JPWO1996042112A1 - Semiconductor integrated circuit device, its manufacturing method, and semiconductor wafer - Google Patents
Semiconductor integrated circuit device, its manufacturing method, and semiconductor waferInfo
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Abstract
(57)【要約】 SOI基板を使った半導体集積回路装置は、半導体基板1(n型ウエル4)上に絶縁層2を介して形成された半導体層3a,3bの主面にpチャネル型MISFETQp,nチャネル型MISFETQnが形成されており、pチャネル型MISFETQp,nチャネル型MISFETQnのそれぞれのチャネル領域下の絶縁層2には開孔5が設けられ、チャネル領域と半導体基板1(n型ウエル4)とはこの開孔5を通じて電気的に接続されている。 (57) [Abstract] A semiconductor integrated circuit device using an SOI substrate has p-channel MISFETs Qp and n-channel MISFETs Qn formed on the main surfaces of semiconductor layers 3a and 3b formed on a semiconductor substrate 1 (n-type well 4) with an insulating layer 2 interposed therebetween, and openings 5 are provided in the insulating layer 2 below the channel regions of each of the p-channel MISFETs Qp and n-channel MISFETs Qn, and the channel regions and the semiconductor substrate 1 (n-type well 4) are electrically connected through these openings 5.
Description
【発明の詳細な説明】 半導体集積回路装置およびその製造方法ならびに半導体ウエハ 技術分野 本発明は、半導体集積回路装置およびその製造技術に関し、特に、SOI(Sil icon On Insulator)構造の半導体集積回路装置に適用して有効な技術に関するも のである。[Detailed Description of the Invention] Semiconductor Integrated Circuit Device, Its Manufacturing Method, and Semiconductor Wafer Technical Field The present invention relates to semiconductor integrated circuit devices and their manufacturing techniques, particularly to techniques that are effective when applied to semiconductor integrated circuit devices with an SOI (Silicon-On-Insulator) structure.
背景技術 半導体基板上に絶縁層を介して薄い半導体層を形成し、この半導体層に素子を 形成するSOI技術は、完全な素子分離が可能であることから、単結晶シリコン の基板に半導体素子を形成する場合に比べて次のような利点が得られる。BACKGROUND ART SOI technology, which forms a thin semiconductor layer on a semiconductor substrate via an insulating layer and then fabricates devices in this semiconductor layer, allows for complete device isolation, offering the following advantages over fabricating semiconductor devices on a single-crystal silicon substrate:
(1)配線−基板間の寄生容量や拡散層容量が低減されるので、LSIの動作速 度の向上が可能となる。(1) Parasitic capacitance between wiring and the substrate and diffusion layer capacitance are reduced, which enables the operating speed of LSIs to be improved.
(2)α線による電子−正孔対の発生が薄い半導体層に限られるので、ソフトエ ラー耐性が高く、メモリ素子の微細化に有利である。(2) Since the generation of electron-hole pairs by alpha rays is limited to a thin semiconductor layer, soft error resistance is high, which is advantageous for miniaturization of memory elements.
(3)寄生バイポーラトランジスタのような能動的寄生効果が低減されるので、 ラッチアップフリーの相補型MISFETを形成できる。(3) Active parasitic effects such as parasitic bipolar transistors are reduced, making it possible to form latch-up-free complementary MISFETs.
しかしその反面、SOI技術の問題点として、半導体層に形成されたMISF ETのしきい値電圧が変動し易いことが指摘されている。However, a problem with SOI technology is that the threshold voltage of the MISFET formed in the semiconductor layer is prone to fluctuation.
例えばアイ・イー・イー・イー、トランザクションズ(IEEE Transactions on Electron Devices Vol.38,No.6,June 1991.p.1384〜p.1391 "Analysis and Cont rol of Floating-Body Bipolar Effects in Fully Depleted Submicrometer SOI MOSFET's")には、SOI基板に形成されたMISFETのチャネル領域がソース 領域とドレイン領域とで周囲を囲まれ、基板からも絶縁分離されてフローティン グ状態になると、ゲート電圧−ドレイン電流特性にキンク(kink)特性が生じるた めに、しきい値電圧が変動するという事実が報告されている。For example, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 38, No. 6, June 1991, pp. 1384-1391, "Analysis and Control of Floating-Body Bipolar Effects in Fully Depleted Submicrometer SOI MOSFETs," reports that when the channel region of a MISFET formed on an SOI substrate is surrounded by the source and drain regions and insulated from the substrate, causing a floating state, a kink occurs in the gate voltage-drain current characteristic, resulting in a shift in the threshold voltage.
従って、SOI基板に形成されたMISFETの安定動作を確保するためには 、 MISFETのチャネル領域がフローティング状態にならないような構造を実現 する必要がある。Therefore, to ensure stable operation of MISFETs formed on SOI substrates, it is necessary to create a structure that prevents the MISFET channel region from being in a floating state.
例えば前述した文献は、チャネル領域のフローティングを防止する対策として 、半導体層の膜厚を十分に薄く形成し、ゲート電圧の印加時にチャネル領域を完 全に空乏化させる技術を開示している。For example, the aforementioned literature discloses a technique for preventing floating of the channel region by forming the semiconductor layer thin enough to completely deplete the channel region when a gate voltage is applied.
また、特開昭62−109355号公報は、チャネル領域のフローティングを 防止する対策として、チャネル領域が形成されるp型半導体領域に電気的に接続 された第2のp型半導体領域をnチャネル型MISFETのソース、ドレイン領 域(n型半導体領域)の端部に形成し、この第2のp型半導体領域に固定電位を 印加する技術を開示している。Furthermore, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 62-109355 discloses a technique for preventing floating of a channel region by forming a second p-type semiconductor region electrically connected to a p-type semiconductor region in which a channel region is formed at the end of the source/drain region (n-type semiconductor region) of an n-channel MISFET and applying a fixed potential to this second p-type semiconductor region.
しかし、ゲート電圧の印加時にチャネル領域が完全に空乏化するようになるま で半導体層を薄く形成する第1の従来技術においては、 (1)半導体層に形成されるソース、ドレイン領域の抵抗値が増大するために、 MISFETの電流駆動能力が低下する。However, in the first conventional technique, in which the semiconductor layer is formed thin enough that the channel region is completely depleted when a gate voltage is applied, (1) the resistance of the source and drain regions formed in the semiconductor layer increases, resistance of the MISFET decreases.
(2)寄生バイポーラトランジスタ効果が顕在化するために、しきい値電圧が低 下し、エンハンスメント型のMISFETを得ることが困難になる。(2) The parasitic bipolar transistor effect becomes apparent, which reduces the threshold voltage and makes it difficult to obtain an enhancement-mode MISFET.
といった問題が生じる。Problems such as the following arise.
また、nチャネル型MISFETのソース、ドレイン領域(n型半導体領域) の端部に固定電位供給用のp型半導体領域を形成する第2の従来技術の場合は、 (1)このp型半導体領域を設けた分、MISFETの実効的なゲート幅が減少 するために、電流駆動能力が低下する。Furthermore, in the case of the second conventional technology in which p-type semiconductor regions for supplying a fixed potential are formed at the ends of the source and drain regions (n-type semiconductor regions) of an n-channel MISFET, (1) the provision of these p-type semiconductor regions reduces the effective gate width of the MISFET, resulting in a reduction in current drive capability.
(2)ソース、ドレイン領域の接合容量が大きくなるために、MISFETの動 作速度が低下する。(2) The junction capacitance of the source and drain regions increases, reducing the operating speed of the MISFET.
といった問題が生じる。Problems such as the following arise.
本発明の目的は、SOI基板に形成されたMISFETのしきい値電圧の変動 を防止すると共に、しきい値電圧をエンハンスメント型に設定することのできる 技術を提供することにある。The object of the present invention is to provide a technology that can prevent fluctuations in the threshold voltage of a MISFET formed on an SOI substrate and set the threshold voltage to an enhancement type.
本発明の他の目的は、SOI基板に形成されたMISFETのしきい値電圧の 変動を防止すると共に、電流駆動能力を向上させることのできる技術を提供する ことにある。Another object of the present invention is to provide a technique that can prevent fluctuations in the threshold voltage of a MISFET formed on an SOI substrate and improve the current drive capability.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、明細書の記述および添付 図面から明らかになるであろう。The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description in the specification and the accompanying drawings.
発明の開示 本発明によるSOI構造の半導体集積回路装置は、半導体基板上に絶縁層を介 して形成された半導体層の主面にMISFETが形成され、前記MISFETの チャネル領域下の前記絶縁層に開孔が設けられ、前記チャネル領域と前記半導体 基板とが前記開孔を通じて電気的に接続されている。DISCLOSURE OF THE INVENTION In a semiconductor integrated circuit device with an SOI structure according to the present invention, a MISFET is formed on the principal surface of a semiconductor layer formed on a semiconductor substrate via an insulating layer. An opening is provided in the insulating layer below the channel region of the MISFET, and the channel region and the semiconductor substrate are electrically connected through the opening.
本発明による半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板の上部に絶縁層を 介して半導体層を形成したSOI構造の基板にMISFETを形成するにあたり 、 (a)半導体基板上に絶縁層を形成した後、前記絶縁層をエッチングして前記半 導体基板に達する複数の開孔を所定の間隔で形成する工程、 (b)前記それぞれの開孔の底部に露出した前記半導体基板上に半導体層をエピ タキシャル成長させ、前記絶縁層の上部の全面を前記半導体層で覆う工程、 (c)前記半導体層を所定の膜厚となるまで薄膜化した後、前記半導体層の主面 に素子分離用の絶縁膜を形成する工程、 (d)前記半導体層の主面に、チャネル領域の一部が前記開孔上に配置されたM ISFETを形成する工程、 を含んでいる。A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes the steps of: (a) forming an insulating layer on a semiconductor substrate, and then etching the insulating layer to form a plurality of openings at predetermined intervals that reach the semiconductor substrate; (b) epitaxially growing a semiconductor layer on the semiconductor substrate exposed at the bottom of each opening, thereby covering the entire upper surface of the insulating layer; (c) thinning the semiconductor layer to a predetermined thickness, and then forming an insulating film for element isolation on a major surface of the semiconductor layer; and (d) forming a MISFET on the major surface of the semiconductor layer, with a channel region partially disposed above the opening.
上記した構成によれば、絶縁層の開孔を通じてMISFETのチャネル領域と 半導体基板とを電気的に接続したことにより、チャネル領域のフローティングに 起因するしきい値電圧の変動が防止されるので、MISFETの安定動作を図る ことができる。According to the above-described configuration, the channel region of the MISFET is electrically connected to the semiconductor substrate through the opening in the insulating layer, thereby preventing fluctuations in the threshold voltage due to the floating of the channel region, thereby ensuring stable operation of the MISFET.
また、ゲート電圧の印加時にチャネル領域が完全に空乏化するまで半導体層を 薄くしなくとも、しきい値電圧の制御を行うことができるので、ソース、ドレイ ン領域の抵抗値の増大を防ぎ、MISFETの電流駆動能力を向上させることが できる。さらに、寄生バイポーラトランジスタ効果の顕在化によるしきい値電圧 の低下を防ぎ、MISFETのしきい値電圧をエンハンスメント型に設定するこ とができる。Furthermore, since the threshold voltage can be controlled without thinning the semiconductor layer to the point where the channel region is completely depleted when a gate voltage is applied, an increase in the resistance of the source and drain regions can be prevented, improving the current drive capability of the MISFET. Furthermore, a decrease in threshold voltage due to the manifestation of the parasitic bipolar transistor effect can be prevented, and the threshold voltage of the MISFET can be set to an enhancement type.
また、半導体層の下部の絶縁層に設けた開孔を通じてチャネル領域に固定電位 を供給することができるので、実効的なゲート幅の減少を防ぎ、MISFETの 電流駆動能力を向上させることができる。さらに、ソース、ドレイン領域の接合 容量の増大を防ぎ、MISFETの動作速度を向上させることができる。Furthermore, a fixed potential can be supplied to the channel region through an opening in the insulating layer below the semiconductor layer, preventing a reduction in the effective gate width and improving the current drive capability of the MISFET. Furthermore, an increase in the junction capacitance of the source and drain regions can be prevented, improving the operating speed of the MISFET.
図面の簡単な説明 図1は、本発明の第1実施例である半導体集積回路装置を示すSOI基板の要 部平面図、図2は、図1のII−II’線に沿った断面図、図3は、本発明の第1実 施例である半導体集積回路装置の製造方法を示すSOI基板の要部断面図、図4 は、本発明の第1実施例である半導体集積回路装置の製造方法を示すSOI基板 の要部断面図、図5は、本発明の第1実施例である半導体集積回路装置の製造方 法を示すSOI基板の要部断面図、図6は、本発明の第1実施例である半導体集 積回路装置の製造方法を示すSOI基板の斜視図、図7は、本発明の第1実施例 である半導体集積回路装置の製造方法を示すSOI基板の要部断面図、図8は、 本発明の第1実施例である半導体集積回路装置の製造方法を示すSOI基板の要 部断面図、図9は、本発明の第1実施例である半導体集積回路装置の製造方法を 示すSOI基板の要部断面図、図10は、本発明の第1実施例である半導体集積 回路装置の製造方法を示すSOI基板の要部断面図、図11は、本発明の第1実 施例である半導体集積回路装置の製造方法を示すSOI基板の要部断面図、図1 2は、本発明の第1実施例である半導体集積回路装置の製造方法を示すSOI基 板の要部断面図、図13は、本発明の第2実施例である半導体集積回路装置の製 造方法を示すSOI基板の要部断面図、図14は、本発明の第2実施例である半 導体集積回路装置の製造方法を示すSOI基板の要部断面図、図15は、本発明 の第2実施例である半導体集積回路装置の製造方法を示すSOI基板の要部断面 図、図16は、本発明の第2実施例である半導体集積回路装置の製造方法を示す SOI基板の要部断面図、図17は、本発明の他の実施例である半導体集積回路 装置の製造方法を示すSOI基板の要部断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a plan view of a portion of an SOI substrate illustrating a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II' in FIG. 1. FIG. 3 is a cross-sectional view of a portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of a portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view of a portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a perspective view of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view of a portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 8 is a cross-sectional view of a portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 9 is a cross-sectional view of a portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 10 is a cross-sectional view of a key portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 11 is a cross-sectional view of a key portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 12 is a cross-sectional view of a key portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 13 is a cross-sectional view of a key portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a second embodiment of the present invention; FIG. 14 is a cross-sectional view of a key portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a second embodiment of the present invention; FIG. 15 is a cross-sectional view of a key portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a second embodiment of the present invention; FIG. 16 is a cross-sectional view of a key portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a second embodiment of the present invention; and FIG. 17 is a cross-sectional view of a key portion of an SOI substrate illustrating a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to another embodiment of the present invention.
発明を実施するための最良の形態 本発明をより詳述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。なお、実 施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、 その繰り返しの説明は省略する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION To explain the present invention in more detail, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Note that throughout the drawings illustrating the embodiments, components having the same functions are designated by the same reference numerals, and repeated explanations will be omitted.
(第1実施例) 本発明の第1実施例である半導体集積回路装置を図1、図2に示す。図1は、 SOI基板の要部平面図、図2は、図1のII−II’線に沿った断面図である。(First Embodiment) A semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention is shown in Figures 1 and 2. Figure 1 is a plan view of the essential parts of an SOI substrate, and Figure 2 is a cross-sectional view taken along line II-II' in Figure 1.
本実施例の半導体集積回路装置は、半導体基板1と、この半導体基板1上に絶 縁層2を介して形成された半導体層3a,3bとで構成されるSOI基板の主面 上に、nチャネル型MISFETQnとpチャネル型MISFETQpとで構成 されるCMOS(Complimentary MOS)回路を形成したものである。The semiconductor integrated circuit device of this embodiment has a CMOS (Complimentary MOS) circuit formed on the main surface of an SOI substrate that includes a semiconductor substrate 1 and semiconductor layers 3a and 3b formed on the semiconductor substrate 1 with an insulating layer 2 interposed therebetween, and the CMOS circuit is formed of an n-channel MISFET Qn and a p-channel MISFET Qp.
半導体基板1はp型の単結晶シリコン(Si)からなり、その一部にはn型ウ エル4が形成されている。絶縁層2は多数の開孔5が等間隔に形成された酸化シ リコン層で構成されている。半導体層3aはn-型のエピタキシャル単結晶シリ コンからなり、その下部の絶縁層2に形成された開孔5を通じてn型ウエル4と 電気的に接続されている。半導体層3bはp-型のエピタキシャル単結晶シリコ ンからなり、その下部の絶縁層2に形成された開孔5を通じてp型の半導体基板 1と電気的に接続されている。 The semiconductor substrate 1 is made of p-type single crystal silicon (Si), and has an n-type well 4 formed in a part thereof. The insulating layer 2 is composed of a silicon oxide layer in which a large number of openings 5 are formed at equal intervals. The semiconductor layer 3a is made of n - type epitaxial single crystal silicon, and is electrically connected to the n-type well 4 through the openings 5 formed in the insulating layer 2 below it. The semiconductor layer 3b is made of p - type epitaxial single crystal silicon, and is electrically connected to the p-type semiconductor substrate 1 through the openings 5 formed in the insulating layer 2 below it.
nチャネル型MISFETQnは、酸化シリコンからなる素子分離用のフィー ルド絶縁膜6で周囲を囲まれたp-型の半導体層3bの活性領域の主面に形成さ れている。nチャネル型MISFETQnは、半導体層3bに形成されたn型半 導体領域(ソース領域、ドレイン領域)7と、半導体層3bの表面に形成された 酸化シリコンのゲート絶縁膜8と、ゲート絶縁膜8上に形成された多結晶シリコ ンのゲート電極9とで構成されている。このゲート電極9の直下の半導体層3b すなわちチャネル領域は、前記絶縁層2の開孔5を通じて半導体基板1と電気的 に接続されている。 The n-channel MISFET Qn is formed on the main surface of the active region of the p - type semiconductor layer 3b surrounded by a field insulating film 6 for element isolation made of silicon oxide. The n-channel MISFET Qn is composed of an n-type semiconductor region (source region, drain region) 7 formed in the semiconductor layer 3b, a gate insulating film 8 made of silicon oxide formed on the surface of the semiconductor layer 3b, and a gate electrode 9 made of polycrystalline silicon formed on the gate insulating film 8. The semiconductor layer 3b directly below this gate electrode 9, i.e., the channel region, is electrically connected to the semiconductor substrate 1 through the opening 5 in the insulating layer 2.
上記p-型の半導体層3bの別の活性領域には、酸化シリコンの絶縁膜10に 形成された接続孔11を通じて配線12が接続され、〜−2V程度の基板電位が 供給される。この半導体層3bは、前記nチャネル型MISFETQnが形成さ れ た半導体層3bと同様、その下部の絶縁層2の開孔5を通じて半導体基板1と電 気的に接続されている。 To another active region of the p − type semiconductor layer 3 b, a wiring 12 is connected through a connection hole 11 formed in a silicon oxide insulating film 10, and a substrate potential of about −2 V is supplied. This semiconductor layer 3 b is electrically connected to the semiconductor substrate 1 through an opening 5 in the insulating layer 2 below it, similar to the semiconductor layer 3 b in which the n channel type MISFET Qn is formed.
このように、上記nチャネル型MISFETQnは、絶縁層2の開孔5を通じ てチャネル領域と半導体基板1とを電気的に接続し、このチャネル領域に基板電 位を供給することによって、チャネル領域のフローティングを防いでいる。In this way, the channel region of the n-channel MISFET Qn is electrically connected to the semiconductor substrate 1 through the opening 5 in the insulating layer 2, and a substrate potential is supplied to the channel region, thereby preventing the channel region from floating.
一方、pチャネル型MISFETQpは、フィールド絶縁膜6で周囲を囲まれ たn-型の半導体層3aの活性領域の主面に形成されている。pチャネル型MI SFETQpは、半導体層3aに形成されたp型半導体領域(ソース領域、ドレ イン領域)と、半導体層3aの表面に形成されたゲート絶縁膜8と、ゲート絶縁 膜8上に形成されたゲート電極9とで構成されている。このゲート電極9の直下 の半導体層3aすなわちチャネル領域は、前記絶縁層2の開孔5を通じてn型ウ エル4と電気的に接続されている。 On the other hand, the p-channel MISFET Qp is formed on the main surface of the active region of the n − -type semiconductor layer 3a surrounded by the field insulating film 6. The p-channel MISFET Qp is composed of p-type semiconductor regions (source region, drain region) formed in the semiconductor layer 3a, a gate insulating film 8 formed on the surface of the semiconductor layer 3a, and a gate electrode 9 formed on the gate insulating film 8. The semiconductor layer 3a directly below the gate electrode 9, i.e., the channel region, is electrically connected to the n-type well 4 through the opening 5 in the insulating layer 2.
上記n-型の半導体層3aの別の領域には、絶縁膜10に形成された接続孔1 1を通じて配線12が接続され、〜2V程度のウエル電位が供給される。この半 導体層3aは、前記pチャネル型MISFETQpが形成された半導体層3aと 同様、その下部の絶縁層2の開孔5を通じてn型ウエル4と電気的に接続されて いる。 To another region of the n − type semiconductor layer 3 a, a wiring 12 is connected through a connection hole 11 formed in an insulating film 10, and a well potential of about 2 V is supplied. This semiconductor layer 3 a is electrically connected to an n type well 4 through an opening 5 in the insulating layer 2 below it, similar to the semiconductor layer 3 a in which the p channel type MISFET Qp is formed.
このように、上記pチャネル型MISFETQpは、絶縁層2の開孔5を通じ てチャネル領域とn型ウエル4とを電気的に接続し、このチャネル領域にウエル 電位を供給することによって、チャネル領域のフローティングを防いでいる。In this way, the p-channel MISFET Qp electrically connects the channel region to the n-type well 4 through the opening 5 in the insulating layer 2, and supplies a well potential to this channel region, thereby preventing the channel region from floating.
上記のように構成された本実施例によれば、ゲート電圧の印加時にチャネル領 域が完全に空乏化するまで半導体層3a,3bを薄くしなくとも、しきい値電圧 の制御を行うことができるので、ソース、ドレイン領域(n型半導体領域7、p 型半導体領域13)の抵抗値の増大を防ぎ、nチャネル型MISFETQn、p チャネル型MISFETQpのそれぞれの電流駆動能力を向上させることができ る。さらに、寄生バイポーラトランジスタ効果の顕在化によるしきい値電圧の低 下を防ぎ、しきい値電圧をエンハンスメント型に設定することができる。According to this embodiment configured as described above, the threshold voltage can be controlled without thinning the semiconductor layers 3 a, 3 b until the channel region is completely depleted when a gate voltage is applied. This prevents an increase in the resistance of the source and drain regions (n-type semiconductor region 7, p-type semiconductor region 13) and improves the current drive capabilities of the n-channel MISFET Qn and the p-channel MISFET Qp. Furthermore, a decrease in the threshold voltage due to the manifestation of the parasitic bipolar transistor effect can be prevented, and the threshold voltage can be set to an enhancement type.
また、本実施例によれば、半導体層3a,3bの下部の絶縁層2の開孔5を通 じてチャネル領域に固定電位を供給するので、実効的なゲート幅の減少を防ぎ、 nチャネル型MISFETQn、pチャネル型MISFETQpのそれぞれの電 流駆動能力を向上させることができる。さらに、ソース、ドレイン領域(n型半 導体領域7、p型半導体領域13)の接合容量の増大を防ぎ、動作速度を向上さ せることができる。Furthermore, according to this embodiment, a fixed potential is supplied to the channel region through the opening 5 in the insulating layer 2 below the semiconductor layers 3a and 3b, thereby preventing a reduction in the effective gate width and improving the current driving capability of each of the n-channel MISFET Qn and the p-channel MISFET Qp. Furthermore, an increase in the junction capacitance of the source and drain regions (n-type semiconductor region 7 and p-type semiconductor region 13) can be prevented, thereby improving the operating speed.
また、本実施例によれば、nチャネル型MISFETQn、pチャネル型MI SFETQpの動作時に発生する熱を半導体層3a,3bの下部の絶縁層2の開 孔5を通じて半導体基板1に逃がすことができるので、SOI基板の放熱性を向 上させることができる。Furthermore, according to this embodiment, heat generated during operation of the n-channel MISFET Qn and the p-channel MISFET Qp can be dissipated to the semiconductor substrate 1 through the openings 5 in the insulating layer 2 below the semiconductor layers 3a and 3b, thereby improving the heat dissipation properties of the SOI substrate.
次に、図3〜図12を用いて本実施例のCMOSゲートアレイの製造方法を説 明する。Next, a method for manufacturing the CMOS gate array of this embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図3に示すように、p型の半導体基板1を熱処理してその表面に酸化シ リコンの絶縁層2を形成した後、図4に示すように、絶縁層2およびフォトレジ スト15をマスクにしてpチャネル型MISFETQpの形成領域の半導体基板 1にn型の不純物(リンまたはヒ素)を打ち込み、n型ウエル4を形成する。First, as shown in FIG. 3, a p-type semiconductor substrate 1 is heat-treated to form an insulating layer 2 of silicon oxide on its surface. Then, as shown in FIG. 4, using the insulating layer 2 and photoresist 15 as a mask, n-type impurities (phosphorus or arsenic) are implanted into the semiconductor substrate 1 in the region where the p-channel MISFET Qp is to be formed, thereby forming an n-type well 4.
次に、フォトレジスト15を除去した後、図5に示すように、新たなフォトレ ジスト16をマスクにして絶縁層2をドライエッチングすることにより、半導体 基板1に達する開孔5とn型ウエル4に達する開孔5とを形成する。Next, after removing the photoresist 15, the insulating layer 2 is dry-etched using a new photoresist 16 as a mask, as shown in FIG. 5, to form an opening 5 reaching the semiconductor substrate 1 and an opening 5 reaching the n-type well 4.
図6に示すように、上記開孔5は、絶縁層2の主面の互いに直交する方向に沿 って等間隔に形成する。開孔5は、その径がMISFETのゲート電極のゲート 長よりも小さくなるように形成する。また、本実施例では、MISFETのチャ ネル領域の下に少なくとも1個の開孔5が配置されるので、互いに隣接する開孔 5の間隔は、ゲート長方向に沿って互いに隣接するMISFETのゲート電極の 間隔の1/n(nは自然数)となるように設定する。As shown in FIG. 6 , the openings 5 are formed at equal intervals along directions perpendicular to each other on the main surface of the insulating layer 2. The openings 5 are formed so that their diameters are smaller than the gate length of the MISFET gate electrodes. In this embodiment, at least one opening 5 is disposed below the channel region of the MISFET, and therefore the interval between adjacent openings 5 is set to 1/n (n is a natural number) of the interval between adjacent MISFET gate electrodes along the gate length direction.
次に、フォトレジスト15を除去した後、図7に示すように、開孔5の底部に 露出した半導体基板1とn型ウエル4のそれぞれの表面にp-の半導体層3bを 選択的にエピタキシャル成長させる。半導体層3bは、それぞれの開孔5を通じ て成長した半導体層3b同士が絶縁層2の上部で互いにつながり合って、絶縁層 2の全面を覆うようになるまで成長させる。 7, p − semiconductor layer 3 b is selectively epitaxially grown on the surfaces of semiconductor substrate 1 and n-type well 4 exposed at the bottom of opening 5. The semiconductor layer 3 b is grown until the semiconductor layers 3 b grown through each opening 5 are connected to each other on top of insulating layer 2 and cover the entire surface of insulating layer 2.
次に、図8に示すように、半導体層3bをCMP(Chemical Mechanical Polis hi ng; 化学的機械研磨)法あるいはエッチバックで薄膜化すると共に、その表面を 平坦化する。この半導体層3bは、少なくともゲート電圧の印加時にチャネル領 域が完全に空乏化しない程度の膜厚を有するものとする。Next, as shown in Figure 8, the semiconductor layer 3b is thinned by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or etch-back, and its surface is planarized. This semiconductor layer 3b has a thickness that is at least large enough to prevent complete depletion of the channel region when a gate voltage is applied.
次に、図9に示すように、フォトレジスト17をマスクにしてpチャネル型M ISFETQpの形成領域の半導体層3bにn型の不純物(リンまたはヒ素)を 打ち込み、n型ウエル4の上部にn-型の半導体層3aを形成する。 Next, as shown in FIG. 9, using the photoresist 17 as a mask, n-type impurities (phosphorus or arsenic) are implanted into the semiconductor layer 3b in the region where the p-channel MISFET Qp is formed, thereby forming an n-type semiconductor layer 3a on the n - type well 4.
次に、フォトレジスト17を除去した後、図10に示すように、半導体層3a ,3bのそれぞれの表面に素子分離用の厚いフィールド絶縁膜6とゲート絶縁膜 8とを形成した後、図11に示すように、CVD法で堆積した多結晶シリコン膜 をパターニングすることにより、半導体層3a,3bのそれぞれのゲート絶縁膜 8上にゲート電極9を形成する。Next, after removing the photoresist 17, as shown in FIG. 10, a thick field insulating film 6 for element isolation and a gate insulating film 8 are formed on the surfaces of the semiconductor layers 3a and 3b, respectively. Then, as shown in FIG. 11, the polycrystalline silicon film deposited by the CVD method is patterned to form gate electrodes 9 on the gate insulating films 8 of the semiconductor layers 3a and 3b.
次に、図12に示すように、半導体層3aにp型の不純物(ホウ素)を打ち込 んでpチャネル型MISFETQpのソース、ドレイン領域(p型半導体領域1 3)を形成し、半導体層3bにn型の不純物(リンまたはヒ素)を打ち込んでn チャネル型MISFETQnのソース、ドレイン領域(n型半導体領域7)を形 成する。Next, as shown in FIG. 12, p-type impurities (boron) are implanted into the semiconductor layer 3a to form the source and drain regions (p-type semiconductor regions 13) of the p-channel MISFET Qp, and n-type impurities (phosphorus or arsenic) are implanted into the semiconductor layer 3b to form the source and drain regions (n-type semiconductor regions 7) of the n-channel MISFET Qn.
その後、nチャネル型MISFETQn、pチャネル型MISFETQpのそ れぞれの上部にCVD法で酸化シリコンの絶縁膜10を堆積した後、この絶縁膜 10に形成した接続孔11を通じてpチャネル型MISFETQpのソース、ド レイン領域(p型半導体領域13)、nチャネル型MISFETQnのソース、 ドレイン領域(n型半導体領域7)のそれぞれに配線12を接続すると共に、別 の領域の半導体層3aにウエル電位供給用の配線12を、別の領域の半導体層3 bに基板電位供給用の配線12をそれぞれ接続することにより、前記図1、図2 に示すCMOS回路が完成する。Thereafter, a silicon oxide insulating film 10 is deposited by CVD on the top of each of the n-channel MISFET Qn and the p-channel MISFET Qp. Wiring 12 is then connected to the source and drain regions (p-type semiconductor regions 13) of the p-channel MISFET Qp and the source and drain regions (n-type semiconductor regions 7) of the n-channel MISFET Qn through connection holes 11 formed in the insulating film 10. Wiring 12 for supplying a well potential is also connected to the semiconductor layer 3a in another region, and wiring 12 for supplying a substrate potential is also connected to the semiconductor layer 3b in another region, thereby completing the CMOS circuit shown in FIGS. 1 and 2 .
(第2実施例) 前記第1実施例では、半導体基板1、絶縁層2、エピタキシャルシリコン単結 晶からなる半導体層3a,3bで構成されたSOI基板を用いた場合について説 明したが、シリコン単結晶からなる半導体基板1の内部に酸素イオンを打ち込ん だ後、半導体基板1を熱処理してその内部に酸化シリコンの絶縁層を形成する、 いわゆるSIMOX(Separation by Implanted Oxygen)法で得られるSOI基板 を用いることもできる。(Second Embodiment) In the first embodiment, we described the use of an SOI substrate composed of a semiconductor substrate 1, an insulating layer 2, and semiconductor layers 3a and 3b made of epitaxial single-crystal silicon. However, we can also use an SOI substrate obtained by the SIMOX (Separation by Implanted Oxygen) method, in which oxygen ions are implanted into the semiconductor substrate 1 made of single-crystal silicon, and then the semiconductor substrate 1 is heat-treated to form an insulating layer of silicon oxide within it.
この場合は、まず図13に示すように、p型の半導体基板1上に形成した酸化 シリコンなどの絶縁膜(またはフォトレジスト)18をマスクにして、pチャネ ル型MISFETQpの形成領域の半導体基板1にn型の不純物(リンまたはヒ 素)を打ち込んでn型ウエル4を形成した後、絶縁膜18を除去し、続いて図1 4に示すように、半導体基板1の全面にp-型の半導体層19bをエピタキシャ ル成長させる。 In this case, first, as shown in FIG. 13, an insulating film (or photoresist) 18 such as silicon oxide formed on a p-type semiconductor substrate 1 is used as a mask to implant n-type impurities (phosphorus or arsenic) into the semiconductor substrate 1 in the region where the p-channel MISFET Qp is to be formed, thereby forming an n-type well 4, and then the insulating film 18 is removed, and subsequently, as shown in FIG. 14, a p − -type semiconductor layer 19 b is epitaxially grown on the entire surface of the semiconductor substrate 1.
次に、図15に示すように、半導体層19b上に島状の絶縁膜パターン20を 等間隔に形成した後、この絶縁膜パターン20をマスクにして半導体層19bの 内部に酸素イオンを注入する。島状の絶縁膜パターン20は、例えば半導体層1 9b上に形成した酸化シリコン膜をパターニングして形成する。この絶縁膜パタ ーン20の寸法および間隔は、前記第1実施例で用いたSOI基板の絶縁層2に 形成した開孔5のそれと同じにする。Next, as shown in FIG. 15 , island-shaped insulating film patterns 20 are formed at equal intervals on semiconductor layer 19 b, and then oxygen ions are implanted into semiconductor layer 19 b using these insulating film patterns 20 as a mask. The island-shaped insulating film patterns 20 are formed, for example, by patterning a silicon oxide film formed on semiconductor layer 19 b. The dimensions and spacing of these insulating film patterns 20 are set to be the same as those of the openings 5 formed in insulating layer 2 of the SOI substrate used in the first embodiment.
次に、絶縁膜パターン20を除去した後、図16に示すように、半導体基板1 を熱処理してシリコンと酸素とを反応させることにより、半導体層19bの底部 に酸化シリコンからなる絶縁層21を形成する。このとき、絶縁膜パターン20 の下方の酸素イオンが注入されなかった領域には、絶縁層21が形成されないの で、前記第1実施例の図8に示すものとほぼ同様の構造を有するSOI基板が得 られる。Next, after removing the insulating film pattern 20, the semiconductor substrate 1 is heat-treated to react silicon with oxygen, thereby forming an insulating layer 21 made of silicon oxide at the bottom of the semiconductor layer 19b, as shown in FIG. 16. At this time, no insulating layer 21 is formed in the region below the insulating film pattern 20 where oxygen ions were not implanted, resulting in an SOI substrate having a structure substantially similar to that shown in FIG. 8 of the first embodiment.
その後は、前記第1実施例の図9〜図12に示す工程に従ってCMOSゲート アレイを形成すればよい。Thereafter, a CMOS gate array can be formed according to the steps shown in FIGS. 9 to 12 of the first embodiment.
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、 本発明は前記第1実施例、第2実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸 脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。The invention made by the inventor has been specifically described above based on the examples. However, the present invention is not limited to the first and second examples described above, and various modifications are possible without departing from the spirit and scope of the invention.
前記第1、第2実施例では、CMOSゲートアレイを構成するnチャネル型M ISFETQn、pチャネル型MISFETQpのそれぞれのチャネル領域に固 定電位を供給したが、例えばnチャネル型MISFETQnのチャネル領域のみ に固定電位を供給するようにしてもよい。In the first and second embodiments, a fixed potential is supplied to each channel region of the n-channel MISFET Qn and the p-channel MISFET Qp that constitute the CMOS gate array. However, for example, a fixed potential may be supplied only to the channel region of the n-channel MISFET Qn.
また、前記第1実施例において、半導体基板1上に形成した絶縁層2をエッチ ングして開孔5を形成する際、図17に示すように、半導体基板1の一部の領域 の絶縁層2を全部除去してもよい。このようにすると、絶縁層2を除去した領域 はSOI構造とはならないので、この領域の半導体基板1上にエピタキシャル成 長させた半導体層3b上に、SOI基板上に形成されるMISFETとは特性が 異なるMISFETを形成することができる。つまり、同一の半導体基板1上に 異なる特性のMISFETを混在させることができる。Furthermore, in the first embodiment, when the insulating layer 2 formed on the semiconductor substrate 1 is etched to form the opening 5, the insulating layer 2 may be entirely removed from a portion of the semiconductor substrate 1, as shown in FIG. 17 . In this case, the region from which the insulating layer 2 is removed does not have an SOI structure, and therefore a MISFET with characteristics different from those of the MISFET formed on the SOI substrate can be formed on the semiconductor layer 3 b epitaxially grown on the semiconductor substrate 1 in this region. In other words, MISFETs with different characteristics can be mixed on the same semiconductor substrate 1.
本発明はCMOSゲートアレイのみならず、nチャネル型MISFETQnだ けで回路を構成するような場合にも適用することができる。すなわち、本発明は 、SOI基板上に形成したMISFETで構成される半導体集積回路装置に広く 適用することができる。The present invention can be applied not only to CMOS gate arrays but also to circuits constructed solely with n-channel MISFETs. In other words, the present invention can be widely applied to semiconductor integrated circuit devices composed of MISFETs formed on an SOI substrate.
産業上の利用可能性 以上のように、本発明の半導体集積回路装置は、SOI基板の半導体層に形成 されたMISFETのしきい値電圧の変動を抑制し、MISFETの安定動作を 図ることができるので、SOI基板を使用する各種LSIに用いて好適なもので ある。INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the semiconductor integrated circuit device of the present invention can suppress fluctuations in the threshold voltage of MISFETs formed in the semiconductor layer of an SOI substrate, ensuring stable operation of the MISFETs. Therefore, it is suitable for use in various LSIs that use SOI substrates.
───────────────────────────────────────────────────── (注)この公表は、国際事務局(WIPO)により国際公開された公報を基に作 成したものである。 なおこの公表に係る日本語特許出願(日本語実用新案登録出願)の国際公開の 効果は、特許法第184条の10第1項(実用新案法第48条の13第2項)に より生ずるものであり、本掲載とは関係ありません。───────────────────────────────────────────────────── (Note) This publication is based on the publication published internationally by the International Bureau of Patents (WIPO). The effect of the international publication of the Japanese patent application (Japanese utility model registration application) related to this publication arises pursuant to Article 184-10, Paragraph 1 of the Patent Act (Article 48-13, Paragraph 2 of the Utility Model Act) and is unrelated to this publication.
Claims (10)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7-145035 | 1995-06-12 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO1996042112A1 true JPWO1996042112A1 (en) | 1998-08-25 |
Family
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