JPH05275690A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH05275690A
JPH05275690A JP7170192A JP7170192A JPH05275690A JP H05275690 A JPH05275690 A JP H05275690A JP 7170192 A JP7170192 A JP 7170192A JP 7170192 A JP7170192 A JP 7170192A JP H05275690 A JPH05275690 A JP H05275690A
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JP
Japan
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insulating film
gate
gate insulating
gate length
tox
Prior art date
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Pending
Application number
JP7170192A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toyota Morimoto
本 豊 太 森
Hisayo Momose
瀬 寿 代 百
Hiroshi Iwai
井 洋 岩
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP7170192A priority Critical patent/JPH05275690A/en
Publication of JPH05275690A publication Critical patent/JPH05275690A/en
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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PURPOSE:To make a gate insulating film thin while restraining a tunnel current from flowing by a method wherein a gate insulating film of 2.5nm or less thickness and a gate electrode of 0.5mum or less are provided. CONSTITUTION:A leakage component ID1 to a gate electrode 4 by a tunnel effect, a channel component ID2, and a gate length L are made to bear relations to each other to satisfy formulas I and II. alpha1 and alpha2 are constant. The formula I shows that a leakage component ID1 is in proportion to a gate length L. The formula II indicates that a channel component ID2 increases with a decrease in gate length L to set a semiconductor device high in efficiency. The ratio of the leakage component ID1 to the channel component ID2 is represented by a formula III basing on the formulas I and II. alpha3 is a constant. Therefore, (ID1/ID2) decreases linearly with L, and a gate length L is so scaled as to satisfy a formula, L<=0.5mum. Even if L=10mum, ID increases till a gate insulating film reaches to 2.5nm in thickness TOX. When L=0.5mum, ID shows a tendency to increase even if TOX reaches to 1.5nm, so that TOX and L are set less than 2.5nm and 0.5mum respectively.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はMISFETを構成する
半導体装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device which constitutes a MISFET.

【0002】[0002]

【従来の技術】MISFET、特にMOSFETの集積
回路技術の進歩に伴い、MOSFETのゲート長はディ
ープサブミクロンの領域に入り、実用化の検討が各所で
進められている。
2. Description of the Related Art With the progress of integrated circuit technology for MISFETs, especially MOSFETs, the gate length of MOSFETs has fallen into the deep submicron region, and practical studies are being carried out in various places.

【0003】従来、このMOSFETの微細化スケーリ
ングは、一般に、1974年のデナード(Denard)によ
り提唱された“比例縮小”の概念に基づいて行われてき
た。この比例縮小スケーリングとは、素子のある特定の
構成要素のサイズを縮小したとき、該素子の他の構成要
素も同じ比率で縮小し、トランジスタとしての動作特性
を確保するというものである。
Heretofore, miniaturization scaling of this MOSFET has generally been carried out based on the concept of "proportional reduction" proposed by Denard in 1974. The proportional reduction scaling means that, when the size of a specific constituent element of the element is reduced, the other constituent elements of the element are also reduced at the same ratio to ensure the operating characteristics as a transistor.

【0004】しかし、基板内におけるPN接合部分の状
態で決まるビルトイン電圧、電源電圧などの単純にスケ
ーリングしにくいパラメータも存在することから、最近
では、電源電圧をK1/2 (Kはスケーリングファクタ)
で下げる手法などが提案され、設計の一つのガイドライ
ンとなっている。
However, since there are some parameters that are difficult to scale, such as built-in voltage and power supply voltage, which are determined by the state of the PN junction in the substrate, recently, the power supply voltage is K 1/2 (K is a scaling factor).
The method of lowering with is proposed, and it is one of the guidelines for design.

【0005】これまで、MOSFETのゲート絶縁膜に
ついてもスケーリングしにくいパラメータと考えられ、
3〜4nm程度がゲート絶縁膜の薄膜化の限界とされて
いた。これは、ゲート絶縁膜をその値以下に薄くする
と、ドレイン、ソースとゲート電極との間のトンネル電
流が増大し、もはやトランジスタとしての動作が行われ
なくなるためである。
Until now, it has been considered that the gate insulating film of MOSFET is a parameter that is difficult to scale,
It has been considered that the thickness of the gate insulating film is about 3 to 4 nm. This is because if the gate insulating film is made thinner than that value, the tunnel current between the drain and source and the gate electrode increases, and the transistor no longer operates.

【0006】ところで、ゲート長が0.1〜0.2μm
以下の極めて微細なトランジスタ回路では、電源電圧も
1〜1.5V程度に下がってくる。一方、素子を高速動
作させるには高い駆動力が要求される。そのためには、
しきい値電圧を低く設定する必要がある。
By the way, the gate length is 0.1 to 0.2 μm.
In the following extremely fine transistor circuit, the power supply voltage also drops to about 1 to 1.5V. On the other hand, a high driving force is required to operate the device at high speed. for that purpose,
It is necessary to set the threshold voltage low.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、そのように、
ゲート絶縁膜を4nm以下に薄膜化せず、低いしきい値
を持つトランジスタを設計するようにしていることか
ら、チャネルの濃度を十分に上げることができず、ショ
ートチャネル効果の抑制の面で厳しい状況となってい
る。
[Problems to be Solved by the Invention] However, as such,
Since the gate insulating film is not thinned to 4 nm or less and a transistor having a low threshold value is designed, the concentration of the channel cannot be sufficiently increased, and it is difficult to suppress the short channel effect. The situation is.

【0008】また、ゲート絶縁膜の薄膜化が頭打ちにな
っていることは、駆動力の向上をゲート長の縮小にのみ
頼る結果をもたらしており、素子スピード向上に対する
妨げの一要因となっている。
Further, the fact that the thinning of the gate insulating film has reached its limit has resulted in relying only on the reduction of the gate length for the improvement of the driving force, which is one of the obstacles to the improvement of the device speed. ..

【0009】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、チャネル濃度の抑制やゲ
ート長縮小のみに頼ることなしに駆動力の向上を図り、
もってショートチャネル効果に対する耐性向上及び素子
スピード向上に大きく寄与するMISFETを提供する
ことにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to improve the driving force without relying only on the suppression of the channel concentration and the reduction of the gate length.
Therefore, it is to provide a MISFET that greatly contributes to the improvement of the resistance against the short channel effect and the improvement of the device speed.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
第1導電型の半導体基板表面部におけるチャネル形成領
域の一方の側に形成された上記第1導電型とは逆の第2
導電型のドレイン領域と、上記半導体基板表面部におけ
る上記チャネル形成領域の他方の側に形成された上記第
2導電型のソース領域と、上記チャネル形成領域上に形
成され、ゲート絶縁膜厚が2.5nm以下で且つゲート
長が0.5μm以下のゲート電極部とを備えたMISF
ETを構成することを特徴とする。
The semiconductor device of the present invention comprises:
A second conductivity type opposite to the first conductivity type formed on one side of the channel formation region in the surface portion of the semiconductor substrate of the first conductivity type.
A drain region of conductivity type, a source region of the second conductivity type formed on the other side of the channel formation region in the surface portion of the semiconductor substrate, and a gate insulating film having a thickness of 2 formed on the channel formation region. MISF having a gate electrode portion having a gate length of 0.5 μm or less and 0.5 nm or less
It is characterized in that it constitutes an ET.

【0011】[0011]

【作用】本発明によれば、ゲート絶縁膜厚及びゲート長
を合わせて上記の値に設定することで、トンネル電流を
抑制しつつゲート絶縁膜厚の薄形化を図ることができる
ので、チャネル濃度を十分に確保した状態で、かつゲー
ト長縮小のみに頼ることなしに駆動力向上を図ることが
でき、ショートチャネル効果に対する耐性と素子スピー
ド向上とを満足した素子の微細化が可能となる。
According to the present invention, since the gate insulating film thickness and the gate length are set to the above values together, the gate insulating film thickness can be reduced while suppressing the tunnel current. It is possible to improve the driving force in a state where the concentration is sufficiently secured and without relying only on the reduction of the gate length, and it is possible to miniaturize the device that satisfies the resistance to the short channel effect and the device speed.

【0012】[0012]

【実施例】以下に本発明の実施例について図面を参照し
つつ説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0013】図1は本発明の一実施例に係るMISFE
Tの構造を示すものである。
FIG. 1 shows a MISFE according to an embodiment of the present invention.
3 shows the structure of T.

【0014】この図に示すFETを、例えば、nchM
ISFETとすれば、1はp型Si基板となる。この基
板1上にはSiO2 膜等からなる素子分離絶縁膜2が形
成され、基板1上におけるこの素子分離絶縁膜2によっ
て囲まれる部分が素子領域とされ、次述するMISFE
Tが作り込まれている。
The FET shown in FIG.
If it is an ISFET, 1 will be a p-type Si substrate. An element isolation insulating film 2 made of a SiO 2 film or the like is formed on the substrate 1, and a portion on the substrate 1 surrounded by the element isolation insulating film 2 serves as an element region.
T is built in.

【0015】このMISFETは、SiO2 膜等からな
るゲート絶縁膜3とポリシリコン膜からなるゲート電極
4とソース領域5とドレイン領域6とを有する。ゲート
絶縁膜3とゲート電極4とがMOS型ゲート電極部を形
成し、ゲート絶縁膜3は基板1上の当該素子領域の中心
部上に形成され、ゲート電極4は、このゲート絶縁膜3
上に載設されている。基板1表面部におけるゲート電極
部直下の部分がチャネル形成領域とされ、ソース領域5
は、このチャネル形成領域の一方の側にn+ 領域として
形成され、ドレイン領域6は、同チャネル領域の他方の
側にn+ 領域として形成されている。
This MISFET has a gate insulating film 3 made of a SiO 2 film or the like, a gate electrode 4 made of a polysilicon film, a source region 5 and a drain region 6. The gate insulating film 3 and the gate electrode 4 form a MOS type gate electrode portion, the gate insulating film 3 is formed on the central portion of the element region on the substrate 1, and the gate electrode 4 is formed by the gate insulating film 3
It is placed on top. The portion of the surface portion of the substrate 1 immediately below the gate electrode portion serves as a channel formation region, and the source region 5
Is formed on one side of the channel forming region as a n + region, the drain region 6 is formed on the other side of the channel region as n + regions.

【0016】このような構造において、電極4にゲート
バイアスVG を、ドレイン領域6にバイアスVD を、ソ
ース領域7にバイアスVS を印加することで、上記チャ
ネル形成領域にn型の反転層を形成し、ドレイン領域6
からソース領域5に向けて電流ID2を流し、所定のトラ
ンジスタ動作を得るものである。
In such a structure, a gate bias VG is applied to the electrode 4, a bias VD is applied to the drain region 6, and a bias VS is applied to the source region 7 to form an n-type inversion layer in the channel forming region. , Drain region 6
A current ID2 is caused to flow from the source to the source region 5 to obtain a predetermined transistor operation.

【0017】さて、本発明の上記MISFETはゲート
絶縁膜3の膜厚Toxが2.5nm以下とされ、ゲート長
Lが0.5μm以下とされている。
In the MISFET of the present invention, the thickness Tox of the gate insulating film 3 is 2.5 nm or less and the gate length L is 0.5 μm or less.

【0018】ここで、ID1は、ドレイン領域6から流れ
出る電流のうち正規のチャネル成分ID2をのぞく、トン
ネル効果によるゲート電極4へのリーク成分を示し、こ
のリーク成分ID1及びチャネル成分ID2とゲート長Lと
の間には次のような関係が成り立つ。
Here, ID1 indicates a leak component to the gate electrode 4 due to the tunnel effect except for the normal channel component ID2 out of the current flowing out from the drain region 6, and the leak component ID1 and the channel component ID2 and the gate length L. The following relationship is established between and.

【0019】まず、 ID1=α1 ・L (1) ID2=α2 ・(1/L) (2) となる。この式中、α1 ,α2 は比例定数であり、
(1)式はリーク成分ID1がゲート長Lに比例すること
を意味している。リーク成分ID1はゲート電極4とドレ
イン領域6との重なり合う部分の実線で示す経路を流れ
るものの他、プロセス上の問題でゲート絶縁膜3の端部
が中間部よりもやや厚めに形成される関係上、実線で示
す経路を流れず、破線で示す経路を流れるものが存在す
る。この経路を通る電流はLが長いほど増える。そのた
めに(1)式が成立するのである。逆に、(2)式はゲ
ート長Lが短いほどチャネル成分ID2が増え、高効率に
なることを意味している。
First, ID1 = α1 · L (1) ID2 = α2 · (1 / L) (2) In this equation, α1 and α2 are proportional constants,
Equation (1) means that the leak component ID1 is proportional to the gate length L. The leakage component ID1 flows through the path shown by the solid line in the overlapping portion of the gate electrode 4 and the drain region 6, and because of the process problem, the end portion of the gate insulating film 3 is formed slightly thicker than the intermediate portion. , There are those that do not flow through the route indicated by the solid line but flow through the route indicated by the broken line. The current through this path increases as L increases. Therefore, the formula (1) is established. On the contrary, the expression (2) means that the shorter the gate length L is, the more the channel component ID2 increases, and the higher the efficiency becomes.

【0020】そして、(1)、(2)式により、チャネ
ル成分ID2に対するリーク成分ID1の割合は、 (ID1/ID2)=α3 ・L2 (3) と表される。α3 は比例定数で、(α1 /α2 )に相当
する。この式(3)に示す(ID1/ID2)は小さいほど
望ましく、この(ID1/ID2)はLが小さいほど小さな
値になる。上記ゲート長LのL≦0.5μmは、そのよ
うにスケーリングされたものである。以上のようなゲー
ト電極部を持つMISFETは例えば次述するような製
法により形成される。
[0020] Then, by (1), (2), the ratio of leak component ID1 for channel component ID2 is expressed as (ID1 / ID2) = α3 · L 2 (3). α3 is a proportional constant and corresponds to (α1 / α2). The smaller (ID1 / ID2) shown in the equation (3) is more desirable, and the smaller (ID1 / ID2) is, the smaller the value is. The gate length L of L ≦ 0.5 μm is so scaled. The MISFET having the gate electrode portion as described above is formed, for example, by the manufacturing method described below.

【0021】通常、MISFETは基板1上に素子分離
絶縁膜2を形成して素子分離を施した状態で、この素子
分離絶縁膜2により囲まれる領域に素子領域表面清掃用
の薄いSiO2 膜を形成しこれを取除くことにより素子
領域表面に付着していた不純物を取除く。その後、ゲー
ト絶縁膜3の材料となるSiO2 膜等を形成し、続いて
ゲート電極4の材料となるポリシリコン膜を堆積させ、
これらSiO2 膜等及びポリシリコン膜をパターニング
してゲート絶縁膜3及びゲート電極4を形成する。その
後、そのゲート電極部をマスクとして、基板1における
ゲート絶縁膜直下のチャネル形成領域の各側に例えばA
sイオンを高濃度にドープし、熱処理によって拡散させ
ることでn+ ソース領域5及びn+ ドレイン領域い6を
形成する。
Normally, in the MISFET, in a state where the element isolation insulating film 2 is formed on the substrate 1 to perform element isolation, a thin SiO 2 film for cleaning the element region surface is provided in the area surrounded by the element isolation insulating film 2. Impurities adhering to the surface of the element region are removed by forming and removing this. After that, a SiO 2 film or the like which becomes the material of the gate insulating film 3 is formed, and subsequently a polysilicon film which becomes the material of the gate electrode 4 is deposited,
The gate insulating film 3 and the gate electrode 4 are formed by patterning the SiO 2 film and the like and the polysilicon film. Then, using the gate electrode portion as a mask, for example, A is formed on each side of the channel formation region of the substrate 1 immediately below the gate insulating film.
The n + source region 5 and the n + drain region 6 are formed by doping s ions in a high concentration and diffusing it by heat treatment.

【0022】ここで、特に、本発明の場合、ゲート絶縁
膜3の材料膜を形成する工程と、そのゲート絶縁膜3及
びゲート電極4を形成するためのパターニング工程とに
工夫を加える。
Here, in particular, in the case of the present invention, a device is added to the step of forming the material film of the gate insulating film 3 and the patterning step for forming the gate insulating film 3 and the gate electrode 4.

【0023】つまり、まず、Toxが2.5nm以下とな
るようにゲート絶縁膜3の材料膜を形成する。このゲー
ト絶縁膜3の材料膜形成工程において採用する処理法と
しては次のようなものある。
That is, first, the material film of the gate insulating film 3 is formed so that Tox becomes 2.5 nm or less. The processing method adopted in the material film forming step of the gate insulating film 3 is as follows.

【0024】(イ) 600〜800°C、HCl10
%の雰囲気中での炉酸化。これにより、当該材料膜とし
てはSiO2 膜が形成される。
(A) 600 to 800 ° C., HCl 10
% Furnace oxidation in an atmosphere. As a result, a SiO 2 film is formed as the material film.

【0025】(ロ) 700〜900°Cのドライ雰囲
気中での5秒のランプ酸化。これにより、当該材料膜と
してはSiO2 膜が形成されるものである。
(B) Lamp oxidation for 5 seconds in a dry atmosphere at 700 to 900 ° C. As a result, a SiO 2 film is formed as the material film.

【0026】(ハ) (イ)、(ニ)のいずれかの処理
+800〜900°Cでの窒化処理。これにより、当該
材料膜としては窒化酸化膜が形成される。
(C) Treatment of either (a) or (d): Nitriding treatment at 800 to 900 ° C. As a result, a oxynitride film is formed as the material film.

【0027】(ニ) TaO5 膜の形成処理。この場
合、材料膜はTaO5 膜となる。
(D) Processing for forming a TaO 5 film. In this case, the material film is a TaO 5 film.

【0028】(ホ) (ニ)の処理+(イ)、(ロ)、
(ハ)のうちいずれかの処理。これにより、酸化TaO
5 膜あるいは窒化酸化TaO5 膜が材料膜として形成さ
れる。
(E) Processing of (d) + (a), (b),
One of the processes in (c). As a result, the oxidized TaO
5 film or oxynitride TaO 5 film is formed as a material film.

【0029】その他、各種考えられる。Various other types are possible.

【0030】そして、ゲート電極部のパターニング工程
においては上記の数値、つまりL≦0.5μmを満たす
ようにパターニング処理を施すものである。
In the patterning process of the gate electrode portion, the patterning process is performed so as to satisfy the above numerical value, that is, L ≦ 0.5 μm.

【0031】以上のようにゲート絶縁膜厚及びゲート長
を合わせて上記の値に形成することで、トンネル電流を
抑制しつつゲート絶縁膜厚の薄形化を図ることができ、
チャネル濃度を十分に確保した状態で、かつゲート長縮
小のみに頼ることなしに駆動力向上を図ることができ
る。このことは、実験によって確認データが得られてお
り、以下にその内容を示す。
As described above, the gate insulating film thickness and the gate length are combined to form the above values, so that it is possible to reduce the gate insulating film thickness while suppressing the tunnel current.
It is possible to improve the driving force in a state where a sufficient channel concentration is secured and without relying only on the reduction of the gate length. This has been confirmed by experiments, and its contents are shown below.

【0032】まず、図4〜6は、ゲート長Lが大きいま
ま(L=10μmで)、ゲート絶縁膜3の厚さToxを変
えたMISFETの静特性を測定したものである。その
うち、図4はVD −ID 特性、図5はVD −IS 特性、
図6はVD −IG 特性をそれぞれ示し、各図中、はV
G =0Vのときの曲線、はVG =0.5Vのときの曲
線、はVG =1.0Vのときの曲線、はVG =1.
5Vのときの曲線、はVG =2.0Vのときの曲線で
ある。また、図4(a)、図5(a)、図6(a)はゲ
ート絶縁膜としてピュアなSiO2 膜(“PO”)を備
えたn−MISFET、図4(b)、図5(b)、図6
(b)はゲート絶縁膜として窒化膜(“N”)を備えた
n−MISFET、図4(c)、図5(c)、図6
(c)はゲート絶縁膜として窒化酸化膜(“ON”)を
備えたn−MISFET、図4(d)、図5(d)、図
6(d)はゲート絶縁膜として再酸化窒化酸化膜(“O
NO”)を備えたn−MISFETの各特性を示す。こ
れらのMISFETのゲート幅Wとゲート長Lとの比
(W/L)は“1”、つまり“10μm/10μm”で
同一であり、図4〜6各々の中で、Toxは最小1.5n
m、最大2.0nmの範囲で(a)<(b)<(c)<
(d)の関係となっている。
First, FIGS. 4 to 6 show static characteristics of MISFETs in which the thickness Tox of the gate insulating film 3 is changed while the gate length L is large (L = 10 μm). Among them, FIG. 4 shows VD-ID characteristics, FIG. 5 shows VD-IS characteristics,
FIG. 6 shows VD-IG characteristics, and in each figure, is V
A curve when G = 0V, a curve when VG = 0.5V, a curve when VG = 1.0V, a VG = 1.
The curve at 5V is the curve at VG = 2.0V. 4A, 5A, and 6A are n-MISFETs having a pure SiO 2 film (“PO”) as a gate insulating film, FIG. 4B, and FIG. b), FIG.
(B) is an n-MISFET having a nitride film (“N”) as a gate insulating film, FIG. 4 (c), FIG. 5 (c), and FIG. 6.
(C) is an n-MISFET having a nitrided oxide film (“ON”) as a gate insulating film, and FIGS. 4D, 5D, and 6D are reoxidized and nitrided oxide films as a gate insulating film. ("O
NO ") is provided for each characteristic of the n-MISFET. The ratio (W / L) of the gate width W and the gate length L of these MISFETs is" 1 ", that is," 10 µm / 10 µm ", and is the same. In each of FIGS. 4 to 6, Tox is a minimum of 1.5 n
m, in the range of maximum 2.0 nm, (a) <(b) <(c) <
The relationship is (d).

【0033】さて、まず、図4〜6(d)に示す特性が
理想的な特性である。つまり、VG=0VのときVD の
値によらずID ,IS ,IG =0μAで、ゲート電極
4、ソース領域5、ドレイン領域6においてリーク電流
が存在いない(図4〜6(d)の参照)。そして、V
G を上昇させることに応じてIS ,ID が増大し、IG
はVG にかかわらず0μAとしか読取れず、図1に示す
リーク電流ID1は略々0μAとなっており、良好なトラ
ンジスタ特性が得られているのがわかる。
First, the characteristics shown in FIGS. 4 to 6 (d) are ideal characteristics. That is, when VG = 0V, regardless of the value of VD, ID, IS, and IG = 0 μA, and there is no leak current in the gate electrode 4, the source region 5, and the drain region 6 (see FIGS. 4 to 6D). .. And V
In response to increasing G, IS and ID increase, and
Can be read as 0 μA regardless of VG, and the leak current ID1 shown in FIG. 1 is almost 0 μA, which shows that good transistor characteristics are obtained.

【0034】さて、これに対し、図4〜6(c)〜
(a)に示す他の特性を見ると、ゲート絶縁膜厚Toxが
小さくなるほど、特性は劣化しているがわかる。図4〜
6(c)に示すものではそれほどでもないが、図4〜6
(b)に示す特性では、VG =1.0V以上を印加した
とき、ゲート電極4から電流が流出し、これに伴って、
電流ID ,IS の特性が劣化しており、特に、電流ID
の曲線を見ると、電流が流れ出るはずのドレイン領域6
に、VD が小さいほど電流が流入している傾向が見て取
れる。
On the other hand, in contrast to this, FIGS.
Looking at the other characteristics shown in (a), it can be seen that the characteristics deteriorate as the gate insulating film thickness Tox becomes smaller. Figure 4-
6 (c) is not so great, but FIGS.
In the characteristic shown in (b), when VG = 1.0 V or more is applied, a current flows out from the gate electrode 4, and accordingly,
The characteristics of the currents I D and I S have deteriorated.
Looking at the curve of, the drain region 6 where the current should flow out
It can be seen that the smaller the VD is, the more the current flows.

【0035】よって、図4〜6によって、ゲート長Lが
10μmであっても、ゲート絶縁膜厚Toxが2.0μm
のときには良好な特性が得られているが、ゲート長Lが
大きいままでは、Toxが薄くなるほど特性が悪化し、T
oxを小さくすることに対し、頭打ちを生ずるのが良く理
解される。
Therefore, according to FIGS. 4 to 6, even if the gate length L is 10 μm, the gate insulating film thickness Tox is 2.0 μm.
However, when the gate length L remains large, the characteristics become worse as Tox becomes thinner.
It is well understood that a reduction in ox causes a plateau.

【0036】これに対し、図2は、ゲート絶縁膜厚Tox
を1.8nm一定とし、ゲート長Lを変えてn−MIS
FETのVD −ID 静特性を測定したものである。サン
プルの持つゲート絶縁膜はSi窒化膜(SiN;
“N”)である。
On the other hand, FIG. 2 shows the gate insulating film thickness Tox.
Is kept constant at 1.8 nm and the gate length L is changed to n-MIS.
The VD-ID static characteristics of the FET are measured. The gate insulating film of the sample is a Si nitride film (SiN;
"N").

【0037】図2(a)の特性は図4(b)に示す特性
と同じである。この図に示すように、Tox=1.8μm
と薄くしても、伴ってLを小さくしてゆけば、特性が改
善され、図2(c)に示すL=0.5μmの場合には既
に良好なトランジスタ特性が得られているのがわかる。
The characteristics shown in FIG. 2A are the same as those shown in FIG. As shown in this figure, Tox = 1.8 μm
It can be seen that even if the thickness is reduced, the characteristics are improved by reducing L accordingly, and when L = 0.5 μm shown in FIG. 2C, good transistor characteristics are already obtained. ..

【0038】なお、図3は、ゲート絶縁膜厚Toxを1.
5nm一定とし、ゲート長Lを変えてn−MISFET
のVD −ID 静特性を測定したものである。サンプルの
持つゲート絶縁膜は純粋な酸化膜(SiO2 膜;“P
O”)である。
In FIG. 3, the gate insulating film thickness Tox is 1.
N-MISFET with constant 5 nm and different gate length L
VD-ID static characteristics of The gate insulating film of the sample is a pure oxide film (SiO 2 film; “P
O ").

【0039】図3(a)の特性は図4(a)に示す特性
と同じである。この図に示すように、Tox=1.5μm
と更に薄くしても、伴ってLを1μmと小さくすれば、
特性が改善されるのが見て取れる。
The characteristics shown in FIG. 3A are the same as those shown in FIG. As shown in this figure, Tox = 1.5 μm
Even if it becomes even thinner, if L is reduced to 1 μm,
It can be seen that the characteristics are improved.

【0040】図7は駆動力とゲート絶縁膜厚Toxとの関
係を示すもので、同図(a)はL=10μm、同図
(b)はL=0.5μmとした場合を示している。
FIG. 7 shows the relationship between the driving force and the gate insulating film thickness Tox. In FIG. 7A, L = 10 μm, and in FIG. 7B, L = 0.5 μm. ..

【0041】L=10μmでもTox=2.5nm程度ま
ではID (ID2)の上昇が見られる。L=0.5μmで
はTox=1.5nmに至ってもID (ID2)の上昇傾向
が見られる。
Even when L = 10 μm, the increase in ID (ID2) is seen up to about Tox = 2.5 nm. When L = 0.5 μm, the tendency of increase in ID (ID2) is seen even when reaching Tox = 1.5 nm.

【0042】よって、ゲート絶縁膜厚Toxを2.5nm
以下にスケーリングする場合、合わせてゲート長Lを
0.5μm以下とすれば確実に良好なトランジスタ特性
が得られるのがわかる。
Therefore, the gate insulating film thickness Tox is 2.5 nm.
In the case of scaling to the following, it can be seen that if the gate length L is also 0.5 μm or less, good transistor characteristics can be surely obtained.

【0043】以上のように、ゲート絶縁膜厚Tox及びゲ
ート長Lを合わせて特定の値にスケーリングすること
で、トンネル電流を抑制し、ゲート絶縁膜厚の薄形化を
図ることができる。これによって、チャネル濃度を十分
に確保した状態で、かつゲート長縮小のみに頼ることな
しに駆動力向上を図ることができ、ショートチャネル効
果に対する耐性と素子スピード向上とを満足した素子の
微細化が可能となる。また、トンネル電流の流れるよう
な極めて薄い膜をゲート絶縁膜として用いるため、発生
したチャージがトラップされつづけることはなく、速や
かにデトラップし、トランジスタの特性劣化は非常に小
さくなる。
As described above, by scaling the gate insulating film thickness Tox and the gate length L to a specific value, the tunnel current can be suppressed and the gate insulating film thickness can be reduced. As a result, it is possible to improve the driving force in a state where the channel concentration is sufficiently secured and without relying only on the reduction of the gate length, and it is possible to miniaturize the element that satisfies the resistance to the short channel effect and the element speed. It will be possible. Further, since an extremely thin film through which a tunnel current flows is used as the gate insulating film, the generated charge does not continue to be trapped, but is quickly detrapped, and the characteristic deterioration of the transistor is extremely small.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ゲ
ート絶縁膜厚を2.5nm以下、ゲート長を0.5μm
以下のゲート電極部を有するように、ゲート絶縁膜厚及
びゲート長を合わせてスケーリングすることで、トンネ
ル電流を抑制しつつゲート絶縁膜厚の薄形化を図ること
ができるので、チャネル濃度を十分に確保した状態で、
かつゲート長縮小のみに頼ることなしに駆動力向上を図
ることができ、ショートチャネル効果に対する耐性と素
子スピード向上とを満足した素子の微細化が可能とな
る。
As described above, according to the present invention, the gate insulating film thickness is 2.5 nm or less and the gate length is 0.5 μm.
By scaling the gate insulating film thickness and the gate length so as to have the following gate electrode portion, it is possible to reduce the gate insulating film thickness while suppressing the tunnel current. Secured in
In addition, the driving force can be improved without relying only on the reduction of the gate length, and the element can be miniaturized while satisfying the resistance against the short channel effect and the element speed improvement.

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

【図1】本発明の一実施例に係るMISFETの構造を
示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a MISFET according to an embodiment of the present invention.

【図2】ゲート絶縁膜を1.8nm一定とし、ゲート長
を10μm、1μm、0.5μmとしたときのMISF
ETのVD −ID 静特性データを示す曲線図。
FIG. 2 shows the MISF when the gate insulating film is kept constant at 1.8 nm and the gate length is set to 10 μm, 1 μm, and 0.5 μm.
The curve figure which shows the VD-ID static characteristic data of ET.

【図3】ゲート絶縁膜を1.5nm一定とし、ゲート長
を10μmと1μmとしたときのMISFETのVD −
ID 静特性データを示す曲線図。
FIG. 3 shows VD − of a MISFET when the gate insulating film has a constant thickness of 1.5 nm and the gate length is 10 μm and 1 μm.
The curve figure which shows ID static characteristic data.

【図4】ゲート長を10μm一定とし、ゲート絶縁膜厚
を1.5〜2.0nmの範囲で変えたときのMISFE
TのVD −ID 静特性データを示す曲線図。
FIG. 4 is a MISFE when the gate length is fixed at 10 μm and the gate insulating film thickness is changed within the range of 1.5 to 2.0 nm.
The curve diagram which shows the VD-ID static characteristic data of T.

【図5】ゲート長を10μm一定とし、ゲート絶縁膜厚
を1.5〜2.0nmの範囲で変えたときのMISFE
TのVD −IS 静特性データを示す曲線図。
FIG. 5: MISFE when the gate length is fixed at 10 μm and the gate insulating film thickness is changed within the range of 1.5 to 2.0 nm.
The curve figure which shows the VD-IS static characteristic data of T.

【図6】ゲート長を10μm一定とし、ゲート絶縁膜厚
を1.5〜2.0nmの範囲で変えたときのMISFE
TのVD −IG 静特性データを示す曲線図。
FIG. 6 is a MISFE when the gate length is fixed at 10 μm and the gate insulating film thickness is changed within the range of 1.5 to 2.0 nm.
The curve diagram which shows the VD-IG static characteristic data of T.

【図7】MISFETの駆動力とゲート絶縁膜厚Toxと
の関係を示す曲線図。
FIG. 7 is a curve diagram showing the relationship between the driving force of the MISFET and the gate insulating film thickness Tox.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 Si基板 2 素子分離絶縁膜 3 ゲート絶縁膜 4 ゲート電極 5 ソース領域 6 ドレイン領域 L ゲート長 Tox ゲート絶縁膜厚 1 Si substrate 2 element isolation insulating film 3 gate insulating film 4 gate electrode 5 source region 6 drain region L gate length Tox gate insulating film thickness

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1導電型の半導体基板表面部におけるチ
ャネル形成領域の一方の側に形成された前記第1導電型
とは逆の第2導電型のドレイン領域と、 前記半導体基板表面部における前記チャネル形成領域の
他方の側に形成された前記第2導電型のソース領域と、 前記チャネル形成領域上に形成され、ゲート絶縁膜厚が
2.5nm以下で且つゲート長が0.5μm以下のゲー
ト電極部とを備えたMISFETを構成する半導体装
置。
1. A drain region of a second conductivity type opposite to the first conductivity type, which is formed on one side of a channel formation region in a surface part of a semiconductor substrate of the first conductivity type, and a drain region of the semiconductor substrate surface part. A source region of the second conductivity type formed on the other side of the channel forming region, and a gate insulating film of 2.5 nm or less and a gate length of 0.5 μm or less, which is formed on the channel forming region. A semiconductor device forming a MISFET including a gate electrode portion.
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