JPH0817694A - 集積回路に適用するための薄膜およびバルク混合半導体基板ならびにその形成方法 - Google Patents
集積回路に適用するための薄膜およびバルク混合半導体基板ならびにその形成方法Info
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- JPH0817694A JPH0817694A JP7176864A JP17686495A JPH0817694A JP H0817694 A JPH0817694 A JP H0817694A JP 7176864 A JP7176864 A JP 7176864A JP 17686495 A JP17686495 A JP 17686495A JP H0817694 A JPH0817694 A JP H0817694A
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- Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract
護素子または高電圧I/Oバッファ回路を、同一基板上
に配置可能とした薄膜およびバルク混合半導体基板を提
供する。 【構成】 集積回路用薄膜およびバルク混合半導体基板
(10,30)を、2つの異なる処理を用いて作成す
る。第1処理では、標準ウエハ(11)の周辺(14)
に沿ってマスクを設ける。内部のマスクされていない部
分(16)に絶縁種を注入し、埋め込み誘電体層(1
8)を形成し、混合薄膜およびバルク半導体基板を形成
する。或いは、薄膜ウエハの内側部分(36)にマスク
を設け、エッチングすることにより、下層のバルク基板
(11’)のウエハ周囲に沿った部分(40)を露出さ
せる。次に、エピタキシャル層(50)を成長させて露
出したバルク部分に積層し、混合基板を形成する。薄膜
部分とバルク部分との境界に分離領域(24,52,4
6,54)を形成する。
Description
し、更に特定すれば、集積回路に適用するための薄膜お
よびバルク混合半導体基板(mixed thin-film and bulk
semiconductor substarate)、ならびにその形成方法に
関するものである。
たShih-Wei Sunによる"Protection Device for an Inte
grated Circuit and Method of Formation"と題された
米国特許出願第 08/205,477号、および1994年4月
25日に出願されたCraig S. Lageによる"Static Rando
m-Access Memory Cell and Process for Forming the M
emory Cell"と題された米国特許出願第08/232,968号に
開示される材料に部分的に関連するものである。これら
両出願は本願と同じ譲受人に譲渡されている。
力(I/O)パッドとその対応する内部回路との間に配
置される。保護素子は、静電放電(ESD:electrostatic d
ischarge)現象のように、高い遷移電圧がI/Oパッド
に発生したときに、回路を損傷から保護するものであ
る。15ナノメートルのゲート酸化物を用いた典型的な
MOSトランジスタの降伏電圧は約15ボルトであるの
で、保護素子はMOS集積回路では特に重要である。し
たがって、MOSトランジスタが保護されないままであ
ると、I/Oパッドに1000ボルトを越える電圧を発
生する静電放電がMOSトランジスタを損傷することに
なる。一方、保護素子はこれら過大な電圧から内部MO
S回路を遮蔽するので、集積回路を保護する。しかしな
がら、これまで、絶縁(SOI)ウエハの薄膜シリコン
上に厚いフィールドESD保護素子を構成することは、
フィールド酸化物(FOX)分離部がFOXの形成の間
絶縁(SOI)層全体を消費するので不可能であった。
Oバッファ回路の熱発散(heat dissipation)は、埋め込
み酸化物の熱伝導性が低いために、薄膜SOI材料にと
って主要な障害として報告されている。バッファ回路は
典型的に大きく、そのため多量の熱を発生する。したが
って、熱発散が少ないことは、SOI技術において、重
大な問題となる。加えて、薄膜SOI MOSFET
は、ソースおよびドレイン電極間のバイポーラ・スナッ
プバック電圧(bipolar-snapbak voltage)が低いという
欠点もある。
上、バルク・シリコン上に構成された標準5ボルトまた
は3.3ボルト素子よりも供給電圧(VCC)が低い回路
または素子に、SOIの用途を限定することになる。現
在のSOI技術では、VCCが2ボルトより大きくなる
と、チャンネル領域に発生した電子−正孔対によってラ
ンナウエイ(runaway)の問題が生じ、単一トランジスタ
・ラッチ(single-transistor latch)の原因となる。し
たがって、薄膜SOIウエハ上に3.3ボルトまたは5
ボルト素子を集積することは、薄膜SOIウエハの降伏
電圧が低いために、両立できなかった。
積回路に適用するための薄膜およびバルク混合基板の形
成方法を開示する。第1部分上に注入マスク(implant m
ask)が配された半導体基板を用意する。次に、埋め込み
誘電体層を、半導体基板の上表面の下で、半導体基板の
マスクされていない第2部分に形成する。こうして、薄
膜およびバルク混合半導体基板が形成され、バルク部分
が基板の第1部分に対応し、薄膜部分が基板の第2部分
に対応する。半導体基板の第2部分内の埋め込み誘電体
層と半導体基板の第1部分との間の境界に分離領域を形
成する。次に、第1素子を混合基板の第1部分上に形成
し、供給電圧が3.3ボルトよりも低い第2素子を基板
の第2部分上に形成する。
るための薄膜およびバルク混合基板を開示する。混合基
板は、バルク半導体基板と、このバルク基板の第1部分
上に設けられた第1薄膜半導体層とを有する。埋め込み
誘電体層が第1薄膜半導体層の下で、かつバルク半導体
基板の第1部分の上に位置する。第2半導体層が、バル
ク半導体基板の第2部分上に位置する。第1薄膜半導体
層および埋め込み誘電体層双方のエッジに側壁スペーサ
を設け、第1薄膜半導体層と埋め込み誘電体層とを第2
半導体層から分離する。この場合、側壁スペーサは、バ
ルク半導体基板の第3部分の上に位置する。
点は、添付図面に関連付けられた以下の詳細な説明か
ら、より明白に理解されよう。重要なこととして、図は
必ずしも一定の比で描かれている訳ではなく、具体的に
は示していないがその他にも本発明の実施例が考えられ
ることを指摘しておく。
薄膜技術と組み合わせて保護素子を形成する処理工程を
断面図で示すものである。これらの図は多くの同一また
は実質的に同様の要素を示している。したがって、同一
のまたは実質的に同様の要素には、同一参照番号を用い
て表記することとする。図1では、バルク半導体基板1
1を含み、このバルク基板11の第1部分14上にマス
ク12を有する基板10が用意される。バルク半導体基
板11は、典型的には、単結晶シリコンであるが、これ
に限定される訳ではない。マスク12は、基板11の第
2部分16を露出されたまま残す。基板10に注入処理
を施し、絶縁種(insulating species)のイオンをバルク
基板11の露出部分16に注入する。注入は当技術では
確立された処理である。注入には典型的に酸素イオンが
用いられるが、窒素イオンまたはその他の絶縁種を注入
に用いてもよい。マスク12は、フォトレジストまたは
その他の硬質マスク(hard mask)のような注入マスクで
あり、バルク半導体基板11の被覆部分14が、注入処
理の間影響を受けるのを防止する。注入処理の後、フォ
トレジスト・アッシュのような従来の処理を用いて、半
導体基板11の表面からマスク12を除去する。
ような埋め込み誘電体層18が形成される。埋め込み誘
電体層18の厚さは、2000ないし5000オングス
トロームの範囲であることが好ましい。酸素イオンを注
入する場合、埋め込み誘電体層18は酸化物層となる。
SOIという用語は、酸化物層18上に位置するシリコ
ン薄膜20によってしかるべく得られた構造を記述する
ために用いられ、この薄膜20は500ないし2000
オングストロームの範囲の厚さを有することが好まし
い。窒素イオンを注入する場合、結果的に得られる埋め
込み誘電体層18は、窒化物層として特徴付けられる。
これも絶縁体である。図2からわかるように、得られた
半導体基板10は、バルク基板部分11と薄膜部分20
とで構成される。これは本発明を実施する際の重要な観
点の1つである。
を基板10に形成する。分離領域は、典型的に、フィー
ルド酸化物(FOX)であり、FOXの形成方法は当技
術では公知である。基板10の薄膜部分20には分離領
域22のみを形成し、一方基板のバルク・シリコン部分
には分離領域(厚いフィールド領域)26のみを形成す
る。また、埋め込み誘電体層18と基板11のバルク半
導体との間の垂直境界領域に、分離領域24を形成す
る。この場合、分離領域24はその半分が薄膜層20と
同じ厚さしかない一方、領域24の他の半分はより厚
く、バルク基板を占める部分が多いので、二重フィール
ド酸化物(dual field oxide)の分離領域に似ている。
有する基板10を形成したなら、基板のバルク部分11
上の基板に、適当な保護素子を構成する。加えて、図4
に示すように、内部MOSFET28のような低電圧S
OI回路を薄膜部分20上に構成することもできる。図
4にはMOSFETが示されているが、薄膜部分上には
いかなる低VCC回路を形成してもよいことは理解されよ
う。また、図4には、厚いフィールド酸化物領域26と
ソース/ドレイン領域25とで構成されるパンチ・スル
ー保護素子(punch through protection device)27が
示されている。これらの領域は、MOSFETの製造時
に同時に形成されるものであり、ドーパントを基板に注
入してソース/ドレイン領域を形成する。基板10のバ
ルク部分11は、ESD用保護素子に限定される訳では
ない。高電圧I/Oバッファ素子のようないかなる高V
CC素子でもバルク側に構成することができる。
る、初期薄膜基板(initial thin-film substrate)30
を用いて、薄膜およびバルク混合半導体基板を形成する
処理工程を示す断面図である。図5において、薄膜基板
30は、薄膜半導体層29、薄膜層29の下に位置する
埋め込み誘電体層31、および誘電体層31の下に位置
するバルク半導体基板11’で構成されている。バルク
基板11’および薄膜層29は、双方とも、シリコンの
ような半導体材料であるが、埋め込み誘電体層31は、
酸化物または窒化物あるいはその他の絶縁性材料とする
ことができる。初期薄膜基板30として、酸素注入によ
る標準分離(standard sepratation by implantation of
oxygen)(SIMOX)ウエハ、またはバウンド・アン
ド・エッチ・バック(bound and etch back)SOI(B
ESOI)ウエハを用いることができる。薄膜層29の
上表面上に、誘電体層32を形成する。誘電体層32と
して用いられる可能性のある材料の例には、酸化シリコ
ン、窒化シリコン、窒化硼素、および酸窒化物が含まれ
るが、これらに限定される訳ではない。誘電体層32の
目的は、下層の薄膜層29を保護することであるが、こ
れについては以下の説明でより明白となろう。基板30
の第1部分36の上にマスク34を形成するが、基板3
0の第2部分は露出されたまま残す。基板30の第1部
分36は、薄膜回路が後に構成される所望領域に対応す
る。
エッチングして、誘電体層32、薄膜層29、および埋
め込み誘電体層31の一部を除去し、下に位置するバル
ク基板11’の一部40を露出させると共に、誘電体層
の残りの部分(remaining portion)32’、薄膜層の残
りの部分20’、および埋め込み誘電体層の残りの部分
18’を残す。エッチングは、下に位置するバルク基板
11’の上表面で停止するように制御されなければなら
ないが、少量のオーバエッチングであれば許容できる。
0の上表面上に、第2誘電体層42を形成し、第1誘電
体層の残りの部分32’およびバルク基板11の露出部
分40を被覆する。第2誘電体層42は、従来の付着技
術を用いて形成することができる。第2誘電体層の厚さ
は、500ないし4000オングストロームの範囲とす
ることができ、好ましい範囲は1000ないし3000
オングストロームである。図8に示すように、第2誘電
体層42は側壁スペーサ46を形成するために用いられ
るので、残りの部分32’,20’,18’のエッジ4
4で誘電体層42を十分厚くすることが非常に重要であ
る。第2誘電体層42として用いられる可能性のある材
料の例には、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化硼素、
および酸窒化物が含まれるが、これらに限定される訳で
はない。第1誘電体層32は、第2誘電体層42を後に
除去する際に、エッチ・ストップとして作用するので、
第2誘電体層42に用いられる材料が、第1誘電体層3
2の材料と異なることが大切である。
を用いて、第2誘電体層を除去する。この誘電体層の一
部のみを残し、エッジ44に側壁スペーサ46を形成す
る。側壁スペーサは、第2誘電体層の厚さにもよるが、
約500ないし4000オングストロームである。殆ど
の第2誘電体を除去することによって、バルク基板1
1’の別の部分48が露出される。
半導体11’の露出部分48上に、半導体材料のエピタ
キシャル層50を成長即ち付着(deposite)させる。下に
位置する半導体基板11’の結晶格子構造と同じもの
が、エピタキシャル層内にも形成されるので、事実上、
このエピタキシャル層はバルク材料の延長である。この
エピタキシャル付着処理において、第1誘電体層32
は、エピタキシャル・シリコンが薄膜層20’に付加さ
れるのを防ぐバリアとしても機能する。
即ちスペーサとほぼ同じ高さとなったなら、図10に示
すように、次に誘電体層の残りの部分32’を除去す
る。この除去はエッチング処理によって行われる。誘電
体部分32’を除去した後、平面化処理を行って基板3
0の上表面を平面化することが望ましい場合もある。上
述の工程を実施することによって、バルク部分と薄膜部
分の双方を有する混合基板を製造することができ、側壁
スペーサ46が基板の2つの部分を分離する。
2’,26’,52,54を形成する。ここでも、分離
領域は典型的にフィールド酸化物である。薄膜部分2
0’には分離領域22’のみを形成し、基板のエピタキ
シイ部分50には分離領域26’のみを形成する。しか
しながら、分離領域52,54は側壁スペーサ46周囲
に形成される。分離領域52をスペーサの薄膜側に形成
し、一方分離領域54をスペーサのバルク材料側に形成
する。側壁スペーサ46は誘電体材料であり、分離領域
はフィールド酸化物であるので、得られる構造は、基板
の薄膜部分とバルク基板との間の境界において、特に有
効な分離構造となる。
よって作られた基板の予想される使用法である。薄膜部
分には、低VCC内部MOSFETを構成することができ
る。一方、他の高VCCMOSFET、または他のいずれ
かの高電圧素子は、バルク部分の上に構成することがで
きる。或いは、バルク部分の上に、厚いフィールドES
D保護素子を構成することもできる。本発明のこの実施
例は、薄膜SOI素子および厚いフィールドESD保護
素子双方の組み合わせを同一基板上に構成できるように
混合基板を作るという点で、本発明の第1実施例と同じ
利点を提供するものである。
は、本発明に係わる利点の多くを表わすものである。具
体的には、薄膜およびバルクが混合した半導体基板を製
造し、薄膜SOI素子および厚いフィールドESD保護
素子または高電圧I/Oバッファ回路の双方を、同一基
板上に配置可能であることが明らかとなった。更に、S
OI基板の代わりに、バルク・シリコン上にI/Oバッ
ファ回路を構成可能とすることにより、シリコンは良好
な熱伝導体であるので、これらI/Oバッファ回路によ
って発生される熱の熱放出が改善される。更に別の利点
は、本発明は、3.3ボルトまたは5ボルト素子のため
にバルク半導体部分を設けることによって、これらの素
子を薄膜SOI技術と集積できるようにしたことであ
る。
適用するための薄膜およびバルク混合半導体基板、およ
び先に記載した必要性および利点を完全に満足する、こ
の混成基板の形成方法が提供されたことは明白である。
本発明はその具体的な実施例を参照して記載しかつ図示
されたが、本発明はこれら図示した実施例に限定される
ことを意図するのではない。本発明の精神から逸脱する
ことなく、変更や改造が可能であることを、当業者は認
めよう。例えば、本発明は、薄膜およびバルク混合基板
上に構成されるMOSFETおよびESD保護素子に限
定される訳では決してない。逆に、異なる降伏電圧を有
するいかなる集積回路を使用する場合でも、本発明の薄
膜およびバルク混合半導体基板の適切な部分上に、それ
らを構成することができる。したがって、本発明は、特
許請求の範囲に該当するかかる変更や改造全てを含むこ
とを意図するものである。
合半導体基板を形成する処理工程を示す断面図。
合半導体基板を形成する処理工程を示す断面図。
合半導体基板を形成する処理工程を示す断面図。
合半導体基板を形成する処理工程を示す断面図。
合半導体基板を形成する処理工程を示す断面図。
合半導体基板を形成する処理工程を示す断面図。
合半導体基板を形成する処理工程を示す断面図。
合半導体基板を形成する処理工程を示す断面図。
合半導体基板を形成する処理工程を示す断面図。
混合半導体基板を形成する処理工程を示す断面図。
混合半導体基板を形成する処理工程を示す断面図。
混合半導体基板を形成する処理工程を示す断面図。
Claims (5)
- 【請求項1】集積回路に適用するための薄膜およびバル
クの混合基板(10)を形成する方法であって:半導体
基板(11)と、該半導体基板の第1部分(14)上に
位置する注入マスク(12)を用意する段階;前記半導
体の第2部分(16)の表面下に、埋め込み誘電体層
(18)を形成する段階;前記半導体基板の第2部分内
の埋め込み誘電体層と、前記半導体基板の第1部分との
間の境界に、分離領域(24)を形成する段階;前記半
導体基板の第1部分上に位置する第1素子(27)を形
成する段階;および前記半導体基板の第2部分上に、
3.3ボルト未満の供給電圧を有する第2素子(28)
を形成する段階;から成ることを特徴とする方法。 - 【請求項2】集積回路に保護素子を形成する方法であっ
て:第1薄膜半導体層(29)、該第1薄膜半導体層上
に位置する第1埋め込み誘電体層(31)、および該第
1埋め込み誘電体層上に位置する第2半導体層(1
1’)を有する基板(30)を用意する段階;前記第1
薄膜半導体層(29)の第1部分(38)と、前記第1
埋め込み誘電体層(31)の第1部分とを除去して、前
記第2半導体層(11’)の露出部分(40)を形成
し、前記第1薄膜半導体層の残りの部分(20’)およ
び前記第1埋め込み誘電体層の残りの部分(18’)を
残す段階;前記第2半導体層の露出部分、ならびに前記
第1薄膜半導体層および前記第1埋め込み誘電体層の残
りの部分上に位置する、第2誘電体層(42)を形成す
る段階;前記第2誘電体層の一部を除去し、前記第1薄
膜半導体層および前記第1埋め込み誘電体層の残りの部
分のエッジ(44)に、側壁スペーサ(46)を形成す
る段階;前記第2半導体層の露出部分上に選択的に第3
半導体層(50)を成長させ、前記側壁スペーサによっ
て、前記第1薄膜半導体層と前記第1埋め込み誘電体層
の残りの部分とを、前記第3半導体層から分離させる段
階;前記側壁スペーサに分離領域(52,54)を形成
する段階;および前記第3半導体層上に位置する保護素
子(28’)を形成し、前記第1薄膜半導体層の前記残
りの部分を用いて低電圧半導体素子を形成する段階;か
ら成ることを特徴とする方法。 - 【請求項3】集積回路に適用するための薄膜およびバル
クの混合基板(30)であって:バルク半導体基板(1
1’)の第1部分上に位置する第1薄膜半導体層(2
0’);前記第1薄膜半導体層の下で、かつ前記バルク
半導体基板の第1部分の上に位置する埋め込み誘電体層
(18’);前記バルク半導体基板の第2部分上に位置
する第2半導体層(50);および前記第1薄膜半導体
層および前記埋め込み誘電体層を、前記第2半導体層か
ら分離するために、前記第1薄膜半導体層および前記埋
め込み誘電体層双方のエッジ(44)に設けられた側壁
スペーサ(46)であって、前記バルク半導体基板の第
3部分上に位置する前記側壁スペーサ;から成ることを
特徴とする基板。 - 【請求項4】集積回路に適用するための薄膜およびバル
クの混合基板(30)であって:バルク半導体基板(1
1’)の第1部分上に位置する第1薄膜半導体層(2
0’);前記第1薄膜半導体層の下で、かつ前記バルク
半導体基板の第1部分の上に位置する埋め込み誘電体層
(18’);前記バルク半導体基板の第2部分上に位置
する第2半導体層(50);前記第1薄膜半導体層およ
び前記埋め込み誘電体層を、前記第2半導体層から分離
するために、前記第1薄膜半導体層および前記埋め込み
誘電体層双方のエッジ(44)に設けられた側壁スペー
サ(46)であって、前記バルク半導体基板の第3部分
上に位置する前記側壁スペーサ;前記第1薄膜半導体層
内において第1の厚さを有する第1分離領域(52);
および前記第2半導体層内において第2の厚さを有する
第2分離領域(54)であって、前記第2の厚さは前記
第1の厚さよりも厚い、前記第2分離領域(54);か
ら成ることを特徴とする基板。 - 【請求項5】集積回路に適用するための薄膜およびバル
クの混合基板(30)であって:バルク半導体基板(1
1’)の第1部分上に位置する第1薄膜半導体層(2
0’);前記第1薄膜半導体層の下で、かつ前記バルク
半導体基板の第1部分の上に位置する埋め込み誘電体層
(18’);前記バルク半導体基板の第2部分上に位置
する第2半導体層(50);前記第1薄膜半導体層およ
び前記埋め込み誘電体層を、前記第2半導体層から分離
するため、前記第1薄膜半導体層および前記埋め込み誘
電体層双方のエッジ(44)に設けられた側壁スペーサ
(46)であって、前記バルク半導体基板の第3部分上
に位置する前記側壁スペーサ;前記第1薄膜半導体層上
に位置し、3.3ボルト未満の供給電圧を有する内部M
OSFET(28);および前記第2半導体層上に位置
する厚いフィールド静電放電(ESD)保護素子(2
7);から成ることを特徴とする基板。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0817694A true JPH0817694A (ja) | 1996-01-19 |
Family
ID=23012162
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7176864A Pending JPH0817694A (ja) | 1994-06-27 | 1995-06-21 | 集積回路に適用するための薄膜およびバルク混合半導体基板ならびにその形成方法 |
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