改善されたセル安定性及び性能のためのハイブリッド・バルク−SOI6T−SRAMセル
【課題】 改善されたセル安定性及び性能を示すハイブリッド・バルクSOI 6T STRAMセルを提供すること。
【解決手段】 本発明は、同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有するSOI領域及びバルク−Si領域を含む基板と、バルク−Si領域からSOI領域を分離する分離領域と、SOI領域内に配置された少なくとも1つの第1デバイス及びバルク−Si領域内に配置された少なくとも1つの第2デバイスとを含む、6T−SRAM半導体構造体を提供する。SOI領域は、絶縁層の上にシリコン層を有する。バルク−Si領域はさらに、第2デバイスの下にあるウェル領域と、浮遊体効果を安定化させる、ウェル領域へのコンタクトとを含む。ウェル・コンタクトはまた、バルク−Si領域内のFETの閾値電圧を制御して、SOI領域のFET及びバルク−Si領域のFETの組み合わせから構築されたSRAMセルのパワー及び性能を最適化するためにも用いられる。
【解決手段】 本発明は、同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有するSOI領域及びバルク−Si領域を含む基板と、バルク−Si領域からSOI領域を分離する分離領域と、SOI領域内に配置された少なくとも1つの第1デバイス及びバルク−Si領域内に配置された少なくとも1つの第2デバイスとを含む、6T−SRAM半導体構造体を提供する。SOI領域は、絶縁層の上にシリコン層を有する。バルク−Si領域はさらに、第2デバイスの下にあるウェル領域と、浮遊体効果を安定化させる、ウェル領域へのコンタクトとを含む。ウェル・コンタクトはまた、バルク−Si領域内のFETの閾値電圧を制御して、SOI領域のFET及びバルク−Si領域のFETの組み合わせから構築されたSRAMセルのパワー及び性能を最適化するためにも用いられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体デバイスに関し、より特定的には、同じ結晶配向又は異なる結晶配向のいずれかをもつ薄いシリコン・オン・インシュレータ(SOI)及びバルク−Si部分を有する基板の上に形成された、相補型金属酸化膜半導体(complementary metal oxide semiconductor、CMOS)デバイスのような集積半導体デバイスに関する。特に、本発明は、(100)、(110)、又は(111)結晶面の表面のいずれかを有する半導体基板のSOI領域及びバルク−Si領域上に、nFET及びpFETデバイスを形成する。基板のバルク−Si領域はまた、一般にSOI基板を用いて形成されたデバイス内に存在する浮遊体効果が実質的にないデバイスを提供するように処理することもできる。より具体的には、本発明は、改善された安定性及び性能を有する6T−SRAM(sixtransistor static random access memory、6トランジスタ型静的ランダム・アクセス・メモリ)セルに関する。
【背景技術】
【0002】
シリコン・オン・インシュレータ(SOI)デバイスは、より従来型の半導体デバイスに優る幾つかの利点を提供する。例えば、SOIデバイスは、同様のタスクを実行する他のタイプのデバイスより低い電力消費要件を有することがある。SOIデバイスはまた、非SOIデバイスより低い寄生容量を有することもある。このことは、結果として得られる回路についてのより速いスイッチング時間につながる。さらに、回路デバイスがSOI製造プロセスを用いて製造されるときに、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)デバイスによって示されることが多い「ラッチアップ」現象を回避することができる。SOIデバイスはまた、イオン化放射の悪影響を受けにくく、それゆえ、イオン化放射が動作エラーを引き起こし得る用途において信頼性がより高くなる傾向がある。
【0003】
一部のSOI回路における欠点は、浮遊体効果である。SOIデバイスの付加的な分離のために、ボディ・ノード又はウェル・ノードは、一般に接触されない。主として、SOI CMOSにおいて、ボディ連結構造を用いて、浮遊体ノードへのコンタクトを付加することができるが、このことにより、寄生抵抗及び寄生容量がもたらされ、適応ウェル・バイアシングの好ましい影響が打ち消される。
【0004】
多くのデジタル回路の場合、この影響を無視することができる。しかしながら、浮遊体から生じるトレランス問題のために、一般に用いられる6T SRAMセルのような特定の回路のアレイ・セル安定性が低下する。このことは、一般に、アレイ内のFETの閾値電圧(Vt)を線形に増大させることにより対処されるが、通常、全体のアレイ性能の低下という代償を払う。
【0005】
最近の技術革新であるハイブリッド配向CMOS技術(hybrid orientation CMOS technology、HOT)は、SOI nFET及びpFET、並びに、従来のバルクnFET及びpFETの両方を用いる(例えば、非特許文献1、及び「High−Performance CMOS SOI Devices on Hybrid Crystal Oriented Substrates」という名称の、2003年6月17日に出願された特許文献1を参照されたい)。
【0006】
さらに、nFET及びpFETデバイスのために、同じ結晶配向又は異なる結晶配向を用いることができる。異なる結晶配向の使用により、nFET(シリコンにおいて、(100)配向における最も高い移動度及び性能を有する)及びpFET(シリコンにおいて、(110)配向における最も高い移動度及び性能を有する)の性能を別個に最適化することが可能になる。さらに、(110)結晶面の上に形成されたnFETデバイスは、減少したキャリア移動度及びスイッチング速度を有することが、当技術分野の中で知られている。ハイブリッド・バルク−SOI CMOS又はハイブリッド配向(HOT)バルク−SOI CMOSの可用性を用いる場合、アレイ・デバイスの一部をバルクCMOS内に配置する機会が存在する。如何なる場合でも、セルの一部における浮遊体効果を排除することにより、Vtを線形に増大させる必要性が減少し、より良好なセル安定性及び性能が与えられる。さらに、デバイスの一部についてのウェル領域へのコンタクトは、ウェル・ノード・バイアス値を調整することにより、この領域内のFETのVt値を制御することができる適応ウェル・バイアシングの使用を可能にする(例えば、非特許文献2を参照されたい)。アレイにおいて、Vt値を動的に調整することで、プロセッサ・スリープ・モードにおける電力を低減させること(このモードにおけるVt値を上げることによって)、又はアレイにアクセスされたときに性能を増大させること(このモードにおけるVt値を下げることによって)が可能になる。
【0007】
【特許文献1】米国特許出願番号第10/250,241号明細書
【非特許文献1】M.Yang他著、IEDM2003、p.453
【非特許文献2】J.Tschanz他著、J.Solid State Circuits、2002年、p.1396
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上記に鑑みて、適応ウェル・バイアシングが用いられる、改善されたセル安定性及び性能を示すハイブリッド・バルクSOI 6T STRAMセルを提供する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、浮遊体効果を実質的に排除し、適応ウェル・バイアシングを用いるための手段を提供し、これによりウェル端子に適用されるバイアスを用いてバルク−Si領域のFETの閾値電圧を制御するための手段が提供される、高度にドープされたウェル・ボディ・コンタクトを有するバルク−Si領域内のFETと組み合わせて、電荷キャリアが部分的に又は完全に空乏化され得るデバイス・チャネルを有するSOI基板領域上の電界効果トランジスタ(FET)を含む6T SRAMセルを提供するものである。
【0010】
本発明は、HOT構造体の使用を6T−SRAMアレイ内のデバイスと組み合わせるものである。バルク−Si領域内に配置されたデバイスのタイプについて、高度にドープされたウェルが生成され、接触される。次に、従来のSOI 6T−SRAMセルにおけるようにVt値を線形に増大させる必要性が排除されるので、バルク−Si領域内に配置されたFETの浮遊体効果が排除され、アレイ性能及び安定性が改善される。さらに、ウェル・ノード又はボディ・ノードは、従来のバルクCMOS領域内に配置されたデバイスに対して適応ウェル・バイアシング技術を実施するためにバイアスを適用するための手段を提供する。さらに、ウェルは単極であるので、適応ウェル・バイアシングを実施するために、ウェル間の漏れ又は容量の不利益が存在せず、そのことが、適応ウェル・バイアシングについての、従来のバルクCMOSスキームに優る大きな利点である。適応ウェル・バイアシングを用いて、アレイの電力消費を低減させることができ、又は回路の用途によって必要とされるアレイ性能を動的に増大させることができる。
【0011】
大まかに言うと、本発明は、
同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有するSOI領域及びバルク−Si領域を含む基板と、
バルク−Si領域からSOI領域を分離する分離領域と、
バルク−Si領域の下にあるウェル領域、及びウェル領域へのコンタクトであって、コンタクトは、浮遊体効果を安定化させ、バイアス電圧の印加によりバルク−Si領域内のFETの閾値電圧を調整するための手段を提供する、コンタクトと、
(a)バルク−Si領域内に配置された2つのパスゲートnFETデバイス、並びに、SOI領域内に配置された2つのプルダウンnFETデバイス及び2つのプルアップpFETデバイス、(b)バルク−Si領域内に配置された2つのパスゲートnFETデバイス及び2つのプルダウンnFETデバイス、並びに、SOI領域内に配置された2つのプルアップpFETデバイス、(c)バルク−Si領域内に配置された2つのプルダウンnFETデバイス、並びに、SOI領域内に配置された2つのパスゲートnFETデバイス及び2つのプルアップpFETデバイス、及び(d)バルク−Si領域内に配置された2つのプルアップpFETデバイス、並びに、SOI領域内に配置された1つのプルダウンnFET及び1つのパスゲートnFETからなる群から選択されるデバイス構成と
を含む、6T SRAMセル構造体を提供するものである。
【0012】
本発明によれば、基板のSOI領域は、デバイスに順方向のバイアスが適用されたとき、電荷キャリアが完全に又は部分的に空乏化され得る厚さを有するSOI層を含む。バルク−Si領域は、少なくとも1つのレジスタ、キャパシタ、ダイオード、又はこれらの組み合わせをさらに含むことができる。
【0013】
上記の構造体は、ウェハ接合、マスキング、エッチング、及び半導体層の再成長を含む方法を用いることによって提供することができる。具体的には、本発明の方法は、絶縁層によって分離された、同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有する少なくとも第1半導体層及び第2半導体層を含む基板を準備するステップと、基板の一部を保護してSOI領域を定め、基板の別の部分を保護されないままに残し、基板の保護されない部分がバルク−Si領域を定めるようにするステップと、基板の保護されない部分をエッチングして、第2半導体層の表面を露出させるステップと、第2半導体層の露出された表面上に、同じ結晶配向を有する半導体材料を再成長させるステップと、半導体材料を含む基板を平坦化して、第1半導体層の上面が半導体材料の上面と実質的に平坦になるようにするステップと、SOI領域内に少なくとも1つの第1デバイスを形成し、バルク−Si領域内の半導体材料上に少なくとも1つの第2デバイスを形成するステップと、を含む。特に、上述の群(a)〜(d)から選択された1つのデバイス構成が処理される。
【0014】
本発明によれば、バルク−Si領域に第1の型のドーパントを注入してウェル領域を提供し、バルク−Si領域の表面の上に少なくとも1つのゲート領域を形成し、第2の型のドーパントを用いて少なくとも1つのゲート領域に隣接したソース及びドレイン領域を形成し、ウェル領域へのコンタクトであって、コンタクトは、浮遊体効果を安定化させ、バルク−Si領域内のデバイスの閾値電圧を調整するために用い得るウェル・コンタクトを提供する、コンタクトを形成することによって、バルク−Si領域内に第2デバイスを形成することができる。ウェル領域へのコンタクトを形成することは、バルク−Si領域の表面の一部をエッチングして、ウェル領域へのビアを提供することと、ウェル領域へのビアを導電性材料で充填することと、を含む。
【0015】
本発明によれば、6トランジスタ型静的ランダム・アクセス・メモリ(six transistor static random access memory、6T−SRAM)内の選択されたデバイスが、バルク−Si領域内に配置され、他のトランジスタはSOI領域内に残される。具体的には、4つの場合が考えられる(上記の(a)〜(d)を参照されたい)。第1の場合には、2つのパスゲートnFETデバイス又はアクセス・デバイスだけが、バルク−Si領域内に配置される。第2の場合には、2つのパスゲートnFETデバイス及び2つのプルダウンnFETデバイスの両方が、バルク−Si領域内にある。第3の場合には、2つのプルダウンnFETデバイスだけが、バルク−Si領域内にある。これらの3つの場合において、最適なnFETデバイス性能のために、バルク領域の結晶配向は、(100)である可能性が最も高い。第4の最後の場合には、両方のプルアップpFETデバイスが、バルク−Si領域内にある。第4の場合において、シリコン・デバイス内の最適なnFETデバイス性能のために、バルク領域の結晶配向が(110)又は(111)である可能性が最も高い。より一般的には、他の半導体材料系(他のIV元素、III−V族及びII−VI族化合物などの)においては、HOTプロセスは、nFET及びpFETデバイスのために最適な結晶配向を用いることを可能にする。浮遊体SOI対バルク・デバイスについての同じ問題は、これらの場合にも適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
ここで、従来のSOI技術のものに優る、ハイブリッド・バルク−SOI技術におけるSRAMのセル安定性及び性能を増大させる方法を提供する本発明が、以下の説明、並びに本出願に添付された図面を参照することによってより詳細に説明される。添付の図面においては、同じ及び対応する要素は、同じ参照番号で示される。本発明の図面は、説明のために与えられるものであり、縮尺通りに描かれていないことに留意されたい。
【0017】
図1は、本発明において用いることができる基板10、すなわちハイブリッド基板を示す。示されるように、基板10は、表面誘電体層18と、第1半導体層16と、絶縁層14と、第2半導体層12とを含む。
【0018】
基板10の表面誘電体層18は、酸化物、窒化物、酸窒化物、或いは接合前に最初のウェハの1つに存在する、或いは、熱プロセス(すなわち、酸化、窒化、又は酸窒化)又は堆積のいずれかによってウェハの接合後に第1半導体層16の上に形成される、他の絶縁層である。表面誘電体層18の起源に関係なく、表面誘電体層18は、約3nmから約500nmまでの厚さを有し、約5nmから約20nmまでの厚さがより典型的である。
【0019】
第1半導体層16は、例えば、Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge合金、GaAs、InAs、InP、及び他のIII−V族又はII−VI族化合物半導体を含むいずれかの半導体材料からなる。第1半導体層16はまた、予め形成されたSOI基板のSOI層、又は例えばSi/SiGeのような層状半導体を含むこともできる。本発明の1つの好ましい実施形態においては、第1半導体層16は、Si含有半導体材料である。第1半導体層16は、第2半導体層12と同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有し、好ましくは(100)結晶面にある。(100)結晶配向が好ましいが、第1の半導体層16が、(110)結晶面上にnFETデバイスを提供するように後で処理されるSi含有材料でない限り、第1半導体層16は、(111)結晶面、(110)結晶面、又は他の結晶面を有してもよい。
【0020】
第1半導体層16の厚さは、基板10を形成するのに用いられる最初の開始ウェハに応じて変化し得る。しかしながら、典型的には、第1半導体層16は、約5nmから約100nmまでの初期厚さを有し、これは次に、40nm未満の厚さまで薄層化される。具体的には、第1半導体層16は、平坦化、研削、湿式エッチング、乾式エッチング、又はこれらのいずれかの組み合わせによって薄層化される。好ましい実施形態においては、第1半導体層16は、酸化及び湿式エッチングによって薄層化されて所望の厚さを達成し、本発明のために薄いシリコン・オン・インシュレータ基板の上部Si含有層を提供する。
【0021】
第1半導体層16と第2半導体層12との間に配置された絶縁層14は、基板10を形成するのに用いられる最初のウェハに応じて可変の厚さを有する。しかしながら、典型的には、絶縁層14は、約1nmから約500nmまでの厚さを有し、約1nmから約100nmまでの厚さがより典型的である。絶縁層14は、接合する前にウェハの一方又は両方の上に形成された酸化物又は他の同様の絶縁体材料である。
【0022】
第2半導体層12は、第1半導体層16のものと同じものであっても又は異なるものであってもよい、いずれかの半導体材料からなる。したがって、第2半導体層12は、例えば、Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge合金、GaAs、InAs、InP、及び、他のIII−V族又はII−VI族化合物半導体を含むことができる。第2半導体層12はまた、予め形成されたSOI基板のSOI層か、又は、例えばSi/SiGeのような層状半導体を含むこともできる。本発明の非常に好ましい実施形態においては、第2半導体層12は、Si含有半導体材料からなる。第2半導体層12は、第1半導体層16と同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有し、好ましくは(100)結晶面にある。(100)結晶配向が好ましいが、第2半導体層12が(110)結晶面上にnFETデバイスを提供するように後に処理されるSi含有材料でない限り、第2半導体層12は、(111)結晶面、(110)結晶面、又は他の結晶面を有してもよい。
【0023】
第2半導体層12の厚さは、基板10を形成するのに用いられる最初の開始ウェハに応じて変化し得る。しかしながら、典型的には、第2半導体層12は、約5nmから約200nmまでの厚さを有し、約5nmから約100nmまでの厚さがより典型的である。
【0024】
図1に示される基板10は、互いに接合された2つの半導体ウェハからなる。基板10を製造するのに用いられる2つのウェハは、1と示されたウェハの一方が第1半導体層16を含み、2と示された他方のウェハが第2半導体層12を含む2つのSOIウェハ(図7を参照されたい)、SOIウェハ(2と示される)とバルク半導体ウェハ(1と示される、図8を参照されたい)、又はSOIウェハ(2と示される)と、接合中にウェハの少なくとも1つの一部を分割するのに用いることができる、H2注入領域のようなイオン注入領域11を含むバルク・ウェハ(1と示される)(図9を参照されたい)を含むことができる。
【0025】
接合は、最初に2つのウェハを互いに緊密に接触させ、接触させられたウェハに随意的に外力をかけ、次いで、2つのウェハを互いに接合することができる条件の下で2つの接触させられたウェハを加熱することによって達成される。加熱ステップは、外力の存在の下で、又は外力なしで行うことができる。加熱ステップは、典型的には、不活性雰囲気において約200℃から約1050℃までの温度で約2時間から約20時間にわたって行われる。より典型的には、接合は、約200℃から約400℃までの温度で約2時間から約20時間にわたって行われる。「不活性雰囲気」という用語は、本発明においては、He、Ar、N2、Xe、Kr、又はこれらの混合物といった不活性ガスが用いられる雰囲気を示すのに用いられる。接合プロセスの間に用いられる好ましい雰囲気は、N2である。
【0026】
2つのSOIウェハが用いられる実施形態においては、SOIウェハの少なくとも1つの幾つかの材料層は、化学機械研磨(CMP)又は研削、及びエッチングのような平坦化プロセスを用いて、接合後に除去することができる。平坦化プロセスは、表面誘電体層18に到達したときに止まる。
【0027】
ウェハの1つがイオン注入領域を含む実施形態においては、イオン注入領域は、接合の間に多孔性領域を形成し、それにより、イオン注入領域の上のウェハの一部が取り除かれて、例えば、図1に示されるような接合されたウェハが残る。注入領域は、典型的には、当業者には周知のイオン注入条件を用いてウェハの表面に注入されたH2イオンからなる。
【0028】
接合されるウェハが内部に誘電体層を含まない実施形態においては、表面誘電体層18は、酸化のような熱プロセスによって、又は化学気相堆積(CVD)、プラズマ強化CVD、原子層堆積、化学溶液堆積及び他の同様の堆積プロセスのような従来の堆積プロセスによって、接合されたウェハの上に形成することができる。
【0029】
ここで図2を参照すると、次に、マスク20が、基板10の一部を保護し、基板10の別の部分は保護されないまま残るように、図1の基板10の所定部分上に形成される。基板10の保護された部分が基板のSOI領域22を定め、一方、基板10の保護されない部分がバルク−Si領域24を定める。1つの実施形態においては、マスク20は、基板10の全表面にフォトレジスト・マスクを適用することによって、表面誘電体層18の所定部分上に形成される。フォトレジスト・マスクを適用した後に、フォトレジストを放射線パターンに露光し、レジスト現像液を用いてパターンを現像するステップを含むリソグラフィによって、マスクがパターン形成される。基板10の所定部分上に形成されたマスク20を含む結果として得られる構造体は、例えば、図2に示される。
【0030】
別の実施形態においては、マスク20は、リソグラフィ及びエッチングを用いて形成され、パターン形成された窒化物又は酸窒化物層である。窒化物又は酸窒化物マスク20は、基板10のバルク−Si領域24を定めた後に除去することができる。
【0031】
基板10の上にマスク20を形成した後、その構造体に1又は複数のエッチング・ステップを行って、バルク−Si領域24における第2半導体層12の表面が露出されるようにする。具体的には、本発明のこの時点で用いられる1又は複数のエッチング・ステップは、表面誘電体層18の保護されない部分と共に、その下にある第1半導体層16の部分と、第2半導体層12から第1半導体層16を分離する絶縁層14の一部とを除去する。エッチングは、単一のエッチング・プロセスを用いて行うことができ、又は多数のエッチング・ステップを用いることができる。本発明のこの時点で用いられるエッチングは、反応性イオン・エッチング、イオン・ビーム・エッチング、プラズマ・エッチング、又はレーザ・エッチングのような乾式エッチング・プロセス、化学エッチャントが用いられる湿式エッチング・プロセス、或いはこれらのいずれかの組み合わせを含むことができる。本発明の好ましい実施形態においては、表面誘電体層18の保護されない部分、第1半導体層16及びバルク−Si領域24内の絶縁層14を選択的に除去する際に反応性イオン・エッチング(RIE)が用いられる。エッチング・プロセスが行われた後に結果として得られる構造体は、例えば、図3に示される。保護されたSOI領域22、すなわち表面誘電体層18、第1半導体層16及び絶縁層14の側壁は、このエッチング・ステップの後に露出されることに留意されたい。示されるように、層18、16及び14の露出された側壁は、マスク20の最外縁と位置合わせされる。
【0032】
次に、マスク20が、従来のレジスト剥離プロセスを用いて図3に示される構造体から除去され、次いで、必ずしもとは限らないが典型的に、露出された側壁上にライナ又はスペーサ25が形成される。堆積及びエッチングによって、随意的なライナ又はスペーサ25が形成される。ライナ又はスペーサ25は、例えば酸化物のような絶縁材料からなる。
【0033】
随意的なライナ又はスペーサ25を形成した後、露出された第2半導体層12上に半導体材料26が形成される。本発明によれば、半導体材料26は、第2半導体層12の結晶配向と同じ結晶配向を有する。結果として得られる構造体は、例えば、図4に示されている。
【0034】
半導体材料26は、選択的エピタキシャル成長法を用いて形成することができる、Si、歪みSi、SiGe、SiC、SiGeC、又はこれらの組み合わせのようないずれかのSi含有半導体を含むことができる。幾つかの好ましい実施形態においては、半導体材料26は、Siからなる。本発明においては、半導体材料26は、再成長半導体材料26と呼ぶことができる。
【0035】
次に、図4に示される構造体に、化学機械研磨(CMP)又は研削といった平坦化プロセスを行って、半導体材料26の上面が第1半導体層16の上面と実質的に平坦となるようにする。表面誘電体層18の既に保護された部分は、この平坦化プロセスの間に除去されることに留意されたい。
【0036】
実質的に平坦な表面を与えた後に、典型的には、バルク−Si領域24からSOI領域22を分離するように、浅いトレンチ分離領域のような分離領域27が形成される。分離領域27は、例えば、トレンチを定めること及びエッチングすること、随意的にトレンチを拡散障壁でライニングすること、並びにトレンチを酸化物のようなトレンチ誘電体で充填することを含む、当業者には周知の処理ステップを用いて形成される。トレンチを充填した後、構造体を平坦化することができ、随意的な緻密化処理ステップを行ってトレンチ誘電体を緻密化することができる。
【0037】
結果として得られる、分離領域27を含む実質的に平坦な構造体が、例えば、図5に示される。示されるように、図5の構造体は、SOI領域22内の露出された第1半導体層16と、バルク−Si領域24内の再成長半導体材料26とを含み、第1半導体層16及び半導体材料26は、同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有する。1つの好ましい実施形態においては、層16及び層26は同じ結晶配向を有する。その実施形態においては、層16及び26が、(100)結晶面の表面を有することが非常に好ましい。
【0038】
図6を参照すると、次の処理ステップにおいて、SOI領域22は、SOI MOSFETを提供するように処理され、バルク−Si領域24は、浮遊体効果を実質的に排除し、バルク−Si領域におけるFETの閾値電圧を調整するための手段を与える、ボディ・コンタクトを有するデバイスを提供するように処理される。
【0039】
SOI領域22及びバルク−Si領域24を処理する前に、基板10内にデバイス分離領域を形成することができる。デバイス分離領域26は、従来のブロック・マスクと共に、反応性イオン・エッチング(RIE)又はプラズマ・エッチングのような従来の乾式エッチング・プロセスを用いて、基板内にトレンチを選択的にエッチングすることによって設けることができる。デバイス分離領域26は、バルク−Si領域24及びSOI領域22内に分離を与えるものであり、SOI領域22からバルク−Si領域24を分離する分離領域27と類似している。代替的に、デバイス分離領域26は、電界分離領域とすることもできる。電界分離領域は、シリコン局所酸化プロセスを用いて形成することができる。
【0040】
SOI領域22及びバルク−Si領域24は、従来のブロック・マスク技術を用いて個別に処理することができる。ブロック・マスクは、従来のソフト及び/又はハードマスク材料を含むことができ、堆積、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて形成することができる。好ましい実施形態においては、ブロック・マスクは、フォトレジストを含む。フォトレジスト・ブロック・マスクは、ブランケット・フォトレジスト層を基板10の表面に適用し、フォトレジスト層を放射線パターンに露光させ、次に、通常のレジスト現像剤を用いてパターンをフォトレジスト層内に現像することによって形成することができる。
【0041】
代替的に、ブロック・マスクは、ハードマスク材料とすることができる。ハードマスク材料は、化学気相堆積(CVD)及び関連する方法によって堆積させ得る誘電体を含む。典型的には、ハードマスク組成物は、酸化シリコン、炭化シリコン、窒化シリコン、炭窒化シリコン及び他の同様の材料を含む。スピン・オン誘電体はまた、これらに限られるものではないが、シルセスキオキサン、シロキサン及びホウリン酸シリケート・ガラス(BPSG)を含むハードマスク材料として用いることもできる。
【0042】
p型又はn型ドーパントを基板10のバルク−Si領域24に選択的に注入することによって、バルク−Si領域24内にウェル領域37、38を形成することができ、ここで、基板10のSOI領域22は、上述のようにブロック・マスクによって保護することができる。図6に示される例においては、pFETバルク−Si領域35に注入が行われて、n型ウェル37を形成し、nFETバルク−Si領域36に注入が行われて、p型ウェル38を形成する。
【0043】
SOI領域22内にSOI層を選択的に注入することもできる。図6で示される例においては、pFET SOI領域41に注入が行われて、n型チャネル領域を形成し、nFET SOI領域42に注入が行われて、p型チャネル領域を形成する。
【0044】
次いで、最初に基板表面の上にゲート誘電体層をブランケット堆積させ、次にゲート誘電体層の上にゲート導体層を堆積させることによって、SOI領域22及びバルク−Si領域24内にゲート導体スタック28、29を形成することができる。ゲート誘電体層は、SiO2などのいずれかの通常のゲート誘電体材料、又はHfO2などのいずれかの高kゲート誘電体材料を含むことができる。ゲート導体層は、ドープされたポリシリコンなどのいずれかの導電性材料を含むことができる。図6に示されるように、次に、ゲート導体及びゲート誘電体層は、通常の堆積、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いてエッチングされ、基板10のSOI領域22及びバルク−Si領域24内にゲート導体スタック28、29を形成する。代替的に、ブロック・マスクを用いて、SOI領域22内にゲート導体スタック28を、バルク−Si領域24内にゲート導体スタック29を、別個に形成することもできる。
【0045】
図6に示される実施形態においては、次の一連の処理ステップの間、SOI MOSFETデバイスが、SOI領域22内に選択的に形成され、バルク−Si領域24が、ハード又はソフト・ブロック・マスクによって保護される。例えば、注入前に、パターン形成されたフォトレジストによって与えられるブロック・マスクを形成し、1つのドーパントの型でドープされるゲート導体及び/又はソース/ドレイン拡散領域40のためにSOI領域22内の基板領域を予め選択することができる。ブロック・マスクの適用及び注入手順を繰り返して、選択されたゲート導体、ソース/ドレイン拡散領域40、ソース/ドレイン拡張領域、或いは、n型ドーパント又はp型ドーパントのような異なるドーパントの型をもつハロ領域(図示せず)をドープすることができる。各々の注入の後に、通常のフォトレジスト剥離化学作用を用いて、ブロック・マスク・レジストを除去することができる。1つの好ましい実施形態においては、パターン・注入処理ステップを繰り返して、少なくとも1つのpFETデバイス41及び少なくとも1つのnFETデバイス42を提供することができ、pFETデバイス41及びnFETデバイス42は、分離領域26によって分離される。
【0046】
注入する前に、ゲート導体スタック28に当接するスペーサ6が形成され、スペーサの幅は、p型ドーパント及びn型ドーパントの異なる拡散速度を補償するように調整することができる。さらに、SOI領域22内のpFET及びnFETデバイスを処理して、シリサイド領域、又は一般に極薄チャネルMOSFETにおいて用いられる他のいずれかの通常の構造体を与えることができる。SOI領域22内にデバイス41、42を形成した後、バルク−Si領域24からハードマスクを剥離することができ、次に、基板10のSOI領域22の上に別のハードマスクが形成され、露出されたバルク−Si領域24を残す。
【0047】
SOI基板とは対照的に、次に、バルク−Si領域24は、バルク−Si基板における性能が増大したデバイスを提供するように処理することができる。例えば、バルク−Si領域24は、レジスタと、デカップリング・キャパシタ、平面型キャパシタ及びディープ・トレンチ・キャパシタを含むキャパシタと、ダイオードと、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(eDRAM)及び埋め込まれたダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(eDRAM)などのメモリ・デバイスといった、半導体製造において一般に共通するデバイスを提供するように処理することができる。好ましい実施形態においては、バルク−Si領域24は、ボディ・コンタクト50、51を含む。一例においては、図6に示されるように、バルク−Si領域24は、ボディ・コンタクト50、51を有するMOSFETを提供するように処理される。
【0048】
図6に示される実施形態において、バルク−Si領域24が処理され、各々がボディ・コンタクト50、51を有する少なくとも1つのp型MOSFET35及び少なくとも1つのn型MOSFET36を提供し、p型MOSFET35は、デバイス分離領域26によってn型MOSFET36から分離される。SOI領域22内に形成されたデバイスと同様に、バルク−Si領域24は、パターン形成されたブロック・マスクを用いて、p型MOSFET35及びn型MOSFET36を与えるように選択的に注入することができる。
【0049】
注入に続いて、次に、ボディ・コンタクト50、51が、基板10のバルク−Si領域24内の少なくとも1つのデバイスに形成される。バルク−Si領域24内の各々のMOSFETデバイス35、36へのボディ・コンタクト50、51は、デバイスのウェル領域に電気的に接触しており、分離領域26によってMOSFETのソース及びドレイン領域40から分離される。
【0050】
ボディ・コンタクト50、51は、フォトリソグラフィ、エッチング及び堆積を用いて形成することができる。より具体的には、ボディ・コンタクト50、51は、バルク−Si領域24内の基板10の一部をパターン形成し、露出された表面をエッチングして、少なくとも1つのMOSFET35、36の少なくとも1つのウェル領域37、38までビア孔を形成することによって形成することができる。エッチング・プロセスは、反応性イオン・エッチングのような指向性エッチングとすることができる。ビアを形成した後、次に、CVD又はめっきなどの通常の処理を用いてビア孔内に導電性材料を堆積させることによって、ボディ・コンタクト50、51が形成される。導電性材料は、ドープされたポリシリコン又は導電性金属とすることができる。導電性金属は、これらに限られるものではないが、タングステン、銅、アルミニウム、銀、金及びこれらの合金を含むことができる。好ましい実施形態においては、nFET SOIデバイス36へのボディ・コンタクト51は、p型にドープされたポリシリコンであり、pFET SOIデバイス35へのボディ・コンタクト50は、n型にドープされたポリシリコンである。
【0051】
基板10のSOI領域22内に形成されたデバイス及びバルク−Si領域24内に形成されたデバイスは、両方とも同じ結晶配向を有する表面の上に形成されることに留意されたい。1つの好ましい実施形態においては、SOI領域22内のデバイス及びバルク−Si領域24内に形成されたデバイスは、両方とも(100)結晶面を有する表面上に形成される。別の好ましい実施形態においては、SOI領域22内のnFET及びpFETデバイスは、(100)結晶面を有する表面上に形成され、バルク−Si領域24内に形成されたpFETデバイスは、両方とも(110)結晶面を有する表面上に形成される。別の好ましい実施形態においては、SOI領域22内のpFETデバイスは、(110)結晶面を有する表面上に形成され、バルク−Si領域24内に形成されたnFET及びpFETデバイスは、両方とも(100)結晶面を有する表面上に形成される。
【0052】
全てのデバイスが(100)結晶配向にある、バルク−Si領域24内にnFETデバイスを含み、SOI領域22内にpFETデバイスを含むタイプAのハイブリッドCMOS、並びに、反対にバルク−Si領域24内にpFETデバイスを含み、SOI領域22内にnFETデバイスを含むタイプBのハイブリッドCMOSが、考えられる。バルク−Si領域24内に(100)結晶配向のnFETデバイスを含み、SOI領域22内に(110)又は(111)結晶配向のpFETデバイスを含むタイプAのHOT CMOS、並びに、反対にバルク−Si領域24内に(110)又は(111)結晶配向のpFETデバイスを含み、SOI領域22内に(100)結晶配向のnFETデバイスを含むタイプBのHOT CMOSも、考えられる。
【0053】
図10は、全てのボディ(又は、ウェル)ノードが、接触されていず、よって浮遊している、従来のSOI 6T−SRAMセルの概略である。図6に概説される物理的構造体内に実装される本発明の最も有望な4つの6T−SRAMセルのケースが、図11〜図14に示される。図11〜図14に概略的に示されるセル配置は、上述の処理ステップを用いて行われる。上記において、SOI領域22及びバルク−Si領域24内のFETは、その構成が下記により詳細に説明される計6個のトランジスタを含む。
【0054】
図11は、タイプAのハイブリッドCMOSにおける6T−SRAMセルの概略を示す。nFET N1及びN3が、バルクCMOS領域24内に配置される。全てのトランジスタは、100シリコン内に配置される。もはやパスゲート内に浮遊体効果がないので、この構成は、安定性の利益を有する。さらに、ボディ効果(body effect)はパスゲートVtを増大させるので、バルク内にパスゲート(nFET N2及びN3)を配置することにより、pFETプルダウンとnFETパスゲートの電流駆動比率(ベータ)が増大される。SOI領域内のnFETプルダウンを維持することにより、これらのデバイスについてのSOIの速度の利点が維持される。
【0055】
図12は、タイプAのハイブリッドCMOS又はタイプAのHOT CMOSにおける6T−SRAMセルの概略を示す。nFET N1、N2、N3及びN4は、バルクCMOS内に配置される。nFETは、全て(100)結晶配向のシリコン内にあり、pFETは、(110)又は(100)結晶配向のシリコンとすることができる。パスゲートnFETデバイス及びプルダウンnFETデバイスの両方において浮遊体効果がないので、この実施形態は、最良のセル安定性を有する。より速いpFET(SOIからの、又は(110)結晶配向のシリコン移動度の改善のため)も安定性を改善し、セルの読み取り性能にほとんど影響を及ぼさない。
【0056】
図13は、タイプAのハイブリッドCMOSにおける6T−SRAMセルの概略を示す。プルダウンnFET N2及びN4が、バルクCMOS内に配置される。全てのトランジスタは、(100)結晶配向のシリコン内にある。バルクにおいてプルダウンnFETを有する場合、SOIにおけるVt問題への主誘因が排除されるが、パスゲートが、パスゲート上の減少した接合キャパシタンスがビットライン・キャパシタンスを減少させるので、依然としてSOIの速度の利点を維持するのを助ける。
【0057】
図14は、タイプAのハイブリッドCMOS又はタイプAのHOT CMOSにおける6T−SRAMセルの概略を示す。pFET P1及びP2は、バルクCMOS内に配置され、100シリコン又は110シリコンのいずれかとすることができる。前に列挙された実施形態よりセル安定性への著しい影響がない可能性が高いが、バルク内にpFETプルアップ・デバイスを配置することにより、安定性が改善される。
【0058】
図11〜図14に示される全ての実施形態において、ウェル・ノードは、ウェル・バイアス値を動的に調整することができるバイアス供給部に取り付けることができる。このことは、適応ウェル・バイアシング・スキームの使用を可能にする。ウェル・バイアスを適用することにより、バルク領域内のデバイスのVt値が調整可能になる。このVt制御は、より高い性能(低いVt)又は最適化された電力消費(高いVt)のために、回路を選択的に調整するのに非常に有用な技術である。
【0059】
本発明は、特に本発明の好ましい実施形態に関して示され説明されたが、当業者であれば、形態及び詳細における上記の及び他の変化は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしになされ得ることを理解するであろう。したがって、本発明は、説明され図示された正確な形態及び詳細に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲内に包含されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【0060】
【図1】ボディ・コンタクトを有する高性能SOIチャネルMOSFET半導体デバイスを含むCMOSデバイスを形成するのに用いられる基本処理ステップを示す(断面図による)図形的表示である。
【図2】ボディ・コンタクトを有する高性能SOIチャネルMOSFET半導体デバイスを含むCMOSデバイスを形成するのに用いられる基本処理ステップを示す(断面図による)図形的表示である。
【図3】ボディ・コンタクトを有する高性能SOIチャネルMOSFET半導体デバイスを含むCMOSデバイスを形成するのに用いられる基本処理ステップを示す(断面図による)図形的表示である。
【図4】ボディ・コンタクトを有する高性能SOIチャネルMOSFET半導体デバイスを含むCMOSデバイスを形成するのに用いられる基本処理ステップを示す(断面図による)図形的表示である。
【図5】ボディ・コンタクトを有する高性能SOIチャネルMOSFET半導体デバイスを含むCMOSデバイスを形成するのに用いられる基本処理ステップを示す(断面図による)図形的表示である。
【図6】ボディ・コンタクトを有する高性能SOIチャネルMOSFET半導体デバイスを含むCMOSデバイスを形成するのに用いられる基本処理ステップを示す(断面図による)図形的表示である。
【図7】互いに接合し、図1−図6に説明される方法において用いることができる種々のウェハの図形的表示である。
【図8】互いに接合し、図1−図6に説明される方法において用いることができる種々のウェハの図形的表示である。
【図9】互いに接合し、図1−図6に説明される方法において用いることができる種々のウェハの図形的表示である。
【図10】SOI基板における従来の6T SRAMセルの概略的表示である(従来技術)。全てのトランジスタについてのボディ・ノードが浮遊している。全てのトランジスタは、通常、(100)結晶配向のシリコン内にある。
【図11】本発明のハイブリッド・バルク−SOI 6Tセルの概略的表示であり、概略における供給電圧(Vdd)の接地へのウェル・コンタクトは、バルク領域内のFETデバイスを示しており、こうしたウェル・コンタクトの省略は、SOI領域内の浮遊体デバイスを示している。
【図12】本発明のハイブリッド・バルク−SOI 6Tセルの概略的表示であり、概略における供給電圧(Vdd)の接地へのウェル・コンタクトは、バルク領域内のFETデバイスを示しており、こうしたウェル・コンタクトの省略は、SOI領域内の浮遊体デバイスを示している。
【図13】本発明のハイブリッド・バルク−SOI 6Tセルの概略的表示であり、概略における供給電圧(Vdd)の接地へのウェル・コンタクトは、バルク領域内のFETデバイスを示しており、こうしたウェル・コンタクトの省略は、SOI領域内の浮遊体デバイスを示している。
【図14】本発明のハイブリッド・バルク−SOI 6Tセルの概略的表示であり、概略における供給電圧(Vdd)の接地へのウェル・コンタクトは、バルク領域内のFETデバイスを示しており、こうしたウェル・コンタクトの省略は、SOI領域内の浮遊体デバイスを示している。
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体デバイスに関し、より特定的には、同じ結晶配向又は異なる結晶配向のいずれかをもつ薄いシリコン・オン・インシュレータ(SOI)及びバルク−Si部分を有する基板の上に形成された、相補型金属酸化膜半導体(complementary metal oxide semiconductor、CMOS)デバイスのような集積半導体デバイスに関する。特に、本発明は、(100)、(110)、又は(111)結晶面の表面のいずれかを有する半導体基板のSOI領域及びバルク−Si領域上に、nFET及びpFETデバイスを形成する。基板のバルク−Si領域はまた、一般にSOI基板を用いて形成されたデバイス内に存在する浮遊体効果が実質的にないデバイスを提供するように処理することもできる。より具体的には、本発明は、改善された安定性及び性能を有する6T−SRAM(sixtransistor static random access memory、6トランジスタ型静的ランダム・アクセス・メモリ)セルに関する。
【背景技術】
【0002】
シリコン・オン・インシュレータ(SOI)デバイスは、より従来型の半導体デバイスに優る幾つかの利点を提供する。例えば、SOIデバイスは、同様のタスクを実行する他のタイプのデバイスより低い電力消費要件を有することがある。SOIデバイスはまた、非SOIデバイスより低い寄生容量を有することもある。このことは、結果として得られる回路についてのより速いスイッチング時間につながる。さらに、回路デバイスがSOI製造プロセスを用いて製造されるときに、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)デバイスによって示されることが多い「ラッチアップ」現象を回避することができる。SOIデバイスはまた、イオン化放射の悪影響を受けにくく、それゆえ、イオン化放射が動作エラーを引き起こし得る用途において信頼性がより高くなる傾向がある。
【0003】
一部のSOI回路における欠点は、浮遊体効果である。SOIデバイスの付加的な分離のために、ボディ・ノード又はウェル・ノードは、一般に接触されない。主として、SOI CMOSにおいて、ボディ連結構造を用いて、浮遊体ノードへのコンタクトを付加することができるが、このことにより、寄生抵抗及び寄生容量がもたらされ、適応ウェル・バイアシングの好ましい影響が打ち消される。
【0004】
多くのデジタル回路の場合、この影響を無視することができる。しかしながら、浮遊体から生じるトレランス問題のために、一般に用いられる6T SRAMセルのような特定の回路のアレイ・セル安定性が低下する。このことは、一般に、アレイ内のFETの閾値電圧(Vt)を線形に増大させることにより対処されるが、通常、全体のアレイ性能の低下という代償を払う。
【0005】
最近の技術革新であるハイブリッド配向CMOS技術(hybrid orientation CMOS technology、HOT)は、SOI nFET及びpFET、並びに、従来のバルクnFET及びpFETの両方を用いる(例えば、非特許文献1、及び「High−Performance CMOS SOI Devices on Hybrid Crystal Oriented Substrates」という名称の、2003年6月17日に出願された特許文献1を参照されたい)。
【0006】
さらに、nFET及びpFETデバイスのために、同じ結晶配向又は異なる結晶配向を用いることができる。異なる結晶配向の使用により、nFET(シリコンにおいて、(100)配向における最も高い移動度及び性能を有する)及びpFET(シリコンにおいて、(110)配向における最も高い移動度及び性能を有する)の性能を別個に最適化することが可能になる。さらに、(110)結晶面の上に形成されたnFETデバイスは、減少したキャリア移動度及びスイッチング速度を有することが、当技術分野の中で知られている。ハイブリッド・バルク−SOI CMOS又はハイブリッド配向(HOT)バルク−SOI CMOSの可用性を用いる場合、アレイ・デバイスの一部をバルクCMOS内に配置する機会が存在する。如何なる場合でも、セルの一部における浮遊体効果を排除することにより、Vtを線形に増大させる必要性が減少し、より良好なセル安定性及び性能が与えられる。さらに、デバイスの一部についてのウェル領域へのコンタクトは、ウェル・ノード・バイアス値を調整することにより、この領域内のFETのVt値を制御することができる適応ウェル・バイアシングの使用を可能にする(例えば、非特許文献2を参照されたい)。アレイにおいて、Vt値を動的に調整することで、プロセッサ・スリープ・モードにおける電力を低減させること(このモードにおけるVt値を上げることによって)、又はアレイにアクセスされたときに性能を増大させること(このモードにおけるVt値を下げることによって)が可能になる。
【0007】
【特許文献1】米国特許出願番号第10/250,241号明細書
【非特許文献1】M.Yang他著、IEDM2003、p.453
【非特許文献2】J.Tschanz他著、J.Solid State Circuits、2002年、p.1396
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上記に鑑みて、適応ウェル・バイアシングが用いられる、改善されたセル安定性及び性能を示すハイブリッド・バルクSOI 6T STRAMセルを提供する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、浮遊体効果を実質的に排除し、適応ウェル・バイアシングを用いるための手段を提供し、これによりウェル端子に適用されるバイアスを用いてバルク−Si領域のFETの閾値電圧を制御するための手段が提供される、高度にドープされたウェル・ボディ・コンタクトを有するバルク−Si領域内のFETと組み合わせて、電荷キャリアが部分的に又は完全に空乏化され得るデバイス・チャネルを有するSOI基板領域上の電界効果トランジスタ(FET)を含む6T SRAMセルを提供するものである。
【0010】
本発明は、HOT構造体の使用を6T−SRAMアレイ内のデバイスと組み合わせるものである。バルク−Si領域内に配置されたデバイスのタイプについて、高度にドープされたウェルが生成され、接触される。次に、従来のSOI 6T−SRAMセルにおけるようにVt値を線形に増大させる必要性が排除されるので、バルク−Si領域内に配置されたFETの浮遊体効果が排除され、アレイ性能及び安定性が改善される。さらに、ウェル・ノード又はボディ・ノードは、従来のバルクCMOS領域内に配置されたデバイスに対して適応ウェル・バイアシング技術を実施するためにバイアスを適用するための手段を提供する。さらに、ウェルは単極であるので、適応ウェル・バイアシングを実施するために、ウェル間の漏れ又は容量の不利益が存在せず、そのことが、適応ウェル・バイアシングについての、従来のバルクCMOSスキームに優る大きな利点である。適応ウェル・バイアシングを用いて、アレイの電力消費を低減させることができ、又は回路の用途によって必要とされるアレイ性能を動的に増大させることができる。
【0011】
大まかに言うと、本発明は、
同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有するSOI領域及びバルク−Si領域を含む基板と、
バルク−Si領域からSOI領域を分離する分離領域と、
バルク−Si領域の下にあるウェル領域、及びウェル領域へのコンタクトであって、コンタクトは、浮遊体効果を安定化させ、バイアス電圧の印加によりバルク−Si領域内のFETの閾値電圧を調整するための手段を提供する、コンタクトと、
(a)バルク−Si領域内に配置された2つのパスゲートnFETデバイス、並びに、SOI領域内に配置された2つのプルダウンnFETデバイス及び2つのプルアップpFETデバイス、(b)バルク−Si領域内に配置された2つのパスゲートnFETデバイス及び2つのプルダウンnFETデバイス、並びに、SOI領域内に配置された2つのプルアップpFETデバイス、(c)バルク−Si領域内に配置された2つのプルダウンnFETデバイス、並びに、SOI領域内に配置された2つのパスゲートnFETデバイス及び2つのプルアップpFETデバイス、及び(d)バルク−Si領域内に配置された2つのプルアップpFETデバイス、並びに、SOI領域内に配置された1つのプルダウンnFET及び1つのパスゲートnFETからなる群から選択されるデバイス構成と
を含む、6T SRAMセル構造体を提供するものである。
【0012】
本発明によれば、基板のSOI領域は、デバイスに順方向のバイアスが適用されたとき、電荷キャリアが完全に又は部分的に空乏化され得る厚さを有するSOI層を含む。バルク−Si領域は、少なくとも1つのレジスタ、キャパシタ、ダイオード、又はこれらの組み合わせをさらに含むことができる。
【0013】
上記の構造体は、ウェハ接合、マスキング、エッチング、及び半導体層の再成長を含む方法を用いることによって提供することができる。具体的には、本発明の方法は、絶縁層によって分離された、同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有する少なくとも第1半導体層及び第2半導体層を含む基板を準備するステップと、基板の一部を保護してSOI領域を定め、基板の別の部分を保護されないままに残し、基板の保護されない部分がバルク−Si領域を定めるようにするステップと、基板の保護されない部分をエッチングして、第2半導体層の表面を露出させるステップと、第2半導体層の露出された表面上に、同じ結晶配向を有する半導体材料を再成長させるステップと、半導体材料を含む基板を平坦化して、第1半導体層の上面が半導体材料の上面と実質的に平坦になるようにするステップと、SOI領域内に少なくとも1つの第1デバイスを形成し、バルク−Si領域内の半導体材料上に少なくとも1つの第2デバイスを形成するステップと、を含む。特に、上述の群(a)〜(d)から選択された1つのデバイス構成が処理される。
【0014】
本発明によれば、バルク−Si領域に第1の型のドーパントを注入してウェル領域を提供し、バルク−Si領域の表面の上に少なくとも1つのゲート領域を形成し、第2の型のドーパントを用いて少なくとも1つのゲート領域に隣接したソース及びドレイン領域を形成し、ウェル領域へのコンタクトであって、コンタクトは、浮遊体効果を安定化させ、バルク−Si領域内のデバイスの閾値電圧を調整するために用い得るウェル・コンタクトを提供する、コンタクトを形成することによって、バルク−Si領域内に第2デバイスを形成することができる。ウェル領域へのコンタクトを形成することは、バルク−Si領域の表面の一部をエッチングして、ウェル領域へのビアを提供することと、ウェル領域へのビアを導電性材料で充填することと、を含む。
【0015】
本発明によれば、6トランジスタ型静的ランダム・アクセス・メモリ(six transistor static random access memory、6T−SRAM)内の選択されたデバイスが、バルク−Si領域内に配置され、他のトランジスタはSOI領域内に残される。具体的には、4つの場合が考えられる(上記の(a)〜(d)を参照されたい)。第1の場合には、2つのパスゲートnFETデバイス又はアクセス・デバイスだけが、バルク−Si領域内に配置される。第2の場合には、2つのパスゲートnFETデバイス及び2つのプルダウンnFETデバイスの両方が、バルク−Si領域内にある。第3の場合には、2つのプルダウンnFETデバイスだけが、バルク−Si領域内にある。これらの3つの場合において、最適なnFETデバイス性能のために、バルク領域の結晶配向は、(100)である可能性が最も高い。第4の最後の場合には、両方のプルアップpFETデバイスが、バルク−Si領域内にある。第4の場合において、シリコン・デバイス内の最適なnFETデバイス性能のために、バルク領域の結晶配向が(110)又は(111)である可能性が最も高い。より一般的には、他の半導体材料系(他のIV元素、III−V族及びII−VI族化合物などの)においては、HOTプロセスは、nFET及びpFETデバイスのために最適な結晶配向を用いることを可能にする。浮遊体SOI対バルク・デバイスについての同じ問題は、これらの場合にも適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
ここで、従来のSOI技術のものに優る、ハイブリッド・バルク−SOI技術におけるSRAMのセル安定性及び性能を増大させる方法を提供する本発明が、以下の説明、並びに本出願に添付された図面を参照することによってより詳細に説明される。添付の図面においては、同じ及び対応する要素は、同じ参照番号で示される。本発明の図面は、説明のために与えられるものであり、縮尺通りに描かれていないことに留意されたい。
【0017】
図1は、本発明において用いることができる基板10、すなわちハイブリッド基板を示す。示されるように、基板10は、表面誘電体層18と、第1半導体層16と、絶縁層14と、第2半導体層12とを含む。
【0018】
基板10の表面誘電体層18は、酸化物、窒化物、酸窒化物、或いは接合前に最初のウェハの1つに存在する、或いは、熱プロセス(すなわち、酸化、窒化、又は酸窒化)又は堆積のいずれかによってウェハの接合後に第1半導体層16の上に形成される、他の絶縁層である。表面誘電体層18の起源に関係なく、表面誘電体層18は、約3nmから約500nmまでの厚さを有し、約5nmから約20nmまでの厚さがより典型的である。
【0019】
第1半導体層16は、例えば、Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge合金、GaAs、InAs、InP、及び他のIII−V族又はII−VI族化合物半導体を含むいずれかの半導体材料からなる。第1半導体層16はまた、予め形成されたSOI基板のSOI層、又は例えばSi/SiGeのような層状半導体を含むこともできる。本発明の1つの好ましい実施形態においては、第1半導体層16は、Si含有半導体材料である。第1半導体層16は、第2半導体層12と同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有し、好ましくは(100)結晶面にある。(100)結晶配向が好ましいが、第1の半導体層16が、(110)結晶面上にnFETデバイスを提供するように後で処理されるSi含有材料でない限り、第1半導体層16は、(111)結晶面、(110)結晶面、又は他の結晶面を有してもよい。
【0020】
第1半導体層16の厚さは、基板10を形成するのに用いられる最初の開始ウェハに応じて変化し得る。しかしながら、典型的には、第1半導体層16は、約5nmから約100nmまでの初期厚さを有し、これは次に、40nm未満の厚さまで薄層化される。具体的には、第1半導体層16は、平坦化、研削、湿式エッチング、乾式エッチング、又はこれらのいずれかの組み合わせによって薄層化される。好ましい実施形態においては、第1半導体層16は、酸化及び湿式エッチングによって薄層化されて所望の厚さを達成し、本発明のために薄いシリコン・オン・インシュレータ基板の上部Si含有層を提供する。
【0021】
第1半導体層16と第2半導体層12との間に配置された絶縁層14は、基板10を形成するのに用いられる最初のウェハに応じて可変の厚さを有する。しかしながら、典型的には、絶縁層14は、約1nmから約500nmまでの厚さを有し、約1nmから約100nmまでの厚さがより典型的である。絶縁層14は、接合する前にウェハの一方又は両方の上に形成された酸化物又は他の同様の絶縁体材料である。
【0022】
第2半導体層12は、第1半導体層16のものと同じものであっても又は異なるものであってもよい、いずれかの半導体材料からなる。したがって、第2半導体層12は、例えば、Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge合金、GaAs、InAs、InP、及び、他のIII−V族又はII−VI族化合物半導体を含むことができる。第2半導体層12はまた、予め形成されたSOI基板のSOI層か、又は、例えばSi/SiGeのような層状半導体を含むこともできる。本発明の非常に好ましい実施形態においては、第2半導体層12は、Si含有半導体材料からなる。第2半導体層12は、第1半導体層16と同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有し、好ましくは(100)結晶面にある。(100)結晶配向が好ましいが、第2半導体層12が(110)結晶面上にnFETデバイスを提供するように後に処理されるSi含有材料でない限り、第2半導体層12は、(111)結晶面、(110)結晶面、又は他の結晶面を有してもよい。
【0023】
第2半導体層12の厚さは、基板10を形成するのに用いられる最初の開始ウェハに応じて変化し得る。しかしながら、典型的には、第2半導体層12は、約5nmから約200nmまでの厚さを有し、約5nmから約100nmまでの厚さがより典型的である。
【0024】
図1に示される基板10は、互いに接合された2つの半導体ウェハからなる。基板10を製造するのに用いられる2つのウェハは、1と示されたウェハの一方が第1半導体層16を含み、2と示された他方のウェハが第2半導体層12を含む2つのSOIウェハ(図7を参照されたい)、SOIウェハ(2と示される)とバルク半導体ウェハ(1と示される、図8を参照されたい)、又はSOIウェハ(2と示される)と、接合中にウェハの少なくとも1つの一部を分割するのに用いることができる、H2注入領域のようなイオン注入領域11を含むバルク・ウェハ(1と示される)(図9を参照されたい)を含むことができる。
【0025】
接合は、最初に2つのウェハを互いに緊密に接触させ、接触させられたウェハに随意的に外力をかけ、次いで、2つのウェハを互いに接合することができる条件の下で2つの接触させられたウェハを加熱することによって達成される。加熱ステップは、外力の存在の下で、又は外力なしで行うことができる。加熱ステップは、典型的には、不活性雰囲気において約200℃から約1050℃までの温度で約2時間から約20時間にわたって行われる。より典型的には、接合は、約200℃から約400℃までの温度で約2時間から約20時間にわたって行われる。「不活性雰囲気」という用語は、本発明においては、He、Ar、N2、Xe、Kr、又はこれらの混合物といった不活性ガスが用いられる雰囲気を示すのに用いられる。接合プロセスの間に用いられる好ましい雰囲気は、N2である。
【0026】
2つのSOIウェハが用いられる実施形態においては、SOIウェハの少なくとも1つの幾つかの材料層は、化学機械研磨(CMP)又は研削、及びエッチングのような平坦化プロセスを用いて、接合後に除去することができる。平坦化プロセスは、表面誘電体層18に到達したときに止まる。
【0027】
ウェハの1つがイオン注入領域を含む実施形態においては、イオン注入領域は、接合の間に多孔性領域を形成し、それにより、イオン注入領域の上のウェハの一部が取り除かれて、例えば、図1に示されるような接合されたウェハが残る。注入領域は、典型的には、当業者には周知のイオン注入条件を用いてウェハの表面に注入されたH2イオンからなる。
【0028】
接合されるウェハが内部に誘電体層を含まない実施形態においては、表面誘電体層18は、酸化のような熱プロセスによって、又は化学気相堆積(CVD)、プラズマ強化CVD、原子層堆積、化学溶液堆積及び他の同様の堆積プロセスのような従来の堆積プロセスによって、接合されたウェハの上に形成することができる。
【0029】
ここで図2を参照すると、次に、マスク20が、基板10の一部を保護し、基板10の別の部分は保護されないまま残るように、図1の基板10の所定部分上に形成される。基板10の保護された部分が基板のSOI領域22を定め、一方、基板10の保護されない部分がバルク−Si領域24を定める。1つの実施形態においては、マスク20は、基板10の全表面にフォトレジスト・マスクを適用することによって、表面誘電体層18の所定部分上に形成される。フォトレジスト・マスクを適用した後に、フォトレジストを放射線パターンに露光し、レジスト現像液を用いてパターンを現像するステップを含むリソグラフィによって、マスクがパターン形成される。基板10の所定部分上に形成されたマスク20を含む結果として得られる構造体は、例えば、図2に示される。
【0030】
別の実施形態においては、マスク20は、リソグラフィ及びエッチングを用いて形成され、パターン形成された窒化物又は酸窒化物層である。窒化物又は酸窒化物マスク20は、基板10のバルク−Si領域24を定めた後に除去することができる。
【0031】
基板10の上にマスク20を形成した後、その構造体に1又は複数のエッチング・ステップを行って、バルク−Si領域24における第2半導体層12の表面が露出されるようにする。具体的には、本発明のこの時点で用いられる1又は複数のエッチング・ステップは、表面誘電体層18の保護されない部分と共に、その下にある第1半導体層16の部分と、第2半導体層12から第1半導体層16を分離する絶縁層14の一部とを除去する。エッチングは、単一のエッチング・プロセスを用いて行うことができ、又は多数のエッチング・ステップを用いることができる。本発明のこの時点で用いられるエッチングは、反応性イオン・エッチング、イオン・ビーム・エッチング、プラズマ・エッチング、又はレーザ・エッチングのような乾式エッチング・プロセス、化学エッチャントが用いられる湿式エッチング・プロセス、或いはこれらのいずれかの組み合わせを含むことができる。本発明の好ましい実施形態においては、表面誘電体層18の保護されない部分、第1半導体層16及びバルク−Si領域24内の絶縁層14を選択的に除去する際に反応性イオン・エッチング(RIE)が用いられる。エッチング・プロセスが行われた後に結果として得られる構造体は、例えば、図3に示される。保護されたSOI領域22、すなわち表面誘電体層18、第1半導体層16及び絶縁層14の側壁は、このエッチング・ステップの後に露出されることに留意されたい。示されるように、層18、16及び14の露出された側壁は、マスク20の最外縁と位置合わせされる。
【0032】
次に、マスク20が、従来のレジスト剥離プロセスを用いて図3に示される構造体から除去され、次いで、必ずしもとは限らないが典型的に、露出された側壁上にライナ又はスペーサ25が形成される。堆積及びエッチングによって、随意的なライナ又はスペーサ25が形成される。ライナ又はスペーサ25は、例えば酸化物のような絶縁材料からなる。
【0033】
随意的なライナ又はスペーサ25を形成した後、露出された第2半導体層12上に半導体材料26が形成される。本発明によれば、半導体材料26は、第2半導体層12の結晶配向と同じ結晶配向を有する。結果として得られる構造体は、例えば、図4に示されている。
【0034】
半導体材料26は、選択的エピタキシャル成長法を用いて形成することができる、Si、歪みSi、SiGe、SiC、SiGeC、又はこれらの組み合わせのようないずれかのSi含有半導体を含むことができる。幾つかの好ましい実施形態においては、半導体材料26は、Siからなる。本発明においては、半導体材料26は、再成長半導体材料26と呼ぶことができる。
【0035】
次に、図4に示される構造体に、化学機械研磨(CMP)又は研削といった平坦化プロセスを行って、半導体材料26の上面が第1半導体層16の上面と実質的に平坦となるようにする。表面誘電体層18の既に保護された部分は、この平坦化プロセスの間に除去されることに留意されたい。
【0036】
実質的に平坦な表面を与えた後に、典型的には、バルク−Si領域24からSOI領域22を分離するように、浅いトレンチ分離領域のような分離領域27が形成される。分離領域27は、例えば、トレンチを定めること及びエッチングすること、随意的にトレンチを拡散障壁でライニングすること、並びにトレンチを酸化物のようなトレンチ誘電体で充填することを含む、当業者には周知の処理ステップを用いて形成される。トレンチを充填した後、構造体を平坦化することができ、随意的な緻密化処理ステップを行ってトレンチ誘電体を緻密化することができる。
【0037】
結果として得られる、分離領域27を含む実質的に平坦な構造体が、例えば、図5に示される。示されるように、図5の構造体は、SOI領域22内の露出された第1半導体層16と、バルク−Si領域24内の再成長半導体材料26とを含み、第1半導体層16及び半導体材料26は、同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有する。1つの好ましい実施形態においては、層16及び層26は同じ結晶配向を有する。その実施形態においては、層16及び26が、(100)結晶面の表面を有することが非常に好ましい。
【0038】
図6を参照すると、次の処理ステップにおいて、SOI領域22は、SOI MOSFETを提供するように処理され、バルク−Si領域24は、浮遊体効果を実質的に排除し、バルク−Si領域におけるFETの閾値電圧を調整するための手段を与える、ボディ・コンタクトを有するデバイスを提供するように処理される。
【0039】
SOI領域22及びバルク−Si領域24を処理する前に、基板10内にデバイス分離領域を形成することができる。デバイス分離領域26は、従来のブロック・マスクと共に、反応性イオン・エッチング(RIE)又はプラズマ・エッチングのような従来の乾式エッチング・プロセスを用いて、基板内にトレンチを選択的にエッチングすることによって設けることができる。デバイス分離領域26は、バルク−Si領域24及びSOI領域22内に分離を与えるものであり、SOI領域22からバルク−Si領域24を分離する分離領域27と類似している。代替的に、デバイス分離領域26は、電界分離領域とすることもできる。電界分離領域は、シリコン局所酸化プロセスを用いて形成することができる。
【0040】
SOI領域22及びバルク−Si領域24は、従来のブロック・マスク技術を用いて個別に処理することができる。ブロック・マスクは、従来のソフト及び/又はハードマスク材料を含むことができ、堆積、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて形成することができる。好ましい実施形態においては、ブロック・マスクは、フォトレジストを含む。フォトレジスト・ブロック・マスクは、ブランケット・フォトレジスト層を基板10の表面に適用し、フォトレジスト層を放射線パターンに露光させ、次に、通常のレジスト現像剤を用いてパターンをフォトレジスト層内に現像することによって形成することができる。
【0041】
代替的に、ブロック・マスクは、ハードマスク材料とすることができる。ハードマスク材料は、化学気相堆積(CVD)及び関連する方法によって堆積させ得る誘電体を含む。典型的には、ハードマスク組成物は、酸化シリコン、炭化シリコン、窒化シリコン、炭窒化シリコン及び他の同様の材料を含む。スピン・オン誘電体はまた、これらに限られるものではないが、シルセスキオキサン、シロキサン及びホウリン酸シリケート・ガラス(BPSG)を含むハードマスク材料として用いることもできる。
【0042】
p型又はn型ドーパントを基板10のバルク−Si領域24に選択的に注入することによって、バルク−Si領域24内にウェル領域37、38を形成することができ、ここで、基板10のSOI領域22は、上述のようにブロック・マスクによって保護することができる。図6に示される例においては、pFETバルク−Si領域35に注入が行われて、n型ウェル37を形成し、nFETバルク−Si領域36に注入が行われて、p型ウェル38を形成する。
【0043】
SOI領域22内にSOI層を選択的に注入することもできる。図6で示される例においては、pFET SOI領域41に注入が行われて、n型チャネル領域を形成し、nFET SOI領域42に注入が行われて、p型チャネル領域を形成する。
【0044】
次いで、最初に基板表面の上にゲート誘電体層をブランケット堆積させ、次にゲート誘電体層の上にゲート導体層を堆積させることによって、SOI領域22及びバルク−Si領域24内にゲート導体スタック28、29を形成することができる。ゲート誘電体層は、SiO2などのいずれかの通常のゲート誘電体材料、又はHfO2などのいずれかの高kゲート誘電体材料を含むことができる。ゲート導体層は、ドープされたポリシリコンなどのいずれかの導電性材料を含むことができる。図6に示されるように、次に、ゲート導体及びゲート誘電体層は、通常の堆積、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いてエッチングされ、基板10のSOI領域22及びバルク−Si領域24内にゲート導体スタック28、29を形成する。代替的に、ブロック・マスクを用いて、SOI領域22内にゲート導体スタック28を、バルク−Si領域24内にゲート導体スタック29を、別個に形成することもできる。
【0045】
図6に示される実施形態においては、次の一連の処理ステップの間、SOI MOSFETデバイスが、SOI領域22内に選択的に形成され、バルク−Si領域24が、ハード又はソフト・ブロック・マスクによって保護される。例えば、注入前に、パターン形成されたフォトレジストによって与えられるブロック・マスクを形成し、1つのドーパントの型でドープされるゲート導体及び/又はソース/ドレイン拡散領域40のためにSOI領域22内の基板領域を予め選択することができる。ブロック・マスクの適用及び注入手順を繰り返して、選択されたゲート導体、ソース/ドレイン拡散領域40、ソース/ドレイン拡張領域、或いは、n型ドーパント又はp型ドーパントのような異なるドーパントの型をもつハロ領域(図示せず)をドープすることができる。各々の注入の後に、通常のフォトレジスト剥離化学作用を用いて、ブロック・マスク・レジストを除去することができる。1つの好ましい実施形態においては、パターン・注入処理ステップを繰り返して、少なくとも1つのpFETデバイス41及び少なくとも1つのnFETデバイス42を提供することができ、pFETデバイス41及びnFETデバイス42は、分離領域26によって分離される。
【0046】
注入する前に、ゲート導体スタック28に当接するスペーサ6が形成され、スペーサの幅は、p型ドーパント及びn型ドーパントの異なる拡散速度を補償するように調整することができる。さらに、SOI領域22内のpFET及びnFETデバイスを処理して、シリサイド領域、又は一般に極薄チャネルMOSFETにおいて用いられる他のいずれかの通常の構造体を与えることができる。SOI領域22内にデバイス41、42を形成した後、バルク−Si領域24からハードマスクを剥離することができ、次に、基板10のSOI領域22の上に別のハードマスクが形成され、露出されたバルク−Si領域24を残す。
【0047】
SOI基板とは対照的に、次に、バルク−Si領域24は、バルク−Si基板における性能が増大したデバイスを提供するように処理することができる。例えば、バルク−Si領域24は、レジスタと、デカップリング・キャパシタ、平面型キャパシタ及びディープ・トレンチ・キャパシタを含むキャパシタと、ダイオードと、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(eDRAM)及び埋め込まれたダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(eDRAM)などのメモリ・デバイスといった、半導体製造において一般に共通するデバイスを提供するように処理することができる。好ましい実施形態においては、バルク−Si領域24は、ボディ・コンタクト50、51を含む。一例においては、図6に示されるように、バルク−Si領域24は、ボディ・コンタクト50、51を有するMOSFETを提供するように処理される。
【0048】
図6に示される実施形態において、バルク−Si領域24が処理され、各々がボディ・コンタクト50、51を有する少なくとも1つのp型MOSFET35及び少なくとも1つのn型MOSFET36を提供し、p型MOSFET35は、デバイス分離領域26によってn型MOSFET36から分離される。SOI領域22内に形成されたデバイスと同様に、バルク−Si領域24は、パターン形成されたブロック・マスクを用いて、p型MOSFET35及びn型MOSFET36を与えるように選択的に注入することができる。
【0049】
注入に続いて、次に、ボディ・コンタクト50、51が、基板10のバルク−Si領域24内の少なくとも1つのデバイスに形成される。バルク−Si領域24内の各々のMOSFETデバイス35、36へのボディ・コンタクト50、51は、デバイスのウェル領域に電気的に接触しており、分離領域26によってMOSFETのソース及びドレイン領域40から分離される。
【0050】
ボディ・コンタクト50、51は、フォトリソグラフィ、エッチング及び堆積を用いて形成することができる。より具体的には、ボディ・コンタクト50、51は、バルク−Si領域24内の基板10の一部をパターン形成し、露出された表面をエッチングして、少なくとも1つのMOSFET35、36の少なくとも1つのウェル領域37、38までビア孔を形成することによって形成することができる。エッチング・プロセスは、反応性イオン・エッチングのような指向性エッチングとすることができる。ビアを形成した後、次に、CVD又はめっきなどの通常の処理を用いてビア孔内に導電性材料を堆積させることによって、ボディ・コンタクト50、51が形成される。導電性材料は、ドープされたポリシリコン又は導電性金属とすることができる。導電性金属は、これらに限られるものではないが、タングステン、銅、アルミニウム、銀、金及びこれらの合金を含むことができる。好ましい実施形態においては、nFET SOIデバイス36へのボディ・コンタクト51は、p型にドープされたポリシリコンであり、pFET SOIデバイス35へのボディ・コンタクト50は、n型にドープされたポリシリコンである。
【0051】
基板10のSOI領域22内に形成されたデバイス及びバルク−Si領域24内に形成されたデバイスは、両方とも同じ結晶配向を有する表面の上に形成されることに留意されたい。1つの好ましい実施形態においては、SOI領域22内のデバイス及びバルク−Si領域24内に形成されたデバイスは、両方とも(100)結晶面を有する表面上に形成される。別の好ましい実施形態においては、SOI領域22内のnFET及びpFETデバイスは、(100)結晶面を有する表面上に形成され、バルク−Si領域24内に形成されたpFETデバイスは、両方とも(110)結晶面を有する表面上に形成される。別の好ましい実施形態においては、SOI領域22内のpFETデバイスは、(110)結晶面を有する表面上に形成され、バルク−Si領域24内に形成されたnFET及びpFETデバイスは、両方とも(100)結晶面を有する表面上に形成される。
【0052】
全てのデバイスが(100)結晶配向にある、バルク−Si領域24内にnFETデバイスを含み、SOI領域22内にpFETデバイスを含むタイプAのハイブリッドCMOS、並びに、反対にバルク−Si領域24内にpFETデバイスを含み、SOI領域22内にnFETデバイスを含むタイプBのハイブリッドCMOSが、考えられる。バルク−Si領域24内に(100)結晶配向のnFETデバイスを含み、SOI領域22内に(110)又は(111)結晶配向のpFETデバイスを含むタイプAのHOT CMOS、並びに、反対にバルク−Si領域24内に(110)又は(111)結晶配向のpFETデバイスを含み、SOI領域22内に(100)結晶配向のnFETデバイスを含むタイプBのHOT CMOSも、考えられる。
【0053】
図10は、全てのボディ(又は、ウェル)ノードが、接触されていず、よって浮遊している、従来のSOI 6T−SRAMセルの概略である。図6に概説される物理的構造体内に実装される本発明の最も有望な4つの6T−SRAMセルのケースが、図11〜図14に示される。図11〜図14に概略的に示されるセル配置は、上述の処理ステップを用いて行われる。上記において、SOI領域22及びバルク−Si領域24内のFETは、その構成が下記により詳細に説明される計6個のトランジスタを含む。
【0054】
図11は、タイプAのハイブリッドCMOSにおける6T−SRAMセルの概略を示す。nFET N1及びN3が、バルクCMOS領域24内に配置される。全てのトランジスタは、100シリコン内に配置される。もはやパスゲート内に浮遊体効果がないので、この構成は、安定性の利益を有する。さらに、ボディ効果(body effect)はパスゲートVtを増大させるので、バルク内にパスゲート(nFET N2及びN3)を配置することにより、pFETプルダウンとnFETパスゲートの電流駆動比率(ベータ)が増大される。SOI領域内のnFETプルダウンを維持することにより、これらのデバイスについてのSOIの速度の利点が維持される。
【0055】
図12は、タイプAのハイブリッドCMOS又はタイプAのHOT CMOSにおける6T−SRAMセルの概略を示す。nFET N1、N2、N3及びN4は、バルクCMOS内に配置される。nFETは、全て(100)結晶配向のシリコン内にあり、pFETは、(110)又は(100)結晶配向のシリコンとすることができる。パスゲートnFETデバイス及びプルダウンnFETデバイスの両方において浮遊体効果がないので、この実施形態は、最良のセル安定性を有する。より速いpFET(SOIからの、又は(110)結晶配向のシリコン移動度の改善のため)も安定性を改善し、セルの読み取り性能にほとんど影響を及ぼさない。
【0056】
図13は、タイプAのハイブリッドCMOSにおける6T−SRAMセルの概略を示す。プルダウンnFET N2及びN4が、バルクCMOS内に配置される。全てのトランジスタは、(100)結晶配向のシリコン内にある。バルクにおいてプルダウンnFETを有する場合、SOIにおけるVt問題への主誘因が排除されるが、パスゲートが、パスゲート上の減少した接合キャパシタンスがビットライン・キャパシタンスを減少させるので、依然としてSOIの速度の利点を維持するのを助ける。
【0057】
図14は、タイプAのハイブリッドCMOS又はタイプAのHOT CMOSにおける6T−SRAMセルの概略を示す。pFET P1及びP2は、バルクCMOS内に配置され、100シリコン又は110シリコンのいずれかとすることができる。前に列挙された実施形態よりセル安定性への著しい影響がない可能性が高いが、バルク内にpFETプルアップ・デバイスを配置することにより、安定性が改善される。
【0058】
図11〜図14に示される全ての実施形態において、ウェル・ノードは、ウェル・バイアス値を動的に調整することができるバイアス供給部に取り付けることができる。このことは、適応ウェル・バイアシング・スキームの使用を可能にする。ウェル・バイアスを適用することにより、バルク領域内のデバイスのVt値が調整可能になる。このVt制御は、より高い性能(低いVt)又は最適化された電力消費(高いVt)のために、回路を選択的に調整するのに非常に有用な技術である。
【0059】
本発明は、特に本発明の好ましい実施形態に関して示され説明されたが、当業者であれば、形態及び詳細における上記の及び他の変化は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしになされ得ることを理解するであろう。したがって、本発明は、説明され図示された正確な形態及び詳細に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲内に包含されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【0060】
【図1】ボディ・コンタクトを有する高性能SOIチャネルMOSFET半導体デバイスを含むCMOSデバイスを形成するのに用いられる基本処理ステップを示す(断面図による)図形的表示である。
【図2】ボディ・コンタクトを有する高性能SOIチャネルMOSFET半導体デバイスを含むCMOSデバイスを形成するのに用いられる基本処理ステップを示す(断面図による)図形的表示である。
【図3】ボディ・コンタクトを有する高性能SOIチャネルMOSFET半導体デバイスを含むCMOSデバイスを形成するのに用いられる基本処理ステップを示す(断面図による)図形的表示である。
【図4】ボディ・コンタクトを有する高性能SOIチャネルMOSFET半導体デバイスを含むCMOSデバイスを形成するのに用いられる基本処理ステップを示す(断面図による)図形的表示である。
【図5】ボディ・コンタクトを有する高性能SOIチャネルMOSFET半導体デバイスを含むCMOSデバイスを形成するのに用いられる基本処理ステップを示す(断面図による)図形的表示である。
【図6】ボディ・コンタクトを有する高性能SOIチャネルMOSFET半導体デバイスを含むCMOSデバイスを形成するのに用いられる基本処理ステップを示す(断面図による)図形的表示である。
【図7】互いに接合し、図1−図6に説明される方法において用いることができる種々のウェハの図形的表示である。
【図8】互いに接合し、図1−図6に説明される方法において用いることができる種々のウェハの図形的表示である。
【図9】互いに接合し、図1−図6に説明される方法において用いることができる種々のウェハの図形的表示である。
【図10】SOI基板における従来の6T SRAMセルの概略的表示である(従来技術)。全てのトランジスタについてのボディ・ノードが浮遊している。全てのトランジスタは、通常、(100)結晶配向のシリコン内にある。
【図11】本発明のハイブリッド・バルク−SOI 6Tセルの概略的表示であり、概略における供給電圧(Vdd)の接地へのウェル・コンタクトは、バルク領域内のFETデバイスを示しており、こうしたウェル・コンタクトの省略は、SOI領域内の浮遊体デバイスを示している。
【図12】本発明のハイブリッド・バルク−SOI 6Tセルの概略的表示であり、概略における供給電圧(Vdd)の接地へのウェル・コンタクトは、バルク領域内のFETデバイスを示しており、こうしたウェル・コンタクトの省略は、SOI領域内の浮遊体デバイスを示している。
【図13】本発明のハイブリッド・バルク−SOI 6Tセルの概略的表示であり、概略における供給電圧(Vdd)の接地へのウェル・コンタクトは、バルク領域内のFETデバイスを示しており、こうしたウェル・コンタクトの省略は、SOI領域内の浮遊体デバイスを示している。
【図14】本発明のハイブリッド・バルク−SOI 6Tセルの概略的表示であり、概略における供給電圧(Vdd)の接地へのウェル・コンタクトは、バルク領域内のFETデバイスを示しており、こうしたウェル・コンタクトの省略は、SOI領域内の浮遊体デバイスを示している。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
6T−SRAMセル半導体構造体であって、
同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有するSOI領域及びバルク−Si領域を含む基板と、
前記バルク−Si領域から前記SOI領域を分離する分離領域と、
前記バルク−Si領域の下にあるウェル領域、及び前記ウェル領域へのコンタクトであって、前記コンタクトは、浮遊体効果を安定化させ、バイアス電圧の印加により前記バルク−Si領域内のFETの閾値電圧を調整するための手段を提供する、コンタクトと、
(a)前記バルク−Si領域内に配置された2つのパスゲートnFETデバイス、並びに、前記SOI領域内に配置された2つのプルダウンnFETデバイス及び2つのプルアップpFETデバイス、(b)前記バルク−Si領域内に配置された2つのパスゲートnFETデバイス及び2つのプルダウンnFETデバイス、並びに、前記SOI領域内に配置された2つのプルアップpFETデバイス、(c)前記バルク−Si領域内に配置された2つのプルダウンnFETデバイス、並びに、前記SOI領域内に配置された2つのパスゲートnFETデバイス及び2つのプルアップpFETデバイス、及び(d)前記バルク−Si領域内に配置された2つのプルアップpFETデバイス、並びに、前記SOI領域内に配置された1つのプルダウンnFET及び1つのパスゲートnFETからなる群から選択されるデバイス構成と
を備える、6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項2】
前記デバイス構成(a)が存在する、請求項1に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項3】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ結晶配向を有する、請求項2に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項4】
前記同じ結晶配向は(100)である、請求項3に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項5】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、異なる結晶配向を有する、請求項2に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項6】
前記異なる結晶配向は、(100)、(110)、又は(111)を含む、請求項5に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項7】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ半導体材料又は異なる半導体材料を含む、請求項2に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項8】
前記半導体材料は、Si含有半導体材料である、請求項7に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項9】
前記デバイス構成(b)が存在する、請求項1に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項10】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ結晶配向を有する、請求項9に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項11】
前記同じ結晶配向は(100)である、請求項10に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項12】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、異なる結晶配向を有する、請求項9に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項13】
前記異なる結晶配向は、(100)、(110)、又は(111)を含む、請求項12に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項14】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ半導体材料又は異なる半導体材料を含む、請求項9に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項15】
前記半導体材料は、Si含有半導体材料である、請求項14に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項16】
前記デバイス構成(c)が存在する、請求項1に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項17】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ結晶配向を有する、請求項16に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項18】
前記同じ結晶配向は(100)である、請求項17に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項19】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、異なる結晶配向を有する、請求項16に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項20】
前記異なる結晶配向は、(100)、(110)、又は(111)を含む、請求項19に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項21】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ半導体材料又は異なる半導体材料を含む、請求項16に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項22】
前記半導体材料は、Si含有半導体材料である、請求項21に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項23】
前記デバイス構成(d)が存在する、請求項1に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項24】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ結晶配向を有する、請求項23に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項25】
前記同じ結晶配向は(100)である、請求項24に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項26】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、異なる結晶配向を有する、請求項23に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項27】
前記異なる結晶配向は、(100)、(110)、又は(111)を含む、請求項26に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項28】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ半導体材料又は異なる半導体材料を含む、請求項23に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項29】
前記半導体材料は、Si含有半導体材料である、請求項28に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項30】
半導体構造体であって、
同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有するSOI領域及びバルク−Si領域を含むハイブリッド基板上に配置された6T−SRAMセルと、
前記バルク−Si領域内のデバイスの下にあるウェル領域、及び前記ウェル領域へのコンタクトであって、前記コンタクトは、浮遊体効果を安定化させ、バイアス電圧の印加により前記バルク−Si領域内のFETの閾値電圧を調整するための手段を提供する、コンタクトと
を備える、半導体構造体。
【請求項1】
6T−SRAMセル半導体構造体であって、
同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有するSOI領域及びバルク−Si領域を含む基板と、
前記バルク−Si領域から前記SOI領域を分離する分離領域と、
前記バルク−Si領域の下にあるウェル領域、及び前記ウェル領域へのコンタクトであって、前記コンタクトは、浮遊体効果を安定化させ、バイアス電圧の印加により前記バルク−Si領域内のFETの閾値電圧を調整するための手段を提供する、コンタクトと、
(a)前記バルク−Si領域内に配置された2つのパスゲートnFETデバイス、並びに、前記SOI領域内に配置された2つのプルダウンnFETデバイス及び2つのプルアップpFETデバイス、(b)前記バルク−Si領域内に配置された2つのパスゲートnFETデバイス及び2つのプルダウンnFETデバイス、並びに、前記SOI領域内に配置された2つのプルアップpFETデバイス、(c)前記バルク−Si領域内に配置された2つのプルダウンnFETデバイス、並びに、前記SOI領域内に配置された2つのパスゲートnFETデバイス及び2つのプルアップpFETデバイス、及び(d)前記バルク−Si領域内に配置された2つのプルアップpFETデバイス、並びに、前記SOI領域内に配置された1つのプルダウンnFET及び1つのパスゲートnFETからなる群から選択されるデバイス構成と
を備える、6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項2】
前記デバイス構成(a)が存在する、請求項1に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項3】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ結晶配向を有する、請求項2に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項4】
前記同じ結晶配向は(100)である、請求項3に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項5】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、異なる結晶配向を有する、請求項2に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項6】
前記異なる結晶配向は、(100)、(110)、又は(111)を含む、請求項5に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項7】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ半導体材料又は異なる半導体材料を含む、請求項2に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項8】
前記半導体材料は、Si含有半導体材料である、請求項7に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項9】
前記デバイス構成(b)が存在する、請求項1に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項10】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ結晶配向を有する、請求項9に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項11】
前記同じ結晶配向は(100)である、請求項10に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項12】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、異なる結晶配向を有する、請求項9に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項13】
前記異なる結晶配向は、(100)、(110)、又は(111)を含む、請求項12に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項14】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ半導体材料又は異なる半導体材料を含む、請求項9に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項15】
前記半導体材料は、Si含有半導体材料である、請求項14に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項16】
前記デバイス構成(c)が存在する、請求項1に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項17】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ結晶配向を有する、請求項16に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項18】
前記同じ結晶配向は(100)である、請求項17に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項19】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、異なる結晶配向を有する、請求項16に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項20】
前記異なる結晶配向は、(100)、(110)、又は(111)を含む、請求項19に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項21】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ半導体材料又は異なる半導体材料を含む、請求項16に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項22】
前記半導体材料は、Si含有半導体材料である、請求項21に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項23】
前記デバイス構成(d)が存在する、請求項1に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項24】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ結晶配向を有する、請求項23に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項25】
前記同じ結晶配向は(100)である、請求項24に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項26】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、異なる結晶配向を有する、請求項23に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項27】
前記異なる結晶配向は、(100)、(110)、又は(111)を含む、請求項26に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項28】
前記バルク−Si領域及び前記SOI領域は、同じ半導体材料又は異なる半導体材料を含む、請求項23に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項29】
前記半導体材料は、Si含有半導体材料である、請求項28に記載の6T−SRAMセル半導体構造体。
【請求項30】
半導体構造体であって、
同じ結晶配向又は異なる結晶配向を有するSOI領域及びバルク−Si領域を含むハイブリッド基板上に配置された6T−SRAMセルと、
前記バルク−Si領域内のデバイスの下にあるウェル領域、及び前記ウェル領域へのコンタクトであって、前記コンタクトは、浮遊体効果を安定化させ、バイアス電圧の印加により前記バルク−Si領域内のFETの閾値電圧を調整するための手段を提供する、コンタクトと
を備える、半導体構造体。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公表番号】特表2008−536334(P2008−536334A)
【公表日】平成20年9月4日(2008.9.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−506486(P2008−506486)
【出願日】平成18年3月27日(2006.3.27)
【国際出願番号】PCT/US2006/011167
【国際公開番号】WO2006/113061
【国際公開日】平成18年10月26日(2006.10.26)
【出願人】(390009531)インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】INTERNATIONAL BUSINESS MASCHINES CORPORATION
【Fターム(参考)】
【公表日】平成20年9月4日(2008.9.4)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年3月27日(2006.3.27)
【国際出願番号】PCT/US2006/011167
【国際公開番号】WO2006/113061
【国際公開日】平成18年10月26日(2006.10.26)
【出願人】(390009531)インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】INTERNATIONAL BUSINESS MASCHINES CORPORATION
【Fターム(参考)】
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