JP2008028263A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に係り、特にマルチゲート電極を備え、ソース・ドレイン領域の構造が最適化された電界効果トランジスタを含む半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device including a field effect transistor having a multi-gate electrode and having a source / drain region structure optimized.
半導体集積回路の高性能化には、その構成要素である電界効果トランジスタの高性能化が必須である。素子の高性能化に対する指導原理は微細化であり、これまで微細化によって素子性能の向上が進められてきた。トランジスタのゲート長について見れば、研究レベルでは10nm以下に達している(非特許文献1)。
このような極微細電界効果トランジスタにおいては、ゲート長が短くなりソース領域とドレイン領域の距離が近くなることでドレイン電流に占める無散乱キャリア成分が大きくなり、電界効果トランジスタのON時におけるドレイン電流、すなわちIonが高くなる。しかしながら、同時に短チャネル効果により電界効果トランジスタのOFF時における電流、すなわちIoffも高くなってしまうというトレードオフが問題となっている。
高性能な電界効果トランジスタとして明瞭なスイッチング特性を得るためには、IonとIoffの相対比(Ion/Ioff比)を高めることは必須である。ここでのIoffとは、nチャネル型電界効果トランジスタを例にとれば、ドレイン電圧を電源電圧(Vdd)に設定し、ソースおよびゲート電圧を0V(Vss)に設定したときのドレイン電流値を意味する。また、Ionとは同じくドレイン電圧を電源電圧(Vdd)に設定し、ソース電圧を0V(Vss)に、ゲート電圧を電源電圧(Vdd)に設定したときのドレイン電流値を意味する。
In order to improve the performance of a semiconductor integrated circuit, it is essential to improve the performance of a field effect transistor that is a component thereof. The guiding principle for improving the performance of devices is miniaturization, and so far, device performance has been improved by miniaturization. In terms of the gate length of the transistor, the research level has reached 10 nm or less (Non-Patent Document 1).
In such an ultrafine field effect transistor, the gate length is shortened and the distance between the source region and the drain region is shortened, so that the non-scattering carrier component in the drain current is increased, and the drain current when the field effect transistor is ON, That is, Ion becomes high. However, at the same time, there is a trade-off in that the current when the field effect transistor is turned off, that is, Ioff is also increased due to the short channel effect.
In order to obtain clear switching characteristics as a high-performance field effect transistor, it is essential to increase the relative ratio (Ion / Ioff ratio) of Ion and Ioff. Here, Ioff means the drain current value when the drain voltage is set to the power supply voltage (Vdd) and the source and gate voltages are set to 0 V (Vss), taking an n-channel field effect transistor as an example. To do. Ion means the drain current value when the drain voltage is set to the power supply voltage (Vdd), the source voltage is set to 0 V (Vss), and the gate voltage is set to the power supply voltage (Vdd).
ところで、短チャネル効果を抑制し、Ioffを低下させることは、チャネル領域を複数の電極で取り囲むマルチゲート電極化、例えば、チャネル領域を上下ゲート電極ではさみこんだダブルゲート構造(非特許文献2)などによって可能なことが従来から知られている。すなわち、このような、マルチゲート電極を有する電界効果トランジスタによれば、ゲートのチャネル領域に対する支配力が増し、短チャネル効果のひとつであるDIBL(Drain Induced Barrier Lowering)が抑制されることによってIoffが低下する。
一方、極微細電界効果トランジスタにおいては、上述のようにドレイン電流に占める無散乱キャリア成分が大きくなる。このため、ソース領域端におけるキャリアの入射速度がドレイン電流を律速すると予想されている(非特許文献3)。また、入射速度に加え、入射されるキャリア量も当然にドレイン電流を律速する。
したがって、極微細電界効果トランジスタにおいて、Ion/Ioff比を高めるためには、マルチゲート電極化を行った上で、キャリアのチャネル領域への入射速度および入射量を変調することが有効と考えられる。
On the other hand, in the ultrafine field effect transistor, the non-scattering carrier component in the drain current increases as described above. For this reason, it is expected that the incident speed of carriers at the end of the source region determines the drain current (Non-Patent Document 3). In addition to the incident speed, the amount of incident carriers naturally limits the drain current.
Therefore, in order to increase the Ion / Ioff ratio in the ultrafine field effect transistor, it is considered effective to modulate the incident velocity and the incident amount of the carrier into the channel region after forming a multi-gate electrode.
このように、極微細電界効果トランジスタにおいて、Ion/Ioff比を高めるためのひとつの指針として、マルチゲート電極化によるIoffの低下、および、キャリアのチャネル領域への入射速度および入射量の変調によるIon、Ioffの制御が考えられる。
もっとも、マルチゲート電極を有する電界効果トランジスタにおいて、キャリアのチャネル領域への入射速度および入射量の変調により、Ion/Ioff比を向上させるための最適なデバイス構造が必ずしも明確になっていないという問題があった。
As described above, in the ultrafine field effect transistor, as one guideline for increasing the Ion / Ioff ratio, a decrease in Ioff due to the use of a multi-gate electrode, and Ion due to modulation of the incident velocity and incident amount of the carrier into the channel region. , Ioff control can be considered.
However, in a field effect transistor having a multi-gate electrode, there is a problem that the optimum device structure for improving the Ion / Ioff ratio is not necessarily clarified by the modulation of the incident velocity and the incident amount of the carrier into the channel region. there were.
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、ソース・ドレイン領域構造を最適化することにより、高いIon/Ioff比を得ることのできる電界効果トランジスタを含む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 circumstances, and its object is to include a field effect transistor capable of obtaining a high Ion / Ioff ratio by optimizing the source / drain region structure. It is to provide a semiconductor device.
本発明の一態様の半導体装置は、
チャネル領域と、第1のゲート電極と、第2のゲート電極と、ソース領域と、ドレイン領域とを具備する電界効果トランジスタを含む半導体装置であって、
前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極は、前記チャネル領域の両側に対向するように、第1のゲート絶縁膜と第2のゲート絶縁膜を介して、それぞれ形成され、
前記ソース領域および前記ドレイン領域は、前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極の両側に、前記チャネル領域を挟んで形成され、
前記第1のゲート絶縁膜と前記チャネル領域との界面に垂直な方向の前記ソース領域の厚さ(TSis)が、前記方向の前記チャネル領域の厚さ(TSic)よりも厚く、かつ、
前記ソース領域と、前記第1のゲート電極および前記第2のゲート電極が、ゲート長方向に離間していることを特徴とする。
A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes:
A semiconductor device including a field effect transistor comprising a channel region, a first gate electrode, a second gate electrode, a source region, and a drain region,
The first gate electrode and the second gate electrode are respectively formed through a first gate insulating film and a second gate insulating film so as to face both sides of the channel region,
The source region and the drain region are formed on both sides of the first gate electrode and the second gate electrode with the channel region interposed therebetween,
A thickness (TSis) of the source region in a direction perpendicular to an interface between the first gate insulating film and the channel region is larger than a thickness (TSic) of the channel region in the direction; and
The source region, the first gate electrode, and the second gate electrode are separated in the gate length direction.
ここで、前記離間の距離が1nm以上3.5nm以下であることが望ましい。 Here, it is desirable that the separation distance is 1 nm or more and 3.5 nm or less.
ここで、前記第1のゲート絶縁膜と前記チャネル領域との界面に垂直な方向の前記ドレイン領域の厚さ(TSid)が、前記チャネル領域の厚さ(TSic)以下であることが望ましい。 Here, it is preferable that a thickness (TSid) of the drain region in a direction perpendicular to an interface between the first gate insulating film and the channel region is equal to or less than a thickness (TSic) of the channel region.
ここで、前記チャネル領域の不純物濃度が、1E19atoms/cm3以上1E20atoms/cm3以下であることが望ましい。 Here, it is desirable that the impurity concentration of the channel region is 1E19 atoms / cm 3 or more and 1E20 atoms / cm 3 or less.
本発明の一態様の半導体装置は、
チャネル領域と、第1のゲート電極と、第2のゲート電極と、ソース領域と、ドレイン領域とを具備する電界効果トランジスタを含む半導体装置であって、
前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極は、前記チャネル領域の両側に対向するように、第1のゲート絶縁膜と第2のゲート絶縁膜を介して、それぞれ形成され、
前記ソース領域および前記ドレイン領域は、前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極の両側に、前記チャネル領域を挟んで形成され、
前記第1のゲート絶縁膜と前記チャネル領域との界面に垂直な方向の前記ソース領域の厚さ(TSis)が、前記方向の前記チャネル領域の厚さ(TSic)よりも薄いことを特徴とする。
A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes:
A semiconductor device including a field effect transistor comprising a channel region, a first gate electrode, a second gate electrode, a source region, and a drain region,
The first gate electrode and the second gate electrode are respectively formed through a first gate insulating film and a second gate insulating film so as to face both sides of the channel region,
The source region and the drain region are formed on both sides of the first gate electrode and the second gate electrode with the channel region interposed therebetween,
A thickness (TSis) of the source region in a direction perpendicular to an interface between the first gate insulating film and the channel region is smaller than a thickness (TSic) of the channel region in the direction. .
ここで、前記ソース領域と、前記第1のゲート電極および前記第2のゲート電極がゲート長方向に離間していないことが望ましい。 Here, it is preferable that the source region, the first gate electrode, and the second gate electrode are not separated in the gate length direction.
ここで、前記電界効果トランジスタが絶縁膜基板上に形成されていることが望ましい。 Here, the field effect transistor is preferably formed on an insulating film substrate.
本発明によれば、ソース・ドレイン領域の構造を最適化することにより、高いIon/Ioff比を得ることのできる電界効果トランジスタを含む半導体装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device including a field effect transistor capable of obtaining a high Ion / Ioff ratio by optimizing the structure of the source / drain regions.
発明者らは、マルチゲート電極を有する電界効果トランジスタにおいて、ソース領域の厚さを、チャネル領域の厚さに対して厚く、または薄くすることによって、キャリアのチャネル領域への入射速度および入射量が変調され、トランジスタのIon/Ioff比が向上することを見出した。
本発明は、マルチゲート電極を有する電界効果トランジスタにおいて、ソース領域の厚さを、チャネル領域の厚さに対して厚く、または薄く形成することを最大の特徴とする。
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
In the field effect transistor having a multi-gate electrode, the inventors have made the incident speed and the incident amount of the carrier into the channel region by making the source region thicker or thinner than the channel region. It was found that the Ion / Ioff ratio of the transistor was improved.
The greatest feature of the present invention is that, in a field effect transistor having a multi-gate electrode, the thickness of the source region is made thicker or thinner than the thickness of the channel region.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態の電界効果トランジスタの素子構造を示すチャネル長方向の断面図である。また、図2は、図2(a)が第1の実施の形態の電界効果トランジスタの素子構造の全体構造を示す斜視図、図2(b)がチャネル長に垂直方向のドレイン領域の断面図、図2(c)がチャネル領域の断面図、図1(d)がソース領域の断面図である。なお、斜視図においては図面の簡便化のため、断面図中の絶縁膜103、104、115および210は省略している。
本実施の形態の電界効果トランジスタは、後に詳述するように、1対の側面ゲート電極(ダブルゲート)を有するFin型トランジスタであり、ソース領域の厚さがチャネル領域の厚さより厚く、かつ、ソース領域がゲート電極からゲート長方向に離間(オフセット)していることを特徴とする。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view in the channel length direction showing the element structure of the field effect transistor of the first embodiment. 2A is a perspective view showing the entire structure of the element structure of the field effect transistor according to the first embodiment, and FIG. 2B is a sectional view of the drain region perpendicular to the channel length. 2C is a cross-sectional view of the channel region, and FIG. 1D is a cross-sectional view of the source region. In the perspective view, the
As will be described in detail later, the field effect transistor of the present embodiment is a Fin-type transistor having a pair of side gate electrodes (double gates), the source region is thicker than the channel region, and The source region is separated (offset) from the gate electrode in the gate length direction.
より具体的には、図1および図2に示すように、不純物濃度が5E15atoms/cm3程度のp型のシリコン基板100に、不純物濃度が5E19atoms/cm3程度のp型のチャネル領域101と、例えば、n型のポリシリコンからなる第1のゲート電極107と第2のゲート電極108と、不純物濃度が2E20atoms/cm3程度のn型ソース領域111とドレイン領域121を有する電界効果トランジスタが形成されている。そして、第1のゲート電極107と第2のゲート電極108は、チャネル領域101の両側に対向するように、第1のゲート絶縁膜103と第2のゲート絶縁膜104を介して、それぞれ形成されている。また、ソース領域111およびドレイン領域121は、第1のゲート電極107と第2のゲート電極108の両側に、チャネル領域101を挟んで形成され、これらのソース領域111とドレイン領域121は周囲を絶縁膜115に覆われている。
More specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, a
そして、本実施の形態においては、図1および図2に示すように、第1のゲート絶縁膜103とチャネル領域101との界面に垂直な方向のソース領域111の厚さ(TSis)が、同じ方向でみたチャネル領域101の厚さ(TSic)よりも厚く(TSis>TSic)、かつ、ソース領域111と、第1のゲート電極107および第2のゲート電極108が、ゲート長方向に距離dだけ離間(オフセット)している(図1)ことを特徴とする。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the thickness (TSis) of the
このようにソース領域の厚さをチャネル領域の厚さより厚くし、かつ、ソース領域とゲート電極を離間させる構造をとることにより、従来技術と比較してIon/Ioff比が向上するという顕著な効果が得られる。 By making the thickness of the source region thicker than that of the channel region and separating the source region and the gate electrode in this way, a remarkable effect of improving the Ion / Ioff ratio as compared with the prior art is achieved. Is obtained.
図3は、ソース領域とゲート電極の離間距離dとIon/Ioff比の関係をシミュレーションした結果である。
シミュレーションにおいては、ゲート長(L)=10nm、ゲート絶縁膜のEOT(Equivalent Oxide Thickness)=1nm、チャネル領域の厚さ(TSic)=3nm、ソース領域の厚さ(TSis)=3.8nm、チャネル領域の不純物濃度5E19atoms/cm3、ソースおよびドレイン領域の不純物濃度2E20atoms/cm3、ドレイン電圧(Vd)=0.8Vとして計算を行った。なお、この条件は、下表1の条件Aに相当する。
また、図37は従来技術の電界効果トランジスタの素子構造を示すチャネル長方向の断面図であり、図38は、図38(a)が従来技術の電界効果トランジスタの素子構造の全体構造を示す斜視図、図38(b)がチャネル長に垂直方向のドレイン領域の断面図、図38(c)がチャネル領域の断面図、図38(d)がソース領域の断面図である。なお、斜視図においては図面の簡便化のため、断面図中の絶縁膜103、104、115および210は省略している。図37および図38に示す、ソース領域111の厚さ(TSis)とチャネル領域101の厚さ(TSic)が等しい(TSis=TSic)従来技術の電界効果トランジスタについても、比較例としてIon/Ioff比の計算を行った。この時、チャネル領域の厚さ(TSic)およびソース領域の厚さ(TSis)は共に3.0nmとし、離間距離dは0nm、すなわち、オフセットなしとする以外は、上記、本実施の形態(本発明)の場合と同様の条件で計算した。
FIG. 3 shows the result of simulating the relationship between the distance d between the source region and the gate electrode and the Ion / Ioff ratio.
In the simulation, gate length (L) = 10 nm, EOT (Equivalent Oxide Thickness) = 1 nm, channel region thickness (TSic) = 3 nm, source region thickness (TSis) = 3.8 nm, channel impurity concentration 5E19atoms / cm 3 in the region, the impurity concentration 2E20atoms / cm 3 of the source and drain regions, was calculated as the drain voltage (Vd) = 0.8V. This condition corresponds to condition A in Table 1 below.
FIG. 37 is a cross-sectional view in the channel length direction showing the element structure of a conventional field effect transistor, and FIG. 38A is a perspective view showing the entire structure of the element structure of the conventional field effect transistor. FIG. 38B is a cross-sectional view of the drain region perpendicular to the channel length, FIG. 38C is a cross-sectional view of the channel region, and FIG. 38D is a cross-sectional view of the source region. In the perspective view, the insulating
図3から明らかなように、本実施の形態(本発明)では、従来技術(比較例)に比べ、Ion/Ioff比が向上している。特に、離間距離d=2.5nm〜3nmで極大値を有し、この場合には、従来技術(比較例)に比べ、約15%Ion/Ioff比が向上している。 As is clear from FIG. 3, in this embodiment (the present invention), the Ion / Ioff ratio is improved as compared with the conventional technique (comparative example). In particular, the separation distance d = 2.5 nm to 3 nm has a maximum value, and in this case, about 15% Ion / Ioff ratio is improved as compared with the prior art (comparative example).
図4は本実施の形態(本発明)での離間距離d=2.5nmの場合と、従来技術(比較例)の場合とで、ゲート電圧(Vg)−ドレイン電流(Id)特性を比較した図である。ドレイン電流(Id)は、線形および対数表示で示している。
図4から、本実施の形態(本発明)では、従来技術(比較例)とIoffに大きな変化はなく、Ionが増大していることで、結果的にIon/Ioff比が向上していることが明らかである。
FIG. 4 compares the gate voltage (Vg) -drain current (Id) characteristics between the case of the separation distance d = 2.5 nm in the present embodiment (the present invention) and the case of the conventional technique (comparative example). FIG. The drain current (Id) is shown in linear and logarithmic representation.
From FIG. 4, in the present embodiment (the present invention), there is no significant change in Ioff from the prior art (comparative example), and the Ion / Ioff ratio is improved as a result of increasing Ion. Is clear.
図5のバンド図を用いて、本実施の形態においてIon/Iff比が向上するという作用・効果について説明する。
図5(a)は、従来技術のソース領域とチャネル領域の厚さが等しい場合のバンド図であり、図5(b)は、本実施の形態のソース領域の厚さが、チャネル領域の厚さよりも厚い場合のバンド図である。
まず、一般にドレイン電流密度Jはqを電荷素量とすると、およそ、次式
J=qnv
で、あらわされ、ソース領域からチャネル領域への電子注入量nとソース領域からチャネル領域への電子の平均入射速度vに比例する。
そして、ソース領域の厚さをチャネル領域の厚さよりも厚くすることによって、図5に示すように、ソース領域の基底サブバンドが低下し障壁がさがるため、ソース領域からチャネル領域への電子流入量nが増加する。
このため、ドレイン電流密度Jが増加、すなわち、Ionが増大し、Ion/Ioff比が向上するからと考えられる。
なお、このようにソース領域の厚さをチャネル領域の厚さよりも厚くするとソース領域の基底サブバンドがチャネル領域に比して低下するのは、一般に次式で示すように、障壁の高い絶縁体で閉じ込められた半導体中の電子の波動関数の基底サブバンドのエネルギーEが、絶縁体への電子の波動関数の染み出しを無視すれば、半導体の厚さTSiの二乗に反比例することによる。
FIG. 5A is a band diagram in the case where the thickness of the source region and the channel region in the prior art is equal, and FIG. 5B is a diagram showing the thickness of the source region in this embodiment is the thickness of the channel region. It is a band figure in case it is thicker than this.
First, in general, the drain current density J is approximately equal to the following formula J = qnv where q is the elementary charge.
And is proportional to the electron injection amount n from the source region to the channel region and the average incident velocity v of electrons from the source region to the channel region.
Then, by making the thickness of the source region thicker than that of the channel region, the base subband of the source region is lowered and the barrier is reduced as shown in FIG. n increases.
For this reason, the drain current density J is increased, that is, Ion is increased, and the Ion / Ioff ratio is improved.
In addition, when the thickness of the source region is made larger than the thickness of the channel region, the base subband of the source region is lower than that of the channel region. This is because the energy E of the base subband of the wave function of the electrons in the semiconductor confined in the semiconductor is inversely proportional to the square of the semiconductor thickness TSi if the leakage of the electron wave function to the insulator is ignored.
なお、本実施の形態においては、チャネル領域の不純物濃度を5E19atoms/cm3としたが、Ion/Ioff比を確実に向上させるためには、チャネル領域の不純物濃度は1E19atoms/cm3以上1E20atoms/cm3以下の範囲にあることが望ましい。なぜなら、これより低い場合には、ソース領域の基底サブバンド低下によるIoffの増加がIon/Ioff比を劣化させるおそれがあり、逆に高い場合には、チャネル領域の反転電圧が高くなりすぎ、デバイスの実使用に耐えない構造となるおそれがあるからである。 In this embodiment, the impurity concentration of the channel region is 5E19 atoms / cm 3 , but in order to improve the Ion / Ioff ratio with certainty, the impurity concentration of the channel region is 1E19 atoms / cm 3 or more and 1E20 atoms / cm 3. It is desirable to be in the range of 3 or less. This is because if it is lower than this, an increase in Ioff due to a decrease in the base subband of the source region may degrade the Ion / Ioff ratio. Conversely, if it is higher, the inversion voltage of the channel region becomes too high, and the device This is because there is a possibility that the structure cannot withstand actual use.
次に、図3で見られたIon/Ioff比の離間距離d依存性について、更に検討した結果を図6乃至図9に示す。ここでは、障壁高さの観点から最も離間距離d依存性に影響をあたえると考えられるソース・ドレイン領域およびチャネル領域の不純物濃度を変数として下表1の条件に設定し、シミュレーションを行った。なお、図3の条件は表1の条件Aに相当し、条件B乃至条件Eにおいて、不純物濃度以外の条件は図3の条件と同様とした。
図6乃至図9においても、図3の場合と同様、ゲート電極とソース領域がある程度離間(オフセット)した領域において、Ion/Ioff比が極大値を有する傾向が見られる。
このような傾向は次のように説明できると考えられる。まず、ゲート電極とソース領域の離間距離dが大きくなりすぎると、ゲートの支配力の及ばない離間(オフセット)部分のチャネル抵抗が増大し、このため、チャネル抵抗増大によるIoffの低減よりもチャネル抵抗増大によるIonの減少が顕著になり、Ion/Ioff比が減少する。一方、離間距離dが小さくなりすぎると、ゲート電極の電界の支配力の及ばない離間(オフセット)部分のチャネル抵抗が減少するため、チャネル抵抗の減少によるIonの増加よりも、チャネル抵抗の減少によるIoffの増加が顕著になり、やはり、Ion/Ioff比が減少する。したがって、ゲート電極とソース領域がある程度離間(オフセット)した領域において、Ion/Ioffの極大値が得られるのである。
6 to 9, as in the case of FIG. 3, the Ion / Ioff ratio tends to have a maximum value in a region where the gate electrode and the source region are separated (offset) to some extent.
This tendency can be explained as follows. First, if the separation distance d between the gate electrode and the source region becomes too large, the channel resistance of the separation (offset) portion where the gate does not dominate increases, and therefore the channel resistance is more than the reduction in Ioff due to the increase in channel resistance. The decrease in Ion due to the increase becomes significant, and the Ion / Ioff ratio decreases. On the other hand, if the separation distance d is too small, the channel resistance of the separation (offset) portion where the dominating force of the electric field of the gate electrode does not decrease. The increase in Ioff becomes significant, and again the Ion / Ioff ratio decreases. Therefore, the maximum value of Ion / Ioff can be obtained in a region where the gate electrode and the source region are separated (offset) to some extent.
以上の結果より、本実施の形態において、ゲート電極とソース領域の離間距離dは、Ion/Iffが極大値を有する1nm以上3.5nm以下の範囲であることが望ましい。 From the above results, in this embodiment, the distance d between the gate electrode and the source region is preferably in the range of 1 nm to 3.5 nm where Ion / Iff has a maximum value.
次に、本実施の形態の第1の変形例について説明する。
図10は第1の変形例の電界効果トランジスタの素子構造を示すチャネル長方向の断面図であり、図11は、図11(a)が第1の変形例の電界効果トランジスタの素子構造の全体構造を示す斜視図、図11(b)がチャネル長に垂直方向のドレイン領域の断面図、図11(c)がチャネル領域の断面図、図11(d)がソース領域の断面図である。なお、斜視図においては図面の簡便化のため、断面図中の絶縁膜103、104、115および210は省略している。本発明において、図10および図11に示すように、ドレイン領域121の厚さ(TSid)が、チャネル領域101の厚さ(TSic)よりも厚くする構成(TSid>TSic)をとっても構わない。
この場合、ドレイン領域121の厚さを厚くすることによって、ドレイン側の電子に対する障壁も下がり、ドレイン領域からの電子がチャネル部に入ることでトランジスタ特性に影響を与える懸念はある。
しかしながら、回路動作上ソースとドレインが入れ替わる素子の場合には、ソース領域およびドレイン領域双方の厚さが、チャネル領域の厚さよりも厚くなっていることにより、すべての回路動作条件でIon/Ioff比が向上するため望ましい。さらに、回路設計および製造の容易性の観点からは、チャネル領域の両側のソース領域およびドレイン領域が対称的に厚くなっていることがより望ましい。
Next, a first modification of the present embodiment will be described.
FIG. 10 is a cross-sectional view in the channel length direction showing the element structure of the field effect transistor of the first modification, and FIG. 11A shows the entire element structure of the field effect transistor of the first modification. FIG. 11B is a cross-sectional view of the drain region perpendicular to the channel length, FIG. 11C is a cross-sectional view of the channel region, and FIG. 11D is a cross-sectional view of the source region. In the perspective view, the insulating
In this case, by increasing the thickness of the
However, in the case of an element in which the source and the drain are interchanged in terms of circuit operation, since the thickness of both the source region and the drain region is larger than the thickness of the channel region, the Ion / Ioff ratio under all circuit operation conditions. Is desirable because it improves. Furthermore, from the viewpoint of circuit design and ease of manufacture, it is more desirable that the source and drain regions on both sides of the channel region are symmetrically thick.
また、本実施の形態の第2の変形例として、ドレイン領域121の厚さ(TSid)を、チャネル領域101の厚さ(TSic)より薄くする構成(TSid<TSic)をとっても構わない。
この場合、ドレイン領域121の厚さを薄くすることによって、後に、第2の実施の形態で詳述するように、ドレイン側の電子に対する障壁があがり、ドレイン領域からの電子がチャネル部に入ることを効果的に阻止することで、トランジスタ特性にIoffの増加等の悪影響がでることを抑制できるという利点がある。
Further, as a second modification of the present embodiment, a configuration (TSid <TSic) in which the thickness (TSid) of the
In this case, by reducing the thickness of the
次に、本実施の形態の電界効果トランジスタを含む半導体装置の製造方法について、図12乃至図26を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device including the field effect transistor of this embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図12の平面図、図12のA−A方向の断面図である図13および図12のB−B方向の断面図である図14に示すように、面方位(100)面のp型シリコン基板100に50〜100nm程度のシリコン窒化膜等のマスク材となる絶縁膜210を堆積した後、リソグラフィー技術および反応性イオンエッチング(以下RIEともいう)等のエッチング技術により絶縁膜210とシリコン基板100をエッチングし、素子領域201および素子分離領域となる溝を形成する。このとき、後にソース領域となる部分の厚さがチャネル領域の厚さに比べて厚くなるようなマスクパターンを用いる。この後、閾値調整のためのp型不純物のチャネル領域への導入を、例えば、斜めイオンインプランテーション技術等を用いて行うことも可能である。
First, as shown in FIG. 12 which is a plan view of FIG. 12, FIG. 13 which is a cross-sectional view in the AA direction of FIG. 12, and FIG. 14 which is a cross-sectional view in the BB direction of FIG. After depositing an insulating
次に、図15の平面図、図15のC−C方向の断面図である図16および図15のD−D方向の断面図である図17に示すように、素子分離領域となる溝にシリコン酸化膜等の絶縁膜215が堆積され、この絶縁膜215が化学的機械的研磨法(以下、CMPともいう)等により、絶縁膜210の上面まで平坦化され、素子分離領域が形成される。このとき、素子分離耐圧の向上や、寄生トランジスタのリーク電流低減のため、素子分離領域下にp型の不純物をイオンインプランテーション等によって導入しても構わない。
その後、絶縁膜215の一部が除去され、素子領域201の側面が露出するよう溝205が形成される。
Next, as shown in FIG. 15 which is a plan view of FIG. 15, FIG. 16 which is a cross-sectional view in the CC direction of FIG. 15, and FIG. 17 which is a cross-sectional view in the DD direction of FIG. An insulating
Thereafter, a part of the insulating
次に、図18の平面図、図18のE−E方向の断面図である図19および図18のF−F方向の断面図である図20に示すように、素子領域201の側面部にゲート絶縁膜103、104が形成される。このゲート絶縁膜103、104としては、例えば、熱酸化法によるシリコン酸化膜であってもよいし、CVD(Chemical Vapor Deposition)法や、ALD(Atomic Layer Deposition)法による高誘電体膜であっても構わない。
Next, as shown in FIG. 18 which is a plan view of FIG. 18, FIG. 19 which is a cross-sectional view in the EE direction of FIG. 18, and FIG. 20 which is a cross-sectional view in the FF direction of FIG.
次に、ゲート絶縁膜103、104上にゲート電極107、108となる導電材が堆積され、溝205が埋め込まれる。その後、CMPにより、絶縁膜210の上面が露出するまで埋め込まれた導電材およびゲート絶縁膜が平坦化される。ここで、ゲート電極107、108となる導電材は、例えば、(ドープト)ポリシリコン、シリサイド、金属等の材料からなる。
Next, a conductive material to be the
次に、図21の平面図、図21のG−G方向の断面図である図22および図21のH−H方向の断面図である図23に示すように、ゲート配線109となる導電材が堆積され、リソグラフィーおよびRIEにより、第1のゲート電極107と第2のゲート電極108を物理的かつ電気的に接続するように、ゲート配線109が形成される。ここで、ゲート配線109は、例えば、(ドープト)ポリシリコン、シリサイド、金属等の材料からなる。
その後、例えば、シリコン窒化膜からなる側壁絶縁膜220がゲート配線109の両側に形成される。
そして、ゲート配線109および側壁絶縁膜220をマスクとして、ソース領域111およびドレイン領域121にn型の不純物をイオンインプランテーション等により導入する。
Next, as shown in the plan view of FIG. 21, FIG. 22 which is a cross-sectional view in the GG direction of FIG. 21, and FIG. 23 which is a cross-sectional view in the HH direction of FIG. Is deposited, and a
Thereafter, sidewall insulating
Then, n-type impurities are introduced into the
次に、図24の平面図、図24のI−I方向の断面図である図25および図24のJ−J方向の断面図である図26に示すように、層間絶縁膜225が形成された後に、リソグラフィーおよびRIEにより、コンタクトホールがソース領域111およびドレイン領域121の側面が露出するように開孔される。そして、このコンタクトホールを導電材によって埋め込むことにより、ソース領域側のコンタクト電極131とドレイン側のコンタクト電極133が形成される。
以上のようにして、本実施の形態の半導体装置が形成される。
Next, as shown in FIG. 24, which is a plan view of FIG. 24, FIG. 25 which is a cross-sectional view in the II direction of FIG. 24, and FIG. 26 which is a cross-sectional view in the JJ direction of FIG. After that, contact holes are opened by lithography and RIE so that the side surfaces of the
As described above, the semiconductor device of the present embodiment is formed.
(第2の実施の形態)
図27は、第2の実施の形態の電界効果トランジスタの素子構造を示すチャネル長方向の断面図である。また、図28は、図28(a)が第2の実施の形態の電界効果トランジスタの素子構造の全体構造を示す斜視図、図28(b)がチャネル長に垂直方向のドレイン領域の断面図、図28(c)がチャネル領域の断面図、図28(d)がソース領域の断面図である。なお、斜視図においては図面の簡便化のため、断面図中の絶縁膜103、104、115および210は省略している。
本実施の形態の電界効果トランジスタは、後に詳述するように、1対の側面ゲート電極(ダブルゲート)を有するFin型トランジスタであり、ソース領域の厚さがチャネル領域の厚さより薄くなっていることを特徴とする。
(Second Embodiment)
FIG. 27 is a cross-sectional view in the channel length direction showing the element structure of the field effect transistor of the second embodiment. FIG. 28A is a perspective view showing the entire structure of the element structure of the field effect transistor according to the second embodiment, and FIG. 28B is a cross-sectional view of the drain region perpendicular to the channel length. FIG. 28C is a cross-sectional view of the channel region, and FIG. 28D is a cross-sectional view of the source region. In the perspective view, the insulating
The field effect transistor of this embodiment is a Fin-type transistor having a pair of side gate electrodes (double gates) as will be described in detail later, and the thickness of the source region is thinner than the thickness of the channel region. It is characterized by that.
より具体的には、図27および図28に示すように、不純物濃度が5E15atoms/cm3程度のp型のシリコン基板100に、不純物濃度が5E19atoms/cm3程度のp型のチャネル領域101と、例えば、n型のポリシリコンからなる第1のゲート電極107と第2のゲート電極108と、不純物濃度が1E19atoms/cm3程度のn型ソース領域111とドレイン領域121を有する電界効果トランジスタが形成されている。そして、第1のゲート電極107と第2のゲート電極108は、チャネル領域101の両側に対向するように、第1のゲート絶縁膜103と第2のゲート絶縁膜104を介して、それぞれ形成されている。また、ソース領域111およびドレイン領域121は、第1のゲート電極107と第2のゲート電極108の両側に、チャネル領域111を挟んで形成され、これらのソース領域111とドレイン領域121は周囲を絶縁膜115に覆われている。
More specifically, as shown in FIGS. 27 and 28, the
そして、本実施の形態においては、図27および図28に示すように、第1のゲート絶縁膜103とチャネル領域101との界面に垂直な方向のソース領域111の厚さ(TSis)が、同じ方向でみたチャネル領域の厚さ(TSic)よりも薄く(TSis<TSic)なっていることを特徴とする。
In this embodiment, as shown in FIGS. 27 and 28, the thickness (TSis) of the
このようにソース領域の厚さをチャネル領域の厚さより薄くすることにより、従来技術と比較してIon/Ioff比が向上するという顕著な効果が得られる。 Thus, by making the thickness of the source region thinner than the thickness of the channel region, a remarkable effect that the Ion / Ioff ratio is improved as compared with the prior art can be obtained.
図29は、ソース領域とゲート電極の離間距離dとIon/Ioff比の関係をシミュレーションした結果である。
シミュレーションにおいては、ゲート長(L)=10nm、ゲート絶縁膜のEOT(Equivalent Oxide Thickness)=1nm、チャネル領域の厚さ(TSic)=3nm、ソース領域の厚さ(TSis)=2.2nm、チャネル領域の不純物濃度5E15atoms/cm3、ソースおよびドレイン領域の不純物濃度1E19atoms/cm3、ドレイン電圧(Vd)=0.8Vとして計算を行った。
また、図37および図38の模式図に示す、ソース領域111の厚さ(TSis)とチャネル領域101の厚さ(TSic)が等しい従来技術の電界効果トランジスタについても、比較例としてIon/Ioff比の計算を行った。この時、チャネル領域の厚さ(TSic)およびソース領域の厚さ(TSis)は共に3.0nmとし、離間距離dは0nm、すなわち、オフセットなしとする以外は、上記、本実施の形態(本発明)の場合と同様の条件で計算した。
FIG. 29 shows the result of simulating the relationship between the distance d between the source region and the gate electrode and the Ion / Ioff ratio.
In the simulation, the gate length (L) = 10 nm, the gate insulating film EOT (Equivalent Oxide Thickness) = 1 nm, the channel region thickness (TSic) = 3 nm, the source region thickness (TSis) = 2.2 nm, the channel impurity concentration 5E15atoms / cm 3 in the region, the impurity concentration of 1E19 atoms / cm 3 of the source and drain regions, was calculated as the drain voltage (Vd) = 0.8V.
In addition, as a comparative example, the Ion / Ioff ratio of the conventional field effect transistor in which the thickness (TSis) of the
図29から明らかなように、本実施の形態(本発明)では、従来技術(比較例)に比べ、Ion/Ioff比が格段に向上している。そして、第1の実施の形態と異なり、ゲート電極とソース領域の離間距離d=0nm、すなわち、離間(オフセット)のない場合にIon/Iff比は最大となる。そして、この場合には、従来技術(比較例)に比べ、Ion/Ioff比が約200倍になっている。
したがって、本実施の形態においては、ソース領域とゲート電極がゲート長方向に離間(オフセット)していないことが望ましい。
As is clear from FIG. 29, in this embodiment (the present invention), the Ion / Ioff ratio is remarkably improved as compared with the conventional technique (comparative example). Unlike the first embodiment, the Ion / Iff ratio becomes maximum when the separation distance d = 0 nm between the gate electrode and the source region, that is, when there is no separation (offset). In this case, the Ion / Ioff ratio is about 200 times that of the prior art (comparative example).
Therefore, in this embodiment mode, it is desirable that the source region and the gate electrode are not separated (offset) in the gate length direction.
図30は本実施の形態(本発明)でのd=0nmの場合と、従来技術(比較例)の場合とで、ゲート電圧(Vg)−ドレイン電流(Id)特性を比較した図である。ドレイン電流(Id)は、対数表示で示している。
図30より、本実施の形態(本発明)では、従来技術(比較例)に対してIonでやや劣るが、Ioffが格段に小さくなることで、結果的にIon/Ioff比が向上していることが明らかである。
FIG. 30 is a diagram comparing the gate voltage (Vg) -drain current (Id) characteristics between d = 0 nm in the present embodiment (the present invention) and the conventional technique (comparative example). The drain current (Id) is shown in logarithmic display.
From FIG. 30, in this embodiment (the present invention), Ion is slightly inferior to the prior art (comparative example), but Ion / Ioff ratio is improved as a result of Ioff being significantly reduced. It is clear.
図31のバンド図を用いて、本実施の形態においてIon/Iff比が向上するという作用・効果について説明する。
図31(a)は、従来技術のソース領域とチャネル領域の厚さが等しい場合のバンド図であり、図31(b)は、本実施の形態のソース領域の厚さが、チャネル領域の厚さよりも薄い場合のバンド図である。
まず、一般にドレイン電流密度Jはqを電荷素量とすると、およそ、次式
J=qnv
で、あらわされ、ソース領域からチャネル領域への電子注入量nとソース領域からチャネル領域への電子の平均入射速度vに比例することは先に記載したとおりである。
そして、ソース領域の厚さをチャネル領域の厚さよりも薄くすることによって、図31に示すように、ソース領域の基底サブバンドが上昇し障壁があがる。このため、トランジスタがoffの状態では、電子がこの障壁を乗り越える確率が格段に減少し、Ioffは大幅に減少する。一方、Ionについても、ソース領域からチャネル領域への電子流入量nが減少する。しかしながら、障壁を乗り越える電子は高いエネルギーを有していることから電子の平均入射速度vは大きくなる。よって、この2つの作用が相殺しあうことにより、結果的にIonの減少は、Ioffの減少に比べ顕著にはならない。
このため、Ion/Ioff比が向上するからと考えられる。
なお、ソース領域の基底サブバンドが上昇するのは、先に(式1)をもちいて示したように、絶縁体で閉じ込められた半導体中の電子の波動関数の基底サブバンドのエネルギーEが、半導体の厚さ(TSi)の二乗に反比例することによる。
With reference to the band diagram of FIG. 31, the operation and effect of improving the Ion / Iff ratio in the present embodiment will be described.
FIG. 31A is a band diagram in the case where the thickness of the source region and the channel region in the prior art are equal, and FIG. 31B shows the thickness of the source region in the present embodiment is the thickness of the channel region. It is a band figure in case it is thinner than this.
First, in general, the drain current density J is approximately equal to the following formula J = qnv where q is the elementary charge.
As described above, it is proportional to the electron injection amount n from the source region to the channel region and the average incident velocity v of electrons from the source region to the channel region.
Then, by making the thickness of the source region thinner than that of the channel region, the base subband of the source region rises and a barrier is raised as shown in FIG. For this reason, when the transistor is in the off state, the probability that electrons will get over the barrier is greatly reduced, and Ioff is greatly reduced. On the other hand, also for Ion, the electron flow amount n from the source region to the channel region decreases. However, since the electrons over the barrier have high energy, the average incident velocity v of the electrons is increased. Therefore, since these two actions cancel each other, as a result, the decrease in Ion is not as significant as the decrease in Ioff.
For this reason, it is considered that the Ion / Ioff ratio is improved.
Note that the ground subband of the source region rises because the energy E of the ground subband of the wave function of the electrons in the semiconductor confined by the insulator is, as shown by using (Equation 1). By being inversely proportional to the square of the semiconductor thickness (TSi).
そして、先に記載したように、第1の実施の形態と異なりゲート電極とソース領域の離間(オフセット)のない領域で、Ion/Ioffが最大となっている。これは、本実施の形態の場合は、ソース領域の基底サブバンドが上昇することによりIoffがすでに十分おさえられており、離間(オフセット)部分のチャネル抵抗増大が、Ioffの低減よりもIonの低減に大きく寄与するためと理解できる。 As described above, unlike the first embodiment, Ion / Ioff is maximum in a region where there is no separation (offset) between the gate electrode and the source region. This is because, in the case of this embodiment, Ioff has already been sufficiently suppressed by the increase of the base subband of the source region, and the channel resistance increase in the separated (offset) portion is reduced by reducing Ion rather than by reducing Ioff. It can be understood that it contributes greatly to
本実施の形態の変形例として、第1の実施の形態における第1の変形例及び第2の変形例で述べたことと同様の理由により、ドレイン領域121の厚さ(TSid)が、チャネル領域101の厚さ(TSic)よりも薄くなる構成(TSid<TSic)、あるいは厚くなる構成(TSic<TSid)をとっても構わない。
As a modification of this embodiment, for the same reason as described in the first modification and the second modification in the first embodiment, the thickness (TSid) of the
(第3の実施の形態)
図32は、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置に含まれる電界効果トランジスタの素子構造を示す斜視図およびチャネル長に垂直方向の断面図である。図32(a)が第3の実施の形態の電界効果トランジスタの素子構造の全体構造を示す斜視図、図32(b)がチャネル長に垂直方向のドレイン領域の断面図、図32(c)がチャネル領域の断面図、図32(d)がソース領域の断面図である。なお、斜視図においては図面の簡便化のため、断面図中の絶縁膜103、104、115および210は省略している。
p型半導体基板100上に埋め込み絶縁層(絶縁膜基板)180が形成され、その上のSOI(Silicon on Insulator)層に素子が形成されている以外は、第1の実施の形態と同様であるので、記述を省略する。
本実施の形態の電界効果トランジスタは、SOI層に素子が形成されていることから、第1の実施の形態の作用・効果に加え、ソース・ドレイン底部からのジャンクションリークおよびジャンクション容量の大幅な低減を図ることが可能となる。したがって、半導体装置の低消費電力化が実現できる。また、素子間の分離が埋め込み絶縁層(絶縁膜基板)180によって完全に行われるため、素子分離耐圧等に対する配慮が不要となり、製造プロセスが簡略化できる利点もある。
(Third embodiment)
FIG. 32 is a perspective view showing an element structure of a field effect transistor included in a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention and a sectional view perpendicular to the channel length. FIG. 32A is a perspective view showing the entire structure of the element structure of the field effect transistor according to the third embodiment, FIG. 32B is a sectional view of the drain region perpendicular to the channel length, and FIG. Is a cross-sectional view of the channel region, and FIG. 32D is a cross-sectional view of the source region. In the perspective view, the insulating
Except that a buried insulating layer (insulating film substrate) 180 is formed on the p-
Since the field effect transistor according to the present embodiment has elements formed in the SOI layer, in addition to the operation and effect of the first embodiment, the junction leakage from the bottom of the source / drain and the junction capacitance are greatly reduced. Can be achieved. Therefore, low power consumption of the semiconductor device can be realized. In addition, since isolation between elements is completely performed by the buried insulating layer (insulating film substrate) 180, there is an advantage that it is not necessary to consider the element isolation withstand voltage and the manufacturing process can be simplified.
また、本実施の形態においては、第1の実施の形態の素子をSOI層上に形成しているが、第2の実施の形態の素子をSOI層上に形成することによっても低消費電量化および製造プロセスの簡略化が実現可能である。 In the present embodiment, the element of the first embodiment is formed on the SOI layer. However, the power consumption can be reduced by forming the element of the second embodiment on the SOI layer. In addition, the manufacturing process can be simplified.
(第4の実施の形態)
図33は、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置に含まれる電界効果トランジスタの素子構造を示す斜視図およびチャネル長に垂直方向の断面図である。図33(a)が第4の実施の形態の電界効果トランジスタの素子構造の全体構造を示す斜視図、図33(b)がチャネル長に垂直方向のドレイン領域の断面図、図33(c)がチャネル領域の断面図、図33(d)がソース領域の断面図である。なお、斜視図においては図面の簡便化のため、断面図中の絶縁膜103、104および115は省略している。
チャネル領域101上に、ゲート電極107、108に加え、第3のゲート絶縁膜141を介して第3のゲート電極145を有するいわゆるトライゲート構造であること以外は、第1の実施の形態と同様であるので、記述を省略する。
本実施の形態の電界効果トランジスタは、トライゲート構造を有することにより、第1の実施の形態の作用・効果に加え、ゲートによる支配力が高まり、ソース/ドレイン領域間のパンチスルーを抑制するとともに、ドレイン電流も向上するという効果が得られる。
(Fourth embodiment)
FIG. 33 is a perspective view showing an element structure of a field effect transistor included in a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention and a sectional view perpendicular to the channel length. FIG. 33A is a perspective view showing the entire structure of the field effect transistor according to the fourth embodiment, FIG. 33B is a sectional view of the drain region perpendicular to the channel length, and FIG. Is a cross-sectional view of the channel region, and FIG. 33D is a cross-sectional view of the source region. In the perspective view, the insulating
Except for the so-called tri-gate structure having a
Since the field effect transistor of this embodiment has a tri-gate structure, in addition to the operation and effect of the first embodiment, the dominance by the gate is increased, and punch-through between the source / drain regions is suppressed. The drain current is also improved.
また、本実施の形態においては、第1の実施の形態をトライゲート構造としているが、第2の実施の形態の素子をトライゲート構造とすることによってもソース/ドレイン領域間のパンチスルー抑制、および、ドレイン電流向上の実現が可能である。 In the present embodiment, the first embodiment has a tri-gate structure, but punch-through suppression between the source / drain regions can also be achieved by using the tri-gate structure for the element of the second embodiment. In addition, the drain current can be improved.
(第5の実施の形態)
図34は、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置に含まれる電界効果トランジスタの素子構造を示す斜視図およびチャネル長に垂直方向の断面図である。図34(a)が第5の実施の形態の電界効果トランジスタの素子構造の全体構造を示す斜視図、図34(b)がチャネル長に垂直方向のドレイン領域の断面図、図34(c)がチャネル領域の断面図、図34(d)がソース領域の断面図である。なお、斜視図においては図面の簡便化のため、断面図中の絶縁膜141、142および115は省略している。
素子構造を、Fin型ではなく、チャネル領域101の上に第1のゲート絶縁膜141を介して第1のゲート電極145を有し、チャネル領域101の下に第2のゲート絶縁膜142を介して第2のゲート電極146を有するいわゆるプレーナ型ダブルゲート構造であること以外は、第1の実施の形態と同様であるので、記述を省略する。
本実施の形態の電界効果トランジスタは、プレーナ型ダブルゲート構造を有することにより、第1の実施の形態の作用・効果に加え、Fin構造に対し、チャネル領域を膜堆積によって形成するためチャネル厚さの制御が容易で素子特性がより安定するという利点がある。
(Fifth embodiment)
FIG. 34 is a perspective view showing an element structure of a field effect transistor included in a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention and a sectional view perpendicular to the channel length. FIG. 34 (a) is a perspective view showing the entire structure of the element structure of the field effect transistor of the fifth embodiment, FIG. 34 (b) is a sectional view of the drain region perpendicular to the channel length, and FIG. 34 (c). Is a cross-sectional view of the channel region, and FIG. 34D is a cross-sectional view of the source region. In the perspective view, the insulating
The element structure is not the Fin type, but has a
The field effect transistor of the present embodiment has a planar double gate structure, so that in addition to the operation and effect of the first embodiment, the channel region is formed by film deposition with respect to the Fin structure. There is an advantage that the device characteristics are easy to control and the device characteristics are more stable.
また、本実施の形態においては、第1の実施の形態をプレーナ型ダブルゲート構造としているが、第2の実施の形態の素子をプレーナ型ダブルゲート構造とすることによっても、素子特性安定の実現が可能である。 In this embodiment, the first embodiment has a planar double gate structure. However, the device characteristics of the second embodiment can also be stabilized by using a planar double gate structure. Is possible.
(第6の実施の形態)
図35は、本発明の第6の実施の形態に係る半導体装置に含まれる電界効果トランジスタの素子構造を示す斜視図およびチャネル長に垂直方向の断面図である。図35(a)が第6の実施の形態の電界効果トランジスタの素子構造の全体構造を示す斜視図、図35(b)がチャネル長に垂直方向のドレイン領域の断面図、図35(c)がチャネル領域の断面図、図35(d)がソース領域の断面図である。
素子構造を、Fin型ではなく、チャネル領域101の上に第1のゲート絶縁膜141を介して第1のゲート電極145を有し、チャネル領域101の下に第2のゲート絶縁膜142を介して第2のゲート電極146を有し、かつ、それぞれのゲート電極に独立にゲート電圧が与えられるプレーナ型ダブルゲート構造であること以外は、第1の実施の形態と同様であるので、記述を省略する。
本実施の形態の電界効果トランジスタは、独立にゲート電圧が与えられるプレーナ型ダブルゲート構造を有することにより、第1の実施の形態の作用・効果に加え、トランジスタの閾値を可変にすることが可能となり、回路設計の自由度が増大するという利点がある。
(Sixth embodiment)
FIG. 35 is a perspective view showing an element structure of a field effect transistor included in a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention and a cross-sectional view perpendicular to the channel length. FIG. 35A is a perspective view showing the entire structure of the element structure of the field effect transistor according to the sixth embodiment, FIG. 35B is a sectional view of the drain region perpendicular to the channel length, and FIG. Is a cross-sectional view of the channel region, and FIG. 35D is a cross-sectional view of the source region.
The element structure is not the Fin type, but has a
The field effect transistor of this embodiment has a planar double gate structure to which a gate voltage is independently applied, so that the threshold of the transistor can be made variable in addition to the operation and effect of the first embodiment. Thus, there is an advantage that the degree of freedom in circuit design increases.
また、本実施の形態においては、第1の実施の形態を独立にゲート電圧が与えられるプレーナ型ダブルゲート構造としているが、第2の実施の形態の素子を独立にゲート電圧が与えられるプレーナ型ダブルゲート構造とすることによっても、回路設計の自由度増大を図ることが可能となる。
(第7の実施の形態)
図36は、本発明の第7の実施の形態に係る半導体装置に含まれる電界効果トランジスタの素子構造を示すチャネル長に垂直方向の縦断面図である。素子構造を、Fin型ではなく、縦型トランジスタ構造とした以外は、第1の実施の形態と同様であるので、記述を省略する。
本実施の形態の電界効果トランジスタは、縦型トランジスタ構造を有することにより、第1の実施の形態の作用・効果に加え、ソース・ドレイン領域、チャネル領域等を縦方向に配置できるため、平面的に見た集積度を向上させることが可能であるという利点がある。
In the present embodiment, the first embodiment has a planar double gate structure in which a gate voltage can be applied independently. However, the device in the second embodiment can have a planar type in which a gate voltage can be applied independently. The double gate structure can also increase the degree of freedom in circuit design.
(Seventh embodiment)
FIG. 36 is a longitudinal sectional view in the direction perpendicular to the channel length showing the element structure of the field effect transistor included in the semiconductor device according to the seventh embodiment of the invention. Since the element structure is the same as that of the first embodiment except that the element structure is not a Fin type but a vertical transistor structure, the description is omitted.
Since the field effect transistor of this embodiment has a vertical transistor structure, in addition to the operations and effects of the first embodiment, a source / drain region, a channel region, and the like can be arranged in the vertical direction. There is an advantage that the degree of integration can be improved.
また、本実施の形態においては、第1の実施の形態を縦型トランジスタ構造としているが、第2の実施の形態の素子を縦型トランジスタ構造とすることによっても、集積度向上を図ることが可能となる。 In this embodiment, the first embodiment has a vertical transistor structure. However, the degree of integration can also be improved by making the element of the second embodiment a vertical transistor structure. It becomes possible.
なお、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではない。実施の形態では、n型チャネルの電界効果トランジスタについて説明したが、本発明をp型チャネルの電界効果トランジスタに適用することも可能である。また、半導体基板材料としてシリコンを用いたが、必ずしもシリコンに限るものではなく、シリコンゲルマニウム(SiGe)、ゲルマニウム(Ge)、シリコンカーバイド(SiC)、ガリウム砒素(GaAs)、窒化アルミニウム(AlN)等を用いることが可能である。また、基板材料の面方位は必ずしも(100)面に限るものではなく、(110)面あるいは(111)面等を適宜選択することができる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。 In addition, this invention is not limited to each embodiment mentioned above. Although an n-type channel field effect transistor has been described in the embodiment, the present invention can also be applied to a p-type channel field effect transistor. Although silicon is used as a semiconductor substrate material, it is not necessarily limited to silicon, but silicon germanium (SiGe), germanium (Ge), silicon carbide (SiC), gallium arsenide (GaAs), aluminum nitride (AlN), etc. It is possible to use. Further, the plane orientation of the substrate material is not necessarily limited to the (100) plane, and the (110) plane or the (111) plane can be appropriately selected. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
100 シリコン基板
101 チャネル領域
103 第1のゲート絶縁膜
104 第2のゲート絶縁膜
107 第1のゲート電極
108 第2のゲート電極
109 ゲート配線
111 ソース領域
115 絶縁膜
121 ドレイン領域
131 ソース領域側のコンタクト電極
133 ドレイン領域側のコンタクト電極
100
Claims (7)
前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極は、前記チャネル領域の両側に対向するように、第1のゲート絶縁膜と第2のゲート絶縁膜を介して、それぞれ形成され、
前記ソース領域および前記ドレイン領域は、前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極の両側に、前記チャネル領域を挟んで形成され、
前記第1のゲート絶縁膜と前記チャネル領域との界面に垂直な方向の前記ソース領域の厚さ(TSis)が、前記方向の前記チャネル領域の厚さ(TSic)よりも厚く、かつ、
前記ソース領域と、前記第1のゲート電極および前記第2のゲート電極が、ゲート長方向に離間していることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device including a field effect transistor comprising a channel region, a first gate electrode, a second gate electrode, a source region, and a drain region,
The first gate electrode and the second gate electrode are respectively formed through a first gate insulating film and a second gate insulating film so as to face both sides of the channel region,
The source region and the drain region are formed on both sides of the first gate electrode and the second gate electrode with the channel region interposed therebetween,
A thickness (TSis) of the source region in a direction perpendicular to an interface between the first gate insulating film and the channel region is larger than a thickness (TSic) of the channel region in the direction; and
The semiconductor device, wherein the source region, the first gate electrode, and the second gate electrode are separated in a gate length direction.
前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極は、前記チャネル領域の両側に対向するように、第1のゲート絶縁膜と第2のゲート絶縁膜を介して、それぞれ形成され、
前記ソース領域および前記ドレイン領域は、前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極の両側に、前記チャネル領域を挟んで形成され、
前記第1のゲート絶縁膜と前記チャネル領域との界面に垂直な方向の前記ソース領域の厚さ(TSis)が、前記方向の前記チャネル領域の厚さ(TSic)よりも薄いことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device including a field effect transistor comprising a channel region, a first gate electrode, a second gate electrode, a source region, and a drain region,
The first gate electrode and the second gate electrode are respectively formed through a first gate insulating film and a second gate insulating film so as to face both sides of the channel region,
The source region and the drain region are formed on both sides of the first gate electrode and the second gate electrode with the channel region interposed therebetween,
A thickness (TSis) of the source region in a direction perpendicular to an interface between the first gate insulating film and the channel region is smaller than a thickness (TSic) of the channel region in the direction. Semiconductor device.
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the field effect transistor is formed on an insulating film substrate.
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