KR970008340B1 - Method for manufacturing a semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 종래의 확산웰 및 리트로그레이드웰의 불순물 분포상태를 시뮬레이션한 그래프.1 is a graph simulating impurity distribution of conventional diffusion wells and retrolled wells.
제2도는 종래의 리트로그레이드 P웰을 적용한 NMOS 트랜지스터를 시뮬레이션한 단면도.2 is a cross-sectional view simulating an NMOS transistor to which a conventional retrograde P well is applied.
제3도 및 제4도는 각각, 종래의 리트로그레이드 P웰에 대한 활성영역 및 분리영역에서의 불순물 분포상태를 시뮬레이션한 그래프.3 and 4 are graphs simulating impurity distributions in the active region and the isolation region, respectively, for a conventional retrograde P well.
제5도 내지 제8도는 본 발명에 의한 리트로그레이드웰의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들.5 to 8 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a retrolog well according to the present invention.
제9도는 본 발명의 제1실시예에 의한 리트로그레이드 P웰을 적용한 NMOS 트랜지스터를 시뮬레이션한 단면도.9 is a cross-sectional view simulating an NMOS transistor to which a retrolled P well according to the first embodiment of the present invention is applied.
제10도 및 제11도는 각각, 본 발명의 제1실시예에 의한 리트로그레이드 P웰의 활성영역 및 분리영역에서의 불순물 분포상태를 시뮬레이션한 그래프.10 and 11 are graphs simulating impurity distribution states in the active region and the isolation region of the retrograde P well according to the first embodiment of the present invention.
제12도는 본 발명의 제2실시예에 의한 리트로그레이드 P웰을 적용한 NMOS 트랜지스터를 시뮬레이션한 단면도.12 is a cross-sectional view simulating an NMOS transistor to which a reloglaed P well according to a second embodiment of the present invention is applied.
제13도 및 제14도는 각각, 본 발명의 제2실시예에 의한 리트로그레이드 P웰의 활성영역 및 분리영역에서의 불순물 분포상태를 시뮬레이션한 그래프.13 and 14 are graphs simulating impurity distribution states in the active region and the isolation region of the retrograde P well according to the second embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
C : 채널 이온주입F : 필드 이온주입C: Channel ion implantation F: Field ion implantation
W : 웰 이온주입CD : 카운터도핑 이온주입W: Well ion implantation CD: Counter-doped ion implantation
10 : 반도체기판12 : 필드산화막10 semiconductor substrate 12 field oxide film
14 : 희생산화막18 : 카운터도핑 영역14: sacrificial oxide film 18: counter doping region
20 : 절연막26,30 : 리트로그레이드 N웰 및 P웰20: insulating film 26, 30: retrolled N well and P well
본 발명은 반도체장치의 제조방법에 관한 것으로, 특히 리트로그레이드웰(Retrograde well)을 적용하는 MOS 트랜지스터에서 역치전압(Threshold voltage)의 기판 바이어스 전압 의존성을 감소시킬 수 있는 반도체장치의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method of manufacturing a semiconductor device capable of reducing the substrate bias voltage dependence of a threshold voltage in a MOS transistor to which a retrograde well is applied. .
통상의 CMOS(Complementary MOS) 기술에서는, 도판트(dopant)를 이온주입한 후 이를 적절한 깊이까지 확산시킴으로써 웰(well)을 형성한다(이하, "확산웰"이라 한다). 그러나, 상기한 방법에 의하면 확산이 횡방향으로도 진행되기 때문에, 집적도가 떨어지게 되는 문제가 발생한다.In conventional CMOS (Complementary MOS) technology, a well is formed by implanting a dopant and then diffusing it to an appropriate depth (hereinafter referred to as "diffusion well"). However, according to the above method, since diffusion also proceeds in the lateral direction, a problem arises in that the degree of integration decreases.
따라서, 확산공정없이 도판트가 적절한 깊이에 위치하도록 고에너지 이온주입에 의해 웰을 형성하는 방법이 개발되었는데, 상기한 웰은 실리콘기판 내의 어떤 깊이에서 불순물농도의 피크(peak)치가 나타나고 기판 표면으로 갈수록 불순물농도가 감소하기 때문에 리트로그레이드웰로 칭해진다. 상기 리트로그레이드웰은 종래의 확산웰에서 사용되는 고온, 장시간의 확산공정이 생략되어 공정원가 절감에 큰 기여를 하며, 래치업(latch-up) 및 소프트 에러율(Soft Error Rate) 등을 억제시켜 소자의 전기적 특성을 향상시키는 장점을 갖는다.Therefore, a method of forming a well by high energy ion implantation has been developed so that the dopant is located at an appropriate depth without a diffusion process, and the well shows a peak value of impurity concentration at a certain depth in the silicon substrate and reaches the substrate surface. It is called a retrolog well because the impurity concentration gradually decreases. The retrolled well is a high contribution to the process cost reduction by eliminating the high temperature, long time diffusion process used in the conventional diffusion well, suppresses latch-up (soft error rate), etc. Has the advantage of improving the electrical properties.
제1도는 종래의 확산웰 및 리트로그레이드웰의 불순물 분포상태를 시뮬레이션한 그래프이다.1 is a graph simulating impurity distribution of a conventional diffusion well and a retrolog well.
제1도를 참조하면, 종래의 리트로그레이드웰은, 예컨대 P웰의 경우, 보론(boron)을 700~800keV 정도의 에너지로 웰 이온주입(W)을 실시한 다음, 130~300keV정도의 에너지로 필드 이온주입(F)을 실시함으로써 리트로그레이드 N웰을 형성한다.이어서, NMOS 트랜지스터의 펀치스루우(punch-through) 특성을 향상시키기 위하여 추가로 고농도의 이온주입을 실시한다.Referring to FIG. 1, the conventional retrolled well, for example, in the case of a P well, performs a well ion implantation (W) with boron at an energy of about 700 to 800 keV, and then enters a field with an energy of about 130 to 300 keV. The retranslated N well is formed by performing ion implantation (F). Further, in order to improve the punch-through characteristics of the NMOS transistor, a high concentration of ion implantation is performed.
상기한 종래의 리트로그레이드웰 공정에서, 웰 이온주입(W)은 래치업 및 소프트 에러를 억제시키는 역할을 하며, 필드 이온주입(F)은 소자분리 특성을 결정한다. 또한, 상기 필드 이온주입(F)은 트랜지스터가 형성되는 활성영역에도 영향을 미쳐, 트랜지스터의 전기적 특성에 변화를 가져오게 된다. 따라서, 제1도에 도시된 바와 같이, 소자분리 특성을 강화시키기 위하여 필드 이온주입(F)의 도즈(dose) 및 에너지를 결정할 경우, 종래의 확산웰에 비해 활성영역의 표면 농도가 증가하게 되어 소오스와 기판간의 바이어스 전압에 의한 역치전압의 변화(이하 "바디 효과(body effect)"라 한다)가 증대된다.In the conventional retrodewell process described above, well ion implantation (W) serves to suppress latchup and soft errors, and field ion implantation (F) determines device isolation characteristics. In addition, the field ion implantation (F) also affects the active region where the transistor is formed, resulting in a change in the electrical characteristics of the transistor. Therefore, as shown in FIG. 1, when the dose and energy of the field ion implantation (F) are determined to enhance the device isolation characteristics, the surface concentration of the active region is increased as compared with the conventional diffusion well. The change in the threshold voltage due to the bias voltage between the source and the substrate (hereinafter referred to as the "body effect") is increased.
특히, 리트로그레이드웰을 적용한 NMOS 트랜지스터의 경우 바디효과가 더욱 증가하게 되며, 이는 소자의 동작시 속도 저하의 주요한 원인이 된다. 종래의 리트로그레이드 P웰을 적용한 NMOS 트랜지스터를 시뮬레이션(simulation)한 단면도가 제2도에 도시되어 있고, 제3도 및 제4도는 활성영역 및 분리영역에서의 불순물 분포상태를 시뮬레이션한 그래프이다. 상기 제2도에 도시되 공핍층은 1.5V의 게이트전압, 0.1V의 드레인전압 및 -1.0V 의 기판전압 조건에서 계산되었으며, 최대 공핍깊이(제3도의 참조부호 X)는 0.21㎛가 된다.In particular, in the case of NMOS transistors using retrolled wells, the body effect is further increased, which is a major cause of speed reduction during operation of the device. A cross-sectional view of a simulation of an NMOS transistor to which a conventional retranslated P well is applied is shown in FIG. 2, and FIGS. 3 and 4 are graphs simulating impurity distribution in an active region and an isolation region. The depletion layer shown in FIG. 2 was calculated under a gate voltage of 1.5V, a drain voltage of 0.1V, and a substrate voltage of -1.0V, and the maximum depletion depth (reference numeral X in FIG. 3) became 0.21 mu m.
통상의 CMOS 기술에서는 회로가 주로 NMOS 트랜지스터로 구성되기 때문에, 소자의 동작속도 저하를 방지하기 위하여 NMOS 트랜지스터의 바디 효과를 감소기키는 것이 중요하다.In the conventional CMOS technology, since the circuit is mainly composed of NMOS transistors, it is important to reduce the body effect of the NMOS transistors in order to prevent the operation speed of the device from decreasing.
따라서, 본 발명의 목적은 리트로그레이드웰을 적용하는 MOS 트랜지스터의 바디 효과를 감소시킬 수 있는 반도체장치의 제조방법을 제공하는데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of reducing the body effect of a MOS transistor to which a retrolog well is applied.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체기판 상에 활성영역을 한정하기 위한 분리영역을 형성하는 단계 ; 상기 분리영역이 형성된 반도체기판 전면에 제1도전형의 제1도판트를 이온주입하여 제1도전형의 제1불순물영역을 형성하는 단계 ; 상기 제1불순물이 형성된 반도체기판의 제1영역에 제1도전형의 제2도전형을 이온주입하여 제1도전형의 제1웰을 형성하는 단계 ; 및 상기 제1웰이 형성된 반도체기판의 제2영역에 제2도전형의 제3도판트를 이온주입하여 제2도전형의 제2웰을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of forming a separation region for defining an active region on a semiconductor substrate; Forming a first impurity region of a first conductive type by ion implanting a first conductive type of a first conductive type onto an entire surface of the semiconductor substrate on which the separation region is formed; Forming a first well of a first conductive type by ion implanting a second conductive type of a first conductive type into a first region of the semiconductor substrate on which the first impurity is formed; And ion implanting a third conductive dopant of a second conductivity type into a second region of the semiconductor substrate on which the first well is formed to form a second well of a second conductive type. Provide a method.
상기 제1도전형의 제1불순물영역을 형성하는 단계는, 상기 분리영역에 대한 제1불순물영역의 영향을 최소화시키기 위하여 분리영역의 두께가 최대가 될때 실시하는 것이 바람직하다.The forming of the first impurity region of the first conductive type is preferably performed when the thickness of the separation region is maximized in order to minimize the influence of the first impurity region on the separation region.
또한, 상기 제1웰을 형성하는 단계에서, 제1도전형의 제2도판트를 이온주입한 후 제1도전형의 도판트를 이온주입하는 단계를 1회 이상 더 구비할 수 있으며, 상기 제2웰의 경우도 마찬가지이다.Further, in the forming of the first well, after the ion implantation of the second conductive dopant of the first conductivity type, the ion implantation of the first conductive type dopant may be further provided one or more times. The same applies to the two wells.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, NMOS 트랜지스터가 형성되는 리트로그레이드 P웰과 반대인 도전형인 N형의 제1도판트를 반도체기판 전면에 이온주입하여 N형의 카운터도핑(counter-doping) 영역을 형성하기 때문에, 상기 리트로그레이드 P웰의 표면 농도를 N형의 제1도판트의 농도로 상쇄(compensation)시킴으로써 NMOS 트랜지스터의 바디 효과를 감소한다.According to a preferred embodiment of the present invention, an N-type first dopant of a conductivity type opposite to a retrolled P well in which an NMOS transistor is formed is ion-implanted on the entire surface of the semiconductor substrate to form an N-type counter-doping region. As a result, the body effect of the NMOS transistor is reduced by compensating the surface concentration of the retrode P well to the concentration of the N-type first dopant.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제5도 내지 제8도는 본 발명에 의한 리트로그레이드웰의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.5 to 8 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a retrolog well according to the present invention.
제5도는 필드산화막(12)을 형성하는 단계를 도시한다. P형(또는 N형)의 반도체기판(10)상에 활성영역 및 소자분리영역을 구분하기 위하여, 통상의 SEPOX(SElective Poly OXidation) 방법을 적용하여 4,500Å 두께의 필드산화막(12)을 형성한다. 이어서, 상기 필드산화막(12) 형성시 발생할 수 있는 화이트 리본(White Ribbon), 현상을 제거하기 위하여, 열산화공정으로 상기 기판(10)의 표면을 얇게 산화시켜 500Å 두께의 희생산화막(sacrificial oxide ; 14)을 형성한다. 여기서, 상기 희생산화막(14)을 형성한 후의 필드산화막(12)의 두께는 4,700Å 정도가 된다.5 shows a step of forming the field oxide film 12. As shown in FIG. In order to distinguish the active region and the device isolation region on the P-type (or N-type) semiconductor substrate 10, a field oxide film 12 having a thickness of 4,500 Å is formed by applying a conventional SEPOX method. . Subsequently, in order to remove the white ribbon, which may occur when the field oxide layer 12 is formed, a surface oxide of the substrate 10 is thinly oxidized by a thermal oxidation process, and a sacrificial oxide layer having a thickness of 500 μm is used. 14). Here, the thickness of the field oxide film 12 after the sacrificial oxide film 14 is formed is about 4,700 kPa.
제6도는 N형의 카운터도핑 영역(18)을 형성하는 단계를 도시한다. 상기 희생산화막(14)이 형성된 기판(10) 전면에 N형의 제1도판트(16), 예컨데 인을 1.0E12/㎠의 도즈와 160~200keV의 에너지로 이온주입함으로써, N형의 카운터도핑 영역(18)을 형성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 카운터도핑 영역(18)을 형성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 카운터도핑 영역(18)이 필드산화막 아래로 침투하는 것을 방지하기 위하여, 희생산화막(14)을 형성함으로써 필드산화막(12)의 두께를 최대로 만든 후에 상기 이온주입을 실시한다.6 shows the step of forming an N-type counter doped region 18. N-type first dopant 16, for example, an ion implanted at 1.0E12 / cm 2 dose and energy of 160 to 200 keV on the entire surface of the substrate 10 on which the sacrificial oxide film 14 is formed, thereby counter-doping N-type. Area 18 is formed. According to a preferred embodiment of the present invention, the counter doped region 18 is formed. According to a preferred embodiment of the present invention, in order to prevent the counter-doped region 18 from penetrating below the field oxide film, the ion oxide film 12 is formed to maximize the thickness of the field oxide film 12 by forming the sacrificial oxide film 14. Carry out an injection.
제7도는 리트로그레이드 N웰(26)을 형성하는 단계를 도시한다. 상기 N형의 카운터도핑 영역(18)이 형성된 기판(10) 전면에 포토레지스트를 도포한 다음, N웰을 형성하기 위한 마스크(도시되지 않음)를 적용하여 상기 포토레지스트를 노광 및 현상함으로써, 상기 N웰이 형성될 영역을 제외한 기판(10) 영역에 제1포토레지스트 패턴(22)을 형성한다. 이어서, 상기 제1포토레지스트 패턴(22)을 마스크로 하여, N형의 제2도판트(24), 예컨대 인을 도즈 및 에너지를 적절하게 조절하여 1회 이상 이온주입함으로써 리트로그레이드 N웰(26)을 형성한다. 여기서, 상기 제1포토레지스트 패턴(22)은 리트로그레이드 N웰(26)을 형성하기 위한 고에너지 이온주입시, 이후에 형성될 P웰영역에의 침투를 방지할 수 있을 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.FIG. 7 illustrates the step of forming the relogla N well 26. The photoresist is applied to the entire surface of the substrate 10 on which the N-type counter doped region 18 is formed, and then the photoresist is exposed and developed by applying a mask (not shown) to form an N well. The first photoresist pattern 22 is formed in the region of the substrate 10 except for the region where the N well is to be formed. Subsequently, using the first photoresist pattern 22 as a mask, an N-type second dopant 24 such as phosphorus is ion-implanted one or more times by appropriately adjusting the dose and energy, thereby retreating the N well 26. ). Here, the first photoresist pattern 22 is formed to have a thickness sufficient to prevent penetration into the P well region to be formed later, when high energy ion implantation is performed to form the retrolled N well 26. It is preferable.
제8도는 리트로그레이드 P웰(30)을 형성하는 단계를 도시한다. 상기 제7도의 제1포토레지스트 패턴을 제거한 다음, 다시 기판(10) 전면에 포토레지스트를 도포하고, P웰을 형성하기 위한 마스크(도시되지 않음)을 적용하여 상기 포토레지스트를 노광 및 현상함으로써, 상기 N웰(26)이 형성된 기판상에만 제2포토레지스트 패턴(27)을 형성한다. 이때, 상기 제2포토레지스트 패턴(27)은 리트로그레이드 P웰을 형성하기 위한 고에너지 이온주입시, 리트로그레이드 N웰로의 침투를 방지할 수 있을 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이어서, 상기 제2포토레지스트 패턴(27)을 마스크로 하여, P형의 제3도판트(28), 예컨대 보론을 700keV, 1.0E13/㎠의 제1조건으로 이온주입하고, 계속해서 130keV, 5.0E12/㎠의 제2조건으로 이온주입하여 리트로그레이드 P웰(30)을 형성한다. 여기서, 상기 제1조건의 이온주입은 웰의 피크농도를 조절하기 위한 목적으로 실시되며, 제2조건의 이온주입은 분리영역에서 채널 스토퍼(channel stopper) 역할을 하기위해 실시된다. 상기 제1 및 제2조건의 이온주입을 실시한 후, NMOS 트랜지스터의 역치전압을 조절하기 위하여, 예컨대, 불화붕소를 40keV, 1.0E12/㎠의 조건으로 이온주입하고, 상기 제2포토레지스트 패턴(27)을 제거한다. 이후의 공정은 통상의 CMOS 공정과 동일하게 진행한다.8 shows the step of forming the reloglaed P well 30. After removing the first photoresist pattern of FIG. 7, the photoresist is applied to the entire surface of the substrate 10, and the photoresist is exposed and developed by applying a mask (not shown) to form a P well. The second photoresist pattern 27 is formed only on the substrate on which the N well 26 is formed. In this case, the second photoresist pattern 27 is preferably formed to a thickness sufficient to prevent the penetration into the retrolled N well during the high energy ion implantation to form the retrolled P well. Subsequently, using the second photoresist pattern 27 as a mask, ion-implanted a P-type third dopant 28 such as boron under a first condition of 700 keV and 1.0E13 / cm 2, followed by 130 keV and 5.0 Ion implantation is carried out under a second condition of E12 / cm 2 to form the retrode P well 30. Here, the ion implantation of the first condition is performed to control the peak concentration of the well, and the ion implantation of the second condition is performed to serve as a channel stopper in the separation region. After performing the ion implantation under the first and second conditions, in order to adjust the threshold voltage of the NMOS transistor, for example, boron fluoride is ion implanted under a condition of 40 keV and 1.0E12 / cm 2, and the second photoresist pattern 27 ). Subsequent processes proceed in the same manner as in conventional CMOS processes.
상술한 본 발명의 제조방법에 의하면, 반도체기판 전면에 NMOS 트랜지스터가 형성될 리트로그레이드 P웰과 반대인 도전형인 N형의 제1도판트를 이온주입하여 상기 리트로그레이드 P웰의 표면 농도를 떨어뜨림으로써, NMOS 트랜지스터의 바디 효과를 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 이온주입이 기판 전면에 실시되기 때문에, PMOS 트랜지스터의 경우, 소오스 및 드레인영역 근방의 N웰 농도를 상승시켜줌으로써 펀치스루우 특성을 향상시킬 수 있다.According to the above-described manufacturing method of the present invention, an ion implantation of an N-type first dopant of a conductivity type opposite to that of a retrolled P well in which an NMOS transistor is to be formed on the entire surface of the semiconductor substrate is performed to lower the surface concentration of the retrolled P well. As a result, the body effect of the NMOS transistor can be reduced. In addition, since the ion implantation is performed on the entire surface of the substrate, punch-through characteristics can be improved by increasing the N well concentration near the source and drain regions in the case of PMOS transistors.
또한, 필드산화막의 두께가 최대가 되는 단계인 희생산화막의 형성후에 상기 N형의 제1도판트를 이온주입하기 때문에, 리트로그레이드 P웰내의 활성영역에서는 상기 N형의 제1도판트가 최대한 깊이 위치하는 반면, 필드산화막 밑으로는 상기 N형의 제1도판트가 침투하지 못한다. 여기서, 상기 N형의 제1도판트의 이온주입은 반드시 희생산화막 형성후에 실시할 필요가 없음은 물론이다.In addition, since the N-type first dopant is ion implanted after the formation of the sacrificial oxide film in which the thickness of the field oxide film is maximized, the N-type first dopant is as deep as possible in the active region in the retrograde P well. On the other hand, the N-type first dopant cannot penetrate under the field oxide layer. Here, of course, the ion implantation of the N-type first dopant is not necessarily performed after the sacrificial oxide film is formed.
제9도는 본 발명의 제1실시예, 즉 상기 N형의 카운터도핑영역(제6도의 참조부호 18)을 1.0E12/㎠, 160keV의 조건으로 형성한 경우의 NMOS트랜지스터를 시뮬레이션한 단면도이며, 제10도 및 제11도는 각각, 상기 제1실시예에 의한 활성영역 및 분리영역에서의 불순물 분포상태를 시뮬레이션한 그래프이다.FIG. 9 is a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention, that is, an NMOS transistor in which the N-type counter doping region (reference numeral 18 in FIG. 6) is formed under the condition of 1.0E12 / cm 2 and 160 keV. 10 and 11 are graphs simulating impurity distribution states in the active region and the isolation region, respectively, according to the first embodiment.
제9도 내지 제11도를 참조하면, NMOS 트랜지스터의 게이트에 1.5V의 전압을 인가하고, 기판에 -1.0V의 전압, 드레인에 0.1V의 전압, 그리고 소오스를 접지(ground)시킨 조건으로 상기 NMOS 트랜지스터를 공핍층을 계산하였다.9 to 11, a voltage of 1.5 V is applied to the gate of the NMOS transistor, -1.0 V is applied to the substrate, 0.1 V is applied to the drain, and the source is grounded. The depletion layer of the NMOS transistor was calculated.
공핍근사 모델에 의하면, 공핍깊이 Xd는According to the depletion approximation model, the depletion depth X d is
Xd=[2∈(2ψB+VSB)/ (qNA)]1/2……………………………………(1)X d = [2 μ (2ψ B + V SB ) / (qN A )] 1/2 . … … … … … … … … … … … … … (One)
이고, 최대 공핍깊이 X는And the maximum depletion depth X is
X=[(4∈ψB)/ (qNA)]1/2……………………………………………(2)X = [(4∈ψ B ) / (qN A )] 1/2 . … … … … … … … … … … … … … … … … (2)
이 된다. 여기서, ∈는 실리콘 유전상수이고, ψB는 페르미(fermi) 전위, VSB는 소오스와 기판간의 전압, NA는 어셉터(acceptor)의 농도이다.Becomes Where ∈ is the silicon dielectric constant, ψ B is the Fermi potential, V SB is the voltage between the source and the substrate, and N A is the concentration of the acceptor.
따라서, 역치전압 Vth는Therefore, the threshold voltage Vth is
Vth=VFB+2ψB+γ(2ψB+VSB)1/2……………………………………………(3)Vth = V FB + 2ψ B + γ (2ψ B + V SB ) 1/2 ... … … … … … … … … … … … … … … … … (3)
이 되며, 여기서, γ는Where γ is
γ=(2∈qNA)1/2/ Cox ………………………………………………………(4)γ = (2∈qN A ) 1/2 / Cox. … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (4)
으로 정의되는 "기판 효과 정수"로서 바디 효과를 결정한다.The body effect is determined as a "substrate effect constant" defined by.
상기 식(4)에서 알 수 있듯이, 바디 효과를 좌우하는 기판 효과 정수 γ는 어셉터 농도, 예컨대 본 실시예에서는 보론의 농도 NA의 1/2승에 비례한다. 또한, 식(2)에서 알 수 있듯이, 최대 공핍깊이 X는 상기 NA의 1/2승에 반비례한다. 따라서, 상기 제3도에 도시된 종래의 리트로그레이드 P웰의 경우 최대 공핍깊이가 0.21㎛이고, 제10도에 도시된 본 발명의 제1실시예의 경우 최대 공핍깊이 X는 0.26㎛가 되므로, 본 발명의 리트로그레이드 P웰을 적용한 NMOS 트랜지스터의 바디 효과가 감소되었음을 알 수 있다.As can be seen from Equation (4), the substrate effect constant γ that influences the body effect is proportional to the acceptor concentration, for example, 1/2 power of the concentration N A of boron. Also, as can be seen from equation (2), the maximum depletion depth X is inversely proportional to the 1/2 power of N A. Therefore, the maximum depth of depletion is 0.21 μm for the conventional retrode P well shown in FIG. 3, and the maximum depth of depletion X is 0.26 μm for the first embodiment of the present invention shown in FIG. 10. It can be seen that the body effect of the NMOS transistor to which the inventive retrolled P well is applied is reduced.
다시 말하면, 제10도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에서는 1.0E12/㎠, 160keV의 조건으로 N형의 인을 이온주입(참조부호 CD)하여 리트로그레이드 P웰의 표면, 즉 NMOS 트랜지스터의 채널이 형성되는 영역(참조부호 C)에서 보론 농도를 상기 인 농도로 상쇄시킨다. 따라서, P웰 표면에서의 정미(net)농도가 상기 제3도에 도시된 종래의 P웰보다 상당히 감소됨으로써 종래 보다 더 낮은 바디 효과를 얻게된다.In other words, as shown in FIG. 10, in the first embodiment of the present invention, N-type phosphorus is ion implanted (reference CD) under the condition of 1.0E12 / cm 2 and 160 keV, namely, the surface of the retrode P well. In the region where the channel of the NMOS transistor is formed (reference C), the boron concentration is canceled to the phosphorus concentration. Thus, the net concentration at the P well surface is significantly reduced than the conventional P well shown in FIG. 3, resulting in a lower body effect than conventional.
상기 1.0E12/㎠, 160keV의 조건으로 주입된 인은, 제11도에 도시된 바와 같이 필드산화막을 침투하지 않으므로 소자분리 특성에 전혀 영향을 미치지 않는다.Phosphorus implanted under the condition of 1.0E12 / cm 2 and 160keV does not penetrate the field oxide film as shown in FIG. 11 and thus does not affect device isolation characteristics.
제12도는 본 발명의 제2실시예, 즉 상기 N형의 카운터도핑 영역(제6도의 참조부호 18)을 1.0E12/㎠, 200keV의 조건으로 형성한 경우의 NMOS 트랜지스터를 시뮬레이션한 단면도이며, 제13도 및 제14도는 각각, 상기 제2실시예에 의한 활성영역 및 분리영역에서의 불순물 분포상태를 시뮬레이션한 그래프이다.FIG. 12 is a cross-sectional view of a second embodiment of the present invention, that is, an NMOS transistor in which the N-type counter doping region (reference numeral 18 in FIG. 6) is formed under the condition of 1.0E12 / cm 2 and 200 keV. 13 and 14 are graphs simulating impurity distribution states in the active region and the isolation region, respectively, according to the second embodiment.
제12도 내지 제14도를 참조하면, 상술한 본 발명의 제1실시예에서와 같이 최대 공핍깊이 X가 0.26㎛로서 NMOS 트랜지스터의 바디 효과를 감소시킴을 알 수 있다. 또한, 제14도에 도시된 바와 같이, 인을 200keV의 에너지로 이온주입(참조부호 CD)하면 필드산화막의 밑에까지 침투하게 되지만, 그 농도가 낮기 때문에 소자분리 특성에 미치는 영향은 매우 미미하다.12 to 14, it can be seen that as in the first embodiment of the present invention described above, the maximum depletion depth X is 0.26 μm, which reduces the body effect of the NMOS transistor. Further, as shown in FIG. 14, ion implantation (reference CD) of phosphorus at an energy of 200 keV penetrates to the bottom of the field oxide film, but the effect on device isolation characteristics is very small because of its low concentration.
따라서, 상술한 바와 같이 본 발명은, CMOS 동작 속도를 주로 결정하는 제1도 전형 MOS 트랜지스터가 형성되 제2도전형의 제1웰을 형성하는 도판트와는 반대 도전형인 제2도전형의 제1도판트를 반도체기판 전면에 이온주입하므로써, 상기 제1웰의 표면 농도를 떨어뜨린다. 그 결과, 상기 제1도전형 MOS 트랜지스터의 바디 효과를 감소시킴으로써, 속도 저하를 방지할 수 있다.As described above, according to the present invention, the first conductive type MOS transistor mainly determining the CMOS operating speed is formed, and the first conductive type first conductive MOS transistor is opposite to the dopant forming the first well of the second conductive type. Ion implantation of the dopant over the entire surface of the semiconductor substrate lowers the surface concentration of the first well. As a result, speed reduction can be prevented by reducing the body effect of the first conductive MOS transistor.
또한, 분리영역의 두께가 최대가 되는 단계에서 상기 제1도전형의 제1도판트를 이온주입하기 때문에 소자분리 특성에 아무런 영향을 미치지 않을 뿐만 아니라, 상기 이온주입을 기판 전면에 실시함으로써 제1도전형의 제2웰의 농도를 국부적으로 증가시켜 상기 제2웰에 형성될 제2도전형 MOS 트랜지스터의 펀치스루우 특성을 향상시킬 수 있다.In addition, since the first dopant of the first conductivity type is ion implanted at the maximum thickness of the isolation region, not only does it affect the device isolation characteristics, but also the first implant is performed on the entire surface of the substrate. The concentration of the second well of the conductive type may be locally increased to improve punchthrough characteristics of the second conductive MOS transistor to be formed in the second well.
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