JP4541980B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、しきい値を動的に変化させることによって低い電源電圧で動作するトランジスタ素子及びそのトランジスタ素子を含む半導体装置に関する。また、本発明は、該トランジスタ素子のためのコンタクト形成技術、および該トランジスタ素子の集積化に適した素子分離技術にも関連する。 The present invention relates to a transistor element that operates at a low power supply voltage by dynamically changing a threshold value, and a semiconductor device including the transistor element. The present invention also relates to a contact formation technique for the transistor element and an element isolation technique suitable for integration of the transistor element.
異なる導電型のMOS型トランジスタを相補的に接続した回路(CMOS回路)の消費電力は、電源電圧の2乗に比例する。このため、CMOS回路によって形成された大規模集積回路(LSI)の消費電力を低下するには、電源電圧を低減することが有効である。しかし、電源電圧を低減すると、トランジスタの駆動力が減少するため、回路の遅延時間の増加が問題となる。この問題は電源電圧が低減されるに伴って大きくなる。特に、電源電圧がしきい値電圧の3倍の大きさ(3×Vth)より低下すると、遅延時間の増加が著しくなることが知られている。 The power consumption of a circuit (CMOS circuit) in which MOS transistors of different conductivity types are complementarily connected is proportional to the square of the power supply voltage. For this reason, in order to reduce the power consumption of a large scale integrated circuit (LSI) formed by a CMOS circuit, it is effective to reduce the power supply voltage. However, when the power supply voltage is reduced, the driving force of the transistor is reduced, so that an increase in circuit delay time becomes a problem. This problem increases as the power supply voltage is reduced. In particular, it is known that when the power supply voltage drops below three times the threshold voltage (3 × V th ), the delay time increases significantly.
これを改善する一つの方法として、トランジスタのしきい値電圧を低く設定することが考えられる。しかし、しきい値を低くするとゲートオフ時のリーク電流が増大するという問題がある。このため、許容できるオフ電流(リーク電流)の大きさによって、しきい値電圧の下限が規定されてしまう。 One method for improving this is to set the threshold voltage of the transistor low. However, if the threshold value is lowered, there is a problem that the leakage current at the time of gate off increases. For this reason, the lower limit of the threshold voltage is defined by the allowable off-current (leakage current).
この問題を緩和するために、低電源電圧対応のトランジスタとして、ゲートオン時にしきい値電圧を実効的に低下させるダイナミックしきい値動作トランジスタが提案されている(A Dynamic Threshold Voltage MOSFET (DTMOS) for Ultra-Low Voltage Operation、 F.Assaderaghi et al、IEDM94 Ext. Abst. pp.809)。 In order to alleviate this problem, a dynamic threshold voltage transistor (A Dynamic Threshold Voltage MOSFET (DTMOS) for Ultra) has been proposed that effectively lowers the threshold voltage when the gate is turned on. -Low Voltage Operation, F. Assaderaghi et al, IEDM94 Ext. Abst. Pp.809).
このようなトランジスタの従来の構造を図54に示す。図54には、Nチャネル型のMOS型トランジスタ(NMOS)を示しているが、極性を対称にすることによって、Pチャネル型のMOS型トランジスタ(PMOS)を構成することも可能である。このトランジスタは、SOI基板を用いており、オーバーサイズの金属配線を用いて、ゲート電極と基板(シリコン層部分)とを局所配線で短絡している。このようなゲート電極と基板とが短絡された構造では、ゲート電極にバイアス(ゲートバイアス)が印可されると、基板の活性領域にゲートバイアスと同じ大きさの順方向バイアスが印可される。 A conventional structure of such a transistor is shown in FIG. FIG. 54 shows an N-channel MOS transistor (NMOS), but it is also possible to configure a P-channel MOS transistor (PMOS) by making the polarity symmetrical. This transistor uses an SOI substrate, and an oversized metal wiring is used to short-circuit the gate electrode and the substrate (silicon layer portion) with a local wiring. In such a structure in which the gate electrode and the substrate are short-circuited, when a bias (gate bias) is applied to the gate electrode, a forward bias having the same magnitude as the gate bias is applied to the active region of the substrate.
ただし、このような構造でスタンバイ電流を抑制するためには、ゲート電極に印可する電圧を、横方向の寄生バイポーラトランジスタがオンする電圧である0.6V以下に制限する必要がある。こうすれば、ゲートオフ時には、通常のトランジスタと同様のバイアス状態が形成され、ゲートオン時には、ゲートバイアスが増大するに連れて基板が順方向にバイアスされることになる。その結果、ゲートオン時にはしきい値が低下する。 However, in order to suppress the standby current with such a structure, it is necessary to limit the voltage applied to the gate electrode to 0.6 V or less, which is a voltage for turning on the lateral parasitic bipolar transistor. In this way, when the gate is turned off, a bias state similar to that of a normal transistor is formed. When the gate is turned on, the substrate is biased forward as the gate bias increases. As a result, the threshold decreases when the gate is turned on.
これによって、同じチャネル状態の通常のSOIトランジスタに比べて、ゲート=基板バイアスオフ時のリーク電流は同等である。トランジスタがオンしている時には、ゲート=基板バイアスが増大するに伴って更にしきい値電圧が減少する。このため、ゲートオーバードライブ効果が増大し、駆動力が著しく増大する。基板表面における縦方向電界の抑制によって移動度劣化が抑制されることも、駆動力の増大に寄与する。また、横方向の寄生バイポーラはオフしているため、スタンバイ電流の著しい増大は抑制される。
上記従来技術はSOI基板を用いているため、活性層基板が電気的に完全に絶縁されている。このため、バルク基板上に形成されたデバイスに比べて、チャネル内で発生したホール(PMOSの場合は電子)が蓄積されやすい。これにより基板浮遊効果によるドレイン電流のキンク発生や特性履歴効果が問題になる。また、同じく活性層基板が電気的に絶縁されていることにより、製造工程中に生じるチャージアップやESD(静電損傷)も問題になる。さらに、SOIに現状で最も結晶性の良好な基板が得られているSIMOX基板を用いた場合、埋め込み酸化膜/基板界面はチャネル側のゲート酸化膜/基板界面に比べて界面の結合状態の乱れが大きいため、裏面界面へのへのキャリア注入、捕獲による特性劣化が問題になる。更に、SOI基板では、ボディーの膜厚(チャネル領域)が非常に薄く(50nm〜200nm)非常に高抵抗となる。このため、ゲートとボディーをコンタクトを介して短絡しようともコンタクトから離れるに従ってボディーに電位が伝わりにくく、DTMOSとしての効果が抑制される。 Since the above prior art uses an SOI substrate, the active layer substrate is electrically completely insulated. For this reason, holes generated in the channel (electrons in the case of PMOS) are more likely to accumulate than devices formed on a bulk substrate. As a result, the generation of drain current kinks due to the substrate floating effect and the characteristic history effect become problems. Similarly, since the active layer substrate is electrically insulated, charge-up and ESD (electrostatic damage) that occur during the manufacturing process also become problems. In addition, when using a SIMOX substrate, which has the best crystallinity currently available for SOI, the buried oxide film / substrate interface is more disturbed than the channel side gate oxide / substrate interface. Therefore, characteristic deterioration due to carrier injection and capture to the back surface interface becomes a problem. Further, in the SOI substrate, the film thickness (channel region) of the body is very thin (50 nm to 200 nm) and has a very high resistance. Therefore, even if the gate and the body are short-circuited via the contact, the potential is not easily transmitted to the body as the distance from the contact increases, and the effect as a DTMOS is suppressed.
本発明の半導体装置は、半導体基板と、該半導体基板内に形成された第1導電型の深いウェル領域と、該深いウェル領域内に形成された、複数の第2導電型の浅いウェル領域と、 該複数の浅いウェル領域内にそれぞれ形成された第1導電型のソース領域及びドレイン領域と、該ソース領域及び該ドレイン領域の間に形成されたチャネル領域と、該チャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを備えた半導体装置であって、該ゲート電極が対応する該浅いウェル領域と電気的に接続されており、該浅いウェル領域は、隣接する他の浅いウェル領域から電気的に分離され、該隣接する他の浅いウェル領域は、該ゲート電極が対応する該浅いウェル領域よりも深く、該深いウェル領域よりも浅い溝型素子分離構造によって電気的に分離されており、該溝型素子分離構造に囲まれた領域の一部を覆うようにフィールド酸化膜が形成されており、該ゲート電極と該浅いウェル領域とを電気的に接続するためのコンタクト領域が、該フィールド酸化膜によって囲まれており、そのことにより上記目的が達成される。 The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate, a first conductivity type deep well region formed in the semiconductor substrate, and a plurality of second conductivity type shallow well regions formed in the deep well region. A source region and a drain region of a first conductivity type formed in each of the plurality of shallow well regions; a channel region formed between the source region and the drain region; and a channel region formed on the channel region. A semiconductor device comprising a gate insulating film and a gate electrode formed on the gate insulating film, wherein the gate electrode is electrically connected to the corresponding shallow well region, and the shallow well region is , is electrically isolated from the other shallow well region adjacent the other shallow well region in contact該隣is deeper than the shallow well region said gate electrode corresponding, the deep well region the shallow trench element than Are electrically separated by the child separation structure, the field oxide film so as to cover a portion of the region surrounded by the said groove type element separation structure which is formed, electrical and said gate electrode and said shallow well region The contact region for connection is surrounded by the field oxide film, thereby achieving the above object.
好ましい実施形態では、前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜上に形成された多結晶シリコン膜と、該多結晶シリコン膜上に形成された金属シリサイド膜とを含んでおり、該金属シリサイド膜は、前記浅いウェル領域の前記コンタクト領域を介して、該浅いウェルに電気的に接続されており、該コンタクト領域には、該浅いウェル領域の導電型と同じ導電型の不純物が該浅いウェル領域の他の部分の不純物濃度よりも高い不純物濃度で拡散された高濃度不純物拡散領域が形成されており、該高濃度不純物拡散領域を介して該金属シリサイド膜と該浅いウェル領域とがオーミック接触している。 In a preferred embodiment, the gate electrode includes a polycrystalline silicon film formed on the gate insulating film and a metal silicide film formed on the polycrystalline silicon film, and the metal silicide film includes: through the contact region of the shallow well region is electrically connected to the shallow well, the in the contact area, other impurities shallow well region of the same conductivity type as the conductivity type of the shallow well region A high-concentration impurity diffusion region is formed which is diffused with an impurity concentration higher than the impurity concentration of the portion of the portion, and the metal silicide film and the shallow well region are in ohmic contact via the high-concentration impurity diffusion region. .
好ましい実施形態では、前記半導体基板上に設けられた層間絶縁膜と、該層間絶縁膜上に設けられた上部配線とを備えており、該層間絶縁膜には、前記ゲート電極及び前記ゲート絶縁膜を貫通して前記浅いウェル領域の前記コンタクト領域に達するコンタクト孔が形成されており、該コンタクト領域には、該浅いウェル領域の導電型と同じ導電型の不純物が該浅いウェル領域の他の部分の不純物濃度よりも高い不純物濃度で拡散された高濃度不純物拡散領域が形成されており、該コンタクト孔の底部において、該高濃度不純物拡散領域を介して該上部配線と該浅いウェル領域とがオーミック接続され、該コンタクト孔の側壁部において、該ゲート電極と該上部配線とがオーミック接続されている。 In a preferred embodiment, the semiconductor device includes an interlayer insulating film provided on the semiconductor substrate and an upper wiring provided on the interlayer insulating film. The interlayer insulating film includes the gate electrode and the gate insulating film. wherein which the contact hole reaching the contact region is formed of the shallow well region through the other portions of the contact area, shallow have shallow impurities of the same conductivity type as the conductivity type of the well region well regions A high-concentration impurity diffusion region is formed which is diffused with an impurity concentration higher than the impurity concentration of the first electrode, and the upper wiring and the shallow well region are ohmic at the bottom of the contact hole via the high-concentration impurity diffusion region. The gate electrode and the upper wiring are ohmically connected at the side wall portion of the contact hole.
好ましい実施形態では、動作時において、前記浅いウェル領域と前記ソース領域との間に形成される電位差、及び該浅いウェル領域と前記ドレイン領域との間に形成される電位差は、何れも、前記半導体装置内のpn接合のビルトインポテンシャルよりも小さく設定される。 In a preferred embodiment, in operation, a potential difference is formed between the potential difference formed between the shallow well region and the source region, and shallow well region and the drain region, both, the semiconductor It is set smaller than the built-in potential of the pn junction in the device.
ある実施形態では、前記ソース領域及びドレイン領域と前記浅いウェル領域との接合部に窒素イオンまたは炭素イオンがドープされている。 In one embodiment, the junction of the source and drain regions and the shallow well region is doped with nitrogen ions or carbon ions.
ある実施形態では、上記半導体装置で構成された回路ブロックと、電源電圧供給源との間に電源電圧遮断回路を備え、該回路ブロックがスタンバイ状態のとき、電源電圧の供給を遮断する。 In one embodiment, a power supply voltage cut-off circuit is provided between a circuit block constituted by the semiconductor device and a power supply voltage supply source, and the supply of the power supply voltage is cut off when the circuit block is in a standby state.
ある実施形態では、上記半導体装置で構成された回路ブロックと電源電圧供給源との間、並びに該回路ブロックと接地電圧供給源との間に遮断回路を備え、該回路ブロックがスタンバイ状態のとき、電源電圧の供給および接地電圧の供給を遮断する。 In one embodiment, a cutoff circuit is provided between a circuit block configured by the semiconductor device and a power supply voltage supply source, and between the circuit block and a ground voltage supply source, and when the circuit block is in a standby state, Shut off supply of power supply voltage and supply of ground voltage.
以上説明したように、本発明では、以下の効果が得られる。 As described above, the present invention provides the following effects.
請求項1の半導体装置によれば、SOI基板に伴う前述の問題を回避しながら、ダイナミックしきい値型トランジスタの利点である低い電源電圧での高い駆動力を達成することができる。
また、トランジスタ素子間の分離領域のサイズを大きくすることなく、素子間を効率的に分離することが可能となるので、1個の素子当たりの専有面積を縮小させることができ、集積度向上と配線容量低減、配線遅延時間低減等の効果が得られる。
According to the semiconductor device of the first aspect, it is possible to achieve a high driving force at a low power supply voltage, which is an advantage of the dynamic threshold transistor, while avoiding the above-described problems associated with the SOI substrate.
In addition, since it is possible to efficiently isolate the elements without increasing the size of the isolation region between the transistor elements, the exclusive area per element can be reduced, and the degree of integration can be improved. Effects such as reduction of wiring capacitance and wiring delay time can be obtained.
また、請求項1の半導体装置によれば、ゲート電極と素子分離領域が重なる領域には、フィールド酸化膜のバーズビークが存在しているため、溝エッジ部にゲート電極が重なった領域において、溝のエッジ部に起因するソース領域/ドレイン間リークを抑制することができる。このため、トランジスタのオフ電流を低減することができる。 According to another aspect of the present invention, there is a bird's beak of the field oxide film in the region where the gate electrode and the element isolation region overlap. Therefore, in the region where the gate electrode overlaps the groove edge, Source region / drain leakage due to the edge portion can be suppressed. Thus, the off-state current of the transistor can be reduced.
請求項2及び3の半導体装置によれば、金属シリサイド膜もしくは金属膜を介して、p型半導体とn型半導体とが接続される。このため、確実にオーミック接続を行うことが可能となり、遅延時間無く、ゲート電極の電位を浅いウェル領域に伝達することが可能となる。遅延時間無く、しきい値をダイナミックに変化させることができる。 According to the semiconductor device of the second and third aspects, the p-type semiconductor and the n-type semiconductor are connected via the metal silicide film or the metal film. For this reason, it is possible to reliably perform ohmic connection, and it is possible to transmit the potential of the gate electrode to the shallow well region without delay time. The threshold value can be changed dynamically without delay time.
請求項4の半導体装置によれば、PN接合順方向電流を極力少なくすることができ、駆動電流と無関係なリーク電流を抑制することが可能となり、低消費電力化に効果がある。 According to the semiconductor device of the fourth aspect, the PN junction forward current can be reduced as much as possible, the leakage current unrelated to the drive current can be suppressed, and the power consumption can be reduced.
請求項5の半導体装置によれば、ビルトインポテンシャルの値を高めることとによって、PN接合順方向電流を更に抑制することができるため、消費電力を更に低減することができる。 According to the semiconductor device of the fifth aspect, since the PN junction forward current can be further suppressed by increasing the value of the built-in potential, the power consumption can be further reduced.
請求項6及び7の半導体装置によれば、スタンバイ時の供給電源を遮断することができるので、消費電力を更に低減することができる。 According to the semiconductor devices of the sixth and seventh aspects, since the power supply during standby can be shut off, the power consumption can be further reduced.
本願発明は、ゲート電位に応じてトランジスタのしきい値Vtを動的に変化させるために、浅いウェル領域を形成し、その浅いウェル領域とゲート電極とを電気的に接続する点に最も大きな特徴を持つ。 The present invention has the greatest feature in that a shallow well region is formed and the shallow well region is electrically connected to the gate electrode in order to dynamically change the threshold voltage Vt of the transistor in accordance with the gate potential. have.
一般に、ゲート電極の材料として不純物がドープされた多結晶シリコンを用いる場合、その不純物の導電型は、浅いウェル領域にドープされている不純物の導電型とは反対の関係にある。このため、本発明の実現には、ゲート電極と浅いウェル領域との間に低抵抗オーミックコンタクトを形成する技術が必要となる。本願発明では、主にシリサイドを用いることによって、このようなコンタクトを形成している。 In general, when polycrystalline silicon doped with an impurity is used as the material of the gate electrode, the conductivity type of the impurity is opposite to the conductivity type of the impurity doped in the shallow well region. Therefore, to realize the present invention, a technique for forming a low-resistance ohmic contact between the gate electrode and the shallow well region is required. In the present invention, such a contact is formed mainly by using silicide.
また、ある時刻においてゲート電極に異なる電圧が印加され得るべき関係にある複数のトランジスタ素子を考える場合、それらのトランジスタ素子の浅いウェル領域は、相互に電気的に分離されている必要がある。典型的には、一つのトランジスタ素子に一つの浅いウェル領域を割り当て、それらの浅いウェル領域を分離する。このため、本願発明のトランジスタ素子を高い密度で集積化するには、隣接する浅いウェル領域を効率的に分離する技術が必要となる。本願発明では、浅いウェル領域をトレンチ分離構造によって分離する。 Further, when considering a plurality of transistor elements that are in a relationship in which different voltages can be applied to the gate electrode at a certain time, the shallow well regions of these transistor elements need to be electrically isolated from each other. Typically, one shallow well region is assigned to one transistor element, and the shallow well regions are separated. For this reason, in order to integrate the transistor elements of the present invention at a high density, a technique for efficiently separating adjacent shallow well regions is required. In the present invention, the shallow well region is isolated by the trench isolation structure.
なお、本願明細書において、「浅いウェル領域」とは、その中にソース領域/ドレイン領域が形成され、しかも、ゲート電極と電気的に接続されたウェル領域のことを呼ぶ。これに対して、「深いウェル領域」とは、「浅いウェル領域」のpn接合よりも深い位置にpn接合を持つウェル領域であって、浅いウェル領域とは逆の導電型を持ち、少なくとも一つの浅いウェル領域を内部に有するウェル領域を呼ぶ。 In this specification, the “shallow well region” refers to a well region in which a source region / drain region is formed and is electrically connected to a gate electrode. In contrast, the “deep well region” is a well region having a pn junction deeper than the pn junction of the “shallow well region”, and has a conductivity type opposite to that of the shallow well region, and has at least one conductivity type. A well region having two shallow well regions therein is called.
(参考例1)図1(a)から(d)を参照しながら、本発明の半導体装置の第1の参考例(LOCOS分離構造を持つ例)を説明する。図1(a)は、本参考例の平面図、図1(b)、(c)および(d)は、それぞれ、図1(a)のb−b’線断面図、c−c’線断面図およびd−d’線断面図である。 Reference Example 1 A first reference example (an example having a LOCOS isolation structure) of a semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a) to 1 (d). 1A is a plan view of the present reference example, and FIGS. 1B, 1C and 1D are cross-sectional views taken along line bb ′ and line cc ′ of FIG. 1A, respectively. It is sectional drawing and dd 'line sectional drawing.
本参考例の半導体装置では、半導体基板101内に「深いウェル領域102」が設けられており、その深いウェル領域102内に「浅いウェル領域103」が設けられている。浅いウェル領域103の導電型は、深いウェル領域の導電型と反対であり、半導体基板101の導電型と同じである。
In the semiconductor device of this reference example, a “
本参考例では、本発明に係るMOS型トランジスタが上記浅いウェル領域103に形成されている。より詳細には、このMOS型トランジスタは、浅いウェル領域内に形成されたソース領域/ドレイン領域107と、ソース領域/ドレイン領域107間に形成されたチャネル領域と、チャネル領域を覆うゲート絶縁膜105と、ゲート絶縁膜105上に形成されたゲート電極106とを備えている。ゲート電極106の一部は、ゲート絶縁膜105に形成されたコンタクト孔108を介して、浅いウェル領域103に電気的に接続されている。
In this reference example, the MOS transistor according to the present invention is formed in the
図では、簡単のため、ひとつのMOS型トランジスタが示されているが、実際には、ひとつの半導体基板101内に複数のMOS型トランジスタが形成されている。図示されている浅いウェル領域103は、素子分離用酸化膜104によって、隣接する他のMOS型トランジスタの浅いウェル領域(不図示)と電気的に分離されている。
In the drawing, for the sake of simplicity, one MOS transistor is shown, but actually, a plurality of MOS transistors are formed in one
上記構造により、SOI(Silicon On Insulatorr)基板を用いることなく可変しきい値型のトランジスタを実現することが可能となる。 With the above structure, a variable threshold transistor can be realized without using an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
ここで、MOS型トランジスタの反転しきい値電圧Vth(以下、「しきい値」と略記する場合がある)と浅いウェル領域のバイアス(VS-well)との関係を簡略化した式で表すと、以下の式(1)で示される。
ここで、Φbはフェルミポテンシャル、NS-wellは浅いウェル領域の不純物濃度、εSは浅いウェル領域の誘電率、qは電子の電荷量、COXは単位面積当たりのゲート絶縁膜容量、VFBはフラットバンド電圧である。浅いウェル領域が順方向にバイアスされた場合、上記式(1)より、しきい値電圧の絶対値が小さくなることがわかる。 Here, Φ b is Fermi potential, N S-well is the impurity concentration of the shallow well region, ε S is the dielectric constant of the shallow well region, q is the charge amount of electrons, C OX is the gate insulating film capacitance per unit area, V FB is a flat band voltage. From the above equation (1), it can be seen that the absolute value of the threshold voltage is small when the shallow well region is biased in the forward direction.
簡略化した駆動電流の式は、線形領域では、以下の式(2)で示される。
また、飽和領域では、以下の式(3)で示される。
ここで、IDはドレイン電流、Wはゲート幅、Lはゲート長、μeffは実効移動度、VGはゲート電圧である。 Here, I D is the drain current, W is the gate width, L is the gate length, μ eff is the effective mobility, and V G is the gate voltage.
図3のグラフは、浅いウェル領域の電位を変化させた時のゲート電圧とドレイン電流の関係を示す。ここで、「ゲート電圧」とは、ソース領域の電位に対するゲート電極の電位を指すものとする。 The graph of FIG. 3 shows the relationship between the gate voltage and the drain current when the potential of the shallow well region is changed. Here, the “gate voltage” refers to the potential of the gate electrode with respect to the potential of the source region.
駆動電流が式(2)及び(3)のように表されるため、しきい値電圧(Vth)の絶対値が小さくなると、飛躍的に低い電源電圧で大きな駆動電流を得ることが可能となる。 Since the drive current is expressed as in equations (2) and (3), if the absolute value of the threshold voltage (V th ) is reduced, a large drive current can be obtained with a dramatically lower power supply voltage. Become.
本構造では、ゲート電極と浅いウェル領域が接続されているため、ゲート電位が変位するに従って浅いウェル領域の電位が変位する。このため、上記式からも明らかなように、ゲート電位が増加するとともに、浅いウェル領域がソース領域/ドレイン領域に対して順方向にバイアスされ、見かけ上のしきい値電圧が低下する。その結果、低い電源電圧でも大きな駆動電流を得ることが可能になる。 In this structure, since the gate electrode and the shallow well region are connected, the potential of the shallow well region is displaced as the gate potential is displaced. Therefore, as is apparent from the above equation, the gate potential increases, the shallow well region is forward-biased with respect to the source region / drain region, and the apparent threshold voltage decreases. As a result, a large drive current can be obtained even with a low power supply voltage.
このように本構造では、ゲート電位と浅いウェル領域の電位が一致するため、浅いウェル領域とソース領域(及びドレイン領域)との間に形成されるpn接合に順方向バイアスが与えられる。より詳細には、nチャネル型トランジスタの場合、ソース領域の電位はGND電位に等しく、浅いウェル領域の電位はゲート電位に等しくなる。他方、pチャネル型トランジスタの場合、ソース領域の電位は電源電圧に等しく、浅いウェル領域の電位はゲート電位に等しくなる。順方向電流を長さないようにするには、ウェル領域−ソース領域間電圧(またはウェル領域−ドレイン間電圧)をpn接合のビルトインポテンシャル以下に保つ必要がある。これらの電圧がビルトインポテンシャルを越えると、浅いウェル領域とソース領域(またはドレイン領域)との間をpn接合ダイオード順方向電流が流れる。浅いウェル領域の電位をビルトインポテンシャル近傍にまで上げた場合、無視できないレベルのpn接合ダイオード順方向電流が流れるため、ウェル領域の電位をビルトインポテンシャルに対して0.1〜0.3V程度低くなるように電源電圧を設定することが望ましい。 Thus, in this structure, since the gate potential and the potential of the shallow well region match, a forward bias is applied to the pn junction formed between the shallow well region and the source region (and drain region). More specifically, in the case of an n-channel transistor, the potential of the source region is equal to the GND potential, and the potential of the shallow well region is equal to the gate potential. On the other hand, in the case of a p-channel transistor, the potential of the source region is equal to the power supply voltage, and the potential of the shallow well region is equal to the gate potential. In order not to increase the forward current, it is necessary to keep the voltage between the well region and the source region (or the voltage between the well region and the drain) below the built-in potential of the pn junction. When these voltages exceed the built-in potential, a pn junction diode forward current flows between the shallow well region and the source region (or drain region). When the potential of the shallow well region is raised to the vicinity of the built-in potential, a pn junction diode forward current of a level that cannot be ignored flows, so that the potential of the well region is lowered by about 0.1 to 0.3 V with respect to the built-in potential. It is desirable to set the power supply voltage.
図4は、本構造のトランジスタのゲート電位と駆動電流との関係を示す。この図から、サブスレッショルド領域の曲線の傾きS値(駆動電流を1桁上げるために必要なゲート電位の変位量)が、約60mV/decとなっていることがわかる。本構造によれば、通常の構造を持つトランジスタのS値(80mV/dec〜100mV/dec)に比べて、ゲート電位の小さな変化によって大きな駆動電流を得ることができる。 FIG. 4 shows the relationship between the gate potential of the transistor having this structure and the drive current. From this figure, it can be seen that the slope S value of the curve in the subthreshold region (the amount of displacement of the gate potential required to increase the drive current by one digit) is about 60 mV / dec. According to this structure, a large driving current can be obtained by a small change in the gate potential as compared with the S value (80 mV / dec to 100 mV / dec) of a transistor having a normal structure.
本参考例では、深いウェル領域の不純物濃度は、1×1016/cm3〜1×1017/cm3程度に設定し、浅いウェル領域の不純物濃度は、5×1016/cm3〜5×1017/cm3に設定している。また、浅いウェル領域の深さは、250nm〜1000nmに設定している。ソース領域/ドレイン領域の不純物濃度は、約1×1020/cm3以上に設定し、その接合深さは、50nm〜300nmに設定している。トランジスタの短チャネル効果を抑えるためには、出来る限りソース領域/ドレイン領域の接合深さを浅くし、ゲート酸化膜を薄くする方がよい。 In this reference example, the impurity concentration of the deep well region is set to about 1 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 17 / cm 3, and the impurity concentration of the shallow well region is 5 × 10 16 / cm 3 to 5 It is set to × 10 17 / cm 3. The depth of the shallow well region is set to 250 nm to 1000 nm. The impurity concentration of the source region / drain region is set to about 1 × 10 20 / cm 3 or more, and the junction depth is set to 50 nm to 300 nm. In order to suppress the short channel effect of the transistor, it is better to make the junction depth of the source region / drain region as shallow as possible and to make the gate oxide film thinner.
次に、図2(a)から(d)を参照しながら、図1(a)から(d)の参考例の改良例を説明する。この改良例では、半導体基板101’内に「深いウェル領域102’」が設けられており、その深いウェル領域内に「浅いウェル領域103’」が設けられている。浅いウェル領域103’の導電型は、深いウェル領域の導電型と反対であり、半導体基板101’の導電型と同じである。
Next, an improved example of the reference example of FIGS. 1 (a) to (d) will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (d). In this improved example, a “
より詳細には、このMOS型トランジスタは、浅いウェル領域内に形成されたソース領域/ドレイン領域107’と、ソース領域/ドレイン領域107’間に形成されたチャネル領域と、チャネル領域を覆うゲート絶縁膜105’と、ゲート絶縁膜105’上に形成されたゲート電極106’とを備えている。ゲート電極106’は、ゲート絶縁膜105に形成されたコンタクト孔108’を介して、浅いウェル領域103’に電気的に接続されている。
More specifically, this MOS transistor includes a source region /
図示されている浅いウェル領域103’は、素子分離用酸化膜104’によって、隣接するMOS型トランジスタの浅いウェル領域(不図示)と電気的に分離されている。
The illustrated
この改良例では、ゲート電極と浅いウェル領域との間のコンタクトが形成される領域と、ソース領域/ドレイン領域が形成される領域との間にも、素子分離用酸化膜104’が存在している。
In this improved example, the element
(参考例2)以下に、本発明による半導体装置の第2の参考例を説明する。ここでは、トランジスタの動作に寄生バイポーラトランジスタが寄与している例を説明する。 Reference Example 2 A second reference example of the semiconductor device according to the present invention will be described below. Here, an example in which a parasitic bipolar transistor contributes to the operation of the transistor will be described.
図5は、本参考例におけるトランジスタ素子の配線および寄生バイポーラトランジスタを模式的に示す図である。ここでは、nチャネル型MOS型トランジスタと寄生npnトランジスタに関して記述するが、極性を対称(逆)にすることにより、pチャネル型MOS型トランジスタと寄生pnpバイポーラでも等価に考えることが出来る。 FIG. 5 is a diagram schematically showing the wiring of the transistor element and the parasitic bipolar transistor in this reference example. Here, an n-channel MOS transistor and a parasitic npn transistor will be described, but by making the polarity symmetric (reverse), an equivalent can be considered for a p-channel MOS transistor and a parasitic pnp bipolar.
本参考例では、MOS型トランジスタのソース領域はGNDに、ゲート電極は入力VINに、ドレイン領域は出力VOUTに接続されている。浅いウェル領域の電位はVs-wellとし、深いウェル領域の電位はVd-wellとする。 In this reference example, the source region of the MOS transistor is connected to GND, the gate electrode is connected to the input V IN , and the drain region is connected to the output V OUT . The potential of the shallow well region is V s-well and the potential of the deep well region is V d-well .
本参考例の半導体装置においては、図2に示すように、MOS型トランジスタとは別に、Tr1、Tr2、Tr3で示される3つの寄生バイポーラトランジスタが形成されている。これらの寄生バイポーラトランジスタの動作電流の向きを下記表1に示す。
表1における「電流の向き」を示す矢印の方向は、図5の矢印の向きに対応している。また、表1の記号○は本参考例のMOS型トランジスタに対して、その動作を助けるように動作する場合を示し、記号△はMOS型トランジスタの動作に無関係なリーク電流を生じさせる場合を示し、記号×はMOS型トランジスタの動作を妨げるように動作する場合を示している。 The direction of the arrow indicating “current direction” in Table 1 corresponds to the direction of the arrow in FIG. 5. The symbol ◯ in Table 1 indicates a case where the MOS type transistor of this reference example operates to assist its operation, and the symbol Δ indicates a case where a leakage current unrelated to the operation of the MOS type transistor is generated. The symbol x indicates a case where the operation is performed so as to hinder the operation of the MOS transistor.
例えば、深いウェル領域の電位(Vd-well)を電源電圧(VDD)のレベルに固定し、ゲート電極にVDDの電圧を入力した場合は、寄生バイポーラトランジスタTr3が、MOS型トランジスタの動作を妨げるように動作しようとする。言い換えると、MOS型トランジスタが出力(Vout)をGNDにしよう(保とう)とするのに対して、寄生バイポーラトランジスタTr3は、出力(Vout)を電源電圧VDDにしよう(保とう)とする動作をする。また、この場合において、寄生バイポーラトランジスタTr2は、素子動作と無関係なリーク電流が発生させるように動作する。 For example, when the potential of the deep well region (V d-well ) is fixed at the level of the power supply voltage (V DD ) and the voltage of V DD is input to the gate electrode, the parasitic bipolar transistor Tr3 operates as an MOS transistor. Try to work to hinder. In other words, the MOS-type transistor tries to keep (maintain) the output (V out ) as GND, whereas the parasitic bipolar transistor Tr3 tries to maintain (maintain) the output (V out ) as the power supply voltage V DD. Behave. In this case, the parasitic bipolar transistor Tr2 operates so as to generate a leakage current unrelated to the element operation.
従って、深いウェル領域の電位(Vd-well)を電源電圧(VDD)に固定する場合は、寄生バイポーラトランジスタTr2及びTr3があまり電流を流さないように設計する必要がある。本発明者の実験によれば、寄生バイポーラトランジスタTr2及びTr3のベース幅を200nm以上にし、ペース部分の不純物濃度を2×1017cm3以下に設定すれば、MOS型トランジスタのオン電流に対して、寄生バイポーラトランジスタの電流を無視できるレベルに抑制することができた。ここで、「ベース幅」は、ソース/ドレイン領域の下端から浅いウェル領域の下端までの距離を意味する。 Therefore, when the potential (V d-well ) of the deep well region is fixed to the power supply voltage (V DD ), it is necessary to design the parasitic bipolar transistors Tr2 and Tr3 so that they do not flow much current. According to the experiments of the present inventor, if the base width of the parasitic bipolar transistors Tr2 and Tr3 is set to 200 nm or more and the impurity concentration of the pace portion is set to 2 × 10 17 cm 3 or less, the on-current of the MOS transistor is reduced. The current of the parasitic bipolar transistor could be suppressed to a negligible level. Here, the “base width” means a distance from the lower end of the source / drain region to the lower end of the shallow well region.
深いウェル領域に与えられる電位(Vd-well)をGNDレベルにした場合は、すべての入出力の関係において、MOS型トランジスタを助ける方向に寄生バイポーラトランジスタが働く。このとき、図5の半導体素子は、ダイナミックしきい値型トランジスタ電流と寄生バイポーラトランジスタ電流と総合した電流を流すことが可能となる。このため、寄生バイポーラトランジスタの動作を積極的に理由する構成を採用した場合、寄生バイポーラ動作を示さないダイナミックしきい値型トランジスタ素子単体と比較して、更に大きな駆動力を得ることが可能となる。 When the potential (V d-well ) applied to the deep well region is set to the GND level, the parasitic bipolar transistor works in the direction of assisting the MOS transistor in all input / output relationships. At this time, the semiconductor element of FIG. 5 can flow a current that is a sum of the dynamic threshold transistor current and the parasitic bipolar transistor current. For this reason, when the configuration that positively operates the operation of the parasitic bipolar transistor is adopted, it is possible to obtain a larger driving force than a single dynamic threshold transistor element that does not exhibit the parasitic bipolar operation. .
(参考例3)参考例1の半導体装置では、素子分離構造をフィールド酸化膜で形成している。素子分離構造をフィールド酸化膜で形成した場合、隣接する浅いウェル領域を分離するために、非常に大きな素子分離領域が必要となる。このため、フィールド酸化膜を用いた素子分離は、シリコン基板上のトランジスタ素子1個あたりの専有面積の増大を招き、素子の高集積化には適していない。 Reference Example 3 In the semiconductor device of Reference Example 1, the element isolation structure is formed of a field oxide film. When the element isolation structure is formed of a field oxide film, a very large element isolation region is required to isolate adjacent shallow well regions. For this reason, element isolation using a field oxide film causes an increase in the area occupied by each transistor element on the silicon substrate, and is not suitable for high integration of elements.
以下、図6(a)〜(d)を参照しながら、溝型素子分離構造を持つ参考例を説明する。図6(a)は、本参考例の平面図、図6(b)、(c)および(d)は、それぞれ、図6(a)のb−b’線断面図、c−c’線断面図およびd−d’線断面図である。 Hereinafter, a reference example having a groove type element isolation structure will be described with reference to FIGS. 6A is a plan view of the present reference example, FIGS. 6B, 6C, and 6D are cross-sectional views taken along line bb ′ and line cc ′ of FIG. 6A, respectively. It is sectional drawing and dd 'line sectional drawing.
本参考例の半導体装置では、半導体基板301内に「深いウェル領域302」が設けられており、その深いウェル領域内に「浅いウェル領域303」が設けられている。浅いウェル領域303の導電型は、深いウェル領域の導電型と反対であり、半導体基板301の導電型と同じである。
In the semiconductor device of this reference example, the “
本参考例のMOS型トランジスタは、上記浅いウェル領域303に形成されている。より詳細には、このMOS型トランジスタは、浅いウェル領域内に形成されたソース領域/ドレイン領域307と、ソース領域/ドレイン領域307間に形成されたチャネル領域と、チャネル領域を覆うゲート絶縁膜305と、ゲート絶縁膜305上に形成されたゲート電極306とを備えている。ゲート電極306は、ゲート絶縁膜305に形成されたコンタクト孔308を介して、浅いウェル領域303に電気的に接続されている。
The MOS transistor of this reference example is formed in the
少なくとも浅いウェル領域は、隣接するトランジスタ素子の浅いウェル領域と溝型素子分離構造304によって電気的に分離されている。
At least the shallow well region is electrically isolated from the shallow well region of the adjacent transistor element by the trench type
溝型素子分離構造を形成するために必要な領域の横方向サイズは、最小加工寸法程度である。従って、最小加工寸法程度の僅かな領域でのみで、隣接するトランジスタ素子間の分離を行うことが可能となり、SOI基板を用いることなく、また、集積度を犠牲にすることなく、可変しきい値型MOS型トランジスタを実現することができる。 The lateral size of the region necessary for forming the grooved element isolation structure is about the minimum processing dimension. Therefore, it is possible to perform separation between adjacent transistor elements only in a small region of the minimum processing dimension, and without using an SOI substrate and without sacrificing the degree of integration, the variable threshold value can be obtained. A type MOS transistor can be realized.
(実施例1)図7(a)〜(d)は、上記参考例3の改良例を示している。この改良例では、溝型素子分離構造型シリコン基板上の不活性領域上にフィールド酸化膜3041を形成している。図示されている構造は、不図示の層間絶縁膜で覆われ、その上に上部配線が形成される。フィールド酸化膜3041を設けることによって、その上部配線と半導体基板間との間の寄生容量を低減できる。
(Embodiment 1) FIGS. 7A to 7D show an improved example of the reference example 3. FIG. In this improved example, a
以下、この改良例を説明する。この改良例の半導体装置では、半導体基板301’内に「深いウェル領域302’」が設けられており、その深いウェル領域内に「浅いウェル領域303’」が設けられている。浅いウェル領域303’の導電型は、深いウェル領域の導電型と反対であり、半導体基板301’の導電型と同じである。
Hereinafter, this improved example will be described. In this improved semiconductor device, a “
本実施例のMOS型トランジスタは、上記浅いウェル領域303’に形成されている。より詳細には、このMOS型トランジスタは、浅いウェル領域内に形成されたソース領域/ドレイン領域307’と、ソース領域/ドレイン領域307’間に形成されたチャネル領域と、チャネル領域を覆うゲート絶縁膜305’と、ゲート絶縁膜305’上に形成されたゲート電極306’とを備えている。ゲート電極306’は、ゲート絶縁膜315’に形成されたコンタクト孔308’を介して、浅いウェル領域303’に電気的に接続されている。
The MOS transistor of this embodiment is formed in the shallow well region 303 '. More specifically, this MOS transistor includes a source region /
少なくとも浅いウェル領域は、隣接するトランジスタ素子の浅いウェル領域と溝型素子分離構造304’及びフィールド酸化膜3041によって電気的に分離されている。
At least the shallow well region is electrically isolated from the shallow well region of the adjacent transistor element by the trench type
(実施例2)層間絶縁膜上に形成した上部配線と半導体基板間との間に形成される容量を低減するために、実施例1の半導体装置では、シリコン基板上の不活性領域上に酸化膜3041を形成している。本実施例では、同様の目的を達成する他の構成を持つ場合を説明する。
(Embodiment 2) In order to reduce the capacitance formed between the upper wiring formed on the interlayer insulating film and the semiconductor substrate, in the semiconductor device of
以下、図8(a)〜(d)を参照しながら、本実施例を説明する。図8(a)は、本実施例の平面図、図8(b)、(c)および(d)は、それぞれ、図8(a)のb−b’線断面図、c−c’線断面図およびd−d’線断面図である。 Hereinafter, this embodiment will be described with reference to FIGS. 8A is a plan view of the present embodiment, FIGS. 8B, 8C, and 8D are cross-sectional views taken along line bb ′ and line cc ′ of FIG. 8A, respectively. It is sectional drawing and dd 'line sectional drawing.
本実施例の半導体装置では、半導体基板401内に「深いウェル領域402」が設けられており、その深いウェル領域内に「浅いウェル領域403」が設けられている。浅いウェル領域403の導電型は、深いウェル領域の導電型と反対であり、半導体基板401の導電型と同じである。
In the semiconductor device of this embodiment, the “
本実施例のMOS型トランジスタは、上記浅いウェル領域403に形成されている。より詳細には、このMOS型トランジスタは、浅いウェル領域内に形成されたソース領域/ドレイン領域407と、ソース領域/ドレイン領域407間に形成されたチャネル領域と、チャネル領域を覆うゲート絶縁膜405と、ゲート絶縁膜405上に形成されたゲート電極406とを備えている。ゲート電極406は、ゲート絶縁膜405に形成されたコンタクト孔408を介して、浅いウェル領域403に電気的に接続されている。少なくとも上記浅いウェル領域は、溝型素子分離構造404によって、隣接するトランジスタ素子の浅いウェル領域と電気的に分離されている。
The MOS transistor of this embodiment is formed in the
本実施例では、溝型素子分離構造404で囲まれた領域上にも部分的にフィールド酸化膜4041が延びている。そのため、本実施例のチャネル幅(W)は、溝型素子分離構造404によってではなく、フィールド酸化膜4041によって決定される。より具体的には、トランジスタのチャネル幅(W)は、フィールド酸化膜の距離dによって定まる。図7(a)〜(d)に示した実施例では、素子分離溝とゲート電極との間に位置合わせずれが生じると、トランジスタのチャネル幅(W)は設計値からシフトしてしまう。しかし、本実施例では、そのような位置合わせずれが生じても、トランジスタのチャネル幅(W)は設計値からシフトしない。このため、トランジスタ特性が製造プロセスによって変化しにくくなる。
In this embodiment, the
また、ゲート電極と素子分離領域のオーバーラップ領域(図8(d)の領域A)に、溝のエッジ部ではなく、バーズビークが存在する。このため、溝のエッジ部に起因するソース領域/ドレイン間リークを抑制することが可能となる。 In addition, a bird's beak is present in the overlap region of the gate electrode and the element isolation region (region A in FIG. 8D) instead of the edge portion of the trench. For this reason, it is possible to suppress the leakage between the source region and the drain caused by the edge portion of the groove.
ただし、高集積化に対しては、不利となる。バーズビークを抑える方法に関しては、実施例28以降の実施例で説明する。 However, it is disadvantageous for high integration. A method for suppressing bird's beaks will be described in Examples 28 and later.
(実施例3)以下に、本発明によるトランジスタ素子において、ゲート電極と浅いウェル領域とをオーミック接続するためのコンタクト構造を説明する。 (Embodiment 3) A contact structure for ohmic connection between a gate electrode and a shallow well region in a transistor element according to the present invention will be described below.
埋め込みチャネルを持つMOS型トランジスタでは、ゲート電極(を構成する半導体層)と浅いウェル領域とは、同じ導電型を持つため、ゲート酸化膜にコンタクト孔を開け、ゲート電極(を構成する半導体層)と浅いウェル領域とを直接に接続してもオーミックコンタクトが形成される。しかし、表面チャネル型のMOS型トランジスタでは、ゲート電極(を構成する半導体層)と浅いウェル領域とは、逆導電型となるため、そのまま、ゲート電極(を構成する半導体層)を浅いウェル領域に接続しても、PN接合が形成され、オーミックコンタクトは形成されない。 In a MOS transistor having a buried channel, the gate electrode (semiconductor layer) and the shallow well region have the same conductivity type, and therefore a contact hole is formed in the gate oxide film to form the gate electrode (semiconductor layer). An ohmic contact is formed even if the shallow well region is directly connected. However, in the surface channel type MOS transistor, the gate electrode (semiconductor layer constituting the gate electrode) and the shallow well region are of opposite conductivity type, so that the gate electrode (semiconductor layer constituting the gate electrode) is directly used as the shallow well region. Even if connected, a PN junction is formed and no ohmic contact is formed.
そこで、本発明では、ゲート電極と浅いウェル領域がどのような導電型でもオーミック接続できるように、ゲート電極と浅いウェル領域を接続するに当たり、ゲート電極と浅いウェル領域の間に金属シリサイド膜及び浅いウェル領域と同導電型の不純物濃度の高い領域を設けることとした。つまり、「ゲート電極」→「金属シリサイド層」→「不純物濃度の高い、浅いウェル領域と同導電型の領域」→「浅いウェル領域」の順で、ゲート電極を浅いウェル領域に電気的に接続している。ここで、「不純物濃度の高い、浅いウェル領域と同導電型の領域」の不純物濃度を、1×1020/cm3以上に設定すれば、「金属シリサイド層」と「浅いウェル領域」をオーミック接続することが可能になる。なお、「ゲート電極」の不純物濃度はもともと高い(通常1×1020/cm3以上)ため、直接に、金属シリサイド膜にオーミック接続することが可能である。 Therefore, in the present invention, when the gate electrode and the shallow well region are connected, the metal silicide film and the shallow well region are connected between the gate electrode and the shallow well region so that the gate electrode and the shallow well region can be ohmic connected to any conductivity type. A region having the same conductivity type as the well region and a high impurity concentration is provided. In other words, the gate electrode is electrically connected to the shallow well region in the order of “gate electrode” → “metal silicide layer” → “region with high impurity concentration and the same conductivity type as the shallow well region” → “shallow well region”. is doing. Here, if the impurity concentration of the “region having the same impurity type as that of the shallow well region having a high impurity concentration” is set to 1 × 10 20 / cm 3 or more, the “metal silicide layer” and the “shallow well region” are ohmic. It becomes possible to connect. Since the impurity concentration of the “gate electrode” is originally high (usually 1 × 10 20 / cm 3 or more), it can be directly connected to the metal silicide film by ohmic contact.
仮に、「不純物濃度の高い、浅いウェル領域と同導電型の領域」を設けずに、シリサイド膜を直接に浅いウェル領域に接続する場合、金属半導体ショットキー接合が形成されるため、オーミックコンタクは形成されなくなる。 If a silicide film is directly connected to a shallow well region without providing a region having the same impurity type as that of a shallow well region having a high impurity concentration, a metal semiconductor Schottky junction is formed. No longer formed.
図9(a)は、本発明に係るオーミックコンタクト構造の基本的構造を示す断面図である。図9(b)〜(e)は、そのオーミックコンタクト構造の応用例であり、各種の素子分離構造が示されている。ただし、素子分離構造は、本実施例のように溝型素子分離、及びフィールド酸化膜に限るものではない。 FIG. 9A is a cross-sectional view showing the basic structure of the ohmic contact structure according to the present invention. 9B to 9E are application examples of the ohmic contact structure, and various element isolation structures are shown. However, the element isolation structure is not limited to the groove type element isolation and the field oxide film as in this embodiment.
ここで、51、510、511、512、513は、深いウェル領域、52、520、521、522、523は、浅いウェル領域、53、530、531、532、533は、ゲート酸化膜、54、540、541、542、543は、ゲート電極、55、550、551、552、553は、ゲート電極側壁酸化膜、56、560、561、562、563は、金属シリサイド膜、57、570、571、572、573は、不純物濃度の高い浅いウェル領域と同導電型の領域、580、592、593は、フィールド酸化膜、581、582、583は、溝型分離構造である。 Here, 51, 510, 511, 512, 513 are deep well regions, 52, 520, 521, 522, 523 are shallow well regions, 53, 530, 531, 532, 533 are gate oxide films, 54, 540, 541, 542, 543 are gate electrodes, 55, 550, 551, 552, 553 are gate electrode side wall oxide films, 56, 560, 561, 562, 563 are metal silicide films, 57, 570, 571, 572 and 573 are regions having the same conductivity type as a shallow well region having a high impurity concentration, 580, 592 and 593 are field oxide films, and 581, 582 and 583 are groove type isolation structures.
(実施例4)本発明におけるゲート電極と浅いウェル領域とをオーミック接続するコンタクト構造に関して、図10を参照しながら、実施例3とは別の構造を説明する。 (Embodiment 4) A contact structure for ohmic connection between a gate electrode and a shallow well region in the present invention will be described with reference to FIG.
上述したように、表面チャネル型のMOS型トランジスタでは、ゲート電極と浅いウェル領域とは逆導電型となるため、そのまま接続してもPN接合が形成され、オーミックコンタクトが形成されない。そこで、本発明では、ゲート電極と浅いウェル領域がどのような導電型でもオーミックに接続できるようにしている。具体的には、半導体装置の上部に、層間絶縁膜616を介して上部金属配線619を設け、層間絶縁膜616には、ゲート電極614及びゲート酸化膜613を貫き、浅いウェル領域612まで達するコンタクト孔618を設けている。コンタクト孔618の側壁部で、ゲート電極614と上部金属配線619とがオーミックに接続されている。また、コンタクト孔618の底部では、上部金属配線619と浅いウェル領域612とが、浅いウェル領域と同導電型の不純物濃度の高い領域617を介して、オーミックに接続されている。
As described above, in the surface channel type MOS transistor, since the gate electrode and the shallow well region are of the reverse conductivity type, even if they are connected as they are, a PN junction is formed and no ohmic contact is formed. Therefore, in the present invention, the gate electrode and the shallow well region can be connected in any ohmic manner. Specifically, an
ここで、611は、浅いウェル領域の導電型とは逆の導電型の深いウェル領域であり、615は、ゲート側壁酸化膜である。 Here, 611 is a deep well region having a conductivity type opposite to that of the shallow well region, and 615 is a gate side wall oxide film.
本構造によれば、浅いウェル領域と同導電型の不純物濃度の高い領域617の不純物濃度を1×1020/cm3以上に設定することにより、上部金属配線619と浅いウェル領域617をオーミック接続することが可能となる。ゲート電極614は、ゲート電極空乏化防止のため元々不純物濃度を1×1020/cm3以上に設定する必要があるため、上部金属配線619とゲート電極614は直接接続することでオーミック接続出来ることにより、上記上部金属配線619を介して、ゲート電極614と浅いウェル領域612をオーミック接続することが可能となる。
According to this structure, the
本実施例の応用例として、図11(a)のような方法もある。本方法では、たとえば、上部配線金属629をシリコンを含まないアルミ系材料のようなもの(アルミ系材料に限定するものではなくシリコンと反応する金属であればよい)で形成したい場合後の熱処理(例えばシンター処理)等により、シリコン基板とアルミ系材料が激しく反応し、スパイク6291が発生する。このため、浅いウェル領域と上部金属配線629とがオーミック接続できる。この場合、浅いウェル領域と同導電型の不純物濃度の高い領域627は無くてもよいが、存在する方がより確実にオーミックコンタクトを形成することが出来る。また、ゲート電極を多結晶シリコン膜624と金属シリサイド膜6241の2層ポリサイド膜で形成することにより、上部金属配線629とゲート電極とのコンタクト抵抗をより低減することが可能となる。
As an application example of this embodiment, there is a method as shown in FIG. In this method, for example, when it is desired to form the
より一般的な方法では、図11(c)の方法がある。本方法では、ポリサイド構造のゲート電極(本実施例では、チタンシリサイド膜6341と多結晶シリコン膜634の2層構造)を備えた構造を形成した後、層間絶縁膜636を堆積する。シリコン基板まで達するコンタクト孔638を層間絶縁膜636に開口した後、チタン6391、窒化チタン6392、上部金属配線6393を順次堆積する。本実施例では、チタン6391(厚さ:30〜50nm)、及び窒化チタン(厚さ:500〜1000nm程度)を堆積する。その後、700℃で窒素雰囲気中アニールを20秒程度行う。本アニール処理により、チタン膜6391は、ポリサイドゲート電極のチタンシリサイド膜6341及び多結晶シリコン膜634と反応するとともに、シリコン基板(浅いウェル領域と同導電型の不純物濃度の高い領域637)と反応する。このようにして、チタンシリサイド膜63911を形成するため、ゲート電極と浅いウェル領域632を低抵抗でオーミック接続することが可能となる。上部金属配線6393の材料は、本実施例では、Al-Si(1%)-Cu(0.5%)を使用しているが、金属配線材料はこれに限るものではない。また、ポリサイド構造のゲート電極のシリサイド膜は、チタンシリサイド膜に限るものではなく、コバルトシリサイド等他の高融点金属シリサイド膜でもよい。図11(d)〜(f)までは、図10(c)の構造に、素子分離構造を組み合わせたものである。ただし、この素子分離構造は、本実施例のような溝型素子分離及び/又はフィールド酸化膜に限るものではない。
As a more general method, there is a method shown in FIG. In this method, after a structure having a polycide structure gate electrode (in this embodiment, a two-layer structure of a titanium silicide film 6341 and a polycrystalline silicon film 634) is formed, an
ここで、621、631、641、651、661、671は深いウェル領域、622、632、642、652、662、672は浅いウェル領域、623、633、643、653、663、673はゲート酸化膜、624、634、644、654、664、674は多結晶シリコン膜、6241、6341、6441、6541、6641、6741はチタンシリサイド膜、625、635、645、655、665、675はゲート電極側壁酸化膜、626、636、646、656、666、676は層間絶縁膜、621、631、641、651、661、671は不純物濃度の高い浅いウェル領域と同導電型の領域、628、638、648、658、668、678はコンタクト孔、629はAl-Cu(0.5%) 配線、6291はアルミアロイスパイク、6391、6491、6591、6691、6791はチタン膜、63911、64911、65911、66911、67911はチタンシリサイド膜、6392、6492、6592、6692、6792は窒化チタン膜、6393、6493、6593、6693、6793はAl-Si(1%)-Cu(0.5%)配線、6400、6601、6701はフィールド酸化膜、6500、6600、6700は溝型分離構造である。 Here, 621, 631, 641, 651, 661, and 671 are deep well regions, 622, 632, 642, 652, 662, and 672 are shallow well regions, and 623, 633, 643, 653, 663, and 673 are gate oxide films. 624, 634, 644, 654, 664 and 674 are polycrystalline silicon films, 6241, 6341, 6441, 6541, 6641 and 6741 are titanium silicide films, and 625, 635, 645, 655, 665 and 675 are gate electrode side wall oxides. 626, 636, 646, 656, 666, 676 are interlayer insulating films, 621, 631, 641, 651, 661, 671 are regions having the same conductivity type as a shallow well region having a high impurity concentration, 628, 638, 648, 658, 668, and 678 are contact holes, 629 is Al-Cu (0.5%) wiring, 6 91 is an aluminum alloy spike, 6391, 6491, 6591, 6691, and 6791 are titanium films, 63911, 64911, 65911, 66911, and 67911 are titanium silicide films, 6392, 6492, 6592, 6692, and 6792 are titanium nitride films, 6393, 6493 , 6593, 6693 and 6793 are Al-Si (1%)-Cu (0.5%) wirings, 6400, 6601 and 6701 are field oxide films, and 6500, 6600 and 6700 are groove-type isolation structures.
(実施例5)図12(a)〜(e)を参照しながら、実施例3におけるコンタクト構造を形成する方法を具体的に説明する。素子分離構造として、図9(e)に示す構造を採用した場合について説明する。
(Embodiment 5) A method for forming a contact structure in
まず、図12(a)に示すように、深いウェル領域701が形成された半導体基板中に、浅いウェル領域702、溝型素子分離構造703、フィールド酸化膜領域704を形成した後、浅いウェル領域702の表面にしきい値制御のための不純物イオン注入等を行う。その後、ゲート酸化膜705、ゲート電極706、ゲート側壁酸化膜707を周知の方法で形成する。
First, as shown in FIG. 12A, after forming a
本実施例では、深いウェル領域の不純物濃度は、5×1016〜1×1017/cm3に設定しており、浅いウェル領域の不純物濃度は、1〜2×1017/cm3に設定した。また、浅いウェル領域の深さは、300〜700nmに設定した。 In this embodiment, the impurity concentration in the deep well region is set to 5 × 10 16 to 1 × 10 17 / cm 3 , and the impurity concentration in the shallow well region is set to 1 to 2 × 10 17 / cm 3 . did. The depth of the shallow well region was set to 300 to 700 nm.
不図示のソース/ドレイン領域は、1×1020/cm3以上の不純物濃度を持つように、拡散深さが50〜70nmになるように形成した。ゲート酸化膜705の厚さは、3nmである。ゲート電極705は多結晶シリコン膜から形成し、その不純物の濃度は、1×1020/cm3以上に設定した。溝型素子分離構造703は浅いウェル領域702に対して十分深く設定する必要があり、かつ深いウェル領域よりも浅くすることが望ましい。本実施例では、深いウェル領域701の深さは、2μm以上に設定してあり、溝型素子分離構造703の深さは、1〜2μmに設定している。
A source / drain region (not shown) was formed to have a diffusion depth of 50 to 70 nm so as to have an impurity concentration of 1 × 10 20 / cm 3 or more. The thickness of the
上記各数値は、あくまでも本実施例で用いた例であり、本発明はこれに限定されるものではない。これらの不純物濃度および拡散深さ等の数値は、トランジスタの設計によって変わるものである。 The above numerical values are only examples used in the present embodiment, and the present invention is not limited to this. These values such as impurity concentration and diffusion depth vary depending on the transistor design.
なお、本実施例のトランジスタでは、そのゲート長(チャネル長)を0.18μmに設定している。深いウェル領域701と、ソース/ドレイン領域(不図示)と、ゲート電極706は、同導電型であり、浅いウェル領域702とは逆導電型である。
In the transistor of this example, the gate length (channel length) is set to 0.18 μm. The
次に、図12(b)に示すように、リソグラフィ技術によって形成したレジスト708をマスクとして、ゲート電極705の所望の部分をRIEでエッチングし、その部分に浅いウェル領域702に達するコンタクト孔709を形成する。その後、イオン注入工程によって、浅いウェル領域702と同導電型の不純物を注入し、浅いウェル領域702よりも濃度の高い領域710を形成する。このイオン注入工程においては、例えば、浅いウェル領域702がp型半導体の時、ボロンイオンを1〜5×1015/cm2の注入量で、加速電圧5〜10keVのエネルギーで注入し、浅いウェル領域702がn型半導体の時は、砒素イオンを1〜5×1015/cm2の注入量で加速電圧10〜30keVのエネルギーで注入する。
Next, as shown in FIG. 12B, a desired portion of the
次に、図12(c)に示すように、チタン金属711を堆積する。本実施例では、スパッタ法により、アルゴンガス中で20nm〜50nmの膜厚を堆積した。
Next, as shown in FIG. 12C,
次に、図12(d)に示すように、600℃〜700℃の範囲で窒素雰囲気中、10〜20秒程度の第1の急速加熱処理を行い、上記チタン金属711とシリコンを反応させチタンシリサイド膜712を形成する。このとき第1の急速加熱処理により、上記コンタクト部に注入された不純物の一部が活性化する。
Next, as shown in FIG. 12 (d), a first rapid heat treatment is performed for about 10 to 20 seconds in a nitrogen atmosphere in the range of 600 ° C. to 700 ° C. to react the
図12(e)に示すように、未反応及び窒化したチタン金属膜を選択的に除去した後、800℃〜1000℃の範囲で窒素雰囲気中、10〜20秒程度の第2の急速加熱処理を行い、上記シリサイド膜712を低抵抗なC54結晶構造に変化させるとともに上記コンタクト部に注入された不純物を活性化する。
As shown in FIG. 12 (e), after selectively removing the unreacted and nitrided titanium metal film, the second rapid heat treatment in a nitrogen atmosphere in the range of 800 ° C. to 1000 ° C. for about 10 to 20 seconds. The
本実施例の方法によれば、シリサイド膜712により容易にゲート電極706と浅いウェル領域702を接続することが可能となる。また、このシリサイド膜712を形成するプロセスは、基本的に、サリサイドプロセスと同様である。このため、サリサイドトランジスタを形成する場合、特別な工程としては、コンタクト孔709の形成工程および濃度の高い領域710の形成工程が付加されるだけで、全体として工程数が大きく増加するわけではない。
According to the method of this embodiment, the
上記実施例では、コンタクトへの不純物イオン注入をシリコン基板表面(浅いウェル領域702表面)が露出した状態で注入しているため、レジストからの汚染物がシリコン基板表面(浅いウェル領域702)を汚染する可能性がある。しかし、接合を形成するためではなく(接合を形成するためのイオン注入の時は、汚染物が深い準位を形成し再結合中心として働くため、接合リークが増大し良くない)オーミックコンタクトを形成するためなのでそれほど気にする必要はない。 In the above embodiment, impurity ions are implanted into the contact with the surface of the silicon substrate (the surface of the shallow well region 702) exposed, so that contaminants from the resist contaminate the surface of the silicon substrate (the shallow well region 702). there's a possibility that. However, it is not for forming a junction (at the time of ion implantation for forming a junction, contaminants form deep levels and act as recombination centers, so junction leakage increases, which is not good). So you do n’t have to worry too much.
また、コンタクトエッチングにより、シリコン基板表面(浅いウェル領域702)がダメージを受ける場合は、多結晶シリコン膜とシリコン酸化膜のエッチング選択比が高いRIEによりコンタクト孔底部のゲート酸化膜が露出した段階でエッチングを終了し、ゲート酸化膜705をフッ酸系溶液もしくは、酸化膜エッチング系RIEで除去しても良い。
Further, when the silicon substrate surface (shallow well region 702) is damaged by contact etching, the gate oxide film at the bottom of the contact hole is exposed by RIE with a high etching selectivity between the polycrystalline silicon film and the silicon oxide film. The etching may be terminated, and the
なお、レジストからの汚染物が気になる場合、コンタクト形成のためのエッチングは、多結晶シリコン膜とシリコン酸化膜のエッチング選択比が高いRIEによりコンタクト孔底部のゲート酸化膜705が露出した段階でエッチングを終了し、ゲート酸化膜705を残したままにし、ゲート酸化膜705を介してコンタクトへの不純物イオン注入を行ってもよい。しかしこの方法では、イオン注入時に上記ゲート酸化膜705から浅いウェル領域702表面に酸素がノックオンされるため、シリサイド化反応時に、このノックオン酸素が悪影響を及ぼし、シリサイド膜の膜質が悪化する。
If contamination from the resist is a concern, etching for contact formation is performed at the stage where the
(実施例6)図13(a)〜(e)および図14(a)〜(c)を参照しながら、ゲート電極と浅いウェル領域とを接続するコンタクト構造の他の形成方法を説明する。ここでは、実施例5に比べて、レジスト汚染が無く、かつ、シリサイド化におけるノックオン酸素汚染のない方法を説明する。 (Embodiment 6) Another method for forming a contact structure for connecting a gate electrode and a shallow well region will be described with reference to FIGS. 13 (a) to 13 (e) and FIGS. 14 (a) to 14 (c). Here, a method will be described in which there is no resist contamination and no knock-on oxygen contamination in silicidation compared to Example 5.
まず、図13(a)に示すように、図12(a)と同様に、深いウェル領域801が形成された半導体基板中に、浅いウェル領域802、溝型素子分離構造803、フィールド酸化膜領域804を形成した後、しきい値制御のための不純物イオン注入等を行う。この後、ゲート酸化膜805、ゲート電極806、ゲート側壁酸化膜807を周知の方法で形成する。本実施例では、深いウェル領域の不純物濃度は、5×1016〜1×1017/cm3に設定しており、浅いウェル領域の不純物濃度は、1〜2×1017/cm3に設定し、浅いウェル領域の深さは、300〜700nmに設定した。また、不図示のソース/ドレイン領域の不純物濃度は、1×1020/cm3以上に設定し、接合深さは50〜70nmに設定している。
First, as shown in FIG. 13A, as in FIG. 12A, a
ゲート酸化膜は、3nmであり、ゲート電極は多結晶シリコン膜から形成する。の濃度は、1×1020/cm3以上に設定している。また、溝型素子分離構造803は浅いウェル領域802に対して十分深く設定する必要があり、かつ深いウェル領域よりも浅くすることが望ましい。本実施例では、深いウェル領域801の深さは、2μm以上に設定してあり、溝型素子分離構造803の深さは、1〜2μmに設定している。
The gate oxide film is 3 nm, and the gate electrode is formed from a polycrystalline silicon film. The concentration of is set to 1 × 10 20 / cm 3 or more. Further, the trench type
これらの数値は、あくまでも実施例において、我々が試作に用いた値であり、これに限るものではない。これらの濃度、深さの数値は、トランジスタ設計により変わるものである。なお、我々のトランジスタは、ゲート長0.18μmに設定している。なお、深いウェル領域801と、ソース/ドレイン領域(図面上には図示していない)と、ゲート電極806は、同導電型であり、浅いウェル領域802とは逆導電型である。
These numerical values are values that we used for trial manufacture in the examples, and are not limited thereto. These numerical values of concentration and depth vary depending on the transistor design. In our transistor, the gate length is set to 0.18 μm. Note that the
次に、図13(b)に示すように、フォトレジスト808をマスクとして、ゲート電極の所望の領域に浅いウェル領域802まで達するコンタクト孔809をRIEにより形成する。コンタクトエッチングにより、シリコン基板表面(浅いウェル領域802)がダメージを受ける場合は、多結晶シリコン膜とシリコン酸化膜のエッチング選択比が高いRIEによりコンタクト孔底部のゲート酸化膜が露出した段階でエッチングを終了し、ゲート酸化膜805をフッ酸系溶液もしくは、酸化膜エッチング系RIEで除去しても良い。
Next, as shown in FIG. 13B, using the
次に、図13(c)図に示すように、フォトレジスト808を除去し、シリコン窒化膜810を堆積する。本実施例では、LPCVD法により、約2〜5nm程度の膜厚を堆積している。
Next, as shown in FIG. 13C, the
次に図13(d)に示すように、フォトレジスト811でマスクを行いコンタクト孔809底部にイオン注入を行い(本実施例では、浅いウェル領域802がp型半導体の時は、ボロンイオンを1〜5×1015/cm2の注入量で、加速電圧5〜10keVのエネルギーで注入しており、浅いウェル領域802がn型半導体の時は、砒素イオンを1〜5×1015/cm2の注入量で加速電圧10〜30kevのエネルギーで注入した)、浅いウェル領域802と同導電型の浅いウェル領域802よりも濃度の高い領域812を形成する。シリコン窒化膜810を介してのイオン注入では、酸素ではなく、窒素がノックオンされるので、後工程でのシリサイド化反応が制御よく出来る。
Next, as shown in FIG. 13D, masking is performed with a
フォトレジスト811(イオン注入マスク)とコンタクト孔809との関係は、位置合わせズレのマージン分(距離d)だけ、フォトレジスト811をコンタクト孔809に対して広げる必要がある。このときゲート電極の一部に浅いウェル領域802と同導電型となるような不純物が注入されるため、本来ゲート電極806は、表面チャネル型MOS型トランジスタの場合浅いウェル領域802と逆導電型であるため、ゲート電極の元々の不純物濃度にもよるが、ゲート電極のコンタクト注入された領域だけ、真性半導体に近ずくか、もしくは、浅いウェル領域802と同導電型となり、最悪ゲート電極にPN接合が形成される。しかし、後の工程により、ゲート電極がシリサイド化されるため、オーミック接続に支障はない。
As for the relationship between the photoresist 811 (ion implantation mask) and the
次に、図13(e)に示すように、フォトレジスト811を除去した後、図14(a)に示すように、チタン金属813を堆積する。本実施例では、スパッタ法によりアルゴンガス中で20nm〜50nmの膜厚を堆積した。
Next, as shown in FIG. 13E, after the
次に、図14(b)に示すように、600℃〜700℃の範囲で窒素雰囲気中、10〜20秒程度の第1の急速加熱処理を行い、上記チタン金属813とシリコンを反応させチタンシリサイド膜814を形成する。このとき、第1の急速加熱処理により、上記コンタクト部に注入された不純物の一部が活性化する。
Next, as shown in FIG. 14B, a first rapid heat treatment is performed for about 10 to 20 seconds in a nitrogen atmosphere in the range of 600 ° C. to 700 ° C. to react the
図14(c)に示すように、未反応及び窒化したチタン金属膜を選択的に除去した後、800℃〜1000℃の範囲で窒素雰囲気中、10〜20秒程度の第2の急速加熱処理を行い、上記シリサイド膜814を低抵抗C54結晶構造に変化させるとともに上記コンタクト部に注入された不純物を活性化する。本実施例では、シリコン中に酸素ではなく窒素がノックオンされるため、シリサイド化反応において、シリサイド膜の粒界に酸素ではなく窒素が偏析し、シリサイド膜の耐熱性が良くなる。また、フォトレジストからの汚染物の侵入は、注入保護膜であるシリコン窒化膜810により防ぐことが出来るため、汚染も少ない。
As shown in FIG. 14 (c), after selectively removing the unreacted and nitrided titanium metal film, a second rapid heat treatment in a nitrogen atmosphere at a temperature of 800 ° C. to 1000 ° C. for about 10 to 20 seconds. The
また、工程簡略化を優先するときは、シリコン窒化膜810を堆積せずに、不純物イオンを直接に注入しても良いが、実施例5で前述したように注入時に汚染される。
Further, when priority is given to process simplification, impurity ions may be directly implanted without depositing the
本実施例においては、コンタクト形成領域へ選択的に不純物イオンを注入するための注入マスク形成工程が第5の実施例の場合に比較して1回増えている。しかし、相補型MOS構造を形成する場合には、nチャネルトランジスタ用とpチャネルトランジスタ用に分けてイオン注入を行う必要があるので、合計すると、最低2回は注入マスク形成工程を行うことになる。このため、第5の実施例のようにコンタクト形成用注入マスクを用いてコンタクト形成領域へイオン注入を行う場合、nチャネルトランジスタのコンタクト用とpチャネルトランジスタのコンタクト用にそれぞれ別々のコンタクト孔を開口する必要が発生する。 In this embodiment, the implantation mask formation process for selectively implanting impurity ions into the contact formation region is increased once compared to the fifth embodiment. However, when a complementary MOS structure is formed, it is necessary to perform ion implantation separately for an n-channel transistor and a p-channel transistor. Therefore, in total, an implantation mask forming process is performed at least twice. . For this reason, when ion implantation is performed to the contact formation region using the contact formation implantation mask as in the fifth embodiment, separate contact holes are opened for the contact of the n-channel transistor and the contact of the p-channel transistor, respectively. Need to occur.
これらの点を考慮すれば、相補型MOS構造の場合、本実施例の方法が第5の実施例の場合に比較してそれほど工程を複雑にするわけではない。 Considering these points, in the case of the complementary MOS structure, the method of this embodiment does not make the process so complicated as compared with the case of the fifth embodiment.
第5の実施例を相補型で形成するためには、nチャネル(pチャネル)コンタクトフォトリソグラフィ→nチャネル(pチャネル)コンタクト開口→pウェル領域(nウェル領域)へのコンタクト注入→pチャネル(nチャネル)コンタクトフォトリソグラフィ→pチャネル(nチャネル)コンタクト開口→nウェル領域(pウェル領域)へのコンタクト注入となり、第6の実施例では、コンタクトフォトリソグラフィ→nチャネル、pチャネル同時コンタクト開口→nチャネル(pチャネル)コンタクト注入フォトリソグラフィ→pウェル領域(nウェル領域)コンタクト注入→pチャネル(nチャネル)コンタクト注入フォトリソグラフィ→nウェル領域(pウェル領域)コンタクト注入となる。このため、第5の実施例では、フォトリソグラフィ工程が1回少ない代わりにコンタクト開口工程が1回多くなる。 In order to form the fifth embodiment in a complementary type, n channel (p channel) contact photolithography → n channel (p channel) contact opening → contact implantation into p well region (n well region) → p channel ( n channel) contact photolithography → p channel (n channel) contact opening → contact implantation into an n well region (p well region). In the sixth embodiment, contact photolithography → n channel and p channel simultaneous contact opening → n channel (p channel) contact injection photolithography → p well region (n well region) contact injection → p channel (n channel) contact injection photolithography → n well region (p well region) contact injection. For this reason, in the fifth embodiment, the contact opening process is increased once instead of the photolithography process being decreased once.
後述する実施例(実施例11)の様に、相補型MOS構造を形成する場合において、ソース/ドレイン注入マスクとコンタクト注入マスクを兼用する場合は、本実施例の方が第5の実施例と比べてフォトリソグラフィー工程が一回少なくなる。なぜならば、コンタクトマスク用フォトリソグラフィー工程とソース/ドレイン注入用フォトリソグラフィー工程を兼用することは出来ないからである。これは、コンタクトエッチングにより、ソース/ドレイン領域がダメージを受けないようにするためである。 In the case of forming a complementary MOS structure as in the embodiment (embodiment 11) described later, when the source / drain implantation mask and the contact implantation mask are used together, this embodiment is different from the fifth embodiment. In comparison, the photolithography process is reduced once. This is because the contact mask photolithography process and the source / drain implantation photolithography process cannot be combined. This is to prevent the source / drain regions from being damaged by contact etching.
(実施例7)本実施例では、実施例6に対して、自己整合的に高融点金属シリサイド膜を形成した後にイオン注入法により、浅いウェル領域と同導電型の不純物イオンを注入し、コンタクト孔底部のウェル領域内に高濃度拡散層を形成する方法に関して述べる。 (Embodiment 7) In this embodiment, a refractory metal silicide film is formed in a self-aligned manner with respect to the embodiment 6, and then an impurity ion having the same conductivity type as that of the shallow well region is implanted by an ion implantation method. A method for forming a high concentration diffusion layer in the well region at the bottom of the hole will be described.
図15(a)〜(f)は、本実施例の簡略化した工程順断面図である。 FIGS. 15A to 15F are simplified process-order cross-sectional views of the present embodiment.
まず、図15(a)に示すように、図12(a)と同様に、深いウェル領域901が形成された半導体基板中に、浅いウェル領域902、溝型素子分離構造903、フィールド酸化膜領域904、を形成し、しきい値制御のための不純物イオン注入等を行った後、ゲート酸化膜905、ゲート電極906、ゲート側壁酸化膜907を周知の方法で形成する。本実施例では、深いウェル領域濃度は、5×1016〜1×1017/cm3に設定しており、浅いウェル領域は、1〜2×1017/cm3に設定し、その深さは、300〜700nmに設定した。また、図示はしていないが、ソース領域、ドレイン領域は、1×1020/cm3以上の濃度で、深さを50〜70nmに設定している。また、ゲート酸化膜は、3nmであり、ゲート電極は、多結晶シリコン膜よりなりその濃度は、1×1020/cm3以上に設定している。また、溝型素子分離構造903は浅いウェル領域902に対して十分深く設定する必要があり、かつ深いウェル領域よりも浅くすることが望ましい。本実施例では、深いウェル領域901の深さは、2μm以上に設定してあり、溝型素子分離構造903の深さは、1〜2μmに設定している。しかし、これらの数値は、あくまでも実施例において、我々が試作に用いた値でありこれに限るものではない。これらの濃度、深さの数値は、トランジスタ設計により変わるものである。なお、我々のトランジスタは、ゲート長0.18μmに設定している。なお、深いウェル領域901と、ソース/ドレイン領域(図面上には図示していない)と、ゲート電極906は、同導電型であり、浅いウェル領域902とは逆導電型である。
First, as shown in FIG. 15A, as in FIG. 12A, a
次に、図15(b)に示すように、フォトレジスト909をマスクとして、ゲート電極の所望の領域に浅いウェル領域902まで達するコンタクト孔909をRIEにより形成する。コンタクトエッチングにより、シリコン基板表面(浅いウェル領域902)がダメージを受ける場合は、多結晶シリコン膜とシリコン酸化膜のエッチング選択比が高いRIEによりコンタクト孔底部のゲート酸化膜が露出した段階でエッチングを終了し、ゲート酸化膜905をフッ酸系溶液もしくは、酸化膜エッチング系RIEで除去しても良い。
Next, as shown in FIG. 15B, using the
次に、図15(c)に示すように、チタン金属910を堆積する。(本実施例では、スパッタ法によりアルゴンガス中で20nm〜50nmの膜厚を堆積した)。
Next, as shown in FIG. 15C,
次に、図15(d)に示すように、600℃〜700℃の範囲で窒素雰囲気中、10〜20秒程度の第1の急速加熱処理を行い、上記チタン金属910とシリコンを反応させチタンシリサイド膜911を形成する。
Next, as shown in FIG. 15 (d), a first rapid heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere in a range of 600 ° C. to 700 ° C. for about 10 to 20 seconds to react the
次に、図15(e)に示すように、フォトレジスト912で注入マスクを形成しコンタクト孔909底部にイオン注入を行い(本実施例では、浅いウェル領域902がp型半導体の時は、ボロンイオンを1〜5×1015/cm2の注入量で、加速電圧5〜10keVのエネルギーで注入しており、浅いウェル領域902がn型半導体の時は、砒素イオンを1〜5×1015/cm2の注入量で加速電圧10〜30kevのエネルギーで注入した)、浅いウェル領域902と同導電型の浅いウェル領域902よりも濃度の高い領域913を形成する。
Next, as shown in FIG. 15E, an implantation mask is formed with a
フォトレジスト912(イオン注入マスク)とコンタクト孔909との関係は、位置合わせズレマージン分(距離d)だけフォトレジスト912をコンタクト孔909に対して広げる必要がある。このときゲート電極の一部に浅いウェル領域902と同導電型となるような不純物が注入されるため、本来ゲート電極906は、表面チャネル型MOS型トランジスタの場合浅いウェル領域902と逆導電型であるため、ゲート電極の元々の不純物濃度にもよるが、ゲート電極のコンタクト注入された領域だけ、真性半導体に近ずくか、もしくは、浅いウェル領域902と同導電型となり、最悪ゲート電極にPN接合が形成されるが、ゲート電極がポリサイド化されているため、オーミック接続に支障はない。
As for the relationship between the photoresist 912 (ion implantation mask) and the
次に、図15(f)に示すように、フォトレジスト912と、未反応及び窒化したチタン金属膜を選択的に除去し、800℃〜1000℃の範囲で窒素雰囲気中、10〜20秒程度の第2の急速加熱処理を行い、上記シリサイド膜911を低抵抗なC54結晶構造に変化させるとともに上記コンタクト部に注入された不純物を活性化する。本実施例では、シリコン中に酸素ではなくチタンがノックオンされるため、シリサイド化反応において、シリサイド膜のグレインバウンダリに酸素が遍積することな少なくシリサイド膜の耐熱性が良くなる。また、フォトレジストからの汚染物は、注入保護膜である未反応及び窒化したチタン金属膜910により防ぐことが出来るため、汚染も少ない。
Next, as shown in FIG. 15 (f), the
(実施例8)以下に、図16及び図17を参照しながら、本発明による相補型MOS構造を有する半導体装置の実施例を説明する。図16は、本実施例の構造を示し、図17は、その等価回路図である。図16は、入力INの電位レベルに応答して、出力OUTの電位レベルが、電源電圧VDDと接地電圧GNDとの間で変化するCMOSインバータが示されている。なお、本実施例は、参考例1〜3および実施例1,2のトランジスタ素子を、異なる導電型で相補的に接続して同一半導体基板に形成したものである。 (Embodiment 8) An embodiment of a semiconductor device having a complementary MOS structure according to the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 16 shows the structure of this embodiment, and FIG. 17 is an equivalent circuit diagram thereof. FIG. 16 shows a CMOS inverter in which the potential level of the output OUT changes between the power supply voltage VDD and the ground voltage GND in response to the potential level of the input IN. In the present embodiment, the transistor elements of Reference Examples 1 to 3 and Examples 1 and 2 are complementarily connected with different conductivity types and formed on the same semiconductor substrate.
図16に示されるように、半導体基板1001には、深いnウェル領域1002及び深いpウェル領域1003が設けられ、これらの深いウェル領域には、それぞれ、浅いpウェル領域1006及び浅いnウェル領域1007が設けられている。図16では、一組の相補関係にあるMOS型トランジスタが示されているが、実際には、多数の組のMOS型トランジスタが同一基板上に集積される。
As shown in FIG. 16, a
浅いpウェル領域1006には、nチャネル型のMOS型トランジスタ素子が形成され、浅いnウェル領域1007には、pチャネル型のMOS型トランジスタ素子が形成されている。
An n channel type MOS transistor element is formed in the shallow
nチャネル型のMOS型トランジスタ素子は、浅いpウェル領域1006の上面近傍に形成されたn型ソース/ドレイン領域1015と、n型張り出し接合領域1013と、ソース/ドレイン領域間に形成されたチャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜1008と、ゲート絶縁膜1008上に形成されたn型ゲート電極1009とを備えている。n型ゲート電極1009は、浅いpウェル領域1006に電気的に接続されている。
An n-channel MOS transistor element includes an n-type source /
pチャネル型のMOS型トランジスタ素子は、浅いnウェル領域1007の上面近傍に形成されたp型ソース/ドレイン領域1016と、p型張り出し接合領域1014と、ソース/ドレイン領域間に形成されたチャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜1008と、ゲート絶縁膜1008上に形成されたp型ゲート電極1010とを備えている。p型ゲート電極1009は、浅いnウェル領域1007に電気的に接続されている。
A p-channel MOS transistor element includes a p-type source /
何れのトランジスタにおいても、ゲート電極1009及び1010の上部には、高融点金属シリサイド膜1012が形成されており、ゲート電極1009及び1010の側面には、側壁絶縁膜(サイドウォールスペーサ)1011が形成されている。
In any of the transistors, a refractory
なお、張り出し接合領域1013及び1014は、短チャネル効果を抑制しながら、トランジスタ駆動力を高めるために設けられている。その接合深さは、例えば、20nm〜70nm程度であり、不純物濃度は、1×1019/cm3〜1×1020/cm3の範囲内に設定される。
Note that the
各部分のサイズや不純物濃度等は、前記参考例2について説明した内容に準ずる。個々のトランジスタの動作に関しては、参考例1及び2で説明したとおりである。 The size, impurity concentration, and the like of each part are in accordance with the contents described in Reference Example 2. The operation of each transistor is as described in Reference Examples 1 and 2.
浅いpウェル領域1006及び浅いnウェル領域1007のそれぞれの周囲には、溝型素子分離構造1004が設けられている。基板表面の不活性領域(フィールド領域)上には、フィールド素子分離領域1005が形成されている。
A trench type
図16には示されていないが、例えば、一つの深いnウェル領域1002内には、複数の浅いpウェル領域1006が形成され得る。浅いpウェル領域1006の各々は、他の浅いpウェル領域1006から電気的に分離される必要があるが、深いnウェル領域1002は、複数のトランジスタに共有され得る。このため、溝型素子分離構造1004は、浅いウェル領域よりも深く形成されているが、深いウェル領域の下端よりは浅い。
Although not shown in FIG. 16, for example, a plurality of shallow p-
上記相補型でダイナミックしきい値トランジスタを構成することにより、低消費電力化の回路を構成しやすくなるという効果がある。 By configuring the complementary dynamic threshold transistor, there is an effect that it is easy to configure a circuit with low power consumption.
相補型にすることによる問題点は、nチャネル型のMOS型トランジスタ素子、あるいは、pチャネル型のMOS型トランジスタ素子の何れかについて、PN接合順方向電流が、常に流れ続けることである。この場合の「PN接合順方向電流」とは、浅いウェル領域とソース/ドレイン領域との間に形成されたPN接合を流れる電流だけではなく、深いウェル領域のバイアスによっては、浅いウェル領域と深いウェル領域との間に形成されたPN接合を流れる電流を含む。 The problem with the complementary type is that the PN junction forward current always flows in either the n-channel type MOS transistor element or the p-channel type MOS transistor element. The “PN junction forward current” in this case is not only the current flowing through the PN junction formed between the shallow well region and the source / drain region, but depending on the bias of the deep well region, A current flowing through a PN junction formed between the well region and the well region is included.
図17を参照しながら、詳細を説明する。 Details will be described with reference to FIG.
スタンバイ状態では、入力INのレベルは、High(電源電圧VDDレベル)またはLow(GNDレベル)に固定される。このスタンバイ状態において、Pチャネル型のMOS型トランジスタ側の寄生バイポーラ(PNPTr1、PNPTr2、PNPTr3)、またはNチャネル型のMOS型トランジスタ側の寄生バイポーラ(NPNTr1、NPNTr2、NPNTr3)のどちらか一方が必ずオン状態となり、寄生バイポーラ電流が流れ続けることになる。また、たとえ寄生バイポーラ電流が無視できる状態でも、PN接合順方向電流は流れ続ける。 In the standby state, the level of the input IN is fixed to High (power supply voltage V DD level) or Low (GND level). In this standby state, either the parasitic bipolar (PNPTr1, PNPTr2, PNPTr3) on the P-channel MOS transistor side or the parasitic bipolar (NPNTr1, NPNTr2, NPNTr3) on the N-channel MOS transistor side is always on. And the parasitic bipolar current continues to flow. Even if the parasitic bipolar current is negligible, the PN junction forward current continues to flow.
また、深いウェル領域の電位に関しては、参考例2の表1に記載したとおり、深いnウェル領域をGND、深いpウェル領域をVDD(電源電圧)に固定した場合、MOS型トランジスタに対しては、寄生バイポーラトランジスタがMOS型トランジスタを助ける方向に動作するため有効である。しかし、この場合は、深いpウェル領域と深いnウェル領域との間に形成されているダイオード接続に対し、順方向のバイアスが印加される。このため、このダイオード接続を通して常に順方向電流が流れ続けることになる。設計時に注意する必要がある。 Regarding the potential of the deep well region, as described in Table 1 of Reference Example 2, when the deep n-well region is fixed to GND and the deep p-well region is fixed to V DD (power supply voltage), Is effective because the parasitic bipolar transistor operates in a direction to help the MOS transistor. However, in this case, a forward bias is applied to the diode connection formed between the deep p-well region and the deep n-well region. For this reason, a forward current always flows through this diode connection. Care must be taken during design.
深いpウェル領域と深いnウェル領域との間のダイオード接続を通して順方向電流が流れないようにするためには、深いpウェル領域と深いnウェル領域とを同電位、例えば1/2VDD(電源電圧の半分)にするか、もしくは、深いnウェル領域の電位をVDDレベルに固定し、深いpウェル領域の電位をGNDレベルに固定すれば良い。 In order to prevent forward current from flowing through the diode connection between the deep p-well region and the deep n-well region, the deep p-well region and the deep n-well region have the same potential, for example 1 / 2V DD (power supply The potential of the deep n-well region may be fixed at the VDD level and the potential of the deep p-well region may be fixed at the GND level.
この場合、参考例2で説明したように、寄生バイポーラ PNPTr3、NPNTr3がトランジスタの動作を妨げる方向に動作するため、ベース幅を長くし、ベースの不純物濃度を低くすることによって、寄生バイポーラトランジスタの能力をMOS型トランジスタの動作に対して無視できるように極力低下させる必要がある。例えば、寄生バイポーラトランジスタの能力を低下させるには、例えば、ベース幅200nm以上になるように浅いウェル領域を深く形成し、ベースの不純物濃度を低くするために、浅いウェル領域濃度を2×1017/cm3以下にすればよい。 In this case, as described in Reference Example 2, since the parasitic bipolar PNPTr3 and NPNTr3 operate in a direction that hinders the operation of the transistor, the capability of the parasitic bipolar transistor is increased by increasing the base width and decreasing the impurity concentration of the base. Must be reduced as much as possible so as to be negligible for the operation of the MOS transistor. For example, in order to reduce the capability of the parasitic bipolar transistor, for example, a shallow well region is formed deeply so as to have a base width of 200 nm or more, and the shallow well region concentration is reduced to 2 × 10 17 in order to reduce the impurity concentration of the base. / Cm 3 or less.
(実施例9)前述のように、深いウェル領域の電位に関して、参考例2の表1に記載したとおり、深いnウェル領域の電位をGNDレベルに固定し、深いpウェル領域の電位をVDD(電源電圧)レベルに固定した場合、寄生バイポーラトランジスタがMOS型トランジスタを助ける方向に動作する。しかし、実施例8の構成によれば、深いpウェル領域と深いnウェル領域との間に形成されたダイオード接続に順方向バイアスが印加されるため、常に順方向電流が流れ続ける問題がある。 (Example 9) As described above, regarding the potential of the deep well region, as described in Table 1 of Reference Example 2, the potential of the deep n well region is fixed at the GND level, and the potential of the deep p well region is set to V DD When fixed at the (power supply voltage) level, the parasitic bipolar transistor operates in the direction of helping the MOS transistor. However, according to the configuration of the eighth embodiment, since a forward bias is applied to the diode connection formed between the deep p well region and the deep n well region, there is a problem that the forward current always flows.
本実施例では、各深いウェル領域の導電型と逆の導電型を持つさらに深いウェル領域を設け、深いpウェル領域と深いnウェル領域との境界に、深いウェル領域よりも深く、溝型分離構造を設けている。 In this embodiment, a deeper well region having a conductivity type opposite to the conductivity type of each deep well region is provided, and the groove type isolation is deeper than the deep well region at the boundary between the deep p well region and the deep n well region. A structure is provided.
図18及び図19を参照しながら、本実施例を説明する。図18は、本実施例の構造の断面図、図19は、本素子の回路図である。 The present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 18 is a cross-sectional view of the structure of this example, and FIG. 19 is a circuit diagram of this element.
ここで、1101半導体基板、1102更に深いpウェル領域、1103更に深いnウェル領域、1104更に深いウェル領域よりも浅く深いウェル領域よりも深い溝型素子分離構造、1105深いnウェル領域、1106深いpウェル領域、1107深いウェル領域よりも浅く、浅いウェル領域よりも深い溝型素子分離構造、1108フィールド素子分離領域、1109浅いpウェル領域、1110浅いnウェル領域、1111ゲート酸化膜、1112n型ゲート電極、1113p型ゲート電極、1114ゲート側壁絶縁膜、1115高融点金属シリサイド膜、1116n型張り出し接合、1117p型張り出し接合、1118n型ソース/ドレイン領域、1119p型ソース/ドレイン領域である。深いウェル領域よりも更に深いウェル領域の濃度は1×1016〜1×1017/cm2であり、深さは、5μm以上に設定した。深いウェル領域の深さは、2〜4μmであり、その他の条件は、実施例8に準ずる。ただし、本実施例の条件に限るものではない。 Here, 1101 semiconductor substrate, 1102 deeper p-well region, 1103 deeper n-well region, 1104 deeper trench region isolation structure than shallower deep well region, 1105 deep n-well region, 1106 deep p-well region Well region, 1107 shallower than deep well region, deeper than shallow well region, 1108 field device isolation region, 1109 shallow p-well region, 1110 shallow n-well region, 1111 gate oxide film, 1112 n-type gate electrode 1113p type gate electrode, 1114 gate sidewall insulating film, 1115 refractory metal silicide film, 1116n type overhang junction, 1117p type overhang junction, 1118n type source / drain region, and 1119p type source / drain region. The concentration of the deeper well region than that of the deep well region was 1 × 10 16 to 1 × 10 17 / cm 2 , and the depth was set to 5 μm or more. The depth of the deep well region is 2 to 4 μm, and other conditions are the same as in Example 8. However, it is not restricted to the conditions of a present Example.
本実施例によれば、図18および図19に示すように、直接深いウェル領域間でPN接合を形成せず更に深いウェル領域で分離されており、更に深いウェル領域間のPN接合は、逆バイアスされているため、実施例8の様に深いウェル領域間でPN接合順方向電流は流れなくなる。 According to the present embodiment, as shown in FIGS. 18 and 19, PN junctions are not directly formed between deep well regions but are separated by deeper well regions, and PN junctions between deeper well regions are reversed. Since it is biased, the PN junction forward current does not flow between deep well regions as in the eighth embodiment.
(実施例10)本実施例では、実施例8、9のスイッチング素子に関しバイポーラ効果を極力抑え、MOS型トランジスタとして動作させる場合のMOS型トランジスタのしきい値電圧の設定指針の例について記述する。 (Embodiment 10) In this embodiment, an example of setting guidelines for the threshold voltage of a MOS transistor when the bipolar effect is suppressed as much as possible and the MOS transistor is operated as a MOS transistor will be described.
今後の携帯用機器等を考えた場合、低消費電力化技術は、ますます重要となってくる。通常のCMOSでは、電源電圧を低くすることがデバイス側から考えた場合、低消費電力化に対してもっとも有効な手段となる。通常のCMOSでは、スタンバイリークは、トランジスタのオフ電流によって決まる。 Considering portable devices in the future, low power consumption technology will become increasingly important. In a normal CMOS, when the power supply voltage is lowered from the device side, it is the most effective means for reducing power consumption. In normal CMOS, standby leakage is determined by the off-state current of the transistor.
しかしながら、本発明に係る相補型半導体装置では、MOS型トランジスタ部分のオフ電流とバイポーラトランジスタ部分の電流とを加算した電流によって、スタンバイリークがきまる。バイポーラトランジスタ部分の増幅機能が小さい場合、「バイポーラトランジスタ部分の電流」は、ベース電流に等価であり、PN接合順方向電流に一致する。このため、スタンバイ状態でも、NPNもしくはPNPのどちらかが常にON状態となるため、常に、NPNもしくはPNPのどちらかのバイポーラ電流(増幅機能が小さい時はPN接合順方向電流)が流れ続ける。従って、バイポーラ電流に対してMOS型トランジスタ部のオフ電流を数桁低く設定しても、バイポーラ電流がスタンバイリークにとって支配的となり、あまり意味がない。 However, in the complementary semiconductor device according to the present invention, the standby leak is determined by the current obtained by adding the off current of the MOS transistor portion and the current of the bipolar transistor portion. When the amplification function of the bipolar transistor portion is small, the “current of the bipolar transistor portion” is equivalent to the base current and coincides with the PN junction forward current. For this reason, since either NPN or PNP is always in the ON state even in the standby state, the bipolar current of either NPN or PNP (PN junction forward current when the amplification function is small) always continues to flow. Therefore, even if the off-state current of the MOS transistor portion is set several orders of magnitude lower than the bipolar current, the bipolar current becomes dominant for the standby leak, which is not very meaningful.
このため、本発明に係る半導体装置では、MOS型トランジスタ部のオフ電流値を、バイポーラ電流に比較して、1桁小さいレベルからほぼ同じレベルに設定することが望ましい。その理由は以下の通りである。 For this reason, in the semiconductor device according to the present invention, it is desirable to set the off-current value of the MOS type transistor portion from a level one digit smaller than the bipolar current to almost the same level. The reason is as follows.
MOS型トランジスタのオフ電流をバイポーラ電流に対して1桁小さい値から同桁あたりになるように設定するには、MOS型トランジスタの見かけ上のしきい値電圧を下げればよい。「見かけ上のしきい値電圧」は、経験則ではゲート幅10μmの時にドレイン電流が約1A流れるときのゲート電圧に等しい。ここで、「見かけ上」のしきい値電圧と記述したのは、本来のしきい値電圧がゲート電圧(浅いウェル領域の電位)によって変化するからである。 In order to set the off-state current of the MOS transistor so that the off-state current of the MOS transistor is about one digit smaller than the bipolar current, the apparent threshold voltage of the MOS transistor may be lowered. As a rule of thumb, the “apparent threshold voltage” is equal to the gate voltage when the drain current flows about 1 A when the gate width is 10 μm. Here, the “apparent” threshold voltage is described because the original threshold voltage varies depending on the gate voltage (the potential of the shallow well region).
図20のグラフには、バイポーラ電流(参考例2、実施例8、9におけるTr3のバイポーラ電流)を示す直線と、MOS型トランジスタにおけるゲート電圧(VG)−ドレイン電流(ID)特性を示す2種類の曲線が示されている。MOS型トランジスタに関する2種類の曲線は、異なる2つのしきい値に対応している。 The graph of FIG. 20 shows a straight line indicating a bipolar current (Tr3 bipolar current in Reference Example 2, Examples 8 and 9) and a gate voltage (V G ) -drain current (I D ) characteristic in a MOS transistor. Two types of curves are shown. The two types of curves for MOS transistors correspond to two different thresholds.
ここで、ベース領域(浅いウェル領域)とゲート電極とが短絡されているため、ゲート電圧とベース電圧とは等しい。また、本実施例では、寄生バイポーラを極力抑えているため、その増幅率は約1である。このため、ベース電流とバイポーラ電流は、ほぼ一致している。 Here, since the base region (shallow well region) and the gate electrode are short-circuited, the gate voltage and the base voltage are equal. In this embodiment, since the parasitic bipolar is suppressed as much as possible, the amplification factor is about 1. For this reason, the base current and the bipolar current substantially coincide.
MOS型トランジスタのオフ電流は、ゲート電圧が0Vにおけるドレイン電流のことである。このオフ電流を、使用電源電圧におけるバイポーラ電流に等しいか1桁小さいレベルになるように調整するには、図20に示されるように、MOS型トランジスタの「見かけ上のしきい値電圧」を下げればよい。 The off current of the MOS transistor is a drain current when the gate voltage is 0V. In order to adjust this off-current so that it is equal to or lower by an order of magnitude than the bipolar current in the power supply voltage used, the “apparent threshold voltage” of the MOS transistor can be lowered as shown in FIG. That's fine.
参考例1でも説明しているが、本実施例8、9の半導体装置(トランジスタ素子)を低消費電力素子として使用する場合、バイポーラ電流をいかに抑えるか(増幅機能が無くても最低限PN接合順方向電流が流れる)が鍵となる。このために、現実的には、PN接合のビルトインポテンシャル以下に電源電圧を設定する必要がある。PN接合の順方向電流は、PN接合の順方向にバイアスを与えたときのバイアス値に対して、指数関数的に増大する。従って、バイアス値を小さくすることが好ましく、電源電圧が0.3V〜0.6Vあたりで動作する素子を設計することが望ましい。 As described in Reference Example 1, when the semiconductor devices (transistor elements) of Examples 8 and 9 are used as low power consumption elements, how to suppress the bipolar current (minimum PN junction even without an amplification function) The forward current flows) is the key. Therefore, in reality, it is necessary to set the power supply voltage below the built-in potential of the PN junction. The forward current of the PN junction increases exponentially with respect to the bias value when a bias is applied in the forward direction of the PN junction. Therefore, it is preferable to reduce the bias value, and it is desirable to design an element that operates around a power supply voltage of 0.3 V to 0.6 V.
整理すると、ベース電流は、電源電圧を下げることにより指数関数的に減少し、ある電源電圧において、MOS型トランジスタ部のオフ電流がベース電流程度(もしくは1桁落ちレベル)になるようにMOS型トランジスタ部の見かけ上にしきい値電圧を設定する。そうすれば、自ずとその電源電圧におけるMOS型トランジスタ部のオン電流が決まる。上記オン電流が次段のゲート容量を決められた時間内に充電するのに(設計値の周波数で回路動作させるために)十分以上の量であれば、もっと電源電圧を下げる。次段のゲート容量を決められた時間内に充電するのに(設計値の周波数で回路動作させるために)不十分の量であれば、電源電圧を上げてやればよい。本設計指針で試作した我々の素子は、電源電圧0.55Vにおいて、ゲート幅1μmあたりのスタンバイリーク(MOS型トランジスタ部のオフ電流とバイポーラ部のベース電流を加算した電流)が10-10Aオーダーであり、オン電流0.2〜0.25mA(NMOS)、0.1〜0.13mA(PMOS)を実現しており、見かけ上のしきい値電圧は、0.18Vである。 In summary, the base current decreases exponentially by lowering the power supply voltage, and the MOS type transistor is configured so that the off-state current of the MOS type transistor portion is about the base current (or one digit drop level) at a certain power supply voltage. The threshold voltage is set on the appearance of the part. Then, the on-current of the MOS transistor portion at the power supply voltage is determined. If the on-state current is more than enough to charge the gate capacitance of the next stage within a predetermined time (in order to operate the circuit at the design value frequency), the power supply voltage is further lowered. If the amount is insufficient to charge the gate capacity of the next stage within a predetermined time (in order to operate the circuit at the designed frequency), the power supply voltage may be increased. Our device prototyped according to this design guideline has a stand-by leakage (current which is the sum of the off-state current of the MOS transistor and the base current of the bipolar part) per 10 μm of gate power of 0.55 V on the order of 10 −10 A. On-state current of 0.2 to 0.25 mA (NMOS) and 0.1 to 0.13 mA (PMOS) are realized, and the apparent threshold voltage is 0.18V.
また、相補型のインバータによって構成したリングオシレータの1段あたりの伝搬遅延時間は、30ピコ秒(psec)であった。 Further, the propagation delay time per stage of the ring oscillator constituted by the complementary inverter was 30 picoseconds (psec).
なお、ゲート酸化膜は3nm、ソース/ドレイン領域の不純物濃度は1×1020/cm3以上、ソース/ドレイン領域の接合深さは0.1μm(NMOSの場合)から0.15μm(PMOSの場合)、浅いウェル領域の不純物濃度は9×1016/cm3、その接合深さは0.8〜1.0μm、分離溝の深さは、1.5〜2μm、深いウェル領域の不純物濃度は4×1016/cm3、ゲート長は0.15μmとした。また、深いnウェル領域の電位をVDD、深いpウェル領域の電位をGNDに固定している。 The gate oxide film is 3 nm, the impurity concentration of the source / drain region is 1 × 10 20 / cm 3 or more, and the junction depth of the source / drain region is 0.1 μm (in the case of NMOS) to 0.15 μm (in the case of PMOS). ), The impurity concentration of the shallow well region is 9 × 10 16 / cm 3 , the junction depth is 0.8 to 1.0 μm, the depth of the isolation groove is 1.5 to 2 μm, and the impurity concentration of the deep well region is The gate length was 4 × 10 16 / cm 3 and the gate length was 0.15 μm. The potential of the deep n-well region is fixed at VDD, and the potential of the deep p-well region is fixed at GND.
(実施例11)実施例6、7では、ゲート電極と浅いウェル領域とをオーミック接続する方法に関して記述した。上記実施例6、7の製造工程を実施例8、9の相補型素子に適用する場合は、実施例6の項でも簡単に説明したように、ソース/ドレイン注入マスクとコンタクト注入マスクを兼用することが出来る。 (Embodiment 11) In Embodiments 6 and 7, the method for ohmic connection between the gate electrode and the shallow well region has been described. In the case where the manufacturing steps of the sixth and seventh embodiments are applied to the complementary elements of the eighth and ninth embodiments, the source / drain implantation mask and the contact implantation mask are used as described in the section of the sixth embodiment. I can do it.
図21(a)および(b)は、本実施例のコンタクト形成用マスクとソース/ドレイン注入用マスクを兼用した注入マスク(フォトレジストから形成されている)の平面図である。 FIGS. 21A and 21B are plan views of an implantation mask (formed from a photoresist) that serves both as a contact formation mask and a source / drain implantation mask in this embodiment.
この注入マスクの開口部は、斜線が施された領域(ドナー不純物注入領域1305およびアクセプタ不純物注入領域1306)に対応している。ここで、1301はフィールド酸化膜領域、1302は溝型素子分離構造、1303はゲート電極となる多結晶シリコン、1304は浅いウェル領域とゲート電極を接続するためのコンタクト孔である。
The opening of this implantation mask corresponds to the hatched regions (donor
図21(a)の注入マスクによれば、Pチャネル型のMOS型トランジスタのためのコンタクト注入と、Nチャネル型のMOS型トランジスタのためのソース/ドレイン注入及びゲート電極への注入を1つのマスクで行うことが可能となり、工程簡略化が可能となる。また、同様に、図21(b)の注入マスクによれば、Nチャネル型のMOS型トランジスタのためのコンタクト注入と、Pチャネル型のMOS型トランジスタのためのソース/ドレイン注入及びゲート電極への注入を1つのマスクで行うことが可能となり、工程簡略化が可能となる。 According to the implantation mask of FIG. 21A, contact implantation for a P-channel MOS transistor, source / drain implantation for an N-channel MOS transistor, and implantation into a gate electrode are performed in one mask. The process can be simplified. Similarly, according to the implantation mask of FIG. 21B, contact implantation for an N-channel type MOS transistor, source / drain implantation for a P-channel type MOS transistor, and introduction into a gate electrode are performed. Implantation can be performed with one mask, and the process can be simplified.
このような理由で、実施例6、7の製造方法で相補型MOS構造を形成する場合、図21(a)および(b)に示すようなレイアウトパターンを持つ注入マスクを使用することが好ましい。 For this reason, when a complementary MOS structure is formed by the manufacturing methods of Examples 6 and 7, it is preferable to use an implantation mask having a layout pattern as shown in FIGS.
ここで、実施例6、7と異なるのは、ゲート電極となる多結晶シリコンへの不純物ドーピングが、ソース領域、ドレイン領域形成のための不純物ドーピングと同時に行われることである。実施例6、7では、ゲートへの不純物ドーピングがすでに終了されていることを前提として実施していた。 Here, the difference from Embodiments 6 and 7 is that the impurity doping to the polycrystalline silicon serving as the gate electrode is performed simultaneously with the impurity doping for forming the source region and the drain region. In Examples 6 and 7, the process was performed on the assumption that the impurity doping of the gate had already been completed.
ソース/ドレイン領域の上面、及びゲート電極の上面は、実施例6、7の方法で、自己整合的にサリサイド化されるため、トランジスタ寄生抵抗も非常に小さくなる。また、本製造方法では、ゲート電極の領域aのあたりにPN接合が形成されるが、ポリサイド構造のゲート電極のため、問題ない。 Since the upper surface of the source / drain region and the upper surface of the gate electrode are salicided in a self-aligned manner by the methods of Embodiments 6 and 7, the transistor parasitic resistance is also very small. In the present manufacturing method, a PN junction is formed around the region a of the gate electrode, but there is no problem because the gate electrode has a polycide structure.
また、Nチャネル型のMOS型トランジスタ側のソース/ドレイン注入(Pチャネル型のMOS型トランジスタ側のコンタクト注入)と、Pチャネル型のMOS型トランジスタ側のソース/ドレイン注入(Nチャネル型のMOS型トランジスタ側のコンタクト注入)のどちらの工程を先に行っても良い。 Also, source / drain implantation on the N-channel MOS transistor side (contact implantation on the P-channel MOS transistor side) and source / drain implantation on the P-channel MOS transistor side (N-channel MOS type) Either step of transistor side contact injection) may be performed first.
しかし、Nチャネル型のMOS型トランジスタ側のソース/ドレイン注入と、Pチャネル型のMOS型トランジスタ側のソース/ドレイン注入の活性化熱処理を同時に行わない場合は、熱処理に対して厳しくない方のイオン種の注入工程を先に行う方がよい。例えば、Nチャネル型のMOS型トランジスタ側のソース/ドレイン注入イオン種として砒素、Pチャネル型のMOS型トランジスタ側のソース/ドレイン注入イオン種としてボロンイオンを使用し、トランジスタの短チャネル効果防止の観点から、ボロンの活性化アニールを抑制したい時(ボロンは、軽いためシリコン中の拡散速度が速い)は、砒素を注入し、アニール(例えば、850℃、30分程度)を行った後、ボロンを注入し、追加アニール(例えば、1000℃、20秒程度)を行えばよい。 However, if the activation heat treatment for the source / drain implantation on the N-channel MOS transistor side and the source / drain implantation on the P-channel MOS transistor side are not performed at the same time, the ion that is not strict to the heat treatment It is better to perform the seed injection step first. For example, arsenic is used as the source / drain implanted ion species on the N-channel MOS transistor side, and boron ions are used as the source / drain implanted ion species on the P-channel MOS transistor side, so that the short channel effect of the transistor can be prevented. Therefore, when it is desired to suppress the annealing annealing of boron (boron is light, the diffusion rate in silicon is high), arsenic is implanted, and after annealing (for example, 850 ° C., about 30 minutes) Implantation and additional annealing (for example, 1000 ° C., about 20 seconds) may be performed.
(実施例12)参考例1では、ゲート電極と浅いウェル領域を直接電気的に接続する場合に関して説明した。参考例1の半導体装置において、寄生バイポーラ効果が無視できるほど小さい場合、その等価回路は、図22(a)及び(b)に示すようになる。図22(a)はNチャネル型のMOS型トランジスタの場合、図22(b)はPチャネル型のMOS型トランジスタの場合を示している。 (Embodiment 12) In the reference example 1, the case where the gate electrode and the shallow well region are directly electrically connected has been described. In the semiconductor device of Reference Example 1, when the parasitic bipolar effect is negligibly small, the equivalent circuit is as shown in FIGS. 22 (a) and 22 (b). FIG. 22A shows the case of an N-channel MOS transistor, and FIG. 22B shows the case of a P-channel MOS transistor.
図示されるように、浅いウェル領域とソース/ドレイン領域、深いウェル領域と浅いウェル領域との間に、PN接合が形成される。これらのPN接合が順方向にバイアスされる状態となったとき、参考例1について説明したように、PN接合に順方向電流が流れる。これを防ぐためには、ウェル領域の電位がビルトインポテンシャルに対して0.1〜0.3V程度低い電位となるように、電源電圧を設定することが望ましい(実施例10の説明参照)。従って、ゲート電極と浅いウェル領域とを直接に電気的に接続する場合は、実質的に使用できる電源電圧は、0.6V以下程度となる。 As shown, PN junctions are formed between the shallow well region and the source / drain region, and between the deep well region and the shallow well region. When these PN junctions are biased in the forward direction, a forward current flows through the PN junction as described in Reference Example 1. In order to prevent this, it is desirable to set the power supply voltage so that the potential of the well region is about 0.1 to 0.3 V lower than the built-in potential (see the description of Example 10). Therefore, when the gate electrode and the shallow well region are directly electrically connected, the power supply voltage that can be practically used is about 0.6 V or less.
本実施例では、電源電圧に制限を設けることなく使用する方法に関して説明する。図22(c)及び(d)は、それぞれ、ゲート電極と浅いウェル領域との間に、nチャネルトランジスタTrn2及びpチャネルトランジスタTrp2を配置した実施例を示している。 In this embodiment, a method of using the power supply voltage without any limitation will be described. FIGS. 22C and 22D show examples in which an n-channel transistor Trn2 and a p-channel transistor Trp2 are arranged between the gate electrode and the shallow well region, respectively.
ここで、トランジスタTrn2のゲート電位を、GNDを基準としてVspwellMAX+Vthn2に固定すれば、ゲート電位(VG)がいくらになろうとも、深いウェル領域には、最大VspwellMAXまでしか電圧は印可されない。 Here, if the gate potential of the transistor Trn2 is fixed to Vspwell MAX + V thn2 with respect to GND, no matter how much the gate potential (V G ) becomes, the voltage can be applied to the deep well region only up to the maximum Vspwell MAX. Not.
同様に、トランジスタTrp2の場合、そのゲート電位を、GNDを基準としてVsnwellMIN+Vthp2に固定すれば、ゲート電位(VG)がいくらになろうとも、深いウェル領域には、最大VsnwellMIN+Vthp2までしか電圧は印可されない。 Similarly, in the case of the transistor Trp2, if the gate potential is fixed to Vsnwell MIN + V thp2 with respect to GND, no matter what the gate potential (V G ) becomes, the deep well region has a maximum Vsnwell MIN + V thp2 Only voltage is applied.
トランジスタTrn1及びTrp1のゲート電極の電位に対する浅いpウェル領域の電位(Vspwell)及び浅いnウェル領域の電位(Vsnwell)の関係を図23(a)及び(b)に示す。 FIGS. 23A and 23B show the relationship between the potential of the shallow p-well region (Vspwell) and the potential of the shallow n-well region (Vsnwell) with respect to the potentials of the gate electrodes of the transistors Trn1 and Trp1.
ここで、VspwellMAXは浅いpウェル領域に印可される最大電位、VsnwellMINは浅いnウェル領域に印可される最小電位、Vthn2はTrn2のしきい値電圧、Vthp2はTrp2のしきい値電圧である。 Here, Vspwell MAX is the maximum potential applied to the shallow p-well region, Vsnwell MIN is the minimum potential applied to the shallow n-well region, V thn2 is the threshold voltage of Trn2 , and V thp2 is the threshold voltage of Trp2. It is.
具体的な数値で説明すると、トランジスタTrn2のソース領域の電位がGND、トランジスタTrp2のソース領域の電位が3V(電源電圧)の時、順方向リークを抑えるため、VspwellMAXを0.6V、VsnwellMINを2.4Vに設定するとする。その場合、例えば、トランジスタTrn2のしきい値電圧が0.4V、トランジスタTrp2のしきい値電圧が−0.4Vであるならば、トランジスタTrn2のゲート電圧を1V、トランジスタTrp2のゲート電圧は2Vに設定すればよい。 More specifically, when the potential of the source region of the transistor Trn2 is GND and the potential of the source region of the transistor Trp2 is 3V (power supply voltage), Vspwell MAX is set to 0.6V, Vsnwell MIN to suppress forward leakage. Is set to 2.4V. In this case, for example, if the threshold voltage of the transistor Trn2 is 0.4V and the threshold voltage of the transistor Trp2 is -0.4V, the gate voltage of the transistor Trn2 is 1V and the gate voltage of the transistor Trp2 is 2V. You only have to set it.
以上の方法によって、電源電圧をいくらに設定しようとも、浅いウェル領域の電位の最大値(最小値)を任意に設定することが可能となり、電源電圧の制限を回避することが可能となる。 According to the above method, the maximum value (minimum value) of the potential of the shallow well region can be arbitrarily set regardless of how much the power supply voltage is set, and the limitation of the power supply voltage can be avoided.
(実施例13)実施例12では、寄生バイポーラ効果が無視できるほど小さい場合の等価回路に関して、電源電圧に制限を設けることなく使用する方法について説明した。図24及び図25を参照しながら、寄生バイポーラトランジスタを考慮した場合の実施例に関して説明する。図24及び図25は、寄生バイポーラを考慮した場合の等価回路を示している。 (Embodiment 13) In Embodiment 12, the method of using the equivalent circuit when the parasitic bipolar effect is negligibly small without limiting the power supply voltage has been described. With reference to FIGS. 24 and 25, an embodiment in which a parasitic bipolar transistor is considered will be described. 24 and 25 show an equivalent circuit in the case where parasitic bipolar is considered.
図24は、nチャネルトランジスタ及びnpn型バイポーラによって半導体装置が構成される場合を示し、図25は、pチャネルトランジスタ及びpnp型バイポーラによって半導体装置が構成される場合を示している。 FIG. 24 shows a case where a semiconductor device is constituted by an n-channel transistor and an npn-type bipolar, and FIG. 25 shows a case where a semiconductor device is constituted by a p-channel transistor and a pnp-type bipolar.
NMOS2及びPNOS2の役割は、実施例12のTrn1(nチャネルトランジスタ)もしくは、Trp1(pチャネルトランジスタ)と同じであるため基本動作に関しては省略する。 Since the roles of NMOS2 and PNOS2 are the same as those of Trn1 (n-channel transistor) or Trp1 (p-channel transistor) of the twelfth embodiment, the basic operation is omitted.
このように寄生バイポーラトランジスタが無視できないような場合でもベース電流をNMOS2及びPNOS2のゲート電圧により任意に設計できるため、参考例2と比べ設計の自由度が増すという利点がある。
Thus, even when the parasitic bipolar transistor cannot be ignored, the base current can be arbitrarily designed by the gate voltages of the
(実施例14)実施例12、13においては、浅いウェル領域の電位の最大値(最小値)を任意に設定する構成に関して記述した。しかし、入力状態(ゲート電位)がHighの状態でスタンバイ状態となったときのNチャネル型のMOS型トランジスタ側、あるいは、Lowの状態でスタンバイ状態となったときのPチャネル型のMOS型トランジスタ側でPN接合順方向電流が流れ続けることは、実施例12、13では解決出来ていない。 (Embodiment 14) In Embodiments 12 and 13, the configuration for arbitrarily setting the maximum value (minimum value) of the potential of the shallow well region has been described. However, the N-channel MOS transistor side when the input state (gate potential) is in the high state and the standby state, or the P-channel MOS transistor side when the standby state is in the low state. In the twelfth and thirteenth embodiments, the PN junction forward current continues to flow.
本実施例では、入力値がHigh→LowもしくはLow→Highに変化したときに出力値をLow→HighもしくはHigh→Lowに変化させる期間だけ、PN接合順方向電流が流れ、スタンバイ状態では流れない(PN接合順方向バイアスされない)構成を説明する。 In this embodiment, when the input value changes from High → Low or Low → High, the PN junction forward current flows only during the period when the output value changes from Low → High or High → Low, and does not flow in the standby state ( A configuration in which PN junction is not forward biased will be described.
図26に示すように、参考例1におけるMOS型トランジスタ(本実施例においてNMOS1とする)のゲート電極を、NMOS1と同タイプの第2のMOS型トランジスタ(本実施例においてNMOS2とする)のソース及びドレイン領域を介して、NMOS1の浅いウェル領域と接続し、上記NMOS2のゲート電極をNMOS1のドレインと接続すれば、入力の変化に対して出力が変化する時のみ、PN接合順方向電流が流れ、スタンバイ状態では流れない。
As shown in FIG. 26, the gate electrode of the MOS transistor in Reference Example 1 (NMOS1 in this embodiment) is the source of a second MOS transistor of the same type as NMOS1 (NMOS2 in this embodiment). When the
図27に示すように、pチャネルでも全く同じで、参考例1におけるMOS型トランジスタ(本実施例においてPMOS1とする)のゲート電極を、PMOS1と同タイプの第2のMOS型トランジスタ(本実施例においてPMOS2とする)のソース領域、ドレインを介して、PMOS1の浅いウェル領域と接続し、上記PMOS2のゲート電極を、PMOS1のドレイン領域と接続すれば入力の変化に対して出力が変化する時のみPN接合順方向電流が流れスタンバイ状態では流れない。
As shown in FIG. 27, the same applies to the p-channel, and the gate electrode of the MOS transistor in Reference Example 1 (referred to as
nチャネルトランジスタを例として、動作原理を説明する。最初ノードG(NMOS1のゲート電位であり入力電位)がLow固定でスタンバイ状態にあるとする。このときノードD(NMOS1のドレイン電位であり出力電位)は、High状態であるため、NMOS2は、オン状態であり、ノードsp(浅いウェル領域の電位)がノードGと同電位となりLow固定となっているため、ノードsp(Low)−ノードS(Low)間同電位、ノードsp(Low)−ノードD(High)間逆バイアス、ノードsp(Low)−ノードVDnwell(Lowまたは、High)間同電位、または、逆バイアス状態となり、PN接合順方向電流は流れない。ここで、ノードGがLowからHighに変わり再びスタンバイ状態になった時を考える。まず、ノードGがLowからHighに変わった瞬間はノードDは、High状態であるから、NMOS2はオンのままである。そこで、ノードspの電位が、ノードGがLowからHighに変化するにつれて同じようにLowからHighに変化する。ノードG及びノードspが同じようにLowからHighに変化するため、NMOS1の動作は、参考例1と同様の動作となり、ノードGの電位に従ってダイナミックにしきい値が変化する。ここで、NMOS1がオン状態となるため、ノードSからノードDに向け電子が供給され、ノードDの電位が次第にLowに近づく。ノードDの電位がNMOS2のしきい値電圧以下に下がった時点でオフとなり、ノードspは、フローティング状態となり、ノードspに対して電荷の供給源が遮断され(厳密には、NMOS2のオフ電流分の電荷供給はある)、スタンバイ状態でPN接合順方向電流が流れ続けることはない(厳密には、NMOS2のオフ電流分の電流は流れる)。ノードspがフローティング状態となった最初は、ノードS(接地)、に対してノードspの電位はまだ高く、NMOS1に対する基板バイアス効果はまだ残る。ノードS(接地)、ノードD(Low)、及び深いウェル領域(Vdnwellが接地の場合)に対してフローティング状態のノードspは順方向バイアスのため、時間経過とともにノードspの電荷が徐々に抜け、ノードspの電位は、Low(GND)に近ずく。
The operation principle will be described using an n-channel transistor as an example. Assume that the node G (the gate potential of the
つまり入力(ノードG)が、Highでスタンバイ状態であっても、Lowでスタンバイ状態になろうともPN接合順方向電流は、流れなくなる。 That is, even if the input (node G) is high and in a standby state, the PN junction forward current does not flow even if the input (node G) is in a standby state when low.
また、ノードGの電位がLowからHighに変わるとき、ノードspの最大電位は、NMOS2のしきい値電圧をVthn2、ノードDの電位をVDとしたときに、VD-Vthn2となる。つまり、Vthn2の設定次第でノードspの最大電位は確定する。
Further, when the potential of the node G changes from Low to High, the maximum potential of the node sp becomes VD−Vthn2 when the threshold voltage of the
pチャネル型でも全く同じ動作原理であるため、説明は省略する。 Since the p-channel type has exactly the same operation principle, the description is omitted.
(実施例15)実施例14では、寄生バイポーラ効果が無視できるほど小さい場合の等価回路に関して、電源電圧に制限を設けることなく使用する方法について説明したが、実際には、ベース幅(浅いウェル領域の深さからソース/ドレイン領域の深さを引いた値)によるが、ビルトインポテンシャル以上の電源電圧を使用する場合、バイポーラ電流が支配的になる可能性が高い。本実施例では、バイポーラを考慮した場合に関して説明する。バイポーラを考慮した場合の等価回路は、図28及び図29になる。 (Embodiment 15) In Embodiment 14, a method of using an equivalent circuit when the parasitic bipolar effect is so small as to be negligible has been described without limiting the power supply voltage. Depending on the value obtained by subtracting the depth of the source / drain region), when a power supply voltage higher than the built-in potential is used, the bipolar current is likely to be dominant. In this embodiment, a case where bipolar is considered will be described. An equivalent circuit in consideration of bipolar is shown in FIGS.
図28では、nチャネルトランジスタ、及びnpn型バイポーラで記述している。図29では、pチャネルトランジスタ、及びpnp型バイポーラで記述している。NMOS2及びPNOS2の役割は、実施例14のNMOS2及びPNOS2と同じであるため基本動作に関しては省略する。
In FIG. 28, an n-channel transistor and an npn bipolar are described. In FIG. 29, a p-channel transistor and a pnp bipolar are described. Since the roles of the
このように寄生バイポーラトランジスタが無視できない場合でもスタンバイ状態でベース電流を遮断出来るような、(実際には、NMOS2及びPNOS2のオフ電流分は流れる)バイポーラトランジスタとMOS型トランジスタの混合素子を形成することが出来る。 Thus, even if the parasitic bipolar transistor cannot be ignored, a mixed element of the bipolar transistor and the MOS type transistor is formed so that the base current can be cut off in the standby state (actually, the off current of NMOS2 and PNOS2 flows). I can do it.
本実施例をビルトインポテンシャル程度以下の電源電圧(実際には、ベース電位(浅いウェル領域の電位)とソース領域、ドレインの電位の差の最大値がビルトインポテンシャル以下となるような電源電圧:ベース電位と電源電圧の関係は、VB=VD-Vth2;VB:ノードspもしくはノードSnでのベース電位、VD:ノードDでの出力電位、 Vth2:NMOS2もしくはPNOS2のしきい値電圧)で使用した場合MOS型トランジスタの電流が素子動作に対して支配的となり、ビルトインポテンシャル程度以上の電源電圧(実際には、ベース電位すなわち、浅いウェル領域の電位)とソース/ドレイン領域との間の電位差の最大値がビルトインポテンシャル以上となるような電源電圧)で使用した場合、バイポーラ電流が支配的となる。バイポーラ電流が支配的となる条件で使用するには、深いウェル領域の電位であるVdnwell(図28)或いはVdpwell(図29)をVdnwell=GND、Vdpwell=VDD(電源電圧)にする必要がある(つまり深いウェル領域をNPN3及びPNP3のエミッタとして使う)。 In this embodiment, a power supply voltage below the built-in potential (actually, a power supply voltage at which the maximum difference between the base potential (the potential of the shallow well region) and the potential of the source region and the drain is less than the built-in potential: the base potential. VB = VD−V th2 ; VB: base potential at node sp or node Sn, VD: output potential at node D, V th2 : threshold voltage of NMOS2 or PNOS2) In this case, the current of the MOS transistor becomes dominant with respect to the device operation, and the maximum potential difference between the source voltage / drain region and the power source voltage (actually the base potential, that is, the potential of the shallow well region) higher than the built-in potential. When used at a power supply voltage whose value is greater than or equal to the built-in potential, the bipolar current becomes dominant. In order to use under the condition where the bipolar current is dominant, V dnwell (FIG. 28) or V dpwell (FIG. 29), which is the potential of the deep well region, is set to V dnwell = GND and V dpwell = V DD (power supply voltage). (Ie, the deep well region is used as the emitter of NPN3 and PNP3).
以上まとめると、低電源電圧側では、低電圧で高駆動力なMOS型トランジスタとなり、高電源電圧側では、スタンバイ状態でベース電流の流れないバイポーラとなる。 In summary, the low power supply voltage side is a MOS transistor having a low voltage and high driving capability, and the high power supply voltage side is a bipolar transistor in which a base current does not flow in a standby state.
(実施例16)実施例12〜15では、参考例1、2の素子に関して、電源電圧の制限をなくす構成及びスタンバイ状態でのPN接合順方向電流を抑制する構成を説明した。このような構成が、トランジスタの追加によって実現できることを等価回路を用いて説明した。 (Embodiment 16) In Embodiments 12 to 15, the configuration for eliminating the limitation of the power supply voltage and the configuration for suppressing the PN junction forward current in the standby state have been described for the elements of Reference Examples 1 and 2. It has been described using an equivalent circuit that such a configuration can be realized by adding a transistor.
図22(c)のNMOS1、図22(d)のPMOS1、第15−1図のNMOS1、図25のPMOS1、図26のNMOS1、図27のPMOS1、図28のNMOS1、図29のPMOS1等の構造は、参考例1、2で示した様なスイッチング素子の構造であって、隣接する浅いウェル領域間の分離は、実施例1の様な溝型分離構造で分離されていることが望ましい。上記溝型分離構造を形成することにより、トランジスタの間隔を縮小することが可能となり、高集積化が可能となる。
(実施例17)実施例12〜15では、参考例1、2の素子において、電源電圧の制限をなくす方法及び、スタンバイ状態でのPN接合順方向電流を抑制する方法に関して、トランジスタを追加することにより可能であることを等価回路を用いて説明した。しかしながら、上記説明は、相補型ではなく、MOS型トランジスタ部がオン状態で常に貫通電流が流れることになる。特に実施例14、15では、PN接合順方向電流(バイポーラ電流)をスタンバイ状態時に無くしたとしても、入力High状態でスタンバイ状態になった時のNMOS型トランジスタ側、もしくは、入力Low状態でスタンバイ状態になった時のPNOS側で貫通電流が流れ続けるため、低消費電力化には向いていない。そこで本実施例では、実施例12〜15の素子を相補型で形成したときに関して説明する。 (Embodiment 17) In Embodiments 12 to 15, a transistor is added with respect to the method of eliminating the limitation of the power supply voltage and the method of suppressing the PN junction forward current in the standby state in the elements of Reference Examples 1 and 2. It was explained using an equivalent circuit that However, the above description is not a complementary type, and a through current always flows when the MOS transistor portion is on. In particular, in the fourteenth and fifteenth embodiments, even if the PN junction forward current (bipolar current) is lost in the standby state, the NMOS transistor side when the standby state is entered in the input high state or the standby state in the input low state. Since the through current continues to flow on the PNOS side at the time of becoming, it is not suitable for low power consumption. Therefore, in this embodiment, the case where the elements of Embodiments 12 to 15 are formed in a complementary type will be described.
図30〜図33は、実施例12〜15の素子を相補型で形成したときの回路図である。個々のトランジスタの動作に関しては、実施例12〜15で説明しているので省略する。 30 to 33 are circuit diagrams when the elements of Examples 12 to 15 are formed in a complementary type. Since the operation of each transistor has been described in Examples 12 to 15, description thereof will be omitted.
実施例12、13の素子を相補型にした場合、実施例8の相補型素子に対して電源電圧の制限を無くすことが可能となる。しかし、実施例8と同じ課題がある。つまり、PN接合順方向電流が、常に流れ続けることである。スタンバイ状態で入力値は、High(電源電圧)もしくは、Low(GND)に固定されており、Pチャネル型のMOS型トランジスタ側の寄生バイポーラ(図31における、PNPTr1、PNPTr2、PNPTr3)もしくは、Nチャネル型のMOS型トランジスタ側の寄生バイポーラ(図31における、NPNTr1、NPNTr2、NPNTr3)のどちらか一方が必ずON状態となる。このため、寄生バイポーラ電流が流れ続ける。なお、寄生バイポーラ電流が無視できる状態でも、PN接合順方向電流(浅いウェル領域とソース領域、ドレイン、及びバイアスによっては深いウェル領域との間に流れるPN接合順方向電流)は流れ続ける。このため、設計上の方針として、寄生バイポーラの能力を極力小さくし、コレクタ電流がベース電流とほぼ等しくなる(つまり寄生バイポーラがほぼ無視できる)ように、浅いウェル領域濃度、深さ、深いウェル領域濃度を設定する。そうして、コレクタ電流=ベース電流=PN接合順方向電流となる条件の下で、実施例10で示したように、トランジスタのオフ電流がPN接合順方向電流と等しくなるようにMOS型トランジスタのしきい値電圧を設定すればよい。 When the elements of the twelfth and thirteenth embodiments are made complementary, it is possible to eliminate the limitation of the power supply voltage with respect to the complementary elements of the eighth embodiment. However, there is the same problem as in the eighth embodiment. That is, the PN junction forward current always flows. In the standby state, the input value is fixed to High (power supply voltage) or Low (GND), and the parasitic bipolar (PNPTr1, PNPTr2, PNPTr3 in FIG. 31) on the P channel type MOS transistor side or N channel One of the parasitic bipolar transistors (NPTNr1, NPNTr2, and NPNTr3 in FIG. 31) on the MOS transistor side of the type is always in the ON state. For this reason, the parasitic bipolar current continues to flow. Even when the parasitic bipolar current can be ignored, the PN junction forward current (the PN junction forward current flowing between the shallow well region and the source region, drain, and deep well region depending on the bias) continues to flow. Therefore, as a design policy, the shallow well region concentration, depth, and deep well region are set so that the capability of the parasitic bipolar is minimized and the collector current is almost equal to the base current (that is, the parasitic bipolar is almost negligible). Set the density. Then, under the condition that collector current = base current = PN junction forward current, as shown in the tenth embodiment, the MOS transistor has an off-current equal to the PN junction forward current. What is necessary is just to set a threshold voltage.
実施例14、15の素子を相補型にした場合、実施例14、15で説明したようにスタンバイ状態で寄生バイポーラは、オフとなる(スタンバイ状態でベースはフローティング)。しかし、深いpウェル領域と深いnウェル領域のダイオード接続に対し順方向電流を防止するためには、深いpウェル領域と深いnウェル領域を同電位(例えば1/2VDD:電源電圧の半分)もしくは、深いnウェル領域をVDD、深いpウェル領域をGNDに固定する必要がある。この場合参考例2で説明したように寄生バイポーラPNPTr3、NPNTr3がトランジスタの動作を妨げる方向に動作するため、ベース幅を長くし(浅いウェル領域を深くし:ベース幅200nm以上)、且つベース濃度を薄く(浅いウェル領域濃度:2×1017/cm3以下)して寄生バイポーラトランジスタ能力をMOS型トランジスタの動作に対して無視できるほど(参考例1の様に)極力低下させれば良い。 When the elements of Examples 14 and 15 are made complementary, the parasitic bipolar is turned off in the standby state as described in Examples 14 and 15 (the base is floating in the standby state). However, in order to prevent forward current against diode connection between the deep p-well region and the deep n-well region, the deep p-well region and the deep n-well region have the same potential (for example, 1 / 2V DD : half of the power supply voltage). Alternatively, it is necessary to fix the deep n-well region to V DD and the deep p-well region to GND. In this case, since the parasitic bipolar PNPTr3 and NPNTr3 operate in a direction that hinders the operation of the transistor as described in Reference Example 2, the base width is increased (the shallow well region is deepened: the base width is 200 nm or more), and the base concentration is increased. The parasitic bipolar transistor capability may be reduced as much as possible (as in Reference Example 1) as much as possible by thinning (shallow well region concentration: 2 × 10 17 / cm 3 or less) with respect to the operation of the MOS transistor.
逆に、深いウェル領域の電位に関して、深いnウェル領域をGND、深いpウェル領域をVDD(電源電圧)に固定した場合、参考例2の表1に記載したとおり、MOS型トランジスタに対しては、寄生バイポーラトランジスタがMOS型トランジスタを助ける方向に動作するため有効であるが、深いpウェル領域と深いnウェル領域のダイオード接続に対し順方向のバイアスとなるため、いくらスタンバイ状態のバイポーラをオフにしても、深いウェル領域間で常に順方向電流が流れ続けることになるため、実施例9の様な、以降に示す実施例18、19の回路及び構造にするのが良い。 Conversely, with respect to the potential of the deep well region, when the deep n-well region is fixed to GND and the deep p-well region is fixed to V DD (power supply voltage), as described in Table 1 of Reference Example 2, Is effective because the parasitic bipolar transistor operates in the direction of helping the MOS type transistor, but since it becomes a forward bias with respect to the diode connection of the deep p-well region and the deep n-well region, how much of the bipolar in the standby state is turned off. However, since a forward current always flows between deep well regions, it is preferable to use the circuits and structures of Examples 18 and 19 shown below as in Example 9.
(実施例18)実施例17において、実施例14、15のバイポーラトランジスタを積極的に能動素子として活用する場合、深いnウェル領域をGND、深いpウェル領域をVDD(電源電圧)に固定すればよいことを説明した。つまり、NPNTr3のバイポーラトランジスタの深いウェル領域(n型)をエミッタとし、エミッタ接地とし、PNPTr3のバイポーラトランジスタの深いウェル領域(P型)をエミッタとし、エミッタを電源電圧とすればよい。この場合、前述したように深いウェル領域間で常に順方向電流が流れ続けることになるため、深いウェル領域間を分離する必要がある。つまり、深いウェル領域よりも更に深いウェル領域を形成し、n型の深いウェル領域はp型の更に深いウェル領域内に、p型の深いウェル領域は、n型の更に深いウェル領域内に形成し、深いウェル領域と更に深いウェル領域を同電位にすればよい。このように形成することによって、深いウェル領域間がPN逆方向バイアスとなり、順方向電流は流れなくなる。図34にその回路図を示す。本実施例の相補型素子では、電源電圧に制限はなく、アクティブ状態の駆動電流は、MOS型トランジスタのドレイン電流とバイポーラ電流との加算電流となり、且つ、スタンバイ状態のリークは、NMOS1、NMOS2、PMOS1、PMOS2のオフ電流のみによって決まる。
(Embodiment 18) In Embodiment 17, when the bipolar transistors of
つまり、電源電圧をビルトインポテンシャル付近以下で使用するときは、通常のCMOSでは、駆動電流が小さくスピードが遅すぎて使用に耐えられないがも本実施例によれば、超低消費電力回路を構成することが可能となる。ビルトインポテンシャル以上で使用するなら、消費電力がCMOS回路なみでスピードがバイポーラ回路なみの超高速低消費電力回路を構成することが可能となる。 In other words, when the power supply voltage is used in the vicinity of the built-in potential, the normal CMOS has a driving current and the speed is too slow to withstand use, but according to this embodiment, an ultra-low power consumption circuit is configured. It becomes possible to do. When used at a built-in potential or higher, it is possible to construct an ultra-high speed and low power consumption circuit whose power consumption is similar to that of a CMOS circuit and whose speed is similar to that of a bipolar circuit.
(実施例19)実施例18のNMOS1とPMOS1の深いウェル領域を分離するためには、実施例9に関する図18に示す構造と同様の構造で、NMOS1とPMOS1を形成すればよい。言い換えると、「深いウェル領域」よりも深く、「更に深いウェル領域」よりも浅い溝型分離構造で分離すればよい。
(Embodiment 19) In order to separate the deep well regions of
(実施例20)前述したように、浅いウェル領域にたいしてソース/ドレイン領域に順方向バイアスが印加されるため、浅いウェル領域とソース/ドレイン領域との間にビルトインポテンシャル以上の電界をかけた場合、好ましくないリーク電流(順方向電流)が浅いウェル領域とソース/ドレイン領域との間を流れる。 (Embodiment 20) As described above, since a forward bias is applied to the source / drain region with respect to the shallow well region, when an electric field higher than the built-in potential is applied between the shallow well region and the source / drain region, An undesirable leakage current (forward current) flows between the shallow well region and the source / drain regions.
このビルトインポテンシャルの大きさは、物質によって決まっており、シリコンの場合、室温で0.9V前後である。そこで、PN接合順方向電流を抑制するためには、ビルトインポテンシャルを大きくすればよい。その1つの方法としてソース/ドレイン領域と浅いウェル領域との接合部に、炭素もしくは窒素不純物を導入させる方法がある。 The magnitude of this built-in potential is determined by the material, and in the case of silicon, it is about 0.9 V at room temperature. Therefore, in order to suppress the PN junction forward current, the built-in potential may be increased. One method is to introduce carbon or nitrogen impurities into the junction between the source / drain region and the shallow well region.
本実施例では、ソース/ドレイン領域と浅いウェル領域との接合部に注入投影飛程(Rpセンター)が位置するような加速エネルギで、1×1014〜1×1016/cm2程度の不純物イオンを注入した。本イオン注入により、接合付近にSi−C、Si−Nが形成され、その結果、ビルトインポテンシャルが高くなる。 In the present embodiment, an impurity of about 1 × 10 14 to 1 × 10 16 / cm 2 with an acceleration energy such that an implantation projection range (Rp center) is located at the junction between the source / drain region and the shallow well region. Ions were implanted. By this ion implantation, Si—C and Si—N are formed in the vicinity of the junction, and as a result, the built-in potential is increased.
(実施例21)実施例12〜15では、参考例1、2の素子において、電源電圧の制限をなくす方法及び、スタンバイ状態でのPN接合順方向電流を抑制する方法に関して、トランジスタを追加することにより可能であることを等価回路を用いて説明した。また、実施例17〜18では、相補型で構成したときの場合で説明した。 (Embodiment 21) In Embodiments 12 to 15, a transistor is added regarding the method of eliminating the limitation of the power supply voltage and the method of suppressing the PN junction forward current in the standby state in the elements of Reference Examples 1 and 2. It was explained using an equivalent circuit that Moreover, in Examples 17-18, the case where it comprised by the complementary type demonstrated.
図35〜図36を参照しながら、スタンバイ時のリーク電流を抑制する他の構成を持った実施例を説明する。 With reference to FIGS. 35 to 36, an embodiment having another configuration for suppressing the leakage current during standby will be described.
本実施例では、図35〜図36に示すように、単位回路ブロック(図35)ごとに、もしくは、単位回路ブロックの集合体(図36)ごとに、電源電圧遮断回路及び/またはGND線遮断回路を設けている。回路ブロックをアクティブ状態にする時のみ、回路ブロックに電源が供給されるようにしている。遮断回路の動作はスリープ信号によって制御される。こうすることによって、スタンバイ時のリークを低減することが可能となる。 In this embodiment, as shown in FIGS. 35 to 36, the power supply voltage cutoff circuit and / or the GND line cutoff for each unit circuit block (FIG. 35) or for each unit circuit block assembly (FIG. 36). A circuit is provided. Only when the circuit block is activated, power is supplied to the circuit block. The operation of the cutoff circuit is controlled by a sleep signal. By doing so, it is possible to reduce leakage during standby.
(実施例22)本実施例では、溝型分離構造及びフィールド酸化膜と浅いウェル領域の関係に関して説明する。 (Embodiment 22) In this embodiment, the relationship between the trench type isolation structure and the field oxide film and the shallow well region will be described.
図37(a)〜(d)は、本実施例の工程順断面図である。 FIGS. 37A to 37D are cross-sectional views in order of the processes of this example.
ここで、2401半導体基板、2402深いnウェル領域、2403深いpウェル領域、2404溝型分離構造、2405フィールド酸化膜領域、2406イオン注入保護膜、2407フォトレジスト、2408ドナー不純物注入、2409フォトレジスト、2410アクセプタ不純物、2411浅いnウェル領域、2412浅いpウェル領域である。 Here, 2401 semiconductor substrate, 2402 deep n-well region, 2403 deep p-well region, 2404 groove type isolation structure, 2405 field oxide region, 2406 ion implantation protective film, 2407 photoresist, 2408 donor impurity implantation, 2409 photoresist, 2410 acceptor impurities, 2411 shallow n-well region, 2412 shallow p-well region.
まず、図37(a)に示すように、半導体基板2401に深いnウェル領域2402、深いpウェル領域2403、溝型分離構造2404、フィールド酸化膜領域2405を形成する。ここで、深いnウェル領域2402、及び深いpウェル領域2403の深さは、2〜4m程度であり、不純物濃度は、1X1016/cm3〜1x1017/cm3程度に設定している。また、溝型素子分離構造は、1〜2μmの深さに形成している。フィールド酸化膜厚は、200〜600nm程度である。
First, as shown in FIG. 37A, a deep n-
次に、図37(b)及び(c)に示すように、フォトレジスト2407、2409をマスクとして、イオン注入を行い、ドナー2408を深いpウェル領域に注入し、アクセプタ2410を深いnウェル領域に注入する。注入の順番は、どちらからでも良い。このとき、フォトレジスト2407、2409に多少位置合わせズレが起ころうともフィールド酸化膜2405によって、フィールド酸化膜2405下に不純物イオンが注入されることを防ぐことが可能となる。
Next, as shown in FIGS. 37B and 37C, ion implantation is performed using
次に、図37(d)に示すように、ドライブアニールを行うことにより、浅いnウェル領域2411及び浅いpウェル領域2412を形成する。ここで、浅いnウェル領域2411及び浅いpウェル領域2412の深さは、溝型分離構造よりも浅く、0.5〜1.0μm程度で、その濃度は、5X1016/cm3〜1x1018/cm3程度に設定した。
Next, as shown in FIG. 37D, a shallow n-
本実施例のように溝型分離構造及びフィールド酸化膜を形成した後に浅いウェル領域を形成することにより、浅いnウェル領域と深いnウェル領域、及び、浅いpウェル領域と深いpウェル領域、をフィールド酸化膜によって、自己整合的に分離することが可能となる。 By forming the shallow well region after forming the trench type isolation structure and the field oxide film as in this embodiment, the shallow n well region and the deep n well region, and the shallow p well region and the deep p well region are formed. The field oxide film can be separated in a self-aligned manner.
ただし、本実施例の製造方法は、実施例2における図8(d)の様に、ゲート電極と浅いウェル領域との間のコンタクト領域の回りに、フィールド酸化膜が延びている構造は、フィールド酸化後にイオン注入を行うため、適用しにくい。また、適用しても本実施例の効果は得られない。なぜならば、チャネル領域下の浅いウェル領域とゲート−浅いウェル領域間コンタクト領域下の浅いウェル領域を導通させるためには、フィールド酸化膜を突き抜けるほどの高エネルギー注入が必要だからである。この場合フィールド酸化膜によって、自己整合的に分離することが不可能となるからである。 However, in the manufacturing method of this example, as shown in FIG. 8D in Example 2, the structure in which the field oxide film extends around the contact region between the gate electrode and the shallow well region is Since ion implantation is performed after oxidation, it is difficult to apply. Further, even if it is applied, the effect of this embodiment cannot be obtained. This is because, in order to make the shallow well region under the channel region and the shallow well region under the contact region between the gate and the shallow well region conductive, high energy injection enough to penetrate the field oxide film is necessary. This is because the field oxide film makes it impossible to separate in a self-aligned manner.
(実施例23)図38は、本発明による溝型素子分離構造の断面図である。図39(a)は、図38におけるA部の拡大図である。 (Embodiment 23) FIG. 38 is a sectional view of a grooved element isolation structure according to the present invention. FIG. 39A is an enlarged view of a portion A in FIG.
図39(b)は、溝型分離構造を形成した従来例を示している。この従来例では、半導体基板2511に溝を形成した後にシリコン酸化膜2512で溝を埋め込み、化学的機械研磨(CMP)法により溝部のみにシリコン酸化膜2512を残している。半導体基板の活性領域にはゲート絶縁膜2505が形成されている。
FIG. 39B shows a conventional example in which a groove type separation structure is formed. In this conventional example, after forming a groove in the
図38に示すように、本実施例の溝型素子分離構造では、溝内壁にシリコン酸化膜2502が形成されているが、シリコン酸化膜2502は溝の内部を完全には埋めていない。溝の内部は多結晶シリコン膜2503で埋め込まれている。半導体2501の表面の活性領域には、薄いゲート絶縁膜2505が形成されているが、不活性領域(フィールド領域)には、比較的に厚いフィールド酸化膜2504が形成されている。このフィールド酸化膜2504は、溝の上にも存在している。フィールド酸化膜2504は、居所熱酸化によって形成されており、フィールド酸化膜2504の端部には、バースビーク(bird's beak)が形成される。そのため、本実施例においては、溝開口部のエッジは尖っていない。
As shown in FIG. 38, in the trench type element isolation structure of this embodiment, a
このため、図39(a)に示されるように、溝開口部のエッジ(A')部で電界集中が起こらず、エッジ部でのリーク電流の増大を防ぐことが可能となる。これに対して、従来のCMP法で形成された溝型分離は、図39(b)に示されるように、溝開口部のエッジ(B)部が尖っている。このため、エッジ(B)部で電界が集中し、この部分でのリーク電流が増大する。 For this reason, as shown in FIG. 39A, electric field concentration does not occur at the edge (A ′) portion of the groove opening, and it is possible to prevent an increase in leakage current at the edge portion. On the other hand, in the groove type separation formed by the conventional CMP method, the edge (B) of the groove opening is sharp as shown in FIG. For this reason, the electric field is concentrated at the edge (B), and the leakage current at this portion increases.
なお、上記溝型素子分離構造は、図1のしきい値が動的に変化するトランジスタの分離に有効であるばかりではなく、通常のトランジスタの分離にも有効である。 The groove-type element isolation structure is effective not only for isolating transistors whose threshold values in FIG. 1 are dynamically changed, but also for isolating normal transistors.
図51は、通常のMOS型トランジスタのゲート電極と溝型素子分離構造とがオーバラップする配置関係を示している。このような配置関係では、トランジスタ特性に影響が出る場合がある。 FIG. 51 shows an arrangement relationship in which the gate electrode and the trench type element isolation structure of a normal MOS transistor overlap. Such an arrangement relationship may affect the transistor characteristics.
図52(a)及び(b)は、図51のA−A線断面図にである。 52A and 52B are cross-sectional views taken along line AA in FIG.
従来の製造方法では、ゲート絶縁膜の形成工程の前に行うフッ酸洗浄処理によって、溝エッジ部での埋め込み酸化膜がエッチングされやすい。このため、溝エッジ部にくびれが生じやすい。図52(a)は、このような「くびれ」が生じた様子を示している。溝エッジ部分での電界集中によって、図53(a)に示されるように、MOS型トランジスタのサブスレショルド特性曲線にキンク(Kink)が生じる。 In the conventional manufacturing method, the buried oxide film at the groove edge portion is easily etched by the hydrofluoric acid cleaning process performed before the step of forming the gate insulating film. For this reason, constriction is likely to occur in the groove edge portion. FIG. 52A shows a state in which such “necking” occurs. Due to the electric field concentration at the groove edge portion, as shown in FIG. 53A, a kink occurs in the sub-threshold characteristic curve of the MOS transistor.
本発明にかかる溝型素子分離構造を採用すれば、図52(b)に示すように、溝エッジ部分が丸くなり、その部分での電界集中が緩和される。このため、このような溝型素子分離構造を持つMOS型トランジスタによれば、図53(b)に示すようにサブスレショルド特性曲線にキンクは生じない。図53(a)及び(b)は、それぞれ、図52(a)及び(b)のトランジスタにおけるドレイン電流のゲート電圧依存性を示している。なお、図53の(a)及び(b)のグラフは、ソース電圧を0V、ドレイン電圧を0.1Vとして測定した結果に基づいて作成されている。 When the grooved element isolation structure according to the present invention is employed, the groove edge portion is rounded as shown in FIG. 52 (b), and the electric field concentration at that portion is alleviated. For this reason, according to the MOS type transistor having such a trench type element isolation structure, no kink occurs in the subthreshold characteristic curve as shown in FIG. 53 (a) and 53 (b) show the gate voltage dependence of the drain current in the transistors of FIGS. 52 (a) and 52 (b), respectively. Note that the graphs of FIGS. 53A and 53B are created based on the measurement results when the source voltage is 0V and the drain voltage is 0.1V.
(実施例24)図40は、実施例1の半導体装置を図38の溝型分離構造を用いて分離するときの溝型分離構造2603と、浅いウェル領域2602と深いウェル領域2601の関係を示した断面図である。ここで、浅いウェル領域2602の濃度は、5×1016〜1×1018/cm3程度であり、深いウェル領域の濃度は1x1016〜×1017/cm3程度のため、空乏層幅が大きくなる(数百ナノメータ程度)。このため、浅いウェル領域2602と深いウェル領域2601との間に形成される接合部と溝底部との間の距離dが短い場合、隣接する浅いウェル領域間でパンチスルーが生じるおそれがある。このため、溝底部に深いウェル領域と同導電型の不純物を高い濃度で拡散した領域2604を設けることが好ましい。本実施例では、この領域2604の不純物濃度を1×1018/cm3〜1×1019/cm3の程度の範囲内に設定した。
(Embodiment 24) FIG. 40 shows the relationship between a trench
浅いウェル領域と深いウェル領域と溝型分離構造の関係を説明しているが、これに限るものではない。例えば、浅いウェル領域内に形成された隣接するトランジスタのソース/ドレイン領域間を分離する場合にも適用できる。この場合、浅いウエル領域2602は、ソース領/ドレイン領域に置き換わり、深いウェル領域2601は浅いウェル領域に置き換えられる。
Although the relationship between the shallow well region, the deep well region, and the trench type isolation structure is described, the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to the case where the source / drain regions of adjacent transistors formed in a shallow well region are separated. In this case, the
(実施例25)図41(a)〜(h)を参照しながら、本発明による溝型分離構造の形成工程の実施例を説明する。 (Embodiment 25) With reference to FIGS. 41 (a) to 41 (h), an embodiment of a groove type separation structure forming process according to the present invention will be described.
まず、図41(a)に示すように、半導体基板2701にシリコン酸化膜2702(本実施例では、厚さ10〜20nm)及びシリコン窒化膜2703(本実施例では、厚さ100〜200nm)を順次形成する。
First, as shown in FIG. 41A, a silicon oxide film 2702 (thickness of 10 to 20 nm in this embodiment) and a silicon nitride film 2703 (thickness of 100 to 200 nm in this embodiment) are formed on a
次に、図41(b)に示すように、フォトリソグラフィー及びエッチング技術を用いて、溝型分離構造を形成すべき領域2704に位置するシリコン窒化膜2703及びシリコン酸化膜2702を選択的に除去し、半導体基板2701の表面を部分的に露出させる。露出領域の幅は、本実施例では、0.1〜0.3μmとする。
Next, as shown in FIG. 41B, the
次に、図41(c)に示すように、シリコン窒化膜2703をマスクとして、シリコン基板2701をエッチングし、半導体基板2701に溝2705を形成した後、溝2705の内壁を酸化雰囲気により酸化する。本実施例では、約1〜2μmの深さの溝を形成した後、約10〜50nm程度のシリコン酸化膜2706を溝2705内壁に形成した。
Next, as shown in FIG. 41C, the
次に、図41(d)に示すように、多結晶シリコン膜2707(本実施例では、200nm〜600nm程度堆積した)を堆積し、溝2705を多結晶シリコン膜2707で埋め込む。
Next, as shown in FIG. 41 (d), a polycrystalline silicon film 2707 (in this embodiment, about 200 nm to 600 nm is deposited) is deposited, and the
次に、図41(e)に示すように、多結晶シリコン膜2707をエッチバックし、溝2705内のみに多結晶シリコン膜2707を残す。
Next, as shown in FIG. 41E, the
次に、図41(f)に示すように、活性領域(素子形成領域)2708以外のフィールド領域2709にフィールド酸化膜を形成するために、活性領域2708以外のシリコン窒化膜2703をフォトリソグラフィー工程を経てエッチング除去する。このとき溝型分離構造2704上のシリコン窒化膜2703は、すでに無く、フィールド酸化膜を形成するためのフォトリソグラフィー工程の位置合わせマージンは、溝型領域2704の幅だけとることが可能となる。
Next, as shown in FIG. 41F, in order to form a field oxide film in the
次に、図41(g)に示すように、活性領域2708上のシリコン窒化膜2703をマスクとして酸化し、フィールド酸化膜2710を形成する。本実施例では、約200nm〜400nmの酸化膜を形成した。この時、シリコン窒化膜2703表面も酸化され、シリコン酸化膜2711が形成される。
Next, as shown in FIG. 41G, the field oxide film 2710 is formed by oxidizing using the
次に、図41(h)に示すように、フィールド酸化工程により形成された、シリコン窒化膜2703表面のシリコン酸化膜2711及び活性領域上のシリコン窒化膜2703を除去する。
Next, as shown in FIG. 41H, the
本実施例により、フィールド酸化膜と溝型分離の位置合わせズレが無く(溝型分離構造の幅だけ位置合わせマージンがある)且つ、同時に形成できるため、工程簡略化が可能となる。また、溝型分離構造形成において、最も問題となる溝エッジでのリークに関し、本方法では、溝エッジ部Aにバーズビークが形成され、リーク電流が抑制される。 According to this embodiment, there is no misalignment between the field oxide film and the groove type separation (there is an alignment margin corresponding to the width of the groove type separation structure), and it can be formed at the same time, so that the process can be simplified. In addition, regarding the leakage at the groove edge, which is the most problematic in the formation of the groove type separation structure, in this method, bird's beaks are formed at the groove edge portion A, and the leakage current is suppressed.
(実施例26)図42(a)〜(e)を参照しながら、本発明による溝型分離構造形成工程の他の実施例を説明する。 (Embodiment 26) Another embodiment of the grooved separation structure forming process according to the present invention will be described with reference to FIGS.
まず、図42(a)に示すように、実施例25の第27図(e)の工程まで同様の方法で形成する。ここで、2801は半導体基板、2802はシリコン酸化膜、2803はシリコン窒化膜、2804は溝型分離構造、2805は溝、2806はシリコン酸化膜、2807は多結晶シリコン膜を示している。 First, as shown in FIG. 42A, it is formed by the same method up to the step of FIG. Here, 2801 is a semiconductor substrate, 2802 is a silicon oxide film, 2803 is a silicon nitride film, 2804 is a groove type isolation structure, 2805 is a groove, 2806 is a silicon oxide film, and 2807 is a polycrystalline silicon film.
次に、図42(b)に示すようにシリコン窒化膜2808を堆積する。本実施例では、約1〜5nmの膜厚を堆積した。
Next, as shown in FIG. 42B, a
次に、図42(c)に示すように、活性領域(素子形成領域)2809以外のフィールド領域2810にフィールド酸化膜を形成するために、活性領域2809以外のシリコン窒化膜2808及び2803をフォトリソグラフィー工程を経てエッチング除去する。このとき溝型分離構造2804上のシリコン窒化膜2808を溝型分離構造2804上に、図に示すように半分程度残すように加工するのが良い。
Next, as shown in FIG. 42C, in order to form a field oxide film in a
次に、図42(d)に示すように、活性領域2809上のシリコン窒化膜2803、2808をマスクとして酸化し、フィールド酸化膜2811を形成する。本実施例では、約200nm〜400nmの酸化膜を形成した。この時、シリコン窒化膜2808は非常に薄いため、すべてシリコン酸化膜2812に変化し、更に、溝2805内に埋め込まれた多結晶シリコン膜2807表面も酸化される。
Next, as shown in FIG. 42D, the
次に、図42(e)に示すように、シリコン窒化膜2803上のシリコン酸化膜2812、活性領域上のシリコン窒化膜2803を除去する。
Next, as shown in FIG. 42E, the
本実施例により、実施例25と比べ、溝エッジ部Bのバーズビークを少なくすることが可能となり、設計寸法に近い溝型素子分離幅が得られる。 According to the present embodiment, it is possible to reduce the bird's beak of the groove edge portion B as compared with the embodiment 25, and a grooved element isolation width close to the design dimension can be obtained.
図43は、本実施例の溝型分離構造の形成方法を第1の実施例の素子に適用したものである。図44は、第25の実施例の溝型分離構造の形成方法を第1の実施例の素子に適用したものである。 FIG. 43 shows the application of the method for forming the groove type isolation structure of this embodiment to the element of the first embodiment. FIG. 44 shows the application of the method for forming the groove type isolation structure of the 25th embodiment to the element of the first embodiment.
ここで、28001、28101は半導体基板、28002、28102は深いウェル領域、28003、28103は溝型素子分離構造、28004、28104は浅いウェル領域、28005、28105はゲート電極、28006、28106はソース/ドレイン領域、28007、28107は高融点シリサイド膜を示している。
Here, 28001 and 28101 are semiconductor substrates, 28002 and 28102 are deep well regions, 28003 and 28103 are trench-type element isolation structures, 28004 and 28104 are shallow well regions, 28005 and 28105 are gate electrodes, and 28006 and 28106 are source / drains.
本実施例では、溝型分離構造の両側が活性領域の場合、溝型分離構造の溝を埋め込んでいる多結晶シリコン膜2807の表面は、フィールド酸化工程の前の状態で薄いシリコン窒化膜2808によりカバーされている。このため、フィールド酸化時に多結晶シリコン膜2807が酸化されるのが抑制され、(シリコン窒化膜2808がすべて酸化されシリコン酸化膜2812に変化するまで多結晶シリコン膜2807は酸化されない)多結晶シリコン膜上のシリコン酸化膜厚bは薄くなり、段差が軽減されゲート多結晶シリコン膜加工時のオーバーエッチング量を軽減させることが可能となる。
In this embodiment, when both sides of the trench isolation structure are active regions, the surface of the
また、多結晶シリコン膜の酸化量も少ないため、バーズビークも抑制され、設計寸法に近い活性領域の面積を確保することが可能となる(寸法aを設計値に近づけることが出来る)。特に、最小加工寸法が小さくなり、ゲート酸化膜が薄くなるほど有利となる。本実施例は、ゲート幅、溝型分離幅とも設計寸法0.18μmであり、溝深さは、1μmで形成したものである。 Further, since the amount of oxidation of the polycrystalline silicon film is small, bird's beak is suppressed, and the area of the active region close to the design dimension can be secured (dimension a can be brought close to the design value). In particular, the smaller the minimum processing dimension and the thinner the gate oxide film, the more advantageous. In this embodiment, the gate width and the groove type separation width are both 0.18 μm in design dimensions, and the groove depth is 1 μm.
第25の実施例を適用した場合、フィールド酸化前の状態では、多結晶シリコン膜が露出しているため、多結晶シリコン上のシリコン酸化膜厚b'は厚くなり、段差は大きくなる。また、バーズビークも大きくなる。しかし、本実施例に対し、第25の実施例では工程が簡略である。 When the twenty-fifth embodiment is applied, since the polycrystalline silicon film is exposed before the field oxidation, the silicon oxide film thickness b ′ on the polycrystalline silicon becomes thick and the step becomes large. In addition, the bird's beak becomes larger. However, the process of the twenty-fifth embodiment is simpler than that of the present embodiment.
(実施例27)図47(a)〜(f)は、本発明の溝型分離構造とフィールド酸化膜の形成における工程順断面図である。 (Embodiment 27) FIGS. 47 (a) to 47 (f) are cross-sectional views in order of steps in forming a groove type isolation structure and a field oxide film of the present invention.
実施例25、26において、溝内に多結晶シリコン膜を埋め込むためにエッチバックを行った。エッチバックは、Cl2、O2、HBr、及びSF6等のガスによりエッチングを行っているが、エッチング残差を無くすため、オーバーエッチングを行う必要がある。 In Examples 25 and 26, etch back was performed to embed a polycrystalline silicon film in the trench. In the etch back, etching is performed with a gas such as Cl 2 , O 2 , HBr, and SF 6 , but it is necessary to perform over-etching in order to eliminate an etching residual.
このとき、オーバーエッチング量が多い場合には、図45(a)及び(b)(実施例25の場合)、図46(a)及び(b)(実施例26の場合)の様になり、溝開口部に対して、多結晶シリコン膜が後退することになる。この状態でフィールド酸化工程を行った場合溝側壁が相当酸化され、図45(b)(実施例25の場合)、図46(b)(実施例26の場合)の様な形状になり、溝型素子分離構造の幅が設計寸法と大きく異なる上に段差がひどくなり、後のゲート加工の工程の時に多結晶シリコン膜残りが発生する。ここで、29101、29201半導体基板、29102、29104、29106、29202、29204、29207シリコン酸化膜、29103、29203、29206シリコン窒化膜、29105、29205多結晶シリコン膜、29107、29208フィールド酸化膜である。オーバーエッチング量にマージンを持たすためには、図47(d)のように、高さdを高くすればよい。 At this time, when the amount of over-etching is large, it becomes as shown in FIGS. 45 (a) and (b) (in the case of Example 25) and FIGS. 46 (a) and (b) (in the case of Example 26). The polycrystalline silicon film recedes from the groove opening. When the field oxidation process is performed in this state, the groove side wall is considerably oxidized, resulting in a shape as shown in FIG. 45 (b) (in the case of Example 25) and FIG. 46 (b) (in the case of Example 26). The width of the mold element isolation structure is greatly different from the design dimension, and the step becomes severe, and a polycrystalline silicon film residue is generated in the subsequent gate processing step. Here, 29101, 29201 semiconductor substrate, 29102, 29104, 29106, 29202, 29204, 29207 silicon oxide film, 29103, 29203, 29206 silicon nitride film, 29105, 29205 polycrystalline silicon film, 29107, 29208 field oxide film. In order to provide a margin for the amount of overetching, the height d may be increased as shown in FIG.
以降に工程順に詳しく説明する。まず、図47(a)に示すように、半導体基板2901にシリコン酸化膜2902(本実施例では、10〜20nm)及びシリコン窒化膜2903(本実施例では、100〜200nm)、シリコン酸化膜2904(本実施例では30〜150nm堆積しており、50〜70nmの膜厚であればなお良い)、を順次形成する。
This will be described in detail below in the order of steps. First, as shown in FIG. 47A, a silicon oxide film 2902 (10 to 20 nm in this embodiment), a silicon nitride film 2903 (100 to 200 nm in this embodiment), and a
次に、図47(b)に示すように、フォトリソグラフィー工程を経て、所望の溝型分離構造2905(本実施例では、幅0.1〜0.3μm)のシリコン酸化膜2904、シリコン窒化膜2903、シリコン酸化膜2902をエッチングする。
Next, as shown in FIG. 47B, through a photolithography process, a
次に、図47(c)に示すように、シリコン窒化膜2903をマスクとして、シリコン基板2901をエッチングし、溝型分離構造2904に溝2906を形成した後、上記溝2906内壁を酸化雰囲気により酸化する。本実施例では、約1〜2μmの深さの溝を形成し、約20〜100nm程度のシリコン酸化膜2907を上記溝2905内壁に形成した。
Next, as shown in FIG. 47 (c), the
次に、図47(d)に示すように、多結晶シリコン膜2908(本実施例では、200nm〜600nm程度堆積した)を堆積し、溝2906を多結晶シリコン膜2908で埋め込む。
Next, as shown in FIG. 47D, a polycrystalline silicon film 2908 (deposited in the range of about 200 nm to 600 nm in this embodiment) is deposited, and the
次に、図47(e)に示すように、多結晶シリコン膜2908をエッチバックし、溝2906内のみに多結晶シリコン膜2908を残す。このとき、シリコン酸化膜と多結晶シリコン膜のエッチング選択比にもよるが、多結晶シリコン膜エッチバック時にシリコン酸化膜2904は薄くなる。
Next, as shown in FIG. 47E, the
オーバーエッチングの量にもよるが、シリコン酸化膜2904の膜圧が厚すぎれば、フィールド酸化後の凸段差が大きくなり、薄すぎれば、フィールド酸化後の凹段差が大きくなる。エッチバック後の多結晶シリコン膜表面の高さは、シリコン基板表面(A)から、100nm上方(B)程度の範囲内に入ればよい。
Although depending on the amount of over-etching, if the film pressure of the
次に、図47(f)に示すように、シリコン窒化膜2903表面のシリコン酸化膜2904をエッチング除去した後、フォトリソグラフィー工程により活性領域部2909をマスクして、フィールド領域2910のシリコン窒化膜2903を除去する。後は、第27、もしくは第26の実施例の方法と同様の工程を経て所望の溝型素子分離構造を形成する。
Next, as shown in FIG. 47F, after the
エッチバックが高精度であり、シリコン酸化膜2904が無くてもエッチバック後の多結晶シリコン膜表面の高さが、シリコン基板表面(A)から、100nm上方(B)程度の範囲内に入るのであれば、第27、もしくは第26の実施例の方法を行う方が工程簡略であるため、なお良い。
Since the etch back is highly accurate and the height of the polycrystalline silicon film surface after the etch back is within the range of about 100 nm above (B) from the silicon substrate surface (A) even without the
(実施例28)上記説明した本実施例では、図47(f)に示すように、上記シリコン酸化膜2904を全面除去した後フォトリソグラフィー工程を経てフィールド領域部のシリコン窒化膜2903をエッチング除去している。この場合、溝開口部の領域のシリコン酸化膜2907もシリコン酸化膜2904エッチング時にエッチングされる。このため、フィールド酸化時に酸素の拡散がシリコンまで到達時間が早く、結果としてバーズビークが大きくなる。
(Embodiment 28) In the present embodiment described above, as shown in FIG. 47 (f), the
以上の点に関し、図48(a)〜(d)を参照しながら詳しく説明する。 The above points will be described in detail with reference to FIGS. 48 (a) to 48 (d).
実施例27では、図48(a)に示すように多結晶シリコン膜30106をエッチバックした後、図48(b)に示す様に多結晶シリコン膜30104を全面エッチングしている。このため、溝開口部A領域のシリコン酸化膜30105もシリコン酸化膜30104エッチング時にエッチングされ薄くなる。この状態でフォトリソグラフィー工程を経てフォトレジスト30107をマスクとしてフィールド領域のシリコン窒化膜30103をエッチング除去(図48(c)参照)している。このため、フィールド酸化後の形状は図48(d)に示すようにバーズビークがやや大きくなる。
In Example 27, after the
本実施例では、バーズビークを抑える方法に関し説明する。 In this embodiment, a method for suppressing bird's beak will be described.
実施例27と同様に、図49(a)に示すように、多結晶シリコン膜30206をエッチバックした後、図49(b)に示す様にシリコン酸化膜30204を残したままフォトレジスト工程を行う。次に、フォトレジスト30207をマスクとしてフィールド領域上のシリコン酸化膜30204、シリコン窒化膜30203をエッチング除去する。このため、フィールド酸化後の形状は図49(d)に示すようにバーズビークが抑えられる。ただし、フィールド酸化後にシリコン酸化膜30208(フィールド酸化工程によりフィールド酸化前のシリコン酸化膜30204より厚くなっている)を除去する必要があり、このシリコン酸化膜30208の膜厚は、実施例27におけるシリコン酸化膜30108と比較し厚いため、結果的に、シリコン酸化膜30208及びシリコン窒化膜30203除去後のフィールド酸化膜厚は実施例27と比較し薄くなる。
As in the embodiment 27, after the
つまり、本実施例では、実施例27と比較し、バーズビークは抑えられるがフィールド酸化膜は薄くなるというトレードオフの関係にある。 That is, in this embodiment, compared to the embodiment 27, there is a trade-off relationship that the bird's beak is suppressed but the field oxide film is thin.
(実施例29)図50(a)〜(e)は、本発明の溝型分離構造とフィールド酸化膜の形成における工程順断面図である。 (Embodiment 29) FIGS. 50A to 50E are cross-sectional views in order of steps in forming a groove type isolation structure and a field oxide film according to the present invention.
まず、図50(a)に示すように、半導体基板3101にシリコン酸化膜3102(本実施例では、10〜20nm)及びシリコン窒化膜3103(本実施例では、100〜200nm)を順次形成する。
First, as shown in FIG. 50A, a silicon oxide film 3102 (10 to 20 nm in this embodiment) and a silicon nitride film 3103 (100 to 200 nm in this embodiment) are sequentially formed on a
次に、図50(b)に示すように、フォトリソグラフィー工程を経て、所望の溝型分離構造3104(本実施例では、幅0.1〜0.3μm)のシリコン窒化膜3103、シリコン酸化膜3102をエッチングする。
Next, as shown in FIG. 50B, through a photolithography process, a
次に、図50(c)に示すように、シリコン窒化膜3103をマスクとして、シリコン基板3101をエッチングし、溝型分離構造3104に溝3105を形成した後、上記溝3105内壁を酸化雰囲気により酸化する。本実施例では、約1〜2μmの深さの溝を形成し、10〜50nm程度のシリコン酸化膜3106を上記溝3105内壁に形成した。次に化学的気層成長法(CVD法)により、シリコン酸化膜3107を堆積する。(本実施例では、10〜70nm程度の膜厚のシリコン酸化膜を堆積した)次に、図50(d)に示すように、多結晶シリコン膜3108(本実施例では、200nm〜600nm程度堆積した)を堆積し、溝3105を多結晶シリコン膜3108で埋め込む。
Next, as shown in FIG. 50C, the
次に、図50(e)に示すように、多結晶シリコン膜3108をエッチバックし、溝3105内のみに多結晶シリコン膜3108を残す。このとき多結晶シリコン膜のオーバーエッチングにより、シリコン窒化膜3103上のシリコン酸化膜3107は薄くなる。(エッチング選択比にもよるがほとんど無くすことも可能である)。後は、実施例27もしくは、28と同様の工程を経て所望の溝型素子分離構造を形成する。
Next, as shown in FIG. 50E, the
本実施例によれば、溝開口部において、溝内に埋め込まれた多結晶シリコン膜とシリコン基板までの距離をシリコン酸化膜を介してはなすことが可能であり、バーズビークを実施例27、28と比較して、よりいっそう抑制することが可能となる。 According to the present embodiment, the distance between the polycrystalline silicon film embedded in the groove and the silicon substrate can be removed through the silicon oxide film in the groove opening, and the bird's beak is formed as in Examples 27 and 28. In comparison, it becomes possible to further suppress.
(実施例30)実施例24の構造を得るためには、実施例25〜29の製造方法において、溝内壁を酸化する工程と、多結晶シリコン膜を堆積し溝内部を多結晶シリコン膜で埋め込む工程との間に、不純物イオンをイオン注入法によりドープする工程を追加する必要がある。 (Embodiment 30) In order to obtain the structure of Embodiment 24, in the manufacturing method of Embodiments 25 to 29, the step of oxidizing the groove inner wall, depositing a polycrystalline silicon film, and filling the interior of the groove with the polycrystalline silicon film It is necessary to add a step of doping impurity ions by an ion implantation method between the steps.
本実施例では、溝のアスペクト比にもよるが、注入角度が垂直方向に対し0度〜10度程度の範囲で回転注入を実施した。ドーズ量は、1×1013〜1×1014/cm2の範囲で行った。 In this example, although it depends on the aspect ratio of the groove, the rotational injection was performed in the range of the injection angle of about 0 to 10 degrees with respect to the vertical direction. The dose was in the range of 1 × 10 13 to 1 × 10 14 / cm 2 .
101、101’、301、301’、401 半導体基板
102、102’、302、302’、402 深いウェル領域
103、103’、303、303’、403 浅いウェル領域
104、104’、304、304’、404 フィールド絶縁膜
105、105’、305、305’、405 ゲート絶縁膜
106、106’、306、306’、406 ゲート電極
107、107’、307、307’、407 ソース領域/ドレイン領域
108、108’、308、308’、408 コンタクト孔
3041、4041 フィールド絶縁膜
51、510、511、512、513 深いウェル領域
52、520、521、522、523 浅いウェル領域
53、530、531、532、533 ゲート酸化膜
54、540、541、542、543 ゲート電極
55、550、551、552、553 ゲート電極側壁酸化膜
56、560、561、562、563 金属シリサイド膜
57、570、571、572、573 不純物濃度の高い浅いウェル領域と同導電型の領域
580、592、593 フィールド酸化膜
581、582、583 溝型分離構造
621、631、641、651、661、671 深いウェル領域
622、632、642、652、662、672 浅いウェル領域
623、633、643、653、663、673 ゲート酸化膜
624、634、644、654、664、674 多結晶シリコン膜
6241、6341、6441、6541、6641、6741 チタンシリサイド膜
625、635、645、655、665、675 ゲート電極側壁酸化膜
626、636、646、656、666、676 層間絶縁膜
628、638、648、658、668、678 コンタクト孔
629 Al-Cu(0.5%)配線
6291 アルミアロイスパイク
6391、6491、6591、6691、6791 チタン膜
63911、64911、65911、66911、67911 チタンシリサイド膜
6392、6492、6592、6692、6792 窒化チタン膜
6393、6493、6593、6693、6793 Al-Si(1%)-Cu(0.5%)配線
6400、6601、6701 フィールド酸化膜
6500、6600、6700 溝型分離構造
101, 101 ′, 301, 301 ′, 401 Semiconductor substrate 102, 102 ′, 302, 302 ′, 402 Deep well region 103, 103 ′, 303, 303 ′, 403 Shallow well region 104, 104 ′, 304, 304 ′ , 404 Field insulating film 105, 105 ′, 305, 305 ′, 405 Gate insulating film 106, 106 ′, 306, 306 ′, 406 Gate electrode 107, 107 ′, 307, 307 ′, 407 Source region / drain region 108, 108 ', 308, 308', 408 Contact hole 3041, 4041 Field insulating film 51, 510, 511, 512, 513 Deep well region 52, 520, 521, 522, 523 Shallow well region 53, 530, 531, 532, 533 Gate oxide film 54, 540, 541, 542, 543 Electrode 55, 550, 551, 552, 553 Gate electrode side wall oxide film 56, 560, 561, 562, 563 Metal silicide film 57, 570, 571, 572, 573 Region 580 having the same conductivity type as a shallow well region having a high impurity concentration , 592, 593 Field oxide film 581, 582, 583 Groove type isolation structure 621, 631, 641, 651, 661, 671 Deep well region 622, 632, 642, 652, 662, 672 Shallow well region 623, 633, 643, 653, 663, 673 Gate oxide film 624, 634, 644, 654, 664, 674 Polycrystalline silicon film 6241, 6341, 6441, 6541, 6641, 6741 Titanium silicide films 625, 635, 645, 655, 665, 675 Gate electrode Side wall oxide film 6 6, 636, 646, 656, 666, 676 Interlayer insulating film 628, 638, 648, 658, 668, 678 Contact hole 629 Al-Cu (0.5%) wiring 6291 Aluminum alloy spike 6391, 6491, 6591, 6691, 6791 Titanium films 63911, 64911, 65911, 66911, 67911 Titanium silicide films 6392, 6492, 6592, 6692, 6792 Titanium nitride films 6393, 6493, 6593, 6693, 6793 Al-Si (1%)-Cu (0.5%) ) Wiring 6400, 6601, 6701 Field oxide film 6500, 6600, 6700 Groove-type isolation structure
Claims (7)
該半導体基板内に形成された第1導電型の深いウェル領域と、
該深いウェル領域内に形成された、複数の第2導電型の浅いウェル領域と、
該複数の浅いウェル領域内にそれぞれ形成された第1導電型のソース領域及びドレイン領域と、
該ソース領域及び該ドレイン領域の間に形成されたチャネル領域と、
該チャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
該ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
を備えた半導体装置であって、
該ゲート電極が対応する該浅いウェル領域と電気的に接続されており、該浅いウェル領域は、隣接する他の浅いウェル領域から電気的に分離され、
該隣接する他の浅いウェル領域は、該ゲート電極が対応する該浅いウェル領域よりも深く、該深いウェル領域よりも浅い溝型素子分離構造によって電気的に分離されており、
該溝型素子分離構造に囲まれた領域の一部を覆うようにフィールド酸化膜が形成されており、該ゲート電極と該浅いウェル領域とを電気的に接続するためのコンタクト領域が、該フィールド酸化膜によって囲まれている、半導体装置。 A semiconductor substrate;
A deep well region of a first conductivity type formed in the semiconductor substrate;
A plurality of second conductivity type shallow well regions formed in the deep well region;
A source region and a drain region of a first conductivity type formed in each of the plurality of shallow well regions;
A channel region formed between the source region and the drain region;
A gate insulating film formed on the channel region;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A semiconductor device comprising:
The gate electrode is electrically connected to the corresponding shallow well region, and the shallow well region is electrically isolated from other adjacent shallow well regions;
Other shallow well region said adjacent is deeper than the shallow well region said gate electrode corresponding are electrically isolated by a shallow trench isolation structure than the deep well region,
Field oxide film so as to cover a portion of the region surrounded by the said groove type element separation structure which is formed, a contact region for electrically connecting the said gate electrode and said shallow well region, said field A semiconductor device surrounded by an oxide film.
前記ゲート絶縁膜上に形成された多結晶シリコン膜と、
該多結晶シリコン膜上に形成された金属シリサイド膜と
を含んでおり、
該金属シリサイド膜は、前記浅いウェル領域の前記コンタクト領域を介して、該浅いウェルに電気的に接続されており、
該コンタクト領域には、該浅いウェル領域の導電型と同じ導電型の不純物が該浅いウェル領域の他の部分の不純物濃度よりも高い不純物濃度で拡散された高濃度不純物拡散領域が形成されており、
該高濃度不純物拡散領域を介して該金属シリサイド膜と該浅いウェル領域とがオーミック接触している請求項1に記載の半導体装置。 The gate electrode is
A polycrystalline silicon film formed on the gate insulating film;
A metal silicide film formed on the polycrystalline silicon film,
The metal silicide film via the contact region of the shallow well region is electrically connected to the shallow well,
In the contact region , a high concentration impurity diffusion region is formed in which impurities of the same conductivity type as the conductivity type of the shallow well region are diffused with an impurity concentration higher than the impurity concentration of other portions of the shallow well region. ,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the metal silicide film and the shallow well region are in ohmic contact with each other through the high concentration impurity diffusion region.
該層間絶縁膜上に設けられた上部配線と
を備えており、
該層間絶縁膜には、前記ゲート電極及び前記ゲート絶縁膜を貫通して前記浅いウェル領域の前記コンタクト領域に達するコンタクト孔が形成されており、
該コンタクト領域には、該浅いウェル領域の導電型と同じ導電型の不純物が該浅いウェル領域の他の部分の不純物濃度よりも高い不純物濃度で拡散された高濃度不純物拡散領域が形成されており、
該コンタクト孔の底部において、該高濃度不純物拡散領域を介して該上部配線と該浅いウェル領域とがオーミック接続され、
該コンタクト孔の側壁部において、該ゲート電極と該上部配線とがオーミック接続されている請求項1に記載の半導体装置。 An interlayer insulating film provided on the semiconductor substrate;
An upper wiring provided on the interlayer insulating film,
The interlayer insulating film, wherein which the contact hole reaching the contact regions are formed of the gate electrode and the shallow well region through said gate insulating film,
In the contact region , a high concentration impurity diffusion region is formed in which impurities of the same conductivity type as the conductivity type of the shallow well region are diffused with an impurity concentration higher than the impurity concentration of other portions of the shallow well region. ,
At the bottom of the contact hole, the upper wiring and the shallow well region are ohmically connected via the high-concentration impurity diffusion region,
In the side wall portion of the contact hole, a semiconductor device according to claim 1 wherein said gate electrode and the upper wiring and is ohmically connected.
該回路ブロックがスタンバイ状態のとき、電源電圧の供給を遮断する半導体装置。 A power supply voltage cutoff circuit is provided between a circuit block configured by the semiconductor device according to claim 1 and a power supply voltage supply source,
A semiconductor device that cuts off supply of power supply voltage when the circuit block is in a standby state.
該回路ブロックがスタンバイ状態のとき、電源電圧の供給および接地電圧の供給を遮断する半導体装置。 A cutoff circuit is provided between the circuit block configured by the semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 and a power supply voltage supply source, and between the circuit block and the ground voltage supply source,
A semiconductor device that cuts off supply of power supply voltage and supply of ground voltage when the circuit block is in a standby state.
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