JP2008098624A - Semiconductor apparatus and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特に、高耐圧MOSトランジスタ及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a high voltage MOS transistor and a manufacturing method thereof.
高耐圧MOSトランジスタは、高いソース・ドレイン耐圧(BVDS),あるいは高いゲート耐圧を有しており、LCDドライバー,ELドライバー等の各種のドライバーや電源回路等に広く用いられている。 High breakdown voltage MOS transistors have a high source / drain breakdown voltage (BVDS) or a high gate breakdown voltage, and are widely used in various drivers such as LCD drivers and EL drivers, power supply circuits, and the like.
図6は、従来例に係るNチャネル型の高耐圧MOSトランジスタの構造を示す断面図である。P型の半導体基板100の表面にゲート絶縁膜101,厚いフィールド絶縁膜102が形成されている。ゲート絶縁膜101上から、隣接するフィールド絶縁膜102の一部上にはゲート電極103が形成されている。半導体基板100の表面領域には、ゲート電極103の一方の端に隣接して高濃度(N++型)のソース層104及び低濃度のソース層105が形成されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of an N-channel high voltage MOS transistor according to a conventional example. A
また、ゲート電極103の他方の端から離間した半導体基板100の表面には高濃度(N++型)のドレイン層106が形成されている。また、ゲート電極103の下方からフィールド絶縁膜102及び高濃度のドレイン層106の下方に至る領域には、高濃度のドレイン層106よりも濃度が低く、深くまで拡散した低濃度(N−型)のドレイン層107が形成されている。高濃度のドレイン層106は低濃度のドレイン層107内に形成されている。このように、ソース領域及びドレイン領域が高濃度部分と低濃度部分とから構成されたいわゆるLDD(Lightly Doped Drain)構造になっている。また、ゲート電極103の側壁には、シリコン窒化膜等のサイドウォールスペーサ膜108が形成されている。
A high concentration (N ++ type)
上述した従来の高耐圧MOSトランジスタでは、高濃度のドレイン層106に高電圧を印加した場合に、低濃度のドレイン層107の中に空乏層が広がることでドレイン電界が緩和されるため、高いソース・ドレイン耐圧を得ることができる。また、ゲート電極103はゲート絶縁膜101から隣接するフィールド絶縁膜102の一部上に延在しているため、ゲート絶縁膜101の破壊にも強い構造を有している。
In the conventional high-voltage MOS transistor described above, when a high voltage is applied to the high-
なお、本発明に関連する技術は、以下の特許文献に記載されている。
しかしながら、上述した従来のトランジスタ構造では、静電破壊耐量(以下、ESD耐量という)が十分でないという問題があった。例えば、本発明者が行ったヒューマンボディモデル(HBM)に基づく一般的な静電破壊試験によれば200ボルト(V)未満のESD耐量であり、マシーンモデル(MM)に基づく静電破壊試験では50ボルト(V)未満のESD耐量であり、これでは不十分であった。そこで、本発明はESD耐量を向上させたトランジスタ構造を提供することを目的とする。 However, the conventional transistor structure described above has a problem that the electrostatic breakdown resistance (hereinafter referred to as ESD resistance) is not sufficient. For example, according to a general electrostatic breakdown test based on the human body model (HBM) conducted by the present inventor, the ESD resistance is less than 200 volts (V). In the electrostatic breakdown test based on the machine model (MM), The ESD resistance was less than 50 volts (V), which was insufficient. Therefore, an object of the present invention is to provide a transistor structure with improved ESD tolerance.
本発明の主な特徴は以下のとおりである。すなわち、本発明の半導体装置は、第1導電型の半導体層の表面に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記半導体層の表面に形成された第2導電型のソース層と、前記ゲート電極のドレイン側の端部から離間し、前記半導体層の表面に形成された第2導電型の高濃度のドレイン層と、前記ゲート電極と前記高濃度のドレイン層との間における前記半導体層の表面に、前記高濃度のドレイン層に隣接する第1導電型の不純物層とを備えることを特徴とする。 The main features of the present invention are as follows. That is, the semiconductor device of the present invention includes a gate insulating film formed on the surface of the first conductivity type semiconductor layer, a gate electrode formed on the gate insulating film, and a first electrode formed on the surface of the semiconductor layer. A second conductivity type source layer, a second conductivity type high-concentration drain layer formed on the surface of the semiconductor layer and spaced from an end of the gate electrode on the drain side, the gate electrode and the high concentration An impurity layer of a first conductivity type adjacent to the high concentration drain layer is provided on the surface of the semiconductor layer between the drain layer and the drain layer.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体層の表面上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極から離間した前記半導体層の表面に第2導電型の高濃度のドレイン層を形成する工程と、第1導電型の不純物層を、前記高濃度のドレイン層に隣接させて、前記半導体層の表面に形成する工程とを有することを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device comprising: forming a gate insulating film on a surface of a first conductivity type semiconductor layer; forming a gate electrode on the gate insulating film; Forming a second conductive type high-concentration drain layer on the surface of the semiconductor layer that is spaced apart; and adhering a first conductive type impurity layer adjacent to the high-concentration drain layer on the surface of the semiconductor layer. And a step of forming.
本発明では、ゲート電極と高濃度のドレイン層との間における半導体層の表面に、高濃度のドレイン層に隣接した、当該ドレイン層と逆導電型の不純物層が形成されている。このように構成することで、異常なサージが発生したときの電子は、前記不純物層が形成された付近を避けるようにして移動し、より深い位置からドレイン電極へと回り込む。つまり、半導体層の表面付近の電子の移動が抑えられる。そのため、ESD耐量を向上させることができる。 In the present invention, on the surface of the semiconductor layer between the gate electrode and the high concentration drain layer, an impurity layer having a conductivity type opposite to that of the drain layer is formed adjacent to the high concentration drain layer. With this configuration, electrons when an abnormal surge occurs move so as to avoid the vicinity where the impurity layer is formed, and wrap around from the deeper position to the drain electrode. That is, the movement of electrons near the surface of the semiconductor layer is suppressed. Therefore, ESD tolerance can be improved.
次に、本発明の実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。図1乃至図4は、本発明の実施形態に係る半導体装置を製造工程順に示す断面図である。 Next, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 4 are sectional views showing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention in the order of manufacturing steps.
まず、図1に示すように、P型の半導体基板1の表面にN型不純物を注入し、熱拡散させることでN型のウェル層2(NW)を形成する。当該イオン注入は、例えばリンイオン(31P+)を加速電圧80KeV,注入量1.0×1013/cm2の条件で行う。なお、本発明では、前記N型のウェル層2(NW)の形成を省略するものであっても構わない。
First, as shown in FIG. 1, an N-type well layer 2 (NW) is formed by implanting an N-type impurity into the surface of a P-
次に、ウェル層2の表面にP型不純物を注入し、熱拡散させることでP型のウェル層3(PW)を形成する。当該イオン注入は、例えばボロンイオン(11B+)を加速電圧80KeV,注入量2.3×1013/cm2の条件で行う。
Next, P-type impurities are implanted into the surface of the
次に、ウェル層3の表面にN型不純物を選択的に注入することで、低濃度(N−型)のドレイン層4a,4bを形成する。低濃度のドレイン層4a,4bの間は離間している。すなわち、ドレイン層4a,4bの間にはイオン注入がなされないように所定のマスクを用いて当該イオン注入が行われる。このイオン注入は、例えばリンイオン(31P+)を加速電圧100KeV,注入量1.5×1013/cm2の条件で行う。
Next, by selectively injecting N-type impurities into the surface of the
次に、図2に示すように、LOCOS(Local Oxidation Of Silicon)法を用いて、ウェル層3の所定領域上に厚いフィールド絶縁膜5a,5b,5cを形成する。このうちフィールド絶縁膜5a,5bはそれぞれ低濃度のドレイン層4a,4bと重畳した領域に形成されている。フィールド絶縁膜は一般に素子分離用に形成されるが、この半導体装置におけるフィールド絶縁膜5a,5bはトランジスタの耐圧向上に利用されている。フィールド絶縁膜5a,5b,5cの膜厚は目標耐圧によって異なるが、例えば300nm〜600nm程度である。なお、フィールド絶縁膜の形成はLOCOS法に限定されず、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法を含め他の素子分離法を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 2, thick
次に、例えば熱酸化法によりゲート絶縁膜6を形成する。ゲート絶縁膜6の膜厚は目標耐圧によって異なるが例えば15〜200nm程度である。なお、フィールド絶縁膜5a,5b,5cは、ゲート絶縁膜6よりも厚い絶縁膜である。
Next, the
次に、半導体基板1上の全面に導電材料としてポリシリコン層を例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成する。その後、当該ポリシリコン層及びゲート絶縁膜6を選択的に除去することで、ゲート電極7を形成する。ゲート電極7は、ゲート絶縁膜6上から隣接するフィールド絶縁膜5aの一部上に延在するようにパターニングされる。これによって耐圧が向上する。その膜厚は例えば300nmである。なお、必要に応じてリンイオン等の不純物を注入して拡散させることで、ゲート電極7を低抵抗化させる。
Next, a polysilicon layer as a conductive material is formed on the entire surface of the
次に、ゲート電極7をマスクの一部として、ゲート電極7の左側のウェル層3の表面領域にN型不純物を注入し、低濃度のソース層8(LN)を形成する。このイオン注入は、例えばリンイオン(31P+)を加速電圧20KeV,注入量4.2×1013/cm2の条件で行う。なお、低濃度のソース層8の形成は、後述するサイドウォールスペーサ膜9a,9bの形成後であってもよい。
Next, using the
次に、図3(a)に示すように、半導体基板1上の全面に例えばシリコン窒化膜をCVD法により形成し、次に当該シリコン窒化膜をエッチバックすることで、ゲート電極7の周囲を囲むサイドウォールスペーサ膜9a,9bを形成する。なお、前記シリコン窒化膜に代えて、例えばTEOS膜等から成るシリコン酸化膜をCVD法により形成するものでも良い。また、当該サイドウォールスペーサ膜9a,9bがポリシリコン等の導電材料から成る場合にはゲート電極7とサイドウォールスペーサ膜9a,9bの全体がゲート電極となる。
Next, as shown in FIG. 3A, for example, a silicon nitride film is formed on the entire surface of the
次に、不図示のホトレジスト層およびフィールド絶縁膜5a,5bをマスクとして、フィールド絶縁膜5a,5bで囲まれたウェル層3の表面領域にN型不純物を注入し、低濃度のドレイン層4a,4bよりも高い不純物濃度であり、かつ深くまで不純物が注入された中濃度のドレイン層10(N)を形成する。中濃度のドレイン層10は、低濃度のドレイン層4a,4bと隣接する。このイオン注入は、例えばリンイオン(31P+)を加速電圧1000KeV,注入量8.0×1013/cm2の条件で行う。なお、中濃度のドレイン層10と低濃度のドレイン層4a,4bとは離間していてもよいし、一部重畳していてもよい。
Next, N-type impurities are implanted into the surface region of the
次に、不図示のホトレジスト層及びサイドウォールスペーサ膜9aをマスクとしてN型不純物を注入し、低濃度のソース層8と重畳する領域に高濃度のソース層11(N+)を形成するとともに、中濃度のドレイン層10と重畳する領域に高濃度のドレイン層12(N+)を形成する。このイオン注入は、例えばヒ素イオン(75As+)を加速電圧100KeV,注入量5.0×1013/cm2の条件で行う。高濃度のドレイン層12は、中濃度のドレイン層10の表面の全面に形成されるのではなく、図3(a)(b)に示すようにフィールド絶縁膜5a,5bとは離間し、後述するドレイン電極16が形成される領域の近傍に形成される。なお、図3(b)は、図3(a)のフィールド絶縁膜5a,5bや高濃度のドレイン層12の形成領域を示す部分平面図である。
Next, N-type impurities are implanted using a photoresist layer and
次に、不図示のホトレジスト層をマスクとしてP型不純物を中濃度のドレイン層10に注入し、高濃度のP型不純物層13を形成する。P型不純物層13はESD耐量を向上させることに寄与する層である。この点については後述する。このイオン注入は、例えば二フッ化ボロン(49BF2 +)イオンを加速電圧40KeV,注入量2.0×1015/cm2の条件で行う。本実施形態のP型不純物層13は、図3(b)に示すように、高濃度のドレイン層12の周囲をリング状に囲むとともに、高濃度のドレイン層12と隣接している。なお、ESD耐量を向上させる観点から、P型不純物層13は、少なくとも高濃度のドレイン層12よりも深く形成することが好ましいと考えられる。なお、ESD耐量を向上させる観点からは、図3(a),(b)に示すように、P型不純物層13が高濃度のドレイン層12と接していることが好ましいと考えるが離間させることもできる。また、本実施形態ではP型不純物層13はフィールド絶縁膜5a,5bと隣接している。次に、アニール処理を行う。
Next, using a photoresist layer (not shown) as a mask, P-type impurities are implanted into the medium-
なお、高濃度のドレイン層12の形成のためのイオン注入を中濃度のドレイン層10の表面領域の全面に注入し、その後当該領域にP型不純物層13の形成のためのイオン注入を一部重畳させることで、高濃度のドレイン層12とP型不純物層13を形成してもよい。
Note that ion implantation for forming the high-
次に、図4に示すように、半導体基板1上の全面に層間絶縁膜14(例えば、CVD法によるBPSG膜やシリコン窒化膜)を形成する。次に、高濃度のソース層11及び高濃度のドレイン層12に至るコンタクトホールを形成し、各コンタクトホールにそれぞれソース電極15とドレイン電極16を形成する。
Next, as shown in FIG. 4, an interlayer insulating film 14 (for example, a BPSG film or a silicon nitride film by a CVD method) is formed on the entire surface of the
以上の製造工程から、本実施形態に係る半導体装置20を得る事ができる。このようにして完成した半導体装置20のドレイン電極16に過大な正のサージ電圧が生じると、図4に示すように寄生NPNバイポーラトランジスタ30がオンし、ドレイン電極16側からソース電極15側へと電流が流れる。この寄生バイポーラ動作は、ドレイン層4aとウェル3との接合がブレークダウンしてウェル層3を電流が流れると、ウェル層3の電圧が上昇し、そしてウェル層3からソース層(8,11)側にベース電流が流れ、これによって寄生バイポーラトランジスタ30がオンする現象である。
From the above manufacturing process, the
寄生バイポーラ動作が起きている間、電子はソース電極15側からドレイン電極16側へと移動する。ここで、P型不純物層13が形成されていない従来構造(図6参照)では、電子が基板表面付近を集中的に流れ、発熱し、これによって破壊に至ると考えられる。これに対して、本実施形態の構成ではP型不純物層13が形成されている。そのため、電子はP型不純物層13が形成された基板表面付近Xを避け、図4の矢印25に示すように電子は分散して流れ、より深い位置からドレイン電極16側へと回り込むように移動すると考えられる。つまり、P型不純物層13の作用によって、基板表面よりもより深い位置を電子(=電流)が分散して流れ、熱が集中せず、その結果として静電破壊が起き難くなっていると考えられる。
During the parasitic bipolar operation, electrons move from the
本発明者が行った静電破壊試験によれば、ESD耐量の向上が確認できた。具体的には、従来構造(図6参照)で200ボルト未満だったヒューマンボディモデルのESD耐量が3000〜3500ボルト程度に向上し、従来構造で50ボルト未満だったマシーンモデルのESD耐量が約400ボルトに向上した。また、P型不純物層13を形成しない点を除いて本実施形態と同様の構成を有する半導体装置について静電破壊試験を行ったところ、ヒューマンボディモデルのESD耐量が2000〜2250ボルトであり、マシーンモデルのESD耐量が200ボルト〜220ボルトであった。これらの実験から、本実施形態の構造は、従来構造に比してESD耐量が飛躍的に向上する構造であること、及びP型不純物層13がESD耐量の向上に大きく寄与していることが判った。
According to the electrostatic breakdown test conducted by the present inventor, it was confirmed that the ESD resistance was improved. Specifically, the ESD resistance of the human body model that was less than 200 volts in the conventional structure (see FIG. 6) is improved to about 3000 to 3500 volts, and the ESD resistance of the machine model that was less than 50 volts in the conventional structure is about 400. Improved to bolts. Further, when an electrostatic breakdown test was performed on a semiconductor device having the same configuration as that of the present embodiment except that the P-
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなくその要旨を逸脱しない範囲で設計変更が可能であることは言うまでも無い。例えば、上記した構成では、断面図に示された低濃度のドレイン層4a,4bに離間した部分があったが、離間させずに低濃度ドレイン領域を切れ目なく形成してもよい。また、フィールド絶縁膜5aの下部に別のP型不純物層を配置することで更にESD耐量を向上させることも考えられる。また、本実施形態ではゲート電極7の一部下にフィールド絶縁膜5aが形成されていたが、図5(a)に示すようにフィールド絶縁膜5aを形成しない構造に設計変更することも可能である。
Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be changed without departing from the gist thereof. For example, in the above-described configuration, the low-
さらに、図5(b)に示すように、中濃度のドレイン層10のソース側の端部がゲート電極7あるいはサイドウォールスペーサ膜9bの下に位置するように構成し、低濃度のドレイン層4aを形成しない構造に設計変更することも可能である。
Further, as shown in FIG. 5B, the end portion on the source side of the medium
また、製造工程の順番や条件を変更することも当然可能である。例えば、上記ではサイドウォールスペーサ膜9a,9bの形成の後に中濃度のドレイン層10を形成しているが、これよりも以前に形成することもできる。具体的には、フィールド絶縁膜5a〜5c形成後に、所定のマスクを用いて中濃度のドレイン層10形成のためのイオン注入を行い、その後に注入されたイオンを熱拡散させることで中濃度のドレイン層10を形成してもよい。そして、その後ゲート絶縁膜6やゲート電極7を形成することができる。なお、中濃度のドレイン層10を熱拡散によって深く形成する観点から、この場合の中濃度のドレイン層10の形成に係るイオン注入は、注入量を比較的多くすることで、高加速ではない条件で行うことができる。このときの注入条件は、例えばヒ素イオン(75As+)を用いた場合には、加速電圧90〜150KeV,注入量1.0×1015〜6.0×1015/cm2であり、また、リンイオン(31P+)を用いた場合には、加速電圧40〜80KeV,注入量1.0×1015〜6.0×1015/cm2の条件である。
Of course, it is also possible to change the order and conditions of the manufacturing process. For example, although the intermediate
また、Pチャネル型のMOSトランジスタに関する説明は省略するが、導電型が異なるだけで同様の構造であることは周知のとおりである。 In addition, although description on the P-channel MOS transistor is omitted, it is well known that the structure is the same except that the conductivity type is different.
1 半導体基板 2 ウェル層 3 ウェル層 4a,4b 低濃度のドレイン層 5a,5b,5c フィールド絶縁膜 6 ゲート絶縁膜 7 ゲート電極 8 低濃度のソース層 9a,9b サイドウォールスペーサ膜 10 中濃度のドレイン層 11 高濃度のソース層 12 高濃度のドレイン層 13 P型不純物層 14 層間絶縁膜 15 ソース電極 16 ドレイン電極 20 半導体装置 25 電子の流れ 30 寄生バイポーラトランジスタ 100 半導体基板 101 ゲート絶縁膜 102 フィールド絶縁膜 103 ゲート電極 104 ソース層 105 低濃度のソース層 106 高濃度のドレイン層 107 低濃度のドレイン層 108 サイドウォールスペーサ膜
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記半導体層の表面に形成された第2導電型のソース層と、
前記ゲート電極のドレイン側の端部から離間し、前記半導体層の表面に形成された第2導電型の高濃度のドレイン層と、
前記ゲート電極と前記高濃度のドレイン層との間における前記半導体層の表面に、前記高濃度のドレイン層に隣接する第1導電型の不純物層とを備えることを特徴とする半導体装置。 A gate insulating film formed on the surface of the first conductivity type semiconductor layer;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A second conductivity type source layer formed on the surface of the semiconductor layer;
A second conductivity type high-concentration drain layer formed on the surface of the semiconductor layer, spaced from the drain side end of the gate electrode;
A semiconductor device comprising: a first conductivity type impurity layer adjacent to the high concentration drain layer on a surface of the semiconductor layer between the gate electrode and the high concentration drain layer.
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極から離間した前記半導体層の表面に第2導電型の高濃度のドレイン層を形成する工程と、
第1導電型の不純物層を、前記高濃度のドレイン層に隣接させて、前記半導体層の表面に形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a gate insulating film on the surface of the first conductivity type semiconductor layer;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
Forming a second conductivity type high-concentration drain layer on the surface of the semiconductor layer spaced from the gate electrode;
Forming a first conductivity type impurity layer on the surface of the semiconductor layer adjacent to the high-concentration drain layer.
前記不純物層が、前記厚い絶縁膜のドレイン側の一端と隣接するように行うことを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 A step of forming an insulating film thicker than the gate insulating film on the low-concentration drain layer, and the step of forming the impurity layer includes:
9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the impurity layer is formed so as to be adjacent to one end on the drain side of the thick insulating film.
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