JPH0945919A - セミコンダクタ・オン・インシュレータトランジスタ - Google Patents
セミコンダクタ・オン・インシュレータトランジスタInfo
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- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 完全に空乏化したモードで動作し、しきい値
電圧のシリコン膜厚依存性が少なく、従来よりも厚いシ
リコン膜を用いて形成可能なセミコンダクタ・オン・イ
ンシュレータ(SOI)デバイスを提供する。 【解決手段】 SOIトランジスタ(10)はゲート絶
縁層(26)の下のシリコン膜(16)中にチャネル領
域(30)を備えている。チャネル領域は膜の底部面
(34)における底部ドーパント濃度NBより十分大き
な膜の頭部面(32)における頭部ドーパント濃度NT
を備えている。この一様でないドーピング分布は、完全
に空乏化したモードで動作し、しきい値下でのスロープ
の大きな劣化なしにより厚い膜の使用を可能にするSO
Iデバイスを提供する。
電圧のシリコン膜厚依存性が少なく、従来よりも厚いシ
リコン膜を用いて形成可能なセミコンダクタ・オン・イ
ンシュレータ(SOI)デバイスを提供する。 【解決手段】 SOIトランジスタ(10)はゲート絶
縁層(26)の下のシリコン膜(16)中にチャネル領
域(30)を備えている。チャネル領域は膜の底部面
(34)における底部ドーパント濃度NBより十分大き
な膜の頭部面(32)における頭部ドーパント濃度NT
を備えている。この一様でないドーピング分布は、完全
に空乏化したモードで動作し、しきい値下でのスロープ
の大きな劣化なしにより厚い膜の使用を可能にするSO
Iデバイスを提供する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般には半導体デ
バイスに関するものであり、特に完全に空乏化したモー
ドで動作するセミコンダクタ・オン・インシュレータデ
バイスに関するものである。
バイスに関するものであり、特に完全に空乏化したモー
ドで動作するセミコンダクタ・オン・インシュレータデ
バイスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】セミコンダクタ・オン・インシュレータ
(semiconductor−on−insulat
or:SOI)デバイスは、典型的にはシリコンを用い
て形成され、通常部分的に空乏化したモード(part
ially−depletedmode)か完全に空乏
化したモード(fully−depleted mod
e)のどちらか一方で動作する。完全に空乏化したモー
ドで動作するSOIデバイスは非常に低いしきい値下ス
ロープ(sub−threshold slope)を
示し、かついわゆるキンク効果(kink effec
t)をこうむることはないけれども、そのようなデバイ
スはしきい値電圧が製造で用いられるシリコン薄膜の厚
みに対して大きな依存性または敏感さを有しており(例
えば、この敏感さは典型的には100mV/100オン
グストローム)、かつおよそ800オングストロームの
厚さのシリコン薄膜を必要とする。このようなシリコン
薄膜を均一に製造するのは難しいため、これらの2つの
欠点は重大である。従って、しきい値電圧に対する大き
な依存性は、製造されたデバイスの不均一なしきい値電
圧につながる。
(semiconductor−on−insulat
or:SOI)デバイスは、典型的にはシリコンを用い
て形成され、通常部分的に空乏化したモード(part
ially−depletedmode)か完全に空乏
化したモード(fully−depleted mod
e)のどちらか一方で動作する。完全に空乏化したモー
ドで動作するSOIデバイスは非常に低いしきい値下ス
ロープ(sub−threshold slope)を
示し、かついわゆるキンク効果(kink effec
t)をこうむることはないけれども、そのようなデバイ
スはしきい値電圧が製造で用いられるシリコン薄膜の厚
みに対して大きな依存性または敏感さを有しており(例
えば、この敏感さは典型的には100mV/100オン
グストローム)、かつおよそ800オングストロームの
厚さのシリコン薄膜を必要とする。このようなシリコン
薄膜を均一に製造するのは難しいため、これらの2つの
欠点は重大である。従って、しきい値電圧に対する大き
な依存性は、製造されたデバイスの不均一なしきい値電
圧につながる。
【0003】完全に空乏化されたモードと対照的に、部
分的に空乏化したモードで動作するSOIデバイスは、
シリコン薄膜の厚さに対するしきい値電圧の依存性が低
く、薄膜の厚さを完全に空乏化したデバイスで必要とさ
れるものよりも厚くすることができるので、製造するの
がより容易である。しかしながら、部分的に空乏化した
デバイスは、アナログのアプリケーションでの使用にお
いて悪影響を与えるキンク効果を示す。これらはまた、
完全に空乏化したモードで動作するデバイスと比較し
て、しきい値下スロープの劣化(degradatio
n)を示す。しきい値下スロープの劣化は、デバイスが
ターンオフしたときのデバイスのリークを増加させる。
分的に空乏化したモードで動作するSOIデバイスは、
シリコン薄膜の厚さに対するしきい値電圧の依存性が低
く、薄膜の厚さを完全に空乏化したデバイスで必要とさ
れるものよりも厚くすることができるので、製造するの
がより容易である。しかしながら、部分的に空乏化した
デバイスは、アナログのアプリケーションでの使用にお
いて悪影響を与えるキンク効果を示す。これらはまた、
完全に空乏化したモードで動作するデバイスと比較し
て、しきい値下スロープの劣化(degradatio
n)を示す。しきい値下スロープの劣化は、デバイスが
ターンオフしたときのデバイスのリークを増加させる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】SOIデバイスが、例
えばセルラ電話やページャのような低消費電力集積回路
に用いられるとき、しきい値下スロープはスタンバイ時
の電力消費を低減するために非常に低いことが望まし
い。それゆえ、完全に空乏化したモードで動作し、しか
もしきい値電圧のシリコン膜厚依存性が少なく、かつ従
来の完全に空乏化したデバイスに必要とされる厚さより
も厚いシリコン膜を用いて形成可能なSOIデバイスが
必要とされる。
えばセルラ電話やページャのような低消費電力集積回路
に用いられるとき、しきい値下スロープはスタンバイ時
の電力消費を低減するために非常に低いことが望まし
い。それゆえ、完全に空乏化したモードで動作し、しか
もしきい値電圧のシリコン膜厚依存性が少なく、かつ従
来の完全に空乏化したデバイスに必要とされる厚さより
も厚いシリコン膜を用いて形成可能なSOIデバイスが
必要とされる。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
基板(14)と、前記半導体基板上に配置された埋込み
絶縁層(12)と、前記埋込み絶縁層上に配置され、頭
部面(32)、前記埋込み絶縁層と接した底部面(3
4)、ソース領域(18)、およびドレイン領域(2
0)を具備する半導体膜部(16)と、前記ソース領域
と前記ドレイン領域の間の前記半導体膜部の前記頭部面
上に配置されたゲート絶縁層(26)と、前記ゲート絶
縁層上に配置されたゲート電極層(28)と、前記ゲー
ト絶縁層の下でかつ前記埋込み絶縁層の上で、前記ソー
ス領域と前記ドレイン領域の間の前記半導体膜部に配置
されたチャネル領域(30)であって、前記チャネル領
域が前記半導体膜部の前記頭部面に対応して頭部ドーパ
ント濃度を有し、前記チャネル領域が前記半導体膜部の
前記底部面に対応して底部ドーパント濃度を有し、かつ
前記頭部ドーパント濃度が前記底部ドーパント濃度より
大きい、前記チャネル領域、を備えたSOIトランジス
タ(10)が提供される。
基板(14)と、前記半導体基板上に配置された埋込み
絶縁層(12)と、前記埋込み絶縁層上に配置され、頭
部面(32)、前記埋込み絶縁層と接した底部面(3
4)、ソース領域(18)、およびドレイン領域(2
0)を具備する半導体膜部(16)と、前記ソース領域
と前記ドレイン領域の間の前記半導体膜部の前記頭部面
上に配置されたゲート絶縁層(26)と、前記ゲート絶
縁層上に配置されたゲート電極層(28)と、前記ゲー
ト絶縁層の下でかつ前記埋込み絶縁層の上で、前記ソー
ス領域と前記ドレイン領域の間の前記半導体膜部に配置
されたチャネル領域(30)であって、前記チャネル領
域が前記半導体膜部の前記頭部面に対応して頭部ドーパ
ント濃度を有し、前記チャネル領域が前記半導体膜部の
前記底部面に対応して底部ドーパント濃度を有し、かつ
前記頭部ドーパント濃度が前記底部ドーパント濃度より
大きい、前記チャネル領域、を備えたSOIトランジス
タ(10)が提供される。
【0006】更に、前記頭部ドーパント濃度を前記底部
ドーパント濃度で除算して決められるドーピング比がほ
ぼ5より大きいSOIトランジスタが提供される。
ドーパント濃度で除算して決められるドーピング比がほ
ぼ5より大きいSOIトランジスタが提供される。
【0007】更に、シリコン基板(14)と、前記シリ
コン基板上に配置された埋込み絶縁層(12)と、前記
埋込み絶縁層上に配置され、頭部面(32)、前記埋込
み絶縁層と接した底部面(34)、ソース領域(1
8)、およびドレイン領域(20)を具備し、ほぼ50
0オングストロームより大きな厚さを有するシリコン膜
部(16)と、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間
の前記シリコン膜部の前記頭部面上に配置されたゲート
酸化物層(26)と、前記ゲート酸化物層上に配置され
たゲート電極層(28)と、前記ゲート酸化物層の下で
かつ前記埋込み絶縁層の上で、前記ソース領域と前記ド
レイン領域の間の前記シリコン膜部に配置されたチャネ
ル領域(30)であって、前記チャネル領域が前記シリ
コン膜部の前記頭部面に対応して、少なくともほぼ40
0mVの前記トランジスタのしきい値電圧を与えるよう
十分に高い頭部ドーパント濃度をもち、前記チャネル領
域が前記シリコン膜部の前記底部面に対応して底部ドー
パント濃度をもち、かつ前記頭部ドーパント濃度が前記
底部ドーパント濃度より大きい、前記チャネル領域、を
備えたSOIトランジスタ(10)が提供される。
コン基板上に配置された埋込み絶縁層(12)と、前記
埋込み絶縁層上に配置され、頭部面(32)、前記埋込
み絶縁層と接した底部面(34)、ソース領域(1
8)、およびドレイン領域(20)を具備し、ほぼ50
0オングストロームより大きな厚さを有するシリコン膜
部(16)と、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間
の前記シリコン膜部の前記頭部面上に配置されたゲート
酸化物層(26)と、前記ゲート酸化物層上に配置され
たゲート電極層(28)と、前記ゲート酸化物層の下で
かつ前記埋込み絶縁層の上で、前記ソース領域と前記ド
レイン領域の間の前記シリコン膜部に配置されたチャネ
ル領域(30)であって、前記チャネル領域が前記シリ
コン膜部の前記頭部面に対応して、少なくともほぼ40
0mVの前記トランジスタのしきい値電圧を与えるよう
十分に高い頭部ドーパント濃度をもち、前記チャネル領
域が前記シリコン膜部の前記底部面に対応して底部ドー
パント濃度をもち、かつ前記頭部ドーパント濃度が前記
底部ドーパント濃度より大きい、前記チャネル領域、を
備えたSOIトランジスタ(10)が提供される。
【0008】更に、半導体基板(14)と、前記半導体
基板上に配置された埋込み絶縁層(12)と、前記埋込
み絶縁層上に配置され、頭部面(32)、前記埋込み絶
縁層と接した底部面(34)、ソース領域(18)、お
よびドレイン領域(20)を具備する半導体膜部(1
6)と、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記
半導体膜部の前記頭部面上に配置されたゲート絶縁層
(26)と、前記ゲート絶縁層上に配置されたゲート電
極層(28)と、前記ゲート絶縁層の下でかつ前記埋込
み絶縁層の上で、前記ソース領域と前記ドレイン領域の
間の前記半導体膜部に配置されたチャネル領域(30)
であって、前記チャネル領域がピークドーパント濃度と
最小ドーパント濃度を備えたドーピングの分布をもち、
ピークドーパント濃度が前記最小ドーパント濃度よりも
大きい、前記チャネル領域、を備えたSOIトランジス
タ(10)が提供される。
基板上に配置された埋込み絶縁層(12)と、前記埋込
み絶縁層上に配置され、頭部面(32)、前記埋込み絶
縁層と接した底部面(34)、ソース領域(18)、お
よびドレイン領域(20)を具備する半導体膜部(1
6)と、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記
半導体膜部の前記頭部面上に配置されたゲート絶縁層
(26)と、前記ゲート絶縁層上に配置されたゲート電
極層(28)と、前記ゲート絶縁層の下でかつ前記埋込
み絶縁層の上で、前記ソース領域と前記ドレイン領域の
間の前記半導体膜部に配置されたチャネル領域(30)
であって、前記チャネル領域がピークドーパント濃度と
最小ドーパント濃度を備えたドーピングの分布をもち、
ピークドーパント濃度が前記最小ドーパント濃度よりも
大きい、前記チャネル領域、を備えたSOIトランジス
タ(10)が提供される。
【0009】
【発明の実施の形態】簡単に述べると、本発明は不均一
にドープしたチャネル領域をもつセミコンダクタ・オン
・インシュレータ(semiconductor−on
−insulator:SOI)トランジスタを提供す
るものである。チャネルドーピングの分布(chann
el doping profile)の不均一性は、
完全に空乏化したモード(fully−deplete
d mode)で動作し、かつ適切なしきい値電圧をも
ち、さらに従来のSOIデバイスよりかなり厚い半導体
膜を用いて形成可能なトランジスタを提供する。該トラ
ンジスタはまた、しきい値電圧の半導体膜厚依存性を大
幅に低減する。
にドープしたチャネル領域をもつセミコンダクタ・オン
・インシュレータ(semiconductor−on
−insulator:SOI)トランジスタを提供す
るものである。チャネルドーピングの分布(chann
el doping profile)の不均一性は、
完全に空乏化したモード(fully−deplete
d mode)で動作し、かつ適切なしきい値電圧をも
ち、さらに従来のSOIデバイスよりかなり厚い半導体
膜を用いて形成可能なトランジスタを提供する。該トラ
ンジスタはまた、しきい値電圧の半導体膜厚依存性を大
幅に低減する。
【0010】図1は、本発明に係わるSOIトランジス
タ10の断面図を描いてある。トランジスタ10は、構
造においてはほぼ伝統的なものであり、半導体基板14
上に埋込み絶縁層12を有している。基板14は好まし
くはシリコンであり、絶縁層14は例えばおよそ2,0
00ないし10,000オングストロームの厚さをもつ
シリコン酸化物である。サファイヤもまた絶縁層12に
使用することができる。
タ10の断面図を描いてある。トランジスタ10は、構
造においてはほぼ伝統的なものであり、半導体基板14
上に埋込み絶縁層12を有している。基板14は好まし
くはシリコンであり、絶縁層14は例えばおよそ2,0
00ないし10,000オングストロームの厚さをもつ
シリコン酸化物である。サファイヤもまた絶縁層12に
使用することができる。
【0011】例えばシリコンの半導体膜16が、よく知
られた技術を用いて絶縁層12上に形成される。膜16
は好ましくはシリコンであり、一般にはおよそ800な
いし2,000オングストローム、より好ましくはおよ
そ1,200ないし2,000オングストロームの厚さ
をもっている。またいくつかの場合には、膜16の厚さ
はおよそ500オングストローム位の薄さでも構わな
い。トランジスタ10は完全に空乏化したモードで動作
するけれども、膜16の厚さは以下で説明するように従
来の完全に空乏化したデバイス(fully−depl
eted devices)に必要とされる厚さ800
オングストロームよりも大きくすることが可能なことに
注目すべきである。
られた技術を用いて絶縁層12上に形成される。膜16
は好ましくはシリコンであり、一般にはおよそ800な
いし2,000オングストローム、より好ましくはおよ
そ1,200ないし2,000オングストロームの厚さ
をもっている。またいくつかの場合には、膜16の厚さ
はおよそ500オングストローム位の薄さでも構わな
い。トランジスタ10は完全に空乏化したモードで動作
するけれども、膜16の厚さは以下で説明するように従
来の完全に空乏化したデバイス(fully−depl
eted devices)に必要とされる厚さ800
オングストロームよりも大きくすることが可能なことに
注目すべきである。
【0012】ソース領域18とドレイン領域20が膜1
6中に例えばN型のドーパントを高濃度にドープするこ
とを含む、伝統的な方法を使って形成される。Nチャネ
ルデバイスが図1に描かれ、かつここに説明されている
けれども、本発明はPチャネルデバイスにも適用可能で
あることは当業者には理解されよう。
6中に例えばN型のドーパントを高濃度にドープするこ
とを含む、伝統的な方法を使って形成される。Nチャネ
ルデバイスが図1に描かれ、かつここに説明されている
けれども、本発明はPチャネルデバイスにも適用可能で
あることは当業者には理解されよう。
【0013】またハロー領域(halo region
s)22,24も図1に描かれているが、任意選択的な
ものであり、好ましくはドレインに誘起されるバリアの
低下(drain−induced barrier
lowering;DIBL)と関連する逆短チャネル
効果を避けるために用いられる。ハロー領域22,24
は公知の方法を用いて形成できる。知られているよう
に、ハロー領域22,24はソースとドレイン領域1
8,20を形成するために用いられるのとは逆の導電型
のドーパントがドープされる。
s)22,24も図1に描かれているが、任意選択的な
ものであり、好ましくはドレインに誘起されるバリアの
低下(drain−induced barrier
lowering;DIBL)と関連する逆短チャネル
効果を避けるために用いられる。ハロー領域22,24
は公知の方法を用いて形成できる。知られているよう
に、ハロー領域22,24はソースとドレイン領域1
8,20を形成するために用いられるのとは逆の導電型
のドーパントがドープされる。
【0014】ゲート絶縁層26とゲート電極層28が伝
統的な技術を用いて膜16上に形成されている。ゲート
絶縁層26は好ましくは、例えばおよそ50ないし15
0オングストロームの厚さのシリコン酸化膜であり、か
つゲート電極層28は例えばおよそ3,000オングス
トロームの厚さの例えばポリシリコン層である。
統的な技術を用いて膜16上に形成されている。ゲート
絶縁層26は好ましくは、例えばおよそ50ないし15
0オングストロームの厚さのシリコン酸化膜であり、か
つゲート電極層28は例えばおよそ3,000オングス
トロームの厚さの例えばポリシリコン層である。
【0015】チャネル領域30はゲート絶縁層26の下
にあり、膜16の頭部面32と底部面34で境界付けら
れている。本発明によれば、チャネル領域30は、チャ
ネル領域30を横切って頭部面32から底部面34まで
ドーパント濃度がかなり変化するような不均一なまたは
一様でない(non−uniform)ドーピングの分
布をもっている。より特定的には、Nチャネルデバイス
の場合、チャネル領域30は頭部面32でのドーパント
濃度が底部面34でのドーパント濃度よりかなり大きく
なるようにP型の不純物が低濃度でドープされている。
この不均一なドーピングの分布は、従来のSOIデバイ
スで用いるのに望ましいと考えられた均一にドープした
薄膜と極めて対照的である。
にあり、膜16の頭部面32と底部面34で境界付けら
れている。本発明によれば、チャネル領域30は、チャ
ネル領域30を横切って頭部面32から底部面34まで
ドーパント濃度がかなり変化するような不均一なまたは
一様でない(non−uniform)ドーピングの分
布をもっている。より特定的には、Nチャネルデバイス
の場合、チャネル領域30は頭部面32でのドーパント
濃度が底部面34でのドーパント濃度よりかなり大きく
なるようにP型の不純物が低濃度でドープされている。
この不均一なドーピングの分布は、従来のSOIデバイ
スで用いるのに望ましいと考えられた均一にドープした
薄膜と極めて対照的である。
【0016】図2は本発明の第1の実施形態のためのチ
ャネル領域30の理想的なドーピングの分布を描いてあ
る。特に、チャネル領域30におけるドーパント濃度の
対数(log(原子/cm3))が、図1の点線36で
示しているような頭部面32からチャネル領域30へ向
う垂直方向の深さに対してプロットしてある。図2では
階段状分布38はチャネル領域30に向かって距離Dだ
け垂直に下がった位置に急峻な段差(abrupt s
tep)40をもっている。頭部面32でのチャネル領
域30のドーパント濃度は図2ではNTで示されてお
り、底部面34でのドーパント濃度はNBで示されてい
る。チャネル領域30の全厚みはTで示されている。
ャネル領域30の理想的なドーピングの分布を描いてあ
る。特に、チャネル領域30におけるドーパント濃度の
対数(log(原子/cm3))が、図1の点線36で
示しているような頭部面32からチャネル領域30へ向
う垂直方向の深さに対してプロットしてある。図2では
階段状分布38はチャネル領域30に向かって距離Dだ
け垂直に下がった位置に急峻な段差(abrupt s
tep)40をもっている。頭部面32でのチャネル領
域30のドーパント濃度は図2ではNTで示されてお
り、底部面34でのドーパント濃度はNBで示されてい
る。チャネル領域30の全厚みはTで示されている。
【0017】NT/NBとして規定されるドープ比(d
oping ratio)は、好ましくはおよそ5より
大きく、より好ましくはおよそ10ないし100の間で
ある。しかしながら、ドープ比がおよそ2や3程度に小
さくても、まだいくらかの有益性が得られるものと考え
られる。特定の範囲がここで与えられているけれども、
当業者には以下に述べる利点を与えるのはチャネル領域
30におけるドーピングの分布の不均一性であることが
理解できよう。最も一般的には、本発明は不均一でかつ
NT>NBである任意のドーピングの分布を含んでい
る。
oping ratio)は、好ましくはおよそ5より
大きく、より好ましくはおよそ10ないし100の間で
ある。しかしながら、ドープ比がおよそ2や3程度に小
さくても、まだいくらかの有益性が得られるものと考え
られる。特定の範囲がここで与えられているけれども、
当業者には以下に述べる利点を与えるのはチャネル領域
30におけるドーピングの分布の不均一性であることが
理解できよう。最も一般的には、本発明は不均一でかつ
NT>NBである任意のドーピングの分布を含んでい
る。
【0018】階段状分布38はチャネル領域30におけ
るドーパントの好ましく、理想的な分布であり、かつ伝
統的なドープ技術を用いて実行できかつ使用される特定
の処理によって制限される範囲まで近似されることが好
ましい。例として、当業者によく知られた浅いダイレク
トイオン注入技術(direct ion impla
ntation techniques)を使用して,
階段状分布38をおおよそ近似することができる。
るドーパントの好ましく、理想的な分布であり、かつ伝
統的なドープ技術を用いて実行できかつ使用される特定
の処理によって制限される範囲まで近似されることが好
ましい。例として、当業者によく知られた浅いダイレク
トイオン注入技術(direct ion impla
ntation techniques)を使用して,
階段状分布38をおおよそ近似することができる。
【0019】図3は、1つの特定のドープ技術に対応し
た本発明の第2の実施形態のドーピングの分布を描いて
いる。特に、知られているように、伝統的なイオン注入
とアニールによって形成されるドープ領域は典型的には
ガウス様の分布を示す。従来のSOIデバイスにおいて
は、ガウス様分布のピークは、均一な分布を提供するた
めに実質的にチャネル領域30の中央に位置している。
しかしながら、本発明によれば、ガウス様の曲線42
は、ガウス分布のピークが実質的にNTに対応し、かつ
分布の尾(tail)がNBに対応するように配置され
ている。当業者に理解されるように、トランジスタ10
を形成するために用いられる処理シーケンスのしきい値
電圧注入(threshold voltage im
plantation)工程の間、チャネル領域30上
に横たわる適切に組み合わせた厚さのデバイス層を通し
てイオン注入することで、ガウス様の曲線42をこのよ
うに配置することができる。これらの層は、例えばゲー
ト絶縁層26と更に以下で説明するようなゲート電極層
28へのプレカーソル層(precursor lay
er)(図には示されていない)を含んでいる。
た本発明の第2の実施形態のドーピングの分布を描いて
いる。特に、知られているように、伝統的なイオン注入
とアニールによって形成されるドープ領域は典型的には
ガウス様の分布を示す。従来のSOIデバイスにおいて
は、ガウス様分布のピークは、均一な分布を提供するた
めに実質的にチャネル領域30の中央に位置している。
しかしながら、本発明によれば、ガウス様の曲線42
は、ガウス分布のピークが実質的にNTに対応し、かつ
分布の尾(tail)がNBに対応するように配置され
ている。当業者に理解されるように、トランジスタ10
を形成するために用いられる処理シーケンスのしきい値
電圧注入(threshold voltage im
plantation)工程の間、チャネル領域30上
に横たわる適切に組み合わせた厚さのデバイス層を通し
てイオン注入することで、ガウス様の曲線42をこのよ
うに配置することができる。これらの層は、例えばゲー
ト絶縁層26と更に以下で説明するようなゲート電極層
28へのプレカーソル層(precursor lay
er)(図には示されていない)を含んでいる。
【0020】図3では、深さDはガウス様の曲線42の
最大スロープの点44にほぼ対応している。図2と図3
の両方で、ステップ40または点44に対して選択され
る特定の深さDおよびドーパント濃度NTとNBは、当
業者に知られているように、特定の用途の必要性によっ
て決定される設計上の選択肢である。
最大スロープの点44にほぼ対応している。図2と図3
の両方で、ステップ40または点44に対して選択され
る特定の深さDおよびドーパント濃度NTとNBは、当
業者に知られているように、特定の用途の必要性によっ
て決定される設計上の選択肢である。
【0021】図2と図3に見られるように、チャネル領
域30は典型的には膜16の頭部面32から底部面34
まで単調に減少するドーピングの分布をもっている。し
かしながらいくつかの場合においては、ここで説明して
いるように用いられるドープ法の結果として、ドーピン
グの分布は単調には減少しないかもしれない。また、ス
テップ40や点44の特定の深さDはクリティカルなも
のではなく、一般的には例えば頭部面32と底部面34
のおよそ中間に位置している。
域30は典型的には膜16の頭部面32から底部面34
まで単調に減少するドーピングの分布をもっている。し
かしながらいくつかの場合においては、ここで説明して
いるように用いられるドープ法の結果として、ドーピン
グの分布は単調には減少しないかもしれない。また、ス
テップ40や点44の特定の深さDはクリティカルなも
のではなく、一般的には例えば頭部面32と底部面34
のおよそ中間に位置している。
【0022】典型的には、ドーパント濃度NTは、好ま
しくはおよそ400mVより大きいトランジスタ10の
しきい値電圧を提供するよう選ばれるが、およそ300
mVのようなより低いしきい値電圧が、ある用途では十
分であり、あるいは好ましいかもしれない。一般には、
NTはおよそ8×1016原子/cm3より大きくなる
であろう。特定の例として、図2に描かれている階段状
分布をおよそ800オングストロームの深さDとおよそ
1,800オングストロームの厚みの膜16に近似した
とき、NTはおよそ400mVのしきい値電圧を提供す
るためにおよそ1.2×1017原子/cm3であり、
NBは完全に空乏化された動作を提供するためにおよそ
1.2×1016原子/cm3である。この例におい
て、ゲート絶縁層26はおよそ105オングストローム
の厚さのシリコン酸化物であり、ゲート電極層28はお
よそ3,000オングストロームの厚さのポリシリコン
である。
しくはおよそ400mVより大きいトランジスタ10の
しきい値電圧を提供するよう選ばれるが、およそ300
mVのようなより低いしきい値電圧が、ある用途では十
分であり、あるいは好ましいかもしれない。一般には、
NTはおよそ8×1016原子/cm3より大きくなる
であろう。特定の例として、図2に描かれている階段状
分布をおよそ800オングストロームの深さDとおよそ
1,800オングストロームの厚みの膜16に近似した
とき、NTはおよそ400mVのしきい値電圧を提供す
るためにおよそ1.2×1017原子/cm3であり、
NBは完全に空乏化された動作を提供するためにおよそ
1.2×1016原子/cm3である。この例におい
て、ゲート絶縁層26はおよそ105オングストローム
の厚さのシリコン酸化物であり、ゲート電極層28はお
よそ3,000オングストロームの厚さのポリシリコン
である。
【0023】当業者には知られているように、チャネル
領域30の積分ドーパント濃度(integrated
dopant concentration)が増加
すると、しきい値電圧もまた増加する。従来のデバイス
では、均一なチャネルドーパント濃度が完全に空乏化し
た動作のために用いられるので、半導体膜16の厚みT
の変化は積分ドーパント濃度を大きく変化させ、従っ
て、デバイスのしきい値電圧を大きく変える。しかしな
がら、本発明のデバイスによれば、チャネル積分ドーパ
ント濃度は、主として頭部面32でのドーパント濃度N
Tによってコントロールされる。というのは、既に説明
したように、底部面34でのドーパント濃度NBがNT
よりかなり小さいからである。そのため、例えばウエハ
処理工程における製造上の変動によって生じるような、
膜16の厚みTの変化は、チャネル積分ドーパント濃度
には大きな影響を与えず、従ってたとえチャネル領域3
0が完全に空乏化されたままでも、デバイスのしきい値
電圧には少しの影響しか与えない。
領域30の積分ドーパント濃度(integrated
dopant concentration)が増加
すると、しきい値電圧もまた増加する。従来のデバイス
では、均一なチャネルドーパント濃度が完全に空乏化し
た動作のために用いられるので、半導体膜16の厚みT
の変化は積分ドーパント濃度を大きく変化させ、従っ
て、デバイスのしきい値電圧を大きく変える。しかしな
がら、本発明のデバイスによれば、チャネル積分ドーパ
ント濃度は、主として頭部面32でのドーパント濃度N
Tによってコントロールされる。というのは、既に説明
したように、底部面34でのドーパント濃度NBがNT
よりかなり小さいからである。そのため、例えばウエハ
処理工程における製造上の変動によって生じるような、
膜16の厚みTの変化は、チャネル積分ドーパント濃度
には大きな影響を与えず、従ってたとえチャネル領域3
0が完全に空乏化されたままでも、デバイスのしきい値
電圧には少しの影響しか与えない。
【0024】トランジスタ10は一般には当業者によく
知られた伝統的な技術を用いて製造される。しかしなが
ら、ある特定の例においては、チャネル領域30のドー
プは、ゲート絶縁層26とゲート電極層28を通してイ
オンを注入することにより行われ得る。ゲート電極層2
8はおよそ3,000オングストロームの好ましい最終
厚さを有しているけれども、適切な深さDを得るため
に、好ましくはポリシリコンまたはアモルファスシリコ
ンのプレカーソル層であるゲート電極層28がおよそ5
00オングストロームの厚さを有し、かつ好ましくはシ
リコン酸化物であるゲート絶縁層26がおよそ100オ
ングストロームの厚さをもつような処理シーケンス中の
時点で、イオン注入が行われる。Nチャネルデバイスで
は、およそ1.0ないし2.0×1012原子/cm2
のドーズ量のボロンがおよそ15ないし20keVのエ
ネルギでイオン注入され、Pチャネルデバイスでは、お
よそ1.5ないし2.5×1012原子/cm2のドー
ズ量の燐がおよそ45ないし55keVのエネルギでイ
オン注入される。膜16は好ましくはおよそ1,500
ないし2,000オングストロームの厚みのシリコンで
ある。
知られた伝統的な技術を用いて製造される。しかしなが
ら、ある特定の例においては、チャネル領域30のドー
プは、ゲート絶縁層26とゲート電極層28を通してイ
オンを注入することにより行われ得る。ゲート電極層2
8はおよそ3,000オングストロームの好ましい最終
厚さを有しているけれども、適切な深さDを得るため
に、好ましくはポリシリコンまたはアモルファスシリコ
ンのプレカーソル層であるゲート電極層28がおよそ5
00オングストロームの厚さを有し、かつ好ましくはシ
リコン酸化物であるゲート絶縁層26がおよそ100オ
ングストロームの厚さをもつような処理シーケンス中の
時点で、イオン注入が行われる。Nチャネルデバイスで
は、およそ1.0ないし2.0×1012原子/cm2
のドーズ量のボロンがおよそ15ないし20keVのエ
ネルギでイオン注入され、Pチャネルデバイスでは、お
よそ1.5ないし2.5×1012原子/cm2のドー
ズ量の燐がおよそ45ないし55keVのエネルギでイ
オン注入される。膜16は好ましくはおよそ1,500
ないし2,000オングストロームの厚みのシリコンで
ある。
【0025】更に後の処理工程では、ゲート電極層28
の最終厚みを提供するために、追加のポリシリコンが上
記プレカーソル層の上に被着される。トランジスタ10
の残りの処理工程はよく知られた方法を用いて行われ
る。任意選択的なハロー領域22,24がトランジスタ
10に用いられるとき、該ハロー領域22,24のドー
パント濃度はチャネル領域30のドーパント濃度NBよ
り大きいことに注意すべきである。
の最終厚みを提供するために、追加のポリシリコンが上
記プレカーソル層の上に被着される。トランジスタ10
の残りの処理工程はよく知られた方法を用いて行われ
る。任意選択的なハロー領域22,24がトランジスタ
10に用いられるとき、該ハロー領域22,24のドー
パント濃度はチャネル領域30のドーパント濃度NBよ
り大きいことに注意すべきである。
【0026】前記に加えて、当業者は、製造上選択され
る特定の処理シーケンスの統合に依存して、チャネル領
域30のドーピングの分布のピーク濃度は頭部面32よ
りむしろやや下に位置するかもしれないことが理解され
よう。また、いくつかの場合では、ドーピングの分布の
最小濃度は底部面34より少しばかり上にあるかもしれ
ない。そのような分布(profiles)も本発明の
範囲内にあると考えられる。そのような場合、ドーピン
グの分布は前述のように実質的にかなり不均一であれば
十分である。特に、前述のように、チャネル領域30の
垂直方向のドーピングの分布の最小濃度に対するピーク
濃度の比はまた、好ましくはおよそ5、より好ましくは
およそ10ないし100であるが、前記比がおよそ2や
3であってもいくらかの有益性がまだみられる。
る特定の処理シーケンスの統合に依存して、チャネル領
域30のドーピングの分布のピーク濃度は頭部面32よ
りむしろやや下に位置するかもしれないことが理解され
よう。また、いくつかの場合では、ドーピングの分布の
最小濃度は底部面34より少しばかり上にあるかもしれ
ない。そのような分布(profiles)も本発明の
範囲内にあると考えられる。そのような場合、ドーピン
グの分布は前述のように実質的にかなり不均一であれば
十分である。特に、前述のように、チャネル領域30の
垂直方向のドーピングの分布の最小濃度に対するピーク
濃度の比はまた、好ましくはおよそ5、より好ましくは
およそ10ないし100であるが、前記比がおよそ2や
3であってもいくらかの有益性がまだみられる。
【0027】
【発明の効果】これまで、SOIトランジスタの新規な
構造を提供してきたことが理解されるべきである。前述
のようにトランジスタ10のかなり不均一なドーピング
の分布は、完全に空乏化した動作モードに関連した有利
性を保持したまま、より厚いシリコン膜の使用を可能に
する。そのような厚い膜の使用は、例えば、バイポーラ
相補金属酸化物半導体(bipolar−comple
mentary metal oxide semic
onductor:BiCMOS)アプリケーションに
おいて、より製造しやすいベースの分布とより簡単なエ
ミッタおよびコレクタコンタクトの形成を可能にする。
更に、本発明によれば、しきい値電圧のシリコン膜厚依
存性が劇的に減少し、かつ完全に空乏化した動作は好ま
しくないキンク効果(kink effect)を取り
除いている。更に、より厚い半導体膜が、しきい値下
(sub−threshold)スロープの劣化なし
に、完全に空乏化したモードで使用可能である。
構造を提供してきたことが理解されるべきである。前述
のようにトランジスタ10のかなり不均一なドーピング
の分布は、完全に空乏化した動作モードに関連した有利
性を保持したまま、より厚いシリコン膜の使用を可能に
する。そのような厚い膜の使用は、例えば、バイポーラ
相補金属酸化物半導体(bipolar−comple
mentary metal oxide semic
onductor:BiCMOS)アプリケーションに
おいて、より製造しやすいベースの分布とより簡単なエ
ミッタおよびコレクタコンタクトの形成を可能にする。
更に、本発明によれば、しきい値電圧のシリコン膜厚依
存性が劇的に減少し、かつ完全に空乏化した動作は好ま
しくないキンク効果(kink effect)を取り
除いている。更に、より厚い半導体膜が、しきい値下
(sub−threshold)スロープの劣化なし
に、完全に空乏化したモードで使用可能である。
【図1】本発明に係わるセミコンダクタ・オン・インシ
ュレータトランジスタの断面図である。
ュレータトランジスタの断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係わる図1のトラン
ジスタのチャネル領域のドーパント濃度対深さを描いた
グラフである。
ジスタのチャネル領域のドーパント濃度対深さを描いた
グラフである。
【図3】第2の実施形態に係わる図1のトランジスタの
チャネル領域のドーパント濃度対深さを描いたグラフで
ある。
チャネル領域のドーパント濃度対深さを描いたグラフで
ある。
10 セミコンダクタ・オン・インシュレータトランジ
スタ 12 埋込み絶縁層 14 半導体基板 16 半導体膜 18 ソース領域 20 ドレイン領域 22,24 ハロー領域 26 ゲート絶縁層 28 ゲート電極層 30 チャネル領域 32 頭部面 34 底部面
スタ 12 埋込み絶縁層 14 半導体基板 16 半導体膜 18 ソース領域 20 ドレイン領域 22,24 ハロー領域 26 ゲート絶縁層 28 ゲート電極層 30 チャネル領域 32 頭部面 34 底部面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウェン−リン・エム・ファン アメリカ合衆国アリゾナ州85044、フェニ ックス、イースト・デザート・フラワー・ レーン 4024 (72)発明者 ジュン・マー アメリカ合衆国アリゾナ州85048、フェニ ックス、サウス・トゥエンティセブンス・ プレイス 16201
Claims (4)
- 【請求項1】 セミコンダクタ・オン・インシュレータ
(SOI)トランジスタ(10)であって、 半導体基板(14)、 前記半導体基板上に配置された埋込み絶縁層(12)、 前記埋込み絶縁層上に配置され、頭部面(32)、前記
埋込み絶縁層と接した底部面(34)、ソース領域(1
8)、およびドレイン領域(20)を具備する半導体膜
部(16)、 前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記半導体膜
部の前記頭部面上に配置されたゲート絶縁層(26)、 前記ゲート絶縁層上に配置されたゲート電極層(2
8)、そして前記ゲート絶縁層の下でかつ前記埋込み絶
縁層の上で、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の
前記半導体膜部に配置されたチャネル領域(30)であ
って、前記チャネル領域が前記半導体膜部の前記頭部面
に対応して頭部ドーパント濃度を有し、前記チャネル領
域が前記半導体膜部の前記底部面に対応して底部ドーパ
ント濃度を有し、かつ前記頭部ドーパント濃度が前記底
部ドーパント濃度より大きい、前記チャネル領域、 を具備することを特徴とするSOIトランジスタ(1
0)。 - 【請求項2】 前記頭部ドーパント濃度を前記底部ドー
パント濃度で除算して決められるドーピング比がほぼ5
より大きいことを特徴とする、請求項1に記載のSOI
トランジスタ。 - 【請求項3】 セミコンダクタ・オン・インシュレータ
(SOI)トランジスタ(10)であって、 シリコン基板(14)、 前記シリコン基板上に配置された埋込み絶縁層(1
2)、 前記埋込み絶縁層上に配置され、頭部面(32)、前記
埋込み絶縁層と接した底部面(34)、ソース領域(1
8)、およびドレイン領域(20)を具備し、ほぼ50
0オングストロームより大きな厚さを有するシリコン膜
部(16)、 前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記シリコン
膜部の前記頭部面上に配置されたゲート酸化物層(2
6)、 前記ゲート酸化物層上に配置されたゲート電極層(2
8)、そして前記ゲート酸化物層の下でかつ前記埋込み
絶縁層の上で、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間
の前記シリコン膜部に配置されたチャネル領域(30)
であって、前記チャネル領域がシリコン膜部の前記頭部
面に対応して、少なくともほぼ400mVの前記トラン
ジスタのしきい値電圧を与えるよう十分に高い頭部ドー
パント濃度をもち、前記チャネル領域が前記シリコン膜
部の前記底部面に対応して底部ドーパント濃度をもち、
かつ前記頭部ドーパント濃度が前記底部ドーパント濃度
より大きい、前記チャネル領域、 を具備することを特徴とするSOIトランジスタ(1
0)。 - 【請求項4】 セミコンダクタ・オン・インシュレータ
(SOI)トランジスタ(10)であって、 半導体基板(14)、 前記半導体基板上に配置された埋込み絶縁層(12)、 前記埋込み絶縁層上に配置され、頭部面(32)、前記
埋込み絶縁層と接した底部面(34)、ソース領域(1
8)、およびドレイン領域(20)を具備する半導体膜
部(16)、 前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記半導体膜
部の前記頭部面上に配置されたゲート絶縁層(26)、 前記ゲート絶縁層上に配置されたゲート電極層(2
8)、そして前記ゲート絶縁層の下でかつ前記埋込み絶
縁層の上で、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の
前記半導体膜部に配置されたチャネル領域(30)であ
って、前記チャネル領域がピークドーパント濃度と最小
ドーパント濃度を備えたドーピングの分布をもち、前記
ピークドーパント濃度が前記最小ドーパント濃度よりも
大きい、前記チャネル領域、 を具備することを特徴とするSOIトランジスタ(1
0)。
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