JPH04257267A - Manufacture of soi-structured semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】本発明は、SOI(silico
n on insulator)構造基板の薄いシ
リコン(Si)層にMOSFET(metal ox
ide semiconductor field
effect transistor)を作り込
むのに好適な半導体装置の製造方法に関する。[Industrial Application Field] The present invention relates to SOI (silico
MOSFET (metal ox
ide semiconductor field
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device suitable for manufacturing an effect transistor.
【0002】一般に、SOI構造基板を用いた半導体素
子は、動作速度、集積度、耐放射線性に於いて、通常の
バルク基板を用いた半導体素子よりも優れている為、そ
の実用化に向けて多くの努力が注がれているのであるが
、例えば、バック・チャネルの問題など、解決すべき問
題が残されている。[0002] In general, semiconductor devices using SOI structure substrates are superior to semiconductor devices using ordinary bulk substrates in terms of operating speed, degree of integration, and radiation resistance. Although much effort is being put into it, problems remain to be resolved, such as back channel issues.
【0003】0003
【従来の技術】通常、SOI構造基板を用いた場合、半
導体素子の動作速度が向上することができるのは、支持
側Si基板と二酸化シリコン(SiO2 )からなる絶
縁膜を介して貼り合わせられて半導体素子を作り込むべ
きSi層が薄膜化されていることが大きな理由となって
いる。ところが、そのSi層を薄膜化すると、表面側に
現れるフロント・チャネルと呼ばれる正規のチャネルの
他に背面側の絶縁膜との界面にもチャネルが現れ、所謂
、バック・チャネルとして影響を及ぼすようになってし
まう。このバック・チャネルは、MOSFETのしきい
値電圧を変化させることから、そのバック・チャネルの
しきい値を制御して、MOSFETの動作に悪影響を及
ぼさないようにすることが必要である。[Prior Art] Normally, when using an SOI structure substrate, the operating speed of a semiconductor element can be improved by bonding a support side Si substrate with an insulating film made of silicon dioxide (SiO2). A major reason for this is that the Si layer into which semiconductor elements are built has become thinner. However, when the Si layer is made thinner, in addition to a normal channel called a front channel that appears on the surface side, a channel also appears on the back side at the interface with the insulating film, and it has an effect as a so-called back channel. turn into. Since this back channel changes the threshold voltage of the MOSFET, it is necessary to control the threshold voltage of the back channel so as not to adversely affect the operation of the MOSFET.
【0004】従来のSOI構造基板を用いたMOSFE
Tでは、支持側Si基板にバック・バイアス電圧を印加
し、Si層に作り込んだMOSFETのバック・チャネ
ルを制御するようにしている。MOSFE using conventional SOI structure substrate
At T, a back bias voltage is applied to the supporting Si substrate to control the back channel of the MOSFET built in the Si layer.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】前記したように、支持
側Si基板にバック・バイアス電圧を印加してバック・
チャネルの影響を低減させる場合、nチャネル・トラン
ジスタには負のバック・バイアス電圧を、また、pチャ
ネル・トランジスタには正のバック・バイアス電圧をそ
れぞれ印加することが必要である。従って、例えば、C
MOS(complementary metal
oxide semiconductor)トラン
ジスタでは、pチャネル・トランジスタ並びにnチャネ
ル・トランジスタにそれぞれ異なる電圧を印加すること
が必要となるのであるが、SOI構造基板を用いたCM
OSトランジスタでは、支持側Si基板が共通であるか
ら、バック・バイアス電圧を印加することでpチャネル
・トランジスタとnチャネル・トランジスタのしきい値
を制御することは困難である。[Problem to be Solved by the Invention] As mentioned above, back bias voltage is applied to the supporting side Si substrate.
To reduce the channel effects, it is necessary to apply a negative back bias voltage to the n-channel transistor and a positive back bias voltage to the p-channel transistor. Therefore, for example, C
MOS (complementary metal)
oxide semiconductor) transistors, it is necessary to apply different voltages to the p-channel transistor and the n-channel transistor, but CM using an SOI structure substrate
In OS transistors, since the support side Si substrate is common, it is difficult to control the threshold voltages of the p-channel transistor and the n-channel transistor by applying a back bias voltage.
【0006】本発明は、バック・チャネルのしきい値を
選択的に且つ容易に制御できるようにし、例えば、CM
OSトランジスタに於けるpチャネル・トランジスタ或
いはnチャネル・トランジスタのそれぞれに好適なバッ
ク・チャネル制御を施すことを可能にしようとする。The present invention allows selective and easy control of back channel thresholds, such as
It is intended to enable suitable back channel control for each p-channel transistor or n-channel transistor in an OS transistor.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理を説
明する為のSOI構造基板を用いたMOSFETの要部
切断側面図を表している。図に於いて、1は支持側Si
基板、2は薄膜化されたSi層、3は二酸化シリコン(
SiO2 )からなる絶縁膜、4はSiO2 からなる
ゲート絶縁膜、5はチャネル領域、6は不純物導入領域
、7はソース領域、8はドレイン領域、9は多結晶Si
からなるゲート電極、10はSiO2 からなる素子間
分離領域をそれぞれ示している。[Means for Solving the Problems] FIG. 1 is a cross-sectional side view of a main part of a MOSFET using an SOI structure substrate for explaining the principle of the present invention. In the figure, 1 is the support side Si
The substrate, 2 is a thin Si layer, 3 is silicon dioxide (
4 is a gate insulating film made of SiO2, 5 is a channel region, 6 is an impurity introduced region, 7 is a source region, 8 is a drain region, 9 is a polycrystalline Si
The reference numeral 10 indicates a gate electrode made of SiO2, and an element isolation region made of SiO2.
【0008】このMOSFETでは、不純物導入領域6
がn型であれば、バック・チャネルもn型化する傾向と
なり、また、不純物導入領域6がp型であれば、バック
・チャネルもp型化する傾向となる。従って、この現象
を利用すれば、フロント・チャネルのしきい値に比較し
てバック・チャネルのそれは大きくすることができ、M
OSFETとしてのしきい値はフロント・チャネルのし
きい値で支配されるようになる。In this MOSFET, the impurity introduced region 6
If the impurity doped region 6 is an n-type, the back channel also tends to become an n-type, and if the impurity-introduced region 6 is a p-type, the back channel also tends to become a p-type. Therefore, by utilizing this phenomenon, the back channel threshold can be made larger compared to the front channel threshold, and M
The threshold value as an OSFET becomes dominated by the front channel threshold value.
【0009】このようなことから、本発明に依る半導体
装置の製造方法に於いては、(1)MOSFETを作り
込むべき活性層である薄膜化されたシリコン層(例えば
薄膜化されたSi層2)とその背面に在る絶縁膜(例え
ばSiO2 からなる絶縁膜3)とを貫通して支持側シ
リコン基板(例えば支持側Si基板1)の表面に不純物
イオンの注入を行いバック・チャネルを制御する為の不
純物導入領域(例えば不純物導入領域6)を形成する工
程と、次いで、前記活性層である薄膜化されたシリコン
層にMOSFETを形成する工程とが含まれてなるか、
或いは、(2)前記(1)に於いて、バック・チャネル
を制御する為の不純物導入領域を形成する不純物イオン
の注入は活性層である薄膜化されたシリコン層に対する
チャネル・ドーズを兼ねて実施されることを特徴とする
か、(3)前記(1)或いは(2)に於いて、バック・
チャネルを制御する為の不純物導入領域を形成する不純
物イオンの注入は選択的に導電型が異なる不純物イオン
を用いて実施されることを特徴とするか、或いは、(4
)前記(1)或いは(2)に於いて、バック・チャネル
を制御する為の不純物導入領域を形成する不純物イオン
の注入は選択的に濃度を異にする不純物イオンを用いて
実施されることを特徴とする。For these reasons, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, (1) a thinned silicon layer (for example, a thinned Si layer 2 ) and the insulating film (for example, the insulating film 3 made of SiO2) on the back side, and implant impurity ions into the surface of the supporting silicon substrate (for example, the supporting Si substrate 1) to control the back channel. a step of forming an impurity-introduced region (for example, an impurity-introduced region 6) for the active layer, and a step of forming a MOSFET in the thinned silicon layer that is the active layer;
Alternatively, (2) in (1) above, the implantation of impurity ions to form the impurity introduction region for controlling the back channel is also performed as a channel dose to the thinned silicon layer that is the active layer. (3) In the above (1) or (2), the back
The implantation of impurity ions forming the impurity introduction region for controlling the channel is selectively performed using impurity ions having different conductivity types, or (4)
) In (1) or (2) above, the implantation of impurity ions forming the impurity introduction region for controlling the back channel is carried out using impurity ions with selectively different concentrations. Features.
【0010】0010
【作用】本発明では、前記したように、活性層であるS
i層2、及び、その下地である絶縁膜3を貫通して支持
側Si基板1の表面にも不純物イオンを注入し、不純物
導入領域6を形成するようにしている。通常、ゲート電
極9を構成している多結晶Siにはチャネル領域5と異
なる導電型の不純物が導入される為、ゲート絶縁膜4の
膜厚と下地である絶縁膜3の膜厚とが等しく、且つ、チ
ャネル領域5に於ける不純物濃度が均一であれば、バッ
ク・チャネルのしきい値はフロント・チャネルのそれに
比較して大きくなる。この為、MOSFETとしてのし
きい値はフロント・チャネルのしきい値が支配的となっ
て、バック・チャネルの影響を抑制することができるの
であり、そして、このような作用は、不純物導入領域6
の導電型さえ適切に選択すれば、pチャネル・トランジ
スタに於いてもnチャネル・トランジスタに於いても同
等であることから、SOI構造基板にCMOSトランジ
スタを組み込むには、特に、有効であり、また、CMO
Sトランジスタに限らず、半導体素子に応じて印加電圧
を変える必要がある半導体装置を製造する際に適用して
好結果が得られる。[Function] In the present invention, as mentioned above, the active layer S
Impurity ions are also implanted into the surface of the supporting Si substrate 1 through the i-layer 2 and the underlying insulating film 3 to form an impurity-introduced region 6. Normally, impurities of a conductivity type different from that of the channel region 5 are introduced into the polycrystalline Si constituting the gate electrode 9, so that the thickness of the gate insulating film 4 is equal to that of the underlying insulating film 3. , and if the impurity concentration in the channel region 5 is uniform, the threshold value of the back channel will be larger than that of the front channel. For this reason, the threshold value of the MOSFET is dominated by the threshold value of the front channel, and the influence of the back channel can be suppressed.
If the conductivity type is appropriately selected, both p-channel transistors and n-channel transistors are equivalent, so it is particularly effective for incorporating CMOS transistors into SOI structure substrates. , CMO
Good results can be obtained by applying this method not only to S transistors but also to manufacturing semiconductor devices in which it is necessary to change the applied voltage depending on the semiconductor element.
【0011】[0011]
【実施例】図2及び図3は本発明一実施例を解説する為
の工程要所に於けるMOSFETの要部切断側面図であ
り、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。尚、図1
に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同
じ意味を持つものとする。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIGS. 2 and 3 are cross-sectional side views of essential parts of a MOSFET at key points in the process for explaining one embodiment of the present invention, and the following description will be made with reference to these figures. Furthermore, Figure 1
The same symbols used in the above shall represent the same parts or have the same meaning.
【0012】図2参照
2−(1)通常の技法を適用して作成されたSOI構造
のウエハを用意する。その主要なデータを例示すると次
の通りである。
活性層であるSi層2の厚さ:100〔nm〕下地であ
る絶縁膜3の厚さ:15〔nm〕2−(2)イオン注入
法を適用することに依ってSi層2にチャネル・ドーズ
を行うのであるが、この工程は、本発明に於いて特徴的
なところである。即ち、例えば、nチャネルMOSFE
Tの場合には、硼素(B)イオンを注入するのであるが
、その際、ドーズ量は1012〔cm−2〕程度、加速
電圧は50〔keV〕程度とし、チャネル領域5及び下
地の絶縁膜3を貫通させて支持側Si基板1の表面にも
硼素の注入を行うものである。この工程を経ることに依
って、支持側Si基板1の表面には1016〔cm−3
〕〜1017〔cm−3〕の硼素が注入されて不純物導
入領域6が形成され、バック・チャネルのしきい値はフ
ロント・チャネルのしきい値に比較して大きくすること
ができる。尚、本工程は後に説明する工程3−(1)で
形成する耐酸化性マスクを除去した段階で実施すること
ができ、また、不純物活性化の熱処理は他の不純物領域
の活性化と兼ねて行えば良い。Refer to FIG. 2 2-(1) A wafer having an SOI structure prepared by applying a conventional technique is prepared. Examples of the main data are as follows. Thickness of Si layer 2 as active layer: 100 [nm] Thickness of insulating film 3 as base: 15 [nm] 2-(2) By applying the ion implantation method, channels and This step is a characteristic feature of the present invention. That is, for example, an n-channel MOSFE
In the case of T, boron (B) ions are implanted at a dose of about 1012 [cm-2] and an accelerating voltage of about 50 [keV]. Boron is also implanted into the surface of the supporting Si substrate 1 by penetrating the silicon substrate 3. By going through this process, the surface of the support side Si substrate 1 has a thickness of 1016 [cm-3].
] to 10<17>[cm<-3>] of boron is implanted to form the impurity-introduced region 6, and the threshold of the back channel can be made larger than that of the front channel. Note that this step can be performed after removing the oxidation-resistant mask formed in step 3-(1), which will be explained later, and the heat treatment for impurity activation can also be performed to activate other impurity regions. Just go.
【0013】図3参照
3−(1)例えば、窒化シリコン(Si3 N4 )か
らなる耐酸化性マスクを用いる選択的熱酸化(例えばl
ocal oxidationof silico
n:LOCOS)法を適用することに依り、SiO2
からなる素子間分離領域10を形成する。
3−(2)前記耐酸化性マスクを除去してから、熱酸化
法を適用することに依り、厚さ例えば15〔nm〕のS
iO2 からなるゲート絶縁膜4を形成する。
3−(3)化学気相堆積(chemical vap
or deposition:CVD)法を適用する
ことに依り、厚さ例えば300〔nm〕の多結晶Si膜
を形成する。
3−(4)通常のフォト・リソグラフィ技術を適用する
ことに依り、前記多結晶Si膜のパターニングを行って
ゲート電極9を形成する。
3−(5)イオン注入法を適用することに依り、ゲート
電極9及び素子間分離領域10をマスクとして砒素イオ
ンの打ち込みを行ってソース領域7及びドレイン領域8
を形成する。
3−(6)この後、通常の技法を適用し、絶縁膜の形成
、電極コンタクト窓の形成、ソース電極及びドレイン電
極やその他の配線などを形成して完成する。Refer to FIG. 3 3-(1) For example, selective thermal oxidation (for example, l
ocal oxidation of silico
By applying the n:LOCOS) method, SiO2
An inter-element isolation region 10 is formed. 3-(2) After removing the oxidation-resistant mask, by applying a thermal oxidation method, S with a thickness of, for example, 15 [nm] is
A gate insulating film 4 made of iO2 is formed. 3-(3) Chemical vapor deposition
A polycrystalline Si film having a thickness of, for example, 300 [nm] is formed by applying a chemical vapor deposition (CVD) method. 3-(4) The polycrystalline Si film is patterned to form the gate electrode 9 by applying a normal photolithography technique. 3-(5) By applying the ion implantation method, arsenic ions are implanted using the gate electrode 9 and the isolation region 10 as a mask to form the source region 7 and drain region 8.
form. 3-(6) Thereafter, a conventional technique is applied to form an insulating film, an electrode contact window, a source electrode, a drain electrode, other wiring, etc., and complete the process.
【0014】図4は前記工程2−(2)に於いて説明し
たように不純物イオンの注入を行った場合の不純物濃度
プロファイルを表す線図であり、横軸には距離〔μm〕
を、縦軸には不純物濃度〔cm−3〕をそれぞれ採って
ある。尚、縦軸はlog目盛りであり、また、図1に於
いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意
味を持つものとする。図から明らかなように、支持側S
i基板1の表面には、約1×1016〔cm−3〕〜1
×1017〔cm−3〕程度の硼素が導入されているこ
とが看取される。FIG. 4 is a diagram showing the impurity concentration profile when impurity ions are implanted as explained in step 2-(2), and the horizontal axis shows distance [μm].
, and the impurity concentration [cm-3] is plotted on the vertical axis. The vertical axis is a log scale, and the same symbols as those used in FIG. 1 represent the same parts or have the same meaning. As is clear from the figure, the support side S
The surface of the i-substrate 1 has a thickness of about 1 x 1016 [cm-3] to 1
It can be seen that approximately x1017 [cm-3] of boron has been introduced.
【0015】前記実施例は、nチャネルMOSFETを
製造する場合について説明したが、pチャネルMOSF
ETを製造するのであれば、前記工程2−(2)に於い
て、硼素イオンの注入に替えて砒素イオン或いは燐イオ
ンの注入を行い、且つ、前記工程3−(5)に於いて、
砒素イオンの注入に替えて硼素イオンの注入を行えば良
く、また、CMOSトランジスタを製造するのであれば
、nチャネル・トランジスタ及びpチャネル・トランジ
スタの形成予定部分にそれぞれ必要とされる導電型の不
純物導入領域6を形成し、且つ、反対導電型のソース領
域及びドレイン領域を形成することで得られる。[0015] In the above embodiment, the case of manufacturing an n-channel MOSFET was explained, but a p-channel MOSFET
If ET is to be manufactured, in step 2-(2), arsenic ions or phosphorus ions are implanted instead of boron ions, and in step 3-(5),
Boron ions can be implanted instead of arsenic ions, and if CMOS transistors are to be manufactured, impurities of the conductivity type required for the areas where n-channel transistors and p-channel transistors are to be formed can be implanted. This can be obtained by forming the introduction region 6 and forming source and drain regions of opposite conductivity types.
【0016】また、この他の改変としては、不純物導入
領域6として導電型は全て同じで不純物濃度が選択的に
異なるものにすることも可能である。As another modification, it is also possible to make the impurity introduced regions 6 all of the same conductivity type but with selectively different impurity concentrations.
【0017】[0017]
【発明の効果】本発明に依るSOI構造半導体装置の製
造方法に於いては、薄膜化されたシリコン層とその背面
に在る絶縁膜とを貫通して支持側シリコン基板の表面に
バック・チャネルを制御する為の不純物導入領域を形成
する工程と、前記薄膜化されたシリコン層にMOSFE
Tを形成する工程とが含まれている。[Effects of the Invention] In the method for manufacturing an SOI structure semiconductor device according to the present invention, a back channel is formed on the surface of the supporting silicon substrate by penetrating the thinned silicon layer and the insulating film on the back side thereof. A step of forming an impurity introduction region for controlling the
A step of forming a T is included.
【0018】前記構成を採ることに依って、ゲート絶縁
膜の膜厚と貼り合わせ界面に於ける絶縁膜の膜厚とが等
しく、且つ、チャネル領域に於ける不純物濃度が均一で
あれば、バック・チャネルのしきい値はフロント・チャ
ネルのそれに比較して大きくなり、この為、MOSFE
Tとしてのしきい値はフロント・チャネルのしきい値が
支配的となって、バック・チャネルの影響を抑制するこ
とができる。By adopting the above structure, if the thickness of the gate insulating film is equal to the thickness of the insulating film at the bonding interface, and the impurity concentration in the channel region is uniform, the back - The threshold of the channel is larger compared to that of the front channel, so the MOSFE
As for the threshold value T, the threshold value of the front channel becomes dominant, and the influence of the back channel can be suppressed.
【0019】また、このような作用は、不純物導入領域
の導電型さえ適切に選択すれば、pチャネル・トランジ
スタに於いてもnチャネル・トランジスタに於いても同
等であることから、SOI構造基板にCMOSトランジ
スタを組み込む場合は特に有効である。[0019] Furthermore, since such an effect is the same in both p-channel transistors and n-channel transistors as long as the conductivity type of the impurity-introduced region is appropriately selected, it can be applied to SOI structure substrates. This is particularly effective when incorporating CMOS transistors.
【0020】更にまた、CMOSトランジスタに限らず
、半導体素子に応じて印加電圧を変える必要がある半導
体装置を製造する際に適用して好結果が得られる。Furthermore, good results can be obtained by applying the present invention not only to CMOS transistors but also to manufacturing semiconductor devices in which it is necessary to change the applied voltage depending on the semiconductor element.
【図1】本発明の原理を説明する為のSOI構造基板を
用いたMOSFETの要部切断側面図である。FIG. 1 is a cross-sectional side view of a main part of a MOSFET using an SOI structure substrate for explaining the principle of the present invention.
【図2】本発明一実施例を解説する為の工程要所に於け
るMOSFETの要部切断側面図である。FIG. 2 is a cutaway side view of a main part of a MOSFET at key points in the process for explaining an embodiment of the present invention.
【図3】本発明一実施例を解説する為の工程要所に於け
るMOSFETの要部切断側面図である。FIG. 3 is a cutaway side view of a main part of a MOSFET at a key point in the process for explaining an embodiment of the present invention.
【図4】工程2−(2)に於いて説明したように不純物
イオンの注入を行った場合の不純物濃度プロファイルを
表す線図である。FIG. 4 is a diagram showing an impurity concentration profile when impurity ions are implanted as described in step 2-(2).
1 支持側Si基板、2 薄膜化されたSi層3
二酸化シリコン(SiO2 )からなる絶縁膜4
SiO2 からなるゲート絶縁膜5 チャネル領域
6 不純物導入領域
7 ソース領域
8 ドレイン領域
9 多結晶Siからなるゲート電極1 Support side Si substrate, 2 Thinned Si layer 3
Insulating film 4 made of silicon dioxide (SiO2)
Gate insulating film 5 made of SiO2 Channel region 6 Impurity introduced region 7 Source region 8 Drain region 9 Gate electrode made of polycrystalline Si
Claims (4)
薄膜化されたシリコン層とその背面に在る絶縁膜とを貫
通して支持側シリコン基板の表面に不純物イオンの注入
を行いバック・チャネルを制御する為の不純物導入領域
を形成する工程と、次いで、前記活性層である薄膜化さ
れたシリコン層にMOSFETを形成する工程とが含ま
れてなることを特徴とするSOI構造半導体装置の製造
方法。Claim 1: Impurity ions are implanted into the surface of the supporting silicon substrate through the thinned silicon layer, which is the active layer in which the MOSFET is to be fabricated, and the insulating film on the back side of the silicon layer to form a back channel. A method for manufacturing an SOI structure semiconductor device, comprising the steps of forming an impurity-introduced region for control, and then forming a MOSFET in the thinned silicon layer that is the active layer. .
入領域を形成する不純物イオンの注入は活性層である薄
膜化されたシリコン層に対するチャネル・ドーズを兼ね
て実施されることを特徴とする請求項1記載のSOI構
造半導体装置の製造方法。[Claim 2] A claim characterized in that implantation of impurity ions to form an impurity introduction region for controlling a back channel is carried out also as a channel dose to a thinned silicon layer which is an active layer. 2. A method for manufacturing an SOI structure semiconductor device according to item 1.
入領域を形成する不純物イオンの注入は選択的に導電型
が異なる不純物イオンを用いて実施されることを特徴と
する請求項1或いは請求項2記載のSOI構造半導体装
置の製造方法。3. Implantation of impurity ions to form an impurity introduction region for controlling a back channel is selectively performed using impurity ions having different conductivity types. 2. The method for manufacturing an SOI structure semiconductor device according to 2.
入領域を形成する不純物イオンの注入は選択的に濃度を
異にする不純物イオンを用いて実施されることを特徴と
する請求項1或いは請求項2記載のSOI構造半導体装
置の製造方法。4. The implantation of impurity ions forming the impurity introduction region for controlling the back channel is performed using impurity ions with selectively different concentrations. 3. A method for manufacturing an SOI structure semiconductor device according to item 2.
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-
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