JP2005223145A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、CMOSアナログ回路に適用して好適な半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device suitable for application to a CMOS analog circuit and a manufacturing method thereof.
従来から、映像や音声信号等のアナログ信号を処理する回路として、CMOSアナログ回路が用いられている。このようなCMOSアナログ回路では、一般に、pMOSトランジスタや、nMOSトランジスタがその飽和領域でアナログ素子として動作、使用される。
図5(A)〜(C)は、従来例に係るMOSトランジスタの構成例(その1)と、そのVd−Id特性を示す概念図である。
Conventionally, CMOS analog circuits have been used as circuits for processing analog signals such as video and audio signals. In such a CMOS analog circuit, a pMOS transistor or an nMOS transistor generally operates and is used as an analog element in its saturation region.
5A to 5C are conceptual diagrams showing a configuration example (No. 1) of a MOS transistor according to a conventional example and Vd-Id characteristics thereof.
図5(A)に示すような従来構造のMOSトランジスタでは、図5(C)に示すように、当該MOSトランジスタをアナログ素子として、その飽和領域動作で使用すると、図5(B)に示すように、反転したチャネル層のピンチオフ点がどうしても高濃度のドレイン端近傍に形成されてしまう。
この状態で、ドレインにアナログ信号を印加すると、ドレイン電圧(Vds)の変動により直近のピンチオフ点が電位変動を引き起し、ピンチオフ点が変動する。ここで、MOSトランジスタの実効チャネル長はソースとピンチオフ点との距離で現されるので、上記ピンチオフ点の変動はチャネル長変調効果を招く。
In a conventional MOS transistor as shown in FIG. 5 (A), as shown in FIG. 5 (C), when the MOS transistor is used as an analog element in its saturation region operation, as shown in FIG. 5 (B). In addition, the pinch-off point of the inverted channel layer is inevitably formed in the vicinity of the high concentration drain end.
In this state, when an analog signal is applied to the drain, fluctuations in the drain voltage (Vds) cause potential fluctuations at the nearest pinch-off point, and the pinch-off point fluctuates. Here, since the effective channel length of the MOS transistor is expressed by the distance between the source and the pinch-off point, the fluctuation of the pinch-off point causes a channel length modulation effect.
つまり、ドレイン電圧が高くなると実効チャネル長が短くなり、ドレイン電流(Ids)が流れやすくなるため、図5(C)に示すように、Vd−Id特性に傾斜が発生する。この傾斜は、ドレイン電圧がドレイン電流となってソースに抜ける事を意味する。即ち、ドレイン出力アナログ信号の一部がソースに抜けて(リークして)しまい、出力電圧の減少を招いてしまう。この出力電圧の減少は、アナログ信号増幅回路等の設計において、問題となる現象である。
このような問題の対策として、一般にアナログ回路の設計者は、図6に示すように、高VthのMOSトランジスタと低VthのMOSトランジスタとの2つを直列に接続した、「カスコード」という名称の回路構造を使用している。
That is, when the drain voltage is increased, the effective channel length is shortened and the drain current (Ids) is likely to flow, so that a slope is generated in the Vd-Id characteristic as illustrated in FIG. This slope means that the drain voltage becomes a drain current and escapes to the source. That is, a part of the drain output analog signal is lost (leaked) to the source, leading to a decrease in output voltage. This decrease in output voltage is a phenomenon that becomes a problem in the design of analog signal amplifier circuits and the like.
As a countermeasure against such a problem, generally, as shown in FIG. 6, a designer of an analog circuit has a name of “cascode” in which two of a high Vth MOS transistor and a low Vth MOS transistor are connected in series. A circuit structure is used.
カスコード構造では、低VthのMOSトランジスタがドレイン電圧の変動を全て吸収する役割を担い、中間のM点の電位にはドレイン電圧の変動が伝わらないので、当該M点の電位は一定電位となる。M点の電位が一定のため、ドレイン電流も一定で、傾斜の極めて小さいVd−Id特性になる。従って、ドレイン出力アナログ信号のソースへのリークを防ぐ事ができる。ただし、このカスコード構造では、2つのMOSトランジスタが必要なので、電圧降下が大きくなり、低電圧回路では使い難いという欠点がある。 In the cascode structure, the low Vth MOS transistor plays a role of absorbing all drain voltage fluctuations, and since the drain voltage fluctuation is not transmitted to the intermediate M point potential, the M point potential is constant. Since the potential at the point M is constant, the drain current is also constant, resulting in a Vd-Id characteristic with a very small slope. Therefore, the leak of the drain output analog signal to the source can be prevented. However, since this cascode structure requires two MOS transistors, there is a drawback that the voltage drop becomes large and it is difficult to use in a low voltage circuit.
図7(A)及び(B)は、従来例に係るMOSトランジスタの構成例(その2)を示す概念図である。このMOSトランジスタ200は、上記のカスコード構造の欠点を解決したものである。図7(A)に示すように、このMOSトランジスタでは、そのチャネル層が高Vth領域227と低Vth領域229とに分かれている。このように、1つのMOSトランジスタ200の中に、高Vth領域227と低Vth領域229とを設ける事は、図6に示したように、Vthの異なる2つのMOSトランジスタを直列に接続することと等価であり、カスコードと等価の回路になる。
7A and 7B are conceptual diagrams showing a configuration example (No. 2) of the MOS transistor according to the conventional example. This
このような構成によれば、低Vth領域229はドレイン電圧に対して殆ど空乏化し、ピンチオフ点をドレイン225から離す役割を果たす。そして、この大きな空乏層がドレイン電圧の変動に対してピンチオフ点の電位が変動するのを抑制する。これにより、チャネル長変調効果が小さくなり、ドレイン出力アナログ信号のソース223へのリークが小さくなる。すなわち高ゲインのMOSトランジスタになる。また、カスコード構造が要らなくなるため、ドレイン電圧の降下が少なくて済み、低電圧動作の回路に有利である。なお、トランジスタのゲイン(Trゲイン)は(1)式で表される。
According to such a configuration, the
Trゲイン
=ドレイン出力電圧/ゲート入力電圧
=ΔVds/ΔVgs
=(ΔIds/ΔVgs)/(ΔIds/ΔVds)
=gm/gds …(1)
(1)式において、Vdsはドレイン電圧、Vgsはゲート電圧、Idsはドレイン電流、gmは相互コンダクタンス、gdsはドレインコンダクタンスを示す。
Tr gain = Drain output voltage / Gate input voltage = ΔVds / ΔVgs
= (ΔIds / ΔVgs) / (ΔIds / ΔVds)
= Gm / gds (1)
In the equation (1), Vds is a drain voltage, Vgs is a gate voltage, Ids is a drain current, gm is a mutual conductance, and gds is a drain conductance.
また、図7(B)に示すように、MOSトランジスタ200における高Vth領域227の形成には、ソース側からチャネル領域へ導電型不純物を斜めに傾斜をつけて注入する方式が用いられる。(例えば、特許文献1、非特許文献1、非特許文献2参照。)。例えば、nMOSトランジスタの場合、ドレイン側のシリコン基板201上をレジストパターン241で覆った状態で、ソース側からチャネル領域へボロンを斜めにイオン注入することで高Vth領域227を形成する。
Further, as shown in FIG. 7B, the formation of the
図8は、所定のプロセスパラメータに基づいて、MOSトランジスタ200の不純物濃度の分布をシミュレーションした結果であり、ゲート酸化膜とシリコン基板との界面におけるシリコン内不純物濃度をソースからドレイン方向に沿ってプロットしたものである。図8において、横軸はゲート電極の中心からソース223、ドレイン225方向への距離[μm]を示す。ソース223方向が負であり、ドレイン225方向が正である。また、縦軸は、シリコン内に含まれる導電型不純物の濃度[/cm3]の常用対数(log10)を示す。
FIG. 8 shows the result of simulation of the impurity concentration distribution of the
図8中のAs、Pはそれぞれヒ素とリンの濃度である。このAs、Pにより、図7(A)に示したLDD構造のソース223、ドレイン225が構成されている。また、Bはボロンの濃度である。さらに、Netは、P型不純物と、N型不純物との相殺濃度である。図8において、凡そ−0.35〜0.35[μm]の範囲では、As、Pに比べてBの濃度が大きいので、この範囲ではNetはほとんどBの濃度と同じである。なお、このシミュレーションでは、プロセスパラメータを下記のように設定した。
ゲート長:1[μm]
ゲート酸化膜:65[Å]
ソース側からチャネル領域へのイオン注入条件:ボロン、50[kev]、1E+13[/cm2]、注入角度(Tilt)30[°]
As and P in FIG. 8 are the concentrations of arsenic and phosphorus, respectively. These As and P constitute the
Gate length: 1 [μm]
Gate oxide film: 65 [Å]
Ion implantation conditions from the source side to the channel region: boron, 50 [kev], 1E + 13 [/ cm 2 ], implantation angle (Tilt) 30 [°]
このような、ボロン等の斜めイオン注入により、ドレイン側のボロン濃度はソース側と比べて相対的に小さくなる。従って、ソース側のチャネル領域が高Vth領域227となり、かつドレイン側のチャネル領域が低Vth領域229(図7(B)参照。)となるため、チャネル長変調効果を小さくすることができ、高ゲイン化を達成することができる。
ところで、図7(B)に示したように、従来例に係るMOSトランジスタ200では、ソース側からチャネル領域へボロンを斜めにイオン注入して、高Vth領域227と、低Vth領域229とを形成していた。
しかしながら、このようなソース側からの斜めイオン注入方式では、通常の垂直に近い注入角度のイオン注入方式よりも、ボロンの注入量がシリコン基板の表面に沿って2次元的にばらついてしまう傾向がある。ここで、MOSトランジスタのVthは、ソース側のチャネル領域の不純物濃度、即ち、高Vth領域の不純物濃度で支配される。それゆえ、図7(B)に示したような、ソース側からの斜めイオン注入方式では、通常のイオン注入方式よりもMOSトランジスタのVthが大きくばらついてしまうおそれがあった。
As shown in FIG. 7B, in the
However, in such an oblique ion implantation method from the source side, the boron implantation amount tends to vary two-dimensionally along the surface of the silicon substrate, compared to an ion implantation method with an implantation angle close to normal vertical. is there. Here, the Vth of the MOS transistor is governed by the impurity concentration of the channel region on the source side, that is, the impurity concentration of the high Vth region. Therefore, in the oblique ion implantation method from the source side as shown in FIG. 7B, there is a possibility that the Vth of the MOS transistor varies more greatly than in the normal ion implantation method.
また、図8に示したように、従来例に係るMOSトランジスタ200では、ソース側のチャネル領域(凡そ、−0.20〜−0.50[μm]の範囲)でボロンの高濃度領域が急勾配に形成されるため、この領域でボロンが拡散変動し易かった。それゆえ、ボロンをソース側から斜めにイオン注入した後の熱処理工程では、その熱処理温度の変動等により、MOSトランジスタ200のVthが大きく変化し易いという問題があった。MOSトランジスタのVthのばらつきは、アナログ回路にとって特に大きな問題である。
Further, as shown in FIG. 8, in the
さらに、ソース側からの斜めイオン注入方式では、図7(B)示したように、ゲート電極がマスクとして働く。従って、チャネル領域のソース側にボロンの高濃度層(即ち、高Vth領域)227を形成することはできても、この高Vth領域227をドレイン側に延ばすように、一定の大きさ以上に形成することはできなかった。
従って、ゲート長の異なる複数種類のMOSトランジスタにおいて、個々のチャネル領域のソース側に高Vth領域227をそれぞれ形成すると、ドレイン側の低Vth領域229のチャネル方向に沿った長さがそれぞれ異なってしまう。このため、MOSトランジスタのゲート長が異なると、低Vth領域229の「ドレイン電圧変動の吸収層」としての性能も大きく異なってしまうという問題があった。
Further, in the oblique ion implantation method from the source side, as shown in FIG. 7B, the gate electrode functions as a mask. Therefore, even if a high-concentration boron layer (that is, a high Vth region) 227 can be formed on the source side of the channel region, the
Therefore, in a plurality of types of MOS transistors having different gate lengths, when the
このような低Vth領域229の性能のばらつきを避けるために、アナログ回路の設計者は、アナログ回路を設計する際にゲート長の異なる複数種類のMOSトランジスタを自由に選択して用いることができなかった。つまり、図7(A)に示したような構造を有するMOSトランジスタ200は、使い勝手が悪いという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、チャネル長変調効果を小さくでき、ドレイン出力アナログ信号のソースへのリークを小さくできるようにした半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。
In order to avoid such a variation in the performance of the
The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of reducing the channel length modulation effect and reducing the leak of the drain output analog signal to the source, and a method of manufacturing the same. And
上述した課題を解決するために、本発明に係る第1の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極部と、前記ゲート電極部下から露出した半導体基板に設けられた一導電型のソース及びドレインと、前記ソース及びドレインに挟まれた反対導電型のチャネル領域のうち、前記ドレインに隣接し且つ前記ソースに隣接しない特定部位に設けられた不純物相殺層と、からなるMIS構造のトランジスタを備え、前記不純物相殺層には、一導電型の不純物が前記チャネル領域の他の部位よりも高濃度含まれていることを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problem, a first semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a gate insulating film provided on the semiconductor substrate, and a gate electrode portion provided on the gate insulating film. Of the one conductivity type source and drain provided on the semiconductor substrate exposed from below the gate electrode portion and the opposite conductivity type channel region sandwiched between the source and drain, adjacent to the drain and adjacent to the source A transistor having an MIS structure including an impurity canceling layer provided at a specific portion that is not included, and the impurity canceling layer includes an impurity of one conductivity type in a higher concentration than other portions of the channel region. It is characterized by.
また、本発明に係る第2の半導体装置は、上述した第1の半導体装置において、前記不純物相殺層は、前記ドレインの下部と隣接するように当該ドレイン直下の前記半導体基板から前記特定部位にかけて設けられていることを特徴とするものである。
さらに、本発明に係る第3の半導体装置は、上述した第1、第2の半導体装置において、前記ドレインは、前記一導電型の不純物を含む第1の不純物拡散層と、前記第1の不純物拡散層よりも前記一導電型の不純物濃度が低い第2の不純物拡散層とからなり、前記不純物相殺層は前記第2の不純物拡散層に隣接していることを特徴とするものである。
The second semiconductor device according to the present invention is the above-described first semiconductor device, wherein the impurity canceling layer is provided from the semiconductor substrate immediately below the drain to the specific portion so as to be adjacent to the lower portion of the drain. It is characterized by being.
Furthermore, a third semiconductor device according to the present invention is the above-described first or second semiconductor device, wherein the drain includes a first impurity diffusion layer containing the one conductivity type impurity, and the first impurity. It comprises a second impurity diffusion layer having an impurity concentration of one conductivity type lower than that of the diffusion layer, and the impurity offset layer is adjacent to the second impurity diffusion layer.
本発明に係る第1から第3の半導体装置によれば、チャネル領域の特定部位(以下、「チャネル領域のドレイン側」という。)の方が、チャネル領域の他の部位(以下、「チャネル領域のソース側」という。)よりも一導電型の不純物濃度が高くなっている。そして、特に、このチャネル領域のドレイン側で、一導電型の不純物と反対導電型の不純物とが電気的に打ち消しあっている。 According to the first to third semiconductor devices according to the present invention, the specific part of the channel region (hereinafter referred to as “the drain side of the channel region”) is another part of the channel region (hereinafter referred to as “channel region”). The impurity concentration of one conductivity type is higher than that of the "source side". In particular, on the drain side of the channel region, the one conductivity type impurity and the opposite conductivity type impurity are electrically canceled out.
このような構成により、チャネル領域のドレイン側の閾値電圧を、当該チャネル領域のソース側の閾値電圧よりも低くすることができる。従って、MIS構造のトランジスタにドレイン電圧を印加した際に、チャネル領域のドレイン側、即ち、不純物相殺層を殆ど空乏化することができ、ピンチオフ点をドレインから離すことができる。これにより、ドレイン電圧の変動に対するピンチオフ点の電位変動を抑制することができ、チャネル長変調効果を小さくすることができる。それゆえ、ドレイン出力アナログ信号のソースへのリークを小さくすることができ、トランジスタのゲインを高めることができる。 With such a configuration, the threshold voltage on the drain side of the channel region can be made lower than the threshold voltage on the source side of the channel region. Therefore, when a drain voltage is applied to the MIS structure transistor, the drain side of the channel region, that is, the impurity canceling layer can be almost depleted, and the pinch-off point can be separated from the drain. Thereby, the potential fluctuation at the pinch-off point with respect to the fluctuation of the drain voltage can be suppressed, and the channel length modulation effect can be reduced. Therefore, the leak of the drain output analog signal to the source can be reduced, and the gain of the transistor can be increased.
また、本発明に係る第1から第3の半導体装置によれば、図6に示したようなカスコード構造を採る必要がないので、ドレイン電圧の降下を少なくすることができる。CMOSアナログ回路等の微細化、高集積化にも貢献することができる。
さらに、本発明に係る第1から第3の半導体装置によれば、例えば、一導電型のドレインの下部と隣接するように、当該ドレイン直下の半導体基板からチャネル領域のドレイン側にかけて不純物相殺層を設けると良い。このような構成により、ドレインの寄生容量を低減することができる。
Further, according to the first to third semiconductor devices according to the present invention, it is not necessary to adopt the cascode structure as shown in FIG. 6, and therefore, the drain voltage drop can be reduced. It can also contribute to miniaturization and high integration of CMOS analog circuits and the like.
Furthermore, according to the first to third semiconductor devices according to the present invention, for example, the impurity canceling layer is formed from the semiconductor substrate immediately below the drain to the drain side of the channel region so as to be adjacent to the lower portion of the drain of one conductivity type. It is good to provide. With such a configuration, the parasitic capacitance of the drain can be reduced.
本発明に係る第4の半導体装置は、上述した第1から第3の半導体装置において、前記不純物相殺層のチャネル方向に沿った長さは、0.10[μm]以上、0.20[μm]以下であることを特徴とするものである。本発明に係る第4の半導体装置によれば、不純物相殺層のチャネル方向に沿った長さを0.10[μm]以上、0.20[μm]以下、より好ましくは0.15[μm]にすることで、不純物相殺層の「ドレイン電圧変動の吸収層」としての働きを十分に発揮させることができる。 In a fourth semiconductor device according to the present invention, in the first to third semiconductor devices described above, the length of the impurity canceling layer along the channel direction is 0.10 [μm] or more and 0.20 [μm]. It is characterized by the following. According to the fourth semiconductor device of the present invention, the length of the impurity cancellation layer along the channel direction is 0.10 [μm] or more and 0.20 [μm] or less, more preferably 0.15 [μm]. By doing so, the function of the impurity canceling layer as a “drain voltage fluctuation absorbing layer” can be sufficiently exerted.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上述した第1から第4の半導体装置の何れか一つを製造する方法であって、前記ゲート絶縁膜上に前記ゲート電極部を形成した後で、前記ドレイン側の前記半導体基板上方から当該半導体基板の前記特定部位に向けて一導電型の不純物を斜めにイオン注入することにより、前記不純物相殺層を形成することを特徴とするものである。ここで、斜めとは、半導体基板表面の鉛直線方向に対して例えば25[°]から35[°]の範囲の傾斜のことである。 A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing any one of the first to fourth semiconductor devices described above, and after forming the gate electrode portion on the gate insulating film, The impurity canceling layer is formed by ion-implanting one conductivity type impurity obliquely from above the semiconductor substrate on the drain side toward the specific portion of the semiconductor substrate. Here, the oblique means an inclination in a range of, for example, 25 [°] to 35 [°] with respect to the vertical direction of the semiconductor substrate surface.
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、図7(B)に示した従来例のように、MIS構造のトランジスタを形成する過程で、ソース上方からチャネル領域のソース側に向けて反対導電型の不純物を斜めにイオン注入する必要が無い。従って、チャネル領域のソース側における反対導電型の不純物濃度のばらつきを抑えることができるので、トランジスタの閾値電圧の安定化に貢献することができる。 According to the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, as in the conventional example shown in FIG. 7B, in the process of forming a MIS structure transistor, the opposite conductivity from above the source toward the source side of the channel region. There is no need to implant the impurity of the mold at an angle. Accordingly, variation in the impurity concentration of the opposite conductivity type on the source side of the channel region can be suppressed, which can contribute to stabilization of the threshold voltage of the transistor.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、チャネル領域のドレイン側に不純物相殺層を形成する際に、一導電型の不純物のイオン注入条件(例えば、注入エネルギや、注入角度等)を調節することで、不純物相殺層のチャネル方向に沿った長さを一定の範囲内で調整することができる。従って、ゲート長の異なる複数種類のMOSトランジスタ間で、チャネル方向に沿った同一長さの不純物相殺層を形成することができ、不純物相殺層の「ドレイン電圧変動の吸収層」としての働きを均一化することができる。これにより、アナログ回路を設計する際に、ゲート長の異なる複数種類のMOSトランジスタを自由に選択することができ、回路設計の自由度の向上に貢献することができる。 Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, when forming the impurity canceling layer on the drain side of the channel region, ion implantation conditions (for example, implantation energy, implantation angle, etc.) of one conductivity type impurity are formed. By adjusting the length, the length of the impurity canceling layer along the channel direction can be adjusted within a certain range. Therefore, an impurity canceling layer having the same length along the channel direction can be formed between a plurality of types of MOS transistors having different gate lengths, and the function of the impurity canceling layer as a “drain voltage fluctuation absorbing layer” is uniform. Can be Thereby, when designing an analog circuit, a plurality of types of MOS transistors having different gate lengths can be freely selected, which contributes to an improvement in the degree of freedom in circuit design.
本発明によれば、チャネル長変調効果を小さくすることができ、ドレイン出力アナログ信号のソースへのリークを小さくすることができる。これにより、MIS構造のトランジスタのゲインを高めることができる。
また、本発明によれば、図6に示したようなカスコード構造を採る必要がないので、半導体装置の微細化、高集積化に貢献することができる。
According to the present invention, the channel length modulation effect can be reduced, and the leak of the drain output analog signal to the source can be reduced. Thus, the gain of the MIS structure transistor can be increased.
In addition, according to the present invention, it is not necessary to adopt the cascode structure as shown in FIG. 6, which can contribute to miniaturization and high integration of the semiconductor device.
さらに、本発明によれば、図7(B)に示した従来例のように、MIS構造のトランジスタを形成する過程で、ソース上方からチャネル領域のソース側に向けて反対導電型の不純物を斜めにイオン注入する必要が無い。従って、従来例と比べて、チャネル領域のソース側における反対導電型の不純物濃度のばらつきを抑えることができるので、トランジスタの閾値電圧の安定化に貢献することができる。 Furthermore, according to the present invention, as in the conventional example shown in FIG. 7B, in the process of forming a MIS structure transistor, impurities of opposite conductivity type are obliquely applied from above the source toward the source side of the channel region. There is no need for ion implantation. Therefore, as compared with the conventional example, variation in the impurity concentration of the opposite conductivity type on the source side of the channel region can be suppressed, which can contribute to stabilization of the threshold voltage of the transistor.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について説明する。
図1は本発明の実施形態に係るMOSトランジスタ100の構成例を示す断面図である。このMOSトランジスタ100は、例えばCMOSアナログ回路を構成する一素子である。
図1に示すように、このN型のMOSトランジスタ100は、シリコン基板1と、このシリコン基板1に設けられた素子分離層103と、この素子分離層103によって素子分離された領域のシリコン基板1に設けられたP型のウェル拡散層5(p−well)と、ウェル拡散層5上に設けられたゲート酸化膜15と、このゲート酸化膜15上に設けられたゲート電極13と、このゲート電極13下から露出したシリコン基板1に設けられたN型のソース及びドレインと、サイドウォールスペーサ33と、高Vth領域27及び低Vth領域29等、とから構成されている。
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a
As shown in FIG. 1, the N-
図1において、素子分離層103は例えばシリコン酸化膜からなるものであり、例えばLOCOS法によって形成されたものである。また、ウェル拡散層5は、例えばボロンがイオン注入され、熱拡散されて形成されたものである。このウェル拡散層5におけるボロンの濃度は、例えば2E+17[/cm3]程度である。さらに、ゲート酸化膜15は、例えば熱酸化により形成されるシリコン酸化膜である。このゲート酸化膜の膜厚は、例えば65[Å]である。また、ゲート電極13は、例えばリン等の導電型不純物がドープされたポリシリコンからなるものである。このゲート電極13のゲート長は、例えば1[μm]である。
In FIG. 1, the element isolation layer 103 is made of, for example, a silicon oxide film, and is formed by, for example, the LOCOS method. The
図1に示すように、ソース23及びドレイン25は、いわゆるLDD構造を成している。即ち、ドレイン25は、N型の高濃度層(N++)25bと、この高濃度層よりもN型不純物の濃度が低い低濃度層(n−)25aとから構成されている。N−層25aは、N++層25bとウェル拡散層5との間に設けられている。同様に、ソース23もN++層23bと、N−層23aとから構成されており、N−層23aはN++層23bとウェル拡散層5との間に設けられている。
As shown in FIG. 1, the
また、サイドウォールスペーサ33は、例えばシリコン酸化膜からなるものである。図1に示すように、このサイドウォールスペーサ33は、シリコン基板1のN−層23a、25a上に設けられている。このサイドウォールスペーサ33の最大幅をL1としたとき、L1は例えば0.13[μm]程度である。またN−層25aのゲート電極13下まで張り出した部分の長さをL2としたとき、L2は例えば0.1[μm]である。
The
図1に示すように、高Vth領域27はチャネル領域のソース23側に設けられており、ソース23を構成するN−層23aに隣接している。この高Vth領域27には、例えばウェル拡散層5と同様に、主にボロンが2E+17[/cm3]程度含まれている。また、低Vth領域29はチャネル領域のドレイン25側に設けられており、ドレイン25を構成するN−層25aに隣接している。この低Vth領域29には、ボロンの他に例えばリンがE+17[/cm3]のレベルで含まれている。この低Vth領域29と、高Vth領域27とは隣接している。
As shown in FIG. 1, the
また、図1に示すように、低Vth領域29のチャネル方向に沿った長さをL3としたとき、L3は例えば0.15[μm]である。また、高Vth領域27のチャネル方向に沿った長さをL4としたとき、L4は例えば0.65[μm]である。なお、図1では、低Vth領域29を分かりやすく説明するため、高Vth領域27に対して低Vth領域29を大きく記載している。
Further, as shown in FIG. 1, when the length of the
図3は、所定のプロセスパラメータに基づいて、MOSトランジスタ100の不純物濃度の分布をシミュレーションした結果であり、ゲート酸化膜15とシリコン基板1との界面におけるシリコン内不純物濃度をソース23からドレイン25方向に沿ってプロットしたものである。このシミュレーションでは、プロセスパラメータを下記のように設定した。
ゲート長:1[μm]
ゲート酸化膜:65[Å]
ソース側からチャネル領域へのイオン注入条件:ボロン、50[kev]、1E+13[/cm2]、注入角度(Tilt)30[°]
FIG. 3 shows the result of simulating the impurity concentration distribution of the
Gate length: 1 [μm]
Gate oxide film: 65 [Å]
Ion implantation conditions from the source side to the channel region: boron, 50 [kev], 1E + 13 [/ cm 2 ], implantation angle (Tilt) 30 [°]
図3において、横軸はゲート電極13の中心からソース23、ドレイン25方向への距離[μm]を示す。ソース23方向が負であり、ドレイン25方向が正である。また、縦軸は、シリコン内に含まれる導電型不純物の濃度[/cm3]の常用対数(log10)を示す。図3中のAs、Pはそれぞれヒ素とリンの濃度である。このAs、Pにより、LDD構造のソース23、ドレイン25が構成されている。また、Bはボロンの濃度である。さらに、Net(相殺濃度)は、P型不純物と、N型不純物との相殺濃度である。
In FIG. 3, the horizontal axis indicates the distance [μm] from the center of the
この図3では、横軸の凡そ0.25〜0.40[μm]の範囲が低Vth領域29である。図3から分かるように、この範囲では、ウェル拡散層5中のボロン(1E+17[/cm3]程度)と、後述する斜めイオン注入によってシリコン基板1に導入されたリン(2E+17〜1E+18[/cm3]程度)とが電気的に打ち消しあっている。そして、この打ち消し合い(相殺)により、結果的に1E+17〜1E+18[/cm3]程度のN−−/P−−層を形成している。ここで、N−−/P−−層とは、N型層とp型層との遷移領域を含んでいることを意味している。
In FIG. 3, the range of about 0.25 to 0.40 [μm] on the horizontal axis is the
このように、本発明の実施形態に係るMOSトランジスタ100によれば、チャネル領域のソース23側におけるリン濃度よりも、チャネル領域のドレイン25側におけるリン濃度の方が高くなっている。そして、特に、特に、チャネル領域のドレイン側25で、リンとボロンとが電気的に打ち消しあい、1E+17〜1E+18[/cm3]程度のN−−/P−−層を形成している。
Thus, according to the
このような構成により、チャネル領域のドレイン25側の閾値電圧(Vth)を、当該チャネル領域のソース23側のVthよりも低くすることができる。従って、MOSトランジスタ100にドレイン電圧を印加した際に、このチャネル領域のドレイン25側、即ち、低Vth領域(N−−/P−−層)29を殆ど空乏化することができ、ピンチオフ点をドレインから離すことができる。これにより、ドレイン電圧の変動に対するピンチオフ点の電位変動を抑制することができ、チャネル長変調効果を小さくすることができる。それゆえ、ドレイン出力アナログ信号のソースへのリークを小さくすることができ、MOSトランジスタ100のゲインを高めることができる。
With such a configuration, the threshold voltage (Vth) on the
また、本発明の実施形態に係るMOSトランジスタ100によれば、図6に示したようなカスコード構造を採る必要がないので、ドレイン電圧の降下を抑制することができる。CMOSアナログ回路等の微細化、高集積化にも貢献することができる。
さらに、本発明の実施形態に係るMOSトランジスタ100によれば、例えば、ドレイン25を構成するN−層23の下部と隣接するように、当該ドレイン直下のシリコン基板1からチャネル領域のドレイン側にかけてN−−/P−−層を設けている。これにより、ドレインの寄生容量の低減を実現している。
Further, according to the
Furthermore, according to the
次に、上述したMOSトランジスタ100の製造方法について説明する。
図2(A)〜(C)は、本発明の実施形態に係るMOSトランジスタ100の製造方法を示す工程図である。ここでは、最短ゲート長が0.35[μm]のCMOSプロセスを用いて、NMOSトランジスタ100を製造する場合について説明する。
図2(A)において、ゲート酸化膜15を形成し、続いて、このゲート酸化膜15上にゲート電極13を形成し、その後、このゲート電極13をマスクにシリコン基板1にリン等をイオン注入して、N−層23a及び25aを形成する工程までは、通常のCMOS形成プロセスと同じである。
Next, a manufacturing method of the above-described
2A to 2C are process diagrams showing a method for manufacturing the
In FIG. 2A, a
N−層23a及び25aを形成した後、図8に示すように、フォトリソグラフィ工程で、MOSトランジスタ100のソース側をレジストパターン41で覆う。そして、このレジストパターン41下から露出したシリコン基板1に例えばリンをイオン注入して、低Vth領域(N−−/P−−層)29を形成する。このイオン注入工程では、シリコン基板1のドレイン側上方から傾斜を付けてリンをイオン注入し、ゲート電極13の端部e点よりソース方向へ斜めに深い位置に低Vth領域29を形成する。低Vth領域29をゲート電極13の端部e点よりソース方向へ斜めに深い位置に形成することで、当該低Vth領域29の「ドレイン出力アナログ信号のソースへのリークを抑制する働き」を強くすることができる。
After the N − layers 23a and 25a are formed, the source side of the
イオン注入条件は、例えば、イオン種:リン(P)、ドーズ量:1E+13[/cm2]、注入エネルギ:150[kev]、注入角度(Tilt):30°である。このようなイオン注入条件により、シリコン基板1表面のゲート電極13端部e点から深さ約350[nm]までの範囲(e点からシリコン基板1表面に沿ってソース方向へ約180[nm]、シリコン基板1の深さ方向へ約300[nm]の範囲)に低Vth領域29を形成する。
The ion implantation conditions are, for example, ion species: phosphorus (P), dose amount: 1E + 13 [/ cm 2 ], implantation energy: 150 [kev], and implantation angle (Tilt): 30 °. Under such ion implantation conditions, a range from the point e of the
ここで、ウェル拡散層5におけるボロンの濃度は、上述したように2E+17[/cm3]程度のため、低Vth領域29におけるNet(相殺濃度)は1E+17〜1E+18[/cm3]程度となる(図3参照)。また、この低Vth領域29のシリコン基板1表面におけるチャネル方向に沿った長さは、0.15[μm]程度となる。この低Vth領域29における1E+17〜1E+18[/cm3]という低濃度と、0.15[μm]というチャネル方向に沿った長さが、MOSトランジスタ100の高性能化に重要である。即ち、低Vth領域29が0.15[μm]よりも小さいとドレイン電圧変動の吸収層としての効果が弱くなってしまう。また、逆に0.15[μm]よりも大きいと、短チャネル効果が大きくなってしまうからである。
Here, since the boron concentration in the
なお、この低Vth領域29を形成するための斜めイオン注入によって、チャネル領域のソース側は高Vth領域27となる。また、この斜めイオン注入で注入するイオン種は、リンに限定されるものではなく、Vthを絶対値で低下させる不純物を選んで使用することが可能である。例えば、リン(P)の他にヒ素(As)などの他のN型不純物を選択してイオン注入しても良い。
Note that the source side of the channel region becomes the
図2(C)に示すように、低Vth領域(N−−/P−−層)29を形成した後は、通常のCMOS形成プロセスと同じである。即ち、ゲート電極13の側壁にサイドウォールスペーサ33を形成する。次に、このサイドウォールスペーサ33とゲート電極13とをマスクにシリコン基板1にヒ素等のN型不純物をイオン注入して、N++層23b及び25bを形成する。その後、図示しない層間絶縁膜と、メタル配線とを形成して、図1に示したMOSトランジスタ100を完成させる。
As shown in FIG. 2 (C), the low Vth region (N - / P - layer) 29 after the formation of the is the same as a normal CMOS fabrication process. That is, the
このように、本発明の実施形態に係るMOSトランジスタ100の製造方法によれば、図7(B)に示した従来例のように、MOSトランジスタを形成する過程で、ソース上方からチャネル領域のソース側に向けてボロンを斜めにイオン注入する必要が無い。従って、MOSトランジスタのVthを決定付ける高Vth領域において、そのボロン濃度のばらつきを抑えることができる。
As described above, according to the method of manufacturing the
また、図3と図8とに示したそれぞれのシミュレーション結果を比較して分かるように、本発明の実施形態に係るMOSトランジスタ100では、平坦なボロン濃度とNet(相殺濃度)とが得られるので、例えば、熱処理工程における熱処理温度の変動等に対してボロンの拡散変動を抑制することができる。それゆえ、MOSトランジスタのVthの安定化に貢献することができる。
Further, as can be seen by comparing the simulation results shown in FIG. 3 and FIG. 8, the
さらに、本発明の実施形態に係るMOSトランジスタ100の製造方法によれば、低Vth領域29を形成する際に、リン等のN型不純物の斜めイオン注入条件(例えば、注入エネルギや、注入角度等)を調節することで、低Vth領域29のチャネル方向に沿った長さ(L3)を一定の範囲内で調整することができる。従って、ゲート長の異なる複数種類のMOSトランジスタ100間で、同一長さの低Vth領域29を形成することができ、低Vth領域29の「ドレイン電圧変動の吸収層」としての働きを均一化することができる。これにより、アナログ回路を設計する際に、ゲート長の異なる複数種類のMOSトランジスタ100を自由に選択することができ、回路設計の自由度の向上に貢献することができる。
Furthermore, according to the method of manufacturing the
この実施形態では、N型が本発明の一導電型に対応し、P型が本発明の反対導電型に対応している。また、シリコン基板1が本発明の半導体基板に対応し、ゲート酸化膜15が本発明のゲート絶縁膜に対応している。さらに、低Vth領域(N−−/P−−層)29が本発明の不純物相殺層に対応し、MOSトランジスタ100が本発明のMIS構造のトランジスタに対応している。また、チャネル領域のドレイン側に多く含まれるリン(P)が本発明の一導電型の不純物に対応している。
In this embodiment, the N type corresponds to one conductivity type of the present invention, and the P type corresponds to the opposite conductivity type of the present invention. The
なお、この実施形態では、最短ゲート長が0.35[μm]のCMOSプロセスを用いてMOSトランジスタ100を形成する場合について説明した。しかしながら、本発明では、MOSトランジスタ100のゲート長を1[μm]以上の大きさに形成することで、そのゲインを十分に高めることができる。この点については、下記の[検証]で説明する。
In this embodiment, the case where the
また、この実施形態では、MOSトランジスタ100がNMOSの場合について説明した。しかしながら、本発明はNMOSに限られることはなく、例えばPMOSでも良い。PMOSの場合には、NMOSと同様の深さ及び位置(チャネル領域のドレイン側)に、ボロン、インジウム(In)などのP型不純物を斜めイオン注入して、低Vth領域29を形成する。例えば、PMOSの場合、低Vth領域29を形成するためのイオン注入条件は、イオン種:ボロン、注入エネルギ:50[kev]、ドーズ量:1E+13[/cm2]、注入角度(Tilt角):30°が良い。さらに、本発明は最短ゲート長が0.35[μm]以外のCMOSプロセスにも適用でき、0.35[μm]のCMOSプロセスの場合と同様の効果を得ることができる。
In this embodiment, the case where the
[検証]
図4は、MOSトランジスタ100のゲインのゲート長依存性を示す図である。図4の横軸はMOSトランジスタのゲート長[μm]である。また、縦軸はゲイン[gm/gds]である。この検証におけるゲイン評価のバイアス条件は、Vds:2 [V]、Vgs:1.5[V]である。また、図4に示す4つのサンプルは、低Vth化層(又は、高Vth化層)の形成プロセスがそれぞれことなるだけであり、いずれも最短ゲート長が0.35[μm]のCMOSプロセスを用いて作成したものである。各サンプルの詳細は以下のとおりである。
[Verification]
FIG. 4 is a diagram showing the gate length dependence of the gain of the
1)RefNL: 対称構造の低VthNMOS(Reference)。P−wellの濃度は2E+17[/cm3]である。対称構造とは、ゲートの中心線に対し、左右のソース/ドレイン不純物濃度プロファイルがミラー対称になっている、ということである。
2)NoNL+S/B: ソース側のみ非対称ボロンイオン注入方式であり、ソース側からボロンをイオン注入した。Referenceと同じVthをゲート長0.4[μm]で得るためP−wellの濃度を1E+16[/cm3]と低めに設定した。非対称Boronイオン注入条件:ボロン、50kev、1E+13[/cm2]、Tilt30°。非対称とは、ゲートの中心線に対し、左右のソース/ドレイン不純物濃度プロファイルがミラー対称になっていない、ということである。
1) RefNL: Low Vth NMOS (Reference) with a symmetrical structure. The concentration of P-well is 2E + 17 [/ cm 3 ]. The symmetric structure means that the left / right source / drain impurity concentration profiles are mirror-symmetric with respect to the center line of the gate.
2) NoNL + S / B: Only the source side is an asymmetric boron ion implantation method, and boron ions are implanted from the source side. In order to obtain the same Vth as that of Reference with a gate length of 0.4 [μm], the concentration of P-well was set low as 1E + 16 [/ cm 3 ]. Asymmetric Boron ion implantation conditions: boron, 50 kev, 1E + 13 [/ cm 2 ], Tilt 30 °. Asymmetry means that the left and right source / drain impurity concentration profiles are not mirror symmetric with respect to the center line of the gate.
3)NL+S/B: ソース側のみ非対称ボロンイオン注入方式。Referenceと同じP−well濃度で、さらにソース側からボロンをイオン注入した。非対称Boronイオン注入条件:ボロン、50kev、1E+13[/cm2]、Tilt30°
4)NL+D/P:本発明の実施形態と同一条件である。Referenceと同じP−well濃度(2E+17[/cm3])。ドレイン側からリンをイオン注入した。非対称リンイオン注入条件:リン、150kev、1E+13[/cm2]、Tilt30°
図4に示すように、本発明の実施形態に係る条件、かつゲート長が1[μm]以上の「NL+D/P」は、同一ゲート長のReferenceに対し、約2倍のゲインを得ることができる、ということを実証した。
3) NL + S / B: Asymmetric boron ion implantation method only on the source side. Further, boron was ion-implanted from the source side at the same P-well concentration as that of Reference. Asymmetric Boron ion implantation conditions: Boron, 50 kev, 1E + 13 [/ cm 2 ], Tilt 30 °
4) NL + D / P: Same conditions as in the embodiment of the present invention. Same P-well concentration as Reference (2E + 17 [/ cm < 3 >]). Phosphorus ions were implanted from the drain side. Asymmetric phosphorus ion implantation conditions: phosphorus, 150 kev, 1E + 13 [/ cm 2 ], Tilt 30 °
As shown in FIG. 4, the condition according to the embodiment of the present invention and “NL + D / P” having a gate length of 1 [μm] or more can obtain a gain of about twice that of the reference having the same gate length. We have demonstrated that we can do it.
1 シリコン基板
3 素子分離層
5 ウェル拡散層
13 ゲート電極
15 ゲート酸化膜
23 ソース
25 ドレイン
23a、25a N−層
23b、25b N++層
27 高Vth領域
29 低Vth領域(N−−/P−−層)
33 サイドウォールスペーサ
100 MOSトランジスタ
DESCRIPTION OF
33
Claims (5)
前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極部と、
前記ゲート電極部下から露出した半導体基板に設けられた一導電型のソース及びドレインと、
前記ソース及びドレインに挟まれた反対導電型のチャネル領域のうち、前記ドレインに隣接し且つ前記ソースに隣接しない特定部位に設けられた不純物相殺層と、からなるMIS構造のトランジスタを備え、
前記不純物相殺層には、一導電型の不純物が前記チャネル領域の他の部位よりも高濃度含まれていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
A gate insulating film provided on the semiconductor substrate;
A gate electrode portion provided on the gate insulating film;
A source and drain of one conductivity type provided on a semiconductor substrate exposed from below the gate electrode portion;
An MIS-structure transistor comprising: an impurity canceling layer provided in a specific portion adjacent to the drain and not adjacent to the source in the channel region of opposite conductivity type sandwiched between the source and drain;
1. The semiconductor device according to claim 1, wherein the impurity canceling layer contains an impurity of one conductivity type at a higher concentration than other portions of the channel region.
前記一導電型の不純物を含む第1の不純物拡散層と、
前記第1の不純物拡散層よりも前記一導電型の不純物濃度が低い第2の不純物拡散層とからなり、
前記不純物相殺層は前記第2の不純物拡散層に隣接していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。 The drain is
A first impurity diffusion layer containing the impurity of one conductivity type;
A second impurity diffusion layer having an impurity concentration of one conductivity type lower than that of the first impurity diffusion layer;
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the impurity canceling layer is adjacent to the second impurity diffusion layer.
前記ゲート絶縁膜上に前記ゲート電極部を形成した後で、前記ドレイン側の前記半導体基板上方から当該半導体基板の前記特定部位に向けて一導電型の不純物を斜めにイオン注入することにより、前記不純物相殺層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
After forming the gate electrode portion on the gate insulating film, by obliquely ion implanting one conductivity type impurity from above the semiconductor substrate on the drain side toward the specific portion of the semiconductor substrate, A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming an impurity canceling layer.
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