JP2003060194A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

半導体装置とその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 トランジスタの駆動能力向上を図る。 【解決手段】 半導体基板上に選択酸化法により形成さ
れた第1のゲート絶縁膜と熱酸化法により形成された第
2のゲート絶縁膜とから成るゲート絶縁膜とを有し、当
該第1のゲート絶縁膜と第2のゲート絶縁膜に跨るよう
にゲート電極が形成されて成る半導体装置において、前
記第2のゲート絶縁膜が、膜厚の厚いゲート絶縁膜10
Aと、膜厚の薄いゲート絶縁膜12とで構成されている
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置とその
製造方法に関するものであり、更に詳しく言えば、LC
DドライバやELドライバ等に用いられるレベルシフタ
用の高耐圧MOSトランジスタのトランジスタ能力向上
を図る技術に関する。
【0002】
【従来の技術】以下で、従来例に係わる半導体装置につ
いて図9に示すLOCOSオフセット型高耐圧MOSト
ランジスタの断面図を参照しながら説明する。
【0003】図9において、一導電型の半導体層(例え
ばP型の半導体基板やP型の半導体層で、本実施形態で
はP型ウエル領域51)上に第1,第2のゲート絶縁膜
52A,52Bを介してゲート電極53が形成されてい
る。そして、前記ゲート電極53の一端に隣接するよう
にN+型ソース領域54が形成されており、チャネル領
域55を介して前記ソース領域54と対向してN−型ド
レイン領域56が形成され、更にゲート電極53の他端
から離間され、かつN−型ドレイン領域56に含まれる
ようにN+型ドレイン領域57が形成されている。尚、
58は素子分離膜である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記高耐圧MOSトラ
ンジスタは、通常耐圧(例えば、10V程度)のMOS
トランジスタに比して厚いゲート絶縁膜(第1のゲート
絶縁膜52A)を形成している。即ち、例えば通常耐圧
のMOSトランジスタのゲート絶縁膜が15nmとすれ
ば、高耐圧MOSトランジスタのゲート絶縁膜を120
nmとしていた。
【0005】また、N−型ドレイン領域56に、LOC
OS絶縁膜(第2のゲート絶縁膜52B)を形成するこ
とで、この領域での電界集中の発生を緩和し、耐圧を向
上させていた。
【0006】ここで、ゲート絶縁膜の膜厚が厚くなると
弱反転リークが大きくなり、このリーク電流の発生を抑
えるために、チャネル領域に対してしきい値電圧調整用
のイオン注入層を形成し、しきい値電圧を高くする必要
があった。
【0007】そのため、しきい値電圧が高くなること
で、トランジスタの駆動能力が低下してしまうという問
題があった。
【0008】従って、本発明ではトランジスタの駆動能
力向上を可能とする半導体装置とその製造方法を提供す
ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明の半導体
装置は、半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極
が形成され、当該ゲート電極に隣接するようにソース・
ドレイン領域が形成されて成るものにおいて、前記ゲー
ト絶縁膜が2種類以上の膜厚を有するように構成されて
いることを特徴とする。
【0010】また、本発明の半導体装置は、半導体層上
に選択酸化法により形成された第1のゲート絶縁膜と熱
酸化法により形成された第2のゲート絶縁膜とから成る
ゲート絶縁膜とを有し、当該第1,第2のゲート絶縁膜
に跨るようにゲート電極が形成されて成るものにおい
て、前記第2のゲート絶縁膜が、膜厚の異なる複数のゲ
ート絶縁膜から構成されていることを特徴とする。
【0011】そして、前記第2のゲート絶縁膜が、膜厚
の厚いゲート絶縁膜と膜厚の薄いゲート絶縁膜とで構成
され、前記第1のゲート絶縁膜が、前記膜厚の厚いゲー
ト絶縁膜よりも膜厚が厚く構成されていることを特徴と
する。
【0012】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体層上に選択酸化法により形成された第1のゲート
絶縁膜と熱酸化法により形成された第2のゲート絶縁膜
とから成るゲート絶縁膜を有し、当該第1,第2のゲー
ト絶縁膜に跨るようにゲート電極が形成されて成るもの
において、前記第2のゲート絶縁膜を形成する工程が、
前記半導体層上に膜厚の厚いゲート絶縁膜を形成し、当
該半導体層上の所定領域に形成された当該膜厚の厚いゲ
ート絶縁膜を除去した後に、前記膜厚の厚いゲート絶縁
膜に連なるように膜厚の薄いゲート絶縁膜を形成する工
程から成ることを特徴とする。
【0013】そして、前記第1のゲート絶縁膜を形成す
る工程の後に、前記第2のゲート絶縁膜を形成する工程
を有することを特徴とする。
【0014】更に、前記第1のゲート絶縁膜を形成する
工程の前に、前記第2のゲート絶縁膜を形成する工程を
有することを特徴とする。
【0015】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体層上の所定領域に形成した耐酸化性膜をマスクに
当該半導体層を選択酸化してLOCOS絶縁膜を形成す
る工程と、前記耐酸化性膜を除去した後に半導体層上を
熱酸化して前記LOCOS絶縁膜に連なるように膜厚の
厚いゲート絶縁膜を形成する工程と、前記半導体層上の
所定領域に形成した前記膜厚の厚いゲート絶縁膜の一部
を除去した後に前記半導体層上を熱酸化して当該膜厚の
厚いゲート絶縁膜に連なるように膜厚の薄いゲート絶縁
膜を形成する工程と、前記膜厚の薄いゲート絶縁膜、前
記膜厚の厚いゲート絶縁膜及び前記LOCOS絶縁膜に
跨るようにゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電
極に隣接するようにソース・ドレイン領域を形成する工
程とを具備したことを特徴とする。
【0016】そして、前記LOCOS絶縁膜を形成する
工程が、前記半導体層上に絶縁膜を形成した状態もしく
は前記半導体層上に絶縁膜とポリシリコン膜を形成した
状態で前記耐酸化性膜をマスクに当該半導体層を選択酸
化することを特徴とするものである。
【0017】
【発明の実施形態】以下、本発明の半導体装置とその製
造方法の一実施形態について図面を参照しながら説明す
る。尚、本実施形態の説明では、例えばレベルシフタ用
のNチャネル型MOSトランジスタに本発明を適用した
一例を紹介する。
【0018】本発明の特徴は、図8に示すようにドレイ
ン耐圧のみ必要とされる高耐圧MOSトランジスタにお
いて、ソース側のゲート絶縁膜を膜厚の薄いゲート絶縁
膜12で構成し、ドレイン側のゲート絶縁膜を膜厚の厚
いゲート絶縁膜10Aで構成することで、当該膜厚の厚
いゲート絶縁膜10Aの領域でドレイン耐圧を確保する
と共に、前記膜厚の薄いゲート絶縁膜12の領域でしき
い値電圧を低くコントロールするようにしたことであ
る。
【0019】更に、ゲート絶縁膜の膜厚をLOCOSオ
フセット構造を構成するLOCOS絶縁膜8Bをも含め
た3段構造とすることで、従来構造に比して電界集中を
より緩和させるようにしたことである。
【0020】以下、上記半導体装置の製造方法について
説明する。
【0021】先ず、図1において、1は一導電型、例え
ばP型の半導体(Si)基板で、当該基板内に当該基板
内にP型ウエル領域2が形成されている。尚、前記P型
ウエル領域2を形成する工程は、P型不純物、例えばボ
ロンイオンを加速電圧80KeV、注入量1×1013
cm2の注入条件でイオン注入し、この不純物を拡散
(およそ1200℃のN2雰囲気中で、8時間)処理す
ることで、P型ウエル領域5を形成している。
【0022】続いて、図2において、基板全面におよそ
15nmの膜厚の絶縁膜3とおよそ50nmの膜厚のポ
リシリコン膜4を形成した後に、当該ポリシリコン膜4
上に形成したフォトレジスト膜5をマスクにして、N型
不純物、例えばリンイオンを加速電圧140KeVで、
注入量7×1012/cm2の注入条件でイオン注入す
る。これにより、レベルシフタ用のNチャネル型MOS
トランジスタのドレイン形成領域にイオン注入層6を形
成する。尚、前記絶縁膜3及びポリシリコン膜4は、後
述するLOCOS絶縁膜形成用の、いわゆるパッド酸化
膜及びパッドポリシリコン膜である。
【0023】次に、図3において、前記ポリシリコン膜
4上に形成したシリコン窒化膜7をマスクに基板上を選
択酸化して、LOCOS絶縁膜から成る素子分離膜8A
及びLOCOS絶縁膜から成る第1のゲート絶縁膜8B
を形成する。この選択酸化により、前記イオン注入層6
が拡散されて低濃度のドレイン領域(N−層)9が形成
される。尚、本工程では、パッドポリシリコン膜を用い
ず、パッド酸化膜のみを介してLOCOS絶縁膜を形成
するものであっても良い。
【0024】続いて、図4において、基板全面をおよそ
875℃でパイロ酸化して、およそ120nmの膜厚の
厚いゲート絶縁膜10(第2のゲート絶縁膜の一部)を
形成する。
【0025】更に、図5において、前記第1のゲート絶
縁膜8B及び厚いゲート絶縁膜10の一部上にフォトレ
ジスト膜11を形成し、当該フォトレジスト膜11で覆
われていない領域の絶縁膜10を除去して、前記第1の
ゲート絶縁膜8Bに連なるように厚いゲート絶縁膜10
Aを残膜させる。
【0026】また、図6において、前記フォトレジスト
膜11を除去した後に、基板全面をおよそ850℃でパ
イロ酸化し、更に900℃の窒素雰囲気中で10分間の
熱処理を加えることで、前記厚いゲート絶縁膜10Aに
連なるようにおよそ15nmの膜厚の薄いゲート絶縁膜
12(第2のゲート絶縁膜の一部)を形成する。尚、本
工程により、前記ゲート絶縁膜10Aの下部の基板表層
が酸化されて当該ゲート絶縁膜10Aの膜厚も多少増加
する。
【0027】そして、フォトレジスト膜(図示省略)を
マスクにゲート電極形成領域(薄いゲート絶縁膜12)
の下部にしきい値電圧調整用のP型不純物、例えばボロ
ンイオンを加速電圧35KeVで、注入量1×1012
cm2の注入条件でイオン注入する。
【0028】このように本発明では、薄いゲート絶縁膜
12の下部にのみしきい値電圧調整用のイオン注入を行
い、厚いゲート絶縁膜10Aの下部にはしきい値電圧調
整用のイオン注入を行わないため、厚いゲート絶縁膜下
部のP型ウエル領域2の不純物濃度は、薄い濃度のまま
となり、従来構造に比してドレイン耐圧が向上する。
【0029】尚、しきい値電圧調整用のイオン注入工程
において、前記ゲート絶縁膜10A,12との膜厚差を
利用することで、フォトレジスト膜を用いないセルフア
ライン法によりしきい値電圧調整用のイオン注入を行う
ようにしても良い。更には、ゲート絶縁膜10A,12
の下部全体にしきい値電圧調整用のイオン注入を行うよ
うにしても良く、この場合には、前記ゲート絶縁膜10
A,12の膜厚の差からイオン注入される不純物の濃度
プロファイルが異なり、その結果、膜厚の厚いゲート絶
縁膜10Aの領域ではドレイン耐圧を確保することがで
きると共に、膜厚の薄いゲート絶縁膜12の領域ではし
きい値電圧を低くコントロールすることができる。
【0030】続いて、図7において、基板全面にリンド
ープ処理されたおよそ100nmの膜厚のポリシリコン
膜を形成し、その上におよそ150nmの膜厚のシリサ
イド膜(本実施形態では、タングステンシリサイド(W
Six)膜)を形成した後に、フォトレジスト膜(図示
省略)をマスクに当該タングステンシリサイド膜及びポ
リシリコン膜をパターニングしてポリシリコン膜13の
上にタングステンシリサイド膜14が積層されたゲート
電極15を形成する。
【0031】次に、図8において、前記素子分離膜8
A、ゲート絶縁膜8B及びゲート電極15をマスクにし
てN型不純物、例えばヒ素イオンを加速電圧70KeV
で、注入量5×1015/cm2の注入条件でイオン注入
することで、前記ゲート電極15の一端部に隣接するよ
うに高濃度のソース領域(N+層)16を形成し、前記
ゲート絶縁膜8Bを介して前記ゲート電極15から離間
した領域に高濃度のドレイン領域(N+層)16を形成
する。
【0032】更に、全面に層間絶縁膜(本実施形態で
は、NSG膜とBPSG膜との積層膜)17を形成し、
当該層間絶縁膜17に形成したコンタクト孔を介してソ
ース・ドレイン領域16にコンタクトする金属配線(例
えば、Al膜、Al−Si膜、Al−Si−Cu膜等)
18を形成する。
【0033】そして、図示した説明は省略するが、全面
にパッシベーション膜を形成して本発明の半導体装置が
完成する。
【0034】以上説明したように本発明では、LOCO
Sオフセット型構造のレベルシフタ用のNチャネル型M
OSトランジスタにおいて、熱酸化法により形成した厚
いゲート絶縁膜の内、ソース側のゲート絶縁膜を選択的
にエッチングした後に、その領域に薄いゲート絶縁膜を
形成することで、当該膜厚の厚いゲート絶縁膜の領域で
ドレイン耐圧を確保することができ、しかも、前記膜厚
の薄いゲート絶縁膜の領域でしきい値電圧を低くコント
ロールすることができる。
【0035】また、前記ゲート絶縁膜の膜厚を、膜厚の
厚いゲート絶縁膜10A、膜厚の薄いゲート絶縁膜1
2、そしてLOCOSオフセット構造を構成するLOC
OS絶縁膜8Bを含めた3段構造とすることで、従来の
LOCOSオフセット構造の半導体装置に比して電界集
中をより緩和させることができる。
【0036】尚、本実施形態では、前述したようにLO
COS絶縁膜から成る第1のゲート絶縁膜8Bを形成
し、第1のゲート絶縁膜8Bに連なるように厚いゲート
絶縁膜10A(第2のゲート絶縁膜の一部)を形成し、
当該厚いゲート絶縁膜10Aの一部を除去した後に、当
該厚いゲート絶縁膜10Aに連なるように薄いゲート絶
縁膜12(第2のゲート絶縁膜の一部)を形成している
が、各絶縁膜8B,10A,12の形成順序はこれに限
定されるものではなく、各種変更可能なものである。
【0037】即ち、前記第1のゲート絶縁膜と前記第2
のゲート絶縁膜の形成順序が逆のもの、または前記第2
のゲート絶縁膜を構成する2種類の絶縁膜10A,12
の形成順序が逆のもの、あるいは前記第2のゲート絶縁
膜を構成する2種類の絶縁膜の形成工程間に前記第1の
ゲート絶縁膜8Bの形成工程が介在するもの等である。
【0038】また、本実施形態では、Nチャネル型MO
Sトランジスタから成るレベルシフタに本発明を適用し
た一例を紹介したが、Pチャネル型MOSトランジスタ
から成るレベルシフタに本発明を適用するものであって
も良い。
【0039】更に、本実施形態では、本発明をレベルシ
フタ用のNチャネル型MOSトランジスタに適用した一
例を紹介しているが、本発明はこれに限定されるもので
はなく、ドレイン耐圧のみ必要とする高耐圧MOSトラ
ンジスタにおいても適用可能なものである。
【0040】更に言えば、本発明が適用される半導体装
置は、LOCOSオフセット型に限定されるものではな
く、熱酸化法により形成されるゲート絶縁膜に膜厚の厚
い領域と膜厚の薄い領域とを持つように構成すること
で、膜厚差を利用してドレイン耐圧を確保すると共に、
トランジスタの駆動能力向上を図るものであっても良
い。
【0041】
【発明の効果】本発明によれば、ゲート絶縁膜を2種類
以上の膜厚を有するように構成したことで、従来構成に
比して電界集中を緩和することができる。
【0042】また、熱酸化法により形成されるゲート絶
縁膜を膜厚の厚い領域と膜厚の薄い領域とを持つように
構成することで、当該膜厚の厚い領域でドレイン耐圧を
確保すると共に、膜厚の薄い領域でしきい値電圧を低く
コントロールすることが可能になる。従って、トランジ
スタの駆動能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を
示す断面図である。
【図2】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を
示す断面図である。
【図3】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を
示す断面図である。
【図4】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を
示す断面図である。
【図5】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を
示す断面図である。
【図6】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を
示す断面図である。
【図7】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を
示す断面図である。
【図8】本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を
示す断面図である。
【図9】従来の半導体装置を示す断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F140 AA00 AA25 AA29 BA01 BC06 BD18 BD19 BE07 BF04 BF11 BF18 BH30 BK13 CA03 CB08 CC01 CC03 CC07

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲー
    ト電極が形成され、当該ゲート電極に隣接するようにソ
    ース・ドレイン領域が形成されて成る半導体装置におい
    て、 前記ゲート絶縁膜が2種類以上の膜厚を有するように構
    成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 半導体層上に選択酸化法により形成され
    た第1のゲート絶縁膜と熱酸化法により形成された第2
    のゲート絶縁膜とから成るゲート絶縁膜とを有し、当該
    第1,第2のゲート絶縁膜に跨るようにゲート電極が形
    成されて成る半導体装置において、 前記第2のゲート絶縁膜が、膜厚の異なる複数のゲート
    絶縁膜から構成されていることを特徴とする半導体装
    置。
  3. 【請求項3】 前記第2のゲート絶縁膜が、膜厚の厚い
    ゲート絶縁膜と膜厚の薄いゲート絶縁膜とで構成され、 前記第1のゲート絶縁膜が、前記膜厚の厚いゲート絶縁
    膜よりも膜厚が厚く構成されていることを特徴とする請
    求項2に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 半導体層上に選択酸化法により形成され
    た第1のゲート絶縁膜と熱酸化法により形成された第2
    のゲート絶縁膜とから成るゲート絶縁膜を有し、当該第
    1,第2のゲート絶縁膜に跨るようにゲート電極が形成
    されて成る半導体装置の製造方法において、 前記第2のゲート絶縁膜を形成する工程が、前記半導体
    層上に膜厚の厚いゲート絶縁膜を形成し、当該半導体層
    上の所定領域に形成された当該膜厚の厚いゲート絶縁膜
    を除去した後に、前記膜厚の厚いゲート絶縁膜に連なる
    ように膜厚の薄いゲート絶縁膜を形成する工程から成る
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記第1のゲート絶縁膜を形成する工程
    の後に、前記第2のゲート絶縁膜を形成する工程を有す
    ることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造
    方法。
  6. 【請求項6】 前記第1のゲート絶縁膜を形成する工程
    の前に、前記第2のゲート絶縁膜を形成する工程を有す
    ることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造
    方法。
  7. 【請求項7】 半導体層上の所定領域に形成した耐酸化
    性膜をマスクに当該半導体層を選択酸化してLOCOS
    絶縁膜を形成する工程と、 前記耐酸化性膜を除去した後に半導体層上を熱酸化して
    前記LOCOS絶縁膜に連なるように膜厚の厚いゲート
    絶縁膜を形成する工程と、 前記半導体層上の所定領域に形成した前記膜厚の厚いゲ
    ート絶縁膜の一部を除去した後に前記半導体層上を熱酸
    化して当該膜厚の厚いゲート絶縁膜に連なるように膜厚
    の薄いゲート絶縁膜を形成する工程と、 前記膜厚の薄いゲート絶縁膜、前記膜厚の厚いゲート絶
    縁膜及び前記LOCOS絶縁膜に跨るようにゲート電極
    を形成する工程と、 前記ゲート電極に隣接するようにソース・ドレイン領域
    を形成する工程とを具備したことを特徴とする半導体装
    置の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記LOCOS絶縁膜を形成する工程
    が、前記半導体層上に絶縁膜を形成した状態もしくは前
    記半導体層上に絶縁膜とポリシリコン膜を形成した状態
    で前記耐酸化性膜をマスクに当該半導体層を選択酸化す
    ることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造
    方法。
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