JP2004063600A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置分野において急速な微細化による高速化、低消費電力が進んでいる。しかし従来のバルクシリコンウェハを用いたプロセスには限界がきており、次世代デバイスとして、SOI( Silicon on Insulator )ウェハを用いたものが期待されている。
【0003】
これは、絶縁層の上に極薄膜単結晶シリコン層を形成し、そこにCMOSを形成したLSIであって、従来のシリコン基板上のLSIと比較すると、動作速度を上げやすく、消費電力を削減しやすく、また、ラッチアップも防止できる。
【0004】
図10(a)(b)は従来のSOIトランジスタを示し、図10(b)は断面図、図10(a)は矢印X−X′で示す表面付近の領域平面図であって、シリコン基板7の上にSOI層9を設け、SOI層9の中にトランジスタが構成されている。
【0005】
1は活性領域延長部、2はゲート電極拡張部、3はボディコンタクト領域、4Aはドレイン領域、4はドレインコンタクト領域、5Aはソース領域、5はソースコンタクト領域、6はゲートコンタクト領域、8は埋め込み酸化膜(BOX膜)、10はシャロートレンチ分離(STI)、11はチャネル領域、12はゲート酸化膜、13はゲート電極、14はボディコンタクト電極、15はゲートコンタクト電極である。
【0006】
このように、埋め込み酸化膜8(以下、BOX膜と記す)が存在するためにシャロートレンチ分離10(以下、STIと記す)を形成した場合、チャネル領域11がフローティング状態になる。そのため活性領域延長部1を設けることで、レイアウト的にはボディコンタクト領域3を指定し、ボディコンタクト電極14を介してチャネル領域11の電位を固定する。同時にゲート電極拡張部2を設け、直下のボディコンタクトの通路を確保する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成ではチャネル領域11はトランジスタごとに独立しており、それぞれボディコンタクト電極14に電位をあたえないと電圧制御できない。
【0008】
また、SOI層9とシリコン基板7がBOX膜8によって絶縁分離されており、工程途中でダメージを受けた場合、ゲート酸化膜12とBOX膜8が直列の容量として存在し、BOX膜8が過剰のダメージを受けやすくなる。ダメージを受けたBOX膜8は、局所的に弱い部分でサージ破壊が起こり、それに誘発されてゲート酸化膜12のサージ破壊が発生する問題がある。
【0009】
上記課題について鑑み、本発明の目的は、SOIデバイスにおいて、ひとつの電極でもチャネル領域の電位制御ができ、BOX膜のサージ破壊を起こさせないで、BOX膜破壊により誘発されるゲート酸化膜破壊を完全抑制できる半導体装置およびその製造方法を提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明の請求項1記載の半導体装置は、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された半導体層とからなるSOI構造の基板を有し、前記半導体層上に形成されたMISトランジスタを有する半導体装置において、前記半導体層からなる活性領域と、前記活性領域を拡張した前記半導体層からなる活性領域延長部と、前記活性領域延長部のボディコンタクト領域に位置する前記半導体層および前記絶縁層を貫通して設けられた前記シリコン基板に到達するコンタクトホールと、前記コンタクトホール内に充填された金属膜からなるボディコンタクト電極とを備えており、前記ボディコンタクト電極に電位を与えて隣接する同一導電型トランジスタのチャネル領域の電位を全て固定できる。
【0011】
本発明の請求項2記載の半導体装置は、請求項1において、前記ボディコンタクト電極に電位を印加することにより、隣接する同一導電型MISトランジスタの活性領域におけるチャネル領域の電位を同時に固定できる。
【0012】
本発明の請求項3記載の半導体装置は、請求項1または請求項2において、前記MISトランジスタとして、n型MISトランジスタを有し、複数の前記n型MISトランジスタが形成されたN型トランジスタ形成領域では、前記n型MISトランジスタの前記コンタクトホールの直下に位置する前記シリコン基板にP型不純物層が設けられており、前記P型不純物層を介して複数の前記n型MISトランジスタのボディコンタクト電極が電気的に接続されていることを特徴とする。
【0013】
本発明の請求項4記載の半導体装置は、請求項1〜請求項3のうちのいずれかにおいて、前記MISトランジスタとして、p型MISトランジスタを有し、複数の前記p型MISトランジスタが形成されたP型トランジスタ形成領域では、前記p型MISトランジスタの前記コンタクトホールの直下に位置する前記シリコン基板にN型不純物層が設けられており、前記N型不純物層を介して複数の前記p型MISトランジスタのボディコンタクト電極が電気的に接続されていることを特徴とする。
【0014】
本発明の請求項5記載の半導体装置は、請求項1〜請求項4のうちのいずれかにおいて、前記MISトランジスタとして、n型MISトランジスタとp型MISトランジスタとを有し、前記n型MISトランジスタの活性領域延長部には、前記p型MISトランジスタの高濃度ソース・ドレイン領域と同じ注入ドーズ量を有する高濃度P型不純物層が形成されており、前記p型MISトランジスタの活性領域延長部には、前記n型MISトランジスタの高濃度ソース・ドレイン領域と同じ注入ドーズ量を有する高濃度N型不純物層が形成されていることを特徴とする。
【0015】
本発明の請求項6記載の半導体装置の製造方法は、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された半導体層とからなるSOI構造の基板を用いたMISトランジスタを有する半導体装置の製造方法において、前記半導体層をパターニングして、前記MISトランジスタの活性領域及び前記活性領域を拡張した活性領域延長部を形成する工程(a)と、前記活性領域および前記活性領域延長部を取り囲み、前記絶縁層を底部とするトレンチ分離領域を形成する工程(b)と、前記活性領域延長部のボディコンタクト領域に位置する前記半導体層および前記絶縁層を貫通し、前記シリコン基板に到達するコンタクトホールを形成する工程(c)と、前記コンタクトホール内に金属膜からなるボディコンタクト電極を形成する工程(d)とを備えていることを特徴とする。
【0016】
本発明の請求項7記載の半導体装置の製造方法は、請求項6において、前記MISトランジスタとして、n型MISトランジスタを有し、前記工程(b)の後で前記工程(c)の前に、前記n型MISトランジスタが形成されるN型トランジスタ形成領域の前記絶縁層の直下の前記シリコン基板にP型不純物層を形成する工程を有し、前記工程(c)では、前記n型MISトランジスタの前記コンタクトホールが前記P型不純物層に到達するように形成し、前記工程(d)では、前記n型MISトランジスタの前記ボディコンタクト電極が前記P型不純物層に接続するように形成することを特徴とする。
【0017】
本発明の請求項8記載の半導体装置の製造方法は、請求項6または請求項7において、前記MISトランジスタとして、p型MISトランジスタを有し、前記工程(b)の後で前記工程(c)の前に、前記p型MISトランジスタが形成されるP型トランジスタ形成領域の前記絶縁層の直下の前記シリコン基板にN型不純物層を形成する工程を有し、前記工程(c)では、前記p型MISトランジスタの前記コンタクトホールが前記N型不純物層に到達するように形成し、前記工程(d)では、前記p型MISトランジスタの前記ボディコンタクト電極が前記N型不純物層に接続するように形成することを特徴とする。
【0018】
本発明の請求項9記載の半導体装置の製造方法は、請求項6〜請求項8のいずれかにおいて、前記MISトランジスタとして、n型MISトランジスタとp型MISトランジスタとを有し、前記工程(b)の後で前記工程(c)の前に、前記n型MISトランジスタの活性領域延長部と前記p型MISトランジスタのソース・ドレイン領域の同時にP型不純物をイオン注入する工程と、前記p型MISトランジスタの活性領域延長部と前記n型MISトランジスタのソース・ドレイン領域に同時にN型不純物をイオン注入する工程とを有することを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置およびその製造方法における実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0020】
図1はシリコン基板と、シリコン基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された半導体層とからなるSOI構造の基板を有し、前記半導体層上に形成されたMISトランジスタを有する半導体装置の領域平面図(a)と断面図(b)を示し、図3〜図9はその製造過程の領域平面図(a)と断面図(b)を示す。
【0021】
まず、本発明の実施の形態の半導体装置を説明する。
図1に示すようにSOI構造基板において、Nchトランジスタ形成領域1NにNchトランジスタ活性領域101を拡張したNchトランジスタ活性領域延長部101Aを設け、Nchトランジスタ活性領域延長部101Aの配線層間膜211とSOI層203とBOX膜202を貫通しシリコン基板201に到達するコンタクトホール215を有する構造にする。
【0022】
コンタクトホール215内には金属膜216を充填しNchトランジスタボディコンタクト用金属電極212がシリコン基板201と接するように存在し、Nchトランジスタ形成領域1Nの活性領域延長部101AのSOI層203中には高濃度のP型拡散層205Bが、Nchトランジスタ形成領域1NのBOX膜202の直下のシリコン基板201にはP型不純物層205Aが存在する構造にする。
【0023】
また、同様にPchトランジスタ形成領域1PにPchトランジスタ活性領域102を拡張したPchトランジスタ活性領域延長部102Aを設け、Pchトランジスタ活性領域延長部102Aの配線層間膜211とSOI層203とBOX膜202を貫通しシリコン基板201に到達するコンタクトホール217を有する構造にする。
【0024】
コンタクトホール217内には金属膜218を充填しPchトランジスタボディコンタクト用金属電極214がシリコン基板201と接するように存在し、Pchトランジスタ形成領域1Pの活性領域延長部102AのSOI層203中には高濃度のN型拡散層206Bが、Pchトランジスタ形成領域1PのBOX膜202の直下のシリコン基板201にはN型不純物層206Aが存在する構造にする。
【0025】
また、ゲート電極領域103はNchトランジスタ活性領域延長部101AとPchトランジスタ活性領域延長部102Aのエッジ部で拡張され、ホームベース形状を有する構造にする。ゲート電極208はゲート電極用金属電極213とつながる構造を有する。
【0026】
なお、104はNchトランジスタボディコンタクト領域、105AはNchトランジスタドレイン領域、105はNchトランジスタドレインコンタクト領域、106AはNchトランジスタソース領域、106はNchトランジスタソースコンタクト領域、107AはPchトランジスタドレイン領域、107はPchトランジスタドレインコンタクト領域、108AはPchトランジスタソース領域、108はPchトランジスタソースコンタクト領域、109はPchトランジスタボディコンタクト領域、110はゲート電極コンタクト領域、204はSTI、205はNchトランジスタチャネル領域、206はPchトランジスタチャネル領域、207はゲート酸化膜、209はゲート電極シリサイド、210はLDDサイドウォールである。
【0027】
この半導体装置は下記の過程で製造できる。
まず、図3に示すように、シリコン基板401の上のSOI層403においてNchトランジスタ形成領域2N、Pchトランジスタ形成領域2Pに、それぞれNchトランジスタ活性領域301とPchトランジスタ活性領域302のボディコンタクト部となるNchトランジスタ活性領域延長部301A,Pchトランジスタ活性領域延長部302Aの部分も拡張してパターニングし、通常の分離形成プロセスによりBOX膜402を底部とするSTI402Aを形成する。404はパッド酸化膜である。
【0028】
次に図4に示すように、Nchトランジスタ形成領域2NのSOI層403中にNchトランジスタしきい値制御注入を、例えばボロンイオンを加速エネルギー30KeV、ドーズ量5.5×1012個/cm2の条件で注入し、Nchトランジスタしきい値制御層405を形成する。同時に例えばボロンイオンを加速エネルギー150KeV、ドーズ量9.0×1013個/cm2の条件で注入し、Nchトランジスタ形成領域2NのBOX膜402の直下にP型不純物層405Aを形成する。303はNchトランジスタしきい値制御層領域を表す。
【0029】
次に同様にPchトランジスタ形成領域2PのSOI層403中にPchトランジスタしきい値制御注入を、例えばリンイオンを加速エネルギー50KeV、ドーズ量1.2×1012個/cm2の条件で注入し、Pchトランジスタしきい値制御層406を形成する。同時に例えばリンイオンを加速エネルギー330KeV、ドーズ量9.0×1013個/cm2の条件で注入し、Pchトランジスタ形成領域2PのBOX膜402の直下にN型不純物層406Aを形成する。304はPchトランジスタしきい値制御層領域を表す。
【0030】
次に図5に示すように、パッド酸化膜404を除去した後、通常のゲート電極形成プロセスにより、ゲート電極形成領域305をパターニングし、ゲート酸化膜407およびゲート電極408を形成する。
【0031】
次に図6に示すように、ゲート電極408の側面上に酸化膜サイドウォール409を形成した後、リソグラフィー法によりNchトランジスタ形成領域2Nのソース・ドレイン領域とPchトランジスタ活性領域延長部302Aの上に開口を有する第一のレジスト膜410を形成した後、第一のレジスト膜410をマスクとしてNchトランジスタ高濃度ソース・ドレイン注入を例えば砒素イオンを加速エネルギー70KeV、ドーズ量3.0×1015個/cm2の条件で注入する。その際、Pchトランジスタ活性領域延長部302Aのボディコンタクト部となるSOI層403には高濃度N型ボディコンタクト拡散層406Bが形成される。306はn型ソース・ドレイン領域となる高濃度N型不純物注入領域、307は第一のレジスト膜形成領域である。
【0032】
次に図7に示すように、第一のレジスト膜410を除去した後、リソグラフィー法によりPchトランジスタ形成領域2Pのソース・ドレイン領域とNchトランジスタ活性領域延長部301Aの上に開口を有する第二のレジスト膜411を形成した後、第二のレジスト膜411をマスクとして、Pchトランジスタ高濃度ソース・ドレイン注入を例えばボロンイオンを加速エネルギー10KeV、ドーズ量2.0×1015個/cm2の条件で注入する。その際、Nchトランジスタ活性領域延長部301Aのボディコンタクト部となるSOI層403には高濃度P型ボディコンタクト拡散層405Bが形成される。308は第二のレジスト膜形成領域、309はp型ソース・ドレイン領域となる高濃度P型不純物注入領域である。
【0033】
次に図8に示すように、第二のレジスト膜411を除去し、ゲート電極408の上にコバルトシリサイド層412を形成した後、基板上の全面に配線層間酸化膜413を、例えばBPSG膜を1300nmデポしCMP法により800nmまで研磨して形成する。
【0034】
次にNchトランジスタボディコンタクト領域310、Nchトランジスドレインコンタクト領域311、Nchトランジスタソースコンタクト領域312、Pchトランジスタボディコンタクト領域313、Pchトランジスドレインコンタクト領域314、Pchトランジスタソースコンタクト領域315、ゲート電極コンタクト領域316にコンタクトホールを形成する。
【0035】
例えば、ゲート電極コンタクト領域316では配線層間酸化膜413をシリサイド層412が露出するまでエッチングし、ゲート電極コンタクトホール415を形成する。Nchトランジスタボディコンタクト領域310とPchトランジスタボディコンタクト領域313では、配線層間酸化膜413をSOI層403が露出するまでエッチングした後、SOI層403の高濃度P型ボディコンタクト拡散層405B、高濃度N型ボディコンタクト拡散層406Bをそれぞれ貫いてエッチングし、連続してBOX膜402をシリコン基板401に到達するまでエッチングし、Nchトランジスタボディコンタクトホール414、Pchトランジスタボディコンタクトホール416を形成する。
【0036】
次に図9に示すように、ゲート電極コンタクトホール415、Nchトランジスタボディコンタクトホール414、Pchトランジスタボディコンタクトホール416内に、例えばチタンとチタンナイトライドをスパッタ法により埋め込み、連続して例えばタングステンを埋め込み、CMP法により研磨して充填して、第一金属膜となるNchトランジスタボディコンタクト417A,ゲート電極コンタクト418A,Pchトランジスタボディコンタクト419Aを形成する。
【0037】
次に、第二の金属膜としての例えばチタンナイトライドとアルミニウムをスパッタ法によりデポし、リソグラフィー法によりパターニング、ドライエッチング法によりエッチングしてNchトランジスタボディコンタクト電極417、ゲート電極コンタクト電極418、Pchトランジスタボディコンタクト電極419を形成する。
【0038】
従来であれば、チャネル領域はトランジスタごとに独立しており、それぞれNchトランジスタボディコンタクト電極417、Pchトランジスタボディコンタクト電極419に電位をあたえないと電圧制御できない。また、SOI層403とシリコン基板401が分離されており、工程途中でダメージを受けた場合ゲート酸化膜410とBOX膜402が直列の容量として存在し、BOX膜402が過剰のダメージを受けやすくなる。ダメージを受けたBOX膜402は、局所的に弱い部分でサージ破壊が起こり、それに誘発されてゲート酸化膜410のサージ破壊が発生する問題があったが、この実施の形態の半導体装置では、図9に示すようにSOIデバイスにおいて、Nchトランジスタボディコンタクト電極417に電位を与えることで、P型不純物層405Aを介してNchトランジスタしきい値制御層405が同電位になり、P型不純物層405Aを介して隣接するNchトランジスタのしきい値制御層を同電位にすることができる。
【0039】
具体的には、P型不純物層405Aは図1と図2に示すP型不純物層205Aであって、P型不純物層205Aは図2に示すように隣接するNchトランジスタの下層にも形成されており、上記のようにP型不純物層405Aを介してNchトランジスタしきい値制御層405が同電位になる。
【0040】
同様に、Pchトランジスタボディコンタクト電極419に電位を与えることで、N型不純物層406Aを介してPchトランジスタしきい値制御層406が同電位になり、N型不純物層406Aを介して隣接するPchトランジスタしきい値制御層を同電位にすることができる。
【0041】
具体的には、N型不純物層406Aは図1と図2に示すN型不純物層206Aであって、N型不純物層206Aは図2に示すように隣接するPchトランジスタの下層にも形成されており、上記のようにN型不純物層406Aを介してPchトランジスタしきい値制御層406が同電位になる。
【0042】
よって、ひとつのボディコンタクト電極を電圧制御するだけで全てのトランジスタのチャネル部の電位制御が可能となる。
また、Nchトランジスタボディコンタクト電極417と高濃度P型ボディコンタクト拡散層405Bにより、NchトランジスタのSOI層403とシリコン基板401が製造工程中で同電位になり、同様に、Pchトランジスタボディコンタクト電極419と高濃度N型ボディコンタクト拡散層406Bにより、PchトランジスタのSOI層403とシリコン基板401が製造工程中で同電位になる。そのため、工程途中のダメージがBOX膜402に直接付加されることなく、BOX膜402の局所的に弱い部分がサージ破壊を起こさないで、ゲート酸化膜409の誘発破壊が発生しない。
【0043】
なお、上記の実施の形態では、P型不純物層205AとN型不純物層206Aの両方を設けた場合を例に挙げて説明したが、P型不純物層205Aは設けなくても動作は可能である。
【0044】
【発明の効果】
以上のように本発明は、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された半導体層とからなるSOI構造の基板を有し、前記半導体層上に形成されたMISトランジスタを有する半導体装置において、Nchトランジスタボディコンタクト電極に電位を与えることで、高濃度P型ボディコンタクト拡散層とシリコン基板を介して隣接するNchトランジスタのチャネル領域の電位を全て固定できる。
【0045】
同様に、Pchトランジスタボディコンタクト電極に電位を与えることで、高濃度N型ボディコンタクト拡散層とシリコン基板を介して隣接するPchトランジスタのチャネル領域の電位を全て固定できる。
【0046】
また、Nchトランジスタボディコンタクト電極により、NchトランジスタのSOI層とシリコン基板が配線工程中で同電位になり、同様に、Pchトランジスタボディコンタクト電極により、PchトランジスタのSOI層とシリコン基板が配線工程中で同電位になる。そのため、工程途中のダメージがBOX膜に直接付加されることなく、BOX膜の局所的に弱い部分がサージ破壊を起こさないで、ゲート酸化膜の誘発破壊を起こさない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の実施の形態における領域平面図および断面図
【図2】同実施の形態の隣接して形成された同一(N型)導電型トランジスタとシリコン基板に形成された不純物層205Aとの位置関係、ならびに隣接して形成された同一(P型)導電型トランジスタとシリコン基板に形成された不純物層206Aとの位置関係を示す平面図
【図3】同実施の形態の製造方法の製造過程において、シリコン基板401にNchトランジスタ活性領域延長部301A,Pchトランジスタ活性領域延長部302Aを拡張してパターニングし、BOX膜402を底部とするSTI402Aを形成した領域平面図および断面図
【図4】同実施の形態の製造方法の製造過程において、図3の工程の後、Nchトランジスタしきい値制御層405とP型不純物層405A、ならびにPchトランジスタしきい値制御層406とN型不純物層406Aを形成した領域平面図および断面図
【図5】同実施の形態の製造方法の製造過程において、図4の工程の後、ゲート電極形成領域305をパターニングしてゲート電極408を形成した領域平面図および断面図
【図6】同実施の形態の製造方法の製造過程において、図5の工程の後、Pchトランジスタ活性領域延長部302Aのボディコンタクト部となるSOI層403に高濃度N型ボディコンタクト拡散層406Bを形成した領域平面図および断面図
【図7】同実施の形態の製造方法の製造過程において、図6の工程の後、Nchトランジスタ活性領域延長部301Aのボディコンタクト部となるSOI層403に高濃度P型ボディコンタクト拡散層405Bを形成した領域平面図および断面図
【図8】同実施の形態の製造方法の製造過程において、図7の工程の後、Nchトランジスタボディコンタクトホール414、Pchトランジスタボディコンタクトホール416を形成した領域平面図および断面図
【図9】同実施の形態の製造方法の製造過程において、図8の工程の後、各コンタクトホールに金属膜を充填してNchトランジスタボディコンタクト電極417、ゲート電極コンタクト電極418、Pchトランジスタボディコンタクト電極419を形成した領域平面図および断面図
【図10】従来のSOI構造の半導体装置の領域平面図および構造断面図
【符号の説明】
1N Nchトランジスタ形成領域
1P Pchトランジスタ形成領域
101 Nchトランジスタ活性領域
101A Nchトランジスタ活性領域延長部
102 Pchトランジスタ活性領域
102A Pchトランジスタ活性領域延長部
103 ゲート電極領域
104 Nchトランジスタボディコンタクト領域
105 Nchトランジスタドレインコンタクト領域
105A Nchトランジスタドレイン領域
106 Nchトランジスタソースコンタクト領域
106A Nchトランジスタソース領域
107 Pchトランジスタドレインコンタクト領域
107A Pchトランジスタドレイン領域
108 Pchトランジスタソースコンタクト領域
108A Pchトランジスタソース領域
109 Pchトランジスタボディコンタクト領域
110 ゲート電極コンタクト領域
201 シリコン基板
202 BOX膜
203 SOI層
204 STI
205 Nchトランジスタチャネル領域
206 Pchトランジスタチャネル領域
205A P型不純物層
205B 高濃度のP型拡散層
206A N型不純物層
206B 高濃度のN型拡散層
207 ゲート酸化膜
208 ゲート電極
209 ゲート電極シリサイド
210 LDDサイドウォール
211 配線層間膜
212 Nchトランジスタボディコンタクト用金属電極
213 ゲート電極用金属電極
214 Pchトランジスタボディコンタクト用金属電極
215 コンタクトホール
216 金属膜
217 コンタクトホール
218 金属膜
2N Nchトランジスタ形成領域
2P Pchトランジスタ形成領域
301 Nchトランジスタ活性領域
301A Nchトランジスタ活性領域延長部
302 Pchトランジスタ活性領域
302A Pchトランジスタ活性領域延長部
303 Nchトランジスタしきい値制御層領域
304 Pchトランジスタしきい値制御層領域
305 ゲート電極形成領域
306 高濃度N型不純物注入領域
307 第一のレジスト膜形成領域
308 第二のレジスト膜形成領域
309 高濃度P型不純物注入領域
310 Nchトランジスタボディコンタクト領域
311 Nchトランジスドレインコンタクト領域
312 Nchトランジスタソースコンタクト領域
313 Pchトランジスタボディコンタクト領域
314 Pchトランジスドレインコンタクト領域
315 Pchトランジスタソースコンタクト領域
316 ゲート電極コンタクト領域
401 シリコン基板
402 BOX膜
402A STI
403 SOI層
404 パッド酸化膜
405 Nchトランジスタしきい値制御層
405A P型不純物層
405B 高濃度P型ボディコンタクト拡散層(高濃度P型不純物層)
406 Pchトランジスタしきい値制御層
406A N型不純物層
406B 高濃度N型ボディコンタクト拡散層(高濃度N型不純物層)
407 ゲート酸化膜
408 ゲート電極
409 酸化膜サイドウォール
410 第一のレジスト膜
411 第二のレジスト膜
412 コバルトシリサイド層
413 配線層間酸化膜
414 Nchトランジスタボディコンタクトホール
415 ゲート電極コンタクトホール
416 Pchトランジスタボディコンタクトホール
417 Nchトランジスタボディコンタクト電極
417A Nchトランジスタボディコンタクト
418 ゲート電極コンタクト電極
418A ゲート電極コンタクト
419 Pchトランジスタボディコンタクト電極
419A Pchトランジスタボディコンタクト[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, in the field of semiconductor devices, high-speed operation and low power consumption due to rapid miniaturization have been advanced. However, the process using a conventional bulk silicon wafer has reached its limit, and a next-generation device using an SOI (Silicon on Insulator) wafer is expected.
[0003]
This is an LSI in which an ultra-thin single-crystal silicon layer is formed on an insulating layer and a CMOS is formed thereon. Compared with an LSI on a conventional silicon substrate, the operation speed is easily increased and power consumption is reduced. It is easy to perform, and latch-up can be prevented.
[0004]
10 (a) and 10 (b) show a conventional SOI transistor, FIG. 10 (b) is a cross-sectional view, and FIG. 10 (a) is a plan view of a region near a surface indicated by an arrow XX ', which is a silicon substrate. 7, an
[0005]
1 is an active region extension, 2 is a gate electrode extension, 3 is a body contact region, 4A is a drain region, 4 is a drain contact region, 5A is a source region, 5 is a source contact region, 6 is a gate contact region, 8 is A buried oxide film (BOX film), 10 is a shallow trench isolation (STI), 11 is a channel region, 12 is a gate oxide film, 13 is a gate electrode, 14 is a body contact electrode, and 15 is a gate contact electrode.
[0006]
As described above, when the shallow trench isolation 10 (hereinafter, referred to as STI) is formed due to the presence of the buried oxide film 8 (hereinafter, referred to as BOX film), the
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above configuration, the
[0008]
In addition, the
[0009]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a SOI device that can control the potential of a channel region with only one electrode, completely prevent a gate oxide film breakdown induced by a BOX film breakdown without causing a surge breakdown of a BOX film. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can be suppressed and a method for manufacturing the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
To achieve this object, a semiconductor device according to
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, by applying a potential to the body contact electrode, the potential of the channel region in the active region of the adjacent MIS transistor of the same conductivity type can be simultaneously fixed.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first or second aspect, the n-type MIS transistor includes an n-type MIS transistor, and an n-type transistor formation region in which a plurality of the n-type MIS transistors are formed. A P-type impurity layer is provided on the silicon substrate located immediately below the contact hole of the n-type MIS transistor, and body contact electrodes of the plurality of n-type MIS transistors are provided via the P-type impurity layer. It is characterized by being electrically connected.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, a p-type MIS transistor is provided as the MIS transistor, and a plurality of the p-type MIS transistors are formed. In the P-type transistor forming region, an N-type impurity layer is provided on the silicon substrate located immediately below the contact hole of the p-type MIS transistor, and a plurality of the p-type MIS transistors are provided via the N-type impurity layer. Are electrically connected to each other.
[0014]
According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the first to fourth aspects, the n-type MIS transistor includes an n-type MIS transistor and a p-type MIS transistor as the MIS transistor. A high-concentration P-type impurity layer having the same implantation dose as the high-concentration source / drain region of the p-type MIS transistor is formed in the active-region extension of the p-type MIS transistor. Is characterized in that a high-concentration N-type impurity layer having the same implantation dose as the high-concentration source / drain region of the n-type MIS transistor is formed.
[0015]
The method of manufacturing a semiconductor device according to
[0016]
According to a seventh aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the sixth aspect, the MIS transistor includes an n-type MIS transistor, and after the step (b) and before the step (c), Forming a p-type impurity layer on the silicon substrate immediately below the insulating layer in an n-type transistor formation region where the n-type MIS transistor is formed; The contact hole is formed so as to reach the P-type impurity layer, and in the step (d), the body contact electrode of the n-type MIS transistor is formed so as to be connected to the P-type impurity layer. And
[0017]
According to a eighth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the sixth or seventh aspect, a p-type MIS transistor is provided as the MIS transistor, and the step (c) is performed after the step (b). Forming an N-type impurity layer on the silicon substrate immediately below the insulating layer in a P-type transistor formation region where the p-type MIS transistor is formed, and in the step (c), Forming the contact hole of the p-type MIS transistor so as to reach the n-type impurity layer; and forming the body contact electrode of the p-type MIS transistor so as to connect to the n-type impurity layer in the step (d). It is characterized by doing.
[0018]
According to a ninth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of the sixth to eighth aspects, the method further comprises: as the MIS transistor, an n-type MIS transistor and a p-type MIS transistor; ), Before the step (c), simultaneously ion-implanting P-type impurities into the active region extension of the n-type MIS transistor and the source / drain region of the p-type MIS transistor; A step of simultaneously ion-implanting N-type impurities into the active region extension of the transistor and the source / drain regions of the n-type MIS transistor.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a semiconductor device and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0020]
FIG. 1 shows a substrate having an SOI structure including a silicon substrate, an insulating layer formed on the silicon substrate, and a semiconductor layer formed on the insulating layer, and an MIS transistor formed on the semiconductor layer. FIGS. 3A to 9 show a region plan view (a) and a cross-sectional view (b) of the semiconductor device in the manufacturing process.
[0021]
First, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, in an SOI structure substrate, an Nch transistor
[0022]
The
[0023]
Similarly, a Pch transistor active
[0024]
A
[0025]
Further, the
[0026]
Note that 104 is an Nch transistor body contact region, 105A is an Nch transistor drain region, 105 is an Nch transistor drain contact region, 106A is an Nch transistor source region, 106 is an Nch transistor source contact region, 107A is a Pch transistor drain region, and 107 is Pch Transistor drain contact region, 108A is a Pch transistor source region, 108 is a Pch transistor source contact region, 109 is a Pch transistor body contact region, 110 is a gate electrode contact region, 204 is an STI, 205 is an Nch transistor channel region, 206 is a Pch transistor A channel region, 207 is a gate oxide film, 209 is a gate electrode silicide, and 210 is an LDD sidewall. Is Lumpur.
[0027]
This semiconductor device can be manufactured by the following process.
First, as shown in FIG. 3, the body contact portions of the Nch transistor
[0028]
Next, as shown in FIG. 4, Nch transistor threshold value control implantation is performed in the
[0029]
Next, similarly, Pch transistor threshold value control implantation is performed in the
[0030]
Next, as shown in FIG. 5, after removing the
[0031]
Next, as shown in FIG. 6, after an
[0032]
Next, as shown in FIG. 7, after removing the first resist
[0033]
Next, as shown in FIG. 8, after removing the second resist
[0034]
Next, the Nch transistor
[0035]
For example, in the gate
[0036]
Next, as shown in FIG. 9, for example, titanium and titanium nitride are buried in the gate
[0037]
Next, for example, titanium nitride and aluminum as a second metal film are deposited by sputtering, patterned by lithography, and etched by dry etching to form an Nch transistor body contact electrode 417, a gate
[0038]
Conventionally, the channel region is independent for each transistor, and voltage control cannot be performed unless a potential is applied to the Nch transistor body contact electrode 417 and the Pch transistor body contact electrode 419, respectively. Further, the
[0039]
Specifically, the P-
[0040]
Similarly, by applying a potential to the Pch transistor body contact electrode 419, the Pch transistor
[0041]
Specifically, the N-
[0042]
Therefore, it is possible to control the potentials of the channel portions of all the transistors only by controlling the voltage of one body contact electrode.
Further, the Nch transistor body contact electrode 417 and the high-concentration P-type body
[0043]
Note that, in the above-described embodiment, the case where both the P-
[0044]
【The invention's effect】
As described above, the present invention includes a substrate having an SOI structure including a silicon substrate, an insulating layer formed on the silicon substrate, and a semiconductor layer formed on the insulating layer, and formed on the semiconductor layer. By applying a potential to the Nch transistor body contact electrode in the semiconductor device having the MIS transistor described above, all the potentials of the channel region of the Nch transistor adjacent to the high-concentration P-type body contact diffusion layer via the silicon substrate can be fixed.
[0045]
Similarly, by applying a potential to the body contact electrode of the Pch transistor, it is possible to fix all the potentials of the channel region of the Pch transistor adjacent to the high concentration N-type body contact diffusion layer via the silicon substrate.
[0046]
Also, the Nch transistor body contact electrode makes the SOI layer of the Nch transistor and the silicon substrate have the same potential during the wiring process. Similarly, the Pch transistor body contact electrode connects the SOI layer of the Pch transistor and the silicon substrate during the wiring process. It becomes the same potential. Therefore, damage during the process is not directly added to the BOX film, and a locally weak portion of the BOX film does not cause a surge breakdown and does not cause a gate oxide film induced breakdown.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view and a sectional view of a region in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 shows a positional relationship between an identical (N-type) conductive transistor formed in the same embodiment and an
FIG. 3 shows an
FIG. 4 is a cross-sectional view of the manufacturing method of the embodiment after the step of FIG. 3 after the step of FIG. 3; Plan view and cross-sectional view of region where
FIG. 5 is a plan view and a cross-sectional view of a region in which a
FIG. 6 shows that, in the manufacturing process of the manufacturing method according to the embodiment, after the step of FIG. Plan view and sectional view of formed area
FIG. 7 shows that in the manufacturing process of the manufacturing method of the embodiment, after the step of FIG. Plan view and sectional view of formed area
8 is a plan view and a cross-sectional view of a region where an Nch transistor
FIG. 9 is a view showing a step of FIG. 8 in which a metal film is filled in each contact hole to form an Nch transistor body contact electrode 417, a gate
FIG. 10 is a plan view and a sectional view of a region of a conventional semiconductor device having an SOI structure.
[Explanation of symbols]
1N Nch transistor formation region
1P Pch transistor formation region
101 Nch transistor active region
101A Nch transistor active area extension
102 Pch transistor active area
102A Pch transistor active area extension
103 Gate electrode area
104 Nch transistor body contact region
105 Nch transistor drain contact region
105A Nch transistor drain region
106 Nch transistor source contact area
106A Nch transistor source region
107 Pch transistor drain contact region
107A Pch transistor drain region
108 Pch transistor source contact area
108A Pch transistor source region
109 Pch transistor body contact region
110 Gate electrode contact area
201 Silicon substrate
202 Box film
203 SOI layer
204 STI
205 Nch transistor channel region
206 Pch transistor channel region
205A P-type impurity layer
205B High concentration P-type diffusion layer
206A N-type impurity layer
206B High concentration N-type diffusion layer
207 Gate oxide film
208 Gate electrode
209 Gate electrode silicide
210 LDD sidewall
211 Wiring interlayer film
212 Metal electrode for Nch transistor body contact
213 Metal electrode for gate electrode
214 metal electrode for Pch transistor body contact
215 Contact hole
216 Metal film
217 Contact hole
218 metal film
2N Nch transistor formation region
2P Pch transistor formation region
301 Nch transistor active area
301A Nch transistor active area extension
302 Pch transistor active area
302A Pch transistor active area extension
303 Nch transistor threshold control layer region
304 Pch transistor threshold control layer region
305 Gate electrode formation area
306 High concentration N-type impurity implantation region
307 First resist film formation area
308 Second resist film formation area
309 High-concentration P-type impurity implantation region
310 Nch transistor body contact region
311 Nch transistor drain contact region
312 Nch transistor source contact area
313 Pch transistor body contact region
314 Pch transistor drain contact region
315 Pch transistor source contact area
316 gate electrode contact area
401 silicon substrate
402 BOX film
402A STI
403 SOI layer
404 pad oxide film
405 Nch transistor threshold control layer
405A P-type impurity layer
405B High concentration P type body contact diffusion layer (High concentration P type impurity layer)
406 Pch transistor threshold control layer
406A N-type impurity layer
406B High concentration N-type body contact diffusion layer (High concentration N-type impurity layer)
407 Gate oxide film
408 gate electrode
409 Oxide sidewall
410 First resist film
411 Second resist film
412 Cobalt silicide layer
413 Oxide film between wiring layers
414 Nch transistor body contact hole
415 Gate electrode contact hole
416 Pch transistor body contact hole
417 Nch transistor body contact electrode
417A Nch transistor body contact
418 gate electrode contact electrode
418A Gate electrode contact
419 Pch transistor body contact electrode
419A Pch transistor body contact
Claims (9)
前記半導体層からなる活性領域と、
前記活性領域を拡張した前記半導体層からなる活性領域延長部と、
前記活性領域延長部のボディコンタクト領域に位置する前記半導体層および前記絶縁層を貫通して設けられた前記シリコン基板に到達するコンタクトホールと、
前記コンタクトホール内に充填された金属膜からなるボディコンタクト電極とを備えている半導体装置。A semiconductor device having an SOI structure substrate including a silicon substrate, an insulating layer formed on the silicon substrate, and a semiconductor layer formed on the insulating layer, and having an MIS transistor formed on the semiconductor layer At
An active region comprising the semiconductor layer;
An active region extension portion made of the semiconductor layer in which the active region is extended;
A contact hole reaching the silicon substrate provided through the semiconductor layer and the insulating layer located in the body contact region of the active region extension;
And a body contact electrode made of a metal film filled in the contact hole.
請求項1記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein by applying a potential to said body contact electrode, a potential of a channel region in an active region of an adjacent MIS transistor of the same conductivity type can be simultaneously fixed.
複数の前記n型MISトランジスタが形成されたN型トランジスタ形成領域では、前記n型MISトランジスタの前記コンタクトホールの直下に位置する前記シリコン基板にP型不純物層が設けられており、前記P型不純物層を介して複数の前記n型MISトランジスタのボディコンタクト電極が電気的に接続されていることを特徴とする
請求項1または請求項2に記載の半導体装置。An n-type MIS transistor as the MIS transistor;
In an N-type transistor formation region in which the plurality of n-type MIS transistors are formed, a P-type impurity layer is provided on the silicon substrate located immediately below the contact hole of the n-type MIS transistor, and the P-type impurity layer is provided. 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the body contact electrodes of the plurality of n-type MIS transistors are electrically connected via a layer.
複数の前記p型MISトランジスタが形成されたP型トランジスタ形成領域では、前記p型MISトランジスタの前記コンタクトホールの直下に位置する前記シリコン基板にN型不純物層が設けられており、前記N型不純物層を介して複数の前記p型MISトランジスタのボディコンタクト電極が電気的に接続されていることを特徴とする
請求項1〜請求項3のうちのいずれかに記載の半導体装置。A p-type MIS transistor as the MIS transistor;
In a P-type transistor formation region in which the plurality of p-type MIS transistors are formed, an N-type impurity layer is provided on the silicon substrate located immediately below the contact hole of the p-type MIS transistor, and the N-type impurity 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the body contact electrodes of the plurality of p-type MIS transistors are electrically connected via a layer.
前記n型MISトランジスタの活性領域延長部には、前記p型MISトランジスタの高濃度ソース・ドレイン領域と同じ注入ドーズ量を有する高濃度P型不純物層が形成されており、
前記p型MISトランジスタの活性領域延長部には、前記n型MISトランジスタの高濃度ソース・ドレイン領域と同じ注入ドーズ量を有する高濃度N型不純物層が形成されていることを特徴とする
請求項1〜請求項4のうちのいずれかに記載の半導体装置。The MIS transistor includes an n-type MIS transistor and a p-type MIS transistor,
A high-concentration P-type impurity layer having the same implantation dose as the high-concentration source / drain region of the p-type MIS transistor is formed in the active region extension of the n-type MIS transistor,
The high-concentration N-type impurity layer having the same implantation dose as the high-concentration source / drain region of the n-type MIS transistor is formed in the active region extension of the p-type MIS transistor. The semiconductor device according to claim 1.
前記半導体層をパターニングして、前記MISトランジスタの活性領域及び前記活性領域を拡張した活性領域延長部を形成する工程(a)と、
前記活性領域および前記活性領域延長部を取り囲み、前記絶縁層を底部とするトレンチ分離領域を形成する工程(b)と、
前記活性領域延長部のボディコンタクト領域に位置する前記半導体層および前記絶縁層を貫通し、前記シリコン基板に到達するコンタクトホールを形成する工程(c)と、
前記コンタクトホール内に金属膜からなるボディコンタクト電極を形成する工程(d)と
を備えている半導体装置の製造方法。In a method for manufacturing a semiconductor device having a MIS transistor using a substrate having an SOI structure including a silicon substrate, an insulating layer formed on the silicon substrate, and a semiconductor layer formed on the insulating layer,
Patterning the semiconductor layer to form an active region of the MIS transistor and an active region extension extending the active region (a);
(B) forming a trench isolation region surrounding the active region and the active region extension and having the insulating layer as a bottom;
Forming a contact hole penetrating through the semiconductor layer and the insulating layer located in the body contact region of the active region extension and reaching the silicon substrate;
Forming a body contact electrode made of a metal film in the contact hole (d).
前記工程(b)の後で前記工程(c)の前に、前記n型MISトランジスタが形成されるN型トランジスタ形成領域の前記絶縁層の直下の前記シリコン基板にP型不純物層を形成する工程を有し、
前記工程(c)では、前記n型MISトランジスタの前記コンタクトホールが前記P型不純物層に到達するように形成し、
前記工程(d)では、前記n型MISトランジスタの前記ボディコンタクト電極が前記P型不純物層に接続するように形成することを特徴とする
請求項6記載の半導体装置の製造方法。An n-type MIS transistor as the MIS transistor;
Forming a P-type impurity layer on the silicon substrate immediately below the insulating layer in an N-type transistor formation region where the n-type MIS transistor is formed after the step (b) and before the step (c); Has,
In the step (c), the contact hole of the n-type MIS transistor is formed so as to reach the P-type impurity layer,
7. The method according to claim 6, wherein in the step (d), the body contact electrode of the n-type MIS transistor is formed so as to be connected to the P-type impurity layer.
前記工程(b)の後で前記工程(c)の前に、前記p型MISトランジスタが形成されるP型トランジスタ形成領域の前記絶縁層の直下の前記シリコン基板にN型不純物層を形成する工程を有し、
前記工程(c)では、前記p型MISトランジスタの前記コンタクトホールが前記N型不純物層に到達するように形成し、
前記工程(d)では、前記p型MISトランジスタの前記ボディコンタクト電極が前記N型不純物層に接続するように形成することを特徴とする
請求項6または請求項7に記載の半導体装置の製造方法。A p-type MIS transistor as the MIS transistor;
Forming an N-type impurity layer on the silicon substrate immediately below the insulating layer in a P-type transistor formation region where the p-type MIS transistor is formed after the step (b) and before the step (c); Has,
In the step (c), the contact hole of the p-type MIS transistor is formed so as to reach the N-type impurity layer,
8. The method according to claim 6, wherein in the step (d), the body contact electrode of the p-type MIS transistor is formed so as to be connected to the N-type impurity layer. 9. .
前記工程(b)の後で前記工程(c)の前に、前記n型MISトランジスタの活性領域延長部と前記p型MISトランジスタのソース・ドレイン領域の同時にP型不純物をイオン注入する工程と、前記p型MISトランジスタの活性領域延長部と前記n型MISトランジスタのソース・ドレイン領域に同時にN型不純物をイオン注入する工程とを有することを特徴とする
請求項6〜請求項8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。The MIS transistor includes an n-type MIS transistor and a p-type MIS transistor,
After the step (b) and before the step (c), simultaneously ion-implanting a P-type impurity into the active region extension of the n-type MIS transistor and the source / drain region of the p-type MIS transistor; 9. The method according to claim 6, further comprising the step of simultaneously ion-implanting an N-type impurity into the active region extension of the p-type MIS transistor and the source / drain region of the n-type MIS transistor. The manufacturing method of the semiconductor device described in the above.
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