JP2011176039A - 半導体集積装置及び半導体集積装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【目的】耐放射線特性を高めることが可能な半導体集積装置及び半導体集積装置の製造方法を提供することを目的とする。
【構成】半導体支持基板上の絶縁層の上面に形成されているシリコン薄膜層内における上記絶縁層との境界に隣接する境界近傍領域中に、この境界に近いほど不純物の濃度が高くなる領域が形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体集積装置に関し、特にSOI(Silicon on Insulator)基板を用いたCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)構造の半導体集積装置及びその製造方法に関するものである。
現在、パーソナル&モバイルコミュニケーションに関する製品において、シリコン基板(以下、Si基板と称する)を用いたCMOS構造の半導体集積装置が用いられている。
ところで、近年、微細化に伴う高集積化・高速化によって消費電力が増大傾向にあり、素子構造を含めた新しい構造のデバイスが待望されている。そこで、低電力・高性能デバイスとして、Si基板とシリコン膜(SOI層と称する)との間に絶縁膜を有する、いわゆるSOI基板を用いて構築されたCMOS構造の半導体集積装置(以下、SOIデバイスと称する)が提案された(例えば、特許文献1の図8A〜図8C及び段落[0032]〜[0033]の記載参照)。
SOIデバイスでは、SOI層の下に埋め込み酸化膜(BOXと称する)が存在するため、ソース・ドレインの寄生容量が小さくなり、高速・低電力動作が可能となる。更に、上記したBOX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ると共に、高密度レイアウトが可能になる。
ここで、宇宙空間やX線照射環境での使用にも耐えうる優れた放射線耐性を有するSOIデバイスとして、チャネル領域が完全に空乏化した状態で素子動作するFD(Fully Depleted)−SOIが知られている。FD−SOIでは、素子として機能するシリコンの膜厚が薄い。これにより、放射線が照射された際にシリコン中に形成される電子・正孔ペアの発生量が少なくなることから、高い放射線耐性を得ることができる。
又、FD−SOIでは、SOI層の下に存在するBOXの酸化膜は放射線損傷によりトラップ準位を形成することが知られている。酸化膜中のトラップは、一般に正の電荷を捕獲する準位として作用する。従って、放射線損傷が大きく、発生したトラップ量が大となる場合には、SOI層の裏面側に正のバイアスが印加されたような状態となる。この際、FD−SOIでは、チャネル不純物のイオン注入はイオンイオンプランテーション技術を用いて作成されるため、不純物濃度はSOI層の上面側が高く、下面側ほど低くなるというプロファイルを有する。よって、SOI層内の下部領域でのチャネル不純物濃度が薄いため、この下部領域において容易に極性反転が生じ、いわゆるバックチャネルを形成することでリーク電流が流れる。
すなわち、FD−SOIで受ける放射線損傷が大きくなるとSOI層裏面側にバックチャンネルが形成され、そのバックチャンネルを介して流れ込むリーク電流によってデバイスが誤動作を起こしてしまうという問題が生じた。
特開2009−183714号公報
本発明は、耐放射線特性を高めることが可能な半導体集積装置及び半導体集積装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明による半導体集積装置は、半導体支持基板と、前記半導体支持基板上に形成されている絶縁層と、前記絶縁層上に形成されているシリコン薄膜層とを備えた半導体集積装置であって、前記シリコン薄膜層内における前記絶縁層との境界に隣接する境界近傍領域中には、前記境界に近いほど不純物の濃度が高くなる領域が含まれていることを特徴とする。
又、本発明による半導体集積装置の製造方法は、半導体支持基板、絶縁層及びシリコン薄膜層が積層されてなる基板構造を有する半導体集積装置の製造方法であって、前記半導体支持基板上に前記絶縁層を形成し、前記絶縁層上に前記シリコン薄膜層を形成する工程と、前記シリコン薄膜層に対してトランジスタの閾値を制御する為の不純物をイオン注入する第1イオン注入工程と、前記シリコン薄膜層に対して当該シリコン薄膜層の上面側の領域に比して下面側の領域に高い濃度の不純物をイオン注入する第2イオン注入工程と、を順次実行する。
本発明においては、絶縁層の上面に形成されているシリコン薄膜層内において、絶縁層との境界に近いほど不純物の濃度が高くなる領域を設けたので、放射線照射に伴う損傷を大きく受けたが故に絶縁層内にトラップ準位が生じても、シリコン薄膜層内の下面側では極性反転が生じにくくなる。従って、放射線照射に伴う損傷が大となる場合でも、デバイスの誤動作を防止することが可能となる。
本発明による半導体集積装置としてのSOIデバイスの断面構造を示す図である。 第1の実施例によるSOIデバイスのチャネル領域内での深さ方向における不純物濃度プロファイルを示す図である。 本発明の半導体製造方法に基づく第1の実施例によるSOIデバイスの製造第1段階での断面構造を示す図である。 本発明の半導体製造方法に基づく第1の実施例によるSOIデバイスの製造第2段階(第1イオン注入工程)での断面構造を示す図である。 本発明の半導体製造方法に基づく第1の実施例によるSOIデバイスの製造第3段階(第2イオン注入工程)での断面構造を示す図である。 本発明の半導体製造方法に基づく第1の実施例によるSOIデバイスの製造第4段階での断面構造を示す図である。 本発明の半導体製造方法に基づく第1の実施例によるSOIデバイスの製造第5段階での断面構造を示す図である。 第2イオン注入工程直前におけるチャネル領域内での不純物濃度プロファイルを示す図である。 本発明の半導体製造方法に基づく第2の実施例によるSOIデバイスの製造第1段階での断面構造を示す図である。 本発明の半導体製造方法に基づく第2の実施例によるSOIデバイスの製造第2段階(第1イオン注入工程)での断面構造を示す図である。 本発明の半導体製造方法に基づく第2の実施例によるSOIデバイスの製造第3段階(不純物濃度均一化工程)での断面構造を示す図である。 本発明の半導体製造方法に基づく第2の実施例によるSOIデバイスの製造第4段階での断面構造を示す図である。 本発明の半導体製造方法に基づく第2の実施例によるSOIデバイスの製造第5段階での断面構造を示す図である。 本発明の半導体製造方法に基づく第2の実施例によるSOIデバイスの製造第6段階での断面構造を示す図である。 第2の実施例によるSOIデバイスのチャネル領域内での深さ方向における不純物濃度プロファイルを示す図である。
半導体支持基板上の絶縁層の上面に形成されているシリコン薄膜層内において、ドレイン及びソース領域間のチャネル領域内における上記絶縁層との境界に隣接する境界近傍領域中に、上記絶縁層との境界に近いほど不純物の濃度が高くなる領域を設ける。
図1は、本発明による半導体集積装置としてのFD−SOI構造を有するSOIデバイスの断面を示す図である。
図1に示すSOIデバイスは、シリコン支持基板としてのSi基板102と、絶縁膜からなるBOX層104と、シリコン薄膜からなるSOI層106とが積層されてなるSOI基板を備えている。SOI層106には、ソース領域108及びドレイン領域110が形成されている。尚、ソース領域108及びドレイン領域110は夫々その下面がBOX層104に接している。SOI層106上には、ゲート絶縁膜112を介してゲート電極114が形成されている。ゲート電極114の側面にはサイドウォール116が形成されている。この際、SOI層106内におけるゲート絶縁膜112の下方領域であり、且つソース領域108及びドレイン領域110間に挟まれた領域に、トランジスタのチャネル領域が形成される。
ここで、SOI層106のチャネル領域内において、BOX層104との境界BUに隣接するBOX境界近傍領域CA(破線で囲まれた領域)では、イオン注入された不純物の濃度が境界BUに近いほど高くなる領域が存在する。
図2は、図1に示すSOI層106の上面UPから境界BUに向けての深さ方向における、チャネル領域内での不純物濃度プロファイルを示す図である。
図2に示すように、SOI層106のチャネル領域内での不純物濃度は、SOI層106の上面UP近傍で最高となり、境界BUに近づくにつれその濃度が低くなる。しかしながら、SOI層106内のBOX境界近傍領域CAでは、図2に示すように、境界BUに近づくにつれその濃度が高くなる領域が存在する。
以下に、図1に示すSOIデバイスの製造方法について、図3A〜図3Dを参照しつつ説明する。尚、図3A〜図3E各々は、各製造段階毎にSOIデバイスの断面の構造を示す図である。
まず、図3Aに示すように、SOI基板は既知の貼り合せ法(Unibond等)、あるいはSIMOX等の方法により形成され、シリコン支持基板としてのSi基板102上に、絶縁層としてのBOX層104が存在し、かかるBOX層104上に、シリコン層としてのSOI層106が存在する。
次に、図3Bに示すように、SOI層106に対して、トランジスタの閾値を制御する為の不純物を注入する(第1イオン注入工程)。これにより、SOI層106内に注入された不純物の濃度は、図4の不純物濃度プロファイルにて実線で示されるように、SOI層106の上面UP近傍で最高となり、境界BUに近づくにつれ低くなる。
次に、図3Cに示すように、SOI層106に対して、このSOI層106の上面側の領域に比して下面側の領域に高い濃度の不純物を注入すべきイオン注入処理を行う(第2イオン注入工程)。すなわち、第2イオン注入工程の実行により、SOI層106のBOX境界近傍領域CAをターゲットとして、不純物濃度を高めるべき追加のイオン注入を行うのである。これにより、SOI層106内に注入された不純物の濃度は、図2の不純物濃度プロファイルに示すように、SOI層106の上面UP近傍で最高となって境界BUに近づくにつれその濃度が低くなるものの、境界BUに隣接するBOX境界近傍領域CAでは、境界BUに近づくほど不純物濃度が高くなる領域が存在する。
次に、図3Dに示すように、このSOI層106上にシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜112を形成し、このゲート絶縁膜112上にポリシリコンからなるゲート電極114を形成する。更に、ゲート電極114の側面にサイドウォール116を成形する。
次に、サイドウォール116の近傍において、SOI層106の上面付近にイオン注入を行い、引き続き熱処理を行うことにより、図3Eに示すように、ソース領域108及びドレイン領域110を夫々形成して、図1に示す如きSOIデバイスを完成させる。
このように、図1に示すSOIデバイスにおいては、SOI層106のチャネル領域内のBOX境界近傍領域CAをターゲットとして追加のイオン注入(第1イオン注入工程)を行うことにより、このBOX境界近傍領域CAの不純物の濃度を高めている。よって、たとえ放射線照射に伴う損傷を大きく受けたが故にBOX層104内にトラップ準位が生じた場合であっても、SOI層106の下面側では極性反転が生じにくくなる。従って、放射線照射に伴う損傷が大となる場合でも、デバイスの誤動作を防止することが可能となる。この際、SOI層106のBOX境界近傍領域CAの不純物濃度を高くすべきイオン注入が為された場合であっても、SOI層106の上面側には何ら影響が生じない。よって、SOIデバイスとしての本来の動作に支障を来すことなく、上記した如き対放射線耐性を上げたトランジスタを形成することが可能となる。
尚、図1に示すSOIデバイスの製造方法としては、図3A〜図3Eに代わり図5A〜図5Fに示す如き製造工程を採用しても良い。
すなわち、まず、図5Aに示すように、SOI基板は既知の貼り合せ法(Unibond等)、あるいはSIMOX等の方法により形成され、シリコン支持基板としてのSi基板102上に、絶縁層としてのBOX層104が存在し、かかるBOX層104上に、シリコン層としてのSOI層106が存在する。
次に、図5Bに示すように、SOI層106に対して、トランジスタの閾値を制御する為の不純物を注入する(第1イオン注入工程)。これにより、SOI層106内に注入された不純物の濃度は、図4の不純物濃度プロファイルにおいて実線にて示すように、SOI層106の上面UP近傍で最高となり、境界BUに近づくにつれ低くなる。
次に、図5Cに示すように、SOI層106に対してアニール処理又は熱酸化処理を施すことにより、SOI層106内での不純物濃度の均一化を図る(不純物濃度均一化工程)。これにより、SOI層106内の不純物濃度は、図4の不純物濃度プロファイルにおいて一点鎖線で示されるように、SOI層106の上面UP側から境界BUに亘り一定となる。
次に、図5Dに示すように、SOI層106に対して、このSOI層106の上面側の領域に比して下面側の領域に高い濃度の不純物を注入すべきイオン注入処理を行う(第2イオン注入工程)。すなわち、第2イオン注入工程の実行により、SOI層106のBOX境界近傍領域CAをターゲットとして、不純物濃度を高めるべき追加のイオン注入を行うのである。これにより、SOI層106内の不純物濃度は、図6の不純物濃度プロファイルに示す如く、SOI層106のBOX境界近傍領域CAにおいて境界BUに近づくほど不純物濃度が高くなり最大濃度に到る。この際、SOI層106内におけるBOX境界近傍領域CA以外の領域ではBOX境界近傍領域CAの濃度よりも低い一定濃度となる。
次に、図6Eに示すように、このSOI層106上にシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜112を形成し、このゲート絶縁膜112上にポリシリコンからなるゲート電極114を形成する。更に、ゲート電極114の側面にサイドウォール116を成形する。
次に、サイドウォール116の近傍において、SOI層106の上面付近にイオン注入を行い、引き続き熱処理を行うことにより、図6Fに示すように、ソース領域108及びドレイン領域110を夫々形成して、図1に示す如きSOIデバイスを完成させる。
上述した如く、図5A〜図5Fに示す製造方法では、SOI層106に対してトランジスタの閾値を制御する為の不純物を注入する第1イオン注入工程の後、SOI層106のBOX境界近傍領域CAの不純物濃度を高める為の第2イオン注入工程を行う前に、SOI層106内での不純物濃度の均一化を図る不純物濃度均一化工程を実行するようにしている。これにより、製造後のSOIデバイスにおけるチャネル領域での不純物濃度は、図6に示すように、SOI層106のBOX境界近傍領域CAにおいて高濃度となる。
よって、たとえ放射線照射に伴う損傷を大きく受けたが故にBOX層104内にトラップ準位が生じた場合であっても、SOI層106の下面部では極性反転が生じにくくなり、デバイスの誤動作を防止することが可能となる。
102 Si基板
104 BOX層
106 SOI層
108 ソース領域
110 ドレイン領域
112 ゲート絶縁膜
114 ゲート電極

Claims (5)

  1. 半導体支持基板と、前記半導体支持基板上に形成されている絶縁層と、前記絶縁層上に形成されているシリコン薄膜層とを備えた半導体集積装置であって、
    前記シリコン薄膜層内における前記絶縁層との境界に隣接する境界近傍領域中には、前記境界に近いほど不純物の濃度が高くなる領域が含まれていることを特徴とする半導体集積装置。
  2. 前記シリコン薄膜層にはドレイン領域及びソース領域が形成されており、
    前記境界近傍領域は、前記シリコン薄膜層内における前記ドレイン領域及び前記ソース領域間のチャネル領域内に含まれていることを特徴とする請求項1記載の半導体集積装置。
  3. 半導体支持基板、絶縁層及びシリコン薄膜層が積層されてなる基板構造を有する半導体集積装置の製造方法であって、
    前記絶縁層を介して前記シリコン薄膜層が積層された半導体支持基板を準備する工程と、
    前記シリコン薄膜層に対してトランジスタの閾値を制御する為の不純物をイオン注入する第1イオン注入工程と、
    前記シリコン薄膜層に対して当該シリコン薄膜層の上面側の領域に比して下面側の領域ほど高い濃度の不純物をイオン注入する第2イオン注入工程と、を順次実行することを特徴とする半導体集積装置の製造方法。
  4. 前記第1イオン注入工程と前記第2イオン注入工程との間に、前記シリコン薄膜層内での前記不純物の濃度を均一化する不純物濃度均一化工程を実行することを特徴とする請求項3記載の半導体集積装置の製造方法。
  5. 前記不純物濃度均一化工程では、前記シリコン薄膜層に対してアニール処理又は熱酸化処理を施すことを特徴とする請求項4記載の半導体集積装置の製造方法。
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