JP2003264244A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
圧トランジスタとを同一基板に有する半導体装置および
その製造方法を提供する。 【解決手段】 半導体装置は、第1導電型の半導体基板
10と、半導体基板に形成された、第2導電型の第1ウ
ェル20と、第1ウェル内に形成された、第1導電型の
第2ウェル30と、第1ウェル内に形成された、第2導
電型の第3ウェル40と、第2ウェルに形成された、第
2導電型の低耐圧トランジスタ100NLと、第3ウェ
ルに形成された、第1導電型の低耐圧トランジスタ20
0PLと、第1ウェルに形成された、第1導電型の高耐
圧トランジスタ400PHと、を含む。第2ウェル30
および第3ウェル40における不純物濃度は、第1ウェ
ル20における不純物濃度より高い。
Description
に、高耐圧トランジスタと低耐圧トランジスタとを有す
る半導体装置およびその製造方法に関する。
液晶パネル駆動用LSI、CCD駆動用LSIなどは、
10V以上の電源電圧で動作させるため、通常20V以
上の耐圧を有する高耐圧トランジスタが必要となる。こ
れに対し、小型化,高速化を必要とする内部制御ロジッ
ク部には、低耐圧トランジスタが使用される。高耐圧ト
ランジスタが形成されるウェルは、ウェル耐圧を確保す
るために、ウェルを深く、表面濃度を薄くする必要があ
る。これに対し、低耐圧トランジスタが形成されるウェ
ルは、素子の小型化,高速化を図るために浅く、表面濃
度を濃くする傾向がある。そのため、かかる高耐圧トラ
ンジスタは、低耐圧トランジスタとは異なるチップに形
成され、いわゆる外付け回路とすることが知られてい
る。
トランジスタと低耐圧トランジスタとを同一基板に有す
る半導体装置およびその製造方法を提供することにあ
る。
置は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板に形
成された、第2導電型の第1ウェルと、前記第1ウェル
内に形成された、第1導電型の第2ウェルと、前記第1
ウェル内に形成された、第2導電型の第3ウェルと、前
記第2ウェルに形成された、第2導電型の低耐圧トラン
ジスタと、前記第3ウェルに形成された、第1導電型の
低耐圧トランジスタと、前記第1ウェルに形成された、
第1導電型の高耐圧トランジスタと、を含み、前記第2
ウェルおよび前記第3ウェルにおける不純物濃度は、前
記第1ウェルにおける不純物濃度より高い。
ンジスタが形成される前記第1ウェル内に、低耐圧トラ
ンジスタが形成される前記第2ウェルおよび前記第3ウ
ェルが形成されるので、前記第2ウェルおよび前記第3
ウェルと、前記第1ウェルとを独立に設計することがで
きる。その結果、高耐圧トランジスタを有する半導体装
置であっても、低耐圧トランジスタの小型化,高速化に
対応して前記第2ウェルおよび前記第3ウェルの表面濃
度を濃く形成することができる。特に第3ウェルは第1
ウェルと同一導電型であるものの、第1ウェルとの濃度
を切り分けることができ、またウェルの横方向の広がり
を抑制することができる。それに伴い第2,第3ウェル
の面積も小さくできるので、これらのウェルの集積度を
高めることができる。
ルにおける不純物濃度は、前記第1ウェルにおける不純
物濃度より高く設定されている。これにより、各ウェル
の不純物濃度をトランジスタの駆動電圧および耐圧に応
じて適切に設定できる。そして、本発明の半導体装置に
おいては、例えば10V以上、特に20〜60Vの高い
電源電圧の高耐圧トランジスタと、例えば1.8〜5V
の電源電圧の低耐圧トランジスタとを有することができ
る。
ルは前記第1ウェル内に形成されることから、これらの
第2,第3ウェル内に形成される低耐圧トランジスタは
基板電位に制約されず、所望の電源電圧で駆動すること
ができる。
体基板内に形成された、第1導電型の第4ウェルと、前
記第4ウェルに形成された、第2導電型の高耐圧トラン
ジスタと、を有することができる。
圧トランジスタと前記高耐圧トランジスタとの耐圧の比
は、3〜60であることができる。また、前記高耐圧ト
ランジスタは、オフセットゲート構造を有することがで
きる。
(a)第1導電型の半導体基板に第2導電型の第1ウェ
ルを形成し、(b)前記第1ウェルの所定領域に、第1
導電型および第2導電型の不純物をそれぞれイオン注入
によって導入して、第1不純物層および第2不純物層を
形成し、(c)熱処理によって、前記第1不純物層およ
び前記第2不純物層の不純物をそれぞれ拡散させて、第
1導電型の第2ウェルおよび第2導電型の第3ウェルを
形成すること、を含む。
ジスタが形成される前記第1ウェルと、低耐圧トランジ
スタが形成される前記第2ウェルおよび前記第3ウェル
とが異なる工程で形成されるので、前記第2ウェルおよ
び前記第3ウェルを前記第1ウェルとは独立に設計する
ことができる。
によって、前記第1不純物層および前記第2不純物層の
不純物をそれぞれ拡散させて、第1導電型の第2ウェル
および第2導電型の第3ウェルを同時に形成することが
できる。
ェルおよび前記第3ウェルにおける不純物濃度を、前記
第1ウェルにおける不純物濃度より高くすることができ
る。
ェルに第2導電型の低耐圧トランジスタを形成し、前記
第3ウェルに第1導電型の低耐圧トランジスタを形成
し、前記第1ウェルに第1導電型の高耐圧トランジスタ
を形成すること、を含むことができる。
基板に第1導電型の第4ウェルを形成することができ
る。この第4ウェルに第2導電型の高耐圧トランジスタ
を形成することができる。
いて図面を参照しながら説明する。
的に示す断面図である。
の例においてはP型)の半導体(シリコン)基板10内
に、第2導電型(この例においてはN型)の第1ウェル
20と、P型の第4ウェル50とが形成されている。そ
して、第1ウェル20と第4ウェル50とでいわゆるツ
インウェルを構成している。
30と、N型の第3ウェル40とが形成されている。第
1ウェル20より浅い第2ウェル30および第3ウェル
40には、低耐圧トランジスタが形成され、第1ウェル
20および第4ウェル50には、高耐圧トランジスタが
形成されている。
ル型の低耐圧トランジスタ100NLが形成されてい
る。低耐圧トランジスタ100NLは、N型の不純物層
からなるソース/ドレイン層32a,32bと、ゲート
絶縁層34と、ゲート電極36とを有する。
圧トランジスタ200PLが形成されている。低耐圧ト
ランジスタ200PLは、P型の不純物層からなるソー
ス/ドレイン層42a,42bと、ゲート絶縁層34
と、ゲート電極36とを有する。
圧トランジスタ300NHが形成されている。高耐圧ト
ランジスタ300NHは、N型の不純物層からなるソー
ス/ドレイン層52a,52bと、ゲート絶縁層54
と、ゲート電極56とを有する。
圧トランジスタ400PHが形成されている。高耐圧ト
ランジスタ400PHは、P型の不純物層からなるソー
ス/ドレイン層22a,22bと、ゲート絶縁層24
と、ゲート電極26とを有する。
スタ100NL,200PLは、例えば1.8〜5Vの
駆動電圧で駆動される。高耐圧トランジスタ300N
H,400PHは、低耐圧トランジスタ100NL,2
00PLに比べてかなり高い駆動電圧、たとえば20〜
60Vの駆動電圧で駆動される。低耐圧トランジスタ1
00NL,200PLと高耐圧トランジスタ300N
H,400PHとの耐圧を対比すると、(高耐圧トラン
ジスタの耐圧)/(低耐圧トランジスタの耐圧)は、た
とえば3〜60である。ここで、「耐圧」とは、代表的
にはドレイン耐圧を意味する。
るトランジスタの耐圧およびしきい値、各ウェル間の接
合耐圧およびパンチスルー耐圧などを考慮して設定され
る。
る。低耐圧トランジスタが形成される第2ウェル30お
よび第3ウェル40における不純物濃度は、高耐圧トラ
ンジスタが形成される第1ウェル20および第4ウェル
50における不純物濃度より高く設定される。第2ウェ
ル30および第3ウェル40の不純物濃度は、例えば表
面濃度で4.0×1016〜7.0×1017atoms/
cm3である。また、第1ウェル20および第4ウェル
50の不純物濃度は、例えば表面濃度で8.0×1015
〜4.0×1016atoms/cm3である。
と、低耐圧トランジスタが形成される第2ウェル30,
第3ウェル40が、高耐圧トランジスタが形成される第
1ウェル20,第4ウェル50より浅く設定される。例
えば、第1ウェル20の深さは10〜20μmであり、
第2ウェル30,第3ウェル40の深さは3〜10μm
である。第1ウェル20の深さと、第2ウェル30およ
び第3ウェル40の深さとを対比すると、両者の深さの
比は、それぞれたとえば2〜5である。
素子分離絶縁層によって分離されている。そして、各高
耐圧トランジスタ300NH,400PHは、例えば、
ゲート電極がソース/ドレイン層と重なりをもたない、
いわゆるオフセットゲート構造を有することができる。
以下に述べる例では、各高耐圧トランジスタは、LOC
OSオフセット構造を有する。すなわち、各高耐圧トラ
ンジスタは、ゲート電極と、ソース/ドレイン層との間
にオフセット領域が設けられている。このオフセット領
域は、半導体基板上の所定領域に設けられたオフセット
LOCOS層の下の低濃度不純物層から構成されてい
る。
高耐圧トランジスタ400PHの構造を示す断面図であ
る。図9は、高耐圧トランジスタ400PHの要部を示
す平面図である。
PHは、N型の第1ウェル20上に設けられたゲート絶
縁層24と、このゲート絶縁層24上に形成されたゲー
ト電極46と、ゲート絶縁層24の周囲に設けられたオ
フセットLOCOS層65aと、このオフセットLOC
OS層65aの下に形成されたP型の低濃度不純物層か
らなるオフセット不純物層57aと、オフセットLOC
OS層65aの外側に設けられた、ソース/ドレイン層
22a,22bとを有する。
トランジスタとは、素子分離LOCOS層(素子分離絶
縁層)65bによって電気的に分離されている。そし
て、図示のN型の第1ウェル20内においては、素子分
離LOCOS層65bの下にはN型の低濃度不純物層か
らなるチャネルストッパ層63cが形成されている。ウ
ェルコンタクト層27は、ソース/ドレイン層22b
と、LOCOS層65cによって分離されている。LO
COS層65cの下には、図示しないチャネルストッパ
層を形成することができる。
がLOCOSオフセット構造を有することにより、ドレ
イン耐圧が大きく、高耐圧のMOSFETを構成でき
る。すなわち、オフセットLOCOS層65aの下に低
濃度不純物層からなるオフセット不純物層57aを設け
ることにより、オフセットLOCOS層がない場合に比
べてオフセット不純物層57aをチャネル領域に対して
相対的に深くできる。その結果、トランジスタのOFF
状態のときに、このオフセット不純物層57aによって
深い空乏層が形成でき、ドレイン電極の近傍の電界を緩
和してドレイン耐圧を高めることができる。
耐圧トランジスタ400PHが形成される第1ウェル2
0内に、低耐圧トランジスタ100NL,200PLが
形成される第2ウェル30および第3ウェル40が形成
される。そして、後述するように、第1ウェル20と、
第2ウェル30,第3ウェル40とは、異なる熱処理に
よるドライブインで形成される。そのため、特にウェル
の深さにおいて第2ウェル30,第3ウェル40を第1
ウェル20と独立に設計することができる。その結果、
低耐圧トランジスタの小型化,高速化に対応して第2ウ
ェル30および第3ウェル40の横方向の拡散量を少な
くすることができ、それに伴いこれらのウェルの面積も
小さくできるので、第2,第3ウェル30,40の集積
度を高めることができる。
0における不純物濃度は、第1ウェル20における不純
物濃度より高く設定される。これにより、各ウェルの不
純物濃度を各トランジスタの駆動電圧および耐圧に応じ
て適切に設定できる。
1ウェル20内に形成されるため、それぞれ半導体基板
10とは電気的に分離される。そのため、第2,第3ウ
ェル30,40毎にバイアス条件を独立に設定すること
が可能となる。すなわち、第2ウェル30および第3ウ
ェル40のそれぞれに半導体基板10の基板電位Vsu
bと独立に駆動電圧を設定できる。そして、例えば図1
0に示すように、低耐圧トランジスタ100NL,20
0PLの駆動電圧V1,V2を、高耐圧トランジスタ3
00NL,400PLの駆動電圧V3,V4の中間に設
定することにより、低耐圧トランジスタの駆動電圧レベ
ルから高耐圧トランジスタの駆動電圧レベルへ変換する
レベルシフト回路の設計を効率よくかつ容易にすること
ができる。
いて説明する。図2〜図7は、図1に示す半導体装置の
製造方法を模式的に示す断面図である。
(シリコン)基板10を熱酸化することにより、半導体
基板10の表面に厚さ40nm程度の酸化シリコン層1
2を形成する。その後、この酸化シリコン層12上に、
厚さ140〜160nmの耐酸化層としての窒化シリコ
ン層14を形成する。ついで、この窒化シリコン層14
上にレジスト層R100を形成する。このレジスト層R
100は、N型の第1ウェル20(図1参照)に対応す
る位置に開口部が形成されるようにパターニングされ
る。ついで、レジスト層R100をマスクとして窒化シ
リコン層14をエッチングする。ついで、レジスト層R
100および窒化シリコン層14をマスクとして、半導
体基板10に例えばリンイオンを注入し、N型の不純物
層20aを形成する。このとき、リンイオンは、例えば
120keVの加速電圧で注入することができる。
スト層R100を除去した後、窒化シリコン層14を耐
酸化マスクとして半導体基板10を熱酸化することによ
り、N型の不純物層20a上に厚さ500nm程度のL
OCOS層16を形成する。ついで、窒化シリコン層1
4を除去した後、LOCOS層16をマスクとして半導
体基板10にボロンイオンを注入し、P型の不純物層5
0aを形成する。このとき、ボロンイオンは、例えば6
0keVの加速電圧で注入することができる。
の不純物層20aおよびP型の不純物層50aの不純物
を熱処理により拡散(ドライブイン)させることによ
り、N型の第1ウェル20とP型の第4ウェル50を自
己整合的に形成する。ついで、酸化シリコン層12およ
びLOCOS層16を除去した後、半導体基板10上に
熱酸化によって酸化シリコン層18を形成する。
18上に、第3ウェル40(図1参照)に対応する位置
に開口部を有するレジスト層R200を形成する。この
レジスト層R200をマスクとして、N型の第1ウェル
20の所定領域にリンイオンを注入し、N型の不純物層
(第2不純物層)40aを形成する。このとき、リンイ
オンは、例えば120keVの加速電圧で注入すること
ができる。
00を除去した後、酸化シリコン層18上に、第2ウェ
ル30(図1参照)に対応する位置に開口部を有するレ
ジスト層R300を形成する。このレジスト層R300
をマスクとして、第1ウェル20の所定領域にボロンイ
オンを注入し、P型の不純物層(第1不純物層)30a
を形成する。このときボロンイオンは、例えば60ke
Vの加速電圧で注入することができる。ついで、レジス
ト層R300を除去する。
理により、P型の不純物層30aおよびN型の不純物層
40aの不純物を同時に拡散(ドライブイン)させるこ
とにより、P型の第2ウェル30およびN型の第3ウェ
ル40を形成する。このとき、第1ウェル20および第
4ウェル50の不純物も同時に拡散される。
は、N型の第1ウェル20と、第1ウェル20内に形成
されたP型の第2ウェル30と、N型の第3ウェル40
と、が形成され、さらに、第1ウェル20と接する状態
でP型の第4ウェル50が形成される。なお、前記工程
(D)と工程(E)の順序は逆であってもよい。
ゲート電極およびソース/ドレイン層などを公知の方法
により形成して、所定のトランジスタを形成する。具体
的には、図1に示すように、第2ウェル30には、Nチ
ャネル型の低耐圧トランジスタ100NLが形成され、
第3ウェル40にはPチャネル型の低耐圧トランジスタ
200PLが形成される。また、第1ウェル20にはP
チャネル型の高耐圧トランジスタ400PHが形成さ
れ、第4ウェル50にはNチャネル型の高耐圧トランジ
スタ300NHが形成される。
トランジスタ400PHが形成される第1ウェル20
と、低耐圧トランジスタ100NL,200PLが形成
される第2ウェル30および第3ウェル40とが異なる
工程で形成されるので、第2ウェル30および第3ウェ
ル40を第1ウェル20とは独立に設計することができ
る。
(F)の熱処理によって、不純物層30aおよび不純物
層40aの不純物をそれぞれ拡散させて、P型の第2ウ
ェル30およびN型の第3ウェル40を同時に形成する
ことができる。また、本実施の形態の製造方法によれ
ば、工程(C)の熱処理によって、不純物層20aおよ
び不純物層50aの不純物をそれぞれ拡散させて、N型
の第2ウェル20およびP型の第4ウェル50を同時に
形成することができる。
発明の要旨の範囲内で各種の態様をを取りうる。たとえ
ば、上記実施の形態は、第1導電型がP型、第2導電型
がN型の例であったが、この逆の導電型でもよい。ま
た、半導体装置の層構造あるいは平面構造はデバイスの
設計によって上記実施の形態と異なる構造を取りうる。
を模式的に示す断面図である。
法を工程順に示す断面図である。
法を工程順に示す断面図である。
法を工程順に示す断面図である。
法を工程順に示す断面図である。
法を工程順に示す断面図である。
法を工程順に示す断面図である。
トランジスタの構造例を示す断面図である。
面図である。
タの駆動電圧の関係を示す図である。
Claims (11)
- 【請求項1】 第1導電型の半導体基板と、 前記半導体基板に形成された、第2導電型の第1ウェル
と、 前記第1ウェル内に形成された、第1導電型の第2ウェ
ルと、 前記第1ウェル内に形成された、第2導電型の第3ウェ
ルと、 前記第2ウェルに形成された、第2導電型の低耐圧トラ
ンジスタと、 前記第3ウェルに形成された、第1導電型の低耐圧トラ
ンジスタと、 前記第1ウェルに形成された、第1導電型の高耐圧トラ
ンジスタと、を含み、 前記第2ウェルおよび前記第3ウェルにおける不純物濃
度は、前記第1ウェルにおける不純物濃度より高い、半
導体装置。 - 【請求項2】 請求項1において、 さらに、前記半導体基板内に形成された、第1導電型の
第4ウェルと、 前記第4ウェルに形成された、第2導電型の高耐圧トラ
ンジスタと、を有する、半導体装置。 - 【請求項3】 請求項1または2において、 前記低耐圧トランジスタと前記高耐圧トランジスタとの
耐圧の比は、3〜60である、半導体装置。 - 【請求項4】 請求項1ないし3のいずれかにおいて、 前記第2ウェルおよび前記第3ウェルと、前記第1ウェ
ルとの深さの比は、それぞれ、2〜5である、半導体装
置。 - 【請求項5】 請求項1ないし4のいずれかにおいて、 前記高耐圧トランジスタは、オフセットゲート構造を有
する、半導体装置。 - 【請求項6】 (a)第1導電型の半導体基板に第2導
電型の第1ウェルを形成し、 (b)前記第1ウェルの所定領域に、第1導電型および
第2導電型の不純物をそれぞれイオン注入によって導入
して、第1不純物層および第2不純物層を形成し、 (c)熱処理によって、前記第1不純物層および前記第
2不純物層の不純物をそれぞれ拡散させて、第1導電型
の第2ウェルおよび第2導電型の第3ウェルを形成する
こと、を含む、半導体装置の製造方法。 - 【請求項7】 請求項6において、 前記第2ウェルおよび前記第3ウェルにおける不純物濃
度を、前記第1ウェルにおける不純物濃度より高くす
る、半導体装置の製造方法。 - 【請求項8】 請求項6または7において、 前記第2ウェルに第2導電型の低耐圧トランジスタを形
成し、 前記第3ウェルに第1導電型の低耐圧トランジスタを形
成し、 前記第1ウェルに第1導電型の高耐圧トランジスタを形
成すること、を有する、半導体装置の製造方法。 - 【請求項9】 請求項6ないし8のいずれかにおいて、 前記半導体基板に第1導電型の第4ウェルを形成するこ
とを有する、半導体装置の製造方法。 - 【請求項10】 請求項9において、 前記第4ウェルに第2導電型の高耐圧トランジスタを形
成することを有する、半導体装置の製造方法。 - 【請求項11】 請求項6ないし10のいずれかにおい
て、 前記第2ウェルおよび前記第3ウェルと、前記第1ウェ
ルとの深さの比は、それぞれ2〜5である、半導体装置
の製造方法。
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