JPH0246776A - Semiconductor device - Google Patents
Semiconductor deviceInfo
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- JPH0246776A JPH0246776A JP19711788A JP19711788A JPH0246776A JP H0246776 A JPH0246776 A JP H0246776A JP 19711788 A JP19711788 A JP 19711788A JP 19711788 A JP19711788 A JP 19711788A JP H0246776 A JPH0246776 A JP H0246776A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の目的〕
(産業上の利用分野)
この発明は、半導体装置に係シ、特に極めて薄い80I
基板を用いた電界効果型M O8半導体装置に関する。Detailed Description of the Invention [Objective of the Invention] (Industrial Application Field) This invention relates to semiconductor devices, particularly extremely thin 80I
The present invention relates to a field effect type MO8 semiconductor device using a substrate.
(従来の技術)
半導体装置として従来の電界効果型MO8)ランジスタ
の動作についてまず考える。第2図は、MOSトランジ
スタの概略図である。(Prior Art) First, let us consider the operation of a conventional field-effect MO8 transistor as a semiconductor device. FIG. 2 is a schematic diagram of a MOS transistor.
例えばnチャネルのMOS)ランジスタでは、そのゲー
ト電極−に正の電圧シを印加すると、ゲート下のp形半
導体層2Dの表面では陽電荷の正孔が正電圧に排斥され
始め、その密度が低くなる。For example, in an n-channel MOS transistor, when a positive voltage is applied to its gate electrode, positively charged holes begin to be repelled by the positive voltage on the surface of the p-type semiconductor layer 2D under the gate, and their density decreases. Become.
ついには正孔が掃き出されてしまい、空間電荷領域(空
乏層)が形成される。ここでさらに与を犬きくすると、
ゲート下の非常に薄い領域において、p形のシリコンが
n形に変換する(これを反転という)。これは−が強い
ために、これに負電荷の伝導電子が周囲から引寄せられ
る結果起こる。Eventually, the holes are swept out and a space charge region (depletion layer) is formed. If you ask me more about this,
In a very thin region under the gate, p-type silicon converts to n-type (this is called inversion). This occurs as a result of the strong negative charge attracting negatively charged conduction electrons from the surroundings.
前記引寄せられた伝導電子がn影領域を形成する。The attracted conduction electrons form an n-shaded region.
図中(ハ)、(ハ)はそれぞれソースとドレインである
。In the figure, (c) and (c) are the source and drain, respectively.
例えば、シリコン(100)面にnチャネルMO8形ト
ランジスタを形成した場合、入印加によシ、ゲート下部
のp影領域の表面に形成される反転層中の伝導電子は、
表面に垂直な方向の運動が量子化される。シリコンの伝
導帯の等エネルギー面(バレー)の模式図を第1図に示
す。等エネルギー面は次の(11式で表わせる。For example, when an n-channel MO8 type transistor is formed on a silicon (100) plane, conduction electrons in the inversion layer formed on the surface of the p shadow region under the gate due to input voltage are
Motion perpendicular to the surface is quantized. A schematic diagram of the isoenergetic surface (valley) of the conduction band of silicon is shown in FIG. The iso-energy surface can be expressed by the following equation (11).
(’ * J : xs Y * z)(α;バンド)
(m;電子の静止質t)
電子の質量は、E(lk)の関数であシ、次の(2)式
で表わせる。(' * J : xs Y * z) (α: Band) (m: Rest quality of electron t) The mass of an electron is a function of E(lk) and can be expressed by the following equation (2).
前記(1)、(2)式から、反転層の電子は、表面に垂
直な方向の運動を考える時、x、y軸上のバレーでは電
子が軽く、z軸上のバレーでは電子が重くなる。従来の
計算結果によれば、重い電子の質量m6は、m、=0.
98rr%、、軽い電子の質11m1はm、= 0.1
9−とされている。ここにrnoVi電子の静止質量で
ある。従って、(100)面上でのMO8素子は、表面
に垂直な方向のバレーがエネルギー的に低いレベルにな
シ、この電子が伝導現象に利用されている。From equations (1) and (2) above, when considering the movement of electrons in the inversion layer in a direction perpendicular to the surface, electrons are lighter in valleys on the x and y axes, and heavier in valleys on the z axis. . According to conventional calculation results, the mass m6 of a heavy electron is m,=0.
98rr%, light electron quality 11m1 is m, = 0.1
It is said to be 9-. Here is the rest mass of the rnoVi electron. Therefore, in the MO8 element on the (100) plane, the valleys in the direction perpendicular to the surface are at a low energy level, and these electrons are utilized for conduction phenomena.
ところで、このnチャネルMOSトランジスタの動作時
を考えて見る。ソース電極とドレイン電極の間に電圧V
dが印加され、vgが印加されて反転層の伝導電子がy
方向に運動する場合には、m。By the way, let us consider the operation of this n-channel MOS transistor. Voltage V between source and drain electrodes
d is applied, vg is applied, and the conduction electrons in the inversion layer become y
m when moving in the direction.
(2)式から、反転開始以後はほぼ2軸のバレーのみで
あるため、電子の質量はnlとな9、電子の移動度μは
(3)式で表わせる。From Equation (2), since there are almost only two-axis valleys after the start of inversion, the mass of the electron is nl9, and the mobility μ of the electron can be expressed by Equation (3).
μ=(eτ)/mt ・・・ (3)τ;散乱による
緩和時間
従って、質量の影響だけを考えると、軽い電子でμは大
きくなるはずである。しかし、従来のMO8素子では、
mの効果とは別に、τによる低下が大きく影響している
。すなわち、反転層を形成するためにVgを印加するこ
とにより、表面近傍には強い電界が形成されており、電
子の移動度は表面散乱の影響によシ、強反転近傍では(
3)式のτが減少し、μは小さくなる。すなわち、せっ
かく軽い質量の電子を用意しながら、τ、すなわち散乱
による緩和時間の効果によシ、十分な移動度μの向上が
望めていないという問題があった。μ=(eτ)/mt (3) τ: Relaxation time due to scattering Therefore, if only the influence of mass is considered, μ should be large for light electrons. However, in the conventional MO8 element,
Apart from the effect of m, the decrease due to τ has a large influence. That is, by applying Vg to form an inversion layer, a strong electric field is formed near the surface, and the electron mobility is affected by surface scattering, and near the strong inversion layer (
3) τ in the equation decreases and μ becomes smaller. That is, there is a problem in that even though electrons with a light mass are prepared, a sufficient improvement in the mobility μ cannot be expected due to the effect of τ, that is, the relaxation time due to scattering.
(発明が解決しようとする課題)
本発明は、上記した従来の問題点を解決するもので半導
体装置を形成するシリコン膜内圧歪みを内在させること
によシ、あらかじめ伝導効果の大きいバレーの電子の分
布を増大させておくと共に、シリコン膜厚を薄くしてお
き、表面電界効果を小さくシ、これによシ弱ゲート電界
領域でも、十分大きな電流を得られる高移動度、大ドラ
イブ能力を有する半導体装置を提供することを目的とす
る。(Problems to be Solved by the Invention) The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and by incorporating internal pressure strain in the silicon film forming the semiconductor device, electrons in valleys with a large conduction effect are In addition to increasing the distribution, the silicon film thickness is kept thin to reduce the surface field effect, thereby creating a semiconductor with high mobility and large drive ability that can obtain a sufficiently large current even in the weak gate electric field region. The purpose is to provide equipment.
(課題を解決するための手段)
本発明は、上記目的を達成するために(100)p型シ
リコン半導体領域にn型不純物を含むソース及びドレイ
/と、前記ソース、ドレイン間の前記半導体領域上に絶
縁膜を介してゲート電極が形成された半導体装置におい
て、前記半導体領域には8.lX10’〜7.3X10
3の引張り歪みを内在させるようにしたことを特徴とす
る半導体装置を提供する。(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention provides (100) a source and a drain containing an n-type impurity in a p-type silicon semiconductor region, and a source and a drain on the semiconductor region between the source and the drain. In the semiconductor device in which a gate electrode is formed through an insulating film in the semiconductor region, 8. lX10'~7.3X10
To provide a semiconductor device characterized in that it has an inherent tensile strain of No. 3.
(作用)
本発明によれば、シリコン(100)基板において、2
方向に10 dyne /cj程度の圧縮応力が発生し
、これによシ伝導電子のバレー(等エネルギー面)は第
2図のように変化する。すなわち、2軸上のバレーのエ
ネルギーが低下し、等エネルギー面は膨らむ。そして、
x、y方向に引っ張り応力が加わD、XlY軸上のバレ
ーのエネルギーが増加して等エネルギー面は小さくなる
。こうして、電子の存在確率はz軸上のバレーが最も高
くなシ、90チ以上となる。(Function) According to the present invention, in a silicon (100) substrate, 2
A compressive stress of about 10 dyne/cj is generated in the direction, and as a result, the valley (equal energy surface) of conduction electrons changes as shown in FIG. That is, the energy of the ballet on the two axes decreases, and the equal energy surface expands. and,
When tensile stress is applied in the x and y directions, the energy of the valley on the D, Xl and Y axes increases, and the iso-energy surface becomes smaller. In this way, the probability of the existence of electrons is 90 or more, with the valley on the z-axis being the highest.
この状態でVgを印加すると、7gが増大するにつれ伝
導帯端エネルギー■がフェルミ準位EFに接近し、シリ
コン(100)表面に伝導電子が誘起されp形半導体が
n形に反転する。y軸方向の運動を考えると前述の(1
)〜(3)式よシこれらの電子は軽い電子ということに
なυ、ソース、ドレイン間の電子の移動度は、はとんど
が軽い電子であるため、極めて大きくなる。When Vg is applied in this state, as 7g increases, the conduction band edge energy ■ approaches the Fermi level EF, conduction electrons are induced on the silicon (100) surface, and the p-type semiconductor is inverted to the n-type. Considering the motion in the y-axis direction, the above (1
) ~ (3) These electrons are light electrons, and the mobility of electrons between the source and drain is extremely large because most of them are light electrons.
次に、表面電界の効果を考えてみる。Next, let's consider the effect of the surface electric field.
Vgによって強反転領域にもって行かなくても、上述し
たように歪によって既11Cz方向のエネルギーバレー
がエネルギー的に低くなっている。Even if Vg does not bring it to the strong inversion region, the energy valley in the 11Cz direction is already low in energy due to strain, as described above.
さらに半導体装置が形成されるSOI膜を薄くすること
により、デプレション層をS i O,層内にまで持た
せ、表面反転層の縦方向の電界を極めて小さくせしめ、
これにより弱反転領域でも、移動度が極めて高い素子を
提供することが可能である。Furthermore, by thinning the SOI film on which the semiconductor device is formed, the depletion layer is created even within the SiO layer, and the vertical electric field of the surface inversion layer is made extremely small.
This makes it possible to provide an element with extremely high mobility even in the weak inversion region.
(実施例)
本発明による一実施例について、図面を用いて詳細に説
明する。第4図は前記本発明による一実施例を得るため
の一実施例方法を示す工程断面図である。(Example) An example according to the present invention will be described in detail using the drawings. FIG. 4 is a process sectional view showing an embodiment method for obtaining an embodiment according to the present invention.
まず、第4図(a)に示すように下地のシリコン(10
0)基板(11上に厚い絶縁膜層(2)を形成した後前
記絶縁膜層(2)を除去して(Zoo)基板(1)面を
一部露出させる。この上に多結晶シリコン層あるいはア
モルファスシリコン層(3)を例えば100OA以下゛
の膜厚で堆積する。続いて、前記露出しているシリコン
(Zoo)基板[1)の部分を結晶種として、EBアニ
ールあるいはレーザーアニール等で多結晶シリコン層あ
るいはアモルファスシリコン層ヲ単結晶化シリコン層(
5)とする(第4図(b))。ここで、例えばEBアニ
ールの条件として一電子ビーム電流を65〜90mA1
走査速度を10LM/sec以上、基板温度を600℃
以下の適当な条件に設定することによシ単結晶化シリコ
ン層(5)内に8、lX10 〜7.3X10 の引
張シ歪みを内在させることが可能である。First, as shown in FIG. 4(a), the underlying silicon (10
0) After forming a thick insulating film layer (2) on the substrate (11), the insulating film layer (2) is removed (Zoo) to expose a part of the surface of the substrate (1). A polycrystalline silicon layer is formed on this. Alternatively, an amorphous silicon layer (3) is deposited to a thickness of, for example, 100 OA or less.Next, using the exposed silicon (ZOO) substrate [1) as a crystal seed, multiple layers are formed by EB annealing or laser annealing. Crystalline silicon layer or amorphous silicon layer or single crystal silicon layer (
5) (Fig. 4(b)). Here, for example, as a condition for EB annealing, one electron beam current is 65 to 90 mA1.
Scanning speed is 10LM/sec or more, substrate temperature is 600℃
By setting the following appropriate conditions, it is possible to create a tensile strain of 8.1X10 to 7.3X10 in the single crystal silicon layer (5).
この実施例では、電子ビーム電流g Q m A r走
査速度15α/就、基板温度550℃とした。その結果
、単結晶化の際の熱工程において、上層シリコン層(5
)と下層絶縁膜層(2)との熱膨張率の違いにより、冷
却後には上層シリコン層(5)ではxx、yy力方向引
張シ歪が約10 であり、これを応力に直すと10 d
yne/−程度に相当する。この上層シリコン層(5)
にソース、ドレイン及びチャネル領域を含trnfヤネ
ルMO8)ランジスタ(7)を形成する(第4図(C)
)。In this example, the electron beam current g Q m Ar scanning speed was 15α/, and the substrate temperature was 550°C. As a result, in the thermal process during single crystallization, the upper silicon layer (5
) and the lower insulating film layer (2), the upper silicon layer (5) has a tensile strain in the xx and yy force directions of approximately 10 after cooling, which is converted into stress of 10 d.
It corresponds to about yne/-. This upper silicon layer (5)
A transistor (7) including source, drain and channel regions is formed (Fig. 4(C)).
).
ここで、単結晶シリコン層(5)にメモリーなどのデバ
イスを形成した後、上層に薄いSOI膜を形成しても良
い。Here, after forming a device such as a memory on the single crystal silicon layer (5), a thin SOI film may be formed as an upper layer.
また、前記MOSトランジスタの他に別のMOSトラン
ジスタを形成して多層構造にしたりnpn トランジス
タ等と混在して形成しても良い。Furthermore, other MOS transistors may be formed in addition to the above-mentioned MOS transistors to form a multilayer structure, or they may be formed in combination with npn transistors and the like.
さらにまた、本発明による他の実施例として、(ioo
)p型巣結晶シリコン半導体膜に形成されたnチャネル
MOSトランジスタを備えるメモリなどをパッケージす
る際に第5図のようにチップQlの4隅にパッケージの
ツメaυが当たるようになるなど、外部から前記半導体
膜に8.lX10 〜7.3X10”の引張シ歪みが内
在するような応力を加えるようにしても良い。Furthermore, as another embodiment according to the present invention, (ioo
) When packaging a memory or the like that includes an n-channel MOS transistor formed in a p-type nested crystalline silicon semiconductor film, the claws aυ of the package come into contact with the four corners of the chip Ql as shown in Figure 5. 8. on the semiconductor film. A stress that causes a tensile strain of 1×10 to 7.3×10” may be applied.
本発明による実施例では、弱反転領域でも移動度は23
00 d/Vsee を得ることが出来た。この値は
、従来(7) n f−yネルM OS素子の値550
cdi/Vseeから比べると約4倍にも達している
ことが分った。In the embodiment according to the present invention, even in the weak inversion region, the mobility is 23
00 d/Vsee could be obtained. This value is 550, which is the value of the conventional (7) n f-y channel M OS element.
It was found that the increase was approximately four times that of CDI/Vsee.
さらに、SOI膜は125〜1050Aの範囲が、もっ
とも良く、高い移動度が得られた。Furthermore, the SOI film had the best mobility in the range of 125 to 1050 A, and high mobility was obtained.
本発明によれば高移動度、大ドライブ電力を有する半導
体装置を得ることができる。According to the present invention, a semiconductor device having high mobility and large drive power can be obtained.
第1図は、シリコン伝導帯の等エネルギー面(バレー)
の模式図、第2図は、MOSトランジ実施例を説明する
ための説明図である。
1・・・シリコン(100)基板、2・・・絶縁膜、3
・・・多結晶あるいはアモルファスシリコン層、4・・
・結晶種、5・・・単結晶化シリコン膜。
代理人 弁理士 則 近 憲 佑
同 松 山 光 之
第
■
図
第
図
藁
因
第
図
第
図Figure 1 shows the isoenergetic surface (valley) of the silicon conduction band.
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the MOS transistor embodiment. 1... Silicon (100) substrate, 2... Insulating film, 3
...Polycrystalline or amorphous silicon layer, 4...
・Crystal seed, 5... Single crystal silicon film. Agent Patent Attorney Nori Ken Yudo Matsuyama Hikaru No.
Claims (2)
を含むソース及びドレインと、前記ソース、ドレイン間
の前記半導体領域上に絶縁膜を介してゲート電極が形成
された半導体装置において、前記半導体領域には、8.
1×10^−^4〜7.3×10^−^3の引張り歪み
を内在させるようにしたことを特徴とする半導体装置。(1) (100) A semiconductor device including a source and a drain containing n-type impurities in a P-type silicon semiconductor region, and a gate electrode formed on the semiconductor region between the source and the drain via an insulating film, wherein the semiconductor The area includes 8.
A semiconductor device characterized by having an inherent tensile strain of 1×10^-^4 to 7.3×10^-^3.
であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。(2) The film thickness of the semiconductor region is 125 Å to 1050 Å
The semiconductor device according to claim 1, characterized in that:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19711788A JPH0246776A (en) | 1988-08-09 | 1988-08-09 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19711788A JPH0246776A (en) | 1988-08-09 | 1988-08-09 | Semiconductor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0246776A true JPH0246776A (en) | 1990-02-16 |
Family
ID=16369015
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19711788A Pending JPH0246776A (en) | 1988-08-09 | 1988-08-09 | Semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0246776A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5591989A (en) * | 1990-11-16 | 1997-01-07 | Seiko Epson Corporation | Semiconductor device having first and second gate insulating films |
-
1988
- 1988-08-09 JP JP19711788A patent/JPH0246776A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5591989A (en) * | 1990-11-16 | 1997-01-07 | Seiko Epson Corporation | Semiconductor device having first and second gate insulating films |
| US5811323A (en) * | 1990-11-16 | 1998-09-22 | Seiko Epson Corporation | Process for fabricating a thin film transistor |
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