JP2000077538A - Cmos semiconductor device - Google Patents

Cmos semiconductor device

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JP2000077538A
JP2000077538A JP10242296A JP24229698A JP2000077538A JP 2000077538 A JP2000077538 A JP 2000077538A JP 10242296 A JP10242296 A JP 10242296A JP 24229698 A JP24229698 A JP 24229698A JP 2000077538 A JP2000077538 A JP 2000077538A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the concentration of an embedded channel for adjusting to an arbitrary turning-on voltage and suppress the off-leak current by using a non-doped polysilicon as a gate electrode for a p-channel transistor. SOLUTION: A gate electrode 4 is formed on an active region 2 with a gate insulation film 3 in between, forming an n-channel transistor nch-Tr and a p-channel transistor pch-Tr. A polysilicon, comprising a gate electrode 4a on the n-channel transistor nch-Tr, is an N+-type polysilicon added with an n-type impurity and is conductive. A polysilicon, comprising a gate electrode 4b on the p-channel transistor pch-Tr, is a non-doped polysilicon to which no impurity is doped. Thus, while the off-leak current is suppressed, the turning-on voltage can be reduced. Furthermore, the channel can be made small in width, and the element be made fine in size.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はシリコンよりなるゲ
ート電極を有する電解効果トランジスタ(FieldEffect
Transistor、以下FET)に関し、さらに詳しく言えば、
ゲート電極を共有したpチャネルMOS(Metal Oxide Semi
conductor)FETとnチャネルMOSFETとを有するいわゆるC
MOS半導体装置のゲート電極下のオフリーク電流の低減
と微細化に関するものである。
The present invention relates to a field effect transistor (Field Effect transistor) having a gate electrode made of silicon.
Transistor (hereinafter FET), more specifically,
P-channel MOS (Metal Oxide Semi
conductor) a so-called C having an FET and an n-channel MOSFET
The present invention relates to reduction and miniaturization of an off-leak current below a gate electrode of a MOS semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】図10に従来の典型的なCMOS半導体装置
を示す。このようなCMOS半導体装置は、様々な論理回路
や、SRAMなどに用いられている。半導体基板51の一部
上(図では右半分)にnウェルが、他の一部上(同左半
分)にpウェルが形成されている。nウェル、pウェル
のそれぞれの一部上に活性領域52が形成されている。
活性領域52上にはゲート絶縁膜53を隔ててゲート電
極54が形成され、nチャネルトランジスタnch-Trと
pチャネルトランジスタpch-Trを形成している。ゲー
ト電極54には、1E20cm-3前後のn型の不純物が添加さ
れ、導電性となっている。活性領域52のゲート電極5
4が形成されていない領域には、ウェルと逆導電型の不
純物、即ちnウェルにはボロンなどのp型の不純物、p
ウェルにはリンなどのn型の不純物が添加されたソー
ス、ドレイン領域55が形成されている。
2. Description of the Related Art FIG. 10 shows a conventional typical CMOS semiconductor device. Such a CMOS semiconductor device is used for various logic circuits, SRAMs, and the like. An n-well is formed on a part (the right half in the figure) of the semiconductor substrate 51, and a p-well is formed on the other part (the left half thereof). An active region 52 is formed on a part of each of the n-well and the p-well.
A gate electrode 54 is formed on the active region 52 with a gate insulating film 53 therebetween, forming an n-channel transistor nch-Tr and a p-channel transistor pch-Tr. The gate electrode 54 is doped with an n-type impurity of about 1E20 cm -3 to be conductive. Gate electrode 5 of active region 52
4 is formed in a region where conductivity is opposite to that of the well, that is, a p-type impurity such as boron,
Source and drain regions 55 to which n-type impurities such as phosphorus are added are formed in the wells.

【0003】ゲート電極54が接地されているとき、ゲ
ート電極下のチャネル領域56は完全に空乏化し、非導
通であって、ソース、ドレイン領域55間に電圧を印加
しても電流は流れない。ゲート電極54に電圧を印加す
ることによって、チャネル領域56が導通となるので、
このときソース、ドレイン間に電圧を印加すると、チャ
ネル領域56にチャネル電流が流れる。pチャネルトラ
ンジスタとnチャネルトランジスタでは、ゲート電極5
4に正負どちらの電圧を印加すると導通となるかが異な
り、CMOSはこのことを利用した半導体装置である。ゲー
ト電極下のチャネル領域が導通となるゲート電圧のしき
い値をオン電圧と呼ぶ。
When the gate electrode 54 is grounded, the channel region 56 below the gate electrode is completely depleted and non-conductive, so that no current flows even when a voltage is applied between the source and drain regions 55. When a voltage is applied to the gate electrode 54, the channel region 56 becomes conductive.
At this time, when a voltage is applied between the source and the drain, a channel current flows through the channel region 56. For a p-channel transistor and an n-channel transistor, the gate electrode 5
The difference between the positive and negative voltages applied to the transistor 4 makes the transistor 4 conductive, and CMOS is a semiconductor device that utilizes this fact. The threshold value of the gate voltage at which the channel region below the gate electrode becomes conductive is called an on-voltage.

【0004】n型の不純物が添加されたポリシリコン
(以下N+ポリと表記)と、p型の不純物が添加された基
板とをゲート絶縁膜を介して接触させると、仕事関数の
差から、電子はN+ポリに移動しようとする。このため、
N+ポリをゲート電極としたpチャネルトランジスタは、
ゲート電圧が0Vであっても、あたかも弱い正電圧を印加
した様な状態となり、トランジスタをオンさせるため
に、これを相殺する電圧を印加した上でさらに電圧を印
加せねばならず、オン電圧の上昇になっていた。また、
pチャネルトランジスタとnチャネルトランジスタのオ
ン電圧の絶対値が異なってしまうなどの不具合が生じて
きた。
[0004] When polysilicon doped with n-type impurities (hereinafter referred to as N + poly) and a substrate doped with p-type impurities are brought into contact via a gate insulating film, a difference in work function causes Electrons try to move to N + poly. For this reason,
A p-channel transistor using N + poly as a gate electrode
Even if the gate voltage is 0 V, the state is as if a weak positive voltage was applied.To turn on the transistor, a voltage must be applied after canceling the voltage, and a further voltage must be applied. Was rising. Also,
Problems such as a difference in the absolute value of the ON voltage between the p-channel transistor and the n-channel transistor have occurred.

【0005】そこで、pチャネルトランジスタのオン電
圧を低電圧化するために、チャネル領域56には、埋め
込みチャネル57と呼ばれる領域を形成することがあ
る。埋め込みチャネルは、ソース、ドレイン領域と同じ
導電型の不純物を添加した領域であり、ここへの不純物
の添加量を増やすことによってオン電圧を下げることが
できる。図3にオン電圧の埋め込みチャネル量との依存
性を実線で示す。これによると、例えば、5.0×1012cm
-2のドープ量であればオン電圧は0.3Vに低減できること
がわかる。
In order to reduce the ON voltage of the p-channel transistor, a region called a buried channel 57 may be formed in the channel region 56 in some cases. The buried channel is a region to which impurities of the same conductivity type as the source and drain regions are added, and the on-voltage can be reduced by increasing the amount of impurities added thereto. FIG. 3 shows the dependency of the on-voltage on the amount of buried channels by a solid line. According to this, for example, 5.0 × 10 12 cm
It can be seen that the ON voltage can be reduced to 0.3 V if the doping amount is -2 .

【0006】一方で、図11に示すように、ゲート電極
54に添加する不純物をnチャネルトランジスタとpチ
ャネルトランジスタとで別々にすることが提案されてい
る。即ち、nチャネルトランジスタの上部に位置するゲ
ート電極54aには、従来通りN+ポリを用い、pチャネ
ルトランジスタの上部に位置するゲート電極54bに
は、P型の不純物が添加されたポリシリコン(P+ポリ)
を用いるというものである。このように構成すること
で、ゲート電極54とその直下のチャネル領域56との
導電型が同じになるので、ゲート電極とチャネル領域の
仕事関数の差はなく、オン電圧を所定の値とすることが
できる。
On the other hand, as shown in FIG. 11, it has been proposed to make the impurity added to the gate electrode 54 different for the n-channel transistor and the p-channel transistor. That is, N + poly is used for the gate electrode 54a located above the n-channel transistor as before, and the gate electrode 54b located above the p-channel transistor is doped with polysilicon (P + Poly)
Is used. With this configuration, since the conductivity type of the gate electrode 54 and the channel region 56 immediately below the gate electrode 54 are the same, there is no difference in work function between the gate electrode and the channel region, and the ON voltage is set to a predetermined value. Can be.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ゲート電圧が0Vのと
き、理想的にはチャネル電流は0Aであるが、実際のMOSF
ETにおいては、ゲート電圧が0Vであっても微少な電流が
流れる。このような電流をオフリーク電流と呼ぶ。
When the gate voltage is 0 V, the channel current is ideally 0 A.
In ET, a minute current flows even if the gate voltage is 0V. Such a current is called an off-leak current.

【0008】埋め込みチャネル57は、チャネル領域5
8にソース、ドレイン領域55と同じ導電型の不純物を
ドープするので、注入量が増加すると、オフリーク電流
が増加する。オフリーク電流は、pA(ピコアンペア)の
程度であるが、近年オン電圧の低電圧化や、素子の微細
化に伴い、論理回路の誤動作や、記憶素子の読み出しの
エラーを引き起こし、無視できなくなってきている。ま
た、オフリーク電流は、不要な電流が流れることから、
このような素子を組み込んだ携帯機器の電池を浪費さ
せ、可動時間を短縮し、問題となっている。
The buried channel 57 has a channel region 5
8 is doped with impurities of the same conductivity type as the source and drain regions 55, so that an increase in the amount of implantation increases an off-leak current. The off-leakage current is on the order of pA (picoamps), but with the recent reduction in on-voltage and miniaturization of elements, it causes malfunctions in logic circuits and errors in reading of storage elements, and cannot be ignored. I have. In addition, off-leak current is caused by unnecessary current,
The battery of a portable device incorporating such an element is wasted, the operating time is shortened, and this is a problem.

【0009】また、CMOSのpチャネルトランジスタのゲ
ート電極54bのP+ポリを形成するために、ポリシリコ
ン膜にボロンを注入すると、ボロンはシリコン内での拡
散係数が大きいため、ゲート電極54を突き抜け、半導
体基板51まで到達してしまう。ボロンが半導体基板5
1に注入されると、埋め込みチャネル57の濃度が増大
し、ソース、ドレイン領域55間の耐圧が低下し、オフ
リーク電流が増大するという問題が生じる。また、ゲー
ト電極54bに残留するボロンの濃度も変動するため、
pチャネルトランジスタのオン電圧のばらつきが生じ
る。さらに、ボロンが横方向に拡散することによって、
nチャネルトランジスタのゲート電極54aまで拡散す
ると、nチャネルトランジスタのオン電圧にもばらつき
が生じる。
When boron is implanted into a polysilicon film to form P + poly of the gate electrode 54b of a CMOS p-channel transistor, the boron penetrates through the gate electrode 54 because of its large diffusion coefficient in silicon. And reaches the semiconductor substrate 51. Boron is the semiconductor substrate 5
When implanted into 1, the concentration of the buried channel 57 increases, the breakdown voltage between the source and drain regions 55 decreases, and there arises a problem that the off-leak current increases. Further, since the concentration of boron remaining in the gate electrode 54b also varies,
The on-voltage of the p-channel transistor varies. In addition, boron diffuses laterally,
When the diffusion reaches the gate electrode 54a of the n-channel transistor, the on-voltage of the n-channel transistor also varies.

【0010】また、リーク電流を低減させるため、埋め
込みチャネルの濃度を薄くする必要があり、結果的にp
チャネルトランジスタのオン電圧を十分に低下させるこ
とができず、pチャネルトランジスタのオン電圧は、ゲ
ート電極に印加する電圧との差が小さく、pチャネルト
ランジスタのチャネル電流は、nチャネルトランジスタ
に比較して小さくなる。そこで、図11に示すように、
pチャネルトランジスタのゲート幅GWpをnチャネルト
ランジスタのゲート幅GWnに比較して大きくとることに
よって、nチャネルトランジスタと同程度の電流値を確
保している。これは素子の面積の増大につながってい
た。
In order to reduce the leakage current, it is necessary to reduce the concentration of the buried channel.
The on-voltage of the channel transistor cannot be sufficiently reduced, the on-voltage of the p-channel transistor has a small difference from the voltage applied to the gate electrode, and the channel current of the p-channel transistor is smaller than that of the n-channel transistor. Become smaller. Therefore, as shown in FIG.
the gate width GW p of the p-channel transistor by taking larger than the gate width GW n of the n-channel transistors so as to ensure the current value of the same level as the n-channel transistor. This has led to an increase in the area of the device.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題に鑑
みてなされ、ノンドープのポリシリコンをpチャネルト
ランジスタのゲート電極として用いることによって、所
望するオン電圧に調整するための埋め込みチャネルの濃
度を低下させ、かつ埋め込みチャネルの深さを浅くする
ことによって、オフリーク電流を低減するCMOS半導体装
置である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in consideration of the above problems, and has been made to reduce the concentration of a buried channel for adjusting to a desired on-voltage by using non-doped polysilicon as a gate electrode of a p-channel transistor. This is a CMOS semiconductor device in which the off-leak current is reduced by reducing the depth of the buried channel.

【0012】MOSFETは一般的に、ゲート電極54を配線
として用いる。このため、ゲート電極54の電気抵抗
は、素子動作に大きく影響し、ゲート電極54の抵抗を
下げることに多くの努力がなされてきた。従来のゲート
電極54は、ポリシリコンに不純物がドープされ、電気
抵抗を下げている。また、ゲート電極54には、タング
ステンシリサイドなどを用いたポリサイド構造が採用さ
れ、ゲート電極54の電気抵抗をさらに下げることに成
功している。ここで、本出願人は、ポリサイド構造を採
用したゲート電極54の電気抵抗を決定している要因は
主にタングステンシリサイドであって、ポリシリコンに
ドープされた不純物の量にはあまり依存しないことを見
出した。即ち、ポリサイド構造のゲート電極54を採用
すれば、ゲート電極のポリシリコンに不純物をドープす
る必要は必ずしもない、と言える。
The MOSFET generally uses the gate electrode 54 as a wiring. For this reason, the electric resistance of the gate electrode 54 greatly affects the operation of the device, and many efforts have been made to reduce the resistance of the gate electrode 54. In the conventional gate electrode 54, polysilicon is doped with an impurity to reduce the electric resistance. The gate electrode 54 employs a polycide structure using tungsten silicide or the like, and succeeds in further reducing the electric resistance of the gate electrode 54. Here, the present applicant has concluded that the factor determining the electrical resistance of the gate electrode 54 employing the polycide structure is mainly tungsten silicide, and does not depend much on the amount of impurities doped into polysilicon. I found it. That is, if the gate electrode 54 having the polycide structure is employed, it can be said that it is not always necessary to dope the polysilicon of the gate electrode with an impurity.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態について
説明する。図1は本発明のCMOSである。半導体基板1の
一部上(図では右半分)にnウェルが、他の一部上(同
左半分)にpウェルが形成されている。nウェル、pウ
ェルのそれぞれの一部上に活性領域2が形成されてい
る。活性領域2上にはゲート絶縁膜3を隔ててゲート電
極4が形成され、nチャネルトランジスタnch-Trとp
チャネルトランジスタpch-Trを形成している。ゲート
電極4は、ポリシリコンとタングステンシリサイドの多
層構造であるポリサイド構造である。nチャネルトラン
ジスタnch-Tr上部のゲート電極4aのポリシリコン
は、1E20cm-3前後のn型の不純物が添加されたN+ポリ
であり、導電性となっている。pチャネルトランジスタ
pch-Tr上部のゲート電極4bのポリシリコンは、不純
物が添加されていないノンドープポリシリコンである。
活性領域2のゲート電極4が形成されていない領域に
は、ウェルと逆導電型の不純物、即ちnウェルにはボロ
ンなどのp型の不純物、pウェルにはリンなどのn型の
不純物が添加されたソース、ドレイン領域5が形成され
ている。ゲート電極4下のチャネル領域6には、埋め込
みチャネル領域7が形成されている。
Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 shows a CMOS according to the present invention. An n-well is formed on a part (the right half in the figure) of the semiconductor substrate 1 and a p-well is formed on the other part (the left half of the figure). Active region 2 is formed on a part of each of the n-well and the p-well. A gate electrode 4 is formed on active region 2 with a gate insulating film 3 interposed therebetween, and n-channel transistors nch-Tr and p-channel transistors
A channel transistor pch-Tr is formed. The gate electrode 4 has a polycide structure which is a multilayer structure of polysilicon and tungsten silicide. The polysilicon of the gate electrode 4a on the upper part of the n-channel transistor nch-Tr is N + poly doped with an n-type impurity of about 1E20 cm −3 and is conductive. The polysilicon of the gate electrode 4b above the p-channel transistor pch-Tr is non-doped polysilicon to which no impurity is added.
In the region of the active region 2 where the gate electrode 4 is not formed, an impurity of a conductivity type opposite to that of the well, that is, a p-type impurity such as boron is added to the n-well, and an n-type impurity such as phosphorus is added to the p-well. Source and drain regions 5 are formed. A buried channel region 7 is formed in the channel region 6 below the gate electrode 4.

【0014】以下に、pチャネルトランジスタについて
述べる。
The p-channel transistor will be described below.

【0015】図2に本実施形態のMOSFETと、従来のMOSF
ETの、オフリーク電流のゲート長GL依存性を示す。ゲー
ト長GLとは、ゲート電極4下部のソース、ドレイン領域
6の間隔、換言すればチャネル領域6のソース、ドレイ
ン領域方向の長さである。本実施形態、従来共にポリシ
リコン膜の厚さは1010Åである。○は従来のMOSFET、△
及び▲は、本発明のMOSFETである。それぞれのオン電圧
は、○が0.61V、△が0.67V、▲が0.49Vである。オン電
圧は、埋め込みチャネルの濃度を変化させることによっ
て調節することができる。ゲート長が短くなるに従っ
て、オフリーク電流が増加する現象は、一般に短チャネ
ル効果と呼ばれる現象である。まず○と▲を比較して、
本発明のMOSFETは、オン電圧が約0.1V低いにも関わら
ず、ほぼ同じオフリーク電流値である。次に、○と△を
比較して、本発明のMOSFETは、オン電圧が約0.06V高い
だけで、オフリーク電流値は二桁近く小さい。このよう
に、本発明のMOSFETは、同じオン電圧であれば、オフリ
ーク電流を従来よりも小さく抑えることができる。次
に、図3にオフリーク電流のオン電圧依存性を示す。本
発明、従来共に、オン電圧を低く設定するとオフリーク
電流が増えるが、本発明のMOSFETは、従来のMOSFETより
も一桁小さいオフリーク電流値である。
FIG. 2 shows a MOSFET of this embodiment and a conventional MOSF.
4 shows the gate length GL dependence of off-leak current of ET. The gate length GL is the distance between the source and drain regions 6 below the gate electrode 4, in other words, the length of the channel region 6 in the direction of the source and drain regions. In this embodiment and in the conventional case, the thickness of the polysilicon film is 1010 °. ○ indicates conventional MOSFET, △
And ▲ are MOSFETs of the present invention. The ON voltages are 0.61 V for ○, 0.67 V for △, and 0.49 V for ▲. The on-voltage can be adjusted by changing the concentration of the buried channel. The phenomenon in which the off-leak current increases as the gate length becomes shorter is a phenomenon generally called a short channel effect. First, compare ○ and ▲
The MOSFET of the present invention has substantially the same off-leakage current value even though the on-voltage is about 0.1 V lower. Next, comparing O and Δ, the MOSFET according to the present invention has an off-leak current value that is nearly two orders of magnitude smaller only by an ON voltage of about 0.06 V higher. As described above, in the MOSFET of the present invention, the off-leak current can be suppressed to be smaller than that of the conventional MOSFET at the same ON voltage. Next, FIG. 3 shows the ON-voltage dependency of the off-leak current. In both the present invention and the related art, when the on-state voltage is set low, the off-leak current increases. However, the MOSFET of the present invention has an off-leak current value which is one digit smaller than that of the conventional MOSFET.

【0016】次に、図4にオン電圧の埋め込みチャネル
8濃度依存性を示す。埋め込みチャネル8の濃度の上昇
と共にオン電圧が低下することは、従来のMOSFET、本発
明のMOSFET共に同様である。ただし、例えばオン電圧を
0.35Vとする場合の埋め込みチャネル8の濃度は3.0×10
12cm-2であり、これは、従来のMOSFETで必要な濃度の60
%程度である。本発明のMOSFETは、従来よりも少ない不
純物の注入で従来のMOSFETと同等のオン電圧に設定する
ことができる。
Next, FIG. 4 shows the dependency of the on-voltage on the concentration of the buried channel 8. The decrease in the on-voltage with the increase in the concentration of the buried channel 8 is the same in both the conventional MOSFET and the MOSFET of the present invention. However, for example,
The concentration of the buried channel 8 at 0.35V is 3.0 × 10
12 cm -2 , which is 60% of the concentration required for a conventional MOSFET.
%. The MOSFET of the present invention can be set to the same ON voltage as that of the conventional MOSFET with less impurity implantation than the conventional MOSFET.

【0017】本発明のMOSFETのオフリーク電流が従来よ
り小さいことは、埋め込みチャネルの濃度が低くなって
いると共に埋め込みチャネルの形成されている深さが浅
くなっていることが要因であると考えられる。埋め込み
チャネルとソース、ドレイン領域は、同じ導電型の不純
物を添加された領域であるので、基本的に導通であり、
埋め込みチャネルの濃度が低いので電気抵抗が比較的高
いにすぎない。従って、埋め込みチャネルの濃度が上昇
すると、オフリーク電流が増大する。また、濃度が増加
すると、それに付随して埋め込みチャネルの形成される
深さも深くなり、埋め込みチャネル領域の電気抵抗を低
下させるのである。従って、埋め込みチャネルの濃度が
上昇するとオフリーク電流が増加する。本発明のMOSFET
は、従来のMOSFETよりも低い埋め込みチャネル濃度で同
じオン電圧にすることができるので、従来のMOSFETと同
じオン電圧であれば、オフリーク電流を1/10以下に抑え
ることができる。
It is considered that the reason why the off-leak current of the MOSFET of the present invention is smaller than the conventional one is that the concentration of the buried channel is low and the depth at which the buried channel is formed is small. Since the buried channel and the source and drain regions are regions to which impurities of the same conductivity type are added, they are basically conductive,
Due to the low concentration of the buried channel, the electrical resistance is only relatively high. Therefore, as the concentration of the buried channel increases, the off-leak current increases. Also, as the concentration increases, the depth at which the buried channel is formed also increases, thereby lowering the electric resistance of the buried channel region. Therefore, as the concentration of the buried channel increases, the off-leak current increases. MOSFET of the present invention
Can achieve the same on-voltage with a buried channel concentration lower than that of the conventional MOSFET. Therefore, if the on-voltage is the same as that of the conventional MOSFET, the off-leakage current can be suppressed to 1/10 or less.

【0018】次に、ノンドープポリシリコン膜3の厚さ
について述べる。ノンドープポリシリコン膜3の厚さ
は、本実施例においては、1010Å、285Å、247Åとして
作成した。以下、ポリシリコン膜3の厚さが1010Åのも
のをサンプル1、285Åのものをサンプル2、247Åのも
のをサンプル3と記す。
Next, the thickness of the non-doped polysilicon film 3 will be described. In this embodiment, the thickness of the non-doped polysilicon film 3 is 1010 °, 285 °, and 247 °. Hereinafter, the sample having a thickness of 1010 ° of the polysilicon film 3 is referred to as Sample 1, the sample having a thickness of 285 ° is referred to as Sample 2, and the sample having a thickness of 247 ° is referred to as Sample 3.

【0019】図5はサンプル1乃至サンプル3及び比較
対象としてドープドポリシリコン膜53の厚さを1010Å
とした従来のMOSFET(以下従来サンプルと記す)のチャ
ネル電流のゲート電圧依存性である。本実施形態のチャ
ネル電流は、従来サンプルのチャネル電流に比較して、
サンプル1〜3ともに若干小さいものの、実用上問題と
なる程度ではない。サンプル1に比較して、サンプル
2、3のチャネル電流値が大きく、チャネル電流値から
は、サンプル2及びサンプル3がよいといえる。
FIG. 5 shows that the thickness of the doped polysilicon film 53 is 10 10 Å
Is the gate voltage dependence of the channel current of a conventional MOSFET (hereinafter referred to as a conventional sample). The channel current of the present embodiment is
Samples 1 to 3 are slightly smaller, but not to a practically problematic degree. Samples 2 and 3 have larger channel current values than Sample 1, and it can be said that Sample 2 and Sample 3 are better from the channel current value.

【0020】図6は、オン電圧を0.65V程度とした時の
従来及び本実施形態のMOSFETの特性であり、1段目はサ
ンプル1、2段目はサンプル2、3段目はサンプル3、
4段目は従来サンプルの特性をそれぞれ示している。オ
フリーク電流は従来のMOSFETが6.40pAであるのに比較し
て、各条件において0.05pA〜0.09pAと、二桁程度小さ
く、オフリーク電流が十分に抑制されていることが分か
る。βはゲート電圧に対するチャネル電流値の傾きであ
り、FETの駆動能力を示す値である。βはサンプル2、
3は従来とほぼ同等の値を示しているが、サンプル1は
若干低い。これは、ノンドープシリコン膜の内部が空乏
化するため、膜厚が厚いほど、空乏化領域が厚くなるた
めである。
FIG. 6 shows the characteristics of the MOSFET according to the prior art and the present embodiment when the ON voltage is set to about 0.65 V. The first stage is sample 1, the second stage is sample 2, the third stage is sample 3, and FIG.
The fourth row shows the characteristics of the conventional sample. The off-leakage current is 6.40 pA for the conventional MOSFET, which is 0.05 pA to 0.09 pA under each condition, which is about two orders of magnitude smaller, indicating that the off-leakage current is sufficiently suppressed. β is the slope of the channel current value with respect to the gate voltage, and is a value indicating the driving capability of the FET. β is sample 2,
3 shows almost the same value as the conventional one, but sample 1 is slightly lower. This is because the inside of the non-doped silicon film is depleted, and the thicker the film thickness, the thicker the depletion region.

【0021】次に、図7に、オン電圧のゲート長依存を
示す。横軸が実効チャネル長、縦軸がゲート長2μmで
規格化したオン電圧である。実効チャネル長とは、ソー
ス、ドレイン領域の不純物が拡散した結果のチャネル長
である。●及び○が従来のMOSFET、▲及び△が本発明の
MOSFETである。本発明のMOSFETは従来と比較して0.05μ
m程度シフトしている。ゲート長が短くなるとオン電圧
が低下する現象が短チャネル効果であるが、本発明のMO
SFETは、短チャネル効果の発生が0.05μm改善されてい
ると言うことができる。換言すれば、従来のMOSFETより
も微細化が可能である。
FIG. 7 shows the dependence of the ON voltage on the gate length. The horizontal axis represents the effective channel length, and the vertical axis represents the on-state voltage standardized by the gate length of 2 μm. The effective channel length is a channel length resulting from diffusion of impurities in the source and drain regions. ● and ○ are conventional MOSFETs, ▲ and △ are
MOSFET. The MOSFET of the present invention is 0.05μ
by about m. The phenomenon that the ON voltage decreases as the gate length decreases is the short channel effect.
In the SFET, it can be said that the occurrence of the short channel effect is improved by 0.05 μm. In other words, miniaturization is possible compared to the conventional MOSFET.

【0022】また、図8は、サンプル1、2、3のゲー
ト長に対するオン電圧の低下の比較である。膜厚の薄い
サンプル2、3の方がサンプル1に比較してオン電圧の
低下が少ない。これは、ポリシリコン層3を形成する際
に、厚い方がより堆積に時間を要し、その間高い温度に
保たれるため、埋め込みチャネルの不純物が拡散し、よ
り埋め込みチャネルが深くなっているためである。
FIG. 8 is a comparison of the reduction in the on-state voltage with respect to the gate lengths of the samples 1, 2, and 3. Samples 2 and 3 having a smaller film thickness have a smaller decrease in on-state voltage than Sample 1. This is because, when the polysilicon layer 3 is formed, the thicker layer requires more time for deposition and is kept at a high temperature during that time, so that impurities in the buried channel diffuse and the buried channel becomes deeper. It is.

【0023】次に図9にゲート耐圧を示す。これは、ゲ
ート電極に電圧を印加した時のゲート電極からのリーク
電流である。サンプル1、2、3共にほぼ同様の値を示
している。Vg<8Vにおいて従来サンプルよりリーク電流
が大きいが、電流値として実用上問題とはならない。ま
た、ノンドープポリシリコンの膜厚が193Åの測定結果
も併せて示す。これを見ると、Vg=1Vで1nA程度のリーク
電流が流れており、使用できるものではない。また、こ
の膜厚においては、CV特性も得られない。従って、ノン
ドープポリシリコン膜3の膜厚は少なくとも193Å以上
必要である。
FIG. 9 shows the gate breakdown voltage. This is a leakage current from the gate electrode when a voltage is applied to the gate electrode. Samples 1, 2, and 3 show almost the same values. At Vg <8 V, the leakage current is larger than that of the conventional sample, but this does not pose a practical problem as a current value. In addition, the measurement results when the film thickness of non-doped polysilicon is 193 ° are also shown. Looking at this, a leakage current of about 1 nA flows at Vg = 1 V, which is not usable. Further, CV characteristics cannot be obtained at this film thickness. Therefore, the thickness of the non-doped polysilicon film 3 needs to be at least 193 ° or more.

【0024】以上のデータから、ノンドープポリシリコ
ンの膜厚は、1010Å以下で、薄い方が駆動能力や、短チ
ャネル効果抑制の観点からよく、逆に、193Åよりも厚
くなければゲート電極としての役割を果たさないので、
ノンドープポリシリコンの膜厚は、193Å〜1010Åが適
切であるといえる。
From the above data, it is found that the thickness of the non-doped polysilicon is 1010 ° or less, and the thinner the better, from the viewpoint of the driving ability and the suppression of the short channel effect. Does not fulfill
It can be said that the suitable film thickness of non-doped polysilicon is 193 ° to 1010 °.

【0025】以上に述べたようにpチャネルトランジス
タのゲート電極を適切な厚さのノンドープポリシリコン
とすることによって、リーク電流を低減することがで
き、また、オン電圧を低下させることができる。
As described above, when the gate electrode of the p-channel transistor is made of non-doped polysilicon having an appropriate thickness, the leak current can be reduced and the on-voltage can be reduced.

【0026】オン電圧を低下させると、ゲート電極に印
加する電圧とオン電圧との差が大きくなるので、pチャ
ネルトランジスタの電流量を十分に確保することができ
る。従来のCMOSは、pチャネルトランジスタの電流量を
確保するためにpチャネルトランジスタだけゲート幅GW
pを大きくしていたが、これは不要となり、ゲート幅GW
を縮小し、nチャネルトランジスタと同じ幅とすること
ができる。また、pチャネルトランジスタの電流量が確
保されるので、ゲート電極に印加する電圧も下げること
ができるので、電源電圧も下げることができる。
When the on-state voltage is reduced, the difference between the voltage applied to the gate electrode and the on-state voltage increases, so that a sufficient amount of current for the p-channel transistor can be secured. In conventional CMOS, only the p-channel transistor has a gate width GW to secure the current amount of the p-channel transistor.
Although p was increased, this became unnecessary and the gate width GW
Can be reduced to have the same width as the n-channel transistor. In addition, since the current amount of the p-channel transistor is secured, the voltage applied to the gate electrode can be reduced, so that the power supply voltage can be reduced.

【0027】次に、nチャネルトランジスタについて述
べる。ゲート電極をノンドープポリシリコンにすること
は、もちろんnチャネルトランジスタでも実施可能であ
る。しかし、nチャネルトランジスタの場合、ノンドー
プにすると基板との仕事関数の差が減少し、短チャネル
効果が顕著に現れるので、効果的ではない。従って、ゲ
ート電極をノンドープとすることはpチャネルトランジ
スタのみに適用して、nチャネルトランジスタのゲート
電極はN+ポリとした。
Next, an n-channel transistor will be described. The use of non-doped polysilicon for the gate electrode can of course be carried out with an n-channel transistor. However, in the case of an n-channel transistor, when it is made non-doped, the difference in work function from the substrate is reduced, and the short-channel effect is remarkably exhibited, so that it is not effective. Therefore, the non-doping of the gate electrode is applied only to the p-channel transistor, and the gate electrode of the n-channel transistor is N + poly.

【0028】ところで、CMOSにおいて、pチャネルトラ
ンジスタのゲート電極のみをノンドープとするには、p
チャネルトランジスタとnチャネルトランジスタの間
で、ノンドープの領域と、N+の領域とを区切る必要が
ある。しかしながら、N+の領域に注入したリンもしく
はヒ素は装置の製造過程の熱処理工程などで、ノンドー
プの領域に拡散する可能性がある。そこで、ノンドープ
の領域とN+の領域との境界は、pチャネルトランジス
タとnチャネルトランジスタの真ん中ではなく、nチャ
ネルトランジスタ側にずらして設けるとよい。
By the way, in CMOS, in order to make only the gate electrode of a p-channel transistor non-doped,
It is necessary to separate a non-doped region and an N + region between a channel transistor and an n-channel transistor. However, phosphorus or arsenic implanted into the N + region may diffuse into the non-doped region due to a heat treatment step in the manufacturing process of the device. Therefore, it is preferable that the boundary between the non-doped region and the N + region is not at the center of the p-channel transistor and the n-channel transistor but is shifted toward the n-channel transistor.

【0029】また、本明細書における「ノンドープ」と
は、積極的な不純物の添加を行っていないという意味で
あり、例えば他の拡散層などから微量の不純物が拡散し
て、結果的に微量の不純物がポリシリコン膜に添加され
ても、もしくは形成時に予期せぬ不純物が混入する等し
ても、「ノンドープ」の範疇であるとする。
The term "non-doped" in the present specification means that active impurities are not added. For example, a small amount of impurities diffuse from other diffusion layers and the like, resulting in a small amount of impurities. Even if an impurity is added to the polysilicon film or an unexpected impurity is mixed during the formation, it is assumed to be in the category of “non-doping”.

【0030】また、一般的にアモルファスシリコンはポ
リシリコンに比較して不純物の拡散が小さいので、ノン
ドープポリシリコン膜は、ノンドープアモルファスシリ
コン膜でもよい。従って、請求項に記載したシリコン膜
とは、ポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜などを
含むものとする。
Since amorphous silicon generally has a smaller impurity diffusion than polysilicon, the non-doped polysilicon film may be a non-doped amorphous silicon film. Therefore, the silicon film described in the claims includes a polysilicon film, an amorphous silicon film, and the like.

【0031】また、ポリサイド構造の例としてタングス
テンシリサイドを挙げたが、これ以外にも、モリブデン
や、チタンなど、様々な金属でポリサイド構造とするこ
とができる。さらに、ポリサイド構造以外にも、ゲート
電極のシリコン層をノンドープとした上でゲート電極の
電気抵抗を十分に低減できれば、それでよい。
Although tungsten silicide has been described as an example of the polycide structure, the polycide structure may be made of various metals such as molybdenum and titanium. In addition to the polycide structure, it is sufficient if the electrical resistance of the gate electrode can be sufficiently reduced after the silicon layer of the gate electrode is non-doped.

【0032】その他、請求項に記載した思想を逸脱しな
い範囲で本発明はさまざまに応用可能である。
In addition, the present invention can be variously applied without departing from the spirit described in the claims.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のCMOS半
導体装置は、pチャネルトランジスタのゲート電極をノ
ンドープシリコン膜としたので、オフリーク電流を抑制
しつつオン電圧を低減することができる。
As described above, in the CMOS semiconductor device of the present invention, since the gate electrode of the p-channel transistor is a non-doped silicon film, the on-state voltage can be reduced while suppressing the off-leak current.

【0034】また、オン電圧が低減されるので、所定の
電源電圧を印加した際のチャネル電流が大きくなり、従
来、チャネル電流を確保するために大きくしていたチャ
ネル幅を縮小でき、素子を微細化できる。
Further, since the ON voltage is reduced, the channel current when a predetermined power supply voltage is applied increases, and the channel width, which was conventionally increased to secure the channel current, can be reduced. Can be

【0035】また、オン電圧が低減されるので、電源電
圧も低減することができ、従って、これを組み込んだ携
帯機器の可動時間が延長され、また、電源電圧が低くす
むことから、携帯機器の電池の個数を減らすことがで
き、携帯機器を小型化することができる。
Further, since the ON voltage is reduced, the power supply voltage can also be reduced. Therefore, the operating time of the portable device incorporating the power supply can be extended, and the power supply voltage can be reduced. The number of batteries can be reduced, and the size of a portable device can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施形態の半導体装置の図である。FIG. 1 is a diagram of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図2】オフリーク電流のゲート長依存性を示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing gate length dependence of off-leak current.

【図3】オン電圧の埋め込みチャネルの不純物濃度依存
性を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the dependency of the ON voltage on the impurity concentration of a buried channel.

【図4】チャネル電流のゲート電圧依存性を示す図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing gate voltage dependence of a channel current.

【図5】オフリーク電流のオン電圧依存性を示す図であ
る。
FIG. 5 is a diagram showing the on-voltage dependence of off-leakage current.

【図6】本発明の実施形態の半導体装置の特性を示す表
である。
FIG. 6 is a table showing characteristics of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention.

【図7】オン電圧の実効チャネル長依存性を示す図であ
る。
FIG. 7 is a diagram showing the effective channel length dependence of the ON voltage.

【図8】オン電圧のゲート長依存性を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the gate length dependency of the ON voltage.

【図9】ゲートリーク電流のゲート電圧依存性を示す図
である。
FIG. 9 is a diagram showing gate voltage dependence of a gate leak current.

【図10】従来の半導体装置の図である。FIG. 10 is a diagram of a conventional semiconductor device.

【図11】従来の半導体装置の図である。FIG. 11 is a diagram of a conventional semiconductor device.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくともシリコン膜を有するゲート電
極を有するpチャネルMOSトランジスタとnチャネルMOS
トランジスタとを有するCMOS半導体装置において、少な
くとも前記pチャネルMOSトランジスタの前記ゲート電
極をなす前記シリコン膜がノンドープシリコンであるこ
とを特徴とするCMOS半導体装置。
1. A p-channel MOS transistor having a gate electrode having at least a silicon film and an n-channel MOS transistor
A CMOS semiconductor device comprising: a transistor; and at least the silicon film forming the gate electrode of the p-channel MOS transistor is non-doped silicon.
【請求項2】 少なくともシリコン膜を有するゲート電
極を有するpチャネルMOSトランジスタとnチャネルMOS
トランジスタとを有するCMOS半導体装置において、前記
pチャネルMOSトランジスタの前記ゲート電極をなす前
記シリコン膜がノンドープシリコンであり、前記nチャ
ネルMOSトランジスタの前記ゲート電極をなす前記シリ
コン膜がn型の不純物が添加されたシリコンであること
を特徴とするCMOS半導体装置。
2. A p-channel MOS transistor and an n-channel MOS having a gate electrode having at least a silicon film.
In the CMOS semiconductor device having a transistor, the silicon film forming the gate electrode of the p-channel MOS transistor is non-doped silicon, and the silicon film forming the gate electrode of the n-channel MOS transistor is doped with n-type impurities. A CMOS semiconductor device, characterized in that it is made of silicon.
【請求項3】 前記ゲート電極は、シリコン膜と高融点
金属とのポリサイド構造であることを特徴とする請求項
1もしくは請求項2に記載のCMOS半導体装置。
3. The CMOS semiconductor device according to claim 1, wherein said gate electrode has a polycide structure of a silicon film and a refractory metal.
【請求項4】 前記シリコン膜の厚さは193Å以上であ
ることを特徴とする請求項1もしくは請求項2に記載の
CMOS半導体装置。
4. The method according to claim 1, wherein the thickness of the silicon film is 193 ° or more.
CMOS semiconductor device.
【請求項5】 前記シリコン膜の厚さは1010Å以下であ
ることを特徴とする請求項1もしくは請求項2に記載の
CMOS半導体装置。
5. The method according to claim 1, wherein the thickness of the silicon film is 1010 ° or less.
CMOS semiconductor device.
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