JP5196470B2 - Double insulated gate field effect transistor - Google Patents
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Description
本発明は二重絶縁ゲートMOSトランジスタの改良構造に関する。 The present invention relates to an improved structure of a double insulated gate MOS transistor.
図1は従来の二重ゲート電界効果トランジスタの構成図である。図1に示される従来の二重ゲート電界効果トランジスタは、第一導電形の高濃度不純物がそれぞれ導入されたソース領域1およびドレイン領域2と、その間に接して介在するチャネル領域3と、チャネル領域3の第一の面4に第一のゲート絶縁物5を介して接する第一のゲート電極6およびチャネル領域3の第一の面に対向する第二の面7に第二のゲート絶縁物8を介して接する第二のゲート電極9とを有し、例えば、特許文献1の「二重ゲート電界効果トランジスタ」、特許文献2の「二重ゲート・トランジスタおよびその製造方法」等で知られている。
FIG. 1 is a block diagram of a conventional double gate field effect transistor. A conventional double gate field effect transistor shown in FIG. 1 includes a source region 1 and a
これらの二重絶縁ゲート電界効果トランジスタはいわゆる短チャネル効果(従来構造ではソースまたはドレイン領域の高濃度不純物分布の厚さ方向(Y方向)にほぼ一定であった。そのため、両ゲート電極端部チャネル領域のドレイン領域近傍で高電界が発生し易く、バンド間トンネル現象でドレイン電流の増大(GIDL)が見られた。 These double insulated gate field effect transistors have a so-called short channel effect (the conventional structure was almost constant in the thickness direction (Y direction) of the high concentration impurity distribution in the source or drain region. A high electric field is likely to occur near the drain region of the region, and an increase in drain current (GIDL) was observed due to the band-to-band tunneling phenomenon.
ゲート長(およびチャネル長)の縮小に伴って顕在化してくる電気的特性の劣化。ソース、ドレインの接近に伴ってドレインの効果がソースにまで及ぶことに起因し、具体的には、ゲートしきい値電圧の低下、ドレイン電流立ち上がりの低下(S−スロープの増大)、および、スタンバイ漏れ電流の増大などの集積回路では致命的な問題が発生する。)を軽減できる構造として有望であると知られている。なお、ソース領域とドレイン領域はその役割を入れ替えても同様な電気特性になるようにチャネル領域に対して対称に配置されるのが通常である。 Degradation of electrical characteristics that becomes apparent as the gate length (and channel length) decreases. As the source and drain approach, the drain effect reaches the source. Specifically, the gate threshold voltage decreases, the drain current rises (S-slope increases), and the standby. Fatal problems arise in integrated circuits such as increased leakage current. ) Is known as a promising structure. Note that the source region and the drain region are usually arranged symmetrically with respect to the channel region so that the same electrical characteristics can be obtained even if their roles are switched.
図1において、説明の都合上、ソース領域からドレイン領域に向かう方向をX方向、第一のゲート電極から第二のゲート電極に向かう方向をY方向、さらにX方向、Y方向で作られる平面に垂直な方向をZ方向とする。図1の二重絶縁ゲート電界効果トランジスタは基板上に作製されるが、基板に対するX、Y、Zの方向は任意で良い。 In FIG. 1, for convenience of explanation, the direction from the source region to the drain region is the X direction, the direction from the first gate electrode to the second gate electrode is the Y direction, and the plane is formed by the X direction and the Y direction. The vertical direction is the Z direction. The double insulated gate field effect transistor of FIG. 1 is fabricated on a substrate, but the X, Y, and Z directions with respect to the substrate may be arbitrary.
以後、説明の都合上、基板面がXY面に平行であると仮定しておく。チャネル領域のZ方向の長さをチャネル幅(W)、X方向の長さをチャネル長(LC)、チャネル領域3のY方向の長さをチャネル厚さ(TS)、ゲート電極がチャネル領域にゲート絶縁膜を介して接触している部分のX方向の長さをゲート長(LG)と称する。
Hereinafter, for convenience of explanation, it is assumed that the substrate surface is parallel to the XY plane. The length of the channel region in the Z direction is the channel width (W), the length in the X direction is the channel length (LC), the length of the
ゲート電極材料は金属や、高濃度に不純物が導入されたポリシリコン等、電気導電率の極めて低いものが望ましく、また必ずしも同じ材料でなくても良く、第一ゲート電極と第二ゲート電極では異なる材料が用いられる場合もある。 The gate electrode material is preferably a metal or polysilicon having a high concentration of impurities, such as extremely low electrical conductivity, and may not necessarily be the same material, and the first gate electrode and the second gate electrode are different. Materials may be used.
さらに、それぞれに対するゲート絶縁膜厚さをTo1およびTo2とするが、この値も必ずしも同じでなくても良い場合がある。さらに、普通にはソース領域およびドレイン領域の高濃度不純物分布はY、Z方向にはほぼ一様で、X方向にはある分布関数、例えばガウス分布とか誤差関数分布でそれぞれチャネル領域内に向かって減少している。したがって、通常LCはLGより小さいが明確に定義することは難しい。 Furthermore, although the gate insulating film thicknesses for each are To1 and To2, this value may not necessarily be the same. Further, normally, the high concentration impurity distribution in the source region and the drain region is substantially uniform in the Y and Z directions, and in the X direction, a certain distribution function, for example, a Gaussian distribution or an error function distribution is directed toward the channel region. is decreasing. Therefore, although usually LC is smaller than LG, it is difficult to define clearly.
上記のような二重絶縁ゲート電界効果トランジスタは、微細構造化に適していると認められているが、チャネル長LC(ゲート長LGと言っても良い)が短くなるとトランジスタ動作がオフ状態のときのドレイン漏れ電流の増大が顕在化してくる。
この点は消費電力削減の観点から解決すべき問題として重要視され、その解決のために様々な提案がなされている。
The double insulated gate field effect transistor as described above is recognized as suitable for fine structure, but when the channel length LC (which may be referred to as the gate length LG) is shortened, the transistor operation is in the off state. The increase in drain leakage current becomes obvious.
This point is regarded as important as a problem to be solved from the viewpoint of power consumption reduction, and various proposals have been made for the solution.
上記ドレイン漏れ電流の増大は、低電源電圧化に対応するためのしきい値電圧の低下によって生じるいわゆるサブしきい値領域でのドレイン電流増加の他に、オフ状態のドレインとゲート電極の電位によってドレイン近傍の電界が増大し、いわゆるバンド間トンネル現象(BBTと略称する)が生じ、キャリヤがチャネル領域内に発生し、過剰なドレイン電流が流れる(GIDL、Gate Induced Drain Leakageと呼ばれている)ことに原因がある。 The increase in the drain leakage current is due to the potential of the drain and gate electrodes in the off state, in addition to the increase in drain current in the so-called subthreshold region caused by the decrease in the threshold voltage to cope with the lower power supply voltage. increasing the electric field near the drain is caused a so-called band-to-band tunneling phenomenon (abbreviated as BBT) can, carriers are generated in the channel region, an excessive drain current flows (GIDL, called G ate I nduced D rain L eakage There is a cause.
特に二重絶縁ゲートMOSトランジスタのようにチャネル領域が電気的に浮遊状態にある場合には、通常の電流を担うキャリヤ1とは反対導電形のキャリヤ2がチャネル領域内に蓄積し、そのためソース領域からのキャリヤ1の注入が増加することによりその増大現象は通常の電界効果トランジスタより深刻である。このGIDLによる過剰なドレイン電流増加を軽減するためにはオフ状態におけるドレイン近傍の電界の強さを軽減してやれば良い。
In particular, when the channel region is in an electrically floating state like a double insulated gate MOS transistor, a
その一方法として、図2のようにゲート電極端とソースまたはドレインへの不純物導入端とをある距離(Lu)を置いて離す(アンダーラップ構造)ことが下記非特許文献1〜4等で提案されている。
図2は、図1のソース領域1、チャネル領域3およびドレイン領域2をX方向断面で見た略図であり、従来の二重ゲート電界効果トランジスタにおけるアンダーラップ構造の概念図である。
As one of the methods, the following non-patent documents 1 to 4 suggest that the gate electrode end and the impurity introduction end to the source or drain are separated by a certain distance (Lu) as shown in FIG. Has been.
FIG. 2 is a schematic view of the source region 1, the
すなわち、ドレイン領域の高不純物濃度導入孔端と低電位が印加されているゲート電極端をアンダーラップ長Luだけ離す(通常はソース領域においても同様構造にしている)ことによってほぼ電源電圧に等しい電位がドレインに印加されたときに、ドレイン領域近傍のゲート電極下の電界を低下させることができるわけである。 That is, by separating the high impurity concentration introduction hole end of the drain region from the gate electrode end to which a low potential is applied by an underlap length Lu (usually having the same structure in the source region), a potential substantially equal to the power supply voltage is obtained. When is applied to the drain, the electric field under the gate electrode in the vicinity of the drain region can be reduced.
図3は二重ゲート電界効果トランジスタに従来のソースまたはドレイン不純物濃度分布を適用した場合において、アンダーラップのGIDLの軽減効果を示した図である。
この図3は、二次元デバイスシミュレーションによるゲート電圧(V)対ドレイン電流(A/μm、アンペア/マイクロメータ)特性の例である。ただし、第一ゲート電極と第二ゲート電極は同じ電位が印加されているものとする。特性上、ゲート電圧が0.0〜0.1の間のドレイン電流値に問題がある。
FIG. 3 is a diagram showing the effect of reducing the underlap GIDL when the conventional source or drain impurity concentration distribution is applied to the double gate field effect transistor.
FIG. 3 is an example of gate voltage (V) vs. drain current (A / μm, ampere / micrometer) characteristics by two-dimensional device simulation. However, the same potential is applied to the first gate electrode and the second gate electrode. Due to the characteristics, there is a problem with the drain current value when the gate voltage is between 0.0 and 0.1.
図3に示されるように、ドレイン電圧Vdが電源電圧(図3の場合は1V)に等しい時、ゲート電圧を下げていくとしきい値電圧(約0.3V)以下でドレイン電流Idは指数関数的に減少していくが、ゲート電圧がオフ電位(0V)付近で急激な増加が見られる。この現象がGIDL効果である。この現象は、第一ゲート電極と第二ゲート電極が別々の電位が印加される場合においてもドレインが高電位な状態で二重絶縁ゲート電界効果トランジスタをオフにするようなゲート電位とするときにも生じる。 As shown in FIG. 3, when the drain voltage Vd is equal to the power supply voltage (1V in the case of FIG. 3), when the gate voltage is lowered, the drain current Id becomes an exponential function at a threshold voltage (about 0.3V) or less. However, the gate voltage is rapidly increased near the off potential (0 V). This phenomenon is the GIDL effect. This phenomenon occurs when the gate potential is such that the double insulated gate field effect transistor is turned off with the drain at a high potential even when different potentials are applied to the first gate electrode and the second gate electrode. Also occurs.
さて、図3にLu(nm)を0、5、10、15にとったときのゲート電圧(v)−ドレイン電流(A/um)特性が示されている。この図3に示されるように、GIDLによるドレイン漏れ電流の増加はLuが大きい値になるほど低下するが、ソース、あるいはドレイン寄生抵抗の増加や、ゲート電極によるドレイン電流の制御性が低下することが原因で、いわゆるオン電流が低下する欠点が生じる。そこで、出来るだけ小さいLuで、オン電流の低下を押さえつつGIDLによるドレイン漏れ電流を低下させることが望ましい。すなわち、同じLuであってもGIDL現象を従来法より軽減できる素子構造が望まれる。 FIG. 3 shows the gate voltage (v) -drain current (A / um) characteristics when Lu (nm) is 0, 5, 10, and 15. As shown in FIG. 3, the increase in drain leakage current due to GIDL decreases as Lu increases, but the increase in source or drain parasitic resistance and the controllability of drain current due to the gate electrode may decrease. For this reason, there is a drawback that the on-current is reduced. Therefore, it is desirable to reduce the drain leakage current due to GIDL while suppressing the decrease in on-current with the smallest possible Lu. That is, an element structure that can reduce the GIDL phenomenon from the conventional method even with the same Lu is desired.
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、高電位がドレインに印加された状態で二重絶縁ゲート電界効果トランジスタをオフ状態とするときのドレイン漏れ電流の増加を従来手法よりも軽減する素子構造を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an element structure that reduces the increase in drain leakage current when the double insulated gate field effect transistor is turned off with a high potential applied to the drain as compared with the conventional method. Is to provide.
本発明は、上記目的を達成するために、不純物がそれぞれ高濃度に導入されたソース領域およびドレイン領域と、それらソース領域およびドレイン領域の間に接して介在させたチャネル領域と、前記ソース領域、ドレイン領域およびチャネル領域からなる直方体部分の前記ソース領域から前記ドレイン領域に向かう第1の方向と同じ方向を含む対向面のうち一方の面に接して設けた膜状の第一のゲート絶縁物と、前記対向面のうち他方の面に接して設けた膜状の第二のゲート絶縁物と、前記第1の方向と直交する第2の方向に前記第一および第二のゲート絶縁物を介してそれぞれ設けた第一および第二のゲート電極とを有する二重絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、
前記ソース領域およびドレイン領域における前記不純物の濃度特性を、前記不純物の濃度が、前記第一のゲート絶縁物から前記第二のゲート絶縁物に向かう前記第2の方向において、前記ソース領域および前記ドレイン領域の内部から前記第一および第二のゲート絶縁物と接する面に近付くほど低くなり、かつ、前記ソース領域内および前記ドレイン領域内の前記不純物の最高濃度端位置が、前記ソース領域から前記ドレイン領域に向かう前記第1の方向において、前記第一のゲート電極および前記第二のゲート電極の端部に対応した前記チャネル領域の位置より離れた位置である特性としたことを特徴とする。
The present invention, in order to achieve the above object, a source region and a drain region into which impurities are introduced at a high concentration, respectively, a channel region is interposed in contact between them source and drain regions, the source region And a film-like first gate insulator provided in contact with one of the opposing surfaces including the same direction as the first direction from the source region to the drain region of the rectangular parallelepiped portion comprising the drain region and the channel region A film-like second gate insulator provided in contact with the other surface of the opposing surfaces, and the first and second gate insulators in a second direction orthogonal to the first direction. A double insulated gate field effect transistor having first and second gate electrodes respectively provided via
The concentration characteristics of the impurities in the source region and the drain region are as follows. The concentration of the impurity is in the second direction from the first gate insulator to the second gate insulator. As the distance from the inside of the region to the surface in contact with the first and second gate insulators decreases, the highest concentration end position of the impurity in the source region and the drain region is reduced from the source region to the drain. In the first direction toward the region, the first gate electrode and the second gate electrode are located away from the channel region corresponding to the end portions of the first gate electrode and the second gate electrode.
また、上記の目的を達成するため、本発明は、ソース領域およびドレイン領域内の濃度特性は、前記第一のゲート絶縁物から前記第二のゲート絶縁物に向かう前記第2の方向において、前記ソース領域および前記ドレイン領域の内部の中央部に最高濃度のピークが位置する特性にしたことを特徴とする。In order to achieve the above object, according to the present invention, the concentration characteristics in the source region and the drain region are such that the second direction from the first gate insulator toward the second gate insulator is It is characterized in that the peak of the highest concentration is located in the central part inside the source region and the drain region.
本発明の二重絶縁ゲート電界効果トランジスタは、前記ソース領域およびドレイン領域に、前記不純物の濃度特性が前記ゲート絶縁物と接する面から内方に離れるに従い漸次高くなる領域を形成したので、ソース電極およびドレイン電極がゲート電極と対向する部位の不純物濃度を漸減する構造とすることができ、これら電極端に電界が集中しないようにできる。 In the double insulated gate field effect transistor of the present invention, the source electrode and the drain region are formed with regions in which the concentration characteristics of the impurity gradually increase as they move away from the surface in contact with the gate insulator. In addition, a structure in which the impurity concentration of the portion where the drain electrode and the drain electrode are opposed to each other can be gradually reduced, and an electric field can be prevented from concentrating on the electrode ends.
また、前記ソース領域およびドレイン領域における、前記不純物のピーク濃度端位置をゲート電極端位置よりも所定Luだけ離間するように形成するので、GIDLによるドレイン漏れ電流の増加を抑制し、ソース、あるいはドレイン寄生抵抗の増加を抑制し、ゲート電極によるドレイン電流の制御性を向上させ、いわゆるオン電流の低下を抑制することができる。
本発明は、このように構成したので、同じアンダーラップ長LuであってもGIDL現象を従来法より軽減できるようになる。
Further, since the peak concentration end position of the impurity in the source region and the drain region is formed to be separated by a predetermined Lu from the gate electrode end position, an increase in drain leakage current due to GIDL is suppressed, and the source or drain It is possible to suppress an increase in parasitic resistance, improve controllability of the drain current by the gate electrode, and suppress a so-called decrease in on-current.
Since the present invention is configured as described above, the GIDL phenomenon can be reduced from the conventional method even if the underlap length Lu is the same.
本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図11は、本発明の二重絶縁ゲート電界効果トランジスタの説明図である。
図11(a)は本発明の二重絶縁ゲート電界効果トランジスタの一実施の形態の構成図を示し、その基本的な構成は図1の従来の二重絶縁ゲート電界効果トランジスタの構成と同じであり、ソース領域1、ドレイン領域2およびチャネル領域3からなる直方体部分のソース領域1からドレイン領域2に向かう第1の方向と同じ方向を含む対向面のうち一方の面に接して設けた膜状の第一のゲート絶縁物5と、上記対向面のうち他方の面に接して設けた膜状の第二のゲート絶縁物8と、第1の方向と直交する第2の方向に第一および第二のゲート絶縁物5、8を介してそれぞれ設けた第一および第二のゲート電極6、9とを有する。
本発明の二重絶縁ゲート電界効果トランジスタは、上記の基本的な構成において、図11(a)のソース領域1およびドレイン領域2におけるY方向(第一のゲート絶縁物5から第二のゲート絶縁物8へ向かう第2の方向)の不純物濃度分布が、図11(b)に実線で示すように、ソース領域1およびドレイン領域2の内部から第一および第二のゲート絶縁物5、8と接する面に近付くほど低くなる分布とした点に特徴がある。
FIG. 11 is an explanatory diagram of a double insulated gate field effect transistor of the present invention.
FIG. 11A shows a configuration diagram of an embodiment of the double insulated gate field effect transistor of the present invention , and the basic configuration is the same as that of the conventional double insulated gate field effect transistor of FIG . A film-like shape provided in contact with one of the opposing surfaces including the same direction as the first direction from the source region 1 to the
The double insulated gate field effect transistor of the present invention has the above basic configuration in the Y direction (from the
図11(b)には、図11(a)に示すソース領域1およびドレイン領域2の、Y方向における従来と本発明の不純物濃度分布特性が示されている。すなわち、従来のソース領域1およびドレイン領域2の、Y方向における不純物濃度分布は図11(b)に点線で示すように、ほぼ一定である。これに対し、本発明のソース領域1およびドレイン領域2の、Y方向における不純物濃度分布はソース領域1およびドレイン領域2の内部からゲート絶縁物5、8と接する面に近付くほど低くなる特性とされる。具体的には、本実施形態のソース領域1およびドレイン領域2の、Y方向における不純物濃度分布は、図11(b)に実線で示すように、ソース領域1およびドレイン領域2の中央部で最高濃度のピーク位置を示し、その中央部のピーク(最高)濃度領域から両ゲート電極6、9(ゲート絶縁物5、8と接する面)に向かって指数関数的に漸減する。
FIG. 11 (b), the source region 1 and drain
また、図4に示すように、ソース領域1およびドレイン領域2の内部の不純物の最高濃度端位置(図4のピーク濃度端位置)は、ソース領域1からドレイン領域2に向かう方向(X方向)において、第一のゲート電極6および第二のゲート電極9の端部に対応したチャネル領域3の位置(図4のゲート電極端位置)よりLuだけ離れた位置とされる。
Further, as shown in FIG. 4, the highest concentration end position of the impurity within the source region 1 and drain region 2 (peak concentration end position in FIG. 4) is the direction from the source region 1 to the drain region 2 (X-direction) in, Ru is the first position of the
図4は、本発明の図11(a)の二重絶縁ゲート電界効果トランジスタにおけるソース、ドレイン領域の不純物分布の不純物濃度線を、図11(a)のX−Y面上に表した図である。
図4中の連続する点線および波線は、二重絶縁ゲート電界効果トランジスタ内部の不純物分布の等高線(等しい不純物濃度の点の集合を線で示したもの)を示す。
4, a source in a double insulated gate field effect transistor in FIG. 11 of the present invention (a), an impurity concentration line of impurity distribution in the drain region, a view expressed on X-Y plane shown in FIG. 11 (a) is there.
The continuous dotted line and wavy line in FIG. 4 indicate the contour lines of the impurity distribution inside the double insulated gate field effect transistor (a set of points having the same impurity concentration is indicated by a line).
図4においてゲート長LG(両ゲート電極端位置間の長さ)は100nm、ゲート絶縁膜(図中、縦軸±0.005の実線の両外側(不図示))厚さTo1、To2は2nm、チャネル厚さTs(図中、縦軸±0.005の実線間の長さ)は10nmとした。また、ソース、ドレイン領域に置ける高濃度不純物分布はガウス分布とし、その特性長(ピーク濃度位置から濃度が約0.1倍になる点までの距離)は10nmとした。 In FIG. 4, the gate length LG (the length between both gate electrode end positions) is 100 nm, and the gate insulating film (both outside the solid line with vertical axis ± 0.005 (not shown)) thicknesses To1 and To2 are 2 nm. The channel thickness Ts (in the figure, the length between the solid lines of the vertical axis ± 0.005) was 10 nm. The high concentration impurity distribution in the source and drain regions is a Gaussian distribution, and the characteristic length (the distance from the peak concentration position to the point where the concentration is about 0.1 times) is 10 nm.
図4中、ゲート電極端位置を示す両実線dの内側の領域eの等不純物濃度線は、その実線dに最も近い等不純物濃度線が縦軸±0.005の位置a、cより縦軸0の中央位置bが実線からより離れるように少し湾曲していることに代表されるように、全体的に実線dから離れるように少し湾曲している。 In FIG. 4, the isoimpurity concentration line in the region e inside both solid lines d indicating the gate electrode end position is the vertical axis from the positions a and c where the isoimpurity concentration line closest to the solid line d is ± 0.005 on the vertical axis. As represented by the fact that the center position b of 0 is slightly curved so as to be further away from the solid line, it is slightly curved so as to be separated from the solid line d as a whole.
図4のゲート電極端位置を示す両実線dに対し平行な位置での不純物濃度特性は、図5に示すように、ソース領域Y方向(横軸方向)の両側端位置の対数不純物濃度値に対し、ソース領域Y方向中央位置の対数不純物濃度値が大きくなっている。すなわち、図5のソース領域Y方向の不純物濃度特性は中央部が上に突出するように湾曲している。これにより、ゲート電極と対向するソース領域端は、ソース領域の他の部分より不純物濃度が低下し、電界の集中が抑制される。 As shown in FIG. 5, the impurity concentration characteristic at a position parallel to both solid lines d indicating the gate electrode end position in FIG. 4 is a logarithmic impurity concentration value at both end positions in the source region Y direction (horizontal axis direction). On the other hand, the logarithmic impurity concentration value at the center position in the source region Y direction is large. That is, the impurity concentration characteristics in the source region Y direction in FIG. 5 are curved so that the central portion protrudes upward. As a result, the impurity concentration at the end of the source region facing the gate electrode is lower than that at other portions of the source region, and the concentration of the electric field is suppressed.
ドレイン領域も上記ソース領域と同様のY方向の不純物濃度特性を有し、ゲート電極と対向するドレイン領域端は、ドレイン領域の他の部分より不純物濃度が低下し、電界の集中が抑制される。 The drain region also has the same Y-direction impurity concentration characteristics as the source region. The drain region end facing the gate electrode has a lower impurity concentration than other portions of the drain region, and the concentration of the electric field is suppressed.
また、ソース領域およびドレイン領域の不純物濃度特性は、例えば、図4に示されるように、各領域のY方向の中央位置(縦軸が0の位置)が線状のピーク濃度(1020cm−3)となるように構成する。この線状のピーク濃度の端部は、チャネル領域の不純物濃度特性の最高値を表す等不純物濃度線から離間している(ピーク濃度端位置参照)。これにより、ソース領域およびドレイン領域の高濃度不純物領域がチャネル領域端から離間していることを表す。これにより、ゲート領域端、とソース領域端およびドレイン領域端の間の電界の集中を緩和することができる。 Further, as shown in FIG. 4, for example, the impurity concentration characteristics of the source region and the drain region are such that the central position in the Y direction (position where the vertical axis is 0) of each region is a linear peak concentration (10 20 cm − 3 ). The end of the linear peak concentration is separated from the isoimpurity concentration line representing the maximum value of the impurity concentration characteristics of the channel region (see the peak concentration end position). This indicates that the high concentration impurity regions of the source region and the drain region are separated from the end of the channel region. Thereby, the concentration of the electric field between the gate region end and the source region end and the drain region end can be reduced.
以上の説明から、等不純物濃度線を連続的な値となるようにまとめると、等不純物濃度特性は図4の縦軸0を中心として縦軸に沿ってその上下方向に漸次減少し、図5に示すように、ゲート電極端と対向するソース領域Y方向の不純物濃度特性は中央部が上に突出するように湾曲している。
From the above description, if the isoimpurity concentration lines are summarized so as to be continuous values, the isoimpurity concentration characteristics gradually decrease in the vertical direction along the vertical axis with the
図5は本発明における二重ゲート電界効果トランジスタのソースまたはドレイン領域のY−Z断面の不純物分布を示した図である。図5はドレイン領域(またはソース領域)内の不純物分布のY方向分布を示す。
これにより、ゲート電極と対向するソース領域端は、ソース領域の他の部分より不純物濃度が低下し、電界の集中が抑制される。
FIG. 5 is a view showing the impurity distribution in the YZ section of the source or drain region of the double gate field effect transistor according to the present invention. FIG. 5 shows the Y-direction distribution of the impurity distribution in the drain region (or source region).
As a result, the impurity concentration at the end of the source region facing the gate electrode is lower than that at other portions of the source region, and the concentration of the electric field is suppressed.
さらに、図4のX方向のソース領域、チャネル領域およびドレイン領域の不純物濃度特性は、縦軸0のピーク濃度をとると、図6のようになる。
図6は本発明における二重絶縁ゲート電界効果トランジスタのソース領域からドレイン領域に至るチャネル中央部に沿ったX方向のX−Z断面における不純物濃度分布を示す。チャネル領域と、その両側のソース領域およびドレイン領域との接続部分の不純物濃度特性は、図6に示すように、急峻な角部が生じないように丸みが付けられている。これにより、対向する領域端における電界の集中を抑制することができる。
Furthermore, the impurity concentration characteristics of the source region, channel region, and drain region in the X direction in FIG. 4 are as shown in FIG.
Figure 6 shows the impurity concentration distribution in the double-insulated-gate field-effect transistor from the source region of the data in the X direction along the central portion of the channel leading to the drain region X-Z cross section in the present invention. As shown in FIG. 6, the impurity concentration characteristics of the connection portion between the channel region and the source and drain regions on both sides thereof are rounded so as not to cause sharp corners. Thereby, the concentration of the electric field at the opposite region ends can be suppressed.
この結果、図5のように、ソース領域、ドレイン領域の不純物分布特性の最小値位置をソース領域Y方向の両側端位置とし、ピーク位置をチャネル厚さの中央に一致する位置(Y方向の切断図でソース領域、ドレイン領域のほぼ中央)に置き、さらにX方向にはゲート電極端からLuだけ離して配置する。そして、Y方向、チャネル表面に向かって、またX方向、チャネル内部に向かっても減少する分布とする。 As a result, as shown in FIG. 5, the position of the minimum value of the impurity distribution characteristics of the source region and the drain region is set as the both end positions in the source region Y direction, and the peak position is a position that coincides with the center of the channel thickness (cut in the Y direction In the figure, it is placed at substantially the center of the source region and the drain region, and is further separated by Lu from the gate electrode end in the X direction. The distribution decreases in the Y direction toward the channel surface and also in the X direction toward the channel interior.
そうすると、アンダーラップ長Luがゼロであってもゲート電極端付近での不純物濃度は減少し、その近傍での電界強度を低下することができる。さらにLuを持たせれば電界の抑制効果は従来構造よりも大きくすることができ、GIDL効果の抑制効果はより大きくすることができる。 Then, even if the underlap length Lu is zero, the impurity concentration in the vicinity of the gate electrode end decreases, and the electric field strength in the vicinity thereof can be reduced. Further, if Lu is provided, the effect of suppressing the electric field can be made larger than that of the conventional structure, and the effect of suppressing the GIDL effect can be further increased.
図7は本発明の二重ゲート電界効果トランジスタのGIDL軽減効果を示した図である。
実際、デバイスシミュレーションにより従来構造(素子の寸法は図4の場合と同じ)、すなわちソース領域およびドレイン領域の不純物分布がY方向にほぼ一様な場合のドレイン電流対ゲート電圧の結果である図3の場合と、本発明の構造の場合を同様バイアス条件でのシミュレーション結果である図7の場合とを比較すると、同じLuにおいて本発明の方がGIDLをより軽減していることがわかる。即ち、図7の特性曲線のゲート電圧が0.0Vから0.2V近辺までのドレイン電流の特性が図3の従来例の特性より低下している。
FIG. 7 shows the GIDL mitigation effect of the double gate field effect transistor of the present invention.
Actually, as a result of device simulation, the result is a result of drain current versus gate voltage in the case of a conventional structure (element dimensions are the same as in FIG. 4), that is, when the impurity distribution in the source region and the drain region is substantially uniform in the Y direction. 7 and the case of the structure of the present invention are compared with the case of FIG. 7 which is the simulation result under the same bias condition, it can be seen that the present invention further reduces GIDL at the same Lu. That is, the drain current characteristic in the characteristic curve of FIG. 7 from the gate voltage of 0.0 V to around 0.2 V is lower than the characteristic of the conventional example of FIG.
言い換えれば、オフ時のドレインリーク電流を規定した時、本発明ではより小さいLuでその値を実現できることを示しており、寄生抵抗の増加を抑制でき、またゲート電極によるドレイン電流の制御性の低下を少なくすることができると言える。なお、元々のチャネル領域の不純物濃度は均一で、N形、1017/cm3としたが、P形ないし不純物濃度無しでも良い。濃度の値はこの程度以下であればチャネル厚さTsが薄いので特性に与える影響は小さい。さらに、高濃度不純物分布の特性長が10nm以上と大きくなるほど従来構造に近づいてくるので、ピーク位置からTs/2離れた位置で濃度がピーク値よりも有意な低い値になるように分布を設定することが望ましい。 In other words, when the drain leakage current at the off time is defined, the present invention shows that the value can be realized with a smaller Lu, and it is possible to suppress an increase in parasitic resistance and to reduce the controllability of the drain current by the gate electrode. It can be said that it can be reduced. The impurity concentration of the original channel region is uniform and is N-type and 10 17 / cm 3 , but may be P-type or no impurity concentration. If the value of the concentration is less than this level, the channel thickness Ts is thin, so the influence on the characteristics is small. Furthermore, as the characteristic length of the high-concentration impurity distribution increases to 10 nm or more, it approaches the conventional structure, so the distribution is set so that the concentration is significantly lower than the peak value at a position away from the peak position by Ts / 2. It is desirable to do.
図8に特性長(ガウス分布を仮定した時、ピーク濃度位置から濃度が約0.1倍になる点までの距離)が5nmの場合の本発明の実施例におけるソース、ドレイン領域の不純物分布の等不純物濃度線を、図11のX−Y面上に表した図である。図8の記載内容は、図4のものに比べると、ソース、ドレイン領域の不純物分布の等不純物濃度線の形成領域が±X方向においてソース領域およびドレイン領域へずれ込んでいる。これにより、等不純物濃度線gに代表されるような不純物濃度分布となる。このため、ゲート電極端と、ソース領域端およびドレイン領域端の電界の集中が図4の場合よりも抑制される。 FIG. 8 shows the impurity distribution of the source and drain regions in the embodiment of the present invention when the characteristic length (distance from the peak concentration position to the point where the concentration becomes about 0.1 times when Gaussian distribution is assumed) is 5 nm. FIG. 12 is a diagram illustrating an isoimpurity concentration line on the XY plane of FIG. 11. In the description of FIG. 8, the formation region of the isoimpurity concentration line of the impurity distribution in the source and drain regions is shifted to the source region and the drain region in the ± X direction as compared with that in FIG. 4. As a result, an impurity concentration distribution as typified by an isoimpurity concentration line g is obtained. For this reason, the concentration of the electric field at the gate electrode end and at the source region end and the drain region end is suppressed more than in the case of FIG.
図9は図8におけるドレイン領域(またはソース領域)内の不純物分布のY方向分布を示す。両側面部における不純物濃度が中央部より低くなっていることが図5よりも顕著に表れている。 FIG. 9 shows the Y-direction distribution of the impurity distribution in the drain region (or source region) in FIG. It can be seen that the impurity concentration in both side portions is lower than that in the central portion as compared with FIG.
図10は、本発明において、特性長5nmのソース、ドレイン不純物分布を用いた場合の二重ゲート電界効果トランジスタのGIDL軽減効果を示した図である。
図10は図7と同様バイアス条件でのシミュレーション結果である。図7よりもGIDLの軽減効果は大きくなっている。ただし、通常のようにソースまたはドレイン領域の両側面部がピーク濃度であるような構造においても、不純物濃度分布の特性長が小さいとGIDLは軽減する。
FIG. 10 is a diagram showing the GIDL mitigation effect of the double gate field effect transistor when the source / drain impurity distribution having a characteristic length of 5 nm is used in the present invention.
FIG. 10 shows a simulation result under a bias condition similar to FIG. The reduction effect of GIDL is greater than that in FIG. However, even in a structure where both side portions of the source or drain region have a peak concentration as usual, GIDL is reduced if the characteristic length of the impurity concentration distribution is small.
しかし、本発明の方がより効果が大きいことは、図3と図7のドレイン電流の立ち上がり特性の比較と同様に言える。なお、ソースまたはドレイン領域において、ゲート電極端から十分はなれた部分は一様に高濃度として寄生抵抗の更なる低減を図ってもよい。
さらに、本発明は第一ゲート電極と第二ゲート電極が一体となって構成されたいわゆるフィン形二重絶縁ゲート電界効果トランジスタ、例えば特許1875548「電界効果型半導体装置」に適応して同様効果を得ることができる。
However, it can be said that the effect of the present invention is greater as in the comparison of the drain current rising characteristics of FIGS. Note that in the source or drain region, the portion sufficiently separated from the end of the gate electrode may be uniformly increased in concentration to further reduce the parasitic resistance.
Furthermore, the present invention can be applied to a so-called fin-type double insulated gate field effect transistor in which the first gate electrode and the second gate electrode are integrally formed, for example, Patent 1875548 “Field Effect Semiconductor Device”, and the same effect can be obtained. Can be obtained.
図11(b)は、本発明と従来例の不純物濃度分布を説明する図である。
図11(b)に点線で示すように、従来の二重絶縁ゲート電界効果トランジスタでは、ソース領域1またはドレイン領域2の不純物濃度特性は、厚さ方向(Y方向)にほぼ一定であった。そのため、両ゲート電極6および9の端部のチャネル領域3のドレイン領域2近傍で高電界が発生し、バンド間トンネル現象でドレイン電流の増大(GIDL)が見られた。
11 (b) is a diagram for explaining the present invention and the conventional example impurity concentration distribution.
As shown by a dotted line in FIG. 11B, in the conventional double insulated gate field effect transistor , the impurity concentration characteristics of the source region 1 or the
これに対し、本実施の形態の二重絶縁ゲート電界効果トランジスタでは、図11(b)に実線で示すように、また図5、図9に示したように、ソース領域1およびドレイン領域2の不純物濃度特性は、ソース領域1およびドレイン領域2の厚さ方向(Y方向)の中央部において最高濃度のピーク位置を示し、その中央部のピーク(最高)濃度領域からゲート絶縁物5、8に接する面に向かって例えば指数関数的に漸減し、ゲート絶縁物5、8と接する面において最低濃度となるようにされている。そのため、両ゲート電極6および9の端部のチャネル領域3のドレイン領域2近傍での高電界の発生を抑制することが出来、したがってGIDL現象の抑制が出来る。
In contrast, in the double insulated gate field effect transistor of the present embodiment, as shown by the solid line in FIG. 11B and as shown in FIGS. The impurity concentration characteristic shows the peak position of the highest concentration in the central portion in the thickness direction (Y direction) of the source region 1 and the
上記ソース領域およびドレイン領域内の該第一の高濃度不純物の濃度ピークがそれらの中央部から両ゲート電極に向かって指数関数で減少する不純物分布形状が、前記中央部を中心として左右対称形とすることが好ましい。 The impurity distribution shape in which the concentration peak of the first high-concentration impurity in the source region and the drain region decreases exponentially from the central portion toward both gate electrodes is symmetrical with respect to the central portion. It is preferable to do.
図では濃度の極大値は一つであるが,要はゲート絶縁物と接する面から内方に離れるに従って漸次濃度が高くなる領域が設けられていれば良く、例えば極大値が二つあるような場合でもGIDLの削減効果を持たせることが出来る。
さらにまた、特許3543117号に開示されている構造、すなわち、ソース、ドレイン領域のY方向の厚さが、チャネル領域のそれよりも厚くなっている構造に対しても適応しても同様効果を得ることが出来る。
In the figure, there is only one maximum value of concentration, but the point is that it is sufficient to provide a region where the concentration gradually increases as it goes inward from the surface in contact with the gate insulator. For example, there are two maximum values. Even in this case, the GIDL reduction effect can be provided.
Furthermore, the same effect can be obtained even when applied to the structure disclosed in Japanese Patent No. 3543117, that is, the structure in which the thickness of the source and drain regions in the Y direction is thicker than that of the channel region. I can do it.
なお、本発明の構造の製造法は任意であるが、例えば、従来のイオン注入法を用いて本発明のソース、ドレイン領域内に本発明で示した不純物分布を形成できる。すなわち、チャネル上にはソース、チャネルおよびドレイン領域のX−Y断面形状を確定するためのエッチングマスク、例えばシリコン酸化物からなる薄膜とシリコン窒化物からなる薄膜が堆積されているが、これとゲート電極として形状が確定してあるポリシリコンなどの材料をイオン注入用のマスクとし、斜め方向から、露出したソース、ドレイン領域となるシリコン層両側面に向かって中央部がそのノードピークとなるようにイオン注入エネルギーなどを調整してイオン注入を行うことで実現できる。ゲート電極の側面、あるいはソース、ドレイン領域の側面にシリコン酸化膜などを予め堆積させて、濃度ピークの位置やアンダーラップ距離を調整することもできる。 The manufacturing method of the structure of the present invention is arbitrary. For example, the impurity distribution shown in the present invention can be formed in the source and drain regions of the present invention by using a conventional ion implantation method. That is, an etching mask for determining the XY cross-sectional shape of the source, channel and drain regions, for example, a thin film made of silicon oxide and a thin film made of silicon nitride are deposited on the channel. Using a material such as polysilicon, whose shape has been determined as an electrode, as a mask for ion implantation, the central part becomes the node peak from the oblique direction toward both sides of the silicon layer that becomes the exposed source and drain regions. This can be realized by adjusting the ion implantation energy and performing ion implantation. A silicon oxide film or the like is deposited in advance on the side surface of the gate electrode or the side surface of the source / drain region, and the position of the concentration peak and the underlap distance can be adjusted.
1 ソース電極
2 ドレイン
3 チャネル
4 第1の表面
5 第1のゲート絶縁物
6 第1のゲート電極
7 第2の表面
8 第2のゲート絶縁物
9 第2のゲート電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (2)
前記ソース領域および前記ドレイン領域における前記不純物の濃度特性を、前記不純物の濃度が、前記第一のゲート絶縁物から前記第二のゲート絶縁物に向かう前記第2の方向において、前記ソース領域および前記ドレイン領域の内部から前記第一および第二のゲート絶縁物と接する面に近付くほど低くなり、かつ、前記ソース領域内および前記ドレイン領域内の前記不純物の最高濃度端位置が、前記ソース領域から前記ドレイン領域に向かう前記第1の方向において、前記第一のゲート電極および前記第二のゲート電極の端部に対応した前記チャネル領域の位置より離れた位置にある特性としたことを特徴とする二重絶縁ゲート電界効果トランジスタ。 A source region and a drain region impure product is introduced at a high concentration, respectively, a channel region is interposed in contact between them source and drain regions, the rectangular parallelepiped portion made from the source region, the drain region and the channel region A film-like first gate insulator provided in contact with one of the opposing surfaces including the same direction as the first direction from the source region toward the drain region, and in contact with the other surface of the opposing surfaces And a first gate and a second gate provided in the second direction perpendicular to the first direction via the first and second gate insulators, respectively. In a double insulated gate field effect transistor having an electrode ,
Density characteristics of the impurities in the source region and the drain region, the concentration of the impurity in the second direction toward the second gate insulator from the first gate insulator, the source region and the The lower the distance from the inside of the drain region to the surfaces in contact with the first and second gate insulators, the highest concentration end positions of the impurities in the source region and the drain region are In the first direction toward the drain region, the second gate electrode and the second gate electrode are located away from the channel region corresponding to the end portions of the first gate electrode and the second gate electrode. Heavy insulated gate field effect transistor.
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