JPS61116875A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS61116875A
JPS61116875A JP25272085A JP25272085A JPS61116875A JP S61116875 A JPS61116875 A JP S61116875A JP 25272085 A JP25272085 A JP 25272085A JP 25272085 A JP25272085 A JP 25272085A JP S61116875 A JPS61116875 A JP S61116875A
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憲 山口
Yasuhiro Shiraki
靖寛 白木
Yoshifumi Katayama
片山 良史
Yoshimasa Murayama
村山 良昌
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、改良された電界効果型半導体装置に関し、特
に高集積化された電界効果型半導体装置に関するもので
ある。
〔従来の技術〕
電界効果型半導体装置(以下、FETと略記)の性能の
向上を図るには、チャネル長を短かくすることが効果的
である。しかし、短チヤネル化に伴い、パンチスルー現
象と呼ばれる望ましくない現象が生ずる。これについて
、以下、MO8型半導体装置を用いて説明する。
従来のMO3型半導体装置は第1図に示すように半導体
基板1と、この基板lに形成されたソース・ドレーン拡
散領域2,2′と、前記基板l上に形成されたゲート絶
縁膜3と、このゲート絶縁1摸3上に設けられたゲート
電極4とを具備した構造になっている。このような構造
は例えば、特公昭45−12097号公報等に開示され
ている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
このMO3型半導体装置特に高集積化を目的とする短チ
ャネルのMOSFETにおいては、印加されたドレーン
電圧vDDによって起こるソース・ドレーン間のパンチ
スルー現象のため、サブスレショールド領域におけるド
レーン電流−ゲート電圧特性が悪化する。即ち短チャネ
ルMO8型半導体装置では、長チャネルMO8型半導体
装置に比べて、ソース・ドレーン間にパンチスルー電流
が流れてドレーン電流が完全にピンチ・オフしないとい
う好ましくない特性である。例えばダイナミックRAM
のような集積回路においては、情報として容積された電
荷がパンチスルー電流によって漏れてしまうのである。
こうした現象はMO8型半導体装置 (MOSFET)にカニかわらず、接合ゲート型半導体
装置や、金属−半導体接触ゲート型半導体装置等、広く
みられる現象である。
ン        本発明は、かかるパンチスルー電流
を押え、短チヤネル電界効果型半導体装置に良好な動作
を行えるよう改良を加えた構造を提案するものである。
従来のMO3型半導体装置として、ゲート絶縁膜と基板
との界面に基板と同型の不純物をもつ高濃度層を形成し
た構造のものが知られている。しかし、このような構造
にあっては、その高濃度層より深い所でパンチスルー電
流が流れるため、前記サブスレショールド領域特性が全
く改善されず効果がない。さらにこの構造では、高濃度
層のためにスレショールド電圧(7丁)が高くなりすぎ
るし、その高濃度層のゆらぎによるvTの変動が著しい
欠点がある。
〔問題点を解決する為の手段〕
これに対し、本発明では、上記欠点を解消するために、
半導体基板の不純物濃度を著しく低くし、不純物濃度分
布によるゆらぎをなくし、さらにパンチスルー電流が流
れる原因となるキャリヤ分布の空間的広がりを押えるた
め、基体と絶縁膜との界面に非常に近い位置にソース(
あるいはドレイン)不純物と反対導電型の不純物を高濃
度に含む−厚さの薄い層を形成し、さらに、いわゆるト
レイン空乏層の空間的広がりを押える為、ソース(ある
いはドレイン)不純物と反対導電型の不純物層を、ボテ
ンシアル線の広がり易い位置に1層又は複数層具備させ
ることにより、パンチスルーを押え良好な特性を示す短
チヤネル電界効果型半導体装置を提供するものである。
〔作用〕
短チャネルMO3型半導体装置において、パンチスルー
電流が流れるのは、ドレイン空乏層がソース側へ向って
のび、ドレイン空乏層とソース空乏層が直接影響し合う
為である。こうした様子を計算機シミュレーションを使
って明らかにしたのが、第2図である0図では、ドレイ
ン2′をとりかこむ様につつんでいる等ボテンシアル線
5がソース側へ向ってふくらみ、又、通常のパンチスル
ーしていない状態で基体と絶縁膜の界面近傍を流れる電
流6が、界面から離れ、基体深さ方向に広がりをまして
いる。こうした電流分布の空間的広がりは、チャネル長
を短かくすればする程著しく。
従って、大きなパンチスルー電流が流れる。
本発明では、パンチスルーを押える為、2つの重要な概
念を明確にしている。そのlは、第2図に示されるよう
な電流分布の空間的広がりを押え、1次元的な電流分布
を実現することが重要な点。
第2は、等ボテンシアル線のふくらみが、ソース側へ向
ってのびて行くことを押さえること。即ちドレイン電界
の空間的・電気的遮蔽効果である。
上記2つの重要な概念を実現する為、半導体基体に設け
る特別の不純物層は、最低1.J必要となる。即ち、第
一層は、界面に非常に近い位置に、第二層はボテンシア
ルのふくらみの最も大きい位置であり、この二層は、ソ
ース(又はドレイン)不純物と反対導電性不純物で形成
されなければならない。しかも、上記2つの概念を効果
的に実現させるには、不純物の濃度は高く、且つ、寸法
的には薄い層を形成させる必要がある。
なお、このようにソース(又はドレイン)不純物と反対
導電型不純物層を2層あるいはそれ以上設けると、しき
い電圧が高くなりすぎる欠点が生ずる。しかし、このし
きい電圧の上昇は、ソース(又はトレイン)不純物と同
一型不純物層を付加することにより、容易に制御可能で
ある。
第3図に、本発明によるNfO8型半導体装置の素子内
部の動作を解析した計算機シミュレーションの1つの結
果を示す。図から明らかな如く、電流分布は界面近傍に
限定され、即ち、1次元的分布となり、さらにポテンシ
アル分布(等高線表示)も又、ドレイン側でピンニング
効果の表われていることか示されている。
さらに、計算機シミュレーションにより得られたしきい
電圧のチャネル長依存性の結果を第4図に示す。従来構
造MO5型半導体装置42にくらべ1本発明による改良
型MO5型半導体装置41では、しきい電圧変動がサブ
ミクロン領域まで押えられていることが分る。又、参考
資料として、本発明であげた2つの重要な概念の内、一
方、たとえば、ポテンシアル分布の空間的広がりを押え
ることを欠いた場合の解析結果43を第4図に併)  
   記しである。図にみられる如く、2つの概念を同
お 時に満足させて、はじめて短チヤネルMO8型半導体装
置を良好に間作させることが可能となる。
こうした特別の不純物層による遮蔽効果は、MOS型の
みならずFETデバイス一般に適用できることは言うま
でもない。
〔実施例〕
以下1本発明を実施例を参照して詳細に説明する。
第5図に示した半導体装置において、比抵抗20Ω・1
位の低不純物濃度P型(+00)シリコン基板11に対
し、分子線エピタキシアル法を用い、ボロンが面密度I
 X l 012an−2ドープされた厚さのきわめて
薄いP十型Si層12を形成し。
続いてP−型SiLビを30−On mの厚さだけ堆積
させる。ここで、ボロンを面密度3 X 1012ca
n−”ドープして第2のP生型S i 11113を形
成し。
再びp″″型シリコン11を厚さ15nm堆積した後、
ヒ素を面密度2 X 10121備−2ドープしn型S
i層14を形成する。さらにp−型シリコン11“′を
15nm堆積することにより、表面よりn”+P”+P
+型の3層を有する基板を形成する。なお、ti’ 、
ii’、tt=の比抵抗は11の比抵抗と同程度とした
これらの作製法で、それぞれの不純物層は厚すぎても、
薄すぎても効果の薄らぐことが確認された。最適設計値
は厚みに対して10〜200人であり、不純物濃度(框
位面積当り)はI X 1012cm−2〜] X 1
013cm−2の範囲であった。
このようにして作られた基板をもとに、ゲート酸化膜1
5を20nmの厚さに形成し、ゲート電極16を形成す
る。さらに、ゲートをマスクとしてソース17.ドレイ
ン18のN”FJを深さ0.3μmにわたり形成するこ
とにより、MO3型1−’ E Tを製造した。
上記半導体装置の電流−電圧特性を第6図に示す。この
半導体装置の実効チャネル長は0.5μmであった。こ
のように、短チヤネルMO8型半導体装置において、従
来の構造ならばパンチスルーにより正常な動作を得られ
なかったような領域においてさえも、良好な電気的特性
を得ることが可能となった。
次に、ガリウム・ヒ素半導体装置についても本発明の有
効性を示す。第7図は半絶縁性(Ga A s )基板
7Iと動作層73との間に1本発明で提案している高濃
度茫層72を介在させたMQS型ト’ E Tの構造を
示している。もし、高濃度薄層72がないと第2図と同
様、等電位綿はトレイン76側からソース74側へ向っ
て、線分72にそってのびて行き、短チヤネル装置では
、パンチスルーが生ずる。しかしながら、高濃度薄層7
2を具備させることにより、等電位線の伸びをおさえ、
パンチスルーを生ぜしめずにすむことが確認された。7
5はゲートである。
同様の効果は、半導体装置の基板が1種類の材料だけで
ない場合、例えば、バンドギャップの異なる半導体と混
在するような場合にも有効であることを示す。
第8図は半絶縁性G aA s基板81の上に、高濃度
GaAs:′!IJ!y82.A性Ga A F1層8
3を類火製造した後、ガリウム・アルミニウム・ヒ素化
合物半導体層84を設けた構造の゛ト導体装置を、第9
図は第8図のガリウム・アルミニ1ツム・ヒ素化合物半
導体層84を高6度薄層94に形成し7、さらに、真性
半導体(G a A s )層95を形成した構造を示
している。どちらの半導体装置も、高濃度薄届を介在さ
せたことによる特性の改善を確認できた。
〔発明の効果〕
以上説明したごとく本発明によれば、実効ゲート長で1
μm以上のサブミクロン領域までパンチスルーを起こす
ことなく良好な電気的特性を示す半導体装置を実現でき
る。短チヤネル化による半導体装置の高性能化を実現さ
せるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は、従来のMOSFETを説明する図、
第3図、第4図は本発明のMO8F″ETを説明する図
、第5図、第6図、第7図、第8図。 第9図は本発明の実施例を示す図である。 11・・・p−型シリコン基板、 f       1ビ、11’、1ビ・・・P−型シリ
コン層、12.13・・・P十型シリコン層、l’l・
・・n生型シリコン居。 盲 j 図 下2図    下3図 篤 4  図 実Tj4ヤ〉オル4. (メOパノ 第  5  図 冨 6 図 にしイ)喝シ伝(γ)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.2つ以上から成る第1のオーミック性電極と第2の
    制御性電極を有する半導体装置において、基体の不純物
    濃度より高く、且つ、基体不純物と同一又は反対導電型
    の不純物層を基体内部及び基体表面に、10〜200Å
    の厚さにして少なくとも1層以上具備したことを特徴と
    する半導体装置。
  2. 2.基体内にバンドギャップの異なる半導体層を有する
    特許請求の範囲第1項記載の半導体装置。
  3. 3.不純物濃度と層の厚さの積が1×10^1^2cm
    ^−^2以上、1×10^1^3cm^−^2以下とな
    るような不純物層を有する特許請求の範囲第1項記載の
    半導体装置。
  4. 4.基体表面より基体内部へ向って、ソース(あるいは
    ドレイン)不純物と同一導電型不純物を1層、次いで反
    対導電型不純物を2層の順で具備したことを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の半導体装置。
JP25272085A 1985-11-13 1985-11-13 半導体装置 Granted JPS61116875A (ja)

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