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JP4593066B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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JP4593066B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いた複合半導体装置に使用されるMOS型半導体素子の構造とその製造方法に係り、特にMOS型キャパシタの電極間の絶縁層としての特性を改善することができるようにした半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体基板上に複数種類の半導体素子を複合的に形成する構成の半導体装置では、SOI基板を用いたものが広く適用されつつある。これは、半導体素子を形成する領域層を下地の支持基板とは絶縁物として酸化膜を介した状態で設けた構成であることから、電気的特性に優れたものとして利用することができるからである。
【0003】
しかし、このようなSOI基板上に形成されたMOS型半導体素子のゲート絶縁膜の膜質は、通常のバルクシリコン基板上に形成したゲート絶縁膜の膜質よりも劣っていることが、数多く報告されている。
【0004】
SOI基板上に形成したMOSキャパシタとして、例えば図16に示すような断面構造を有するMOSキャパシタ1がある。これは、支持基板2上に酸化膜3を介して形成されているシリコン層4を有するSOI基板5に、電極となる拡散層6およびLOCOS7を形成した状態で、熱酸化膜をゲート絶縁膜8として形成し、上側の電極としてキャパシタ上部電極9を形成したものである。
【0005】
このMOSキャパシタ1の電流電圧特性(I−V特性)を多数のサンプルについて測定した結果を図17に示す。この図17からわかるように、SOI基板上に形成したMOSキャパシタにおいては、ゲート絶縁膜8の真性絶縁破壊電圧よりも低い電圧で破壊する中間耐圧不良(Bモード不良)が多発しており、これは同一の製造方法によりMOSキャパシタを形成したとしても通常のバルクシリコン基板を用いた場合に比べ、顕著な不良モードとして発生している。
【0006】
この原因を考察すると、次のように考えられる。
【0007】
SOI基板上にMOS型半導体素子を形成する場合、SOI基板がシリコン支持基板上に熱膨張係数の異なる埋込酸化膜を介してシリコン半導体層が形成された構造を有することから、半導体素子の製造過程で実施する熱処理時に、SOI基板に固有のバイメタル効果が発生する。
【0008】
このSOI基板に固有のバイメタル効果により少なくともシリコン半導体層およびシリコン半導体層の表面に形成した熱酸化膜(ゲート絶縁膜)は、バルクシリコン基板に形成した場合とは異なった挙動を示し、これがゲート絶縁膜の膜質に影響を与えているものと推定される。
【0009】
なお、バルクシリコン基板に形成したMOSキャパシタのゲート絶縁膜として、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との誘電体積層膜で、両者の特徴を併せ持つONO膜(シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜)が知られている。このONO(Oxide Nitride Oxide)膜をゲート絶縁膜として用いて図16に示したMOSキャパシタ1を構成して電流電圧特性(I−V特性)を測定すると、図18に示す結果が得られた。
【0010】
この結果から、ゲート絶縁膜としてONO膜を用いると、初期的な特性として、Bモード不良の発生を抑制することができることが分かる。しかしながら、時間的な特性として、定電圧TDDB(Time Dependence Dielectric Breakdown)法にて経時破壊寿命特性を測定したところ、図19に示すように、偶発故障が多発していることが新たに判明し、ゲート絶縁膜としてONO膜を用いてもSOI基板を用いる限り依然として歩留りが低いということが明らかとなった。
【0011】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、SOI基板上にMOS型素子を形成する場合において、熱処理により発生すると考えられるSOI基板に固有のバイメタル効果で発生する特性の劣化を極力防止し、SOI基板上にMOS型素子を形成する場合において、当該MOS型素子のゲート絶縁膜としてONO膜を用いて中間耐圧不良を低減して高い絶縁耐圧を得ると共に、経時破壊寿命を向上させることができるようにすることにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明によれば、支持基板上に埋込絶縁膜を介してシリコン半導体層を形成したSOI基板に、MOS型素子を複数個形成する構成の半導体装置において、前記MOS型素子のうち少なくともMOS型キャパシタの形成領域を絶縁分離するように、前記埋込絶縁膜まで達し且つ前記シリコン半導体層と熱膨張係数が異なるトレンチ分離層を設けたので、SOI基板に固有のバイメタル効果の影響をトレンチ分離層により緩和させることができるようになり、MOS型素子の中でも特にサージ吸収のために内蔵されるような容量,サイズの大きいMOS型キャパシタにおいてそのゲート絶縁膜の膜質劣化を効果的に抑止することができ、MOS型素子の特性改善を図ることができるようになる。
前記トレンチ分離層を、溝の側面に形成された絶縁層と多結晶シリコンとから構成し、絶縁層の合計の厚さ寸法を溝の幅寸法の1/3以上となるように形成したので、MOS型素子の中でもMOS型キャパシタの形成領域の周囲は厚い絶縁層で囲まれる構成とすることができ、前述した緩衝の効果を効果的に果たすことができるようになる。
また、複数個のMOS型素子のうち、MOS型キャパシタのゲート絶縁膜にONO膜を用い、そのONO膜の下層酸化膜の膜厚を50nm以下に設定するようにしている。このように半導体領域の表面欠陥の影響を受けやすいONO膜の下層酸化膜の膜厚を薄くすることにより、偶発故障による経時破壊寿命の劣化を抑制することができ、高い絶縁耐圧を持ち且つ経時破壊寿命の長いSOI基板上のONO膜を得ることができるようになる。そして、下層酸化膜の膜厚が25nm以上となるように設定したので、ONO膜を利用したMOS型キャパシタの容量のばらつきを低減して安定した特性のMOS型キャパシタを得ることができる。これは次のような理由によるものである。すなわち、SOI基板を利用したMOS型素子において、ONO膜の下層酸化膜を薄膜化すると、シリコン/酸化膜界面の状態に起因したMOS型キャパシタの容量のばらつきが顕著となることに着目したものである。
【0015】
なお、MOS型キャパシタが複数集積化される場合、各MOS型キャパシタを各々トレンチ分離層で包囲することが望ましいが、MOS型キャパシタの容量,サイズが小さければ、トレンチ分離層で包囲された一つの島領域内に複数のMOS型キャパシタを配置するようにしてもよい。
【0018】
請求項の発明によれば、上記した請求項の発明において、ONO膜を、窒化膜の膜厚が40nm以上となるように設定したので、SOI基板上にONO膜を用いた構造において、高い絶縁耐圧を持ち且つ偶発故障による経時破壊寿命の劣化を抑制することができるようになる。
【0020】
請求項の発明によれば、上記各発明において、SOI基板としてシリコン半導体層の膜厚が10μm以上のものを用いているので、SOI基板に固有のバイメタル効果の影響が出やすいシリコン半導体層の膜厚が厚いものについて特に顕著な効果を得ることができ、ゲート絶縁膜の信頼性の高い半導体装置を提供することができるようになる。
【0021】
請求項の発明によれば、上記各発明において、MOS型キャパシタの下部電極となるシリコン半導体層の拡散領域をその表面不純物濃度が1018atoms/cm3 以上となるように設定したので、MOS型キャパシタにおいて容量の電圧依存性を低減した特性を得ることができるようになる。
【0022】
請求項の発明によれば、支持基板上に埋込絶縁膜を介してシリコン半導体層を形成したSOI基板に、MOS型素子を複数個形成する構成の半導体装置の製造方法において、前記MOS型素子のうち少なくともMOS型キャパシタの形成領域を絶縁分離するトレンチ分離層を設ける工程として、前記シリコン半導体層の表面から前記埋込絶縁膜まで達する深さで溝を形成する工程と、溝形成のためのドライエッチング処理工程と、そのドライエッチング処理で発生したエッチングダメージ層を回復もしくは除去する処理工程とを実施し、溝内を前記シリコン半導体層とは異なる熱膨張係数を有する材料により埋める工程として、溝の側壁に絶縁層をその合計の厚さ寸法がその溝の幅寸法の1/3以上となるように形成する絶縁層形成工程と、その溝内の空隙部に多結晶シリコンを埋め込む工程とを実施するようにしたので、特殊な工程を設けることなくトレンチ分離層を形成し、SOI基板に固有のバイメタル効果の影響をトレンチ分離層により緩和させることができるようになり、MOS型素子の中でも特にMOS型キャパシタのゲート絶縁膜の膜質劣化を効果的に防止することができ、MOS型素子の特性改善を図ることができるようになる。
また、MOS型素子のうち少なくともMOS型キャパシタのゲート絶縁膜の形成工程では、ONO膜をその下層酸化膜の膜厚が50nm以下となる条件で形成するようにしたので、請求項と同様に、ONO膜の下層酸化膜について半導体領域の表面欠陥の影響を受けにくい構成とでき、偶発故障による経時破壊寿命の劣化を抑制することができるようになる。そして、下層酸化膜の膜厚が25nm以上となる条件で形成するようにしたので、請求項1の発明と同様に、ONO膜を利用したMOS型キャパシタの容量のばらつきを低減して安定した特性のMOS型キャパシタを得ることができるようになる。
【0026】
請求項の発明によれば、上記した請求項の発明において、ONO膜の形成工程では、窒化膜の膜厚が40nm以上となる条件で形成するようにしたので、請求項の発明と同様に、高い絶縁耐圧を確保して且つ偶発故障による経時破壊寿命の劣化を抑制することができるようになる。
【0027】
請求項の発明によれば、上記した請求項5または6の発明において、ONO膜の上層酸化膜の形成を他のMOS型素子のゲート絶縁膜と同時に形成するようにしたので、製造工程を簡略化してコストの低減を図ることができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をMOSキャパシタ,CMOS,LDMOSおよびバイポーラトランジスタを一体に集積した半導体装置に適用した場合の一実施形態について図1ないし図15を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、2つの構成例について3つの製造工程の例と共に述べる。
【0030】
[第1の構成の例]
図1および図2はSOI基板11を用いた半導体装置12の製造工程の各段階で示す模式的な断面図である。図2(i)は完成した状態の集積回路12を示している。この半導体装置12には、MOS型素子としてのMOSキャパシタ13,CMOS14a,14bおよびLDMOS(Lateral Diffused MOS)15が設けられると共に、バイポーラトランジスタ16が設けられた構成である。
【0031】
SOI基板11は、シリコン支持基板11a上に、例えば1.3μm程度の膜厚の埋込酸化膜11bが形成されると共に、単結晶で第1導電型のシリコン半導体層11c,11dが形成されたものである。この場合、シリコン半導体層11cは高不純物濃度に形成されており、シリコン半導体層11dは低不純物濃度に形成されたもので、例えば両者を併せた膜厚として16μm程度のものが形成されている。
【0032】
MOSキャパシタ13,CMOS14a,14b,LDMOS15およびバイポーラトランジスタ16のそれぞれは、後述するトレンチ分離層17により囲まれるようにして電気的に絶縁された状態に形成されている。トレンチ分離層17は、溝の側壁に形成された酸化膜17aと中心部に充填された多結晶シリコン17bとからなる。各素子を形成した表面部分には電気的な素子分離を行なうためのLOCOS18が随所に形成されている。
【0033】
MOSキャパシタ13において、シリコン半導体層11dに、下層電極として機能する埋込第1導電型層19が形成され、その表面にはキャパシタ絶縁層20が形成されると共にその上部に多結晶シリコン膜からなる上層電極21が形成されている。また、埋込第1導電型層19と電気的に接続するために、第1導電型高濃度領域22が形成されている。
【0034】
CMOS14a,14bにおいて、シリコン半導体層11dに、第1導電型ウェル23,第2導電型ウェル24がそれぞれ形成され、各ウェル23,24内にはソース・ドレイン領域として高濃度第2導電型層25、高濃度第1導電型層26が形成されている。そして、チャンネル形成領域の表面部にゲート絶縁膜27が形成されており、その上にはゲート電極28が形成されている。
【0035】
LDMOS15において、シリコン半導体層11dに、第2導電型チャンネル層29が形成されており、これには、ソース領域としての高濃度第1導電型層26が形成されると共にチャンネルコンタクト領域としての高濃度第2導電型層25が形成されている。チャンネル形成領域の表面部にゲート絶縁膜27が形成され、この上にゲート電極30が形成されている。
【0036】
バイポーラトランジスタ16において、シリコン半導体層11dに、シリコン半導体層11cまで届くように拡散形成された高濃度第1導電型シンク層31が設けられ、さらに、シリコン半導体層11d内に第2導電型ベース領域32が形成されている。ベース領域32の内部に、第1導電型エミッタ領域33が形成されている。
【0037】
[第1の製造工程の例]
次に、上記構成の半導体装置12の製造工程について説明する。図1(a)に示すように、SOI基板11は、前述のように支持基板11a上に埋込酸化膜11bを介して高濃度シリコン半導体層11c及び低濃度シリコン半導体層11dが積層形成されたものである。このSOI基板11にトレンチ形成時のマスク材34を成膜してMOS型素子の各領域に対応した形状に分離するようにパターニングされる。このマスク材34をエッチングマスクとしてドライエッチング処理を行って溝35を形成する(同図(b)参照)。この溝35は、トレンチ分離層17を形成するためのものである。この後、ドライエッチング処理で発生したエッチングダメージ層を回復もしくは除去する処理工程として、アニール,犠牲酸化,ウエットエッチング等あるいはこれらを組合せた処理を実施する。
【0038】
次に、溝35の側壁部に厚い酸化膜17aを形成する(同図(c)参照)。この厚い酸化膜17aは、膜厚の合計が溝35の幅寸法の1/3以上となるように形成している。この酸化膜17aを形成した後に、残りの空隙部分を多結晶シリコン17bで埋め込む。そして、この後、不要なマスク材34を除去し、基板表面を平坦化することにより、シリコン半導体層11bとは異なる熱膨張係数を有するトレンチ分離層17が形成される(同図(d)参照)。トレンチ分離層17を形成した後、MOS型キャパシタ13の下層電極となる埋込第1導電型層19および高濃度第1導電型シンク層31を形成する。続いて、CMOS14a,14bの第1導電型ウェル23,第2導電型ウェル24およびバイポーラトランジスタ16の第2導電型のベース領域32を形成する(同図(e)参照)。
【0039】
この後、微細な素子分離を行なうためのLOCOS18を表面の所定部位に形成する。続いて、犠牲酸化処理を行なった後、キャパシタ絶縁層20およびゲート絶縁膜27を熱酸化により形成する。犠牲酸化処理は、良質な素子領域を形成するための表面処理である(図2(f)参照)。次に、多結晶シリコン膜を表面に形成してパターニングの処理を行なうことにより、MOSキャパシタ13の上部電極21,CMOS14a,14bのゲート電極28およびLDMOS15のゲート電極30を形成する(同図(g)参照)。
【0040】
多結晶シリコンからなる各種電極を形成した後、適宜不純物注入処理と熱処理とを実施することにより、バイポーラトランジスタ16の第1導電型エミッタ領域33を形成すると共に、LDMOS15の第2導電型チャンネル層29を形成する(同図(h)参照)。さらに、第2導電型高濃度層25および第1導電型高濃度層26を形成する(同図(i)参照)。この後、図示はしないが、厚い絶縁層を介してコンタクト孔を形成して金属配線を形成することで、SOI基板11上にMOSキャパシタ13,CMOS14a,14b,LDMOS15およびバイポーラトランジスタ16が一体に複合形成された半導体装置12を得る。
【0041】
[第2の構成の例]
次に、上記実施形態の構成にONO膜を設ける構成とした場合の構成と製造工程について図3および図4を参照して説明する。上記した実施形態と異なるところは、ONO膜をゲート絶縁膜として用いたところであり、以下、異なる部分を中心として説明する。なお、ここでは、ONO膜をMOSキャパシタのキャパシタ絶縁膜として適用した場合について示している。
【0042】
図4(f)は第1の実施形態で説明した図2(h)の工程における断面図に相当している。この図において、半導体装置36は、第1の実施形態で示したMOSキャパシタ13に代えてMOSキャパシタ37を設けている。図では、他のMOS型素子としてLDMOS15を示しており、CMOS14a,14bおよびバイポーラトランジスタ16については省略している。
【0043】
さて、この構成においては、MOSキャパシタ37のキャパシタ絶縁膜としてONO膜38を配設している。ONO膜38は、下層酸化膜38a,中間のシリコン窒化膜38b,上層酸化膜38cから構成される。下層酸化膜38aは、膜厚が50nm以下の成膜条件で形成している。下層酸化膜38aの膜厚は、25nm以上で且つ40nm以下より望ましくは35nm以下の範囲の条件で形成するとさらに良い。また、中間のシリコン窒化膜38bは、膜厚が40nm以上の成膜条件で形成している。シリコン窒化膜38bは、50nm以上の成膜条件で形成するとさらに良い。
【0044】
なお、ONO膜38を挟んでキャパシタを形成するための下層電極は、シリコン半導体層11dに形成する埋込第1導電型層19であるが、この不純物濃度は、1E18(1×1018)atoms/cm3 以上となるように設定している。
これは、後述するように、容量の電圧依存性を低減するためである。
【0045】
[第2の製造工程の例]
上記構成において、ONO膜38を形成する工程は次のようになっている。すなわち、図3(a)から示す工程は、第1の実施形態における図1(e)の工程に続く工程から示しており、同図はLOCOS18を形成した状態である。この状態から、良質な素子領域を得るための犠牲酸化処理を実施した後に、ONO膜38の下層酸化膜38aを熱酸化により形成する(同図(b)参照)。膜厚は上述したとおり、50nm以下で好ましくは40nm以下更に望ましくは35nm以下で且つ25nm以上となるように形成する。
【0046】
次に、中間のシリコン窒化膜38bを40nm以上好ましくは50nm以上となる成膜条件でLPCVD法にて堆積形成し(同図(c)参照)、最後に上層酸化膜38cを熱酸化にて形成する(図4(d)参照)。これにより三層構造のONO膜38が形成される。この後、MOSキャパシタ37のONO膜38を残しつつ他の部分のONO膜38を除去し、他のMOS型素子(図示例では例えばLDMOS15)のゲート絶縁膜27を熱酸化にて形成する(同図(e)参照)。
【0047】
以下、多結晶シリコンを成膜・加工することによりゲート電極30を形成し、複合する半導体素子に必要な他の拡散層を形成し、厚い絶縁膜を介してコンタクト孔を形成し金属配線を行なうことで半導体装置36を形成する。これにより、SOI基板11上に、高い絶縁耐圧であると共に偶発故障が無く十分な経時破壊寿命を持ち、且つ電圧依存性の無いMOSキャパシタ37を複合した構成の半導体装置36とすることができる。
【0048】
[第3の製造工程の例]
図5は上記第2の構成の例について上記第2の製造工程とは異なる製造工程を採用した場合の例を示すものである。第2の製造工程の例と異なるところは、ONO膜38の形成工程である。すなわち、第2の製造工程の例においては、ONO膜38として上層酸化膜38cまで形成した後にLDMOS15や他のMOS型素子のゲート絶縁膜27を別途に形成していたのに対して、これを同時に形成するようにしたところが異なるところである。
【0049】
この実施形態では、第2の製造工程の例において図3(c)で示した工程に続いて、図5(d)に示すように、MOSキャパシタ37に対応した部分の下層酸化膜38a,中間のシリコン窒化膜38bを残して、ONO膜38をゲート絶縁膜として用いない他のMOS型素子(LDMOS15など)の下層酸化膜38aおよび窒化膜38bを除去する。
【0050】
この後、ONO膜38としての上層酸化膜38cとLDMOS15のゲート絶縁膜27とを同じ熱酸化工程において同時に形成する(同図(e)参照)。これにより、第2の実施形態において別々に行うように為した工程を同時に行なうことができるようになり、工程の簡略化を図ることができる。
【0051】
次に、上記した構成および製造工程を採用した半導体装置12,36について、従来構成のものとの比較をしながらその特性について図も参照して説明する。
【0052】
SOI基板11上に複合形成されたMOS型素子13,14a,14b,15などのキャパシタ絶縁膜20やゲート絶縁膜27が熱酸化膜またはONO膜(38)のいずれの場合においても、前記の製造工程における熱処理時に発生するSOI基板11に固有のバイメタル効果でゲート絶縁膜の膜質が劣化する。MOS型素子の中でも特にサージ吸収のために内蔵されるような容量の大きいMOSキャパシタは例えば1mm2 以上とサイズも大きく、バイメタル効果の影響を受けやすく、そのゲート絶縁膜の膜質劣化を抑制する必要がある。加えて、LDMOS15を代表とするMOS型素子を複合して形成した場合には、拡散層の形成時期などその製造上の制約により、ゲート絶縁膜27の形成後に高温の熱処理工程による熱履歴を受け、SOI基板11に固有のバイメタル効果によってゲート絶縁膜の劣化はさらに顕在化する。
【0053】
このSOI基板11に固有のバイメタル効果によるゲート絶縁膜の膜質劣化に関して、MOS型トランジスタであるCMOS14a,14b、LDMOS15およびMOSキャパシタ13,37についてその特性を測定すべく、SOI基板上に熱酸化膜をそのゲート絶縁膜とするMOSキャパシタ(SOI−MOSキャパシタ)を作成した。また、通常のバルクシリコン基板上に、同様の複合半導体装置を同条件で形成した場合におけるMOSキャパシタ(バルクMOSキャパシタ)で比較を行なった。
【0054】
下部電極としての拡散領域の表面不純物濃度を1E19(1×1019)atoms/cm3 に形成し、その上に熱酸化膜をゲート絶縁膜として用い、ゲート面積を1.00mm2 としたMOS型キャパシタのサンプルを多数作成し、その絶縁耐圧分布を測定した。図6(a)は、バルクシリコン基板に当該MOS型キャパシタを形成した場合の絶縁耐圧分布を示すヒストグラムである。また、同一構造の素子を同一の製造方法でSOI基板に形成した場合のMOS型キャパシタの絶縁耐圧分布を同図(b)に示す。
【0055】
これら図6(a),(b)を比較すると明らかなように、同一製造方法により形成した同一構造のMOS型キャパシタであっても、SOI基板に形成することによりMOSキャパシタのゲート絶縁膜の絶縁耐圧は、バルクシリコン基板上に形成したものに比べると、SOI基板に固有のバイメタル効果によって低く分布しており、しかもBモード不良が多く発生している。このBモード不良の発生は、MOS型キャパシタにおいて容量の電圧依存性を低減するために、下層電極として表面濃度が高濃度(1E18atoms/cm3以上)となるように不純物を添加した拡散層を用いた場合により顕著に現れる。
【0056】
そこで、上記の第1の構成例においては、SOI基板11上に種々のMOS型素子13,14a,14b,15などを形成することに先だって、半導体素子を形成するシリコン半導体層11c,11dに、埋込酸化膜11bまで達する溝35を形成し、シリコン半導体層11c,11dと熱膨張係数が異なる材質として厚い酸化膜17aを溝内に形成し、残った空隙に多結晶シリコン17bを充填してトレンチ分離層17を形成しているので、SOI基板11に固有のバイメタル効果がトレンチ分離層により緩和させることができ、シリコン半導体層11dの表面に形成している酸化膜の膜質がバイメタル効果に起因して劣化するのを抑制することができる。
【0057】
例えば、上述の場合に、溝35の幅が2μmで、溝側面に片側膜厚約0.5μmずつ併せて1μmの厚い酸化膜17aを形成し、その後溝35内の空隙に多結晶シリコン17bを埋め込み、トレンチ分離層17を形成する。この厚い酸化膜17aの膜厚は溝35の幅2μmに対して1/3以上であり、シリコン半導体層11c,11dとは異なる熱膨張係数を有するトレンチ分離層17を形成している。
【0058】
このトレンチ分離層17を形成し、上述の図6(a),(b)と同一構造のMOS型キャパシタの形成領域を包囲する様に構成した場合の絶縁耐圧分布を図6(c)に示す。この結果から明らかなように、トレンチ分離層17を形成した上記の第1の構成例のものでは、熱処理時に発生するSOI基板11に固有のバイメタル効果に起因したゲート絶縁膜20の劣化を抑制することができ、図6(b)の構成のものに比べて、中間耐圧不良(Bモード不良)の発生を大幅に抑制して絶縁耐圧の向上を図ることができる。
【0059】
なお、MOS型キャパシタを複数集積化される場合、各MOS型キャパシタを各々トレンチ分離層で包囲することが望ましい。しかしながら、MOS型キャパシタの容量,サイズが小さければ、個々にトレンチ分離層を設定する必要はなく、トレンチ分離層で包囲された一つの島領域内に複数のMOS型キャパシタを配置するようにしてもよい。
【0060】
なお、図6(b)の場合のMOSキャパシタ構造(SOI基板に形成したMOS型キャパシタ)にゲート絶縁膜としてONO膜を用いれば、図18に示したようにBモード不良を抑止して絶縁耐圧分布は向上する。また、図6(c)の場合のMOSキャパシタ構造(トレンチ分離層にて包囲されたSOI基板上のMOS型キャパシタ)にゲート絶縁膜としてONO膜を用いれば、さらにBモード不良の発生は抑止されて絶縁耐圧分布は向上する。しかしながら、上記の第2の構成例のように下層酸化膜膜厚,窒化膜膜厚が調整されたONO38を用いることにより、初めて偶発故障による経時破壊寿命の劣化を効果的に抑制することができることが判明した。
【0061】
SOI基板のシリコン半導体層の表面を熱酸化して得た熱酸化膜と通常のバルクシリコン基板の表面を熱酸化して得た熱酸化膜とを比較すると、SOI基板の場合、上記のバイメタル効果に加えて、埋め込み絶縁膜の存在により表面領域の欠陥を効果的にゲッタリングできないことに起因して表面の熱酸化膜は半導体表面の欠陥の影響を受け、熱酸化膜に内在するトラップもバルクシリコン上の熱酸化膜に比べ、そのサイズ,発生率において大きくなることが推定される。
【0062】
上記第2の構成例によれば、ONO膜をゲート絶縁膜として用いた場合に、その下層酸化膜膜厚,窒化膜膜厚を調整し、SOI基板表面の影響を最も受けるONO膜38の下層酸化膜38aの膜厚を薄膜化するようにしており、熱酸化膜内のトラップの影響を抑止し偶発故障による経時破壊寿命の劣化を抑制することができる。また、それに加えてONO膜38の中間層を構成するシリコン窒化膜38bの膜厚を40nm以上望ましくは50nm以上に最適設定するようにしており、高い絶縁耐圧を確保し、偶発故障による経時破壊寿命の劣化をさらに抑制して経時破壊寿命の長いONO膜38を得ることができる。すなわち、ONO膜38のシリコン窒化膜38bの膜厚を40nm以上望ましくは50nm以上に厚く堆積することにより、窒化膜の堆積時にONO膜38の下層酸化膜38aに内在する上記トラップが水素(H)により十分に終端され、偶発故障による経時破壊寿命の劣化をより抑制できるものと推定される。
【0063】
図6(c)の場合のMOSキャパシタにONO膜を適用したMOSキャパシタの定電流TDDB特性を測定した結果、下層酸化膜38aの膜厚依存性は図7に示すようになる。下層酸化膜38aの膜厚が56nmと厚い場合には、酸化膜中のトラップに起因した偶発不良が多発している。この挙動を累積故障率50%時の破壊総電荷量50%Qbdにより整理すると、図8に示すように、50%Qbdは、ONO膜38の下層酸化膜38aの膜厚が厚くなるほど劣化する傾向となることがわかった。
【0064】
このため、SOI基板11に、膜厚50nm以下好ましくは40nm以下で更に望ましくは35nm以下の下層酸化膜38aのONO膜38を形成することにより、MOS型半導体素子は偶発故障が抑制され、経時破壊寿命の長いMOS型素子を得ることができる。なお、下層酸化膜の上限値は、許容できる条件に応じて設定すればよく、例えば50%Qbdが30C/cm2 以上となるのを許容条件に設定すれば、下層酸化膜の目標上限値は40nmとなる。
【0065】
また、図9に示すように、ONO膜38の下層酸化膜38aが薄くなるにしたがい、シリコン/酸化膜界面の状態により、ONO膜38を用いたSOI基板11上のMOS型キャパシタ37における容量のばらつきが増大する。従って、容量ばらつきの許容条件を例えば5〜6%以下とする場合、SOI基板11上のMOS型素子に用いるONO膜38の下層酸化膜38aの膜厚は25nm以上に設定することが望ましい条件となる。
【0066】
さらに、ONO膜38の中間層であるシリコン窒化膜38bの膜厚に関して、下層酸化膜38aの場合と同様に、SOI基板11に形成したゲート面積が1.0mm2 のMOS型キャパシタ37の定電流TDDBを測定した結果を図10に示す。また、ONO膜38内のシリコン窒化膜38bの膜厚と50%Qbdの関係を図11に示す。これら図10および図11から明らかなように、SOI基板11上に形成したONO膜38の中間層であるシリコン窒化膜38bの膜厚が30nmと薄くなると、偶発故障が多発する。このため、SOI基板11上に形成したONO膜38の中間層であるシリコン窒化膜38bの膜厚は厚くすることが望ましい。シリコン窒化膜38bの膜厚は、許容できる条件に応じて設定すればよく、例えば50%Qbdが30C/cm2 以上となるのを許容条件に設定する場合、膜厚40nm以上好ましくは50nm以上のものとすることが望ましい。
【0067】
以上のONO膜38における下層酸化膜38aの膜厚とシリコン窒化膜38bの膜厚の最適要件をまとめた結果を図12に示す。図12の高品位保証領域の膜厚条件でONO膜を成膜することにより、SOI基板上に形成した際でも高絶縁耐圧で且つ経時破壊寿命の長いONO膜を得ることができ、MOS型半導体装置のゲート絶縁膜として信頼性の高いものを得ることができる。
【0068】
また、特にSOI基板としてシリコン半導体層の膜厚(シリコン半導体層11c,11dの合計膜厚)が10μm以上のものを用いた半導体装置において、ゲートの信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【0069】
図12中、高品位保証領域のONO膜の一例として、下層酸化膜35nm,シリコン窒化膜55nm,上層酸化膜2nmのSOI構造MOS型半導体素子のサンプルを多数製造し、150℃雰囲気において定電圧TDDBを測定した。電圧印加条件は、電界強度で8.3MV/cm,8.5MV/cm,9.0MV/cmとした。測定結果を図13に示す。また累積故障率が1.0%,2.5ppmとなるまでの寿命と印加した電界強度との関係で整理した結果を図14に示す。
【0070】
これら図13,14より明らかなとおり、高品位保証領域のONO膜を用いることにより、図19の場合と異なり、MOS型半導体素子は偶発故障が抑制され、経時破壊寿命の長いMOS型素子を得ることができる。また例えば24V印加条件で19年以上の寿命を実現することができる。
【0071】
また、上記した第2の構成例におけるSOI基板11を用いた半導体装置36として、ゲート面積1.0mm2 のMOS型キャパシタ37のI−V特性測定における真性絶縁耐圧値に対する歩留(絶縁耐圧歩留)およびTDDB測定における摩耗故障となる歩留(TDDB歩留)の評価結果を図15に示す。
【0072】
この図15においては、本実施形態でいうところのトレンチ分離層17を設けたSOI基板11のものとして、シリコン半導体層11c,11dに下部電極19として不純物の表面濃度が1E19(1×1019)atoms/cm3 となる高濃度の埋込拡散層19を形成し、その埋込拡散層19の上にONO膜38によりゲート絶縁膜として形成したMOS型キャパシタ37を用い、図中、DeepN/SOIと表記している。これに対して、比較するMOS型キャパシタとして、バルクシリコン基板上にゲート絶縁膜として同一条件で形成したONO膜を設けた構成の理想的なMOSキャパシタを用い、図中、N-/Bulkとして表記している。
【0073】
この結果からも明らかなように、両者の特性はほぼ同じであり、厳しい条件で作成された本実施形態の半導体装置36であるDeepN/SOIのものでも、絶縁耐圧歩留およびTDDB歩留のいずれにおいても、最も良好な結果が出ることが予想されるN-/Bulkのものと比べて同等であり遜色のない歩留特性のものとして得られている。
【0074】
換言すれば、本実施形態の構成および製造方法を適用することで、SOI基板11に固有の悪影響をほとんど受けることのない良質な特性のゲート絶縁膜20,27およびONO膜38を得ることができ、これによってSOI基板11を用いることによる電気的特性上の利点を十分に生かしつつ、バルクシリコン基板を用いた場合と同等の絶縁耐圧歩留およびTDDB歩留を確保することができるようになる。
【0075】
(他の実施形態)
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形また拡張できる。
【0076】
シリコン半導体層とは熱膨張係数が異なるトレンチ分離層としては、上記した溝35に厚い酸化膜17aおよび多結晶シリコン17bを形成するもの以外に、単一の材料を用いても良いし、多種類の材料を複合的に形成したものとしても良いし、さらには、溝を形成して埋め込むもの以外に、SOI基板として既にトレンチ分離層が埋め込み形成された状態のものでも良い。
【0077】
ONO膜38は、MOSキャパシタ37に適用した場合について説明したが、他のMOS型素子であるCMOS14a,14bやLDMOS15などにおいてもゲート絶縁膜として適用することができ、これによってゲート信頼性の向上をより図ることができるようになる。
【0078】
SOI基板11は、シリコン半導体層11c,11dの合計の厚さ寸法が10μm以下のものでも、本実施形態に適用することができる。
【0079】
MOS型素子として、MOSキャパシタ13,CMOS14a,14b、LDMOS15などを用いる構成のもので説明したが、これら個々を集積化あるいは複合的に集積化するものであれば、全種類のものを組み合わせるものでなくとも適用することができる。また、ゲート絶縁膜を形成した後に熱処理を行なう製造工程を含んだ半導体装置全般に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す第1の構造の半導体装置の製造工程の各段階に対応した模式的断面図(その1)。
【図2】第1の構造の半導体装置の製造工程の各段階に対応した模式的断面図(その2)。
【図3】第2の構造の半導体装置の製造工程の各段階に対応した模式的断面図(その1)。
【図4】第2の構造の半導体装置の製造工程の各段階に対応した模式的断面図(その2)。
【図5】第2の構造の半導体装置の異なる製造工程に対応した図4相当図。
【図6】(a)〜(c)はバルクシリコン基板、トレンチ分離層なしでSOI基板、トレンチ分離層有りでSOI基板にそれぞれ作製したMOSキャパシタの絶縁耐圧の分布を示す図。
【図7】MOSキャパシタの定電流TDDB特性の下層酸化膜厚依存性を示す図。
【図8】ONO膜の破壊総電荷量の下層酸化膜厚依存性を示す特性図。
【図9】MOSキャパシタの容量の均一性を示す特性図。
【図10】MOSキャパシタの定電流TDDB特性の窒化膜厚依存性を示す図。
【図11】ONO膜の破壊総電荷量の窒化膜厚依存性を示す特性図。
【図12】ONO膜の下層酸化膜,窒化膜の各膜厚における最適条件を示す図。
【図13】MOSキャパシタの定電圧TDDB特性の印加電界強度依存性を示す図。
【図14】MOSキャパシタの膜寿命評価結果を示す図。
【図15】実施形態のものとバルクシリコンで形成したものとの絶縁耐圧歩留およびTDDB歩留の値を示す図。
【図16】SOI構造のMOSキャパシタの模式的断面図。
【図17】酸化膜をゲート絶縁膜としてSOI基板上に形成したMOSキャパシタのI−V特性図。
【図18】ONO膜をゲート絶縁膜としてSOI基板上に形成したMOSキャパシタのI−V特性図。
【図19】ONO膜をゲート絶縁膜としてSOI基板上に形成したMOSキャパシタの定電圧TDDB特性を示す図。
【符号の説明】
11 SOI基板
11a 支持基板
11b 埋込酸化膜
11c,11d シリコン半導体層
12,36 半導体装置
13,37 MOSキャパシタ(MOS型素子、MOS型キャパシタ)
14a,14b CMOS(MOS型素子)
15 LDMOS(MOS型素子)
16 バイポーラトランジスタ
17 トレンチ分離層
17a 厚い酸化膜
17b 多結晶シリコン
18 LOCOS
20 キャパシタ絶縁膜
21 上層電極
27 ゲート絶縁膜
35 溝
38 ONO膜
38a 下層酸化膜
38b シリコン窒化膜
38c 上層酸化膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure of a MOS type semiconductor element used in a composite semiconductor device using an SOI (Silicon on Insulator) substrate and a manufacturing method thereof, and in particular, to improve characteristics as an insulating layer between electrodes of a MOS type capacitor. The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Problems to be solved by the invention]
2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor devices having a structure in which a plurality of types of semiconductor elements are formed in a composite manner on a semiconductor substrate are widely applied using an SOI substrate. This is because a region layer for forming a semiconductor element is provided as an insulator with an oxide film interposed between the underlying support substrate and can be used as an excellent electrical property. is there.
[0003]
However, it has been reported many times that the film quality of the gate insulating film of the MOS type semiconductor device formed on such an SOI substrate is inferior to the film quality of the gate insulating film formed on the normal bulk silicon substrate. Yes.
[0004]
As a MOS capacitor formed on an SOI substrate, for example, there is a MOS capacitor 1 having a cross-sectional structure as shown in FIG. This is because a thermal oxide film is formed as a gate insulating film 8 in a state in which a diffusion layer 6 and a LOCOS 7 serving as electrodes are formed on an SOI substrate 5 having a silicon layer 4 formed on an oxide film 3 on a support substrate 2. The capacitor upper electrode 9 is formed as the upper electrode.
[0005]
FIG. 17 shows the results of measuring the current-voltage characteristics (IV characteristics) of the MOS capacitor 1 for a number of samples. As can be seen from FIG. 17, in the MOS capacitor formed on the SOI substrate, an intermediate breakdown voltage failure (B mode failure) that breaks down at a voltage lower than the intrinsic breakdown voltage of the gate insulating film 8 frequently occurs. Even if a MOS capacitor is formed by the same manufacturing method, it appears as a remarkable defective mode as compared with the case of using a normal bulk silicon substrate.
[0006]
Considering this cause, it can be considered as follows.
[0007]
When a MOS type semiconductor element is formed on an SOI substrate, the SOI substrate has a structure in which a silicon semiconductor layer is formed on a silicon support substrate via buried oxide films having different thermal expansion coefficients. During the heat treatment performed in the process, a bimetal effect unique to the SOI substrate occurs.
[0008]
Due to the bimetal effect inherent to this SOI substrate, at least the silicon semiconductor layer and the thermal oxide film (gate insulating film) formed on the surface of the silicon semiconductor layer behave differently from those formed on the bulk silicon substrate. It is estimated that the film quality is affected.
[0009]
As a gate insulating film of a MOS capacitor formed on a bulk silicon substrate, an ONO film (silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film), which is a dielectric laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film and has both characteristics, is used. )It has been known. When the MOS capacitor 1 shown in FIG. 16 is configured using this ONO (Oxide Nitride Oxide) film as a gate insulating film and the current-voltage characteristics (IV characteristics) are measured, the results shown in FIG. 18 are obtained.
[0010]
From this result, it can be seen that the use of an ONO film as the gate insulating film can suppress the occurrence of B-mode defects as an initial characteristic. However, as a temporal characteristic, when the time-lapse breakdown life characteristic was measured by a constant voltage TDDB (Time Dependency Dielectric Breakdown) method, as shown in FIG. 19, it was newly found that accidental failures frequently occurred, Even when an ONO film is used as the gate insulating film, it has been found that the yield is still low as long as the SOI substrate is used.
[0011]
  The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to deteriorate characteristics caused by a bimetal effect inherent to an SOI substrate that is considered to be generated by heat treatment when a MOS type element is formed on an SOI substrate. As much as possible,In the case of forming a MOS type element on an SOI substrate, an ONO film is used as a gate insulating film of the MOS type element to reduce the intermediate withstand voltage defect and to obtain a high withstand voltage, and to improve the breakdown life with time. There is in doing so.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  According to the first aspect of the present invention, in a semiconductor device having a structure in which a plurality of MOS type elements are formed on an SOI substrate in which a silicon semiconductor layer is formed on a support substrate via a buried insulating film, Since the trench isolation layer reaching the buried insulating film and having a thermal expansion coefficient different from that of the silicon semiconductor layer is provided so as to insulate and isolate at least the formation region of the MOS capacitor, the influence of the bimetal effect unique to the SOI substrate is provided. It can be mitigated by the trench isolation layer, and it effectively suppresses deterioration of the gate insulating film quality in MOS type capacitors with large capacity and size that are built in to absorb surges among MOS type elements. Thus, the characteristics of the MOS type element can be improved.
  Since the trench isolation layer is composed of an insulating layer formed on the side surface of the groove and polycrystalline silicon, and the total thickness dimension of the insulating layer is formed to be 1/3 or more of the width dimension of the groove, Among MOS type elements, the MOS capacitor forming region can be surrounded by a thick insulating layer, and the buffering effect described above can be effectively achieved.
  Also, among the plurality of MOS type elements, an ONO film is used as the gate insulating film of the MOS type capacitor, and the thickness of the lower oxide film of the ONO film is set to 50 nm or less. In this way, by reducing the thickness of the lower oxide film of the ONO film that is easily affected by surface defects in the semiconductor region, it is possible to suppress deterioration of the breakdown lifetime with time due to accidental failure, and with high breakdown voltage and with time An ONO film on an SOI substrate having a long breakdown lifetime can be obtained.Since the thickness of the lower oxide film is set to be 25 nm or more, it is possible to obtain a MOS type capacitor having stable characteristics by reducing the variation in capacitance of the MOS type capacitor using the ONO film. This is due to the following reason. That is, in a MOS type element using an SOI substrate, attention is paid to the fact that when the lower oxide film of the ONO film is made thinner, the variation in capacitance of the MOS type capacitor due to the state of the silicon / oxide film interface becomes remarkable. is there.
[0015]
When a plurality of MOS capacitors are integrated, it is desirable to surround each MOS capacitor with a trench isolation layer. However, if the capacitance and size of the MOS capacitor are small, one capacitor surrounded by the trench isolation layer is used. A plurality of MOS capacitors may be arranged in the island region.
[0018]
Claim2According to the invention of claim1In the present invention, since the ONO film is set so that the thickness of the nitride film is 40 nm or more, in the structure using the ONO film on the SOI substrate, it has a high withstand voltage and deteriorates the breakdown life with time due to an accidental failure. Can be suppressed.
[0020]
Claim3According to the invention, in each of the above inventions, since the silicon substrate having a silicon semiconductor layer thickness of 10 μm or more is used as the SOI substrate, the film thickness of the silicon semiconductor layer easily affected by the bimetal effect inherent to the SOI substrate is obtained. A particularly remarkable effect can be obtained for a thick material, and a semiconductor device with a highly reliable gate insulating film can be provided.
[0021]
Claim4According to the present invention, in each of the above-described inventions, the surface impurity concentration of the diffusion region of the silicon semiconductor layer serving as the lower electrode of the MOS capacitor is 10.18atoms / cmThreeSince the setting is made as described above, it is possible to obtain a characteristic in which the voltage dependency of the capacitance is reduced in the MOS type capacitor.
[0022]
Claim5According to the invention, in the method of manufacturing a semiconductor device having a structure in which a plurality of MOS type elements are formed on an SOI substrate having a silicon semiconductor layer formed on a support substrate via a buried insulating film, As a step of providing a trench isolation layer for insulating and isolating at least a MOS capacitor formation region, a step of forming a groove with a depth reaching from the surface of the silicon semiconductor layer to the buried insulating film, and dry etching for forming the groove As a step of performing a treatment step and a treatment step of recovering or removing an etching damage layer generated by the dry etching treatment and filling the trench with a material having a thermal expansion coefficient different from that of the silicon semiconductor layer, the sidewall of the trench Forming an insulating layer in such a manner that the total thickness of the insulating layer is 1/3 or more of the width of the groove; Since the step of embedding polycrystalline silicon in the voids of the trench is performed, the trench isolation layer is formed without providing a special step, and the influence of the bimetal effect inherent to the SOI substrate is mitigated by the trench isolation layer. As a result, it is possible to effectively prevent the deterioration of the gate insulating film of the MOS type capacitor among the MOS type elements, and to improve the characteristics of the MOS type element.
  Also, at least in the step of forming the gate insulating film of the MOS capacitor among the MOS type elements, the ONO film is formed under the condition that the thickness of the lower oxide film is 50 nm or less.2Similarly to the above, the lower oxide film of the ONO film can be configured not to be affected by the surface defects of the semiconductor region, and the deterioration of the destruction lifetime with time due to the accidental failure can be suppressed.Since the lower oxide film is formed under the condition that the film thickness is 25 nm or more, as in the first aspect of the invention, the variation in capacitance of the MOS type capacitor using the ONO film is reduced and stable characteristics are obtained. This makes it possible to obtain a MOS type capacitor.
[0026]
Claim6According to the invention of claim5In the present invention, in the ONO film forming step, the nitride film is formed under the condition that the film thickness is 40 nm or more.2As in the case of the present invention, it is possible to secure a high withstand voltage and to suppress the deterioration of the destruction lifetime with time due to an accidental failure.
[0027]
Claim7According to the invention of claim5 or 6In this invention, since the upper oxide film of the ONO film is formed simultaneously with the gate insulating film of another MOS type element, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a semiconductor device in which a MOS capacitor, a CMOS, an LDMOS, and a bipolar transistor are integrated will be described with reference to FIGS. In the following description, two configuration examples will be described together with examples of three manufacturing steps.
[0030]
[Example of the first configuration]
1 and 2 are schematic cross-sectional views shown at each stage of the manufacturing process of the semiconductor device 12 using the SOI substrate 11. FIG. 2 (i) shows the integrated circuit 12 in a completed state. The semiconductor device 12 has a configuration in which a MOS capacitor 13, CMOSs 14a and 14b and LDMOS (Laterally Diffused MOS) 15 as a MOS type element are provided, and a bipolar transistor 16 is provided.
[0031]
In the SOI substrate 11, a buried oxide film 11b having a thickness of, for example, about 1.3 μm is formed on a silicon support substrate 11a, and first conductivity type silicon semiconductor layers 11c and 11d are formed in a single crystal. Is. In this case, the silicon semiconductor layer 11c is formed with a high impurity concentration, and the silicon semiconductor layer 11d is formed with a low impurity concentration. For example, a film having a thickness of about 16 μm is formed.
[0032]
Each of the MOS capacitor 13, CMOS 14a, 14b, LDMOS 15 and bipolar transistor 16 is formed in an electrically insulated state so as to be surrounded by a trench isolation layer 17 described later. The trench isolation layer 17 is composed of an oxide film 17a formed on the side wall of the trench and a polycrystalline silicon 17b filled in the central portion. LOCOS 18 for performing electrical element isolation is formed at various places on the surface portion where each element is formed.
[0033]
In the MOS capacitor 13, a buried first conductivity type layer 19 functioning as a lower layer electrode is formed in the silicon semiconductor layer 11d, a capacitor insulating layer 20 is formed on the surface thereof, and a polycrystalline silicon film is formed thereon. An upper layer electrode 21 is formed. Further, a first conductivity type high concentration region 22 is formed in order to be electrically connected to the buried first conductivity type layer 19.
[0034]
In the CMOSs 14a and 14b, a first conductivity type well 23 and a second conductivity type well 24 are respectively formed in the silicon semiconductor layer 11d, and a high concentration second conductivity type layer 25 is formed as a source / drain region in each of the wells 23 and 24. A high-concentration first conductivity type layer 26 is formed. A gate insulating film 27 is formed on the surface portion of the channel formation region, and a gate electrode 28 is formed thereon.
[0035]
In the LDMOS 15, a second conductivity type channel layer 29 is formed in the silicon semiconductor layer 11 d, which includes a high concentration first conductivity type layer 26 as a source region and a high concentration as a channel contact region. A second conductivity type layer 25 is formed. A gate insulating film 27 is formed on the surface portion of the channel formation region, and a gate electrode 30 is formed thereon.
[0036]
In the bipolar transistor 16, a high-concentration first conductivity type sink layer 31 diffused to reach the silicon semiconductor layer 11c is provided in the silicon semiconductor layer 11d, and further, a second conductivity type base region is formed in the silicon semiconductor layer 11d. 32 is formed. A first conductivity type emitter region 33 is formed inside the base region 32.
[0037]
[Example of first manufacturing process]
Next, a manufacturing process of the semiconductor device 12 having the above configuration will be described. As shown in FIG. 1A, in the SOI substrate 11, the high-concentration silicon semiconductor layer 11c and the low-concentration silicon semiconductor layer 11d are stacked on the support substrate 11a through the buried oxide film 11b as described above. Is. A mask material 34 for forming the trench is formed on the SOI substrate 11 and patterned so as to be separated into shapes corresponding to the respective regions of the MOS type element. Using this mask material 34 as an etching mask, a dry etching process is performed to form a groove 35 (see FIG. 5B). The groove 35 is for forming the trench isolation layer 17. Thereafter, annealing, sacrificial oxidation, wet etching, or a combination of these is performed as a processing step for recovering or removing the etching damage layer generated in the dry etching processing.
[0038]
Next, a thick oxide film 17a is formed on the side wall of the groove 35 (see FIG. 5C). The thick oxide film 17 a is formed so that the total film thickness becomes 1/3 or more of the width dimension of the groove 35. After this oxide film 17a is formed, the remaining gap is filled with polycrystalline silicon 17b. Thereafter, unnecessary mask material 34 is removed, and the substrate surface is planarized, thereby forming trench isolation layer 17 having a thermal expansion coefficient different from that of silicon semiconductor layer 11b (see FIG. 4D). ). After the trench isolation layer 17 is formed, the buried first conductivity type layer 19 and the high concentration first conductivity type sink layer 31 which are the lower layer electrodes of the MOS capacitor 13 are formed. Subsequently, the first conductivity type well 23, the second conductivity type well 24 of the CMOSs 14a and 14b, and the second conductivity type base region 32 of the bipolar transistor 16 are formed (see FIG. 4E).
[0039]
Thereafter, a LOCOS 18 for fine element isolation is formed at a predetermined portion of the surface. Subsequently, after performing a sacrificial oxidation process, the capacitor insulating layer 20 and the gate insulating film 27 are formed by thermal oxidation. The sacrificial oxidation treatment is a surface treatment for forming a high-quality element region (see FIG. 2F). Next, a polycrystalline silicon film is formed on the surface and patterned to form the upper electrode 21 of the MOS capacitor 13, the gate electrode 28 of the CMOSs 14a and 14b, and the gate electrode 30 of the LDMOS 15 (FIG. )reference).
[0040]
After forming various electrodes made of polycrystalline silicon, impurity implantation treatment and heat treatment are appropriately performed to form the first conductivity type emitter region 33 of the bipolar transistor 16 and the second conductivity type channel layer 29 of the LDMOS 15. (See FIG. 11H). Further, a second conductivity type high concentration layer 25 and a first conductivity type high concentration layer 26 are formed (see FIG. 5I). Thereafter, although not shown in the figure, the MOS capacitor 13, the CMOS 14a, 14b, the LDMOS 15 and the bipolar transistor 16 are integrally formed on the SOI substrate 11 by forming a metal wiring by forming a contact hole through a thick insulating layer. The formed semiconductor device 12 is obtained.
[0041]
[Example of second configuration]
Next, a configuration and manufacturing process when an ONO film is provided in the configuration of the above embodiment will be described with reference to FIGS. The difference from the above-described embodiment is that the ONO film is used as the gate insulating film, and the following description will focus on the different parts. Here, a case where the ONO film is applied as a capacitor insulating film of a MOS capacitor is shown.
[0042]
FIG. 4F corresponds to a cross-sectional view in the step of FIG. 2H described in the first embodiment. In this figure, a semiconductor device 36 is provided with a MOS capacitor 37 instead of the MOS capacitor 13 shown in the first embodiment. In the figure, an LDMOS 15 is shown as another MOS type element, and the CMOSs 14a and 14b and the bipolar transistor 16 are omitted.
[0043]
In this configuration, an ONO film 38 is provided as a capacitor insulating film of the MOS capacitor 37. The ONO film 38 includes a lower oxide film 38a, an intermediate silicon nitride film 38b, and an upper oxide film 38c. The lower oxide film 38a is formed under film forming conditions with a film thickness of 50 nm or less. The thickness of the lower oxide film 38a is more preferably 25 nm or more and 40 nm or less, more preferably 35 nm or less. Further, the intermediate silicon nitride film 38b is formed under the film forming conditions with a film thickness of 40 nm or more. The silicon nitride film 38b is more preferably formed under film forming conditions of 50 nm or more.
[0044]
Note that the lower layer electrode for forming the capacitor with the ONO film 38 interposed therebetween is the buried first conductivity type layer 19 formed in the silicon semiconductor layer 11d, but this impurity concentration is 1E18 (1 × 1018) Atoms / cmThreeIt is set to be above.
This is to reduce the voltage dependency of the capacitance, as will be described later.
[0045]
[Example of second manufacturing process]
In the above configuration, the process of forming the ONO film 38 is as follows. That is, the process shown in FIG. 3A is shown from the process following the process of FIG. 1E in the first embodiment, and this figure shows a state in which the LOCOS 18 is formed. From this state, after performing a sacrificial oxidation process for obtaining a good element region, a lower oxide film 38a of the ONO film 38 is formed by thermal oxidation (see FIG. 5B). As described above, the film thickness is 50 nm or less, preferably 40 nm or less, more desirably 35 nm or less, and 25 nm or more.
[0046]
Next, an intermediate silicon nitride film 38b is deposited and formed by LPCVD under film forming conditions of 40 nm or more, preferably 50 nm or more (see FIG. 3C), and finally an upper oxide film 38c is formed by thermal oxidation. (See FIG. 4 (d)). As a result, an ONO film 38 having a three-layer structure is formed. Thereafter, the ONO film 38 of the other part is removed while leaving the ONO film 38 of the MOS capacitor 37, and the gate insulating film 27 of another MOS type element (LDMOS 15 in the illustrated example) is formed by thermal oxidation (same as above). (Refer figure (e)).
[0047]
Thereafter, a gate electrode 30 is formed by depositing and processing polycrystalline silicon, another diffusion layer necessary for a composite semiconductor element is formed, a contact hole is formed through a thick insulating film, and metal wiring is performed. Thus, the semiconductor device 36 is formed. As a result, a semiconductor device 36 having a structure in which a MOS capacitor 37 having a high withstand voltage, no accidental failure, a sufficient aging failure life, and no voltage dependency is combined on the SOI substrate 11 can be obtained.
[0048]
[Example of third manufacturing process]
FIG. 5 shows an example in which a manufacturing process different from the second manufacturing process is adopted for the second configuration example. The difference from the second manufacturing process is the process of forming the ONO film 38. That is, in the example of the second manufacturing process, the LDMOS 15 and the gate insulating film 27 of another MOS type element are separately formed after forming the ONO film 38 up to the upper oxide film 38c. The place where they are formed simultaneously is different.
[0049]
In this embodiment, following the step shown in FIG. 3C in the example of the second manufacturing process, as shown in FIG. 5D, the lower oxide film 38a in the portion corresponding to the MOS capacitor 37, the intermediate oxide film 38a, The lower oxide film 38a and the nitride film 38b of other MOS type elements (such as LDMOS 15) that do not use the ONO film 38 as a gate insulating film are removed, leaving the silicon nitride film 38b.
[0050]
Thereafter, the upper oxide film 38c as the ONO film 38 and the gate insulating film 27 of the LDMOS 15 are simultaneously formed in the same thermal oxidation process (see FIG. 4E). Thereby, it becomes possible to simultaneously perform the processes performed separately in the second embodiment, and the process can be simplified.
[0051]
Next, characteristics of the semiconductor devices 12 and 36 adopting the above-described configuration and manufacturing process will be described with reference to the drawings while comparing with those of the conventional configuration.
[0052]
Whether the capacitor insulating film 20 or the gate insulating film 27 such as the MOS type elements 13, 14a, 14b, 15 formed on the SOI substrate 11 is a thermal oxide film or an ONO film (38), the above manufacturing is performed. The film quality of the gate insulating film deteriorates due to the bimetal effect inherent to the SOI substrate 11 generated during the heat treatment in the process. Among MOS type elements, a MOS capacitor having a large capacity that is built in especially for surge absorption is, for example, 1 mm.2As described above, the size is large, and it is easy to be influenced by the bimetal effect, and it is necessary to suppress deterioration of the gate insulating film quality. In addition, when a MOS type element represented by the LDMOS 15 is formed in combination, due to manufacturing restrictions such as the formation time of the diffusion layer, a thermal history due to a high-temperature heat treatment process is formed after the gate insulating film 27 is formed. The deterioration of the gate insulating film is further manifested by the bimetal effect inherent to the SOI substrate 11.
[0053]
Regarding the film quality deterioration of the gate insulating film due to the bimetal effect inherent to the SOI substrate 11, in order to measure the characteristics of the CMOS transistors CMOS14a, 14b, LDMOS15 and MOS capacitors 13, 37, a thermal oxide film is formed on the SOI substrate. A MOS capacitor (SOI-MOS capacitor) was formed as the gate insulating film. In addition, a comparison was made with a MOS capacitor (bulk MOS capacitor) when a similar composite semiconductor device was formed under the same conditions on a normal bulk silicon substrate.
[0054]
The surface impurity concentration of the diffusion region as the lower electrode is 1E19 (1 × 1019) Atoms / cmThreeAnd a thermal oxide film is used as a gate insulating film thereon, and the gate area is 1.00 mm.2A number of MOS capacitor samples were prepared, and their breakdown voltage distributions were measured. FIG. 6A is a histogram showing a breakdown voltage distribution when the MOS type capacitor is formed on a bulk silicon substrate. Further, FIG. 6B shows the breakdown voltage distribution of the MOS type capacitor when elements having the same structure are formed on the SOI substrate by the same manufacturing method.
[0055]
6A and 6B, even if the MOS capacitor having the same structure formed by the same manufacturing method is formed on the SOI substrate, the gate insulating film of the MOS capacitor can be insulated. The breakdown voltage is lower than that formed on the bulk silicon substrate due to the bimetal effect inherent to the SOI substrate, and many B-mode defects occur. In order to reduce the voltage dependency of the capacitance in the MOS capacitor, the occurrence of this B-mode failure is caused by a high surface concentration (1E18 atoms / cm as the lower layer electrode).ThreeThis is more noticeable when a diffusion layer doped with impurities is used.
[0056]
Therefore, in the above first configuration example, prior to forming the various MOS type elements 13, 14a, 14b, 15 and the like on the SOI substrate 11, the silicon semiconductor layers 11c, 11d forming the semiconductor elements are formed on the silicon substrate layers 11c, 11d. A trench 35 reaching the buried oxide film 11b is formed, a thick oxide film 17a is formed in the trench as a material having a different thermal expansion coefficient from the silicon semiconductor layers 11c and 11d, and the remaining void is filled with the polycrystalline silicon 17b. Since the trench isolation layer 17 is formed, the bimetal effect inherent to the SOI substrate 11 can be mitigated by the trench isolation layer, and the film quality of the oxide film formed on the surface of the silicon semiconductor layer 11d is attributed to the bimetal effect. It can suppress that it deteriorates.
[0057]
For example, in the above-described case, the groove 35 has a width of 2 μm, and a one-side film thickness of about 0.5 μm is formed on the side surface of the groove to form a 1 μm thick oxide film 17a. A buried trench isolation layer 17 is formed. The thickness of the thick oxide film 17a is 1/3 or more with respect to the width of the groove 35 of 2 μm, and the trench isolation layer 17 having a thermal expansion coefficient different from that of the silicon semiconductor layers 11c and 11d is formed.
[0058]
FIG. 6C shows the breakdown voltage distribution in the case where the trench isolation layer 17 is formed so as to surround the formation region of the MOS capacitor having the same structure as that shown in FIGS. 6A and 6B. . As is apparent from this result, in the first configuration example in which the trench isolation layer 17 is formed, the deterioration of the gate insulating film 20 due to the bimetal effect inherent in the SOI substrate 11 generated during the heat treatment is suppressed. Compared to the configuration shown in FIG. 6B, it is possible to significantly suppress the occurrence of intermediate breakdown voltage failure (B mode failure) and improve the breakdown voltage.
[0059]
When a plurality of MOS capacitors are integrated, it is desirable to surround each MOS capacitor with a trench isolation layer. However, if the capacitance and size of the MOS capacitor are small, it is not necessary to individually set the trench isolation layer, and a plurality of MOS capacitors may be arranged in one island region surrounded by the trench isolation layer. Good.
[0060]
If an ONO film is used as the gate insulating film in the MOS capacitor structure (MOS type capacitor formed on the SOI substrate) in the case of FIG. 6B, the B mode failure is suppressed as shown in FIG. Distribution improves. Further, if an ONO film is used as the gate insulating film in the MOS capacitor structure (MOS type capacitor on the SOI substrate surrounded by the trench isolation layer) in the case of FIG. 6C, the occurrence of B-mode defects is further suppressed. This improves the breakdown voltage distribution. However, by using ONO 38 with the lower oxide film thickness and nitride film thickness adjusted as in the second configuration example, it is possible to effectively suppress the deterioration of the breakdown lifetime with time due to accidental failure for the first time. There was found.
[0061]
When comparing a thermal oxide film obtained by thermally oxidizing the surface of a silicon semiconductor layer of an SOI substrate with a thermal oxide film obtained by thermally oxidizing the surface of a normal bulk silicon substrate, the above-mentioned bimetallic effect is obtained in the case of an SOI substrate. In addition, the surface thermal oxide film is affected by defects on the semiconductor surface due to the fact that the surface region defects cannot be effectively gettered due to the presence of the buried insulating film, and traps in the thermal oxide film are also bulky. It is estimated that the size and the generation rate are larger than the thermal oxide film on silicon.
[0062]
According to the second configuration example, when the ONO film is used as the gate insulating film, the lower oxide film thickness and the nitride film thickness are adjusted, and the lower layer of the ONO film 38 that is most affected by the surface of the SOI substrate. The thickness of the oxide film 38a is reduced, so that the influence of traps in the thermal oxide film can be suppressed and deterioration of the destruction life with time due to accidental failure can be suppressed. In addition to this, the thickness of the silicon nitride film 38b constituting the intermediate layer of the ONO film 38 is optimally set to 40 nm or more, preferably 50 nm or more, so that a high withstand voltage is ensured and the aging breakdown life due to accidental failure is ensured. It is possible to obtain the ONO film 38 having a long fracture life over time by further suppressing deterioration of the film. That is, by depositing the silicon nitride film 38b of the ONO film 38 to a thickness of 40 nm or more, preferably 50 nm or more, the traps present in the lower oxide film 38a of the ONO film 38 during the deposition of the nitride film are hydrogen (H). Therefore, it is estimated that the deterioration of the destruction life with time due to the accidental failure can be further suppressed.
[0063]
As a result of measuring the constant current TDDB characteristics of the MOS capacitor in which the ONO film is applied to the MOS capacitor in the case of FIG. 6C, the film thickness dependence of the lower oxide film 38a is as shown in FIG. When the thickness of the lower oxide film 38a is as thick as 56 nm, accidental failures due to traps in the oxide film frequently occur. If this behavior is arranged by the breakdown total charge amount 50% Qbd when the cumulative failure rate is 50%, as shown in FIG. 8, 50% Qbd tends to deteriorate as the thickness of the lower oxide film 38a of the ONO film 38 increases. I found out that
[0064]
For this reason, by forming the ONO film 38 of the lower oxide film 38a having a film thickness of 50 nm or less, preferably 40 nm or less and more desirably 35 nm or less on the SOI substrate 11, the MOS type semiconductor element is prevented from accidental failure, and is destroyed over time. A MOS type element having a long lifetime can be obtained. The upper limit value of the lower oxide film may be set according to acceptable conditions, for example, 50% Qbd is 30 C / cm.2If the above is set as an allowable condition, the target upper limit value of the lower oxide film is 40 nm.
[0065]
Further, as shown in FIG. 9, as the lower oxide film 38a of the ONO film 38 becomes thinner, the capacitance of the MOS capacitor 37 on the SOI substrate 11 using the ONO film 38 depends on the state of the silicon / oxide film interface. Variation increases. Accordingly, when the allowable condition for capacitance variation is, for example, 5 to 6% or less, it is desirable that the thickness of the lower oxide film 38a of the ONO film 38 used for the MOS type element on the SOI substrate 11 is set to 25 nm or more. Become.
[0066]
Furthermore, regarding the film thickness of the silicon nitride film 38b, which is an intermediate layer of the ONO film 38, the gate area formed on the SOI substrate 11 is 1.0 mm as in the case of the lower oxide film 38a.2The result of measuring the constant current TDDB of the MOS capacitor 37 is shown in FIG. FIG. 11 shows the relationship between the thickness of the silicon nitride film 38b in the ONO film 38 and 50% Qbd. As is apparent from FIGS. 10 and 11, when the thickness of the silicon nitride film 38b, which is an intermediate layer of the ONO film 38 formed on the SOI substrate 11, is as thin as 30 nm, accidental failures frequently occur. Therefore, it is desirable to increase the thickness of the silicon nitride film 38b, which is an intermediate layer of the ONO film 38 formed on the SOI substrate 11. The film thickness of the silicon nitride film 38b may be set according to acceptable conditions. For example, 50% Qbd is 30 C / cm.2When the above is set as an allowable condition, it is desirable that the film thickness is 40 nm or more, preferably 50 nm or more.
[0067]
FIG. 12 shows the result of summarizing the optimum requirements for the thickness of the lower oxide film 38a and the thickness of the silicon nitride film 38b in the ONO film 38 described above. By depositing an ONO film under the film thickness conditions in the high-quality guaranteed region of FIG. 12, an ONO film having a high withstand voltage and a long breakdown life can be obtained even when formed on an SOI substrate. A highly reliable gate insulating film of the device can be obtained.
[0068]
In particular, a semiconductor device with high gate reliability can be obtained in a semiconductor device in which a silicon semiconductor layer (total thickness of the silicon semiconductor layers 11c and 11d) is 10 μm or more as an SOI substrate.
[0069]
In FIG. 12, as an example of the ONO film in the high quality assurance region, a large number of samples of SOI structure MOS type semiconductor devices having a lower oxide film of 35 nm, a silicon nitride film of 55 nm, and an upper oxide film of 2 nm are manufactured, and a constant voltage TDDB is produced in an atmosphere of 150 ° C. Was measured. The voltage application conditions were 8.3 MV / cm, 8.5 MV / cm, and 9.0 MV / cm in terms of electric field strength. The measurement results are shown in FIG. Further, FIG. 14 shows the results organized by the relationship between the lifetime until the cumulative failure rate reaches 1.0% and 2.5 ppm and the applied electric field strength.
[0070]
As is apparent from FIGS. 13 and 14, unlike the case of FIG. 19, by using the ONO film in the high-quality guaranteed region, the MOS type semiconductor element is suppressed from accidental failure and a MOS type element having a long breakdown life is obtained. be able to. Further, for example, a life of 19 years or longer can be realized under a 24V application condition.
[0071]
Further, as the semiconductor device 36 using the SOI substrate 11 in the second configuration example described above, the gate area is 1.0 mm.2FIG. 15 shows the evaluation results of the yield (insulation breakdown voltage yield) with respect to the intrinsic breakdown voltage value in the IV characteristic measurement of the MOS capacitor 37 and the yield (TDDB yield) that causes wear failure in the TDDB measurement.
[0072]
In FIG. 15, as the SOI substrate 11 provided with the trench isolation layer 17 in the present embodiment, the surface concentration of impurities as the lower electrode 19 in the silicon semiconductor layers 11 c and 11 d is 1E19 (1 × 1019) Atoms / cmThreeA high-concentration buried diffusion layer 19 is formed, and a MOS capacitor 37 formed as a gate insulating film by an ONO film 38 on the buried diffusion layer 19 is used, which is denoted as DeepN / SOI in the drawing. Yes. In contrast, an ideal MOS capacitor having a configuration in which an ONO film formed under the same conditions as a gate insulating film on a bulk silicon substrate is used as a MOS type capacitor to be compared.-/ Bulk.
[0073]
As is clear from this result, the characteristics of both are almost the same, and even with the Deep N / SOI semiconductor device 36 of this embodiment produced under severe conditions, either the withstand voltage yield or the TDDB yield N is expected to produce the best results-/ Yield characteristics that are comparable to those of Bulk and comparable to those of Bulk.
[0074]
In other words, by applying the configuration and the manufacturing method of the present embodiment, it is possible to obtain the gate insulating films 20 and 27 and the ONO film 38 having good characteristics that are hardly adversely affected by the SOI substrate 11. As a result, the dielectric breakdown yield and the TDDB yield equivalent to the case of using the bulk silicon substrate can be ensured while fully taking advantage of the electrical characteristics by using the SOI substrate 11.
[0075]
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified or expanded as follows.
[0076]
As the trench isolation layer having a thermal expansion coefficient different from that of the silicon semiconductor layer, a single material may be used in addition to the thick oxide film 17a and the polycrystalline silicon 17b formed in the groove 35, and various types may be used. These materials may be formed in a composite manner, and further, in addition to those formed by embedding trenches, those having a trench isolation layer already embedded and formed as an SOI substrate may be used.
[0077]
The ONO film 38 has been described as applied to the MOS capacitor 37. However, the ONO film 38 can also be applied as a gate insulating film in other MOS type elements such as CMOSs 14a and 14b and LDMOS 15, thereby improving the gate reliability. It becomes possible to plan more.
[0078]
Even if the total thickness dimension of the silicon semiconductor layers 11c and 11d is 10 μm or less, the SOI substrate 11 can be applied to this embodiment.
[0079]
The MOS type element has been described as having a structure using the MOS capacitor 13, CMOS 14a, 14b, LDMOS 15 and the like. However, as long as these elements are integrated or integrated in combination, all kinds of elements can be combined. It can be applied without. Further, the present invention can be applied to all semiconductor devices including a manufacturing process in which heat treatment is performed after forming a gate insulating film.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view (No. 1) corresponding to each stage of a manufacturing process of a semiconductor device having a first structure showing an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view (part 2) corresponding to each stage of the manufacturing process of the semiconductor device having the first structure;
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view (No. 1) corresponding to each step of a manufacturing process of a semiconductor device having a second structure;
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view (No. 2) corresponding to each stage of a manufacturing process of a semiconductor device having a second structure;
FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 4 corresponding to a different manufacturing process of the semiconductor device having the second structure;
FIGS. 6A to 6C are diagrams showing distribution of dielectric strength of MOS capacitors manufactured on a bulk silicon substrate, an SOI substrate without a trench isolation layer, and an SOI substrate with a trench isolation layer, respectively.
FIG. 7 is a graph showing the dependence of constant current TDDB characteristics of a MOS capacitor on the lower oxide thickness.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the dependency of the total breakdown charge amount of the ONO film on the lower oxide film thickness.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing uniformity of capacitance of MOS capacitors.
FIG. 10 is a diagram showing the nitride film thickness dependence of constant current TDDB characteristics of a MOS capacitor.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the nitride film thickness dependence of the total breakdown charge amount of the ONO film.
FIG. 12 is a diagram showing optimum conditions for each thickness of the lower oxide film and the nitride film of the ONO film.
FIG. 13 is a diagram showing the applied electric field strength dependence of constant voltage TDDB characteristics of a MOS capacitor.
FIG. 14 is a view showing a film life evaluation result of a MOS capacitor.
FIG. 15 is a diagram showing the breakdown voltage yield and the TDDB yield values of the embodiment and those formed of bulk silicon.
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of an SOI structure MOS capacitor;
17 is an IV characteristic diagram of a MOS capacitor formed on an SOI substrate using an oxide film as a gate insulating film. FIG.
FIG. 18 is an IV characteristic diagram of a MOS capacitor formed on an SOI substrate using an ONO film as a gate insulating film.
FIG. 19 shows a constant voltage TDDB characteristic of a MOS capacitor formed on an SOI substrate using an ONO film as a gate insulating film.
[Explanation of symbols]
11 SOI substrate
11a Support substrate
11b buried oxide film
11c, 11d silicon semiconductor layer
12, 36 Semiconductor device
13, 37 MOS capacitor (MOS type element, MOS type capacitor)
14a, 14b CMOS (MOS type element)
15 LDMOS (MOS type device)
16 Bipolar transistor
17 Trench isolation layer
17a Thick oxide film
17b polycrystalline silicon
18 LOCOS
20 Capacitor insulation film
21 Upper layer electrode
27 Gate insulation film
35 groove
38 ONO film
38a Underlayer oxide film
38b Silicon nitride film
38c Upper layer oxide film

Claims (9)

支持基板上に埋込絶縁膜を介してシリコン半導体層を形成したSOI(Silicon on Insulator)基板に、MOS型素子を複数個形成する構成の半導体装置において、
前記MOS型素子のうち少なくともMOS型キャパシタの形成領域は、前記埋込絶縁膜まで達し且つ前記シリコン半導体層と熱膨張係数が異なるトレンチ分離層により絶縁分離され、
前記トレンチ分離層は、溝の側面に形成された絶縁層と多結晶シリコンとからなり、
前記絶縁層の合計の厚さ寸法は、前記溝の幅寸法の1/3以上に設定され、
MOS型キャパシタのゲート絶縁膜をONO(Oxide Nitride Oxide)膜を用いた構成とし、そのONO膜の下層酸化膜の膜厚を25nm以上50nm以下に設定されていることを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device having a structure in which a plurality of MOS-type elements are formed on an SOI (Silicon on Insulator) substrate in which a silicon semiconductor layer is formed on a support substrate via a buried insulating film,
At least a MOS capacitor forming region of the MOS type element reaches the buried insulating film and is insulated and separated by a trench isolation layer having a thermal expansion coefficient different from that of the silicon semiconductor layer.
The trench isolation layer is composed of an insulating layer formed on the side surface of the groove and polycrystalline silicon,
The total thickness dimension of the insulating layer is set to 1/3 or more of the width dimension of the groove,
A semiconductor device characterized in that an ONO (Oxide Nitride Oxide) film is used as a gate insulating film of a MOS capacitor, and a thickness of a lower oxide film of the ONO film is set to 25 nm or more and 50 nm or less.
請求項に記載の半導体装置において、
前記ONO膜は、窒化膜の膜厚が40nm以上に設定されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 ,
The ONO film has a nitride film thickness set to 40 nm or more.
請求項1または2に記載の半導体装置において、
前記SOI基板は、シリコン半導体層の膜厚が10μm以上であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2 ,
The SOI substrate has a silicon semiconductor layer having a thickness of 10 μm or more.
請求項1ないしに記載の半導体装置において、
前記MOS型キャパシタの下部電極を構成する前記シリコン半導体層の拡散領域の表面不純物濃度が1018atoms/cm3 以上に設定されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claims 1 to 3,
A semiconductor device characterized in that the surface impurity concentration of the diffusion region of the silicon semiconductor layer constituting the lower electrode of the MOS capacitor is set to 10 18 atoms / cm 3 or more.
支持基板上に埋込絶縁膜を介してシリコン半導体層を形成したSOI基板に、MOS型素子を複数個形成する構成の半導体装置の製造方法において、
前記MOS型素子のうち少なくともMOS型キャパシタの形成領域を絶縁分離するトレンチ分離層を設ける工程として、前記シリコン半導体層の表面から前記埋込絶縁膜まで達する深さで溝を形成する工程と、
前記溝を形成する工程として、溝形成のためのドライエッチング処理工程と、そのドライエッチング処理で発生したエッチングダメージ層を回復もしくは除去する処理工程と、
前記溝内を前記シリコン半導体層とは異なる熱膨張係数を有する材料により埋める工程として、前記溝の側壁に絶縁層をその合計の厚さ寸法がその溝の幅寸法の1/3以上となるように形成する絶縁層形成工程と、その溝内の空隙部に多結晶シリコンを埋め込む工程とを備え、
MOS型キャパシタのゲート絶縁膜の形成工程では、ONO膜をその下層酸化膜の膜厚が25nm以上50nm以下となる条件で形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor device having a structure in which a plurality of MOS elements are formed on an SOI substrate in which a silicon semiconductor layer is formed on a support substrate via a buried insulating film,
Forming a trench at a depth reaching from the surface of the silicon semiconductor layer to the buried insulating film as a step of providing a trench isolation layer for insulatingly isolating at least a MOS capacitor formation region of the MOS type element;
As the step of forming the groove, a dry etching treatment step for groove formation, a treatment step of recovering or removing the etching damage layer generated by the dry etching treatment,
As a step of filling the inside of the groove with a material having a thermal expansion coefficient different from that of the silicon semiconductor layer, an insulating layer is formed on the side wall of the groove so that the total thickness becomes 1/3 or more of the width of the groove. An insulating layer forming step to be formed on, and a step of embedding polycrystalline silicon in the gap in the groove ,
In the step of forming the gate insulating film of the MOS capacitor, the ONO film is formed under the condition that the thickness of the lower oxide film is 25 nm or more and 50 nm or less.
請求項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記ONO膜の形成工程では、前記ONO膜をその窒化膜の膜厚が40nm以上となる条件で形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 5 ,
In the ONO film formation step, the ONO film is formed under the condition that the nitride film has a thickness of 40 nm or more.
請求項5または6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記ONO膜の上層酸化膜を他のMOS型素子のゲート絶縁膜と同時に形成するようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 5 or 6 ,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein an upper oxide film of the ONO film is formed simultaneously with a gate insulating film of another MOS type element.
請求項5ないし7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記SOI基板の前記シリコン半導体層の膜厚が10μm以上のものに適用していることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device in any one of Claims 5 thru | or 7 ,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the method is applied to a silicon semiconductor layer having a thickness of 10 μm or more on the SOI substrate.
請求項5ないし8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記MOS型キャパシタの下部電極として、前記シリコン半導体層に拡散領域をその表面不純物濃度が1018atoms/cm3以上となる条件で形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device in any one of Claims 5 thru | or 8 ,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming a diffusion region in the silicon semiconductor layer as a lower electrode of the MOS capacitor under a condition that a surface impurity concentration is 10 18 atoms / cm 3 or more.
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