JPH06326262A - Semiconductor device and fabrication thereof - Google Patents

Semiconductor device and fabrication thereof

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JPH06326262A
JPH06326262A JP5120199A JP12019993A JPH06326262A JP H06326262 A JPH06326262 A JP H06326262A JP 5120199 A JP5120199 A JP 5120199A JP 12019993 A JP12019993 A JP 12019993A JP H06326262 A JPH06326262 A JP H06326262A
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JP
Japan
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channel
mos transistor
type
channel mos
semiconductor device
Prior art date
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Pending
Application number
JP5120199A
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Japanese (ja)
Inventor
Kouki Nonaka
功樹 野中
Shigeyuki Tsunoda
茂幸 角田
Kenji Kitamura
謙二 北村
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Seiko Instruments Inc
Original Assignee
Seiko Instruments Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Instruments Inc filed Critical Seiko Instruments Inc
Priority to JP5120199A priority Critical patent/JPH06326262A/en
Publication of JPH06326262A publication Critical patent/JPH06326262A/en
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

PURPOSE:To suppress the subthreshold coefficient and the leak current of a semiconductor device operating at a low voltage. CONSTITUTION:The semiconductor device is constituted of a CMOS transistor comprising a pair of a P-channel MOS transistor having a polysilicon gate 2 and an N-channel MOS transistor having a polysilicon gate. The MOS transistor has a channel doped layer 4 localized in the vicinity of the surface immediately below a gate electrode 2. The channel doped layer also has a very shallow p-n junction depth xj and can suppress the leak current. Consequently, the impurity concentration is decreased at the surface of the substrate below the gate electrode 2 and thereby the subthreshold characteristics are improved to realize high speed operation. Furthermore, low voltage operation is realized because the leak current can be suppressed at low threshold voltage.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置及びその製造
方法に関する。より詳しくはポリシリコンゲートを有す
るPチャネルMOSトランジスタと同じくポリシリコン
ゲートを有するNチャネルMOSトランジスタとの対か
らなるCMOSトランジスタを備えた半導体装置及びそ
の製造方法に関する。さらに詳しくは1.5V程度の低
電圧で高速動作可能な半導体装置及びその製造方法に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and its manufacturing method. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device including a CMOS transistor formed of a pair of a P-channel MOS transistor having a polysilicon gate and an N-channel MOS transistor having a polysilicon gate, and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device capable of high-speed operation at a low voltage of about 1.5 V and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】通常はシリコン基板、あるいはイオン注
入にて形成したウェル層を有するシリコン基板に、ゲー
ト電極として燐を多量に添加したN型ポリシリコンゲー
トまたはボロンを多量に添加したP型ポリシリコンゲー
トが形成される。MOSトランジスタのチャネルタイプ
と同じタイプのゲート電極材料、例えばNチャネルMO
SトランジスタにN型ポリシリコンをゲート電極に使う
場合には、基板とポリシリコン間の仕事関数差が大きい
ため、しきい値電圧が低くなる。そのため通常チャネル
領域に基板と同じ導通型の不純物、例えばボロンをイオ
ン打ち込みしてしきい値電圧を高める方向に調節してい
る。
2. Description of the Related Art Usually, a silicon substrate or a silicon substrate having a well layer formed by ion implantation is used as a gate electrode in which a large amount of phosphorus is added to an N-type polysilicon gate or a large amount of boron is added to a P-type polysilicon. A gate is formed. A gate electrode material of the same type as the channel type of the MOS transistor, for example, an N channel MO
When N-type polysilicon is used for the gate electrode of the S transistor, the work function difference between the substrate and the polysilicon is large, so that the threshold voltage becomes low. Therefore, the same conductivity type impurity as the substrate, for example, boron is usually ion-implanted into the channel region to adjust the threshold voltage.

【0003】一方、MOSトランジスタのチャネルタイ
プと異なるタイプのゲート電極材料、例えばPチャネル
MOSトランジスタにN型ポリシリコンをゲート電極に
使う場合には、基板とポリシリコン間の仕事関数差が小
さくなるため、しきい値電圧は負の方向に大きくなる。
そのため、通常チャネル領域に基板と逆の導通型の不純
物、例えばボロンをイオン打ち込みしてしきい値電圧の
絶対値を低める方向に調節している。その結果、チャネ
ル領域にp−n接合が形成される。ここで前者は表面チ
ャネル型デバイス、後者は埋め込みチャネル型デバイス
と呼ばれる。
On the other hand, when a gate electrode material of a type different from the channel type of the MOS transistor, for example, N-type polysilicon is used for the gate electrode in a P-channel MOS transistor, the work function difference between the substrate and the polysilicon becomes small. , The threshold voltage increases in the negative direction.
Therefore, a conductivity type impurity opposite to that of the substrate, for example, boron is usually ion-implanted into the channel region to adjust the absolute value of the threshold voltage. As a result, a pn junction is formed in the channel region. The former is called a surface channel type device and the latter is called a buried channel type device.

【0004】PチャネルMOSトランジスタとNチャネ
ルMOSトランジスタとは互いに組み合わされ相補型の
トランジスタいわゆるCMOSトランジスタを構成す
る。CMOSトランジスタは半導体装置集積回路の基本
構成要素である。チャネル領域へのボロンイオン打ち込
み量を増やすとともに、前記表面チャネル型デバイスの
NチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧は増加
し、前記埋め込みチャネル型デバイスのPチャネルMO
Sトランジスタのしきい値電圧は減少する。
The P-channel MOS transistor and the N-channel MOS transistor are combined with each other to form a complementary transistor, so-called CMOS transistor. The CMOS transistor is a basic constituent element of a semiconductor device integrated circuit. As the boron ion implantation amount into the channel region is increased, the threshold voltage of the N channel MOS transistor of the surface channel type device is increased, and the P channel MO of the buried channel type device is increased.
The threshold voltage of the S-transistor decreases.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】CMOSトランジスタ
を基本構成要素とする半導体装置集積回路、即ち、CM
OSICは例えばワンチップマイクロコンピュータに好
適である。このようなワンチップマイクロコンピュータ
は種々多様な携帯機器や卓上機器に制御用として組み込
まれる。これらの携帯機器や卓上機器は通常電池を電源
として利用している。機器の小型化及び省電力化の観点
から例えば乾電池1個の電源電圧(1.5V程度)での
動作が要求される機器が増えてきている。従って、CM
OSICの低電圧動作化が重要な開発項目に挙げられて
いる。
A semiconductor device integrated circuit having a CMOS transistor as a basic constituent element, that is, a CM.
The OSIC is suitable for a one-chip microcomputer, for example. Such a one-chip microcomputer is incorporated in various portable devices and tabletop devices for control. These portable devices and tabletop devices usually use batteries as a power source. From the viewpoint of downsizing of devices and power saving, for example, devices requiring an operation with a power supply voltage (about 1.5 V) of one dry battery are increasing. Therefore, CM
Low voltage operation of OSICs is listed as an important development item.

【0006】CMOSICの動作電圧を下げる為にはM
OSトランジスタの閾値電圧を低く抑える必要がある。
しかしながら、前述したCMOSトランジスタの閾値電
圧を1.5V動作に必要な、例えば0.5V程度まで下
げた場合、MOSトランジスタのリーク電流が増大する
という課題あるいは問題点がある。リーク電流が増えれ
ば、電池を使用する携帯機器等は作動させなくても電池
が急激に消耗され、電池が早くなくなってしまうという
問題になる。
In order to lower the operating voltage of the CMOS IC, M
It is necessary to keep the threshold voltage of the OS transistor low.
However, when the threshold voltage of the CMOS transistor described above is reduced to about 0.5 V, which is necessary for 1.5 V operation, there is a problem or a problem that the leak current of the MOS transistor increases. If the leak current increases, there is a problem in that the battery is exhausted rapidly even if a portable device using the battery is not operated, and the battery runs out quickly.

【0007】以下本発明の背景の理解を容易にする為
に、この問題点につき簡潔に説明する。MOSトランジ
スタはドレインに一定電圧を加え、ゲート電極にしきい
値電圧以上の電圧を加えることによりチャネルが反転
し、ソースとドレインとの間に電流が流れ動作する。し
かしながら、しきい値電圧が低くなるとゲート電圧を加
えなくてもチャネルが弱反転してしまい、ソースとドレ
インとの間に電池が流れてしまう(リーク電流)。
In order to facilitate the understanding of the background of the present invention, this problem will be briefly described below. In the MOS transistor, the channel is inverted by applying a constant voltage to the drain and applying a voltage equal to or higher than the threshold voltage to the gate electrode, and a current flows between the source and the drain to operate. However, when the threshold voltage becomes low, the channel weakly inverts without applying the gate voltage, and the battery flows between the source and the drain (leakage current).

【0008】これを理解しやすくするために図8を用い
て説明する。グラフは横軸にゲート電圧VG 、縦軸にド
レイン電流ID を対数メモリでとってあり、ドレイン電
圧VD =0.1Vで測定したデータを示してある。これ
によるとゲート電圧VG =0Vでドレイン電流ID ≠0
Aとなっている。つまりMOSトランジスタを動作させ
なくても電流が流れてしまっている。ここで、この特性
の傾きの逆数VG /1og(ID )をサブスレッショル
ド係数Sといい、MOSトランジスタのスイッチング性
能を決める重要な値である。
In order to make this easier to understand, description will be made with reference to FIG. In the graph, the horizontal axis represents the gate voltage V G and the vertical axis represents the drain current I D in a logarithmic memory, and the data measured at the drain voltage V D = 0.1 V is shown. According to this, when the gate voltage V G = 0V, the drain current I D ≠ 0
It is A. That is, the current has flown without operating the MOS transistor. Here, the reciprocal of the slope of this characteristic, V G / 1 og (I D ), is called a subthreshold coefficient S and is an important value that determines the switching performance of the MOS transistor.

【0009】MOSトランジスタのゲート電極直下の基
板表面には空乏層容量が存在し、この空乏層容量が大き
いとサブスレッショルド係数Sは大きくなり、逆に小さ
いとサブスレショルド係数Sは小さくなる特徴がある。
又、この空乏層容量は、ゲート電極直下の基板表面の濃
度が濃いと大きくなり、逆に薄いと小さくなる。従って
ゲート電極直下の基板表面の濃度が薄いほど空乏層容量
は小さくなり、サブスレッショルド係数Sを小さくする
ことができ、MOSトランジスタを動作させるのに必要
な電圧の幅が少なくて済むようになり、高速低消費電力
のスイッチング動作が可能となる。特に埋め込み型デバ
イスであるPチャネルMOSトランジスタはしきい値電
圧を0.5V程度に抑制する場合、ボロンを比較的大量
にイオン注入するので基板表面の濃度を濃くしていた。
There is a depletion layer capacitance on the surface of the substrate immediately below the gate electrode of the MOS transistor, and when the depletion layer capacitance is large, the subthreshold coefficient S becomes large, and conversely, when it is small, the subthreshold coefficient S becomes small. .
The depletion layer capacitance increases when the concentration of the substrate surface immediately below the gate electrode is high, and conversely decreases when it is thin. Therefore, the thinner the concentration of the substrate surface immediately below the gate electrode, the smaller the depletion layer capacitance, the smaller the subthreshold coefficient S, and the smaller the voltage range required to operate the MOS transistor. High speed and low power consumption switching operations are possible. Particularly in the case of a P-channel MOS transistor which is an embedded device, when the threshold voltage is suppressed to about 0.5 V, a relatively large amount of boron is ion-implanted, so that the substrate surface concentration is high.

【0010】また前述したように、N型ポリシリコンを
ゲート電極とした埋め込み型デバイスであるPチャネル
MOSトランジスタではnウェルのチャネル領域にp−
n接合が形成されている。その為、PチャネルMOSト
ランジスタではポテンシャルが最小となる位置がシリコ
ン基板とゲート酸化膜の界面ではなく基板内部に存在し
埋め込みチャネルが形成される。ポテンシャルが最小と
なる位置はチャネル領域のp−n接合深さが深くなる程
基板側へと移行し埋め込みチャネルの度合が強まる。そ
の結果、埋め込みチャネル内のキャリアが界面に特有の
表面散乱の影響を受け難くなるので移動度が増加する。
閾値電圧を下げる為にボロン打ち込み量を増やしてp−
n接合深度を大きくし埋め込みチャネルの度合を強くし
ていくにつれて移動度が増加する。
Further, as described above, in the P-channel MOS transistor which is an embedded device using N-type polysilicon as the gate electrode, p-type is formed in the channel region of the n-well.
An n-junction is formed. Therefore, in the P-channel MOS transistor, the position where the potential is minimum exists not inside the interface between the silicon substrate and the gate oxide film but inside the substrate, and a buried channel is formed. The position where the potential is minimized moves to the substrate side as the pn junction depth of the channel region becomes deeper, and the degree of the buried channel increases. As a result, the carriers in the buried channel are less likely to be affected by the surface scattering peculiar to the interface, so that the mobility is increased.
To reduce the threshold voltage, increase the boron implantation amount and p-
The mobility increases as the n-junction depth is increased and the buried channel degree is strengthened.

【0011】このように、埋め込みチャネル型デバイス
では表面チャネル型デバイスに比べて移動度が大きくな
るという利点がある。しかしながらこのデバイスの最も
大きな問題点は短チャネル効果が生じ易い事である。短
チャネル化に伴なうリーク電流の増大、サブスレショル
ド特性の劣化、パンチスルー耐圧の低下が特に問題とな
る。埋め込みチャネル型のPチャネルMOSトランジス
タにおけるこの様な短チャネル効果を軽減する為にはチ
ャネル領域のp−n接合深度をできるだけ浅くして表面
チャネル型デバイスに近づけてやる必要がある。しかし
ながら、現実には極めて浅いp−n接合深度を達成する
事は困難であった。従来、ボロンをイオン注入してチャ
ネルドープを行なっていた。ボロンは拡散係数が大きい
為、浅い拡散層を形成する事が難しい。特に、閾値電圧
を0.5V程度に抑制する場合ボロンを比較的大量にイ
オン注入するのでp−n接合深度を浅くできない。
As described above, the buried channel type device has an advantage of higher mobility than the surface channel type device. However, the biggest problem with this device is that short channel effects are likely to occur. Increases in leakage current, deterioration in subthreshold characteristics, and reduction in punch-through breakdown voltage, which accompany the shortening of the channel, pose particular problems. In order to reduce such a short channel effect in the buried channel type P channel MOS transistor, it is necessary to make the pn junction depth of the channel region as shallow as possible to approach the surface channel type device. However, in reality, it was difficult to achieve an extremely shallow pn junction depth. Conventionally, boron has been ion-implanted to perform channel doping. Since boron has a large diffusion coefficient, it is difficult to form a shallow diffusion layer. In particular, when the threshold voltage is suppressed to about 0.5 V, a relatively large amount of boron is ion-implanted, so that the pn junction depth cannot be made shallow.

【0012】なお、上述したPチャネルMOSトランジ
スタの短チャネル効果を抑制する為に、NチャネルMO
Sトランジスタと同様に表面チャネル型構造とする事も
試みられている。即ち、N型単極ゲート構造と異なり、
N型/P型両極ゲート構造を採用したものである。この
場合には、P型ポリシリコンゲート電極材料がPチャネ
ルMOSトランジスタのゲート電極に使われる。しかし
ながら、N型/P型両極ゲート構造とするとプロセスが
複雑になるばかりでなくIC設計も複雑になるという問
題点がある。特に、反対極性のゲート電極に対してオー
ミックコンタクトを得る為には配線接続部の構造が複雑
になりICチップサイズが増大するという問題点があ
る。これに対して、N型単極ゲート構造はプロセス及び
設計ともに単純でありチップサイズも小さく抑える事が
できるという利点がある。
In order to suppress the short channel effect of the P channel MOS transistor described above, an N channel MO transistor is used.
Similar to the S transistor, it has been attempted to have a surface channel type structure. That is, unlike the N-type unipolar gate structure,
This is an N-type / P-type bipolar gate structure. In this case, the P-type polysilicon gate electrode material is used for the gate electrode of the P-channel MOS transistor. However, the N-type / P-type bipolar gate structure has a problem that not only the process becomes complicated but also the IC design becomes complicated. In particular, in order to obtain ohmic contact with the gate electrodes of opposite polarities, there is a problem that the structure of the wiring connection portion becomes complicated and the IC chip size increases. On the other hand, the N-type unipolar gate structure is advantageous in that the process and design are simple and the chip size can be kept small.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題あるいは問題点に鑑み、本発明はCMOSトランジス
タにおいてサブスレッショルド係数を小さくしつつ、ま
たはリーク電流を抑制しつつ高速動作または低電圧動作
化を図ることを目的とする。かかる目的を達成するため
に以下の製造手段を講じた。即ち、ポリシリコンゲート
を有するPチャネルMOSトランジスタと同じくポリシ
リコンゲートを有するNチャネルMOSトランジスタと
の対からなるCMOSトランジスタを備えた半導体装置
の製造方法において、BF2 + をイオン注入し表面近傍
に局在化したチャネルドープ層を形成するチャネルドー
プ工程を行うという手段を講じた。この際にイオン注入
の加速エネルギーは30KeV以下で行うという手段を
講じた。好ましくは、該チャネルドープ工程に先行して
MOSトランジスタのゲート絶縁膜を形成するという手
段を講じた。
In view of the above-mentioned problems and problems of the conventional technique, the present invention provides a CMOS transistor with high speed operation or low voltage operation while reducing the subthreshold coefficient or suppressing leakage current. The purpose is to In order to achieve this object, the following manufacturing means were taken. That is, in a method of manufacturing a semiconductor device including a CMOS transistor including a pair of a P-channel MOS transistor having a polysilicon gate and an N-channel MOS transistor having a polysilicon gate, BF 2 + is ion-implanted to locally near the surface. Means were taken to perform a channel doping step to form a localized channel dope layer. At this time, a measure was taken such that the acceleration energy of the ion implantation is 30 KeV or less. Preferably, the means for forming the gate insulating film of the MOS transistor is taken prior to the channel doping step.

【0014】又、該チャネルドープ工程の後、他方のN
チャネルMOSトランジスタのp型領域に燐をイオン注
入しN+ ソース/ドレインのドライブイン熱処理を施す
事なくNチャネルMOSトランジスタのソース/ドレイ
ン領域を形成するという手段を講じた。さらに好ましく
は、p- 型の半導体基板に対して燐を約好ましくは1〜
3×1012さらに好ましくは2×1012/cm2 のドー
ズでイオン注入し、前記PチャネルMOSトランジスタ
のn型領域をn型ウェルとして形成するという手段を講
じた。加えて、MOSトランジスタのゲート絶縁膜を約
100〜200Å、さらに最適化150Åの膜厚で形成
するという手段を講じた。
After the channel doping step, the other N
Means were taken to form source / drain regions of the N-channel MOS transistor without implanting phosphorus into the p-type region of the channel MOS transistor and subjecting the N + source / drain to drive-in heat treatment. More preferably, phosphorus is added to the p - type semiconductor substrate in a range of about 1 to 1,
Means were taken to form the n-type region of the P-channel MOS transistor as an n-type well by ion implantation with a dose of 3 × 10 12 and more preferably 2 × 10 12 / cm 2 . In addition, the gate insulating film of the MOS transistor is formed to have a film thickness of about 100 to 200Å and an optimized film thickness of 150Å.

【0015】[0015]

【作用】本発明にかかる半導体の製造方法によれば、従
来用いられていたボロン単体に代えて、BF2 + をイオ
ン注入する事により表面近傍に局在化したp型チャネル
ドープ層の形成を可能にしている。BF2 + はボロン単
体に比べて分子量が大きくその分イオン注入時の飛程が
小さい。また加速エネルギーを30KeV以下にしてい
る。従ってp型不純物層を極めて浅く形成する事がで
き、かつ、不純物分布の深さ方向のバラツキを小さくし
ていることにより、ゲート電極直下の基板表面濃度を薄
くすることができる。
According to the semiconductor manufacturing method of the present invention, a p-type channel dope layer localized near the surface is formed by ion-implanting BF 2 + instead of the conventionally used boron alone. It is possible. BF 2 + has a larger molecular weight than boron alone and has a smaller range at the time of ion implantation. Also, the acceleration energy is set to 30 KeV or less. Therefore, the p-type impurity layer can be formed extremely shallow, and the variation of the impurity distribution in the depth direction can be made small, so that the substrate surface concentration immediately below the gate electrode can be made thin.

【0016】又、本発明ではチャネルドープ層を形成す
るチャネルドープ工程に先行して、MOSトランジスタ
のゲート絶縁膜を熱酸化処理により形成している。後に
形成されるp型チャネルドープ層は熱酸化履歴を受けな
いので不純物熱拡散が抑えられ極めて浅いp−n接合深
度をそのまま維持できる。また不純物熱拡散より、しき
い値電圧を調節するのに必要な基板表面濃度が薄くなる
ことにより、あらかじめチャネルドープ量を多くすると
いう手段を講じなくても済む。チャネルドープ量を多く
するということは基板表面濃度を濃くするということで
ある。同様の理由によりチャネルドープ工程の後他方の
NチャネルMOSトランジスタのp型領域にソース/ド
レイン領域を形成する際従来用いられてた砒素に代えて
燐をイオン注入している。燐は砒素に比べて拡散係数が
大きく熱処理あるいはアニールを施さなくても十分な不
純物領域が得られる。
Further, in the present invention, the gate insulating film of the MOS transistor is formed by thermal oxidation treatment prior to the channel doping step of forming the channel doped layer. Since the p-type channel dope layer formed later is not subjected to thermal oxidation history, thermal diffusion of impurities is suppressed and an extremely shallow pn junction depth can be maintained as it is. In addition, since the substrate surface concentration necessary for adjusting the threshold voltage becomes thinner than the impurity thermal diffusion, it is not necessary to take measures to increase the channel doping amount in advance. Increasing the channel doping amount means increasing the substrate surface concentration. For the same reason, after the channel doping step, phosphorus is ion-implanted in place of the arsenic conventionally used when forming the source / drain regions in the p-type region of the other N-channel MOS transistor. Phosphorus has a larger diffusion coefficient than arsenic, and a sufficient impurity region can be obtained without heat treatment or annealing.

【0017】従って、先に形成されたチャネルドープ層
に悪影響を及ぼす熱履歴を加えなくて済む。又、p-
の半導体基板に対してPチャネルMOSトランジスタの
n型領域、即ちn型ウェルを形成する際、燐のドーズ量
を従来に比し半減している。これよりチャネルドープ量
を少なくても従来と同じしきい値電圧を得ることができ
る。従ってゲート電極直下の基板表面濃度が薄くなるの
でPチャネルMOSトランジスタサブスレッショルド係
数を小さくすることができる。またしきい値電圧が低く
なることによるリーク電流増加も抑制できる。加えて、
本発明ではMOSトランジスタのゲート絶縁膜を約15
0Åの膜厚まで薄くしている。これにより0.8μルー
ルに従った素子の微細化が可能になるとともに併せて高
速動作化及び低電圧化が達成できる。
Therefore, it is not necessary to add a thermal history which adversely affects the previously formed channel dope layer. Further, when forming an n-type region of a P-channel MOS transistor, that is, an n-type well, on a p - type semiconductor substrate, the dose amount of phosphorus is halved compared to the conventional case. Even if the channel doping amount is smaller than this, the same threshold voltage as the conventional one can be obtained. Therefore, the substrate surface concentration just below the gate electrode becomes thin, and the P-channel MOS transistor subthreshold coefficient can be reduced. It is also possible to suppress an increase in leak current due to the lower threshold voltage. in addition,
In the present invention, the gate insulating film of the MOS transistor is about 15
The film thickness is reduced to 0Å. This makes it possible to miniaturize the device according to the 0.8 μ rule, and at the same time, achieve high-speed operation and low voltage.

【0018】[0018]

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図1は本発明にかかるCMOSトラン
ジスタの構造を示す模式的な部分断面図である。このト
ランジスタは半導体基板であるp- 型Si基板1を用い
て形成されている。この基板1にはnウェル2が形成さ
れている。このnウェル2は低濃度に最適化されており
例えばn型の不純物である燐をイオン注入により2×1
12/cm2 のドーズでドーピングし形成される。表面
にはゲート酸化膜(Gate Ox)3が形成されてい
る。このゲート酸化膜3は薄く最適化されており例えば
150Åの膜厚を有する。ゲート酸化膜3の上にはパタ
ニングされたN型ポリシリコンゲート電極(N型pol
y Si Gate)4が形成されている。ゲート電極
4の直下にはゲート酸化膜3を介してチャネルドープ層
5が形成されている。このチャネルドープ層5は非常に
浅いp−n接合深度(xj)を有しており例えば0.1
5μm程度である。PチャネルMOSトランジスタはn
ウェル2に形成され、NチャネルMOSトランジスタp
- 型Si基板1に形成され、両者はフィールド酸化膜6
で分離されている。チャネルドープ層5の両側には高濃
度に不純物がドーピングされたP型/N型ソース領域S
と同じくP型/N型ドレイン領域Dとが形成されてい
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will now be described with reference to the drawings.
The details will be described. FIG. 1 shows a CMOS transistor according to the present invention.
It is a typical fragmentary sectional view showing the structure of a transistor. This
The transistor is a semiconductor substrate p-Type Si substrate 1 is used
Is formed. An n well 2 is formed on this substrate 1.
Has been. This n-well 2 is optimized for low concentration
For example, phosphorus which is an n-type impurity is ion-implanted to 2 × 1.
0 12/ Cm2It is formed by doping with a dose of. surface
A gate oxide film (Gate Ox) 3 is formed on the
It This gate oxide film 3 is thin and optimized.
It has a film thickness of 150Å. A pattern is formed on the gate oxide film 3.
N-type polysilicon gate electrode (N-type pol)
y Si Gate) 4 is formed. Gate electrode
Immediately below 4 is a channel dope layer through a gate oxide film 3.
5 is formed. This channel dope layer 5 is very
It has a shallow pn junction depth (xj) and is, for example, 0.1.
It is about 5 μm. P channel MOS transistor is n
N-channel MOS transistor p formed in well 2
-Type Si substrate 1, both of which are field oxide films 6
Are separated by. High concentration on both sides of the channel dope layer 5
P-type / N-type source region S doped with impurities
And a P-type / N-type drain region D is formed
It

【0019】図1に示す本発明の構造と比較する為に、
図2に対応する従来の構造を示す。図1に示す構造と同
様に、PチャネルMOSトランジスタはp- 型Si基板
101の上に形成されている。基板101にはnウェル
102が設けられている。このnウェル102は図1に
示すnウェル2に比較して高濃度のn型不純物を含んで
いる。例えば、イオン注入により不純物燐を4×1012
/cm2 程度のドーズ量でドーピングしている。ゲート
酸化膜103は図1に示すゲート酸化膜3に比べて膜厚
が厚く例えば250Å程度である。その上に形成された
N型ポリシリコンゲート電極104は図1に示すゲート
電極4と同一構成である。PチャネルMOSトランジス
タとNチャネルMOSトランジスタは、フィールド酸化
膜106で分離されている。最後に、ゲート電極104
の直下に形成されたチャネルドープ層105は比較的深
いp−n接合深度xjを有しており例えば0.34μm
程度である。
For comparison with the structure of the present invention shown in FIG.
The conventional structure corresponding to FIG. 2 is shown. Similar to the structure shown in FIG. 1, the P-channel MOS transistor is formed on the p type Si substrate 101. An n-well 102 is provided on the substrate 101. The n-well 102 contains a higher concentration of n-type impurities than the n-well 2 shown in FIG. For example, the impurity phosphorus is 4 × 10 12 by ion implantation.
Doping is performed with a dose amount of about / cm 2 . The gate oxide film 103 is thicker than the gate oxide film 3 shown in FIG. 1 and is, for example, about 250 Å. The N-type polysilicon gate electrode 104 formed thereon has the same structure as the gate electrode 4 shown in FIG. The P-channel MOS transistor and the N-channel MOS transistor are separated by the field oxide film 106. Finally, the gate electrode 104
The channel dope layer 105 formed immediately below the layer has a relatively deep pn junction depth xj and is, for example, 0.34 μm.
It is a degree.

【0020】次に、図1に示す本発明の構造と図2に示
す従来のMOS構造とを対比した上で本発明の特徴事項
を詳細に説明する。図3はnウェルにおける不純物ボロ
ン濃度の深さ方向プロファイルを示すグラフである。こ
こでイオンチャネル加速エネルギーはともに同じであ
る。グラフの縦軸には深さをとってあり、横軸には不純
物濃度をとってある。本発明の場合濃度プロファイルカ
ーブ31、32はnウェル表面近傍で鋭く立ち下がって
おり、p型チャネルドープ層は表面近傍に局在化されて
いる。従って、p−n接合深度xj1は極めて浅い。一
方、従来の場合プロファイルカーブ33、34はなだら
かに立ち下がっておりp型チャネルドープ層はnウェル
内において大きな広がり(バラツキ)を有している。従
って、p−n接合深度xj2は比較的深いところに位置
する。その結果、総不純物濃度としては発明品の方が薄
くなっていることになる。
Next, the features of the present invention will be described in detail by comparing the structure of the present invention shown in FIG. 1 with the conventional MOS structure shown in FIG. FIG. 3 is a graph showing the profile of the impurity boron concentration in the n-well in the depth direction. Here, the ion channel acceleration energies are the same. The vertical axis of the graph represents the depth, and the horizontal axis represents the impurity concentration. In the case of the present invention, the concentration profile curves 31 and 32 sharply fall near the surface of the n-well, and the p-type channel dope layer is localized near the surface. Therefore, the pn junction depth xj1 is extremely shallow. On the other hand, in the conventional case, the profile curves 33 and 34 fall gently, and the p-type channel dope layer has a large spread (variation) in the n-well. Therefore, the pn junction depth xj2 is located relatively deep. As a result, the invention product has a lower total impurity concentration.

【0021】図4はPチャネルMOSトランジスタ(P
ch Tr)のリーク電流とp−n接合深度xjとの関
係を示すグラフである。縦軸にリーク電流(A)を対数
メモリでとってあり、横軸に接合深度xjをμm単位で
とってある。前述したように図1に示す発明品の接合深
度xj1は0.15μm程度であり、図2に示す従来品
の接合深度xj2は0.34μm程度である。グラフか
ら明らかなように、従来品42のリーク電流が10-8
程度であるのに対して発明品41のリーク電流は10
-10 A程度に減少している。なお、このデータをとるに
当ってPチャネルMOSトランジスタの閾値電圧VTP
0.4Vに設定されている。この測定結果から明らかな
様に、p−n接合深度xjを小さくする事により、短チ
ャネル効果等が抑制でき、リーク電流が大幅に減少でき
る。なお、従来に比しワンオーダー程度リーク電流を抑
える為には、接合深度xjを0.2μm以下に制御する
事が好ましい。
FIG. 4 shows a P-channel MOS transistor (P
It is a graph which shows the relationship between the leak current of ch Tr) and pn junction depth xj. The ordinate represents the leak current (A) in logarithmic memory, and the abscissa represents the junction depth xj in μm unit. As described above, the bonding depth xj1 of the invention product shown in FIG. 1 is about 0.15 μm, and the bonding depth xj2 of the conventional product shown in FIG. 2 is about 0.34 μm. As is clear from the graph, the leakage current of the conventional product 42 is 10 -8 A
However, the leakage current of the invention product 41 is 10
It has decreased to about -10A . In obtaining this data, the threshold voltage V TP of the P-channel MOS transistor is set to 0.4V. As is clear from the measurement results, by reducing the pn junction depth xj, the short channel effect and the like can be suppressed and the leak current can be greatly reduced. In order to suppress the leak current by about one order as compared with the related art, it is preferable to control the junction depth xj to 0.2 μm or less.

【0022】本発明の第2の特徴事項として、従来に比
しゲート酸化膜が薄く最適化されている事が挙げられ
る。従来250Å程度のゲート酸化膜厚であったものが
150Å程度まで薄くなっている。150Åのゲート酸
化膜厚は0.8μルールに対応したものでありデバイス
の微細化が促進できる。ゲート酸化膜を薄くする事によ
りトランジスタの動作特性が改善される。チャネルコン
ダクタンスgmが向上する為電流容量が増える。
The second characteristic feature of the present invention is that the gate oxide film is thin and optimized as compared with the conventional one. The gate oxide film thickness of about 250 Å was reduced to about 150 Å. The 150 Å gate oxide film thickness corresponds to the 0.8μ rule, which can facilitate device miniaturization. By thinning the gate oxide film, the operating characteristics of the transistor are improved. Since the channel conductance gm is improved, the current capacity is increased.

【0023】図5はp- 型Si基板にp型不純物のドー
プ(チャネルドープ)したMOS構造において容量特性
を示すグラフである。ここで注入条件は25KeVの加
速エネルギーで行った。グラフの縦軸には容量(C/C
OX)をとってあり、横軸には電圧(BIAS)をとって
ある。このグラフでBIASが負の領域は酸化膜容量を
示しており、正の領域は基板容量を示している。グラフ
から明らかなように、発明品43の基板容量の方が従来
品44より容量が小さくなっている。これは基板表面で
空乏層がより伸びているため。空乏層幅は不純物濃度が
薄いほどよく伸びる。つまり表面基板の不純物濃度とし
ては発明品の方が薄くなっていることになる。
FIG. 5 is a graph showing capacitance characteristics in a p - type Si substrate doped with p-type impurities (channel doping) in a MOS structure. Here, the implantation conditions were acceleration energy of 25 KeV. The vertical axis of the graph is the capacity (C / C
OX ) and the horizontal axis represents voltage (BIAS). In this graph, the negative BIAS region indicates the oxide film capacitance, and the positive region indicates the substrate capacitance. As is apparent from the graph, the substrate capacitance of the invention product 43 is smaller than that of the conventional product 44. This is because the depletion layer extends further on the substrate surface. The width of the depletion layer grows better as the impurity concentration decreases. In other words, the impurity concentration of the surface substrate is lower in the invention product.

【0024】図6にMOSトランジスタのしきい値電圧
THとサブスレッショルド係数Sとの関係を示す。グラ
フの縦軸にはサブスレッショルド係数S(mV/dec
ade)をとってあり、横軸にはしきい値電圧V
TH(V)をとってある。前述したように図1に示す発明
品は0.15μm程度の浅い深度でゲート電極直下の総
不純物濃度は薄く、図2に示す従来品は0.34μm程
度の深度でゲート電極直下の総不純物濃度は濃くなって
いる。また、nウェルは従来品より発明品の方が薄くな
っているため、しきい値電圧を調節するためのPチャネ
ルMOSトランジスタのチャネルドープ量は少なくて済
むことにより、ゲート電極直下の総不純物濃度が薄くな
っている。さらに、ゲート酸化膜は従来250Å程度か
ら150Å程度まで薄くなっている。グラフから明らか
なように、従来品62のサブスレッショルド係数SはP
チャネルMOSトランジスタのしきい値電圧VTHが、例
えば0.5Vのとき、97.2mV/decadeであ
るのに対し、発明品61のサブスレッショルド係数Sは
77.2mV/decadeと減少している。またNチ
ャネルMOSトランジスタのしきい値VTHが例えば、
0.5Vのときも、従来品のサブスレッショルド係数は
84.7mV/decadeであるのに対して発明品は
78.2mV/decadeと減少している。またこの
グラフでしきい値電圧VTHが低くなるとPチャネルMO
Sトランジスタの場合、サブスレッショルド係数Sは大
きくなり、NチャネルMOSトランジスタの場合は小さ
くなっていることがわかる。これは以下のようである。
FIG. 6 shows the relationship between the threshold voltage V TH of the MOS transistor and the subthreshold coefficient S. The vertical axis of the graph indicates the subthreshold coefficient S (mV / dec)
ade), and the threshold voltage V is plotted on the horizontal axis.
TH (V) is taken. As described above, the invention product shown in FIG. 1 has a low total impurity concentration directly below the gate electrode at a shallow depth of about 0.15 μm, and the conventional product shown in FIG. 2 has a total impurity concentration immediately below the gate electrode at a depth of about 0.34 μm. Is dark. In addition, since the n-well is thinner in the invention product than in the conventional product, the channel doping amount of the P-channel MOS transistor for adjusting the threshold voltage can be small, so that the total impurity concentration immediately below the gate electrode is reduced. Is thinning. Further, the gate oxide film has been thinned from about 250 Å to about 150 Å. As is clear from the graph, the subthreshold coefficient S of the conventional product 62 is P
When the threshold voltage V TH of the channel MOS transistor is, for example, 0.5 V, it is 97.2 mV / decade, whereas the subthreshold coefficient S of the invention product 61 is reduced to 77.2 mV / decade. Further, the threshold value V TH of the N-channel MOS transistor is, for example,
Even when the voltage is 0.5 V, the subthreshold coefficient of the conventional product is 84.7 mV / decade, whereas that of the invention product is reduced to 78.2 mV / decade. In this graph, when the threshold voltage V TH becomes low, the P channel MO
It can be seen that the subthreshold coefficient S is large in the case of the S transistor and is small in the case of the N-channel MOS transistor. This is as follows.

【0025】図7に示すようにPチャネルMOSトラン
ジスタの場合、しきい値電圧VTHを例えば0.6Vにす
るためには、チャネルドープ量を1×1012/cm2
し、例えば、0.4Vにするためにはドープ量を2×1
12/cm2 にしてしきい値電圧VTHを調節する。ま
た、nウェル濃度を薄くしているので、しきい値電圧を
例えば0.4Vにするためにはチャネルドープ量を1.
5×1012/cm2 にする。NチャネルMOSトランジ
スタの場合、しきい値電圧を例えば0.6Vにするため
にはチャネルドープ量を2×1012/cm2 にし、例え
ば0.4Vにするためにはドープ量を5×1011/cm
2 にする。グラフの縦軸にはMOSトランジスタのしき
い値電圧VTHをとってあり、横軸にはチャネルドープ量
をとってある。つまり、PチャネルMOSトランジスタ
のしきい値電圧が低い場合とNチャネルMOSトランジ
スタのしきい値電圧が高い場合にはドープ量が多くゲー
ト電極直下の基板表面濃度が濃くなっているため、サブ
スレッショルド係数Sが大きく、PチャネルMOSトラ
ンジスタのしきい値電圧が高い場合とNチャネルMOS
トランジスタのしきい値電圧が低い場合には、ドープ量
が少なく濃度は薄くなっているため、サブスレッショル
ド係数Sは小さくなっている。
In the case of the P-channel MOS transistor as shown in FIG. 7, in order to set the threshold voltage V TH to, for example, 0.6 V, the channel doping amount is set to 1 × 10 12 / cm 2 , for example, 0. Dopant amount is 2 × 1 to obtain 4V
The threshold voltage V TH is adjusted to 0 12 / cm 2 . Also, since the n-well concentration is made thin, the channel doping amount is 1.
It is set to 5 × 10 12 / cm 2 . In the case of an N-channel MOS transistor, the channel doping amount is set to 2 × 10 12 / cm 2 in order to set the threshold voltage to 0.6 V, and the doping amount is set to 5 × 10 11 to set to 0.4 V, for example. / Cm
Set to 2 . The vertical axis of the graph represents the threshold voltage V TH of the MOS transistor, and the horizontal axis represents the channel doping amount. That is, when the threshold voltage of the P-channel MOS transistor is low and when the threshold voltage of the N-channel MOS transistor is high, the doping amount is large and the substrate surface concentration directly under the gate electrode is high, so that the subthreshold coefficient is When S is large and the threshold voltage of the P-channel MOS transistor is high,
When the threshold voltage of the transistor is low, the doping amount is small and the concentration is low, so that the subthreshold coefficient S is small.

【0026】図8にしきい値電圧VTH=0.5VのMO
Sトランジスタのサブスレッショルド特性を示す。グラ
フの横軸にはゲート電圧VG 、縦軸にはドレイン電流I
D を対数メモリでとってある。またこのグラフに示され
たデータばドレイン電圧VD=0.1Vで測定されたも
のである。従来品82の特性の傾きは小さく(=サブス
レッショルド係数S大)、発明品81の特性の傾きは大
きい(=サブスレッショルド係数S小)。グラフから明
らかなように、例えばゲート電圧VG =0Vのとき、従
来品のドレイン電流ID に比べ発明品のドレイン電流I
D は小さくなっていることがわかる。これは発明品のリ
ーク電流が少なくなっているということを意味する。
FIG. 8 shows an MO having a threshold voltage V TH = 0.5V.
The subthreshold characteristic of an S transistor is shown. The horizontal axis of the graph is the gate voltage V G , and the vertical axis is the drain current I.
D is taken in logarithmic memory. The data shown in this graph were measured at a drain voltage V D = 0.1V. The inclination of the characteristic of the conventional product 82 is small (= sub-threshold coefficient S is large), and the inclination of the characteristic of the invention product 81 is large (= sub-threshold coefficient S is small). As is apparent from the graph, for example, when the gate voltage V G = 0 V, the drain current I of the invention product is higher than the drain current I D of the conventional product.
It can be seen that D is getting smaller. This means that the leak current of the invention product is reduced.

【0027】図9はMOSトランジスタのしきい値電圧
THとリーク電流(Leak)との関係を示すグラフで
ある。またこのグラフに示されたデータはゲート電圧V
G =0V、ドレイン電圧VD =1.5Vで測定されたも
のである。縦軸にはリーク電流(A)を対数メモリでと
ってあり、横軸にはしきい値電圧VTH(V)をとってあ
る。グラフから明らかなように、CMOSICを低電圧
動作させるためにしきい値電圧を例えば、0.5Vに下
げた場合、従来品92のリーク電流はPチャネルMOS
トランジスタが9×10-11 A、NチャネルMOSトラ
ンジスタが7.5×10-12 Aであるのに対し、発明品
91のリーク電流はPチャネルMOSトランジスタが
1.9×10-12 A、NチャネルMOSトランジスタが
1.2×10-12 Aに減少している。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the threshold voltage V TH of the MOS transistor and the leak current (Leak). The data shown in this graph is the gate voltage V
G = 0V, which were measured at a drain voltage V D = 1.5V. The ordinate represents the leak current (A) in a logarithmic memory, and the abscissa represents the threshold voltage V TH (V). As is clear from the graph, when the threshold voltage is lowered to 0.5 V in order to operate the CMOS IC at a low voltage, the leakage current of the conventional product 92 is the P channel MOS.
While the transistor is 9 × 10 -11 A and the N-channel MOS transistor is 7.5 × 10 -12 A, the leak current of the invention product 91 is 1.9 × 10 -12 A, N for the P-channel MOS transistor. The number of channel MOS transistors is reduced to 1.2 × 10 -12 A.

【0028】このようにサブスレッショルド係数及びリ
ーク電流が改善できるので高速駆動が可能になるととも
に低電圧駆動化が図れる。ちなみに、本発明にかかる構
造を用いたCMOSICは1MHz程度に達する駆動周
波数に応答可能である。かかる特性を有するCMOSI
Cはワンチップ型CPU、メモリ、マイクロコンピュー
タ等に最適であり、種々多様な携帯機器及び卓上機器の
制御用に搭載される。これらの機器には例えば携帯テー
プレコーダや、ポータブルCDや、ページャーや、携帯
ラジオ等が挙げられる。
Since the subthreshold coefficient and the leak current can be improved in this way, high speed driving is possible and low voltage driving can be achieved. By the way, the CMOS IC using the structure according to the present invention can respond to the driving frequency up to about 1 MHz. CMOSI having such characteristics
C is most suitable for a one-chip CPU, memory, microcomputer, etc., and is mounted for control of various mobile devices and tabletop devices. Examples of these devices include a portable tape recorder, a portable CD, a pager, and a portable radio.

【0029】次に本発明にかかる半導体製造方法の具体
例を詳細に説明する。まず図10を参照してN+ 単極ゲ
ート構造のCMOSトランジスタのゲート酸化膜形成工
程までを説明する。工程Aにおいて、p型Si基板12
の表面にnウェル13を形成する。基板表面にマスクと
して所定の形状にパタニングされた酸化膜11を形成し
た後、n型の不純物燐を2×1012/cm2 のドーズ量
でイオン注入する。前述したように、このドーズ量は従
来に比し半減したものとなっている。この後、1150
℃で6時間加熱処理を施し注入された不純物燐の拡散及
び活性化を行ない図示するようにnウェル13を形成す
る。このnウェル13にPチャネルMOSトランジスタ
が形成され、隣接部分にNチャネルMOSトランジスタ
が形成される事になる。
Next, a specific example of the semiconductor manufacturing method according to the present invention will be described in detail. First, the process of forming a gate oxide film of a CMOS transistor having an N + single-pole gate structure will be described with reference to FIG. In step A, p-type Si substrate 12
An n well 13 is formed on the surface of the. After forming an oxide film 11 which is patterned in a predetermined shape on the surface of the substrate as a mask, n-type impurity phosphorus is ion-implanted at a dose of 2 × 10 12 / cm 2 . As described above, this dose amount is half that of the conventional one. After this, 1150
A heat treatment is performed at 6 ° C. for 6 hours to diffuse and activate the implanted impurity phosphorus to form an n well 13 as shown in the figure. A P channel MOS transistor is formed in the n well 13 and an N channel MOS transistor is formed in the adjacent portion.

【0030】工程Bにおいてフィールドドープを行な
う。この為に、まずトランジスタ素子の形成される活性
領域を被覆するようにシリコン窒化膜14をパタニング
形成する。特に、nウェル13の上にはシリコン窒化膜
14に重ねてフォトレジスト15も形成する。この状態
で不純物ボロンを30KeVの加速エネルギー及び2×
1013/cm2 のドーズ量でイオン注入しフィールドド
ープを行なう。図示するように、素子領域を囲む部分に
フィールドドープ領域が形成される。
In step B, field doping is performed. Therefore, first, the silicon nitride film 14 is patterned so as to cover the active region where the transistor element is formed. In particular, a photoresist 15 is also formed on the n-well 13 so as to overlap the silicon nitride film 14. In this state, the impurity boron is accelerating energy of 30 KeV and 2 ×
Ion implantation is performed at a dose of 10 13 / cm 2 to perform field doping. As shown, a field dope region is formed in the portion surrounding the device region.

【0031】続いて工程Cにおいて所謂LOCOS処理
を行ない素子領域を囲むようにフィールド酸化膜16を
形成する。この後、犠性酸化及びその除去処理を行い、
基板12の表面に残された異物を除去し清浄化する。最
後に工程Dにおいて基板12表面の熱酸化処理を行い素
子領域を覆うようにゲート酸化膜17を形成する。この
熱酸化処理はH2 O雰囲気中で860℃の基板温度に設
定して行ない約150Å程度に酸化膜を成膜する。なお
従来、このゲート酸化膜の膜厚は250Å程度であっ
た。
Then, in step C, so-called LOCOS treatment is performed to form a field oxide film 16 so as to surround the element region. After this, sacrificial oxidation and its removal treatment are performed,
The foreign matter left on the surface of the substrate 12 is removed and cleaned. Finally, in step D, the surface of the substrate 12 is thermally oxidized to form a gate oxide film 17 so as to cover the element region. This thermal oxidation treatment is performed by setting the substrate temperature at 860 ° C. in an H 2 O atmosphere to form an oxide film at a thickness of about 150 Å. Conventionally, the film thickness of this gate oxide film is about 250 Å.

【0032】続いて図11を参照して後続工程を説明す
る。まず工程Eにおいてチャネルドープを行なう。この
チャネルドープはCMOSトランジスタの閾値電圧調整
の為に行なわれるものであり、p型の不純物を注入す
る。本発明ではp型の不純物としてボロン単体ではなく
ボロンの化合物BF2 + をイオン種として用い注入を行
なっている。加速エネルギーとしては例えば25KeV
程度に設定する。BF2はB単体に比べて分子量が大き
い為イオン注入時の飛程が小さく図示するように極めて
浅い領域にチャネルドープ層を形成できる。又、本発明
では先にゲート酸化膜17を形成した後これを介してチ
ャネルドープを行なっている。従ってチャネルドープ層
はゲート酸化膜17の形成に際して行なわれた熱処理の
履歴を受ける事がなくp−n接合深度をそのまま維持で
きる。これに対して従来ではチャネルドープを行なった
後ゲート酸化膜を形成していたのでチャネルドープ層内
における不純物Bの拡散が進行するという問題点があっ
た。
Next, the subsequent process will be described with reference to FIG. First, in step E, channel doping is performed. This channel doping is performed to adjust the threshold voltage of the CMOS transistor, and p-type impurities are implanted. In the present invention, the compound BF 2 + of boron is used as the ion species instead of boron alone as the p-type impurity for implantation. The acceleration energy is, for example, 25 KeV
Set to a degree. Since BF 2 has a larger molecular weight than B alone, the range of ion implantation is small, and a channel dope layer can be formed in an extremely shallow region as shown in the figure. In the present invention, the gate oxide film 17 is first formed and then the channel doping is performed through the gate oxide film 17. Therefore, the channel dope layer is not affected by the history of the heat treatment performed when forming the gate oxide film 17, and the pn junction depth can be maintained as it is. On the other hand, conventionally, since the gate oxide film is formed after the channel doping, there is a problem that diffusion of the impurity B in the channel dope layer progresses.

【0033】次に工程FにおいてCVD等により常法に
従いゲート酸化膜17の上にN+ ポリシリコンゲート電
極18をパタニング形成する。続いて工程GにおいてN
チャネルMOSトランジスタのソース/ドレイン領域を
形成する。この際、PチャネルMOSトランジスタの形
成されるnウェル13の上はフォトレジスト15でマス
クしておく。この状態でゲート電極18をマスクに利用
したセルフアライメントによりn型不純物燐をイオン注
入しソース/ドレイン領域を形成する。イオン注入の条
件は例えば40KeVの加速エネルギーで3.5×10
15/cm2 のドーズに設定する。従来と異なりn型不純
物として燐を用いているのでこの後熱処理を行なわなく
ても所定のソース/ドレイン領域の導電率を得る事がで
きる。従ってnウェル13に形成されたチャネルドープ
層に熱履歴が加わらない為極めて浅いp−n接合深度が
そのまま維持できる。これに対して、従来n型の不純物
として燐よりも拡散係数の小さな砒素を用いていたの
で、950℃で30分程度の高温熱拡散処理が必要であ
った。
Next, in step F, an N + polysilicon gate electrode 18 is patterned on the gate oxide film 17 by a conventional method by CVD or the like. Then, in step G, N
The source / drain regions of the channel MOS transistor are formed. At this time, the upper surface of the n well 13 in which the P channel MOS transistor is formed is masked with the photoresist 15. In this state, n-type impurity phosphorus is ion-implanted by self-alignment using the gate electrode 18 as a mask to form source / drain regions. The ion implantation conditions are, for example, 3.5 × 10 at an acceleration energy of 40 KeV.
Set to a dose of 15 / cm 2 . Unlike prior art, since phosphorus is used as the n-type impurity, it is possible to obtain a predetermined conductivity of the source / drain regions without subsequent heat treatment. Therefore, since no thermal history is applied to the channel dope layer formed in the n-well 13, an extremely shallow pn junction depth can be maintained as it is. On the other hand, since arsenic having a diffusion coefficient smaller than that of phosphorus has been conventionally used as an n-type impurity, a high temperature thermal diffusion process at 950 ° C. for about 30 minutes is required.

【0034】最後に工程Hにおいて残されたPチャネル
MOSトランジスタのソース/ドレイン領域を形成す
る。この際には先に形成されたNチャネルMOSトラン
ジスタの部分をフォトレジスト15でマスクしておく。
この状態でp型の不純物例えばBF2 を高濃度でイオン
注入しソース/ドレイン領域を形成する。このイオン注
入の条件は例えば80KeVの加速エネルギーで5×1
15/cm2 のドーズ量に設定される。
Finally, the source / drain regions of the P-channel MOS transistor left in step H are formed. At this time, the portion of the N-channel MOS transistor previously formed is masked with the photoresist 15.
In this state, p-type impurities such as BF 2 are ion-implanted at a high concentration to form source / drain regions. The condition of this ion implantation is, for example, 5 × 1 with an acceleration energy of 80 KeV.
The dose is set to 0 15 / cm 2 .

【0035】続いて図12を参照してメタル配線等の後
工程を説明する。なお図12はN+単極ゲート構造のC
MOSトランジスタの完成状態を示している。図示する
ように、Pチャネル及びNチャネルMOSトランジスタ
のソース/ドレイン領域を形成した後BPSG層間膜1
9を全面的に成膜する。この層間膜19は例えばCVD
法等により形成され引き続き熱処理により平坦化され
る。続いて層間膜19を選択的にエッチングしソース/
ドレイン領域に連通するコンタクトホールを形成する。
この後900℃で30分程度O2 /N2 雰囲気下でコン
タクトリフロー処理を行なう。続いて真空蒸着あるいは
スパッタリング等により金属材料等を全面的に成膜した
後フォトリソグラフィ及びエッチングを行ないパタニン
グされたメタル配線20を形成する。最後に基板12の
全体を表面保護膜21で被覆する。このようにして形成
されたPチャネルMOSトランジスタはnウェル13の
表面近傍に極めて浅く局在化されたチャネルドープ層2
2を有しており、そのp−n接合深度は0.15μm程
度である。
Subsequently, a post process of metal wiring and the like will be described with reference to FIG. Note that FIG. 12 shows C of N + unipolar gate structure.
The completed state of the MOS transistor is shown. As shown, the BPSG interlayer film 1 is formed after forming the source / drain regions of the P-channel and N-channel MOS transistors.
9 is formed on the entire surface. This interlayer film 19 is formed by CVD, for example.
Formed by a method or the like, and subsequently flattened by heat treatment. Then, the interlayer film 19 is selectively etched to remove the source /
A contact hole communicating with the drain region is formed.
After that, contact reflow treatment is performed at 900 ° C. for about 30 minutes in an O 2 / N 2 atmosphere. Subsequently, a metal material or the like is formed on the entire surface by vacuum vapor deposition or sputtering, and then photolithography and etching are performed to form a patterned metal wiring 20. Finally, the entire substrate 12 is covered with the surface protective film 21. The P-channel MOS transistor thus formed has an extremely shallow localized channel dope layer 2 near the surface of the n-well 13.
2 and the pn junction depth is about 0.15 μm.

【0036】最後に図13を参照して本発明の一応用例
を説明する。本例は、前述した製造方法により作成され
たCMOSトランジスタから構成されるワンチップ型の
リモートコントロール用マイクロコンピュータである。
図示する様にマイクロコンピュータ51は電源端子VSS
及びVCCを介して電源電圧の供給を受ける。このマイク
ロコンピュータ51は低電圧動作化されており1.5V
の外付け電源52例えば乾電池等により動作可能であ
る。なお、一対の電源端子の間には平滑コンデンサ53
が外付け挿入されている。また一対のクロック入力端子
CL1 ,CL2 には外付けの発振源54が接続されてお
り、システムクロックの入力を受ける。この発振源54
は例えばセラロック等からなり1MHzの発振周波数を
有する。マイクロコンピュータ51は低電圧動作化され
ているとともに高速化されているのでかかるシステムク
ロックに応答して高速動作が行なえる。
Finally, an application example of the present invention will be described with reference to FIG. This example is a one-chip type remote control microcomputer composed of CMOS transistors manufactured by the manufacturing method described above.
As shown, the microcomputer 51 has a power supply terminal V SS.
And the power supply voltage is supplied via V CC . This microcomputer 51 is operated at a low voltage of 1.5V
It can be operated by an external power source 52 such as a dry battery. A smoothing capacitor 53 is provided between the pair of power supply terminals.
Is externally inserted. An external oscillation source 54 is connected to the pair of clock input terminals CL 1 and CL 2 to receive the system clock input. This oscillation source 54
Is made of, for example, CERALOCK and has an oscillation frequency of 1 MHz. Since the microcomputer 51 is operated at a low voltage and at a high speed, it can perform a high speed operation in response to the system clock.

【0037】さらに、RMO端子には外付けの駆動回路
55を介して赤外線発光ダイオード56が接続されてい
る。この赤外線発光ダイオード56を介してリモートコ
ントロール用の信号が送信される。又リセット端子RE
SETには外付けのリセット回路57が接続されてい
る。さらにスイッチ入力端子P00〜P03には外付けのス
イッチ58が接続されている。加えて、インターフェー
ス端子P10〜P43には外付けのキーマトリクス59ある
いはキーボードが接続されている。
Further, an infrared light emitting diode 56 is connected to the RMO terminal via an external drive circuit 55. A signal for remote control is transmitted via the infrared light emitting diode 56. Also reset terminal RE
An external reset circuit 57 is connected to SET. Switch 58 of the external is connected further to the switch input terminal P 00 ~P 03. In addition, an external key matrix 59 or the keyboard is connected to the interface terminal P 10 to P 43.

【0038】図14は図13に示したワンチップ型マイ
クロコンピュータ51の詳細構造を示すブロック図であ
る。図示する様にこのマイクロコンピュータ51はAL
U、デコーダ、タイマ、カウンタ等の論理ブロックを有
しており全て本発明にかかるCMOSトランジスタから
構成されている。又、ROM、RAM、テーブル、レジ
スタ等のメモリブロックを有しておりこれも全て本発明
にかかるCMOSトランジスタで構成されている。その
他入出力ポートやバッファ等も同様である。
FIG. 14 is a block diagram showing the detailed structure of the one-chip microcomputer 51 shown in FIG. As shown, this microcomputer 51 is an AL
It has logic blocks such as U, a decoder, a timer, a counter, etc., and is composed of CMOS transistors according to the present invention. It also has a memory block such as a ROM, a RAM, a table, and a register, which are all composed of CMOS transistors according to the present invention. The same applies to other input / output ports and buffers.

【0039】[0039]

【発明の効果】本発明は以上説明したようにポリシリコ
ンゲートを有するPチャネルMOSトランジスタと同じ
くポリシリコンゲートを有するNチャネルMOSトラン
ジスタとの対からなるCMOSトランジスタにおいて、
MOSトランジスタチャネル領域のp−n接合深度を極
力浅く形成、特にPチャネルMOSトランジスタは表面
チャネル型デバイスに近づけるようにした。このため、
リーク電流が大幅に抑制できるという効果がある。また
ゲート酸化膜の厚みを薄くし、さらにゲート電極直下の
基板表面不純物濃度が極力薄くするようにした。このた
めサブスレッショルド係数が小さくなり、MOSトラン
ジスタのスイッチング性能が向上するため、高速動作化
が達成されるという効果がある。したがって、しきい値
電圧を下げた場合にもリーク電流を抑制できるため高速
動作化とともに低電圧駆動化が達成されるという効果が
ある。
As described above, the present invention provides a CMOS transistor comprising a pair of a P-channel MOS transistor having a polysilicon gate and an N-channel MOS transistor having a polysilicon gate as described above.
The pn junction depth of the MOS transistor channel region is formed as shallow as possible, and especially the P channel MOS transistor is made to approach the surface channel type device. For this reason,
There is an effect that the leak current can be significantly suppressed. In addition, the thickness of the gate oxide film was made thin, and the impurity concentration on the substrate surface immediately below the gate electrode was made as thin as possible. For this reason, the subthreshold coefficient is reduced and the switching performance of the MOS transistor is improved, so that there is an effect that high speed operation is achieved. Therefore, even if the threshold voltage is lowered, the leak current can be suppressed, so that the high-speed operation and the low-voltage driving can be achieved.

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

【図1】本発明にかかるCMOSトランジスタの構造を
示す模式的な部分断面図である。
FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view showing a structure of a CMOS transistor according to the present invention.

【図2】従来構造を示す模式的な部分断面図である。FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view showing a conventional structure.

【図3】p型チャネルドープ層におけるボロン濃度の深
さ方向プロファイルを示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a depth-direction profile of boron concentration in a p-type channel dope layer.

【図4】PチャネルMOSトランジスタのリーク電流と
p−n接合深度との関係を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a leak current of a P-channel MOS transistor and a pn junction depth.

【図5】p型不純物をドープしたMOS構造における容
量特性である。
FIG. 5 is a capacitance characteristic of a MOS structure doped with p-type impurities.

【図6】MOSトランジスタのサブスレッショルド係数
としきい値電圧との関係を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a subthreshold coefficient and a threshold voltage of a MOS transistor.

【図7】MOSトランジスタのしきい値電圧とチャネル
ドープ量との関係を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the threshold voltage of a MOS transistor and the channel doping amount.

【図8】MOSトランジスタのサブスレッショルド特性
を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing a subthreshold characteristic of a MOS transistor.

【図9】MOSトランジスタのリーク電流としきい値電
圧との関係を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing a relationship between a leak current of a MOS transistor and a threshold voltage.

【図10】本発明にかかるCMOSトランジスタの製造
方法を示す工程図である。
FIG. 10 is a process drawing showing the manufacturing method of the CMOS transistor according to the present invention.

【図11】同じく製造方法を示す工程図である。FIG. 11 is a process drawing showing the same manufacturing method.

【図12】同じく完成品状態を示す工程図である。FIG. 12 is also a process drawing showing a state of a finished product.

【図13】本発明の一応用例であるリモートコントロー
ル用ワンチップ型マイクロコンピュータを示す模式図で
ある。
FIG. 13 is a schematic diagram showing a one-chip microcomputer for remote control which is an application example of the present invention.

【図14】図9に示すマイクロコンピュータの内部構造
を表わした模式的なブロック図である。
14 is a schematic block diagram showing the internal structure of the microcomputer shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 p- 型Si基板 2 nウェル 3 ゲート酸化膜 4 N+ ポリシリコンゲート電極 5 チャネルドープ層 6 フィールド酸化膜 xj p−n接合深度1 p type Si substrate 2 n well 3 gate oxide film 4 N + polysilicon gate electrode 5 channel dope layer 6 field oxide film xj pn junction depth

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ポリシリコンゲートを有するPチャネル
MOSトランジスタと同じくポリシリコンゲートを有す
るNチャネルMOSトランジスタとの対からなるCMO
Sトランジスタを備えた半導体装置において、前記CM
OSトランジスタは、半導体表面に離間して形成された
ソース領域とドレイン領域と、前記ソース領域と前記ド
レイン領域との間に前記半導体基板の表面近傍に局在化
したチャネルドープ層と、前記チャネルドープ層が形成
される半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜とを含む
半導体装置。
1. A CMO comprising a pair of a P-channel MOS transistor having a polysilicon gate and an N-channel MOS transistor having a polysilicon gate.
In a semiconductor device including an S transistor, the CM
The OS transistor includes a source region and a drain region formed apart from each other on a semiconductor surface, a channel dope layer localized near the surface of the semiconductor substrate between the source region and the drain region, and the channel dope. A semiconductor device including a gate insulating film formed on a semiconductor substrate on which a layer is formed.
【請求項2】 前記チャネルドープ層は、0.2μm以
下のp−n接合深度であることを特徴とする請求項1に
記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the channel dope layer has a pn junction depth of 0.2 μm or less.
【請求項3】 前記MOSトランジスタの前記ゲート絶
縁膜は、厚みが200Å以下であることを特徴とする請
求項1に記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film of the MOS transistor has a thickness of 200 Å or less.
【請求項4】 前記CMOSトランジスタはRAMまた
はROMを構成し、かつ、動作電圧が1.2Vから3.
6Vであることを特徴とする請求項1記載の半導体装
置。
4. The CMOS transistor constitutes a RAM or a ROM, and has an operating voltage of 1.2V to 3.V.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device has a voltage of 6V.
【請求項5】 前記CMOSトランジスタはCPUを構
成し、動作電圧が1.2Vから3.6Vであることを特
徴とする請求項1に記載の半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the CMOS transistor constitutes a CPU, and an operating voltage is 1.2V to 3.6V.
【請求項6】 ポリシリコンゲートを有するPチャネル
MOSトランジスタと、ポリシリコンゲートを有するN
チャネルMOSトランジスタとの対からなるCMOSト
ランジスタを備えたワンチップ型のマイクロコンピュー
タにおいて、 該PチャネルMOSトランジスタは、半導体基板のn型
領域に離間して形成されたp型からなるソース領域とド
レイン領域と、該ソース領域と該ドレイン領域との間の
該半導体基板の表面近傍に局在化して形成されたp型チ
ャネルドープ層と、該チャネルドープ層が形成される半
導体基板上に形成されたゲート絶縁膜とを含むワンチッ
プ型のマイクロコンピュータ。
6. A P-channel MOS transistor having a polysilicon gate and an N having a polysilicon gate.
In a one-chip type microcomputer provided with a CMOS transistor which is paired with a channel MOS transistor, the P-channel MOS transistor is a p-type source region and a drain region formed separately in an n-type region of a semiconductor substrate. And a p-type channel dope layer formed by being localized near the surface of the semiconductor substrate between the source region and the drain region, and a gate formed on the semiconductor substrate on which the channel dope layer is formed. A one-chip microcomputer including an insulating film.
【請求項7】 CMOSトランジスタは、動作電圧が
1.2Vから3.6Vで動作する請求項6記載のマイク
ロコンピュータ。
7. The microcomputer according to claim 6, wherein the CMOS transistor operates at an operating voltage of 1.2V to 3.6V.
【請求項8】 N+ ポリシリコンゲートを有するPチャ
ネルMOSトランジスタと、N+ ポリシリコンゲートを
有するNチャネルMOSトランジスタとの対からなるC
MOSトランジスタを備えた半導体装置の製造方法にお
いて、該PチャネルMOSトランジスタは、半導体基板
にP型からなるソース領域とドレイン領域とを分離して
形成する工程と、該ソース領域とドレイン領域との間の
半導体基板にBF2 + を30KeV以下の加速エネルギ
ーにてイオン注入し、該半導体基板の表面近傍に局在化
したp型チャネルドープ層を形成するチャネルドープ工
程とを含む半導体装置の製造方法。
And P-channel MOS transistor having a 8. N + polysilicon gate, it consists of a pair of N-channel MOS transistor having an N + polysilicon gate C
In a method of manufacturing a semiconductor device including a MOS transistor, the P-channel MOS transistor includes a step of separately forming a P-type source region and a drain region on a semiconductor substrate; Channel doping step of forming a localized p-type channel dope layer in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate by ion-implanting BF 2 + into the semiconductor substrate at an acceleration energy of 30 KeV or less.
【請求項9】 該チャネルドープ工程に先行して、該チ
ャネルドープ層が形成される半導体基板の表面に、厚さ
200Å以下のゲート絶縁膜を形成する工程を含む請求
項8記載の半導体装置の製造方法。
9. The semiconductor device according to claim 8, further comprising a step of forming a gate insulating film having a thickness of 200 Å or less on the surface of the semiconductor substrate on which the channel dope layer is formed, prior to the channel dope step. Production method.
【請求項10】 該チャネルドープ工程の後、Nチャネ
ルMOSトランジスタのp型領域の半導体基板に燐をイ
オン注入して、NチャネルMOSトランジスタのソース
・ドレイン領域を形成した請求項8記載の半導体装置の
製造方法。
10. The semiconductor device according to claim 8, wherein after the channel doping step, phosphorus is ion-implanted into the semiconductor substrate in the p-type region of the N-channel MOS transistor to form the source / drain regions of the N-channel MOS transistor. Manufacturing method.
【請求項11】 該チャネルドープ工程に先行して、P
チャネルMOSトランジスタの該n型領域は、半導体基
板に燐を1×1012/cm2 から3×1012/cm2
ドーズ量をイオン注入して、n型ウェルからなるn型領
域を形成した請求項8記載の半導体装置の製造方法。
11. Prior to the channel doping step, P
In the n-type region of the channel MOS transistor, phosphorus is ion-implanted into the semiconductor substrate at a dose of 1 × 10 12 / cm 2 to 3 × 10 12 / cm 2 to form an n-type region including an n-type well. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8.
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