JP2006059916A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高耐圧と低動作抵抗で高出力に使用し得るMOS−FET素子を含んだ半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including a MOS-FET element that can be used for high output with high breakdown voltage and low operating resistance.
縦型MOS−FETは、一般的に拡散自己整合、いわゆるDSA(Diffused Self Aligned)構造をしている。 A vertical MOS-FET generally has a diffusion self-alignment, a so-called DSA (Diffused Self Aligned) structure.
図4に、従来の半導体装置の一つのセルとして形成された縦型MOS−FETの一例を示す。ドレイン領域となるN型の半導体基板1上に、N型のエピタキシャル層2が形成されている。エピタキシャル層2の表面に、チャンネル領域を含むP型の第一ウェル領域13が形成され、さらに第一ウェル領域13内に第一ウェル領域13よりも高濃度のP型の第二ウェル領域14が形成されている。
FIG. 4 shows an example of a vertical MOS-FET formed as one cell of a conventional semiconductor device. An N type
さらに、第二ウェル領域14内の表面近傍に第一ウェル領域13に接して、N型のソース領域7が形成されている。また、エピタキシャル層2の表面に、ゲート絶縁膜8が形成され、ゲート絶縁膜8上に多結晶シリコンから成るゲート電極9が形成されている。さらに、ゲート電極9を覆った層間絶縁膜10と、ソース領域7に接続され、層間絶縁膜10および第二ウェル領域14を覆ったソース電極11が形成されている。また、半導体基板1の裏面には、ドレイン電極12が形成されている。
Further, an N-
しかしながら、図4の構造においては、ドレイン電流の導通時に、第一ウェル領域13と隣接したエピタキシャル層2との境界にできた空乏層が拡がるため、ドレイン電流の導通時におけるチャンネルの抵抗Ronの低下を妨げる一因となることが問題である。
However, in the structure of FIG. 4, a depletion layer formed at the boundary between the
特許文献1には、図4の構成の改良例が示されており、その構成を図5に示す。図4と同じ構成要素は、同じ符号を付す。図5において、N型の半導体基板1上に形成されたN型のエピタキシャル層2の上層部に、エピタキシャル層2より高濃度であるN型の高濃度エピタキシャル層3が形成され、高濃度エピタキシャル層3とP型の第一ウェル領域13とが隣接している。その他は、図4と同じ構造である。この構造により、第一ウェル領域13から、隣接した高濃度エピタキシャル層3へ空乏層が拡がることが抑制され、ドレイン電流導通時のRonが、図4の構造のRonに比べて低下する。
次に、従来構造の縦型MOS−FETである図4の構成のもう一つの問題点を示す。その問題点とは、高濃度のN型ソース領域7の下部に抵抗成分を下げるために設けられた第二ウェル領域14の拡散のばらつきによって、順方向安全動作領域(以下F−ASOと称する)、逆方向安全動作領域(以下R−ASOと称する)の破壊耐量が低下する点である。
Next, another problem of the configuration of FIG. 4 which is a conventional vertical MOS-FET will be described. The problem is that a forward safe operation region (hereinafter referred to as F-ASO) is caused by variations in diffusion of the
この理由は、第二ウェル領域14の横方向への拡散が不足した場合、ソース領域7の下部の抵抗成分が増加するからである。インダクタンスが負荷された回路では、ゲート入力がオンからオフになるとき、素子のドレイン−ソース間耐圧(VDSS)を超える電圧が掛り、素子がブレークダウンを起こす。このときブレークダウン電流が素子内部を通り、ソース領域7に流れる。
This is because the resistance component under the
第一ウェル領域13は高濃度でないため、その抵抗成分は第二ウェル領域14よりも大きくなり、ソース領域7の下部である第一ウェル領域13にブレークダウン電流が流れることにより生じる電圧降下が大きくなる。この電圧降下によりソース領域7と、第一ウェル領域13および第二ウェル領域14と、エピタキシャル層2および半導体基板1とにより形成される寄生トランジスタがオン状態となる。この状態は、ベースがオン状態となり、さらにベース電流が増加する正帰還の状態であるバイポーラ型のトランジスタと見なすことができるため、電流と温度が上昇し続けて破壊に至る。従って、ソース領域7の下部におけるウェル領域の抵抗成分が大きい程R−ASO破壊耐量が小さくなる。
Since the
また、第二ウェル領域14が横方向へ過剰に拡散した場合、チャンネル領域へ拡散が進行してチャンネル領域の濃度が高くなるため、閾値電圧が高くなり、ゲート入力がオンになると、チャンネル領域を流れる電流により温度が上昇し、F−ASO破壊レベルが下がる。
Further, when the
図4の半導体装置の構成における第2の改良例を図6に示す。図4と同じ構成要素は、同じ符号を付す。図6において、ドレイン領域となるN型の半導体基板1の上層部にN型のエピタキシャル層2が形成されている。エピタキシャル層2の表面から延在して、高濃度のウェル領域5が形成され、ウェル領域5の表面の中央部から外側にN型のソース領域7と、ウェル領域5より低濃度のチャンネル領域6が形成されている。
FIG. 6 shows a second improvement example in the configuration of the semiconductor device of FIG. The same components as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 6, an N-type
さらに、チャンネル領域6より外側にエピタキシャル層2より高濃度のN型であり、ゲートの閾値電圧が2.0〜3.0Vとなる濃度の高濃度拡散層4が形成されている。チャンネル領域6と高濃度拡散層4との上にゲート絶縁膜8が形成され、ゲート絶縁膜8の表面に多結晶シリコンから成るゲート電極9が形成されている。さらに、ゲート電極9を覆う層間絶縁膜10と、層間絶縁膜10とソース領域7とウェル領域5とを覆ってソース電極11が形成されている(例えば特許文献2参照)。
Further, a high
この図6に示した縦型MOS−FETは、図4におけるソース領域7の下部の抵抗成分を下げるために設けた第二ウェル領域14の拡散のばらつきによるF−ASOとR−ASOの破壊耐量低下を防止することができる。
The vertical MOS-FET shown in FIG. 6 has F-ASO and R-ASO breakdown tolerance due to variations in diffusion of the
図6の構造によれば、ウェル領域5を任意の高濃度で形成できるため、ウェル領域5の抵抗成分を小さくすることができる。この場合においても、ソース−ドレイン電極間にインダクタンスが負荷されていると、ゲート入力をオンからオフにした際に、ソース領域7−チャンネル領域6形成領域間のジャンクションが動作しにくくなり、チャンネル領域6を通らずに電流が流れる。すなわち、ドレイン電極12から半導体基板1、エピタキシャル層2、ウェル領域5、ソース領域7を通ってソース電極11へと流れる。しかし、図6の構造では、ウェル領域5の抵抗が小さいため、ウェル領域5における電圧降下が小さく、MOS−FETのR−ASOは高い。
According to the structure of FIG. 6, since the
また、チャンネル領域6へのP型の不純物拡散が発生しないため、ゲートの閾値電圧VTHの上昇を防ぐと共にF−ASO破壊耐量を向上させることができる。
F−ASOとR−ASOの破壊耐量を向上させるために図6の構造を用いた場合、図5の構造に比べて、高濃度エピタキシャル層がないため、空乏層が広がり、Ronが上昇するという問題がある。 When the structure of FIG. 6 is used to improve the breakdown tolerance of F-ASO and R-ASO, the depletion layer expands and Ron increases because there is no high concentration epitaxial layer compared to the structure of FIG. There's a problem.
本発明は、従来の問題を解決するもので、素子サイズの拡大とプロセス工数を増やす事なく、F−ASOとR−ASOの破壊耐量を向上させると共にRonの上昇も抑制させた半導体装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the conventional problems and provides a semiconductor device that improves the breakdown tolerance of F-ASO and R-ASO and suppresses the rise of Ron without increasing the element size and increasing the number of process steps. The purpose is to do.
第一導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第一導電型のエピタキシャル層と、前記エピタキシャル層の上層部に形成された前記エピタキシャル層より高濃度で第一導電型の高濃度エピタキシャル層と、前記高濃度エピタキシャル層内に前記高濃度エピタキシャル層の表面から内部に延在させて形成された第二導電型のウェル領域と、前記ウェル領域内に配置され、前記ウェル領域表面から内部に延在させて形成された第一導電型のソース領域と、前記ウェル領域表面および前記ソース領域表面に形成されたソース電極と、前記ソース領域と前記高濃度エピタキシャル層とに隣接して、前記ウェル領域の表面から内部に延在して形成され、前記ウェル領域よりも低濃度である第二導電型のチャンネル領域と、前記チャンネル領域の表面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記ゲート電極と前記ソース電極を絶縁する層間絶縁膜と、前記半導体基板の下面にドレイン電極とを備える。上記の問題を解決するために、前記高濃度エピタキシャル層内の表面近傍に配置され、前記高濃度エピタキシャル層よりもさらに高濃度であり、前記チャンネル領域に隣接した高濃度拡散領域を備えたことを特徴とする。 A first conductivity type semiconductor substrate, a first conductivity type epitaxial layer formed on the semiconductor substrate, and a higher concentration of the first conductivity type than the epitaxial layer formed on the upper layer of the epitaxial layer An epitaxial layer; a well region of a second conductivity type formed in the high-concentration epitaxial layer so as to extend from the surface of the high-concentration epitaxial layer; and disposed in the well region, from the surface of the well region Adjacent to the source region of the first conductivity type formed extending inside, the source electrode formed on the well region surface and the source region surface, the source region and the high-concentration epitaxial layer, A channel region of a second conductivity type formed extending from the surface of the well region and having a lower concentration than the well region; and the channel region. Comprising a gate electrode provided via a gate insulating film on the surface of the interlayer insulating film for insulating the source electrode and the gate electrode, and a drain electrode on the lower surface of the semiconductor substrate. In order to solve the above-described problem, a high concentration diffusion region is provided near the surface in the high concentration epitaxial layer, which is higher in concentration than the high concentration epitaxial layer, and adjacent to the channel region. Features.
本発明の半導体装置は、素子サイズの拡大とプロセス工数を増やす事なく、F−ASOとR−ASOの破壊耐量が向上すると共にRonも低下することができる。 The semiconductor device of the present invention can improve the breakdown tolerance of F-ASO and R-ASO and reduce Ron without increasing the element size and increasing the number of process steps.
(実施の形態)
本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
(Embodiment)
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態における半導体装置の一つのセルとして形成された縦型MOS−FET素子の断面図である。N型の半導体基板1の上部にN型のエピタキシャル層2が形成されている。エピタキシャル層2の上層部に、N型でエピタキシャル層2より高濃度の高濃度エピタキシャル層3が形成され、高濃度エピタキシャル層3内にP型の高濃度のウェル領域5が形成されている。ウェル領域5内には、P型のチャンネル領域6と、N型のソース領域7が形成され、高濃度エピタキシャル層3内には、チャネル領域6に接して、高濃度エピタキシャル層3より高濃度のN型の高濃度拡散層4が形成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a vertical MOS-FET element formed as one cell of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. An N type
さらに、チャネル領域6と高濃度拡散層4の表面を覆うゲート絶縁膜8が形成され、ゲート絶縁膜8上に覆ったゲート電極9と、ゲート電極9を覆う層間絶縁膜10が形成されている。さらに、ソース領域7と接続され、ウェル領域5と層間絶縁膜10を覆ったソース電極11が形成され、半導体基板1の裏面にドレイン電極12が形成されている。
Further, a
図2は、本実施の形態における半導体装置と従来品の性能を比較したグラフである。(a)はRonレベル、(b)はR−ASOレベル、(c)はF−ASOレベルを示す。それぞれのグラフの×印が従来品、○印が本実施の形態における半導体装置の値を示している。(a)では、値が小さいほど抵抗が小さく、(b)、(c)では、値が大きいほど破壊耐圧が高いことを示している。従来品として、図2(a)の比較実験では、図4、図6に示した構造の従来品を用い、図2(b)、(c)の比較実験では、図4、図5に示した構造の従来品を用いた。 FIG. 2 is a graph comparing the performance of the semiconductor device according to the present embodiment and the conventional product. (A) shows Ron level, (b) shows R-ASO level, and (c) shows F-ASO level. In each graph, a cross indicates a conventional product, and a circle indicates the value of the semiconductor device in this embodiment. In (a), the smaller the value, the smaller the resistance. In (b) and (c), the larger the value, the higher the breakdown voltage. As the conventional product, the conventional product having the structure shown in FIGS. 4 and 6 is used in the comparative experiment of FIG. 2A, and the comparative test shown in FIGS. 2B and 2C is shown in FIGS. The conventional product with the same structure was used.
本実施の形態における構成によれば、高濃度の高濃度エピタキシャル層3を形成することにより、ウェル領域5から高濃度エピタキシャル層3への空乏領域の拡がりが抑えられ、図2(a)に示すように、従来例に比べてRonを低く抑制することができる。
According to the configuration of the present embodiment, by forming the high concentration high
また、高濃度拡散層4とウェル領域5との濃度調整により、閾値電圧VTHが2.0〜3.0VとなるP型チャンネル領域6を形成する事ができる。そして、ソース領域7の下部を高濃度のウェル領域5として抵抗成分を下げる事が出来るため、図2(b)に示すように、従来例に比べてR−ASOであるアバランシェ破壊耐量を向上させることができる。さらに、チャンネル領域6へのP型の不純物拡散が発生しないためにVTHの上昇を抑制でき、図2(c)に示すように、従来例に比べてF−ASO破壊レベルが向上する。以上により図4に示した従来例に比べて、R−ASO、F−ASOおよびRonの各々の性能が向上した。
Further, by adjusting the concentration between the high
図3は、図1に示した半導体装置の各製造工程を示す断面図である。各構成部分の符号は、各部分の最終形態に図1の符号を用い、製造途中の形態においては、1aのように最終形態の符号と、その形態ごとにaからアルファベットを対応させた符号を用いる。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing each manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG. 1 is used for the final form of each part, and in the form in the middle of manufacture, the code of the final form as in 1a and the code corresponding to the alphabet from a for each form are used. Use.
まず、図3(a)に示すように、半導体基板1上にN型のエピタキシャル層2aを形成した後、図3(b)に示すように、N型のエピタキシャル層2aの上層を、拡散法を用いて、エピタキシャル層2aより高濃度の高濃度エピタキシャル層3aを形成する。
First, as shown in FIG. 3A, after an N-
次に、図3(c)に示すように、高濃度拡散層4aを形成する。その工程は図示しないが、高濃度エピタキシャル層3aの表面の高濃度拡散層4aを作成しない領域をレジスト膜でマスクし、ドナーをドープし、拡散させる。拡散されたことにより高濃度エピタキシャル層3aの表面に高濃度拡散層4aが作成され、その後レジスト膜を除去する。この工程により、高濃度エピタキシャル層3aの表面近傍において、レジスト膜で覆われていた領域は変化せず、縦型MOS−FET素子のセルの中心部となり、他の領域は、高濃度拡散層4aとなる。
Next, as shown in FIG. 3C, a high
次に、図3(d)に示すように、半導体基板1の表面全面にシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜8aをパイロジェニック法により形成する。さらに、ゲート絶縁膜8aの表面全体に多結晶シリコンからなるゲート電極9aを化学気相成長法(以下CVDと称する)を用いて形成する。形成されたゲート電極9aは、フォトリソグラフィーによりパターニングが行われ、セルの中心部から円状にエッチング除去される。すなわち、ゲート絶縁膜8aに接した高濃度エピタキシャル層3bの領域および、高濃度拡散層4aの高濃度エピタキシャル層3bとの境界付近の領域に対応したゲート電極9aが除去される。
Next, as shown in FIG. 3D, a
次に、図3(e)に示すように、ウェル領域5aを形成する。すなわち、ゲート電極9をマスクとし、ゲート絶縁膜8aを介したセルフアライメント拡散により、高濃度エピタキシャル層3bと高濃度拡散層4aの表面から高濃度エピタキシャル層3bの内部にかけて、N型の高濃度拡散層4aより不純物濃度の高いP型のウェル領域5を形成する。その後、CVDを用いて、ゲート電極9の表面およびエッチングされた端面と、ゲート絶縁膜8aの表面にかけての全面とを覆って、酸化シリコンからなる層間絶縁膜10aを形成する。
Next, as shown in FIG. 3E, a well region 5a is formed. That is, N-type high concentration diffusion is performed from the surface of the high
この工程により、ウェル領域5は、横方向にも拡散してゲート電極9の下層にも入り込み、ウェル領域5が形成された高濃度拡散層4aの領域は、ウェル領域5の他の部分よりも低濃度のP型に反転し、チャンネル領域6aとなる。
By this step, the
次に、層間絶縁膜10aを選択的にエッチングして、図3(f)に示すように、ゲート電極9の上部以外の層間絶縁膜10aとゲート電極9の下部以外のゲート絶縁膜8aとを共に除去し、ウェル領域5とチャンネル領域6aの表面を露出させる。この工程により、ゲート電極9の上面に形成された層間絶縁膜10bの端面は、ゲート電極9およびゲート絶縁膜8の端面と同一面となる。次に、露出された表面のウェル領域5の領域上面をレジスト膜で覆う。
Next, the
その後、レジスト膜と層間絶縁膜10bをマスクとして、ドープした領域がN型となる量のドナーをドープし、拡散させることにより、ウェル領域5内部にP型のチャンネル領域6aと同様の深さに、チャンネル領域6aの一部にN型のソース領域7を形成し、その後にレジスト膜を除去する。形成されたソース領域7は横方向にも拡散して、ゲート絶縁膜8の下層にも入り込む。
Thereafter, using the resist film and the
次に、図3(g)に示すように、CVDによって、層間絶縁膜10bの表面と、同一端面上にある層間絶縁膜10b、ゲート電極9およびゲート絶縁膜8の各々の端面と、露出したウェル領域5およびソース領域7の表面との全面を覆った層間絶縁膜10cを追加形成し、ウェル領域5の全表面と、ウェル領域5近傍のソース領域7表面の一部を覆う層間絶縁膜10cをエッチング除去して、コンタクト窓を形成する。
Next, as shown in FIG. 3G, the surface of the
この状態で、残された層間絶縁膜10は、ゲート電極9とゲート絶縁膜8との端面を覆っており、ソース領域7表面の一部領域にもかかっている。次に、露出したウェル領域5と、ソース領域7と、層間絶縁膜10の表面を覆ったソース電極11を形成する。さらに、半導体基板1の裏面をメタライズすることにより、ドレイン電極12を形成し、図1に示す構造が完成する。
In this state, the remaining
本発明の半導体装置は、高耐圧と低動作抵抗で高出力に使用し得る半導体装置として有用であり、特に高出力タイプに適している。 The semiconductor device of the present invention is useful as a semiconductor device that can be used for high output with high breakdown voltage and low operating resistance, and is particularly suitable for a high output type.
1 半導体基板
2、2a エピタキシャル層
3、3a、3b 高濃度エピタキシャル層
4、4a 高濃度拡散層
5 ウェル領域
6、6a チャンネル領域
7 ソース領域
8、8a ゲート絶縁膜
9、9a ゲート電極
10、10a、10b、10c 層間絶縁膜
11 ソース電極
12 ドレイン電極
13 第一ウェル領域
14 第二ウェル領域
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記半導体基板上に形成された第一導電型のエピタキシャル層と、
前記エピタキシャル層の上層部に形成された前記エピタキシャル層より高濃度で第一導電型の高濃度エピタキシャル層と、
前記高濃度エピタキシャル層内に前記高濃度エピタキシャル層の表面から内部に延在させて形成された第二導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域内に配置され、前記ウェル領域表面から内部に延在させて形成された第一導電型のソース領域と、
前記ウェル領域表面および前記ソース領域表面に形成されたソース電極と、
前記ソース領域と前記高濃度エピタキシャル層とに隣接して、前記ウェル領域の表面から内部に延在して形成され、前記ウェル領域よりも低濃度である第二導電型のチャンネル領域と、
前記チャンネル領域の表面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記ソース電極を絶縁する層間絶縁膜と、
前記半導体基板の下面にドレイン電極とを備えた半導体装置において、
前記高濃度エピタキシャル層内の表面近傍に配置され、前記高濃度エピタキシャル層よりもさらに高濃度であり、前記チャンネル領域に隣接した高濃度拡散領域を備えたことを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type semiconductor substrate;
An epitaxial layer of a first conductivity type formed on the semiconductor substrate;
A high-concentration epitaxial layer of the first conductivity type at a higher concentration than the epitaxial layer formed in the upper layer portion of the epitaxial layer;
A well region of a second conductivity type formed in the high concentration epitaxial layer so as to extend from the surface of the high concentration epitaxial layer to the inside;
A source region of a first conductivity type disposed in the well region and extending from the surface of the well region to the inside;
A source electrode formed on the surface of the well region and the surface of the source region;
Adjacent to the source region and the high-concentration epitaxial layer, a channel region of a second conductivity type formed extending from the surface of the well region to the inside and having a lower concentration than the well region;
A gate electrode provided on the surface of the channel region via a gate insulating film;
An interlayer insulating film for insulating the gate electrode and the source electrode;
In a semiconductor device comprising a drain electrode on the lower surface of the semiconductor substrate,
A semiconductor device comprising a high concentration diffusion region disposed near a surface in the high concentration epitaxial layer, having a higher concentration than the high concentration epitaxial layer, and adjacent to the channel region.
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