JP2004288779A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent imperfect gate insulation of an LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) FET. <P>SOLUTION: After a gate insulation film 7a is formed on a semiconductor substrate 1, the gate electrode 8 of a power n channel LDMOS FETQn is formed on the gate insulation film 7a. Continuously, a thin insulating film 15 is laid to cover the gate electrode 8 and the surface of the semiconductor substrate 1 on the semiconductor substrate 1. After that, impurities for forming n<SP>+</SP>type semiconductor regions for the source and the drain of the power n channel LDMOS FETQn are introduced in the semiconductor substrate 1 in the state that the thin insulating film 15 is still left. As a result, the gate insulation film 7b in the vicinity of the end of the gate electrode 8 of a source side can be protected with the insulating film 15 when the impurities for forming the source and the drain are introduced, and the gate insulation film 7b can be protected from damaging or the like, so that imperfect gate insulation of the power n channel LDMOS FETQn can be prevented. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置技術に関し、特に、LDMOS・FET(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor・Field Effect Transistor)を有する半導体装置の製造方法および半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
本発明者が検討したnチャネル型のLDMOS・FETの形成方法は、例えば次のとおりである。まず、p型のシリコンからなる半導体基板に、LDMOS・FETのチャネル領域となるpウエルを形成する。続いて、半導体基板の主面上にゲート絶縁膜を形成した後、その上に多結晶シリコン膜等からなる導体膜を堆積し、さらにその導体膜をパターニングすることによりゲート電極を形成する。その後、半導体基板に対してライト酸化処理を施した後、ゲート電極の端部に対して自己整合的にn型の半導体領域を半導体基板に形成する。その後、ソースおよびドレイン用のn型の半導体領域を半導体基板に形成する。この時、ソース用のn型半導体領域はその端部がゲート電極の端部とほぼ一致するようにゲート電極に対して自己整合的に形成する。ドレイン用のn型半導体領域はその端部がゲート電極の端部から上記n型の半導体領域分だけ離れるように形成する。
【0003】
なお、この種のLDMOS・FETを用いる高周波パワーモジュールの構成については、例えば特開2002−111415号公報に開示がある(例えば特許文献1)。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−111415号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者は、高利得の増幅回路の形成にあたり、その増幅回路を構成するLDMOS・FETのオン抵抗を下げるため、ソース領域およびドレイン領域を形成するための不純物導入時に、ソース領域をゲート電極端部位置に対して自己整合的に形成するとともに、高濃度の不純物を半導体基板に導入したところ、ソース領域側のゲート電極端部近傍のゲート絶縁膜に損傷や不純物準位等が生じ、その結果、その損傷や不純物準位に起因してゲート電極と半導体基板との間でリーク電流が流れる不良(以下、ゲート絶縁不良という)が生じることを初めて見出した。
【0006】
本発明の目的は、横型の電界効果トランジスタのゲート絶縁不良を抑制または防止することのできる技術を提供することにある。
【0007】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0009】
すなわち、本発明は、半導体基板上にLDMOS・FETのゲート電極をパターニングした後、ゲート電極および半導体基板の表面を覆うような薄い絶縁膜を半導体基板上に堆積し、さらに、ソースおよびドレイン用の半導体領域を形成するための不純物を上記薄い絶縁膜を残した状態で半導体基板に導入する工程を有するものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
本願発明の実施の形態を詳細に説明する前に、本実施の形態における用語の意味を説明すると次の通りである。
【0011】
1.GSM(Global System for Mobile Communication)は、デジタル携帯電話に使用されている無線通信方式の1つまたは規格をいう。GSMには、使用する電波の周波数帯が3つあり、900MHz帯をGSM900または単にGSM、1800MHz帯をGSM1800またはDCS(Digital Cellular System)1800若しくはPCN、1900MHz帯をGSM1900またはDCS1900若しくはPCS(Personal Communication Services)という。なお、GSM1900は主に北米で使用されている。北米ではその他に850MHz帯のGSM850を使用する場合もある。
【0012】
2.GMSK変調方式は、音声信号の通信に用いる方式で搬送波の位相を送信データに応じて位相シフトする方式である。
【0013】
3.EDGE変調方式は、データ通信に用いる方式でGMSK変調の位相シフトにさらに振幅シフトを加えた方式である。
【0014】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。また、本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、本実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、本実施の形態では、電界効果トランジスタの代表例であるMOS・FET(Metal Oxide Semiconductor・Field Effect Transisto)をMOSと略し、pチャネル型のMOSをpMOSと略し、nチャネル型のMOSをnMOSと略す。また、横型の電界効果トランジスタであるnチャネル型のLDMOS・FET(Laterally Diffused MOS FET)をnLDMOSと略し、pチャネル型のLDMOS・FETをpLDMOSと略す。
【0015】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0016】
(実施の形態1)
まず、本発明者が見出した課題について説明する。例えば携帯電話等のような移動体通信機器に用いるRF(Radio Frequency)パワーモジュールのアンプを構成するLDMOSではオン抵抗の低減が求められている。これは、RF信号の負荷効率(RFパワーモジュールへの入力信号と出力信号との比)の向上を図り高利得のアンプを実現するためである。また、その他に、電源電圧の低い機器でのオン抵抗による電圧降下分を低減して消費電力を抑えるためでもある。本発明者は、上記RFパワーモジュールの開発にあたり、これを構成するLDMOSのオン抵抗を下げるべく、LDMOSのソース領域およびドレイン領域を形成するための不純物導入時に、ソース領域をゲート電極に対して自己整合的に形成するとともに、高濃度の不純物を半導体基板(以下、単に基板という)に導入したところ、信頼度試験において前記ゲート絶縁不良の発生率が増大する問題が生じた。その原因は、ソース領域およびドレイン領域を形成するための不純物導入時にソース領域側のゲート電極端部近傍のゲート絶縁膜に生じた損傷や不純物準位等(以下、単に損傷等という)に起因することが本発明者により判明した。
【0017】
図1は、上記損傷等の発生メカニズムを説明するための基板80の部分断面図である。基板80の主面上には、例えば酸化シリコン(SiO等)からなるゲート絶縁膜81を介してnLDMOSのゲート電極82がパターニングされている。nLDMOSのドレイン領域側のゲート電極82の端部近傍は部分的にフォトレジストパターン(以下、単にレジストパターンという)83で覆われている。一方、nLDMOSのソース領域側のゲート電極82の端部は露出されている。これはソース領域の端部がゲート電極82の端部から離れすぎてしまうとnLDMOSのオン抵抗が高くなってしまうので、それを防ぐべく、ソース領域の端部がゲート電極82の端部と重なる(ほぼ一致する)ようにソース領域をゲート電極82に対して自己整合的に形成するためである。
【0018】
このような状態で上記ソース領域およびドレイン領域を形成するための不純物を基板80に導入すると、ソース領域側のゲート電極82の端部近傍のゲート絶縁膜81部分(破線の領域A)は露出されているので不純物イオンの衝突による影響を受けてしまう。その結果、そのソース領域側のゲート電極82の端部近傍のゲート絶縁膜81部分で上記損傷等が生じ、その損傷等を通じてゲート電極82と基板80との間でリーク電流が流れてしまう。特に、ゲート電極82の下端部の角部は電界が集中し易いので、その近傍のゲート絶縁膜81部分に損傷等が存在するとリーク電流の問題が生じ易い。そこで、現状は、RFパワーモジュールの組立工程後にバーンイン試験(例えば125℃、2〜4時間、電源電圧を5.2V印加)を行うことで、初期不良を除去し、量産に対応している。しかし、この試験を行うと、ゲート絶縁不良の発生率が多く(例えば1000ppm(母数約40000個))、バーンイン試験を行うと多大な時間とコストとがかかる、という問題がある。
【0019】
上記のような損傷等が発生する原因は、LDMOSのオン抵抗を下げるために、LDMOSのソースおよびドレイン用の高濃度領域形成時の不純物のドーズ量を一般的なLDMOSの場合よりも1桁高い1015/cm台としていることが挙げられる。また、LDMOSの微細な寸法を維持したまま、オン抵抗を下げるために、不純物として原子量(質量)の大きなヒ素(As)を用い、基板80主面の浅い位置に高不純物濃度のソース領域を形成しているが、不純物の原子量が大きい程、上記損傷等の度合いも大きくなるので、原子量の大きな不純物を用いることも上記問題発生の大きな原因として挙げられる。
【0020】
そこで、本実施の形態1においては、LDMOSのソース領域を形成するための不純物導入時に、ソース領域側のゲート電極端部近傍(少なくともゲート電極の下端部の角部近傍)に、そのゲート電極端部近傍のゲート絶縁膜を保護するような保護部材を形成しておく。これにより、ソース領域側のゲート電極の端部近傍(特にゲート電極の下端部の角部近傍)のゲート絶縁膜部分に損傷等が生じるのを低減または防止できるので、上記ゲート絶縁不良の発生を抑制または防止できる。したがって、電気的特性(RF特性、DC特性、高利得、オン抵抗)を維持したまま信頼性の高いRFパワーモジュールを提供することができる。また、RFパワーモジュールの歩留りを向上させることができる。さらに、バーンイン試験を無くすこともできるようになるので、RFパワーモジュールの製造時間を短縮でき、また、コストを大幅に低減できる。
【0021】
ところで、具体的な方法として、ゲート電極の側面に、いわゆるサイドウォールを形成した状態で、不純物を導入する方法が考えられる。以下、その方法の一例と問題点を図2〜図5の半導体装置の要部断面図によりに説明する。
【0022】
まず、図2に示すように、p型のシリコン(Si)単結晶からなる基板Subの主面上にゲート絶縁膜Goxおよびゲート電極GPを形成した後、これをマスクの一部として、例えばリンをイオン注入することにより、基板Subにn型の半導体領域NMAをゲート電極GPに対して自己整合的に形成する。続いて、図3に示すように、基板Subの主面上に絶縁膜IFSをCVD(Chemical Vapor Deposition)法により堆積した後、これを異方性のドライエッチング法によりエッチバックすることにより、図4に示すように、ゲート電極GPの側面にサイドウォールIFSWを形成する。この際、ゲート電極GPに覆われていない基板Subの主面やゲート絶縁膜Goxに、ドライエッチングによる損傷等(×印で示す)が生じる。その後、上記損傷等を残したまま、図5に示すように、基板Subの主面上にソース領域が露出され、ゲート電極GPの端部近傍のドレイン領域の一部を覆うようなレジストパターンRPAを形成した後、例えばヒ素(As)を導入してソース用のn型の半導体領域NSAおよびドレイン用のn型の半導体領域を形成する。この際、ソース用のn型の半導体領域NSA側のゲート電極GP側面にサイドウォールIFSWが形成されていることにより、ソース用のn型の半導体領域NSA側のゲート電極GP端部近傍のゲート絶縁膜Gox部分への不純物イオンの直接的な衝突を避けることができ、そのゲート電極GP端部近傍のゲート絶縁膜Gox部分を保護することができるので、上記ゲート絶縁不良の発生を抑制または防止できる。しかし、この方法の場合、サイドウォールIFSWを形成するためのエッチバック処理により基板Subの主面およびゲート絶縁膜Goxに生じた損傷等による影響が大きく、例えばドレイン耐圧の低下やオン抵抗の増大等、LDMOSの電気的特性の劣化が生じる。このようなエッチバックによる基板Sub主面およびゲート絶縁膜Goxの損傷等は定量的に把握することが難しく、損傷等が生じないようにエッチバックを制御することは難しいので、この問題を回避することは困難である。また、サイドウォールIFSWは一般的にその幅が広い(約400nm)ので、ソース用のn型の半導体領域NSAの端部がゲート電極GPの端部から遠のいてしまう結果、nLDMOSのオン抵抗が増大する、という問題がある。この問題は、オン抵抗を下げることで高利得のアンプを得るという最初の趣旨に逆行してしまう。さらに、エッチバック工程を追加するので製造工程が増えるという問題もある。
【0023】
そこで、本実施の形態1では、さらに上記サイドウォールプロセスを用いた場合に生じる問題を回避できる方法を図6のフロー図および図7〜図17の半導体装置の製造工程中の要部断面図により説明する。ここでは、例えばGSM(Global System for Mobile Communication)方式のネットワークを利用して情報を伝送するデジタル携帯電話に使用されるRF(Radio Frequency)パワーモジュールのアンプ用の半導体チップの製造工程を一例として本実施の形態1の半導体装置の製造方法を説明する。なお、図7〜図17(図14を除く)において、左側は、例えばアンプ用のパワーnLDMOS形成領域、右側は、例えばスイッチング素子用の標準pLDMOS形成領域を例示している。
【0024】
まず、図7に示すように、基板1を用意する。この段階の基板1は、半導体ウエハと称する平面略円形状の部材からなり、基板本体1aと、その主面に形成された半導体層1bと、基板本体1aの裏面に形成された絶縁層2とを有している。基板本体1aは、例えばチョクラルスキー法等のような結晶引き上げ法により形成されたp型のシリコン(Si)単結晶からなり、その抵抗率は、例えば3〜6mΩcm程度である。半導体層1bは、例えばエピタキシャル法により形成されたp型のシリコン単結晶からなり、その厚さは、例えば3μm程度、その抵抗率は、例えば18Ωcm〜23Ωcm程度である。基板1の裏面の絶縁層2は、例えばCVD法で形成された酸化シリコン(SiO等)からなり、基板1の裏面を汚染および破損などから保護する機能を有する。続いて、半導体層1bの主面上にフォトリソグラフィ技術によりレジストパターンを形成した後、そのレジストパターンをマスクとして、例えばホウ素(B)等のような不純物イオンを半導体層1bに選択的に導入することにより、p++型の半導体領域3を形成する。この半導体領域3は半導体層1bの主面から基板本体1aまで達するように形成されており、基板本体1aと電気的に接続される。その後、そのレジストパターンを除去した後、半導体層1bの主面に、例えば酸化シリコンからなるフィールド絶縁膜4をLOCOS(Local Oxidization of Silicon)法により形成する。このフィールド絶縁膜4が形成された領域を分離領域として規定することができ、それ以外の領域を素子形成領域(活性領域)として規定することができる。
【0025】
次いで、半導体層1bの主面上に、標準pLDMOS形成領域が露出され、それ以外が覆われるようなレジストパターンをフォトリソグラフィ技術により形成した後、そのレジストパターンをマスクとして、例えばリン(P)等のような不純物イオンを半導体層1bに選択的に導入することにより、標準pLDMOS形成領域にnウエル5を形成する。続いて、nウエル5形成用のレジストパターンを除去した後、半導体層1bの主面上に、パワーnLDMOS形成領域の一部が露出され、それ以外が覆われるようなレジストパターンRP1をフォトリソグラフィ技術により形成した後、そのレジストパターンRP1をマスクとして、例えばホウ素等のような不純物イオンを半導体層1bに選択的に導入することにより、パワーnLDMOS形成領域にpウエル(第1半導体領域)6を形成する。pウエル6はパワーnLDMOSのチャネル領域になる部分でもある(図6の工程PWLP)。
【0026】
次いで、レジストパターンRP1を除去した後、基板1に対して洗浄処理を施して半導体層1bの主面の清浄面を露出させた状態で、例えばウエット酸化処理を施すことにより、図8に示すように、半導体層1bの活性領域主面上に、例えば厚さ11nm程度の酸化シリコンからなるゲート絶縁膜7aを形成する(図6の工程GOXP)。続いて、基板1の主面上に、例えば低抵抗な多結晶シリコン等のような導体膜、タングステンシリサイド(WSi)等のようなシリサイド膜および酸化シリコン等のようなキャップ絶縁膜を下層から順にCVD法等により堆積した後、これをフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術によりパターニングすることにより、パワーnLDMOS形成領域および標準pLDMOS形成領域にゲート電極8およびキャップ絶縁膜9を形成する。ゲート電極8は、低抵抗な多結晶シリコン膜とタングステンシリサイド膜との積層膜構成とされているが、タングステンシリサイド膜の代わりに、窒化チタン(TiN)などのようなバリア金属膜およびタングステン(W)等のような金属膜を下層より順次積層することで構成しても良い(図6の工程GP)。その後、基板1に対してライト酸化処理を施すことにより、図9に示すように、上記ゲート電極8の形成工程で若干エッチングされたゲート絶縁膜7aの端部を補修する。この時、ゲート電極8の周囲の基板1の活性領域主面上にゲート絶縁膜7bが形成される。ゲート絶縁膜7bは、例えば酸化シリコンからなり、ゲート絶縁膜7aよりも厚く形成されている(図6の工程LOXP)。
【0027】
次いで、図10に示すように、基板1の主面上に、標準pLDMOS形成領域のドレイン領域が露出され、それ以外が覆われるようなレジストパターンRP2をフォトリソグラフィ技術により形成した後、これをマスクとして、例えば二フッカホウ素(BF)を半導体層1bにイオン注入することにより、標準pLDMOS形成領域のドレイン領域にドレイン用のp型の半導体領域12aを形成する(LDD(Lightly Doped Drain)構造)。この時の不純物イオンの打ち込みエネルギーは、例えば30KeV程度、ドーズ量は、例えば1012/cm台である(図6の工程PMP)。続いて、レジストパターンPR2を除去した後、図11に示すように、基板1の主面上に、パワーnLDMOS形成領域のドレイン領域が露出され、それ以外が覆われるようなレジストパターンRP3をフォトリソグラフィ技術により形成した後、これをマスクとして、例えばリンを半導体層1bにイオン注入することにより、パワーnLDMOS形成領域のドレイン領域にドレイン用のn型の半導体領域(第2半導体領域)13aを形成する(LDD構造)。n型の半導体領域13aは、その端部がゲート電極8のドレイン側端部に重なる(ほぼ一致する)ように形成されている。この時の不純物イオンの打ち込みエネルギーは、例えば50KeV程度、ドーズ量は、例えば1013/cm台である(図6の工程NMP)。その後、レジストパターンRP3を除去した後、基板1に対してアニール処理を施す(図6の工程SG・ANP)。
【0028】
次いで、図12に示すように、基板1の主面上に、例えば酸化シリコン等からなる薄い絶縁膜15をCVD法等により堆積する。この絶縁膜15は、基板1の主面のフィールド絶縁膜4、ゲート絶縁膜7b、ゲート電極8の側面、キャップ絶縁膜9の側面および上面を覆うように堆積されている。すなわち、絶縁膜15は、ゲート電極8の端部近傍のゲート絶縁膜7bを保護するように形成されている。絶縁膜15の厚さ(すなわち、ゲート電極8の側面に被着される絶縁膜15部分の幅)は、上記サイドウォールの幅よりも薄く、例えば15nm程度である(図6の工程NTHDP)。続いて、図13および図14に示すように、基板1の主面上(絶縁膜15上)に、パワーnLDMOS形成領域のソース領域およびドレイン領域(ドレイン領域はゲート電極8の端部から少し離れた一部分)が露出され、それ以外が覆われるようなレジストパターンRP4を形成した後、これをマスクとして、例えばヒ素(As)を半導体層1bにイオン注入する。すなわち、上記のように絶縁膜15が形成された状態のままで不純物イオンを注入する。これにより、半導体層1bに、パワーnLDMOS形成領域のドレイン用のn型の半導体領域(第3半導体領域)13bおよびソース用のn型の半導体領域(第4半導体領域)13cを形成する。ドレイン用のn型の半導体領域13bは、その端部が上記ドレイン用のn型の半導体領域13a分だけゲート電極8から離れた位置に形成されている。また、ソース用のn型の半導体領域13cは、その端部が図14に示すように絶縁膜15の厚さに相当する長さL1分だけゲート電極8から離れた位置に形成されている。このドレインおよびソース用のn型の半導体領域13b,13c形成時の不純物イオンの打ち込みエネルギーは、例えば100KeV程度、ドーズ量は、例えば1×1015/cm台程度(またはそれ以上)、イオン注入角度は、例えば0度(基板1の主面に対して垂直)である。n型の半導体領域13b,13cの不純物濃度は、例えば1×1020/cm程度(またはそれ以上)である。不純物としてヒ素を用いたのは、原子量(質量)の大きなヒ素を用いることにより、半導体層1bの浅い位置に高不純物濃度のドレイン用のn型の半導体領域13bおよびソース用のn型の半導体領域13cを形成することで、パワーnLDMOSの微細な寸法を維持したまま、オン抵抗を低減できるからである。以上のようにしてパワーnLDMOSQnを形成する。パワーnLDMOSQnは、例えばRFパワーモジュールのアンプを構成する素子である。
【0029】
このように本実施の形態1によれば、ゲート電極8の端部近傍のゲート絶縁膜7b部分が絶縁膜15で覆われた状態で、ソースおよびドレイン用のn型の半導体領域13b,13cの形成のための不純物イオンを導入することにより、パワーnLDMOSQnのソース領域側のゲート電極8端部近傍のゲート絶縁膜7b部分に不純物イオンが直接的に衝突するのを避けることができる。すなわち、パワーnLDMOSQnのソース領域側のゲート電極8の端部近傍のゲート絶縁膜7bを絶縁膜15により保護することができる。これにより、パワーnLDMOSQnのソース領域側のゲート電極8の端部近傍のゲート絶縁膜7bに損傷等が生じるのを抑制または防止できるので、パワーnLDMOSQnのゲート絶縁不良を抑制または防止することができる。また、ソース用のn型の半導体領域13cの端部は、図14に示すように、ゲート電極8の端部から絶縁膜15の厚さに相当する長さL1分だけ離れるが、その絶縁膜15の厚さは上記サイドウォールの幅に比べれば極めて小さく、長さL1も小さいので、パワーnLDMOSQnのオン抵抗が増大しないようにできる。なお、図14は、図13の要部拡大断面図である(図6の工程NP)。
【0030】
次いで、レジストパターンRP4を除去した後、絶縁膜15は残したまま、図15に示すように、基板1の主面上に、パワーnLDMOS形成領域のソース領域およびドレイン領域(ドレイン領域はゲート電極8の端部から少し離れた一部分)が露出され、それ以外が覆われるようなレジストパターンRP5を形成した後、これをマスクとして、例えばホウ素を半導体層1bにイオン注入することにより、パワーnLDMOS形成領域の上記ドレイン、ソース用のn型の半導体領域13b,13cの下部(主としてパワーnLDMOSのチャネル側)側にp型の半導体領域17を形成する。このp型の半導体領域17は、短チャネル効果を抑制または防止する、いわゆるハロー領域(またはパンチスルーストッパ領域)である。この不純物導入工程では、不純物イオンを基板1の主面に対して斜めになるような方向から注入する。(図6の工程PHP)。
【0031】
次いで、レジストパターンRP5を除去した後、絶縁膜15は残したまま、図16に示すように、基板1の主面上に、パワーnLDMOS形成領域の一部、標準pLDMOS形成領域のソースおよびドレイン領域(ドレイン領域はゲート電極8の端部から少し離れた一部分)が露出され、それ以外が覆われるようなレジストパターンRP6を形成した後、これをマスクとして、例えばホウ素を半導体層1bにイオン注入することにより、標準pLDMOSのドレイン用のp型の半導体領域12bおよびソース用のp型の半導体領域12cを形成するとともに、パワーnLDMOS形成領域にp型の半導体領域12dを形成する。このようにして標準pLDMOSQpを形成する。標準pLDMOSQpは、例えばスイッチング素子を形成する素子なので、上記パワーnLDMOSQnに比べて高い利得が要求されない。このため、標準pLDOMOSQpのチャネル長は、上記パワーnLDMOSQnのチャネル長よりも長くなっている。なお、パワーnLDMOS形成領域のp型の半導体領域12dは上記p++型の半導体領域3と接続されており、これを通じて基板本体1aと電気的に接続されている(図6の工程PP)。
【0032】
次いで、レジストパターンRP6を除去した後、基板1に対して例えばRTA(Rapid Thermal Anneal)等のようなアニール処理を施す(図6の工程DI・ANP)。続いて、絶縁膜15は残したまま、図17に示すように、基板1の主面上に、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜20をCVD法等により堆積した後、絶縁膜20,15に半導体層1bに達するコンタクトホールCNTをフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術により形成する(図6の工程IDPおよび工程CNTP)。その後、基板1の主面上に、例えば窒化チタン(TiN)膜をスパッタリング法により堆積した後、その上にタングステン膜をCVD法等によって堆積する。続いて、そのタングステン膜をエッチバックした後、基板1の主面上に、例えばチタン(Ti)膜、アルミニウム(Al)−シリコン−銅(Cu)合金膜、チタン膜および窒化チタン膜を下層から順にスパッタリング法により堆積する。続いて、その積層膜をフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術によりパターニングすることにより、第1層配線M1を形成する(図6の工程M1P)。これ以降は、通常の半導体装置の製造工程を経て、上記アンプ用の半導体チップを製造する。その後、この半導体チップをモジュール基板上に、他の半導体チップおよび電子部品とともに搭載してRFパワーモジュールを組み立てる。
【0033】
このように本実施の形態1によれば、パワーnLDMOSQnのソースおよびドレイン用のn型の半導体領域13b,13cを形成するための不純物イオンの導入工程に際して、ソース領域側のゲート電極8の端部近傍のゲート絶縁膜7bを絶縁膜15により保護できるので、ゲート電極8の端部近傍のゲート絶縁膜7bに損傷等が生じるのを抑制または防止でき、パワーnLDMOSQnのゲート絶縁不良を抑制または防止することが可能となる。したがって、RFパワーモジュールの歩留りおよび信頼性を向上させることが可能となる。
【0034】
また、保護用の絶縁膜15の厚さが上記サイドウォールの幅に比べれば極めて小さいので、パワーnLDMOSQnのオン抵抗が増大しないようにできる。図18は、絶縁膜15の厚さ(横軸)と、nLDMOSQnのオン抵抗Ronおよびゲート絶縁不良発生率N(縦軸)との関係を簡単に示したグラフである。絶縁膜15が厚くなるにつれ、ゲート絶縁不良発生率Nは下がるが、逆にオン抵抗Ronは増大してしまう。このことから絶縁膜15の厚さの下限は、ゲート絶縁不良の発生率の目標値で決まり、絶縁膜15の厚さの上限は、オン抵抗Ronの目標値で決まる。本発明者の検討によれば、絶縁膜15の厚さは、例えば7〜40nm程度が好ましい。特に、本実施の形態1のオン抵抗の目標値(すなわち、オン抵抗が1〜5Ωmm)からすると、絶縁膜15の厚さは、例えば7〜23nm程度、さらには、例えば10〜20nm程度が好ましい。本実施の形態1では、上記のように絶縁膜15の厚さとして、例えば10〜20nmの中間の15nmを選択することにより、ゲート絶縁不良の発生率を、例えば150ppm(母数約40000個)程度にまで低減できた。
【0035】
また、本実施の形態1によれば、上記サイドウォールプロセスのようなエッチバック工程が無いので、上記のような基板80の主面およびゲート絶縁膜81に損傷等が生じることもなく、パワーnLDMOSQnのドレイン耐圧の低下やオン抵抗の増大等のような電気的特性の劣化が生じることもない。したがって、RFパワーモジュールの性能および信頼性を確保できる。また、上記サイドウォールプロセスのようなエッチバック工程を追加しないので、RFパワーモジュールのアンプ用の半導体チップの製造工程も増えることもない。したがって、RFパワーモジュールの製造時間やコストが増大することも無い。
【0036】
また、標準pLDMOSQpのドレイン用のn型の半導体領域12aを形成するための不純物導入工程を、保護用の絶縁膜15の形成工程後に行うと、n型の半導体領域12aの端部が絶縁膜15の厚さ分だけゲート電極8の端部から離れてしまい、標準pLDMOSQpのオン抵抗が増大してしまう。そこで、本実施の形態1では、標準pLDMOSQpのドレイン用のn型の半導体領域12aを形成するための不純物導入工程を、保護用の絶縁膜15の形成工程前に行うことにより、n型の半導体領域12aの端部がゲート電極8から離れてしまうのを防止できるので、標準pLDMOSQpのオン抵抗の増大を防止でき、標準pLDMOSQpの良好な電気的特性を確保できる。
【0037】
次に、図19は、本実施の形態1のRFパワーモジュールPMを用いたデジタル携帯電話機システムの一例を示している。
【0038】
デジタル携帯電話機システム22は、例えばGSM900とDCS1800との2つの周波数帯を使用可能(デュアルバンド方式)で、それぞれの周波数帯でGMSK変調方式とEDGE変調方式との2つの通信方式を使用可能であり、音声等を入力するためのマイクMICと、信号処理回路部SPCと、上記RFパワーモジュールPMと、送受信切換え用のスイッチ回路SWCと、信号電波の送受信用のアンテナANTと、低雑音増幅器LAMPと、音声等を出力するためのスピーカSPとを有している。
【0039】
上記信号処理回路SPCは、各種信号処理を行う回路であり、ベースバンド回路や変復調用回路を有している。ベースバンド回路は、音声信号をベースバンド信号に変換したり、受信信号を音声信号に変換したり、変調方式切換信号やバンド切換信号を生成したりする機能を有しており、DSP(Digital Signal Processor)やマイクロプロセッサ、半導体メモリ等の複数の半導体集積回路で構成されている。変復調用回路は、受信信号をダウンコンバートして復調しベースバンド信号を生成したり送信信号を変調したりする機能を有している。
【0040】
上記RFパワーモジュールPMは、電波の周波数がDCS帯の送信信号を取り扱う高周波電力増幅回路AMP1と、電波の周波数がGSM帯の送信信号を取り扱う高周波電力増幅回路AMP2とを有している。また、GSM900とDCS1800との2つの周波数帯の各々でGMSK変調方式とEDGE変調方式との両通信方式を使用可能なように切換スイッチを有している。図20は、RFパワーモジュールPMの基本的な機能を示した説明図である。GSM帯の信号またはDCS帯の入力信号Pinが入力されると、それを増幅して出力信号Poutを出力する。また、図21は、RFパワーモジュールPMの高周波電力増幅回路AMP(AMP1,AMP2)の回路図の一例を示している。本実施の形態1の高周波電力増幅回路AMPは、例えば3段のパワーnLDMOSQn1〜Qn3(上記パワーnLDMOSQn)と、これらのパワーnLDMOSQn1〜Qn3にバイアス電圧を印加するバイアス回路BIASと、整合回路M1〜M9と、コンデンサと、コイルと、抵抗とを有している。この高周波電力増幅回路AMPの出力レベルは、上記バイアス回路BIASからの供給電圧および電源回路からの電源電圧Vddによって制御される。電源電圧Vddは、例えば4.7V程度であり、上記パワーnLDMOSQn1〜Qn3のドレインに供給される。上記バイアス回路BIASは、複数の抵抗を有している。この回路では、バイアス回路BIASの入力に制御電圧Vabc(GMSK方式を選択した場合)または制御電圧Vapc(EDGE方式を選択した場合)が入力されると、その電圧がバイアス回路BIASの抵抗で分圧されて所望のゲートバイアス電圧が生成され、そのゲートバイアス電圧が各々のnMOSQn1,Qn2,Qn3のゲート電極に入力されるようになっている。
【0041】
(実施の形態2)
本実施の形態2では、前記保護用の絶縁膜15を除去する工程を追加した例を図22のフロー図と、図23および図24の半導体装置の製造工程中の要部断面図とにより説明する。なお、図23および図24において、左側は、例えば前記パワーnLDMOS形成領域、右側は、例えば前記標準pLDMOS形成領域を例示している。
【0042】
まず、本実施の形態2の図22の工程PWLPから工程SG・ANPまでで前記実施の形態1(図6参照)と異なるのは、この工程までの間に図22では標準pLDMOSのp型の半導体領域12aの形成工程(図6の工程PMP)が無いことである。
【0043】
続いて、本実施の形態2でも、前記実施の形態1と同様に、図23に示すように、基板1の主面上に、絶縁膜15を堆積する。絶縁膜15の厚さや形成方法は、前記実施の形態1と同じであるが、本実施の形態2では絶縁膜15を、例えば窒化シリコン(Si等)で形成する(図22の工程NTHDP)。
【0044】
その後、前記実施の形態1と同様に、基板1の主面(絶縁膜15)上に、前記レジストパターンRP4を形成した後、例えばヒ素等のような不純物をイオン注入することにより、半導体層1bにパワーnLDMOSのドレインおよびソース用のn型の半導体領域13b,13cを形成する(図22の工程NP)。本実施の形態2でも、前記実施の形態1と同様に、ゲート電極8の端部近傍のゲート絶縁膜7bを絶縁膜15により保護できるので、ゲート電極8の端部近傍のゲート絶縁膜7bでの損傷等の発生を抑制または防止でき、パワーnLDMOSのゲート絶縁不良を抑制または防止できる。
【0045】
次いで、レジストパターンRP4を除去した後、絶縁膜15も、例えば熱リン酸(160℃程度に熱したリン酸(HPO))等を用いたウエットエッチング法により図24に示すように選択的に除去する(図22の工程NTHEP)。本実施の形態2では、絶縁膜15を窒化シリコン膜としたことにより、基板1の酸化シリコン膜を除去することなく、絶縁膜15のみを選択的に除去できる。また、絶縁膜15の除去方法としてウエットエッチング法を用いることにより、基板1の主面のゲート絶縁膜7a,7bやフィールド絶縁膜4に損傷等を与えることなく、絶縁膜15を除去することができる。
【0046】
続いて、前記実施の形態1の図15で説明したのと同様にパワーnLDMOS形成領域にパンチスルーストッパ用のp型の半導体領域17を形成する(図22の工程PHP)。その後、前記実施の形態1の図10(図6の工程PMP)で説明したのと同様に標準pLDMOSのp型の半導体領域12aを形成する。本実施の形態2では絶縁膜15を除去してしまうので、p型の半導体領域12aの形成工程を、絶縁膜15の堆積工程およびn型の半導体領域13b,13cの形成のための不純物導入工程よりも後に行うことができる。すなわち、p型の半導体領域12aの形成工程を前記実施の形態1よりも後の工程で行うことができる(図22の工程PMP)。その後、前記実施の形態1の図16で説明したのと同様に標準pLDMOSのp型の半導体領域12bを形成する(図22の工程PP)。これ以降は前記実施の形態1と同様なので説明を省略する。
【0047】
本実施の形態2によれば、絶縁膜15を除去するので、その分、前記実施の形態1よりも工程が増えるものの、それ以外の効果については前記実施の形態1と同様の効果が得られる上、以下の効果を得ることができる。
【0048】
すなわち、絶縁膜15を残しておく場合、その絶縁膜15の堆積工程後の不純物導入工程については、絶縁膜15の厚さを見越して不純物イオンの導入条件を設定したり、工程順を変えたりする必要が生じる場合があるが、本実施の形態2では、絶縁膜15を除去してしまうので、そのような必要が生じない、という効果を得ることができる。
【0049】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0050】
例えば前記実施の形態1,2では、RFパワーモジュールのパワーnLDMOSを3段設けたが、2段構成または4段構成にしても良い。
【0051】
また、前記実施の形態1,2では、パワーnLDMOSに適用した場合について説明したが、パワーpLDMOSに適用することもできる。
【0052】
また、前記実施の形態1,2では、GSM900とDCS1800との2つの周波数帯の電波を取り扱うことが可能なデュアルバンド方式に適用した場合について説明したが、上記2つの周波数帯の他に、例えばPCS帯の電波をも取り扱うことが可能な、いわゆるトリプルバンド方式に適用しても良い。
【0053】
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるデジタル携帯電話に適用した場合について説明したが、それに限定されるものではなく、例えばPDA(Personal Digital Assistants)等のような移動体通信機能を有する情報処理装置やパーソナルコンピュータ等のような情報処理装置にも適用できる。
【0054】
【発明の効果】
本願によって開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【0055】
すなわち、半導体基板上にLDMOS・FETのゲート電極をパターニングした後、ゲート電極および半導体基板の表面を覆うような薄い絶縁膜を半導体基板上に堆積し、さらに、ソースおよびドレイン用の半導体領域を形成するための不純物を上記薄い絶縁膜を残した状態で半導体基板に導入することにより、上記不純物導入時にゲート電極端部近傍のゲート絶縁膜を薄い絶縁膜により保護することができ、ゲート電極端部近傍のゲート絶縁膜に損傷や不純物準位が生じるのを抑制または防止できるので、LDMOS・FETのゲート絶縁不良を抑制または防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ゲート絶縁膜の損傷等の発生メカニズムを説明するための半導体基板の部分断面図である。
【図2】本発明者が検討した半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図3】図2に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図4】図3に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図5】図4に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図6】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程のフロー図である。
【図7】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図8】図7に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図9】図8に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図10】図9に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図11】図10に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図12】図11に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図13】図12に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図14】図13の半導体装置の製造工程中の要部拡大断面図である。
【図15】図13および図14に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図16】図15に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図17】図16に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図18】本発明の一実施の形態の半導体装置の保護用の絶縁膜の厚さ(横軸)と、横型トランジスタのオン抵抗およびゲート絶縁不良発生率(縦軸)との関係を簡単に示したグラフ図である。
【図19】本発明の一実施の形態1の半導体装置を用いたデジタル携帯電話機システムの一例の説明図である。
【図20】本発明の一実施の形態の半導体装置の基本的な機能を示した説明図である。
【図21】図20の半導体装置の電力増幅回路の一例の回路図である。
【図22】本発明の他の実施の形態である半導体装置の製造工程のフロー図である。
【図23】本発明の他の実施の形態である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図24】図23に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
1a 半導体基板本体
1b 半導体層
2 絶縁層
3 半導体領域
4 フィールド絶縁膜
5 nウエル
6 pウエル(第1半導体領域)
7a,7b ゲート絶縁膜
8 ゲート電極
9 キャップ絶縁膜
12a 半導体領域
13a 半導体領域(第2半導体領域)
13b 半導体領域(第3半導体領域)
13c 半導体領域(第4半導体領域)
15 絶縁膜
17 半導体領域
20 絶縁膜
22 デジタル携帯電話機システム
80 半導体基板
81 ゲート絶縁膜
82 ゲート電極
83 フォトレジストパターン
Sub 半導体基板
Gox ゲート絶縁膜
NMA 半導体領域
IFS 絶縁膜
IFSW サイドウォール
NSA 半導体領域
RPA フォトレジストパターン
RP1〜RP6 フォトレジストパターン
Qn,Qn1〜Qn3 パワーnチャネル型のLDMOS・FET
Qp 標準pチャネル型のLDMOS・FET
PM RFパワーモジュール
MIC マイク
SPC 信号処理回路部
SWC スイッチ回路
SP スピーカ
ANT アンテナ
LAMP 低雑音増幅器
Pin 入力信号
Pout 出力信号
BIAS バイアス回路
M1〜M9 整合回路
Vdd 電源電圧
Vabc 制御電圧
Vapc 制御電圧
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device technology, and more particularly to a method of manufacturing a semiconductor device having an LDMOS • FET (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor / Field Effect Transistor) and a technology effective when applied to a semiconductor device. It is.
[0002]
[Prior art]
The method of forming an n-channel LDMOS-FET studied by the present inventors is, for example, as follows. First, a p-well serving as a channel region of an LDMOS-FET is formed on a semiconductor substrate made of p-type silicon. Subsequently, after a gate insulating film is formed on the main surface of the semiconductor substrate, a conductor film made of a polycrystalline silicon film or the like is deposited thereon, and the gate electrode is formed by patterning the conductor film. Then, after performing a light oxidation treatment on the semiconductor substrate, n is self-aligned with the end of the gate electrode. A semiconductor region of a mold is formed on a semiconductor substrate. Then, n for source and drain + A semiconductor region of a mold is formed on a semiconductor substrate. At this time, n + The type semiconductor region is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode so that the end thereof substantially coincides with the end of the gate electrode. N for drain + The end of the type semiconductor region is the above-mentioned n from the end of the gate electrode. It is formed so as to be separated by the semiconductor region of the mold.
[0003]
The configuration of a high-frequency power module using this type of LDMOS • FET is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-111415 (for example, Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-111415
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the present inventor, when forming a high-gain amplifier circuit, lowers the on-resistance of the LDMOS-FET constituting the amplifier circuit, and introduces a gate to the source region when introducing impurities for forming a source region and a drain region. When formed in a self-aligned manner with respect to the electrode end position and introducing a high-concentration impurity into the semiconductor substrate, damage and impurity levels occur in the gate insulating film near the gate electrode end on the source region side. As a result, it has been found for the first time that a defect (hereinafter referred to as a gate insulating defect) in which a leak current flows between the gate electrode and the semiconductor substrate due to the damage or the impurity level occurs.
[0006]
An object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing or preventing gate insulation failure of a lateral field-effect transistor.
[0007]
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
[0009]
That is, according to the present invention, after a gate electrode of an LDMOS-FET is patterned on a semiconductor substrate, a thin insulating film covering the gate electrode and the surface of the semiconductor substrate is deposited on the semiconductor substrate, and further, a source and a drain are formed. And a step of introducing impurities for forming a semiconductor region into the semiconductor substrate while leaving the thin insulating film.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Before describing the embodiments of the present invention in detail, the meanings of terms in the present embodiment will be described as follows.
[0011]
1. GSM (Global System for Mobile Communication) refers to one or a standard of wireless communication systems used in digital mobile phones. GSM has three radio frequency bands to be used. The 900 MHz band is GSM900 or simply GSM, the 1800 MHz band is GSM1800 or DCS (Digital Cellular System) 1800 or PCN, the 1900 MHz band is GSM1900 or DCS1900 or PCS (Personal Communication Services). ). GSM1900 is mainly used in North America. In North America, GSM850 in the 850 MHz band may be used.
[0012]
2. The GMSK modulation method is a method used for communication of a voice signal, and is a method of shifting the phase of a carrier wave according to transmission data.
[0013]
3. The EDGE modulation method is a method used for data communication, in which a phase shift of GMSK modulation is further added with an amplitude shift.
[0014]
In the following embodiments, when necessary for the sake of convenience, the description will be made by dividing into a plurality of sections or embodiments, but unless otherwise specified, they are not unrelated to each other and one is the other. In some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like. Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, amount, range, etc.), a case where it is particularly specified, and a case where it is clearly limited to a specific number in principle, etc. However, the number is not limited to the specific number, and may be more than or less than the specific number. Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps, etc.) are not necessarily essential unless otherwise specified, and when it is deemed essential in principle. Needless to say. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, and the like of the constituent elements, the shapes are substantially the same unless otherwise specified and in cases where it is considered that it is not clearly apparent in principle. And the like. This is the same for the above numerical values and ranges. In all the drawings for describing the present embodiment, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof will be omitted. Further, in some drawings used in the present embodiment, hatching is used even in a plan view so as to make the drawings easy to see. Further, in this embodiment, a MOS / FET (Metal Oxide Semiconductor / Field Effect Transistor), which is a typical example of a field effect transistor, is abbreviated as MOS, a p-channel MOS is abbreviated as a pMOS, and an n-channel MOS is an nMOS. Abbreviated. Further, an n-channel type LDMOS • FET (Laterally Diffused MOSFET), which is a lateral field-effect transistor, is abbreviated as nLDMOS, and a p-channel type LDMOS • FET is abbreviated as pLDMOS.
[0015]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
(Embodiment 1)
First, a problem found by the present inventors will be described. For example, a reduction in on-resistance is required for an LDMOS constituting an amplifier of an RF (Radio Frequency) power module used for a mobile communication device such as a mobile phone. This is to improve the load efficiency of the RF signal (the ratio between the input signal and the output signal to the RF power module) and to realize a high gain amplifier. Another purpose is to reduce power consumption by reducing a voltage drop due to on-resistance in a device having a low power supply voltage. In developing the above-mentioned RF power module, the present inventor, in order to lower the on-resistance of the LDMOS constituting the RF power module, introduces the source region with respect to the gate electrode when introducing impurities for forming the source and drain regions of the LDMOS. When formed in a consistent manner and high-concentration impurities are introduced into a semiconductor substrate (hereinafter simply referred to as a substrate), a problem arises in that the occurrence rate of the gate insulation failure increases in a reliability test. The cause is caused by damage, impurity levels, etc. (hereinafter simply referred to as damage, etc.) generated in the gate insulating film near the end of the gate electrode on the source region side during the introduction of impurities for forming the source region and the drain region. This has been found by the present inventors.
[0017]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of the substrate 80 for explaining the mechanism of occurrence of the damage and the like. On the main surface of the substrate 80, for example, silicon oxide (SiO 2) 2 The gate electrode 82 of the nLDMOS is patterned via a gate insulating film 81 made of the same. The vicinity of the end of the gate electrode 82 on the drain region side of the nLDMOS is partially covered with a photoresist pattern (hereinafter, simply referred to as a resist pattern) 83. On the other hand, the end of the gate electrode 82 on the source region side of the nLDMOS is exposed. This is because if the end of the source region is too far from the end of the gate electrode 82, the on-resistance of the nLDMOS increases, so that the end of the source region overlaps with the end of the gate electrode 82 to prevent this. This is because the source region is formed in a self-alignment manner with the gate electrode 82 so as to (substantially match).
[0018]
In this state, when impurities for forming the source region and the drain region are introduced into the substrate 80, a portion of the gate insulating film 81 near the end of the gate electrode 82 on the source region side (region A indicated by a broken line) is exposed. Therefore, it is affected by the collision of impurity ions. As a result, the above-described damage or the like occurs in the gate insulating film 81 near the end of the gate electrode 82 on the source region side, and a leak current flows between the gate electrode 82 and the substrate 80 through the damage or the like. In particular, since the electric field tends to concentrate at the corner at the lower end of the gate electrode 82, if there is damage or the like in the vicinity of the gate insulating film 81, the problem of leakage current is likely to occur. Therefore, at present, a burn-in test (for example, 125 ° C., 2 to 4 hours, application of a power supply voltage of 5.2 V) is performed after the assembly process of the RF power module, thereby removing initial defects and corresponding to mass production. However, this test has a problem that the rate of occurrence of gate insulation failure is high (for example, 1000 ppm (parameter: about 40,000)), and that the burn-in test requires much time and cost.
[0019]
The cause of the above-mentioned damage and the like is that, in order to lower the on-resistance of the LDMOS, the dose of impurities at the time of forming a high-concentration region for the source and drain of the LDMOS is higher by one digit than that of a general LDMOS. 10 Fifteen / Cm 2 It is mentioned that it is a stand. In order to reduce the ON resistance while maintaining the fine dimensions of the LDMOS, arsenic (As) having a large atomic weight (mass) is used as an impurity, and a source region with a high impurity concentration is formed at a shallow position on the main surface of the substrate 80. However, the greater the atomic weight of the impurity, the greater the degree of the damage and the like. Therefore, the use of an impurity with a large atomic weight is also a major cause of the above problem.
[0020]
Therefore, in the first embodiment, at the time of introducing the impurity for forming the source region of the LDMOS, the gate electrode is located near the end of the gate electrode on the source region side (at least near the corner at the lower end of the gate electrode). A protection member for protecting the gate insulating film near the portion is formed. This can reduce or prevent damage to the gate insulating film near the end of the gate electrode on the source region side (especially near the corner of the lower end of the gate electrode), thereby reducing the occurrence of the above-described gate insulation failure. Can be suppressed or prevented. Therefore, a highly reliable RF power module can be provided while maintaining the electrical characteristics (RF characteristics, DC characteristics, high gain, on-resistance). Further, the yield of the RF power module can be improved. Furthermore, since the burn-in test can be eliminated, the manufacturing time of the RF power module can be reduced, and the cost can be significantly reduced.
[0021]
Meanwhile, as a specific method, a method in which an impurity is introduced in a state where a so-called sidewall is formed on a side surface of the gate electrode is considered. Hereinafter, an example of the method and the problems will be described with reference to cross-sectional views of main parts of the semiconductor device of FIGS.
[0022]
First, as shown in FIG. 2, after a gate insulating film Gox and a gate electrode GP are formed on a main surface of a substrate Sub made of p-type silicon (Si) single crystal, these are used as a part of a mask, for example, phosphorus. Is implanted into the substrate Sub by n. Type semiconductor region NMA is formed in self-alignment with gate electrode GP. Subsequently, as shown in FIG. 3, after an insulating film IFS is deposited on the main surface of the substrate Sub by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, this is etched back by an anisotropic dry etching method. As shown in FIG. 4, a sidewall IFSW is formed on the side surface of the gate electrode GP. At this time, the main surface of the substrate Sub not covered with the gate electrode GP and the gate insulating film Gox are damaged by dry etching (indicated by x). Thereafter, while leaving the damage and the like, as shown in FIG. 5, the resist pattern RPA exposes the source region on the main surface of the substrate Sub and covers a part of the drain region near the end of the gate electrode GP. Is formed, for example, arsenic (As) is introduced to introduce n for the source. + Semiconductor region NSA and n for drain + A semiconductor region of a mold is formed. At this time, n for source + Since the sidewall IFSW is formed on the side surface of the gate electrode GP on the side of the semiconductor region NSA of the mold type, n for the source is formed. + Direct collision of impurity ions with the gate insulating film Gox near the end of the gate electrode GP on the side of the semiconductor region NSA of the mold type can be avoided, and the gate insulating film Gox near the end of the gate electrode GP is protected. Therefore, occurrence of the above-described gate insulation failure can be suppressed or prevented. However, in the case of this method, the etch back process for forming the sidewall IFSW has a large effect due to damage or the like generated on the main surface of the substrate Sub and the gate insulating film Gox, such as a decrease in drain withstand voltage and an increase in on-resistance. , The electrical characteristics of the LDMOS deteriorate. It is difficult to quantitatively grasp the damage and the like of the substrate Sub main surface and the gate insulating film Gox due to such an etch back, and it is difficult to control the etch back so as not to cause the damage or the like. It is difficult. Also, since the sidewall IFSW is generally wide (about 400 nm), n + As a result of the end of the semiconductor region NSA of the type being far from the end of the gate electrode GP, there is a problem that the on-resistance of the nLDMOS increases. This problem goes against the original idea of obtaining a high gain amplifier by reducing the on-resistance. Further, there is a problem that the number of manufacturing steps increases because an etch-back step is added.
[0023]
Therefore, in the first embodiment, a method that can further avoid the problem that occurs when the above-described sidewall process is used will be described with reference to the flowchart of FIG. 6 and the cross-sectional views of the main parts during the manufacturing process of the semiconductor device of FIGS. explain. Here, for example, a manufacturing process of a semiconductor chip for an amplifier of an RF (Radio Frequency) power module used for a digital mobile phone that transmits information using a network of a GSM (Global System for Mobile Communication) system is described as an example. A method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described. 7 to 17 (excluding FIG. 14), the left side illustrates a power nLDMOS formation region for an amplifier, for example, and the right side illustrates a standard pLDMOS formation region for a switching element, for example.
[0024]
First, as shown in FIG. 7, the substrate 1 is prepared. The substrate 1 at this stage is made of a substantially circular member in a plane called a semiconductor wafer, and includes a substrate body 1a, a semiconductor layer 1b formed on a main surface thereof, and an insulating layer 2 formed on a back surface of the substrate body 1a. have. The substrate main body 1a is formed by a p-type crystal formed by a crystal pulling method such as the Czochralski method. + It is made of a silicon (Si) single crystal of a mold, and its resistivity is, for example, about 3 to 6 mΩcm. The semiconductor layer 1b is made of, for example, a p-type silicon single crystal formed by an epitaxial method, has a thickness of, for example, about 3 μm, and has a resistivity of, for example, about 18 Ωcm to 23 Ωcm. The insulating layer 2 on the back surface of the substrate 1 is made of, for example, silicon oxide (SiO 2) formed by a CVD method. 2 Etc.) and has a function of protecting the back surface of the substrate 1 from contamination, breakage, and the like. Subsequently, after a resist pattern is formed on the main surface of the semiconductor layer 1b by photolithography, impurity ions such as boron (B) are selectively introduced into the semiconductor layer 1b using the resist pattern as a mask. Thus, p ++ A semiconductor region 3 of a mold is formed. The semiconductor region 3 is formed so as to reach from the main surface of the semiconductor layer 1b to the substrate main body 1a, and is electrically connected to the substrate main body 1a. Thereafter, after removing the resist pattern, a field insulating film 4 made of, for example, silicon oxide is formed on the main surface of the semiconductor layer 1b by LOCOS (Local Oxidation of Silicon). The region where the field insulating film 4 is formed can be defined as an isolation region, and the other region can be defined as an element formation region (active region).
[0025]
Next, a resist pattern is formed by photolithography on the main surface of the semiconductor layer 1b so that the standard pLDMOS formation region is exposed and the rest is covered, and then the resist pattern is used as a mask to form, for example, phosphorus (P) or the like. By selectively introducing such impurity ions into the semiconductor layer 1b, an n-well 5 is formed in the standard pLDMOS formation region. Subsequently, after removing the resist pattern for forming the n-well 5, a resist pattern RP1 is formed on the main surface of the semiconductor layer 1b such that a part of the power nLDMOS formation region is exposed and the other part is covered by a photolithography technique. Then, using the resist pattern RP1 as a mask, impurity ions such as boron are selectively introduced into the semiconductor layer 1b to form a p-well (first semiconductor region) 6 in the power nLDMOS formation region. I do. The p-well 6 is also a portion that becomes a channel region of the power nLDMOS (step PWLP in FIG. 6).
[0026]
Next, after removing the resist pattern RP1, the substrate 1 is subjected to a cleaning treatment to expose a clean main surface of the semiconductor layer 1b, for example, by performing a wet oxidation treatment, as shown in FIG. Next, a gate insulating film 7a made of, for example, silicon oxide having a thickness of about 11 nm is formed on the main surface of the active region of the semiconductor layer 1b (step GOXP in FIG. 6). Subsequently, on the main surface of the substrate 1, for example, a conductive film such as low-resistance polycrystalline silicon or the like, tungsten silicide (WSi 2 ) And a cap insulating film such as silicon oxide are deposited in order from the bottom by a CVD method or the like, and then patterned by a photolithography technique and a dry etching technique to form a power nLDMOS formation region and a standard. A gate electrode 8 and a cap insulating film 9 are formed in the pLDMOS formation region. The gate electrode 8 has a laminated structure of a low-resistance polycrystalline silicon film and a tungsten silicide film. Instead of the tungsten silicide film, a barrier metal film such as titanium nitride (TiN) and tungsten (W) are used. ) May be sequentially laminated from the lower layer (step GP in FIG. 6). Thereafter, by subjecting the substrate 1 to a light oxidation treatment, as shown in FIG. 9, the edge of the gate insulating film 7a slightly etched in the step of forming the gate electrode 8 is repaired. At this time, a gate insulating film 7b is formed on the active surface main surface of substrate 1 around gate electrode 8. The gate insulating film 7b is made of, for example, silicon oxide and is formed thicker than the gate insulating film 7a (step LOXP in FIG. 6).
[0027]
Next, as shown in FIG. 10, a resist pattern RP2 is formed on the main surface of the substrate 1 by photolithography so that the drain region of the standard pLDMOS formation region is exposed and the other region is covered by a photolithography technique. As, for example, di-fucca boron (BF 2 ) Is implanted into the semiconductor layer 1b, so that the drain region of the standard pLDMOS formation region has a drain p. The semiconductor region 12a is formed (LDD (Lightly Doped Drain) structure). At this time, the implantation energy of the impurity ions is, for example, about 30 KeV, and the dose is, for example, 10 keV. 12 / Cm 2 (Step PMP in FIG. 6). Subsequently, after removing the resist pattern PR2, as shown in FIG. 11, a resist pattern RP3 is formed on the main surface of the substrate 1 so that the drain region of the power nLDMOS formation region is exposed and the rest is covered by photolithography. After the formation by the technique, using this as a mask, for example, phosphorus is ion-implanted into the semiconductor layer 1b to form a drain n in the drain region of the power nLDMOS formation region. A semiconductor region (second semiconductor region) 13a is formed (LDD structure). n The semiconductor region 13a of the mold is formed such that its end overlaps (substantially coincides with) the end of the gate electrode 8 on the drain side. At this time, the implantation energy of the impurity ions is, for example, about 50 KeV, and the dose is, for example, 10 keV. Thirteen / Cm 2 (Step NMP in FIG. 6). Thereafter, after removing the resist pattern RP3, an annealing process is performed on the substrate 1 (step SG / ANP in FIG. 6).
[0028]
Next, as shown in FIG. 12, a thin insulating film 15 made of, for example, silicon oxide or the like is deposited on the main surface of the substrate 1 by a CVD method or the like. This insulating film 15 is deposited so as to cover the field insulating film 4 on the main surface of the substrate 1, the gate insulating film 7b, the side surfaces of the gate electrode 8, the side surfaces and the upper surface of the cap insulating film 9. That is, the insulating film 15 is formed to protect the gate insulating film 7b near the end of the gate electrode 8. The thickness of the insulating film 15 (that is, the width of the portion of the insulating film 15 provided on the side surface of the gate electrode 8) is smaller than the width of the sidewall, for example, about 15 nm (step NTHDP in FIG. 6). Subsequently, as shown in FIGS. 13 and 14, on the main surface of the substrate 1 (on the insulating film 15), the source region and the drain region of the power nLDMOS formation region (the drain region is slightly apart from the end of the gate electrode 8). Is formed, and arsenic (As) is ion-implanted into the semiconductor layer 1b using the resist pattern RP4 as a mask. That is, impurity ions are implanted while the insulating film 15 is formed as described above. Thereby, the n for drain of the power nLDMOS formation region is provided in the semiconductor layer 1b. + Type semiconductor region (third semiconductor region) 13b and n for source + A semiconductor region (fourth semiconductor region) 13c is formed. N for drain + Type semiconductor region 13b has an end portion corresponding to the n It is formed at a position separated from the gate electrode 8 by the semiconductor region 13a of the mold. Also, n for the source + As shown in FIG. 14, the end of the semiconductor region 13c is formed at a position away from the gate electrode 8 by a length L1 corresponding to the thickness of the insulating film 15. N for this drain and source + Energy of impurity ions at the time of forming the semiconductor regions 13b and 13c is, for example, about 100 KeV, and the dose is, for example, 1 × 10 Fifteen / Cm 2 The ion implantation angle is, for example, about 0 degree (perpendicular to the main surface of the substrate 1). n + The impurity concentration of the semiconductor regions 13b and 13c is, for example, 1 × 10 20 / Cm 3 Degree (or more). The reason for using arsenic as an impurity is that arsenic having a large atomic weight (mass) is used, so that a high impurity concentration drain n is formed at a shallow position in the semiconductor layer 1b. + Semiconductor region 13b and n for the source + This is because the on-resistance can be reduced while maintaining the fine dimensions of the power nLDMOS by forming the semiconductor region 13c of the mold type. The power nLDMOS Qn is formed as described above. The power nLDMOSQn is, for example, an element configuring an amplifier of an RF power module.
[0029]
As described above, according to the first embodiment, while the gate insulating film 7b near the end of the gate electrode 8 is covered with the insulating film 15, the source and drain n + By introducing impurity ions for forming the semiconductor regions 13b and 13c of the power type, it is possible to prevent the impurity ions from directly colliding with the gate insulating film 7b near the end of the gate electrode 8 on the source region side of the power nLDMOS Qn. Can be avoided. That is, the gate insulating film 7b near the end of the gate electrode 8 on the source region side of the power nLDMOS Qn can be protected by the insulating film 15. Accordingly, it is possible to suppress or prevent the occurrence of damage or the like in the gate insulating film 7b near the end of the gate electrode 8 on the source region side of the power nLDMOS Qn. Therefore, it is possible to suppress or prevent the gate insulation failure of the power nLDMOS Qn. Also, n for the source + As shown in FIG. 14, the end of the semiconductor region 13c is separated from the end of the gate electrode 8 by a length L1 corresponding to the thickness of the insulating film 15, and the thickness of the insulating film 15 is as described above. Since the width is extremely small and the length L1 is also small as compared with the width of the sidewall, the on-resistance of the power nLDMOS Qn can be prevented from increasing. FIG. 14 is an enlarged sectional view of a main part of FIG. 13 (step NP in FIG. 6).
[0030]
Next, after removing the resist pattern RP4, while leaving the insulating film 15, the source region and the drain region of the power nLDMOS formation region (the drain region is the gate electrode 8) as shown in FIG. Of the power nLDMOS forming region by forming a resist pattern RP5 such that a portion slightly away from the end of the semiconductor layer 1b is exposed and the other portion is covered, and then using this as a mask, for example, boron is ion-implanted into the semiconductor layer 1b. N for the above drain and source + On the lower side (mainly on the channel side of the power nLDMOS) of the semiconductor regions 13b and 13c of A semiconductor region 17 of a mold is formed. This p The semiconductor region 17 is a so-called halo region (or punch-through stopper region) for suppressing or preventing a short channel effect. In this impurity introducing step, impurity ions are implanted from a direction oblique to the main surface of the substrate 1. (Step PHP in FIG. 6).
[0031]
Next, after the resist pattern RP5 is removed, while the insulating film 15 is left, a part of the power nLDMOS formation region, the source and drain regions of the standard pLDMOS formation region are formed on the main surface of the substrate 1 as shown in FIG. After forming a resist pattern RP6 that exposes (a part of the drain region a little away from the end of the gate electrode 8) and covers the rest, using this as a mask, for example, boron is ion-implanted into the semiconductor layer 1b. As a result, the p for the drain of the standard pLDMOS + Semiconductor region 12b and p for source + Type semiconductor region 12c and a p-type nLDMOS formation region + A mold semiconductor region 12d is formed. Thus, a standard pLDMOS Qp is formed. The standard pLDMOS Qp is, for example, an element forming a switching element, and therefore does not require a higher gain than the power nLDMOS Qn. For this reason, the channel length of the standard pLDMOSQp is longer than the channel length of the power nLDMOSQn. Note that p in the power nLDMOS formation region + Type semiconductor region 12d is ++ The semiconductor region 3 is electrically connected to the substrate body 1a through the semiconductor region 3 (step PP in FIG. 6).
[0032]
Next, after removing the resist pattern RP6, the substrate 1 is subjected to an annealing treatment such as, for example, RTA (Rapid Thermal Anneal) (step DI · ANP in FIG. 6). Subsequently, as shown in FIG. 17, an insulating film 20 made of, for example, silicon oxide is deposited on the main surface of the substrate 1 by a CVD method or the like while the insulating film 15 is left. A contact hole CNT reaching the layer 1b is formed by a photolithography technique and a dry etching technique (step IDP and step CNTP in FIG. 6). After that, for example, a titanium nitride (TiN) film is deposited on the main surface of the substrate 1 by a sputtering method, and then a tungsten film is deposited thereon by a CVD method or the like. Subsequently, after the tungsten film is etched back, for example, a titanium (Ti) film, an aluminum (Al) -silicon-copper (Cu) alloy film, a titanium film and a titanium nitride film are formed on the main surface of the substrate 1 from below. The layers are sequentially deposited by a sputtering method. Subsequently, the first layer wiring M1 is formed by patterning the laminated film by a photolithography technique and a dry etching technique (step M1P in FIG. 6). Thereafter, the semiconductor chip for the amplifier is manufactured through a normal semiconductor device manufacturing process. Thereafter, this semiconductor chip is mounted on a module substrate together with other semiconductor chips and electronic components to assemble an RF power module.
[0033]
As described above, according to the first embodiment, n for the source and the drain of the power nLDMOS Qn + In the step of introducing impurity ions for forming the semiconductor regions 13 b and 13 c of the mold type, the gate insulating film 7 b near the end of the gate electrode 8 on the source region side can be protected by the insulating film 15. It is possible to suppress or prevent the occurrence of damage or the like in the nearby gate insulating film 7b, and it is possible to suppress or prevent the gate insulation failure of the power nLDMOS Qn. Therefore, the yield and reliability of the RF power module can be improved.
[0034]
Further, since the thickness of the insulating film 15 for protection is extremely smaller than the width of the sidewall, the on-resistance of the power nLDMOS Qn can be prevented from increasing. FIG. 18 is a graph simply showing the relationship between the thickness (horizontal axis) of the insulating film 15 and the on-resistance Ron of the nLDMOS Qn and the incidence N of gate insulation failure (vertical axis). As the thickness of the insulating film 15 increases, the gate insulation failure occurrence rate N decreases, but conversely, the on-resistance Ron increases. Therefore, the lower limit of the thickness of the insulating film 15 is determined by the target value of the incidence rate of the gate insulation failure, and the upper limit of the thickness of the insulating film 15 is determined by the target value of the on-resistance Ron. According to the study of the present inventors, the thickness of the insulating film 15 is preferably, for example, about 7 to 40 nm. In particular, from the target value of the on-resistance of the first embodiment (that is, the on-resistance is 1 to 5 Ωmm), the thickness of the insulating film 15 is preferably, for example, about 7 to 23 nm, and more preferably, for example, about 10 to 20 nm. . In the first embodiment, as described above, the thickness of the insulating film 15 is selected to be, for example, 15 nm in the middle of 10 to 20 nm, so that the rate of occurrence of gate insulation failure is reduced to, for example, 150 ppm (parameter of about 40,000). It was reduced to the extent.
[0035]
Further, according to the first embodiment, since there is no etch-back step as in the above-described sidewall process, the main surface of the substrate 80 and the gate insulating film 81 are not damaged, and the power nLDMOS Qn Also, there is no deterioration in electrical characteristics such as a decrease in drain withstand voltage and an increase in on-resistance. Therefore, the performance and reliability of the RF power module can be secured. Further, since an etch-back step such as the above-described sidewall process is not added, the number of steps for manufacturing a semiconductor chip for an amplifier of an RF power module does not increase. Therefore, the manufacturing time and cost of the RF power module do not increase.
[0036]
Also, n for the drain of the standard pLDMOS Qp When the step of introducing impurities for forming the semiconductor region 12a of the mold type is performed after the step of forming the insulating film 15 for protection, n The end of the semiconductor region 12a of the mold is separated from the end of the gate electrode 8 by the thickness of the insulating film 15, and the on-resistance of the standard pLDMOS Qp increases. Therefore, in the first embodiment, n for the drain of the standard pLDMOS Qp is used. By performing the impurity introduction step for forming the semiconductor region 12a of the mold type before the formation step of the insulating film 15 for protection, n Since the end of the semiconductor region 12a of the mold can be prevented from separating from the gate electrode 8, an increase in the on-resistance of the standard pLDMOS Qp can be prevented, and good electrical characteristics of the standard pLDMOS Qp can be secured.
[0037]
Next, FIG. 19 shows an example of a digital mobile phone system using the RF power module PM of the first embodiment.
[0038]
The digital mobile phone system 22 can use, for example, two frequency bands of GSM900 and DCS1800 (dual band system), and can use two communication systems of a GMSK modulation system and an EDGE modulation system in each frequency band. MIC for inputting audio, etc., the signal processing circuit unit SPC, the RF power module PM, the switch circuit SWC for switching between transmission and reception, the antenna ANT for transmitting and receiving signal radio waves, and the low noise amplifier LAMP. , And a speaker SP for outputting audio and the like.
[0039]
The signal processing circuit SPC is a circuit that performs various kinds of signal processing, and has a baseband circuit and a modulation / demodulation circuit. The baseband circuit has a function of converting an audio signal into a baseband signal, converting a received signal into an audio signal, generating a modulation scheme switching signal or a band switching signal, and includes a DSP (Digital Signal). (Processor), a microprocessor, a semiconductor memory and the like. The modulation / demodulation circuit has a function of down-converting and demodulating a received signal to generate a baseband signal and modulating a transmission signal.
[0040]
The RF power module PM has a high-frequency power amplifier circuit AMP1 for handling transmission signals in the DCS band of radio waves and a high-frequency power amplifier circuit AMP2 for handling transmission signals in the GSM band of radio waves. Further, a changeover switch is provided so that both the GMSK modulation method and the EDGE modulation method can be used in each of the two frequency bands of GSM900 and DCS1800. FIG. 20 is an explanatory diagram showing basic functions of the RF power module PM. When a signal in the GSM band or an input signal Pin in the DCS band is input, the signal is amplified and an output signal Pout is output. FIG. 21 shows an example of a circuit diagram of the high-frequency power amplifier circuit AMP (AMP1, AMP2) of the RF power module PM. The high-frequency power amplifier circuit AMP of the first embodiment includes, for example, three-stage power nLDMOSs Qn1 to Qn3 (the above power nLDMOSQn), a bias circuit BIAS for applying a bias voltage to these power nLDMOSs Qn1 to Qn3, and matching circuits M1 to M9. , A capacitor, a coil, and a resistor. The output level of the high frequency power amplifier AMP is controlled by the supply voltage from the bias circuit BIAS and the power supply voltage Vdd from the power supply circuit. The power supply voltage Vdd is, for example, about 4.7 V, and is supplied to the drains of the power nLDMOSs Qn1 to Qn3. The bias circuit BIAS has a plurality of resistors. In this circuit, when the control voltage Vabc (when the GMSK method is selected) or the control voltage Vapc (when the EDGE method is selected) is input to the input of the bias circuit BIAS, the voltage is divided by the resistance of the bias circuit BIAS. As a result, a desired gate bias voltage is generated, and the gate bias voltage is input to the gate electrodes of the respective nMOSs Qn1, Qn2, and Qn3.
[0041]
(Embodiment 2)
In the second embodiment, an example in which a step of removing the protective insulating film 15 is added will be described with reference to a flowchart of FIG. 22 and a cross-sectional view of a main part during manufacturing steps of the semiconductor device of FIGS. I do. In FIGS. 23 and 24, the left side illustrates the power nLDMOS formation region, for example, and the right side illustrates the standard pLDMOS formation region, for example.
[0042]
First, the difference from the first embodiment (see FIG. 6) in the process PWLP to the process SG / ANP in FIG. 22 of the second embodiment in FIG. That is, there is no step of forming the semiconductor region 12a (step PMP in FIG. 6).
[0043]
Subsequently, also in the second embodiment, similarly to the first embodiment, an insulating film 15 is deposited on the main surface of the substrate 1 as shown in FIG. Although the thickness and the forming method of the insulating film 15 are the same as those in the first embodiment, in the second embodiment, the insulating film 15 is made of, for example, silicon nitride (Si). 3 N 4 Etc.) (step NTHDP in FIG. 22).
[0044]
After that, similarly to the first embodiment, after forming the resist pattern RP4 on the main surface (insulating film 15) of the substrate 1, the semiconductor layer 1b is ion-implanted with impurities such as arsenic. N for drain and source of power n LDMOS + Form semiconductor regions 13b and 13c (Step NP in FIG. 22). Also in the second embodiment, similarly to the first embodiment, the gate insulating film 7b near the end of the gate electrode 8 can be protected by the insulating film 15, so that the gate insulating film 7b near the end of the gate electrode 8 can be protected. Can be suppressed or prevented, and defective gate insulation of the power nLDMOS can be suppressed or prevented.
[0045]
Next, after removing the resist pattern RP4, the insulating film 15 is also made of, for example, hot phosphoric acid (phosphoric acid (H 3 PO 4 )) And the like to selectively remove as shown in FIG. 24 (step NTHEP in FIG. 22). In the second embodiment, since the insulating film 15 is a silicon nitride film, only the insulating film 15 can be selectively removed without removing the silicon oxide film of the substrate 1. Further, by using a wet etching method as a method for removing the insulating film 15, the insulating film 15 can be removed without damaging the gate insulating films 7a and 7b and the field insulating film 4 on the main surface of the substrate 1. it can.
[0046]
Subsequently, as described with reference to FIG. 15 of the first embodiment, the p-type A semiconductor region 17 of a mold is formed (step PHP in FIG. 22). Thereafter, as described with reference to FIG. 10 (Step PMP in FIG. 6) of the first embodiment, the p The semiconductor region 12a of the mold is formed. In the second embodiment, since the insulating film 15 is removed, p The step of forming the semiconductor region 12a of the type is performed by the step of depositing the insulating film + It can be performed after the impurity introduction step for forming the semiconductor regions 13b and 13c of the mold. That is, p The step of forming the mold semiconductor region 12a can be performed in a step subsequent to the first embodiment (step PMP in FIG. 22). Thereafter, as described with reference to FIG. + The semiconductor region 12b of the mold is formed (step PP in FIG. 22). Subsequent steps are the same as in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0047]
According to the second embodiment, since the insulating film 15 is removed, the number of steps is increased by that much, but other effects are the same as those of the first embodiment. In addition, the following effects can be obtained.
[0048]
In other words, when the insulating film 15 is left, in the impurity introducing step after the insulating film 15 is deposited, the impurity ion introducing condition is set in consideration of the thickness of the insulating film 15 or the order of the steps is changed. However, in the second embodiment, since the insulating film 15 is removed, the effect that such a need does not occur can be obtained.
[0049]
As described above, the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the invention. Needless to say.
[0050]
For example, in the first and second embodiments, the power nLDMOS of the RF power module is provided in three stages, but may be formed in a two-stage configuration or a four-stage configuration.
[0051]
In the first and second embodiments, the case where the present invention is applied to a power nLDMOS is described. However, the present invention can be applied to a power pLDMOS.
[0052]
In the first and second embodiments, the case where the present invention is applied to a dual band system capable of handling radio waves in two frequency bands, GSM900 and DCS1800, has been described. In addition to the above two frequency bands, for example, The present invention may be applied to a so-called triple band system that can handle radio waves in the PCS band.
[0053]
In the above description, the case where the invention made by the present inventor is applied to a digital mobile phone, which is the field of use as the background, has been described. However, the present invention is not limited to this case, and for example, PDA (Personal Digital Assistants) The present invention can also be applied to an information processing apparatus having a mobile communication function such as described above and an information processing apparatus such as a personal computer.
[0054]
【The invention's effect】
The effects obtained by typical aspects of the invention disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0055]
That is, after patterning a gate electrode of an LDMOS • FET on a semiconductor substrate, a thin insulating film covering the gate electrode and the surface of the semiconductor substrate is deposited on the semiconductor substrate, and further, a semiconductor region for source and drain is formed. Is introduced into the semiconductor substrate while leaving the thin insulating film, the gate insulating film near the gate electrode end can be protected by the thin insulating film when the impurity is introduced, and the gate electrode end Since it is possible to suppress or prevent damage and impurity levels from being generated in the nearby gate insulating film, it is possible to suppress or prevent the gate insulation failure of the LDMOS • FET.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a semiconductor substrate for explaining a mechanism of occurrence of damage to a gate insulating film and the like.
FIG. 2 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step studied by the present inventors;
3 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 2;
FIG. 4 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 3;
5 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 4;
FIG. 6 is a flowchart of a manufacturing process of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the embodiment of the invention during a manufacturing step;
8 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 7;
9 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 8;
10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 9;
11 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 10;
12 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 11;
13 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 12;
FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view of a main part during a manufacturing step of the semiconductor device of FIG. 13;
FIG. 15 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIGS. 13 and 14;
16 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 15;
17 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 16;
FIG. 18 briefly shows the relationship between the thickness of a protective insulating film (horizontal axis) of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, the on-resistance of a lateral transistor, and the rate of occurrence of gate insulation failure (vertical axis). FIG.
FIG. 19 is a diagram illustrating an example of a digital mobile phone system using the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 20 is an explanatory diagram showing basic functions of the semiconductor device according to one embodiment of the present invention;
FIG. 21 is a circuit diagram illustrating an example of a power amplifier circuit of the semiconductor device in FIG. 20;
FIG. 22 is a flowchart of a manufacturing process of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention during a manufacturing step thereof;
24 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device during a manufacturing step following that of FIG. 23;
[Explanation of symbols]
1 semiconductor substrate
1a Semiconductor substrate body
1b Semiconductor layer
2 Insulating layer
3 Semiconductor area
4 Field insulation film
5 n-well
6p well (first semiconductor region)
7a, 7b Gate insulating film
8 Gate electrode
9 Cap insulating film
12a Semiconductor region
13a Semiconductor region (second semiconductor region)
13b Semiconductor region (third semiconductor region)
13c semiconductor region (fourth semiconductor region)
15 Insulating film
17 Semiconductor area
20 Insulating film
22 Digital Mobile Phone System
80 Semiconductor substrate
81 Gate insulating film
82 Gate electrode
83 Photoresist pattern
Sub semiconductor substrate
Gox Gate insulation film
NMA semiconductor area
IFS insulation film
IFSW sidewall
NSA semiconductor area
RPA photoresist pattern
RP1 to RP6 Photoresist pattern
Qn, Qn1 to Qn3 Power n-channel type LDMOS • FET
Qp Standard p-channel type LDMOS ・ FET
PM RF power module
MIC microphone
SPC signal processing circuit
SWC switch circuit
SP speaker
ANT antenna
LAMP low noise amplifier
Pin input signal
Pout output signal
BIAS bias circuit
M1-M9 matching circuit
Vdd power supply voltage
Vabc control voltage
Vapc control voltage

Claims (18)

ソース、ゲート電極およびドレインを有するLDMOS・FETを有する半導体装置の製造工程において、以下の工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法:
(a)半導体基板の前記ソースを含む領域に第1導電型の第1半導体領域を形成する工程、
(b)前記半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程、
(c)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程、
(d)前記半導体基板に第1不純物を導入することにより、前記LDMOS・FETのドレイン側の半導体基板に、前記第1導電型とは反対の第2導電型の第2半導体領域を形成する工程、
(e)前記ゲート電極の側面に絶縁膜を形成する工程、
(f)前記絶縁膜を形成した状態で、前記半導体基板に、前記第1不純物より高濃度の第2不純物を導入することにより、前記LDMOS・FETのドレイン側の半導体基板に、ドレイン用の第2導電型の第3半導体領域を、前記第3半導体領域の端部が前記ドレイン側の前記ゲート電極の端部から離れた位置に配置されるように形成するとともに、前記LDMOS・FETのソース側の第1半導体領域に、ソース用の第2導電型の第4半導体領域を形成する工程。
A method for manufacturing a semiconductor device having an LDMOS-FET having a source, a gate electrode, and a drain includes the following steps:
(A) forming a first semiconductor region of a first conductivity type in a region including the source of a semiconductor substrate;
(B) forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(C) forming a gate electrode on the gate insulating film;
(D) forming a second semiconductor region of a second conductivity type opposite to the first conductivity type on the semiconductor substrate on the drain side of the LDMOS-FET by introducing a first impurity into the semiconductor substrate; ,
(E) forming an insulating film on a side surface of the gate electrode;
(F) In a state in which the insulating film is formed, a second impurity having a higher concentration than the first impurity is introduced into the semiconductor substrate, so that a drain-side semiconductor substrate of the LDMOS-FET is formed. A third semiconductor region of two conductivity type is formed such that an end of the third semiconductor region is disposed at a position away from an end of the gate electrode on the drain side, and a source side of the LDMOS-FET is formed. Forming a fourth semiconductor region of the second conductivity type for the source in the first semiconductor region.
請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記絶縁膜は、前記半導体基板上およびゲート電極上にも形成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein said insulating film is also formed on said semiconductor substrate and on a gate electrode. 請求項2記載の半導体装置の製造方法において、前記絶縁膜の形成工程後に前記絶縁膜に対して加工を施すことなく、前記絶縁膜を半導体基板上に残したままの状態で、前記第2不純物を半導体基板に導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the second impurity is left on the semiconductor substrate without processing the insulating film after the step of forming the insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: introducing semiconductor into a semiconductor substrate. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記絶縁膜の厚さが、7〜40nmであることを特徴とする半導体装置の製造方法。2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the insulating film is 7 to 40 nm. 請求項4記載の半導体装置の製造方法において、前記絶縁膜の厚さが、10〜20nmであることを特徴とする半導体装置の製造方法。5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein said insulating film has a thickness of 10 to 20 nm. 請求項4記載の半導体装置の製造方法において、前記絶縁膜が酸化シリコンからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。5. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein said insulating film is made of silicon oxide. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記第2不純物のドーズ量が1×1015/cm以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a dose of said second impurity is 1 × 10 15 / cm 2 or more. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記第2不純物がヒ素であることを特徴とする半導体装置の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein said second impurity is arsenic. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、前記LDMOS・FETのオン抵抗が5Ωmmまたはそれ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the on-resistance of the LDMOS-FET is 5 Ωmm or less. ソース、ゲート電極およびドレインを有するLDMOS・FETを有する半導体装置の製造工程において、以下の工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法:
(a)半導体基板の前記ソースを含む領域に第1導電型の第1半導体領域を形成する工程、
(b)前記半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程、
(c)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程、
(d)前記半導体基板に第1不純物を導入することにより、前記LDMOS・FETのドレイン側の半導体基板に、前記第1導電型とは反対の第2導電型の第2半導体領域を形成する工程、
(e)前記ゲート電極の側面に、厚さが7〜40nmの酸化シリコンからなる絶縁膜を形成する工程、
(f)前記絶縁膜を形成した状態で、前記半導体基板に、前記第1不純物よりも高濃度の第2不純物のヒ素をドーズ量が1×1015/cm以上となるように導入することにより、前記LDMOS・FETのドレイン側の半導体基板に、ドレイン用の第2導電型の第3半導体領域を、前記第3半導体領域の端部が前記ドレイン側の前記ゲート電極の端部から離れた位置に配置されるように形成するとともに、前記LDMOS・FETのソース側の第1半導体領域に、ソース用の第2導電型の第4半導体領域を形成する工程。
A method for manufacturing a semiconductor device having an LDMOS-FET having a source, a gate electrode, and a drain includes the following steps:
(A) forming a first semiconductor region of a first conductivity type in a region including the source of a semiconductor substrate;
(B) forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(C) forming a gate electrode on the gate insulating film;
(D) forming a second semiconductor region of a second conductivity type opposite to the first conductivity type on the semiconductor substrate on the drain side of the LDMOS-FET by introducing a first impurity into the semiconductor substrate; ,
(E) forming an insulating film made of silicon oxide having a thickness of 7 to 40 nm on a side surface of the gate electrode;
(F) In the state where the insulating film is formed, arsenic of a second impurity having a higher concentration than the first impurity is introduced into the semiconductor substrate so that a dose amount is 1 × 10 15 / cm 2 or more. Thereby, the third semiconductor region of the second conductivity type for the drain is separated from the semiconductor substrate on the drain side of the LDMOS-FET, and the end of the third semiconductor region is separated from the end of the gate electrode on the drain side. Forming a fourth semiconductor region of the second conductivity type for the source in the first semiconductor region on the source side of the LDMOS-FET, while forming the fourth semiconductor region on the source side of the LDMOS-FET.
以下の構成を含む、ソース、ゲート電極およびドレインを有するLDMOS・FETを有することを特徴とする半導体装置:
(a)半導体基板の前記ソースを含む領域に形成された第1導電型の第1半導体領域、
(b)前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜、
(c)前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極、
(d)前記半導体基板上、前記ゲート電極の側面および上面上に形成された絶縁膜、
(e)前記半導体基板のドレイン側に形成された第1不純物濃度の半導体領域であって、前記第1導電型とは反対の第2導電型の第2半導体領域、
(f)前記半導体基板に形成されたドレインであって、前記第1不純物濃度よりも高い第2不純物濃度とされ、前記ドレイン側の前記ゲート電極の端部から離れた位置に設けられた第2導電型の第3半導体領域、
(g)前記半導体基板の前記第1半導体領域に形成されたソースであって、端部が前記ソース側の前記ゲート電極の側面から前記絶縁膜の厚さに応じて離れるように形成された第2不純物濃度の第2導電型の第4半導体領域。
A semiconductor device having an LDMOS • FET having a source, a gate electrode and a drain, including the following configuration:
(A) a first semiconductor region of a first conductivity type formed in a region including the source of a semiconductor substrate;
(B) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
(C) a gate electrode formed on the gate insulating film;
(D) an insulating film formed on the semiconductor substrate, on the side and top surfaces of the gate electrode,
(E) a semiconductor region having a first impurity concentration formed on the drain side of the semiconductor substrate and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type;
(F) a drain formed on the semiconductor substrate, the second impurity concentration being higher than the first impurity concentration, and a second impurity concentration provided at a position away from an end of the gate electrode on the drain side; A conductive third semiconductor region,
(G) a source formed in the first semiconductor region of the semiconductor substrate, wherein a source is formed such that an end thereof is separated from a side surface of the gate electrode on the source side according to a thickness of the insulating film. A second conductivity type fourth semiconductor region having a two impurity concentration.
請求項11記載の半導体装置において、前記絶縁膜の厚さが、7〜40nmであることを特徴とする半導体装置。12. The semiconductor device according to claim 11, wherein said insulating film has a thickness of 7 to 40 nm. 請求項12記載の半導体装置において、前記絶縁膜の厚さが、10〜20nmであることを特徴とする半導体装置。13. The semiconductor device according to claim 12, wherein said insulating film has a thickness of 10 to 20 nm. 請求項11記載の半導体装置において、前記第3、第4半導体領域の不純物濃度が1×1020/cm以上であることを特徴とする半導体装置。12. The semiconductor device according to claim 11, wherein the third and fourth semiconductor regions have an impurity concentration of 1 × 10 20 / cm 3 or more. 請求項11記載の半導体装置において、前記第2不純物がヒ素であることを特徴とする半導体装置。12. The semiconductor device according to claim 11, wherein said second impurity is arsenic. 請求項11記載の半導体装置において、前記LDMOS・FETのオン抵抗が5Ωmmまたはそれ以下であることを特徴とする半導体装置。12. The semiconductor device according to claim 11, wherein the on-resistance of the LDMOS-FET is 5 Ωmm or less. 請求項11記載の半導体装置において、前記半導体基板上、前記ゲート電極の側面および上面上に形成された絶縁膜が同一の絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。12. The semiconductor device according to claim 11, wherein the insulating films formed on the semiconductor substrate, the side surfaces and the upper surface of the gate electrode are the same insulating film. 請求項11記載の半導体装置において、前記絶縁膜は厚さが7〜40nmの酸化シリコンからなり、前記第3、第4半導体領域の不純物濃度が1×1020/cm以上であり、前記第3、第4半導体領域にヒ素が含有されていることを特徴とする半導体装置。12. The semiconductor device according to claim 11, wherein the insulating film is made of silicon oxide having a thickness of 7 to 40 nm, and the third and fourth semiconductor regions have an impurity concentration of 1 × 10 20 / cm 3 or more. 3. A semiconductor device, wherein the fourth semiconductor region contains arsenic.
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