JPH02158171A - Mis型電界効果トランジスタ - Google Patents

Mis型電界効果トランジスタ

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JPH02158171A
JPH02158171A JP31334588A JP31334588A JPH02158171A JP H02158171 A JPH02158171 A JP H02158171A JP 31334588 A JP31334588 A JP 31334588A JP 31334588 A JP31334588 A JP 31334588A JP H02158171 A JPH02158171 A JP H02158171A
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JP
Japan
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metal
gate
field effect
effect transistor
gate electrode
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Pending
Application number
JP31334588A
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English (en)
Inventor
Tadahiko Horiuchi
堀内 忠彦
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.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はMIS (金属−絶縁膜一半導体)型電界効果
トランジスタならびにそれを用いた半導体集積回路に利
用される。
本発明は、ゲート電極が高融点金属であるMlS型電界
効果トランジスタに関する。
〔概要〕
本発明は、ゲート長が約1.0μm以下の金属ゲート電
極を有するMrS型電界効果トランジスタにおいて、 前記金属ゲート電極が、少なくともゲート絶縁膜に接す
る面のクレーン直径の平均値がゲート長の約175以下
である金属から構成されることにより、 トランジスタのしきい値電圧のばらつきを減少させたも
のである。
〔従来の技術〕
従来、MIS型電界効果トランジスタのゲート電極に、
不純物を高濃度にドープした多結晶シリコンまたは多結
晶シリコンと金属シリサイドの2層膜゛が用いられてき
た。しかし、このゲート電極材料ではゲート電極の電気
抵抗を充分低くできないため、特に高速で回路動作させ
る場合に不具合を生じる。そこで、近年ではより低抵抗
の高融点金属をゲート電極材料に用いることが試みられ
ている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、金属は例えば下表に示したように結晶方位によ
り仕事関数が異なる。ゲート電極の仕事関数は次式のご
と<MIS型電界効果トランジスタのしきい値電圧に影
響するため、ゲート電極に金属を用いた場合、その結晶
方位によりしきい値電圧が異なることになる。
表 金属の表面方位と仕事と関数 Vth”2φ、+φas  Qss/C++(1+cυ
εqNB   Vsua+2  φP)ただし Vい:
しきい値電圧 φp:真性フェルミレベルとフェル ミレベルの差を電気素量で割 った量 φGs:半導体基板とゲート電極の仕 事関数差 Qss :ゲート絶縁膜中の固定電荷(単位面積あたり
) C1:ゲート絶縁膜の容量(単位面 積あたり) ε :半導体基板の誘電率 q :電気素量 N8:半導体基板の不純物濃度 vsui  :基板バイアス ゲート電極材料としてよく用いられるW(タングステン
)を例にとると、例えば、通常よく用いられる製法のW
F、ガスをH2還元して5102上に被着したW膜は、
第4図に示すように、直径400人から2000人のク
レーンを有している。従って、第6図(a)およびら)
のようにクレーン寸法に比べてMIS型電界効果トラン
ジスタのゲート長およびゲート幅が同程度であると、結
晶方位のばらつきが電気特性のばらつきとしてあられれ
る。
第6図(a)はかかる従来例の要部を示す平面図、第6
図(b)はそのY−Y’線に沿う模式的断面図で、半導
体集積回路の場合を示す。第6図(a)および(b)に
おいて、1は半導体基板、2はWからなる金属ゲート電
極、3はソース・ドレイン領域、4はゲート絶縁膜、右
よび5は素子分離絶縁膜である。
そして、11は例えば(110)の表面方位を持つ金属
中のクレーン、12は例えば(110)以外の表面方位
を持つ金属中のクレーンを示す。この従来例ではゲート
長に比べてゲート金属中のクレーンの直径が同程度とな
っている。
第7図は、従来のMIS型電界効果トランジスタのしき
い値電圧のゲート長依存性を示したものである。第7図
の測定点の範囲において、ゲート長0.3μ0以下のト
ランジスタでは、前記ゲート金属の結晶方位の影響を受
けてしきい値電圧のばらつきが生じる問題点がある。
前記のような特性のばらつきの問題は、クレーン寸法の
平均値の5倍程度のゲート長を持つMIS型電界効果ト
ランジスタ、すなわちゲート長が約1.0μm以下のM
IS型電界効果トランジスタにおいて、顕在化し、それ
を用いた半導体集積回路では特に大きな問題点になって
いる。
本発明の目的は、前記の問題点を解消することにより、
ゲート金属の結晶方位の影響を少なくし、しきい値電圧
のばらつきを抑止したMIS型電界効果トランジスタを
提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、ゲート長が約1.0μ■以下の金属ゲート電
極を有するMIS型電界効果トランジスタにおいて、前
記金属ゲート電極が、少なくともゲート絶縁膜に接する
面のクレーン直径の平均値がゲート長の約5分の1以下
である金属から構成されることを特徴とする。
〔作用〕
本発明では、MIS型電界効果トランジスタのゲート金
属の結晶の配向性に特に着目し、ゲート金属の結晶の配
向性の影響を排除するため、金属ゲート電極においてゲ
ート絶縁膜に接する面のクレーン直径の平均値がそのゲ
ート長の約5分の1以下である金属例えばWで構成され
る。
従って、金属の結晶の表面方位によって異なる仕事関数
の影響は、クレーン直径がゲート長より十分に小さいの
で、MIS型電界効果トランジスタ内で平均化され、し
きい値電圧のばらつきが抑止される。これにより製品の
製造歩留りを向上することが可能となる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
第1図(a)は本発明の第一実施例の要部を示す平面図
および第1図(′b)はそのx−x’線に沿う模式的断
面図で、2個のMIS型電界効果トランジスタが集積さ
れている半導体集積回路の場合を示す。
第1図(a)および(b)において、1は半導体基板、
2はWからなる金属ゲート電極、3はソース・ドレイン
領域、4はゲート絶縁膜、および5は素子分離絶縁膜で
ある。
そして、本第二実施例においては、すべてのMIS型電
界効果トランジスタの金属ゲート電極2が、ゲート絶縁
膜4に接する面のクレーン直径の平均値がそのゲート長
しの約5分の1以下であるWで構成されることを特徴と
する。
金属の仕事関数は表面方位によって異なり、−方電界効
果トランジスタのしきい値電圧はゲート金属の仕事関数
に影響されるので、従来技術のような場合は複数個のM
IS型電界効果トランジスタのしきい値にばらつきが生
じる。ところが本第二実施例のMIS型電界効果トラン
ジスタでは、クレーンの結晶配向性の影響はすべて平均
化されてあられれる。そのため、前述のようなしきい値
電圧のばらつきは抑止される。
第2図に本第二実施例のしきい値電圧のゲート長依存性
を示す。なおこの場合ゲート幅は1.0μsである。ゲ
ート長0.25閾のトランジスタについて、第7図に示
したように従来技術では約30%もあったしきい値電圧
のばらつきが、約8%と非常に小さくなっている。
本第二実施例による多数のMIS型電界効果トランジス
タを調べ、しきい値電圧がその平均値より200mV以
上異なるトランジスタの個数の割合を求め、縦軸にとり
、横軸にクレーン直径の平均値/ゲート長をとると、第
3図に示すようになる。
クレーン直径の平均値/ゲート長が約0.25以下では
しきい値電圧が異常となるトランジスタがなくなってい
る。この実験データより、金属ゲート電極中のクレーン
直径の平均値がゲート長の約5分の1以下であれば、し
きい値電圧のばらつきを抑止できることが分かる。
ところで、ゲート長が0.25μlといった微細なゲー
ト長に対しても、その約5分の1以下にゲート金属のク
レーン直径を制御するためには、例えば、下記のような
製造条件を選べばよい。
ゲート金属としてWを例にとる。従来、W膜をゲート金
属として用いるときには、WhガスをH2還元してW膜
を得ていた。この場合はクレーンの直径の分布は第4図
の破線のようになる。それに対して、1liF6ガスを
SiH,還元するとクレーン直径は第4図の実線のよう
になる。つまり、SiH4還元の場合にはクレーン直径
が非常に小さくなり、本発明の構成、要件を満たすゲー
ト金属が得られる。
第5図は本発明の第二実施例の要部を示す模式的断面図
で、トランジスタのゲート電極部分を示す。第5図にお
いて、1は半導体基板、2はWからなる金属ゲート電極
、3aはソース領域、3bはドレイン領域および4はゲ
ート絶縁膜である。
そして、本第二実施例は、金属ゲート電極のクレーン1
0の直径は、第一実施例と同様にゲート長しの約115
以下になるように設定されることを特徴とする。
本第二実施例ではMIS型電界効果トランジスタのチャ
ネルは半導体基板1に対して垂直な方向であり、いわゆ
る縦型トランジスタとなっている。
本第二実施例においても、前記の第一実施例と同様に、
ゲート金属の結晶の配向性の影響を除去し、しきい値電
圧のばらつきを抑止することができる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明は、MIS型電界効果トラ
ンジスタの金属ゲート電極がそのゲート長の約5分の1
以下の平均直径のクレーンを持つ金属で構成されるよう
にすることにより、しきい値電圧のばらつきを抑止し、
製品の製造歩留りを向上させる効果がある。本発明は、
電気特性の均一なトランジスタを得ることが必須の要件
である半導体集積回路に適用することにより、特にその
効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明の第一実施例の要部を示す平面図
。 第1図(ハ)はそのx−x’線に沿う模式的断面図。 第2図はそのしきい値電圧とゲート長の関係を示す特性
図。 第3図はそのしきい値電圧とクレーン直径の平均値とゲ
ート長との関係を示す特性図。 第4図はW膜中のクレーン直径の分布と形成法との関係
を示す特性図。 第5図は本発明の第二実施例の要部を示す模式第6図(
a)は従来例の要部を示す平面図。 第6図(5)はそのY−Y’線に沿う模式的断面図。 第7図はそのしきい値電圧とゲート長の関係を示す特性
図。 1・・・半導体基板、2・・・金属ゲート電極、3・・
・ソース・ドレイン領域、3a・・・ソース領域、3b
・・・ドレイン領域、4・・・ゲート絶縁膜、5・・・
素子分離絶縁膜、10・・・クレーン、11・・・(1
10)方位のクレーン、12・・・(110)方位以外
のクレーン。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、ゲート長が約1.0μm以下の金属ゲート電極を有
    するMIS型電界効果トランジスタにおいて、前記金属
    ゲート電極が、少なくともゲート絶縁膜に接する面のク
    レーン直径の平均値がゲート長の約5分の1以下である
    金属から構成されることを特徴とするMIS型電界効果
    トランジスタ。
JP31334588A 1988-12-12 1988-12-12 Mis型電界効果トランジスタ Pending JPH02158171A (ja)

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JP31334588A JPH02158171A (ja) 1988-12-12 1988-12-12 Mis型電界効果トランジスタ

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