JP2008211155A - Semiconductor integrated circuit and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いたSOI−CMOSデバイスにより構成される半導体集積回路に関し、特に、該CMOSデバイスをESD(Electro-Static Damage)すなわち静電破壊から保護するための保護回路を備える半導体集積回路に関する。 The present invention relates to a semiconductor integrated circuit composed of an SOI-CMOS device using an SOI (Silicon on Insulator) substrate, and in particular, protection for protecting the CMOS device from ESD (Electro-Static Damage), that is, electrostatic breakdown. The present invention relates to a semiconductor integrated circuit including a circuit.
特許文献1に開示される特許は、CMOSトランジスタのゲート電極形成時に、入力保護回路部領域にも電極を形成し、CMOSトランジスタのソース・ドレイン形成時に、該電極をマスクとして不純物を拡散させることによって、該入力保護回路部にダイオードを形成することで工程数を増加させることなく、入力保護回路部を備えた半導体集積回路を形成することができるとしている。
The patent disclosed in
特許文献2には、入力保護回路が形成されるSOI層の厚さを、高速動作が要求される回路部分における完全空乏化されるSOI層の厚さよりも厚くする技術が記載されている。また、特許文献3には、保護素子のPN接合部分をアモルファス化する技術が記載されている。さらに、特許文献4に開示される内容には、ESD保護素子を支持基板に形成する技術が記載されている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 describes a technique for making the thickness of the SOI layer in which the input protection circuit is formed larger than the thickness of the SOI layer that is completely depleted in a circuit portion that requires high-speed operation.
ところで、バルクCMOSデバイスではP/N型MOSトランジスタがウエル層にて分離されている。これに対し、SOI−CMOSデバイスは、シリコン支持基板と埋め込み酸化膜(BOX:Buried Oxide)にて分離され,各素子間はLOCOS(Local Oxidation of Silicon)酸化膜にて完全に分離されており、動作素子領域(SOI層と呼ぶ)を絶縁体にて完全分離する構造を持っている。またSOI層の厚みが薄く(通常<50nm)、チャネル下のボディ領域がすべて空乏化しているものを完全空乏型(FD:Fully Depleted)SOI、SOI層が厚く(通常>100nm)、ボディ領域底部に空乏化されていない領域を持つものを部分空乏型(PD:Partially Depleted)SOIと呼ばれている。FD−SOIは、素子動作時に発生した多数キャリアがボディ部に蓄積され難いことからPD−SOIに比べて基板浮遊効果が起こり難く、低電圧且つ低消費電流での動作が得られるという利点がある。
しかしながら、FD−SOIで内部回路を構成した場合、静電破壊現象からかかる内部回路を保護するための保護回路は、製造プロセス上の難易度や工程上の制約から内部回路と同様にFD構造にて形成するのが通常である。このように、必要な保護特性を得るに必要な保護回路を実現する上で製造上の制約がある。 However, when the internal circuit is configured with FD-SOI, the protection circuit for protecting the internal circuit from the electrostatic breakdown phenomenon has an FD structure similar to the internal circuit due to the difficulty in the manufacturing process and the restrictions on the process. Usually, it is formed. Thus, there are manufacturing restrictions in realizing the protection circuit necessary to obtain the necessary protection characteristics.
例えば、保護回路に用いられる保護トランジスタは、想定される最大のサージ電流が発生した場合にそれを速やかに流すことによって内部回路への流入を防止することが求められる。そのため、保護トランジスタの性能として、想定される最大のサージ電流を流し切るだけの電流駆動特性や応答特性が必要であり、そのゲート幅もかかる特性に見合うサイズが必要となる。 For example, a protection transistor used in a protection circuit is required to prevent an inflow into an internal circuit by promptly flowing an assumed maximum surge current when it occurs. For this reason, the performance of the protection transistor requires current drive characteristics and response characteristics that allow the assumed maximum surge current to flow, and the gate width is also required to be a size corresponding to such characteristics.
十分なサージ電流を流すためにゲート幅を大きくした場合には、保護トランジスタに寄生的に形成される裏面チャネルが一様に形成されない場合があり、局所的に形成された裏面チャネルのみを通して大きなサージ電流が流れることにより、結果として保護トランジスタ自身が破壊されてしまう懸念がある。保護トランジスタの裏面チャネルの形成を適切に抑止或いは一様化する構造が望まれている。 If the gate width is increased to allow a sufficient surge current to flow, the back channel formed parasitically in the protection transistor may not be formed uniformly, and a large surge can only be generated through the locally formed back channel. There is a concern that the protection transistor itself may be destroyed as a result of the current flowing. A structure that appropriately prevents or equalizes the formation of the back channel of the protection transistor is desired.
本発明はかかる問題に鑑みて考案されたものであり、その目的は、静電破壊に対して必要な保護性能を備える共に製造が容易な半導体集積回路及び製造方法を提供することである。 The present invention has been devised in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit and a manufacturing method that have a protection performance necessary for electrostatic breakdown and are easy to manufacture.
請求項1に係る半導体集積回路は、埋め込み酸化膜上に形成されるSOI層の一部を各々が含む複数のMOSFETを含み、該複数のMOSFETのうちの少なくとも1つがESD保護トランジスタとして動作する半導体集積回路であり、該ESD保護トランジスタは、該SOI層上に形成されているゲート領域と、第1導電型を有すると共に該SOI層のうちで該ゲート領域と該埋め込み酸化膜との間に形成されている第1導電型領域と、第2導電型を有すると共に該SOI層のうちで該第1導電型領域を挟んで互いに対向する2つの第2導電型領域とを含み、 該第1導電型領域は、第1導電型濃度の高い領域をその深さ方向の中間位置よりも該埋め込み酸化膜に近い方に有することを特徴とする。
The semiconductor integrated circuit according to
請求項4に係る製造方法は、請求項1記載の半導体集積回路を製造する製造方法であり、該ESD保護トランジスタのボディ領域に対応する開口部分を備えるレジスト膜を該SOI層の上に形成するレジスト膜形成工程と、該開口部分に通して該第1導電型に対応する不純分イオンを注入しつつ、そのエネルギ強度を変化せしめることで該第1導電型濃度を調整する濃度調整ステップとを含むことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a manufacturing method for manufacturing the semiconductor integrated circuit according to the first aspect, wherein a resist film having an opening corresponding to a body region of the ESD protection transistor is formed on the SOI layer. A resist film forming step, and a concentration adjusting step of adjusting the concentration of the first conductivity type by changing the energy intensity while implanting impurity ions corresponding to the first conductivity type through the opening. It is characterized by including.
請求項6に係る半導体集積回路は、支持基板を含むSOIウエハ上の複数のMOSFETから構成され、外部信号端子と電源端子と接地端子とに各々が接続される機能回路及びESD保護回路を含む半導体集積回路であり、該ESD保護回路は、該接地端子に接続されたゲートと該外部信号端子に接続されたドレインと該接地端子に接続されたソースとを備える第1保護MOSFETと、該第1保護MOSFETと同一導電型を有し、該接地端子に接続されたゲートと該電源端子に接続されたドレインと該外部信号端子に接続されたソースとを備える第2保護MOSFETと、該接地端子と該支持基板とを接続する基板線と、を含むこと特徴とする。
A semiconductor integrated circuit according to
請求項9に係る製造方法は、請求項6記載の保護MOSFETを製造する製造方法であり、SOIウエハの上にゲート領域を形成するゲート領域形成工程と、
該ゲート領域の周りにあるフィールド領域に該支持基板に至る開口部を形成する開口部形成工程と、イオン注入処理を行って、該ゲート領域下方にドレイン領域及びソース領域を形成すると同時に該開口部を介して露出した支持基板上に高濃度領域を形成する領域形成工程と、形成された各領域に対して同時にイオン活性化処理を行うイオン活性化工程と、形成された各領域に各々が至る複数のコンタクトと、該コンタクト間を接続するメタル配線とからなる基板線を形成する基板線形成工程と、を含むことを特徴とする。
A manufacturing method according to claim 9 is a manufacturing method for manufacturing the protection MOSFET according to
An opening forming step for forming an opening reaching the support substrate in a field region around the gate region, and an ion implantation process are performed to simultaneously form a drain region and a source region below the gate region. A region forming step for forming a high concentration region on the support substrate exposed through the substrate, an ion activation step for simultaneously performing ion activation treatment on each formed region, and each of the formed regions reach And a substrate line forming step of forming a substrate line composed of a plurality of contacts and a metal wiring connecting the contacts.
本発明による半導体集積回路及び製造方法によれば、保護トランジスタにおけるボディ領域の略全域に生じるべき空乏層の生成が埋め込み酸化膜の近傍で抑止される構成が与えられる。これにより静電破壊に対して必要な保護性能を備える共に製造が容易となる。 According to the semiconductor integrated circuit and the manufacturing method of the present invention, there is provided a configuration in which the generation of a depletion layer that should occur in substantially the entire body region of the protection transistor is suppressed in the vicinity of the buried oxide film. This provides the necessary protection against electrostatic breakdown and facilitates manufacture.
本発明の実施例について添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
<第1の実施例>
図1は、本発明の第1の実施例を示し、本発明による半導体集積回路の断面を示している。半導体集積回路10は、少なくとも1つの保護回路20と少なくとも1つの内部回路30とを含んでいる。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<First embodiment>
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention and shows a cross section of a semiconductor integrated circuit according to the present invention. The semiconductor integrated
半導体集積回路10は、SOI(Silicon On Insulator)構造を有し、シリコン基板11上に形成される埋め込み酸化膜(BOX層)12上にさらに形成される活性シリコン層(SOI層)に対してソース領域及びドレイン領域が形成される。かかる構造により、ソース及びドレイン領域と基板との間の寄生容量が小さくなり、高速且つ低電力動作が可能となる。また、BOX層により各素子が完全分離されるためラッチアップが起こらなくなり、高密度レイアウトが可能となる。しかしその一方で、SOI構造では半導体薄膜層の下に絶縁層があるため半導体薄膜層に静電気等によって高電圧が誘起された場合に静電破壊(ESD:Electro-Static Damage)され易い。
The semiconductor integrated
保護回路20は、内部回路30をかかる静電破壊から保護する回路である。内部回路30は、少なくともCMOS構成をなす複数のトランジスタを含み、任意の所望機能に応じた回路構成を備える。
The
内部回路30について詳細に見ると、埋め込み酸化膜12上に予め形成されたSOI層に対してイオン注入することにより形成されるソース領域31及びドレイン領域33と、ソース領域31及びドレイン領域33に挟まれるようにしてSOI層に形成されるボディ領域35と、ボディ領域35上に積層されたゲート酸化膜34上に配置されるポリシリコン膜からなるゲート領域32とからなり、1つのMOS型電界効果トランジスタを構成する。該構成はpMOS型であってもnMOS型であっても良い。SOI層の厚さD1は、例えば0.05μmである。ソース領域31及びドレイン領域33の両側には、予め形成されたSOI層に対して酸化熱処理を施すことで素子分離層13bが形成されている。ソース領域31、ゲート領域32及びドレイン領域33は、適切なコンタクトメタル等の部材を介して外部の電流路に接続されている。
When the
保護回路20について詳細に見ると、埋め込み酸化膜12上に予め形成されたSOI層に対してイオン注入することにより形成されるソース領域21及びドレイン領域23と、ソース領域21及びドレイン領域23に挟まれるようにしてSOI層に形成されるボディ領域25と、ボディ領域25上に積層されたゲート酸化膜24上に配置されるポリシリコン膜からなるゲート領域22とからなり、1つのMOS型電界効果トランジスタを構成する。該構成はpMOS型であってもnMOS型であっても良い。例えば、該電界効果トランジスタをnMOS型とすると、ソース領域21及びドレイン領域23は第2導電型としてn型を有し、ボディ領域22は第1導電型としてp型を有する。
When the
SOI層の厚さD1は、保護回路20及び内部回路30に亘って略同一の厚さであり、例えば、0.05μmである。ソース領域21及びドレイン領域23の両側には、予め形成されたSOI層に対して酸化熱処理を施すことで素子分離層13aが形成されている。ソース領域21、ゲート領域22及びドレイン領域23は、適切なコンタクトメタル等の部材を介して接地端子GND若しくは電源端子VDDに接続されている(図2参照)。
The thickness D1 of the SOI layer is substantially the same across the
本発明の1つの特徴として、ボディ領域25に高濃度の高濃度領域251が形成されている。これにより、内部回路30をFD−SOIで形成する一方で、保護回路20のトランジスタをPD−SOIで形成している。すなわち、保護回路20のトランジスタのボディ領域(SOI層)の底部、すなわちその深さ方向の中間位置から見て埋め込み酸化膜(BOX層)12に近い方にチャネル濃度が高めに設定されることにより、ボディ領域における空乏層が伸び難くなることでPD型のトランジスタが形成されている。
As one feature of the present invention, a
尚、本発明による半導体記憶装置の保護回路20及び/または内部回路30に含まれるMOS型電界効果トランジスタには、短チャネル効果を抑止するためのLDD(Lightly Doped Drain)領域を含んでもよい。この場合、各トランジスタにおけるSOI層においてゲート領域とはゲート酸化膜を隔てたソース領域及びドレイン領域の近傍にLDD領域としてのエクステンション領域が設けられる。LDD領域を含む構造とすることで、サージ電流が入った際における保護回路20の電流駆動能力をより高めることができる。
The MOS field effect transistor included in the
図2は、図1に示された半導体集積回路10の等価回路を示している。ここで、内部回路30が、接地端子GNDと電源端子VDDに接続されると共に、入力端子PADから入力される入力電圧Vinが保護抵抗40を介して入力され、通常、内部回路30に含まれるCMOS構成の両トランジスタのゲートに共通に接続される。保護回路20は、2つのゲート接地構成のNMOSトランジスタ20a及び20bを含む。NMOSトランジスタ20aのソースは電源端子VDDに接続され、そのドレインはNMOSトランジスタ20bのソースに接続される。NMOSトランジスタ20bのドレインは接地端子GNDに接続される。
FIG. 2 shows an equivalent circuit of the semiconductor integrated
NMOSトランジスタ20aのドレインとNMOSトランジスタ20bのソースとの接続点は、入力端子PADに接続されると共に保護抵抗40の一端に接続され、保護抵抗40を介して内部回路30に接続されている。例えば、GND側から負のサージ電流が流入した場合には、保護回路20に含まれるNMOSトランジスタ20a及び20bがONして該サージ電流を電源端子VDD側に流すことにより内部回路30へのサージ電流の流入を防ぐことが意図されている。この場合、かかるサージ電流を速やかに流すことが求められることから、想定される最大のサージ電流を流し切るだけの電流駆動能力や耐電流特性がNMOSトランジスタ20a及び20bに求められる。
A connection point between the drain of the NMOS transistor 20a and the source of the NMOS transistor 20b is connected to the input terminal PAD and one end of the protective resistor 40, and is connected to the
図3A〜図3Dは、図1に示された半導体集積回路の製造プロセスを示している。ここで、通常のSOI構造の半導体集積回路の製造方法により、シリコン基板11上に埋めこみ酸化膜12が形成され、さらにその上に膜厚D1を略0.05μm程度とするSOI層14が形成されたSOIウエハが準備されたとする。
3A to 3D show a manufacturing process of the semiconductor integrated circuit shown in FIG. Here, the buried
図3Aに示されるように、かかるSOIウエハに対して、フォトリソグラフィ工程によりパターニングされたシリコン窒化膜を形成し酸素雰囲気下の熱処理を施すLOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)工程を経ることで、素子分離領域13a及び13bにより分離された保護回路20及び内部回路30の各領域が形成される。さらに、熱酸化法の工程を経ることで、SOI層14上にゲート酸化膜15が形成され、さらにゲート酸化膜15を介して低濃度の不純物イオンをSOI層14にイオン注入することでボディ領域が形成される。
As shown in FIG. 3A, the SOI wafer is subjected to a LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon) process in which a silicon nitride film patterned by a photolithography process is formed and subjected to a heat treatment in an oxygen atmosphere. The regions of the
図3Bに示されるように、ボディ領域が形成されたSOIウエハに対して、フォトリソグラフィ工程によって保護回路20のソース領域、ボディ領域に及びドレイン領域に対応する部分が開口する開口部17を備えるレジスト膜16を形成する。次いで、図3Cに示されるように、ゲート酸化膜15を介して高濃度の不純物イオン18を注入する。このとき、イオン注入を高いエネルギ(例えば40kV)で行うことによりイオン注入の平均注入距離RpをSOI層14の底部に来るように設定する。これにより、SOI層14底部のチャネル濃度を高めにすることができる。不純物イオン18は、保護回路20のトランジスタがp型MOS電界効果トランジスタであればn型不純物イオンとし、該トランジスタがn型MOS電界効果トランジスタであれば、例えば、ボロン(B)やフッ化硼素(BF2)の如きp型不純物イオンとする。これにより、開口部17に対向するSOI層14の下部に高濃度領域251が形成される。
As shown in FIG. 3B, a resist having an
次いで、通常のSOI構造の半導体集積回路の製造方法により、減圧CVD(Chemical Vapor Deposition)法等の工程を経て、ゲート酸化膜15上にポリシリコン膜を堆積することで0.15μm程度のゲート長を有するゲート電極22及び32を形成し、次いで、ゲート電極22やレジスト膜をマスクとして、不純物イオン18とは反対導電型の不純物イオンを注入することで自己整合的にソース領域及びドレイン領域を形成し、図3Dに示される構造を得る。
Next, a gate length of about 0.15 μm is obtained by depositing a polysilicon film on the gate oxide film 15 through a process such as a low-pressure CVD (Chemical Vapor Deposition) method by a normal method for manufacturing a semiconductor integrated circuit having an SOI structure. Then, using the
以上のように、内部回路30を通常のFD型トランジスタで形成するプロセスにフォトリソグラフィ及びイオン注入の工程を追加することで、容易に保護回路20のトランジスタのみをPD化することができる。尚、SOI層14の底部へのイオン注入はゲート酸化膜15を形成する前に行ってもよい。
As described above, by adding the steps of photolithography and ion implantation to the process of forming the
図4は、本発明の半導体集積回路についてデバイスシミュレーションを行った結果を示している。このシミュレーションは、保護回路を構成するNチャネルトランジスタに対してチャネル不純物としてBF2をイオン注入してボディ領域を形成する際に、イオン注入のエネルギを15keVとしてボディ領域を通常チャネルとして形成した場合と、該エネルギを15keVから40keVの範囲で調整してボディ領域を高濃度チャネル領域として形成した場合との比較である。 FIG. 4 shows the result of device simulation of the semiconductor integrated circuit of the present invention. In this simulation, when forming a body region by implanting BF 2 as a channel impurity into an N-channel transistor constituting the protection circuit, the body region is formed as a normal channel with an ion implantation energy of 15 keV. This is a comparison with the case where the body region is formed as a high-concentration channel region by adjusting the energy in the range of 15 keV to 40 keV.
本図から明らかなように、SOI底部のチャネル濃度を高めにすることにより、サブスレッショルドのS値が悪くなり、トランジスタがPD動作となることがわかる。ここで、S値とは、S=Vg/log(Ids)で表され、ドレイン電流Idsを1桁変化させるために必要なゲート電圧Vgを意味しています。例えば、S=60mV/decであれば、Vgを60mV増やすことで、Idsが1桁増大するということを意味する。 As is apparent from this figure, it is understood that by increasing the channel concentration at the bottom of the SOI, the S value of the subthreshold is deteriorated, and the transistor performs PD operation. Here, the S value is expressed by S = Vg / log (Ids), and means the gate voltage Vg necessary for changing the drain current Ids by one digit. For example, if S = 60 mV / dec, it means that Ids is increased by one digit by increasing Vg by 60 mV.
以上の第1の実施例において、上記した保護回路の構成では、ボディ領域の底部に高濃度領域が形成されことで空乏層となっていない領域に正孔が存在する。このため、支持基板にサージ電流が入った場合でも、ボディ領域のある正孔がソース側に排出されなければ、寄生トランジスタをオンさせることがない(図7参照)。ボディ領域への正孔の排出にはおおよそ数msec程度の時間が必要であることが知られており、その間に保護トランジスタの表面チャネルによる適正な動作が得られ、裏面チャネルの局所的動作がない保護回路特性が得られることになる。 In the first embodiment described above, in the configuration of the protection circuit described above, holes are present in a region that is not a depletion layer because a high concentration region is formed at the bottom of the body region. For this reason, even if a surge current enters the support substrate, the parasitic transistor is not turned on unless holes in the body region are discharged to the source side (see FIG. 7). It is known that it takes about several milliseconds to discharge holes to the body region, and during this time, proper operation is obtained by the surface channel of the protection transistor, and there is no local operation of the back channel. Protection circuit characteristics can be obtained.
また、本発明の半導体集積回路は、内部回路と保護回路とを構成する2種類のトランジスタを全く異なる工程から作り込む必要がなく、フォトリソグラフィ工程とイオン注入工程を追加するのみで製造され得る。これにより、プロセス上の難易度を高めることなく工程数の大幅な増大を招くことがない。 In addition, the semiconductor integrated circuit of the present invention does not need to form two kinds of transistors constituting the internal circuit and the protection circuit from completely different processes, and can be manufactured only by adding a photolithography process and an ion implantation process. As a result, the number of steps is not significantly increased without increasing the difficulty in the process.
尚、保護トランジスタはサージ電流を逃がす際にしか動作しないため、保護トランジスタがPD型であってもデバイス全体の動作には影響を与えない。
<第2の実施例>
図5は、第2の実施例を示し、本発明による半導体集積回路の断面を示している。ここで、第1の実施例におけると同様の内部回路30がFD−SOIにて形成される一方、保護回路20のSOI層の膜厚が内部回路30よりも厚く形成されている。
Since the protection transistor operates only when the surge current is released, the operation of the entire device is not affected even if the protection transistor is a PD type.
<Second embodiment>
FIG. 5 shows a second embodiment and shows a cross section of a semiconductor integrated circuit according to the present invention. Here, the
半導体集積回路10は、少なくとも1つの保護回路20と少なくとも1つの内部回路30とを含んでいる。半導体集積回路10は、SOI(Silicon On Insulator)構造を有し、シリコン基板11上に形成される埋め込み酸化膜(BOX層)12上にさらに形成される活性シリコン層(SOI層)に対してソース領域及びドレイン領域が形成されている。保護回路20は、内部回路30を静電破壊から保護する回路である。内部回路30は、少なくともCMOS構成をなす複数のトランジスタを含み、任意の所望機能に応じた回路構成を備える。
The semiconductor integrated
内部回路30は、埋め込み酸化膜12上にソース領域31及びドレイン領域33と、ソース領域31及びドレイン領域33に挟まれるようにして膜厚D1のSOI層に形成されるボディ領域35と、ボディ領域35上に積層されたゲート酸化膜34上に配置されるポリシリコン膜からなるゲート領域32とからなり、1つのMOS型電界効果トランジスタを構成する。保護回路20は、埋め込み酸化膜12上にソース領域21及びドレイン領域23と、ソース領域21及びドレイン領域23に挟まれるようにして膜厚D2のSOI層に形成されるボディ領域25と、ボディ領域25上に積層されたゲート酸化膜24上に配置されるポリシリコン膜からなるゲート領域22とからなり、1つのMOS電界効果トランジスタを構成する。
The
本発明の他の1つの特徴として、図示されるように、保護回路20のトランジスタのSOI層の膜厚D2は、内部回路30のトランジスタのSOI層の膜厚D1に比して厚くなっている。膜厚D1を例えば0.05μmとすると、膜厚D2を0.1μm以上とすることが想定される。かかる構造により、保護回路20におけるトランジスタの空乏層が完全にはSOI層の底部には伸び切らないため、該トランジスタはPD型の動作を行う。
As another feature of the present invention, as shown in the figure, the film thickness D2 of the SOI layer of the transistor of the
第2の実施例における半導体集積回路の製造方法としては、製造初期のSOIウエハに対して、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜19を酸化防止膜として形成し、この積層膜19に対してフォトリソグラフィ及びエッチング工程を施すことにより、保護回路20以外の領域をエッチングさせてSOI層14を露出させる。さらに、露出されたSOI層14に対して犠牲酸化膜141の形成及びエッチングを施すSOI層調整酸化を実施する。その後、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を全てウェットエッチングで除去するとにより、保護回路部20以外のSOI層が薄く形成されると共に、保護回路20のみのSOI層の膜厚が厚く形成される。その後、素子分離、ゲート酸化、ゲート電極形成及びLDDやソース領域及びドレイン領域形成の通常のCMOS形成工程を実施することで、図5に示された半導体集積回路10が製造される。
As a method for manufacturing a semiconductor integrated circuit in the second embodiment, a
以上の第2の実施例において、上記した保護回路の構成では、ボディ領域の厚さが厚く形成されことで空乏層となっていない領域が残りここに正孔が存在する。このため、支持基板にサージ電流が入った場合でも、ボディ領域のある正孔がソース側に排出されなければ、寄生トランジスタをオンさせることがない(図7参照)。ボディ領域への正孔の排出にはおおよそ数msec程度の時間が必要であることが知られており、その間に保護トランジスタの表面チャネルによる適正な動作が得られ、裏面チャネルの局所的動作がない保護回路特性が得られることになる。 In the second embodiment described above, in the configuration of the protection circuit described above, the region that is not a depletion layer remains because the body region is formed thick, and holes exist. For this reason, even if a surge current enters the support substrate, the parasitic transistor is not turned on unless holes in the body region are discharged to the source side (see FIG. 7). It is known that it takes about several milliseconds to discharge holes to the body region, and during this time, proper operation is obtained by the surface channel of the protection transistor, and there is no local operation of the back channel. Protection circuit characteristics can be obtained.
尚、保護トランジスタはサージ電流を逃がす際にしか動作しないため、保護回路のトランジスタのみがPD型であっても半導体集積回路全体の動作には影響を与えない。 Since the protection transistor operates only when the surge current is released, even if only the transistor of the protection circuit is a PD type, the operation of the entire semiconductor integrated circuit is not affected.
以上の実施例における半導体集積回路は、該CMOSデバイスの内部回路を完全空乏型(FD)で形成する一方で、静電破壊現象から内部回路を保護するための保護トランジスタを部分空乏型(PD)SOIで形成することを特徴としている。従って、半導体集積回路を構成する内部回路の機能は特定の機能を果たすものに限られず、汎用CPUやモバイル機器用の多様な機能を実現するものであってもよい。
<第3の実施例>
図8は、第3の実施例を示し、本発明による半導体集積回路の回路構成を示している。半導体集積回路10は、SOI(Silicon On Insulator)構造を有し、少なくとも1つの保護回路20と、所定機能を奏する機能回路として少なくとも1つの内部回路30と、を含む。
In the semiconductor integrated circuit in the above embodiment, the internal circuit of the CMOS device is formed by a fully depleted type (FD), while a protection transistor for protecting the internal circuit from an electrostatic breakdown phenomenon is a partially depleted type (PD). It is characterized by being formed by SOI. Therefore, the functions of the internal circuits constituting the semiconductor integrated circuit are not limited to those that fulfill a specific function, and may be various functions for general-purpose CPUs and mobile devices.
<Third embodiment>
FIG. 8 shows a third embodiment and shows a circuit configuration of a semiconductor integrated circuit according to the present invention. The semiconductor integrated
内部回路30は、接地端子GNDと電源端子VDDに接続されると共に、外部信号端子である入力端子PADから入力される入力電圧Vinが保護抵抗40を介して入力され、通常、内部回路30に含まれるCMOS構成の両トランジスタのゲートに共通に接続される。
The
保護回路20は、2つのゲート接地構成のNMOSトランジスタ20a及び20bを含む。NMOSトランジスタ20aのソースは電源端子VDDに接続され、そのドレインはNMOSトランジスタ20bのソースに接続される。NMOSトランジスタ20bのドレインは接地端子GNDに接続される。NMOSトランジスタ20aのドレインとNMOSトランジスタ20bのソースとの接続点は、入力端子PADに接続されると共に保護抵抗40の一端に接続され、保護抵抗40を介して内部回路30に接続されている。例えば、GND側から負のサージ電流が流入した場合には、保護回路20に含まれるNMOSトランジスタ20a及び20bがONして該サージ電流を電源端子VDD側に流すことにより内部回路30へのサージ電流の流入を防ぐことが意図されている。
The
さらに、半導体集積回路10は、SOIウエハにおけるシリコン基板に電気的に接続された基板線SUBを含み、基板線SUBは接地端子GNDに電気的に接続されている。接地端子GNDは、保護トランジスタ20bのゲート及びソースに接続されていると共に、保護トランジスタ20aのゲートに接続されている。シリコン基板と基板線SUBとの電気的接続は、埋め込み酸化膜を貫通した基板コンタクトを介してメタル配線を行うことで容易に作成され得る。
Further, the semiconductor integrated
尚、NMOSトランジスタ20a及び20bの各々は共にNMOS型のMOSFETであるとしているが、これに代えて共にPMOSトランジスタであってもよい。 The NMOS transistors 20a and 20b are both NMOS type MOSFETs, but may be both PMOS transistors instead.
図9は、図8に示される回路構成における動作を説明している。本図の(a)を参照すると、支持基板に対して保護トランジスタが浮いている、すなわち容量Cを持つ状態を示している。この場合、保護トランジスタの保護動作にとって逆電位のサージ電圧が接地端子GNDに生じた場合に、SOI構造上裏面の寄生トランジスタのゲートに相当する支持基板の電位がソース電位と同電位ないために裏面チャネルがON状態となってしまう。一方、本図の(b)を参照すると、支持基板と保護トランジスタとが基板線を介して接続された状態を示している。この場合、支持基板にサージ電流が入った場合でも、保護トランジスタのソースと支持基板が同電位となるため、SOI構造上裏面の寄生トランジスタがオンすることがなく、寄生トランジスタ動作による保護トランジスタの静電破壊現象の抑制が可能となる。 FIG. 9 illustrates the operation in the circuit configuration shown in FIG. Referring to (a) of the figure, the protection transistor is floating with respect to the support substrate, that is, has a capacity C. In this case, when a reverse surge voltage is generated at the ground terminal GND for the protection operation of the protection transistor, the potential of the support substrate corresponding to the gate of the parasitic transistor on the back surface of the SOI structure is not the same as the source potential. The channel is turned on. On the other hand, referring to (b) of the figure, a state is shown in which the support substrate and the protection transistor are connected via the substrate line. In this case, even if a surge current is applied to the support substrate, the source of the protection transistor and the support substrate are at the same potential. Therefore, the parasitic transistor on the back surface of the SOI structure is not turned on, and the protection transistor is statically operated by the parasitic transistor operation. The electric breakdown phenomenon can be suppressed.
図10A〜図10Eは、図8に示された保護トランジスタの製造方法を示している。該製造方法の特徴は、半導体集積回路の内部回路をSOIウエハに形成する際に、支持基板にコンタクトを介して接続することを特徴としている。 10A to 10E show a method for manufacturing the protection transistor shown in FIG. The manufacturing method is characterized in that when an internal circuit of a semiconductor integrated circuit is formed on an SOI wafer, it is connected to a support substrate via a contact.
第1のステップ(図10A参照)は、既知のCMOSプロセスを用いてSOIウエハ上に保護トランジスタ20を形成する。本図ではサイドウォールまでが形成された様子が示されている。すなわち、保護トランジスタ20には、支持基板としてのシリコン基板11及び埋め込み酸化膜12の上にボディ領域25と、ボディ領域25上に積層されたゲート酸化膜24上に配置されるゲート領域22と、ゲート領域22に対して自己整合的に配置されるLDD領域41及び42とが形成されている。
The first step (see FIG. 10A) forms the
第2のステップ(図10B参照)は、フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、埋め込み酸化膜12を貫通する開口部50を、ボディ領域25に隣接するフィールド領域(図10A参照)に形成する。その後、適切なレジストマスクを用いて開口部50、ソース領域23及びドレイン領域21のための高濃度インプラント処理を実施する。これにより、ソース領域23及びドレイン領域21の形成と同時に開口部50のシリコン基板11上にも高濃度領域51が形成される。インプラント処理における注入イオンとしては、例えば、保護トランジスタ20をpMOS型とする場合にp型不純物が高濃度に注入される。
In the second step (see FIG. 10B), an
第3のステップ(図10C参照)は、RTA(Rapid Thermal Anneal)処理により不純物の活性化アニールを行った後、既知のシリサイド形成技術を用いて、保護トランジスタ20のゲート領域22の表面にシリサイド層45を、ソース領域の表面にシリサイド層44を、そしてドレイン領域21の表面にシリサイド層43を各々形成する。このとき、必要であれば高濃度領域51の表面にもシリサイド層52を形成する。シリサイド層43、44、45及び52は低抵抗の材料が用いられる。
In the third step (see FIG. 10C), after activation annealing of impurities by RTA (Rapid Thermal Anneal) treatment, a silicide layer is formed on the surface of the
第4のステップ(図10D参照)は、保護トランジスタ20全体に中間絶縁膜67を堆積し、CMP(Chemical Mechanical Polishing)技術等を用いて平坦化を実施する。
In the fourth step (see FIG. 10D), an intermediate insulating film 67 is deposited on the
第5のステップ(図1E参照)は、最終的に、コンタクト形成とメタル配線を行う。すなわち、保護トランジスタ20のシリサイド層43はコンタクト61を介してメタル配線65に接続される。シリサイド層45はコンタクト64を介して、シリサイド層44はコンタクト62を介して、そしてシリサイド層52はコンタクト63を介してメタル配線66に共に接続される。これにより、図8に示された回路構成が実現される。
In the fifth step (see FIG. 1E), contact formation and metal wiring are finally performed. That is, the silicide layer 43 of the
以上の第3の実施例において、通常のCMOSプロセスに対して基板コンタクトのための追加的な熱処理を加えることなしにSOI構造の保護トランジスタのソースと支持基板を接続することが可能となる。追加的な熱処理工程がないことからトランジスタの特性にはまったく影響を与えることがなく、裏面チャネルのみがON状態となることのない所望の保護動作特性が得られる。 In the third embodiment described above, it becomes possible to connect the source of the protection transistor of the SOI structure and the supporting substrate without adding an additional heat treatment for the substrate contact to the normal CMOS process. Since there is no additional heat treatment step, the transistor characteristics are not affected at all, and desired protection operation characteristics can be obtained in which only the back channel is not turned on.
10 半導体集積回路
11 シリコン基板
12 埋め込み酸化膜
13a、13b 素子分離層
14 SOI層
15、24、34、ゲート酸化膜
16 レジスト膜
17 開口部
18 注入イオン
19 積層膜
20 保護回路
20a、20b NMOSトランジスタ
21、31 ソース領域
22、32 ゲート領域
23、33 ドレイン領域
24、34 ゲート酸化膜
25、35 ボディ領域
30 内部回路
40 保護抵抗
43〜45、52 シリサイド層
50 開口部
51 高濃度領域
61〜64 コンタクト
65、66 メタル配線
67 中間絶縁膜
251 高濃度領域
D1、D2 膜厚
GND 接地端子
PAD 入力端子
VDD 電源端子
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記ESD保護トランジスタは、
前記SOI層上に形成されているゲート領域と、
第1導電型を有すると共に前記SOI層のうちで前記ゲート領域と前記埋め込み酸化膜との間に形成されている第1導電型領域と、
第2導電型を有すると共に前記SOI層のうちで前記第1導電型領域を挟んで互いに対向する2つの第2導電型領域と、を含み、
前記第1導電型領域は、第1導電型濃度の高い領域をその深さ方向の中間位置よりも前記埋め込み酸化膜に近い方に有することを特徴とする半導体集積回路。 A semiconductor integrated circuit including a plurality of MOSFETs each including a part of an SOI layer formed on a buried oxide film, wherein at least one of the plurality of MOSFETs operates as an ESD protection transistor;
The ESD protection transistor is:
A gate region formed on the SOI layer;
A first conductivity type region having a first conductivity type and formed between the gate region and the buried oxide film in the SOI layer;
Two second conductivity type regions having a second conductivity type and facing each other across the first conductivity type region in the SOI layer,
The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the first conductivity type region has a region having a high first conductivity type concentration closer to the buried oxide film than an intermediate position in the depth direction.
前記ESD保護トランジスタの少なくともボディ領域に対応する開口部分を備えるレジスト膜を前記SOI層の上に形成するレジスト膜形成工程と、
前記開口部分に通して前記第1導電型に対応する不純物イオンを注入しつつ、そのエネルギ強度を変化せしめることで前記第1導電型濃度を調整する濃度調整ステップと、
を含むことを特徴とする製造方法。 A manufacturing method for manufacturing the semiconductor integrated circuit according to claim 1,
Forming a resist film having an opening corresponding to at least a body region of the ESD protection transistor on the SOI layer;
A concentration adjusting step of adjusting the concentration of the first conductivity type by changing the energy intensity while implanting impurity ions corresponding to the first conductivity type through the opening;
The manufacturing method characterized by including.
前記ESD保護トランジスタを除く他のトランジスタに対応する開口部分を備える酸化防止膜を前記SOI層の上に形成する酸化防止膜形成工程と、
前記開口部分により露出するSOI層に対して酸化及びエッチング処理を施すことで前記ESD保護トランジスタにおけるSOI層の膜厚を調整する膜厚調整ステップと、
を含むことを特徴とする製造方法。 A manufacturing method for manufacturing the semiconductor integrated circuit according to claim 2,
Forming an antioxidant film having an opening corresponding to other transistors except the ESD protection transistor on the SOI layer; and
A film thickness adjusting step of adjusting the film thickness of the SOI layer in the ESD protection transistor by performing oxidation and etching treatment on the SOI layer exposed by the opening;
The manufacturing method characterized by including.
前記ESD保護回路は、
前記接地端子に接続されたゲートと前記外部信号端子に接続されたドレインと前記接地端子に接続されたソースとを備える第1保護MOSFETと、
前記第1保護MOSFETと同一導電型を有し、前記接地端子に接続されたゲートと前記電源端子に接続されたドレインと前記外部信号端子に接続されたソースとを備える第2保護MOSFETと、
前記接地端子と前記支持基板とを接続する基板線と、
を含むこと特徴とする半導体集積回路。 A semiconductor integrated circuit comprising a plurality of MOSFETs on an SOI wafer including a support substrate, and including a functional circuit and an ESD protection circuit, each of which is connected to an external signal terminal, a power supply terminal, and a ground terminal;
The ESD protection circuit is
A first protection MOSFET comprising a gate connected to the ground terminal, a drain connected to the external signal terminal, and a source connected to the ground terminal;
A second protection MOSFET having the same conductivity type as the first protection MOSFET and comprising a gate connected to the ground terminal, a drain connected to the power supply terminal, and a source connected to the external signal terminal;
A substrate wire connecting the ground terminal and the support substrate;
A semiconductor integrated circuit comprising:
SOIウエハの上にゲート領域を形成するゲート領域形成工程と、
前記ゲート領域の周りにあるフィールド領域に前記支持基板に至る開口部を形成する開口部形成工程と、
イオン注入処理を行って、前記ゲート領域下方にドレイン領域及びソース領域を形成すると同時に前記開口部を介して露出した支持基板上に高濃度領域を形成する領域形成工程と、
形成された各領域に対して同時にイオン活性化処理を行うイオン活性化工程と、
形成された各領域に各々が至る複数のコンタクトと、前記コンタクト間を接続するメタル配線とからなる基板線を形成する基板線形成工程と、
を含むことを特徴とする製造方法。 A manufacturing method for manufacturing the protection MOSFET according to claim 6,
A gate region forming step of forming a gate region on the SOI wafer;
An opening forming step of forming an opening reaching the support substrate in a field region around the gate region;
A region forming step of forming a high concentration region on the support substrate exposed through the opening while performing drain implantation and source region under the gate region by performing ion implantation processing;
An ion activation step of simultaneously performing ion activation treatment on each formed region;
A substrate line forming step for forming a substrate line comprising a plurality of contacts each reaching each formed region and a metal wiring connecting the contacts;
The manufacturing method characterized by including.
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