JP2008124225A - 高耐圧半導体デバイス、及び高耐圧半導体デバイスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板上に形成された膜厚が350Å以上のゲート絶縁膜16を有するトランジスタのゲート電極17と、半導体基板の表層領域に形成された第1導電型ウェル領域15と前記半導体基板の表層領域であって前記ウェル領域15上に形成された第2導電型の拡散層20とからなるダイオードと、がそれぞれの上に形成されたコンタクト21を介して、前記コンタクト21に直接接続された配線22Bにより電気的に接続されていることを特徴とする高耐圧半導体デバイス。
【選択図】図1
Description
このように、高耐圧半導体デバイスは、プラズマダメージの対策を行わないのが現状である。
また、図5で示したトランジスタにおいて、図7に示すように、ゲート電極上に形成されたコンタクトホールの総開口面積とゲート電極がゲート絶縁膜と接している部分の面積との面積比と、Vt変動量と、が比例関係を示しており、且つ、コンタクトホールの形成時において0.07V程度のVt変動量が発生している。従って、高耐圧半導体デバイスの動作不具合を回避するため、コンタクトホールの総開口面積と、該コンタクトホールと接続しているゲート電極の面の面積を、トランジスタ間で一定にし、Vt変動量のバラツキを抑える必要がある。
即ち、本発明の目的は、VIAホール形成工程におけるプラズマダメージにより引き起こされるVt変動量の抑制が可能な高耐圧半導体デバイス、及びその製造方法を提供することにある。
また、請求項4に記載の本発明の高耐圧半導体デバイスの製造方法は、第1導電型のトランジスタ形成領域と、第1導電型のダイオード形成領域とを有する半導体基板を準備する工程と、前記トランジスタ形成領域の前記半導体基板の表層領域に第1導電型のチャネル領域を形成し、前記チャネル領域上に膜厚350Å以上のゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、前記チャネル領域の両側に第2導電型のソース領域及びドレイン領域を形成することにより、トランジスタを形成する工程と、前記ダイオード形成領域の前記半導体基板の表層領域に第2導電型の拡散層を形成することによりダイオードを形成する工程と、前記ゲート電極上及び前記第2導電型の拡散層上にそれぞれコンタクトを形成する工程と、前記各コンタクト上の同一の配線層に、前記各コンタクトを電気的に接続する配線を形成する工程と、を有することを特徴とする。
[NMOSトランジスタ]
図1は、本発明のNMOSトランジスタを用いた高耐圧半導体デバイスの概略図を表す。
前記高耐圧半導体デバイスは、以下のような工程を経て製造される。
<半導体基板を準備する工程>
半導体基板の表層領域に第1導電型のトランジスタ形成領域と、第1導電型のダイオード形成領域と、を有する半導体基板を準備する。
ここで、前記第1導電型のトランジスタ形成領域は、第1導電型のダイオード形成領域と異なる領域に形成される。前記トランジスタ形成領域とダイオード形成領域との距離は、トランジスタとしての機能が発揮され、且つダイオードとしての機能が発揮される程度に離れていれば特に限定されない。
前記トランジスタ形成領域の前記半導体基板の表層領域に第1導電型のPチャネル領域71を形成し、前記Pチャネル領域71上に膜厚350Å以上のゲート絶縁膜16を形成し、前記ゲート絶縁膜16上にゲート電極17を形成し、前記Pチャネル領域71の両側に第2導電型のソース領域18及びドレイン領域19を形成することにより、トランジスタを形成する。また、前記ダイオード形成領域の前記半導体基板の表層領域に第2導電型のN+拡散層20を形成することにより、ダイオードを形成する。
ここで、好ましい態様としては、前記トランジスタ形成領域の前記半導体基板の表層領域に第2導電型のソース領域18、及びドレイン領域19を形成するのと同時に、前記ダイオード形成領域の前記半導体基板の表層領域に第2導電型のN+拡散層20を形成することが挙げられる。これは、ダイオードを形成するための工程数、製造時間等を抑えることができる点で好ましい。
また、第2導電型のソース領域18、ドレイン領域19、及びN+拡散層20を形成する方法としては、イオン注入法等の従来の方法で形成することができる。
前記ゲート電極17上、及び前記第2導電型のN+拡散層20上にそれぞれコンタクト21を形成する。
コンタクト21は、前記トランジスタ、及び前記ダイオードを形成後、中間膜27を積層する。次に、ゲート電極17、ソース領域18、ドレイン領域19、及びN+拡散層20に貫通するようにコンタクトホールを形成し、形成されたコンタクトホールに導体を埋め込むことにより形成することができる。前記コンタクトホールは、乾式エッチング、又は湿式エッチング等の従来のエッチングにより形成することができる。
本発明の高耐圧半導体デバイスは、半導体基板上に形成された膜厚が350Å以上のゲート絶縁膜16を有するトランジスタのゲート電極17と、半導体基板の表層領域に形成された第1導電型のPウェル領域15と前記半導体基板の表層領域であって前記Pウェル領域15上に形成された第2導電型のN+拡散層20とからなるダイオードと、がそれぞれの上に形成されたコンタクト21を介して、前記コンタクト21に直接接続された配線により電気的に接続されている。ゲート電極17上に形成されたコンタクト21、及び第2導電型のN+拡散層20上に形成されたコンタクト21を電気的に接続した配線は、他の配線を経由することなく電気的に直接接続されていれば、接続形式は特に限定されない。また、コンタクト21上であって前記配線の下層に、TiやTiNによるバリア膜が介在していてもよい。
本発明の高耐圧半導体デバイスは、ゲート電極17上に形成されたコンタクト21、及び第2導電型のN+拡散層20上に形成されたコンタクト21を接続している配線が同一の配線層に形成されている。同一配線層に形成されていると、製造工数、製造時間の増加を抑えることができる。図1では、前記ゲート電極17上に形成されたコンタクト21及び前記第2導電型のN+拡散層20上に形成されたコンタクト21が、同一の配線層に形成された第1メタル配線22Bにより、電気的に接続されている。また、第1メタル配線22Aは、ソース領域18とコンタクト21を介して接続されており、第1メタル配線22Cは、ドレイン領域19とコンタクト21を介して接続されている。
第1メタル配線22A、第1メタル配線22B、及び第1メタル配線22Cは、第1VIAホール23を介して第2メタル配線24に接続され、第2メタル配線24は第2VIAホール25を介して第3メタル配線26に接続される。
また、各トランジスタ間における、ゲート電極17がゲート絶縁膜16と接している部分の面積と、前記ゲート電極17上に形成されるコンタクトホールの総開口面積と、の面積比の差が、−5.0%〜5.0%であることがより好ましい態様として挙げられる。前記範囲にあると、コンタクトホール形成時におけるプラズマダメージが原因であるトランジスタ間のVt変動量のバラツキが抑えられ、高耐圧半導体デバイスの誤作動を抑制することができる。
ここで、「総開口面積」とは、一つのゲート電極上に形成されたコンタクトホールの開口面積の和を表す。例えば、コンタクトホールが一つのゲート電極上に一つ形成されている場合、その一つのコンタクトホールの開口面積が「総開口面積」に相当する。また、例えば、コンタクトホールが一つのゲート電極上に二つ形成されている場合、その二つのコンタクトホールの開口面積の和が「総開口面積」に相当する。
ここで、「面積比の差」とは、高耐圧半導体デバイス中に存在する各トランジスタにおける該複数のトランジスタ上に位置するコンタクトホールの総開口面積と、ゲート電極17がゲート絶縁膜16と接している部分の面積と、の面積比を(A)とし、高耐圧半導体デバイス中に存在する各トランジスタの、該複数のトランジスタ上に位置するコンタクトホールの総開口面積と、ゲート電極17がゲート絶縁膜16と接している部分の面積と、の面積比の平均値を(B)とした時、〔((A)−(B))×100/(B)〕(%)を表す。
ゲート絶縁膜16の膜厚については、Vt変動量が350Å以上で急激に増加していることが図6の従来例の結果で示されている。従って、第1VIAホール23形成時におけるプラズマダメージ、及びコンタクトホール形成時におけるプラズマダメージを抑制することができる本発明の高耐圧半導体デバイスは、ゲート絶縁膜16の膜厚が350Å以上の時に本発明の効果を奏することができる。また、ゲート絶縁膜16の膜厚は、350Å以上であれば、用途により適宜変更することができる。
コンタクト21を形成する際のコンタクトホール、第1VIAホール23、及び第2VIAホール25の形成は、プラズマエッチング等により行うことができる。プラズマエッチングの条件としては、CF4、C4F8、C5F8、CHF3等のCF系ガス、Ar、及びO2の混合ガス等の従来のエッチングガスを用いてエッチングを行うことができる。
ソース領域18、ドレイン領域19、N+拡散層20は、イオン注入法等従来の方法により形成することができる。
図2は、本発明のPMOSトランジスタを用いた高耐圧半導体デバイスの概略図を表す。
前記高耐圧半導体デバイスは、以下のような工程を経て製造される。
<半導体基板を準備する工程>
半導体基板の表層領域に第1導電型のトランジスタ形成領域と、第1導電型のダイオード形成領域と、を有する半導体基板を準備する。
ここで、前記第1導電型のトランジスタ形成領域は、第1導電型のダイオード形成領域と異なる領域に形成される。前記トランジスタ形成領域とダイオード形成領域との距離は、トランジスタとしての機能が発揮され、且つダイオードとしての機能が発揮される程度に離れていれば特に限定されない。
前記トランジスタ形成領域の前記半導体基板の表層領域に第1導電型のNチャネル領域72を形成し、前記Nチャネル領域72上に膜厚350Å以上のゲート絶縁膜31を形成し、前記ゲート絶縁膜31上にゲート電極32を形成し、前記Pチャネル領域72の両側に第2導電型のソース領域33及びドレイン領域34を形成することにより、トランジスタを形成する。また、前記ダイオード形成領域の前記半導体基板の表層領域に第2導電型のP+拡散層35を形成することにより、ダイオードを形成する。
ここで、好ましい態様としては、前記トランジスタ形成領域の前記半導体基板の表層領域に第2導電型のソース領域33、及びドレイン領域34を形成するのと同時に、前記ダイオード形成領域の前記半導体基板の表層領域に第2導電型のP+拡散層35を形成することが挙げられる。これは、ダイオードを形成するための工程数、製造時間等を抑えることができる点で好ましい。
また、第2導電型のソース領域33、ドレイン領域34、及びN+拡散層35を形成する方法としては、イオン注入法等の従来の方法で形成することができる。
前記ゲート電極32上、及び前記第2導電型のP+拡散層35上にそれぞれコンタクト36を形成する。
コンタクト36は、前記トランジスタ、及び前記ダイオードを形成後、中間膜42を積層する。次に、ゲート電極32、ソース領域33、ドレイン領域34、及びP+拡散層35に貫通するようにコンタクトホールを形成し、形成されたコンタクトホールに導体を埋め込むことにより形成することができる。前記コンタクトホールは、乾式エッチング、又は湿式エッチング等の従来のエッチングにより形成することができる。
本発明の高耐圧半導体デバイスは、半導体基板上に形成された膜厚が350Å以上のゲート絶縁膜31を有するトランジスタのゲート電極32と、半導体基板の表層領域に形成された第1導電型のNウェル領域30と前記半導体基板の表層領域であって前記Nウェル領域30上に形成された第2導電型のP+拡散層35とからなるダイオードと、がそれぞれの上に形成されたコンタクト36を介して、前記コンタクト36に直接接続された配線により電気的に接続されている。ゲート電極32上に形成されたコンタクト36、及び第2導電型のP+拡散層35上に形成されたコンタクト36を電気的に接続した配線は、他の配線を経由することなく電気的に直接接続されていれば、接続形式は特に限定されない。また、コンタクト36上であって前記配線の下層に、TiやTiNによるバリア膜が介在していてもよい。
また、本発明の高耐圧半導体デバイスは、ゲート電極32上に形成されたコンタクト36、及び第2導電型のP+拡散層35上に形成されたコンタクト36を接続している配線が同一の配線層に形成されている。同一配線層に形成されていると、製造工数、製造時間の増加を抑えることができる。図2では、前記ゲート電極32上に形成されたコンタクト36及び前記第2導電型のP+拡散層35上に形成されたコンタクト36が、同一の配線層に形成された第1メタル配線37Bにより、電気的に接続されている。また、第1メタル配線37Aは、ソース領域33とコンタクト36を介して接続されており、第1メタル配線37Cは、ドレイン領域34とコンタクト36を介して接続されている。
第1メタル配線37A、第1メタル配線37B、及び第1メタル配線37Cは、第1VIAホール38を介して第2メタル配線39に接続され、第2メタル配線39は第2VIAホール40を介して第3メタル配線41に接続される。
また、各トランジスタ間における、ゲート電極32がゲート絶縁膜31と接している部分の面積と、前記ゲート電極32上に形成されるコンタクトホールの総開口面積と、の面積比の差が、−5.0%〜5.0%であることがより好ましい態様として挙げられる。前記範囲にあると、コンタクトホール形成時におけるプラズマダメージが原因であるトランジスタ間のVt変動量のバラツキが抑えられ、高耐圧半導体デバイスの誤作動を抑制することができる。
ここで、「面積比の誤差」、「総開口面積」とは、前記と同義である。
ゲート絶縁膜31の膜厚については、図6にNMOSトランジスタのVt変動量が記載されているが、PMOSトランジスタについても同様の傾向を示すことから、VIAホール形成時におけるプラズマダメージ、及びコンタクトホール形成時におけるプラズマダメージを抑制することができる本発明の高耐圧半導体デバイスは、ゲート絶縁膜31の膜厚が350Å以上の時に本発明の効果を奏することができる。また、ゲート絶縁膜31の膜厚は、350Å以上であれば、用途により適宜変更することができる。
コンタクト36を形成する際のコンタクトホール、第1VIAホール38、及び第2VIAホール40の形成は、プラズマエッチング等により行うことができる。プラズマエッチングの条件としては、CF4、C4F8、C5F8、CHF3等のCF系ガス、Ar、及びO2の混合ガス等の従来のエッチングガスを用いてエッチングを行うことができる。
ソース領域33、ドレイン領域34、P+拡散層35は、イオン注入法等従来の方法により形成することができる。
なお、図2では、ゲート電極上のコンタクト36がアクティブ領域に位置するように記載しているが、本発明の高耐圧半導体デバイスでは、前記ソース領域33、ドレイン領域34、及びゲート絶縁膜下部のNチャネル領域72からなるアクティブ領域以外の領域であり、且つゲート電極32上にコンタクト36が形成されていることが好ましい態様として挙げられる。
図3には、本発明のPMOSトランジスタを用いた高耐圧半導体デバイスにおいて、第1VIAホールエッチング工程での動作を示す。
次に、ゲート電極47が形成されている基板上に中間膜54を堆積させ、プラズマエッチング等の方法によりコンタクトホールを形成後、コンタクト51を設ける。
ソース領域48はコンタクト51を介して第1メタル配線52Aに接続され、ドレイン領域49はコンタクト51を介して第1メタル配線52Cに接続され、ゲート電極47、及びN+拡散層50はコンタクト51を介して第1メタル配線52Bに接続される。
第1メタル配線52A、第1メタル配線52B、及び第1メタル配線52C上に第1VIAホール53が形成されている。
ゲート電極47と、第1メタル配線52A、第1メタル配線52B、及び第1メタル配線52Cは中間膜54により絶縁され、第1メタル配線52A、第1メタル配線52B、及び第1メタル配線52Cと第1VIAホール53は第1層間膜55で覆われている。
また、本発明の高耐圧半導体デバイスにおいて、ゲート電極47はコンタクト51、第1メタル配線52Bを介して順方向ダイオード57と直接接続している。
図4には、本発明の高耐圧半導体デバイスにおいて、PMOSトランジスタにおける第1VIAホールエッチング工程での動作を示す。
次に、ゲート電極60が形成されている基板上に中間膜67を堆積させ、プラズマエッチング等の方法によりコンタクトホールを形成後、コンタクト64を設ける。
ソース領域61はコンタクト64を介して第1メタル配線65Aに接続され、ドレイン領域62はコンタクト64を介して第1メタル配線65Cに接続され、ゲート電極60、及びP+拡散層63はコンタクト64を介して第1メタル配線65Bに接続される。
第1メタル配線65A、第1メタル配線65B、及び第1メタル配線65C上に第1VIAホール66が形成されている。また、ゲート電極60と、第1メタル配線65A、第1メタル配線65B、及び第1メタル配線65Cは中間膜67により絶縁され、第1メタル配線65A、第1メタル配線65B、及び第1メタル配線65Cと第1VIAホール66は第1層間膜68で覆われている。
また、本発明の高耐圧半導体デバイスは、ゲート電極60は、コンタクト64、第1メタル配線65bを介して順方向ダイオード70と接続している。
17、32、47、60、77 ゲート電極
18、33、48、61、78 ソース領域
19、34、49、62、79 ドレイン領域
21、36、51、64、80 コンタクト
22A、22B、22C、37A、37B、37C、52A、52B、52C、65A、65B、65C、81 第1メタル配線
23、38、53、66、82 第1VIAホール
24、39、83 第2メタル配線
25、40、84 第2VIAホール
26、41、85 第3メタル配線
27、42、54、67、86 中間膜
28、43、55、68、87 第1層間膜
29、44、88 第2層間膜
15、45 Pウェル領域
30、58 Nウェル領域
20、50 N+拡散層
35,63 P+拡散層
56、69 電流
57、70 順方向ダイオード
71、73 Pチャネル領域
72、74 Nチャネル領域
75 半導体基板
Claims (4)
- 半導体基板上に形成された膜厚が350Å以上のゲート絶縁膜を有するトランジスタのゲート電極と、
半導体基板の表層領域に形成された第1導電型ウェル領域と前記半導体基板の表層領域であって前記ウェル領域上に形成された第2導電型の拡散層とからなるダイオードと、
がそれぞれの上に形成されたコンタクトを介して、前記コンタクトに直接接続された配線により電気的に接続されていることを特徴とする高耐圧半導体デバイス。 - 半導体基板と、
前記半導体基板の表層領域に形成された第1導電型のチャネル領域と、前記チャネル領域の両側に形成された第2導電型のソース領域及びドレイン領域と、前記チャネル領域上に形成された膜厚350Å以上のゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を有するトランジスタと、
前記半導体基板の表層領域に形成された第1導電型のウェル領域と、前記半導体基板の表層領域であって前記ウェル領域上に形成された第2導電型の拡散層と、からなるダイオードと、
前記ゲート電極上及び前記第2導電型の拡散層上にそれぞれ形成されたコンタクトと、
前記各コンタクト上の同一の配線層に形成された、前記各コンタクト同士を電気的に接続する配線と、
を有することを特徴とする高耐圧半導体デバイス。 - 前記350Å以上のゲート酸化膜を有する各トランジスタ間の、ゲート電極がゲート絶縁膜と接している部分の面積と、前記ゲート電極上に形成されるコンタクトホールの総開口面積と、の面積比の差が、−5.0%〜5.0%であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の高耐圧半導体デバイス。
- 第1導電型のトランジスタ形成領域と、第1導電型のダイオード形成領域とを有する半導体基板を準備する工程と、
前記トランジスタ形成領域の前記半導体基板の表層領域に第1導電型のチャネル領域を形成し、前記チャネル領域上に膜厚350Å以上のゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、前記チャネル領域の両側に第2導電型のソース領域及びドレイン領域を形成することにより、トランジスタを形成する工程と、
前記ダイオード形成領域の前記半導体基板の表層領域に第2導電型の拡散層を形成することによりダイオードを形成する工程と、
前記ゲート電極上及び前記第2導電型の拡散層上にそれぞれコンタクトを形成する工程と、
前記各コンタクト上の同一の配線層に、前記各コンタクトを電気的に接続する配線を形成する工程と、を有することを特徴とする高耐圧半導体デバイスの製造方法。
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