JP5465907B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、SOI(Silicon on Insulator)構造の半導体装置に関する。
近年、低消費電力且つ高性能の半導体デバイスとしてSOI構造の半導体デバイスが注目されている。図1は一般的なSOIデバイス500の断面を表す断面図である。図1に示される如くシリコン支持基板510上に形成された埋め込み酸化膜520(Buried Oxide:BOX。以下、BOX層520と称する)上にシリコンからなるSOI層530が形成されている。SOI層530はLOCOS(local oxidation of silicon)法によりBOX層520の表面に形成された素子分離酸化膜により、他のSOI層から分離されている。なお、図1では、BOX層520と素子分離酸化膜とを一体として描いている。SOI層530上にはゲート電極540が形成され、その両側面にはサイドウォール550が形成されている。SOI層530内には図示せぬソース及びドレインが形成されておりゲート電極540と共にCMOSなどの電界効果トランジスタを構成している。
このように、SOIデバイスではSOI層530の下にBOX層520が存在するので、ソース及びドレインの寄生容量が小さくなり、低消費電力化及び高性能化が可能である。更に、SOI層同士が分離されているので、ラッチアップが生じず、また、高密度のレイアウトが可能になるといった利点もある。このような点から、SOIデバイスは例えば特許文献1に開示されている従来のバルクシリコンCMOSデバイスと比較して有利である。
特開2003−86708号公報
ところで、SOIデバイスでは、SOI層530の端部つまりSOI層530とBOX層520の素子分離酸化膜との境界付近に大きな応力が発生し、それがデバイス特性に影響を与えることが確認された。詳細には、図1に示す如くSOI層530はBOX層520に囲まれて形成されているので、SOI層530の両端部には応力STが矢印で示す方向に発生し、その結果、デバイス特性に影響を与える。
SOI層の端部付近に生じた大きな圧縮応力が、SOI層に形成されるチャネル領域に作用した場合には以下のような影響が生じる。すなわち、N型MOSトランジスタ(以下、単にN型トランジスタと称する)では、キャリア移動度が低下し、オン電流が低下する。一方、P型MOSトランジスタ(以下、単にP型トランジスタと称する)では、キャリア移動度が増加し、オン電流が増加する。
このように、SOI構造の半導体デバイスにおいては、SOI層の端部に発生する応力の影響がチャネル領域に及ぶことにより、N型トランジスタとP型トランジスタとの間でトランジスタ特性に偏りが生じてしまうという問題点があった。
本発明は上記した如き問題点に鑑みてなされたものであって、一定のトランジスタ特性を有するSOI構造の半導体装置を提供することを目的とする。
本発明による半導体装置は、支持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半導体領域と、前記半導体領域にゲート電極がゲート長方向に沿って並置された複数のトランジスタと、を含む半導体装置であって、前記複数のトランジスタのうちの最外部のトランジスタにおけるゲート電極から前記半導体領域の縁までの距離が、前記最外部のトランジスタのチャネル領域に圧縮応力が及ばないような距離となるように形成され、前記複数のトランジスタの各々のゲート電極はT字型に形成され、互いに隣接する前記ゲート電極同士はT字型の向きが反転して、前記半導体領域の端部における各々のゲート長が長短交互になるように形成されている、ことを特徴とする。
本発明による半導体装置によれば、一定のトランジスタ特性を有するSOI構造を提供することができる。
従来のSOI構造の半導体装置の断面図である。 (a)は、第1の実施例による半導体装置の上面図である。(b)は、(a)におけるA1−A1線部分の断面を表す断面図である。 SOI層に発生する応力の様子をラマン分光分析方法により測定した結果を表すグラフである。 第2の実施例による半導体装置の上面図である。 第3の実施例による半導体装置の上面図である。
以下、本発明に係る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2(a)は、本実施例による半導体装置100の上面図である。図2(b)は、図2(a)におけるA1−A1線部分の断面を表す断面図である。なお、図2(a)では、説明の便宜のため、ゲート電極及びSOI層のみ図示している。
先ず、図2(b)の断面図を参照しつつ、半導体装置100の構造について説明する。半導体装置100はSOI構造のデバイスである。例えば単結晶シリコンなどの支持基板10上には例えば酸素イオン注入及び熱酸化処理により形成された埋め込み酸化膜20(Buried Oxide:BOX。以下、BOX層20と称する)が設けられている。BOX層20の厚さは例えば約100nmである。BOX層20の表面にはN型電界効果トランジスタNch(以下、単にN型トランジスタNchと称する)を構成するためのP型半導体領域であるSOI層30nと、P型電界効果トランジスタPch(以下、単にP型トランジスタPchと称する)を構成するためのN型半導体領域であるSOI層30pとが形成されている。SOI層30nとSOI層30pとは、例えばLOCOS法によりBOX層20の表面に形成された素子分離酸化膜により、互いに分離されている。なお、図2では、BOX層20と素子分離酸化膜とを一体として描いている。
SOI層30nには、ソース領域31nと、ドレイン領域32nと、チャネル領域33pとが形成されており、チャネル領域33p上には厚さ例えば4nmのゲート酸化膜41nを介してゲート電極40nが形成されている。ゲート電極40nは、例えばゲート酸化膜41n上に形成したポリシリコン膜からなる。ゲート電極40nの両側面には例えばシリコン酸化膜からなるサイドウォール50nが絶縁のために形成されている。ゲート電極40nと、ソース領域31nと、ドレイン領域32nとがN型トランジスタNchを構成している。
SOI層30pには、ソース領域31pと、ドレイン領域32pと、チャネル領域33nとが形成されており、チャネル領域33n上には厚さ例えば4nmのゲート酸化膜41pを介してゲート電極40pが形成されている。ゲート電極40pは、例えばゲート酸化膜41p上に形成したポリシリコン膜からなる。ゲート電極40pの両側面には例えばシリコン酸化膜からなるサイドウォール50pが絶縁のために形成されている。ゲート電極40pと、ソース領域31pと、ドレイン領域32pとがP型トランジスタPchを構成している。
次に、図2(a)の上面図を参照しつつ、SOI層(30n、30p)及びゲート電極(40n、40p)の形状について説明する。
N型トランジスタNchを構成するためのSOI層30nの形状は、半導体装置100の上面から見て長方形に形成されている。SOI層30nの外周はBOX層20n(又はその素子分離酸化膜)と接している。
N型トランジスタNchを構成するためのゲート電極40nは、半導体装置100の上面から見てT字型に形成されている。すなわち、ゲート電極40nは、SOI層30n上にあって長手方向つまりゲート幅方向に伸長する部分(以下、動作領域ゲート電極部と称する)と、SOI層30nの外側にあってゲート長方向に伸長する部分(以下、コンタクトゲート電極部と称する)とからなり、これらの部分が一体となって形成されている。動作領域ゲート電極部は、SOI層30n上にゲート酸化膜41nを介して形成されている。この部分はN型トランジスタNchの動作領域に当たる部分である。一方、コンタクトゲート電極部は、SOI層30nの外側つまりBOX層20n(又はその素子分離酸化膜)の表面に形成されている。この部分は上層に形成されている配線路(図示せず)と電気的に接続するためのコンタクト部である。
動作領域ゲート電極部のゲート幅方向に沿った辺部Gnから、SOI層30nの領域の縁であってゲート幅方向と平行に形成された部分の縁Sn(以下、端部Snと称する)までの距離W1が、1.5μm以上になるように形成されている。ソース領域31n側、ドレイン領域32n側ともに距離W1は1.5μm以上であり、通常、両側の距離W1はほぼ同一である。つまり、ゲート電極40n下に形成されているチャネル領域33pと、SOI層30nの端部Snとは距離W1だけ離れている。ゲート電極40nのゲート長には特に制限は無いが、例えば0.2μm程度である。また、ゲート電極40nのゲート幅にも特に制限は無いが、例えば0.2〜10μm程度である。
P型トランジスタPchを構成するためのSOI層30pの形状は、半導体装置100の上面から見て長方形に形成されている。SOI層30pの外周はBOX層20p(又はその素子分離酸化膜)と接している。
P型トランジスタPchを構成するためのゲート電極40pは、半導体装置100の上面から見てT字型に形成されている。すなわち、ゲート電極40pは、SOI層30p上にあって長手方向つまりゲート幅方向に伸長する部分(以下、動作領域ゲート電極部と称する)と、SOI層30pの外側にあってゲート長方向に伸長する部分(以下、コンタクトゲート電極部と称する)とからなり、これらの部分が一体となって形成されている。動作領域ゲート電極部は、SOI層30p上にゲート酸化膜41pを介して形成されている。この部分はP型トランジスタPchの動作領域に当たる部分である。一方、コンタクトゲート電極部は、SOI層30pの外側つまりBOX層20p(又はその素子分離酸化膜)の表面に形成されている。この部分は上層に形成されている配線路(図示せず)と電気的に接続するためのコンタクト部である。
動作領域ゲート電極部のゲート幅方向に沿った辺部Gpから、SOI層30pの領域の縁であってゲート幅方向と平行に形成された部分の縁Sp(以下、端部Spと称する)までの距離W2(以下、距離W2と称する)が、0.5μm以下になるように形成されている。ソース領域31p側、ドレイン領域32p側ともに距離W2は0.5μm以下であり、通常、両側の距離W2はほぼ同一である。つまり、ゲート電極40p下に形成されているチャネル領域33nと、SOI層30pの端部Spとは距離W2しか離れていない。ゲート電極40pのゲート長には特に制限は無いが、例えば0.2μm程度である。また、ゲート電極40pのゲート幅にも特に制限は無いが、例えば0.2〜10μm程度である。
ここで、距離W1を1.5μm以上、距離W2を0.5μm以下としたことによる効果について説明する。
図3は、SOI構造を有する半導体デバイスにおけるSOI層に発生する応力の様子をラマン分光分析方法により測定した結果を表すグラフである。縦軸は応力によるラマンピークの波数シフトを表している。横軸はチャネル形成方向に沿った位置を表している。横軸の6μm付近がゲート電極の形成位置であり、SOI層の一方の端部の位置T1及び他方の端部の位置T2が示されている。図2から明らかなようにSOI層の端部の位置T1及びT2付近でラマンピークの波数シフトが大きくなっている、つまり端部の位置T1及びT2付近に圧縮応力が集中している。ラマンピークの波数シフトから計算すると、50〜100MPa程度の圧縮応力がSOI層の端部の位置T1及びT2から約1.5μm以内の領域a1及びa2に集中していることがわかる。一方、SOI層の中心部付近の領域bではほぼ無歪状態が保たれていることがわかる。
このような傾向は、SOI層の領域の広さを変えてもほぼ一定に保たれていることを確認された。SOI層の領域を広げた場合にも応力はSOI層の端部から約1.5μm以内の領域に集中し、SOI層の中心部付近の領域はほぼ無歪状態となる。また、SOI層のチャネル形成方向における幅を3.0μm以下とした場合にはSOI層の両端部における応力が重なり合い、SOI層の全領域に亘ってほぼ一定の応力が発生することを実験から確認している。
このような結果を踏まえて、本実施例による半導体装置100の如く距離W1を1.5μm以上、距離W2を0.5μm以下とすれば、以下のような効果が得られる。すなわち、N型トランジスタNchにおいては、チャネル領域33pがSOI層30nの端部Snから1.5μm以上離れた位置つまり無歪領域に形成されているので、チャネル領域33pは応力を受けず、キャリア移動度の低下によるオン電流の低下を抑制するという効果が得られる。一方、P型トランジスタPchにおいては、チャネル領域33nがSOI層30pの端部Spから0.5μm以下に収まる位置つまりSOI層30pの両端からの応力を受ける領域に形成されているので、チャネル領域33nはその全領域に亘って応力を受け、キャリア移動度の増加によってオン電流が増加するという効果が得られる。これによって、N型トランジスタとP型トランジスタとの間でトランジスタ特性に偏りが生じるのを防ぐことができる。
上記したように本実施例による半導体装置によれば、N型、P型共にオン電流が大きく且つ偏りのない一定のトランジスタ特性を有するSOI構造の半導体装置を提供することができる。
<第2の実施例>
図4は、本実施例による半導体装置200の上面図である。図4では、説明の便宜のため、SOI層(30n、30p)及びゲート電極(40n、40p)のみ図示している。以下、図4を参照しつつ、第1の実施例と異なる部分について主に説明する。
N型トランジスタNchを構成するためのゲート電極40nは、半導体装置100の上面から見てH字型(図4では横向き)に形成されている。すなわち、ゲート電極40nは、SOI層30nのトランジスタ動作領域にあってゲート幅方向に伸長する部分(以下、動作領域ゲート電極部と称する)と、SOI層30nの領域の縁であってゲート長方向と平行に形成された部分の縁SL1及びSL2(以下、端部SL1及びSL2と称する)を覆うようにゲート長方向に伸長する部分(以下、端部ゲート電極部と称する)とからなり、これらの部分が一体となって形成されている。
端部ゲート電極部の一方はSOI層30nの端部SL1上の全体に亘って、また、端部ゲート電極部の他方はSOI層30nの端部SL2上の全体に亘って、共にゲート酸化膜を介して形成されている。動作領域ゲート電極部は、SOI層30nのトランジスタ動作領域に、ゲート幅方向に伸長して形成されている。端部ゲート電極部のゲート長は、動作領域ゲート電極部のゲート長よりも十分に長くなるように形成されている。動作領域ゲート電極部のゲート長は例えば約0.2μmであり、端部ゲート電極部のゲート長は例えば約3.5μmである。距離W1は、第1の実施例と同様にソース領域31n側、ドレイン領域32n側ともに1.5μm以上になるように形成されている。つまり、ゲート電極40n下に形成されているチャネル領域33pと、SOI層30nの端部Snとは距離W1だけ離れている。
ゲート電極40nをこのように形成することによって、以下のような効果が得られる。すなわち、SOI層30nのトランジスタ動作領域においては、ゲート長が短いのでトランジスタのオン抵抗は低くチャネル領域に電流が流れるのに対して、SOI層30nの端部においては、ゲート長が十分に長いのでトランジスタのオン抵抗が大きく、チャネル領域に電流が流れない。それ故、SOI層30nのゲート幅方向の端部SL1及びSL2に生じる応力がキャリア移動度に与える影響をなくすることができる。つまり、N型トランジスタNchにおいては、キャリア移動度の低下によるオン電流の低下を抑制するという効果が得られる。
一方、P型トランジスタPchを構成するためのゲート電極40pは、第1の実施例と同様に、半導体装置100の上面から見てT字型に形成されている。また、距離W2も、第1の実施例と同様にソース領域31p側、ドレイン領域32p側ともに0.5μm以下になるように形成されており、ゲート電極40p下に形成されているチャネル領域33nとSOI層30pの端部Spとの距離は0.5μm以下である。ゲート電極40pをこのように形成することによって、P型トランジスタPchにおいては、チャネル領域の全領域に亘って応力を受け、キャリア移動度の増加によってオン電流が増加するという効果が得られる。
N型トランジスタNchにおけるSOI層30nの端部SL1上に形成された端部ゲート電極部と、端部SL2上に形成された端部ゲート電極部との間の領域がトランジスタ動作領域であり、このゲート幅方向の幅W3と、P型トランジスタPchにおけるSOI層30pのゲート方向の幅W4とはほぼ同一である。幅W3及び幅W4は例えば0.2〜10μmである。なお、N型とP型とでトランジスタ特性が異なる場合には、キャリア移動度又はオン抵抗値の調整のために、幅W3と幅W4とを異なる値としても良い。
上記したように本実施例による半導体装置によれば、N型トランジスタにおけるゲート電極が、SOI層の領域の縁であってゲート長方向に平行な部分の縁を覆うようにゲート長方向に伸長する部分を有し、その部分のゲート長がトランジスタ領域におけるゲート長よりも十分に長くなるように形成されている。このような構造により、N型トランジスタNchにおけるキャリア移動度の低下によるオン電流の低下を抑制するという効果をより高めることができる。なお、ゲート電極40nの両端部のうちの一方のゲート長のみを長く形成した場合でも効果が得られる。
また、第1の実施例と同様に、距離W1を1.5μm以上、距離W2を0.5μm以下になるように形成しているので、N型トランジスタとP型トランジスタとの間でトランジスタ特性に偏りが生じるのを防ぐことができる。
このように本実施例による半導体装置によれば、N型、P型共にオン電流が大きく且つより偏りのない一定のトランジスタ特性を有するSOI構造の半導体装置を提供することができる。
<第3の実施例>
図5は、本実施例による半導体装置300の上面図である。ここでは説明の便宜のため、SOI層30n及びゲート電極40nのみ図示している。半導体装置300は、例えばアナログ回路などの高精度を要求される用途に用いられるSOI構造のデバイスである。以下、半導体装置300をNチャネル型のSOIデバイスとして説明する。半導体装置300のSOI構造自体は第1の実施例で説明したのと同様である。以下、図5を参照しつつ、SOI層30n及びゲート電極40nの形状について説明する。
半導体領域であるSOI層30nの形状は、半導体装置100の上面から見て長方形に形成されている。SOI層30nの外周はBOX層20n(又はその素子分離酸化膜)と接している。
ゲート電極40nは、半導体装置100の上面から見てT字型に形成されている。すなわち、ゲート電極40nは、SOI層30n上にあって長手方向つまりゲート幅方向に伸長する部分(以下、動作領域ゲート電極部と称する)と、SOI層30nの領域の縁であってゲート長方向と平行に形成された部分の縁(以下、端部SL1又はSL2と称する)を覆うようにゲート長方向に伸長する部分(以下、端部電極部と称する)とからなり、これらの部分が一体となって形成されている。
図5に示される如く複数のゲート電極40nがSOI層30n上にゲート長方向に沿って並列に形成されている。互いに隣接するゲート電極40n間にはソース領域31n及びドレイン領域32nが交互に形成され、チャネル領域33pがそれぞれのゲート電極40n下に形成されている。つまり、半導体装置100内にはゲート長方向に沿って並列に複数のトランジスタが形成されている。また、互いに隣接するゲート電極40n同士は、そのT字型の向きが反転して形成されている。つまり、SOI層30nの端部SL1においても端部SL2においても、並置されている複数のゲート電極40nの各々のゲート長が長短交互になるように形成されている。
並置されている複数のゲート電極40nのうちの左側最外部のゲート電極40nのゲート幅方向に沿った辺部Gn1から、SOI層30nの領域の縁であってゲート幅方向と平行に形成された部分の縁Sn1(以下、端部Sn1と称する)までの距離W5が1.5μm以上になるように形成されている。また、右側最外部のゲート電極40nのゲート幅方向に沿った辺部Gn2から、SOI層30nの領域の縁であってゲート幅方向と平行に形成された部分の縁Sn2(以下、端部Sn2と称する)までの距離W5も1.5μm以上になるように形成されている。つまり、最外部のゲート電極40n下に形成されているチャネル領域33pと、SOI層30nの端部(Sn1又はSn2)とは1.5μm以上離れている。ゲート電極40nのゲート長には特に制限は無いが、端部(Sn1又はSn2)における長い方のゲート長は例えば1μm程度であり、短い方のゲート長は例えば0.2μm程度である。また、ゲート電極40nのゲート幅にも特に制限は無いが、例えば0.2〜10μm程度である。
SOI層30n及びゲート電極40nをこのように形成することによって、以下のような効果が得られる。すなわち、最外部のゲート電極40nの辺部(Gn1又はGn2)がSOI層30nの端部(Sn1又はSn2)から1.5μm以上離れた位置つまり無歪領域に形成されているので、それぞれのゲート電極40n下に形成されているチャネル領域33pはいずれも応力を受けない。
更にSOI層30nのトランジスタ動作領域においては、それぞれのゲート電極40nのゲート長が短いのでトランジスタのオン抵抗は低くチャネル領域に電流が流れるのに対して、SOI層30nの端部(SL1又はSL2)においては、それぞれのゲート電極40nのゲート長が十分に長いのでトランジスタのオン抵抗が大きく、チャネル領域に電流が流れない。それ故、SOI層30nの端部SL1及びSL2に生じる応力がキャリア移動度に与える影響をなくすることができる。
つまり、半導体装置100内に形成されている複数のトランジスタのいずれもが応力の影響を受けないので、各トランジスタにおけるキャリア移動度やオン抵抗などのトランジスタ特性にバラツキが生じないようにすることができる。上記した例は、半導体装置100がN型チャネルのSOIデバイスである場合の例であるが、半導体装置100がP型チャネルのSOIデバイスの場合にも全く同じ構造である。
上記したように本実施例による半導体装置によれば、複数のゲート電極、ソース領域及びドレイン領域が並列形成されてなるSOIデバイスにおいて、SOI層の端部に生じた圧縮応力の影響を各チャネル領域に及ばないようにすることができ、その結果、各トランジスタが一定のトランジスタ特性を有するSOI構造の半導体装置を提供することができる。
10 支持基板上
20 埋め込み酸化膜(BOX層)
30n、30p SOI層
31n、31p ソース領域
32n、32p ドレイン領域
33n、33p チャネル領域
40n、40p ゲート電極
41n、41p ゲート酸化膜
50n、50p サイドウォール
100、200、300 半導体装置
Nch N型トランジスタ
Pch P型トランジスタ
500 SOIデバイス
510 シリコン支持基板上
520 埋め込み酸化膜(BOX層)
530 SOI層
540 ゲート電極
550 サイドウォール

Claims (2)

  1. 支持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半導体領域と、前記半導体領域にゲート電極がゲート長方向に沿って並置された複数のトランジスタと、を含む半導体装置であって、
    前記複数のトランジスタのうちの最外部のトランジスタにおけるゲート電極から前記半導体領域の縁までの距離が、前記最外部のトランジスタのチャネル領域に圧縮応力が及ばないような距離となるように形成され、
    前記複数のトランジスタの各々のゲート電極はT字型に形成され、互いに隣接する前記ゲート電極同士はT字型の向きが反転して、前記半導体領域の端部における各々のゲート長が長短交互になるように形成されている、ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記距離が1.5マイクロメートル以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
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