JP2004006985A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plan by which the number of manufacturing processes of an MTCMOS structure constituted of a completely depleted transistor having a back gate electrode can be reduced sufficiently. <P>SOLUTION: In a method of manufacturing a MISFET (metal insulator semiconductor field-effect transistor) constituted of a completely depleted transistor formed in a semiconductor layer provided on a support substrate through an insulating film, particularly, a method of manufacturing a completely depleted MISFET provided with a back gate in a support substrate, the number of masks used is reduced by forming channels and the back gate by using a common mask and the number of processes is reduced by performing ion implantation of p and n dopants in an overlapping way. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

 本発明は、支持基板上に絶縁膜を介して設けられた半導体層に形成される完全空乏化MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)の製造方法に関し、特に支持基板にバックゲートを設けた完全空乏化MISFETの製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a fully depleted MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) formed in a semiconductor layer provided on a supporting substrate via an insulating film, and more particularly to a fully depleted MISFET having a back gate provided on the supporting substrate. MISFET manufacturing method.

 SOI(Silicon on Insulator)すなわち絶縁膜上に形成された半導体層(以下、SOIシリコン層という)を用いて形成した電界効果トランジスタ(FET)は、携帯情報端末用LSIといった低消費電力デバイス、高速CPUといった高速動作回路への応用が期待されている。特にチャネル領域のSOIシリコン層が全て空乏化するトランジスタ(以下、完全空乏化トランジスタという)は、部分空乏化トランジスタにおける基板浮遊効果に関する問題が低減されるという利点が得られる。 Field-effect transistors (FETs) formed using SOI (Silicon on Insulator), a semiconductor layer formed on an insulating film (hereinafter referred to as SOI silicon layer), are low power consumption devices such as LSIs for portable information terminals, and high-speed CPUs. It is expected to be applied to high-speed operation circuits. In particular, a transistor in which the SOI silicon layer in the channel region is completely depleted (hereinafter referred to as a fully depleted transistor) has an advantage that a problem relating to a substrate floating effect in a partially depleted transistor is reduced.

 また、従来、回路技術として、低しきい値の論理回路ブロックの電源線に高しきい値のトランジスタをスイッチとして挿入することで、低しきい値回路による高速動作と高しきい値トランジスタのスイッチによる消費電力低減を実現し、しきい値の低下によるオフ時のサブシュレッショルドリーク電流が増加とこれによる消費電力の増加を抑える技術が提案されている。以下、しきい値とは、ゲート電圧のしきい値をいう。このMTCMOS(Multi-Threshold-Voltage CMOS:マルチしきい値電圧CMOS)技術は、SOIデバイスと組み合わせることにより、低電圧で高速な回路動作が実現できると期待されている。 Conventionally, as a circuit technology, a high-threshold transistor is inserted into a power supply line of a low-threshold logic circuit block as a switch, so that high-speed operation by the low-threshold circuit and switching of the high-threshold transistor are achieved. There has been proposed a technology that realizes a reduction in power consumption by reducing the threshold voltage, increases a sub-threshold leakage current at the time of OFF due to a decrease in threshold, and suppresses an increase in power consumption due to the increase. Hereinafter, the threshold refers to the threshold of the gate voltage. This MTCMOS (Multi-Threshold-Voltage CMOS) technology is expected to realize low-voltage and high-speed circuit operation when combined with SOI devices.

 しかし、バックゲートを有する完全空乏化トランジスタによるMTCMOS構造を形成すると、製造工程が増加するという問題があった。 However, when the MTCMOS structure is formed by using a fully-depleted transistor having a back gate, there is a problem that the number of manufacturing steps increases.

 工程数を削減する製造方法としては、例えば特許文献1において開示されているように、3つのチャネルインプラ用フォトレジストパターンで、イオン注入を重ね打ちすることで、4つの異なるしきい値のn型MOSFETを形成する例が知られている。 As a manufacturing method for reducing the number of processes, for example, as disclosed in Patent Document 1, by performing ion implantation repeatedly with three photoresist patterns for channel implantation, four different threshold n-type Examples of forming a MOSFET are known.

 しかし、この従来例は片側のMOSFETのみを考慮した製造方法であり、CMOSプロセスにおいて十分な工程数削減になっていなかった。 However, this conventional example is a manufacturing method considering only one MOSFET, and the number of steps in the CMOS process has not been sufficiently reduced.

 以上説明したように、バックゲート電極を有する完全空乏化トランジスタで構成されるMTCMOS構造の製造工程の増加に対し、十分な工程数削減策がなされていなかった。
特開平9-27553号公報
As described above, no sufficient measure for reducing the number of processes has been taken with respect to the increase in the number of manufacturing processes of the MTCMOS structure including the fully-depleted transistors having the back gate electrode.
JP 9-27553 A

 本発明の目的は、少ない製造工程数でMTCMOS構造を作成する製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a manufacturing method for forming an MTCMOS structure with a small number of manufacturing steps.

 本発明は、第1導電型の半導体基板上の埋め込み絶縁膜上に互いに絶縁分離された第1半導体層、第2半導体層、第3半導体層及び第4半導体層を形成する工程と、第1マスクを用いて、第2導電型不純物を2回イオン注入することによって、前記半導体基板中であって、前記第1半導体層下に第1バックゲート電極を、前記第2半導体層下に第2バックゲート電極を、前記第3及び第4半導体層下に第1不純物領域を形成し、また、前記第1乃至第4半導体層を第2導電型の第1乃至第4不純物層にする工程と、第2マスクを用い
て、第2導電型不純物をイオン注入することによって、前記第1及び第4不純物層の第2導電型の不純物濃度を前記第2及び第3不純物層の第2導電型の不純物濃度よりも高くする工程と、前記第3マスクを用いて、第1導電型不純物を2回イオン注入することによって、前記第1不純物領域中であって、前記第3半導体層下に第3バックゲート電極を、前記第4半導体層下に第4バックゲート電極を形成し、また、前記第3及び第4不純物層を第1導電型にし、この第3不純物層の不純物濃度をこの第4不純物層の不純物濃度よりも高くする工程と、前記第1乃至第4不純物層各々に半導体装置を形成する工程を備える半導体装置の製造方法である。
The present invention provides a step of forming a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, a third semiconductor layer, and a fourth semiconductor layer which are insulated and separated from each other on a buried insulating film on a semiconductor substrate of a first conductivity type; By implanting a second conductivity type impurity twice using a mask, a first back gate electrode is formed in the semiconductor substrate under the first semiconductor layer, and a second back gate electrode is formed in the semiconductor substrate under the second semiconductor layer. Forming a first impurity region for the back gate electrode under the third and fourth semiconductor layers, and using the first to fourth semiconductor layers as first to fourth impurity layers of a second conductivity type; Ion implantation of impurities of the second conductivity type using the second mask to increase the impurity concentration of the second conductivity type of the first and fourth impurity layers to the second conductivity type of the second and third impurity layers. A step of making the impurity concentration higher than that of By implanting the first conductivity type impurity twice, a third back gate electrode is provided in the first impurity region below the third semiconductor layer and a fourth back gate electrode is provided below the fourth semiconductor layer. Forming a gate electrode, setting the third and fourth impurity layers to a first conductivity type, and making the impurity concentration of the third impurity layer higher than that of the fourth impurity layer; A semiconductor device manufacturing method including a step of forming a semiconductor device in each of the fourth to fourth impurity layers.

 本願第2の発明は、前記半導体装置がチャネル領域,ゲート絶縁膜及びゲート電極を有することを特徴とする本願第1の発明に記載の半導体装置の製造方法である。 The second invention of the present application is the method of manufacturing a semiconductor device according to the first invention of the present application, wherein the semiconductor device has a channel region, a gate insulating film, and a gate electrode.

 本願第3の発明は、前記第1乃至第4半導体層の膜厚が同じであることを特徴とする本願第1の発明に記載の半導体装置の製造方法である。 The third invention of the present application is the method for manufacturing a semiconductor device according to the first invention of the present application, wherein the first to fourth semiconductor layers have the same thickness.

 本発明によれば、少ない工程数でバックゲートを有する完全空乏化トランジスタからなるMTCMOS構造を作成することができる。 According to the present invention, an MTCMOS structure including a fully-depleted transistor having a back gate can be manufactured with a small number of steps.

 本発明によれば、バックゲート電極を有する完全空乏化トランジスタにおいて少ない製造工程数でMTCMOS構造を作成する製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing an MTCMOS structure with a small number of manufacturing steps in a fully depleted transistor having a back gate electrode.

 以下、図面を参照しつつ実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

 (第1の実施形態)
 本実施形態のデバイスパラメータ設定方法は、MTCOS構造において、しきい値ばらつきを最小にする有効な手法である。
図1は、第1の実施形態に係る半導体装置の断面概略図である。1は支持基板、2は埋め込み絶縁膜、3は層間絶縁膜、4は素子分離領域、5、5’はゲート側壁絶縁膜、6、6’はゲート絶縁膜、7、7’はソース・ドレイン領域、8、8’はゲート電極、9、10はバックゲート電極へのコンタクト電極、11、12は同じ導電型のチャネル領域、そして13、14はバックゲート電極を示す。尚、ゲート、ソース、ドレインへのコンタクトは省略している。本実施形態に係る半導体装置の特徴は、SOIシリコン層(チャネル領域)の膜厚及び導電型は同じであり、しきい値の異なる2つの完全空乏化トランジスタの場合、チャネル濃度が小さくそしてバックゲート電圧が大きい方が低しきい値のトランジスタとなり、逆にチャネル濃度が大きくそしてバックゲート電圧が小さい方が高しきい値のトランジスタとなる。
(1st Embodiment)
The device parameter setting method of the present embodiment is an effective method for minimizing threshold variation in the MTCOS structure.
FIG. 1 is a schematic sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. 1 is a support substrate, 2 is a buried insulating film, 3 is an interlayer insulating film, 4 is an element isolation region, 5 and 5 'are gate side wall insulating films, 6 and 6' are gate insulating films, and 7 and 7 'are source / drain. Regions 8, 8 'are gate electrodes, 9, 10 are contact electrodes to the back gate electrode, 11 and 12 are channel regions of the same conductivity type, and 13 and 14 are back gate electrodes. The contacts to the gate, source, and drain are omitted. The features of the semiconductor device according to the present embodiment are that the thickness and the conductivity type of the SOI silicon layer (channel region) are the same, and in the case of two fully-depleted transistors having different thresholds, the channel concentration is low and the back gate is low. A transistor with a higher voltage has a lower threshold voltage, and a transistor with a higher channel concentration and a lower back gate voltage has a higher threshold voltage.

 次に、本実施形態に係るデバイスパラメータ設定方法について説明する。 Next, a device parameter setting method according to the present embodiment will be described.

 図2は、後述するデバイスパラメータ設定方法により得られた完全空乏化トランジスタにおける設定したゲート電圧のしきい値(以下,単にしきい値という)に対ししきい値ばらつきが最小となるチャネル領域の不純物濃度(以下、チャネル濃度という)とバックゲート電圧の関係を表したグラフである。ここでは、SOIシリコン層であるチャネル領域11,12として膜厚20 nmの単結晶シリコン層、埋め込み絶縁膜2として膜厚30 nmのシリコン酸化膜、ゲート絶縁膜6として膜厚3 nmからなるシリコン酸化膜、そしてゲート電極として1×1020cm-3のn型ポリシリコン(多結晶シリコン)、そして支持基板1はバックゲート電極13、14を電気的に分離するためn型シリコンからなり、バックゲート電極13、14はp型シリコンで構成されるn型MOSFETをモデルとした。 FIG. 2 shows an impurity in a channel region in which the variation in the threshold value becomes minimum with respect to a set gate voltage threshold value (hereinafter simply referred to as a threshold value) in a fully depleted transistor obtained by a device parameter setting method described later. 4 is a graph showing a relationship between a concentration (hereinafter, referred to as a channel concentration) and a back gate voltage. Here, a single-crystal silicon layer having a thickness of 20 nm as the channel regions 11 and 12 which are SOI silicon layers, a silicon oxide film having a thickness of 30 nm as the buried insulating film 2, and a silicon film having a thickness of 3 nm as the gate insulating film 6. An oxide film, 1 × 10 20 cm −3 n-type polysilicon (polycrystalline silicon) as a gate electrode, and the support substrate 1 is made of n-type silicon to electrically separate the back gate electrodes 13 and 14. The gate electrodes 13 and 14 were modeled on n-type MOSFETs made of p-type silicon.

 図2のグラフより明らかなように、設定したしきい値に対ししきい値ばらつきが最小となるチャネル濃度とバックゲート電圧の組み合わせは一組に決まる。これより、本発明の目的である、MTCMOS構造を形成する時は、各設定するしきい値に応じたチャネル濃度とバックゲート電圧を設定する必要がある。 (2) As is clear from the graph of FIG. 2, the combination of the channel concentration and the back gate voltage that minimizes the variation in the threshold value with respect to the set threshold value is determined as one set. Thus, when forming the MTCMOS structure, which is the object of the present invention, it is necessary to set the channel concentration and the back gate voltage according to each set threshold value.

 例えば、設定するしきい値として、図1におけるFET1のしきい値を0.1V、FET2のしきい値を0.4Vとした時、本計算では、それぞれのチャネル濃度,バックゲート電圧はFET1では1.2×1017cm-3,−0.8V、FET2では2.4×1017cm-3,−3Vとなる。 For example, when the threshold value of the FET1 in FIG. 1 is set to 0.1 V and the threshold value of the FET2 is set to 0.4 V in this calculation, in this calculation, the channel concentration and the back gate voltage of the FET1 are 1.2 × 10 17 cm −3 , −0.8V, and 2.4 × 10 17 cm −3 , −3V for FET2.

 つまり、図2で示すように、設定するしきい値に対し、しきい値ばらつきが最小となる、同じ導電型のチャネル領域11、12の不純物濃度NAとバックゲート電圧VG2が決まる。この時、SOIシリコン層の膜厚は同じで、しきい値の異なる、例えば2つの完全空乏化トランジスタのデバイスパラメータを設定するとき、チャネル濃度が小さくそしてバックゲート電圧が大きい方が低しきい値のトランジスタとなり、逆にチャネル濃度が大きくそしてバックゲート電圧が小さい方が高しきい値のトランジスタとなる。 That is, as shown in Figure 2, to the threshold to be set, the threshold variation is minimized, the impurity concentration N A and the back gate voltage V G2 of the same conductivity type as the channel regions 11 and 12 is determined. At this time, the thickness of the SOI silicon layer is the same, and the thresholds are different. For example, when setting device parameters of two fully depleted transistors, the lower the channel concentration and the higher the back gate voltage, the lower the threshold. In contrast, a transistor having a higher channel concentration and a lower back gate voltage is a transistor having a higher threshold value.

 以下、デバイスパラメータ設定方法について説明する。なお、図2のグラフに示した関係の算出にあたっては、完全空乏化トランジスタのしきい値を表す式として文献("Electrical characterization of Silicon-on-Insulator Materialsand Devices"、 Sorin Cristloveanu and Sheng S. Li著、Kluwer Academic Publishers、(1995))に記載されているのと同様の式を用いた。さらに、しきい値の算出には量子効果を考慮するため文献(M. J. van Dort他、IEDM91 p495, (1991))、(J. W. Slotboom他、IEEE trans. Electron
Devices, vol.ED024, No.8, pp.1123-1125, (1977))、(「デバイス物理のための量子力学」David K. Ferry著、長岡洋介他訳、丸善、(1996))に記載されているものを参考にした。
Hereinafter, a device parameter setting method will be described. In calculating the relationship shown in the graph of FIG. 2, a formula ("Electrical characterization of Silicon-on-Insulator Materials and Devices", by Sorin Cristloveanu and Sheng S. Li) expressing the threshold value of a fully depleted transistor is used. , Kluwer Academic Publishers, (1995)). Furthermore, in order to consider the quantum effect in the calculation of the threshold value, reference (MJ van Dort et al., IEDM91 p495, (1991)), (JW Slotboom et al., IEEE trans. Electron
Devices, vol.ED024, No.8, pp.1123-1125, (1977)), ("Quantum Mechanics for Device Physics" by David K. Ferry, translated by Yosuke Nagaoka et al., Maruzen, (1996)) I referred to what is being done.

 図3は完全空乏化トランジスタのSOI層のシリコン膜厚tSiとしきい値Vtとの関係を表すグラフである。ここでは図2の計算で用いたモデルに、チャネル領域の不純物濃度を1×1017cm-3、バックゲート電圧VG2を−1Vとした。 Figure 3 is a graph showing the relationship between the silicon film thickness t Si and the threshold value V t of the SOI layer of the fully depleted transistor. Here, in the model used in the calculation of FIG. 2, the impurity concentration of the channel region is 1 × 10 17 cm −3 , and the back gate voltage V G2 is −1 V.

 完全空乏化トランジスタのしきい値はバックゲート電圧により制御することが可能で、そのしきい値はチャネル領域11、12の埋め込み絶縁膜2に接した面(以下、裏面(back surface)と呼ぶ)における電子状態で決まる。つまり、しきい値はバックゲート電圧により裏面が蓄積状態から反転状態となるまで変化させることが可能で、蓄積状態、反転状態ではしきい値はほぼ一定となる。 The threshold value of the fully depleted transistor can be controlled by the back gate voltage, and the threshold value is determined by the surfaces of the channel regions 11 and 12 that are in contact with the buried insulating film 2 (hereinafter referred to as back surfaces). Is determined by the electronic state at. That is, the threshold value can be changed from the accumulation state to the inversion state by the back gate voltage, and the threshold value is substantially constant in the accumulation state and the inversion state.

 図3では、裏面が蓄積状態でのしきい値をVt,acc、また反転状態でのしきい値をVt,invで表しており、この時の完全空乏化トランジスタのしきい値はこの間の領域(図中、斜線の領域)で設定可能である。 In FIG. 3, the threshold value when the back surface is in the accumulation state is represented by Vt, acc, and the threshold value when the back surface is in the inversion state is represented by Vt, inv. (In the hatched area in the figure).

 図3に示したように埋め込み絶縁膜厚tbox=100 nmの時、しきい値はSOIシリコン膜厚の薄膜化に対しほぼ線形に減少する。しかし、埋め込み絶縁膜厚tbox=30 nmの時、矢印で示したようにしきい値はSOIシリコン膜厚に対し極小値を持つ。この時SOIシリコン膜厚揺らぎに対するしきい値感度が最小となり、SOIシリコン膜厚に対するしきい値ばらつきが最小となる。 As shown in FIG. 3, when the thickness of the buried insulating film is t box = 100 nm, the threshold value decreases almost linearly with decreasing the thickness of the SOI silicon film. However, when the buried insulating film thickness t box = 30 nm, the threshold value has a minimum value with respect to the SOI silicon film thickness as indicated by the arrow. At this time, the threshold sensitivity to the fluctuation of the SOI silicon film thickness is minimized, and the variation in the threshold value to the SOI silicon film thickness is minimized.

 これは、薄い埋め込み絶縁膜により、back surfaceのポテンシャルは容量カップリングによりバックゲートのポテンシャルに束縛されることによる。表面とback surface間のポテンシャル差はいつもほぼ一定なので、しきい値時の表面電界EsはSOI薄膜化と共に増加
する。そのためしきい値が表面電界によく依存することから、しきい値がSOI薄膜化と共に極小点を持ちそして増加する効果が現れる。
This is because the potential of the back surface is restricted to the potential of the back gate by capacitive coupling due to the thin buried insulating film. Since the potential difference between the surface and the back surface is almost constant at all times, the surface electric field Es at the time of the threshold increases as the SOI becomes thinner. Therefore, since the threshold value is highly dependent on the surface electric field, the effect that the threshold value has a minimum point and increases with the SOI thinning appears.

 そして、あらかじめ設定したSOIシリコン膜厚、埋め込み絶縁膜厚で、しきい値ばらつきが最小となるチャネル濃度、バックゲート電圧の条件を抜き出したのが図2のグラフである。本実施形態の説明では、図2に示したようにSOIシリコン膜厚を20 nm、埋め込み絶縁膜厚を30 nmとしたが、この膜構造に限らず、後述する第2の実施形態でしきい値がSOI膜厚に対し極小値を有する範囲であれば、他の膜厚条件を設定することが可能である。 FIG. 2 is a graph in which the conditions of the channel concentration and the back gate voltage at which the threshold variation is minimized are extracted with the SOI silicon film thickness and the buried insulating film thickness set in advance. In the description of the present embodiment, as shown in FIG. 2, the SOI silicon film thickness is set to 20 nm and the buried insulating film thickness is set to 30 nm. Other film thickness conditions can be set as long as the value has a minimum value with respect to the SOI film thickness.

 次に、本実施形態で用いたしきい値の計算式について説明する。 Next, the threshold value calculation formula used in the present embodiment will be described.

 完全空乏化トランジスタのゲート電圧VG1と表面ポテンシャルとの関係は次式で表される。 Relationship between the gate voltage V G1 and the surface potential of the fully depleted transistor can be expressed by the following equation.

Figure 2004006985
 ここで、ΦS1、ΦS2はそれぞれチャネル領域11および12のゲート絶縁膜6に接した表面、埋め込み絶縁膜3に接した表面におけるフェルミポテンシャルである。ΦMS1はゲート絶縁膜6側のゲート電極8との仕事関数差、QOX1はゲート絶縁膜6中の固定電荷密度、COX1はゲート絶縁膜6のキャパシタンス、Qinv1はチャネル領域11、12におけるチャネルの反転層電荷である。そして、Qdeplはチャネル領域4での空乏層電荷を表し、電子の電荷量q、チャネル領域11、12の不純物密度NA、チャネル領域11、12の膜厚tsiを用いて−qNAtsiで表される。また、フェルミポテンシャルΦFはシリコンの真性キャリア密度ni、ボルツマン定数k、温度T、電子の電荷量(単位素電荷)qを用いて、
Figure 2004006985
Here, Φ S1 and Φ S2 are Fermi potentials on the surfaces of the channel regions 11 and 12 in contact with the gate insulating film 6 and on the surface in contact with the buried insulating film 3, respectively. Φ MS1 is the work function difference between the gate insulating film 6 and the gate electrode 8, Q OX1 is the fixed charge density in the gate insulating film 6, C OX1 is the capacitance of the gate insulating film 6, and Q inv1 is the channel region 11, 12. This is the inversion layer charge of the channel. Then, Q depl represents the depletion charge in the channel region 4, -qn A t using electron charge amount q, the impurity concentration N A of the channel regions 11 and 12, the thickness t si of the channel regions 11 and 12 It is represented by si . The Fermi potential Φ F is calculated using the intrinsic carrier density n i of silicon, the Boltzmann constant k, the temperature T, and the electron charge (unit elementary charge) q.

Figure 2004006985
で表される。またキャパシタンスは、例えばチャネル領域11、12の場合、シリコンの誘電率εSi、膜厚tSiを用いて、CSi=εSi/tSiで表される。
Figure 2004006985
Is represented by In the case of the channel regions 11 and 12, for example, the capacitance is represented by C Si = ε Si / t Si using the dielectric constant ε Si of silicon and the thickness t Si .

 本発明では、バックゲート電圧によりしきい値制御可能なback surfaceが空乏状態の時を用いる。この時のしきい値は式(1)より次式で表される。 In the present invention, the case where the back surface which can be threshold-controlled by the back gate voltage is in a depleted state is used. The threshold value at this time is expressed by the following equation from equation (1).

Figure 2004006985
 ここで、Vtはしきい値。VFB1、VFB2はゲート絶縁膜6側、埋め込み絶縁膜2側のフラットバンド電圧。Cox2は埋め込み絶縁膜2のキャパシタンス。VG2はバックゲート電圧を表し、back surfaceが蓄積状態から反転状態までの範囲の条件で有効である。
Figure 2004006985
Here, Vt is the threshold. V FB1 and V FB2 are flat band voltages on the gate insulating film 6 side and the buried insulating film 2 side. Cox2 is the capacitance of the buried insulating film 2. V G2 represents the back gate voltage, and is effective under the condition that the back surface ranges from the accumulation state to the inversion state.

 次に、図2の導出について説明する。 Next, the derivation of FIG. 2 will be described.

 式(3)より、SOI膜厚に対するしきい値感度は次の式で表される。 よ り From equation (3), the threshold sensitivity to the SOI film thickness is expressed by the following equation.

Figure 2004006985
 式(4)でしきい値感度が最低となるのは0となるときである。そこで、式(3)および式(4)であらかじめSOIシリコン膜厚および埋め込み絶縁膜厚、ならびにチャネル濃度とバックゲート電圧以外のパラメータを設定する。そして式(3)に所望のしきい値Vtを設定する。以上の式(3)、式(4)より、所望のしきい値でしきい値感度を最小にするチャネル濃度NAとバックゲート電圧VG2を求めることができる。
Figure 2004006985
In equation (4), the threshold sensitivity becomes minimum when it becomes zero. Therefore, parameters other than the SOI silicon film thickness and the buried insulating film thickness, and the channel concentration and the back gate voltage are set in advance by the equations (3) and (4). And set the desired threshold V t in equation (3). Or of formula (3), the equation (4), it is possible to obtain the channel concentration N A and the back gate voltage V G2 to minimize threshold sensitivity desired threshold.

 本実施形態では、図2のチャネル濃度、バックゲート電圧を求めるのに、作業の簡単化のため、しきい値の式として式(3)をそのまま用いた。そのためパラメータ導出の時には、量子効果を考慮した計算を行っていない。より正確な計算をするためには、量子効果を含めた数値計算が必要である。 In the present embodiment, in order to obtain the channel concentration and the back gate voltage shown in FIG. 2, the equation (3) is directly used as the threshold equation for simplifying the operation. Therefore, at the time of parameter derivation, calculation taking into account the quantum effect is not performed. In order to perform more accurate calculations, numerical calculations including quantum effects are required.

 また、上述のモデル計算ではゲート電極として、n型MISFETに対しn型のポリシリコンを用いたときについて行った。ゲート電極を例えば、タングステン(W)、アルミニウム(Al)、チタンナイトライド(TiN)といった金属が用いられた場合、しきい値がポリシリコンゲートよりも高くなる。そこで、基板バイアスを正に印加してしきい値を下げる必要がある、しかしCMOSではp型MISFETのn型シリコン層によるバックゲートとの間で順バイアスとなりバックゲート電極間で電流が流れてしまう。このように基板バイアスを正に印加する場合は、n型MISFETのバックゲートをn型シリコン層、そしてp型MISFETのバックゲートをp型シリコン層で形成することによりバックゲート電極間の導通を防ぐことができる。 で は In the above model calculation, the calculation was performed when n-type polysilicon was used for the n-type MISFET as the gate electrode. When a metal such as tungsten (W), aluminum (Al), or titanium nitride (TiN) is used for the gate electrode, the threshold value becomes higher than that of the polysilicon gate. Therefore, it is necessary to apply a substrate bias positively to lower the threshold value. However, in CMOS, a forward bias is applied to the back gate formed by the n-type silicon layer of the p-type MISFET, and a current flows between the back gate electrodes. . When the substrate bias is positively applied as described above, the back gate of the n-type MISFET is formed of an n-type silicon layer, and the back gate of the p-type MISFET is formed of a p-type silicon layer, thereby preventing conduction between the back gate electrodes. be able to.

 次に、しきい値計算に、表面量子効果を考慮する手法について説明する。本計算では、表面ポテンシャルの表面量子化補正による表面バンド曲がりの増加量として以下の数式を用いた。 Next, a method of considering the surface quantum effect in the threshold value calculation will be described. In this calculation, the following equation was used as the increase amount of the surface band bending due to the surface quantization correction of the surface potential.

Figure 2004006985
 つまり式(5)は、伝導体Ecから最低エネルギー準位E0へのシフトE0-Ec、高濃度のチャネル不純物添加によるバンドギャップの縮小(bandgap narrowing)効果DEg、そして量子論による表面電荷密度が最大となる位置のシフトDzによる表面電位の変化EsDzから構成されている。
Figure 2004006985
That equation (5) is shifted E 0 -E c to the lowest energy level E 0 from conductor E c, high density reduction of the band gap by the channel doping of the (bandgap narrowing) effect DE g and by quantum theory, It consists of the change E s Dz of the surface potential due to the shift Dz of the position where the surface charge density becomes maximum.

 次に式(5)の式について説明する。最低エネルギー準位E0へのシフト量E0−Ecは、 Next, equation (5) will be described. The shift amount E 0 −E c to the lowest energy level E 0 is

Figure 2004006985
 ここで、hはプランク定数、mはキャリアの有効質量を表す。また、Esは表面電界を示し、次式で表される。
Figure 2004006985
Here, h represents Planck's constant, and m represents the effective mass of the carrier. Also, E s denotes the surface electric field is expressed by the following equation.

Figure 2004006985
 また、bandgap narrowing効果DEgは、次式で表される。
Figure 2004006985
The bandgap narrowing effect DE g is represented by the following equation.

Figure 2004006985
 EsDzの近似式は、次式で表される。
Figure 2004006985
The approximate expression of E s Dz is represented by the following expression.

Figure 2004006985
 以上、式(1)〜(9)を考慮して得られたしきい値のSOI膜厚依存性が図3である。
Figure 2004006985
FIG. 3 shows the SOI film thickness dependence of the threshold value obtained in consideration of the equations (1) to (9).

 また、本発明者らが行った実験結果より、実測のしきい値には今回の理論計算に比べオフセットが存在することがわかっている。これは埋め込み絶縁膜のSOIシリコン側に固定電荷が存在、あるいは例えばバックゲート電極の空乏化による埋め込み絶縁膜の実効膜厚の増加などが要因として考えられる。デバイスパラメータ設計においては、これらオフセット分を考慮することにより、しきい値ばらつきはほぼ最小にすることが可能であり、例えば、あらかじめ実測値と理論計算との合わせ込みにより、固定電荷密度、埋め込み絶縁膜の実効膜厚を把握し、しきい値ばらつき最小となるデバイスパラメータを設計するとよい。 実 験 From the results of experiments performed by the present inventors, it has been found that there is an offset in the actually measured threshold value as compared with the theoretical calculation in this case. This is probably because fixed charges exist on the SOI silicon side of the buried insulating film, or an increase in the effective thickness of the buried insulating film due to, for example, depletion of the back gate electrode. In designing device parameters, it is possible to minimize the variation in threshold value by considering these offsets. For example, fixed charge density, buried insulation It is preferable to grasp the effective film thickness of the film and design a device parameter that minimizes the threshold variation.

 このように、本実施形態のデバイスパラメータ設定方法は、しきい値ばらつきを最小にする有効な手法である。
(第2の実施形態)
 第2の実施形態は、しきい値ばらつきを最小とするバックゲート電圧、バックゲート絶縁膜厚、及びチャネル濃度の関係について示し、これら3つの条件がSOIシリコン層の厚さに関係ないことを示す。また、理論計算が実際のデバイスとの整合性が得られたことについても示す。
As described above, the device parameter setting method according to the present embodiment is an effective method for minimizing threshold value variation.
(Second embodiment)
The second embodiment shows the relationship among the back gate voltage, the back gate insulating film thickness, and the channel concentration that minimizes the threshold variation, and shows that these three conditions are not related to the thickness of the SOI silicon layer. . We also show that the theoretical calculation is consistent with the actual device.

 完全空乏型トランジスタのしきい値は、文献(H-K. Lim and J. G. Fossum, "Threshold Voltage of Thin-Film Silicon-on-Insulator (SOI) MOSFET's," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 30, pp.1244-1251, 1983.)より、式(10)で表される。 The threshold of a fully depleted transistor is described in the literature (HK. Lim and JG Fossum, "Threshold Voltage of Thin-Film Silicon-on-Insulator (SOI) MOSFET's," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 30, pp. 1244 -1251, 1983.), and is represented by equation (10).

Figure 2004006985
 ここで、ΦFはチャネル領域のフェルミポテンシャル、VFB1及びVFB2はゲート電極及びバックゲート電極のフラットバンド電圧、Cox1、Cox2及びCSiはゲート絶縁膜、埋め込み絶縁膜及び空乏化したSOIシリコン層の各容量、Nit1及びNit2はゲート絶縁膜側及び埋め込み絶縁膜側のSOIシリコン層の界面におけるバンドギャップ中の界面準位密度を表す。また、ゲート絶縁膜側及び埋め込み絶縁膜側のSOIシリコン層界面中の固定電荷密度についてはフラットバンド電圧に含めて考慮する。そして、以下に述べるバックゲート電圧VG2は埋込み絶縁膜側のSOIシリコン層(裏面)が空乏状態でバックゲート電圧によりしきい値制御可能である範囲にあることとする。
Figure 2004006985
Here, Φ F is the Fermi potential of the channel region, V FB1 and V FB2 are the flat band voltages of the gate electrode and the back gate electrode, and C ox1 , C ox2 and C Si are the gate insulating film, the buried insulating film, and the depleted SOI. The respective capacitances of the silicon layer, N it1 and N it2 , represent the interface state density in the band gap at the interface between the SOI silicon layer on the gate insulating film side and the buried insulating film side. Further, the fixed charge density at the interface between the SOI silicon layer on the gate insulating film side and the buried insulating film side is taken into account in the flat band voltage. The back gate voltage VG2 described below is in a range where the threshold can be controlled by the back gate voltage when the SOI silicon layer (back surface) on the buried insulating film side is depleted.

 以下、式(10)を用いて、SOIシリコン層の膜厚ばらつきによるしきい値変動が最小となる設計領域つまり、しきい値とSOIシリコン層の膜厚の関係において、しきい値が最小となる条件を示す。 Hereinafter, using the equation (10), the design region in which the threshold variation due to the variation in the thickness of the SOI silicon layer is minimized, that is, in the relationship between the threshold and the thickness of the SOI silicon layer, the threshold is determined to be minimum. The following conditions are shown.

 しきい値が最小となりうる条件は、式(10)をSOIシリコン層の膜厚tSiで微分することにより得られ、式(11)で示される。 Condition threshold can be a minimum is obtained by differentiating equation (10) with a thickness t Si of the SOI silicon layer, represented by the formula (11).

(数11)
ox2(Cox2+qNit2)(2ΦF+VFB2+qNit2/Cox2−VG2)>qNAεSi (11)
ここで、NAはチャネル不純物密度、εSiはSOIシリコン層の誘電率を表す。
(Equation 11)
C ox2 (C ox2 + qN it2 ) (2Φ F + V FB2 + qN it2 / C ox2 −V G2 )> qN A ε Si (11)
Here, N A is the channel impurity density, epsilon Si represents the dielectric constant of the SOI silicon layer.

 図4に、SOI-MOSFETのしきい値がSOIシリコン層の膜厚に依存する膜厚依存性について、実測結果及び式(10)と第1の実施形態で説明した表面量子効果を含めた理論計算による理論計算結果を示す。 FIG. 4 shows the thickness dependence of the threshold value of the SOI-MOSFET depending on the thickness of the SOI silicon layer, based on the measurement results and the theory including the expression (10) and the surface quantum effect described in the first embodiment. The result of theoretical calculation by calculation is shown.

 実測に用いたトランジスタは、ゲート酸化膜の膜厚が108nm、バックゲート酸化膜(埋め込み酸化膜)の膜厚が5.6nm、チャネル濃度は各SOI膜厚に依らず1.2×1017cm-3のn型MOSFETで、ゲート電極はBoronを1×1017cm-3添加したp型シリコン層、バックゲート電極はn型Polyシリコンである。また、ゲート酸化膜と埋め込み酸化膜とのSOIシリコン層の界面における界面準位密度は1×1011cm-2eV-1である。図4の点は実測結果を示す。 The transistor used for the measurement had a gate oxide film thickness of 108 nm, a back gate oxide film (buried oxide film) of 5.6 nm, and a channel concentration of 1.2 × 10 17 cm -3 regardless of the SOI film thickness. In the n-type MOSFET, the gate electrode is a p-type silicon layer to which Boron is added at 1 × 10 17 cm −3 , and the back gate electrode is n-type Poly silicon. The interface state density at the interface of the SOI silicon layer between the gate oxide film and the buried oxide film is 1 × 10 11 cm −2 eV −1 . The points in FIG. 4 show the actual measurement results.

 これに対し、図4の線は理論計算結果を示す。実測結果との合わせ込みの条件は、ゲート絶縁膜厚を119nm、埋め込み絶縁膜中の負の固定電荷を4×1011cm-2とした他は、埋め込み絶縁膜厚は5.6nm、チャネル不純物密度は2×1017cm-3、p型ゲート電極の不純物密度は1×1017cm-3と実測値の誤差範囲内の値を用いている。これら式(10)の理論計算が実測値とよく一致することを示している。 On the other hand, the line in FIG. 4 shows the result of theoretical calculation. The conditions for matching with the measured results were as follows: the gate insulating film thickness was 119 nm, the negative fixed charge in the buried insulating film was 4 × 10 11 cm -2 , except for the buried insulating film thickness of 5.6 nm and the channel impurity density. Is 2 × 10 17 cm −3 and the impurity density of the p-type gate electrode is 1 × 10 17 cm −3 , which is within the error range of the measured value. This indicates that the theoretical calculation of Expression (10) is in good agreement with the measured value.

 図4において、しきい値ばらつきが最小となるバックゲート電圧は、-0.4、-0.8Vの時であり、0Vの時はSOIシリコン層の膜厚が薄くなるにつれ、しきい値が単調減少している。そして、図4において、しきい値が極小となる時のデバイスパラメータの各値は式(11)の条件式を満たしている。 In FIG. 4, the back gate voltage at which the variation in the threshold value is minimum is at -0.4 and -0.8 V. At 0 V, the threshold value decreases monotonously as the thickness of the SOI silicon layer becomes thinner. ing. Then, in FIG. 4, each value of the device parameter when the threshold value becomes minimum satisfies the conditional expression of Expression (11).

 以下に、式(11)から得られるデバイスパラメータの範囲の例について示す。図5にバックゲート酸化膜(埋め込み酸化膜)の膜厚に対するしきい値ばらつきを最小にできるバックゲート電圧の領域を示す。図5は、チャネル濃度を1×1017cm-3の時とした。図5の線で示されるバックゲート電圧より小さい電圧の範囲内(矢印の方向)でしきい値ばらつきが最小にすることが可能である。 Hereinafter, an example of the range of the device parameter obtained from Expression (11) will be described. FIG. 5 shows a region of the back gate voltage where the variation in the threshold value with respect to the thickness of the back gate oxide film (buried oxide film) can be minimized. FIG. 5 shows the case where the channel concentration is 1 × 10 17 cm −3 . It is possible to minimize threshold variation within a voltage range (in the direction of the arrow) smaller than the back gate voltage shown by the line in FIG.

 また、図6にチャネル濃度に対するしきい値ばらつきを最小にできるバックゲート電圧の領域を示す。図6において、バックゲート絶縁膜厚は10nm(実線)及び30nm(点線)、バックゲート電極の濃度はチャネル濃度と同じとした。図6の各線のバックゲート電圧より小さいバックゲート電圧の範囲内でしきい値ばらつきを最小にすることが可能である。 {Circle over (2)} FIG. 6 shows a region of the back gate voltage that can minimize the variation in the threshold with respect to the channel concentration. In FIG. 6, the back gate insulating film thickness was 10 nm (solid line) and 30 nm (dotted line), and the concentration of the back gate electrode was the same as the channel concentration. It is possible to minimize the threshold variation within a range of the back gate voltage smaller than the back gate voltage of each line in FIG.

 図5及び図6は界面準位、固定電荷は考慮していない。そのため実際のデバイスにおいてはこれらによる影響によりバックゲート電圧印加範囲は変化しうる。これら図5もしくは図6で示されるような範囲内にバックゲート電圧があれば、SOIシリコン層の膜厚に対ししきい値変動を極小に制御することが可能である。 FIGS. 5 and 6 do not consider the interface state and the fixed charge. Therefore, in an actual device, the back gate voltage application range may change due to these effects. If the back gate voltage is within the range as shown in FIG. 5 or FIG. 6, it is possible to control the threshold fluctuation with respect to the thickness of the SOI silicon layer to a minimum.

 上述したように、完全空乏化トランジスタのデバイスパラメータが式(11)を満たせば、SOIシリコン層の膜厚に対ししきい値ばらつきを最小とすることができる。
(第3の実施形態)
 第3の実施形態は、第1の実施形態で示したバックゲートを有する完全空乏化トランジスタからなるMTCMOSデバイス構造を実現するにあたり、その製造工程を簡略化させることを目的とする。
As described above, if the device parameters of the fully-depleted transistor satisfy Expression (11), the variation in threshold voltage with respect to the thickness of the SOI silicon layer can be minimized.
(Third embodiment)
The third embodiment aims at simplifying the manufacturing process in realizing the MTCMOS device structure including the fully-depleted transistor having the back gate shown in the first embodiment.

 図7〜図13は、本発明の第1の実施形態に係わる主要工程の概略工程断面図である。図7に示すように、支持基板1としてp型シリコン基板、埋め込み絶縁膜2として膜厚30nm程度のシリコン酸化膜、そしてトランジスタ動作させるSOI層11、12、15、16として例えば20nm程度のp型のシリコン層からなるSOI基板を用いる。このSOI基板にトランジスタ領域を形成するために素子分離領域4を形成する。SOI基板の製造方法、素子分離領域の形成手法については本発明において本質的でないのでここでは特に触れない。 FIGS. 7 to 13 are schematic cross-sectional views of main steps according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, a p-type silicon substrate as the support substrate 1, a silicon oxide film with a thickness of about 30 nm as the buried insulating film 2, and p-type silicon films with SOI layers 11, 12, 15, and 16 of about 20 nm, for example, An SOI substrate made of a silicon layer is used. An element isolation region 4 is formed on the SOI substrate to form a transistor region. Since the method of manufacturing the SOI substrate and the method of forming the element isolation region are not essential in the present invention, they are not particularly described here.

 次に図8に示すような第1のフォトレジスト・マスク17を用いてバックゲート電極用イオン注入およびチャネル用イオン注入を行う。第1のフォトレジスト・マスク17では、p型MOSFETのバックゲート電極形成18,19と、基板とn型MOSFETのバックゲートの電気的分離のための領域20、そしてチャネルイオン注入を行うパターンを形成する。 Next, ion implantation for the back gate electrode and ion implantation for the channel are performed using the first photoresist mask 17 as shown in FIG. In the first photoresist mask 17, the back gate electrodes 18 and 19 of the p-type MOSFET, the region 20 for electrical isolation between the substrate and the back gate of the n-type MOSFET, and the pattern for channel ion implantation are formed. I do.

 フォトレジスト・マスク17形成後、例えばリンといったn型ドーパントを加速電圧70KeV程度で基板1内にピークの不純物濃度が1×1017〜1020cm-3程度となるようにイオン注入を行い、p型シリコンからなる支持基板1にn型のバックゲート電極領域18、19と電極分離領域20を形成する。 After the formation of the photoresist mask 17, ion implantation is performed with an n-type dopant such as phosphorus at an acceleration voltage of about 70 KeV so that the peak impurity concentration in the substrate 1 is about 1 × 10 17 to 10 20 cm −3. Back gate electrode regions 18 and 19 and an electrode separation region 20 are formed on a support substrate 1 made of silicon.

 次に図9に示すように、同じフォトレジストマスク17で、例えばリンといったn型ドーパントを加速電圧20KeV程度でSOIシリコン層11、12、15、16に不純物濃度が1×1017cm-3程度となるようにイオン注入を行う。 Next, as shown in FIG. 9, the same photoresist mask 17 is used to add an n-type dopant such as phosphorus to the SOI silicon layers 11, 12, 15, and 16 at an acceleration voltage of about 20 KeV and an impurity concentration of about 1 × 10 17 cm −3. The ion implantation is performed so that

 上述のn型バックゲート電極18,19、n型チャネルのイオン注入は、同じフォトレジストマスク17を用いて行うことで、製造工程を簡略化する。なお、上述のイオン注入工程の順とは逆に、先にチャネルのイオン注入を行ってバックゲート電極を形成してもよい。 (4) The above-described ion implantation of the n-type back gate electrodes 18 and 19 and the n-type channel is performed using the same photoresist mask 17, thereby simplifying the manufacturing process. The back gate electrode may be formed by first performing ion implantation of the channel, which is the reverse of the order of the above-described ion implantation process.

 続いて図10に示すように、第2のフォトレジスト・マスク21を用いてチャネル領域となるSOIシリコン層12,15に、例えばリンといったn型ドーパントを加速電圧20KeV程度でイオン注入し先のイオン注入と合わせて不純物濃度が2.5×1017cm-3程度となるようにする。図10ではSOIシリコン層12、15のn型不純物密度が多くなっていることを示すために(n+)で表す。 Subsequently, as shown in FIG. 10, an n-type dopant such as phosphorus is ion-implanted into the SOI silicon layers 12 and 15 serving as channel regions using the second photoresist mask 21 at an acceleration voltage of about 20 KeV. The impurity concentration is adjusted to be about 2.5 × 10 17 cm −3 together with the implantation. In FIG. 10, (n +) is used to indicate that the n-type impurity density of the SOI silicon layers 12 and 15 is increased.

 次に図11に示すように第3のフォトレジストマスク22を用いてn型MOSFETのバックゲート電極23,24およびチャネルのイオン注入を行う。 Next, as shown in FIG. 11, ion implantation of the back gate electrodes 23 and 24 of the n-type MOSFET and the channel is performed using the third photoresist mask 22.

 つまり、ボロンといったp型ドーパントを加速電圧20KeV程度で基板1内にボロンのピーク不純物濃度が2×1017cm-3から2×1020cm-3程度となるようにイオン注入を行う。このとき、n型の電極分離領域20内にp型のバックゲート電極領域23、24を形成する。 In other words, ions of a p-type dopant such as boron are implanted into the substrate 1 at an acceleration voltage of about 20 KeV so that the peak impurity concentration of boron becomes about 2 × 10 17 cm −3 to about 2 × 10 20 cm −3 . At this time, p-type back gate electrode regions 23 and 24 are formed in the n-type electrode separation region 20.

 そして、図12に示すように、同じ第3のフォトレジストマスク22で、チャネル領域となるSOIシリコン層11、12に例えばボロンといったp型ドーパントを加速電圧10KeV程度で、ボロンの不純物密度としては3.5×1017cm-3程度となるようにイオン注入する。 Then, as shown in FIG. 12, a p-type dopant such as boron is applied to the SOI silicon layers 11 and 12 serving as channel regions at an acceleration voltage of about 10 KeV and an impurity density of boron is 3.5 with the same third photoresist mask 22. Ion implantation is performed so as to be about × 10 17 cm −3 .

 これまでにSOIシリコン層11、12にはそれぞれ1×1017cm-3、2.5×1017cm-3程度のn型不純物が含まれており、今回のp型不純物の注入によって、p型シリコン領域を形成、かつSOIシリコン層の11、12のチャネル濃度が2.5×1017cm-3、1×1017cm-3となり、1回のp型ドーパントのイオン注入で異なるチャネル濃度のSOIシリコン領域を形成することを実現した。 So far, the SOI silicon layers 11 and 12 contain n-type impurities of about 1 × 10 17 cm −3 and 2.5 × 10 17 cm −3 , respectively. The region is formed, and the channel concentration of the SOI silicon layers 11 and 12 becomes 2.5 × 10 17 cm -3 and 1 × 10 17 cm -3 , and the SOI silicon region having a different channel concentration by one ion implantation of the p-type dopant. Has been realized.

 そして図13に示すように、以下ゲート電極8の形成、およびソース・ドレイン領域7の
形成を行い、左から順にしきい値が高いp型MOSFET,しきい値が低いp型MOSFET,しきい値が高いn型MOSFET,しきい値が低いn型MOSFETからなるMTCMOS構造を形成する。なお、本構造においてバックゲート電極へのコンタクトはSOI側から素子分離、埋め込み絶縁膜を通してとることが望ましい。
Then, as shown in FIG. 13, a gate electrode 8 and a source / drain region 7 are formed, and a p-type MOSFET having a higher threshold, a p-type MOSFET having a lower threshold, a threshold To form an MTCMOS structure including an n-type MOSFET having a high threshold voltage and an n-type MOSFET having a low threshold value. In this structure, it is desirable that the contact to the back gate electrode be made from the SOI side through an element isolation and buried insulating film.

 先の第1のフォトレジスト・マスクと同様に、n型MOSFETのバックゲートとチャネルのイオン注入は同じ第3のフォトレジストマスクを用いて行う。これによりマスク数が削減され、かつ工程数が低減される。なお、イオン注入工程の順は逆に、先にチャネルのイオン注入を行ってバックゲート電極を形成してもよい。 Similar to the above first photoresist mask, ion implantation of the back gate and channel of the n-type MOSFET is performed using the same third photoresist mask. This reduces the number of masks and the number of steps. Note that the order of the ion implantation step may be reversed, and the back gate electrode may be formed by first performing ion implantation of the channel.

 本実施形態では、しきい値の異なるそれぞれ2つのn型,p型MOSFETの完全空乏化トランジスタについて示したが、これに限定するものではない。また、構造の配置についても図に示すものに限定しない。要部工程以外の製造工程については特に触れなかったが、例えば保護膜として表面にシリコン酸化膜を形成してその上にフォトレジスト形成、イオン注入を行ってもよい。 で は In the present embodiment, two n-type and p-type MOSFET fully depleted transistors having different threshold values have been described, but the present invention is not limited to this. Further, the arrangement of the structure is not limited to that shown in the drawing. Although the manufacturing steps other than the main steps are not particularly described, for example, a silicon oxide film may be formed on the surface as a protective film, and a photoresist may be formed and ion implantation may be performed thereon.

 また、第1の実施形態にて説明したように、例えばメタルゲートになった場合にしきい値を下げるためn型MISFETのバックゲート電圧を正に印加することもある。この様にCMOS構造において、バックゲート電圧が、バックゲート電極間で順バイアスとなる場合、バックゲート間の導通を防ぐため、バックゲート電極の構造を変更する必要がある。つまり、例えば図13の構造で、n型MISFETのバックゲートを正、p型MISFETのバックゲートに負の電圧を印加すると、サイリスタ構造により順方向導通状態となってしまう。そこで、図14のようにn型MISFETのバックゲートをn型シリコン(21',24')、p型MISFETのバックゲートをp型シリコン(18',19')にする。しきい値設定のバックゲート電圧はこれにより変わるが計算より容易に見積もることが可能である。 As described in the first embodiment, the back gate voltage of the n-type MISFET may be positively applied in order to lower the threshold value, for example, when a metal gate is formed. As described above, in the CMOS structure, when the back gate voltage is forward-biased between the back gate electrodes, it is necessary to change the structure of the back gate electrode in order to prevent conduction between the back gates. That is, for example, in the structure of FIG. 13, when a positive voltage is applied to the back gate of the n-type MISFET and a negative voltage is applied to the back gate of the p-type MISFET, the thyristor structure causes a forward conduction state. Therefore, as shown in FIG. 14, the back gate of the n-type MISFET is made of n-type silicon (21 ', 24'), and the back gate of the p-type MISFET is made of p-type silicon (18 ', 19'). The back gate voltage for setting the threshold value varies with this, but can be easily estimated by calculation.

 以上、具体的な例を示しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the above embodiments.

 例えば、絶縁膜の形成方法としては、熱酸化による酸化膜形成法や、30keV程度の低加速エネルギーで酸素注入して酸化膜を形成する方法としてもよいし、シリコン酸化膜を堆積する方法や、シリコン窒化膜を堆積する方法、またはこれらを組み合わせた方法、また、シリコン酸化膜を熱窒化もしくは、シリコン窒化膜を酸化する窒化酸化膜を形成する方法を用いてもよい。また、シリコンをシリコン酸化膜やシリコン窒化膜に変換するこれら以外の方法、例えば堆積したシリコンに酸素イオンを注入する方法や、堆積したシリコンを酸化する方法を用いても構わない。 For example, as a method for forming the insulating film, a method for forming an oxide film by thermal oxidation, a method for forming an oxide film by injecting oxygen with low acceleration energy of about 30 keV, a method for depositing a silicon oxide film, A method of depositing a silicon nitride film, a method of combining these methods, or a method of thermally nitriding a silicon oxide film or forming a nitrided oxide film for oxidizing a silicon nitride film may be used. In addition, other methods for converting silicon into a silicon oxide film or a silicon nitride film, such as a method of implanting oxygen ions into deposited silicon or a method of oxidizing deposited silicon, may be used.

 また、これらの絶縁膜にシリコン窒化膜その他タンタル酸化膜、チタン酸化膜、チタン酸ストロンチウムやチタン酸バリウム、チタン酸ジルコニウム鉛などの強誘電体膜、常誘電体膜の単層膜あるいはそれらの複合膜を用いることも可能である。 In addition, a silicon nitride film, a tantalum oxide film, a titanium oxide film, a ferroelectric film such as strontium titanate, barium titanate, and lead zirconium titanate, a monolayer film of a paraelectric film, or a composite thereof is formed on these insulating films. It is also possible to use a membrane.

 また、上述した実施形態において特に言及していないが、素子分離としては、トレンチ分離の素子分離や、STI(shallow trench isolation)、LOCOS素子分離膜や、リセス型(Recessed)LOCOSや改良LOCOS法、または素子分離となる領域のSOIを除いた例えばメサ型の分離、あるいはフィールドシールド分離を用いてもよいし、これらを組み合わせてもよい。 Although not specifically mentioned in the above-described embodiment, the element isolation includes trench isolation, STI (shallow trench isolation), LOCOS element isolation film, recessed (Recessed) LOCOS, improved LOCOS method, Alternatively, for example, a mesa-type isolation or a field shield isolation excluding the SOI in a region to be an element isolation may be used, or these may be combined.

 さらに、上述した具体例ではSOI層にp型Siを用いたがその代わりに、n型SiやGaAs、InPを用いてもよい。 Further, in the above-described specific example, p-type Si is used for the SOI layer, but n-type Si, GaAs, or InP may be used instead.

 また、具体例でn型MISFETでのみ説明した所は、p型MISFETを適用してもよく、その場合、上述の実施形態のn型をp型、p型をn型と読み替え、さらにドーピング不純物種についてもAs、P、SbなどをIn、Bなどのいずれかと読み替え、そしてイオン注入についてもAs、P、SbをIn、B、BF2のいずれかと読み替えればよい。 Further, where only the n-type MISFET is described in the specific example, a p-type MISFET may be applied. In this case, the n-type in the above embodiment is replaced with the p-type and the p-type is replaced with the n-type. As for the species, As, P, Sb, etc. may be read as any of In, B, etc., and for ion implantation, As, P, Sb may be read as any of In, B, BF2.

 さらに、ゲート電極は、多結晶シリコン、単結晶シリコン、ポーラス(多孔質)シリコン、アモルファスシリコン、SiGe混晶、SiC混晶、GaAs、W、Ta、Ti、Hf、Co、Pt、Pd、TiNの金属あるいはシリサイドを用いることができる。さらにこれらの積層構造としてもよい。 Further, the gate electrode is made of polycrystalline silicon, single crystal silicon, porous (porous) silicon, amorphous silicon, SiGe mixed crystal, SiC mixed crystal, GaAs, W, Ta, Ti, Hf, Co, Pt, Pd, TiN. Metal or silicide can be used. Further, these may have a laminated structure.

 また、上述の実施形態では、半導体層が平坦な構造についてのみ言及したが、ソース・ドレイン領域の膜厚がチャネル領域のそれより大きい構造であってもよく、例えばリセスチャネル(Recessed channel)構造のような、チャネル領域のシリコン層をエッチングもしくは犠牲酸化してエッチングすることで薄膜化した構造であってもよいし、持ち上げソース・ドレイン(elevated source・drain)構造のような、ソース・ドレインにシリコンを堆積しチャネル領域より厚膜化させた構造であってもよい。 Further, in the above-described embodiment, only the structure in which the semiconductor layer is flat is mentioned. However, the thickness of the source / drain region may be larger than that of the channel region. For example, a recessed channel (Recessed channel) structure may be used. The silicon layer in the channel region may be thinned by etching or sacrificial oxidation, or a silicon layer may be formed in the source / drain, such as an elevated source / drain structure. May be deposited to make the film thicker than the channel region.

 また、同一基板上に、上述した構造の他、例えば厚いシリコン層により形成される部分空乏化トランジスタが形成されていてもよく、もしくは、上述した構造と同じシリコン層にチャネル濃度を薄くすることによってできた部分空乏型トランジスタが形成されてもよい。またあるいは上述した構造が形成される同一基板上ではあるが、埋め込み絶縁膜が部分的に無くバルクシリコンとなった所にMISFETが形成された構造となっていてもよい。 Further, in addition to the above-described structure, a partially depleted transistor formed of, for example, a thick silicon layer may be formed on the same substrate, or by reducing the channel concentration in the same silicon layer as the above-described structure. The resulting partially depleted transistor may be formed. Alternatively, the structure may be such that the MISFET is formed on the same substrate on which the above-described structure is formed, but at a place where the buried insulating film is partially removed and bulk silicon is formed.

 また、MTCMOS構造形成で本実施形態では異なる2つのしきい値を設定することを説明したが、2つに限定するものではなく、それ以外でのしきい値を設定した構造であってもよい。 In this embodiment, two different threshold values are set in the MTCMOS structure in the present embodiment. However, the present invention is not limited to the two threshold values, and other threshold values may be set. .

 その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することができる。 In addition, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

 上記実施形態は以下に説明する効果を奏する。 The above embodiment has the effects described below.

 まず、上記した実施形態によれば、完全空乏化トランジスタで問題となるSOIシリコン膜厚の揺らぎによるしきい値変動をほぼ最小に保ったままで所望のしきい値に設定することが可能である。 First, according to the above-described embodiment, it is possible to set a desired threshold value while keeping the threshold value fluctuation due to the fluctuation of the SOI silicon film thickness, which is a problem in the fully depleted transistor, almost at a minimum.

 また、同じSOIシリコン膜厚からなるSOI基板上に、所望の異なるしきい値でしきい値ばらつきをほぼ最小とした回路を構成することが可能である。よって従来よりSOI膜厚ゆらぎに対するしきい値変動が小さく、より特性の均一なMTCMOS構造を形成することが可能である。 回路 Further, it is possible to configure a circuit on which the threshold variation is almost minimized with desired different thresholds, on an SOI substrate having the same SOI silicon film thickness. Therefore, it is possible to form an MTCMOS structure with less variation in threshold value for SOI film thickness fluctuation and more uniform characteristics than before.

 このように、しきい値ばらつきが小さいMTCMOS構造において、電源スイッチとして用いられる高しきい値トランジスタでは、しきい値ばらつきが抑えられることにより、低しきい値側にばらついた時に生じる、サブシュレッショルドリーク電流の増加による消費電力の増加を小さく保つことができる。また論理回路ブロックで用いられる低しきい値トランジスタでは、しきい値が大きくなるために生じる、電流駆動能力が低下による遅延時間の増加を抑えることができるなど、論理回路における遅延時間のばらつきを小さく保つことができることから、本発明によって消費電力のばらつきの小さい、高速で安定した回路動作を実現できる。 As described above, in the MTCMOS structure having a small threshold variation, in the high threshold transistor used as a power switch, the threshold variation is suppressed, and the sub-threshold which occurs when the threshold voltage varies to the low threshold side is reduced. An increase in power consumption due to an increase in leakage current can be kept small. In addition, low-threshold transistors used in logic circuit blocks reduce variations in delay time in logic circuits, such as suppressing an increase in delay time due to a decrease in current driving capability caused by an increase in threshold value. Since it can be maintained, the present invention can realize a high-speed and stable circuit operation with small variation in power consumption.

 また、バックゲートを有する完全空乏化トランジスタで構成されるMTCMOSの形成におい
て、チャネル、バックゲートを共通マスクにて行うことで、マスク数を削減可能とする。
Further, in the formation of MTCMOS formed of a fully depleted transistor having a back gate, the number of masks can be reduced by using a common mask for the channel and the back gate.

 また、複数の異なるしきい値を設定するために、不純物イオン注入を重ね打ちの手法を用いることで、チャネル、バックゲート共通マスクへの適応を容易とした。これにより、1つのマスクで同一導電型のMISFET全てのバックゲート電極を形成できるので、合わせズレ等によるバックゲート電極の短絡の発生を防ぐことが出来る。 (4) In order to set a plurality of different thresholds, the technique of overlapping the implantation of impurity ions is used to facilitate adaptation to a channel and back gate common mask. As a result, the back gate electrodes of all the MISFETs of the same conductivity type can be formed with one mask, so that the occurrence of a short circuit of the back gate electrode due to misalignment or the like can be prevented.

 また、pまたはn型の不純物を含んだチャネル領域にそれより大きい濃度となるnまたはp型の不純物を注入することでチャネル領域の属性を変化させる。つまり、あらかじめ濃度の異なるpまたはn型の不純物を含んだチャネル領域に、同時にnまたはp型の不純物を注入することで、濃度の異なるnまたはp型のチャネル領域を形成することが可能となる。このことは、MTCMOSを形成する上で、工程数を削減する有効な製造手法となる。 {Circle around (4)} The n- or p-type impurity having a higher concentration is implanted into the channel region containing the p- or n-type impurity to change the attribute of the channel region. That is, by simultaneously implanting n-type or p-type impurities into channel regions containing p-type or n-type impurities having different concentrations in advance, it becomes possible to form n-type or p-type channel regions having different concentrations. . This is an effective manufacturing method for reducing the number of steps in forming the MTCMOS.

 また、この製造工程の特長上、例えば先にnMISFETを形成後、pMISFETを形成する場合、pMISFETのチャネル領域にはp型不純物が、nMISFETのチャネル領域のp型不純物とほぼ同じ濃度だけ含まれていることがある。 Also, due to the features of this manufacturing process, for example, when forming a pMISFET after forming an nMISFET first, the pMISFET channel region contains p-type impurities at substantially the same concentration as the p-type impurity in the nMISFET channel region. May be.

 また、マスクパターンがチャネル、バックゲート共用となるため、バックゲートを電気的に分離するための不純物領域を形成するイオン注入が必要があり、そのため素子分離領域にも、不純物が含まれる、もしくは素子分離/シリコン界面に析出されることがある。 In addition, since the mask pattern is used for both the channel and the back gate, it is necessary to perform ion implantation for forming an impurity region for electrically isolating the back gate. Therefore, the impurity is also contained in the element isolation region. May be deposited at the separation / silicon interface.

 以上説明したように、本実施形態によれば、チャネル、バックゲートを共通マスクにて形成することでマスク数を削減、p、nのドーパントのイオン注入の重ね打ちによって工程数を低減する。このように本実施形態の製造方法は、産業上のメリットが多大である。 As described above, according to the present embodiment, the number of masks is reduced by forming the channel and the back gate with the common mask, and the number of steps is reduced by repeatedly ion-implanting p and n dopants. As described above, the manufacturing method of the present embodiment has great industrial advantages.

第1実施形態に係る半導体装置の断面概略図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. 実施形態に係るデバイスパラメータ設定方法により得られた完全空乏化トランジスタのしきい値とチャネル濃度及びバックゲート電圧の関係を表すグラフ。4 is a graph showing a relationship between a threshold value, a channel concentration, and a back gate voltage of a fully depleted transistor obtained by the device parameter setting method according to the embodiment. 完全空乏化トランジスタのSOI層のシリコン膜厚tSiとしきい値Vtとの関係を表すグラフ。Graph showing the relationship between the silicon film thickness t Si and the threshold value V t of the SOI layer of the fully depleted transistor. 第2実施形態に係るSOI-MOSFETのしきい値がSOIシリコン層の膜厚に依存する膜厚依存性に関する実測結果及び理論計算結果を表すグラフ。9 is a graph showing actual measurement results and theoretical calculation results regarding the film thickness dependence of the threshold of the SOI-MOSFET according to the second embodiment depending on the film thickness of the SOI silicon layer. 第2実施形態に係る、チャネル濃度を一定とした場合に、しきい値ばらつきを最小にできるバックゲート電圧の領域を表すグラフ。9 is a graph showing a region of a back gate voltage that can minimize threshold variation when a channel concentration is constant according to the second embodiment. 第2実施形態に係る、バックゲート酸化膜を一定とした場合に、しきい値ばらつきを最小にできるバックゲート電圧の領域を表すグラフ。9 is a graph showing a region of a back gate voltage in which a variation in threshold can be minimized when a back gate oxide film is fixed according to the second embodiment. 第3の実施形態に係わる要部製造工程を表す概略工程断面図。FIG. 13 is a schematic process cross-sectional view illustrating a main part manufacturing process according to the third embodiment. 第3の実施形態に係わる要部製造工程を表す概略工程断面図。FIG. 13 is a schematic process cross-sectional view illustrating a main part manufacturing process according to the third embodiment. 第3の実施形態に係わる要部製造工程を表す概略工程断面図。FIG. 13 is a schematic process cross-sectional view illustrating a main part manufacturing process according to the third embodiment. 第3の実施形態に係わる要部製造工程を表す概略工程断面図。FIG. 13 is a schematic process cross-sectional view illustrating a main part manufacturing process according to the third embodiment. 第3の実施形態に係わる要部製造工程を表す概略工程断面図。FIG. 13 is a schematic process cross-sectional view illustrating a main part manufacturing process according to the third embodiment. 第3の実施形態に係わる要部製造工程を表す概略工程断面図。FIG. 13 is a schematic process cross-sectional view illustrating a main part manufacturing process according to the third embodiment. 第3の実施形態に係わる要部製造工程を表す概略工程断面図。FIG. 13 is a schematic process cross-sectional view illustrating a main part manufacturing process according to the third embodiment. 図13の変形例を表す概略断面図。FIG. 14 is a schematic sectional view illustrating a modification of FIG. 13.

符号の説明Explanation of reference numerals

FET1,FET2 完全空乏化トランジスタ
1,1' 支持基板
2 埋め込み絶縁膜
3 層間絶縁膜
4 素子分離領域
5,5' ゲート側壁領域
6,6' ゲート絶縁膜
7,7' ソース・ドレイン領域
8,8' ゲート電極
9,10 バックゲートコンタクト電極
11,12 チャネル領域
13,14 バックゲート電極
15,16 チャネル領域
17 第1のフォトレジスト・マスク
18,18',19,19' バックゲート電極
20 電極分離領域
21 第2のフォトレジスト・マスク
22 第3のフォトレジスト・マスク
23,23',24,24' バックゲート電極
FET1, FET2 Fully depleted transistors
1,1 'support substrate
2 Buried insulating film
3 interlayer insulating film
4 Element isolation area
5,5 'gate sidewall area
6,6 'gate insulating film
7,7 'source / drain region
8,8 'gate electrode
9,10 Back gate contact electrode
11, 12 channel area
13, 14 Back gate electrode
15, 16 channel area
17 First photoresist mask
18, 18 ', 19, 19' back gate electrode
20 Electrode separation area
21 Second photoresist mask
22 Third photoresist mask
23, 23 ', 24, 24' back gate electrode

Claims (3)

 第1導電型の半導体基板上の埋め込み絶縁膜上に互いに絶縁分離された第1半導体層、第2半導体層、第3半導体層及び第4半導体層を形成する工程と、
第1マスクを用いて、第2導電型不純物を2回イオン注入することによって、前記半導体基板中であって、前記第1半導体層下に第1バックゲート電極を、前記第2半導体層下に第2バックゲート電極を、前記第3及び第4半導体層下に第1不純物領域を形成し、また、前記第1乃至第4半導体層を第2導電型の第1乃至第4不純物層にする工程と、
第2マスクを用いて、第2導電型不純物をイオン注入することによって、前記第1及び第4不純物層の第2導電型の不純物濃度を前記第2及び第3不純物層の第2導電型の不純物濃度よりも高くする工程と、
 前記第3マスクを用いて、第1導電型不純物を2回イオン注入することによって、前記第1不純物領域中であって、前記第3半導体層下に第3バックゲート電極を、前記第4半導体層下に第4バックゲート電極を形成し、また、前記第3及び第4不純物層を第1導電型にし、この第3不純物層の不純物濃度をこの第4不純物層の不純物濃度よりも高くする工程と、
前記第1乃至第4不純物層各々に半導体装置を形成する工程を備える半導体装置の製造方法。
Forming a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, a third semiconductor layer, and a fourth semiconductor layer which are insulated and separated from each other on a buried insulating film on a semiconductor substrate of the first conductivity type;
By implanting the second conductivity type impurity twice using the first mask, a first back gate electrode is formed in the semiconductor substrate under the first semiconductor layer, and is formed under the second semiconductor layer. A second back gate electrode has a first impurity region formed below the third and fourth semiconductor layers, and the first to fourth semiconductor layers are first to fourth impurity layers of a second conductivity type. Process and
The second conductive type impurity is ion-implanted using the second mask to increase the second conductive type impurity concentration of the first and fourth impurity layers to the second conductive type impurity of the second and third impurity layers. A step of making the concentration higher than the impurity concentration;
A third back gate electrode is formed in the first impurity region under the third semiconductor layer by ion-implanting the first conductivity type impurity twice using the third mask. A fourth back gate electrode is formed under the layer, and the third and fourth impurity layers are of the first conductivity type, and the impurity concentration of the third impurity layer is higher than the impurity concentration of the fourth impurity layer. Process and
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a semiconductor device on each of the first to fourth impurity layers.
前記半導体装置がチャネル領域,ゲート絶縁膜及びゲート電極を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 2. The method according to claim 1, wherein the semiconductor device has a channel region, a gate insulating film, and a gate electrode. 前記第1乃至第4半導体層の膜厚が同じであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 2. The method according to claim 1, wherein the first to fourth semiconductor layers have the same thickness.
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