nanotube is represented by nm = 3p + 1, where p is an integer,
A semiconductor device, wherein a tensile strain is applied in a direction parallel to the axis of the carbon nanotube.
前記カーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p−1で表され、
前記カーボンナノチューブの軸と平行方向に圧縮ひずみが加わっていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a field effect transistor having a channel region formed of carbon nanotubes,
The chirality (n, m) of the carbon nanotube is represented by nm = 3p-1 where p is an integer,
A semiconductor device, wherein a compressive strain is applied in a direction parallel to the axis of the carbon nanotube.
前記電界効果トランジスタのゲート絶縁膜のシリコン酸化膜換算膜厚が0を超え0.5nm以下であることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。 The diameter of the carbon nanotube is 1 nm to 3 nm, more preferably 1.5 nm to 3 nm,
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate oxide film of the field effect transistor has a silicon oxide equivalent film thickness of more than 0 and 0.5 nm or less.
前記絶縁膜のシリコン酸化膜換算膜厚が160nm以上であることを特徴とする請求項1乃至3記載の半導体装置。 The field effect transistor is formed on an insulating film;
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film has a silicon oxide equivalent film thickness of 160 nm or more.
前記n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p+1で表され、
前記p型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブのカイラリティ(j,k)がqを整数としてj−k=3q+1で表され、
前記n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブと、前記p型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブが平行に配置され、
前記n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブの軸および前記p型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブの軸と、平行方向に引張りひずみが加わっていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having an n-type field effect transistor having a channel region formed of carbon nanotubes and a p-type field effect transistor having a channel region formed of carbon nanotubes,
The chirality (n, m) of the carbon nanotube of the n-type field effect transistor is represented by nm = 3p + 1, where p is an integer,
The chirality (j, k) of the carbon nanotube of the p-type field effect transistor is represented by j−k = 3q + 1, where q is an integer,
The carbon nanotubes of the n-type field effect transistor and the carbon nanotubes of the p-type field effect transistor are arranged in parallel,
A semiconductor device, wherein a tensile strain is applied in a direction parallel to an axis of the carbon nanotube of the n-type field effect transistor and an axis of the carbon nanotube of the p-type field effect transistor.
前記n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブのカイラリティ(n,m)がpを整数としてn−m=3p−1で表され、
前記p型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブのカイラリティ(j,k)がqを整数としてj−k=3q−1で表され、
前記n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブと、前記p型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブが平行に配置され、
前記n型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブの軸および前記p型電界効果トランジスタのカーボンナノチューブの軸と、平行方向に圧縮ひずみが加わっていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having an n-type field effect transistor having a channel region formed of carbon nanotubes and a p-type field effect transistor having a channel region formed of carbon nanotubes,
The chirality (n, m) of the carbon nanotube of the n-type field effect transistor is represented by nm = 3p-1 where p is an integer,
The carbon nanotube chirality (j, k) of the p-type field effect transistor is represented by jk = 3q-1 where q is an integer,
The carbon nanotubes of the n-type field effect transistor and the carbon nanotubes of the p-type field effect transistor are arranged in parallel,
A semiconductor device, wherein a compressive strain is applied in a direction parallel to an axis of the carbon nanotube of the n-type field effect transistor and an axis of the carbon nanotube of the p-type field effect transistor.
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2006
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