JP4542736B2 - Semiconductor device - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、バルク半導体を用いてトランジスタの微細化と高性能化を図った半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、微細化と高性能化に適したトランジスタとして、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いてチャネル領域を完全空乏化(Fully Depleted)したMISFETが各所で研究開発されている。以下、このMISFETを、FD−SOIFETという。この素子は基本的に、チャネル領域となる酸化膜上のシリコン層が完全空乏化するに必要な低不純物濃度と厚さをもって構成される。
【0003】
FD−SOIFETにおいては、ゲート電極からの垂直方向の電界がチャネル領域底部の埋め込み酸化膜により一部分担され、その分チャネル領域にかかる垂直方向電界が小さくなる。このチャネル領域の垂直方向電界の緩和の結果として、チャネル領域のキャリア移動度が大きくなり、高い電流駆動能力が得られるというメリットを有する。
【0004】
しかし、FD−SOIFETは更に微細化を考えたときにデメリットも多い。
例えば、短チャネル効果を抑制するためには、非常に薄いシリコン層のSOI基板を用いることが必要になること、薄いシリコン層を用いると、寄生抵抗が大きくなること、チャネル領域上下がシリコンに比べて熱伝導率の小さい酸化膜で囲まれるため、ドレイン近傍の自己加熱領域で発生する熱の伝導が悪く、性能劣化が大きいこと等である。その他、SOI基板の品質とゲート絶縁膜の信頼性に難があり、プラズマダメージが大きい、といった問題もある。SOI基板が現在のところ高価である点もデメリットの一つである。
【0005】
これに対して、バルク半導体を用いてFD−SOIFETと同様の効果を発揮させながら、上述したFD−SOIFETのデメリットを解決しようとする試みもなされている。具体的には、チャネル領域をp型層としたとき、その下にビルトインポテンシャルによって空乏化する低不純物濃度のn-型層を配置したp/n-/p構造を用いることにより、擬似SOIFETを実現しようという提案がなされている(▲1▼T.Mizuno et al,:1991 Symp. on VLSI Tech. p.109(1991), ▲2▼ M.Miyamoto et al,:IEDM Tech. Dig. p.411 (1998), ▲3▼石井、宮本:特開平7−335837号公報等)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来提案されている擬似SOIFETには、まだ解決すべき問題が多く、サブミクロンのにおいて十分な性能を得ることは難しい。即ち、文献▲1▼〜▲3▼に示された疑似SOIFETは、チャネル領域の深さ(厚さ)がソース、ドレイン拡散層深さより深くなっている。これは、更に微細化したときに短チャネル効果を抑制する上で大きな妨げとなる。また、チャネル領域の半導体層を完全空乏化素子を実現するに必要な低不純物濃度層にすると、ゲート長(チャネル長)がサブミクロンと短くなったときにパンチスルーが問題になる。そしてパンチスルーを防止するためには、文献▲2▼ , ▲3▼に示されているような複雑なドレイン構造を必要とする。
【0007】
また、文献▲2▼,▲3▼に示された構造では、カウンタドーピングにより形成されるソース、ドレイン拡散層底部がn-型層の下のp型層にまで達している。このため、ソース及びドレインの接合容量が大きく、高速動作が難しくなる。
更に文献▲2▼,▲3▼では、チャネル領域のp/n-/p構造を得る方法として、イオン注入法しか考えられていない。しかし実際にイオン注入法のみでp/n-/p構造を得ようとすると、チャネル領域の不純物濃度低減と薄膜化には限界がある。
【0008】
この発明は、上記した事情を考慮してなされたもので、より簡単な構造で微細化と高性能化を可能にしたトランジスタをもつ半導体装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記半導体基板に前記ゲート電極直下のチャネル領域を挟んで対向するように形成された、低抵抗領域とこの低抵抗領域から前記チャネル領域側に拡張するように形成された低抵抗領域より低不純物濃度で浅い拡張領域とから構成されるソース及びドレイン拡散層と、前記ソース及びドレイン拡散層の間の前記チャネル領域に形成された第1導電型の第1の不純物ドープ層と、前記第1の不純物ドープ層の下に形成された第2導電型の第2の不純物ドープ層と、前記第2の不純物ドープ層の下に形成された第1導電型の第3の不純物ドープ層とを備え、前記第1の不純物ドープ層は、その接合深さが前記ソース及びドレイン拡散層の拡張領域のそれと同じかより浅く設定され、前記第2の不純物ドープ層は、前記第1及び第3の不純物ドープ層との間に生じるビルトインポテンシャルにより完全空乏化するように不純物濃度と厚さが設定されていることを特徴とする。
【0011】
この発明によると、バルク半導体を用いたFETであって、ゲート電極直下にpnp(又はnpn)の3層構造を、その中間層がビルトインポテンシャルで完全空乏化するように形成することにより、疑似SOIFETを得ることができる。特に、上記3層構造のうちチャネル領域となる第1の半導体層を極めて薄く形成することにより、微細化したときの短チャネル効果を抑制して、しかもパンチスルー耐性を高いものとすることができる。
更に、ソース、ドレイン拡散層の拡散深さを、第2の半導体層と第3の半導体層の接合面より浅く形成することにより、ソース、ドレインの接合容量及び接合リークを小さく抑えることができる。
【0012】
この発明において、第1の半導体層は例えば、チャネル反転層形成時に完全空乏化するように不純物濃度及び厚さが設定される。これにより、完全空乏化FETが得られる。或いはまた、第1の半導体層の不純物濃度及び厚さを、チャネル反転層形成時に部分的に空乏化するように設定することもでき、これにより部分的空乏化FETが得られる。
【0013】
この発明において、ゲート電極直下の3層構造は、ゲート電極直下の領域のみに選択的に形成されたものでもよい。
またこの発明において、ソース及びドレイン拡散層の拡張領域直下に第1導電型の第4の半導体層が埋め込まれた構造とすることもでき、これにより、より高いパンチスルー耐性を得ることができる。
更にこの発明において、好ましくは、ソース及びドレイン拡散層の低抵抗領域は、選択エピタキシャル成長によりゲート絶縁膜位置より上方に突出しているものとする。これにより、浅い拡散深さのソース、ドレイン拡散層を形成することが可能になる。
【0014】
この発明による疑似SOIFETが完全空乏化FETの場合には、好ましくは、ゲート電極は、所望のしきい値電圧を得るために必要な仕事関数を持つメタル電極により形成される。部分空乏化FETの場合には、多結晶シリコンゲートを用いることができる。
【0015】
この発明に係る半導体装置は更に、半導体基板と、前記半導体基板の表面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記半導体基板に前記ゲート電極直下のチャネル領域を挟んで対向するように形成された低抵抗領域とこの低抵抗領域から前記チャネル領域側に拡張するように形成された低抵抗領域より低不純物濃度で浅い拡張領域とから構成されるソース及びドレイン拡散層と、前記ソース及びドレイン拡散層の間の前記チャネル領域に形成された第1導電型の第1の不純物ドープ層と、前記第1の不純物ドープ層の下に形成された第2導電型の第2の不純物ドープ層と、前記第2の不純物ドープ層の下に形成された第1導電型の第3の不純物ドープ層とを備え、前記第1の不純物ドープ層は、その接合深さが前記ソース及びドレイン拡散層の拡張領域のそれより深い状態で選択的に形成され且つ、チャネル反転層形成時に部分的に空乏化するように不純物濃度と厚さが設定され、前記第2の不純物ドープ層は、その両端部が前記ソース及びドレイン拡散層の拡張領域に接するように選択的に形成され且つ、前記第1及び第3の不純物ドープ層との間に生じるビルトインポテンシャルにより完全空乏化するように不純物濃度と厚さが設定されていることを特徴とする。
このような構造として、第1の半導体層が、ソース及びドレインの拡張領域との間に形成される空乏層と完全空乏化する第2の半導体層により囲まれて、浮遊状態になる条件のもとでは、部分空乏化FETが得られる。
【0016】
この発明に係る半導体装置は更に、半導体基板と、前記半導体基板に互いに離隔して形成された第1のソース及びドレイン拡散層及び前記半導体基板の前記第1のソース及びドレイン拡散層の間にゲート絶縁膜を介して形成された第1のゲート電極を有する第1のトランジスタと、前記半導体基板に互いに離隔して形成された第2のソース及びドレイン拡散層及び前記半導体基板の前記第2のソース及びドレイン拡散層の間にゲート絶縁膜を介して形成された第2のゲート電極を有する第2のトランジスタとを備え、前記第1のトランジスタは、前記第1のソース及びドレイン拡散層の間のチャネル領域に形成された第1導電型の第1の不純物ドープ層と、前記第1の不純物ドープ層の下に形成された第2導電型の第2の不純物ドープ層と、前記第2の不純物ドープ層の下に形成された第1導電型の第3の不純物ドープ層とを備え、且つ前記第1のトランジスタの前記ソース及びドレイン拡散層は、前記半導体基板に前記ゲート電極直下のチャネル領域を挟んで対向するように形成された、低抵抗領域とこの低抵抗領域から前記チャネル領域側に拡張するように形成された低抵抗領域より低不純物濃度で浅い拡張領域とから構成され、前記第1のトランジスタの前記第1の不純物ドープ層は、その接合深さが前記第1のソース及びドレイン拡散層の拡張領域のそれと同じかより浅く且つ、チャネル反転層形成時に完全空乏化または部分空乏化するように不純物濃度と厚さが設定され、前記第1のトランジスタの前記第2の不純物ドープ層は、第3の不純物ドープ層との間の接合の深さが、前記第1のソース及びドレイン拡散層のそれより深く且つ、前記第1及び第3の不純物ドープ層との間に生じるビルトインポテンシャルにより完全空乏化するように不純物濃度と厚さが設定されていることを特徴とする。
【0017】
この発明により、第1のトランジスタとして、微細化して且つ短チャネル効果が抑制できる疑似SOIFETを用いたLSIを得ることができる。例えば第2のトランジスタを、半導体基板の第2のゲート電極直下の部分に、第2のソース及びドレイン拡散層より深い不純物ドープ層である第1導電型のバルク層を有するバルクFETとすれば、疑似SOIFET(完全空乏化素子或いは部分空乏化素子)とバルクFETの集積化構造が得られる。
また第2のトランジスタを、第1のトランジスタと同様の構造の疑似SOIFETとすれば、第1,第2のトランジスタの一方を完全空乏化素子、他方を部分空乏素子とした組み合わせができる。
【0018】
この発明による半導体装置の製造方法は、少なくとも表面に第1導電型の第1の不純物ドープ層を有する半導体基板に、不純物がドープされていない第1の半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、前記第1の半導体層にイオン注入を行って前記第1の不純物ドープ層に接する第2導電型の第2の不純物ドープ層を形成する工程と、前記第1の半導体層の表面部にイオン注入を行って前記第2の不純物ドープ層に接する第1導電型の第3の不純物ドープ層を形成する工程と、前記第3の不純物ドープ層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板に前記ゲート電極に自己整合された状態で、前記第3の不純物ドープ層と第2の不純物ドープ層の接合面と同等かこれより深い拡張領域を形成し且つ、前記第2の不純物ドープ層と第1の不純物ドープ層の接合面より浅い接合深さを持ち前記拡張領域より高不純物濃度を有する低抵抗領域を形成することにより前記拡張領域及び前記低抵抗領域から構成されるソース及びドレイン拡散層を形成する工程とを有し、前記第2の不純物ドープ層は、前記第1及び第3の不純物ドープ層との間のビルトインポテンシャルにより完全空乏化する不純物濃度と厚さをもって形成されることを特徴とする。
【0019】
この発明による半導体装置の製造方法はまた、少なくとも表面に第1導電型の第1の不純物ドープ層を有する半導体基板に、不純物がドープされていない第1の半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、前記第1の半導体層にイオン注入を行って前記第1の不純物ドープ層に接する第2導電型の第2の不純物ドープ層を形成する工程と、前記第2の不純物ドープ層上に不純物がドープされていない第2の半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、前記第2の半導体層にイオン注入を行って前記第2の不純物ドープ層に接する第1導電型の第3の不純物ドープ層を形成する工程と、前記第3の不純物ドープ層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板に前記ゲート電極に自己整合された状態で、前記第3の不純物ドープ層と第2の不純物ドープ層の接合面と同等かこれより深い拡張領域を形成し且つ、前記第2の不純物ドープ層と第1の不純物ドープ層の接合面より浅い接合深さを持ち前記拡張領域より高不純物濃度を有する低抵抗領域を形成することにより前記拡張領域及び前記低抵抗領域から構成されるソース及びドレイン拡散層を形成する工程とを有し、前記第2の不純物ドープ層は、前記第1及び第3の不純物ドープ層との間のビルトインポテンシャルにより完全空乏化する不純物濃度と厚さをもって形成されることを特徴とする。
【0020】
この発明の製造方法によると、エピタキシャル成長とイオン注入を用いることによって、疑似SOIFETの低不純物濃度で浅いチャネル領域半導体層を形成することができる。この発明の製造方法において、ソース及びドレイン拡散層を形成する工程は好ましくは、ゲート電極をマスクとしてイオン注入を行って第3の不純物拡散層より深い拡張領域を形成する工程と、ゲート電極の側壁に側壁絶縁膜を形成する工程と、ゲート電極及び側壁絶縁膜をマスクとしてイオン注入を行って、前記拡張領域より高不純物濃度であって、前記拡張領域より深く且つ、第2の不純物拡散層と第1の不純物拡散層の接合面より浅い低抵抗領域を形成する工程とを有するものとする。
【0021】
また、この発明の製造方法において、素子分離絶縁膜を形成する工程は、半導体層のエピタキシャル成長工程に先立って行ってもよいし、或いはチャネル領域の3層構造を形成した後に行ってもよい。特に後者を利用すれば、素子分離後にエピタキシャル成長を行った場合の隣接する素子領域の短絡等を防止することが可能になる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。以下の実施の形態ではすべてnチャネルMISFETを示すが、各部の導電型を逆にしたpチャネルMISFETに同様にこの発明を適用できることは、いうまでもない。
【0023】
[第1実施の形態]
図1は、第1実施の形態によるMISFETの断面構造を示している。
シリコン基板1の表面部には、ウェルイオン注入等によりp型層2が形成され、この上に低不純物濃度のn-型層3、更にチャネル領域となるp型層4が形成されている。これらのp/n-/p接合構造のうち、少なくとも上部のp型層4とその下のn-型層3の部分は、後に説明するように、エピタキシャル成長工程とイオン注入工程を併用して形成されたものである。
【0024】
チャネル領域となるp型層4の上にゲート絶縁膜5を介してゲート電極6が形成されている。ゲート電極6は、所定の仕事関数を持つメタル電極6aを主体として、この上に多結晶シリコン電極6bが重ねられている。
【0025】
ソース、ドレイン拡散層7は、ゲート電極6の側壁に設けられた側壁絶縁膜8とゲート電極6とをマスクとしたイオン注入により形成された、n+型の低抵抗領域7aと、側壁絶縁膜8を形成する前にゲート電極6をマスクとしたイオン注入により、n+型低抵抗領域7aからチャネル領域に拡張する形に形成された、低抵抗領域7aより低不純物濃度で浅いn型拡張領域7bとから構成されている。低抵抗領域7aは、ゲート絶縁膜5の位置より上方に突出した状態に形成されている。この構造は後述するように、ゲート電極6を形成した後に選択エピタキシャル成長を行うことにより得られる。そしてこの構造を利用することにより、低抵抗領域7aの底部接合面が、p型層2に達しない位置、即ちn-型層3の内部に位置するようにしている。
【0026】
ゲート電極下のp/n-/p接合構造のn-型層3は、上下のp型層4,2との間のビルトインポテンシャルにより完全空乏化するように、不純物濃度と厚さが設定されている。これによりこの実施の形態のトランジスタは、チャネル領域下に埋め込み酸化膜があるSOI構造と類似の疑似SOIFETとなる。以下、このトランジスタをデプレション層上のシリコンを用いたFET(iliconDepletion ayer FET)という意味で、”SODELFET”と称する。
【0027】
チャネル領域となるp型層4は、チャネル反転層形成時に完全空乏化するように、その不純物濃度と厚さが選択される。これにより、完全空乏化素子即ち、FD−SODELFETとなる。特に、p型層4は、短チャネル効果を抑制するために十分に薄くすることが必要であり、その接合深さ(n-型層3との接合面位置)を、ソース及びドレインの拡張領域7bのそれと同じかそれより浅くする。
図1の例は、p型層4の接合深さが、ソース及びドレインの拡張領域7bのそれより浅い場合を示している。
【0028】
図3は、チャネル領域のp型層4の厚さとしきい値電圧のロールオフ値δVth(短チャネル時のしきい値電圧と長チャネル時のしきい値電圧の差)の関係を、p型層4の不純物濃度をパラメータとして示している。なおしきい値電圧のロールオフ値δVthは、図13に示すように、ゲート長Lg(即ちチャネル長)が小さくなるにつれて大きくなることが知られている。図3のデータは、n-型層3の不純物濃度が、1E16/cm3、ゲート酸化膜厚が3nm、電源がVdd=1.2Vの場合の計算結果である。図3には比較のため、SOIFETのデータを示し、また破線で囲んだデータは均一ドープのp型バルクシリコンを用いた通常のbulkFETの場合を示している。
【0029】
図3から、p型層4の厚さが小さくなる程、しきい値電圧のロールオフ値δVthはゼロに近づき、短チャネル効果が抑制されることがわかる。これは、SOIFETと同様の効果であって、チャネル領域を薄膜化することにより、ドレイン形状に沿ったポテンシャル分布の二次元効果が弱くなり、垂直方向の一次元ポテンシャル分布のみでしきい値電圧が決まるようになるためである。
【0030】
図3はまた、同じδVthであれば、この実施の形態によるSODELFETの方がSOIFETよりp型層4が厚くてよいことを示している。これは、無理して薄膜を形成することなく、MISFETを作ることができること、p型層4の膜厚のばらつきに起因するしきい値電圧のばらつきを小さくできること、を意味しており、実際の素子製造に有利であることを示している。
【0031】
但し、以上の効果は、p型層4の不純物濃度に依存している。図3に示すように、p型層4の不純物濃度が1E17/cm3程度以上になると、薄膜化による短チャネル効果抑制の効果が殆どなくなり、相当の薄膜化をしないと効果が望めなくなる。これは、薄膜化によりチャネル直下の空乏層の伸びが小さくなる結果である。従って、チャネル領域となるp型層4は、不純物濃度と厚さを最適化することが必要になる。
【0032】
また、チャネル領域となるp型層4の不純物濃度と厚さ及びゲート電極6の仕事関数を選択することにより、チャネル反転層形成時にp型層4が部分的に空乏化するようにすることもできる。これにより、部分空乏化(artially
epleted)素子である、PD−SODELFETが得られる。
【0033】
ビルトインポテンシャルにより完全空乏化させる必要があるn-型層3も、不純物濃度と厚さの最適化が必要である。n-型層3の一部が空乏化されずに残ると、これによりソース、ドレイン間が短絡されてリーク電流が増大するからである。一方、このn-型層3の厚さでチャネル領域の垂直電界の緩和の程度が決まり、チャネル領域のキャリア移動度を大きく保つには、n-型層3の膜厚がある程度大きい方がよい。
【0034】
図4は、このn-型層3の厚さと短チャネル効果を示すδVth及びキャリア移動度(電子移動度μe)の関係を示す。図示のように、n-型層3が厚くなるにつれて、電子移動度μeは大きくなるが、δVthも大きくなる。即ち、短チャネル効果の抑制とキャリア移動度改善とがトレードオフの関係にあることを示している。
【0035】
ソース、ドレインの低抵抗領域であるn+型層7aの接合深さは、前述のように、n-型層3とp型層2の接合面より浅く設定されている。これにより、n+型層7aがp型層2に達する深さに形成された場合に比べて、ソース、ドレインの接合容量及び接合リークが小さく抑えられる他、低しきい値電圧でも高いパンチスルー耐圧が得られるという効果が期待できる。また、ソース、ドレインの接合容量が小さくなる結果、トランジスタの高速動作が可能になる。
【0036】
以上のようにp/n-/p構造の不純物濃度分布と厚さを適正化するには、プロセス条件を最適化することが必要である。本発明者のプロセスシミュレーションによれば、p/n-/pの3層構造を従来のようにイオン注入工程のみで形成することは困難であることが明らかになった。即ち、図1のp型層2をイオン注入により1E18/cm3程度の不純物濃度をもって形成しようとすると、大きなドーズ量で且つ高加速エネルギーで行わなければならず、その不純物分布の深さ方向の裾が大きく拡がる。そうすると、形成されたp型層2の表面部に更にイオン注入により低不純物濃度のn-層3及びp型層4を形成しようとしても、所望の不純物プロファイルとはかけ離れたものとなってしまう。
【0037】
そこでこの発明の製造工程では、図1においてチャネル領域となるp型層4及びその下のn-型層3について、エピタキシャル成長層を利用する。具体的に、図1のp/n-/p接合構造を得るための製造工程例を、以下に説明する。
【0038】
図5A〜図5Dは、具体的なLSIへの適用を考慮して、素子分離工程を含めたp/n-/p接合構造を得るための一つの製造工程例を示している。まず、図5Aに示すように、シリコン基板1の表面にバッファ酸化膜21とシリコン窒化膜22の積層マスクを形成し、素子分離領域にRIEにより溝を形成して、この溝に素子分離絶縁膜23を埋め込む。
【0039】
この後、シリコン窒化膜22とバッファ酸化膜21を除去して、図5Bに示すように、ボロン(B)イオン注入を行ってp型層2を形成する。具体的に、ボロン(B)を加速電圧20keV、ドーズ量5×1013/cm2でイオン注入する。そしてこのp型層2の上に、アンドープのシリコン層10を例えば80nmの厚さにエピタキシャル成長させる。
【0040】
次いで、図5Cに示すように、このシリコン層10に、砒素(As)イオン注入を行って、n-型層3を形成する。Asイオン注入条件は例えば、加速電圧20keV、ドーズ量5×1011/cm2とする。続いて、図5Dに示すように、Bイオン注入を行って、n-型層3の表面部にチャネル領域となるp型層4を形成する。このBイオン注入条件は例えば、加速電圧5keV、ドーズ量6×1011/cm2とする。
【0041】
図6A〜図6Eは、p/n-/p接合構造の形成のために、2段階のエピタキシャル成長を利用する例を示している。図6Aは、図5Aと同じ素子分離工程を示している。素子分離後、図6Bに示すように、シリコン基板1の表面にBイオン注入によりp型層2を形成した後、この上にアンドープのシリコン層10をエピタキシャル成長させる。そして、図6Cに示すように、このシリコン層10に、Asイオン注入を行って、n-型層3を形成する。続いて図6Dに示すように、再度エピタキシャル成長を行って、n-型層3上にアンドープのシリコン層11を形成する。続いて、図6Eに示すように、シリコン層11にBイオン注入を行って、チャネル領域となるp型層4を形成する。
【0042】
図2は、以上のような工程により形成されるp/n-/p接合構造の不純物プロファイルを示している。エピタキシャル成長工程を組み合わせることにより、完全空乏化させるに必要な低不純物濃度と厚さを持つn-型層3及びp型層4を形成することが可能になる。
【0043】
上述のように素子分離工程を、p/n-/p構造を形成する前に行うことは、素子分離工程での熱によるp/n-/p構造の不純物の再拡散を防止する上で好ましい。しかしこの工程では、素子分離領域が狭い場合には、シリコン層のエピタキシャル成長工程で隣接する素子領域のシリコン層が素子分離領域上でつながってしまう可能性がある。この様な事態を確実に防止するためには、p/n-/p構造を形成した後に素子分離工程を入れればよい。
【0044】
その様な素子分離工程を持つ場合について、具体的なSODELFETの集積化の工程を、図7〜図12を参照して説明する。図7に示すシリコン基板1上のp型層2、n-型層3及びp型層4は、素子分離工程前に、先の図5A〜図5D或いは図6A〜図6Eで説明したエピタキシャル成長工程とイオン注入工程の組み合わせにより作られたものとする。この様なp/n-/p構造が形成された基板に、図7に示すように、バッファ酸化膜21とシリコン窒化膜22によるマスクをトランジスタ領域にパターン形成し、RIEによりp型層2に達する深さに素子分離溝を形成して、ここに素子分離絶縁膜23を埋め込む。
【0045】
次いで、図8に示すように、ゲート酸化膜5を形成し、ゲート電極6を形成する。ゲート電極6は、所定のしきい値電圧を得るに必要な仕事関数を持つメタル電極6aと多結晶シリコン電極6bの積層電極とする。この積層電極は、シリコン窒化膜24をマスクとしてパターン形成する。そして、ゲート電極6をマスクとしてAsイオン注入を行って、ソース、ドレインの拡張領域7bとなるn型層を形成する。拡張領域7bはその接合深さを、p型層4より深くする。但し、拡張領域7bの接合深さを、p型層4のそれと同じ程度としてもよい。
【0046】
次に、図9に示すように、ゲート電極6の側壁にシリコン窒化膜25からなる側壁絶縁膜を形成する。そして、図10に示すように、ソース、ドレイン領域のシリコン表面を露出させ、ここに選択エピタキシャル成長によりシリコン層26を形成する。これは、次に形成される高濃度のソース、ドレイン領域の拡散深さに比べて、p型層2とn-型層3の接合面位置を深く保つためである。
【0047】
この後、図11に示すように、Asイオン注入を行って、ソース、ドレインのn+型低抵抗領域7aを形成する。上述のように、低抵抗領域7aの拡散深さは、p型層2に達しないようにする。以上により、SODELFETが完成する。
その後、図12に示すように、層間絶縁膜27を堆積し、これに必要なコンタクト孔を形成して、W等のコンタクトプラグ28を埋め込む。この後は示さないが、層間絶縁膜27上にメタル配線を形成する。
【0048】
以上のようにこの実施の形態によるSODELFETは、チャネル領域のp型層4の接合深さを、ソース、ドレインの拡張領域7bのそれより浅く形成し且つ、ソース、ドレインの低抵抗領域7aの底面が、n-型3内に位置するようにn-型層3の厚さを比較的大きく設定している。これにより、垂直電界緩和の効果によりチャネル領域の高キャリア移動度が保証され、またサブミクロン領域でも短チャネル効果を十分に抑制することが可能になる。そしてこれらの効果は、p/n-/p接合構造を得るのに、エピタキシャル成長工程を組み合わせることにより初めて得られる。また、ソース、ドレインの低抵抗領域7aの底面は、ビルトインポテンシャルで完全空乏化するn-型層3内にあって、p型層2には接しないようにしているから、接合容量が小さく、高速動作が可能になり、また高いパンチスルー耐圧が得られる。
【0049】
この実施の形態の場合、完全空乏化素子を実現してしかもしきい値電圧を最適条件に設定するには、ゲート電極6にメタル電極6aを用いることも重要である。具体的に、メタル電極6aとしては、TiN,WN等が用いられる。また二つの仕事関数を持つメタル電極6aとしては、二種の材料の組み合わせである(TiN,WN)、(W,WN)等が用いられる。即ち、必要とするしきい値電圧に応じて適当な仕事関数のメタル電極6aを用いることによって、所望のしきい値電圧を得ることが可能になる。
【0050】
一方、部分空乏化素子を形成する場合には、ゲート電極6として多結晶シリコン電極を用いて、所望のしきい値を得ることができる。
【0051】
なお、上記実施の形態において、チャネル領域のキャリア移動度をより改善するためには、p型層4として、SiGe歪み合金層或いは、Si/SiGe歪み合金層を用いることも有効である。これにより、より高い電流駆動能力のSODELFETが得られる。以下の各実施の形態についても同様である。
【0052】
[第2実施の形態]
上記第1実施の形態において、p/n-/p接合構造の不純物濃度及び厚さを最適化したとしても、ゲート長Lgが50nm或いはそれ以下の世代になると、ソース、ドレイン間のパンチスルー現象が無視できなくなる。
【0053】
図14は、この様な事情を考慮して、確実なパンチスルー防止を可能とした第2実施の形態のSODELFET構造を図1に対応させて示している。ソース、ドレインの拡張領域7bの直下に、ハロ領域であるp型層9が埋め込まれている点が図1と異なる。その他第1実施の形態と同様であり、p型層4の不純物濃度と厚みを設定することにより、FD−SODELFETを得ることができる。またp型層4の不純物濃度をより高濃度に設定すれば、PD−SODELFETを得ることもできる。
【0054】
従来、パンチスルー防止を目的としてチャネル領域の中央部の不純物濃度を高くするために、斜めイオン注入を利用する方法が提案されている。しかしこの発明の場合、チャネル領域中央部の不純物濃度を高めることは、基板垂直方向の電界を緩和して高いキャリア移動度を実現する上で障害となる。従って、図14の構造を得るためには、ゲート電極6をマスクとした垂直方向のイオン注入により、拡張領域7bの直下にp型層9を形成する。
【0055】
斜めイオン注入によりハロ領域を形成する方法では、ゲート電極が微細ピッチで配列されるLSIの場合、隣接するゲート電極が影になってイオン注入ができない素子、従って短チャネル効果が改善されない素子が部分的に現れる。これに対して、上述のように垂直方向のイオン注入によりハロ領域であるp型層9を形成すれば、ゲート電極が微細ピッチで形成される場合にも支障なく、図14の素子構造を得ることができる。即ち、微細化したときの短チャネル効果の抑制とパンチスルー耐圧の保証が可能になる。
【0056】
ここまでの実施の形態では、一つの素子領域のみに着目して説明を行った。同じ素子構造のSODELFETを集積したLSIを作る場合には、上述したp/n-/p構造を、基板全面へのエピタキシャル成長とイオン注入により一律に作ればよい。しかし、選択的なイオン注入を利用することにより、各素子のチャネル領域毎にp/n-/p接合構造を作るようにすることもできる。
【0057】
[第3実施の形態]
図15は、選択的なイオン注入により、p/n-/p接合構造をゲート電極直下の領域に選択的に作った実施の形態のSODELFETの構造を図1に対応させて示している。図1と異なり、エピタキシャル成長させたアンドープのシリコン層10の、チャネル領域を形成する部分のみに選択的にAsイオン注入を行って、n-型層3を形成している。従って、ソース及びドレイン拡散層7の拡張領域7bは、その底面がn-型層3に接し、低抵抗領域7aは、その底面がアンドープシリコン層10内部に位置する。
【0058】
チャネル領域となるp型層4についても、同様に選択的なBイオン注入により形成することができる。
この様に、n-型層3をチャネル領域直下のみに形成することにより、ソース、ドレインの低抵抗領域7aの底面はアンドープ(i)シリコン層10の内部に位置し、ソース、ドレインの接合容量を更に低減することが可能になる。
【0059】
ここまでの実施の形態は、主として完全空乏化素子であるFD−SODELFETを説明した。従ってしきい値電圧はゲート電極の仕事関数で決まり、調整の自由度は小さい。しかしLSIの場合一般に、しきい値電圧の異なるMISFETを混載することにより回路設計を適正化して、高性能化を図ることが望まれる。そのためには、完全空乏化素子のみでは都合が悪いこともある。
【0060】
これに対しては、第3実施の形態で説明した選択イオン注入法を利用すれば、チャネル領域の不純物濃度や厚さを異ならせてしきい値電圧を異ならせた複数のMISFETを集積することができる。そのような実施の形態を次に説明する。
【0061】
[第4実施の形態]
図16は、FD−SODELFETと、bulkFETとを集積した構造を示している。FD−SODELFETは、第3実施の形態で説明した構造を有する。これを製造工程に従って説明すれば、第1実施の形態の製造工程で説明したと同様に、まずp型層2が形成されたシリコン基板1にアンドープのシリコン層10をエピタキシャル成長させる。その後、素子分離領域にSTIにより素子分離絶縁膜30を埋め込む。但しp型層2は、基板全面に形成することなく、SODELFET領域のみに選択的にイオン注入して形成してもよい。
【0062】
その後FD−SODELFETの領域には、ゲート電極6の形成前に、第4実施の形態で説明したと同様の選択イオン注入により、n-型層3及びp型層4を順次形成する。bulkFET領域には、エピタキシャル成長により形成されたアンドープのシリコン層10に対して別の選択イオン注入工程により、p型層2に達する深さにp型層31を形成する。更に、必要に応じてチャネルイオン注入を行う。その後、各素子領域にゲート電極6を形成して、ソース、ドレインの拡張領域7b及び低抵抗領域7aを同時に形成する。
これにより、しきい値電圧の異なるFD−SODELFETとbulkFETを集積することができる。
【0063】
[第5実施の形態]
図17は、FD−SODELFETと共に、チャネル反転層形成時にもチャネル領域が完全には空乏化しない、PD−SODELFETを集積した構造を示している。FD−SODELFETは、図16のそれと同様の工程で形成する。PD−SODELFETについては、FD−SODELFETと異なるイオン注入条件で、n-型層3a及びp型層4aを順次形成する。但し、PD−SODELFETのn-型層3aと、FD−SODELFET側のn-型層3とは同じ条件でもよい。少なくとも、PD−SODELFETのp型層4aは、FD−SODELFETのp型層4より高不純物濃度で厚く形成する。
【0064】
図17の場合、p型層4aは、ソース、ドレインの拡張領域7bの拡散深さよりは深く、低抵抗領域7aよりは浅く形成している。また、p型層4aとn-型層3aは、チャネル領域直下に選択的に形成されており、n-型層3aの両端部は、拡張領域7bに接している。
【0065】
PD−SODELFETのp/n-/p構造部の不純物濃度分布を、FD−SODELの図2と比較して示すと、例えば図18のようになる。p型層4aのボロン濃度は、図2の場合に比べて、1桁程度高くしている。これにより、FD−SODELFETよりしきい値電圧が高く、チャネル反転層形成時にp型層4aが部分的に空乏化するPD−SODELFETが得られる。このときp型層4aは、拡張領域7bとの間の空乏層及び、完全空乏化するn-型層3aにより囲まれて、浮遊状態のp型層となる。
【0066】
図19は、上述したPD−SODELFETのドレイン電圧Vd−ドレイン電流Id特性を、ゲート電圧Vgをパラメータとして計算により求めた結果を示している。ゲート長はLg=70nm、電源電圧はVdd=1V、オフ電流はIoff=22.5nA/μmとしている。図から明らかなように、ドレイン電圧Vdの途中からドレイン電流Idが急上昇するキンク特性が得られている。このキンク特性は、p型層4aの部分空乏化の結果、しきい値電圧が見かけ上低くなることにより得られるPD−SODELFETに特有の特性である。具体的にこのキンク特性は、あるドレイン電圧を越えると、インパクトイオン化により発生したホールがp型層4aに蓄積されて、しきい値電圧が見かけ上低くなることにより得られる。
【0067】
また、図20は、PD−SODELFETについて、ゲート電圧をVg=1V固定とし、ドレイン電圧Vdを破線で示すようにパルス的に時間変化させたときの、ボディ領域(p型層4a)の電位Vbの変化を、エピタキシャル成長させたシリコン層10の厚さをパラメータとして示している。ドレイン電圧Vdに追随してボディ電位Vbが変化しており、これがp型層4aが実質フローティングになっていることを示している。
【0068】
[第6実施の形態]
図21は、PD−SODELFETとbulkFETを集積化した構造を示す。PD−SODELFET及びbulkFETのチャネルボディ構造は、図16の実施の形態と同様であるが、p型層4の不純物濃度を最適設定して、PD−SODELFETを形成している。PD−SODELFETの場合、ゲート電極6として多結晶シリコン電極を用いることができる。図21では、PD−SODELFET及びbulkFET共に、多結晶シリコンゲートとしている。一般にbulkFETは、メタル電極を用いると、しきい値が高くなりすぎる。この実施の形態によると、bulkFETを低しきい値として、高い電流駆動能力を得ることができる。
【0069】
なお、図16,図17及び図21におけるFD−SODELFET及びPD−SODELFETについて、図14の実施の形態と同様に、ソース、ドレイン拡張領域7bの直下にハロ領域としてp型層9を埋め込む構造を用いてもよい。
【0070】
次に、この発明によるFD−SODELFET或いはPD−SODELFETとbulkFETを組み合わせる好ましい回路例を説明する。
【0071】
[第7実施の形態]
図22は、直列接続されたnチャネルトランジスタQN1〜QN3と並列接続されたpチャネルトランジスタQP1〜QP3により構成されるNANDゲートである。nチャネルトランジスタQN1〜QN3は、それぞれゲートが入力端子に接続されて、出力端子と基準電位端子の間に直列接続されている。pチャネルトランジスタQP1〜QP3は、電源端子と出力端子の間に並列接続されて、それぞれのゲートが対応する入力端子に接続されている。この様な回路では、通常のMISFETを用いた場合、縦積みされたトランジスタQN1〜QN3の部分がそれぞれ異なる基板バイアスがかかり、見かけ上しきい値電圧が異なることになる。
【0072】
そこで、nチャネルトランジスタQN1〜QN3の部分には、bulkFETに比べて基板バイアスの影響が小さい、図1に示した構造のFD−SODELFET又はPD−SODELFET或いは図17に示したPD−SODELFETを用いる。一方、pチャネルトランジスタQP1〜QP3の部分には、寄生バイポーラトランジスタによるリークが小さい、図16に示したbulkFETと同様の構造のpチャネルbulkFETを用いる。これにより、動作の安定性と高いノイズマージンを得ることができる。
【0073】
[第8実施の形態]
図23は、ダイナミックドミノ回路である。ノードN1,N2の間に並列接続されたnチャネルトランジスタQN11〜QN13は、ゲートをそれぞれ入力端子A,B,Cとするスイッチング素子である。ノードN1と電源端子の間には、プリチャージ信号PREによりゲートが制御されるプリチャージ用pチャネルトランジスタQP11が設けられている。ノードN2と基準電位端子の間には、クロックCKにより駆動される活性化用のnチャネルトランジスタQN14が設けられている。ノードN1は、インバータINVを介して出力端子OUTにつながる。ノードN1と電源端子Vddの間には更に、出力端子OUTの電圧により制御されるpチャネルトランジスタQP12が設けられる。
【0074】
この様なクロックにより駆動されるダイナミック回路では、ノードN1のキャパシタンスが大きいと高速動作が難しくなる。また、トランジスタQN11〜QN13のソース、ドレインの接合容量が大きいと、プリチャージ用トランジスタQP11及びクロック用トランジスタQN14がオフの状態で且つ、A,B,Cの入力が“H”のとき、ノードN1の蓄積電荷が分配されて、“H”レベル=Vddを保持すべきノードN1の電位がVddより大きく低下してしまう。逆にキャパシタンスが小さいとノイズマージンが低下する。従って、トランジスタQN11〜QN13の駆動能力との関係でノードN1のキャパシタンスを最適化することが必要である。
【0075】
そこで例えば、トランジスタQN11〜QN13の部分には、ノードN1のキャパシタンスを比較的小さく保つことができる、図1に示す構造のFD−SODELFET又はPD−SODELFETを用いる。トランジスタQN14,QP11,QP12の部分には、図16に示すbulkFETと同様の構造のbulkFETを用いる。
【0076】
これにより、ノイズマージンを低下させることなく、高速動作が可能な回路を得ることができる。即ち、bulkFETのみを用いて図23のダイナミック回路を構成した場合には、ノードN1のキャパシタンスが大きくなり、これを高速で充放電することが難しいが、トランジスタQN11〜QN13の部分には、ノードN1のキャパシタンスを比較的小さく保つことができるSODELFETを用いることにより、高速動作が可能になる。また、ノードN1の保持すべき電位を確実に保持することが可能になる。
【0077】
一方、図23のダイナミック回路を全て、SODELFETにより構成すると、ボディ領域が浮遊状態にある結果、寄生バイポーラトランジスタ効果が発生すること、またノードN1が蓄積できる電荷量が少なくなることから、ノイズ耐性が悪くなる。そこで、トランジスタQN11〜QN13の部分にはSODELFETを用い、それ以外の部分にはbulkFETを用いることにより、トレードオフの関係にあるノイズマージンと高速性能を最適化することができる。
【0078】
また、アナログ回路やメモリのセンスアンプ回路等には、差動アンプが多く用いられる。例えば二つのCMOS回路で構成される差動アンプは、二つのCMOS回路のしきい値が揃っていることが重要である。しかし、この発明によるSODELFETの場合、チャネルボディ領域がフローティングであることから、過去の履歴に影響されてしきい値がずれることがあり、二つのCMOS回路のしきい値を常に揃えておくことが簡単ではない。従って、この発明によるSODELFETを用いたLSIにおいても、差動アンプについてはbulkFETを用いるといった、使い分けを行うことが好ましい。
【0079】
また、この発明によるFD−SODELFETを用いたLSIにおいて、p/n-/p構造を素子毎に分離して設けた場合に、選択的に下部のp型層にしきい値電圧を調整するための基板バイアスを印加する基板バイアス印加回路を備えることも有効である。特に、図14に示したように、ソース、ドレインの拡張領域7bの下にハロ領域であるp型層9を形成したFD−SODELFETについては、p型層2にバイアスを印加することにより、しきい値を調整できることが確認されている。図24は、図14に示すFD−SODELFETについて、p型層2に印加する基板バイアス電圧Vsubを変えたときのドレイン電流Id−ゲート電圧Vg特性を示している。この特性から、p型層2を素子毎に分離して設けてここに基板バイアス印加回路を接続すれば、しきい値電圧の異なるFD−SODELFETを集積したLSIを得ることができる。
【0080】
[第9実施の形態]
図22のNANDゲート回路及び図23のダイナミックドミノ回路は、部分SOI基板を用いたSOIFETとbulkFETの組み合わせにより構成することができる。図25は、部分SOI基板を用いたSOIFETとbulkFETの集積化構造を示している。部分SOI基板は、シリコン基板101上の薄いシリコン層103の下にシリコン酸化膜等の絶縁膜102が埋め込まれたSOI領域と、絶縁膜が埋め込まれていないバルク領域とを有する。
【0081】
この様な部分SOI基板のSOI領域のシリコン層103に、SOIFETが形成される。SOIFETは、シリコン層103上にゲート絶縁膜201を介して形成されたゲート電極202を有する。ソース,ドレイン拡散層203は、絶縁膜102に達する深さに形成される。シリコン層103が薄い場合には、SOIFETは、完全空乏化素子となる。
【0082】
バルク領域には、n型(またはp型)ウェル301が形成され、このウェル301上にゲート絶縁膜302を介してゲート電極303が形成され、ソース、ドレイン拡散層304が形成される。
【0083】
図22のNANDゲート回路のnチャネルトランジスタQN1−Q3は、図25のSOIFETにより形成する。pチャネルトランジスタQP1−QP3は、図25のバルクFETにより形成する。これにより、第7実施の形態及び第8実施の形態で説明したと同様の理由で高い安定性と高いノイズマージンが得られる。
【0084】
図23のダイナミックドミノ回路のnチャネルトランジスタQN11−QN13は、図25のSOIFETにより形成する。pチャネルトランジスタQP11,QP12及びnチャネルトランジスタQN14は、図25のバルクFETにより形成する。これにより、第8実施の形態で説明したと同様の理由で、ノイズマージンを低下させることなく、高速動作を行うことができる。
【0085】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、バルク半導体を用いてより簡単な構造で微細化と高性能化を可能としたトランジスタを持つ半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態によるSODELFETの構造を示す断面図である。
【図2】同SODELFETのチャネル領域の深さ方向の不純物濃度分布を示す図である。
【図3】この発明によるSODELFETのしきい値電圧ロールオフ値δVthとp型層厚さの関係をSOIFETと比較して示す図である。
【図4】この発明によるSODELFETのしきい値電圧ロールオフ値δVth及び電子移動度μeとn-型層厚さとの関係を示す図である。
【図5A】同実施の形態のSODELFETのp/n-/p構造を得る製造工程における素子分離工程を示す断面図である。
【図5B】同製造工程におけるp型層イオン注入工程及びシリコン層エピタキシャル成長工程を示す断面図である。
【図5C】同製造工程におけるn-型層イオン注入工程を示す断面図である。
【図5D】同製造工程におけるp型層イオン注入工程を示す断面図である。
【図6A】同実施の形態のSODELFETのp/n-/p構造を得るための他の製造工程における素子分離工程を示す断面図である。
【図6B】同製造工程における第1回目シリコン層エピタキシャル工程を示す断面図である。
【図6C】同製造工程におけるn-層イオン注入工程を示す断面図である。
【図6D】同製造工程における第2回目シリコン層エピタキシャル工程を示す断面図である。
【図6E】同製造工程におけるp層イオン注入工程を示す断面図である。
【図7】同実施の形態のSODELFETを集積化するための製造工程におけるp/n-/p構造形成工程及び素子分離工程を示す断面図である。
【図8】同製造工程のゲート電極形成工程及びソース、ドレイン拡張領域形成工程を示す断面図である。
【図9】同製造工程のゲート側壁絶縁膜形成工程を示す断面図である。
【図10】同製造工程のソース、ドレイン領域の選択エピタキシャル成長工程を示す断面図である。
【図11】同製造工程のソース、ドレイン低抵抗領域の形成工程を示す断面図である。
【図12】同製造工程の層間絶縁膜及びコンタクトプラグ形成工程を示す断面図である。
【図13】ゲート長としきい値電圧ロールオフ値の関係を示す図である。
【図14】他の実施の形態によるSODELFETの構造を示す断面図である。
【図15】他の実施の形態によるSODELFETの構造を示す断面図である。
【図16】FD−SODELFETとバルクFETの集積化構造を示す断面図である。
【図17】FD−SODELFETとPD−SODELFETの集積化構造を示す断面図である。
【図18】図17のPD−SODELFETのチャネル領域不純物濃度分布を示す図である。
【図19】図17のPD−SODELFETのドレイン電圧−ドレイン電流特性を示す図である。
【図20】図18のPD−SODELFETのボディ電位のドレイン電圧依存性を示す図である。
【図21】他の実施の形態によるPD−SODELFETとバルクFETの集積化構造を示す断面図である。
【図22】この発明を適用するに好ましい回路例を示す図である。
【図23】この発明を適用するに好ましい他の回路例を示す図である。
【図24】この発明によるFD−SODELFETの基板バイアス印加の効果を示す図である。
【図25】他の実施の形態によるSOIFETとバルクFETの集積化構造を示す図である。
【符号の説明】
1…シリコン基板、2…p型層、3…n-型層、4…p型層(チャネル領域)、5…ゲート絶縁膜、6…ゲート電極、6a…メタル電極、6b…多結晶シリコン電極、7…ソース、ドレイン拡散層、7a…低抵抗領域、7b…拡張領域、8…側壁絶縁膜、10,11…シリコン層(エピタキシャル成長層)。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device that uses a bulk semiconductor to achieve miniaturization and high performance of a transistor. In place Related.
[0002]
[Prior art]
Currently, as a transistor suitable for miniaturization and high performance, a MISFET in which a channel region is fully depleted (Fully Depleted) using an SOI (Silicon On Insulator) substrate is being researched and developed in various places. Hereinafter, this MISFET is referred to as FD-SOIFET. This element is basically configured with a low impurity concentration and thickness necessary for complete depletion of the silicon layer on the oxide film to be the channel region.
[0003]
In the FD-SOIFET, the vertical electric field from the gate electrode is partially supported by the buried oxide film at the bottom of the channel region, and the vertical electric field applied to the channel region is reduced accordingly. As a result of the relaxation of the vertical electric field in the channel region, there is an advantage that the carrier mobility of the channel region is increased and a high current driving capability can be obtained.
[0004]
However, FD-SOIFET has many disadvantages when further miniaturization is considered.
For example, in order to suppress the short channel effect, it is necessary to use a very thin silicon layer SOI substrate. When a thin silicon layer is used, the parasitic resistance increases, and the upper and lower channel regions are higher than silicon. In other words, since the oxide film is surrounded by an oxide film having a low thermal conductivity, the conduction of heat generated in the self-heating region in the vicinity of the drain is poor and the performance is greatly deteriorated. In addition, there is a problem that the quality of the SOI substrate and the reliability of the gate insulating film are difficult and the plasma damage is large. One of the disadvantages is that SOI substrates are currently expensive.
[0005]
On the other hand, attempts have been made to solve the above-mentioned disadvantages of FD-SOIFETs while exhibiting the same effects as FD-SOIFETs using bulk semiconductors. Specifically, when the channel region is a p-type layer, n of a low impurity concentration that is depleted by a built-in potential below the channel region. - P / n with mold layer - / P structure has been proposed to realize a pseudo SOIFET ((1) T. Mizuno et al,: 1991 Symp. On VLSI Tech. P.109 (1991), (2) M.Miyamoto et al ,: IEDM Tech. Dig. p.411 (1998), (3) Ishii, Miyamoto: JP-A-7-335837).
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventionally proposed pseudo SOIFET still has many problems to be solved, and it is difficult to obtain sufficient performance in the submicron range. That is, in the pseudo SOIFETs shown in documents (1) to (3), the depth (thickness) of the channel region is deeper than the depth of the source and drain diffusion layers. This is a great hindrance in suppressing the short channel effect when further miniaturized. Further, if the semiconductor layer in the channel region is a low impurity concentration layer necessary for realizing a fully depleted element, punch-through becomes a problem when the gate length (channel length) becomes as short as submicron. In order to prevent punch-through, a complicated drain structure as shown in documents (2) and (3) is required.
[0007]
Further, in the structures shown in documents (2) and (3), the bottom of the source and drain diffusion layers formed by counter doping is n - It reaches the p-type layer below the mold layer. For this reason, the junction capacitance of the source and drain is large, and high-speed operation becomes difficult.
Further, in documents (2) and (3), p / n of the channel region - Only the ion implantation method is considered as a method for obtaining the / p structure. However, p / n is actually only by the ion implantation method. - In order to obtain the / p structure, there is a limit to reducing the impurity concentration in the channel region and reducing the film thickness.
[0008]
The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and is a semiconductor device having a transistor that can be miniaturized and improved in performance with a simpler structure. Place It is intended to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device according to the present invention is formed so as to oppose a semiconductor substrate, a gate electrode formed on a surface of the semiconductor substrate via a gate insulating film, and a channel region directly below the gate electrode across the semiconductor substrate. A source and drain diffusion layer composed of a low-resistance region and an extension region having a lower impurity concentration and shallower than the low-resistance region formed so as to extend from the low-resistance region to the channel region side; A first impurity doped layer of the first conductivity type formed in the channel region between the drain diffusion layers, and a second impurity doped layer of the second conductivity type formed below the first impurity doped layer And a first conductivity type third impurity doped layer formed under the second impurity doped layer, wherein the first impurity doped layer has a junction depth of the source and drain. It is set to be equal to or shallower than that of the extension region of the diffusion layer, and the second impurity doped layer has an impurity concentration so as to be completely depleted by a built-in potential generated between the first and third impurity doped layers. The thickness is set.
[0011]
According to the present invention, an FET using a bulk semiconductor is formed by forming a three-layer structure of pnp (or npn) directly under a gate electrode so that an intermediate layer thereof is completely depleted by a built-in potential, thereby realizing a pseudo SOIFET. Can be obtained. In particular, by forming the first semiconductor layer serving as the channel region in the three-layer structure extremely thin, the short channel effect when miniaturized can be suppressed, and the punch-through resistance can be increased. .
Further, by forming the diffusion depth of the source / drain diffusion layer shallower than the junction surface of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, the junction capacitance and junction leakage of the source / drain can be suppressed to a small value.
[0012]
In the present invention, for example, the impurity concentration and thickness of the first semiconductor layer are set so as to be completely depleted when the channel inversion layer is formed. Thereby, a fully depleted FET is obtained. Alternatively, the impurity concentration and thickness of the first semiconductor layer can be set so as to be partially depleted when the channel inversion layer is formed, thereby obtaining a partially depleted FET.
[0013]
In the present invention, the three-layer structure directly under the gate electrode may be selectively formed only in the region directly under the gate electrode.
Moreover, in this invention, it can also be set as the structure where the 4th semiconductor layer of the 1st conductivity type was embedded immediately under the extended area | region of a source and drain diffused layer, and, thereby, higher punch through tolerance can be acquired.
Furthermore, in the present invention, it is preferable that the low resistance regions of the source and drain diffusion layers protrude above the gate insulating film position by selective epitaxial growth. As a result, a source / drain diffusion layer having a shallow diffusion depth can be formed.
[0014]
When the pseudo SOI FET according to the present invention is a fully depleted FET, the gate electrode is preferably formed of a metal electrode having a work function necessary for obtaining a desired threshold voltage. In the case of a partially depleted FET, a polycrystalline silicon gate can be used.
[0015]
The semiconductor device according to the present invention further opposes a semiconductor substrate, a gate electrode formed on a surface of the semiconductor substrate via a gate insulating film, and the semiconductor substrate with a channel region directly below the gate electrode interposed therebetween. Formed Low Resistance region and , A source and drain diffusion layer composed of an extension region having a lower impurity concentration and shallower than the low resistance region formed so as to extend from the low resistance region to the channel region side, and between the source and drain diffusion layers A first conductivity type first impurity doped layer formed in the channel region; a second conductivity type second impurity doped layer formed under the first impurity doped layer; and the second impurity A third impurity doped layer of the first conductivity type formed under the doped layer, wherein the first impurity doped layer has a junction depth deeper than that of the extension region of the source and drain diffusion layers The impurity concentration and thickness are set so as to be selectively formed in a state and partially depleted when the channel inversion layer is formed, and both ends of the second impurity doped layer are the source and drain diffusion layers. The impurity concentration and thickness are set so as to be selectively formed in contact with the extension region and to be completely depleted by a built-in potential generated between the first and third impurity doped layers. And
As such a structure, the first semiconductor layer is surrounded by a depletion layer formed between the source and drain extension regions and a second semiconductor layer that is completely depleted, and is in a floating state. Then, a partially depleted FET is obtained.
[0016]
The semiconductor device according to the present invention further includes a gate between the semiconductor substrate, the first source and drain diffusion layers formed on the semiconductor substrate and spaced apart from each other, and the first source and drain diffusion layers of the semiconductor substrate. A first transistor having a first gate electrode formed through an insulating film; a second source and drain diffusion layer formed on the semiconductor substrate and spaced apart from each other; and the second source of the semiconductor substrate And a second transistor having a second gate electrode formed through a gate insulating film between the drain diffusion layer, and the first transistor is disposed between the first source and drain diffusion layers. A first conductivity type first impurity doped layer formed in the channel region; a second conductivity type second impurity doped layer formed under the first impurity doped layer; And a serial third impurity doped layer of the first conductivity type formed below the second impurity doped layer, and The source and drain diffusion layers of the first transistor are formed on the semiconductor substrate so as to face each other with the channel region immediately below the gate electrode interposed therebetween, and from the low resistance region to the channel region side. An extension region having a lower impurity concentration and shallower than the low resistance region formed to extend, and The first impurity doped layer has a junction depth of the first source / drain diffusion layer. Extended area Impurity concentration and thickness are set to be completely depleted or partially depleted when the channel inversion layer is formed. Of the first transistor The second impurity-doped layer has a depth of junction with the third impurity-doped layer deeper than that of the first source / drain diffusion layer, and the first and third impurity-doped layers. The impurity concentration and the thickness are set so as to be completely depleted by a built-in potential generated between and.
[0017]
According to the present invention, an LSI using a pseudo SOIFET that can be miniaturized and suppress the short channel effect can be obtained as the first transistor. For example, if the second transistor is a bulk FET having a bulk layer of the first conductivity type that is an impurity doped layer deeper than the second source and drain diffusion layers in a portion immediately below the second gate electrode of the semiconductor substrate, An integrated structure of a pseudo SOIFET (fully depleted element or partially depleted element) and a bulk FET is obtained.
If the second transistor is a pseudo SOI FET having the same structure as that of the first transistor, a combination in which one of the first and second transistors is a fully depleted element and the other is a partially depleted element can be obtained.
[0018]
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of epitaxially growing a first semiconductor layer not doped with impurities on a semiconductor substrate having a first impurity doped layer of the first conductivity type on at least the surface, Forming a second conductivity type second impurity doped layer in contact with the first impurity doped layer by implanting ions into the first semiconductor layer; and performing ion implantation on the surface portion of the first semiconductor layer. Forming a first conductivity type third impurity doped layer in contact with the second impurity doped layer; forming a gate electrode on the third impurity doped layer through a gate insulating film; and A junction surface of the third impurity doped layer and the second impurity doped layer in a state of being self-aligned with the gate electrode on the semiconductor substrate Form an extended area that is equal to or deeper than And having a junction depth shallower than the junction surface of the second impurity doped layer and the first impurity doped layer. In other words, the extension region and the low resistance region are formed by forming a low resistance region having a higher impurity concentration than the extension region. Forming a source and drain diffusion layer. The second impurity doped layer is formed with an impurity concentration and thickness that are completely depleted by a built-in potential between the first and third impurity doped layers. It is characterized by that.
[0019]
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention also includes a step of epitaxially growing a first semiconductor layer not doped with impurities on a semiconductor substrate having a first impurity doped layer of the first conductivity type on at least the surface, Forming a second conductivity type second impurity doped layer in contact with the first impurity doped layer by implanting ions into the first semiconductor layer; and impurities doped on the second impurity doped layer A step of epitaxially growing a second semiconductor layer not formed, a step of ion-implanting the second semiconductor layer to form a third impurity doped layer of a first conductivity type in contact with the second impurity doped layer, Forming a gate electrode on the third impurity doped layer via a gate insulating film, and in a state of being self-aligned with the gate electrode on the semiconductor substrate; Bonding surface of the impurity-doped layer and the second impurity doped layer Form an extended area that is equal to or deeper than And having a junction depth shallower than the junction surface of the second impurity doped layer and the first impurity doped layer. In other words, the extension region and the low resistance region are formed by forming a low resistance region having a higher impurity concentration than the extension region. Forming a source and drain diffusion layer. The second impurity doped layer is formed with an impurity concentration and thickness that are completely depleted by a built-in potential between the first and third impurity doped layers. It is characterized by that.
[0020]
According to the manufacturing method of the present invention, by using epitaxial growth and ion implantation, a shallow channel region semiconductor layer can be formed with a low impurity concentration of a pseudo SOIFET. In the manufacturing method of the present invention, the step of forming the source and drain diffusion layers is preferably a step of forming an extended region deeper than the third impurity diffusion layer by performing ion implantation using the gate electrode as a mask, and a side wall of the gate electrode. Forming a sidewall insulating film on the gate electrode, and performing ion implantation using the gate electrode and the sidewall insulating film as a mask, having a higher impurity concentration than the extension region, deeper than the extension region, and a second impurity diffusion layer And a step of forming a low resistance region shallower than the bonding surface of the first impurity diffusion layer.
[0021]
In the manufacturing method of the present invention, the step of forming the element isolation insulating film may be performed prior to the epitaxial growth step of the semiconductor layer, or may be performed after forming the three-layer structure of the channel region. In particular, if the latter is used, it is possible to prevent a short circuit between adjacent element regions when epitaxial growth is performed after element isolation.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following embodiments, n-channel MISFETs are all shown, but it goes without saying that the present invention can be similarly applied to p-channel MISFETs in which the conductivity type of each part is reversed.
[0023]
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a MISFET according to the first embodiment.
A p-type layer 2 is formed on the surface portion of the silicon substrate 1 by well ion implantation or the like, and a low impurity concentration n is formed thereon. - A mold layer 3 and a p-type layer 4 serving as a channel region are formed. These p / n - In the / p junction structure, at least the upper p-type layer 4 and the n below it - As will be described later, the mold layer 3 is formed by using an epitaxial growth process and an ion implantation process in combination.
[0024]
A gate electrode 6 is formed on the p-type layer 4 serving as a channel region via a gate insulating film 5. The gate electrode 6 is mainly composed of a metal electrode 6a having a predetermined work function, and a polycrystalline silicon electrode 6b is overlaid thereon.
[0025]
The source / drain diffusion layer 7 is formed by ion implantation using the sidewall insulating film 8 provided on the sidewall of the gate electrode 6 and the gate electrode 6 as a mask. + N-type ion implantation using the gate electrode 6 as a mask before forming the low-resistance region 7a of the mold and the sidewall insulating film 8 + The low-resistance region 7a is formed so as to extend from the low-resistance region 7a to the channel region, and the n-type expansion region 7b is shallower and has a lower impurity concentration than the low-resistance region 7a. The low resistance region 7 a is formed so as to protrude upward from the position of the gate insulating film 5. As will be described later, this structure is obtained by performing selective epitaxial growth after forming the gate electrode 6. By using this structure, the bottom junction surface of the low resistance region 7a does not reach the p-type layer 2, that is, n - It is located inside the mold layer 3.
[0026]
P / n under the gate electrode - N of / p junction structure - The impurity concentration and thickness of the mold layer 3 are set so that the mold layer 3 is completely depleted by the built-in potential between the upper and lower p-type layers 4 and 2. As a result, the transistor of this embodiment becomes a pseudo SOIFET similar to the SOI structure in which the buried oxide film is provided under the channel region. Hereinafter, this transistor is an FET using silicon on the depletion layer ( S ilicon O n De pletion L ayer FET In this sense, it is called “SODELFET”.
[0027]
The impurity concentration and thickness of the p-type layer 4 serving as the channel region are selected so that the p-type layer 4 is completely depleted when the channel inversion layer is formed. As a result, a fully depleted element, that is, an FD-SODELFET is obtained. In particular, the p-type layer 4 needs to be sufficiently thin in order to suppress the short channel effect, and the junction depth (n - The position of the junction surface with the mold layer 3) is the same as or shallower than that of the source and drain extension regions 7b.
The example of FIG. 1 shows a case where the junction depth of the p-type layer 4 is shallower than that of the source and drain extension regions 7b.
[0028]
FIG. 3 shows the relationship between the thickness of the p-type layer 4 in the channel region and the threshold voltage roll-off value δVth (the difference between the threshold voltage in the short channel and the threshold voltage in the long channel). The impurity concentration of 4 is shown as a parameter. As shown in FIG. 13, the threshold voltage roll-off value δVth is known to increase as the gate length Lg (that is, the channel length) decreases. The data in FIG. - The impurity concentration of the mold layer 3 is 1E16 / cm Three This is a calculation result when the gate oxide film thickness is 3 nm and the power source is Vdd = 1.2V. For comparison, FIG. 3 shows SOIFET data, and the data surrounded by a broken line shows the case of a normal bulkFET using uniformly doped p-type bulk silicon.
[0029]
FIG. 3 shows that as the thickness of the p-type layer 4 becomes smaller, the roll-off value δVth of the threshold voltage approaches zero and the short channel effect is suppressed. This is the same effect as that of SOIFET. By thinning the channel region, the two-dimensional effect of the potential distribution along the drain shape is weakened, and the threshold voltage is increased only by the one-dimensional potential distribution in the vertical direction. This is to be decided.
[0030]
FIG. 3 also shows that for the same δVth, the p-type layer 4 may be thicker in the SODELFET according to this embodiment than in the SOIFET. This means that a MISFET can be made without forcibly forming a thin film, and that variations in threshold voltage due to variations in the thickness of the p-type layer 4 can be reduced. It shows that it is advantageous for device manufacturing.
[0031]
However, the above effect depends on the impurity concentration of the p-type layer 4. As shown in FIG. 3, the impurity concentration of the p-type layer 4 is 1E17 / cm. Three If it is more than about, the effect of suppressing the short channel effect by thinning the film is almost lost, and the effect cannot be expected unless the film is considerably thinned. This is a result of the elongation of the depletion layer immediately below the channel being reduced by thinning the film. Therefore, it is necessary to optimize the impurity concentration and thickness of the p-type layer 4 serving as the channel region.
[0032]
In addition, by selecting the impurity concentration and thickness of the p-type layer 4 serving as the channel region and the work function of the gate electrode 6, the p-type layer 4 may be partially depleted when the channel inversion layer is formed. it can. This results in partial depletion ( P artly
D PD-SODELFET which is an element of the obtained) is obtained.
[0033]
N need to be fully depleted by built-in potential - The mold layer 3 also needs to be optimized in impurity concentration and thickness. n - This is because if a part of the mold layer 3 remains without being depleted, the source and the drain are short-circuited to increase the leakage current. On the other hand, this n - The thickness of the mold layer 3 determines the degree of relaxation of the vertical electric field in the channel region, and in order to keep the carrier mobility in the channel region large, n - It is preferable that the mold layer 3 has a certain thickness.
[0034]
FIG. 4 shows this n - The relationship between the thickness of the mold layer 3, δVth indicating the short channel effect, and carrier mobility (electron mobility μe) is shown. As shown, n - As the mold layer 3 becomes thicker, the electron mobility μe increases, but δVth also increases. That is, the suppression of the short channel effect and the improvement of carrier mobility are in a trade-off relationship.
[0035]
N which is a low resistance region of the source and drain + The junction depth of the mold layer 7a is n as described above. - It is set shallower than the junction surface between the mold layer 3 and the p-type layer 2. As a result, n + Compared to the case where the mold layer 7a is formed to a depth reaching the p-type layer 2, the junction capacitance and the junction leakage of the source and drain are suppressed to a small level, and a high punch-through breakdown voltage can be obtained even at a low threshold voltage. The effect can be expected. Further, since the junction capacitance of the source and drain is reduced, the transistor can be operated at high speed.
[0036]
P / n as above - In order to optimize the impurity concentration distribution and thickness of the / p structure, it is necessary to optimize the process conditions. According to the inventor's process simulation, p / n - It has been found that it is difficult to form a three-layer structure of / p only by an ion implantation process as in the prior art. That is, the p-type layer 2 of FIG. Three If an impurity concentration is to be formed, it must be performed with a large dose and high acceleration energy, and the tail of the impurity distribution in the depth direction is greatly expanded. Then, a low impurity concentration n is further implanted into the surface portion of the formed p-type layer 2 by ion implantation. - Even if the layer 3 and the p-type layer 4 are to be formed, it is far from the desired impurity profile.
[0037]
Therefore, in the manufacturing process of the present invention, the p-type layer 4 which becomes the channel region in FIG. - For the mold layer 3, an epitaxial growth layer is used. Specifically, p / n in FIG. - An example of a manufacturing process for obtaining the / p junction structure will be described below.
[0038]
5A to 5D show p / n including an element isolation step in consideration of application to a specific LSI. - 1 shows an example of a manufacturing process for obtaining a / p junction structure. First, as shown in FIG. 5A, a laminated mask of a buffer oxide film 21 and a silicon nitride film 22 is formed on the surface of the silicon substrate 1, a groove is formed in the element isolation region by RIE, and an element isolation insulating film is formed in this groove. 23 is embedded.
[0039]
Thereafter, the silicon nitride film 22 and the buffer oxide film 21 are removed, and boron (B) ion implantation is performed to form the p-type layer 2 as shown in FIG. 5B. Specifically, boron (B) is accelerated at a voltage of 20 keV and a dose of 5 × 10. 13 / Cm 2 Ion implantation. An undoped silicon layer 10 is epitaxially grown on the p-type layer 2 to a thickness of, for example, 80 nm.
[0040]
Next, as shown in FIG. 5C, arsenic (As) ions are implanted into the silicon layer 10 to obtain n - The mold layer 3 is formed. As ion implantation conditions are, for example, an acceleration voltage of 20 keV and a dose of 5 × 10. 11 / Cm 2 And Subsequently, as shown in FIG. 5D, B ion implantation is performed, and n - A p-type layer 4 serving as a channel region is formed on the surface portion of the mold layer 3. The B ion implantation conditions are, for example, an acceleration voltage of 5 keV and a dose amount of 6 × 10. 11 / Cm 2 And
[0041]
6A to 6E show p / n - In this example, two-stage epitaxial growth is used to form a / p junction structure. FIG. 6A shows the same element isolation step as FIG. 5A. After element isolation, as shown in FIG. 6B, a p-type layer 2 is formed on the surface of the silicon substrate 1 by B ion implantation, and then an undoped silicon layer 10 is epitaxially grown thereon. Then, as shown in FIG. 6C, As ion implantation is performed on the silicon layer 10 to obtain n - The mold layer 3 is formed. Subsequently, as shown in FIG. 6D, epitaxial growth is performed again, and n - An undoped silicon layer 11 is formed on the mold layer 3. Subsequently, as shown in FIG. 6E, B ion implantation is performed on the silicon layer 11 to form a p-type layer 4 serving as a channel region.
[0042]
FIG. 2 shows the p / n formed by the above process. - The impurity profile of / p junction structure is shown. N with low impurity concentration and thickness required for complete depletion by combining epitaxial growth processes - The mold layer 3 and the p-type layer 4 can be formed.
[0043]
As described above, the element isolation step is performed using p / n. - What is performed before forming the / p structure is p / n due to heat in the element isolation step. - This is preferable in preventing re-diffusion of impurities having a / p structure. However, in this process, when the element isolation region is narrow, there is a possibility that the silicon layer of the adjacent element region is connected on the element isolation region in the epitaxial growth process of the silicon layer. In order to prevent such a situation reliably, p / n - A device isolation step may be performed after the / p structure is formed.
[0044]
In the case of having such an element isolation step, a specific SODELFET integration step will be described with reference to FIGS. P-type layer 2 and n on the silicon substrate 1 shown in FIG. - The mold layer 3 and the p-type layer 4 are formed by a combination of the epitaxial growth process and the ion implantation process described with reference to FIGS. 5A to 5D or FIGS. 6A to 6E before the element isolation process. P / n like this - As shown in FIG. 7, a mask formed of a buffer oxide film 21 and a silicon nitride film 22 is patterned in the transistor region on the substrate on which the / p structure is formed, and an element isolation trench is formed to a depth reaching the p-type layer 2 by RIE. And an element isolation insulating film 23 is embedded therein.
[0045]
Next, as shown in FIG. 8, a gate oxide film 5 is formed, and a gate electrode 6 is formed. The gate electrode 6 is a laminated electrode of a metal electrode 6a having a work function necessary for obtaining a predetermined threshold voltage and a polycrystalline silicon electrode 6b. This laminated electrode is patterned using the silicon nitride film 24 as a mask. Then, As ion implantation is performed using the gate electrode 6 as a mask to form an n-type layer to be a source / drain extension region 7b. The extension region 7 b has a junction depth deeper than that of the p-type layer 4. However, the junction depth of the extension region 7 b may be the same as that of the p-type layer 4.
[0046]
Next, as shown in FIG. 9, a sidewall insulating film made of the silicon nitride film 25 is formed on the sidewall of the gate electrode 6. Then, as shown in FIG. 10, the silicon surfaces of the source and drain regions are exposed, and a silicon layer 26 is formed thereon by selective epitaxial growth. This is because the p-type layer 2 and n are compared with the diffusion depth of the high-concentration source and drain regions to be formed next. - This is to keep the joint surface position of the mold layer 3 deep.
[0047]
Then, as shown in FIG. 11, As ion implantation is performed, and the source and drain n + A mold low resistance region 7a is formed. As described above, the diffusion depth of the low resistance region 7 a is set so as not to reach the p-type layer 2. Thus, the SODELFET is completed.
After that, as shown in FIG. 12, an interlayer insulating film 27 is deposited, contact holes necessary for this are formed, and contact plugs 28 such as W are embedded. Thereafter, although not shown, a metal wiring is formed on the interlayer insulating film 27.
[0048]
As described above, in the SODELFET according to this embodiment, the junction depth of the p-type layer 4 in the channel region is formed shallower than that of the source / drain extension region 7b, and the bottom surface of the source / drain low resistance region 7a. But n - N to be located in mold 3 - The thickness of the mold layer 3 is set relatively large. Thereby, the high carrier mobility of the channel region is ensured by the effect of the vertical electric field relaxation, and the short channel effect can be sufficiently suppressed even in the submicron region. And these effects are p / n - A / p junction structure can be obtained only by combining an epitaxial growth process. Further, the bottom surface of the low resistance region 7a of the source and drain is completely depleted by a built-in potential. - Since it is in the mold layer 3 and is not in contact with the p-type layer 2, the junction capacitance is small, high-speed operation is possible, and a high punch-through breakdown voltage is obtained.
[0049]
In the case of this embodiment, it is also important to use the metal electrode 6a for the gate electrode 6 in order to realize a fully depleted element and set the threshold voltage to an optimum condition. Specifically, TiN, WN or the like is used as the metal electrode 6a. As the metal electrode 6a having two work functions, (TiN, WN), (W, WN) or the like, which is a combination of two kinds of materials, is used. That is, a desired threshold voltage can be obtained by using the metal electrode 6a having an appropriate work function according to the required threshold voltage.
[0050]
On the other hand, when forming a partially depleted element, a desired threshold value can be obtained by using a polycrystalline silicon electrode as the gate electrode 6.
[0051]
In the above embodiment, in order to further improve the carrier mobility in the channel region, it is also effective to use a SiGe strain alloy layer or a Si / SiGe strain alloy layer as the p-type layer 4. As a result, a SODELFET having a higher current driving capability is obtained. The same applies to the following embodiments.
[0052]
[Second Embodiment]
In the first embodiment, p / n - Even if the impurity concentration and thickness of the / p junction structure are optimized, when the gate length Lg is 50 nm or less, the punch-through phenomenon between the source and the drain cannot be ignored.
[0053]
FIG. 14 shows the SODELFET structure of the second embodiment corresponding to FIG. 1 that enables reliable punch-through prevention in consideration of such circumstances. 1 is different from FIG. 1 in that a p-type layer 9 which is a halo region is buried immediately below the source / drain extension region 7b. Others are the same as in the first embodiment, and an FD-SODELFET can be obtained by setting the impurity concentration and thickness of the p-type layer 4. If the impurity concentration of the p-type layer 4 is set higher, a PD-SODELFET can be obtained.
[0054]
Conventionally, a method using oblique ion implantation has been proposed in order to increase the impurity concentration in the central portion of the channel region for the purpose of preventing punch-through. However, in the case of the present invention, increasing the impurity concentration in the central portion of the channel region is an obstacle to realizing high carrier mobility by relaxing the electric field in the direction perpendicular to the substrate. Therefore, in order to obtain the structure of FIG. 14, the p-type layer 9 is formed immediately below the extension region 7b by vertical ion implantation using the gate electrode 6 as a mask.
[0055]
In the method of forming the halo region by oblique ion implantation, in the case of an LSI in which the gate electrodes are arranged at a fine pitch, there are elements that cannot be ion-implanted due to the shadow of the adjacent gate electrode, and therefore the elements that do not improve the short channel effect. Will appear. On the other hand, if the p-type layer 9 which is a halo region is formed by ion implantation in the vertical direction as described above, the device structure shown in FIG. be able to. That is, it becomes possible to suppress the short channel effect and to guarantee the punch-through breakdown voltage when miniaturized.
[0056]
In the embodiments described so far, the description has been given focusing on only one element region. In the case of making an LSI in which SODELFETs having the same element structure are integrated, the above-mentioned p / n - The / p structure may be uniformly formed by epitaxial growth and ion implantation over the entire surface of the substrate. However, by using selective ion implantation, p / n for each channel region of each element. - A / p junction structure can also be made.
[0057]
[Third Embodiment]
FIG. 15 shows p / n by selective ion implantation. - The structure of the SODELFET according to the embodiment in which the / p junction structure is selectively formed in the region immediately below the gate electrode is shown in correspondence with FIG. Unlike FIG. 1, the As ion implantation is selectively performed only on the portion of the epitaxially grown undoped silicon layer 10 where the channel region is to be formed. - A mold layer 3 is formed. Therefore, the bottom surface of the extension region 7b of the source / drain diffusion layer 7 is n. - The bottom surface of the low resistance region 7a is located inside the undoped silicon layer 10 in contact with the mold layer 3.
[0058]
Similarly, the p-type layer 4 serving as the channel region can be formed by selective B ion implantation.
In this way, n - By forming the mold layer 3 only immediately below the channel region, the bottom surfaces of the low resistance regions 7a of the source and drain are located inside the undoped (i) silicon layer 10 and the junction capacitance of the source and drain can be further reduced. It becomes possible.
[0059]
The embodiments so far have mainly described the FD-SODELFET which is a fully depleted element. Therefore, the threshold voltage is determined by the work function of the gate electrode, and the degree of freedom of adjustment is small. However, in the case of LSI, it is generally desired to improve performance by optimizing circuit design by incorporating MISFETs having different threshold voltages. For this purpose, it may be inconvenient if only a fully depleted device is used.
[0060]
On the other hand, if the selective ion implantation method described in the third embodiment is used, a plurality of MISFETs with different threshold voltages are integrated by varying the impurity concentration and thickness of the channel region. Can do. Such an embodiment will be described next.
[0061]
[Fourth embodiment]
FIG. 16 shows a structure in which an FD-SODELFET and a bulkFET are integrated. The FD-SODELFET has the structure described in the third embodiment. Explaining this according to the manufacturing process, as described in the manufacturing process of the first embodiment, first, the undoped silicon layer 10 is epitaxially grown on the silicon substrate 1 on which the p-type layer 2 is formed. Thereafter, the element isolation insulating film 30 is embedded in the element isolation region by STI. However, the p-type layer 2 may be formed by selectively ion-implanting only in the SODELFET region without being formed on the entire surface of the substrate.
[0062]
Thereafter, in the region of the FD-SODELFET, n ions are implanted by the same selective ion implantation as described in the fourth embodiment before the gate electrode 6 is formed. - A mold layer 3 and a p-type layer 4 are sequentially formed. In the bulkFET region, a p-type layer 31 is formed to a depth reaching the p-type layer 2 by another selective ion implantation process for the undoped silicon layer 10 formed by epitaxial growth. Further, channel ion implantation is performed as necessary. Thereafter, the gate electrode 6 is formed in each element region, and the source / drain extension region 7b and the low-resistance region 7a are simultaneously formed.
As a result, FD-SODELFETs and bulkFETs having different threshold voltages can be integrated.
[0063]
[Fifth Embodiment]
FIG. 17 shows a structure in which a PD-SODELFET is integrated together with the FD-SODELFET, in which the channel region is not completely depleted even when the channel inversion layer is formed. The FD-SODELFET is formed by the same process as that of FIG. For PD-SODELFET, n-ion implantation conditions different from those of FD-SODELFET - A mold layer 3a and a p-type layer 4a are sequentially formed. However, PD-SODELFET n - Mold layer 3a and n on the FD-SODELFET side - The same conditions as the mold layer 3 may be used. At least the p-type layer 4a of the PD-SODELFET is formed thicker with a higher impurity concentration than the p-type layer 4 of the FD-SODELFET.
[0064]
In the case of FIG. 17, the p-type layer 4a is formed deeper than the diffusion depth of the source / drain extension region 7b and shallower than the low resistance region 7a. The p-type layer 4a and n - The mold layer 3a is selectively formed immediately below the channel region, and n - Both end portions of the mold layer 3a are in contact with the extended region 7b.
[0065]
PD / SODELFET p / n - The impurity concentration distribution of the / p structure portion is shown in FIG. 18, for example, in comparison with FIG. 2 of FD-SODEL. The boron concentration of the p-type layer 4a is increased by an order of magnitude compared to the case of FIG. Thereby, a PD-SODELFET having a threshold voltage higher than that of the FD-SODELFET and in which the p-type layer 4a is partially depleted when the channel inversion layer is formed is obtained. At this time, the p-type layer 4a has a depletion layer between the expansion region 7b and n which is completely depleted. - A floating p-type layer is surrounded by the mold layer 3a.
[0066]
FIG. 19 shows the results obtained by calculating the drain voltage Vd-drain current Id characteristics of the PD-SODELFET described above using the gate voltage Vg as a parameter. The gate length is Lg = 70 nm, the power supply voltage is Vdd = 1 V, and the off current is Ioff = 22.5 nA / μm. As is apparent from the figure, a kink characteristic is obtained in which the drain current Id rises rapidly from the middle of the drain voltage Vd. This kink characteristic is a characteristic peculiar to a PD-SODELFET obtained by apparently lowering the threshold voltage as a result of partial depletion of the p-type layer 4a. Specifically, this kink characteristic is obtained when the threshold voltage is apparently lowered when holes generated by impact ionization are accumulated in the p-type layer 4a when a certain drain voltage is exceeded.
[0067]
FIG. 20 shows the potential Vb of the body region (p-type layer 4a) when the gate voltage is fixed to Vg = 1V and the drain voltage Vd is changed with time as shown by the broken line in the PD-SODELFET. This change is shown by using the thickness of the epitaxially grown silicon layer 10 as a parameter. The body potential Vb changes following the drain voltage Vd, which indicates that the p-type layer 4a is substantially floating.
[0068]
[Sixth Embodiment]
FIG. 21 shows a structure in which PD-SODELFET and bulkFET are integrated. The channel body structures of the PD-SODELFET and the bulkFET are the same as in the embodiment of FIG. 16, but the PD-SODELFET is formed by optimally setting the impurity concentration of the p-type layer 4. In the case of a PD-SODELFET, a polycrystalline silicon electrode can be used as the gate electrode 6. In FIG. 21, both PD-SODELFET and bulkFET are polycrystalline silicon gates. In general, when a bulk FET uses a metal electrode, the threshold becomes too high. According to this embodiment, it is possible to obtain a high current driving capability by setting the bulkFET as a low threshold value.
[0069]
Note that the FD-SODELFET and PD-SODELFET in FIGS. 16, 17, and 21 have a structure in which the p-type layer 9 is embedded as a halo region immediately below the source / drain extension region 7b, as in the embodiment of FIG. It may be used.
[0070]
Next, a preferred circuit example in which the FD-SODELFET or PD-SODELFET according to the present invention is combined with a bulkFET will be described.
[0071]
[Seventh embodiment]
FIG. 22 shows a NAND gate including n-channel transistors QN1 to QN3 connected in series and p-channel transistors QP1 to QP3 connected in parallel. Each of n-channel transistors QN1 to QN3 has a gate connected to the input terminal, and is connected in series between the output terminal and the reference potential terminal. The p-channel transistors QP1 to QP3 are connected in parallel between the power supply terminal and the output terminal, and each gate is connected to the corresponding input terminal. In such a circuit, when a normal MISFET is used, the vertically stacked transistors QN1 to QN3 are subjected to different substrate biases, and the threshold voltage is apparently different.
[0072]
Therefore, the FD-SODELFET or the PD-SODELFET having the structure shown in FIG. 1 or the PD-SODELFET shown in FIG. On the other hand, p-channel bulkFETs having the same structure as the bulkFET shown in FIG. 16 and having a small leakage due to the parasitic bipolar transistors are used for the p-channel transistors QP1 to QP3. Thereby, operational stability and a high noise margin can be obtained.
[0073]
[Eighth Embodiment]
FIG. 23 shows a dynamic domino circuit. N-channel transistors QN11 to QN13 connected in parallel between nodes N1 and N2 are switching elements whose gates are input terminals A, B, and C, respectively. A precharge p-channel transistor QP11 whose gate is controlled by a precharge signal PRE is provided between the node N1 and the power supply terminal. An activation n-channel transistor QN14 driven by a clock CK is provided between the node N2 and the reference potential terminal. The node N1 is connected to the output terminal OUT via the inverter INV. A p-channel transistor QP12 controlled by the voltage of the output terminal OUT is further provided between the node N1 and the power supply terminal Vdd.
[0074]
In a dynamic circuit driven by such a clock, high speed operation becomes difficult if the capacitance of the node N1 is large. Also, if the source and drain junction capacitances of the transistors QN11 to QN13 are large, the node N1 when the precharge transistor QP11 and the clock transistor QN14 are off and the inputs of A, B, and C are “H”. Are accumulated, and the potential of the node N1 that should hold the “H” level = Vdd is greatly reduced below Vdd. Conversely, when the capacitance is small, the noise margin is lowered. Therefore, it is necessary to optimize the capacitance of the node N1 in relation to the driving capability of the transistors QN11 to QN13.
[0075]
Therefore, for example, FD-SODELFET or PD-SODELFET having the structure shown in FIG. 1 that can keep the capacitance of the node N1 relatively small is used for the transistors QN11 to QN13. A bulk FET having the same structure as the bulk FET shown in FIG. 16 is used for the transistors QN14, QP11, and QP12.
[0076]
Thereby, a circuit capable of high-speed operation can be obtained without reducing the noise margin. That is, when the dynamic circuit of FIG. 23 is configured using only bulk FETs, the capacitance of the node N1 becomes large and it is difficult to charge and discharge it at high speed. However, the transistors N111 to QN13 include the node N1. By using a SODELFET that can keep the capacitance of the capacitor relatively small, high-speed operation becomes possible. Further, the potential to be held at the node N1 can be reliably held.
[0077]
On the other hand, if all of the dynamic circuits in FIG. 23 are configured by SODELFETs, the body region is in a floating state, resulting in a parasitic bipolar transistor effect, and the amount of charge that can be stored in the node N1 is reduced. Deteriorate. Therefore, by using SODELFETs for the transistors QN11 to QN13 and using bulkFETs for the other parts, it is possible to optimize the noise margin and high speed performance that are in a trade-off relationship.
[0078]
Also, differential amplifiers are often used for analog circuits, memory sense amplifier circuits, and the like. For example, in a differential amplifier composed of two CMOS circuits, it is important that the threshold values of the two CMOS circuits are aligned. However, in the case of the SODELFET according to the present invention, since the channel body region is floating, the threshold value may be shifted due to the influence of the past history, and the threshold values of the two CMOS circuits may always be made uniform. It is not easy. Accordingly, in the LSI using the SODELFET according to the present invention, it is preferable to selectively use a differential FET such as a bulkFET.
[0079]
In the LSI using the FD-SODELFET according to the present invention, p / n - It is also effective to provide a substrate bias application circuit that selectively applies a substrate bias for adjusting the threshold voltage to the lower p-type layer when the / p structure is provided separately for each element. In particular, as shown in FIG. 14, for the FD-SODELFET in which the p-type layer 9 which is a halo region is formed under the source / drain extension region 7b, by applying a bias to the p-type layer 2, It has been confirmed that the threshold can be adjusted. FIG. 24 shows the drain current Id-gate voltage Vg characteristics when the substrate bias voltage Vsub applied to the p-type layer 2 is changed for the FD-SODELFET shown in FIG. From this characteristic, if the p-type layer 2 is provided separately for each element and a substrate bias application circuit is connected thereto, an LSI in which FD-SODELFETs having different threshold voltages are integrated can be obtained.
[0080]
[Ninth Embodiment]
The NAND gate circuit of FIG. 22 and the dynamic domino circuit of FIG. 23 can be configured by a combination of SOIFET and bulkFET using a partial SOI substrate. FIG. 25 shows an integrated structure of SOIFET and bulkFET using a partial SOI substrate. The partial SOI substrate has an SOI region in which an insulating film 102 such as a silicon oxide film is embedded under a thin silicon layer 103 on the silicon substrate 101, and a bulk region in which an insulating film is not embedded.
[0081]
An SOIFET is formed in the silicon layer 103 in the SOI region of such a partial SOI substrate. The SOIFET has a gate electrode 202 formed on the silicon layer 103 with a gate insulating film 201 interposed therebetween. The source / drain diffusion layer 203 is formed to a depth reaching the insulating film 102. When the silicon layer 103 is thin, the SOIFET becomes a fully depleted element.
[0082]
In the bulk region, an n-type (or p-type) well 301 is formed, a gate electrode 303 is formed on the well 301 via a gate insulating film 302, and a source / drain diffusion layer 304 is formed.
[0083]
The n-channel transistors QN1-Q3 of the NAND gate circuit of FIG. 22 are formed by the SOIFET of FIG. The p-channel transistors QP1-QP3 are formed by the bulk FET of FIG. As a result, high stability and a high noise margin can be obtained for the same reason as described in the seventh and eighth embodiments.
[0084]
The n-channel transistors QN11 to QN13 of the dynamic domino circuit of FIG. 23 are formed by the SOIFET of FIG. The p-channel transistors QP11 and QP12 and the n-channel transistor QN14 are formed by the bulk FET of FIG. Accordingly, high-speed operation can be performed without reducing the noise margin for the same reason as described in the eighth embodiment.
[0085]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having a transistor that can be miniaturized and improved in performance with a simpler structure using a bulk semiconductor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a SODELFET according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an impurity concentration distribution in a depth direction of a channel region of the SODELFET.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a threshold voltage roll-off value δVth and a p-type layer thickness of a SODELFET according to the present invention in comparison with an SOIFET.
FIG. 4 shows a threshold voltage roll-off value δVth and electron mobility μe and n of a SODELFET according to the present invention; - It is a figure which shows the relationship with a mold layer thickness.
FIG. 5A shows the p / n of the SODELFET of the same embodiment. - It is sectional drawing which shows the element isolation process in the manufacturing process which obtains / p structure.
FIG. 5B is a cross-sectional view showing a p-type layer ion implantation step and a silicon layer epitaxial growth step in the same manufacturing step.
FIG. 5C shows n in the same manufacturing process. - It is sectional drawing which shows a type | mold layer ion implantation process.
FIG. 5D is a cross-sectional view showing a p-type layer ion implantation step in the same manufacturing step.
FIG. 6A shows the p / n of the SODELFET of the same embodiment. - It is sectional drawing which shows the element isolation process in the other manufacturing process for obtaining / p structure.
FIG. 6B is a cross-sectional view showing a first silicon layer epitaxial step in the same manufacturing step.
FIG. 6C shows n in the same manufacturing process. - It is sectional drawing which shows a layer ion implantation process.
FIG. 6D is a cross-sectional view showing a second silicon layer epitaxial step in the same manufacturing step.
FIG. 6E is a cross-sectional view showing a p-layer ion implantation step in the same manufacturing step.
FIG. 7 shows p / n in a manufacturing process for integrating the SODELFET according to the embodiment; - FIG. 6 is a cross-sectional view showing a / p structure forming step and an element isolation step.
8 is a cross-sectional view showing a gate electrode formation step and a source / drain extension region formation step in the same manufacturing process; FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a gate sidewall insulating film forming step in the same manufacturing step.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a selective epitaxial growth step of source and drain regions in the same manufacturing step.
11 is a cross-sectional view showing a process of forming a source / drain low resistance region in the same manufacturing process; FIG.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an interlayer insulating film and contact plug formation step in the same manufacturing step.
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a gate length and a threshold voltage roll-off value.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the structure of a SODELFET according to another embodiment.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the structure of a SODELFET according to another embodiment.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing an integrated structure of an FD-SODELFET and a bulk FET.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing an integrated structure of an FD-SODELFET and a PD-SODELFET.
FIG. 18 is a diagram showing a channel region impurity concentration distribution of the PD-SODELFET of FIG. 17;
19 is a diagram showing drain voltage-drain current characteristics of the PD-SODELFET of FIG.
20 is a diagram showing the drain voltage dependence of the body potential of the PD-SODELFET of FIG.
FIG. 21 is a cross-sectional view showing an integrated structure of a PD-SODELFET and a bulk FET according to another embodiment.
FIG. 22 is a diagram showing a preferred circuit example to which the present invention is applied.
FIG. 23 is a diagram showing another circuit example preferable for applying the present invention.
FIG. 24 is a diagram showing the effect of applying a substrate bias to the FD-SODELFET according to the present invention.
FIG. 25 is a diagram showing an integrated structure of SOIFETs and bulk FETs according to another embodiment.
[Explanation of symbols]
1 ... silicon substrate, 2 ... p-type layer, 3 ... n - Type layer, 4 ... p-type layer (channel region), 5 ... gate insulating film, 6 ... gate electrode, 6a ... metal electrode, 6b ... polycrystalline silicon electrode, 7 ... source, drain diffusion layer, 7a ... low resistance region, 7b: extended region, 8 ... sidewall insulating film, 10, 11 ... silicon layer (epitaxial growth layer).

Claims (2)

半導体基板と、
前記半導体基板の表面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記半導体基板に前記ゲート電極直下のチャネル領域を挟んで対向するように形成された低抵抗領域とこの低抵抗領域から前記チャネル領域側に拡張するように形成された低抵抗領域より低不純物濃度で浅い拡張領域とから構成される第2導電型のソース及びドレイン拡散層と、
前記ソース及びドレイン拡散層の間の前記チャネル領域に形成された第1導電型の第1の不純物ドープ層と、
前記第1の不純物ドープ層の下に形成された第2導電型の第2の不純物ドープ層と、
前記第2の不純物ドープ層の下に形成された第1導電型の第3の不純物ドープ層とを備え、
前記第1の不純物ドープ層は、その接合深さが前記ソース及びドレイン拡散層の拡張領域のそれより深い状態で選択的に形成され且つ、チャネル反転層形成時に部分的に空乏化するように不純物濃度と厚さが設定され、
前記第2の不純物ドープ層は、その両端部が前記ソース及びドレイン拡散層の拡張領域に接するように選択的に形成され且つ、前記第1及び第3の不純物ドープ層との間に生じるビルトインポテンシャルにより完全空乏化するように不純物濃度と厚さが設定されている
ことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A gate electrode formed on the surface of the semiconductor substrate via a gate insulating film;
A low resistance region formed so as to face the semiconductor substrate with a channel region directly below the gate electrode interposed therebetween, and a lower impurity concentration than the low resistance region formed so as to extend from the low resistance region to the channel region side A source and drain diffusion layer of the second conductivity type composed of a shallow extension region;
A first impurity doped layer of a first conductivity type formed in the channel region between the source and drain diffusion layers;
A second impurity doped layer of a second conductivity type formed under the first impurity doped layer;
A third impurity doped layer of the first conductivity type formed under the second impurity doped layer,
The first impurity doped layer is selectively formed with a junction depth deeper than that of the extension region of the source and drain diffusion layers, and is partially depleted when the channel inversion layer is formed. Concentration and thickness are set,
The second impurity doped layer is selectively formed so that both ends thereof are in contact with the extended regions of the source and drain diffusion layers, and the built-in potential generated between the first and third impurity doped layers. An impurity concentration and a thickness are set so as to be completely depleted by the semiconductor device.
前記第1の不純物ドープ層は、前記ソース及びドレイン拡散層の拡張領域との間に形成される空乏層と完全空乏化する前記第2の不純物ドープ層により囲まれて、浮遊状態になることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。The first impurity doped layer is surrounded by a depletion layer formed between the extension regions of the source and drain diffusion layers and the second impurity doped layer that is completely depleted, and is in a floating state. The semiconductor device according to claim 1.
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