JP2888878B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は、絶縁膜上に積層された半導体膜に形成さ
れる半導体装置に関し、特に高性能化の向上に関する。The present invention relates to a semiconductor device formed on a semiconductor film laminated on an insulating film, and more particularly to an improvement in performance.
(従来の技術) 絶縁膜上に形成された半導体膜(SOI膜)に形成され
た電界効果トランジスタ(FET)例えばMOS型トランジス
タとしては、例えば第9図に示すような構造のものがあ
る。(Prior Art) As a field effect transistor (FET) formed on a semiconductor film (SOI film) formed on an insulating film, for example, a MOS transistor, there is a structure as shown in FIG. 9, for example.
第9図において、半導体基板として例えばシリコン基
板1上には、絶縁膜2が形成され、この絶縁膜2上には
薄膜化されて素子形成領域となるSOI膜3が形成されて
いる。In FIG. 9, an insulating film 2 is formed on, for example, a silicon substrate 1 as a semiconductor substrate, and an SOI film 3 which is thinned to be an element formation region is formed on the insulating film 2.
SOI膜3には、所定の距離だけ離間して例えばn+型の
不純物領域からなるソース領域4及びドレイン領域5が
形成されている。これらの両領域に挟まれてSOI膜3に
形成されるP型のチャネル領域6上には、ゲート絶縁膜
7を介して例えば多結晶シリコン膜からなるゲート電極
8が形成されている。また、ソース領域4及びドレイン
領域5には、表面を被覆する絶縁膜9を開口してそれぞ
れ電極配線10が形成されている。In the SOI film 3, a source region 4 and a drain region 5 formed of, for example, n + -type impurity regions are formed at a predetermined distance from each other. A gate electrode 8 made of, for example, a polycrystalline silicon film is formed via a gate insulating film 7 on a P-type channel region 6 formed in the SOI film 3 sandwiched between these two regions. In the source region 4 and the drain region 5, an electrode wiring 10 is formed with an opening in an insulating film 9 covering the surface.
このようなSOI構造のFETにあっては、SOI膜3を1000
Å程度の厚さに薄膜化することによって、多くの特性改
善が得られることが報告されている(文献「M.Yoshimi
他、IEDM,Technical Digest,P640,1987)。In such an SOI structure FET, the SOI film 3 is
It has been reported that many properties can be improved by thinning to a thickness of about Å (M. Yoshimi
IEDM, Technical Digest, P640, 1987).
しかしながら、SOI膜の膜厚が薄膜化するにともなっ
て、ドレイン電流がドレイン電圧とともに急激に増大す
るドレイン破壊が発生し易くなっていた。また、このド
レイン破壊は、N型のトランジスタにおいて顕著に表わ
れるため、電源電圧が制約されるといった不都合を招い
ていた。However, as the thickness of the SOI film becomes thinner, drain breakdown in which the drain current rapidly increases with the drain voltage has been apt to occur. In addition, since the drain breakdown is conspicuous in an N-type transistor, it causes a disadvantage that the power supply voltage is restricted.
ドレイン領域で発生してチャネル領域を介してソース
領域に移動しようとする正孔は、チャネル領域のSOI膜
とソース領域とのPN接合における価電子帯に生じるエネ
ルギー障壁により、ソース領域への移動が妨げられる。
これにより、移動が妨げられた正孔は、ソース領域とチ
ャネル領域とのPN接合領域近傍に蓄積され、このPN接合
が順方向にバイアスされる。このため、ドレイン領域に
注入される電子が増大して、ドレイン領域とチャネル領
域との接合領域の電界が増大し、ドレイン破壊が引き起
こされていた。The holes generated in the drain region and moving to the source region through the channel region are transferred to the source region due to an energy barrier generated in a valence band at a PN junction between the SOI film in the channel region and the source region. Hindered.
As a result, holes whose movement has been prevented are accumulated near the PN junction region between the source region and the channel region, and the PN junction is biased in the forward direction. For this reason, the number of electrons injected into the drain region increases, the electric field at the junction region between the drain region and the channel region increases, and the drain is destroyed.
また、ドレイン領域の深さはSOI膜の膜厚と同等とな
るので、SOI膜の薄膜化とともにドレイン領域における
チャネル領域との接合面の曲率が鋭くなり、これによ
り、電界が集中し易くなり、ドレイ近傍の電界が増大す
る。In addition, since the depth of the drain region is equal to the thickness of the SOI film, the curvature of the junction surface of the drain region with the channel region becomes sharper as the SOI film becomes thinner, which facilitates concentration of the electric field, The electric field near the dray increases.
さらに、Nチャネルのトランジスタにあっては、ドレ
イン領域にイオン注入されたn型の不純物がSOI膜中で
横方向に拡散して、チャネル領域との接合面近傍の不純
物濃度が高くなるため、ドレイン破壊が生じ易くなって
いた。Further, in the case of an N-channel transistor, the n-type impurity ion-implanted into the drain region diffuses in the SOI film in the lateral direction, and the impurity concentration near the junction surface with the channel region increases. Destruction was likely to occur.
これらの対策としては、ドレイン構造を従来から知ら
れているLDD(Lightly-Doped Drain)構造とすることに
より、ドレイン電界を緩和して、ドレイン耐圧を向上さ
せることが可能となる。しかしながら、その効果は十分
ではなく、より一層の向上が必要であった。As a countermeasure against such a problem, a conventionally known LDD (Lightly-Doped Drain) structure is used for the drain structure, so that the drain electric field can be reduced and the drain withstand voltage can be improved. However, the effect was not sufficient, and further improvement was required.
一方、SOI構造のFETにあっては、そのしきい値電圧が
ゲート電極材料とチャネル領域のSOI膜との仕事関係差
によってほぼ一義的に決まることが、文献「吉見他、電
子情報通信学会論文誌、C−2,Vol.J72−C−2:No.5、
p.510」等により従来から知られている。したがって、
プロセス的に安定したしきい値電圧が得られる。On the other hand, for SOI-structured FETs, the threshold voltage is almost uniquely determined by the difference in the work relationship between the gate electrode material and the SOI film in the channel region. Magazine, C-2, Vol.J72-C-2: No. 5,
p.510 "and the like. Therefore,
A threshold voltage stable in process can be obtained.
第10図は、代表的な3種類のゲート電極材料を用いた
際のNチャネル及びPチャネルFETのしきい値電圧を示
す図である。同図に示すしきい値電圧は、SOI膜がP型
の不純物を1015cm-3程度の含み、膜厚が500Å程度での
値である。FIG. 10 is a diagram showing threshold voltages of N-channel and P-channel FETs when three typical gate electrode materials are used. The threshold voltage shown in the figure is a value when the SOI film contains a P-type impurity of about 10 15 cm −3 and the thickness is about 500 °.
第10図において、最も一般的に用いられているリンド
ープ(N+)ポリシリコンを用いた場合には、第10図から
明らかなように、NチャネルFETではデプリーション型
となる。このため、CMOS回路では十分な論理振幅が得ら
れないという不都合が生じていた。In FIG. 10, when phosphorus-doped (N.sup. + ) Polysilicon, which is most commonly used, is used, the N-channel FET becomes a depletion type, as is apparent from FIG. For this reason, there has been a disadvantage that a sufficient logic amplitude cannot be obtained in the CMOS circuit.
そこで、SOI膜にP型の不純物を1017cm-3程度に導入
すれば、NチャネルFETではエンハンスメント型とな
る。しかし、このようにした場合には、SOI構造の特徴
であるSOI膜の低濃度化による利点が大幅に損われてし
まうことになる。Therefore, if a P-type impurity is introduced into the SOI film to about 10 17 cm −3 , the N-channel FET becomes an enhancement type. However, in such a case, the advantage of lowering the concentration of the SOI film, which is a feature of the SOI structure, is significantly impaired.
一方、ゲート電極にポロンドープ(P+)ポリシリコン
を用いた場合には、第10図から明らかなように、Nチャ
ネルFETではエンハントメント型となる。しかしなが
ら、PチャネルFETではデプリーション型になってしま
い、状況は改善されない。On the other hand, when polon-doped (P + ) polysilicon is used for the gate electrode, the N-channel FET is an enhancement type, as is apparent from FIG. However, the P-channel FET becomes a depletion type, and the situation is not improved.
そこで、Nチャネル、Pチャネルともにエンハンスメ
ント型にする方法としては、NチャネルFETのゲート電
極にはボロンドープポリシリコンを用い、PチャネルFE
Tのゲート電極にはリンドープポリシリコンを用いる方
法が考えられる。しかしながら、このような方法にあっ
ては、製造工程が複雑化するといった問題を招くことに
なる。Therefore, as a method of making both N-channel and P-channel enhancement types, boron-doped polysilicon is used for the gate electrode of the N-channel FET, and the P-channel FE is used.
A method using phosphorus-doped polysilicon for the T gate electrode is considered. However, such a method causes a problem that the manufacturing process is complicated.
また、上記構造で得られるしきい値電圧は、Nチャネ
ルでは+0.9V、Pチャネルでは−0.9Vとなる。このた
め、素子の微細化にともなう電源電圧の低下及び、回路
動作の高速化に対応するためには高すぎる。さらに、SO
I構造の利点を損うことなく、回路の特徴に応じたしき
い値電圧を任意に設定することはできなかった。The threshold voltage obtained by the above structure is +0.9 V for the N channel and -0.9 V for the P channel. For this reason, it is too high to cope with a reduction in power supply voltage due to miniaturization of elements and an increase in the speed of circuit operation. Furthermore, SO
It was not possible to arbitrarily set the threshold voltage according to the characteristics of the circuit without deteriorating the advantages of the I structure.
一方、第2の方法としては、タングステン(W)やモ
リブテン(Mo)等の金属材料を用いることが考えられ
る。しかしながら、このような方法にあっては、金属材
料の加工が難しいため、製造が困難になるという不具合
が生じることになる。また、しきい値電圧が一義的に設
定されてしまうといった欠点は、依然として解消されな
い。On the other hand, as a second method, it is conceivable to use a metal material such as tungsten (W) or molybdenum (Mo). However, in such a method, since the processing of the metal material is difficult, there is a problem that the manufacturing becomes difficult. Further, the disadvantage that the threshold voltage is uniquely set is still not solved.
(発明が解決しようとする課題) 以上説明したように、従来のSOI構造のFETにあって
は、SOI膜の薄膜化にともなってドレイン破壊が発生し
易く、電源電圧に制約を受けていた。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, in a conventional SOI-structure FET, drain breakdown is likely to occur as the SOI film becomes thinner, and the power supply voltage is limited.
また、SOI構造の特徴を損うことなく、Nチャネル及
びPチャネルFETをともにエンハンスメント型にするこ
とが困難であった。さらに、使用する回路の特徴に応じ
てしきい値電圧を任意に設定できず、回路設計に対して
大きな傷害になっていた。Also, it has been difficult to make both N-channel and P-channel FETs enhancement type without deteriorating the features of the SOI structure. Furthermore, the threshold voltage cannot be set arbitrarily according to the characteristics of the circuit to be used, which has been a serious obstacle to circuit design.
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、その目的とするところは、SOI構造の特徴を損うこ
となく、ドレイン耐圧を向上して電源電圧の使用可能範
囲を広げ、SOI構造におけるFETの高性能化を図った半導
体装置を提供することにある。Therefore, the present invention has been made in view of the above, and it is an object of the present invention to increase the drain withstand voltage and extend the usable range of the power supply voltage without impairing the characteristics of the SOI structure. The present invention is to provide a semiconductor device in which FET performance is improved.
また、この発明は、その目的とするところは、SOI構
造の特徴を損うことなく、さらに、製造方法の複雑化、
困難化を招くことなく、しきい値電圧の設定の自由度を
大幅に向上して、SOI構造におけるFETの高性能化を図っ
た半導体装置を提供することにある。In addition, the present invention has the object of not impairing the characteristics of the SOI structure, and further complicating the manufacturing method,
It is an object of the present invention to provide a semiconductor device in which the degree of freedom in setting a threshold voltage is greatly improved without causing difficulty, and the performance of an FET in an SOI structure is improved.
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記目的を達成するために、絶縁膜上に形成された第
1導電型の半導体膜に所定距離だけ離間して設けられた
一対の第2導電型の不純物領域と、この両領域に挟まれ
たチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲ
ート電極を備えた半導体装置において、この発明は、少
なくとも一方の前記不純物領域は、前記半導体膜よりも
禁制帯幅が狭いことを特徴とする。[Configuration of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, a pair of second conductive layers provided at a predetermined distance from a first conductive type semiconductor film formed on an insulating film is provided. In a semiconductor device provided with a conductive impurity region and a gate electrode formed on a channel region interposed between the two regions via a gate insulating film, the present invention provides a semiconductor device in which at least one of the impurity regions comprises the semiconductor The forbidden band width is narrower than that of the film.
(作用) 上記一方の構成において、第1の発明は、一方の不純
物領域とチャネル領域との接合におけるエネルギー障壁
を緩和することにより、この接合領域におけるキャリア
の蓄積を抑制し、他方の不純物領域における電界の増大
を抑制するようにしている。(Operation) In the above one configuration, the first invention suppresses the accumulation of carriers in the junction region by relaxing the energy barrier at the junction between the one impurity region and the channel region, and suppresses the accumulation of carriers in the other impurity region. An increase in the electric field is suppressed.
(実施例) 以下、図面を用いてこの発明の実施例を説明する。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
第1図は第1の発明の一実施例に係わるSOI構造の半
導体装置における断面構造を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a semiconductor device having an SOI structure according to an embodiment of the first invention.
第1図に示すSOI構造におけるNチャネルFETの特徴と
するところは、第9図に示した構造に対して、ソース領
域11及びドレイン領域12を、チャネル領域6を形成する
SOI膜のシリコンよりもエネルギーバンドギャップ(禁
制帯幅)が狭いシリコンとゲルマニウムの混晶(SixGe
(1−x))で形成したことにある。また、チャネル領
域6とソース領域11との接合において、シリコンとゲル
マニウムの混晶の割合及びリン等の不純物量を調整する
ことにより、シリコン・ゲルマニウムの禁制帯幅を調整
して、チャネル領域6とソース領域11とのPN接合におけ
る価電子帯の接合状態がほぼ平坦となるようにしてい
る。The feature of the N-channel FET in the SOI structure shown in FIG. 1 is that a source region 11 and a drain region 12 are formed and a channel region 6 is formed in the structure shown in FIG.
A mixed crystal of silicon and germanium (SixGe) that has a narrower energy band gap (bandgap) than silicon in the SOI film
(1-x)). Further, in the junction between the channel region 6 and the source region 11, the forbidden band width of silicon / germanium is adjusted by adjusting the ratio of a mixed crystal of silicon and germanium and the amount of impurities such as phosphorus, so that The valence band junction state in the PN junction with the source region 11 is made substantially flat.
例えば、SOI膜の膜厚を1000Å程度に薄膜化した場合
に、シリコン・ゲルマニウムの混晶の割合をx=0.1と
して、Si0.1Ge0.9を用いてソース領域11を形成すると、
チャネル領域6のシリコンとソース領域11のシリコン・
ゲルマニウムとのバンドギャップの差は、0.2eV程度と
なる。このため、従来のシリコンのみの接合において0.
2eV程度存在していたバンドギップの差がなくなる。For example, when the thickness of the SOI film is reduced to about 1000 °, when the mixed crystal ratio of silicon and germanium is x = 0.1 and the source region 11 is formed using Si 0.1 Ge 0.9 ,
Silicon in the channel region 6 and silicon in the source region 11
The difference in band gap from germanium is about 0.2 eV. For this reason, in conventional junctions using only silicon, 0.
The band gap difference that existed at about 2 eV disappears.
このため、SOI膜3におけるエネルギーバンド構造
は、ソース領域11及びドレイン領域12における価電子帯
が、第2図の点線(従来例)から実線(実施例)で示す
ように、従来存在していたエネルギーギャップ(Eg)だ
け上昇し、ソース領域11とチャネル領域6との価電子帯
がほぼ平坦となる。この時に、シリコン・ゲルマニウム
の混晶におけるフェルミ準位の位置は、シリコン・ゲル
マニウムとシリコンとが接合されて両フェルミ準位が一
致した時に、両領域の価電子帯がほぼ平坦となるように
濃度調整されている。Therefore, in the energy band structure of the SOI film 3, the valence band in the source region 11 and the drain region 12 has conventionally existed as shown by the dotted line (conventional example) to the solid line (example) in FIG. The energy gap (Eg) increases, and the valence band between the source region 11 and the channel region 6 becomes substantially flat. At this time, the position of the Fermi level in the silicon-germanium mixed crystal is determined so that when the silicon-germanium and silicon are joined and the Fermi levels coincide, the valence bands in both regions become almost flat. Has been adjusted.
これにより、ソース領域11とチャネル6とのPN接合に
おける価電子帯のエネルギー障壁がほとんどなくなる。
このため、チャネル領域6からソース領域11へ向かう正
孔は、速やかにソース領域11へ流出されて、この接合領
域における正孔の蓄積は抑制される。Thereby, the valence band energy barrier at the PN junction between the source region 11 and the channel 6 is almost eliminated.
For this reason, holes flowing from the channel region 6 toward the source region 11 quickly flow out to the source region 11, and the accumulation of holes in the junction region is suppressed.
したがって、ドレイン領域12に注入される電子の急激
な増大は抑えられ、チャネル長が2μm程度のFETにあ
っては、第3図に示すように、ドレイン耐圧を3V程度改
善することができるようになる。Therefore, a rapid increase in electrons injected into the drain region 12 is suppressed, and in a FET having a channel length of about 2 μm, the drain withstand voltage can be improved by about 3 V as shown in FIG. Become.
一方、ソース領域11とチャネル領域6とのPN接合にお
ける価電子帯のエネルギーギャップを有効に緩和して、
ドレイン耐圧を向上させるためには、ソース領域11とチ
ャネル領域6を形成するSOI膜の膜厚を薄膜化する必要
がある。この膜厚(T)としては、チャネル領域をすべ
て空乏化できる最大の厚さとして規定され、次式で表わ
される。On the other hand, the energy gap of the valence band at the PN junction between the source region 11 and the channel region 6 is effectively relaxed,
In order to improve the drain withstand voltage, it is necessary to reduce the thickness of the SOI film forming the source region 11 and the channel region 6. This film thickness (T) is defined as the maximum thickness that can completely deplete the channel region, and is expressed by the following equation.
T=2[εφF/(qNs)]1/2 ここで、εは誘電率、φFはフェルミエネルギー(e
V)、qは電子の基本電荷量(クーロク)、Nsは不純物
濃度(cm-3)である。T = 2 [εF / (qNs)] 1/2 where ε is the dielectric constant, and φF is the Fermi energy (e
V) and q are basic electron charges (cooling), and Ns is an impurity concentration (cm -3 ).
SOI膜を上式で表わされる膜厚(T)以下に設定する
ようにすれば、第4図に示すように、ドレイン耐圧を向
上させることができる。If the SOI film is set to be equal to or less than the film thickness (T) represented by the above equation, the drain withstand voltage can be improved as shown in FIG.
次に、第1図に示したSOI構造のFETの製造方法を、第
5図に示す製造工程断面図を参照して説明する。Next, a method of manufacturing the FET having the SOI structure shown in FIG. 1 will be described with reference to the manufacturing process sectional views shown in FIG.
まず、単結晶のシリコン基板1に、酸素イオンを120K
V程度の加速電圧、2×1018cm-2程度のドーズ量でイオ
ン注入する。その後、1300℃程度の温度で20時間程度の
アニール処理を行なう。これにより、シリコン基板1上
に、2000Å程度のシリコン酸化膜(SiO2膜)2と750Å
程度の薄膜化されたSOI膜3を形成する(第5図
(a))。First, oxygen ions are applied to a single crystal silicon substrate 1 for 120K.
Ion implantation is performed at an acceleration voltage of about V and a dose of about 2 × 10 18 cm −2 . Thereafter, an annealing process is performed at a temperature of about 1300 ° C. for about 20 hours. As a result, a silicon oxide film (SiO 2 film) 2 of about 2000 °
An SOI film 3 having a reduced thickness is formed (FIG. 5A).
次に、SOI膜3をエッチングにより島状に分離して、S
OI膜3の素子形成領域を形成する。その後、SOI膜3の
表面にゲート酸化膜7を500Å程度の厚さに堆積形成す
る。続いて、SOI膜3にP型の不純物となる例えばボロ
ンをイオン注入して、SOI膜3をP型化する(第5図
(b))。Next, the SOI film 3 is separated into islands by etching,
An element formation region of the OI film 3 is formed. Thereafter, a gate oxide film 7 is deposited on the surface of the SOI film 3 to a thickness of about 500 °. Subsequently, for example, boron which becomes a P-type impurity is ion-implanted into the SOI film 3 to make the SOI film 3 P-type (FIG. 5B).
次に、全面にゲート電極8となるポリシリコン膜13を
CVD法により堆積形成する。その後、堆積したポリシリ
コン膜13にリンを拡散導入して、ポリシリコン膜13を20
Ω/□程度に低抵抗化する。続いて、ポリシリコン膜13
上にパターニングされたレジスト14を形成する(第5図
(c))。Next, a polysilicon film 13 serving as the gate electrode 8 is formed on the entire surface.
Deposited by CVD. After that, phosphorus is diffused and introduced into the deposited polysilicon film 13 so that the polysilicon film 13 is
Reduce the resistance to about Ω / □. Subsequently, the polysilicon film 13
A patterned resist 14 is formed thereon (FIG. 5 (c)).
次に、このレジスト14をマスクとして、ポリシリコン
膜13の一部をRIE法によりエッチング除去し、ゲート電
極8を形成する。続いて、レジスト14を除去した後、酸
化雰囲気中で酸化処理を行ない、全面に酸化膜を形成す
る。この時に、ポリシリコン膜とシリコン膜との酸化速
度の違いにより、ゲート電極8の表面に形成される酸化
膜の膜厚は、SOI膜3の表面に形成される酸化膜の膜厚
よりも厚く成長形成される。そこで、ウェットエッチン
グ法によりSOI膜3上に形成された酸化膜を除去する。
これにより、ゲート電極8をゲート酸化膜7で被覆し
て、SOI膜3の表面を露出状態とする(第5図
(d))。Next, using the resist 14 as a mask, a part of the polysilicon film 13 is etched and removed by RIE to form a gate electrode 8. Subsequently, after removing the resist 14, an oxidation process is performed in an oxidizing atmosphere to form an oxide film on the entire surface. At this time, the thickness of the oxide film formed on the surface of the gate electrode 8 is larger than the thickness of the oxide film formed on the surface of the SOI film 3 due to the difference in oxidation rate between the polysilicon film and the silicon film. It grows and forms. Therefore, the oxide film formed on the SOI film 3 by the wet etching method is removed.
Thus, the gate electrode 8 is covered with the gate oxide film 7, and the surface of the SOI film 3 is exposed (FIG. 5D).
次に、露出したSOI膜3を数百Å程度エッチング除去
する。その後、分子線エピタキシャル成長法(MBE法)
により、エッチング除去された部分に、絶縁膜2上に露
出して残存するSOI膜3を成長種としてシリコンとゲル
マニウムの混晶(SixGe(1−x))を、前述した膜厚
(T)の条件を満足するように成長形成する。これによ
り、シリコンとゲルマニウムの混晶からなるソース領域
11とドレイン領域12を形成する(第5図(e))。Next, the exposed SOI film 3 is etched away by about several hundreds of mm. After that, molecular beam epitaxy (MBE)
As a result, a mixed crystal of silicon and germanium (SixGe (1-x)) having a thickness (T) having the thickness (T) is formed on the portion removed by etching, using the SOI film 3 exposed and remaining on the insulating film 2 as a growth seed. It grows and forms so as to satisfy the conditions. As a result, the source region made of a mixed crystal of silicon and germanium
11 and a drain region 12 are formed (FIG. 5E).
なお、シリコンとゲルマニウムの混晶を成長形成する
場合に、絶縁膜2上に露出して残存させたSOI膜3を成
長種として形成せず、絶縁膜2上にSOI膜3を残存させ
ず、絶縁膜2上に直接ソース領域11及びドレイン領域12
となる物質を形成するようにしても良い。When a mixed crystal of silicon and germanium is grown and formed, the SOI film 3 exposed and left on the insulating film 2 is not formed as a growth seed, and the SOI film 3 is not left on the insulating film 2. The source region 11 and the drain region 12 are directly formed on the insulating film 2.
May be formed.
最後に、表面を保護する絶縁膜9を全面に堆積形成し
て、ソース領域11とドレイン領域12上の絶縁膜9にコン
タクトホールを開口形成し、このコンタクトホールを通
して、ソース領域11及びドレイン領域12上に電極配線10
を形成し(第5図(d))、第1図に示すような構造が
得られる。Finally, an insulating film 9 for protecting the surface is deposited and formed on the entire surface, and a contact hole is formed in the insulating film 9 on the source region 11 and the drain region 12, and the source region 11 and the drain region 12 are formed through the contact hole. Top electrode wiring 10
Is formed (FIG. 5 (d)), and the structure as shown in FIG. 1 is obtained.
なお、この発明は、上記実施例に限ることなく、例え
ばNチャネルFETの場合には、正孔に対する価電子帯の
エネルギー障壁を緩和するようにすればよいので、少な
くともソース領域11のみをチャネル領域6を構成する物
質よりもバンドギャップの狭い物質で形成するようにし
ても同様の効果を得ることができる。It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the case of an N-channel FET, it is only necessary to relax the energy barrier of the valence band with respect to holes. The same effect can be obtained by forming the layer 6 from a material having a smaller band gap than that of the material constituting 6.
また、SOI膜よりもバンドギャップが狭く、SOI膜との
接合においてエネルギー障壁を緩和するソース領域及び
ドレイン領域を形成する物質としては、シリコン・ゲル
マニウムに限定されることはなく、例えばGe(Eg=0.6e
V)、GaSb(Eg=0.72eV)、InAs(Eg=0.36eV)、PbS
(Eg=0.41eV)、PbTe(Eg=0.31eV)等であっても良
い。Further, the band gap is narrower than that of the SOI film, and the material for forming the source region and the drain region which relaxes the energy barrier at the junction with the SOI film is not limited to silicon germanium. For example, Ge (Eg = 0.6e
V), GaSb (Eg = 0.72 eV), InAs (Eg = 0.36 eV), PbS
(Eg = 0.41 eV), PbTe (Eg = 0.31 eV), or the like.
次に、第2の発明の一実施例を説明する。 Next, an embodiment of the second invention will be described.
第6図は第2の発明の一実施例に関わるSOI構造にお
けるCMOSFET断面構造を示す図である。FIG. 6 is a view showing a cross-sectional structure of a CMOSFET in an SOI structure according to an embodiment of the second invention.
この実施例の特徴とするところは、第6図において、
P型の単結晶シリコン基板1上の絶縁膜2上にそれぞれ
分離されて形成されたSOI膜3に、NチャネルFET21aと
PチャネルFET21bが隣り合うように形成されているCMOS
構造において、NチャネルFET21aの下方の基板1中の絶
縁膜2との接合領域に、n+型の高濃度不純物領域22aを
形成し、PチャネルFET21bの下方の基板1中の絶縁膜2
との接合領域に、p+型の高濃度不純物領域22bを形成
し、それぞれの領域22a,22bに対応して接続された配線2
3a,23bを介して基板バイアス電圧を独立して与え、これ
により、それぞれのFETのしきい値電圧を制御するよう
にしたことにある。The feature of this embodiment is that in FIG.
A CMOS in which an N-channel FET 21a and a P-channel FET 21b are formed adjacent to each other on an SOI film 3 separately formed on an insulating film 2 on a P-type single crystal silicon substrate 1.
In the structure, an n + -type high-concentration impurity region 22a is formed in the junction region with the insulating film 2 in the substrate 1 below the N-channel FET 21a, and the insulating film 2 in the substrate 1 below the P-channel FET 21b is formed.
A p + -type high-concentration impurity region 22b is formed in the junction region with the wirings 2a and 2b connected to the respective regions 22a and 22b.
A substrate bias voltage is applied independently via 3a and 23b, thereby controlling the threshold voltage of each FET.
第7図はそれぞれの不純物領域22a,22bに与えられる
基板バイアス電圧と、それぞれのチャネルのFETのしき
い値電圧との関係を示した図である。同図において、ゲ
ート電圧の材料にn+型の例えばリンをドープしたポリシ
リコンを使用した場合は、基板バイアス電圧(Vsub)は
正の値であり、しきい値電圧を実線で示している。一
方、ゲート電極の材料にp+型の例えばボロンをドープし
たポリシリコンを使用した場合には、基板バイアス電圧
(Vsub)は負の値であり、しきい値電圧を点線で示して
いる。FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the substrate bias voltage applied to each of the impurity regions 22a and 22b and the threshold voltage of the FET of each channel. In the figure, when an n + -type polysilicon doped with, for example, phosphorus is used as the material of the gate voltage, the substrate bias voltage (Vsub) is a positive value, and the threshold voltage is indicated by a solid line. On the other hand, when p + type polysilicon doped with, for example, boron is used as the material of the gate electrode, the substrate bias voltage (Vsub) is a negative value, and the threshold voltage is indicated by a dotted line.
第7図から明らかなように、それぞれの高濃度不純物
領域22a,22bに独立して基板バイアス電圧を印加するこ
とが可能であるため、NチャネルFET、PチャネルFETの
それぞれのFETに対してしきい値電圧を|1|V以下の範囲
で任意に設定することができる。また、両チャネルのFE
Tともに同一のゲート電極材料を用いても、両チャネル
のFETをともにエンハンスメント型にすることができ
る。As is clear from FIG. 7, it is possible to apply a substrate bias voltage independently to each of the high-concentration impurity regions 22a and 22b, so that the N-channel FET and the P-channel FET can be applied independently. The threshold voltage can be set arbitrarily within the range of | 1 | V or less. Also, the FE of both channels
Even if the same gate electrode material is used for both T, both channel FETs can be of enhancement type.
これらのことから、製造固定を複雑化することなく、
また、SOI構造の利点を損うことなく、使用する回路の
特徴に応じたしきい値電極を任意に設定することが可能
となる。このため、SOI構造のCMOSを使用した回路の設
計自由度が広がるとともに、回路の高性能化にも寄与す
ることが可能となる。From these, without complicating manufacturing fixation,
Further, it is possible to arbitrarily set a threshold electrode according to the characteristics of a circuit to be used without deteriorating the advantage of the SOI structure. Therefore, the degree of freedom in designing a circuit using the CMOS having the SOI structure is expanded, and it is possible to contribute to the high performance of the circuit.
なお、それぞれの不純物領域22a,22bに与えられる基
板バイアス電圧は、両不純物領域22a,22bが順バイアス
状態とならない電圧関係でそれぞれの不純物領域22a,22
bに与えられるものとする。Note that the substrate bias voltage applied to each of the impurity regions 22a and 22b is different from that of each of the impurity regions 22a and 22b in a voltage relationship where the two impurity regions 22a and 22b do not enter the forward bias state.
shall be given to b.
次に、第6図に示したSOI構造におけるCMOSの製造方
法を、第7図に示す製造工程断面図を参照して説明す
る。Next, a method of manufacturing the CMOS having the SOI structure shown in FIG. 6 will be described with reference to the manufacturing process sectional views shown in FIG.
まず、P型の単結晶シリコン基板1に、120KV程度の
加速電圧、2×1018cm-2程度のドーズ量で酸素イオンの
注入を行なう。その後、1300℃程度の温度で20時間程度
のアニール処理を行う。これにより、シリコン基板1上
に、2000Å程度の厚さのシリコン酸化膜からなる絶縁膜
2と、750Å程度の膜厚のSOI膜3を形成する(第8図
(a))。First, oxygen ions are implanted into a P-type single crystal silicon substrate 1 at an acceleration voltage of about 120 KV and a dose of about 2 × 10 18 cm −2 . Thereafter, annealing is performed at a temperature of about 1300 ° C. for about 20 hours. Thus, an insulating film 2 made of a silicon oxide film having a thickness of about 2000 ° and an SOI film 3 having a thickness of about 750 ° are formed on the silicon substrate 1 (FIG. 8A).
次に、NチャネルFETの形成領域を開口したレジスト
パターン24をSOI膜3上に形成する。その後、このレジ
ストパターン24をマスクにして、NチャネルFETの形成
領域下の基板1中に、1MV程度の加速電圧、1015cm-2程
度のドーズ量でリンのイオン注入を行なう(第8図
(b))。Next, a resist pattern 24 having an opening in a region for forming an N-channel FET is formed on the SOI film 3. Thereafter, using this resist pattern 24 as a mask, phosphorus ions are implanted into the substrate 1 under the N-channel FET formation region at an acceleration voltage of about 1 MV and a dose of about 10 15 cm −2 (FIG. 8). (B)).
これにより、基板1中の絶縁膜2との接合領域に、10
19〜1020cm-3程度のリンを含むn+型の高濃度不純物領域
22aを形成する。同様にして、PチャネルFETの形成領域
下に、同程度の濃度の例えばボロンを含むp+型の高濃度
不純物領域22bを形成する。その後、両チャネルの形成
領域上にのみ残存するレジストパターン(図示せず)を
SOI膜3上に形成し、このレジストパターンをマスクと
して、SOI膜3の一部をエッチング除去し、島状のSOI膜
3からなる素子形成領域25を形成する。続いて、それぞ
れの素子形成領域25の表面に500Å程度の膜厚のゲート
酸化膜26を形成する(第8図(c))。As a result, the bonding area with the insulating film 2 in the substrate 1
N + -type high-concentration impurity region containing about 19 to 10 20 cm -3 of phosphorus
Form 22a. Similarly, a p + -type high-concentration impurity region 22b containing, for example, boron having the same concentration is formed under the P-channel FET formation region. Thereafter, a resist pattern (not shown) remaining only on the formation regions of both channels is formed.
The SOI film 3 is formed on the SOI film 3 and a part of the SOI film 3 is removed by etching using the resist pattern as a mask to form an element forming region 25 made of the island-shaped SOI film 3. Subsequently, a gate oxide film 26 having a thickness of about 500 ° is formed on the surface of each element formation region 25 (FIG. 8C).
次に、全面にゲート電極8となるポリシリコン膜をCV
D法により堆積形成する。その後、堆積したポリシリコ
ン膜にリンを拡散導入して、ポリシリコン膜を20Ω/□
程度に低抵抗化する。続いて、パターニングされたレジ
ストをマスクとして、ポリシリコン膜の一部をRIE法に
よりエッチング除去し、それぞれの素子形成領域25上の
略中央部に両FETのゲート電極8を形成する(第8図
(d))。Next, a polysilicon film to be the gate electrode 8 is formed on the entire surface by CV.
Deposition is formed by the D method. After that, phosphorus is diffused and introduced into the deposited polysilicon film to form the polysilicon film at 20Ω / □.
The resistance is reduced to the extent. Subsequently, using the patterned resist as a mask, a part of the polysilicon film is removed by etching by the RIE method, and gate electrodes 8 of both FETs are formed at substantially central portions on the respective element formation regions 25 (FIG. 8). (D)).
次に、一方の素子形成領域25のSOI膜3に、例えばヒ
素の不純物を40KV程度の加速電圧で高濃度にイオン注入
する。これにより、NチャネルFET21aのソース領域及び
ドレイン領域27a,28aを形成する。また、他方の素子形
成領域25のSOI膜3に、例えばボロンの不純物を20KV程
度の加速電圧で高濃度にイオン注入する。これにより、
PチャネルFET21bのソース領域及びドレイン領域27b,28
bを形成する(第8図(e))。Next, for example, arsenic impurities are ion-implanted into the SOI film 3 in one element formation region 25 at a high concentration at an acceleration voltage of about 40 KV. Thus, source and drain regions 27a and 28a of the N-channel FET 21a are formed. In addition, for example, boron ions are implanted into the SOI film 3 in the other element formation region 25 at a high concentration at an acceleration voltage of about 20 KV. This allows
Source and drain regions 27b, 28 of P-channel FET 21b
b is formed (FIG. 8 (e)).
次に、全面に例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜9
を堆積形成し、この絶縁膜9に両FETのソース領域及び
ドレイン領域27a,27b,28a,28bに達する深さのコンタク
トホール29と、それぞれの高濃度不純物領域22a,22bに
達する深さのコンタクトホール30を開口形成する(第8
図(e))。Next, an insulating film 9 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the entire surface.
A contact hole 29 having a depth reaching the source and drain regions 27a, 27b, 28a, 28b of both FETs and a contact having a depth reaching the respective high-concentration impurity regions 22a, 22b are formed in the insulating film 9. Open the hole 30 (eighth
Figure (e).
最後に、これらのコンタクトホール29,30を通して電
極配線10,23a,23bを形成し、第8図に示したCMOS構造が
完成する。Finally, electrode wirings 10, 23a, 23b are formed through these contact holes 29, 30, and the CMOS structure shown in FIG. 8 is completed.
なお、第2の発明は、上記実施例に限ることはなく、
例えば基板バイアス電圧が与えられるそれぞれの高濃度
不純物領域の濃度は、基板バイアス電圧が印加された際
に、不純物領域が空乏化されず、FETのチャネル領域に
基板バイアス電圧による電界が有効に作用する程度であ
れば良い。Note that the second invention is not limited to the above embodiment,
For example, the concentration of each of the high-concentration impurity regions to which the substrate bias voltage is applied is such that when the substrate bias voltage is applied, the impurity region is not depleted, and the electric field due to the substrate bias voltage effectively acts on the channel region of the FET. Any degree is acceptable.
また、FETの導電型に対して、高濃度不純物領域の導
電型は、必ずしも一致させることはなく、FETのゲート
電極の材料により適切な導電型を選択するようにすれば
良い。Further, the conductivity type of the high-concentration impurity region does not always match the conductivity type of the FET, and an appropriate conductivity type may be selected according to the material of the gate electrode of the FET.
[発明の効果] 以上説明したように、第1の発明によれば、チャネル
領域よりも狭い帯制帯幅の物質でチャネル領域と接合さ
れる少なくとも一方の不純物領域を形成するようにした
ので、チャネル領域との接合におけるエネルギー障壁を
緩和して、キャリアの蓄積を制御することが可能とな
る。これにより、他方の不純物領域における電界の増大
が抑制され、ドレイン耐圧を向上させることができる。
この結果、SOI構造における半導体装置の高性能化を図
ることができるようになる。[Effects of the Invention] As described above, according to the first invention, at least one impurity region to be joined to the channel region is formed with a material having a narrower band width than the channel region. The energy barrier at the junction with the channel region can be reduced, and the accumulation of carriers can be controlled. Thereby, an increase in the electric field in the other impurity region is suppressed, and the drain withstand voltage can be improved.
As a result, the performance of the semiconductor device in the SOI structure can be improved.
一方、第2の発明によれば、それぞれのFETに対応し
分離されて形成された不純物領域に、それぞれ独立して
所定のバイアス電位を与えるようにしたので、それぞれ
のFETのしきい値電圧を、基板バイアス電位に応じた任
意の値に独立して設定することが可能となる。これによ
り、回路の特徴に応じてしきい値電圧を選択することが
可能となり、回路設計の自由度を大幅に向上できる。こ
の結果、SOI構造における半導体装置の高性能化を図る
ことができるようになる。On the other hand, according to the second invention, a predetermined bias potential is independently applied to each of the impurity regions formed separately corresponding to each FET. Therefore, the threshold voltage of each FET is reduced. , Can be independently set to an arbitrary value according to the substrate bias potential. Thus, the threshold voltage can be selected according to the characteristics of the circuit, and the degree of freedom in circuit design can be greatly improved. As a result, the performance of the semiconductor device in the SOI structure can be improved.
第1図は第1の発明の一実施例に関わる半導体装置の構
造断面図、 第2図は第1図に示す装置のエネルギーバンド図、 第3図は第1図に示す装置と従来装置との電流電圧特性
を示す図、 第4図は第1図に示す装置のドレイン耐圧とドレイン膜
厚との関係を示す図、 第5図は第1図に示す装置の製造方法を示す工程断面
図、 第6図は第2の発明の一実施例に関わる半導体装置の構
造断面図、 第7図は第6図に示す装置のしきい値電圧の特性を示す
図、 第8図は第1図に示す装置の製造方法を示す工程断面
図、 第9図は従来のSOI構造における半導体装置の一構造を
示す断面図、 第10図は従来のSOI構造の半導体装置におけるしきい値
電圧とゲート電極材料との関係を示す図である。 1……半導体基板、2,9……絶縁膜、3……SOI膜、4,1
1,27a,27b……ソース領域、5,12,28a,28b……ドレイン
領域、6……チャネル領域、7,26……ゲート絶縁膜、8
……ゲート電極、10,23a,23b……電極配線、13……ポリ
シリコン膜、14,24……レジスト、21a……NチャネルFE
T、21b……PチャネルFET、22a……n+型の高濃度不純物
領域、22b……p+型の高濃度不純物領域、25……素子形
成領域、29,30……コンタクトホール。FIG. 1 is a structural sectional view of a semiconductor device according to an embodiment of the first invention, FIG. 2 is an energy band diagram of the device shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the drain breakdown voltage and the drain film thickness of the device shown in FIG. 1, and FIG. 5 is a process sectional view showing a method for manufacturing the device shown in FIG. 6, FIG. 6 is a sectional view showing the structure of a semiconductor device according to an embodiment of the second invention, FIG. 7 is a diagram showing the characteristics of the threshold voltage of the device shown in FIG. 6, and FIG. 9 is a cross-sectional view showing one structure of a semiconductor device having a conventional SOI structure. FIG. 10 is a sectional view showing a threshold voltage and a gate electrode of a semiconductor device having a conventional SOI structure. FIG. 3 is a diagram showing a relationship with a material. 1 ... semiconductor substrate, 2,9 ... insulating film, 3 ... SOI film, 4,1
1, 27a, 27b ... source region, 5, 12, 28a, 28b ... drain region, 6 ... channel region, 7, 26 ... gate insulating film, 8
... Gate electrode, 10, 23a, 23b ... Electrode wiring, 13 ... Polysilicon film, 14, 24 ... Resist, 21a ... N-channel FE
T, 21b... P-channel FET, 22a... N + -type high concentration impurity region, 22b... P + -type high concentration impurity region, 25...
Claims (3)
膜に所定距離だけ離間して設けられた一対の第2導電型
の不純物領域と、この両領域に挟まれたチャネル領域上
にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極を備えた
半導体装置において、 少なくとも一方の前記不純物領域は、前記半導体膜より
も禁制帯幅が狭い ことを特徴とする半導体装置。A first conductive type semiconductor film formed on an insulating film and a pair of second conductive type impurity regions provided at a predetermined distance from each other; and a channel region interposed between the pair of second conductive type impurity regions. A semiconductor device provided with a gate electrode formed with a gate insulating film interposed therebetween, wherein at least one of the impurity regions has a narrower forbidden band width than the semiconductor film.
をすべて空乏化できる厚さ以下である ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of said semiconductor film is equal to or less than a thickness capable of completely depleting said channel region.
純物領域は、シリコンとゲルマニウムを含む ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said impurity region having a narrower forbidden band width than said semiconductor film contains silicon and germanium.
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