JP2001023917A - Semiconductor device having suppressed fluctuation - Google Patents

Semiconductor device having suppressed fluctuation

Info

Publication number
JP2001023917A
JP2001023917A JP19236499A JP19236499A JP2001023917A JP 2001023917 A JP2001023917 A JP 2001023917A JP 19236499 A JP19236499 A JP 19236499A JP 19236499 A JP19236499 A JP 19236499A JP 2001023917 A JP2001023917 A JP 2001023917A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
single ion
channel region
fluctuation
semiconductor device
suppressed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP19236499A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Iwao Oodomari
▲巌▼ 大泊
Meishoku Ko
明植 黄
Masahiro Shinada
賢宏 品田
Atsutaka Ishikawa
敦貴 石川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Waseda University
Original Assignee
Waseda University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Waseda University filed Critical Waseda University
Priority to JP19236499A priority Critical patent/JP2001023917A/en
Publication of JP2001023917A publication Critical patent/JP2001023917A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66477Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET
    • H01L29/66537Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET using a self aligned punch through stopper or threshold implant under the gate region

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the fluctuation of the numbers of impurity atoms included in respective semiconductors, by implanting single ion into each semiconductor by specific plural times a single ion generated through a single-ion implanting apparatus. SOLUTION: In a silicon chip 2 present in a silicon wafer 1, a MOSFET integrated circuit 3 are included. Accompanied by fining a semiconductor device in the direction of an arrow 5, a channel region 4 of a MOSFET of the constituent of each MOSFET integrated circuit 3 is fined into the ones shown by 4-1, 4-2, 4-3, and variation of the numbers of impurity atoms 11 included in the respective channel region 4 is generated in the direction of the arrow 5. In the particularly fined channel region shown by 4-3, there are the one having the impurity atoms 11 and the one having no impurity atom 11. A single ion 8 generated through a single-ion implanting apparatus 7 is implanted by specific plural times into each fined channel region shown by 4-3 to correct the fluctuation of the numbers of the impurity atoms 11.

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】本発明は半導体大規模集積回
路を構成するDRAM(Dynamic Randam Access Memor
y),SRAM(Static Randam Access Memory),EE
PROM(ElectricalErasable Programmable Read Onl
y Memory),Flashメモリ,CMOS(Complementary M
etal Oxide Semiconductor),Bi−CMOS(Bipolar
CMOS),FRAM(Ferroelectric Randam Access
Memory) の制御を担うトランジスタ、或いはバイポー
ラトランジスタ、或いはMESFET,MOSFET,
部分空乏型SOIMOSFET,完全空乏型SOIMO
SFET、或いはCCD,CID等のイメージセンサを
構成するピクセル用デバイス、或いは2次元電子ガス系
デバイス、或いは単一電子トランジスタ、或いは量子細
線,量子箱,量子ドット系デバイス、或いはレーザダイ
オード(LD),LED等の発光デハイス、或いは受光
デバイス、或いは発光−受光デバイス、或いはヘテロ接
合バイポーラトランジスタ等の化合物半導体デバイス、
或いはジョセフソン素子等の超伝導素子等、或いは統括
的にあらゆる半導体、超伝導体を利用する抵抗,インダ
クタ,キャパシタ,ダイオード,三端子デバイス,四端
子デバイス等の分野に関し、特にシングルイオン注入技
術により発生したシングルイオンを半導体中に1個1個
シングルイオン注入することよって、半導体中に含まれ
る不純物原子数のゆらぎを抑制した半導体装置に関し、
半導体中に含まれる不純物原子数のゆらぎを抑制するこ
とによって性能改善が期待されるすべての半導体装置が
含まれる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a DRAM (Dynamic Random Access Memory) constituting a semiconductor large-scale integrated circuit.
y), SRAM (Static Randam Access Memory), EE
PROM (ElectricalErasable Programmable Read Onl)
y Memory), Flash memory, CMOS (Complementary M
etal Oxide Semiconductor), Bi-CMOS (Bipolar
CMOS), FRAM (Ferroelectric Randam Access)
Memory), a bipolar transistor, or a MESFET, MOSFET,
Partially depleted SOIMOSFET, fully depleted SOIMO
SFET, a device for a pixel constituting an image sensor such as a CCD or a CID, a two-dimensional electron gas device, a single electron transistor, a quantum wire, a quantum box, a quantum dot device, a laser diode (LD), A light emitting device such as an LED, or a light receiving device, or a light emitting-receiving device, or a compound semiconductor device such as a heterojunction bipolar transistor;
Or, in the field of superconducting elements such as Josephson elements, etc., or all kinds of semiconductors, superconductors, resistors, inductors, capacitors, diodes, three-terminal devices, four-terminal devices, etc. The present invention relates to a semiconductor device in which fluctuation of the number of impurity atoms contained in a semiconductor is suppressed by implanting generated single ions one by one into the semiconductor.
All semiconductor devices that are expected to improve performance by suppressing fluctuations in the number of impurity atoms contained in the semiconductor are included.

【0002】[0002]

【従来の技術】SIAロードマップ(The National Tec
hnology Road-Map for Semiconductors,Semiconductor
Industry Association,San Jose,CA,1997 revision) に
よると、100nmMOSFETのチャネル領域に含ま
れる不純物原子数は数100個となる。そのゆらぎは数
10個となり、半導体デバイスの動作、機能、そして極
微半導体デバイスから構成される大規模集積回路等のシ
ステムの歩留りに深刻な影響をもたらす。このため、1
0個オーダーの不純物制御が必要となる。従来のイオン
注入技術,不純物拡散技術では、このような不純物原子
数のゆらぎを10個オーダーで抑えることは不可能であ
った。
2. Description of the Related Art SIA Roadmap (The National Tec
hnology Road-Map for Semiconductors, Semiconductor
According to Industry Association, San Jose, CA, 1997 revision), the number of impurity atoms contained in the channel region of a 100 nm MOSFET is several hundred. The fluctuations are several tens, which seriously affects the operation and function of the semiconductor device and the yield of a system such as a large-scale integrated circuit composed of micro semiconductor devices. Therefore, 1
Impurity control on the order of zero is required. With the conventional ion implantation technology and impurity diffusion technology, it has been impossible to suppress such fluctuations in the number of impurity atoms on the order of ten atoms.

【0003】一方、不純物のゆらぎを理論的、或いは実
験的に調査する研究が近年増加している。しかしなが
ら、ゆらぎを抑制するために有効な技術に関する提案は
極めて少なかった。
[0003] On the other hand, research for investigating the fluctuation of impurities theoretically or experimentally has increased in recent years. However, there have been very few proposals on techniques effective for suppressing fluctuations.

【0004】1991年に大泊巌,杉森正章,村山純
一,黄明植,則武克誌,松川貴,清水博明らは単一イオ
ン及び所定数の任意数イオンを制御性良く抽出すること
に世界で初めて実験的に成功した。即ち、特公平7−7
5156号「イオン照射装置及び方法」(特許第205
1859号(登録日平成8年(1996年)5月10
日))に開示されている通りである。同様に米国特許第
5,331,161号明細書(登録日1994年7月1
9日)に開示されている通りである。
[0004] In 1991, Iwao Ohdomari, Masaaki Sugimori, Junichi Murayama, Huangmei plantation, Noritake Katsushi, Takashi Matsukawa and Hiroaki Shimizu were the first in the world to extract a single ion and a given number of arbitrary ions with good controllability. Experimentally successful. That is, 7-7
No. 5156, “Ion irradiation apparatus and method” (Patent No. 205)
No. 1859 (Registration date: May 10, 1996)
Day)). Similarly, US Pat. No. 5,331,161 (registered July 1, 1994)
9th).

【0005】更に、1993年に大泊巌により、集束イ
オンビーム(FIB)もしくはイオンマイクロプローブ
によるマイクロイオンビーム(MIB)を利用したイオ
ン注入装置において、特に狙った部位に所定の照射精度
でイオン1個もしくは制御された所定数イオンを精度良
く注入するシングルイオンもしくは制御された所定数イ
オン注入が可能なシングルイオン装置及び方法が開発さ
れ、日本国特許第2731886号(登録日平成9年
(1997年)12月26日)「シングルイオン注入装
置及び方法」に開示された。同様に米国特許第5,53
9,203号明細書(登録日1996年7月23日)に
開示された。
Further, in 1993, by Iwao Ohdomari, in an ion implantation apparatus using a focused ion beam (FIB) or a micro-ion beam (MIB) using an ion microprobe, particularly, a target portion is irradiated with ions 1 with a predetermined irradiation accuracy. A single ion device and method capable of implanting a single ion or a controlled number of ions with high precision or a controlled predetermined number of ions have been developed and disclosed in Japanese Patent No. 2731886 (registered date 1997 (1997)). ) Dec. 26) "Single Ion Implantation Apparatus and Method". Similarly, U.S. Pat.
No. 9,203 (registered July 23, 1996).

【0006】上記2件の先行技術に引き続いて、集束イ
オンビームをチョッピンクしてシングルイオンを抽出す
るチョッピング法に代わって、シングルイオン抽出用ア
パチャーにパルス電圧を印加してシングルイオンを抽出
する新しい方法に基づく高精細シングルイオン注入装置
及び方法についても、大泊巌,品田賢宏,黄明植,石川
敦貴により発明され、特願平11−187323号(出
願日平成11年(1999年)7月1日)「高精細シン
グルイオン抽出方法及び該方法を適用した高精細シング
ルイオン注入装置及び方法」に開示された。
[0006] Subsequent to the above two prior arts, instead of the chopping method of chopping a focused ion beam to extract single ions, a new voltage is applied to a single ion extraction aperture by applying a pulse voltage to extract single ions. A high-definition single ion implantation apparatus and method based on the method were also invented by Iwao Ohdomari, Yoshihiro Shinada, Huang Ming, and Atsushi Ishikawa, and filed in Japanese Patent Application No. 11-187323 (filing date: July 1999 (1999)). 1) High-definition single ion extraction method and high-definition single ion implantation apparatus and method to which the method is applied are disclosed.

【0007】シングルイオン注入技術(SII)は不純
物のゆらぎを抑制するための有効な技術である。
The single ion implantation technique (SII) is an effective technique for suppressing the fluctuation of impurities.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、シン
グルイオン注入装置により発生したシングルイオンを半
導体中にシングルイオン注入して半導体中に含まれる不
純物原子数のゆらぎを抑制した半導体装置を提供するこ
とにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which a single ion generated by a single ion implanter is implanted into a semiconductor by single ion implantation to suppress fluctuations in the number of impurity atoms contained in the semiconductor. Is to do.

【0009】更に本発明の目的の1つは、シングルイオ
ン抽出方法としてチョッパ法もしくは電界制御法に基づ
くシングルイオン注入装置を利用してシングルイオンを
抽出し、1個1個シングルイオン注入を行なって、不純
物原子数のゆらぎを抑制した半導体装置を提供すること
にある。
Another object of the present invention is to extract single ions using a single ion implantation apparatus based on a chopper method or an electric field control method as a single ion extraction method, and perform single ion implantation one by one. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device in which fluctuations in the number of impurity atoms are suppressed.

【0010】更に本発明の目的の1つは、シングルイオ
ン注入法によって、MOSFETのチャネル領域に1個
1個シングルイオン注入して、閾値設定用チャネルドー
ピングを行なったMOSFETを実現してゆらぎを抑制
した半導体装置を提供することにある。
Another object of the present invention is to realize a MOSFET in which single ions are implanted one by one into a channel region of a MOSFET by a single ion implantation method to perform a channel doping for threshold setting to suppress fluctuation. It is an object of the present invention to provide an improved semiconductor device.

【0011】更に本発明の目的の1つは、シングルイオ
ン注入法によって、nMOSFET及びpMOSFET
のチャネル領域に1個1個シングルイオン注入して、閾
値設定用チャネルドーピングを行なったCMOSFET
を実現してゆらぎを抑制した半導体装置を提供すること
にある。
Another object of the present invention is to provide an nMOSFET and a pMOSFET by a single ion implantation method.
CMOSFET in which single ions are implanted one by one into the channel region of FIG.
And to provide a semiconductor device in which fluctuation is suppressed.

【0012】更に本発明の目的の1つは、初めからゆら
ぎを抑制した半導体デバイスを作製するために、素子分
離工程後、ゲート酸化膜形成前もしくは後に、シングル
イオン注入法による閾値設定用チャネルドーピングを行
ない、ゆらぎを抑制した半導体装置を提供することにあ
る。
It is another object of the present invention to provide a semiconductor device in which fluctuations are suppressed from the beginning, by performing a threshold setting channel doping by a single ion implantation method after an element isolation step, before or after forming a gate oxide film. And to provide a semiconductor device in which fluctuation is suppressed.

【0013】更に本発明の目的の1つは、ゲート,ソー
ス,ドレイン電極形成後、初期の特性を評価してゆらぎ
の場所と量を特定し、高エネルギー条件下でゲート電極
を通してシングルイオン注入を行なって、予めゆらぎの
生じた半導体デバイスの電気的特性を補正しようとす
る、ゆらぎを抑制した半導体装置を提供することにあ
る。
Another object of the present invention is to evaluate the initial characteristics after forming the gate, source and drain electrodes, specify the location and amount of fluctuation, and perform single ion implantation through the gate electrode under high energy conditions. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor device in which fluctuations are suppressed in order to correct electric characteristics of a semiconductor device in which fluctuations have occurred in advance.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明発明の構成は以下に示す通りである。即ち、シ
ングルイオン注入装置により発生したシングルイオンを
半導体中にシングルイオン注入することによって、半導
体中に含まれる不純物原子数のゆらぎを抑制したことを
特徴とする、ゆらぎを抑制した半導体装置としての構成
を有する。
The structure of the present invention to achieve the above object is as follows. That is, a single ion implanted by a single ion implanter is implanted into a semiconductor to suppress the fluctuation of the number of impurity atoms contained in the semiconductor by implanting a single ion into the semiconductor. Having.

【0015】或いはまた、シングルイオン注入装置によ
る発生したシングルイオンをMOSFETのチャネル領
域にシングルイオン注入することによって、前記チャネ
ル領域に含まれ不純物原子数のゆらぎを抑制したことを
特徴とする、ゆらぎを抑制した半導体装置としての構成
を有する。
Alternatively, the fluctuation of the number of impurity atoms contained in the channel region is suppressed by implanting a single ion generated by the single ion implantation apparatus into the channel region of the MOSFET. It has a configuration as a suppressed semiconductor device.

【0016】或いはまた、シングルイオン注入装置によ
り発生したシングルイオンを、CMOSFETのnチャ
ネル領域及びpチャネル領域にそれぞれシングルイオン
注入することによって、前記nチャネル領域及び前記p
チャネル領域にそれぞれ含まれる不純物原子数のゆらぎ
を抑制したことを特徴とする、ゆらぎを抑制した半導体
装置としての構成を有する。
Alternatively, single ions generated by a single ion implanter are implanted into the n-channel region and the p-channel region of the CMOSFET, respectively.
The semiconductor device has a configuration in which fluctuation of the number of impurity atoms included in each of the channel regions is suppressed, and the fluctuation is suppressed.

【0017】或いはまた、シングルイオン注入装置によ
り発生したシングルイオンを半導体中にシングルイオン
注入することによって、半導体中に含まれる不純物原子
数のゆらぎを抑制するとともに、半導体中の不純物原子
数を補正してコンダクタンスもしくはインダクタンスも
しくはキャパシタンスを均一化したことを特徴とする、
ゆらぎを抑制した半導体装置としての構成を有する。
Alternatively, a single ion generated by a single ion implantation apparatus is implanted into a semiconductor by single ion implantation, thereby suppressing fluctuation of the number of impurity atoms contained in the semiconductor and correcting the number of impurity atoms in the semiconductor. Characterized in that conductance or inductance or capacitance has been made uniform by
The semiconductor device has a configuration in which fluctuation is suppressed.

【0018】或いはまた、シングルイオン注入装置によ
り発生したシングルイオンをMOSFETのチャネル領
域にシングルイオン注入することによって、前記チャネ
ル領域に含まれる不純物原子数のゆらぎを抑制した半導
体装置において、前記チャネル領域にシングルイオン注
入する工程は、ゲート酸化膜形成後に、前記ゲート酸化
膜を通して実施して、前記シングルイオン注入によって
閾値設定用チャネルドーピングが行なわれたことを特徴
とする、ゆらぎを抑制した半導体装置としての構成を有
する。
Alternatively, in a semiconductor device in which the fluctuation of the number of impurity atoms contained in the channel region is suppressed by implanting single ions generated by a single ion implantation device into the channel region of the MOSFET, The step of implanting a single ion is performed through the gate oxide film after the formation of the gate oxide film, and the threshold setting channel doping is performed by the single ion implantation. Having a configuration.

【0019】或いはまた、シングルイオン注入装置によ
り発生したシングルイオンをMOSFETのチャネル領
域にシングルイオン注入することによって、前記チャネ
ル領域に含まれる不純物原子数のゆらぎを抑制した半導
体装置において、前記チャネル領域にシングルイオンを
注入する工程は、素子分離工程後であって、ゲート酸化
膜の形成前に実施して、前記シングルイオン注入によっ
閾値設定用チャネルドーピングが行なわれたことを特徴
とする、ゆらぎを抑制した半導体装置としての構成を有
する。
Alternatively, in a semiconductor device in which fluctuation of the number of impurity atoms contained in the channel region is suppressed by implanting single ions generated by a single ion implantation device into a channel region of the MOSFET, The step of implanting a single ion is performed after the element isolation step and before the formation of the gate oxide film, and the threshold setting channel doping is performed by the single ion implantation. It has a configuration as a suppressed semiconductor device.

【0020】或いはまた、シングルイオン注入装置によ
り発生したシングルイオンをCMOSFETのnチャネ
ル領域及びpチャネル領域にそれぞれシングルイオン注
入することによって、前記nチャネル領域及び前記pチ
ャネル領域にそれぞれ含まれる不純物原子数のゆらぎを
抑制した半導体装置において、前記nチャネル領域及び
前記pチャネル領域にそれぞれシングルイオン注入する
工程は、素子分離工程後であって、ゲート酸化膜の形成
前に実施して、前記シングルイオン注入によって、それ
ぞれ閾値設定用nチャネルドーピング及びpチャネルド
ーピングが行なわれたことを特徴とする、ゆらぎを抑制
した半導体装置としての構成を有する。
Alternatively, single ions generated by a single ion implanter are implanted into the n-channel region and the p-channel region of the CMOSFET, respectively, to thereby reduce the number of impurity atoms contained in the n-channel region and the p-channel region, respectively. The step of implanting single ions into the n-channel region and the p-channel region is performed after the element isolation step and before forming the gate oxide film. Accordingly, the semiconductor device has a configuration as a semiconductor device in which fluctuation is suppressed, characterized in that threshold setting n-channel doping and p-channel doping are respectively performed.

【0021】或いはまた、シングルイオン注入装置によ
り発生したシングルイオンをMOSFETのチャネル領
域にシングルイオン注入することによって、前記チャネ
ル領域に含まれる不純物原子数のゆらぎを抑制した半導
体装置において、前記チャネル領域にシングルイオン注
入する工程は、ゲート,ソース,ドレイン電極形成後に
電気的特性を評価してゆらぎの場所と量を特定した後、
高エネルギー条件で前記ゲート電極を通して実施するこ
とを特徴とする、ゆらぎを抑制した半導体装置としての
構成を有する。
Alternatively, in a semiconductor device in which fluctuation of the number of impurity atoms contained in the channel region is suppressed by implanting single ions generated by a single ion implantation device into the channel region of the MOSFET, In the step of single ion implantation, after forming the gate, source and drain electrodes, the electrical characteristics are evaluated to determine the location and amount of fluctuation,
The semiconductor device has a configuration as a semiconductor device in which fluctuation is suppressed, which is performed through the gate electrode under a high energy condition.

【0022】或いはまた、シングルイオン注入装置によ
り発生したシングルイオンをCMOSFETのnチャネ
ル領域及びpチャネル領域にそれぞれシングルイオン注
入することによって、前記nチャネル領域及び前記pチ
ャネル領域にそれぞれ含まれる不純物原子数のゆらぎを
抑制した半導体装置において、前記nチャネル領域及び
前記pチャネル領域にそれぞれシングルイオン注入する
工程は、前記CMOSFETのゲート,ソース,ドレイ
ン電極形成後に電気的特性を評価してゆらぎの場所と量
を特定した後、高エネルギー条件で前記ゲート電極を通
して実施することを特徴とする、ゆらぎを抑制した半導
体装置としての構成を有する。
Alternatively, single ions generated by a single ion implanter are implanted into the n-channel region and the p-channel region of the CMOSFET, respectively, to thereby reduce the number of impurity atoms contained in the n-channel region and the p-channel region. In the semiconductor device in which the fluctuation of the current is suppressed, the step of implanting a single ion into each of the n-channel region and the p-channel region is performed by evaluating the electrical characteristics after forming the gate, source, and drain electrodes of the CMOSFET and evaluating the location and amount of the fluctuation. After that, the method is performed through the gate electrode under a high energy condition, and has a configuration as a semiconductor device in which fluctuation is suppressed.

【0023】本発明の適用範囲は、極めて広い。例え
ば、半導体大規模集積回路を構成するDRAM,SRA
M,EEPROM,Flashメモリ,CMOS,Bi−C
MOS,FRAMの制御を担うトランジスタ、或いはバ
イポーラトランジスタ,サイリスタ,GTO,IGB
T、或いはMESFET,MOSFET,部分空乏型S
OIMOSFET,完全空乏型SOIMOSFET、或
いはCCD,CID等のイメージセンサを構成するピク
セル用デバイス、或いは2次元電子ガス系デバイス、或
いは単一電子トランジスタ、或いは量子細線,量子箱,
量子ドット系デバイス、或いはレーザダイオード(L
D),LED等の発光デハイス、或いは受光デバイス、
或いは発光−受光デバイス、或いはヘテロ接合バイポー
ラトランジスタ等の化合物半導体デバイス、或いはジョ
セフソン素子等の超伝導素子、或いは総括的にあらゆる
半導体、超伝導体を利用する抵抗,インダクタ,キャパ
シタ,ダイオード,三端子デバイス,四端子デハイス等
に適用可能である。特にシングルイオン注入技術により
発生したシングルイオンを半導体中に1個1個シングル
イオン注入することよって、半導体中に含まれる不純物
原子数のゆらぎを抑制することによって性能改善が期待
されるすべての半導体装置が含まれる。
The application range of the present invention is extremely wide. For example, DRAM, SRA constituting a semiconductor large-scale integrated circuit
M, EEPROM, Flash memory, CMOS, Bi-C
Transistor for controlling MOS and FRAM, or bipolar transistor, thyristor, GTO, IGB
T or MESFET, MOSFET, partially depleted S
OIMOSFETs, fully depleted SOIMOSFETs, pixel devices constituting image sensors such as CCDs and CIDs, two-dimensional electron gas devices, single electron transistors, quantum wires, quantum boxes,
Quantum dot device or laser diode (L
D), a light emitting device such as an LED, or a light receiving device;
Alternatively, a light-emitting / light-receiving device, a compound semiconductor device such as a heterojunction bipolar transistor, or a superconducting element such as a Josephson device, or a resistor, an inductor, a capacitor, a diode, or a three-terminal generally using any semiconductor or superconductor. It can be applied to devices, four-terminal dehice, etc. In particular, all semiconductor devices that are expected to improve performance by suppressing fluctuations in the number of impurity atoms contained in the semiconductor by implanting single ions one by one into the semiconductor by single ions generated by the single ion implantation technique. Is included.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】図1は本発明のゆらぎを抑制した
半導体装置における動作原理を模式的に示した図であ
る。半導体デバイスの微細化に伴なう不純物原子のゆら
ぎとシングルイオン注入法によるゆらぎ補正の様子を模
式的に説明している。即ち、図1において、1はシリコ
ンウエハー、2はシリコンチップ、3はMOSFET集
積回路、4−1,4−2,4−3はチャネル領域、5,
6,9は説明のための矢印、7はシングルイオン注入装
置(模式的表示)、8はシングルイオンを示す。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a diagram schematically showing the principle of operation of a semiconductor device according to the present invention in which fluctuation is suppressed. It schematically illustrates the fluctuation of impurity atoms due to miniaturization of a semiconductor device and the state of fluctuation correction by a single ion implantation method. That is, in FIG. 1, 1 is a silicon wafer, 2 is a silicon chip, 3 is a MOSFET integrated circuit, 4-1, 4-2, 4-3 are channel regions, 5,
6 and 9 are arrows for explanation, 7 is a single ion implanter (schematic display), and 8 is a single ion.

【0025】図1について説明する。シリコンウエハー
1内のシリコンチップ2にはMOSFET集積回路3が
含まれており、これらのMOSFET集積回路3を構成
するMOSFETのチャネル領域4は、矢印5で示す方
向の半導体デバイスの微細化に伴ない、4−1,4−
2,4−3に示される如く微細化される。黒丸(●)は
チャネル領域4−1,4−2,4−3に含まれる不純物
原子11を模式的に示している。半導体デバイスの微細
化に伴ない、不純物領原子11はチャネル中でばらつき
が生ずる。特にチャネル領域4−1に比べ微細化された
チャネル領域4−3中では、不純物原子11が存在する
チャネル領域と、全く存在しないチャネル領域がある。
このように半導体デバイスりの微細化に伴ない、矢印6
で示すように不純物原子数のゆらぎも増加することにな
る。このことが、微細化MOSFETデバイスの電気的
特性、特に閾値電圧Vth等のばらつきを発生する。そこ
で、矢印9に示す如く、シングルイオン注入法による不
純物原子数の補正を行なうことが、本発明の動作原理で
ある。即ち、シングルイオン注入装置(模式的表示)7
によって発生したシングルイオン8を微細化された各々
のチャネル領域4−3中にシングルイオン注入して、不
純物原子数のゆらぎを補正しようとするものである。シ
ングルイオン注入されたシングルイオン8は図1では白
丸(○)で示されている。シングルイオン注入法により
不純物原子数の補正を行なったシリコンウエハー1で
は、MOSFET等の半導体デバイスの活性なチャネル
領域4−1,4−2,4−3における不純物原子数が均
一化される。特に微細化MOSFETにおいて、デバイ
ス電気特性のばらつきを抑制する点で極めて有効な技術
を本発明は提供するものである。
Referring to FIG. The silicon chips 2 in the silicon wafer 1 include the MOSFET integrated circuits 3, and the channel regions 4 of the MOSFETs constituting these MOSFET integrated circuits 3 are accompanied by miniaturization of the semiconductor device in the direction indicated by the arrow 5. , 4-1 and 4-
It is miniaturized as shown in 2, 4-3. Black circles (●) schematically show the impurity atoms 11 contained in the channel regions 4-1, 4-2, and 4-3. With the miniaturization of semiconductor devices, the impurity region atoms 11 vary in the channel. In particular, in the channel region 4-3 which is finer than the channel region 4-1, there are a channel region in which the impurity atoms 11 exist and a channel region in which the impurity atoms 11 do not exist at all.
As described above, with the miniaturization of semiconductor devices, arrows 6
As shown by, the fluctuation of the number of impurity atoms also increases. This causes variations in the electrical characteristics of the miniaturized MOSFET device, particularly the threshold voltage Vth . Therefore, as shown by the arrow 9, the operation principle of the present invention is to correct the number of impurity atoms by the single ion implantation method. That is, a single ion implanter (schematic display) 7
Single ions 8 are implanted into each of the miniaturized channel regions 4-3 to correct fluctuations in the number of impurity atoms. The single ion 8 into which the single ion has been implanted is indicated by a white circle (○) in FIG. In the silicon wafer 1 in which the number of impurity atoms has been corrected by the single ion implantation method, the number of impurity atoms in active channel regions 4-1, 4-2, and 4-3 of a semiconductor device such as a MOSFET is made uniform. In particular, the present invention provides a technique which is extremely effective in suppressing variations in device electrical characteristics in a miniaturized MOSFET.

【0026】図2及び図3は本発明のゆらぎを抑制した
半導体装置において、MOSFETのチャネル領域へシ
ングルイオン注入を実施した結果、コンダクタンスが均
一化、抵抗値のトリミングが実行される様子を示す。図
2はシングルイオン注入技術が適用されたMOSFET
の主としてチャネル領域部分のSEM写真である。チャ
ネル幅0.3μm、ソース領域及びドレイン領域が示さ
れている。図1に示したシリコンウエハー1上に多数製
造されたシリコンチップ2内のMOSFET集積回路3
を構成するこのようなMOSFETにおいてチャネル領
域4におけるコンダクタンスを横軸にとり、縦軸に度数
をとったグラフを模式的に示した図が図3である。シン
グルイオン注入前、即ち、チャネル領域4内における不
純物原子のばらつきを補償する前においてはコンダクタ
ンスは図3中に示すように相当程度ばらついている。こ
れに対して、チャネル領域4に対してシングルイオン注
入を実施すると、図3中に示す如く、コンダクタンスの
ばらつきを抑えることができる。即ち、MOSFET間
でチャネル領域4における不純物原子数のばらつきを相
当程度抑制することができる。
FIGS. 2 and 3 show a state in which the conductance is made uniform and the resistance value is trimmed as a result of performing single ion implantation into the channel region of the MOSFET in the semiconductor device of the present invention in which fluctuation is suppressed. Figure 2 shows a MOSFET to which the single ion implantation technology is applied.
3 is an SEM photograph mainly of a channel region portion. The channel width is 0.3 μm, and the source and drain regions are shown. MOSFET integrated circuit 3 in silicon chip 2 manufactured in large numbers on silicon wafer 1 shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a graph in which the conductance in the channel region 4 is plotted on the horizontal axis and the frequency is plotted on the vertical axis in such a MOSFET constituting the MOSFET. Before the single ion implantation, that is, before compensating the variation of the impurity atoms in the channel region 4, the conductance varies considerably as shown in FIG. In contrast, when single ion implantation is performed on the channel region 4, variation in conductance can be suppressed as shown in FIG. That is, variation in the number of impurity atoms in the channel region 4 between MOSFETs can be suppressed to a considerable extent.

【0027】本発明のゆらぎを抑制した半導体装置の主
要な実施の形態は、以下の通りである。即ち、半導体中
にシングルイオン注入することによって、半導体中に含
まれる不純物原子数のゆらぎを抑制した半導体装置であ
る。抵抗,キャパシタ,インダクタ,ダイオード,三端
子デバイス,四端子デバイス,MOSFET,MESF
ET,CMOSFET,2次元電子ガス系デバイス,レ
ーザーダイオード,発光ダイオード,受光素子,受光−
発光素子,CCD等のイメージセンサデバイス,量子細
線,量子箱,量子ドット,量子井戸構造を有するデバイ
ス,単一電子トランジスタ,バイポーラトランジスタ,
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ,サイリスタ,GT
O,IGBT,MCT,超伝導素子等に適用することに
よって、不純物原子数のゆらぎを抑制した半導体装置を
提供することができる。特に基本単位素子を多数配列す
る構成の集積化デバイス,集積化受光デバイス,集積化
発光デバイス,集積化パワーデバイス等で、個々の基本
単位素子の特性のばらつきを本発明によって抑制するこ
とができることから、性能向上が大きく期待される。抵
抗,キャパシタ,インダクタ等の基本素子も本発明のゆ
らぎを抑制した半導体装置によって実施することができ
る。このような基本素子におけるばらつきを抑制できる
ことから、A/D,D/Aコンバータ、オペレーショナ
ルアンプリファイヤ等のリニア集積回路への適用も有効
である。或いはまた、シングルイオンのイオンセンサ,
医療用各種センサを高感度に実現することもできる。
The main embodiments of the semiconductor device of the present invention in which the fluctuation is suppressed are as follows. That is, a semiconductor device in which fluctuation of the number of impurity atoms contained in a semiconductor is suppressed by implanting single ions into the semiconductor. Resistance, capacitor, inductor, diode, three-terminal device, four-terminal device, MOSFET, MESF
ET, CMOSFET, two-dimensional electron gas device, laser diode, light emitting diode, light receiving element, light receiving
Light-emitting device, image sensor device such as CCD, quantum wire, quantum box, quantum dot, device having quantum well structure, single electron transistor, bipolar transistor,
Heterojunction bipolar transistor, thyristor, GT
By applying the present invention to O, IGBT, MCT, superconducting element, and the like, a semiconductor device in which fluctuation in the number of impurity atoms is suppressed can be provided. In particular, in an integrated device, an integrated light receiving device, an integrated light emitting device, an integrated power device, and the like having a configuration in which a large number of basic unit elements are arranged, variations in characteristics of individual basic unit elements can be suppressed by the present invention. It is expected to greatly improve performance. Basic elements such as resistors, capacitors, and inductors can also be implemented by the semiconductor device of the present invention in which fluctuations are suppressed. Since such variations in the basic elements can be suppressed, application to linear integrated circuits such as A / D, D / A converters, and operational amplifiers is also effective. Alternatively, a single ion ion sensor,
Various medical sensors can be realized with high sensitivity.

【0028】本発明の構成を実施する上で重要なシング
ルイオン注入装置については、原理的に、イオンビーム
を、偏向板に印加するチョッパ電圧によって、偏向させ
て、チョッピングにより、スリットを通してシングルイ
オンを抽出するチョッピング法と、シングルイオン抽出
用アパチャーにパルス電圧を印加してイオン流通過領域
におけるポテンシャル分布を電界制御して、シングルイ
オンを抽出する電界制御法とが存在する。チョッピング
法では照射精度は現在までの所サブミクロンオーダーで
あり、電界制御法ではイオンビームの軌道が振れないこ
とから、より高精細にシングルイオン注入可能であり、
ナノメートルオーダーの照準精度が実現されている。
With respect to a single ion implantation apparatus which is important in implementing the structure of the present invention, in principle, an ion beam is deflected by a chopper voltage applied to a deflection plate, and a single ion is passed through a slit by chopping. There are a chopping method for extraction and an electric field control method for extracting a single ion by applying a pulse voltage to a single ion extraction aperture to control an electric field in a potential distribution in an ion flow passage region. The irradiation accuracy of the chopping method has been on the submicron order so far, and the orbit of the ion beam does not fluctuate in the electric field control method, so single ion implantation with higher definition can be performed.
Aiming accuracy on the order of nanometers has been achieved.

【0029】いずれのシングルイオン注入装置を使用す
るかについては、対象とする半導体装置の寸法及び要求
される寸法精度によって適宜選択することができる。例
えば、10nmオーダーの量子細線や量子箱を製造する
際にシングルイオン注入技術を利用する場合には、電界
制御法が適している。100nmオーダーのチャネル
長,チャネル幅を有するMOSFETの製造の場合にも
電界制御法が適している。一方、ミクロンオーダーもし
くはサブミクロンオーダーの場合には、チョッピング法
に基づくシングルイオン注入装置を採用することができ
る。
Which single ion implantation apparatus is used can be appropriately selected depending on the dimensions of the target semiconductor device and the required dimensional accuracy. For example, when a single ion implantation technique is used to manufacture a 10 nm-order quantum wire or quantum box, an electric field control method is suitable. The electric field control method is also suitable for manufacturing a MOSFET having a channel length and a channel width on the order of 100 nm. On the other hand, in the case of micron order or submicron order, a single ion implantation apparatus based on the chopping method can be adopted.

【0030】[0030]

【実施例】図4及び図5は本発明のゆらぎを抑制した半
導体装置を形成する際に、必須の構成要件としてのシン
グルイオン注入装置の模式的構成図を示す。図4はビー
ムチョッピング法を採用した例である。図5はシングル
イオン抽出用アパチャーにパルス電圧を印加してイオン
流通過領域のポテンシャル分布を電界制御してシングル
イオンを抽出する電界制御法を採用した例である。
FIGS. 4 and 5 are schematic structural views of a single ion implantation apparatus which is an essential component when forming a semiconductor device in which fluctuations are suppressed according to the present invention. FIG. 4 shows an example employing the beam chopping method. FIG. 5 shows an example in which a pulse voltage is applied to a single ion extraction aperture to control the potential distribution in the ion flow passage region with an electric field to extract a single ion.

【0031】イオンマイクロプローブを利用したイオン
注入装置において、特に狙った部位にイオン1個もしく
は制御された所定数イオンを精度良く照射するシングル
イオンもしくは制御された所定数イオン照射が可能なイ
オン照射装置及び方法に関しては、大泊巌,杉森正章,
村山純一,黄明植,則武克誌,松川貴,清水博明によっ
て提案され、特公平7−75156号公報「イオン照射
装置及び方法」(特許第2051859号(登録日平成
8年(1996年)5月10日))に開示されている。
同様に米国特許第5,331,161号明細書(登録日
1994年7月19日)に開示されている。
In an ion implantation apparatus using an ion microprobe, an ion irradiation apparatus capable of irradiating a single ion or a controlled predetermined number of ions with high accuracy to a target portion, in particular, a single ion or a controlled predetermined number of ions. And Iwao Ohdomari, Masaaki Sugimori,
It is proposed by Junichi Murayama, Huang Ming, Noritake, Takashi Matsukawa, Hiroaki Shimizu, and Japanese Patent Publication No. 7-75156, "Ion irradiation apparatus and method" (Patent No. 2051859 (registered date May 10, 1996). Day)).
Also disclosed in U.S. Pat. No. 5,331,161 (registered July 19, 1994).

【0032】更にまた、集束イオンビーム(FIB)も
しくはイオンマイクロプローブによるマイクロイオンビ
ーム(MIB)を利用したイオン注入装置において、特
に狙った部位に所定の照射精度でイオン1個もしくは制
御された所定数イオンを精度良く注入するシングルイオ
ンもしくは制御された所定数イオン注入が可能なシング
ルイオン装置及び方法に関しても、大泊巌によって提案
され、特許第2731886号(登録日平成9年(19
97年)12月26日)に開示されている。同様に米国
特許第5,539,203号明細書(登録日1996年
7月23日)に開示されている。
Furthermore, in an ion implantation apparatus using a focused ion beam (FIB) or a micro ion beam (MIB) using an ion microprobe, one ion or a controlled number of ions is irradiated to a target portion with a predetermined irradiation accuracy. A single ion apparatus and a single ion apparatus capable of accurately implanting ions or a single ion capable of controlling a predetermined number of ions are also proposed by Iwao Ohdomari and disclosed in Japanese Patent No. 2731886 (registered date 1997 (19)
1997) (December 26). Also disclosed in U.S. Pat. No. 5,539,203 (registered Jul. 23, 1996).

【0033】電界制御法による高精細シングルイオン注
入装置について、大泊巌,品田賢宏,黄明植,石川敦貴
により提案、実現され、特願平11−187323号
「高精細シングルイオン抽出方法及び該方法を適用した
高精細シングルイオン注入装置及び方法」として平成1
1年7月1日付けにて出願されている。
A high-definition single ion implantation apparatus based on an electric field control method has been proposed and realized by Iwao Ohdomari, Yoshihiro Shinada, Huang Ming, and Atsushi Ishikawa. High-Definition Single Ion Implantation Apparatus and Method Applying Method "
Filed on July 1, 1 year.

【0034】図4及び図5に示したシングルイオン注入
装置の動作、及び各部の構成については上記先行技術に
詳細に記載されているため説明は省略する。特徴的な点
は、図4のチョッピング法では、2次電子検出器によっ
て検出した2次電子の信号によって、チョッパコントロ
ーラがチョッピング偏向板への印加電圧を制御している
のに対して、図5の電界制御法では、2次電子検出器に
よって検出した2次電子の信号によって、チョッパコン
トローラがシングルイオン抽出用アパチャーへの印加電
圧を制御している点にある。
The operation of the single ion implantation apparatus shown in FIG. 4 and FIG. 5 and the configuration of each part are described in detail in the above-mentioned prior art, so that the description is omitted. A characteristic point is that in the chopping method of FIG. 4, the chopper controller controls the voltage applied to the chopping deflection plate by the signal of the secondary electrons detected by the secondary electron detector. In the electric field control method, the chopper controller controls the voltage applied to the single ion extraction aperture based on the secondary electron signal detected by the secondary electron detector.

【0035】(実施例1)図6及び図7は本発明の第1
の実施例としてのゆらぎを抑制した半導体装置の模式的
構成図を示す。SOI構造のMOSFETに対応してい
る。上部に配置されるゲート電極は説明の都合上、図6
及び7の例では省略してある。図6は鳥瞰図であり、図
7は断面構造図である。図6及び7において、チャネル
長は2μm,チャネル幅は1μmであり、2μm×1μ
mのチャネル領域4に対し、0.5μm×0.5μmの
小領域に分割されたチャネル領域を設定してシングルイ
オン注入を実施して、均一化を図り、不純物原子数ゆら
ぎを補正した。後述するようにシングルイオン注入によ
る注入イオン数とフラットバンド電圧の関係、及び注入
イオン数とコンダクタンスの関係を調べ、本発明のゆら
ぎを抑制した半導体装置のゆらぎ抑制効果を確認した。
以下に詳細に説明する。
(Embodiment 1) FIGS. 6 and 7 show a first embodiment of the present invention.
1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as an example of FIG. It corresponds to MOSFET of SOI structure. The gate electrode arranged at the top is shown in FIG.
And are omitted in the examples of FIG. FIG. 6 is a bird's-eye view, and FIG. 7 is a sectional structural view. 6 and 7, the channel length is 2 μm, the channel width is 1 μm, and 2 μm × 1 μm.
With respect to the channel region 4 of m, a channel region divided into small regions of 0.5 μm × 0.5 μm was set, and single ion implantation was performed to achieve uniformity and correct fluctuation of the number of impurity atoms. As will be described later, the relationship between the number of implanted ions by single ion implantation and the flat band voltage, and the relationship between the number of implanted ions and conductance were examined, and the effect of the present invention of suppressing the fluctuation of the semiconductor device was confirmed.
This will be described in detail below.

【0036】図6及び7において、基板バイアス電圧V
BGは0〜6Vと変化させている。上部のゲート電極は、
図6及び7では前述の如く省略しているが、SOIMO
SFETとしては具備されている。図6及び7におい
て、8はシングルイオン、xは上部SiO2 の表面を0
とする深さ方向の座標軸、10はソース,ドレイン領域
用のオーミックコンタクト,12は上部シリコン層であ
って、n- 層であり、13は埋込みSiO2 、14はシ
リコン基板、15は0.5μm×0.5μmのシングル
イオン注入領域、16はSIMOX基板全体を示し、1
7は上部SiO2 、30,31は上部シリコン層12中
に形成されたn+ 領域としてのソース領域,ドレイン領
域を示す。上部SiO2 17は厚さ25nm、上部シリ
コン層12は厚さ90nm、埋込みSiO2 13は厚さ
90nmを有する。尚、図6には4探針法によるコンダ
クタンスgの測定評価のための電極も配置されている
が、MOSFETに必須のものでないことはもちろんで
ある。
6 and 7, the substrate bias voltage V
BG is varied from 0 to 6V. The upper gate electrode is
Although omitted as described above in FIGS. 6 and 7, the SOIMO
It is provided as an SFET. 6 and 7, 8 is a single ion, and x is the surface of the upper SiO 2
10 is an ohmic contact for source and drain regions, 12 is an upper silicon layer, an n layer, 13 is embedded SiO 2 , 14 is a silicon substrate, and 15 is 0.5 μm × 0.5 μm single ion implantation region, 16 indicates the entire SIMOX substrate,
Reference numeral 7 denotes an upper SiO 2 , and reference numerals 30 and 31 denote a source region and a drain region as n + regions formed in the upper silicon layer 12. The upper SiO 2 17 has a thickness of 25 nm, the upper silicon layer 12 has a thickness of 90 nm, and the buried SiO 2 13 has a thickness of 90 nm. Although electrodes for measuring and evaluating the conductance g by the four-probe method are also arranged in FIG. 6, it is needless to say that the electrodes are not essential to the MOSFET.

【0037】2価のPイオンをSIMOX基板16を用
いて作製されたnMOSFET(バックゲートMOSF
ETと考えてもよい)のチャネル領域4(1μm×2μ
m)に60keVの加速エネルギーでシングルイオン注
入した。デバイスサイズのばらつきの影響を避けるため
に、上記では比較的サイズの大きいnMOSFETで実
験しているが、更に微細デバイスを用いてもよいことは
明らかである。図6及び7に示すように、0.5μmピ
ッチで、10個〜250個のイオンをシングルイオン注
入装置を用いて1個1個サブミクロン半導体領域(0.
5μm×0.5μm)にイオン注入した。実際にチャネ
ル領域4にイオン注入されるイオン数は、2次電子検出
率と上部シリコン層12に留まる割合によって決定され
る。これらの詳細については以下の文献、T.Shinada,A.
Ishikawa,M.Fujita,K.Yamashita and I.Ohdomari,Jpn.
J.Appl.Phys, 38(1999)に述べられいてる。
An nMOSFET (back gate MOSF) fabricated by using a SIMOX substrate 16 with divalent P ions
ET) channel region 4 (1 μm × 2 μm)
m), single ions were implanted at an acceleration energy of 60 keV. In order to avoid the influence of the device size variation, an experiment was conducted with an nMOSFET having a relatively large size, but it is apparent that a finer device may be used. As shown in FIGS. 6 and 7, 10 to 250 ions are each submicron semiconductor region (0... 0) at 0.5 .mu.m pitch using a single ion implanter.
(5 μm × 0.5 μm). The number of ions actually implanted into the channel region 4 is determined by the secondary electron detection rate and the rate of staying in the upper silicon layer 12. For details of these, see the following literature, T. Shinada, A.
Ishikawa, M. Fujita, K. Yamashita and I. Ohdomari, Jpn.
J. Appl. Phys, 38 (1999).

【0038】注入イオンを電気的に活性化するために、
900℃,5min.の条件で試料をN2 中で熱処理し
た。ソース・ドレイン電圧VD が0.1Vと一定の条件
下で、ドレイン電流ID の基板バイアス電圧VBG依存性
を評価した結果を図8に示す。図8においては、3つの
曲線のパラメータは注入イオン数[(0.5μm)-2] が
10個,25個,100個であることに対応している。
図8に示すID −VBG特性の直線部分のVBG軸への外挿
からフラットバンド電圧VFBを評価して、フラットバン
ド電圧VFBと注入イオン数[(0.5μm)-2] の関係を
調査した。図8においては、注入イオン数[(0.5μ
m)-2] が10個,25個,100個に対して、それぞ
れフラットバンド電圧VFB(V)は3.15V,3.0
6V,2.66Vと見積もることができる。即ち、フラ
ットバンド電圧VFBは注入イオン数の増加とともに減少
している。
In order to electrically activate the implanted ions,
900 ° C., 5 min. The sample was heat-treated in N 2 under the following conditions. Source-drain voltage V D is a 0.1V under certain conditions, the results of evaluation of the substrate bias voltage V BG independent of the drain current I D in Figure 8. In FIG. 8, the parameters of the three curves correspond to the number of implanted ions [(0.5 μm) −2 ] of 10, 25, and 100.
The flat band voltage V FB is evaluated by extrapolating the linear portion of the ID- V BG characteristic shown in FIG. 8 to the V BG axis, and the flat band voltage V FB and the number of implanted ions [(0.5 μm) −2 ] The relationship was investigated. In FIG. 8, the number of implanted ions [(0.5 μm
m) -2 ] are 10, 25, and 100, respectively, and the flat band voltages V FB (V) are 3.15 V and 3.0, respectively.
6V and 2.66V can be estimated. That is, the flat band voltage V FB decreases as the number of implanted ions increases.

【0039】図9はこのような結果に基づく、フラット
バンド電圧VFBと注入イオン数[(0.5μm)-2] の関
係を示す。これより、注入イオン数の増加とともに、フ
ラットバンド電圧VFBが線形に減少することを確認し
た。この結果は、シングルイオン注入法によって10個
オーダーの不純物原子数の制御が実現されていることを
示している。図9の傾きは、イオン1個が寄与するフラ
ットバンド電圧VFBの減少分を表しており、 −4.5mV/ion[(0.5μm)-2] と評価することができた。この数値は後述する計算によ
って、見積もられる値 −6〜−2mV/ion[(0.5μm)-2] の範囲内にある。図9のy切片としてのVFB=3.2V
は界面準位によるポテンシャルの上昇を抑制するために
必要な電圧と評価することができる。図9にはドーズ量
[cm-2] についても表示されている。
FIG. 9 shows the relationship between the flat band voltage V FB and the number of implanted ions [(0.5 μm) −2 ] based on such a result. From this, it was confirmed that the flat band voltage V FB decreased linearly with the increase in the number of implanted ions. This result indicates that the control of the number of impurity atoms on the order of 10 is realized by the single ion implantation method. Slope of 9, one ion represents a decrease of contributing flat band voltage V FB, -4.5mV / ion - could be evaluated as [(0.5μm) 2]. This number by calculation to be described later, estimated values -6~-2mV / ion - in the range of [(0.5μm) 2]. V FB = 3.2 V as y-intercept in FIG.
Can be evaluated as a voltage necessary to suppress a rise in potential due to an interface state. Figure 9 shows the dose
[cm -2 ] is also displayed.

【0040】次に、4探針法により、コンダクタンスg
を評価した結果を図10に示す。界面準位によるポテン
シャルの上昇を抑制するために、基板バイアス電圧VBG
=3.2Vを印加した条件下でコンダクタンスgを測定
した。コンダクタンスg [μS] と注入イオン数[(0.
5μm)-2] の関係を図10に示す。注入イオン数
[(0.5μm)-2] の増加とともに、コンダクタンスg
[μS] は線形に増加することを確認した。このことは
シングルイオン注入技術によって10個オーダーのドー
パント個数制御が実現されていることを示している。ま
た、図10の傾きから、イオン1個当たりのコンダクタ
ンス増加分は、 17.9nS/ion[(0.5μm)-2] と評価することができた。この数値は後述する計算値 21.9nS/ion[(0.5μm)-2] とほぼ一致している。図10中にはドーズ量 [cm-2]
についても表示されている。
Next, the conductance g is determined by the four probe method.
Are shown in FIG. In order to suppress the potential rise due to the interface state, the substrate bias voltage V BG
= 3.2 V was applied and the conductance g was measured. The conductance g [μS] and the number of implanted ions [(0.
5 μm) −2 ] is shown in FIG. Number of implanted ions
With the increase of [(0.5 μm) -2 ], the conductance g
[μS] was confirmed to increase linearly. This indicates that the control of the number of dopants on the order of 10 is realized by the single ion implantation technique. Further, from the slope of FIG. 10, the increase in conductance per ion could be evaluated as 17.9 nS / ion [(0.5 μm) −2 ]. This numerical value substantially coincides with a calculated value 21.9 nS / ion [(0.5 μm) −2 ] described later. In FIG. 10, the dose [cm -2 ]
Is also displayed.

【0041】基板バイアス電圧VBGがバンド構造に与え
る影響を評価するために、デバイスシミュレーターPI
SCES−IIを用いて本発明の第1の実施例としてのゆ
らぎを抑制した半導体装置におけるチャネル領域4のポ
テンシャル構造を計算により求めた。計算では、VD
0.1Vに設定し、図7中に示した3つの界面、即ち、 界面1 上部SiO2 (17)/上部シリコン層(12) 界面2 上部シリコン層(12)/埋込みSiO2 (13) 界面3 埋込みSiO2 (13)/シリコン基板(14) における界面準位密度を等しいと仮定した。シミュレー
ションに用いた界面準位密度と基板バイアス電圧VBG
パラメータを表1にまとめる。
In order to evaluate the effect of the substrate bias voltage V BG on the band structure, a device simulator PI
The potential structure of the channel region 4 in the fluctuation-suppressed semiconductor device according to the first embodiment of the present invention was calculated using SCES-II. In the calculation, V D =
The voltage was set to 0.1 V, and the three interfaces shown in FIG. 7 were obtained, namely, interface 1 upper SiO 2 (17) / upper silicon layer (12) interface 2 upper silicon layer (12) / buried SiO 2 (13) interface 3 It was assumed that the interface state densities in the buried SiO 2 (13) / silicon substrate (14) were equal. Table 1 summarizes the parameters of the interface state density and the substrate bias voltage VBG used in the simulation.

【0042】[0042]

【表1】 [Table 1]

【0043】表1に示したケース(1),ケース
(2),ケース(3)に対応してそれぞれx軸方向の深
さx(nm)に対して、ポテンシャル構造を計算した結
果を図11に示す。ケース(1)は界面準位密度Nit=
0,基板バイアス電圧VBG=0の場合、ケース(2)は
界面準位密度Nit=5×1010 [cm-2] ,基板バイア
ス電圧=0の場合、ケース(3)は界面準位密度Nit=
5×1010 [cm-2] ,基板バイアス電圧V BG=3.2
[V] の場合に対応している。
Case (1) shown in Table 1
(2), depth in the x-axis direction corresponding to case (3)
The result of calculating the potential structure for x (nm)
The results are shown in FIG. In case (1), the interface state density Nit =
0, substrate bias voltage VBGIf = 0, case (2) is
Interface state density Nit = 5 × 10Ten [cm-2], Substrate via
(3), the interface state density Nit =
5 × 10Ten [cm-2], Substrate bias voltage V BG= 3.2
 This corresponds to the case of [V].

【0044】図11においては、真性フェルミ準位Ei
で決められるポテンシャルEc −Eiを基準とし、慣習
的に電子に対するポテンシャルエネルギーを上向きに正
として表示してある。また深さx方向には上部SiO2
17の厚さ25nm/上部シリコン層12の厚さ90n
m/埋込みSiO2 の厚さ90nm/シリコン基板14
として表示した。これにより、深さx(nm)方向での
チャネル領域4のポテンシャル分布の変化の様子を見る
ことができる。界面準位がない場合、チャネル領域4の
ポテンシャル分布は図11中のケース(1)のようにな
る。基板バイアス電圧VBGが印加されていないとき、図
11中のケース(2)のように、界面準位の存在によっ
てポテンシャルが上昇し、チャネル領域4が空乏化して
いることがわかる。この場合、デバイスの電気的特性を
正確に評価することはできない。ケース(3)に示すよ
うに、基板バイアス電圧VBGを印加することによって、
界面準位による空乏化を抑制できることがわかった。こ
のことは、ケース(2)のように、完全に空乏化した微
小半導体チャネル領域の電気的特性を正しく評価する上
で非常に重要である。
In FIG. 11, the intrinsic Fermi level Ei
With reference to the potential Ec-Ei determined by the equation (1), the potential energy for electrons is conventionally displayed as positive upward. In the depth x direction, upper SiO 2
17 thickness 25 nm / top silicon layer 12 thickness 90 n
m / buried SiO 2 thickness 90 nm / silicon substrate 14
Displayed as Thus, it is possible to see how the potential distribution of the channel region 4 changes in the depth x (nm) direction. When there is no interface state, the potential distribution of the channel region 4 is as shown in case (1) in FIG. When the substrate bias voltage V BG is not applied, it can be seen that the potential increases due to the presence of the interface state and the channel region 4 is depleted, as in the case (2) in FIG. In this case, the electrical characteristics of the device cannot be accurately evaluated. As shown in case (3), by applying the substrate bias voltage V BG ,
It was found that depletion due to interface states can be suppressed. This is very important for correctly evaluating the electrical characteristics of the completely depleted small semiconductor channel region as in the case (2).

【0045】ここで、ID −VBG特性を導出する。ID
−VBG特性は次式で与えられる。
Here, I D -V BG characteristics will be derived. ID
The -V BG characteristic is given by the following equation.

【0046】[0046]

【数1】 ID =(W/L)μqnVD (1) I D = (W / L) μqnV D (1)

【0047】ここで、Wはチャネル幅、Lはチャネル
長、qは単位電荷量、nは電子濃度、μは移動度であ
る。チャネル領域4に誘起される全電荷は次式で与えら
れる。
Here, W is the channel width, L is the channel length, q is the unit charge, n is the electron concentration, and μ is the mobility. The total charge induced in the channel region 4 is given by the following equation.

【0048】[0048]

【数2】 n=qηND +qNDO+CTBG−Qit (2) [Number 2] n = qηN D + qN DO + C T V BG -Qit (2)

【0049】ここで、NDOは不純物濃度初期値、ND
不純物濃度、ηは注入イオンの電気的活性化率、CT
単位面積当たりのトータルキャパシタンス、Qitはキャ
リアトラップ電荷である。式(2)を式(1)に代入す
ると次式が求められる。
[0049] Here, N DO impurity concentration initial value, N D is the impurity concentration, eta is the electrical activation ratio of implanted ions, C T is the total capacitance per unit area, Qit is the carrier trap charge. By substituting equation (2) into equation (1), the following equation is obtained.

【0050】[0050]

【数3】 ID =(W/L)μ(qηND +qNDO+CTBG−Qit)VD =(W/L)μCT (VBG−VFB)VD (3) [Number 3] I D = (W / L) μ (qηN D + qN DO + C T V BG -Qit) V D = (W / L) μC T (V BG -V FB) V D (3)

【0051】ここで、Here,

【0052】[0052]

【数4】 VFB=(Qit−qηND −qNDO)/CT (4) [Number 4] V FB = (Qit-qηN D -qN DO) / C T (4)

【0053】である。式(4)において、Qitはキャリ
アトラップ数、qηND は注入イオン数、qNDOはもと
もと試料中に存在する不純物原子数に対応するものと考
えることができる。式(4)より、フラットバンド電圧
FBは注入イオン数の増加とともに増加することがわか
る。式(3)より、VBG<VFBでは電流は流れず、VBG
>VFBではドレイン電流ID は基板バイアス電圧VBG
ともに線形に増加することがわかる。式(3)を根拠と
して、図8に示したID −VBG特性よりVFBを求めるこ
とができるということがわかる。
Is as follows. In the formula (4), Qit is the number of carrier traps, qηN D is the number of implanted ions, qN DO originally can be thought of as corresponding to the number of impurity atoms present in the sample. Equation (4) shows that the flat band voltage V FB increases as the number of implanted ions increases. From equation (3), no current flows when V BG <V FB and V BG
It can be seen that for> V FB , the drain current ID increases linearly with the substrate bias voltage V BG . Based on Equation (3), it can be seen that V FB can be obtained from the ID- V BG characteristics shown in FIG.

【0054】図9の傾き∂VFB/∂ND は、イオン1個
当たりのフラットバンド電圧減少分を表す。式(4)よ
り、 ∂VFB/∂ND =−qη/CT =−6.0〜−1.9mV/ion[(0.5μm)-2] ここで、高周波CV法によって求めたCT 値を計算に用
いた。
[0054] inclination ∂V FB / ∂N D in FIG. 9 represents a flat band voltage decrease per ion. From equation (4), ∂V FB / ∂N D = -qη / C T = -6.0~-1.9mV / ion [(0.5μm) -2] where, C as determined by high-frequency CV method The T value was used for the calculation.

【0055】同様に、式(1)よりコンダクタンスg
は、次式の通りに表される。
Similarly, from the equation (1), the conductance g
Is represented by the following equation.

【0056】[0056]

【数5】 g=qμηND (W/L) (5) [Number 5] g = qμηN D (W / L ) (5)

【0057】図10における傾きは、 ∂g/∂ND =qμη(W/L) =21.9nS/ion[(0.5μm)-2] と計算できる。The slope in FIG. 10 can be calculated as follows: ∂g / ∂N D = qμη (W / L) = 21.9 nS / ion [(0.5 μm) −2 ]

【0058】デバイスシュミレーターPISCES−II
を用いた理論計算と実験結果は良好な一致を示してい
る。このことから、シングルイオン注入法によって、1
0個オーダーのドーパントが制御されていることが示さ
れた。イオン1個当たりのフラットバンド電圧減少分
は、−4.5mV/ionである。即ち、イオン1個が
半導体電気的特性に与える効果が示された。シングルイ
オン注入法によって、非常に少ない数の不純物原子数制
御に成功したことがこれによって示されている。
Device simulator PISCES-II
There is good agreement between the theoretical calculations using and the experimental results. From this, the single ion implantation method has
It was shown that zero order dopants were controlled. The flat band voltage decrease per ion is -4.5 mV / ion. That is, the effect of one ion on the electrical characteristics of the semiconductor was shown. This indicates that a very small number of impurity atoms was successfully controlled by the single ion implantation method.

【0059】(実施例2)プロセス上どの段階でシング
ルイオン注入するかについては様々な例を実施すること
ができる。ゲート酸化膜形成後にゲート酸化膜を通して
シングルイオン注入してゆらぎを抑制した半導体装置を
形成することもできる。
(Embodiment 2) Various examples can be implemented as to at what stage in the process single ion implantation is performed. After the formation of the gate oxide film, a single ion is implanted through the gate oxide film to form a semiconductor device in which the fluctuation is suppressed.

【0060】(実施例3)一方、初めからゆらぎを抑制
した半導体装置を作製することもできる。この場合、通
常の半導体プロセス通り、LOCOSによる素子分離工
程後、ゲート酸化膜形成前に、シングルイオン注入法に
よる閾値設定用チャネルドーピングを行なう。
(Embodiment 3) On the other hand, a semiconductor device in which fluctuation is suppressed from the beginning can be manufactured. In this case, as in a normal semiconductor process, after the element isolation process by LOCOS and before forming the gate oxide film, threshold setting channel doping is performed by a single ion implantation method.

【0061】図12及び13は目標デバイスとしてバル
クCMOSを形成する場合の、本発明の第3の実施例と
してのゆらぎを抑制した半導体装置のシングルイオン注
入工程を説明する模式的断面構造図を示す。図12はシ
ングルイオン注入前に相当し、図13はシングルイオン
注入工程に相当する。
FIGS. 12 and 13 are schematic sectional structural views for explaining a single ion implantation step of a fluctuation-suppressed semiconductor device as a third embodiment of the present invention when a bulk CMOS is formed as a target device. . FIG. 12 corresponds to before a single ion implantation, and FIG. 13 corresponds to a single ion implantation step.

【0062】図12及び13において、20はシリコン
基板、21はpウェル領域、22はnウェル領域、23
−1,23−2はチャネルが形成される領域、24はL
OCOSによる素子分離領域を示す。7はシングルイオ
ン注入装置を模式的に表示したものであり、8は注入さ
れるシングルイオンを示す。25,26はそれそれpウ
ェル領域21,nウェル領域22中に1個1個シングル
イオン注入されたイオンを模式的に示している。本発明
の第3の実施例としてのゆらぎを抑制した半導体装置の
プロセス上、図12及び13に示すように、LOCOS
による素子分離工程後、ゲート酸化膜形成前に、シング
ルイオン注入法による閾値設定用チャネルドーピングを
行なっている。
12 and 13, reference numeral 20 denotes a silicon substrate, 21 denotes a p-well region, 22 denotes an n-well region,
-1, 23-2 are regions where channels are formed, and 24 is L
4 shows an element isolation region by OCOS. 7 schematically shows a single ion implantation apparatus, and 8 shows a single ion to be implanted. Reference numerals 25 and 26 schematically show the ions implanted into the p-well region 21 and the n-well region 22 one by one. As shown in FIGS. 12 and 13, in the process of the semiconductor device in which fluctuation is suppressed as the third embodiment of the present invention, as shown in FIGS.
After the element isolation process by the method described above, and before forming a gate oxide film, threshold setting channel doping is performed by a single ion implantation method.

【0063】(実施例4)図14及び15は目標デバイ
スとしてSOI−CMOSを形成する場合の、本発明の
第4の実施例としてのゆらぎを抑制した半導体装置のシ
ングルイオン注入工程を説明する模式的断面構成図を示
す。図14はシングルイオン注入前、図15はシングル
イオン注入工程に相当する。図14及び15において、
20はシリコン基板、23−1,23−2はチャネルが
形成される領域、24はLOCOSによる素子分離領
域、13は埋込みSiO2 、12はソース/ドレイン/
チャネル領域が形成される上部シリコン層を示し、それ
ぞれpウェル領域21、nウェル領域22が形成される
べき領域である。7はシングルイオン注入装置を模式的
に表示したものであり、8は注入されるシングルイオン
を示す。25,26はそれぞれpウェル領域21,nウ
ェル領域22中に1個1個シングルイオン注入されたイ
オンを模式的に示す。本発明の第4の実施例としてのゆ
らぎを抑制した半導体装置においても、図14及び15
に示すように、LOCOSによる素子分離工程後、ゲー
ト酸化膜の形成前に、シングルイオン注入法による閾値
設定用のチャネルドーピングを行なっている。
(Embodiment 4) FIGS. 14 and 15 are schematic diagrams for explaining a single ion implantation step of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a fourth embodiment of the present invention when an SOI-CMOS is formed as a target device. FIG. 14 corresponds to a single ion implantation step, and FIG. 15 corresponds to a single ion implantation step. 14 and 15,
20 is a silicon substrate, 23-1 and 23-2 are regions where channels are formed, 24 is a device isolation region by LOCOS, 13 is buried SiO 2 , 12 is source / drain /
5 shows an upper silicon layer in which a channel region is formed, and is a region where a p-well region 21 and an n-well region 22 are to be formed, respectively. 7 schematically shows a single ion implantation apparatus, and 8 shows a single ion to be implanted. Numerals 25 and 26 schematically show single ions implanted one by one into the p-well region 21 and the n-well region 22, respectively. In the semiconductor device in which fluctuation is suppressed as the fourth embodiment of the present invention, FIGS.
As shown in (1), after the element isolation process by LOCOS and before the formation of the gate oxide film, channel doping for threshold setting by single ion implantation is performed.

【0064】(実施例5)上記実施例3,4では、初め
からゆらぎを抑制した半導体装置を形成する例であった
が、ゆらぎの生じた半導体装置を補正するためにシング
ルイオン注入を利用することもできる。この場合、補正
前のデバイス電気的特性を調査するために、それらを検
出するための電極が必要となる。このため、ゲート,ソ
ース,ドレイン電極形成後、初期の特性を評価し、不純
物原子数のゆらぎの場所と程度を特定する。シングルイ
オン注入は、高エネルギー条件でゲート電極を通して実
施している。
Fifth Embodiment In the third and fourth embodiments, a semiconductor device in which fluctuation is suppressed is formed from the beginning. However, single ion implantation is used to correct a semiconductor device in which fluctuation has occurred. You can also. In this case, in order to investigate the electrical characteristics of the device before correction, an electrode for detecting them is required. Therefore, after forming the gate, source, and drain electrodes, the initial characteristics are evaluated, and the location and degree of fluctuation of the number of impurity atoms are specified. Single ion implantation is performed through a gate electrode under high energy conditions.

【0065】図16及び17は本発明の第5の実施例と
してのゆらぎを抑制した半導体装置の模式的構成図であ
る。図16はシングルイオン注入前、図17はシングル
イオン注入工程に相当する。バルクCMOSを形成する
プロセスにおいて、ゲート,ソース,ドレイン電極形成
後、初期特性を評価し、不純物原子数のゆらぎの量と場
所を特定する。この工程を経て、ゲート電極を通して高
エネルギー条件でシングルイオン注入法による閾値設定
用のチャネルドーピングを行ない、ゆらぎの生じた半導
体装置のチャネル領域における不純物原子のゆらぎを補
正している。
FIGS. 16 and 17 are schematic structural views of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a fifth embodiment of the present invention. FIG. 16 corresponds to a single ion implantation step, and FIG. 17 corresponds to a single ion implantation step. In the process of forming the bulk CMOS, after forming the gate, source, and drain electrodes, the initial characteristics are evaluated, and the amount and location of fluctuation of the number of impurity atoms are specified. Through this process, channel doping for threshold setting is performed by a single ion implantation method through a gate electrode under a high energy condition to correct the fluctuation of the impurity atoms in the channel region of the semiconductor device in which the fluctuation has occurred.

【0066】図16及び17において、nMOS,pM
OSを構成するためのゲート酸化膜は、図中において省
略されている。20はシリコン基板、21はpウェル領
域、22はnウェル領域24はLOCOSによる素子分
離領域を示す。30,31はnMOSのソース/ドレイ
ン領域、32,33はpMOSのソース/ドレイン領域
を示す。27はソース電極(nMOS側)、28はドイ
レン電極、29はソース電極(pMOS側)を示す。3
4,35はnMOS,pMOSのそれぞれゲート電極を
示す。36,37はそれぞれnMOS,pMOSのチャ
ネル領域に存在する不純物原子を模式的に示したもので
あり、このまま不純物原子数のゆらぎの様子を模式的に
示している。このようにゲート電極34,35、ソース
電極27,29、ドレイン電極28の形成後に初期特性
を評価して不純物原子数のゆらぎの量と場所を特定した
後、シングルイオン注入装置7によって発生されたシン
グルイオン8をゲート電極34,35を通して高エネル
ギー条件で1個1個シングルイオン注入する。38,3
9はこのように1個1個シングルイオン注入されたイオ
ンの様子を模式的に示している。不純物原子のゆらぎの
量に対応して、シングルイオン注入の注入イオン数を決
定して、不純物原子のゆらぎを補正する。
In FIGS. 16 and 17, nMOS, pM
A gate oxide film for forming the OS is omitted in the figure. Reference numeral 20 denotes a silicon substrate, 21 denotes a p-well region, 22 denotes an n-well region 24 denotes an element isolation region by LOCOS. Reference numerals 30 and 31 denote source / drain regions of the nMOS, and reference numerals 32 and 33 denote source / drain regions of the pMOS. 27 denotes a source electrode (nMOS side), 28 denotes a drain electrode, and 29 denotes a source electrode (pMOS side). Three
Reference numerals 4 and 35 denote gate electrodes of the nMOS and the pMOS, respectively. Numerals 36 and 37 schematically show impurity atoms existing in the channel regions of the nMOS and pMOS, respectively, and schematically show how the number of impurity atoms fluctuates. After the initial characteristics are evaluated after the formation of the gate electrodes 34 and 35, the source electrodes 27 and 29, and the drain electrode 28 to determine the amount and location of the fluctuation in the number of impurity atoms, the single ion implanter 7 generates the signal. Single ions 8 are implanted one by one under high energy conditions through gate electrodes 34 and 35. 38,3
Reference numeral 9 schematically shows the state of the ions thus implanted one by one. The number of implanted ions in single ion implantation is determined according to the amount of fluctuation of the impurity atoms, and the fluctuation of the impurity atoms is corrected.

【0067】(実施例6)図18及び19は本発明の第
6の実施例としてのゆらぎを抑制した半導体装置の模式
的構成図であって、特にSOI−CMOSを形成する例
である。図18はシングルイオン注入前、図19はシン
グルイオン注入工程に相当する。実施例6においても実
施例5と同様に、ソース電極27,29、ドレイン電極
28,ゲート電極34,35の形成後、初期特性を評価
して、不純物原子のゆらぎの量と場所を特定している。
その後、シングルイオン注入によって1個1個シングル
イオンを注入して、不純物原子のゆらぎを補正してい
る。図16及び図17と同一構成要素には同じ参照数字
を表示してあるため、各部分の説明は省略する。また、
図18及び19においてもゲート酸化膜は省略され表示
されていない。
(Embodiment 6) FIGS. 18 and 19 are schematic structural views of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a sixth embodiment of the present invention, and particularly, an example in which an SOI-CMOS is formed. 18 corresponds to a single ion implantation step, and FIG. 19 corresponds to a single ion implantation step. In the sixth embodiment, as in the fifth embodiment, after forming the source electrodes 27 and 29, the drain electrode 28, and the gate electrodes 34 and 35, the initial characteristics are evaluated, and the amount and location of the fluctuation of the impurity atoms are specified. I have.
After that, single ions are implanted one by one to correct the fluctuation of the impurity atoms. Since the same reference numerals are displayed for the same components as those in FIGS. 16 and 17, the description of each part is omitted. Also,
Also in FIGS. 18 and 19, the gate oxide film is omitted and not shown.

【0068】どの場所にシングルイオン注入するかにつ
いては、例えば、チャネル領域,ソース領域,ドレイン
領域,ポリシリコンゲート領域等に実施可能である。半
導体デバイスチャネル中の不純物原子を制御することに
よる、閾値等のデバイス特性ゆらぎを抑制するために
は、チャネルドーピング技術としてシングルイオン注入
法を実施することが有効である。このためには、チャネ
ル領域へのシングルイオン注入が特に重要となる。DR
AM,SRAM,EEPROM,Flashメモリ,CMO
S,Bi−CMOS,FRAMの制御を担う単体トラン
ジスタ,MESFET(n型,p型),MOST(n
型,p型),部分空乏型SOI−MOST(n型,p
型),完全空乏型SOI−MOST(n型,p型),化
合物半導体デバイスの各チャネル領域へシングルイオン
注入を実施することができることはもちろんである。ソ
ース領域,ドレイン領域,ポリシリコンへのドーピング
は元々比較的高ドーズであるため、1個1個不純物を制
御することは顕著な効果を期待できない可能性はある。
しかし、抵抗値のトリミング制御等において実施可能で
ある。図3に示したようにコンダクタンスのばらつきを
制御することができるためである。従って、イオン1個
当たりのフラットバンド電圧VFBの減少分 −4.5mV/ion [0.5μm)-2] 、 コンダクタンスgの増加分 17.9nS/ion [0.5μm)-2] のデータを利用して、非常に高感度なリニア、リニアI
Cオペアンプ或いは高感度なセンサアレイ等を実施する
こともできる。
The location of single ion implantation can be determined, for example, in a channel region, a source region, a drain region, a polysilicon gate region, and the like. In order to suppress fluctuations in device characteristics such as a threshold value by controlling impurity atoms in a semiconductor device channel, it is effective to perform a single ion implantation method as a channel doping technique. For this purpose, single ion implantation into the channel region is particularly important. DR
AM, SRAM, EEPROM, Flash memory, CMO
Single transistor for controlling S, Bi-CMOS, FRAM, MESFET (n-type, p-type), MOST (n
Type, p-type), partially depleted SOI-MOST (n-type, p-type)
Of course, single ions can be implanted into each channel region of the SOI-MOST (n-type, p-type) and compound semiconductor devices. Since the doping of the source region, the drain region, and the polysilicon is originally a relatively high dose, it may not be possible to expect a remarkable effect by controlling the impurities one by one.
However, the present invention can be implemented in resistance value trimming control or the like. This is because variation in conductance can be controlled as shown in FIG. Therefore, decrease -4.5mV / ion of the flat band voltage V FB per ion [0.5μm) - 2], the data of the increment 17.9nS / ion conductance g [0.5μm) -2] Utilizes very sensitive linear and linear I
It is also possible to implement a C operational amplifier or a highly sensitive sensor array.

【0069】更にシングルイオンのイオンセンサ,pH
センサ,医療用各種センサを高感度に実現することもで
きる。
Further, a single ion ion sensor, pH
Sensors and various medical sensors can be realized with high sensitivity.

【0070】更にまた、CCD,CID等のイメージセ
ンサを構成する各ピクセル用のデバイスの製造におい
て、転送チャネル領域へのシングルイオン注入技術を適
用すれば、画素感度のばらつきを抑制することができ、
FPN(固定パターン雑音)を抑制することもできる。
Further, in the manufacture of a device for each pixel constituting an image sensor such as a CCD or a CID, if a single ion implantation technique is applied to a transfer channel region, variation in pixel sensitivity can be suppressed.
FPN (fixed pattern noise) can also be suppressed.

【0071】またHEMT等の2次元電子ガス系デバイ
スのチャネル領域となる2次元電子ガス領域へシングル
イオン注入技術を適用して、量子的なゆらぎを抑制した
半導体装置を実現することもできる。更に、量子細線,
量子箱,量子ドット,超格子構造に適用することもでき
る。
Further, by applying the single ion implantation technique to a two-dimensional electron gas region serving as a channel region of a two-dimensional electron gas device such as a HEMT, a semiconductor device in which quantum fluctuation is suppressed can be realized. Furthermore, quantum wires,
It can also be applied to quantum boxes, quantum dots, and superlattice structures.

【0072】特に、10nm級薄膜を利用す量子井戸
(QW)、半導体レーザ、超格子構造、自己形成単電子
(ドット)を用いたメモリ、10nm級エッジ量子細
線、10nm級リッジ細線等の形成において、ゆらぎを
抑制した半導体装置を実現することもできる。
In particular, in the formation of a quantum well (QW) using a 10 nm-class thin film, a semiconductor laser, a superlattice structure, a memory using a self-formed single electron (dot), a 10 nm-class edge quantum wire, and a 10 nm-class ridge wire. In addition, it is possible to realize a semiconductor device in which fluctuation is suppressed.

【0073】半導体装置の構造はプレーナ構造に限られ
るものではなく、縦型構造、トレンチ構造等においても
適用可能である。
The structure of the semiconductor device is not limited to the planar structure, but can be applied to a vertical structure, a trench structure and the like.

【0074】尚、本発明のゆらぎを抑制した半導体装置
において、その製造上シングルイオン注入によって注入
されるシングルイオンの種類は、多数存在する。液体金
属イオン源から発生されるイオン,ガスソースによるイ
オン源から発生されるイオン,半導体のドーパントとな
る原子のイオン等がシングルイオン注入可能なイオンと
なる。
In the semiconductor device of the present invention in which fluctuations are suppressed, there are many types of single ions to be implanted by single ion implantation in manufacturing the semiconductor device. The ions generated from the liquid metal ion source, the ions generated from the ion source by the gas source, the ions of the atoms serving as the dopant of the semiconductor, and the like are the ions that can be implanted as a single ion.

【0075】本発明のゆらぎを抑制した半導体装置によ
れば、半導体のドーパントとなる原子のイオン又は液体
金属イオン源として構成可能な各種イオン種として、例
えば、ボロン(B)のイオン、シリコン(Si)のイオ
ン、リン(P)のイオン、銅(Cu)のイオン、ガリウ
ム(Ga)のイオン、ゲルマニウム(Ge)のイオン、
砒素(As)のイオン、金(Au)のイオン等、又はガ
スソースによるイオン源として構成可能な各種イオン種
として、例えば、水素(H)のイオン、ヘリウム(H
e)のイオン、酸素(O)のイオン、アルゴン(Ar)
のイオン等から選択される一のイオンを利用することが
できる。
According to the semiconductor device of the present invention in which fluctuations are suppressed, as ions of atoms serving as a dopant of a semiconductor or various kinds of ions which can be constituted as a liquid metal ion source, for example, ions of boron (B), silicon (Si) ) Ions, phosphorus (P) ions, copper (Cu) ions, gallium (Ga) ions, germanium (Ge) ions,
As arsenic (As) ions, gold (Au) ions, or various ion species that can be configured as an ion source by a gas source, for example, hydrogen (H) ions, helium (H)
e) ion, oxygen (O) ion, argon (Ar)
One ion selected from the above-mentioned ions and the like can be used.

【0076】特に高精細シングルイオン注入装置を使用
する時、イオンを1個ずつ取り出すシングルイオン抽出
工程において、シングルイオン抽出用アパチャーに印加
するパルス電圧を変化させることによってシングルイオ
ンを容易に抽出することができ、しかもイオンビームは
原理的に理想的な軌道からずれないため、ナノメートル
領域へのシングルイオン注入を実現することができ、高
い照準精度を実現することができる。
In particular, when a high-definition single ion implantation apparatus is used, in a single ion extraction step of extracting ions one by one, a single ion can be easily extracted by changing a pulse voltage applied to a single ion extraction aperture. In addition, since the ion beam does not deviate from an ideal orbit in principle, single ion implantation into the nanometer region can be realized, and high aiming accuracy can be realized.

【0077】[0077]

【発明の効果】本発明のゆらぎを抑制した半導体装置に
よれば、従来のイオン注入技術及び不純物拡散技術では
不可能であった数10個オーダーの不純物原子のゆらぎ
を抑えた半導体装置を提供することができる。即ち、シ
ングルイオン注入法によって、数10個オーダーの不純
物制御を容易に実行することができる。例えば、100
nmMOSFETのチャネル領域に含まれる不純物原子
数は数100個であり、そのゆらぎは数10個である
が、本発明のゆらぎを抑制した半導体装置では、数10
個のイオンを1個1個イオン注入するシングルイオン注
入技術を利用していることから、極微細化半導体装置に
おいても、電気的特性のばらつきを抑え、チャネル領域
におけるコンダクタンスの均一化を図ることができ、フ
ラットバンド電圧VFBの制御、閾値電圧の制御をイオン
1個当たりの感度で行なうことができる。
According to the semiconductor device of the present invention in which the fluctuation is suppressed, there is provided a semiconductor device in which the fluctuation of several tens of impurity atoms, which is impossible with the conventional ion implantation technology and impurity diffusion technology, is suppressed. be able to. That is, several tens of impurities can be easily controlled by the single ion implantation method. For example, 100
The number of impurity atoms contained in the channel region of the nmMOSFET is several hundreds, and the fluctuation is several tens. However, in the semiconductor device in which the fluctuation is suppressed according to the present invention, the number is several tens.
Since a single ion implantation technique for implanting individual ions is used, it is possible to suppress variations in electrical characteristics and to achieve uniform conductance in a channel region even in a very miniaturized semiconductor device. Thus, the control of the flat band voltage V FB and the control of the threshold voltage can be performed with the sensitivity per one ion.

【0078】本発明のゆらぎを抑制した半導体装置によ
れば、イオン1個が半導体電気的特性に与える効果を把
握することができるから、非常に少ない数の不純物原子
数制御に基づく電気的特性の均一化を図ることができ
る。
According to the semiconductor device of the present invention in which the fluctuation is suppressed, the effect of one ion on the semiconductor electrical characteristics can be grasped. Therefore, the electrical characteristics based on the control of the very small number of impurity atoms can be understood. Uniformity can be achieved.

【0079】本発明のゆらぎを抑制した半導体装置によ
れば、プロセス上素子分離工程後、ゲート酸化膜の形成
前もしくは後に、シングルイオン注入法による閾値設定
用チャネルドーピングを行なって、初めからゆらぎを抑
制した半導体装置を提供することもできる。
According to the semiconductor device of the present invention in which the fluctuation is suppressed, the threshold setting channel doping by the single ion implantation method is performed after the element isolation step in the process, before or after the formation of the gate oxide film, and the fluctuation is suppressed from the beginning. A suppressed semiconductor device can also be provided.

【0080】或いはまた、本発明のゆらぎを抑制した半
導体装置によれば、ゲート,ソース,ドレイン電極形成
後、初期の特性を評価し、不純物原子数のゆらぎの場所
と量を特定し、その後、シングルイオン注入と高エネル
ギー条件下でゲート電極を通して実施することにより、
予めゆらぎの生じた半導体装置の特性を補正することも
できる。
Alternatively, according to the semiconductor device of the present invention in which the fluctuation is suppressed, the initial characteristics are evaluated after the formation of the gate, source, and drain electrodes, and the location and amount of the fluctuation in the number of impurity atoms are specified. By performing through a gate electrode under single ion implantation and high energy conditions,
The characteristics of the semiconductor device in which the fluctuation has occurred can be corrected in advance.

【0081】本発明のゆらぎを抑制した半導体装置によ
れば、シングルイオン注入工程後において、チャネル領
域を微小領域に分割して、その中に含まれる不純物原子
数の制御を行なうことから、チャネル領域全体としての
不純物原子数のゆらぎを抑えることができる。
According to the semiconductor device of the present invention in which the fluctuation is suppressed, the channel region is divided into minute regions after the single ion implantation step, and the number of impurity atoms contained therein is controlled. Fluctuations in the number of impurity atoms as a whole can be suppressed.

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

【図1】本発明のゆらぎを抑制した半導体装置における
動作原理を模式的に示した図
FIG. 1 is a diagram schematically showing an operation principle of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed according to the present invention.

【図2】シングルイオン注入技術が適用されたMOSF
ETの主としてチャネル領域部分のSEM写真
FIG. 2 shows a MOSF to which a single ion implantation technique is applied.
SEM photo of ET mainly channel region

【図3】本発明のゆらぎを抑制した半導体装置におい
て、図2に示すMOSFETのチャネル領域へシングル
イオン注入を実施した結果、コンダクタンスが均一化さ
れた様子を示す模式図
FIG. 3 is a schematic view showing a state where conductance is made uniform as a result of performing single ion implantation into a channel region of the MOSFET shown in FIG. 2 in the semiconductor device in which fluctuation is suppressed according to the present invention;

【図4】本発明のゆらぎを抑制した半導体装置を製造す
るための、ビームチョップ法に基づくシングルイオン注
入装置の模式的構成図
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a single ion implantation apparatus based on a beam chop method for manufacturing a semiconductor device in which fluctuation is suppressed according to the present invention.

【図5】本発明のゆらぎを抑制した半導体装置を製造す
るための、電界制御法に基づくシングルイオン注入装置
の模式的構成図
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a single ion implantation apparatus based on an electric field control method for manufacturing a semiconductor device in which fluctuation is suppressed according to the present invention.

【図6】本発明の第1の実施例としてのゆらぎを抑制し
た半導体装置の模式的構成図であって、SOI構造のn
MOSFETに対応する鳥瞰図
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a first embodiment of the present invention, and shows an n-type SOI structure.
Bird's-eye view corresponding to MOSFET

【図7】本発明の第1の実施例としてのゆらぎを抑制し
た半導体装置の模式的構成図であって、SOI構造のn
MOSFETに対応する断面構造図
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a first embodiment of the present invention, and shows an n-type SOI structure.
Sectional structure diagram corresponding to MOSFET

【図8】本発明の第1の実施例としてのゆらぎを抑制し
た半導体装置において、注入イオン数(個)[(0.5μ
m)-2] をパラメータとしたソース・ドレイン電流I D
[μA] と基板バイアス電圧VBG [V] の関係を示す図
FIG. 8 is a diagram illustrating a fluctuation-suppressed semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
m) -2 ] source-drain current I D
Diagram showing the relationship between [μA] and the substrate bias voltage V BG [V]

【図9】I D −VBG特性より求めたフラットバンド電圧
FB [V] と注入イオン数(個)[(0.5μm)-2] の
関係を示す図
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the flat band voltage V FB [V] obtained from the ID- V BG characteristics and the number of implanted ions (pieces) [(0.5 μm) −2 ].

【図10】本発明の第1の実施例としてのゆらぎを抑制
した半導体装置において、4探針法により求めたコンダ
クタンスg [μS] と注入イオン数(個)[(0.5μ
m)-2] の関係を示す図
FIG. 10 is a diagram showing a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a first embodiment of the present invention; conductance g [μS] obtained by a four-point probe method and the number of implanted ions (pieces) [(0.5 μm);
m) -2 ]

【図11】本発明の第1の実施例としてのゆらぎを抑制
した半導体装置において、チャネル領域の深さx方向の
ポシャル分布のシュミレーション結果を示す図
FIG. 11 is a diagram illustrating a simulation result of a potential distribution in a depth x direction of a channel region in a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as the first embodiment of the present invention;

【図12】本発明の第3の実施例としてのゆらぎを抑制
した半導体装置の模式的構成図であって、バルクCMO
Sを形成する際に初めからゆらぎを抑制した半導体デバ
イスを作製する例(シングルイオン注入前)
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a third embodiment of the present invention, which is a bulk CMO.
Example of manufacturing a semiconductor device in which fluctuation is suppressed from the beginning when forming S (before single ion implantation)

【図13】本発明の第3の実施例としてのゆらぎを抑制
した半導体装置の模式的構成図であって、バルクCMO
Sを形成する際に初めからゆらぎを抑制した半導体デバ
イスを作製する例(シングルイオン注入工程)
FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a third embodiment of the present invention, and is a bulk CMO.
Example of manufacturing a semiconductor device in which fluctuation is suppressed from the beginning when forming S (single ion implantation step)

【図14】本発明の第4の実施例としてのゆらぎを抑制
した半導体装置の模式的構成図であって、SOI−CM
OSを形成する際に初めからゆらぎを抑制した半導体デ
バイスを作製する例(シングルイオン注入前)
FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a fourth embodiment of the present invention, which is an SOI-CM
Example of manufacturing a semiconductor device in which fluctuation is suppressed from the beginning when forming an OS (before single ion implantation)

【図15】本発明の第4の実施例としてのゆらぎを抑制
した半導体装置の模式的構成図であって、SOI−CM
OSを形成する際に初めからゆらぎを抑制した半導体デ
バイスを作製する例(シングルイオン注入工程)
FIG. 15 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a fourth embodiment of the present invention, which is an SOI-CM.
Example of manufacturing a semiconductor device in which fluctuation is suppressed from the beginning when forming an OS (single ion implantation step)

【図16】本発明の第5の実施例としてのゆらぎを抑制
した半導体装置の模式的構成図であって、バルクCMO
Sを形成するプロセス上ゆらぎの生じた半導体装置を補
正するためにシングルイオン注入を利用する例(シング
ルイオン注入前)
FIG. 16 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a fifth embodiment of the present invention, which is a bulk CMO.
Example in which single ion implantation is used to correct a semiconductor device having fluctuations in the process of forming S (before single ion implantation)

【図17】本発明の第5の実施例としてのゆらぎを抑制
した半導体装置の模式的構成図であって、バルクCMO
Sを形成するプロセス上ゆらぎの生じた半導体装置を補
正するためにシングルイオン注入を利用する例(シング
ルイオン注入工程)
FIG. 17 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a fifth embodiment of the present invention, which is a bulk CMO.
Example in which single ion implantation is used to correct a semiconductor device having fluctuations in the process of forming S (single ion implantation step)

【図18】本発明の第6の実施例としてのゆらぎを抑制
した半導体装置の模式的構成図であって、SOI−CM
OSを形成するプロセス上ゆらぎを生じた半導体装置を
補正するためにシングルイオン注入を利用する例(シン
グルイオン注入前)
FIG. 18 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a sixth embodiment of the present invention;
Example in which single ion implantation is used to correct a semiconductor device having fluctuations in the process of forming an OS (before single ion implantation)

【図19】本発明の第6の実施例としてのゆらぎを抑制
した半導体装置の模式的構成図であって、SOI−CM
OSを形成するプロセス上ゆらぎを生じた半導体装置を
補正するためにシングルイオン注入を利用する例(シン
グルイオン注入工程)
FIG. 19 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device in which fluctuation is suppressed as a sixth embodiment of the present invention, which is an SOI-CM
Example in which single ion implantation is used to correct a semiconductor device having fluctuations in the process of forming an OS (single ion implantation step)

【符合の説明】[Description of sign]

1 シリコンウエハー 2 シリコンチップ 3 MOSFET集積回路 4,4−1,4−2,4−3 チャネル領域 5 矢印(半導体デバイスの微細化) 6 矢印(不純物原子数のゆらぎの増加) 7 シングルイオン注入装置(模式的表示) 8 シングルイオン(○:白丸) 9 矢印(シングルイオン注入法による不純物原子数の
補正) 10 オーミックコンタクト 11,36,37 不純物原子(●:黒丸) 12 上部シリコン層 13 埋込みSiO2 14,20 シリコン基板 15 シングルイオン注入領域 16 SIMOX基板 17 上部SiO2 21 pウェル領域 22 nウェル領域 23−1,23−2 チャネルが形成される領域 24 LOCOSによる素子分離領域 25,26,38,39 1個1個シングルイオン注入
されたイオン(○:白丸) 27,29 ソース電極 28 ドレイン電極 30,31 nMOSのソース/ドレイン領域 32,33 pMOSのソース/ドレイン領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon wafer 2 Silicon chip 3 MOSFET integrated circuit 4,4-1,4-2,4-3 Channel region 5 Arrow (miniaturization of a semiconductor device) 6 Arrow (increase in fluctuation of the number of impurity atoms) 7 Single ion implanter (Schematic display) 8 Single ion (○: white circle) 9 Arrow (correction of impurity atom number by single ion implantation method) 10 Ohmic contact 11, 36, 37 Impurity atom (●: black circle) 12 Upper silicon layer 13 Embedded SiO 2 14, 20 silicon substrate 15 single ion implantation region 16 SIMOX substrate 17 upper SiO 2 21 p well region 22 n well region 23-1, 23-2 region where channel is formed 24 device isolation region by LOCOS 25, 26, 38, 39 Single ion-implanted ions (O: white circle) 27 and 29 of the source electrode 28 drain electrode 30, 31 nMOS source / drain regions 32, 33 pMOS source / drain region

─────────────────────────────────────────────────────
────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成11年7月7日(1999.7.7)[Submission date] July 7, 1999 (July 7, 1999)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0001[Correction target item name] 0001

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体大規模集積回
路を構成するDRAM(Dynamic Randam Access Memor
y),SRAM(Static Random Access Memory),EE
PROM(ElectricalErasable Programmable Read Onl
y Memory),Flashメモリ,CMOS(Complementary M
etal Oxide Semiconductor),Bi−CMOS(Bipolar
CMOS),FRAM(Ferroelectric Random Access
Memory) の制御を担うトランジスタ、或いはバイポー
ラトランジスタ、或いはMESFET,MOSFET,
部分空乏型SOIMOSFET,完全空乏型SOIMO
SFET、或いはCCD,CID等のイメージセンサを
構成するピクセル用デバイス、或いは2次元電子ガス系
デバイス、或いは単一電子トランジスタ、或いは量子細
線,量子箱,量子ドット系デバイス、或いはレーザダイ
オード(LD),LED等の発光デハイス、或いは受光
デバイス、或いは発光−受光デバイス、或いはヘテロ接
合バイポーラトランジスタ等の化合物半導体デバイス、
或いはジョセフソン素子等の超伝導素子等、或いは統括
的にあらゆる半導体、超伝導体を利用する抵抗,インダ
クタ,キャパシタ,ダイオード,三端子デバイス,四端
子デバイス等の分野に関し、特にシングルイオン注入技
術により発生したシングルイオンを半導体中に1個1個
シングルイオン注入することよって、半導体中に含まれ
る不純物原子数のゆらぎを抑制した半導体装置に関し、
半導体中に含まれる不純物原子数のゆらぎを抑制するこ
とによって性能改善が期待されるすべての半導体装置が
含まれる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a DRAM (Dynamic Random Access Memory) constituting a semiconductor large-scale integrated circuit.
y), SRAM (Static Random Access Memory), EE
PROM (ElectricalErasable Programmable Read Onl)
y Memory), Flash memory, CMOS (Complementary M
etal Oxide Semiconductor), Bi-CMOS (Bipolar
CMOS), FRAM (Ferroelectric Random Access)
Memory), a bipolar transistor, or a MESFET, MOSFET,
Partially depleted SOIMOSFET, fully depleted SOIMO
SFET, a device for a pixel constituting an image sensor such as a CCD or a CID, a two-dimensional electron gas device, a single electron transistor, a quantum wire, a quantum box, a quantum dot device, a laser diode (LD), A light emitting device such as an LED, or a light receiving device, or a light emitting-receiving device, or a compound semiconductor device such as a heterojunction bipolar transistor;
Or, in the field of superconducting elements such as Josephson elements, etc., or all kinds of semiconductors, resistors, inductors, capacitors, diodes, three-terminal devices, four-terminal devices, etc. using superconductors. A semiconductor device in which fluctuation of the number of impurity atoms contained in a semiconductor is suppressed by implanting generated single ions one by one into the semiconductor,
All semiconductor devices that are expected to improve performance by suppressing fluctuations in the number of impurity atoms contained in the semiconductor are included.

【手続補正2】[Procedure amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0042[Correction target item name] 0042

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0042】[0042]

【表1】 [Table 1]

【手続補正3】[Procedure amendment 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0068[Correction target item name]

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【0068】どの場所にシングルイオン注入するかにつ
いては、例えば、チャネル領域,ソース領域,ドレイン
領域,ポリシリコンゲート領域等に実施可能である。半
導体デバイスチャネル中の不純物原子を制御することに
よる、閾値等のデバイス特性ゆらぎを抑制するために
は、チャネルドーピング技術としてシングルイオン注入
法を実施することが有効である。このためには、チャネ
ル領域へのシングルイオン注入が特に重要となる。DR
AM,SRAM,EEPROM,Flashメモリ,CMO
S,Bi−CMOS,FRAMの制御を担う単体トラン
ジスタ,MESFET(n型,p型),MOST(n
型,p型),部分空乏型SOI−MOST(n型,p
型),完全空乏型SOI−MOST(n型,p型),化
合物半導体デバイスの各チャネル領域へシングルイオン
注入を実施することができることはもちろんである。ソ
ース領域,ドレイン領域,ポリシリコンへのドーピング
は元々比較的高ドーズであるため、1個1個不純物を制
御することは顕著な効果を期待できない可能性はある。
しかし、抵抗値のトリミング制御等において実施可能で
ある。図3に示したようにコンダクタンスのばらつきを
制御することができるためである。従って、イオン1個
当たりのフラットバンド電圧VFBの減少分−4.5mV/ion [0.5μm)-2] 、 コンダクタンスgの増加分 17.9nS/ion [0.5μm)-2] のデータを利用して、非常に高感度なリニア、リニアI
Cオペアンプ或いは高感度なセンサアレイ等を実施する
こともできる。
The location of single ion implantation can be determined, for example, in a channel region, a source region, a drain region, a polysilicon gate region, and the like. In order to suppress fluctuations in device characteristics such as a threshold value by controlling impurity atoms in a semiconductor device channel, it is effective to perform a single ion implantation method as a channel doping technique. For this purpose, single ion implantation into the channel region is particularly important. DR
AM, SRAM, EEPROM, Flash memory, CMO
Single transistor for controlling S, Bi-CMOS, FRAM, MESFET (n-type, p-type), MOST (n
Type, p-type), partially depleted SOI-MOST (n-type, p-type)
Of course, single ions can be implanted into each channel region of a fully depleted SOI-MOST (n-type, p-type) and compound semiconductor device. Since the doping of the source region, the drain region, and the polysilicon is originally a relatively high dose, it may not be possible to expect a remarkable effect by controlling the impurities one by one.
However, the present invention can be implemented in resistance value trimming control or the like. This is because variation in conductance can be controlled as shown in FIG. Therefore, the data of the decrease of the flat band voltage V FB per ion -4.5 mV / ion [0.5 μm) -2 ] and the increase of the conductance g of 17.9 nS / ion [0.5 μm) -2 ] Utilizes very sensitive linear and linear I
It is also possible to implement a C operational amplifier or a highly sensitive sensor array.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シングルイオン注入装置により発生した
シングルイオンを半導体中にシングルイオン注入するこ
とによって、半導体中に含まれる不純物原子数のゆらぎ
を抑制したことを特徴とする、ゆらぎを抑制した半導体
装置。
1. A semiconductor device in which fluctuation of the number of impurity atoms contained in a semiconductor is suppressed by implanting a single ion into a semiconductor by a single ion generated by a single ion implantation apparatus. .
【請求項2】 シングルイオン注入装置による発生した
シングルイオンをMOSFETのチャネル領域にシング
ルイオン注入することによって、前記チャネル領域に含
まれ不純物原子数のゆらぎを抑制したことを特徴とす
る、ゆらぎを抑制した半導体装置。
2. The method according to claim 1, wherein a single ion generated by the single ion implanter is implanted into the channel region of the MOSFET by single ion implantation, thereby suppressing the fluctuation of the number of impurity atoms contained in the channel region. Semiconductor device.
【請求項3】 シングルイオン注入装置により発生した
シングルイオンを、CMOSFETのnチャネル領域及
びpチャネル領域にそれぞれシングルイオン注入するこ
とによって、前記nチャネル領域及び前記pチャネル領
域にそれぞれ含まれる不純物原子数のゆらぎを抑制した
ことを特徴とする、ゆらぎを抑制した半導体装置。
3. The method according to claim 1, wherein a single ion generated by the single ion implanter is implanted into the n-channel region and the p-channel region of the CMOSFET, respectively, to thereby reduce the number of impurity atoms contained in the n-channel region and the p-channel region. A semiconductor device in which fluctuation is suppressed, characterized in that fluctuation of fluctuation is suppressed.
【請求項4】 シングルイオン注入装置により発生した
シングルイオンを半導体中にシングルイオン注入するこ
とによって、半導体中に含まれる不純物原子数のゆらぎ
を抑制するとともに、半導体中の不純物原子数を補正し
てコンダクタンスもしくはインダクタンスもしくはキャ
パシタンスを均一化したことを特徴とする、ゆらぎを抑
制した半導体装置。
4. The method according to claim 1, wherein a single ion generated by the single ion implanter is implanted into the semiconductor by single ion implantation, thereby suppressing fluctuation of the number of impurity atoms contained in the semiconductor and correcting the number of impurity atoms in the semiconductor. A semiconductor device in which conductance, inductance, or capacitance is made uniform, wherein fluctuation is suppressed.
【請求項5】 シングルイオン注入装置により発生した
シングルイオンをMOSFETのチャネル領域にシング
ルイオン注入することによって、前記チャネル領域に含
まれる不純物原子数のゆらぎを抑制した半導体装置にお
いて、前記チャネル領域にシングルイオン注入する工程
は、ゲート酸化膜形成後に、前記ゲート酸化膜を通して
実施して、前記シングルイオン注入によって閾値設定用
チャネルドーピングが行なわれたことを特徴とする、ゆ
らぎを抑制した半導体装置。
5. A semiconductor device in which a single ion generated by a single ion implanter is implanted into a channel region of a MOSFET by single ion implantation to suppress fluctuations in the number of impurity atoms contained in the channel region. A semiconductor device in which fluctuation is suppressed, wherein the step of performing ion implantation is performed through the gate oxide film after the formation of the gate oxide film, and threshold value channel doping is performed by the single ion implantation.
【請求項6】 シングルイオン注入装置により発生した
シングルイオンをMOSFETのチャネル領域にシング
ルイオン注入することによって、前記チャネル領域に含
まれる不純物原子数のゆらぎを抑制した半導体装置にお
いて、前記チャネル領域にシングルイオンを注入する工
程は、素子分離工程後であって、ゲート酸化膜の形成前
に実施して、前記シングルイオン注入によって閾値設定
用チャネルドーピングが行なわれたことを特徴とする、
ゆらぎを抑制した半導体装置。
6. A semiconductor device in which fluctuations in the number of impurity atoms contained in the channel region are suppressed by implanting single ions generated by a single ion implantation device into a channel region of a MOSFET. The step of implanting ions is performed after the element isolation step and before the formation of the gate oxide film, and the threshold setting channel doping is performed by the single ion implantation,
Semiconductor device with reduced fluctuation.
【請求項7】 シングルイオン注入装置により発生した
シングルイオンをCMOSFETのnチャネル領域及び
pチャネル領域にそれぞれシングルイオン注入すること
によって、前記nチャネル領域及び前記pチャネル領域
にそれぞれ含まれる不純物原子数のゆらぎを抑制した半
導体装置において、前記nチャネル領域及び前記pチャ
ネル領域にそれぞれシングルイオン注入する工程は、素
子分離工程後であって、ゲート酸化膜の形成前に実施し
て、前記シングルイオン注入によって、それぞれ閾値設
定用nチャネルドーピング及びpチャネルドーピングが
行なわれたことを特徴とする、ゆらぎを抑制した半導体
装置。
7. The method according to claim 7, wherein a single ion generated by the single ion implanter is implanted into the n-channel region and the p-channel region of the CMOSFET, respectively, to thereby reduce the number of impurity atoms contained in the n-channel region and the p-channel region. In the semiconductor device in which the fluctuation is suppressed, the step of implanting a single ion into each of the n-channel region and the p-channel region is performed after the element isolation step and before the formation of the gate oxide film. A fluctuation-suppressed semiconductor device, characterized in that threshold setting n-channel doping and p-channel doping are respectively performed.
【請求項8】 シングルイオン注入装置により発生した
シングルイオンをMOSFETのチャネル領域にシング
ルイオン注入することによって、前記チャネル領域に含
まれる不純物原子数のゆらぎを抑制した半導体装置にお
いて、前記チャネル領域にシングルイオン注入する工程
は、ゲート,ソース,ドレイン電極形成後に電気的特性
を評価してゆらぎの場所と量を特定した後、高エネルギ
ー条件で前記ゲート電極を通して実施することを特徴と
する、ゆらぎを抑制した半導体装置。
8. A semiconductor device in which fluctuations in the number of impurity atoms contained in the channel region are suppressed by implanting single ions generated by a single ion implantation device into a channel region of a MOSFET. The ion implantation step is characterized in that the electrical characteristics are evaluated after the formation of the gate, source, and drain electrodes, the location and amount of the fluctuation are specified, and then the ion implantation is performed through the gate electrode under high energy conditions. Semiconductor device.
【請求項9】 シングルイオン注入装置により発生した
シングルイオンをCMOSFETのnチャネル領域及び
pチャネル領域にそれぞれシングルイオン注入すること
によって、前記nチャネル領域及び前記pチャネル領域
にそれぞれ含まれる不純物原子数のゆらぎを抑制した半
導体装置において、前記nチャネル領域及び前記pチャ
ネル領域にそれぞれシングルイオン注入する工程は、前
記CMOSFETのゲート,ソース,ドレイン電極形成
後に電気的特性を評価してゆらぎの場所と量を特定した
後、高エネルギー条件で前記ゲート電極を通して実施す
ることを特徴とする、ゆらぎを抑制した半導体装置。
9. The method according to claim 1, wherein a single ion generated by the single ion implanter is implanted into the n-channel region and the p-channel region of the CMOSFET, respectively, to thereby reduce the number of impurity atoms contained in the n-channel region and the p-channel region, respectively. In the semiconductor device in which the fluctuation is suppressed, the step of implanting a single ion into each of the n-channel region and the p-channel region includes evaluating the electrical characteristics after forming the gate, source, and drain electrodes of the CMOSFET to determine the location and amount of the fluctuation. A semiconductor device in which fluctuation is suppressed, which is performed through the gate electrode under a high energy condition after the identification.
JP19236499A 1999-07-06 1999-07-06 Semiconductor device having suppressed fluctuation Pending JP2001023917A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP19236499A JP2001023917A (en) 1999-07-06 1999-07-06 Semiconductor device having suppressed fluctuation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP19236499A JP2001023917A (en) 1999-07-06 1999-07-06 Semiconductor device having suppressed fluctuation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2001023917A true JP2001023917A (en) 2001-01-26

Family

ID=16290063

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP19236499A Pending JP2001023917A (en) 1999-07-06 1999-07-06 Semiconductor device having suppressed fluctuation

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2001023917A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005500665A (en) * 2001-08-27 2005-01-06 ユニサーチ リミテッド Single ion implantation method and system
WO2005112087A1 (en) * 2004-05-18 2005-11-24 Qucor Pty Ltd Implanted counted dopant ions
JP2006164938A (en) * 2004-11-11 2006-06-22 Sony Corp Light-emitting element, method of manufacturing the same, and light emission device
JP2006302785A (en) * 2005-04-22 2006-11-02 Japan Science & Technology Agency Multivalent ion irradiation device and manufacturing method of fine structure using it

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005500665A (en) * 2001-08-27 2005-01-06 ユニサーチ リミテッド Single ion implantation method and system
JP4711622B2 (en) * 2001-08-27 2011-06-29 クコー ピーティーワイ リミテッド Single ion implantation method and system
WO2005112087A1 (en) * 2004-05-18 2005-11-24 Qucor Pty Ltd Implanted counted dopant ions
US7834422B2 (en) * 2004-05-18 2010-11-16 Qucor Pty. Ltd. Implanted counted dopant ions
JP2006164938A (en) * 2004-11-11 2006-06-22 Sony Corp Light-emitting element, method of manufacturing the same, and light emission device
JP2006302785A (en) * 2005-04-22 2006-11-02 Japan Science & Technology Agency Multivalent ion irradiation device and manufacturing method of fine structure using it

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0661751B1 (en) Method of making a CMOS device with high and low voltage transistors
US6864131B2 (en) Complementary Schottky junction transistors and methods of forming the same
EP0458570A1 (en) Diode and semiconductor device having such a diode
DE102015106979B4 (en) Semiconductor wafers and methods of manufacturing semiconductor devices in a semiconductor wafer
WO1985001391A1 (en) Latch-up immune, multiple retrograde well high density cmos fet
US20170018557A1 (en) Method for processing a carrier, a carrier, and a split gate field effect transistor structure
Chen et al. Dependence of current match on back-gate bias in weakly inverted MOS transistors and its modeling
JP2001023917A (en) Semiconductor device having suppressed fluctuation
US6630382B1 (en) Current controlled field effect transistor
NL8302383A (en) METHOD FOR MANUFACTURING A SEMICONDUCTOR DEVICE, AND SEMICONDUCTOR DEVICE MADE ACCORDING TO THE METHOD
TW564487B (en) Method of ION implantation for achieving desired dopant concentration
JPH0738447B2 (en) MOS semiconductor device
Roll Leakage current and defect characterization of short channel MOSFETs
EP1943670B1 (en) Semiconductor device
Stephen Ion implantation in semiconductor device technology
US20100244145A1 (en) Semiconductor memory device using hot electron injection
EP0994511A1 (en) Semiconductor device and manufacturing method of the same
KR100333031B1 (en) P-channel mos transistor and manufacturing method of a semiconductor device
JP4880890B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
US20240011856A1 (en) Pressure detection device and manufacturing method
KR0135838B1 (en) Semiconductor device using soi substrate and back-gate biasing method
JP2000340674A (en) Mos capacitor and manufacture of the same
JP2002158292A (en) Reference voltage semiconductor device
JP3088329B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
Benbrik et al. 2D physical simulation of degradation on transistors induced by FIB exposure of dielectric passivation