JPH118318A - Formation of semiconductor element - Google Patents

Formation of semiconductor element

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JPH118318A
JPH118318A JP9160152A JP16015297A JPH118318A JP H118318 A JPH118318 A JP H118318A JP 9160152 A JP9160152 A JP 9160152A JP 16015297 A JP16015297 A JP 16015297A JP H118318 A JPH118318 A JP H118318A
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Japan
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oxide film
pmos
gate oxide
nmos
forming
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JP9160152A
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Jiro Koide
二郎 小出
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Seiko Epson Corp
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Seiko Epson Corp
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Publication of JPH118318A publication Critical patent/JPH118318A/en
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a CMOS semiconductor element structure in which element formation areas for both PMOS and NMOS are identical in size, and the CMOS circuit characteristics are not sacrificed. SOLUTION: As a specific method for correcting the unbalance in ability of an element, a gate oxide film thickness of each of PMOS and NMOS is changed. When the thickness of the gate oxide film of a PMOS formation area is Tox(P) and that of the gate oxide film of an NMOS formation area is Tox(N), a relation that Tox(P)≈1/2.5-1/3Tox(N) is generally maintained. In this way, a difference in mobilities is completely absorbed by adjusting the thickness of the gate oxide film which decides the current ability of the element. As a result, noise margin that can be considered as a characteristic of a CMOS circuit can be significantly improved. Further, a PMOS element formation area size can be reduced to the same size as that of the NMOS, realizing reduction in the occupied area of a basic cell and reduction in an occupied area of an element of an I/O pad part.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体集積回路製造
における、ウェハ上への相補型素子の形成技術に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for forming a complementary element on a wafer in the manufacture of a semiconductor integrated circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来よりシリコン集積回路製造の一方式
としてCMOS製造技術があった。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been a CMOS manufacturing technique as one method of manufacturing a silicon integrated circuit.

【0003】またここ数年の技術的傾向として、低消費
電力向けCMOS技術が着目された結果、各種高速CP
U等もCMOSに軍配が上がった他、短納期チップ製造
としてのゲートアレイ等が急速に普及してきている。
In recent years, attention has been paid to CMOS technology for low power consumption as a technical trend in recent years.
U and the like have become more and more CMOS-friendly, and gate arrays and the like for the production of chips with a short delivery date are rapidly spreading.

【0004】しかしこれらの技術トレンドに立ちCMO
Sの素子構造を見直した場合、必ずしもCMOS集積回
路の優れた点を最大限に活かし切れていないのが現実で
ある。
However, in response to these technical trends, CMO
When the element structure of S is reviewed, the reality is that the advantages of the CMOS integrated circuit are not always fully utilized.

【0005】1.例えばゲートアレイで主流となってい
るチャネルレス構造(一般にはSOG:Sea Of
Gate構造と呼ばれる)をその事例として捉えるなら
ば、素子形成エリアに構成される素子配列構造はPMO
S形成エリア、NMOS形成エリアにおいて同等のサイ
ズを確保することが望まれる。これは素子エリアバラン
スを保つことで配線領域を均等に割り当てられるなどの
メリットを引き出せるからである。
[0005] 1. For example, a channelless structure (generally SOG: Sea Of) which is mainly used in gate arrays
Gate structure), the element array structure formed in the element formation area is a PMO
It is desired to secure the same size in the S formation area and the NMOS formation area. This is because by maintaining the element area balance, it is possible to take advantage of the advantage that the wiring areas can be uniformly allocated.

【0006】図5は、従来のCMOS素子構造の一例で
ある。図中に示すTox(N)はNMOSトランジスタ
のゲート酸化膜厚さ,Tox(P)はPMOSトランジ
スタのゲート酸化膜厚さを示す。また、A’−B’はウ
エハ断面構造の切り口を示す線である。
FIG. 5 shows an example of a conventional CMOS device structure. In the drawing, Tox (N) indicates the gate oxide film thickness of the NMOS transistor, and Tox (P) indicates the gate oxide film thickness of the PMOS transistor. A'-B 'is a line indicating a cut edge of the wafer sectional structure.

【0007】従来のCMOS製造工程では、PMOS領
域、NMOS領域を区分するためのWELL(異種不純
物拡散により形成された逆伝導タイプ領域)を形成後、
ウェハ全面に薄い良質の酸化膜を形成(ゲート酸化工
程)している。そのため、Tox(N)=Tox(P)
という構造となっている点に注意されたい。
In a conventional CMOS manufacturing process, after forming a WELL (a reverse conductivity type region formed by diffusion of different impurities) for separating a PMOS region and an NMOS region,
A thin high-quality oxide film is formed on the entire surface of the wafer (gate oxidation step). Therefore, Tox (N) = Tox (P)
Please note that it is a structure.

【0008】2.しかしPタイプ伝導を主とするPMO
S素子チャネル部は、チャネル伝導を司るキャリア(伝
導に寄与する荷電粒子)の移動度(mobility:
電界による荷電粒子の動き易さ)が、Nタイプ伝導キャ
リアに比べ1/2.5〜1/3程度の値となってしま
う。その結果図5に示すような従来例の構造では、PM
OSの素子電流係数はNMOSのそれに比較して概ね1
/3程度に低下してしまうことになる。
[0008] 2. However, PMO mainly with P-type conduction
The S element channel portion has a mobility (mobility: carrier) that controls channel conduction (charged particles contributing to conduction).
(The mobility of the charged particles due to the electric field) is about 1 / 2.5 to 1/3 of that of the N-type conductive carrier. As a result, in the conventional structure shown in FIG.
The element current coefficient of OS is approximately 1 compared to that of NMOS.
/.

【0009】固体中のキャリア移動度がこのように大き
な差を持つことは、シリコン結晶格子が作り出す周期的
ポテンシャル空間内で、正(+)の荷電粒子(実態は電
子の抜けた穴)の有効質量が、負(−)の荷電粒子(実
態は電子そのもの)の有効質量よりも大きくなることに
起因するものであり、固体物理学において数学的モデル
で結論付けられている。
Such a large difference in carrier mobility in a solid means that positive (+) charged particles (actually holes without electrons) are effective in a periodic potential space created by a silicon crystal lattice. This is due to the fact that the mass becomes larger than the effective mass of negatively charged particles (actually, the electron itself), and is concluded by a mathematical model in solid state physics.

【0010】3.さてこの素子電流能力という電気的特
性のアンバランスは、CMOS回路形成後の特性に対し
次に述べるような特性のデメリットを招く。
[0010] 3. The imbalance in the electrical characteristics of the device current capability causes the following disadvantages of the characteristics after the CMOS circuit is formed.

【0011】説明が判り易いように、以後の説明では
「フルCMOS構造」・「論理回路基本セルのインバー
タ(論理反転セル)」を前提とする。
For the sake of simplicity, the following description is based on a "full CMOS structure" and an "inverter (logic inversion cell) of a logic circuit basic cell".

【0012】インバータはPMOS,NMOSそれぞれ
を1素子づつ接続して構成される。
The inverter is formed by connecting each of PMOS and NMOS one by one.

【0013】CMOS素子が最も優れるのは電源電圧の
丁度中央(Vdd/2)に論理の敷居値(0または1と
看做す境界電圧)を設定できることにある。しきい値
が、動作電源電圧の中央に位置できるということは、言
い換えれば外部からの耐ノイズ性、即ち信号線に重畳す
るノイズが引き起こす回路の誤動作に強いことを意味し
ている。(例えば+5Vの電源を想定した場合、+5V
側からのスパイク性ノイズ、あるいは0V側からのスパ
イク性ノイズのいずれから見ても、電源電圧中央値が最
大のマージンとなることは明らかである。しきい値が例
えば2V付近にある場合、0V側から許容できるノイズ
ピークは2V以内、逆に+5V側からのノイズに対して
は3V以内のノイズとなるが、回路の耐ノイズ性を議論
する場合には、どちらか弱い側を代表して議論され
る。) この論理しきい値を電源電圧の中央に配置させる最適の
条件として、インバータを形成するPMOS、NMOS
素子の電流能力係数(β)を完全に等しい大きさにする
ことが重要である。論理しきい値と、電流能力係数に関
する詳細な関係は以下に示す式(1)を参照願いたい。
The most excellent point of the CMOS device is that a logic threshold value (a boundary voltage regarded as 0 or 1) can be set just at the center (Vdd / 2) of the power supply voltage. The fact that the threshold value can be located at the center of the operating power supply voltage means, in other words, that the circuit is resistant to external noise, that is, resistant to malfunction of a circuit caused by noise superimposed on a signal line. (For example, assuming a power supply of + 5V, + 5V
It is clear from either the spiking noise from the side or the spiking noise from the 0 V side that the central value of the power supply voltage has the maximum margin. When the threshold value is, for example, about 2 V, the allowable noise peak from the 0 V side is within 2 V, and conversely, the noise from the +5 V side is within 3 V. When discussing the noise resistance of the circuit, Will be discussed on behalf of the weaker side. The optimum conditions for arranging this logical threshold value at the center of the power supply voltage are PMOS and NMOS forming an inverter.
It is important that the current capability coefficient (β) of the device be completely equal. For the detailed relationship between the logical threshold value and the current capability coefficient, refer to the following equation (1).

【0014】 VLL=(Vdd−Vtp)/((βn/βp)1/2+1)+Vtn/((βp/βn)1/2 +1)・・(1) VLL:論理しきい値,βp:PMOS電流係数,βn:N
MOS電流係数 Vtp:PMOSゲートしきい値電圧,Vtn:NMO
Sゲートしきい値電圧 Vdd:電源電圧。
VLL = (Vdd−Vtp) / ((βn / βp) 1/2 + 1) + Vtn / ((βp / βn) 1/2 + 1) (1) VLL: logic threshold, βp: PMOS Current coefficient, βn: N
MOS current coefficient Vtp: PMOS gate threshold voltage, Vtn: NMO
S gate threshold voltage Vdd: power supply voltage.

【0015】4.これまでの説明において明らかとなっ
たと思うが、素子レイアウト面からの条件を優先して同
一素子寸法で素子エリアを形成した場合、PMOS、N
MOS相互の電気的な電流能力が悪化し、CMOS回路
の特徴であるノイズマージンが犠牲になってしまう。
4. As is apparent from the above description, when the element area is formed with the same element size by giving priority to the conditions from the element layout surface, the PMOS, N
The electric current capability between the MOSs deteriorates, and the noise margin characteristic of the CMOS circuit is sacrificed.

【0016】上記(1)式において、βp=1/3βn、
Vdd=5.0V、Vtn=Vtp=0.75Vという
値を採用してみるとVLL=1.63V前後となり、1/
2Vdd=2.5Vに対し、グランド側にしきい値がシ
フトすることが理解できる。CMOSにおいて完全に1
/2Vdd点に敷居値を設定するにはVtp=Vtnも
一つの条件となっているが、式からも明白なように電流
係数比の寄与率が高い。
In the above equation (1), βp = 1 / 3βn,
When adopting the values of Vdd = 5.0V and Vtn = Vtp = 0.75V, VLL becomes around 1.63V, and 1 /
It can be understood that the threshold value shifts to the ground side with respect to 2Vdd = 2.5V. Completely 1 in CMOS
Although Vtp = Vtn is one condition for setting the threshold value at the / 2Vdd point, the contribution of the current coefficient ratio is high as is clear from the equation.

【0017】5.ノイズマージンの観点からもう少し言
及するならば、近年のようなディープサブミクロンプロ
セスにおいては、この特性劣化はかなり深刻な事態を招
く。素子全体の微細化に伴い内部素子能力が上がり、も
はやゲート遅延より内部接続配線遅延が支配的になって
くる一方で、内部ノイズへの配慮事項が増加している。
例えばノイズ回り込み経路として隣接配線からの結合を
想定しても、隣接配線間隔が詰まることにより結合容量
が増加傾向にある。また個別素子の電流能力が増加する
ことにより、CMOS論理回路特有の貫通電流(PMO
SからNMOSへ、あるいはその逆へオン・オフ動作が
推移する過程で、PMOS,NMOS同時オン状態が発
生する。このタイミングで電源間に流れる電流のこと)
のピーク値も無視できない。電源メタル層の抵抗値が高
いと、この貫通電流で内部電圧が容易に振られてしま
う。そのような意味では今後ますますチップ内部におけ
るノイズマージン確保が必要となって来ていると言え
る。
5. In a deeper submicron process, such as in recent years, this characteristic degradation leads to a rather serious situation if it is mentioned a little more from the viewpoint of noise margin. With the miniaturization of the entire device, the capability of the internal device is increased, and the delay of the internal connection wiring is no longer dominant than the gate delay, while considerations for internal noise are increasing.
For example, even when the coupling from the adjacent wiring is assumed as the noise wraparound path, the coupling capacitance tends to increase due to the narrowing between the adjacent wirings. In addition, the increase in the current capability of the individual elements increases the through current (PMO) peculiar to the CMOS logic circuit.
In the course of the transition of the ON / OFF operation from S to NMOS or vice versa, a simultaneous PMOS and NMOS ON state occurs. The current flowing between the power supplies at this timing)
The peak value of cannot be ignored. If the resistance value of the power supply metal layer is high, the internal voltage is easily fluctuated by this through current. In that sense, it can be said that it is increasingly necessary to secure a noise margin inside the chip.

【0018】P,N素子能力アンバランスをそのままに
設計すると、論理しきい値がグランド側に引き寄せられ
るため集積回路内部のグランドバウンスに対し、誤動作
し易くなってしまうのは身近な事例であると言える。
If the P and N element capacity imbalance is designed as it is, the logic threshold value is drawn to the ground side, so that it is a familiar case that a malfunction easily occurs with respect to the ground bounce inside the integrated circuit. I can say.

【0019】6.視点を替え、現状の製造条件下での設
計を肯定した立場で考えてみる。素子能力面でのバラン
スを優先したセル設計ではPMOS、NMOSの占有面
積格差が大きくなり、コンパクトなセルの設計がネック
となる。それのみならず、このMOS素子サイズのアン
バランスは内部信号をチップ外部へ高速に出力動作させ
るような設計において、信号線全体の能力バランスをと
りながら、細部の駆動能力最適化作業を強いられること
になる。
6. From a different viewpoint, let's think from the standpoint of affirming the design under the current manufacturing conditions. In the cell design giving priority to the balance in terms of element performance, the difference in occupied area between the PMOS and the NMOS becomes large, and the design of a compact cell becomes a bottleneck. Not only that, this imbalance in the size of the MOS element means that when designing to output internal signals to the outside of the chip at high speed, it is necessary to optimize the driving capability of the details while balancing the performance of the entire signal line. become.

【0020】ところで、先行出願されている事例は皆無
ではないが、それぞれ狙いが異なっていることが明白で
ある。
By the way, although there are no cases where prior applications have been filed, it is clear that the aims are different.

【0021】例えば特開昭59−182555号におい
ては、単純にNMOS側の酸化膜厚を厚くするという内
容が述べられている。具体的な構成事例としてはPMO
S750オングストロームに対し、NMOS1500オ
ングストロームという値で説明されている。この先行出
願内容は、先に述べてきた理由から明白であると思うが
CMOSとしての素子性能を最大限引き出す工夫に至る
発明ではない。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 59-182555 describes that the oxide film thickness on the NMOS side is simply increased. A specific configuration example is PMO
The description is based on the value of NMOS 1500 Å with respect to S 750 Å. Although the contents of this prior application are evident for the reasons described above, it is not an invention which leads to a device for maximizing the device performance as a CMOS.

【0022】それに類似する先行技術としては、特開昭
62−037959号があげられる。しかしこの先願は
以下に述べるような製造上の利便性を高めるための内容
となっている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-037959 is a similar prior art. However, this prior application is intended to enhance the convenience in manufacturing as described below.

【0023】即ち単一well構造を呈するCMOS製
造方法において、シリコン基板のPタイプ、Nタイプ変
更が生じても支障が無い製造方法の提供にある。
That is, it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a CMOS having a single well structure, which does not hinder the change of the P type and the N type of the silicon substrate.

【0024】他の類似例としては、特開平01−061
048号が掲げられるが、PMOS,NMOSそれぞれ
のゲート膜構造の最適な条件が明記されておらず、十分
な特性改善を狙ったものとは言えない。特に具体的な数
値根拠に乏しく、相互コンダクタンスやオン抵抗などの
バランスがよくなるといった具体的な効果を引き起こす
条件が明確ではなかった。
Another similar example is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 01-061.
No. 048 is listed, but the optimum conditions of the gate film structure of each of the PMOS and NMOS are not specified, and it cannot be said that the characteristics are sufficiently improved. In particular, the specific numerical basis was poor, and conditions for causing a specific effect such as an improvement in the balance between mutual conductance and on-resistance were not clear.

【0025】さらに特開平06−334132号の先行
出願では、NMOS素子に起こりがちなホットエレクト
ロンによる素子特性劣化防止策としての構造変更が狙い
となっている。ホットエレクトロンがNMOS素子で生
じるのは、電子がその主たる伝導キャリアとなっている
ためである。(ホットエレクトロンとはソース・ドレイ
ン間に電圧印加され発生する電界により、チャネルを通
過する電子がこの電界により加速され一定以上のエネル
ギーを得た電子を指す。ホットエレクトロンの発生は、
ゲート酸化膜−シリコン半導体界面のポテンシャル壁を
越えるエネルギーに至るため、ゲート酸化膜の存在に関
係なくゲート電極に注入され、MOS素子の基本特性を
大きく揺るがす原因となる。具体的な不具合としては、
時間とともに素子特性が変化することから、回路動作の
長期信頼性を著しく劣化させる。)
Further, the prior application of Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-334132 aims at a structural change as a measure for preventing deterioration of device characteristics due to hot electrons which tend to occur in NMOS devices. Hot electrons are generated in NMOS devices because electrons are the main conduction carriers. (Hot electrons are electrons that pass through a channel and are accelerated by this electric field to obtain energy above a certain level due to an electric field generated when a voltage is applied between the source and the drain.
Since the energy exceeding the potential wall at the gate oxide film-silicon semiconductor interface is injected into the gate electrode regardless of the presence of the gate oxide film, the basic characteristics of the MOS device are greatly shaken. Specific problems include:
Since the element characteristics change with time, the long-term reliability of the circuit operation is significantly deteriorated. )

【0026】[0026]

【発明が解決しようとする課題】以上の説明で明白にな
ったと思うが、本発明が解決する課題はまさにこのCM
OS素子特性の完全な均一性を得ることにある。即ち本
発明が第一に狙う課題解決のポイントは、「素子形成面
積をPMOS,NMOS共に同等サイズで済むように
し、且つCMOS回路特性を犠牲にしない」ようなCM
OS半導体素子構造を提供するものである。
As is apparent from the above description, the problem to be solved by the present invention is exactly this CM.
It is to obtain complete uniformity of OS element characteristics. That is, the first point of the present invention to solve the problem is such a CM that “the element formation area can be set to the same size for both the PMOS and the NMOS and the CMOS circuit characteristics are not sacrificed”.
An OS semiconductor device structure is provided.

【0027】[0027]

【課題を解決するための手段】本発明における具体的解
決の手段としては、シリコン基板上へ集積されるCMO
S(相補型MOS)半導体素子において、 1.CMOS構成基本素子、即ちPチャネルMOSFE
T、NチャネルMOSFETの素子形成エリアサイズが
概ね一致し、 2.且つPMOSFETのゲート酸化膜厚を、NMOS
FETの酸化膜厚の1/2〜1/3の範囲において薄く
形成してなることを特徴とする素子構造。
As a concrete solution of the present invention, a CMO integrated on a silicon substrate is used.
In an S (complementary MOS) semiconductor device, CMOS basic element, that is, P-channel MOSFE
1. The element formation area sizes of the T and N channel MOSFETs substantially match; In addition, the gate oxide film thickness of the PMOSFET is
An element structure which is formed to be thin in a range of 1/2 to 1/3 of an oxide film thickness of a FET.

【0028】具体的な半導体素子形成工程が、Well
ドライブイン、LOCOS酸化工程(フィールド形成)
後のゲート酸化工程において最初にPMOS,NMOS
ゲート酸化膜同時形成を施した後、 ア.PMOS素子形成エリアのゲート酸化膜エッチング
工程を設け、PMOS側シリコン面を露出し、 イ.第2回目のゲート酸化膜形成工程においては、PM
OS形成エリア(ベア・シリコン)、NMOS形成エリ
ア(第1のゲート酸化工程により既に酸化膜形成済み)
の同時酸化を行うことにより、PMOS用、NMOS用
ゲート酸化膜を別の厚さに形成することを特徴とする半
導体製造方法。
A specific semiconductor element forming step is Well
Drive-in, LOCOS oxidation process (field formation)
In the later gate oxidation step, first, the PMOS, NMOS
After the simultaneous formation of the gate oxide film, a. Providing a gate oxide film etching step in the PMOS element formation area to expose the PMOS side silicon surface; In the second gate oxide film forming step, PM
OS formation area (bare silicon), NMOS formation area (oxide film already formed by first gate oxidation step)
Forming a gate oxide film for PMOS and NMOS for different thicknesses by performing simultaneous oxidation.

【0029】あるいは具体的な半導体素子形成の工程
が、Wellドライブイン、LOCOS酸化工程(フィ
ールド形成)後のゲート酸化工程において最初にPMO
S,NMOSゲート酸化膜同時形成を施した後、 ウ.PMOS素子形成エリアに再度Si3N4膜等の酸
素原子の拡散抑制マスク層形成工程を設け、 エ.その後ゲート酸化膜形成工程を再開することによ
り、PMOS,NMOS用ゲート酸化膜を別の厚さに形
成することを特徴とする半導体製造方法。
Alternatively, a specific process of forming a semiconductor device is a PMO process first in a gate oxidation process after a well drive-in and LOCOS oxidation process (field formation).
After the simultaneous formation of the S and NMOS gate oxide films, c. B. A step of forming a mask layer for suppressing diffusion of oxygen atoms, such as a Si3N4 film, is provided again in the PMOS element formation area. Thereafter, the gate oxide film forming process is restarted to form a gate oxide film for PMOS and NMOS to a different thickness.

【0030】以上により実現している。The above is realized.

【0031】[0031]

【作用】本発明の請求項1の記載によれば、CMOS基
本素子の物理的制約から発生する素子電流能力の不均一
さをMOS製造工程内の最も効果のある部分で補正が可
能となり、確実な特性保証が可能になる。
According to the first aspect of the present invention, it is possible to correct the non-uniformity of the device current capability caused by the physical constraint of the CMOS basic device in the most effective portion in the MOS manufacturing process. Characteristics can be guaranteed.

【0032】[0032]

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施例に
ついて述べる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described.

【0033】図1は本発明を適用した素子レイアウト例
である。図中引かれた線分A−Bの破線は、図2におけ
る断面位置を示す。
FIG. 1 shows an example of an element layout to which the present invention is applied. The broken line AB drawn in the drawing indicates the cross-sectional position in FIG.

【0034】図2は、本発明の素子断面構造図である。
図中に記号表示しているTox(P)は、PMOS形成
エリア側ゲート酸化膜厚さを、Tox(N)はNMOS
形成エリアのゲート酸化膜厚さを表している。
FIG. 2 is a cross-sectional structural view of the device of the present invention.
The symbol Tox (P) in the figure indicates the gate oxide film thickness on the PMOS formation area side, and Tox (N) indicates the NMOS.
It shows the thickness of the gate oxide film in the formation area.

【0035】また本発明における具体的なゲート酸化膜
厚の関係は図2において概ねTox(P)≒1/2.5
〜1/3Tox(N)という関係を保つ。
The specific relation of the gate oxide film thickness in the present invention is approximately Tox (P) ≒ 1 / 2.5 in FIG.
The relationship of 1 / Tox (N) is maintained.

【0036】この設定で電流能力を調整できるのは、M
OS電流能力を決定する式が、 β=μ・Cox・(W/L)=μ×ε×(W/L)/T
ox ここで、μ:移動度(mobility),ε:誘電
率,Tox:ゲート酸化膜 W:MOSチャネル形成幅,L:MOSチャネル形成長
さ という関係で規定されているからである。
The current capacity can be adjusted by this setting because M
The equation for determining the OS current capability is: β = μ · Cox · (W / L) = μ × ε × (W / L) / T
ox Here, μ: mobility, ε: dielectric constant, Tox: gate oxide film W: MOS channel formation width, L: MOS channel formation length.

【0037】即ち素子の電流能力を決定づけるゲート酸
化膜の厚さを調整することにより、移動度の差を完全に
吸収することが可能となる訳である。
That is, the difference in mobility can be completely absorbed by adjusting the thickness of the gate oxide film that determines the current capability of the device.

【0038】図3は本発明を実現するための、第一の製
造工程の実施例である。図3(a)〜図3(e)は、そ
れぞれ製造各工程におけるシリコン基板断面を示してお
り、本発明の具体的製造工程部分に対して重点的な説明
をする。
FIG. 3 shows an embodiment of a first manufacturing process for realizing the present invention. 3 (a) to 3 (e) show cross sections of the silicon substrate in each of the manufacturing steps, and the emphasis will be given to specific manufacturing steps of the present invention.

【0039】図3(a)は、既に必要なWellが形成
されたシリコン基板の図である。ここでwellはPM
OS用、NMOS用ツインwell構造であってもよい
し、Nタイプシリコン(Pタイプ)の単一wellプロ
セスであればPwell(Nwell)形成直後という
理解であってもよい。図中1は、シリコン基板断面を示
す。
FIG. 3A is a view of a silicon substrate on which a necessary well has already been formed. Where well is PM
It may be a twin-well structure for OS and NMOS, or it may be understood that P-well (Nwell) has just been formed in the case of a single well process of N-type silicon (P-type). In the figure, reference numeral 1 denotes a cross section of a silicon substrate.

【0040】図3(b)は、初回に実施されるゲート酸
化膜工程であり、PMOS、NMOS素子形成エリアに
対して同時にゲート酸化膜が形成される状況を示してい
る。図中2は、この段階で形成されたゲート酸化膜であ
る。
FIG. 3B shows a gate oxide film process which is performed for the first time, and shows a situation in which a gate oxide film is simultaneously formed on the PMOS and NMOS element formation areas. In the figure, reference numeral 2 denotes a gate oxide film formed at this stage.

【0041】図3(c)は、素子能力が低下してしまう
PMOS素子形成エリアに対し、フォト工程処理後、エ
ッチングを施し、図3(a)の工程で形成されたゲート
膜を除去し、シリコン面を露出させた工程を示す。図中
3は、PMOSエリアに対し、ゲート膜が除去された後
のゲート酸化膜である。
FIG. 3C shows that the PMOS element forming area where the element performance is deteriorated is subjected to a photo process and then etched to remove the gate film formed in the step of FIG. The step of exposing the silicon surface is shown. In the figure, reference numeral 3 denotes a gate oxide film after the gate film is removed from the PMOS area.

【0042】図3(d)では、PMOSエリアのシリコ
ン露出後に2度目のゲート酸化工程を施した後のゲート
酸化膜形成状態を示す図である。図中4は、先の図3
(b)の酸化条件と同じ工程で、PMOSエリアの酸化
膜除去後のシリコンウェハを酸化した場合のゲート酸化
膜を示す。図で明らかなように一旦除去されたPMOS
エリアの部分には薄い酸化膜が、また除去対象とならな
かったNMOSエリアは厚い酸化膜になることが判る。
FIG. 3D is a view showing a state of forming a gate oxide film after performing a second gate oxidation step after exposing silicon in the PMOS area. 4 in FIG.
The gate oxide film when the silicon wafer after the removal of the oxide film in the PMOS area is oxidized in the same step as the oxidation condition of (b) is shown. As is clear from the figure, the PMOS once removed
It can be seen that a thin oxide film is formed in the area, and a thick oxide film is formed in the NMOS area which is not to be removed.

【0043】初回のゲート膜同時酸化条件とPMOS側
ゲート酸化膜剥離後とで、ゲート酸化条件を変更しても
差し支えない。工程条件が増える分製造が煩雑化するこ
とになるが、温度をある程度低くすることにより酸化膜
形成速度を低く押さえ、膜厚制御をより精密に行えると
いうことのメリットにつながる。
The gate oxidation conditions may be changed between the initial gate film simultaneous oxidation condition and the condition after the gate oxide film on the PMOS side is removed. Although the increase in the process conditions complicates the production, the lowering of the temperature to some extent leads to the advantage that the oxide film formation rate can be kept low and the film thickness can be controlled more precisely.

【0044】図3(e)の工程は、LOCOS(Loc
al Oxdation of Silicon:シリ
コンの局所酸化)形成工程図を示す。LOCOS形成の
場合は、酸化膜厚を稼ぐ必要があるため、ウェット酸化
により、シリコン酸化速度を早めている。以後の工程は
極めて普通のCMOS素子製造ステップとなるため、本
実施例では特に詳細説明を省く。
The process of FIG. 3E is performed by LOCOS (Loc
FIG. 2 shows a process diagram for forming an Al Oxidation of Silicon (local oxidation of silicon). In the case of LOCOS formation, it is necessary to increase the thickness of the oxide film. Therefore, the silicon oxidation rate is increased by wet oxidation. Subsequent steps are very ordinary CMOS element manufacturing steps, and therefore, detailed description is omitted in this embodiment.

【0045】図4は本発明を実現するための第二の製造
工程の実施例である。図4(a)〜図4(e)は、それ
ぞれ製造各工程におけるシリコン基板断面を示してお
り、本発明の具体的製造工程部分に対して重点的な説明
をする。また、併せて図3との相違点についても重点説
明する。
FIG. 4 shows an embodiment of the second manufacturing process for realizing the present invention. 4 (a) to 4 (e) show cross sections of the silicon substrate in each of the manufacturing steps, and the emphasis will be given to the specific manufacturing steps of the present invention. In addition, differences from FIG. 3 will also be mainly described.

【0046】図4(a)は、既に必要なWellが形成
されたシリコン基板の図である。ここでwellはPM
OS用、NMOS用のツインwell構造であってもよ
いし、Nタイプシリコン(Pタイプ)の単一wellプ
ロセスであればPwell(Nwell)形成直後とい
う理解であってもよい。図中1はシリコン基板である。
FIG. 4A is a view of a silicon substrate on which necessary wells are already formed. Where well is PM
It may be a twin-well structure for OS and NMOS, or it may be understood that P-well (N-well) is just formed if it is a single well process of N-type silicon (P-type). In the figure, reference numeral 1 denotes a silicon substrate.

【0047】図4(b)は、初回に実施されるゲート酸
化膜工程であり、PMOS、NMOS素子形成エリアに
対して同時にゲート酸化膜が形成される状況を示してい
る。図中2が、この段階で形成されたゲート酸化膜であ
る。
FIG. 4B shows a gate oxide film process which is performed for the first time, and shows a situation in which a gate oxide film is simultaneously formed on the PMOS and NMOS element formation areas. Reference numeral 2 in the figure denotes a gate oxide film formed at this stage.

【0048】図4(c)は、PMOS素子形成エリアに
対しこれ以上酸化が進まないよう、酸素分子が透過しな
いSi(窒化珪素)膜を形成した図である。図中
6が、その酸化防止マスクを果たすSi膜であ
る。
FIG. 4C is a diagram in which an Si 3 N 4 (silicon nitride) film through which oxygen molecules do not pass is formed so that the oxidation does not proceed further to the PMOS element formation area. In the figure, reference numeral 6 denotes a Si 3 N 4 film serving as an oxidation prevention mask.

【0049】図4(d)では、図4(c)でPMOSエ
リアの酸化防止マスクを施した後、引き続いてゲート酸
化を続けた場合の素子構造断面図である。図中4はこの
工程で形成されたゲート酸化膜である。
FIG. 4D is a cross-sectional view of the element structure in the case where the oxidation prevention mask for the PMOS area is applied in FIG. 4C and then the gate oxidation is continued. In the drawing, reference numeral 4 denotes a gate oxide film formed in this step.

【0050】図4(e)の工程は、LOCOS(Loc
al Oxdation of Silicon:シリ
コンの局所酸化)形成工程図を示す。この工程以降は極
めて普通のCMOS素子製造ステップとなることから、
説明を省略する。
The process of FIG. 4E is performed by LOCOS (Loc
FIG. 2 shows a process diagram for forming an Al Oxidation of Silicon (local oxidation of silicon). After this step, it is a very ordinary CMOS element manufacturing step.
Description is omitted.

【0051】図4では、これまで説明してきたように、
PMOS側のゲート酸化膜をある一定厚さに形成後は、
酸素分子マスクにより酸化を阻止する方法をとってい
る。この方法では、先に述べたPMOS側酸化膜剥離と
違い、シリコン−酸化膜界面を一度も露出することなく
最終工程までつなげられるという利便性がある。
In FIG. 4, as described above,
After forming the gate oxide film on the PMOS side to a certain thickness,
In this method, oxidation is prevented by an oxygen molecular mask. In this method, unlike the above-described removal of the oxide film on the PMOS side, there is the convenience that the silicon-oxide film interface can be connected to the final step without being exposed.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上述べてきた事例より明らかなよう
に、本発明を利用すれば、先に述べた従来技術における
課題事項を解決することが可能である。それのみなら
ず、スタンダードセルの設計においても、PMOS,N
MOSの素子バランスがよくなる為、基本セルのレイア
ウト設計において占有面積の大きなPMOS素子エリア
を1/3程度(NMOS素子エリアと同等)に縮小化で
き、セルサイズをコンパクトに作成することができる
(単純計算例としてインバータセルを想定すると、基本
セルの高さは、本発明の採用により約40%強小さくす
ることが可能)。
As is clear from the examples described above, the present invention makes it possible to solve the above-mentioned problems in the prior art. Not only that, PMOS, N
Since the MOS element balance is improved, the PMOS element area occupying a large area can be reduced to about 1/3 (equivalent to the NMOS element area) in the layout design of the basic cell, and the cell size can be made compact (simple). Assuming an inverter cell as a calculation example, the height of the basic cell can be reduced by about 40% by adopting the present invention).

【0053】さらに大電流駆動能力が要求される、いわ
ゆるI/O端子(チップ内部論理回路と、外部信号とを
接続するパッド。以下I/Oセルと略す)のパターンレ
イアウトにおいても、PMOSサイズ,NMOS形成エ
リアサイズがバランスよい大きさとなり、従来のI/O
セルの高さ(ここで言う高さとは、ボンディング用パッ
ドAl配線エリアから、バッファトランジスタを経由し
て内部ロジックへ引き込むまでの距離方向を指す)を同
じく40%程度削減することができる。
In a pattern layout of a so-called I / O terminal (a pad for connecting a logic circuit inside a chip and an external signal; hereinafter, abbreviated as an I / O cell) requiring a large current driving capability, a PMOS size, The size of the NMOS formation area is well-balanced, and the conventional I / O
The height of the cell (here, the height refers to the distance from the bonding pad Al wiring area to the internal logic via the buffer transistor) can be reduced by about 40%.

【0054】この効果は、言い換えれば同一チップサイ
ズの集積回路を想定した場合、内部ロジック形成エリア
の有効面積を増やせる為、集積度の高い集積回路製造が
可能になることを意味する。
This effect means that, when an integrated circuit having the same chip size is assumed, the effective area of the internal logic formation area can be increased, so that an integrated circuit with a high degree of integration can be manufactured.

【0055】本発明はCMOSのP,Nバランスを取る
だけの具体的解決策に留まらない。例えば近年ではサブ
ミクロン領域からディープサブミクロン領域へとプロセ
スが進化してきているが、一般的にPMOSのチャネル
長は、NMOSのチャネル長と1:1で追従した短チャ
ネル化が難しい。これは主にPMOSFETのパンチス
ルー耐圧が低いことが原因である。そのような状況を踏
まえると、PMOSとNMOSの電流能力バランスはま
すます広がる可能性がある。本発明において素子エリア
の同一性を優先的な立場で説明してきているが、このよ
うな課題事項への適用も可能である。その場合同一サイ
ズとまでは行かないものの、PMOS側のエリア拡大を
必要最小限に留めることができることになり、その応用
範囲は広い。
The present invention is not limited to a specific solution for simply balancing P and N of CMOS. For example, in recent years, the process has evolved from the sub-micron region to the deep sub-micron region, but it is generally difficult to shorten the channel length of the PMOS by 1: 1 following the channel length of the NMOS. This is mainly due to the low punch-through breakdown voltage of the PMOSFET. Under such circumstances, the current capacity balance between PMOS and NMOS may be further expanded. In the present invention, the identity of element areas has been described from a priority standpoint, but application to such issues is also possible. In that case, although the size does not reach the same size, the area expansion on the PMOS side can be kept to a necessary minimum, and the application range is wide.

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

【図1】本発明における素子レイアウト例の図。FIG. 1 is a diagram showing an example of an element layout according to the present invention.

【図2】本発明による素子断面構造図。FIG. 2 is a cross-sectional structural view of an element according to the present invention.

【図3】(a)〜(e)のそれぞれは、本発明による、
第一の素子製造工程の説明図。
3 (a) to (e) each according to the invention,
FIG. 4 is an explanatory diagram of a first element manufacturing process.

【図4】(a)〜(e)のそれぞれは、本発明による、
第二の素子製造工程の説明図。
4 (a) to (e) each according to the present invention,
Explanatory drawing of a 2nd element manufacturing process.

【図5】従来のCMOS素子構造の一例の図である。FIG. 5 is a diagram of an example of a conventional CMOS device structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・シリコン基板 2・・・ゲート酸化膜 3・・・PMOSエリア部酸化膜除去後のゲート酸化膜 4・・・再酸化により形成されたゲート酸化膜 5、6・・・Si1 ... silicon substrate 2 ... gate oxide film 3 ... PMOS area portion oxide film removal after the gate oxide film formed by the gate oxide film 4 ... reoxidation of 5, 6 ... Si 3 N 4 membranes

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコン基板上へ集積されるCMOS半導
体素子の形成において、 1.CMOS構成基本素子、即ちPチャネルMOSFE
T、NチャネルMOSFETの素子形成エリアサイズが
概ね等しく、 2.且つPMOSFETのゲート酸化膜厚を、NMOS
FETの酸化膜厚の1/2〜1/3の範囲において薄く
形成してなることを特徴とする半導体素子形成方法。
1. In forming a CMOS semiconductor device integrated on a silicon substrate, CMOS basic element, that is, P-channel MOSFE
1. The element formation area sizes of the T and N channel MOSFETs are substantially equal; In addition, the gate oxide film thickness of the PMOSFET is
A method for forming a semiconductor device, comprising forming a thin film in a range of 1/2 to 1/3 of an oxide film thickness of a FET.
【請求項2】半導体素子形成の工程が、Wellドライ
ブイン後、LOCOS酸化工程(フィールド形成)前の
ゲート酸化工程において最初にPMOS,NMOSゲー
ト酸化膜同時形成を施した後、 1.PMOS素子形成エリアのゲート酸化膜エッチング
工程を設け、PMOS側シリコン面を露出し、 2.第2回目のゲート酸化膜形成工程においては、PM
OS形成エリア(ベア・シリコン)、NMOS形成エリ
ア(第1のゲート酸化工程により既に酸化膜形成済み)
の同時酸化を行うことにより、PMOS用、NMOS用
ゲート酸化膜を別の厚さに形成することを特徴とする半
導体素子形成方法。
2. In the step of forming a semiconductor element, a PMOS and an NMOS gate oxide film are simultaneously formed first in a gate oxidation step before a LOCOS oxidation step (field formation) after a well drive-in. 1. Provide a gate oxide film etching step in the PMOS element formation area to expose the silicon surface on the PMOS side; In the second gate oxide film forming step, PM
OS formation area (bare silicon), NMOS formation area (oxide film already formed by first gate oxidation step)
Forming a gate oxide film for PMOS and NMOS with different thicknesses by performing simultaneous oxidation.
【請求項3】前記請求項2に触れた具体的な半導体素子
形成の工程が、Wellドライブイン後、LOCOS酸
化工程(フィールド形成)前のゲート酸化工程において
最初にPMOS,NMOSゲート酸化膜同時形成を施し
た後、 1.PMOS素子形成エリアに再度Si膜等の酸
素原子の拡散抑制マスク層形成工程を設け、 2.その後ゲート酸化膜形成工程を再開することによ
り、PMOS,NMOS用ゲート酸化膜を別の厚さに形
成することを特徴とする半導体素子形成方法。
3. A specific step of forming a semiconductor element according to claim 2 is that, in the gate oxidation step after the Well drive-in and before the LOCOS oxidation step (field formation), a PMOS and NMOS gate oxide film are simultaneously formed. After applying, 1. A step of forming a mask layer for suppressing diffusion of oxygen atoms, such as a Si 3 N 4 film, is provided again in the PMOS element formation area; Thereafter, a gate oxide film for PMOS and NMOS is formed to a different thickness by restarting the gate oxide film forming step.
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