Iii-v族化合物半导体纳米线、场效应晶体管以及开关元件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及II1-V族化合物半导体纳米线、具有所述II1-V族化合物半导体纳米线的场效应晶体管(在以下的说明中称为“FET”)以及具有所述FET的开关元件。
【背景技术】
[0002]半导体微处理器以及高集成电路是将金属-氧化膜-半导体场效应晶体管(在以下的说明中称为“M0SFET”)等元件集成在半导体基板上制造而成的。通常，互补型MOSFET(在以下的说明中称为“CMOS”)是集成电路的基本元件(开关元件)。在半导体基板的材料中，主要使用作为IV族半导体的硅。通过使构成CMOS的晶体管小型化，能够提高半导体微处理器以及高集成电路的集成度以及性能。
[0003]也正在开发代替硅而使用II1-V族化合物半导体的MOSFET(在以下的说明中称为“II1-V族化合物半导体MOSFET”)。在II1-V族化合物半导体MOSFET中，在II1-V族化合物半导体与氧化膜的界面会形成化学结合状态中特有的缺陷，导致以高密度导入界面能级。因此，难以实现II1-V族化合物半导体MOSFET的高性能化。
[0004]但是，近年来，随着氧化物材料的原子层堆积(ALD)技术的发展，已经能够制作出界面能级密度在一定程度上较低的II1-V族化合物半导体M0SFET。作为用于降低界面能级密度的技术，提出了例如通过硫化物水溶液进行表面处理、表面蚀刻、导入中间层、使用不同种类氧化物等(例如参照非专利文献I?4)。
[0005]在先技术文献
[0006]非专利文献
[0007]非专利文南犬1:H.D.Trinh，et al.,The influences of surface treatment andgas annealing condit1ns on the invers1n behav1rs of the atomic-layer-deposit1n Al203/n-1n0.53Ga0.47As metal-oxide-semiconductor capacitor,,，Appl.Phys.Lett.,Vol.97,pp.042903-1-042903-3.
[0008]非专利文献2: E.0 ’ Connor，e t al.，"A systematic study of (NH4) 2Spassivat1n(22% , 10% ,5% ,or I % )on the interface properties of the A1203/In0.53Ga0.47As/InP system for n-type and p-type In0.53Ga0.47As epitaxiallayers"J.Appl.Phys.,Vol.109,pp.024101-1-024101-10.
[0009]非专利文献3: Y.D.Wu，et al.，"Engineering of threshold voltages inmolecular beam epitaxy-grown A1203/Ga203(Gd203)/In0.2Ga0.8As〃，J.Vac.Sc1.Technol.Β，Vol.28，pp.C3H10-C3H13.
[0010]非专利文献4:RomanEngel-Herbert,et al.，"Metal-oxide-semiconductorcapacitors with Zr02dielectrics grown on In0.53Ga0.47As by chemical beamdeposit1n"，Appl.Phys.Lett.,Vol.95,pp.062908-1-062908-3.
【发明内容】
[0011]发明所要解决的技术问题
[0012]但是，在上述非专利文献I?4所涉及的技术中，不能充分降低界面能级密度，不可能将II1-V族化合物半导体MOSFET的亚阈值系数设为100mV/dec以下。与此相对地，近年来使用硅的M0SFET(在以下的说明中称为“S1-MOSFET” )的亚阈值系数是70mV/dec左右。因此，如果能够制作出具有与S 1-MOSFET相同品质的界面的II1-V族化合物半导体MOSFET，则该II1-V族化合物半导体MOSFET的亚阈值系数应该在70mV/dec左右。
[0013]本发明的目的在于提供一种能够以较小的亚阈值(小于等于lOOmV/dec)动作的II1-V族化合物半导体MOSFET以及能够在其中使用的II1-V族化合物半导体纳米线。
[0014]用于解决技术问题的方案
[0015]本发明者发现，通过以包含周期性双晶结构的方式形成纳米线，能够形成在原子级别上平坦、且具有包含在化学方面稳定的(Ill)A面的侧面的II1-V族化合物半导体纳米线。而且，本发明者发现，通过使用该II1-V族化合物半导体纳米线，能够制造出界面能级密度较小、并能够以较小的亚阈值(小于等于10mV/dec)动作的MOSFET，从而完成了本发明。
[0016]S卩，本发明涉及以下的II1-V族化合物半导体纳米线。
[0017][I]一种II1-V族化合物半导体纳米线，是由II1-V族化合物半导体构成的纳米线，其侧面是由微小的(111)面构成的(-110)面。
[0018][2]根据[I]所述的II1-V族化合物半导体纳米线，沿轴方向交替层叠有第一层以及第二层，所述第一层的侧面为(Ill)A面，所述第二层的侧面为(Ill)B面。
[0019][3]根据[I]或者[2]所述的II1-V族化合物半导体纳米线，其侧面中的(Ill)A面的比例大于50%且小于100%。
[0020][4]根据[2]中所述的II1-V族化合物半导体纳米线，所述第一层以及所述第二层分别由I?5个原子层构成，且其中的90%以上由I?3个原子层构成。
[0021][5]根据[I]或者[2]所述的II1-V族化合物半导体纳米线，其侧面的粗糙度在I?6个原子层的范围内。
[0022][6]根据[I]?[5]中任意一项所述的II1-V族化合物半导体纳米线，所述II1-V族化合物半导体是 InAs、InP、GaAs、GaN、InSb、GaSb、Al Sb、AlGaAs、InGaAs、InGaN、A IGaN、GaNAs、InAsSb、GaAsSb、InGaSb、AlInSb'InGaAlN、AlInGaP、InGaAsP、GaInAsN、InGaAlSb、InGaAsSb 或者 Al InGaPSb。
[0023]另外，本发明涉及以下的场效应晶体管(FET)以及开关元件。
[0024][7]—种场效应晶体管，具有:IV族半导体基板，具有(111)面，并被掺杂为第一导电型；II1-V族化合物半导体纳米线，是配置在所述IV族半导体基板的(111)面上的II1-V族化合物半导体纳米线，并包含有与所述IV族半导体基板的(111)面连接的第一区域、以及被掺杂为所述第一导电型或者与所述第一导电型不同的第二导电型的第二区域;栅极电介质膜，配置在所述II1-V族化合物半导体纳米线的侧面;从源电极以及漏电极中选择的任意一个电极，与所述IV族半导体基板连接;从源电极以及漏电极中选择的另一个电极，与所述II1-V族化合物半导体纳米线的第二区域连接；以及栅电极，配置在所述栅极电介质膜上，使电场作用于所述IV族半导体基板的(111)面与所述II1-V族化合物半导体纳米线的界面；所述II1-V族化合物半导体纳米线是[I]?[6]中任意一项所述的II1-V族化合物半导体纳米线。
[0025][8]根据[7]所述的场效应晶体管，是隧道场效应晶体管。
[0026][9]—种开关元件，包含[7]或者[8]中所述的场效应晶体管。
[0027]发明效果
[0028]根据本发明，能够容易地制造出可以较小的亚阈值(小于等于lOOmV/dec)动作的FET(开关元件)。通过使用本发明所涉及的FET，不仅能够抑制半导体微处理器以及高集成电路的耗电量的增加，而且能够提高半导体微处理器以及高集成电路的集成度以及性能。
【附图说明】
[0029]图1A是周期性排列有InAs纳米线的硅基板的扫描式电子显微镜图像(立体图)。图1B是周期性排列有InGaAs纳米线的硅基板的扫描式电子显微镜图像(立体图)。
[0030]图2A以及图2B是InGaAs纳米线的剖面的高分辨投射电子显微镜图像。
[0031]图3是示出InAs纳米线的侧面附近的晶体结构的示意图。
[0032I图4A以及图4B是示出InAs纳米线的侧面附近的晶体结构的示意图。
[0033]图5A是示出外径为28nm的InAs纳米线中的双晶的导入频率的图。图5B是示出外径为60nm的InAs纳米线中的双晶的导入频率的图。图5C是示出外径为170nm的InAs纳米线中的双晶的导入频率的图。
[0034]图6A以及图6B是示出InAs纳米线的侧面附近的晶体结构的高分辨投射电子显微镜图像。图6C是示出InAs纳米线的侧面的粗糙度的图。
[0035]图7是示出本发明的一实施方式所涉及的TFET的结构的剖面图。
[0036]图8A?D是示出本发明的一实施方式所涉及的TFET的制造工序的示意图。
[0037]图9是示出在实施例中制作出的FET的结构的剖面图。
[0038]图1OA以及图1OB是示出在实施例中制作出的FET的电学特性的图。
[0039]图1IA以及图1IB是示出在实施例中制作出的FET的电学特性的图。
【具体实施方式】
[0040]1.场效应晶体管
[0041]本发明所涉及的场效应晶体管(FET)具有IV族半导体基板、II1-V族化合物半导体纳米线、栅极电介质膜、源电极、漏电极以及栅电极。也可以在一个IV族半导体基板上形成多个FET。下面，作为本发明所涉及的FET的代表例，对隧道场效应晶体管(TFET)进行说明，但基本结构在其他的FET中也相同。
[0042 ]在本发明所涉及的TFET中，IV族半导体基板的(111)面与II1-V族化合物半导体纳米线形成界面(在以下的说明中也称为“接合界面”)。在本发明所涉及的TFET中，在该接合界面中产生隧道现象。此外，“接合界面”是指II1-V族化合物半导体纳米线与(111)面直接连接的部分。
[0043]IV族半导体基板是硅基板或锗基板等具有由IV族半导体构成的(111)面的基板。IV族半导体基板例如是硅(111)基板或者硅(100)基板。在IV族半导体基板为硅(100)基板的情况下，除(100)面之外还形成有(111)面。
[0044]IV族半导体基板具有包含(111)面的部分。该部分为η型或者P型中的任意一种的导电型。该部分的导电型也称为“第一导电型”。因此，既可以是仅IV族半导体基板的包含(ill)面的一部分呈第一导电型，也可以是IV族半导体基板整体呈第一导电型。例如，IV族半导体基板也可以是具有表面为(111)面的η型或者P型的IV族半导体层的IV族半导体基板。另外，IV族半导体基板也可以被掺杂为η型或者P型。在向IV族半导体基板掺杂的掺杂剂中，使用使IV族半导体基板呈η型或者P型的掺杂剂。例如，在使IV族半导体基板呈η型的掺杂剂的示例中，包括N、P、As、Sb以及B i。另外，在使IV族半导体基板呈P型的掺杂剂的示例中，包括B、Al、Ga、In以及T