JP2004095567A - Semiconductor device - Google Patents

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mos transistor
insulating film
semiconductor device
drain
gate electrode
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JP2002240667A
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Japanese (ja)
Inventor
Yukio Koiwa
小岩 進雄
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Seiko Instruments Inc
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Seiko Instruments Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure realizing a power management semiconductor device or an analog semiconductor device being fabricated at a low cost in a short term and capable of a low voltage operation while exhibiting low power consumption, high driving power and high accuracy. <P>SOLUTION: The semiconductor device comprises a buried insulating film provided on a supporting substrate, a semiconductor thin film provided on the buried insulating film, and an MOS transistor formed on the semiconductor thin film wherein the buried insulating film is formed thicker beneath the source and drain of the MOS transistor as compared with other regions. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はSOI基板上に構成されたMOS型トランジスタの低電圧動作、低消費電力および高駆動能力が要求される半導体装置、特に電圧検出器(Voltage Detector、以後VDと表記)や定電圧レギュレータ(Voltage Regulator、以後VRと表記)やスイッチングレギュレータ(Switching Regulator、以後SWRと表記)などのパワーマネージメント半導体装置やオペアンプ、コンパレータなどのアナログ半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図4に従来の半導体装置の模式的断面図を示す。支持基板201上に埋め込み絶縁膜222が形成されており、埋め込み絶縁膜222上に半導体薄膜が形成されているSOI構造基板の前記半導体薄膜にNウェル202及びPウェル208が形成されており、Nウェル202にはP+204、PウェルにはN+203が形成されており、Nウェル202及びPウェル208上にはゲート絶縁膜205が形成され、ゲート絶縁膜205上にゲート電極232が形成されている。NMOS213とPMOS212間にはフィールド絶縁膜206が形成されており、フィールド絶縁膜206によりNMOS213とPMOS212の素子分離がなされている。SOI基板を用いることにより、フィールド絶縁膜206と埋め込み絶縁膜222が接触し、電気的に完全分離できるのでソフトエラーフリー及びラッチアップフリーとなる。
【0003】
また、SOI基板を用いることにより寄生容量が低減するので高速ICを実現することが可能となる。さらに、トランジスタ特性の向上により低消費電力ICをも実現することが可能となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の構造による半導体装置において、SOI基板を用いて作製したMOS型トランジスタは高速、低消費電力及びソフトエラーフリー、ラッチアップフリーとなるが、支持基板がゲート電極、埋め込み絶縁膜がゲート絶縁膜となるMOS型トランジスタをも作製することになってしまうため、支持基板電位によりMOS型トランジスタの閾値電圧の変化やI−V特性の変化を引き起こすという問題があり、MOS型トランジスタとフィールド絶縁膜との境界付近は半導体薄膜が薄い低閾値領域となっているため特に特性変動が大きいという問題があった。
【0005】
図5に低閾値電圧領域を有するMOS型トランジスタのI−V特性を示す。図5から低閾値電圧領域の寄生トランジスタが立ちあがった後、ゲート電極下のチャネルがオンしていることが分かる。低閾値電圧領域を有する場合、MOS型トランジスタの消費電流が増加するためIC性能が著しく低下する。
【0006】
支持基板電位を固定することによりMOS型トランジスタの閾値電圧の変化やI−V特性の変化を抑制できるが、相補型MOSトランジスタの場合、支持基板を接地するとP型MOSトランジスタにバックゲートがかかり、支持基板を電源に固定するとN型MOSトランジスタにバックゲートがかかってしまうという問題があった。 P型トランジスタ及びN型トランジスタへの影響がそれぞれ少なくなるように支持基板電位を中間電位に固定することによりMO S型トランジスタのバックゲート現象を緩和できるがバックゲートの影響を無視できるほどではなかった。
【0007】
また、MOS型トランジスタとフィールド絶縁膜との境界の低閾値電圧領域にチャネルストッパを形成することにより、低閾値電圧領域のチャネルカットすることが可能となるためMOS型トランジスタの消費電流の増大を抑制できるが製造工程が増加するという問題があった。
【0008】
本発明は以上のような点に着目してなされたもので、本発明は高速、低消費電力かつ低コスト、高精度な半導体装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は次の手段を用いた。
【0010】
(1)支持基板と、前記支持基板上に設けられた埋め込み絶縁膜と、前記埋め込み絶縁膜上に設けられた半導体薄膜と、前記半導体薄膜に形成したMOS型トランジスタを有する半導体装置において、前記MOS型トランジスタのソース及びドレイン下の前記埋め込み絶縁膜が前記MOS型トランジスタのソース及びドレイン下以外の領域よりも膜厚が厚くなっている半導体装置とした。
【0011】
(2)前記埋め込み絶縁膜の膜厚は、前記MOS型トランジスタと前記フィールド絶縁膜の境界付近において2000〜10000Åであり、前記MOS型トランジスタと前記フィールド絶縁膜の境界付近以外の領域において1000〜5000Åである半導体装置とした。
【0012】
(3)前記MOS型トランジスタは、ソースとドレインがゲート電極と平面的にオーバーラップしている高不純物濃度の拡散層と、ドレイン側のみもしくはソースとドレインの両方が前記高濃度拡散層よりさらにチャネル側に拡散してゲート電極と平面的にオーバラップしている低不純物濃度の拡散層とからなる第一の構造のMOSトランジスタを含む半導体装置とした。
【0013】
(4)前記MOS型トランジスタは、ドレイン側だけがゲート電極と平面的にオーバーラップしているかもしくはソースとドレインの両方がゲート電極と平面的にオーバーラップしている低不純物濃度の拡散層と、ドレイン側だけがゲート電極と平面的にオーバーラップしないかもしくはソースとドレインの両方がゲート電極と平面的にオーバーラップしない高不純物濃度の拡散層とからなり、さらに前記高不純物濃度の拡散層とゲート電極の間の絶縁膜がゲート絶縁膜よりも膜厚が厚い第二の構造のMOSトランジスタを含む半導体装置とした。
【0014】
(5)前記第一の構造のMOSトランジスタおよび前記第ニの構造のMOSトランジスタにおける前記低不純物濃度拡散層の不純物濃度が1×1016〜1×1018atoms/cmであり、前記第一の構造のMOSトランジスタおよび前記第二の構造のMOSトランジスタにおける前記高不純物濃度拡散層の不純物濃度が1×1019atoms/cm以上である半導体装置とした。
【0015】
(6)前記MOS型トランジスタにおけるゲート電極であるN型の導電型のポリシリコンであり、不純物濃度は1×1019atoms/cm以上である半導体装置とした。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0017】
図1は本発明の半導体装置の第一の実施例を示す模式的断面図である。本発明の第一の実施例の半導体装置は、支持基板101、例えば高抵抗シリコン基板上に埋め込み絶縁膜122、例えばシリコン酸化膜が形成されており、埋め込み酸化膜122上に半導体薄膜、例えばシリコン薄膜が形成されているSOI基板に、Nウェル102、P+104、ゲート酸化膜105、ゲート電極107、P−120とにより構成されるDouble Diffused Drain(DDD)構造のPMOS112とPウェル108、N+103、ゲート酸化膜105、ゲート電極107、N−109とにより構成されるNMOS113とからなる相補型MOSトランジスタと、フィールド絶縁膜106とから構成されている。ゲート電極はポリシリコンにより形成されており不純物濃度は、ゲート電極シート抵抗を低くするため1×1018atoms/cm以上が好ましく、ゲート電極107はリンまたは砒素などのドナー不純物を含む。
【0018】
図1に示すMOS型トランジスタ構造は例えば低不純物濃度の拡散層をイオン注入法と熱処理により選択的に形成した後、高不純物濃度の拡散層を設けることで形成される。低不純物濃度の拡散層は、PMOS112のP−120の場合には不純物としてボロンないしはBFを用い濃度はホットキャリア及び耐圧の観点から1×1016〜1×1018atoms/cm程度が好ましく、NMOS113のN−の場合には不純物としてリンないしは砒素を用い濃度はホットキャリア及び耐圧の観点から1×1016〜1×1018atoms/cm程度が好ましい。高不純物濃度の拡散層は、PMOS112のP+104の場合には不純物としてボロンないしはBFを用い濃度はシート抵抗を低くするため、1×1019atoms/cm以上が好ましく、NMOS113のN+103の場合には不純物としてリンないしは砒素を用い濃度はシート抵抗を低くするため、1×1019atoms/cm以上が好ましい。
【0019】
薄い拡散層N−109、P−120と濃い拡散層N+103、P+104のチャネル側への横方向拡散量の差は通常は0.2μmから1μm程度である。図1においてはNMOS113及びPMOS112の片側だけがDDD構造となっているが、素子の回路での使用方法によりその回路において適切な構造を選択することができる。標準的には電流方向が双方向でソースとドレインがケースバイケースで入れ替わる両方向に耐圧が必要な場合はソースとドレインの両方をDDD構造とし、電流方向が単方向でソースとドレインが固定しているような場合には実効チャネル長の縮小のため片側すなわちドレイン側だけをDDD構造とする。
【0020】
PMOS112とNMOS113とはフィールド絶縁膜106と埋め込み絶縁膜122が接触することにより電気的完全素子分離を行うことが可能となるため、ソフトエラーフリー及びラッチアップフリーとなる。
【0021】
さらに、SOI基板を用いることにより寄生容量が低減するため高速デバイスとすることが可能となり、弱反転領域特性が向上することから低消費電力が実現できる。
【0022】
埋め込み絶縁膜122のように低閾値電圧領域の酸化膜厚を厚くすることにより低閾値電圧領域の閾値電圧が上がるため、MOS型トランジスタの消費電流を増大させることがなく、製造工程の増大を防ぐことが可能となる。
【0023】
図6は本発明の半導体装置のI−V特性である。図6において、低閾値電圧領域の埋め込み絶縁膜膜厚を厚くすることにより前記低閾値電圧領域の閾値電圧が上がるため、リーク電流低減することが確認できる。
【0024】
埋め込み絶縁膜122の膜厚はMOS型トランジスタとフィールド絶縁膜106との境界付近において、低閾値電圧領域の閾値電圧値及び製造TATの観点から2000〜10000Åが好ましく、MOS型トランジスタとフィールド絶縁膜106との境界付近以外の領域はMOS型トランジスタの性能の観点から1000〜5000Åが好ましい。
【0025】
前記半導体薄膜の膜厚は100〜10000Åとする場合が多く、前記半導体薄膜を薄膜化する場合は低電圧、低消費電力、高速なICを構成することが可能となり、前記半導体薄膜を厚膜化する場合は高耐圧、低消費電力ICを構成することが可能となる。
【0026】
また、本発明の第一の実施例におけるMOS型トランジスタはエンハンスメント型(以後、E型と表記)、ディプリーション型(以後、D型と表記)及び表面チャネル型、埋め込みチャネル型に関わらず、高性能なICを構成できるということは言うまでも無い。
【0027】
次に、本発明を実製品に適用した場合の具体的な効果を図2を用いて説明する。図2は半導体装置による正型VRの構成概要を示す。VRは基準電圧回路123とエラーアンプ124とPMOS出力素子125と抵抗129からなる分圧回路130とからなり、入力端子126に任意の電圧が入力されても常に一定の電圧を必要とされる電流値とともに出力端子128に出力する機能を有する半導体装置である。
【0028】
近年、特に携帯機器向けのVRには入力電圧の低電圧化、低消費電力化、小入出力電位差でも高電流を出力できること、出力電圧の高精度化、低コスト化、小型化などが市場から要求されている。特に低コスト化と小型化は優先度の高い要求である。以上の要求に対し、本発明の構造、すなわち低コストで低しきい値電圧化及び高精度化が可能なCMOSによりエラーアンプやPMOS出力素子や基準電圧回路を構成することにより低電圧動作、低消費電力、出力電圧の高精度化への対応が可能となる。
【0029】
さらに、最も優先度の高い要求である低コスト化、即ちチップサイズの縮小や小型化や高精度化に対して本発明の構造は極めて多大な効果をもたらすことを具体的に説明する。
【0030】
VRは数十mAから数百mAの電流を出力するが、それはPMOS出力素子の駆動能力に100%依存し、製品によってはチップ面積のほぼ半分をPMOS出力素子が占める場合がある。従ってこのPMOS出力素子のサイズを如何に縮小できるかが低コスト化および小型化のキーとなる。
【0031】
一方、入力電圧の低電圧化の要求と小入出力電位差下で高電流出力の市場要求も強いことは述べたが、これはPMOS出力素子においてゲートに印加される電圧が小さくかつソースとドレイン間電圧が小さい非飽和動作モードにおいて高電流であることを指す。
【0032】
非飽和動作におけるMOSトランジスターのドレイン電流は
Id=(μ・Cox・W/L)×{(Vgs−Vth) −1/2・Vds }×Vds  −(1)式
Id:ドレイン電流
μ:移動度
Cox:ゲート絶縁膜容量
W:チャネル幅
L:チャネル長
Vgs:ゲート・ソース間電圧
Vth:しきい値電圧
Vds:ドレイン・ソース間電圧
で表される。
【0033】
面積を増やさず、VgsやVdsが小さくても十分大きいドレインとするには、(1)式よりチャネル長の縮小並びにVthの低下、さらに移動度の向上を行う必要がある。
【0034】
本発明のSOI基板を用いて低閾値電圧領域の埋め込み絶縁膜厚を厚くしたMOS型トランジスタ構造は、オフ時のリーク電流を抑制したまま閾値電圧の低電圧化並びにチャネル長の縮小が行なえ、さらに寄生抵抗の低下により移動度向上するため、上記のVRの低コスト化および小型化、高精度化に対して非常に有効な手段であることが理解されよう。
【0035】
さらに、本発明のSOI基板を用いて低閾値電圧領域の埋め込み絶縁膜厚を厚くしたMOS型トランジスタ構造により、PMOSのE/D型基準電圧回路も実用可能となる。従ってE/D型による基準電圧回路においてNMOSもしくはPMOSのどちらもが選択が可能であり、回路設計における自由度が増えるという利点も本発明は有している。
【0036】
以上、VRにおける本発明の効果を説明したが、やはり高出力素子を搭載するSWRや低電圧動作、低消費電力、低コスト、小型化、高精度化などの要求が強いVDにおいても、本発明の適用によりVRと同様に多大な効果が得られることも言及しておく。
【0037】
図3は本発明の半導体装置の第二の実施例を示す模式的断面図である。埋め込み絶縁膜は低閾値電圧領域の埋め込み絶縁膜厚を厚くした構造であり、図1に示した実施例と同様な低電圧動作、低消費電力、低コスト、高精度の効果を有するが、さらにMOS型トランジスタはソースとドレインもしくはドレインだけを不純物濃度の薄い拡散層P−120及びN−109とし、ソースとドレインもしくはドレインだけをゲート電極から距離をおいてかつその間に厚い絶縁膜114を設けて形成された不純物濃度の濃い拡散層P+104及びN+103としたMOSトランジスタ構造としている。図3に示した構造は、高不純物濃度拡散層とゲート電極の間に厚い絶縁膜が設けられていることから電界緩和の効果は大きく高耐圧動作、例えば数十Vから数百Vの動作に対応できるというメリットがある。しかし素子サイズを小さくできないという欠点ももつ。
【0038】
図3に示す構造は、例えば低不純物濃度の拡散層を選択的に形成した後、素子分離のためのいわゆるLOCOS形成と同時にゲート電極とソースとドレインもしくはゲート電極とドレインの間となる部分に厚い絶縁膜を形成し、ゲート電極を形成後、高不純物濃度の拡散層を設けることで形成される。低不純物濃度の拡散層は、PMOS112のP−120の場合には不純物としてボロンないしはBFを用い濃度は耐圧の観点から、1×1016〜1×1018atoms/cm程度が好ましく、NMOS113のN−109の場合には不純物としてリンないしは砒素を用い濃度は耐圧の観点から1×1016〜1×1018atoms/cm程度が好ましい。高不純物濃度の拡散層は、PMOS112のP+104の場合には不純物としてボロンないしはBFを用い濃度はシート抵抗を低くするため、1×1019atoms/cm以上が好ましく、NMOS113のN+103の場合には不純物としてリンないしは砒素を用い濃度はシート抵抗を低くするため、1×1019atoms/cm以上が好ましい。
【0039】
ゲート電極とドレインの間に形成されている絶縁膜の厚さは通常は素子分離用のフィールド酸化膜と同じ数千Åから1μm前後の厚みであり、ゲート電極から高不純物濃度拡散までの距離は半導体装置に入力される電圧にもよるが通常は1μm前後から数μmである。図3においてはPMOS112の片側だけが高耐圧構造となっているが、素子の回路での使用方法によりその回路において適切な構造を選択することができる。標準的には電流方向が双方向でソースとドレインがケースバイケースで入れ替わる両方向に耐圧が必要な場合はソースとドレインの両方を高耐圧構造とし、電流方向が単方向でソースとドレインが固定しているような場合には寄生抵抗の削減のため片側すなわちドレイン側だけを高耐圧構造とする。
【0040】
本発明の第一及び第二の実施例において様々な構造のMOS型トランジスタを示したが、半導体装置に要求される仕様と各素子構造の特徴を考慮して適切な組み合わせによりパフォーマンスの高い半導体装置を形成することも可能である。例えば電源系統が2系統以上あるような半導体装置においては、必要に応じゲート酸化膜厚も含め電圧帯に応じて以上に示してきた素子構造のなかから適切な構造の選択と組み合わせ行うといった取り組みである。
【0041】
さらに、本発明の実施例において支持基板としてシリコン半導体基板を用いていたが、前記支持基板をサファイア等の別の半導体材料を用いた基板を用いても上述した効果を得ることが可能となることは言うまでもない。
【0042】
【発明の効果】
上述したように、本発明は相補型MOSトランジスタを含むパワーマネージメント半導体装置やアナログ半導体装置において、MOS型トランジスタの低閾値電圧領域の埋め込み絶縁膜厚を厚くすることにより、低閾値電圧領域の閾値電圧を高くできるのでリーク電流を減少させることが可能となるので短チャネル化や低閾値電圧化が可能であり、さらに低閾値電圧領域の寄生容量を小さくできるので高速化が可能となり、製造工程を増大させることがない。
【0043】
以上のことから、本発明の半導体装置はコスト、工期、素子の性能の面で有利であるパワーマネージメント半導体装置やアナログ半導体装置の実現を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の第一の実施例を示す模式的断面図である。
【図2】半導体装置による正型VR構成概要である。
【図3】本発明の半導体装置の第二の実施例を示す模式的断面図である。
【図4】従来のCMOS半導体装置の模式的断面図である。
【図5】低閾値電圧領域を有するMOS型トランジスタのI−V特性を示す図である。
【図6】本発明のMOS型トランジスタのI−V特性を示す図である。
【符号の説明】
101、201  支持基板
102、202  Nウェル
103、203  N+
104、204  P+
105、205  ゲート絶縁膜
106、206  フィールド絶縁膜
107、207  ゲート電極
108、208  Pウェル
109  N−
112、212  PMOS
113、213  NMOS
114  絶縁膜
120  P−
122、222  埋め込み絶縁膜
123  基準電圧回路
124  エラーアンプ
125  PMOS出力素子
126  入力端子
127  グラウンド端子
128  出力端子
129  抵抗
130  分圧回路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device that requires low voltage operation, low power consumption, and high drivability of a MOS transistor formed on an SOI substrate, particularly a voltage detector (hereinafter, referred to as VD) and a constant voltage regulator (hereinafter, referred to as VD). The present invention relates to a power management semiconductor device such as a voltage regulator (hereinafter abbreviated as VR) and a switching regulator (hereinafter abbreviated as SWR) and an analog semiconductor device such as an operational amplifier and a comparator.
[0002]
[Prior art]
FIG. 4 shows a schematic sectional view of a conventional semiconductor device. A buried insulating film 222 is formed on a support substrate 201, and an N well 202 and a P well 208 are formed in the semiconductor thin film of the SOI structure substrate in which a semiconductor thin film is formed on the buried insulating film 222. P + 204 is formed in the well 202, N + 203 is formed in the P well, a gate insulating film 205 is formed on the N well 202 and the P well 208, and a gate electrode 232 is formed on the gate insulating film 205. A field insulating film 206 is formed between the NMOS 213 and the PMOS 212. The field insulating film 206 separates the NMOS 213 and the PMOS 212 from each other. By using an SOI substrate, the field insulating film 206 and the buried insulating film 222 come into contact with each other and can be electrically completely separated, so that soft error free and latch up free are achieved.
[0003]
In addition, since a parasitic capacitance is reduced by using an SOI substrate, a high-speed IC can be realized. Further, it is possible to realize a low power consumption IC by improving the transistor characteristics.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described semiconductor device having the conventional structure, the MOS transistor manufactured using the SOI substrate is high-speed, low power consumption, soft error free, and latch-up free. However, the supporting substrate is a gate electrode, and the buried insulating film is a gate insulating film. Since a MOS transistor to be a film is also manufactured, there is a problem that a threshold voltage of the MOS transistor and a change in IV characteristics are caused by a potential of a supporting substrate. There is a problem that the characteristic variation is particularly large near the boundary between the semiconductor thin film and the low threshold region where the semiconductor thin film is thin.
[0005]
FIG. 5 shows the IV characteristics of a MOS transistor having a low threshold voltage region. FIG. 5 shows that the channel under the gate electrode is turned on after the rise of the parasitic transistor in the low threshold voltage region. In the case of having a low threshold voltage region, the current consumption of the MOS transistor increases, so that the IC performance remarkably deteriorates.
[0006]
By fixing the potential of the supporting substrate, it is possible to suppress a change in the threshold voltage of the MOS transistor and a change in the IV characteristics. However, in the case of the complementary MOS transistor, when the supporting substrate is grounded, the P-type MOS transistor is back gated, When the supporting substrate is fixed to the power supply, there is a problem that the N-type MOS transistor is back gated. By fixing the potential of the supporting substrate to the intermediate potential so as to reduce the influence on the P-type transistor and the N-type transistor, the back gate phenomenon of the MOS transistor can be reduced, but the influence of the back gate was not negligible. .
[0007]
Further, by forming a channel stopper in the low threshold voltage region at the boundary between the MOS transistor and the field insulating film, it is possible to cut the channel in the low threshold voltage region, thereby suppressing an increase in current consumption of the MOS transistor. However, there is a problem that the number of manufacturing steps increases.
[0008]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device with high speed, low power consumption, low cost, and high accuracy.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention uses the following means.
[0010]
(1) In a semiconductor device having a support substrate, a buried insulating film provided on the support substrate, a semiconductor thin film provided on the buried insulating film, and a MOS transistor formed on the semiconductor thin film, A semiconductor device in which the buried insulating film below the source and the drain of the transistor is thicker than the region other than the region below the source and the drain of the MOS transistor.
[0011]
(2) The thickness of the buried insulating film is 2,000 to 10,000 ° near the boundary between the MOS transistor and the field insulating film, and 1,000 to 5,000 ° in a region other than near the boundary between the MOS transistor and the field insulating film. Semiconductor device.
[0012]
(3) The MOS transistor has a high impurity concentration diffusion layer in which a source and a drain overlap a gate electrode in a plane, and a channel only on the drain side or in both the source and the drain more than the high concentration diffusion layer. A semiconductor device including a MOS transistor having a first structure including a diffusion layer having a low impurity concentration, which is diffused to the side and overlaps the gate electrode in a plane, is provided.
[0013]
(4) The MOS transistor has a low impurity concentration diffusion layer in which only the drain side planarly overlaps with the gate electrode, or in which both the source and the drain planarly overlap with the gate electrode, Only the drain side does not overlap with the gate electrode in a plane, or both the source and the drain consist of a diffusion layer with a high impurity concentration which does not overlap with the gate electrode in a plane. The semiconductor device includes a MOS transistor having a second structure in which the insulating film between the electrodes is thicker than the gate insulating film.
[0014]
(5) In the MOS transistor having the first structure and the MOS transistor having the second structure, the impurity concentration of the low impurity concentration diffusion layer is 1 × 10 16 to 1 × 10 18 atoms / cm 3 . In the semiconductor device having the MOS transistor having the above structure and the MOS transistor having the second structure, the impurity concentration of the high impurity concentration diffusion layer is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more.
[0015]
(6) A semiconductor device in which the gate electrode of the MOS transistor is N-type conductive polysilicon and has an impurity concentration of 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a first embodiment of the semiconductor device of the present invention. In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, a buried insulating film 122, for example, a silicon oxide film is formed on a support substrate 101, for example, a high-resistance silicon substrate, and a semiconductor thin film, for example, silicon, is formed on the buried oxide film 122. On a SOI substrate on which a thin film is formed, a PMOS 112 having a Double Diffused Drain (DDD) structure composed of an N well 102, P + 104, a gate oxide film 105, a gate electrode 107, and P-120, a P well 108, N + 103, and a gate It comprises a complementary MOS transistor composed of an oxide film 105, an NMOS 113 composed of a gate electrode 107 and N-109, and a field insulating film. The gate electrode is formed of polysilicon, and the impurity concentration is preferably 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more in order to reduce the gate electrode sheet resistance. The gate electrode 107 contains a donor impurity such as phosphorus or arsenic.
[0018]
The MOS transistor structure shown in FIG. 1 is formed, for example, by selectively forming a low impurity concentration diffusion layer by ion implantation and heat treatment, and then providing a high impurity concentration diffusion layer. Diffusion layer of low impurity concentration, concentration using boron or BF 2 is 1 × 10 16 ~1 × 10 18 atoms / cm 3 approximately in terms of hot carriers and pressure are preferred as an impurity in the case of P-120 of PMOS112 In the case of N- of the NMOS 113, phosphorus or arsenic is used as an impurity, and the concentration is preferably about 1 × 10 16 to 1 × 10 18 atoms / cm 3 from the viewpoint of hot carriers and breakdown voltage. Diffusion layer of a high impurity concentration, because concentration is low sheet resistance using boron or BF 2 as an impurity in the case of P + 104 of PMOS 112, preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more, in the case of N + 103 of NMOS113 Is preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more in order to lower the sheet resistance by using phosphorus or arsenic as an impurity.
[0019]
The difference between the lateral diffusion amounts of the thin diffusion layers N-109 and P-120 and the deep diffusion layers N + 103 and P + 104 to the channel side is usually about 0.2 μm to 1 μm. Although only one side of the NMOS 113 and the PMOS 112 has the DDD structure in FIG. 1, an appropriate structure can be selected in the circuit depending on how the element is used in the circuit. Normally, if the current direction is bidirectional and the source and drain are switched on a case-by-case basis and if a withstand voltage is required in both directions, both the source and drain have a DDD structure, and the current direction is unidirectional and the source and drain are fixed. In such a case, only one side, that is, the drain side has a DDD structure in order to reduce the effective channel length.
[0020]
The contact between the field insulating film 106 and the buried insulating film 122 enables the PMOS 112 and the NMOS 113 to be electrically isolated from each other, so that the PMOS 112 and the NMOS 113 are free from soft errors and free from latch-up.
[0021]
Furthermore, by using an SOI substrate, a parasitic capacitance is reduced, so that a high-speed device can be obtained. Since weak inversion region characteristics are improved, low power consumption can be realized.
[0022]
By increasing the thickness of the oxide film in the low threshold voltage region as in the buried insulating film 122, the threshold voltage in the low threshold voltage region increases, so that the current consumption of the MOS transistor does not increase and the increase in the number of manufacturing steps is prevented. It becomes possible.
[0023]
FIG. 6 shows IV characteristics of the semiconductor device of the present invention. In FIG. 6, the threshold voltage in the low threshold voltage region is increased by increasing the thickness of the buried insulating film in the low threshold voltage region, so that it can be confirmed that the leakage current is reduced.
[0024]
The thickness of the buried insulating film 122 is preferably 2000 to 10000 ° near the boundary between the MOS transistor and the field insulating film 106 from the viewpoint of the threshold voltage value in the low threshold voltage region and the manufacturing TAT. The region other than the vicinity of the boundary is preferably 1000 to 5000 ° from the viewpoint of the performance of the MOS transistor.
[0025]
In many cases, the thickness of the semiconductor thin film is set to 100 to 10,000 °. When the semiconductor thin film is thinned, a low-voltage, low power consumption, high-speed IC can be formed. In this case, a high withstand voltage and low power consumption IC can be configured.
[0026]
In addition, the MOS transistor according to the first embodiment of the present invention is not limited to an enhancement type (hereinafter referred to as E type), a depletion type (hereinafter referred to as D type), a surface channel type, and a buried channel type. It goes without saying that a high-performance IC can be configured.
[0027]
Next, specific effects when the present invention is applied to an actual product will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows an outline of the configuration of a regular VR using a semiconductor device. VR includes a reference voltage circuit 123, an error amplifier 124, a PMOS output element 125, and a voltage dividing circuit 130 including a resistor 129, and a current that always requires a constant voltage even if an arbitrary voltage is input to the input terminal 126. The semiconductor device has a function of outputting a value to an output terminal 128 together with the value.
[0028]
In recent years, VRs especially for portable devices have been required to reduce input voltage, reduce power consumption, output high current even with a small input / output potential difference, increase output voltage accuracy, reduce cost, and reduce size. Has been requested. In particular, cost reduction and miniaturization are high-priority requirements. In order to meet the above-mentioned demands, the error amplifier, the PMOS output element and the reference voltage circuit are constituted by the structure of the present invention, that is, the CMOS capable of reducing the threshold voltage and increasing the precision at a low cost, thereby achieving low-voltage operation and low-voltage operation. It is possible to cope with higher precision of power consumption and output voltage.
[0029]
Furthermore, it will be specifically described that the structure of the present invention has an extremely great effect on cost reduction, which is the highest priority requirement, that is, reduction in chip size, miniaturization, and high accuracy.
[0030]
The VR outputs a current of several tens mA to several hundred mA, which depends 100% on the driving capability of the PMOS output element. Depending on the product, the PMOS output element may occupy almost half of the chip area. Therefore, how to reduce the size of the PMOS output element is the key to cost reduction and miniaturization.
[0031]
On the other hand, although the demand for lowering the input voltage and the market demand for high current output under a small input / output potential difference are also strong, this is because the voltage applied to the gate in the PMOS output element is small and the voltage between the source and drain is low. It indicates that the current is high in the unsaturated operation mode in which the voltage is small.
[0032]
The drain current of the MOS transistor in the unsaturated operation is Id = (μ · Cox · W / L) × {(Vgs−Vth) −1 / 2 · Vds} × Vds− (1) Formula Id: drain current μ: mobility Cox: expressed by gate insulating film capacitance W: channel width L: channel length Vgs: gate-source voltage Vth: threshold voltage Vds: drain-source voltage.
[0033]
In order to make the drain sufficiently large even if Vgs and Vds are small without increasing the area, it is necessary to reduce the channel length, decrease Vth, and further improve the mobility according to the equation (1).
[0034]
The MOS transistor structure in which the buried insulating film thickness in the low threshold voltage region is increased by using the SOI substrate of the present invention can reduce the threshold voltage and reduce the channel length while suppressing the leakage current at the time of turning off. It will be understood that this is a very effective means for reducing the cost, reducing the size, and increasing the accuracy of the above-mentioned VR because the mobility is improved by the reduction of the parasitic resistance.
[0035]
Further, the MOS type transistor structure in which the buried insulating film thickness in the low threshold voltage region is increased by using the SOI substrate of the present invention makes it possible to practically use a PMOS E / D type reference voltage circuit. Therefore, in the E / D type reference voltage circuit, either the NMOS or the PMOS can be selected, and the present invention has an advantage that the degree of freedom in circuit design is increased.
[0036]
The effects of the present invention in the VR have been described above. However, the present invention is also applicable to a SWR in which a high-output element is mounted and a VD in which demands for low-voltage operation, low power consumption, low cost, miniaturization, and high accuracy are strong. It should also be noted that the application of the present invention provides a great effect similar to that of VR.
[0037]
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a second embodiment of the semiconductor device of the present invention. The buried insulating film has a structure in which the buried insulating film thickness in the low threshold voltage region is increased, and has the same effects of low voltage operation, low power consumption, low cost, and high precision as in the embodiment shown in FIG. In a MOS transistor, only the source and the drain or the drain are diffusion layers P-120 and N-109 having a low impurity concentration, and only the source and the drain or the drain are spaced apart from the gate electrode and a thick insulating film 114 is provided therebetween. The MOS transistor has a diffused layer P + 104 and N + 103 having a high impurity concentration. In the structure shown in FIG. 3, since the thick insulating film is provided between the high impurity concentration diffusion layer and the gate electrode, the effect of the electric field relaxation is large, and a high withstand voltage operation, for example, an operation of several tens of volts to several hundreds of volts is achieved. There is a merit that it can respond. However, there is a disadvantage that the element size cannot be reduced.
[0038]
In the structure shown in FIG. 3, for example, after a diffusion layer having a low impurity concentration is selectively formed, a portion between the gate electrode and the source and the drain or between the gate electrode and the drain is formed at the same time as the formation of a so-called LOCOS for element isolation. It is formed by forming an insulating film, forming a gate electrode, and then providing a diffusion layer having a high impurity concentration. In the case of P-120 of the PMOS 112, boron or BF 2 is used as the impurity for the diffusion layer having a low impurity concentration, and the concentration is preferably about 1 × 10 16 to 1 × 10 18 atoms / cm 3 from the viewpoint of withstand voltage. In the case of N-109, phosphorus or arsenic is used as an impurity, and the concentration is preferably about 1 × 10 16 to 1 × 10 18 atoms / cm 3 from the viewpoint of withstand voltage. Diffusion layer of a high impurity concentration, because concentration is low sheet resistance using boron or BF 2 as an impurity in the case of P + 104 of PMOS 112, preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more, in the case of N + 103 of NMOS113 Is preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more in order to lower the sheet resistance by using phosphorus or arsenic as an impurity.
[0039]
The thickness of the insulating film formed between the gate electrode and the drain is usually the same as the thickness of the field oxide film for element isolation, about several thousand to about 1 μm, and the distance from the gate electrode to the high impurity concentration diffusion is Although it depends on the voltage input to the semiconductor device, it is usually about 1 μm to several μm. Although only one side of the PMOS 112 has a high breakdown voltage structure in FIG. 3, an appropriate structure can be selected in the circuit depending on how the element is used in the circuit. Normally, if the current direction is bidirectional and the source and drain are switched on a case-by-case basis and if a withstand voltage is required in both directions, both the source and drain have a high withstand voltage structure, and the current direction is unidirectional and the source and drain are fixed. In such a case, only one side, that is, the drain side has a high breakdown voltage structure in order to reduce the parasitic resistance.
[0040]
Although the MOS transistors having various structures are shown in the first and second embodiments of the present invention, a semiconductor device having a high performance can be obtained by appropriately combining the specifications required for the semiconductor device and the features of each element structure. It is also possible to form For example, in a semiconductor device having two or more power supply systems, an appropriate structure is selected and combined from the element structures described above according to the voltage band including the gate oxide film thickness, if necessary. is there.
[0041]
Further, although the silicon semiconductor substrate is used as the support substrate in the embodiment of the present invention, the above-described effect can be obtained even if the support substrate is a substrate using another semiconductor material such as sapphire. Needless to say.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a power management semiconductor device or an analog semiconductor device including a complementary MOS transistor, the threshold voltage of the low threshold voltage region is increased by increasing the thickness of the buried insulating film in the low threshold voltage region of the MOS transistor. The leakage current can be reduced because of the high threshold voltage, making it possible to shorten the channel and lower the threshold voltage. Furthermore, the parasitic capacitance in the low threshold voltage region can be reduced, so that the speed can be increased and the manufacturing process can be increased. I will not let you.
[0043]
From the above, the semiconductor device of the present invention enables the realization of a power management semiconductor device and an analog semiconductor device that are advantageous in terms of cost, work period, and element performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a first embodiment of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is an outline of a regular VR configuration using a semiconductor device.
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a second embodiment of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 4 is a schematic sectional view of a conventional CMOS semiconductor device.
FIG. 5 is a diagram showing IV characteristics of a MOS transistor having a low threshold voltage region.
FIG. 6 is a diagram showing IV characteristics of a MOS transistor according to the present invention.
[Explanation of symbols]
101, 201 Support substrate 102, 202 N well 103, 203 N +
104, 204 P +
105, 205 Gate insulating film 106, 206 Field insulating film 107, 207 Gate electrode 108, 208 P well 109 N-
112, 212 PMOS
113,213 NMOS
114 Insulating film 120 P-
122, 222 embedded insulating film 123 reference voltage circuit 124 error amplifier 125 PMOS output element 126 input terminal 127 ground terminal 128 output terminal 129 resistor 130 voltage dividing circuit

Claims (6)

支持基板と、前記支持基板上に設けられた埋め込み絶縁膜と、前記埋め込み絶縁膜上に設けられた半導体薄膜と、前記半導体薄膜に形成したMOS型トランジスタを有する半導体装置において、前記MOS型トランジスタのソース及びドレイン下の前記埋め込み絶縁膜が前記MOS型トランジスタのソース及びドレイン下以外の領域よりも膜厚が厚くなっていることを特徴とする半導体装置。In a semiconductor device having a support substrate, a buried insulating film provided on the support substrate, a semiconductor thin film provided on the buried insulating film, and a MOS transistor formed on the semiconductor thin film, A semiconductor device, wherein the buried insulating film under a source and a drain is thicker than a region other than under the source and the drain of the MOS transistor. 前記埋め込み絶縁膜の膜厚は、前記MOS型トランジスタと前記フィールド絶縁膜の境界付近において2000〜10000Åであり、前記MOS型トランジスタと前記フィールド絶縁膜の境界付近以外の領域において1000〜5000Åであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。The thickness of the buried insulating film is 2000 to 10000 ° near the boundary between the MOS transistor and the field insulating film, and 1000 to 5000 ° in a region other than near the boundary between the MOS transistor and the field insulating film. The semiconductor device according to claim 1, wherein: 前記MOS型トランジスタは、ソースとドレインがゲート電極と平面的にオーバーラップしている高不純物濃度の拡散層と、ドレイン側のみもしくはソースとドレインの両方が前記高濃度拡散層よりさらにチャネル側に拡散してゲート電極と平面的にオーバラップしている低不純物濃度の拡散層とからなる第一の構造のMOSトランジスタを含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。The MOS transistor has a high impurity concentration diffusion layer in which a source and a drain overlap a gate electrode in a plane, and only the drain side or both the source and the drain diffuse further to the channel side than the high concentration diffusion layer. 2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a MOS transistor having a first structure comprising a gate electrode and a diffusion layer having a low impurity concentration overlapping in a plane. 前記MOS型トランジスタは、ドレイン側だけがゲート電極と平面的にオーバーラップしているかもしくはソースとドレインの両方がゲート電極と平面的にオーバーラップしている低不純物濃度の拡散層と、ドレイン側だけがゲート電極と平面的にオーバーラップしないかもしくはソースとドレインの両方がゲート電極と平面的にオーバーラップしない高不純物濃度の拡散層とからなり、さらに前記高不純物濃度の拡散層とゲート電極の間の絶縁膜がゲート絶縁膜よりも膜厚が厚い第二の構造のMOSトランジスタを含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。The MOS type transistor has a low impurity concentration diffusion layer in which only the drain side planarly overlaps the gate electrode or both the source and the drain planarly overlap the gate electrode; A high-impurity-concentration diffusion layer that does not overlap the gate electrode planarly or that both the source and the drain do not planarly overlap the gate electrode. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said insulating film includes a MOS transistor having a second structure which is thicker than a gate insulating film. 前記第一の構造のMOSトランジスタおよび前記第二の構造のMOSトランジスタにおける前記低不純物濃度拡散層の不純物濃度が1×1016〜1×1018atoms/cmであり、前記第一の構造のMOSトランジスタおよび前記第二の構造のMOSトランジスタにおける前記高不純物濃度拡散層の不純物濃度が1×1019atoms/cm以上である請求項4記載の半導体装置。In the MOS transistor having the first structure and the MOS transistor having the second structure, an impurity concentration of the low impurity concentration diffusion layer is 1 × 10 16 to 1 × 10 18 atoms / cm 3 . 5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the impurity concentration of the high impurity concentration diffusion layer in the MOS transistor and the MOS transistor having the second structure is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more. 前記MOS型トランジスタにおけるゲート電極であるN型の導電型のポリシリコンであり、不純物濃度は1×1019atoms/cm以上である請求項1記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the MOS transistor is an N-type conductive polysilicon serving as a gate electrode, and has an impurity concentration of 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more.
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