(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の領域と、前記領域内において第２導電型を有する離間されたソース領域及びドレイン領域とを有するシリコン基板、前記シリコン基板上に配置され、前記ソース領域上に位置し、トンネリングを可能にする第１の厚さを有する酸化シリコン・トンネリング層、前記トンネリング層上に配置され、前記ソース領域上に位置し、前記ドレイン領域と接触し、基底状態とフェルミ・レベルとを有し、前記基底状態を前記フェルミ・レベルより１００ないし２００ｍｅＶ高くする厚さを有する、ポリシリコンからなる量子井戸層、前記量子井戸層上に配置され、前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さを有し、トンネリングを防止する酸化シリコン絶縁層、並びに前記絶縁層上に配置され、前記量子井戸層及び前記ソース領域の上に位置するゲート電極から成るトンネル・トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、 トランジスタに関し、更に特定すれば、トンネル・トランジスタ(tunneltransistor)に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な横型トランジスタは、基板内に、離間された電極と、それらの間に規定されたチャネル領域とが形成されている。通常、チャネル領域の長さが、トランジスタの動作周波数を決定し、この長さが短い程動作周波数は高くなる。しかしながら、チャネル長の下限、そしてそのために動作周波数の上限が、逆電圧ブレークダウン(reverse voltagebreakdown)等のような特性によって決定される。
【０００３】
種々の半導体物質を非常に薄い層に形成することにより、当該物質内のエネルギ・レベルを個別のエネルギ・レベルに限定可能であることは、以前より既知である。異なる物質の非常に薄いいくつかの層を重ね合わせる関係で堆積することによって、発光ダイオードまたは光検出ダイオードのような素子が形成可能である。かかる構造の例が、"Optoelectronic Devices Based on Intraband Transitions in Combination of Type I and Type II TunnelJunctions"と題する、１９９２年１月７日に特許された、米国特許番号第５，０７９，６０１号に開示されている。
【０００４】
時として、異なる半導体物質の非常に薄い層数枚を３端子素子、即ち、トランジスタに形成する試みもなされてきた。かかる試みの１つが、N. Yokoyama et al.による"Resonant-Tunneling  Hot Electron Transistor" (Solid-state Electronics, vol/31, No., pp. 577-582, 1988、イギリスにて印刷）と題する論文に開示されている。開示された素子では、物質層は縦に重なる関係で形成され、世界中で製造されている既知の縦型半導体トランジスタと同様に、最下部にコレクタ、最上部にエミッタ、そしてこれらの間にベースを生成する。この場合、縦型配置のため、ベース、エミッタおよびコレクタ接続部ならびに端子を設けるのが難しいという問題がある。また、動作に多少の相違があり、この電子トランジスタは縦方向には非常に薄いが、製造に関する難点は殆ど改善されておらず、チップの面積節約も殆どなされていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、非常に狭いチャネル領域を形成でき、しかも良好な動作特性を有するトランジスタを提供することができれば有利であろう。
【０００６】
本発明の目的は、新規で改良されたトンネル・トランジスタを提供することである。
本発明の他の目的は、量子寸法に調整(scale) 可能な新規で改良されたトンネル・トランジスタを提供することである。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、性能の改善および小型化を図った新規で改良されたトンネル・トランジスタを提供することである。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、短チャネル効果が殆どない、新規で改良されたトンネル・トランジスタを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述のおよびその他の問題の少なくとも部分的な解決、ならびに上述のおよびその他の目的の実現は、本発明によるトンネル・トランジスタにおいて達成される。このトランジスタは、第１導電型の領域と、第２導電型を有し第１導電型の領域内に位置する第１および第２離間領域とを有する基板構造を含む。トンネリング層が第１領域の上に位置し、量子井戸層がこのトンネリング層の上に位置し、第２領域と接触する。制御電極が、量子井戸層とトンネリング層の上に位置する。量子井戸層は、基底状態をフェルミ・レベルより高くする厚さを有し、トンネリング層は十分に薄いためソースおよび量子井戸層間のトンネリングを可能とし、絶縁層はそれ自体のトンネリングを防止する程度の厚さである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
これより図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。尚、図面では、同様の参照符号は図１ないし図３全体にわたって対応する素子を示すものとする。まず、図１および図２を注目すると、全体的に参照符号１０と付されたトンネリング・トランジスタが示されている。トンネリング・トランジスタ１０は、第１導電型の領域１４と、第２導電性を有し領域１４内に位置する離間された領域１６，１８とを有する基板構造１２を含む。本実施例では、領域１４にはｐドーパントがドープされてｐ＋型導電性を形成し、領域１６，１８にはｎドーパントがドープされ、ｎ＋導電型を形成する。領域１６，１８は、拡散または注入などのような標準的な技術によって形成される。
【００１１】
基板構造１２上の領域１６の真上に、トンネリング層２０を配置する。トンネリング層２０上の領域１６の真上に、量子井戸層２２を配置する。量子井戸層２２は、基板構造１２上を延び、領域１８と接触する。領域１６の上に位置する関係で、制御電極絶縁層２４を量子井戸層２２上に配置する。尚、絶縁層２４は、量子井戸層２２を全て被覆するように延長可能であり、必要に応じてトンネリング・トランジスタ１０のパシベーションを与えるようにすることも可能である。量子井戸層２２および領域１６の上に位置する関係で、制御電極２６を絶縁層２４上に配置する。
【００１２】
この具体例では、トンネル・トランジスタ１０は電界効果トランジスタであり、領域１６がソース、領域１８がドレイン、制御電極２６がゲートである。本実施例では、基板構造１２は支持基板のみを含み、領域１６，１８は直接その中に形成されている。しかしながら、基板構造１２は、かかる構造の製造に好都合な追加の層（例えば、エピタキシャル層）を含んでもよいことを、当業者は理解しよう。具体的に図１を参照すると、ソース領域１６およびドレイン領域１８は、基板構造１２上に堆積されている層を越えて横方向（図２において紙面を貫く方向）に延び、外部接点（図示せず）形成のためのメタライゼーションを可能にする。また、制御電極２６にはゲート金属が形成され、外部ゲート電極が備えられている。
【００１３】
この好適実施例では、シリコン物質系を用い、支持基板（基板構造１２）がシリコン、トンネリング層２０が二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）、量子井戸層２２がポリシリコン、そして絶縁層２４が二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）である。量子井戸層２２は、縦方向（図１において紙面を貫く方向）の厚さを十分に薄く形成し、基底状態（Ｅ1 ）を約１００ないし２００ｍｅＶの範囲だけフェルミ・レベルより高くしなければならない。通常、ポリシリコンの厚さは約３ないし５ｎｍの範囲である。トンネリング層２０は十分に薄く、それを貫通する良好なキャリアの転送、即ち、トンネリングを可能とする。二酸化シリコンを用いる場合、トンネリング層２０の厚さは約１．５ないし２ｎｍとする。更に、絶縁層２４はトンネリング層２０よりも厚くし、それを貫通するキャリアの転送、即ち、トンネリングを防止する。二酸化シリコンを用いる場合、絶縁層２４の厚さは約３ないし５ｎｍである。
【００１４】
次に図３を参照すると、トンネル・トランジスタ１０のゼロ・バイアス・エネルギ・バンド図が示されている。領域１６のエネルギ・レベルは、フェルミ・レベル３０とともに左側にあり、トンネリング層２０をそれに隣接して示す。量子井戸層２２はトンネリング層２０に隣接して図示されており、基底状態はＥ1 である。ここで注記すべきは、このゼロ・バイアス状態では、基底状態Ｅ1 がフェルミ・レベル３０よりも高いことである。また、絶縁層２４は、電子のゲート２６への転送に対する大きなバリアを形成する。
【００１５】
動作の間、ソースおよびドレイン間に補正電位を印加し、バイアス電圧をゲートに印加すると、基底状態Ｅ1 がフェルミ・レベル３０以下となるまで、エネルギ・バンド図の右側が下にずれる。この時点で、キャリアは領域１６（ソース）から量子井戸層２２まで、トンネル層２０を自由にトンネリングする。一旦キャリアが量子井戸層２２に到達すると、それらは領域１８（ドレイン）まで流れる。  以上のように、量子寸法に合わせて調整可能な、新規で改良されたトンネル・トランジスタが開示された。また、この新規で改良されたトンネル・トランジスタは、ソースおよびドレイン間のチャネル・サイズ縮小により、性能の向上をもたらす。このトランジスタはチャネルの長さには依存しないので、短チャネル効果はほとんどない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるトンネル・トランジスタの平面図。
【図２】図１の線２−２から見た断面図。
【図３】図１のトンネル・トランジスタのエネルギ・バンド図。
【符号の説明】
１０    トンネリング・トランジスタ
１２    基板構造
１４    第１導電型領域
１６，１８    領域
２０    トンネリング層
２２    量子井戸層
２４    絶縁層
２６    制御電極
３０    フェルミ・レベル
【図１】
0003899157.tif 000002
【図２】
0003899157.tif 000003
【図３】
0003899157.tif 000004