CN100527441C - 窄宽度金属氧化物半导体晶体管 - Google Patents

窄宽度金属氧化物半导体晶体管 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于增强PMOS和NMOS晶体管性能、尤其是电流驱动性能,同时减小窄宽度效应的半导体晶体管。窄宽度MOS晶体管包括:沟道,其宽度为W0且长度为L0;有源区,包括以沟道为中心在两侧形成的源极区和漏极区;栅极绝缘层,其形成在沟道上;栅极导体,其形成在栅极绝缘层上,并且与有源区交叉;第一附加有源区,其宽度大于沟道的宽度W0,作为添加到源极区的有源区;以及第二附加有源区,其宽度大于沟道的宽度W0,作为添加到漏极区的有源区。当具有附加有源区的晶体管结构被应用到NMOS和PMOS晶体管时,驱动电流被分别表示为107.27%和103.31%。因此,PMOS和NMOS晶体管的驱动电流增强。

Description

窄宽度金属氧化物半导体晶体管
技术领域
本发明涉及一种半导体晶体管,更具体地,涉及一种用于增强PMOS和NMOS晶体管性能、特别是驱动电流的性能,同时减小窄宽度效应的半导体晶体管。
背景技术
随着晶体管尺寸的缩小,窄宽度效应和反向窄宽度效应(reverse narrowwidth effect)与短沟道效应一起造成了严重的问题。因为栅极电极的一部分通常与隔离区重叠,所以由于隔离层的鸟嘴(bird’s beak)或者场停止杂质(field stop impurity)所产生的寄生电荷影响窄宽度效应。因此,提供了比当栅极形成晶体管沟道时更多的电荷,因此存在以下优点,即随着沟道宽度变窄,晶体管的阈值电压增加。
通常,随着晶体管沟道宽度变窄,阈值电压由于窄宽度效应而增加。但是,阈值电压可能依制造工艺而降低。例如,如果形成场氧化物层然后对于场氧化物层执行离子注入,则场区中的杂质被分布为具有比在晶体管沟道区中更低的密度。由于这个原因,出现了阈值电压随沟道宽度变窄而增加的现象。
另外,如果在制造窄沟道宽度的晶体管的过程中,利用LOCOS(局部硅氧化)形成隔离区,则阈值电压通常增加。但是,如果通过STI(浅沟槽隔离)形成隔离区,则阈值电压降低,因此电流增加。
同时,如果调整PMOS和NMOS晶体管的沟道长度和宽度以增强它们的性能,则一种晶体管的性能增强但是另一种晶体管的性能下降。因此,在增强晶体管性能、例如电流驱动性能时,同时增强PMOS和NMOS晶体管的性能是十分重要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体晶体管,用于增强PMOS和NMOS晶体管的性能,同时减小窄宽度效应。
本发明的另一个目的是提供一种半导体晶体管,用于增强具有窄沟道宽度的MOS晶体管的电流驱动性能。
根据本发明的一个方案,提供一种由金属氧化物半导体制成的MOS晶体管,其包括:沟道,其宽度为W0且长度为L0;有源区,包括以沟道为中心在两侧形成的源极区和漏极区;栅极绝缘层,其形成在沟道上;栅极导体,其形成在栅极绝缘层上,并且与有源区交叉;第一附加有源区,其宽度大于沟道的宽度W0,作为添加到源极区的有源区;以及第二附加有源区,其宽度大于沟道的宽度W0,作为添加到漏极区的有源区。其中,所述第一附加有源区的长度小于与所述第一附加有源区相对应的源极区的长度,所述第二附加有源区的长度小于与所述第二附加有源区相对应的漏极区的长度。
附图说明
图1示出用于说明根据本发明的晶体管结构特性的参考晶体管的平面布局图;
图2示出根据本发明的晶体管结构的平面布局图;
图3示出与根据本发明的晶体管结构相比较的第一比较晶体管的平面布局图;
图4示出与根据本发明的晶体管结构相比较的第二比较晶体管的平面布局图;及
图5示出与根据本发明的晶体管结构相比较的第三比较晶体管的平面布局图。
具体实施方式
在下文中,将参考附图描述本发明的优选实施例。
图1示出用于说明根据本发明的晶体管结构特性的参考晶体管的平面布局图。
图1中所示的晶体管包括栅极导体12和有源区14。栅极导体12例如由多晶硅制成,并与有源区14交叉。有源区14是杂质(例如,N型杂质如P、As和N,或者P型杂质如B、Ga和In)被注入或者扩散到半导体(例如,硅)衬底的区域。有源区14被与作为基准的有源区14相交(overlap)的栅极导体12分为源极区14s和漏极区14d。
由于在与有源区14相交的栅极导体12的表面之下形成栅极绝缘层(未示出),所以栅极导体12与有源区14电隔离。栅极导体12通过多个栅极接触孔13与外部(例如,栅极电极)电连接。另外,源极区14s和漏极区14d分别通过多个源极接触孔17和漏极接触孔15与外部电连接。
如果阈值电压或更大电压的偏压(NMOS晶体管中的正(+)电压或者PMOS晶体管中的负(—)电压)被施加于栅极导体12,则以栅极导体为中心形成电场,并且由于电场的影响而在栅极绝缘层下面形成沟道(未示出)。如果通过栅极电压形成沟道,则电流在源极区14s与漏极区14d之间流动。由于如果移除偏压则电流不流过沟道,所以晶体管的操作可以被完成。由于晶体管包括半导体衬底、栅极绝缘层和栅极导体,所以晶体管被称为MOS晶体管。
图1的MOS晶体管10是具有0.3μm的小宽度W0和0.13μm的沟道长度L0的窄宽度晶体管。当具有这种尺寸和结构的MOS晶体管10被用作NMOS和PMOS晶体管时,假设NMOS和PMOS晶体管的每个驱动电流是100,本发明的发明者已经研究了在改变晶体管的结构和尺寸时能够优化驱动电流的晶体管结构。结果,可以看出图2所示的晶体管的结构和尺寸最优化地加强了驱动电流,并且可以获得PMOS和NMOS晶体管共同的性能增强。
即,根据本发明的晶体管20包括源极和漏极附加有源区27和29,其分别具有沿如图2中所示的沟道宽度方向延伸的源极和漏极区。各附加有源区27和29的长度L1被设定为小于参考晶体管10(图1)的各源极和漏极区14s和14d的长度Ls/d,使得晶体管20的沟道宽度本身没有由于附加有源区27和29而增加。这里,L1和Ls/d之间的差被设定为设计规则可以接受的最大值。
由于各附加有源区27和29是杂质被扩散作为源极和漏极区24s和24d的相同区域,所以只有掩膜的图案被改变以包括对应于附加有源区27和29的图案,而不使用附加的光掩膜以形成附加有源区27和29。即,为了形成本发明的附加有源区27和29,不需要改变半导体制造方法或者引入新的工艺。
根据本发明的实施例,各附加有源区27和29的宽度W1是0.35μm,而且其长度L1是0.3μm。即,根据本发明的各附加有源区27和29的宽度比晶体管20的沟道宽度大。晶体管20的沟道宽度W0和长度L0与参考晶体管10的相同。当晶体管的结构被改变以包括具有这种尺寸的附加有源区27和29并且该结构被应用于NMOS晶体管时,晶体管20的驱动电流与参考晶体管10的驱动电流相比被表示为107.27%。当该结构被应用于PMOS晶体管时,驱动电流被表示为103.31%。即,可以看出在PMOS和NMOS晶体管中,本发明的晶体管20的电流驱动性能与参考晶体管10的电流驱动性能相比被表示为103%或者更大,使得PMOS和NMOS晶体管的性能可被同时加强。
如图2所示,根据本发明的晶体管20是MOS晶体管,其中具有源极和漏极区24s和24d的有源区24与栅极导体22交叉,栅极导体22通过多个栅极接触孔23与外部电连接,并且源极和漏极区24s和24d分别通过多个源极和漏极接触孔27和25与外部电连接。
图3示出与根据本发明的晶体管结构相比较的第一比较晶体管的平面布局图。
如图3所示,第一比较晶体管30是MOS晶体管,其中具有源极和漏极区34s和34d的有源区34与栅极导体32交叉,栅极导体32通过多个栅极接触孔33与外部电连接,并且源极和漏极区34s和34d分别通过多个源极和漏极接触孔37和35与外部电连接。
在第一比较晶体管30中,在源极和漏极区中的任一区形成附加有源区。作为实例,在此图中,将附加有源区37添加到源极区34s。附加有源区37的宽度W1和长度L1与根据本发明的晶体管20的附加有源区27和29相同。同样地,附加有源区37的宽度W1被设定为0.35μm,并且第一比较晶体管30的沟道宽度和长度被设定为与参考晶体管10相同。当具有这种尺寸的结构应用到NMOS晶体管时,第一比较晶体管30的驱动电流与参考晶体管10相比被表示为101.14%。当该结构应用到PMOS晶体管时,驱动电流被表示为100.00%,表示在第一比较晶体管30与参考晶体管10之间没有差别。
图4示出与根据本发明的晶体管结构相比较的第二比较晶体管的平面布局图。
如图4所示,第二比较晶体管40是MOS晶体管,其中具有源极和漏极区44s和44d的有源区44与栅极导体42交叉,栅极导体42通过多个栅极接触孔43与外部电连接,并且源极和漏极区44s和44d分别通过多个源极和漏极接触孔47和45与外部电连接。
在第二比较晶体管40中,与第一比较晶体管30一样,在源极和漏极区中的任一区形成附加有源区。作为实例,在此图中,附加有源区47被添加到源极区44s。附加有源区47的宽度W2比根据本发明的晶体管20的附加有源区27和29的宽度小。附加有源区47的长度L1与本发明的晶体管20相同。同样地,附加有源区47的宽度W2被设定为小于W1的0.3μm,并且第二比较晶体管40的沟道宽度和长度被设定为与参考晶体管10相同。当具有这种尺寸的结构应用到NMOS晶体管时,第二比较晶体管40的驱动电流与参考晶体管10相比被表示为101.82%。当该结构应用到PMOS晶体管时,驱动电流被表示为98.90%,其比参考晶体管10的驱动电流小。
图5示出与根据本发明的晶体管结构相比的第三比较晶体管的平面布局图。
如图5所示,第三比较晶体管50是MOS晶体管,与参考晶体管10一样,其中具有源极和漏极区54s和54d的有源区54与栅极导体52交叉,栅极导体52通过多个栅极接触孔53与外部电连接,并且源极和漏极区54s和54d分别通过多个源极和漏极接触孔57和55与外部电连接。
在第三比较晶体管50中,附加有源区57和59分别在源极和漏极区54s和54d形成,和本发明的晶体管20一样。此时,各附加有源区57和59的宽度W2比根据本发明的晶体管20的各附加有源区27和29的宽度W1小。各附加有源区57和59的长度L1与本发明的晶体管20相同。同样地,各附加有源区57和59的宽度W2被设定为小于W1的0.3μm,并且第三比较晶体管50的沟道宽度和长度被设定为与参考晶体管10相同。当具有这种尺寸的结构应用到NMOS晶体管时,第三比较晶体管50的驱动电流与参考晶体管10相比被表示为100.68%。当该结构应用到PMOS晶体管时,驱动电流被表示为100.55%,表示第三比较晶体管50与参考晶体管10之间的差别很小。
以上述实施例的尺寸作为参考,比较参考晶体管10、本发明的晶体管20、和第一到第三比较晶体管30、40和50的沟道宽度和长度,附加有源区27、29、37、47、57和59的宽度和长度,以及各晶体管被用作NMOS或者PMOS晶体管时的驱动电流,在下表中示出:
表1
 
分类 沟道宽度 沟道长度 附加有源区 附加有源区的宽度 附加有源区的长度 NMOS驱动电流 PMOS驱动电流
参考晶体管 0.3μm 0.13μm - - 100 100
本发明的晶体管 0.3μm 0.13μm 2 0.35μm 0.3μm 107.27% 103.31%
第一比较晶体管 0.3μm 0.13μm 1 0.35μm 0.3μm 101.14% 100.0%
第二比较晶体管 0.3μm 0.13μm 1 0.3μm 0.3μm 101.82% 98.90%
第三比较晶体管 0.3μm 0.13μm 2 0.3μm 0.3μm 100.68% 100.55%
如表1所示,根据本发明的晶体管20的结构没有通过将晶体管20的沟道宽度和长度设定为与参考晶体管10相同而被改变,而是将附加有源区27和29添加到晶体管20,使得NMOS和PMOS晶体管的驱动电流可以增强到103%或者更大。
根据本发明,PMOS和NMOS晶体管的问题可以被解决,因为在减小晶体管的沟道宽度时驱动控制由于窄宽度效应而下降。
另外,为了提高根据本发明的晶体管的驱动电流性能,不必添加附加工艺或者改变工艺本身,以便可以增强MOS晶体管的性能而不增加额外成本。
虽然参考本发明的特定优选实施例已经示出和描述了本发明,但本领域技术人员应该理解,在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下,可以在本发明中做出形式和细节的各种变化。

Claims (4)

1.一种由金属氧化物半导体制成的MOS晶体管,所述MOS晶体管包括:
沟道,其宽度为W0且长度为L0;
有源区,包括以沟道为中心在两侧形成的源极区和漏极区;
栅极绝缘层,其形成在沟道上;
栅极导体,其形成在栅极绝缘层上,并且与有源区交叉;
第一附加有源区,其宽度大于沟道的宽度W0,作为添加到源极区的有源区;以及
第二附加有源区,其宽度大于沟道的宽度W0,作为添加到漏极区的有源区,
其中,所述第一附加有源区的长度小于与所述第一附加有源区相对应的源极区的长度,所述第二附加有源区的长度小于与所述第二附加有源区相对应的漏极区的长度。
2.根据权利要求1所述的MOS晶体管,其中有源区中存在N型杂质。
3.根据权利要求1所述的MOS晶体管,其中有源区中存在P型杂质。
4.根据权利要求1所述的MOS晶体管,其中第一和第二附加有源区在形成源极区和漏极区的工艺中同时形成。
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