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JPH08213595A - Semiconder device - Google Patents

Semiconder device

Info

Publication number
JPH08213595A
JPH08213595A JP30390094A JP30390094A JPH08213595A JP H08213595 A JPH08213595 A JP H08213595A JP 30390094 A JP30390094 A JP 30390094A JP 30390094 A JP30390094 A JP 30390094A JP H08213595 A JPH08213595 A JP H08213595A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gate
semiconductor device
transistor
gate electrode
insulating film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP30390094A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hisayo Momose
瀬 寿 代 百
Hiroshi Iwai
井 洋 岩
Masanobu Saito
藤 雅 伸 斎
Tatsuya Oguro
黒 達 也 大
Tamashiro Ono
野 瑞 城 小
Takashi Yoshitomi
富 崇 吉
Shinichi Nakamura
村 新 一 中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to JP30390094A priority Critical patent/JPH08213595A/en
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to KR1019950029799A priority patent/KR100286490B1/en
Priority to US08/527,562 priority patent/US5990516A/en
Priority to KR1019950029817A priority patent/KR960012413A/en
Publication of JPH08213595A publication Critical patent/JPH08213595A/en
Priority to US09/440,938 priority patent/US6229164B1/en
Priority to US09/828,205 priority patent/US6410952B2/en
Priority to US10/160,036 priority patent/US6642560B2/en
Priority to US10/681,318 priority patent/US6929990B2/en
Priority to US11/143,594 priority patent/US7282752B2/en
Priority to US11/846,369 priority patent/US20080048250A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PURPOSE: To have a specific thickness of a gate insulating film besides having a specific gate length to improve reliability under hot carrier stress together with reducing a tunnel current from source/drain electrodes to a gate electrode. CONSTITUTION: A gate electrode 2 is formed on a p-type semiconductor substrate 1 through an insulating film 3. On each side of a channel forming region 4 directly under this gate electrode 2, n<+> heavily doped diffusion layers to become a source region 5 and a drain region 6 are formed. Thereby, a thickness of the insulating film 3 is made not to exceed 2.0nm and a gate length of the gate electrode 2 is made not to exceed 0.3μm. By making the insulating film 3 not to exceed 2.0nm, reliability under hot carrier stress is sharply improved. Further, by making the gate length not to exceed 0.3μm, a gate current is sharply decreased to obtain a good transistor characteristic.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に関するも
ので、特に低電源電圧下での使用に適した微細、高性能
MOS型トランジスタに係わる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a fine and high performance MOS type transistor suitable for use under a low power supply voltage.

【0002】[0002]

【従来の技術】MOS型トランジスタは、特に、MOS
FETの集積化技術の向上に伴い、ゲート長0.5μm
以下の領域の検討が各所で進められている。1974年
にはデナード(R.L.Dennard )氏らによりMOSFET
の微細化のためのいわゆるスケーリング則が提唱されて
いる。これは、素子のある構成要素(例えば、チャネル
長)のサイズを縮小する場合、その他の構成要素も同じ
比率で縮小することによって、トランジスタとしての動
作特性を確保するという法則である。基本的に1970
年代から90年代初めにかけて続いてきたMOSLSI
の高集積化は、この法則を基本にして実現されてきた。
2. Description of the Related Art MOS transistors are especially
With the improvement of FET integration technology, gate length 0.5 μm
The following areas are being examined in various places. MOSFETs by RL Dennard and others in 1974
A so-called scaling law has been proposed for the miniaturization of. This is a rule that when the size of a certain constituent element (for example, channel length) of an element is reduced, the other constituent elements are also reduced at the same ratio to ensure the operating characteristics as a transistor. Basically 1970
MOSLSI that continued from the 1980s to the early 90s
High integration has been realized based on this law.

【0003】しかし、より微細化が進み、各種の構成要
素においても“物理的限界値”と言われるような限界値
が近付き、その値を越えての縮小化は困難になりつつあ
る。例えば、ゲート絶縁膜厚は3〜4nm程度が薄膜化
の限界と一般には言われており、この膜厚以下では、ゲ
ート電極とソース/ドレイン電極間のトネリング電流が
増大し、トランジスタとしての正常動作は実現できない
ことが知られている。
However, with further miniaturization, a limit value called "physical limit value" approaches in various components, and it is becoming difficult to reduce the limit value beyond the limit value. For example, it is generally said that the thickness of the gate insulating film is about 3 to 4 nm, and below this thickness, the tunneling current between the gate electrode and the source / drain electrodes increases, and the transistor normally operates. Is known to be unrealizable.

【0004】そこで、ゲート絶縁膜は3nm程度に固定
し、その他の構成要素の縮小を考えるという手法が19
93年フィエナ(Fiena)らにより提案されている(著者
C.Fiegna,H.Iwai,T.Wada,T.Saito,E.Sangiorgio, and
B.Ricco;論文名A new scaling methodology for the
0.1-0.025 um MOSFET,'Dig.of Tech. Papers,VLSISym
p.;出典Technol.,Kyoto,pp.33-34,1993.)。その手法に
より同年小野(Ono)らにより0.04μmゲート長のト
ランジスタが実現されるに至っている(著者M.Ono,M.Sa
ito,T.Yoshitomi,C.Fiegna,T.Ohguro,and H.Iwai;論文
名Sub-50 nm gate length n-MOSFETs with 10 nm phosp
horus source and drain junction ;出典IEDMTech.Di
g.,pp.119-122,1993)。
Therefore, a method of fixing the gate insulating film to about 3 nm and considering reduction of other constituent elements has been proposed.
Proposed by Fiena et al. In 1993 (author
C.Fiegna, H.Iwai, T.Wada, T.Saito, E.Sangiorgio, and
B.Ricco ; Paper name A new scaling methodology for the
0.1-0.025 um MOSFET, 'Dig. Of Tech. Papers, VLSISym
p .; Source Technol., Kyoto, pp.33-34, 1993.). With that method, Ono et al. Realized a transistor with a gate length of 0.04 μm in the same year (author M.Ono, M.Sa.
ito, T.Yoshitomi, C.Fiegna, T.Ohguro, and H.Iwai; Paper name Sub-50 nm gate length n-MOSFETs with 10 nm phosp
horus source and drain junction ; Source IEDMTech.Di
g., pp. 119-122, 1993).

【0005】ゲート絶縁膜厚3nmかつゲート長0.0
4μmのトランジスタは次のように製造される。まず、
p型シリコン基板上に、LOCOS法により、素子領域
と、素子分離領域を形成した後、所望の閾値電圧が得ら
れるようにチャネル形成領域にp型不純物(例えばB
(ボロン))を導入する。
Gate insulating film thickness 3 nm and gate length 0.0
The 4 μm transistor is manufactured as follows. First,
After forming an element region and an element isolation region on a p-type silicon substrate by the LOCOS method, a p-type impurity (for example, B) is formed in a channel formation region so that a desired threshold voltage can be obtained.
(Boron)) is introduced.

【0006】その後、ゲート酸化膜としてシリコン基板
表面に3nmの酸化膜を例えばDryO2 雰囲気中で8
00℃、10分の酸化により形成する。その後、P(リ
ン)含有条件で例えばポリシリコンを100nm堆積し
た後、レジストを塗布してパターニングでゲート電極を
所望の長さに加工する。ソース/ドレイン形成領域への
n型不純物の導入は、ゲート電極側壁部に残したPSG
膜(P(リン)含有シリコン酸化膜)からのPの固相拡
散により形成する。金属配線部と良好に接続をとるこ
と、及びトランジスタの短チャネル効果に影響しない部
分の拡散層を低抵抗にする目的で、この後、n型不純物
をイオン注入法で例えば、5×1015cm-2導入する。こ
のときの不純物拡散及び活性化のためのアニールは例え
ば1000℃、10秒という条件とする。その後、コン
タクト部を開孔し、金属配線を施す。
After that, a 3 nm oxide film as a gate oxide film is formed on the surface of the silicon substrate in a DryO 2 atmosphere, for example.
It is formed by oxidation at 00 ° C. for 10 minutes. After that, for example, polysilicon is deposited to a thickness of 100 nm under P (phosphorus) -containing conditions, a resist is applied, and the gate electrode is processed into a desired length by patterning. The n-type impurity is introduced into the source / drain formation region by removing the PSG left on the side wall of the gate electrode.
It is formed by solid phase diffusion of P from a film (P (phosphorus) -containing silicon oxide film). For the purpose of making a good connection with the metal wiring portion and reducing the resistance of the diffusion layer in the portion that does not affect the short channel effect of the transistor, an n-type impurity is then ion-implanted to, for example, 5 × 10 15 cm 2. -2 to introduce. Annealing for impurity diffusion and activation at this time is performed at 1000 ° C. for 10 seconds, for example. After that, the contact portion is opened and metal wiring is provided.

【0007】このように製造したトランジスタは、ゲー
ト側壁部下のソース/ドレイン拡散層のシート抵抗(ρ
s)が6.2kΩ/□、拡散長(つまり、ソース/ドレ
イン領域の深さ)はSIMS分析の結果10nmであっ
た。
The transistor thus manufactured has a sheet resistance (ρ of the source / drain diffusion layer below the gate sidewall portion).
s) was 6.2 kΩ / □, and the diffusion length (that is, the depth of the source / drain region) was 10 nm as a result of SIMS analysis.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のトランジスタはソース/ドレイン領域が浅いことに
よってその寄生抵抗が相対的に大きくなる。そのため、
ゲート長縮小に相応する駆動力の向上が得られなかっ
た。
However, the above-mentioned conventional transistor has a relatively large parasitic resistance due to the shallow source / drain regions. for that reason,
The driving force could not be improved corresponding to the gate length reduction.

【0009】本発明は上記従来技術の有する問題点に鑑
みてなされたもので、その目的とするところは、駆動力
が向上したMOS型半導体装置を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a MOS semiconductor device having an improved driving force.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
第一導電型の半導体基板と、該半導体基板上に絶縁膜を
介して形成されたゲート電極と、該半導体基板のゲート
電極直下に位置するチャネル形成領域の両側に形成され
た第二導電型のソース/ドレイン領域とを備え、前記絶
縁膜の厚さが2.5μm未満、好ましくは2.0nm以
下、前記ゲート電極のゲート長が0.3μm以下である
ことを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
A semiconductor substrate of a first conductivity type, a gate electrode formed on the semiconductor substrate via an insulating film, and a second conductivity type formed on both sides of a channel formation region located directly below the gate electrode of the semiconductor substrate. A source / drain region is provided, the thickness of the insulating film is less than 2.5 μm, preferably 2.0 nm or less, and the gate length of the gate electrode is 0.3 μm or less.

【0011】また、この半導体装置は、電源電圧が1.
5V以下の回路で使用されるとより望ましい特性が得ら
れる。
Further, this semiconductor device has a power supply voltage of 1.
More desirable characteristics are obtained when used in a circuit of 5 V or less.

【0012】[0012]

【作用】本発明によると、ゲート膜絶縁膜を2.5nm
未満にすることにより、図3に示すようにホットキャリ
アストレス下での信頼性が大幅に向上する。また2nm
以下にすれば一層向上する。
According to the present invention, the gate insulating film has a thickness of 2.5 nm.
When it is less than the range, the reliability under hot carrier stress is significantly improved as shown in FIG. 2 nm
It will be further improved by the following.

【0013】また、図4に示すように、チャネル長を
0.3μm以下にすることにより、ゲート電流が大幅に
減少し、良好なトランジスタ特性を持つようになる。
Further, as shown in FIG. 4, by setting the channel length to 0.3 μm or less, the gate current is greatly reduced, and good transistor characteristics are obtained.

【0014】したがって、本発明のゲート長0.3μm
以下かつゲート絶縁膜厚2.5nm未満にすると、良好
なトランジスタ動作をし、かつホットキャリア信頼性に
強いトランジスタが実現できた。
Therefore, the gate length of the present invention is 0.3 μm.
When the gate insulating film thickness is less than 2.5 nm below, a transistor having good transistor operation and high hot carrier reliability can be realized.

【0015】[0015]

【実施例】以下に本発明の実施例について図面を参照し
つつ説明する。図1(a)は本発明の一実施例に係るM
OS型トランジスタの構造を示すものである。この図に
おいて、1は第一導電型(例えば、p型)の半導体基板
であり、この基板1上には酸化膜3を介してゲート電極
2が形成されている。基板1におけるゲート電極2直下
のチャネル形成領域4各側にはソース領域5及びドレイ
ン領域6となる第一導電型とは逆導電型(例えば、n+
型)高濃度拡散層が形成されている。ゲート電極2には
電源7、ドレイン領域6には電源8がそれぞれ接続され
て使用されるものである。ゲート電極2のチャネル形成
領域4の長さ方向の寸法となるゲート長Lg は0.3μ
m以下とされ、ゲート絶縁膜3の厚さToxは2.5nm
未満とされる。本発明のゲート長Lg のトランジスタは
コンダクタンスgm の向上を図ると同時に、ドレイン領
域6に流れ込むべき電流Id1,Id2のうちゲートへ流れ
込むトンネル電流Id2を減少させたものとなる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1A shows an M according to an embodiment of the present invention.
1 shows a structure of an OS type transistor. In this figure, 1 is a semiconductor substrate of the first conductivity type (for example, p type), and a gate electrode 2 is formed on the substrate 1 with an oxide film 3 interposed. On each side of the channel formation region 4 immediately below the gate electrode 2 in the substrate 1, a conductivity type opposite to the first conductivity type (for example, n +
(Type) high-concentration diffusion layer is formed. A power source 7 is connected to the gate electrode 2 and a power source 8 is connected to the drain region 6 for use. The gate length Lg, which is the dimension in the lengthwise direction of the channel formation region 4 of the gate electrode 2, is 0.3 μm.
and the thickness Tox of the gate insulating film 3 is 2.5 nm.
Less than The transistor having the gate length Lg of the present invention is intended to improve the conductance gm and at the same time reduce the tunnel current Id2 flowing into the gate among the currents Id1 and Id2 to flow into the drain region 6.

【0016】図1(b)に本発明の実施例の代表的な構
造図及び各部の寸法を示す。ゲート電極のゲート長(L
g )は0.09μm、ゲート絶縁膜厚(Tox)は1.5
nm、ソース/ドレイン間の実効チャネル長(Leff )
は0.05μm、チャネル近傍の拡散深さ(Xj )はソ
ース、ドレインの他の領域に比べて浅く、30nmであ
る。この実施例ではこのチャネル近傍の拡散層は、ゲー
ト側壁に形成されたPSG膜から固相拡散により形成さ
れており、いわゆるSPDD(Solid Phase Diffused D
rain) 構造のMOSトランジスタとなっている。
FIG. 1 (b) shows a typical structure of the embodiment of the present invention and the dimensions of each part. Gate length of gate electrode (L
g) is 0.09 μm, and gate insulating film thickness (Tox) is 1.5
nm, effective channel length between source / drain (Leff)
Is 0.05 μm, and the diffusion depth (Xj) near the channel is 30 nm, which is shallower than the other regions of the source and drain. In this embodiment, the diffusion layer in the vicinity of the channel is formed by solid phase diffusion from the PSG film formed on the gate side wall, so-called SPDD (Solid Phase Diffused D).
It is a MOS transistor with a rain structure.

【0017】ここで本発明トランジスタの主要部の製造
法についてまず説明する。ゲート酸化膜は、従来法によ
り半導体基板1上に素子領域及び素子分離領域を形成し
た後、急速ランプ加熱法にて800℃、10秒の条件で
酸化を行う。これにより、1.5nmという上記条件に
適合した膜厚のゲート絶縁膜3を形成することができ
た。また、850℃10秒の条件でゲート絶縁膜1.8
nmが形成できた。900℃ 5秒の条件でゲート絶縁
膜2.0nmのものが形成できた。温度及び時間を選択
することにより、2.5nm未満の所望の膜厚のゲート
絶縁膜を形成することができた。その後、リン含有ポリ
シリコン膜を約100nm堆積後、異方性エッチングに
よりパターニングし、所望のゲート長Lg のゲート電極
を形成する。
Here, a method of manufacturing a main part of the transistor of the present invention will be described first. The gate oxide film is formed by forming a device region and a device isolation region on the semiconductor substrate 1 by a conventional method, and then performing oxidation by a rapid lamp heating method at 800 ° C. for 10 seconds. As a result, it was possible to form the gate insulating film 3 having a film thickness of 1.5 nm that was suitable for the above conditions. Further, the gate insulating film 1.8 was formed under the condition of 850 ° C. for 10 seconds.
nm could be formed. A gate insulating film having a thickness of 2.0 nm could be formed under the conditions of 900 ° C. for 5 seconds. By selecting the temperature and time, it was possible to form a gate insulating film having a desired film thickness of less than 2.5 nm. After that, a phosphorus-containing polysilicon film is deposited to a thickness of about 100 nm and patterned by anisotropic etching to form a gate electrode having a desired gate length Lg.

【0018】HF処理を施した後、PSG膜(リン含有
シリコン酸化膜)からの固相拡散により30nm拡散長
のソース/ドレイン領域5,6が形成できた。図2はそ
のときの不純物濃度プロファイルを示すものである。そ
して、このような拡散層のシート抵抗ρsは1.4kΩ
/□にすることができた。なお、HF処理を施さない場
合には6.2kΩ/□であった。
After the HF treatment, source / drain regions 5 and 6 having a diffusion length of 30 nm could be formed by solid phase diffusion from the PSG film (phosphorus-containing silicon oxide film). FIG. 2 shows the impurity concentration profile at that time. The sheet resistance ρs of such a diffusion layer is 1.4 kΩ.
I was able to change to / □. The value was 6.2 kΩ / □ when the HF treatment was not performed.

【0019】以降の工程は従来例と同様の方法にて作製
する。上述した方法によりゲート長は最小のもので0.
06μmが実現され、10μm以下0.06μmまで、
所望のサイズのゲート長のトランジスタが作製できた。
また、ゲート酸化膜は厚さ1.5nmをはじめ、2.5
nm未満の所望の膜厚のものが実現された。なお、この
ゲート長及びゲート絶縁膜厚の値は透過型電子顕微鏡:
TEM(TransmissionElectron Microscope)観察によ
り確認することができる。
Subsequent steps are manufactured by the same method as the conventional example. With the above method, the minimum gate length is 0.
06μm is realized, and 10μm or less to 0.06μm,
A transistor having a desired gate length could be manufactured.
In addition, the gate oxide film has a thickness of 1.5 nm and a thickness of 2.5
A desired film thickness of less than nm was achieved. The values of the gate length and the gate insulating film thickness are as shown in the transmission electron microscope:
It can be confirmed by TEM (Transmission Electron Microscope) observation.

【0020】以上のように形成したMIS型FETにつ
いて各種特性評価を行った結果を以下に説明する。
Results of various characteristic evaluations of the MIS type FET formed as described above will be described below.

【0021】図3はホットキャリアストレス(Vd=
2.5V、Isubmax 条件)でのトランスコンダクタンス
劣化のゲート酸化膜厚依存性を示している。この図に示
すように、ゲート酸化膜厚が2.5mm未満の場合には
相互コンダクタンスgmの劣化は、トンネル電流が生ず
る限界値と従来称されてきた3nmの場合の劣化量の1
/2になり、トランジスタの寿命が2倍以上向上するた
め、2.5nm未満で使用されることが望ましい。
FIG. 3 shows hot carrier stress (Vd =
It shows the gate oxide film thickness dependence of the transconductance deterioration under 2.5 V and Isubmax conditions. As shown in this figure, when the gate oxide film thickness is less than 2.5 mm, the deterioration of the transconductance gm is 1% of the deterioration amount in the case of 3 nm, which is conventionally called the limit value at which tunnel current occurs.
Since it becomes / 2, and the life of the transistor is more than doubled, it is desirable to use the thickness of less than 2.5 nm.

【0022】さらに、2.0nm以下で使用されれば、
トランジスタの寿命は3倍以上向上する。したがって、
2.0nmで使用されればさらに望ましい。ゲート酸化
膜3の厚さToxが2nm以下の場合にはゲート長Lg =
0.10μmで10%以下、ゲートLg =0.14μm
mで6%以下で落着くが、2.5nmより大きくなると
急激な劣化が見られた。
Further, if used at 2.0 nm or less,
The lifetime of the transistor is improved by more than 3 times. Therefore,
More preferably it is used at 2.0 nm. When the thickness Tox of the gate oxide film 3 is 2 nm or less, the gate length Lg =
10% or less at 0.10 μm, gate Lg = 0.14 μm
Although it settles at 6% or less in m, a sharp deterioration was observed when it became larger than 2.5 nm.

【0023】図4はトンネル電流Ig のゲート長Lg 依
存性を示すものである。この図において、ゲート長Lg
0.3μm以下の場合、ゲート幅W=10μmで酸化膜
厚Tox=1.5nmで0.5μA未満、酸化膜厚Tox=
1.8nmでは0.1未満に安定した。これに対し、ゲ
ート長Lg =0.3μmを越えると急激なゲート電流の
増大が見られた。
FIG. 4 shows the dependence of the tunnel current Ig on the gate length Lg. In this figure, gate length Lg
In the case of 0.3 μm or less, the gate width W = 10 μm, the oxide film thickness Tox = less than 0.5 μA at 1.5 nm, and the oxide film thickness Tox =
It stabilized below 0.1 at 1.8 nm. On the other hand, when the gate length Lg exceeds 0.3 μm, a drastic increase in the gate current was observed.

【0024】図5はドレイン電流Id0のゲート長Lg 依
存性を示すものである。この図においては、Tox=1.
5nm,xj =30nmの場合(本発明)、Tox=1.
8nm,xj =30nmの場合(本発明)、Tox=3.
0nm,xj =12nmの場合(従来例)についてそれ
ぞれ示している。この図に示すように、従来のものに比
べて駆動力が約2倍に向上していることがわかる。
FIG. 5 shows the dependency of the drain current Id0 on the gate length Lg. In this figure, Tox = 1.
When 5 nm and xj = 30 nm (invention), Tox = 1.
When 8 nm and xj = 30 nm (invention), Tox = 3.
The case of 0 nm and xj = 12 nm (conventional example) are shown respectively. As shown in this figure, it can be seen that the driving force is approximately doubled as compared with the conventional one.

【0025】図6はトンネル電流Ig のゲート長Lg 依
存性、図7はコンダクタンスgmのゲート長Lg 依存
性、をそれぞれ示すものである。これらの図において
は、ゲート酸化膜厚Tox=1.5nm,拡散長xj =3
0nmの場合(本発明)、Tox=1.8nm,拡散長x
j =30nmの場合(本発明)、Tox=3.0nm,拡
散長xj =12nmの場合(従来技術)についてぞれぞ
れ示している。これらの図から明らかなように本発明の
トランジスタは、同一ゲート長の従来のトランジスタと
比べて1.5〜2倍良好な駆動力及びトランスコンダク
タンスが得られていることが解る。さらに、このときの
ゲート電流はLgが0.3μm以下で駆動力に比べ10
4 以下(4桁小さい)になり、動作上問題ないことが確
認された。
FIG. 6 shows the dependence of the tunnel current Ig on the gate length Lg, and FIG. 7 shows the dependence of the conductance gm on the gate length Lg. In these figures, gate oxide film thickness Tox = 1.5 nm, diffusion length xj = 3
In the case of 0 nm (invention), Tox = 1.8 nm, diffusion length x
The case of j = 30 nm (the present invention), the case of Tox = 3.0 nm and the diffusion length xj = 12 nm (prior art) are shown respectively. As is clear from these figures, the transistor of the present invention has a driving force and transconductance that are 1.5 to 2 times better than those of the conventional transistor having the same gate length. Further, the gate current at this time is 10 μm less than the driving force when Lg is 0.3 μm or less.
It was 4 or less (4 digits smaller), and it was confirmed that there was no problem in operation.

【0026】図8は基板電流Isub のゲート長Lg 依存
性、図9は基板電流インパクトイオン化率のゲート長L
g 依存性について示すもので、これらはそれぞれトラン
ジスタの信頼性に関する一つの指標となるものである。
特に基板電流Isub については図8(b)において更に
ゲート長Lg をパラメータとし、Vg −Isub 特性とし
て表した。ここでは、ゲート酸化膜厚Tox=1.5n
m,拡散長xj =30nmの場合(本発明)、Tox=
1.8nm,拡散長xj =30nmの場合(本発明)、
Tox=3.0nm,拡散長xj =12nmの場合(従
来)についてぞれぞれ示している。本発明のトランジス
タは、従来のトランジスタに比べ基板電流、インパクト
イオン化率は大きい。
FIG. 8 shows the dependence of the substrate current Isub on the gate length Lg, and FIG. 9 shows the gate length L of the substrate current impact ionization rate.
It shows the g-dependence, which is one of the indicators for the reliability of the transistor.
Particularly, the substrate current Isub is shown as Vg-Isub characteristic with the gate length Lg as a parameter in FIG. 8B. Here, the gate oxide film thickness Tox = 1.5n
m, diffusion length xj = 30 nm (invention), Tox =
1.8 nm, diffusion length xj = 30 nm (invention),
The case of Tox = 3.0 nm and diffusion length xj = 12 nm (conventional) are shown respectively. The transistor of the present invention has a larger substrate current and impact ionization rate than conventional transistors.

【0027】図17はトランスコンダクタンスgmの劣
化(ストレス時間に対するトランスコンダクタンスの劣
化)特性を示すものである。ここでは、従来のトランジ
スタとして、酸化膜厚Tox=3.0nm、拡散長xj =
12nm、ゲート長Lg =0.10μmのものと、酸化
膜厚Tox及び拡散長xj は同サイズでゲート長Lg =
0.17μmのものとを対象とし、本発明のトランジス
タとしては、酸化膜厚Tox=1.5nm、拡散長xj =
30nm、ゲート長Lg =0.09μmのものと、酸化
膜厚Tox及び拡散長xj は同サイズでゲート長Lg =
0.14μmのものとを対象として試験を行った結果を
示している。従来のトランジスタと本発明のトランジス
タはおおむね同程度の時間依存性を有しているが、本発
明のトランジスタはΔgm /gm の値自体が低く、gm
の劣化特性の向上が確認された。
FIG. 17 shows the deterioration characteristic of the transconductance gm (deterioration of the transconductance with respect to the stress time). Here, as a conventional transistor, the oxide film thickness Tox = 3.0 nm, the diffusion length xj =
12 nm, gate length Lg = 0.10 μm, oxide film thickness Tox and diffusion length xj are the same size, and gate length Lg =
For the transistor of the present invention, the oxide film thickness Tox = 1.5 nm and the diffusion length xj =
30 nm, gate length Lg = 0.09 μm, oxide film thickness Tox and diffusion length xj are the same size, and gate length Lg =
The result of having conducted the test for 0.14 micrometers is shown. Although the conventional transistor and the transistor of the present invention have approximately the same time dependence, the transistor of the present invention has a low Δgm / gm value itself, which is gm / gm.
It was confirmed that the deterioration characteristics of (1) were improved.

【0028】図16はキャリア移動度の実効電界依存性
を示すもので、これもトランジスタの信頼性の指標とな
るものである。Y.Toyoshima,H.Iwai,F.Matusoka,H.Haya
shida,K,Maeguchi,and K.Kanzaki,'Analysis on gate-o
xidethickness dependence of hot-carrior-induceddeg
radation in thin-gate oxide nMOSFETs,'IEEETrans.El
ectron Devices,vol.37,No.6,pp.1496-1503,1990. )キ
ャリア移動度(1/μeff )を決定する要因としては、
表面ラフネス散乱(1/μsr)、フォノン散乱(1/μ
ph)、クーロン散乱(1/μc)があり、全体の移動度
(1/μeff )は、 ln(1/μeff )=ln((1/μc )+(1/μs
r)+(1/μph)) で表される。グラフ中の破線は各要因によるキャリア移
動度を示し、実線はそれらを総合したキャリア移動度を
示している。
FIG. 16 shows the dependence of carrier mobility on the effective electric field, which is also an index of the reliability of the transistor. Y.Toyoshima, H.Iwai, F.Matusoka, H.Haya
shida, K, Maeguchi, and K. Kanzaki, 'Analysis on gate-o
xidethickness dependence of hot-carrior-induceddeg
radation in thin-gate oxide nMOSFETs, 'IEEETrans.El
ectron Devices, vol.37, No.6, pp.1496-1503, 1990.) Factors that determine the carrier mobility (1 / μeff) are
Surface roughness scattering (1 / μsr), phonon scattering (1 / μ
ph) and Coulomb scattering (1 / μc), and the overall mobility (1 / μeff) is ln (1 / μeff) = ln ((1 / μc) + (1 / μs)
r) + (1 / μph)). The broken line in the graph indicates the carrier mobility due to each factor, and the solid line indicates the carrier mobility that is the sum of them.

【0029】これは、図17において、本発明のトラン
ジスタが従来発明のトランジスタに比べてホットキャリ
ア信頼性に優れていたのは、即ち劣化量(Δgm /gm
)が小さかったのは、図12に示すように、ホットキ
ャリアストレスによって生じた界面準位の増大が、モビ
リティの劣化による駆動力の低下を引き起こす効果が、
ゲート酸化膜厚が薄くなるほど見えにくくなることによ
る。酸化膜厚の薄い場合には、チャネルの縦方向の電界
が非常に強いため、モビリティは、表面ラフネス散乱に
主に支配され、界面準位によるクーロン散乱の影響は、
モビリティに現れにくくなる。
This is because, in FIG. 17, the transistor of the present invention was superior in hot carrier reliability to the transistor of the conventional invention, namely, the deterioration amount (Δgm / gm).
) Was small, as shown in FIG. 12, the effect that the increase of the interface state caused by the hot carrier stress causes the decrease of the driving force due to the deterioration of mobility,
This is because it becomes difficult to see as the gate oxide film thickness becomes thinner. When the oxide film thickness is thin, the electric field in the vertical direction of the channel is very strong, so the mobility is mainly dominated by surface roughness scattering, and the effect of Coulomb scattering due to interface states is
It becomes difficult to appear in mobility.

【0030】したがって、薄膜ゲート酸化膜MOSFE
Tの場合、基板電流、インパクトイオン化率が大きいに
もかかわらず、ストレス後の劣化の少ない良好な信頼性
のトランジスタになったことが解る。
Therefore, the thin gate oxide film MOSFE
In the case of T, it can be seen that the transistor has good reliability with little deterioration after stress even though the substrate current and the impact ionization rate are large.

【0031】図10は電流Ig ,Id の電源電圧Vd =
Vg 依存性を示すものである。ここでは、酸化膜厚Tox
=1.5nm、ゲート長Lg =0.14μm、拡散長x
j =30nmの場合を示している。本発明のトランジス
タは、さらに、2.0V以下ではIg/Idの比は、1
×10-4以下となり、動作上問題ないことがわかる。ま
た、1.5V以下では、上記の比は6×10-5程度以下
となり、さらに高信頼性のトランジスタが実現できた。
FIG. 10 shows the power source voltage Vd of the currents Ig and Id =
It shows Vg dependence. Here, the oxide film thickness Tox
= 1.5 nm, gate length Lg = 0.14 μm, diffusion length x
The case where j = 30 nm is shown. The transistor of the present invention further has an Ig / Id ratio of 1 at 2.0 V or less.
It is less than × 10 -4, which shows that there is no problem in operation. Further, when the voltage is 1.5 V or less, the above ratio becomes about 6 × 10 −5 or less, and a highly reliable transistor can be realized.

【0032】図11はドレイン電流Id のゲート電圧V
g 依存性を示すものである。これは図10に示す特性を
持つトランジスタと同じトランジスタについて測定した
ものである。本発明のトランジスタは低電圧下において
も従来報告例に比べ3〜5倍良好な駆動力が得られてい
ることが確認された。
FIG. 11 shows the gate voltage V of the drain current Id.
It shows g dependence. This is measured for the same transistor as the transistor having the characteristics shown in FIG. It was confirmed that the transistor of the present invention obtained a driving force which is 3 to 5 times better than that of the conventionally reported example even under a low voltage.

【0033】図12はIg /Id のドレイン電圧Vd 依
存性を示すものである。この図に示すように、ドレイン
電圧Vd が1.5V以下で6.0×10-5以下の良好な
値が得られた。これに対し、ドレイン電圧Vd が1.5
Vを越えると急激にトンネル電流Ig が増加し、特性が
劣化していることがわかる。
FIG. 12 shows the dependency of Ig / Id on the drain voltage Vd. As shown in this figure, when the drain voltage Vd was 1.5 V or less, a good value of 6.0 × 10 −5 or less was obtained. On the other hand, the drain voltage Vd is 1.5
It can be seen that when V exceeds V, the tunnel current Ig rapidly increases and the characteristics are deteriorated.

【0034】したがって、1.5V以下の回路で使用さ
れれば、本発明のトランジスタは良好な特性を持つこと
が解る。
Therefore, it can be seen that the transistor of the present invention has good characteristics when used in a circuit of 1.5 V or less.

【0035】また、本発明のトランジスタは1.2V以
下の回路で使用された場合、チャネル電流に対するゲー
ト電流Ig /Id は1.5V電源時に比べ約25%低減
し、性能が著しく向上する。図10において、Ig /I
d の値は1.5Vで約6×10-5に対して1.2Vに下
げれば、4.5×10-5に低減する。ゲート電流Igの
値も約50%低減した。
When the transistor of the present invention is used in a circuit of 1.2V or less, the gate current Ig / Id with respect to the channel current is reduced by about 25% as compared with the 1.5V power supply, and the performance is remarkably improved. In FIG. 10, Ig / I
The value of d is 1.5V, but it is reduced to 4.5 × 10 -5 by lowering it to 1.2V from about 6 × 10 -5 . The value of the gate current Ig was also reduced by about 50%.

【0036】しかし、トランジスタの性能である相互コ
ンダクタンスの値は、図21に示すように1.5V
1.010ms/mmに対し、1.2Vに電圧を下げて
も995ms/mmの値を持ち、1.5%の低下に留ま
る。したがって、1.2V以下の回路で使用されれば、
1.5V電源時に比べ25%のIg /Id の向上によ
り、さらに性能が飛躍的に向上する。
However, the value of the transconductance, which is the performance of the transistor, is 1.5 V as shown in FIG.
Even if the voltage is lowered to 1.2 V with respect to 1.010 ms / mm, it has a value of 995 ms / mm, which is a decrease of 1.5%. Therefore, if used in a circuit of 1.2V or less,
25% improvement in Ig / Id compared to when using a 1.5V power supply will further improve performance dramatically.

【0037】また、本発明のトランジスタは、0.5V
以下の回路で使用されれば、図10に示すように、ゲー
トリーク電流が1.5V動作時に比べ、1/20以下に
低減することが解る。また、チャネル電流に対するゲー
ト電流も約80%低減する。したがって、0.5V以下
の回路にて本発明のトランジスタが使用されれば、さら
に低消費電力で高性能のトランジスタが実現される。
The transistor of the present invention has a voltage of 0.5V.
When used in the following circuit, as shown in FIG. 10, it can be seen that the gate leak current is reduced to 1/20 or less as compared with the time of 1.5 V operation. Also, the gate current with respect to the channel current is reduced by about 80%. Therefore, if the transistor of the present invention is used in a circuit of 0.5 V or less, a high-performance transistor with lower power consumption can be realized.

【0038】図13はId −Vd 特性のゲート長依存
性、図14はコンダクタンスgmのゲート長依存性を示
すものである。ここでは、ゲート長Lg が10μm
(a)、0.14μm(b)、0.09μm(c)のと
きのId−Vd特性、gmサブスレッショルド特性をそ
れぞれ示している。ゲート長10μmの従来のトランジ
スタに見られる顕著なゲートリーク電流が本発明の微細
デバイスにおいては抑制され、しかもLg=0.09μ
mで、gm=1010mS/mmという高性能が得られ
ていることがわかる。
FIG. 13 shows the dependence of the Id-Vd characteristics on the gate length, and FIG. 14 shows the dependence of the conductance gm on the gate length. Here, the gate length Lg is 10 μm
(A), 0.14 μm (b), 0.09 μm (c) Id-Vd characteristics, gm subthreshold characteristics are shown, respectively. The remarkable gate leakage current found in the conventional transistor having a gate length of 10 μm is suppressed in the fine device of the present invention, and Lg = 0.09 μ.
It can be seen that, in m, a high performance of gm = 1010 mS / mm is obtained.

【0039】図15は電源電圧0.5V以下でのトラン
ジスタ特性を示すものである。このときの電源電圧は
0.5Vである。主要な特性について本発明及び従来の
トランジスタの特性を対比して示す。同図(a)は本発
明のトランジスタ特性、(b)は従来のトランジスタ特
性であって、それぞれについて、駆動力(Id −Vd 特
性、サブスレッショルド特性、(log Id −Vg )、ト
ランスコンダクタンス(gm −Vg )特性を示してい
る。この図から明らかなように、本発明のトランジスタ
は従来のものよりも小さな電源電圧で大きなドレイン電
流Id が流れ、またコンダクタンスgm も大きな値が得
られており、総合的に特性が向上している。本発明のト
ランジスタは、その0.5Vという低い電源電圧におい
ても746mS/mmという優れたトランスコンダクタ
ンスが得られている。
FIG. 15 shows transistor characteristics at a power supply voltage of 0.5 V or less. The power supply voltage at this time is 0.5V. The main characteristics of the present invention and the conventional transistor are shown in comparison with each other. The figure (a) is the transistor characteristic of the present invention, (b) is the conventional transistor characteristic, and the driving force (Id-Vd characteristic, subthreshold characteristic, (log Id -Vg), transconductance (gm) for each. As is clear from this figure, the transistor of the present invention has a large drain current Id flowing with a smaller power supply voltage and a larger conductance gm than that of the conventional transistor. The characteristics of the transistor of the present invention are improved overall, and an excellent transconductance of 746 mS / mm is obtained even at the low power supply voltage of 0.5 V.

【0040】図20はゲート長0.09μm、ゲート酸
化膜厚1.5nmのときの本発明のトランジスタの相互
コンダクタンスの電源電圧依存性である。0.5V動作
においても860ms/mmの非常に優れた相互コンダ
クタンスが得られている。
FIG. 20 shows the power supply voltage dependence of the transconductance of the transistor of the present invention when the gate length is 0.09 μm and the gate oxide film thickness is 1.5 nm. A very good transconductance of 860 ms / mm is obtained even at 0.5 V operation.

【0041】図21、22は本発明のトランジスタの相
互コンダクタンス及び電流駆動力の電源電圧依存性を
0.4μmゲート長の従来トランジスタと比較したもの
である。0.4μmトランジスタのゲート膜厚は9nm
である。
21 and 22 compare the transconductance and the current driving power of the transistor of the present invention with the power supply voltage, in comparison with a conventional transistor having a gate length of 0.4 μm. Gate thickness of 0.4 μm transistor is 9 nm
Is.

【0042】現在汎用の150MHzで動作するマイク
ロプロセッサでは、約0.4μmのゲート長のMOSF
ETが用いられており、このFETの場合、3.3V電
源下で、200mS/mm程度のトランスコンダクタン
スを持っている。よって、配線容量や抵抗が低減しない
と、当然高速化は図れないが、素子のトランスコンダク
タンスからの類推でいくと、今回実現した高駆動力のM
OSFETは、現状の3.3V動作のトランジスタに比
べ、1.5の低電圧下で、約5.7倍の高速化の可能性
を持っていることになる。0.5Vの低電圧動作におい
ても、860mS/mmのトランスコンダクタンスを有
することから、現在の3.3V動作に比べ、消費電力が
約1/9になり、トランスコンダクタンスの比から5倍
の高速化の可能性がある。
In a general-purpose microprocessor operating at 150 MHz, a MOSF having a gate length of about 0.4 μm is currently used.
ET is used, and this FET has a transconductance of about 200 mS / mm under a 3.3 V power supply. Therefore, if the wiring capacitance and resistance are not reduced, the speed cannot be increased, but by analogy with the transconductance of the element, the high driving force M
The OSFET has a possibility of speeding up by about 5.7 times under the low voltage of 1.5 as compared with the current 3.3V operating transistor. Since it has a transconductance of 860 mS / mm even at a low voltage of 0.5 V, the power consumption is about 1/9 compared to the current 3.3 V operation, and it is 5 times faster than the transconductance ratio. There is a possibility of

【0043】現在、商品化されているLSI(例えばM
PUマイクロプロセッサ等)は、3.Vの電源電圧で、
200MHzのクロック周波数で動作している。
Currently commercialized LSIs (for example, M
PU microprocessor, etc.) With the power supply voltage of V,
It operates at a clock frequency of 200 MHz.

【0044】本発明のトランジスタは、低い電源電圧
(例えば1.5Vあるいは0.5V)においても高い電
流駆動力を持つ。したがって電源の低電圧化による低電
源電圧化(注:消費電力(P)は、電圧(V)の2乗に
比例するため、低消費電力動作には、電源電圧を下げる
ことが有効である。しかし、一般には、電圧の低下は、
トランジスタの電流駆動力の減少をもたらし、LSIと
しては、動作速度の低下をまねく。)においてはも、L
SI動作の一層の高速化が可能である。
The transistor of the present invention has a high current driving capability even at a low power supply voltage (for example, 1.5 V or 0.5 V). Therefore, lowering the power supply voltage by lowering the power supply voltage (Note: Power consumption (P) is proportional to the square of the voltage (V), so lowering the power supply voltage is effective for low power consumption operation. However, in general, the voltage drop is
This results in a reduction in the current driving force of the transistor, which leads to a reduction in the operating speed of the LSI. ), L
It is possible to further speed up the SI operation.

【0045】LSIの消費電力は次の式で表現すること
ができる。 P=kfcVdd 2 +(Ils+Ilg)Vdd ここで、 P:消費電力 f:クロック周波数 c:容量 Vdd:電源電圧 Ils:サブスレショルド特性できまるリーク電流 Ilg:ゲートリーク電流 この式において、第一項 kfcVdd 2 は、電荷の蓄積
および消去(charge−discharge )によって消費される
電力であり、第二項(Ils+Ilg)は、トランジスタの
リーク電流成分によって消費される電力である。
The power consumption of the LSI can be expressed by the following equation. P = kfcV dd 2 + (I ls + I lg ) V dd Where, P: power consumption f: clock frequency c: capacitance V dd : power supply voltage I ls : leak current I lg : gate leak current that can be used for subthreshold characteristics In the equation, the first term kfcV dd 2 is power consumed by charge accumulation and erasing (charge-discharge), and the second term (I ls + I lg ) is power consumed by the leakage current component of the transistor. Is.

【0046】尚、クロック周波数fは、トランジスタの
電流駆動力Iによって決まる値である。
The clock frequency f is a value determined by the current driving force I of the transistor.

【0047】電荷蓄積時間tは、The charge storage time t is

【0048】 t=Q/I=CV/Iであり、f=I/CV で示すことができる。T = Q / I = CV / I and can be represented by f = I / CV.

【0049】ここで、チップあたりの消費電力を10
W、チップ用トランジスタ数を3×106 個として、本
発明のトランジスタ及び従来構造のトランジスタの消費
電力及びクロック周波数の関係を示す(図25)。
Here, the power consumption per chip is 10
The relationship between the power consumption and the clock frequency of the transistor of the present invention and the transistor of the conventional structure is shown with W and the number of chip transistors is 3 × 10 6 (FIG. 25).

【0050】ここで各トランジスタのしきい値電圧の設
計は、しきい電圧1μA/μmとして3.3V電源で
0.6V、2.0V電源で0.4V、1.5V電源で
0.3V、1.0V電源で0.2V、0.5V電源で
0.15V、0.3V電源で0.1Vとした。
Here, the threshold voltage of each transistor is designed such that the threshold voltage is 1 μA / μm, 0.6 V at 3.3 V power supply, 0.4 V at 2.0 V power supply, and 0.3 V at 1.5 V power supply. It was set to 0.2V with a 1.0V power supply, 0.15V with a 0.5V power supply, and 0.1V with a 0.3V power supply.

【0051】消費電力(P)とクロック周波数(f)の
関係は、電荷の蓄積、消去で決まる領域及びリーク電流
で決まる領域に分けることができる。
The relationship between the power consumption (P) and the clock frequency (f) can be divided into a region determined by charge accumulation and erase and a region determined by leak current.

【0052】そして、図25(b)に示すように、リー
ク電流のうち、サブスレショルド特性で決まる成分は、
各々のしきい値電圧から、値1.5V電源電圧では、し
きい値電圧0.3Vであり、リーク電流による消費電力
は、4.5mWである。同様に、 1.0V電源電圧で 30mW、 0.5V電源電圧で 45mW、 0.3V電源電圧で 100mW である。
Then, as shown in FIG. 25B, the component of the leak current determined by the subthreshold characteristic is
From each threshold voltage, the threshold voltage is 0.3 V at the value of 1.5 V power supply voltage, and the power consumption due to the leak current is 4.5 mW. Similarly, it is 30 mW at 1.0 V power supply voltage, 45 mW at 0.5 V power supply voltage, and 100 mW at 0.3 V power supply voltage.

【0053】一方、本発明のトンネルゲート酸化膜を用
いた場合(Lg =0.14μm、Tox=1.5nm)の
リーク電流は、1.5V電源で、6×10-8A/μmで
あり、1個あたりのトランジスタのゲート幅を10μ
m、トランジスタ数を3×106 個のとき、リーク電流
による消費電力成分は、2.7Wとなる。
On the other hand, when the tunnel gate oxide film of the present invention is used (Lg = 0.14 μm, Tox = 1.5 nm), the leak current is 6 × 10 −8 A / μm at 1.5 V power supply. The gate width of each transistor is 10μ
When m and the number of transistors are 3 × 10 6 , the power consumption component due to the leak current is 2.7 W.

【0054】それぞれの場合についてまとめると、ゲー
ト酸化膜厚1.5nmで Lg =0.14μmのとき、 1.5V電源電圧で 2.7mW、 1.0V電源電圧で 600mW、 0.5V電源電圧で 45mW、 0.3V電源電圧で 6.3mW Lg =0.09μmのとき、 1.5V電源電圧で 540mW、 1.0V電源電圧で 120mW、 0.5V電源電圧で 9mW、 0.3V電源電圧で 1.3mW である。
In each case, when the gate oxide film thickness is 1.5 nm and Lg = 0.14 μm, the power supply voltage is 1.5 V, 2.7 mW, 1.0 V power supply voltage, 600 mW, and 0.5 V power supply voltage. 45mW, 0.3mW at 0.3V power supply voltage Lg = 0.09μm, 1.5V power supply voltage at 540mW, 1.0V power supply voltage at 120mW, 0.5V power supply voltage at 9mW, 0.3V power supply voltage at 1 It is 0.3 mW.

【0055】一方図25(a)に示すように、電荷の蓄
積、消去によって決まる消費電力は、通常のLg =0.
4μm、Tox=9nmのトランジスタの3.3V動作を
基準にすると、このトランジスタの駆動は0.40mA
/μmである。
On the other hand, as shown in FIG. 25A, the power consumption determined by charge accumulation and erasure is the normal Lg = 0.
Based on 3.3V operation of a 4 μm, Tox = 9 nm transistor, the drive of this transistor is 0.40 mA.
/ Μm.

【0056】本発明のトランジスタは、Lg =0.14
μm、Tox=1.5nmのトランジスタでは、1.5V
電源で消費電力は、1.2倍、クロック周波数は5.7
倍である。0.5V動作では、消費電力は、0.047
倍、クロック周波数は2.1倍である。
The transistor of the present invention has Lg = 0.14.
1.5V for a transistor with μm and Tox = 1.5nm
Power consumption is 1.2 times and clock frequency is 5.7
It is twice. In 0.5V operation, power consumption is 0.047
And the clock frequency is 2.1 times.

【0057】また、Lg =0.09μm、Tox=1.5
nmのトランジスタでは、1.5V動作で1.8倍の消
費電力、8.6倍のクロック周波数になる。0.5V動
作で0.11倍の消費電力、4.9倍のクロック周波数
になる。
Lg = 0.09 μm, Tox = 1.5
In the case of a 1.5 nm transistor, the power consumption becomes 1.8 times and the clock frequency becomes 8.6 times. With 0.5V operation, the power consumption is 0.11 times and the clock frequency is 4.9 times.

【0058】また、上述のゲートリーク電流成分は、電
荷の蓄積消去によって消費される本質的な消費電力成分
に比べ約1桁小さく問題にならない。
Further, the above-mentioned gate leak current component is about one order of magnitude smaller than the essential power consumption component consumed by charge storage / erasure, and is not a problem.

【0059】したがって、図25(c)に示すように、
200MHz、3.3V動作のLSIに比べ、本発明の
トランジスタでは、1.5V動作では、同じ消費電力で
5倍の高周波動作(約1000GHz)0.5V動作で
は1/9の低消費電力化で5倍の高クロック動作が可能
である。
Therefore, as shown in FIG.
Compared to an LSI operating at 200 MHz and 3.3 V, the transistor of the present invention consumes 5 times as much high frequency power (about 1000 GHz) at 1.5 V and consumes 1/9 less power at 0.5 V. Five times higher clock operation is possible.

【0060】また、200MHzで動作させるならば、
0.3Vまで電源電圧を下げ、消費電力を1/100の
100mW以下にすることができる。
If it is operated at 200 MHz,
The power supply voltage can be reduced to 0.3 V, and the power consumption can be reduced to 1/100 of 100 mW or less.

【0061】また、本トランジスタは、低電圧下でも高
い相互コンダクタンスを持っている(1.5Vで1,0
10mS/mm、0.5Vで860mS/mm、従来は
3.3Vで200mS/mm程度)ため、現行の5倍程
度の高周波アナログ動作が低電圧下で可能となる。
Further, this transistor has a high transconductance even under a low voltage (1,0 at 1.5 V).
(10 mS / mm, 860 mS / mm at 0.5 V, and about 200 mS / mm at 3.3 V in the past), so high-frequency analog operation of about 5 times that of the current is possible under low voltage.

【0062】例えば、1〜数10GHz動作の通信用の
高周波アナログICは、主にバイポーラやGaAsなど
のトランジスタを用いているが、これを本発明のCMO
Sで置き換えることが可能になる。
For example, a high frequency analog IC for communication of 1 to several tens GHz operation mainly uses a transistor such as bipolar or GaAs, which is a CMO of the present invention.
It becomes possible to replace with S.

【0063】LSIの高集積化、高速化を達成するため
に、MOS型トランジスタの微細化が、従来より行われ
てきている。もちろん高速化のためには、配線の低容量
化、低抵抗化や、素子の寄生容量や寄生抵抗の低減化が
重要であるが、素子自身の微細化も高駆動力化の大きな
カギになる。今後、低消費電力化のために、より低電圧
下でのデバイスの利用が求められているが、いかに低電
圧下で高駆動力のトランジスタを形成するかが、重要な
課題となる。
In order to achieve high integration and high speed of LSI, miniaturization of MOS type transistors has been conventionally performed. Of course, in order to increase the speed, it is important to reduce the wiring capacitance and resistance, and to reduce the parasitic capacitance and parasitic resistance of the element, but miniaturization of the element itself is also a key to high driving force. . In the future, in order to reduce the power consumption, it is required to use the device under a lower voltage, but how to form a transistor with a high driving force under a low voltage is an important issue.

【0064】また、通常は、例えば文献(著者G.G.
Shahidi ,J.Warnock,A.Acovic,P.Agnello,C.Blair,C.Bu
celot,A.Burghartz,E.Crabbe,J.Cressler,P.Coane,J.Co
mfort,B.Davarl,S.Fischer,E.Ganin,S.Gittleman,J.Kel
ler,K.Jenkins,D.Klans,K.Kiewtniak,T.Lu,P.A.McFarla
nd,T.Ning,M.Polcari,S.Subbana,J.Y.Sun,D.Sunderlan
d,A.C.Warren,C.Wong;論文名A HIGH PERFORMANCE 0.15
μm CMOS ;出典Dig.of Tech. Papers,VLSI Symp. on
Tech.,Kyoto,PP.93-94,1993=以下文献[a]という)
に示されるように、通常、1.8V電源では、nMOS
は480ms/mm以下、pMOSは250ms/mm
以下の相互コンダクタンスgmが得られているにすぎな
い。したがって、この文献[a]のトランジスタでは
1.5V電源においても、せいぜい上述の480ms/
mm,250ms/mmの値が得られるにすぎない。一
方、文献(著者Y.Taur,S.Wind,Y.J.Mii,Y.Lii,D.Moy,K.
A.Jenkins,C.L.Chen,P.J.Coane,D.Klaus,J.Bucchignan
o,M.Rosenfield,M.G.R.Thomson,and M.Polcari ;論文
名 High Performance 0.1μmCMOS Device with 1.5VP
ower Supply;出典 IEDM Tech.Dig.,pp.127-130,1993
=以下文献[C]という)に示されるものでは1.5V
電源でnMOSは620ms/mm、pMOSは290
ms/mmの値が得られているにすぎない。また、文献
(著者Y.Mii.S.Rishton,Y.Teur,D.Kern,T.Lii,K.Lee,K.
Jenkins,D.Quinlan,T.Brown Jr.,D.Danner,F.Sewell,an
d M.Polcari ;論文名High Performance 0.1μm nMOSF
ET's with10ps/stage Delay(85K) at 1.5V Power Supp
ly ;出典Dig. of Tech.Pater,VLSI Symp. on Tech.,Ky
oto,pp91-92,1993 )では電源電圧の記述がないが、n
MOSで740ms/mmの値が得られていることが示
されている。また、例えば、文献(著者Y.Mii,S.Wind,
Y.Lii,D.Klaus,and J.Bucchignano;論文名An Ultra-Lo
w Power 0.1μm CMOS ;出典Dig. of Tech.Papers,VLS
I Symp. on Tech.,Hawaii,pp.9-10,1994 =以下文献
[B]という)に示されているものは、0.5V電源で
はnMOSで340ms/mm,pMOSで140ms
/mm以下の相互コンダクタンスgmが得られているに
すぎない。したがって、1.5V以上電源でnMOSが
620ms/mm以上、pMOSが290ms/mm以
上、1.2V以上の電源でnMOSが540ms/mm
以上、pMOSが245ms/mm以上、0.5V以上
の電源でnMOSが340ms/mm以上、pMOSが
140ms/mm以上の性能を有するためには、トラン
ジスタの構造として本発明の構成を有することが必要で
ある。
In addition, usually, for example, in the literature (author GG.
Shahidi, J.Warnock, A.Acovic, P.Agnello, C.Blair, C.Bu
celot, A.Burghartz, E.Crabbe, J.Cressler, P.Coane, J.Co
mfort, B.Davarl, S.Fischer, E.Ganin, S.Gittleman, J.Kel
ler, K.Jenkins, D.Klans, K.Kiewtniak, T.Lu, PAMcFarla
nd, T.Ning, M.Polcari, S.Subbana, JYSun, D.Sunderlan
d, ACWarren, C.Wong ; Paper name A HIGH PERFORMANCE 0.15
μm CMOS ; Source Dig. of Tech. Papers, VLSI Symp. on
Tech., Kyoto, PP.93-94,1993 = hereinafter referred to as document [a])
As shown in FIG.
480 ms / mm or less, pMOS 250 ms / mm
The following transconductance gm is only obtained. Therefore, with the transistor of this reference [a], even with a 1.5 V power supply, the above-mentioned 480 ms /
Only values of mm, 250 ms / mm are obtained. On the other hand, the literature (author Y.Taur, S.Wind, YJMii, Y.Lii, D.Moy, K.
A.Jenkins, CLChen, PJCoane, D.Klaus, J.Bucchignan
o, M.Rosenfield, MGRThomson, and M.Polcari; Paper name High Performance 0.1μm CMOS Device with 1.5VP
ower Supply ; Source IEDM Tech.Dig., pp.127-130,1993
= 1.5V in the case shown in the following document [C])
Power source nMOS is 620 ms / mm, pMOS is 290
Only values of ms / mm have been obtained. In addition, literature (authors Y.Mii.S.Rishton, Y.Teur, D.Kern, T.Lii, K.Lee, K.
Jenkins, D.Quinlan, T.Brown Jr., D.Danner, F.Sewell, an
d M. Polcari; Paper name High Performance 0.1 μm nMOSF
ET's with10ps / stage Delay (85K) at 1.5V Power Supp
ly; Source Dig. of Tech.Pater, VLSI Symp. on Tech., Ky
oto, pp91-92,1993) does not describe the power supply voltage, but n
It is shown that a value of 740 ms / mm is obtained with the MOS. Also, for example, in the literature (author Y.Mii, S.Wind,
Y.Lii, D.Klaus, and J.Bucchignano ; Paper name An Ultra-Lo
w Power 0.1 μm CMOS; Source Dig. of Tech.Papers, VLS
I Symp. On Tech., Hawaii, pp.9-10,1994 = hereinafter referred to as reference [B]) shows that the nMOS is 340 ms / mm and the pMOS is 140 ms at 0.5 V power supply.
Only a transconductance gm of less than / mm is obtained. Therefore, with a power supply of 1.5 V or more, nMOS is 620 ms / mm or more, pMOS is 290 ms / mm or more, and with a power supply of 1.2 V or more, nMOS is 540 ms / mm or more.
As described above, in order for the pMOS to have the performance of 245 ms / mm or more, the power supply of 0.5 V or more, the nMOS to have the performance of 340 ms / mm or more, and the pMOS to have the performance of 140 ms / mm or more, it is necessary to have the configuration of the present invention as the structure of the transistor. Is.

【0065】同様に電流駆動力については、通常は例え
ば文献[B]に示されるように、0.5V電源ではnM
OSは0.052mA/μm、pMOSは0.032m
A/μmに留まっている。また、1.5V電源では文献
[C]に示されるように、nMOSは0.65mA/μ
m,pMOSは0.3mA/μmに留まっている。した
がって、1.5V以上の電源でnMOSが0.65mA
/μm以上、pMOSが0.30mA/μm以上、1.
2V以上の電源でnMOSが0.47mA/μm以上、
pMOSが0.22mA/μm以上、0.5V以上の電
源でnMOSが0.052mA/μm以上、pMOSが
0.032mA/μm以上の駆動力を得るには、トラン
ジスタの構造として本発明の構成を有することが必要で
ある。
Similarly, with respect to the current driving force, as shown in the document [B], for example, nM is normally obtained with a 0.5 V power supply.
OS is 0.052mA / μm, pMOS is 0.032m
It remains at A / μm. Also, with a 1.5 V power supply, as shown in the literature [C], nMOS has 0.65 mA / μ.
m and pMOS remain at 0.3 mA / μm. Therefore, with a power supply of 1.5 V or more, nMOS is 0.65 mA.
/ Μm or more, pMOS is 0.30 mA / μm or more, 1.
NMOS is 0.47mA / μm or more with a power supply of 2V or more,
In order to obtain a driving force of nMOS of 0.052 mA / μm or more and pMOS of 0.032 mA / μm or more with a power supply of pMOS of 0.22 mA / μm or more and 0.5 V or more, the structure of the present invention is adopted as a transistor structure. It is necessary to have.

【0066】上述の相互コンダクタンス及び電流駆動力
の値はいずれも室温における特性値である。
The values of the mutual conductance and the current driving force described above are characteristic values at room temperature.

【0067】したがって、ある電源電圧(VDD)下でn
MOSにおいて、 gm≧280VDD+200 pMOSにおいて gm≧150VDD+65 となる構造が本発明の特徴となる。単位はVDD(V)、
gm(ms/mm)である。
Therefore, under a certain power supply voltage (VDD), n
A feature of the present invention is a structure in which gm ≧ 280 VDD + 200 in MOS and gm ≧ 150 VDD + 65 in pMOS. The unit is VDD (V),
It is gm (ms / mm).

【0068】また、電流駆動力としては nMOSがId ≧0.598VDD−0.247 pMOSがId ≧0.268VDD−0.102 となる構造が本発明の特徴となる。単位はVDD(V)、
Id (mA)である。
The present invention is characterized in that the current driving capability of the nMOS is Id ≥0.598 VDD-0.247 and that of the pMOS Id ≥0.268 VDD-0.102. The unit is VDD (V),
Id (mA).

【0069】また、これらの値については特にゲート長
の値を記述していないが、いずれも0.1μm近辺の大
きさである。
Regarding these values, the values of the gate length are not particularly described, but the values are all around 0.1 μm.

【0070】MOSFETの駆動力はゲート長を短く
し、チャネルの電界を強くすることにより、電子や正孔
の速度を上げる手法が駆動力向上に有効であることは、
よく知られているが、ゲート長を短くし、チャネル電界
を強くする方法においては、ゲート長が0.1μm、あ
るいは、それ以下で、原理的には、速度飽和(チャネル
の電界がある程度強くなると、それ以上電界が強くなっ
ていても電子や正孔の速度が飽和し向上しないという現
象。)が生じ、高速化が飽和しつつあった。
The driving force of the MOSFET is effective in improving the driving force by shortening the gate length and increasing the electric field of the channel to increase the speed of electrons and holes.
As is well known, in the method of shortening the gate length and strengthening the channel electric field, when the gate length is 0.1 μm or less, in principle, velocity saturation (when the electric field of the channel becomes strong to some extent, , The phenomenon that the speed of electrons and holes saturates and does not improve even when the electric field becomes stronger.), And the speedup was becoming saturated.

【0071】微細ゲートのMOSFETとして、昨年、
ゲート長0.04μmの世界最小のnMOSFETを作
製し、その室温動作を報告したが、その電流駆動力は、
0.1μmゲート長のトランジスタと比べて、2〜3割
の向上に留まるものであった。
As a fine-gate MOSFET last year,
We manufactured the world's smallest nMOSFET with a gate length of 0.04 μm and reported its room temperature operation.
The improvement was only 20 to 30% of that of a transistor having a gate length of 0.1 μm.

【0072】したがって、前述した相互コンダクタンス
及び駆動力の値は、特にゲート長を規定しなくとも、従
来の方法では実現できず、本発明の構成を持つトランジ
スタで実現できるものである。
Therefore, the values of the transconductance and the driving force described above cannot be realized by the conventional method, even if the gate length is not specified, and can be realized by the transistor having the structure of the present invention.

【0073】以上のように、本発明により従来に比べ駆
動力、信頼性ともに良いトランジスタが実現できた。
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a transistor having better driving force and reliability than the conventional one.

【0074】以上はシリコン酸化膜をゲート絶縁膜に用
いる説明してきたが、本発明はそれと同等のゲート容量
を有する絶縁膜、を用いても、同様の効果がある。絶縁
膜としては、例えば、シリコン窒化膜(Si3 N4 )、
シリコン窒化酸化膜(SiOx Ny )シリコン窒化膜と
シリコン酸化膜の積層膜(SiO2 /Si3 N4 ,Si
3 N4 /SiO2 ,SiO2 /Si3 N4 /SiO2 ,
SiN4 /SiO2 /N4 )あるいはタンタルオキサイ
ド(Ta Ox )、チタン酸ストロンチウム膜(TiSr
xOy )それらとシリコン酸化膜、シリコン窒化膜との
積層膜等がある。これらの絶縁膜のゲート容量がシリコ
ン酸化膜換算で、シリコン酸化膜厚2.5nm未満と同
等であれば、本発明の効果が得られる。例えば、シリコ
ン窒化膜の比誘電率7.9はシリコン酸化膜3.9の約
2倍であり、シリコン窒化膜を用いる場合は、膜厚5n
m未満の場合において本発明の効果が得られる。前述し
たいずれの絶縁膜を用いる場合において、このゲート絶
縁膜中をトンネルリーク電流が流れても、シリコン酸化
膜中をトンネル電流が流れる絶縁膜厚でトランジスタを
構成するという要旨と一致しており、同等の効果があ
る。また、上述のシリコン酸化膜2.5nm未満と同等
のゲート容量を有する絶縁膜であれば、トンネル電流が
流れないため、消費電力が低減し、さらに低消費電力で
高性能なトランジスタが実現できる。
Although the silicon oxide film is used as the gate insulating film in the above description, the present invention has the same effect even if an insulating film having a gate capacitance equivalent to that is used. As the insulating film, for example, a silicon nitride film (Si3 N4),
Silicon nitride oxide film (SiOx Ny) Laminated film of silicon nitride film and silicon oxide film (SiO2 / Si3 N4, Si)
3 N4 / SiO2, SiO2 / Si3 N4 / SiO2,
SiN4 / SiO2 / N4) or tantalum oxide (Ta Ox), strontium titanate film (TiSr)
xOy) There is a laminated film of them and a silicon oxide film or a silicon nitride film. If the gate capacitance of these insulating films is equivalent to a silicon oxide film thickness of less than 2.5 nm, the effect of the present invention can be obtained. For example, the relative dielectric constant 7.9 of the silicon nitride film is about twice that of the silicon oxide film 3.9, and when the silicon nitride film is used, the film thickness is 5n.
When it is less than m, the effect of the present invention can be obtained. In the case of using any of the above-mentioned insulating films, even if a tunnel leak current flows in this gate insulating film, it is consistent with the gist that a transistor is configured with an insulating film thickness through which a tunnel current flows in a silicon oxide film, Has the same effect. Further, if the insulating film has a gate capacitance equivalent to that of the above-described silicon oxide film of less than 2.5 nm, tunnel current does not flow, power consumption is reduced, and a high-performance transistor with low power consumption can be realized.

【0075】例えば、トランジスタ1個あたり、10-8
Aのゲートトンネルリークを持つMOSFETを100
万個集積した場合、10mAの電力が消費される。一
方、トンネル電流が流れないトランジスタを使用した場
合には、この10mAの消費電力が抑えられ、LSIと
しての性能の向上を図ることができる。
For example, 10 -8 per transistor
100 MOSFETs with gate tunnel leakage of A
If 10,000 pieces are integrated, 10 mA of power will be consumed. On the other hand, when a transistor through which a tunnel current does not flow is used, the power consumption of 10 mA is suppressed, and the performance of the LSI can be improved.

【0076】また本発明のトランジスタは、半導体装置
の一部に使用されると、高性能かつ安価な半導体装置が
実現する。
When the transistor of the present invention is used as a part of a semiconductor device, a high-performance and inexpensive semiconductor device can be realized.

【0077】図18は、半導体装置の一部に本発明のト
ランジスタを使用した半導体装置の概略図である。特に
大電流で駆動することが要求される周辺回路の部分に、
図18(b)に示すように本発明トランジスタを用いる
と良い。このような半導体装置は、次のような製造法で
作製できる。
FIG. 18 is a schematic view of a semiconductor device in which the transistor of the present invention is used as a part of the semiconductor device. Especially in the peripheral circuits that are required to be driven with a large current,
It is preferable to use the transistor of the present invention as shown in FIG. Such a semiconductor device can be manufactured by the following manufacturing method.

【0078】従来法により半導体基板上に素子領域及び
素子分離領域を形成したのち、例えば炉酸化法にて80
0℃酸素雰囲気でシリコン表面を酸化し、4nmの第1
のシリコン酸化膜を形成する。その後、本発明トランジ
スタ形成領域のみ前記第1のシリコン酸化膜を除去す
る。その後、急速ランプ加熱法にて所望の膜厚の第2の
シリコン酸化膜を形成する。以降の工程は前述した本発
明のトランジスタの形成方法と同様の工程を経て作製す
る。
After the element region and the element isolation region are formed on the semiconductor substrate by the conventional method, the element region and the element isolation region are formed by, for example, a furnace oxidation method.
Oxide the silicon surface in an oxygen atmosphere at 0 ° C.
Forming a silicon oxide film. After that, the first silicon oxide film is removed only in the transistor formation region of the present invention. After that, a second silicon oxide film having a desired film thickness is formed by a rapid lamp heating method. Subsequent steps are manufactured through the same steps as the method for forming a transistor of the present invention described above.

【0079】このように作製した半導体装置は、大電流
で駆動されるトランジスタが要求される領域に本発明で
作製した高性能なトランジスタが形成され、全体として
優れた半導体装置になる。従来、例えば高速論理デバイ
スにおいては、図19に示すように周辺回路部分(I/
O部)をバイポーラトランジスタで形成し、内部論理回
路をCMOSトランジスタで形成し、高速化を図った。
In the semiconductor device thus manufactured, the high-performance transistor manufactured according to the present invention is formed in a region where a transistor driven by a large current is required, so that the semiconductor device becomes an excellent semiconductor device as a whole. Conventionally, for example, in a high-speed logic device, as shown in FIG.
(O portion) is formed by a bipolar transistor, and an internal logic circuit is formed by a CMOS transistor to increase the speed.

【0080】本発明を用いることで、CMOSのプロセ
スのみで作製が可能になり、安価に高性能な素子を実現
することができた。
By using the present invention, it is possible to manufacture the semiconductor device only by the CMOS process, and it is possible to realize a high-performance element at a low cost.

【0081】本実施例においては、特にnMOSFET
の例を用いて説明したが、本構造は同様にpMOSFE
Tにも応用ができる。この場合、ゲート側壁部はBSG
(B(ボロン)含有シリコン酸化膜)で形成し、浅いp
型のソース/ドレイン領域を形成すればよい。これは文
献(著者M.Saito,T.Yoshitomi,H.Hara,M.Ono,Y.Akasak
a,H.Nii,S.Matsuda,H.S.Momose,Y.Katsumata,and H.Iwa
i;論文名P-MOSFETs with Ultra-Shallow Solid-Phase-
Diffused Drain StructureProduced by Diffusion from
BSG Gate-Sidewall ;出典IEEE Trans.Electron Devic
es,vol.ED-40,no.12,pp.2264-2272,December,1993)に
おいて報告されている。
In the present embodiment, especially nMOSFET
However, this structure is similar to pMOSFE.
It can also be applied to T. In this case, the gate sidewall is BSG
(Formed of B (boron) -containing silicon oxide film) and has a shallow p
The source / drain regions of the mold may be formed. This is in the literature (author M. Saito, T. Yoshitomi, H. Hara, M. Ono, Y. Akasak
a, H.Nii, S.Matsuda, HS Momose, Y.Katsumata, and H.Iwa
i; Paper name P-MOSFETs with Ultra-Shallow Solid-Phase-
Diffused Drain StructureProduced by Diffusion from
BSG Gate-Sidewall ; Source IEEE Trans.Electron Devic
es, vol.ED-40, no.12, pp.2264-2272, December, 1993).

【0082】また、上述のように、BSG側壁からの固
相拡散技術でなく、通常のB(ボロン)原子のイオン打
込み法によりソース/ドレイン拡散層を作製しても良
い。
Further, as described above, the source / drain diffusion layer may be formed by a usual B (boron) atom ion implantation method instead of the solid-phase diffusion technique from the BSG side wall.

【0083】図24は、イオン打込み法でソース/ドレ
イン拡散層を形成したp型MOSFETの電気的特性で
ある。このときゲート酸化膜厚は1.5nm、ゲート長
は0.2μmである。本発明で作製されたpMOSFE
Tは1.5V電源で0.41mA/μmの電流駆動力、
及び408ms/mmの相互コンダクタンスを有し、文
献(著者Y.Taur,S.Wind,Y.J.Mii,Y.Lii,D.Moy,K.A.Jenk
ins,C.L.Chen,P.J.Coane,D.Klaus,J.Bucchignano,M.G.
R.Thomson,and M.Polcari;論文名“High Performance
0.1μmCMOS Devices with 1.5V Power Supply;出典IED
M Tech. Dig.,pp.127-130,1993)において報告されてい
る0.2μmゲート長pMOSFETの性能値約200
ms/mmを大幅に上回る高い性能を持つ。またこのT
rは、0.5V電源で0.06mA/μmの駆動力と約
350ms/mmの相互コンダクタンスが得られてい
る。
FIG. 24 shows the electrical characteristics of the p-type MOSFET in which the source / drain diffusion layers are formed by the ion implantation method. At this time, the gate oxide film thickness is 1.5 nm and the gate length is 0.2 μm. PMOSFE produced by the present invention
T is a 1.5V power supply, 0.41 mA / μm current driving force,
And a transconductance of 408 ms / mm, and the literature (authors Y.Taur, S.Wind, YJMii, Y.Lii, D.Moy, KAJenk).
ins, CLChen, PJCoane, D.Klaus, J.Bucchignano, MG
R. Thomson, and M. Polcari; Paper name “High Performance
0.1μm CMOS Devices with 1.5V Power Supply; Source IED
M Tech. Dig., Pp.127-130, 1993), the performance value of the 0.2 μm gate length pMOSFET is about 200.
It has a high performance that greatly exceeds ms / mm. Also this T
For r, a driving force of 0.06 mA / μm and a transconductance of about 350 ms / mm are obtained with a 0.5 V power supply.

【0084】また、本実施例においては、拡散層深さ3
0nmの例を用いて説明したが、拡散及び活性化のため
のアニール条件を700℃から1,100℃の間で適宜
温度と時間を選択することにより、所望の拡散層深さを
自由に選ぶことができる。
In this embodiment, the diffusion layer depth is 3
Although the description has been given using the example of 0 nm, the desired diffusion layer depth can be freely selected by appropriately selecting the temperature and time of the annealing conditions for diffusion and activation between 700 ° C. and 1,100 ° C. be able to.

【0085】図23はチャネル電流Id に占めるゲート
電流Ig の比率Ig /Id が酸化膜厚Toxとゲート長L
g でどう変化するか示したものである。比率Ig /Id
が同一になるのは酸化膜厚1.5nmの場合に比べ、2
0%厚い1.8nmの場合では、ゲート長は膜厚1.5
nmのときの1/2まで短くした場合に、同じ量のリー
ク電流を生ずることが解る。
In FIG. 23, the ratio Ig / Id of the gate current Ig to the channel current Id is the oxide film thickness Tox and the gate length L.
This shows how g changes. Ratio Ig / Id
Are the same when compared to the case where the oxide film thickness is 1.5 nm.
In the case of 0% thick 1.8 nm, the gate length is 1.5
It can be seen that the same amount of leak current is generated when shortening to 1/2 of nm.

【0086】図12に示すように、Ig /Id が急激に
増大するポイントである6×10-5を限界値として、そ
れ以下の特性となるゲート長Lg 、絶縁膜厚Toxが好ま
しいとすると、下記の式が成立する。限界の6×10-5
Ig /Id 比のあるとき、 Tox(nm)=logLg (μm)+2.02 したがって、ある絶縁膜厚Tox(nm)のときに許容さ
れるゲート長Lg (μm)は、 Lg ≦10(Tox-2.02) LSIの集積度向上のために消費電力となるゲート電流
をさらに低減し、100万個(1M(メガ)bit)の
メモリに応用される場合、LSIとしての消費電力への
影響を10mA程度とする。1個あたりのトランジスタ
のゲート電流として許容されるのは10-8A/μmとす
ると、図6より、この図は10μmゲート幅あたりのゲ
ート電流で記述してあるので、10-8A/μmとなるの
はTox=1.5nmのとき、0.15μm、Tox=1.
8nmのとき0.30μmである。
As shown in FIG. 12, when 6 × 10 -5 , which is the point at which Ig / Id rapidly increases, is set as the limit value, and the gate length Lg and the insulating film thickness Tox that have the following characteristics are preferable, The following formula is established. Limit of 6 × 10 -5
When there is an Ig / Id ratio, Tox (nm) = logLg (μm) +2.02 Therefore, the allowable gate length Lg (μm) for a certain insulating film thickness Tox (nm) is Lg ≦ 10 (Tox- 2.02) When the gate current, which is the power consumption, is further reduced to improve the integration degree of the LSI and it is applied to 1 million (1M (mega) bit) memory, the influence on the power consumption of the LSI is about 10 mA. And Assuming that the transistor gate current per transistor is 10 -8 A / μm, FIG. 6 shows that this diagram is described by the gate current per 10 μm gate width, so 10 -8 A / μm When Tox = 1.5 nm, 0.15 μm and Tox = 1.
When it is 8 nm, it is 0.30 μm.

【0087】 Tox(nm)=logLg (μm)+2.32 したがって、ある膜厚で許容されるゲート長Lg (μ
m)の値は Lg ≦10(Tox-2.32) であれば、さらに性能が向上し、集積度の高いLSIに
応用できる。
Tox (nm) = logLg (μm) +2.32 Therefore, the allowable gate length Lg (μ
If the value of m) is Lg ≤ 10 (Tox-2.32) , the performance is further improved and it can be applied to an LSI having a high degree of integration.

【0088】[0088]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ゲ
ート絶縁膜の厚さを2.5nm未満とすることにより、
ホットキャリアストレス下での信頼性が向上するととも
に、ゲート長を0.3μm以下にすることで、ソース/
ドレイン電極からゲート電極へのトンネル電流Ig を減
少させることができ、トランジスタ特性の向上を図るこ
とができる。また、電源電圧1.5V以下で使用すれ
ば、さらに信頼性の高いトランジスタが実現できる。
As described above, according to the present invention, by making the thickness of the gate insulating film less than 2.5 nm,
By improving the reliability under hot carrier stress and reducing the gate length to 0.3 μm or less,
The tunnel current Ig from the drain electrode to the gate electrode can be reduced, and the transistor characteristics can be improved. Further, if it is used at a power supply voltage of 1.5 V or less, a transistor with higher reliability can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例に係るMOS型トランジスタ
の構造を示す素子断面図。
FIG. 1 is an element sectional view showing a structure of a MOS transistor according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示すトランジスタの不純物濃度プロファ
イル図。
FIG. 2 is an impurity concentration profile diagram of the transistor shown in FIG.

【図3】同トランジスタのホットキャリアストレス(V
d=2.5V、Isubmax 、1000秒ストレス印加)下
のトランスコンダクタンスの劣化量のゲート酸化膜厚依
存性を示す曲線図。
FIG. 3 shows hot carrier stress (V
The curve figure which shows the gate oxide film thickness dependence of the deterioration amount of transconductance under d = 2.5V, Isubmax, and 1000 second stress application.

【図4】同トランジスタのトンネル電流Ig のゲート長
Lg 依存性を示す曲線図(W=10μm)。
FIG. 4 is a curve diagram (W = 10 μm) showing the gate length Lg dependence of the tunnel current Ig of the transistor.

【図5】同トランジスタのドレイン電流Id0のゲート長
Lg 依存性を示す曲線図(W=10μm)。
FIG. 5 is a curve diagram (W = 10 μm) showing the gate length Lg dependence of the drain current Id0 of the transistor.

【図6】同トランジスタのトンネル電流Ig のゲート長
Lg 依存性を示す曲線図(W=10μm)。
FIG. 6 is a curve diagram (W = 10 μm) showing the dependence of the tunnel current Ig of the same transistor on the gate length Lg.

【図7】同トランジスタのコンダクタンスgmのゲート
長Lg 依存性を示す曲線図(W=10μm)。
FIG. 7 is a curve diagram (W = 10 μm) showing the dependence of the conductance gm of the transistor on the gate length Lg.

【図8】同トランジスタの基板最大電流Isubmaxのゲー
ト長Lg 依存性を示す曲線図(W=10μm)(a)及
びトランジスタの基板電流Isub のゲート電圧依存性を
示す曲線図(W=10μm)(b)。
FIG. 8 is a curve diagram (W = 10 μm) showing the gate length Lg dependence of the substrate maximum current Isubmax of the same transistor (a) and a curve diagram (W = 10 μm) (W = 10 μm) (a) showing the gate voltage dependence of the substrate current Isub of the transistor. b).

【図9】同トランジスタのインパクトイオン化率のゲー
ト長Lg 依存性を示す曲線図(W=10μm)。
FIG. 9 is a curve diagram (W = 10 μm) showing the dependence of the impact ionization rate of the same transistor on the gate length Lg.

【図10】同トランジスタの電流Ig ,Id の電源電圧
Vd =Vg 依存性を示す曲線図(Lg=0.14μm,
W=10μm)。
FIG. 10 is a curve diagram (Lg = 0.14 μm, showing the dependence of the currents Ig and Id of the transistor on the power supply voltage Vd = Vg).
W = 10 μm).

【図11】同トランジスタのドレイン電流Id の電源電
圧Vd =Vg 依存性を示す曲線図。
FIG. 11 is a curve diagram showing the dependency of the drain current Id of the transistor on the power supply voltage Vd = Vg.

【図12】同トランジスタのIg /Id の電源電圧(V
d =Vg)依存性を示す曲線図。
FIG. 12 is a diagram showing a power supply voltage (V) of Ig / Id of the transistor.
The curve figure which shows d = Vg) dependence.

【図13】同トランジスタのId −Vd 特性のゲート長
依存性を示す曲線図。
FIG. 13 is a curve diagram showing the gate length dependence of Id-Vd characteristics of the transistor.

【図14】同トランジスタのコンダクタンスgmのゲー
ト長依存性を示す曲線図。
FIG. 14 is a curve diagram showing the gate length dependence of the conductance gm of the transistor.

【図15】本発明のトランジスタの主要な特性について
従来のトランジスタの特性を対比して示す曲線図(電源
電圧0.5V)。
FIG. 15 is a curve diagram showing the main characteristics of the transistor of the present invention in comparison with the characteristics of a conventional transistor (power supply voltage 0.5 V).

【図16】キャリア移動度の実効電界依存性を示す曲線
図。
FIG. 16 is a curve diagram showing the dependence of carrier mobility on the effective electric field.

【図17】本発明の一実施例に係るMOS型トランジス
タのコンダクタンスgmの劣化(ストレス時間に対する
トランスコンダクタンスの劣化)特性を示す曲線図。
FIG. 17 is a curve diagram showing characteristics of deterioration of conductance gm (degradation of transconductance with respect to stress time) of a MOS transistor according to an example of the present invention.

【図18】本発明による半導体装置の例、全領域の半導
体装置を本発明のMOSFETで作製した半導体装置
(a)、一部の領域で本発明のMOSFETを作製した
半導体装置(b)、及び周辺部領域で本発明のMOSF
ETを作製した半導体装置(c)の構成を示す概略説明
図。
FIG. 18 is an example of a semiconductor device according to the present invention, a semiconductor device (a) in which a semiconductor device in the entire region is manufactured using the MOSFET of the present invention, a semiconductor device (b) in which the MOSFET of the present invention is manufactured in a partial region, and MOSF of the present invention in the peripheral region
The schematic explanatory drawing which shows the structure of the semiconductor device (c) which produced ET.

【図19】バイポーラトランジスタとCMOSトランジ
スタで形成した高速半導体装置の従来例の構成を示す概
略説明図。
FIG. 19 is a schematic explanatory diagram showing a configuration of a conventional example of a high-speed semiconductor device formed of a bipolar transistor and a CMOS transistor.

【図20】Lg =0.09μm、Tox=1.5nmトラ
ンジスタの相互コンダクタンスの電圧依存性を示す曲線
図。
FIG. 20 is a curve diagram showing the voltage dependence of the transconductance of a transistor having Lg = 0.09 μm and Tox = 1.5 nm.

【図21】相互コンダクタンスの電源電圧依存性を示す
曲線図。
FIG. 21 is a curve diagram showing the power supply voltage dependence of mutual conductance.

【図22】単位あたり電流駆動力の電源電圧依存性を示
す曲線図。
FIG. 22 is a curve diagram showing the power supply voltage dependency of the current driving force per unit.

【図23】ゲート長Lg に対するチャネル電流に対する
ゲート電流比Ig /Id を示す曲線図。
FIG. 23 is a curve diagram showing the gate current ratio Ig / Id with respect to the channel current with respect to the gate length Lg.

【図24】Tox=1.5nm、Lg =0.2μm pM
OSトランジスタの特性(Id −Vd 特性(a)、gm
−Vg 特性(b))を示す曲線図。
FIG. 24: Tox = 1.5 nm, Lg = 0.2 μm pM
Characteristics of OS transistor (Id-Vd characteristics (a), gm
The curve figure which shows -Vg characteristic (b).

【図25】Lg =0.4μm、Tox=9nmトランジス
タ(従来例)、Lg =0.1μm、Tox=3nmトラン
ジスタ(従来例)、Lg =0.14μm及びLg =0.
09μm、Tox=1.5nmトランジスタ(本発明)に
ついて、クロック周波数と電荷の蓄積消去及びサブスレ
ショルドリークで決まる消費電力との関係(a)、クロ
ック周波数とゲートリーク電流で決まる消費電力成分と
の関係(b)、全てのトランジスタを同一消費電力、あ
るいは同一クロック周波数条件としたときの消費電力と
クロック周波数との関係(c)とそれぞれ示す曲線図。
FIG. 25 shows Lg = 0.4 μm, Tox = 9 nm transistor (conventional example), Lg = 0.1 μm, Tox = 3 nm transistor (conventional example), Lg = 0.14 μm and Lg = 0.
For a 09 μm, Tox = 1.5 nm transistor (present invention), the relationship between the clock frequency and the power consumption determined by charge storage / erasure and subthreshold leakage (a), and the relationship between the clock frequency and the power consumption component determined by the gate leakage current FIG. 6B is a curve diagram showing the relationship between power consumption and clock frequency when all transistors have the same power consumption or the same clock frequency condition, and FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体基板 2 ゲート電極 3 ゲート酸化膜 4 チャネル形成領域 5 ソース領域 6 ドレイン領域 7 ゲート電源 8 ドレイン電源 1 semiconductor substrate 2 gate electrode 3 gate oxide film 4 channel formation region 5 source region 6 drain region 7 gate power supply 8 drain power supply

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大 黒 達 也 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 小 野 瑞 城 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 吉 富 崇 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 中 村 新 一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Tatsuya Oguro, Inventor Tatsuya Oguro, Komukai-shi Toshiba-cho, Kawasaki-shi, Kanagawa 1 Within Toshiba R & D Center, Inc. Komukai Toshiba Town 1 Co., Ltd. Toshiba Research and Development Center (72) Inventor Takashi Yoshitomi Komukai Toshiba Town 1 Kawakami City, Kanagawa Prefecture Komukai Toshiba Research and Development Center (72) Inventor Shinichi Nakamura Kanagawa Komukai Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Japan Stock Company Toshiba Research and Development Center

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第一導電型の半導体基板と、 該半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極
と、 該半導体基板のゲート電極直下に位置するチャネル形成
領域の両側に形成された第二導電型のソース/ドレイン
領域とを備え、 前記絶縁膜の厚さが2.0nm以下、前記ゲート電極の
ゲート長が0.3μm以下であることを特徴とする半導
体装置。
1. A semiconductor substrate of a first conductivity type, a gate electrode formed on the semiconductor substrate via an insulating film, and formed on both sides of a channel formation region located immediately below the gate electrode of the semiconductor substrate. A semiconductor device comprising a source / drain region of the second conductivity type, wherein the insulating film has a thickness of 2.0 nm or less and the gate electrode has a gate length of 0.3 μm or less.
【請求項2】半導体装置の一部に請求項1記載の半導体
装置を含むことを特徴とする半導体装置。
2. A semiconductor device comprising the semiconductor device according to claim 1 in a part of the semiconductor device.
【請求項3】前記半導体装置の動作時、前記絶縁膜にト
ンネル電流が流れることを特徴とする請求項1記載の半
導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a tunnel current flows through the insulating film during operation of the semiconductor device.
【請求項4】前記絶縁膜の膜厚は酸化膜厚換算で2.0
nm以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体
装置。
4. The film thickness of the insulating film is 2.0 in terms of oxide film thickness.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device has a thickness of not more than nm.
【請求項5】第一導電型の半導体基板と、 該半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲー
ト電極と、 該半導体基板のゲート電極直下に位置するチャネル形成
領域の両側に形成された第二導電型のソース/ドレイン
領域とを備えたMOS型半導体装置において、 前記ゲート電極のチャネル方向の長さ(Lg)と前記ゲ
ート絶縁膜の厚さ(tox)の関係が以下の関係を満足
することを特徴とする半導体装置。 Lg ≦10(Tox-2.02) このときLg の単位は(μm) Toxの単位は(nm)
5. A semiconductor substrate of a first conductivity type, a gate electrode formed on the semiconductor substrate via a gate insulating film, and formed on both sides of a channel formation region located directly under the gate electrode of the semiconductor substrate. In a MOS semiconductor device having a second conductivity type source / drain region, the relationship between the length (Lg) of the gate electrode in the channel direction and the thickness (tox) of the gate insulating film has the following relationship. A semiconductor device characterized by satisfying. Lg ≤ 10 (Tox-2.02) At this time, the unit of Lg is (μm) and the unit of Tox is (nm)
【請求項6】第一導電型の半導体基板と、 該半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極
と、 該半導体基板のゲート電極直下に位置するチャネル形成
領域の両側に形成された第二導電型のソース/ドレイン
領域とを備え、 前記絶縁膜の厚さが2.0nm以下、前記ゲート電極の
ゲート長が0.3μm以下であって、前記ゲート電極及
びドレイン領域への印加電圧を1.5V以下としたこと
を特徴とする半導体装置。
6. A semiconductor substrate of a first conductivity type, a gate electrode formed on the semiconductor substrate via an insulating film, and formed on both sides of a channel formation region located directly below the gate electrode of the semiconductor substrate. A source / drain region of the second conductivity type, the insulating film has a thickness of 2.0 nm or less, the gate length of the gate electrode is 0.3 μm or less, and a voltage applied to the gate electrode and the drain region. Is 1.5 V or less, a semiconductor device.
【請求項7】前記ゲート電極への印加電圧を0.5V以
下としたことを特徴とする請求項6記載の半導体装置。
7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the voltage applied to the gate electrode is 0.5 V or less.
【請求項8】半導体装置の一部に請求項6記載の半導体
装置を含むことを特徴とする半導体装置。
8. A semiconductor device comprising the semiconductor device according to claim 6 as part of the semiconductor device.
【請求項9】前記半導体装置の動作時、前記絶縁膜にト
ンネル電流が流れることを特徴とする請求項6記載の半
導体装置。
9. The semiconductor device according to claim 6, wherein a tunnel current flows through the insulating film during operation of the semiconductor device.
【請求項10】前記絶縁膜の膜厚は酸化膜厚換算で2.
0nm以下であることを特徴とする請求項6記載の半導
体装置。
10. The film thickness of the insulating film is 2.
7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the thickness is 0 nm or less.
【請求項11】第一導電型の半導体基板と、 該半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極
と、 該半導体基板のゲート電極直下に位置するチャネル形成
領域の両側に形成された第二導電型のソース/ドレイン
領域とを備え、 相互コンダクタンス(gm)が nMOSにおいてgm≧280VDD+200 pMOSにおいてgm≧150VDD+65 単位はVDD(V)、gm(ms/mm)であることを特
徴とする半導体装置。
11. A semiconductor substrate of a first conductivity type, a gate electrode formed on the semiconductor substrate via an insulating film, and formed on both sides of a channel formation region located directly below the gate electrode of the semiconductor substrate. A semiconductor having a source / drain region of the second conductivity type and having a mutual conductance (gm) of gm ≧ 280 VDD + 200 in nMOS and gm ≧ 150 VDD + 65 in pMOS where VDD (V) and gm (ms / mm) are units. apparatus.
【請求項12】前記ゲート電極及びドレイン領域への印
加電圧を1.5V以下としたことを特徴とする請求項1
1記載の半導体装置。
12. The voltage applied to the gate electrode and the drain region is 1.5 V or less.
1. The semiconductor device according to 1.
【請求項13】前記ゲート電極及びドレイン領域への印
加電圧を0.5V以下としたことを特徴とする請求項1
2記載の半導体装置。
13. The voltage applied to the gate electrode and the drain region is 0.5 V or less.
2. The semiconductor device according to 2.
【請求項14】前記半導体装置の動作時、前記絶縁膜に
トンネル電流が流れることを特徴とする請求項11記載
の半導体装置。
14. The semiconductor device according to claim 11, wherein a tunnel current flows through the insulating film during operation of the semiconductor device.
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