JP2004186295A - Semiconductor device - Google Patents
Semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004186295A JP2004186295A JP2002349537A JP2002349537A JP2004186295A JP 2004186295 A JP2004186295 A JP 2004186295A JP 2002349537 A JP2002349537 A JP 2002349537A JP 2002349537 A JP2002349537 A JP 2002349537A JP 2004186295 A JP2004186295 A JP 2004186295A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- insulating film
- semiconductor device
- gate insulating
- dielectric constant
- gate
- 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
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 126
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 66
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 32
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 23
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 8
- 238000009413 insulation Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 48
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 4
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000293849 Cordylanthus Species 0.000 description 1
- 229910021193 La 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002830 PrOx Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/10—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
- H01L29/107—Substrate region of field-effect devices
- H01L29/1075—Substrate region of field-effect devices of field-effect transistors
- H01L29/1079—Substrate region of field-effect devices of field-effect transistors with insulated gate
- H01L29/1083—Substrate region of field-effect devices of field-effect transistors with insulated gate with an inactive supplementary region, e.g. for preventing punch-through, improving capacity effect or leakage current
Abstract
Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体装置に係り、特にMISFET(Metal Insulator Silicon Field Effect Transistor)のゲート絶縁膜の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
図12は、従来の半導体装置(特に、MISFET)を説明するための断面図である。
図12に示すように、基板1のウェル層11の表面層にチャネル領域12が形成され、このチャネル領域12の両側にソース領域3及びドレイン領域4が形成されている。チャネル領域12上にゲート絶縁膜25が形成され、その上にゲート電極5が形成されている。ゲート絶縁膜25は、SiO2等の単一種類の低い比誘電率を有する材料により形成され、且つ、ゲート電極5下部の全面にわたって形成されている。
【0003】
また、短チャネル効果を抑制するため、ゲート電極側面を覆うサイドウォールの下に、ソースドレイン領域に連結されたエクステンションを浅く形成したLDD(Lightly Doped Drain)構造が知られている。
【0004】
半導体装置の高速・高性能化が進み、半導体装置が微細化されるに伴い、上記エクステンションはより浅く形成される。これにより、エクステンションのシート抵抗が増大する。よって、電流駆動能力を維持するため、電圧を下げにくくなり、電圧のスケーリングが困難になってくる。その結果、半導体装置の内部の電界は高くなってしまう。
【0005】
半導体装置内の高電界の影響として、ゲート電界に起因するドレイン電流リーク(GIDL:Gate Induced Drain Leakage)がある(例えば、非特許文献1参照)。
【0006】
図12に示す半導体装置において、上述したGIDLが生じるメカニズムについて説明する。
ソース領域3にドレイン電圧が印加された場合に、ゲート絶縁膜25との界面近傍のドレイン領域4のオーバーラップ領域Aにおいて、チャネル方向のドレイン電圧と、ゲート電極5からのゲート電界とが重畳される。これにより、キャリアがバンド間トンネルにより発生し、それがリークする。
このGIDLは、ゲート絶縁膜25が薄くなり、またゲート絶縁膜25の比誘電率が高くなると増加する。
【0007】
このGIDLを抑制する方法として、オーバーラップ領域Aのゲート絶縁膜25の膜厚を厚くして、この部分のゲート電界を小さくする構造が提案されている。しかし、この構造では、オーバーラップ領域周辺のゲート絶縁膜が、例えばバーズビークによって厚くなるという問題があり、MISFETの微細化が進むと作製が困難になってしまう。
【0008】
また、半導体装置の微細化に伴いゲート電圧が低減されるが、ゲート電界を低減させないようにゲート絶縁膜はより薄く形成される。この場合、トンネル電流がゲート絶縁膜を流れるため、MISFETのオフ時のゲート−ドレイン間電流が、MISFETのオフ電流に対して無視できないほど大きくなってしまう。
【0009】
そこで、ゲート−ドレイン間のトンネル電流を低減するため、図13に示すように、ゲート絶縁膜26には、電気的な膜厚が薄くなっても物理的な膜厚を厚くすることができる比誘電率が高い材料が使用されている。
【0010】
次に、MISFETの微細化を阻害する他の要因について説明する。
上述したように、MISFET内部の電界は、微細化に伴って高くなる。特に、ソース−ドレイン間の電界は、著しいゲート長の縮小化や、ドレイン電圧の高電圧化によって、極めて高電圧になる。
【0011】
ソース−ドレイン間の高電界の影響として、ドレイン電界に起因する閾値電圧の低下(DIBL:Drain Induced Barrier Lowering)がある。
【0012】
図12に示す半導体装置において、上述したDIBLが生じるメカニズムについて説明する。
ソース領域3にドレイン電圧が印加された場合、ドレイン領域4のオーバーラップ領域Aとウェル領域11との界面(接合部分)にドレイン電界が作用して、ドレイン領域4とウェル領域11との仕事関数差によって形成されたバリアの高さが低下する。これにより、低い閾値電圧で、オン電流が流れるようになる。これは、短チャネル効果によるものである。
【0013】
このDIBLを考慮して、図12に示す半導体装置のデバイスシミュレーションを行った。このシミュレーション結果をゲート長−閾値電圧特性として図14に示す。DIBLを考慮した図12の構造のデバイスシミュレーション結果は、図14において実線で示されている。
ここで、デバイスシミュレーションのパラメータの条件は、ドレイン電圧Vd=ゲート電圧Vg=1.0V、ソース電圧Vs=基板バイアス電圧Vsub=0V、ゲート絶縁膜25の膜厚=1.5nm、ゲート絶縁膜25の比誘電率k=3.9とした。
【0014】
次に、図13に示す半導体装置についてもデバイスシミュレーションを行った。このシミュレーション結果は、図14において点線で示されている。ここで、図13に示す半導体装置において、高い比誘電率(k=40)のゲート絶縁膜26が用いられている。また、このゲート絶縁膜26の酸化膜換算膜厚は1.5nmである。ゲート絶縁膜26の物理膜厚は、比誘電率kが3.9であるゲート絶縁膜25(図12)の膜厚の約10倍になっている。また、図13におけるその他の構造は、図12に示す半導体装置と同じである。
図14に示すように、ゲート絶縁膜として高い比誘電率を有する材料を用いた場合、低い比誘電率の材料を用いた場合と比較して、短チャネル効果が大きくなることが分かった。
【0015】
【非特許文献1】
T. Y. Chan et al.,“The Impact of Gate−Induced Drain Leakage Current on MOSFET Scaling”,IEDM,1987,p.718−721
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ゲート−ドレイン間のトンネル電流を低減するためゲート絶縁膜の比誘電率を高くすれば、短チャネル効果が大きくなり、微細化が困難になってしまうという問題があった。このように、ゲート絶縁膜の比誘電率を高くすると短チャネル効果が大きくなる理由として、ドレインからの電界をゲート絶縁膜が吸収し、さらにそれがソース端部に作用して、バリアの高さを低下させることがある。この効果は、ゲート絶縁膜の比誘電率に関わらず存在するが、比誘電率が高くなることにより顕著になることがデバイスシミュレーションの結果から分かる。
【0017】
また、比誘電率の高いゲート絶縁膜をチャネル上部に直接形成する場合、ゲート絶縁膜と基板との界面に界面準位が形成されやすく、そのためキャリア移動度が低減し、トランジスタのオン電流が劣化するという問題があった。
また、比誘電率の高いゲート絶縁膜は半導体基板の主成分であるシリコンと熱化学反応しやすいため、通常の半導体製造工程における熱処理安定性が低いという問題があった。
さらに、ゲート電極中に含まれるドーパントが、比誘電率の高いゲート絶縁膜を介して、半導体基板へ拡散しやすいという問題もあった。
【0018】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、半導体装置の内部の高電界が与える影響で増加するGIDLを低減することを目的とする。また、本発明は、ゲート絶縁膜の比誘電率を高くすれば大きくなる短チャネル効果を低減することを目的とする。
【0019】
【課題を解決する為の手段】
この発明に係る半導体装置は、基板の表面層に形成されたチャネル領域と、
前記チャネル領域の両側に形成されたソースドレイン領域と、
第1の比誘電率を有し、前記チャネル領域上に形成された絶縁性界面層と、
前記第1の比誘電率よりも高い第2の比誘電率を有し、前記絶縁性界面層上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
を備えたことを特徴とするものである。
【0020】
この発明に係る半導体装置は、前記絶縁性界面層及び前記ゲート絶縁膜の側面が、前記ゲート電極の側面よりも内側に入っていることを特徴とするものである。
【0021】
この発明に係る半導体装置は、前記ソースドレイン領域の一部が前記ゲート電極の側面よりも内側に形成され、
このソースドレイン領域の一部の上に、前記絶縁性界面層及び前記ゲート絶縁膜の側面が位置することを特徴とするものである。
【0022】
この発明に係る半導体装置は、前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極との間に、前記第2の比誘電率よりも低い比誘電率を有する第2の絶縁性界面層を更に備えたことを特徴とするものである。
【0023】
この発明に係る半導体装置は、前記絶縁性界面層、前記ゲート絶縁膜及び前記第2の絶縁性界面層の側面が、前記ゲート電極の側面よりも内側に入っていることを特徴とするものである。
【0024】
この発明に係る半導体装置は、前記ソースドレイン領域の一部が前記ゲート電極の側面よりも内側に形成され、
このソースドレイン領域の一部の上に、前記絶縁性界面層、前記ゲート絶縁膜及び前記第2の絶縁性界面層の側面が位置することを特徴とするものである。
【0025】
この発明に係る半導体装置は、前記第2の比誘電率よりも低い比誘電率を有し、少なくとも前記ゲート絶縁膜の側面を覆う側部絶縁膜を更に備えたことを特徴とするものである。
【0026】
この発明に係る半導体装置は、基板の表面層に形成されたチャネル領域と、
前記チャネル領域の両側に形成されたソースドレイン領域と、
比誘電率が30以上であり、前記チャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
を備え、
前記ゲート絶縁膜の側面が、前記ゲート電極の側面よりも内側に入っていることを特徴とするものである。
【0027】
この発明に係る半導体装置は、前記ソースドレイン領域の一部が前記ゲート電極の側面よりも内側に形成され、
このソースドレイン領域の一部の上に、前記ゲート絶縁膜の側面が位置することを特徴とするものである。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【0029】
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1による半導体装置を説明するための断面図である。
図1に示すように、シリコン基板等の半導体基板1に形成されたウェル領域11の表面層にチャネル領域12が形成され、このチャネル領域12の両側にソース領域3及びドレイン領域4が形成されている。チャネル領域12上に高い比誘電率(k=40)を有するゲート絶縁膜21が形成され、このゲート絶縁膜21上にゲート電極5が形成されている。
また、ソースドレイン領域3,4の一部(以下「オーバーラップ領域A」という。)が、ゲート電極5とオーバーラップしている。すなわち、チャネル領域12とソースドレイン領域3,4との境界が、ゲート電極5の側面よりも内側に位置している。そして、ゲート絶縁膜21の側面が、ゲート電極5側面よりも内側に入っている。詳細には、ゲート絶縁膜21の側面は、ゲート電極5の側面からオフセット量Bだけ内側に入り、オーバーラップ領域A上に位置する。
【0030】
図1に示す半導体装置でオフセット量B=10nm,15nmのものについて、それぞれデバイスシミュレーションを行った。このシミュレーション結果を、ゲート電圧−ドレイン電流特性として図2に示す。図2は、図1に示す半導体装置のデバイスシミュレーション結果を説明するための図である。図2において、SiO2(比誘電率k=3.9)をゲート絶縁膜25として用いた従来の半導体装置(図12参照)のシミュレーション結果と、高い比誘電率(k=40)のゲート絶縁膜26を用い、オフセット量B=0nmである従来の半導体装置(図13参照)のシミュレーション結果とを、本実施の形態1の比較例として併せて示している。
ここで、シミュレーションのパラメータの条件は、ドレイン電圧Vd=ゲート電圧Vg=1.0V、ソース電圧Vs=基板バイアス電圧Vsub=0V、オーバーラップ領域Aの長さ=10nm、ゲート絶縁膜21の酸化膜換算膜厚=1.5nm、ゲート絶縁膜21の比誘電率k=40とした。
【0031】
先ず、比較例のシミュレーション結果について説明する。
図2に示すように、図12に示す半導体装置の場合には、ゲート電圧Vg=0Vにおけるドレイン電流Id、すなわちオフ電流Ioffがサブスレッショルド特性で決まらず、GIDLの影響を受けて高くなっている。よって、閾値電圧を高くしてもオフ電流Ioffを低減できないことが明らかであり、これ以上のオフ電流Ioffの低減は困難である。
また、図13に示す半導体装置の場合には、比誘電率が高いゲート絶縁膜26がドレイン領域4のオーバーラップ領域Aを全て覆っているため、ゲート電界がドレイン領域4のオーバーラップ領域Aに集中しやすくなり、図12に示す半導体装置の場合よりも、GIDLの影響がさらに大きくなり、オフ電流Ioffが増加する。
【0032】
次に、本実施の形態1による半導体装置のシミュレーション結果、すなわちゲート絶縁膜21のオフセット量Bが10nm,15nmの場合について説明する。
上述したように、オーバーラップ領域Aの長さ=10nmであるので、オフセット量B=10nmの場合は、ゲート絶縁膜21の側面(オフセット位置)とソースドレイン領域3,4の端部とが一致している状態である。また、オフセット量B=15nmの場合は、チャネル領域12の一部分(端部近傍)がゲート絶縁膜21により覆われていない状態である。
図2に示すように、高い比誘電率(k=40)を有するゲート絶縁膜21がオフセット構造(オフセット量B=10nm,15nm)になっているため、大幅にGIDLの影響が軽減し、それに伴いオフ電流Ioffが低減される。このオフ電流Ioffの低減効果は、オフセット量B=10nmの場合よりもB=15nmの場合の方がより顕著になる。すなわち、ゲート絶縁膜21のオフセット量Bの増加により、オフ電流Ioffをより低減することができる。
【0033】
また、図2に示したシミュレーション計算結果を、トランジスタの駆動能力がわかるようにリニア表示したものを図3に示す。
図3に示すように、従来の半導体装置(図12及び図13参照)のオン電流Ionに対して、オフセット量B=10nmの場合のオン電流Ionはほぼ同等の値が得られる。しかし、オフセット量B=15nmの場合のオン電流Ionは、従来の半導体装置のオン電流Ionよりも減少しており、トランジスタの駆動能力が劣化することが分かった。これは、オン電流Ionは、チャネル領域12上のゲート電界の影響を受けるためである。すなわち、上述したようにオフセット量B=15nmの半導体装置では、チャネル領域12の一部分がゲート絶縁膜21により覆われず、その部分でゲート電界が十分作用しないためである。
従って、高い比誘電率(k=40)を有するゲート絶縁膜21のオフセット量Bは、オフ電流Ioffとオン電流Ionの両方の観点で設定する必要がある。この両方の観点から、例えばオーバーラップ領域Aの長さが10nmの場合、オフセット量Bは、0nmより大きく且つ10nm以下が好適である。
【0034】
以上説明したように、本実施の形態1による半導体装置においては、半導体基板1上に高い比誘電率を有するゲート絶縁膜21を形成し、ゲート絶縁膜21上にゲート電極5を形成した。そして、ゲート絶縁膜21の側面が、ゲート電極5の側面よりも内側に入り、ゲート電極5とオーバーラップしているソースドレイン領域3,4のオーバーラップ領域A上に位置する。
従って、半導体装置の内部の高電界が与える影響で増加するGIDLを低減することができる。
【0035】
なお、本実施の形態1では、オーバーラップ領域Aの長さが10nmであるため、オフセット量Bの上限を10nmとした。オーバーラップ領域Aの長さは10nmに限られず、適宜変更してもよい。また、オフセット量Bの範囲を一般化して表すと、オフセット量Bの範囲は、0nmよりも大きく且つオーバーラップ領域Aの長さ以下となる(後述する実施の形態3及び5についても同様とする)。
【0036】
また、本実施の形態1では、ゲート絶縁膜21の比誘電率kが40の場合について説明したが、これに限らず、例えば比誘電率kは30以上であればよい。
【0037】
実施の形態2.
図4は、本発明の実施の形態2による半導体装置を説明するための断面図である。
図4に示すように、シリコン基板等の半導体基板1に形成されたウェル領域11の表面層にチャネル領域12が形成され、このチャネル領域12の両側にソース領域3及びドレイン領域4が形成されている。チャネル領域12上に比誘電率k=3.9である絶縁性界面層22が形成され、この絶縁性界面層22上に絶縁性界面層22の比誘電率よりも高い比誘電率(k=40)を有するゲート絶縁膜21が形成され、さらにゲート絶縁膜21上にゲート電極5が形成されている。ここで、絶縁性界面層22は、例えばSiO2膜、SiN膜、HfSiOx膜、ZrSiOx膜、AlSiOx膜等である。
また、前述した実施の形態1と同様に、ソースドレイン領域3,4の一部であるオーバーラップ領域Aが、ゲート電極5とオーバーラップしている。すなわち、チャネル領域12とソースドレイン領域3,4との境界が、ゲート電極5の側面よりも内側に位置している。
なお、本実施の形態2による半導体装置は、実施の形態1のようにゲート絶縁膜の側面がゲート電極5の側面よりも内側に入るオフセット構造を有していない。
【0038】
図4に示す半導体装置について、デバイスシミュレーションを行った。そのシミュレーション結果を、ゲート長−閾値電圧特性として図5に示す。図5は、図4に示す半導体装置のデバイスシミュレーション結果を説明するための図である。図5において、SiO2(比誘電率k=3.9)をゲート絶縁膜25として用いた従来の半導体装置(図12参照)のシミュレーション結果と、高い比誘電率(k=40)のゲート絶縁膜26を用い、絶縁性界面層を形成していない従来の半導体装置(図13参照)のシミュレーション結果とを、本実施の形態2の比較例として併せて示している。
ここで、シミュレーションのパラメータの条件は、実施の形態1と同様に、ドレイン電圧Vd=ゲート電圧Vg=1.0V、ソース電圧Vs=基板バイアス電圧Vsub=0V、オーバーラップ領域Aの長さ=10nm、ゲート絶縁膜21の酸化膜換算膜厚=1.5nm、ゲート絶縁膜21の比誘電率k=40とした。
【0039】
図5に示すように、絶縁性界面層22を介して高い比誘電率(k=40)を有するゲート絶縁膜21を形成した本実施の形態2による半導体装置は、絶縁性界面層22を形成していない従来の半導体装置(図13参照)に比べて、短チャネル効果の増加を低減することができる。
ゲート絶縁膜の比誘電率を高くすると短チャネル効果が大きくなる理由として、ドレインからの電界をゲート絶縁膜が吸収し、さらにそれがソース端部に作用してバリアの高さを低下させることが挙げられ、この効果はゲート絶縁膜の比誘電率に関わらず存在し、比誘電率が高くなるとより顕著になることは前述した。
しかし、本実施の形態2では、ゲート絶縁膜21の比誘電率が高い場合でも、短チャネル効果の増加を抑制できている。これは、高い比誘電率(k=40)を有するゲート絶縁膜21とシリコン基板1との間に形成され、ゲート絶縁膜21よりも低い比誘電率(k=3.9)を有する絶縁性界面層22のシールド効果によって、ドレイン領域4からの電界をゲート絶縁膜21が吸収しにくくなっているためであり、上述したシミュレーション結果から分かる。
【0040】
以上説明したように、本実施の形態2による半導体装置においては、半導体基板1上に絶縁性界面層22を形成し、絶縁性界面層22上にこの界面層22の比誘電率よりも高い比誘電率を有するゲート絶縁膜21を形成し、ゲート絶縁膜21上にゲート電極5を形成した。従って、ゲート絶縁膜の比誘電率を高くすれば大きくなる短チャネル効果を、絶縁性界面層22のシールド効果により低減することができる。
【0041】
また、本実施の形態2では、絶縁性界面層22を介してゲート絶縁膜21を形成しているため、次のような効果が更に得られる。
既に説明したように、比誘電率の高いゲート絶縁膜をチャネル領域の上部に直接形成する場合、ゲート絶縁膜と半導体基板との界面には界面準位が形成されやすく、そのためキャリア移動度が低減しトランジスタのオン電流が劣化する。また、比誘電率の高いゲート絶縁膜は比較的半導体基板の主成分であるシリコンと熱化学反応しやすく、通常の半導体製造工程における熱処理安定性が低い、さらに、ゲート電極5中に含まれるドーパントは、比誘電率の高いゲート絶縁膜を介して半導体基板へ拡散しやすい。
従って、高い比誘電率を有するゲート絶縁膜21と半導体基板1との間に、界面準位を形成しにくく、熱的安定性に優れ、ドーパントの拡散を抑制する絶縁性界面層22が介在することにより、トランジスタのオン電流Ionを劣化させることなく、熱的安定性に優れた半導体装置(トランジスタ)が得られる。
【0042】
なお、本実施の形態2では、絶縁性界面層22の比誘電率kを3.9として説明したが、これに限らず、ゲート絶縁膜21の比誘電率(k=40)よりも小さければよい。
また、絶縁性界面層22の膜厚は、少なくとも0よりも厚ければよく、膜厚が厚い方がより大きいシールド効果が得られ、短チャネル効果の増加をより抑制することができる。
また、ゲート絶縁膜21は、比誘電率k=40の膜としたが、これに限られず、絶縁性界面層22の比誘電率よりも高い比誘電率を有する高誘電率膜であればよい。例えば、Al2O3膜、ZrO2膜、HfO2膜、HfSiOx膜、ZrSiOx膜、Y2O3膜、La2O3膜、PrOx膜等を用いることができる。
【0043】
また、本実施の形態2では、絶縁性界面層22、ゲート絶縁膜21及びゲート電極5の側方に何も形成していないが、ゲート絶縁膜21の比誘電率よりも低い比誘電率を有する絶縁膜を形成してもよい。この場合、少なくともゲート絶縁膜21の側面を覆うように形成すればよく、実施の形態2と同様の効果が得られる(後述する実施の形態3−5についても同様)。
【0044】
実施の形態3.
図6は、本発明の実施の形態3による半導体装置を説明するための断面図である。
図6に示す本実施の形態3による半導体装置は、前述した実施の形態2による半導体装置(図4参照)において、絶縁性界面層22及びゲート絶縁膜21の側面が、ゲート電極5の側面よりも内側に入っているものである。詳細には、絶縁性界面層22及びゲート絶縁膜21の側面は、ゲート電極5の側面からオフセット量Bだけ内側に入り、オーバーラップ領域A上に位置している。
なお、その他の構成要素については、実施の形態2と同様であるので、本実施の形態3ではその詳細な説明を省略する。
【0045】
図6に示す半導体装置でオフセット量B=10nmのものについて、デバイスシミュレーションを行った。このシミュレーション結果を、ゲート電圧−ドレイン電流特性として図7に示す。図7は、図6に示す半導体装置のデバイスシミュレーション結果を説明するための図である。図7において、SiO2(比誘電率k=3.9)をゲート絶縁膜25として用いた従来の半導体装置(図12参照)のシミュレーション結果と、高い比誘電率(k=40)のゲート絶縁膜26を用い、オフセット量B=0nmである従来の半導体装置(図13参照)のシミュレーション結果とを、本実施の形態3の比較例として併せて示している。
ここで、シミュレーションのパラメータの条件は、実施の形態2と同様に、ドレイン電圧Vd=ゲート電圧Vg=1.0V、ソース電圧Vs=基板バイアス電圧Vsub=0V、オーバーラップ領域Aの長さ=10nm、ゲート絶縁膜21の酸化膜換算膜厚=1.5nm、ゲート絶縁膜21の比誘電率k=40とした。
【0046】
先ず、比較例のシミュレーション結果について説明する。
図12に示す半導体装置の場合には、実施の形態1で説明したように、オフ電流Ioffがサブスレッショルド特性で決まらず、GIDLの影響を受けて高くなっており、オフ電流Ioffの低減は困難である。
また、図13に示す半導体装置の場合には、実施の形態1で説明したように、ゲート電界がドレイン領域4のオーバーラップ領域Aに集中しやすくなり、図12に示す半導体装置の場合よりも、GIDLの影響が大きくなり、オフ電流Ioffが増加する。
【0047】
次に、本実施の形態3による半導体装置のシミュレーション結果について説明する。
上述したように、オーバーラップ領域Aの長さ=10nm、オフセット量B=10nmであるので、絶縁性界面層22及びゲート絶縁膜21の側面(オフセット位置)とソースドレイン領域3,4の端部とが一致している状態である。
図7に示すように、絶縁性界面層22と高い比誘電率(k=40)を有するゲート絶縁膜21とがオフセット構造(オフセット量B=10nm)になっているため、実施の形態1の場合と同様に、大幅にGIDLの影響が軽減し、それに伴いオフ電流Ioffが低減される。
【0048】
また、図7に示したシミュレーション結果を、トランジスタの駆動能力がわかるようにリニア表示したものを図8に示す。
図8に示すように、実施の形態1の場合と同様に、従来の半導体装置(図12及び図13参照)のオン電流Ionに対して、オフセット量B=10nmの場合のオン電流Ionはほぼ同等の値が得られる。
【0049】
本実施の形態3においても、実施の形態1と同様に、高い比誘電率(k=40)を有するゲート絶縁膜21のオフセット量Bは、オフ電流Ioffとオン電流Ionの両方の観点で設定する必要がある。この両方の観点から、例えばオーバーラップ領域Aの長さが10nmの場合、オフセット量Bは、0nmより大きく且つ10nm以下が好適である。
【0050】
次に、短チャネル効果への影響について説明する。
上述したシミュレーション結果を、ゲート長−閾値電圧特性として図9に示す。図9において、SiO2(比誘電率k=3.9)をゲート絶縁膜25として用いた従来の半導体装置(図12参照)のシミュレーション結果と、高い比誘電率(k=40)のゲート絶縁膜26を用い、絶縁性界面層を形成していない従来の半導体装置(図13参照)のシミュレーション結果とを、本実施の形態3の比較例として併せて示している。
図9に示すように、実施の形態2と同様に、絶縁性界面層22を介して高い比誘電率(k=40)を有するゲート絶縁膜21を形成した本実施の形態3による半導体装置は、高い比誘電率(k=40)を有するゲート絶縁膜26が半導体基板上に直接形成された従来の半導体装置(図13参照)と比較して、短チャネル効果の増加を低減することができる。
【0051】
以上説明したように、本実施の形態3による半導体装置においては、半導体基板1上に絶縁性界面層22を形成し、絶縁性界面層22上にこの界面層22の比誘電率よりも高い比誘電率を有するゲート絶縁膜21を形成し、ゲート絶縁膜21上にゲート電極5を形成した。従って、実施の形態2と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態3では、絶縁性界面層22及びゲート絶縁膜21の側面が、ゲート電極5の側面よりもオフセット量Bだけ内側に入り、ゲート電極5とオーバーラップしているソースドレイン領域3,4のオーバーラップ領域A上に位置するようにした。従って、半導体装置の内部の高電界が与える影響で増加するGIDLを低減することができる。
【0052】
実施の形態4.
図10は、本発明の実施の形態4による半導体装置を説明するための断面図である。
図10に示す本実施の形態4による半導体装置は、前述した実施の形態2による半導体装置(図4参照)において、ゲート絶縁膜21とゲート電極5との間に、ゲート絶縁膜21の比誘電率(k=40)よりも低い比誘電率(k=3.9)を有する絶縁性界面層23を介在させたものである。
その他の構成要素については、実施の形態2と同様であるので、本実施の形態4ではその詳細な説明を省略する。
【0053】
図10に示す半導体装置について、デバイスシミュレーションを行った。このシミュレーション結果は、前述した実施の形態2による半導体装置のシミュレーション結果(図5参照)と同様になった。
【0054】
以上説明したように、本実施の形態4による半導体装置においては、半導体装置1上に絶縁性界面層(第1の絶縁性界面層)22を形成し、絶縁性界面層22上にこの界面層22の比誘電率(k=3.9)よりも高い比誘電率(k=40)を有するゲート絶縁膜21を形成し、ゲート絶縁膜21上にゲート絶縁膜21の比誘電率よりも低い比誘電率(k=3.9)を有する絶縁性界面層(第2の絶縁性界面層)23を形成し、絶縁性界面層23上にゲート電極5を形成した。従って、実施の形態2と同様の効果が得られる。
【0055】
なお、本実施の形態4によれば、2つの絶縁性界面層22,23の比誘電率kを3.9としたが、これに限らず、ゲート絶縁膜21の比誘電率よりも低ければよい。また、2つの絶縁性界面層22,23の比誘電率がそれぞれ異なっていてもよい。
【0056】
実施の形態5.
図11は、本発明の実施の形態5による半導体装置を説明するための断面図である。
図11に示す本実施の形態5による半導体装置は、前述した実施の形態4による半導体装置(図10参照)において、絶縁性界面層22,23及びゲート絶縁膜21の側面が、ゲート電極5の側面よりも内側に入っているものである。詳細には、絶縁性界面層22,23及びゲート絶縁膜21の側面は、ゲート電極5の側面からオフセット量Bだけ内側に入り、のオーバーラップ領域A上に位置する。
【0057】
図11に示す半導体装置でオフセット量B=10nmのものについて、デバイスシミュレーションを行った。このシミュレーション結果は、前述した実施の形態3による半導体装置のシミュレーション結果(図7−9参照)と同様になった。
【0058】
以上説明したように、本実施の形態5による半導体装置においては、半導体装置1上に絶縁性界面層22を形成し、絶縁性界面層22上にこの界面層22の比誘電率(k=3.9)よりも高い比誘電率(k=40)を有するゲート絶縁膜21を形成し、ゲート絶縁膜21上にゲート絶縁膜21の比誘電率よりも低い比誘電率(k=3.9)を有する絶縁性界面層23を形成し、絶縁性界面層23上にゲート電極5を形成した。そして、絶縁性界面層22,23及びゲート絶縁膜21の側面が、ゲート電極5の側面よりも内側に入り、ゲート電極5とオーバーラップしているソースドレイン領域3,4のオーバーラップ領域A上に位置するようにした。従って。実施の形態3と同様の効果が得られる。
【0059】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体装置の内部の高電界が与える影響で増加するGIDLを低減することができる。また、ゲート絶縁膜の比誘電率を高くすれば大きくなる短チャネル効果を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1による半導体装置を説明するための断面図である。
【図2】図1に示す半導体装置のデバイスシミュレーション結果(ゲート電圧−ドレイン電流特性)を説明するための図である。
【図3】図2に示すデバイスシミュレーション結果をリニア表示した図である。
【図4】本発明の実施の形態2による半導体装置を説明するための断面図である。
【図5】図4に示す半導体装置のデバイスシミュレーション結果(ゲート長−閾値電圧特性)を説明するための図である。
【図6】本発明の実施の形態3による半導体装置を説明するための断面図である。
【図7】図6に示す半導体装置のデバイスシミュレーション結果(ゲート電圧−ドレイン電流特性)を説明するための図である。
【図8】図7に示すデバイスシミュレーション結果をリニア表示した図である。
【図9】図6に示す半導体装置のデバイスシミュレーション結果(ゲート長−閾値電圧特性)を説明するための図である。
【図10】本発明の実施の形態4による半導体装置を説明するための断面図である。
【図11】本発明の実施の形態5による半導体装置を説明するための断面図である。
【図12】従来の半導体装置を説明するための断面図である。
【図13】高誘電率膜を用いた従来の半導体装置を説明するための断面図である。
【図14】図12及び図13に示す半導体装置のデバイスシミュレーション結果(ゲート長−閾値電圧特性)を説明するための図である。
【符号の説明】
1 半導体基板(シリコン基板)
3 ソース領域
4 ドレイン領域
5 ゲート電極
11 ウェル領域
12 チャネル領域
21 ゲート絶縁膜
22 絶縁性界面層
23 絶縁性界面層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and, more particularly, to a structure of a gate insulating film of a MISFET (Metal Insulator Silicon Field Effect Transistor).
[0002]
[Prior art]
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a conventional semiconductor device (especially, MISFET).
As shown in FIG. 12, a
[0003]
Also, in order to suppress the short channel effect, an LDD (Lightly Doped Drain) structure in which an extension connected to a source / drain region is formed shallowly below a sidewall covering a side surface of a gate electrode is known.
[0004]
As the speed and performance of the semiconductor device increase, and the semiconductor device is miniaturized, the extension is formed to be shallower. Thereby, the sheet resistance of the extension increases. Therefore, in order to maintain the current driving capability, it is difficult to lower the voltage, and it becomes difficult to scale the voltage. As a result, the electric field inside the semiconductor device increases.
[0005]
As an effect of a high electric field in a semiconductor device, there is a drain current leak (GIDL: Gate Induced Drain Leakage) caused by a gate electric field (for example, see Non-Patent Document 1).
[0006]
A mechanism in which the above-described GIDL occurs in the semiconductor device illustrated in FIG. 12 will be described.
When a drain voltage is applied to the
This GIDL increases as the
[0007]
As a method of suppressing the GIDL, a structure has been proposed in which the thickness of the
[0008]
Although the gate voltage is reduced as the semiconductor device is miniaturized, the gate insulating film is formed thinner so as not to reduce the gate electric field. In this case, since the tunnel current flows through the gate insulating film, the gate-drain current when the MISFET is off becomes too large to be ignored with respect to the off current of the MISFET.
[0009]
Therefore, in order to reduce the tunnel current between the gate and the drain, as shown in FIG. 13, the
[0010]
Next, other factors that hinder miniaturization of the MISFET will be described.
As described above, the electric field inside the MISFET increases with miniaturization. In particular, the electric field between the source and the drain becomes extremely high due to a remarkable reduction in the gate length and an increase in the drain voltage.
[0011]
As an effect of the high electric field between the source and the drain, there is a decrease in the threshold voltage (DIBL: Drain Induced Barrier Lowering) caused by the drain electric field.
[0012]
A mechanism in which the above-described DIBL occurs in the semiconductor device illustrated in FIG. 12 will be described.
When a drain voltage is applied to the
[0013]
A device simulation of the semiconductor device shown in FIG. 12 was performed in consideration of the DIBL. FIG. 14 shows the simulation result as gate length-threshold voltage characteristics. The device simulation result of the structure of FIG. 12 in consideration of the DIBL is shown by a solid line in FIG.
Here, the conditions of the parameters of the device simulation are as follows: drain voltage Vd = gate voltage Vg = 1.0 V, source voltage Vs = substrate bias voltage Vsub = 0 V, thickness of
[0014]
Next, a device simulation was performed on the semiconductor device shown in FIG. This simulation result is shown by a dotted line in FIG. Here, in the semiconductor device shown in FIG. 13, a gate
As shown in FIG. 14, it was found that when a material having a high relative dielectric constant was used for the gate insulating film, the short channel effect was larger than when a material having a low relative dielectric constant was used.
[0015]
[Non-patent document 1]
T. Y. Chan et al. , "The Impact of Gate-Induced Drain Leakage Current on MOSFET Scaling", IEDM, 1987, p. 718-721
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, if the relative dielectric constant of the gate insulating film is increased in order to reduce the gate-drain tunnel current, there is a problem that the short channel effect becomes large and miniaturization becomes difficult. As described above, when the relative dielectric constant of the gate insulating film is increased, the short-channel effect is increased because the electric field from the drain is absorbed by the gate insulating film, which acts on the source end, and the height of the barrier is reduced. May be reduced. Although this effect exists regardless of the relative dielectric constant of the gate insulating film, it can be seen from the results of device simulation that the effect becomes more significant as the relative dielectric constant increases.
[0017]
In addition, when a gate insulating film having a high relative dielectric constant is formed directly over the channel, an interface state is easily formed at an interface between the gate insulating film and the substrate, so that carrier mobility is reduced and transistor on-current is deteriorated. There was a problem of doing.
In addition, since the gate insulating film having a high relative dielectric constant easily reacts with silicon, which is a main component of the semiconductor substrate, there is a problem that heat treatment stability in a normal semiconductor manufacturing process is low.
Further, there is a problem that the dopant contained in the gate electrode easily diffuses into the semiconductor substrate via the gate insulating film having a high relative dielectric constant.
[0018]
The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and has as its object to reduce GIDL, which increases due to the influence of a high electric field inside a semiconductor device. Another object of the present invention is to reduce the short channel effect that increases when the relative dielectric constant of the gate insulating film is increased.
[0019]
[Means for solving the problem]
A semiconductor device according to the present invention includes a channel region formed on a surface layer of a substrate;
Source / drain regions formed on both sides of the channel region;
An insulating interface layer having a first relative dielectric constant and formed on the channel region;
A gate insulating film having a second dielectric constant higher than the first dielectric constant and formed on the insulating interface layer;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
It is characterized by having.
[0020]
The semiconductor device according to the present invention is characterized in that the side surfaces of the insulating interface layer and the gate insulating film are inside the side surfaces of the gate electrode.
[0021]
In the semiconductor device according to the present invention, a part of the source / drain region is formed inside a side surface of the gate electrode,
The insulating interface layer and the side surface of the gate insulating film are located on a part of the source / drain region.
[0022]
The semiconductor device according to the present invention further includes a second insulating interface layer having a dielectric constant lower than the second dielectric constant between the gate insulating film and the gate electrode. It is assumed that.
[0023]
The semiconductor device according to the present invention is characterized in that the side surfaces of the insulating interface layer, the gate insulating film, and the second insulating interface layer are inside the side surfaces of the gate electrode. is there.
[0024]
In the semiconductor device according to the present invention, a part of the source / drain region is formed inside a side surface of the gate electrode,
Side surfaces of the insulating interface layer, the gate insulating film, and the second insulating interface layer are located on a part of the source / drain region.
[0025]
The semiconductor device according to the present invention has a relative dielectric constant lower than the second relative dielectric constant and further includes a side insulating film covering at least a side surface of the gate insulating film. .
[0026]
A semiconductor device according to the present invention includes a channel region formed on a surface layer of a substrate;
Source / drain regions formed on both sides of the channel region;
A gate insulating film having a relative dielectric constant of 30 or more and formed on the channel region;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
With
The side surface of the gate insulating film is inside the side surface of the gate electrode.
[0027]
In the semiconductor device according to the present invention, a part of the source / drain region is formed inside a side surface of the gate electrode,
A side surface of the gate insulating film is located on a part of the source / drain region.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts have the same reference characters allotted, and description thereof may be simplified or omitted.
[0029]
FIG. 1 is a sectional view illustrating a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a
Part of the source /
[0030]
Device simulation was performed for each of the semiconductor devices shown in FIG. 1 having an offset amount B of 10 nm and 15 nm. FIG. 2 shows the simulation result as a gate voltage-drain current characteristic. FIG. 2 is a diagram for explaining a device simulation result of the semiconductor device shown in FIG. In FIG. 2 A simulation result of a conventional semiconductor device (see FIG. 12) using (dielectric constant k = 3.9) as a
Here, the conditions of the simulation parameters are: drain voltage Vd = gate voltage Vg = 1.0 V, source voltage Vs = substrate bias voltage Vsub = 0 V, length of overlap region A = 10 nm, oxide film of
[0031]
First, the simulation result of the comparative example will be described.
As shown in FIG. 2, in the case of the semiconductor device shown in FIG. 12, the drain current Id at the gate voltage Vg = 0 V, that is, the off current Ioff is not determined by the subthreshold characteristic but is increased by the influence of GIDL. . Therefore, it is apparent that the off-state current Ioff cannot be reduced even if the threshold voltage is increased, and it is difficult to further reduce the off-state current Ioff.
In the case of the semiconductor device shown in FIG. 13, the gate electric field is applied to the overlap region A of the
[0032]
Next, the simulation result of the semiconductor device according to the first embodiment, that is, the case where the offset amount B of the
As described above, since the length of the overlap region A = 10 nm, when the offset amount B = 10 nm, the side surface (offset position) of the
As shown in FIG. 2, since the
[0033]
FIG. 3 shows a result of the simulation calculation shown in FIG. 2 displayed linearly so that the driving capability of the transistor can be understood.
As shown in FIG. 3, the on-current Ion when the offset amount B = 10 nm is substantially equal to the on-current Ion of the conventional semiconductor device (see FIGS. 12 and 13). However, the on-state current Ion when the offset amount B = 15 nm is smaller than the on-state current Ion of the conventional semiconductor device, and it has been found that the driving capability of the transistor deteriorates. This is because the ON current Ion is affected by the gate electric field on the
Therefore, it is necessary to set the offset amount B of the
[0034]
As described above, in the semiconductor device according to the first embodiment, the
Therefore, GIDL, which increases due to the influence of a high electric field inside the semiconductor device, can be reduced.
[0035]
In the first embodiment, since the length of the overlap region A is 10 nm, the upper limit of the offset amount B is set to 10 nm. The length of the overlap region A is not limited to 10 nm and may be changed as appropriate. When the range of the offset amount B is generalized and expressed, the range of the offset amount B is larger than 0 nm and equal to or less than the length of the overlap region A (the same applies to Embodiments 3 and 5 described later). ).
[0036]
Further, in the first embodiment, the case where the relative dielectric constant k of the
[0037]
Embodiment 2 FIG.
FIG. 4 is a sectional view illustrating a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 4, a
As in the first embodiment, the overlap region A, which is a part of the source /
Note that the semiconductor device according to the second embodiment does not have an offset structure in which the side surface of the gate insulating film enters inside the side surface of the
[0038]
A device simulation was performed on the semiconductor device illustrated in FIG. FIG. 5 shows the simulation results as gate length-threshold voltage characteristics. FIG. 5 is a diagram for explaining a device simulation result of the semiconductor device shown in FIG. In FIG. 2 A simulation result of a conventional semiconductor device (see FIG. 12) using (dielectric constant k = 3.9) as the
Here, the conditions of the simulation parameters are, as in the first embodiment, the drain voltage Vd = the gate voltage Vg = 1.0 V, the source voltage Vs = the substrate bias voltage Vsub = 0 V, and the length of the overlap region A = 10 nm. The equivalent oxide thickness of the
[0039]
As shown in FIG. 5, in the semiconductor device according to the second embodiment in which the
The reason that increasing the relative dielectric constant of the gate insulating film increases the short-channel effect is that the electric field from the drain is absorbed by the gate insulating film, and this acts on the source end to lower the height of the barrier. As described above, this effect exists regardless of the relative dielectric constant of the gate insulating film, and becomes more remarkable as the relative dielectric constant increases.
However, in the second embodiment, even when the relative dielectric constant of the
[0040]
As described above, in the semiconductor device according to the second embodiment, the insulating
[0041]
In the second embodiment, since the
As described above, when a gate insulating film having a high relative dielectric constant is formed directly on the channel region, an interface state is easily formed at an interface between the gate insulating film and the semiconductor substrate, thereby reducing carrier mobility. As a result, the ON current of the transistor deteriorates. Further, the gate insulating film having a high relative dielectric constant relatively easily undergoes a thermochemical reaction with silicon which is a main component of the semiconductor substrate, has low heat treatment stability in a normal semiconductor manufacturing process, and further has a dopant contained in the
Therefore, an insulating
[0042]
In the second embodiment, the relative dielectric constant k of the insulating
Further, the thickness of the insulating
Further, the
[0043]
Further, in the second embodiment, nothing is formed on the sides of the insulating
[0044]
FIG. 6 is a sectional view illustrating a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
The semiconductor device according to the third embodiment shown in FIG. 6 is different from the semiconductor device according to the second embodiment (see FIG. 4) in that the side surfaces of the insulating
The other components are the same as those of the second embodiment, and therefore, detailed description of the third embodiment will be omitted.
[0045]
Device simulation was performed on the semiconductor device shown in FIG. 6 having an offset amount B = 10 nm. FIG. 7 shows the simulation result as gate voltage-drain current characteristics. FIG. 7 is a diagram for explaining a device simulation result of the semiconductor device shown in FIG. In FIG. 2 A simulation result of a conventional semiconductor device (see FIG. 12) using (dielectric constant k = 3.9) as a
Here, as in the second embodiment, the conditions of the simulation parameters are as follows: drain voltage Vd = gate voltage Vg = 1.0 V, source voltage Vs = substrate bias voltage Vsub = 0 V, length of overlap region A = 10 nm The equivalent oxide thickness of the
[0046]
First, the simulation result of the comparative example will be described.
In the case of the semiconductor device illustrated in FIG. 12, as described in
Further, in the case of the semiconductor device shown in FIG. 13, as described in the first embodiment, the gate electric field tends to concentrate on the overlap region A of the
[0047]
Next, simulation results of the semiconductor device according to the third embodiment will be described.
As described above, since the length of the overlap region A = 10 nm and the offset amount B = 10 nm, the side surfaces (offset positions) of the insulating
As shown in FIG. 7, the insulating
[0048]
FIG. 8 shows the simulation result shown in FIG. 7 in a linear display so that the driving capability of the transistor can be understood.
As shown in FIG. 8, as in the first embodiment, the on-state current Ion of the conventional semiconductor device (see FIGS. 12 and 13) when the offset amount B = 10 nm is almost equal to the on-state current Ion of the conventional semiconductor device (see FIGS. 12 and 13). Equivalent values are obtained.
[0049]
Also in the third embodiment, as in the first embodiment, the offset amount B of the
[0050]
Next, the influence on the short channel effect will be described.
FIG. 9 shows the above simulation results as gate length-threshold voltage characteristics. In FIG. 2 A simulation result of a conventional semiconductor device (see FIG. 12) using (dielectric constant k = 3.9) as the
As shown in FIG. 9, similarly to the second embodiment, a semiconductor device according to the third embodiment in which a
[0051]
As described above, in the semiconductor device according to the third embodiment, the insulating
Further, in the third embodiment, the side surfaces of the insulating
[0052]
FIG. 10 is a sectional view illustrating a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
The semiconductor device according to the fourth embodiment shown in FIG. 10 is different from the semiconductor device according to the second embodiment (see FIG. 4) in that the relative dielectric constant of the
The other components are the same as those in the second embodiment, and therefore, detailed descriptions thereof will be omitted in the fourth embodiment.
[0053]
Device simulation was performed on the semiconductor device shown in FIG. This simulation result was similar to the simulation result of the semiconductor device according to the second embodiment (see FIG. 5).
[0054]
As described above, in the semiconductor device according to the fourth embodiment, the insulating interface layer (first insulating interface layer) 22 is formed on the
[0055]
According to the fourth embodiment, the relative dielectric constant k of the two insulating interface layers 22 and 23 is set to 3.9. However, the present invention is not limited to this, as long as the relative dielectric constant of the
[0056]
FIG. 11 is a sectional view illustrating a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
The semiconductor device according to the fifth embodiment shown in FIG. 11 is different from the semiconductor device according to the fourth embodiment (see FIG. 10) in that the side surfaces of the insulating interface layers 22 and 23 and the
[0057]
Device simulation was performed on the semiconductor device shown in FIG. 11 having an offset amount B = 10 nm. The simulation result was similar to the simulation result of the semiconductor device according to the third embodiment (see FIGS. 7 to 9).
[0058]
As described above, in the semiconductor device according to the fifth embodiment, the insulating
[0059]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to reduce GIDL that increases due to the influence of a high electric field inside a semiconductor device. In addition, when the relative dielectric constant of the gate insulating film is increased, a short channel effect which is increased can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for describing device simulation results (gate voltage-drain current characteristics) of the semiconductor device shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram in which the device simulation results shown in FIG. 2 are linearly displayed.
FIG. 4 is a sectional view illustrating a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a diagram for explaining a device simulation result (gate length-threshold voltage characteristic) of the semiconductor device shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a sectional view for illustrating a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention;
7 is a diagram for describing a device simulation result (gate voltage-drain current characteristics) of the semiconductor device shown in FIG. 6;
8 is a diagram linearly displaying the device simulation results shown in FIG.
9 is a diagram for explaining a device simulation result (gate length-threshold voltage characteristic) of the semiconductor device shown in FIG. 6;
FIG. 10 is a sectional view illustrating a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention;
FIG. 11 is a sectional view illustrating a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention;
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a conventional semiconductor device.
FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a conventional semiconductor device using a high dielectric constant film.
FIG. 14 is a diagram for explaining a device simulation result (gate length-threshold voltage characteristic) of the semiconductor device shown in FIGS. 12 and 13;
[Explanation of symbols]
1 semiconductor substrate (silicon substrate)
3 Source area
4 Drain region
5 Gate electrode
11 well area
12 channel area
21 Gate insulating film
22 Insulating interface layer
23 Insulating interface layer
Claims (9)
前記チャネル領域の両側に形成されたソースドレイン領域と、
第1の比誘電率を有し、前記チャネル領域上に形成された絶縁性界面層と、
前記第1の比誘電率よりも高い第2の比誘電率を有し、前記絶縁性界面層上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。A channel region formed in a surface layer of the substrate;
Source / drain regions formed on both sides of the channel region;
An insulating interface layer having a first relative dielectric constant and formed on the channel region;
A gate insulating film having a second dielectric constant higher than the first dielectric constant and formed on the insulating interface layer;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A semiconductor device comprising:
前記絶縁性界面層及び前記ゲート絶縁膜の側面が、前記ゲート電極の側面よりも内側に入っていることを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein the side surfaces of the insulating interface layer and the gate insulating film are inside the side surfaces of the gate electrode.
前記ソースドレイン領域の一部が前記ゲート電極の側面よりも内側に形成され、
このソースドレイン領域の一部の上に、前記絶縁性界面層及び前記ゲート絶縁膜の側面が位置することを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 2,
A part of the source / drain region is formed inside a side surface of the gate electrode,
A semiconductor device, wherein a side surface of the insulating interface layer and a side surface of the gate insulating film are located on a part of the source / drain region.
前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極との間に、前記第2の比誘電率よりも低い比誘電率を有する第2の絶縁性界面層を更に備えたことを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, further comprising a second insulating interface layer having a relative dielectric constant lower than the second relative dielectric constant between the gate insulating film and the gate electrode.
前記絶縁性界面層、前記ゲート絶縁膜及び前記第2の絶縁性界面層の側面が、前記ゲート電極の側面よりも内側に入っていることを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 4,
A semiconductor device, wherein the side surfaces of the insulating interface layer, the gate insulating film, and the second insulating interface layer are inside the side surfaces of the gate electrode.
前記ソースドレイン領域の一部が前記ゲート電極の側面よりも内側に形成され、
このソースドレイン領域の一部の上に、前記絶縁性界面層、前記ゲート絶縁膜及び前記第2の絶縁性界面層の側面が位置することを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 5,
A part of the source / drain region is formed inside a side surface of the gate electrode,
A semiconductor device, wherein side surfaces of the insulating interface layer, the gate insulating film, and the second insulating interface layer are located on a part of the source / drain region.
前記第2の比誘電率よりも低い比誘電率を有し、少なくとも前記ゲート絶縁膜の側面を覆う側部絶縁膜を更に備えたことを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein
A semiconductor device, further comprising a side insulating film having a relative dielectric constant lower than the second relative dielectric constant and covering at least a side surface of the gate insulating film.
前記チャネル領域の両側に形成されたソースドレイン領域と、
比誘電率が30以上であり、前記チャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
を備え、
前記ゲート絶縁膜の側面が、前記ゲート電極の側面よりも内側に入っていることを特徴とする半導体装置。A channel region formed in a surface layer of the substrate;
Source / drain regions formed on both sides of the channel region;
A gate insulating film having a relative dielectric constant of 30 or more and formed on the channel region;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
With
A semiconductor device, wherein a side surface of the gate insulating film is inside a side surface of the gate electrode.
前記ソースドレイン領域の一部が前記ゲート電極の側面よりも内側に形成され、
このソースドレイン領域の一部の上に、前記ゲート絶縁膜の側面が位置することを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 8,
A part of the source / drain region is formed inside a side surface of the gate electrode,
A semiconductor device, wherein a side surface of the gate insulating film is located on a part of the source / drain region.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002349537A JP2004186295A (en) | 2002-12-02 | 2002-12-02 | Semiconductor device |
KR1020030086209A KR20040048314A (en) | 2002-12-02 | 2003-12-01 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002349537A JP2004186295A (en) | 2002-12-02 | 2002-12-02 | Semiconductor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004186295A true JP2004186295A (en) | 2004-07-02 |
Family
ID=32752042
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002349537A Pending JP2004186295A (en) | 2002-12-02 | 2002-12-02 | Semiconductor device |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004186295A (en) |
KR (1) | KR20040048314A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007088322A (en) * | 2005-09-26 | 2007-04-05 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Semiconductor device and manufacturing method therefor |
JP2008530769A (en) * | 2005-01-13 | 2008-08-07 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | Method for producing TiC as a thermally stable p-type metal carbide on a high dielectric constant SiO2 gate stack |
JP2008547152A (en) * | 2005-06-24 | 2008-12-25 | モーシス,インコーポレーテッド | Word line driver for DRAM embedded in logic process |
CN114068690A (en) * | 2020-07-29 | 2022-02-18 | 长鑫存储技术有限公司 | Semiconductor structure and forming method thereof |
-
2002
- 2002-12-02 JP JP2002349537A patent/JP2004186295A/en active Pending
-
2003
- 2003-12-01 KR KR1020030086209A patent/KR20040048314A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008530769A (en) * | 2005-01-13 | 2008-08-07 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | Method for producing TiC as a thermally stable p-type metal carbide on a high dielectric constant SiO2 gate stack |
JP2008547152A (en) * | 2005-06-24 | 2008-12-25 | モーシス,インコーポレーテッド | Word line driver for DRAM embedded in logic process |
JP2012181918A (en) * | 2005-06-24 | 2012-09-20 | Mosys Inc | Word line driver for dram embedded in logic process |
KR101391557B1 (en) * | 2005-06-24 | 2014-05-02 | 인벤사스 코포레이션 | Word line driver for dram embedded in a logic process |
JP2007088322A (en) * | 2005-09-26 | 2007-04-05 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Semiconductor device and manufacturing method therefor |
US7750396B2 (en) | 2005-09-26 | 2010-07-06 | Panasonic Corporation | Semiconductor device and method for fabricating the same |
US8035174B2 (en) | 2005-09-26 | 2011-10-11 | Panasonic Corporation | Semiconductor device and method for fabricating the same |
CN114068690A (en) * | 2020-07-29 | 2022-02-18 | 长鑫存储技术有限公司 | Semiconductor structure and forming method thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20040048314A (en) | 2004-06-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5578509A (en) | Method of making a field effect transistor | |
JP5147403B2 (en) | Double gate device with strained channel | |
US8298897B2 (en) | Asymmetric channel MOSFET | |
US7507632B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JPS55148464A (en) | Mos semiconductor device and its manufacture | |
JP2013522908A (en) | Thin BOX metal back gate type ultrathin SOI device | |
JPH04369271A (en) | Thin film transistor | |
US8106465B2 (en) | Semiconductor device | |
US11322617B2 (en) | Semiconductor device | |
US20170358578A1 (en) | Fin-fet devices and fabrication methods thereof | |
US9876069B1 (en) | High-voltage semiconductor device and method for manufacturing the same | |
US20120012918A1 (en) | Semiconductor structure and method for manufacturing the same | |
KR100701712B1 (en) | Lateral thin-film silicon-on-insulator soi device having lateral depletion | |
JP2004186295A (en) | Semiconductor device | |
US10755935B2 (en) | Semiconductor device and fabrication method thereof | |
KR20070027961A (en) | Semiconductor device comprising finfet and fabricating method thereof | |
KR20190032773A (en) | Recessed channel type transistor having improved current-leakage characteristics | |
KR100644811B1 (en) | Field effect transistor with low power consumption | |
US7388257B2 (en) | Multi-gate device with high k dielectric for channel top surface | |
JP2014036082A (en) | Semiconductor device and manufacturing method of the same | |
US20130049092A1 (en) | Semiconductor device | |
US6153909A (en) | Semiconductor device and method for fabricating the same | |
CN111162074A (en) | Semiconductor structure and forming method thereof | |
US20040256672A1 (en) | Ultra-small MOSFET | |
JP3708370B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20050331 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050606 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050614 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050810 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050920 |