JP2001513270A - 改良されたオン状態特性を有する高電圧薄膜トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

改良されたオン状態特性を有する高電圧薄膜トランジスタ及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、特にソースフロワーモードにおいて改善された電流処理能力を有すると共に改善された降伏電圧能力を有するＳＯＩＬＤＭＯＳに関するものである。電流処理能力の改善は、第１の実施例においてソース領域と薄いドリフト領域との間にオフセット領域を導入することにより達成される。オフセット領域は、線形不純物濃度プロファイルの先頭部分と薄いドリフト領域を構成するＳＯＩ層の薄くなる部分との間に変移を形成する。第２の実施例において、オフセット領域の上側に酸化層を形成しこの酸化層の厚さを薄いドリフト領域の上側に形成した酸化層の厚さの約半分の厚さとすることにより、ＳＯＩデバイスの電流処理能力が一層増大する。

Description

【発明の詳細な説明】 改良されたオン状態特性を有する高電圧薄膜トランジスタ 及びその製造方法 Ｉ．発明の分野 本発明は、オン状態で動作する際改良された電力処理能力を有する薄膜半導体 −オン−絶縁体（ＳＯＩ）デバイスを構成する。特に、本発明は特有のＳＯＩデ バイスアーキテクチャ及びこのデバイスを製造する方法を構成し、このデバイス は本体領域とドリフト領域との間に厚さの変化するオフセット領域を導入し、Ｓ ＯＩデバイスの電流処理能力を顕著に改善する。 II．発明の背景 本発明は高電圧の用途に適合する集積回路装置、特に半導体−オン−絶縁体（ ＳＯＩ）技術を用いて製造され、改良されたオン状態電力処理能力を有すると共 に改良されたオフ状態電圧降伏性能を維持する集積回路装置に関するものである 。 従来の高電圧トランジスタは高電圧を切り換えるために用いられる。これらの 装置を用いる場合、高電圧トランジスタの機能を切り換えるために関連する制御 回路（好ましくは、複雑な用途の集積回路）を用いる必要がある。関連する制御 回路は典型的には高電圧トランジスタよりも一層低い電圧で動作する。動作電圧 差を含む多くの実際の理由により、低電圧制御回路及び高電圧トランジスタは同 時に個別のデバイスとして製造されている。 最大パッケージング効率及び全部品点数の低減を図る目的を達成するため、高 電圧トランジスタ及び関連する制御回路を集積回路として製造することが望まし い。単一の集積回路として製造するためには、これら回路の低電圧部分を高電圧 部分から電気的に分離しこれらの回路が所定の用途に対して十分な電流処理能力 を果たす必要がある。 これらの要件は、高電圧トランジスタ集積回路の２個の個別の動作モード、す なわちオフ状態及びオン状態に関連する。オフ状態性能は降伏電圧能力により評 価される。オン状態性能はオン抵抗及び電流処理能力により評価される。装置の オフ状態中に生ずる第１の問題は、デバイスのオフ状態中の電圧降伏を含む。こ のような問題は、種々の構成素子及びサブ回路段の不適切な電気的分離により生 じ、このデバイスは突発的なオン状態への電圧降伏を受け易かった。 集積回路内の素子を電気的に分離する方法として所謂「誘電体分離法」がある 。この方法において、酸化シリコンのような電気的絶縁材料を用いて種々の電気 的電位で動作する個々の素子を分離している。誘電体分離法の一例として所謂「 シリコン−オン−絶縁体」（ＳＯＩ）技術があり、この技術では「絶縁体」とし て酸化シリコンが該当し「シリコン」は絶縁層上に堆積した半導体層が相当する 。この技術において、デバイスは約０．１〜２μｍの厚さのシリコン層内に形成 され、典型的には０．１〜５μｍの厚さの酸化シリコンの誘電体によりシリコン 基板から分離されている。 高電圧集積回路の電圧降伏性能に対する別の改善は、本体領域とドレイン領域 との間の薄いドリフト領域に線形不純物濃度プロファイルを導入することにより 達成される。本明細書において参考として記載するMerchant等の米国特許第５３ ００４４８号は特に高い電圧降伏性能、特に極めて薄い（１μｍ以下）ＳＯＩ膜 における電圧降伏性能を達成するデバイス構造及びその製造方法を開示している 。これらのデバイスはオフ状態中に高い電圧降伏性能（＞７００ボルト）を達成 し、比較的高い電流処理能力が要求される場合に遭遇する第２の制約がないとす れば、多くの高電圧の用途に有効な設計策を与えている。本発明の主題は、極め て薄い（１μｍ以下）のＳＯＩ膜を有するデバイスをさらに改善し、電流及び電 力処理能力を改善することによりこの制約を解消することにある。 この解決すべき問題及び解消すべき制約は、このデバイスの本体領域と隣接す る薄膜層でのピンチオフに対する感受性と関連する。この課題は、ソースフロワ ー（ソースがハイとなる）で動作するＳＯＩデバイスの用途で特に明確である。 電力トランジスタの重要な使用は、任意の波形及び周波数を合成するために用い られる集積化されたブリッジ回路においてである。典型的な例は電子的バラスタ 及びモータ駆動回路である。このような回路において、２個のスイッチの上側の スイッチ、すなわちソースフロワーハイサイドトランジスタ（high side transi stor）のソースは接地電位以上でフローティングする必要があり、この回路中 の最も高い電圧にバイアスされる。ソース電極が基板（ゼロ又は接地電位）に対 して正バイアスされると、このデバイスのドリフト領域の一部分が空乏化し、電 流に有用な断面積が減少するので、オン抵抗が増加する。さらに、シリコン基板 は電流を高ドレイン電圧に飽和させる電界プレートとして作用する。ドリフト領 域内の空乏層は飽和電流を減少させることになる。 線形不純物濃度プロファイルが降伏電圧能力を増大させるのは薄膜層において だけであるため、層の厚さを均一に増大させることは、デバイスの電力処理能力 を増大することにはならない。このような制約は比較的高い電力処理能力が要求 される薄膜ＳＯＩデバイスの有用性を制限することになる。 III．発明の概要 従って、本発明の目的は、薄膜高電圧ＳＯＩデバイスの所望の電圧降伏性能を 維持しながらこのデバイスの電流及び電力処理能力増大させることにある。 本発明の別の目的は、薄膜高電圧ＳＯＩデバイスの所望の電圧降伏性能を維持 しながらこのデバイスのオン抵抗を低減することにある。 本発明のさらに別の目的は、デバイスの寸法を受け入れることができない程度 に大きくすることなく、薄膜高電圧ＳＯＩデバイスの電流及び電力処理能力を高 めることにある。 さらに、本発明の別の目的は、デバイスの寸法を受け入れることができない程 度に大きくすることなく、薄膜高電圧ＳＯＩデバイスのオン抵抗を低減すること にある。 従って、本発明の別の目的は、薄膜高電圧ＳＯＩデバイスがソースフロワーで 動作する際、このデバイスの電流及び電力処理能力を高めることにある。 従って、本発明の別の目的は、薄膜高電圧ＳＯＩデバイスがソースフロワー で動作する際、このデバイスのオン抵抗を低減することにある。 従って、本発明の別の目的は、改善された電流及び電力処理能力を有し安価に 製造することができる薄膜高電圧ＳＯＩデバイスを提供することにある。 従って、本発明の別の目的は、改善された電流及び電力処理能力を有する薄膜 高電圧ＳＯＩデバイスの製造方法を提供することにある。 従って、さらに本発明の別の目的は、減少したオン抵抗を有する薄膜高電圧Ｓ ＯＩデバイスの製造方法を提供することにある。 従って、本発明のさらに別の目的は、ソースフロワーで動作する際改善された 電流及び電力処理能力を有する薄膜高電圧ＳＯＩデバイスの製造方法を提供する ことにある。 従って、本発明の目的は、ソースフロワーで動作する際減少したオン抵抗を有 する有する薄膜高電圧ＳＯＩデバイスの製造方法を提供することにある。 従来技術で遭遇する課題は、薄膜ＳＯＩデバイスのアーキテクチャを変更する ことにより本発明の実施例において解決される。ＬＤＭＯＳデバイスのドリフト 領域の薄くなり始める部分をドリフト領域の線形不純物濃度プロファイルの先頭 部分に対して変移させることにより、このデバイスの所望の電圧降伏性能を維持 しながら、このデバイスのソースフロワー電流を大幅に改善できることが判明し た。また、薄いドリフト領域の上側に形成した絶縁層の厚さの約半分の厚さに膜 厚が変化する酸化層をオフセット領域の上側に形成することにより、このデバイ スの所望の電圧降伏性能を維持しながら、このデバイスのソースフロワー電流処 理濃度を一層改善できることが判明した。 本発明の第１の実施例において、改善されたソースフロワー電流処理能力を有 する薄膜ＳＯＩデバイスは、シリコン基板上に堆積したＳＯＩ層を具える。この ＳＯＩ層に、横方向に沿ってソース領域、本体領域、オフセット領域、ドリフト 領域及びドレイン領域を順次形成する。ドリフト領域の上側に酸化層を形成する 。オフセット領域及びドリフト領域に線形不純物濃度プロファイルを形成して高 い降伏電圧能力を達成する。ドリフト領域の薄くなり始める部分を線形不純物濃 度プロファイルの先頭部分に対して変移させることによる本体領域と薄いドリフ ト領域との間のオフセット領域の形成により、従来の薄膜ＳＯＩデバイスで生ず る空乏効果が減少し、これによりこのデバイスの所望の電圧降伏性能を維持しな がらこのデバイスの電流及び電力処理能力が大幅に増大する。 本発明の第２の実施例において、同様に改善されたソースフロワー電流処理能 力を有する薄膜ＳＯＩデバイスは、シリコン基板上に堆積したＳＯＩ層を具える 。このＳＯＩ層に、横方向に沿ってソース領域、本体領域、オフセット領域、ド リフト領域及びドレイン領域を順次形成する。ドリフト領域及びオフセット領域 の 上側に酸化層を形成する。オフセット領域の上側の酸化層の厚さは、ドリフト領 域の上側の酸化層の厚さの約半分まで変化する。線形不純物濃度プロファイルを オフセット領域及びドリフト領域に設けてこのデバイスの高い降伏電圧濃度を実 現する。オフセット領域の上側の酸化層の形成により、オフセット領域の横方向 の範囲を一層増大することができ、これによりデバイスの所望の電圧降伏性能を 維持しながらこのデバイスのソースフロワー電流処理能力が一層増大する。 ＳＯＩデバイスのソースフロワー電流処理能力の改善を達成する本発明の方法 は、薄いＳＯＩ膜の本体領域とドリフト領域との間にオフセット領域を導入する 別の工程を有する形成技術を含む。これらの形成工程は、ドリフト領域の先頭部 を線形不純物濃度プロファイルの先頭部に対して変位させる効果を有する。本発 明の別の方法は、薄いドリフト領域の上側に堆積した酸化層の厚さの約半分の厚 さを有する酸化層をオフセット領域の上側に形成する形成工程を含む。オフセッ ト領域の上側に酸化層を形成することにより、オフセット領域の横方向の範囲を 増大することができ、これによりデバイスの降伏電圧能力を低下することなくデ バイスのソースフロワー電流処理能力を一層増大することができる。 IV．図面の簡単な説明 本発明の上述され及び別の目的及び作用効果添付図面と関連する以下の詳細な 説明を考慮することにより明らかにする。 図１は従来の薄膜高電圧ＳＯＩトランジスタの断面図であり、 図２は一方のトランジスタがソースフロワーモードで動作する一対の薄膜高電 圧ＳＯＩトランジスタを具える典型的なハーフブリッジ回路を平面図として図示 し、 図３は本発明の第１実施例の断面図を示し、 図４は本発明の第２実施例の断面図を示し、 図５は図１に示す従来技術の装置との比較における図３及び図４に示す本発明 の２個の実施例のドレイン電圧対ドレイン電流のグラフを示し、 図６は線形横方向電荷プロファイルをＳＯＩ層に形成する工程を示し、 図７は酸化層をドリフト領域上に成長形成する工程を示し、 図８は酸化層をオフセット領域上側に成長形成する工程を示し、 図９はポリシリコンゲートをデバイスに形成する工程を示し、 図１０はＰＩチャネル注入を実行する工程を示し、 図１１はデバイスにソース領域及びドレイン領域を形成する工程を示す。 Ｖ．好適実施例の詳細な説明 Ａ．従来の技術 図１は従来技術により作られた従来の高電圧ＳＯＩＬＤＭＯＳトランジスタを 示す。このトランジスタは基板１０、酸化層２０、エピタキシャル膜層３０、ソ ース電極６０、ゲート電極７０及びドレイン電極８０を具える。ソース領域３１ から説明を始めるに、薄膜層３０は、横方向の左側から右側へソース領域３１、 本体領域３２、薄いドリフト領域３５及びドレイン領域３６を順次構成する。薄 膜層３０の上側には、ゲート酸化層４１及びドリフト領域絶縁層４２を形成する 。ゲート酸化層４１及びドリフト領域絶縁層４２の上側には、ポリシリコンのゲ ート５０を形成する。高い降伏電圧能力を達成するため、ドリフト領域３５は１ μｍ以下に薄くし、このドリフト領域に線形を不純物濃度プロファイルを導入す る。この不純物濃度プロファイルは、濃度が最低となる本体領域３２付近の領域 から濃度が最高になるドレイン領域３４と隣接するドリフト領域まで変化する。 図１の装置の線形な不純物濃度プロファイルの先頭部分はドリフト領域３５を構 成するＳＯＩ層３０の薄くなりはじめた部分と一致し、両者は基準線５で示す原 点がらスタートする。このデバイス形態は高い降伏電圧能力（＞７００ボルト） を達成することができる。しかしながら、図２に示す装置フロワーモードにおい て、この従来の装置は種々の問題が生じてしまう。 図２は同一チイップ上に２個の電力トランジスタを含む典型的な集積化された ハーフブリッジ回路を示す。この回路は、制御回路９２、ソースフロワートラン ジスタ９４、共通のソーストランジスタ９６及び負荷９８を具える。この回路に おいて、ソースフロワートランジスタ９４のソース接続点は動作条件に応じて７ ００Ｖに達するバイアスを印加される。 ソース電極に基板に対して正バイアス（Ｖs）を印加すると、この装置の本体 領域３２と隣接するドリフト領域３５の部分３３が空乏化し、電流の流れに有用 て断面領域が減少し、この結果オン抵抗が増大してしまう。さらに、シリコン基 板が電界プレートとして作用し、これにより高いドレイン電圧において電流が飽 和する。ドリフト領域内の空乏層は飽和電流の大きさを小さくする。図５の曲線 （ａ）は従来技術により製造された装置のドレイン電流対ドレイン電圧特性を示 し、この装置の比較的低い電流処理能力を示している。本発明は、これらの課題 を解決し、この装置の電流処理能力を以下の方法で改良する。 Ｂ．第１実施例 図３は本発明の第１実施例を示す。このトランジスタは、基板１１０、酸化層 １２０、エピタキシャル膜層１３０、ソース電極１６０、ゲート電極１７０、及 びドレイン電極１８０を具える。ソース領域１３１から説明を始めるに、薄膜層 １３０は、横方向の左側から右側にソース領域１３１、本体領域１３２、オフセ ット領域１３４、ドリフト領域１３５及びドレイン領域１３６を順次具える。薄 膜層１３０の上側に、ゲート酸化層１４１及びドリフト領域絶縁層１４２を形成 する。ゲート酸化層１４１及びドリフト領域絶縁層１４２の上側に、ポリシリコ ンゲート１５０を形成する。図１において、ドリフト領域の薄くなりはじめた先 頭部分及び線形不純物濃度プロファイルの先頭部分は原点５において一致してい る。図３の装置においては、線形不純物濃度プロファイルは原点１０５からはじ まり、ドリフト領域の薄くなりはじめる部分は原点１０５と一致せず、基準線１ ０５と基準線１０６との間の横方向距離である距離Ｄだけ変移する。薄いドリフ ト領域１３５よりも厚い厚さを有するオフセット領域１３４を導入することによ り、本体領域１３２と隣接する電流の流れに有用な断面領域が図１の装置よりも 大幅に増大する。 オフセット領域１３４を導入することにより、２μｍ変移した図５の曲線（ｂ ）に示すように、ＳＯＩデバイス構造の高電圧降伏性能を損なうことなくソース フロワー飽和電流が大幅に増大する。この結果、ソースフロワーモードで負荷へ 高い電力レベルを供給できる装置が得られる。このデバイス構造体は、例えば１ １００Ｖまでの広い電圧範囲（つまり、用途）にわたって用いることができる。 この電圧範囲において、典型的な装置寸法は以下の通りである。ＳＯＩ層の厚さ ：０．２５〜１．５μｍ、埋め込まれた酸化層の厚さ：１．０〜６．０μｍ、オ フセット領域の長さＤ：２〜６μｍ、オフセット領域の厚さＴoffset：１．０〜 １． ５μｍ、ドリフト領域の長さＬ：１０．０〜１００．０μｍ、ドリフト領域の厚 さＴdrift：０．２〜０．５μｍ この装置の高い降伏電圧能力は、線形不純物能力プロファイルをオフセット領 域１３４及び薄いドリフト領域１３５に導入することにより達成される。このプ ロファイルは、本体領域１３２と隣接するオフセット領域１３４で最小となり、 ドレイン領域１３６と隣接する薄いドリフト領域で最大となるように変化する。 この不純物濃度プロファイルは以下の式に基づいて最適に変化する。この式にお いて、Ｑ（０）は最小不純物濃度値、Ｘは基準原点１０５からの横方向距離、Ｌ は薄いドリフト領域の長さ、及びＤはオフセット領域の長さである。 Ｑ（Ｘ）＝Ｑ（０）＋（Ｘ／（Ｌ＋Ｄ））Ｑmax Ｑ（０）の典型的な値は６×１０11cm-2〜１．５×１０12cm-2の範囲にあり、Ｑmax の典型的な値は１．４×１０13cm-2〜３．４×１０13cm-2の範囲である。 図１の装置の対比における図３の装置の改良されたソースフロワ電流処理能力 は、ドリフト領域酸化層マスクを線形不純物濃度プロファイルに対して距離Ｄだ け変移させることにより達成される。結果として、オフセット領域１３４のＳＯ Ｉ層１３０は図１の装置の対応する領域３３よりも一層厚くなると共に大幅に横 方向に拡がる。この厚さの差異は、いかなるバックグランド電荷レベルＱに対し ても、図３の装置のオフセット領域１３４の体積不純物濃度が図１の装置の本体 領域３２と直接隣接する薄いドリフト領域３３の体積不純物濃度よりも低くなる ことを意味する。 キャリヤの移動度は体積不純物濃度の関数であり、体積不純物濃度レベルが増 大するにしたがって遅くなる。図３の装置のオフセット領域１３４における移動 度は、いかなるバックグランド電荷レベルにおいても図１の装置の本体領域と直 接隣接する薄いドリフト領域３３における移動度よりも高いので、オーミック電 流は一層大きくなる。従って、このオフセット領域構造は、ソースがローのバイ アスモード及びソースがハイのバイアスモードの両方のモードにおいて飽和電流 を増大させる。 オフセット領域構造の効果は、ソースがハイのバイアスモードで一層顕著にな る。図１及び図３の装置の各ソース領域は基板ウエハのバイアスよりも高くバイ アスされるので、図１の装置の領域３３及び図３の装置のオフセット領域１３４ に空乏反転層が形成される。図１の装置は、その層の厚さが図３の装置の厚いオ フセット領域１３４に比べても一層薄いので、特に空乏層が形成され易い。図１ の装置において形成される空乏層の結果として、図１の装置の領域３３を流れる 電流に有用な断面領域が大幅に減少し、これによりこの装置の飽和電流が減少す る。 層の厚さを厚くすることの相対的効果は、図３のオフセット領域を電圧制御抵 抗として取り扱うことにより決定することができる。この場合、飽和電流密度は 以下のように表わすことができる。 Ｊsat〜ｑｖsat（ｔsoi−ｗ）Ｑ／ｑｔsoi （１） ここで、Ｑはバックグランド電荷レベルであり、ｔsoiはオフセット領域１３４ 又は領域３３のＳＯＩ層の厚さであり、ｖsatは飽和速度であり、ｗはソースフ ロワバーイアスによる基板ＭＯＳキャパシタからの空乏層の幅である。最大空乏 層の幅は以下のように表わすことができる。 ｗ(x)＝〔（４esiｔsoi（x）Ｖｆ（x）／Ｑ(t)〕1/2 （２） ここで、ＶｆはＳＯＩ／埋め込み酸化層界面に沿うフェルミィ電位である。Ｊsa t はｔsoi−ｔsoi 1/2に比例するので、図３の装置のオフセット領域１３４の厚さ と図１の装置の領域３３の厚さとの間の相対厚さにより表わされるＳＯＩ層の厚 さの増大はＪsatを増大させる。図３のオフセット領域１３４のｔsoiはＭＯＳキ ャパシタからの最大空乏幅よりも大きくする必要があり、ｔsoiを一層厚くする ことにより飽和電流も一層大きくなる。 従って、線形不純物濃度プロファイルの原点に対してドリフト領域酸化層マス クを変移させることによりＳＯＩ層の厚さを増大させることは、ソースがロー及 びソースがハイにおけるオーミック特性並びに飽和電流密度を改善することにな る。用いることがでる最大オフセット長は、ＳＯＩ層の厚さと酸化層の厚さとの 相対関係並びにデバイス構造の平均横方向電界の臨界比により決定される。 明らかにされたように、飽和電流密度はオフセット領域のバックグランド電荷 レベルに直接比例する。バックグランドの不純物濃度レベルを高くすると、オー ミックな導電性が増大するにしたがって、飽和電流が顕著に増大し、ソースのハ イバイアスにおける基板ＭＯＳからの空乏領域の全効果は一層小さくなり電流に 有用な断面積が一層大きくなる。 Ｃ．第２の実施例 図４は本発明の第２の実施例を示す。このトランジスタは、基板２１０、酸化 層２２０、エピタキシャル膜層２３０、ソース電極２６０、ゲート電極２７０及 びドレイン電極２８０を具える。ソース領域２３１からスタートするに、薄膜層 ２３０は横方向の左側から右側に向けてソース領域２３１、本体領域２３２、オ フセット領域２３４、ドリフト領域２３５及びドレイン領域２３６を順次具える 。薄膜層２３の上側に、ゲート酸化層２４１、オフセット領域酸化層２４２及び ドリフト領域絶縁層２４３を形成する。ゲート酸化層２４１、オフセット領域酸 化層２４２及びドリフト領域絶縁層２４３の上側にポリシリコンゲート２５０を 形成する。図３の装置と同様に、線形不純物濃度プロファイルは２０５から開始 し、ドリフト領域の薄くなる先頭部分は原点２０５と一致せず基準線２０５と基 準線２０６との間の距離により規定される距離Ｄだけ変移する。図３に示す第１ の実施例と同様に、薄いドリフト領域よりも厚いオフセット領域を導入すること により、電流に有用な本体領域と隣接する区域が増大する。 薄膜構造のＳＯＩＬＤＭＯＳの電流処理能力の一層の増大は、オフセット領域 の上側に別の酸化層２４２を形成することにより達成される。オフセット領域の 上側に酸化層２４２をドリフト領域の上側に堆積した酸化層２４３の約１／２の 厚さまで変化する厚さを有するように形成することにより、装置の降伏電圧性能 を低下させることなくオフセット領域の横方向の範囲をさらに一層増大させるこ とができる。１２μmの長さのオフセット領域を有するデバイスの電流特性は図 ５の曲線（ｃ）で示され、オフセット領域と酸化層の組み合せによる大きな利点 が実証されている。典型的なデバイスの寸法は、Ｄ＝２〜１２μm、Ｔoffset＝ ０．７５〜１．０μm、Ｌ＝１０〜１００μm、及びＴdrift＝０．２〜０．５μm である。オフセット領域酸化層及びドリフト領域酸化層の典型的な厚さは、それ ぞれ１．０〜１．５μm及び２．０〜３．０μmである。 ２次元酸化技術を用いて、ドリフト領域酸化層とオフセット領域酸化層との間 の酸化遷移領域を一層スムースに形成することができる。結果として、この装置 は、理想的にゲート型ダイオード構造にほぼ近い改良された構造を有する。オフ セット領域はオン状態特性（オン抵抗及び最大電流）を顕著に改善し、オフセッ ト領域酸化層はオフセット構造の降伏電圧を改善する。 オフセット領域２３４の上側に酸化層２４２を成長形成することは、以下の理 由により有益な効果を有する。オフセット領域がドレインに向けて横方向に拡が るので、オフセット領域の全電界が増大する。バックグランドの不純物添加と横 方向オフセット長とを組み合せた場合、オフセット領域の縦方向の通路が全イオ ン化通路に寄与するので、オフセット領域におけるデバイス構造の降伏が生ずる 可能性がある。このオフセット領域の構造に起因する降伏電圧の低下の可能性を 軽減するため、オフセットシリコンの上側にシリコン酸化層２４２を成長してこ のオフセット領域を薄くする。この薄くすること（酸化成長）は電圧処理に対し て以下の効果を有する。 第１に、オフセット領域のＳＯＩ層を薄くすることは縦方向の降伏経路を形成 する可能性を低減し、従ってオフセット領域を付加しても降伏電圧を悪化させる ことはない。第２に、ドリフト領域酸化層の厚さ的に見て重要な一部分として酸 化物を成長形成することは、この装置の当該領域の電界を電界ピークが丸くなる ように形成し、降伏電圧を高くすることができる。これは、理想的なゲート型ダ イオード構造にほぼ近似した構造を構成するものである。第３に、オフセット領 域に厚い酸化層を成長形成することを用いることにより、ドリフト領域酸化層の 形成から残存する欠陥を除去することができ、ゲート酸化層の無欠性を改善する ことができる。 Ｄ．製造方法 ６μmの長さのオフセット領域、約４４μmの長さのドリフト領域及び７００Ｖ の降伏電圧を有する図４のデバイス構造体は、ラテラルＭＯＳトランジスタを製 造するために用いられる技術を用い以下のようにして製造することができる。以 下の説明は、７００Ｖの降伏電圧を達成し３μmの厚さの埋込酸化層及び０．５ μmの厚いＳＯＩ層を有するように最適化されたデバイスについてのものである 。ＳＯＩ層２３０を例えばゾーンメルト再結晶法又はダイレクトボンティング法 のような標準の技術により形成し、埋込酸化層２２０と共にシリコン基板２１ ０上に形成し、埋込酸化層は基板２１０とＳＯＩ層２３０との間に介在させる。 シリコン基板２１０はｎ型又はｐ型の材料とすることができる。ＳＯＩ層２３０ は１．５μm以下の厚さ及び０．１オーム・cm以上の抵抗率を有する。このＳＯ Ｉ層はｎ型又はｐ型の材料で製造することができるが、説明の便宜上ｎ型材料を 用いるものとする。 オフセット領域及びドリフト領域２３４，２３５の線形不純物濃度プロファイ ルは、図６に示すセグメント化されたマスク３７０を用いるイオン注入によりＳ ＯＩ層２３０に導入する。マスク３７０は、明瞭にするため垂直方向に配置する 。マスク３７０の原点は基準原点２０５と一致し、標準技術によりフォトリソグ ラフィによりパターン形成されたフォトレジスト層により形成することができる 。その後、リンイオンを１６０ＫｅＶのエネルギーで注入する。フォトレジスト マスク３７０には寸法が変化する５個の開口が形成され、リンイオンをシリコン 基板２３０に変化する量で注入することができる。フォトレジストマスクの５個 の開口は、原点２０５を基準として以下の先頭部及び最後部を有する。開口３７ １は８．２５μmで開始し９．７５μmで終端する。開口３７２は１６．５μmで 開始し１９．５μmで終端する。開口３７３は２５μmで開始し２８．７５μmで 終端する。開口３７４は３３．５μmで開始し３８．５μmで終端する。開口３７ ５は４１．７μmで開始し７１μmで終端する。これら５個の開口は異なる横方向 寸法を有し、開口の大きさは左側から右側に向けて増大する。所定の寸法として 、第１の開口３７１は１．５μmの幅とし、第２の開口３７２は３．０１μmの幅 とし、第３の開口３７３は３．７５μmの幅とし、第４の開口３７４は３．７５ μmの幅とし、第４の開口３７４は５．０μmの幅とし、第５の開口３７５は３８ ．２５μmの幅とする。ドリフト領域長が４４μmの場合、横方向電界は約１５Ｖ ／μmとすべきである。これにより、注入ドーズ量Ｑmaxは１．４〜１．６×１０13 cm-2となることが特定される。ＳＯＩドリフト領域の最小不純物濃度（ＳＯＩ 初期材料の不純物濃度と注入された不純物の濃度との和となるバックグランドの 不純物濃度）は１．５×１０12cm-2以下のｎ型とすべきである。 上述したフォトレジストマスク開口を用いて均一な横方向不純物濃度プロファ イルを達成するため、熱拡散長は（ＤＴ）1/2＝cc／２の関係に従う必要がある 。 ここで、ｃｃはフォトレジストマスクの窓開口の中心間間隔（本例の場合、９． ０μm）であり、（Ｄｔ）2は注入された不純物の拡散温度における拡散長である 。これは、イオン注入を行なった後フォトレジスト層３７０を除去し、ウエハを ０．１４μmの厚さの窒化シリコン層で覆いアニール処理を行なうことにより完 了する。このアニール処理は約１１５０℃で種々の時間期間にわたって行なうこ とができる。この時間期間は、不純物濃度が左側から右側へ単調に増加するよう に十分に長い時間とする必要がある。このマスクと、イオン注入と、アニール処 理との組み合せにより、ＳＯＩ層２３０のオフセット領域２３４及びドリフト領 域２３５におけるリンのほぼ線形な濃度変化が確実なものとなる。この横方向の 線形不純物濃度プロファイルは、この装置において達成される改良された降伏電 圧値について必要な重要な構成である。 オフセット領域酸化層２４２及びドリフト領域酸化層２４３は、標準的なＬＯ ＣＯＳプロセス（Local Oxidation of Silicon）を用いて選択的に成長形成され 、これらの処理工程を図７〜８に示す。ＬＯＣＯＳプロセスの過程の説明な説明 は「The Invention of LOCOS」Ｅ．Kooi，IEEE，NY，NY，1991から与えられ、こ の文献の内容は参考として本明細書に記載する。ＳＯＩに適用される典型的なＬ ＯＣＯＳプロセスの簡単な説明を以下に記載する。 ０．０６μmのパッド（ウエット）酸化膜をＳＯＩ層の表面上に成長成形し、 このパッド酸化膜上にＬＰＣＶＤによる窒化シリコン層を０．１４μmの厚さに 堆積する。この窒化シリコン層（図示せず）はフォトリソグラフィマスクを反応 性イオンエッチング処理を用いてパターニングし、フォトレジスト層を除去する 。これにより、窒化シリコン層に開口３８０が形成される。開口３８０の境界は 、図８〜１１に図示する他のマスキング工程の境界と同様に、原点２０５を基準 して規定する。高温拡散に先立って拡散洗浄（ＨＦを用いるＲＣＡ洗浄）を用い る。ドリフト領域酸化層２４３は、厚さが２．２μm程度の層が得られるように 特定された拡散時間で１０５０℃で成長形成する。同様な処理を行なってオフセ ット領域酸化層２４２を形成し、ギャップ３９５を有し適切にエッチングされた 窒化層３９０を得る。図８に示すように、ギャップ３９５ａの一部分は以前の工 程で形成されたドリフト領域絶縁層２４３を超えて延在し、オフセット領域酸化 層２ ４２が成長形成される領域にＳＯＩ層２３０が露出する。オフセット領域酸化層 ２４２は１．０μmの厚さに形成する。バッファドＨＦ浸漬を用いて窒化シリコ ン層上に形成されている表面酸化層を除去し、この窒化層は反応性イオンエッチ ング又はウェット化学処理のいずれかにより除去する。 ゲート酸化に先立って、犠牲酸化を行なってＬＯＣＯＳ処理の縁部の区域に存 在する欠陥を除去する。これらは「ホワイトリボン欠陥」又は「ブラックベルト 欠陥」と称せられ、ＬＯＣＯＳ酸化中にシリコン表面の横方向窒化に起因して発 生する。この欠陥の程度はＬＯＣＯＳプロセス中の酸化層成長の全量に直接比例 する。ドリフト領域酸化層成長と関連する欠陥は、多量であり、オフセット領域 酸化層成長と関連する欠陥よりも強烈なものである。この欠陥を除去するため、 パッド酸化層をＨＦ溶液を用いて除去し０．１μm又はそれ以下のウェット（又 はドライ）熱酸化膜をＳＯＩの表面上に成長する。次に、この酸化膜を除去し（ つまり、犠牲にする）、標準のゲート酸化処理を行なう。 ドリフト領域酸化成長層２４３窒化の程度は、その酸化の熱サイクルがオフセ ット領域酸化層２４２のサイクル器官の４倍であることに起因し、一層悪いもの である。ドリフト領域成長酸化と共にオフセット領域酸化層成長を用いる図４に 示す本発明の第２実施例は、一層良好なゲート酸化性能を達成する。この理由は 、犠牲酸化はドリフト領域酸化成長に起因する欠陥を除去する際常時成功するも のではなく、ドリフト領域酸化層成長に続いて行なうオフセット領域酸化層成長 は窒化された欠陥構造を除去するのに極めて有効であるからである。 図９に示すように、ウエハの表面上に０．６６のゲート酸化層２４１を成長す る。フォトレジストマスク４００を設けてポリシリコン層を形成する（同様に、 すべてのマスキング工程は図面を明瞭にするための垂直方向に配置され、以前の 工程のマスクは工程間の寸法的及び空間的関係を図示するため残存させる）。約 ０．５μｍの厚さのポリシリコン層２５０を堆積し、マスクロ４００により表さ れた領域を超えて延在するマスクされていない部分を反応性イオンエッチングに より除去する。次に、フォトレジストマスク４００を除去し、０．０３μｍの酸 化シリコン層（図示せず）をポリシリコンゲート２５０上に成長させる。 図１０に示すように、フォトレジストマスク４１０を用いて領域２３２にボロ ンイオンを４０ＫｅＶのエネルギー及び３．０×１０13／ｃｍ2のドーズ量でイ オン注入することによりｐ−本体領域２３２を形成する。このフォトレジストマ スク４１０は、イオン注入がポリシリコンゲート２５０に対して自己整列するよ うに位置決めする。このフォトレジスト層を除去した後、ウェハを１１００℃で ３４０分アニールしてボロンを埋め込み酸化層２２０にドライブインして遣る１ ．５μｍ幅のチャネル領域を形成する。 その後、マスク４２０を用いて砒素イオンを１９０ＫｅＶのエネルギー及び５ ×１０15／ｃｍ2のドーズ量でイオン注入することによりソース領域２３１及び ドレイン領域２３６を形成する。砒素イオンはＮ＋領域２３１及びドレイン領域 ２３６を形成する。フォトレジスト層を除去した後、ウェハを９００℃で約３０ 分間アニールする。 約８％のリンを有する酸化シリコン層がウェハ上に１．３μｍの厚さで堆積さ れる。図１１に示すように、この層は開口４４０を有するフォトレジスト層でマ スクされ、ソース領域２３１、ゲート領域２５０及び領域２３６についてアルミ ニウムのコンタクトが必要となる領域だけを露出させる。領域２３１、２５０及 び２３６に対する開口４４０は反応性イオンエッチングにより形成し、その後フ ォトレジストを除去する。ウェハを約１０００℃で３０分間アニールしてエッチ ングされた酸化シリコン層のアルミニウムのカバリッジを良好にする。残存する 酸化シリコンをコンタクト領域から除去し、１％のシリコンを含み２５オーム− ｃｍ2の抵抗を有する１．２μｍのアルミニウム層を堆積する。適切なマスキン グを用い、反応性イオンエッチングにより領域２６０、２７０及び２８０を形成 する。マスキングを除去した後、このウェハは４０７℃で３０分間アニールする 。 この方法の最終工程は、例えば１．２μｍの６％のリンが添加された酸化シリ コン又はプラズマ堆積された窒化シリコンの保護層（図示せず）の堆積を含む。 パッド区域を設けて電極２６０、２７０及び２８０の外部電気的接続部を形成す る。 このように、特にソースフロワーモードにおいて改善された電流及び電力処理 能力を有する薄膜高電圧ＳＯＩ装置構造体及びその製造方法が実現すること明ら かである。本発明は上述され図示した実施例だけに限定されず、上述した実施例 以外の他の実施例により実施できることは当業者により想定される。従って、本 発明は添付した請求の範囲だけにより規定される。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1．基板と、 前記基板上に形成され、埋め込み酸化層厚さを有する埋め込み酸化層と、 前記埋め込み酸化層上に形成され、横方向に沿って順次ソース領域、本体領 域、オフセット領域、薄いドリフト領域及びドレイン領域を構成する半導体層 と、 前記ドリフト領域上にゲート酸化層と隣接するように形成したドリフト領域 絶縁層と、 前記ソース領域、本体領域及びオフセット領域上に前記ドリフト領域絶縁層 と隣接するように形成され、少なくともソース領域及び本体領域上でゲート酸 化層を構成する別の絶縁層と、 前記別の絶縁層及びドリフト領域絶縁層の一部分上に形成したゲート領域と を具え、 前記ドリフト領域が横方向長さＬを有すると共に前記オフセット領域が横方 向長さＤを有し、長さＬ＋Ｄが前記本体領域とドレイン領域との間の横方向長 さをほぼ表し、ドリフト領域が厚さＴdriftを有すると共にオフセット領域が 厚さＴoffsetを有し、厚さＴdrift及びＴoffsetは共に前記半導体層の横方向 寸法に対してほぼ直交し、前記オフセット領域の厚さＴoffsetは前記ドリフト 領域の厚さＴdriftよりも厚く、前記半導体層が、前記本体領域とドレイン領 域との間で、本体領域と隣接するオフセット領域における最小値からドレイン 領域と隣接する薄いドリフト領域における最大値までのほぼ線形な不純物濃度 プロファイルを有する高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイス。 2．請求項１に記載の高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイスにおいて、前記 ドリフト領域の長さＬがほぼ１０〜１００の範囲にあり、前記オフセット領域 の長さＤがほぼ２〜６μｍの範囲にあり、前記埋め込み酸化層がほぼ１〜６μ ｍのの厚さを有し、前記ドリフト領域の厚さＴdriftがほぼ０．２〜０．５μ ｍの範囲にあり、前記オフセット領域の厚さＴoffsetがほぼ１．０〜１．５μ ｍの範囲にある高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイス。 3．請求項１に記載の高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイスにおいて、前記 半導体層のほぼ線形な不純物濃度プロファイルが、Ｑ（０）を本体領域と隣接 するオフセット領域における単位面積当たりの不純物イオンの数とし、Ｑmax をドリフト領域に注入された単位面積当たりの最大不純物イオン数とした場合 に、本体領域からの距離Ｘμｍの点において式、 Ｑ（Ｘ）＝Ｑ（０）＋（Ｘ／（Ｌ＋Ｄ））Ｑmax により表される高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイス。 4．請求項１に記載の高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイスにおいて、前記 層Ｑ（０）をほぼ６×１０11／ｃｍ2とし、前記Ｑmaxをほぼ１．４×１０13 ／ｃｍ2〜３．４×１０13／ｃｍ2の範囲とした高電圧半導体−オン−絶縁体 電子デバイス。 5．請求項１に記載の高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイスにおいて、前記 別の絶縁層が、ソース領域及び本体領域上に形成したゲート酸化層を構成する と共に絶縁層オフセット領域上にゲート酸化層と隣接するように形成したオフ セット領域酸化層を構成する高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイス。 6．請求項５に記載の高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイスにおいて、前記 ドリフト領域の長さＬがほぼ１０〜１００μｍの範囲にあり、前記オフセット 領域の長さＤがほぼ２〜１２μｍの範囲にあり、前記ドリフト領域の厚さＴdr iftがほぼ０．２〜０．５μｍの範囲にあり、前記オフセット領域の厚さＴof fsetがほぼ０．７５〜１．０μｍの範囲にあり、前記ドリフト領域酸化層の厚 さがほぼ２．０〜３．０の範囲にあり、前記オフセット領域酸化層の厚さがほ ぼ１．０〜１．５の範囲にある高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイス。 7．請求項５に記載の高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイスにおいて、前記 半導体層のほぼ線形な不純物濃度プロファイルが、Ｑ（０）を本体領域と隣接 するオフセット領域における単位面積当たりの不純物イオンの数とし、Ｑmax をドリフト領域に注入された単位面積当たりの最大不純物イオン数とした場合 に、本体領域からの距離Ｘμｍの点において式、 Ｑ（Ｘ）＝Ｑ（０）＋（Ｘ／（Ｌ＋Ｄ））Ｑmax により表される高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイス。 8．請求項７に記載の高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイスにおいて、前記 Ｑ（０）をほぼ６×１０11／ｃｍ2〜１．５×１０12／ｃｍ2とし、前記Ｑmax をほぼ１．４×１０13／ｃｍ2〜３．４×１０13／ｃｍ2とした高電圧半導体 −オン−絶縁体電子デバイス。 9．請求項５に記載の高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイスにおいて、前記 オフセット領域絶縁層が、絶縁層ドリフト領域絶縁層の厚さの約半分の厚さを 有する高電圧半導体−オン−絶縁体電子デバイス。 １０．高電圧半導体トランジスタを製造するに当たり、 （ａ）シリコン基板の酸化層の上に単結晶シリコンの薄い層を形成する工程 と、 （ｂ）前記薄いシリコン層に均一に不純物を導入することにより、薄いシリ コン層の抵抗を低くする工程と、 （ｃ）前記薄いシリコン層上に、基準原点に対して整列し、複数の開口を有 し、各開口の寸法が前段の開口の寸法よりも横方向に増大するマスクを形成す る工程と、 （ｄ）前記複数の開口を介して前記薄いシリコン層に不純物を導入し、異な る幅の不純物が添加された複数の区域を形成する工程と、 （ｅ）前記マスクを除去し、前記薄いシリコン層を窒化シリコンで覆い、及 びアニール処理して前記薄いシリコン層の横方向距離にわたって前記複数の不 純物濃度区域からほぼ線形の不純物濃度プロファイルを形成し、この線形不純 物濃度プロファイルが前記横方向距離の第１の端部における最小不純物濃度か ら前記距離の第２の他方の端部における最大不純物濃度により形成される工程 と、 （ｆ）前記横方向距離の端縁を超える区域の窒化シリコンを除去し、前記基 準原点から距離Ｄだけ変位した点から始まる薄いシリコン層の露出した区域を 熱酸化して長さＤ及び厚さＴoffsetを有するオフセット領域、及び長さＬ及び 厚さＴdriftを有する薄いドリフト領域、並びに前記ドリフト領域の上側に絶 縁層を形成し、前記厚さＴoffsetが前記厚さＴdriftよりも大幅に厚くされて いる工程と、 （ｇ）不純物を注入して前記横方向距離の第１の端部に本体領域を形成する 工程と、 （ｈ）前記本体領域に不純物を注入して本体領域内にソース領域を形成する 工程と、 （ｉ）前記横方向距離の第２の端部に不純物を注入してドレイン領域を形成 する工程とを具える高電圧薄膜トランジスタの製造方法。 １１．請求項１０に記載の方法において、前記ドリフト領域の長さＬがほぼ１０ 〜１００の範囲にあり、前記オフセット領域の長さＤがほぼ２〜６μｍの範囲 にあり、前記ドリフト領域の厚さＴdriftがほぼ０．２〜０．５μｍの範囲に あり、前記オフセット領域の厚さＴoffsetがほぼ１．０〜１．５μｍの範囲に ある方法。 １２．請求項１０に記載の方法において、Ｑ（０）を本体領域と隣接するオフセ ット領域における単位面積当たりの不純物イオンの数とし、Ｑmaxをドリフト 領域に注入された単位面積当たりの最大不純物イオン数とした場合に、前記半 導体層のほぼ線形な不純物濃度プロファイルが、本体領域からの距離Ｘμｍの 点において式、 Ｑ（Ｘ）＝Ｑ（０）＋（Ｘ／（Ｌ＋Ｄ））Ｑmax により表される方法。 １３．請求項１２に記載の方法において、前記層Ｑ（０）をほぼ６×１０11／ｃ ｍ2〜約１．５×１０12／ｃｍ2とし、前記Ｑmaxをほぼ１．４×１０13／ｃ ｍ2〜３．４×１０13／ｃｍ2の範囲とした方法。 １４．請求項１０に記載の方法において、前記オフセット領域の上側に絶縁層が 形成されている方法。 １５．請求項１４に記載の方法において、前記オフセット領域絶縁層が、前記ド リフト領域絶縁層の厚さの約半分の厚さを有する方法。 １６．請求項１４に記載の方法において、前記ドリフト領域の長さＬがほぼ１０ 〜１００μｍの範囲にあり、前記オフセット領域の長さＤがほぼ２〜１２μｍ の範囲にあり、前記ドリフト領域の厚さＴdriftがほぼ０．２〜０．５μｍの 範囲にあり、前記オフセット領域の厚さＴoffsetがほぼ１．０〜１．５μｍの 範囲にあり、前記ドリフト領域絶縁層の厚さがほぼ２．０〜３．０の範囲にあ り、前記オフセット領域絶縁層の厚さがほぼ１．０〜１．５の範囲にある方法 。
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