JP2003332583A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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JP2003332583A
JP2003332583A JP2002139548A JP2002139548A JP2003332583A JP 2003332583 A JP2003332583 A JP 2003332583A JP 2002139548 A JP2002139548 A JP 2002139548A JP 2002139548 A JP2002139548 A JP 2002139548A JP 2003332583 A JP2003332583 A JP 2003332583A
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semiconductor
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drain
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Akikazu Oono
晃計 大野
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】オン時におけるドレイン電流の増大を確保しつ
つ、オフリーク電流の増大を抑制することができる半導
体装置およびその製造方法を提供する。 【解決手段】絶縁膜2上に形成された半導体層3と、半
導体層3上に形成されたゲート電極6と、ゲート電極6
下における半導体層3に形成された第1導電型のボディ
領域8と、ボディ領域8を挟んで半導体層3に形成され
た第2導電型のソース領域9およびドレイン領域10と
を有し、さらに、半導体層3の一部の領域において、ソ
ース領域9と絶縁膜2との間に形成され、ボディ領域8
に接続する第1導電型半導体領域11と、ソース領域9
を貫いて第1導電型半導体領域11にまで到達するよう
に形成され、ソース領域9および第1導電型半導体領域
11に接続するソース電極13とを有し、第1導電型半
導体領域11が形成された領域3aにおける半導体層3
の膜厚が、他の領域に比して厚膜化されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、絶縁膜上
の半導体層にソース領域、ボディ領域、ドレイン領域を
形成して製造されるSOI(Silicon On Insulator) 型
の半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】図13は、従来のSOI型MOSトラン
ジスタの代表例としてnチャネルMOSトランジスタか
らなる半導体装置の断面図である。図13に示す半導体
装置は、シリコン等からなる支持基板101上に、埋め
込み絶縁膜102を介して形成された単結晶シリコン膜
からなる島状の半導体層(SOI層)103が形成され
ており、この半導体層103にリン又は砒素を高濃度に
添加したn型のソ一ス領域104とドレイン領域105
が形成されている。
【0003】ソース領域104とドレイン領域105に
挟まれてボロンを添加したp型のボディ領域106が形
成されている。ボディ領域106の真上にはゲート絶縁
膜107を介してn型の多結晶シリコンゲート108が
形成されている。また、ソース領域104、ドレイン領
域105および多結晶シリコンゲート108に電位を与
えるためにソース電極109、ドレイン電極110およ
びゲート電極111がそれぞれ設けられている。
【0004】ここで、ソース電極109とゲート電極1
11にOV、ドレイン電極110に正の電圧を印加した
場合を想定する。この状態は、nチャネルMOSトラン
ジスタをゲートで強制的にオフしている状態に対応す
る。この場合、p型のボディ領域106とn型のドレイ
ン領域105から成るpn接合は逆方向にバイアスされ
た状態となっており、周知のメカニズムに起因して高電
界の空乏層内で電子・正孔の対が発生する。
【0005】このとき、ドレイン領域105からボディ
領域106に向かう電位勾配が存在するため、電子はド
レイン領域105へ、正孔はボディ領域106へ移動す
る。ボディ領域106へ移動した正孔はソース領域10
4へ流出しようとするが、ソース領域104がn型であ
るために電位障壁が形成されていることから、正孔はボ
ディ領域106内で蓄積することになる。このため、正
孔の蓄積量に応じてボディ領域106の電位は上昇し、
結果として、nチャネルMOSトランジスタの閾値電圧
(Vth)が低下する。
【0006】上記の基板浮遊効果による特性ばらつきを
抑制するためには、ボディ領域106の電位がアース電
位になるようにすればよい。例えば、nチャネルMOS
トランジスタにおいて、ゲート電極下に形成されたp型
のボディ領域を延長して、当該延長した領域に専用の電
極を設け、これをソース電極109に短絡したりする手
法もある。この場合には、ボディ領域106に流入した
正孔はソース領域104を介さずに直接に外部電極に流
出するため、ボディ領域106内に正孔は蓄積しない。
但し、ボディ領域106に専用の電極を設けることは素
子占有面積の増大につながり、この構造は通常採用され
ない。
【0007】図14は、ボディ領域106の電位が上昇
したとき、nチャネルMOSトランジスタの特性がどの
ように変化するのかを示す図である。横軸がゲート電極
に印加するゲート電圧で、縦軸がゲート電圧に応じて変
化するドレイン電流である。いわゆるサブスレッショル
ド特性である。図中の一点鎖線で示すグラフG1がボデ
ィ領域が電気的に浮遊状態にある従来のnチャネルMO
Sトランジスタのサブスレッショルド特性に対応してい
る。また点線で示すグラフG2は、ボディ領域106に
専用の電極を設け、これをソース電極109に短絡した
MOSトランジスタのサブスレッショルド特性を示して
いる。
【0008】上述したように、図13に示す従来のnチ
ャネルMOSトランジスタではボディ領域が電気的に浮
遊状態にある構造であるため、ボディ領域106に正孔
が蓄積されると、しきい値電圧Vthが低下し、サブス
レッショルド特性は低ゲート電圧側(向かって左側)へ
シフトしている(図中、グラフG2とグラフG1とを比
較)。
【0009】このため、ゲート電圧を電原電圧(Vd
d)まで高めたオン時のドレイン電流は周知の理論式か
ら得られる(Vdd−Vth)2 に比例してd1だけ増
大するものの、ゲート電圧OVにおけるドレイン電流、
つまりオフリーク電流も10-( Vth/S)に比例してd2だ
け増大することになる。
【0010】従って、図13に示す従来のnチャネルM
OSトランジスタは、オフ時のリーク電流が影響するス
タンバイパワーよりもオン時のドレイン電流増大によっ
てもたらされる高速性能をより強く重視するマイクロプ
ロセッサーで多用されている。なお、上記のSはサブス
レッショルド・スウィングと呼ばれるデバイスパラメー
タである。ボディ領域106に正孔が蓄積されることに
よる特性変化については、例えば公知文献(Glenn O e
t.al,"A Comparative Analysis of the DynamicBehavio
r of BTG/SOI MOSFETs and Circurts with Distributed
Body Resistance."IEEE Transactions on Electron De
vices,Vol 45,No 10,pp 2138-2145,1998)で詳細が開示
されている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図13に示
すnチャネルMOSトランジスタでオフリーク電流の増
大を抑制して、グラフG3に示すような特性を得ること
ができれば、高速性能を活かしつつ低消費電力性能も実
現できることになり、その応用範囲はマイクロプロセッ
サーに代表される各種コンピュータ機器用LSIに限ら
ず携帯情報端末のLSIにも広がる。従って、ボディ領
域をフローティングとすることで電流駆動力を上げ高速
性能を実現する従来のSOI型MOSトランジスタで
は、如何にしてそのオフリーク電流の増大を抑制するか
が重要な課題として残されていた。
【0012】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、オン時におけるドレイン電流の増
大を確保しつつ、オフリーク電流の増大を抑制すること
ができる半導体装置およびその製造方法を提供すること
にある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の半導体装置は、絶縁膜上に形成された半導
体層と、前記半導体層に絶縁した状態で前記半導体層上
に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極下における
前記半導体層に形成された第1導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域を挟んで前記半導体層に形成された第2
導電型のソース領域およびドレイン領域とを有する半導
体装置であって、前記半導体層の一部の領域において、
前記ソース領域と前記絶縁膜との間に形成され、前記ボ
ディ領域に接続する第1導電型半導体領域と、前記ソー
ス領域を貫いて前記第1導電型半導体領域にまで到達す
るように形成され、前記ソース領域および前記第1導電
型半導体領域に接続するソース電極とを有し、前記第1
導電型半導体領域が形成された領域における前記半導体
層の膜厚が、他の領域に比して厚膜化されている。
【0014】前記ソース領域および前記ドレイン領域
は、前記他の領域において前記絶縁膜に接するように前
記半導体層に形成されている。
【0015】前記第1導電型半導体領域は、前記半導体
層の一部の領域において、前記ソース領域、前記ボディ
領域および前記ドレイン領域と前記絶縁膜との間に形成
されている。
【0016】前記半導体層の他の領域において形成さ
れ、前記ドレイン領域に接続するドレイン電極をさらに
有する。
【0017】上記の本発明の半導体装置では、第1導電
型半導体領域がソース領域とボディ領域に接続してお
り、ソース電極がソース領域および第1導電型半導体領
域に接続されていることから、第1導電型のボディ領域
は第1導電型半導体領域を介してソース電極に導通され
ている。従って、オフ時には、ドレイン側の高電界の空
乏層で発生し、第1導電型のボディ領域へ移動した電荷
は、ボディ領域で蓄積することなく、第1導電型半導体
領域を介してソース電極へ抜け外部に流出する。一方、
オン時においてボディ領域全体を空乏化させることによ
り、空乏化したボディ領域を通って第1導電型半導体領
域へ至る経路は極めて高抵抗となり、第1導電型半導体
領域を介してソース電極へ抜ける電荷の数は激減し、電
荷がボディ領域に蓄積される。このため、実質的にオン
時においては、ボディ領域はフローティング状態とな
る。
【0018】さらに、上記の目的を達成するため、本発
明の半導体装置の製造方法は、絶縁膜上に第1導電型の
半導体層を形成し、前記半導体層に絶縁した状態で前記
半導体層上にゲート電極を形成し前記ゲート電極下にお
ける前記半導体層の領域をボディ領域とし、前記ボディ
領域を挟むように前記半導体層に第2導電型のソース領
域およびドレイン領域を形成する半導体装置の製造方法
であって、前記ゲート電極を形成する工程の前に、少な
くとも前記ソース領域の一部の領域における前記半導体
層を保護した状態で、他の領域の前記半導体層を選択的
に酸化する工程と、酸化により生じた酸化膜を除去する
ことにより、前記一部の領域が前記他の領域に比して厚
膜化された前記半導体層を形成する工程と、前記半導体
層の厚膜化された領域において、前記絶縁膜に接する第
1導電型半導体領域を形成する工程とを有し、前記ソー
ス領域および前記ドレイン領域を形成する工程の後に、
前記ソース領域を貫いて前記第1導電型半導体領域にま
で到達するようにソース電極を形成する工程を有する。
【0019】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態とし
て、SOI型のnチャネルMOSトランジスタの構造、
およびその製造方法について図面を参照して説明する。
pチャネルMOSトランジスタの構造はソース領域、ボ
ディ領域、ドレイン領域、多結晶シリコンゲートの導電
型をn型からp型へ、またp型からn型へ入れ替えるだ
けで済むことから、以下の説明においては導電型(n型
かp型)とキャリアの種類(正札か電子)を読み替え、
且つ、印加バイアスを正から負へと変更するだけでpチ
ャネルMOSトランジスタにおいても適用可能である。
【0020】図1は本実施形態のSOI型nチャネルM
OSトランジスの平面図である。なお、本実施形態に係
るnチャネルMOSトランジスタの重要な構造部分を明
示するため、素子表面を保護する絶縁膜等は省略してあ
る。図2(a)は図1のA−A’線における断面図であ
り、図2(b)は図1のB−B’線における断面図であ
り、図2(c)は図1のC−C’線における断面図であ
る。図2(a)は、多結晶シリコンゲートの直下に位置
するボディ領域の断面構造を示しており、図2(b)お
よび図2(c)は、それぞれソース領域およびドレイン
領域の断面構造を示している。
【0021】図1および図2に示すnチャネルMOSト
ランジスタは、例えば、シリコン等からなる支持基板1
に酸化シリコン等からなる埋め込み絶縁膜2が形成さ
れ、当該埋め込み絶縁膜2上に、単結晶シリコンあるい
は多結晶シリコン等からなり島状に加工された半導体層
3が形成されている。
【0022】半導体層3の側壁には、酸化シリコン等か
らなる側壁絶縁膜4が形成されており、半導体層3の上
面には酸化シリコン等からなるゲート絶縁膜5を介し
て、n型の多結晶シリコンからなる多結晶シリコンゲー
ト6が形成されている。
【0023】島状に加工された半導体層3は、多結晶シ
リコンゲート6に直交するように、厚膜化された厚膜化
領域3aを有し、その結果、多結晶シリコンゲート6の
幅方向に膜厚が変化している構造となっている。
【0024】多結晶シリコンゲート6下における半導体
層3には、p型のボディ領域8が形成されており、当該
p型のボディ領域8を挟んでn型のソース領域9および
ドレイン領域10が形成されている。
【0025】半導体層3の厚膜化領域3aにおいて、ソ
ース領域9、ボディ領域8、ドレイン領域10と埋め込
み絶縁膜2との間には、ボディ領域8よりも高濃度にp
型不純物を含有するp型半導体領域11が形成されてい
る。
【0026】上記のソース領域9およびドレイン領域1
0は、p型半導体領域11が形成された厚膜化領域3a
以外の領域においては、埋め込み絶縁膜2に達する膜厚
で形成されている。
【0027】上記の半導体層3の厚膜化領域3aでは、
他の領域に比してp型半導体領域11の膜厚分だけ厚膜
化されて形成されており、従って、p型半導体領域11
上に存在するボディ領域8、ソース領域9およびドレイ
ン領域10の膜厚は、他の領域における半導体層3に形
成されたボディ領域8、ソース領域9およびドレイン領
域10の膜厚と同じ膜厚を有するように形成されてい
る。
【0028】半導体層3の厚膜化領域3aに形成された
ソース領域9を貫通して、p型半導体領域11に達する
まで埋め込まれるようにしてソース電極13が形成され
ておいる。このため、p型半導体領域11は、ソース電
極13を介してソース領域9と電気的に短絡している。
また、図2(a)に示すようにp型半導体領域11はボ
ディ領域8と導通していることから、ソース電極13は
ボディ領域8と導通していることとなる。
【0029】一方、半導体層3の厚膜化領域3a以外の
膜厚が小さい領域において、ドレイン領域10に埋め込
まれてドレイン電極14が形成されている。ドレイン電
極14とp型半導体領域11は、pn接合で分離されて
いる。さらに、多結晶シリコンゲート6の電極取り出し
領域において、多結晶シリコンゲート6に埋め込まれて
ゲート電極12が形成されている。
【0030】次に、上記の本実施形態に係るnチャネル
MOSトランジスタの動作について説明する。
【0031】まず図2(a)〜図2(c)に示す断面構
造において、ソース領域9と多結晶シリコンゲート6が
ともにOVでドレイン領域10がVddの場合、すなわ
ちオフ状態を考えてみる。この場合には、少なくともボ
ディ領域8の底部近傍は中性状態を維持しており、この
中性領域はp型半導体領域11を介してソース電極13
と導通している。従ってドレイン側の高電界の空乏層で
発生した正孔はソース電極13から流出し、ボディ領域
8に蓄積しない。つまり、オフリーク電流の増大は抑制
されることとなる。
【0032】次に多結晶シリコンゲート6に閾値電圧に
対応する正バイアスを印加した場合、すなわちボディ領
域8の表面側にn型の反転層が誘起された場合を考えて
みる。このとき、図3に示すように、当該反転層の直下
には空乏層DLが誘起されるが、その空乏層DLの幅よ
りもボディ領域8の膜厚を小さく設定しておくと、空乏
層DLは埋め込み絶縁膜2にまで到達し、その結果、ボ
ディ領域8の全体が空乏層DLで覆われることになる。
但し厚膜化領域3aにおいては、p型半導体領域11が
形成されていることから、この領域では空乏層DLは埋
め込み絶縁膜2に到達せず、p型半導体領域11で止ま
る。
【0033】ここで反転層直下に誘起される空乏層DL
の幅がボディ領域8の膜厚を決定する際に重要となる。
この幅は、理論的に求められており、下記式(1)で与
えられる。
【0034】
【数1】
【0035】ここで、εはシリコンの誘電率、kはボル
ツマン定数、Tは絶対温度、qは単位電荷量、Nはボデ
ィ領域の不純物濃度を示す。一例として室温でボディ領
域の不鈍物濃度を5×1017cm-3に選定した場合、空
乏層幅は50nmと算出される。従って、この不純物濃
度の場合には、ボディ領域8の膜厚として50nm以下
を設定すれば、多結晶シリコンゲート6に閾値電圧を与
えたとき、ボディ領域8は完全に空乏化することにな
る。
【0036】さて、ボディ領域8が完全に空乏化したと
き、ドレインの高電界の空乏層で発生した正孔がどのよ
うな挙動を取るかについて説明する。空乏化とはキャリ
ア(ここでは正孔)が空乏化していることを意味してお
り、中性領域と違って極めて抵抗が高いことを示してい
る。従ってドレイン側で発生した正孔がp型半導体領域
11に到達するには極めて高い抵抗を経由して流れる必
要があり、事実上、これは不可能と言える。
【0037】このことは、完全に空乏化したボディ領域
に外部より強制的に電位を与えてもデバイス特性が変化
しない、換言すれば空乏化していると所望の電位を与え
ることができない、という実験事実からも裏付けられ
る。この実験事実に関しては公知文献(Dennis Sinitsk
y et.al,"A Dynamic Depletion SOI MOSFET Model forS
PICE," Symposium on VLSI technology digest,pp 114-
115, 1998)で開示されている。
【0038】p型半導体領域11に到達できる正孔は、
ドレイン領域10とp型半導体領域11からなるpn接
合の近傍で発生した正孔HAだけに限られ(図3参
照)、この数は全数に占める割合が極めて小さく、それ
以外の領域において発生した大多数の正孔HBがソース
電極13に流出することができず、その結果、ボディ領
域8に蓄積されることになる。
【0039】このため、ボディ領域8の電位が上昇し、
ドレイン電流の増大に至る。従って、図14の実線で示
したグラフG3のようなサブスレッショルド特性が得ら
れることとなる。ゲート電圧が低いバイアス条件ではボ
ディ電位がソース電位に固定された状態となるため、サ
ブスレッショルド特性はグラフG2で示す特性に一致す
るが、ゲート電圧がVthになるとボディ領域が空乏化
するためフローティング状態となり、ドレイン電流が増
大するグラフG1に一致するようになる。
【0040】このように、本実施形態に係るnチャネル
MOSトランジスタでは、オフ時にボディ領域8の底部
近傍が中性を維持しているため、ドレイン側の高電界の
空乏層で発生した正孔はボディ領域8に蓄積されること
なくソース電極13を介して外部に流出するため、オフ
リーク電流の増大は抑制される。一方、オン時にはボデ
ィ領域8が完全に空乏化するため、ソース電極13に至
る経路は極めて高抵抗となり、ソース電極13を介して
流出する正孔数は激減する。このため、実質的にはボデ
ィ領域8はフローティング状態となり、ドレイン電流が
増大する。つまり、オフ時のリーク電流低減とオン時の
ドレイン電流増大を両立できるメカニズムを内蔵したデ
バイス構造となる。
【0041】ここで、公知文献(”Elimination of Bip
olar-Induced Breakdown in Fully-Depleted SOI MOSFE
Ts"IEDN92-337,pp13.1.1-13.14)において、ボディ領域
とドレイン領域から成るpn接合が逆方向にバイアスさ
れた場合における高電界の空乏層内で発生した正孔をソ
ースへ逃がすMOSトランジスタ構造が開示されてい
る。図4に上記の公知文献に記載されたSOI型MOS
トランジスタの構造断面図を示す。
【0042】図4に示すMOSトランジスタでは、シリ
コン等からなる支持基板上に、埋め込み絶縁膜102を
介して形成された単結晶シリコン膜からなる半導体層
(SOI層)103が形成されており、この半導体層1
03にn型のソ一ス領域104とドレイン領域105が
形成されており、ソース領域104と埋め込み絶縁膜1
02との間には、p型半導体領域112が形成されてい
る。ソース領域104およびp型半導体領域112と、
ドレイン領域105との間に挟まれてp型のボディ領域
106が形成されている。
【0043】ボディ領域106の真上にはゲート絶縁膜
を介してn型の多結晶シリコンゲート108が形成され
ている。また、ソース領域104を貫通してp型半導体
領域112に達するようにソース電極109が設けられ
ており、さらに、ドレイン領域105に接続するドレイ
ン電極110が設けられている。
【0044】上記の公知文献に記載のMOSトランジス
タでは、p型半導体領域112は、ソース電極109を
介してソース領域104と電気的に短絡しており、p型
半導体領域112はボディ領域106と導通しているこ
とから、ソース電極109はボディ領域106と導通し
ていることとなる。
【0045】従って、上記のMOSトランジスタにおい
ても、p型のボディ領域106とn型のドレイン領域1
05から成るpn接合が逆方向にバイアスされた状態の
ときに、高電界の空乏層内で正孔がボディ領域106へ
移動すると、p型半導体領域112を介してソース電極
109へと抜けることとなる。
【0046】しかしながら、上記公知文献では、完全空
乏型のMOSトランジスタを意図したものでなく、部分
空乏型のMOSトランジスタを意図したものであり、本
実施形態のように、オフ時にのみボディ領域がソース領
域とソース電極と短絡され、オン時にはボディ領域全体
が空乏化することによりボディ領域がソース電極と電気
的に切り離されフローティング状態とするような発想は
ない。
【0047】一方で、このMOSトランジスタの構造を
完全空乏型に適用した場合には、本実施形態と同様に、
オフ時にはボディ領域106の底部近傍が中性を維持し
ているため、ドレイン側の高電界の空乏層で発生した正
孔はボディ領域106に蓄積されることなくp型半導体
領域112を介してソース電極109へと抜けて外部に
流出することによりオフリーク電流の増大は抑制される
一方、オン時にはボディ領域106が完全に空乏化する
ため、ソース電極109に至る経路は極めて高抵抗とな
り、ソース電極109を介して流出する正孔数は激減
し、実質的にボディ領域106がフローティング状態と
なり、ドレイン電流が増大するようにも見える。
【0048】しかしながら、完全空乏型のMOSトラン
ジスタとする場合には、半導体層103の膜厚を30n
m程度とする必要がある。この場合において、上記の公
知文献に記載のMOSトランジスタの構造を適用しよう
とすると、半導体層103の膜厚を単純に半分に分割し
た場合に、n型のソース領域104の膜厚が15nm程
度、p型半導体領域112の膜厚が15nm程度とな
る。
【0049】このとき、ソース領域104の膜厚が小さ
くなることにより、ソース領域104の抵抗が大きくな
ることから、MOSトランジスタの抵抗が大きくなる。
この抵抗の上昇は、正孔をボディ領域に蓄積させること
による効果とは比較にならないほど素子の駆動力を実効
的に大きく減少させることから、図14のグラフG3で
示すような特性は得られず、却ってオン時に得られるド
レイン電流が激減してしまうという不利益がある。
【0050】これに対して、本実施形態では、p型半導
体領域11を形成する領域における半導体層3は厚膜化
されていることから、p型半導体領域11を形成する領
域とそれ以外の領域におけるボディ領域8、ソース領域
9、ドレイン領域10の膜厚はほぼ同等であり、上記の
ような問題はない。
【0051】以上説明したように、本実施形態に係るS
OI型MOSトランジスタでは、以下の効果を有する。
オフ時においてボディ領域8の電位が基準となるソース
領域9の電位で固定されることによるオフリーク電流の
低減と、オン時においてボディ領域8がフローティング
状態となることによるドレイン電流の増大を有するMO
Sトランジスタであるため、低消費電力性能と高速性能
とを同時に実現することができる。また、ボディ領域が
常時フローティング状態となっている従来のSOI型M
OSトランジスタではソース領域をエミッタ、ボディ領
域をベース、ドレイン領域をコレクタとする寄生のバイ
ポーラトランジスタが原因でドレイン耐圧が大幅に低下
するが、本発明のMOSトランジスタではオフ時にボデ
ィ領域8の電位が自動的にソース領域9の電位に固定さ
れるため、バルクMOSトランジスタと同等の高いドレ
イン耐圧を達成できる。さらに、ボディ領域8が常時フ
ローティング状態となっている従来のSOI型MOSト
ランジスタでは、オフ時でもボディ領域8の電位が時間
的に変化するため、回路設計に多大の労力を必要とする
が、本発明によるSOI型MOSトランジスタではオフ
時にボディ領域8の電位が基準のソース領域9の電位に
固定されるため、回路設計が容易になる。
【0052】以上、本発明の実施形態として、SOI型
のnチャネルMOSトラシジスタの構造と電気的特性上
の長所を説明したが、ここで示したデバイス構造は汎用
のMOS製造プロセスを用いて実現されるものであり、
決して特異なプロセスを要しない。以下に、本実施形態
に係るSOI型のnチャネルMOSトランジスタの製造
方法の一例について、図面を参照して説明する。
【0053】まず、図5(a)に示すように、例えば、
比抵抗20〜30Ωcm、面方位(100)のp型単結
晶シリコン基板からなる支持基板1と、同じく比抵抗2
0〜30Ωcm、面方位(100)、厚さ100nm前
後のp型単結晶シリコン膜からなる半導体層3との間
に、厚さ100nm前後の埋め込み絶縁膜2が挟まれた
構造のSOI基板を用意する。なお、このSOI基板の
作製方法には、限定はなく、例えば、公知のSIMOX
(Separation by IMplanted OXygen) 法や、ウェーハ貼
り合わせ法等により製造したものを用いることができ
る。
【0054】上記のSOI基板を出発基板として、酸化
性雰囲気の電気炉で熱酸化により5nm前後の薄い酸化
シリコン膜21を形成する。その後、減圧の化学的気相
成長法を用いて厚さ100nm程度の窒化シリコン膜2
2を堆積する。続いて、窒化シリコン膜22上に、リソ
グラフィー技術により厚膜化させる領域にレジスト23
を形成し、当該レジスト23をマスクとして窒化シリコ
ン膜22と酸化シリコン膜21を異方性エッチング法で
除去する。この段階での断面構造を図5(b)に示す。
【0055】次に、レジスト23を硫酸と過酸化水素水
から成る混合液で除去した後、露出した半導体層3の表
面のみを再び酸化性雰囲気の電気炉で熱酸化し、厚さ1
20nmのLOCOS(Local Oxidation of Silicon)
膜30を形成する。このときLOCOS膜30の直下に
残存する単結晶シリコンからなる半導体層3の厚さは約
46nmとなる。この段階での断面構造を図6(c)に
示す。
【0056】次に、LOCOS膜30を緩衝HF液で除
去し、続いて窒化シリコン膜22も熱リン酸液で除去す
る。その後、窒化シリコン膜22の直下に形成されてい
た酸化シリコン膜21も希HF液で除去し、凹凸が形成
された単結晶シリコンからなる半導体層3の表面を完全
に露出させる。続いて、所望のパターンを有するレジス
トをマスクとして異方性エッチングにより半導体層3を
パターニングし、埋め込み絶縁膜2上に島状で、厚膜化
領域3aを有する半導体層3を形成する。この段階での
断面構造を図6(d)に示す。
【0057】その後、半導体層3の上面と側面を酸化性
雰囲気の電気炉で熱酸化し、例えば、厚さ5nm前後の
酸化シリコン膜24を形成する。次にnチャネルMOS
トランジスタの閾値電圧を所望の値に設定するため、半
導体層3にボロンをイオン注入し、例えばその不純物濃
度を5×10-17 cm-3とする。この段階での断面構造
を図7(e)に示す。
【0058】次に厚膜化領域3aに開口を有するレジス
ト25を形成し、当該レジスト25をマスクとして約1
00nmの膜厚を有する厚膜化領域3aの半導体層3
に、p型不純物としてボロンをイオン注入し、その内部
に埋め込み絶縁膜2に達し1×1018cm-3を超える高
不純物濃度のp型半導体領域11を形成する。このとき
p型半導体領域11の膜厚は、その直上に位置する、よ
り低濃度のp型領域の膜厚が厚膜化領域3a以外の半導
体層3の膜厚にほぼ一致するよう調整する。この段階で
の断面構造を図7(f)に示す。
【0059】次に、レジスト25を除去し、半導体層3
の上面と側面を覆っている酸化シリコン膜24を希HF
液で除去後、減圧の化学的気相成長法で酸化シリコン膜
を堆積する。続いて異方性エッチング法で酸化シリコン
膜を除去し、自己整合的に半導体層3の側面のみに酸化
シリコン膜を残して、側壁絶縁膜4を形成する。続い
て、酸化性雰囲気の電気炉で半導体層3の上面を熱酸化
し、膜厚5nm前後のゲート絶縁膜5を形成する。この
段階での断面構造を図8(g)に示す。
【0060】次に、化学的気相成長法で膜厚150nm
前後の多結晶シリコン膜を堆積し、所望のゲートパター
ンを有するレジストをマスクとして多結晶シリコン膜を
異方性エッチングで除去し、多結晶シリコンゲート6を
形成する。このとき多結晶シリコンゲート6の直下に位
置するp型の半導体層3がボディ領域8となる。この段
階での断面構造を図8(h)に示す。
【0061】次に、多結晶シリコンゲート6及びこれに
覆われていない半導体層3に、n型不純物として砒素ま
たはリンをイオン注入し、n型の多結晶シリコンゲート
6とするとともに、n型のソース領域9およびn型のド
レイン領域10を形成する。この段階での平面構造を図
9(i)に示す。なお、図中のA−A’線での断面構造
が図8(h)に対応する。
【0062】次に、nチャネルMOSトランジスタの表
面を保護するため、厚さ300nm前後の酸化シリコン
膜を常圧の化学的気相成長法を用いて堆積し層間絶縁膜
15を形成する。続いてソース領域9、ドレイン領域1
0、多結晶シリコンゲート6に外部より所望の電位を与
えるため、層間絶縁膜15を貫通してソース領域9、ド
レイン領域10、多結晶シリコンゲート6に至るコンタ
クトホールをレジストをマスクとした異方性エッチング
で開口する。その後、スパッタリング法でTiとTiN
を堆積した後、化学的気相法でWを堆積し、続くエッチ
バック法で表面から順にW、TiN、Tiを除去する。
これによって、多結晶シリコンゲート6、ソース領域
9、ドレイン領域10に形成されたそれぞれのコンタク
トホール内に、それぞれ、ゲート電極12、ソース電極
13、ドレイン電極14を形成する。この段階での平面
図を図10(j)に示し、図10(j)のA−A’線に
おける断面構造を図11(k)に示し、図10(j)の
B−B’線における断面構造を図11(l)に示し、図
10(j)のC−C’線における断面構造を図11
(m)に示す。このようにして、ソース領域9とp型半
導体領域11の両方に接続されたソース電極13が形成
される。
【0063】次に電極配線としてゲート電極12、ソー
ス電極12、ドレイン電極13に接続するゲート配線1
6、ソース配線17、ドレイン配線18を形成し、最後
に400℃前後の水素と窒素の混合ガス中でアニールを
行い、全製造工程が終了する。この段階での平面構造を
図12(n)に示す。
【0064】上記の本実施形態に係るMOSトランジス
タの製造方法では、半導体層3の厚膜化領域3aを形成
する領域上に、酸化シリコン膜21および窒化シリコン
膜22からなる酸化マスクを形成し、当該酸化マスクを
マスクとして酸化してLOCOS膜30を形成し、その
後、LOCOS膜30を除去することにより、LOCO
S膜30の形成領域を薄膜化して、厚膜化領域3aを形
成している。ここで、LOCOS法によって形成される
LOCOS酸化膜30の膜厚は、酸化処理の温度と時間
で非常に再現性良く制御することができる。従って、L
OCOS法を応用することにより、例えばRIE等を用
いて半導体層に膜厚差を設けるのに比べて、半導体層の
厚膜化領域3aとその他の領域の膜厚差を再現性良く所
望の値に制御することが可能となる。
【0065】本発明は、上記の実施形態の説明に限定さ
れない。例えば、本実施形態では、半導体層3が単結晶
シリコンからなるSOI型MOSトランジスタに適用し
た例について説明したが、これに限られるものでなく、
半導体層3がポリシリコンやアモルファスシリコンから
なるTFTに適用することもできる。この場合には、半
導体層3をポリシリコンやアモルファスシリコンとし、
単結晶シリコンからなる支持基板1にはトランジスタ等
の素子が形成され、埋め込み絶縁膜2と支持基板1との
間には配線構造等が形成されていてもよい。その他、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であ
る。
【0066】
【発明の効果】本発明によれば、オン時におけるドレイ
ン電流の増大を確保しつつ、オフリーク電流の増大を抑
制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係る半導体装置の平面図である。
【図2】図2(a)は図1のA−A’線における断面
図、図2(b)は図1のB−B’線における断面図、図
2(c)は図1のC−C’線における断面図である。
【図3】本実施形態に係る半導体装置の動作を説明する
ための断面図である。
【図4】比較例としての半導体装置の断面図である。
【図5】本実施形態に係る半導体装置の製造工程におけ
る断面図である。
【図6】本実施形態に係る半導体装置の製造工程におけ
る断面図である。
【図7】本実施形態に係る半導体装置の製造工程におけ
る断面図である。
【図8】本実施形態に係る半導体装置の製造工程におけ
る断面図である。
【図9】本実施形態に係る半導体装置の製造工程におけ
る平面図である。
【図10】本実施形態に係る半導体装置の製造工程にお
ける平面図である。
【図11】図11(k)は図10のA−A’線における
断面図であり、図11(l)は図10のB−B’線にお
ける断面図であり、図11(m)は図10のC−C’線
における断面図である。
【図12】本実施形態に係る半導体装置の製造工程にお
ける平面図である。
【図13】従来例に係るnチャネルMOSトランジスタ
の構造を示す断面図である。
【図14】従来例および本発明のnチャネルMOSトラ
ンジスタが示すドレイン電流とゲート電圧の関係を示す
図である。
【符号の説明】
1…支持基板、2…埋め込み絶縁膜、3…半導体層、3
a…厚膜化領域、4…側壁絶縁膜、5…ゲート絶縁膜、
6…多結晶シリコンゲート、8…ボディ領域、9…ソー
ス領域、10…ドレイン領域、11…p型半導体領域、
12…ゲート電極、13…ソース電極、14…ドレイン
電極、15…層間絶縁膜、16…ゲート配線、17…ソ
ース配線、18…ドレイン配線、21…酸化シリコン
膜、22…窒化シリコン膜、23…レジスト、24…酸
化シリコン膜、25…レジスト、30…LOCOS膜、
101…支持基板、102…埋め込み絶縁膜、103…
半導体層、104…ソース領域、105…ドレイン領
域、106…ボディ領域、107…ゲート絶縁膜、10
8…多結晶シリコンゲート、109…ソース電極、11
0…ドレイン電極、111…ゲート電極、112…p型
半導体領域。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F110 AA05 AA15 CC02 DD05 DD13 EE09 FF02 FF23 GG02 GG12 GG13 GG15 GG22 GG25 GG32 GG34 GG52 GG58 GG60 HJ01 HJ13 HL01 HL04 HL12 HL22 NN04 NN23 NN35 NN62 QQ16

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁膜上に形成された半導体層と、前記半
    導体層に絶縁した状態で前記半導体層上に形成されたゲ
    ート電極と、前記ゲート電極下における前記半導体層に
    形成された第1導電型のボディ領域と、前記ボディ領域
    を挟んで前記半導体層に形成された第2導電型のソース
    領域およびドレイン領域とを有する半導体装置であっ
    て、 前記半導体層の一部の領域において、前記ソース領域と
    前記絶縁膜との間に形成され、前記ボディ領域に接続す
    る第1導電型半導体領域と、 前記ソース領域を貫いて前記第1導電型半導体領域にま
    で到達するように形成され、前記ソース領域および前記
    第1導電型半導体領域に接続するソース電極とを有し、 前記第1導電型半導体領域が形成された領域における前
    記半導体層の膜厚が、他の領域に比して厚膜化されてい
    る半導体装置。
  2. 【請求項2】前記ソース領域および前記ドレイン領域
    は、前記他の領域において前記絶縁膜に接するように前
    記半導体層に形成されている請求項1記載の半導体装
    置。
  3. 【請求項3】前記第1導電型半導体領域は、前記半導体
    層の一部の領域において、前記ソース領域、前記ボディ
    領域および前記ドレイン領域と前記絶縁膜との間に形成
    されている請求項1記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】前記半導体層の他の領域において形成さ
    れ、前記ドレイン領域に接続するドレイン電極をさらに
    有する請求項1記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】絶縁膜上に第1導電型の半導体層を形成
    し、前記半導体層に絶縁した状態で前記半導体層上にゲ
    ート電極を形成し前記ゲート電極下における前記半導体
    層の領域をボディ領域とし、前記ボディ領域を挟むよう
    に前記半導体層に第2導電型のソース領域およびドレイ
    ン領域を形成する半導体装置の製造方法であって、 前記ゲート電極を形成する工程の前に、 少なくとも前記ソース領域の一部の領域における前記半
    導体層を保護した状態で、他の領域の前記半導体層を選
    択的に酸化する工程と、 酸化により生じた酸化膜を除去することにより、前記一
    部の領域が前記他の領域に比して厚膜化された前記半導
    体層を形成する工程と、 前記半導体層の厚膜化された領域において、前記絶縁膜
    に接する第1導電型半導体領域を形成する工程とを有
    し、 前記ソース領域および前記ドレイン領域を形成する工程
    の後に、前記ソース領域を貫いて前記第1導電型半導体
    領域にまで到達するようにソース電極を形成する工程を
    有する半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】前記ソース領域および前記ドレイン領域を
    形成する工程において、前記他の領域において前記絶縁
    膜に接するように前記半導体層に形成する請求項5記載
    の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】前記ソース領域および前記ドレイン領域を
    形成する工程の後に、前記半導体層の他の領域におい
    て、前記ドレイン領域に接続するドレイン電極を形成す
    る工程をさらに有する請求項5記載の半導体装置の製造
    方法。
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