JPS6094773A - 電界効果トランジスタ - Google Patents

電界効果トランジスタ

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JPS6094773A
JPS6094773A JP58201655A JP20165583A JPS6094773A JP S6094773 A JPS6094773 A JP S6094773A JP 58201655 A JP58201655 A JP 58201655A JP 20165583 A JP20165583 A JP 20165583A JP S6094773 A JPS6094773 A JP S6094773A
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JP
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channel region
region
insulating film
gate insulating
field effect
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JP58201655A
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JPH0750785B2 (ja
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Toshihiro Sekikawa
敏弘 関川
Yutaka Hayashi
豊 林
Toshio Tsurushima
鶴島 稔夫
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/67Thin-film transistors [TFT]
    • H10D30/6729Thin-film transistors [TFT] characterised by the electrodes
    • H10D30/673Thin-film transistors [TFT] characterised by the electrodes characterised by the shapes, relative sizes or dispositions of the gate electrodes
    • H10D30/6733Multi-gate TFTs
    • H10D30/6734Multi-gate TFTs having gate electrodes arranged on both top and bottom sides of the channel, e.g. dual-gate TFTs

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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [技術分野] 本発明は、例えば絶縁物、半絶縁物または半導体結晶か
らなる基板上に形成された絶縁ゲート型の電界効果トラ
ンジスタに関し、特にチャネル領域の両方の表面上に、
絶縁膜を介してゲート電極を各々設けた電界効果トラン
ジスタに関するものである。
[従来技術] 第1図はチャネル領域の両方の表面−ヒに、絶縁膜を介
してゲート電極を各々設けた従来の電界効果トランジス
タの一例についての断面を示し、ここに、lは絶縁物、
半絶縁物または半導体結晶からなる基板、2は基板l上
に形成した絶縁層。
3は絶縁層2−Hに形成した下部ゲート絶縁膜、41.
51.81および71は、それぞれ、ゲート絶縁膜3上
に形成した絶縁層、ソース領域、ドレイン領域およびチ
ャネル領域である。
チャネル領域71の両側の一方に、ソース領域51が配
置され、同他方にドレイン領域61が配置され、ソース
領域51およびドレイン領域61の外側に絶縁層41が
配置されている。
チャネル領域71上、ソース領域51上の一部およびド
レイン領域6Ll二の一部を覆うように上部ゲート絶縁
膜8が、上部ゲート絶縁膜8上には−L部ゲート電極9
が形成されている。
ソース領域51上の残余の一部、ドレイン領域81上の
残余の一部および絶縁層41上には絶縁層lOか形成さ
れ、−上部ゲート絶縁膜8の両側の一方と絶縁層10と
の間には、ソース領域51に接するソース電極11が設
けられ、上部ゲート絶縁膜8の両側の他方と絶縁層10
との間には、ドレイン領域61に接するドレイン電極1
2が設けられている。
チャネル領域71の下には、絶縁層3と同一面上に位置
するように下部ゲート電極13が形成されている。
以上のような構成において、下部ゲート電極13は、次
のような不都合を防止する。すなわち、下部ゲート電極
13がないと、例えば、ドレイン電界が基板l中に達し
て、ソース領域51の付近に至り、その結果ソース領域
51とチャネル領域71との間の障壁電位が低下する。
しかし、下部ゲート電極13が存在することによって、
ドレイン電界が基板1中においてソース領域51の付近
に達しにくくなるから、ソース領域51とチャネル領域
71との間の障壁電位が低下することが防止される。ま
た、チャネル長を短くしたときに、しきい値電圧が低下
すること、すなわち、いわゆる短チヤネル効果を抑制す
る。
しかしながら、上述のよう・な電界効果トランジスタに
おいては、例えば、チャネル領域71の両方の表面に反
転層71Aが形成されると、チャネル領域71内には、
その両方の表面から厚さ方向の中心に向って所定の厚さ
の空乏層71Bが形成されると共に、その厚さ方向の中
心部分に空乏層とならない領域?ICが残ることかある
したがって、例えば、ドレイン電界が領域71B内を通
して、ソース領域51の付近に至り、その結果、ソース
領域51とチャネル領域71との間の障壁電位にドレイ
ン電界が与える影響は、」一部ゲート電極のみを有する
単一ゲート型の電界効果トランジスタにおいて、ソース
領域とチャネル領域との間の障壁電位にドレイン電界が
与える影響と同等程度に低下してしまう。すなわち、領
域71Cが形成されることによって、上述のような2つ
のゲート電極を持つ2重ゲート型の構造の電界効果トラ
ンジスタは領域71Gをその間にはさんで、2つの単一
ゲート型の電界効果トランジスタが対向して配置された
構造と実質的に等価であるとみなすことができるからで
ある。このため、短チヤネル効果抑制の効果を期待する
ことが困難である。
[目的] したがって、本発明の目的は、以上のような問題を解消
して、しきい値電圧を低下させることなくチャネル長を
短くすることができ、これによって動作時間を短くし、
しかも集積密度を高くすることができる電界効果トラン
ジスタを提供することにある。
[発明の構成] かかる目的を達成するために、本発明は、チャネル領域
と、チャネル領域の一方の表面上に形成した第1ゲート
絶縁膜と、第1ゲート絶縁膜北に形成した第1ゲート電
極と、チャネル領域の他方の表面上に形成した第2ゲー
ト絶縁膜と、第2ゲート絶縁膜上に形成した第2ゲート
電極とを有し、チャネル領域の両方の表面にそれぞれ反
転層が形成されたときに、チャネル領域における2つの
反転層間の部分が空乏層によって満たされるように、チ
ャネル領域における両方の表面間の厚さを定める。
[実施例] 以下に本発明を図面を参照して詳細に説明すする。
82図は本発明にかかる電界効果トランジスタの一実施
例を示す断面図であり、図中、第1図と同様の部分は同
一符号で示し、その詳細な説明は省略する。第2図に示
すように、4は、ゲート絶縁膜3上に形成した絶縁層、
5はゲート絶縁膜3上に形成したソース領域、6はゲー
ト絶縁膜3上に形成したドレイン領域、7はグーI・絶
縁膜3」ニに形成したチャネル領域である。
なお、以下においては、第2図に示す電界効果トランジ
スタに関して、下記条件を満たしているものとして説明
する。すなわち、チャネル領域7にnチャネルを形成し
、チャネル領域7の不純物濃度を一様にし、トランジス
タの主動作領域外部において、オーム性接触を通じてソ
ース領域5と同一の電位にチャネル領域7をバイアスし
た。
第2図に示すように、チャネル領域7の厚さTSiを、
次のようにして決定する。すなわち、一般に、電界効果
トランジスタにおいては、チャネル領域の表面に反転層
が形成されるときには、チャネル領域における反転層下
の部分に空乏層が形成される、その空乏層の厚さDは、 によって表わされる。ここに、8.はチャネル領域を形
成する半導体の誘電率、qは電子電荷、 NAはチャネ
ル領域の不純物濃度である。
φ、は、kをボルツマン定数、Tを絶対温度、nlを真
性キャリア濃度とすると、次式によって表わされる。
q ・・穎 本発明においては、チャネル領域7の厚さTSIを、第
2図に示すように、−例として、TSI<2D01.(
3) となるように決定する。
この(3)式は、チャネル領域7の上下両方の表面に反
転層7Aが形成されたときに、チャネル領域7における
」−下2つの反転層7Aの内側の部分か空乏層7Bによ
って満たされるのに十分な条件である。
したがって、上記(3)式を満足することによって、チ
ャネル領域7における2つの反転層7Aの内側の部分を
空乏層によって満たすことができる。
これによって、例えは、ドレイン電界の影響を受けずに
、ソース領域5とチャネル領域7との間の障壁電位が低
下することを抑えることかできる。
次いで、第2図に示すように、上部ゲート絶縁膜8の膜
厚と下部ゲート絶縁膜3の膜圧とが等しく、上部ゲート
電極8の材質と下部ゲート電極13の材質とか等しいよ
うな上下対称構造を持った本発明電界効果トランジスタ
について、しきい値電圧のチャネル長依存性をめた結果
を第3図に示す。
第3図は、NA= 4 X 1016.cm″3テあり
、上部および下部ゲート絶縁膜8および13の膜厚tO
Xが20nmであり、上記(3)式を満足するチャネル
領域7の3つの各々異なった厚さT、ムを持つ本発明電
界効果トランジスタの各々に対して、2つのドレイン電
圧VdS、スナわち、 0.1(V) オよび4.0(
V)を選定してめた、しきい値電圧のチャネル長依存性
を示す。第3図中の実線はVお=0.1(V)の場合を
示し、破線はV、、 = 4.0mの場合を示す。
なお、ここで、短チヤネル効果抑制の効果を評価するた
め、飽和しきい値電圧が得られるような十分に長いチャ
ネル長におけるしきい値′市圧値より20mV低下した
しきい値電圧値となるチャネル長をLo と定義する。
一方、比較のために、NAおよび」回部ゲート絶縁膜の
膜厚が本発明電界効果トランジスタにおけるNAおよび
上部ゲート絶縁膜と同じであり、チャネル領域の厚さを
、チャネル領域の表面に反転層が形成されたときにその
下に形成される空乏層の厚さとして157nmが得られ
るような厚さにしたこれに対し、 TS、= 30On
+nの本発明電界効果トランジスタにおいてVdff 
= 4.OvとしたときのLoは、第3図から明らかな
ように 1.2pLmであった。したがって、この場合
、比較のための単一ゲート型の電界効果トランジスタに
おけるチャネル長よりも本発明電界効果トランジスタに
おけるチャネル長の方を20%短くすることができるこ
とが明らかである。
なお、第3[Δから、TSI = 200nmのときL
oは約0.9Ij、mとなり、TSl = 1100n
のときLoは約Q、6 pLmとなることが明らかであ
る。このように、上記(3)式を満たす条件において、
T、1を小さくするほど、Loを小さくすることができ
る。
第4図は、 tOXを変えずに、チャネル領域の不純物
濃度NA=4×1O15C「3、すなわち、前述したN
Aを、 NA= 4 X 10” am’の1/lOに
した木って、Loは増加せずに、逆に減少する傾向を示
した。
第5図は、第3図に示す結果と第4図に示す結果とをま
とめて、LoのTel依存性を示した図である。ここで
、 Toに= 20nrnである。、第5図によって、
 Loは、 TSlの減少と共に小さくなり、また、T
Slが小さくなるほど2つの異なった不純物濃度の間隔
が小さくなって、 Loの不純物濃度依存性は小さくな
ることがわかる。
以上から、所望のLoを持つ電界効果トランジスタを得
ようとするときには、上記(3)式を満たす条件におい
て、 TSIを適当に選ぶだけでよく、しかもNAは、
従来よりも低い値を任意に選択することができることが
わかる。これによって、素子設計を容易にすることがで
きる。すなわち、NAが小さければ、チャネル領域の表
面部分におけるキャリア移動度を大きくし、接合の耐圧
も大きくすることができることが期待されるからである
なお、第3図および第4図から明らかなように、 TS
Iの減少と共に、飽和しきい値電圧が得られるような長
いチャネル長におけるしきい値電圧値自体は低くなるが
、このしきい値電圧値は、ゲート電極材料を適切に選び
、フラットバンド電圧を調整することによって改善する
ことができる。これに対して、従来の単一ゲート型、ま
たはTslが上記(3)式を満足しないような厚さの二
乗ゲート型の電界効果トランジスタにおいては、ゲート
電極材料の選択、フラットバンド電圧の調節によっても
低いNAを持たせることはできない。その理由は、上述
のような従来素子においては、ゲート絶縁膜厚を本発明
電界効果トランジスタと同じとすると、 NAを低くす
ることによってLoは大きな値になってしまうからであ
る。
以上の説明は、上部ゲート絶縁膜の厚さと、下部ゲート
絶縁膜の厚さとが等しく、上部ゲート電極の材質と、下
部ゲート電極の材質とが同じであ1) l下部の絶縁膜厚が異なっても、空乏層は上部および下
部のゲート絶縁膜間に広がる。したがって、上部および
下部のゲート絶縁膜厚が異なるような上下非対称構造を
持つ電界効果トランジスタにも本発明を適用できること
は明らかである。
また、チャネル領域が厚さ方向に不均一な不純物濃度分
布を持っていても、その両方の表面に反転層が形成され
たときに残りの部分を空乏層によって、満たせばよい。
さらにまた、チャネル領域を縦形にし、その両側にゲー
ト絶縁Hりおよびゲートを極を配置した構造の電界効果
トランジスタにも本発明を有効に適用することができる
[効果] 以上説明したように、本発明によれば、しきい値電圧を
低下させることなくチャネル長を短くすることができ、
これによって動作詩間を短くし、しかも集積密度を高く
することができる電界界効果トランジスタを得ることが
でき、これによって大きな表面キャリア移動度と高接合
耐圧とを期待することができて、素子設計が有利になる
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来の電界効果トランジスタの一例を示す断
面図、 第2図は、本発明にかかる電界効果トランジスタの一実
施例を示す断面図、 第3図および第4図は、本発明電界効果トランジスタに
おけるしきい値電圧のチャネル長依存性をそれぞれ示す
図、 第5図は、本発明電界効果トランジスタにおけるLoの
TSi依存性を示す図である。 3・・・下部ゲート絶縁膜、 7・・・チャネル領域、 7A・・・反転層、 7B・・・空乏層、 8・・・上部ゲート絶縁膜、 8・・・上部ゲート電極、 13・・・下部ゲート電極。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 チャネル領域と、 該チャネル領域の一方の表面上に形成した第1ゲート絶
    縁膜と、 該第1ゲート絶縁膜」二に形成した第1ゲート電極と、 前記チャネル領域の他方の表面上に形成した第2ゲート
    絶縁膜と、 該第2ゲート絶縁膜上に形成した第2ゲート電極とを有
    し、 前記チャネル領域の両方の表面にそれぞれ反転層が形成
    されたときに、前記チャネル領域における前記2つの反
    転層間の部分が空乏層によって満たされるように、前記
    チャネル領域における前記両方の表面間の厚さを定めた
    ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
JP58201655A 1983-10-27 1983-10-27 電界効果トランジスタにおける短チャネル効果の抑制方法 Expired - Lifetime JPH0750785B2 (ja)

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