JP2009218413A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、SOI技術により形成されるMOSFETダイオード、を有する半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a MOSFET diode formed by SOI technology and a manufacturing method thereof.
半導体デバイスを、絶縁膜上に形成された薄い半導体膜に形成する技術(即ち、SOI技術)は、次世代に向けた低パワー半導体デバイスとして開発・実用化が進められている。一方、スプリングドライブ(登録商標)は、ぜんまいの解ける力を利用して発電を行う新規な動力源であり、これもまた、環境に配慮した次世代の低パワーシステムへの応用が期待されている。 Technology (ie, SOI technology) for forming a semiconductor device on a thin semiconductor film formed on an insulating film has been developed and put into practical use as a low power semiconductor device for the next generation. On the other hand, Spring Drive (registered trademark) is a new power source that generates power using the power that the mainspring can dissolve, and this is also expected to be applied to the next-generation low-power system in consideration of the environment. .
SOI技術により形成された集積回路を駆動する動力としてスプリングドライブ(以下、SD)を用いる場合、SDの出力は交流電圧であるため、それを直流電圧に変換するための電源回路が必要である。なかでも、電源回路にはダイオードが必要不可欠であるが、現状では、このような整流ダイオードとしてICチップの外部に取り付けられるディスクリート部品を用いているため、それがシステムの小型化の妨げの一因となっている。したがって、整流ダイオードをICチップに内蔵することができれば、システムをさらにコンパクトにすることができ、また低コスト化や、部品点数の減少による歩留まり向上にもつなげることができる。
ところで、ICチップに内蔵される整流ダイオードをSOI技術で作製する場合は、SOI層の厚さが薄いので、Bulkシリコンの場合とは違いPN接合ダイオードを作製することは困難であると考えられる。そこで、MOSトランジスタ(MOS Field Effect Transistor)をダイオードとして用いることが解決策として考えられるが、このタイプのダイオード(以下、MOSFETダイオードという。)において、必要な順方向電流を得るためには、チャネル長を短くするか、又は、チャネル幅を広くすることが求められる。 By the way, when the rectifier diode built in the IC chip is manufactured by the SOI technology, it is considered that it is difficult to manufacture a PN junction diode unlike the case of Bulk silicon because the SOI layer is thin. Therefore, it is conceivable to use a MOS field effect transistor (MOS transistor) as a diode. In order to obtain a necessary forward current in this type of diode (hereinafter referred to as a MOSFET diode), a channel length is required. Is required to be shortened or the channel width is increased.
しかしながら、短チャネル長化については、フォトリソグラフィー技術による加工上の限界がある。このため、チャネル幅を広げることが順方向電流を増やすための現実的な解となるが、この場合は、例えば図9に示すように、MOSFETダイオード90のゲート電極91が一方向に向かって極端に長い形となり、レイアウトの利用効率が低下してしまうという課題があった。
そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、MOSFETダイオードのチャネル幅を効率良く広げることができ、レイアウトの利用効率を向上できるようにした半導体装置及びその製造方法の提供を目的とする。
However, the shortening of the channel length has a limit in processing by the photolithography technique. Therefore, widening the channel width is a realistic solution for increasing the forward current. In this case, however, as shown in FIG. 9, for example, the
Accordingly, the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a semiconductor device and a manufacturing method thereof that can efficiently increase the channel width of the MOSFET diode and improve the utilization efficiency of the layout. With the goal.
〔発明1〜3〕 発明1の半導体装置は、基板上に絶縁層を介して形成された半導体層と、前記半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の両側の前記半導体層にそれぞれ形成されたソース又はドレインと、前記ソース又はドレインの一方と前記ゲート電極とを接続する配線と、を備え、前記ゲート電極は平面視で一の方向に向かって左右に振れながら延伸された形状を有することを特徴とするものである。ここで、「基板」は例えばシリコン基板であり、「絶縁層」は例えばシリコン酸化膜(SiO2)であり、「半導体層」は例えばシリコン層である。
発明2の半導体装置は、発明1の半導体装置において、前記ゲート電極は、平面視で前記一の方向に沿う第1の部位と、前記一の方向に平面視で垂直な他の方向に沿う第2の部位とを有し、前記第1の部位と前記第2の部位とが交互に繋がっていることを特徴とするものである。
[Invention 1-3] The semiconductor device of Invention 1 is formed on a semiconductor layer formed on a substrate via an insulating layer, a gate insulating film formed on the semiconductor layer, and the gate insulating film. A gate electrode; a source or drain formed in each of the semiconductor layers on both sides of the gate electrode; and a wiring connecting one of the source or drain and the gate electrode. It has a shape that is stretched while swinging left and right in one direction. Here, the “substrate” is, for example, a silicon substrate, the “insulating layer” is, for example, a silicon oxide film (SiO 2 ), and the “semiconductor layer” is, for example, a silicon layer.
A semiconductor device according to a second aspect is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the gate electrode includes a first portion along the one direction in plan view and a first portion along the other direction perpendicular to the one direction in plan view. The first portion and the second portion are alternately connected to each other.
発明3の半導体装置は、発明2の半導体装置において、前記第2半導体層を平面視で囲むように前記絶縁層上に形成された素子分離膜、を備え、前記素子分離膜で囲まれた領域の前記半導体層上に前記ゲート絶縁膜を介して前記第1の部位と前記第2の部位とがそれぞれ形成されていることを特徴とするものである。ここで、「素子分離膜で囲まれた領域」をアクティブ領域とも呼ぶ。
発明1〜3の半導体装置によれば、平面視で例えば正方形或いは長方形のアクティブ領域の半導体層に、蛇行形状のチャネル領域を形成することができ、チャネル幅を効率良く広げることができる。より小さな占有面積で、よりチャネル幅Wの広いMOSFETダイオードを実現することができ、レイアウトの利用効率を高めることができる。
A semiconductor device according to a third aspect of the present invention is the semiconductor device according to the second aspect, comprising: an element isolation film formed on the insulating layer so as to surround the second semiconductor layer in a plan view; and a region surrounded by the element isolation film The first portion and the second portion are respectively formed on the semiconductor layer via the gate insulating film. Here, the “region surrounded by the element isolation film” is also referred to as an active region.
According to the semiconductor devices of the first to third aspects, a meandering channel region can be formed in a semiconductor layer of a square or rectangular active region, for example, in plan view, and the channel width can be efficiently increased. A MOSFET diode having a smaller channel area and a wider channel width W can be realized, and the utilization efficiency of the layout can be improved.
〔発明4〕 発明4の半導体装置は、発明2又は発明3の半導体装置において、前記第1の部位と前記第2の部位とが交わる部分の角部は平面視で丸みを有する、ことを特徴とするものである。このような構成であれば、上記角部における電界集中を緩和することができる。
〔発明5〕 発明5の半導体装置の製造方法は、基板上に絶縁層を介して形成された半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の両側の前記半導体層にそれぞれソース又はドレインを形成する工程と、前記ソース又はドレインの一方と前記ゲート電極とを接続する配線を形成する工程と、を含み、前記ゲート電極は、平面視で一の方向に向かって左右に振れながら延伸された形状を有することを特徴とするものである。
このような方法によれば、MOSFETダイオードのチャネル幅を効率良く広げることができ、レイアウトの利用効率を高めることができる。
[Invention 4] The semiconductor device of Invention 4 is characterized in that, in the semiconductor device of Invention 2 or 3, the corner portion of the portion where the first portion and the second portion intersect is rounded in plan view. It is what. With such a configuration, the electric field concentration at the corner can be relaxed.
[Invention 5] A method of manufacturing a semiconductor device of
According to such a method, the channel width of the MOSFET diode can be increased efficiently, and the utilization efficiency of the layout can be increased.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その重複する説明は省略する。
図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置の構成例を示す図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)をX1−X´1線で切断したときの断面図である。なお、図1(a)では、図面の複雑化を回避するために層間絶縁膜の記入を省略している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in each drawing described below, parts having the same configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted.
1A and 1B are diagrams illustrating a configuration example of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a line X1-X′1 in FIG. It is sectional drawing when cut | disconnecting. In FIG. 1A, the interlayer insulating film is not shown in order to avoid complication of the drawing.
図1(a)及び(b)に示すように、この半導体装置は、SOI基板10と、SOI基板10に形成された素子分離膜11と、素子分離膜11により平面視で囲まれた領域(即ち、アクティブ領域)のSi層5に形成されたMOSFETダイオード50と、を備える。ここで、SOI基板10は、例えばバルクのSi基板1と、Si基板1上に形成された絶縁層3と、絶縁層3上に形成されたSi層5(即ち、SOI層)とを有する。絶縁層3は、例えばSiO2膜からなり、BOX層とも呼ばれる。また、素子分離膜11は、例えばシリコンSiO2膜からなる。図1(b)に示すように、素子分離膜11の下面は絶縁層3の上面と接しており、素子分離膜11と絶縁層3とにより、アクティブ領域のSi層5はその周囲から完全に素子分離されている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, this semiconductor device includes an
また、MOSFETダイオード50は、アクティブ領域のSi層5上に形成されたゲート絶縁膜13と、ゲート絶縁膜13上に形成されたゲート電極15と、ゲート電極15の両側のSi層5にそれぞれ形成されたソース又はドレイン(以下、S/D層という。)17、18と、ゲート電極15上に形成されたプラグ電極23と、S/D層17上に形成されたプラグ電極25と、S/D層18上に形成されたプラグ電極27と、プラグ電極23とプラグ電極27とに電気的に接続してこれらを短絡する配線31と、プラグ電極25に電気的に接続する配線33と、を備える。配線31、33はそれぞれ層間絶縁膜21上に形成されている。
The
図1(a)及び(b)に示すMOSFETダイオード50がn型の場合、S/D層17、18はn型の不純物拡散層からなる。n型のMOSFETダイオード50では、配線31がカソード電位に接続され、配線33がアノード電位に接続されたときに、ゲート電極15直下のチャネル領域がn型に反転し、S/D層17、18間で電流が流れる。また、MOSFETダイオード50がp型の場合、S/D層17、18はp型の不純物拡散層からなる。p型のMOSFETダイオード50では、配線31がアノード電位に接続され、配線33がカソード電位に接続されたときに、ゲート電極15直下のチャネル領域がp型に反転し、S/D層17、18間で電流が流れる。S/D層17が例えばソースであり、S/D層18が例えばドレインである。
When the
ところで、図1(a)に示すように、ゲート電極15は、平面視でX方向に向かって左右に振れながら延伸された形状を有する。例えば、図6に示すように、ゲート電極15は、平面視でX方向に沿う第1の部位15aと、平面視でY方向に沿う第2の部位15bとを有し、第1の部位15aと第2の部位15bとが交互に繋がった形状を有する。Y方向とは、平面視でX方向に垂直な方向のことである。そして、これら第1の部位15aと第2の部位15bは、素子分離膜11で囲まれた領域(即ち、アクティブ領域)のSi層上にゲート絶縁膜を介してそれぞれ形成されている。
このように、ゲート電極15は第1の部位15aと第2の部位15bとを有することにより平面視で蛇行形状を成している。これにより、平面視で例えば長方形或いは正方形のアクティブ領域のSi層5に、蛇行形状のチャネル領域を形成することができ、チャネル幅Wを効率良く広げることができる。
By the way, as shown in FIG. 1A, the
As described above, the
次に、図1(a)及び(b)に示した半導体装置の製造方法について説明する。
図2〜図5は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図であり、(a)は平面図、(b)は断面図である。なお、図5(a)では、図面の複雑化を回避するために層間絶縁膜の記入を省略している。
図2(a)及び(b)に示すように、まず始めに、SOI基板10を用意する。上述したように、このSOI基板10は、例えばバルクのSi基板1と、Si基板1上に形成された絶縁層3と、絶縁層3上に形成されたSi層5とを有する。このようなSOI基板10は、例えばSIMOX法(Separation by IMplantation of OXygen)、又は張り合わせ技術により形成する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 1A and 1B will be described.
2 to 5 are process diagrams showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, where (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view. In FIG. 5A, the interlayer insulating film is not shown in order to avoid complication of the drawing.
As shown in FIGS. 2A and 2B, first, an
次に、図2(a)及び(b)に示すように、SOI基板10に素子分離膜11を形成する。上述したように、素子分離膜11は例えばSiO2膜からなり、例えばLOCOS法又はSTI法により形成する。図2(a)及び(b)に示すように、この素子分離膜11の形成により、アクティブ領域のSi層5はその周囲から完全に素子分離される。
次に、図2(a)及び(b)において、MOSFETダイオード50の閾値を調整するために、アクティブ領域のSi層5にn型不純物又はp型不純物をイオン注入する。ここで、n型のMOSFETダイオード50を形成する場合は、Si層5に例えばp型不純物をイオン注入する。また、p型のMOSFETダイオード50を形成する場合は、Si層5に例えばn型不純物をイオン注入する。n型不純物は例えばリン又はヒ素等であり、p型不純物は例えばボロン等である。このようなイオン注入は、例えばチャネルドープ、又は、Vth制御イオン打ち込みとも呼ばれる。
Next, as illustrated in FIGS. 2A and 2B, an
Next, in FIGS. 2A and 2B, in order to adjust the threshold value of the
次に、図3(a)及び(b)に示すように、Si層5の表面にゲート絶縁膜13を形成する。ゲート絶縁膜13は、例えば、熱酸化により形成されるSiO2膜若しくはシリコン酸化窒化膜(SiON)、又は、High−k材料膜である。次に、このゲート絶縁膜13が形成されたSOI基板10の上方全体にポリシリコン(poly−Si)膜を形成する。このポリシリコン膜の形成は、例えばCVD法により行う。ここでは、ポリシリコン膜に不純物をイオン注入、又は、in−Situ等で導入して、ポリシリコン膜に導電性を持たせる。
Next, as shown in FIGS. 3A and 3B, a
次に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術によりポリシリコン膜を部分的にエッチングして、ゲート電極15を形成する。ここでは、例えば図6に示したように、第1の部位15aと第2の部位15bとを有するゲート電極15を、アクティブ領域のSi層5上にゲート絶縁膜13を介して形成する。図3(a)に示すように、ゲート電極15の長辺(即ち、第2の部位15bの長辺)の長さをL1とし、ゲート電極15の短辺(即ち、第1の部位15aの長辺)の長さをL2とすると、チャネル幅(即ち、ゲート幅)Wは、例えばL1×5+L2×6で表される。
Next, the polysilicon film is partially etched by photolithography technique and etching technique to form the
一例として、L1=400μm、L2=50μmであれば、ゲート幅W=400μm×5+50μm×6=2.3mm、となる。またこのとき、アクティブ領域の大きさは、例えば、X方向に沿う一辺の長さLXを300μm、Y方向に沿う一辺の長さLYを420μmとすることができる。つまり、面積S=300μm×420μmのアクティブ領域に、ゲート幅W=2.3mmのゲート電極15を形成することができる。
As an example, if L1 = 400 μm and L2 = 50 μm, the gate width W = 400 μm × 5 + 50 μm × 6 = 2.3 mm. At this time, the size of the active region can be set such that, for example, the length L X of one side along the X direction is 300 μm and the length L Y of one side along the Y direction is 420 μm. That is, the
次に、図4(a)に示すように、ゲート電極15をマスクにSi層5に不純物をイオン注入し熱処理を施して、S/D層17、18を形成する。例えば、n型のMOSFETダイオード50を形成する場合は、Si層5にn型不純物をイオン注入し熱処理を施して、n型のS/D層17、18を形成する。また、p型のMOSFETダイオード50を形成する場合は、Si層5にp型不純物をイオン注入し熱処理を施して、p型のS/D層17、18を形成する。n型不純物は例えばリン又はヒ素等であり、p型不純物は例えばボロン等である。このように、ゲート電極15の両側にそれぞれS/D層17、18を形成する。
Next, as shown in FIG. 4A, impurities are ion-implanted into the
次に、図5(a)及び(b)に示すように、Si基板1の上方全体に層間絶縁膜21を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術により層間絶縁膜21を部分的にエッチングして、ゲート電極15上とS/D層17、18上とにそれぞれコンタクトホールを形成する。さらに、これらコンタクトホール内にそれぞれプラグ電極23、25、27を形成して、ゲート電極15とS/D層17、18をそれぞれ層間絶縁膜21上に引き出す。
Next, as shown in FIGS. 5A and 5B, an
その後、例えばスパッタリング技術により、層間絶縁膜21上に例えばアルミニウム等の導電膜を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術により導電膜を部分的にエッチングして、図1(a)及び(b)に示したように、S/D層(例えば、ドレイン)18とゲート電極15とに電気的に接続してこれらを短絡する配線31と、S/D層(例えば、ソース)17に電気的に接続する配線33とを形成する。これにより、図1(a)及び(b)に示したMOSFETダイオード50が完成する。
Thereafter, a conductive film such as aluminum is formed on the
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、平面視で例えば正方形或いは長方形のアクティブ領域のSi層5に、蛇行形状のチャネル領域を形成することができ、チャネル幅Wを効率良く広げることができる。例えば、図3(a)に示したように、蛇行形状を有するゲート電極15の長辺の長さ(L1)を400μm、短辺の長さ(L2)を50μmとすると、チャネル幅Wは2.3mmとなる。そして、このようなチャネル幅Wの広いチャネル領域を、面積S=300μm×420μmのアクティブ領域に形成することができる。より小さな占有面積で、よりチャネル幅Wの広いMOSFETダイオードを実現することができ、レイアウトの利用効率を高めることができる。よって、MOSFETダイオードを内蔵したICチップのサイズを小さくすることができる。
As described above, according to the embodiment of the present invention, a meandering channel region can be formed in the
この実施形態では、Si基板1が本発明の「基板」に対応し、Si層5が本発明の「半導体層」に対応している。また、S/D層18が本発明の「ソース又はドレインの一方」に対応し、配線31が本発明の「ソース又はドレインの一方とゲート電極とを接続する配線」に対応している。さらに、X方向が本発明の「一の方向」に対応し、Y方向が本発明の「他の方向」に対応している。
In this embodiment, the Si substrate 1 corresponds to the “substrate” of the present invention, and the
なお、上記の第1実施形態では、例えば図6に示したように、第1の部位15aと第2の部位15bとが交わる交差部分の角部が角張っている場合を図示したが、ゲート電極15の平面視による形状(以下、平面形状という。)はこれに限られることはない。例えば図7に示すように、第1の部位15aと第2の部位15bとが交わる交差部分の角部が丸みを有していても良い。このような構成であれば、上記の角部における電界集中を緩和することができる。また、本発明では、例えば図7に示すように、第1の部位15aと第2の部位15bとが平面視で垂直(即ち、直角)ではなく、広角で交わって蛇行形状を成していても良い。このような構成であっても、ゲート電極15はX方向に向かって左右に振れながら延伸された形状を有するので、チャネル幅Wを効率良く広げることができる。
In the first embodiment described above, for example, as shown in FIG. 6, the case where the corner portion of the intersecting portion where the
1 Si基板、3 絶縁層(BOX層)、5 Si層(SOI層)、10 SOI基板、11 素子分離膜、13 ゲート絶縁膜、15 ゲート電極、15a 第1の部位、15b 第2の部位、17、18 S/D層、21 層間絶縁膜、23、25、27 プラグ電極、31、33 配線 1 Si substrate, 3 Insulating layer (BOX layer), 5 Si layer (SOI layer), 10 SOI substrate, 11 Element isolation film, 13 Gate insulating film, 15 Gate electrode, 15a First part, 15b Second part, 17, 18 S / D layer, 21 interlayer insulating film, 23, 25, 27 plug electrode, 31, 33 wiring
Claims (5)
前記半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側の前記半導体層にそれぞれ形成されたソース又はドレインと、
前記ソース又はドレインの一方と前記ゲート電極とを接続する配線と、を備え、
前記ゲート電極は平面視で一の方向に向かって左右に振れながら延伸された形状を有することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor layer formed on a substrate via an insulating layer;
A gate insulating film formed on the semiconductor layer;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A source or drain formed in each of the semiconductor layers on both sides of the gate electrode;
A wiring connecting one of the source and drain and the gate electrode,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode has a shape extended while swinging left and right in one direction in a plan view.
前記第1の部位と前記第2の部位とが交互に繋がっていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The gate electrode has a first portion along the one direction in a plan view and a second portion along another direction perpendicular to the one direction in a plan view,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first part and the second part are alternately connected.
前記素子分離膜で囲まれた領域の前記半導体層上に前記ゲート絶縁膜を介して前記第1の部位と前記第2の部位とがそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 An element isolation film formed on the insulating layer so as to surround the second semiconductor layer in plan view,
3. The first part and the second part are formed on the semiconductor layer in a region surrounded by the element isolation film via the gate insulating film, respectively. Semiconductor device.
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の両側の前記半導体層にそれぞれソース又はドレインを形成する工程と、
前記ソース又はドレインの一方と前記ゲート電極とを接続する配線を形成する工程と、を含み、
前記ゲート電極は、平面視で一の方向に向かって左右に振れながら延伸された形状を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a gate insulating film on the semiconductor layer formed on the substrate via the insulating layer;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
Forming a source or a drain in each of the semiconductor layers on both sides of the gate electrode;
Forming a wiring connecting one of the source or drain and the gate electrode,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the gate electrode has a shape extended while swinging left and right in one direction in a plan view.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110607 |