JP3119370B2 - Insulated gate transistor and semiconductor integrated circuit - Google Patents

Insulated gate transistor and semiconductor integrated circuit

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JP3119370B2
JP3119370B2 JP03052429A JP5242991A JP3119370B2 JP 3119370 B2 JP3119370 B2 JP 3119370B2 JP 03052429 A JP03052429 A JP 03052429A JP 5242991 A JP5242991 A JP 5242991A JP 3119370 B2 JP3119370 B2 JP 3119370B2
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、絶縁ゲートトランジス
タ及びそれを備えた半導体集積回路に関する。
The present invention relates to an insulated gate transistor and a semiconductor integrated circuit having the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のMOS型トランジスタの1つとし
て、エンハンスメント型のMOSトランジスタ(Tr)
が知られている。
2. Description of the Related Art As one of conventional MOS transistors, an enhancement MOS transistor (Tr) is used.
It has been known.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来のMOS Trで
は、キャリアが誘起される反転チャネルの幅は〜100
Å程度の狭い領域であり、その部分の表面に垂直の電解
Vは急峻であり、容易にキャリアの移動度が106V/
cm程度になる。このため、EVの影響がキャリアの移
動度に直接反映されていて、半導体固有の移動度より遅
くなっている。図11に垂直電界EVとキャリアの移動
度について示す。低電界側では基板の不純物で決まるク
ローン散乱が主体となり、中電界でフォノン散乱、高電
界で、表面荒さによる散乱により、移動度が決められて
いる。例えばSiの半導体自体における電子の移動度μ
は、本来的には300°K程度でμ≒1500cm2
V・sec程度であるが、MOS Trでは、動作領域
である中高電界域でせいぜい300〜700cm2/V
・sec程度までしかいかない。
In the conventional MOS Tr, the width of the inversion channel in which carriers are induced is up to 100.
A narrow region of about Å, electrolyte E V perpendicular to the surface of the part is steep, easy mobility of the carrier is 10 6 V /
cm. For this reason, the influence of the E V is not directly reflected in the mobility of the carrier, which is slower than the semiconductor-specific mobility. Shows the mobility of the vertical field E V and carrier 11. On the low electric field side, clone scattering mainly determined by impurities in the substrate is predominant, and the mobility is determined by phonon scattering in a medium electric field and scattering by surface roughness in a high electric field. For example, the electron mobility μ in the Si semiconductor itself
Is originally about 300 ° K and μ ≒ 1500 cm 2 /
Although it is about V · sec, in the MOS Tr, it is at most 300 to 700 cm 2 / V in the middle and high electric field region which is the operation region.
・ It only goes up to about sec.

【0004】従って、本発明の目的は、MOS型Trの
特性を決めている重要なパラメータであるキャリアの移
動度を改善する点にある。
Accordingly, an object of the present invention is to improve carrier mobility, which is an important parameter that determines the characteristics of a MOS transistor.

【0005】本発明の別の目的は、改善されたキャリア
の移動度を示すMOS型Trを提供することにある。
It is another object of the present invention to provide a MOS type transistor exhibiting improved carrier mobility.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の絶縁ゲートトラ
ンジスタ及び絶縁ゲートトランジスタを備えた半導体集
積回路は、下述する構成のものである。即ち、本発明の
絶縁ゲートトランジスタは、第1の導電型のソース領域
及びドレイン領域、該ソース領域及びドレイン領域の間
に形成されるチャネル領域、該チャネル領域を覆う絶縁
層、及び該絶縁層に近接して設けられたゲート電極、を
有する絶縁ゲートトランジスタにおいて、前記チャネル
領域が、前記絶縁層に隣接し、第1の導電型とは異なる
第2の導電型で低抵抗な第1チャネル領域と、該第1チ
ャネル領域に隣接し、第1の導電型で高抵抗な第2チャ
ネル領域と、該第2チャネル領域に隣接し、第2の導電
型の第3チャネル領域とを有し、前記第2チャネル領域
が、前記ソース領域及びドレイン領域の下方にわたり、
これら領域を超えて設けらており、該第2チャネル領域
の不純物濃度が10 15 cm -3 以下であり、該第1チャネ
ル領域の深さが該ソース領域及びドレイン領域の深さよ
りも浅いことを特徴とするものである。本発明の半導体
集積回路は、第1の導電型のソース領域及びドレイン領
域、該ソース領域及びドレイン領域の間に形成されるチ
ャネル領域、該チャネル領域を覆う絶縁層、及び該絶縁
層に近接して設けられたゲート電極、を有する絶縁ゲー
トトランジスタを備えた半導体集積回路において、前記
チャネル領域が、前記絶縁層に隣接し、第1の導電型と
は異なる第2の導電型で低抵抗な第1チャネル領域と、
該第1チャネル領域に隣接し、第1の導電型で高抵抗な
第2チャネル領域と、該第2チャネル領域に隣接し、第
2の導電型の第3チャネル領域とを有し、前記第2チャ
ネル領域が、前記ソース領域及びドレイン領域の下方に
わたり、これら領域を超えて設けらており、該第2チャ
ネル領域の不純物濃度が10 15 cm -3 以下であり、該第
1チャネル領域の深さが該ソース領域及びドレイン領域
の深さよりも浅いことを特徴とするものである。本発明
によると、上記キャリア散乱の原因を取り除き、半導体
材料が本来有しているキャリアの移動度に近づけること
ができる。本発明によって、下記1〜3が達成される。
SUMMARY OF THE INVENTION An insulated gate transistor and a semiconductor integrated circuit having the insulated gate transistor according to the present invention have the following configurations. That is, the insulated gate transistor of the present invention includes a source region and a drain region of the first conductivity type, a channel region formed between the source region and the drain region, an insulating layer covering the channel region, and an insulating layer. An insulated gate transistor having a gate electrode provided in close proximity to the insulating layer, wherein the channel region is adjacent to the insulating layer and has a second channel type having a second conductivity type different from the first conductivity type and a low resistance. A second channel region adjacent to the first channel region and having a first conductivity type and a high resistance; and a third channel region adjacent to the second channel region and having a second conductivity type. A second channel region extends below the source and drain regions;
Over the regions, the impurity concentration of the second channel region is 10 15 cm −3 or less, and the depth of the first channel region is shallower than the depths of the source region and the drain region. It is a feature. A semiconductor integrated circuit according to the present invention includes a source region and a drain region of a first conductivity type, a channel region formed between the source region and the drain region, an insulating layer covering the channel region, and A channel region, wherein the channel region is adjacent to the insulating layer and has a second conductivity type and a low resistance which is different from the first conductivity type. One channel region;
A second channel region adjacent to the first channel region and having a first conductivity type and high resistance; and a third channel region adjacent to the second channel region and having a second conductivity type. A two-channel region is provided below and beyond the source region and the drain region, the impurity concentration of the second channel region is 10 15 cm −3 or less, and the depth of the first channel region is Is shallower than the depth of the source region and the drain region. According to the present invention, the cause of the carrier scattering can be eliminated, and the mobility of carriers inherent in the semiconductor material can be approximated. According to the present invention, the following 1 to 3 are achieved.

【0007】1.クーロン散乱を除去するためにキャリ
ア移動領域の基板の不純物濃度を低下することにより低
電界域の移動度を上げる。
[0007] 1. In order to eliminate Coulomb scattering, the mobility in the low electric field region is increased by lowering the impurity concentration of the substrate in the carrier movement region.

【0008】2.キャリア伝導領域の電界強度を下げ、
且つ、キャリアとじ込め領域の幅を広げることにより、
中電界域の移動度を上げる。
[0008] 2. Lower the electric field strength in the carrier conduction region,
In addition, by expanding the width of the carrier and confinement area,
Increase the mobility in the middle electric field region.

【0009】3.酸化膜と半導体界面付近にキャリアを
存在させず、界面の表面荒さの散乱を低下させることに
よって、高電界域の移動度を改善する。
3. The mobility in the high electric field region is improved by reducing the scattering of the surface roughness of the interface without the presence of carriers near the interface between the oxide film and the semiconductor.

【0010】[0010]

【実施例】図1は本発明の特徴を最もより表わすMOS
型トランジスタの断面図を示している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG.
FIG. 2 shows a cross-sectional view of a type transistor.

【0011】領域1は、P型の基板であり、1014〜1
18cm-3までよい。
The region 1 is a P-type substrate, and 10 14 -1
Good to 0 18 cm -3 .

【0012】領域2は、n-領域であり、1×1017
-3より低い濃度にし、クーロン散乱により移動度の低
下を行なう必要がある。領域3は領域2より不純物濃度
を高くすることにより、表面付近に反転キャリアがとじ
込められないようにする。濃度は1015〜1019cm-3
の範囲である。
The region 2 is an n - region, which is 1 × 10 17 c
It is necessary to make the concentration lower than m −3 and to lower the mobility by Coulomb scattering. The region 3 has an impurity concentration higher than that of the region 2 so that inversion carriers are not trapped near the surface. The concentration is 10 15 -10 19 cm -3
Range.

【0013】領域4はMOSトランジスタのソースある
いはドレインとなる1018〜1021cm-3近傍のn+
域とする。
The region 4 is an n + region in the vicinity of 10 18 to 10 21 cm -3 which becomes the source or drain of the MOS transistor.

【0014】領域5は絶縁膜で、MOS Trのゲート
用絶縁膜である。SiO2、Si3 4、TiO2、TaO
2その他及びその複合膜等が使用できる。
A region 5 is an insulating film, and is a gate of the MOS Tr.
It is an insulating film for use. SiOTwo, SiThreeN Four, TiOTwo, TaO
TwoOthers and composite films thereof can be used.

【0015】領域6はゲート電極であり、P+又はn+
ポリシリコン、n+が短チャネルでは望ましいがn+ポリ
Siでもよい。又はシリサイド、ポリサイド、高融点金
属又はその複合膜等が使用できる。
The region 6 is a gate electrode, and is preferably P + or n + polysilicon, and n + is preferably a short channel, but may be n + poly Si. Alternatively, silicide, polycide, a refractory metal or a composite film thereof can be used.

【0016】領域200は配線、層間等分離する絶縁
膜、領域100はソース、ドレインにオーミック電極配
線となるAL、Al−Si、Cu、ポリSi、シリサイ
ド等の材料を用いる。
The region 200 is made of an insulating film for separating wirings, interlayers, etc., and the region 100 is made of a material such as AL, Al-Si, Cu, poly-Si, silicide, etc., which becomes ohmic electrode wirings for the source and drain.

【0017】図2は、図1のA−A′部の電位図を示
す。
FIG. 2 shows a potential diagram of the section AA 'in FIG.

【0018】図中で20がキャリアである電子を模式的
に表わしている。本発明で重要なのはキャリア電子20
が絶縁膜と半導体界面から離れて走行することが重要で
ある。これにより、界面の凹凸によるキャリアの散乱を
減少することができる。
In the figure, reference numeral 20 denotes an electron which is a carrier. It is important in the present invention that the carrier electrons 20
Is important to travel away from the interface between the insulating film and the semiconductor. As a result, carrier scattering due to unevenness at the interface can be reduced.

【0019】さらに、そのキャリアの走行領域の幅及び
不純物濃度の制御によりキャリアの散乱原因を取り除く
ことができる。
Further, by controlling the width of the traveling region of the carrier and the impurity concentration, the cause of carrier scattering can be eliminated.

【0020】MOSトランジスタのドレイン電流は近似
的に次式で表わされる。線形領域で IDL=μeff・W/L・εOX/TOX・VD(VG−Vth) (1) 飽和領域で IDS=1/2μeff・W/L・εOX/TOX(VG−Vth2 (2) 但し、ID2、ID5:線形、飽和、領域のドレイン電流 μeff:実効移動度、W:ゲート幅、L:ゲート長 εOX:酸化膜の誘電率、TOX:酸化膜の厚み VD:ドレイン電圧、VG:ゲート電圧、Vth:しきい値
電圧
The drain current of a MOS transistor is approximately expressed by the following equation. Linear region I DL = μ eff · W / L · ε OX / T OX · V D (V G -V th) (1) saturation region in I DS = 1 / 2μ eff · W / L · ε OX / T OX (V G -V th) 2 (2) where, I D2, I D5: linear, saturated, the drain current of the region mu eff: effective mobility, W: gate width, L: gate length epsilon OX: oxide film dielectric constant, T OX: thickness of oxide film V D: drain voltage, V G: gate voltage, V th: threshold voltage

【0021】超高集積化されるMOSトランジスタにお
いては、一般的にゲート幅Lを小さくすることが最も重
要視されている。それに従ってTOXの薄膜化、且つ、ソ
ースドレインのパンチスルーを防止するためにチャネル
部の不純物密度も行なわれている。不純物密度を上げて
いるためにキャリア移動度を下げている。
In MOS transistors that are to be highly integrated, reducing the gate width L is generally regarded as the most important. Accordingly, in order to reduce the thickness of T OX and prevent punch-through of the source / drain, the impurity density of the channel portion is also increased. The carrier mobility is reduced because the impurity density is increased.

【0022】我々は、上記のデバイスの駆動力を増大さ
せるために、キャリアの移動度μeffを改善する。
We improve the carrier mobility μ eff in order to increase the driving force of the device described above.

【0023】又、μeffを改善することで、キャリアの
走行時間が短かくなることにより、デバイスの高速化に
も大きく寄与する。
Further, by improving μ eff , the traveling time of carriers is shortened, which greatly contributes to speeding up of the device.

【0024】MOSトランジスタにおける一般的に述べ
られているキャリア散乱について述べ、本発明を説明し
てゆく。
The present invention will now be described with reference to carrier scattering generally described in MOS transistors.

【0025】最もよく知られているキャリアの散乱は、
第1に格子振動すなわちフォノンによる散乱、第2に基
板の不純物イオンによる散乱がある。フォノンによる散
乱ではドリフト電界の低いときには μLα(m*-5/2-3/2 (3) のように温度Tの−3/2乗に比例、有効質量(m*)
には−5/2乗に比例する。不純物イオン散乱による移
動度μiは μiα(m*-1/2-1 I3/2 (4) のように、T3/2に比例、イオン化した不純物濃度NI
逆比例する。
The best known carrier scattering is
First, there is scattering due to lattice vibration, that is, phonons, and second, there is scattering due to impurity ions on the substrate. Proportional to the -3/2 power of the temperature T as in the scattering by phonons is when low drift field μ L α (m *) -5/2 T -3/2 (3), the effective mass (m *)
Is proportional to −5/2 power. As the mobility mu i due to the impurity ions scattering μ i α (m *) -1/2 N -1 I T 3/2 (4), proportional to T 3/2, contrary to the impurity concentration N I ionized Proportional.

【0026】両者が混在するときの移動度μは μ=(1/μl+1/μi-1 (5) で表わされる。低温ではμiが支配的で、高温ではμl
支配的である。図4は不純物密度に対するキャリアの移
動度を示している。
The mobility mu of when both are mixed represented by μ = (1 / μ l + 1 / μ i) -1 (5). At low temperatures, μ i dominates and at high temperatures μ l dominates. FIG. 4 shows the carrier mobility with respect to the impurity density.

【0027】望ましくは1016α以下でないと、半導体
固有に近い移動度は出すことができない。1017cm-3
以上において、顕著に移動度が低下していることが明ら
かである。半導体基板内部における移動度についての説
明であるが、MOSトランジスタは表面デバイスである
ため、他の特有な現象が表れる。
If it is not less than 10 16 α, mobility close to intrinsic to the semiconductor cannot be obtained. 10 17 cm -3
In the above, it is clear that the mobility is significantly reduced. This is an explanation of the mobility inside the semiconductor substrate. However, since the MOS transistor is a surface device, another unique phenomenon appears.

【0028】通常MOSの表面近傍の表面に垂直方向の
電位図は、図3(左図は右図F部の拡大図)に示す如く
であり、キャリアは位置エネルギφ(x)と運エネルギ
ー1/2mvx2の和で表わされる。すなわち、xの谷
の方向に電子は加速される。そのため、x方向の電界で
加速され高いエネルギーをもった電子は表面に衝突し運
動エネルギーを失って熱平衝状態にもどり、ランダムな
方向に散乱される。そのために、y方向に流れているキ
ャリアの移動度は低下する。これを分散散乱モデルと言
い、モデルに従うと μSS/μB=1−e×p(α2)〔1−erf(α)〕 (6) 但し、μB:バルク移動度、μSS:分散散乱移動度
A potential diagram in the direction perpendicular to the surface near the surface of the normal MOS is as shown in FIG. 3 (the left diagram is an enlarged view of a portion F in the right diagram), and the carrier has potential energy φ (x) and transport energy 1 / represented by the sum of 2mvx 2. That is, the electrons are accelerated in the direction of the valley of x. Therefore, electrons having high energy accelerated by the electric field in the x direction collide with the surface, lose kinetic energy, return to a thermal equilibrium state, and are scattered in random directions. As a result, the mobility of carriers flowing in the y direction decreases. This is called a dispersion scattering model, and according to the model, μ SS / μ B = 1−ep × (α 2 ) [1-erf (α)] (6) where μ B : bulk mobility, μ SS : dispersion Scattering mobility

【0029】[0029]

【外1】 k:ボルツマン定攻、T:絶対温度、EX:垂直電界、
τ:緩和時間である。垂直電界Exが大となると、散乱
が大となり、μeffは低下する。
[Outside 1] k: Boltzmann TeiOsamu, T: absolute temperature, E X: vertical electric field,
τ: relaxation time. When the vertical electric field E x is large, it becomes scattered large, mu eff decreases.

【0030】表面の起伏による散乱も表面特有の散乱メ
カニズムとして重要なメカニズムである。Si−SiO
2界面は完全に平坦とは言えず、高さ数nm、周期〜1
0nmのわずかな起伏が存在する。この起伏の程度は表
面における電子波の波長(〜10nm)に比べて無視で
きない値であるため、電子はこの起伏によって散乱をう
ける。
Scattering due to unevenness of the surface is also an important mechanism as a scattering mechanism peculiar to the surface. Si-SiO
2 The interface is not completely flat, several nanometers in height, period ~ 1
There is a slight undulation of 0 nm. Since the degree of the undulation is not negligible compared to the wavelength of the electron wave (〜1010 nm) on the surface, the electrons are scattered by the undulation.

【0031】定性的には図11に示したような電界依存
性となる。これらのすべての問題を解決しようとするの
が本発明である。図1の断面図に示した如く、ゲート電
極Fの不純物分布を作成し、図2に示した如くのポテン
シャル分布にし、キャリアを界面から離れた位置で走行
させる。本質的な点は、キャリアの走行領域の不純物濃
度の低い領域で作成する。不純物濃度は1017cm-3
下がよく、さらに望ましくは1016cm-3以下がよい。
この濃度以下とすることにより、不純物散乱を低下させ
る。n-領域の深さは少なくとも、ソース、ドレイン領
域より浅くし、ソース、ドレインのパンチスルーはおさ
える必要がある。
Qualitatively, there is an electric field dependence as shown in FIG. The present invention seeks to solve all these problems. As shown in the cross-sectional view of FIG. 1, an impurity distribution of the gate electrode F is created, the potential distribution is made as shown in FIG. 2, and carriers are caused to travel at a position away from the interface. The essential point is that it is formed in a region where the impurity concentration is low in the carrier traveling region. The impurity concentration is preferably 10 17 cm -3 or less, and more preferably 10 16 cm -3 or less.
By setting the concentration to be equal to or less than this concentration, impurity scattering is reduced. It is necessary that the depth of the n region is at least shallower than that of the source and drain regions, and that the punch through of the source and drain is suppressed.

【0032】n-領域はオフ・ゲート電圧時には空乏化
した、ノーマリ・オフ型MOSトランジスタにしておく
エンハンスメント型トランジスタである。従来の埋め込
み型MOS Trと異なり、n領域ゲート電圧印加と電
極と半導体のフェルミ電位を考慮に入れない場合は、半
導体Pn接合による空乏層の拡がりだけを考えに入れれ
ばよい。Pn接合のn型領域に拡がる空乏層厚みは、
The n - region is an enhancement type transistor which is depleted at the time of an off-gate voltage and is a normally-off type MOS transistor. Unlike the conventional buried MOS Tr, when the application of the n-region gate voltage and the Fermi potential of the electrode and the semiconductor are not taken into account, only the expansion of the depletion layer due to the semiconductor Pn junction needs to be taken into account. The thickness of the depletion layer extending to the n-type region of the Pn junction is

【0033】[0033]

【外2】 で表わされる。Vbi:拡散電位、NA、ND:P、n型不
純物濃度、εS:誘電率、q:電荷
[Outside 2] Is represented by V bi : diffusion potential, N A , N D : P, n-type impurity concentration, ε S : dielectric constant, q: electric charge

【0034】n型であるので、領域1と領域3のP型の
不純物濃度をP1、P2とすると、n型領域の厚みは、少
なくとも xn(ND)<xnl(ND、NAl)+xn2(ND、NA2) (9) としなければならない。
Since the region 1 and the region 3 have the P-type impurity concentrations of P 1 and P 2 , the thickness of the n-type region is at least x n (N D ) <x nl (N D , N Al ) + x n2 (N D , N A2 ) (9)

【0035】表面のP+高濃度領域(3)は50〜10
0Å以上にする。少なくとも走行キャリアの平均自由工
程以上にして、SiO2とSiの界面で散乱する確率を
小さくする方がよい。不純物濃度については、領域2の
1桁以上にした方がよい。酸化膜と半導体の界面は空乏
化していても、中性でもよい。
The P + high concentration region (3) on the surface is 50 to 10
0 ° or more. It is better to reduce the probability of scattering at the interface between SiO 2 and Si by at least the mean free path of the traveling carrier. It is preferable that the impurity concentration be one digit or more in the region 2. The interface between the oxide film and the semiconductor may be depleted or neutral.

【0036】領域3も空乏化している方がゲート容量が
低くなり、高速対応となり、すぐれている。ゲート電極
に電圧を印加していった時、誘起キャリアが領域3に生
成されてはならない。領域2に生成されなければならな
い。すなわち、自由キャリアを生成するには、本来その
領域の不純物濃度によってきまるフェルミ・レベルφF
を−2φF以上にしたときに強い反転が生じ、MOSト
ランジスタを動作させるキャリアが生じる。n型領域の
場合は禁制帯の中間より上にあれば、自由キャリアを生
成しはじめる。
When the region 3 is also depleted, the gate capacitance is reduced, and high-speed operation is possible, which is excellent. When a voltage is applied to the gate electrode, induced carriers must not be generated in the region 3. Must be created in region 2. That is, in order to generate free carriers, the Fermi level φ F which is originally determined by the impurity concentration of the region.
Is set to −2φ F or more, strong inversion occurs, and carriers for operating the MOS transistor are generated. In the case of the n-type region, if it is above the middle of the forbidden band, generation of free carriers starts.

【0037】図5は、Siに対して横軸温度(°K)、
縦軸フェルミレベルの変化を示している。図中、n型、
P型に対する不純物密度をパラメータとしている。領域
2のn型半導体領域ではEF−Eiで表わされるフェルミ
レベルが中間より上にあれば、自由キャリアはMOSト
ランジスタのソースから供給される。EF−Eiが0.3
lV程度になると1015cm-3程度の自由キャリアが供
給される。領域3のP+領域に自由キャリアを生成する
には、例えば、P+=1018cm-3とすると、12φF
するには+1.0lV程度にしないと自由キャリアが領
域3に生成できないことが図5から説明できる。
FIG. 5 shows the temperature (° K) on the horizontal axis with respect to Si,
The vertical axis indicates a change in Fermi level. In the figure, n-type,
The impurity density for the P type is used as a parameter. If above the Fermi level than the intermediate in the n-type semiconductor region of the region 2 represented by E F -E i, free carriers supplied from the source of the MOS transistor. E F -E i is 0.3
At about 1 V, free carriers of about 10 15 cm -3 are supplied. To generate the free carriers in the P + region of the region 3, for example, P + = 10 18 When cm -3, generated free carriers region 3 when To 12Fai F is not about +1.0 l V The inability to do so can be explained from FIG.

【0038】図6が図1のA→A′方向断面の理想的不
純物密度分布である。表面に濃度の高いP+領域、濃度
の低いキャリア走行領域、中間的濃度の基板領域の3領
域より成っている。(図6中、実線は理想段階状分布、
破線は実際の不純物分布)。
FIG. 6 shows an ideal impurity density distribution in a section taken along the line A → A ′ in FIG. On the surface, there are three regions: a high concentration P + region, a low concentration carrier traveling region, and a medium concentration substrate region. (In FIG. 6, the solid line is the ideal stepwise distribution,
The broken line is the actual impurity distribution).

【0039】しきい値電圧は、近似的に次のように示す
ことができる。
The threshold voltage can be approximately expressed as follows.

【0040】まず表面の2領域の不純物の積分値DI
とり
First, an integral value D I of impurities in two regions on the surface is obtained.

【0041】[0041]

【外3】 [Outside 3]

【0042】(11)式によって、しきい値電圧の変化
分が近似的に求めることができる。但し、これは、空乏
層厚みx0lがx2より深く、かつ、P+の表面層が空乏化
した場合である。最終的しきい値は Vth=Vth(N3)+ΔVth (12) と表わすことができる。基板濃度N3によって決まるV
th(N3)をΔVthだけシフトすることに近い。
From equation (11), the change in threshold voltage can be approximately determined. However, this is the case where the depletion layer thickness x 0l is deeper than x 2 and the P + surface layer is depleted. The final threshold can be expressed as V th = V th (N 3 ) + ΔV th (12) V determined by substrate concentration N 3
This is close to shifting th (N 3 ) by ΔV th .

【0043】ΔVth=0とすることは容易で、DI=0
とするようにN1、N2、x1、x2を設定することででき
る。そのときは基板の濃度によって、Vthを決めること
ができる。又、電極に使用した材料によって、半導体と
のフェルミレベルの差φmsが異なるが、それに応じて、
しきい値制御も表面のP+の濃度厚みの制御によって式
(11)を使って容易に行なうことができる。
It is easy to set ΔV th = 0, and D I = 0
N 1 , N 2 , x 1 , and x 2 can be set as follows. In that case, V th can be determined by the concentration of the substrate. In addition, the difference of the Fermi level with the semiconductor φ ms differs depending on the material used for the electrode.
The threshold value control can also be easily performed by controlling the P + concentration thickness on the surface by using the equation (11).

【0044】図1の製造工程 (1)P型基板1(1014〜1018cm-3)あるいはP
型領域を拡散法等により作成した後、エピタキシャル法
により厚み1μm以下程度で不純物濃度1017cm-3
下でn領域2を作成する。 (2)素子分離領域50を選択酸化法等を使って作成 (3)ゲート酸化膜あるいは絶縁層5を酸化法等によっ
て作成。 (4)表面にイオン注入法によってBF+ 2を5KlV〜
100KlV程度の加速電圧で、1E11〜1E13c
-2程度のドーズ量でイオン注入する。熱処理は800
〜900℃の熱処理あるいは950〜1050℃程度の
急速加熱(RTA)法により行なう。 (5)ゲート電極6をP+ポリシリコンを推積後、パタ
ーニングにより作成。 (6)ゲート電極6をマスクにしてセルフアラインによ
って、リン(P+)あるいはヒ素(A+ S)等の不純物を
イオン注入後、RTA熱処理した後、作成。 (7)層間分離、配線分離用の絶縁膜200を推積後、
アニールしてから、コンタクト穴をあける。 (8)金属電極をスパッタ、あるいは化学推積(CV
D)法によって推積後、パターニングして作成。
Manufacturing Process of FIG. 1 (1) P-type substrate 1 (10 14 to 10 18 cm −3 ) or P
After forming a mold region by a diffusion method or the like, an n region 2 is formed by an epitaxial method with a thickness of about 1 μm or less and an impurity concentration of 10 17 cm −3 or less. (2) The element isolation region 50 is formed by a selective oxidation method or the like. (3) The gate oxide film or the insulating layer 5 is formed by an oxidation method or the like. (4) The BF + 2 5K l V~ the surface by ion implantation
At an accelerating voltage of about 100K l V, 1E11~1E13c
Ion implantation is performed at a dose of about m -2 . Heat treatment is 800
It is performed by a heat treatment at about 900 ° C. or a rapid heating (RTA) method at about 950 to 1050 ° C. (5) The gate electrode 6 is formed by patterning after depositing P + polysilicon. (6) Self-aligned ion implantation of impurities such as phosphorus (P + ) or arsenic (A + S ) using the gate electrode 6 as a mask, and RTA heat treatment. (7) After depositing the insulating film 200 for interlayer separation and wiring separation,
After annealing, make contact holes. (8) Sputter metal electrodes or chemical deposition (CV
D) Produced by patterning after deposition by the method.

【0045】図1の素子は上記のプロセスにより作成さ
れる。
The device shown in FIG. 1 is manufactured by the above process.

【0046】しかし、CMOS、B:CMOS等のプロ
セスでは、さらに複雑に改良されてゆく。
However, processes such as CMOS and B: CMOS are more complicated and improved.

【0047】本発明で最も重要なのは、領域2、3の不
純物濃度、厚みであって、不純物分布を保持するために
低温エピタキシャル法(800〜950℃)、低温熱処
理(800〜950℃)、RTA法の適用が必要であ
る。
The most important factors in the present invention are the impurity concentration and the thickness of the regions 2 and 3, and the low-temperature epitaxial method (800 to 950 ° C.), the low-temperature heat treatment (800 to 950 ° C.), the RTA It is necessary to apply the law.

【0048】図7は本発明のMOSFETの移動度を示
している。(図中の特性曲線71)。
FIG. 7 shows the mobility of the MOSFET of the present invention. (Characteristic curve 71 in the figure).

【0049】これは、従来の通常のn型MOSFETに
比較し、向上している(従来のMOSの特性は特性曲線
72である)。
This is improved as compared with the conventional ordinary n-type MOSFET (the characteristic of the conventional MOS is a characteristic curve 72).

【0050】(他の実施例)図8は第2の実施例であ
る。
(Other Embodiment) FIG. 8 shows a second embodiment.

【0051】n-領域の濃度が極めて低い場合、例えば
1015cm-3より低い場合は空乏層Xが拡がりやすいた
め、ソースドレインよりもn-領域は深くてもよい。
When the concentration of the n region is extremely low, for example, when it is lower than 10 15 cm −3 , the depletion layer X tends to spread, so that the n region may be deeper than the source and drain.

【0052】このようなデバイスでは素子分離領域の下
にチャネルストップ領域10を必ず入れる必要が出てく
る。ソース・ドレイン下の空乏層Xの容量も極めて減少
し、高速化可能である。SOIにおいてと同様な効果が
生ずる。
In such a device, it is necessary to insert the channel stop region 10 below the element isolation region. The capacity of the depletion layer X under the source / drain is also extremely reduced, and the speed can be increased. The same effect as in SOI occurs.

【0053】図9は2の領域の上層にn領域をさらに作
成し、P+n領域の電界を急にしている。但し、n--
領域全体共全部空乏化している。2と2′が反対になっ
ていても、かまわない。
FIG. 9 shows that an n-region is further formed in the upper layer of the region 2 and the electric field in the P + n region is increased. However, n - n -
The entire area is completely depleted. It does not matter if 2 and 2 'are reversed.

【0054】図10はリセス型MOSトランジスタの実
施例である。短チャネル化において有利である。同様に
-中はチャネル領域は少なくとも空乏化している。
FIG. 10 shows an embodiment of a recess type MOS transistor. This is advantageous in shortening the channel. Similarly, the channel region is at least depleted during n .

【0055】本発明は、n型MOSトランジスタについ
て記述したが、P型MOSトランジスタに適用できるの
は当然である。その場合本発明の実施例において、nと
P型はすべて反対となる。
Although the present invention has been described with reference to an n-type MOS transistor, it is naturally applicable to a p-type MOS transistor. In that case, in the embodiment of the present invention, n and P types are all opposite.

【0056】又、Si材料のみについて述べたが他のG
aAS、GaP等、他の材料についても適用できるのは
明らかである。
Although only the Si material has been described,
aA S, GaP, etc., it is apparent also applicable to other materials.

【0057】[0057]

【発明の効果】・界面散乱、電界緩和、イオン散乱の低
減により、移動度が昇上する。−gmが大となる。
According to the present invention, the mobility increases due to the reduction of interface scattering, electric field relaxation and ion scattering. -G m is large.

【0058】・ドレイン側の電界も緩和されるため、ソ
ース、ドレイン間耐圧も昇上する。このため、短チャネ
ルデバイスにしたとき、ホットキャリアの生成も少なく
なる。ゲートとドレイン間の電界分布がゆるやかにする
ことができる。LDD構造のように直列抵抗が高くなら
ない。LDDはソース側にn−領域の直列抵抗をソース
の中に有してしまう。本発明では、n-は空乏化してい
るチャネルであり、直列抵抗として作用しない。
Since the electric field on the drain side is also reduced, the breakdown voltage between the source and the drain also increases. Therefore, when a short channel device is used, generation of hot carriers is reduced. The electric field distribution between the gate and the drain can be made gentle. The series resistance does not increase unlike the LDD structure. The LDD has an n-region series resistance in the source on the source side. In the present invention, n is a depleted channel and does not act as a series resistor.

【0059】・ドレイン下も空乏化する型のMOSトラ
ンジスタでは、接合容量が減少し、超高速化に対応でき
るデバイスとなる。又、この型ではドレイン耐圧もさら
に増加する。
In a MOS transistor in which the area under the drain is depleted, the junction capacitance is reduced, and the device can respond to ultra-high speed operation. In this type, the drain withstand voltage is further increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のMOS型トランジスタの断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view of a MOS transistor according to the present invention.

【図2】図1のA−A′部の電位図。FIG. 2 is a potential diagram of an AA 'part of FIG.

【図3】運動エネルギーの説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram of kinetic energy.

【図4】不純物密度に対するキャリア移動度の図。FIG. 4 is a graph of carrier mobility with respect to impurity density.

【図5】Siにおける温度(°/C)に対するフェルミ
レベルの変化を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a change in Fermi level with respect to temperature (° / C) in Si.

【図6】図1のA−A′方向断面の不純物密度分布図。FIG. 6 is an impurity density distribution diagram of a cross section taken along line AA ′ of FIG. 1;

【図7】本発明のMOSFETのキャリア移動度を示す
図。
FIG. 7 is a graph showing carrier mobility of a MOSFET according to the present invention.

【図8】本発明の第2の実施例の断面図。FIG. 8 is a sectional view of a second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第3の実施例の断面図。FIG. 9 is a sectional view of a third embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第4の実施例の断面図。FIG. 10 is a sectional view of a fourth embodiment of the present invention.

【図11】実効電界に対するキャリア移動度を示す図。FIG. 11 is a diagram showing carrier mobility with respect to an effective electric field.

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 第1の導電型のソース領域及びドレイン
領域、該ソース領域及びドレイン領域の間に形成される
チャネル領域、該チャネル領域を覆う絶縁層、及び該絶
縁層に近接して設けられたゲート電極、を有する絶縁ゲ
ートトランジスタにおいて、前記チャネル領域が、前記
絶縁層に隣接し、第1の導電型とは異なる第2の導電型
で低抵抗な第1チャネル領域と、該第1チャネル領域に
隣接し、第1の導電型で高抵抗な第2チャネル領域と、
該第2チャネル領域に隣接し、第2の導電型の第3チャ
ネル領域とを有し、前記第2チャネル領域が、前記ソー
ス領域及びドレイン領域の下方にわたり、これら領域を
超えて設けらており、該第2チャネル領域の不純物濃度
10 15 cm -3 以下であり、該第1チャネル領域の深さ
が該ソース領域及びドレイン領域の深さよりも浅いこと
を特徴とする絶縁ゲートトランジスタ。
1. A source region and a drain region of a first conductivity type, a channel region formed between the source region and the drain region, an insulating layer covering the channel region, and an insulating layer provided in proximity to the insulating layer. An insulated gate transistor having a gate electrode, wherein the channel region is adjacent to the insulating layer and has a second conductivity type and a low resistance, which is different from the first conductivity type; A second channel region adjacent to the region and having a first conductivity type and high resistance;
A third channel region of a second conductivity type, adjacent to the second channel region, wherein the second channel region is provided below and beyond the source and drain regions. And an impurity concentration of the second channel region is 10 15 cm −3 or less, and a depth of the first channel region is smaller than a depth of the source region and the drain region.
【請求項2】 第1の導電型のソース領域及びドレイン
領域、該ソース領域及びドレイン領域の間に形成される
チャネル領域、該チャネル領域を覆う絶縁層、及び該絶
縁層に近接して設けられたゲート電極、を有する絶縁ゲ
ートトランジスタを備えた半導体集積回路において、前
記チャネル領域が、前記絶縁層に隣接し、第1の導電型
とは異なる第2の導電型で低抵抗な第1チャネル領域
と、該第1チャネル領域に隣接し、第1の導電型で高抵
抗な第2チャネル領域と、該第2チャネル領域に隣接
し、第2の導電型の第3チャネル領域とを有し、前記第
2チャネル領域が、前記ソース領域及びドレイン領域の
下方にわたり、これら領域を超えて設けらており、該第
2チャネル領域の不純物濃度が10 15 cm -3 以下であ
り、該第1チャネル領域の深さが該ソース領域及びドレ
イン領域の深さよりも浅いことを特徴とする絶縁ゲート
トランジスタを備えた半導体集積回路。
2. A source region and a drain region of a first conductivity type, a channel region formed between the source region and the drain region, an insulating layer covering the channel region, and an insulating layer provided close to the insulating layer. A semiconductor integrated circuit having an insulated gate transistor having a gate electrode, wherein the channel region is adjacent to the insulating layer and has a second conductivity type different from the first conductivity type and a low resistance first channel region. And a second channel region adjacent to the first channel region and having a first conductivity type and high resistance; and a third channel region adjacent to the second channel region and having a second conductivity type. the second channel region over the lower of the source and drain regions, and et provided beyond these region, the impurity concentration of the second channel region is at 10 15 cm -3 or less, said first channel region The semiconductor integrated circuit having an insulated gate transistor depth is equal to or shallower than the depth of the source and drain regions.
【請求項3】 ゲート印加電圧が零で、前記第2チャネ
ル領域が空乏化しているMISトランジスタを含む請求項
2に記載の半導体集積回路。
3. The semiconductor integrated circuit according to claim 2, further comprising an MIS transistor having a gate applied voltage of zero and said second channel region being depleted.
【請求項4】 前記第1チャネル領域と第2チャネル領
域の間に、第1導電型の第4チャネル領域を有するMIS
トランジスタを含む請求項2又は3に記載の半導体集積
回路。
4. An MIS having a first conductivity type fourth channel region between the first channel region and the second channel region.
4. The semiconductor integrated circuit according to claim 2, comprising a transistor.
【請求項5】 前記ゲート電極に電圧印加した動作時
に、前記チャネル領域の電位分布が表面側で高く、キャ
リアが、界面から少なくともキャリアの平均自由工程よ
りも深い所を流れるMISトランジスタを含む請求項2に
記載の半導体集積回路。
5. The MIS transistor according to claim 1, wherein the potential distribution of the channel region is higher on the surface side when the voltage is applied to the gate electrode, and the carrier includes an MIS transistor flowing from the interface at least deeper than the mean free path of the carrier. 3. The semiconductor integrated circuit according to item 2.
【請求項6】 前記MISトランジスタが、エンハンスメ
ント型トランジスタである請求項5に記載の半導体集積
回路。
6. The semiconductor integrated circuit according to claim 5, wherein said MIS transistor is an enhancement type transistor.
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