DE3788525T2

DE3788525T2 - Feldeffekttransistoranordnungen.

Info

Publication number: DE3788525T2
Application number: DE3788525T
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Noguchi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-03-22
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2007-03-21
Also published as: US4841346A; DE3788525D1; EP0239019A2; EP0239019A3; EP0239019B1; JPS62219966A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor (FET), und insbesondere auf einen Metalloxidhalbleiter- FET (MOSFET).
Gegenwärtig findet der MOSFET eine breite Verwendung, wobei ein noch stärker integrierter Aufbau gefordert wird. Ein MOSFET umfaßt im allgemeinen ein Halbleitersubstrat, eine Sourceelektrode und eine Drainelektrode, die auf dem Substrat gebildet sind und eine Leitfähigkeit besitzen, die derjenigen des Substrats entgegengesetzt ist, eine Gateelektrode und eine Gateisolierschicht, die zwischen dem Substrat und der Gateelektrode angebracht ist. Nachfolgend wird eine solche Struktur als "typische Struktur" bezeichnet. Es gibt eine andere Struktur mit einer vergrabenen Kanalschicht zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode, die eine der Leitfähigkeit des Substrats entgegengesetzte Leitfähigkeit besitzt. Nachfolgend wird diese Struktur als "vergrabene Kanalstruktur" bezeichnet.
Das für eine Gateelektrode des herkömmlichen MOSFETs am meisten verwendete Material ist Polysilizium. Üblicherweise wird Phosphor oder Bor mit hoher Dichte in das Polysilizium eindiffundiert, so daß eine Gateelektrode aus N&spplus;- Polysilizium oder P&spplus;-Polysilizium geschaffen wird, um den Widerstand der Gateelektrode zu verringern und die Austrittsarbeit derselben zu stabilisieren. Metalle mit einem hohen Schmelzpunkt wie etwa Wolfram, Molybdän oder Silizide derselben, sind ebenfalls allgemein bekannte Materialien, die für Gateelektroden verwendet werden.
Bei den herkömmlichen MOSFETs, die aus den genannten Materialien bestehen, gibt es jedoch verschiedene Nachteile. Zunächst sollen die Nachteile bei einem MOSFET beschrieben werden, der N&spplus;-Polysilizium für die Gateelektrode verwendet. Da es im allgemeinen erwünscht ist, die Schwellenspannung bei einem N-Kanal-FET auf etwa 0.8 V, und bei einem P-Kanal-FET auf etwa -0.8 V einzustellen, findet beim erstgenannten Transistor die klassische Struktur, und beim letztgenannten die Struktur mit vergrabenem Kanal Anwendung. Beim erstgenannten, d. h. beim N-Kanal-FET, tritt jedoch der Fehler einer abnehmenden Trägerbeweglichkeit auf, wenn eine Schaltungsintegration herbeigeführt wird. Die Schaltungsintegration führt zu einer Zunahme des elektrischen Feldes im Kanal und veranlaßt Träger eher dahingehend, sich durch einen Oberflächenbereich des Substrats zu bewegen. Dadurch wird die Trägerbeweglichkeit verringert, so daß die Operationsgeschwindigkeit und die Treiberstärke des Elements reduziert werden. Weiter werden im Oberflächenbereich des Substrats viele hochangeregte Träger erzeugt, und diese angeregten Träger werden in einer Isolierschicht gefangen. Die gefangenen angeregten Träger verursachen eine Änderung der elektrischen Eigenschaften des Elements. Diese Änderung führt zur Abnahme der Zuverlässigkeit des Elements.
Demgegenüber ist der oben beschriebene Defekt bei einem P-Kanal-FET wegen seines vergrabenen Kanals weniger stark ausgebildet. Dafür besitzt er aber den anderen Mangel der Verringerung der Schwellenspannung, wenn eine Schaltungsintegration erfolgt, weil mit der Integration seine Kanallänge kurz wird (dieser Effekt wird als "Kurzkanaleffekt" bezeichnet).
Zum zweiten werden die Nachteile eines MOSFETs beschrieben, der P&spplus;-Polysilizium für die Gateelektrode verwendet. Wenn P&spplus;-Polysilizium für eine Gateelektrode verwendet wird, wird die Struktur des vergrabenen Kanals bei einem N-Kanal- FET verwendet, während die klassische Struktur bei einem P- Kanal-FET verwendet wird, um die Schwellenspannung auf einen geplanten Wert einzustellen. Aus diesem Grunde tritt der durch den Kurzkanaleffekt verursachte Fehler beim erstgenannten Transistor auf, während die niedrige Trägermobilität und die geringe Zuverlässigkeit beim letztgenannten Transistor auftritt. Bei MOSFETs, bei denen Metalle mit hohem Schmelzpunkt, wie etwa Wolfram, Molybdän oder Silizide dieser Metalle für die Gateelektrode verwendet werden, bestehen nach wie vor die folgenden Nachteile. So muß bei diesen MOSFETs die Dichte der Störatome verringert werden, um die Treiberstärke zu entwickeln. Daher muß die klassische Struktur sowohl bei N-Kanal-FETs, als auch bei P- Kanal-FETs angewandt werden, wobei sich herausgestellt hat, daß die Treiberstärke und die Zuverlässigkeit des Elements kleiner werden, wenn es zur Schaltungsintegration kommt.
Eine durch die Druckschrift JP-A-56-87368 bekannte Einrichtung zeigt einen MOSFET mit einem Siliziumsubstrat vom Typ P, das eine Gateelektrode aus Molybdän besitzt. Der kurze Kanal wird durch Injektion von Störstellen gebildet.
Das Dokument Solid State Tech., Bd. 27, Nr. 8, August 1984, zeigt auf den Seiten 145-149 die Verwendung von Gateelektroden aus Wolfram- und Molybdänsilizid.
Das Dokument IEDM Tech. Digest, 9-11, Sept. 1974, zeigt auf den Seiten 550-553, daß sich bei Kurzkanal-MOSFETs die Schwellenspannung mit der Kanallänge ändert (Fig. 3). Die Druckschrift zeigt weiter, daß das Störstellenkonzentrationsprofil die Schwellenspannung beeinflussen kann; unterstreicht jedoch, daß die Optimierung der Einrichtung bei vorhandenen Kurzkanaleffekten ein komplexes Problem darstellt, das viele wechselseitig abhängige Parameter einbezieht.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung entstand im Hinblick auf die obige Sachlage, und ihr Ziel besteht in der Schaffung eines neuen MOSFETs, der eine hohe Operationsgeschwindigkeit, eine hohe Trägermobilität, eine hohe Treiberstärke und eine hohe Zuverlässigkeit besitzt, auch dann, wenn eine Schaltungsintegration erfolgt. Darüber hinaus besteht das Ziel der Erfindung darin, die Abnahme der Schwellenspannung des MOSFETs zu verhindern, wenn seine Kanallänge verkürzt wird, d. h., wenn der Kurzkanaleffekt eintritt.
Gemäß der Erfindung wird ein Kurzkanal-Halbleiterelement geschaffen, das ein Siliziumsubstrat mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine Sourceelektrode und eine Drainelektrode eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die beide auf dem Substrat gebildet sind, einen vergrabenen Kanal des zweiten Leitfähigkeitstyps, der zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode gebildet ist, und Gateelektrode umfaßt, die über dem Kanal mit Hilfe einer Isolierschicht gebildet ist, wobei die Gateelektrode aus einem Material besteht, das ein Fermi-Niveau zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband des Halbleiters aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Substrat eine Störstellenkonzentration von mehr als 1·10¹&sup7; cm&supmin;³ vorhanden ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Klassifikationsdiagramm für MOSFETs auf der Basis von Materialien, die ein Substrat und ein Gate bilden;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform des MOSFET-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 3 bis 7 sind Diagramme zur Veranschaulichung von Kennlinien der MOSFETs gemäß der vorliegenden Erfindung sowie des Standes der Technik.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Fig. 1 zeigt ein Klassifikationsdiagrad von MOSFETs, bei dem die Abszisse die Störstellendichte in einem Substrat, und die Ordinate die Austrittsarbeit bzw. ein Fermi- Niveau eines Materials bezeichnet, das eine Gateelektrode bildet. In diesem Diagramm umfaßt der Bereich A herkömmliche MOSFETs, von denen jeder eine N&spplus;-Polysiliziumgateelektrode besitzt, wobei ein N-Kanal-Transistor die klassische Struktur aufweist, während ein P-Kanal-Transistor die Struktur des vergrabenen Kanals aufweist, wie zuvor beschrieben. Der Bereich B umfaßt herkömmliche MOSFETs, von denen jeder eine P&spplus;-Polysiliziumgateelektrode besitzt, wobei ein N-Kanal-Transistor die Struktur des vergrabenen Kanals aufweist, während ein P-Kanal-Transistor die klassische Struktur aufweist, wie ebenfalls zuvor beschrieben. Der Bereich C umfaßt herkömmliche MOSFETs, von denen jeder eine Gateelektrode besitzt, die aus Metall mit einem hohen Schmelzpunkt besteht, wie etwa Wolfram, Molybdän oder deren Silizide, wobei das Fermi-Niveau dieser Materialien zwischen denen des N+-Polysiliziums und des P&spplus;-Polysiliziums liegt. Bei herkömmlichen MOSFETs des Bereichs C besteht die Tendenz der Abnahme der Störstellendichte im Substrat, so daß die Stromtreiberstärke verbessert wird. Aus diesem Grunde verwendet sowohl der N-Kanal-MOSFET als auch der P-Kanal-MOSFET im Bereich C die klassische Struktur, wie oben beschrieben.
Der Erfinder hat nun die Tatsache entdeckt, daß MOSFETs, die zum Bereich D gehören, sehr nützlich bei der Lösung der oben beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Elemente sind, obwohl diese MOSFETs bisher als unbrauchbar betrachtet wurden. Die vorliegende Erfindung ergab sich aus dieser Entdeckung des Erfinders. Ein Element gemäß der Erfindung besitzt also die gleiche Art der Gateelektrode, wie sie herkömmliche MOSFETs im Bereich c besitzen, weist aber eine Störstellendichte im Element auf, die größer als die der herkömmlichen MOSFETs ist. Das Element besitzt wegen der hohen Störstellendichte im Substrat die Struktur des vergrabenen Kanals. Aus diesem Grunde weist das Element eine höhere Mobilität und eine höhere Zuverlässigkeit auf als ein Element mit der klassischen Struktur. Da das Fermi-Niveau des Gatematerials zwischen denen von N&spplus;-Polysilizium und P&spplus;-Polysilizium liegt, kann überdies die Kanalschicht dünner gemacht werden, so daß der Kurzkanaleffekt verhindert wird, d. h., daß die Abnahme der Schwellenspannung des Elements verhindert wird.
Nunmehr soll unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im einzelnen beschrieben werden. Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines MOSFET-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung. Auf einem Siliziumsubstrat 1 ist ein Feldoxid 2 angebracht, das einen Elementenbereich umgibt. Im Elementenbereich werden eine Sourceelektrode 3 und eine Drainelektrode 4 mit einer Leitfähigkeit gebildet, die der des Substrats 1 entgegengesetzt ist. Zwischen den Elektroden wird ein Kanal 7 gebildet, der ebenfalls eine dem Substrat 1 entgegengesetzte Leitfähigkeit besitzt. Über dem Substrat 1 ist eine Gateelektrode 6 angebracht, mit einer zwischengefügten Isolierschicht 5.
Das erste charakteristische Merkmal dieses Elements besteht darin, daß es die Struktur des vergrabenen Kanals anwendet, während die zweite charakteristische Eigenschaft darin besteht, daß die Gateelektrode 6 aus Metallen mit einem hohen Schmelzpunkt besteht, wie beispielsweise Wolfram, Molybdän oder deren Silizide, wobei diese Materialien ein Fermi-Niveau besitzen, das zwischen denen des N&spplus;- Polysiliziums und des P&spplus;-Polysiliziums liegt. Durch das erste Merkmal, also durch die Anwendung der Struktur des vergrabenen Kanals, wird die Mobilität gegenüber einem Element mit der klassischen Struktur verbessert. Durch das zweite Merkmal, also durch die Verwendung eines speziellen Materials für die Gateelektrode, kann eine gewünschte Schwellenspannung erzielt werden, auch dann, wenn der Kanal 7 nur flach ausgebildet ist. Wenn der Oberflächenkanal gebildet werden kann, wird die Beweglichkeit verbessert. Daher kann die Operationsgeschwindigkeit und die Stromtreiberstärke der Einrichtung verbessert werden. Daneben verhindert der flache Kanal die Kurzkanalwirkung.
Als Gatematerialien werden Mo, W, MoSi&sub2;, WSi&sub2;&sub1; etc. verwendet. Wenn MoSi&sub2; für die Gateelektrode eines CMOSFETs mit einer Schwellenspannung von +0.8 V verwendet wird, soll beim Spitzenwert die Störstellendichte im Substrat vorzugsweise größer als 1·10¹&sup7; cm&supmin;³ gemacht werden. Unter dieser Bedingung kann die Struktur des begrabenen Kanals sowohl beim N-Kanal-Transistor, als auch beim P-Kanal-Transistor angewandt werden. Da der Schwellenwert geringfügig von der Dicke der Isolierschicht abhängt, ist beim Transistor mit vergrabenen Kanalstruktur die Dicke der Schicht unkritisch.
Fig. 3 zeigt die Verteilung der Störstellen in einem Substrat von der Oberfläche zur Mitte hin, wie sie bei einem MOSFET mit vergrabenem Kanal gemäß dem Stande der Technik, der eine P&spplus;-Polysiliziumgateelektrode besitzt (durch eine vollausgezogene Linie dargestellt); und gemäß der Erfindung gemessen wurde, die eine Gateelektrode aus MoSi&sub2; aufweist (durch eine gestrichelte Linie dargestellt) Wie das Diagramm zeigt, liegt im Element gemäß der Erfindung der PN-Übergangspunkt Q in einer seichteren Position als beim Element des Standes der Technik. Dies bedeutet, daß das Element gemäß der Erfindung einen flacheren Kanal besitzt.
Die Fig. 4 und 5 stellen Diagramme zur Veranschaulichung der Beziehungen zwischen der effektiven Kanallänge und dem Drainstrom, jeweils in einem NMOSFET und einem PMOSFET, dar. In den Diagrammen zeigt die Kurve M die Kennlinie eines Elements mit einer MoSi&sub2;-Gateelektrode gemäß der Erfindung, während die Kurven P und N Kennlinien von Elementen zeigen, die gemäß dem Stand der Technik eine herkömmliche Gateelektrode aus P&spplus;-Polysilizium bzw. eine herkömmliche Gateelektrode aus N&spplus;-Polysilizium besitzen. Die Diagramme zeigen deutlich, daß das Element gemäß der Erfindung eine größere Stromtreiberstärke als die Elemente des Standes der Technik besitzt.
Fig. 6 zeigt die Fluktuation des Drainstroms in Abhängigkeit vom Substratstrom. Die Zunahme der Fluktuation des Drainstroms verringern die Zuverlässigkeit des Elements. Das Diagramm zeigt, daß das Element gemäß der Erfindung eine höhere Zuverlässigkeit als das Element des Standes der Technik mit einer Gateelektrode aus N&spplus;-Polysilizium sitzt, wenngleich es weniger zuverlässig als ein Element des Standes der Technik mit einer Gateelektrode aus P&spplus;- Polysilizium ist.
Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der effektiven Kanallänge und der Schwellenspannung. Die Schwellenspannung hält einen hohen Pegel so lange, bis die effektive Kanallänge rasch abnimmt. Wie das Diagramm zeigt, befindet sich der Knickpunkt der Kurve M, die dem Element gemäß der Erfindung entspricht, links vom Knickpunkt der Kurve N, die dem Stande der Technik entspricht. Die Erfindung verhindert also den Kurzkanaleffekt.
Da der MOSFET gemäß der Erfindung die Struktur des vergrabenen Kanals anwendet und eine Gateelektrode aus Materialien besitzt, die ein Fermi-Zwischenniveau aufweisen, können zusammenfassend die nachfolgenden Verbesserungen erreicht werden:
(i) Es wird eine hohe Mobilität erzielt, auch dann, wenn eine hohe Integrationsdichte geschaffen wird, so daß die Operationsgeschwindigkeit und die Stromtreiberstärke verbessert werden;
(ii) Die Schwellenspannung kann durch Verhindern des Kurzkanaleffekts auf einem hohen Wert gehalten werden.

Claims

1. Halbleiterelement mit kurzem Kanal, das ein Siliziumsubstrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine Sourceelektrode (3) und eine Drainelektrode (4) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die beide auf dem Substrat (1) gebildet sind, einen vergrabenen Kanal (7) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der zwischen der Sourceelektrode (3) und der Drainelektrode (4) gebildet ist, und Gateelektrode (6) umfaßt, die über dem Kanal (7) mit Hilfe einer Isolierschicht (5) gebildet ist,

wobei die Gateelektrode (6) aus einem Material besteht, das ein Fermi-Niveau zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband des Halbleiters aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Substrat (1) eine Störstellenkonzentration von mehr als 1·10¹&sup7; cm&supmin;³ vorhanden ist.

2. Halbleiterelement mit kurzem Kanal nach Anspruch 1, bei dem die Gateelektrode aus Wolfram, Molybdän oder aus Siliziden dieser Metalle besteht.