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JP3195474B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Publication number
JP3195474B2
JP3195474B2 JP23395193A JP23395193A JP3195474B2 JP 3195474 B2 JP3195474 B2 JP 3195474B2 JP 23395193 A JP23395193 A JP 23395193A JP 23395193 A JP23395193 A JP 23395193A JP 3195474 B2 JP3195474 B2 JP 3195474B2
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JP
Japan
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semiconductor
pair
soi
semiconductor device
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JP23395193A
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JPH0794679A (ja
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of JP3195474B2 publication Critical patent/JP3195474B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D86/00Integrated devices formed in or on insulating or conducting substrates, e.g. formed in silicon-on-insulator [SOI] substrates or on stainless steel or glass substrates
    • H10D86/201Integrated devices formed in or on insulating or conducting substrates, e.g. formed in silicon-on-insulator [SOI] substrates or on stainless steel or glass substrates the substrates comprising an insulating layer on a semiconductor body, e.g. SOI
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D89/00Aspects of integrated devices not covered by groups H10D84/00 - H10D88/00
    • H10D89/60Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD]
    • H10D89/601Integrated devices comprising arrangements for electrical or thermal protection, e.g. protection circuits against electrostatic discharge [ESD] for devices having insulated gate electrodes, e.g. for IGFETs or IGBTs

Landscapes

  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関し、特に
静電荷放電(ESD)耐性を向上したSOI(絶縁体上
の半導体)型半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体集積回路において、静電気がピン
等を介して外部から侵入し、回路内で放電すると、半導
体集積回路はその機能を損ねることが多い。以下CMO
S半導体集積回路を例に取って説明する。
【0003】図3(A)〜(C)に、従来の技術による
ESDノイズ保護対策の例を示す。図3(A)は、入力
信号を受けるパッド50に対するESDノイズの対策回
路を示す。
【0004】パッド50は、内部回路に接続する前にp
チャネルMOSトランジスタpMOSと、nチャネルM
OSトランジスタnMOSの直列回路に接続されてい
る。電源電圧VDDとパッド50に接続された信号線との
間にpチャネルMOSトランジスタpMOSが接続さ
れ、パッド50に接続された信号線と電源電圧VSSとの
間にnチャネルMOSトランジスタnMOSが接続され
ている。
【0005】pMOSのゲート電極は電源電圧VDD
(ソースSと呼ぶ)に接続され、nMOSのゲート電極
は電源電圧VSS(ソースS)に接続されている。このよ
うな回路においては、パッド50に入力する信号がVSS
とVDDの間にある間は、pMOSとnMOSは共にオフ
されている。
【0006】パッド50に正電荷が侵入し、その電位が
DDよりも高くなると、pMOSのソースSとドレイン
Dの関係は逆転する。pMOSのドレインD側からソー
スS側に正電荷が流れ、電源VDDに吸収される。
【0007】パッド50に負電荷が侵入し、パッド50
の電位が電源電圧VSS以下になると、nMOSのソース
SとドレインDの関係が逆転し、負電荷はドレインDか
らソースSに流れ、電源配線VSSに吸収される。
【0008】図3(B)は、図3(A)に示すようなE
SD保護回路の構成例を示す断面図である。n型Si等
の基板51の内に、p型ウェル52が形成され、このp
ウェル52の内にnチャネルMOSトランジスタが形成
される。すなわち、pウェル52の内にn+ 型領域5
3、54が形成され、その間に画定されるチャネル領域
上に絶縁ゲート電極55が形成される。
【0009】また、pウェル52の内にp+ 型領域56
が形成される。p+ 型領域56とn + 型領域53はゲー
ト電極55と共に電源電圧VSSに接続される。一方他の
+型領域54はパッド50に接続される。この構成に
おいては、n+ 型領域53が図3(A)に示すソースS
となり、n+ 型領域54がドレインDとなる。
【0010】なお、この構成によればpウェル52内に
nチャネルMOSトランジスタが形成されるが、同時に
+ 型領域54、pウェル52、n型基板51の間にバ
イポーラトランジスタ構造も形成される。
【0011】上述のように、パッド50の電位がVSS
下になった時は、ソースSとドレインDの役割が反転
し、ドレイン54からソース53に負電荷が流れる。一
方、pウェル52のn+ 型領域54と基板51に挟まれ
る領域の間の厚さおよび不純物濃度を調整することによ
り、n+ 型領域54からn型基板51にパンチスルー電
流が流れるようにすることができる。
【0012】すなわち、パッド50に負電荷が侵入する
と、パッド50の負電位の増大に伴い、n+ 領域54か
ら基板51にパンチスルー電流が流れると共に、nMO
Sがオンするとn+ 型領域54からn+ 型領域53を通
ってVSSにも負電荷が流れる。
【0013】なお、nウェル領域内にpMOSトランジ
スタを形成した場合も同様のESD電流が流れる。ただ
し、極性は反転する。さらに、この他、ドレイン拡散層
54とpウェル52との作るpn接合を介して、逆方向
ダイオード電流としてウェル52へ流れる経路もある。
この場合、ESDノイズが負電荷ならば、nMOSのド
レイン部接合を介してVSSまたは基板へ流れるか、pM
OSのソース部接合を介してVDDまたは基板へと流れ
る。正電荷のノイズのときは、ドレイン/ソースが入れ
替わるだけで同様である。
【0014】図3(C)は、超薄膜SOI−CMOS集
積回路装置において、同様の構成を形成した場合を示
す。Si基板等の支持基板59の上にSiO2 等の絶縁
領域58が形成され、この絶縁領域の上にnMOSトラ
ンジスタが構成されている。
【0015】すなわち、n+ 型領域53、54が対向配
置され、その間にpチャネル57が配置されている。p
チャネル57の上には絶縁ゲート電極55が形成され
る。n + 型領域53と絶縁ゲート電極55は電源VSS
接続され、n+ 型領域54はパッド50に接続される。
【0016】この構成においては、SOI構造のためn
MOSから基板59には電流が流れない。従って、nM
OSは存在するが、図3(B)の場合に付随して存在す
るパイポーラトランジスタは存在しない。
【0017】さらに、ウェルがないので、ドレイン拡散
層下にpnダイオードも存在しない。
【0018】ESD試験を行う時、VDDまたはVSSライ
ンをフローティング状態にしてコンデンサから電荷を入
力パッドに加えることがある。また、実際の使用条件の
なかでESDノイズが加わってVDDラインまたはVSS
インまで電荷が逃げた時、両ラインともフローティング
状態にあり、吸収されないままになることがある。この
ような場合、超薄膜SOI−CMOS回路においては電
荷が逃げることができず、ESD不良が生じ易い。
【0019】このようなESD対策として、埋め込み酸
化膜の一部に開口部を設ける方法や、SOI構造の一部
を非SOI構造(すなわちバルクと同様のCMOS構
造)にする方法が提案されている。これらの方法によれ
ば、電荷を支持基板に逃がすことが可能となる。
【0020】しかし、埋め込み酸化膜の一部に開口部を
設けるためにはプロセスが増加し、余分な面積が必要と
なる。また、SOI構造を非SOI構造とするとSOI
構造の利点が減少し、プロセスが増加し、段差部での配
線の断線の可能性が生じる等の問題がある。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】SOI型半導体装置に
おいては、ESD対策に解決すべき課題が残っている。
本発明の目的は、ESD耐性を向上したSOI型半導体
装置を提供することである。
【0022】
【課題を解決するための手段】本発明のSOI型半導体
装置は、絶縁性支持基板上に半導体表面層を有するSO
I型半導体装置であって、半導体表面層上に形成された
1対の電源供給線(5、6)と、前記1対の電源供給線
に接続され、表面層中に配置された1対の低抵抗率半導
体領域(2a、2b)と、前記1対の低抵抗率半導体領
域間に配置された誘電体領域(1a)とを有し、前記1
対の低抵抗半導体領域が容量を形成する。
【0023】
【作用】1対の電源供給線の間に容量が接続されるた
め、パッドにESDノイズが入射してもESD不良は生
じ難い。
【0024】
【実施例】図1に本発明の基本実施例によるSOI型半
導体装置の構成を示す。図1(A)はSOI型半導体装
置の概略部分断面図、図1(B)はSOI半導体装置の
一部回路図である。
【0025】図1(A)において、SOI型半導体装置
の支持基板表面の絶縁領域1の内に低抵抗率半導体領域
2a、2bが形成されている。この低抵抗率半導体領域
2a、2bには、それぞれVSSライン5およびVDDライ
ン6が接続されている。
【0026】なお、低抵抗率半導体領域2a、2bの間
は誘電体領域1aによって分離され、その表面は絶縁膜
4によって覆われている。なお、絶縁膜4にはコンタク
ト孔7a、7bが形成され、VSSライン5およびVDD
イン6が低抵抗率半導体領域2a、2bにそれぞれ接触
する。
【0027】低抵抗率半導体領域2a、2bの間には容
量Cが形成される。この容量は、低抵抗率半導体領域2
a、2bを近接配置し、誘電体領域1aを挟んで直接形
成してもよく、また低抵抗率半導体領域2a、2bがそ
れぞれSOI絶縁領域1を介して支持用半導体基板と形
成する容量を介して形成してもよい。
【0028】なお、図1(A)には示していないが、こ
のSOI型半導体装置の他の部分には従来技術同様のp
MOSとnMOSの直列接続が形成され、電源ラインV
SSとVDDの間に接続される。
【0029】図1(B)はこのようなESD保護回路の
等価回路を示す。パッド10a、10b、10cには、
それぞれ電源電圧VDD、入力信号、電源電圧VSSが印加
される。
【0030】パッド10aに接続されるラインとパッド
10bに接続されるラインの間にはpMOS11aが接
続され、パッド10bと10cの間にはnMOS11b
が接続される。さらに、パッド10aと10cに接続さ
れるラインの間に容量Cが接続されている。
【0031】パッド10bにESDノイズが入射する
と、その極性に応じ電荷がパッド10aまたはパッド1
0cに接続されたラインに流れる。ここで、パッド10
aと10cに接続されたライン間には容量Cが接続され
ているため、入射した電荷は容量Cに吸収される。
【0032】図2は、図1(A)に示すような絶縁領域
中に埋め込まれた2つの半導体領域を形成する製造方法
の例を示す。図2(A)において、半導体デバイス形成
するための貼り合わせ用基板12の上にレジスト等によ
るマスク13a、13bが形成される。
【0033】図2(B)に示すように、これらのマスク
13a、13bを用いて反応性イオンエッチイング(R
IE)等のエッチングを行うことにより、マスク13
a、13bの下に突起す半導体領域12a、12bを残
す。その後マスク13a、13bは除去する。
【0034】図2(C)に示すように、突起部を形成し
た貼り合わせ用基板12の上に、CVD等により、Si
2 等の絶縁膜14および多結晶Si等の多結晶半導体
層15を堆積する。堆積直後の状態においては、多結晶
半導体層15は凹凸を有する表面を有するが、この表面
を研磨することによって図に示すような平坦な表面を得
る。
【0035】次に図2(D)に示すように、Si基板等
の支持基板16を準備し、この支持基板16の表面に多
結晶半導体層15が接合されるように貼り合わせ基板1
2を配置する。
【0036】この状態で、たとえば1000°C程度の
高温に保持することにより、支持基板16と貼り合わせ
用基板12は接着される。なお、温度と共に電圧、圧力
等を併用することにより貼り合わせ工程は簡単化かつ安
定化される。
【0037】図2(E)に示すように、貼り合わせ後貼
り合わせ基板12を図中上側から研磨することにより、
突起部12a、12bのみを残すようにする。この状態
においては、貼り合わせ用基板12に形成された半導体
領域12a、12bが絶縁膜14中に分離した状態で残
される。
【0038】なお、半導体領域12a、12bはいずれ
かの段階で高濃度に不純物をドープしておく。このよう
にして、図1(A)に示す低抵抗率半導体領域が形成さ
れる。
【0039】なお、同様の方法により絶縁膜中に埋め込
まれた半導体領域を多数形成し、それぞれにpMOS、
nMOS等を形成することができる。このように形成し
たSOI構造の上に絶縁膜を形成し、コンタクト孔を形
成後配線層を形成すれば図1(A)に示す半導体構造が
得られる。
【0040】なお、図2(E)に示す構造においては、
半導体領域12a、12bは絶縁膜14を介して支持基
板16の上に形成された多結晶半導体層15と対向して
いる。すなわち、半導体領域12a、12bは支持基板
との間にも容量を形成する。
【0041】ESD保護用の容量を形成する半導体領域
の形状としては種々の形状が可能である。図4は本発明
の実施例によるESD保護容量の平面構成例を示す。絶
縁領域25内に配置された低抵抗率半導体領域23は、
共通の基幹部分から3つの枝状部分23a、23b、2
3cが張り出した形状を有する。絶縁領域25内に配置
された他の半導体領域24も同様に、共通の基幹部分か
ら3つの枝状部分24a、24b、24cが張り出した
形状を有する。
【0042】半導体領域23と半導体領域24は、互い
にその枝状部分23a〜23cと24a〜24cが互い
にかみ合うようにインターデジタル形状に配置される。
半導体領域23はVSSライン21に接続され、半導体領
域24はVDDライン22に接続される。
【0043】このようなインターデジタル形状を採用す
ることにより、半導体領域23と半導体24の対向面積
が増大し、形成する容量のキャパシタンスが増大する。
図5は、図4に示すような構成の容量を、集積回路チッ
プに配置する配置例を示す。半導体チップ20の中央部
には集積回路部分が形成され、周辺部にはパッドが形成
される。中央部の回路部分と周辺部のパッドとの間にV
SSライン21とVDDライン22が中央領域を取り囲むよ
うに配置されている。
【0044】このVSSライン21とVDDライン22の間
に複数個所において図4に示すようなESD保護回路2
6が配置される。図示の構成においては、3つのESD
保護回路26a、26b、26cが示されている。容量
を分散配置することにより電源ライン全体に対する保護
機能が均一化される。
【0045】なお、必要に応じてESD保護回路の数を
増減することができる。また、VSSライン21、VDD
イン22の対向する全長に渡ってESD保護回路を形成
することもできる。
【0046】超薄膜SOI型CMOS回路においては、
半導体デバイスを形成する半導体層は、たとえば約0.
1μmと極め薄くされる。このような場合、容量を形成
する半導体領域の側面の面積は厚さに応じて小さくな
る。容量を増大させるためには、半導体領域間の誘電体
層の厚さを薄くすればよいが、あまり薄くすると耐圧が
不足してしまう。
【0047】たとえば、SiO2 の誘電体層を利用する
場合、対向する半導体領域間には厚さ約0.5μm程度
の誘電体領域を残す。この半導体領域間の誘電体層の厚
さは、リーク電流が無視できる程度となり、かつ絶縁破
壊されない程度の厚さを確保する必要がある。1つの目
安として、最小露光線幅程度の誘電体層を用いる。
【0048】ESDノイズは人体等から発生するが、典
型的には500V程度の電圧が生じる。このようなES
D電圧を緩和するためには、容量は大きい方が望まし
い。図6は、半導体領域間に形成される容量のキャパシ
タンスをさらに増大するのに適した平面形状を示す。
【0049】半導体領域23は、2つの枝状部分23
a、23bを有し、同様の2つの枝状部分24a、24
bを有する半導体領域24と対向配置されている。これ
らの枝状部分23a、23bと24a、24bはインタ
ーデジタル形状にかみ合って配置されている。
【0050】さらに、対向する各枝状部分において、枝
状部分23aからさらに突出する突起部28が形成さ
れ、枝状部分24からも突起する突起領域27が形成さ
れ、突起部28と交互にかみ合うように配置されてい
る。これらの突起27、28により、半導体領域23、
24の対向部分の周縁の長さは増大する。
【0051】すなわち、半導体領域23、24の側面の
面積が増大している。この増大した側面が互いに対向配
置されることにより、その間に形成される容量のキャパ
シタンスも増大する。
【0052】図7は、本発明の他の実施例によるESD
保護容量の配置例を示す。半導体領域23と24が2次
元状にかつ交互に配置され、市松模様のパターンを形成
している。各半導体領域23、24の周囲には誘電体領
域が配置されている。
【0053】これらの半導体領域の上に、図に示すよう
に斜め方向に電源配線21a、21b、21c、21d
と22a、22b、22c、…が交互に配置されてい
る。すなわち、半導体領域23はVSSライン21に接続
され、半導体領域24はVDDライン22に接続される。
従って、各半導体領域23、24はその周囲を他の電源
ラインに接続される半導体領域に囲まれており、その全
側面で容量を形成する。
【0054】本実施例においては、各半導体領域の主表
面における面積を小さくし、主表面側から電源ラインに
コンタクトを取ることにより、容量を増加させると共に
半導体領域内での電圧降下をほとんど無視できるように
することも可能である。
【0055】ESDノイズは電圧が高いので、導電性領
域に鋭角なエッジがあると、そこにおいて放電を生じや
すい。図8は、本発明の他の実施例による、耐圧の高い
ESD保護容量の構成例を示す。絶縁領域中に円形の半
導体領域24とそれを囲むリング状の半導体領域23が
形成され、その間に容量を形成する。
【0056】これらの半導体領域の上に絶縁膜を介して
SSライン21、VDDライン22が配置され、絶縁膜中
に形成したコンタクト孔28を介してリング状半導体領
域23および円形状半導体領域24にオーミックコンタ
クトする。
【0057】この構成においては、半導体領域23と2
4の対向面において突起が全く存在せず、耐圧が向上す
る。このため、半導体領域23、24間の誘電領域の厚
さを減少させることが可能になる。
【0058】なお、これらの半導体領域は必ずしも円形
にする必要はなく、楕円形状または長円形状などなだら
かな曲線を形成するいかなる形状としてもよい。電源配
線の一方が接地電位の場合は、接地電位を外側に配置す
るのが好ましい。
【0059】SOI型構造において、表面層に形成され
る半導体層は相互間に容量を形成できる他、支持基板と
して半導体基板を用いる場合、支持基板との間にも容量
を形成する。
【0060】図9は、本発明の他の実施例によるSOI
型半導体装置のESD保護容量の構成例を示す。支持用
Si基板29の上に絶縁膜25が配置され、この絶縁膜
25中に半導体領域23、24が配置されている。半導
体領域23、24は絶縁膜25の一部を介して支持基板
29と対向し、容量C1、C2を形成する。
【0061】半導体領域23、24の表面は、絶縁膜3
1によって覆われる。絶縁膜31中にはコンタクト孔2
8が形成され、半導体領域23、24の一部を露出す
る。これらのコンタクト孔を覆うようにVSSライン2
1、VDDライン22が形成される。すなわち、VSSライ
ン21とVDDライン22の間には、半導体領域23、支
持基板29、半導体領域24によって形成されるEDS
保護容量が接続される。
【0062】なお、図1(A)、図4〜図9には、ES
D保護回路用の容量部分のみを図示したが、同一の半導
体チップ上に図3(C)に示すようなMOSトランジス
タ構造を形成し、図1(B)に示すようなESD保護回
路を形成する。ESD保護容量として図1、4〜8に示
す構成と図9に示す構成を組み合わせるまたは兼用させ
ることもできる。
【0063】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
【0064】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
製造工程を複雑化させることなく、ESD耐性を向上し
たSOI型半導体装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本実施例を示す断面図および回路図
である。
【図2】図1に示す半導体装置の製造方法を説明するた
めの概略断面図である。
【図3】従来の技術を説明するための回路図および断面
図である。
【図4】本発明の実施例によるESD保護容量の平面形
状を示す平面図である
【図5】チップ内におけるESD保護容量の配置を示す
平面図である。
【図6】本発明の実施例によるESD保護容量の平面形
状を示す平面図である。
【図7】本発明の実施例によるESD保護容量の平面形
状を示す平面図である。
【図8】本発明の実施例によるESD保護容量の平面形
状を示す平面図である。
【図9】本発明の実施例によるESD保護容量の構成を
概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
1 絶縁領域 2 低抵抗率半導体領域 3 絶縁膜 5 VSSライン 6 VDDライン 7 コンタクト孔 10 パッド 11 MOSトランジスタ 12 貼り合わせ用基板 13 マスク 14 絶縁膜 15 多結晶半導体層 16 支持基板 21、22 電源配線 23、24 半導体領域
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/04 H01L 21/822 H01L 21/8238 H01L 27/092

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁性支持基板上に半導体表面層を有す
    るSOI型半導体装置であって、 半導体表面層上に形成された1対の電源供給線(5、
    6)と、 前記1対の電源供給線に接続され、表面層中に配置され
    た1対の低抵抗率半導体領域(2a、2b)と、 前記1対の低抵抗率半導体領域間に配置された誘電体領
    域(1a)とを有し、前記1対の低抵抗半導体領域が容
    量を形成するSOI型半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記支持基板は、半導体基板を含み、半
    導体基板表面に前記誘電体領域に連続する絶縁層が形成
    されている請求項1記載のSOI型半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記1対の低抵抗率半導体領域(2a、
    2b)はその側面で前記誘電体領域(1a)を介して対
    向し、容量を形成する請求項2記載のSOI型半導体装
    置。
  4. 【請求項4】 前記1対の低抵抗率半導体領域が複数対
    設けられ、共通の1対の電源供給線に接続されている請
    求項3記載のSOI型半導体装置。
  5. 【請求項5】 前記1対の低抵抗率半導体領域は、支持
    基板表面に射影した形状が、インターデジタル部を含む
    請求項3ないし4記載のSOI型半導体装置。
  6. 【請求項6】 前記1対の低抵抗率半導体領域の外縁は
    90度以下の角度をなす屈曲部を有さない請求項3〜5
    のいずれかに記載のSOI型半導体装置。
  7. 【請求項7】 前記1対の低抵抗率半導体領域は、1方
    が他方を取り囲む形状を有する請求項3〜6のいずれか
    に記載のSOI型半導体装置。
  8. 【請求項8】 前記1対の低抵抗率半導体領域は市松模
    様状に配置され、前記1対の電源供給線が交互に接続さ
    れている請求項4記載のSOI型半導体装置。
  9. 【請求項9】 前記1対の低抵抗率半導体領域は前記半
    導体基板を介して容量を形成する請求項2記載のSOI
    型半導体装置。
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