JPS6372164A - 改良形集積回路製造方法 - Google Patents

改良形集積回路製造方法

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JPS6372164A
JPS6372164A JP62200766A JP20076687A JPS6372164A JP S6372164 A JPS6372164 A JP S6372164A JP 62200766 A JP62200766 A JP 62200766A JP 20076687 A JP20076687 A JP 20076687A JP S6372164 A JPS6372164 A JP S6372164A
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oxide layer
transistor
drain
region
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JP62200766A
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Ai Kaminzu Seodooru
セオドール・アイ・カミンズ
Pieru Korinji Jien
ジェン・ピエル・コリンジ
Jiee Marukoukusu Pauru
パウル・ジェー・マルコウクス
Emu Roiransu Rin
リン・エム・ロイランス
Eru Moru Jiyon
ジョン・エル・モル
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は一般的には集積回路の製造に関し、さらに詳し
くはシリコン・オン・インシュレータ(SOI)技術を
用いた集積回路の製造に関する。
〔発明の技術的背景及びその問題点〕
これまで、深い、高線量(dose)の酸素注入(ia
+plantation)によって形成された埋込み酸
化物層(buoied oxide 1ayer)を有
するシリコン・オン・インシュレータ(sjI)集積回
路構造の性質にっ(1983) ; Wilsonによ
るrJournal of ElectronicMa
terials J 、13.127(1984)およ
びHashimot。
およびその他による1985 rlnternatio
nal DeviceMeeting DigestJ
 (Washington、 D、C,、Decemb
er2−4.1985)、paper 28.I P6
72を参照。上述したものを含めて、報告された研究の
大部分では、埋込み酸化物がトランジスタ構造全体の下
に延びて、完全に絶縁分離されたトランジスタが形成さ
れるように、デバイス加工の前に酸素が注入されている
SO■デバイスは、デバイス/基板容量の減少、漏れの
減少、高速化など、従来の集積回路デバイスに比べ、多
(の利点を有している。しかし、SOI加工は集積回路
ウェーハの費用および製造時間を増大させ、また、いく
つかのタイプの集積回路デバイスでは動作上の問題を起
すことがある。
たとえば、ソース、チャンネル、ドレインおよびゲート
を有するMOS )ランジスタが絶縁体上全体に形成さ
れるとき、チャンネルの下の中性(母体)N域は基板か
ら電気的に絶縁され、したがって基板電位に対して“浮
く、“ l’lOs )ランジスタの浮遊母体は、MO
S  )ランジスタの正しい動作を阻害する電位をもつ
ことがある。また、SOI MOSトランジスタの浮遊
母体はしばしばトランジスタの過渡的応答の低下を生じ
させる。
CMOSデバイスでは、NチャンネルMOS )ランジ
スタは相補的なPチャンネルMOS )ランジスタに結
合されて非常に低い電力要求をもったデバイスが得られ
る。しかし、CMOSデバイスについて生じる問題は、
相補形MOS l−ランジスタの間の基板を電流が流れ
るときに、“ラッチアップ”が生じたり、CMOSデバ
イスが破壊されることがあるということである。CMO
Sデバイスを基板から絶縁分離することによってこの問
題を回避できるが、今度は、特にNチャンネルMOS 
)ランジスタ(これは浮遊母体効果に対してPチャンネ
ル間Sトランジスタより敏感である)について上述した
浮遊母体問題が生じる。
従来技術は、SOIの最良の特徴と標準的な集積回路製
造過程、構造とを組み合せた方法および構造を開示して
いない。すなわち、従来技術は、集積回路デバイスの選
択された部分の下に埋込酸化物層を注入して、選択的に
そのデバイスの一部分を下の基板から分離゛し、一方で
、そのデバイスの他の部分をその基板に電気的に接触さ
せたままにする方法を開示していないし、またパターン
化された埋込み酸化物層を有する構造を開示していない
〔発明の目的〕
本発明の一つの目的は、半導体デバイス内にパターン化
酸化物層を注入する方法を提供することである。
本発明の他の目的は、小さな漏れ、小さなソース及びド
レイン容量、高速動作、浮遊母体問題に対する耐性を有
する改良されたMOS l−ランジスタを提供すること
である。
本発明のさらに他の目的は、MOS  )ランジスタに
対する上述した所望の特性を有することに加えて、ラッ
チアップに対して高耐性を有する改良されたCMOSデ
バイスを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、選択的埋込み酸化物注入で
実施できる光活性構造を提供することである。
〔発明の概要〕
簡単に言うと、本発明の方法ぼ、高密度材料で形成した
パターン化マスクを半導体ウェーハ上にりを除去する工
程を含む。タングステンのような高密度材料は、その下
に酸化物が形成されるのを効果的にブロックし、それに
よって基板内にパターン化埋込み酸化物層を形成するこ
とがわかっている。
この方法を用いることによって、酸化物層がトランジス
タのソース及びドレイン部の下にだけ形成され、それに
よってトランジスタのチャンネルの下の母体領域はウェ
ーハの半導体基板に電気的に結合されたままになってい
るMOS )ランジスタを製造できる。これは、タング
ステンまたは窒化シリコンのような高密度材料をトラン
ジスタの多結晶(ポリ)シリコンゲート上に被着し、そ
の構造をイオン注入機を用いて酸素イオンビームで照射
することにより実現できる。高密度材料がMOSトラン
ジスタのゲートを被覆するので、注入された埋込酸化物
層は自動的にゲートとセルファライン(自己整列)する
上述した方法がCMOSデバイスのMOS I−ランジ
スタに適用されるとき、CMOSデバイスは、より低い
ソース及びドレイン容量、高速動作、少ない漏れ、ラン
チアップ効果に対する高耐性を示す。さらに埋込み酸化
物層が完全にCMOSデバイスのPチャンネルMOS 
)ランジスタの下に形成されると、CMOSデバイスは
全体としてラフチアツブに対して耐性を有し、他方1.
NチャンネルMOS l−ランジスタは基板と接触した
ままであり、浮遊母体効果を避ける。
パターン化注入埋込み酸化物構造を製造する方法は、フ
ォトダイオードアレイの製造にも適用できる。たとえば
、交互のP、N極性の同心リングまたは矩形からなるフ
ォトダイオードアレイはそのアレイの直下に形成された
埋込み酸化物層によって基板から電気的に分離され、リ
ングまたは矩形が基板へまたはその基板を通してお互い
に短絡するのを防止する。さらに、フォトダイオードア
レイは?IO3またはバイポーラトランジスタ構造と結
合することができる。フォトダイオードアレイがMOS
 )ランジスタ構造と結合される場合、埋込酸化物層は
、前述したように、トランジスタのソース及びドレイン
領域の下に選択的に形成できる。
本発明の利点は、従来の方法とSol法との最も秀れた
点を組み合せた集積回路製造方法を与えることである。
本発明の他の利点は、半導体基板内にパターン化された
埋込酸化物層を形成するための方法を提供することであ
る。
本発明のさらに他の利点は、より低いソース及びドレイ
ン容量、高速度、少ない漏れ、浮遊母体効果に対する耐
性を有するMOS )ランジスタを提供することである
本発明のさらに他の利点は、MOS  )ランジスタに
関して上述したのと同様の利点を有し、さらにデバイス
ラッチアップの可能性を減少または除去する利点を有す
るCMOSデバイスを提供することである。
本発明のさらに他の利点は、埋込み酸化物層によって基
板から分離されている光活性構造を製造する方法を与え
ることである。
本発明のこれらのおよび他の目的、利点は次の説明を通
読し、各図面を参照した後、当業者にとって明らかにな
るだろう。
〔発明の実施例〕
第1図には、従来のMOS )ランジスタが製造の中間
段階で示されている。半導体ウェーハWは、低濃度にド
ーピングされた半導体基板10、およびMOSトランジ
スタが形成される領域16の境界線を画定する一対のフ
ィールド酸化物壁12および14を含む。フィールド酸
化物12および14の境界内の半導体基板10の表面上
にゲート酸化物N18が形成され、ポリシリコンゲート
20がゲート酸化物層18上に形成されている。ポリシ
リコン接続トレース22がフィールド酸化物層12およ
び14上に形成され、半導体基板10内またはその上に
形成された種々のデバイスを共に結合する。
前述したように、第1図に関して上述したMOS構造は
当業者には周知のものである。ここで、MOSトランジ
スタのような集積回路素子の製造法において用いられた
一般的な技術の詳細については多くの文献が説明をして
いることに注目すべきである。たとえば、Presto
n Publishing Co、、 Inc、によっ
て刊行された、rsemiconductor and
 Integ−rated C1rcuit Fabr
ication Technie?fuesJを参照。
これらの技術は一般的に、第1図に示された構造の製造
に用いることができる。さらに、個々の製造工程は市販
の集積回路製造機械を用いて実施できる。本発明の改良
の理解に特に必要となるので、次に議論される好適実施
例に対する近似的な技術データは現在用いられている技
術を基礎として説明される。この技術における将来の技
術の発展によっては、当業者に明らかなように適当な調
整が必要となろう。
第2図〜第5図を参照して本発明による方法を説明する
。前述したように、本発明の主目的は半導体基板内にパ
ターン化された埋込酸化物層を形成してその上に形成さ
れたデバイスの動作を向上させることである。この目的
を達成するために、高密度材料でできたパターン化マス
クをデバイスの表面に付着して、酸素注入を選択的にブ
ロックする。
パターン化マスクの材料は2X10”/CI+!程度の
高線量酸素イオンをブロックしなければならず、また約
500℃の基板温度に耐えることが可能でなければなら
ない。化学蒸着(CVD)タングステンがこの目的には
適当であることがわかっている。しかしながら窒化シリ
コンのような他の高密度材料もパターン化マスクの材料
として用いることができる。
第2図にみられるように、300℃における標準的な化
学1着法によってポリシリコンゲート20およびポリシ
リコン接続路22上にCVDタングステン層24が付着
される。CVDタングステン層24は少なくとも20O
nm層が望ましい。選択的核形成(nuc−1eati
on)のために、タングステンはゲート酸化物層18ま
たはフィールド酸化物12.14上には被着しない。代
替方法として、高密度材料を、ポリシリコン層をパター
ン化する前にポリシリコン層上に被着し、両方の層を同
じマスクを用いて画定してもよい。
第3図においては、市販のイオン注入機械を用いて基板
10を26で示されるように、酸素イオンまたは酸素分
子で照射している。酸素は180KeVのエネルギーで
2×101i/cIaの公称酸素線量で注入された。5
00℃の公称の基板10の温度は外部加熱とビーム加熱
の組み合せによって得られた。酸素注入の結果として、
埋込ソース酸化物層2日および埋込ドレイン酸化物IJ
30が形成される。
酸化物注入の副作用として、フィールド酸化物12、1
4およびゲート酸化物N18は少しだけ変形することに
注意を要する。たとえば、フィールド酸化物12/14
の上面に凹部(recess)がイオンビームのスパッ
タリング効果によって形成され、フィールド酸化物12
/14の底部には突起部が、注入されたイオンによるフ
ィールド酸化物の拡大によって形成される。また、CV
DタングステンJtii24およびポリシリコンゲート
20によって遮蔽されなかったゲート酸化物層18、ソ
ース領域32、ドレイン領域34のレベルは埋込酸化物
層28.30の形成による基板10の拡大によって上昇
される。
ポリシリコンゲート20上にタングステン層24を被覆
することによってソース酸化物層28、ドレイン酸化物
層30とゲート20との自動セルフアラインメントが生
じることにも注意を要する。結局、本発明のMOSトラ
ンジスタは、酸化物N28.30によってそれぞれ基板
10から電気的に絶縁されたソース領域32、ドレイン
領域34、およびソース酸化物層28とドレイン酸化物
層30との端部間の開口38を介して基板に電気的に結
合された、チャンネル領域36の下の母体領域を有する
こうして、ソース領域32、ドレイン領域34に関する
SOI構造の利点と、チャンネル領域36下の母体領域
に関する従来の製造方法の利点とを組み合せたMOSデ
バイスが開発された。これによって、本発明の目的に従
って、ソース及びドレイン容量が減少され、漏れが減少
され、高速化がなされ、浮遊母体効果に耐性が得られた
デバイスが提供される。
第4図にみられるように、酸素注入の後、ゲート20、
接続トレース22上のタングステン層24が温H,0□
内でのエツチングによって除去される。他のマスク材料
は適当な選択的エツチングによって除去できるだろう。
次に、ウェーハはN2/1%0□周回環境の下で2時間
高温(たとえば1125℃)下で焼なましされる。80
keVでの6×IO”/c+4における砒素ソース/ド
レイン注入によって、ソース領域32、ドレイン領域3
4で示されたドーピングが生じる。
砒素ソース/ドレイン注入に続いて、ウェーハは100
0℃で焼なましされ、16nm厚の酸化物層を形成する
。次に、アンドープ(undoped)低温CVD酸化
物の500nm厚層が被着され、900℃で焼なましさ
れて第5図に示された酸化物層40を形成する。
最後に、金属相互接続(図示せず)が被覆され、画定さ
れ、水素雰囲気中で450℃で焼なましされる。
第1図〜第5図に関して説明したl’lO3)ランジス
タにおいて、ソース領域32およびドレイン領域34は
ゲート20の縁付近でシリコン基板10と接触したまま
である。したがって、埋込酸化物層28.30上のシリ
コン層全体が非晶質になることがあり、結晶性を回復す
るために注入段階の間、高温基板10は要求されない。
結晶再成長は注入後の焼なましの間に生ずることがあり
、また単結晶領域はゲート電極20から横方向に限られ
た距離だけ延長させるのに必要なだけである。
フォトレジストは冷却ウェーハを用いた注入とコンパチ
ブルであるけれども、所望の酸素線量のほんの一部でも
注入されるとフォトレジストはかなり歪み、奢れ故、本
発明の方法には適さないということが実験的に確認され
た。フォトレジストの歪は、イオンビームによる基板1
0の加熱によってではなく高注入線量によって生じると
思われる。
タングステンが、その高原子質量および高基板温度での
安定性のために、注入マスクとして適切であることがわ
かった。さらに、選択的被覆によって、二層ゲート電極
のエツチングの複雑さのないセルファライン構造の利点
が付加される。
計算と実験によれば、酸素イオンの貫通をほぼ避けるた
めには、少なくとも200nmの厚さにすべきと思われ
る。たとえば、1100n厚のタングステン層の場合は
、大部分の酸素イオンが貫通し、ゲート電極20内に注
入することになる。
前の例において高密度マスク材料(タングステン)がC
VDによって付着されたけれども、ウェーハの表面に高
密度パターン化マスクを付着するための他の方法も利用
できる。たとえば、タンゲス−テンの均一層をウェーハ
に付着し、次にそのタングステン上にフォトレジスト層
を付着できる。フォトレジスト層を露出・現像した後、
タングステン層をエツチング工程(たとえば、温)IJ
□を用いたエツチング、または乾式エツチング方)によ
ってパターン形成し、次にフォトレジストを除去できる
。この方法によって、実質的に任意の形状をもった高密
度パターンマスクが製造できる。
第6図においては、CMOSデバイス42は第lMOS
 )ランジスタ44および第2M0S )ランジスタ4
6を含む。
説明の目的で、第lMOS )ランジスタ44はNチャ
ンネルMOS  )ランジスタで、第2M0S )ラン
ジスタ46は、Pチャンネルトランジスタであるとする
。勿論、トランジスタ44.46が反対の極性をもつこ
とが要求されるだけで、トランジスタ44はPチャンネ
ルトランジスタ、トランジスタ46はNチャンネルトラ
ンジスタでもよい。
さらに第6図において、説明の目的で基板48はP形材
料でできており、N形材料のウェル(well)領域5
0を備えているものとする。フィールド酸化物52はM
OS )ランジスタ44.46をお互いからまたトラン
ジスタ44.46のそれぞれのポリシリコンゲート54
.56はそれぞれ、ゲート酸化物層58.60によって
基板48の上面から分離される。
埋込酸化物66.68によってそれぞれ、基板48の主
母体から分離されたソース領域62、ドレイン領域64
をMOS )ランジスタ44が有している。同様に、ト
ランジスタ46は、それぞれ埋込酸化物Ji74.76
を備えたソース領域70、ドレイン領域72を有する。
埋込酸化物層66.68.74.76は第1図〜第5図
に関して前に説明した方法によって形成される。
第6図において、CMOSデバイスを結合する、トラン
ジスタ44.46間の金属接続は図示されておらず、必
要なパシベーション層も図示されていない。
しかし、CMOSデバイスを形成するためのMOS l
−ランジスタの相互接続は当業者には周知のもので、「
結合手段」と示されたブロック78によって示唆さてい
る。
第6図に示されたCMOSデバイス42は従来技術のC
MOSデバイスに比較していくつかの大きな利点を有し
ている。第1に、埋込酸化物層66.68.74.76
は、ソース及びドレイン容量を減少し、高速のデバイス
動作を提供し、漏れを減少する。さらに、トランジスタ
44.46のそれぞれのチャンネル領域80.82の下
の母体領域は基板48に電気的に結合され、浮遊母体効
果を防止する。最後に、第lMOS トランジスタ44
の埋込酸化物層68、第2M0S )ランジスタ46の
埋込酸化物Ji74はトランジスタ44.46の能動領
域間の電気経路長を増大させ、それによってラフチアツ
ブの機会を減少させる。
第7図には、第lMOSトランジスタ86と第2M0S
 )ランジスタ88を含むCMOSデバイスの別の実施
例が示されている。この実施例では、基板90はP形材
料でできており、ウェル領域92はN形材料でできてい
るものとする。CMOSデバイス84はフィールド酸化
物92、およびトランジスタ88の下に完全に形成され
、それを基板90から電気的に絶縁する埋込酸化物層9
4を含む。
トランジスタ86はゲート94およびゲート酸化物96
を備え、トランジスタ88はゲート98およびゲート酸
化物100を備えている。トランジスタ86のソース領
域102、ドレイン領域104、およびトランジスタ8
8のソース領域106、ドレイン領域108は、前述の
ように注入によってドーピングされる。
トランジスタ86は、前の実施例と同様には、埋込酸化
物層を備えていないことに注意を要する。
これは、トランジスタ88の下に完全に形成された埋込
酸化物層94が全体的にラッチアンプ問題を回避し、ト
ランジスタ86の下に埋込酸化物層を備える必要性を減
じるからである。しかし、容量を減じるために、トラン
ジスタ86のソース及びドレイン領域の下に、埋込酸化
物層を備えることもできるだろう。
トランジスタ86はNチャンネルMOS )ランジスタ
であるから、上記した浮遊母体効果のためにトランジス
タの下に完全に酸化物層を形成することは望ましくない
だろう。トランジスタ88のようなPチャンネルMOS
 )ランジスタは通常、浮遊母体効果に関する限り、面
倒は少なく、SOI構造として安全に製造できる。
CMOSデバイス84を完成するための、トランジスタ
86.88間の結合は“結合手段”と示されたブロック
110によって示唆されている。前述のように、CMO
Sデバイスを形成するMOS )ランジスタの相補対の
実際の相互接続はぎ業者には周知のものである。また、
説明を簡単にするためにパシベーション層がCMOSデ
バイス84から省略されている。
第8図において、光活性デバイス112は基板114、
フォトダイオードアレイ 116、およびMOS )ラ
ンジスタ118を有している。熱論、バイポーラトラン
ジスタも同様にフォトダイオードアレイ 116と結合
できる。説明の便宜上、基板114はP形材料でできて
いるものとする。
フォトダイオードアレイ 116は、同心リングまたは
矩形122.124.126.1′28によって囲まれ
たP形材料のコア120を含む。同心リングまたは矩形
122〜128は交互に導電型になっており一連のP−
N接合を形成する。コア120および矩形122〜12
8はその底部で、基板114から、第1図〜第5図に関
して前述した本発明の方法によって形成された埋込酸化
物Jii130によって絶縁されている。
エピタキシャル層を付加的に成長させて厚いシリコン層
を備えることもできる。
矩形126.128は導体132によって電気的に結合
され、同心矩形122.124は導電性トレース134
によって電気的に結合されている。フィールド酸化物1
36.138.140はフォトダイオードアレイ116
をMOS )ランジスタ118および隣接デバイスから
分離する。P形材料の矩形128は基板114と接触し
てもよい。
本発明の方法によって形成された埋込酸化物層130は
コア120および同心リング(または矩形)領域122
〜128が基板114を通って短絡するのを防ぐ。酸化
物層142.144はそれらの上面での同様の短絡を防
止する。
MOSトランジスタ118は従来の設計でよ(、ポリシ
リコンゲート146、ゲート酸化物148、ソース領域
150、およびドレイン領域152を含む。MOSトラ
ンジスタ118は従来の方法で製造できる。金属トレー
ス154はMOS )ランジスタ118のゲート146
をフォトダイオードアレイ 116のコア120に結合
し、パシベーション層156はフォトダイオードアレイ
 116、MOS !−ランジスタ118両方の上に形
成される。トランジスタ118のソース及びドレイン接
続は簡単のためにこの図面には示されていないことに注
意すべきである。
パシベーション層156および酸化物層142.144
は所望の周波数の電磁放射を通す絶縁物質から形成され
る。フォトダイオードアレイ 116の交互のP−N接
合を進む電磁放射によって、矩形128に対してコア1
20で電位が生じる。フォトダイオードアレイ 116
によって生成された電気信号は有用な目的を遂行するた
めにMOS l−ランジスタ118によって増幅される
ここまで、パターン化埋込酸化物層を形成する方法を説
明した。これらの埋込酸化物層は基板の表面の下に酸化
物形成物質(たとえば、酸素イオン、酸素分子または他
の酸素化合物)を注入することによって形成された。し
かし、当業者には、他の注入物質も同様の目的で埋込絶
縁層を形成できることは明らかであろう。たとえば、窒
化シリコンの絶縁層を形成するのに窒素をシリコン基板
中に注入できる。また、本発明の方法は、ゲルマニウム
またはガリウム砒素基板のような他の種類の半導体基板
についても用いることができる。
本発明の好適実施例についての前述の記載は説明の目的
で与えられたものである。網羅的なものではないし、発
明を開示された態様にだけ限定する趣旨ではない。多様
の変形、多様化が当業者には明らかであろう。本発明は
、バイポーラ、MO5過程における多数の製造技術にお
いて実施できるだろう。同様の結果を達成するために、
前述した工程のいずれも他の工程で交換可能であろう。
発明の原理、その実践的応用を最もよ(説明し、それに
よって当業者が発明を理解できるように実施例を選択し
、説明した。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明を用いることにより、従来
の集積回路製造方法とSol法とのそれぞれの長所を持
った方法で、より高性能の集積回路を製造することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来技術によるMOS l−ランジスタの製
造途中の断面図、第2図は、本発明による、MOSトラ
ンジスタ上の高密度パターン化マスクの被覆を示す図、
第3図は、本発明による集積回路製造におけるイオン注
入段階を示す図、第4図はMOSトランジスタのソース
及びドレイン領域をドーピングする段階を示す図、第5
図は、パシベーション層の付着を示す図、第6図は、本
発明によって形成されたCMOSデバイスを示す図、第
7図は、本発明による別のCMOSデバイスを示す図、
第8図は、本発明による光活性デバイスを示す図である
。 42 : CMOSデバイス44,46:MOsトラン
ジスタ48:基板      8:ウェル領域52:フ
ィールド酸化物 54.56:ポリシリコンゲート 5B、60:ゲート酸化物層

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 半導体基板内に埋込酸化物層を形成する集積回路製造方
    法において、 前記半導体基板上に酸化物形成物質の注入をブロックす
    る所定のパターン化マスクを付着した後、前記マスクの
    付着面側に外部から前記酸化物形成物質を照射し、前記
    半導体基板内の所定の位置に埋込酸化物層を形成するこ
    とを特徴とする改良形集積回路製造方法。
JP62200766A 1986-08-14 1987-08-11 改良形集積回路製造方法 Pending JPS6372164A (ja)

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