DE4219342A1 - MOS transistor with reduced short channel effect and series resistance - uses three implant levels for drain-source which are self-aligned using a double layer spacer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Me talloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors und im besonderen ein Verfahren zur Herstellung eines Metalloxidhalbleiter-Feldef fekttransistors mit schwach dotierter Drain-Struktur. Der er findungsgemäße Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor mit schwach dotierter Drain-Struktur vermeidet die Erzeugung hei ßer Elektronen infolge eines in den Randbereichen seiner Gate- Elektrode entstehenden starken elektrischen Feldes, wodurch seine Lebensdauer und Zuverlässigkeit verbessert werden.The invention relates to a method for producing a Me tall oxide semiconductor field effect transistor and in particular Process for producing a metal oxide semiconductor field fect transistor with weakly doped drain structure. The he metal oxide semiconductor field effect transistor according to the invention weakly doped drain structure avoids generation hot electrons as a result of one in the edge areas of its gate Electrode resulting strong electric field, whereby its lifespan and reliability can be improved.
In Fig. 8A bis 8C ist ein herkömmliches Verfahren zur Herstel lung eines Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) mit schwach dotierter Drain-Struktur (LDD-Struktur) darge stellt.In FIGS. 8A to 8C, a conventional method is for the manufacture of a lung metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) with lightly doped drain structure (LDD structure) provides Darge.
Auf einem p-Halbleitersubstrat 11 werden zunächst Feldbereiche 12 ausgebildet, um benachbarte Zellen voneinander zu isolie ren, wie in Fig. 8A gezeigt. Störstellenionen zur Erzeugung einer elektrischen Charakteristik des herzustellenden MOSFETs werden in einen Teil der Oberfläche des p-Halbleitersubstrats 11 implantiert, der dem jeweiligen aktiven Bereich zwischen benachbarten Feldbereichen 12 entspricht. Danach wird über der gesamten Oberfläche des p-Halbleitersubstrats 11 einschließ lich der Feldbereiche 12 eine Gate-Isolierschicht 13 ausgebil det. Auf der Gate-Isolierschicht 13 wird innerhalb jedes akti ven Bereichs eine Gate-Elektrode 14 mit einer bestimmten Breite gebildet. Die freiliegende Oberfläche der Gate-Elek trode 14 wird einer Oxidation ausgesetzt, wodurch eine Gate- Kappenisolierschicht 15 entsteht. Über der gesamten freilie genden Oberfläche wird eine Halbleiterschicht 16 mit einer be stimmten Dicke zur Bildung von Gate-Seitenwänden aufgebaut.Field regions 12 are first formed on a p-type semiconductor substrate 11 in order to isolate neighboring cells from one another, as shown in FIG. 8A. Impurity ions for generating an electrical characteristic of the MOSFET to be produced are implanted in a part of the surface of the p-type semiconductor substrate 11 which corresponds to the respective active region between adjacent field regions 12 . Thereafter, a gate insulating layer 13 is formed over the entire surface of the p-type semiconductor substrate 11 including the field regions 12 . A gate electrode 14 having a certain width is formed on the gate insulating layer 13 within each active region. The exposed surface of the gate electrode 14 is subjected to oxidation, whereby a gate cap insulating layer 15 is formed. A semiconductor layer 16 with a certain thickness is formed over the entire exposed surface to form gate side walls.
Anschließend wird die Halbleiterschicht 16 unter Anwendung eines reaktiven Ionenätzverfahrens (RIE-Verfahrens) anisotrop geätzt, wodurch an den Seitenwänden der Gate-Elektrode 14 je weils die Gate-Seitenwandhalbleiterschichten 17 ausgebildet werden, wie in Fig. 8B gezeigt. Dabei dient die auf der Ober fläche der Gate-Elektrode 14 gebildete Gate-Kappenisolier schicht 15 als Ätzstopper. Unter Verwendung der Gate-Kap penisolierschicht 15 und der Gate-Seitenwandhalbleiterschich ten 17 als Maske werden dann in einen Teil der Oberfläche des p-Halbleitersubstrats 11, der dem aktiven Bereich entspricht, n⁺-Störstellenionen (d. h. in hoher Konzentration) implantiert. Durch Diffusion der Störstellenionen entstehen die n⁺-Source- und -Drain-Bereiche 18 und 18a.Then, the semiconductor layer 16 is anisotropically etched using a reactive ion etching (RIE) method, whereby the gate sidewall semiconductor layers 17 are formed on the side walls of the gate electrode 14 , as shown in FIG. 8B. The gate cap insulating layer 15 formed on the upper surface of the gate electrode 14 serves as an etching stopper. Then, using the gate cap insulating layer 15 and the gate sidewall semiconductor layer 17 as a mask, nionen impurity ions (ie, in high concentration) are implanted in a part of the surface of the p-type semiconductor substrate 11 that corresponds to the active region. The n + source and drain regions 18 and 18 a are formed by diffusion of the impurity ions.
Danach werden die Gate-Seitenwandhalbleiterschichten 17 ent fernt, wie in Fig. 8C dargestellt. Unter Verwendung der Gate- Kappenisolierschicht 15 als Maske werden dann in einen Teil der Oberfläche des p-Halbleitersubstrats 11, der dem aktiven Bereich entspricht, n⁻-Störstellenionen (d. h. in niedriger Konzentration) implantiert. Durch Diffusion der Störstellenio nen entstehen die n⁻-Source- und -Drain-Bereiche 19 und 19a.Thereafter, the gate sidewall semiconductor layers 17 are removed as shown in FIG. 8C. Using the gate cap insulating layer 15 as a mask, n⁻ impurity ions (ie in low concentration) are then implanted in a part of the surface of the p-type semiconductor substrate 11 that corresponds to the active region. By diffusion of the Störstellenio NEN n-source and drain regions 19 and 19 a arise.
Somit bilden die Source/Drain-Bereiche eine LDD-Struktur mit Bereichen hoher und niedriger Konzentration.The source / drain regions thus form an LDD structure Areas of high and low concentration.
Im folgenden wird der Betrieb eines MOSFETs in Verbindung mit Fig. 9 beschrieben.The operation of a MOSFET will now be described in connection with FIG. 9.
Wenn eine Gate-Vorspannung VG (etwa 3,3 V) an die Gate-Elek trode 14, eine Drain-Spannung VD (etwa 3,3 V) an den n⁺-Drain- Bereich 18a und den n⁻-Drain-Bereich 19a und eine negative Substratspannung VS an das p-Halbleitersubstrat 11 angelegt werden, bilden sich eine Inversionsschicht und eine Verar mungsschicht. Im n⁻-Source-Bereich 19 werden Elektronen er zeugt, die ihrerseits auf ein Gitter im n⁻-Drain-Bereich 19a treffen und dadurch die Erzeugung von Defektelektronen und Elektronen bewirken.If a gate bias voltage V G (about 3.3 V) to the gate electrode 14 , a drain voltage V D (about 3.3 V) to the n⁺-drain region 18 a and the n⁻- Drain region 19 a and a negative substrate voltage V S are applied to the p-type semiconductor substrate 11 , an inversion layer and a depletion layer are formed. In the n⁻-source region 19 electrons are generated, which in turn meet a grid in the n Drain-drain region 19 a and thereby cause the generation of defect electrons and electrons.
Dabei werden die erzeugten Elektronen in den n⁻-Drain-Bereich 19a injiziert, an dem die positive Spannung von etwa 3,3 V an liegt. Die erzeugten Defektelektronen werden jedoch nach drei Bereichen transportiert. Das heißt, die Defektelektronen wer den nicht nur von der Gate-Elektrode 14 und der Gate-Isolier schicht 13 eingefangen, sondern häufig auch zu dem p-Halblei tersubstrat 11 transportiert. Die in der Gate-Elektrode 14 eingefangenen Defektelektronen können die Gesamtschaltung be einflussen, wirken sich aber kaum auf den Betrieb des MOSFETs aus. Die zum p-Halbleitersubstrat 11 transportierten Defekt elektronen haben ebenfalls keine Auswirkung auf den Betrieb des MOSFETs, da sie in dem p-Halbleitersubstrat 11 verschwin den. Die in der Gate-Isolierschicht 13 eingefangenen Defekt elektronen führen jedoch zum Einschalten des MOSFETs, bevor die vorgeschriebene Vorspannung VG von etwa 3,3 V an die Gate- Elektrode 14 angelegt wird.The electrons generated are injected into the n⁻ drain region 19 a, at which the positive voltage of approximately 3.3 V is present. However, the generated defect electrons are transported to three areas. That is, the flaws who are not only captured by the gate electrode 14 and the gate insulating layer 13 , but often also transported to the p-type semiconductor substrate 11 . The defect electrons trapped in the gate electrode 14 can influence the overall circuit, but have hardly any effect on the operation of the MOSFET. The defect electrons transported to the p-type semiconductor substrate 11 also have no effect on the operation of the MOSFET, since they disappear in the p-type semiconductor substrate 11 . The defect electrons trapped in the gate insulating layer 13 , however, lead to the switching on of the MOSFET before the prescribed bias voltage V G of approximately 3.3 V is applied to the gate electrode 14 .
Infolgedessen verschlechtern sich die Betriebscharakteristik des MOSFETs und die Zuverlässigkeit des schließlich erhaltenen Bauelements. Beim Einfangen von Defektelektronen an der Gate- Isolierschicht 13 kann ferner ein Defekt an der Gate-Isolier schicht 13 auftreten, wodurch die Leistung des Elements ver schlechtert und seine Lebensdauer verkürzt werden. Derartige Defektelektronen werden als hot carriers (auch genannt: heiße Ladungsträger), die dadurch verursachte Erscheinung als hot- carrier-Effekt bezeichnet.As a result, the operating characteristics of the MOSFET and the reliability of the device finally obtained deteriorate. In trapping holes in the gate insulating layer 13 may further include a defect on the gate insulating layer 13 may occur, whereby the performance of the element ver deteriorated and reduce its life span. Defect electrons of this type are referred to as hot carriers (also called: hot charge carriers), and the phenomenon they cause is referred to as the hot carrier effect.
Bei den bekannten Verfahren tritt ferner das Problem eines Wi derstandsanstiegs auf, da die Source/Drain-Bereiche aus n⁺- und n⁻-Bereichen gebildet werden. Außerdem kann man keine Source/Drain-Bereiche mit den gewünschten genauen Breiten er halten, da die genaue Kontrolle der Dicke der Gate-Seitenwand halbleiterschichten schwierig ist. Dadurch entsteht ein Kurz kanaleffekt.In the known methods, there is also the problem of a Wi as the source / drain regions from n aus- and n⁻-areas are formed. Besides, you can't Source / drain areas with the desired exact widths hold as the precise control of the thickness of the gate sidewall semiconductor layers is difficult. This creates a short channel effect.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines MOSFETs bereitzustellen, bei dem ein Source-/Drain-Bereich in drei Teilbereiche eingeteilt wird, wodurch das aus dem Auftreten heißer Ladungsträger und dem Kurzkanal effekt resultierende Problem vermieden wird.It is therefore an object of the invention to provide a method for To provide manufacture of a MOSFET in which a source / drain region is divided into three areas, whereby that from the appearance of hot charge carriers and the short channel effectively resulting problem is avoided.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von An spruch 1 gelöst.This object is achieved with the features of An spell 1 solved.
Weitere Aufgaben und Gesichtspunkte werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen näher er läutert. Es zeigen:Other tasks and considerations are given below of exemplary embodiments and with reference to the drawings he purifies. Show it:
Fig. 1A bis 1F Schnittdarstellungen zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines MOSFETs; FIGS. 1A to 1F are sectional views illustrating a method according to the invention for manufacturing a MOSFET;
Fig. 2A und 2B Oberflächendotierungsprofile an Oberflächen von MOSFETs nach der vorliegenden Erfindung bzw. nach bekannten Verfahren; Figs. 2A and 2B surface doping profiles to surfaces of MOSFETs according to the present invention or by known processes;
Fig. 3A und 3B Diagramme der drain-induzierten Potential schwellenerniedrigungs-(DIBL)-Werte in MOSFETs nach der vor liegenden Erfindung bzw. nach bekannten Verfahren; . 3A and 3B are graphs of drain-induced potential schwellenerniedrigungs- (DIBL) values in MOSFETs according to the known prior lying invention or by methods;
Fig. 4A und 4B Diagramme der extrapolierten Schwellwertspan nungen in MOSFETs nach der vorliegenden Erfindung bzw. nach bekannten Verfahren; FIGS. 4A and 4B are diagrams of the extrapolated Schwellwertspan voltages in MOSFETs according to the present invention or by known processes;
Fig. 5A und 5B Diagramme der zu den Substraten hin fließenden Defektelektronenmenge bei MOSFETs nach der vorliegenden Erfin dung bzw. nach bekannten Verfahren; Fig. 5A and 5B are diagrams of the substrates out-flowing hole in MOSFETs amount according to the present OF INVENTION dung or by known processes;
Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen Gate-Länge und Schwellwertspannung; Fig. 6 is a diagram for explaining the relationship between the gate length and threshold voltage;
Fig. 7A und 7B Potentialprofile an Substratoberflächen von MOSFETs nach der vorliegenden Erfindung bzw. nach bekannten Verfahren; 7A and 7B are potential profiles to substrate surfaces of MOSFETs according to the present invention or by known processes.
Fig. 8A bis 8C Schnittdarstellungen zur Veranschaulichung eines herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung eines MOSFETs mit LDD-Struktur; und Figs. 8A to 8C are sectional views illustrating a conventional method of manufacturing a MOSFET having the LDD structure; and
Fig. 9 eine Ansicht zur Erläuterung der Arbeitsweise eines herkömmlichen MOSFETs. Fig. 9 is a view for explaining the operation of a conventional MOSFET.
In Fig. 1A bis 1F ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Her stellung eines MOSFETs dargestellt.In Figs. 1A to 1F, an inventive method is for the manufacture of a MOSFET position shown.
Zunächst werden auf einem p-Halbleitersubstrat 1 eine Gate- Isolierschicht 2, eine Gate-Elektrode 3 und eine Gate-Kap penisolierschicht 4 in dieser Reihenfolge ausgebildet, wie in Fig. 1A gezeigt. Danach werden unter Anwendung eines bekannten Fotolithografieverfahrens und eines bekannten Trockenätzver fahrens die unnötigen Teile dieser Schichten entfernt.First, a gate insulating layer 2 , a gate electrode 3 and a gate cap insulating layer 4 are formed on a p-type semiconductor substrate 1 in this order, as shown in FIG. 1A. The unnecessary parts of these layers are then removed using a known photolithography method and a known dry etching method.
In diesem Fall bestehen die Gate-Isolierschicht 2 aus Sili ziumdioxid (SiO2), die Gate-Elektrode 3 aus störstellendotier tem Polysilizium und die Gate-Kappenisolierschicht 4 aus Siliziumdioxid.In this case, the gate insulating layer 2 made of silicon dioxide (SiO 2 ), the gate electrode 3 made of polysilicon, and the gate cap insulating layer 4 made of silicon dioxide.
Auf der gesamten exponierten Oberfläche werden dann, wie in Fig. 1C gezeigt, unter Anwendung eines chemischen Abscheide verfahrens aus der Gasphase (CVD-Verfahrens) eine Isolier schicht 5 und eine Halbleiterschicht 6 ausgebildet, die als Gate-Seitenwände dienen sollen. Danach werden, wie in Fig. 1D dargestellt, die Isolierschicht 5 und die Halbleiterschicht 6 unter Anwendung eines reaktiven Ionenätzverfahrens (RIE-Ver fahrens), das eine Art Trockenätzverfahren darstellt, aniso trop geätzt. Durch das anisotrope Ätzen bleiben die Isolier schicht 5 und die Halbleiterschicht 6 nur an den Seitenflächen der Gate-Elektrode 3 und der Gate-Kappenisolierschicht 4 er halten, wodurch die Gate-Seitenwände 7 gebildet werden. Wäh rend des anisotropen Ätzens dienen die Gate-Kappenisolier schicht 4 und die Gate-Isolierschicht 2 als Ätzstopperschich ten.Then, as shown in FIG. 1C, an insulating layer 5 and a semiconductor layer 6 are formed on the entire exposed surface, using a chemical deposition method from the gas phase (CVD method), which are intended to serve as gate side walls. Thereafter, as shown in FIG. 1D, the insulating layer 5 and the semiconductor layer 6 are anisotropically etched using a reactive ion etching method (RIE method), which is a kind of dry etching method. Due to the anisotropic etching, the insulating layer 5 and the semiconductor layer 6 remain only on the side faces of the gate electrode 3 and the gate cap insulating layer 4 , whereby the gate side walls 7 are formed. During the anisotropic etching, the gate cap insulating layer 4 and the gate insulating layer 2 serve as etch stop layers.
Unter Verwendung der Gate-Kappenisolierschicht 4 und der Gate- Seitenwände 7 als Maske werden n⁺-Störstellenionen hoher Kon zentration in die Oberfläche des p-Halbleitersubstrats 1 im plantiert. Durch Diffusion der Störstellenionen entstehen die n⁺-Source- und -Drain-Bereiche 8 und 8a, wie in Fig. 1D darge stellt.Using the gate cap insulating layer 4 and the gate side walls 7 as a mask, n⁺ impurity ions of high concentration are planted in the surface of the p-type semiconductor substrate 1 . By diffusion of the impurity ions arise the n⁺ source and drain regions 8 and 8 a, as shown in Fig. 1D Darge.
In diesem Fall besteht die Isolierschicht 5 aus Siliziumni trid, während die Halbleiterschicht 6 aus undotiertem Polysi lizium besteht. Als n⁺-Störstellenionen werden Phosphor-(P)- Ionen und Arsen-(As)-Ionen verwendet.In this case, the insulating layer 5 consists of silicon nitride, while the semiconductor layer 6 consists of undoped polysilicon. Phosphorus (P) ions and arsenic (As) ions are used as n⁺ impurity ions.
Danach werden die jeweils verbliebenen Teile der Halbleiter schichten 6a an den oberen Teilen der Gate-Seitenwände ent fernt, wie in Fig. 1E gezeigt. Unter Verwendung der verbliebe nen Isolierschichtteile 5a und der Gate-Kappenisolierschicht 4 als Maske werden dann n⁻-Störstellenionen von relativ niedri ger Konzentration (n⁺<n⁻) in die Oberfläche des p-Halbleiter substrats 1 implantiert. Durch Diffusion der Störstellenionen entstehen die n⁻-Source- und -Drain-Bereiche 9 und 9a, wie in Fig. 1E gezeigt.Thereafter, the remaining parts of the semiconductor layers 6 a on the upper parts of the gate side walls are removed, as shown in Fig. 1E. Using the remaining insulating layer parts 5 a and the gate cap insulating layer 4 as a mask, n⁻ impurity ions of relatively low concentration (n⁺ <n⁻) are then implanted into the surface of the p-type semiconductor substrate 1 . The n + source and drain regions 9 and 9 a are formed by diffusion of the impurity ions, as shown in FIG. 1E.
Schließlich werden die jeweils verbliebenen Isolierschicht teile 5a an den unteren Teilen der Gate-Seitenwände 7 ent fernt, wie in Fig. 1F dargestellt. Dann werden n---Stör stellenionen von niedrigerer Konzentration in die Oberfläche des p-Halbleitersubstrats 1 implantiert und diffundiert, um die n---Source- und -Drain-Bereiche 10 und 10a auszubilden. Finally, the remaining insulating layer parts 5 a are removed on the lower parts of the gate side walls 7 , as shown in FIG. 1F. Then, n - impurity ions of lower concentration are implanted into the surface of the p-type semiconductor substrate 1 and diffused to form the n - source and drain regions 10 and 10 a.
Ähnlich wie die n⁺-Störstellenionen sind die n⁻- und n---Stör stellenionen P- oder As-Ionen.Similar to the n⁺ impurity ions, the n⁻ and n - impurity ions are P or As ions.
Die Konzentrationen der n⁺-, n-- bzw. n---Störstellenionen können je nach der gewünschten Charakteristik des herzustel lenden MOSFETs in geeigneter Weise kontrolliert werden. Erfin dungsgemäß werden drei Source/Drain-Bereiche gebildet, wobei der näher an der Gate-Elektrode 3 liegende Bereich die niedri gere Konzentration aufweist. Die Source/Drain-Bereiche bilden eine allmählich abfallende Kurve.The concentrations of the n⁺, n - or n - impurity ions can be controlled in a suitable manner depending on the desired characteristic of the MOSFET to be produced. According to the invention, three source / drain regions are formed, the region closer to the gate electrode 3 having the lower concentration. The source / drain areas form a gradually decreasing curve.
In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist als Beispiel ein n-MOSFET gewählt worden. Es ist jedoch offen sichtlich, daß die vorliegende Erfindung auch auf die Herstel iung eines p-MOSFETs angewendet werden kann, indem die Leitfä higkeitstypen des Substrats und der Störstellenionen zur Bil dung von Source/Drain-Bereichen verändert werden.In the illustrated embodiment of the invention is as An n-MOSFET has been chosen as an example. However, it is open Obviously, the present invention is also applicable to the manuf p-MOSFET can be applied by the guide Ability types of the substrate and the impurity ions for bil source / drain areas.
In Fig. 2A bis 7B sind verschiedenartige Daten eines herkömm lichen n-MOSFETs bzw. eines erfindungsgemäßen n-MOSFETs darge stellt. Die verwendeten Stichproben wurden durch Modellieren eines 64M-DRAM-Speichers mit einer Gate-Maskenlänge von 0,5 µm gewonnen.In Fig. 2A to 7B, various data are of a union herkömm n-MOSFET and an n-MOSFET of the present invention provides Darge. The samples used were obtained by modeling a 64M DRAM memory with a gate mask length of 0.5 µm.
Anhand der Abbildungen wird nachstehend die Überlegenheit der vorliegenden Erfindung erläutert.The superiority of the present invention explained.
Fig. 2A zeigt ein längs der Linie a-a′ in Fig. 1F aufgenom menes Oberflächendotierungsprofil, das einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen MOSFET darstellt (im folgenden als neuer MOSFET bezeichnet). Dagegen zeigt Fig. 2B ein Oberflächendo tierungsprofil, das längs der Linie b-b′ in Fig. 8C aufgenom men wurde und einen Schnitt durch den nach bekannten Verfahren hergestellten MOSFET darstellt (im folgenden als alter MOSFET bezeichnet). Fig. 2A shows a view taken along line aa 'in Fig. 1F aufgenom menes surface doping profile, which is a section through the inventive MOSFET (hereinafter referred to as a new MOSFET). In contrast, Fig. 2B shows a surface profile profile, which was taken along line bb 'in Fig. 8C men and represents a section through the MOSFET produced by known methods (hereinafter referred to as old MOSFET).
In Fig. 2A und 2B wird durch die Bezugszeichen c und c′ eine Kanallänge bezeichnet. Wie aus Fig. 2A und 2B ersichtlich, liegt die Kanallänge des neuen MOSFETs näher bei einer vorge gebenen Gate-Maskenlänge als die Kanallänge des alten MOSFETs. Im neuen MOSFET war die Länge eines nach der Ausbildung von Source/Drain-Bereichen unter Anwendung eines Seitendiffusions verfahrens definierten n-Kanalbereichs gleich 0,33 µm. Im Falle des alten MOSFETs war die Länge gleich 0,23 µm. Demnach kann festgestellt werden, daß der n-Kanalbereich des neuen MOSFETs um 0,10 µm (etwa 40%) länger ist als der des alten MOSFETs.In Fig. 2A and 2B by the reference numeral c and c 'denotes a channel length. As shown in FIG. 2A and 2B, the channel length of the new MOSFETs is closer to a pre-given gate mask length than the channel length of the old MOSFETs. In the new MOSFET, the length of an n-channel region defined after the formation of source / drain regions using a side diffusion method was 0.33 μm. In the case of the old MOSFET, the length was 0.23 µm. Accordingly, it can be determined that the n-channel area of the new MOSFET is 0.10 µm (approximately 40%) longer than that of the old MOSFET.
Fig. 3A und 3B zeigen Diagramme der drain-induzierten Poten tialschwellenerniedrigungs-(DIBL-)Werte für den neuen bzw. den alten MOSFET. Diese DIBL-Werte werden nachstehend kurz be schrieben. Fig. 3A and 3B show graphs of drain-induced Poten tialschwellenerniedrigungs- (DIBL-) values for the new or the old MOSFET. These DIBL values are briefly described below.
Durch eine Drain-Spannung wird die zwischen Source- und Drain- Bereichen definierte Potentialschwelle erniedrigt. Infolgedes sen tritt zwischen Source- und Drain-Bereichen ein Leckstrom auf, wenn die Gate-Spannung niedriger ist als die Schwellwert spannung. Der DIBL-Wert bedeutet einen solchen Leckstrom, aus gedrückt durch den Spannungswert. Fig. 3A und 3B zeigen den Unterschied zwischen den Gate-Spannungen bei Drain-Spannungen von 0,05 V und 3,3 V und jeweils gleichem Drain-Strom ID. Fig. 3A gilt für den neuen MOSFET, Fig. 3B für den alten MOSFET. Der neue MOSFET weist einen DIBL-Wert von etwa 64 mV auf, wäh rend der DIBL-Wert des alten MOSFETs mit 126 mV wesentlich hö her liegt als der des neuen MOSFETs. Dieser höhere DIBL-Wert führt zum früheren Einschalten des MOSFETs, bevor die vorge schriebene Gate-Spannung voll anliegt, wodurch sich die Be triebscharakteristik des MOSFETs verschlechtert. Eine solche Verschlechterung tritt bei dem höheren DIBL-Wert stärker in Erscheinung, besonders bei der kürzeren Kanallänge.A drain voltage lowers the potential threshold defined between the source and drain regions. As a result, leakage current occurs between the source and drain regions when the gate voltage is lower than the threshold voltage. The DIBL value means such a leakage current, expressed by the voltage value. Fig. 3A and 3B show the difference between the gate voltages at drain voltages of 0.05 V and 3.3 V, respectively, and the same drain current I D. FIG. 3A applies to the new MOSFET, FIG. 3B to the old MOSFET. The new MOSFET has a DIBL value of around 64 mV, while the DIBL value of the old MOSFET of 126 mV is significantly higher than that of the new MOSFET. This higher DIBL value leads to the earlier switching on of the MOSFET before the prescribed gate voltage is fully applied, as a result of which the operating characteristics of the MOSFET deteriorate. Such deterioration is more apparent with the higher DIBL value, especially with the shorter channel length.
Fig. 4A bzw. 4B zeigen extrapolierte Schwellwerte Vtext des neuen bzw. des alten MOSFETs. Andererseits zeigt Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen Gate-Länge und Schwellwertspannung. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, wird bei einer Gate-Länge von nicht weniger als 2 µm eine Schwellwert spannung von etwa 0,913 V aufrechterhalten. Bei einer Gate- Länge von weniger als 2 µm nimmt die Schwellwertspannung pro portional zur Gate-Länge ab. Das heißt, mit abnehmender Gate- Länge nimmt auch die Schwellwertspannung ab. Dies ist darauf zurückzuführen, daß durch die Verringerung der Gate-Länge ver schiedene Kurzkanaleffekte verursacht werden. Diese Erschei nung ist bei kürzerer Gate-Länge stärker ausgeprägt. FIG. 4A and 4B show extrapolated threshold values V text of the new or the old MOSFETs. On the other hand, FIG. 6 shows a diagram for explaining the relationship between gate length and threshold voltage. As can be seen from FIG. 6, a threshold voltage of approximately 0.913 V is maintained at a gate length of not less than 2 μm. With a gate length of less than 2 µm, the threshold voltage decreases in proportion to the gate length. This means that the threshold voltage also decreases as the gate length decreases. This is due to the fact that different short channel effects are caused by the reduction in the gate length. This appearance is more pronounced with a shorter gate length.
Eine solche Schwellwertspannung sollte jedoch unabhängig von einer Änderung der Gate-Länge konstant sein.However, such a threshold voltage should be independent of change in gate length.
Aus Fig. 4A und 4B ist erkennbar, daß bei einer Verringerung der Kanallänge auf 0,5 µm die Schwellwertspannung im Falle des n-MOSFETs, die bei einer großen Kanallänge von mehr als 0,5 µm gleich 0,913 V ist, beim neuen MOSFET auf 0,636 V und beim al ten MOSFET auf 0,533 V abnimmt. Demnach hat der neue MOSFET offenbar eine bessere Schwellwertspannungscharakteristik als der alte MOSFET.From Fig. 4A and 4B it is seen that with a reduction of the channel length to 0.5 microns, the threshold voltage in the case of n-MOSFETs that microns with a large channel length of more than 0.5 is equal to 0.913 V, the new MOSFET 0.636 V and decreases to 0.533 V for the old MOSFET. Accordingly, the new MOSFET apparently has better threshold voltage characteristics than the old MOSFET.
In Fig. 5A und 5B sind andererseits Ströme dargestellt, näm lich die durch die Substrate des neuen bzw. des alten MOSFETs fließenden Defektelektronenströme.In Fig. 5A and 5B currents on the other hand shown, NaEM Lich by the substrates of the new and the old MOSFETs flowing hole currents.
Bei einem Anstieg der Drain-Spannung bewegen sich die aus einem Source-Bereich in einen Drain-Bereich fließenden Elek tronen aufgrund eines starken elektrischen Feldes mit sehr ho her Geschwindigkeit zum Drain-Bereich hin. Dabei treffen die Elektronen in der Nähe des Drain-Bereichs auf ein Gitter und bewirken durch Stoßionisation die Erzeugung von Defektelek tronen und Elektronen im Gitterbereich. In diesem Fall treten die Elektronen in den Drain-Bereich ein. Die Defektelektronen werden jedoch in der Gate-Isolierschicht aufgefangen oder pas sieren die Gate-Isolierschicht. Die Elektronen, welche durch die Gate-Isolierschicht hindurchgelangen, treten in die Gate- Elektrode ein oder fließen zum Substrat. Der erste der drei obengenannten Fälle bildet eine Ursache für die Verschlechte rung der MOSFET-Charakteristik. In Wirklichkeit ist es jedoch unmöglich, die Menge der in der Gate-Isolierschicht eingefan genen Defektelektronen direkt zu berechnen. Stattdessen wird die Stärke des zum Substrat fließenden Stroms berechnet. Das heißt, unter der Annahme, daß die Menge der in der Gate-Iso lierschicht eingefangenen Defektelektronen proportional zur Menge der zum Substrat fließenden Defektelektronen ist, wird die durch heiße Ladungsträger (d. h. Defektelektronen) verur sachte Verschlechterung des MOSFETs aus der Stärke des zum Substrat fließenden Stroms ermittelt.When the drain voltage increases, they move out from a source region into a drain region tron due to a strong electric field with very ho speed towards the drain area. The meet Electrons near the drain area on a lattice and cause the generation of defect electrons by impact ionization trons and electrons in the lattice area. In this case, kick the electrons into the drain area. The defect electrons however, are trapped or pas in the gate insulating layer the gate insulation layer. The electrons that pass through pass through the gate insulation layer, enter the gate Electrode or flow to the substrate. The first of the three The above cases are a cause of the deterioration tion of the MOSFET characteristic. In reality, however, it is impossible to get the amount captured in the gate insulation layer to calculate the defect electrons directly. Instead it will the strength of the current flowing to the substrate is calculated. The means, assuming that the amount of in the gate iso Defect electrons trapped in proportion to Amount of the defect electrons flowing to the substrate is caused by hot charge carriers (i.e. defect electrons) gentle deterioration of the MOSFET from the strength of the Current flowing substrate determined.
Diese durch heiße Ladungsträger verursachte Verschlechterung
des MOSFETs kann durch die folgenden drei Verfahren reduziert
werden:
Erstens durch Verminderung der Erzeugung von Defektelektronen
infolge Stoßionisation;
zweitens indem vermieden wird, daß die erzeugten Defektelek
tronen zur Gate-Isolierschicht abfließen; und
drittens indem vermieden wird, daß die zur Gate-Isolierschicht
abfließenden Defektelektronen in dieser Schicht eingefangen
werden.This deterioration of the MOSFET caused by hot charge carriers can be reduced by the following three methods:
First, by reducing the generation of defect electrons due to impact ionization;
secondly, by avoiding that the defect electrons produced flow away to the gate insulating layer; and
thirdly, by avoiding that the defect electrons flowing off to the gate insulating layer are trapped in this layer.
Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Verminderung der De fektelektronenerzeugung erreicht, indem die elektrische Feld stärke in der Nähe des Drain-Bereichs verringert wird. Dieses Verfahren entspricht dem ersten der obenerwähnten Fälle.According to the present invention, a decrease in De Electron generation achieved by the electric field strength near the drain area is reduced. This The procedure corresponds to the first of the cases mentioned above.
Aus Fig. 5A und 5B ist erkennbar, daß die Stärke des zum Sub strat fließenden Stroms Isub im neuen MOSFET niedriger ist als im alten MOSFET. Der maximale Substratstrom Isub.max im alten MOSFET beträgt 4,93·10-6 A/µm bei einer Gate-Spannung VG von 2,0 V. Andererseits ist der maximale Substratstrom Isub.max im neuen MOSFET gleich 9,13·10-7 A/µm bei einer Gate-Spannung VG von 1,8 V. Damit läßt sich feststellen, daß im neuen MOSFET der maximale Substratstrom im Vergleich zum alten MOSFET nur etwa 20% beträgt.From Fig. 5A and 5B it can be seen that the strength of the current flowing to the sub strat current I sub in the new MOSFET is lower than in the old MOSFET. The maximum substrate current I sub.max in the old MOSFET is 4.93 · 10 -6 A / µm at a gate voltage V G of 2.0 V. On the other hand, the maximum substrate current I sub.max in the new MOSFET is 9.13 · 10 -7 A / µm at a gate voltage V G of 1.8 V. This shows that the maximum substrate current in the new MOSFET is only about 20% compared to the old MOSFET.
Fig. 7A und 7B zeigen Potentialprofile an Substratoberflächen des neuen bzw. des alten MOSFETs. Diese Potentialprofile ent sprechen Drain-Spannungen der MOSFETs von 0,5 V bzw. 3,3 V. Ein derartiges Potentialprofil steht im Zusammenhang mit dem DIBL-Wert. Bei höherem DIBL-Wert nehmen die Potentialabfall breiten d und d′ zu und bewirken dadurch eine Zunahme des Leckstroms vor dem Einschalten des MOSFETs. Infolgedessen kann der MOSFET frühzeitig einschalten, bevor die vorgeschriebene Gate-Vorspannung anliegt, so daß eine Funktionsstörung auftre ten kann. FIGS. 7A and 7B show potential profiles of substrate surfaces of the new and the old MOSFETs. These potential profiles correspond to drain voltages of the MOSFETs of 0.5 V or 3.3 V. Such a potential profile is related to the DIBL value. With a higher DIBL value, the potential drop widths d and d ′ increase and thereby cause an increase in the leakage current before the MOSFET is switched on. As a result, the MOSFET can turn on early before the prescribed gate bias is applied, so that a malfunction can occur.
Aus Fig. 7A und 7B ist erkennbar, daß der neue MOSFET eine ge ringere Potentialabfallbreite aufweist als der alte MOSFET.From Fig. 7A and 7B it can be seen that the new MOSFET having a ge ringere potential drop width than the old MOSFET.
Anhand der obenerwähnten vier Messungen läßt sich feststellen, daß der erfindungsgemäße neue MOSFET im Vergleich zu dem alten MOSFET bessere Ergebnisse liefert.The four measurements mentioned above can be used to determine that the new MOSFET according to the invention compared to the old one MOSFET gives better results.
Claims (12)
Ausbildung eines Gates (2, 3, 4) auf einem Halbleitersubstrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps;
Ausbildung einer dünnen Isolierschicht (5) und einer Halblei terschicht (6) auf der gesamten freiliegenden Oberfläche;
Ätzen der dünnen Isolierschicht (5) und der Halbleiterschicht (6), so daß sie nur an den Seitenflächen des Gates erhalten bleiben, um die Gate-Seitenwände (7) zu bilden;
Implantieren von Störstellen eines zweiten Leitfähigkeitstyps in das Halbleitersubstrat (1) unter Verwendung der Gate-Sei tenwande (7) und des Gates (4) als Maske, um einen ersten Source/Drain-Bereich (8, 8a) mit vorgegebener Störstellenkon zentration zu bilden;
Entfernen eines Teils der Halbleiterschicht (6a), der dem obe ren Teil jeder Gate-Seitenwand (7) entspricht, und Implantie ren von Störstellen des zweiten Leitfähigkeitstyps in das Halbleitersubstrat (1) unter Verwendung der verbliebenen dün nen Isolierschicht (5a) und des Gates (4) als Maske, um einen zweiten Source/Drain-Bereich (9, 9a) mit vorgegebener Stör stellenkonzentration zu bilden; und
Entfernen der verbliebenen dünnen Isolierschicht (5a) und Im plantieren von Störstellen des zweiten Leitfähigkeitstyps in das Halbleitersubstrat (1) unter Verwendung des Gates (4) al lein als Maske, um einen dritten Source/Drain-Bereich (10, 10a) mit vorgegebener Störstellenkonzentration zu bilden.1. A method for producing a metal oxide semiconductor field effect transistor with the following steps:
Forming a gate ( 2 , 3 , 4 ) on a semiconductor substrate ( 1 ) of a first conductivity type;
Formation of a thin insulating layer ( 5 ) and a semiconductor layer ( 6 ) on the entire exposed surface;
Etching the thin insulating layer ( 5 ) and the semiconductor layer ( 6 ) so that they are retained only on the side faces of the gate to form the gate side walls ( 7 );
Implanting impurities of a second conductivity type in the semiconductor substrate ( 1 ) using the gate side walls ( 7 ) and the gate ( 4 ) as a mask to a first source / drain region ( 8 , 8 a) with a predetermined impurity concentration form;
Removing part of the semiconductor layer ( 6 a), which corresponds to the upper part of each gate side wall ( 7 ), and implanting impurities of the second conductivity type in the semiconductor substrate ( 1 ) using the remaining thin insulating layer ( 5 a) and the gate ( 4 ) as a mask to form a second source / drain region ( 9 , 9 a) with a predetermined impurity concentration; and
Removing the remaining thin insulating layer ( 5 a) and Im planting impurities of the second conductivity type in the semiconductor substrate ( 1 ) using the gate ( 4 ) alone as a mask with a third source / drain region ( 10 , 10 a) to form a predetermined impurity concentration.
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