JPS605066B2 - 半導体集積回路装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体集積回路装置、特に高信頼性を有する
絶縁ゲート型電界効果集積回路装置に関するものである
。

一般に知られている絶縁ゲート型電界効果集積回路装置
は、半導体基板の一主表面に対置して設けられたソース
およびドレインと、これらのソースとドレィンとの間に
拡がるチャンネル領域上に被着されたゲート絶縁膜と、
ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを有する電界
効果トランジスタを複数個含むものである。

ェンハンスメント型トランジスタに於てはゲート電極は
ソースの端からドレィンの端にわたるチャンネル領域を
全体にわたって覆うように設けられる。実際にはソース
とドレインを形成した後にゲート電極を設ける場合には
、ゲート電極のパターン形成工程時の位置合わせの余裕
を見込まなければならないので、ゲート電極はその両端
に於てソース領域およびドレィン領域と若干重複するよ
うに形成される。また広く知られるシリコンゲート集積
回路のようにゲート電極を形成した後に、そのゲート電
極をマスクとしてソースおよびドレィン形成のための不
純物を基板中に導入する場合に於ても、熱処理工程に於
ける不純物の拡散により、その拡散した分だけソース領
域およびドレィン領域とゲート電極とは重複している。
しかしながら集積回路装置の高密度化にともなってゲー
ト絶縁膜の膜厚をうすくする方向にあり、この傾向とと
もにゲート絶縁膜の絶縁破壊が装置の故障原因として大
きな問題となってきた。

一般に絶縁膜の破壊電圧は膜厚の減少とともに小さくな
ることは周知の事実である。装置に印加される電源電圧
をこの破壊電圧を考慮して決めたとしても、装置の外部
から不可避的に入る雑音のためにゲート絶縁膜には破壊
電圧以上の電圧のかかる場合が生ずる。このようにして
生じるゲート絶縁破壊は、たいていの場合ゲートとドレ
ィン間の短絡事故としてみられる。この発明の目的は、
このようなゲート絶縁膜の破壊によるゲートとドレィン
間の短絡を無くすることにより、ェンハンスメント型絶
縁ゲート電界効果トランジスタを有する高信頼度の半導
体集積回路装置を提供することにある。

この発明の半導体集積回路装置は、半導体基板と、この
半導体基板の一主表面に対置して設けられたソースおよ
びドレインと、このソースとドレィンとの間に拡がって
存在するチャンネル領域上に被着して設けられたゲート
絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に前記ソ−スおよびドレィ
ンから離間して設けられたゲート電極とを含むものであ
る。

この発明によるとゲート電極がソースおよびドレィンか
ら離間して設けられているために、ゲ−ト絶縁膜の破壊
によるゲートとドレィンとの短絡事故は防止され、従っ
て信頼度の高い半導体集積回路装置を得ることが可能と
なる。特にゲート絶縁膜の膜厚をうすくし、またチャン
ネル長を短かくして高密度化を計る場合の本発明のゲー
ト絶縁膜破壊に対する防止効果はいちぢるしい。またこ
の発明によるとゲート電極とソース領域およびドレィン
領域との重複が無いので、ゲートとソース間容量および
ゲートとドレイン間容量を極力小さくすることができ、
従って従来と比較してより高速動作に適した高性能の半
導体集積回路装置を得ることができる。

つぎにこの発明について図を用いて説明する。

従来の半導体集積回路装置に含まれるェンハンスメント
型．として使用される絶縁ゲート型電界効果トランジス
タの平面図およびその縦断面図をそれぞれ第１図ａ及び
ｂもこ示す。縦断面図は平面図に於ける点線部から切断
した図である。半導体基板１１の主表面に設けられたソ
−ス領域１２およびドレイン領域１３とゲート電極１５
とは一部重複するように形成される。例えば、Ｐ型のシ
リコン基板を用いてゲート絶縁膜１４を介して多結晶シ
リコン１５を被着し、その後イオンィンプランテーショ
ンの技術によりリン原子を基板１１中に導入したとする
。打ち込んだ時点ではソース領域１２およびドレィン領
域１３の多結晶シリコン１５との重複は無い。しかし打
ち込んだリン原子をドナーとして有効に働くようにする
ために熱処理を施すことが必要であり、この熱処理工程
によりリン原子は深さ方向と同時に横方向に熱拡散する
ために、図に示したようにゲート電極１５とソース領域
１２との重複およびゲート電極１５とドレィン領域１３
との重複が生ずる。このような重複がある場合、ゲート
絶縁膜１４の破壊はドレィン領域１３上のソース側の端
で発生することがわかつた。ゲート絶縁膜の破壊が多発
する個所を第１図ａに太い線で示した。チャンネル領域
１６上での破壊はゲート絶縁膜がその領域内で欠陥を有
する場合を除いてほとんど発生しない。またソース１２
とドレィン１３のゲート電極１５と重複した図の太線よ
り内部の領域で起ることもめずらしＬ、。これらの事実
がゲート電圧が低電位でドレィン高電位となった時にゲ
ート絶縁膜の破壊が発生すると考えられる。

多くの集積回路装置に於てはソースとドレィンは互換性
があるように設計されており、一方がドレィンの時は他
方がソースに、また一方がソースの時は他方がドレィン
として作用する。このような場合には破壊はソース領域
とドレィン領域の両方の不純物導入領域の端で発生し易
い。従って通常の集積回路装置に対するゲート絶縁膜の
破壊の対策はソースとドレィンの両方の領域を考慮しな
ければならない。またチャンネル長Ｌが短いほど、ゲー
ト絶縁膜の膜厚ｔｏｘがうすし、程破壊は発生し易い。
破壊の機構は未だ明確にされていないが、ゲート電極と
ドレィンとの距離を大きくすれば破壊が起こり歎くなる
ことがわかった。即ちゲート絶縁膜にかかる電界を４・
さくすることにより破壊を防止することが可能となる。
本発明による実施例は第２図に示すようにゲート電極２
５はソース２２およびドレィン２３から離間して設けら
れている。今ドレィン領域２３の端から１だけ離してゲ
ート電極を設けたとすればゲート電極２５とドレィン領
域２３との距離はＪ舵柿確となる。ただしのｘはゲート
絶縁膜の膜厚である。この時のゲートとドレィンの電位
差により生ずるゲート絶縁膜内の電界は従来の構造の場
合と比較してｔｏｘ／ゾで布確倍となりょり４、さくな
る。従ってゲートの絶縁膜の破壊によるゲートとドレィ
ンの短絡事故は従来と比較して減少する。１を大きくす
る程その効果はいちぢるしい。

今ｂｘ＝４００Ａとし１＝４０００Ａとするとｔｏｘ／
ゾで市諺：ｏ．１となりゲート絶縁膜‘こかかる電界は
従来の場合と比較して０．１倍となる。ゲ−ト電極はそ
の電圧によってチャンネル領域２６に自由荷電子を誘起
するためのものであり１をいたずらに大きくすることは
許されない。

しかし１をソース領域の空乏層２７の中Ｗ程度としても
トランジスタ動作に何ら支障を来すものでは無し・こと
を実験的に確認した。ソースとドレイン端の第２図に示
した空乏層内のチャンネル領域ではソースあるいはドレ
ィンからの電界の影響により、チャンネル中央部よりも
反転しやすい状態となっているためにゲート電極２５が
その直上に存在しなくてもトランジスタは支障なく動作
するものと考えられる。今Ｐ型基板２１の不純物濃度が
７×１び５個／めであり、ソース２２とドレイン２３の
Ｎ型領域の不純物濃度が１×１ぴ。個／めであり、又ソ
ース２２に対して基板２１に一２Ｖのパックゲート電圧
を印加した状態でこのトランジスタを使用するとすれば
、この状態でソース側から伸びる空乏層の中は計算によ
りＷ＝５２００△となる。このような状態で１＝４００
０Ａとしてもトランジスタ動作には何ら支障が無かった
。このようにゲート電極をドレィン領域とドレィン領域
から離間せしめることによって、ゲート絶縁膜の破壊を
防止することが出来、従って信頼度を大中に向上するこ
とが可能となる。またゲート電極２５はソース領域２２
およびドレィン領域２３とは重複していないのでゲート
とソース間およびゲートとドレィン間の容量は従来と比
較して減少し、特性上好ましい結果を及ぼすことは言う
までもない。第２図の実施例を製造工程順に第３図に示
す。１×１び６個／洲のボロンを不純物として含むＰ型
のシー」コン基板３１の一主表面に厚さ１仏の二酸化シ
リコン膜３２と厚さ４５０Ａの二酸化シリコン膜３３を
それぞれ所定の位置にまず被着する。

二酸化シリコン膜３２はフィールド絶縁膜であり、二酸
化シリコン膜３３はゲート絶縁膜である。その後二酸化
シリコン膜３３上にリンがドープされたＮ型の多結晶シ
リコン３４を第３図ａに示したように彼着する。この多
結晶シリコン３４は初めシリコン基板の一主表面上全体
にわたり気相成長法により厚さ５０００△で彼着され、
その後熱酸化により多結晶シリコンの表面は２０００Ａ
だけ酸化され二酸化シリコン膜３５が被着される。その
後フオトェッチング法により将来ゲート電極となるべき
部分にのみ多結晶シリコンは残して被着される。その後
イオンィンプランテーション技術により加速エネルギー
１５０Ｋｅｖでドーズ量６×１び５個／塊の条件でリン
原子をソース領域３６とドレイン領域３７に打ち込む。
尚第３図は基板３１に２個のトランジスタが形成される
様子を示している。その後フッ酸とヨウ素を含んだ氷酢
酸と硝酸の混合液に第３図ａに示した基板を浸して多結
晶シリコン３４を側面から６０００Ａだけエッチングし
て除去する。エッチングした状態を第３図ｂに示す。次
に基板に熱酸化処理を施すことにより多結晶シリコンに
側面に二酸化シリコンを被着すると同時にソース領域３
６とドレィン領域上の二酸化シリコン膜３８を更に厚い
ものとする。この熱酸化処理は９００ｑｏのスチーム雰
囲気中にて３０分間おこなわれる。この工程中にソース
領域３６とドレィン領域３７のリンは活性化されると同
時に横方向に３０００Ａ程度熱拡散する。その後電極敬
出し用の関口を設け、更にアルミニウム膜にて配線層３
９を形成する。このようにして形成された集積回路装置
を第３図ｃに示す。この実施例に於てはゲート電極３４
はソース領域３６とドレィン領域３７から３０００△だ
け離されて形成されている。従ってゲートとソースある
いはドレィンとの短絡事故は防止されて装置の信頼度は
高いものとなる。またゲートとソース間およびゲートと
ドレィン間の容量が減少し装置の特性が以前と比較して
良好となる。以上に多結晶シリコンをゲート電極として
用いた場合について説明したが、これ以外にもモリブテ
ンとかタンタルとかアルミニウム等をゲート電極として
用いても良い。

ゲート絶縁膜として二酸化シリコン膜以外に窒化シリコ
ン膜やアルミナ膜やりンガラス膜を用いてもまたこれ等
の膜を積層して用いても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ及びｂはそれぞれ従来の絶縁ゲート型電界効果
トランジスタを説明するための平面図及び断面図、第２
図及び第３図はそれぞれこの発明の第１の実施例及び第
２の実施例を説明するための断面図である。 １１・・…・半導体基板、１２・・・・・・ソース、１
３・・・・・・ドレィン、１４・・・・・・ゲート絶縁
膜、１５・・・・・・ゲート電極、１６・・・・・・チ
ャンネル領域、２１・・・・・・シリコン基板、２２・
・・・・・ソース、２３・・・…ドレイン、２４・・・
…ゲート絶縁膜、２５……ゲート電極、２７・・・・・
・空乏層、３１・・・・・・シリコン基板、３２…・・
・二酸化シリコン、３３……二酸化シリコン、３４・・
・・・・多結晶シリコン、３５・・・・・・二酸化シリ
コン、３６……ソース、３７……ドレイン、３８・…・
・二酸化シリコン、３９……アルミニウム膜。 弟′図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体基板と、該半導体基板の一主表面に対置して
   設けられたソースおよびドレインと、該ソースとドレイ
   ンとの間に拡がるチヤンネル領域上に被着されたゲート
   絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に前記ソースおよびドレイ
   ンから離間したチヤンネル領域の部分上に設けられたゲ
   ート電極とを含み、該ソースに対して該半導体基板にパ
   ツクゲート電圧を印加し、該ソースおよびドレインから
   のそれぞれの空乏層を該ゲート電極下まで伸ばしたこと
   を特徴とするエンハンスメント型絶縁ゲート型電界効果
   トランジスタを有する半導体集積回路装置。