JP3502397B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP3502397B2
JP3502397B2 JP27915791A JP27915791A JP3502397B2 JP 3502397 B2 JP3502397 B2 JP 3502397B2 JP 27915791 A JP27915791 A JP 27915791A JP 27915791 A JP27915791 A JP 27915791A JP 3502397 B2 JP3502397 B2 JP 3502397B2
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一美 西之原
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Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は大規模集積回路に用い
られる半導体素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device used in a large scale integrated circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】大規模集積回路は多くの半導体素子を集
積して作成され、集積度を上げることによって回路動作
の高速化、信頼性の向上、製作コストの低減化が進めら
れている。従来、高集積化は集積回路を構成する個々の
半導体素子を微細化することによって行われ、精密微細
加工技術の発展によって均一な素子特性をもつ多数の微
細半導体素子を集積することによって実現されてきた。
2. Description of the Related Art A large-scale integrated circuit is manufactured by integrating many semiconductor elements, and by increasing the degree of integration, the speed of circuit operation is improved, the reliability is improved, and the manufacturing cost is reduced. Hitherto, high integration has been achieved by miniaturizing individual semiconductor elements constituting an integrated circuit, and has been realized by integrating a large number of fine semiconductor elements having uniform element characteristics with the development of precision fine processing technology. It was

【0003】微細半導体素子の高性能化を実現するため
の素子構造として、半導体基板上にMIS型半導体素子
を形成する構造即ちバルクMIS構造に代わって、絶縁
膜上の半導体層にMIS型半導体素子を形成する構造即
ちSOIMIS構造が提案されている。SOIMIS構
造による電界効果トランジスタ(SOIMISFET)
では、半導体層の厚さ(tsoi)を、バルクMIS構
造による電界効果トランジスタ(バルクMISFET)
における最大空乏層幅(dmax)よりも薄くすること
により、チャネル反転層における電界をバルクMISF
ETの場合よりも縮小し、反転層キャリアの移動度をバ
ルクMISFETの場合よりも高くすることができ、高
速な大規模集積回路を実現することができると考えられ
てきた。
As an element structure for realizing high performance of a fine semiconductor element, instead of a structure for forming a MIS type semiconductor element on a semiconductor substrate, that is, a bulk MIS structure, a MIS type semiconductor element is formed on a semiconductor layer on an insulating film. Has been proposed, ie a SOIMIS structure. Field effect transistor with SOIMIS structure (SOIMISFET)
Then, the thickness (tsoi) of the semiconductor layer is set to a field effect transistor (bulk MISFET) having a bulk MIS structure.
By making it thinner than the maximum depletion layer width (dmax) in the channel inversion layer.
It has been considered that the size can be reduced as compared with the case of ET, the mobility of the inversion layer carrier can be made higher than that of the bulk MISFET, and a high-speed large-scale integrated circuit can be realized.

【0004】精密微細加工技術のうち、集積回路中に用
いられる半導体素子の電気特性を最適化するために用い
られる不純物は、イオン打ち込み又は加熱によって加速
された熱拡散によってその濃度分布を与えられ、加工技
術自体が統計的過程によって成り立つため、その濃度の
値が統計的ゆらぎをもつことは避けられない。この不純
物濃度の統計的ゆらぎは、バルクMISFETを用いた
従来の大規模集積回路においては、素子動作に影響を与
えるほどの大きさを持たず、これによって半導体素子の
電気特性が受ける影響も小さく、電流電圧特性における
しきい電圧のばらつきの集積回路中の信号読みだし用素
子の読みだし余裕値に対する割合も無視できるほどの値
であった。しかしながら、集積回路の大規模化が進み半
導体素子の微細化が進むにつれて、単一素子の大きさは
非常に小さくなり、素子中の不純物分布を与える不純物
の個数が小さくなりつつある。このため、微細半導体素
子ではその素子構造に応じて、不純物濃度の統計的ばら
つきが半導体素子の電気特性に与える影響を考慮して構
造設計を行う必要がある。
Among the precision microfabrication techniques, impurities used for optimizing the electrical characteristics of semiconductor elements used in integrated circuits are given their concentration distribution by thermal diffusion accelerated by ion implantation or heating, Since the processing technology itself is based on a statistical process, it is inevitable that the concentration value has statistical fluctuation. In the conventional large-scale integrated circuit using the bulk MISFET, the statistical fluctuation of the impurity concentration is not large enough to affect the device operation, and the electrical characteristics of the semiconductor device are less affected by the statistical fluctuation. The ratio of the variation of the threshold voltage in the current-voltage characteristic to the reading margin value of the signal reading element in the integrated circuit was also a negligible value. However, as the scale of integrated circuits has increased and the miniaturization of semiconductor devices has progressed, the size of a single device has become extremely small, and the number of impurities giving an impurity distribution in the device has been decreasing. For this reason, it is necessary to design the structure of the fine semiconductor element in consideration of the influence of the statistical variation of the impurity concentration on the electrical characteristics of the semiconductor element according to the element structure.

【0005】 SOIMIS構造による微細半導体素子
における上記不純物濃度の統計的ゆらぎが電気特性特に
しきい電圧に与える影響は従来明らかになっていなかっ
たが、上記ゆらぎがしきい電圧に与えるばらつきはバル
クMIS構造による微細半導体素子の場合よりもさらに
大きいことが明らかになったことで、以下のSOIMI
S構造を有する微細半導体素子の提供を可能とした。す
なわち、絶縁膜上に形成された所定厚さの半導体層に所
定距離だけ離間して設けられた一対の高濃度不純物拡散
領域と、該拡散領域に挾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とをそなえたMI
S型半導体装置において、該MIS型半導体装置を多数
個作成した時の該MIS型半導体装置の電流電圧特性に
おけるしきい電圧のばらつきが、該半導体層の不純物濃
度と同じ不純物濃度の半導体基板上に設けられ該所定距
離と同じ距離だけ離間して設けられた一対の高濃度不純
物拡散領域と、該拡散領域に挾まれた該チャネル領域と
同じ面積をもつ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とをそなえMIS型半導体装置に
おけるしきい電圧のばらつきと、同じまたは小さくなる
ような所定厚さの半導体層を備えたMIS型半導体装置
と、より好ましくはこの半導体層の厚さtsoiが次の
(1)式の条件を満たすというものである。
Although the influence of the statistical fluctuation of the impurity concentration on the electrical characteristics, particularly the threshold voltage, in the fine semiconductor device having the SOIMIS structure has not been clarified hitherto, the fluctuation caused by the fluctuation in the threshold voltage has a bulk MIS structure. by according it became clear that even greater than in the case of fine semiconductor devices, the following SOIMI
It has become possible to provide a fine semiconductor device having an S structure. You
That is, the semiconductor layer of a predetermined thickness formed on the insulating film
A pair of high-concentration impurity diffusions separated by a fixed distance
Region and gate on the channel region sandwiched by the diffusion region
MI having a gate electrode formed through an insulating film
In the S-type semiconductor device, many MIS-type semiconductor devices are used.
The current-voltage characteristics of the MIS type semiconductor device when individually created
The variation of the threshold voltage in the semiconductor layer depends on the impurity concentration of the semiconductor layer.
Provided on a semiconductor substrate having the same impurity concentration as
A pair of high-concentration impurities separated by the same distance
An object diffusion region and the channel region sandwiched by the diffusion region
Through the gate insulating film on the channel area with the same area
MIS type semiconductor device having a formed gate electrode
Same or smaller than variation in threshold voltage
MIS-type semiconductor device including a semiconductor layer having a predetermined thickness
And more preferably, the thickness tsoi of this semiconductor layer is
The condition of the formula (1) is satisfied.

【数1】 ここで、dmaxはバルクMISFETにおける最大チ
ャネル空乏層幅、Lはチャネル長、Wはチャネル幅、N
Aは基板または半導体層の不純物濃度である。dmax
は次の(2)式で与えられる。但し、εsiは基板また
は半導体層の誘電率、φsはチャネル形成後の基板表面
のポテンシャル、qは素電荷である。
[Equation 1] Here, dmax is the maximum chirp in the bulk MISFET.
Channel depletion layer width, L is channel length, W is channel width, N
A is the impurity concentration of the substrate or the semiconductor layer. dmax
Is given by the following equation (2). However, εsi is the substrate or
Is the dielectric constant of the semiconductor layer, and φs is the substrate surface after channel formation.
And q is the elementary charge.

【数2】 一般にMISFETのしきい電圧Vthは次式のように
表される。 Vth=qφ's+Vox+Vfb (3) 但し、 Vox=tox・Eox (4) ここでVoxは酸化膜中に生じているポテンシャル差、
Vfbはフラットバンド電圧、φ'sはフラットバンド
状態からしきい電圧までゲート電圧が変化した時に基板
表面に生じたポテンシャル差、toxはゲート絶縁膜厚
さ、Eoxはしきい電圧におけるゲート絶縁膜中の電界
である。バルクMISFETとSOIMISFETとの
しきい電圧ばらつきの大きさは、バルクMISFETの
基板不純物濃度とSOIMISFETの半導体層の不純
物濃度が同じであり、かつ、ゲート絶縁膜厚さが同じで
あるならば、(4)のEoxの部分で評価できる。Eo
xは、
[Equation 2] Generally, the threshold voltage Vth of the MISFET is expressed by the following equation. Vth = qφ's + Vox + Vfb (3) where Vox = tox · Eox (4) where Vox is the potential difference generated in the oxide film,
Vfb is the flat band voltage, φ's is the potential difference generated on the substrate surface when the gate voltage changes from the flat band state to the threshold voltage, tox is the gate insulating film thickness, and Eox is the gate insulating film at the threshold voltage. Is the electric field. The magnitude of the threshold voltage variation between the bulk MISFET and the SOIMISFET is as long as the substrate impurity concentration of the bulk MISFET and the impurity concentration of the semiconductor layer of the SOIMISFET are the same and the gate insulating film thickness is the same (4 ) Can be evaluated in the Eox part. Eo
x is

【0006】[0006]

【数3】 と表される。ここで、εoxはゲート絶縁膜の誘電率で
ある。NAのゆらぎの大きさはNAの平方根に比例し、
チャネル空乏層の体積の平方根に反比例する。NAがば
らつくことにより、バルクMISFETおよびSOIM
ISFETのいずれの場合も、しきい電圧のばらつきが
生じる。しかしながらそのNAの値に対する依存性は異
なる。バルクMISFETの場合、dmaxもNAに依
存し、dmaxは(2)式のように表される。即ち、d
maxはNAが増加すると減少する。従って、バルクM
ISFETでは統計的ゆらぎによりNA増加した時、d
maxの減少により、Eoxの増加は抑えられる。ま
た、NAが減少した時dmaxは増大し、Eoxの減少
は抑えられる。一方、SOIMISFETの場合、ts
oiの大きさはNAにかかわらず一定であり、NAのゆ
らぎはそのままの大きさでEoxのばらつきを生じる。
Eoxのばらつきはtox倍され、しきい電圧のばらつ
きとなる。SOIMIS構造半導体素子では上記ゆらぎ
しきい電圧にあたえるばらつきを抑えるための構造が特
に必要である。
[Equation 3] Is expressed as Here, εox is the dielectric constant of the gate insulating film. The magnitude of the fluctuation of NA is proportional to the square root of NA,
It is inversely proportional to the square root of the volume of the channel depletion layer. Due to the variation of NA, bulk MISFET and SOIM
In any case of the ISFET, the threshold voltage varies. However, its dependence on the value of NA is different. In the case of the bulk MISFET, dmax also depends on NA, and dmax is expressed by equation (2). That is, d
max decreases with increasing NA. Therefore, bulk M
In ISFET, when NA increases due to statistical fluctuation, d
The decrease in max suppresses the increase in Eox. When NA decreases, dmax increases and Eox decreases. On the other hand, in the case of SOIMISFET, ts
The magnitude of oi is constant regardless of NA, and the fluctuation of NA causes the variation of Eox with the same magnitude.
The variation of Eox is multiplied by tox, resulting in variation of the threshold voltage. In the SOIMIS structure semiconductor element, a structure for suppressing the variation given to the fluctuation threshold voltage is particularly necessary.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、SO
IMIS構造半導体素子における前記不純物濃度の統計
的ゆらぎが半導体素子の電気特性に与える影響を小さく
するようなSOIMIS構造半導体素子の構造の満たす
べき条件を明らかにし、このような条件を備えた半導体
装置を提供することにより、大規模集積回路を実現する
ための充分に均一な電気特性をもつSOIMISU構造
半導体素子を実現することである。
The object of the present invention is to reduce the SO
Clarifying the conditions to be satisfied by the structure of the SOIMIS structure semiconductor element so as to reduce the influence of the statistical fluctuation of the impurity concentration in the IMIS structure semiconductor element on the electrical characteristics of the semiconductor element, a semiconductor device having such a condition is provided. The purpose of the present invention is to realize a semiconductor device having a SOIMISU structure having sufficiently uniform electric characteristics for realizing a large scale integrated circuit.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、絶縁膜上に形成された半導体層と、この半導
体層に形成されたソース領域及びドレイン領域と、前記
ソース領域と前記ドレイン領域との間に形成された不純
物濃度が1×10 18 (cm -3 )のチャネル領域と、この
チャネル領域上に形成された厚さ4nmのゲート絶縁膜
と、この絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有し、こ
のゲート電極の前記ゲート絶縁膜を介した前記チャネル
領域に対向する領域の面積は10 4 nm 2 であって、前記
チャネル領域の厚さが10nm以下であることを特徴と
する半導体装置と、より好ましい構成として、前記チャ
ネル領域のチャネル長及びチャネル幅が0.1μmであ
ることを特徴とする半導体装置を提供する。また、図1
に本発明の効果を実現するSOIMIS構造半導体素子
の構造の基本的特徴を示す。図2は図1のSOIMIS
構造半導体素子に対応する従来のSOIMIS構造半導
体素子を示し、図3は図1と図2のSOIMIS構造半
導体素子に対応するバルクMIS構造半導体素子を示
す。
In order to solve the above problems, the present invention provides a semiconductor layer formed on an insulating film, and a semiconductor layer formed on the semiconductor layer.
A source region and a drain region formed in the body layer;
Impurities formed between the source region and the drain region
With a channel region having a material concentration of 1 × 10 18 (cm −3 ),
4 nm thick gate insulating film formed on the channel region
And a gate electrode formed on this insulating film.
Of the gate electrode of the channel through the gate insulating film
The area of the region facing the region is 10 4 nm 2 ,
The thickness of the channel region is 10 nm or less,
And a more preferable structure,
The channel length and channel width of the channel region are 0.1 μm
A semiconductor device characterized by the above. Also, FIG.
The basic characteristics of the structure of the SOIMIS structure semiconductor device that realizes the effects of the present invention are shown in FIG. 2 is the SOIMIS of FIG.
FIG. 3 shows a conventional SOIMIS structure semiconductor device corresponding to the structure semiconductor device, and FIG. 3 shows a bulk MIS structure semiconductor device corresponding to the SOIMIS structure semiconductor devices of FIGS. 1 and 2.

【0009】本発明の半導体装置は前記目的を達成する
ために、SOIMIS構造をもつ単一SOIMISFE
Tにおいて、該半導体層のチャネル部分15の不純物濃
度およびチャネル部分の面積に応じて、該半導体層12
の厚さが、該SOIMISFETと同じL、W、NAを
有するバルクMISFETにおける最大空乏層幅dma
xよりも充分に薄く、不純物濃度の統計的ばらつきに起
因するしきい電圧ばらつきの大きさが該バルクMISF
ETの場合よりも小さいことを特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, the semiconductor device of the present invention is a single SOIMISFFE having an SOIMIS structure.
At T, depending on the impurity concentration of the channel portion 15 of the semiconductor layer and the area of the channel portion, the semiconductor layer 12
Of the maximum depletion layer width dma in the bulk MISFET having the same L, W and NA as the SOIMISFET.
It is sufficiently thinner than x, and the magnitude of the threshold voltage variation due to the statistical variation of the impurity concentration is larger than that of the bulk MISF.
It is characterized by being smaller than the case of ET.

【0010】[0010]

【作用】SOIMISFETにおけるしきい電圧のばら
つきは次式で表される。
The variation of the threshold voltage in SOIMISFET is expressed by the following equation.

【0011】[0011]

【数4】 [Equation 4]

【0012】(7)から分かるように、SOIMISF
ETにおけるしきい電圧ばらつきはtsoiが薄いほど
小さくなる。図4はL=W=0.1μm、tox=4n
m、基板濃度1×1018cm-3の場合に、SOIMIS
FETのしきい電圧ばらつきのtsoiに対する依存性
を示したものである。バルクMISFETのしきい電圧
ばらつきの大きさも図中に点線で示す。tsoiがdm
axに近い広い領域において、SOIMISFETのし
きい電圧ばらつきはバルクMISFETのしきい電圧ば
らつきよりも大きく、従来のSOIMISFET構造で
はしきい電圧ばらつきの小さなMISFETを実現する
ことができない。
As can be seen from (7), SOIMISF
The smaller the tsoi, the smaller the variation in the threshold voltage at ET becomes. In FIG. 4, L = W = 0.1 μm, tox = 4n
m, substrate concentration 1 × 10 18 cm -3, SOIMIS
It shows the dependence of the threshold voltage variation of the FET on t soi. The magnitude of the threshold voltage variation of the bulk MISFET is also shown by the dotted line in the figure. tsoi is dm
In a wide region close to ax, the threshold voltage variation of the SOIMISFET is larger than the threshold voltage variation of the bulk MISFET, and the conventional SOIMISFET structure cannot realize a MISFET having a small threshold voltage variation.

【0013】図5は図1のSOIMISFETのチャネ
ル部のバンド図を用いて、しきい電圧のばらつきを説明
したものである。図6は図2のSOIMISFETのチ
ャネル部バンド構造を用いて従来のSOIMISFET
でのしきい電圧ばらつきを説明したものである。図5お
よび図6を用いてしきい電圧ばらつきを抑える本発明の
作用について説明する。
FIG. 5 illustrates the variation of the threshold voltage using the band diagram of the channel portion of the SOIMISFET of FIG. FIG. 6 shows a conventional SOIMISFET using the channel band structure of the SOIMISFET of FIG.
This is a description of the variation in the threshold voltage at. The operation of the present invention for suppressing the threshold voltage variation will be described with reference to FIGS. 5 and 6.

【0014】 図1のSOIMISFETのチャネル部
バンド構造である図5におけるチャネル表面51では、
チャネル空乏層部52中の不純物分布のばらつきによる
空間電荷量のばらつきのために、電界Eoxのばらつき
δEox即ち53が生じている。Eoxのばらつきはゲ
ート絶縁膜部54を介してtox倍され、絶縁膜中の電
降下のばらつきδVox即ち55を生じ、チャネル表
面51でのポテンシャルのばらつきδφと合わさって、
ゲート電極部56にしきい電圧VthのばらつきδVt
hを生じている。一方、図6に示すように、図2のSO
IMISFETの場合は、厚い半導体層22による厚い
チャネル空乏層部25のために、チャネル空乏層部62
の空間電荷量が多く、このため大きなEoxのばらつき
63が生じ、それがゲート絶縁膜部64を介してtox
倍されて、絶縁膜中の電位降下の大きなばらつきδVo
x65を生じ、大きなしきい電圧ばらつきを生じてい
る。図1のSOIMISFETでは、薄い半導体層を用
いたことの作用により、小さなδVoxを生じ、小さな
しきい電圧ばらつきを生じている。
At the channel surface 51 in FIG. 5, which is the channel band structure of the SOIMISFET in FIG. 1,
A variation δEox of the electric field Eox, that is, 53 is generated due to the variation of the space charge amount due to the variation of the impurity distribution in the channel depletion layer portion 52. The variation of Eox is multiplied by tox through the gate insulating film portion 54, and the variation δVox of potential drop δVox in the insulating film, that is, 55 is generated, and combined with the variation δφ of potential on the channel surface 51,
Variation δVt of the threshold voltage Vth in the gate electrode portion 56
has occurred h. On the other hand, as shown in FIG.
In the case of the IMISFET, the channel depletion layer portion 62 is formed due to the thick channel depletion layer portion 25 formed by the thick semiconductor layer 22.
Has a large space charge amount, which causes a large Eox variation 63, which is caused by the tox via the gate insulating film portion 64.
Multiplied by a large variation of the potential drop in the insulating film δVo
x65, which causes a large variation in threshold voltage. In the SOIMISFET of FIG. 1, due to the action of using the thin semiconductor layer, a small δVox is generated and a small threshold voltage variation is generated.

【0015】tsoiが小さくなるほどしきい電圧のば
らつきは小さくなり、しきい電圧のばらつきを抑えるた
めには、回路動作を妨げないために必要なしきい電圧ば
らつきの大きさに応じて、十分に薄いtsoiを用いる
ことが必要である。
The smaller the tsoi, the smaller the variation in the threshold voltage. In order to suppress the variation in the threshold voltage, it is necessary to prevent the circuit operation from being disturbed. The tsoi is sufficiently thin according to the magnitude of the variation in the threshold voltage. It is necessary to use.

【0016】図2からこの場合のSOIMISFETに
おいてバルクMISFETの場合のしきい電圧ばらつき
よりも小さなばらつきを実現するためには、10nmよ
りも薄いtsoiを用いることが必要である。任意の
L、W、およびNAに対して、バルクMISFETのし
きい電圧ばらつきよりも小さなばらつきを与えるSOI
MISFETのtsoiのための条件(1)式で与えら
れる。
From FIG. 2, it is necessary to use tsoi thinner than 10 nm in the SOIMISFET in this case in order to realize a variation smaller than the threshold voltage variation in the case of the bulk MISFET. SOI that gives a variation smaller than the threshold voltage variation of a bulk MISFET for arbitrary L, W, and NA
It is given by the condition (1) for tsFET of MISFET.

【0017】図7は、L=W=0.5μmの場合におけ
る、不純物分布のゆらぎに起因するしきい電圧ばらつき
δVthを、バルクMOSFETでのしきい電圧ばらつ
きの大きさ以下にする場合における、tsoiの上限t
soi(c) のNA依存性を、tox=20nmのSOI
MOSFETについて、示したものである。tsoi
(c) 以下の半導体層厚さを用いることにより、バルクM
OSFETの場合以下のδVthをもつSOIMISF
ETを実現することができる。
FIG. 7 shows tsoi when the threshold voltage variation δVth due to the fluctuation of the impurity distribution in the case of L = W = 0.5 μm is made equal to or smaller than the threshold voltage variation in the bulk MOSFET. Upper limit t
The NA dependence of soi (c) is determined by the SOI of tox = 20 nm.
It is shown about MOSFET. tsoi
(c) By using the following semiconductor layer thickness, bulk M
In case of OSFET, SOIMISF having the following δVth
ET can be realized.

【0018】[0018]

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例について
説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0019】図1は本発明の一実施例を示す図である。
図1に示す実施例では二酸化シリコン層11の上に厚さ
40nm、ボロン濃度1×1016cm-3のシリコン層1
2を設け、互いに0.5μmだけ離間して一対の高濃度
砒素領域を設け、ソース領域13及びドレイン領域14
およびチャネル長0.5μmのチャネル領域15を形成
している。ソース領域及びドレイン領域にはさまれたチ
ャネル領域15上には20nmのゲート絶縁膜16を介
してゲート電極17を設けている。チャネル部及びソー
ス部及びドレイン部からなる素子領域を囲んで、チャネ
ル幅W=0.5μmを形成するように厚さ400nmの
二酸化シリコンからなる素子分離領域18を設けてい
る。図1の実施例ではチャネル部不純物濃度、チャネル
長、チャネル幅およびゲート絶縁膜厚さによって決ま
る、しきい電圧のばらつきの大きさを充分に小さくする
ために必要な薄さのシリコン層厚さが用いられたSOI
MISFETが形成されている。図3のバルクMISF
ETでの不純物分布のゆらぎに起因するしきい電圧のば
らつきは10mV程度であり、小さいが、図2の従来の
SOIMISFETにおける同ゆらぎに起因するしきい
電圧のばらつきは15mV程度であり、バルクMISF
ETの場合よりも大きい。図1の十分に薄い半導体層を
用いたSOIMISFETでは、バルクMISFETの
場合よりもさらに小さなしきい電圧ばらつきを実現し、
しきい電圧ばらつきは8mV程度に抑えられている。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
In the embodiment shown in FIG. 1, a silicon layer 1 having a thickness of 40 nm and a boron concentration of 1 × 10 16 cm −3 is formed on the silicon dioxide layer 11.
2, a pair of high-concentration arsenic regions are provided at a distance of 0.5 μm from each other, and a source region 13 and a drain region 14 are provided.
And a channel region 15 having a channel length of 0.5 μm is formed. A gate electrode 17 is provided on the channel region 15 sandwiched between the source region and the drain region with a 20 nm gate insulating film 16 interposed therebetween. A device isolation region 18 made of silicon dioxide having a thickness of 400 nm is provided so as to surround a device region made up of a channel portion, a source portion, and a drain portion so as to form a channel width W = 0.5 μm. In the embodiment of FIG. 1, the thickness of the silicon layer required to sufficiently reduce the variation in the threshold voltage, which is determined by the impurity concentration of the channel portion, the channel length, the channel width, and the thickness of the gate insulating film, is set. SOI used
A MISFET is formed. Bulk MISF in Figure 3
The fluctuation of the threshold voltage due to the fluctuation of the impurity distribution in ET is about 10 mV, which is small, but the fluctuation of the threshold voltage due to the fluctuation of the conventional SOIMISFET of FIG. 2 is about 15 mV, and the bulk MISF is large.
Greater than for ET. The SOIMISFET using the sufficiently thin semiconductor layer of FIG. 1 realizes a smaller threshold voltage variation than that of the bulk MISFET,
The variation in threshold voltage is suppressed to about 8 mV.

【0020】[0020]

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
大規模集積回路に用いる半導体素子の電気特性のばらつ
きが回路動作を妨げないような十分小さい値になるよう
なSOIMISFETを実現することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to realize the SOIMISFET in which the variation in the electrical characteristics of the semiconductor element used in the large-scale integrated circuit has a sufficiently small value that does not hinder the circuit operation. it can.

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

【図1】 本発明の一実施例である小さなしきい電圧ば
らつきを与えるための充分に薄い半導体層をもつSOI
MISFETを示した図。
FIG. 1 is an embodiment of the present invention, an SOI having a semiconductor layer that is thin enough to provide small threshold voltage variations.
The figure which showed MISFET.

【図2】 SOIMISFETの構造を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a structure of a SOIMISFET.

【図3】 図1および図2のSOIMISFETに対応
するバルクMISFETの図。
FIG. 3 is a diagram of a bulk MISFET corresponding to the SOIMISFETs of FIGS. 1 and 2.

【図4】 L=W=0.1μm、tox=4nm、NA
=1018cm-3のSOIMISFETの場合の、しきい
電圧のばらつきの半導体層厚さtsoiに対する依存性
を実線で示し、点線でバルクMISFETの場合のしき
い電圧ばらつきの大きさを示した図。
FIG. 4 L = W = 0.1 μm, tox = 4 nm, NA
= 10 18 cm -3, the dependence of the threshold voltage variation on the semiconductor layer thickness tsoi in the case of SOIMISFET is shown by a solid line, and the dotted line shows the magnitude of the threshold voltage variation in the case of a bulk MISFET.

【図5】 図1のSOIMISFETにおけるしきい電
圧のばらつきの大きさを説明するためのチャネル部基板
深さ方向のバンド図。
5 is a band diagram in the depth direction of the channel substrate for explaining the magnitude of variation in threshold voltage in the SOIMISFET of FIG.

【図6】 図2に示した従来のSOIMISFETにお
けるしきい電圧のばらつきの大きさを説明するためのチ
ャネル部基板深さ方向のバンド図。
6 is a band diagram in the depth direction of the channel substrate for explaining the magnitude of variation in threshold voltage in the conventional SOIMISFET shown in FIG.

【図7】 L=W=0.5μmの場合に、SOIMIS
FETのしきい電圧のばらつきがバルクMISFETの
場合よりも小さくなるような半導体層の厚さの上限のチ
ャネル不純物濃度依存性を、tox=20nmの場合に
ついて示す図。
FIG. 7: SOIMIS when L = W = 0.5 μm
The figure which shows the channel impurity concentration dependence of the upper limit of the semiconductor layer thickness such that the variation in the threshold voltage of the FET becomes smaller than that in the case of the bulk MISFET, in the case of tox = 20 nm.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11…絶縁体層 12…半導体層 13…ソース 14…ドレイン 15…チャネル 16…ゲート絶縁膜 17…ゲート電極 18…素子分離領域 21…絶縁体層 22…半導体層 23…ソース 24…ドレイン 25…チャネル 26…ゲート絶縁膜 27…ゲート電極 28…素子分離領域 32…シリコン基板 33…ソース 34…ドレイン 35…チャネル 36…ゲート絶縁膜 37…ゲート電極 38…素子分離領域 39…チャネル空乏層端 51…チャネル空乏層部基板表面 52…チャネル空乏層部 53…ゲート絶縁膜内電界ばらつき 54…ゲート絶縁膜部 55…ゲート絶縁膜部電位降下のばらつき 56…ゲート電極部 61…チャネル空乏層部基板表面 62…チャネル空乏層部 63…ゲート絶縁膜内電界ばらつき 64…ゲート絶縁膜部 65…ゲート絶縁膜部電位降下のばらつき 66…ゲート電極部 11 ... Insulator layer 12 ... Semiconductor layer 13 ... Source 14 ... Drain 15 ... Channel 16 ... Gate insulating film 17 ... Gate electrode 18 ... Element isolation region 21 ... Insulator layer 22 ... Semiconductor layer 23 ... Source 24 ... Drain 25 ... Channel 26 ... Gate insulating film 27 ... Gate electrode 28 ... Element isolation region 32 ... Silicon substrate 33 ... Source 34 ... Drain 35 ... Channel 36 ... Gate insulating film 37 ... Gate electrode 38 ... Element isolation region 39 ... Channel depletion layer edge 51 ... Channel depletion layer substrate surface 52 ... Channel depletion layer 53 ... Variation in electric field in gate insulating film 54 ... Gate insulating film portion 55 ... Variation in potential drop of gate insulating film 56 ... Gate electrode part 61 ... Channel depletion layer substrate surface 62 ... Channel depletion layer portion 63 ... Electric field variation in gate insulating film 64 ... Gate insulating film part 65 ... Variation in potential drop in gate insulating film 66 ... Gate electrode part

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 絶縁膜上に形成された半導体層と、 この半導体層に形成されたソース領域及びドレイン領域
と、 前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に形成された
不純物濃度が1×10 18 (cm -3 )のチャネル領域と、 このチャネル領域上に形成された厚さ4nmのゲート絶
縁膜と、 この絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有し、 このゲート電極の前記ゲート絶縁膜を介した前記チャネ
ル領域に対向する領域の面積は10 4 nm 2 であって、 前記チャネル領域の厚さが10nm以下であることを特
徴とする半導体装置。
1. A semiconductor layer formed on an insulating film, and a source region and a drain region formed on the semiconductor layer.
And between the source region and the drain region
A channel region having an impurity concentration of 1 × 10 18 (cm −3 ) and a gate region having a thickness of 4 nm formed on the channel region are isolated.
An edge film and a gate electrode formed on the insulating film, and the channel of the gate electrode via the gate insulating film.
The area of the region facing the channel region is 10 4 nm 2 , and the thickness of the channel region is 10 nm or less.
Semiconductor device to collect.
【請求項2】前記チャネル領域のチャネル長及びチャネ
ル幅が0.1μm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 channel length and channel of the channel region
The ruled width is 0.1 μm.
Semiconductor device.
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