JP3423859B2 - Method for manufacturing field effect semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing field effect semiconductor device

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JP3423859B2
JP3423859B2 JP16360097A JP16360097A JP3423859B2 JP 3423859 B2 JP3423859 B2 JP 3423859B2 JP 16360097 A JP16360097 A JP 16360097A JP 16360097 A JP16360097 A JP 16360097A JP 3423859 B2 JP3423859 B2 JP 3423859B2
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mos transistor
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直人 松尾
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電界効果型半導体
の製造方法に関する。
The present invention relates to a method for producing a field effect semiconductor <br/> equipment.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、LSI(大規模集積回路)の高集
積化および高速化のために素子の微細化が急速に図られ
ている。素子の微細化の際に良好な素子性能および回路
性能を実現するための方法として、素子寸法およびそれ
に関係するパラメータを適正に縮小または増加させる比
例縮小則(スケーリングルール)が提案されている。
2. Description of the Related Art In recent years, miniaturization of elements has been rapidly promoted for high integration and high speed of LSI (Large Scale Integrated Circuit). A proportional reduction rule (scaling rule) for appropriately reducing or increasing the element size and the parameters related thereto has been proposed as a method for realizing good element performance and circuit performance when the element is miniaturized.

【0003】しかし、実際には、すべてのパラメータを
この比例縮小則に沿うように変化させることは困難であ
る。特に、電源電圧は、周辺回路における電源電圧の要
請により素子寸法に比例して低減することができない。
そのため、電源電圧を一定のままで素子寸法を縮小する
ことになり、比例縮小則から外れることになる。
However, in practice, it is difficult to change all the parameters so as to comply with the proportional reduction rule. In particular, the power supply voltage cannot be reduced in proportion to the element size due to the demand for the power supply voltage in the peripheral circuits.
Therefore, the device size is reduced with the power supply voltage kept constant, which is outside the proportional reduction rule.

【0004】その結果、金属−酸化膜−半導体電界効果
トランジスタ(以下、MOSトランジスタと呼ぶ。)等
の電界効果型半導体装置では、素子の微細化に伴ってホ
ットキャリアによる素子特性の変動やゲート酸化膜の絶
縁破壊を引き起こす短チャネル効果が発生する。
As a result, in a field effect semiconductor device such as a metal-oxide film-semiconductor field effect transistor (hereinafter referred to as a MOS transistor), fluctuations in element characteristics due to hot carriers and gate oxidation are accompanied by miniaturization of elements. A short channel effect occurs that causes dielectric breakdown of the film.

【0005】このような短チャネル効果を抑制するため
に、LDD(Lightly Doped Drain)構造が用いられて
いる。図16はLDD構造を有する従来のMOSトラン
ジスタの構造を示す模式的断面図である。
In order to suppress such a short channel effect, an LDD (Lightly Doped Drain) structure is used. FIG. 16 is a schematic sectional view showing a structure of a conventional MOS transistor having an LDD structure.

【0006】図16において、p型シリコン基板31の
表面に所定間隔を隔ててn+ 層からなるソース領域34
およびドレイン領域35が形成されている。ソース領域
34とドレイン領域35との間におけるシリコン基板3
1の領域がチャネル領域37となる。チャネル領域37
上にはゲート酸化膜32を介してゲート電極33が形成
されている。ゲート電極33の両側面にはそれぞれ絶縁
膜38a,38bが形成されている。
In FIG. 16, a source region 34 made of an n + layer is formed on the surface of a p-type silicon substrate 31 with a predetermined space therebetween.
And a drain region 35 is formed. Silicon substrate 3 between source region 34 and drain region 35
The region 1 corresponds to the channel region 37. Channel region 37
A gate electrode 33 is formed on the gate oxide film 32. Insulating films 38a and 38b are formed on both side surfaces of the gate electrode 33, respectively.

【0007】ソース領域34の端部およびドレイン領域
35の端部には、チャネル方向に向かって広がる不純物
濃度の低いn- 層36a,36bがそれぞれ形成されて
いる。
At the end of the source region 34 and the end of the drain region 35, n layers 36a and 36b having a low impurity concentration and spreading in the channel direction are formed, respectively.

【0008】図16のMOSトランジスタにおいては、
ドレイン領域35とソース領域34との間にドレイン電
圧を印加した際に、比較的抵抗値の高いn- 層36a,
36bによりドレイン領域35の端部近傍で生じる電界
の急激な増加が抑制される。それにより、MOSトラン
ジスタの高耐圧化およびホットキャリアの抑制が実現さ
れる。
In the MOS transistor of FIG. 16,
When a drain voltage is applied between the drain region 35 and the source region 34, the n layer 36a having a relatively high resistance value,
36b suppresses an abrupt increase in the electric field generated near the end of the drain region 35. As a result, high breakdown voltage of the MOS transistor and suppression of hot carriers are realized.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、LDD
構造を有する従来のMOSトランジスタにおいては、n
- 層36a,36bを精度良く形成することが困難であ
る。n- 層36a,36b間の距離がばらつくと、チャ
ネル抵抗が変化する。それにより、MOSトランジスタ
の特性がばらつくという問題がある。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention
In a conventional MOS transistor having a structure, n
-It is difficult to accurately form the layers 36a and 36b
It n-If the distance between the layers 36a and 36b varies, the char
The flannel resistance changes. Thereby, the MOS transistor
However, there is a problem that the characteristics of are different.

【0010】本発明の目的は、短チャネル効果を抑制す
ることが可能でかつ精度良く作製することができる電界
効果型半導体装置の製造方法を提供することである。
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a field effect semiconductor device which can suppress the short channel effect and can be manufactured with high accuracy.

【0011】[0011]

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段および発明の効果】本発明
に係る電界効果型半導体装置の製造方法は、半導体基板
または半導体層上にゲート絶縁膜およびゲート電極を順
に形成する工程と、ゲート絶縁膜の両側における半導体
基板または半導体層にそれぞれソース領域およびドレイ
ン領域を形成する工程と、ゲート絶縁膜およびゲート電
極の両側面に第1の材料層を形成する工程と、半導体基
板または半導体層の上面に第2の材料層を形成する工程
と、ゲート絶縁膜およびゲート電極の両側面に形成され
た第1の材料層を除去する工程と、半導体基板または半
導体層上の第2の材料層をエッチングにより除去するこ
とにより、ゲート絶縁膜の両側面の近傍における半導体
基板または半導体層にそれぞれ第1および第2の溝を設
ける工程と、半導体基板または半導体層に設けられた第
1および第2の溝内にそれぞれ第1および第2のトンネ
ル絶縁膜を形成する工程とを備えたものである。
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention
A method of manufacturing a field effect semiconductor device according to
Alternatively, a gate insulating film and a gate electrode are sequentially formed on the semiconductor layer.
And the semiconductor on both sides of the gate insulating film
The source region and the drain are respectively formed on the substrate or the semiconductor layer.
Process for forming the gate region, the gate insulating film and the gate electrode.
Forming a first material layer on both sides of the pole, and a semiconductor substrate
Forming a second material layer on the top surface of the plate or semiconductor layer
And formed on both sides of the gate insulating film and the gate electrode.
Removing the first material layer and the semiconductor substrate or semi-finished
The second material layer on the conductor layer may be removed by etching.
The semiconductor near the both sides of the gate insulating film.
First and second grooves are provided in the substrate or the semiconductor layer, respectively.
And the step provided on the semiconductor substrate or the semiconductor layer.
First and second tunnels are provided in the first and second grooves, respectively.
And a step of forming a dielectric insulating film.

【0013】本発明に係る電界効果型半導体装置の製造
方法においては、半導体基板または半導体層に設けられ
た第1および第2の溝内にそれぞれ第1および第2のト
ンネル絶縁膜が形成されることにより、ソース領域のチ
ャネル領域側の端部およびドレイン領域のチャネル領域
の端部にそれぞれ第1および第2のトンネル絶縁膜が形
成される。
Manufacture of a field effect semiconductor device according to the present invention
In the method, provided on a semiconductor substrate or semiconductor layer
The first and second grooves in the first and second grooves, respectively.
The channel insulating film is formed, so that the channel of the source region is formed.
Channel region of the end of the channel region and the drain region
The first and second tunnel insulating films are formed at the ends of the
Is made.

【0014】この場合、第1および第2のトンネル絶縁
膜のチャネル方向における膜厚は第1および第2の溝の
幅で決まり、第1および第2の溝の幅はゲート絶縁膜お
よびゲート電極の両側面に形成される第1の材料層の膜
厚で決まる。第1の材料層の膜厚は精度良く制御するこ
とができるので、第1および第2のトンネル絶縁膜のチ
ャネル方向における膜厚も精度良く制御することができ
る。したがって、素子特性を容易に均一化することが可
能となる。
In this case, the first and second tunnel insulations
The film thickness in the channel direction of the film is equal to that of the first and second grooves.
The width of the first and second trenches is determined by the width, and
And a film of the first material layer formed on both side surfaces of the gate electrode
It depends on the thickness. The thickness of the first material layer can be controlled accurately.
Therefore, the first and second tunnel insulating film
The film thickness in the channel direction can also be controlled accurately.
It Therefore, the device characteristics can be easily made uniform.
It becomes Noh.

【0015】本発明に係る製造方法により製造された電
界効果型半導体装置においては、ドレイン領域とソース
領域との間にドレイン電圧を印加した際に、ソース領域
のチャネル領域側の端部およびドレイン領域のチャネル
領域側の端部にそれぞれ設けられた第1および第2のト
ンネル絶縁膜により、ソース領域およびドレイン領域の
端部でそれぞれ電圧降下が発生する。それにより、ドレ
イン領域の端部での急激な電界の増加が抑制される。そ
の結果、ホットキャリアによる素子特性の変動やゲート
絶縁膜の絶縁破壊を引き起こす短チャネル効果が抑制さ
れ、高耐圧化が図られる。
A battery manufactured by the manufacturing method according to the present invention.
In the field effect semiconductor device, the drain region and the source
When the drain voltage is applied between the source region and
Channel region side end and drain region channel
The first and second magnets respectively provided at the end portions on the region side.
Of the source and drain regions
A voltage drop occurs at each end. As a result,
A sharp increase in the electric field at the end of the in region is suppressed. So
As a result, fluctuations in device characteristics due to hot carriers and gate
The short channel effect that causes dielectric breakdown of the insulating film is suppressed.
Therefore, high breakdown voltage can be achieved.

【0016】特に、チャネル長が減少するほど、ドレイ
ン電圧のうち第1および第2のトンネル絶縁膜にかかる
電圧の比率が増加するので、素子の微細化が進むほど、
短チャネル効果の抑制率が高くなる。
In particular, as the channel length decreases, the drain
Voltage applied to the first and second tunnel insulating films
Since the voltage ratio increases, the more miniaturized the device,
The suppression rate of the short channel effect is high.

【0017】[0017]

【0018】[0018]

【0019】[0019]

【0020】チャネル方向における第1および第2のト
ンネル絶縁膜の膜厚はそれぞれ0.5nm以上5nm以
下であることが好ましい。これにより、膜形成が可能で
かつ電子がトンネリングすることが可能となる。特に、
十分な電界緩和効果が得られ、かつ電子のトンネリング
が容易になるように、各トンネル絶縁膜の膜厚が1nm
以上4nm以下であることがより好ましく、さらに十分
な電界緩和効果が得られ、かつ電子のトンネリングが容
易になるように、各トンネル絶縁膜の膜厚が2nm以上
4nm以下であることがさらに好ましい。
The thickness of each of the first and second tunnel insulating films in the channel direction is preferably 0.5 nm or more and 5 nm or less. As a result, a film can be formed and electrons can tunnel. In particular,
The thickness of each tunnel insulating film is 1 nm so that a sufficient electric field relaxation effect can be obtained and tunneling of electrons is facilitated.
The thickness of each tunnel insulating film is more preferably 2 nm or more and 4 nm or less so that a sufficient electric field relaxation effect can be obtained and electrons can be easily tunneled.

【0021】半導体基板または半導体層はシリコンから
なってもよい。この場合、シリコンからなる電界効果
半導体装置において短チャネル効果が抑制される。ある
いは、半導体基板または半導体層が化合物半導体からな
ってもよい。この場合、化合物半導体からなる電界効果
型半導体装置において短チャネル効果が抑制される。
The semiconductor substrate or semiconductor layer may be made of silicon. In this case, a field effect type made of silicon
The short channel effect is suppressed in the semiconductor device . Alternatively, the semiconductor substrate or semiconductor layer may be made of a compound semiconductor. In this case, the field effect consisting of compound semiconductor
The short channel effect is suppressed in the semiconductor device .

【0022】第1のトンネル絶縁膜と第2のトンネル絶
縁膜との間のチャネル領域の長さは量子力学的効果の発
生する長さであってもよい。
The length of the channel region between the first tunnel insulating film and the second tunnel insulating film may be a length at which a quantum mechanical effect occurs.

【0023】この場合、第1および第2のトンネル絶縁
膜が構成する二重障壁により共鳴トンネル現象が発生す
る。その結果、ゲート電圧−ドレイン電流特性の立ち上
がりが急峻となり、スイッチング特性が良好となる。
In this case, the resonant tunneling phenomenon occurs due to the double barrier formed by the first and second tunnel insulating films. As a result, the gate voltage-drain current characteristic rises sharply and the switching characteristic becomes good.

【0024】また、第1および第2のトンネル絶縁膜の
各々は、複数の絶縁膜が半導体膜または絶縁膜を介して
チャネル方向に積層されてなる多層構造を有してもよ
い。この場合、十分な電界緩和効果が得られ、かつ耐圧
性が向上する。
Each of the first and second tunnel insulating films may have a multi-layer structure in which a plurality of insulating films are laminated in the channel direction with a semiconductor film or an insulating film interposed therebetween. In this case, a sufficient electric field relaxation effect is obtained and the pressure resistance is improved.

【0025】特に、第1のトンネル絶縁膜と第2のトン
ネル絶縁膜との間のチャネル領域の長さが量子力学的効
果の発生する長さである場合には、多層構造を有する第
1のトンネル絶縁膜および多層構造を有する第2のトン
ネル絶縁膜が構成する多重障壁により多重共鳴トンネル
現象が発生する。その結果、ゲート電圧−ドレイン電流
特性の立ち上がりがさらに急峻となり、スイッチング特
性がさらに良好となる。
In particular, when the length of the channel region between the first tunnel insulating film and the second tunnel insulating film is the length at which the quantum mechanical effect is generated, the first structure having a multi-layer structure is used. A multiple resonance tunnel phenomenon occurs due to the multiple barriers formed by the tunnel insulating film and the second tunnel insulating film having a multilayer structure. As a result, the rise of the gate voltage-drain current characteristic becomes steeper, and the switching characteristic becomes better.

【0026】[0026]

【0027】[0027]

【0028】[0028]

【0029】[0029]

【0030】[0030]

【0031】[0031]

【0032】[0032]

【0033】[0033]

【0034】[0034]

【0035】[0035]

【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施例における
MOSトランジスタの構造を示す模式的断面図である。
1 is a schematic sectional view showing the structure of a MOS transistor according to an embodiment of the present invention.

【0036】図1において、p型シリコン基板1の表面
に、所定間隔を隔ててn+ 層からなるソース領域4およ
びドレイン領域5が形成されている。ソース領域4とド
レイン領域5との間におけるシリコン基板1の領域がチ
ャネル領域7となる。チャネル領域7上には、SiO2
からなるゲート酸化膜2が形成され、ゲート酸化膜2上
にゲート電極3が形成されている。
In FIG. 1, a source region 4 and a drain region 5 made of an n + layer are formed on the surface of a p-type silicon substrate 1 at a predetermined interval. The region of the silicon substrate 1 between the source region 4 and the drain region 5 becomes the channel region 7. SiO 2 is formed on the channel region 7.
And a gate electrode 3 is formed on the gate oxide film 2.

【0037】また、ソース領域4とチャネル領域7との
間にはSiO2 からなるトンネル酸化膜6aが形成さ
れ、ドレイン領域5とチャネル領域7との間にはSiO
2 からなるトンネル酸化膜6bが形成されている。
A tunnel oxide film 6a made of SiO 2 is formed between the source region 4 and the channel region 7, and SiO 2 is formed between the drain region 5 and the channel region 7.
A tunnel oxide film 6b made of 2 is formed.

【0038】各トンネル酸化膜6a,6bの膜厚
OXS ,dOXD は、膜形成が可能でかつ電子がトンネル
できるように0.5nm〜5nmであることが好まし
く、十分な電界緩和効果が得られ、かつ電子のトンネリ
ングが容易になるように、1nm〜4nmであることが
より好ましく、さらに十分な電界緩和効果が得られ、か
つ電子のトンネリングが容易になるように、2nm〜4
nmであることがさらに好ましい。
The film thicknesses d OXS and d OXD of the tunnel oxide films 6a and 6b are preferably 0.5 nm to 5 nm so that films can be formed and electrons can be tunneled, and a sufficient electric field relaxation effect can be obtained. Is more preferably 1 nm to 4 nm to facilitate electron tunneling, and 2 nm to 4 nm to obtain a sufficient electric field relaxation effect and facilitate electron tunneling.
More preferably, it is nm.

【0039】ソース領域4は接地され、ドレイン領域5
にはドレイン電圧Vdsが印加される。また、ゲート電極
3にはゲート電圧Vgsが印加される。このMOSトラン
ジスタにおいては、トンネル酸化膜6a,6b間の距離
がチャネル長Lとなる。
The source region 4 is grounded, and the drain region 5
A drain voltage V ds is applied to. A gate voltage V gs is applied to the gate electrode 3. In this MOS transistor, the distance between the tunnel oxide films 6a and 6b becomes the channel length L.

【0040】本実施例のMOSトランジスタにおいて
は、ドレイン領域5とソース領域4との間にドレイン電
圧Vdsを印加した際に、ソース領域4およびドレイン領
域5の内側端部にそれぞれ挿入されたトンネル酸化膜6
により、ソース領域4およびドレイン領域5の端部でそ
れぞれ電圧降下が発生する。それにより、ドレイン領域
5の端部での急激な電界の増加が抑制される。その結
果、短チャネル効果が抑制され、高耐圧化が図られる。
In the MOS transistor of this embodiment, when the drain voltage V ds is applied between the drain region 5 and the source region 4, the tunnels inserted in the inner end portions of the source region 4 and the drain region 5 respectively. Oxide film 6
As a result, a voltage drop occurs at each end of the source region 4 and the drain region 5. This suppresses a sharp increase in the electric field at the end of the drain region 5. As a result, the short channel effect is suppressed and high breakdown voltage is achieved.

【0041】特に、チャネル長Lが減少するほど、ドレ
イン電圧Vdsのうちトンネル酸化膜6a,6bにかかる
電圧の比率が増加する。それにより、素子の微細化が進
むほど、短チャネル効果の抑制率が高くなる。
In particular, as the channel length L decreases, the ratio of the voltage applied to the tunnel oxide films 6a and 6b in the drain voltage V ds increases. As a result, as the device becomes finer, the suppression rate of the short channel effect becomes higher.

【0042】さらに、後述するように、チャネル長Lが
量子力学的効果の出現する領域になると、2つのトンネ
ル酸化膜6a,6bが構成する二重障壁により共鳴トン
ネル現象が発生し、素子特性が変化する。
Further, as will be described later, when the channel length L becomes a region where the quantum mechanical effect appears, a resonance tunnel phenomenon occurs due to the double barrier formed by the two tunnel oxide films 6a and 6b, and the device characteristics are improved. Change.

【0043】図2は実施例および従来例のMOSトラン
ジスタにおけるチャネル方向の電界分布の計算結果を示
す図である。また、図3は実施例および従来例のMOS
トランジスタにおけるチャネル方向の電位分布の計算結
果を示す図である。さらに、図4は実施例および従来例
のMOSトランジスタにおけるチャネル方向の電子濃度
分布の計算結果を示す図である。図2、図3および図4
において、(a)はチャネル長Lが100nmの場合、
(b)はチャネル長Lが50nmの場合、(c)はチャ
ネル長Lが10nmの場合である。
FIG. 2 is a diagram showing the calculation result of the electric field distribution in the channel direction in the MOS transistors of the embodiment and the conventional example. Further, FIG. 3 shows the MOS of the embodiment and the conventional example.
It is a figure which shows the calculation result of the electric potential distribution of the channel direction in a transistor. Further, FIG. 4 is a diagram showing the calculation results of the electron concentration distribution in the channel direction in the MOS transistors of the example and the conventional example. 2, 3 and 4
In (a), when the channel length L is 100 nm,
(B) shows the case where the channel length L is 50 nm, and (c) shows the case where the channel length L is 10 nm.

【0044】図2、図3および図4の横軸は、チャネル
方向におけるソース領域4からの距離を表している。こ
の計算においては、ゲート電圧Vgsを5.0Vとし、ド
レイン電圧Vdsを2.0Vとした。また、本実施例のM
OSトランジスタにおいて、ソース領域4の端部のトン
ネル酸化膜6aの膜厚dOXS およびドレイン領域5の端
部のトンネル酸化膜6bの膜厚dOXD はともに3.0n
mとした。なお、従来例のMOSトランジスタは、図1
の構造においてトンネル酸化膜6a,6bを有さないも
のである。
The horizontal axes of FIGS. 2, 3 and 4 represent the distance from the source region 4 in the channel direction. In this calculation, the gate voltage V gs was 5.0 V and the drain voltage V ds was 2.0 V. In addition, M of this embodiment
In the OS transistor, the film thickness d OXS of the tunnel oxide film 6a at the end of the source region 4 and the film thickness d OXD of the tunnel oxide film 6b at the end of the drain region 5 are both 3.0 n.
m. The conventional MOS transistor is shown in FIG.
This structure does not have the tunnel oxide films 6a and 6b.

【0045】図2に示すように、実施例および従来例の
MOSトランジスタの両方において、チャネル長Lの減
少に伴ってチャネル内の電界分布の絶対値が増加してい
る。しかし、同一のチャネル長Lで両者を比較すると、
実施例のMOSトランジスタでは、従来例のMOSトラ
ンジスタに比べて電界の絶対値が小さく、ドレイン領域
5の端部近傍で電界の増加率が小さくなっている。この
傾向は、チャネル長Lが小さくなるほど顕著に表れてい
る。
As shown in FIG. 2, in both the MOS transistor of the embodiment and the conventional example, the absolute value of the electric field distribution in the channel increases as the channel length L decreases. However, comparing the two with the same channel length L,
In the MOS transistor of the example, the absolute value of the electric field is smaller than that of the conventional MOS transistor, and the increase rate of the electric field is small in the vicinity of the end of the drain region 5. This tendency is more remarkable as the channel length L is smaller.

【0046】次に、図3に示すように、実施例および従
来例のMOSトランジスタの両方において、チャネル長
Lの減少に伴って電位の増加率が大きくなっている。同
一のチャネル長Lで両者を比較すると、従来例のMOS
トランジスタでは、ドレイン領域5の端部近傍での電位
がドレイン電圧Vdsと等しくなっているのに対し、実施
例のMOSトランジスタでは、チャネル長Lが減少する
にしたがってドレイン領域5の端部近傍での電位が低下
する傾向にある。
Next, as shown in FIG. 3, the increase rate of the potential increases as the channel length L decreases in both the MOS transistor of the embodiment and the conventional example. Comparing the two with the same channel length L, the conventional MOS
In the transistor, the potential in the vicinity of the end of the drain region 5 is equal to the drain voltage V ds , whereas in the MOS transistor of the embodiment, as the channel length L decreases, in the vicinity of the end of the drain region 5. Potential tends to decrease.

【0047】さらに、図4に示すように、従来例のMO
Sトランジスタでは、ソース領域4の端部近傍およびド
レイン領域5の端部近傍での電子濃度がチャネル長Lに
依存せずそれぞれ同じになっており、濃度勾配がチャネ
ル長Lの減少にしたがって大きくなっている。これに対
して、本実施例のMOSトランジスタでは、チャネル長
Lの減少に伴ってドレイン領域5の端部近傍での電子濃
度が増加している。
Further, as shown in FIG.
In the S transistor, the electron concentration near the end of the source region 4 and the electron concentration near the end of the drain region 5 are the same regardless of the channel length L, and the concentration gradient increases as the channel length L decreases. ing. On the other hand, in the MOS transistor of this example, the electron concentration near the end of the drain region 5 increases as the channel length L decreases.

【0048】図2の結果から、チャネル長Lが同一の場
合、実施例のMOSトランジスタでは、従来例のMOS
トランジスタに比べてドレイン領域5の端部近傍での電
界の増加率が抑制されていることがわかる。
From the results of FIG. 2, when the channel length L is the same, the MOS transistor of the embodiment is
It can be seen that the increase rate of the electric field in the vicinity of the end of the drain region 5 is suppressed as compared with the transistor.

【0049】これは、ソース領域4およびドレイン領域
5の端部にそれぞれ形成されたトンネル酸化膜6a,6
bにより電圧降下が発生し、電界が緩和されているため
であると考えられる。
This is because the tunnel oxide films 6a and 6a formed at the ends of the source region 4 and the drain region 5, respectively.
It is considered that this is because a voltage drop occurs due to b and the electric field is relaxed.

【0050】これにより、図3に示したように、実施例
のMOSトランジスタでは、ソース領域4およびドレイ
ン領域5の端部にそれぞれ形成されたトンネル酸化膜6
a,6bの電圧降下分だけチャネルにかかる電圧が低下
する。
As a result, as shown in FIG. 3, in the MOS transistor of the embodiment, the tunnel oxide films 6 formed at the ends of the source region 4 and the drain region 5, respectively.
The voltage applied to the channel is reduced by the voltage drop of a and 6b.

【0051】そして、シリコンの比誘電率が11.7で
あり、SiO2 の比誘電率が3.9であることを考える
と、チャネル長Lが減少するにしたがってトンネル酸化
膜6a,6bにかかるドレイン電圧Vdsの分配量の増加
によりトンネル酸化膜6a,6bの電界緩和効果が顕著
になることがわかる。
Considering that the relative permittivity of silicon is 11.7 and the relative permittivity of SiO 2 is 3.9, the tunnel oxide films 6a and 6b are formed as the channel length L is reduced. It can be seen that the electric field relaxation effect of the tunnel oxide films 6a and 6b becomes remarkable as the distribution amount of the drain voltage V ds increases.

【0052】その結果、図4に示したように、実施例の
MOSトランジスタでは、トンネル酸化膜6a,6bに
よるチャネル内の電界緩和効果により従来例のMOSト
ランジスタと比較して電子濃度の勾配が緩やかになる。
As a result, as shown in FIG. 4, in the MOS transistor of the embodiment, the electric field relaxation effect in the channel by the tunnel oxide films 6a and 6b has a gentler electron concentration gradient as compared with the MOS transistor of the conventional example. become.

【0053】図5(a)は従来例のMOSトランジスタ
におけるドレイン電圧Vdsに対するドレイン電流Ids
計算結果を示す図、図5(b)は実施例のMOSトラン
ジスタにおけるドレイン電圧Vdsに対するドレイン電流
dsの計算結果を示す図である。この計算では、ゲート
電圧Vgsを5.0Vとした。
FIG. 5A is a diagram showing the calculation result of the drain current I ds with respect to the drain voltage V ds in the conventional MOS transistor, and FIG. 5B is the drain current with respect to the drain voltage V ds in the MOS transistor of the embodiment. It is a figure which shows the calculation result of Ids . In this calculation, the gate voltage V gs was set to 5.0V.

【0054】実施例のMOSトランジスタにおいて、ソ
ース・ドレイン間を流れる電流、すなわちソース・ドレ
イン間を流れる電子はソース領域4の端部に形成された
トンネル酸化膜6aをトンネルし、チャネル内を拡散お
よびドリフトによりドレイン領域5側に向かって流れ、
ドレイン領域5の端部に形成されたトンネル酸化膜6b
をトンネルし、ドレイン領域5に流れ込む。この場合、
電子がトンネル酸化膜6a,6bをトンネルする時間
は、電子がチャネル内で拡散およびドリフトする時間と
比較して非常に短いと考えられる。そのため、実施例の
MOSトランジスタのドレイン電流Idsでは、拡散電流
成分およびドリフト電流成分が支配的になるとして計算
を行った。
In the MOS transistor of the embodiment, the current flowing between the source and the drain, that is, the electron flowing between the source and the drain tunnels through the tunnel oxide film 6a formed at the end of the source region 4 and diffuses in the channel. Flows toward the drain region 5 side due to drift,
Tunnel oxide film 6b formed at the end of drain region 5
Tunnel into the drain region 5. in this case,
The time taken for the electrons to tunnel through the tunnel oxide films 6a and 6b is considered to be extremely short compared with the time taken for the electrons to diffuse and drift in the channel. Therefore, in the drain current I ds of the MOS transistor of the example, the diffusion current component and the drift current component are predominantly calculated.

【0055】図5(a)に示すように、従来のMOSト
ランジスタでは、チャネル長Lの減少に伴ってドレイン
電流Idsが大幅に増加している。図5(b)に示すよう
に、本実施例のMOSトランジスタにおいても、従来の
MOSトランジスタと同様の傾向を示すが、各ドレイン
電圧Vdsに対するドレイン電流Idsの値は減少し、電流
の増加率も減少している。
As shown in FIG. 5A, in the conventional MOS transistor, the drain current I ds greatly increases as the channel length L decreases. As shown in FIG. 5B, the MOS transistor of this embodiment also shows the same tendency as the conventional MOS transistor, but the value of the drain current I ds with respect to each drain voltage V ds decreases and the current increases. The rate is also decreasing.

【0056】ここで、従来例のMOSトランジスタに対
する実施例のMOSトランジスタの電界緩和効果を従来
例のMOSトランジスタに対するLDD構造を有するM
OSトランジスタの電界緩和効果と比較した。実施例の
MOSトランジスタにおいて、チャネル長Lを100n
mとし、各トンネル酸化膜6a,6bの膜厚を3.0n
mとした場合、ドレイン領域5の端部近傍での電界緩和
量は従来例のMOSトランジスタに対して約0.79倍
となる。一方、ドーズ量1.0×1014/cm 3 で作製
されたLDD構造を有するMOSトランジスタでは、チ
ャネル長Lを100nmとした場合、ドレイン領域の端
部近傍での電界緩和量は従来のMOSトランジスタに対
して約0.62倍になる。
Here, the MOS transistor of the conventional example is paired.
The electric field relaxation effect of the MOS transistor of the embodiment
M with LDD structure for example MOS transistor
It was compared with the electric field relaxation effect of the OS transistor. Of the example
In the MOS transistor, the channel length L is 100n
m and the thickness of each tunnel oxide film 6a, 6b is 3.0n.
When m, the electric field relaxation near the edge of the drain region 5
The amount is about 0.79 times that of the conventional MOS transistor
Becomes On the other hand, dose amount 1.0 × 1014/ Cm 3Made with
In a MOS transistor having an integrated LDD structure,
When the channel length L is 100 nm, the end of the drain region
The amount of electric field relaxation near the
It will be about 0.62 times.

【0057】この結果から、チャネル長Lが100nm
の場合には、実施例のMOSトランジスタでは、LDD
構造を有するMOSトランジスタと比較して電界緩和量
はやや小さいが、前述のように、実施例のMOSトラン
ジスタでは、チャネル長Lが減少するにしたがって電界
緩和量が増加するため、素子の微細化に伴ってLDD構
造を有するMOSトランジスタに比べて優れた電界緩和
性能を有すると考えられる。
From this result, the channel length L is 100 nm.
In the case of, in the MOS transistor of the embodiment, LDD
Although the amount of electric field relaxation is slightly smaller than that of the MOS transistor having the structure, as described above, in the MOS transistor of the embodiment, the amount of electric field relaxation increases as the channel length L decreases. Accordingly, it is considered that the electric field relaxation performance is superior to that of the MOS transistor having the LDD structure.

【0058】次に、実施例のMOSトランジスタのチャ
ネル方向のエネルギーバンドを考えると、ソース領域4
およびドレイン領域5の端部に形成されたトンネル酸化
膜6a,6bにより二重障壁構造が構成される。そのた
め、チャネル長Lが量子力学的効果の現れる領域(例え
ば10nm程度)になると、2つのトンネル酸化膜6
a,6bの二重障壁による共鳴トンネル現象が生じると
考えられる。そこで、このトンネル酸化膜6a,6bの
二重障壁による共鳴トンネル現象に関する数値解析を行
った。
Next, considering the energy band in the channel direction of the MOS transistor of the embodiment, the source region 4
The tunnel oxide films 6a and 6b formed at the ends of the drain region 5 form a double barrier structure. Therefore, when the channel length L becomes a region where the quantum mechanical effect appears (for example, about 10 nm), the two tunnel oxide films 6 are formed.
It is considered that a resonance tunnel phenomenon occurs due to the double barriers of a and 6b. Therefore, a numerical analysis was performed on the resonant tunneling phenomenon due to the double barrier of the tunnel oxide films 6a and 6b.

【0059】図6は実施例のMOSトランジスタにおけ
るドレイン電圧Vdsに対する透過係数特性の計算結果を
示す図である。この計算では、チャネル長Lを10nm
とし、ソース領域4の端部のトンネル酸化膜6aの膜厚
OXS およびドレイン領域5の端部のトンネル酸化膜6
bの膜厚dOXD をともに3.0nmとした。すなわち、
2つのトンネル酸化膜6a,6bの膜厚を対称に設定し
た。
FIG. 6 is a diagram showing the calculation result of the transmission coefficient characteristic with respect to the drain voltage V ds in the MOS transistor of the embodiment. In this calculation, the channel length L is set to 10 nm.
And the film thickness d OXS of the tunnel oxide film 6a at the end of the source region 4 and the tunnel oxide film 6 at the end of the drain region 5
The film thickness d OXD of b was both 3.0 nm. That is,
The thickness of the two tunnel oxide films 6a and 6b was set symmetrically.

【0060】この場合、ドレイン電圧Vdsを印加するこ
とにより二重障壁の非対称性が大きくなる。図6の透過
係数特性の計算結果より、共鳴トンネル現象による複数
の透過係数のピークを確認することができる。また、共
鳴時における透過係数の値は非共鳴時に比べて十数桁増
加している。この共鳴トンネル現象は、チャネル長Lが
非常に小さくなることにより、複数の量子準位が形成さ
れたことにより生じると考えられる。
In this case, the double barrier asymmetry increases by applying the drain voltage V ds . From the calculation result of the transmission coefficient characteristic of FIG. 6, it is possible to confirm a plurality of peaks of the transmission coefficient due to the resonance tunnel phenomenon. Further, the value of the transmission coefficient at the time of resonance is increased by more than ten orders of magnitude as compared to the value at the time of non-resonance. It is considered that this resonance tunnel phenomenon is caused by the formation of a plurality of quantum levels due to the channel length L becoming extremely small.

【0061】これらの結果から、二重障壁による透過係
数特性は、2つのトンネル酸化膜6a,6bの膜厚d
OXS ,dOXD を等しく設定してドレイン電圧Vdsにより
二重障壁の非対称性を増加させても、非常に鋭いピーク
を持つことがわかった。この透過係数特性のピークは、
ドレイン領域5の端部のトンネル酸化膜6bの膜厚dOX
D をソース領域4の端部のトンネル酸化膜6aの膜厚d
OXS に比べて厚くし、ドレイン電圧Vdsにより二重障壁
の非対称性が緩和されるような構造にすることにより、
さらに大きくすることができると考えられる。これによ
り、ゲート電圧V gs−ドレイン電流Ids特性(スレッシ
ホールド特性)の立ち上がりが急峻となり、スイッチン
グ特性が良好となる。
From these results, the transmission coefficient due to the double barrier is
The number characteristic is the film thickness d of the two tunnel oxide films 6a and 6b.
OXS, DOXDAnd drain voltage VdsBy
Very sharp peaks with increasing double barrier asymmetry
Found to have. The peak of this transmission coefficient characteristic is
The film thickness d of the tunnel oxide film 6b at the end of the drain region 5OX
DIs the film thickness d of the tunnel oxide film 6a at the end of the source region 4.
OXSThicker and drain voltage VdsDue to double barrier
By making the structure so that the asymmetry of
It is thought that it can be further increased. By this
Gate voltage V gs-Drain current IdsCharacteristics (Thresshi
The hold characteristic) rises sharply and the switch
Good squeeze characteristics.

【0062】以上のように、実施例のMOSトランジス
タにおいて、チャネル長Lが比較的長い場合には通常の
MOSトランジスタと同様の特性を示し、チャネル長L
が非常に短くなると、共鳴トンネル現象によりトランジ
スタ特性が変化することになる。
As described above, in the MOS transistor of the embodiment, when the channel length L is relatively long, the characteristics similar to those of the normal MOS transistor are exhibited, and the channel length L is
If becomes very short, the transistor characteristics will change due to the resonance tunnel phenomenon.

【0063】図7および図8は本実施例のMOSトラン
ジスタの製造方法の第1の例を示す工程断面図である。
7 and 8 are process cross-sectional views showing a first example of the method for manufacturing a MOS transistor of this embodiment.

【0064】まず、図7(a)に示すように、p型シリ
コン基板1上に、SiO2 からなるゲート酸化膜2およ
び多結晶シリコンからなるゲート電極3を順に形成す
る。そして、図7(b)に示すように、ゲート酸化膜2
およびゲート電極3の両側におけるシリコン基板1の領
域に、ドライエッチングによりそれぞれ凹部11a,1
1bを形成する。その後、図7(c)に示すように、全
面に熱酸化法により膜厚30Å程度のSiO2 からなる
酸化膜6を形成する。
[0064] First, as shown in FIG. 7 (a), on a p-type silicon substrate 1, to form a gate electrode 3 consisting of the gate oxide film 2 and the polycrystalline silicon made of SiO 2 in this order. Then, as shown in FIG. 7B, the gate oxide film 2
And the recesses 11a, 1 in the regions of the silicon substrate 1 on both sides of the gate electrode 3 by dry etching.
1b is formed. Thereafter, as shown in FIG. 7C, an oxide film 6 made of SiO 2 and having a film thickness of about 30Å is formed on the entire surface by a thermal oxidation method.

【0065】次に、図8(d)に示すように、スパッタ
リングまたは異方性ドライエッチングによりシリコン基
板1の上面およびゲート電極3の上面の酸化膜6を除去
する。それにより、凹部11a,11bの側面およびゲ
ート電極3の側面に酸化膜6が残る。
Next, as shown in FIG. 8D, the oxide film 6 on the upper surface of the silicon substrate 1 and the upper surface of the gate electrode 3 is removed by sputtering or anisotropic dry etching. As a result, the oxide film 6 remains on the side surfaces of the recesses 11a and 11b and the side surface of the gate electrode 3.

【0066】その後、シリコンの選択的エピタキシャル
成長、多結晶シリコンの蒸着またはシリサイドの形成に
より、凹部11a,11b内にそれぞれn+ 層からなる
ソース電極8aおよびドレイン電極8bを形成するとと
もに、ゲート電極3上に配線層8cを形成する。
After that, by selective epitaxial growth of silicon, vapor deposition of polycrystalline silicon, or formation of silicide, the source electrode 8a and the drain electrode 8b made of n + layers are formed in the recesses 11a and 11b, respectively, and the gate electrode 3 is formed. Then, the wiring layer 8c is formed.

【0067】この場合、ソース電極8aおよびドレイン
電極8bがそれぞれ図1のソース領域4およびドレイン
領域5に相当し、ソース電極8aとドレイン電極8bと
の間のシリコン基板1の領域がチャネル領域7となる。
また、ソース電極8aとチャネル領域7との間の酸化膜
がトンネル酸化膜6aとなり、ドレイン電極8bとチャ
ネル領域7との間の酸化膜がトンネル酸化膜6bとな
る。
In this case, the source electrode 8a and the drain electrode 8b correspond to the source region 4 and the drain region 5 of FIG. 1, respectively, and the region of the silicon substrate 1 between the source electrode 8a and the drain electrode 8b is the channel region 7. Become.
The oxide film between the source electrode 8a and the channel region 7 becomes the tunnel oxide film 6a, and the oxide film between the drain electrode 8b and the channel region 7 becomes the tunnel oxide film 6b.

【0068】図9、図10および図11は本実施例のM
OSトランジスタの製造方法の第2の例を示す工程断面
図である。
FIG. 9, FIG. 10 and FIG. 11 show M of this embodiment.
FIG. 6 is a process sectional view showing a second example of the method for manufacturing the OS transistor.

【0069】まず、図9(a)に示すように、p型シリ
コン基板1上にゲート酸化膜2およびゲート電極3を順
に形成した後、ゲート電極3およびゲート酸化膜2をマ
スクとしてn型不純物(n型ドーパント)をイオン注入
することにより、シリコン基板1の表面にn+ 層からな
るソース領域4およびドレイン領域5を形成する。ソー
ス領域4とドレイン領域5との間のシリコン基板1の領
域がチャネル領域7となる。
First, as shown in FIG. 9A, a gate oxide film 2 and a gate electrode 3 are sequentially formed on a p-type silicon substrate 1, and then the gate electrode 3 and the gate oxide film 2 are used as a mask to form an n-type impurity. By ion-implanting (n-type dopant), the source region 4 and the drain region 5 formed of the n + layer are formed on the surface of the silicon substrate 1. The region of the silicon substrate 1 between the source region 4 and the drain region 5 becomes the channel region 7.

【0070】次に、図9(b)に示すように、全面に膜
厚30Å程度のSiO2 またはSiNからなる絶縁膜を
蒸着法等により形成し、スパッタリングまたは異方性ド
ライエッチングによりシリコン基板1の上面およびゲー
ト電極3の上面の絶縁膜を除去する。それにより、ゲー
ト酸化膜2およびゲート電極3の側面に絶縁膜9が残
る。
Next, as shown in FIG. 9B, an insulating film made of SiO 2 or SiN having a film thickness of about 30 Å is formed on the entire surface by a vapor deposition method or the like, and the silicon substrate 1 is formed by sputtering or anisotropic dry etching. The insulating films on the upper surface of the gate electrode 3 and the upper surface of the gate electrode 3 are removed. As a result, the insulating film 9 remains on the side surfaces of the gate oxide film 2 and the gate electrode 3.

【0071】その後、図9(c)に示すように、シリコ
ンの選択エピタキシャル成長により、シリコン基板1の
上面およびゲート電極3の上面にシリコン層10を形成
する。
After that, as shown in FIG. 9C, a silicon layer 10 is formed on the upper surface of the silicon substrate 1 and the upper surface of the gate electrode 3 by selective epitaxial growth of silicon.

【0072】次に、図10(d)に示すように、ゲート
酸化膜2およびゲート電極3の側面の絶縁膜9をエッチ
ングにより除去する。絶縁膜9がSiO2 からなる場合
にはエッチング液としてHF(弗化水素)を用い、側面
の絶縁膜9がSiNからなる場合にはエッチング液とし
て燐酸を用いる。これにより、ゲート酸化膜2の側面と
シリコン層10の端縁との間に溝12が形成される。
Next, as shown in FIG. 10D, the insulating film 9 on the side surfaces of the gate oxide film 2 and the gate electrode 3 is removed by etching. When the insulating film 9 is made of SiO 2 , HF (hydrogen fluoride) is used as an etching solution, and when the insulating film 9 on the side surface is made of SiN, phosphoric acid is used as an etching solution. As a result, the groove 12 is formed between the side surface of the gate oxide film 2 and the edge of the silicon layer 10.

【0073】次に、図10(e)に示すように、全面を
ドライエッチングすることによりシリコン基板1の上面
およびゲート電極3の上面のシリコン層10を除去する
とともに、ゲート酸化膜2の側面近傍のシリコン基板1
の領域に溝13を形成する。
Next, as shown in FIG. 10E, the silicon layer 10 on the upper surface of the silicon substrate 1 and the upper surface of the gate electrode 3 is removed by dry etching the entire surface, and the side surface of the gate oxide film 2 is near. Silicon substrate 1
The groove 13 is formed in the area of.

【0074】次に、図10(f)に示すように、全面に
熱酸化法によりSiO2 からなる酸化膜60を形成す
る。これにより、溝13内にトンネル酸化膜6a,6b
がそれぞれ形成される。
Next, as shown in FIG. 10F, an oxide film 60 made of SiO 2 is formed on the entire surface by a thermal oxidation method. As a result, the tunnel oxide films 6a and 6b are formed in the trench 13.
Are formed respectively.

【0075】最後に、図11(g)に示すように、ソー
ス領域4およびドレイン領域5上の酸化膜60をエッチ
ングにより除去し、ソース領域4およびドレイン領域5
上にそれぞれソース電極14およびドレイン電極15を
形成する。
Finally, as shown in FIG. 11G, the oxide film 60 on the source region 4 and the drain region 5 is removed by etching to remove the source region 4 and the drain region 5.
A source electrode 14 and a drain electrode 15 are formed on each.

【0076】図1のMOSトランジスタにおいては、ソ
ース領域4の端部およびドレイン領域5の端部にそれぞ
れ単層のトンネル酸化膜6a,6bが形成されている
が、ソース領域4の端部およびドレイン領域5の端部に
それぞれ多層構造のトンネル絶縁膜(以下、多層トンネ
ル絶縁膜と呼ぶ。)を設けてもよい。次に、多層トンネ
ル絶縁膜を有するMOSトランジスタの製造方法につい
て説明する。
In the MOS transistor of FIG. 1, single-layer tunnel oxide films 6a and 6b are formed at the end of the source region 4 and the end of the drain region 5, respectively. A tunnel insulating film having a multi-layer structure (hereinafter, referred to as a multi-layer tunnel insulating film) may be provided at each end of the region 5. Next, a method of manufacturing a MOS transistor having a multilayer tunnel insulating film will be described.

【0077】図12および図13は多層トンネル絶縁膜
を有するMOSトランジスタの製造方法の第1の例を示
す工程断面図である。
12 and 13 are process sectional views showing a first example of a method for manufacturing a MOS transistor having a multilayer tunnel insulating film.

【0078】まず、図7(a),(b)に示した工程に
よりp型シリコン基板1上にゲート酸化膜2およびゲー
ト電極3を形成し、ゲート酸化膜2およびゲート酸化膜
3の両側におけるシリコン基板1の領域にそれぞれ凹部
11a,11bを形成する。そして、図12(a)に示
すように、全面に熱酸化法により膜厚30Å程度のSi
2 からなる酸化膜6を形成する。
First, the gate oxide film 2 and the gate electrode 3 are formed on the p-type silicon substrate 1 by the steps shown in FIGS. 7A and 7B, and both sides of the gate oxide film 2 and the gate oxide film 3 are formed. Recesses 11a and 11b are formed in the regions of the silicon substrate 1, respectively. Then, as shown in FIG. 12A, a Si film having a film thickness of about 30 Å is formed on the entire surface by a thermal oxidation method.
An oxide film 6 made of O 2 is formed.

【0079】次に、図12(b)に示すように、酸化膜
6上に、CVD法(化学的気相成長法)またはMBE法
(分子線エピタキシー法)により膜厚0.5〜10nm
のシリコン膜16を形成する。
Next, as shown in FIG. 12B, a film thickness of 0.5 to 10 nm is formed on the oxide film 6 by the CVD method (chemical vapor deposition method) or the MBE method (molecular beam epitaxy method).
Then, the silicon film 16 is formed.

【0080】さらに、図12(c)に示すように、シリ
コン膜16上に、CVD法またはスパッタ法により膜厚
0.5〜10nmのSiO2 からなる酸化膜17を形成
する。
Further, as shown in FIG. 12C, an oxide film 17 made of SiO 2 and having a film thickness of 0.5 to 10 nm is formed on the silicon film 16 by the CVD method or the sputtering method.

【0081】次に、図13(d)に示すように、スパッ
タリングまたは異方性ドライエッチングによりシリコン
基板1の上面およびゲート電極3の上面の酸化膜6、シ
リコン膜16および酸化膜17を除去する。それによ
り、凹部11a,11bの側面ならびにゲート酸化膜2
およびゲート電極3の側面に酸化膜6、シリコン膜16
および酸化膜17が残る。
Next, as shown in FIG. 13D, the oxide film 6, the silicon film 16 and the oxide film 17 on the upper surface of the silicon substrate 1 and the upper surface of the gate electrode 3 are removed by sputtering or anisotropic dry etching. . As a result, the side surfaces of the recesses 11a and 11b and the gate oxide film 2
And an oxide film 6 and a silicon film 16 on the side surface of the gate electrode 3.
And the oxide film 17 remains.

【0082】その後、図13(e)に示すように、シリ
コンの選択的エピタキシャル成長、多結晶シリコンの蒸
着またはシリサイドの形成により、凹部11a,11b
にそれぞれn+ 層からなるソース電極8aおよびドレイ
ン電極8bを形成するとともに、ゲート電極3上に配線
層8cを形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 13E, the recesses 11a and 11b are formed by selective epitaxial growth of silicon, vapor deposition of polycrystalline silicon, or formation of silicide.
A source electrode 8a and a drain electrode 8b each made of an n + layer are formed on the gate electrode 3, and a wiring layer 8c is formed on the gate electrode 3.

【0083】その後、図13(f)に示すように、ゲー
ト酸化膜2およびゲート電極3の側面の酸化膜6、シリ
コン膜16および酸化膜17をドライエッチングにより
除去する。
After that, as shown in FIG. 13F, the oxide film 6, the silicon film 16 and the oxide film 17 on the side surfaces of the gate oxide film 2 and the gate electrode 3 are removed by dry etching.

【0084】この場合、ソース電極8aおよびドレイン
電極8bがそれぞれ図1のソース領域4およびドレイン
領域5に相当し、ソース電極8aとドレイン電極8bと
の間のシリコン基板1の領域がチャネル領域7となる。
また、ソース電極8aとチャネル領域7との間の酸化膜
6、シリコン膜16および酸化膜17が多層トンネル絶
縁膜21aを構成し、ドレイン電極8bとチャネル領域
7との間の酸化膜6、シリコン膜16および酸化膜17
が多層トンネル絶縁膜21bを構成する。
In this case, the source electrode 8a and the drain electrode 8b correspond to the source region 4 and the drain region 5 of FIG. 1, respectively, and the region of the silicon substrate 1 between the source electrode 8a and the drain electrode 8b is the channel region 7. Become.
Further, the oxide film 6, the silicon film 16 and the oxide film 17 between the source electrode 8a and the channel region 7 constitute the multilayer tunnel insulating film 21a, and the oxide film 6 and the silicon between the drain electrode 8b and the channel region 7 are formed. Film 16 and oxide film 17
Form the multilayer tunnel insulating film 21b.

【0085】なお、多層トンネル絶縁膜21a,21b
の層数を増やす場合には、図12(a)〜(c)の工程
を繰り返し行う。
The multilayer tunnel insulating films 21a and 21b are used.
When increasing the number of layers of, the steps of FIGS. 12A to 12C are repeated.

【0086】上述のように、多層トンネル絶縁膜21
a,21bにシリコン膜を含むことにより、透過係数の
向上、すなわち共鳴トンネル現象に伴う電流値の増大が
図れる。
As described above, the multilayer tunnel insulating film 21
By including a silicon film in a and 21b, the transmission coefficient can be improved, that is, the current value associated with the resonance tunnel phenomenon can be increased.

【0087】図14および図15は多層トンネル絶縁膜
を有するMOSトランジスタの製造方法の第2の例を示
す工程断面図である。
14 and 15 are process sectional views showing a second example of the method of manufacturing a MOS transistor having a multilayer tunnel insulating film.

【0088】まず、図7(a)および図7(b)に示し
た工程によりp型シリコン基板1上にゲート酸化膜2お
よびゲート電極3を形成し、ゲート酸化膜2およびゲー
ト電極3の両側におけるシリコン基板1の領域に凹部1
1a,11bをそれぞれ形成する。そして、図14
(a)に示すように、全面に熱酸化法により膜厚30Å
程度のSiO2 からなる酸化膜6を形成する。
First, the gate oxide film 2 and the gate electrode 3 are formed on the p-type silicon substrate 1 by the steps shown in FIGS. 7A and 7B, and both sides of the gate oxide film 2 and the gate electrode 3 are formed. In the region of the silicon substrate 1 in
1a and 11b are formed respectively. And in FIG.
As shown in (a), the film thickness is 30Å on the entire surface by the thermal oxidation method.
An oxide film 6 made of SiO 2 is formed.

【0089】次に、図14(b)に示すように、酸化膜
6上に、LPCVD法(液相化学的気相成長法)により
膜厚0.5〜10nmのSiNからなる窒化膜18を形
成する。原料ガスとしてはSiH2 Cl2 およびNH3
の混合気体を用い、成長条件としては、圧力を0.3T
orrとし、温度を705℃とする。
Next, as shown in FIG. 14B, a nitride film 18 of SiN having a film thickness of 0.5 to 10 nm is formed on the oxide film 6 by the LPCVD method (liquid phase chemical vapor deposition method). Form. SiH 2 Cl 2 and NH 3 as source gases
Mixed gas is used, and the growth condition is a pressure of 0.3T.
Orr and the temperature is 705 ° C.

【0090】さらに、図14(c)に示すように、窒化
膜18上に、O2 /H2 Oの常圧雰囲気において温度8
50℃の条件で膜厚0.5〜10nmのSiO2 からな
る酸化膜17を形成する。
Further, as shown in FIG. 14C, the temperature of the nitride film 18 was set to 8 at a normal pressure of O 2 / H 2 O.
The oxide film 17 made of SiO 2 and having a film thickness of 0.5 to 10 nm is formed under the condition of 50 ° C.

【0091】次に、図15(d)に示すように、スパッ
タリングまたは異方性ドライエッチングによりシリコン
基板1の上面およびゲート電極3の上面の酸化膜6、窒
化膜18および酸化膜17を除去する。それにより、凹
部11a,11bの側面ならびにゲート酸化膜2および
ゲート電極3の側面の酸化膜6、窒化膜18および酸化
膜17が残る。
Next, as shown in FIG. 15D, the oxide film 6, the nitride film 18 and the oxide film 17 on the upper surface of the silicon substrate 1 and the upper surface of the gate electrode 3 are removed by sputtering or anisotropic dry etching. . As a result, the oxide film 6, the nitride film 18 and the oxide film 17 on the side surfaces of the recesses 11a and 11b and on the side surfaces of the gate oxide film 2 and the gate electrode 3 remain.

【0092】その後、図15(e)に示すように、シリ
コンの選択的エピタキシャル成長、多結晶シリコンの蒸
着またはシリサイドの形成により、凹部11a,11b
内にそれぞれn+ 層からなるゲート電極8aおよびドレ
イン電極8bを形成するとともに、ゲート電極3上に配
線層8cを形成する。
After that, as shown in FIG. 15E, the recesses 11a and 11b are formed by selective epitaxial growth of silicon, vapor deposition of polycrystalline silicon, or formation of silicide.
A gate electrode 8a and a drain electrode 8b each made of an n + layer are formed therein, and a wiring layer 8c is formed on the gate electrode 3.

【0093】最後に、図15(f)に示すように、ゲー
ト酸化膜2およびゲート電極3の側面の酸化膜6、窒化
膜18および酸化膜17をドライエッチングにより除去
する。
Finally, as shown in FIG. 15F, the oxide film 6, the nitride film 18 and the oxide film 17 on the side surfaces of the gate oxide film 2 and the gate electrode 3 are removed by dry etching.

【0094】この場合、ソース電極8aおよびドレイン
電極8bがそれぞれ図1のソース電極4およびドレイン
電極5に相当し、ソース電極8aとドレイン電極8bと
の間のシリコン基板1の領域がチャネル領域7となる。
また、ソース電極8aとチャネル領域7との間の酸化膜
6、窒化膜18および酸化膜17が多層トンネル絶縁膜
21aを構成し、ドレイン電極8bとチャネル領域7と
の間の酸化膜6、窒化膜18および酸化膜17が多層ト
ンネル絶縁膜21bを構成する。
In this case, the source electrode 8a and the drain electrode 8b correspond to the source electrode 4 and the drain electrode 5 of FIG. 1, respectively, and the region of the silicon substrate 1 between the source electrode 8a and the drain electrode 8b is the channel region 7. Become.
Further, the oxide film 6, the nitride film 18 and the oxide film 17 between the source electrode 8a and the channel region 7 constitute the multilayer tunnel insulating film 21a, and the oxide film 6 and the nitride film between the drain electrode 8b and the channel region 7 are nitrided. The film 18 and the oxide film 17 form the multilayer tunnel insulating film 21b.

【0095】なお、多層トンネル絶縁膜21a,21b
の層数を増やす場合には、図14(a)〜(c)の工程
を繰り返し行う。
The multilayer tunnel insulating films 21a and 21b are used.
14A to 14C, the steps of FIGS. 14A to 14C are repeated.

【0096】図14(a)の工程で熱酸化法により酸化
膜6を形成する代わりに、シリコン基板1の洗浄中また
は洗浄後にシリコン基板1の表面およびゲート電極3の
表面に形成された膜厚1.0〜1.5nmの自然酸化膜
を用いてもよい。
Instead of forming the oxide film 6 by the thermal oxidation method in the step of FIG. 14A, the film thickness formed on the surface of the silicon substrate 1 and the surface of the gate electrode 3 during or after the cleaning of the silicon substrate 1. A 1.0-1.5 nm natural oxide film may be used.

【0097】上記のMOSトランジスタでは、多層トン
ネル絶縁膜21a,21bの各々により二重障壁構造が
構成される。2組の多層トンネル絶縁膜21a,21が
それぞれ二重障壁構造を有することにより、チャネル長
が量子力学的効果の現れる領域(例えば10nm程度)
になると、2組の多層トンネル絶縁膜21a,21bに
よる四重障壁による共鳴トンネル現象が生じる。
In the above MOS transistor, each of the multilayer tunnel insulating films 21a and 21b constitutes a double barrier structure. Since the two sets of multilayer tunnel insulating films 21a and 21 each have a double barrier structure, the channel length is a region where a quantum mechanical effect appears (for example, about 10 nm).
Then, a resonance tunnel phenomenon occurs due to the quadruple barrier formed by the two sets of multilayer tunnel insulating films 21a and 21b.

【0098】この場合、各多層トンネル絶縁膜21a,
21bの二重障壁間に複数の量子準位が形成されるた
め、複数のドレイン電圧Vdsに対して透過係数の鋭いピ
ークが現れる。それにより、MOSトランジスタのゲー
ト電圧Vgs−ドレイン電流Ids特性(スレッシホールド
特性)がさらに急峻となり、スイッチング特性がさらに
向上する。
In this case, each multilayer tunnel insulating film 21a,
Since a plurality of quantum levels are formed between the double barriers of 21b, a sharp peak of the transmission coefficient appears for a plurality of drain voltages V ds . As a result, the gate voltage Vgs -drain current Ids characteristic (threshold characteristic) of the MOS transistor becomes steeper, and the switching characteristic is further improved.

【0099】なお、上記実施例において、以下のように
それぞれ変更しても同様の効果が得られるものである。
In the above embodiment, the same effect can be obtained even if the following changes are made.

【0100】なお、上記実施例では、トンネル絶縁膜と
してSiO2 からなる単層のトンネル酸化膜6a,6b
または多層トンネル絶縁膜21a,21bを用いている
が、SiN等の他の絶縁膜からなる単層トンネル絶縁膜
または多層トンネル絶縁膜を用いてもよい。
In the above embodiment, the single-layer tunnel oxide films 6a and 6b made of SiO 2 are used as the tunnel insulating film.
Alternatively, although the multilayer tunnel insulating films 21a and 21b are used, a single-layer tunnel insulating film or a multilayer tunnel insulating film made of another insulating film such as SiN may be used.

【0101】また、上記実施例では、ゲート絶縁膜とし
てSiO2 からなるゲート酸化膜2を用いているが、S
iN等の他の絶縁膜からなるゲート絶縁膜を用いてもよ
い。
[0102] In the above embodiment uses the gate oxide film 2 made of SiO 2 as a gate insulating film, S
A gate insulating film made of another insulating film such as iN may be used.

【0102】さらに、上記実施例では、シリコン基板1
にMOSトランジスタが形成されているが、シリコン層
にMOSトランジスタを形成してもよい。また、シリコ
ン基板1の代わりに、SiC(炭化珪素)、GaN(窒
化ガリウム)等の化合物半導体からなる半導体基板また
は半導体層にMOSトランジスタを形成してもよい。
Further, in the above embodiment, the silicon substrate 1
Although the MOS transistor is formed in the above, the MOS transistor may be formed in the silicon layer. Further, instead of the silicon substrate 1, the MOS transistor may be formed on a semiconductor substrate or a semiconductor layer made of a compound semiconductor such as SiC (silicon carbide) or GaN (gallium nitride).

【0103】また、本発明は、MOSトランジスタに限
らず、他の電界効果型半導体装置にも適用可能である。
The present invention is not limited to MOS transistors, but can be applied to other field effect semiconductor devices.

【0104】本発明に係る電界効果型半導体装置または
電界効果トランジスタは、LSIのMOSトランジスタ
として使用することが可能であり、またDRAM(ダイ
ナミックランダムアクセスメモリ)のスイッチングトラ
ンジスタに適用することも可能である。
The field effect type semiconductor device or field effect transistor according to the present invention can be used as a MOS transistor of an LSI, and can also be applied to a switching transistor of a DRAM (dynamic random access memory). .

【0105】なお、上記実施例では、n型チャネルを有
するMOSトランジスタについて説明したが、本発明は
p型チャネルを有するMOSトランジスタ等の電界効果
型半導体装置にも適用することができる。
Although the MOS transistor having an n-type channel has been described in the above embodiment, the present invention can be applied to a field effect semiconductor device such as a MOS transistor having a p-type channel.

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

【図1】本発明の一実施例におけるMOSトランジスタ
の構造を示す模式的断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a MOS transistor according to an embodiment of the present invention.

【図2】実施例および従来例のMOSトランジスタにお
けるチャネル方向の電界分布の計算結果を示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing calculation results of an electric field distribution in a channel direction in MOS transistors of an example and a conventional example.

【図3】実施例および従来例のMOSトランジスタにお
けるチャネル方向の電位分布の計算結果を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing calculation results of a potential distribution in a channel direction in MOS transistors of an example and a conventional example.

【図4】実施例および従来例のMOSトランジスタにお
けるチャネル方向の電子濃度分布の計算結果を示す図で
ある。
FIG. 4 is a diagram showing calculation results of an electron concentration distribution in a channel direction in MOS transistors of an example and a conventional example.

【図5】従来例および実施例のMOSトランジスタにお
けるドレイン電圧に対するドレイン電流の計算結果を示
す図である。
FIG. 5 is a diagram showing calculation results of drain current with respect to drain voltage in MOS transistors of a conventional example and an example.

【図6】実施例のMOSトランジスタにおけるドレイン
電圧に対する透過係数特性の計算結果を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing calculation results of transmission coefficient characteristics with respect to drain voltage in the MOS transistor of the example.

【図7】図1のMOSトランジスタの製造方法の第1の
例を示す工程断面図である。
7A to 7C are process cross-sectional views showing a first example of a method for manufacturing the MOS transistor of FIG.

【図8】図1のMOSトランジスタの製造方法の第1の
例を示す工程断面である。
8A to 8D are process cross-sectional views showing a first example of a method for manufacturing the MOS transistor of FIG.

【図9】図1のMOSトランジスタの製造方法の第2の
例を示す工程断面図である。
FIG. 9 is a process sectional view showing a second example of the method for manufacturing the MOS transistor of FIG.

【図10】図1のMOSトランジスタの製造方法の第2
の例を示す工程断面図である。
FIG. 10 is a second method of manufacturing the MOS transistor of FIG.
FIG. 6 is a process sectional view showing an example of FIG.

【図11】図1のMOSトランジスタの製造方法の第2
の例を示す工程断面図である。
FIG. 11 is a second manufacturing method of the MOS transistor of FIG.
FIG. 6 is a process sectional view showing an example of FIG.

【図12】多層トンネル絶縁膜を有するMOSトランジ
スタの製造方法の第1の例を示す工程断面図である。
FIG. 12 is a process sectional view showing a first example of a method of manufacturing a MOS transistor having a multilayer tunnel insulating film.

【図13】多層トンネル絶縁膜を有するMOSトランジ
スタの製造方法の第1の例を示す工程断面図である。
FIG. 13 is a process sectional view showing a first example of a method for manufacturing a MOS transistor having a multilayer tunnel insulating film.

【図14】多層トンネル絶縁膜を有するMOSトランジ
スタの製造方法の第2の例を示す工程断面図である。
FIG. 14 is a process sectional view showing a second example of the method for manufacturing the MOS transistor having the multilayer tunnel insulating film.

【図15】多層トンネル絶縁膜を有するMOSトランジ
スタの製造方法の第2の例を示す工程断面図である。
FIG. 15 is a process sectional view showing a second example of a method for manufacturing a MOS transistor having a multilayer tunnel insulating film.

【図16】LDD構造を有する従来のMOSトランジス
タの模式的断面図である。
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of a conventional MOS transistor having an LDD structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2 ゲート酸化膜 3 ゲート電極 4 ソース領域 5 ドレイン領域 6a,6b トンネル酸化膜 7 チャネル領域 6,17,60 酸化膜 8a ソース電極 8b ドレイン電極 10 シリコン層 11a,11b 凹部 13 溝 16 シリコン膜 18 窒化膜 21a,21b 多層トンネル絶縁膜 1 Silicon substrate 2 Gate oxide film 3 Gate electrode 4 Source area 5 drain region 6a, 6b tunnel oxide film 7 channel area 6,17,60 Oxide film 8a source electrode 8b drain electrode 10 Silicon layer 11a, 11b recesses 13 groove 16 Silicon film 18 Nitride film 21a, 21b Multilayer tunnel insulating film

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 半導体基板または半導体層上にゲート絶
縁膜およびゲート電極を順に形成する工程と、 前記ゲート絶縁膜の両側における前記半導体基板または
半導体層にそれぞれソース領域およびドレイン領域を形
成する工程と、 前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極の両側面に第1
の材料層を形成する工程と、 前記半導体基板または半導体層の上面に第2の材料層を
形成する工程と、 前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極の両側面に形成
された前記第1の材料層を除去する工程と、 前記半導体基板または半導体層上の前記第2の材料層を
エッチングにより除去することにより、前記ゲート絶縁
膜の両側面の近傍における前記半導体基板または半導体
層にそれぞれ第1および第2の溝を設ける工程と、 前記半導体基板または半導体層に設けられた前記第1お
よび第2の溝内にそれぞれ第1および第2のトンネル絶
縁膜を形成する工程とを備えたことを特徴とする電界効
果型半導体装置の製造方法。
1. A step of sequentially forming a gate insulating film and a gate electrode on a semiconductor substrate or a semiconductor layer, and a step of forming a source region and a drain region on the semiconductor substrate or the semiconductor layer on both sides of the gate insulating film, respectively. A first side surface of each of the gate insulating film and the gate electrode;
Forming a second material layer on the upper surface of the semiconductor substrate or the semiconductor layer, and forming the first material layer on both side surfaces of the gate insulating film and the gate electrode. And removing the second material layer on the semiconductor substrate or the semiconductor layer by etching, thereby removing the first and the first semiconductor layers from the semiconductor substrate or the semiconductor layer in the vicinity of both side surfaces of the gate insulating film, respectively. And a step of forming first and second tunnel insulating films in the first and second grooves provided in the semiconductor substrate or the semiconductor layer, respectively. Electric field effect
Manufacturing method of fruit-shaped semiconductor device .
【請求項2】 チャネル方向における前記第1および第
2のトンネル絶縁膜の膜厚はそれぞれ0.5nm以上5
nm以下であることを特徴とする請求項1記載の電界効
果型半導体装置の製造方法。
2. The first and the first in the channel direction
The thickness of the tunnel insulating film of No. 2 is 0.5 nm or more 5
The electric field effect according to claim 1, which is less than or equal to nm.
Manufacturing method of fruit-shaped semiconductor device.
【請求項3】 前記半導体基板または半導体層はシリコ
ンからなることを特徴とする請求項1または2記載の電
界効果型半導体装置の製造方法。
3. The semiconductor substrate or semiconductor layer is a silicon substrate.
The battery according to claim 1 or 2, characterized in that
Method for manufacturing field effect semiconductor device.
【請求項4】 前記半導体基板または半導体層は化合物
半導体からなることを特徴とする請求項1または2記載
の電界効果型半導体装置の製造方法。
4. The semiconductor substrate or semiconductor layer is a compound
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is made of a semiconductor.
Of manufacturing a field effect semiconductor device of.
【請求項5】 前記第1のトンネル絶縁膜と前記第2の
トンネル絶縁膜との間の前記チャネル領域の長さは量子
力学的効果の発生する長さであることを特徴とする請求
項1〜4のいずれかに記載の電界効果型半導体装置の製
造方法。
5. The first tunnel insulating film and the second tunnel insulating film.
The length of the channel region between the tunnel insulating film and the tunnel insulating film is quantum.
Claim characterized in that the length is such that a mechanical effect occurs
Item 7. A field effect semiconductor device according to any one of items 1 to 4.
Build method.
【請求項6】 前記第1および第2のトンネル絶縁膜の
各々は、複数の絶縁膜が半導体膜または絶縁膜を介して
チャネル方向に積層されてなる多層構造を有することを
特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電界効果型
半導体装置の 製造方法。
6. The first and second tunnel insulating films
Each has a plurality of insulating films through the semiconductor film or the insulating film.
Having a multi-layer structure that is laminated in the channel direction
The field-effect type according to any one of claims 1 to 5.
Manufacturing method of semiconductor device .
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