JP2009123842A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を調整できるMOSトランジスタを備えた半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基板1に互いに間隔をもって形成されたソース5とドレイン7と、ソース5とドレイン7の間の半導体基板1上にゲート絶縁膜9を介して形成されたゲート電極11をもつMOSトランジスタを備えている。ドレイン7のゲート電極11側の端部は上方から見てゲート電極11に重複している。ソース5は上方から見てゲート電極11とは間隔をもって形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体基板に互いに間隔をもって形成されたソースとドレインと、ソースとドレインの間の半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極をもつMOSトランジスタを備えた半導体装置に関するものである。
近年、半導体装置は、デジタル演算速度向上のため、ゲート電極の微細化が進んでいる。また、電源製品に代表されるように、アナログ的な用途も多くなってきている。特に、アナログ用途に関しては、温度依存性や電圧依存性が回路特性を左右するために、その補償する技術が非常に重要となってきている。
半導体装置に搭載されるMOSトランジスタは、半導体基板に互いに間隔をもって形成されたソースとドレインと、ソースとドレインの間の半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極を備えている。ソース及びドレインは、それらのゲート電極側の端部が上方から見てゲート電極に重複又は隣接している(例えば特許文献1,2を参照。)。また、上方から見てソース及びドレインの両方がゲート電極とは間隔をもって配置されているMOSトランジスタもある(例えば特許文献3を参照。)。
ところで、半導体装置に搭載されるデバイスとしてドライバートランジスタがある。ここではドライバートランジスタの語は「次段の素子を駆動するためのチャネル幅が比較的大きいトランジスタ」という意味で用いている。ドライバートランジスタの用途の一例として携帯電話で多用されている充電回路を用いて説明する。
図7は充電機器の概略回路図である。充電池31が充電スイッチ33を介して電源35(家庭用ACコンセントに相当)に接続されている。(A)は充電実施前を表しており、トランジスタ37はOFF状態である。充電を行なうためにはトランジスタ37をON状態にする。すると電極パッド23を介して接続されている充電スイッチ33がON状態になり、電源35から電流Aが充電池に流れ込み充電が行われる((B)を参照。)。
この回路ではトランジスタ37がドライバートランジスタを構成する。すなわちトランジスタ37が次段の素子である充電スイッチ33を駆動している。また、電流Aが大きければ大きいほど短時間で充電が完了するため、それを駆動するトランジスタ37の電流Bも大きいことが要求される。トランジスタを流れる電流はそのチャネル幅に比例するので、ドライバートランジスタとしてのトランジスタ37のチャネル幅は大きい値で設計される。
次にドライバートランジスタについて説明する。
図8は従来のドライバートランジスタを概略的に示す断面図である。
シリコン基板41上にドライバートランジスタ形成領域を画定するためのLOCOS酸化膜43が形成されている。ドライバートランジスタ形成領域のシリコン基板41にN型不純物拡散層からなるソース45とドレイン47が形成されている。ソース45とドレイン47は互いに間隔をもって交互に配置されている。
ソース45、ドレイン47間のシリコン基板41上にゲート酸化膜49を介してポリシリコンからなるゲート電極51が形成されている。ゲート電極51は複数のソース45、ドレイン47間の領域にそれぞれ形成されている。上方から見て、ソース45及びドレイン47のゲート電極51側の端部はゲート電極51と重複している。図8ではゲート電極51が4本の場合を示しているが、チャネル幅を大きく設計する都合からゲート電極51は数十本以上用いられるのが一般的である。
図示は省略するが、ソース45、ドレイン47及びゲート電極51の形成領域を含んでシリコン基板41上全面に層間絶縁膜が形成され、さらにその上に、メタル配線層、層間絶縁膜、最終保護膜などが形成されている。複数のソース45はコンタクトホール(図示は省略)及びメタル配線層を介して電気的に接続されている。また、複数のドレインはコンタクトホール(図示は省略)及びメタル配線層を介して電気的に接続されている。
図8に示したように、ゲート電極51の両側にソース45とドレイン47が交互に配置されているのがドライバートランジスタの特徴である。ドライバートランジスタがオンすると、図8に示すように矢印の向きに電流が流れる。つまり1つのソース45及びドレイン47が両側のゲート電極51に対して機能することになり、小面積で大電流を流すレイアウトが可能となる。
特開2002−261273号公報 特開2001−185724号公報 特許第3513411号公報
ソース及びドレインのゲート電極側の端部が上方から見てゲート電極に重複している従来のMOSトランジスタは、温度が上昇するとドレイン電流が低下する特性をもっている。しかし、特にアナログ回路では温度依存性や電圧依存性が回路特性を左右するために、MOSトランジスタのドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を調整できることが好ましい。
そこで本発明は、ドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を調整できるMOSトランジスタを備えた半導体装置を提供することを目的とするものである。
本発明にかかる半導体装置は、半導体基板に互いに間隔をもって形成されたソースとドレインと、ソースとドレインの間の半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極をもつMOSトランジスタを備えたものであって、上記ドレインの上記ゲート電極側の端部は上方から見て上記ゲート電極に重複又は隣接しており、上記ソースは上方から見て上記ゲート電極とは間隔をもって形成されているMOSトランジスタ(本願特許請求の範囲及び本明細書においてソースオフセット型MOSトランジスタと称す。)を備えているものである。ドレインのゲート電極側の端部は上方から見て上記ゲート電極に重複又は隣接しており、上記ソースは上方から見て上記ゲート電極とは間隔をもって形成されているソースオフセット型MOSトランジスタは、ソースとゲート電極の間の距離を調整することによってドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を調整できる。
本発明の半導体装置において、上記ソースオフセット型MOSトランジスタは、上記ソースと上記ゲート電極との上方から見た距離が、ドレイン電圧−ドレイン電流温度特性に関してドレイン電流の飽和領域において温度特性が一定になる距離に設定されている例を挙げることができる。
さらに、上記ソースオフセット型MOSトランジスタはドライバートランジスタを構成する例を挙げることができる。
また、本発明の半導体装置において、上記ドレインの上記ゲート電極側の端部及び上記ソースの上記ゲート電極側の端部が上方から見て上記ゲート電極に重複又は隣接している第2MOSトランジスタをさらに備え、上記ソースオフセット型MOSトランジスタと上記第2MOSトランジスタは、並列に接続されて同一の出力端子に接続されており、上記ソースオフセット型MOSトランジスタと上記第2MOSトランジスタは、ドレイン電圧−ドレイン電流温度特性に関して互いに逆の特性をもっている例を挙げることができる。
さらに、上記ソースオフセット型MOSトランジスタにおける上記ソースの上記ゲート電極側の端部と上記ゲート電極との上方から見た距離が、上記出力端子におけるドレイン電圧−ドレイン電流温度特性に関してドレイン電流の飽和領域において温度特性が一定になる距離に設定されている例を挙げることができる。
さらに、並列に接続された上記ソースオフセット型MOSトランジスタと上記第2MOSトランジスタの組はドライバートランジスタを構成する例を挙げることができる。
本発明の半導体装置では、MOSトランジスタとして、ドレインのゲート電極側の端部は上方から見てゲート電極に重複又は隣接しており、ソースは上方から見てゲート電極とは間隔をもって形成されているソースオフセット型MOSトランジスタを備えているようにしたので、ソースオフセット型MOSトランジスタにおいてソースとゲート電極の間の距離を調整することによってドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を調整できる。これにより、ドレイン電圧−ドレイン電流温度特性に関してドレイン電流の飽和領域において温度特性を一定にすることができ、また、従来のMOSトランジスタとは逆のドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を持たせることもできる。
本発明の半導体装置において、ソースオフセット型MOSトランジスタは、ソースとゲート電極との上方から見た距離が、ドレイン電圧−ドレイン電流温度特性に関してドレイン電流の飽和領域において温度特性が一定になる距離に設定されているようにすれば、温度依存性を補償するための素子や回路が不必要になる。
さらに、ソースオフセット型MOSトランジスタはドライバートランジスタを構成しているようにすれば、温度変化に対してドライバートランジスタの出力を安定させることができる。
また、本発明の半導体装置において、ドレインのゲート電極側の端部及びソースのゲート電極側の端部が上方から見てゲート電極に重複又は隣接している第2MOSトランジスタをさらに備え、ソースオフセット型MOSトランジスタと第2MOSトランジスタは、並列に接続されて同一の出力端子に接続されており、ソースオフセット型MOSトランジスタと第2MOSトランジスタは、ドレイン電圧−ドレイン電流温度特性に関して互いに逆の特性をもっているようにすれば、ソースオフセット型MOSトランジスタと第2MOSトランジスタを並列に接続することにより、第2MOSトランジスタのドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を緩和できる。
特に、ソースオフセット型MOSトランジスタにおけるソースとゲート電極との上方から見た距離が、出力端子におけるドレイン電圧−ドレイン電流温度特性に関してドレイン電流の飽和領域において温度特性が一定になる距離に設定されているようにすれば、温度依存性を補償するための素子や回路が不必要になる。
さらに、並列に接続されたソースオフセット型MOSトランジスタと第2MOSトランジスタの組はドライバートランジスタを構成しているようにすれば、温度変化に対してドライバートランジスタの出力を安定させることができる。
図1は一実施例のソースオフセット型MOSトランジスタを概略的に示す断面図である。
例えばP型のシリコン基板(半導体基板)1に、トランジスタ形成領域を画定するためのSTI(shallow trench isolation)3が形成されている。トランジスタ形成領域のシリコン基板1にはP型ウェル(図示は省略)が形成されている。トランジスタ形成領域のシリコン基板1にN型不純物拡散層からなるソース5とドレイン7が互いに間隔をもって形成されている。この実施例では、ソース5は1つの拡散層によって形成され、ドレイン7は低濃度拡散層7aと高濃度拡散層7bの2つの拡散層からなるLDD(light doped drain)構造を備えている。
ソース5、ドレイン7間のシリコン基板1上にゲート絶縁膜9を介してゲート電極11が形成されている。例えば、ゲート絶縁膜9はシリコン酸化膜によって形成され、ゲート電極11はポリシリコンによって形成されている。ゲート電極11は、上方から見て、ドレイン7の低濃度拡散層7aのゲート電極11側端部に重複している。また、ゲート電極11は、上方から見て、ソース5とは間隔をもつ位置に配置されている。これにより、ソースオフセット型MOSトランジスタが形成されている。ゲート電極11の側面に例えばHTO膜(高温酸化膜)からなるサイドウォール13が形成されている。
図示は省略するが、ソース5、ドレイン7、ゲート電極11及びサイドウォール13の形成領域を含んでシリコン基板1上全面に層間絶縁膜が形成され、さらにその上にメタル配線層、層間絶縁膜、最終保護膜等が形成されている。
図2は図1に示したソースオフセット型MOSトランジスタの製造方法例を説明するための工程断面図である。図2のかっこ数字と以下に説明する工程は対応している。図1及び図2を参照してこの製造方法例を説明する。
(1)P型のシリコン基板1にP型ウェル(図示は省略)とSTI3を形成する。シリコン基板1上にシリコン酸化膜を例えば10nm(ナノメートル)の膜厚に形成し、さらにその上にポリシリコン膜を例えば300nmの膜厚に形成する。写真製版技術及びエッチング技術により、ポリシリコン膜及びシリコン酸化膜をパターニングして、ゲート電極11及びゲート絶縁膜9を形成する。
(2)写真製版技術により、ソース形成予定領域を覆い、ドレイン形成予定領域に開口部をもつレジストパターン15を形成する。イオン注入法により、レジストパターン15及びゲート電極11をマスクにして、例えばリンイオンを注入エネルギーは30KeV、ドーズ量は5×1013/cm2の条件で注入してN型拡散層からなる低濃度ドレイン7aを形成する。
(3)レジストパターン15を除去する。シリコン基板1上前面にHTO膜を形成した後、そのHTO膜に異方性エッチバック処理を施してゲート電極11の側面にサイドウォール13を形成する。
(4)写真製版技術により、ソース形成予定領域及びドレイン形成予定領域に開口部をもつレジストパターン17を形成する。この製造方法例では、レジストパターン17は、ソースがゲート電極11と所望の間隔をもって形成されるように、ソース側のサイドウォール13近傍のシリコン基板1上にも形成されている。レジストパターン17及びサイドウォール13をマスクにして、例えばヒ素イオンを注入エネルギーは50KeV、ドーズ量は5×1015/cm2の条件で注入する。これにより、ゲート電極11とは間隔をもってソース5を形成し、低濃度拡散層7aと高濃度拡散層7bからなるドレイン7を形成する。その後、レジストパターン17を除去する(図1参照。)。
このように、ソースオフセット型MOSトランジスタは、従来の製造プロセスに比べて製造工程を増加させることなく形成することができる。
図3は、ソースオフセット型MOSトランジスタのドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を調べた結果を示す図である。ここでは、上方から見たソースとゲート電極の距離を0.1〜0.5μmの間で変化させた。また、参考例としてソースがLDD構造からなる従来のもの(ソースとゲート電極の距離が0.0μm)のドレイン電圧−ドレイン電流温度特性も調べた。図3において縦軸はドレイン電流(A)、横軸はドレイン電圧(V)を示す。なお、電圧印加条件は、ソース及び基板電圧が接地電位、ゲート電圧が6Vである。また、ゲート幅は2.5μmである。
ソースとゲート電極の距離が0.0μmのものでは、高温になるほど格子散乱の影響を受けて移動度が低下するため、温度が上昇するとドレイン電流が低下する特性をもっている。そして、ソースとゲート電極の距離が0.0μmは25〜125℃の範囲では、約30%もの特性変動がある。
これに対し、ソースとゲート電極の距離が0.1μmのソースオフセット型MOSトランジスタでは、温度が上昇するとドレイン電流が低下する特性をもっているものの、25〜125℃の範囲における特性変動を0.0μmのものに比べて小さくできる。
さらに、ソースとゲート電極の距離が0.2μmのソースオフセット型MOSトランジスタでは、ドレイン電流の飽和領域において温度特性が一定になっている。このように、ソースとゲート電極との上方から見た距離を調整することにより、ソースオフセット型MOSトランジスタのドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を一定にすることができる。
また、ソースとゲート電極の距離が0.3μm、0.4μm、0.5μmのソースオフセット型MOSトランジスタでは、0.0μmのものとは逆に、温度が上昇するとドレイン電流が上昇する特性をもっている。
このように、ソースオフセット型MOSトランジスタのソースとゲート電極の距離を調整することにより、ドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を調整できる。
ソースオフセット型MOSトランジスタにおいて、所望のドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を得るには、ソースとゲート電極の距離や製造プロセスを調整する必要がある。ソースオフセット型MOSトランジスタにおけるソースとゲート電極の距離は1μm以下、好ましくは0.5μm以下であることが好ましい。
図4は、ソースとゲート電極の距離が0.2μmのソースオフセット型MOSトランジスタにおいてゲート電圧(VG)を変化させたときのドレイン電圧−ドレイン電流特性を調べた結果を示す図である。図4において縦軸はドレイン電流(A)、横軸はドレイン電圧(V)を示す。なお、温度条件は常温で行なった。
図4から、ソースとゲート電極が間隔をもって配置されているソースオフセット型MOSトランジスタは従来のMOSトランジスタと同様にトランジスタとして機能することがわかる。
図5は他の実施例のソースオフセット型MOSトランジスタと第2MOSトランジスタを概略的に示す断面図である。ソースオフセット型MOSトランジスタは図1と同じなので説明は省略する。
この実施例では、第2MOSトランジスタのソース5は、ドレイン7と同様に、低濃度拡散層5aと高濃度拡散層5bからなるLDD構造を備えている。すなわち、第2MOSトランジスタは、ドレイン7のゲート電極11側の端部及びソース5のゲート電極11側の端部が上方から見てゲート電極11に重複している構造を備えている。第2MOSトランジスタは、図2を参照して説明した製造工程(2)において第2MOSトランジスタのソース形成予定領域に開口部をもつレジストパターンを形成し、第2MOSトランジスタのソース形成予定領域にリンを注入して低濃度拡散層5aを形成することにより、図2を参照して説明した製造方法例と同様にして形成することができる。
図3を参照して説明したように、ソースとゲート電極の距離が0.0μmのもの、すなわち第2MOSトランジスタは温度が上昇するとドレイン電流が低下する特性をもつ。
この実施例において、ソースオフセット型トランジスタは、上方から見たソース5とゲート電極11の間の距離が例えば0.3μmに設定されており、第2MOSトランジスタとは逆に、温度が上昇するとドレイン電流が上昇する特性をもっている。
ソースオフセット型MOSトランジスタと第2MOSトランジスタは入力端子19、出力端子21間に並列に接続されている。すなわち、ソースオフセット型MOSトランジスタのドレイン7と第2MOSトランジスタのドレイン7は共通の入力端子19に接続されており、ソースオフセット型MOSトランジスタのソース5と第2MOSトランジスタのソース5は共通の出力端子21に接続されている。
図6は、並列に接続されたソースオフセット型MOSトランジスタ及び第2MOSトランジスタの組のドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を調べた結果を示す図である。図6において縦軸はドレイン電流(A)、横軸はドレイン電圧(V)を示す。
図6に示すように、ドレイン電圧−ドレイン電流温度特性が互いに逆のソースオフセット型MOSトランジスタと第2MOSトランジスタを並列に接続することにより、25〜125℃の温度範囲において、ドレイン電流の変動が約3%程度とほぼ同じ特性を得ることができた。ソースオフセット型MOSトランジスタにおけるソースとゲート電極の間の距離や、ソースオフセット型MOSトランジスタと第2MOSトランジスタのサイズ比、不純物濃度等を調整することにより、ドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を一定にすることも可能である。
以上、本発明の実施例を説明したが、材料、形状、配置等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、上記実施例では、ソースオフセット型MOSトランジスタ及び第2MOSトランジスタは1本のゲート電極を備えているが、図8を参照して説明したドライバートランジスタに、本発明のソースオフセット型MOSトランジスタを適用できるし、ソースオフセット型MOSトランジスタ及び第2MOSトランジスタの組も適用できる。
また、上記実施例では、ソースオフセット型MOSトランジスタ及び第2MOSトランジスタについてNチャネル型のものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ソースオフセット型MOSトランジスタ及び第2MOSトランジスタはPチャネル型のものであってもよい。
また、上記実施例ではLDD構造のMOSトランジスタにソースオフセット型MOSトランジスタ及び第2MOSトランジスタを適用しているが、ソースオフセット型MOSトランジスタ及び第2MOSトランジスタは1つの拡散層からなるソースと1つの拡散層からなるドレインを備えているものであってもよい。また、ソースオフセット型MOSトランジスタ及び第2MOSトランジスタはサイドウォールを備えていなくてもよい。
また、上記実施例では、ソースオフセット型MOSトランジスタにおいて上方から見てドレインとゲート電極は重複し、第2MOSトランジスタにおいて上方から見てソース及びドレインとゲート電極は重複しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ソースオフセット型MOSトランジスタにおいて上方から見てドレインとゲート電極は隣接していてもよいし、第2MOSトランジスタにおいて上方から見てソース及びドレインの一方又はその両方とゲート電極は隣接していてもよい。
一実施例のソースオフセット型MOSトランジスタを概略的に示す断面図である。 図1に示したソースオフセット型MOSトランジスタの製造方法例を説明するための工程断面図である。 ソースオフセット型MOSトランジスタのドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を調べた結果を示す図である。 図4は、ソースとゲート電極の距離が0.2μmのソースオフセット型MOSトランジスタにおいてゲート電圧(VG)を変化させたときのドレイン電圧−ドレイン電流特性を調べた結果を示す図である。 他の実施例のソースオフセット型MOSトランジスタと第2MOSトランジスタを概略的に示す断面図である。 並列に接続されたソースオフセット型MOSトランジスタ及び第2MOSトランジスタの組のドレイン電圧−ドレイン電流温度特性を調べた結果を示す図である。 ドライバートランジスタが用いられる回路の一例としての充電機器の概略回路図である。 従来のドライバートランジスタを概略的に示す断面図である。
符号の説明
1 シリコン基板(半導体基板)
5 ソース
5a 低濃度拡散層
5b 高濃度拡散層
7 ドレイン
7a 低濃度拡散層
7b 高濃度拡散層
9 ゲート絶縁膜
11ゲート電極SICボート(ウエハ保持部)
21 出力端子

Claims (6)

  1. 半導体基板に互いに間隔をもって形成されたソースとドレインと、ソースとドレインの間の半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極をもつMOSトランジスタを備えた半導体装置において、
    前記ドレインの前記ゲート電極側の端部は上方から見て前記ゲート電極に重複又は隣接しており、前記ソースは上方から見て前記ゲート電極とは間隔をもって形成されているソースオフセット型MOSトランジスタを備えていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ソースオフセット型MOSトランジスタは、前記ソースと前記ゲート電極との上方から見た距離が、ドレイン電圧−ドレイン電流温度特性に関してドレイン電流の飽和領域において温度特性が一定になる距離に設定されている請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ソースオフセット型MOSトランジスタはドライバートランジスタを構成する請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記ドレインの前記ゲート電極側の端部及び前記ソースの前記ゲート電極側の端部が上方から見て前記ゲート電極に重複又は隣接している第2MOSトランジスタを同一基板上にさらに備え、
    前記ソースオフセット型MOSトランジスタと前記第2MOSトランジスタは、並列に接続されて同一の出力端子に接続されており、
    前記ソースオフセット型MOSトランジスタと前記第2MOSトランジスタは、ドレイン電圧−ドレイン電流温度特性に関して互いに逆の特性をもっている請求項1に記載の半導体装置。
  5. 前記ソースオフセット型MOSトランジスタにおける前記ソースと前記ゲート電極との上方から見た距離が、前記出力端子におけるドレイン電圧−ドレイン電流温度特性に関してドレイン電流の飽和領域において温度特性が一定になる距離に設定されている請求項4に記載の半導体装置。
  6. 並列に接続された前記ソースオフセット型MOSトランジスタと前記第2MOSトランジスタの組はドライバートランジスタを構成する請求項5に記載の半導体装置。
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