半导体元件及其制造方法、以及半导体集成电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用作为动作原理的隧道现象的半导体元件及其制造方法、以及具有所述半导体元件的半导体集成电路。
【背景技术】
[0002]近年来，旨在降低LSI的电量消耗的尝试正在盛行。降低动作电压是该尝试之一，但是在以往的电路中使用的MOS晶体管中，因物理限制大幅降低电压是困难的。因此，为了降低LSI的电量消耗，希望开发一种基于与以往的MOS晶体管不同动作原理的低电压开关设备。
[0003]利用半导体的带隙隧道现象的隧道场效应晶体管是其中之一，其利用与MOS晶体管不同动作原理的隧道现象。隧道现象是指，即使是能量不能越过基于电势的势皇的电子，也以某种概率穿过该势皇的相反侧的现象，在隧道场效应晶体管中，通过栅极电压来控制穿过被称为隧道势皇的能量势皇的隧道电流，从而能够进行动作，能够以比以往的MOS晶体管更低的电压进行动作(例如，参见非专利文献I)。
[0004]然而，在隧道场效应晶体管中，对穿过隧道势皇的电流的电流量进行限制的隧道电阻较大，因此，导通操作时的电流(导通电流)较小，难以高速动作。基于这种原因，提案了几种增加导通电流的手法。
[0005]例如，提案了一种通过大幅提高源极区以及漏极区的杂质浓度，并使这些区域的厚度变薄，从而能够形成陡峭的杂质分布，增加隧道电流的手法(参见专利文献I)。然而，实际情况是即使通过该手法，使隧道电流增加至实用水平仍是困难的。
[0006]另外，提案了一种通过使用设置有台阶的半导体基板来增大引起隧道现象的区域的面积，从而增加隧道电流的手法(参见专利文献2)。然而，在该手法中，制造成本增加，并且伴随大面积化导致的栅极电容器电容增加，会有动作变慢的问题。
[0007]另外，提案了一种通过使用作为半导体层形成材料的直接跃迀型化合物半导体，从而增加隧道电流的手法(参见非专利文献2)。然而，在该手法中，由于通过大多现有设备无法制造，因此需要新的设备投资，会有制造成本增高的问题。
[0008]因此，现状是不存在满足如下条件的半导体元件，即能够简易且低成本地制造，能够获得较大的隧道电流，并具有优异动作特性的半导体元件。
[0009]另外，隧道电流的增加也是在隧道场效应晶体管以外的半导体元件，例如，利用隧道现象的共振隧道二极管、江崎二极管等中共同的需要解决的技术问题。
[0010]在先技术文献
[0011]专利文献
[0012]专利文献1:日本专利公开第2006-147861号公报
[0013]专利文献2:日本专利公开第2012-164699号公报
[0014]非专利文献
[0015]非专利文献1:W.Y.Choi et al., IEEE Electron Device Letters vol.28 ,p743(2007) ,Tunneling Field-Effect Transistors(TFETs)with Subthreshold Swing(SS)Less Than 60mV/dec〃
[0016]非专利文献2:G.Dewey et al ,2011 Internat1nal Electron Devices MeetingTechnical Digest,33.6, ,,Fabricat1n，characterizat1n,and physics of II1-Vheterojunct1n tunneling Field Effect Transistors(H-TFET)for steep sub-threshold swing"
【发明内容】
[0017]发明所要解决的技术问题
[0018]本发明的技术问题是解决以往的所述诸问题，达成以下目的。即，本发明的目的在于提供一种能够简易且低成本地制造，能够获得较大的隧道电流，并具有优异动作特性的半导体元件及其制造方法、并提供一种具有所述半导体元件的半导体集成电路。
[0019]解决技术问题的技术方案
[0020]作为用于解决所述技术问题的技术方案如下所述。即，
[0021]〈1> 一种半导体元件，其特征在于，隧道结的整体或者一部分由含有等电子陷阱形成杂质的间接跃迀型半导体的半导体区域构成。
[0022]〈2>根据〈1>所述的半导体元件，其特征在于，间接跃迀型半导体为硅、锗及其混晶中的一种。
[0023]〈3>根据〈2>所述的半导体元件，其特征在于，间接跃迀型半导体为硅，等电子陷阱形成杂质为Al和N。
[0024]〈4>根据〈1>至〈3>中的任一项所述的半导体元件，其特征在于，隧道结为PN结。
[0025]〈5>根据〈1>至〈3>中的任一项所述的半导体元件，其特征在于，隧道结为肖特基结。
[0026]〈6>根据〈1>至〈5>中的任一项所述的半导体元件，其特征在于，具有隧道场效应晶体管的元件结构，所述隧道场效应晶体管的隧道结的整体或者一部分由含有等电子陷阱形成杂质的间接跃迀型半导体的半导体区域构成。
[0027]〈7>—种制造半导体元件的方法，其特征在于包括:
[0028]以构成隧道结的整体或一部分的方式，形成导入有等电子陷阱形成杂质的间接跃迀型半导体的半导体区域的工序。
[0029]〈8>—种半导体集成电路，其特征在于，具有〈1>至〈6>中的任一项所述的半导体元件。
[0030]发明效果
[0031]根据本发明，能够解决以往技术中的所述诸问题，能够提供一种可以简易且低成本地制造，能够获得较大的隧道电流，并具有优异动作特性的半导体元件及其制造方法、以及具有所述半导体元件的半导体集成电路。
【附图说明】
[0032]图1是示出在杂质水平捕获的电子从导带向价电子带跃迀的样子的图。
[0033]图2是模式化地示出隧道电流增大的样子的图。
[0034]图3(a)是示出针对PN结的等电子陷阱形成杂质的导入例的图。
[0035]图3(b)是示出图3(a)的导入例中的能带结构的图。
[0036]图4(a)是示出针对肖特基结的等电子陷阱形成杂质的导入例的图。
[0037]图4(b)是示出图4(a)的导入例中的能带结构的图。
[0038]图5是用于说明本发明的一个实施方式中涉及的隧道场效应晶体管的说明图。
[0039]图6是用于说明本发明的其他实施方式中涉及的隧道场效应晶体管的说明图。
[0040]图7(a)是示出隧道场效应晶体管的制造工序的一例的图(I)。
[0041]图7(b)是示出隧道场效应晶体管的制造工序的一例的图(2)。
[0042]图7(c)是示出隧道场效应晶体管的制造工序的一例的图(3)。
[0043]图7(d)是示出隧道场效应晶体管的制造工序的一例的图(4)。
[0044]图7(e)是示出隧道场效应晶体管的制造工序的一例的图(5)。
[0045]图7(f)是示出隧道场效应晶体管的制造工序的一例的图(6)。
[0046]图7(g)是示出隧道场效应晶体管的制造工序的一例的图(7)。
[0047]图7(h)是示出隧道场效应晶体管的制造工序的一例的图(8)。
[0048]图7(i)是示出隧道场效应晶体管的制造工序的一例的图(9)。
[0049]图7(j)是示出隧道场效应晶体管的制造工序的一例的图(10)。
[0050]图7(k)是示出隧道场效应晶体管的制造工序的一例的图(11)。
[0051]图8是示出使含有等电子陷阱形成杂质的Si晶片与比较用Si晶片发光时的发光图谱的图。
[0052]图9是示出实施例1的隧道场效应晶体管与比较例I的隧道场效应晶体管的隧道电流的对比模拟结果的图。
[0053]图10是示出实施例2以及比较例2涉及的隧道二极管的1-V特性的测定结果的图。
[0054]图11是示出对实施例3以及比较例3涉及的隧道场效应晶体管的漏极电压-漏极电流特性进行测定的结果的图。
[0055]图12是示出对实施例3以及比较例3涉及的隧道场效应晶体管的栅极电压-漏极电流特性进行测定的结果的图。
【具体实施方式】
[0056](半导体元件及其制造方法)
[0057]本发明的半导体元件的特征在于，构成隧道结的整体或者一部分的间接跃迀型半导体的半导体区域中含有等电子陷阱形成杂质。
[0058]另外，本发明的半导体元件的制造方法的特征在于包括:以构成所述隧道结的整体或一部分的方式，形成导入有所述等电子陷阱形成杂质的所述间接跃迀型半导体的所述半导体区域的工序。
[0059]由此，可以获得一种能够简易且低成本地制造，能够获得较大的隧道电流且具有优异动作特性的半导体元件。
[0060]作为半导体中的等电子陷讲，在间接跃迀型半导体即GaP中掺杂N的情况最为有名。以此为例可以看出，在GaP中掺杂的N被置换到P的位置，但是由于N和P均为V族，因此不释放载流子，不形成供体和受体。但是，就表示吸引电子难易的电负度而言，N比P大，电子更容易被吸引到氮原子的周边。即，N作为中性杂质，作为捕获导带中的电子的等电子陷阱而发挥作用。由于在N的杂质水平所捕获的电子在波数空间中进行扩展，因此，动量守恒定律被缓和，从而可向价电子带跃迀。图1示出在间接跃迀型半导体的能带图中标记出杂质水平的情形，表示在杂质水平所捕获的电子从导带向价电子带跃迀的样子。如该图1所示，作为等电子陷阱而捕获电子的杂质水平的波数k可以取任意的数值，使电子能够向价电子带跃迀。
[0061]这样，通过借助杂质水平使电子跃迀，从而即使在间接跃迀型半导体中，也能够像直接跃迀型半导体那样，增大导带-价电子带之间的电子跃迀概率。在GaP的情况中，利用该增大现象，使导带中的电子跃迀到价电子带中与空穴重新复合，从而作为增大发光强度的发光元件来应用。
[0062]隧道现象与上述发光现象相同，是能够通过导带-价电子带之间的电