キャパシタ構造及び半導体素子
【課題】キャパシタ構造において、電極間を流れる電流を抑制しつつ電極間の絶縁層を極限まで薄層化する。
【解決手段】ゲート電極Ｓｉ層１０と対向する電極としてのチャネルＳｉ層３０との間に所望の電圧を印加した際に、少なくともどちらか一方の電極物質でキャリアが存在しうるエネルギー範囲に存在する両電極物質の全エネルギーバンドについて、少なくとも片方の電極の該当エネルギーバンドの一部に関して、対向して配置した面の面方向の運動量の一致するエネルギーバンドがもう一方の電極の同一エネルギーのエネルギーバンドに存在しないように接合面及び接合面に垂直な軸に関する相対的回転角度を選択することで、電極間のキャリアの透過を抑制する。本発明のキャパシタ構造では、面方向の運動量が一致しないエネルギーバンドが存在するため、このエネルギーバンドが関与するキャリアの透過による電流を抑制することができる。
【解決手段】ゲート電極Ｓｉ層１０と対向する電極としてのチャネルＳｉ層３０との間に所望の電圧を印加した際に、少なくともどちらか一方の電極物質でキャリアが存在しうるエネルギー範囲に存在する両電極物質の全エネルギーバンドについて、少なくとも片方の電極の該当エネルギーバンドの一部に関して、対向して配置した面の面方向の運動量の一致するエネルギーバンドがもう一方の電極の同一エネルギーのエネルギーバンドに存在しないように接合面及び接合面に垂直な軸に関する相対的回転角度を選択することで、電極間のキャリアの透過を抑制する。本発明のキャパシタ構造では、面方向の運動量が一致しないエネルギーバンドが存在するため、このエネルギーバンドが関与するキャリアの透過による電流を抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャリア特性を利用したキャパシタ構造の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、結晶Ｓｉ（シリコン）を伝導領域に用いた電界効果トランジスタ（Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ）が世界中で広く利用され、その性能向上についての研究が継続的に行われている。性能向上は基本的にはその各種サイズの微細化によって実現される。ゲート電極とチャネルとなるＳｉ層とで絶縁層（Ｓｉ酸化膜等）を挟んで形成されるキャパシタ構造において、絶縁層の厚さを薄くすることはゲート容量増大等性能向上に寄与する重要な微細化の一つであることがよく知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】岩井、大見、「微細シリコンデバイスに要求される各種高性能薄膜」、応用物理、２０００年、第６９巻、第１号、p.4-14
【非特許文献２】Masanari Shoji、外１名、「Phonon-limited inversion layer electron mobility in extremely thin Si layer of silicon-on-insulator metal-oxide-semiconductor field-effect transistor」、Journal of Applied of Physics、 American Institute of Physics、１９９７年１２月１５日、Vol. 82、p.6096-6010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のキャパシタ構造のまま単純に絶縁層を薄層化すると、絶縁層を通して流れるトンネル電流（直接トンネル電流）が増大するため、素子としての実用性が無くなる。このように、単純に絶縁層膜厚を薄層化することは困難であり、薄層化（ゲート容量増大）のために種々の材料、手法が世界中で研究されている。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電極間を流れる電流を抑制しつつキャパシタ構造の絶縁層を極限まで薄層化、究極的には不要とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の本発明に係るキャパシタ構造は、対向して配置した第１、第２の電極を備えたキャパシタ構造であって、第１、第２の電極間に所望の電圧を印加した際に、少なくともどちらか一方の電極物質でキャリアが存在しうるエネルギー範囲に存在する両電極物質の全エネルギーバンドについて、少なくとも片方の電極の該当エネルギーバンドの一部に関して、対向して配置した面の面方向の運動量の一致するエネルギーバンドがもう一方の電極の同一エネルギーのエネルギーバンドに存在しないことを特徴とする。
【０００７】
上記キャパシタ構造において、第１、第２の電極の間に絶縁層を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記キャパシタ構造において、第１、第２の電極は結晶シリコンにより形成されることを特徴とする。
【０００９】
上記キャパシタ構造において、第１、第２の電極は（１００）面と（１１０）面とを対向して配置したものであって、対向した面に垂直な軸に対する相対的な回転の自由度に関して、第１、第２の電極の対向面に平行方向の＜１００＞方向がお互いに４５度ずれるように配置することを特徴とする。
【００１０】
上記キャパシタ構造において、第１、第２の電極は（１１０）面同士を対向して配置したものであって、第１、第２の電極は、対向して配置した面に垂直な軸に対する相対的な回転の自由度に関して、平行移動によってお互いの結晶格子を重ねることができる位置関係を基準として４５度回転した位置関係であることを特徴とする。
【００１１】
第２の本発明に係る半導体素子は、上記キャパシタ構造の第１の電極と第２の電極のいずれかをゲート電極、もう一方をチャネル層として備えることを特徴とする。
【００１２】
第３の本発明に係るキャパシタ構造は、対向して配置した第１、第２の電極を備えたキャパシタ構造であって、第２の電極を第１の電極とで挟むように第２の電極に面接合された物質層を備え、第２の電極は、そのキャリアが存在しうるエネルギー範囲に存在し、物質層との接合面方向の運動量が互いに異なる少なくとも２つのエネルギーバンド、第１エネルギーバンド及び第２エネルギーバンドを有し、物質層は、第１エネルギーバンドと同じエネルギーの領域にあり、第２の電極との接合面方向の運動量に関して第１のエネルギーバンドと同じ運動量を持つ第３のエネルギーバンドを有し、且つ、第２のエネルギーバンドにおけるエネルギー及び当該接合面方向の運動量に関して同じエネルギー及び／または同じ運動量を持つエネルギーバンドを有しないものであって、第１の電極は、第１エネルギーバンドにおける該当接合面方向の運動量及びエネルギーの値に関して同じ運動量及び／または同じエネルギーの値を持つエネルギーバンドを有しないものであって、第２の電極の層厚を、第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを特徴とする。
【００１３】
上記キャパシタ構造において、第１、第２の電極の間に絶縁層を備えることを特徴とする。
【００１４】
上記キャパシタ構造において、第１、第２の電極及び物質層は結晶シリコンにより形成され、第１の電極の第２の電極に対向する面の面方位は（１１０）面あるいは（１１１）面であり、第２の電極の第１の電極に対向する面及び物質層との接合面の面方位は（１００）面であって、物質層の第２の電極との接合面の面方位は（１００）面であって、第２の電極と物質層とについて、それらの接合面に垂直な軸に対する回転の自由度に関して、平行移動によってお互いの結晶格子を重ねることができる位置関係を基準として４５度回転した配置であることを特徴とする。
【００１５】
第４の本発明に係る半導体素子は、上記キャパシタ構造の第１の電極、第２の電極と物質層のいずれかをゲート電極、もう一方をチャネル層として備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にあっては、対向して配置した第１、第２の電極間に所望の電圧を印加した際に、少なくともどちらか一方の電極物質でキャリアが存在しうるエネルギー範囲に存在する両電極物質の全エネルギーバンドについて、少なくとも片方の電極の該当エネルギーバンドの一部に関して、対向して配置した面の面方向の運動量の一致するエネルギーバンドがもう一方の電極の同一エネルギーのエネルギーバンドに存在しないように電極物質、接合面及び接合面に垂直な軸に関する相対的回転角度を選択することで、電極間のキャリアの透過を抑制する。キャリアが一方の電極から他方の電極に透過するためにはそのエネルギーと接合面の面方向の運動量（結晶運動量）が保存される必要があるが、本発明のキャパシタ構造では、面方向の運動量が一致しないエネルギーバンドが存在するため、このエネルギーバンドが関与するキャリアの透過による電流を抑制することができる。
【００１７】
このように、本発明によれば、電極間を流れる電流を抑制しつつキャパシタ構造の絶縁層を極限まで薄層化、究極的には不要とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施の形態に係るキャパシタ構造を備えた半導体素子の構成を示す構成図である。
【図２】上記キャパシタ構造の運動量空間（ｋ空間）におけるゲート電極Ｓｉ層とチャネルＳｉ層の結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。
【図３】図２に示す各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である。
【図４】第２の実施の形態に係るキャパシタ構造を備えた半導体素子の構成を示す構成図である。
【図５】上記キャパシタ構造の運動量空間（ｋ空間）におけるゲート電極Ｓｉ層、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。
【図６】図５に示す上層Ｓｉ層及び下層Ｓｉ層の各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である。
【図７】図５に示すゲート電極Ｓｉ層の伝導エネルギーバンド端電子の等エネルギー面と上層Ｓｉの２重縮退バレー電子の等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である。
【図８】第３の実施の形態に係るキャパシタ構造を備えた半導体素子の構成を示す構成図である。
【図９】上記キャパシタ構造の運動量空間（ｋ空間）におけるゲート電極Ｓｉ層とひずみＳｉ層の結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。
【図１０】図９に示す各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係るキャパシタ構造を備えたｎチャネルＭＯＳＦＥＴ半導体素子の構成を示す構成図である。同図に示す半導体素子は、結晶Ｓｉ層を用いたゲート電極Ｓｉ層１０と、その下側に面接合された絶縁層２０と、絶縁層２０の下側の表面に面接合されたチャネルＳｉ層３０とで構成される。同図には、チャネルＳｉ層３０の一方の側面に接合配置されたソース電極４０と、他方の側面に接合配置されたドレイン電極５０とが合わせて記載されている。
【００２１】
ゲート電極Ｓｉ層１０は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１１０）面で絶縁層２０に面接合している。
【００２２】
絶縁層２０は、電気的に絶縁性を有する材料で形成されているので、絶縁層２０と上下のゲート電極Ｓｉ層１０、チャネルＳｉ層３０との間は連続性の無い結晶の積層状態となり、各Ｓｉ層におけるキャリアに対して絶縁的に作用する。このような絶縁層の一例として、ＳｉＯ２を挙げることができる。
【００２３】
チャネルＳｉ層３０は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で絶縁層２０に面接合している。
【００２４】
図２は、運動量空間（ｋ空間）におけるゲート電極Ｓｉ層１０及びチャネルＳｉ層３０の結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。同図の上側には、ゲート電極Ｓｉ層１０における各バレーの等エネルギー面が示されており、同図の下側には、チャネルＳｉ層３０における各バレーの等エネルギー面が示されている。通常、結晶Ｓｉとしての電子的特性を担うＳｉの伝導エネルギーバンドの電子は、運動量空間において、それぞれ図示されているような合計６個のバレー端付近の等エネルギー面で囲まれる領域に存在している（厳密には、等エネルギー面は電極間に印加される電圧に依存して変化する）。
【００２５】
図３は、図２の各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である。図３に示すように、チャネルＳｉ層３０の接合面の面方向の運動量成分（波数成分）を表す波数軸ｋｘ，ｋｙに対して、ゲート電極Ｓｉ層１０の接合面に平行な方向の波数軸ｋｘ’は４５度傾いている。実空間において、２つの結晶Ｓｉの接合面（それぞれ（１００）面と（１１０）面）に垂直な軸に関する相対的な回転の自由度については、運動量空間でこのような位置関係を満たすように（ゲート電極Ｓｉ層１０とチャネルＳｉ層３０は界面（対向面）に平行方向の＜１００＞方向をお互いに４５度回転して）接合される。
【００２６】
図２、図３で示すように、本実施の形態に係るキャパシタ構造は、ゲート電極Ｓｉ層１０とチャネルＳｉ層３０とで、伝導エネルギーバンド端の電子について接合面に平行な方向の運動量が互いに一致しなくなる。電子が一方のＳｉ層から他方のＳｉ層に透過するためには、一般にはそのエネルギーと接合面の面方向の運動量が一致する状態が両者のＳｉ層に必要である。本実施の形態に係るキャパシタ構造では、伝導エネルギーバンド端の電子について面方向の運動量が一致するエネルギーバンドがお互いに存在しないため、基本的には伝導エネルギーバンド端の電子が透過できなくなる。即ち、それぞれのＳｉ層の伝導エネルギーバンド端の電子にとって相手のＳｉ層は絶縁層的な性質をもつことになり、この効果によって両Ｓｉ層の間に挟まれた絶縁層２０の膜厚をきわめて薄くし、究極的には膜厚０として両Ｓｉ層を直接接合した場合でも、両Ｓｉ層間に流れるトンネル電流が抑制されることとなる。
【００２７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、トンネル電流を抑制しつつ絶縁層を従来と比べて極度に薄層化することができ、高性能な半導体素子を提供することができる。
【００２８】
なお、上記では、接合面が（１００）面と（１１０）面の場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、（１１０）面同士を対向して配置し、対向して配置した面に垂直な軸に関して、平行移動によってお互いの結晶格子を重ねることができる位置関係を基準として４５度回転した位置関係であってもよい。また、各層が必ずしも結晶Ｓｉである必要はない。各層が互いに異なる結晶であってもよく、半導体に限らず金属を用いるものでもよい。
【００２９】
［第２の実施の形態］
図４は、第２の実施の形態に係るキャパシタ構造を備えたｎチャネルＭＯＳＦＥＴ半導体素子の構成を示す構成図である。同図に示す半導体素子は、結晶Ｓｉ層を用いたゲート電極Ｓｉ層１０と、ゲート電極Ｓｉ層１０の下側に面接合された絶縁層２０と、絶縁層２０の下側の表面に面接合されたＳｉ層３１（以下、「上層Ｓｉ」と称する場合もある）と、Ｓｉ層３１の下側に面接合されたＳｉ層３２（以下、「下層Ｓｉ」と称する場合もある）とで構成される。同図には、Ｓｉ層３１及びＳｉ層３２の一方の側面に接合配置されたソース電極４０と、他方の側面に接合配置されたドレイン電極５０とが合わせて記載されている。
【００３０】
ゲート電極Ｓｉ層１０は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１１１）面で下側の絶縁層２０に面接合している。
【００３１】
絶縁層２０は、電気的に絶縁性を有する材料で形成されているので、絶縁層２０と上下のゲート電極Ｓｉ層１０、Ｓｉ層３１との間は連続性の無い結晶の積層状態となり、各Ｓｉ層におけるキャリアに対して絶縁的に作用する。このような絶縁層の一例として、ＳｉＯ２を挙げることができる。
【００３２】
Ｓｉ層３１（上層Ｓｉ）は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で絶縁層２０及び下層Ｓｉに面接合しており、反転層等を形成した場合、その２次元電子の存在するエネルギーバンドは、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成される。
【００３３】
Ｓｉ層３２（下層Ｓｉ）は、上層Ｓｉと同様に結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で上層Ｓｉに面接合しており、反転層等を形成した場合、その２次元電子の存在するエネルギーバンドは、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成される。また、下層Ｓｉは、上層Ｓｉとの接合面に垂直な軸に対する回転の自由度に関して４５度回転した位置関係となっている。なお、この回転角度が０度の場合には、上層Ｓｉと下層Ｓｉとは等価な位置関係、即ち、結晶格子が平行移動によってお互いに重ね合わすことができる位置関係となっているものとする。
【００３４】
図５は、運動量空間（ｋ空間）におけるゲート電極Ｓｉ層１０、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。通常、結晶Ｓｉとしての電子的特性を担うＳｉの伝導エネルギーバンドの電子は、この運動量空間において、それぞれ図示されているような合計６個のバレー端付近の等エネルギー面に囲まれた領域に存在している。
【００３５】
同図によれば、第２の実施の形態における半導体素子は、上層Ｓｉと下層Ｓｉを実空間で接合面に垂直な軸に関して相対的に回転した場合であっても互いの接合面に垂直な方向の運動量を表すｋｚ軸方向にある２重縮退バレーについては、その相対的な位置関係の変化は無く、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの２重縮退バレーは、互いの運動量空間で同一の等価な位置に存在することになる。言い換えると、各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した場合、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおける全ての２重縮退バレーが、図６に示すように同じ位置に配置される。これによって、上層Ｓｉの２重縮退バレーの電子は、同一のＳｉ層が下層Ｓｉ位置に連続して存在しているように振る舞うこととなる。
【００３６】
一方、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの４重縮退バレーの電子は、下層Ｓｉが上層Ｓｉに対して４５度回転した位置関係にあるため、より具体的には、結晶の実空間の回転によって運動量空間における４重縮退バレーの位置関係が相対的に４５度ずれるため、接合面方向に関してお互いに異なる運動量を持つことになる。これによって、上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子にとっては、下層Ｓｉが絶縁体として作用することになる。なお、上層Ｓｉにおける上側の表面には絶縁層２０が面接合されているので、上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子にとっては、上下を絶縁体で挟まれた構造となっている。
【００３７】
さらに、上層Ｓｉの層厚を、上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くした際には、この４重縮退バレーの電子にとって層厚方向の自由度に関して取り得るエネルギーが離散化し、最低状態のエネルギーが上昇することになる。一方、上層Ｓｉの２重縮退バレーの電子については、この閉じ込め効果が生じることはない。したがって、上層Ｓｉの層厚を十分に薄くすれば、上層Ｓｉに存在する４重縮退バレーの電子の割合を十分に低くあるいは０とすることができる。なお、上下共にＳｉＯ２で挟まれた構造における上層Ｓｉの（１００）面の反転層において、４重縮退バレーの電子における最低状態のエネルギーが上昇するような層厚方向の厚さは、約５ｎｍ以下であることが非特許文献２に開示されているので、本実施の形態における上層Ｓｉの層厚方向の厚さについても約５ｎｍ以下にすることで、上記の効果を得ることができる。
【００３８】
図７は、図５において、ゲート電極Ｓｉ層１０の伝導エネルギーバンド端電子の等エネルギー面と上層Ｓｉの２重縮退バレー電子の等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である（上層Si層の４重縮退バレーについては、Si層厚を十分薄くして電子の存在できる状態密度が十分に低い場合を想定して描いていない）。同図より、お互いのＳｉ層にあるバレー端電子にとって、もう一方のＳｉ層には、エネルギーが一致する状態には接合面に平行な方向の運動量が一致するエネルギーバンドが存在しないことが分かる。つまり、この構造では、上層Ｓｉと下層Ｓｉの反転層の電子（２重縮退バレーの電子）とゲート電極Ｓｉ層１０の電子にとって、お互いに相手のＳｉ層は絶縁的性質を持つこととなる。したがって、絶縁層２０をきわめて薄くし、究極的には層厚０として、ゲート電極Ｓｉ層１０と上層Ｓｉを直接接合した場合でも両Ｓｉ間に流れる電流が抑制されることとなる。
【００３９】
上記では、各層が結晶Ｓｉ、接合面が（１１１）面、（１００）面の場合について一例として説明したが、これに限るものではなく、各接合面がこれらの面である必要はないし、各層が必ずしも結晶Ｓｉである必要もなく、上層と下層とが異なる結晶であっても良い。
【００４０】
［第３の実施の形態］
図８は、第３の実施の形態に係るキャパシタ構造を備えたｎチャネルＭＯＳＦＥＴ半導体素子の構成を示す構成図である。同図に示す半導体素子は、結晶Ｓｉ層を用いたゲート電極Ｓｉ層１０と、ゲート電極Ｓｉ層１０の下側に面接合された絶縁層２０と、絶縁層２０の下側の表面に面接合されたひずみＳｉ層３３と、ひずみＳｉ層３３の下側に面接合されたＳｉ１−ｘＧｅｘ層３４と、Ｓｉ基板６０とで構成される。同図には、ひずみＳｉ層３３及びＳｉ１−ｘＧｅｘ層３４の一方の側面に接合配置されたソース電極４０と、他方の側面に接合配置されたドレイン電極５０とが合わせて記載されている。
【００４１】
ゲート電極Ｓｉ層１０は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１１０）面で下側の絶縁層２０に面接合している。
【００４２】
絶縁層２０は、電気的に絶縁性を有する材料で形成されているので、絶縁層２０と上下のゲート電極Ｓｉ層１０、ひずみＳｉ層３３との間は連続性の無い結晶の積層状態となり、上下各Ｓｉ層におけるキャリアに対して絶縁的に作用する。このような絶縁層の一例として、ＳｉＯ２を挙げることができる。
【００４３】
ひずみＳｉ層３３は、結晶Ｓｉで形成されるものでＳｉ（１００）面で絶縁層２０に面接合するが、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層３４によって、界面に平行な方向には引っ張りひずみ、界面に垂直な方向には圧縮ひずみが存在し、そのバンド構造も通常の結晶Ｓｉとは異なる。（１００）面Ｓｉ層をチャネル層として用いた場合、反転層の２次元電子の存在するエネルギーバンドは、２重縮退バレー及び４重縮退バレーの２種類あることが知られているが、ひずみＳｉ層３３の場合は、ひずみの無い場合と比較して２重縮退バレーに存在する電子の割合が増大することが知られている。
【００４４】
Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層３４は、前述のように、その上部のＳｉ層にひずみを与えるために形成されるものである。一般には、緩和層、傾斜組成層など複数種類の層構造を持つが、本発明と直接の関係は無いため図では省略している。
【００４５】
図９は、運動量空間（ｋ空間）におけるゲート電極Ｓｉ層１０及びひずみＳｉ層３３の結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。同図の上側には、ゲート電極Ｓｉ層１０における各バレーの等エネルギー面が示されており、同図の下側には、ひずみＳｉ層３３における各バレーの等エネルギー面が示されている。ひずみＳｉ層３３においては、ひずみの存在によるバンド構造の変調により、２重縮退バレーのバレー端のエネルギーが４重縮退バレーのそれに比べて低くなるため等エネルギー面が相対的に大きくなっている。通常、結晶Ｓｉ、ひずみＳｉ層についてその電子的特性を担うＳｉの伝導エネルギーバンドの電子は、運動量空間において、それぞれ図示されているような合計６個のバレー端付近の等エネルギー面で囲まれる領域に存在している（厳密には、等エネルギー面は電極間に印加される電圧に依存して変化する）。
【００４６】
図１０は、図９の各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である。同図にあるように、ひずみＳｉ層３３の接合面の面方向の運動量を表す波数軸ｋｘに対して、ゲート電極Ｓｉ層１０の接合面に平行な方向の波数軸ｋｘ’は４５度傾いている。実空間において、２つの結晶の接合面（それぞれ（１００）面と（１１０）面）に垂直な軸に関する回転の自由度については、運動量空間でこのような位置関係を満たすように選択されている。
【００４７】
図９，図１０に示すように、本実施の形態に係るキャパシタ構造は、ゲート電極Ｓｉ層１０とひずみＳｉ層３３とで、伝導エネルギーバンド端の電子について、接合面に平行な方向の運動量が互いに一致しなくなる。加えて、ひずみＳｉ層３３の反転層においては、ひずみの無い場合と比較して、反転層２重縮退バレーに存在する電子の割合が増大し、４重縮退バレーに存在する電子の割合が減少するため、４重縮退バレーからゲート電極Ｓｉ層１０に透過する電子はきわめて抑制されることとなる。
【００４８】
最後に、上記では、Ｓｉ ＭＯＳＦＥＴ半導体素子を例に取って説明したが、本発明に係るキャパシタ構造は、広く半導体装置や電子素子あるいは光エレクトロニクス素子などの各分野で応用可能であることを付言しておく。
【符号の説明】
【００４９】
１０…ゲート電極Ｓｉ層
２０…絶縁層
３０…チャネルＳｉ層
３１…Ｓｉ層（上層Ｓｉ）
３２…Ｓｉ層（下層Ｓｉ）
３３…ひずみＳｉ層
３４…Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層
４０…ソース電極
５０…ドレイン電極
６０…Ｓｉ基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャリア特性を利用したキャパシタ構造の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、結晶Ｓｉ（シリコン）を伝導領域に用いた電界効果トランジスタ（Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ）が世界中で広く利用され、その性能向上についての研究が継続的に行われている。性能向上は基本的にはその各種サイズの微細化によって実現される。ゲート電極とチャネルとなるＳｉ層とで絶縁層（Ｓｉ酸化膜等）を挟んで形成されるキャパシタ構造において、絶縁層の厚さを薄くすることはゲート容量増大等性能向上に寄与する重要な微細化の一つであることがよく知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】岩井、大見、「微細シリコンデバイスに要求される各種高性能薄膜」、応用物理、２０００年、第６９巻、第１号、p.4-14
【非特許文献２】Masanari Shoji、外１名、「Phonon-limited inversion layer electron mobility in extremely thin Si layer of silicon-on-insulator metal-oxide-semiconductor field-effect transistor」、Journal of Applied of Physics、 American Institute of Physics、１９９７年１２月１５日、Vol. 82、p.6096-6010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のキャパシタ構造のまま単純に絶縁層を薄層化すると、絶縁層を通して流れるトンネル電流（直接トンネル電流）が増大するため、素子としての実用性が無くなる。このように、単純に絶縁層膜厚を薄層化することは困難であり、薄層化（ゲート容量増大）のために種々の材料、手法が世界中で研究されている。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電極間を流れる電流を抑制しつつキャパシタ構造の絶縁層を極限まで薄層化、究極的には不要とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の本発明に係るキャパシタ構造は、対向して配置した第１、第２の電極を備えたキャパシタ構造であって、第１、第２の電極間に所望の電圧を印加した際に、少なくともどちらか一方の電極物質でキャリアが存在しうるエネルギー範囲に存在する両電極物質の全エネルギーバンドについて、少なくとも片方の電極の該当エネルギーバンドの一部に関して、対向して配置した面の面方向の運動量の一致するエネルギーバンドがもう一方の電極の同一エネルギーのエネルギーバンドに存在しないことを特徴とする。
【０００７】
上記キャパシタ構造において、第１、第２の電極の間に絶縁層を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記キャパシタ構造において、第１、第２の電極は結晶シリコンにより形成されることを特徴とする。
【０００９】
上記キャパシタ構造において、第１、第２の電極は（１００）面と（１１０）面とを対向して配置したものであって、対向した面に垂直な軸に対する相対的な回転の自由度に関して、第１、第２の電極の対向面に平行方向の＜１００＞方向がお互いに４５度ずれるように配置することを特徴とする。
【００１０】
上記キャパシタ構造において、第１、第２の電極は（１１０）面同士を対向して配置したものであって、第１、第２の電極は、対向して配置した面に垂直な軸に対する相対的な回転の自由度に関して、平行移動によってお互いの結晶格子を重ねることができる位置関係を基準として４５度回転した位置関係であることを特徴とする。
【００１１】
第２の本発明に係る半導体素子は、上記キャパシタ構造の第１の電極と第２の電極のいずれかをゲート電極、もう一方をチャネル層として備えることを特徴とする。
【００１２】
第３の本発明に係るキャパシタ構造は、対向して配置した第１、第２の電極を備えたキャパシタ構造であって、第２の電極を第１の電極とで挟むように第２の電極に面接合された物質層を備え、第２の電極は、そのキャリアが存在しうるエネルギー範囲に存在し、物質層との接合面方向の運動量が互いに異なる少なくとも２つのエネルギーバンド、第１エネルギーバンド及び第２エネルギーバンドを有し、物質層は、第１エネルギーバンドと同じエネルギーの領域にあり、第２の電極との接合面方向の運動量に関して第１のエネルギーバンドと同じ運動量を持つ第３のエネルギーバンドを有し、且つ、第２のエネルギーバンドにおけるエネルギー及び当該接合面方向の運動量に関して同じエネルギー及び／または同じ運動量を持つエネルギーバンドを有しないものであって、第１の電極は、第１エネルギーバンドにおける該当接合面方向の運動量及びエネルギーの値に関して同じ運動量及び／または同じエネルギーの値を持つエネルギーバンドを有しないものであって、第２の電極の層厚を、第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを特徴とする。
【００１３】
上記キャパシタ構造において、第１、第２の電極の間に絶縁層を備えることを特徴とする。
【００１４】
上記キャパシタ構造において、第１、第２の電極及び物質層は結晶シリコンにより形成され、第１の電極の第２の電極に対向する面の面方位は（１１０）面あるいは（１１１）面であり、第２の電極の第１の電極に対向する面及び物質層との接合面の面方位は（１００）面であって、物質層の第２の電極との接合面の面方位は（１００）面であって、第２の電極と物質層とについて、それらの接合面に垂直な軸に対する回転の自由度に関して、平行移動によってお互いの結晶格子を重ねることができる位置関係を基準として４５度回転した配置であることを特徴とする。
【００１５】
第４の本発明に係る半導体素子は、上記キャパシタ構造の第１の電極、第２の電極と物質層のいずれかをゲート電極、もう一方をチャネル層として備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にあっては、対向して配置した第１、第２の電極間に所望の電圧を印加した際に、少なくともどちらか一方の電極物質でキャリアが存在しうるエネルギー範囲に存在する両電極物質の全エネルギーバンドについて、少なくとも片方の電極の該当エネルギーバンドの一部に関して、対向して配置した面の面方向の運動量の一致するエネルギーバンドがもう一方の電極の同一エネルギーのエネルギーバンドに存在しないように電極物質、接合面及び接合面に垂直な軸に関する相対的回転角度を選択することで、電極間のキャリアの透過を抑制する。キャリアが一方の電極から他方の電極に透過するためにはそのエネルギーと接合面の面方向の運動量（結晶運動量）が保存される必要があるが、本発明のキャパシタ構造では、面方向の運動量が一致しないエネルギーバンドが存在するため、このエネルギーバンドが関与するキャリアの透過による電流を抑制することができる。
【００１７】
このように、本発明によれば、電極間を流れる電流を抑制しつつキャパシタ構造の絶縁層を極限まで薄層化、究極的には不要とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施の形態に係るキャパシタ構造を備えた半導体素子の構成を示す構成図である。
【図２】上記キャパシタ構造の運動量空間（ｋ空間）におけるゲート電極Ｓｉ層とチャネルＳｉ層の結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。
【図３】図２に示す各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である。
【図４】第２の実施の形態に係るキャパシタ構造を備えた半導体素子の構成を示す構成図である。
【図５】上記キャパシタ構造の運動量空間（ｋ空間）におけるゲート電極Ｓｉ層、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。
【図６】図５に示す上層Ｓｉ層及び下層Ｓｉ層の各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である。
【図７】図５に示すゲート電極Ｓｉ層の伝導エネルギーバンド端電子の等エネルギー面と上層Ｓｉの２重縮退バレー電子の等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である。
【図８】第３の実施の形態に係るキャパシタ構造を備えた半導体素子の構成を示す構成図である。
【図９】上記キャパシタ構造の運動量空間（ｋ空間）におけるゲート電極Ｓｉ層とひずみＳｉ層の結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。
【図１０】図９に示す各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係るキャパシタ構造を備えたｎチャネルＭＯＳＦＥＴ半導体素子の構成を示す構成図である。同図に示す半導体素子は、結晶Ｓｉ層を用いたゲート電極Ｓｉ層１０と、その下側に面接合された絶縁層２０と、絶縁層２０の下側の表面に面接合されたチャネルＳｉ層３０とで構成される。同図には、チャネルＳｉ層３０の一方の側面に接合配置されたソース電極４０と、他方の側面に接合配置されたドレイン電極５０とが合わせて記載されている。
【００２１】
ゲート電極Ｓｉ層１０は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１１０）面で絶縁層２０に面接合している。
【００２２】
絶縁層２０は、電気的に絶縁性を有する材料で形成されているので、絶縁層２０と上下のゲート電極Ｓｉ層１０、チャネルＳｉ層３０との間は連続性の無い結晶の積層状態となり、各Ｓｉ層におけるキャリアに対して絶縁的に作用する。このような絶縁層の一例として、ＳｉＯ２を挙げることができる。
【００２３】
チャネルＳｉ層３０は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で絶縁層２０に面接合している。
【００２４】
図２は、運動量空間（ｋ空間）におけるゲート電極Ｓｉ層１０及びチャネルＳｉ層３０の結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。同図の上側には、ゲート電極Ｓｉ層１０における各バレーの等エネルギー面が示されており、同図の下側には、チャネルＳｉ層３０における各バレーの等エネルギー面が示されている。通常、結晶Ｓｉとしての電子的特性を担うＳｉの伝導エネルギーバンドの電子は、運動量空間において、それぞれ図示されているような合計６個のバレー端付近の等エネルギー面で囲まれる領域に存在している（厳密には、等エネルギー面は電極間に印加される電圧に依存して変化する）。
【００２５】
図３は、図２の各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である。図３に示すように、チャネルＳｉ層３０の接合面の面方向の運動量成分（波数成分）を表す波数軸ｋｘ，ｋｙに対して、ゲート電極Ｓｉ層１０の接合面に平行な方向の波数軸ｋｘ’は４５度傾いている。実空間において、２つの結晶Ｓｉの接合面（それぞれ（１００）面と（１１０）面）に垂直な軸に関する相対的な回転の自由度については、運動量空間でこのような位置関係を満たすように（ゲート電極Ｓｉ層１０とチャネルＳｉ層３０は界面（対向面）に平行方向の＜１００＞方向をお互いに４５度回転して）接合される。
【００２６】
図２、図３で示すように、本実施の形態に係るキャパシタ構造は、ゲート電極Ｓｉ層１０とチャネルＳｉ層３０とで、伝導エネルギーバンド端の電子について接合面に平行な方向の運動量が互いに一致しなくなる。電子が一方のＳｉ層から他方のＳｉ層に透過するためには、一般にはそのエネルギーと接合面の面方向の運動量が一致する状態が両者のＳｉ層に必要である。本実施の形態に係るキャパシタ構造では、伝導エネルギーバンド端の電子について面方向の運動量が一致するエネルギーバンドがお互いに存在しないため、基本的には伝導エネルギーバンド端の電子が透過できなくなる。即ち、それぞれのＳｉ層の伝導エネルギーバンド端の電子にとって相手のＳｉ層は絶縁層的な性質をもつことになり、この効果によって両Ｓｉ層の間に挟まれた絶縁層２０の膜厚をきわめて薄くし、究極的には膜厚０として両Ｓｉ層を直接接合した場合でも、両Ｓｉ層間に流れるトンネル電流が抑制されることとなる。
【００２７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、トンネル電流を抑制しつつ絶縁層を従来と比べて極度に薄層化することができ、高性能な半導体素子を提供することができる。
【００２８】
なお、上記では、接合面が（１００）面と（１１０）面の場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、（１１０）面同士を対向して配置し、対向して配置した面に垂直な軸に関して、平行移動によってお互いの結晶格子を重ねることができる位置関係を基準として４５度回転した位置関係であってもよい。また、各層が必ずしも結晶Ｓｉである必要はない。各層が互いに異なる結晶であってもよく、半導体に限らず金属を用いるものでもよい。
【００２９】
［第２の実施の形態］
図４は、第２の実施の形態に係るキャパシタ構造を備えたｎチャネルＭＯＳＦＥＴ半導体素子の構成を示す構成図である。同図に示す半導体素子は、結晶Ｓｉ層を用いたゲート電極Ｓｉ層１０と、ゲート電極Ｓｉ層１０の下側に面接合された絶縁層２０と、絶縁層２０の下側の表面に面接合されたＳｉ層３１（以下、「上層Ｓｉ」と称する場合もある）と、Ｓｉ層３１の下側に面接合されたＳｉ層３２（以下、「下層Ｓｉ」と称する場合もある）とで構成される。同図には、Ｓｉ層３１及びＳｉ層３２の一方の側面に接合配置されたソース電極４０と、他方の側面に接合配置されたドレイン電極５０とが合わせて記載されている。
【００３０】
ゲート電極Ｓｉ層１０は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１１１）面で下側の絶縁層２０に面接合している。
【００３１】
絶縁層２０は、電気的に絶縁性を有する材料で形成されているので、絶縁層２０と上下のゲート電極Ｓｉ層１０、Ｓｉ層３１との間は連続性の無い結晶の積層状態となり、各Ｓｉ層におけるキャリアに対して絶縁的に作用する。このような絶縁層の一例として、ＳｉＯ２を挙げることができる。
【００３２】
Ｓｉ層３１（上層Ｓｉ）は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で絶縁層２０及び下層Ｓｉに面接合しており、反転層等を形成した場合、その２次元電子の存在するエネルギーバンドは、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成される。
【００３３】
Ｓｉ層３２（下層Ｓｉ）は、上層Ｓｉと同様に結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で上層Ｓｉに面接合しており、反転層等を形成した場合、その２次元電子の存在するエネルギーバンドは、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成される。また、下層Ｓｉは、上層Ｓｉとの接合面に垂直な軸に対する回転の自由度に関して４５度回転した位置関係となっている。なお、この回転角度が０度の場合には、上層Ｓｉと下層Ｓｉとは等価な位置関係、即ち、結晶格子が平行移動によってお互いに重ね合わすことができる位置関係となっているものとする。
【００３４】
図５は、運動量空間（ｋ空間）におけるゲート電極Ｓｉ層１０、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。通常、結晶Ｓｉとしての電子的特性を担うＳｉの伝導エネルギーバンドの電子は、この運動量空間において、それぞれ図示されているような合計６個のバレー端付近の等エネルギー面に囲まれた領域に存在している。
【００３５】
同図によれば、第２の実施の形態における半導体素子は、上層Ｓｉと下層Ｓｉを実空間で接合面に垂直な軸に関して相対的に回転した場合であっても互いの接合面に垂直な方向の運動量を表すｋｚ軸方向にある２重縮退バレーについては、その相対的な位置関係の変化は無く、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの２重縮退バレーは、互いの運動量空間で同一の等価な位置に存在することになる。言い換えると、各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した場合、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおける全ての２重縮退バレーが、図６に示すように同じ位置に配置される。これによって、上層Ｓｉの２重縮退バレーの電子は、同一のＳｉ層が下層Ｓｉ位置に連続して存在しているように振る舞うこととなる。
【００３６】
一方、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの４重縮退バレーの電子は、下層Ｓｉが上層Ｓｉに対して４５度回転した位置関係にあるため、より具体的には、結晶の実空間の回転によって運動量空間における４重縮退バレーの位置関係が相対的に４５度ずれるため、接合面方向に関してお互いに異なる運動量を持つことになる。これによって、上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子にとっては、下層Ｓｉが絶縁体として作用することになる。なお、上層Ｓｉにおける上側の表面には絶縁層２０が面接合されているので、上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子にとっては、上下を絶縁体で挟まれた構造となっている。
【００３７】
さらに、上層Ｓｉの層厚を、上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くした際には、この４重縮退バレーの電子にとって層厚方向の自由度に関して取り得るエネルギーが離散化し、最低状態のエネルギーが上昇することになる。一方、上層Ｓｉの２重縮退バレーの電子については、この閉じ込め効果が生じることはない。したがって、上層Ｓｉの層厚を十分に薄くすれば、上層Ｓｉに存在する４重縮退バレーの電子の割合を十分に低くあるいは０とすることができる。なお、上下共にＳｉＯ２で挟まれた構造における上層Ｓｉの（１００）面の反転層において、４重縮退バレーの電子における最低状態のエネルギーが上昇するような層厚方向の厚さは、約５ｎｍ以下であることが非特許文献２に開示されているので、本実施の形態における上層Ｓｉの層厚方向の厚さについても約５ｎｍ以下にすることで、上記の効果を得ることができる。
【００３８】
図７は、図５において、ゲート電極Ｓｉ層１０の伝導エネルギーバンド端電子の等エネルギー面と上層Ｓｉの２重縮退バレー電子の等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である（上層Si層の４重縮退バレーについては、Si層厚を十分薄くして電子の存在できる状態密度が十分に低い場合を想定して描いていない）。同図より、お互いのＳｉ層にあるバレー端電子にとって、もう一方のＳｉ層には、エネルギーが一致する状態には接合面に平行な方向の運動量が一致するエネルギーバンドが存在しないことが分かる。つまり、この構造では、上層Ｓｉと下層Ｓｉの反転層の電子（２重縮退バレーの電子）とゲート電極Ｓｉ層１０の電子にとって、お互いに相手のＳｉ層は絶縁的性質を持つこととなる。したがって、絶縁層２０をきわめて薄くし、究極的には層厚０として、ゲート電極Ｓｉ層１０と上層Ｓｉを直接接合した場合でも両Ｓｉ間に流れる電流が抑制されることとなる。
【００３９】
上記では、各層が結晶Ｓｉ、接合面が（１１１）面、（１００）面の場合について一例として説明したが、これに限るものではなく、各接合面がこれらの面である必要はないし、各層が必ずしも結晶Ｓｉである必要もなく、上層と下層とが異なる結晶であっても良い。
【００４０】
［第３の実施の形態］
図８は、第３の実施の形態に係るキャパシタ構造を備えたｎチャネルＭＯＳＦＥＴ半導体素子の構成を示す構成図である。同図に示す半導体素子は、結晶Ｓｉ層を用いたゲート電極Ｓｉ層１０と、ゲート電極Ｓｉ層１０の下側に面接合された絶縁層２０と、絶縁層２０の下側の表面に面接合されたひずみＳｉ層３３と、ひずみＳｉ層３３の下側に面接合されたＳｉ１−ｘＧｅｘ層３４と、Ｓｉ基板６０とで構成される。同図には、ひずみＳｉ層３３及びＳｉ１−ｘＧｅｘ層３４の一方の側面に接合配置されたソース電極４０と、他方の側面に接合配置されたドレイン電極５０とが合わせて記載されている。
【００４１】
ゲート電極Ｓｉ層１０は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１１０）面で下側の絶縁層２０に面接合している。
【００４２】
絶縁層２０は、電気的に絶縁性を有する材料で形成されているので、絶縁層２０と上下のゲート電極Ｓｉ層１０、ひずみＳｉ層３３との間は連続性の無い結晶の積層状態となり、上下各Ｓｉ層におけるキャリアに対して絶縁的に作用する。このような絶縁層の一例として、ＳｉＯ２を挙げることができる。
【００４３】
ひずみＳｉ層３３は、結晶Ｓｉで形成されるものでＳｉ（１００）面で絶縁層２０に面接合するが、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層３４によって、界面に平行な方向には引っ張りひずみ、界面に垂直な方向には圧縮ひずみが存在し、そのバンド構造も通常の結晶Ｓｉとは異なる。（１００）面Ｓｉ層をチャネル層として用いた場合、反転層の２次元電子の存在するエネルギーバンドは、２重縮退バレー及び４重縮退バレーの２種類あることが知られているが、ひずみＳｉ層３３の場合は、ひずみの無い場合と比較して２重縮退バレーに存在する電子の割合が増大することが知られている。
【００４４】
Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層３４は、前述のように、その上部のＳｉ層にひずみを与えるために形成されるものである。一般には、緩和層、傾斜組成層など複数種類の層構造を持つが、本発明と直接の関係は無いため図では省略している。
【００４５】
図９は、運動量空間（ｋ空間）におけるゲート電極Ｓｉ層１０及びひずみＳｉ層３３の結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。同図の上側には、ゲート電極Ｓｉ層１０における各バレーの等エネルギー面が示されており、同図の下側には、ひずみＳｉ層３３における各バレーの等エネルギー面が示されている。ひずみＳｉ層３３においては、ひずみの存在によるバンド構造の変調により、２重縮退バレーのバレー端のエネルギーが４重縮退バレーのそれに比べて低くなるため等エネルギー面が相対的に大きくなっている。通常、結晶Ｓｉ、ひずみＳｉ層についてその電子的特性を担うＳｉの伝導エネルギーバンドの電子は、運動量空間において、それぞれ図示されているような合計６個のバレー端付近の等エネルギー面で囲まれる領域に存在している（厳密には、等エネルギー面は電極間に印加される電圧に依存して変化する）。
【００４６】
図１０は、図９の各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した図である。同図にあるように、ひずみＳｉ層３３の接合面の面方向の運動量を表す波数軸ｋｘに対して、ゲート電極Ｓｉ層１０の接合面に平行な方向の波数軸ｋｘ’は４５度傾いている。実空間において、２つの結晶の接合面（それぞれ（１００）面と（１１０）面）に垂直な軸に関する回転の自由度については、運動量空間でこのような位置関係を満たすように選択されている。
【００４７】
図９，図１０に示すように、本実施の形態に係るキャパシタ構造は、ゲート電極Ｓｉ層１０とひずみＳｉ層３３とで、伝導エネルギーバンド端の電子について、接合面に平行な方向の運動量が互いに一致しなくなる。加えて、ひずみＳｉ層３３の反転層においては、ひずみの無い場合と比較して、反転層２重縮退バレーに存在する電子の割合が増大し、４重縮退バレーに存在する電子の割合が減少するため、４重縮退バレーからゲート電極Ｓｉ層１０に透過する電子はきわめて抑制されることとなる。
【００４８】
最後に、上記では、Ｓｉ ＭＯＳＦＥＴ半導体素子を例に取って説明したが、本発明に係るキャパシタ構造は、広く半導体装置や電子素子あるいは光エレクトロニクス素子などの各分野で応用可能であることを付言しておく。
【符号の説明】
【００４９】
１０…ゲート電極Ｓｉ層
２０…絶縁層
３０…チャネルＳｉ層
３１…Ｓｉ層（上層Ｓｉ）
３２…Ｓｉ層（下層Ｓｉ）
３３…ひずみＳｉ層
３４…Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層
４０…ソース電極
５０…ドレイン電極
６０…Ｓｉ基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配置した第１、第２の電極を備えたキャパシタ構造であって、
前記第１、第２の電極間に所望の電圧を印加した際に、少なくともどちらか一方の電極物質でキャリアが存在しうるエネルギー範囲に存在する両電極物質の全エネルギーバンドについて、少なくとも片方の電極の該当エネルギーバンドの一部に関して、対向して配置した面の面方向の運動量の一致するエネルギーバンドがもう一方の電極の同一エネルギーのエネルギーバンドに存在しないことを特徴とするキャパシタ構造。
【請求項２】
前記第１、第２の電極の間に絶縁層を備えることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ構造。
【請求項３】
前記第１、第２の電極は結晶シリコンにより形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のキャパシタ構造。
【請求項４】
前記第１、第２の電極は（１００）面と（１１０）面とを対向して配置したものであって、
対向した面に垂直な軸に対する相対的な回転の自由度に関して、前記第１、第２の電極の対向面に平行方向の＜１００＞方向がお互いに４５度ずれるように配置することを特徴とする請求項３記載のキャパシタ構造。
【請求項５】
前記第１、第２の電極は（１１０）面同士を対向して配置したものであって、
前記第１、第２の電極は、対向して配置した面に垂直な軸に対する相対的な回転の自由度に関して、平行移動によってお互いの結晶格子を重ねることができる位置関係を基準として４５度回転した位置関係であることを特徴とする請求項３記載のキャパシタ構造。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のキャパシタ構造の第１の電極と第２の電極のいずれかをゲート電極、もう一方をチャネル層として備えることを特徴とする半導体素子。
【請求項７】
対向して配置した第１、第２の電極を備えたキャパシタ構造であって、前記第２の電極を前記第１の電極とで挟むように前記第２の電極に面接合された物質層を備え、
前記第２の電極は、そのキャリアが存在しうるエネルギー範囲に存在し、前記物質層との接合面方向の運動量が互いに異なる少なくとも２つのエネルギーバンド、第１エネルギーバンド及び第２エネルギーバンドを有し、
前記物質層は、前記第１エネルギーバンドと同じエネルギーの領域にあり、前記第２の電極との接合面方向の運動量に関して前記第１エネルギーバンドと同じ運動量を持つ第３のエネルギーバンドを有し、且つ、前記第２エネルギーバンドにおけるエネルギー及び当該接合面方向の運動量に関して同じエネルギー及び／または同じ運動量を持つエネルギーバンドを有しないものであって、
前記第１の電極は、前記第１エネルギーバンドにおける該当接合面方向の運動量及びエネルギーの値に関して同じ運動量及び／または同じエネルギーの値を持つエネルギーバンドを有しないものであって、
前記第２の電極の層厚を、前記第２エネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを特徴とするキャパシタ構造。
【請求項８】
前記第１、第２の電極の間に絶縁層を備えることを特徴とする請求項７記載のキャパシタ構造。
【請求項９】
前記第１、第２の電極及び前記物質層は結晶シリコンにより形成され、前記第１の電極の前記第２の電極に対向する面の面方位は（１１０）面あるいは（１１１）面であり、前記第２の電極の前記第１の電極に対向する面及び前記物質層との接合面の面方位は（１００）面であって、前記物質層の前記第２の電極との接合面の面方位は（１００）面であって、
前記第２の電極と前記物質層は、前記接合面に垂直な軸に対する回転の自由度に関して、平行移動によってお互いの結晶格子を重ねることができる位置関係を基準として４５度回転した位置関係であることを特徴とする請求項７または８記載のキャパシタ構造。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれかに記載のキャパシタ構造の第１の電極、第２の電極と物質層のいずれかをゲート電極、もう一方をチャネル層として備えることを特徴とする半導体素子。
【請求項１】
対向して配置した第１、第２の電極を備えたキャパシタ構造であって、
前記第１、第２の電極間に所望の電圧を印加した際に、少なくともどちらか一方の電極物質でキャリアが存在しうるエネルギー範囲に存在する両電極物質の全エネルギーバンドについて、少なくとも片方の電極の該当エネルギーバンドの一部に関して、対向して配置した面の面方向の運動量の一致するエネルギーバンドがもう一方の電極の同一エネルギーのエネルギーバンドに存在しないことを特徴とするキャパシタ構造。
【請求項２】
前記第１、第２の電極の間に絶縁層を備えることを特徴とする請求項１記載のキャパシタ構造。
【請求項３】
前記第１、第２の電極は結晶シリコンにより形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のキャパシタ構造。
【請求項４】
前記第１、第２の電極は（１００）面と（１１０）面とを対向して配置したものであって、
対向した面に垂直な軸に対する相対的な回転の自由度に関して、前記第１、第２の電極の対向面に平行方向の＜１００＞方向がお互いに４５度ずれるように配置することを特徴とする請求項３記載のキャパシタ構造。
【請求項５】
前記第１、第２の電極は（１１０）面同士を対向して配置したものであって、
前記第１、第２の電極は、対向して配置した面に垂直な軸に対する相対的な回転の自由度に関して、平行移動によってお互いの結晶格子を重ねることができる位置関係を基準として４５度回転した位置関係であることを特徴とする請求項３記載のキャパシタ構造。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のキャパシタ構造の第１の電極と第２の電極のいずれかをゲート電極、もう一方をチャネル層として備えることを特徴とする半導体素子。
【請求項７】
対向して配置した第１、第２の電極を備えたキャパシタ構造であって、前記第２の電極を前記第１の電極とで挟むように前記第２の電極に面接合された物質層を備え、
前記第２の電極は、そのキャリアが存在しうるエネルギー範囲に存在し、前記物質層との接合面方向の運動量が互いに異なる少なくとも２つのエネルギーバンド、第１エネルギーバンド及び第２エネルギーバンドを有し、
前記物質層は、前記第１エネルギーバンドと同じエネルギーの領域にあり、前記第２の電極との接合面方向の運動量に関して前記第１エネルギーバンドと同じ運動量を持つ第３のエネルギーバンドを有し、且つ、前記第２エネルギーバンドにおけるエネルギー及び当該接合面方向の運動量に関して同じエネルギー及び／または同じ運動量を持つエネルギーバンドを有しないものであって、
前記第１の電極は、前記第１エネルギーバンドにおける該当接合面方向の運動量及びエネルギーの値に関して同じ運動量及び／または同じエネルギーの値を持つエネルギーバンドを有しないものであって、
前記第２の電極の層厚を、前記第２エネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを特徴とするキャパシタ構造。
【請求項８】
前記第１、第２の電極の間に絶縁層を備えることを特徴とする請求項７記載のキャパシタ構造。
【請求項９】
前記第１、第２の電極及び前記物質層は結晶シリコンにより形成され、前記第１の電極の前記第２の電極に対向する面の面方位は（１１０）面あるいは（１１１）面であり、前記第２の電極の前記第１の電極に対向する面及び前記物質層との接合面の面方位は（１００）面であって、前記物質層の前記第２の電極との接合面の面方位は（１００）面であって、
前記第２の電極と前記物質層は、前記接合面に垂直な軸に対する回転の自由度に関して、平行移動によってお互いの結晶格子を重ねることができる位置関係を基準として４５度回転した位置関係であることを特徴とする請求項７または８記載のキャパシタ構造。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれかに記載のキャパシタ構造の第１の電極、第２の電極と物質層のいずれかをゲート電極、もう一方をチャネル層として備えることを特徴とする半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１７７５７０（Ｐ２０１０−１７７５７０Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０５７８（Ｐ２００９−２０５７８）
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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