JP2006013233A - 抵抗素子を含む半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

抵抗素子を含む半導体装置及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 所望の抵抗値を得ることが容易な抵抗素子を含む半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体基板の第1の導電型の表層部に、該第1導電型とは反対の第2導電型を有する第1のウェル(3)が形成されている。第1のウェルに接続された一対の電流出入部(4、5)が、第1のウェルに、基板面に平行な方向に電流を流す。一対の電流出入部の間に、第1のウェルよりも浅い第1導電型の第2のウェル(9)が配置されている。
【選択図】 図1(A)

Description

本発明は、抵抗素子を含む半導体装置及びその製造方法に関し、特に半導体基板の表層部に形成した不純物拡散領域を抵抗素子として使用する半導体装置及びその製造方法に関する。
半導体集積回路に抵抗素子が使用されている。例えば、入出力回路において、内部回路を静電破壊から保護する目的で、MOS型電界効果トランジスタと抵抗素子で保護回路が構成される。半導体集積回路では、一般的に、電界効果トランジスタのゲート電極と同時に形成される多結晶シリコン等からなる導電膜抵抗素子や、電界効果トランジスタのソース及びドレイン拡散層と同時に形成される拡散層抵抗素子が使用される。電界効果トランジスタの性能の観点から、ゲート電極やソース及びドレイン拡散層の抵抗は低いことが好ましい。このため、ゲート電極と同時に形成される導電膜や、ソース及びドレイン拡散層と同時に形成される拡散層は、高抵抗の抵抗素子に適さない。
下記の特許文献1に、シャロートレンチアイソレーション(STI)構造の素子分離絶縁膜の直下のウェル領域を利用して高抵抗素子を実現する方法が開示されている。
図5に、特許文献1に開示された抵抗素子の断面図を示す。p型シリコン基板100の表層部に、n型ウェル101が形成されている。n型ウェル101内にp型ウェル102が形成されている。p型ウェル102は、NMOSトランジスタが配置されるp型ウェルと同時に形成される。基板表面に素子分離絶縁膜103が形成され、p型ウェル102の表面の相互に異なる2箇所に活性領域が画定されている。2箇所の活性領域の表層部に、それぞれp型拡散層104及び105が形成されている。p型ウェル102が、p型拡散層104及び105を電流の流出入部とする抵抗素子を構成する。
特開平11−238807号公報
図5に示した抵抗素子の形成方法について簡単に説明する。シリコン基板100の上に、窒化シリコン等からなるマスクパターンを形成する。このマスクパターンをエッチングマスクとしてシリコン基板100をエッチングし、シャロートレンチを形成する。シリコン基板100上に酸化シリコン膜を堆積させるとともに、シャロートレンチ内に酸化シリコン膜を充填する。
この酸化シリコン膜を化学機械研磨(CMP)し、マスクパターンを露出させる。シャロートレンチ内に残った酸化シリコンが素子分離絶縁膜103を構成する。露出したマスクパターンを除去した後、n型ウェル101、p型ウェル102、p型拡散層104及び105を形成するためのイオン注入を行う。
素子分離絶縁膜103の配置される領域が広くなると、酸化シリコンと窒化シリコンとの研磨速度の違いにより、CMP後の表面の平坦性が低下する。平坦性の低下を防止するために、素子分離絶縁膜103の領域内に、ダミー活性領域が配置される。このダミー活性領域は、パターン設計時にCADで自動生成される。
図6に、ダミーの活性領域106が配置された抵抗素子の断面図を示す。p型ウェル102内に複数の活性領域106が配置されている。
ウェル形成のためのイオン注入時に、素子分離絶縁膜103の直下の領域には、素子分離絶縁膜103を通して不純物イオンが注入され、活性領域には、素子分離絶縁膜103を通すことなく不純物イオンが注入される。チャネリングの影響により、素子分離絶縁膜103の直下の領域よりも、活性領域106内の方が、ウェルが深くなる。
図7に、深さ方向の不純物濃度分布の一例を示す。横軸は深さ方向の位置を単位「μm」で表し、縦軸は不純物濃度を単位「cm−3」で表す。実線aは、素子分離絶縁膜が形成されている領域の不純物濃度分布を示し、実線bは、活性領域内の不純物濃度分布を示す。深さ約0.04μmの位置が、活性領域の表面に相当し、深さ約0.3μmの位置が、素子分離絶縁膜とシリコン基板との界面に相当する。素子分離絶縁膜の直下よりも、活性領域内において、不純物がより深い位置まで到達していることがわかる。
活性領域106内のp型ウェル102は、素子分離絶縁膜103の直下のp型ウェル102に比べて、素子分離絶縁膜103の厚さ分と、チャネリング効果による深さの増加分だけ厚くなる。このため、p型拡散層104と105とを両端とする抵抗素子の抵抗値が、設計者の意図した抵抗値よりも低くなってしまう。また、厚さの異なる領域が混在するため、所望の抵抗値を得るための回路配置設計が煩雑になる。
本発明の目的は、所望の抵抗値を得ることが容易な抵抗素子を含む半導体装置及びその製造方法を提供することである。
本発明の一観点によると半導体基板の第1の導電型の表層部に形成され、該第1導電型とは反対の第2導電型を有する第1のウェルと、前記第1のウェルに接続され、該第1のウェルに、基板面に平行な方向に電流を流すための一対の電流出入部と、前記一対の電流出入部の間に配置され、前記第1のウェルよりも浅い第1導電型の第2のウェルとを有する半導体装置が提供される。
本発明の他の観点によると、上述の半導体装置の製造方法であって、(a)前記半導体基板の表面に、前記活性領域となる領域を覆うマスクパターンを形成する工程と、(b)前記マスクパターンをエッチングマスクとして前記半導体基板の表層部をエッチングし、シャロートレンチを形成する工程と、(c)前記シャロートレンチ内に絶縁膜を充填するとともに、前記マスクパターン上に絶縁膜を堆積させる工程と、(d)前記マスクパターンが露出するまで前記絶縁膜を研磨し、前記シャロートレンチ内に前記絶縁膜の一部を残すことにより、素子分離絶縁膜を形成する工程と、(e)前記第1及び第2のウェルを形成するためのイオン注入を行う工程と、(f)前記イオン注入後、前記マスクパターンを除去する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
第2のウェルの底面と第1のウェルの底面との間の第2導電型の領域が抵抗素子として作用する。基板の表面に接する領域を電流が流れないため、抵抗素子の抵抗値が、基板表面の素子分離絶縁膜や活性領域の配置の影響を受けない。
マスクパターンが配置された状態で、第1及び第2のウェルを形成するためのイオン注入が行われるため、素子分離絶縁膜の形成されていない領域において、チャネリング現象を抑制することができる。
図1(A)に、第1の実施例による半導体装置の断面図を示す。半導体基板1に、抵抗素子領域Rと、トランジスタ領域Tとが画定されている。図1(B)に、図1(A)の抵抗素子領域Rの平面図を示す。図1(B)の一点鎖線A1−A1における断面図が図1(A)の抵抗素子領域Rに相当する。
図1(A)に示すように、p型シリコンからなる半導体基板1の表面上にSTI構造の素子分離絶縁膜2が形成され、複数の活性領域画定されている。半導体基板1の表層部にn型の深いウェル3が形成されている。深いウェル3の両端に、それぞれn型不純物拡散領域で構成された電流出入部4及び5が形成されている。電流出入部4及び5は、深いウェル3と部分的に重なり、深いウェル3とオーミック接続されている。電流出入部4及び5の表面に、それぞれ活性領域6及び7が配置されている。
電流出入部4と5との間に、素子分離絶縁膜2の底面よりも深い位置まで達し、かつ深いウェル3よりも浅いp型の浅いウェル9が形成されている。浅いウェル9の表面に複数のダミー活性領域10が配置されている。浅いウェル9の底面と、深いウェル3の底面とに挟まれたn型の領域が、基板面に平行な方向に電流を流す抵抗素子8を構成している。電流出入部4及び5が、この抵抗素子8に電流を流す端子となる。
MOSトランジスタ領域T内にp型ウェル12が形成されている。p型ウェル12の表面に画定された活性領域に、NMOSトランジスタ15が形成されている。NMOSトランジスタ15は、ソース領域15S、ドレイン領域15D、ゲート酸化膜15I、ゲート電極15G、及びチャネル拡散層15Cを含んで構成される。抵抗素子領域R内のダミー活性領域10の表層部に、チャネル拡散層15Cへのイオン注入と同時に不純物イオンが注入された不純物拡散層11が形成されている。
図1(B)に示すように、一方の電流出入部4、浅いウェル9、及び他方の電流出入部5が、図の横方向にこの順番に並んで配置されている。深いウェル3は、一方の電流出入部4の内部から、浅いウェル9内を経由して他方の電流出入部5の内部まで達している。電流出入部4及び5内に、それぞれ活性領域6及び7が配置されている。浅いウェル9内に、複数のダミー活性領域10が配置されている。
図1(B)では、電流が流れる方向に直交する方向(図1(B)の縦方向)に関して、浅いウェル9が深いウェル3よりも広い構成とされているが、深いウェル3が浅いウェル9よりも幅の広い構成としてもよい。ただし、ダミー活性領域10は浅いウェル9内にのみ配置される。すなわち、浅いウェル9よりも外側の深いウェル3内には、ダミー活性領域10が配置されない。
図2(A)〜図2(F)を参照して、第1の実施例による半導体装置の製造方法について説明する。
図2(A)に示すように、p型シリコンからなる半導体基板1の表面を熱酸化することにより、厚さ10nmの酸化シリコン膜20を形成する。酸化シリコン膜20の上に、窒化シリコンからなる厚さ115nmのマスクパターン21を形成する。マスクパターン21は、化学気相成長(CVD)により窒化シリコン膜を形成した後、CF系ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)を用いてパターニングすることにより形成される。マスクパターン21は、活性領域となる領域を覆う。
図2(B)に示すように、マスクパターン21をマスクとして酸化シリコン膜20及び半導体基板1の表層部をエッチングし、深さ280nmのシャロートレンチ22を形成する。半導体基板1のエッチングは、HBrとOとを含むガスを用いたRIEにより行う。
図2(C)に示す状態に至るまでの工程を説明する。シャロートレンチ22内が酸化シリコン膜で充填されるように、半導体基板1の上に酸化シリコン膜を堆積させる。マスクパターン21が露出するまで酸化シリコン膜を化学機械研磨して、表面を平坦化する。図1(A)に示した抵抗素子領域R内にダミー活性領域10が配置されているため、窒化シリコンと酸化シリコンとの研磨速度の相違に起因する平坦性の低下が防止される。シャロートレンチ22内に残った酸化シリコン膜が、素子分離絶縁膜2になる。
ダミー活性領域10は、化学機械研磨後の表面の平坦性を確保するために配置されたものであり、半導体基板1上に形成された電子回路の電気的な動作には何ら関与しない。ダミー活性領域10の表面には、MOSトランジスタ等の半導体能動素子や電気抵抗等の受動素子が形成されない。また、ダミー活性領域10の表面は、その全面において絶縁膜に接触する。
図2(D)に示すように、浅いウェル9及びp型ウェル12を形成する領域に開口を有するレジストパターン25を形成する。レジストパターン25をマスクとし、加速エネルギ150keV、ドーズ量3×1013cm−2の条件でボロンのイオン注入を行う。これにより、p型の浅いウェル9及びNMOSトランジスタを収容するためのp型ウェル12が形成される。同じレジストパターン25をマスクとして用いて、NMOSトランジスタのチャネル濃度調整用のボロンのイオン注入を行う。これにより、p型ウェル12の表層部にチャネル拡散層15Cが形成される。同時に、浅いウェル9の表層部に、深い領域に比べて相対的にボロンの濃度の高い不純物拡散層11が形成される。ボロンのイオン注入後、レジストパターン25を除去する。
図2(E)に示すように、電流出入部4及び5を形成する領域に開口を有するレジストパターン26を形成する。レジストパターン26をマスクとして、加速エネルギ360keV、ドーズ量3×1013cm−2の条件で、リンのイオン注入を行う。これにより、n型の拡散領域である電流出入部4及び5が形成される。このイオン注入と同時に、PMOSトランジスタを収容するためのn型ウェル等が形成される。必要に応じて、PMOSトランジスタのチャネル拡散層形成のためのイオン注入を行う。リンのイオン注入後、レジストパターン26を除去する。
図2(F)に示すように、深いウェル3を形成する領域に開口を有するレジストパターン27を形成する。レジストパターン27をマスクとして、加速エネルギ700keV、ドーズ量1.5×1013cm−2の条件で、リンのイオン注入を行う。これにより、n型の深いウェル3が形成される。リンのイオン注入後、レジストパターン27を除去する。イオン注入した不純物を活性化させるための熱処理を行う。
熱リン酸を用いて、マスクパターン21を除去する。周知の方法により、p型ウェル12内に、図1(A)に示したNMOSトランジスタ15を形成する。NMOSトランジスタ15の形成工程で、素子分離絶縁膜2の表層部がエッチングされ、素子分離絶縁膜2と、活性領域6、7、及びダミー活性領域10との境界の段差が小さくなる。
上記第1の実施例では、図1(A)に示すように、浅いウェル9の底面と、深いウェル3の底面とに挟まれたn型の領域が、抵抗素子8として作用する。ダミー活性領域10の表層部を電流が流れないため、抵抗素子8の抵抗値が、ダミー活性領域10の分布の影響を受けない。
また、第1の実施例では、図2(D)〜図2(F)に示したイオン注入時に、ダミー活性領域10がマスクパターン21で覆われているため、チャネリング現象が抑制される。さらに、イオン注入時における基板表面が、CMP後の平坦な面である。このため、浅いウェル9及び深いウェル3の深さ方向に関する不純物濃度分布が、素子分離絶縁膜2の形成されている領域と、ダミー活性領域10とでほぼ等しくなる。これにより、抵抗値が素子分離絶縁膜2のパターンに依存しない抵抗素子8を形成することができる。
次に、図3(A)〜図3(C)を参照して、第2の実施例による半導体装置の製造方法について説明する。第2の実施例による半導体装置の構造は、第1の実施例による半導体装置の構造と同一である。以下、第1の実施例による半導体装置の製造方法との相違点に着目して説明する。第1の実施例の図2(A)から図2(C)までの工程は、第2の実施例の製造工程と同様である。
第1の実施例では、図2(D)に示した工程において、浅いウェル9とp型ウェル12とを形成するためのイオン注入、及びチャネル拡散層15Cを形成するためのイオン注入を行った。第2の実施例では、図3(A)に示すように、浅いウェル9とp型ウェル12とを形成するためのイオン注入のみを行い、チャネル拡散層を形成するためのイオン注入は行わない。
図3(B)に示すように、電流出入部4、5、及び深いウェル3を形成する。これらのウェル形成の方法は、図2(E)及び図2(F)を参照して説明した第1の実施例の場合と同様である。これらのイオン注入後、マスクパターン21を除去する。
図3(C)に示すように、図3(A)に示したレジストパターン25と同様のパターンを有するレジストパターン28を形成する。レジストパターン28をマスクとして、チャネル濃度調整用のイオン注入を行う。p型ウェル12の表層部に、チャネル拡散層15Cが形成され、ダミー活性領域11の表層部に不純物拡散層11が形成される。このイオン注入後、レジストパターン28を除去し、注入された不純物を活性化するための熱処理を行う。
第1の実施例の場合と同様にして、図1(A)に示したNMOSトランジスタ15を形成する。
第2の実施例の浅いウェル9及び深いウェル3の形成方法は、第1の実施例の場合と同様である。従って、第1の実施例と同様に、抵抗値が素子分離絶縁膜2のパターンに依存しない抵抗素子8を形成することができる。さらに、第2の実施例では、図3(C)に示したように、チャネル拡散層15Cを形成するためのイオン注入が、マスクパターン21を介することなく行われる。このため、第1の実施例の場合よりも、チャネル拡散層15Cの深さ方向に関する不純物濃度分布の傾きを急峻にすることが可能になる。
次に、図4(A)及び図4(B)を参照して、第3の実施例による半導体装置について説明する。
図4(A)は、第3の実施例による半導体装置の断面図を示す。図1(A)に示した第1の実施例による半導体装置との相違点について説明する。第1の実施例では、電流出入部4及び5を構成するn型不純物拡散領域が、それぞれ活性領域6及び7の表面に露出していた。第3の実施例では、一方の活性領域6内にnpn型バイポーラトランジスタ30が形成されている。電流出入部4を構成するn型不純物拡散領域がバイポーラトランジスタ30のコレクタ領域となる。
電流出入部4の表層部にp型ベース領域31が形成され、その表層部の一部にn型のエミッタ領域32が形成されている。浅いウェル9の底面と深いウェル3の底面との間のn型領域が抵抗素子8となる。
図4(B)に、第3の実施例の半導体装置の等価回路図を示す。npn型バイポーラトランジスタ30のコレクタ4に抵抗素子8が接続され、バイポーラトランジスタ30のエミッタ32、ベース31、及び抵抗素子8の一端をそれぞれ端子T、T、及びTとする3端子電子回路が構成される。
第3の実施例のように、抵抗素子8の両端に画定されている電流出入部4及び5が、他の半導体素子の一部として用いられる構成としてもよい。
また、電流出入部4及び5は、必ずしも不純物拡散領域である必要はない。例えば、図1(A)に示した深いウェル3の一方の端部を活性領域7の表面に露出させ、この露出した表面に電気的に接続される導電性部材を電流出入部としてもよい。このような導電性部材の例として、基板上の層間絶縁膜に形成されたビアホール内に充填された導電性プラグや、活性領域の表面に形成された金属シリサイド層等が挙げられる。
上記実施例では、抵抗素子8がn型であったが、例えば図1(A)に示した深いウェル3をp型にし、浅いウェル9をn型にして、p型の抵抗素子を形成することも可能である。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
第1の実施例による半導体装置の断面図である。 第1の実施例による半導体装置の抵抗素子領域の平面図である。 第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の装置の断面図(その1)である。 第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の装置の断面図(その2)である。 第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の装置の断面図(その3)である。 第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の装置の断面図(その4)である。 第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の装置の断面図(その5)である。 第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の装置の断面図(その6)である。 第2の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の装置の断面図(その1)である。 第2の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の装置の断面図(その2)である。 第2の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の装置の断面図(その3)である。 第3の実施例による半導体装置の断面図である。 第3の実施例による半導体装置の等価回路図である。 従来の半導体装置の断面図である。 従来の半導体装置の断面図である。 イオン注入により形成された不純物拡散領域の深さ方向に関する不純物濃度分布を示すグラフである。
符号の説明
1 半導体基板
2 素子分離絶縁膜
3 深いウェル
4、5 電流出入部
6、7 活性領域
8 抵抗素子
9 浅いウェル
10 ダミー活性領域
11 不純物拡散層
12 p型ウェル
15 MOSトランジスタ
20 酸化シリコン膜
21 マスクパターン
22 シャロートレンチ
25、26、27、28 レジストパターン
30 バイポーラトランジスタ
31 ベース領域
32 エミッタ領域

Claims (10)

  1. 半導体基板の第1の導電型の表層部に形成され、該第1導電型とは反対の第2導電型を有する第1のウェルと、
    前記第1のウェルに接続され、該第1のウェルに、基板面に平行な方向に電流を流すための一対の電流出入部と、
    前記一対の電流出入部の間に配置され、前記第1のウェルよりも浅い第1導電型の第2のウェルと
    を有する半導体装置。
  2. さらに、前記第1のウェルの表面の少なくとも一部を覆う素子分離絶縁膜であって、前記一対の電流出入部の間に活性領域を画定する素子分離絶縁膜を有し、
    前記第2のウェルは、前記素子分離絶縁膜の底面よりも深い位置まで達し、前記活性領域は、前記第2のウェル内に配置されている請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記活性領域は、該半導体装置の電気的動作に関与しないダミー活性領域である請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記一対の電流出入部の各々は、前記第1のウェルと少なくとも部分的に重なるように形成された第2導電型の不純物拡散領域で構成されている請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記電流出入部の各々が、前記第2のウェルに接している請求項4に記載の半導体装置。
  6. 半導体基板の第1の導電型の表層部に形成され、該第1導電型とは反対の第2導電型を有する第1のウェルと、
    前記第1のウェルに接続され、該第1のウェルに、基板面に平行な方向に電流を流すための一対の電流出入部と、
    前記一対の電流出入部の間に配置され、前記第1のウェルよりも浅い第1導電型の第2のウェルと
    を有する半導体装置の製造方法であって、
    (a)前記半導体基板の表面に、前記活性領域となる領域を覆うマスクパターンを形成する工程と、
    (b)前記マスクパターンをエッチングマスクとして前記半導体基板の表層部をエッチングし、シャロートレンチを形成する工程と、
    (c)前記シャロートレンチ内に絶縁膜を充填するとともに、前記マスクパターン上に絶縁膜を堆積させる工程と、
    (d)前記マスクパターンが露出するまで前記絶縁膜を研磨し、前記シャロートレンチ内に前記絶縁膜の一部を残すことにより、素子分離絶縁膜を形成する工程と、
    (e)前記第1及び第2のウェルを形成するためのイオン注入を行う工程と、
    (f)前記イオン注入後、前記マスクパターンを除去する工程と
    を有する半導体装置の製造方法。
  7. 前記工程aにおいて、前記第1のウェルの表面の少なくとも一部を前記素子分離絶縁膜が覆い、前記一対の電流出入部の間に活性領域が配置されるパターンを有する前記マスクパターンを形成し、
    前記工程eにおいて、前記第2のウェルが、前記素子分離絶縁膜の底面よりも深い位置まで達する条件でイオン注入を行う請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記一対の電流出入部の間に活性領域は、該半導体装置の電気的動作に関与しないダミー活性領域である請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記工程eにおいて、前記第2のウェルを形成するためのイオン注入と同時に、電界効果トランジスタを収容する第3のウェルを形成するためのイオン注入を行い、
    さらに、前記工程eにおいて、前記第2及び第3のウェルを形成するためのイオン注入時に用いるマスクと同一のマスクを用いて、前記電界効果トランジスタのチャネル拡散層形成のためのイオン注入を行う請求項6〜8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記工程eにおいて、前記第2のウェルを形成するためのイオン注入と同時に、電界効果トランジスタを収容する第3のウェルを形成するためのイオン注入を行い、
    さらに、前記工程fの後に、前記電界効果トランジスタのチャネル拡散層形成のためのイオン注入を行う請求項6〜8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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