JPH1093099A5

JPH1093099A5 -

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Publication number: JPH1093099A5
Application number: JP1996269214A
Authority: JP
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2016-09-18

Description

【００７６】
本発明の構成となる思想の一つは、チャネル形成領域に人為的に不純物領域を形成・配置することで意図的に狭チャネル効果を生じさせることである。そして、本発明の構成は不純物領域間の距離（図１（Ｃ）におけるｗpa,mに相当する）を3 〜 300 ｎｍ( 好ましくは3 〜 100 ｎｍ) の範囲で精密に制御することでしきい値電圧の制御を行うという思想に基づいている。

【００８３】
まず、弱いＮ型またはＰ型導電性を有する単結晶シリコン基板７０１を用意する。そして、1×10¹⁸atoms/cm² 程度のドーズ量で酸素イオンを注入し、800〜1300℃の範囲内で加熱処理を行うことで埋め込み酸化膜７０２を形成する。こうして、厚さ0.05〜0.5 μｍの埋め込み酸化膜７０２と厚さ10 〜 200 ｎｍ（好ましくは、20 〜 60 ｎｍ）の単結晶シリコン層７０３を得る。

【００９６】
またこの時、ポテンシャルスリット領域の幅（ｗpa,m）は3 〜 300 ｎｍ( 好ましくは3 〜 100 ｎｍ) の範囲内に制御する。また、全ての間隔（ｗpa,m）は±20％以内（好ましくは±5 ％以内）に納まる様に制御する。このポテンシャルスリット領域の幅（ｗpa,m）は狭チャネル効果に直接的に影響を与えるので精密に制御することが重要なのである。

【００９７】
なお、ポテンシャルスリット領域の幅の下限界である3 ｎｍという値は量子効果が起こらない限界値として定めている。本発明ではポテンシャルスリット領域の幅を量子効果の生じない又は現れない範囲内で制御する様に注意している。

【０１０１】
図７（Ｄ）に示す様な状態が得られたら、800 〜1200℃程度の温度範囲による熱酸化処理を行い10 〜 50 ｎｍの熱酸化膜７１７、７１８を形成する。この熱酸化処理により形成された薄い熱酸化膜７１７、７１８はそのままゲイト絶縁膜として機能する。また、活性層／ゲイト絶縁膜界面は界面準位の少ない良好なものとなる。

【０１０６】
その後、図８（Ｂ）に示す様に、ゲイト電極７１９、７２０を覆う様にして窒化珪素膜を300 ｎｍの厚さに成膜し、エッチバック法を用いてゲイト電極７１９、７２０の側面のみにサイドウォール７２１、７２２を残存させる。この際、ソース／ドレイン領域のゲイト絶縁膜は同時に除去される。

【０１１４】
図９において、９０１はチャネル形成領域の一部を示している。チャネル幅はＷである。ここで、チャネル幅Ｗの内、線状パターン９０２が占有している幅をＷpiと定義する。Ｗpiの値としては例えば1 〜 10 ｎｍもあれば十分である。また、任意の線状パターン９０２の幅をＷpi,₁、Ｗpi,₂、Ｗpi,₃・・・Ｗpi,_nとすると、Ｗpiは次式で表される。

【０１１７】
また、チャネル幅Ｗの内、ポテンシャルスリット領域（キャリアの移動するパス）９０３が占有している幅をＷpaと定義する。Ｗpaの値としては量子効果の現れないレベル、即ち3 〜 300 ｎｍ（好ましくは3 〜 100 ｎｍ）とする。本発明ではＷpaをチャネル長（0.01〜0.35μｍ）の1/3 〜1/1 程度とすることでＶth,nおよびＶth,pを 0〜±0.3 Ｖの範囲に調節することができる。また、任意のポテンシャルスリット領域９０３をＷpa,₁、Ｗpa,₂、Ｗpa,₃・・・Ｗpa,_mとすると、Ｗpaは次式で表される。

【０１７６】
即ち、ピニング効果を高めるためには距離Ｌpaを短くし、移動度向上に重きを置くなら距離Ｌpaを長くすることが好ましい。本発明では距離Ｌpaを7 〜 300 ｎｍ（好ましくは10 〜 100 ｎｍ）の範囲で制御する。

Claims

絶縁性基板または絶縁層上に形成された結晶半導体を利用して形成されたソース領域、ドレイン領域およびチャネル形成領域と、
前記チャネル形成領域上にゲイト絶縁膜を介して形成されたゲイト電極と、
を有する SOI 構造で構成される絶縁ゲイト型半導体装置であって、
前記チャネル形成領域は、キャリアが移動する領域と、炭素、窒素、酸素から選ばれた一種または複数種類の元素を含む不純物領域とを有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
絶縁性基板または絶縁層上に形成された結晶半導体を利用して形成されたソース領域、ドレイン領域およびチャネル形成領域と、
前記チャネル形成領域上にゲイト絶縁膜を介して形成されたゲイト電極と、
を有するSOI構造で構成される絶縁ゲイト型半導体装置であって、
前記チャネル形成領域は、キャリアが移動する領域と、前記ドレイン領域より前記チャネル形成領域およびソース領域に向かって広がる空乏層をピニングするために形成された不純物領域とを有し、
前記不純物領域は、前記チャネル形成領域のエネルギーバンド幅（Eg）を広げる炭素、窒素、酸素から選ばれた一種または複数種類の元素を含むことを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
絶縁性基板または絶縁層上に形成された結晶半導体を利用して形成されたソース領域、ドレイン領域およびチャネル形成領域と、
前記チャネル形成領域上にゲイト絶縁膜を介して形成されたゲイト電極と、
を有するSOI構造で構成される絶縁ゲイト型半導体装置であって、
前記チャネル形成領域は、キャリアが移動する領域と、しきい値電圧を制御するために形成された不純物領域とを有し、
前記不純物領域は、前記チャネル形成領域のエネルギーバンド幅（Eg）を広げる炭素、窒素、酸素から選ばれた一種または複数種類の元素を含むことを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
請求項1乃至請求項3 のいずれか一において、前記元素とは前記チャネル形成領域内において局部的にビルトイン電位差を形成するための元素であることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
請求項1乃至請求項4 のいずれか一において、前記キャリアが移動する領域は真性または実質的に真性な領域であることを特徴とする半導体装置。
請求項5において、実質的に真性な領域であるとは前記結晶半導体表面近傍における一導電性を付与する不純物元素の濃度が 5×10¹⁵atoms/cm³ 以下であり、酸素濃度が 2×10¹⁸atoms/cm³ 以下であることを特徴とする半導体装置。
請求項5において、実質的に真性な領域であるとは前記結晶半導体表面近傍における一導電性を付与する不純物元素の濃度が5×10¹⁵atoms/cm³以下であり、酸素濃度が 1×10¹⁷atoms/cm³以下であることを特徴とする半導体装置。
請求項1乃至請求項7 のいずれか一において、前記チャネル形成領域の幅Wに対して前記不純物領域および前記不純物領域間の幅が占有する割合をそれぞれWpi、Wpaとする時、前記W、WpiおよびWpaとの間には、Wpi／W＝0.1 〜0.9、Wpa／W＝0.1 〜0.9、Wpi／Wpa＝1/9〜9の関係式が成り立つことを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
請求項1乃至請求項8 のいずれか一において、前記チャネル形成領域のチャネル方向に垂直な少なくとも一断面は、実質的に前記不純物領域により区切られた複数のチャネル形成領域の集合体と見なせることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
請求項1乃至請求項9 のいずれか一において、前記チャネル形成領域において駆動時に生じる短チャネル効果に伴うしきい値電圧の低下は、前記不純物領域を利用することで得られる狭チャネル効果に伴うしきい値電圧の増加により緩和されることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
請求項1乃至請求項10 のいずれか一において、前記不純物領域は前記結晶半導体に発生する応力を緩和する緩衝領域としての機能を有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
請求項1乃至請求項11 のいずれか一において、前記キャリアが移動する領域の幅は3 〜 300 ｎｍの範囲で制御されることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
請求項1乃至請求項12 のいずれか一において、前記不純物領域はドットパターン形状を有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
請求項1乃至請求項12 のいずれか一において、前記不純物領域はチャネル方向と概略平行に形成された線状パターンを有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
請求項 1 乃至請求項 12 のいずれか一において、前記不純物領域は前記ドレイン領域から前記ソース領域に延びるパターンを有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
請求項3において、しきい値電圧の制御は前記キャリアが移動する領域の幅を制御することで行われることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
絶縁性基板または絶縁層上に結晶半導体を形成する工程と、
前記結晶半導体を利用してソース領域、ドレイン領域およびチャネル形成領域とを形成する工程と、
前記チャネル形成領域にエネルギーバンド幅（ Eg ）を広げる炭素、窒素、酸素から選ばれた一種または複数種類の元素を局部的に添加して不純物領域を形成する工程と、
前記チャネル形成領域上にゲイト絶縁膜を介してゲイト電極を形成する工程と、
を有するSOI構造で構成される絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法において、
前記チャネル形成領域はキャリアが移動する領域と前記不純物領域とで構成されることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
請求項16において、前記元素とは前記チャネル形成領域内において局部的にビルトイン電位差を形成するための元素であることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
請求項17 または請求項 18において、前記キャリアが移動する領域は真性または実質的に真性な領域であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項19において、実質的に真性な領域であるとは前記結晶半導体表面近傍における一導電性を付与する不純物元素の濃度が 5×10¹⁵atoms/cm³以下であり、酸素濃度が2×10¹⁸atoms/cm³ 以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項19において、実質的に真性な領域であるとは前記結晶半導体表面近傍における一導電性を付与する不純物元素の濃度が5×10¹⁵atoms/cm³以下であり、酸素濃度が 1×10¹⁷atoms/cm³以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項17 乃至請求項 21 のいずれか一において、前記チャネル形成領域の幅Wに対して前記不純物領域および前記不純物領域間の幅が占有する割合をそれぞれWpi、Wpaとする時、前記W、WpiおよびWpaとの間には、Wpi／W＝0.1 〜0.9、Wpa／W＝0.1〜0.9、Wpi／Wpa＝1/9〜9の関係式が成り立つことを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
請求項17 乃至請求項 22 のいずれか一において、前記チャネル形成領域のチャネル方向に垂直な少なくとも一断面は、実質的に前記不純物領域により区切られた複数のチャネル形成領域の集合体と見なせることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
請求項17 乃至請求項 23 のいずれか一において、前記不純物領域は前記結晶半導体に発生する応力を緩和する緩衝領域としての機能を有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
請求項17 乃至請求項 24 のいずれか一において、前記キャリアが移動する領域の幅は3 〜 300 ｎｍの範囲で制御されることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
請求項17 乃至請求項 25 のいずれか一において、前記不純物領域はドットパターン形状を有していることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
請求項17 乃至請求項 25 のいずれか一において、前記不純物領域はチャネル方向と概略平行に形成された線状パターンを有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
請求項 17 乃至請求項 25 のいずれか一において、前記不純物領域は前記ドレイン領域から前記ソース領域に延びるパターンを有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。