JP2006332259A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
Semiconductor device and its manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006332259A JP2006332259A JP2005152604A JP2005152604A JP2006332259A JP 2006332259 A JP2006332259 A JP 2006332259A JP 2005152604 A JP2005152604 A JP 2005152604A JP 2005152604 A JP2005152604 A JP 2005152604A JP 2006332259 A JP2006332259 A JP 2006332259A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- region
- semiconductor
- diffusion layer
- semiconductor device
- forming
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、半導体集積回路を静電破壊から保護するためのpn接合ダイオード素子を備えた半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including a pn junction diode element for protecting a semiconductor integrated circuit from electrostatic breakdown and a method for manufacturing the same.
半導体装置においては、静電破壊を防止するため入力パッドや入出力パッドに保護用回路を設置することで静電破壊耐圧を向上している。保護用回路は、pn接合を有するダイオードや常時OFFのトランジスタで構成される。 In a semiconductor device, the electrostatic breakdown voltage is improved by installing a protection circuit on an input pad or an input / output pad in order to prevent electrostatic breakdown. The protection circuit is composed of a diode having a pn junction and a normally-off transistor.
例えば、保護用回路としてpn接合を用いた場合の従来例を図8に示す。図8は、保護用素子としてダイオードD1,D2を用いて形成した入力保護回路を示す。入力パッドに接続された信号入力端子51に保護抵抗R1の一端を接続し、信号入力端子51よりサージ電圧が内部に伝播するのを遅らせ、過大な電流が流れるのを防いでいる。また、電源端子52と接地端子53との間に電荷を逃すための放電素子として、pn接合ダイオードD1,D2を直列に設けている。ここで、pn接合ダイオードD1のカソードが電源端子52に接続され、pn接合ダイオードD2のアノードが接地端子53に接続されている。したがって、pn接合ダイオードD1,D2は電源端子52,53間を逆方向に接続されている。サージ電圧が信号入力端子51に印加された場合には、pn接合ダイオードD1,D2の逆方向アバランシェ降伏あるいは順方向電流により、速やかに電荷を電源端子52または接地端子53に放電させ、被保護回路54を保護する。さらに、保護抵抗R1と被保護回路54との間に内部抵抗R2を挿入することにより、被保護回路54へサージ電圧が伝播しにくいようにしている(例えば、特許文献1参照)。
For example, FIG. 8 shows a conventional example in which a pn junction is used as a protection circuit. FIG. 8 shows an input protection circuit formed using diodes D1 and D2 as protection elements. One end of the protective resistor R1 is connected to the
図9に、典型的な被保護回路の一つであるインバータ回路を示す。図9に示すように、電源端子52、接地端子53間にPMOSトランジスタQ1およびNMOSトランジスタQ2が直列に接続され、PMOSトランジスタQ1およびNMOSトランジスタQ2のゲートが共通に入力信号端子55に接続され、ドレインが共通に出力信号端子56に接続されている。図8に示す構成の入出力保護回路は、入力信号端子55に接続された場合は入力保護回路として機能し、出力信号端子56に接続された場合は出力保護回路として機能する。保護回路の機能、動作は入力部、出力部とも同様であるので、以下、「入出力保護回路」として述べる。但し、出力保護回路として使用する場合は抵抗を付加しないことが多い。
FIG. 9 shows an inverter circuit which is one of typical protected circuits. As shown in FIG. 9, a PMOS transistor Q1 and an NMOS transistor Q2 are connected in series between a
図10は、図8に示したダイオード型の入出力保護回路のpn接合ダイオードD2の部分拡大断面図である。p型半導体基板61上に、1017/cm3 程度のp型の不純物が導入されたpウェル領域62が形成されている。pウェル領域62の上部の一部に1020/cm3程度のn型の不純物が導入されたn型拡散層63が形成されている。n型拡散層63は素子分離酸化膜65に囲まれ、他の素子と電気的に分離されている。また、n型拡散層63の上にはシリサイド層64が形成されている。シリサイド層64は、層間絶縁膜66中に設けられたコンタクトホール67中のタングステン68を介して金属配線69と接続されている。
FIG. 10 is a partial enlarged cross-sectional view of the pn junction diode D2 of the diode-type input / output protection circuit shown in FIG. On the p-type semiconductor substrate 61, a p-well region 62 into which p-type impurities of about 10 17 / cm 3 are introduced is formed. An n-type diffusion layer 63 into which an n-type impurity of about 10 20 / cm 3 is introduced is formed in part of the upper portion of the p-well region 62. The n-type diffusion layer 63 is surrounded by the element
図10には示していないが、pn接合ダイオードD1もpn接合ダイオードD2と同様の構造をしている。pn接合ダイオードD1の場合、図10のpウェル領域62をnウェル領域に、n型拡散層63をp型拡散層に置き換えた構造となる。この場合、nウェル領域、p型拡散層の不純物濃度は各々1017/cm3 程度、1020/cm3 程度となる。
しかしながら、上記の従来例では微細化が進むにつれて、半導体装置に使用されるMOS(MetalOxide Semiconductor)トランジスタのゲート絶縁膜の膜厚が薄膜化し、これにより入出力保護回路を構成するpn接合ダイオードよりも、被保護回路のMOSトランジスタのゲート絶縁膜の耐圧の方が低くなり、pn接合ダイオードが保護回路として役に立たなくなるという課題が発生している。 However, in the above-described conventional example, as the miniaturization progresses, the thickness of the gate insulating film of the MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor used in the semiconductor device becomes thinner, thereby making it thinner than the pn junction diode constituting the input / output protection circuit. However, the withstand voltage of the gate insulating film of the MOS transistor of the protected circuit becomes lower, and there is a problem that the pn junction diode becomes useless as a protection circuit.
図8において、入力パッドに接続された信号入力端子51から保護抵抗R1と内部抵抗R2とを介して接続されたMOSトランジスタのゲート絶縁膜の膜厚は、従来、10nm程度であり、約12Vの破壊耐圧を有していた。一方、入出力保護回路を構成するpn接合ダイオードD1,D2の接合は、約10V程度の耐圧であった。よって、ゲート絶縁膜の耐圧の方がpn接合耐圧よりも高いために、ゲート絶縁膜が破壊される前にpn接合に電流が流れ、結果的に半導体装置の破壊が防止されていた。
In FIG. 8, the thickness of the gate insulating film of the MOS transistor connected from the
ところが、半導体装置の微細化に伴い、ゲート絶縁膜も従来の10nm程度から7nm程度へ薄膜化が進んでいる。7nmまで薄膜化が進むと、ゲート絶縁膜の破壊耐圧は8.4V程度まで低下する。一方、pn接合耐圧は約10V程度のままであり、pn接合耐圧がゲート絶縁膜の耐圧を上回るようになった。これにより、pn接合ダイオードを用いた入出力保護回路を設けても、ゲート絶縁膜が破壊されてしまうようになり、pn接合ダイオードが保護回路として役に立たなくなっている。 However, with the miniaturization of the semiconductor device, the gate insulating film is also thinned from about 10 nm to about 7 nm. As the film thickness decreases to 7 nm, the breakdown voltage of the gate insulating film decreases to about 8.4V. On the other hand, the pn junction breakdown voltage remains approximately 10 V, and the pn junction breakdown voltage exceeds the breakdown voltage of the gate insulating film. Thus, even if an input / output protection circuit using a pn junction diode is provided, the gate insulating film is destroyed, and the pn junction diode is no longer useful as a protection circuit.
本発明は、このような事情に鑑み、薄膜化されたゲート絶縁膜を保護できるpn接合ダイオードを簡便に形成することにより、静電破壊に強い高信頼性の半導体装置およびその製造方法を提供することを目的としている。 In view of such circumstances, the present invention provides a highly reliable semiconductor device resistant to electrostatic breakdown and a method for manufacturing the same by simply forming a pn junction diode capable of protecting a thin gate insulating film. The purpose is that.
本発明によるpn接合ダイオード素子を有する半導体装置は、そのpn接合ダイオード素子において、半導体基板に、ある導電型の半導体領域(pウェル領域またはnウェル領域)が形成され、さらに、前記半導体基板の表面側に前記半導体領域とは異なる導電型(p型またはn型)の拡散層領域が形成されている。拡散層領域の底面は半導体領域に接している。一方、半導体領域は拡散層領域の側面において半導体基板の表面にまで延在している。半導体基板表面上の少なくとも一部で、拡散層領域と半導体領域とが接し、pn接合を形成している。半導体基板表面における半導体領域の不純物濃度は、拡散層領域の底面(拡散層領域の半導体領域に対する接合深さ位置)における半導体領域の不純物濃度よりも高くされている。 In a semiconductor device having a pn junction diode element according to the present invention, a semiconductor region of a certain conductivity type (p well region or n well region) is formed in a semiconductor substrate in the pn junction diode element, and the surface of the semiconductor substrate is further formed. A diffusion layer region having a conductivity type (p-type or n-type) different from that of the semiconductor region is formed on the side. The bottom surface of the diffusion layer region is in contact with the semiconductor region. On the other hand, the semiconductor region extends to the surface of the semiconductor substrate on the side surface of the diffusion layer region. At least part of the surface of the semiconductor substrate, the diffusion layer region and the semiconductor region are in contact with each other to form a pn junction. The impurity concentration of the semiconductor region on the surface of the semiconductor substrate is higher than the impurity concentration of the semiconductor region at the bottom surface of the diffusion layer region (the junction depth position of the diffusion layer region with respect to the semiconductor region).
すなわち、本発明はpn接合ダイオード素子を有する半導体装置であって、前記pn接合ダイオード素子は、半導体基板上に形成された拡散層領域と、前記拡散層領域の少なくとも一部の側面および底面に隣接して形成された、前記拡散層領域の導電型とは異なる導電型を有する半導体領域とを備え、
前記半導体基板表面上の少なくとも一部で前記拡散層領域と前記半導体領域とが接し、
前記半導体基板表面における前記半導体領域の不純物濃度が前記拡散層領域の底面における前記半導体領域の不純物濃度よりも高くされている。
That is, the present invention is a semiconductor device having a pn junction diode element, and the pn junction diode element is adjacent to a diffusion layer region formed on a semiconductor substrate and at least a part of side surfaces and a bottom surface of the diffusion layer region. A semiconductor region having a conductivity type different from the conductivity type of the diffusion layer region,
The diffusion layer region and the semiconductor region are in contact with each other at least at a part on the surface of the semiconductor substrate,
The impurity concentration of the semiconductor region on the surface of the semiconductor substrate is higher than the impurity concentration of the semiconductor region on the bottom surface of the diffusion layer region.
この構成において、拡散層領域と半導体領域とは半導体基板表面上の少なくとも一部で接し、pn接合を形成している。一方、半導体基板表面における半導体領域の不純物濃度が、拡散層領域の底面における半導体領域の不純物濃度よりも高い。したがって、半導体基板表面でのpn接合は、拡散層領域底面でのpn接合よりも高い不純物濃度となっている。pn接合ダイオードの耐圧は、p型、n型各々の不純物濃度で決定され、不純物濃度が高いほど耐圧が低下する。このため、半導体基板表面にpn接合をもつpn接合ダイオード素子では、その接合耐圧が、被保護回路のトランジスタのゲート絶縁膜の耐圧よりも低くなる。すなわち、ゲート絶縁膜の耐圧よりも低い接合耐圧を有するpn接合ダイオード素子が形成されている。したがって、pn接合ダイオード素子は薄膜化されたゲート絶縁膜を効果的に保護することができる。 In this configuration, the diffusion layer region and the semiconductor region are in contact with each other at least partially on the surface of the semiconductor substrate to form a pn junction. On the other hand, the impurity concentration of the semiconductor region on the surface of the semiconductor substrate is higher than the impurity concentration of the semiconductor region on the bottom surface of the diffusion layer region. Therefore, the pn junction on the semiconductor substrate surface has a higher impurity concentration than the pn junction on the bottom surface of the diffusion layer region. The breakdown voltage of the pn junction diode is determined by the impurity concentration of each of the p-type and n-type, and the breakdown voltage decreases as the impurity concentration increases. For this reason, in a pn junction diode element having a pn junction on the surface of the semiconductor substrate, the junction breakdown voltage is lower than the breakdown voltage of the gate insulating film of the transistor of the protected circuit. That is, a pn junction diode element having a junction breakdown voltage lower than that of the gate insulating film is formed. Therefore, the pn junction diode element can effectively protect the thinned gate insulating film.
上記において、前記拡散層領域の最表面の少なくとも一部に金属元素と前記半導体領域の主たる構成元素とからなる化合物層(シリサイド層)がさらに形成され、前記化合物層は前記拡散層領域が前記半導体領域と接する部分には形成されないようにするという態様である。 In the above, a compound layer (silicide layer) including a metal element and a main constituent element of the semiconductor region is further formed on at least a part of the outermost surface of the diffusion layer region, and the diffusion layer region of the compound layer is the semiconductor. This is a mode in which it is not formed in a portion in contact with the region.
これによれば、拡散層領域上の化合物層が接触抵抗を下げるため、保護素子としての性能を向上することができる。 According to this, since the compound layer on the diffusion layer region lowers the contact resistance, the performance as a protective element can be improved.
また、上記において、前記半導体領域の主たる構成元素はシリコンであり、前記金属元素は、チタン、コバルト、ニッケル、タングステンおよびモリブデンの中から選択された少なくとも一つであるとする好ましい態様がある。 Further, in the above, there is a preferable aspect in which the main constituent element of the semiconductor region is silicon, and the metal element is at least one selected from titanium, cobalt, nickel, tungsten, and molybdenum.
また、上記において、前記半導体基板上に素子分離領域を有している態様もある。この場合、前記拡散層領域の少なくとも一部が前記素子分離領域と接しておらず、前記半導体基板表面の少なくとも一部で、前記拡散層領域と前記素子分離領域との間に前記半導体領域が設けられる。 Further, in the above, there is an aspect in which an element isolation region is provided on the semiconductor substrate. In this case, at least a part of the diffusion layer region is not in contact with the element isolation region, and the semiconductor region is provided between the diffusion layer region and the element isolation region on at least a part of the surface of the semiconductor substrate. It is done.
ここで、拡散層領域と素子分離領域との間に半導体領域が設けられた部分では耐圧を低くすることができ、保護素子として機能を向上するが、通常動作において接合リーク電流を増大させる場合がある。一方、拡散層領域と素子分離領域とが接した部分では耐圧は低くできないが、接合リーク電流は小さい。よって、保護素子としての電流許容能力を勘案して、拡散層領域と素子分離領域とが接した部分の周辺長と、拡散層領域と素子分離領域とが接していない周辺長を自由に設計すればよい。 Here, in the portion where the semiconductor region is provided between the diffusion layer region and the element isolation region, the breakdown voltage can be lowered and the function as a protection element is improved, but the junction leakage current may be increased in normal operation. is there. On the other hand, the breakdown voltage cannot be lowered at the portion where the diffusion layer region and the element isolation region are in contact with each other, but the junction leakage current is small. Therefore, in consideration of the current capacity as a protection element, the peripheral length of the part where the diffusion layer region and the element isolation region are in contact and the peripheral length where the diffusion layer region and the element isolation region are not in contact can be freely designed. That's fine.
また、上記において、前記半導体基板上に設けられた被保護回路のMIS(MetalInsulator Semiconductor)トランジスタのソース・ドレイン領域におけるゲート端不純物濃度よりも、前記半導体基板表面における前記拡散層領域の不純物濃度の最大値の方を高くするという態様がある。 In the above, the maximum impurity concentration in the diffusion layer region on the surface of the semiconductor substrate is higher than the gate end impurity concentration in the source / drain region of the MIS (Metal Insulator Semiconductor) transistor of the protected circuit provided on the semiconductor substrate. There is an aspect of increasing the value.
これによれば、通常のトランジスタのソース・ドレイン領域に形成されるpn接合の耐圧よりもpn接合ダイオード素子の耐圧を低くすることで、保護素子としての性能を確保する。 According to this, the performance as a protection element is ensured by making the breakdown voltage of the pn junction diode element lower than the breakdown voltage of the pn junction formed in the source / drain region of a normal transistor.
また、上記において、前記pn接合ダイオード素子を半導体素子の入力端子、出力端子、入出力端子の少なくとも一つに接続することにより、保護回路が形成される。 In the above, a protection circuit is formed by connecting the pn junction diode element to at least one of an input terminal, an output terminal, and an input / output terminal of a semiconductor element.
本発明による半導体装置の製造方法は、pn接合ダイオード素子を有する半導体装置を製造する方法であって、
半導体基板の上に素子分離領域を形成する工程と、
前記半導体基板のうちの少なくとも一部の領域に、前記半導体基板の導電型と同じ導電型を有する半導体領域を形成する工程と、
前記半導体基板のうちの少なくとも一部の領域に、少なくともその一部が前記素子分離領域と接しない状態で、前記半導体領域の導電型とは異なる導電型を有する拡散層領域を形成する工程とを含み、
前記半導体基板表面上の少なくとも一部で前記拡散層領域と前記半導体領域とが接するように形成することを特徴とするものである。
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device having a pn junction diode element,
Forming an element isolation region on a semiconductor substrate;
Forming a semiconductor region having the same conductivity type as that of the semiconductor substrate in at least a portion of the semiconductor substrate;
Forming a diffusion layer region having a conductivity type different from the conductivity type of the semiconductor region in at least a portion of the semiconductor substrate in a state where at least a portion thereof is not in contact with the element isolation region; Including
The diffusion layer region and the semiconductor region are formed in contact with each other at least at a part on the surface of the semiconductor substrate.
これによれば、半導体基板表面上の少なくとも一部で、拡散層領域と半導体領域とが接してpn接合を形成するようになり、その部分の接合耐圧が低くなるため、保護素子として作用させることができる。 According to this, at least part of the surface of the semiconductor substrate, the diffusion layer region and the semiconductor region come into contact with each other to form a pn junction, and the junction breakdown voltage of that portion is lowered, so that it acts as a protective element. Can do.
上記の製造方法において、前記半導体基板の導電型と同じ導電型を有する半導体領域を形成する工程では、基板表面における不純物濃度が基板内部よりも高くなる条件で不純物を導入するものとする。 In the manufacturing method, in the step of forming a semiconductor region having the same conductivity type as that of the semiconductor substrate, impurities are introduced under the condition that the impurity concentration on the substrate surface is higher than that in the substrate.
これは、基板表面における不純物濃度を高くすることで、基板表面に形成されるpn接合の耐圧を低くし、保護素子として作用させることができる。 By increasing the impurity concentration on the surface of the substrate, the breakdown voltage of the pn junction formed on the surface of the substrate can be lowered, and it can function as a protective element.
また、上記の製造方法において、前記半導体領域の導電型とは異なる導電型を有する拡散層領域を形成する工程では、異なるマスクを用いて複数回の不純物導入を行う工程を有し、導入する不純物濃度が最も高い工程での不純物導入領域が前記半導体領域と接するようにするのが好ましい。 In the above manufacturing method, the step of forming the diffusion layer region having a conductivity type different from the conductivity type of the semiconductor region includes a step of introducing impurities a plurality of times using different masks. It is preferable that the impurity introduction region in the step having the highest concentration is in contact with the semiconductor region.
これは、基板表面における拡散層領域の不純物濃度を高くすることで、基板表面に形成されるpn接合の耐圧を低くし、保護素子としての作用をより有効化する。 This increases the impurity concentration of the diffusion layer region on the substrate surface, thereby lowering the breakdown voltage of the pn junction formed on the substrate surface, and more effectively working as a protection element.
また、上記の製造方法において、前記半導体領域の導電型とは異なる導電型を有する拡散層領域を形成する工程において、異なるマスクを用いて複数回の不純物導入を行う工程を有し、導入する不純物濃度が最も高い工程以外での不純物導入領域が、導入する不純物濃度が最も高い工程での不純物導入領域よりも内側もしくは同等の領域であり、導入する不純物濃度が最も高い工程以外の不純物導入領域のみで前記半導体領域と接することのないようにすることが好ましい。 In the manufacturing method described above, the step of forming the diffusion layer region having a conductivity type different from the conductivity type of the semiconductor region includes a step of introducing impurities a plurality of times using different masks. The impurity introduction region other than the process having the highest concentration is inside or equivalent to the impurity introduction region in the process having the highest impurity concentration to be introduced, and only the impurity introduction region other than the process having the highest impurity concentration to be introduced is used. It is preferable not to contact the semiconductor region.
これは、導入する不純物濃度が最も高い工程以外の不純物導入領域のみで半導体領域と接した場合、接合部での拡散層領域の不純物濃度が低いため、耐圧を低くできず、保護素子としての性能を確保できない場合があるからである。これを回避することにより、保護素子としての機能を確保する。 This is because when the impurity concentration region to be introduced is in contact with the semiconductor region only in the region other than the step where the impurity concentration is highest, the impurity concentration of the diffusion layer region at the junction is low, so the breakdown voltage cannot be lowered, and the performance as a protective element This is because there is a case where it cannot be secured. By avoiding this, the function as a protection element is ensured.
また、上記の製造方法において、前記半導体基板に少なくとも2種類のトランジスタを形成する場合に、前記半導体基板のうちの少なくとも一部の領域に、前記半導体基板の導電型と同じ導電型を有する半導体領域を形成するための不純物導入工程を複数回有し、前記複数回の不純物導入工程の中で最適な工程のみを前記pn接合ダイオード素子形成領域に選択的に実施することができる。 In the above manufacturing method, when at least two types of transistors are formed on the semiconductor substrate, a semiconductor region having the same conductivity type as that of the semiconductor substrate is formed in at least a part of the semiconductor substrate. There are a plurality of impurity introduction steps for forming the impurity, and only the optimum step among the plurality of impurity introduction steps can be selectively performed in the pn junction diode element formation region.
例えば、1.2V系のトランジスタと3.3V系のトランジスタを両方搭載する場合、一般に1.2V系のトランジスタの閾値制御用注入の方が高い不純物濃度となる。よって、3.3V系トランジスタ領域に形成されたpn接合ダイオード素子にも、1.2V系のトランジスタの閾値制御用注入を施すことにより、低い耐圧を実現することができる。また、より低い耐圧が必要な場合は、1.2V系のトランジスタ用と3.3V系のトランジスタと2つの閾値制御用注入の両方を施すこともできる。 For example, when both a 1.2V transistor and a 3.3V transistor are mounted, generally, the threshold concentration implantation of the 1.2V transistor has a higher impurity concentration. Accordingly, a low breakdown voltage can be realized by applying the threshold control injection of the 1.2V transistor to the pn junction diode element formed in the 3.3V transistor region. If a lower breakdown voltage is required, both 1.2V transistor, 3.3V transistor, and two threshold control implants can be applied.
また、上記の製造方法において、前記半導体基板のうちの少なくとも一部の領域に前記半導体領域を形成する工程において、前記pn接合ダイオード素子形成領域にのみ選択的に実施する工程を追加することができる。この工程により最適化された特性を有するpn接合ダイオード素子を実現できる。 In the above manufacturing method, in the step of forming the semiconductor region in at least a part of the semiconductor substrate, a step of selectively performing only the pn junction diode element formation region can be added. . A pn junction diode element having optimized characteristics can be realized by this process.
また、上記の製造方法において、前記半導体基板に少なくとも2種類のトランジスタを形成する場合に、前記半導体領域の導電型とは異なる導電型を有する拡散層領域を形成するための不純物導入工程を複数回有し、前記複数回の不純物導入工程の中で最適な工程のみを前記pn接合ダイオード素子形成領域に選択的に実施することができる。 In the above manufacturing method, when forming at least two kinds of transistors on the semiconductor substrate, an impurity introduction step for forming a diffusion layer region having a conductivity type different from the conductivity type of the semiconductor region is performed a plurality of times. And only the optimum step among the plurality of impurity introduction steps can be selectively performed on the pn junction diode element formation region.
例えば、1.2V系のトランジスタと3.3V系のトランジスタを両方搭載する場合、一般に1.2V系のトランジスタの不純物導入工程の方が高い不純物濃度を実現する。よって、3.3V系トランジスタ領域に形成されたpn接合ダイオード素子にも、1.2V系のトランジスタの拡散層領域を形成するための不純物導入工程を施すことにより、低い耐圧を実現することができる。また、より低い耐圧が必要な場合は、1.2V系のトランジスタ用と3.3V系のトランジスタと2つの拡散層領域を形成するための不純物導入工程の両方を施すこともできる。 For example, when both a 1.2V transistor and a 3.3V transistor are mounted, the impurity introduction process of the 1.2V transistor generally achieves a higher impurity concentration. Therefore, a low breakdown voltage can be realized by applying an impurity introduction step for forming a diffusion layer region of a 1.2 V transistor to a pn junction diode element formed in a 3.3 V transistor region. . Further, when a lower breakdown voltage is required, both an impurity introduction step for forming a 1.2V transistor, a 3.3V transistor, and two diffusion layer regions can be performed.
また、上記の製造方法において、前記半導体領域の導電型とは異なる導電型を有する拡散層領域を形成する工程において、前記pn接合ダイオード素子形成領域にのみ選択的に実施する工程を追加することができる。この工程により最適化された特性を有するpn接合ダイオード素子を実現できる。 Further, in the above manufacturing method, in the step of forming the diffusion layer region having a conductivity type different from the conductivity type of the semiconductor region, a step of selectively performing only the pn junction diode element formation region may be added. it can. A pn junction diode element having optimized characteristics can be realized by this process.
本発明の半導体装置によれば、pn接合ダイオード素子において導電型を互いに異にする拡散層領域と半導体領域とが半導体基板表面上で接してpn接合を形成し、半導体基板表面における半導体領域の不純物濃度が、拡散層領域の底面における半導体領域の不純物濃度よりも高いため、pn接合ダイオード素子の接合耐圧が被保護回路のトランジスタのゲート絶縁膜の耐圧より低くなり、pn接合ダイオード素子は薄膜化されたゲート絶縁膜を効果的に保護することができる。 According to the semiconductor device of the present invention, in the pn junction diode element, the diffusion layer region having a different conductivity type and the semiconductor region are in contact with each other on the surface of the semiconductor substrate to form a pn junction. Since the concentration is higher than the impurity concentration of the semiconductor region at the bottom surface of the diffusion layer region, the junction breakdown voltage of the pn junction diode element is lower than the breakdown voltage of the gate insulating film of the transistor of the protected circuit, and the pn junction diode element is thinned. The gate insulating film can be effectively protected.
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、被保護回路のトランジスタのゲート絶縁膜の耐圧より低い接合耐圧をもち、薄膜化されたゲート絶縁膜を効果的に保護する機能のpn接合ダイオード素子をもった半導体装置を簡単に製造することができる。 Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a pn junction diode having a junction breakdown voltage lower than the breakdown voltage of the gate insulating film of the transistor of the circuit to be protected and effectively protecting the thinned gate insulating film. A semiconductor device having elements can be easily manufactured.
以下、本発明にかかわる半導体装置およびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1における半導体装置およびその製造方法を図1〜図3に基づいて説明する。
(Embodiment 1)
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
まず、本実施の形態における半導体装置の構成について、図1(a)〜(c)を用いて説明する。 First, the structure of the semiconductor device in this embodiment will be described with reference to FIGS.
図1(a)は半導体装置における回路保護用のpn接合ダイオード素子の概要を示す平面図、図1(b)は図1(a)におけるA−B線に沿った断面図、図1(c)は図1(b)におけるC−D線、E−F線に沿った断面での基板内不純物濃度分布図である。 1A is a plan view showing an outline of a pn junction diode element for circuit protection in a semiconductor device, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AB in FIG. 1A, and FIG. FIG. 2B is an impurity concentration distribution diagram in the substrate at a cross section taken along line CD and line EF in FIG.
図1(a)に示すように、回路保護用のpn接合ダイオード素子の形成のためのマスクレイアウトは、活性領域11と、活性領域11の内側に設けられたn型拡散層注入領域12と、少なくとも活性領域11の外周を含む非シリサイド化領域13と、n型拡散層注入領域12より内側の領域に設けられたコンタクトホール14と、コンタクトホール14と接続するための金属配線15とで構成されている。
As shown in FIG. 1A, a mask layout for forming a pn junction diode element for circuit protection includes an
図1(b)に示すように、回路保護用のpn接合ダイオード素子は、p型半導体基板21に形成されたpウェル領域23と、pウェル領域23に接してp型半導体基板21の上部に設けられたn型拡散層24と、n型拡散層24の少なくとも一部の上に形成されたシリサイド層26と、pウェル領域23に接してp型半導体基板21の上部に設けられた素子分離酸化膜22と、非シリサイド領域形成用絶縁膜25から構成されている。n型拡散層24と素子分離酸化膜22とは半導体基板21の表面で接しておらず、また、シリサイド層26はn型拡散層24の一部のみに形成され、少なくともn型拡散層24の最外周部には形成されていない。非シリサイド領域形成用絶縁膜25は、n型拡散層24の最外周部と、pウェル領域23のうちn型拡散層24と素子分離酸化膜22との間の部分と、素子分離酸化膜22の一部との上方とにわたって形成されている。
As shown in FIG. 1B, a pn junction diode element for circuit protection includes a p-
なお、ここでは、シリサイド層26やpウェル領域23を他の領域と短絡させることなく電気的に所望の接続をするための層間絶縁膜27、コンタクトホール28、コンタクトホール28内に充填されたタングステン29、タングステン29と電気的に接続された金属配線層30が設けられている。
Here, the
図1(c)のC−D線断面においては、基板の深いところではp型半導体基板21の不純物濃度C4で一定であり、pウェル領域23においてはC4よりも高いC3の濃度になる。さらに基板表面では、トランジスタの閾値制御のためさらに高濃度となり、C2の濃度となる。一方、E−F線断面においては、n型拡散層24がソース・ドレイン領域と同じ構造となるため、最表面のn型不純物濃度はC1という高濃度になる。n型拡散層24のn型不純物濃度は表面からXjの深さでpウェル領域23の濃度C3と等しくなり、これより深い領域ではC−D線断面と同じp型となる。一般に、0.25μm以細のCMOSトランジスタで形成される半導体素子においては、C4は5×1014〜5×1015(cm-3)、C3は1×1017〜3×1018(cm-3)、C2は1×1018〜1×1019(cm-3)、C1は1×1020〜5×1021(cm-3)の濃度が使用されるが、本発明はこれに限定させるものではない。
1C, the impurity concentration C4 of the p-type semiconductor substrate 21 is constant in the deep part of the substrate, and the concentration of C3 is higher in the p-
本実施の形態における半導体装置は、pウェル中にn型拡散層を設けたpn接合ダイオード素子を用いたが、逆にnウェル中にp型拡散層を設けたpn接合ダイオード素子や、これらの両方を組み合わせて用いても良い。また、本実施の形態における半導体装置は、n型拡散層の低抵抗化のためにシリサイド層26を設けたが、シリサイド層26を設けなくても電気的な接続ができれば、このシリサイド層26を設けなくても良い。 Although the semiconductor device in the present embodiment uses a pn junction diode element in which an n-type diffusion layer is provided in a p-well, conversely, a pn junction diode element in which a p-type diffusion layer is provided in an n-well, and these A combination of both may be used. In the semiconductor device according to the present embodiment, the silicide layer 26 is provided to reduce the resistance of the n-type diffusion layer. However, if the silicide connection can be made without providing the silicide layer 26, the silicide layer 26 is provided. It is not necessary to provide it.
上記をより上位概念で記述すると、半導体装置におけるpn接合ダイオード素子は、半導体基板21上に形成された拡散層領域22と、拡散層領域22の少なくとも一部の側面および底面に隣接して形成された、拡散層領域22の導電型とは異なる導電型を有する半導体領域23とを備え、半導体基板21の表面上の少なくとも一部で、拡散層領域22と半導体領域23とが接し、半導体基板21の表面における半導体領域23の不純物濃度が、拡散層領域22の底面における半導体領域23の不純物濃度よりも高くされている。
To describe the above in a higher concept, the pn junction diode element in the semiconductor device is formed adjacent to the
本実施の形態における半導体装置によると、薄膜化されたゲート絶縁膜を保護できるpn接合ダイオードを簡便に形成することにより、静電破壊に強い高信頼性の半導体素子を提供するこができる。これについて、以下説明する。 According to the semiconductor device in this embodiment, a highly reliable semiconductor element resistant to electrostatic breakdown can be provided by simply forming a pn junction diode that can protect a thin gate insulating film. This will be described below.
pn接合ダイオードの耐圧は、p型、n型各々の不純物濃度で決定され、不純物濃度が高いほど耐圧が低下する。通常のn型拡散層は図10に示す通り、素子分離酸化膜65とn型拡散層63とが互いに接しており、半導体基板61の表面でのpn接合界面は形成されていない。pn接合界面は、図1(b)のE−F線断面と同様、n型拡散層63の底面であり、図1(c)に示す通り、この場合のp型、n型各々の不純物濃度はC3となる。
The breakdown voltage of the pn junction diode is determined by the impurity concentration of each of the p-type and n-type, and the breakdown voltage decreases as the impurity concentration increases. In a normal n-type diffusion layer, as shown in FIG. 10, the element
一方、本実施の形態における半導体装置によると、図1(b)のC−D線断面に示す通り、基板表面におけるpウェル領域23の不純物濃度C2はC3よりも高くなっている。pウェル領域23は、基板表面において、隣接するn型拡散層24との間でpn接合界面を形成する。このpn接合界面でのp型、n型の不純物濃度は図1(c)に示す通り各々C2,C1であり、これらはC3よりも高いため接合耐圧は低下する。
On the other hand, according to the semiconductor device of the present embodiment, the impurity concentration C2 of the p-
図2に、従来と本実施の形態のpn接合ダイオードの特性を示す。従来のpn接合の接合耐圧が約9.8Vであるのに対して、本実施の形態のpn接合ダイオードの接合耐圧は約7.7Vであり、上記の通り耐圧が低くなっている。前述の通り、半導体装置に使用されるMOSトランジスタのゲート絶縁膜が7nmまで薄膜化が進むと、ゲート絶縁膜の破壊耐圧は8.4V程度まで低下する。保護回路として従来のpn接合を用いた場合は、pn接合耐圧の方が高いため、ゲート絶縁膜の破壊は防止できない。一方、本実施の形態のpn接合ダイオードの接合耐圧は約7.7Vであり、ゲート絶縁膜の破壊耐圧8.4Vよりも低いため、先にpn接合に電流が流れ、結果的にゲート絶縁膜の破壊を防止することができる。 FIG. 2 shows the characteristics of the conventional and pn junction diodes of the present embodiment. Whereas the junction breakdown voltage of the conventional pn junction is about 9.8V, the junction breakdown voltage of the pn junction diode of the present embodiment is about 7.7V, and the breakdown voltage is low as described above. As described above, when the gate insulating film of the MOS transistor used in the semiconductor device is thinned to 7 nm, the breakdown voltage of the gate insulating film is reduced to about 8.4V. When a conventional pn junction is used as the protection circuit, the breakdown voltage of the gate insulating film cannot be prevented because the pn junction breakdown voltage is higher. On the other hand, the junction breakdown voltage of the pn junction diode of this embodiment is about 7.7 V, which is lower than the breakdown breakdown voltage of the gate insulating film 8.4 V, so that a current flows through the pn junction first, resulting in the gate insulating film. Can be prevented.
次に、本実施の形態における半導体装置の製造方法について、図3〜図5を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device in the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図3〜図5は、本実施の形態における半導体装置を構成するpn接合ダイオード素子の製造工程を説明するための要部工程断面図である。 3 to 5 are main-portion process cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the pn junction diode element constituting the semiconductor device according to the present embodiment.
まず、図3(a)に示すように、p型半導体基板21の主面上にSTI(ShallowTrench Isolation)法等を用いて素子分離酸化膜22を形成する。
First, as shown in FIG. 3A, an element
次に、図3(b)に示すように、p型半導体基板21の少なくとも一部に対して、ボロンイオンを250keVの加速エネルギーで、1×1013ドーズ注入してpウェル領域23を形成する。これに加えて、nチャネルストッパとして、同じくボロンイオンを100keVの加速エネルギーで、1×1013ドーズ注入する。これらの注入エネルギーやドーズ量は上記に限定されるものではなく、所望の濃度、深さのpウェル領域23を形成するために、一般的に100〜500keV、1×1012〜1×1014ドーズの間で選択することができる。また、これらのイオン注入はチルト角7°前後が望ましいが、これに限定されるものではない。さらに、必要に応じてツイスト角が異なる注入条件で分割して行うことができるし、トランジスタの閾値制御用注入を追加することもできる。この工程においては、多くの場合、リソグラフィを用いて一部の領域にフォトレジストを形成し(図示せず)、p型半導体基板21の少なくとも一部にpウェル領域23を形成しない場合が多い。この場合は、pウェル領域23を形成しない領域に、リソグラフィとイオン注入を用いてnウェル領域を作る場合がある。nウェル領域形成条件としては、まず、600keVの加速エネルギーで、3×1013ドーズのリンイオンを注入する。これに加えて、pチャネルストッパとして、同じくリンイオンを250keVの加速エネルギーで、3×1013ドーズ注入する。これらの注入エネルギーやドーズ量は上記に限定されるものではなく、所望の濃度、深さのnウェル領域22を形成するために、一般的に300〜900keV、1×1012〜5×1014ドーズの間で選択することができる。これらのイオン注入はチルト角7°前後が望ましいが、これに限定されるものではない。さらに、必要に応じてツイスト角が異なる注入条件で分割して行うことができるし、トランジスタの閾値制御用注入を追加することもできる。
Next, as shown in FIG. 3B, boron ions are implanted at 1 × 10 13 at an acceleration energy of 250 keV into at least a part of the p-type semiconductor substrate 21 to form a p-
次に、図3(c)に示すように、p型半導体基板21上にゲート絶縁膜31およびゲート電極32を形成する。ゲート絶縁膜31としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、Hf(ハフニウム)酸化物等の高誘電体材料のうち一つもしくはそれらの組み合わせを用いることができる。ここでは、約7nm厚のシリコン酸窒化膜を用いたが、材料や厚さはこれに限定されるものではない。一方、ゲート電極32としては、多結晶シリコン、シリサイド、金属のうち一つもしくはそれらの組み合わせを用いることができる。ここでは、200nm厚の多結晶シリコンを用い、パターン形成前に、少なくとも一部にリンを15keVで約8×1015ドーズ注入したが、材料やイオン注入の加速エネルギー、ドーズ量は上記に限定されるものではない。
Next, as shown in FIG. 3C, a gate insulating film 31 and a
次に、図3(d)に示すように、通常のリソグラフィによるレジストパターン形成と、イオン注入とを組み合わせて、p型半導体基板21の一部にn型LDD(Lightly Doped Drain)層33を形成する。n型LDD層33の形成のためのフォトレジスト34は、素子分離酸化膜22に対して距離Aだけ離れたpウェル領域23内のみを開口部として形成される。但し、このとき同時に形成されるMOSトランジスタにおいては、従来通り、n型LDD層33が素子分離酸化膜22に対して自己整合的に形成されるパターンとなっている。n型LDD層33の形成のためのイオン注入条件としては、Asイオンを45keVの加速エネルギーで、4×1012ドーズを主面から38°傾けて注入し、注入が完了する度にウエハを基板ノッチに対して90°ずつ回転させ合計4回注入を行う。これに加えて、Pイオンを45keVの加速エネルギーで、4×1012ドーズを主面から38°傾けて注入し、注入が完了する度にウエハを基板ノッチに対して90°ずつ回転させ合計4回注入を行う。これらの注入エネルギーやドーズ量は上記に限定されるものではなく、所望の濃度、深さのn型LDD層33を形成するために、一般的に3〜60keV、1×1012〜1×1014ドーズの間で選択することができる。また、これらのイオン注入はチルト角30°〜45°前後が望ましいが、これに限定されるものではない。n型LDD層33の形成のためのフォトレジスト34と素子分離酸化膜22との距離Aは、リソグラフィの合せずれを考慮して決定すれば良く、制限はない。合せずれの精度と、集積度との兼ね合いで、100nm以上、1000nm以下程度が好ましい。
Next, as shown in FIG. 3D, an n-type LDD (Lightly Doped Drain) layer 33 is formed on a part of the p-type semiconductor substrate 21 by combining resist pattern formation by ordinary lithography and ion implantation. To do. The photoresist 34 for forming the n-type LDD layer 33 is formed with an opening only in the p-
次に、p型トランジスタのためのLDD層形成の注入を行った後(本素子には注入されないため図示せず)、図4(a)に示すように、ゲート絶縁膜31およびゲート電極32の側壁にサイドウォール35を形成する。サイドウォール35は約10nm厚のシリコン酸化膜と、約60nm厚のシリコン窒化膜をCVD(Chemical Vapor Deposition)で順に堆積し、ドライエッチングを用いてゲート絶縁膜31およびゲート電極32の側壁のみに形成する。
Next, after implanting the LDD layer formation for the p-type transistor (not shown because it is not implanted into this element), as shown in FIG. 4A, the gate insulating film 31 and the
次に、図4(b)に示すように、通常のリソグラフィによるレジストパターン形成とイオン注入とを組み合わせて、p型半導体基板21の一部にn型拡散層24を形成する。n型拡散層24の形成のためのフォトレジスト36は、素子分離酸化膜22に対して距離Bだけ離れたpウェル領域23内のみを開口部として形成される。但し、このとき同時に形成されるMOSトランジスタにおいては、従来通り、n型拡散層24が素子分離酸化膜22に対して自己整合的に形成されるパターンとなっている。n型拡散層24の形成のためのイオン注入条件としては、まず、Asイオンを20keVの加速エネルギーで、4×1014ドーズを主面から7°傾けて注入する。次に、Asイオンを50keVの加速エネルギーで、1×1015ドーズを主面から7°傾けて注入した後、注入が完了する度にウエハを基板ノッチに対して90°ずつ回転させ合計4回注入を行う。これに加えて、Pイオンを45keVの加速エネルギーで、8×1012ドーズを主面から7°傾けて注入し、注入が完了する度にウエハを基板ノッチに対して90°ずつ回転させ合計4回注入を行う。これらの注入エネルギーやドーズ量は上記に限定されるものではなく、所望の濃度、深さのn型拡散層24を形成するために、一般的に3〜60keV、1×1014〜1×1016ドーズの間で選択することができる。また、これらのイオン注入はチルト角7°前後が望ましいが、これに限定されるものではない。n型拡散層24の形成のためのフォトレジスト36と素子分離酸化膜22との距離Bは、前述のn型LDD層33の形成のためのフォトレジスト34と素子分離酸化膜22との距離Aに比較して等しいかもしくは小さく、B≦Aを満足することが望ましい。後はリソグラフィの合せずれを考慮して決定すれば良く、制限はない。合せずれの精度と、集積度との兼ね合いで、50nm以上、950nm以下程度が好ましい。
Next, as shown in FIG. 4B, an n-
次に、p型トランジスタのためのp型拡散層形成の注入を行う(本素子には注入されないため図示せず)。p型拡散層は、ボロンイオンを3keVの加速エネルギーで、4×1015ドーズ注入することで形成される。これに加えて、ボロンイオンを15keVの加速エネルギーで、1×1013ドーズ程度注入しても良い。これらの注入エネルギーやドーズ量は、n型拡散層24の形成時におけるAsやリン注入と同様に、上記条件に限定されるものではなく、所望の深さ、濃度のp型拡散層を形成するために、自由に選択することが可能である。
Next, implantation for forming a p-type diffusion layer for the p-type transistor is performed (not shown because it is not implanted into the device). The p-type diffusion layer is formed by 4 × 10 15 dose implantation of boron ions at an acceleration energy of 3 keV. In addition, boron ions may be implanted at about 1 × 10 13 dose with an acceleration energy of 15 keV. These implantation energies and doses are not limited to the above conditions, as in the case of As and phosphorus implantation during the formation of the n-
次に、図4(c)に示すように、通常のリソグラフィとエッチングによって約50nm厚のシリコン酸化膜による非シリサイド領域形成用絶縁膜25を形成する。非シリサイド領域形成用絶縁膜25は、n型拡散層24の最外周部と、n型拡散層24と素子分離酸化膜22との間に設けられた基板表面のpウェル領域23と、素子分離酸化膜22の一部との上方に設けられている。素子分離酸化膜22と非シリサイド領域形成用絶縁膜25との幅Cは、前述のn型LDD層33の形成のためのフォトレジスト34と素子分離酸化膜22との距離A、n型拡散層24の形成のためのフォトレジスト36と素子分離酸化膜22との距離Bよりも大きければリソグラフィの合せずれを考慮して決定すれば良く、制限はない。合せずれの精度と、集積度との兼ね合いで、200nm以上、2000nm以下程度が好ましい。
Next, as shown in FIG. 4C, a non-silicide region forming insulating
次に、図5(a)に示すように、CoやTi、Ni等を用いた自己整合的なシリサイド工程を行い、n型拡散層24上やゲート電極32上、p型拡散層(図示せず)上にシリサイド層26を形成する。例えば、Coシリサイドの形成の場合は、Co金属薄膜を約10nm厚形成後、連続してTiN薄膜を10〜20nm厚形成し、400〜500℃で熱処理後、未反応のCoを酸で除去し、さらに700℃〜800℃の熱処理を施すことで、約30〜80nm厚のシリサイド層26を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 5A, a self-aligned silicide process using Co, Ti, Ni or the like is performed, and the n-
次に、図5(b)に示すように、プラズマCVD法等を用いて、p型半導体基板21上に層間絶縁膜27を形成する。層間絶縁膜27としては、シリコン酸化膜やシリコン酸化膜にフッ素を導入したSiOF、またはシリコン窒化膜、ポリイミド等の有機薄膜を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 5B, an
次に、図5(c)に示すように、通常のリソグラフィによるレジストパターン形成とドライエッチングとを組み合わせて、層間絶縁膜27の一部をエッチングし、必要な領域にコンタクトホール28を設け、コンタクトホール28の内部をタングステン29で充填する。充填後、必要に応じてCMP(Chemical Mechanical Polishing)等で平坦化を行い、余剰のタングステンを除去する。次に、金属配線層30を形成し、n型拡散層24がシリサイド層26や、コンタクトホール28の内部のタングステン29を介して電気的に接続を行えるようにする。図示はしていないが、コンタクトホール28はn型拡散層24以外にも、p型拡散層やゲート電極上にも設けられ、各々が必要に応じて電気的に接続を行えるようにされる。
Next, as shown in FIG. 5C, a part of the
本実施の形態では、p型半導体基板を用いたが、n型半導体基板を用いても良いのは言うまでもない。また、p型ウェルを形成してn型拡散層を設けたが、逆に、n型ウェルを形成してp型拡散層を設けても良い。また、これらを同時に同じ半導体基板上に形成しても良い。 Although a p-type semiconductor substrate is used in this embodiment, it goes without saying that an n-type semiconductor substrate may be used. Further, the p-type well is formed and the n-type diffusion layer is provided, but conversely, the n-type well may be formed and the p-type diffusion layer may be provided. Further, these may be simultaneously formed on the same semiconductor substrate.
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2における半導体装置およびその製造方法を図6に基づいて説明する。
(Embodiment 2)
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG.
近年、LSIは微細化が進む一方、外部との接続を行う部分での電圧はあまり変っていない。そこで、被保護回路は微細化して低電圧(現在は1.2V動作)で動作するトランジスタで形成し、外部との入出力回路は高い電圧(現在は3.3V動作)で動作するトランジスタで形成することが一般的である。よって、同一の基板上に低電圧で動作するトランジスタと高い電圧で動作するトランジスタとを作り込む必要があり、各々のトランジスタのための工程が必要となる。 In recent years, LSIs have been miniaturized, but the voltage at the portion that is connected to the outside has not changed much. Therefore, the protected circuit is miniaturized and formed with a transistor that operates at a low voltage (currently 1.2 V operation), and the external input / output circuit is formed with a transistor that operates at a high voltage (currently 3.3 V operation). It is common to do. Therefore, it is necessary to form a transistor that operates at a low voltage and a transistor that operates at a high voltage on the same substrate, and a process for each transistor is required.
図6は、1.2V系トランジスタ、3.3V系トランジスタ、本発明のpn接合ダイオード素子の各々の注入実施工程を表したものである。図6に示すようにn型トランジスタを例に考えた場合、pウェル形成用のイオン注入やn型拡散層形成用注入は1.2V系トランジスタ用と3.3V系トランジスタ用とを共用することが多いが、トランジスタの閾値制御用注入やLDD層形成用注入は各々別々に必要となる。本発明の実施の形態1における半導体装置およびその製造方法では、図6のpn接合1に示すように、3.3V系トランジスタの注入工程のみを使用した。一方、前述の通り、トランジスタの閾値制御用注入やLDD層形成用注入に関しては、各々1.2V系トランジスタ用と3.3V系トランジスタ用との工程を施す必要がある。通常、1.2V系トランジスタ用の注入工程においては、3.3V系トランジスタ領域はフォトレジストでマスクされて注入されず、逆に3.3V系トランジスタ用の注入工程においては、1.2V系トランジスタ領域はフォトレジストでマスクされて注入されないが、pn接合ダイオード素子においてはそのような制約はない。 FIG. 6 shows the steps of performing the implantation of the 1.2V transistor, the 3.3V transistor, and the pn junction diode element of the present invention. As shown in FIG. 6, when an n-type transistor is taken as an example, the ion implantation for forming the p-well and the implantation for forming the n-type diffusion layer share both the 1.2V transistor and the 3.3V transistor. In many cases, however, implantation for controlling the threshold value of the transistor and implantation for forming the LDD layer are separately required. In the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment of the present invention, only the step of injecting 3.3V transistors is used as shown in the pn junction 1 of FIG. On the other hand, as described above, for the threshold control implantation and the LDD layer forming implantation, it is necessary to perform the steps for the 1.2 V transistor and the 3.3 V transistor, respectively. Usually, in the implantation process for the 1.2V transistor, the 3.3V transistor region is masked with a photoresist and is not implanted. Conversely, in the implantation process for the 3.3V transistor, the 1.2V transistor is not implanted. Although the region is masked with photoresist and not implanted, there is no such restriction in pn junction diode elements.
よって、図6のpn接合2の欄に示す通り、本実施の形態における半導体装置を構成するpn接合ダイオード素子においては、接合耐圧を最適化するために、3.3V系のトランジスタの閾値制御用注入に代えて、1.2V系のトランジスタの閾値制御用注入を施しても良い。また、3.3V系トランジスタ用と1.2V系トランジスタ用の両方の閾値制御用注入を施しても良い。さらに、マスク枚数は増加するが、これらに代えてpn接合ダイオード素子に最適な条件での専用注入を行うために、pn接合ダイオード素子領域のみ注入されるマスクを作成して、最適条件で注入を行っても良いし、この注入と3.3V系のトランジスタの閾値制御用注入や、1.2V系のトランジスタの閾値制御用注入を組み合わせて使用しても良い。 Therefore, as shown in the column of pn junction 2 in FIG. 6, in the pn junction diode element constituting the semiconductor device in the present embodiment, in order to optimize the junction breakdown voltage, threshold voltage control of a 3.3V transistor is performed. Instead of implantation, a threshold voltage implantation of a 1.2V transistor may be performed. Also, both threshold control injections for 3.3V transistors and 1.2V transistors may be performed. Furthermore, although the number of masks increases, instead of these, in order to perform dedicated implantation under optimum conditions for the pn junction diode element, a mask that is implanted only in the pn junction diode element region is created, and implantation is performed under optimum conditions. This injection may be used in combination with a 3.3V transistor threshold control injection or a 1.2V transistor threshold control injection.
同様のことが、LDD層形成用注入工程にも当てはめられる。本発明の実施の形態1における半導体装置およびその製造方法では、図6のpn接合1に示すように、3.3V系トランジスタのLDD層形成用注入工程のみを使用した。この代わりに、図6のpn接合3の欄に示す通り、3.3V系トランジスタのLDD層形成用注入に代えて、1.2V系トランジスタ用のLDD層形成用注入を施しても良い。また、3.3V系トランジスタ用と1.2V系トランジスタ用の両方のLDD層形成用注入を施しても良い。さらに、マスク枚数は増加するが、これらに代えて、pn接合ダイオード素子に最適な条件での専用注入を行うために、pn接合ダイオード素子領域のみ注入されるマスクを作成して、最適条件で注入を行っても良いし、この注入と3.3V系のトランジスタのLDD層形成用注入や、1.2V系のトランジスタのLDD層形成用注入を組み合わせて使用しても良い。 The same applies to the implantation step for forming the LDD layer. In the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment of the present invention, as shown by the pn junction 1 in FIG. 6, only the implantation step for forming the LDD layer of the 3.3 V transistor is used. Instead, as shown in the column of the pn junction 3 in FIG. 6, an LDD layer forming implantation for a 1.2 V transistor may be performed instead of an LDD layer forming implantation for a 3.3 V transistor. In addition, implantation for forming LDD layers for both 3.3 V transistor and 1.2 V transistor may be performed. Furthermore, although the number of masks increases, instead of these, in order to perform dedicated implantation under the optimum conditions for the pn junction diode element, a mask that is implanted only in the pn junction diode element region is created and implanted under the optimum conditions. Alternatively, this implantation may be used in combination with an implantation for forming an LDD layer of a 3.3V transistor and an implantation for forming an LDD layer of a 1.2V transistor.
また、本発明の実施の形態1における半導体装置およびその製造方法では、図3〜図5を用いて説明した通り、n型拡散層24の形成のためのフォトレジスト36と素子分離酸化膜22との距離Bは、前述のn型LDD層33の形成のためのフォトレジスト34と素子分離酸化膜22との距離Aに比較して等しいかもしくは小さく、B≦Aを満足することが望ましい。ところが、前述の通り、LDD層形成用注入を組み合わせて従来の3.3V系トランジスタ用LDD層形成用注入のみよりも高濃度の注入を行った場合は、B>Aでも所望の耐圧を得ることができる場合がある。この場合は、B>Aでマスクを設計しても良いことは言うまでもない。
Further, in the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment of the present invention, as described with reference to FIGS. 3 to 5, the photoresist 36 for forming the n-
本発明の実施の形態1における半導体装置の変形例について、図7を用いて説明する。 A modification of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本発明の実施の形態1のpn接合ダイオード素子においては、図2に示すように従来のpn接合に比べてリーク電流が大きくなる場合がある。リーク電流は、半導体装置の消費電力を増大させる場合があるため、できるだけ小さくすることが望ましい。一方、このリーク電流はn型拡散層の底面ではなく、周辺で流れている。図7にその解析結果を示す。 In the pn junction diode element according to the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, the leakage current may be larger than that of the conventional pn junction. Since the leakage current may increase the power consumption of the semiconductor device, it is desirable to reduce the leakage current as much as possible. On the other hand, this leakage current flows not in the bottom surface of the n-type diffusion layer but in the periphery. FIG. 7 shows the analysis result.
n型拡散層の面積と周辺長を変えた種々のパターンを形成し、3.6V印加時の各々のリーク電流値を測定した。図7(a)にn型拡散層の面積と、3.6V印加時のリーク電流Median値の関係を示す。また、図7(b)にn型拡散層の周辺長と、3.6V印加時のリーク電流Median値の関係を示す。図7(a),(b)から明らかなように、リーク電流はn型拡散層の周辺長と良い相関を示す。このことは、リーク電流がn型拡散層周辺で流れていることを示す。よって、リーク電流を抑制するためには、できるだけn型拡散層周辺長を小さくすることが好ましい。 Various patterns were formed by changing the area and peripheral length of the n-type diffusion layer, and each leakage current value when 3.6 V was applied was measured. FIG. 7A shows the relationship between the area of the n-type diffusion layer and the leakage current Median value when 3.6 V is applied. FIG. 7B shows the relationship between the peripheral length of the n-type diffusion layer and the leakage current Median value when 3.6 V is applied. As is clear from FIGS. 7A and 7B, the leakage current shows a good correlation with the peripheral length of the n-type diffusion layer. This indicates that a leak current flows around the n-type diffusion layer. Therefore, in order to suppress the leakage current, it is preferable to make the peripheral length of the n-type diffusion layer as small as possible.
一方、図2に示す通り、接合耐圧付近では大きな電流を流すことが可能であり、半導体装置の規格によっては、周辺長を短くしても保護回路としての性能を満足する。そこで、図7(c)に示す通り、n型拡散層24の周辺の一部を従来のpn接合と同様素子分離酸化膜22で自己整合的に形成されるようなレイアウトとして、接合リーク電流を低減し、かつ保護素子として必要な性能は確保することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 2, a large current can flow near the junction breakdown voltage, and depending on the standard of the semiconductor device, the performance as a protection circuit is satisfied even if the peripheral length is shortened. Therefore, as shown in FIG. 7C, the junction leakage current is set such that a part of the periphery of the n-
上記の実施の形態において、半導体基板21を構成する半導体としては、シリコンやゲルマニウム、それらの化合物、GaAs、GaN、GaPなどのIII−V族半導体、ZnSe等のII−VI族半導体などを用いることができる。 In the above embodiment, as a semiconductor constituting the semiconductor substrate 21, silicon, germanium, a compound thereof, a III-V group semiconductor such as GaAs, GaN, or GaP, a II-VI group semiconductor such as ZnSe, or the like is used. Can do.
本発明における半導体装置およびその製造方法は、薄膜化されたゲート絶縁膜を保護できるpn接合ダイオードを簡便に形成することにより、静電破壊に強い高信頼性の半導体素子を提供するのに有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention are useful for providing a highly reliable semiconductor element that is resistant to electrostatic breakdown by simply forming a pn junction diode that can protect a thin gate insulating film. is there.
11 活性領域
12 n型拡散層注入領域
13 非シリサイド化領域
14 コンタクトホール
15 金属配線
21 p型半導体基板
22 素子分離酸化膜
23 p型ウェル領域
24 n型拡散層
25 非シリサイド化領域形成用絶縁膜
26 シリサイド層
27 層間絶縁膜
28 コンタクトホール
29 タングステン
30 金属配線層
31 ゲート電極
32 ゲート絶縁膜
33 n型LDD層
34,36 フォトレジスト
35 サイドウォール
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記pn接合ダイオード素子は、
半導体基板上に形成された拡散層領域と、
前記拡散層領域の少なくとも一部の側面および底面に隣接して形成された、前記拡散層領域の導電型とは異なる導電型を有する半導体領域とを備え、
前記半導体基板表面上の少なくとも一部で前記拡散層領域と前記半導体領域とが接し、
前記半導体基板表面における前記半導体領域の不純物濃度が前記拡散層領域の底面における前記半導体領域の不純物濃度よりも高くされている半導体装置。 A semiconductor device having a pn junction diode element,
The pn junction diode element is
A diffusion layer region formed on a semiconductor substrate;
A semiconductor region having a conductivity type different from the conductivity type of the diffusion layer region, formed adjacent to at least a part of the side surface and the bottom surface of the diffusion layer region;
The diffusion layer region and the semiconductor region are in contact with each other at least at a part on the surface of the semiconductor substrate,
A semiconductor device, wherein an impurity concentration of the semiconductor region on a surface of the semiconductor substrate is higher than an impurity concentration of the semiconductor region on a bottom surface of the diffusion layer region.
半導体基板の上に素子分離領域を形成する工程と、
前記半導体基板のうちの少なくとも一部の領域に、前記半導体基板の導電型と同じ導電型を有する半導体領域を形成する工程と、
前記半導体基板のうちの少なくとも一部の領域に、少なくともその一部が前記素子分離領域と接しない状態で、前記半導体領域の導電型とは異なる導電型を有する拡散層領域を形成する工程とを含み、
前記半導体基板表面上の少なくとも一部で前記拡散層領域と前記半導体領域とが接するように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a pn junction diode element,
Forming an element isolation region on a semiconductor substrate;
Forming a semiconductor region having the same conductivity type as that of the semiconductor substrate in at least a portion of the semiconductor substrate;
Forming a diffusion layer region having a conductivity type different from the conductivity type of the semiconductor region in at least a portion of the semiconductor substrate in a state where at least a portion thereof is not in contact with the element isolation region; Including
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming the diffusion layer region and the semiconductor region in contact with each other at least at a part of the surface of the semiconductor substrate.
前記半導体基板のうちの少なくとも一部の領域に、前記半導体基板の導電型と同じ導電型を有する半導体領域を形成するための不純物導入工程を複数回有し、
前記複数回の不純物導入工程の中で最適な工程のみを前記pn接合ダイオード素子形成領域に選択的に実施する請求項7から請求項10までのいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device in which at least two types of transistors are formed on the semiconductor substrate,
Having an impurity introduction step for forming a semiconductor region having the same conductivity type as the conductivity type of the semiconductor substrate a plurality of times in at least a part of the semiconductor substrate;
11. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein only an optimum step among the plurality of impurity introduction steps is selectively performed in the pn junction diode element formation region.
前記拡散層領域を形成するための不純物導入工程を複数回有し、
前記複数回の不純物導入工程の中で最適な工程のみを前記pn接合ダイオード素子形成領域に選択的に実施する請求項7から請求項12までのいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device in which at least two types of transistors are formed on the semiconductor substrate,
Having an impurity introduction step for forming the diffusion layer region a plurality of times,
13. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein only an optimum step among the plurality of impurity introduction steps is selectively performed in the pn junction diode element formation region.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005152604A JP2006332259A (en) | 2005-05-25 | 2005-05-25 | Semiconductor device and its manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005152604A JP2006332259A (en) | 2005-05-25 | 2005-05-25 | Semiconductor device and its manufacturing method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006332259A true JP2006332259A (en) | 2006-12-07 |
Family
ID=37553646
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005152604A Withdrawn JP2006332259A (en) | 2005-05-25 | 2005-05-25 | Semiconductor device and its manufacturing method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006332259A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113380788A (en) * | 2020-03-09 | 2021-09-10 | 格芯(美国)集成电路科技有限公司 | Bandgap reference circuit including vertically stacked active SOI devices |
-
2005
- 2005-05-25 JP JP2005152604A patent/JP2006332259A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113380788A (en) * | 2020-03-09 | 2021-09-10 | 格芯(美国)集成电路科技有限公司 | Bandgap reference circuit including vertically stacked active SOI devices |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8158483B2 (en) | Semiconductor device and its manufacturing method | |
US8912069B2 (en) | Semiconductor device with STI and method for manufacturing the semiconductor device | |
US6137144A (en) | On-chip ESD protection in dual voltage CMOS | |
JP5703790B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
US9865599B2 (en) | Transistor with deep Nwell implanted through the gate | |
CN111081757B (en) | Semiconductor device and method for manufacturing the same | |
JP4160550B2 (en) | Nonvolatile semiconductor memory device | |
US11830740B2 (en) | Mask layout, semiconductor device and manufacturing method using the same | |
US10763250B2 (en) | Silicon controlled rectifier (SCR) based ESD protection device | |
US9871032B2 (en) | Gate-grounded metal oxide semiconductor device | |
US8946805B2 (en) | Reduced area single poly EEPROM | |
US7582517B2 (en) | Method for making split dual gate field effect transistor | |
US6265251B1 (en) | Method to fabricate a thick oxide MOS transistor for electrostatic discharge protection in an STI process | |
JP2004072063A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2006332259A (en) | Semiconductor device and its manufacturing method | |
JP6292041B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2005142362A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
CN109727906B (en) | Processing method of shallow trench isolation structure of N-type semiconductor component | |
JP2008258653A (en) | Nonvolatile semiconductor storage device | |
CN115084136A (en) | Gate dielectric protection |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071219 |
|
A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20090311 |