JP2011091159A - Horizontal semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、横型の半導体装置と、その製造方法に関する。 The present invention relates to a horizontal semiconductor device and a method for manufacturing the same.
特許文献1には、本発明者らが以前提案した横型半導体装置が開示されている。特許文献1には、横型半導体装置の例として、横型LDMOS(Laterally Diffused MOS)が開示されている。この横型LDMOSは、ドリフト領域に埋め込み拡散層を設けることによって、ドリフト領域の不純物濃度がソース側からドレイン側に向けて横方向に増加するように構成されている。具体的には、ドリフト領域の裏面側に設けられた埋め込み拡散層が、不純物濃度の異なる7個の濃度領域を有し、それら7個の濃度領域が、ソース側からドレイン側に向けて横方向に不純物濃度が増加する順に配置されている。これにより、ドリフト領域内には、埋め込み拡散層が設けられていない部分を含めて、ソース側からドレイン側に向けて順に不純物濃度が増加する8段階の濃度勾配が設けられることとなる。このように、ドリフト領域の不純物濃度が横方向に増加していると、オフ状態において、ドリフト領域内の電界分布を横方向に均一化することができる。これによって、半導体装置の耐圧を向上させることができる。 Patent Document 1 discloses a lateral semiconductor device previously proposed by the present inventors. Patent Document 1 discloses a lateral LDMOS (Laterally Diffused MOS) as an example of a lateral semiconductor device. This lateral LDMOS is configured such that by providing a buried diffusion layer in the drift region, the impurity concentration of the drift region increases laterally from the source side toward the drain side. Specifically, the buried diffusion layer provided on the back surface side of the drift region has seven concentration regions having different impurity concentrations, and these seven concentration regions are laterally directed from the source side to the drain side. Are arranged in order of increasing impurity concentration. As a result, an eight-step concentration gradient in which the impurity concentration increases in order from the source side to the drain side is provided in the drift region including the portion where the buried diffusion layer is not provided. Thus, when the impurity concentration in the drift region increases in the lateral direction, the electric field distribution in the drift region can be made uniform in the lateral direction in the off state. Thereby, the breakdown voltage of the semiconductor device can be improved.
特許文献1の半導体装置のように、半導体層に不純物濃度が異なる複数の濃度領域を設けようとすると、濃度領域毎に導入される不純物の濃度を変える必要がある。このため、不純物濃度が異なる濃度領域の数が増えるほど、不純物注入工程の回数が増加するという問題がある。一方、不純物濃度が異なる濃度領域の数を減らせば、不純物注入工程の回数を減らすことはできるが、半導体層内の電解分布を横方向に均一化することができない。その結果、半導体装置の耐圧が低下するという問題がある。 When a plurality of concentration regions having different impurity concentrations are provided in the semiconductor layer as in the semiconductor device of Patent Document 1, it is necessary to change the concentration of impurities introduced for each concentration region. For this reason, there is a problem that the number of impurity implantation steps increases as the number of concentration regions having different impurity concentrations increases. On the other hand, if the number of concentration regions having different impurity concentrations is reduced, the number of impurity implantation steps can be reduced, but the electrolytic distribution in the semiconductor layer cannot be made uniform in the lateral direction. As a result, there is a problem that the breakdown voltage of the semiconductor device is lowered.
本明細書では、半導体層に形成する不純物濃度の異なる濃度領域の数を少なくしながら、半導体装置の耐圧が低下することを抑制することができる技術を提供する。 The present specification provides a technique capable of suppressing a decrease in breakdown voltage of a semiconductor device while reducing the number of concentration regions having different impurity concentrations formed in a semiconductor layer.
本明細書によって開示される横型半導体装置は、半導体基板と、その半導体基板上に形成されている埋め込み絶縁層と、その埋め込み絶縁層上に形成されている半導体層と、を備えている。半導体層は、第1導電型の第1半導体領域と、第2導電型の第2半導体領域と、第1導電型の第3半導体領域と、を有する。第1半導体領域は、半導体層の表面を含む深さ範囲に設けられている。第2半導体領域は、第1半導体領域と離隔されて、半導体層の表面を含む深さ範囲に設けられている。第3半導体領域は、第1半導体領域と第2半導体領域との間に、半導体層の表面から埋め込み絶縁層に接する深さ範囲に設けられており、第1半導体領域を第2半導体領域から分離している。第3半導体領域は、第1半導体領域と第2半導体領域とを結ぶ第1方向に沿って伸びている第1層と第2層とを有している。第2層は、第1層より不純物濃度が高くされており、埋め込み絶縁層の表面上の一部に設けられると共に第1半導体領域に接しており、不純物濃度がそれぞれ異なる複数の濃度領域を有している。複数の濃度領域は、第2半導体領域側から第1半導体領域側に向けて不純物濃度が増加する順に配置されている。第1層は、第2層が設けられた範囲では第2層上に設けられると共にそれ以外の範囲では埋め込み絶縁層上に設けられており、不純物濃度が前記第1方向に均一とされる。第2層の複数の濃度領域のうち少なくとも一つの濃度領域が設けられた前記第1方向の範囲内において、第1層は、第1半導体領域側に配置されている第1部分と、第2半導体領域側に配置されると共に第1部分より層厚が薄くされている第2部分を有している。 The lateral semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate, a buried insulating layer formed on the semiconductor substrate, and a semiconductor layer formed on the buried insulating layer. The semiconductor layer includes a first conductivity type first semiconductor region, a second conductivity type second semiconductor region, and a first conductivity type third semiconductor region. The first semiconductor region is provided in a depth range including the surface of the semiconductor layer. The second semiconductor region is spaced apart from the first semiconductor region and provided in a depth range including the surface of the semiconductor layer. The third semiconductor region is provided between the first semiconductor region and the second semiconductor region in a depth range in contact with the buried insulating layer from the surface of the semiconductor layer, and the first semiconductor region is separated from the second semiconductor region. is doing. The third semiconductor region has a first layer and a second layer extending along a first direction connecting the first semiconductor region and the second semiconductor region. The second layer has an impurity concentration higher than that of the first layer, is provided on a part of the surface of the buried insulating layer and is in contact with the first semiconductor region, and has a plurality of concentration regions having different impurity concentrations. is doing. The plurality of concentration regions are arranged in order of increasing impurity concentration from the second semiconductor region side toward the first semiconductor region side. The first layer is provided on the second layer in the range where the second layer is provided, and is provided on the buried insulating layer in the other ranges, and the impurity concentration is made uniform in the first direction. Within the range of the first direction in which at least one concentration region of the plurality of concentration regions of the second layer is provided, the first layer includes a first portion disposed on the first semiconductor region side, and a second portion The second portion is disposed on the semiconductor region side and has a layer thickness thinner than that of the first portion.
この構成によると、第1層の第2部分の層厚が第1層の第1部分の層厚より薄く形成されているため、層厚が薄い分、第1層の第2部分に含まれる不純物の総量は第1層の第1部分の不純物の総量より少なくなる。その結果、第1層の第1部分と第2部分が接する第2層の濃度領域が同一濃度であっても、第1層の第2部分と第1層の第1部分との間に2段階の濃度勾配が形成される。そして、第1層の第1部分が第1半導体領域側に配置されるとともに、第2層の第2部分が第2半導体領域側に配置される。従って、第2層の一つの濃度領域が設けられた範囲内に、第2半導体領域側から第1半導体領域側に向けて不純物濃度が増加する2段階の濃度勾配が形成されることとなる。これによって、半導体層に形成する不純物濃度の異なる濃度領域の数を少なくしながら、半導体装置の耐圧が低下することを抑制することができる。 According to this configuration, since the layer thickness of the second portion of the first layer is formed thinner than the layer thickness of the first portion of the first layer, the layer thickness is included in the second portion of the first layer. The total amount of impurities is less than the total amount of impurities in the first portion of the first layer. As a result, even if the concentration region of the second layer where the first portion and the second portion of the first layer are in contact with each other has the same concentration, 2 between the second portion of the first layer and the first portion of the first layer is 2 A step concentration gradient is formed. The first portion of the first layer is disposed on the first semiconductor region side, and the second portion of the second layer is disposed on the second semiconductor region side. Therefore, a two-stage concentration gradient in which the impurity concentration increases from the second semiconductor region side toward the first semiconductor region side is formed within the range where one concentration region of the second layer is provided. Accordingly, it is possible to suppress the breakdown voltage of the semiconductor device from being lowered while reducing the number of concentration regions having different impurity concentrations formed in the semiconductor layer.
第2層の複数の濃度領域のそれぞれが設けられた前記第1方向の各範囲内において、第1層は、第1半導体領域側に配置されている第1部分と、第2半導体領域側に配置されると共に第1部分より層厚が薄くされている第2部分を有していてもよい。この構成によると、例えば、第2層が3つの濃度領域を備えるとすると、6段階の濃度勾配が設けられることとなる。半導体層に形成する不純物濃度の異なる濃度領域の数を少なくしながら、半導体装置の耐圧が低下することを効果的に抑制することができる。 Within each range in the first direction in which each of the plurality of concentration regions of the second layer is provided, the first layer is disposed on the first semiconductor region side and on the second semiconductor region side. You may have the 2nd part arrange | positioned and the layer thickness is made thinner than the 1st part. According to this configuration, for example, if the second layer includes three concentration regions, a six-step concentration gradient is provided. A reduction in the breakdown voltage of the semiconductor device can be effectively suppressed while reducing the number of concentration regions having different impurity concentrations formed in the semiconductor layer.
第1層と埋め込み絶縁層とが接する前記第1方向の範囲内において、第1層は、第1半導体領域側に配置されている第1部分と、第2半導体領域側に配置されると共に第1部分より層厚が薄くされている第2部分を有していてもよい。この構成によると、第2層が形成されていない部分にも2段階の濃度勾配が形成されることとなる。半導体層に形成する不純物濃度の異なる濃度領域の数を少なくしながら、半導体装置の耐圧が低下することを効果的に抑制することができる。 Within the range of the first direction in which the first layer and the buried insulating layer are in contact, the first layer is disposed on the first semiconductor region side, on the second semiconductor region side and on the second semiconductor region side. You may have the 2nd part by which layer thickness was made thinner than 1 part. According to this configuration, a two-stage concentration gradient is formed even in a portion where the second layer is not formed. A reduction in the breakdown voltage of the semiconductor device can be effectively suppressed while reducing the number of concentration regions having different impurity concentrations formed in the semiconductor layer.
第1部分のぞれぞれの表面側に第1の表面絶縁層が設けられていてもよい。第2部分のぞれぞれの表面側に第2の表面絶縁層が設けられていてもよい。第1の表面絶縁層の層厚が第2の表面絶縁層の層厚より薄くされていてもよい。 A first surface insulating layer may be provided on the surface side of each of the first portions. A second surface insulating layer may be provided on the surface side of each of the second portions. The thickness of the first surface insulating layer may be made thinner than the thickness of the second surface insulating layer.
本明細書によって開示される横型半導体装置の製造方法は、半導体基板と、その半導体基板上に形成されている埋め込み絶縁層と、その埋め込み絶縁層上に形成されている半導体層と、を備えている横型半導体装置を製造する方法である。この方法は、半導体層に、層厚の厚い第1部分と層厚の薄い第2部分とを所定の方向に並べて形成する第1工程と、第1工程後に、隣合う第1部分と第2部分とを含む領域に同一濃度の不純物を導入する第2工程と、を備えている。 A method for manufacturing a lateral semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate, a buried insulating layer formed on the semiconductor substrate, and a semiconductor layer formed on the buried insulating layer. This is a method for manufacturing a horizontal semiconductor device. In this method, a first step of forming a first portion having a large thickness and a second portion having a small thickness on a semiconductor layer are arranged in a predetermined direction, and a first portion and a second portion adjacent to each other after the first step. And a second step of introducing an impurity with the same concentration into the region including the portion.
この製造方法によると、第1工程において、層厚の薄い第2部分と層厚の厚い第1部分との間に2段階の濃度勾配が形成され、さらに、第2工程において、隣合う第1部分と第2部分とを含む領域に同一濃度の濃度領域が形成される。その結果、一つの濃度領域上に2段階の濃度勾配が形成されることとなる。半導体層に形成する不純物濃度の異なる濃度領域の数を少なくしながら、半導体装置の耐圧が低下することを抑制することができる。 According to this manufacturing method, in the first step, a two-stage concentration gradient is formed between the second portion having a thin layer thickness and the first portion having a thick layer thickness. Further, in the second step, the adjacent first portions are adjacent to each other. A concentration region having the same concentration is formed in a region including the portion and the second portion. As a result, a two-stage concentration gradient is formed on one concentration region. A reduction in the breakdown voltage of the semiconductor device can be suppressed while reducing the number of concentration regions having different impurity concentrations formed in the semiconductor layer.
本発明によれば、半導体層に形成する不純物濃度の異なる濃度領域の数を少なくしながら、半導体装置の耐圧が低下することを抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress the breakdown voltage of the semiconductor device from being lowered while reducing the number of concentration regions having different impurity concentrations formed in the semiconductor layer.
以下に説明する実施例の特徴を以下に列記する。
(特徴1)半導体装置は、n型の横型LDMOSである。
(特徴2)第1半導体領域は、n型ウェル領域である。第2半導体領域は、p型ボディ領域である。第3半導体領域は、n型ドリフト領域である。
(特徴3)第1部分の表面側に、n型の不純物を低濃度に含むn型トップ層を設けてもよい。
(特徴4)第1部分の表面側に、p型の不純物を低濃度に含むp型トップ層を設けてもよい。
(特徴5)第1部分の表面側に、p型の不純物を高濃度に含むp型トップ層を設けてもよい。その場合、第1層のうち、第2層の複数の濃度領域のそれぞれが設けられた水平方向の各範囲内において、第2半導体領域側に第1部分、第1半導体領域側に第2部分、をそれぞれ配置してもよい。
(特徴6)半導体装置は、n型の横型LDMOSに限らず、p型の横型LDMOS、n型又はp型の横型LIGBT(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor)、横型ダイオードなど、SOI基板を用いるいずれの横型の高耐圧素子であってもよい。
The features of the embodiments described below are listed below.
(Feature 1) The semiconductor device is an n-type lateral LDMOS.
(Feature 2) The first semiconductor region is an n-type well region. The second semiconductor region is a p-type body region. The third semiconductor region is an n-type drift region.
(Feature 3) An n-type top layer containing an n-type impurity at a low concentration may be provided on the surface side of the first portion.
(Feature 4) A p-type top layer containing p-type impurities at a low concentration may be provided on the surface side of the first portion.
(Feature 5) A p-type top layer containing a high concentration of p-type impurities may be provided on the surface side of the first portion. In that case, the first portion on the second semiconductor region side and the second portion on the first semiconductor region side within each horizontal range in which each of the plurality of concentration regions of the second layer is provided in the first layer. , May be arranged respectively.
(Feature 6) The semiconductor device is not limited to an n-type lateral LDMOS, but any lateral type using an SOI substrate, such as a p-type lateral LDMOS, an n-type or p-type lateral LIGBT (Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor), or a lateral diode. The high breakdown voltage element may be used.
(第1実施例)
図1に、半導体装置10の要部断面図を模式的に示す。半導体装置10は、p型の半導体基板50と、半導体基板50上に設けられている埋め込み絶縁層52と、埋め込み絶縁層52上に設けられている半導体層54とが積層された積層基板57を備えている。半導体基板50の主材料はシリコンであり、不純物濃度はおよそ3×1018cm−3に調整されている。半導体基板50は、接地電位に固定されている。埋め込み絶縁層52の主材料は酸化シリコンであり、その厚みはおよそ4μmである。半導体層54の主材料はシリコンであり、半導体構造が作りこまれる前の不純物濃度はおよそ1×1015cm−3に調整されている。半導体装置10は、例えば、シリコン基板と表面シリコン層(半導体層)との間に絶縁層を挿入したSOI(Silicon On Insulator)基板等を用い、その半導体層に不純物をイオン注入することによって製造される。
(First embodiment)
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view of the main part of the
半導体装置10はn型の横型LDMOSであり、n型のウェル領域56と、p型のボディ領域26と、n型のドリフト領域12が設けられている。本実施例では、ウェル領域56は、上記のドリフト領域12によってボディ領域26と離隔され、半導体層54の表面から埋め込み絶縁層52に深さ範囲に設けられている。ウェル領域56の内部には、ドレイン領域58が設けられている。ドレイン領域58は、半導体層54の表面の一部を含む範囲に設けられている。ドレイン領域58は、ドレイン電極2に接続されている。ドレイン領域58は、ウェル領域56によって囲まれており、ドレイン領域58とドリフト領域12とは、ウェル領域56によって分離されている。ここで、ウェル領域56の不純物濃度はおよそ5×1016〜5×1017cm−3に調整されている。ドレイン領域58の不純物濃度はおよそ1×1019〜1×1021cm−3に調整されている。
The
本実施例では、ボディ領域26は、半導体層54の表面から埋め込み絶縁層52に接する深さ範囲に設けられている。ボディ領域26内には、n+型のソース領域24が設けられている。ソース領域24は、半導体層54の表面の一部を含む範囲に設けられている。ソース領域24は、ボディ領域26によって囲まれており、ソース領域24とドリフト領域12とは、ボディ領域26によって分離されている。ボディ領域26内には、ボディコンタクト領域22が設けられている。ボディコンタクト領域22は、半導体層54の表面の一部を含む範囲に設けられている。ここで、ボディ領域26の不純物濃度はおよそ5×1016〜5×1017cm−3に調整されている。ソース領域24の不純物濃度はおよそ1×1019〜1×1021cm−3に調整されている。ボディコンタクト領域22の不純物濃度はおよそ1×1019〜1×1021cm−3に調整されている。
In the present embodiment, the
ボディ領域26のうち、ソース領域24とドリフト領域12を分離している部分には、ゲート絶縁膜16aを介して、ゲートポリシリコン14が対向している。ゲートポリシリコン14は多結晶シリコンであり、不純物(リン)がイオン注入されている。ゲートポリシリコン14の不純物濃度はおよそ1×1020cm−3に調整されているので、ゲートポリシリコン14は導体とみなすことができる。ゲートポリシリコン14には、ゲート電極18が接続されている。
In the
ドリフト領域12は、上述のように、ウェル領域56とボディ領域26の間に設けられている。ドリフト領域12は、半導体層54の表面から埋め込み絶縁層52に接する深さ範囲に設けられている。ドリフト領域12の表面上には、ゲート絶縁膜16a〜16eとフィールド絶縁層6a〜6dとが交互に設けられている。ゲート絶縁膜16a〜16eの表面上には、ポリシリコン15a〜15dが設けられている。各ポリシリコン15a〜15dの端部は、フィールド絶縁層6a〜6dの表面側の一部を覆って設けられている。各フィールド絶縁層6a〜6dの層厚は、隣接するゲート絶縁膜16a〜16eの膜厚より厚くなるように設けられている。各フィールド絶縁層6a〜6dの下端は、ドリフト領域12の内側に入り込んで設けられている。
As described above, the
ドリフト領域12は、横方向に伸びている第1層30と第2層40を有している。ドリフト領域12のうち、不純物(リン)がイオン注入された範囲が第2層40であり、不純物がイオン注入されなかった範囲が第1層30である。第1層30の不純物濃度は横方向に均一であって、およそ1×1015cm−3である。第2層40は、第1層30より不純物を高濃度に含んでいる。
The
先に第2層40について詳しく説明する。第2層40は、埋め込み絶縁層52の表面上に設けられており、一端がウェル領域56に接している。ドリフト領域12のうち、埋め込み絶縁層52の表面と接するボディ領域26の近傍には、不純物がイオン注入されておらず、第2層40が形成されていない。第2層40は、ボディ領域26側からウェル領域56側に向けて不純物濃度が増加する順に配置された3個の濃度領域41、42、43を備える。即ち、濃度領域41、42、43の順に不純物濃度が濃くなっている。第2層40は、2回のイオン注入により形成することができる。詳しい製造方法は後述するが、まず、濃度領域41、43に対してリンイオンをドーズ量1×1012cm−2、加速電圧1.4MeVで注入する。次いで、濃度領域42、43に対してリンイオンをドーズ量2×1012cm−2、加速電圧1.4MeVで注入する。これにより、濃度領域41、42、43のイオン注入ドーズ量はそれぞれ「1×1012cm−2」、「2×1012cm−2」、「3×1012cm−2」となる。濃度領域41〜43のイオン注入ドーズ量は1×1012cm−2ずつ変化する。なお、本実施例では、第2層40の不純物濃度はウェル領域56側に向けて不連続に(階段状に)増加しているが、第2層40の不純物濃度がウェル領域56側に向けて連続的に増加していてもよい。
First, the
続いて第1層30について詳しく説明する。上述の通り、第1層30は、ドリフト領域12のうち、第2層40が形成されなかった範囲に設けられている。即ち、第1層30は、第2層40が設けられた範囲では第2層40上に設けられると共に、それ以外の範囲では埋め込み絶縁層52上に設けられている。第1層30は、ボディ領域26側からウェル領域56側に向けて横方向に、第1部分31、33、35、37、39と、第2部分32、34、36、38と、が交互に配置されている。第1部分31〜39は、第2部分32〜38より層厚が厚く形成されている。即ち、第1層30は、層厚の厚い第1部分31〜39と層厚の薄い第2部分32〜38とを交互に備えている。第1部分31〜39の表面上には、上述のゲート絶縁膜16a〜16eが形成されている。第2部分32〜38の表面上には、上述のフィールド絶縁層6a〜6dが形成されている。上述の通り、第1層30の不純物濃度は均一であるが、第2部分32〜38は、層厚が第1部分31〜39に比べて薄いため、不純物の総量が第1部分31〜39に比べて少なくなる。そのため、隣合う第1部分31〜39と第2部分32〜38との間には2段階の濃度勾配が形成されることとなる。
Next, the
上記の第2層40の濃度領域41の上方には、第2部分34及び第1部分35が設けられている。第2部分34は、濃度領域41の上方のうち、ボディ領域26側に設けられている。第2部分34のボディ領域26側の端部は、濃度領域41のボディ領域26側の端部と、横方向において同一位置である。一方、第1部分35は、濃度領域41の上方のうち、ウェル領域56側の部分に設けられている。第1部分35のウェル領域56側の端部は、濃度領域41のウェル領域56側の端部と、横方向において同一位置である。従って、濃度領域41の上方において、ボディ領域26側からウェル領域56側に向けて不純物濃度が増加する2段階の濃度勾配が形成されることとなる。これと同様に、濃度領域42の上方には第2部分36及び第1部分37が設けられている。また、濃度領域43の上方には第2部分38及び第1部分39が設けられている。従って、3段階の不純物濃度を備える濃度領域41、42、43のそれぞれの上方に、ボディ領域26側からウェル領域56側に向けて不純物濃度が増加する2段階の濃度勾配が形成されることとなり、合計6段階の濃度勾配が設けられる。さらに、第1層30のうち、第2層40が形成されていない部分においても、第2部分32と第1部分33とで2段階の濃度勾配が設けられる。従って、ドリフト領域12内には、ボディ領域26側からウェル領域56側に向けて不純物濃度が増加する合計8段階の濃度勾配が設けられることとなる。
A
半導体装置10の動作を説明する。半導体装置10のターンオンは、ドレイン電極2が正電位となるように電圧を印加した状態で、ゲート電極18に正電圧(正バイアス)を印加することにより実現される。ゲート電極18に正電圧を印加すると、ゲート絶縁膜16を介してゲートポリシリコン14に隣接するボディ領域26にn型のチャネルが形成される。このチャネルによって電子がソース領域24からドリフト領域12に移動し、ドリフト領域12とウェル領域56を通ってドレイン領域58に流れる。即ち、ドレイン領域58からソース領域24に電流が流れる。
The operation of the
ドレイン電極2に正電圧が印加され、ゲート電極18に電圧が印加されていないときは、半導体装置10はオフ状態であり、ドレイン領域58からソース領域24に向けて電位差が生じる。一般的に、電界強度を一定割合毎に示す等電位線を作成すると、その等電位線の密度は、高電圧側で密になり低電圧側で疎になる。しかしながら、半導体装置10では、上述のように、ドリフト領域12内にソース領域24側からドレイン領域58側に向けて不純物濃度が増加するように8段階の濃度勾配が設けられている。そのため、等電位線の間隔がドリフト領域12の横方向の全体に亘って均一になって、ドリフト領域12内に局所的に電界が集中することを防止することができ、半導体装置10の耐圧を高くすることができる。上記の横方向の電位差は、ドリフト領域12の第1層30と第2層40とが空乏化することによって維持される。本実施例の半導体装置10は、横方向の電界を均一に保つために、空乏化した領域の空間電荷バランスが、以下の式1を満足するように各領域の不純物濃度が設定されている。
When a positive voltage is applied to the
q×(Nsoi(x)+Nbl(x))〜(εox/Tox)×V(x)・・・(式1) q × (Nsoi (x) + Nbl (x)) to (εox / Tox) × V (x) (Equation 1)
上記式1において、xはボディ領域26からウェル領域56に向けての横方向距離を示す。Nsoi(x)は、xの位置における第1層30の不純物濃度を示す。Nbl(x)は、xの位置における第2層40の不純物濃度を示す。εoxは、埋め込み絶縁層52の誘電率、Toxは、埋め込み絶縁層52の厚さを示す。V(x)は、xの位置におけるドリフト領域12内の電位を示す。qは素電荷を示す。
In the above formula 1, x indicates a lateral distance from the
上記の式1において、左辺は、空乏化する第1層30及び第2層40の持つ空間電荷量を示す。右辺は、半導体装置10が有するMOS構造のキャパシタに蓄積される空間電荷の量を示す。本実施例の半導体装置10では、右辺中のV(x)はボディ領域26側からウェル領域56側に向けて上昇する。左辺の値も、V(x)の上昇に伴って、ボディ領域26側からウェル領域56側に向けて線形的に大きくなる。
In the above formula 1, the left side indicates the amount of space charge of the
本実施例では、上述したように、ドリフト領域12に、第1層30及び第2層40が設けられている。第2層40には3つの濃度領域41、42、43が設けられ、第1層30には第1部分31等と第2部分32等とが交互に設けられている。本実施例の半導体装置10は、ドリフト領域12内に8段階の不純物濃度勾配を備えている。第2層40が有する濃度領域は3段階と少ないにも関わらず、ドリフト領域12内には8段階の不純物濃度勾配を設けることができ、効果的に半導体装置10の耐圧を高めることができる。
In the present embodiment, as described above, the
(製造方法)
続いて、図2〜図6を参照して、本実施例の半導体装置10の製造方法を説明する。まず、図2に示すように、半導体基板50、埋め込み絶縁層52、半導体層54が積層された積層基板57を準備する。具体的には、まず、p型の不純物を高濃度に含む半導体基板50をウェット酸化し、半導体基板50の表面に4μm程度の厚みの埋め込み絶縁層52を形成する。ウェット酸化の条件は、1200℃、15時間に設定されている。次に、埋め込み絶縁層52の表面に、抵抗率が4.5Ωcm程度の半導体層を貼り合わせる。埋め込み絶縁層52と半導体層54とは、1100℃、1時間の熱処理によって強固に貼り合わせることができる。次いで、半導体層54を表面から研磨し、半導体層54の厚みを1.4μm程度に調整する。上記各工程により、積層基板57が完成される。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the
次に、図3に示すように、半導体層54の表面に断続的にフィールド絶縁層6a〜6dを設ける。具体的には、まず、図2で準備した積層基板57の半導体層54表面に約30nmの熱酸化膜及び窒化膜(図示省略)とを形成する。次いで、フォトリソグラフィ工程とドライエッチング工程とによって、フィールド絶縁層6a〜6dを形成する部分の、窒化膜、熱酸化膜、半導体層54を除去する。ここで除去する半導体層54の深さは、約100nm程度である。次いで、ウェット酸化により層厚約500nmのフィールド絶縁層6a〜6dを形成する。次いで、窒化膜と熱酸化膜を除去し、半導体層54の表面及びフィールド絶縁層6a〜6dの表面全体に犠牲酸化膜(図示省略)を形成する。フィールド絶縁層6a〜6dを形成することにより、半導体層54内に、層厚の厚い第1部分31〜39と層厚の薄い第2部分32〜38が交互に形成される。
Next, as shown in FIG. 3,
次に、図4、図5を参照して、第2層40を作成する工程を説明する。第2層40は、不純物濃度が異なる3つの濃度領域41〜43を有している。第2層40は、2枚の異なるパターンが形成されたフォトマスクを用いてレジストパターン60、70を形成し、レジストパターン60、70を利用して異なる濃度の不純物を半導体層54内に2回に分けてイオン注入することによって形成される。なお、イオン注入する不純物の注入量は、2のべき乗で変化させる。
Next, with reference to FIG. 4 and FIG. 5, a process of creating the
まず、図4に示すように、図示しないフォトマスクを利用して、半導体層54上に第1のレジストパターン60を形成する。第1のレジストパターン60は、第2部分34及び第1部分35と、第2部分38及び第1部分39と、に対応する範囲に開口部62、64が設けられている。半導体層54のうち、上記の開口部62、64に対応する部分が濃度領域41、43に対応する領域となっている。次いで、第1のレジストパターン60を利用して、濃度領域41、43に対応する領域にリンをイオン注入する。即ち、隣合う第2部分34と第1部分35からなる領域と、第2部分38と第1部分39からなる領域に同一濃度のリンをイオン注入する。図4の工程では、イオン注入条件は1.4MeV、1×1012cm-2である。イオン注入後、第1のレジストパターン60を除去する。
First, as shown in FIG. 4, a first resist
次いで、図5に示すように、図示しないフォトマスクを利用して、半導体層54上に第2のレジストパターン70を形成する。第2のレジストパターン70は、第2部分36から第1部分39までの領域に対応する範囲に開口部72が設けられている。半導体層54のうち、上記の開口部72に対応する部分が濃度領域42、43に対応する領域となっている。次いで、第1のレジストパターン60を利用して、濃度領域42、43に対応する領域にリンをイオン注入する。即ち、第2部分36から第1部分39までの領域に同一濃度のリンをイオン注入する。図5の工程では、イオン注入条件は1.4MeV、2×1012cm-2である。ここで、図5の工程のイオン注入量である「2×1012cm-2」は、図4の工程のイオン注入量である「1×1012cm-2」を2のべき乗で変化させた量である。
Next, as shown in FIG. 5, a second resist
上記の2回のイオン注入工程によって、濃度領域41には1×1012cm-2のリンが導入され、濃度領域42には2×1012cm-2のリンが導入され、濃度領域43には3×1012cm-2のリンが導入される。これによって、濃度領域41、42、43の順に不純物濃度が高くなる。この工程により、半導体層54内に第2層40が形成される。
By two ion implantation steps described above, the
続いて、図6に示すように、フォトリソグラフィ工程とイオン注入工程を繰り返すことによって、n型のウェル領域56及びp型のボディ領域26を形成する。ウェル領域56及びボディ領域26は、複数回のイオン注入を実施することによって、低温プロセスで作製される。ウェル領域56及びボディ領域26は、半導体層54の表面から埋め込み絶縁層52に達する深さ範囲に形成される。この工程により、ウェル領域56とボディ領域26との間にドリフト領域12が形成され、また、ドリフト領域12内に、上記の第1層30と第2層40とが画定される。
Subsequently, as shown in FIG. 6, an n-
この後の表面構造を作り込む工程は、一般的なCMOSの製造工程を利用することができる。以上の各工程により、図1の半導体装置10が完成する。
A process for forming the subsequent surface structure can use a general CMOS manufacturing process. The
本実施例の半導体装置10の製造方法では、2つのレジストパターン60、70を使用して2回のイオン注入を行うことで3個の濃度領域41、42、43を形成し、フィールド絶縁層6a〜6dを断続的に備えることで、第1層30内に、層厚の厚い第1部分31〜39と層厚の薄い第2部分32〜38とを交互に形成する。その結果、2回のイオン注入によってドリフト領域12内に8段階の濃度勾配を形成することができる。即ち、n−1枚(nは整数)のフォトレジストを用いてn−1回のイオン注入を行うことで、ドリフト領域12内に2n段階の濃度勾配を形成することができる。イオン注入回数を少なくすることができるため、半導体装置の製造効率が向上し、コスト減にも資する。
In the manufacturing method of the
(第2実施例)
第2実施例について説明する。上記の第1実施例では、第2部分32〜38の層厚を第1部分31〜39より薄くすることによって、隣り合う第1部分31〜39と第2部分32〜38との間で2段階の濃度勾配を設けていた。一方、本実施例では、第2部分32〜38の層厚を第1部分31〜39より薄くすることに加え、第1部分31〜39の表面側にn型の不純物を低濃度に含むn型トップ層を設ける。第1部分31〜39の表面側に低濃度のn型トップ層を設けることにより、第1部分31〜39内の不純物濃度を増加させることができる。第1部分31〜39内の不純物濃度を適当な濃度に調整することができ、第1部分31〜39と第2部分32〜38との間の濃度勾配を高精度に形成することができる。
(Second embodiment)
A second embodiment will be described. In the first embodiment described above, the layer thickness of the
(第3実施例)
本実施例では、第2部分32〜38の層厚を第1部分31〜39より薄くすることに加え、第1部分31〜39の表面側にp型の不純物を低濃度に含むp型トップ層を設ける。第1部分31〜39の表面側に低濃度のp型トップ層を設けることにより、第1部分31〜39のn型の不純物濃度を減少させることができる。第1部分31〜39内の不純物濃度を適当な濃度に調整することができ、第1部分31〜39と第2部分32〜38との間の濃度勾配を高精度に形成することができる。
(Third embodiment)
In this embodiment, in addition to making the layer thickness of the
(第4実施例)
上記の各実施例では、層厚の厚い第1部分31〜39の不純物濃度が、層厚の薄い第2部分32〜38の不純物濃度より高くなるように形成されている。しかし、本実施例では、層厚の厚い第1部分31〜39の不純物濃度が、層厚の薄い第2部分32〜38の不純物濃度より低くなるように形成されている。具体的には、第1部分31〜39の表面に、p型の不純物を高濃度に含むp型トップ層を設ける。第1部分31〜39の表面側に高濃度のp型トップ層を設けることにより、第1部分31〜39の不純物濃度を大幅に減少させ、第2部分32〜38の不純物濃度より低くすることができる。本実施例の方法によっても、第1部分31〜39と第2部分32〜38との間の濃度勾配を高精度に形成することができる。但し、本実施例の場合、濃度領域41、42、43の上方では、不純物濃度の低い第1部分がボディ領域26側寄りに、不純物濃度の高い第2部分がウェル領域56側寄りに配置されるように、第1部分31〜39と第2部分32〜38の配置を、上記各実施例の配置と入れ替える必要がある。
(Fourth embodiment)
In each of the above embodiments, the
(変形例)
上記各実施例では、半導体装置10をn型の横型LDMOSとして説明した。しかし、半導体装置10はn型の横型LDMOSには限られず、p型の横型LDMOS、n型又はp型の横型LIGBT(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor)、横型ダイオードなど、SOI基板を用いるいずれの横型の高耐圧方素子であってもよい。
(Modification)
In each of the above embodiments, the
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
2 ドレイン電極
6a〜6d フィールド絶縁層
10 半導体装置
12 ドリフト領域(第3半導体領域)
14 ゲートポリシリコン
15a〜15d ポリシリコン
16a〜16e ゲート絶縁膜
18 ゲート電極
20 ソース電極
22 ボディコンタクト領域
24 ソース領域
26 ボディ領域(第2半導体領域)
30 第1層
31、33、35、37、39 第1部分
32、34、36、38 第2部分
40 第2層
41、42、43 濃度領域
50 半導体基板
52 埋め込み絶縁層
54 半導体層
56 ウェル領域(第1半導体領域)
57 積層基板
58 ドレイン領域
2
14
30
57
Claims (5)
半導体基板と、
その半導体基板上に形成されている埋め込み絶縁層と、
その埋め込み絶縁層上に形成されている半導体層と、を備えており、
前記半導体層は、第1導電型の第1半導体領域と、第2導電型の第2半導体領域と、第1導電型の第3半導体領域と、を有し、
第1半導体領域は、半導体層の表面を含む深さ範囲に設けられており、
第2半導体領域は、第1半導体領域と離隔されて、半導体層の表面を含む深さ範囲に設けられており、
第3半導体領域は、第1半導体領域と第2半導体領域との間に、半導体層の表面から埋め込み絶縁層に接する深さ範囲に設けられており、前記第1半導体領域を第2半導体領域から分離しており、
前記第3半導体領域は、前記第1半導体領域と第2半導体領域とを結ぶ第1方向に沿って伸びている第1層と第2層とを有しており、
前記第2層は、前記第1層より不純物濃度が高くされており、前記埋め込み絶縁層の表面上の一部に設けられると共に第1半導体領域に接しており、さらに、不純物濃度がそれぞれ異なる複数の濃度領域を有しており、その複数の濃度領域は、第2半導体領域側から第1半導体領域側に向けて不純物濃度が増加する順に配置されており、
前記第1層は、前記第2層が設けられた範囲では第2層上に設けられると共にそれ以外の範囲では埋め込み絶縁層上に設けられており、不純物濃度が前記第1方向に均一であり、
前記第2層の前記複数の濃度領域のうち少なくとも一つの濃度領域が設けられた前記第1方向の範囲内において、前記第1層は、第1半導体領域側に配置されている第1部分と、第2半導体領域側に配置されると共に第1部分より層厚が薄くされている第2部分を有している、
横型半導体装置。 A horizontal semiconductor device,
A semiconductor substrate;
A buried insulating layer formed on the semiconductor substrate;
A semiconductor layer formed on the buried insulating layer,
The semiconductor layer includes a first conductivity type first semiconductor region, a second conductivity type second semiconductor region, and a first conductivity type third semiconductor region;
The first semiconductor region is provided in a depth range including the surface of the semiconductor layer,
The second semiconductor region is spaced apart from the first semiconductor region and is provided in a depth range including the surface of the semiconductor layer,
The third semiconductor region is provided between the first semiconductor region and the second semiconductor region in a depth range in contact with the buried insulating layer from the surface of the semiconductor layer, and the first semiconductor region is separated from the second semiconductor region. Separated
The third semiconductor region has a first layer and a second layer extending along a first direction connecting the first semiconductor region and the second semiconductor region,
The second layer has a higher impurity concentration than the first layer, is provided on a part of the surface of the buried insulating layer, is in contact with the first semiconductor region, and has a plurality of different impurity concentrations. The plurality of concentration regions are arranged in order of increasing impurity concentration from the second semiconductor region side toward the first semiconductor region side,
The first layer is provided on the second layer in the range where the second layer is provided, and is provided on the buried insulating layer in the other range, and the impurity concentration is uniform in the first direction. ,
In the range of the first direction where at least one concentration region of the plurality of concentration regions of the second layer is provided, the first layer includes a first portion disposed on the first semiconductor region side, and , Having a second portion disposed on the second semiconductor region side and having a layer thickness thinner than that of the first portion,
Horizontal semiconductor device.
前記半導体層に、層厚の厚い第1部分と層厚の薄い第2部分とを所定の方向に並べて形成する第1工程と、
第1工程後に、隣合う前記第1部分と第2部分とを含む領域に同一濃度の不純物を導入する第2工程と、を備えている、
横型半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a lateral semiconductor device comprising a semiconductor substrate, a buried insulating layer formed on the semiconductor substrate, and a semiconductor layer formed on the buried insulating layer,
A first step of forming, in the semiconductor layer, a thick first portion and a thin second portion arranged in a predetermined direction;
A second step of introducing an impurity having the same concentration into a region including the first portion and the second portion adjacent to each other after the first step;
A method of manufacturing a horizontal semiconductor device.
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