JP2005123647A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】 MIS型FETの駆動力を向上させる。
【解決手段】 第一導電型の半導体基板(1)と、該半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜(3)と、このゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に形成されたゲート電極(2)と、該半導体基板のゲート電極直下に位置するチャネル形成領域(4)の両側に形成された第二導電型のソース/ドレイン領域(5、6)とを備えたMOS型半導体装置において、前記ゲート絶縁膜(3)の厚さが酸化膜換算で2.5nm未満、前記ゲート電極(2)のゲート長が0.3μm以下で、前記ゲート電極のチャネル方向の長さ(Lg)と前記ゲート絶縁膜のシリコン膜換算厚さ(Tox)の関係が以下の関係
Lg ≦10(Tox-2.02) このときLg の単位は(μm)
Toxの単位は(nm)
を満足することを特徴とする半導体装置。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To improve driving force of a MIS type FET.
A first conductivity type semiconductor substrate (1), a gate insulating film (3) formed on the semiconductor substrate, and a gate electrode (on the semiconductor substrate via the gate insulating film). 2) and a second conductivity type source / drain region (5, 6) formed on both sides of the channel formation region (4) located immediately below the gate electrode of the semiconductor substrate, The thickness of the gate insulating film (3) is less than 2.5 nm in terms of oxide film, the gate length of the gate electrode (2) is 0.3 μm or less, and the length (Lg) of the gate electrode in the channel direction The relationship of the gate insulating film equivalent thickness (Tox) is as follows: Lg ≦ 10 (Tox-2.02) In this case, the unit of Lg is (μm)
The unit of Tox is (nm)
A semiconductor device characterized by satisfying
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体装置に関するもので、特に低電源電圧下での使用に適した微細、高性能MOS型トランジスタに係わる。 The present invention relates to a semiconductor device, and particularly to a fine, high-performance MOS transistor suitable for use under a low power supply voltage.
MOS型トランジスタは、特に、MOSFETの集積化技術の向上に伴い、ゲート長0.5μm以下の領域の検討が各所で進められている。1974年にはデナード(R.L.Dennard )氏らによりMOSFETの微細化のためのいわゆるスケーリング則が提唱されている。これは、素子のある構成要素(例えば、チャネル長)のサイズを縮小する場合、その他の構成要素も同じ比率で縮小することによって、トランジスタとしての動作特性を確保するという法則である。基本的に1970年代から90年代初めにかけて続いてきたMOSLSIの高集積化は、この法則を基本にして実現されてきた。 With regard to MOS transistors, in particular, with the improvement of MOSFET integration technology, studies on regions with a gate length of 0.5 μm or less are being promoted in various places. In 1974, R.L.Dennard et al. Proposed a so-called scaling law for MOSFET miniaturization. This is a rule that, when the size of a certain component of an element (for example, channel length) is reduced, the other components are also reduced at the same ratio to ensure the operation characteristics as a transistor. Basically, high integration of MOS LSI, which continued from the 1970s to the early 90s, has been realized based on this rule.
しかし、より微細化が進み、各種の構成要素においても“物理的限界値”と言われるような限界値が近付き、その値を越えての縮小化は困難になりつつある。例えば、ゲート絶縁膜厚は3〜4nm程度が薄膜化の限界と一般には言われており、この膜厚以下では、ゲート電極とソース/ドレイン電極間のトンネリング電流が増大し、トランジスタとしての正常動作は実現できないことが知られている。 However, further miniaturization has progressed, and limit values called “physical limit values” are approaching even in various components, and reduction beyond those values is becoming difficult. For example, it is generally said that the thickness of the gate insulating film is about 3 to 4 nm, and below this film thickness, the tunneling current between the gate electrode and the source / drain electrode increases, and the transistor operates normally. Is known to be impossible.
そこで、ゲート絶縁膜は3nm程度に固定し、その他の構成要素の縮小を考えるという手法が1993年フィエナ(Fiena)らにより提案されている(著者C.Fiegna,H.Iwai,T.Wada,T.Saito,E.Sangiorgio, and B.Ricco;論文名A new scaling methodology for the 0.1-0.025 um MOSFET,´Dig.of Tech. Papers,VLSISymp.;出典Technol.,Kyoto,pp.33-34,1993.)。その手法により同年小野(Ono)らにより0.04μmゲート長のトランジスタが実現されるに至っている(著者M.Ono,M.Saito,T.Yoshitomi,C.Fiegna,T.Ohguro,and H.Iwai;論文名Sub-50 nm gate length n-MOSFETs with 10 nm phosphorus source and drain junction ;出典IEDMTech.Dig.,pp.119-122,1993)。 Therefore, a method of fixing the gate insulating film to about 3 nm and considering reduction of other components was proposed by Fiena et al. In 1993 (authors C. Fiegna, H. Iwai, T. Wada, T Saito, E. Sangiorgio, and B. Ricco; Title of paper A new scaling methodology for the 0.1-0.025 um MOSFET, ´Dig.of Tech. Papers, VLSISymp .; Source Technol., Kyoto, pp. 33-34, 1993 .). That method has led to the realization of a 0.04μm gate length transistor by Ono et al. (Authors M. Ono, M. Saito, T. Yoshitomi, C. Fiegna, T. Ohguro, and H. Iwai) ; Paper title Sub-50 nm gate length n-MOSFETs with 10 nm phosphorus source and drain junction; Source IEDMTech.Dig., Pp.119-122, 1993).
ゲート絶縁膜厚3nmかつゲート長0.04μmのトランジスタは次のように製造される。まず、p型シリコン基板上に、LOCOS( Local Oxidation of Silicon )法により、素子領域と、素子分離領域を形成した後、所望の閾値電圧が得られるようにチャネル形成領域にp型不純物(例えばB(ボロン))を導入する。 A transistor having a gate insulating film thickness of 3 nm and a gate length of 0.04 μm is manufactured as follows. First, after forming an element region and an element isolation region on a p-type silicon substrate by a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method, a p-type impurity (for example, B) is formed in the channel formation region so as to obtain a desired threshold voltage. (Boron)).
その後、ゲート酸化膜としてシリコン基板表面に3nmの酸化膜を例えばDryO2 雰囲気中で800℃、10分の酸化により形成する。その後、P(リン)含有条件で例えばポリシリコンを100nm堆積した後、レジストを塗布してパターニングでゲート電極を所望の長さに加工する。ソース/ドレイン形成領域へのn型不純物の導入は、ゲート電極側壁部に残したPSG膜(P(リン)含有シリコン酸化膜)からのPの固相拡散により形成する。金属配線部と良好に接続をとること、及びトランジスタの短チャネル効果に影響しない部分の拡散層を低抵抗にする目的で、この後、n型不純物をイオン注入法で例えば、5×1015cm-2導入する。このときの不純物拡散及び活性化のためのアニールは例えば1000℃、10秒という条件とする。その後、コンタクト部を開孔し、金属配線を施す。 Thereafter, a 3 nm oxide film is formed as a gate oxide film on the silicon substrate surface by oxidation at 800 ° C. for 10 minutes, for example, in a DryO 2 atmosphere. Thereafter, for example, polysilicon is deposited to a thickness of 100 nm under conditions containing P (phosphorus), a resist is applied, and the gate electrode is processed to a desired length by patterning. The n-type impurity is introduced into the source / drain formation region by solid phase diffusion of P from the PSG film (P (phosphorus) -containing silicon oxide film) left on the side wall of the gate electrode. After that, for the purpose of making a good connection with the metal wiring portion and reducing the resistance of the diffusion layer in the portion that does not affect the short channel effect of the transistor, an n-type impurity is ion-implanted by, for example, 5 × 10 15 cm. -2 introduced. At this time, annealing for impurity diffusion and activation is performed under conditions of, for example, 1000 ° C. and 10 seconds. Thereafter, the contact portion is opened and metal wiring is applied.
このように製造したトランジスタは、ゲート側壁部下のソース/ドレイン拡散層のシート抵抗(ρs)が6.2kΩ/□、拡散長(つまり、ソース/ドレイン領域の深さ)はSIMS分析の結果10nmであった。 The transistor manufactured in this manner has a sheet resistance (ρs) of the source / drain diffusion layer under the gate side wall of 6.2 kΩ / □, and the diffusion length (that is, the depth of the source / drain region) is 10 nm as a result of SIMS analysis. there were.
しかしながら、上記従来のトランジスタは、ソース/ドレイン領域が浅いことによってその寄生抵抗が相対的に大きくなる。そのため、ゲート長縮小に相応する駆動力の向上が得られなかった。 However, the conventional transistor has a relatively large parasitic resistance due to the shallow source / drain regions. For this reason, an improvement in driving force corresponding to the reduction in gate length cannot be obtained.
本発明は上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、駆動力が向上したMOS型半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a MOS semiconductor device having improved driving force.
本発明は半導体装置は、第一導電型の半導体基板と、該半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に形成されたゲート電極と、該半導体基板のゲート電極直下に位置するチャネル形成領域の両側に形成された第二導電型のソース/ドレイン領域とを備えたMOS型半導体装置において、前記ゲート絶縁膜の厚さが酸化膜換算で2.5nm未満、前記ゲート電極のゲート長が0.3μm以下で、前記ゲート電極のチャネル方向の長さ(Lg)と前記ゲート絶縁膜のシリコン膜換算厚さ(Tox)の関係が以下の関係
Lg ≦10(Tox-2.02) このときLg の単位は(μm)
Toxの単位は(nm)
を満足することを特徴とする半導体装置であることを特徴とする。
According to the present invention, a semiconductor device includes a first conductivity type semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, a gate electrode formed on the semiconductor substrate via the gate insulating film, and the
The unit of Tox is (nm)
It is a semiconductor device characterized by satisfying the above.
本発明によれば、ゲート絶縁膜の厚さを2.5nm未満とし、ゲート長を0.3μm以下にし、ゲート電極のチャネル方向の長さとゲート絶縁膜のシリコン膜換算厚さを所定の関係を有するようにしたことにより、ホットキャリアストレス下での信頼性が向上するとともに、ソース/ドレイン電極からゲート電極へのトンネル電流Ig を減少させることができ、トランジスタ特性の向上を図ることができる。 According to the present invention, the thickness of the gate insulating film is set to be less than 2.5 nm, the gate length is set to 0.3 μm or less, and the length in the channel direction of the gate electrode and the equivalent thickness of the gate insulating film are defined as follows. As a result, the reliability under hot carrier stress is improved, the tunnel current Ig from the source / drain electrode to the gate electrode can be reduced, and the transistor characteristics can be improved.
以下に本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図1(a)は本発明の一実施例に係るMOS型トランジスタの構造を示すものである。この図において、1は第一導電型(例えば、p型)の半導体基板であり、この基板1上には酸化膜3を介してゲート電極2が形成されている。基板1におけるゲート電極2直下のチャネル形成領域4各側にはソース領域5及びドレイン領域6となる第一導電型とは逆導電型(例えば、n+ 型)高濃度拡散層が形成されている。ゲート電極2には電源7、ドレイン領域6には電源8がそれぞれ接続されて使用されるものである。ゲート電極2のチャネル形成領域4の長さ方向の寸法となるゲート長Lg は0.3μm以下とされ、ゲート絶縁膜3の厚さToxは2.5nm未満とされる。本発明のゲート長Lg のトランジスタはコンダクタンスgm の向上を図ると同時に、ドレイン領域6に流れ込むべき電流Id1,Id2のうちゲートへ流れ込むトンネル電流Id2を減少させたものとなる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1A shows the structure of a MOS transistor according to an embodiment of the present invention. In this figure, 1 is a semiconductor substrate of a first conductivity type (for example, p-type), and a
図1(b)に本発明の実施例の代表的な構造図及び各部の寸法を示す。ゲート電極のゲート長(Lg)は0.09μm、ゲート絶縁膜厚(Tox)は1.5nm、ソース/ドレイン間の実効チャネル長(Leff)は0.05μm、チャネル近傍の拡散深さ(Xj)はソース、ドレインの他の領域に比べて浅く、30nmである。この実施例ではこのチャネル近傍の拡散層は、ゲート側壁に形成されたPSG膜から固相拡散により形成されており、いわゆるSPDD(Solid Phase Diffused Drain)構造のMOSトランジスタとなっている。 FIG. 1B shows a typical structural diagram of the embodiment of the present invention and dimensions of each part. The gate length (Lg) of the gate electrode is 0.09 μm, the gate insulating film thickness (Tox) is 1.5 nm, the effective channel length (Leff) between the source and drain is 0.05 μm, and the diffusion depth (Xj) near the channel Is shallower than other regions of the source and drain and is 30 nm. In this embodiment, the diffusion layer in the vicinity of the channel is formed by solid phase diffusion from a PSG film formed on the gate sidewall, and is a MOS transistor having a so-called SPDD (Solid Phase Diffused Drain) structure.
ここで本発明トランジスタの主要部の製造法についてまず説明する。
ゲート酸化膜は、従来法により半導体基板1上に素子領域及び素子分離領域を形成した後、急速ランプ加熱法にて800℃、10秒の条件で酸化を行う。これにより、1.5nmという上記条件に適合した膜厚のゲート絶縁膜3を形成することができた。また、850℃10秒の条件でゲート絶縁膜1.8nmが形成できた。900℃ 5秒の条件でゲート絶縁膜2.0nmのものが形成できた。温度及び時間を選択することにより、2.5nm未満の所望の膜厚のゲート絶縁膜を形成することができた。その後、リン含有ポリシリコン膜を約100nm堆積後、異方性エッチングによりパターニングし、所望のゲート長Lg のゲート電極を形成する。
Here, the manufacturing method of the main part of the transistor of the present invention will be described first.
The gate oxide film is formed by forming a device region and a device isolation region on the
HF処理を施した後、PSG膜(リン含有シリコン酸化膜)からの固相拡散により30nm拡散長のソース/ドレイン領域5,6が形成できた。図2はそのときの不純物濃度プロファイルを示すものである。そして、このような拡散層のシート抵抗ρsは1.4kΩ/□にすることができた。なお、HF処理を施さない場合には6.2kΩ/□であった。
After the HF treatment, source /
以降の工程は従来例と同様の方法にて作製する。上述した方法によりゲート長は最小のもので0.06μmが実現され、10μm以下0.06μmまで、所望のサイズのゲート長のトランジスタが作製できた。また、ゲート酸化膜は厚さ1.5nmをはじめ、2.5nm未満の所望の膜厚のものが実現された。なお、このゲート長及びゲート絶縁膜厚の値は透過型電子顕微鏡:TEM(Transmission Electron Microscope)観察により確認することができる。 Subsequent steps are produced by the same method as in the conventional example. With the above-described method, the minimum gate length is 0.06 μm, and a transistor having a desired gate length of 10 μm or less to 0.06 μm can be manufactured. In addition, a gate oxide film having a desired film thickness of less than 2.5 nm was realized, including a thickness of 1.5 nm. The values of the gate length and the gate insulating film thickness can be confirmed by observation with a transmission electron microscope (TEM).
以上のように形成したMIS型FETについて各種特性評価を行った結果を以下に説明する。 The results of various characteristic evaluations of the MIS type FET formed as described above will be described below.
図3はホットキャリアストレス(Vd=2.5V、Isubmax 条件)でのトランスコンダクタンス劣化のゲート酸化膜厚依存性を示している。この図に示すように、ゲート酸化膜厚が2.5mm未満の場合には相互コンダクタンスgmの劣化は、トンネル電流が生ずる限界値と従来称されてきた3nmの場合の劣化量の1/2になり、トランジスタの寿命が2倍以上向上するため、2.5nm未満で使用されることが望ましい。 FIG. 3 shows the gate oxide film thickness dependence of transconductance degradation under hot carrier stress (Vd = 2.5 V, Isubmax condition). As shown in this figure, when the gate oxide film thickness is less than 2.5 mm, the deterioration of the mutual conductance gm is ½ of the limit value in the case of 3 nm, which is conventionally called the limit value at which the tunnel current is generated. Therefore, it is desirable to use less than 2.5 nm because the lifetime of the transistor is improved by more than twice.
さらに、2.0nm以下で使用されれば、トランジスタの寿命は3倍以上向上する。したがって、2.0nmで使用されればさらに望ましい。ゲート酸化膜3の厚さToxが2nm以下の場合にはゲート長Lg =0.10μmで10%以下、ゲート長Lg =0.14μmmで6%以下で落着くが、2.5nmより大きくなると急激な劣化が見られた。
Furthermore, if it is used at 2.0 nm or less, the lifetime of the transistor is improved by 3 times or more. Therefore, it is more desirable if used at 2.0 nm. When the thickness Tox of the
図4はトンネル電流Ig のゲート長Lg 依存性を示すものである。この図において、ゲート長Lg 0.3μm以下の場合、ゲート幅W=10μmで酸化膜厚Tox=1.5nmで0.5μA未満、酸化膜厚Tox=1.8nmでは0.1未満に安定した。これに対し、ゲート長Lg =0.3μmを越えると急激なゲート電流の増大が見られた。 FIG. 4 shows the dependency of the tunnel current Ig on the gate length Lg. In this figure, when the gate length Lg is 0.3 μm or less, the gate width W = 10 μm, the oxide film thickness Tox = 1.5 nm is less than 0.5 μA, and the oxide film thickness Tox = 1.8 nm is stable to less than 0.1. . On the other hand, when the gate length Lg exceeds 0.3 μm, a rapid increase in gate current was observed.
図5はドレイン電流Id0のゲート長Lg 依存性を示すものである。この図においては、Tox=1.5nm,xj =30nmの場合(本発明)、Tox=1.8nm,xj =30nmの場合(本発明)、Tox=3.0nm,xj =12nmの場合(従来例)についてそれぞれ示している。この図に示すように、従来のものに比べて駆動力が約2倍に向上していることがわかる。 FIG. 5 shows the dependency of the drain current Id0 on the gate length Lg. In this figure, when Tox = 1.5 nm and xj = 30 nm (invention), Tox = 1.8 nm and xj = 30 nm (invention), Tox = 3.0 nm and xj = 12 nm (conventional) Each example). As shown in this figure, it can be seen that the driving force is improved about twice as compared with the conventional one.
図6はトンネル電流Ig のゲート長Lg 依存性、図7はコンダクタンスgmのゲート長Lg 依存性、をそれぞれ示すものである。これらの図においては、ゲート酸化膜厚Tox=1.5nm,拡散長xj =30nmの場合(本発明)、Tox=1.8nm,拡散長xj =30nmの場合(本発明)、Tox=3.0nm,拡散長xj =12nmの場合(従来技術)についてぞれぞれ示している。これらの図から明らかなように本発明のトランジスタは、同一ゲート長の従来のトランジスタと比べて1.5〜2倍良好な駆動力及びトランスコンダクタンスが得られていることが解る。さらに、このときのゲート電流はLgが0.3μm以下で駆動力に比べ104 以下(4桁小さい)になり、動作上問題ないことが確認された。 FIG. 6 shows the dependence of the tunnel current Ig on the gate length Lg, and FIG. 7 shows the dependence of the conductance gm on the gate length Lg. In these figures, the gate oxide film thickness Tox = 1.5 nm and the diffusion length xj = 30 nm (invention), Tox = 1.8 nm and the diffusion length xj = 30 nm (invention), Tox = 3. The case of 0 nm and the diffusion length xj = 12 nm (prior art) is shown respectively. As can be seen from these figures, the transistor of the present invention has 1.5 to 2 times better driving force and transconductance than the conventional transistor having the same gate length. Furthermore, the gate current at this time was 10 4 or less (4 digits smaller) than the driving force when Lg was 0.3 μm or less, and it was confirmed that there was no problem in operation.
図8は基板電流Isub のゲート長Lg 依存性、図9は基板電流インパクトイオン化率のゲート長Lg 依存性について示すもので、これらはそれぞれトランジスタの信頼性に関する一つの指標となるものである。特に基板電流Isub については図8(b)において更にゲート長Lg をパラメータとし、Vg −Isub 特性として表した。ここでは、ゲート酸化膜厚Tox=1.5nm,拡散長xj =30nmの場合(本発明)、Tox=1.8nm,拡散長xj =30nmの場合(本発明)、Tox=3.0nm,拡散長xj =12nmの場合(従来)についてぞれぞれ示している。本発明のトランジスタは、従来のトランジスタに比べ基板電流、インパクトイオン化率は大きい。 FIG. 8 shows the dependency of the substrate current Isub on the gate length Lg, and FIG. 9 shows the dependency of the substrate current impact ionization rate on the gate length Lg. Each of these is an index for the reliability of the transistor. In particular, the substrate current Isub is expressed as a Vg-Isub characteristic with the gate length Lg as a parameter in FIG. 8B. Here, when the gate oxide film thickness Tox = 1.5 nm and the diffusion length xj = 30 nm (invention), Tox = 1.8 nm and the diffusion length xj = 30 nm (invention), Tox = 3.0 nm, diffusion The case of the length xj = 12 nm (conventional) is shown. The transistor of the present invention has a larger substrate current and impact ionization rate than conventional transistors.
図17はトランスコンダクタンスgmの劣化(ストレス時間に対するトランスコンダクタンスの劣化)特性を示すものである。ここでは、従来のトランジスタとして、酸化膜厚Tox=3.0nm、拡散長xj =12nm、ゲート長Lg =0.10μmのものと、酸化膜厚Tox及び拡散長xj は同サイズでゲート長Lg =0.17μmのものとを対象とし、本発明のトランジスタとしては、酸化膜厚Tox=1.5nm、拡散長xj =30nm、ゲート長Lg =0.09μmのものと、酸化膜厚Tox及び拡散長xj は同サイズでゲート長Lg =0.14μmのものとを対象として試験を行った結果を示している。従来のトランジスタと本発明のトランジスタはおおむね同程度の時間依存性を有しているが、本発明のトランジスタはΔgm /gm の値自体が低く、gm の劣化特性の向上が確認された。 FIG. 17 shows the deterioration of transconductance gm (transconductance deterioration with respect to stress time). Here, as a conventional transistor, the oxide film thickness Tox = 3.0 nm, the diffusion length xj = 12 nm, the gate length Lg = 0.10 μm, the oxide film thickness Tox and the diffusion length xj are the same size, and the gate length Lg = A transistor of 0.17 μm is used, and the transistor of the present invention includes an oxide film thickness Tox = 1.5 nm, a diffusion length xj = 30 nm, a gate length Lg = 0.09 μm, an oxide film thickness Tox and a diffusion length. xj represents the result of a test conducted with the same size and gate length Lg = 0.14 .mu.m. The conventional transistor and the transistor of the present invention have approximately the same time dependency, but the transistor of the present invention has a low value of Δgm / gm itself, and it has been confirmed that the deterioration characteristics of gm are improved.
図16はキャリア移動度の実効電界依存性を示すもので、これもトランジスタの信頼性の指標となるものである。Y.Toyoshima,H.Iwai,F.Matusoka,H.Hayashida,K,Maeguchi,and K.Kanzaki,´Analysis on gate-oxidethickness dependence of hot-carrior-induceddegradation in thin-gate oxide nMOSFETs,´IEEETrans.Electron Devices,vol.37,No.6,pp.1496-1503,1990. )キャリア移動度(1/μeff )を決定する要因としては、表面ラフネス散乱(1/μsr)、フォノン散乱(1/μph)、クーロン散乱(1/μc)があり、全体の移動度(1/μeff )は、
ln(1/μeff )=ln((1/μc )+(1/μsr)+(1/μph))
で表される。グラフ中の破線は各要因によるキャリア移動度を示し、実線はそれらを総合したキャリア移動度を示している。
FIG. 16 shows the effective electric field dependence of carrier mobility, which is also an indicator of transistor reliability. Y.Toyoshima, H.Iwai, F.Matusoka, H.Hayashida, K, Maeguchi, and K.Kanzaki, ´Analysis on gate-oxidethickness dependence of hot-carrior-induceddegradation in thin-gate oxide nMOSFETs, ´IEEETrans.Electron Devices , vol.37, No.6, pp.1496-1503, 1990. The factors determining carrier mobility (1 / μeff) include surface roughness scattering (1 / μsr), phonon scattering (1 / μph), There is Coulomb scattering (1 / μc), and the overall mobility (1 / μeff) is
ln (1 / μeff) = ln ((1 / μc) + (1 / μsr) + (1 / μph))
It is represented by The broken line in the graph indicates the carrier mobility due to each factor, and the solid line indicates the total carrier mobility.
これは、図17において、本発明のトランジスタが従来発明のトランジスタに比べてホットキャリア信頼性に優れていたのは、即ち劣化量(Δgm /gm )が小さかったのは、図12に示すように、ホットキャリアストレスによって生じた界面準位の増大が、モビリティの劣化による駆動力の低下を引き起こす効果が、ゲート酸化膜厚が薄くなるほど見えにくくなることによる。酸化膜厚の薄い場合には、チャネルの縦方向の電界が非常に強いため、モビリティは、表面ラフネス散乱に主に支配され、界面準位によるクーロン散乱の影響は、モビリティに現れにくくなる。 As shown in FIG. 12, the transistor of the present invention is superior in hot carrier reliability to the transistor of the present invention in FIG. 17, that is, the deterioration amount (Δgm / gm) is small. This is because the increase in the interface state caused by the hot carrier stress causes the lowering of the driving force due to the deterioration of mobility, which becomes less visible as the gate oxide film thickness becomes thinner. When the oxide film is thin, the electric field in the longitudinal direction of the channel is very strong, so mobility is mainly governed by surface roughness scattering, and the effect of Coulomb scattering due to interface states is less likely to appear in mobility.
したがって、薄膜ゲート酸化膜MOSFETの場合、基板電流、インパクトイオン化率が大きいにもかかわらず、ストレス後の劣化の少ない良好な信頼性のトランジスタになったことが解る。 Therefore, it can be seen that the thin-film gate oxide film MOSFET is a transistor having good reliability with little deterioration after stress despite the large substrate current and impact ionization rate.
図10は電流Ig ,Id の電源電圧Vd =Vg 依存性を示すものである。ここでは、酸化膜厚Tox=1.5nm、ゲート長Lg =0.14μm、拡散長xj =30nmの場合を示している。本発明のトランジスタは、さらに、2.0V以下ではIg/Idの比は、1×10-4以下となり、動作上問題ないことがわかる。また、1.5V以下では、上記の比は6×10-5程度以下となり、さらに高信頼性のトランジスタが実現できた。 FIG. 10 shows the dependency of the currents Ig and Id on the power supply voltage Vd = Vg. Here, the case where the oxide film thickness Tox = 1.5 nm, the gate length Lg = 0.14 μm, and the diffusion length xj = 30 nm is shown. It can be seen that the transistor of the present invention has an Ig / Id ratio of 1 × 10 −4 or less at 2.0 V or less, which is not problematic in operation. At 1.5 V or less, the above ratio was about 6 × 10 −5 or less, and a highly reliable transistor could be realized.
図11はドレイン電流Id のゲート電圧Vg 依存性を示すものである。これは図10に示す特性を持つトランジスタと同じトランジスタについて測定したものである。本発明のトランジスタは低電圧下においても従来報告例に比べ3〜5倍良好な駆動力が得られていることが確認された。 FIG. 11 shows the dependency of the drain current Id on the gate voltage Vg. This is measured for the same transistor as the transistor having the characteristics shown in FIG. It was confirmed that the transistor of the present invention was 3 to 5 times better in driving force than conventional reports even under low voltage.
図12はIg /Id のドレイン電圧Vd 依存性を示すものである。この図に示すように、ドレイン電圧Vd が1.5V以下で6.0×10-5以下の良好な値が得られた。これに対し、ドレイン電圧Vd が1.5Vを越えると急激にトンネル電流Ig が増加し、特性が劣化していることがわかる。 FIG. 12 shows the dependence of Ig / Id on the drain voltage Vd. As shown in this figure, a good value of 6.0 × 10 −5 or less was obtained when the drain voltage Vd was 1.5 V or less. On the other hand, when the drain voltage Vd exceeds 1.5 V, the tunnel current Ig increases abruptly and the characteristics are deteriorated.
したがって、1.5V以下の回路で使用されれば、本発明のトランジスタは良好な特性を持つことが解る。 Therefore, it can be seen that the transistor of the present invention has good characteristics when used in a circuit of 1.5 V or less.
また、本発明のトランジスタは1.2V以下の回路で使用された場合、チャネル電流に対するゲート電流Ig /Id は1.5V電源時に比べ約25%低減し、性能が著しく向上する。図10において、Ig /Id の値は1.5Vで約6×10-5に対して1.2Vに下げれば、4.5×10-5に低減する。ゲート電流Ig の値も約50%低減した。 Further, when the transistor of the present invention is used in a circuit of 1.2 V or less, the gate current Ig / Id with respect to the channel current is reduced by about 25% compared with the 1.5 V power supply, and the performance is remarkably improved. In FIG. 10, the value of Ig / Id is 1.5 V and is reduced to 4.5 × 10 −5 if it is lowered to 1.2 V with respect to about 6 × 10 −5 . The value of the gate current Ig was also reduced by about 50%.
しかし、トランジスタの性能である相互コンダクタンスの値は、図21に示すように1.5V 1.010ms/mmに対し、1.2Vに電圧を下げても995ms/mmの値を持ち、1.5%の低下に留まる。したがって、1.2V以下の回路で使用されれば、1.5V電源時に比べ25%のIg /Id の向上により、さらに性能が飛躍的に向上する。 However, the value of transconductance, which is the performance of the transistor, has a value of 995 ms / mm even when the voltage is lowered to 1.2 V, as compared to 1.5 V 1.010 ms / mm as shown in FIG. % Decline. Therefore, when used in a circuit of 1.2V or less, the performance is further improved by improving Ig / Id by 25% compared with the case of 1.5V power supply.
また、本発明のトランジスタは、0.5V以下の回路で使用されれば、図10に示すように、ゲートリーク電流が1.5V動作時に比べ、1/20以下に低減することが解る。また、チャネル電流に対するゲート電流も約80%低減する。したがって、0.5V以下の回路にて本発明のトランジスタが使用されれば、さらに低消費電力で高性能のトランジスタが実現される。 Further, it can be seen that when the transistor of the present invention is used in a circuit of 0.5 V or less, the gate leakage current is reduced to 1/20 or less as compared with the 1.5 V operation as shown in FIG. Further, the gate current with respect to the channel current is also reduced by about 80%. Therefore, if the transistor of the present invention is used in a circuit of 0.5 V or less, a further high performance transistor with lower power consumption can be realized.
図13はId −Vd 特性のゲート長依存性、図14はコンダクタンスgmのゲート長依存性を示すものである。ここでは、ゲート長Lg が10μm(a)、0.14μm(b)、0.09μm(c)のときのId−Vd特性、gmサブスレッショルド特性をそれぞれ示している。ゲート長10μmの従来のトランジスタに見られる顕著なゲートリーク電流が本発明の微細デバイスにおいては抑制され、しかもLg=0.09μmで、gm=1010mS/mmという高性能が得られていることがわかる。 FIG. 13 shows the gate length dependence of the Id-Vd characteristics, and FIG. 14 shows the gate length dependence of the conductance gm. Here, Id-Vd characteristics and gm subthreshold characteristics when the gate length Lg is 10 μm (a), 0.14 μm (b), and 0.09 μm (c) are shown, respectively. It can be seen that the significant gate leakage current observed in the conventional transistor having a gate length of 10 μm is suppressed in the fine device of the present invention, and that Lg = 0.09 μm and high performance of gm = 1010 mS / mm are obtained. .
図15は電源電圧0.5V以下でのトランジスタ特性を示すものである。このときの電源電圧は0.5Vである。主要な特性について本発明及び従来のトランジスタの特性を対比して示す。同図(a)は本発明のトランジスタ特性、(b)は従来のトランジスタ特性であって、それぞれについて、駆動力(Id −Vd 特性、サブスレッショルド特性、(log Id −Vg )、トランスコンダクタンス(gm −Vg )特性を示している。この図から明らかなように、本発明のトランジスタは従来のものよりも小さな電源電圧で大きなドレイン電流Id が流れ、またコンダクタンスgm も大きな値が得られており、総合的に特性が向上している。本発明のトランジスタは、その0.5Vという低い電源電圧においても746mS/mmという優れたトランスコンダクタンスが得られている。 FIG. 15 shows transistor characteristics at a power supply voltage of 0.5 V or less. The power supply voltage at this time is 0.5V. The main characteristics are shown in comparison with the characteristics of the present invention and the conventional transistor. (A) is the transistor characteristic of the present invention, and (b) is the conventional transistor characteristic. For each, the driving force (Id -Vd characteristic, subthreshold characteristic, (log Id -Vg), transconductance (gm) As can be seen from the figure, the transistor of the present invention has a large drain current Id flowing at a lower power supply voltage than that of the conventional transistor, and a large conductance gm is obtained. The transistor of the present invention has an excellent transconductance of 746 mS / mm even at a power supply voltage as low as 0.5 V.
図20はゲート長0.09μm、ゲート酸化膜厚1.5nmのときの本発明のトランジスタの相互コンダクタンスの電源電圧依存性である。0.5V動作においても860ms/mmの非常に優れた相互コンダクタンスが得られている。 FIG. 20 shows the power supply voltage dependence of the mutual conductance of the transistor of the present invention when the gate length is 0.09 μm and the gate oxide film thickness is 1.5 nm. A very excellent transconductance of 860 ms / mm is obtained even at 0.5 V operation.
図21、22は本発明のトランジスタの相互コンダクタンス及び電流駆動力の電源電圧依存性を0.4μmゲート長の従来トランジスタと比較したものである。0.4μmトランジスタのゲート膜厚は9nmである。 21 and 22 compare the power supply voltage dependence of the mutual conductance and current driving power of the transistor of the present invention with a conventional transistor having a gate length of 0.4 μm. The gate film thickness of the 0.4 μm transistor is 9 nm.
現在汎用の150MHzで動作するマイクロプロセッサでは、約0.4μmのゲート長のMOSFETが用いられており、このFETの場合、3.3V電源下で、200mS/mm程度のトランスコンダクタンスを持っている。よって、配線容量や抵抗が低減しないと、当然高速化は図れないが、素子のトランスコンダクタンスからの類推でいくと、今回実現した高駆動力のMOSFETは、現状の3.3V動作のトランジスタに比べ、1.5の低電圧下で、約5.7倍の高速化の可能性を持っていることになる。0.5Vの低電圧動作においても、860mS/mmのトランスコンダクタンスを有することから、現在の3.3V動作に比べ、消費電力が約1/9になり、トランスコンダクタンスの比から5倍の高速化の可能性がある。 Currently, a general-purpose microprocessor operating at 150 MHz uses a MOSFET having a gate length of about 0.4 μm. This FET has a transconductance of about 200 mS / mm under a 3.3 V power supply. Therefore, if the wiring capacitance and resistance are not reduced, the speed cannot be increased naturally. However, by analogy with the transconductance of the element, the MOSFET with the high driving power realized this time is compared with the current 3.3 V operation transistor. Therefore, it has a possibility of speeding up about 5.7 times under a low voltage of 1.5. Even at low voltage operation of 0.5V, it has a transconductance of 860mS / mm, so the power consumption is about 1/9 compared to the current 3.3V operation, and the transconductance ratio is 5 times faster. There is a possibility.
現在、商品化されているLSI(例えばMPUマイクロプロセッサ等)は、3.3Vの電源電圧で、200MHzのクロック周波数で動作している。 Currently commercialized LSIs (for example, MPU microprocessors) operate at a clock frequency of 200 MHz with a power supply voltage of 3.3V.
本発明のトランジスタは、低い電源電圧(例えば1.5Vあるいは0.5V)においても高い電流駆動力を持つ。したがって電源の低電圧化による低電源電圧化(注:消費電力(P)は、電圧(V)の2乗に比例するため、低消費電力動作には、電源電圧を下げることが有効である。しかし、一般には、電圧の低下は、トランジスタの電流駆動力の減少をもたらし、LSIとしては、動作速度の低下をまねく。)においてはも、LSI動作の一層の高速化が可能である。 The transistor of the present invention has a high current driving capability even at a low power supply voltage (for example, 1.5 V or 0.5 V). Therefore, lowering the power supply voltage by lowering the power supply voltage (Note: power consumption (P) is proportional to the square of the voltage (V), so it is effective to lower the power supply voltage for low power consumption operation. However, in general, a decrease in voltage causes a decrease in the current driving capability of the transistor, leading to a decrease in the operation speed of the LSI. Further speeding up of the LSI operation is possible.
LSIの消費電力は次の式で表現することができる。
P=kfcVdd 2 +(Ils+Ilg)Vdd
ここで、 P:消費電力
f:クロック周波数
c:容量
Vdd:電源電圧
Ils:サブスレショルド特性できまるリーク電流
Ilg:ゲートリーク電流
この式において、第一項 kfcVdd 2 は、電荷の蓄積および消去(charge−discharge )によって消費される電力であり、第二項(Ils+Ilg)は、トランジスタのリーク電流成分によって消費される電力である。
尚、クロック周波数fは、トランジスタの電流駆動力Iによって決まる値である。
The power consumption of LSI can be expressed by the following equation.
P = kfcV dd 2 + (I ls + I lg ) V dd
Where P: Power consumption
f: Clock frequency
c: Capacity
V dd : Power supply voltage
I ls : Leakage current with sub-threshold characteristics
I lg : gate leakage current In this equation, the first term kfcV dd 2 is the power consumed by charge-discharge and the second term (I ls + I lg ) is the transistor leakage This is the power consumed by the current component.
The clock frequency f is a value determined by the current driving force I of the transistor.
電荷蓄積時間tは、
t=Q/I=CV/Iであり、f=I/CV
で示すことができる。
The charge accumulation time t is
t = Q / I = CV / I and f = I / CV
Can be shown.
ここで、チップあたりの消費電力を10W、チップ用トランジスタ数を3×106 個として、本発明のトランジスタ及び従来構造のトランジスタの消費電力及びクロック周波数の関係を示す(図25)。 Here, the power consumption per chip is 10 W, the number of chip transistors is 3 × 10 6 , and the relationship between the power consumption and clock frequency of the transistor of the present invention and the conventional transistor is shown (FIG. 25).
ここで各トランジスタのしきい値電圧の設計は、しきい電圧1μA/μmとして3.3V電源で0.6V、2.0V電源で0.4V、1.5V電源で0.3V、1.0V電源で0.2V、0.5V電源で0.15V、0.3V電源で0.1Vとした。 Here, the threshold voltage of each transistor is designed to be 0.6V with a 3.3V power supply, 0.4V with a 2.0V power supply, 0.3V with a 1.5V power supply, and 1.0V with a threshold voltage of 1 μA / μm. The power supply was 0.2V, the 0.5V power supply was 0.15V, and the 0.3V power supply was 0.1V.
消費電力(P)とクロック周波数(f)の関係は、電荷の蓄積、消去で決まる領域及びリーク電流で決まる領域に分けることができる。 The relationship between power consumption (P) and clock frequency (f) can be divided into a region determined by charge accumulation and erasure and a region determined by leakage current.
そして、図25(b)に示すように、リーク電流のうち、サブスレショルド特性で決まる成分は、各々のしきい値電圧から、値1.5V電源電圧では、しきい値電圧0.3Vであり、リーク電流による消費電力は、4.5mWである。同様に、
1.0V電源電圧で 30mW、
0.5V電源電圧で 45mW、
0.3V電源電圧で 100mW
である。
As shown in FIG. 25 (b), the component determined by the subthreshold characteristics in the leakage current is the threshold voltage of 0.3V at the power supply voltage of 1.5V from the respective threshold voltages. The power consumption due to leakage current is 4.5 mW. Similarly,
30mW at 1.0V supply voltage,
45mW at 0.5V supply voltage,
100mW at 0.3V power supply voltage
It is.
一方、本発明のトンネルゲート酸化膜を用いた場合(Lg =0.14μm、Tox=1.5nm)のリーク電流は、1.5V電源で、6×10-8A/μmであり、1個あたりのトランジスタのゲート幅を10μm、トランジスタ数を3×106 個のとき、リーク電流による消費電力成分は、2.7Wとなる。 On the other hand, when the tunnel gate oxide film of the present invention is used (Lg = 0.14 μm, Tox = 1.5 nm), the leakage current is 6 × 10 −8 A / μm with a 1.5 V power supply, When the per-transistor gate width is 10 μm and the number of transistors is 3 × 10 6 , the power consumption component due to the leakage current is 2.7 W.
それぞれの場合についてまとめると、ゲート酸化膜厚1.5nmで
Lg =0.14μmのとき、
1.5V電源電圧で 2.7W、
1.0V電源電圧で 600mW、
0.5V電源電圧で 45mW、
0.3V電源電圧で 6.3mW
Lg =0.09μmのとき、
1.5V電源電圧で 540mW、
1.0V電源電圧で 120mW、
0.5V電源電圧で 9mW、
0.3V電源電圧で 1.3mW
である。
To summarize each case, when the gate oxide film thickness is 1.5 nm and Lg = 0.14 μm,
2.7W at 1.5V power supply voltage
600mW at 1.0V supply voltage,
45mW at 0.5V supply voltage,
6.3mW at 0.3V power supply voltage
When Lg = 0.09 μm,
540mW at 1.5V supply voltage,
120mW at 1.0V supply voltage,
9mW at 0.5V power supply voltage,
1.3 mW at 0.3 V power supply voltage
It is.
一方図25(a)に示すように、電荷の蓄積、消去によって決まる消費電力は、通常のLg =0.4μm、Tox=9nmのトランジスタの3.3V動作を基準にすると、このトランジスタの駆動は0.40mA/μmである。 On the other hand, as shown in FIG. 25 (a), the power consumption determined by charge accumulation and erasure is based on the 3.3V operation of a normal transistor with Lg = 0.4 μm and Tox = 9 nm. 0.40 mA / μm.
本発明のトランジスタは、Lg =0.14μm、Tox=1.5nmのトランジスタでは、1.5V電源で消費電力は、1.2倍、クロック周波数は5.7倍である。0.5V動作では、消費電力は、0.047倍、クロック周波数は2.1倍である。 In the transistor of the present invention, when Lg = 0.14 μm and Tox = 1.5 nm, the power consumption is 1.2 times and the clock frequency is 5.7 times with a 1.5 V power supply. In 0.5V operation, the power consumption is 0.047 times and the clock frequency is 2.1 times.
また、Lg =0.09μm、Tox=1.5nmのトランジスタでは、1.5V動作で1.8倍の消費電力、8.6倍のクロック周波数になる。0.5V動作で0.11倍の消費電力、4.9倍のクロック周波数になる。 In addition, in a transistor with Lg = 0.09 μm and Tox = 1.5 nm, the power consumption is 1.8 times and the clock frequency is 8.6 times in 1.5V operation. With 0.5V operation, the power consumption is 0.11 times and the clock frequency is 4.9 times.
また、上述のゲートリーク電流成分は、電荷の蓄積消去によって消費される本質的な消費電力成分に比べ約1桁小さく問題にならない。 Further, the above-described gate leakage current component is about one order of magnitude smaller than the essential power consumption component consumed by charge accumulation and erasure, and does not cause a problem.
したがって、図26に示すように、200MHz、3.3V動作のLSIに比べ、本発明のトランジスタでは、1.3V動作では、同じ消費電力で5倍の高周波動作(約1000MHz)0.5V動作では1/9の低消費電力化で5倍の高クロック動作が可能である。 Therefore, as shown in FIG. 26, in comparison with an LSI operating at 200 MHz and 3.3 V, the transistor of the present invention has 1.3 times operation, the same power consumption, 5 times higher frequency operation (about 1000 MHz), and 0.5 V operation. 5 times higher clock operation is possible with 1/9 lower power consumption.
また、200MHzで動作させるならば、0.3Vまで電源電圧を下げ、消費電力を1/100の100mW以下にすることができる。 Moreover, if it operates at 200 MHz, the power supply voltage can be lowered to 0.3 V, and the power consumption can be reduced to 1/100, 100 mW or less.
また、本トランジスタは、低電圧下でも高い相互コンダクタンスを持ち、高い電流駆動能力を持ったため(1.5Vで1,010mS/mm、0.5Vで860mS/mm、従来は3.3Vで200mS/mm程度)、現行の5倍程度の高周波アナログ動作が低電圧下で可能となる。 In addition, this transistor has a high transconductance even under a low voltage and has a high current driving capability (1,010 mS / mm at 1.5 V, 860 mS / mm at 0.5 V, and conventionally, 200 mS / mm at 3.3 V). mm), high-frequency analog operation that is about 5 times the current is possible under low voltage.
例えば、1〜数10GHz動作の通信用の高周波アナログICは、主にバイポーラやGaAsなどのトランジスタを用いているが、これを本発明のCMOSで置き換えることが可能になる。 For example, high-frequency analog ICs for communication operating at 1 to several tens of GHz mainly use transistors such as bipolar and GaAs, but this can be replaced with the CMOS of the present invention.
LSIの高集積化、高速化を達成するために、MOS型トランジスタの微細化が、従来より行われてきている。もちろん高速化のためには、配線の低容量化、低抵抗化や、素子の寄生容量や寄生抵抗の低減化が重要であるが、素子自身の微細化も高駆動力化の大きなカギになる。今後、低消費電力化のために、より低電圧下でのデバイスの利用が求められているが、いかに低電圧下で高駆動力のトランジスタを形成するかが、重要な課題となる。 In order to achieve high integration and high speed of LSI, miniaturization of MOS transistors has been conventionally performed. Of course, in order to increase the speed, it is important to reduce the capacitance and resistance of the wiring, and to reduce the parasitic capacitance and resistance of the element, but miniaturization of the element itself is a key to increase the driving force. . In the future, in order to reduce power consumption, it is required to use devices under a lower voltage, but how to form a transistor with a high driving force under a low voltage is an important issue.
また、通常は、例えば文献(著者G.G.Shahidi ,J.Warnock,A.Acovic,P.Agnello,C.Blair,C.Bucelot,A.Burghartz,E.Crabbe,J.Cressler,P.Coane,J.Comfort,B.Davarl,S.Fischer,E.Ganin,S.Gittleman,J.Keller,K.Jenkins,D.Klans,K.Kiewtniak,T.Lu,P.A.McFarland,T.Ning,M.Polcari,S.Subbana,J.Y.Sun,D.Sunderland,A.C.Warren,C.Wong;論文名A HIGH PERFORMANCE 0.15 μm CMOS ;出典Dig. of Tech. Papers,VLSI Symp. on Tech.,Kyoto,PP.93-94,1993=以下文献[a]という)に示されるように、通常、1.8V電源では、0.05μmチャネル長(ゲート長0.10μmと推定)のnMOSは480mS/mm以下、0.06μmチャネル長(ゲート長0.14μmと推定)のpMOSは250mS/mm以下の相互コンダクタンスgmが得られているにすぎない。したがって、この文献[a]のトランジスタでは1.5V電源においても、せいぜい上述の480mS/mm,250mS/mmの値が得られるにすぎない。一方、文献(著者Y.Taur,S.Wind,Y.J.Mii,Y.Lii,D.Moy,K.A.Jenkins,C.L.Chen,P.J.Coane,D.Klaus,J.Bucchignano,M.Rosenfield,M.G.R.Thomson,and M.Polcari ;論文名 High Performance 0.1μmCMOS Device with 1.5V Power Supply;出典 IEDM Tech.Dig.,pp.127-130,1993 =以下文献[C]という)に示されるものでは1.5V電源で0.09μmチャネル長(ゲート長0.14μmと推定)のnMOSは620mS/mm、0.11μmチャネル長(ゲート長0.19μmと推定)のpMOSは290mS/mmの値が得られているにすぎない。また、文献(著者Y.Mii.S.Rishton,Y.Teur,D.Kern,T.Lii,K.Lee,K.Jenkins,D.Quinlan,T.Brown Jr.,D.Danner,F.Sewell,and M.Polcari ;論文名High Performance 0.1μm nMOSFET´s with 10ps/stage Delay(85K) at 1.5V Power Supply ;出典Dig. of Tech.Pater,VLSI Symp. on Tech.,Kyoto,pp91-92,1993 以下、文献[D])では電源電圧1.5Vで、0.05μmチャネル長(ゲート長0.10μmと推定)のnMOSで740mS/mmの値が得られていることが示されている。また、例えば、文献(著者Y.Mii,S.Wind,Y.Lii,D.Klaus,and J.Bucchignano;論文名An Ultra-Low Power 0.1μm CMOS ;出典Dig. of Tech.Papers,VLSI Symp. on Tech.,Hawaii,pp.9-10,1994 =以下文献[B]という)に示されているものは、0.5V電源では0.12μmチャネル長(ゲート長0.17μmと推定)のnMOSで340mS/mm,0.12μmチャネル長(ゲート長0.2μmと推定)のpMOSで140mS/mm以下の相互コンダクタンスgmが得られているにすぎない。また、高性能なpチャネルMOSFETの例としては、文献(著者Y.Taur,S.Cohen,S.Wind,T.Lii,C.Hsu,D.Quinlan,C.Chang,D.Buchanan,P.Agnello,Y.Mii,C.Reeves,A.Acovic,and V.Kesan;論文名 High Transconductance 0.1 μm pMOSFET:出典IEDM Tech.Dig.,pp.901-904,1992=以下文献[E])では、電源電圧1.5Vのとき、ゲート酸化膜厚3.5nm、実効チャネル長0.08μm(ゲート長0.15μmと推定)で400mS/mm,実効チャネル長0.11μm(ゲート長0.18μm)で330mS/mmが報告されている。したがって、1.5V以上電源でnMOSが740mS/mm以上、pMOSが400mS/mm以上、1.2V以上の電源でnMOSが540mS/mm以上、pMOSが245mS/mm以上、0.5V以上の電源でnMOSが340mS/mm以上、pMOSが140mS/mm以上の性能を有するためには、トランジスタの構造として本発明の構成を有することが必要である。 Further, usually, for example, literature (authors GG Shahidi, J. Warnock, A. Acovic, P. Agnello, C. Blair, C. Bucelot, A. Burghartz, E. Crasbe, J. Cressler, P. Coane , J. Comfort, B. Davarl, S. Fischer, E. Ganin, S. Gittleman, J. Keller, K. Jenkins, D. Klans, K. Kiewtniak, T. Lu, PAMcFarland, T. Ning, M. Polcari, S. Subbana, JYSun, D. Sunderland, AC Warren, C. Wong; Title A HIGH PERFORMANCE 0.15 μm CMOS; Source: Dig. Of Tech. Papers, VLSI Symp. On Tech., Kyoto, PP.93- 94,1993 = hereinafter referred to as the document [a]), with a 1.8V power supply, an nMOS with a 0.05 μm channel length (estimated to have a gate length of 0.10 μm) is 480 mS / mm or less, 0.06 μm A pMOS with a channel length (estimated to have a gate length of 0.14 μm) only has a transconductance gm of 250 mS / mm or less. Therefore, in the transistor of this document [a], the above-mentioned values of 480 mS / mm and 250 mS / mm can be obtained even at 1.5V power source. Meanwhile, the literature (authors Y. Taur, S. Wind, YJMii, Y. Lii, D. Moy, KAJenkins, CLChen, PJCoane, D. Klaus, J. Bucchignano, M. Rosenfield, MGRThomson, and M .Polcari ; Paper title High Performance 0.1μm CMOS Device with 1.5V Power Supply; Source IEDM Tech.Dig., Pp.127-130,1993 = Hereinafter referred to as document [C]) The nMOS having a channel length of 09 μm (estimated to be 0.14 μm) has a value of only 620 mS / mm, and the pMOS having a channel length of 0.11 μm (estimated to be 0.19 μm) is only 290 mS / mm. The literature (authors Y. Mii. S. Rishton, Y. Teur, D. Kern, T. Lii, K. Lee, K. Jenkins, D. Quinlan, T. Brown Jr., D. Danner, F. Sewell , and M.Polcari ; Title of High Performance 0.1μm nMOSFET´s with 10ps / stage Delay (85K) at 1.5V Power Supply ; Source Dig. of Tech.Pater, VLSI Symp. on Tech., Kyoto, pp91-92, [1993] Document [D]) shows that a value of 740 mS / mm is obtained with an nMOS of 0.05 μm channel length (estimated to have a gate length of 0.10 μm) at a power supply voltage of 1.5 V. Also, for example, literature (authors Y. Mii, S. Wind, Y. Lii, D. Klaus, and J. Bucchignano; paper title An Ultra-Low Power 0.1 μm CMOS; source Dig. Of Tech. Papers, VLSI Symp. on Tech., Hawaii, pp. 9-10, 1994 = Hereinafter referred to as the document [B]), an nMOS having a channel length of 0.12 μm (estimated to have a gate length of 0.17 μm) with a 0.5 V power supply Thus, a pMOS having a channel length of 340 mS / mm and a channel length of 0.12 μm (estimated to have a gate length of 0.2 μm) only has a transconductance gm of 140 mS / mm or less. Examples of high-performance p-channel MOSFETs include literature (authors Y. Taur, S. Cohen, S. Wind, T. Lii, C. Hsu, D. Quinlan, C. Chang, D. Buchanan, P. Agnello, Y. Mii, C. Reeves, A. Acovic, and V. Kesan; Title High Transconductance 0.1 μm pMOSFET: Source IEDM Tech. Dig., Pp. 901-904, 1992 = Document [E]) When the power supply voltage is 1.5 V, the gate oxide film thickness is 3.5 nm, the effective channel length is 0.08 μm (the gate length is estimated to be 0.15 μm), 400 mS / mm, and the effective channel length is 0.11 μm (the gate length is 0.18 μm). 330 mS / mm has been reported. Therefore, with a power supply of 1.5 V or higher, nMOS is 740 mS / mm or higher, pMOS is 400 mS / mm or higher, 1.2 V or higher, nMOS is 540 mS / mm or higher, pMOS is 245 mS / mm or higher, and 0.5 V or higher. In order for the nMOS to have a performance of 340 mS / mm or more and the pMOS to have a performance of 140 mS / mm or more, it is necessary to have the structure of the present invention as a transistor structure.
同様に電流駆動力については、通常は例えば文献[B]に示されるように、0.5V電源ではnMOSは0.052mA/μm、pMOSは0.032mA/μmに留まっている。また、1.5V電源では文献[C]に示されるように、nMOSは0.65mA/μm,pMOSは0.51mA/μmに留まっている。したがって、1.5V以上の電源でnMOSが0.65mA/μm以上、pMOSが0.51mA/μm以上、1.2V以上の電源でnMOSが0.47mA/μm以上、pMOSが0.22mA/μm以上、0.5V以上の電源でnMOSが0.052mA/μm以上、pMOSが0.032mA/μm以上の駆動力を得るには、トランジスタの構造として本発明の構成を有することが必要である。 Similarly, as shown in the document [B], for example, the current drivability is normally 0.052 mA / μm for the nMOS and 0.032 mA / μm for the pMOS with a 0.5 V power supply. On the other hand, with the 1.5V power supply, as shown in the document [C], the nMOS remains 0.65 mA / μm and the pMOS remains 0.51 mA / μm. Therefore, nMOS is 0.65 mA / μm or more with a power supply of 1.5 V or more, pMOS is 0.51 mA / μm or more, nMOS is 0.47 mA / μm or more with a power supply of 1.2 V or more, and pMOS is 0.22 mA / μm. As described above, in order to obtain a driving force of nMOS of 0.052 mA / μm or more and pMOS of 0.032 mA / μm or more with a power supply of 0.5 V or more, it is necessary to have the structure of the present invention as a transistor structure.
上述の相互コンダクタンス及び電流駆動力の値はいずれも室温における特性値である。 The values of mutual conductance and current driving force described above are characteristic values at room temperature.
したがって、ある電源電圧(VDD)下でnMOSにおいて、
gm>400VDD+140
pMOSにおいて
gm>260VDD+10
となる構造が本発明の特徴となる。単位はVDD(V)、gm(mS/mm)である。
Therefore, in an nMOS under a certain power supply voltage (VDD),
gm> 400 VDD + 140
In pMOS, gm> 260V DD +10
This structure is a feature of the present invention. The unit is VDD (V), gm (mS / mm).
また、電流駆動力としては
nMOSがId >0.598VDD−0.247
pMOSがId >0.268VDD−0.102
となる構造が本発明の特徴となる。単位はVDD(V)、Id (mA)である。
In addition, as the current driving force, nMOS is Id> 0.598V DD -0.247
pMOS Id> 0.268V DD -0.102
This structure is a feature of the present invention. The unit is VDD (V), Id (mA).
また、これらの値については特にゲート長の値を記述していないが、いずれも0.1μm近辺の大きさである。 Further, although these values do not particularly describe the gate length value, they are all in the vicinity of 0.1 μm.
MOSFETの駆動力はゲート長を短くし、チャネルの電界を強くすることにより、電子や正孔の速度を上げる手法が駆動力向上に有効であることは、よく知られているが、ゲート長を短くし、チャネル電界を強くする方法においては、ゲート長が0.1μm、あるいは、それ以下で、原理的には、速度飽和(チャネルの電界がある程度強くなると、それ以上電界が強くなっていても電子や正孔の速度が飽和し向上しないという現象。)が生じ、高速化が飽和しつつあった。 It is well known that MOSFET driving force shortens the gate length and increases the electric field of the channel to increase the speed of electrons and holes, which is effective for improving the driving force. In the method of shortening and increasing the channel electric field, the gate length is 0.1 μm or less, and in principle, speed saturation (when the electric field of the channel is increased to some extent, the electric field is further increased). The phenomenon in which the speed of electrons and holes is saturated and does not improve.
微細ゲートのMOSFETとして、昨年、ゲート長0.04μmの世界最小のnMOSFETを作製し、その室温動作を報告したが、その電流駆動力は、0.1μmゲート長のトランジスタと比べて、2〜3割の向上に留まるものであった。 Last year, the world's smallest nMOSFET with a gate length of 0.04 μm was fabricated as a fine gate MOSFET, and its room temperature operation was reported, but its current driving capability was 2 to 3 compared to a 0.1 μm gate length transistor. However, it was only an improvement.
したがって、前述した相互コンダクタンス及び駆動力の値は、従来の方法では実現が困難で、本発明の構成を持つトランジスタで実現できるものである。 Therefore, the above-described values of mutual conductance and driving force are difficult to realize by the conventional method, and can be realized by the transistor having the configuration of the present invention.
本発明のトンネリングゲート酸化膜を用いない通常のMOSFETにおいては、NチャネルMOSでは、実効チャネル長(Leff )0.05μm、ゲート酸化膜厚(Tox)3.5nmのデバイスで、1.5V電源電圧下で、相互コンダクタンス740mS/mm、の値が、得られている(文献[D])。このトランジスタのゲート長(Lg )は、0.10μmと推測できる。この相互コンダクタンスの値は、従来構造の0.1μmゲート長MOSFETの最高性能である。また、上記従来構造の実効チャネル長0.1μm(ゲート長0.15μmと推測)トランジスタでは、相互コンダクタンス620mS/mmの値が得られており、これも従来構造の0.15μmゲート長MOSFETで得られる最高性能であった。 In a normal MOSFET not using a tunneling gate oxide film of the present invention, an N channel MOS is a device having an effective channel length (Leff) of 0.05 μm and a gate oxide film thickness (Tox) of 3.5 nm, and a 1.5 V power supply voltage. Below, a value of mutual conductance of 740 mS / mm is obtained (reference [D]). The gate length (Lg) of this transistor can be estimated to be 0.10 μm. This transconductance value is the highest performance of a conventional 0.1 μm gate length MOSFET. The transistor having the effective channel length of 0.1 μm (estimated to have a gate length of 0.15 μm) having the above-described conventional structure has a mutual conductance of 620 mS / mm, which is also obtained by the 0.15 μm gate length MOSFET having the conventional structure. It was the highest performance possible.
本発明のMOSFETの反転層容量は、表面キャリア濃度の見積りから、約0.5nmのゲート酸化膜と等価である。 The inversion layer capacitance of the MOSFET of the present invention is equivalent to a gate oxide film of about 0.5 nm from the estimation of the surface carrier concentration.
したがって本発明の2.5nm未満のゲート酸化膜を適用した構造のトランジスタにおいては、0.1μmゲート長のデバイスにおいて、その相互コンダクタンスgmは、
gm>740×(3.5+0.5)/(2.5+0.5)〜990mS/mm0.15μmゲート長のデバイスにおいて、
gm>620×(3.5+0.5)/(2.5+0.5)〜830mS/mmが実現できる。言い換えるならば、0.1μmゲート長で990mS/mm 0.15μmゲート長で830mS/mm以上の相互コンダクタンスを得るには、本発明の基本要素である2.5nm未満のトンネルゲート酸化膜の適用が必要である。
Therefore, in the transistor having the gate oxide film of less than 2.5 nm according to the present invention, the transconductance gm of the device having a gate length of 0.1 μm is
In devices with gm> 740 × (3.5 + 0.5) / (2.5 + 0.5) to 990 mS / mm 0.15 μm gate length,
gm> 620 × (3.5 + 0.5) / (2.5 + 0.5) to 830 mS / mm can be realized. In other words, in order to obtain a transconductance of 830 mS / mm or more with a 0.15 μm gate length with a 0.1 μm gate length, application of a tunnel gate oxide film of less than 2.5 nm, which is a basic element of the present invention, is required. is necessary.
また、同時に電流駆動力は、1.5V電源電圧下で0.65mA/μmが従来の最高性能である(文献[c])。この値は実効チャネル長Leff =0.09μmのデバイスでの値である(ゲート長は0.15μmと推定)。また、この従来トランジスタ構造で、ゲート長0.10μmのデバイスを実現すると、電流駆動力は0.77mA/μmと推定できる。 At the same time, the current driving force is 0.65 mA / μm under the 1.5 V power supply voltage, which is the highest performance of the prior art (reference [c]). This value is a value for a device having an effective channel length Leff = 0.09 μm (the gate length is estimated to be 0.15 μm). Further, when a device having a gate length of 0.10 μm is realized with this conventional transistor structure, the current driving force can be estimated to be 0.77 mA / μm.
したがって本発明の2.5nm未満のゲート酸化膜を適用した構造のトランジスタにおいては、その電流駆動力Idは0.1μmゲート長のデバイスで
Id>0.77×(3.5+0.5)/(2.5+0.5)
〜1.0mA/mm
0.15μmゲート長のデバイスで、
Id>0.65×(3.5+0.5)/(2.5+0.5)
〜0.87mA/mm
が実現できる。
Therefore, in the transistor of the present invention to which the gate oxide film of less than 2.5 nm is applied, the current driving force Id is 0.1 μm gate length device and Id> 0.77 × (3.5 + 0.5) / ( 2.5 + 0.5)
~ 1.0mA / mm
A device with a gate length of 0.15 μm,
Id> 0.65 × (3.5 + 0.5) / (2.5 + 0.5)
~ 0.87mA / mm
Can be realized.
逆に、1.5V電源電圧下で0.1μmゲート長で1.0mA/mm、0.15μmゲート長で0.87mA/mmの電流駆動力を得るには、本発明の基本要素である2.5nm未満のトンネル酸化膜の適用が必須である。 Conversely, in order to obtain a current driving force of 1.0 mA / mm at a gate length of 0.1 μm and 0.87 mA / mm at a gate length of 0.15 μm under a 1.5 V power supply voltage, it is a basic element of the present invention. Application of a tunnel oxide film of less than 5 nm is essential.
また、高性能なpチャネルMOSFETの例としては、文献([E])では、電源電圧1.5Vのとき、ゲート酸化膜3.5nm、実効チャネル長0.08μm(ゲート長0.15μmと推定)で400mS/mm、0.51mA/μm、実効チャネル長0.11μm(ゲート長0.18μm)で330mS/mm、0.44mA/μmが報告されている。 As an example of a high-performance p-channel MOSFET, in the literature ([E]), when the power supply voltage is 1.5 V, the gate oxide film is 3.5 nm, the effective channel length is 0.08 μm (the gate length is estimated to be 0.15 μm). ) 400 mS / mm, 0.51 mA / μm, effective channel length 0.11 μm (gate length 0.18 μm), 330 mS / mm, 0.44 mA / μm are reported.
nチャネルMOSFETのときと、同様に、本発明の2.5nm未満のゲート酸化膜を適用した構造のトランジスタでは、0.15μmゲート長で、533mS/mm、0.68mA/μm、0.18μmゲート長で、440mS/mm、0.59mA/μmの高性能が実現できる。 Similarly to the case of the n-channel MOSFET, in the transistor having the gate oxide film of less than 2.5 nm according to the present invention, the gate length is 0.15 μm, the gate length is 533 mS / mm, 0.68 mA / μm, and 0.18 μm. Long, high performance of 440 mS / mm and 0.59 mA / μm can be realized.
それぞれのゲート長のデバイスにおいて、前記の示した値以上の性能を得るためには、本発明の基本要素である2.5nm未満のトンネル酸化膜の適用が必須である。 In each gate length device, in order to obtain the performance exceeding the above-mentioned value, it is essential to apply a tunnel oxide film of less than 2.5 nm, which is a basic element of the present invention.
したがって、電源電圧Vddと相互コンダクタンスgmあるいは電流駆動力Idとの関係が、
NMOSで
gm>530×Vdd+190
PMOSで
gm>350×Vdd+13
NMOSで
Id>0.80×Vdd−0.33
PMOSで
Id>0.36×Vdd−0.14
(単位はVdd(V)、gm(mS/mm))
を満たすようなトランジスタを実現するためには、本発明の基本要素である2.5nm未満のゲート酸化膜の適用が不可欠である。
Therefore, the relationship between the power supply voltage Vdd and the mutual conductance gm or the current driving force Id is
NMOS with gm> 530 × Vdd + 190
PMOS with gm> 350 × Vdd + 13
NMOS with Id> 0.80 × Vdd−0.33
With PMOS Id> 0.36 × Vdd−0.14
(Unit is Vdd (V), gm (mS / mm))
In order to realize a transistor that satisfies the above conditions, it is essential to apply a gate oxide film of less than 2.5 nm, which is a basic element of the present invention.
以上のように、本発明により従来に比べ駆動力、信頼性ともに良いトランジスタが実現できた。 As described above, according to the present invention, a transistor having better driving power and higher reliability than the conventional one can be realized.
以上はシリコン酸化膜をゲート絶縁膜に用いる説明してきたが、本発明はそれと同等のゲート容量を有する絶縁膜、を用いても、同様の効果がある。絶縁膜としては、例えば、シリコン窒化膜(Si3 N4 )、シリコン窒化酸化膜(SiOx Ny )シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層膜(SiO2 /Si3 N4 ,Si3 N4 /SiO2 ,SiO2 /Si3 N4 /SiO2 ,Si3 N4 /SiO2 /N4 )あるいはタンタルオキサイド(Ta Ox )、チタン酸ストロンチウム膜(TiSrxOy )それらとシリコン酸化膜、シリコン窒化膜との積層膜等がある。これらの絶縁膜のゲート容量がシリコン酸化膜換算で、シリコン酸化膜厚2.5nm未満と同等であれば、本発明の効果が得られる。例えば、図27はシリコン窒化膜の比誘電率7.9はシリコン酸化膜3.9の約2倍であり、シリコン窒化膜を用いる場合は、膜厚5nm未満の場合において本発明の効果が得られる。前述したいずれの絶縁膜を用いる場合において、このゲート絶縁膜中をトンネルリーク電流が流れても、シリコン酸化膜中をトンネル電流が流れる絶縁膜厚でトランジスタを構成するという要旨と一致しており、同等の効果がある。また、上述のシリコン酸化膜2.5nm未満と同等のゲート容量を有する絶縁膜であれば、トンネル電流が流れない絶縁膜を用いることができる。この場合は消費電力が低減し、さらに低消費電力で高性能なトランジスタが実現できる。 In the above description, the silicon oxide film is used as the gate insulating film. However, the present invention has the same effect even when an insulating film having the same gate capacitance is used. As the insulating film, for example, a silicon nitride film (Si3 N4), a silicon nitride oxide film (SiOx Ny), a laminated film of a silicon nitride film and a silicon oxide film (SiO2 / Si3 N4, Si3 N4 / SiO2, SiO2 / Si3 N4 / SiO2) , Si3 N4 / SiO2 / N4) or tantalum oxide (TaOx), strontium titanate film (TiSrxOy), a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like. If the gate capacitance of these insulating films is equivalent to a silicon oxide film thickness of less than 2.5 nm in terms of silicon oxide film, the effect of the present invention can be obtained. For example, in FIG. 27, the relative dielectric constant 7.9 of the silicon nitride film is about twice that of the silicon oxide film 3.9, and when the silicon nitride film is used, the effect of the present invention is obtained when the film thickness is less than 5 nm. It is done. In the case of using any of the insulating films described above, even if a tunnel leakage current flows in the gate insulating film, it is consistent with the gist that the transistor is configured with an insulating film thickness in which the tunnel current flows in the silicon oxide film. Has the same effect. In addition, an insulating film that does not flow a tunnel current can be used as long as the insulating film has a gate capacitance equivalent to that of the silicon oxide film less than 2.5 nm. In this case, power consumption is reduced, and a low-power consumption and high-performance transistor can be realized.
例えば、トランジスタ1個あたり、10-8Aのゲートトンネルリークを持つMOSFETを100万個集積した場合、10mAの電力が消費される。一方、トンネル電流が流れないトランジスタを使用した場合には、この10mAの消費電力が抑えられ、LSIとしての性能の向上を図ることができる。 For example, when 1 million MOSFETs having a gate tunnel leakage of 10 −8 A are integrated per transistor, 10 mA of power is consumed. On the other hand, when a transistor that does not flow a tunnel current is used, the power consumption of 10 mA can be suppressed, and the performance as an LSI can be improved.
また本発明のトランジスタは、半導体装置の一部に使用されると、高性能かつ安価な半導体装置が実現する。 Further, when the transistor of the present invention is used for a part of a semiconductor device, a high-performance and inexpensive semiconductor device is realized.
図18は、半導体装置の一部に本発明のトランジスタを使用した半導体装置の概略図である。特に大電流で駆動することが要求される周辺回路の部分に、図18(b)に示すように本発明トランジスタを用いると良い。このような半導体装置は、次のような製造法で作製できる。 FIG. 18 is a schematic view of a semiconductor device using the transistor of the present invention as part of the semiconductor device. In particular, the transistor of the present invention is preferably used in a peripheral circuit portion that is required to be driven with a large current as shown in FIG. Such a semiconductor device can be manufactured by the following manufacturing method.
従来法により半導体基板上に素子領域及び素子分離領域を形成したのち、例えば炉酸化法にて800℃酸素雰囲気でシリコン表面を酸化し、4nmの第1のシリコン酸化膜を形成する。その後、本発明トランジスタ形成領域のみ前記第1のシリコン酸化膜を除去する。その後、急速ランプ加熱法にて所望の膜厚の第2のシリコン酸化膜を形成する。以降の工程は前述した本発明のトランジスタの形成方法と同様の工程を経て作製する。 After forming an element region and an element isolation region on a semiconductor substrate by a conventional method, the silicon surface is oxidized in an oxygen atmosphere at 800 ° C. by, for example, furnace oxidation to form a 4 nm first silicon oxide film. Thereafter, the first silicon oxide film is removed only in the transistor formation region of the present invention. Thereafter, a second silicon oxide film having a desired film thickness is formed by a rapid lamp heating method. Subsequent steps are manufactured through the same steps as those of the transistor formation method of the present invention described above.
このように作製した半導体装置は、大電流で駆動されるトランジスタが要求される領域に本発明で作製した高性能なトランジスタが形成され、全体として優れた半導体装置になる。従来、例えば高速論理デバイスにおいては、図19に示すように周辺回路部分(I/O部)をバイポーラトランジスタで形成し、内部論理回路をCMOSトランジスタで形成し、高速化を図った。 The semiconductor device manufactured as described above is a semiconductor device which is excellent as a whole because the high-performance transistor manufactured in the present invention is formed in a region where a transistor driven by a large current is required. Conventionally, for example, in a high-speed logic device, as shown in FIG. 19, the peripheral circuit portion (I / O portion) is formed of a bipolar transistor, and the internal logic circuit is formed of a CMOS transistor to increase the speed.
本発明を用いることで、CMOSのプロセスのみで作製が可能になり、安価に高性能な素子を実現することができた。 By using the present invention, it is possible to manufacture only by a CMOS process, and a high-performance element can be realized at low cost.
また、本発明のトランジスタは、ゲート絶縁膜が2.5nm未満と非常に薄いため、LSI動作時において、突発的なゲート電圧の印加、ノイズ等により、過度の即ち電源電圧を超える電圧が印加される状況が生じた場合、ゲート破壊と称される絶縁破壊を生じ、MOSFETとして良好な作用ができなくなるという問題が起こる。 In addition, since the transistor of the present invention has a very thin gate insulating film of less than 2.5 nm, an excessive voltage, that is, a voltage exceeding the power supply voltage is applied due to sudden application of gate voltage, noise, etc. during LSI operation. If this situation occurs, a dielectric breakdown called gate breakdown occurs, and there is a problem that the MOSFET cannot function well.
図29は本発明のトランジスタ9のゲートに絶縁破壊の保護回路として金属/シリコン層からなるショットキーダイオード11を接続した構造を示す。このショットキーダイオードは、本発明のトランジスタ9よりも耐圧が低いものである。
FIG. 29 shows a structure in which a Schottky diode 11 made of a metal / silicon layer is connected to the gate of the
ショットキーダイオード9としてはn型シリコンあるいはp型シリコンいずれを用いることができる。金属としてはAl,W,Ti,Mo,Ni,V,Co等を主成分とするものを用いることもできる。
As the
ショットキーダイオードのない構造に比べ、ノイズ等の過度の電圧が印加された場合において、ショットキーダイオードが破壊し、過電流を生ずることにより、本発明のトランジスタ9のゲート絶縁膜が破壊されることを防ぐことができる。
即ち、本発明のトランジスタを用いた静電破壊に強い半導体装置が実現できる。
Compared to a structure without a Schottky diode, when an excessive voltage such as noise is applied, the Schottky diode is destroyed and an overcurrent is generated, thereby destroying the gate insulating film of the
That is, a semiconductor device that is resistant to electrostatic breakdown using the transistor of the present invention can be realized.
本実施例においては、特にnMOSFETの例を用いて説明したが、本構造は同様にpMOSFETにも応用ができる。この場合、ゲート側壁部はBSG(B(ボロン)含有シリコン酸化膜)で形成し、浅いp型のソース/ドレイン領域を形成すればよい。これは文献(著者M.Saito,T.Yoshitomi,H.Hara,M.Ono,Y.Akasaka,H.Nii,S.Matsuda,H.S.Momose,Y.Katsumata,and H.Iwai;論文名P-MOSFETs with Ultra-Shallow Solid-Phase-Diffused Drain Structure Produced by Diffusion from BSG Gate-Sidewall ;出典IEEE Trans.Electron Devices,vol.ED-40,no.12,pp.2264-2272,December,1993)において報告されている。 In this embodiment, the description has been made using the example of the nMOSFET, but this structure can be applied to the pMOSFET as well. In this case, the gate side wall portion may be formed of BSG (B (boron) -containing silicon oxide film) and a shallow p-type source / drain region may be formed. This is the literature (authors M. Saito, T. Yoshitomi, H. Hara, M. Ono, Y. Akasaka, H. Nii, S. Matsuda, HSMomose, Y. Katsumata, and H. Iwai; with Ultra-Shallow Solid-Phase-Diffused Drain Structure Produced by Diffusion from BSG Gate-Sidewall; Source IEEE Trans.Electron Devices, vol.ED-40, no.12, pp.2264-2272, December, 1993) ing.
また、上述のように、BSG側壁からの固相拡散技術でなく、通常のB(ボロン)原子のイオン打込み法によりソース/ドレイン拡散層を作製しても良い。 Further, as described above, the source / drain diffusion layer may be formed not by a solid phase diffusion technique from the BSG side wall but by a normal ion implantation method of B (boron) atoms.
図24は、イオン打込み法でソース/ドレイン拡散層を形成したp型MOSFETの電気的特性である。このときゲート酸化膜厚は1.5nm、ゲート長は0.2μmである。本発明で作製されたpMOSFETは1.5V電源で0.41mA/μmの電流駆動力、及び408mS/mmの相互コンダクタンスを有し、文献(著者Y.Taur,S.Wind,Y.J.Mii,Y.Lii,D.Moy,K.A.Jenkins,C.L.Chen,P.J.Coane,D.Klaus,J.Bucchignano,M.G.R.Thomson,and M.Polcari;論文名“High Performance 0.1μmCMOS Devices with 1.5V Power Supply;出典IEDM Tech. Dig.,pp.127-130,1993)において報告されている0.2μmゲート長pMOSFETの性能値約200mS/mmを大幅に上回る高い性能を持つ。またこのTrは、0.5V電源で0.06mA/μmの駆動力と約350mS/mmの相互コンダクタンスが得られている。 FIG. 24 shows electrical characteristics of a p-type MOSFET in which a source / drain diffusion layer is formed by ion implantation. At this time, the gate oxide film thickness is 1.5 nm and the gate length is 0.2 μm. The pMOSFET produced by the present invention has a current driving force of 0.41 mA / μm and a transconductance of 408 mS / mm with a 1.5 V power source, and the literature (authors Y. Taur, S. Wind, YJMii, Y. Lii, D.Moy, KAJenkins, CLChen, PJCoane, D.Klaus, J.Bucchignano, MGRThomson, and M.Polcari; title “High Performance 0.1μm CMOS Devices with 1.5V Power Supply; Source IEDM Tech. Dig , pp. 127-130, 1993), the performance value of the 0.2 μm gate length pMOSFET is significantly higher than about 200 mS / mm, and this Tr is 0.06 mA with a 0.5 V power supply. A driving force of / μm and a mutual conductance of about 350 mS / mm are obtained.
また、本実施例においては、拡散層深さ30nmの例を用いて説明したが、拡散及び活性化のためのアニール条件を700℃から1,100℃の間で適宜温度と時間を選択することにより、所望の拡散層深さを自由に選ぶことができる。 In this embodiment, the diffusion layer has a depth of 30 nm. However, the annealing conditions for diffusion and activation are appropriately selected between 700 ° C. and 1,100 ° C. for the temperature and time. Thus, a desired diffusion layer depth can be freely selected.
図23はチャネル電流Id に占めるゲート電流Ig の比率Ig /Id が酸化膜厚Toxとゲート長Lg でどう変化するか示したものである。比率Ig /Id が同一になるのは酸化膜厚1.5nmの場合に比べ、20%厚い1.8nmの場合では、ゲート長は膜厚1.5nmのときの1/2まで短くした場合に、同じ量のリーク電流を生ずることが解る。 FIG. 23 shows how the ratio Ig / Id of the gate current Ig to the channel current Id varies depending on the oxide film thickness Tox and the gate length Lg. The ratio Ig / Id is the same when the gate length is shortened to ½ when the film thickness is 1.5 nm, compared with the oxide film thickness of 1.5 nm when the thickness is 1.8 nm. It can be seen that the same amount of leakage current is produced.
図12に示すように、Ig /Id が急激に増大するポイントである6×10-5を限界値として、それ以下の特性となるゲート長Lg 、絶縁膜厚Toxが好ましいとすると、下記の式が成立する。限界の6×10-5Ig /Id 比のあるとき、
Tox(nm)=logLg (μm)+2.02
したがって、ある絶縁膜厚Tox(nm)のときに許容されるゲート長Lg (μm)は、
Lg ≦10(Tox-2.02)
LSIの集積度向上のために消費電力となるゲート電流をさらに低減し、100万個(1M(メガ)bit)のメモリに応用される場合、LSIとしての消費電力への影響を10mA程度とする。1個あたりのトランジスタのゲート電流として許容されるのは10-8A/μmとすると、図6より、この図は10μmゲート幅あたりのゲート電流で記述してあるので、10-8A/μmとなるのはTox=1.5nmのとき、0.15μm、Tox=1.8nmのとき0.30μmである。
Tox(nm)=logLg (μm)+2.32
したがって、ある膜厚で許容されるゲート長Lg (μm)の値は
Lg ≦10(Tox-2.32)
であれば、さらに性能が向上し、集積度の高いLSIに応用できる。
As shown in FIG. 12, if 6 × 10 −5 , which is a point at which Ig / Id suddenly increases, is set as a limit value, and the gate length Lg and the insulating film thickness Tox having the following characteristics are preferable, the following equation is obtained. Is established. When there is a limit of 6 × 10 -5 Ig / Id ratio,
Tox (nm) = logLg (μm) +2.02
Therefore, the gate length Lg (μm) allowed for a certain insulating film thickness Tox (nm) is
Lg ≦ 10 (Tox-2.02)
In order to further reduce the gate current, which is the power consumption, in order to improve the degree of integration of the LSI, and when applied to a 1 million (1M (mega) bit) memory, the influence on the power consumption of the LSI is about 10 mA. . Assuming that the allowable gate current of a transistor per transistor is 10 −8 A / μm, from FIG. 6, this figure is described as a gate current per 10 μm gate width, so 10 −8 A / μm. This is 0.15 μm when Tox = 1.5 nm, and 0.30 μm when Tox = 1.8 nm.
Tox (nm) = logLg (μm) +2.32
Therefore, the allowable gate length Lg (μm) at a certain film thickness is Lg ≦ 10 (Tox-2.32)
If so, the performance is further improved, and it can be applied to a highly integrated LSI.
図27は通常のトンネルゲート酸化膜MOSFETに用いられる各種厚さToxを有するゲート絶縁膜についてIg−Vg特性を示すもので、同図(a)と同図(b)とは横軸(Vg軸)が前者よりも後者を伸長させたものとしている。これにより、同図(a)は同図(b)よりも、より多くの種類のゲート絶縁膜について特性を示している。また、同図(b)は同図(a)よりもゲート絶縁膜の種類を限定しその限定された種類のゲート絶縁膜についての特性を詳細に示している。本特性は比較的広い面積(110μm×100μm)のMOSキャパシタにて測定されたもので、この特性の絶縁膜をMOSFETに用いる際には図28に示すようにゲート面積の微細化によって本リーク電流は減少することが知られている。 FIG. 27 shows Ig-Vg characteristics of a gate insulating film having various thicknesses Tox used for a normal tunnel gate oxide film MOSFET. FIG. 27 (a) and FIG. ) Is an extension of the latter over the former. As a result, FIG. 6A shows the characteristics of more types of gate insulating films than FIG. FIG. 6B shows the characteristics of the limited type of gate insulating film in more detail than that of FIG. This characteristic is measured by a MOS capacitor having a relatively large area (110 μm × 100 μm). When an insulating film having this characteristic is used for a MOSFET, the leakage current is reduced by reducing the gate area as shown in FIG. Is known to decrease.
図29はトンネルゲート酸化膜をMOSFETに適用した場合のゲートリーク電流とゲート長との関係を示すものである。この図に示すようにMOSFETに用いる場合にはゲート長Lgに応じてリーク電流が減少することが知られているが、Lgの−1乗よりLgに対する依存性が大きい。したがって、短いゲート長のみで回路を構成する場合、長いLgのトランジスタに比べリーク電流による消費電力の増大を抑制できる。 FIG. 29 shows the relationship between the gate leakage current and the gate length when the tunnel gate oxide film is applied to a MOSFET. As shown in this figure, when it is used for a MOSFET, it is known that the leakage current decreases according to the gate length Lg. However, the dependence on Lg is larger than the −1th power of Lg. Therefore, when a circuit is configured with only a short gate length, an increase in power consumption due to a leakage current can be suppressed as compared with a long Lg transistor.
図30は本発明のMOSFETを従来のものと対比して示すものであり、同図(a)は本発明に係るMOSFET、同図(b)は従来のMOSFETである。同図(b)に示すゲート長のMOSFET13と同等の性能を持ち、かつ消費電力の少ない回路を構成する場合、同図(a)に示すように、微細ゲート長MOSFET12を適宜直列に繋げることによって、所望の駆動力を有する回路を実現することができる。本構成により、従来構造で問題であったリーク電流を十分抑え、低消費電力に適した半導体装置を実現できることとなる。
FIG. 30 shows a MOSFET of the present invention in comparison with a conventional one. FIG. 30A shows a MOSFET according to the present invention, and FIG. 30B shows a conventional MOSFET. When configuring a circuit having performance equivalent to that of the MOSFET 13 having the gate length shown in FIG. 5B and low power consumption, the fine
1 半導体基板
2 ゲート電極
3 ゲート酸化膜
4 チャネル形成領域
5 ソース領域
6 ドレイン領域
7 ゲート電源
8 ドレイン電源
9 通常のゲート長を有するMOSFET
10 低電圧電源
11 ショットキーダイオード
12 微細ゲート長を有するMOSFET
DESCRIPTION OF
10 Low Voltage Power Supply 11
Claims (3)
該半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
このゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に形成されたゲート電極と、
該半導体基板のゲート電極直下に位置するチャネル形成領域の両側に形成された第二導電型のソース/ドレイン領域とを備えたMOS型半導体装置において、
前記ゲート絶縁膜の厚さが酸化膜換算で2.5nm未満、前記ゲート電極のゲート長が0.3μm以下で、前記ゲート電極のチャネル方向の長さ(Lg)と前記ゲート絶縁膜のシリコン膜換算厚さ(Tox)の関係が以下の関係
Lg ≦10(Tox-2.02) このときLg の単位は(μm)
Toxの単位は(nm)
を満足することを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A gate electrode formed on the semiconductor substrate via the gate insulating film;
In a MOS type semiconductor device comprising a second conductivity type source / drain region formed on both sides of a channel formation region located directly under the gate electrode of the semiconductor substrate,
The thickness of the gate insulating film is less than 2.5 nm in terms of oxide film, the gate length of the gate electrode is 0.3 μm or less, the length (Lg) of the gate electrode in the channel direction and the silicon film of the gate insulating film The relationship of the converted thickness (Tox) is as follows: Lg ≦ 10 (Tox-2.02) At this time, the unit of Lg is (μm)
The unit of Tox is (nm)
A semiconductor device characterized by satisfying
Lg ≦10(Tox-2.32) このときLg の単位は(μm)
Toxの単位は(nm)
を満足することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The relationship between the length (Lg) of the gate electrode in the channel direction (Lg) and the equivalent thickness of the gate insulating film (Tox) is as follows: Lg ≦ 10 (Tox−2.32) where the unit of Lg is (μm )
The unit of Tox is (nm)
The semiconductor device according to claim 1, wherein:
Priority Applications (1)
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| JP2004370063A JP2005123647A (en) | 1994-09-13 | 2004-12-21 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21893994 | 1994-09-13 | ||
| JP2004370063A JP2005123647A (en) | 1994-09-13 | 2004-12-21 | Semiconductor device |
Related Parent Applications (1)
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