【手続補正書】
【提出日】平成15年9月17日(2003.9.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板または絶縁層上に形成された結晶半導体を利用して形成されたソース領域、ドレイン領域およびチャネル形成領域と、
前記チャネル形成領域上にゲイト絶縁膜を介して形成されたゲイト電極と、
を有するSOI構造で構成される絶縁ゲイト型半導体装置であって、
前記チャネル形成領域は、キャリアが移動する領域と、炭素、窒素、酸素から選ばれた一種または複数種類の元素を含む不純物領域とを有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
【請求項２】
絶縁性基板または絶縁層上に形成された結晶半導体を利用して形成されたソース領域、ドレイン領域およびチャネル形成領域と、
前記チャネル形成領域上にゲイト絶縁膜を介して形成されたゲイト電極と、
を有するSOI構造で構成される絶縁ゲイト型半導体装置であって、
前記チャネル形成領域は、キャリアが移動する領域と、前記ドレイン領域より前記チャネル形成領域およびソース領域に向かって広がる空乏層をピニングするために形成された不純物領域とを有し、
前記不純物領域は、前記チャネル形成領域のエネルギーバンド幅（Eg）を広げる炭素、窒素、酸素から選ばれた一種または複数種類の元素を含むことを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
【請求項３】
絶縁性基板または絶縁層上に形成された結晶半導体を利用して形成されたソース領域、ドレイン領域およびチャネル形成領域と、
前記チャネル形成領域上にゲイト絶縁膜を介して形成されたゲイト電極と、
を有するSOI構造で構成される絶縁ゲイト型半導体装置であって、
前記チャネル形成領域は、キャリアが移動する領域と、しきい値電圧を制御するために形成された不純物領域とを有し、
前記不純物領域は、前記チャネル形成領域のエネルギーバンド幅（Eg）を広げる炭素、窒素、酸素から選ばれた一種または複数種類の元素を含むことを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
【請求項４】
請求項1乃至請求項3のいずれか一において、前記元素とは前記チャネル形成領域内において局部的にビルトイン電位差を形成するための元素であることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
【請求項５】
請求項1乃至請求項4のいずれか一において、前記キャリアが移動する領域は真性または実質的に真性な領域であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項5において、実質的に真性な領域であるとは前記結晶半導体表面近傍における一導電性を付与する不純物元素の濃度が 5×1015atoms/cm3 以下であり、酸素濃度が 2×1018atoms/cm3 以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項5において、実質的に真性な領域であるとは前記結晶半導体表面近傍における一導電性を付与する不純物元素の濃度が5×1015atoms/cm3以下であり、酸素濃度が 1×1017atoms/cm3以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項1乃至請求項7のいずれか一において、前記チャネル形成領域の幅Wに対して前記不純物領域および前記不純物領域間の幅が占有する割合をそれぞれWpi、Wpaとする時、前記W、WpiおよびWpaとの間には、Wpi／W＝0.1 〜0.9、Wpa／W＝0.1 〜0.9、Wpi／Wpa＝1/9〜9の関係式が成り立つことを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
【請求項９】
請求項1乃至請求項8のいずれか一において、前記チャネル形成領域のチャネル方向に垂直な少なくとも一断面は、実質的に前記不純物領域により区切られた複数のチャネル形成領域の集合体と見なせることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
【請求項１０】
請求項1乃至請求項9のいずれか一において、前記チャネル形成領域において駆動時に生じる短チャネル効果に伴うしきい値電圧の低下は、前記不純物領域を利用することで得られる狭チャネル効果に伴うしきい値電圧の増加により緩和されることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
【請求項１１】
請求項1乃至請求項10のいずれか一において、前記不純物領域は前記結晶半導体に発生する応力を緩和する緩衝領域としての機能を有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
【請求項１２】
請求項1乃至請求項11のいずれか一において、前記キャリアが移動する領域の幅は3〜300ｎｍの範囲で制御されることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
【請求項１３】
請求項1乃至請求項12のいずれか一において、前記不純物領域はドットパターン形状を有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
【請求項１４】
請求項1乃至請求項12のいずれか一において、前記不純物領域はチャネル方向と概略平行に形成された線状パターンを有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
【請求項１５】
請求項1乃至請求項12のいずれか一において、前記不純物領域は前記ドレイン領域から前記ソース領域に延びるパターンを有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
【請求項１６】
請求項3において、しきい値電圧の制御は前記キャリアが移動する領域の幅を制御することで行われることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置。
【請求項１７】
絶縁性基板または絶縁層上に結晶半導体を形成する工程と、
前記結晶半導体を利用してソース領域、ドレイン領域およびチャネル形成領域とを形成する工程と、
前記チャネル形成領域にエネルギーバンド幅（Eg）を広げる炭素、窒素、酸素から選ばれた一種または複数種類の元素を局部的に添加して不純物領域を形成する工程と、
前記チャネル形成領域上にゲイト絶縁膜を介してゲイト電極を形成する工程と、
を有するSOI構造で構成される絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法において、
前記チャネル形成領域はキャリアが移動する領域と前記不純物領域とで構成されることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
【請求項１８】
請求項16において、前記元素とは前記チャネル形成領域内において局部的にビルトイン電位差を形成するための元素であることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
【請求項１９】
請求項17または請求項18において、前記キャリアが移動する領域は真性または実質的に真性な領域であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２０】
請求項19において、実質的に真性な領域であるとは前記結晶半導体表面近傍における一導電性を付与する不純物元素の濃度が 5×1015atoms/cm3以下であり、酸素濃度が2×1018atoms/cm3 以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２１】
請求項19において、実質的に真性な領域であるとは前記結晶半導体表面近傍における一導電性を付与する不純物元素の濃度が5×1015atoms/cm3以下であり、酸素濃度が 1×1017atoms/cm3以下であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２２】
請求項17乃至請求項21のいずれか一において、前記チャネル形成領域の幅Wに対して前記不純物領域および前記不純物領域間の幅が占有する割合をそれぞれWpi、Wpaとする時、前記W、WpiおよびWpaとの間には、Wpi／W＝0.1 〜0.9、Wpa／W＝0.1〜0.9、Wpi／Wpa＝1/9〜9の関係式が成り立つことを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
【請求項２３】
請求項17乃至請求項22のいずれか一において、前記チャネル形成領域のチャネル方向に垂直な少なくとも一断面は、実質的に前記不純物領域により区切られた複数のチャネル形成領域の集合体と見なせることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
【請求項２４】
請求項17乃至請求項23のいずれか一において、前記不純物領域は前記結晶半導体に発生する応力を緩和する緩衝領域としての機能を有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
【請求項２５】
請求項17乃至請求項24のいずれか一において、前記キャリアが移動する領域の幅は3〜300ｎｍの範囲で制御されることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
【請求項２６】
請求項17乃至請求項25のいずれか一において、前記不純物領域はドットパターン形状を有していることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
【請求項２７】
請求項17乃至請求項25のいずれか一において、前記不純物領域はチャネル方向と概略平行に形成された線状パターンを有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
【請求項２８】
請求項17乃至請求項25のいずれか一において、前記不純物領域は前記ドレイン領域から前記ソース領域に延びるパターンを有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
本発明の構成となる思想の一つは、チャネル形成領域に人為的に不純物領域を形成・配置することで意図的に狭チャネル効果を生じさせることである。そして、本発明の構成は不純物領域間の距離（図１（Ｃ）におけるｗpa,mに相当する）を3〜300ｎｍ( 好ましくは3〜100ｎｍ) の範囲で精密に制御することでしきい値電圧の制御を行うという思想に基づいている。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８３】
まず、弱いＮ型またはＰ型導電性を有する単結晶シリコン基板７０１を用意する。そして、1×1018atoms/cm2 程度のドーズ量で酸素イオンを注入し、800〜1300℃の範囲内で加熱処理を行うことで埋め込み酸化膜７０２を形成する。こうして、厚さ0.05〜0.5 μｍの埋め込み酸化膜７０２と厚さ10〜200ｎｍ（好ましくは、20〜60ｎｍ）の単結晶シリコン層７０３を得る。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９６】
またこの時、ポテンシャルスリット領域の幅（ｗpa,m）は3〜300ｎｍ( 好ましくは3〜100ｎｍ) の範囲内に制御する。また、全ての間隔（ｗpa,m）は±20％以内（好ましくは±5 ％以内）に納まる様に制御する。このポテンシャルスリット領域の幅（ｗpa,m）は狭チャネル効果に直接的に影響を与えるので精密に制御することが重要なのである。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９７】
なお、ポテンシャルスリット領域の幅の下限界である3ｎｍという値は量子効果が起こらない限界値として定めている。本発明ではポテンシャルスリット領域の幅を量子効果の生じない又は現れない範囲内で制御する様に注意している。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０１】
図７（Ｄ）に示す様な状態が得られたら、800 〜1200℃程度の温度範囲による熱酸化処理を行い10〜50ｎｍの熱酸化膜７１７、７１８を形成する。この熱酸化処理により形成された薄い熱酸化膜７１７、７１８はそのままゲイト絶縁膜として機能する。また、活性層／ゲイト絶縁膜界面は界面準位の少ない良好なものとなる。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０６】
その後、図８（Ｂ）に示す様に、ゲイト電極７１９、７２０を覆う様にして窒化珪素膜を300ｎｍの厚さに成膜し、エッチバック法を用いてゲイト電極７１９、７２０の側面のみにサイドウォール７２１、７２２を残存させる。この際、ソース／ドレイン領域のゲイト絶縁膜は同時に除去される。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１４】
図９において、９０１はチャネル形成領域の一部を示している。チャネル幅はＷである。ここで、チャネル幅Ｗの内、線状パターン９０２が占有している幅をＷpiと定義する。Ｗpiの値としては例えば1〜10ｎｍもあれば十分である。また、任意の線状パターン９０２の幅をＷpi,1、Ｗpi,2、Ｗpi,3・・・Ｗpi,nとすると、Ｗpiは次式で表される。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１７】
また、チャネル幅Ｗの内、ポテンシャルスリット領域（キャリアの移動するパス）９０３が占有している幅をＷpaと定義する。Ｗpaの値としては量子効果の現れないレベル、即ち3〜300ｎｍ（好ましくは3〜100ｎｍ）とする。本発明ではＷpaをチャネル長（0.01〜0.35μｍ）の1/3 〜1/1 程度とすることでＶth,nおよびＶth,pを 0〜±0.3 Ｖの範囲に調節することができる。また、任意のポテンシャルスリット領域９０３をＷpa,1、Ｗpa,2、Ｗpa,3・・・Ｗpa,mとすると、Ｗpaは次式で表される。


【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７６】
即ち、ピニング効果を高めるためには距離Ｌpaを短くし、移動度向上に重きを置くなら距離Ｌpaを長くすることが好ましい。本発明では距離Ｌpaを7〜300ｎｍ（好ましくは10〜100ｎｍ）の範囲で制御する。