DE19943390A1 - Semiconductor component comprises vertical stack comprising source, drain and intermediate layer, gate comprising insulating and conducting layer connecting source and drain and tunnel current flowing in section of gate - Google Patents
Semiconductor component comprises vertical stack comprising source, drain and intermediate layer, gate comprising insulating and conducting layer connecting source and drain and tunnel current flowing in section of gateInfo
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Abstract
Description
Durch immer weitere Verkleinerung der Transistorabmessungen können in Planartechnologie immer mehr Bauelemente auf einer Halbleiterscheibe, dem Wafer, untergebracht werden, was u. a. zu einer kostengünstigeren Herstellung führt. Für diese Hochintegration sind MOSFETs (Fig. 1) aufgrund ihrer Eigenschaften bisher am besten geeignet, heute sind bereits mehr als 85% aller gefertigten Halbleiterbauelemente MOSFETs. Im Rahmen von Extrapolationen lassen sich die grundlegenden Eckdaten von MOSFETs für die Zukunft voraussagen. Hierbei gibt es in vielen Bereichen jedoch noch keine technologischen Realisierungsmöglichkeiten, so daß ein mögliches Szenario ein Erreichen der technisch machbaren Verkleinerung sein könnte.As the transistor dimensions become smaller and smaller, more and more components can be accommodated on a semiconductor wafer, the wafer, in planar technology, which among other things leads to less expensive production. Because of their properties, MOSFETs ( FIG. 1) have so far been most suitable for this high integration; today, more than 85% of all semiconductor components manufactured are MOSFETs. The basic parameters of MOSFETs can be predicted for the future by extrapolation. However, there are still no technological implementation options in many areas, so that a possible scenario could be to achieve the technically feasible reduction.
Als mögliche Nachfolger von MOSFETs werden sogenannte "Tunnel"- Bauelemente angesehen. Hierbei wäre eine Steigerung der Schaltgeschwindigkeit aufgrund der Ausnutzung des quantenmechanischen Tunneleffektes ein Vorteil, aber ebenso wird eine mögliche Erhöhung der Funktionalität von quantenmechanischen Bauelementen als Vorteil angesehen. Quanteneffekte lassen sich nur in extrem kleinen Geometrien, typischerweise atomare Größenordnungen mit Nanometerabmessungen, realisieren. Im Festkörper kann man solch kleine Strukturen realisieren, indem man unterschiedliche Materialien mit Nanometerdicken und atomar scharfen Grenzflächen aufeinanderschichtet (Heterostrukturen) (Beispiele siehe: S. Luryi, A. Zaslavsky: "Quantum-Effect and Hot- Electron Devices" in S. M. Sze (ed.): "Modern Semiconductor Device Physics", Wiley, New York, 1998).So-called "tunnels" are the possible successors to MOSFETs. Viewed components. This would be an increase in Switching speed due to the utilization of the quantum mechanical tunneling is an advantage, but it will also be a possible increase in the functionality of quantum mechanical Components viewed as an advantage. Quantum effects can be only in extremely small geometries, typically atomic Realize orders of magnitude with nanometer dimensions. in the Solid such small structures can be realized by different materials with nanometer thickness and atomic sharp interfaces stacked up (heterostructures) (Examples see: S. Luryi, A. Zaslavsky: "Quantum-Effect and Hot- Electron Devices "in S.M. Sze (ed.):" Modern Semiconductor Device Physics ", Wiley, New York, 1998).
Obwohl einige Varianten von Tunnelbauelementen in manchen Eigenschaften Vorteile gegenüber MOSFETs aufweisen, ist ein großvolumiger Einsatz für Standardanwendungen in digitaler und analoger Elektronik bisher nicht erfolgt. Hierzu sollten die Bauelemente auf Siliziumgrundlage bestehen um problemlos in bestehende Standardschaltkreise eingebunden werden zu können.Although some variants of tunnel components in some Features have advantages over MOSFETs is one large-volume use for standard applications in digital and analog electronics have not yet taken place. For this, the Silicon-based components exist in order to existing standard circuits can be integrated.
Altbekannte Tunnelbauelemente sind Esaki-Dioden, deren Funktion auf dem abrupten Kontakt zweier hochdotierter p/n-Gebiete aus einem Halbleitermaterial beruht, siehe z. B. L. Esaki: "New Phenomenon in Narrow Germanium p-n Junctions", Phys. Rev. Lett. 109 (1958) p. 603, oder S. M. Sze: "Physics of Semiconductor Devices", Wiley, New York, 2nd. ed., 1981, p. 516. Die Abb. 2 stammt aus dem zuletzt genannten Lehrbuch.Well-known tunnel components are Esaki diodes, whose function is based on the abrupt contact of two highly doped p / n regions made of a semiconductor material, see e.g. BL Esaki: "New Phenomenon in Narrow Germanium pn Junctions", Phys. Rev. Lett. 109 ( 1958 ) p. 603, or SM Sze: "Physics of Semiconductor Devices", Wiley, New York, 2nd. ed., 1981, p. 516. Fig. 2 comes from the last-mentioned textbook.
In dieser Geometrie können Elektronen am pn-Übergang vom Leitungs- ins Valenzband tunneln und umgehrt. Der Tunnelvorgang ist bisher unmeßbar schnell. In Rückwärtsrichtung gepolt (p an Minus, n an Plus) tritt ein exponentielles Anwachsen des Stromes auf, in Vorwärtsrichtung kann ein Bereich mit negativem differentiellem Widerstand (NDR = negative differential resistance) gezüchtet werden. In Silizium ist aus Materialgründen nur ein Peak-Valley-Verhältnis von etwa 2 zu erreichen. Tunneldioden, die in diesem Bereich der Kennlinie betrieben werden, sind die schnellsten bisher bekannten Schalter und werden passiv zur Entdämpfung von Oszillatorkreisen eingesetzt.In this geometry, electrons at the pn junction from Tunnel into the valence band and reverse. The tunnel process is so far immeasurably fast. Reverse polarity (p an Minus, n to plus) there is an exponential increase in the current on, in the forward direction an area with negative differential resistance (NDR = negative differential resistance) are bred. In silicon is for material reasons to achieve only a peak valley ratio of about 2. Tunnel diodes operated in this area of the characteristic are the fastest switches known to date and will be used passively to dampen oscillator circuits.
Gegenüber der nicht-steuerbaren zweipoligen Diode wäre ein
steuerbarer Dreipol, ein Transistor, von Vorteil. In J. Koga,
A. Toriumi, Tech. Digest, IEDM'96, p. 265 wurde auch schon der
Versuch beschrieben, ein solches Bauelement in Planartechnologie
auf SIMOX-wafern herzustellen und es konnte auch ein
geringfügiger NDR geschaltet werden. Die Nachteile dieses
Versuches sind:
A controllable three-pole, a transistor, would be advantageous compared to the non-controllable two-pole diode. In J. Koga, A. Toriumi, Tech. Digest, IEDM'96, p. The attempt to manufacture such a component using planar technology on SIMOX wafers was also described in 265, and a slight NDR could also be switched. The disadvantages of this attempt are:
- a) Die Ausführung in Planartechnologie unterliegt hinsichtlich der erzielbaren Abmessungen den Beschränkungen der Fotolithografie.a) Execution in planar technology is subject to the achievable dimensions the restrictions of Photolithography.
- b) Die Dotierprofile verschwimmen. Die Dotierungen werden durch Implantationen realisiert. Aufgrund der Charakteristik des Implantationsvorganges selbst und des nachfolgenden Hochtemperaturschrittes zur Ausheilung von Kristallschäden tritt ein Verlaufen der Dotierstoffe auf.b) The doping profiles become blurred. The endowments are made by Implants realized. Due to the characteristics of the Implantation process itself and the subsequent one High temperature step to heal crystal damage occurs the dopants run on.
- c) Die Vermeidung der im planaren Substrat auftretenden Leckströme erfordert zusätzliche Strukturen im Kanalbereich, die einer Verkleinerung des Bauelementes entgegen wirken, und zusätzlich die Verwendung teurer SOI-Substrate (SOI = silicon on insulator).c) Avoiding those occurring in the planar substrate Leakage currents require additional structures in the channel area that counteract a downsizing of the component, and additionally the use of expensive SOI substrates (SOI = silicon on insulator).
Aufgrund dieser Nachteile konnte bisher in der Durchlaßkennlinie nur ein schwacher Schalteffekt im NDR-Bereich gezeigt werden.Because of these disadvantages, it has so far been possible in the pass characteristic only a weak switching effect can be shown in the NDR area.
Die Aufgabe der Erfindung ist eine Beseitigung der aufgezeigten Nachteile zur Realisierung eines Transistors, dessen Stromfluß durch einen quantenmechanischen Tunneleffekt steuerbar ist. Statt der teuren SOI-wafer sollen Standardsiliziumwafer verwendbar sein, und die Dotierprofile sollen verbessert werden.The object of the invention is to eliminate the indicated Disadvantages of realizing a transistor whose current flow is controllable by a quantum mechanical tunnel effect. Instead of Standard silicon wafers are to be used for the expensive SOI wafers be, and the doping profiles should be improved.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Halbleiter-Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen finden sich in den Unteransprüchen.This task is solved by a semiconductor component with the Features of claim 1. There are advantageous designs in the subclaims.
Es werden mit der vorliegenden Erfindung eine Struktur und ein Herstellungsverfahren aufgezeigt, welche zu einem vertikalen Tunnel-Transistor führen. Hierbei beruht der Stromtransport auf dem Elektronentunneln aus einem über eine Steuerelektrode influenzierten leitfähigen Kanal in die Drainelektrode. Durch die Kombination einer vertikalen Anordnung und mit dem Prinzip einer gesteuerten Diode, sind atomar scharfe Dotierprofile möglich, welche die Ausbildung eines geeigneten Tunnelbereiches ermöglichen, und ein in vielen Belangen den herkömmlichen Bauelementen überlegenes Bauelement ermöglichen.There are a structure and a with the present invention Manufacturing process shown which leads to a vertical Lead tunnel transistor. The electricity transport is based on this electron tunneling from a via a control electrode Influenced conductive channel in the drain electrode. Through the Combination of a vertical arrangement and with the principle of a controlled diode, atomically sharp doping profiles are possible, which is the formation of a suitable tunnel area enable, and in many ways the conventional Enable components superior component.
Es sei darauf hingewiesen, daß vertikale Transistor-Bauelemente grundsätzlich bekannt sind (z. B. aus der Offenlegungsschrift DE 196 21 244 A1), allerdings unterscheiden sich diese prinzipiell von den Bauelementen der vorliegenden Erfindung, da die bekannten vertikalen MOS-Transistoren ein Source und Drain gleicher Dotierart haben, und bei diesen Transistoren auch keine Tunnelströme auftreten. In anderen Worten, bei der erfindungsgemäßen Verwendung des Halbleiter-Bauelements der vorliegenden Erfindung wird ein vollkommen neuartiger vertikaler Transistor geschaffen.It should be noted that vertical transistor devices are generally known (e.g. from the published patent application DE 196 21 244 A1), but these differ in principle of the components of the present invention since the known ones vertical MOS transistors have the same source and drain Have doping, and none with these transistors Tunnel currents occur. In other words, at Use of the semiconductor device according to the invention present invention becomes a completely novel vertical Transistor created.
In den Figuren zeigen:The figures show:
Fig. 1 die schematische Struktur eines n-MOSFET in planarer Ausführung; . Figure 1 shows the schematic structure of an n-MOSFET in a planar embodiment;
Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung des Tunnelns in einer Esaki-Diode mit elektrischer Kennlinie; Fig. 2 is a schematic representation of tunneling in an Esaki diode with electrical characteristic;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 shows an embodiment of the present invention;
Fig. 4 simulierte Kennlinien für ein pin-Diode und eine Esaki- Diode; Fig. 4 is simulated characteristics for a PIN diode and a diode Esaki-;
Fig. 5 eine Prozeßsequenz zur Herstellung eines Tunneltransistors; und Figure 5 is a process sequence for manufacturing a tunnel transistor. and
Fig. 6 experimentelle Kennlinien eines erfindungsgemäßen Bauelements. Fig. 6 experimental characteristics of a device according to the invention.
Nun wird die Erfindung ausführlich anhand einer bevorzugten Ausführung beschrieben.The invention will now be described in detail with reference to a preferred one Execution described.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches der Erfindung nach
Anspruch 1 genügt. Die wesentlichen Bestandteile des Bauelementes
sind:
Fig. 3 shows an embodiment which meets the invention according to claim 1. The main components of the component are:
- - eine erste, hochdotierte n-Schicht aus Silizium, die mit einer Außenkontaktierung als Source-Elektrode (2) fungiert;- A first, highly doped n-layer made of silicon, which acts as a source electrode ( 2 ) with an external contact;
- - eine zweite, der ersten in der Dotierart entgegensetzte, hochdotierte p-Schicht, die mit einer Kontaktierung nach außen als Drain-Elektrode (3) fungiert;- A second, highly doped p-layer opposite to the first in the doping mode, which acts as a drain electrode ( 3 ) with an external contact;
- - eine dritte, dazwischenliegende Schicht (4), deren Dotierung vorzugsweise gering gehalten wird, d. h. intrinsisch ist oder unter einer vorbistimmten Dotieschwelle dotiert ist, welche niedriger ist als die Dotierkonzentrationen der ersten und zweiten Schicht;- a third, intermediate layer ( 4 ), the doping of which is preferably kept low, ie is intrinsic or doped below a predetermined doping threshold which is lower than the doping concentrations of the first and second layers;
- - eine Steuerelektrode (5, 6), die aus einem Dielektrikum (z. B. SiO2) (5) und einer leitfähigen Schicht (z. B. hochdotiertes poly- Silizium) (6) besteht (MOS-gate), und die an einer freigelegten vertikalen Seitenflanke aufgebracht worden ist.- A control electrode ( 5 , 6 ), which consists of a dielectric (z. B. SiO2) ( 5 ) and a conductive layer (z. B. highly doped polysilicon) ( 6 ) (MOS gate), and the an exposed vertical side flank has been applied.
Die Wahl der Dotierarten (n oder p) läßt sich natürlich auch umkehren, d. h. die Schicht 2 kann als p-Schicht gewählt werden, und die Schicht 3 dementsprechend als n-Schicht. Auch kann die Schicht 4 selbst in mehrere Schichten unterteilt sein, bzw. in vertikaler Richtung unterschiedliche Dotierdichten aufweisen.The choice of doping types (n or p) can of course also be reversed, ie layer 2 can be selected as a p-layer and layer 3 accordingly as an n-layer. The layer 4 itself can also be subdivided into several layers or have different doping densities in the vertical direction.
In der Figur ist das Gate (6) als überlappend gegenüber den Schichten (2), (3) und (4) dargestellt. Es ist jedoch genauso möglich, daß keine Überlappung zum Drain (3) vorgesehen wird, wie im folgenden ausführlicher dargelegt wird.In the figure, the gate ( 6 ) is shown as overlapping with the layers ( 2 ), ( 3 ) and ( 4 ). However, it is equally possible that no overlap to the drain ( 3 ) is provided, as will be explained in more detail below.
Die physikalische Grundlage der Funktion des Bauelementes ist das Esaki-Tunneln (Fig. 2). In entartet dotierten Halbleitern liegt das Fermi-Niveau nicht mehr in der Bandlücke, sondern um einige kT in den Bändern. Sind zwei solcher Gebiete im Kontakt, so gleichen sich die Fermi-Niveaus an, die Bänder verschieben sich entsprechend und Elektronenniveaus aus dem Leitungsband des n- Halbleiters stehen Elektronenniveaus des Valenzbandes des p- Halbleiters gegenüber. Aufgrund der hohen Dotierung ist die sich ausbildende Raumladungszone sehr dünn (einige nm), und kann daher von den Elektronen durchtunnelt werden. Bei angelegter äußerer Spannung erfolgt in Rückwärtsrichtung bzw. Sperrichtung (Minus am p-Halbleiter, Plus am n-Halbleiter) ein Tunneln der Elektronen aus besetzten Zuständen im Valenzband des p-Halbleiters in freie Zustände des Leitungsbandes im n-Halbleiter. Dieser Strom wächst mit steigender Spannung exponentiell an. In diesem Bereich soll das vorgestellte Bauelement betrieben werden. In Vorwärtsrichtung bzw. Durschaltrichtung (Plus am p-Halbleiter, Minus am n- Halbleiter) kann sich bei geeigneter Bauelementqualität die Tunnelkennlinie mit dem NDR ausbilden. Dieser Teil der Kennlinie wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht weiter betrachtet.The physical basis of the function of the component is Esaki tunneling ( Fig. 2). In degenerate-doped semiconductors, the Fermi level is no longer in the band gap, but by a few kT in the bands. If two such areas are in contact, the Fermi levels align, the bands shift accordingly, and electron levels from the conduction band of the n-type semiconductor contrast with electron levels of the valence band of the p-type semiconductor. Due to the high doping, the space charge zone that forms is very thin (a few nm) and can therefore be tunneled through by the electrons. When the external voltage is applied, the electrons tunnel from the occupied states in the valence band of the p-semiconductor to free states of the conduction band in the n-semiconductor in the reverse direction or reverse direction (minus on the p-type semiconductor, plus on the n-type semiconductor). This current grows exponentially with increasing voltage. The component presented is to be operated in this area. In the forward direction or major switching direction (plus on the p-type semiconductor, minus on the n-type semiconductor), the tunnel characteristic curve can form with the NDR if the component quality is suitable. This part of the characteristic is not considered further in the context of the present invention.
Die Ausbildung des Esaki-Tunnelns ist ursächlich auf den abrupten Kontakt zweier hochdotierter p-n-Gebiete zurückzuführen. In ausdiffundierten pn-Kontakten bilden sich größere Raumladungszonen aus, die nicht mehr durchtunnelt werden können. Werden die beiden hochdotierten p-n-Gebiete durch eine niedrigdotierte oder intrinsische (i-) Schicht getrennt, so ist ein Tunneln ebenfalls nicht mehr möglich. Das entstandene Bauelement wird nach seiner Schichtfolge pin-Diode genannt. In Durchlaßrichtung bildet sich eine klassische Durchlaßkennlinie ohne Tunneleffekte aus, in Sperrichtung eine Sperrkennlinie mit extrem niedrigen Strömen. Die Sperrkennlinien der Esaki-Diode und der pin-Diode können sich bei einer angelegten Sperrspannung um viele Größenordnungen unterscheiden (Fig. 4).The formation of the Esaki tunnel is due to the abrupt contact of two highly doped pn regions. Larger space charge zones are formed in the diffused pn contacts that can no longer be tunneled through. If the two heavily doped pn regions are separated by a low-doped or intrinsic (i) layer, tunneling is also no longer possible. The resulting component is named pin diode after its layer sequence. In the forward direction, a classic forward characteristic curve is formed without tunnel effects, in the reverse direction a blocking characteristic curve with extremely low currents. The blocking characteristics of the Esaki diode and the pin diode can differ by many orders of magnitude when a blocking voltage is applied ( FIG. 4).
Das Umschalten zwischen den beiden Sperrkennlinien und damit die Steuerung des Transistoreffektes wird erzielt, indem durch eine Steuerelektrode (5, 6) nach Fig. 3 in der i-Schicht (4) ein leitfähiger Inversionskanal (7) influenziert wird. Im dargestellten Beispiel erzeugt eine positive Spannung an der MOS- Steuerelektrode einen Elektronenkanal, beginnend an der Source- Elektrode (2). Mit zunehmender Gatespannung reicht dieser Kanal immer näher an die p-dotierte Drainelektrode (3). Dieses Annähern des Elektronenkanals (7) an das p-Gebiet (3) entspricht einer elektronischen Heranführung des n-Gebietes an das p-Gebiet, wie es für den Tunnelvorgang nötig ist. Eine weitere Erhöhung der Gatespannung führt zu einer Erhöhung der Elektronendichte im Kanal und zu einer Felderhöhung am Tunnelübergang, was ebenfalls zu einem Stromanstieg führt. Aus der Sperrkennlinie der pin-Diode mit extrem kleinen Strömen ist die Sperrkennlinie der Esaki-Diode geworden, mit extrem hohen Strömen.Switching between the two blocking characteristics and thus controlling the transistor effect is achieved by influencing a conductive inversion channel ( 7 ) in the i-layer ( 4 ) according to FIG. 3 by means of a control electrode ( 5 , 6 ). In the example shown, a positive voltage at the MOS control electrode creates an electron channel, starting at the source electrode ( 2 ). As the gate voltage increases, this channel extends ever closer to the p-doped drain electrode ( 3 ). This approach of the electron channel ( 7 ) to the p-region ( 3 ) corresponds to an electronic introduction of the n-region to the p-region, as is necessary for the tunneling process. A further increase in the gate voltage leads to an increase in the electron density in the channel and to an increase in the field at the tunnel junction, which also leads to an increase in current. The blocking characteristic of the pin diode with extremely low currents has become the blocking characteristic of the Esaki diode with extremely high currents.
Wie man erkennt, muß das Gate (6) nicht mit der Drain-Schicht (3) überlappen, da ein Tunneln zwischen dem Kanal (7) und dem Drain (3) stattfindet.As can be seen, the gate ( 6 ) does not have to overlap with the drain layer ( 3 ) since tunneling takes place between the channel ( 7 ) and the drain ( 3 ).
Beispiel einer einfachen Prozeßsequenz mit 4 Maskenschritten für das Ausführungsbeispiel: (siehe Fig. 5)Example of a simple process sequence with 4 mask steps for the exemplary embodiment: (see FIG. 5)
Auf ein niedrig dotiertes n-Silizium-Substrat wird mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder Gasphasenepitaxie (Chemical Vapor Deposition, CVD) eine hochdotierte n+-Schicht aufgewachsen. Für die Dotierung ist ein Wert von 1019-1020 cm-3 und eine Schichtdicke von etwa 100 nm bevorzugt.A highly doped n + layer is grown on a lightly doped n-silicon substrate using molecular beam epitaxy (MBE) or gas phase epitaxy (Chemical Vapor Deposition, CVD). A value of 10 19 -10 20 cm -3 and a layer thickness of approximately 100 nm is preferred for the doping.
Um einen abrupten, hochdotierten Abschluß der n-Schicht zu gewährleisten, kann die n-Schicht wahlweise durch das Aufbringen einer Delta-Dotierschicht oder einer Dotier-Oberflächenphase abgeschlossen werden. Für eine Delta-Dotierschicht wird bei erniedrigter Temperatur (typischerweise Raumtemperatur) die Oberfläche mit dem Dotierstoff vorbelegt (etwa 1012 cm-2) und anschließend mit einer amorphen Siliziumschicht mit einer Dicke von einigen Nanometern zugedeckt. Danach wird in einem Temperschritt der Dotierstoff in die amorphe Si-Schicht eindiffundiert, die Schicht kristallinisiert (solid phase epitaxy, SPE) und der Dotierstoff wird aktiviert. Zur Ausbildung einer Dotieroberflächenphase wird auf das heiße Substrat der Dotierstoff in so hoher Menge aufgebracht (vorzugsweise 30-50% einer Monolage, entsprechend 1015 cm-2), daß sich der Dotierstoff auf Gitterplätze setzt und sich eine Oberflächenphase ausbildet. Diese Schicht, bzw. Schichten bilden die Source-Elektrode (2).In order to ensure an abrupt, highly doped termination of the n layer, the n layer can optionally be terminated by applying a delta doping layer or a doping surface phase. For a delta doping layer, the surface is pre-coated with the dopant (approximately 10 12 cm -2 ) at a low temperature (typically room temperature) and then covered with an amorphous silicon layer with a thickness of a few nanometers. The dopant is then diffused into the amorphous Si layer in a tempering step, the layer is crystallized (solid phase epitaxy, SPE) and the dopant is activated. To form a doping surface phase, the dopant is applied to the hot substrate in such a large amount (preferably 30-50% of a monolayer, corresponding to 10 15 cm -2 ) that the dopant settles on lattice sites and a surface phase is formed. This layer or layers form the source electrode ( 2 ).
Auf die Source-Elektrode wird bei erhöhter Temperatur (vorzugsweise 450-700°C) eine nichtdotierte Silizumschicht (4) aufgewachsen, in der sich später der Strompfad (7) ausbilden soll. Zum Einstellen der Einsatzspannung kann die Kanalschicht auch dotiert werden. Hierbei sind homogene p- oder n-Dotierungen möglich und auch Dotierprofile. Insbesondere kann durch das Einbringen von Delta-Dotierschichten das Transportverhalten der Ladungsträger im Kanalbereich zusätzlich beeinflußt werden. Die Kanalschicht kann mit einer p-Delta-Dotierschicht oder einer p- Oberflächenphase abgeschlossen werden, um einen abrupten, hochdotierten Kontakt zur anschließenden p-Schicht zu gewährleisten.An undoped silicon layer ( 4 ) is grown on the source electrode at an elevated temperature (preferably 450-700 ° C.), in which the current path ( 7 ) is later to be formed. The channel layer can also be doped to set the threshold voltage. Homogeneous p or n doping is possible, as are doping profiles. In particular, the transport behavior of the charge carriers in the channel region can be additionally influenced by the introduction of delta doping layers. The channel layer can be terminated with a p-delta doping layer or a p-surface phase in order to ensure an abrupt, highly doped contact with the subsequent p-layer.
Der Schichtstapel wird mit der Aufbringung einer hoch p-dotierten Schicht, der Drain-Elektrode (3), abgeschlossen. Für die Dotierung ist ein Wert von 1019-1020 cm-3 und eine Schichtdicke von etwa 100 nm bevorzugt (Fig. 5a)The layer stack is completed with the application of a highly p-doped layer, the drain electrode ( 3 ). A value of 10 19 -10 20 cm -3 and a layer thickness of approximately 100 nm is preferred for the doping ( FIG. 5a)
Nach dem Aufbringen des Schichtsystems werden die Schichten in einem ersten Maskenschritt mit Standardverfahren (naßchemisch, z. B. mit KOH oder trocken, z. B. mit SF6) geätzt um mehr oder weniger vertikale Seitenflanken zu erhalten. Entsprechend den Abmessungen der geätzten zu den nichtgeätzten Teilen kann man trench- oder Mesa-Transistoren herstellen.After the layer system has been applied, the layers are etched in a first mask step using standard methods (wet chemical, for example with KOH or dry, for example with SF 6 ) in order to obtain more or less vertical side flanks. According to the dimensions of the etched to the non-etched parts, trench or mesa transistors can be produced.
Nachfolgend wird das Gate-Dielektrikum (5) aufgebracht. Hierzu wird vorzugsweise eine thermische Oxidation bei 800°C für einige Minuten ausgeführt, was zu einer Oxiddicke von einigen Nanometern führt. Alternativ sind andere Prozeßführungen, z. B. rapid thermal oxidation (RTO) oder andere Gatedielektrika, z. B. Nitride oder nitridierte Oxide, möglich. The gate dielectric ( 5 ) is then applied. For this purpose, thermal oxidation is preferably carried out at 800 ° C. for a few minutes, which leads to an oxide thickness of a few nanometers. Alternatively, other process controls, e.g. B. rapid thermal oxidation (RTO) or other gate dielectrics, e.g. B. nitrides or nitrided oxides possible.
Auf das Gate-Dielektrikum wird die Gate-Elektrode (6) abgeschieden. Üblicherweise wird hierzu hochdotiertes Poly- Silizium verwendet, für das es verschiedene Herstellungsmöglichkeiten gibt. Alternativ sind auch Metalle, z. B. Aluminium oder Silizide, möglich.The gate electrode ( 6 ) is deposited on the gate dielectric. Highly doped polysilicon is usually used for this, for which there are various production possibilities. Alternatively, metals, e.g. As aluminum or silicides, possible.
Anschließend wird das Gate (5, 6) in einem 2. Maskenschritt strukturiert (Fig. 5b).The gate ( 5 , 6 ) is then structured in a second mask step ( FIG. 5b).
Die Strukturen werden ganzflächig mit einer Isolationsschicht (8) überzogen. Typischerweise kann hierzu eine mittels LPCVD aufgebrachte Nitridschicht dienen. Bei einer bevorzugten Aufwachstemperatur von etwa 750°C kann in etwa 1 h eine 200 nm dicke Nitridschicht aufgebracht werden.The entire surface of the structures is covered with an insulation layer ( 8 ). Typically, a nitride layer applied by means of LPCVD can be used for this. At a preferred wax-up temperature of about 750 ° C., a 200 nm thick nitride layer can be applied in about 1 hour.
In einem 3. Maskenschritt werden im Nitrid die Kontaktlöcher für die Elektroden geöffnet Source-Kontakt (9), Drain-Kontakt (10), Gate-Kontakt (11) (Fig. 5c). Diese Ätzung kann trockenchemisch mit CF4 ausgeführt werden.In a third mask step, the contact holes for the electrodes are opened in the nitride. Source contact ( 9 ), drain contact ( 10 ), gate contact ( 11 ) ( FIG. 5c). This etching can be carried out dry-chemically with CF 4 .
Als letzter Schritt wird die Metallisierung ganzflächig aufgebracht und in einem 4. Maskenschritt strukturiert. Die Strukturierung kann mit einer direkten Ätzung oder alternativ mit einem Lift-off Schritt erfolgen. Typischerweise kann die Metallisierung aus Aluminium, aber auch aus anderen Metallen oder mehreren Metallschichten bestehen (Fig. 5d).As the last step, the metallization is applied over the entire surface and structured in a fourth mask step. The structuring can be done with a direct etching or alternatively with a lift-off step. Typically, the metallization can consist of aluminum, but also of other metals or several metal layers ( FIG. 5d).
Damit ist das Bauelement funktionsfähig hergestellt.The component is thus manufactured to be functional.
Die Schichten können wahlweise bei erhöhter Temperatur oder bei niedriger Temperatur (z. B. Raumtemperatur) mit anschließender Rekristallisierung (solid phase epitaxy, SPE) hergestellt werden. Die Dicke der Schichten kann von atomaren Monolagen bis zu typischerweise einigen 100 nm variieren. Die Schichtenfolge kann auch umgekehrt aufgebracht werden (statt n-i-p die Folge p-i-n). The layers can optionally at elevated temperature or at low temperature (e.g. room temperature) with subsequent Recrystallization (solid phase epitaxy, SPE) can be produced. The thickness of the layers can range from atomic monolayers to typically vary a few 100 nm. The sequence of layers can can also be applied the other way round (instead of n-i-p the sequence p-i-n).
Bei Verwendung hochdotierter Substrate kann die untere hochdotierte Schicht auch weggelassen werden. Die Bauelemente können in einem zusätzlichen Schritt durch eine Isolation voneinander getrennt werden (z. B. LOCOS oder trench isolation).When using highly doped substrates, the lower one highly doped layer can also be omitted. The components can in an additional step through isolation be separated from each other (e.g. LOCOS or trench isolation).
Beschaltet man das in Fig. 3 gezeigte Bauelement so, daß
If you connect the component shown in Fig. 3 so that
- - die Source-Elektrode (2) auf Erdpotential festgelegt wird,- The source electrode ( 2 ) is set to earth potential,
- - die Drainspannung (3) variabel von Plus nach Minus variiert wird, ohne jedoch die Durchbruchsspannung der pin-Diode zu übersteigen, und- The drain voltage ( 3 ) is varied variably from plus to minus, but without exceeding the breakdown voltage of the pin diode, and
- - die Gatespannung von Null nach Plus verändert wird, so ergeben sich die elektrische Kennlinien, wie sie an einem Labormuster erhalten wurden und in Fig. 6 gezeigt sind.If the gate voltage is changed from zero to plus, the electrical characteristic curves result as they were obtained from a laboratory sample and are shown in FIG. 6.
Variiert man ohne angelegte Gatespannung (Vg = 0 V) die Source- Drain-Spannung so erhält man die Kennlinie einer pin-Diode, insbesondere in Rückwärtsrichtung einen extrem kleinen Strom. Legt man nun an das Gate eine Spannung, so wird beim Überschreiten einer Schwellspannung, der dotierabhängigen Einsatzspannung, wie bei einem MOSFET ein Inversionskanal influenziert. Hierbei werden Elektronen im Kanal bis direkt an das hochdotierte p-Gebiet geführt und können über den Esaki- Mechanismus in die Drain-Elektrode tunneln. Aus dem Sperrstrom der pin-Diode ist der hohe Strom der Tunneldiode geworden. Dieser Effekt ist deutlich im Ausgangskennlinienfeld zu erkennen (Fig. 6a). Durch Steuerung der Gatespannung erhält man das Kennlinienfeld eines Transistors. Fig. 6b zeigt das Eingangskennlinienfeld.If the source-drain voltage is varied without applied gate voltage (V g = 0 V), the characteristic curve of a pin diode is obtained, in particular in the backward direction an extremely small current. If a voltage is now applied to the gate, an inversion channel is influenced when a threshold voltage, the doping-dependent threshold voltage, is exceeded, as in the case of a MOSFET. Electrons in the channel are led directly to the highly doped p-region and can tunnel into the drain electrode via the Esaki mechanism. The reverse current of the pin diode has become the high current of the tunnel diode. This effect can be clearly seen in the output characteristic field ( Fig. 6a). The characteristic field of a transistor is obtained by controlling the gate voltage. Fig. 6b shows the input characteristic field.
Die Vorteile des Bauelementes der vorliegenden Erfindung besteht
darin, daß
The advantages of the component of the present invention are that
- 1. es als Tunneltransistor vollständig in bestehender Si-CMOS- Technologie hergestellt werden kann, 1. it as a tunnel transistor completely in existing Si-CMOS Technology can be made
- 2. durch die vertikale Ausrichtung mit CVD oder MBE-Methoden atomar abrupte Dotierprofile hergestellt werden können,2. through vertical alignment using CVD or MBE methods atomically abrupt doping profiles can be produced,
- 3. keine exotischen Substrate, wie z. B. SIMOX, oder platzverbrauchende gatestrukturen nötig sind, um Leckströme zu vermeiden;3. no exotic substrates, such as. B. SIMOX, or Space-consuming gate structures are necessary to prevent leakage currents avoid;
- 4. in seiner Beschaltung bei kleineren Versorgungsspannungen (bei etwa 0.2 V und darunter) im Vergleich zu zukünftigen MOSFETs (0.5- 0.6 V) betrieben werden kann,4. in its wiring with smaller supply voltages (at about 0.2 V and below) compared to future MOSFETs (0.5- 0.6 V) can be operated,
- 5. durch den enormen Stromhub (Sperrstrom zu Tunnelstrom etwa 10 Größenordnungen) gegenüber zukünftigen MOSFETs (Stromhub etwa 3-4 Größenordnungen) einen wesentlich sicheren Schaltpegel hat,5. due to the enormous current swing (reverse current to tunnel current about 10 Orders of magnitude) compared to future MOSFETs (current swing about 3-4 Orders of magnitude) has a substantially safe switching level,
- 6. die Vorzüge von Bipolartransistoren und MOSFETs vereinigt ohne deren Nachteile zu haben. Bipolartransistoren sind sehr schnell, weil sie eine exponentielle Steuer-Kennlinie aufweisen, erkaufen sich dies jedoch durch dauernden Stromverbrauch der Steuerung durch die Basis. Leistungsarme Schaltungen sind hier nicht möglich. MOSFETs verbrauchen durch das MOS-Gate nur beim Umschalten Leistung, deswegen sind CMOS-Schaltungen marktbeherrschend für Höchstintegration geworden. Allerdings weist die Steuerkennlinie des MOSFETs nur einen quadratischen Anstieg auf (I ~ Vg2) und ist damit langsamer als ein Bipolartransistor. Das vorgestellte Bauelement ist gekennzeichnet durch eine MOS-Gate Steuerung und einer exponentiellen Steuerkennlinie.6. The advantages of bipolar transistors and MOSFETs combined without having their disadvantages. Bipolar transistors are very fast because they have an exponential control characteristic, but they buy this from the controller's constant current consumption by the base. Low-power circuits are not possible here. Due to the MOS gate, MOSFETs only consume power when switching, which is why CMOS circuits have become dominant for maximum integration. However, the control characteristic of the MOSFET has only a quadratic rise (I ~ Vg 2 ) and is therefore slower than a bipolar transistor. The component presented is characterized by a MOS gate control and an exponential control characteristic.
Claims (10)
- - einer ersten Schicht (2) einer ersten Dotierart (n), welche nach außen kontaktiert ist,
- - einer zweiten Schicht (3) einer der ersten Dotierart (n) entgegengesetzten zweiten Dotierart (p), welche nach außen kontaktiert ist,
- - mindestens eine dritte Schicht (4), welche zwischen der ersten und zweiten Schicht liegt,
- - wobei die erste, zweite und dritte Schicht eine vertikale Schichtfolge bilden,
- - eine Steuerelektrode (5, 6), welche eingerichtet ist, einen Strompfad zwischen der ersten und zweiten Schicht zu steuern, wobei der Strompfad mindestens einen Abschnitt umfaßt, in dem ein Tunnelstrom fließt.
- a first layer ( 2 ) of a first doping type (s) which is contacted to the outside,
- a second layer ( 3 ) of a second doping type (p) opposite the first doping type (s), which is contacted to the outside,
- - at least one third layer ( 4 ), which lies between the first and second layers,
- the first, second and third layers form a vertical layer sequence,
- - A control electrode ( 5 , 6 ), which is set up to control a current path between the first and second layers, the current path comprising at least one section in which a tunnel current flows.
- - Aufbringung der ersten (2), dritten (4) und zweiten (3) Schichten auf ein Substrat (1) in dieser Reihenfolge,
- - Freilegung von vertikalen Seitenwänden durch eine Ätzung,
- - Aufbringung einer Isolierungsschicht (5) auf der freigelegten Seitenwand,
- - Aufbringung einer leitenden Schicht (6) auf der Isolierungsschicht (5), und
- - Öffnen von Kontaktlöchern und Aufbringung einer Metallisierung, um Außenkontakte für Source, Drain und Gate zu schaffen.
- - application of the first ( 2 ), third ( 4 ) and second ( 3 ) layers onto a substrate ( 1 ) in this order,
- Exposure of vertical side walls by etching,
- - Application of an insulation layer ( 5 ) on the exposed side wall,
- - Application of a conductive layer ( 6 ) on the insulation layer ( 5 ), and
- - Opening contact holes and applying a metallization to create external contacts for source, drain and gate.
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