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LDD（低濃度ドレイン）とは

THEME 03 トランジスタ形成 · 不純物と熱の作り込みLightly Doped Drain
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LDDとは、ゲート側のドレイン端にドーパント濃度の低い部分を設けた構造です。 濃い領域をゲートから少し離して置き、そのすき間を薄い領域で埋めます。濃く注入したほうが電気は流れやすい一方、ドレイン端が濃いままだと鋭い電界の山が立ち、加速されたキャリアがゲート酸化膜を傷めます。LDDは電圧を下げずに電界だけを下げる構造で、その代わりにオン電流を少し手放します。

濃いドレイン端では、加速されたキャリアが酸化膜に飛び込む

Section titled “濃いドレイン端では、加速されたキャリアが酸化膜に飛び込む”

MOSFETではドレイン付近の電界強度が大きくなり、ホットキャリア現象が起こります1。高電界の領域に入ったキャリアは加速され、一部はSi基板とゲート酸化膜のあいだの電位障壁を越えるほど大きなエネルギーを持ちます。

ドレイン端のホットキャリア
ゲートドレインゲート酸化膜チャネルのキャリア高電界の領域トラップされた電荷シリコン基板
キャリアはドレイン端の高電界で加速され、一部が電位障壁を越えてゲート酸化膜に入ります。膜中にトラップされた電荷が、しきい値電圧を時間とともにずらします。

ゲート酸化膜中に注入されたホットキャリアが膜中にトラップされると空間電荷ができ1、しきい値電圧や伝達コンダクタンスなどの特性が時間とともに劣化します。ドレイン電圧が高いほど劣化は大きく、使う電圧そのものが寿命を左右します。

薄い領域が、電界の山を低く広げる

Section titled “薄い領域が、電界の山を低く広げる”

濃度を薄くすると、同じ電圧でも空乏層が広がります。電位の落差が長い距離へ配られるので、電界の山が低くなだらかになります。ホットキャリア劣化への改善策として、LDD構造のMOSFETが採用されており、ドレイン端での電界集中を緩和できます1。

ドレイン端の横方向電界
チャネルLDD濃いドレイン横方向電界位置LDDなしLDDあり
LDDがないとドレイン端に鋭い電界の山が立ちます。薄い領域を挟むと山は低くなだらかになり、加速されるキャリアが減ります。

LDDは、電圧を下げずに電界だけを下げる手です。同じ電源電圧のまま、膜が受けるストレスを減らせます。

スペーサの幅が、薄い領域の長さを決める

Section titled “スペーサの幅が、薄い領域の長さを決める”

LDDは、短チャネル効果を抑えるための構造です2。作り方は二段です。ゲートを作った直後に薄く注入し、その後に側壁のスペーサを付けてから濃い注入を行います。

LDDを作る2回の注入
1 ゲート直後に薄く注入2 スペーサ後に濃く注入スペーサ幅ゲートゲート薄い領域（LDD）濃いソース・ドレインスペーサ基板
ゲート直後の薄い注入でゲート端まで薄い領域を作り、スペーサを付けてから濃く注入します。濃い領域はスペーサの外側にしか入らないので、スペーサ幅の分だけ薄い領域が残ります。

スペーサの幅が、そのまま薄い領域の長さになります。寸法を左右するのは写真よりも、膜の厚みとエッチングの条件です。そのため、膜厚とエッチングのばらつきがそのまま特性のばらつきになります。ドレイン側の濃度を薄くするLDDに対し、その周りを基板と同じ導電型で濃くするのがハロー注入です。

薄い領域は直列抵抗になり、オン電流を下げる

Section titled “薄い領域は直列抵抗になり、オン電流を下げる”

薄い領域は、濃い領域より電気を通しにくくなります。ソースからドレインまでの経路に余分な抵抗が直列で入り、その分だけオン電流が下がって回路の速度に響きます。薄い領域を短くすれば抵抗は減るものの、電界を緩める効果も薄れます。薄さと長さをどこまで取るかが、寿命と速度のつり合いになります。

幅を狙いどおりに保つには、イオン注入後のアニールで起こる広がりも見込む必要があります。TEDは、アニールの初期段階で認められる、通常より拡散速度の速い不純物拡散です2。

ディスプレイの多結晶Si TFTでも、LDD構造が調べられている

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LDDはシリコンウェーハ上のMOSFETだけの構造ではありません。AMOLEDで正確な色の階調を出すため、駆動TFTの駆動範囲を広げる手法を調べた研究は3、LDDを持つPMOSの多結晶Si薄膜トランジスタの電気特性を、ATLASによるデバイスシミュレーションと実験の両方で調べています。

よくある質問（FAQ）

Section titled “よくある質問（FAQ）”
LDD とは何ですか？

短チャネル効果を抑えるために、ゲート側のドレイン端にドーパント濃度の低い部分を設けた構造です。濃い領域はゲートから少し離して置きます。

なぜ端だけ薄くするのですか？

濃度が薄いほど空乏層が広がり、同じ電圧でも電位の落差が長い距離に配られて、電界の山が低くなだらかになるためです。

何が防げるのですか？

ホットキャリア現象です。ドレイン付近の電界強度が大きくなるとこの現象が起こり、LDDはホットキャリア劣化の対策としてドレイン端の電界集中を和らげます。

ホットキャリアは何をしますか？

ゲート酸化膜中に注入されてトラップされると空間電荷ができ、しきい値電圧や伝達コンダクタンスなどの特性が時間とともに劣化します。

どうやって薄い領域を作りますか？

ゲートを作った直後に薄く注入し、側壁のスペーサを付けてから濃い注入を行います。スペーサの幅が薄い領域の長さになるので、膜厚とエッチングの条件が寸法を決めます。

LDDの欠点は何ですか？

直列の抵抗です。薄い領域は電気を通しにくいので、ソースからドレインまでの経路に抵抗が加わり、オン電流が下がります。

ハロー注入とは何が異なりますか？

LDDはドレイン側の濃度を薄くした領域です。ハロー注入は、その周りを基板と同じ導電型で濃くした領域です。

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