JPS6233469A - Mis field defect transistor - Google Patents

Mis field defect transistor

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JPS6233469A
JPS6233469A JP17341585A JP17341585A JPS6233469A JP S6233469 A JPS6233469 A JP S6233469A JP 17341585 A JP17341585 A JP 17341585A JP 17341585 A JP17341585 A JP 17341585A JP S6233469 A JPS6233469 A JP S6233469A
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JP
Japan
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film
gate
silicon oxide
silicon
threshold voltage
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JP17341585A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuro Ikeda
康郎 池田
Mitsuru Sakamoto
充 坂本
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Publication of JPS6233469A publication Critical patent/JPS6233469A/en
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Abstract

PURPOSE:To contrive the improvement in hot electron resistance by the quantity of channel doping consequent on miniaturization by using the insulating film which prevents the impurity diffusion except that of silicon oxide at least in a part of a gate film and using the electrode having a work function difference from that of the substrate which is of a positive value or a negative value close to zero for the gate electrode. CONSTITUTION:On a P-type silicon substrate 101, an N<+> type diffusion region 102 for forming source and drain, a gate film 103 of nitrided silicon oxide which is formed by directly nitriding the 20-50Angstrom thickness of surface region of a silicon oxide film, and P-type polysilicon gate electrode 104 in which boron is diffused by about 1X10<20> concentration are formed. The polysilicon gate 104 doped with boron and the film 103 in which the surface region of 20-50Angstrom thickness of a silicon oxide film is converted into nitrided silicon oxide are combined so as to make a threshold voltage a positive value by a small quantity of channel doping. Accordingly, generation of hot electrons in a miniaturized MIS transistor can be restrained and a transistor having a stable threshold voltage can be fabricated.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 果トランジスタの構造に関するものである。[Detailed description of the invention] [Industrial application field] This relates to the structure of the transistor.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、nチャンネルMO8電界効果トランジスタでは、
第3図に示すように、ゲート膜303に二酸化シリコン
、ゲート電極204にアルミニウム又は、口1型の不純
物を含んだ多結晶シリコンを用いている。な8.302
は拡散層領域、305は素子分離領域である。上記の如
きMIS型トランジスタを微細化すると、短チャンネル
化に伴って、耐圧や閾値電圧が低下する。上記の現象を
防止し、閾値電圧を制御するため、通常は、チャンネル
領域にイオン注入法により不純物をドーピングしている
(以後チャンネル・ドープと記す)。
Conventionally, in an n-channel MO8 field effect transistor,
As shown in FIG. 3, silicon dioxide is used for the gate film 303, and aluminum or polycrystalline silicon containing type 1 impurities is used for the gate electrode 204. Na8.302
3 is a diffusion layer region, and 305 is an element isolation region. When MIS transistors such as those described above are miniaturized, the withstand voltage and threshold voltage decrease as the channel becomes shorter. In order to prevent the above phenomenon and control the threshold voltage, the channel region is usually doped with impurities by ion implantation (hereinafter referred to as channel doping).

〔発明がM決しようとする問題点〕[Problems that the invention attempts to resolve]

上述した従来のチャンネル・ドープによる閾値電圧制御
法では、チャンネル長が短かくなるほど、チャンネル・
ドープ量は多くなる。従って、ピンチオフ状態でのドI
/イン空乏層の伸びが小さくなり、ド1/イン端での電
界が強くなる。その結果、キャリア増倍現象が起り、ホ
ットキャリアが発生し、ゲート酸化膜中ヘキャリアの一
部が注入されるようになる。注入されたキャリアの一部
は、酸化膜中のトラップ準位に捕獲されるため、膜中ζ
こ電荷が生じ、閾値電圧を変動させる。この閾値電圧の
変動が、MOSトランジスタの微細化を妨げている。
In the conventional threshold voltage control method using channel doping described above, the shorter the channel length, the more the channel
The amount of dope increases. Therefore, in the pinch-off state,
The extension of the /in depletion layer becomes smaller, and the electric field at the do1/in end becomes stronger. As a result, a carrier multiplication phenomenon occurs, hot carriers are generated, and some of the carriers are injected into the gate oxide film. Some of the injected carriers are captured by trap levels in the oxide film, so ζ in the film
This charge is generated and changes the threshold voltage. This variation in threshold voltage hinders the miniaturization of MOS transistors.

ドレイン端における電界を弱め、しかも、閾値電圧をf
ltll Nする手段の一つとして、ゲートをp+型に
する事が知られている。つまり、シリコン基板とp 型
多結晶シリコンとの仕事関数差〔0,4v<pm基板)
、0.9V(n型基板) 、l ヲflJ用して、閾値
電圧を上昇させ、チャンネル・ドープ1を減少させる訳
である。しかし、多結晶シリコンをp+型(こするため
に用いられるホウ素は設化1摸中でも拡散し易く、ゲー
ト電極中のホウ素が酸化膜中や、その下のチャンネル領
域へ拡散してしまい、フラットバンド電圧が変化し、閾
値電圧が変化してしまうなど大きな欠点があった。
The electric field at the drain end is weakened, and the threshold voltage is reduced to f
It is known that one way to achieve ltllN is to make the gate p+ type. In other words, the work function difference between the silicon substrate and p-type polycrystalline silicon [0.4v<pm substrate]
, 0.9V (n-type substrate), l wo flJ to increase the threshold voltage and decrease the channel dope 1. However, polycrystalline silicon is p There were major drawbacks, such as the voltage changing and the threshold voltage changing.

また、ゲート電極にチタン、タングステン、クンタル、
ニオブ、モリブデン、パラジウム、ロジウム、ニッケル
、セトン、白金など仕事関数値の比較的高い金属や、そ
れらのシリサ・fドを用いて、閾値電圧を制御すること
も町i鋲であるが、これら金属やそのシリサイドは、S
lやSio2と反応性の高いものが多く、閾値電圧が不
安定になる場合が有った。
In addition, titanium, tungsten, Kuntal,
It is also possible to control the threshold voltage using metals with relatively high work function values such as niobium, molybdenum, palladium, rhodium, nickel, setone, and platinum, as well as their silica and f-do; and its silicide is S
Many of them were highly reactive with l and Sio2, and the threshold voltage sometimes became unstable.

本発明は、上記した従来の欠点を除去し、微細化に伴う
チャンネル・ドープの量を減少させ、それによってホッ
トエレクトロン耐性を向上し、安定なトランジスタ特性
が得られるMIS型電界効トランジスタを提供すること
を目的とする。
The present invention provides an MIS field effect transistor that eliminates the above-mentioned conventional drawbacks, reduces the amount of channel doping accompanying miniaturization, improves hot electron resistance, and provides stable transistor characteristics. The purpose is to

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明のMIS型電界トランジスタは、MIS型′成界
効果トランジスタに3いて、ゲート膜の少なくとも一部
に、酸化ケイ素以外の不純物拡散を防止する絶縁膜を用
い、かつゲート電池に基板との仕事〃数差が正又は零に
近い負の値を持つ電極を用いることにより、溝成される
The MIS type field effect transistor of the present invention is a MIS type field effect transistor in which an insulating film that prevents diffusion of impurities other than silicon oxide is used in at least a part of the gate film, and the gate cell has a high resistance to the work with the substrate. Grooves are formed by using electrodes in which the numerical difference is positive or has a negative value close to zero.

な2ゲート膜として−は、酸化ケイ素膜の表面部つ素を
添〃口した多結晶シリコンを用いることにより効果的に
実権することが出来る。
The two-gate film can be effectively controlled by using polycrystalline silicon doped with silicon on the surface of a silicon oxide film.

また、ゲート膜として、酸化ケイ素の表面部電極に高融
点金属またはそのシリサイドを用いることにより同様に
実施できる。
Furthermore, the same method can be implemented by using a high melting point metal or its silicide for the silicon oxide surface electrode as the gate film.

〔笑り例〕[Laughter example]

次に、本発明(こついて図面を参照して説明する。 Next, the present invention will be explained with reference to the drawings.

第1図は本発り〕の−実施例の縦断面図である。FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an embodiment of the present invention.

第1図において、101はp型シリコン基板、102は
ソースドレインを形成するn 型拡散領域、103は酸
化ケイ素膜の表面部20〜50λの膜厚領域を直接窒化
し、窒化酸化ケイ素としたゲート膜、104はホウ素を
濃度lXl0”程度に拡散したp+型多結晶シリコンゲ
ート電極である。
In FIG. 1, 101 is a p-type silicon substrate, 102 is an n-type diffusion region forming a source/drain, and 103 is a gate made of silicon nitride oxide by directly nitriding the surface area of a silicon oxide film with a thickness of 20 to 50λ. The film 104 is a p+ type polycrystalline silicon gate electrode in which boron is diffused to a concentration of about 1X10''.

閾値電圧は、基板の不純物濃度とゲート膜の膜厚と多結
晶シリコンゲート電極中のホウ素濃度とによって制御さ
れる。ゲート電極直下の基板のホウ素濃度がlXl0”
c1rL−”の時、p+型ゲート電唖と、基板の仕事関
数差は、約0.35eVになる。
The threshold voltage is controlled by the impurity concentration of the substrate, the thickness of the gate film, and the boron concentration in the polycrystalline silicon gate electrode. The boron concentration of the substrate directly under the gate electrode is lXl0”
c1rL-'', the work function difference between the p+ type gate electrode and the substrate is approximately 0.35 eV.

酸化ケイ素膜の表面を直接窒化することによって形成さ
れた窒化酸化ケイ素膜は、20X程度の膜厚で、ゲート
電極中のホウ素がゲート膜中に拡散するのを防ぐ。また
、このゲート膜は誘電率が熱酸化膜とほとんど変わらな
いため、閾値電圧を低下させるようなことはない。また
、ゲート膜の殆んどの領域を窒化酸化ケイ素に変換した
場合、ゲート膜中のトラップ準位が増加するが、上記の
膜では比較的少ない。以上のように、ホウ素を添加した
多結晶シリコンゲートと、酸化ケイ素膜の表面部20〜
50人の膜厚領域を窒化酸化ケイ素で変換した膜を組合
わせることにより少ないチャンネル・ドープ景で閾値電
圧を正の値にすることができる。これ番こよフて微細化
されたMIS型トランジスタに2けるホットエレクトロ
ンの発生を抑え、安定な閾値電圧を持ったトランジスタ
を作ることができる。
A silicon nitride oxide film formed by directly nitriding the surface of a silicon oxide film has a thickness of about 20× and prevents boron in the gate electrode from diffusing into the gate film. Furthermore, since the dielectric constant of this gate film is almost the same as that of a thermal oxide film, the threshold voltage will not be lowered. Further, when most of the region of the gate film is converted to silicon nitride oxide, the trap levels in the gate film increase, but the number of trap levels in the above film is relatively small. As described above, the polycrystalline silicon gate doped with boron and the surface portion 20 of the silicon oxide film
By combining a film obtained by converting the film thickness region of 50 mm with silicon nitride oxide, the threshold voltage can be made to a positive value with a small amount of channel doping. This greatly reduces the generation of hot electrons in miniaturized MIS transistors, making it possible to create transistors with stable threshold voltages.

以上の説明は、103のゲート膜を、シリコン基板を直
接窒化した窒化ケイ素膜に換えてもゲート膜の誘電率が
変わるだけで、まったく同様である。また、基板を口型
に換えても同様の議論ができる。
The above explanation is exactly the same even if the gate film 103 is replaced with a silicon nitride film obtained by directly nitriding the silicon substrate, except that the dielectric constant of the gate film changes. A similar argument can be made even if the board is replaced with a mouth-shaped board.

第2図は、本発明の他の実施例の縦断面図である。第2
図において、201はp型シリコン基板、202はソー
ス・ドレインを形成するロ 型拡散領域、203は酸化
ケイ素膜の表面部20〜50人の膜厚領域を窒化酸化ケ
イ素に変換したゲート膜、204は、白金のゲート電極
である。白金の仕事関数は約5.6eVで、シリコン基
板との仕事関数差は約0.6e’Mこなる。上記のゲー
ト膜は白金と反応を起し1こくく、白金のゲート膜中へ
の拡散も少ない。よって、第1図の場合と同様に、閾値
電圧を安定に制御できる。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of another embodiment of the invention. Second
In the figure, 201 is a p-type silicon substrate, 202 is a rectangular type diffusion region forming a source/drain, 203 is a gate film obtained by converting the surface area of a silicon oxide film with a thickness of 20 to 50 mm into silicon nitride oxide, and 204 is a platinum gate electrode. The work function of platinum is about 5.6 eV, and the difference in work function from that of the silicon substrate is about 0.6 e'M. The above-mentioned gate film reacts with platinum less than once, and the diffusion of platinum into the gate film is also small. Therefore, as in the case of FIG. 1, the threshold voltage can be stably controlled.

以上の説明の中で、料のゲート電極に、チタン、タング
ステン、タンタル、ニオブ、モリブデン、パラジウム、
ロジウム、ニッケル、セレンナトの金属や、それらのシ
リサイドを用いても全く同様である。また、ゲート膜と
して、シリコンを直接窒化した窒化ケイ素膜を用いても
同様である。
In the above explanation, titanium, tungsten, tantalum, niobium, molybdenum, palladium,
The same effect can be obtained using metals such as rhodium, nickel, and selenium, and their silicides. Further, the same effect can be obtained by using a silicon nitride film obtained by directly nitriding silicon as the gate film.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、本発明は、酸化ケイ素膜の表面部
20〜50尺膜厚領域を窒化ケイ素や、窒化酸化ケイ素
に変換した膜のような、不純物拡散を防止するゲート膜
と、基板との仕事関数差が正及び零に近い負の値を持つ
ように不純物添加した多結晶シリコン或いは、仕事関数
値の比較的多きな金4やそのシリサイドを用いたゲート
電圧を組合わせて閾値電圧のiii!Inを行なうこと
により、微細化に伴うチャンネルドープの量を減少させ
、それによって、ホットエレクトロン耐性を向上し、安
定なトランジスタ特性を得ることができるという効果が
ある。
As explained above, the present invention provides a gate film that prevents impurity diffusion, such as a film in which the surface area of a silicon oxide film with a thickness of 20 to 50 cm is converted to silicon nitride or silicon nitride oxide, and a substrate. The threshold voltage can be adjusted by combining the gate voltage using polycrystalline silicon doped with impurities so that the work function difference between the iii! The use of In reduces the amount of channel doping accompanying miniaturization, thereby improving hot electron resistance and providing stable transistor characteristics.

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

第1図は本発明の一部1例の縦断工酊図、42閃は本発
明の他の実・洩例の1縦断面図、第3国は従来のMO3
型′1:を界効渠トランジスタの横断面図である。 101.201.301・・・・・・p型シリコン基板
、102.202.3oL・・・・・・拡散層領域、1
03゜203・・・・・・少なくとも一部に酸化ケイ素
膜以外の不純物拡散防止絶謙膜を用いたゲート膜、30
3・・・・・・ゲート膜(二酸化シリコン膜)、104
・・・・・。 ホウ素を添加した多結晶シリコンゲート電!′厘、20
4・・・・・・白金ゲート・1極、304・・・・・・
ゲー ト′1厘(アルミニウム又はn 型多7清晶シリ
コン)。 105.205,305・・・・・・素子分離領域。 π′ 代理人 弁1士  内 原   、ヨ、  \1牟 1
 目 篇42  図
Figure 1 is a longitudinal sectional view of one example of a part of the present invention, 42 is a longitudinal sectional view of another example of the present invention, and the third country is a conventional MO3
FIG. 2 is a cross-sectional view of a type '1: field effect transistor. 101.201.301...p-type silicon substrate, 102.202.3oL...diffusion layer region, 1
03゜203...Gate film using impurity diffusion prevention film other than silicon oxide film at least in part, 30
3...Gate film (silicon dioxide film), 104
・・・・・・. Boron-doped polycrystalline silicon gate electrode! 'Rin, 20
4...Platinum gate, 1 pole, 304...
Gate '1' (aluminum or n-type polycrystalline silicon). 105.205,305...Element isolation region. π' Agent Ben 1st Attorney Uchihara, Yo, \1mu 1
Part 42 Figure

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、MIS型電界効果トランジスタにおいて、ゲート膜
の少なくとも一部に、酸化ケイ素以外の不純物拡散を防
止する絶縁膜を用い、かつゲート電極に基板との仕事関
数差が正又は零に近い負の値を持つ電極を用いる事を特
徴とするMIS型電界効果トランジスタ。 2、ゲート膜として、酸化ケイ素膜の表面部20〜50
Åの膜厚領域を窒化ケイ素或いは、窒化酸化ケイ素に変
換した膜を用い、かつゲート電極にホウ素を添加した多
結晶シリコンを用いる特許請求の範囲第(1)項記載の
MIS型電界効果トランジスタ。 3、ゲート膜として、酸化ケイ素膜の表面部20〜50
Åの膜厚領域を窒化ケイ素或いは、窒化酸化ケイ素に変
換した膜を用い、かつゲート電極に高融点金属またはそ
のシリサイドを用いる特許請求の範囲第(1)項記載の
MIS型電界効果トランジスタ。
[Claims] 1. In an MIS field effect transistor, an insulating film that prevents diffusion of impurities other than silicon oxide is used in at least a part of the gate film, and the gate electrode has a positive or negative work function difference with the substrate. An MIS type field effect transistor characterized by using an electrode having a negative value close to zero. 2. Surface portions 20 to 50 of silicon oxide film as gate film
The MIS field effect transistor according to claim 1, wherein a film having a film thickness of 1.5 Å is converted to silicon nitride or silicon nitride oxide, and the gate electrode is made of boron-doped polycrystalline silicon. 3. Surface portions 20 to 50 of silicon oxide film as gate film
The MIS field effect transistor according to claim 1, wherein a film having a film thickness of 1.5 Å is converted to silicon nitride or silicon nitride oxide, and the gate electrode is made of a high melting point metal or its silicide.
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