JP2010258396A - Mos型半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】LOCOS膜18上に窒化膜18を形成し、窒化膜14上にPBSG膜10を形成する。窒化膜14の屈折率を2.0〜2.1とし、膜厚を0.1μm〜0.5μmとすることで半絶縁性薄膜にする。γ線でLOCOS膜18内に発生した電子―正孔対のうち移動度が小さい正孔31を窒化膜14を通してソース電極12に逃がし、LOCOS膜18にできる正の固定電荷33の蓄積量を抑制する。このように3層構造とすることで耐放射線特性の改善と高耐圧化が図れる。
【選択図】 図1
Description
このようなMOS型半導体装置にγ線などの電離性放射線を照射すると、LOCOS膜中やゲート酸化膜中に電子−正孔対が発生する。MOS型半導体装置に電圧が印加されると、発生した電子はプラス極(ドレイン電極側)に、正孔はマイナス極(ソース電極側)に向かって酸化膜中を移動することになる。
酸化膜中の電子は移動度が大きいため、速やかにドレイン側に移動して酸化膜から抜き取られる。一方、酸化膜中の正孔は移動度が小さいため、酸化膜中にある正孔トラップにトラップされ正の固定電荷となって蓄積する。あるいは、シリコン−酸化膜界面の結合を切って界面準位を発生させる。
電子−正孔対の発生量は酸化膜の厚さに比例する。厚さ25nm以下の薄いゲート酸化膜ではその発生量は小さいが、素子分離膜やフィールド酸化膜に用いられるLOCOS膜などの厚い酸化膜では、その膜の厚さは0.8μm以上にもなるため、正の固定電荷の蓄積量や界面準位の発生量が多くなり、その結果として特性劣化が著しくなる。
図11は、MOSFETの要部構成図であり、同図(a)は要部平面図、同図(b)は同図(a)のY1−Y1線で切断した要部断面図、同図(b)は同図(a)のY2−Y2線で切断した要部断面図である。
同図(a)において、半導体チップ1の表面部分にはドレイン部2を、このドレイン部2と対向する部分にはソース部3を配置する。この平面図は説明のための便宜的な図であり、ドレイン部2とソース部3は島状とした。またドレイン部2に形成されるドレイン電極13およびソース部2に形成されるソース電極12も島状である。実際の素子では、ドレイン部2とソース部3の平面パターンはくしの歯状に互いに入り組んでいる場合が多く、島状のドレイン電極13は実際は一つのドレイン電極で繋がっており、島状のソース電極12も実際は一つのドレイン電極で繋がっている場合が多い。
尚、LOCOS膜9およびLOCOS膜18は同時に形成され繋がっている。また、ソース部3は高濃度p型拡散層8と高濃度n型拡散層7で構成され、ドレイン部2は高濃度n型拡散層17で構成される。
図13は、図11の構成においてγ線照射により、5×1011cm-2の正の固定電荷がLOCOS膜内で素子周辺部に生じた場合の電界集中箇所を示す図であり、同図(a)は平面図、同図(b)は同図(a)のY3−Y3線で切断した断面図である。
素子全面にγ線を照射した場合に、LOCOS膜18内に発生した電子−正孔対のうち電子は移動度が大きいのでLOCOS膜18外へ素早く逃げて行く。しかし、正孔は移動度が小さいためLOCOS膜18内でトラップされ正の固定電荷33となる。チップコーナー部23では面積が広いため、電子−正孔対の発生総数が多く、そのために、チップコーナー部23に正の固定電荷33が多数存在することになる。図12において正の固定電荷33が素子周辺部(チップコーナー部23)に生じるようにしたのはそれを模擬したためである。
電位分布のシミュレーションの結果、図13に示すチップコーナー部23の表面のC点(図12のA点に相当する箇所)での電位は47Vとなり、γ線を照射しない時より17V上昇した。また、耐圧は43V低下して120Vとなり、ブレイクダウンポイントは、ソース部3の外周表面部分D点に移動した。
これは、正の固定電荷33の蓄積により、ソース部3の端部にブレイクダウンポイントが移動し耐圧が低下したものである。
この対策として、例えば特許文献1に開示されている。それによると、薄い酸化膜(数十nm程度の薄い酸化膜と推定される)とBPSG膜の積層構造を用いている。BPSG膜は、膜中に多量の再結合中心や電子・正孔トラップを有しており、放射線で発生した電子−正孔対はこれらに捕らえられる。そのため、BPSG膜内にトラップに捕らえられた電子や正孔は互いに相殺して電気的に中性状態となりチャージ現象は発生しない。また、薄い酸化膜では正孔が電子より勝ってトラップされるが、厚みが薄いため全体からみれば極僅かであり無視できる。
図14は、集積回路を構成するn型MOSFETの要部平面図である。LOCOS膜59で囲まれた活性領域51内にソース領域52とドレイン領域53を、活性領域51を跨ぐ形でゲート電極54を配置する。
図15は、図14のA−A線で切断した要部断面図、図16は、図14のB−B線で切断した要部断面図である。
このMOSFETは、p型シリコン基板55に形成したp型拡散層56、高濃度n型拡散層であるソース領域52、高濃度n型拡散層であるドレイン領域53、p型拡散層56の表面層に選択的に形成されp型拡散層56より不純物濃度が高くソース領域52やドレイン領域53より低い中濃度p型拡散層58、LOCOS膜59、ソース領域52とドレイン領域53に挟まれたp拡散領域56上に形成されたゲート絶縁膜60、ゲート絶縁膜60上に形成されたゲート電極54、表面を被覆する保護膜61から成り立っている。
また、放射線照射による電荷発生量は酸化膜の厚さに比例する。ゲート端部で保護膜として、例えば、HTO、BPSGおよびTEOS(テトラエトキシシラン)等、合計厚さ2μmの酸化膜を堆積するため、ゲート端からの電界により、前記酸化膜に発生した電荷の影響が無視できなくなる。
対策としては、n型半導体素子の場合には、LOCOS膜59下のp型不純物濃度を高める方法が有効であり、トータルドーズ量として1kGy程度まではリーク電流の増加が抑えられる。ただし、耐圧の低下が避けられない。耐圧はp型不純物の表面濃度が約5×1016cm-3の時、12.0V、約1×1017cm-3の時9.6Vであった。
ガンマ線照射前のしきい値電圧は0.66V、ドレイン耐圧は12.0V、リーク電流は1.0pAであった。ガンマ線照射後のしきい値電圧は0.60V、リーク電流は200nA、ドレイン耐圧は12.0Vであった。しきい値電圧は60mV低下し、リーク電流は5桁程度増加した。耐圧は変化しなかった。
耐放射線性向上対策が特許文献1に開示されている。薄い酸化膜とBPSG膜の積層構造を用いている。BPSG膜は、膜中に多量の再結合中心や電子、正孔トラップを有しており、発生した電子−正孔対はこれらに捕らえられるため、電荷が蓄積しにくい。したがって特性変動も生じにくいため高い耐放射線性を示す。また、シリコン界面には厚さ30nm程度の熱酸化膜を形成しているためリーク電流の増加も防止できる効果がある。
また、特許文献3では、フィールド酸化膜上に窒化シリコン膜を形成し、さらにその上に酸化シリコン膜を形成することで、耐放射線特性に優れた半導体装置を形成できることが記載されている。
また、特許文献4では、熱酸化膜上にシリコン酸化膜もしくはリンガラスとシリコン窒化膜を交互に形成することで、耐放射線特性に優れた半導体装置を形成できることが記載されている。
また、特許文献6では、フィールド酸化膜内にアモルファスシリコン層を形成することで、耐放射線特性に優れた半導体装置を形成できることが記載されている。
また、特許文献7では、パッシベーション膜である層間絶縁膜とモールド樹脂である封止用樹脂層の間にカーボン不連続薄膜を挿入することで、封止用樹脂層と層間絶縁膜の界面に蓄積する可動イオンをカーボンや金属の不連続薄膜を介して中性化し、この可動イオンによるMOSFETの耐圧変動を防止することが記載されている。
また、特許文献8では、積層構造の保護絶縁膜として、引張り応力を有する熱CVD法による保護窒化膜の上に圧縮応力を有するプラズマCVD法による保護酸化膜或いは保護窒化膜を形成することで、水分の浸入により形成される電子や正孔のトラップ準位を減少させ、水分自体の進入も阻止できることが記載されている。
また、放射線量が増大した場合には、放射線で発生した電荷がトラップされずに表面を反転させて、リーク経路が形成されるため、高耐圧のMOS型半導体装置を製作することは困難である。
また、特許文献2〜6,8では、絶縁膜上に、屈折率を規定した半絶縁性窒化膜やnmオーダー以下の膜厚のカーボン薄膜でできた半絶縁性薄膜などを形成し、この半絶縁性薄膜をソース電極に接続することで、耐放射線特性に優れた半導体装置を形成することについては記載されていない。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、耐放射線特性の改善と高耐圧化が図れるMOS型半導体装置を提供することにある。
特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、請求項1記載の発明において、前記絶縁膜が、LOCOS膜または熱酸化膜であるとよい。集積回路が形成された場合の絶縁膜としてはLOCOS膜が多用される。一方、微細加工を必要としない単独デバイスの場合の絶縁膜としては熱酸化膜を用いることが多い。
特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記薄膜が、前記半導体基板上に配置され前記MOS半導体装置を構成するソース部およびドレイン部を取り囲むように配置されるとよい。こうすることで、ソース部、ドレイン部を薄膜で取り囲むことで絶縁膜に発生した電荷を効果的に除去したり固定したりすることができる。
特許請求の範囲の請求項5記載の発明によれば、請求項4記載の発明において、前記薄膜が、半絶縁性薄膜であるとよい。このような屈折率とすることで適正な抵抗率が得られる。
特許請求の範囲の請求項6記載の発明によれば、請求項5記載の発明において、前記半絶縁性薄膜が、屈折率が2.0〜2.1の窒化膜または負の固定電荷を発生させる膜のいずれかであるとよい。
特許請求の範囲の請求項7記載の発明によれば、請求項4記載の発明において、前記薄膜が、導電性薄膜であるとよい。
特許請求の範囲の請求項9記載の発明によれば、請求項8記載の発明において、前記高融点金属薄膜が、タングステン薄膜、チタン薄膜またはクロム薄膜のいずれかであるとよい。
特許請求の範囲の請求項10記載の発明によれば、請求項1〜9のいずれか一項に記載の発明において、前記絶縁膜上に前記薄膜を介して該薄膜より抵抗率が高い第2絶縁膜を形成するとよい。
p型シリコン基板4の表面層に低濃度p型拡散層5(p型ウェル領域)とこの低濃度p型拡散層5と離して低濃度n型拡散層6(n型オフセット領域)を形成する。低濃度p型拡散層5の表面層に高濃度n型拡散層7(n型ソース領域)と高濃度p型拡散層8(p型コンタクト領域)を形成し、低濃度n拡散層6の表面層に高濃度n拡散層17(n型ドレイン領域)を形成する。
高濃度n型拡散層7と低濃度n型拡散層6に挟まれた低濃度p型拡散層5上とp型シリコン基板上のゲート絶縁膜19(例えば、ゲート酸化膜)を介してLOCOS膜18上に延在させてゲート電極11を形成する。
LOCOS膜18の表面に高濃度p型拡散層8に接するように窒化膜14を形成する。この窒化膜14上とゲート電極11上とLOCOS膜9上に厚さが0.6μm程度のBPSG膜10を形成し、このBPSG膜10にコンタクトホール20を形成する。前記のBPSG膜10の膜厚は信頼性の観点から0.4μm〜1μmの範囲が好ましい。
尚、前記の高濃度n型拡散層7はn型ソース領域であり、高濃度n型拡散層17はn型ドレイン領域であり、高濃度p型拡散層8はp型コンタクト領域である。また、低濃度p型拡散層5はp型ウェル領域であり、低濃度n型拡散層6はn型オフセット領域である。
窒化膜14の膜厚と屈折率を所定の値にすることで半絶縁性薄膜にできる。γ線照射中にLOCOS膜18に発生した正孔31を、窒化膜14から高濃度p型拡散層8を通りソース電極12に達する経路25で引き抜くことができる。その結果、LOCOS膜18内に正の固定電荷33が蓄積するのを大幅に減少させることができる。また、図示しないがBPSG膜10に図示しないコンタクトホールを形成してソース電極12に窒化膜14を電気的に直接接続させるとさらに効果的である。
尚、この実施例では、屈折率2.0の窒化膜14を用いたが、屈折率の範囲は2.0以上で2.1以下であれば良い。この窒化膜14の屈折率はシリコンの組成比率が増大すると(シリコンリッチになると)大きくなり、窒化膜14の抵抗率は低下する。
この屈折率が2.0未満になるとシリコンの組成比率が小さくなるため、抵抗率が高くなり、正孔31の引き抜きが悪くなりBPSG膜18内に正の固定電荷33が蓄積する。また、界面準位も増える。そのため、耐圧低下と漏れ電流の増大を招く。
前記の条件の窒化膜14を選定することで、素子に定格電圧を印加した時に半絶縁性薄膜である窒化膜14に流れる電流は1pA〜1nA程度になる。つまり、定格電圧印加時に窒化膜14に流れる電流を1pA〜1nAになるように窒化膜14の抵抗率を設定すればLOCOS膜18内での正の固定電荷33の蓄積を大幅に減少させることができる。さらに好ましくは、窒化膜14に流れる電流を1pA〜100pAとするとよい。
LOCOS膜18とBPSG10の間に平均膜厚が0.1nmの導電性薄膜であるカーボン薄膜15を形成した。本実施例での耐圧低下は15Vとなり、従来例より改善されている。また、リーク電流は従来と同じレベルであった。
本実施例では、カーボンの薄膜15を平均膜厚が0.5nmとなるようにスパッタ法を用いて形成した。このカーボンの他に、例えば、タングステン、チタンあるクロムなどの高融点金属を用いても良い。
これらはLOCOS膜18との濡れ性が一般的に悪いため、膜形状とはならず、孤立的な粒子形状となるため、高い抵抗率を実現することが出来る。正孔31はカーボン粒子が繋がった箇所(図示せず)を通って引き抜かれる。前記の平均膜厚とは、孤立した粒子全体が表面全域に均一に広がったと仮定したときの高さ(膜厚)をいう。
また、平均膜厚が0.1nm未満になると抵抗率が高過ぎて、LOCOS膜18からの正孔31の引き抜きが悪く、LOCOS膜18内に固定電荷量が蓄積する。一方、平均膜厚が0.5nm超になると抵抗率が小さくなり過ぎて素子の漏れ電流が増大する。
薄膜の形成方法としては、スパッタ法を用いているが、これはイオン注入法を用いても良い。カーボンのドーズ量は、5×1011atom/cm2〜1×1013atom/cm2とすれば良い。この条件のカーボン薄膜15とすることで、定格電圧印加時にカーボン薄膜15を流れる電流は1pA〜1nA程度になる。
本実施例では、LOCOS膜18とBPSG10の間に厚さ0.2μm程度の絶縁性薄膜であるHTO膜16を形成した。HTO膜16は、成膜後に負に帯電しやすいため、膜内に負の固定電荷32を存在させることができる。その結果、LOCOS膜18/HTO膜16/BPSG膜10からなるシリコン界面の固定電荷を負にオフセットする事ができ、LOCOS膜18の正の固定電荷33を相殺して、結果として正の固定電荷33の影響を低減することが出来る。
また、リーク電流は従来と同じレベルであった。また、この条件のHTO膜16を選定することで、定格電圧印加時にHTO膜16に流れる電流は1pA〜1nA程度になる。つまり、定格電圧印加時にHTO膜16に流れる電流を1pA〜1nAになるようにHTO膜16の膜厚を変えて適正な抵抗率に設定すればLOCOS膜18内での正の固定電荷33の影響を大幅に減少できる。さらに好ましくは、HTO膜16に流れる電流を1pA〜100pAとするとよい。
図4は集積回路を構成するn型MOSFETの簡略化した平面構造であり、活性領域51内にソース領域52とドレイン領域53を、活性領域をまたぐ形でゲート電極54を配置する。図4ではLOCOS膜59やソース電極64およびドレイン電極65は省略されている。
また、p型拡散層56の表面層に選択的に形成されp型拡散層56より不純物濃度が高くソース領域52およびドレイン領域53の不純物濃度より低く形成された中濃度p型拡散層58(例えば、不純物濃度が1×1017cm-3程度)と、活性領域51を囲むLOCOS膜59と、ソース領域52およびドレイン領域53に接触部で接しゲート周囲部のLOCOS膜59上に形成される半絶縁性窒化膜62とで構成される。この半絶縁性窒化膜62はソース領域52を介してソース電極64やドレイン領域53を介してドレイン電極65に電気的に接続する。
ゲート電極53となるポリシリコン膜を厚さ0.6μm形成した後に、LOCOS膜59上に厚さ0.1μm、屈折率2.0の半絶縁性窒化膜62を形成する。その後、半絶縁性窒化膜62上に、HTO膜とBPSG膜とをこの順に積層した保護膜61を厚さ1μm形成する。この保護膜61は、実施例1〜3のようにBPSG膜であってもよいし、その他の絶縁膜であっても構わない。また、実施例1〜3においても、BPSG膜10の代わりに、この実施例の保護膜61を用いることができるし、その他の絶縁膜を用いてもよい。半絶縁性窒化膜62は前記したようにソース領域52およびドレイン領域53と接触部で接続する。尚、半絶縁性窒化膜62はソース領域52のみに接続しても構わない。
また、半絶縁性窒化膜62の代わりに、0.1nm厚みのカーボン薄膜などを用いてもよい。また、カーボン薄膜をスパッタ法で0.5nmの厚みにして導電性薄膜を形成しこれを用いても同様の効果が得られる。そのため、カーボン薄膜を用いた場合の膜厚としては0.1nm以上で0.5nm以下とするとよい。また、イオン注入でカーボン薄膜を形成する場合には、カーボンのドーズ量(打ち込み量)を5×1011atom/cm2〜1×1013atom/cm2とすれば良い。この条件のカーボン薄膜とすることで、定格電圧印加時にカーボン薄膜を流れる電流は1pA〜1nA程度になる。さらに好ましくは、カーボン薄膜を流れる電流を1pA〜100pAとするとよい。
図7は、コバルト60をγ線源とする放射線の照射前後のNMOSFETのしきい値特性を示す図である。半絶縁性薄膜として0.1μm厚さで屈折率が2.0の半絶縁性窒化膜62を用いた場合である。
また、前記した絶縁性窒化膜62の代わりにカーボン薄膜を用いた場合も同様の結果が得られた。
本発明を適用することで、これらゲート周囲部の電荷蓄積を防止できるため、リーク電流の増大や耐圧の低下を伴わずに放射線特性の向上が図れる。
また、図9は図8の変形例で、半絶縁性窒化膜62がドレイン領域53の周囲の一部を被覆していない場合の例である。このような場合でもゲート周囲部が半絶縁性窒化膜62で被覆され、ソース領域52に電気的に接続していれば図8の場合と同じ効果が得られる。
実施例4と異なるのは、半絶縁性窒化膜62の下に形成されるLOCOS膜59を熱酸化膜63に代えた点である。この場合は半絶縁性窒化膜62は直接ソース電極64およびドレイン電極65に接続する。またゲート電極54上に保護膜61(層間絶縁膜を含む)が形成されている。
また、半絶縁性窒化膜62下に形成される熱酸化膜63は、シリコン表面を水蒸気雰囲気で高温に晒し、厚い酸化膜をシリコン表面の全域に形成し、その後でパターニングして形成される。前記のLOCOS膜9,18は窒化膜をマスクにシリコン表面を水蒸気雰囲気で高温に晒し、選択的に形成される厚い酸化膜のことである。実施例1〜3において、LOCOS膜9,18を熱酸化膜63に代えた場合にも実施例1〜3で説明した効果と同様の効果が得られる。
2 ドレイン部
3 ソース部
4 p型シリコン基板
5 低濃度p型拡散層
6 低濃度n型拡散層
7、17 高濃度n型拡散層
8 高濃度p型拡散層
9、18、59 LOCOS膜
10 BPSG膜
11、54 ゲート電極
12、64 ソース電極
13、65 ドレイン電極
14 窒化膜
15 カーボン薄膜
16 HTO膜
19、60 ゲート絶縁膜
20 コンタクトホール
21 チップ端部
22 チップ周辺部
23 チップコーナー部
25 経路
31 正孔
32 負の固定電荷
33 正の固定電荷
51 活性領域
52 ソース領域
53 ドレイン領域
55 p型シリコン基板
56 p型拡散層
58 中濃度p型拡散層
61 保護膜
62 半絶縁性窒化膜
63 熱酸化膜
64 ソース電極
65 ドレイン電極
Claims (10)
- MOS型半導体装置において、半導体基板上に配置された絶縁膜と、該絶縁膜上に配置された該絶縁膜より抵抗率の低い薄膜とを有し、該薄膜がソース電極または該ソース電極とドレイン電極の両電極に電気的に接続することを特徴とするMOS型半導体装置。
- 前記絶縁膜が、LOCOS膜または熱酸化膜であることを特徴とする請求項1に記載のMOS型半導体装置。
- 前記薄膜が、前記半導体基板上に配置され前記MOS半導体装置を構成するソース部およびドレイン部を取り囲むように配置されることを特徴する請求項1に記載のMOS型半導体装置。
- 前記薄膜は、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間に素子の定格電圧を印加した時1pA〜1nAの電流が流れる抵抗率であることを特徴とする請求項1に記載のMOS型半導体装置。
- 前記薄膜が、半絶縁性薄膜であることを特徴とする請求項4に記載のMOS型半導体装置。
- 前記半絶縁性薄膜が、屈折率が2.0〜2.1の窒化膜または負の固定電荷を発生させる膜のいずれかであることを特徴とする請求項5に記載のMOS型半導体装置。
- 前記薄膜が、導電性薄膜であることを特徴とする請求項4に記載のMOS型半導体装置。
- 前記導電性薄膜が、平均膜厚が0.1nm〜0.5nmのカーボン薄膜または高融点金属薄膜であることを特徴とする請求項7に記載のMOS型半導体装置。
- 前記高融点金属薄膜が、タングステン薄膜、チタン薄膜またはクロム薄膜のいずれかであることを特徴とする請求項8に記載のMOS型半導体装置。
- 前記絶縁膜上に前記薄膜を介して該薄膜より抵抗率が高い第2絶縁膜を形成することを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のMOS型半導体装置。
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