JP2001274378A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2001274378A
JP2001274378A JP2000088915A JP2000088915A JP2001274378A JP 2001274378 A JP2001274378 A JP 2001274378A JP 2000088915 A JP2000088915 A JP 2000088915A JP 2000088915 A JP2000088915 A JP 2000088915A JP 2001274378 A JP2001274378 A JP 2001274378A
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JP
Japan
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insulating film
gate insulating
thickness
gate
silicon oxide
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Withdrawn
Application number
JP2000088915A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuji Abe
雄次 阿部
Yasuki Tokuda
安紀 徳田
Toshiyuki Oishi
敏之 大石
Katsuomi Shiozawa
勝臣 塩沢
Kohei Sugihara
浩平 杉原
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.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a field effect transistor of a short gate length where a leakage current is suppressed for raised gate driving capacity. SOLUTION: On an MOSFET 20 formed on a silicon substrate 1, a gate insulating film 4 of a material other than a silicon oxide film and a gate electrode 5 positioned over the gate insulating film are provided. The material of gate insulating film has a permitting larger than the silicon oxide, while the thickness of gate insulating film is at a specified value or less so that a short channel effect equal to or less than that of an MOSFET which uses a gate insulating film of 1.5-2.0 nm in thickness whose main material is a silicon oxide film.

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、メモリやロジック
の素子として用いられるMOS型の電界効果トランジス
タ(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field E
ffect Transistor)に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a MOS type field effect transistor (MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field E) used as a memory or logic element.
ffect Transistor).

【0002】[0002]

【従来の技術】図5は、n型MOSFETの構成を示す断面図
である(例えば、H.S.Momose et al.IEEE Electron Dev
ices, vol.43, p.1233(1996))。図5において、主表面
が(100)面であるp型シリコン基板1に素子分離領
域2およびp型ウエル3が形成され、それらに囲まれる
ようにn型MOSFETが形成されている。n型不純物が導入
されたソース・ドレイン領域8の内側にチャネル領域を
挟むようにn型不純物を含むソース・ドレインのエクス
テンション6が形成されている。チャネルの上にはゲー
ト絶縁膜11を介してゲート電極5が形成され、その側
壁にサイドウォール7が設けられている。上記のn型MO
SFETでは、ゲート絶縁膜11を薄膜化すれば、ゲート容
量が増加し、このため、ゲート電圧印加によりチャネル
に誘起される電子濃度が増加して駆動能力が向上する。
さらに、ゲート絶縁膜の薄膜化により、ゲート電極が基
板表面のチャネル領域に近づくため、ゲート電極による
チャネル領域の支配を強めることができる。このため、
短チャネル効果を抑制することが可能となる。この結
果、微細化されたMOSFETにおいて、一層短縮されたゲー
ト長でも正常なトランジスタ動作を得ることができる。
なお、ここで、短チャネル効果とは、例えば、しきい値
電圧Vthがドレイン・ソース電位の影響を受けて低くな
る現象等、ゲート長を短くすることに付随して生じる現
象をさす。
2. Description of the Related Art FIG. 5 is a sectional view showing a structure of an n-type MOSFET (for example, HSMomose et al. IEEE Electron Dev.
ices, vol.43, p.1233 (1996)). In FIG. 5, an element isolation region 2 and a p-type well 3 are formed on a p-type silicon substrate 1 whose main surface is a (100) plane, and an n-type MOSFET is formed so as to be surrounded by them. Source / drain extensions 6 containing n-type impurities are formed inside the source / drain regions 8 into which the n-type impurities are introduced so as to sandwich the channel region. A gate electrode 5 is formed on the channel via a gate insulating film 11, and a sidewall 7 is provided on a side wall thereof. The above n-type MO
In the SFET, when the thickness of the gate insulating film 11 is reduced, the gate capacitance increases. Therefore, the electron density induced in the channel by the application of the gate voltage increases, and the driving capability improves.
Further, since the gate electrode approaches the channel region on the substrate surface due to the reduction in thickness of the gate insulating film, the control of the channel region by the gate electrode can be enhanced. For this reason,
The short channel effect can be suppressed. As a result, in a miniaturized MOSFET, a normal transistor operation can be obtained even with a further shortened gate length.
Here, the short channel effect refers to a phenomenon accompanying the shortening of the gate length, such as a phenomenon in which the threshold voltage Vth becomes lower due to the influence of the drain / source potential.

【0003】上記のように、ゲート絶縁膜の薄膜化は、
高駆動能力化と短チャネル効果の抑制とをもたらし、ゲ
ート長の短縮による高性能化を確保することができる。
しかし、従来より用いられてきたシリコン酸化膜は膜厚
が3nm以下になると急激にトンネル電流が増加すると
いう問題がある。従来例では、ゲート絶縁膜を1.5n
mとしても、ゲート長が短くなるとドレイン電流が増加
するため、単体のトランジスタとしては正常な動作を示
すとしている。しかし、LSIとして集積化された場合
には、ゲートのリーク電流はスタンバイ時の消費電力に
大きく影響するので、シリコン酸化膜を用いたゲート絶
縁膜の薄膜化には限界が存在する。このため、ゲート絶
縁膜の薄膜化の限界は1.5nm〜2.0nmであると
言われている。
[0003] As described above, thinning of a gate insulating film is performed by:
High driving capability and suppression of the short channel effect can be achieved, and high performance can be ensured by shortening the gate length.
However, the conventionally used silicon oxide film has a problem that the tunnel current rapidly increases when the film thickness becomes 3 nm or less. In the conventional example, the gate insulating film is 1.5 n
Even when m is shorter, the drain current increases as the gate length becomes shorter, so that the transistor operates normally as a single transistor. However, when integrated as an LSI, the leakage current of the gate greatly affects the power consumption during standby, and thus there is a limit in reducing the thickness of the gate insulating film using a silicon oxide film. For this reason, it is said that the limit of thinning the gate insulating film is 1.5 nm to 2.0 nm.

【0004】上記の状況を打開する方法として、従来か
ら用いられてきた比誘電率が3.9のシリコン酸化膜に
代えて、比誘電率が3.9より大きい比誘電率を有する
材料でゲート絶縁膜を形成することが考えられる。この
ような材料を用い、薄膜化によってゲート容量を増加さ
せても、同一容量で比較した場合、実膜厚はシリコン酸
化膜よりも厚くすることができる。このため、リーク電
流を減らすことができ、上記の問題を避けることができ
る。
As a method of overcoming the above-mentioned situation, instead of a silicon oxide film having a relative dielectric constant of 3.9 which has been conventionally used, a gate made of a material having a relative dielectric constant larger than 3.9 is used. It is conceivable to form an insulating film. Even if such a material is used and the gate capacitance is increased by thinning, the actual film thickness can be made larger than the silicon oxide film when compared with the same capacitance. Therefore, the leak current can be reduced, and the above problem can be avoided.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
考察では、MOSFETの縦方向の膜厚と比誘電率とから決ま
るゲート容量の効果のみを考慮に取り入れ、他の方向の
効果を考慮していない。このため、実際に微細なゲート
長にした場合の2次元的な効果については不明であっ
た。すなわち、縦方向の次元にゲート長方向の次元を加
えた効果を取り入れてデバイス特性が考えられていなか
った。このため、ゲート絶縁膜の膜厚や比誘電率をどの
範囲に設定すれば、短チャネル効果やリーク電流を許容
できる範囲に抑制できるか不明であった。
However, in the above discussion, only the effect of the gate capacitance determined by the film thickness in the vertical direction and the relative dielectric constant of the MOSFET is taken into consideration, and the effects in other directions are not taken into consideration. . For this reason, the two-dimensional effect when the gate length is actually made minute is unknown. That is, device characteristics have not been considered by taking into account the effect of adding the dimension in the gate length direction to the dimension in the vertical direction. For this reason, it is unclear which range of the gate insulating film thickness and relative permittivity can be suppressed to a range where the short channel effect and the leak current can be tolerated.

【0006】そこで、本発明は、シリコン酸化膜に代わ
って高誘電率材料をゲート絶縁膜に用いた半導体装置で
あって、駆動能力の向上と短チャネル効果の抑制をはか
った短ゲート長の半導体装置を提供することを目的とす
る。
Accordingly, the present invention is directed to a semiconductor device using a high dielectric constant material for a gate insulating film in place of a silicon oxide film, wherein the semiconductor device has a short gate length with improved driving capability and reduced short channel effect. It is intended to provide a device.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の局面の半
導体装置では、シリコン基板上に形成されたMOSFE
Tにおいて、シリコン基板の上に位置する、シリコン酸
化膜以外の材料を主材料とするゲート絶縁膜と、ゲート
絶縁膜の上に位置するゲート電極とを備える。この半導
体装置では、ゲート絶縁膜を構成する材料はシリコン酸
化物よりも大きい比誘電率を有し、ゲート絶縁膜の膜厚
は、シリコン酸化膜を主材料とする厚さ1.5nm〜
2.0nmのゲート絶縁膜を用いたMOSFETにおけ
る短チャネル効果と同等以下の短チャネル効果を有する
ように、所定値以下とされている(請求項1)。
In a semiconductor device according to a first aspect of the present invention, a MOSFE formed on a silicon substrate is provided.
In T, a gate insulating film mainly made of a material other than the silicon oxide film, which is located on the silicon substrate, and a gate electrode located on the gate insulating film are provided. In this semiconductor device, the material forming the gate insulating film has a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide, and the thickness of the gate insulating film is 1.5 nm or more, which is mainly composed of a silicon oxide film.
It is set to a predetermined value or less so as to have a short channel effect equal to or less than a short channel effect in a MOSFET using a gate insulating film of 2.0 nm (claim 1).

【0008】比誘電率がシリコン酸化物よりも大きいゲ
ート絶縁膜を用いることにより、シリコン酸化膜よりも
厚い膜厚で大きな容量を確保することができる。このた
め、従来のシリコン酸化物を用いたゲート絶縁膜に見ら
れるように、厚さ3nm以下の範囲で増大するリーク電
流を防止することができる。さらに、ゲートによる駆動
能力を増大させることができる。また、上記構成によれ
ば、厚さ1.5nm〜2.0nmのシリコン酸化膜を用
いたMOSFETにおける短チャネル効果と同等以下の
短チャネル効果となるように上記ゲート絶縁膜の膜厚を
減少させる。このため、現状の厚さ3nm程度のシリコ
ン酸化膜を用いたゲート絶縁膜のMOSFETよりゲー
ト長を短くしても、ゲートによるチャンル支配を正常な
範囲に維持することができる。このため、上記のような
現状からのゲート長短縮を行なっても、しきい値電圧V
thがドレイン・ソース電位の影響を受けて低くなる現象
等がなくなる。この結果、半導体装置の微細化および高
性能化をともに実現することが可能となる。なお、上記
のシリコン酸化膜の厚さ1.5〜2.0nmは、現状の
ゲート絶縁膜で実現できる最小厚さである。この最小厚
さのシリコン酸化膜をゲート絶縁膜に用いたMOSFE
Tでは、正常なトランジスタ動作をするゲート長はやは
り現状で最小のゲート長となり、半導体装置の微細化を
はかる観点から現状最も望ましいものである。したがっ
て、本発明においては、半導体装置の微細化を実現する
上で最も望ましい現状のゲート絶縁膜の膜厚を基準にし
て、高誘電率材料におけるゲート絶縁膜の膜厚を設定す
ることになる。
By using a gate insulating film having a relative dielectric constant larger than that of silicon oxide, a large capacitance can be ensured with a film thickness larger than that of a silicon oxide film. For this reason, it is possible to prevent a leak current that increases in a range of a thickness of 3 nm or less as seen in a conventional gate insulating film using silicon oxide. Further, the driving ability by the gate can be increased. Further, according to the above configuration, the thickness of the gate insulating film is reduced so that the short channel effect is equal to or less than the short channel effect in the MOSFET using the silicon oxide film having a thickness of 1.5 nm to 2.0 nm. . For this reason, even if the gate length is shorter than the current MOSFET of a gate insulating film using a silicon oxide film having a thickness of about 3 nm, the channel control by the gate can be maintained in a normal range. For this reason, even if the gate length is shortened from the current state as described above, the threshold voltage V
The phenomenon that th decreases due to the influence of the drain / source potential is eliminated. As a result, both miniaturization and high performance of the semiconductor device can be realized. Note that the thickness of the silicon oxide film of 1.5 to 2.0 nm is the minimum thickness that can be realized with the current gate insulating film. MOSFE using a silicon oxide film of this minimum thickness as a gate insulating film
At T, the gate length for normal transistor operation is still the minimum gate length at present, and is currently the most desirable from the viewpoint of miniaturization of the semiconductor device. Therefore, in the present invention, the thickness of the gate insulating film of the high dielectric constant material is set based on the current most desirable thickness of the gate insulating film for realizing miniaturization of the semiconductor device.

【0009】本発明の第2の局面の半導体装置では、シ
リコン基板上に形成されたMOSFETにおいて、シリ
コン基板の上に位置する、シリコン酸化膜以外の材料を
主材料とするゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上に位置
するゲート電極とを備える。このMOSFETにおい
て、ゲート絶縁膜を構成する材料はシリコン酸化物より
も大きい比誘電率を有し、ゲート絶縁膜の膜厚であっ
て、正常にトランジスタ動作する下限のゲート長である
限界ゲート長が、シリコン酸化膜を主材料とする厚さ
1.5nm〜2.0nmのゲート絶縁膜を用いたMOS
FETと同等以下となるように、そのゲート絶縁膜の膜
厚範囲が設定されている(請求項2)。
In a semiconductor device according to a second aspect of the present invention, in a MOSFET formed on a silicon substrate, a gate insulating film mainly made of a material other than a silicon oxide film and located on the silicon substrate; A gate electrode located on the insulating film. In this MOSFET, the material forming the gate insulating film has a relative dielectric constant larger than that of silicon oxide, and is the thickness of the gate insulating film, and the limit gate length that is the lower limit gate length for normal transistor operation is satisfied. MOS using a gate insulating film having a thickness of 1.5 nm to 2.0 nm and a silicon oxide film as a main material
The thickness range of the gate insulating film is set to be equal to or less than that of the FET (claim 2).

【0010】この構成により、(a)ゲート長を現状の
最小のゲート長以下にすることができ、半導体素子の微
細化に役立ち、(b)その高誘電率のために高い容量を
有し、駆動能力を向上させ、(c)その厚い膜厚のため
にリーク電流を抑制することができる。上記の構成によ
り、短チャネル効果は正常なトランジスタ動作が可能な
範囲内にある。
According to this configuration, (a) the gate length can be reduced to the current minimum gate length or less, which is useful for miniaturization of a semiconductor device, and (b) a high capacitance due to its high dielectric constant. (C) Leakage current can be suppressed due to the thick film thickness. With the above structure, the short channel effect is within a range where a normal transistor operation can be performed.

【0011】上記第1および第2の局面の半導体装置で
は、ゲート絶縁膜の膜厚範囲は、線形領域のしきい値電
圧Vlin.thから飽和領域のしきい値電圧Vthを減じて得
られるしきい値電圧差ΔVthが所定値となるゲート長で
ある限界ゲート長が、シリコン酸化膜を主材料とする厚
さ1.5nm〜2.0nmのゲート絶縁膜を用いたMO
SFETと同等以下となるように設定されている(請求
項3)。
In the semiconductor device according to the first and second aspects, the thickness range of the gate insulating film is obtained by subtracting the threshold voltage Vth in the saturation region from the threshold voltage Vlin.th in the linear region. The limit gate length, which is the gate length at which the threshold voltage difference ΔVth becomes a predetermined value, is an MO using a gate insulating film having a thickness of 1.5 nm to 2.0 nm mainly composed of a silicon oxide film.
It is set to be equal to or less than the SFET (claim 3).

【0012】上記において、しきい値電圧差ΔVthは、
ΔVth=Vlin.th−Vth、である。短チャネル効果が大
きくなると、Vlin.thの低下よりもVthの低下が大きく
生じるので、しきい値電圧差ΔVthは増大する。すなわ
ち、しきい値電圧差ΔVthが大きいことは、短チャネル
効果が大きいことを意味する。また、上記の限界ゲート
長は、その限界ゲート長までゲート長を短くしても、短
チャネル効果を正常なトランジスタ動作が可能な所定値
以下に抑制できることを意味する。シリコン酸化膜を主
材料とする厚さ1.5nm〜2.0nmのゲート絶縁膜
のMOSFETでは、リーク電流は多いものの、ゲート
長を非常に短い範囲にしても短チャネル効果を抑制して
正常な動作を行なうことができる。上記第2の局面の半
導体装置では、限界ゲート長を上記のように非常に短い
範囲にしても短チャネル効果を正常な範囲に抑制でき、
また、そのような範囲にしてもゲート絶縁膜の厚さは十
分厚いので、リーク電流を抑制することができる。さら
に、その高い比誘電率のために、膜厚を薄く調整してさ
らにチャネル支配を強化することができる。
In the above, the threshold voltage difference ΔVth is
ΔVth = Vlin.th−Vth. When the short channel effect increases, the threshold voltage difference ΔVth increases because the reduction of Vth occurs more than the reduction of Vlin.th. That is, a large threshold voltage difference ΔVth means a large short channel effect. Further, the above-mentioned limit gate length means that even if the gate length is reduced to the limit gate length, the short-channel effect can be suppressed to a predetermined value or less that allows normal transistor operation. In a MOSFET having a gate insulating film having a thickness of 1.5 nm to 2.0 nm and having a silicon oxide film as a main material, although a leak current is large, even when the gate length is in a very short range, a short channel effect is suppressed and normal operation is performed. Actions can be taken. In the semiconductor device according to the second aspect, the short channel effect can be suppressed to a normal range even when the limit gate length is set to a very short range as described above,
Further, even in such a range, the thickness of the gate insulating film is sufficiently large, so that leakage current can be suppressed. Further, due to the high relative dielectric constant, the film thickness can be adjusted to be thin to further strengthen the channel control.

【0013】上記第2の局面の半導体装置では、限界ゲ
ート長は、しきい値電圧差ΔVthが50mVとなるゲー
ト長である(請求項4)。
In the semiconductor device according to the second aspect, the limit gate length is a gate length at which the threshold voltage difference ΔVth becomes 50 mV.

【0014】この構成によれば、短チャネル効果の1つ
の指標としてしきい値電圧差ΔVth=50mVとなるゲ
ート長を採用する。シリコン酸化膜を主材料とする厚さ
1.5nm〜2.0nmのゲート絶縁膜を有するMOS
FETについては、しきい値電圧差ΔVth=50mVと
なるゲート長をデバイスシミュレーションにより求める
ことができる。他の誘電体についても比誘電率をパラメ
ータにして、同じくデバイスシミュレーションによりし
きい値電圧差ΔVth=50mVとなるゲート長を求める
ことができる。上記の本発明のMOSFETは、この厚
さ1.5〜2.0mmのシリコン酸化膜の場合にΔVth
=50mVとなるゲート長である限界ゲート長と同等以
下の限界ゲート長を実現するゲート絶縁膜を有すること
になる。したがって、短チャネル効果を抑制した上で十
分な微細化を実現することができる。
According to this configuration, a gate length at which the threshold voltage difference ΔVth = 50 mV is adopted as one index of the short channel effect. MOS having a gate insulating film having a thickness of 1.5 nm to 2.0 nm mainly composed of a silicon oxide film
For the FET, the gate length at which the threshold voltage difference ΔVth = 50 mV can be obtained by device simulation. For other dielectrics, the gate length at which the threshold voltage difference ΔVth = 50 mV can be obtained by device simulation using the relative dielectric constant as a parameter. The above-mentioned MOSFET of the present invention has a ΔVth of 1.5 to 2.0 mm in the case of a silicon oxide film.
= 50 mV, that is, a gate insulating film that realizes a limit gate length equal to or less than the limit gate length which is the gate length. Therefore, sufficient miniaturization can be realized while suppressing the short channel effect.

【0015】上記の第1および第2の局面の半導体装置
では、ゲート絶縁膜を構成する主材料がチタン酸バリウ
ム(BaSrTiO3)であり、その膜厚が31nm以
下である(請求項5)。
In the semiconductor device according to the first and second aspects, the main material constituting the gate insulating film is barium titanate (BaSrTiO 3 ), and the thickness thereof is 31 nm or less.

【0016】チタン酸バリウムは比誘電率が200〜3
00と高いので、膜厚を厚くしても十分高い容量を確保
することができる。しかし、あまり膜厚を厚くするとゲ
ートのチャネル支配力が低下して短チャネル効果が大き
くなってしまう。上記の膜厚31nmは、1.5nm〜
2.0nm厚さのシリコン酸化膜を用いたMOSFET
においてΔVth=50mVとなるゲート長である限界ゲ
ート長、と同等以下の限界ゲート長とするために必要な
厚さである。チタン酸バリウムの膜厚を31nm以下に
することにより、限界ゲート長を十分短くしても短チャ
ネル効果を正常な範囲に抑制でき、また、低いリーク電
流と高い駆動能力を確保することができる。
Barium titanate has a relative dielectric constant of 200 to 3
Since it is as high as 00, a sufficiently high capacity can be ensured even when the film thickness is increased. However, when the film thickness is too large, the channel dominance of the gate is reduced and the short channel effect is increased. The film thickness 31 nm is 1.5 nm to
MOSFET using 2.0nm thick silicon oxide film
In this case, the thickness is necessary to make the limit gate length equal to or less than the limit gate length, which is the gate length at which ΔVth = 50 mV. By setting the thickness of barium titanate to 31 nm or less, the short channel effect can be suppressed to a normal range even if the limit gate length is sufficiently reduced, and a low leak current and high driving capability can be secured.

【0017】上記の第1および第2の局面の半導体装置
のゲート絶縁膜では、上記のチタン酸バリウムのほか
に、例えば、(a)膜厚が19nm以下の酸化チタン
(TiO 2)、(b)その膜厚が11nm以下の、酸化
タンタル(Ta25)、酸化ジルコニウム(ZrO2
および酸化ハフニウム(HfO2)のうちのいずれか、
(c)その膜厚が4nm以下の、窒化シリコン(Si3
4)およびアルミナ(Al23)のうちのいずれか、
を用いることができる(請求項6〜8)。ゲート絶縁膜
の各材料の膜厚上限は、1.5nm〜2.0nm厚さの
シリコン酸化膜を用いたMOSFETにおいてΔVth=
50mVとなるゲート長である限界ゲート長、と同等以
下の限界ゲート長とするために必要な厚さである。
The semiconductor device according to the first and second aspects described above.
In addition to the above barium titanate,
For example, (a) titanium oxide having a film thickness of 19 nm or less
(TiO Two), (B) Oxidation whose film thickness is 11 nm or less
Tantalum (TaTwoOFive), Zirconium oxide (ZrO)Two)
And hafnium oxide (HfOTwo),
(C) Silicon nitride (Si) having a thickness of 4 nm or lessThree
NFour) And alumina (AlTwoOThree),
Can be used (claims 6 to 8). Gate insulating film
The upper limit of the film thickness of each material is 1.5 nm to 2.0 nm.
In a MOSFET using a silicon oxide film, ΔVth =
Equal to or equal to the limit gate length, which is a gate length of 50 mV
This is the thickness required for the lower limit gate length.

【0018】上記の第1および第2の局面の半導体装置
では、ゲート絶縁膜とシリコン基板との間において、両
者に接する厚さ0.5nm以下のシリコン酸化膜をさら
に備える(請求項9)。
In the semiconductor device according to the first and second aspects, a silicon oxide film having a thickness of 0.5 nm or less in contact with the gate insulating film and the silicon substrate is further provided.

【0019】シリコン酸化物以外の高誘電体材料は熱処
理時などにシリコン基板と反応して、実際に使用できな
い場合がある。このような場合、薄いシリコン酸化膜を
間に介在させることにより反応を抑制することができ
る。厚さ0.5nm以下のシリコン酸化膜は高誘電体の
ゲート絶縁膜と直列の合成容量を構成する。シリコン酸
化膜の厚さは、0.5nm以下なのでシリコン酸化膜の
容量が大きく低下することはない。このため、直列の合
成容量は、高誘電体単体の容量に比較して数分の一程度
になるだけであり、本発明の考え方を問題なく適用する
ことができる。したがって、リーク電流および短チャネ
ル効果を抑制し、高い駆動能力を確保することができ
る。また、シリコン基板との界面における界面順位の低
減も実現することができる。すなわち、0.5nm以下
のシリコン酸化膜を用いることにより、ゲート絶縁膜の
材料変更に伴う不利益を解消して安定化し、その上で、
上記の効果を確保することが可能となる。シリコン酸化
膜の厚さが0.5nmを超えると容量が小さくなり、高
誘電体と直列の合成容量は低下してしまい、ゲートによ
る駆動能力が低下する。
A high dielectric material other than silicon oxide reacts with a silicon substrate during heat treatment or the like, and may not be used in some cases. In such a case, the reaction can be suppressed by interposing a thin silicon oxide film therebetween. The silicon oxide film having a thickness of 0.5 nm or less forms a combined capacitance in series with the gate insulating film of a high dielectric substance. Since the thickness of the silicon oxide film is 0.5 nm or less, the capacity of the silicon oxide film does not significantly decrease. For this reason, the combined capacitance in series is only about a fraction of the capacitance of the high dielectric substance alone, and the concept of the present invention can be applied without any problem. Therefore, it is possible to suppress a leak current and a short channel effect, and to secure a high driving capability. Further, a reduction in the order of the interface at the interface with the silicon substrate can also be realized. That is, by using a silicon oxide film having a thickness of 0.5 nm or less, the disadvantages caused by changing the material of the gate insulating film can be eliminated and stabilized.
The above effects can be ensured. If the thickness of the silicon oxide film exceeds 0.5 nm, the capacitance becomes small, the combined capacitance in series with the high dielectric substance decreases, and the driving capability by the gate decreases.

【0020】上記第1および第2の半導体装置では、ゲ
ート絶縁膜とゲート電極との間において、両者に接する
厚さ0.5nm以下のシリコン酸化膜を備えている(請
求項10)。
In the first and second semiconductor devices, a silicon oxide film having a thickness of 0.5 nm or less is provided between the gate insulating film and the gate electrode so as to be in contact with the gate insulating film and the gate electrode.

【0021】ゲート電極を構成する材料とゲート絶縁膜
との間で熱処理時などに反応が生じる場合、シリコン酸
化物以外の高誘電体材料を実際に使用できない。このよ
うな場合、上記のように0.5nm以下のシリコン酸化
膜を介在させることにより、化学的に安定な状態を保つ
ことができる。容量的にも問題がないことは上記した通
りである。上記構造においても、シリコン酸化膜の厚さ
が0.5nmを超えると、高誘電体との直列の合成容量
が低下してしまい、ゲートの駆動能力が低下する。
When a reaction occurs between the material forming the gate electrode and the gate insulating film during heat treatment or the like, a high dielectric material other than silicon oxide cannot be actually used. In such a case, a chemically stable state can be maintained by interposing a silicon oxide film of 0.5 nm or less as described above. As described above, there is no problem in terms of capacity. Also in the above structure, when the thickness of the silicon oxide film exceeds 0.5 nm, the combined capacitance in series with the high dielectric substance is reduced, and the driving capability of the gate is reduced.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図を用いて説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0023】(実施の形態1)ここでは、n型MOSFETを
例に挙げて説明するが、p型MOSFETについてもゲート絶
縁膜の薄膜化の効果は同様である。図1は、本実施例の
n型MOSFETの構成を示す概略断面図である。図1におい
て、主表面が(100)面であるp型シリコン基板1に
素子分離領域2およびp型ウエル3が形成され、それら
に囲まれるようにn型MOSFETが20形成されている。n
型不純物が導入されたソース・ドレイン領域8の内側に
チャネル領域を挟むようにn型不純物を含むソースドレ
イン・エクステンション6が形成されている。チャネル
の上にはゲート絶縁膜4を介してゲート電極5が形成さ
れ、その側壁にサイドウォール7が設けられている。ゲ
ート絶縁膜4は比誘電率εrの高誘電率材料で形成され
ている。また、図1のソース・ドレイン領域の上および
ゲート電極の上の表面にシリサイド9が形成されてい
る。このシリサイド9は、上層配線との導通をはかるプ
ラグ底部と接触していない領域の電気抵抗を下げるため
に設けられている。図1にはシリサイド9が形成されて
いるが、本発明にとって、このシリサイド9は設けても
よいし、また設けなくてもよい。ゲート電極5の上のシ
リサイド9も同様である。
(Embodiment 1) Here, an n-type MOSFET will be described as an example, but the effect of thinning the gate insulating film is the same for a p-type MOSFET. FIG. 1 is a schematic sectional view showing the configuration of the n-type MOSFET of the present embodiment. In FIG. 1, an element isolation region 2 and a p-type well 3 are formed on a p-type silicon substrate 1 whose main surface is a (100) plane, and an n-type MOSFET 20 is formed so as to be surrounded by them. n
A source / drain extension 6 containing an n-type impurity is formed inside the source / drain region 8 into which the type impurity is introduced so as to sandwich the channel region. A gate electrode 5 is formed on the channel with a gate insulating film 4 interposed therebetween, and a sidewall 7 is provided on a side wall thereof. The gate insulating film 4 is formed of a high dielectric constant material having a relative dielectric constant εr. Further, a silicide 9 is formed on the source / drain region and the gate electrode in FIG. The silicide 9 is provided to reduce the electric resistance in a region that is not in contact with the bottom of the plug for conducting with the upper wiring. Although the silicide 9 is formed in FIG. 1, the silicide 9 may or may not be provided for the present invention. The same applies to the silicide 9 on the gate electrode 5.

【0024】ここで、ゲート絶縁膜4はスパッタ法や化
学的気相成長法等により成膜することができる。このゲ
ート絶縁膜の膜厚tは、次に述べるように、ゲート絶縁
膜を構成する高誘電率材料の比誘電率εrの大きさに応
じて設定している。ここで、厚さがtで、比誘電率がε
rの高誘電率材料から構成されるゲート絶縁膜のシリコ
ン酸化膜等価厚teqを、teq=t/(εr/3.9)によっ
て定義する。上記の高誘電率材料の比誘電率εrが3.
9より大きいとき、シリコン酸化膜tと同じ膜厚tのゲ
ート絶縁膜のteqはtよりより薄くなる。シリコン酸化
膜を用いたゲート絶縁膜と同様に、上記のゲート絶縁膜
も膜厚を薄くすればゲート容量が増加するので、ゲート
電圧印加によりチャネル領域に誘起される電子濃度が増
加して駆動能力は向上する。しかし、εrが3.9より
大きいためにteqが薄くなっても、実際の膜厚tが厚す
ぎる場合には、ゲート電極とチャネル領域とが近づかな
いために、ゲートによるチャネルの支配を強めることは
できない。すなわち、短チャネル効果を抑制することが
できない。
Here, the gate insulating film 4 can be formed by a sputtering method, a chemical vapor deposition method or the like. The thickness t of the gate insulating film is set according to the relative dielectric constant εr of the high dielectric constant material constituting the gate insulating film, as described below. Where the thickness is t and the relative permittivity is ε
The equivalent thickness teq of the silicon oxide film of the gate insulating film composed of the high dielectric constant material of r is defined by teq = t / (εr / 3.9). 2. The relative dielectric constant εr of the above high dielectric constant material is 3.
When it is larger than 9, teq of the gate insulating film having the same thickness t as the silicon oxide film t becomes smaller than t. As with the gate insulating film using a silicon oxide film, the gate capacitance increases as the thickness of the above-described gate insulating film decreases, so that the electron density induced in the channel region by the application of the gate voltage increases, and the driving capability increases. Improves. However, even if teq is reduced because εr is larger than 3.9, but the actual film thickness t is too large, the gate electrode and the channel region do not come close to each other. Can not. That is, the short channel effect cannot be suppressed.

【0025】次に、実膜厚tをデバイスシミュレーショ
ンを行なって設定した結果について説明する。図2は、
ゲート絶縁膜の比誘電率εrを3.9〜300の範囲に
変え、かつ実膜厚を変えることによりteq=1.5nm
と一定にしたMOSFETについてのしきい値電圧Vthとゲー
ト長との関係、およびΔVthとゲート長との関係を示す
図である。図2中の比誘電率εrと具体的な材料との対
応を次に示す。まず、εr=3.9はシリコン酸化膜に
対応する。εr=25は、酸化タンタル(Ta25)、
酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ハフニウム(Hf
2)などに略対応する。また、εr=60には、酸化チ
タン(TiO2)が対応する。εr=200〜300に
は、チタン酸バリウム(BaSrTiO3)が対応す
る。図2において、しきい値電圧Vthは飽和領域(ドレ
イン電圧1.0V)におけるしきい値電圧である。ま
た、しきい値電圧差ΔVthは、線形領域(ドレイン電圧
0.05V)におけるしきい値電圧Vlin.thと上記の飽
和領域におけるしきい値電圧Vthとの差である。すなわ
ち、しきい値電圧差ΔVth=Vlin.th−Vth、である。
Next, the result of setting the actual film thickness t by performing device simulation will be described. FIG.
By changing the relative dielectric constant εr of the gate insulating film in the range of 3.9 to 300 and changing the actual film thickness, teq = 1.5 nm
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a threshold voltage Vth and a gate length and a relationship between ΔVth and a gate length for a MOSFET having a constant value. The correspondence between the relative permittivity εr in FIG. 2 and specific materials is shown below. First, εr = 3.9 corresponds to a silicon oxide film. εr = 25 represents tantalum oxide (Ta 2 O 5 ),
Zirconium oxide (ZrO 2 ), hafnium oxide (Hf
O 2 ). Further, εr = 60 corresponds to titanium oxide (TiO 2 ). Barium titanate (BaSrTiO 3 ) corresponds to εr = 200-300. In FIG. 2, a threshold voltage Vth is a threshold voltage in a saturation region (drain voltage 1.0 V). The threshold voltage difference ΔVth is the difference between the threshold voltage Vlin.th in the linear region (drain voltage 0.05 V) and the threshold voltage Vth in the above-mentioned saturation region. That is, the threshold voltage difference ΔVth = Vlin.th−Vth.

【0026】図2より明らかなように、比誘電率εrが
大きくなると、しきい値電圧Vthの低下やしきい値電圧
差ΔVthの上昇が見られ、短チャネル特性が劣化してい
ることが分かる。すなわち、teqが同じでも比誘電率ε
rが大きくなると、正常にトランジスタ動作するゲート
長が長くなってしまう。そこで、正常にトランジスタ動
作する下限のゲート長である限界ゲート長Lminを、し
きい値電圧差ΔVth=50mVとなるゲート長であると
定義して、高誘電率ゲート絶縁膜の実膜厚tとLminと
の関係を求めた。結果を図3に示す。図3中には、酸化
膜の薄膜化の限界と言われているゲート絶縁膜の実膜厚
が1.5nmおよび2.0nmの場合の限界ゲート長L
minも併せて示す。この図3より、高誘電率ゲート絶縁
膜のεrが決まった場合に、実膜厚tをいくら以下にし
ないと、厚さ1.5nmまたは2.0nmのシリコン酸
化膜の場合よりもLminが改善されないか知ることがで
きる。比誘電率εrごとに、実膜厚の限界はつぎのとお
りとなる。 (a)厚さ2.0nmのシリコン酸化膜よりもLminを
改善する場合:εr=25の場合には約11nm以下、
εr=60の場合には約19nm以下、εr=200の場
合には約28nm以下、またεr=300の場合には約
31nm以下にすればよい。なお、図3には示していな
いが、シリコン窒化膜に相当するεr=7.5の場合に
は約4nm以下にすればよい。 (b)厚さ1.5nmのシリコン酸化膜よりもLminを
改善する場合:εr=25の場合には約9nm以下、εr
=60の場合には約16nm以下、εr=200の場合
には約25nm以下、またεr=300の場合には約2
8nm以下にすればよい。また、シリコン窒化膜に相当
するεr=7.5の場合には約3nm以下にすればよ
い。
As is apparent from FIG. 2, when the relative permittivity εr increases, the threshold voltage Vth decreases and the threshold voltage difference ΔVth increases, indicating that the short channel characteristics are degraded. . That is, even if teq is the same, the relative dielectric constant ε
As r increases, the gate length for normal transistor operation increases. Therefore, the limit gate length Lmin, which is the lower limit gate length for normal transistor operation, is defined as the gate length at which the threshold voltage difference ΔVth = 50 mV, and the actual thickness t of the high dielectric constant gate insulating film is The relationship with Lmin was determined. The results are shown in FIG. FIG. 3 shows the limit gate length L when the actual film thickness of the gate insulating film is said to be the limit of thinning the oxide film when the actual film thickness is 1.5 nm and 2.0 nm.
min is also shown. From FIG. 3, when εr of the high dielectric constant gate insulating film is determined, Lmin is improved as compared with the case of a silicon oxide film having a thickness of 1.5 nm or 2.0 nm if the actual film thickness t is not reduced below a certain value. You can know if not. The limit of the actual film thickness for each relative permittivity εr is as follows. (A) To improve Lmin over a silicon oxide film having a thickness of 2.0 nm: about 11 nm or less when εr = 25,
When εr = 60, it may be about 19 nm or less, when εr = 200, about 28 nm or less, and when εr = 300, it may be about 31 nm or less. Although not shown in FIG. 3, when εr = 7.5 corresponding to a silicon nitride film, the thickness may be set to about 4 nm or less. (B) To improve Lmin over a silicon oxide film having a thickness of 1.5 nm: when εr = 25, about 9 nm or less, εr
= 60 nm or less when εr = 200, and about 2 nm or less when εr = 300.
What is necessary is just to make it 8 nm or less. When εr = 7.5 corresponding to the silicon nitride film, the thickness may be set to about 3 nm or less.

【0027】上記のような実膜厚の高誘電率膜をゲート
絶縁膜に用いることにより、短チャネル特性を劣化させ
ることなくチャネル長を短くすることができる。
By using the high dielectric constant film having the actual film thickness as described above for the gate insulating film, the channel length can be shortened without deteriorating the short channel characteristics.

【0028】(実施の形態2)上記の実施の形態1で
は、高誘電率ゲート絶縁膜は単層構造であり、したがっ
て1種類のεrを有する膜から構成されていた。本実施
の形態の半導体装置では、図4に示すように、シリコン
基板側に膜厚0.5nm以下のシリコン酸化膜などの低
誘電率のバッファ層を設けた複層構造のゲート絶縁膜を
用いる。この膜厚0.5nm以下のシリコン酸化膜を有
する複層構造のゲート絶縁膜の採用により、ゲート絶縁
膜とシリコン基板との間で形成される界面順位の低減
や、熱による反応を抑制することができる。また、シリ
コン酸化膜の厚さが0.5nm以下と小さいので、この
部分の容量が大きく低下することはない。このため、高
誘電体とこのシリコン酸化膜との直列の合成容量も、高
誘電体単体の容量に比較して桁違いに低下することはな
い。このため、十分高いゲートの駆動能力を確保するこ
とができる。上記の複層構造においても、高誘電率ゲー
ト絶縁膜の実膜厚tは、実施の形態1に示した値以下に
しないと、高誘電率材料をゲート電極側に導入するメリ
ットを得ることができない。また、図示していないが、
ゲート電極側に低誘電率のバッファ層を設けた構造につ
いても同様である。
Second Embodiment In the first embodiment, the high-dielectric-constant gate insulating film has a single-layer structure, and is therefore composed of a film having one kind of εr. In the semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 4, a gate insulating film having a multilayer structure in which a low dielectric constant buffer layer such as a silicon oxide film having a thickness of 0.5 nm or less is provided on the silicon substrate side is used. . By adopting the multi-layered gate insulating film having a silicon oxide film having a thickness of 0.5 nm or less, it is possible to reduce the order of interfaces formed between the gate insulating film and the silicon substrate and to suppress a reaction due to heat. Can be. In addition, since the thickness of the silicon oxide film is as small as 0.5 nm or less, the capacity of this portion does not significantly decrease. Therefore, the combined capacitance of the high-dielectric and the silicon oxide film in series does not decrease by orders of magnitude as compared with the capacitance of the high-dielectric alone. Therefore, a sufficiently high gate driving capability can be ensured. Even in the above-described multilayer structure, unless the actual thickness t of the high-dielectric-constant gate insulating film is set to the value shown in Embodiment 1 or less, there is a merit of introducing a high-dielectric-constant material to the gate electrode side. Can not. Although not shown,
The same applies to a structure in which a low dielectric constant buffer layer is provided on the gate electrode side.

【0029】上記において、本発明の実施の形態につい
て説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形
態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発
明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許
請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範
囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を
含む。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. Not limited. The scope of the present invention is shown by the description of the claims, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the description of the claims.

【0030】[0030]

【発明の効果】本発明によれば、MOSFETのゲート絶縁膜
として高誘電率材料を用いた場合の膜厚を適切にするこ
とができる。このため、ゲートにおける容量増加に起因
する大きな駆動力の確保だけでなく、ゲートによるチャ
ネルの支配を強め、短チャネル効果を抑制することがで
きる。この結果、より微細なゲート長でも正常なトラン
ジスタ動作を得ることができ、微細化したMOSFETの性能
を大幅に向上させることが可能となる。
According to the present invention, the film thickness can be made appropriate when a high dielectric constant material is used as the gate insulating film of the MOSFET. For this reason, it is possible to not only secure a large driving force due to an increase in the capacity of the gate, but also to strengthen the control of the channel by the gate and suppress the short channel effect. As a result, a normal transistor operation can be obtained even with a finer gate length, and the performance of a miniaturized MOSFET can be greatly improved.

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

【図1】 本発明の実施の形態1におけるn型MOSFETの
構成断面図である。
FIG. 1 is a configuration sectional view of an n-type MOSFET according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 図1に示すn型MOSFETの特性を示す図であ
り、しきい値電圧Vthおよびしきい値電圧差ΔVthに及
ぼすゲート長Lgの影響を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing characteristics of the n-type MOSFET shown in FIG. 1 and showing an effect of a gate length Lg on a threshold voltage Vth and a threshold voltage difference ΔVth.

【図3】 図1に示すn型MOSFETの高誘電率ゲート絶縁
膜の実膜厚の設定範囲を説明するための図であり、シミ
ュレーションによるn型MOSFETの下限界ゲート長Lmin
と高誘電率ゲート絶縁膜の実膜厚との関係を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram for explaining a setting range of an actual film thickness of a high dielectric constant gate insulating film of the n-type MOSFET shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the actual thickness of a high-dielectric-constant gate insulating film.

【図4】 本発明の実施の形態2におけるn型MOSFETの
構成断面図である。
FIG. 4 is a configuration sectional view of an n-type MOSFET according to a second embodiment of the present invention.

【図5】 従来のn型MOSFETの構成断面図である。FIG. 5 is a configuration sectional view of a conventional n-type MOSFET.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板、2 素子分離領域、3 p型ウエ
ル、4 高誘電率のゲート絶縁膜、5 ゲート電極、6
n型エクステンション、7 サイドウォール、8 n
型ソース・ドレイン、9 シリサイド、10 シリコン
酸化膜(低誘電率バッファ層)、11 ゲート絶縁膜、
20 MOSFET。
Reference Signs List 1 silicon substrate, 2 element isolation region, 3 p-type well, 4 high-permittivity gate insulating film, 5 gate electrode, 6
n-type extension, 7 sidewalls, 8 n
Source / drain, 9 silicide, 10 silicon oxide film (low dielectric constant buffer layer), 11 gate insulating film,
20 MOSFET.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大石 敏之 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 塩沢 勝臣 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 杉原 浩平 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 Fターム(参考) 5F040 DA01 DA06 DC01 DC10 EC01 EC13 ED01 ED03 ED04 ED05 EF02 EK01 FA03 FB01 FC02 FC19  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Toshiyuki Oishi 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Mitsui Electric Co., Ltd. (72) Katsuomi Shiozawa 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Ryo Denki Co., Ltd. (72) Inventor Kohei Sugihara 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Sanishi Electric Co., Ltd. F term (reference) 5F040 DA01 DA06 DC01 DC10 EC01 EC13 ED01 ED03 ED04 ED05 EF02 EK01 FA03 FB01 FC02 FC19

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコン基板上に形成されたMOS電界
効果型トランジスタにおいて、 前記シリコン基板の上に位置する、シリコン酸化膜以外
の材料を主材料とするゲート絶縁膜と、 前記ゲート絶縁膜の上に位置するゲート電極とを備え、 前記ゲート絶縁膜を構成する材料はシリコン酸化物より
も大きい比誘電率を有し、 前記ゲート絶縁膜の膜厚は、シリコン酸化膜を主材料と
する厚さ1.5nm〜2.0nmのゲート絶縁膜を用い
たMOSFETにおける短チャネル効果と同等以下の短
チャネル効果を有するように、所定値以下とされてい
る、半導体装置。
1. A MOS field-effect transistor formed on a silicon substrate, comprising: a gate insulating film located on the silicon substrate, the main material being a material other than a silicon oxide film; A material constituting the gate insulating film has a relative permittivity larger than that of silicon oxide, and a thickness of the gate insulating film is a thickness mainly including a silicon oxide film. A semiconductor device having a predetermined value or less so as to have a short channel effect equal to or less than a short channel effect in a MOSFET using a gate insulating film of 1.5 nm to 2.0 nm.
【請求項2】 シリコン基板上に形成されたMOS電界
効果型トランジスタにおいて、 前記シリコン基板の上に位置する、シリコン酸化膜以外
の材料を主材料とするゲート絶縁膜と、 前記ゲート絶縁膜の上に位置するゲート電極とを備え、 前記ゲート絶縁膜を構成する材料はシリコン酸化物より
も大きい比誘電率を有し、 前記ゲート絶縁膜の膜厚であって、正常にトランジスタ
動作する下限のゲート長である限界ゲート長が、シリコ
ン酸化膜を主材料とする厚さ1.5nm〜2.0nmの
ゲート絶縁膜を用いたMOSFETと同等以下となるよ
うに、そのゲート絶縁膜の膜厚範囲が設定されている、
請求項1に記載の半導体装置。
2. A MOS field-effect transistor formed on a silicon substrate, comprising: a gate insulating film located on the silicon substrate, the main material being a material other than a silicon oxide film; A material constituting the gate insulating film has a relative dielectric constant greater than that of silicon oxide, and a thickness of the gate insulating film, which is a lower limit gate for normal transistor operation. The thickness range of the gate insulating film is set so that the limit gate length, which is a long gate length, is equal to or less than that of a MOSFET using a silicon oxide film as a main material and having a thickness of 1.5 nm to 2.0 nm. Is set,
The semiconductor device according to claim 1.
【請求項3】 前記ゲート絶縁膜の膜厚範囲は、線形領
域のしきい値電圧Vlin.thから飽和領域のしきい値電圧
Vthを減じて得られるしきい値電圧差ΔVthが所定値と
なるゲート長である限界ゲート長が、シリコン酸化膜を
主材料とする厚さ1.5nm〜2.0nmのゲート絶縁
膜を用いたMOSFETと同等以下となるように設定さ
れている、請求項1または2に記載の半導体装置。
3. The threshold voltage difference ΔVth obtained by subtracting the threshold voltage Vth in the saturation region from the threshold voltage Vlin.th in the linear region becomes a predetermined value. The limit gate length, which is the gate length, is set to be equal to or less than that of a MOSFET using a gate insulating film having a thickness of 1.5 nm to 2.0 nm and containing a silicon oxide film as a main material. 3. The semiconductor device according to 2.
【請求項4】 前記限界ゲート長は、前記しきい値電圧
差ΔVthが50mVとなるゲート長である、請求項3に
記載の半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein said limit gate length is a gate length at which said threshold voltage difference ΔVth becomes 50 mV.
【請求項5】 前記ゲート絶縁膜を構成する主材料がチ
タン酸バリウム(BaSrTiO3)であり、その膜厚
が31nm以下である、請求項1〜4のいずれかに記載
の半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein a main material constituting said gate insulating film is barium titanate (BaSrTiO 3 ), and its thickness is 31 nm or less.
【請求項6】 前記ゲート絶縁膜を構成する主材料が酸
化チタン(TiO2)であり、その膜厚が19nm以下
である、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein a main material constituting said gate insulating film is titanium oxide (TiO 2 ), and its thickness is 19 nm or less.
【請求項7】 前記ゲート絶縁膜を構成する主材料が酸
化タンタル(Ta25)、酸化ジルコニウム(Zr
2)および酸化ハフニウム(HfO2)のうちのいずれ
かであり、その膜厚が11nm以下である、請求項1〜
4のいずれかに記載の半導体装置。
7. The gate insulating film is mainly composed of tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) and zirconium oxide (Zr).
O 2 ) or hafnium oxide (HfO 2 ), the film thickness of which is 11 nm or less.
5. The semiconductor device according to any one of 4.
【請求項8】 前記ゲート絶縁膜を構成する主材料が、
窒化シリコン(Si 34)およびアルミナ(Al23
のうちのいずれかであり、その膜厚が4nm以下であ
る、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置。
8. A main material constituting the gate insulating film,
Silicon nitride (Si ThreeNFour) And alumina (AlTwoOThree)
And the film thickness is 4 nm or less.
The semiconductor device according to claim 1, wherein
【請求項9】 前記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板と
の間において、両者に接する厚さ0.5nm以下のシリ
コン酸化膜をさらに備える、請求項1〜8のいずれかに
記載の半導体装置。
9. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a silicon oxide film having a thickness of 0.5 nm or less in contact with said gate insulating film and said silicon substrate.
【請求項10】 前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極と
の間において、両者に接する厚さ0.5nm以下のシリ
コン酸化膜をさらに備える、請求項1〜8のいずれかに
記載の半導体装置。
10. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a silicon oxide film having a thickness of 0.5 nm or less in contact with said gate insulating film and said gate electrode.
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