KR100286490B1 - Semiconductor device - Google Patents

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KR100286490B1
KR100286490B1 KR1019950029799A KR19950029799A KR100286490B1 KR 100286490 B1 KR100286490 B1 KR 100286490B1 KR 1019950029799 A KR1019950029799 A KR 1019950029799A KR 19950029799 A KR19950029799 A KR 19950029799A KR 100286490 B1 KR100286490 B1 KR 100286490B1
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이와이히로시
사이토마사노부
오구로다츠야
오노미즈키
요시토미다카시
나쿠무라신이치
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니시무로 타이죠
가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

본 발명은, MIS형 FET의 구동력을 향상시키기 위한 것으로, p형 기판(1)상에 절연막(3)을 매개로 게이트전극(2)이 형성되고, 기판(1)의 게이트전극(2) 바로 아래의 채널형성영역(4) 양측에는 n형 소스/드레인영역(5, 6)이 형성되며, 절연막(3)은 Tox가 2.5nm미만으로 되고, 게이트전극(2)의 길이(Lg)는 0.3㎛ 이하로 된다. 또 FET는 전원전압이 1.5V 이하의 회로에서 사용하는 것이 바람직하다.The present invention is to improve the driving force of the MIS-type FET, the gate electrode 2 is formed on the p-type substrate 1 via the insulating film 3, the gate electrode 2 of the substrate 1 immediately N-type source / drain regions 5 and 6 are formed on both sides of the channel formation region 4 below, the insulating film 3 has a Tox of less than 2.5 nm, and the length Lg of the gate electrode 2 is 0.3. It becomes micrometer or less. In addition, the FET is preferably used in a circuit having a power supply voltage of 1.5 V or less.

본 발명에 의하면, 구동전력(1) 및 컨덕턴스(gm)가 향상되고, 터널전류(Id2)를 감소시키는 것이 가능하다.According to the present invention, it is possible to improve the driving power 1 and conductance gm and to reduce the tunnel current Id2.

Description

반도체장치Semiconductor device

제1도는 본 발명의 제1실시예에 따른MOS형 트랜지스터의 구조를 나타낸 소자단면도,1 is a device cross-sectional view showing the structure of a MOS transistor according to a first embodiment of the present invention;

제2도는 제1도에 나타낸 트랜지스터의 불순물농도 프로파일도,2 is an impurity concentration profile diagram of the transistor shown in FIG.

제3도는 동 트랜지스터의 핫캐리어 스트레스(Vd=2.5V, lsubmax, 1000초 스트레스 인가)하의 상호컨덕턴스의 열화량의 게이트산화막 두께 의존성을 나타낸 곡선도,3 is a curve diagram showing the gate oxide film thickness dependence of the deterioration amount of the mutual conductance under the hot carrier stress (Vd = 2.5V, lsubmax, 1000 sec stress applied) of the transistor;

제4도는 동 트랜지스터의 터널전류(Ig)의 게이트길이(Lg)의존성을 나타낸 곡선도(W=10㎛),4 is a curve diagram showing the dependence of the gate length Lg of the tunnel current Ig of the transistor (W = 10 μm),

제5도는 동 트랜지스터의 드레인전류(IdO)의 게이트길이(Lg)의존성을 나타낸 곡선도(W=10㎛),5 is a curve diagram (W = 10 mu m) showing the dependence of the gate length Lg of the drain current IdO of the transistor;

제6도는 동 트랜지스터의 터널전류(Ig)의 게이트길이(Lg)의존성을 나타낸 곡선도(W=10㎛),6 is a curve diagram (W = 10 μm) showing the dependence of the gate length Lg of the tunnel current Ig of the transistor;

제7도는 동 트랜지스터의 컨덕턴스(gm)의 게이트길이(Lg)의존성을 나타낸 곡선도(W=10㎛),7 is a curve diagram (W = 10 μm) showing the dependence of the gate length Lg of the conductance gm of the transistor,

제8a도는 동 트랜지스터의 기판최대전류(Isubmax)의 게이트길이(Lg)의존성을 나타낸 곡선도(W=10㎛),8A is a curve diagram showing the dependence of the gate length Lg of the substrate maximum current Isubmax of the transistor (W = 10 μm),

제8b도는 트랜지스터의 기판전류(Isub)의 게이트전압 의존성을 나타낸 곡선도(W=10㎛),8b is a curve diagram showing the gate voltage dependence of the substrate current Isub of the transistor (W = 10 mu m);

제9도는 동 트랜지스터의 임팩트 이온화율의 게이트길이(Lg)의존성을 나타낸 곡선도(W=10㎛),9 is a curve diagram showing the dependence of the gate length (Lg) on the impact ionization rate of the transistor (W = 10 mu m),

제10도는 동 트랜지스터의 전류(Ig,Id)의 전원전압(Vd=Vg)의존성을 나타낸 곡선도(Lg=0.14㎛, W=10㎛),10 is a curve diagram showing the dependence of the power supply voltage (Vd = Vg) of the current (Ig, Id) of the transistor (Lg = 0.14 µm, W = 10 µm),

제11도는 동 트랜지스터의 드레인전류(Id)의 전원전압(Vd=Vg)의존성을 나타낸 곡선도,11 is a curve diagram showing the dependence of the power supply voltage (Vd = Vg) of the drain current (Id) of the transistor;

제12도는 동 트랜지스터의 Ig/Id의 전원전압(Vd=Vg)의존성을 나타낸 곡선도,12 is a curve diagram showing the dependence of the power supply voltage (Vd = Vg) of Ig / Id of the transistor;

제13도는 동 트랜지스터의 Ig-Id특성의 게이트길이 의존성을 나타낸 곡선도,13 is a curve diagram showing the gate length dependency of the Ig-Id characteristics of the transistor;

제14도는 동 트랜지스터의 컨덕턴스(gm)의 게이트길이 의존성을 나타낸 곡선도,14 is a curve diagram showing the gate length dependency of the conductance gm of the transistor;

제15도는 본 발명의 트랜지스터의 주요한 특성에 대해 종래의 트랜지스터의 특성을 비교하여 나타낸 곡선도(전원전압 0.5V),FIG. 15 is a curve diagram comparing the characteristics of the conventional transistor with respect to the main characteristics of the transistor of the present invention (power supply voltage 0.5V),

제16도는 캐리어이동도의 실효전계 의존성을 나타낸 곡선도,16 is a curve diagram showing the effective field dependence of carrier mobility;

제17도는 본 발명의 제1실시예에 따른 MOS형 트랜지스터의 컨덕턴스(gm)의 열화(스트레스시간에 대한 상호컨덕턴스의 열화)특성을 나타낸 곡선도,FIG. 17 is a curve diagram showing the deterioration of the conductance (gm) of the MOS transistor according to the first embodiment of the present invention (degradation of mutual conductance with respect to stress time),

제18a도는 본 발명에 따른 반도체장치의 예로, 전 영역의 반도체장치를 본 발명의 MOSFET로 제작한 반도체장치의 구성을 나타낸 개략 설명도,18A is a schematic explanatory diagram showing the configuration of a semiconductor device in which semiconductor devices in all areas are made of the MOSFET of the present invention as an example of the semiconductor device according to the present invention;

제18b도는 일부의 영역에서 본 발명의 MOSFET를 제작한 반도체장치의 구성을 나타낸 개략 설명도,18B is a schematic explanatory diagram showing the structure of a semiconductor device in which the MOSFET of the present invention is manufactured in a part of the region;

제18c도는 주변부영역에서 본 발명의 MOSFET를 제작한 반도체장치의 구성을 나타낸 개략 설명도,18C is a schematic explanatory diagram showing the structure of a semiconductor device including a MOSFET of the present invention in a peripheral region;

제19도는 바이폴라 트랜지스터와 CMOS트랜지스터로 형성한 고속반도체장치의 종래예의 구성을 나타낸 개략 설명도,19 is a schematic explanatory diagram showing a configuration of a conventional example of a high speed semiconductor device formed of a bipolar transistor and a CMOS transistor;

제20도는 Lg=0.09㎛, Tox=1.5nm 트랜지스터의 상호컨덕턴스의 전압 의존성을 나타낸 곡선도,20 is a curve diagram showing the voltage dependence of the interconductance of Lg = 0.09µm and Tox = 1.5nm transistor,

제21도는 상호컨덕턴스의 전원전압 의존성을 나타낸 곡선도,21 is a curve diagram showing power supply voltage dependence of mutual conductance;

제22도는 단위당 전류구동력의 전원전압 의존성을 나타낸 곡선도,22 is a curve diagram showing the power supply voltage dependence of the current driving force per unit,

제23도는 게이트길이(Lg)에 대한 채널전류에 대한 게이트전류비(Ig/Id)를 나타낸 곡선도,23 is a curve diagram showing the gate current ratio Ig / Id to the channel current with respect to the gate length Lg;

제24도는 Tox=1.5nm, Lg=0.2㎛ pMOS 트랜지스터의 특성(Id-Vd특성(a), gm-Vg특성(b))을 나타낸 곡선도,24 is a curve diagram showing the characteristics (Id-Vd characteristic (a), gm-Vg characteristic (b)) of Tox = 1.5 nm, Lg = 0.2 µm pMOS transistor,

제25a도는 Lg=0.4㎛, Tox=9nm 트랜지스터(종래예), Lg=0.1㎛, Tox=3nm 트랜지스터(종래예), Lg=0.14㎛ 및 Lg=0.09㎛, Tox=1.5nm 트랜지스터(본 발명)에 대해, 클럭주파수와 전하의 축적소거 및 서브드레숄드 리크로 결정되는 소비전력의 관계를 나타낸 곡선도,25a shows an Lg = 0.4 mu m, Tox = 9 nm transistor (traditional example), Lg = 0.1 mu m, Tox = 3 nm transistor (traditional example), Lg = 0.14 mu m and Lg = 0.99 mu m, Tox = 1.5 nm transistor (invention) Is a curve diagram showing the relationship between the clock frequency and the power consumption determined by the accumulation elimination and sub-threshold leakage,

제25b도는 클럭주파수와 게이트 리크전류로 결정되는 소비전력성분과의 관계를 나타낸 곡선도,25b is a curve diagram illustrating a relationship between a power consumption component determined by a clock frequency and a gate leakage current;

제26도는 Lg=0.4㎛, Tox=9nm 트랜지스터(종래예), Lg=0.1㎛, Tox=3nm 트랜지스터(종래예), Lg=0.14㎛ 및 Lg=0.09㎛, Tox=1.5nm 트랜지스터(본 발명)에 대해, 모든 트랜지스터와 동일 소비전력, 또는 동일 클럭주파수 조건으로 한 경우의 소비전력과 클럭주파수와의 관계를 나타낸 곡선도,Figure 26 shows Lg = 0.4 mu m, Tox = 9 nm transistor (traditional example), Lg = 0.1 mu m, Tox = 3 nm transistor (traditional example), Lg = 0.14 mu m and Lg = 0.99 mu m, Tox = 1.5 nm transistor (invention) Is a curve diagram showing the relationship between power consumption and clock frequency at the same power consumption or the same clock frequency condition as all transistors,

제27a도는 통상의 터널게이트산화막 MOSFET에 이용되는 각종 두께(Tox)를 갖는 게이트절연막에 대해 Ig-Vg특성을 나타낸 것으로, 보다 많은 종류의 게이트절연막에 대해 나타낸 곡선도,FIG. 27A shows Ig-Vg characteristics of gate insulating films having various thicknesses (Tox) used in conventional tunnel gate oxide MOSFETs. FIG. 27A is a curve diagram showing more types of gate insulating films.

제27b도는 게이트절연막 두께의 정류를 한정하고 그 한정된 종류의 게이트절연막에 대해 상세하게 나타낸 곡선도,27B is a curve diagram showing the rectification of the thickness of the gate insulating film and detailing the gate insulating film of the limited type;

제28도는 터널게이트산화막을 MOSFET에 적용한 경우의 게이트 리크전류와 게이트길이와의 관계를 나타낸 곡선도,28 is a curve diagram showing the relationship between gate leakage current and gate length when a tunnel gate oxide film is applied to a MOSFET;

제29a도는 본 발명에 따른 게이트절연막 보호를 도모한 MOSFET를 이용한 반도체장치의 제조를 종래의 것과 대비하기 위한 회로도,FIG. 29A is a circuit diagram for preparing a semiconductor device using a MOSFET with a gate insulating film protection according to the present invention compared with the conventional one;

제29b도는 본 발명에 따른 게이트절연막 보호를 도모한 MOSFET를 이용한 반도체장치의 제조를 종래의 것과 대비하기 위한 본 발명 회로도,29B is a circuit diagram of the present invention for preparing a semiconductor device using a MOSFET with a gate insulating film protection according to the present invention compared with the conventional one;

제30a도는 본 발명에 따른 게이트 리크전류의 감소를 도모한 MOSFET의 구조를 종래의 것고 대비하기 위한 종래 회로도,30a is a conventional circuit diagram for contrasting the structure of a MOSFET designed to reduce the gate leakage current according to the present invention;

제30b도는 본 발명에 따른 게이트 리크전류의 감소를 도모한 MOSFET의 구조를 종래의 것과 대비하기 위한 본 발명 회로도이다.30B is a circuit diagram of the present invention for contrasting the structure of a MOSFET with a reduction in gate leakage current according to the present invention.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>

1 : 반도체기판 2 : 게이트전극1: semiconductor substrate 2: gate electrode

3 : 게이트산화막 4 : 채널형성영역3: gate oxide film 4: channel forming region

5 : 소스영역 6 : 드레인영역5: source region 6: drain region

7 : 게이트전원 8 : 드레인전원7 gate power 8 drain power

9 : 통상의 게이트길이를 갖는 MOSFET9: MOSFET with normal gate length

10 : 저전압전원 11 : 쇼트키 다이오드10: low voltage power source 11: Schottky diode

12 : 미세 게이트길이를 갖는 MOSFET12: MOSFET with fine gate length

[산업상의 이용분야][Industrial use]

본 발명은 반도체장치에 관한 것으로, 특히 저전원전압하에서의 사용에 적합한 미세, 고성능 MOS형 트랜지스터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor devices, and in particular, to a fine, high performance MOS transistor suitable for use under low power supply voltage.

[종래의 기술 및 그 문제점][Conventional Technology and Its Problems]

MOS형 트랜지스터는, 특히 MOSFET의 집적화기술의 향상에 따라 게이트길이 0.5㎛ 이하의 영역의 검토가 각 부분에서 진행되고 있다. 1974년에는 디나드(R. L. Dennard)등에 의해 MOSFET의 미세화를 위한 소위 스케일링법칙이 제창되었다. 이것은, 소자의 어떤 구성요소(예컨대, 채널길이)의 사이즈를 축소하는 경우, 그 외의 구성요소도 같은 비율로 축소함으로써, 트랜지스터로서의 동작특성을 보호한다고 하는 법칙이다. 기본적으로 1970년대부터 90년대 초에 걸쳐서 계속되어 온 MOSLSI의 고집적화는 이 법칙을 기본으로 하여 실현되고 있었다.In particular, in the MOS transistors, the area of the gate length of 0.5 µm or less has been studied in each part due to the improvement of the MOSFET integration technology. In 1974, R. L. Dennard et al. Proposed the so-called scaling law for the miniaturization of MOSFETs. This is a law that protects the operating characteristics as a transistor by reducing the size of certain components (e.g., channel length) of the device by reducing other components in the same ratio. Basically, the integration of MOSLSI, which continued from the 1970s to the early 90s, was realized on the basis of this law.

그러나, 보다 미세화가 진행되어 각종의 구성요소에 있어서도 "물리적 한계치"라고 언급되는 것과 같은 한계치가 가까워지고, 그 값을 넘는 축소화는 곤란하게 되고 있다. 예컨대, 게이트절연막 두께는 3∼4nm정도가 박막화의 한계라고 일반적으로는 언급되고 있고, 이 막두께 이하에서는 게이트전극과 소스/드레인전극간의 터널링전류가 증대하여 트랜지스터로서의 정상동작은 실현할 수 없다는 것이 알려져 있다.However, further miniaturization progresses, and the limit value like the "physical limit value" also approaches in various components, and reduction of the value beyond that value is difficult. For example, it is generally mentioned that the thickness of the gate insulating film is about 3 to 4 nm, which is the limit of thinning. Below this thickness, it is known that the tunneling current between the gate electrode and the source / drain electrodes increases, so that normal operation as a transistor cannot be realized. have.

그래서, 게이트절연막은 3nm정도에 고정하고, 그 외의 구성요소의 축소를 고려하는 수법이 1993년 피에나 등에 의해 제안되어 있다(저자 C. Fiegna, H. Iwai, T. Wada, T. Saito, E. Sangiorgio, and B. Ricco; 논문명 A new scaling methodology for the 0.1-0.025㎛ MOSFET, 'Dig. of Tech. Papers, VLSI Symp.;출전 Technol., Kyoto, pp, 33-34, 1993). 그 수법에 의해 같은해 오노 등에 의해 0.04㎛ 게이트길이의 트랜지스터가 실현되기에 이르렀다(저자 M. Ono, M. Saito, T. Yoshitomi, C. Fiegna, T. Ohguro, and H. Iwai;논문명 Sub-50nm gate length n-MOSFETs with 10nm phosphorus source and drain junction; 출전 IEDM Tech, Dig., pp119-122, 1993).Therefore, a method of fixing the gate insulating film to about 3 nm and considering reduction of other components has been proposed by Piena et al. In 1993 (authors C. Fiegna, H. Iwai, T. Wada, T. Saito, E). Sangiorgio, and B. Ricco; A New scaling methodology for the 0.1-0.025 μm MOSFET, 'Dig. Of Tech. Papers, VLSI Symp .; Source Technol., Kyoto, pp, 33-34, 1993). By the same method, a transistor having a gate length of 0.04 μm was realized by Ono et al. (Authors M. Ono, M. Saito, T. Yoshitomi, C. Fiegna, T. Ohguro, and H. Iwai; 50 nm gate length n-MOSFETs with 10 nm phosphorus source and drain junction; see IEDM Tech, Dig., Pp119-122, 1993).

게이트절역막 두께 3nm, 또한 게이트길이 0.04㎛의 트랜지스터는 다음과 같이 제조된다. 우선, p형 실리콘기판상에 LOCOS(Local Oxidation of Silicon)법에 의해 소자영역과 소자분리영역을 형성한 후, 원하는 임계치전압이 얻어지도록 채널형성영역에 p형 불순물(예컨대 B(보론))을 도입한다.A transistor having a gate switching film thickness of 3 nm and a gate length of 0.04 mu m is manufactured as follows. First, an element region and an isolation region are formed on a p-type silicon substrate by a local oxide of silicon (LOCOS) method, and then p-type impurities (for example, B (boron)) are formed in the channel formation region so that a desired threshold voltage is obtained. Introduce.

그 후, 게이트산화막으로서 실리콘기판 표면에 3nm의 산화막을 예컨대 드라이(dry) 02분위기중에서 800℃, 10분의 산화에 의해 형성한다. 그 후, P(인)함유 조건으로 예컨대 폴리실리콘을 100nm 퇴적한 후, 레지스트를 도포하고 패터닝으로 게이트전극을 소망하는 길이로 가공한다. 소스/드레인형성영역으로의 n형 불순물의 도입은 게이트전극 측벽부에 남겨진 PSG막(P(인)함유 실리콘산화막)으로부터의 P의 고상확산(固相擴散)에 의해 형성한다. 금속배선부와 양호하게 접속을 이루는 것 및 트랜지스터의 단채널효과(short channel effect)에 영향을 미치지 않는 부분의 확산층을 저저항으로 할 목적으로, 그후 n형 불순물을 이온주입법으로 예컨대 5×1015-2도입한다. 이 때의 불순물확산 및 활성화를 위한 어닐은, 예컨대 1000℃, 10초라는 조건으로 한다. 그후, 콘택트부를 개공하고, 금속배선을 실시한다.Thereafter, an oxide film of 3 nm is formed on the surface of the silicon substrate as a gate oxide film, for example, by oxidation at 800 ° C. for 10 minutes in a dry 0 2 atmosphere. Thereafter, for example, 100 nm of polysilicon is deposited under P (phosphorus) -containing conditions, and then a resist is applied and patterned to process the gate electrode to a desired length. The introduction of the n-type impurity into the source / drain formation region is formed by solid phase diffusion of P from the PSG film (P (phosphorus-containing silicon oxide film)) left in the gate electrode sidewall portion. For the purpose of making a good connection with the metal wiring part and making the diffusion layer of the part which does not affect the short channel effect of the transistor low resistance, n-type impurities are then implanted, for example, by 5 × 10 15. Introduce cm- 2 . Anneal for impurity diffusion and activation at this time is, for example, 1000 ° C for 10 seconds. Thereafter, the contact portion is opened and metal wiring is performed.

이와 같이 제조한 트랜지스터는 게이트측벽부 아래의 소스/드레인확산층의 시트저항(Ps)이 6.2kΩ/, 확산길이(즉, 소스/드레인영역의 깊이)는 SIMS분석의 결과 10nm이었다.The transistor thus manufactured has a sheet resistance (Ps) of 6.2 kPa / The diffusion length (ie depth of source / drain regions) was 10 nm as a result of SIMS analysis.

그렇지만, 상기 종래의 트랜지스터는 소스/드레인영역이 얕음으로써 그 기생저항이 상대적으로 커진다. 그 때문에 게이트길이 축소에 상응하는 구동력의 향상을 얻을 수 없었다.However, the parasitic resistance of the conventional transistor is relatively large because the source / drain region is shallow. As a result, an improvement in driving force corresponding to the reduction of the gate length could not be obtained.

[발명의 목적][Purpose of invention]

본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로 구동력이 향상된 MOS형 반도체장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and an object thereof is to provide a MOS semiconductor device having improved driving force.

[발명의 구성][Configuration of Invention]

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 반도체장치는, 제1도전형 반도체기판과, 이 반도체기판상에 절연막을 매개로 형성된 게이트전극, 상기 반도체기판의 게이트전극 바로 아래에 위치하는 채널형성영역의 양측에 형성된 제2도전형 소스/드레인영역을 구비하고, 상기 절연막의 두께가 2.5nm미만, 바람직하게는 2.0nm 이하, 상기 게이트전극의 게이트길이가 0.3㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the semiconductor device of the present invention includes a first conductive semiconductor substrate, a gate electrode formed on the semiconductor substrate via an insulating film, and a channel forming region located directly under the gate electrode of the semiconductor substrate. And a second conductive source / drain region formed on both sides of the film, wherein the thickness of the insulating film is less than 2.5 nm, preferably 2.0 nm or less, and the gate length of the gate electrode is 0.3 m or less.

또, 이 반도체장치는, 전원전압이 1.5V이하의 회로에서 사용되면 보다 바람직한 특성이 얻어진다.In addition, the semiconductor device obtains more desirable characteristics when the power supply voltage is used in a circuit of 1.5 V or less.

더욱이, 게이트전극에 금속/실리콘층으로 이루어진 쇼트키 다이오드를 접속하는 것이 바람직하다.Furthermore, it is preferable to connect a Schottky diode made of a metal / silicon layer to the gate electrode.

[작용][Action]

상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 게이트절연막의 막두께를 2.5nm미만으로 함으로써, 제3도에 나타낸 바와 같이 핫캐리어 스트레스(hot-carrier stress)하에서의 신뢰성이 대폭 향상된다. 또, 2nm 이하로 하면 한층 향상된다.According to the present invention configured as described above, by making the thickness of the gate insulating film less than 2.5 nm, the reliability under hot-carrier stress is greatly improved as shown in FIG. Moreover, when it is set to 2 nm or less, it will improve further.

또, 제4도에 나타낸 바와 같이 채널길이를 0.3㎛이하로 함으로써, 게이트 전류가 대폭적으로 감소하여 양호한 트랜지스터특성을 갖게 된다.In addition, as shown in FIG. 4, when the channel length is 0.3 占 퐉 or less, the gate current is drastically reduced to have good transistor characteristics.

따라서, 본 발명의 게이트길이 0.3㎛이하, 게이트절연막 두께 2.5nm미만으로 하면, 양호한 트랜지스터동작을 하고, 또한 핫캐리어 신뢰성에 강한 트랜지스터를 실현할 수 있었다.Therefore, when the gate length of the present invention is 0.3 탆 or less and the gate insulating film thickness is less than 2.5 nm, it is possible to achieve a good transistor operation and a transistor with high hot carrier reliability.

[실시예]EXAMPLE

이하, 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

제1도(a)는 본 발명의 제1실시예에 따른 MOS형 트랜지스터의 구조를 나타낸 것이다. 이 도면에 있어서, 참조부호 1은 제1도전형(예컨대, p형)의 반도체기판이고, 이 기판(1)상에는 산화막(3)을 매개로 게이트전극(2)이 형성되어 있다. 기판(1)에서의 게이트전극(2) 바로 아래의 채널형성영역(4) 각 측에는 소스영역(5) 및 드레인영역(6)으로 되는 제1도전형과는 역도전형(예컨대, n+형) 고농도확산층이 형성되어 있다. 게이트전극(2)에는 전원(7), 드레인영역(6)에는 전원(8)이 각각 접속되어 사용되는 것이다. 게이트전극(2)의 채널형성영역(4)의 길이방향의 치수로 되는 게이트길이(Lg)는 0.3㎛이하로 되고, 게이트절연막(3)의 두께(Tox)는 2.5nm미만으로 된다. 본 발명의 게이트길이(Lg)의 트랜지스터는 컨덕턴스(gm)의 향상을 도모함과 동시에, 드레인영역(6)에 유입해야 할 전류(Id1, Id2)중 게이트로 유입하는 터널전류(Id2)를 감소시킨 것으로 된다.FIG. 1A shows the structure of a MOS transistor according to the first embodiment of the present invention. In this figure, reference numeral 1 denotes a semiconductor substrate of a first conductivity type (e.g., p-type), and a gate electrode 2 is formed on the substrate 1 via an oxide film 3. On the side of the channel formation region 4 directly below the gate electrode 2 in the substrate 1, the reverse conductivity type (for example, n + type) is different from the first conductivity type, which is the source region 5 and the drain region 6. A high concentration diffusion layer is formed. The power source 7 is connected to the gate electrode 2 and the power source 8 is connected to the drain region 6, respectively. The gate length Lg, which is a dimension in the longitudinal direction of the channel formation region 4 of the gate electrode 2, is 0.3 µm or less, and the thickness Tox of the gate insulating film 3 is less than 2.5 nm. The transistor having the gate length Lg of the present invention improves the conductance gm and reduces the tunnel current Id2 flowing into the gate among the currents Id1 and Id2 to be introduced into the drain region 6. It becomes.

제1도(b)에 본 발명의 실시예의 대표적인 구조도 및 각 부의 치수를 나타낸다. 게이트전극의 게이트길이(Lg)는 0.09㎛, 게이트절연막 두께(Tox)는 1.5nm, 소스/드레인간의 실효채널길이(Leff)는 0.05㎛, 채널근방의 확산깊이(xj)는 소스,드레인 외의 영역에 비해 얕으며, 30nm이다. 본 실시예에서는 이 채널근방의 확산층은 게이트측벽에 형성된 PSG막으로부터 고상확산에 의해 형성되고 있으며, 소위SPDD(Solid Phase Diffused Drain)구조의 MOS 트랜지스터로 되어 있다.FIG. 1 (b) shows a typical structural diagram and dimensions of each part of the embodiment of the present invention. The gate length Lg of the gate electrode is 0.09 μm, the gate insulating film thickness Tox is 1.5 nm, the effective channel length Leff between the source and the drain is 0.05 μm, and the diffusion depth (xj) near the channel is the region other than the source and drain. It is shallow compared to 30 nm. In this embodiment, the diffusion layer near the channel is formed by solid phase diffusion from the PSG film formed on the gate side wall, and is a MOS transistor of a so-called Solid Phase Diffused Drain (SPDD) structure.

여기서, 본 발명의 트랜지스터의 주요부의 제조법에 대해 먼저 설명한다.Here, the manufacturing method of the principal part of the transistor of this invention is demonstrated first.

게이트산화막은, 종래법에 의해 반도체기판(1)상에 소자영역 및 소자분리 영역을 형성한 후, 급속 램프가열법으로 800℃, 10초의 조건으로 산화를 행한다. 이에 따라, 1.5nm라는 상기 조건에 적합한 막두께의 게이트절연막(3)을 형성할 수 있다. 또, 850℃ 10초의 조건으로 게이트절연막 두께 1.8nm를 형성할 수 있었다.900℃ 5초의 조건으로 게이트절연막 두께 2.0nm의 것을 형성할 수 있었다. 온도 및 시간을 선택함으로써, 2.5nm 미만의 원하는 막두께의 게이트절연막을 형성할 수 있었다. 그 후, 인함유 폴리실리콘막을 약 100nm 퇴적한 후, 이방성 에칭에 의해 패터닝하여 원하는 게이트길이(Lg)의 게이트전극을 형성한다.After forming the element region and the element isolation region on the semiconductor substrate 1 by the conventional method, the gate oxide film is oxidized at 800 ° C. for 10 seconds by the rapid ramp heating method. Thus, the gate insulating film 3 having a film thickness suitable for the above condition of 1.5 nm can be formed. Further, a gate insulating film thickness of 1.8 nm could be formed under conditions of 850 ° C. for 10 seconds. A gate insulating film thickness of 2.0 nm could be formed under conditions of 900 ° C. for 5 seconds. By selecting the temperature and time, a gate insulating film having a desired film thickness of less than 2.5 nm could be formed. Thereafter, about 100 nm of the phosphorus-containing polysilicon film is deposited, and then patterned by anisotropic etching to form a gate electrode having a desired gate length Lg.

HF처리를 실시한 후, PSG막(인함유 실리콘산화막)으로부터의 고상확산에 의해 30nm확산길이의 소스/드레인영역(5,6)을 형성할 수 있었다. 제2도는 그때의 불순물농도 프로파일을 나타낸 것이다. 그리고, 이러한 확산층의 시트저항(Ps)은 1.4㏀/□으로 할 수 있었다. 한편, HF처리를 실시하지 않은 경우에는 6.2㏀/□이었다.After the HF treatment, the source / drain regions 5 and 6 having a 30 nm diffusion length could be formed by solid phase diffusion from the PSG film (phosphorus-containing silicon oxide film). 2 shows the impurity concentration profile at that time. The sheet resistance Ps of the diffusion layer could be set to 1.4 mA / square. On the other hand, it was 6.2 kV / square when the HF treatment was not performed.

이후의 공정은 종래예와 마찬가지의 방법으로 제작한다. 상술한 방법에 의해 게이트길이는 최소의 것으로, 0.06㎛가 실현되고, 10㎛ 이하 0.06㎛까지 원하는 사이즈의 게이트길이의 트랜지스터를 제작할 수 있었다. 또, 게이트산화막은 두께 1.5nm를 비롯하여 2.5nm미만의 원하는 막두께의 것이 실현되었다. 또한, 이 게이트길이 및 게이트절연막 두께의 값은 투과형 현미경: TEM(Trans mission Eloctron Microscope)관찰에 의해 확인할 수 있다.The subsequent steps are produced in the same manner as in the conventional example. By the above-described method, the gate length is the smallest, and 0.06 m is realized, and a transistor having a gate length of a desired size can be fabricated up to 10 m or less and 0.06 m. The gate oxide film has a desired film thickness of less than 2.5 nm including 1.5 nm in thickness. In addition, the value of the gate length and the gate insulating film thickness can be confirmed by observation with a transmission microscope: TEM (Trans mission Eloctron Microscope).

이상과 같이 형성한 MIS형 FET에 있어서 각종 특성평가를 행한 결과를 이하에 설명한다.The result of having performed the various characteristics evaluation in the MIS type FET formed as mentioned above is demonstrated below.

제3도는 핫캐리어 스트레스(Vd=2.5V, Isubmax 조건)에서의 상호컨덕턴스열화의 게이트산화막 두께 의존성을 나타내고 있다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 게이트산화막이 2.5nm미만의 경우에는 상호컨덕턴스(gm)의 열화는 터널 전류가 생기는 한계치와 종래 알려져 온 3nm의 경우의 열화량의 1/2로 되고, 트랜지스터의 수명이 2배 이상 향상되기 때문에, 2.5nm미만으로 사용하는 것이 바람직하다.3 shows the gate oxide film thickness dependence of interconductance degradation under hot carrier stress (Vd = 2.5V, Isubmax condition). As shown in this figure, when the gate oxide film is less than 2.5 nm, the deterioration of the mutual conductance (gm) is 1/2 of the threshold value at which the tunnel current is generated and the deterioration amount at the conventionally known 3 nm, and the lifetime of the transistor is increased. Since it improves 2 times or more, it is preferable to use it below 2.5 nm.

더욱이, 이 제4도로부터 명확히 알 수 있는 바와 같이, 게이트산화막의 막두께 Tox=2.0nm 이하에서 사용되면, 트랜지스터의 수명은 3배 이상 향상된다.Furthermore, as can be clearly seen from FIG. 4, when used at the film thickness Tox = 2.0 nm or less of the gate oxide film, the lifetime of the transistor is improved by three times or more.

또, 게이트산화막의 막두께 Tox=2.0nm 이하의 경우에는, 게이트길이 Lg=0.10㎛에서 상호컨덕턴스의 열화량 Δgm/gm=10%이하이고, 게이트길이Lg=0.14㎛에서는 Δgm/gm=6%이하로 되어 열화량이 적은 트랜지스터를 구성할 수 있는 것이다.When the thickness of the gate oxide film was Tox = 2.0 nm or less, the amount of deterioration of mutual conductance Δgm / gm = 10% or less at the gate length Lg = 0.10 탆, and Δgm / gm = 6% at the gate length Lg = 0.14 탆. The transistors with less degradation amount can be configured as follows.

이에 대해, 게이트산화막의 막두께 Tox=2.5nm 이상에 있어서는, 상호컨덕턴스의 열화량 Δgm/gm(%)이 증가하여 트랜지스터 수명의 급격한 열화가 발견되었다.On the other hand, when the film thickness Tox of the gate oxide film was 2.5 nm or more, the amount of deterioration of mutual conductance Δgm / gm (%) increased, and a sudden deterioration of the transistor life was found.

제4도는 터널전류(Ig)의 게이트길이(Lg) 의존성을 나타낸 곡선도이다. 이 제4도에 있어서, 터널전류(Ig)는 게이트길이 Lg=0.3㎛ 이하(게이트폭 W=10㎛)의 경우에서, 산화막두께 Tox=1.5nm에서는 Ig=0.5㎂ 미만, 산화막두께 Tox=1.8㎚에서는 Ig=0.1㎂미만으로 안정함이 발견된다. 이에 대해, 게이트길이 Lg=0.3㎛를 초과하면 급속한 게이트전류의 증대가 나타난다.4 is a curve diagram illustrating the dependence of the gate length Lg on the tunnel current Ig. In FIG. 4, tunnel current Ig is less than Ig = 0.5 mA at oxide thickness Tox = 1.5 nm and oxide thickness Tox = 1.8 when gate length Lg = 0.3 µm or less (gate width W = 10 µm). At nm, it is found to be stable at less than Ig = 0.1 μs. On the other hand, when gate length Lg exceeds 0.3 micrometer, rapid increase of gate current appears.

제5도는 드레인전류(IdO)의 게이트길이(Lg)의존성을 나타낸 것이다. 이 도면에 있어서는, Tox=1.5nm, xj=30nm의 경우(본 발명), Tox=1.8nm, xj=30nm의 경우(본 발명), Tox=3.0nm, xj=12nm의 경우(종래예)에 대해 각각 나타내고 있다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 종래의 것에 비해 구동력이 약 2배로 향상되고 있음을 알 수 있다.5 shows the dependency of the gate length Lg of the drain current IdO. In this figure, in the case of Tox = 1.5 nm and xj = 30 nm (invention), in the case of Tox = 1.8 nm and xj = 30 nm (invention), in the case of Tox = 3.0 nm and xj = 12 nm (conventional example) Are shown respectively. As shown in this figure, it can be seen that the driving force is approximately doubled as compared with the conventional one.

제6도는 터널전류(Ig)의 게이트길이(Lg) 의존성, 제7도는 컨덕턴스(gm)의 게이트길이(Lg) 의존성을 각각 나타낸 것이다. 이를 도면에 있어서는, 게이트 산화막 두께 Tox=1.5nm, 확산길이 xj=30nm의 경우(본 발명), Tox=1.8nm, 확산길이 xj=30nm의 경우(본 발명), Tox=3.0nm, 확산길이 xj=12nm의 경우(종래기술)에 대해 각각 나타내고 있다. 이들 도면으로부터 명확해진 바와 같이, 본 발명의 트랜지스터는 동일 게이트길이의 종래의 트랜지스터에 비해 1.5∼2배 양호한 구동력 및 상호컨덕턴스가 얻어지고 있음을 알 수 있다. 더욱이, 이 때의 게이트전류는 Lg가 0.3㎛이하에서 구동력에 비해 10-4이하(이것은, 드레인전류(Id)에 비해 게이트전류(Ig)가 4자릿수나 작은 것으로 된다)로 되어, 동작상 문제가 없음이 확인되었다.FIG. 6 shows the gate length Lg dependency of the tunnel current Ig, and FIG. 7 shows the gate length Lg dependency of the conductance gm. In the figure, when the gate oxide film thickness Tox = 1.5 nm and the diffusion length xj = 30 nm (invention), Tox = 1.8 nm and the diffusion length xj = 30 nm (invention), Tox = 3.0 nm and the diffusion length xj The case of = 12 nm (prior art) is shown respectively. As is clear from these figures, it can be seen that the transistor of the present invention obtains 1.5 to 2 times better driving force and mutual conductance than conventional transistors having the same gate length. Further, at this time, the gate current is 10 -4 or less than the driving force when Lg is 0.3 µm or less (this means that the gate current Ig is four orders of magnitude smaller than the drain current Id), and there are operational problems. None was confirmed.

제8도는 기판전류(Isub)의 게이트길이(Lg)의존성, 제9도는 기판전류 임팩트 이온화율의 게이트길이(Lg) 의존성에 대해 나타낸 것으로, 이들은 각각 트랜지스터의 신뢰성에 관한 하나의 지표로 되는 것이다. 특히 기판전류(Isub)에 대해서는, 제8도(b)에 있어서 더욱이 게이트길이(Lg)를 파라미터로 하여 Vg-Isub특성으로서 나타냈다. 여기서는, 게이트산화막 두께 Tox=1.5nm, 확산층길이 xj=30nm의 경우(본 발명), Tox=1.8nm, 확산층길이 xj=30nm의 경우(본 발명: 단, 제8도(b)에서는 도시하지 않음), Tox=3.0nm, 확산층길이 xj=12nm의 경우(종래)에 대해 각각 나타내고 있다. 본 발명의 트랜지스터는 종래의 트랜지스터에 비해 기판전류, 임팩트 이온화율이 크다.FIG. 8 shows the gate length Lg dependence of the substrate current Isub, and FIG. 9 shows the gate length Lg dependence of the substrate current impact ionization rate, each of which is an indicator of the reliability of the transistor. Particularly, the substrate current Isub is represented as the Vg-Isub characteristic by using the gate length Lg as a parameter in FIG. 8 (b). Here, in the case of the gate oxide film thickness Tox = 1.5 nm and the diffusion layer length xj = 30 nm (invention), in the case of Tox = 1.8 nm and the diffusion layer length xj = 30 nm (invention: Fig. 8 (b) is not shown). ) And (x) are shown for Tox = 3.0nm and diffusion layer length xj = 12nm, respectively. The transistor of the present invention has a larger substrate current and impact ionization rate than conventional transistors.

제17도는 상호컨덕턴스(gm)의 열화(스트레스시간에 대한 상호컨덕턴스의 열화)특성을 나타낸 것이다. 여기서는, 종래의 트랜지스터로서 산화막 두께 Tox=3.0㎛, 확산길이 xj=12nm, 게이트길이 Lg=0.10㎛의 것과, 산화막 두께(Tox)및 확산층길이(xj)는 동일 사이즈이고 게이트길이 Lg=0.17㎛의 것을 대상으로 하고, 본 발명의 트랜지스터로서는 산화막두께 Tox=1.5nm, 확산층길이 xj=30nm, 게이트길이 Lg=0.09㎛의 것과, 산화막두께(Tox)및 확산층길이(xj)는 동일 사이즈이고 게이트길이 Lg=0.14㎛의 것을 대상으로 하여 시험을 행한 결과를 나타내고 있다. 종래의 트랜지스터와 본 발명의 트랜지스터는 거의 같은 정도의 시간의존성을 갖고 있지만, 본 발명의 트랜지스터는 △gm/gm의 값 자체가 낮아 gm의 열화특성의 향상이 확인되었다.FIG. 17 shows the deterioration of the interconductance gm (the deterioration of the interconductance with respect to the stress time). Here, conventional transistors having an oxide film thickness of Tox = 3.0 μm, a diffusion length of xj = 12 nm, a gate length of Lg = 0.10 μm, an oxide film thickness of Tox and a diffusion layer length of xj having the same size, and a gate length of Lg = 0.17 μm. In the transistor of the present invention, the oxide film thickness Tox = 1.5 nm, the diffusion layer length xj = 30 nm, the gate length Lg = 0.99 m, and the oxide film thickness Tox and the diffusion layer length xj are the same size and the gate length Lg. The result of having tested on the thing of 0.14 micrometer is shown. Although the conventional transistor and the transistor of the present invention have almost the same time dependence, the transistor of the present invention has a low value of Δgm / gm and has been found to improve the degradation characteristics of gm.

제16도는 캐리어이동도의 실효전계 의존성을 나타낸 것으로, 이것도 트랜지스터의 신뢰성이 지표로 되는 것이다.(Y. Toyoshima, H. lwai, F. Matsuoka, H. Hayashida, K. Maeguchi, and K. Kanzaki, 'Analysis on gate-oxide thickness dependence of hot-carrier-induced degradation in thin-gate oxide nMOSFETs,'IEEE Trans. Electron Device,vol. 37, no. 6, pp. 1496-1503, 1990.) 캐리어이동도(1/μeff)를 결정하는 요인으로서는, 표면 러프니스(roughness)산란(1/sr), 포논(phonon)산란(1/ ph), 쿨롱산란(1/ c)이 있고, 전체의 이동도(1/eff)는Figure 16 shows the dependence of the effective field of the carrier mobility, which is also an indicator of the reliability of transistors (Y. Toyoshima, H. lwai, F. Matsuoka, H. Hayashida, K. Maeguchi, and K. Kanzaki, 'Analysis on gate-oxide thickness dependence of hot-carrier-induced degradation in thin-gate oxide nMOSFETs,' IEEE Trans.Eelectron Device, vol. 37, no. 6, pp. 1496-1503, 1990.) Factors determining 1 / μeff) include surface roughness scattering (1 / sr), phonon scattering (1 / ph), and coulomb scattering (1 / c), and the overall mobility (1 / eff)

ln(1/μeff)=ln(1/μc)+(1/μsr)+(1/μph))ln (1 / μeff) = ln (1 / μc) + (1 / μsr) + (1 / μph))

로 표현된다. 그래프중의 파선은 각 요인에 의한 캐리어이동도를 나타내고, 실선은 그들을 종합한 캐리어이동도를 나타내고 있다.It is expressed as The broken line in the graph shows the carrier mobility by each factor, and the solid line shows the carrier mobility in which they are combined.

이것은, 제17도에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 트랜지스터(실선으로 도시)가 종래 기술의 트랜지스터(점선으로 도시)에 비해 핫캐리어 스트레스하에서 그 신뢰성이 우수하다는 것은 열화량(△gm/gm)이 작다는 점에 있다. 즉, 이 gm의 열화특성에서 열화량이 작다는 것은 제16도에 나타낸 바와 같이 핫캐리어 스트레스에 의해 생긴 계면준위(Nit)의 증대에 의해 이동도의 열화에 의한 구동력의 저하를 일으키기 위한 원인이 게이트산화막 두께(Tox)를 얇게 할수록 없어지며, 게다가 게이트산화막 두께(Tox)가 얇은 경우에는, 채널의 종방향의 전계(Eeff)가 대단히 강하기 때문에 표면 라프니스산란(1/μsr)에 주로 지배되고, 계면준위에 의한 쿨롱산란(1/μc)의 영향은 캐리어이동도(1/μeff)에는 나타나기 어려워지는 점에 있다.As shown in FIG. 17, it is understood that the transistor (shown in solid line) of the present invention has better reliability under hot carrier stress than the transistor of the prior art (shown in dashed line). It is small. That is, the small amount of deterioration in the deterioration characteristic of gm is a cause for causing a decrease in driving force due to deterioration of mobility due to an increase in interface level Nit caused by hot carrier stress as shown in FIG. The thinner the oxide film thickness (Tox) is lost, and in addition, when the gate oxide film thickness (Tox) is thin, it is mainly dominated by the surface roughness scattering (1 / μsr) because the electric field (Eeff) in the longitudinal direction of the channel is very strong. The influence of the coulomb scattering (1 / μc) by the interface level is that it is difficult to appear in the carrier mobility (1 / μeff).

따라서, 박막 게이트산화막 MOSFET의 경우, 기판전류, 임팩트 이온화율이 큼에도 불구하고 스트레스 후의 열화가 적은 양호한 신뢰성의 트랜지스터로 됨을 알 수 있다.Therefore, in the case of the thin film gate oxide MOSFET, it can be seen that a transistor having good reliability with less deterioration after stress despite a large substrate current and impact ionization rate.

제10도는 전류(Ig, Id)의 전원전압(Vd=Vg)의존성을 나타낸 것이다. 여기서는, 산화막두께 Tox=1.5nm, 게이트길이 Lg=0.14㎛, 확산층길이 xj=30nm의 경우를 나타내고 있다. 본 발명의 트랜지스터는, 더욱이 2.0V 이하에는 Ig/Id의 비가 1×10-4이하로 되어 동작상 문제가 없음을 알 수 있다. 또, 1.5V 이하에서는 상기의 비는 6×10-5정도 이하로 되어 더욱 고신뢰성의 트랜지스터를 실현할 수 있었다.Figure 10 shows the dependence of the power supply voltage (Vd = Vg) of the current (Ig, Id). Here, the case where oxide film thickness Tox = 1.5 nm, gate length Lg = 0.14 micrometers, and diffusion layer length xj = 30 nm is shown. Further, it can be seen that the transistor of the present invention has an Ig / Id ratio of 1 × 10 −4 or less at 2.0 V or less and no problem in operation. In addition, at 1.5 V or less, the above ratio was about 6 x 10 -5 or less, whereby a more reliable transistor could be realized.

제11도는 드레인전류(Id)의 게이트전압(Vg) 의존성을 나타낸 것이다. 이것은 제10도에 나타낸 특성을 갖는 트랜지스터와 같이 트랜지스터에 대해 측정한 것이다. 본 발명의 트랜지스터는 저전압하에 있어서도 종래 보고예에 비해 3∼5배 양호한 구동력이 얻어지고 있음이 확인되었다.11 shows the dependency of the gate voltage Vg on the drain current Id. This is measured for a transistor like a transistor having the characteristics shown in FIG. It has been confirmed that the transistor of the present invention obtains a driving force that is 3 to 5 times better than the conventional example even under low voltage.

제12도는 Ig/Id의 드레인전압(Vd)의존성을 나타낸 것이다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 드레인전압(Vd)이 1.5V 이하에서 6×10-5이하의 양호한 값이 얻어졌다. 이에 대해, 드레인전압(Vd)이 1.5V를 초과하면, 급격하게 터널전류(Ig)가 증가하여 특성이 열화하고 있음을 알 수 있다.12 shows the dependency of the drain voltage Vd of Ig / Id. As shown in this figure, a good value of 6 × 10 −5 or less was obtained at a drain voltage Vd of 1.5 V or less. On the other hand, when the drain voltage Vd exceeds 1.5 V, it can be seen that the tunnel current Ig suddenly increases and the characteristics deteriorate.

따라서, 1.5V 이하의 회로에서 사용되면, 본 발명의 트랜지스터는 양호한 특성을 가짐을 알 수 있다.Therefore, when used in a circuit of 1.5V or less, it can be seen that the transistor of the present invention has good characteristics.

또, 본 발명의 트랜지스터는 1.2V 이하의 회로에서 사용된 경우, 채널전류에 대한 게이트전류(Ig/Id)는 1.5V 전원시에 비해 약 25‰저감하고, 성능이 현저하게 향상된다. 제10도에 있어서, Ig/Id의 값은 1.5V에서 약 6×10-5에 대하여 1.2V로 떨어지면 4.5×10-5으로 저감한다. 게이트전류(Ig)의 값도 약 50%저감한다.Further, when the transistor of the present invention is used in a circuit of 1.2V or less, the gate current (Ig / Id) for the channel current is reduced by about 25 ‰ compared with the case of 1.5V power supply, and the performance is remarkably improved. In FIG. 10, the value of Ig / Id is reduced to 4.5 × 10 −5 when the value of Ig / Id drops from 1.2V to 1.2V with respect to about 6 × 10 −5 . The value of the gate current Ig is also reduced by about 50%.

그러나, 트랜지스터의 성능인 상호컨덕턴스의 값은, 제21도에 나타낸 바와 같이 전원전압(VDD)일 때에는 gm=1,010mS/mm인데 반해, 전원전압을 1.2V로 떨어뜨려도 gm=995mS/mm의 값을 갖는 바, 1.5%의 저하에 머무른다. 따라서, 1.2V이하의 회로에서 사용되면, 1.5V 전원시에 비해 25%의 Ig/Id의 향상에 의해 성능이 더욱 비약적으로 향상된다.However, the value of the mutual conductance, which is the performance of the transistor, is gm = 1,010mS / mm at the power supply voltage VDD as shown in FIG. 21, while gm = 995mS / mm even when the power supply voltage is dropped to 1.2V. When it had, it stayed in the 1.5% fall. Therefore, when used in a circuit of 1.2V or less, the performance is further remarkably improved by the improvement of 25% of Ig / Id compared with the case of 1.5V power supply.

또, 본 발명의 트랜지스터는 0.5V 이하의 회로에 사용되면, 제10도에 나타낸 바와 같이 게이트 리크전류가 1.5V동작시에 비해 1/20 이하로 저감함을 알 수 있다.또, 채널전류에 대한 게이트전류도 약 80% 저감한다. 따라서, 0.5V이하의 회로에서 본 발명의 트랜지스터가 사용되면, 더욱 저소비전력으로 고성능의 트랜지스터가 실현된다.In addition, when the transistor of the present invention is used in a circuit of 0.5V or less, it can be seen that as shown in FIG. 10, the gate leakage current is reduced to 1/20 or less as compared with 1.5V operation. About 80% of gate currents are also reduced. Therefore, when the transistor of the present invention is used in a circuit of 0.5V or less, a high performance transistor is realized with even lower power consumption.

제13도는 Id-Vd특성의 게이트길이 의존성, 제14도는 컨덕턴스(gm)의 게이트길이 의존성을 나타낸 것이다. 여기에서는, 게이트길이(Lg)가 10㎛(a), 0.14㎛(b), 0.09㎛(c)일 때의 Id-Vd특성, gm 서브드레숄드특성을 각각 나타내고 있다. 게이트길이 10㎛의 종래의 트랜지스터에 보여지는 현저한 게이트 리크전류가 본 발명의 미세 디바이스에 있어서는 억제되고, 게다가 Lg=0.09㎛에서 gm=1,010mS/mm라는 고성능이 얻어짐을 알 수 있다.FIG. 13 shows the gate length dependency of the Id-Vd characteristic, and FIG. 14 shows the gate length dependency of the conductance gm. Here, the Id-Vd characteristics and the gm subthreshold characteristics when the gate length Lg is 10 µm (a), 0.14 µm (b) and 0.09 µm (c) are shown, respectively. It can be seen that the remarkable gate leakage current seen in a conventional transistor having a gate length of 10 mu m is suppressed in the fine device of the present invention, and further, a high performance of gm = 1,010 mS / mm is obtained at Lg = 0.09 mu m.

제15도는 전원전압 0.5V이하에서의 트랜지스터특성을 나타낸 것이다. 이 때의 전원전압은 0.5V이다. 주요한 특성에 대하여 본 발명 및 종래의 트랜지스터의 특성을 대비해서 나타낸다.동도 (a)는 본 발명의 트랜지스터특성, (b)는 종래의 트랜지스터특성으로, 각각에 대해 구동력(Id-Vd특성), 서브드레숄드특성(log Id-Vg), 상호컨덕턴스(gm-Vg)특성을 나타내고 있다. 이 도면으로부터 명확해진 바와 같이, 본 발명의 트랜지스터는 종래의 것보다도 작은 전원전압으로 큰 드레이전류(Id)가 흐르고, 또 컨덕턴스(gm)도 큰 값이 얻어지며, 종합적으로 특성이 향상되고 있다. 본 발명의 트랜지스터는, 그 0.5V라는 낮은 전원전압에 있어서도 746mS/mm라는 우수한 상호컨덕턴스가 얻어지고 있다.15 shows transistor characteristics at a power supply voltage of 0.5V or less. The power supply voltage at this time is 0.5V. The main characteristics are shown in comparison with those of the present invention and the conventional transistor. [0027] Figures (a) are the transistor characteristics of the present invention, (b) are the conventional transistor characteristics, and the driving force (Id-Vd characteristic) The threshold characteristics (log Id-Vg) and the mutual conductance (gm-Vg) characteristics are shown. As is clear from this figure, in the transistor of the present invention, a large drain current Id flows with a smaller power supply voltage than the conventional one, and a large value of conductance gm is obtained, and the characteristics are improved overall. In the transistor of the present invention, even at a low power supply voltage of 0.5 V, an excellent mutual conductance of 746 mS / mm is obtained.

제20도는 게이트길이 0.09㎛, 게이트산화막 두께 1.5nm일 때의 본 발명의 트랜지스터의 상호컨덕턴스의 전원전압 의존성이다. 0.5V동작에 있어서도 860mS/mm의 대단히 우수한 상호컨덕턴스가 얻어지고 있다.Fig. 20 shows the power supply voltage dependence of the interconductance of the transistor of the present invention when the gate length is 0.09 mu m and the gate oxide film thickness is 1.5 nm. Even at 0.5 V operation, a very good mutual conductance of 860 mS / mm is obtained.

제21도 및 제22도는 본 발명의 트랜지스터의 상호컨덕턴스 및 전류구동력의 전원전압 의존성을 0.4㎛ 게이트길이의 종래의 트랜지스터와 비교한 것이다. 0.4㎛ 트랜지스터의 게이트막 두께는 9nm이다.21 and 22 compare the power supply voltage dependence of the interconductance and current driving force of the transistor of the present invention with that of a conventional transistor having a 0.4 mu m gate length. The gate film thickness of the 0.4 mu m transistor is 9 nm.

현재 범용의 150㎒에서 동작하는 마이크로프로세서에서는 약 0.4㎛의 게이트길이의 MOSFET가 사용되고 있으며, 이 FET의 경우 3.3V 전원하에서 200mS/mm정도의 상호컨덕턴스를 갖고 있다. 따라서, 배선용량이나 저항이 저감하지 않으면, 당연 고속화는 도모되지 않지만, 소자의 상호컨덕턴스로부터 유추해가면, 금회 실현한 고구동력의 MOSFET는 현상황의 3.3V동작의 트랜지스터에 비해 1.5V의 저전압하에서 약 5.7배의 고속화의 가능성을 갖게 된다. 0.5V의 저전압동작에 있어서도, 860mS/mm의 상호컨덕턴스를 갖는 점으로부터, 현재의 3.3V동작에 비해 소비전력이 약 1/9로 되고, 상호컨덕턴스의 비로부터 5배의 고속화의 가능성이 있다.Currently, a general-purpose microprocessor operating at 150MHz uses a gate-length MOSFET of about 0.4µm, and the FET has a crossconductance of 200mS / mm under a 3.3V supply. Therefore, if the wiring capacity and the resistance are not reduced, the high speed will not be realized. However, when inferred from the mutual conductance of the device, the MOSFET of high driving force realized at this time is about 1.5V under the low voltage of the 3.3V operation transistor in the current state. There is a possibility of speeding up 5.7 times. Even in the low voltage operation of 0.5V, since it has the mutual conductance of 860mS / mm, compared with the current 3.3V operation, power consumption is about 1/9, and there exists a possibility of speeding up 5 times from the ratio of mutual conductance.

현재, 상품화되어 있는 LSI(예컨대 MPU 마이크로프로세서 등)은 3.3V의 전원전압에서 200㎒의 클럭주파수로 동작하고 있다.Currently, commercialized LSIs (such as MPU microprocessors) operate at a clock frequency of 200 MHz at a power supply voltage of 3.3V.

본 발명의 트랜지스터는 낮은 전원전압(예컨대 1.5V 또는 0.5V)에 있어서도 높은 전류구동력을 갖는다. 따라서, 전원의 저전압화에 의한 저전원전압화(주:소비전력(P)은 전압(V)의 2승에 비례하기 때문에, 저소비전력동작에는 전원전압을 떨어뜨리는 것이 유효하다. 그러나, 일반적으로는 전압의 저하는 트랜지스터의 전류구동력의 감소를 초래하고, LSI로서는 동작속도의 저하를 초래한다)에 있어서도, LSI 동작의 한층의 고속화가 가능하다.The transistor of the present invention has a high current driving force even at a low power supply voltage (for example, 1.5V or 0.5V). Therefore, the low power supply voltage (Note: the power consumption P is proportional to the square of the voltage V) due to the low power supply. Therefore, it is effective to lower the power supply voltage for low power consumption operation. The lowering of the voltage results in a decrease in the current driving force of the transistor, and the lowering of the operating speed of the LSI) further increases the speed of the LSI operation.

LSI의 소비전력은 다음 식으로 표현할 수 있다.The power consumption of the LSI can be expressed by the following equation.

P=KfcV2 dd+(Ils+Ilg)Vdd P = KfcV 2 dd + (I ls + I lg ) V dd

여기에서, P:소비전력, f:클럭주파수, c:용량, Vdd: 전원전압, Ils: 서브드레숄드특성으로 결정되는 리크전류, Ilg: 게이트 리크전류.Here, P: power consumption, f: clock frequency, c: capacitance, Vdd: power supply voltage, Ils: leakage current determined by sub-threshold characteristics, Ilg: gate leakage current.

이 식에 있어서 제1항 kfcV2 dd은 전하의 축적 및 소거(charge-discharge)에 의해 소비되는 전력이고, 제2항(I1s+I1g)Vdd는 트랜지스터의 리크전류성분에 의해 소비되는 전력이다.In this equation, the first kfcV 2 dd is the power consumed by the accumulation and charge-discharge of the charge, and the second term (I 1s + I 1g ) V dd is the power consumed by the leakage current component of the transistor. to be.

또한, 클럭주파수(f)는 트랜지스터의 전류구동력(I)에 의해 결정되는 값이다.In addition, the clock frequency f is a value determined by the current driving force I of the transistor.

전하축적시간(t)은,The charge accumulation time t is

t=Q/I=CV/I이고, f=I/CVt = Q / I = CV / I, f = I / CV

로 나타낼 수 있다.It can be represented as.

여기에서, 칩당의 소비전력을 10W, 칩용 트랜지스터수를 3×106개로 하고, 본 발명의 트랜지스터 및 종래구조의 트랜지스터의 소비전력 및 클럭주파수의 관계를 나타낸다.(제25도).Here, the power consumption per chip is 10 W, the number of chip transistors is 3x10 6 , and the relationship between the power consumption and the clock frequency of the transistor of the present invention and the transistor of the conventional structure is shown.

여기에서 각 트랜지스터의 임계치전압의 설계는, 임계치전압의 정의를 드레인전류(Id)가 1㎂/㎛ 흐를 때의 전압으로 하면, 3.3V전원에서 0.6V, 2.0V전원에서 0.4V, 1.5V 전원에서 0.3V, 1.0V전원에서 0.2V, 0.5V전원에서 0.15V 0.3V전원에서 0.1V로 했다.Here, in the design of the threshold voltage of each transistor, if the definition of the threshold voltage is a voltage at which the drain current Id flows by 1 mA / µm, 0.6V at 3.3V power supply, 0.4V at 1.5V power supply and 1.5V power supply at 2.0V power supply. 0.2V at 0.3V, 1.0V power supply, 0.15V at 0.5V power supply, and 0.1V at 0.3V power supply.

소비전력(P)과 클럭주파수(f)의 관계는, 전하의 축적, 소거로 결정되는 영역 및 리크전류로 결정되는 영역으로 나눌 수 있다.The relationship between the power consumption P and the clock frequency f can be divided into a region determined by the accumulation and erasure of charge and a region determined by the leakage current.

그리고, 제25도(a)에 나타낸 바와 같이 리크전류중 서브드레숄드특성으로 결정되는 성분은 각각의 임계치전압으로부터 값 1.5V 전원전압에서는 임계치전압 O.3V이고, 리크전류에 의한 소비전력은 4.5mW이다. 마찬가지로,As shown in Fig. 25 (a), the component determined as the sub-threshold characteristic among the leakage currents is the threshold voltage 0.3V at the supply voltage of 1.5V from the respective threshold voltages, and the power consumption by the leakage current is 4.5. mW. Likewise,

1.0V 전원전압에서 30mW,30 mW at 1.0 V supply voltage,

0.5V 전원전압에서 45mW,45 mW at 0.5 V supply voltage,

0.3V 전원전압에서 100mW100mW at 0.3V Supply Voltage

이다.to be.

한편, 본 발명의 터널게이트 산화막을 이용한 경우(Lg=0.14㎛, Tox=1.5nm)의 리크전류는 1.5V 전원에서 6×10-8A/㎛이고, 1개당의 트랜지스터의 게이트폭을 10㎛, 트랜지스터수를 3×106개로 했을 때, 리크전류에 의한 소비전력성분은 2.7W로 된다.On the other hand, in the case of using the tunnel gate oxide film of the present invention (Lg = 0.14µm, Tox = 1.5nm), the leakage current is 6 × 10 -8 A / µm at 1.5V power supply, and the gate width of each transistor is 10µm. When the number of transistors is 3 × 10 6 , the power consumption component due to the leakage current is 2.7 W.

각각의 경우에 대해 종합해 보면, 게이트산화막 두께 1.5nm에서In each case, the gate oxide thickness is 1.5nm.

Lg=0.14㎛일 때,When Lg = 0.14㎛

1.5V 전원전압에서 2.7W,2.7 W at 1.5 V supply

1.0V 전원전압에서 600mW,600 mW at 1.0 V supply voltage,

0.5V 전원전압에서 45mW,45 mW at 0.5 V supply voltage,

0.3V 전원전압에서 45mW,45 mW at 0.3 V supply voltage,

0.3V 전원전압에서 6.3mW6.3mW at 0.3V Supply Voltage

Lg=0.09㎛일 때,When Lg = 0.09㎛

1.5V 전원전압에서 540mW,540 mW at 1.5 V supply voltage,

1.0V 전원전압에서 120mW,120 mW at 1.0 V supply voltage,

0.5V 전원전압에서 9mW,9 mW at 0.5 V supply voltage,

0.3V전원전압에서 1.3mW1.3mW at 0.3V Supply Voltage

이다.to be.

한편, 제25도(a)에 나타낸 바와 같이, 전하의 축적, 소거에 의해 결정되는 소비전력은 통상의 Lg=0.4㎛, Tox=9nm의 트랜지스터의 3.3V동작을 기준으로 하면, 이 트랜지스터의 구동은 0.40mA/㎛이다.On the other hand, as shown in Fig. 25 (a), the power consumption determined by the accumulation and erasing of electric charges is driven based on the 3.3V operation of a transistor of Lg = 0.4 mu m and Tox = 9 nm. Is 0.40 mA / µm.

본 발명의 트랜지스터는, Lg=0.14㎛, Tox=1.5nm의 트랜지스터에서는, 1.5V전원에서 소비전력은 1.2배, 클럭주파수는 5.7배이다. 0.5V동작에서는, 소비전력은 0.047배, 클럭주파수는 2.1배이다.In the transistor of the present invention, in the transistor of Lg = 0.14 µm and Tox = 1.5 nm, the power consumption is 1.2 times and the clock frequency is 5.7 times at 1.5V power supply. In 0.5V operation, the power consumption is 0.047 times and the clock frequency is 2.1 times.

또, Lg=0.09㎛, Tox=1.5nm의 트랜지스터에서는 1.5V동작에서 1.8배의 소비전력, 8.6배의 클럭주파수로 된다. 0.5V동작에서 0.11배의 소비전력, 4.9배의 클럭주파수로 된다.In the transistor of Lg = 0.09 mu m and Tox = 1.5 nm, the power consumption is 1.8 times and the clock frequency is 8.6 times in 1.5V operation. At 0.5V operation, power consumption is 0.11 times and clock frequency is 4.9 times.

또, 상술한 게이트 리크전류성분은 전하의 축적소거에 의해 소비되는 본질적인 소비전력성분에 비해 약 1자리수 작아 문제로 되지 않는다.In addition, the above-described gate leakage current component is about one digit smaller than the intrinsic power consumption component consumed by charge accumulation elimination and does not cause a problem.

따라서, 제26도에 나타낸 바와 같이, 200㎒, 3.3V동작의 LSI에 비해 본 발명의 트랜지스터에서는, 1.5V동작에서는 같은 소비전력으로 5배의 고주파동작(약 1000㎒), 0.5V동작에서는 1/9의 저소비전력화로 5배의 고클럭동작이 가능하다.Therefore, as shown in FIG. 26, in the transistor of the present invention, as compared with the LSI of 200 MHz and 3.3 V operation, the high power operation (about 1000 MHz) of 5 times at the same power consumption in the 1.5 V operation and 1 in the 0.5 V operation is performed. Low power consumption of / 9 enables 5x higher clock operation.

또, 200㎒에서 동작시킨다면, 0.3V까지 전원전압을 낮추어 소비전력을 1/100의 100㎽이하로 할 수 있다.In addition, when operating at 200 MHz, the power supply voltage can be lowered to 0.3 V, thereby reducing the power consumption to 100 mW of 1/100 or less.

또, 본 트랜지스터는 저전압하에서도 높은 상호컨덕턴스를 갖고, 높은 전류구동능력을 갖기 때문에(1.5V에서 1,010mS/mm, 0.5V에서 860mS/mm, 종래는 3.3V에서 200mS/mm정도) 현행의 5배 정도의 고주파 아날로그동작이 저전압하에서 가능하게 된다.In addition, the transistor has a high mutual conductance even at a low voltage, and has a high current driving capability (1,010 mS / mm at 1.5 V, 860 mS / mm at 0.5 V, and conventionally 200 mS / mm at 3.3 V). About twice as high frequency analog operation is possible under low voltage.

예컨대, 1∼수10㎓ 동작의 통신용 고주파 아날로그 IC는, 주로 바이폴라나 GaAs등의 트랜지스터를 이용하고 있지만, 이것을 본 발명의 CMOS로 치환하는것이 가능하게 된다.For example, although the high frequency analog IC for communication of 1-10 microsecond operation | movement mainly uses transistors, such as a bipolar and GaAs, it becomes possible to replace this by the CMOS of this invention.

LSI의 고집적화, 고속화를 달성하기 위해, MOS형 트랜지스터의 미세화가 종래부터 행하여지고 있다. 물론 고속화를 위해서는, 배선의 저용량화, 저저항화나, 소자의 기생용량이나 기생저항의 저감화가 중요하지만, 소자 자신의 미세화도 고구동력화의 큰 열쇠로 된다. 금후, 저소비전력화를 위해, 보다 저전압하에서의 디바이스의 이용이 요구되고 있지만, 어떻게 저전압하에서 고구동력의 트랜지스터를 형성하는가가 중요한 과제로 된다.In order to achieve high integration and high speed of LSI, miniaturization of MOS transistors has been conventionally performed. Of course, in order to increase the speed, it is important to reduce the wiring capacity, reduce the resistance, and reduce the parasitic capacitance and parasitic resistance of the device, but the miniaturization of the device itself is also a key to high driving power. In order to reduce the power consumption in the future, use of a device under a lower voltage is required, but how to form a transistor of high driving power under a low voltage becomes an important problem.

또, 통상은 예컨대 문헌(저자 G. G. Shahidi, J. Warnock, A. Acovic, P. Agnello, C. Blair, C. Bucelot, A. Burghartz, E. Crabbe, J. Cressler, P. Coane, J. Comfort, B. Davarl, S. Fischer, E. Ganin, S. Gittleman, J. Keller, K. Jenkins, D. Klans, K. Kiewtniak, T. Lu, P. A. McFarland, T. Ning, M. Polcari, S. Subbana, J. Y. Sun, D. Sunderland, A. C. Warren, C. Wong;논문명 A HIGH PERFORMANCE 0.15㎛ CMOS; 출전 Dig. of Tech. Paper, VLSI Symp. on Tech., Kyoto, pp. 93-94, 1993=이하 문헌[a]라 한다)에 나타내어진 바와 같이, 통상 1.8V전원에서는 0.05㎛ 채널길이(게이트길이 0.10㎛로 추정)의 nMOS는 480mS/mm이하, 0.06㎛ 채널길이(게이트길이 0.14㎛로 추정)의 pMOS는 250mS/mm이하의 상호컨덕턴스(gm)가 얻어지는 것에 지나치 않는다. 따라서, 이 문헌[a]의 트랜지스터에서는 1.5V 전원에 있어서도 가능한한 상술한 480mS/mm, 250mS/mm의 값이 얻어지는 것에 지나지 않는다. 한편, 문헌(저자 Y. Taur, S. Wind, Y. J. Mii, Y. Lii, D. Moy, K. A. Jenkins, C. L. Chen, P. J. Coane, D.Klaus, J.Bucchignano, M. Rosenfield, M. G. R. Thomson, and M. Polcari; 논문명 High Performance 0.1㎛ CMOS DEVICE with 1.5V Power Supply; 출전 IEDM Tech. Dig., pp. 127-130, 1993=이하 문헌[c]라 한다)에 나타내어진 것에서는 1.5V 전원에서 0.09㎛ 채널길이(게이트길이 0.14㎛로 추정)의 nMOS는 620mS/mm, 0.11㎛ 채널길이(게이트길이 0.19㎛로 추정)의 pMOS는 290mS/mm의 값이 얻어지는 것에 지나지 않는다. 또, 문헌(저자 Y. Mii. S. Rishton, Y. Teur, D. Kern T. Lii, K. Lee, K. Jenkins, D. Quinlan, T. Brown Jr., D. Danner, F. Sewell, and M. Polcari; 논문명 High Performance 0.1㎛ nMOSFET's with 10ps/stage Delay(85K) at 1.5V Power Supply; 출전 Dig. of Tech. Pater, VLSI Symp. on Tech., Kyoto,pp 91-92, 1993 = 이하 문헌 [d]라 한다)에서는 전원전압 1.5V에서 0.05㎛ 채널길이(게이트길이 0.100㎛로 추정)의 nMOS에서 740mS/mm의 값이 얻어지는 것이 나타내어져 있다. 또, 예컨대 문헌(저자 Y. Mii, S. Wind, Y. Lii, D. Klaus, and J. Bucchignano; 논문명 An Ultra-Low Power 0.1㎛ CMOS; 출전 Dig. of Tech. Papers, VLSI Symp. on Tech, Hawaii, pp. 9-10, 1994=이하 문헌[b]라 한다)에 나타내어져 있는 것은, 0.5V 전원에서는 0.12㎛ 채널길이(게이트길이 0.17㎛로 추정)의 nMOS에서 340mS/mm, 0.12㎛ 채널길이(게이트길이 0.2㎛로 추정)의 pMOS에서 140mS/mm 이하의 상호컨덕턴스(gm)가 얻어지는 것에 지나지 않는다. 또, 고성능의 p채널 MOSFET의 예로서는, 문헌(저자 Y. Taur, S. Cohen, S. Wind, T. Lii, C. Hsu, D. Quinlan, C. Chang, D. Buchanan, P. Agnello, Y. Mii, C. Reeves, A. Acovic, and V. Kesan; 논문명 High Transconductance 0.1㎛ pMOSFET: 출전 IEDM Tech. Dig., pp. 901-904, 1992=이하 문헌[e]라 한다)에서는, 전원전압 1.5V일 때, 게이트산화막 두께 3.5nm, 실효채널길이 0.08㎛(게이트길이 0.15㎛로 추정)에서 400mS/mm, 실효채널길이 0.11㎛(게이트 길이 0.18㎛)에서 330mS/mm가 보고되어 있다. 따라서, 1.5V 이상의 전원에서 nMOS가 740mS/mm 초과, pMOS가 400mS/mm 초과, 1.2V 이상의 전원에서 nMOS가 540mS/mm 초과, pMOS가 245mS/mm초과, 0.5V 이상의 전원에서 nMOS가 340mS/mm초과, pMOS가 140mS/mm초과의 성능을 갖기 위해서는, 트랜지스터의 구조로서 본 발명의 구성을 갖는 것이 필요하다.Ordinarily, for example, the authors (authors GG Shahidi, J. Warnock, A. Acovic, P. Agnello, C. Blair, C. Bucelot, A. Burghartz, E. Crabbe, J. Cressler, P. Coane, J. Comfort) , B. Davarl, S. Fischer, E. Ganin, S. Gittleman, J. Keller, K. Jenkins, D. Klans, K. Kiewtniak, T. Lu, PA McFarland, T. Ning, M. Polcari, S. Subbana, JY Sun, D. Sunderland, AC Warren, C. Wong; Paper Title A HIGH PERFORMANCE 0.15㎛ CMOS; Source Dig. Of Tech.Paper, VLSI Symp.on Tech., Kyoto, pp. 93-94, 1993 As shown in [a], nMOS of 0.05 µm channel length (estimated at 0.10 µm of gate length) is usually less than 480 mS / mm and 0.06 µm channel length (estimated at 0.14 µm of gate length) at 1.8V power supply. The pMOS is only a cross conductance (gm) of 250 mS / mm or less. Therefore, in the transistor of this document [a], the above-described values of 480 mS / mm and 250 mS / mm are obtained as much as possible even with a 1.5 V power supply. Meanwhile, the authors (authors Y. Taur, S. Wind, YJ Mii, Y. Lii, D. Moy, KA Jenkins, CL Chen, PJ Coane, D. Klaus, J. Buchchignano, M. Rosenfield, MGR Thomson, and M Polcari; High Performance 0.1 μm CMOS DEVICE with 1.5V Power Supply; Source IEDM Tech.Dig., Pp. 127-130, 1993 = hereinafter referred to as [c]), 0.09 μm at 1.5V power supply. The nMOS of channel length (estimated at 0.14 μm of gate length) is 620 mS / mm, and the pMOS of 0.11 μm channel length (estimated at 0.19 μm of gate length) is only 290 mS / mm. See also, Authors Y. Mii. S. Rishton, Y. Teur, D. Kern T. Lii, K. Lee, K. Jenkins, D. Quinlan, T. Brown Jr., D. Danner, F. Sewell, and M. Polcari; Paper title High Performance 0.1㎛ nMOSFET's with 10ps / stage Delay (85K) at 1.5V Power Supply; Source Dig. of Tech.Pater, VLSI Symp.on Tech., Kyoto, pp 91-92, 1993 = or less The document [d] shows that a value of 740 mS / mm can be obtained in an nMOS having a channel length of 0.05 m (presumed to be a gate length of 0.100 m) at a power supply voltage of 1.5V. See also, for example, the authors: Y. Mii, S. Wind, Y. Lii, D. Klaus, and J. Bucchignano; Paper Name An Ultra-Low Power 0.1 μm CMOS; Dig. Of Tech. Papers, VLSI Symp. On Tech , Hawaii, pp. 9-10, 1994 hereinafter referred to as [b]), 340 mS / mm, 0.12 μm at nMOS with 0.12 μm channel length (estimated gate length of 0.17 μm) at 0.5 V power supply. The interconductance gm of 140 mS / mm or less is obtained only in the pMOS of the channel length (estimated at 0.2 μm of the gate length). Moreover, as an example of a high performance p-channel MOSFET, the author (authors Y. Taur, S. Cohen, S. Wind, T. Lii, C. Hsu, D. Quinlan, C. Chang, D. Buchanan, P. Agnello, Y) Mii, C. Reeves, A. Acovic, and V. Kesan; Paper name High Transconductance 0.1 μm pMOSFET: Source IEDM Tech.Dig., Pp. 901-904, 1992 = hereinafter referred to as [e]) At 1.5 V, 400 mS / mm at a gate oxide thickness of 3.5 nm, effective channel length of 0.08 μm (estimated gate length of 0.15 μm), and 330 mS / mm at an effective channel length of 0.11 μm (gate length of 0.18 μm) have been reported. Therefore, nMOS exceeds 740mS / mm at 1.5V or higher, pMOS exceeds 400mS / mm, nMOS exceeds 540mS / mm at 1.2V or higher, pMOS exceeds 245mS / mm, nMOS exceeds 340mS / mm at 0.5V or higher In order for the pMOS to have a performance exceeding 140 mS / mm, it is necessary to have the configuration of the present invention as the structure of the transistor.

마찬가지로 전원구동력에 대해서는, 통상은 예컨대 문헌[b]에 나타내어져 있는 바와 같이 0.5V 전원에서는 nMOS는 0.052mA/㎛, pMOS는 0.032mA/㎛에 머무르고 있다. 또, 1.5V 전원에서는 문헌 [c]에 나타내어져 있는 바와 같이 nMOS는 0.65㎃/㎛, pMOS는 0.51㎂/㎛에 머무르고 있다. 따라서, 1.5V 이상의 전원에서 nMOS가 0.65㎃/㎛ 초과, pMOS가 0.51㎃/㎛ 초과, 1.2V이상의 전원에서 nMOS가 0.47㎃/㎛초과, pMOS가 0.22㎃/㎛초과, 0.5V 이상의 전원에서 nMOS가 0.052㎃/㎛초과, pMOS가 0.032㎃/㎛초과의 구동력을 얻기 위해서는, 트랜지스터의 구조로서 본 발명의 구성을 갖는 것이 필요하다.Similarly, for the power supply driving force, as shown in, for example, [b], the nMOS stays at 0.052 mA / µm and the pMOS at 0.032 mA / µm, for example. In the 1.5 V power supply, as shown in the document [c], the nMOS stays at 0.65 mA / µm and the pMOS is 0.51 mA / µm. Therefore, nMOS exceeds 0.65 mA / µm at 1.5 V or higher power supply, pMOS exceeds 0.51 mA / µm, nMOS exceeds 0.47 mA / µm at 1.2 V or higher power supply, pMOS exceeds 0.22 mA / µm and nMOS is higher than 0.5V power supply. In order to obtain a driving force of greater than 0.052 kPa / µm and a pMOS of more than 0.032 kPa / µm, it is necessary to have the structure of the present invention as the structure of the transistor.

상술한 상호컨덕턴스 및 전류구동력의 값은 모두 실온에서의 특성치이다.The values of the mutual conductance and the current driving force described above are both characteristic values at room temperature.

따라서, 어느 전원전압(VDD)하에서 nMOS에 있어서,Therefore, in the nMOS under a certain power supply voltage VDD,

gm>400×VDD+140gm > 400 × VDD + 140

pMOS에 있어서,In pMOS,

gm>260×VDD+10gm> 260 * VDD + 10

으로 되는 구조가 본 발명의 특징으로 된다. 단위는 VDD(V), gm(mS/mm)이다.The structure which becomes is a characteristic of this invention. The unit is VDD (V), gm (mS / mm).

또, 전류구동력으로서는In addition, as a current driving force

nMOS가 Id>0.598×VDD-0.247nMOS is Id> 0.598 × VDD-0.247

pMOS가 Id>0.268×VDD-0.102pMOS is Id> 0.268 × VDD-0.102

로 되는 구조가 본 발명의 특징으로 된다. 단위는 VDD(V), Id(㎃/㎛)이다. 또, 이들 값에 대해서는 특별히 게이트길이의 값을 기술하고 있지 않지만, 모두 0.1㎛부근의 크기이다.The structure which becomes is a characteristic of this invention. The unit is VDD (V) and Id (µs / µm). In addition, these values do not describe the value of a gate length in particular, but they are all about 0.1 micrometer in size.

MOSFET의 구동력은 게이트길이를 짧게 하고 채널의 전계를 강하게 함으로써, 전자나 정공의 속도를 올리는 수법이 구동력향상에 효과가 있음은 잘 알려져 있지만, 게이트길이를 짧게 하고 채널전계를 강하게 하는 방법에 있어서는 게이트길이가 0.1㎛, 혹은 그 이하에서 원리적으로는 속도포화(채널의 전계가 어느 정도 강해지면, 그 이상 전계가 강해지고 있어도 전자나 정공의 속도가 포화하여 향상되지 않는다고 하는 현상)가 생겨 고속화가 포화하고 있었다.It is well known that the driving force of the MOSFET shortens the gate length and strengthens the electric field of the channel, so that the method of increasing the speed of electrons or holes is effective in improving the driving force.However, in the method of shortening the gate length and strengthening the channel electric field, When the length is 0.1 µm or less, in principle, a speed saturation (a phenomenon in which the velocity of electrons or holes does not improve due to the saturation of electrons or holes even when the electric field of the channel becomes to some extent strong) is increased. It was saturated.

미세게이트의 MOSFET로서, 작년 게이트길이 0.04㎛의 세계최소의 nMOSFET를 제작하고, 그 실온동작을 보고했지만, 그 전류구동력은 0.1㎛게이트길이의 트랜지스터에 비해 2∼3할의 향상에 머무르는 것이었다.As a fine gate MOSFET, the world's smallest nMOSFET with a gate length of 0.04 mu m was reported last year, and its room temperature operation was reported. However, the current driving force remained at an improvement of 20 to 30% compared to a transistor having a 0.1 mu m gate length.

따라서, 전술한 상호컨덕턴스 및 구동력의 값은, 종래의 방법으로는 실현이 곤란하고, 본 발명의 구조를 갖는 트랜지스터로 실현할 수 있는 것이다.Therefore, the above-described values of the mutual conductance and the driving force are difficult to realize by the conventional method, and can be realized by the transistor having the structure of the present invention.

본 발명의 터널링 게이트산화막을 이용하지 않는 통상의 MOSFET에 있어서는, N채널 MOS에서는 실효채널길이(Leff) 0.5㎛, 게이트산화막 두께(Tox)3.5nm의 디바이스에서, 1.5V 전원전압하에서 상호컨덕턴스 40mS/mm의 값이 얻어지고 있다(문헌 [d]). 이 트랜지스터의 게이트길이(Lg)는 0.10㎛로 추측할 수 있다. 이 상호컨덕턴스의 값은 종래구조의 0.1㎛게이트길이 MOSFET의 최고성능이다. 또, 상기 종래구조의 실효채널길이 0.1㎛(게이트길이 0.15㎛로 추측) 트랜지스터에서는 상호컨덕턴스 620mS/mm의 값이 얻어지고 있는데, 이것도 종래구조의 0.15㎛ 게이트길이 MOSFET에서 얻어지는 최고성능이었다.In a conventional MOSFET which does not use the tunneling gate oxide film of the present invention, in a device having an effective channel length (Leff) of 0.5 µm and a gate oxide thickness (Tox) of 3.5 nm in an N-channel MOS, the mutual conductance of 40 mS / The value of mm is obtained (document [d]). The gate length Lg of this transistor can be estimated to be 0.10 mu m. The value of this cross-conductance is the highest performance of the 0.1 mu m gate length MOSFET of the conventional structure. In addition, the transistor having an effective channel length of 0.1 mu m (presumed to have a gate length of 0.15 mu m) has a value of 620 mS / mm of mutual conductance, which is also the highest performance obtained with a 0.15 mu m gate length MOSFET of a conventional structure.

본 발명의 MOSFET의 반전층용량은 표면 캐리어농도의 견적으로부터 약 0.5nm의 게이트산화막과 등가이다.The inversion layer capacity of the MOSFET of the present invention is equivalent to a gate oxide film of about 0.5 nm from the estimation of the surface carrier concentration.

따라서, 본 발명의 2.5nm 미만의 게이트산화막을 적용한 구조의 트랜지스터에 있어서는, 0.1㎛ 게이트길이의 디바이스에 있어서 그 상호컨덕턴스(gm)는,Therefore, in the transistor having the structure of applying the gate oxide film of less than 2.5 nm of the present invention, in the device having a gate length of 0.1 탆, the mutual conductance (gm) is

gm > 740 ×(3.5+0.5)/(2.5+0.5)gm> 740 × (3.5 + 0.5) / (2.5 + 0.5)

∼990mS/mm990 mS / mm

0.15㎛ 게이트길이의 디바이스에 있어서0.15 μm gate length device

gm > 620 ×(3.5+0.5)/(2.5+0.5)gm> 620 × (3.5 + 0.5) / (2.5 + 0.5)

∼830mS/mm830 mS / mm

를 실현할 수 있다. 바꾸어 말하면, 0.1㎛ 게이트길이에서 990mS/mm, 0.15㎛게이트길이에서 830mS/mm이상의 상호컨덕턴스를 얻기 위해서는, 본 발명의 기본요소인 2.5nm미만의 터널게이트산화막의 적용이 필요하다.Can be realized. In other words, in order to obtain a mutual conductance of 990 mS / mm at a gate length of 0.1 μm and 830 mS / mm or more at a gate length of 0.15 μm, application of a tunnel gate oxide of less than 2.5 nm, which is a basic element of the present invention, is required.

또한, 동시에 전류구동력은 1.5V의 전원전압하에서 0.65㎃/㎛가 종래의 최고성능이다(문헌[c]). 이 값은 실효채널길이 Leff=0.09㎛의 디바이스에서의값이다(게이트길이는 0.14㎛로 추정). 또, 이 종래 트랜지스터 구조에서 게이트길이 0.10㎛의 디바이스를 실현하면, 전류구동력은 0.77㎃/㎛로 추정할 수 있다.At the same time, the current driving force is 0.65 kW / µm under the power supply voltage of 1.5 V, which is the conventional highest performance (document [c]). This value is for a device having an effective channel length of Leff = 0.09 mu m (gate length is estimated to be 0.14 mu m). If the device having a gate length of 0.10 mu m is realized in this conventional transistor structure, the current driving force can be estimated to be 0.77 mA / mu m.

따라서, 본 발명의 2.5nm미만의 게이트산화막을 적용한 구조의 트랜지스터에 있어서는, 그 전류구동력(Id)은 0.1㎛게이트길이의 디바이스에서Therefore, in a transistor having a structure of less than 2.5 nm of the gate oxide film of the present invention, the current driving force Id is 0.1 μm in a gate length device.

Id 〉 0.77 ×(3.5 + 0.5) / (2.5 + 0.5)Id> 0.77 × (3.5 + 0.5) / (2.5 + 0.5)

~ 1.0mA/㎛~ 1.0 mA / μm

0.15㎛ 게이트길이의 디바이스에서,In devices with 0.15 μm gate length,

Id 〉 0.65 ×(3.5 + 0.5) / (2.5 + 0.5)Id〉 0.65 × (3.5 + 0.5) / (2.5 + 0.5)

~ 0.87mA/㎛~ 0.87 mA / μm

를 실현할 수 있다.Can be realized.

반대로, 1.5V의 전원전압하에서는 0.1㎛게이트길이에서 1.0㎃/㎛, 0.15㎛게이트길이에서 0.87㎃/㎛의 전류구동력을 얻기 위해서는, 본 발명의 기본요소인 2.5nm미만의 터널산화막의 적용이 필수이다.On the contrary, in order to obtain a current driving force of 1.0 mA / µm at a gate length of 0.1 µm and 0.87 mA / µm at a gate length of 0.15 µm under a power supply voltage of 1.5 V, application of a tunnel oxide film of less than 2.5 nm, which is a basic element of the present invention, is essential. to be.

또, 고성능의 p채널 MOSFET의 예로서는, 문헌([e])에서는 전원전압 1.5V일 때 게이트산화막 3.5nm, 실효채널길이 0.08㎛(게이트길이 0.15㎛로 추정)에서 400mS/mm, 0.51mA/㎛, 실효채널길이 0.11㎛(게이트길이 0.18㎛)에서 330mS/mm, 0.44㎃/㎛가 보고되어 있다.As an example of a high-performance p-channel MOSFET, the literature ([e]) shows 400 mS / mm and 0.51 mA / µm at a gate oxide film of 3.5 nm and an effective channel length of 0.08 µm (estimated gate length of 0.15 µm) at a power supply voltage of 1.5 V. 330 mS / mm and 0.44 μs / μm are reported at an effective channel length of 0.11 μm (gate length of 0.18 μm).

n채널 MOSFET일 때와 마찬가지로 본 발명의 2.5nm미만의 게이트산화막을 적용한 구조의 트랜지스터에서는 0.15㎛게이트길이에서 533mS/mm, 0.68mA/㎛, 0.18㎛게이트길이에서 440mS/mm, 0.59㎃/㎛의 고성능을 실현할 수 있다.As in the case of the n-channel MOSFET, the transistor having the gate oxide film less than 2.5 nm of the present invention has a structure of 533 mS / mm, 0.68 mA / µm at a gate length of 0.15 µm, 440 mS / mm at a gate length of 0.18 µm, and 0.59 μs / µm. High performance can be realized.

각각의 게이트길이의 디바이스에 있어서, 상기의 나타낸 값 이상의 성능을 얻기 위해서는, 본 발명의 기본요소인 2.5nm미만의 채널산화막의 적용이 필수이다.In each gate length device, application of a channel oxide film of less than 2.5 nm, which is a basic element of the present invention, is essential in order to obtain performance above the values shown above.

따라서, 전원전압(Vdd)과 상호컨덕턴스(gm)또는 전류구동력(Id)의 관계가,Therefore, the relationship between the power supply voltage Vdd and the mutual conductance gm or the current driving force Id is

nMOS에서nMOS

gm > 530 ×Vdd+190gm > 530 × Vdd +190

pMOS에서in pMOS

gm > 330 ×Vdd+13gm > 330 × Vdd + 13

nMOS에서nMOS

Id > 0.80 ×Vdd-0.33Id> 0.80 × Vdd-0.33

pMOS에서in pMOS

Id > 0.36 ×Vdd-0.14Id> 0.36 × Vdd-0.14

(단위는 Vdd(V), gm(mS/mm))(Unit is Vdd (V), gm (mS / mm))

를 만족하는 트랜지스터를 실현하기 위해서는, 본 발명의 기본요소인 2.5nm미만의 게이트산화막의 적용이 불가결하다In order to realize a transistor satisfying this requirement, application of a gate oxide film less than 2.5 nm, which is a basic element of the present invention, is indispensable.

이상과 같이, 본 발명에 의해 종래에 비해 구동력, 신뢰성이 모두 좋은 트랜지스터를 실현할 수 있었다.As described above, according to the present invention, it is possible to realize a transistor having both better driving force and higher reliability than before.

이상은 실리콘산화막을 게이트절연막에 이용하여 설명했지만, 본 발명은 그와 동등한 게이트용량을 갖는 절연막을 이용해도 마찬가지의 효과가 있다. 절연막으로서는, 예컨대 실리콘질화막(Si3N4), 실리콘질화산화막(SiOxNy), 실리콘질화막과 실리콘산화막의 적층막(SiO2/Si3N4,Si3N4/SiO2,SiO2/Si3N4/SiO2, Si3N4/SiO2/N4)혹은 탄탈옥사이드(TaOx), 티탄산 스트론튬막(TiSrxOy), 그들과 실리콘산화막, 실리콘질화막의 적층막 등이 있다. 이들의 절연막의 게이트용량이 실리콘산화막 환산으로 실리콘산화막 두께 2.5nm 미만과 동등하면, 본 발명의 효과가 얻어진다. 예컨대, 실리콘질화막의 비유전율(7.9)은 실리콘산화막(3.9)의 약 2배이고, 실리콘질화막을 이용하는 경우는 막두께 5nm미만의 경우에 있어서 본 발명의 효과가 얻어진다. 전술한 어느 절연막을 이용하는 경우에 있어서, 이 게이트절연막내를 터널 리크전류가 흘러도 실리콘산화막내를 터널전류가 흐르는 절연막두께로 트랜지스터를 구성한다고 하는 요지와 일치하고 있으며, 동등한 효과가 있다. 또, 상술한 실리콘산화막 2.5nm미만과 동등한 게이트용량을 갖는 절연막이면, 터널전류가 흐르지 않는 절연막을 이용할 수 있다. 이 경우는 소비전력이 저감되고, 더욱이 저소비전력으로 고성능의 트랜지스터를 실현할 수 있다.As mentioned above, although the silicon oxide film was demonstrated using the gate insulating film, this invention has the same effect also when using the insulating film which has the equivalent gate capacitance. Examples of the insulating film include a silicon nitride film (Si 3 N 4 ), a silicon nitride oxide film (SiOxNy), a silicon nitride film and a silicon oxide film (SiO 2 / Si 3 N 4, Si 3 N 4 / SiO 2 , SiO 2 / Si 3). N 4 / SiO 2 , Si 3 N 4 / SiO 2 / N 4 ) or tantalum oxide (TaOx), a strontium titanate film (TiSrxOy), a silicon oxide film and a silicon nitride film, and the like. When the gate capacitance of these insulating films is equivalent to less than 2.5 nm of silicon oxide film in terms of silicon oxide film, the effect of the present invention is obtained. For example, the relative dielectric constant (7.9) of the silicon nitride film is about twice that of the silicon oxide film (3.9). When the silicon nitride film is used, the effect of the present invention is obtained when the film thickness is less than 5 nm. In the case of using any of the above-described insulating films, even if the tunnel leakage current flows through the gate insulating film, the same principle as that of forming a transistor with the insulating film thickness through which the tunnel current flows in the silicon oxide film has the same effect. In addition, as long as the insulating film has a gate capacitance equivalent to less than 2.5 nm of the silicon oxide film described above, an insulating film through which a tunnel current does not flow can be used. In this case, power consumption is reduced, and high-performance transistors can be realized with low power consumption.

예컨대, 트랜지스터 1개당 10-8A의 게이트 터널리크를 갖는 MOSFET를 100만개 집적한 경우, 10㎃의 전력이 소비된다. 한편, 터널전류가 흐르지 않는 트랜지스터를 사용한 경우에는, 이 10㎃의 소비전력이 억제되어 LSI로서의 성능의 향상을 도모할 수 있다.For example, when 1 million MOSFETs having a gate tunnel leak of 10 −8 A per transistor are integrated, power of 10 ㎃ is consumed. On the other hand, when a transistor in which no tunnel current flows is used, the power consumption of 10 mA is suppressed and the performance as an LSI can be improved.

또, 본 발명의 트랜지스터는 반도체장치의 일부에 사용되면, 고성능이면서 저가의 반도체장치가 실현된다.In addition, when the transistor of the present invention is used for a part of a semiconductor device, a high performance and low cost semiconductor device is realized.

제18도는 반도체장치의 일부에 본 발명의 트랜지스터를 사용한 반도체장치의 개략도이다. 특히, 대전류로 구동하는 것이 요구되는 주변회로의 부분에 제18도(b)에 나타낸 바와 같이 본 발명의 트랜지스터를 이용하면 좋다. 이러한 반도체장치는 다음과 같은 제조법으로 제작할 수 있다.18 is a schematic diagram of a semiconductor device using the transistor of the present invention as a part of the semiconductor device. In particular, as shown in Fig. 18B, the transistor of the present invention may be used for a portion of a peripheral circuit requiring driving with a large current. Such a semiconductor device can be manufactured by the following manufacturing method.

종래방법에 의해 반도체기판상에 소자영역 및 소자분리영역을 형성한 후, 예컨대 노산화법(爐酸化法)으로 800℃ 산소분위기에서 실리콘표면을 산화하여 4nm의 제1실리콘산화막을 형성한다. 그 후, 본 발명의 트랜지스터 형성영역만 상기 제1실리콘산화막을 제거한다. 그후, 급속 램프가열법으로 원하는 막두께의 제2실리콘산화막을 형성한다. 이하의 공정은 상술한 본 발명의 트랜지스터의 형성방법과 마찬가지의 공정을 거쳐 제작한다.After forming a device region and a device isolation region on a semiconductor substrate by a conventional method, a silicon oxide surface of 4 nm is formed by oxidizing a silicon surface in an oxygen atmosphere at 800 ° C., for example, by a oxidizing method. Thereafter, only the transistor formation region of the present invention removes the first silicon oxide film. Thereafter, a second silicon oxide film having a desired film thickness is formed by rapid lamp heating. The following process is produced through the process similar to the formation method of the transistor of this invention mentioned above.

이와 같이 제작한 반도체장치는, 대전류로 구동되는 트랜지스터의 요구되는 영역에 본 발명에서 제작한 고성능의 트랜지스터가 형성되고, 전체로서 우수한 반도체장치로 된다. 종래, 예컨대 고속논리디바이스에 있어서는 제19도에 나타낸 바와 같이 주변회로부분(I/O부)을 바이폴라 트랜지스터로 형성하고, 내부논리회로를 CMOS 트랜지스터로 형성하여 고속화를 도모했다.In the semiconductor device thus produced, the high-performance transistor produced in the present invention is formed in a required region of a transistor driven with a large current, and the semiconductor device is excellent as a whole. Conventionally, for example, in a high speed logic device, as shown in FIG. 19, the peripheral circuit portion (I / O portion) is formed of a bipolar transistor, and the internal logic circuit is formed of a CMOS transistor to achieve high speed.

본 발명을 이용함으로써, CMOS의 프로세스만으로 제작이 가능하게 되고, 저가로 고성능의 소자를 실현할 수 있었다.By using the present invention, fabrication can be performed only by a CMOS process, and high-performance devices can be realized at low cost.

또, 본 발명의 트랜지스터는 게이트절연막이 2.5nm미만으로 대단히 얇기 때문에, LSI 동작시에 있어서 돌발적인 게이트전압의 인가, 노이즈 등에 의해 과도의 즉 전원전압을 초과하는 전압이 인가되는 상황이 생긴 경우, 게이트파괴라 불리우는 절연막파괴를 일으켜 MOSFET로서 양호한 작용을 할 수 없게 된다고 하는 문제가 일어난다.In the transistor of the present invention, since the gate insulating film is extremely thin (less than 2.5 nm), in a situation in which an excessive voltage, that is, a voltage exceeding the power supply voltage is applied due to an unexpected gate voltage, noise, or the like during LSI operation, A problem arises in that an insulating film called gate breakage is caused and a good function cannot be performed as a MOSFET.

제29도는 본 발명의 트랜지스터(9)의 게이트에 절연파괴의 보호회로로서 금속/실리콘층으로 이루어진 쇼트키 다이오드(11)를 접속한 구조를 나타낸다. 이 쇼트키 다이오드는 본 발명의 트랜지스터(9)보다도 내압이 낮은 것이다.FIG. 29 shows a structure in which the Schottky diode 11 made of a metal / silicon layer is connected to the gate of the transistor 9 of the present invention as a protection circuit against breakdown. This Schottky diode is lower in breakdown voltage than the transistor 9 of the present invention.

쇼트키 다이오드(9)로서는 n형 실리콘 혹은 p형 실리콘의 어느 것을 이용할 수 있다. 금속으로서는 Al, W, Ti, Mo, Ni, V, Co등을 주성분으로 하는 것을 이용할 수 있다.As the Schottky diode 9, either n-type silicon or p-type silicon can be used. As a metal, what has Al, W, Ti, Mo, Ni, V, Co etc. as a main component can be used.

쇼트키 다이오드가 없는 구조에 비해, 노이즈 등의 과도의 전압이 인가된 경우에 있어서 쇼트키 다이오드가 파괴되어 과전류를 발생시킴으로서, 본 발명의 트랜지스터(9)의 게이트절연막이 파괴되는 것을 방지할 수 있다.Compared with the structure without the Schottky diode, when the excessive voltage such as noise is applied, the Schottky diode is destroyed to generate an overcurrent, thereby preventing the gate insulating film of the transistor 9 of the present invention from being destroyed. .

즉, 본 발명의 트랜지스터를 이용한 정전파괴에 강한 반도체장치를 실현할 수 있다.That is, a semiconductor device resistant to electrostatic breakdown using the transistor of the present invention can be realized.

본 발명에 있어서는, 특히 nMOSFET의 예를 이용하여 설명했지만, 본 구조는 마찬가지로 pMOSFET에도 응용할 수 있다. 이 경우, 게이트측벽부는 BSG(B(보론)함유 실리콘산화막)로 형성하고, 얕은 p형 소스/드레인영역을 형성하면 좋다. 이것은 문헌(저자 M. Saito, T. Yoshitomi, H. Hara, M. Ono, Y. Akaska, H. Nii, S. Matsuda, H. S. Momose, Y. Katsumata, and H. Iwai; 논문명 P-MOSFETs with Ultra-Shallow Solid-Phase-Diffused Drain Structure Produced by Diffusion from BSG Gate-Sidewall; 출전 IEEE Trans. Electron Devices, vol, ED-40, no.12, pp.2264-2272, December, 1993)에 있어서 보고되어 있다.In the present invention, in particular, the description has been made using an example of an nMOSFET, but the present structure is similarly applicable to a pMOSFET. In this case, the gate side wall portion may be formed of BSG (B (boron) -containing silicon oxide film), and a shallow p-type source / drain region may be formed. This is described by the authors M. Saito, T. Yoshitomi, H. Hara, M. Ono, Y. Akaska, H. Nii, S. Matsuda, HS Momose, Y. Katsumata, and H. Iwai; Papers P-MOSFETs with Ultra -Shallow Solid-Phase-Diffused Drain Structure Produced by Diffusion from BSG Gate-Sidewall; reported in IEEE Trans.Eelectron Devices, vol, ED-40, no.12, pp. 2264-2272, December, 1993). .

또, 상술한 바와 같이 BSG측벽으로부터의 고상산화기술이 아니라 통상의 B(보론)원자의 이온주입법에 의해 소스/드레인산화층을 제작해도 좋다.As described above, the source / drain oxide layer may be produced by the ion implantation method of the normal B (boron) atom, rather than the solid phase oxidation technique from the BSG side wall.

제24도는 이온주입법으로 소스/드레인확산층을 형성한 p형 MOSFET의 전기적 특성이다. 이 때, 게이트산화막 두께는 1.5nm, 게이트길이는 0.2㎛이다. 본 발명으로 제작된 pMOSFET는 1.5V 전원에서 0.41㎃/㎛의 전류구동력 및 408mS/mm의 상호컨덕턴스를 갖고, 문헌(저자 Y. Taur, S. Wind J. Mii, D. Moy, K. A. Jenkins, C. L. Chen, P. J. Coane, D. Klaus, J. Bucchignano, M. G. R. ThomSon, and M. Polcari; 논문명 "High Performance 0.1㎛ CMOS Device with 1.5V Power Supply; 출전 IDEM Tech. Dig, pp, 127-130, 1993)에 있어서 보고되어 있는 0.2㎛ 게이트길이 pMOSFET의 성능값 약 200mS/mm를 대폭 상회하는 고성능을 갖는다. 또, 이 Tr은 0.5V 전원에서 0.06㎃/㎛의 구동력과 약 350mS/mm의 상호컨덕턴스가 얻어지고 있다.24 is an electrical characteristic of a p-type MOSFET in which a source / drain diffusion layer is formed by ion implantation. At this time, the gate oxide film thickness was 1.5 nm and the gate length was 0.2 탆. The pMOSFET fabricated with the present invention has a current driving force of 0.41 mA / m and a cross conductance of 408 mS / mm at a 1.5 V power supply, and is described in the authors (Y. Taur, S. Wind J. Mii, D. Moy, KA Jenkins, CL). Chen, PJ Coane, D. Klaus, J. Bucchignano, MGR ThomSon, and M. Polcari; paper titled "High Performance 0.1 μm CMOS Device with 1.5V Power Supply; Source IDEM Tech. Dig, pp, 127-130, 1993). The Tr has a high performance significantly exceeding the performance value of about 200 mS / mm of the reported 0.2 µm gate length pMOSFET, and this Tr has a driving force of 0.06 mW / µm and a cross conductance of about 350 mS / mm at a 0.5 V power supply. have.

또, 본 실시예에 있어서는 확산층깊이 30nm의 예를 이용하여 설명했지만, 확산 및 활성화를 위한 어닐조건을 700℃로부터 1,100℃의 사이에서 적당히 온도와 시간을 선택함으로써, 원하는 확산층 깊이를 자유롭게 선택할 수 있다.In the present embodiment, the diffusion layer depth is described using an example of 30 nm, but the temperature and time can be freely selected by appropriately selecting the temperature and time between 700 ° C and 1,100 ° C for annealing conditions for diffusion and activation. .

제23도는 채널전류(Id)에 점하는 게이트전류(Ig)의 비율(Ig/Id)이 산화막두께(Tox)와 게이트길이(Lg)에서 어떻게 변화하는가를 나타낸 것이다. 비율(Ig/Id)이 동일하게 되는 것은, 산화막두께 1.5nm의 경우에 비해 20%두꺼운 1.8nm의 경우에서는 게이트길이는 막두께 1.5nm일 때의 1/2 까지 짧게 한 경우에 동일한 양의 리크전류를 발생시킴을 알 수 있다.FIG. 23 shows how the ratio Ig / Id of the gate current Ig to the channel current Id changes in the oxide film thickness Tox and the gate length Lg. The same ratio (Ig / Id) is the same amount of leakage when the gate length is shortened to 1/2 when the film thickness is 1.5 nm in the case of 1.8 nm, which is 20% thick as compared to the oxide film thickness of 1.5 nm. It can be seen that it generates a current.

제12도에 나타낸 바와 같이, Ig/Id가 급격히 증대하는 포인트인 6×10-5을 한계치로 하여 그 이하의 특성으로 되는 게이트길이(Lg), 절연막두께(Tox)가 바람직하다고 하면, 하기의 식이 성립한다. 한계의 6×10-5Ig/Id비가 있을때,As shown in Fig. 12, assuming that the gate length Lg and the insulating film thickness Tox having the following characteristics are preferred, with a limit of 6 × 10 −5 , which is a point where Ig / Id increases rapidly, The formula is established. When there is a 6 × 10 -5 Ig / Id ratio of the limit,

Tox(nm)=logLg(㎛)+2.02Tox (nm) = logLg (μm) +2.02

로 된다.It becomes

이 식은, 제12도에 나타낸 곡선으로부터 도출되는 것으로, 한계치가 Ig/Id=6.0×10-5인 경우에 대해 나타내고 있다.This equation is derived from the curve shown in FIG. 12 and is shown for the case where the threshold value is Ig / Id = 6.0 × 10 −5 .

실제로, 바람직한 게이트길이(Lg)와 절연막두께(Tox)는, 제23도중의 점선으로 나타낸 Ig/Id=6.0×10-5의 한계치 이하인 것으로부터도 알 수 있다.In fact, the preferable gate length Lg and the insulating film thickness Tox can also be seen from the value below the limit of Ig / Id = 6.0 × 10 −5 , which is indicated by the dotted line in FIG. 23.

따라서, 어느 절연막두께 Tox(nm)일 때에 허용되는 게이트길이 Lg(㎛)는,Therefore, when the insulating film thickness Tox (nm) is allowed, the gate length Lg (µm) is allowed.

Lg≤10(Tox-2.02)Lg≤10 (Tox-2.02)

LSI의 집적도향상을 위해 소비전력으로 되는 게이트전류를 더욱 저감하고, 10만개(1M(메가)bit)의 메모리에 응용되는 경우 LSI로서의 소비전력으로의 영향을 10㎃정도로 한다. 1개당의 트랜지스터의 게이트전류로서 허용되는 것은 Ig/W=1×10-8㎃/㎛라고 하면, 제6도(이 제6도에서는 게이트폭 W=10㎛당의 게이트전류에 대해 나타내고 있다)에 나타낸 바와 같이, 게이트폭당의 게이트전류(Ig/W)가 10-8㎃/㎛로 되는 것은, 도면중 점선으로 나타낸 바와 같이 각 의존곡선과의 교점으로 나타나며, 각각의 값은 Tox=1.5nm일 때 Lg=0.15㎛이고, Tox=1.8nm일 때 Lg=0.30㎛이다. 즉, 이 실험결과에 기초하여, 이들을 식으로 나타내면 이하의 식이 성립한다.In order to improve the integration degree of the LSI, the gate current which becomes the power consumption is further reduced, and when applied to 100,000 (1M (mega) bit) memory, the influence on the power consumption as the LSI is about 10 mA. If the gate current of one transistor is allowed, Ig / W = 1 × 10 −8 mA / µm, as shown in FIG. 6 (in this FIG. 6, the gate current per gate width W = 10 μm is shown). As shown, the gate current (Ig / W) per gate width of 10 −8 mA / µm is represented by the intersection with each dependent curve as indicated by the dotted line in the figure, and each value is Tox = 1.5 nm. Lg = 0.15µm when Lx = 0.30µm when Tox = 1.8nm. That is, based on the results of this experiment, the following formula holds if these are expressed by the formula.

Tox(nm)=logLg(㎛)+2.32Tox (nm) = logLg (μm) +2.32

따라서, 어느 절연막두께에서 허용되는 게이트길이 Lg(㎛)의 값은Therefore, the value of the gate length Lg (µm) allowed at any insulating film thickness is

Lg≤10(Tox-2.32) Lg≤10 (Tox-2.32)

이면, 더욱 성능이 향상되고, 집적도가 높은 LSI에 응용할 수 있다.In this case, the performance can be further improved, and the present invention can be applied to an LSI having high integration.

제27도는 통상의 터널게이트산화막 MOSFET에 이용되는 각종 두께(Tox)를 갖는 게이트절연막에 대하여 Ig-Vg특성을 나타낸 것으로, 동도(a)와 동도(b)는 횡축(Vg축)이 전자보다도 후자를 신장시킨 것으로 하고 있다. 이에 따라, 동도 (a)는 동도(b)보다도 보다 많은 종류의 게이트절연막에 대해 특성을 나타내고 있다. 또, 동도(b)는 동도(a)보다도 게이트절연막의 종류를 한정하고 그 한정된 종류의 게이트절연막에 대한 특성을 상세히 나타내고 있다. 본 특성은 비교적 넓은 면적(110㎛×100㎛)의 MOS캐패시터에서 측정된 것으로, 이 특성의 절연막을 MOSFET에 이용할 때에는 제28도에 나타낸 바와 같이 게이트면적의 미세화에 의해 본 리크전류는 감소한다는 것이 알려져 있다.FIG. 27 shows Ig-Vg characteristics of gate insulating films having various thicknesses (Tox) used in conventional tunnel gate oxide MOSFETs. FIG. 27 (a) and (b) show that the horizontal axis (Vg axis) is higher than the former. It is assumed that elongated. Accordingly, the same figure (a) shows characteristics for more types of gate insulating films than the same figure (b). Moreover, the same figure (b) limits the kind of gate insulating film rather than the same figure (a), and shows the characteristic with respect to the limited kind of gate insulating film in detail. This characteristic was measured in a MOS capacitor with a relatively large area (110 µm x 100 µm). When the insulating film of this characteristic is used in a MOSFET, the leakage current is reduced by miniaturization of the gate area as shown in FIG. Known.

제28도는 터널게이트산화막을 MOSFET에 적용한 경우의 게이트 리크전류와 게이트길이의 관계를 나타낸 것이다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, MOSFET에 이용하는 경우에는 게이트길이(Lg)에 따라 리크전류가 감소한다는 것이 알려져 있지만, Lg의 -1승보다 Lg에 대한 의존성이 크다. 따라서, 짧은 게이트길이만으로 회로를 구성하는 경우, 긴 Lg의 트랜지스터에 비해 리크전류에 의한 소비전력의 증대를 억제할 수 있다.FIG. 28 shows the relationship between the gate leakage current and the gate length when the tunnel gate oxide film is applied to the MOSFET. As shown in this figure, it is known that the leakage current decreases with the gate length Lg when used for a MOSFET, but the dependency on Lg is greater than the −1 power of Lg. Therefore, when a circuit is constructed with only a short gate length, an increase in power consumption due to a leak current can be suppressed as compared with a long Lg transistor.

제30도는 본 발명의 MOSFET를 종래의 것과 대비하여 나타낸 것으로, 동도(a)는 본 발명에 따른 MOSFET, 동도(b)는 종래의 MOSFET이다. 동도(b)에 나타낸 게이트길이의 MOSFET(13)와 동등한 성능을 가지면서 소비전력이 적은 회로를 구성하는 경우, 동도(a)에 나타낸 바와 같이 미세게이트길이 MOSFET(12)를 적당히 직렬로 연결함으로써, 원하는 구동력을 갖는 회로를 실현할 수 있다. 본 구성에 의해, 종래 구조에서 문제이었던 리크전류를 충분히 억제하여 저소비전력에 적당한 반도체장치를 실현할 수 있게 된다.FIG. 30 shows the MOSFET of the present invention as compared to the conventional one, in which a is a MOSFET according to the present invention, and B is a conventional MOSFET. When constructing a circuit having the same performance as that of the gate length MOSFET 13 shown in the diagram (b) and low power consumption, the microgate length MOSFET 12 is properly connected in series as shown in the diagram (a). The circuit having the desired driving force can be realized. This configuration makes it possible to sufficiently suppress the leak current that has been a problem in the conventional structure and to realize a semiconductor device suitable for low power consumption.

[발명의 효과][Effects of the Invention]

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 게이트절연막의 두께를 2.5nm미만으로 함으로써 핫캐리어 스트레스하에서의 신뢰성이 향상됨과 더불어, 게이트길이를 0.3㎛ 이하로 함으로써 소스/드레인전극으로부터 게이트전극으로의 터널전류(Ig)를 감소시킬 수 있으며, 트랜지스터특성의 향상을 도모할 수 있다. 또, 전원전압 1.5V 이하에서 사용하면, 더욱 신뢰성이 높은 트랜지스터를 실현할 수 있다.As described above, according to the present invention, the thickness of the gate insulating film is less than 2.5 nm to improve the reliability under hot carrier stress, and to make the gate length 0.3 m or less, thereby making tunnel current (Ig) from the source / drain electrode to the gate electrode. ), And the transistor characteristics can be improved. In addition, when the power supply voltage is used at 1.5 V or less, a more reliable transistor can be realized.

또, 본 발명의 1실시예인 쇼트키 다이오드를 접속한 경우에 있어서는, 노이즈 등의 과도의 전압이 상기 MOSFET에 인가되어도, 쇼트키 다이오드가 파괴됨으로써 상기 MOSFET의 게이트절연막이 파괴되는 것을 방지할 수 있다.In the case where a Schottky diode according to an embodiment of the present invention is connected, even if an excessive voltage such as noise is applied to the MOSFET, it is possible to prevent the Schottky diode from being destroyed by breaking the Schottky diode. .

따라서, 본 발명에 의해 정전파괴 등에 강한 트랜지스터를 실현할 수 있게 된다.Therefore, according to the present invention, a transistor resistant to electrostatic breakdown can be realized.

Claims (9)

제1도전형 반도체기판과, 이 반도체기판상에 절연막을 매개로 형성된 게이트전극 및, 상기 반도체기판의 게이트전극 바로 아래에 위치하는 채널형성영역의 양측에 형성된 제2도전형 소스/드레인영역을 구비하고, 상호컨덕턴스(gm)가A first conductive semiconductor substrate, a gate electrode formed on the semiconductor substrate via an insulating film, and a second conductive source / drain region formed on both sides of the channel formation region located directly below the gate electrode of the semiconductor substrate. And the mutual conductance (gm) n형의 MOS에 있어서 gm>400×VDD+140gm> 400 × VDD + 140 in n-type MOS P형의 MOS에 있어서 gm>260×VDD+10Gm> 260 × VDD + 10 in P-type MOS 단위는 VDD(V), gm(mS/mm)이며,The unit is VDD (V), gm (mS / mm), 전류구동력(Id)이Current driving force (Id) n형의 MOS에 있어서 Id>0.598×VDD-0.247In n-type MOS, Id> 0.598 × VDD-0.247 P형의 MOS에 있어서 Id>0.268×VDD-0.102In P-type MOS, Id> 0.268 × VDD-0.102 인 것을 특징으로 하는 MOSFET.MOSFET characterized in that. 제1항에 있어서, 상기 게이트전극 및 드레인영역으로의 인가 전압을 1.5V 이하로 한 것을 특징으로 하는 MOSFET.The MOSFET according to claim 1, wherein the voltage applied to the gate electrode and the drain region is set at 1.5V or less. 제2항에 있어서, 상기 게이트전극 및 드레인영역으로의 인가 전압을 0.5V 이하로 한 것을 특징으로 하는 MOSFET.The MOSFET according to claim 2, wherein the voltage applied to the gate electrode and the drain region is set at 0.5V or less. 제1항에 있어서, 상호컨덕턴스(gm)가The method of claim 1 wherein the mutual conductance (gm) is n형의 MOS에 있어서 gm>530×VDD+190In n-type MOS, gm> 530 × VDD + 190 P형의 MOS에 있어서 gm>350×VDD+13Gm> 350 × VDD + 13 in P-type MOS 인 것을 특징으로 하는 MOSFET.MOSFET characterized in that. 제1항에 있어서, 그 안에 규정된 상기 MOSFET가 반도체장치의 일부로서 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 MOSFET.The MOSFET according to claim 1, wherein said MOSFET defined therein is included as part of a semiconductor device. 제1도전형 반도체기판과, 이 반도체기판상에 형성된 절연막, 상기 반도체기판상에 상기 절연막을 매개로 형성된 게이트전극 및, 상기 반도체기판상에 상기 절연막을 매개로 형성된 상기 게이트전극 바로 아래에 위치하는 채널형성영역의 양측에 형성된 제2도전형 소스/드레인영역을 구비하고, 전류구동력(Id)이A first conductive semiconductor substrate, an insulating film formed on the semiconductor substrate, a gate electrode formed on the semiconductor substrate via the insulating film, and directly below the gate electrode formed on the semiconductor substrate via the insulating film; The second conductive source / drain regions formed on both sides of the channel forming region, and the current driving force Id is n형의 MOS에 있어서 Id>0.598×VDD-0.247In n-type MOS, Id> 0.598 × VDD-0.247 p형의 MOS에 있어서 Id>0.268×VDD-0.102In p-type MOS, Id> 0.268 × VDD-0.102 이때 단위는 VDD(V), Id(㎃/㎛)At this time, the unit is VDD (V), Id (㎃ / ㎛) 인 것을 특징으로 하는 MOSFET.MOSFET characterized in that. 제6항에 있어서, 전류구동력(Id)이The method of claim 6, wherein the current driving force (Id) n형의 MOS에 있어서 Id>0.80×VDD-0.33In n-type MOS, Id> 0.80 × VDD-0.33 p형의 MOS에 있어서 Id>0.36×VDD-0.14Id> 0.36 x VDD-0.14 for p-type MOS 인 것을 특징으로 하는 MOSFET.MOSFET characterized in that. 제6항에 있어서, 그 안에 규정된 상기 MOSFET가 반도체장치의 일부로서 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 MOSFET.7. The MOSFET of claim 6, wherein the MOSFET defined therein is included as part of a semiconductor device. 제1항에 있어서, 상기 반도체장치의 동작시, 상기 절연막에 터널전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 MOSFET.The MOSFET according to claim 1, wherein a tunnel current flows through said insulating film during operation of said semiconductor device.
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