JP2000243911A - 静電気放電保護用半導体装置の製造方法 - Google Patents
静電気放電保護用半導体装置の製造方法Info
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- H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
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Abstract
ウェル工程時間を短縮しながら、ESDから効果的にチ
ップを保護できるESD保護用半導体装置の製造方法を
提供する。 【解決手段】本発明のESD保護用半導体装置は、半導
体基板の入力パッドと連結する接合領域が形成される第
1領域に第1導電型の第1不純物イオンが第1イオン注
入され第1不純物イオン層が形成される。その後、第1
領域を含む第2領域に第1導電型の第2不純物イオンが
第2イオン注入され、第1不純物イオン層上に第2不純
物イオン層が形成され、第1及び第2不純物イオン層の
両側の基板に第2導電型の第3不純物イオンが第3イオ
ン注入され第3不純物イオン層が形成される。次に、結
果物構造が熱処理されESD用第1導電型の第1ウェル
と前記第1ウェルと接する第2導電型の第2ウェルが形
成された後、第1及び第2ウェルに高濃度の第1導電型
の接合領域がそれぞれ形成される。ここで、第1ウェル
の上部エッジが前記第2ウェルへ突出される。
Description
方法に関し、特に、プロファイルウェル工程を利用した
静電気放電保護用半導体装置の製造方法に関する。
以下、ESD)は、半導体チップの信頼性を左右する要
素中の一つである。このようなESDは半導体チップの
取扱い時又は半導体チップをシステムに装着して使用す
る場合に発生され、半導体チップの損傷を引き起こす。
従って、ESDから半導体チップを保護するため、半導
体チップ内にESDに対する保護回路が提供される。
示す。図1を参照すれば、入力パッド100と内部回路
300との間にESD保護回路200が挿入される。E
SD保護回路200は並列連結したフィールドトランジ
スタFD及びNMOSトランジスタNMと、これらの間
に挿入された抵抗Rとを具備する。フィールドトランジ
スタのゲート及びドレインが入力パッド100に連結
し、そのソースは電力ソースVSSに連結する。フィー
ルドトランジスタFDはゲート酸化膜として作用する厚
いフィールド酸化膜を有する。また、そのドレインはE
SD保護回路200の入力段である。抵抗Rは入力パッ
ド100とNMOSトランジスタNM間で入力パッド1
00の電圧を降下する。抵抗Rはフィールドトランジス
タFD及びNMOSトランジスタNMのドレインに連結
し、NMOSトランジスタNMのゲート及びソースは電
力ソースVSSに連結する。
た高電圧が印加されると、フィールドトランジスタFD
がターンオン(TURN ON)され、前記高電圧が内部回路3
00へ印加されることが防止される。又、入力パッド1
00へESDにより電力ソースVSSの以下の高電圧が
印加される場合、NMOSトランジスタNMがターンオ
ンされ、前記高電圧が内部回路300へ印加されること
が防止される。
トランジスタFDを示す断面図である。図2を参照すれ
ば、半導体基板20上にLOCOS(LOCal Oxidation of Sil
icon)技術により第1乃至第3フィールド酸化膜21
a、21b、21cが形成される。第1および第3フィ
ールド酸化膜21a、21c間の第2フィールド酸化膜
21bはゲート酸化膜である。第2フィールド酸化膜2
1bの一側の基板20にESD用Nウェル22が形成さ
れ、Nウェル22と接するように基板20にPウェル2
3が形成される。第2フィールド酸化膜21b上にゲー
ト24が形成され、ゲート24の両側のNウェル22及
びPウェル23に第1及び第2N+接合領域25a、2
5bが形成される。第1N+接合領域25aはソースで
あり、第2N+接合領域25bは入力パッド100と連
結するドレインである。
の下部に形成されたESD用Nウェル22により、第2
N+接合領域25bでESDによって引き起こされる接
合スパイキングによる漏洩電流が防止され、PN接合部
分のブレークダウン電圧(breakdown voltage)が増加さ
れる。これにより、入力パッド100から印加されるE
SDが効果的に防止される。
3は、プロファイルウェル工程により、N型及びP型の
不純物イオンが深さによって段階的にイオン注入された
後、アニーリングによりN型及びP型の不純物イオンが
拡散されることにより形成される。この時、アニーリン
グが基板に段階的に注入された不純物により、短時間の
間に低温で進行されるに従って工程時間が短縮されると
いう効果がある。
段階的に注入された不純物により、半導体基板の深さに
よるウェルの不純物濃度分布プロファイルが不均一であ
るという短所がある。特に、こうした濃度分布プロファ
イルは、不純物イオンの濃度差とは異なる導電型のた
め、Pウェル23とESD用Nウェル22間の接合面
と、第2N+接合領域25bとESD用Nウェル22間
の接合面で一層不均一である。つまり、図2に示すよう
に、ESD用Nウェル22間の接合面近傍のPウェル2
3とESD用Nウェル22との間の接合面で谷(D;val
ley)が発生される。このような谷Dの深さはPウェル2
3の形成時に引き起こされるカウンタドーピングにより
一層深くなる。図3は基板の深さによる不純物濃度分布
プロファイルである。図3に示すように、第2N+接合
領域25bとESD用Nウェル22間の接合面の深さX
1と、谷Dの深さX2で不純物濃度が減少しながら更に
増加する不均一なプロファイルが現れる。
タの動作時、谷Dに電界が集中して谷Dでブレーキダウ
ンがまず発生され、電流の局部的混雑(locally crowdin
g)を引き起こす。結果として、局部的にディバイスが加
熱(heating)されディバイスの劣化を招く。また、この
ような電界集中により、第2N+接合領域25bで接合
スパイキングが発生される。これに従い、ESDが効果
的に防止されなくて結局はチップの損傷を引き起こす。
ル工程を利用してウェル工程時間を短縮しながら、ES
Dから効果的にチップを保護できるESD保護用半導体
装置の製造方法を提供することにある。
達成するため、本発明の第1実施例によるESD保護用
半導体装置は、まず半導体基板の前記入力パッドと連結
する接合領域の形成される第1領域に第1導電型の第1
不純物イオンが第1イオン注入され第1不純物イオン層
が形成される。次に、第1領域を含む第2領域に第1導
電型の第2不純物イオンが第2イオン注入され、第1不
純物イオン層上に第2不純物イオン層が形成され、第1
及び第2不純物イオン層の両側の基板に第2導電型の第
3不純物イオンが第3イオン注入され第3不純物イオン
層が形成される。その後、結果物構造が熱処理されES
D用第1導電型第1ウェルと前記第1ウェルと接する第
2導電型第2ウェルとが形成される。ここで、第1ウェ
ルのエッジ上部が第2ウェルへ突出される。その後、第
1及び第2ウェルに高濃度の第1導電型接合領域がそれ
ぞれ形成される。
第1領域より面積が大きく、第1及び第3イオン注入は
基板の深さにより第1及び第3不純物イオンを段階的に
イオン注入に注入する。
護用半導体装置は、入力パッドと連結する接合領域が形
成される半導体基板の第1領域に第1導電型の第1不純
物イオンが第1イオン注入され第1不純物イオン層が形
成される。次に、第1領域と隔離された基板の第2領域
に第2導電型の第2不純物イオンが第2イオン注入され
第2不純物イオン層が形成され、結果物構造の基板が熱
処理されESD用第1導電型第1ウェルが形成されると
同時に第1ウェルと隔離された第2導電型第2ウェルが
形成される。その後、第1及び第2ウェルに高濃度の第
1導電型接合領域が各々形成される。
注入は基板の深さによって第1及び第2不純物イオンが
段階的イオン注入に注入される。また、本発明の第3実
施例によるESD保護用半導体装置は、入力パッドと連
結する結合領域が形成される領域に第1導電型のESD
用第1ウェルが形成されると同時に、前記第1ウェルと
接しながらその上部エッジが前記第1ウェルへ突出され
た第2導電型第2ウェルが形成された半導体基板が提供
される。その後、第1及び第2ウェル上の一部に高濃度
の第1導電型不純物イオンが注入され第2ウェルの幅よ
り狭い幅を持つ不純物イオン層が形成され、結果物構造
の基板が熱処理され第1及び第2ウェルに第1及び第2
接合領域が形成される。ここで、第1接合領域は第1ウ
ェルの上部と実質的に接する。
面上で第1ウェルより面積が小さく第1及び第2ウェル
をプロファイルウェル工程により形成される。
本発明の実施例を説明する。図4A乃至図4Cは、本発
明の第1実施例によるESD保護用半導体装置の製造方
法を説明するための断面図である。
公知のLOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)技術により
第1乃至第3フィールド酸化膜41a、41b、41c
が形成される。第1及び第3フィールド酸化膜41a、
41c間の第2フィールド酸化膜41bはフィールドド
ランジスタFDのゲート酸化膜である。基板40上にフ
ォトリソグラフィーにより第2フィールド酸化膜41b
の一側の第1領域A1を露出させる第1マスクパターン
42が形成される。第1マスクパターン42をイオン注
入マスクとして、露出された第1領域A1へのN型不純
物イオンが段階的に注入され、第1N型の不純物イオン
層43aが形成される。
4Aの第1マスクパターン42が除去され、基板40上
にフォトリソグラフィーにより第1フィールド酸化膜4
1bの一側の第2領域A2を露出させる第2マスクパタ
ーン44が形成される。平面上で、第2領域A2は第1
領域A1より面積が大きく、第1領域A1を含む。第2
マスクパターン44をイオン注入マスクとして、第2領
域A2でN型の不純物イオンがイオン注入され、第1N
型の不純物イオン層43a上に第2N型の不純物イオン
層43bが形成される。
4Bの第2マスクパターン44が除去され、フォトリソ
グラフィーにより第1及び第2領域A1、A2を除外し
た基板を露出させるPウェル用第3マスクパターン(図
示せず)が形成される。前記第3マスクパターンをイオ
ン注入マスクとして、露出された基板へP型の不純物イ
オンが深さによって段階的にイオン注入されP型の不純
物イオン層(図示せず)が形成される。その後、公知の方
法により前記第3マスクパターンが除去され、アニーリ
ングが進行される。この時、アニーリングは低温で短時
間に進行される。これに伴い、P型の不純物イオン層と
第1及び第2N型の不純物イオン層43a、43b(図
4B参照)とのイオンが拡散され、第2フィールド酸化
膜41bの一側にESD用Nウェル43が形成され、N
ウェル43と接するように基板40にPウェル45が形
成される。この時、図4Cに示すように、ESD用Nウ
ェル43の上部で第2領域A2に注入された第2N型の
不純物イオン43bによりエッジFがPウェル45へ突
出される。
ルド酸化膜41b上にゲートが形成され、ゲート両側の
Pウェル45とESD用Nウェル43上に第1及び第2
N+接合領域が形成される。ここで、第1N+接合領域
はソースであり、第2N+接合領域は以後の入力パッド
100(図1参照)と連結するドレインである。
不純物イオン層43bにより、ESD用Nウェル43の
上部エッジFがPウェル45へ突出され、Pウェル45
とESD用Nウェル43との間の接合面でESD用Nウ
ェル43に谷が発生されない。これに伴い、谷による局
部的電界集中が防止され、入力パッド100から印加さ
れるESDが効果的に防止される。
によるESD保護用半導体装置の製造方法を説明するた
めの断面図である。
公知のLOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)技術により
第1乃至第3フィールド酸化膜51a、51b、51c
が形成される。第1及び第3フィールド酸化膜51a、
51c間の第2フィールド酸化膜51bはフィールドト
ランジスタFDのゲート酸化膜である。基板50上にフ
ォトリソグラフィーにより第2フィールド酸化膜51b
の一側を露出させる第1マスクパターン52が形成され
る。第1マスクパターン52をイオン注入マスクとし
て、露出された領域へN型の不純物イオンが段階的に注
入されてN型の不純物イオン層53aが形成される。
5Aの第1マスクパターン52が除去され、基板50上
にフォトリソグラフィーによりフィールドトランジスタ
領域RをマスキングするPウェル用第2マスクパターン
54が形成される。
をイオン注入マスクとして、露出された基板へP型の不
純物イオンが深さによって段階的にイオン注入され、P
型の不純物イオン層が形成される。その後、公知の方法
により前記図5Bの第2マスクパターン54が除去さ
れ、アニーリングが進行される。これに伴い、前記P型
の不純物イオン層とN型の不純物イオン層53a(図5
B参照)のイオンが拡散され、ESD用Nウェル53と
Pウェル55が形成される。その後、図面には示されな
いが、第2フィールド酸化膜51b上にゲートが形成さ
れ、ゲート両側に第1及び第2N+接合領域が形成され
る。ここで、第1N+接合領域はソースであり、第2N
+接合領域は以後の入力パッド100(図1参照)と連結
するドレインである。
トランジスタ領域RにはPウェル55が形成されなく
て、ESD用Nウェル53とPウェル55との間の接合
がなされないので、接合間に谷が発生されない。また、
P型の不純物イオンのイオン注入時、第2マスクパター
ン54によりフィールドトランジスタ領域Rがマスキン
グされるので、カウンタドーピングが発生されない。こ
れに伴い、谷による局部的電界集中が防止され、入力パ
ッド100から印刷されるESDが効果的に防止され
る。
ないので、フィールドトランジスタFDの設計時チャン
ネル長を従来より長く設定して漏洩電流を防止する。
によるESD保護用半導体装置の製造方法を説明するた
めの断面図である。
公知のLOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)技術により
第1乃至第3フィールド酸化膜61a、61b、61c
が形成される。第1及び第3フィールド酸化膜61a、
61c間の第2フィールド酸化膜61bはフィールドト
ランジスタFDのゲート酸化膜である。第2フィールド
酸化膜61bの一側の基板を露出させる第1マスクパタ
ーン(図示せず)が形成される。前記第1マスクパターン
をイオン注入マスクとして、露出された基板へN型の不
純物イオンが段階的にイオン注入され、N型の不純物イ
オン層(図示せず)が形成される。公知の方法により前記
第1マスクパターンが除去され、フォトリソグラフィー
によりPウェル用第2マスクパターン(図示せず)が形成
される。前記第2マスクパターンをイオン注入マスクと
して、基板へのP型の不純物イオンが深さにより段階的
にイオン注入され、P型の不純物イオン層(図示せず)が
形成される。
バターンが除去され、アニーリングが進行される。この
時、アニーリングは低温で短時間に進行される。これに
伴い、P型の不純物イオン層とN型の不純物イオン層の
イオンが拡散され、第2フィールド酸化膜41bの一側
にESD用Nウェル63が形成され、ESD用Nウェル
64と接するように基板60にPウェル65が形成され
る。この時、図6Aに示されたように、Pウェル65の
上部エッジがESD用Nウェル63へ突出され、ESD
用Nウェル63とPウェル65間の接合面の上部でネガ
ティブ不純物濃度プロファイルが現れる。その後、フォ
トリソグラフィーにより基板60上にゲート66の両側
のPウェル65及びESD用Nウェル63の一部を露出
させる第3マスクパターン67が形成される。このと
き、第3マスクパターン67により露出された領域の面
積は平面上においてESD用Nウェルの面積より小さ
い。次に第3マスクパターン67をイオン注入マスクと
して、露出されたPウェル65及びESD用Nウェル6
3上にN+不純物イオンが注入されN+不純物イオン層
68が形成される。
2マスクパターン67が除去され、アニーリングが進行
され第1及び第2N+接合領域69a、69bが形成さ
れる。この時、第2N+接合領域69bはESD用Nウ
ェル65の上部と実質的に接する。また、第1N+接合
領域69aはソースであり、第2N+接合領域69bは
以後の入力パッド100(図1参照)と連結するドレイン
である。
ウェル63とPウェル65との間の接合面の上部にネガ
ティブ不純物濃度プロファイルが現れても、第3マスク
パターン67によりESD用Nウェル63とPウェル6
5間の接合面上にN+不純物イオンが注入されないた
め、ESD用Nウェル63に谷が発生されない。これに
伴い、谷による電界集中が防止され、入力パッド100
から印加されるESDが効果的に防止される。
ウェル工程に従う不純物イオンの注入時ESD用Nウェ
ルとPウェル用マスクパターンを変形させることによ
り、ESD用Nウェルに谷の発生が防止される。また、
接合領域を形成するためのマスクパターンを変形させる
ことにより、ESD用Nウェルに谷の発生が防止され
る。これに伴い、プロファイルウェル工程によりウェル
工程時間が短縮されると同時に、谷による局部的な電界
集中が防止され、入力パッド100から印加されるES
Dが効果的に防止される。つまり、ESDからチップが
効果的に保護される。
の技術要旨から逸脱しない範囲内で多様に変形させ実施
できる。
図である。
不純物濃度プロファイルを示す。
D保護用半導体装置の製造方法を説明するための断面図
である。
D保護用半導体装置の製造方法を説明するための断面図
である。
D保護用半導体装置の製造方法を説明するための断面図
である。
1a、61b、61c…フィールド酸化膜 42、44、52、54、67…マスクパターン 43、53、63…Nウェル 45、55、65…Pウェル R…フィールドトランジスタ領域 68…N+不純物イオン層 69a、69b…N+接合領域
Claims (10)
- 【請求項1】入力パッドと内部回路との間に挿入され、
前記入力パッドから印加されるESDを防止するESD
保護用半導体装置の製造方法において、半導体基板の前
記入力パッドと連結する接合領域が形成される第1領域
に第1導電型の第1不純物イオンを第1イオン注入して
第1不純物イオン層を形成する段階、前記第1領域を含
む第2領域に第1導電型の第2不純物イオンを第2イオ
ン注入し、前記第1不純物イオン層上に第2不純物イオ
ン層を形成する段階、前記第1及び第2不純物イオン層
の両側の基板に第2導電型の第3不純物イオンを第3イ
オン注入して第3不純物イオン層を形成する段階、及
び、前記結果物構造を熱処理してESD用第1導電型の
第1ウェルと前記第1ウェルと接する第2導電型の第2
ウェルを形成する段階を含み、前記第1ウェルの上部エ
ッジが前記第2ウェルに突出されたことを特徴とするE
SD保護用半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】前記第1及び第2ウェルに高濃度の第1導
電型の接合領域をそれぞれ形成する段階を更に含むこと
を特徴とする。請求項1記載のESD保護用半導体装置
の製造方法。 - 【請求項3】前記第2領域は平面上で前記第1領域より
面積が大きいことを特徴とする請求項1記載のESD保
護用半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】前記第1及び第3イオン注入は、前記基板
の深さによって前記第1及び第3不純物イオンを段階的
にそれぞれ注入することを特徴とする請求項1記載のE
SD保護用半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】入力パッドと内部回路との間に挿入され、
前記入力パッドから印加されるESDを防止するESD
保護用半導体装置の製造方法において、前記入力パッド
と連結する接合領域が形成される半導体基板の第1領域
に第1導電型の第1不純物イオンを第1イオン注入して
第1不純物イオン層を形成する段階、前記第1領域と離
隔された前記基板の第2領域に第2導電型の第2不純物
イオンを第2イオン注入して第2不純物イオン層を形成
する段階、及び、前記結果物構造の基板を熱処理してE
SD用第1導電型第1ウェルを形成すると同時に前記第
1ウェルと離隔された第2導電型の第2ウェルを形成す
る段階を含むことを特徴とするESD保護用半導体装置
の製造方法。 - 【請求項6】前記第1及び第2ウェルに高濃度の第1導
電型の接合領域をそれぞれ形成する段階を更に含むこと
を特徴とする請求項5記載のESD保護用半導体装置の
製造方法。 - 【請求項7】前記第1及び第2イオン注入は前記基板の
深さによって前記第1及び第2不純物イオンを段階的に
それぞれ注入することを特徴とする請求項5記載のES
D保護用半導体装置の製造方法。 - 【請求項8】入力パッドと内部回路との間に挿入され、
前記入力パッドから印加されるESDを防止するESD
保護用半導体装置の製造方法において、前記入力パッド
と連結する接合領域が形成される領域に第1導電型のE
SD用第1ウェルが形成されると同時に前記第1ウェル
と接しながらその上部エッジが前記第1ウェルに突出さ
れた第2導電型の第2ウェルが形成された半導体基板を
提供する段階、前記第1及び第2ウェル上の一部に高濃
度の第1導電型不純物イオンを注入し前記第2ウェルの
幅より狭い幅を持つ不純物イオン層を形成する段階、及
び、前記結果物構造の基板を熱処理して前記第1及び第
2ウェルに第1及び第2接合領域を形成する段階を含
み、前記第1接合領域は前記第1ウェルの上部と実質的
に接することを特徴とするESD保護用半導体装置の製
造方法。 - 【請求項9】前記不純物イオン層は平面上で前記第1ウ
ェルより面積が小さいことを特徴とする請求項8記載の
ESD保護用半導体装置の製造方法。 - 【請求項10】前記第1及び第2ウェルはプロファイル
ウェル工程で形成することを特徴とする請求項8記載の
ESD保護用半導体装置の製造方法。
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