JPS6022833B2 - バケツト・ブリゲ−ド装置 - Google Patents

バケツト・ブリゲ−ド装置

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JPS6022833B2
JPS6022833B2 JP53039807A JP3980778A JPS6022833B2 JP S6022833 B2 JPS6022833 B2 JP S6022833B2 JP 53039807 A JP53039807 A JP 53039807A JP 3980778 A JP3980778 A JP 3980778A JP S6022833 B2 JPS6022833 B2 JP S6022833B2
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bbc
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、更に具体
的には、バケット・ブリゲード装置及びその製造方法に
関する。
バケット・ブリゲード回路は容量性貯蔵接続点を相互接
続する一連のスイッチング・トランジスタの1つの置き
のトランジスタのゲートを複数相のクロック・パルスで
駆動するようにしたものである。
バケット・ブリゲード回路はFET技術を用いると、構
造及び製造の簡単なバケット・プIJゲード・セルを簡
単に実施できる。2進情報の単位を表わす電圧(電荷)
信号は一連のFETバケット・ブリゲード・セルの最初
のセルのゲートに与えられる。
最初のバケット・ブリゲード・セルのゲートにクロツク
・パルスが現われると、このクロック・パルスは前に回
復されているドレィン接続点にブートストラップ作用を
与えてFETに電流を流し、最初のセルと第2のセルの
間の貯蔵容量に2進情報単位を転送する。その後、第2
のバケット・ブリゲード・セルのゲードにクロツク・パ
ルスが現われると、最初のセルと第2のセルの間の容量
性接続点に貯蔵された2進情報単位は第2のセルと第3
のセルの間の前に回復されている容量性接続点へ第2の
セルを介して転送される。このように、直列的な貯蔵、
信号の転送あるいは信号処理動作を行なうのに2相クロ
ツクを用いて、電圧(電荷)信号を一統きのバケット・
ブリゲード・セルを通して転送することができる。この
動作は第ld図に概略的に示されている。各転送を行な
うためには、伝搬電荷を持たない空のセルが必要であり
、この空のセルは情報の流れと反対方向に伝搬される形
になる。従って、2相クロックではNビットの情報を貯
蔵するのに州個のセルが必要である。多相(M相)ク。
ックではNビットの情報を貯蔵するのに必要なセルの数
が(偽)肌妙する。良好なバケット・ブリゲード・セル
をつくるときは、種々の特質あるいは条件を満たすよう
に設計する必要がある。
バケット・ブリゲード・セルは孤立的に用いられず鎖状
構成にされるから、セルは小さな寸法を持ち且つ高密度
集積回路で容易に製造できるものでなければならない。
多くの用途では長いセル鎖が必要となるから、各セルの
転送効率が高くなければならず且つ2進0信号の転送効
率と2進1信号の転送効率に差があってはならない。バ
ケット・ブリゲード・セル(以下BBCという)の従来
の典型的な構成は第la図に示されており、第lb図及
び第lc図は夫々第la図の糠lb、線l cに沿った
断面図である。
このBBCは金属ゲート型のものであり、この場合は、
自己整列したゲートを持たないが、多結晶シリコンを利
用した自己整列型ゲートのFET装置よりも簡単な方法
で製造できるため、より平面的な表面を与えて一層微細
な解像度の写真製版を行なうことができる。この従来の
BBCは第lb図に示すように、P型半導体基板2の集
積回路の一部として形成され、そして容量性貯蔵接続点
として働くN十型拡散領域4を有する。厚い酸化物層6
′の下にはN+型拡散領域4′があり、その右側の部分
はゲート電極12を有するバケット・ブリゲード・セル
のソースとして働き、その左側の部分はこのバケット・
プリゲード・セルの左側のバケット・ブリゲード・セル
のドレィンとして働く。一般に、第1図b図に示すよう
な従来のBBCは隣接するBBCのゲート電極12と1
4を分離するように働く厚い二酸化シリコン層6,6′
を有する。厚い二酸化シリコン層6,6′の凧には薄い
二酸化シリコン層が形成されており、これは典型的には
厚さ50一1000A程度の比較的薄い部分8と、通常
1000〜1500△程度の厚さを持つ比較的厚い部分
1 0とからなっている。BBCのゲート金属12は薄
い二酸化シリコン層8、10の上に形成される。′ゲー
ト電極12の下の酸化物が領域6′と8の間の領域3で
厚さを変えられているのは、ゲート電極12とソース拡
散領域4′の間の寄生容量結合を減じるためである。実
際の装置でも、種々の論理動作や入/出力動作を行なう
必要があるため、同じLSIチップ上にBBC鎖だけで
なく、このような寄生容量の減じられたFET論理装置
を一緒に設ける必要がある。厚い領域3を形成する従来
の方法は、拡散領域4′のような高度にドーブされたシ
リコンの酸化速度が大きいということを利用している。
しかしこの方法による場合は、拡散領域4上にも対応す
る厚い酸化物層10が成長し、ゲート電極12と拡散領
域4の間に形成される電荷貯蔵容量が小さくなるため、
この方法はBBC鎖の素子としてFET装置を用いる場
合に問題となる。BBCの容量性貯蔵部は一般に薄い酸
化物10の部分に位置し、BBCの電界効果スイッチン
グ部は一般に薄い酸化物層8の部分に位置する。
従ってこの従来のBBCでは、上述したような問題が生
じる。しかしながら、従釆は、同じにチップ上に厚さの
違う酸化物を用いたFET論理装置とバケット・ブリゲ
ード装置の両方を設け、単位面積当りの容量を最大にす
るようにBBCの容量性貯蔵部の二酸化シリコンの厚さ
を最小にし且つ同時にソースへの容量性結合を最小にす
るように領域3の酸化物の厚さを最大にするという問題
を認識しておらず、又解決してもいなかった。第ld図
のBBC鎖に沿って第荷伝搬が行なわれるのは容量のプ
ートストラップ動作の結果であり、接続点から接続点へ
伝搬される電荷の大きさはゲ‐ト・ソース容量C鱗の大
きさとゲートードレィン容量Cgdの大きさの差の関数
である。GgdがCgsに比べて大きくなればなるほど
、転送される電荷が大きくなる。特定の用途で所定の検
出可能な出力信号を得るためにはBBC当りの最小容量
というものが必要になるから、セルはこの容量の要件を
満たすような大きさの面積にされなければならない。第
la図−第lc図に代表されるような従来のBBCに伴
う他の問題はBBCの構成素子に自己整列性がないこと
であり、そのため、拡散領域4とゲート酸化物の間には
整列誤差を吸収するに充分なスペースX(第la図)を
設けねばならず、設計者は隣接するBBC鎖相互間の分
離中Yを大きくする必要にせまられる。
従来のBBCと関連するもう1つの問題は同じBBC鎖
の隣接セルが互いに接近したときに、チャネル短縮効果
(channelshoneningeHects)が
生じることである。
拡散領域4は拡散領域4と4′の間のチャネル領域に臨
む所で基板に深く延びているため、拡散領域4,4′の
間の分離長Lが短くなると、薄い酸化物層8の下のFE
T構造のスレショルド電圧が拡散領域4と4′の間の電
圧差の大きさに敏感になる。そのため、装置のスレシヨ
ルド電圧従って電荷転送効率が2進1の信号と2進0の
信号とで異なってしまう。スレッショルド電圧及び電荷
転送効率が転送される信号の論理値に依存するため、長
いBBC鎖では転送される信号に劣化が生じる。従って
本発明の目的はバケット・ブリゲード装置の回路密度を
高めることである。
他の目的はバケット・ブリゲード装置のスレショルド電
圧の、ソースードレイン電圧の大きさに対する感度を減
じることである。
他の目的はバケット・ブリゲード装置ゲートーソースの
オーバラップ容量を最4・にし且つゲートードレィンの
オーバラップ容量を最大にすることである。
他の目的はバケット・ブリゲード装置のチャネル短縮の
問題を軽減することである。
他の目的は同じICチップ上に、寄生容量の減じられた
FET論理装置と、単位面積当りのゲートードレィン容
量が最大のバケット・ブリゲード装置とを設けることで
ある。
本発明は電荷転送セルを形成するようにMOSコンデン
サMOSFETを一体化したバケット・ブリゲード装置
の構造及びその製造方法を提供する。
FET装置のP型チャネル領域の一部に、ドレィン拡散
と直列接続された薄いN型領域がイオン注入される。こ
の構造によると、セルの電荷転送効率が上がり、ソース
ードレイン電圧に対するスレショルド電圧の感度が低く
なる。装置のゲートはドレィンと充分にオーバラツプし
ソースと最小限しかオーバラップせず、そして単位面積
当りのゲ−トードレィン容量ゲート領域全体に一様な薄
い酸化物層を設けることによって最大にされる。従って
、単位面積当りのゲートードレィン容量を最大にしたバ
ケット・ブリゲード装置を、寄生容量の軽減されたFE
T論理装置と共に同じICチップ上に形成することがで
きる。次に本発明の良好な実施例について説明する。
バケット・ブリゲード装置で最適な性能を得るためには
、ゲートとドレインのオーバラツプ容量が最大にされ且
つゲートーソース及び拡散領域−基板の寄生容量が最小
にされるべきである。加えて、FETのスレショルド電
圧に関係のある電流−電圧特性は、ドレィンーソース電
圧と無関係であるべきであり、且つ低い動作周波数と高
い動作周波数で最大の転送効率を得るため高いオン状態
コンダクタンスを持つべきである。更に、バケット・ブ
リケード装置の構造は最適なビット密度と半導体チップ
歩どまりに応じた最小間隔で可能な限り小さな面積に実
装できるものでなければならない。第2a図−第2c図
に示すBBCはこれらの基準のすべてを満たすものであ
る。第2a図は本発明の実施例の平面図であり、イオン
注入されたドレィン延部を持つ改良されたBBCを示し
ている。第2b図、第2c図は夫々第2a図の線2b、
線2cに沿った断面図である。第2d図は第2a図の装
置の概略回路図である。この改良されたBBCでは、一
様な厚さの薄い酸化物層1 1 0を設けそしてBBC
のための容量性貯蔵接続点を形成するようにこの層11
0を通してドレィン延部107をイオン注入することに
よって、容量性貯蔵領域とFETスイッチング領域を合
体させている。第2a図及び第2b図は直列に穣縞され
たBBC鎖を示しており、第2c図は隣接した1対のB
BC鎖の各々の1つのBBCを示している。
BBCは抵抗率1.3−1.70肌のP型半導体基板1
02に集積回路素子として形成される。この低抵抗率基
板はチャネル短縮効果及び静電的フィードバック効果を
減じるのを助け、ソースードレイン鰭圧に対するスレシ
ョルド電圧の感度を下げる。ゲート電極1 1 2を持
つ第1のBBCのN導軍型拡散領域104はリン又はヒ
素を基板にドーブすることによって半導体基板表面に形
成される。第1のBBCの左側に位置している第2のB
BCの領域104′はP型基板にN型拡散領域として形
成され且つ拡散領域104と間隔をあげて設けられてい
る。そして、これらの拡散領域の間の基板領域は第1の
BBCのための容量性貯蔵接続点と第1のBBCのため
のFETスイッチング装置を形成する。拡散領域104
,104′の上には厚い二酸化シリコン層106,10
6′が形成される。厚い二酸化シリコン層106,10
6′は拡散領域104,104′の中へ延びており、拡
散領域104,104′は略U字状の断面形状を呈して
いる。厚い二酸化シリコン層106,106′の間の基
板表面領域には一様な厚さの薄い酸化層110が形成さ
れている。酸化層110と厚い酸化層106′,の間の
変わり目の酸化物領域109はゲート電極112とソー
ス104′の間の寄生容量を減じるため酸化物層110
よりも厚くされている。ドレィン延部107は薄い酸化
物層110を通してリン又はヒ素の如きN型ドーバント
をイオン注入することによって形成される。ドレィン延
部107は、領域104と104′の間の一部の領域に
延び、このドレィン延部107と領域104′の間に基
板の導電型と濃度を持つチャネル領域105を与えるよ
うに形成される。イオン注入によって形成されたドレィ
ン延部107の厚さは基板表面から拡散領域104,1
04′の深さよりも薄く、約500−2000△の範囲
にある。ゲート電極1 1 2を持つBBCでは、厚い
酸化物層106,106′の中心間間隔(セル周期の間
隔)が20山の場合、基板表面からの拡散領域104の
深さは約1.9〃、ドレィン延部107の深さは約10
00A、延部107の長さは約8仏、チャネル領域10
5の長さは約5〃、基板表面からの厚い酸化物層106
の深さは約3000A、薄い酸化物層110の厚さは約
500人である。
薄い酸化物層110の上に金属ゲート112が形成され
、そして第2a図−第2c図の構造体が形成される。第
2a図−第2c図に示されている改良されたBBCを製
造する方法は第33図−第3e図に示されている。先ず
第3a図に示すように、抵抗率1.50弧のP型シリコ
ン基板102を用意し、普通の熱酸化法によって厚さa
約3000Aの最初の酸化物層貝0ち二酸化シリコン層
130を成長させる。次に酸化物層130‘こ開孔13
2、134を形成する。酸化物層130及び窓関孔13
2,134の上に、870ooの温度で約25分間、5
モル%のりン・シリケート・ガラスを付着又は成長させ
ることによってソース拡散領域104,104′を形成
する。続いて蒸気雰囲気において900℃で約250分
間ソースードレィン・ドライブ。ィン・サイクルを行な
う。その結果、リン・シリケート・ガラスとソース領域
104,104′の上に熱的に成長する酸化物との厚さ
bは約9500Aである。第3b図はこの時点での装置
を示し、層136で平面的な表面が得られるため写真製
版の解像度を上げることができる。次に写真製版エッチ
ング工程を用いて、第3c図に示すように厚い酸化物構
造体106,106′を形成する。
次に900ooで約250分間乾式熱酸化工程を行なっ
て第3c図に示す薄いゲート二酸化シリコン層110を
成長させる。続いて酸化物層110の表面上に100△
の厚さにリン・シリケート・ガラス層を付着又は成長さ
せて1000ooで2び分間ァニールし、スレショルド
電圧安定化のためのイオン・ゲッタ作用を与える。
次の工程は、第3d図に示すように、約6球eVでのリ
ン・イオン注入のためのイオン注入マスクとして働く厚
さ約lrのフオトレジスト層130を普通の方法で薄い
酸化物層110の一部の上と隣蟻する厚い酸化物構造体
の上に付着することである。約500△の厚さを持つ薄
い酸化物層110の場合、6歌eVで1び3原子/地の
リン・イオン・ビーム・ドーズを用いると、450℃で
10分間アニールした後に第3d図に示すN型ドレィン
延部107を得ることができる。ドレィン延部107に
この濃度を用いると、設計されたすべてのゲート電位及
びドレイン電位に対してN型を保つ。最終工程は第3e
図に示すようにアルミニウム鋼の金属ゲート112を付
着し普通にエッチングして電極接点を形成することであ
る。第3a図−第3e図に示す一連の製造工程の期間に
、同じICチップ上に普通のFET論理装置も形成でき
るが、このようにして得られたFET論理装置はチャネ
ル領域と拡散領域とで酸化物の厚さが異なるため、ゲー
ト−拡散領域の容量が減じられる。
第2b図のBBCはソースードレィン電位の変化に対す
るスレショルド電圧の変動を最小にすることによって低
い動作周波数における転送効率を改善する。
これは2つの方法で行なわれ、先ず1つは基板の抵抗率
を下げたことによるものであり、第2はチャネルに最も
近接したドレイン部分の接合の深さをイオン注入領域1
07の使用によって減じたことである。ドレィン−基板
又はドレィンーソース電圧が上昇するとPN接合の空乏
層の中が増加し、チャネルに最も近接するドレィンの垂
直側部では、空乏層がチャネル領域へ次第に侵入してチ
ャネル長を実質的に減じる。空乏領域が拡がると、ゲー
トの下に連続的な空乏領域が形成され、その表面電荷キ
ャリア濃度はゲートの電圧に従わなくなる。これはスレ
ショルド電圧がソースードレィン電圧に敏感になったこ
とを意味し、これは短チャネル効果として考えられてい
る。基板の導電度を増すことにより、ドレィンー基板電
圧の変化に伴うドレィン空乏層の厚さの変化の割合が減
少し、これによってドレイン−基板電圧に対する有効チ
ャネル長の変化率を減少させ、ひいてはドレィン−基板
電圧に対するスレショルド電圧の感度を減少させる。
イオン注入された浅いドレィン延部107を設けること
により、ドレィン空乏層は浅いドレイン延部107を取
り囲む、基板表面に近接した領域に局限これらることに
なり、この領域ではゲートによって電荷キャリアの制御
を充分に行なうことができる。
チャネル領域におけるソースードレィン間の空乏層の合
体はもっと理想的な長いチャネルのFETにおけるよう
に表面近くで生じるから、スレショルド電圧はドレィン
ー基板又はドレィンーソースの電圧変化に対して一層敏
感でなくなる。BBCにおいては、ソースードレイン電
圧又はドレィンー基板電圧に対してスレショルド電圧が
敏感でないということは、先行する電荷信号あるし、は
後続する電荷信号の2進値に関係なく所与の2進値に対
して同じ量の電荷を一貫して転送するための不可欠であ
る。
もし前後の電荷信号に対して従属的であると、ある2進
値では貯蔵接続点に残留電荷が残されて、これが反対の
2進値に対する電荷信号と共に転送され、累積された誤
りの亀補振中が伝搬されることになる。従って、本発明
に従って基板導電率を増加させ且つイオン注入されたド
レィン延部107を設けることにより、低い動作周波数
におけるBBCの電荷転送効率を改善できる。チャネル
長が電荷信号の走行時間を支配するような高い周波数で
も、本発明によるBBCは基板導電率が高く且つ有効チ
ャンヌル長が減じられる結果としてチャネル抵抗が低く
なるため、転送効率が本質的に改善される。
第4図は2つの普通のバケット・ブリゲード装置と本発
明による改良されたバケット・ブリゲ−ド装置を用いて
、mSがゼロにあるときの飽和動作モード‘こおけるド
レィンーソース電圧に対するスレショルド電圧の感度(
△VT/△Tos)と設計された有効チャネル長(Lr
)との関係を測定した結果を示すグラフであり、このグ
ラフによれば、1.50肌の基板を用いイオン注入され
たドレィン延部を持つ本発明によるBBCイは、120
瓜の基板で(0.8ム)接合を持つ従来のBBC口や2
0弧の基板で深い(2.7山)接合を持つ従来のBBC
ハに比べて、スレショルド電圧感度が大中に減少し、従
って転送損失が非常に低くなることがわかる。
第5図は本発明のバケット・プリゲード装置において2
00KHzの種々の信号レベルで測定した、段当りの転
送損失(TL/S)と有効チャネル長(Lム)との関係
を示している。
測定した転送損失/段はスレショルド電圧感度による損
失と他のすべての原因による損失の両方を含む。7つの
異なったチャネル長を持つ本発明による装置を、40一
100フエムト・クーロン(FC)(十10‐15クー
ロン)の範囲の異なる電荷信号振中で検査し、その結果
得られた、段当りの転送損失を測定した。
このグラフによると、電荷転送損失/段が電荷信号の振
中に依存する度合が比較的小さく、又全転送損失/セル
も、重大な信号歪を生ずることなく多数のセルを鎖状に
連結できるほどに小さいことがわかる。バケット・ブリ
ゲード装置の電荷転送効率は次の要素の関数である。
1 トラップ及び電荷の漏れによる表面準位の損失。
2 ドレィンーソース電圧によるスレショルド電圧の変
調。
3 ドレィン−基板の寄生容量。
これは、a 一統きのバケット・ブリゲ−ド装置に容量
性負荷をかける。
b CA,?Bの相クロック線に容量性負荷をかける。
本発明のバケット・ブリゲード装置は上記の要素2,3
a,3bを改良することによって電荷転送効率を高める
。チャネル領域105(第2b図)に面しているドレィ
ン延部107の側壁の面積が小さいから、ドレィン延部
107を取り囲む空乏層の厚さの変動が有効チャネル長
に与え影響が少なくなる。又第2b図の面と平行なドレ
ィン延部lo7の側壁の面積が4・さし、から、ドレィ
ン延部107と基板102の間の容量性結合が減じられ
る。これらの構造的な改善により、バケット・ブリゲー
ド装置の上限カット・オフ周波数が高められ且つ電荷転
送効率が高められる。
【図面の簡単な説明】
第laは従来のバケット・ブリゲード装置の平面図、第
lb図は第la図の線lbに沿った断面図、第lc図は
第la図の線lcに沿った断面図、第ld図は第la図
のバケット・プリゲード装置の電気回路図、第2a図は
本発明の第1の実施例の平面図、第2b図は第2a図の
線2bに沿った断面図、第2c図は第2a図の線2cに
沿った断面図、第2d図は第2a図の装置の電気回路図
、第3a図、第3b図、第3c図、第3d図、第3e図
は第2a図のバケット・ブリゲード装置を製造する種々
の段階を示す断面図、第4図はソースードレイン電圧に
対するバケット・ブリゲード装置のスレショルド電圧の
感度と有効チャネル長の関係を示すグラフ、第5図は段
当りの転送損失と有効チャネル長の関係を示すグラフで
ある。 102・・・半導体基板、104,104′・・・拡散
領域、105・・・チャネル領域、106,106′・
・・厚い酸化物層、107・・・イオン注入ドレィン延
部、110・・・薄い酸化物層、112,114・・・
ゲート電極。 F‘G.・o FIG.lb FIG.IC FIG.・d FIG.20 弊‐ FIG.2C FIG.30 FIG.3b FIG.3c FIG.3d FIG.30 FIG.4 FIG.5

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 第1導電型の半導体基板と、該半導体基板に設けら
    れた第2導電型の第1拡散領域と、上記半導体基板に上
    記第1拡散領域から間隔をあけて設けられた第2拡散領
    域と、上記第1拡散領域と第2拡散領域の間にあつて、
    該第2拡散領域と直列に接続され且つ上記第1拡散領域
    との間に間隔を置いて該間隔の領域にチヤンネル領域を
    形成し、且つ上記第1拡散領域及び第2拡散領域よりも
    厚さの薄い、ドレイン領域として働くイオン注入領域と
    、上記チヤンネル領域及びイオン注入領域の半導体基板
    表面に形成された第1絶縁層と、上記第1拡散領域及び
    第2拡散領域の半導体基板表面に形成された上記第1絶
    縁層よりも厚い第2絶縁層と、上記第1絶縁層上に形成
    されたゲート導体層とより成るバケツト・ブリゲード装
    置。 2 特許請求の範囲第1項において、上記第1拡散領域
    及び第2拡散領域は略U字状断面領域を与えるように形
    成され、上記第2絶縁層が該U字状領域内に延びている
    バケツト・ブリゲード装置。 3 特許請求の範囲第1項又は第2項において、上記第
    1絶縁層の厚さが一様であり、上記イオン注入領域の厚
    さが500−2000Åであるバケツト・ブリゲード装
    置。 4 特許請求の範囲第1項、第2項又は第3項において
    、上記半導体基板の抵抗率が1,3−1.7Ωcmであ
    るバケツト・ブリゲード装置。
JP53039807A 1977-06-24 1978-04-06 バケツト・ブリゲ−ド装置 Expired JPS6022833B2 (ja)

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US809876 1977-06-24

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JPS5410685A (en) 1979-01-26
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