JP2007088342A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にCMOS構成をとる半導体集積回路装置、高電圧で動作可能な電界効果トランジスタ等についての半導体装置およ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 integrated circuit device having a CMOS configuration, a field effect transistor operable at a high voltage, and a manufacturing method thereof.
一般的なn型MOSトランジスタの一例を図6に断面図で示す。 An example of a general n-type MOS transistor is shown in a sectional view in FIG.
図6に示すように、P型Si基板10表層にN+型ドレイン領域20とN+型ソース領域30が形成される。さらにSi基板10表層にはドレイン領域20とソース領域30に接続されて、P型ベース領域60が形成される。通常ベース領域60は不純物準位の浅い、例えばB(ほう素)をSi基板10表層に導入して形成される。
As shown in FIG. 6, an N + -
そのベース領域60上には、少なくともドレイン領域20からソース領域30まで延設されてゲート絶縁膜40が形成される。ゲート絶縁膜40上にはゲート電極50が配置され、ゲート電極50は層間膜70で覆われる。また、ドレイン領域20とソース領域30に接続されて、それぞれドレイン電極80とソース電極90が形成される。
A
このn型MOSトランジスタの動作としては、ゲート電極50に以下の(式1)で決定されるしきい値電圧Vth以上の電圧を印加すると、B(ほう素)不純物を導入して形成されたベース領域60表層にn型の反転層が形成され、ドレイン電極80からソース電極90へと電流が流れる。一方でゲート電極50への入力電圧をVthより小さくするか電圧を入力しなければ、ドレイン電極80とソース電極90との間は電気的に絶縁される。
As an operation of this n-type MOS transistor, a base formed by introducing a B (boron) impurity when a voltage equal to or higher than a threshold voltage Vth determined by the following (formula 1) is applied to the
Vth=φms+{2・εs・q・Na・(2φB)}0.5/Cox+2φB …(式1)
ここで、
φms:ゲート電極50とSiとの仕事関数差
εs:Siの誘電率
q:素電荷
Na:ベース領域60のフリーキャリア濃度
φB:ベース領域60のフェルミレベルと真性半導体のフェルミレベルとのエネルギー差
Cox:ゲート絶縁膜の容量
here,
φms: work function difference between
しかしながら上記(式1)で示したしきい値電圧Vthは温度依存性を示し、通常温度が上昇するとVthはデプレッション方向にシフトする。なぜなら温度が上昇すると半導体のフェルミ準位が下降し、このフェルミ準位と真性半導体におけるフェルミ準位との差が小さくなる。即ち(式1)においてφBが温度に対して負の依存性を示すためである。
次に、Vthの温度依存性について、以下の構成のn型MOSトランジスタで計算値を示す。
ゲート電極50:N+ポリシリコン
ベース領域60:B(ほう素)不純物濃度1E16/cm3
ゲート絶縁膜40:厚さ50nm
ベース領域60を形成するB(ほう素)はバレンスバンド端から0.045(eV)の位置に不純物準位を形成する(Ref.文献[ S.M.Sze, Physics of Semiconductor Devices 2nd Edition (1981) p. 21 ])ため、室温(0〜30℃)で100%キャリアを放出すると仮定してNa=1E16/cm3で一定とし、(式1)より、温度を変えてしきい値電圧Vthを計算した結果を図7に示す。
However, the threshold voltage Vth shown in (Equation 1) shows temperature dependence, and when the normal temperature rises, Vth shifts in the depletion direction. This is because when the temperature rises, the Fermi level of the semiconductor decreases, and the difference between this Fermi level and the Fermi level in the intrinsic semiconductor becomes small. That is, in (Equation 1), φB has a negative dependence on temperature.
Next, regarding the temperature dependence of Vth, a calculated value is shown for an n-type MOS transistor having the following configuration.
Gate electrode 50: N + polysilicon base region 60: B (boron) impurity concentration 1E16 / cm 3
Gate insulating film 40:
B to form a base region 60 (boron) to form an impurity level from the valence band edge at the position of 0.045 (eV) (Ref. Reference [S.M.Sze, Physics of
このようにしきい値電圧Vthを計算した結果、例えば300KでVth=0.49Vが、400KではVthがデプレッション側へシフトし、Vth=0.27Vまで小さくなるのである。 As a result of calculating the threshold voltage Vth in this way, for example, Vth = 0.49V at 300K, and Vth shifts to the depletion side at 400K, and decreases to Vth = 0.27V.
次に、n型MOSトランジスタ1を用いて構成したCMOS回路を示す図8を用いて、Vthがデプレッション側へシフトすることの問題点について説明する。n型MOSトランジスタ1においてVthがデプレッション側にシフトすると、入力信号レベルが“L”のときにn型MOSトランジスタ1が完全に遮断されず、貫通電流と呼ばれるリーク電流がVdd(電源電位)からGND(接地電位)へと流れることになる。そしてVthがデプレッション側にシフトするほど貫通電流が大きくなる。同様に、p型MOSトランジスタ2において温度が上昇しVthがデプレッション方向にシフトしても、入力信号レベルが“H”のときに貫通電流が発生する。そして貫通電流が発生するとCMOS回路の消費電力が大幅に増加してしまう。そのため、通常n型MOSトランジスタ1及びp型MOSトランジスタ2のVthの絶対値は、“0”よりもかなり大きい値としていた。しかしながら高速動作のためにはVthは0電圧に近い方がよく、即ち貫通電流を抑制するために高速動作を犠牲にしていたという問題があった。
Next, the problem of Vth shifting to the depletion side will be described with reference to FIG. 8 showing a CMOS circuit configured using n-
したがって、本発明の目的は、上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、しきい値電圧Vthを高精度に制御し温度係数を小さくして、駆動回路の低消費電流と高速動作を両立できる半導体装置およびその製造方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and the threshold voltage Vth is controlled with high accuracy to reduce the temperature coefficient, thereby reducing the current consumption of the drive circuit. And a method of manufacturing the semiconductor device capable of achieving both high-speed operation and high-speed operation.
上記課題を解決するために、本発明の請求項1記載の半導体装置は、半導体基体表層の所定領域に形成された第1導電型のドレイン領域と、前記半導体基体表層の所定領域に前記ドレイン領域から離れて形成された第1導電型のソース領域と、前記半導体基体表層に、前記ドレイン領域および前記ソース領域に接続して形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域上に、少なくとも前記ドレイン領域から前記ソース領域まで延在して形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを備えた半導体装置であって、前記基体として用いた半導体のバンドギャップ端から所定深さの不純物準位を形成する第2導電型の不純物を用いて前記ベース領域を形成することで、前記ベース領域のフリーキャリア濃度が、温度の上昇に伴って増加する温度依存性を有する。
In order to solve the above-mentioned problem, a semiconductor device according to
請求項2記載の半導体装置は、請求項1記載の半導体装置において、前記ベース領域は、前記不純物よりもバンドギャップ端から浅い深さの不純物準位を形成する第2導電型の別の不純物を有する。
The semiconductor device according to
請求項3記載の半導体装置は、半導体基体中に形成された第1導電型のドレイン領域と、前記半導体基体表層の所定領域に形成された第1導電型のソース領域と、前記半導体基体表層の所定領域に前記ソース領域に隣接して形成された第2導電型のゲート領域と、前記ゲート領域および前記ソース領域に接続して、前記半導体基体中に形成された第1導電型のチャネル領域とを備えた半導体装置であって、前記基体として用いた半導体のバンドギャップ端から所定深さの不純物準位を形成する第2導電型の不純物を用いて前記ゲート領域を形成することで、前記ゲート領域のフリーキャリア濃度が、温度の上昇に伴って増加する温度依存性を有する。 The semiconductor device according to claim 3, wherein a drain region of a first conductivity type formed in a semiconductor substrate, a source region of a first conductivity type formed in a predetermined region of the semiconductor substrate surface layer, and a surface layer of the semiconductor substrate surface A second conductivity type gate region formed adjacent to the source region in a predetermined region; and a first conductivity type channel region formed in the semiconductor substrate connected to the gate region and the source region; The gate region is formed using an impurity of a second conductivity type that forms an impurity level having a predetermined depth from the band gap end of the semiconductor used as the base. The free carrier concentration in the region has a temperature dependency that increases as the temperature increases.
請求項4記載の半導体装置は、請求項3記載の半導体装置において、前記ゲート領域は、前記不純物よりもバンドギャップ端から浅い深さの不純物準位を形成する第2導電型の別の不純物を有する。 A semiconductor device according to a fourth aspect is the semiconductor device according to the third aspect, wherein the gate region includes another impurity of a second conductivity type that forms an impurity level shallower than a band gap end than the impurity. Have.
請求項5記載の半導体装置の製造方法は、半導体基体表層にベース領域を形成する工程と、前記ベース領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記半導体基体表層の所定領域に前記ベース領域に接続したドレイン領域およびソース領域を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法であって、前記半導体基体表層に前記ベース領域を形成する工程は、前記ベース領域のフリーキャリア濃度が、温度が大きくなるに従って所定量だけ大きくなるような、所定の導電型でかつ前記基体として用いた半導体のバンドギャップ端から所定深さの不純物準位を形成する第1の不純物を用いて前記ベース領域を形成する。 6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein a base region is formed on a semiconductor substrate surface layer, a gate insulating film is formed on the base region, and a gate electrode is formed on the gate insulating film. And forming a drain region and a source region connected to the base region in a predetermined region of the semiconductor substrate surface layer, wherein the step of forming the base region on the semiconductor substrate surface layer comprises: An impurity level of a predetermined depth is formed from a band gap end of a semiconductor having a predetermined conductivity type and used as the base so that the free carrier concentration of the base region increases by a predetermined amount as the temperature increases. The base region is formed using a first impurity.
請求項6記載の半導体装置の製造方法は、請求項5記載の半導体装置の製造方法において、前記半導体基体表層に前記ベース領域を形成する工程は、前記第1の不純物と、前記第1の不純物と同じ導電型でかつ前記第1の不純物よりもバンドギャップ端から浅い深さの不純物準位を形成する第2の不純物との、少なくとも2つ以上の不純物を用いる。 6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the step of forming the base region on a surface of the semiconductor substrate includes the first impurity and the first impurity. And at least two impurities, which are the same conductivity type and a second impurity that forms an impurity level shallower than the first impurity at a band gap end.
請求項7記載の半導体装置の製造方法は、半導体基体中にドレイン領域を形成する工程と、前記半導体基体表層の所定領域にゲート領域を形成する工程と、前記半導体基体表層の所定領域に前記ゲート領域に隣接してソース領域を形成する工程とを含み、前記ソース領域を形成する工程で、前記半導体基体中に前記ゲート領域および前記ソース領域に接続したチャネルが形成される半導体装置の製造方法であって、前記半導体基体表層にゲート領域を形成する工程は、前記ゲート領域のフリーキャリア濃度が、温度が大きくなるに従って所定量だけ大きくなるような、所定の導電型でかつ前記基体として用いた半導体のバンドギャップ端から所定深さの不純物準位を形成する第1の不純物を用いて前記ゲート領域を形成する。 8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein a drain region is formed in a semiconductor substrate, a gate region is formed in a predetermined region of the semiconductor substrate surface layer, and the gate is formed in the predetermined region of the semiconductor substrate surface layer. Forming a source region adjacent to the region, and forming the source region, wherein the gate region and the channel connected to the source region are formed in the semiconductor substrate. The step of forming a gate region on the surface of the semiconductor substrate is a semiconductor having a predetermined conductivity type and used as the substrate so that a free carrier concentration in the gate region increases by a predetermined amount as the temperature increases. The gate region is formed using a first impurity that forms an impurity level having a predetermined depth from the end of the band gap.
請求項8記載の半導体装置の製造方法は、請求項7記載の半導体装置の製造方法において、前記半導体基体表層に前記ゲート領域を形成する工程は、前記第1の不純物と、前記第1の不純物と同じ導電型でかつ前記第1の不純物よりもバンドギャップ端から浅い深さの不純物準位を形成する第2の不純物との、少なくとも2つ以上の不純物を用いる。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the step of forming the gate region in the semiconductor substrate surface layer includes the first impurity and the first impurity. And at least two impurities, which are the same conductivity type and a second impurity that forms an impurity level shallower than the first impurity at a band gap end.
本発明の請求項1記載の半導体装置によれば、基体として用いた半導体のバンドギャップ端から所定深さの不純物準位を形成する第2導電型の不純物を用いてベース領域を形成することで、ベース領域のフリーキャリア濃度が温度の上昇に伴って増加する温度依存性を有するので、従来の半導体装置で問題となっていた、駆動回路の低消費電流と高速動作のトレードオフを解決できる。すなわち本半導体装置では、高速動作のためにしきい値電圧Vthを“0”に近い値に設定しても、温度の上昇によってフリーキャリア濃度が所定量大きくなるから、しきい値のデプレッション方向へのシフトが抑制され、貫通電流も発生しない。したがって本発明によればしきい値電圧Vthを高精度に制御し、駆動回路の低消費電流と高速動作を両立できる半導体装置を実現できる。 According to the semiconductor device of the first aspect of the present invention, the base region is formed using the second conductivity type impurity that forms an impurity level having a predetermined depth from the band gap end of the semiconductor used as the base. Since the base region has a temperature dependency in which the free carrier concentration increases as the temperature rises, the trade-off between the low current consumption and the high-speed operation of the drive circuit, which has been a problem in the conventional semiconductor device, can be solved. That is, in this semiconductor device, even if the threshold voltage Vth is set to a value close to “0” for high-speed operation, the free carrier concentration increases by a predetermined amount due to the temperature rise. The shift is suppressed and no through current is generated. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a semiconductor device capable of controlling the threshold voltage Vth with high accuracy and achieving both low current consumption and high speed operation of the drive circuit.
請求項2では、ベース領域は、前記不純物よりもバンドギャップ端から浅い深さの不純物準位を形成する第2導電型の別の不純物を有するので、深い準位の不純物を用いて高温でのベース領域のフリーキャリア濃度を設計し、また、浅い準位の不純物を用いて低温でのベース領域のフリーキャリア濃度を設計することが可能である。このため、しきい値変動の抑制をより高精度に実現できる。 According to another aspect of the present invention, the base region has another impurity of the second conductivity type that forms an impurity level having a shallower depth from the band gap end than the impurity. It is possible to design the free carrier concentration of the base region and to design the free carrier concentration of the base region at a low temperature by using shallow level impurities. For this reason, suppression of threshold fluctuation can be realized with higher accuracy.
本発明の請求項3記載の半導体装置によれば、基体として用いた半導体のバンドギャップ端から所定深さの不純物準位を形成する第2導電型の不純物を用いてゲート領域を形成することで、ゲート領域のフリーキャリア濃度が、温度の上昇に伴って増加する温度依存性を有するので、接合ゲート型電界効果トランジスタの半導体装置においても、温度上昇におけるしきい値電圧の変動を抑制でき、請求項1と同様の効果が得られる。
According to the semiconductor device of the third aspect of the present invention, the gate region is formed using the second conductivity type impurity that forms an impurity level having a predetermined depth from the band gap end of the semiconductor used as the base. In addition, since the free carrier concentration in the gate region has a temperature dependency that increases as the temperature rises, even in the semiconductor device of the junction gate type field effect transistor, fluctuations in the threshold voltage due to the temperature rise can be suppressed. The same effect as
請求項4では、ゲート領域は、前記不純物よりもバンドギャップ端から浅い深さの不純物準位を形成する第2導電型の別の不純物を有するので、深い準位の不純物を用いて高温でのゲート領域のフリーキャリア濃度を設計し、また、浅い準位の不純物を用いて低温でのゲート領域のフリーキャリア濃度を設計することが可能である。このため、しきい値変動の抑制をより高精度に実現できる。 According to another aspect of the present invention, the gate region has another impurity of the second conductivity type that forms an impurity level having a depth shallower from the band gap end than the impurity, so that the deep impurity is used at a high temperature. It is possible to design the free carrier concentration of the gate region, and to design the free carrier concentration of the gate region at a low temperature using shallow level impurities. For this reason, suppression of threshold fluctuation can be realized with higher accuracy.
本発明の請求項5記載の半導体装置の製造方法によれば、半導体基体表層にベース領域を形成する工程は、ベース領域のフリーキャリア濃度が、温度が大きくなるに従って所定量だけ大きくなるような、所定の導電型でかつ基体として用いた半導体のバンドギャップ端から所定深さの不純物準位を形成する第1の不純物を用いてベース領域を形成するので、請求項1記載の半導体装置を製造できる。この場合、第1の不純物を用いてベース領域を形成できるから、温度の上昇によってフリーキャリア濃度が所定量大きくなり、しきい値のデプレッション方向へのシフトがおこらない半導体装置を、一般的な製造プロセスで実現できる。
According to the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5 of the present invention, the step of forming the base region on the surface of the semiconductor substrate is such that the free carrier concentration in the base region increases by a predetermined amount as the temperature increases. 2. The semiconductor device according to
請求項6では、半導体基体表層にベース領域を形成する工程は、第1の不純物と、第1の不純物と同じ導電型でかつ第1の不純物よりもバンドギャップ端から浅い深さの不純物準位を形成する第2の不純物との、少なくとも2つ以上の不純物を用いるので、第1の不純物を用いて高温でのベース領域のフリーキャリア濃度を設計し、また、第2の不純物を用いて低温でのベース領域のフリーキャリア濃度を設計することが可能である。そのため請求項5記載の製造方法では、第1の不純物が形成する不純物準位の深さによって低温と高温の両方のフリーキャリア濃度が決まっていたが、本製造方法を用いれば、高温でのフリーキャリア濃度と低温でのフリーキャリア濃度を別々に設計できる。このため、請求項5記載の製造方法に比べてしきい値変動の抑制をより高精度に実現できる。 According to a sixth aspect of the present invention, the step of forming the base region in the surface layer of the semiconductor substrate includes the first impurity and the impurity level having the same conductivity type as the first impurity and a depth shallower from the band gap end than the first impurity. Since at least two or more impurities are used together with the second impurity forming the substrate, the free impurity concentration of the base region at a high temperature is designed using the first impurity, and the low temperature is used using the second impurity. It is possible to design the free carrier concentration in the base region. Therefore, in the manufacturing method according to claim 5, the free carrier concentration at both the low temperature and the high temperature is determined depending on the depth of the impurity level formed by the first impurity. Carrier concentration and free carrier concentration at low temperature can be designed separately. For this reason, compared with the manufacturing method according to the fifth aspect, the threshold fluctuation can be suppressed with higher accuracy.
本発明の請求項7記載の半導体装置の製造方法によれば、半導体基体表層にゲート領域を形成する工程は、ゲート領域のフリーキャリア濃度が、温度が大きくなるに従って所定量だけ大きくなるような、所定の導電型でかつ基体として用いた半導体のバンドギャップ端から所定深さの不純物準位を形成する第1の不純物を用いてゲート領域を形成するので、請求項3記載の半導体装置を製造できる。この場合、第1の不純物を用いてゲート領域を形成できるから、温度の上昇によってフリーキャリア濃度が所定量大きくなり、しきい値のデプレッション方向へのシフトがおこらない半導体装置を、一般的な製造プロセスで実現できる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7 of the present invention, the step of forming the gate region on the surface of the semiconductor substrate is such that the free carrier concentration in the gate region increases by a predetermined amount as the temperature increases. 4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the gate region is formed by using a first impurity which forms an impurity level having a predetermined depth from a band gap end of a semiconductor having a predetermined conductivity type and used as a substrate. . In this case, since the gate region can be formed by using the first impurity, a semiconductor device in which the free carrier concentration increases by a predetermined amount due to the temperature rise and the threshold value does not shift in the depletion direction is generally manufactured. Can be realized by a process.
請求項8では、半導体基体表層にゲート領域を形成する工程は、第1の不純物と、第1の不純物と同じ導電型でかつ第1の不純物よりもバンドギャップ端から浅い深さの不純物準位を形成する第2の不純物との、少なくとも2つ以上の不純物を用いるので、第1の不純物を用いて高温でのゲート領域のフリーキャリア濃度を設計し、また、第2の不純物を用いて低温でのゲート領域のフリーキャリア濃度を設計することが可能である。そのため請求項7記載の製造方法では、第1の不純物が形成する不純物準位の深さによって低温と高温の両方のフリーキャリア濃度が決まっていたが、本製造方法を用いれば、高温でのフリーキャリア濃度と低温でのフリーキャリア濃度を別々に設計できる。このため、請求項7記載の製造方法に比べてしきい値変動の抑制をより高精度に実現できる。 According to another aspect of the present invention, the step of forming the gate region on the surface layer of the semiconductor substrate includes the first impurity and the impurity level having the same conductivity type as the first impurity and a depth shallower from the band gap end than the first impurity. Since at least two or more impurities are used together with the second impurity forming the gate electrode, the first carrier is used to design the free carrier concentration of the gate region at a high temperature, and the second impurity is used to lower the temperature. It is possible to design the free carrier concentration in the gate region. Therefore, in the manufacturing method according to claim 7, the free carrier concentration at both the low temperature and the high temperature is determined depending on the depth of the impurity level formed by the first impurity. Carrier concentration and free carrier concentration at low temperature can be designed separately. For this reason, compared with the manufacturing method according to the seventh aspect, the threshold fluctuation can be suppressed with higher accuracy.
(第1の実施の形態)
以下、この発明の第1の実施形態を図1〜図3に基づいて説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
図1は本発明の第1の実施形態によるゲート絶縁型電界効果トランジスタの一例として、n型MOSトランジスタの断面図を示している。 FIG. 1 shows a cross-sectional view of an n-type MOS transistor as an example of a gate insulating field effect transistor according to the first embodiment of the present invention.
P型Si基板10表層にN+型ドレイン領域20とN+型ソース領域30が形成される。さらにSi基板10表層にはドレイン領域20とソース領域30に接続されて、P型ベース領域61が形成される。
An N +
ここでP型ベース領域61は、通常p型不純物として用いられるB(ほう素)に加えて、シリコン半導体中にBよりも深い準位を形成する、例えばBe(ベリリウム)を用いて形成されており、温度の上昇に伴ってフリーキャリア濃度が増加するという特徴を有している。Be(ベリリウム)は文献[ S.M.Sze, Physics of Semiconductor Devices 2ndEdition (1981) p. 21 ]によれば、シリコン半導体基体中にバレンスバンド端から約0.17(eV)の位置に不純物準位を形成することがわかっている。
Here, the P-
なお、P型ベース領域61のフリーキャリア濃度は深い準位を形成するBeの影響で温度とともに増加するが、その増加量は温度が上昇してもしきい値電圧Vthが変動しないよう、特にデプレッション側へのシフトが防止できるように設計されている。
Note that the free carrier concentration of the P-
ベース領域61上には、少なくともドレイン領域20からソース領域30まで延設されてゲート絶縁膜40が形成される。ゲート絶縁膜40上にはゲート電極50が配置され、ゲート電極50は層間膜70で覆われる。また、ドレイン領域20とソース領域30に接続されて、それぞれドレイン電極80とソース電極90が形成される。
A
次に本実施形態におけるn型MOSトランジスタの製造方法を、図2(a)〜(e)の断面図を用いて説明する。 Next, the manufacturing method of the n-type MOS transistor in this embodiment is demonstrated using sectional drawing of Fig.2 (a)-(e).
まず図2(a)の工程においては、不純物濃度が1E14〜1E18cm−3のP−型Si基板10が作製される。
First, in the process of FIG. 2A, a P −
図2(b)の工程においては、第1の不純物として、例えばベリリウムイオン170を10k〜3M(eV)の加速電圧で注入し、P型ベース領域61を形成する。総ドーズ量は例えば1E12〜1E16/cm2である。
In the process of FIG. 2B, for example,
図2(c)の工程においては、第2の不純物として、例えばほう素イオン180を10k〜3M(eV)の加速電圧でP型ベース領域61に注入する。総ドーズ量は例えば1E12〜1E15/cm2である。
In the process of FIG. 2C, for example,
なお、第1の不純物としては、シリコン半導体中に第2の不純物よりも深い準位を形成する不純物が望ましく、本実施例では第1の不純物としてBe(ベリリウム)、第2の不純物としてB(ほう素)を用いた。シリコン半導体中に深い準位を形成する第1の不純物としては、Be(ベリリウム)の他にもIn(インジウム)やTl(タリウム)等を用いることもできる。 The first impurity is preferably an impurity that forms a level deeper than the second impurity in the silicon semiconductor. In this embodiment, Be (beryllium) is used as the first impurity and B ( Boron) was used. In addition to Be (beryllium), In (indium), Tl (thallium), or the like can be used as the first impurity that forms a deep level in the silicon semiconductor.
図2(d)の工程においては、1000℃程度で酸化して厚さ50nm程度のゲート絶縁膜40を形成し、その後ポリシリコンをパターニングしてゲート絶縁膜40上にゲート電極50を形成する。次に例えばゲート電極50をマスクとして燐イオン172を10k〜1M(eV)の加速電圧で注入し、N+型ドレイン領域20及びN+型ソース領域30を形成する。総ドーズ量は例えば1E14〜1E16/cm2である。
In the step of FIG. 2D, oxidation is performed at about 1000 ° C. to form a
各領域を形成するイオン注入を行う順番についてはこの限りではなく、例えば第2の不純物であるほう素イオン180の注入を、第1の不純物であるベリリウムイオン170よりも先に行っても構わない。
The order of ion implantation for forming each region is not limited to this. For example,
図2(e)の工程においては、例えば1000℃程度で熱処理を行い、イオン注入した不純物をシリコン半導体中の格子位置に置換させ、次にゲート電極50が覆われるよう層間膜70としてCVD酸化膜を堆積する。 In the step of FIG. 2E, a heat treatment is performed at, for example, about 1000 ° C., and the ion-implanted impurities are replaced with lattice positions in the silicon semiconductor. To deposit.
その後は特に図示しないが、N+型ドレイン領域20及びN+型ソース領域30上にコンタクトホールを開孔して、それぞれドレイン電極80、ソース電極90を形成して図1に示す実施例1のn型MOSトランジスタが完成する。
Thereafter, although not particularly shown, contact holes are formed on the N + -
本実施形態のn型MOSトランジスタはソース電極90を接地しドレイン電極80に正の電圧を印加して使用する。そして、ゲート電極50に(式1)で決定されるしきい値電圧Vth以上の電圧を印加すると、ゲート絶縁膜40直下のベース領域61にn型の反転層が形成され、ドレイン電極80からソース電極90へと電流が流れる。一方でゲート電極50への入力電圧をVthより小さくするか電圧を入力しなければ、ドレイン電極80とソース電極90との間は電気的に絶縁される。
The n-type MOS transistor of this embodiment is used by grounding the
ここで、従来のMOSトランジスタでは、温度が大きくなると半導体のフェルミ準位が下降し、このフェルミ準位と真性半導体におけるフェルミ準位との差が小さくなる。即ち(式1)においてφBが温度の増加に従って減少し、しきい値電圧Vthがデプレッション側にシフトするのである。 Here, in the conventional MOS transistor, when the temperature increases, the Fermi level of the semiconductor decreases, and the difference between this Fermi level and the Fermi level in the intrinsic semiconductor decreases. That is, in (Expression 1), φB decreases as the temperature increases, and the threshold voltage Vth shifts to the depletion side.
ところが本半導体装置では、前述したようにP型ベース領域61が、B(ほう素)に加えてBe(ベリリウム)を用いて形成されており、温度の上昇に伴ってフリーキャリア濃度が増加するという特徴を有している。このため温度が上昇しても、(式1)においてNaが大きくなり、またその結果φBの減少を抑えられるので、しきい値電圧Vthのデプレッション側シフトを防止できるのである。なお、P型ベース領域61のフリーキャリア濃度の増加については後でさらに詳しく説明する。
However, in this semiconductor device, as described above, the P-
このように、本発明の実施形態によるn型MOSトランジスタでは、温度の上昇によってP型ベース領域61のフリーキャリア濃度Naを所定量大きくできるのでしきい値電圧Vthのデプレッション方向へのシフト抑制が可能である。従って本発明によるしきい値電圧制御は、特にCMOS構成をとる半導体集積回路装置において、回路の消費電力を増加させることなく、しきい値電圧を零電圧に近づけて動作速度を速くする場合に極めて有効な方法である。
As described above, in the n-type MOS transistor according to the embodiment of the present invention, the free carrier concentration Na of the P-
ここで本実施形態におけるP型ベース領域61のフリーキャリア濃度が温度とともに大きくなることについて、さらに詳しく説明する。
Here, the fact that the free carrier concentration of the P-
今、P型ベース領域61に形成される不純物濃度をNAとすると、P型ベース領域61中のフリーキャリア濃度Naは以下の(式2)で求められる。
Now, assuming that the impurity concentration formed in the P-
Na=NA[1+g・exp{q(EA−EFp)/kT}]−1 …(式2)
ここでEFpはP型ベース領域61中のフェルミ準位、EAは不純物準位を表し、gはdegeneracy factorでP型では“=4”とした。kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。
Na = NA [1 + g · exp {q (EA−EFp) / kT}] −1 (Formula 2)
Here, EFp represents the Fermi level in the P-
本実施形態のMOS型トランジスタでは、B(ほう素)に加えて、シリコン半導体基体のバレンスバンド端から約0.17(eV)に不純物準位を形成するBe(ベリリウム)を用いてP型ベース領域61を形成した。このようなP型ベース領域61における温度300Kでのフリーキャリア濃度Naは、例えばBの不純物濃度が3.6E15/cm3、Beの不純物濃度が1.8E16/cm3の時、Bは室温(0〜30℃)で100%キャリアを放出すると仮定して、(式2)より、
Na=3.6E15(Bのフリーキャリア濃度)+6.4E15(Beのフリーキャリア濃度)=1.0E16/cm3、400Kでは、
Na=3.6E15+1.25E16=1.61E16/cm3
となって、P型ベース領域61のフリーキャリア濃度は温度とともに大きくなるのである。
In the MOS transistor of this embodiment, in addition to B (boron), Be (beryllium) that forms an impurity level at about 0.17 (eV) from the valence band edge of the silicon semiconductor substrate is used to form a P-type base.
Na = 3.6E15 (B free carrier concentration) + 6.4E15 (Be free carrier concentration) = 1.0E16 / cm 3 , 400K,
Na = 3.6E15 + 1.25E16 = 1.61E16 / cm 3
Thus, the free carrier concentration in the P-
次に、本実施形態のn型MOSトランジスタのVthの温度依存性について、以下の構成の場合で計算値を示す。
ゲート電極50:N+ポリシリコン
ベース領域60:B(ほう素)不純物濃度3.6E15/cm3、Be(ベリリウム)不純物濃度1.8E16/cm3
ゲート絶縁膜40:厚さ50nm
ただしBのフリーキャリア濃度(1)は3.6E15/cm3で一定とし、(式1)より、温度をかえてしきい値電圧Vthを計算した。結果を図3に示す。
Next, regarding the temperature dependence of Vth of the n-type MOS transistor of this embodiment, a calculated value is shown in the case of the following configuration.
Gate electrode 50: N + polysilicon base region 60: B (boron) impurity concentration 3.6E15 / cm 3 , Be (beryllium) impurity concentration 1.8E16 / cm 3
Gate insulating film 40:
However, the free carrier concentration (1) of B was constant at 3.6E15 / cm 3 , and the threshold voltage Vth was calculated by changing the temperature from (Equation 1). The results are shown in FIG.
しきい値電圧Vthを計算した結果、例えば300KでVth=0.49Vが、400KでもVth=0.47Vであり、しきい値電圧の変動が抑制されている。 As a result of calculating the threshold voltage Vth, for example, Vth = 0.49V at 300K and Vth = 0.47V at 400K, and the fluctuation of the threshold voltage is suppressed.
このように、Beのような深い不純物準位を形成する不純物を用いてベース領域61を形成すると、温度の上昇に伴ってフリーキャリア濃度が増加し、このため温度が上昇しても、(式1)においてNaが大きくなり、またその結果φBの減少を抑えられるので、しきい値電圧Vthのデプレッション側シフトを防止できるのである。
Thus, when the
なお、本実施形態では例えばバンドギャップ端から0.17eVの不純物準位を形成する第1の不純物Be(ベリリウム)と、浅い不純物準位を形成する第2の不純物B(ほう素)との、2つの不純物を用いてP型ベース領域61を形成した。このように、深い準位を形成する不純物と、浅い準位を形成する不純物の、少なくとも2つの不純物を用いることで、室温でのフリーキャリア濃度と高温でのフリーキャリア濃度が別々に設計できるからである。
In the present embodiment, for example, a first impurity Be (beryllium) that forms an impurity level of 0.17 eV from the end of the band gap and a second impurity B (boron) that forms a shallow impurity level. A P-
しかしながら例えば第1の不純物Be(ベリリウム)だけを用いてP型ベース領域61を形成し、それでしきい値電圧Vthのデプレッション方向へのシフトを抑制するように設計することももちろん可能である。このため、特に実施形態としてとりあげないが、第1の不純物Be(ベリリウム)だけを用いてP型ベース領域61を形成したMOSトランジスタにおいても本発明が適用できる。
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施形態を図4および図5に基づいて説明する。
However, for example, it is of course possible to design the P-
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図4は本発明による第2の実施形態として、接合ゲート型電界効果トランジスタとして機能する炭化珪素半導体装置を示している。 FIG. 4 shows a silicon carbide semiconductor device functioning as a junction gate type field effect transistor as a second embodiment according to the present invention.
ドレイン領域となるN+型SiC基板100上にN−型エピタキシャル領域110が積層される。そしてN−型エピタキシャル領域110表層にはN+型ソース領域31とP型ゲート領域120が形成される。このゲート領域120はAl(アルミニウム)を用いて形成されている。アルミニウムは、文献「O. Takemura,T. Kimoto, H. Matsunami, T. Nakata, M. Watanabe and M. Inoue, Materials Science Forum Vols. 264-268 (1998) pp. 701-704」によれば、炭化珪素半導体基体中にバレンスバンド端から約0.2eVの位置に不純物準位を形成することがわかっており、ゲート領域120内では温度の上昇に伴ってフリーキャリア濃度が増加するという特徴を有している。なお、ゲート領域120のフリーキャリア濃度は、温度が上昇してもゲートしきい値電圧Vthが変動しないよう、特にデプレッション側へのシフトが防止できるように設計されている。
An N −
また、ゲート領域120及びソース領域31に接続して、エピタキシャル領域110中にN型チャネル領域200が形成されている。ソース領域31はソース電極150に接続され、ゲート領域120はゲート電極140に接続される。またN+型SiC基板100裏面にはドレイン電極160が形成されている。なお、130は層間絶縁膜であり、表面や接合表面の保護、安定化の作用をする。
Further, an N-
次に本実施形態における炭化珪素半導体装置の製造方法を、図5(a)〜(d)の断面図を用いて説明する。 Next, the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in this embodiment is demonstrated using sectional drawing of Fig.5 (a)-(d).
まず図5(a)の工程においては、ドレイン領域となるN+型SiC基板100の上に例えば不純物濃度が1E14〜1E18cm-3、厚さが1〜100μmのN−型SiCエピタキシャル領域110が形成されている。
First, in the process of FIG. 5A, an N − type
図5(b)の工程においては、マスク材190を用いて、例えば100〜1000℃の高温でアルミニウムイオン171を10K〜5M(eV)の加速電圧で多段注入し、P型ゲート領域120を形成する。総ドーズ量は例えば1E14〜1E16/cm2である。
In the process of FIG. 5B, using the
図5(c)の工程においては、マスク材191を用いて、例えば100〜1000℃の高温で燐イオン182を10k〜1M(eV)の加速電圧で多段注入し、N+型ソース領域31を形成する。総ドーズ量は例えば1E14〜1E16/cm2である。
In the step of FIG. 5C, using the
ここで、ゲート領域120及びソース領域31に接続して、エピタキシャル領域110中にN型チャネル領域200が形成される。
Here, the N-
図5(d)の工程においては、例えば1000〜1800℃での熱処理を行い、イオン注入した不純物を炭化珪素半導体中の格子位置に置換させ、その後層間膜130としてCVD酸化膜を堆積する。
In the step of FIG. 5D, for example, heat treatment is performed at 1000 to 1800 ° C. to replace the ion-implanted impurities with lattice positions in the silicon carbide semiconductor, and then a CVD oxide film is deposited as the
その後は特に図示しないが、N+型ソース領域31及びP型ゲート領域120上にコンタクトホールを開孔して、それぞれソース電極150、ゲート電極140を形成する。また、N+基板100裏面にドレイン電極160として金属膜を蒸着し、例えば600〜1400℃で熱処理してオーミック電極として、図4に示す第2の実施形態の炭化珪素半導体装置が完成する。
Thereafter, although not particularly shown, contact holes are formed on the N + -
本実施形態の接合ゲート型電界効果トランジスタ(JFET)はソース電極150を接地しドレイン電極160に正の電圧を印加して使用する。そしてゲート電極140に、理想的には(式3)で決定されるしきい値電圧Vth以上の電圧を印加すると、
Vth=kT/q・{LN(Na/Ni)+LN(Nd/Ni)} …(式3)
q:素電荷
Na:ゲート領域120のフリーキャリア濃度
Nd:チャネル領域200のフリーキャリア濃度
Ni:真性キャリア濃度
kはボルツマン定数、Tは絶対温度である
チャネル領域200に蓄積層が形成され、ドレイン電極160からソース電極150へと電流が流れる。一方でゲート電極140への入力電圧をVthより小さくするか電圧を入力しなければ、ドレイン電極160とソース電極150との間は電気的に絶縁される。
ここで、温度が大きくなると(式3)において真性キャリア濃度Niが増加し、しきい値電圧Vthがデプレッション側にシフトする。
The junction gate field effect transistor (JFET) of the present embodiment is used by grounding the
Vth = kT / q · {LN (Na / Ni) + LN (Nd / Ni)} (Formula 3)
q: Elementary charge Na: Free carrier concentration in
Here, when the temperature increases, the intrinsic carrier concentration Ni increases in (Equation 3), and the threshold voltage Vth shifts to the depletion side.
ところが本半導体装置では、前述したようにP型ゲート領域120が、Al(アルミニウム)を用いて形成されており、温度の上昇に伴ってフリーキャリア濃度が増加するという特徴を有している。このため温度が上昇しても、(式3)式においてNaが大きくなり、しきい値電圧Vthのデプレッション側シフトを防止できるのである。
However, in this semiconductor device, as described above, the P-
このように、本発明の実施形態による接合ゲート型電界効果トランジスタ(JFET)では、温度の上昇によってP型ゲート領域120のフリーキャリア濃度Naを所定量大きくできるのでしきい値電圧Vthのデプレッション方向へのシフト抑制が可能である。
As described above, in the junction gate field effect transistor (JFET) according to the embodiment of the present invention, the free carrier concentration Na of the P-
なお、本実施形態では例えばバンドギャップ端から0.2eVの不純物準位を形成する第1の不純物Al(アルミニウム)だけを用いてP型ゲート領域120を形成した。しかしながら例えば第2の不純物としてB(ほう素)などを用いてP型ゲート領域120を形成し、それでしきい値電圧Vthのデプレッション方向へのシフトを抑制するように設計することももちろん可能である。
In the present embodiment, for example, the P-
また、本発明の実施形態を、実施形態1では絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、実施形態2では接合ゲート型電界効果トランジスタで説明した。本発明で重要なことは、フリーキャリア濃度を温度とともに増加させしきい値電圧のデプレッション方向シフトを抑制することであって、絶縁ゲート型電界効果トランジスタだけに適用されるわけではなく、実施形態2で説明した通り接合ゲート型トランジスタにおいても同様に有効に活用できるのである。 In addition, the embodiment of the present invention has been described using the insulated gate field effect transistor in the first embodiment and the junction gate field effect transistor in the second embodiment. What is important in the present invention is to suppress the depletion direction shift of the threshold voltage by increasing the free carrier concentration with temperature, and is not applied only to the insulated gate field effect transistor. As described above, it can be used effectively in the junction gate type transistor as well.
本発明の実施形態を、半導体基体としてシリコン半導体(実施形態1)、または炭化珪素半導体(実施形態2)を用いて説明したが、半導体基体としてはシリコンや炭化珪素だけに限定されるものではなく、例えばGaAs、Ge、ダイヤモンド、GaN等のすべての半導体で、絶縁ゲート型や接合ゲート型電界効果トランジスタを作製したときにも成立するものである。 Although the embodiment of the present invention has been described using a silicon semiconductor (Embodiment 1) or a silicon carbide semiconductor (Embodiment 2) as a semiconductor substrate, the semiconductor substrate is not limited to silicon or silicon carbide. This is also true when an insulated gate type or junction gate type field effect transistor is made of all semiconductors such as GaAs, Ge, diamond, and GaN.
また本発明は実施形態1、実施形態2で示したn型の電界効果トランジスタに限定されるものでなく、p型の電界効果トランジスタの場合であっても、所定量の不純物準位をもつn型不純物を導入した場合は前述の議論が成り立ち、この場合も実施形態1、実施形態2の効果が得られる。 Further, the present invention is not limited to the n-type field effect transistors shown in the first and second embodiments, and even in the case of a p-type field effect transistor, n having a predetermined amount of impurity levels. When the type impurity is introduced, the above-mentioned argument is established, and in this case, the effects of the first and second embodiments can be obtained.
本発明の半導体装置およびその製造方法は、しきい値電圧Vthを高精度に制御し、駆動回路の低消費電流と高速動作を両立できる半導体装置を実現できるという効果を有し、特にCMOS構成をとる半導体集積回路装置、高電圧で動作可能な電界効果トランジスタとして有用である。 The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention have an effect that a threshold voltage Vth can be controlled with high accuracy, and a semiconductor device that can achieve both low current consumption and high speed operation of the drive circuit can be realized. It is useful as a semiconductor integrated circuit device and a field effect transistor that can operate at a high voltage.
1 n型MOSトランジスタ
2 p型MOSトランジスタ
10 P−型Si基板
20 N+型ドレイン領域
30,31 N+型ソース領域
40 ゲート絶縁膜
50 ゲート電極
60、61 P型ベース領域
70 層間絶縁膜
80 ドレイン電極
90 ソース電極
100 N+型SiC基板
110 N−型SiCエピタキシャル領域
120 P型ベース領域
130 層間絶縁膜
140 ゲート電極
150 ソース電極
160 ドレイン電極
170,171 第1の不純物イオン
180 第2の不純物イオン
172,182 燐イオン
190,191 マスク材
200 N型チャネル領域
1 n-type MOS transistor 2 p-type MOS transistor 10 P − type Si substrate 20 N +
Claims (8)
前記基体として用いた半導体のバンドギャップ端から所定深さの不純物準位を形成する第2導電型の不純物を用いて前記ベース領域を形成することで、前記ベース領域のフリーキャリア濃度が、温度の上昇に伴って増加する温度依存性を有することを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type drain region formed in a predetermined region of the semiconductor substrate surface layer; a first conductivity type source region formed in a predetermined region of the semiconductor substrate surface layer away from the drain region; and a semiconductor substrate surface layer A base region of a second conductivity type formed connected to the drain region and the source region, and a gate insulating film formed on the base region so as to extend at least from the drain region to the source region. A semiconductor device comprising a gate electrode formed on the gate insulating film,
By forming the base region using a second conductivity type impurity that forms an impurity level having a predetermined depth from the band gap edge of the semiconductor used as the substrate, the free carrier concentration of the base region is A semiconductor device characterized by having a temperature dependency that increases with an increase.
前記基体として用いた半導体のバンドギャップ端から所定深さの不純物準位を形成する第2導電型の不純物を用いて前記ゲート領域を形成することで、前記ゲート領域のフリーキャリア濃度が、温度の上昇に伴って増加する温度依存性を有することを特徴とする半導体装置。 A drain region of a first conductivity type formed in a semiconductor substrate; a source region of a first conductivity type formed in a predetermined region of the semiconductor substrate surface layer; and a predetermined region of the semiconductor substrate surface layer adjacent to the source region. A second conductivity type gate region formed in a semiconductor device, and a first conductivity type channel region formed in the semiconductor substrate connected to the gate region and the source region,
By forming the gate region using an impurity of a second conductivity type that forms an impurity level having a predetermined depth from the band gap end of the semiconductor used as the base, the free carrier concentration of the gate region is A semiconductor device characterized by having a temperature dependency that increases with an increase.
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