JP2011243919A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 LDMOS型トランジスタなどの半導体装置が動作中に生ずる経時的な特性変動を抑制すると共に、高耐圧かつ低オン抵抗が実現される半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 N型半導体層102に、深さが1μmより小さいP型の第1ドレインオフセット領域103と、深さが第1ドレインオフセット領域103より小さく、不純物濃度が第1ドレインオフセット領域103より大きいP型の第2ドレインオフセット領域105と、第1ドレインオフセット領域103より深いN型のボディ領域106と、N型のソース領域107およびドレイン領域104とを設ける。またLOCOS酸化膜からなる絶縁膜110と、ゲート絶縁膜108を介して形成されたゲート電極109とをN型半導体層102上に備える構造とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は半導体装置、特に高耐圧のMOS型半導体装置の構造とその製造方法に関するものである。
高耐圧MOS型半導体装置、特にLDMOS(Lateral Double Diffused MOS)型半導体装置は無線基地局用の回路、情報家電、車載用半導体集積回路、LEDドライバIC、あるいはモータードライバICといったほとんどの製品分野に利用されている。その動作電圧領域も幅広く、十数Vから数十V程度である。半導体製品の中で例えば各種のドライバICにおいては、特に低消費電力やチップサイズ縮小が進められている一方で一層の高耐圧かつ低オン抵抗が要求されている。
LDMOS型を含むDMOS型半導体装置は、ソース領域とボディ領域を形成する場合に互いに異なる導電型の不純物に拡散広がり差が出ることを利用してチャネルを形成するので短いチャネル長を容易に得ることができ、これを通じて低オン抵抗化が図れるという特徴を持つ。このDMOS型半導体装置に対してさらなる高耐圧化、低オン抵抗化を実現するための技術開発が継続して行われている。
しかしながら、他の一般的な高耐圧デバイスと同じくDMOS型半導体装置においても高耐圧化と低オン抵抗化は互いにトレードオフの関係にあることは避けられない。このトレードオフ関係に影響を与える主要な構成要素の一つとしてドレインオフセット領域が挙げられる。高耐圧化を図るためには例えばこのドレインオフセット領域を低不純物濃度としていかに空乏層を広げるかがポイントとなり、一方さらに低オン抵抗化するためには、ドレインオフセット領域を高不純物濃度にしていかに抵抗成分を低減させるかがポイントとなるからである。
特許文献1にはLDMOSトランジスタにおいて、上記のような高耐圧化とオン抵抗の低減化を図れる技術が提案されている。図11は特許文献1に記載されているNチャネル型LDMOSトランジスタの断面図である。図11によれば、P型の半導体基板1上にP型ウエル領域21が形成され、その領域内にN−層22およびP型ボディー領域3が設けられている。また、ボディー領域3内にはソース領域となるN型拡散領域4が形成され、N−層22内にはドレイン領域となるN型拡散領域5が形成されている。この構造においては、特にN−層22をゲート電極7の下方で浅くし(第1のN−層22A)、ドレイン領域5近傍で深く形成(第2のN−層22B)している。
そして上記N−層22はヒ素およびリンの二重イオン注入によって形成され、基板表層部の第1のN−層22Aの不純物濃度を高く、第2のN−層22Bの不純物濃度を低く設定している。このようにゲート電極7の下方で第1のN−層22Aの不純物濃度を高くしてオン抵抗を小さくし電流を流れやすくしている。またドレイン領域5近傍の第2のN−層22Bの不純物濃度を低くして空乏層が拡大しやすくしこれによって高耐圧化を図っているのである。
DMOS型半導体装置の耐圧を向上させると共にオン抵抗を低減させ、両者のトレードオフを改良する技術は特許文献2にも記載されている。
特開2000−164860号公報 特開平9−260651号公報
特許文献1が開示するような従来の高耐圧MOS型半導体装置の構成は高耐圧化と低オン抵抗化を一応実現させるものではあるが以下のような課題を有していた。すなわち、上に述べたように図11に示すLDMOSトランジスタのN−層22はその形成方法によれば、N型の不純物濃度が第1のN−層22Aおよび第2のN−層22Bの表面層側で特に高く、第2のN−層22Bの下層部分で低い分布を有している。従ってN−層22の不純物濃度はLOCOS酸化膜9の界面付近でも高くなっていると考えられる。このトランジスタのソース領域(N型拡散領域4)とドレイン領域(N型拡散領域5)間に高電圧を印加するとN−層22とP型ボディー領域3、およびN−層22とP型ウエル領域21との間に形成されるPN接合が逆バイアス状態となるのでN−層22内部に空乏層が広がる。
しかしLOCOS酸化膜9との界面近傍が高不純物濃度となっているためにこの部分においては空乏化が促進されず、等ポテンシャル線が垂直方向からLOCOS酸化膜9の界面方向へ大きく傾き、LOCOS酸化膜9へ向かう方向への高電界が生じる。特にLOCOS酸化膜9のゲート電極7下方のバーズビーク周辺で電界が強くなる傾向がある。このN−層22の高電界部分では、電界によって加速されて高エネルギーを得た電子が発生し、LOCOS酸化膜9とN−層22との界面付近に注入されて固定電荷となりやすい。固定電荷はLOCOS酸化膜9の界面近傍におけるN−層22内の電界分布を徐々に変化させる。
このようにしてトランジスタが高電圧下で動作する時間が累積するに従って耐圧をはじめとする諸特性が経時的に変化したり、あるいは接合リークの増加につながる可能性が高くなる。そして実使用の状況によっては安定した特性を維持することが困難になり信頼性低下につながる。
以上の課題に鑑み、本発明は動作中に経時的な電気的諸特性の変動を抑制して信頼性の低下を防止し、また高い耐圧と低オン抵抗を両立させることのできる半導体装置とその製造方法を提供することを目的とする。なお本発明においては、上記課題のうち少なくとも一つを解決できればよいものとする。
前記課題を解決するための、本発明に係る半導体装置は、第1導電型を有する半導体層と、前記半導体層の表面部に形成された第2導電型を有する第1不純物領域と、前記第1不純物領域に接触するように隣接して形成された第1導電型を有するボディ領域と、前記ボディ領域とは離間して前記第1不純物領域に形成されると共に第2導電型を有し、その深さが前記第1不純物領域よりも小さい第2不純物領域と、前記ボディ領域の表面部に形成された第2導電型を有するソース領域と、前記第2不純物領域の表面部に形成された第2導電型を有するドレイン領域と、前記ソース領域の、前記ドレイン領域に近い側の端部の上から前記第1不純物領域の上にわたる領域に、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備えたものである。
この半導体装置において、前記ボディ領域の深さが前記第1不純物領域より大きく、前記ボディ領域の境界の極大曲率を有する部分が前記第1不純物領域の底部より下方に位置するものとすることができる。
また、この半導体装置における特に望ましい形態は、前記第1不純物領域の深さを1μmより小さく形成した構成を有するものであり、半導体装置の動作中の経時的な電気特性の変動を抑制する。
さらに前記第2不純物領域の不純物濃度を前記第1不純物領域より大きくすることが望ましく、半導体装置の低いオン抵抗を得ることができる。また半導体装置の電気特性の変動抑制をより確実なものとするために、前記第2不純物領域を、その表面において前記ドレイン領域の前記ソース領域に近い側の端部から前記ソース領域へ向かって1μm以下の範囲に形成されるようにする。
さらに本発明に係るこの半導体装置においては、前記半導体層の下に、第1導電型を有すると共に前記半導体層より大きい不純物濃度の埋め込み層を形成してもよい。また、前記第2不純物領域の境界の極大曲率を有する部分のうち、前記ソース領域に近い側の部分が前記第1不純物領域の内部に含まれると共に、前記第2不純物領域の一部が前記第1不純物領域の外部へ水平方向に露出するようにしてもよい。
上記課題を解決するための、本発明に係る別の半導体装置は、第1導電型を有する半導体層と、前記半導体層の表面部に形成された第2導電型を有する第1不純物領域と、前記第1不純物領域に接触するように隣接して形成された第1導電型を有する第1ボディ領域と、前記第1ボディ領域とは離間して前記第1不純物領域に形成されると共に第2導電型を有し、その深さが前記第1不純物領域よりも小さい第2不純物領域と、前記第1ボディ領域の表面部に形成された第2導電型を有する第1ソース領域と、前記第2不純物領域の表面部に形成された第2導電型を有する第1ドレイン領域と、前記第1ソース領域の、前記第1ドレイン領域に近い側の端部の上から前記第1不純物領域の上にわたる領域に、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備えた第1の半導体装置、および、前記半導体層と、前記半導体層の表面部に形成され、前記第2不純物領域と同一の深さおよび不純物濃度を有する第2導電型の第2ボディ領域と、前記第2ボディ領域とは離間して前記半導体層の表面部に形成されると共に第1導電型を有する第3不純物領域と、前記第2ボディ領域の表面部に形成された第1導電型を有する第2ソース領域と、前記第3不純物領域の表面部に形成された第1導電型を有する第2ドレイン領域と、前記第2ソース領域の、前記第2ドレイン領域に近い側の端部の上から前記半導体層の上にわたる領域に、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備えた第2の半導体装置とを有するものである。
次に上記課題を解決するための本発明に係る半導体装置の製造方法は、第1導電型を有する半導体層の表面部に第2導電型を有する第1不純物領域を形成する工程と、前記第1不純物領域の表面上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクとして前記第1不純物領域に第1導電型を有する不純物を導入し、ボディ領域を形成する工程と、前記ボディ領域が形成される位置から離間した前記第1不純物領域の所定位置に第2導電型を有する不純物を導入し、その深さが前記第1不純物領域よりも小さい第2不純物領域を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクとして前記ボディ領域に第2導電型を有する不純物を導入し、ソース領域を形成する工程と、前記第2不純物領域に第2導電型を有する不純物を導入し、ドレイン領域を形成する工程とを含むものである。
この製造方法においては、半導体基板に第1導電型を有する不純物を導入し、前記半導体層より大きい不純物濃度を有する埋め込み層を形成する工程と、前記埋め込み層上に前記半導体層を形成する工程とをさらに含むようにしてもよい。
また本発明係る上記別の半導体装置は、前記第2不純物領域と前記第2ボディ領域とを同一の工程で同時に形成することによって製造することができる。
また本発明に係る半導体装置は、前記第1不純物領域の深さを1μmより小さく製造することが望ましい。
本発明に係る半導体装置は、上記のように第1不純物領域と、その領域に形成され第1不純物領域より小さい深さを有する第2不純物領域を備えるものである。特に第1不純物領域の深さを1μmより小さく形成した場合は、その表面部に局所的に極端に大きい電界が発生することを防止して電界強度を緩和し、耐圧を向上させることができる。そしてこれを通じて半導体装置の動作中の経時的な電気特性の変動を抑制することができる。
また第2不純物領域の深さを第1不純物領域の深さよりも小さくし、その上で第2不純物領域の不純物濃度を第1不純物領域より大きくした場合は、電界強度が最大となる領域を第1不純物領域の表面部から離れた内部に発生させることができる。これによっても半導体装置の動作中の経時的な電気特性の変動を抑制することができる。さらに第2不純物領域の大きい不純物濃度は半導体装置の低オン抵抗の実現に寄与するものである。
また本発明に係る上記以外の構成も後に説明する各実施形態から分かるように種々の有益な効果を奏するものである。
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の断面図。 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の平面レイアウト図。 本発明に係る半導体装置のドレインオフセット領域における不純物濃度プロファイル。 本発明に係る第2の実施形態として、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。 本発明に係る第2の実施形態として、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。 本発明に係る第2の実施形態として、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の断面図。 本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の断面図。 本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の平面レイアウト図。 本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の断面図。 従来のLDMOSトランジスタを示す断面図。
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施の形態を説明するための具体的な例としては基本的にPチャネル型の高耐圧半導体装置を取ることとする。なお、各実施形態で使用している材料および数値などは例示であって、それらに本発明が限定されることはない。さらに本発明の技術思想の範囲を逸脱しない範囲で、各実施形態を適宜変更することは可能であり、さらに実施形態同士の組み合わせなども可能である。
(実施形態1)
図1は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置、特に高電圧で駆動するPチャネルLDMOS型トランジスタの断面図であり、図2はその平面パターンを示す平面レイアウト図である。そして図1は図2のA−B線に沿う断面を示している。図1および図2は単体のトランジスタを示すものであってもよいし、また低電圧駆動のMOS型トランジスタなど他の半導体素子を有する半導体集積回路の一部を示すものであってもよい。
図1を参照して断面構成を説明すると、まずP型のシリコン基板(半導体基板)101上に厚さが4μm〜6μmで平均不純物濃度が1.0×1015cm−3〜5×1015cm−3のN型半導体層102が形成されている。この半導体層102はシリコン基板101にN型不純物を熱拡散するかまたはシリコン基板102上にエピタキシャル法で形成することができる。以上のように半導体層102はN型半導体基板の一部とすることもできるが、本発明においてはこの層が半導体基板自体からなるか、あるいはエピタキシャル層からなるかに係らず半導体層102と定義する。
この半導体層102の表面部にはP型の第1不純物領域として第1ドレインオフセット領域103が設けられる。第1ドレインオフセット領域103は例えばその表面からの深さが0.9μmであり、またP型不純物のピーク濃度は1×1016cm−3〜5×1017cm−3である。第1ドレインオフセット領域103の表面からの深さは少なくとも1μm以下、特に1μmより小さくすることが後に説明するように望ましい。第1ドレインオフセット領域103の所定部分に、第1ドレインオフセット領域103を貫通してN型ボディ領域106が形成され、その表面からの深さは例えば1.2μmである。
図1においては、ボディ領域106は第1ドレインオフセット領域103を貫通して形成されたものであるが、それら両領域はPN接合を境界として接触するように隣接していると見なすことができる。従って図1のように形成する他、半導体層102のボディ領域106を形成すべき領域に第1ドレインオフセット領域103が形成されないようにした上でこの両者が接触するように形成してもよい。ボディ領域106の内部にはさらに高濃度のP型不純物層としてソース領域107が形成される。
ボディ領域106およびソース領域107の位置から水平方向に離間して、第1ドレインオフセット領域103の表面部に、P型の第2不純物領域として第2ドレインオフセット領域105が設けられ、その深さは第1ドレインオフセット領域103より浅く、またP型不純物のピーク濃度は第1ドレインオフセット領域103よりも大きい。第2ドレインオフセット領域105を構成するP型不純物のピーク濃度は例えば5×1017cm−3〜1×1018cm−3とすることができる。
図3は、図1に示す完成後の半導体装置において第1ドレインオフセット領域103および第2ドレインオフセット領域105の両方が形成されているドレイン領域104中央部直下の不純物濃度プロファイルの一例を示す図である。ただしドレイン領域104の不純物濃度プロファイルは示していない。図3の曲線aが第1ドレインオフセット領域103のP型不純物濃度プロファイルであり、曲線bが第2ドレインオフセット領域105のP型不純物濃度プロファイルであり、また、ほぼ直線となっているcが半導体層102のN型不純物濃度プロファイルである。図3に示す例では半導体層102の不純物濃度は約2×1015cm−3である。これらによれば第1ドレインオフセット領域103の深さは0.9μm、第2ドレインオフセット領域105の深さは0.65μmとなる。
上記のように第2ドレインオフセット領域105は第1ドレインオフセット領域103の表面部に形成されており、しかもその深さを第1ドレインオフセット領域103より小さく形成するので、第1ドレインオフセット領域103の底部は少なくともLDMOS型トランジスタが形成される半導体層102の領域内ではほぼ平坦であり、表面からの深さは一様である。ドレイン領域104は高濃度のP型不純物層として第2ドレインオフセット領域105の内部に形成される。
ボディ領域106とドレイン領域104間に位置する第1ドレインオフセット領域103上から第2ドレインオフセット領域105の表面上を通り、ソース領域107あるいはボディ領域106に近い側のドレイン領域104端部にかけてLOCOS酸化膜からなる厚い絶縁膜110が形成されている。この絶縁膜110はドレイン領域104の前記と反対側端部から外部に向かっても形成される。またソース領域107の端部およびボディ領域106上から第1ドレインオフセット領域103上を経て絶縁膜110の端部に至る領域に形成された、シリコン酸化膜などからなるゲート絶縁膜108を介すると共に、ゲート絶縁膜108上から厚い絶縁膜110上にまで延在するようにゲート電極109が形成されている。
図1に示した半導体装置は平面視では図2のようなパターンレイアウトを有する。図2は半導体装置の全体構成を示すものであり、シリコン基板101(図1参照)上のN型半導体層102の所定の領域を矩形で帯状の素子分離領域114が区画し、素子分離領域114で区画された半導体層102の領域内に半導体装置が形成される。この素子分離領域114は通常PN接合による分離領域からなるが、半導体層102に設けた深いトレンチ内に絶縁材料を埋め込んだトレンチ分離としてもよい。第1ドレインオフセット領域103はこの領域内のほとんど大部分を占有するように矩形に設けられる。第1ドレインオフセット領域103の中央部に長尺の長方形のソース領域107が配置され、その周囲を囲むようにボディ領域106が配置される。
また、ソース領域107またはボディ領域106を線対称軸とすると共にそれらの左右両側方向へ所定距離だけ離間して長尺のドレイン領域104およびその周囲を取り囲む第2ドレインオフセット領域105が配置される。図2の場合、ドレイン領域104の長手方向とソース領域107の長手方向とが平行なるように、また前者が後者より長手方向の長さが大きくなるように形成されているが後者の方を大きくすることも可能である。図2に示した点線はLOCOS酸化膜からなる絶縁膜110の端部境界線を示すものであり、絶縁膜110の開口の境界とドレイン領域104の境界はほぼ一致する。ゲート電極109はソース領域107の端部からボディ領域106、第1ドレインオフセット領域103、および絶縁膜110の一部上にかけて、ソース領域107およびボディ領域106を取り囲むように形成される。
図1には示していないが、ドレイン領域104上には全面に形成された層間絶縁膜を開口した複数の矩形のコンタクトホール111が設けられており、コンタクトホール111上に設けた図示しない金属配線を通じて外部に電気的接続される。一方ソース領域107で囲まれる所定部にはN型のボディコンタクト領域112が形成されている。ボディコンタクト領域112が形成される領域にはソース領域107を構成するP型不純物が導入されておらずN型のボディ領域106が表面に直接露出し、この領域に高濃度のN型不純物を追加導入してボディコンタクト領域112が形成される。従ってボディコンタクト領域112はボディ領域106と連続している。またソース領域107上およびボディコンタクト領域112上にも前記層間絶縁膜を開口した複数の矩形のコンタクトホール113が設けられ、コンタクトホール113上に形成した図示しない1つの金属配線を通じて外部に電気接続される。従ってソース領域107はボディコンタクト領域112あるいはボディ領域106に短絡している。
以上が第1の実施形態に係る半導体装置の構成である。この半導体装置では特に第1ドレインオフセット領域103の表面からの深さが従来のLDMOSトランジスタなどの高耐圧半導体装置より小さく、具体的に1μmより小さい。本発明に係る半導体装置において、例えばシリコン基板101、半導体層102、ソース領域107、およびゲート電極109に接地電位を与え、ドレイン領域104に負の高電圧を印加すると、第1ドレインオフセット領域103とボディ領域106とで形成する第1PN接合、および第1ドレインオフセット領域103と半導体層102とで形成する第2PN接合から第1ドレインオフセット領域103内へ空乏層が広がる。本実施形態以降に述べるすべての実施形態においても耐圧について説明するときは、半導体装置は上記のようにバイアスされるものとする。
第1ドレインオフセット領域103の深さを小さくしたことにより第2PN接合から上方への空乏層拡大の効果が有効に現れ、第1ドレインオフセット領域103全体を空乏化することができる。第1ドレインオフセット領域103の深さ(1μmより小さい範囲内)と不純物濃度を最適に調整すれば、この状態で少なくとも第2ドレインオフセット領域105のソース領域107に近い方の端部からボディ領域106のドレイン領域104に近い方の端部に至る第1ドレインオフセット領域103の表面部における電界強度分布を均一な状態に近づけることができ、特に第1PN接合付近における電界強度を緩和することができる。このようにして半導体装置の耐圧を向上させることが可能となる。
さらに上に述べたように、第1ドレインオフセット領域103内の電界強度を平滑化できるので、その内部の等ポテンシャル線が概ね垂直となり、横方向にほぼ一定したポテンシャル勾配を形成するようにできることと、第1ドレインオフセット領域103の表面部に特に突出して大きい電界強度ピークを発生しなくすることができることにより、電子のような電荷が絶縁膜110に注入され、絶縁膜110中に固定電荷が生成されることが大幅に抑制される。こうして半導体装置動作中の特性経時変化に関する信頼性を向上させることができる。
本発明に係る半導体装置はまた、ドレイン領域104の周辺の第1ドレインオフセット領域103内に、それより深さの小さい第2ドレインオフセット領域105を設けている。第2ドレインオフセット領域105の不純物濃度を第1ドレインオフセット領域103の不純物濃度より高くしたことにより、第1および第2ドレインオフセット領域が全体として低抵抗化するので半導体装置のオン抵抗も低減させることができる。
一方、第2ドレインオフセット領域105の深さを第1ドレインオフセット領域103より小さくし、第1ドレインオフセット領域103内に第2ドレインオフセット領域105を取り込んだことと、第2ドレインオフセット領域105が比較的高不純物濃度であることにより、第2ドレインオフセット領域105の境界近傍で不純物濃度勾配が急峻になり、ドレイン領域104に高電圧を印加したとき、第2ドレインオフセット領域105境界の特に曲率が極大となる部分で空乏層の広がりが抑制され高電界が発生する。
第1ドレインオフセット領域103表面部の水平方向の電界強度分布は上に説明したとおり全体として平滑化され平均的な電界強度値は低くされているので、本発明による半導体装置では最大電界強度を、従来のような第1ドレインオフセット領域103の表面部に発生させるのに代わって第2ドレインオフセット領域105境界の曲率極大部近傍で発生させることが可能となる。このように最大電界強度の発生位置を第1ドレインオフセット領域103の内部に移動させることも絶縁膜110への電荷注入が低減し、半導体装置の信頼性が向上することに寄与している。本発明による半導体装置の耐圧は最大電界強度となる第1ドレインオフセット領域103内部で耐圧が決まりやすくなるが、これに起因して耐圧が劣化することはなく、所定の耐圧を維持することができる。
第2ドレインオフセット領域105は図1に示すように絶縁膜110の下面とオーバーラップする部分を備えており、比較的高不純物濃度であるためにこの部分で電界強度が大きくなり絶縁膜110への電荷注入の可能性および耐圧劣化の可能性も考えられる。しかし本発明では上記オーバーラップ部分の絶縁膜110の下面に沿う長さを小さくして、この部分の電界強度が第2ドレインオフセット領域105境界の曲率極大部近傍における電界強度以上とならないように抑制することができる。
具体的には第2ドレインオフセット領域105のオーバーラップ部分を水平方向に測定して1μm以下とする、あるいは第2ドレインオフセット領域105の形成範囲をドレイン領域104のソース領域107に近い側の端部から1μm以下とすることが望ましく、例えば60V耐圧クラスの高耐圧LDMOSトランジスタ、およびそれを含む半導体集積回路に有効である。
本発明に係る半導体装置はその他の利点も備えている。例えば第2ドレインオフセット領域105は第1ドレインオフセット領域103よりも浅く形成するので、第1ドレインオフセット領域103の底面から実質的には下方にほとんど突出せず、当該底面は概ね平坦である。これによって高い耐圧が維持される。また、ボディ領域106の境界の曲率極大部分が第1ドレインオフセット領域103の底面から下方に突出するように、すなわち第1ドレインオフセット領域103よりもボディ領域106を深く形成しているので上に述べた第1PN接合の曲率は小さくなり、この部分での電界集中は回避できて耐圧を向上させることができる。
(実施形態2)
本発明の第2の実施形態は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を提供するものである。図4〜図6は当該第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図であり、図1と同じくPチャネルLDMOS型トランジスタ部分を示している。まず、図4(a)に示すように、P型シリコン基板101上にエピタキシャル法を用いて厚さが4μm〜6μmのN型半導体層102を形成する。半導体層102はシリコン基板101にリンなどN型不純物をイオン注入した後、高温長時間の熱拡散によって形成することもできる。
次に図4(b)に示すように半導体層102の所定の領域にボロンをイオン注入した後、ボロンを熱拡散させることで半導体層102の表面からの深さが1μmより小さい第1ドレインオフセット領域103を形成する。次いで図4(c)に示すように半導体層102の表面上の所定の領域に公知の選択酸化法を用いてLOCOS酸化膜からなる絶縁膜110を成長させる。さらに図5(a)に示すように全面に熱酸化を施し、絶縁膜110が形成されず表面が露出している第1ドレインオフセット領域103の表面にゲート絶縁膜108を成長させる。
次に全面にN型不純物を高濃度に含有するシリコン膜をCVD法を用いて成長させた後、リソグラフィー法でシリコン膜の必要部分に図示しないがレジスト膜のマスクパターンを形成し、シリコン膜を選択的にドライエッチングしてゲート電極109を形成する。この際シリコン膜に続いてゲート絶縁膜110も選択的にエッチングし除去する。この後、ドライエッチングに使用したレジスト膜を除去しゲート電極109上に端部を有すると共に不要領域を被覆する図示しないレジストパターンを形成し、図5(b)に示すように前記レジストパターンおよびゲート電極109をマスクとして、第1ドレインオフセット領域103にリンイオン115を選択的に注入し、N型注入層116を形成する。このように前記レジストパターンに加えてゲート電極109もイオン注入用のマスクの一部として活用することで、ゲート電極109に対するセルフアラインでの注入が可能となり、ゲート電極109に対するN型注入層116の相対的位置ズレといった製造プロセス変動要因を除外することが可能となる。
次に図5(c)に示すように、前記レジストパターンを除去した後、絶縁膜110の間に露出する所定位置の第1ドレインオフセット領域103上に開口を有する図示しない新たなレジストパターンを形成し、これをマスクとしてボロンイオン117をイオン注入してP型注入層118を形成する。次に図6(a)には図示していないがゲート電極109と他の部分との耐圧を十分に確保するため、ゲート電極109を構成しているシリコン膜を熱酸化し、ゲート電極109の表面上に薄いシリコン酸化膜を形成する。この熱酸化を伴う熱処理工程によってN型注入層116およびP型注入層118の不純物が活性化すると共に拡散し、それぞれボディ領域106、第2ドレインオフセット領域105が形成される。上記熱酸化による熱処理条件は第1ドレインオフセット領域103の深さと比較してボディ領域106の深さが大きく、同時に第2ドレインオフセット領域105の深さが小さくなるような温度および時間に設定する。
次に図6(b)に示すように、ゲート電極109および絶縁膜110をマスクとしてボディ領域106および第2ドレインオフセット領域105にボロンイオンまたはフッ化ボロンイオン119、121を高濃度にイオン注入し、P型高濃度注入層120および122を形成する。このイオン注入は図6(b)に示す以外の所定の領域、および図2に示すボディコンタクト領域112の部分をレジストパターンで被覆して行う。続いてこのレジストパターンを除去し、ボディコンタクト領域112を形成すべき部分に開口を有する新たなレジストパターンを形成し、これをマスクとしてリンイオンまたはヒ素イオンを高濃度にイオン注入する。
次に高温で熱処理を行い、注入した不純物イオンを活性化および拡散し、ソース領域107、ドレイン領域104およびボディコンタクト領域112を形成する。この熱処理は図6(c)には図示していないが、ゲート電極109や絶縁膜110上を含む全面に層間絶縁膜を形成した後、この層間絶縁膜の密度を高めるための熱処理を利用してもよい。層間絶縁膜形成後は、ドレイン領域104、ソース領域107上の部分にそれぞれコンタクトホール111および113を形成し、その上にアルミニウムを主成分とする合金などの電極・配線を施して半導体装置が完成する。
(実施形態3)
図7は本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。本実施形態の半導体装置の平面レイアウトパターンは第1の実施形態の半導体装置の平面レイアウトパターン(図2参照)と同一であり、図7は図2におけるA−B線に沿う断面を表示している。図7が示す半導体装置は第1の実施形態の半導体装置とほぼ同じ構造を有しているので、同一部分には同一の符号を付与して説明を省略し、相違点を中心として説明する。第1の実施形態に係る半導体装置と同一の部分はそれらの形状、寸法、相対的位置、不純物濃度などが第1の実施形態と同一に形成されている。
本実施形態に係る半導体装置ではP型シリコン基板101とN型半導体層102との間に、N型半導体層102より極めて高不純物濃度(例えば1×1019cm−3以上)を有するN型埋め込み拡散層130が設けられる。このような構造は、シリコン基板101の少なくとも当該半導体装置を形成するべき領域の表面部にヒ素、アンチモンなどのN型不純物をイオン注入し、所定の熱処理を施して埋め込み拡散層130を形成した後、エピタキシャル法などを用いてN型半導体層102を形成することによって得ることができる。N型埋め込み拡散層130の形成工程の前後を除き、本実施形態に係る半導体装置は第2の実施形態による製造方法で製造することができる。
高不純物濃度を有する埋め込み拡散層130を設けることによってN型半導体層102の一部の抵抗を低減することができる。従ってP型のシリコン基板101、N型の半導体層102、P型のドレイン領域104で構成される寄生バイポーラトランジスタの電流増幅率が小さくなり、当該半導体装置の動作中に大電流が流れるのを防止することができる。例えばモーター駆動を制御するICの場合、モーターを急減速させたときなどにモーターからIC側に逆流する回生電流に基づく漏れ電流が原因となり、発生する電力損失を抑制することが可能となる。そのため埋め込み拡散層130のピーク不純物濃度を1×1019cm−3以上にすることが望ましい。
また埋め込み拡散層130を半導体層102の下に設けると、ドレイン領域104に高電圧を印加した場合、半導体層102内に生じる空乏層は埋め込み拡散層130方向へは広がり難くなるが第1ドレインオフセット領域103内部の方向へは広がりやすくなる。この効果によって絶縁膜110およびゲート電極109の直下に位置する第1ドレインオフセット領域103がより一層容易に空乏化し、その表面部における横方向の電界強度分布が平滑化され、また緩和されるのでボディ領域106と第1ドレインオフセット領域103とのPN接合における耐圧をより向上させられると共に第1の実施形態と同様に半導体装置の特性の経時変化に関する信頼性が向上する。
一方、第2ドレインオフセット領域105が存在する第1ドレインオフセット領域103の部分においても半導体層102から上方へ向かって空乏層が延びやすくなるが、上記第2ドレインオフセット領域105の不純物濃度が高いのでそこで空乏層の拡大が抑制されてその境界近傍での電界強度が大きくなり、特に曲率が極大となる境界の箇所で半導体装置の耐圧が決定される確率が高くなる。上に述べたように埋め込み拡散層130の設置に起因して、半導体層102内に生じる空乏層は埋め込み拡散層130方向へ広がり難くなる反面、それを補償するように第1ドレインオフセット領域103内部の方向へ押し込むように広がりやすくなる。
しかし本実施の形態に係る半導体装置では第1ドレインオフセット領域103の深さを1μmより浅く形成することを基本としているので、浅くした分だけ半導体層102の厚さ、すなわち第1ドレインオフセット領域103の底面から埋め込み拡散層130の上面までの距離が大きくなる。このため従来の構造と比較して垂直方向により広い範囲で半導体層102内部に空乏層が拡大できるスペースを確保できるので第2ドレインオフセット領域105の境界近傍における電界強度も緩和される。また半導体層102と埋め込み拡散層130との境界でも埋め込み拡散層130の不純物濃度が高いので空乏層の下方への広がりが抑制され電界強度が増大するが、半導体層102の厚さが厚いので半導体層102側により広範囲で空乏層が広がり電界強度が緩和されて耐圧低下を抑制することが可能である。
なお埋め込み拡散層130を形成する場合は、N型半導体層102の深さ(厚さ)を最初から十分に大きく設定しておくことによって耐圧低下を回避することも可能であるが、現実の半導体集積回路において半導体層102の深さは、図7に示した半導体装置だけでなく同一シリコン基板に集積する他のMOS型トランジスタ素子などの特性も考慮して決定されるので自由に設計変更することは困難である。
(実施形態4)
図8は本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図であり、図9はその平面レイアウトパターンを示す平面図である。そして図8は図9におけるC−D線に沿う断面を表示している。図8および図9が示す半導体装置は第1の実施形態の半導体装置とほぼ同じ構造を有しているので、同一部分には同一の符号を付与して説明を省略し、相違点を中心として説明する。第1の実施形態に係る半導体装置と同一の符号を付した部分はそれらの形状、寸法、相対的位置、不純物濃度などが第1の実施形態と同一に形成されている。
本実施形態に係る半導体装置は、図8および図9に示すように第2ドレインオフセット領域105と第1ドレインオフセット領域140とがなす境界の曲率が極大となる部分のうち、少なくともソース領域107に近い方の部分を第1ドレインオフセット領域140内部に含み、第2ドレインオフセット領域105の一部が第1ドレインオフセット領域140の外部へ水平方向に露出した配置を有するものである。このような構成とすることはすなわち、図9のように第1ドレインオフセット領域140をソース領域107へ向かって縮小することであり、これによってその占有面積を低減させると同時に素子分離領域114も縮小して半導体装置の面積を縮小することができる。
図9に示すように具体的には平面的に見た第1ドレインオフセット領域140と半導体層102との境界のうち、ソース領域107からドレイン領域104への方向と垂直方向に延びる境界(第1ドレインオフセット領域140の端部のうち、ソース領域107からドレイン領域104への方向と垂直方向に延びる端部)が第2ドレインオフセット領域105の底部に接触するようにする。このように第1ドレインオフセット領域140の上記境界または端部が第2ドレインオフセット領域105とオーバーラップするように配置することが望ましい。
図8に示すように第2ドレインオフセット領域105の境界の、極大曲率を有する部分は2箇所であるが、ドレイン領域104に高電圧を印加した場合に電界集中により高電界が生じ耐圧を決定するのはソース領域107に近い側の極大曲率箇所である。これは空乏層は主として第1の実施形態において述べた第1PN接合からドレイン領域104に向かって伸びることが一因となっている。これに対して他方の曲率極大箇所では第1オフセット領域140より高不純物濃度の第2ドレインオフセット領域105と半導体層102とが直接PN接合を形成しているが、半導体層102の不純物濃度が第1ドレインオフセット領域140やボディ領域106よりかなり小さいのでこの部分での電界強度は比較的低くなる。
こうした状態にあるので第2ドレインオフセット領域105の一部が第1ドレインオフセット領域140の外部へ水平方向に露出した配置としても耐圧が劣化することがほとんどなく、第1および第3の実施形態による半導体装置と同様な効果を奏することができる。なお、本実施形態に係る半導体装置は第1ドレインオフセット領域140のパターン形状が第1の実施形態による半導体装置と異なるだけであるので、第2の実施形態による製造方法を用いて製造することができる。
(実施形態5)
図10は本発明の第5の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。この半導体装置は半導体装置A(第1の実施形態による半導体装置、具体的にはPチャネルLDMOS型トランジスタ)および半導体装置B(具体的にはNチャネルLDMOS型トランジスタ)を同一のシリコン基板上に備えるものである。半導体装置Aについては第1の実施の形態として詳細に説明したので同一部分に同一符号を付与して説明を省略し、主として半導体装置Bについて説明する。
半導体装置Bにおいて、P型のシリコン基板101上に低不純物濃度のN型の半導体層102が形成されている。半導体層102の表面部にP型のボディ領域153が形成され、それと離間して半導体層102の所定の位置にN型ドレインオフセット領域151が形成されている。このN型ドレインオフセット領域151の不純物濃度は半導体層102より高く設定される。上記ボディ領域153内には高不純物濃度のN型ソース領域152が設けられ、また、図示していないが同じボディ領域153内には高不純物濃度のP型ボディコンタクト領域も形成される。このボディコンタクト領域は、半導体装置AのN型ボディコンタクト領域(図2の112)に対応するものであり、通常ボディ領域153と電気的に連続していると共にソース領域152と短絡させて使用する。
一方、N型ドレインオフセット領域151内には高不純物濃度のN型ドレイン領域150が設けられている。また半導体層102の表面上にはLOCOS酸化膜からなる絶縁膜110、シリコン酸化膜などからなるゲート絶縁膜108、ゲート電極109が半導体装置Aと同じ配置で設けられる。以上の構成によればN型ドレインオフセット領域151の端部から絶縁膜110の直下、およびゲート電極109の直下を経てボディ領域153とのpn接合領域に至る部分の半導体層102は半導体装置Aにおける第1ドレインオフセット領域103に対応する低不純物濃度のN型ドレインオフセット領域として働く。半導体装置Bの平面レイアウトパターンは、各部の導電型は異なるが図2と同様に形成される。
半導体装置Aにおいては、その耐圧を向上させ、また動作中の特性経時変化に関する信頼性を向上させるためにP型の第1ドレインオフセット領域103の深さが1μmより小さくなるように形成し、さらに第2ドレインオフセット領域105を、第1ドレインオフセット領域103よりも浅く、且つオン抵抗を低減させるために最適な比較的高いP型不純物濃度で形成する。本実施形態による半導体装置が特に数十V〜数十V程度の範囲で動作するものであるとき、上記第2ドレインオフセット領域105の形成条件はNチャネルLDMOS型トランジスタとしての半導体装置Bにおけるボディ領域153の形成条件と合致するので、これら領域は同一の工程で同時に形成することができる。こうして図10に示す半導体装置では、第1の実施形態に係る半導体装置と同様の効果を奏すると共に、第2ドレインオフセット領域105とボディ領域153を別々の工程で形成する必要がなくなるので工程数が低減し、製造コスト上昇を抑制することができる。
図10に示す半導体装置の製造方法の一例の概要を説明すると次のようになる。まずP型のシリコン基板101上にN型の半導体層102を形成する。次に半導体装置Aを形成すべき半導体層102の領域にP型の第1ドレインオフセット領域103を形成する。その後、第1ドレインオフセット領域103および半導体装置Bの形成領域における半導体層102の表面上にLOCOS酸化膜からなる絶縁膜110を選択的に成長させる。続いて絶縁膜110が形成されなかった露出面にゲート絶縁膜108を成長させ、その上に半導体装置AおよびBのゲート電極109を形成する。
半導体装置AのN型のボディ領域106用イオン注入を第1ドレインオフセット領域103の所定部分に行い、続いて半導体装置AのP型の第2ドレインオフセット領域105用および半導体装置BのP型のボディ領域153用を兼ねたイオン注入を同時に同条件で行う。さらに半導体装置BのN型ドレインオフセット領域151用イオン注入を半導体層102の所定部分に行う。
そしてゲート電極109の表面を酸化して薄い酸化膜を形成する工程や、独立に設定された熱処理を施し、ボディ領域106、第2ドレインオフセット領域105、ボディ領域153およびN型ドレインオフセット領域151を形成する。この工程により第2ドレインオフセット領域105およびボディ領域153の元の半導体層102の表面からの深さ、および不純物濃度(ピーク濃度)は実質的に同一となる。さらに半導体装置Aのボディ領域106、第2ドレインオフセット領域105および図示していない半導体装置Bのボディコンタクト領域にP型不純物を高濃度に同時にイオン注入する。
次に半導体装置Bのボディ領域153、N型ドレインオフセット領域151および半導体装置Aの図示していないボディコンタクト領域にN型不純物を高濃度に同時にイオン注入する。この後、高温熱処理を実行しP型ソース領域107、P型ドレイン領域104、N型ソース領域152、N型ドレイン領域150、半導体装置AおよびBのボディコンタクト領域を形成する。
以上に述べた第1〜第5の実施形態に係る半導体装置は、図2や図9に示されるような、ソース領域を対称軸としてその左右に2つのドレイン領域を配置する構成を例示して説明したが、このレイアウトの片側半分、すなわち1つのソース領域および1つのドレイン領域をそれらの長手方向に互いに平行に対向させた配置にすることができる。また、本発明の各実施の形態では半導体装置を単体としたが、同一構成を有する複数の半導体装置をアレイに配列した構成も含むものである。
また上記の各実施形態で具体的な説明の対象とした半導体装置はPチャネルLDMOS型トランジスタであるが、少なくともその半導体層102および半導体層102内に形成された各半導体不純物領域はN型とP型とを入れ替えた半導体装置としてもよい。また第3の実施形態ではさらに埋め込み拡散層130も導電型を入れ替えることができる。さらにシリコン基板101の伝導型も入れ替えることができる。
本発明に係る半導体装置は各実施の形態として例示したLDMOS型トランジスタのみならず、ドレインオフセット領域の機能に相当する不純物層を有する他の半導体装置、特に高耐圧半導体装置にも有用である。
101 シリコン基板
102 半導体領域
103、140 第1ドレインオフセット領域
104、150 ドレイン領域
105 第2ドレインオフセット領域
106、153 ボディ領域
107、152 ソース領域
108 ゲート絶縁膜
109 ゲート電極
110 絶縁膜
111、113 コンタクトホール
112 ボディコンタクト領域
114 素子分離領域
115 リンイオン
116 N型注入層
117 ボロンイオン
118 P型注入層
119、121 フッ化ボロンイオン
120、122 P型高濃度注入層
130 埋め込み拡散層
151 N型ドレインオフセット領域

Claims (12)

  1. 第1導電型を有する半導体層と、
    前記半導体層の表面部に形成された第2導電型を有する第1不純物領域と、
    前記第1不純物領域に接触するように隣接して形成された第1導電型を有するボディ領域と、
    前記ボディ領域とは離間して前記第1不純物領域に形成されると共に第2導電型を有し、その深さが前記第1不純物領域よりも小さい第2不純物領域と、
    前記ボディ領域の表面部に形成された第2導電型を有するソース領域と、
    前記第2不純物領域の表面部に形成された第2導電型を有するドレイン領域と、
    前記ソース領域の、前記ドレイン領域に近い側の端部の上から前記第1不純物領域の上にわたる領域に、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ボディ領域の深さは前記第1不純物領域より大きく、前記ボディ領域の境界の極大曲率を有する部分は前記第1不純物領域の底部より下方に位置することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1不純物領域の深さは1μmより小さいことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記第2不純物領域の不純物濃度は前記第1不純物領域より大きいことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記第2不純物領域は、その表面において前記ドレイン領域の前記ソース領域に近い側の端部から前記ソース領域へ向かって1μm以下の範囲に形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記半導体層の下に、第1導電型を有すると共に前記半導体層より大きい不純物濃度の埋め込み層が形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置。
  7. 前記第2不純物領域の境界の極大曲率を有する部分のうち、前記ソース領域に近い側の部分が前記第1不純物領域の内部に含まれると共に、前記第2不純物領域の一部が前記第1不純物領域の外部へ水平方向に露出していることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 第1導電型を有する半導体層と、
    前記半導体層の表面部に形成された第2導電型を有する第1不純物領域と、
    前記第1不純物領域に接触するように隣接して形成された第1導電型を有する第1ボディ領域と、
    前記第1ボディ領域とは離間して前記第1不純物領域に形成されると共に第2導電型を有し、その深さが前記第1不純物領域よりも小さい第2不純物領域と、
    前記第1ボディ領域の表面部に形成された第2導電型を有する第1ソース領域と、
    前記第2不純物領域の表面部に形成された第2導電型を有する第1ドレイン領域と、
    前記第1ソース領域の、前記第1ドレイン領域に近い側の端部の上から前記第1不純物領域の上にわたる領域に、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と
    を備えた第1の半導体装置、および、
    前記半導体層と、
    前記半導体層の表面部に形成され、前記第2不純物領域と同一の深さおよび不純物濃度を有する第2導電型の第2ボディ領域と、
    前記第2ボディ領域とは離間して前記半導体層の表面部に形成されると共に第1導電型を有する第3不純物領域と、
    前記第2ボディ領域の表面部に形成された第1導電型を有する第2ソース領域と、
    前記第3不純物領域の表面部に形成された第1導電型を有する第2ドレイン領域と、
    前記第2ソース領域の、前記第2ドレイン領域に近い側の端部の上から前記半導体層の上にわたる領域に、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と
    を備えた第2の半導体装置と
    を有することを特徴とする半導体装置。
  9. 第1導電型を有する半導体層の表面部に第2導電型を有する第1不純物領域を形成する工程と、
    前記第1不純物領域の表面上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
    前記ゲート電極をマスクとして前記第1不純物領域に第1導電型を有する不純物を導入し、ボディ領域を形成する工程と、
    前記ボディ領域が形成される位置から離間した前記第1不純物領域の所定位置に第2導電型を有する不純物を導入し、その深さが前記第1不純物領域よりも小さい第2不純物領域を形成する工程と、
    前記ゲート電極をマスクとして前記ボディ領域に第2導電型を有する不純物を導入し、ソース領域を形成する工程と、
    前記第2不純物領域に第2導電型を有する不純物を導入し、ドレイン領域を形成する工程と
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 半導体基板に第1導電型を有する不純物を導入し、前記半導体層より大きい不純物濃度を有する埋め込み層を形成する工程と、前記埋め込み層上に前記半導体層を形成する工程とをさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 請求項8に記載された半導体装置において、前記第2不純物領域と前記第2ボディ領域とを同一の工程で同時に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  12. 前記第1不純物領域の深さは1μmより小さいことを特徴とする請求項9または11に記載の半導体装置の製造方法。
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