JP2006049711A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、SOI基板上に形成された半導体集積回路を有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a semiconductor integrated circuit formed on an SOI substrate.
現在、SOI基板上に形成された半導体集積回路は広く知られている。特に高速MOSトランジスタは、完全空乏化モードを利用することにより、従来の単結晶シリコン基板上に形成したMOSトランジスタに比べて優れた特性を有している。 Currently, semiconductor integrated circuits formed on SOI substrates are widely known. In particular, a high-speed MOS transistor has superior characteristics compared to a conventional MOS transistor formed on a single crystal silicon substrate by utilizing a fully depleted mode.
また、ゲート電極の材料としては、N型多結晶シリコン薄膜が広く知られている。さらに、より低いスレッショルド電圧を得るなどの高性能を目指して、P型MOSトランジスタのゲート電極にはP型の多結晶シリコン薄膜を用い、N型MOSトランジスタのゲート電極にはN型の多結晶シリコン薄膜を用いるという、いわゆる同極ゲート型のCMOS回路も一部で用いられている。 An N-type polycrystalline silicon thin film is widely known as a material for the gate electrode. Furthermore, with the aim of high performance such as obtaining a lower threshold voltage, a P-type polycrystalline silicon thin film is used for the gate electrode of the P-type MOS transistor, and an N-type polycrystalline silicon is used for the gate electrode of the N-type MOS transistor. A so-called homopolar gate type CMOS circuit using a thin film is also used in part.
また、電圧検出器などのアナログICでは、直列に接続された複数の多結晶シリコン抵抗体からなるブリーダ抵抗を使用することが多いが、多結晶シリコン抵抗体はグレインの影響により同一の抵抗値を得ることが困難で、高精度のアナログICを作製するのが難しい。よって多結晶シリコン抵抗体の上面あるいは下面に設置した導電体の電位を固定することで、所望の抵抗値を得るように工夫している例もある(例えば、特許文献1参照)。
しかし、従来のSOI基板上に形成した半導体集積回路では、特に完全空乏化モードを用いようとすると、SOI基板として、単結晶シリコン基板上に埋め込み酸化膜を介して設けられた単結晶シリコンデバイス形成層の厚さをおよそ1000Å以下にしなければならない。このため、高耐圧系の素子や、ESD破壊(静電破壊)を防止するためのESD保護素子を薄い単結晶シリコンデバイス形成層に設けることは、素子の破壊をもたらすため困難であった。 However, in a conventional semiconductor integrated circuit formed on an SOI substrate, a single-crystal silicon device formed on a single-crystal silicon substrate through a buried oxide film is formed as an SOI substrate, particularly when a full depletion mode is used. The layer thickness should be about 1000 mm or less. For this reason, it is difficult to provide a high breakdown voltage element or an ESD protection element for preventing ESD breakdown (electrostatic breakdown) in a thin single crystal silicon device formation layer because the element is destroyed.
また、従来のSOI基板上に形成した半導体集積回路では、スクライブに関して配慮がなされておらず、ICチップを切り出すダイシング工程において割れ、欠けなどの不具合が生じる場合があった。 In addition, in a conventional semiconductor integrated circuit formed on an SOI substrate, no consideration is given to scribing, and defects such as cracking and chipping may occur in a dicing process of cutting out an IC chip.
また、従来のSOI基板上に形成した半導体集積回路では、単結晶シリコン基板の電位は、チップ全面にわたって一定に設定されるため、単結晶シリコンデバイス形成層に形成したMOS型トランジスタの内、P型もしくはN型のMOS型トランジスタのどちらかには必ずバックバイアスが印加された状態となってしまっていた。このため回路設計が困難になるという不具合が生じる場合があった。 Further, in a semiconductor integrated circuit formed on a conventional SOI substrate, since the potential of the single crystal silicon substrate is set constant over the entire surface of the chip, among the MOS transistors formed in the single crystal silicon device formation layer, the P type Alternatively, a back bias is always applied to either of the N-type MOS transistors. For this reason, the problem that circuit design becomes difficult may occur.
また、ゲート電極の材料としては、N型多結晶シリコン薄膜が広く知られているが、ゲート電極とチャネル領域を形成する単結晶シリコンの仕事関数の関係から、特にP型MOSトランジスタのリーク電流制御等に関わる特性によってトランジスタのゲート長(いわゆるL長)を短くすることが困難であり、従って大きなドレイン電流を得ることが難しいという問題点があった。この解決法の一つとして、より低いトランジスタのスレッショルド電圧を得るなどの高性能を目指して、P型MOSトランジスタのゲート電極にはP型の多結晶シリコン薄膜を用い、N型MOSトランジスタのゲート電極にはN型の多結晶シリコン薄膜を用いるという、いわゆる同極ゲート型のCMOS回路も一部で用いられている。しかし、これは、製造工程が煩雑でありICチップのコストアップを生じてしまうという課題があった。 As a material for the gate electrode, an N-type polycrystalline silicon thin film is widely known. From the relation of the work function of the single crystal silicon forming the gate electrode and the channel region, the leakage current control of the P-type MOS transistor is particularly important. It is difficult to shorten the gate length (so-called L length) of the transistor due to the characteristics related to the above, and thus it is difficult to obtain a large drain current. One solution is to use a P-type polycrystalline silicon thin film for the gate electrode of the P-type MOS transistor and to obtain the gate electrode of the N-type MOS transistor, aiming for high performance such as obtaining a lower threshold voltage of the transistor. In some cases, so-called homopolar gate type CMOS circuits using an N-type polycrystalline silicon thin film are also used. However, this has a problem that the manufacturing process is complicated and the cost of the IC chip is increased.
また、電圧検出器などのアナログICでは、複数の多結晶シリコン抵抗体からなるブリーダ抵抗を使用することが多いが、例えば特開平9−321229にあるように、いかに上下方向に絶縁膜を介して電極を設けてその電位を固定したとしても、多結晶シリコン抵抗体ではグレインの影響が大きく、高い精度で同一の抵抗値を有する抵抗体を形成することは難しかった。 In addition, in an analog IC such as a voltage detector, a bleeder resistor made up of a plurality of polycrystalline silicon resistors is often used. Even if an electrode is provided and the potential is fixed, the polycrystalline silicon resistor is greatly affected by grains, and it is difficult to form a resistor having the same resistance value with high accuracy.
そこで、この発明の目的は、SOI基板上に、完全空乏型の高速MOSトランジスタと、高耐圧型MOSトランジスタとを混載した高精度なアナログICが形成された半導体装置をESD破壊に強く、またダイシング工程での割れ欠けなどを防止し、安価で高性能な形で提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device in which a high-precision analog IC in which a fully-depleted high-speed MOS transistor and a high-breakdown-voltage MOS transistor are mixedly mounted on an SOI substrate is resistant to ESD destruction and dicing. The purpose is to provide a low-cost and high-performance form by preventing cracks and cracks in the process.
上記問題点を解決するために、本発明は以下の手段をとった。 In order to solve the above problems, the present invention takes the following means.
シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された埋め込み酸化膜と、前記埋め込み酸化膜上に形成された単結晶シリコンデバイス形成層とからなるSOI基板と、前記単結晶シリコンデバイス形成層に形成され、前記単結晶シリコンデバイス形成層上に第1のゲート絶縁膜を介して形成された第1のゲート電極を有する完全空乏型の高速MOSトランジスタと、前記単結晶シリコンデバイス形成層及び前記埋め込み酸化膜が除去されたシリコン基板に形成され、前記シリコン基板上に第2のゲート絶縁膜を介して形成された第2のゲート電極を有する高耐圧型MOSトランジスタと、前記単結晶シリコンデバイス形成層をパターニングして形成し、両端にコンタクトとして高濃度不純物領域を形成し、それぞれ直列に配列された複数の抵抗よりなるブリーダ抵抗と、前記それぞれの抵抗の一方端部に設けられたコンタクトと電気的に接続され、前記それぞれの抵抗上に前記第1のゲート絶縁膜と同時に形成された絶縁膜を介して形成され、前記第1のゲート電極と同時にパターニングされて形成された第1の抵抗値固定用電極電極と、からなることを特徴とする半導体装置とした。 An SOI substrate comprising a silicon substrate, a buried oxide film formed on the silicon substrate, and a single crystal silicon device forming layer formed on the buried oxide film; and formed in the single crystal silicon device forming layer; A fully depleted high-speed MOS transistor having a first gate electrode formed on the single crystal silicon device formation layer via a first gate insulating film; the single crystal silicon device formation layer and the buried oxide film; A high voltage MOS transistor having a second gate electrode formed on the removed silicon substrate and having a second gate electrode formed on the silicon substrate, and the single crystal silicon device forming layer are patterned. A high-concentration impurity region is formed as a contact at both ends, and a plurality of resistors each arranged in series A bleeder resistor and a contact provided at one end of each of the resistors, and are formed via an insulating film formed simultaneously with the first gate insulating film on the respective resistors. And a first resistance value fixing electrode electrode formed by patterning simultaneously with the first gate electrode.
本発明におけるSOI基板上に形成された半導体集積回路には、レーザトリミング用ヒューズ素子と、レーザトリミング位置決め用パターンと、完全空乏型の高速MOSトランジスタと、高耐圧型MOSトランジスタと、ESD保護素子と、複数の抵抗体によって形成されたブリーダ抵抗とを形成した。
また、レーザトリミング用ヒューズ素子とブリーダ抵抗はSOI基板上の単結晶シリコンデバイス形成層で形成し、それぞれのブリーダ抵抗の上面には、抵抗値固定用電極を形成し、下部に位置するブリーダ抵抗と同電位になるようにした。
The semiconductor integrated circuit formed on the SOI substrate in the present invention includes a laser trimming fuse element, a laser trimming positioning pattern, a fully depleted high-speed MOS transistor, a high voltage MOS transistor, an ESD protection element, And a bleeder resistor formed by a plurality of resistors.
Further, the laser trimming fuse element and the bleeder resistance are formed by a single crystal silicon device forming layer on the SOI substrate, and a resistance value fixing electrode is formed on the upper surface of each bleeder resistance, The same potential was set.
さらに、完全空乏型の高速MOSトランジスタは単結晶シリコンデバイス形成層に形成し、高耐圧型MOSトランジスタと、ESD保護素子とは、SOI基板上の単結晶シリコンデバイス形成層及び埋め込み酸化膜の除去された単結晶シリコン基板上に形成し、N型MOSトランジスタと、P型MOSトランジスタの両方を含む完全空乏型の高速MOSトランジスタのゲート電極と、N型MOSトランジスタと、P型MOSトランジスタの両方を含む高耐圧型MOSトランジスタのゲート電極の少なくとも一方は、P型多結晶シリコン薄膜あるいはP型多結晶シリコン薄膜と高融点金属薄膜との複合膜により形成した。 Further, the fully depleted high-speed MOS transistor is formed in the single crystal silicon device formation layer, and the high breakdown voltage MOS transistor and the ESD protection element are removed from the single crystal silicon device formation layer and the buried oxide film on the SOI substrate. A gate electrode of a fully depleted high-speed MOS transistor including both an N-type MOS transistor and a P-type MOS transistor, and both an N-type MOS transistor and a P-type MOS transistor are formed on a single crystal silicon substrate. At least one of the gate electrodes of the high voltage MOS transistor was formed of a P-type polycrystalline silicon thin film or a composite film of a P-type polycrystalline silicon thin film and a refractory metal thin film.
また、完全空乏型の高速MOSトランジスタは、N型の完全空乏型の高速MOSトランジスタとP型の完全空乏型の高速MOSトランジスタからなり、N型の完全空乏型の高速MOSトランジスタの下部の単結晶シリコン基板と、P型の完全空乏型の高速MOSトランジスタの下部の単結晶シリコン基板とは、少なくとも1つのウエル領域によって電気的に分離されており、ウエル領域の電位もしくは単結晶シリコン基板の電位は、それぞれ、その上部に位置する完全空乏型の高速MOSトランジスタのソース電位と同一であるようにした。 The fully-depleted high-speed MOS transistor is composed of an N-type fully-depleted high-speed MOS transistor and a P-type fully-depleted high-speed MOS transistor, and is a single crystal below the N-type fully-depleted high-speed MOS transistor. The silicon substrate and the single crystal silicon substrate under the P-type fully depleted high-speed MOS transistor are electrically separated by at least one well region, and the potential of the well region or the potential of the single crystal silicon substrate is The source potential of the fully depleted high-speed MOS transistor located on the upper part of each of the high-speed MOS transistors is the same.
さらに、半導体集積回路のスクライブ領域では、単結晶シリコンデバイス形成層及び埋め込み酸化膜を除去した。 Furthermore, in the scribe region of the semiconductor integrated circuit, the single crystal silicon device formation layer and the buried oxide film were removed.
さらに単結晶シリコンデバイス形成層及び埋め込み酸化膜が除去されている半導体集積回路のスクライブ領域及び、高耐圧型MOSトランジスタ形成領域及び、ESD保護素子形成領域と、SOI基板上の単結晶シリコンデバイス形成層及び埋め込み酸化膜の存在する領域との境界部分においては、単結晶シリコンデバイス形成層及び前記埋め込み酸化膜のエッヂはテーパー形状を有するようにした。 Furthermore, the scribe region of the semiconductor integrated circuit from which the single crystal silicon device formation layer and the buried oxide film have been removed, the high breakdown voltage MOS transistor formation region, the ESD protection element formation region, and the single crystal silicon device formation layer on the SOI substrate The single crystal silicon device forming layer and the edge of the buried oxide film have a tapered shape at the boundary with the region where the buried oxide film exists.
これにより、SOI基板上に、完全空乏型の高速MOSトランジスタと、高耐圧型MOSトランジスタとを混載した高精度なアナログICが形成された半導体装置をESD破壊に強く、またダイシング工程での割れ欠けなどを防止し、安価で高性能な形で提供することができる。 As a result, a semiconductor device in which a high-precision analog IC in which a fully-depleted high-speed MOS transistor and a high-breakdown-voltage MOS transistor are mixedly mounted on an SOI substrate is resistant to ESD breakdown, and cracks are not generated in the dicing process. Can be provided in a cheap and high-performance form.
SOI基板上に形成された半導体集積回路において、半導体集積回路には、レーザトリミング用ヒューズ素子と、レーザトリミング位置決め用パターンと、完全空乏型の高速MOSトランジスタと、高耐圧型MOSトランジスタと、ESD保護素子と、複数の抵抗体によって形成されたブリーダ抵抗とを形成した。 In a semiconductor integrated circuit formed on an SOI substrate, the semiconductor integrated circuit includes a laser trimming fuse element, a laser trimming positioning pattern, a fully depleted high-speed MOS transistor, a high voltage MOS transistor, and ESD protection. An element and a bleeder resistance formed by a plurality of resistors were formed.
ブリーダ抵抗はSOI基板上の単結晶シリコンデバイス形成層で形成し、それぞれのブリーダ抵抗の上面には、薄いゲート酸化膜を介して抵抗値固定用電極を配置して、その下部に位置するブリーダ抵抗と同電位になるようにした。 The bleeder resistance is formed by a single crystal silicon device forming layer on the SOI substrate, and a resistance value fixing electrode is arranged on the upper surface of each bleeder resistance via a thin gate oxide film, and the bleeder resistance located below the bleeder resistance. And the same potential.
また、完全空乏型の高速MOSトランジスタは単結晶シリコンデバイス形成層に形成し、高耐圧型MOSトランジスタと、ESD保護素子とは、SOI基板上の単結晶シリコンデバイス形成層及び埋め込み酸化膜の除去された単結晶シリコン基板上に形成し、N型MOSトランジスタと、P型MOSトランジスタの両方を含む前記完全空乏型の高速MOSトランジスタのゲート電極と、N型MOSトランジスタと、P型MOSトランジスタの両方を含む前記高耐圧型MOSトランジスタのゲート電極の少なくとも一方は、P型多結晶シリコン薄膜あるいはP型多結晶シリコン薄膜と高融点金属薄膜との複合膜により形成した。 In addition, the fully depleted high-speed MOS transistor is formed in the single crystal silicon device formation layer, and the high breakdown voltage MOS transistor and the ESD protection element are removed from the single crystal silicon device formation layer and the buried oxide film on the SOI substrate. The gate electrode of the fully depleted high-speed MOS transistor including both the N-type MOS transistor and the P-type MOS transistor, the N-type MOS transistor, and the P-type MOS transistor are formed on a single crystal silicon substrate. At least one of the gate electrodes of the high breakdown voltage MOS transistor included was formed of a P-type polycrystalline silicon thin film or a composite film of a P-type polycrystalline silicon thin film and a refractory metal thin film.
また、完全空乏型の高速MOSトランジスタは、N型の完全空乏型の高速MOSトランジスタとP型の完全空乏型の高速MOSトランジスタからなり、N型の完全空乏型の高速MOSトランジスタの下部の単結晶シリコン基板と、P型の完全空乏型の高速MOSトランジスタの下部の単結晶シリコン基板とは、少なくとも1つのウエル領域によって電気的に分離されており、ウエル領域の電位もしくは単結晶シリコン基板の電位は、それぞれ、その上部に位置する完全空乏型の高速MOSトランジスタのソース電位と同一であるようにした。 The fully-depleted high-speed MOS transistor is composed of an N-type fully-depleted high-speed MOS transistor and a P-type fully-depleted high-speed MOS transistor, and is a single crystal below the N-type fully-depleted high-speed MOS transistor. The silicon substrate and the single crystal silicon substrate under the P-type fully depleted high-speed MOS transistor are electrically separated by at least one well region, and the potential of the well region or the potential of the single crystal silicon substrate is The source potential of each of the fully depleted high-speed MOS transistors located above them is the same as the source potential.
さらに、半導体集積回路のスクライブ領域では、単結晶シリコンデバイス形成層及び埋め込み酸化膜を除去した。 Furthermore, in the scribe region of the semiconductor integrated circuit, the single crystal silicon device formation layer and the buried oxide film were removed.
さらに単結晶シリコンデバイス形成層及び埋め込み酸化膜が除去されている半導体集積回路のスクライブ領域及び、高耐圧型MOSトランジスタ形成領域及び、ESD保護素子形成領域と、SOI基板上の単結晶シリコンデバイス形成層及び埋め込み酸化膜の存在する領域との境界部分においては、単結晶シリコンデバイス形成層及び前記埋め込み酸化膜のエッヂはテーパー形状を有するようにした。 Furthermore, the scribe region of the semiconductor integrated circuit from which the single crystal silicon device formation layer and the buried oxide film have been removed, the high breakdown voltage MOS transistor formation region, the ESD protection element formation region, and the single crystal silicon device formation layer on the SOI substrate The single crystal silicon device forming layer and the edge of the buried oxide film have a tapered shape at the boundary with the region where the buried oxide film exists.
これにより、SOI基板上に、完全空乏型の高速MOSトランジスタと、高耐圧型MOSトランジスタとを混載した高精度なアナログICが形成された半導体装置をESD破壊に強く、またダイシング工程での割れ欠けなどを防止し、安価で高性能な形で提供することができる。 As a result, a semiconductor device in which a high-precision analog IC in which a fully-depleted high-speed MOS transistor and a high-breakdown-voltage MOS transistor are mixedly mounted on an SOI substrate is resistant to ESD breakdown, and cracks are not generated in the dicing process. Can be provided in a cheap and high-performance form.
以下に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。半導体装置の模式的断面図である図1を用いて説明を行なう。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The description will be given with reference to FIG. 1, which is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device.
まず、完全空乏型の高速MOSトランジスタ領域210について説明する。
単結晶シリコン基板101上に埋め込み酸化膜102を介して形成された単結晶シリコンデバイス形成層103内に、ソース領域201、ドレイン領域202及びチャネル領域203が形成されている。さらにチャネル領域203の上部にはゲート酸化膜206を介してゲート電極205が配置され、MOS型のトランジスタを形成している。ここで単結晶シリコンデバイス形成層103の膜厚は完全空乏化がなされるように、例えば500Åに設定してある。さらに、ソース領域201、ドレイン領域202にはBPSG膜などからなる中間絶縁膜104に開口したコンタクトホール204を介してアルミニウム膜105が接続している。そして高速MOSトランジスタ領域210は最上層にシリコン窒化膜などからなる保護膜806が形成されている。
First, the fully depleted high-speed
A
ここで、チャネル領域203の電位はフローティングにしても良いし、場合によっては固定しても良い。また、ソース領域201及びドレイン領域202の底部は、容量低減の目的で、埋め込み酸化膜102に接する様に形成することが望ましい。しかし、電圧印加時に空乏層が埋め込み酸化膜102に接する程度の深さに形成し、それらの底部を埋め込み酸化膜102から離間していてもよい。
Here, the potential of the
ここでさらに主要断面図である図2を用いて、本発明による完全空乏型の高速MOSトランジスタについて説明する。 Now, a fully depleted high-speed MOS transistor according to the present invention will be described with reference to FIG.
P型の単結晶シリコン基板101上に埋め込み酸化膜102を介して形成された単結晶シリコンデバイス形成層103内に、ソース領域201、ドレイン領域202及びチャネル領域203を有するP型MOSトランジスタ211およびN型MOSトランジスタ212が形成されている。ここで、P型MOSトランジスタ211の下部にあたるP型単結晶シリコン基板101の表面付近には、Nウエル領域911が形成されている。
A P-
図示しないがNウエル領域911の電位は、その上部に位置するP型MOSトランジスタ211のソース領域201と同一になるように接続されている。一方、P型単結晶シリコン基板101の電位は、その上部に位置するN型MOSトランジスタ212のソース領域201と同一になるように接続されている。
Although not shown, the potential of the
このような構造を取ることによって、P型MOSトランジスタ211やN型MOSトランジスタ212に対して、単結晶シリコン基板101が、埋め込み酸化膜102を介してあたかも裏面のゲート電極のように働いてしまう、いわゆるバックゲート効果を防止することができる。
By adopting such a structure, the single
また、図2では単結晶シリコン基板がP型でその内部にNウエルを形成した例について説明したが、逆に単結晶シリコン基板がN型で内部にPウエル領域を形成しても良い。また、基板の導電型にとらわれずに、NウエルとPウエルを形成して電気的な分離を図っても良い。また、製品や用途に応じてウエルは複数に分けてそれぞれいくつかの電位を設定しても良い。他の説明については図1と同一の符号を付記することで説明に代える。 Further, FIG. 2 illustrates an example in which the single crystal silicon substrate is P type and an N well is formed therein, but conversely, the single crystal silicon substrate may be N type and a P well region may be formed therein. Further, an N well and a P well may be formed to be electrically separated without being restricted by the conductivity type of the substrate. Further, depending on the product and application, the wells may be divided into a plurality of potentials and set several potentials. Other explanations will be replaced by the same reference numerals as those in FIG.
次に、再び図1に戻り、高耐圧MOSトランジスタ及びESD保護回路領域310について説明する。単結晶シリコン基板101上にソース領域301、ドレイン領域302及びチャネル領域303が形成され、チャネル領域303の上部にはゲート酸化膜306を介してゲート電極305が配置され、MOS型のトランジスタを形成している。つまり、これらの回路は埋め込み酸化膜102及び単結晶シリコンデバイス形成層103を除去した単結晶シリコン基板101表面に形成されている。
Next, returning to FIG. 1 again, the high voltage MOS transistor and ESD
さらに、ソース領域301、ドレイン領域302にはBPSG膜などからなる中間絶縁膜104に開口したコンタクトホール304を介してアルミニウム膜105が接続している。そして高耐圧MOSトランジスタ及びESD保護回路領域310にも最上層には、高速MOSトランジスタ領域201と同様にシリコン窒化膜などからなる保護膜106が形成されている。
Further, the
ここで、高耐圧MOSトランジスタ及びESD保護回路領域310では、高速MOSトランジスタ領域201と異なり、単結晶シリコンデバイス形成層103及び、埋め込み酸化膜102が除去され、単結晶シリコン基板101上に直接素子が形成されているのが特徴である。これにより特に図示しないがDDD構造や、ロコスドレイン構造などの高い動作電圧に適した、高耐圧MOSトランジスタを容易に形成できる。また、ゲート酸化膜306は、高速MOSトランジスタ領域210のゲート酸化膜206に比べて厚く形成しても良い。またESD保護回路も特に図示しないが、単結晶シリコン基板101上に形成することで、ESDに対して十分な耐性をもてるような、熱容量及び接合面積を持ったオフトランジスタやダイオードなどを形成することができる。
Here, unlike the high-speed
図1では簡単のため完全空乏型の高速MOSトランジスタと高耐圧型MOSトランジスタとは、それぞれ1つずつしか示さなかったが、実際は、それぞれN型MOSトランジスタと、P型MOSトランジスタの両方からなるCMOS構造をとっている。完全空乏型の高速MOSトランジスタのN型MOSトランジスタと、P型MOSトランジスタの両方のゲート電極205と、高耐圧型MOSトランジスタのN型MOSトランジスタと、P型MOSトランジスタの両方のゲート電極305の少なくとも一方は、P型多結晶シリコン薄膜あるいはP型多結晶シリコン薄膜と高融点金属薄膜との複合膜により形成している。その理由を以下に述べる。
In FIG. 1, for simplicity, only one fully depleted high-speed MOS transistor and one high-breakdown-voltage MOS transistor are shown. However, in actuality, each CMOS is composed of both an N-type MOS transistor and a P-type MOS transistor. It has a structure. At least one of the
P型MOSトランジスタにおいてゲート電極にP型多結晶シリコンを用いることで、チャネルを形成する単結晶シリコンとゲート電極の仕事関数の関係からE(エンハンスメント)型PMOSのチャネルは表面チャネルとなるが、表面チャネル型PMOSにおいては、しきい値電圧を例えば−0.5V以上に設定しても極端なサブスレッショルド係数の悪化に至らず低電圧動作および低消費電力がともに可能となる。 By using P-type polycrystalline silicon for the gate electrode in the P-type MOS transistor, the channel of E (enhancement) type PMOS becomes a surface channel from the relationship between the work function of the single crystal silicon forming the channel and the gate electrode. In the channel type PMOS, even if the threshold voltage is set to, for example, −0.5 V or more, the sub-threshold coefficient is not extremely deteriorated, and both low voltage operation and low power consumption are possible.
一方N型MOSトランジスタにおいては、P型多結晶シリコンのゲート電極とチャネルを形成するP型単結晶シリコンとの仕事関数の関係からE型NMOSのチャネルは埋込みチャネルとなるが、しきい値を所望の値に設定する場合に拡散係数の小さな砒素をしきい値制御用ドナー不純物として使用できるためチャネルは極めて浅い埋込みチャネルとなる。従ってしきい値電圧を例えば0.5V以下の小さな値に設定しても、しきい値制御用アクセプター不純物として拡散係数が大きくイオン注入のプロジェクションレンジも大きいボロンを使用せざるを得ず深い埋込みチャネルとなるN型多結晶シリコンをゲート電極としたE型PMOSの場合に比べ、サブスレッショルドの劣化やリーク電流の増大を著しく抑制できる。 On the other hand, in the N-type MOS transistor, the channel of the E-type NMOS is a buried channel because of the work function relationship between the gate electrode of the P-type polycrystalline silicon and the P-type single crystal silicon forming the channel. In this case, arsenic having a small diffusion coefficient can be used as a threshold control donor impurity, so that the channel becomes a very shallow buried channel. Therefore, even if the threshold voltage is set to a small value of, for example, 0.5 V or less, it is necessary to use boron having a large diffusion coefficient and a large ion implantation projection range as a threshold control acceptor impurity. As compared with the case of the E-type PMOS using the N-type polycrystalline silicon as the gate electrode, the deterioration of the subthreshold and the increase in the leakage current can be remarkably suppressed.
以上の説明により本発明によるP型多結晶シリコンをゲート電極としたCMOSは、従来のN型多結晶シリコンをゲート電極としたCMOSに比べ、低電圧動作および低消費電力に対し有効な技術であることが理解されよう。 As described above, the CMOS according to the present invention using the P-type polycrystalline silicon as the gate electrode is a more effective technique for low voltage operation and lower power consumption than the conventional CMOS using the N-type polycrystalline silicon as the gate electrode. It will be understood.
また低電圧動作や低消費電力に対してはいわゆる同極ゲートCMOS技術が一般的に知られているところであるが、同極ゲート形成においてはゲート電極をP型とN型に作り分けるために通常の単極ゲートプロセスに比べ少なくともマスク工程が2工程追加必要となる。単極ゲートCMOSの標準的なマスク工程数は10回程度であるが、同極ゲートとすることで概算20%の工程コスト増となり、半導体装置のパフォーマンスとコストの総合的な観点からも本発明によるP型多結晶シリコンのゲート電極によるCMOSが有効といえよう。 In addition, so-called homopolar gate CMOS technology is generally known for low voltage operation and low power consumption, but in forming a homopolar gate, it is usually necessary to make the gate electrode into P type and N type. Compared with this single-pole gate process, at least two mask steps are required. The standard number of mask processes for a single-pole gate CMOS is about 10 times. However, by using the same-pole gate, the process cost is increased by approximately 20%, and the present invention is also provided from a comprehensive viewpoint of the performance and cost of a semiconductor device. It can be said that a CMOS using a gate electrode of P-type polycrystalline silicon is effective.
加えて、P型多結晶シリコン薄膜はN型多結晶シリコン薄膜に比べて一般に低抵抗化するのが難しい。このため単独の膜では比較的高抵抗な膜となってしまうという問題があるため、高速動作を重んじる回路においては高融点金属との複合膜として低抵抗化を図ることが望ましい。 In addition, it is generally difficult for the P-type polycrystalline silicon thin film to have a lower resistance than the N-type polycrystalline silicon thin film. For this reason, since there is a problem that a single film becomes a relatively high resistance film, it is desirable to reduce the resistance as a composite film with a refractory metal in a circuit that emphasizes high-speed operation.
次に、ブリーダ抵抗領域410について説明する。単結晶シリコン基板101上に埋め込み酸化膜102を介して形成された単結晶シリコンデバイス形成層103内に一対の高濃度不純物領域401に挟まれた低濃度不純物領域402が形成されており、抵抗体を形成している。図1においては簡単のため1本しか図示しないが、実際は複数本の抵抗体によってブリーダ抵抗が形成されている。
Next, the
さらに、高濃度不純物領域401にはBPSG膜などからなる中間絶縁膜104に開口したコンタクトホール404を介してアルミニウム膜105が接続している。ここで、一つの高濃度不純物領域401に接続したアルミニウム膜105は、抵抗体の抵抗値を決定する低濃度不純物領域402を覆う様に配置され、抵抗値の安定を図っている。
Further, the
これは、抵抗体に近接した導電体と抵抗体自身との電位差により、抵抗体の抵抗値が変化するのを防止するためである。抵抗体上部のアルミニウム膜105の電位は、電源電位やグランド電位ではなく、当該のブリーダ抵抗の一端の電位になるようにして、ブリーダ抵抗を形成する複数の抵抗体全てを同様に作製すると、各抵抗体の上部に位置するアルミニウム膜105と抵抗体自身の電位差は、それぞれ殆ど無い状態となって、同一の寸法形状に加工した各抵抗体は、同一の抵抗値を示すようになる。これらの抵抗体を用いてブリーダ抵抗回路を形成することにより高精度の電圧分圧が可能になる。
This is to prevent the resistance value of the resistor from changing due to the potential difference between the conductor close to the resistor and the resistor itself. When all of the plurality of resistors forming the bleeder resistance are manufactured in a similar manner so that the potential of the
さらに本発明では、ブリーダ抵抗の上部に抵抗値固定用電極を設け、その電位を下部のブリーダ抵抗と同一にすることでさらなる高精度化を図っている。これについて図3を用いて説明する。 Furthermore, in the present invention, the resistance value fixing electrode is provided on the upper part of the bleeder resistor, and the potential thereof is made the same as that of the lower bleeder resistor, thereby further improving the accuracy. This will be described with reference to FIG.
図3は本発明による半導体装置のブリーダ抵抗の1実施例を示す図である。
第1の抵抗体411および第2の抵抗体412の上部に相当する部分にそれぞれ、薄いゲート酸化膜306を介して第1の抵抗値固定用電極331と第2の抵抗値固定用電極332が設けられる。これらは、図1における高速MOSトランジスタ領域210のゲート電極205と同一の材料で形成すると、工程が簡単で良い。
FIG. 3 is a diagram showing one embodiment of the bleeder resistance of the semiconductor device according to the present invention.
A first resistance
第1の抵抗体411の一端の電位と第1の抵抗値固定用電極331との電位、
および、第2の抵抗体412の一端の電位と第2の抵抗値固定用電極332の電位とは、それぞれ同一になるように配線されている。これによって、ブリーダ抵抗を形成する複数の抵抗体全てを同様に作製すると、各抵抗体の上部に位置する抵抗値固定用電極と抵抗体自身の電位差は、それぞれ、殆ど無い状態となって、同一の寸法形状に加工した各抵抗体は、同一の抵抗値を示すようになる。
A potential of one end of the
The potential of one end of the
従来の多結晶シリコン薄膜によるブリーダ抵抗に比べて、本発明では単結晶シリコンデバイス形成層103自身で抵抗体を形成しているため、多結晶シリコン薄膜のグレインの影響をなくすことができ、より均一な抵抗体を得ることができる。一方で、多結晶シリコン薄膜に比べて少ない不純物の添加により抵抗値を下げているので、抵抗体の上下に位置する電極(もしくはそれに相当するもの)の電位の影響を受けやすいという課題もある。
Compared to the bleeder resistance by the conventional polycrystalline silicon thin film, the present invention forms the resistor by the single crystal silicon
本発明では、前述した各抵抗体の上部に位置するアルミニウム膜105と抵抗体自身の電位差を、それぞれ殆ど無い状態とすることと併せて、薄い酸化膜を介して抵抗値固定用の電極を配し、この電位をそれぞれ下部に設置された抵抗体と同一にすることで、さらなる高精度の電圧分圧を可能としている。
このためより高精度なブリーダ抵抗回路を形成することが可能になる。
In the present invention, in addition to making the potential difference between the
This makes it possible to form a bleeder resistance circuit with higher accuracy.
また、図1や図3では、一対の高濃度不純物領域401に挟まれた低濃度不純物領域402を設けた、高い抵抗値を有する抵抗体を形成した場合について説明したが、高い抵抗値が必要無い用途においては、抵抗体全体を高濃度不純物領域401で形成して良い。ブリーダ抵抗領域410の最上層には、シリコン窒化膜などからなる保護膜806が形成される。
1 and 3, the case where a resistor having a high resistance value provided with a low
次に、図1に戻り、ヒューズ領域510について説明する。単結晶シリコン基板101上に埋め込み酸化膜102を介して形成された単結晶シリコンデバイス形成層103内に単結晶シリコンヒューズ501が形成されている。単結晶シリコンヒューズ501は良好な導電性を持たせ、抵抗値を極力下げるため、高い不純物濃度を有する物とする。
Next, returning to FIG. 1, the
単結晶シリコンヒューズ501の両端には、BPSG膜などからなる中間絶縁膜104に開口したコンタクトホール504を介してアルミニウム膜105が接続している。ヒューズ領域510の最上層に形成されたシリコン窒化膜などからなる保護膜806は、レーザ照射領域505にあたる部分が除去されている。これはレーザトリミング時に照射されたレーザビームのエネルギーが、保護膜806に吸収されることで、単結晶シリコンヒューズ501の切断に支障をきたすのを防ぐためである。
The
次に、スクライブ領域801について説明する。図1において、後のダイシング工程(ICチップを切り出す工程)における切りしろになる部分がスクライブ領域801である。半導体集積回路内部領域701の端から、スクライブ領域801が始まる形になる。ここで、スクライブ領域801においては単結晶シリコンデバイス形成層103や、埋め込み酸化膜102が除去されている。望ましくは図1に示すように、中間絶縁膜104や、アルミニウム膜105、保護膜106などの膜も除去されている形が良い。
Next, the
これは、ダイシング工程での切りしろになる部分であるスクライブ領域801と、半導体集積回路内部領域701とが連続した単結晶シリコンデバイス形成層103で繋がっていると、ダイシング工程のばらつきにより、割れ、欠けなどの損傷を与えるような力が働いた場合に、半導体集積回路内部領域701にも割れ、欠けなどが伝播してしまい、重要なICチップを壊してしまう又は、動作不良を起してしまうのを防止するためである。
This is because, when the
特にSOI基板上に作製したICにおいては、単結晶シリコン基板101上に薄い埋め込み酸化膜102及び単結晶シリコンデバイス形成層103を有する形状であるため、上層にあたる埋め込み酸化膜102及び単結晶シリコンデバイス形成層103の割れ、欠けが起き易く注意が必要である。
In particular, since an IC manufactured on an SOI substrate has a thin
ダイシング工程での切りしろであるスクライブ領域801とICチップとなる半導体集積回路内部領域701との間に、連続した同一の膜を残さないようにすることがICチップの割れ、欠け防止に重要な点であり、特にSOI基板上に形成したICに関しては、図1に示すように、スクライブ領域801においては単結晶シリコンデバイス形成層103や、埋め込み酸化膜102を除去しておく事が必要である。さらに望ましくは図1に示すように、中間絶縁膜104や、アルミニウム膜105、保護膜806などの膜も除去されていると良い。また、各種マーク類や、テストパタンなどをスクライブ領域801に形成する必要がある場合には、スクライブ領域801から半導体集積回路内部領域701に至る間に、一旦該当する膜を除去した領域を設けておき、同一の膜が連続してスクライブ領域801と半導体集積回路内部領域701とを橋渡ししないようにすると良い。
It is important to prevent cracking and chipping of the IC chip so as not to leave the same continuous film between the
最後に単結晶シリコンデバイス形成層103及び埋め込み酸化膜102が除去されている半導体集積回路のスクライブ領域801及び、高耐圧型MOSトランジスタ及びESD保護素子形成領域310と、高速MOSトランジスタ領域210などの単結晶シリコンデバイス形成層103及び埋め込み酸化膜102の存在する領域との境界部分における、単結晶シリコンデバイス形成層102及び埋め込み酸化膜103のエッヂの形状について説明する。
Finally, the
図4は本発明による半導体装置の単結晶シリコンデバイス形成層102及び埋め込み酸化膜103のエッヂ部分を示す図である。図4において、単結晶シリコンデバイス形成層エッヂ部92及び埋め込み酸化膜エッヂ部91は、テーパー形状を有し、当該部分の断面形状はなだらかになっている。これによって、単結晶シリコンデバイス形成層103などの上層に配置されるアルミニウム配線105などの配線類の段切れを防止するとともに、スクライブ領域801などでは、単結晶シリコンデバイス形成層103の剥がれ、欠けなどの発生も防止することができる。
FIG. 4 is a view showing the edge portions of the single crystal silicon
91 埋め込み酸化膜エッヂ部
92 単結晶シリコンデバイス形成層エッヂ部
101 単結晶シリコン基板
102 埋め込み酸化膜
103 単結晶シリコンデバイス形成層
104 中間絶縁膜
105 アルミニウム膜
111 P型単結晶シリコン基板
201 ソース領域
202 ドレイン領域
203 チャネル領域
204 コンタクトホール
205 ゲート電極
206 ゲート酸化膜
210 高速MOSトランジスタ領域
211 P型MOSトランジスタ
212 N型MOSトランジスタ
301 ソース領域
302 ドレイン領域
303 チャネル領域
304 コンタクトホール
305 ゲート電極
306 ゲート酸化膜
310 高耐圧MOSトランジスタ及びESD保護回路領域
331 第1の抵抗値固定用電極
332 第2の抵抗値固定用電極
401 高濃度不純物領域
402 低濃度不純物領域
404 コンタクトホール
410 ブリーダ抵抗領域
411 第1の抵抗体
412 第2の抵抗体
421 第1の抵抗体の上面を覆うアルミニウム膜
422 第2の抵抗体の上面を覆うアルミニウム膜
501 単結晶シリコンヒューズ
504 コンタクトホール
505 レーザ照射領域
510 ヒューズ領域
601 レーザトリミング位置決め用パターン領域
701 半導体集積回路内部領域
801 スクライブ領域
806 保護膜
911 Nウエル領域
91 buried oxide
Claims (6)
前記単結晶シリコンデバイス形成層に形成され、前記単結晶シリコンデバイス形成層上に第1のゲート絶縁膜を介して形成された第1のゲート電極を有する完全空乏型の高速MOSトランジスタと、
前記単結晶シリコンデバイス形成層及び前記埋め込み酸化膜が除去されたシリコン基板に形成され、前記シリコン基板上に第2のゲート絶縁膜を介して形成された第2のゲート電極を有する高耐圧型MOSトランジスタと、
前記単結晶シリコンデバイス形成層をパターニングして形成し、両端にコンタクトとして高濃度不純物領域を形成し、それぞれ直列に配列された複数の抵抗よりなるブリーダ抵抗と、
前記それぞれの抵抗の一方端部に設けられたコンタクトと電気的に接続され、前記それぞれの抵抗上に前記第1のゲート絶縁膜と同時に形成された絶縁膜を介して形成され、前記第1のゲート電極と同時にパターニングされて形成された第1の抵抗値固定用電極電極と、からなることを特徴とする半導体装置。 An SOI substrate comprising a silicon substrate, a buried oxide film formed on the silicon substrate, and a single crystal silicon device forming layer formed on the buried oxide film;
A fully-depleted high-speed MOS transistor having a first gate electrode formed on the single-crystal silicon device formation layer and formed on the single-crystal silicon device formation layer via a first gate insulating film;
A high breakdown voltage MOS having a second gate electrode formed on the silicon substrate via a second gate insulating film formed on the silicon substrate from which the single crystal silicon device forming layer and the buried oxide film have been removed. A transistor,
Forming the single crystal silicon device forming layer by patterning, forming high-concentration impurity regions as contacts at both ends, and a bleeder resistor composed of a plurality of resistors each arranged in series;
Electrically connected to a contact provided at one end of each of the resistors, and formed on the respective resistors via an insulating film formed simultaneously with the first gate insulating film; And a first resistance-fixing electrode electrode formed by patterning simultaneously with the gate electrode.
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2004
- 2004-08-06 JP JP2004231217A patent/JP2006049711A/en active Pending
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