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JP5244464B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof, and integrated semiconductor device and nonvolatile semiconductor memory device using the semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof, and integrated semiconductor device and nonvolatile semiconductor memory device using the semiconductor device Download PDF

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JP5244464B2 JP2008142966A JP2008142966A JP5244464B2 JP 5244464 B2 JP5244464 B2 JP 5244464B2 JP 2008142966 A JP2008142966 A JP 2008142966A JP 2008142966 A JP2008142966 A JP 2008142966A JP 5244464 B2 JP5244464 B2 JP 5244464B2
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Description

本発明は半導体装置およびその製造方法に係り、特に低電圧で動作する論理回路素子、および、それを応用した半導体記憶装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a logic circuit element that operates at a low voltage, a semiconductor memory device to which the logic circuit element is applied, and a manufacturing method thereof.

20世紀末から21世紀にかけて、CMOSデバイスを縮小し、集積度を高めることで、飛躍的に情報処理能力を高めた半導体集積回路(チップ)が実現されてきた。CMOSデバイスの縮小には、MOSFETデバイスの構造が極めてシンプルであったこと、また、加工に用いるプレーナ技術の継続的な進歩が大きな役割を果たしてきたものと考えることができる。この集積度の増大は、チップの消費電力を増大させることになるため、デバイスのサイズを縮小させるとともに、使用電圧を低下させる“スケーリング”が行われてきた。論理回路に用いられるいわゆる“ロジックCMOS”の電源電圧としては、例えば、90nmプレーナ技術世代では、1.2V、さらに先の45nm世代では1Vといった電圧設定が行われている。この様子は、例えばInternational Technology Roadmap for Semiconductor(ITRS)2005年版(非特許文献1)に見ることができる。この中にも示されているが、さらにデバイスサイズを縮小してゆくには、1V以下まで電圧を下げることが必要になるものと考えられる。   From the end of the 20th century to the 21st century, semiconductor integrated circuits (chips) with dramatically improved information processing capabilities have been realized by reducing CMOS devices and increasing the degree of integration. In reducing the size of CMOS devices, it can be considered that the structure of MOSFET devices has been extremely simple, and the continuous advancement of planar technology used for processing has played a major role. Since this increase in the degree of integration increases the power consumption of the chip, “scaling” has been performed in which the device size is reduced and the operating voltage is reduced. As the power supply voltage of the so-called “logic CMOS” used in the logic circuit, for example, a voltage setting of 1.2 V in the 90 nm planar technology generation and 1 V in the further 45 nm generation is performed. This state can be seen in, for example, International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS) 2005 edition (Non-patent Document 1). As shown in this, it is considered that the voltage needs to be lowered to 1 V or less in order to further reduce the device size.

しかし、1V以下の電圧でMOSFETを動作させるには、スイッチング特性が大きな課題になるものと考えられている。MOSFETのスイッチングは、ゲート電圧を加えることで、オン・オフを変化させている。これは、ある電圧(閾値)を境にMOSFETのチャネルの伝導性が急激に変化することを用いたものである。この変化をチャネル電流の変化として評価するSubthreshold Swing(以下、S値)を用いると、S〜100mV/桁になっている。即ち、0.1V程度のゲート電圧を加えることで、チャネル電流を一桁増大させることができる。S値が小さいほど、急峻なスイッチング特性を示すことになる。MOSFETでは、1Vの電圧に対して10桁程度の変化することから、十分急峻なスイッチング特性を得ることができており、デジタル回路動作の基本素子となっている。   However, switching characteristics are considered to be a major issue in operating a MOSFET with a voltage of 1 V or less. The switching of the MOSFET is turned on and off by applying a gate voltage. This is based on the fact that the channel conductivity of the MOSFET changes abruptly at a certain voltage (threshold). When Subthreshold Swing (hereinafter referred to as S value), which evaluates this change as a change in channel current, is used, it is S to 100 mV / digit. That is, the channel current can be increased by an order of magnitude by applying a gate voltage of about 0.1V. The smaller the S value, the steeper switching characteristics are shown. Since the MOSFET changes by about 10 digits with respect to a voltage of 1V, sufficiently steep switching characteristics can be obtained, which is a basic element for digital circuit operation.

このS値については、ゲートの電界効果により誘起されるチャネル電荷により支配されていることが知られている。すなわち、チャネル表面状態がボルツマン分布に従うことから、理想的なMOSFETデバイスが実現した場合に、
S=2.3kT/q
と表すことができる。ここにkはボルツマン定数、Tは温度、qは電子電荷である。例えば室温(300°K)において59.5mVをとることになる。MOSFETにおいては、S値をこれ以下にすることはできないため、MOSFETの課題のなかで、60mVの壁として知られている問題になっている。
This S value is known to be dominated by channel charge induced by the field effect of the gate. That is, since the channel surface state follows the Boltzmann distribution, when an ideal MOSFET device is realized,
S = 2.3 kT / q
It can be expressed as. Here, k is Boltzmann's constant, T is temperature, and q is electronic charge. For example, 59.5 mV is taken at room temperature (300 ° K). In a MOSFET, the S value cannot be made lower than this, and therefore, a problem known as a 60 mV wall is a problem among MOSFETs.

先に述べたように、消費電力を低減するため、電源電圧を低下させる上で、このS値に下限があることは大きな障害となる。例えば電圧を0.3Vに設定すると、5桁のオン・オフ比をとることが限界になることを示している。実際のデバイスにおいては、これに閾値のバラツキなどの効果が加わることから、さらに、オン・オフ比が低下することになり、良好な回路動作を得ることができなくなる。
これまで、S値を改善(低減)させた低S値デバイスの新たな構造の提案が行われてきている。例えば、2002年にPlummer等は、International Electron Device Meetingにおいて、I−MOSと呼ばれる構造の提案を行っている(2002年アイ・イー・イー インターナショナル エレクトロン デバイシーズ ミーティング テクニカル ダイジェスト 289頁から291頁 (IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest pp. 289-292, 2002)(非特許文献2)。I−MOSでは、高電界によりアバランシェ現象を起こすことで、電荷量を増幅させ、ボルツマン分布で規定される電荷を超える電荷を得ることが行われている。
As described above, in order to reduce the power consumption, the lowering of the power supply voltage is a serious obstacle to the S value having a lower limit. For example, when the voltage is set to 0.3 V, it is indicated that it becomes a limit to obtain an on / off ratio of 5 digits. In an actual device, an effect such as a variation in threshold value is added to this, so that the on / off ratio is further reduced, and a satisfactory circuit operation cannot be obtained.
So far, new structures of low S value devices with improved (reduced) S values have been proposed. For example, in 2002, Plimmer et al. Proposed a structure called I-MOS at International Electron Device Meeting (2002 International Electron Devices Meeting Technical Digest 289-291 (IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest pp. 289-292, 2002) (Non-Patent Document 2) In I-MOS, the avalanche phenomenon is caused by a high electric field to amplify the amount of charge and exceed the charge specified by the Boltzmann distribution. Is getting done.

しかし、この原理では、増幅させて発生させた電荷のゲートによる制御性が劣化すること、また、高電界を発生させるため、高い電圧が必要になる。これらは、本発明が解決すべき課題として考えている、電力低減のための電圧低減と逆行している。そのため、これまで提案されてきた低S値デバイス構造は、本発明の取り扱う分野では用いることはできないものと考えられる。すなわち、増幅作用を用いる素子では、半導体のバンドギャップに比べ大きな電圧をかけることが通常行われることから、バンドギャップに比べ、小さな電圧下で動作する状態において、有効に働く素子を開発する必要がある。   However, according to this principle, the controllability by the gate of the charge generated by amplification is deteriorated, and a high voltage is required to generate a high electric field. These are contrary to voltage reduction for power reduction, which is considered as a problem to be solved by the present invention. Therefore, it is considered that the low S value device structure proposed so far cannot be used in the field handled by the present invention. That is, in an element using an amplifying action, a voltage larger than that of a semiconductor bandgap is usually applied. Therefore, it is necessary to develop an element that works effectively in a state of operating under a voltage smaller than that of the bandgap. is there.

特開平4−343475号公報JP-A-4-343475 http://www.itrs.net/“International Technology Roadmap for Semiconductor(ITRS)”、2005年版http://www.itrs.net/“International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS) ”, 2005 edition 「2002年アイ・イー・イー・イー、インターナショナル エレクトロン デバイス ミィーティング、テクニカルダイジェスト(2002 IEEE, International Electron Device Meeting, Technical Digest)」、p.289―292“2002 IEEE, International Electron Device Meeting, Technical Digest”, p. 289-292 S.Sze著 「フィジックス オブ セミコンダクター デバイシーズ第2版(Physics of Semiconductor Devices,2nd edition)」、 A Wiley−Interscience publication、p.190―242S. Sze, “Physics of Semiconductor Devices, 2nd edition”, A Wiley-Interscience publication, p. 190-242

本発明の目的は、これまでのCMOSと同等の集積性を維持しながら、CMOSに比べ優れたスイッチング特性をもつ、即ち、室温においてS値が60mVより小さな値をもつトランジスタ素子を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a transistor element having a switching characteristic superior to that of a CMOS while maintaining an integration property equivalent to that of a conventional CMOS, that is, having an S value smaller than 60 mV at room temperature. is there.

従来のMOSFETのドレイン拡散層内にダイオード素子と抵抗素子を形成することにより、この目的を達成することができる。後で加工プロセスをもとに詳しく説明するが、この構造では、集積性の問題は生じることはない。すなわちプレーナ技術においてMOSFETの拡散層は、ゲート電極に対してイオン打ち込み法を用いることで自己整合的に形成される。そのため、ゲート電極を小さく形成すれば、それに合わせて素子特性を決める拡散層も極めて小さく(近接させて)形成することができ、素子性能を向上させながら全体を小さくでき、集積性を高くできる要因になっている。現在、半導体産業において広く用いられているスペーサ技術を用いると、本発明構造のダイオードおよび抵抗素子も、ゲート電極に対して自己整合的に形成することができる。そのため、本発明構造は集積性の問題を生じないことが明らかである。   This object can be achieved by forming a diode element and a resistance element in the drain diffusion layer of the conventional MOSFET. As will be described in detail later on the basis of the machining process, there is no problem of integration in this structure. That is, in the planar technology, the diffusion layer of the MOSFET is formed in a self-aligned manner by using an ion implantation method for the gate electrode. Therefore, if the gate electrode is made small, the diffusion layer that determines the device characteristics can be made very small (close to it), and the overall size can be reduced while improving the device performance, and the integration can be improved. It has become. At present, when the spacer technology widely used in the semiconductor industry is used, the diode and the resistance element having the structure of the present invention can be formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode. Therefore, it is clear that the structure of the present invention does not cause the problem of integration.

次に、S値が小さくなることを、図1A,Bを用いて説明する。図1Aは本発明素子構造の等価回路を示したものである。本発明素子は、構造としては1素子でありながら、拡散層にダイオードを組み込むことで、等価回路的には、MOSFETとダイオードと抵抗素子の3つを含むものになっている。またこの構成は、基板電極を考えると、図1Bの等価回路図で示すように、MOSFETとバイポーラトランジスタと抵抗素子の3つを含むものとみることもできる。ここでMOSFETにはNMOS、また、バイポーラトランジスタにPNPを用いて説明する。ゲート電極に電圧を印加した場合の、ノードAにおける電位(φ)変化を計算したものを図2に示す。D端子に電位Vを印加し、ゲート電圧を上げてゆくと、φはゲート電位とは逆に、Vから急激に低下することがわかる。 Next, the decrease in the S value will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. FIG. 1A shows an equivalent circuit of the element structure of the present invention. Although the element of the present invention is one element in structure, by incorporating a diode in the diffusion layer, an equivalent circuit includes three elements, a MOSFET, a diode, and a resistance element. In consideration of the substrate electrode, this configuration can be regarded as including three elements, a MOSFET, a bipolar transistor, and a resistance element, as shown in the equivalent circuit diagram of FIG. 1B. Here, description will be made using NMOS for the MOSFET and PNP for the bipolar transistor. FIG. 2 shows the calculated potential (φ A ) change at the node A when a voltage is applied to the gate electrode. The potential V D is applied to the D terminal and Yuku raising the gate voltage, phi A is contrary to the gate potential, it can be seen that rapidly drops from V D.

これは、図1B中の破線で囲んだNMOSと抵抗の接続はインバータを形成するものとみることができることからも理解することができる。このときバイポーラ素子のエミッタ−ベース間となるダイオードBにおいては、V−φの電圧が印加されることになる。図3にゲート電位と、ダイオードに印加されるV−φの関係をプロットしている。この図から明らかなように、ゲートに印加すると、ゲート電位の昇圧に比べ極めて急激に大きくなる電圧がダイオードに印加されることになる。そのため、ドレインでは、急激に増大する電流を得ることができる。後の実施例1において製造方法を詳細に説明する素子を用いて得たドレイン電流−ゲート電圧特性を図4に示した。測定はドレイン電圧0.7Vで行った。図中破線で示したものが、比較のために示した従来MOSFETのサブスレショルド特性である。60mV/桁より急峻な傾きをもっていることを示している。ここで述べた動作説明からわかるように、この電流の立ち上がるゲート電位は、MOSFETの閾値に依存することになる。そのため、通常のイオン打ち込みなどの方法により立ち上がり位置の調整を容易に行うことができる。本発明によれば、60mVより小さなS値を得ることができるため、優れたスイッチング特性を持った素子を実現される。 This can also be understood from the fact that the connection between the NMOS and the resistor surrounded by a broken line in FIG. 1B can be regarded as forming an inverter. The emitter of this time bipolar device - in diode B to be between the base, a voltage of V D -.phi A is applied. FIG. 3 plots the relationship between the gate potential and V D −φ A applied to the diode. As is apparent from this figure, when applied to the gate, a voltage that increases extremely rapidly as compared with the boosting of the gate potential is applied to the diode. Therefore, a rapidly increasing current can be obtained at the drain. FIG. 4 shows drain current-gate voltage characteristics obtained by using an element that explains the manufacturing method in detail in Example 1 later. The measurement was performed at a drain voltage of 0.7V. What is indicated by a broken line in the figure is a subthreshold characteristic of the conventional MOSFET shown for comparison. It shows that the slope is steeper than 60 mV / digit. As can be seen from the explanation of the operation described here, the gate potential at which this current rises depends on the threshold value of the MOSFET. Therefore, the rising position can be easily adjusted by a normal method such as ion implantation. According to the present invention, since an S value smaller than 60 mV can be obtained, an element having excellent switching characteristics can be realized.

図1Bの等価回路で示したように、本発明素子は、MOSFETとバイポーラトランジスタをダーリントン接続として知られている接続法によりつないだ構成になっている。MOSFETとバイポーラトランジスタを接続させることは、これまで広く用いられている。この構成をとることで、MOSFETのゲート入力応答性の良さと、バイポーラトランジスタの電流駆動能力の高さを組み合わせることができるためである。   As shown in the equivalent circuit of FIG. 1B, the element of the present invention has a configuration in which a MOSFET and a bipolar transistor are connected by a connection method known as Darlington connection. Connecting a MOSFET and a bipolar transistor has been widely used so far. This is because by adopting this configuration, it is possible to combine the good gate input response of the MOSFET with the high current drive capability of the bipolar transistor.

しかし、素子のS値を向上させることを目的としたものではなかったため、これまでは、主に高耐圧MOSなどの高い電圧下で用いることが考えられてきた。そのため、動作電圧に比べて小さなサブスレショルド領域については動作上問題とならず、MOSFETがオンした状態で、バイポーラトランジスタが駆動されるような想定がなされていた。すなわち、本発明においては、MOSFETのサブスレショルド領域において、バイポーラトランジスタを駆動するように設定することが特長となる。そのため、例えば図1Bの構成において、抵抗素子の抵抗値Rを、MOSFETのサブスレショルド領域のチャネル抵抗に合わせるように形成する。具体的には、エンハンスメント型のMOSFETのサブスレショルド領域とは、チャネル表面がフラットバンド状態から弱反転する領域とみることができる。基板電位を接地状態にしたとき、表面ポテンシャル(φ)は、0<φ<2φのときと考えることができる。ここにφは、チャネル層のフェルミレベルである。φ=0は、フラットバンド状態に対応することになる。よって、この領域での動作を考えるとき、代表的表面ポテンシャルとして1.5φをとることが妥当なものと考えられる。このとき、チャネル抵抗RCHを表面ポテンシャルの関数と考え、RCH(φ)とすると、R〜RCH(1.5φ)となるように抵抗を形成すればよい。 However, since it was not intended to improve the S value of the element, it has so far been considered to be used mainly under a high voltage such as a high voltage MOS. For this reason, the subthreshold region smaller than the operating voltage is not problematic in operation, and it has been assumed that the bipolar transistor is driven with the MOSFET turned on. That is, the present invention is characterized in that the bipolar transistor is set to be driven in the sub-threshold region of the MOSFET. Therefore, for example, in the configuration of FIG. 1B, the resistance value R N of the resistance element is formed so as to match the channel resistance of the sub-threshold region of the MOSFET. Specifically, the subthreshold region of the enhancement type MOSFET can be regarded as a region where the channel surface is weakly inverted from the flat band state. When the substrate potential is grounded, the surface potential (φ s ) can be considered as 0 <φ s <2φ F. Here, φ F is the Fermi level of the channel layer. φ s = 0 corresponds to a flat band state. Therefore, when considering the operation in this region, it is considered appropriate to take 1.5φ F as the representative surface potential. At this time, assuming that the channel resistance R CH is a function of the surface potential and RCH (φ s ), the resistance may be formed so that R N to R CH (1.5 φ F ).

本発明構造について接合の配置からみると、ドレイン端子側よりPNPNとPN接合が重複して配置されているものとみることができる。この重畳された接合は、サイリスタ(Thyristor)として知られる高電圧素子の高速化技術と同じ構成とみることができる。サイリスタについては、例えばS.M.ツェー著フィジックス オブ セミコンダクター デバイシーズ、第2版ウイリー インターサイエンス出版の第190頁から242頁(S. M. Sze, Physics of Semiconductor devices, 2nd edition, A Wiley-Interscience publication) (非特許文献3)に詳しい記述がみられる。サイリスタにおいては、注入された電荷によって電位変動を起こすことが高速動作の原理になっている。電荷注入による電位変化により、さらに多くの電荷注入を行う、フィードフォワード効果が働くため、高速スイッチングができる。そのため現在、多くの駆動力が必要とされる分野で、高耐圧スイッチング素子として用いられている。   From the viewpoint of the arrangement of the junction in the structure of the present invention, it can be seen that the PNPN and the PN junction are overlapped from the drain terminal side. This superposed junction can be regarded as having the same configuration as that of a high-voltage device speed-up technique known as a thyristor. As for the thyristor, for example, S.C. M.M. Physics of Semiconductor Devices by Tse, 2nd edition, pages 190-242 of SM It is done. In thyristors, the principle of high-speed operation is to cause potential fluctuations due to injected charges. Due to the potential change caused by the charge injection, the feed forward effect of performing more charge injection works, so that high-speed switching can be performed. Therefore, it is currently used as a high breakdown voltage switching element in a field where a large amount of driving force is required.

これに対して、本発明構造においては、電荷によって制御するのではなく、抵抗分割によって各ノードの電位が与えられる。そのため、過剰電荷を注入する必要はなく、低電圧であっても高速に動作できるところが特長となる。また、高耐圧動作で用いられている絶縁ゲート型バイポーラトランジスタにおいて、サイリスタと同様な取り組みをみることができる。例えば、特開平4−343475(特許文献1)において記述をみることができる。ここでは、重畳した接合構造上に絶縁ゲート型のゲート電極を配置した構造がとられている。注入された過剰電荷を引き抜くため、抵抗素子をつけ加えることが考えられている。これらは、能動素子部に蓄積する電荷をバイパスして外部に引き抜くために形成されているため、低い抵抗値に設定し、直接外部への端子につながるように形成される。一方、本発明構造では、電荷引き抜きを目的としたものではないため、基板内に形成されたノードに接続することで、有効に働かせることができる特徴がある。   On the other hand, in the structure of the present invention, the potential of each node is given by resistance division rather than being controlled by charge. Therefore, there is no need to inject excess charge, and the feature is that it can operate at high speed even with a low voltage. In addition, in the insulated gate bipolar transistor used in the high breakdown voltage operation, the same approach as that of the thyristor can be seen. For example, the description can be found in JP-A-4-343475 (Patent Document 1). Here, a structure is employed in which an insulated gate type gate electrode is arranged on the overlapping junction structure. In order to extract the injected excess charge, it is considered to add a resistance element. These are formed so as to bypass the charge accumulated in the active element portion and to be extracted outside, so that they are set to a low resistance value and directly connected to the terminal to the outside. On the other hand, the structure of the present invention is not intended to extract charges, and therefore has the feature that it can be effectively operated by connecting to a node formed in the substrate.

本発明によれば、デジタル論理回路を構成するため用いられる高集積向け絶縁ゲート電界効果型トランジスタにおいて、ゲート電極への電圧印加に対するチャネル抵抗変化が60mVより小さな素子を得ることができる。   According to the present invention, in an insulated gate field effect transistor for high integration used for configuring a digital logic circuit, an element having a change in channel resistance with respect to voltage application to the gate electrode of less than 60 mV can be obtained.

以下に、図面を用いて実施例を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.

以下、本発明の代表的なデバイス構造について、製造工程を含め説明する。従来のNMOSに対応する本発明素子を用いて最初に説明する。その後、PMOSに対応する素子も同様に形成できることを示し、CMOS構成をとることで、電力低減に向けて好適な素子であることを示す。図1Bの等価回路図に対応する素子の平面配置を図5に、また、図5のA−A断面による素子断面模式図を図6Aに示した。図6Aにおいて、ゲート電極500は、ゲート絶縁膜900を介して基板100表面のチャネルポテンシャルφを制御する。基板100はP型シリコンであり、n型不純物拡散層200および300が、MOSFETにおけるソース、ドレイン電極となっている。拡散層300の中に、P型拡散層領域350と、300に比べ高濃度なN型領域400が形成されている。P型拡散層400とN型拡散層300およびP型基板100が連続して配置されることで、PNPバイポーラトランジスタが構成される。高濃度に形成されたP型350層と、N型400層を近接させて形成しているため、350−400間は、耐圧の低いダイオードすなわち抵抗性の強いPN接合が形成されている。そのため、MOSFETのドレイン拡散層のチャネル端におけるポテンシャルφは、ドレイン350に印加された電圧が、400を介して300に接続されることになる。 Hereinafter, a typical device structure of the present invention will be described including manufacturing steps. First, description will be made using the element of the present invention corresponding to a conventional NMOS. Thereafter, it is shown that an element corresponding to the PMOS can be formed in the same manner, and that a CMOS structure is suitable for reducing power consumption. FIG. 5 shows a planar arrangement of elements corresponding to the equivalent circuit diagram of FIG. 1B, and FIG. 6A shows a schematic cross-sectional view of the element taken along the line AA of FIG. In FIG. 6A, the gate electrode 500 controls the channel potential φ S on the surface of the substrate 100 through the gate insulating film 900. The substrate 100 is P-type silicon, and the n-type impurity diffusion layers 200 and 300 serve as source and drain electrodes in the MOSFET. In the diffusion layer 300, a P-type diffusion layer region 350 and an N-type region 400 having a higher concentration than that of the 300 are formed. A PNP bipolar transistor is configured by successively arranging the P-type diffusion layer 400, the N-type diffusion layer 300, and the P-type substrate 100. Since the P-type 350 layer formed at a high concentration and the N-type 400 layer are formed close to each other, a low-breakdown-voltage diode, that is, a highly resistive PN junction is formed between 350-400. Therefore, the potential φ N at the channel end of the drain diffusion layer of the MOSFET is connected to 300 through 400 by the voltage applied to the drain 350.

よって、この350−400間の抵抗と、拡散層300の内部抵抗が、図1Bの等価回路に示した抵抗素子を構成する。350−400間に形成される抵抗素子を説明するため、図6Aの350−400の接合の基板深さ方向での不純物分布を図6Bに示した。後の製造工程で説明するが、LSAにより実現した急峻なピークを持つ、P型(350)とN型(400)不純物が、1019〜1020cm−3程度の高濃度で接する接合が形成されている。この高濃度接合の電流−電圧特性を図6Cに示した。図からわかるように、高濃度PN接合では、通常のPN接合(図中破線で示した)とは異なり、逆バイアス状態でも電流がオフされず、抵抗素子として機能することが示されている。これより、図6Aに模式的に示した素子構造により図1Bの等価回路が実現されていることがわかる。 Therefore, the resistance between 350 and 400 and the internal resistance of the diffusion layer 300 constitute the resistance element shown in the equivalent circuit of FIG. 1B. In order to explain the resistance element formed between 350 and 400, the impurity distribution in the substrate depth direction of the junction of 350 to 400 in FIG. 6A is shown in FIG. 6B. As will be described later in the manufacturing process, a junction in which P-type (350) and N-type (400) impurities are in contact with each other at a high concentration of about 10 19 to 10 20 cm −3 has a sharp peak realized by LSA. Has been. The current-voltage characteristics of this high-concentration junction are shown in FIG. 6C. As can be seen from the figure, the high-concentration PN junction is different from a normal PN junction (indicated by a broken line in the figure), and the current is not turned off even in the reverse bias state, and functions as a resistance element. From this, it can be seen that the equivalent circuit of FIG. 1B is realized by the element structure schematically shown in FIG. 6A.

以下、この図5のA−A断面を用いて素子形成工程を図7から図12を用いて説明する。
図7:P型シリコン基板表面に10nmの熱酸化膜を形成後、100nmのシリコン窒化膜をCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて堆積し、ホトリソグラフィ法を用いて活性領域パターン(図5、1100)により、活性領域をパターニングし、ドライエッチング法により、該シリコン窒化膜、熱酸化膜を基板面に垂直方向に異方性エッチングした後、シリコン基板に異方性エッチングを行い、300nm溝を形成する。その後、露出したシリコン表面を酸化することで5nmの酸化膜形成し、CVD法により700nmのシリコン酸化膜を堆積したのち、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて、該シリコン窒化膜を下地マスクとして、堆積した酸化膜の研磨を行い、形成した溝中除いて、他の堆積した酸化膜を除去した後、マスクとして使用したシリコン窒化膜を熱リン酸を用いたウエットエッチングにより除去する。イオン打ち込み法および熱処理を用いてボロンをドーピングすることで、基板表面付近にP型濃度を8×1017cm−3に設定したウエル領域を形成する。この不純物濃度プロファイルの設定により、MOSFETの閾値を設定できる。また、フッ酸を用いてシリコン窒化膜の下に形成していた熱酸化膜を除去することでシリコン表面を露出させる。この工程は、浅溝アイソレーションとして知られる素子分離領域形成プロセスであるため、ここでは図を省略する。これにより、シリコン表面が露出した活性領域と、素子分離絶縁膜910に覆われた素子分離領域を形成する。
Hereinafter, the element forming process will be described with reference to FIGS. 7 to 12 using the AA cross section of FIG.
FIG. 7: After forming a 10 nm thermal oxide film on the surface of a P-type silicon substrate, a 100 nm silicon nitride film is deposited using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and an active region pattern (FIG. 5, 1100), the active region is patterned, and the silicon nitride film and the thermal oxide film are anisotropically etched in a direction perpendicular to the substrate surface by a dry etching method. Then, the silicon substrate is anisotropically etched to form a 300 nm groove. Form. Thereafter, the exposed silicon surface is oxidized to form a 5 nm oxide film, and after depositing a 700 nm silicon oxide film by a CVD method, the silicon nitride film is used as a base mask using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method. The deposited oxide film is polished to remove other deposited oxide films except in the formed grooves, and then the silicon nitride film used as a mask is removed by wet etching using hot phosphoric acid. By doping boron using an ion implantation method and heat treatment, a well region having a P-type concentration set to 8 × 10 17 cm −3 is formed in the vicinity of the substrate surface. The threshold value of the MOSFET can be set by setting the impurity concentration profile. Further, the silicon surface is exposed by removing the thermal oxide film formed under the silicon nitride film using hydrofluoric acid. Since this process is an element isolation region forming process known as shallow trench isolation, a drawing is omitted here. Thus, an active region where the silicon surface is exposed and an element isolation region covered with the element isolation insulating film 910 are formed.

図8:熱酸化により活性領域に3nmのゲート酸化膜900を形成し、CVD法を用いて結晶シリコン500を100nm堆積する。該多結晶シリコン層にin-situドーピング法またはイオン打ち込み法などを用いて高濃度にリンをドーピングする。ゲートパターン(図5、1500)により、ホトリソグラフィ法を用いてパターニングし、ドライエッチング法を用いて、多結晶シリコン層を基板面に垂直方向に異方的にエッチングすることで、ゲート電極500を形成する。
図9:ゲート電極500をマスクにイオン打ち込み法を用いて砒素を25keVの加速エネルギーで5×1014cm−2ドーピングし熱処理による不純物の活性化を行い、拡散層電極200および300を形成する。このとき、ゲート500とともにホトリソグラフィ法を用いてホトレジストをパターニングしてイオン打ち込みのマスクにすることができる。図5、1205および1305を用いることで、ソース200とドレイン300に異なる濃度を持った拡散層を形成することができる。
図10:CVD法によりシリコン酸化膜50nmを堆積し、異方的にエッチングすることで、ゲート500側面にスペーサ920を形成する。該スペーサ920、ゲート500およびホトリソグラフィ法により形成したパターン図5、1305のレジストをマスクにボロンを2keVで2×1015cm−2でイオン打ち込みを行う。
図11:更に、CVD法によりシリコン酸化膜50nmを堆積し、異方的にエッチングすることで、スペーサ920の外側にスペーサ930を形成する。スペーサ920、930、ゲート500およびホトリソグラフィ法により形成したパターン図5、1305のレジストをマスクに砒素を40keVで2×1015cm−2でイオン打ち込みを行う。Laser Spike Annealing(LSA)を用いて短時間高温活性化を行い、P型不純物領域350および高濃度N型領域400を形成する。これにより、350と400は、高濃度拡散層領域が接したPN接合を形成することができる。このとき、高濃度拡散層400のイオン打ち込みエネルギーを調整することで、このPN接合の抵抗を変えることができる。
図12:以下、通常のLSIで用いられている配線工程を行うことで素子を得ることができる。ここでは、CVD法により酸化膜940を500nm堆積した後、CMP法により平坦化し、図5、1650で示したコンタクトパターンを用いてホトリソグラフィ法によりパターニングし、ドライエッチングにより酸化膜940に孔を形成するkとで、コンタクト孔を開口させる。ここでは、図5のA−A断面で示しているため、ゲート500へのコンタクトは現れていないが、拡散層200および350と同時にコンタクト孔を形成している。コンタクト開口後、タングステン50nm、アルミニウム200nmの積層膜を堆積しホトリソグラフィ法を用いてパターニングし、金属積層膜を加工することで配線600を得た。
FIG. 8: A gate oxide film 900 having a thickness of 3 nm is formed in the active region by thermal oxidation, and crystalline silicon 500 is deposited to a thickness of 100 nm using a CVD method. The polycrystalline silicon layer is doped with phosphorus at a high concentration by using an in-situ doping method or an ion implantation method. The gate electrode 500 is patterned by photolithography using the gate pattern (FIGS. 5 and 1500) and anisotropically etching the polycrystalline silicon layer in the direction perpendicular to the substrate surface using the dry etching method. Form.
FIG. 9: Diffusion layer electrodes 200 and 300 are formed by doping the arsenic with 5 × 10 14 cm −2 at an acceleration energy of 25 keV by ion implantation using the gate electrode 500 as a mask and activating the impurities by heat treatment. At this time, the photoresist can be patterned using the photolithography method together with the gate 500 to form an ion implantation mask. By using FIGS. 5, 1205, and 1305, diffusion layers having different concentrations can be formed in the source 200 and the drain 300.
FIG. 10: A silicon oxide film 50 nm is deposited by CVD and anisotropically etched to form a spacer 920 on the side surface of the gate 500. Boron is ion-implanted at 2 × 10 15 cm −2 at 2 keV using the spacers 920, the gate 500 and the resists of the pattern diagrams 5, 1305 formed by photolithography as a mask.
FIG. 11: Furthermore, a silicon oxide film 50 nm is deposited by CVD and anisotropically etched to form a spacer 930 outside the spacer 920. Ions are implanted at 2 × 10 15 cm −2 at 40 keV using the spacers 920 and 930, the gate 500 and the resists of the pattern diagrams 5 and 1305 formed by photolithography as a mask. Laser activation is performed for a short time using Laser Spike Annealing (LSA) to form a P-type impurity region 350 and a high-concentration N-type region 400. Thereby, 350 and 400 can form a PN junction in contact with the high-concentration diffusion layer region. At this time, the resistance of the PN junction can be changed by adjusting the ion implantation energy of the high concentration diffusion layer 400.
FIG. 12: Hereinafter, an element can be obtained by performing a wiring process used in a normal LSI. Here, an oxide film 940 is deposited to a thickness of 500 nm by the CVD method, planarized by the CMP method, patterned by the photolithography method using the contact pattern shown in FIGS. 5 and 1650, and a hole is formed in the oxide film 940 by dry etching. The contact hole is opened at k. Here, as shown in the AA cross section of FIG. 5, the contact to the gate 500 does not appear, but a contact hole is formed simultaneously with the diffusion layers 200 and 350. After the contact opening, a laminated film of tungsten 50 nm and aluminum 200 nm was deposited and patterned using a photolithography method, and the wiring 600 was obtained by processing the metal laminated film.

これらの配線工程の形成には、これまで知られている抵抗低減プロセスなどを用いることが当然できる。たとえば、層間膜940堆積前に、コバルト、ニッケル、チタンなどを用いたサリサイドプロセスを行うことで、コンタクトの抵抗を下げることができる。また、配線600は、タングステンとアルミニウムの積層膜を用いたが、銅配線技術をもちいることが出来る。必要に応じて多層配線を形成することもできる。
この形成プロセスによれば、前述したように、通常のMOSFETと同じ平面レイアウトで、本発明構造が作ることができることは明らかである。そのため、集積性を損ねることなく高性能な素子を得ることができる。
In order to form these wiring steps, it is possible to use a resistance reduction process known so far. For example, by performing a salicide process using cobalt, nickel, titanium, or the like before the interlayer film 940 is deposited, the contact resistance can be lowered. In addition, although the wiring 600 uses a laminated film of tungsten and aluminum, copper wiring technology can be used. Multi-layer wiring can be formed as necessary.
According to this formation process, as described above, it is obvious that the structure of the present invention can be formed with the same planar layout as that of a normal MOSFET. Therefore, a high-performance element can be obtained without impairing integration.

これまで、素子構造を説明するため、NMOSに対応する本発明素子を用いた。本発明素子では、PMOSに対応する素子も形成できるため、従来のMOSFETと同様、相補型(Complementary)動作する回路を構成することができる。そこで、相補動作させる場合の製造工程を示す。図20は、デジタル回路の基本となっているCMOSインバータを、本発明素子に置き換えたものを等価回路的に示したものである。M1は、NMOSに対応する本発明素子、M2は、PMOSに対応する本発明素子である。図中、一般に用いられているMOSFETの記号に、ダイオードを形成した拡散層、すなわちドレインに対応する電極向きを示すため、三角形による矢印をつけた素子記号により示している。ノード1は入力端子、ノード4は出力端子、ノード2は電源電位VDD、ノード3は接地電位GNDに接続されている。これにより、入力端子と出力端子をインバータ動作させることができる。製造方法を素子断面構造図13から図19を用いて説明する。 So far, the present invention element corresponding to NMOS has been used to describe the element structure. In the element of the present invention, an element corresponding to the PMOS can also be formed, so that a circuit that operates in a complementary manner can be formed as in the conventional MOSFET. Therefore, a manufacturing process in the case of performing a complementary operation is shown. FIG. 20 shows an equivalent circuit in which a CMOS inverter, which is the basis of a digital circuit, is replaced with an element of the present invention. M1 is a device of the present invention corresponding to NMOS, and M2 is a device of the present invention corresponding to PMOS. In the figure, in order to indicate the direction of the electrode corresponding to the diffusion layer in which the diode is formed, that is, the drain, the symbol of the commonly used MOSFET is indicated by an element symbol with a triangular arrow. Node 1 is connected to an input terminal, node 4 is connected to an output terminal, node 2 is connected to power supply potential V DD , and node 3 is connected to ground potential GND. Thereby, the input terminal and the output terminal can be operated as an inverter. The manufacturing method will be described with reference to FIG. 13 to FIG.

図13:図7において説明した素子分離領域形成プロセスを用いて活性領域と素子分離酸化膜910を形成する。断面構造図の左側にNMOSに対応する素子、右側にPMOSに対応する素子を形成する。そのため、基板左側にはイオン打ち込み法を用いてP型ウエル105を、右側にはN型ウエル106を形成する。
図14:図8において説明したゲート形成プロセスと同様に、活性領域の表面シリコンを熱酸化することで3nmの厚さのゲート絶縁膜900を形成し、多結晶シリコンをCVD法により100nm堆積する。左側にリンを、右側にボロンをイオン打ち込みすることで導電化し、ホトリソグラフィ法とドライエッチング技術を用いることで、ゲート電極505と506を形成する。
図15:図9の拡散層形成プロセスと同様に、ゲート505、506およびホトレジストパターンをマスクに、N型拡散層を305,205,156に、P型拡散層を155、206,306に形成する。
図16:図10の不純物注入プロセスと同様に、スペーサ920を形成した後、N型拡散層255、356、P型拡散層256、355を形成する。
図17:図11の拡散層形成プロセスと同様に、スペーサ930を形成した後、LSAを用いてN型高濃度層405、P型高濃度層406を形成する。
図18:公知のサリサイドプロセスを用いて、拡散層電極およびゲート電極上にニッケルシリサイド層650を形成する。
図19:図12で述べたように、公知の配線プロセスを用いて配線層を形成する。ここでは2層の金属配線層(600、610)を形成した様子を示している。
ここではインバータの製造方法を示した。インバータは、デジタル回路の基本単位となっている。これを組み合わせることで、デジタル回路で用いられるNANDなどの基本論理ゲートを構成できるため、これら基本論理ゲートに本発明素子を適応できることがわかる。
FIG. 13: An active region and an element isolation oxide film 910 are formed using the element isolation region formation process described in FIG. An element corresponding to NMOS is formed on the left side of the cross-sectional structure diagram, and an element corresponding to PMOS is formed on the right side. Therefore, a P-type well 105 is formed on the left side of the substrate using an ion implantation method, and an N-type well 106 is formed on the right side.
FIG. 14: Similar to the gate formation process described in FIG. 8, the surface silicon in the active region is thermally oxidized to form a gate insulating film 900 having a thickness of 3 nm, and polycrystalline silicon is deposited to a thickness of 100 nm by the CVD method. Phosphorus is ion-implanted on the left side and boron is ion-implanted on the right side, and gate electrodes 505 and 506 are formed by using a photolithography method and a dry etching technique.
FIG. 15: Similarly to the diffusion layer formation process of FIG. 9, N-type diffusion layers are formed on 305, 205, and 156 and P-type diffusion layers are formed on 155, 206, and 306 using the gates 505 and 506 and the photoresist pattern as a mask. .
FIG. 16: Similar to the impurity implantation process of FIG. 10, after the spacer 920 is formed, N-type diffusion layers 255 and 356 and P-type diffusion layers 256 and 355 are formed.
FIG. 17: Similar to the diffusion layer forming process of FIG. 11, after the spacer 930 is formed, the N-type high concentration layer 405 and the P-type high concentration layer 406 are formed using LSA.
FIG. 18: A nickel silicide layer 650 is formed on the diffusion layer electrode and the gate electrode using a known salicide process.
FIG. 19: As described in FIG. 12, a wiring layer is formed using a known wiring process. Here, a state in which two metal wiring layers (600, 610) are formed is shown.
Here, an inverter manufacturing method is shown. An inverter is a basic unit of a digital circuit. By combining them, it is possible to construct basic logic gates such as NAND used in digital circuits, and it can be seen that the element of the present invention can be applied to these basic logic gates.

次に、本発明素子は、従来MOSFETと同時に形成すること(集積すること)ができることを示す。集積する製造工程を図21から図27を用いて説明する。これら素子断面構造図において、左側にNMOSに対応した本発明素子、右に従来NMOSが形成される様子を示す。
図21:図7および図13において前述した浅溝アイソレーションプロセスにより活性領域および素子分離領域910を形成する。
図22:図8において説明したゲート形成プロセスと同様に、ゲート絶縁膜900およびゲート電極505、506を形成する。但し、505および506はともにN型不純物をドーピングしている。
図23:図9の拡散層形成プロセスと同様に、ゲートをマスクにイオン打ち込みすることで、拡散層電極を形成する。ここで、305,205,206,306はN型、P型ウエルへの給電部である155,156はP型拡散層を形成する。
図24:図10の不純物注入プロセスと同様に、スペーサ920を形成した後、本発明素子部の355に、ボロンをイオン打ち込みする。
図25:図11の拡散層形成プロセスと同様に、スペーサ930を形成した後、本発明素子部の405に、リンをイオン打ち込みした後、LSAにより活性化する。
図26:シリサイド層650を拡散層電極およびゲート上に形成する。
図27:図12で述べたように、公知のバックエンドプロセスを用いることで金属配線600を得る。
Next, it will be shown that the element of the present invention can be formed (integrated) at the same time as a conventional MOSFET. The manufacturing process to be integrated will be described with reference to FIGS. In these element cross-sectional structure diagrams, the element of the present invention corresponding to the NMOS is formed on the left side, and the conventional NMOS is formed on the right side.
FIG. 21: An active region and an element isolation region 910 are formed by the shallow trench isolation process described above with reference to FIGS.
FIG. 22: A gate insulating film 900 and gate electrodes 505 and 506 are formed in the same manner as the gate formation process described in FIG. However, both 505 and 506 are doped with N-type impurities.
FIG. 23: Similar to the diffusion layer formation process of FIG. 9, the diffusion layer electrode is formed by ion implantation using the gate as a mask. Here, 305, 205, 206, and 306 are N-type, and 155 and 156 that are power supply portions to the P-type well form a P-type diffusion layer.
FIG. 24: Similar to the impurity implantation process of FIG. 10, after the spacer 920 is formed, boron is ion-implanted into the element portion 355 of the present invention.
FIG. 25: Similarly to the diffusion layer forming process of FIG. 11, after forming the spacer 930, phosphorus is ion-implanted into the element portion 405 of the present invention and then activated by LSA.
FIG. 26: A silicide layer 650 is formed on the diffusion layer electrode and the gate.
FIG. 27: As described in FIG. 12, the metal wiring 600 is obtained by using a known back-end process.

ここで示した様に、本発明素子と従来MOSFETは容易に集積することができる。本発明素子は、極めて優れたスイッチング特性を持っているが、ソース電極とドレイン電極が異なる構造を持っているため、非対称な構造になっている。そのため、回路構成上対称性が要求されるパストランジスタとして用いられるところでは、従来MOSFETを置き換えることができない問題がある。しかし、ここで示したように従来MOSFETと高い集積性をもつことから、対称性の必要なところに従来MOSFETを用いて、本発明素子と組み合わせることで優れた特性を得ることができる。例として、SRAMセルに用いた場合を図28A,Bに示した。図28Aは、2つのNMOS、およびNMOSに対応する2つの本発明素子の計4素子によるSRAMセルである。また、図28Bは、基本構成は、一般に用いられている6トランジスタのCMOS SRAMセルである。ここで本発明素子は図20に用いたものと同様の表記を用いて示した。パスゲートは、従来NMOSにより構成している。   As shown here, the element of the present invention and the conventional MOSFET can be easily integrated. The element of the present invention has extremely excellent switching characteristics, but has an asymmetric structure because the source electrode and the drain electrode have different structures. Therefore, there is a problem that conventional MOSFETs cannot be replaced when used as pass transistors that require symmetry in circuit configuration. However, as shown here, since it has high integration with the conventional MOSFET, excellent characteristics can be obtained by using the conventional MOSFET where symmetry is required and combining with the element of the present invention. As an example, FIGS. 28A and 28B show a case where the SRAM cell is used. FIG. 28A shows an SRAM cell having a total of four elements including two NMOSs and two elements of the present invention corresponding to the NMOSs. FIG. 28B shows a basic structure of a 6-transistor CMOS SRAM cell generally used. Here, the element of the present invention is shown using the same notation as that used in FIG. The pass gate is conventionally composed of NMOS.

図28Bに示したSRAMセルの特性を、図29にバタフライカーブを用いて示した。従来CMOSでは動作できない電圧0.3Vにおいて、大きなスタティック ノイズ マージンをもつことから、本発明素子を用いることで極めて良好なメモリ特性を得られることがわかる。   The characteristics of the SRAM cell shown in FIG. 28B are shown in FIG. 29 using a butterfly curve. Since a large static noise margin is obtained at a voltage of 0.3 V, which cannot be operated by a conventional CMOS, it can be seen that extremely good memory characteristics can be obtained by using the element of the present invention.

次に、本発明素子をSilicon On Insulator(SOI)基板に形成する場合について説明する。SOI基板を用いた製造工程を図30から図35の素子断面構造図で示した。この素子の形成にあたっては、単体素子としてみると、図5に示した平面レイアウトと同様な配置により形成することができる。
図30:支持基板100と埋め込み酸化膜960上に、50nm厚さのP型1015cm−3薄膜単結晶シリコン101を持ったSOI基板を用いて、活性領域と素子分離領域を形成する。素子分離のための浅溝を、埋め込み酸化膜960中までエッチングすることで、単結晶シリコン基板を用いた場合と同様に、素子分離領域を作ることができる。
図31:ゲート絶縁膜900を形成し、高濃度に不純物をドーピングすることで導電化した多結晶シリコンをパターニングして、ゲート電極500を形成する。
図32:該ゲート電極をマスクにリンをイオン打ち込みすることで、N型拡散層電極200および300を形成する。このとき、ソース200側の打ち込みエネルギーをドレイン側に比べ低くすることで、浅い接合を形成することができる。
図33:ゲート500側面にスペーサ920を形成し、ゲート500、スペーサ920およびパターニングしたホトレジストをマスクにボロンをイオン打ち込みすることで、ドレイン側350、ソース側450に不純物を注入する。
図34:図11のスペーサ形成プロセスと同様に、スペーサ930を形成し、砒素をイオン打ち込み法を用いて注入し、LSA法を用いて活性化することで高濃度不純物400を形成する。
図35:以下、配線工程により各電極に金属配線を設けたところを示したものである。
この構造では、ソース側において、N型高濃度拡散層200と、P型高濃度拡散層450が接しているため、極めて耐圧の低いPN接合が形成され、抵抗器として動作する。そのため、チャネル部101は、この抵抗を介してソース200に接続することができる。従来SOI−MOSFETでは、埋め込み酸化膜があるため、チャネル部に給電することができず、基板浮遊現象とよばれる不安定動作を引き起こすことが知られており、大きな課題になっている。これに対して、本実施例で示したソース側の構造を用いることで、ソース電極に接続することができるため、こうした問題を回避することができる。これは、従来MOSFETにおいても、そのまま適用することができる。この抵抗器を設けることで、SOI基板においても、図1Bに等価回路により示した本発明構造が実現できる。
Next, the case where the element of the present invention is formed on a Silicon On Insulator (SOI) substrate will be described. The manufacturing process using the SOI substrate is shown in the element cross-sectional structure diagram of FIGS. In forming this element, when viewed as a single element, it can be formed in the same arrangement as the planar layout shown in FIG.
FIG. 30: An active region and an element isolation region are formed on a support substrate 100 and a buried oxide film 960 using an SOI substrate having a P-type 10 15 cm −3 thin film single crystal silicon 101 having a thickness of 50 nm. By etching the shallow trench for element isolation up to the buried oxide film 960, an element isolation region can be formed as in the case of using a single crystal silicon substrate.
FIG. 31: A gate insulating film 900 is formed, and polycrystalline silicon that has been made conductive by doping impurities at a high concentration is patterned to form a gate electrode 500.
FIG. 32: N-type diffusion layer electrodes 200 and 300 are formed by ion implantation of phosphorus using the gate electrode as a mask. At this time, a shallow junction can be formed by making the implantation energy on the source 200 side lower than that on the drain side.
FIG. 33: A spacer 920 is formed on the side surface of the gate 500, and boron is ion-implanted using the gate 500, the spacer 920 and the patterned photoresist as a mask, thereby implanting impurities into the drain side 350 and the source side 450.
FIG. 34: Similar to the spacer formation process of FIG. 11, a spacer 930 is formed, arsenic is implanted using an ion implantation method, and activated using an LSA method to form a high concentration impurity 400.
FIG. 35: In the following, the metal wiring is provided on each electrode by the wiring process.
In this structure, since the N-type high concentration diffusion layer 200 and the P-type high concentration diffusion layer 450 are in contact with each other on the source side, a PN junction with an extremely low breakdown voltage is formed and operates as a resistor. Therefore, the channel portion 101 can be connected to the source 200 through this resistor. In the conventional SOI-MOSFET, since there is a buried oxide film, it is known that power cannot be supplied to the channel portion, causing an unstable operation called a substrate floating phenomenon, which is a big problem. In contrast, by using the structure on the source side shown in this embodiment, it is possible to connect to the source electrode, so that such a problem can be avoided. This can be applied to a conventional MOSFET as it is. By providing this resistor, the structure of the present invention shown by the equivalent circuit in FIG. 1B can be realized even in an SOI substrate.

これまで、シリコンのPN接合を用いたダイオードをドレイン拡散層中に形成する例について述べてきた。同じようなダイオード特性は、金属−半導体界面接合(Schottky接合)を用いて実現することができる。LSAを用いた実施例1に示した製造方法はそのままSchottky接合を持つデバイス形成に置き換えることができる。すなわち、LSAによる不純物の活性化は、薄膜金属層を形成後に行うことができる。そのため、図10で示した350にイオン打ち込みを行う代わりに、シリサイド反応させ350を形成した後、400をイオン打ち込みし、LSAで活性化させることで、Schottky接合を持った本発明素子を得ることができる。また、図36から図40の素子断面構造図で示す製造方法により形成することもできる。
図36:図7と同様に、活性領域と素子分離領域を形成する。
図37:図8と同様に、ゲート絶縁膜900、ゲート電極500を形成する。
図38:図9と同様に、ゲート500表面に3nmの酸化膜915を成長させたのち、これらをマスクに、拡散層200および300を形成する。
図39:CVD法により多結晶シリコンを100nm堆積し、ドライエッチすることでゲート500側面に多結晶シリコンスペーサ515を形成し、高濃度層460をイオン注入する。
図40:ウエットエッチング法により、多結晶シリコンスペーサ515を除去し、CVD法によりシリコン酸化膜920を堆積後、拡散層200側をホトレジストで覆い、拡散層300側にスペーサ920を形成する。露出した拡散層300上のシリコン表面に選択的にコバルトをシリサイド反応させ、シリサイド層360を形成する。このプロセスは、サリサイドプロセスをドレイン側のみに適用したものである。金属としては、Pt,Ni,Er、W、Moなどを用いることができる。
これにより、PN接合に代え、Schottky接合を持った本発明素子を得ることができる。ここでは、シリサイド反応を用いて選択的に金属層360を形成したが、本プロセスを応用することで、金属層360を堆積することで形成することができる。その製造方法を図41、図42を用いて示す。
図41:ゲート電極を、導電化した100nmの多結晶シリコン500と100nmの酸化膜916の積層構造にし、図39と同様に、多結晶シリコンスペーサ515を形成する。このスペーサなどをマスクにイオン打ち込みすることで高濃度層460を形成する。
図42:図40と同様に、多結晶シリコンスペーサ515を除去した後、酸化膜スペーサ層920を堆積、エッチングすることで、ドレイン300側にスペーサ920をつくり、露出したシリコン面に接するように、金属層360を堆積する。金属層には、タングステンを用いた場合、選択成長技術を用いて、開口部のみに堆積させることができる。また、この構造では、基板全面に金属層を堆積した後、ホトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることで形成することができる。そのため、幅広くPt、Al、Auを用いることができる。
So far, examples have been described in which a diode using a silicon PN junction is formed in a drain diffusion layer. Similar diode characteristics can be realized using a metal-semiconductor interface junction (Schottky junction). The manufacturing method shown in Example 1 using LSA can be directly replaced with device formation having a Schottky junction. That is, the activation of the impurities by LSA can be performed after the thin film metal layer is formed. Therefore, instead of performing ion implantation on 350 shown in FIG. 10, after forming a 350 by silicidation, 400 is ion-implanted and activated by LSA to obtain the element of the present invention having a Schottky junction. Can do. Also, it can be formed by the manufacturing method shown in the element cross-sectional structure diagrams of FIGS.
FIG. 36: As in FIG. 7, an active region and an element isolation region are formed.
FIG. 37: As in FIG. 8, a gate insulating film 900 and a gate electrode 500 are formed.
FIG. 38: Similarly to FIG. 9, after a 3 nm oxide film 915 is grown on the surface of the gate 500, diffusion layers 200 and 300 are formed using these as masks.
FIG. 39: Polycrystalline silicon is deposited to a thickness of 100 nm by CVD, and dry etching is performed to form a polycrystalline silicon spacer 515 on the side surface of the gate 500, and a high concentration layer 460 is ion implanted.
FIG. 40: The polycrystalline silicon spacer 515 is removed by a wet etching method, a silicon oxide film 920 is deposited by a CVD method, the diffusion layer 200 side is covered with a photoresist, and a spacer 920 is formed on the diffusion layer 300 side. Silicide is selectively reacted with cobalt on the exposed silicon surface on the diffusion layer 300 to form a silicide layer 360. In this process, the salicide process is applied only to the drain side. As the metal, Pt, Ni, Er, W, Mo, or the like can be used.
Thereby, it can replace with a PN junction and can obtain the element of the present invention which has a Schottky junction. Here, the metal layer 360 is selectively formed using a silicide reaction; however, by applying this process, the metal layer 360 can be formed by deposition. The manufacturing method will be described with reference to FIGS.
FIG. 41: The gate electrode has a laminated structure of 100 nm polycrystalline silicon 500 having conductivity and 100 nm oxide film 916, and a polycrystalline silicon spacer 515 is formed as in FIG. The high concentration layer 460 is formed by ion implantation of this spacer or the like into a mask.
FIG. 42: Similar to FIG. 40, after removing the polysilicon spacer 515, an oxide film spacer layer 920 is deposited and etched to form a spacer 920 on the drain 300 side so that it contacts the exposed silicon surface. A metal layer 360 is deposited. When tungsten is used for the metal layer, it can be deposited only on the opening using a selective growth technique. In addition, this structure can be formed by depositing a metal layer on the entire surface of the substrate and then patterning it using a photolithography technique. Therefore, Pt, Al and Au can be widely used.

PN接合特性を向上させるうえで、シリコンのPN接合に代えて、バンドギャップの狭い半導体を用いたヘテロ構造を形成することにより、より低電圧での動作特性を向上させることができる。SiGe結晶を用いた場合の製造方法を図43から図47を用いて示す。
図43:図7と同様に、活性領域と素子分離領域を形成する。
図44:実施例4において図41で示したように、多結晶シリコン500と酸化膜916の積層構造によりゲート電極を形成する。
図45:ゲート電極をマスクに、拡散層電極200および300をイオン打ち込み法により形成する。
図46:ゲート側面に酸化膜スペーサ920を形成した後、10nmの酸化膜921を堆積し、ホトリソグラフィ法を用いてドレイン300側を開口し、シリコン表面を露出させる。開口面に、SiGe層をエピ成長させ、P型にドーピングする。
図47:更に酸化膜スペーサ930を形成し、該スペーサなどをマスクにイオン打ち込みすることで、高濃度層400を得る。
SiGe層350はSiに比べ狭いバンドギャップをもつため、低電圧印加時のオン特性を向上させることができる。一方、オフ状態において、ゲート500によりリークが抑えられるため、リーク電流は低減することができる。この特性は狭バンドギャップ半導体を用いるときに問題となる高温下で用いる場合に、極めて有効である。
In order to improve the PN junction characteristics, the operation characteristics at a lower voltage can be improved by forming a heterostructure using a semiconductor having a narrow band gap instead of the silicon PN junction. A manufacturing method using SiGe crystal will be described with reference to FIGS.
FIG. 43: As in FIG. 7, an active region and an element isolation region are formed.
FIG. 44: As shown in FIG. 41 in the fourth embodiment, a gate electrode is formed by a laminated structure of polycrystalline silicon 500 and oxide film 916.
FIG. 45: Diffusion layer electrodes 200 and 300 are formed by ion implantation using the gate electrode as a mask.
FIG. 46: After an oxide film spacer 920 is formed on the gate side surface, a 10 nm oxide film 921 is deposited, and the drain 300 side is opened by photolithography to expose the silicon surface. A SiGe layer is epitaxially grown on the opening surface and doped to be P-type.
FIG. 47: Further, an oxide film spacer 930 is formed, and the high concentration layer 400 is obtained by ion implantation using the spacer or the like as a mask.
Since the SiGe layer 350 has a narrower band gap than Si, it is possible to improve the on characteristics when a low voltage is applied. On the other hand, leakage current can be reduced because leakage is suppressed by the gate 500 in the off state. This characteristic is extremely effective when used at a high temperature, which is a problem when a narrow band gap semiconductor is used.

高濃度層を自己整合的に形成するため、スペーサを用いて形成することを示してきた。これに対して、イオン打ち込み時に角度をもった注入を行うことで、自己整合的に形成することもできる。製造方法を図48から図52を用いて説明する。
図48:図7と同様に、活性領域と素子分離領域を形成する。
図49:図8と同様に、ゲート電極500を形成する。
図50:図9と同様に、ゲート500などをマスクに拡散層電極200および300を形成する。
図51:図10と同様に、ゲート500側面にスペーサ920を形成し、これなどをマスクに不純物層350を注入する。
図52:ゲート面に対して斜めからイオン注入を行い、拡散層400を形成する。このとき、ソース側中にも400が形成されるが、同じ導電型のため動作特性上問題は引き起こさない。そのため、2重のスペーサを形成することなく、自己整合的に所望の拡散層を得ることができる。
In order to form the high-concentration layer in a self-aligned manner, it has been shown that it is formed using a spacer. On the other hand, it can also be formed in a self-aligned manner by performing implantation at an angle during ion implantation. The manufacturing method will be described with reference to FIGS.
FIG. 48: As in FIG. 7, an active region and an element isolation region are formed.
FIG. 49: The gate electrode 500 is formed as in FIG.
FIG. 50: Similar to FIG. 9, diffusion layer electrodes 200 and 300 are formed using gate 500 and the like as a mask.
FIG. 51: As in FIG. 10, a spacer 920 is formed on the side surface of the gate 500, and an impurity layer 350 is implanted using this as a mask.
FIG. 52: Ion implantation is performed obliquely with respect to the gate surface to form the diffusion layer 400. At this time, 400 is also formed on the source side, but it does not cause a problem in operating characteristics because of the same conductivity type. Therefore, a desired diffusion layer can be obtained in a self-aligned manner without forming a double spacer.

図50の工程において、スペーサにより拡散層350を形成していたが、図53に示すように、ゲート500に対して斜めからイオン打ち込みすることで、自己整合的に拡散層350を形成することができる。図53において820は、ホトレジストマスクを示している。   In the process of FIG. 50, the diffusion layer 350 is formed by the spacer. However, as shown in FIG. 53, the diffusion layer 350 can be formed in a self-aligning manner by implanting ions into the gate 500 from an oblique direction. it can. In FIG. 53, reference numeral 820 denotes a photoresist mask.

本発明素子は、ゲート電極の電界効果により制御する素子のサブスレショルド領域のスイッチング特性を改善するものである。そこで、保持電荷によりゲート閾値を変化させる不揮発性メモリ素子に応用することができる。シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層膜を電荷保持膜として用いる、いわゆるMONOS型の不揮発性メモリセルに応用した場合を、図54から図58を用いて製造工程をもとに説明する。
図54:図7と同様に、活性領域と素子分離領域を形成する。
図55:活性領域のシリコン表面を2nm熱酸化971し、CVD法を用いてシリコン窒化膜972を10nm堆積し、さらにCVD法を用いて5nmのシリコン酸化膜973を堆積する。窒化膜972を厚く堆積し、In−Situ Steam Generation(ISSG)酸化を用いて、窒化膜972を酸化することで、酸化膜973を形成してもよい。高濃度にリンを不純物としてドーピングした多結晶シリコン500により、ゲート電極を形成する。
図56:ゲート500をマスクに砒素をイオン打ち込みし、活性化することで、拡散層電極200および300を形成する。
図57:ゲート500側面に酸化膜スペーサ920を形成し、これなどをマスクに拡散層350にイオン打ち込み法によりボロンを注入する。
図58:さらに酸化膜スペーサ930を形成し、これなどをマスクに砒素をイオン打ち込みし、LSAにより活性化することで、高濃度層400を得る。以下、通常の配線工程により、配線層を形成するが、ここでは省略する。
The element of the present invention improves the switching characteristics of the subthreshold region of the element controlled by the electric field effect of the gate electrode. Therefore, the present invention can be applied to a nonvolatile memory element in which the gate threshold value is changed by holding charge. A case of applying to a so-called MONOS type nonvolatile memory cell using a stacked film of a silicon oxide film, a silicon nitride film and a silicon oxide film as a charge retention film will be described based on the manufacturing process with reference to FIGS. To do.
54: As in FIG. 7, an active region and an element isolation region are formed.
FIG. 55: The silicon surface of the active region is thermally oxidized 971 by 2 nm, a silicon nitride film 972 is deposited by CVD method, and a silicon oxide film 973 of 5 nm is deposited by CVD method. The oxide film 973 may be formed by depositing the nitride film 972 thick and oxidizing the nitride film 972 by using In-Situ Steam Generation (ISSG) oxidation. A gate electrode is formed using polycrystalline silicon 500 doped with phosphorus as an impurity at a high concentration.
FIG. 56: Diffusion layer electrodes 200 and 300 are formed by implanting and activating arsenic ions using gate 500 as a mask.
FIG. 57: An oxide film spacer 920 is formed on the side surface of the gate 500, and boron is implanted into the diffusion layer 350 by ion implantation using this as a mask.
FIG. 58: Further, an oxide film spacer 930 is formed, arsenic is ion-implanted using these as a mask, and activated by LSA to obtain a high concentration layer 400. Hereinafter, although a wiring layer is formed by a normal wiring process, it is omitted here.

この構造において、例えばゲートに10Vを印加することで、基板100表面に強反転層が形成され、ここより電子が酸化膜971をトンネルすることで窒化膜972に注入、トラップされる。また、電子をトラップした状態で、ゲート電極に−10Vを印加することで、トラップされていた電子が基板側に酸化膜971をトンネルして抜け、また、基板形成された正孔蓄積層より正孔が酸化膜971をトンネルして窒化膜972に注入されることでトラップされていた電子が消滅し、正孔をトラップした状態をえることができる。このトラップ電荷により、電子がトラップされているときは、閾値が高く、また、正孔がトラップされているときには、閾値が低くなる。この閾値の違いを、一定電圧に対するセル電流の違いとして読み出すことで、不揮発性メモリとして動作させることができる。本発明構造をドレイン300に適用することで、ゲート電圧に対して極めて急峻に電流を変化させることができるため、少ない電荷トラップで、大きな電流値の差を得ることができる。トラップさせる電荷量が少ないため、トンネル膜へのストレスが小さく、また、自己電界も弱いため、良好な保持特性を得ることができる。
ここでは、MONOS型のメモリセルを用いて説明したが、浮遊ゲート型のメモリセルにおいても、本発明を適用することで、同様の効果を得ることができる。
In this structure, for example, by applying 10 V to the gate, a strong inversion layer is formed on the surface of the substrate 100, and electrons are injected and trapped in the nitride film 972 by tunneling the oxide film 971 from here. In addition, by applying −10 V to the gate electrode in a state where electrons are trapped, the trapped electrons are tunneled through the oxide film 971 to the substrate side, and more positive from the hole accumulation layer formed on the substrate. When holes are tunneled through the oxide film 971 and injected into the nitride film 972, trapped electrons disappear and a hole is trapped. Due to the trapped charge, the threshold is high when electrons are trapped, and the threshold is low when holes are trapped. By reading out this difference in threshold value as a difference in cell current with respect to a certain voltage, it is possible to operate as a nonvolatile memory. By applying the structure of the present invention to the drain 300, the current can be changed very steeply with respect to the gate voltage, so that a large difference in current value can be obtained with few charge traps. Since the amount of charge to be trapped is small, the stress on the tunnel film is small, and the self electric field is also weak, so that good holding characteristics can be obtained.
Although the MONOS type memory cell has been described here, the same effect can be obtained by applying the present invention to a floating gate type memory cell.

本発明素子動作を説明するための代表的等価回路図。The typical equivalent circuit diagram for demonstrating this invention element | device operation | movement. 本発明素子動作を説明するための代表的等価回路図。The typical equivalent circuit diagram for demonstrating this invention element | device operation | movement. 本発明素子動作を説明するゲート電圧とポテンシャル変化の関係図。FIG. 4 is a relationship diagram between gate voltage and potential change for explaining the operation of the element of the present invention. 本発明素子動作を説明するゲート電圧と印加バイアスの関係図。FIG. 5 is a relationship diagram between a gate voltage and an applied bias for explaining the operation of the element of the present invention. 本発明素子の特性を示したゲート電圧とドレイン電流の関係図。The relationship figure of the gate voltage and drain current which showed the characteristic of this invention element. 本発明素子構造を説明するための平面配置図。FIG. 5 is a plan layout view for explaining the element structure of the present invention. 本発明素子構造を説明するための模式的に示した素子断面構造図。The element cross-section figure which showed typically for describing this invention element structure. 本発明素子構造を説明するための基板深さ方向での不純物分布図。The impurity distribution diagram in the substrate depth direction for explaining the element structure of the present invention. 本発明素子構造を説明するための抵抗素子特性。Resistance element characteristics for explaining the element structure of the present invention. 実施例1に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an element cross-sectional structure diagram illustrating a method for producing an element of the present invention shown in Example 1. 実施例1に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an element cross-sectional structure diagram illustrating a method for producing an element of the present invention shown in Example 1. 実施例1に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an element cross-sectional structure diagram illustrating a method for producing an element of the present invention shown in Example 1. 実施例1に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an element cross-sectional structure diagram illustrating a method for producing an element of the present invention shown in Example 1. 実施例1に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an element cross-sectional structure diagram illustrating a method for producing an element of the present invention shown in Example 1. 実施例1に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an element cross-sectional structure diagram illustrating a method for producing an element of the present invention shown in Example 1. 実施例1のその他の本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 5 is a cross-sectional structure diagram of an element for explaining another method of manufacturing an element of the present invention according to Example 1. 実施例1のその他の本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 5 is a cross-sectional structure diagram of an element for explaining another method of manufacturing an element of the present invention according to Example 1. 実施例1のその他の本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 5 is a cross-sectional structure diagram of an element for explaining another method of manufacturing an element of the present invention according to Example 1. 実施例1のその他の本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 5 is a cross-sectional structure diagram of an element for explaining another method of manufacturing an element of the present invention according to Example 1. 実施例1のその他の本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 5 is a cross-sectional structure diagram of an element for explaining another method of manufacturing an element of the present invention according to Example 1. 実施例1のその他の本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 5 is a cross-sectional structure diagram of an element for explaining another method of manufacturing an element of the present invention according to Example 1. 実施例1のその他の本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 5 is a cross-sectional structure diagram of an element for explaining another method of manufacturing an element of the present invention according to Example 1. 実施例1のその他の本発明素子を説明する等価回路図。FIG. 3 is an equivalent circuit diagram for explaining another element of the present invention according to the first embodiment. 実施例2に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the element of this invention shown in Example 2. FIG. 実施例2に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the element of this invention shown in Example 2. FIG. 実施例2に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the element of this invention shown in Example 2. FIG. 実施例2に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the element of this invention shown in Example 2. FIG. 実施例2に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the element of this invention shown in Example 2. FIG. 実施例2に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the element of this invention shown in Example 2. FIG. 実施例2に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the element of this invention shown in Example 2. FIG. 実施例2に示した本発明素子を説明するSRAMセルの等価回路図。3 is an equivalent circuit diagram of an SRAM cell for explaining the element of the present invention shown in Embodiment 2. FIG. 実施例2に示した本発明素子を説明するSRAMセルの等価回路図。3 is an equivalent circuit diagram of an SRAM cell for explaining the element of the present invention shown in Embodiment 2. FIG. 実施例2に示した本発明素子の効果を説明するSRAMセルの特性図。FIG. 6 is a characteristic diagram of an SRAM cell for explaining the effect of the element of the present invention shown in Example 2. 実施例3に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of this invention element shown in Example 3. FIG. 実施例3に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of this invention element shown in Example 3. FIG. 実施例3に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of this invention element shown in Example 3. FIG. 実施例3に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of this invention element shown in Example 3. FIG. 実施例3に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of this invention element shown in Example 3. FIG. 実施例3に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of this invention element shown in Example 3. FIG. 実施例4に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of this invention element shown in Example 4. FIG. 実施例4に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of this invention element shown in Example 4. FIG. 実施例4に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of this invention element shown in Example 4. FIG. 実施例4に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of this invention element shown in Example 4. FIG. 実施例4に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of this invention element shown in Example 4. FIG. 実施例4のその他の本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the other this invention element of Example 4. FIG. 実施例4のその他の本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the other this invention element of Example 4. FIG. 実施例5に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 10 is a device cross-sectional structure diagram illustrating a method for manufacturing the device of the present invention shown in Example 5. 実施例5に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 10 is a device cross-sectional structure diagram illustrating a method for manufacturing the device of the present invention shown in Example 5. 実施例5に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 10 is a device cross-sectional structure diagram illustrating a method for manufacturing the device of the present invention shown in Example 5. 実施例5に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 10 is a device cross-sectional structure diagram illustrating a method for manufacturing the device of the present invention shown in Example 5. 実施例5に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 10 is a device cross-sectional structure diagram illustrating a method for manufacturing the device of the present invention shown in Example 5. 実施例6に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 11 is a device cross-sectional structure diagram illustrating a method for manufacturing the device of the present invention shown in Example 6. 実施例6に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 11 is a device cross-sectional structure diagram illustrating a method for manufacturing the device of the present invention shown in Example 6. 実施例6に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 11 is a device cross-sectional structure diagram illustrating a method for manufacturing the device of the present invention shown in Example 6. 実施例6に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 11 is a device cross-sectional structure diagram illustrating a method for manufacturing the device of the present invention shown in Example 6. 実施例6に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。FIG. 11 is a device cross-sectional structure diagram illustrating a method for manufacturing the device of the present invention shown in Example 6. 実施例6のその他の本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the other this invention element of Example 6. FIG. 実施例7に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the element of this invention shown in Example 7. FIG. 実施例7に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the element of this invention shown in Example 7. FIG. 実施例7に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the element of this invention shown in Example 7. FIG. 実施例7に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the element of this invention shown in Example 7. FIG. 実施例7に示した本発明素子の製造方法を説明する素子断面構造図。The element cross-section figure explaining the manufacturing method of the element of this invention shown in Example 7. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

100,101:基板、
105,106:ウエル、
155,156、200、205、206、300、305、306、350、355,356、400,405,406,450、460:拡散層電極、
360:シリサイド、
500,505,506:ゲート、
515:多結晶シリコン、
600、610:金属配線層、
650:シリサイド、
820:ホトレジスト、
900:ゲート絶縁膜、
910、915、916、920、921、930、940,960:絶縁膜、
971:シリコン酸化膜、
972:シリコン窒化膜、
973:シリコン酸化膜、
1100:活性領域パターン、
1200、1300、1350,1400:拡散層電極パターン、
1500:ゲートパターン、
1205、1305:イオン打ち込みマスクパターン、
1650:コンタクトホールパターン。
100, 101: substrate,
105, 106: Well,
155, 156, 200, 205, 206, 300, 305, 306, 350, 355, 356, 400, 405, 406, 450, 460: diffusion layer electrodes,
360: Silicide,
500, 505, 506: gate,
515: polycrystalline silicon,
600, 610: Metal wiring layer,
650: Silicide,
820: Photoresist,
900: Gate insulating film,
910, 915, 916, 920, 921, 930, 940, 960: insulating film,
971: silicon oxide film,
972: silicon nitride film,
973: Silicon oxide film,
1100: active region pattern,
1200, 1300, 1350, 1400: diffusion layer electrode pattern,
1500: gate pattern,
1205, 1305: ion implantation mask pattern,
1650: Contact hole pattern.

Claims (21)

半導体基板に設けられた第1の導電型を有する第1の拡散層と、前記第1の拡散層に対峙するように前記半導体基板に設けられた前記第1の導電型を有する第2の拡散層と、前記第1の拡散層と前記第2の拡散層との間に設けられた前記第1の導電型と逆の第2の導電型を有するチャネル領域と、少なくとも前記チャネル領域を覆うように前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁膜とを有し、
前記第2の拡散層内に、前記第2の導電型を有する第3の拡散層が設けられ、
前記第3の拡散層と前記第2の拡散層とが交叉する接合領域の一部を含むように前記第1の導電型を有する第4の拡散層が設けられていることを特徴とする半導体装置。
A first diffusion layer having a first conductivity type provided on a semiconductor substrate and a second diffusion having the first conductivity type provided on the semiconductor substrate so as to face the first diffusion layer A layer region, a channel region having a second conductivity type opposite to the first conductivity type provided between the first diffusion layer and the second diffusion layer, and at least covering the channel region And a gate insulating film provided on the semiconductor substrate,
A third diffusion layer having the second conductivity type is provided in the second diffusion layer;
A semiconductor having a fourth diffusion layer having the first conductivity type so as to include a part of a junction region where the third diffusion layer and the second diffusion layer cross each other. apparatus.
前記第2の拡散層と前記第3の拡散層によりダイオード素子が構成され、前記第3の拡散層に一端子が接し前記第2の拡散層に他端子が接し前記第4の拡散層を抵抗体とする抵抗素子が構成され、前記ダイオード素子と前記抵抗素子とが電気的に並列接続されるように設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   A diode element is constituted by the second diffusion layer and the third diffusion layer, one terminal is in contact with the third diffusion layer, the other terminal is in contact with the second diffusion layer, and the fourth diffusion layer is resisted. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a resistance element as a body is configured, and the diode element and the resistance element are electrically connected in parallel. 前記半導体基板は、シリコン基板からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a silicon substrate. 前記第4の拡散層の不純物濃度は、前記第2の拡散層の不純物濃度に比べて高濃度に設定され、前記第4の拡散層と前記第2の拡散層とがそれぞれの不純物濃度分布における濃度が高い領域で交わってなるPN接合を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The impurity concentration of the fourth diffusion layer is set to be higher than the impurity concentration of the second diffusion layer, and the fourth diffusion layer and the second diffusion layer have respective impurity concentration distributions. 2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a PN junction that intersects in a high concentration region. 前記第2の拡散層と前記第3の拡散層により構成されたダイオード素子の一部が、抵抗素子で構成されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein a part of the diode element constituted by the second diffusion layer and the third diffusion layer is constituted by a resistance element. 前記ダイオード素子が、シリコン基板と前記シリコン基板上に設けられたシリコンに比べ狭いバンドギャップを持つ第2の半導体層とにより構成されたヘテロ構造を有することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor according to claim 2, wherein the diode element has a heterostructure including a silicon substrate and a second semiconductor layer having a narrower band gap than silicon provided on the silicon substrate. apparatus. 前記第2の半導体層が、シリコンゲルマニウム単結晶であることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 6, wherein the second semiconductor layer is a silicon germanium single crystal. 前記抵抗素子の抵抗値をR、ゲートにより制御される前記チャネル領域の抵抗をRCH、チャネルとなる基板の不純物濃度によるフェルミレベルをφ、前記チャネル領域の表面ポテンシャルをφとしたとき、Rが、RCH(φ)<R<RCH(2φ)となるように設定されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 When the resistance value of the resistance element is R N , the resistance of the channel region controlled by the gate is R CH , the Fermi level depending on the impurity concentration of the substrate serving as the channel is φ F , and the surface potential of the channel region is φ S , R N is, R CH (φ F) < R N < semiconductor device according to claim 1, characterized in that it is set such that R CH (2φ F). 前記半導体基板が、絶縁層上に形成された基板(Silicon On Insulator)であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a substrate (Silicon On Insulator) formed on an insulating layer. 前記第1の拡散層に設けられた第1の拡散層電極が、前記第1の導電型を有する層と、前記第1の導電型と反対導電型を有する層との積層構造を有することを特徴とする請求項に記載の半導体装置。 The first diffusion layer electrode provided in the first diffusion layer has a stacked structure of a layer having the first conductivity type and a layer having a conductivity type opposite to the first conductivity type. The semiconductor device according to claim 9 . 請求項1に記載の半導体装置を複数有し、
前記第1の拡散層電極がN型の導電型を有する第1の素子と、前記第1の拡散層電極がP型の導電型を有する第2の素子とを具備することを特徴とする集積半導体装置。
A plurality of semiconductor devices according to claim 1;
The first diffusion layer electrode includes a first element having an N-type conductivity type, and the first diffusion layer electrode includes a second element having a P-type conductivity type. Semiconductor device.
前記第1の素子と前記第2の素子とがインバータを構成していることを特徴とする請求項11に記載の集積半導体装置。 The integrated semiconductor device according to claim 11 , wherein the first element and the second element constitute an inverter. 請求項12に記載の集積半導体装置を2つ用いてフリップフロップ回路を構成していることを特徴とする集積半導体装置。 13. An integrated semiconductor device comprising a flip-flop circuit using two integrated semiconductor devices according to claim 12 . 請求項13に記載の集積半導体装置を用いてSRAMセルを構成していることを特徴とする集積半導体記憶装置。 14. An integrated semiconductor memory device comprising an SRAM cell using the integrated semiconductor device according to claim 13 . 請求項1に記載の半導体装置と、
前記半導体基板に設けられた第1の導電型を有する第1の拡散層と前記第1の拡散層に対峙するように前記半導体基板に設けられた前記第1の導電型を有する第2の拡散層と、少なくとも前記チャネル領域を覆うように前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁膜とを有する従来MOSFETとが前記半導体基板に集積されていることを特徴とする集積半導体装置。
A semiconductor device according to claim 1;
A first diffusion layer having a first conductivity type provided on the semiconductor substrate and a second diffusion having the first conductivity type provided on the semiconductor substrate so as to face the first diffusion layer An integrated semiconductor device, wherein a conventional MOSFET having a layer and a gate insulating film provided on the semiconductor substrate so as to cover at least the channel region is integrated on the semiconductor substrate.
半導体基板に設けられた第1の導電型を有する第1の拡散層と、前記第1の拡散層に対峙するように前記半導体基板に設けられた前記第1の導電型を有する第2の拡散層と、前記第1の拡散層と前記第2の拡散層との間に設けられた前記第1の導電型と逆の第2の導電型を有するチャネル領域と、少なくとも前記チャネル領域を覆うように前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを有し、
前記第2の拡散層内に、前記第2の導電型を有する第3の拡散層が設けられ、
前記第3の拡散層と前記第2の拡散層とが交叉する接合領域の一部を含むように前記第1の導電型を有する第4の拡散層が設けられていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A first diffusion layer having a first conductivity type provided on a semiconductor substrate and a second diffusion having the first conductivity type provided on the semiconductor substrate so as to face the first diffusion layer A layer region, a channel region having a second conductivity type opposite to the first conductivity type provided between the first diffusion layer and the second diffusion layer, and at least covering the channel region A gate insulating film provided on the semiconductor substrate, and a gate electrode provided on the gate insulating film,
A third diffusion layer having the second conductivity type is provided in the second diffusion layer;
A nonvolatile layer, wherein a fourth diffusion layer having the first conductivity type is provided so as to include a part of a junction region where the third diffusion layer and the second diffusion layer cross each other. Semiconductor memory device.
前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極が、電荷保持部を有することを特徴とする請求項16に記載の不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 16 , wherein the gate electrode provided on the gate insulating film has a charge holding portion. 前記電荷保持部が、浮遊ゲートにより形成されていることを特徴とする請求項17に記載の不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 17 , wherein the charge holding portion is formed of a floating gate. 前記電荷保持部が、積層絶縁膜により形成されていることを特徴とする請求項17に記載の不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 17 , wherein the charge holding portion is formed of a laminated insulating film. 半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板に第1の導電型を有する不純物を導入し第1の拡散層及び第2の拡散層を形成する工程と、
前記第2の拡散層に前記第1の導電型と逆の導電型を有する第2の導電型不純物を導入し第3の拡散層を形成する工程と、
前記第3の拡散層の一部領域に選択的に前記第1の導電型を有する不純物を導入し第4の拡散層を形成する工程と、
前記第1の拡散層及び第2の拡散層の間に形成されたチャネル領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、を有し、
前記第3の拡散層および前記第4の拡散層の形成後に、高温短時間熱処理を行い前記第2の拡散層と前記第3の拡散層の間に高濃度抵抗素子を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Preparing a semiconductor substrate;
Introducing an impurity having a first conductivity type into the semiconductor substrate to form a first diffusion layer and a second diffusion layer;
Introducing a second conductivity type impurity having a conductivity type opposite to the first conductivity type into the second diffusion layer to form a third diffusion layer;
Selectively introducing an impurity having the first conductivity type into a partial region of the third diffusion layer to form a fourth diffusion layer;
Forming a gate insulating film on a channel region formed between the first diffusion layer and the second diffusion layer, and
After the third diffusion layer and the fourth diffusion layer are formed, a high-temperature short-time heat treatment is performed to form a high concentration resistance element between the second diffusion layer and the third diffusion layer. A method of manufacturing a semiconductor device.
前記高温短時間熱処理が、レーザー・スパイク・アニール(LSA)処理により行われることを特徴とする請求項20に記載の半導体装置の製造方法。 21. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 20 , wherein the high-temperature short-time heat treatment is performed by a laser spike annealing (LSA) process.
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