JP2010045312A - Semiconductor device, electronic component, and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置と、電子部品及び半導体装置の製造方法に関し、特に、オン電流の低下を抑制しつつ、閾値電圧を高くすることを可能とした技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, an electronic component, and a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a technique that makes it possible to increase a threshold voltage while suppressing a decrease in on-current.
この種の従来技術としては、例えば特許文献1に開示されたものがあり、かかる文献には、LOCOS(local oxidation of silicon)オフセット構造を有する高耐圧のMOSトランジスタと、低耐圧のMOSトランジスタとを同一の半導体基板上に製造することが記載されている。LOCOSオフセット構造では、ソースとドレインとの間の距離を大きく確保することができる。これにより、ドレイン端でのキャリアの集中を抑制することができ、ソースとドレインとの間の耐圧を高めることができるので、当該間に高電圧を印加することができる。
ところで、ソースとドレインとの間の耐圧が高い高耐圧のMOSトランジスタ(以下、HVトランジスタともいう。)と、ソースとドレインとの間の耐圧が低い低耐圧のMOSトランジスタ(以下、LVトランジスタともいう。)とを組み合わせた回路では、LVトランジスタの動作速度は向上させたいが、HVトランジスタの動作はサージ等を抑制するために遅くしたい、という場合がある。このような場合は、HVトランジスタのチャネルとなる領域に、ソース、ドレインとは反対導電型の不純物をドーピングして、閾値電圧を高くする方法が考えられる。この方法は、チャネルドープとも呼ばれている。 By the way, a high breakdown voltage MOS transistor (hereinafter also referred to as HV transistor) having a high breakdown voltage between the source and drain and a low breakdown voltage MOS transistor (hereinafter also referred to as LV transistor) having a low breakdown voltage between the source and drain. .)), The operation speed of the LV transistor is desired to be improved, but the operation of the HV transistor is sometimes desired to be delayed in order to suppress a surge or the like. In such a case, a method of increasing the threshold voltage by doping a region which becomes a channel of the HV transistor with an impurity having a conductivity type opposite to that of the source and drain can be considered. This method is also called channel doping.
しかしながら、この方法では、HVトランジスタのオン電流が著しく低下してしまい、HVトランジスタとLVトランジスタとを組み合わせた回路において、所望の性能を獲得できない可能性があった。
そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、オン電流の低下を抑制しつつ、閾値電圧を高くすることを可能とした半導体装置と、電子部品及び半導体装置の製造方法の提供を目的とする。
However, with this method, the on-current of the HV transistor is significantly reduced, and there is a possibility that desired performance cannot be obtained in a circuit combining the HV transistor and the LV transistor.
Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and a semiconductor device capable of increasing a threshold voltage while suppressing a decrease in on-current, and an electronic component and a method for manufacturing the semiconductor device The purpose is to provide.
〔発明1〕 上記目的を達成するために、発明1の半導体装置は、半導体基板に形成された第1MOSトランジスタを備え、前記第1MOSトランジスタは、前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、前記半導体基板に形成された第1ソース及び第1ドレインと、を有し、前記第1ゲート電極の内部は、当該第1ゲート電極に第1の電圧が印加されて前記第1ソースと前記第1ドレインとの間に電流が流れるときに空乏化することを特徴とするものである。ここで、「第1の電圧」とは、即ち、第1MOSトランジスタの閾値電圧のことである。また、第1ゲート電極に第1の電圧が印加されて、第1ソースと第1ドレインとの間に流れる「電流」のことを、オン(ON)電流ともいう。
[Invention 1] In order to achieve the above object, a semiconductor device of
このような構成であれば、第1ゲート電極の内部が空乏化することにより当該第1ゲート電極に容量が生じ、この容量は第1ゲート電極と半導体基板とに挟まれた絶縁膜(即ち、ゲート絶縁膜)の容量と直列に接続される。これにより、ゲート絶縁膜の容量が実質的に低下するため、第1MOSトランジスタの閾値電圧を高くすることができる。閾値電圧の調整をチャネルドープのみを用いて行う場合と比べて、オン電流の低下(即ち、オン抵抗の増加)を抑制することができる。 In such a configuration, a capacity is generated in the first gate electrode due to depletion of the interior of the first gate electrode, and this capacity is an insulating film sandwiched between the first gate electrode and the semiconductor substrate (that is, The gate insulating film) is connected in series. As a result, the capacitance of the gate insulating film is substantially reduced, so that the threshold voltage of the first MOS transistor can be increased. Compared with the case where the threshold voltage is adjusted using only channel dope, a decrease in on-current (ie, an increase in on-resistance) can be suppressed.
〔発明2、3〕 発明2の半導体装置は、発明1の半導体装置において、前記半導体基板に形成された第2MOSトランジスタ、をさらに備え、前記第2MOSトランジスタは、前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、前記半導体基板に形成された第2ソース及び第2ドレインと、を有し、前記第2ゲート電極の内部は、当該第2ゲート電極に第2の電圧が印加されて前記第2ソースと前記第2ドレインとの間に電流が流れるときに空乏化しないことを特徴とするものである。
発明3の半導体装置は、発明2の半導体装置において、前記第1の電圧と前記第2の電圧は同じ電圧値であることを特徴とするものである。
発明2、3の半導体装置によれば、閾値電圧が高い第1MOSトランジスタと、閾値電圧が低い第2MOSトランジスタとを組み合わせて、所望の回路(即ち、IC)を構成することができる。
[
A semiconductor device according to a third aspect of the invention is the semiconductor device according to the second aspect, wherein the first voltage and the second voltage have the same voltage value.
According to the second and third aspects of the semiconductor device, a desired circuit (that is, an IC) can be configured by combining the first MOS transistor having a high threshold voltage and the second MOS transistor having a low threshold voltage.
〔発明4〕 発明4の半導体装置は、発明1から発明3の何れか一の半導体装置において、前記第1MOSトランジスタは、LOCOSオフセット構造を有することを特徴とするものである。
このような構成であれば、第1ドレイン端において、ゲート電位の電界効果を緩和することができ、キャリアの集中を抑制することができるので、第1ソースと第1ドレインとの間の耐圧を高めることができる。
[Invention 4] The semiconductor device according to Invention 4 is the semiconductor device according to any one of
With such a configuration, the electric field effect of the gate potential can be relaxed and the carrier concentration can be suppressed at the first drain end, so that the breakdown voltage between the first source and the first drain can be reduced. Can be increased.
〔発明5〕 発明5の電子部品は、発明1から発明4の何れか一の半導体装置と、発熱抵抗体と、を含み、前記発熱抵抗体は、前記半導体装置の前記第1ソース又は前記第1ドレインに直列に接続されていることを特徴とするものである。
このような構成であれば、第1MOSトランジスタは閾値電圧が高く、第1ゲート電極に第1の電圧を印加してから、オン電流が流れだすまでの動作(即ち、応答)が遅いため、例えば図8(b)に示すように、サージを小さくすることができる。これにより、発熱抵抗体に印加される電圧の揺らぎを小さくすることができ、発熱抵抗体の温度制御性を高めることができる。
また、発熱抵抗体と直列に接続される第1MOSトランジスタのオン抵抗が小さいため、発熱抵抗体により高い電圧を印加することができる。つまり、発熱抵抗体を効率良く発熱させるように抵抗分割することができる。このような電子部品は、例えばプリンター等のサーマルヘッドに適用して極めて好適である。
[Invention 5] An electronic component of
With such a configuration, the first MOS transistor has a high threshold voltage, and the operation (ie, response) from when the first voltage is applied to the first gate electrode until the on-current begins to flow is slow. As shown in FIG. 8B, the surge can be reduced. Thereby, the fluctuation of the voltage applied to the heating resistor can be reduced, and the temperature controllability of the heating resistor can be improved.
Also, since the on-resistance of the first MOS transistor connected in series with the heating resistor is small, a high voltage can be applied to the heating resistor. That is, it is possible to perform resistance division so that the heating resistor can efficiently generate heat. Such an electronic component is extremely suitable when applied to a thermal head such as a printer.
〔発明6〕 発明6の半導体装置の製造方法は、半導体基板に第1MOSトランジスタを形成する際に、半導体基板上に絶縁膜を介して第1ゲート電極を形成する工程と、前記第1ゲート電極の両側下の前記半導体基板に第1ソース及び第1ドレインを形成する工程と、を含み、前記第1ゲート電極を形成する工程では、前記第1ゲート電極に第1の電圧が印加されて前記第1ソースと前記第1ドレインとの間に電流が流れるときに当該第1ゲート電極の内部が空乏化するように、前記第1ゲート電極に対する不純物の導入量を調整することを特徴とするものである。
このような方法であれば、第1ゲート電極の内部には空乏化により容量が生じ、この容量が第1ゲート電極と半導体基板とに挟まれた絶縁膜(即ち、ゲート絶縁膜)の容量と直列に接続される半導体装置、を提供することができる。このような半導体装置では、容量結合により、ゲート絶縁膜の容量が実質的に低下するため、第1MOSトランジスタの閾値電圧を高くすることができる。閾値電圧の調整をチャネルドープのみを用いて行う場合と比べて、オン電流の低下(即ち、オン抵抗の増加)を抑制することができる。
[Invention 6] A method of manufacturing a semiconductor device according to Invention 6 includes a step of forming a first gate electrode on an insulating film through a first gate electrode when forming a first MOS transistor on a semiconductor substrate. Forming a first source and a first drain on the semiconductor substrate below both sides of the semiconductor substrate, wherein in the step of forming the first gate electrode, a first voltage is applied to the first gate electrode, The amount of impurities introduced into the first gate electrode is adjusted so that the inside of the first gate electrode is depleted when a current flows between the first source and the first drain. It is.
With such a method, a capacitance is generated inside the first gate electrode due to depletion, and this capacitance is the capacitance of the insulating film (that is, the gate insulating film) sandwiched between the first gate electrode and the semiconductor substrate. A semiconductor device connected in series can be provided. In such a semiconductor device, the capacitance of the gate insulating film is substantially reduced due to capacitive coupling, so that the threshold voltage of the first MOS transistor can be increased. Compared with the case where the threshold voltage is adjusted using only channel dope, a decrease in on-current (ie, an increase in on-resistance) can be suppressed.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その重複する説明は省略する。
(1)HVトランジスタについて
図1は、本発明の実施形態に係るHVトランジスタ10の構成例を示す断面図である。図1に示すように、このHVトランジスタ10は、LOCOSオフセット構造を有するNMOSトランジスタであり、半導体基板1と、Nウェル層3と、Pウェル層5と、オフセット層7と、ストッパー層9と、フィールド酸化膜11と、ソース15と、ドレイン13と、絶縁膜17と、ゲート電極19と、スペーサ(即ち、サイドウォール)21と、を含んで構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in each drawing described below, parts having the same configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted.
(1) HV Transistor FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of an
これらの中で、半導体基板1は、例えば単結晶シリコンからなり、ボロン等のP型不純物を含むP型のシリコン半導体基板1(P‐sub)である。また、Nウェル層3と、オフセット層7、ソース15及びドレイン13は、例えばリン又はヒ素等のN型不純物を含む不純物拡散層である。ソース15及びドレイン13は、ゲート電極19の両側下の半導体基板1にそれぞれ形成されており、ソース15はPウェル層5の表面付近に形成され、ドレイン13はNウェル層3の表面付近に形成されている。さらに、ソース15はいわゆるLDD構造を有し、N型不純物を低濃度に含む低濃度層15aと、N型不純物層を高濃度に含む高濃度層15bとからなる。オフセット層7は、Nウェル層3とPウェル層5とに跨るように形成されている。
Among these, the
また、フィールド酸化膜11は、オフセット層7の真上と、ストッパー層9の真上にそれぞれ形成されている。半導体基板1が例えばシリコンからなる場合は、フィールド酸化膜11はシリコン酸化膜からなる。さらに、このHVトランジスタ10では、フィールド酸化膜11の一部と絶縁膜17とによりゲート絶縁膜が構成されており、このようなゲート絶縁膜を介してゲート電極19は半導体基板1上に形成されている。
このような、フィールド酸化膜11の一部をゲート絶縁膜とするような構造(即ち、LOCOSオフセット構造)を採ることにより、ソース15とドレイン13との間の距離を大きく確保することができ、ドレイン13端でのキャリアの集中を抑制することができる。そして、ソース15とドレイン13との間の耐圧を高めることができ、当該間に高電圧を印加することができる。なお、絶縁膜17は、例えば、シリコン酸化(SiO2)膜又はシリコン酸化窒化膜(SiON)からなる。また、ゲート電極19は、例えば、リン又はヒ素等のN型不純物を含むポリシリコン(poly−Si)からなる。
The
By adopting such a structure in which a part of the
また、このHVトランジスタ10では、ゲート電極19に閾値電圧を印加したときに、ゲート電極19の内部が空乏化するようになっている。このような空乏化は、ゲート電極19に対する不純物のドーズ量が、一般的な1015[cm-2]ではなく、1013〜1012[cm-2]程度と極めて低く調整されることにより達成されている。そして、この空乏化により、HVトランジスタ10は、オン電流の低下(即ち、オン抵抗の増加)を抑制しつつ、閾値電圧を高くすることが可能となっている。以下、この点について、本発明者が行ったシミュレーション及び測定の結果に基づいて、詳しく説明する。
In the
(2)シミュレーション及び測定の結果について
図2は、ゲート電極内部の空乏化の様子をシミュレーションした結果を示す図であり、図2(a)はゲート電極に対する不純物のドーズ量(G−dose)が4*10-15[cm-2]であるNMOSトランジスタの断面を示し、図2(b)はドーズ量(G−dose)が4*10-13[cm-2]であるNMOSトランジスタの断面を示し、図2(c)はドーズ量(G−dose)が4*10-12[cm-2]であるNMOSトランジスタの断面を示す。
(2) Results of Simulation and Measurement FIG. 2 is a diagram showing the result of simulating the state of depletion inside the gate electrode, and FIG. 2A shows the impurity dose amount (G-dose) with respect to the gate electrode. FIG. 2B shows a cross section of an NMOS transistor with 4 * 10 −15 [cm −2 ], and FIG. 2B shows a cross section of the NMOS transistor with a dose (G-dose) of 4 * 10 −13 [cm −2 ]. FIG. 2C shows a cross section of an NMOS transistor having a dose amount (G-dose) of 4 * 10 −12 [cm −2 ].
図2(a)〜(c)の各トランジスタにおいて、ゲート電極に印加する電圧(Vg)を5[V]に設定すると共に、ドレインに印加する電圧(Vd)を0[V]、ソースに印加する電圧(Vs)を0[V]、半導体基板に印加する電圧(Vsub)を0[V]に設定する。このとき、図2(a)のトランジスタでは、ゲート電極の内部で空乏化は生じないが、図2(b)及び図2(c)の各トランジスタでは、ゲート電極の内部で空乏化が生じる。また、図2(b)と図2(c)とを比較すると、図2(c)のトランジスタの方が空乏層の広がりが大きい。
このようなシミュレーション結果から、「ゲート電極に対する不純物のドーズ量と、ゲート電極の内部における空乏層の広がり具合との間には相関があり、ドーズ量が少ないほど空乏層の広がり具合が大きくなる」ということがわかる。また、「ドーズ量が1015[cm-2]程度の場合はゲート電極の内部に空乏層は形成されないが、1013〜1012[cm-2]程度の場合はゲート電極の内部に空乏層が形成される」ということがわかる。
2A to 2C, the voltage (Vg) applied to the gate electrode is set to 5 [V], the voltage (Vd) applied to the drain is set to 0 [V], and the source is applied. The voltage (Vs) to be applied is set to 0 [V], and the voltage (Vsub) applied to the semiconductor substrate is set to 0 [V]. At this time, in the transistor in FIG. 2A, depletion does not occur inside the gate electrode, but in each of the transistors in FIGS. 2B and 2C, depletion occurs in the gate electrode. Further, comparing FIG. 2B and FIG. 2C, the transistor of FIG. 2C has a larger depletion layer.
From these simulation results, “there is a correlation between the dose of impurities to the gate electrode and the extent of the depletion layer inside the gate electrode, and the smaller the dose, the greater the extent of the depletion layer” I understand that. Further, when the dose is about 10 15 [cm −2 ], no depletion layer is formed inside the gate electrode, but when the dose is about 10 13 to 10 12 [cm −2 ], the depletion layer is formed inside the gate electrode. "Is formed."
図3は、NMOSトランジスタのId−Vg特性と、ゲート電極に対する不純物のドーズ量との関係をシミュレーションした結果を示す図である。図3中の曲線aはゲート電極に対する不純物のドーズ量を4*10-15[cm-2]に設定したときのId−Vg特性を示し、曲線bは上記ドーズ量を4*10-13[cm-2]に設定したときのId−Vg特性を示し、曲線cは上記ドーズ量を4*10-12[cm-2]に設定したときのId−Vg特性を示す。なお、Idとは、ソースとドレインとの間を流れる電流(即ち、ドレイン電流)のことである。
ここでは、シミュレーションの条件を、Vd=0.1[V]、Vs=0[V]、Vsub=0[V]に設定すると共に、Vgを0.0〜2.5[V]の範囲で動かすように設定する。図3に示すように、曲線aではVg=0.4〜0.5[V]のときにIdの0(ゼロ)からの立ち上がりが見られる。これに対し、曲線b、cではvg=1.2〜1.4[V]のときにIdの0(ゼロ)からの立ち上がりが見られる。このようなシミュレーション結果から、「ゲート電極に対する不純物のドーズ量を少なくして、ゲート電極の内部を空乏化させることにより、閾値電圧(Vth)を高くなる方向にシフトさせることができる」ということがわかる。
FIG. 3 is a diagram showing the result of simulating the relationship between the Id-Vg characteristics of the NMOS transistor and the impurity dose with respect to the gate electrode. A curve a in FIG. 3 shows the Id-Vg characteristic when the impurity dose with respect to the gate electrode is set to 4 * 10 −15 [cm −2 ], and a curve b shows the dose amount 4 * 10 −13 [ The Id-Vg characteristic when set to cm -2 ] is shown, and the curve c shows the Id-Vg characteristic when the dose is set to 4 * 10 -12 [cm -2 ]. Note that Id is a current flowing between a source and a drain (that is, a drain current).
Here, the simulation conditions are set to Vd = 0.1 [V], Vs = 0 [V], Vsub = 0 [V], and Vg is in the range of 0.0 to 2.5 [V]. Set to move. As shown in FIG. 3, in the curve a, the rise of Id from 0 (zero) is seen when Vg = 0.4 to 0.5 [V]. On the other hand, rising of the Id from 0 (zero) is seen in the curves b and c when vg = 1.2 to 1.4 [V]. From such a simulation result, it can be said that “the threshold voltage (Vth) can be shifted in the direction of increasing by reducing the dose of impurities to the gate electrode and depleting the inside of the gate electrode”. Recognize.
図4は、NMOSトランジスタのId−Vd特性と、ゲート電極に対する不純物のドーズ量との関係をシミュレーションした結果を示す図である。図4中の曲線aはゲート電極に対する不純物のドーズ量を4*10-15[cm-2]に設定したときのId−Vd特性を示し、曲線bは上記ドーズ量を4*10-13[cm-2]に設定したときのId−Vd特性を示し、曲線cは上記ドーズ量を4*10-12[cm-2]に設定したときのId−Vd特性を示す。ここでは、シミュレーションの条件を、Vg=5.0[V]、Vs=0[V]、Vsub=0[V]に設定すると共に、Vdを0.0〜2.0[V]の範囲で動かすように設定する。
図4に示すように、曲線a〜cは、Id=0(ゼロ)、Vd=0(ゼロ)を原点として、同じような傾きで右肩上がりに増加している。また、図4中の破線で囲んだ領域(即ち、vd=1.0[V]程度、Vg=5.0[V]程度)は、NMOSトランジスタがオンする一般的な動作領域であるが、この領域におけるIdは、曲線aと、曲線b、cとの間で差が小さく、曲線b、cのIdは曲線aのIdと比べて約10%低い値となっている。このようなシミュレーション結果から、「ゲート電極を空乏化させても、オン電流はほとんど低下しない(即ち、オン抵抗はほとんど増加しない)」ということがわかる。
FIG. 4 is a diagram showing a result of simulating the relationship between the Id-Vd characteristics of the NMOS transistor and the impurity dose with respect to the gate electrode. A curve a in FIG. 4 shows Id-Vd characteristics when the impurity dose to the gate electrode is set to 4 * 10 −15 [cm −2 ], and a curve b shows the dose to 4 * 10 −13 [ The Id-Vd characteristic when set to cm -2 ] is shown, and the curve c shows the Id-Vd characteristic when the dose is set to 4 * 10 -12 [cm -2 ]. Here, the simulation conditions are set to Vg = 5.0 [V], Vs = 0 [V], Vsub = 0 [V], and Vd is in the range of 0.0 to 2.0 [V]. Set to move.
As shown in FIG. 4, the curves a to c increase upward with a similar inclination with Id = 0 (zero) and Vd = 0 (zero) as the origin. In addition, a region surrounded by a broken line in FIG. 4 (that is, about vd = 1.0 [V], about Vg = 5.0 [V]) is a general operation region in which the NMOS transistor is turned on. The Id in this region has a small difference between the curve a and the curves b and c, and the Id of the curves b and c is about 10% lower than the Id of the curve a. From these simulation results, it can be seen that “the depletion of the gate electrode hardly reduces the on-current (ie, the on-resistance hardly increases)”.
図5は、NMOSトランジスタについて、チャネルドープを用いた場合のId−Vth特性を示す図である。この図5は、チャネルドープを用いてNMOSトランジスタの閾値電圧を異なる値に調整すると共に、Vthが調整された各トランジスタにおいて、Vd=1.0[V]、Vg=5.0[V]に設定し、この設定のもとでId−Vth特性を実際に測定して得られた図である。図5中の複数のプロットは測定値である。
図5に示すように、チャネルドープによりVthが調整されたトランジスタでは、Vthが0.25〜0.55[V]の範囲にあるとき、Idは約2.3*10-3〜1.8*10-3[mA]の範囲で右肩下がりに低下した。また、複数のプロットを結んで得られる直線から、Vth=1.2VのときのIdは約0.9*10-3[mA]と計算される。このような結果から、「チャネルドープを用いて閾値電圧を高くなる方向にシフトさせると、オン電流は著しく低下する(即ち、オン抵抗は著しく増加する)」ということがわかる。例えば、チャネルドープを用いてVthを約0.55Vから約1.2Vまで高めると、オン電流の低下は約50%と計算される。
FIG. 5 is a diagram showing Id-Vth characteristics when channel doping is used for an NMOS transistor. In FIG. 5, the channel voltage is used to adjust the threshold voltage of the NMOS transistor to a different value, and Vd = 1.0 [V] and Vg = 5.0 [V] in each transistor in which Vth is adjusted. It is the figure obtained by setting and actually measuring the Id-Vth characteristic under this setting. A plurality of plots in FIG. 5 are measured values.
As shown in FIG. 5, in a transistor in which Vth is adjusted by channel doping, when Vth is in the range of 0.25 to 0.55 [V], Id is about 2.3 * 10 −3 to 1.8. * Decreased to the right in the range of 10 -3 [mA]. Further, from a straight line obtained by connecting a plurality of plots, Id when Vth = 1.2 V is calculated as about 0.9 * 10 −3 [mA]. From these results, it can be seen that “on-current is significantly reduced (that is, on-resistance is remarkably increased when the threshold voltage is shifted in the direction of increasing using channel dope”). For example, when Vth is increased from about 0.55V to about 1.2V using channel doping, the decrease in on-current is calculated to be about 50%.
このように、図2〜図5に示したシミュレーション及び測定の結果から、「オン電流の低下(即ち、オン抵抗の増加)を抑制しつつ、トランジスタの閾値電圧を高くするためには、ゲート電極の内部を空乏化させることが有効である」ということがわかる。そして、「このような空乏化は、ゲート電極に対する不純物のドーズ量を通常の100分の1(=1013[cm-2]/1015[cm-2])から1000分の1(=1012[cm-2]/1015[cm-2])に設定することで実現することができる」ということがわかる。
即ち、一般的な動作領域(例えば、Vd=1.0[V]、Vg=5.0[V])において、閾値電圧の調整をチャネルドープのみを用いて行った場合は、オン電流の低下が著しい。例えば、図5に示したように、チャネルドープのみを用いてVthを0.55Vから1.2Vまでシフトさせると、オン電流の低下は約50%となってしまう。これに対して、閾値電圧の調整をゲート電極の内部を空乏化させることにより行うと、図4に示したように、オン電流の低下は約10%程度で済む。
Thus, from the simulation and measurement results shown in FIG. 2 to FIG. 5, in order to increase the threshold voltage of the transistor while suppressing the decrease in on-current (that is, increase in on-resistance), It is clear that it is effective to deplete the inside. “This depletion causes the impurity dose to the gate electrode to be reduced from the usual 1/100 (= 10 13 [cm −2 ] / 10 15 [cm −2 ]) to 1/1000 (= 10 12 [cm -2] / 10 15 [cm -2]) can be achieved by setting the "that can be seen.
That is, in a general operation region (for example, Vd = 1.0 [V], Vg = 5.0 [V]), when the threshold voltage is adjusted using only channel dope, the ON current is reduced. Is remarkable. For example, as shown in FIG. 5, when only Vth is used to shift Vth from 0.55V to 1.2V, the decrease in on-current is about 50%. On the other hand, when the threshold voltage is adjusted by depleting the inside of the gate electrode, as shown in FIG. 4, the on-current can be reduced by about 10%.
(3)HVトランジスタとLVトランジスタの混載について
次に、上記のHVトランジスタ10と、LVトランジスタとを混載した半導体装置の構成例とその製造方法について説明する。
図6は、本発明の実施形態に係る半導体装置100の構成例を示す断面図である。図6に示すように、この半導体装置100は、HV−Nch(チャネル)領域と、LV−Nch領域と、LV−Pch領域とを半導体基板1に有する。ここで、HV−Nch領域には、上述したHVトランジスタ10が形成されている。また、LV−Nch領域には、ソースとドレインとの間の低耐圧が低いNMOSトランジスタ20が形成されている。さらに、LV−Pch領域には、ソースとドレインとの間の耐圧が低い低耐圧のPMOSトランジスタ30が形成されている。以下、説明の便宜上から、低耐圧のNMOSトランジスタをLV−Nchトランジスタ20といい、低耐圧のPMOSトランジスタをLV−Pchトランジスタ30という。また、HVトランジスタ10をHV−Nchトランジスタ10という。
(3) Mixed mounting of HV transistor and LV transistor Next, a configuration example of a semiconductor device in which the
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration example of the
図6に示すように、LV−Nchトランジスタ20は、半導体基板1に形成されたPウェル層5と、フィールド酸化膜11と、P型のストッパー層9と、ソース23と、ドレイン25と、絶縁膜17と、ゲート電極27と、スペーサ21と、を含んで構成されている。これらの中で、ソース23及びドレイン25は、例えばリン又はヒ素等のN型不純物を含む不純物拡散層である。ソース23及びドレイン25は、ゲート電極27の両側下にあるPウェル層5の表面付近に形成されており、その各々がいわゆるLDD構造を有する。即ち、ソース23は、N型不純物を低濃度に含む低濃度層23aと、N型不純物層を高濃度に含む高濃度層23bとからなる。また、ドレイン25は、N型不純物を低濃度に含む低濃度層25aと、N型不純物層を高濃度に含む高濃度層25bとからなる。さらに、ゲート電極27は絶縁膜17を介してPウェル層5上に形成されている。ゲート電極27は例えばリン又はヒ素等のN型不純物を含むpoly−Siからなる。このLV−Nchトランジスタ20は、フィールド酸化膜11とP型のストッパー層9とによって、他の素子から分離されている。
As shown in FIG. 6, the LV-
一方、LV−Pchトランジスタ30は、半導体基板1に形成されたNウェル層3と、フィールド酸化膜11と、ソース31と、ドレイン33と、絶縁膜17と、ゲート電極35と、を含んで構成されている。これらの中で、ソース31及びドレイン33は、例えばボロン等のP型不純物を含む不純物拡散層であり、ゲート電極35の両側下にあるNウェル層3の表面付近に形成されている。また、ゲート電極35は絶縁膜17を介してNウェル層3上に形成されている。ゲート電極35は例えばボロン等のP型不純物を含むpoly−Siからなる。このLV−Pchトランジスタ30は、フィールド酸化膜11によって他の素子から分離されている。
On the other hand, the LV-
図7は、本発明の実施形態に係る電子部品200の一例を示す図である。
図7に示すように、この電子部品200は、上述の半導体装置100と発熱抵抗体Rとを備える。この電子部品200において、半導体装置100は例えば、LV−Nchトランジスタ20とLV−Pchトランジスタ30とによってCMOSインバータ40が構成され、このCMOSインバータ40の出力がHV−Nchトランジスタ10のゲート電極19に印加されるような回路構成となっている。また、この例では、半導体装置100が発熱抵抗体Rに外付けされており、HV−Nchトランジスタ10のドレイン端子DOが、発熱抵抗体Rの一端に直列に接続されている。さらに、この電子部品200では、端子VHに高電圧(例えば、40[V])が常時印加され、端子VLに低電圧(例えば、3.5〜5.5[V])が常時印加されるように設定されている。端子STRには、H(High:例えば、3.5〜5.5[V])の信号と、L(Low:例えば、0[V])の信号が選択して入力されるように設定されている。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the
As shown in FIG. 7, the
このような電子部品200では、端子STRに入力された信号の反転信号がCMOSインバータ40から出力される。そして、CMOSインバータ40から出力される信号がHのとき(即ち、CMOSインバータへの入力信号がLのとき)、HV−Nchトランジスタ10がオン(ON)する。この瞬間から、発熱抵抗体RとHV−Nchトランジスタ10のソース、ドレイン間に電流が流れ始め、端子VHの電圧(例えば、40[V])は発熱抵抗体RとHV−Nchトランジスタ10のON抵抗とにより分割される。つまり、分割された電圧が、発熱抵抗体Rと、HV−Nchトランジスタ10のドレイン端子DOとにそれぞれ印加される。
ここで、HV−Nchトランジスタの応答が速いと、図8(a)に示すように、サージ(即ち、電圧Vdの波形の揺らぎ)が大きくなる。
In such an
Here, when the response of the HV-Nch transistor is fast, surge (that is, fluctuation of the waveform of the voltage Vd) increases as shown in FIG.
しかしながら、本発明の実施形態に係る電子部品200では、HV−Nchトランジスタ10のゲート電極19に信号Hが印加されると、ゲート電極19の内部が空乏化するため、閾値電圧はCMOSインバータ40よりも高い値となっている。このため、CMOSインバータ40と比べて、HV−Nchトランジスタ10の応答は遅く、図8(b)に示すように、サージを小さくすることができる。それゆえ、発熱抵抗体Rにおいても、電圧の波形の揺らぎを小さくすることができ、発熱温度の揺らぎを小さくすることができる。これにより、発熱抵抗体Rの温度制御性を高めることができる。
また、HV−Nchトランジスタ10のオン抵抗が小さいため、発熱抵抗体Rにより高い電圧を印加することができる。つまり、発熱抵抗体Rを効率良く発熱させるように抵抗分割することができる。このような電子部品200は、例えばプリンター等のサーマルヘッドに適用して極めて好適である。
However, in the
Further, since the on-resistance of the HV-
次に、図6に示した半導体装置100の製造方法について説明する。
図9(a)〜図10(c)は、本発明の実施形態に係る半導体装置100の製造方法を示す断面図である。
図9(a)において、まず始めに、半導体基板1にNウェル層3とPウェル層5とをそれぞれ形成する。ここで、Nウェル層3は、例えば、フォトリソグラフィとイオン注入技術とによりリン等のN型不純物を半導体基板1に部分的に導入し、続いて、導入した不純物を半導体基板1内に熱拡散させることにより形成する。また、Pウェル層5は、例えば、フォトリソグラフィとイオン注入技術とによりボロン等のP型不純物を半導体基板1に部分的に導入し、続いて、導入した不純物を半導体基板1内に熱拡散させることにより形成する。
Next, a method for manufacturing the
FIG. 9A to FIG. 10C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the
In FIG. 9A, first, an
次に、半導体基板1にN型のオフセット層7とP型のストッパー層9とをそれぞれ形成する。ここで、N型のオフセット層7は、例えば、フォトリソグラフィとイオン注入技術とによりリン等のN型不純物を半導体基板1に部分的に導入し、続いて、導入した不純物を半導体基板1内に熱拡散させることにより形成する。また、P型のストッパー層9は、例えば、フォトリソグラフィとイオン注入技術とによりボロン等のP型不純物を半導体基板1に部分的に導入し、続いて、導入した不純物を半導体基板1内に熱拡散させることにより形成する。なお、これらオフセット層7やP型ストッパー層9を形成するための熱拡散工程は、後述のフィールド酸化膜11の形成工程と兼用で行っても良いし、後述の他の熱拡散の工程と兼用で行っても良い。
Next, an N-type offset
次に、図9(b)に示すように、例えばLOCOS法により、半導体基板1にフィールド酸化膜11を形成する。フィールド酸化膜11を形成した後は、図示しないが、シリコン窒化(Si3N4)膜等からなる耐酸化性のマスクを半導体基板1上から取り除く。そして、半導体基板1上に絶縁膜17を形成する。この絶縁膜17の形成は、例えば半導体基板1を熱酸化することにより行う。次に、絶縁膜17が形成された半導体基板1の上方全面に例えばpoly−Si膜を形成する。このpoly−Si膜の形成は、例えばCVD(chemical vapor deposition)で行う。そして、このpoly−Si膜をパターニングして、ゲート電極19、27、35を形成する。このパターニングは、フォトリソグラフィとエッチング技術とにより行う。
Next, as shown in FIG. 9B, a
次に、図9(c)に示すように、HV−Nch領域とLV−Nch領域とを覆い、LV−Pch領域を露出するレジストパターン41を半導体基板1上に形成する。そして、このレジストパターン41をマスクに、LV−Pch領域にボロン等のP型不純物をイオン注入する。次に、レジストパターン41を除去し、その後、上記のP型不純物を熱拡散させる。これにより、図10(a)に示すように、LV−Pch領域のNウェル層3にP型のソース31及びドレイン33を形成すると共に、ゲート電極35にP型の導電性を持たせる。なお、このソース31及びドレイン33等を形成するための熱拡散工程は、後述の他の熱拡散工程と兼用で行っても良い。
Next, as illustrated in FIG. 9C, a resist
次に、図10(a)に示すように、LV−Pch領域を覆い、HV−Nch領域とLV−Nch領域とを露出するレジストパターン43を半導体基板1上に形成する。そして、このレジストパターン43をマスクに、HV−Nch領域とLV−Nch領域にリン等のN型不純物をイオン注入する。ここでは、N型不純物のドーズ量を1012〜1013[cm-2]程度に設定する。次に、レジストパターン43を除去し、その後、上記のN型不純物を熱拡散させる。これにより、HV−Nch領域にN型の低濃度層13a、15aを形成すると共に、LV−Nch領域にN型の低濃度層23a、25aを形成する。また、ゲート電極19、27にN型の導電性を持たせる。なお、この低濃度層13a、15a、23a、25a等を形成するための熱拡散工程は、後述の他の熱拡散工程と兼用で行っても良い。
Next, as shown in FIG. 10A, a resist
次に、図10(b)に示すように、ゲート電極19、27、35の側面にスペーサ21を形成する。このスペーサ21の形成は、例えば、半導体基板1上の全面にCVDで絶縁膜(SiO2膜又はSi3N4膜等)を形成し、続いて、この絶縁膜をエッチバックすることにより行う。次に、ゲート電極19、27、35上にキャップ層37を形成する。このキャップ層37の形成は、例えば、半導体基板1上の全面にCVDで絶縁膜(例えば、SiO2膜又はSi3N4膜)を形成し、続いて、この絶縁膜をパターニングすることにより行う。
Next, as shown in FIG. 10B,
次に、図10(c)に示すように、HV−Nchトランジスタ10のゲート電極19上と、LV−Pch領域を覆い、それ以外の領域を露出するレジストパターン45を半導体基板1上に形成する。そして、このレジストパターン45をマスクに、リン又はヒ素等のN型不純物をイオン注入する。ここでは、N型不純物のドーズ量を例えば1015[cm-2]程度に設定する。次に、レジストパターン45を除去し、その後、上記のN型不純物を熱拡散させる。これにより、図6に示したように、HV−Nch領域にN型の高濃度層15b及びドレイン13を形成すると共に、LV−Nch領域にN型の高濃度層23b、25bを形成する。また、これらの形成と同時に、ゲート電極27のN型不純物濃度をさらに高める。このN型不純物の導入工程では、HV−Nch領域のゲート電極19にN型不純物が導入されないので、ゲート電極19のN型不純物濃度は低く抑えられ、上述したゲート電極19の内部の空乏化が達成される。
Next, as shown in FIG. 10C, a resist
このように、本発明の実施形態によれば、HV―Nchトランジスタ10について、ゲート電極19の内部が空乏化することによりゲート電極19に容量が生じ、この容量はゲート絶縁膜の容量と直列に接続される。これにより、ゲート絶縁膜の容量が実質的に低下するため、HV−Nchトランジスタ10の閾値電圧を高くすることができる。閾値電圧の調整をチャネルドープのみを用いて行う場合と比べて、オン電流の低下(即ち、オン抵抗の増加)を抑制することができる。
この実施形態では、HV−Nchトランジスタ10が本発明の「第1MOSトランジスタ」に対応し、ゲート電極19が本発明の「第1ゲート電極」に対応している。また、ソース15が本発明の「第1ソース」に対応し、ドレイン13が本発明の「第1ドレイン」に対応している。さらに、LV−Nchトランジスタ20が本発明の「第2MOSトランジスタ」に対応し、ゲート電極27が本発明の「第2ゲート電極」に対応している。また、ソース23が本発明の「第2ソース」に対応し、ドレイン25が本発明の「第2ドレイン」に対応している。さらに、3.5〜5.5[V]の電圧が本発明の「第1の電圧」と「第2の電圧」に対応している。
As described above, according to the embodiment of the present invention, in the HV-
In this embodiment, the HV-
1 半導体基板、3 Nウェル層、5 Pウェル層、7 オフセット層、9 ストッパー層、10 HV−Nchトランジスタ(HV−トランジスタ)、11 フィールド酸化膜、15、23、31 ソース、13、25、33 ドレイン、17 絶縁膜、19、27、35 ゲート電極、20 LV−Nchトランジスタ、30 LV−Pchトランジスタ、37 キャップ層、41、43、45 レジストパターン、100 半導体装置、200 電子部品、DO ドレイン端子、R 発熱抵抗体
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第1MOSトランジスタは、
前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、
前記半導体基板に形成された第1ソース及び第1ドレインと、を有し、
前記第1ゲート電極の内部は、当該第1ゲート電極に第1の電圧が印加されて前記第1ソースと前記第1ドレインとの間に電流が流れるときに空乏化することを特徴とする半導体装置。 A first MOS transistor formed on a semiconductor substrate;
The first MOS transistor is
A first gate electrode formed on the semiconductor substrate via an insulating film;
A first source and a first drain formed on the semiconductor substrate;
The semiconductor is characterized in that the inside of the first gate electrode is depleted when a first voltage is applied to the first gate electrode and a current flows between the first source and the first drain. apparatus.
前記第2MOSトランジスタは、
前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、
前記半導体基板に形成された第2ソース及び第2ドレインと、を有し、
前記第2ゲート電極の内部は、当該第2ゲート電極に第2の電圧が印加されて前記第2ソースと前記第2ドレインとの間に電流が流れるときに空乏化しないことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 A second MOS transistor formed on the semiconductor substrate;
The second MOS transistor is
A second gate electrode formed on the semiconductor substrate via an insulating film;
A second source and a second drain formed on the semiconductor substrate;
The inside of the second gate electrode is not depleted when a second voltage is applied to the second gate electrode and a current flows between the second source and the second drain. Item 14. The semiconductor device according to Item 1.
発熱抵抗体と、を含み、
前記発熱抵抗体は、前記半導体装置の前記第1ソース又は前記第1ドレインに直列に接続されていることを特徴とする電子部品。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
A heating resistor, and
The electronic component, wherein the heating resistor is connected in series to the first source or the first drain of the semiconductor device.
半導体基板上に絶縁膜を介して第1ゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板に第1ソース及び第1ドレインを形成する工程と、を含み、
前記第1ゲート電極を形成する工程では、
前記第1ゲート電極に第1の電圧が印加されて前記第1ソースと前記第1ドレインとの間に電流が流れるときに当該第1ゲート電極の内部が空乏化するように、前記第1ゲート電極に対する不純物の導入量を調整することを特徴とする半導体装置の製造方法。 When forming the first MOS transistor on the semiconductor substrate,
Forming a first gate electrode on a semiconductor substrate via an insulating film;
Forming a first source and a first drain on the semiconductor substrate,
In the step of forming the first gate electrode,
The first gate is depleted when the first voltage is applied to the first gate electrode and a current flows between the first source and the first drain. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising adjusting an amount of impurities introduced into an electrode.
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JP2008210105A JP2010045312A (en) | 2008-08-18 | 2008-08-18 | Semiconductor device, electronic component, and method of manufacturing semiconductor device |
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JP2015201480A (en) * | 2014-04-04 | 2015-11-12 | セイコーエプソン株式会社 | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
-
2008
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