JPH0766970B2 - MOSFET device - Google Patents

MOSFET device

Info

Publication number
JPH0766970B2
JPH0766970B2 JP1320137A JP32013789A JPH0766970B2 JP H0766970 B2 JPH0766970 B2 JP H0766970B2 JP 1320137 A JP1320137 A JP 1320137A JP 32013789 A JP32013789 A JP 32013789A JP H0766970 B2 JPH0766970 B2 JP H0766970B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
drain
region
gate electrode
gap
channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP1320137A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH03180073A (en
Inventor
信司 唐沢
Original Assignee
宮城工業高等専門学校長
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 宮城工業高等専門学校長 filed Critical 宮城工業高等専門学校長
Priority to JP1320137A priority Critical patent/JPH0766970B2/en
Publication of JPH03180073A publication Critical patent/JPH03180073A/en
Publication of JPH0766970B2 publication Critical patent/JPH0766970B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はMOSFET装置、特に所望の関数形のId−Vd特性を
得ることができるMOSFET装置に関するものである。
The present invention relates to a MOSFET device, and more particularly to a MOSFET device capable of obtaining a desired functional Id-Vd characteristic.

(従来の技術) MOSFETのドレイン電流はゲート電圧とドレイン電圧の関
数である。この関係は非飽和領域においては、ドレイン
電圧の2次関数であり、飽和領域においてはドレイン電
圧によらずに一定であり、その関数形は決まっている。
そこで、従来のMOSFET素子設計では電流を決める関数全
体にかかる係数を設定しており、Id−Vd特性の関数形は
変更することはできなかった。また、所望の関数形のId
−Id特性を有するMOSFETは存在していなかった。
(Prior Art) MOSFET drain current is a function of gate voltage and drain voltage. This relationship is a quadratic function of the drain voltage in the non-saturation region, is constant regardless of the drain voltage in the saturation region, and its function form is fixed.
Therefore, in the conventional MOSFET device design, the coefficient for the entire function that determines the current is set, and the functional form of the Id-Vd characteristic cannot be changed. Also, the Id of the desired function form
There was no MOSFET with -Id characteristics.

一方、関数発生器はファンクションジェネレータあるい
は非線形なシステムをアナログ・コンピュータで解析す
る場合に用いられてきたが、ファジイ・コンピュータの
要素としての応用が注目されている。すなわち、1980年
代に入って、ファジイ制御の実用化が始まったが、従来
のディジル・コンピュータはファジイ情報を処理するに
は適していないため、ファジイ情報を効率的にかつ高速
処理し、消費電力の少ないファジイコントロール専用の
コンピュータの開発が要請されている。そこで、ファジ
イ集合を記述する各種メンバーシップ関数を内蔵するIC
とファジイ論理を処理するICがあればファジイ集合を従
来のデジタル・コンピュータで処理することにより簡単
に行なえる。
On the other hand, the function generator has been used when analyzing a function generator or a non-linear system by an analog computer, but its application as an element of a fuzzy computer is drawing attention. In other words, in the 1980s, the practical application of fuzzy control began, but since conventional Digil computers are not suitable for processing fuzzy information, they process fuzzy information efficiently and at high speed, and consume less power. There is a demand for the development of a computer dedicated to fuzzy control. Therefore, an IC that incorporates various membership functions that describe fuzzy sets
And if there is an IC that processes fuzzy logic, it can be easily done by processing a fuzzy set with a conventional digital computer.

一方、ファジイ論理を処理するためには種々の関数発生
器が必要である。現在の技術では、関数発生器は非線形
な関数を折線で近似し、ダイオード、抵抗定電圧源、定
電流源を用いて構成されている。
On the other hand, various function generators are required to process fuzzy logic. In the current technology, a function generator approximates a non-linear function with a broken line and is configured by using a diode, a resistance constant voltage source, and a constant current source.

(発明が解決しようとする課題) ダイオード、抵抗、定電流源等の種々の素子から構成さ
れる関数発生器は部品点数が多すぎる欠点がある。特
に、精度を高めようとするには多数の素子が必要になっ
てしまう。一方集積回路の製造技術を用いれば、電極領
域の幾何学的なパターンを所望の形状に設定することが
できる。
(Problem to be Solved by the Invention) A function generator including various elements such as a diode, a resistor, and a constant current source has a drawback that the number of components is too large. In particular, a large number of elements are required to improve the accuracy. On the other hand, by using the integrated circuit manufacturing technology, the geometric pattern of the electrode region can be set to a desired shape.

従って、本発明の目的は、各電極領域のパターン形状を
適切に設定することにより所望の関数形のId−Vd特性が
得られるMOSFET装置を提供するものである。
Therefore, an object of the present invention is to provide a MOSFET device in which a desired functional Id-Vd characteristic can be obtained by appropriately setting the pattern shape of each electrode region.

(課題を解決するための手段) 本発明によるMOSFET装置は、一導電形半導体基体と、反
対導電形のソース領域と、同じく反対導電形のドレイン
領域と、これら領域の電極と、前記ソース領域とドレイ
ン領域との間に位置するチャネル領域と、このチャネル
領域から絶縁層によって分離されているゲート電極とを
具えるMOSFET装置において、 前記ゲート電極のドレイン側端部を、動作中に形成され
るチャネルの延在方向と直交する方向に沿って階段状に
形成し、ドレイン電圧に応じてステップ状に変化するド
レイン電流を出力するように構成したことを特徴とする
ものである。
(Means for Solving the Problems) A MOSFET device according to the present invention includes a semiconductor substrate of one conductivity type, a source region of opposite conductivity type, a drain region of opposite conductivity type, electrodes of these regions, and the source region. In a MOSFET device comprising a channel region located between the drain region and a gate electrode separated from the channel region by an insulating layer, a drain side end of the gate electrode is formed during operation. It is characterized in that it is formed in a step shape along a direction orthogonal to the extending direction and outputs a drain current that changes stepwise according to the drain voltage.

(作用) ゲート電極のドレイン側端部が絶縁層を介してドレイン
領域と重なり合っていない場合(本明細書において、こ
の重畳していない部分を「ギャップ区域」と称すること
にする)、このギャップ区域には反転層が形成されず、
従ってチャネルが形成されないことになる。一方ドレイ
ン領域の周縁にはpn接合が形成されるから、ドレイン領
域の周縁に空乏層が形成される。この空乏層は、ドレイ
ン電圧が増大するにつれて拡大し、ゲート電極側の端部
においてはゲート電極側にはり出すように徐々に拡大す
る。そして、空乏層の端部がゲート電極の端部の真下ま
で広がると、チャネルと接続するような形態となり、こ
のドレイン空乏層がキャリアに対してドレインとして機
能し、この結果ギャップ区域にもチャネルが形成される
ことになる。従って、ゲート電極とドレイン領域との間
に、距離が変化するギャップ区域を形成すれば、ドレイ
ン電圧が徐々に増大するにつれてチャネル幅も徐々に増
大し、従ってドレイン電流が増大する。そして、ドレイ
ン電流の増加形態はギャップ形状にほぼ対応し、例えば
ギャップ長がステップ状に変化するギャップ部を形成す
れば、ドレイン電圧が増大するにつれて第2図に示すよ
うなステップ状に増大するドレイン電流Idが形成され、
ギャップ長が線形に変化するギャップ部を形成すれば、
ほぼ線形に増加するドレイン電流が得られる。本発明は
このような認識に基づくものであり、ギャップ形状や基
板の不純物濃度を適切に設定し、所望の関数形の出力特
性が得られるMOSFET装置を提供しようとするものであ
る。従って、本発明によれば、ゲート電極とドレイン領
域との間のギャップを適切に設計することにより、1個
のFET装置を用いるだけで所望の関数形の関数発生器を
実現することができる。
(Operation) When the drain-side end of the gate electrode does not overlap with the drain region through the insulating layer (in the present specification, this non-overlapping portion is referred to as a “gap region”), the gap region Inversion layer is not formed on
Therefore, no channel is formed. On the other hand, since a pn junction is formed on the peripheral edge of the drain region, a depletion layer is formed on the peripheral edge of the drain region. This depletion layer expands as the drain voltage increases, and gradually expands so as to extend to the gate electrode side at the end portion on the gate electrode side. When the edge of the depletion layer spreads to just below the edge of the gate electrode, the drain depletion layer functions as a drain for carriers, and as a result, the channel also exists in the gap area. Will be formed. Therefore, if a gap area having a varying distance is formed between the gate electrode and the drain region, the channel width gradually increases as the drain voltage gradually increases, and thus the drain current increases. The form in which the drain current increases substantially corresponds to the gap shape. For example, if a gap portion in which the gap length changes stepwise is formed, the drain shape increases stepwise as shown in FIG. 2 as the drain voltage increases. Current Id is formed,
If you create a gap where the gap length changes linearly,
An almost linearly increasing drain current is obtained. The present invention is based on such recognition, and an object of the present invention is to provide a MOSFET device in which a gap shape and an impurity concentration of a substrate are appropriately set and a desired function-type output characteristic is obtained. Therefore, according to the present invention, by appropriately designing the gap between the gate electrode and the drain region, it is possible to realize a function generator having a desired function by using only one FET device.

(実施例) 第1図は本発明によるMOSFET装置の一例の構成を示すも
のであり、第1図aは平面図、第1図bはI−I線で切
った断面図、第1図cはII−II線で切った断面図、第1
図dは模式的平面図である。本例では、ステップ状のド
レイン電流を出力するPチャネルMOSFETの設計例につい
て説明する。n形の基板1を用い、ボロン拡散によりP
形のソース領域2及びドレイン領域3を形成する。従っ
て、ドレイン領域のn形領域と接する周縁にpn接合およ
び空乏層が形成される。これらソース領域2及びドレイ
ン領域3は矩形状に形成し、これらソース領域2とドレ
イン領域3との間にpチャネルを形成する。基板1の表
面にSiO2より成る絶縁層4を形成し、この絶縁層4上の
チャネルが形成される部分にゲート電極5を形成する。
さらに、絶縁層4のソース及びドレイン領域に対応する
部分にソース電極6及びドレイン電極7をそれぞれ形成
する。第1図aに示すように、ソース領域2のゲート電
極5側の端部とゲート電極5のソース領域2側の端部
は、絶縁層4をはさんで互いに重なり合うように形成す
る。一方、ゲート電極5のドレイン側端部は、第1図a
に示すようにチャネルと直交する方向に沿って順次ドレ
イン領域3に近づくように階段状に形成し、階段部5aだ
けが絶縁層4を介してドレイン領域3と重なり合い、残
りの2個の階段部5b及び5cはドレイン領域と重なり合わ
ないように形成し、ギャップ区域を形成する。第1図d
に示すように、階段部5a〜5cのチャネルと直交する方向
の幅をそれぞれW1,W2およびW3とし、階段部5b及び5cの
ギャップ長(ゲート電極端からドレイン領域の端部まで
の距離)をl2及びl3とする。
(Embodiment) FIG. 1 shows a structure of an example of a MOSFET device according to the present invention. FIG. 1A is a plan view, FIG. 1B is a sectional view taken along line I-I, and FIG. 1C. Is a cross-sectional view taken along line II-II, No. 1
FIG. D is a schematic plan view. In this example, a design example of a P-channel MOSFET that outputs a stepwise drain current will be described. Using the n-type substrate 1, P by boron diffusion
The source region 2 and the drain region 3 of the shape are formed. Therefore, a pn junction and a depletion layer are formed at the peripheral edge of the drain region in contact with the n-type region. The source region 2 and the drain region 3 are formed in a rectangular shape, and a p channel is formed between the source region 2 and the drain region 3. An insulating layer 4 made of SiO 2 is formed on the surface of the substrate 1, and a gate electrode 5 is formed on a portion of the insulating layer 4 where a channel is formed.
Further, the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed on the portions of the insulating layer 4 corresponding to the source and drain regions, respectively. As shown in FIG. 1A, the end portion of the source region 2 on the gate electrode 5 side and the end portion of the gate electrode 5 on the source region 2 side are formed so as to overlap each other with the insulating layer 4 sandwiched therebetween. On the other hand, the end of the gate electrode 5 on the drain side is shown in FIG.
As shown in FIG. 3, the stepped portion 5a is formed stepwise so as to sequentially approach the drain region 3 along the direction orthogonal to the channel, and only the stepped portion 5a overlaps the drain region 3 through the insulating layer 4, and the remaining two stepped portions are formed. 5b and 5c are formed so as not to overlap the drain region and form a gap area. Figure 1d
As shown in, the widths of the steps 5a to 5c in the direction orthogonal to the channel are W 1 , W 2 and W 3 , respectively, and the gap lengths of the steps 5b and 5c (from the gate electrode end to the end of the drain region). Distance) is set to l 2 and l 3 .

第2図は第1図に示すMOSFET装置のId−Vd特性を示す模
式的グラフである。横軸はドレイン電圧(Vd)を示し、
縦軸はドレイン電流(Id)を示す。尚、これらVd及びId
は相対値である。尚、pn接合は階段接合として取り扱
う。ゲート電極に適当なゲートバイアスを印加し、ドレ
イン電圧Vdを徐々に増大するとIdも徐々に増大し第1の
飽和領域に達する。このとき、Vdはまだ低いため階段部
5b及び5cの区域に形成される空乏層8がゲート電極5の
真下まで広がらず、階段部5aの部分だけにチャネルが形
成され、幅W1に相当する量のドレイン電流が流れる。さ
らに、Vdが増大し階段部5bの空乏層8がゲート電極5の
真下までに広がり、このギャップ区域にもチャネルが形
成され、(W1+W2)に相当するドレイン電流が流れる。
さらに、ドレイン電圧を増大させると、階段部5cに形成
される空乏層が広がり、このギャップ区域にもチャネル
が形成され、(W1+W2+W3)に相当するドレイン電流が
流れる。このように、ギャップ長の異なる3個のギャッ
プ区域を形成するだけで、3段階にステップ状に変化す
るドレイン電流を出力することができる。
FIG. 2 is a schematic graph showing Id-Vd characteristics of the MOSFET device shown in FIG. The horizontal axis shows the drain voltage (Vd),
The vertical axis represents the drain current (Id). These Vd and Id
Is a relative value. The pn junction is treated as a staircase junction. When an appropriate gate bias is applied to the gate electrode and the drain voltage Vd is gradually increased, Id also gradually increases and reaches the first saturation region. At this time, Vd is still low, so the stairs
The depletion layer 8 formed in the areas 5b and 5c does not spread to just below the gate electrode 5, a channel is formed only in the step portion 5a, and a drain current corresponding to the width W 1 flows. Further, Vd increases, the depletion layer 8 of the staircase portion 5b spreads to just below the gate electrode 5, a channel is formed also in this gap region, and a drain current corresponding to (W 1 + W 2 ) flows.
Further, when the drain voltage is increased, the depletion layer formed in the staircase portion 5c expands, a channel is also formed in this gap area, and a drain current corresponding to (W 1 + W 2 + W 3 ) flows. In this way, the drain current that changes stepwise in three steps can be output only by forming three gap areas having different gap lengths.

第3図は本発明を説明するための参考例を示すものであ
り、第3図aは各領域の構成を示す線図的平面図、第3
図bはId−Vd特性の実測値を示すグラフである。本例で
は、ドレイン電流がほぼ線形に増加するpチャネルMOSF
ET装置の設計例を説明する。n形基板に矩形のp形のソ
ース領域10及び矩形のp形ドレイン領域11を形成し、こ
れらの領域間に絶縁層を介してゲート電極12を形成す
る。ゲート電極は、ソース側端部においてソース領域と
重畳させる。一方、ドレイン側端部においては、その端
縁を、ドレイン領域11のゲート側の端縁に対して角度φ
=13°傾斜した直線状に形成する。そして、図面上の下
側の区域においてゲート電極をドレイン領域に重畳させ
る。従って、ゲート電極とドレイン領域との間にギャッ
プ長が線形に変化するギャップ区域12が形成される。第
3図bにおいて、実線は上述した構成のId−Vd特性を示
し、破線はソースとドレインとを入れ換えて測定した実
測値を示す。ゲート電極とドレイン領域との間にギャッ
プを形成した場合、ゲート電圧VGが−12V〜−20Vの範囲
において、ドレイン電流はドレイン電圧の増大に伴って
ドレイン電流もほぼ線形に増大している。一方、ソース
領域とゲート電極との間にギャップを形成した場合、ド
レイン電圧が増大すると飽和値に達している。この実測
結果から、ゲート電極とドレイン領域との間に形成した
ギャップ区域の空乏層の伸長がId−Vd特性に強く寄与し
ていることが理解できる。
FIG. 3 shows a reference example for explaining the present invention, and FIG. 3a is a schematic plan view showing the constitution of each region, and FIG.
FIG. B is a graph showing measured values of Id-Vd characteristics. In this example, p-channel MOSF whose drain current increases almost linearly
A design example of the ET device will be described. A rectangular p-type source region 10 and a rectangular p-type drain region 11 are formed on an n-type substrate, and a gate electrode 12 is formed between these regions via an insulating layer. The gate electrode is overlapped with the source region at the end portion on the source side. On the other hand, at the drain-side end, the edge is angle φ with respect to the gate-side edge of the drain region 11.
= It is formed in a straight line inclined by 13 °. Then, the gate electrode is overlapped with the drain region in the lower area on the drawing. Therefore, the gap area 12 in which the gap length changes linearly is formed between the gate electrode and the drain region. In FIG. 3b, the solid line shows the Id-Vd characteristics of the above-mentioned configuration, and the broken line shows the measured value measured by exchanging the source and drain. When a gap is formed between the gate electrode and the drain region, the drain current increases almost linearly with the increase of the drain voltage in the range of the gate voltage V G of −12V to −20V. On the other hand, when a gap is formed between the source region and the gate electrode, the saturation value is reached when the drain voltage increases. From this measurement result, it can be understood that the extension of the depletion layer in the gap region formed between the gate electrode and the drain region strongly contributes to the Id-Vd characteristics.

第4図は本発明のMOSFET参考例を示すものであり、第4
図aはソース及びドレイン領域とゲート電極の形状を示
す線図的平面図、第4図bはそのId−Vd特性の実測値で
ある。本例では、IdがVdに対してほぼ比例的に増大する
設計例を示す。
FIG. 4 shows a MOSFET reference example of the present invention.
FIG. 4A is a schematic plan view showing the shapes of the source and drain regions and the gate electrode, and FIG. 4B is the measured value of the Id-Vd characteristic thereof. In this example, a design example in which Id increases almost in proportion to Vd is shown.

比例特性を実現するには不純物濃度の薄い基板にpn階段
接合によりソース及びドレイン領域を形成し、ゲート幅
をVdに比例して伸長させ、チャネル長をゲート幅に反比
例させればよい。
In order to realize the proportional characteristic, the source and drain regions may be formed by a pn step junction on a substrate having a low impurity concentration, the gate width may be extended in proportion to Vd, and the channel length may be in inverse proportion to the gate width.

まず、ソース領域を矩形に形成し、ゲート電極をソース
領域端をX軸に平行にして、Y軸方向のチャネル長がゲ
ート幅に反比例するように作る。次にドレインとしてゲ
ートのドレイン端を平行移動したものを考える。ギャッ
プ側に等間隔で後退するn本の平行移動曲線群を考え
る。本例では簡単のためこれを4本の等間隔平行移動曲
線群で示す。ここで、ソース・ゲート端に垂直にゲート
幅方向に等間隔でn等分し、その交点をn個ステップで
左右外側に向かって曲線間を結ぶ。こうすれば、ギャッ
プに比例したゲート幅で、ゲート幅に反比例したゲート
長が得られる。このゲート長をゲート幅で積分するので
ゲート幅の2乗つまりギャップの2乗特性が得られる。
階段接合であれば、この結果、第4図bに示すドレイン
電圧にほぼ比例したId−Vd特性が得られた。
First, the source region is formed in a rectangular shape, and the end of the source region is made parallel to the X axis so that the channel length in the Y axis direction is inversely proportional to the gate width. Next, consider a drain in which the drain end of the gate is moved in parallel. Consider a group of n translation curves that recede toward the gap side at equal intervals. In this example, for simplicity, this is shown by a group of four parallel-moving parallel movement curves. Here, n is equally divided in the gate width direction at equal intervals perpendicular to the source / gate end, and the intersections are connected to the left and right outside in n steps. In this way, a gate width proportional to the gap and a gate length inversely proportional to the gate width can be obtained. Since this gate length is integrated with the gate width, the square of the gate width, that is, the square of the gap characteristic can be obtained.
In the case of the step junction, as a result, the Id-Vd characteristic almost proportional to the drain voltage shown in FIG. 4B was obtained.

第5図も本発明を説明するための参考例を示す。本例で
は、ゲート電極32をソース及びドレイン側の両方におい
て、楔状の凹部を形成し、ソース領域30及びドレイン領
域31は楔状に形成する。ソース及びドレイン領域の楔角
は2θ=53°とした。また、ゲート電極とドレイン領域
との間に形成したギャップの角度は13°である。ソース
領域とドレイン領域の先端間の最小チャネル長は50μm
である。このような構成のFETにおいて、ドレイン領域
の先端がゲート電極下に侵入するような3個のFET装置
を製作し、そのId−Vd特性を実測した。侵入量は0μ
m、10μm及び20μmとし、その実測結果を第6図a〜
cにそれぞれ示す。尚、実線は計算結果を示し、破線は
実測値を示す。第6図a〜cより明らかなように、3個
のFET共にVdが増大してもIdは飽和に達せず、Vdの増大
に従ってIdも増大している。またドレイン領域の先端の
侵入量が大きくなるに従ってドレイン電流も増大し、飽
和に接近する傾向が見られる。尚、ドレイン電圧が低い
場合、電流増加の変化が計算値より大きいことは、低濃
度基板の場合空乏層の広がりがより大きくなることに起
因していると考えられる。従って、低濃度基板を用いた
方が、製作時のクリアランスを広く設定できる利点があ
る。
FIG. 5 also shows a reference example for explaining the present invention. In this example, the gate electrode 32 is formed with a wedge-shaped recess on both the source and drain sides, and the source region 30 and the drain region 31 are formed in a wedge shape. The wedge angle of the source and drain regions was 2θ = 53 °. The angle of the gap formed between the gate electrode and the drain region is 13 °. The minimum channel length between the tip of the source and drain regions is 50 μm
Is. In the FET having such a structure, three FET devices in which the tip of the drain region penetrates under the gate electrode were manufactured, and the Id-Vd characteristics thereof were measured. Penetration amount is 0μ
m, 10 μm and 20 μm, and the measured results are shown in FIG.
Each is shown in c. The solid line shows the calculation result, and the broken line shows the measured value. As is clear from FIGS. 6A to 6C, Id does not reach saturation even when Vd increases in all three FETs, and Id increases as Vd increases. Further, as the amount of penetration of the tip of the drain region increases, the drain current also increases and tends to approach saturation. It is considered that the fact that the change in the increase in current is larger than the calculated value when the drain voltage is low is attributed to the larger spread of the depletion layer in the case of the low-concentration substrate. Therefore, the use of the low-concentration substrate has an advantage that the clearance during manufacture can be set wider.

第7図a及びbは本発明を理解するための参考例を示す
線図的平面図である。第7図aはソース領域40とドレイ
ン領域41との間にドレイン側端部が円形をしたゲート電
極を形成した例を示す。尚、ゲート電極のドレイン端は
楕円形に形成することもできる。第7図bに示す実施例
では、ソース領域50を矩形とし、ドレイン領域51に楔形
の凹部を形成し、ゲート電極52のドレイン端を楔形に構
成する。
7a and 7b are schematic plan views showing reference examples for understanding the present invention. FIG. 7a shows an example in which a gate electrode having a circular drain side end is formed between the source region 40 and the drain region 41. The drain end of the gate electrode may be formed in an elliptical shape. In the embodiment shown in FIG. 7b, the source region 50 is rectangular, the drain region 51 is formed with a wedge-shaped recess, and the drain end of the gate electrode 52 is formed in a wedge shape.

次に、特性のシュミレーション結果について説明する 空乏領域が拡大し、ゲート幅が変化するというMOSFETの
モデル計算を従来の不純物原子熱拡散理論及びMOSFETの
動作理論にもとずいて試みた。ここでは、MOSFETのモデ
ルとしてgradual channel近似(1)式において移動度
μの電界依存性(2)式を考慮した。
Next, to explain the simulation results of characteristics, we attempted the model calculation of MOSFET in which the depletion region expands and the gate width changes, based on the conventional theory of impurity atom thermal diffusion and the theory of operation of MOSFET. Here, the electric field dependence (2) of the mobility μ in the gradient channel approximation (1) is considered as the model of the MOSFET.

Vd<(Vg−Vt)において、 Id=μCo×(W/L){Vg−Vt)Vd−Vd×Vd/2 (1) μ=μo/[{1+θ(Vg−Vt)} ×{1+Vd/L)(μo/Vsat)}] (2) ここで、Vd<(Vg−Vt)の場合には(8),(9)式に
おいてVg=Vg−Vtとおく。Vsatはパラメータで飽和速度
に相当する。
At Vd <(Vg-Vt), Id = μCo × (W / L) {Vg-Vt) Vd−Vd × Vd / 2 (1) μ = μo / [{1 + θ (Vg-Vt)} × {1 + Vd / L) (μo / Vsat)}] (2) Here, in the case of Vd <(Vg−Vt), Vg = Vg−Vt in equations (8) and (9). Vsat is a parameter and corresponds to the saturation speed.

(1)式の(W/L);縦横比がドレイン電圧に依存する
関係を次のように計算することができる。ギャップ領域
ではドレイン電圧Vgが全て空乏領域に加わるが、バック
ゲート領域ではドレインからの電位が(Vg−Vt)以上に
なるピンチオフ領域だけが空乏領域となっている。そこ
で、空乏領域の電位差はピンチオフ領域で{Vd−(Vg−
Vt)}とギャップ領域より小さく、ピンチオフ空乏領域
の厚さdはゲート電圧が大きい程狭いことになる。他
方、ギャップ領域の空乏層は電位差Vdで形成される。こ
の空乏領域の厚さdは基板の不純物イオン密度N分布に
も依存する。不純物イオンの濃度分布はドレインの境界
付近で変化している。
(W / L) of the equation (1); the relationship in which the aspect ratio depends on the drain voltage can be calculated as follows. In the gap region, the drain voltage Vg is entirely added to the depletion region, but in the back gate region, only the pinch-off region where the potential from the drain is (Vg-Vt) or higher is the depletion region. Therefore, the potential difference in the depletion region is {Vd− (Vg−
Vt)}, which is smaller than the gap region, and the thickness d of the pinch-off depletion region becomes narrower as the gate voltage increases. On the other hand, the depletion layer in the gap region is formed with the potential difference Vd. The thickness d of the depletion region also depends on the impurity ion density N distribution of the substrate. The impurity ion concentration distribution changes near the drain boundary.

ここでは簡単のため、a)傾斜接合とb)階段接合を考
える。
Here, for simplification, consider a) graded joining and b) staircase joining.

a)傾斜結合;治金学遷移領域の不純物イオン分布をa
[atoms/cm3/cm]とすれば空乏層の厚さDは(3)式で
与えられる。
a) Gradient coupling; Impurity ion distribution in metallurgical transition region
If [atoms / cm 3 / cm] is set, the thickness D of the depletion layer is given by the equation (3).

ここで、Vd>のとき、ギャップ側の空乏層の厚さdは
(4)式で近似できる。
Here, when Vd>, the thickness d of the depletion layer on the gap side can be approximated by the equation (4).

b)階段接合;p及びn領域の不純物イオン分布を(Na>
Nd)として階段接合近似すれば空乏領域の厚さDは(1
2)で与えられる。
b) staircase junction; impurity ion distribution in the p and n regions (Na>
If the staircase junction is approximated as Nd), the thickness D of the depletion region is (1
Given in 2).

ここで、Vd>φ、Na>Nf=Nのとき、空乏層の厚さdは
(13)式で近似できる。
Here, when Vd> φ and Na> Nf = N, the thickness d of the depletion layer can be approximated by the equation (13).

空乏層がpn接合の治金学的遷移領域から基板領域までお
よんで伸長すれば、その厚さは傾斜接合領域のVdの(3/
2)乗:{(4)式}から一定濃度領域のVdの(1/2)
乗:{(3)式}に途中で替えて近似することができ
る。
If the depletion layer extends from the metallurgical transition region of the pn junction to the substrate region, its thickness is Vd (3 /
2) Power: {1/2] of Vd in constant concentration area from {(4)}
Power: It can be approximated by changing to {(3)} on the way.

次に、ギャップの形状を考慮する。ゲート電極とドレイ
ン間のギャップがくさび角ψの場合にはゲート電極のド
レイン端は(7)式で拡大する。
Next, the shape of the gap is considered. When the gap between the gate electrode and the drain has a wedge angle ψ, the drain end of the gate electrode is enlarged by the equation (7).

Δd=d/sinψ=d/sin13°=4.45×d (7) このゲート電極が第5図のごとく、くさび状にくびれた
角度2が2=2(ψ+θ)=2×39.5のFETの場合
には、ゲートの幅Wは(8)式となり、チャネル長はド
レイン部のみ伸長するので(9)式のごとく近似でき
る。
Δd = d / sin ψ = d / sin 13 ° = 4.45 × d (7) When this gate electrode is a FET with a wedge-shaped angle 2 of 2 = 2 (ψ + θ) = 2 × 39.5 as shown in FIG. Shows that the width W of the gate is given by the equation (8) and the channel length is extended only in the drain portion, and can be approximated by the equation (9).

W=W0+2*Δd*sin =W0+2*Δd*sin39.5° =W0+1.2721Δd (8) (L>Lo,W>Woのとき) L=Lo+Δd*sin=Lo+0.7716Δd (9) (L<Lo,W<Woのとき) L=Lo−Wo/tanθ=Lo−2.0057Wo (10) ここで、増加したゲート幅をn個に等分割し、増加した
クサビ形MOSFETを既存のFETのチャネルの縦横比の増加
分Δ(W/L)eqとして求めると、 (11)式のΣを積分で計算すると、 L=Lo+(W−Wo)/(2×tan)より、 Δ(W/L)eq=(2×tan)×[In{(W−Wo) +2×tan}−In{2*Lotan}](13) (W−Wo)/(2×tan}<1のとき対数関数の転回
式In(1×X)=X−X×X/2を用いて Δ(W/L)eq〜(2×tan)×[(W−Wo)/2×tan
}] ×[1−(W−Wo)/{4×Lotan}]={(W−W
o)/Lo} ×[1−(W−Wo)/{4×Lotan}] (14) 他方、ΔLの平均チャネルをΔL/2として、増加したチ
ャネルの縦横比(W/L)eqを計算すると Δ(W/L)eq〜(2×tan)×{Lo+(Δd)×(cos
)/2} ={(W−Wo)/Lo}[1/{1+(L−Lo)/(2×L
o)}] ={(W−Wo)/Lo}[1/{1−(L−Lo)/(2×L
o)}] (15) (15)式となり、(14)式と一致する。ψを小さな値に
すればMOSFETの特性に特徴が大きく現れる。
W = W 0 + 2 * Δd * sin = W 0 + 2 * Δd * sin39.5 ° = W 0 + 1.2721Δd (8) (L> Lo, W> when the Wo) L = Lo + Δd * sin = Lo + 0.7716Δd ( 9) (When L <Lo, W <Wo) L = Lo-Wo / tan θ = Lo-2.0057Wo (10) Here, the increased gate width is equally divided into n pieces, and the increased wedge-type MOSFET is existing. When the increase ratio Δ (W / L) eq of the FET channel aspect ratio is calculated as When Σ in equation (11) is calculated by integration, L = Lo + (W−Wo) / (2 × tan) Δ (W / L) eq = (2 × tan) × [I n {(W−Wo) + 2 × tan} −I n {2 * Lotan}] (13) (W−Wo) / (2 × tan} When <1, using the inversion formula In (1 × X) = X−X × X / 2 of Δ (W / L) eq to (2 × tan) × [(W−Wo) / 2 × tan
}] × [1- (W−Wo) / {4 × Lotan}] = {(W−W
o) / Lo} x [1- (W-Wo) / {4 x Lotan}] (14) On the other hand, assuming the average channel of ΔL to be ΔL / 2, calculate the aspect ratio (W / L) eq of the increased channel. Then Δ (W / L) eq ~ (2 × tan) × {Lo + (Δd) × (cos
) / 2} = {(W-Wo) / Lo} [1 / {1+ (L-Lo) / (2 × L
o)}] = {(W-Wo) / Lo} [1 / {1- (L-Lo) / (2 × L
o)}] Equations (15) and (15) are obtained, which coincides with Equation (14). If ψ is set to a small value, the characteristics of the MOSFET will be greatly characterized.

(12)式を用いて試作したクサビ形ギャップMOCFETのシ
ミュレーションを行った。MOS界面は半導体内のバルク
と原子状態が異なるのでその不純物濃度プロフィルはバ
ルクとは相違する可能性があるが、バルクの不純物原子
の熱拡散の理論から濃度プロフィルを求めてみると、ド
ープしたアクセプタの密度が基板の10+15[atoms/c
m3]のドナ密度と等しくなるpn境界の位置が表面より3.
6μmであり、その濃度が1/100になる位置は4.3μmで
ある。その間隔0.7μmの濃度変化はガウス分布であ
る。
We simulated the wedge-shaped gap MOCFET prototyped using Eq. (12). The impurity concentration profile of the MOS interface may differ from that of the bulk because the atomic state is different from that of the bulk inside the semiconductor.However, when the concentration profile is calculated from the theory of thermal diffusion of impurity atoms in the bulk, the doped acceptor Density of the substrate is 10 + 15 [atoms / c
The position of the pn boundary that is equal to the donor density of [m 3 ] is 3.
It is 6 μm, and the position where the concentration becomes 1/100 is 4.3 μm. The density change at the interval of 0.7 μm has a Gaussian distribution.

他方、一様なドナ密度基板に形成される空乏層の厚さは
(13)式を用いて求めてみると、ドレイン電圧がしきい
ち電圧以上の高いところでは不純濃度は傾斜濃度より一
定度領域に及ぼす補償効果を考慮し、不純物イオン濃度
を80%の値:N=8×10+14[atoms/cm3]一定とし、空
乏層の式(6)および縦横比の式(12)にもとずいた計
算結果を第6図a,b,cの実線で示す。
On the other hand, when the thickness of the depletion layer formed on a substrate with a uniform donor density is calculated using equation (13), when the drain voltage is higher than the threshold voltage, the impurity concentration is in the constant range from the gradient concentration. In consideration of the compensation effect on, the impurity ion concentration is fixed at a value of 80%: N = 8 × 10 + 14 [atoms / cm 3 ] and based on the depletion layer formula (6) and the aspect ratio formula (12). The calculated results are shown by the solid lines in Figures 6, a, b, and c.

このシミュレーションではチャネル長に関係する移動度
のドレイン電界依存性はあまり大きく変化しないので、
簡単のため飽和領域の値すなわちVd=Vg−Vtで近似し
た。
In this simulation, since the drain electric field dependence of the mobility related to the channel length does not change so much,
For simplicity, the value in the saturation region, that is, Vd = Vg−Vt, is approximated.

また、ゲート電極とボロン拡散とがオーバーラップして
形成されるクサビ形ソースドレインMOSFETの部分は平均
チャネル長とゲート幅の比で等価的なMOSFETの縦横比と
した。計算はゲート酸化膜の厚さ750Å、しきいち電圧V
t=2.5V、ゲートの幅および長さの初期チャネルをμm
単位でそれぞれ、a):Wo=9;Lo=62.b):Wo=24;Lo=6
5.c):51;Lo=71として行った。
Further, the wedge-shaped source / drain MOSFET portion formed by overlapping the gate electrode and the boron diffusion has the aspect ratio of the MOSFET equivalent to the ratio of the average channel length and the gate width. Calculation is gate oxide film thickness 750Å, Shikiichi voltage V
t = 2.5V, gate width and length initial channel μm
A): Wo = 9; Lo = 62.b): Wo = 24; Lo = 6
5.c): 51; Lo = 71.

このシミュレーション(実線)は測定結果(点数)とほ
ぼ一致する。非飽和領域付近で測定値の電流が多いのは
ドレインのpn接合領域の不純物濃度によるもので、実際
には不純物イオンが補償され濃度が薄く少ない電圧で空
乏領域が形成されるからである。測定結果Fig.5のゲー
ト電圧依存特性はゲート電圧もドレイン空乏層形成に寄
与し、表面の不純物濃度も変化していることを物語って
いる。
This simulation (solid line) almost agrees with the measurement result (score). The large measured current near the non-saturation region is due to the impurity concentration of the drain pn junction region, and in reality, the impurity ions are compensated and the depletion region is formed with a low concentration and a low voltage. Measurement results The gate voltage dependence of Fig. 5 shows that the gate voltage also contributes to the formation of the drain depletion layer, and the surface impurity concentration also changes.

この不純物原子濃度分布は人為的にコントロールするこ
とが可能である。
This impurity atom concentration distribution can be artificially controlled.

(発明の効果) 以上説明したように本発明によれば、ゲート電極のドレ
イン側端部をチャネル方向と直交する方向に沿って階段
状に形成しているので、所望のステップ状に変化するId
−Vd特性を実現することができる。この結果、1個のMO
SFET装置により所望の関数出力を形成できる関数発生器
を表現できる。
As described above, according to the present invention, since the drain side end of the gate electrode is formed stepwise along the direction orthogonal to the channel direction, Id that changes in a desired step shape
A −Vd characteristic can be realized. As a result, one MO
A SFET device can represent a function generator that can produce a desired function output.

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

第1図a〜dは本発明によりMOSFET装置の第1実施例を
示す線図的平面図、I−I線断面図、II−II線断面図、
及び模式的平面図、 第2図は第1実施例のMOSFET装置のId−Id特性を示すグ
ラフ 第3図は参考例のMOSFET装置の模式的平面図及び出力特
性を示すグラフ、 第4図a及びbは参考例のMOSの構成を示す線図的平面
図及び出力特性を示すグラフ、 第5図は参考例のMOSFET装置の構成を示す線図的平面
図、 第6図a〜cは参考例のMOSFET装置ドレイン領域をゲー
ト側にそれぞれ、0μm、10μm、及び20μm移動させ
たときの出力特性を示すグラフ、 第7図a及びbは本発明によるMOSFET装置の参考例の構
成をそれぞれ示す線図的平面図である。 1…基板、2…ソース領域 3…ドレイン領域、4…絶縁層 5…ゲート電極、6…ソース電極 7…ドレイン電極、8…空乏層 9…反転層
1A to 1D are schematic plan views showing a first embodiment of a MOSFET device according to the present invention, a sectional view taken along the line I-I, a sectional view taken along the line II-II,
And a schematic plan view, FIG. 2 is a graph showing Id-Id characteristics of the MOSFET device of the first embodiment, FIG. 3 is a schematic plan view of a MOSFET device of the reference example, and a graph showing output characteristics, FIG. And b are schematic plan views showing the configuration of the MOS of the reference example and graphs showing the output characteristics, FIG. 5 is a schematic plan view showing the configuration of the MOSFET device of the reference example, and FIGS. A graph showing the output characteristics when the drain region of the MOSFET device of the example is moved to the gate side by 0 μm, 10 μm, and 20 μm, respectively. It is a schematic plan view. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Source region 3 ... Drain region, 4 ... Insulating layer 5 ... Gate electrode, 6 ... Source electrode 7 ... Drain electrode, 8 ... Depletion layer 9 ... Inversion layer

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】一導電形半導体基体と、反対導電形のソー
ス領域と、同じく反対導電形のドレイン領域と、これら
領域の電極と、前記ソース領域とドレイン領域との間に
位置するチャネル領域と、このチャネル領域から絶縁層
によって分離されているゲート電極とを具えるMOSFET装
置において、 前記ゲート電極のドレイン側端部を、動作中に形成され
るチャネルの延在方向と直交する方向に沿って階段状に
形成し、ドレイン電圧に応じてステップ状に変化するド
レイン電流を出力するように構成したことを特徴とする
MOSFET装置。
1. A semiconductor substrate of one conductivity type, a source region of opposite conductivity type, a drain region of opposite conductivity type, electrodes of these regions, and a channel region located between the source region and the drain region. A MOSFET device comprising a gate electrode separated from the channel region by an insulating layer, the drain-side end of the gate electrode being along a direction orthogonal to an extending direction of a channel formed during operation. It is characterized in that it is formed in a staircase shape, and is configured to output a drain current that changes stepwise according to the drain voltage.
MOSFET device.
JP1320137A 1989-12-08 1989-12-08 MOSFET device Expired - Lifetime JPH0766970B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP1320137A JPH0766970B2 (en) 1989-12-08 1989-12-08 MOSFET device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP1320137A JPH0766970B2 (en) 1989-12-08 1989-12-08 MOSFET device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH03180073A JPH03180073A (en) 1991-08-06
JPH0766970B2 true JPH0766970B2 (en) 1995-07-19

Family

ID=18118122

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP1320137A Expired - Lifetime JPH0766970B2 (en) 1989-12-08 1989-12-08 MOSFET device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0766970B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6164781A (en) * 1998-11-13 2000-12-26 Alliedsignal Inc. High temperature transistor with reduced risk of electromigration and differently shaped electrodes
KR100836767B1 (en) 2007-02-05 2008-06-10 삼성전자주식회사 Semiconductor device including mos transistor controling high voltage and method of forming the same

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0620133B2 (en) * 1987-05-28 1994-03-16 宮城工業高等専門学校長 MOSFET device

Also Published As

Publication number Publication date
JPH03180073A (en) 1991-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Singh et al. Analytical modeling of channel potential and threshold voltage of double-gate junctionless FETs with a vertical Gaussian-like doping profile
JP3242416B2 (en) Method for manufacturing field effect transistor
US4084175A (en) Double implanted planar mos device with v-groove and process of manufacture thereof
JPH03185739A (en) Self-aligning t gate hemt
US6031272A (en) MOS type semiconductor device having an impurity diffusion layer with a nonuniform impurity concentration profile in a channel region
Shaw et al. Simulations of short‐channel and overlap effects in amorphous silicon thin‐film transistors
US20020017682A1 (en) Semiconductor device
Taur et al. A non-GCA DG MOSFET model continuous into the velocity saturation region
Noble et al. Narrow channel effects in insulated gate field effect transistors
JPH0766970B2 (en) MOSFET device
JP2001308320A (en) Hyperbolic channel mosfet
Lopez-Villanueva et al. Study of the effects of a stepped doping profile in short-channel MOSFETs
Björkqvist et al. Short channel effects in MOS-transistors
TW411512B (en) An integrated circuit layout structure and method of forming field oxide
TW432636B (en) Metal gate fermi-threshold field effect transistor
Jang et al. A compact LDD MOSFET IV model based on nonpinned surface potential
Soderbarg et al. Integration of a novel high-voltage giga-hertz DMOS transistor into a standard CMOS process
Kaur et al. Two-dimensional analytical model to characterize novel MOSFET architecture: Insulated shallow extension MOSFET
Mehrad et al. SiC material in Si-LDMOS transistors by controlling mismatching at their interfaces
Kotecha et al. Interaction of IGFET field design with narrow channel device operation
Bryant et al. A fundamental performance limit of optimized 3.3-V sub-quarter-micrometer fully overlapped LDD MOSFET's
Karbalaei et al. A nano-FET structure comprised of inherent paralleled TFET and MOSFET with improved performance
Mohammadi et al. Analytical Modeling of Short-Channel Fully-Depleted Triple Work Function Metal Gate (TWFMG) SOI MESFET
Hartgring et al. A MESFET model for circuit analysis
Del Moral et al. NW-FET Modelling to be Integrated in a SET-FET Circuit

Legal Events

Date Code Title Description
EXPY Cancellation because of completion of term