JP2010135489A - 静電気保護素子、半導体装置及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ベースとしての第1のP型拡散領域と、第1のP型拡散領域上に形成されたエミッターとしての第2のN型拡散領域と、第1のP型拡散領域上に形成されたコレクターとしての第3のN型拡散領域とを備えたNPNラテラルバイポーラトランジスタと、エミッターとしての第2のN型拡散領域と兼用されたカソードと、前記第1のN型拡散領域上に形成された第2のP型拡散領域であるアノードとを備えたトリガーダイオードとからなり、第1のN型拡散領域が第3のN型拡散領域と及び第1のP型拡散領域が第2のP型拡散領域とそれぞれ直接接し、第3のN型拡散領域が電源線に接続され、第2のN型拡散領域及び第1のP型拡散領域が接地線に接続されていることを特徴とする静電気保護素子により上記課題を解決する。
【選択図】図1
Description
静電気保護素子には、例えば、内部回路を構成する素子の破壊電圧より低い電圧で静電気保護素子が点灯することで、過大な電圧や電流が内部回路に及ばないようにしうる性能が要求される。また、電源電圧の印加時では静電気保護素子が充分に低い漏れ電流をもち、内部回路中のCMOSトランジスタのスタンバイ電流の増加させないことである。
この課題を解決する技術として、図7の概略断面図に示すような特開2001−345421号公報に記載の技術がある。図7中、115は追加N型拡散層、116は追加P型拡散層、203cは追加注入有トリガーダイオード(N+/Pwell型)を意味する。他の参照番号は、図6(A)及び(B)と同じ。
前記NPNラテラルバイポーラトランジスタが、ベースとしての前記第1のP型拡散領域と、前記第1のP型拡散領域上に形成されたエミッターとしての第2のN型拡散領域と、前記第1のP型拡散領域上に形成されたコレクターとしての第3のN型拡散領域とを備え、
前記トリガーダイオードが、カソードとアノードとを備え、前記カソードが、前記エミッターとしての第2のN型拡散領域と兼用され、前記アノードが、前記第1のN型拡散領域上に形成された第2のP型拡散領域であり、
前記第1のN型拡散領域が第3のN型拡散領域と及び前記第1のP型拡散領域が第2のP型拡散領域とそれぞれ直接接し、
前記第3のN型拡散領域が電源線に接続され、前記第2のN型拡散領域及び第1のP型拡散領域が接地線に接続されていることを特徴とする静電気保護素子が提供される。
前記NMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタが、それぞれ、ウェルと、前記ウェルの表面層にチャネルを介して位置するソース及びドレインとを備え、
前記NMOSトランジスタのウェル及びチャネルが、前記第1のP型拡散領域と同一の不純物濃度を有し、
前記NMOSトランジスタのソース及びドレインが、前記第2のN型拡散領域及び第3のN型拡散領域と同一の不純物濃度を有し、
前記PMOSトランジスタのウェル及びチャネルが、前記第1のN型拡散領域と同一の不純物濃度を有し、
前記PMOSトランジスタのソース及びドレインが、前記第2のP型拡散領域と同一の不純物濃度を有することを特徴とする半導体装置が提供される。
基体の表面層に、前記第1のP型拡散領域と、前記第1のP型拡散領域とは異なる領域に第1のN型拡散領域とを形成する工程と、
前記第1のP型拡散領域の表面層に第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とを、前記第3のN型拡散領域が前記第1のN型拡散領域と直接接するように、形成する工程と、
前記第1のN型拡散領域の表面層に第2のP型拡散領域を、前記第1のP型拡散領域と直接接するように、形成する工程と
前記第3のN型拡散領域を電源線に接続し、前記2のN型拡散領域及び第1のP型拡散領域を接地線に接続する工程と
を含むことを特徴とする静電気保護素子の製造方法が提供される。
前記第1のP型拡散領域の形成と同時に、前記NMOSトランジスタのウェルを形成し、
前記第1のN型拡散領域の形成と同時に、前記PMOSトランジスタのウェルを形成し、
前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域の形成と同時に、前記NMOSトランジスタのソース及びドレインを形成すると共に、前記ソース及びドレイン間のチャネルを規定し、
前記第2のP型拡散領域の形成と同時に、前記PMOSトランジスタのソース及びドレインを形成すると共に、前記ソース及びドレイン間のチャネルを規定することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
また、トリガーダイオードを既存のPMOSトランジスタのソース・ドレインの製造工程と同時に形成できるので、工程の増加のない静電気保護素子を提供できる。
更に、NPNラテラルバイポーラトランジスタ、トリガーダイオード及びシリコンウェハーからの引出し端子の相互の接続を、ウェル内で行うことができるので構造の簡略化と信頼性の高い静電気保護素子を提供できる。
本発明の静電気保護素子は、第1のP型拡散領域を構成要素として含むNPNラテラルバイポーラトランジスタと、第1のP型拡散領域とは異なる領域に形成された第1のN型拡散領域を構成要素として含むトリガーダイオードとからなる。P及びN型を与える不純物は、特に限定されず、拡散領域が形成される部分の材料に応じて、公知の不純物をいずれも使用できる。例えば、その部分がシリコンからなる場合、P型を与える不純物としては、ホウ素、フッ化ホウ素、砒素等が挙げられ、N型を与える不純物としては、リンが挙げられる。
また、第1のP型拡散領域は、1E19ions/cm3以下の不純物濃度を有することが好ましい。1E19ions/cm3より高い不純物濃度の場合、接合リーク電流が増加しLSIでのスタンバイ電流が増加することがある。
上記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とは、1E20ions/cm3以上の不純物濃度を有することが好ましい。1E20ions/cm3より低い不純物濃度の場合、エミッター及びコレクターの抵抗が高くなるため、NPNラテラルバイポーラトランジスタのON電流が低下し、保護素子としての機能を低下させることがある。
第2のP型拡散領域は、1E20ions/cm3以上の不純物濃度を有することが好ましい。
更に、第1のN型拡散領域が第3のN型拡散領域と直接接し、第1のP型拡散領域が第2のP型拡散領域と直接接している。第3のN型拡散領域は電源線に接続され、第2のN型拡散領域及び第1のP型拡散領域は接地線に接続されている。ここで、直接接しとは、電流が流れる程度に配線層を介することなく半導体基板又は半導体層内で接していることを意味する。
あるいは、第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とを、ゲート電極により、電気的に分離してもよい。ゲート電極は、第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とを、平面視で、第1のP型拡散領域を介して配置した場合、第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域との間の前記第1のP型拡散領域上に形成できる。ゲート電極の下部にはゲート絶縁膜が形成されている。また、ゲート電極の側壁にはサイドウォールスペーサーが形成されていてもよい。ゲート電極、ゲート絶縁膜及びサイドウォールスペーサーに使用できる材料は、特に限定されず、公知の材料をいずれも使用できる。
第1のP型拡散領域と、第2のP型拡散領域と、第2のN型拡散領域と、第3のN型拡散領域とが、シリコンを含む場合、これら領域上の一部又は全部にシリサイド層を更に積層してもよい。シリサイド層を積層することで、これら領域への電圧の印加を効果的に行うことができる。シリサイド層としては、チタン、タングステン、コバルト等の高融点金属のシリサイドからなる層が挙げられる。
なお、上記において不純物濃度は、ピーク濃度を意味する。
静電気保護素子は、以下のように製造できる。
まず、基体の表面層に、第1のP型拡散領域と、第1のP型拡散領域とは異なる領域に第1のN型拡散領域とを形成する。基体とは、上記半導体基板又は、基板と半導体層の積層体を意味する。
次に、第1のP型拡散領域の表面層に第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とを、第3のN型拡散領域が第1のN型拡散領域と直接接するように、形成する。
更に、第1のN型拡散領域の表面層に第2のP型拡散領域を、第1のP型拡散領域と直接接するように、形成する。
次いで、第3のN型拡散領域を電源線に接続し、第2のN型拡散領域及び第1のP型拡散領域を接地線に接続する。
以上の工程により、静電気保護素子を製造できる。上記拡散領域は、静電気保護素子の項で説明した不純物濃度になるように注入エネルギー及びイオン注入量を設定することで形成できる。
即ち、ゲート電極を形成した後、ゲート電極をマスクとして、イオン注入することにより第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とを形成すれば、両領域を自己整合的に形成できる。
半導体装置は、上記静電気保護素子と、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタとからなるCMOSトランジスタとを少なくとも備えている。
NMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタは、それぞれ、ウェルと、前記ウェルの表面層にチャネルを介して位置するソース及びドレインとを備えている。
NMOSトランジスタのウェル及びチャネルは、第1のP型拡散領域と同一の不純物濃度を有し、NMOSトランジスタのソース及びドレインは、第2のN型拡散領域及び第3のN型拡散領域と同一の不純物濃度を有し、PMOSトランジスタのウェル及びチャネルが、第1のN型拡散領域と同一の不純物濃度を有し、PMOSトランジスタのソース及びドレインが、第2のP型拡散領域と同一の不純物濃度を有している。
従って、上記半導体装置は、静電気保護素子とCMOSトランジスタとを工程数を少なくして製造可能な構成を有している。
CMOSトランジスタは、固体撮像装置として使用することが好適である。従って、固体撮像装置に必要な部材(例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、カラーフィルタ、レンズ等)を、上記半導体装置は備えていてもよい。
半導体装置を構成する静電気保護素子とCMOSトランジスタとを構成する同一の不純物濃度を有する領域は、まとめて形成できる。具体的には、
第1のP型拡散領域の形成と同時に、NMOSトランジスタのウェルを形成し、
第1のN型拡散領域の形成と同時に、PMOSトランジスタのウェルを形成し、
第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域の形成と同時に、NMOSトランジスタのソース及びドレインを形成すると共に、ソース及びドレイン間のチャネルを規定し、
第2のP型拡散領域の形成と同時に、PMOSトランジスタのソース及びドレインを形成すると共に、ソース及びドレイン間のチャネルを規定する
ことにより製造できる。
また、第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とを、ゲート電極で電気的に分離する場合、そのゲート電極は、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタとを構成するゲートと同時に形成することができる。
(5)実施の形態
(第1の実施の形態)
図1に静電気保護素子の概略平面図を示す。図1では、静電気保護素子の配線は、除かれている。更に、図1の切断線A−A’及び切断線B−B’での概略断面図をそれぞれ、図1A及び図1Bに示す。図中、100はシリコン基板(P−Sub)、101は第1のP型拡散領域(Pウェル/ベース)、102は第1のN型拡散領域(Nウェル)、103は素子分離酸化膜、108はコンタクト、109はメタル配線層、110は第3のN型拡散領域(コレクター/NMOSソースドレイン)、111はベース部、112は第2のN型拡散領域(エミッター/NMOSソースドレイン)、113は第2のP型拡散領域(アノード/PMOSソースドレイン)、114はベース端子用P型拡散領域、201はNPN(寄生)ラテラルバイポーラトランジスタ(寄生バイポーラトランジスタともいう)、202はウェル抵抗、203aはトリガーダイオード(P+/Nwell型)を意味する。
また、寄生バイポーラトランジスタ201のベース部111は、NMOSトランジスタのウェル(Pウェル:101)と同時に形成されている。ベース端子用P型拡散領域114及びエミッター112は、グランウンド電位(GND)に繋がり、コレクター110はグランウンド電位に対して正電位となる電源線(VDD線)もしくは入出力パッドに繋がる。
また、図1Aと図1B中のX1とX1’は同じ第1のP型拡散領域101と、Y1とY1’は同じ第1のN型拡散領域102と、それぞれ電気的に接続されている。
例えば、入出力パッドから入った静電気の正の電荷によるサージはメタル配線層109を通してコレクター110の電位を上げる。次に、シリコン基板内部で電気的に接続されている第2のN型拡散領域、つまりトリガーダイオードのカソード112の電位を上げる。カソード112の電位がトリガーダイオード203aにアバランシェ降伏を生じさせ、急激に電流I1がトリガーダイオード203aのアノード113側に流れる。電流I1はトリガーダイオード203aのアノード113、つまり第2のP型拡散領域から、シリコン基板内部で電気的に接続されている第1のP型拡散領域、つまりPウェル101に流れ、更にベース端子用P型拡散領域114からグランウンド端子に流れ込む。このとき、寄生バイポーラトランジスタ201のベース部111からベース端子用P型拡散領域までの第1のP型拡散領域101のウェル抵抗202の抵抗値R1と電流I1の積に等しい電圧が、寄生NPNバイポーラトランジスタ201のベース部111の電位:Vbを上昇させる。電位:Vbが約0.6V以上となったときに、寄生バイポーラトランジスタ201が点灯する。点灯の結果、静電気の電荷をグランウンド端子に放電させることができ、CMOSトランジスタの内部回路をサージによる破壊から保護できる。
更に、P+/Nwell型のダイオード203aと寄生バイポーラトランジスタ201の接続をシリコン基板内部で行うことで、構造の簡略化と金属系材料を用いた配線より高い信頼性が得られる。
フォトレジスト153を除去後、図2−4(a)〜(d)に示すように、ベース端子用P型拡散領域を除くNPNラテラルバイポーラトランジスタ部及びNMOSトランジスタ部が開口されたフォトレジスト154をマスクとし、イオン注入法でNMOSLDD領域121及びNMOSHALO注入領域122を形成する。例えばLDD領域はヒ素を5KeVで1E15/cm2の条件で注入することで形成し、HALO領域はボロンを20KeV、2.5E13/cm2でのイオン注入を、25度の傾斜角で90度毎の4回転ステップさせる条件で行うことで形成する。
以上の工程により、静電気保護素子を含む半導体装置を形成できる。
図3に静電気保護素子の概略平面図を示す。図3では、静電気保護素子の配線は、除かれている。更に、図3の切断線A−A’及び切断線B−B’での概略断面図をそれぞれ、図3A及び図3Bに示す。図3、104はゲート絶縁膜、105はゲート電極、106はサイドウォールスペーサーを意味する。他の参照番号は、図1と同じ。
第1の実施の形態からの変更点は、NPNラテラルバイポーラトランジスタのエミッター112、ベース101、コレクター110の分離を素子分離酸化膜103に代えてゲート電極105で行っていることである。静電気保護素子の動作は、第1の実施の形態と同様である。
図4−1(a)〜(d)に示すように、シリコン基板100上に公知の方法を用いて素子分離酸化膜103を、例えば300nmの膜厚で形成し、NPNラテラルバイポーラトランジスタ部及びNMOSトランジスタ部の所定の領域が開口されたフォトレジスト151をマスクとし、P型不純物、例えばボロンを200KeVで2E13/cm2及び30KeVで1.5E13/cm2の条件でシリコン基板にイオン注入し、Pウェル及びNMOSチャネル注入領域となる第1のP型拡散領域101を形成する。
以上の工程により、静電気保護素子を含む半導体装置を形成できる。
第2の実施の形態では、第1の実施の形態に比べて、NPNラテラルバイポーラトランジスタのベース距離を小さくできるために、静電気保護素子の点灯時の抵抗を小さくできる。
101 第1のP型拡散領域(Pウェル/ベース)
102 第1のN型拡散領域(Nウェル)
103 素子分離酸化膜
104 ゲート絶縁膜
105 ゲート電極
106 サイドウォールスペーサー
107 シリサイド膜
108 コンタクト
109 メタル配線層
110 第3のN型拡散領域(コレクター/NMOSソースドレイン)
111 ベース部
112 第2のN型拡散領域(エミッター/NMOSソース・ドレイン/カソード)
113 第2のP型拡散領域(アノード/PMOSソースドレイン)
114 ベース端子用P型拡散領域
115 追加N型拡散層
116 追加P型拡散層
122 NMOSHALO領域
123 PMOSLDD領域
124 PMOSHALO領域
151〜157 フォトレジスト
200 静電気保護素子
201 NPN(寄生)ラテラルバイポーラトランジスタ
202 ウェル抵抗
203 トリガーダイオード
203a トリガーダイオード(P+/Nwell型)
203b トリガーダイオード(N+/Pwell型)
203c 追加注入有トリガーダイオード(N+/Pwell型)
204 PMOSトランジスタ
205 NMOSトランジスタ
206 保護ダイオード
207 入出力パッド
208 内部回路
209 放電の経路
Claims (15)
- 第1のP型拡散領域を構成要素として含むNPNラテラルバイポーラトランジスタと、前記第1のP型拡散領域とは異なる領域に形成された第1のN型拡散領域を構成要素として含むトリガーダイオードとからなり、
前記NPNラテラルバイポーラトランジスタが、ベースとしての前記第1のP型拡散領域と、前記第1のP型拡散領域上に形成されたエミッターとしての第2のN型拡散領域と、前記第1のP型拡散領域上に形成されたコレクターとしての第3のN型拡散領域とを備え、
前記トリガーダイオードが、カソードとアノードとを備え、前記カソードが、前記エミッターとしての第2のN型拡散領域と兼用され、前記アノードが、前記第1のN型拡散領域上に形成された第2のP型拡散領域であり、
前記第1のN型拡散領域が第3のN型拡散領域と及び前記第1のP型拡散領域が第2のP型拡散領域とそれぞれ直接接し、
前記第3のN型拡散領域が電源線に接続され、前記第2のN型拡散領域及び第1のP型拡散領域が接地線に接続されていることを特徴とする静電気保護素子。 - 前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とが、1E20ions/cm3以上の不純物濃度を有する請求項1に記載の静電気保護素子。
- 前記第1のP型拡散領域が、1E19ions/cm3以下の不純物濃度を有する請求項1又は2に記載の静電気保護素子。
- 前記第2のN型拡散領域が、前記第2のP型拡散領域より低い不純物濃度を有する請求項1〜3のいずれか1つに記載の静電気保護素子。
- 前記第1のN型拡散領域が、5E19ions/cm3以下の不純物濃度を有する請求項1〜4のいずれか1つに記載の静電気保護素子。
- 前記第2のP型拡散領域が、1E20ions/cm3以上の不純物濃度を有する請求項1〜5のいずれか1つに記載の静電気保護素子。
- 前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とが、素子分離酸化膜により電気的に分離されている請求項1〜6のいずれか1つに記載の静電気保護素子。
- 前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とが、平面視で、前記第1のP型拡散領域を介して配置され、前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域との間の前記第1のP型拡散領域上に、前記ゲート電極を備え、前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とが、前記ゲート電極により、電気的に分離されている請求項1〜6のいずれか1つに記載の静電気保護素子。
- 前記第1のP型拡散領域と、前記第2のP型拡散領域と、前記第2のN型拡散領域と、前記第3のN型拡散領域とが、シリコンを含み、これら領域上の一部又は全部にシリサイド層を更に備える請求項1〜8のいずれか1つに記載の静電気保護素子。
- 請求項1〜9のいずれか1つに記載の静電気保護素子と、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタとからなるCMOSトランジスタとを備え、
前記NMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタが、それぞれ、ウェルと、前記ウェルの表面層にチャネルを介して位置するソース及びドレインとを備え、
前記NMOSトランジスタのウェル及びチャネルが、前記第1のP型拡散領域と同一の不純物濃度を有し、
前記NMOSトランジスタのソース及びドレインが、前記第2のN型拡散領域及び第3のN型拡散領域と同一の不純物濃度を有し、
前記PMOSトランジスタのウェル及びチャネルが、前記第1のN型拡散領域と同一の不純物濃度を有し、
前記PMOSトランジスタのソース及びドレインが、前記第2のP型拡散領域と同一の不純物濃度を有することを特徴とする半導体装置。 - 前記CMOSトランジスタが、固体撮像装置である請求項10に記載の半導体装置。
- 請求項1〜9のいずれか1つに記載の静電気保護素子の製造方法であって、
基体の表面層に、前記第1のP型拡散領域と、前記第1のP型拡散領域とは異なる領域に第1のN型拡散領域とを形成する工程と、
前記第1のP型拡散領域の表面層に第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とを、前記第3のN型拡散領域が前記第1のN型拡散領域と直接接するように、形成する工程と、
前記第1のN型拡散領域の表面層に第2のP型拡散領域を、前記第1のP型拡散領域と直接接するように、形成する工程と
前記第3のN型拡散領域を電源線に接続し、前記2のN型拡散領域及び第1のP型拡散領域を接地線に接続する工程と
を含むことを特徴とする静電気保護素子の製造方法。 - 前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とが、平面視で、前記第1のP型拡散領域を介して配置され、前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域との間の前記第1のP型拡散領域上に、前記ゲート電極を備え、前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とが、前記ゲート電極により、電気的に分離されており、
前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とを、前記ゲート電極をマスクとして、自己整合的に形成する請求項12に記載の静電気保護素子の製造方法。 - 請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第1のP型拡散領域の形成と同時に、前記NMOSトランジスタのウェルを形成し、
前記第1のN型拡散領域の形成と同時に、前記PMOSトランジスタのウェルを形成し、
前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域の形成と同時に、前記NMOSトランジスタのソース及びドレインを形成すると共に、前記ソース及びドレイン間のチャネルを規定し、
前記第2のP型拡散領域の形成と同時に、前記PMOSトランジスタのソース及びドレインを形成すると共に、前記ソース及びドレイン間のチャネルを規定することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とが、平面視で、前記第1のP型拡散領域を介して配置され、前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域との間の前記第1のP型拡散領域上に、前記ゲート電極を備え、前記第2のN型拡散領域と第3のN型拡散領域とが、前記ゲート電極により、電気的に分離されており、
前記ゲート電極を、前記NMOSトランジスタとPMOSトランジスタとを構成するゲートと同時に形成する請求項14に記載の半導体装置の製造方法。
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