JPH08102498A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH08102498A
JPH08102498A JP6236193A JP23619394A JPH08102498A JP H08102498 A JPH08102498 A JP H08102498A JP 6236193 A JP6236193 A JP 6236193A JP 23619394 A JP23619394 A JP 23619394A JP H08102498 A JPH08102498 A JP H08102498A
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JP
Japan
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semiconductor
single crystal
semiconductor device
crystal layer
substrate
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JP6236193A
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English (en)
Inventor
Akira Nagai
亮 永井
Kazunori Umeda
一徳 梅田
Masaru Hisamoto
大 久本
Toru Kaga
徹 加賀
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】高性能性、高信頼性、かつ、発熱による温度上
昇を防止し、静電破壊耐性に優れた半導体装置を提供す
ること。 【構成】P型シリコン単結晶基板100表面上の所望の
領域に、シリコン酸化膜200を設け、さらにこの上に
シリコン単結晶層を設け、このシリコン単結晶層に第1
の半導体素子として、NチャネルMOSFET Qn
2、PチャネルMOSFET Qp2を形成し、半導体
基板の所望の領域以外の領域に第2の半導体素子とし
て、NチャネルMOSFET Qn1、PチャネルMO
SFET Qp1を形成するようにした半導体装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高性能で、かつ、静電
破壊耐性に優れた半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体基板表面上に絶縁膜を介して半導
体単結晶層を設け、この単結晶層に素子を形成した半導
体装置、代表的にはシリコン単結晶基板表面上にシリコ
ン酸化膜を介しシリコン単結晶層を設けた、いわゆるS
OI(シリコン オン インシュレータ)構造に素子を
形成した半導体装置は、寄生容量が低減できることや、
駆動能力の高い能動素子を得るのが容易であることや、
耐放射線性に優れること等の特徴を有し、高性能、高信
頼性が期待されている。
【0003】なお、この種の半導体装置に関連するもの
としては、例えば、アイ イー ディー エム(199
0年)587頁(IEDM(1990)pp587)、
1991 ブイ エル エス アイ テクノロジー シ
ンポジウム,51頁(1991 VLSI Techn
ology Symposium,pp51)が挙げら
れる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】半導体素子の微細化に
伴い、とりわけMOSFET(金属−酸化物−半導体型
電界効果トランジスタ)においては、少なくともチャネ
ル長が0.5μm以下になると、SOI構造のシリコン
単結晶層を著しく薄くすることが要求される。さらに、
MOSFETの性能を十分に引き出すには、いわゆる完
全空乏型の特性にすることが望ましく、このためにはシ
リコン単結晶層の厚さを一層薄くすることが望まれてい
る。例えば、チャネル長が0.1μmレベルのMOSF
ETに対して、単結晶層の膜厚は0.1μm以下とする
ことが望まれている。
【0005】上記従来技術は、このように薄膜化したシ
リコン単結晶層に形成された半導体素子が、通常の回路
動作においては致命的問題がないが、電流容量が小さい
ため、サージに対する破壊耐性に乏しいという問題があ
った。また、SOI構造に形成された半導体素子は半導
体基板と熱伝導率の低い絶縁膜で隔てられているため、
動作中に発生した熱により容易に温度上昇が生じ、集積
回路設計上の障害になりやすいという問題があった。
【0006】本発明の目的は、高性能性、高信頼性、か
つ、発熱による温度上昇を防止し、静電破壊耐性に優れ
た半導体装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体装置は、半導体基板表面上の所望の
領域に、絶縁膜を設け、さらにこの絶縁膜上に半導体単
結晶層を設け、この半導体単結晶層に第1の半導体素子
を、半導体基板の上記所望の領域以外の領域に第2の半
導体素子を形成するようにしたものである。
【0008】第2の半導体素子として適切な素子は、発
熱量の多い回路素子、例えばクロック発生回路素子等、
或いは静電破壊防止のための回路素子等であり、第1の
半導体素子として適切な素子は、これら以外の半導体素
子である。これら以外の半導体素子であっても、その内
の一部の素子が、半導体基板に設けられていても差し支
えない。また、半導体基板としてシリコン単結晶を、絶
縁膜としてシリコン酸化膜を、半導体単結晶層としてシ
リコン単結晶層を用いること、つまり、いわゆるSOI
構造とすることが好ましい。
【0009】
【作用】半導体基板に、例えば、発熱量の多い半導体素
子を形成すれば、効率的に熱を逃し、集積回路の温度上
昇を防止することができる。また、静電破壊防止のため
の半導体素子は、サージによる内部回路の破壊を防止す
るに十分な機能を有する。一方、SOIに代表されるよ
うな半導体基板表面上の絶縁膜上に設けた半導体単結晶
層に形成された内部回路は、高速性や、耐放射線性に優
れる。同一基板上にこれら静電破壊防止のための半導体
素子や内部回路を集積することにより、それぞれの特徴
を併せ持った高性能、高信頼性の半導体装置が実現でき
る。
【0010】
【実施例】以下、本発明を実施例を用いて詳細に説明す
る。なお、実施例を説明するための図面において、同一
機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説
明は省略する。
【0011】図1は、本発明をCMOS(相補形MO
S)に適用した一実施例の半導体装置の断面図である。
100はP型の導電型の不純物がドープされたP型シリ
コン単結晶基板、110はN型の不純物がドーピングさ
れたN型ウエル層、210は素子分離領域を形成するフ
ィールド酸化膜、300はゲート電極、130、150
は高濃度N型不純物拡散層、140、160は高濃度P
型不純物拡散層、400はゲート酸化膜である。
【0012】図1において、中央部より右にはP型シリ
コン単結晶基板100上にシリコン酸化膜200を介し
て設けたシリコン単結晶層に形成した素子、いわゆるS
OI素子がある。このSOI素子、すなわちNチャネル
MOSFET Qn2及びPチャネルMOSFET Q
p2は、それぞれ素子分離用酸化膜220で分離された
活性領域にある。
【0013】また、同図内の中央部より左にはシリコン
単結晶基板表面に、NチャネルMOSFET Qn1及
びPチャネルMOSFET Qp1が形成されている。
NチャネルMOSFET Qn1は、P型シリコン単結
晶基板100上のフィールド酸化膜210で囲まれた活
性領域に形成され、PチャネルMOSFET Qp1
は、N型ウェル層110上のフィールド酸化膜210で
囲まれた活性領域に形成されている。以後、これらシリ
コンバルク基板表面に形成した素子をバルク素子と呼
び、前記SOI素子と区別することにする。
【0014】SOI素子を用いると発熱による温度上昇
や静電破壊等が問題となる場合、この部分をバルク素子
に置き換え、この実施例の如く、SOI素子とバルク素
子とを同一チップに集積することにより、SOI素子の
問題を回避するとともに、SOI素子の高性能性や高信
頼性等の特徴を併せ持った集積回路が実現できる。
【0015】この半導体装置は次のようにして製造し
た。まず、P型シリコン単結晶基板100上に、シリコ
ン酸化膜200を介して厚さ0.1μmのシリコン単結
晶層が設けられたSOI基板を準備し、バルク領域のシ
リコン単結晶層、シリコン酸化膜200をエッチング除
去する。N型ウエル層110をイオン打ち込み、拡散に
より形成し、次に、フィールド酸化膜210、素子分離
用酸化膜220を、同時にLOCOS法で熱酸化して形
成する。バルク領域、SOI領域共、ゲート酸化膜40
0を基板の酸化により形成し、次に、多結晶シリコン膜
を全面に堆積し、フォトリソグラフィーにより所定のパ
ターンとし、バルク領域、SOI領域共ゲート電極30
0とする。ゲート長は、いずれも0.1μmとした。高
濃度N型不純物拡散層130、150をAsイオン打ち
込みにより、高濃度P型不純物拡散層140、160を
Bイオン打ち込みにより形成し、以下、通常のように、
絶縁膜、配線等を設けて半導体装置とした。
【0016】本実施例は、本発明をCMOSに適用した
ものであるが、本発明はこれに限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能で
あることは言うまでもない。例えば、バイポーラトラン
ジスタやJFET(接合型FET)又は一般的なIGF
ET(絶縁ゲート型FET)等の能動素子、また抵抗や
容量等の受動素子をSOI素子として用いることができ
た。なお、これらの素子は、必要によってバルク素子と
して形成してもよい。
【0017】次に、本発明を静電破壊防止回路に着目し
て実施した例を具体的に説明する。図2は、CMOS集
積回路で、内部回路をSOI領域に構成し、静電破壊防
止回路をバルク領域に構成したチップの平面レイアウト
の概略を表わした図である。
【0018】同図には静電破壊防止回路として(a)
(b)2種類の回路を示してある。(a)は抵抗600
とクランプMOS700とからなり、ボンディングパッ
ドからの信号は、抵抗600を経て、クランプMOS7
00を介して初段のインバータ800に入力される。本
回路は静電的ノイズを抵抗600で減衰させ、クランプ
MOSの表面ブレークダウンと、これにより誘起される
寄生バイポーラ動作によって静電エネルギーを基板へ逃
がし、破壊を防止する機能を有する。静電破壊防止回路
(b)は、CMOS構造において寄生的にできるサイリ
スタ710を(a)の構造に付加したもので、このサイ
リスタ現象を利用し、さらに効率的に静電エネルギーを
放出させるものである。
【0019】図3は、上記静電破壊防止回路(a)と初
段のインバータ800の断面図であり、図4は、上記静
電破壊防止回路(b)と初段のインバータ800の断面
図である。図3において、RはP型シリコン単結晶基板
100表面の高濃度N型拡散層130を用いた抵抗、Q
nnはNチャネル型クランプMOSであり、両者はバル
ク素子である。Qn2、Qp2はそれぞれSOI領域に
形成したNチャネルMOSFET及びPチャネルMOS
FETであり、両者でインバータを形成している。これ
らの素子は図3に示す如く結線されている。図4では、
図3に示された素子群に、CMOSに寄生的にできるP
NPN構造のサイリスタが加えられている。これらの素
子は図4に示す如く結線されている。ここで、寄生サイ
リスタ SCR、Nチャネル型クランプMOS Qn
n、抵抗 Rはバルク素子であり、NチャネルMOSF
ET Qn2、PチャネルMOSFET Qp2はSO
I素子であることは言うまでもない。
【0020】なお、図2の半導体装置では、ボンディン
グパッドに近接して静電破壊防止回路を設けたため、バ
ルク領域がチップの端部に、SOI領域がチップ中央部
に形成されているが、必ずしもこのようにする必要はな
く、SOI領域がチップの任意の位置に形成されていて
もよい。
【0021】また、上記実施例では、静電破壊防止の対
象を入力回路としたが、これに限定されることなく、入
出力回路又は電源端子等についても適用可能である。さ
らにまた、静電破壊防止回路に関しても、上記実施例で
取り上げた回路方式に限定されることなく、他の回路方
式や素子にも同様に適用可能である。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば、SOI素子の高性能
性、高信頼性を有し、かつ、発熱による温度上昇を防止
し、静電破壊耐性に優れた半導体装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のCMOSFETを有する半
導体装置の要部断面図。
【図2】本発明の他の実施例の半導体装置の要部平面
図。
【図3】図3に示した半導体装置のCMOSFET部分
の要部断面図。
【図4】図3の示した半導体装置の他のCMOSFET
部分の要部断面図。
【符号の説明】
100…P型シリコン単結晶基板 110…N型ウエル層 130、150…高濃度N型不純物拡散層 140、160…高濃度P型不純物拡散層 200…シリコン酸化膜 210…フィールド酸化膜 220…素子分離用酸化膜 300…ゲート電極 400…ゲート酸化膜 600…抵抗 700…クランプMOS 710…SCR 800…インバータ Qn1、Qn2…NチャネルMOSFET Qp1、Qp2…PチャネルMOSFET Qnn…クランプMOS R…抵抗 SCR…寄生サイリスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/822 27/08 331 E 27/12 Z 29/786 9056−4M H01L 29/78 613 Z (72)発明者 加賀 徹 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板表面上の所望の領域に設けられ
    た絶縁膜と該絶縁膜上に設けられた半導体単結晶層とを
    有し、上記半導体単結晶層に形成された第1の半導体素
    子及び上記半導体基板の上記所望の領域以外の領域に形
    成された第2の半導体素子からなることを特徴とする半
    導体装置。
  2. 【請求項2】上記半導体基板はシリコン単結晶からな
    り、上記絶縁膜はシリコン酸化膜からなり、かつ、上記
    半導体単結晶層はシリコン単結晶層からなることを特徴
    とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】上記第1の半導体素子は、絶縁ゲート型電
    界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1又
    は2記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】上記第1の半導体素子は、相補型絶縁ゲー
    ト型電界効果トランジスタであることを特徴とする請求
    項1又は2記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】上記第1の半導体素子は、接合型電界効果
    トランジスタであることを特徴とする請求項1又は2記
    載の半導体装置。
  6. 【請求項6】上記第1の半導体素子は、バイポーラトラ
    ンジスタであることを特徴とする請求項1又は2記載の
    半導体装置。
  7. 【請求項7】上記第2の半導体素子は、静電破壊防止の
    ための素子であることを特徴とする請求項1から6のい
    ずれか一に記載の半導体装置。
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