JPH0846199A - 増強された異常狭チャネル効果を有するp−MOSFET - Google Patents

増強された異常狭チャネル効果を有するp−MOSFET

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JPH0846199A
JPH0846199A JP7164057A JP16405795A JPH0846199A JP H0846199 A JPH0846199 A JP H0846199A JP 7164057 A JP7164057 A JP 7164057A JP 16405795 A JP16405795 A JP 16405795A JP H0846199 A JPH0846199 A JP H0846199A
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ヨハン・アルスマイヤー
Wayne F Ellis
ウェイン・エフ・エリス
Jack Allan Mandelman
ジャック・アラン・マンデルマン
Hing Wong
ヒン・ウォン
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 0.25μmのグラウンド・ルール生成トレ
ンチ分離埋込みチャネルp−MOSFET上で測定し
た、しきい値電圧の異常なチャネル幅依存性を利用し
て、回路性能を高める。 【構成】 チャネル幅が狭くなるにつれて、しきい値電
圧値は、初期には0.4μmより狭い幅で予想されるVt
の急上昇の開始前にまず減少する。モデル計算によれ
ば、ゲート酸化ステップ中に一時的に増大する拡散(T
ED)の結果、トレンチに接する縁部付近に「ホウ素パ
ドル」が生じ、これが狭いデバイスのオフ電流に不利に
働く。TEDは、深部リン注入によって生じ、ラッチア
ップの抑制に用いられ、トレンチの側壁およびデバイス
の上面に向かって拡散する侵入物によって規定される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明の分野は、トランジスタが
トレンチによって分離され、グラウンド・ルールが約
0.25μmの範囲である、埋込みチャネルp−FET
集積回路の製造の分野である。
【0002】
【従来の技術】A.ブライアント(Bryant)他の"The cur
rent-carrying corner inherent to trench isolatio
n", IEEE Electron Device Letters, vol 14, no. 8, p
p.412-414, 1993およびB.ダヴァリー(Davari)他の"A
variable-size shallow trench isolation (STI) techn
ology with diffused sidewall doping for submicron
CMOS", 1988 IEDM Technical Digest, pp.92-95, 1988
に記述されているように、低予備電力超大規模集積回路
の応用例における予備電流に対する、トレンチによって
分離されたn−MOSFETにおけるコーナー伝導の寄
与が大きい可能性があることは周知である。Vtの標準
的な電流の定義(IVt=40×(Wdes/Ldes)nA)
を適用するとき、コーナー伝導の表現は逆狭チャネル効
果である。しかし、埋込みチャネルp−MOSFETに
おけるコーナー伝導はこれまで問題視されなかった。埋
込みチャネルp−MOSFETでは、N+ポリシリコン
・ゲートと埋込みp層の間の仕事関数の差の極性が、低
ゲート電圧においてキャリアの埋込み層を空乏化させ
る。シリコンのコーナーで電界が高まるため、ドーピン
グがデバイスの全幅にわたって均一なとき、Vtの値は
チャネルの中部よりこれらのデバイスのコーナーの方が
大きいと予想される。このために正常狭チャネル効果が
生ずる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、p−FET
の性能上の利点が異常狭チャネル効果を利用して達成さ
れるCMOS集積回路に関する。
【0004】
【課題を解決するための手段】0.25μmのグラウン
ド・ルール生成トレンチ分離埋込みチャネルp−MOS
FET上で測定した、しきい値電圧の異常なチャネル幅
依存性を利用して回路性能を改善する。チャネル幅が狭
くなるにつれて、しきい値電圧値は、0.4μmより狭
い幅で予想されるVtの急上昇の開始前にまず減少す
る。モデル計算によれば、ゲート酸化ステップ中に一時
的に増大する拡散(TED)の結果、トレンチに接する
縁部付近に「ホウ素パドル」が生じ、これが狭いデバイ
スのオフ電流に不利に働く。TEDは、深部リン注入に
よって生じ、ラッチアップの抑制に用いられ、トレンチ
の側壁およびデバイスの上面に向かって拡散する格子間
ドーパント原子(interstials)によって規
定される。
【0005】本発明の特徴は、オフ電流設計の目的に適
合するように選ばれたVtを有する広幅トランジスタ
を、性能改善のためにVtを低くした狭幅トランジスタ
と共に使用することである。
【0006】本発明の他の特徴は、並列に接続されたい
くつかの狭幅トランジスタを含む、性能の改善された高
電流トランジスタを使用することである。
【0007】
【実施例】異常狭チャネル挙動が0.25μmCMOS
プロセスに基づく埋込みチャネルp−MOSFETで観
察されている。非常に幅広のデバイスから約0.4μm
幅に移行するとき、しきい値電圧が減少する(逆狭チャ
ネル効果と呼ばれる)。0.4μmより狭いデバイスで
は、K. Ohe, et al "Narrow-width effects of shallow
trench-isolated CMOS with n+ polysilicon gate", I
EEE Trans. ElectronDevices, vol. 36, no. 6, pp.111
0-1116, 1989 に記述されているように、予想される正
常狭チャネル効果が観察される。図1に、ゲート酸化膜
の厚みが約10nm、VDSが0.1Vの埋込みチャネル
p−FETにおけるしきい値電圧Vtとチャネル幅との
関係を示す。これらの特徴はまた、チャネルの長さが短
くドレイン−ソース電圧が高いトランジスタに典型的な
ものである。
【0008】図2に、広い範囲のチャネル幅Wpについ
ての関係を示す。埋込みチャネルのホウ素注入量を減少
させて、従来の技術に一致するように、設計幅の全域に
わたって、オフ電流が設計目的のオフ電流以下になるよ
うにすると、最も幅の広いデバイスの性能は、Vtが所
望値より高いために低下する。最も広いデバイスのオー
バードライブは通常100mv低下する。
【0009】異常狭チャネル効果に基づく性能上の利点
を実現するには、論理回路には比較的狭い(2〜10μ
m)デバイスを使用し、大負荷を駆動するインバータに
は広い(>20μm)デバイスを使用して、最も広いデ
バイスのVtをオフ電流の目的に合うように設定するこ
とにより、狭いデバイスのVt値の大きさを減らし、改
善された性能を得ることができる。周知のように、デバ
イスのVtは、深部(またはラッチアップ)注入の後に
通常の方法で行われる埋込みチャネル注入によって最初
に設定される。深部注入によって広い方のデバイスのV
tが高くなる。待機電流すなわち予備電流のほとんどは
広いデバイスによって提供されるので、この手法の全予
備電流に対する影響はほとんどない。
【0010】異常狭チャネル効果は、「ホウ素パド
ル」、すなわち、埋込み層中のホウ素の一時的に増大す
る拡散(TED)によって生ずる、分離トレンチの縁部
付近でのホウ素濃度の局部的増加の結果生ずることが分
かった。TEDは、ラッチアップの抑制のために使用さ
れる、ドーパント注入量(ドーズ)2.5×1013/c
2、エネルギ500keVのリン注入に起因する損傷
から生ずる過剰な点欠陥(P. M. Fahey他”Paint Defec
ts and Diffusion in Silicon", Reviews of ModernPhy
sics, vol 61, no. 2(1989年4月)に所載)の分布
と、デバイスの上面およびトレンチ側壁での過剰な格子
間原子の侵入物の強い再配合(recomvinati
on)あるいは再分布とが相まって生ずる。
【0011】異常狭チャネル効果による性能の改善をS
PICEを用いてモデル化した結果、pチャネル幅Wp
が2μmのデバイスと20μmのデバイスとの間のΔVt
が通常の100mVである場合、NAND論理を用いて
性能が4.7%改善されることが分かった。異常狭チャ
ネル効果を高めてΔVtを200mVに増加させると、
性能の改善は9.3%に増大する。NOR論理を用いる
と、予備電流を増加させずに、性能をさらに改善するこ
とができる。
【0012】異常狭チャネル効果は、注入される点欠陥
濃度を増加させることによって高めることができる。こ
れらの点欠陥は、ホウ素パドルの形成を、したがって異
常狭チャネル効果を促進する過剰の格子間原子源であ
る。強化の一方法は、深部リン注入量を増加させるもの
である。この注入によるドーパントは非常に深い(〜
0.8μm)ところに供給されるので、デバイスには影
響がなく、このような強化によるデバイスの動作への影
響はない。さらに、ドーパントの増加はラッチアップ抑
制をも改善する。シミュレーションによれば、同じエネ
ルギーで深部注入量を2倍にすると、ΔVt(Wp=2
〜20μmの間)は100mVから200mVに増加す
る。
【0013】ラッチアップ抑制のためのドーパント注入
量(ドーズ)は、500keVのエネルギーで注入量が
2.5×1013cm2である。また、p−FETチャネ
ル幅に用いるときの「狭」および「広」は、それぞれ約
10μmより狭い、または約10μmより広いことを意味
するものとする。
【0014】さらに、深部注入エネルギーを増加(たと
えば1MeVに)させ、注入による結晶の損傷を増加さ
せることにより、さらに強化することができる。また、
より高い注入エネルギーを使用すると、末端が表面から
充分に遠くなるので、デバイスのドーピングに影響を与
えずにさらに大量の注入を行うことができる。また電気
的に活性でないシリコンやその他のリン以外の物質を注
入して、深部注入のラッチアップ効果に影響を与えず
に、異常狭チャネル効果を増大させることもできる。
【0015】一方、異常狭チャネル効果を減少させたい
ときは、深部注入ステップと800℃で60分のゲート
酸化ステップとの間に結晶損傷をアニールするアニール
・ステップを加えると、Si/SiO2界面で過剰格子
間原子の急速な再配合が行われ、850℃でのゲート酸
化の間にホウ素のTEDが大幅に減少する。あるいは、
ゲート酸化膜(たとえば約10nm)を1000℃よりも
高い温度、例えば1050℃などのより高い温度で、そ
れに対応する短い時間で形成させて、TEDを減少させ
ることもできる。
【0016】従来のプロセスでは、n型ウエルおよびホ
ウ素埋込みチャネルの注入の直後に、850℃で15分
間乾式ゲート酸化を行う。深部リン注入の直後、ゲート
酸化の前に、800℃で60分のアニールを行うと、S
i/SiO2界面で過剰な格子間原子の急速な再配合が
起こる。したがって、後の850℃でのゲート酸化中に
ホウ素のTEDは大幅に減少する。測定およびシミュレ
ーションにより、「ホウ素パドル」および異常狭チャネ
ル効果が大幅に減少することが確認される(デバイス幅
2μm のとき、正味のp型の濃度のピークは幅中央の値
より3%高いだけである)。最大ホウ素濃度の深さ(〜
30nm)におけるホウ素の拡散性が増加し、ホウ素の
分布はトレンチ縁部からトレンチ間の領域(活性領域)
の中央に向かって広がる。埋込み層の正味のp型濃度ピ
ークの最小値は幅中央で生じ、n型ウエル・ドーピング
によるホウ素の補償によって強調される。さらに、過剰
な格子間原子の濃度の勾配によって、ホウ素がトレンチ
縁部に向かって移動させられる。トレンチ縁部から約3
0nm以内の所では、分離によるホウ素の空乏化とn型
ドーパントの蓄積とによって正味のp型濃度が減少す
る。
【0017】850℃でのゲート酸化中のホウ素の拡散
に対する過剰な格子間原子分布の全体的効果は、トレン
チ縁部付近に「ホウ素パドル」を生成することであり、
チャネル幅約0.9μmの場合について図3にプロセス
の終点におけるシミュレートされた正味のドーピング分
布によって示されている。
【0018】2μm幅のデバイスでは、正味のp型ピー
ク濃度は「ホウ素パドル」中の幅中央より32%大きい
ことがモデル化によって示される。デバイス幅が約0.
4μmまで減少すると、トレンチ側壁における再配合の
ために上面での格子間原子の濃度が減少するので、正味
のp型ピーク濃度は増大する。さらに狭いデバイスで
は、トレンチ側壁上に蓄積するn型ドーパントの効果に
より、埋込み層の濃度が減少する。図1に、Vt対W特
性の実測値を、TSUPREM−4およびFIELDA
Yから得たシミュレート結果と比較して示す。相補型n
−MOSFETではそれに匹敵するホウ素パドルの証拠
は実験的に認められず、モデル化によっても予測されな
いことに留意されたい。追加のアニールを施すと、ホウ
素のTEDが減少して、埋込み層中の正味のp型ピーク
濃度が高くなるため、「ホウ素パドル」が大幅に減少
し、かつ広幅デバイスのVt値が減少する。
【0019】広幅デバイスの漏洩を減少させ、論理デバ
イスの性能を強化するように深部注入パラメータを設定
することに加えて、Vtの幅依存性を利用して、数個の
狭チャネル・デバイスを並列に接続して所望の全電流を
供給することにより、高電流の応用例に必要な低いVt
をもたらすことができる。図4は、ソース・ノード30
と、ドレイン・ノード40と、共通ゲート20とを有す
る、全体を数字100で表す1組のトランジスタ群を概
略的に示す。10−1〜10−NのN個のトランジスタ
は各々、所望のVtをもたらすように選んだチャネル幅
Wnを有する。総数Nは当該の応用例に必要な電流を供
給するように選ぶ。
【0020】トレンチ酸化物分離領域によって分離され
た埋込みチャネルを有する、本発明によるp−MOSF
ETは従来公知のプロセスで製造でき、プロセスの概要
を簡単に述べるに止める。先ず、半導体基板にトレンチ
酸化物分離領域を形成し、FET形式予定領域を画定す
る。p−FETの中のラッチアップを抑制するために、
p−FET形式予定領域の下方の半導体基板中にリン・
ドーパントを深部注入する。p−FETの埋込みチャネ
ルにホウ素を注入し、しきい値電圧を調整する。結晶損
傷をアニールする必要がある場合、あるいは異常狭チャ
ネル効果を減少させたいときは、アニール・ステップを
行う。次に熱耐化によりゲート酸化物層を成長させ、ゲ
ート電極を形成し、ゲート電極をマスクとして用いてソ
ース領域およびドレイン領域をイオン注入により自己整
合的に形成する。最後に絶縁層を形成し、ソース接点、
ゲート接点、ドレイン接点のための開孔を絶縁層に形成
し、ソース接点電極、ゲート接点電極、ドレイン接点電
極を形成して回路を完成させる。
【0021】集積回路プロセスに多くのステップがある
ことを当業者ならよく知っていよう。用語法として、便
宜上、「基板の製造」という言葉は、エピタキシャル層
(使用する場合)の成長、しきい値注入の実行、分離の
ためのトレンチの形成および充填、pウエルおよびnウ
エルの形成など従来のステップを表すのに使用する。同
様に、「回路の完成」という言葉は、p−FET、また
はn−FET、あるいはその両方の完成や相互接続の形
成など、深部注入以後の残りのステップを表すのに使用
する。
【0022】
【発明の効果】異常狭チャネル効果を利用することによ
り、狭いチャネル幅のFETのしきい値電圧の増加を防
止でき、また広いチャネル幅のp−FETのVtと狭い
チャネル幅のp−FETのVtとの差を拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】様々な幅の埋込みチャネル・トランジスタにお
けるVtの実測値および予想値を示す図である。
【図2】チャネル幅が2〜20μmの範囲にある埋込み
チャネルp−FETにおける、Vtのチャネル幅依存性
を示す図である。
【図3】埋込みチャネルp−FET中のホウ素濃度の分
布を示す図である。
【図4】高電流低Vtトランジスタ・セットを示す図で
ある。
フロントページの続き (72)発明者 ウェイン・エフ・エリス アメリカ合衆国05465 バーモント州ジェ リコ スノーフレーク・リッジ ボックス 163 (72)発明者 ジャック・アラン・マンデルマン アメリカ合衆国12582 バーモント州スト ームヴィル ジェイミー・レーン 5 (72)発明者 ヒン・ウォン アメリカ合衆国06850 コネチカット州ノ ーウォーク ベッドフォード・アベニュー 11 ナンバー・ジェイ 4

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】トレンチ分離によって分離される埋込みチ
    ャネルp−FETを有する集積回路の形成方法におい
    て、 p−FET中のラッチアップを抑制するために、p−F
    ET形成予定領域の下方の半導体基板中にドーパントを
    深部注入するステップと、 論理しきい値電圧Vtを設定するための埋込みチャネル
    注入の実行を含めて、上記p−FET形成予定領域にp
    −FETを形成するステップとを含み、 上記深部注入が、10μmより大きいチャネル幅を有す
    るp−FETの論理しきい値電圧Vtと、狭いチャネル
    幅のp−FETのための上記埋込みチャネル注入によっ
    て設定される上記論理Vtとの間に所望の論理しきい値
    電圧差ΔVtを与えるように設定され、それによって、
    回路中のp−FETがp−FETのチャネル幅に依存す
    る、異なるVtを有するようにすることを特徴とする方
    法。
  2. 【請求項2】さらに、上記深部注入のドーパント注入量
    が2.5×1013/cm2より高いことを特徴とする、
    請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】さらに、上記深部注入のエネルギーが50
    0keVより大きいことを特徴とする、請求項1または
    2に記載の方法。
  4. 【請求項4】トレンチ分離によって分離される埋込みチ
    ャネルp−FETを有する集積回路の形成方法におい
    て、 p−FET中のラッチアップを抑制するために、p−F
    ET形成予定領域の下方の半導体基板中にドーパントを
    深部注入するステップと、 上記p−FET形成予定領域にp−FETを形成するス
    テップとを含み、 上記深部注入のステップに続いて、ゲート酸化ステップ
    の前に、結晶損傷をアニールするステップを行い、それ
    によってTEDを減少させ、様々なチャネル幅を有する
    p−FETのしきい値電圧Vtがより均一になるように
    することを特徴とする方法。
  5. 【請求項5】トレンチ絶縁によって分離される埋込みチ
    ャネルp−FETを有する集積回路の形成方法におい
    て、 p−FET中のラッチアップを抑制するために、p−F
    ET形成予定領域の下方の半導体基板中にドーパントを
    深部注入するステップと、 上記p−FET形成予定領域にp−FETを形成するス
    テップとを含み、 上記深部注入のステップに続いて、1000℃より高い
    温度でのゲート酸化ステップを実行し、それによってT
    EDを減少させ、様々なチャネル幅を有するp−FET
    のしきい値電圧がより均一になるようにすることを特徴
    とする方法。
  6. 【請求項6】トレンチ分離によって分離される埋込みチ
    ャネルp−FETを有する集積回路の形成方法におい
    て、 p−FET中のラッチアップを抑制するために、p−F
    ET形成予定領域の下方の半導体基板中にドーパントを
    深部注入するステップと、 上記p−FET形成予定領域に、10μmよりも狭い共
    通のチャネル幅を有し、並列に接続される並列p−FE
    Tを含むp−FETを形成するステップとを含み、 上記深部注入が、10μmより広いチャネル幅を有する
    p−FETに第1の論理しきい値電圧Vtを与え、10
    μmよりも狭いチャネル幅を有するp−FETに上記第
    1のVtよりも小さい第2の論理しきい値電圧Vtをもた
    らすように設定され、それにより、回路中のp−FET
    がp−FETのチャネル幅に依存する異なるVtを有す
    るようにすることを特徴とする方法。
JP7164057A 1994-06-30 1995-06-29 増強された異常狭チャネル効果を有するp−MOSFET Pending JPH0846199A (ja)

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