JP2012033841A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】LDMOSトランジスタに係る半導体装置の高速動作を可能とする。
【解決手段】P型ウエル層3の表面に形成された複数の素子分離膜4の中央部に開口溝5を形成する。開口溝5の側壁から開口溝5の内側に向かってゲート絶縁膜6を介して延在するゲート電極7を形成する。ゲート電極7をマスクにしてセルフアラインでボロンの斜めイオン注入により開口溝5内のP型ウエル層3にP型ボディ層8を形成する。
ゲート電極7をマスクに砒素のイオン注入によりP型ボディ層8にN+型ソース層9を、同時に2つの素子分離膜4間のP型ウエル層3にN+型ドレイン層10を形成する。素子分離膜4の下方のP型ウエル層3にP型ボディ層8の端部からN+型ドレイン層10に延在するN−型ドリフト層を形成する。この際、P型ボディ層8の端部から開口溝5の側壁下部までの領域AのN−型ドレイン層11の幅をできるだけ小さくなるよう制御する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に低損失LDMOSトランジスタからなる半導体装置及びその製造方法に関する。
半導体装置には、LDMOSトランジスタが含まれる。なお、DMOSとはDouble―Diffused Metal Oxide Semiconductorの略称である。DMOSトランジスタの内、横方向に電流が流れるものがLDMOSトランジスタである。この場合のLDはLaterally Diffusedの略称である。LDMOSトランジスタは電源回路やドライバー回路等に広く採用されている。
ゲートチャネル層に隣接して、高濃度の不純物が含まれるソース層およびドレイン層を形成するMOSトランジスタにおいては、ドレイン層に逆バイアスを印加したとき、ドレイン層から下側の半導体層への空乏層は、半導体層の不純物濃度に応じて拡がっていく。
しかし、ゲートチャネル層と隣接するドレイン層から、ゲートチャネル層となる半導体層への横方向の空乏層は、ゲート電極とドレイン層の電界が影響して十分拡がる事ができない。従って、ドレイン層下方向に比し、ドレイン層横方向の電界強度がはるかに大きくなり絶縁破壊を起こしてしまうため、高耐圧MOSトランジスタの実現が困難であった。
この問題を解決するため、ゲート絶縁膜の膜厚を厚くしゲート電極からの電界を弱める対処が行われる。しかし、微細化の進展と共にゲート絶縁膜は薄膜化の方向に向かい、それに対処する方法として、いわゆるオフセットゲート構造が採用されてきた。
即ち、ゲートチャネル層から高濃度のドレイン層を離した構成である。この場合、ゲートチャネル層と高濃度ドレイン層の間に、ドレイン層と同型の不純物でドレイン層より低濃度の、いわゆるドリフト層を形成し、高濃度ドレイン層から横方向へ空乏層が拡がりやすくして横方向の電界強度を弱め、耐圧の改善を図ってきた。
図8に従来のオフセットゲート構造LDMOSトランジスタの断面を示す。P型半導体基板51にN型エピタキシャル層または深いN型ウエル層からなるN型半導体層52が形成される。N型半導体層52にはP型ウエル層53が形成され、P型ウエル層53にはP型ボディ層54が形成される。
また、P型ボディ層54にはN+型ソース層55が、P型ウエル層53にはN+型ドレイン層56が形成される。N+型ソース層55の形成領域とN+型ドレイン層56の形成領域とはLOCOS(Local Oxidation of Semiconductor)法による素子分離膜57で分離される。
素子分離膜57の直下にはP型ボディ層54からN+型ドレイン層56まで延在するN−型ドレイン層58が形成される。N−型ドレイン層58は電界緩和層として機能し、LDMOSトランジスタのソース−ドレイン間絶縁破壊電圧BVDSを決定する。
N+型ソース層55の端部から素子分離膜57上までゲート絶縁膜59を介してゲート電極60が形成される。また、ゲート電極60等を被覆する層間絶縁膜61に形成されたコンタクトホールを介して、N+型ソース層55と接続するソース電極62、N+型ドレイン層56と接続するドレイン電極63が形成される。更に、この上に必要に応じ多層配線構造、パッシベーション膜が形成されLDMOSトランジスタが完成する。
このようなオフセットゲート構造のDMOSトランジスタに関しては特許文献1および特許文献2にその構成及び耐圧改善方法が記載されている。
特開平10−233508号公報 特開平08−236754号公報
オフセットゲート構造のLDMOSトランジスタは該LDMOSトランジスタの高耐圧化を目的とするもので特許文献1等も耐圧改善を目的とする内容を開示している。しかし、近年電子機器の低電圧化、小型化が一層進む中、高耐圧化に加えスイッチング速度の高速化が求められている。高速化の要求に伴いLDMOSトランジスタのスイッチング損失低減への要求が強まっている。係るスイッチング損失低減への要求に応えるLDMOSトランジスタの開発が課題となる。
本発明の半導体装置は、LDMOSトランジスタに係る半導体装置であって、第1導電型の半導体基板に形成された第2導電型の半導体層と、前記半導体層に形成された第1導電型のウエル層と、前記ウエル層上に形成された複数の素子分離膜と、前記素子分離膜の中央部分に形成された開口溝と、前記開口溝内の前記ウエル層に形成された第1導電型のボディ層と、前記開口溝の側壁からゲート絶縁膜を介して開口溝の内側に向かって形成されたゲート電極と、前記ボディ層に形成された第2導電型のソース層と、2つの前記素子分離膜に挟まれた領域の前記ウエル層に形成された第2導電型のドレイン層と、前記素子分離膜の下方の前記ウエル層に前記ボディ層から前記ドレイン層まで延在して形成された第2導電型のドリフト層と、を具備することを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、前記ボディ層が前記ゲート電極をマスクとして不純物イオンを斜めイオン注入することにより形成されたことを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、前記開口溝が第1開口溝と該第1開口溝と重畳してそれより大きな幅からなる第2開口溝により形成されることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、前記ボディ層が前記第1開口溝から不純物イオンをイオン注入することにより形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置製造方法は、LDMOSトランジスタに係る半導体装置であって、第1導電型の半導体基板に第2導電型の半導体層を形成する工程と、前記半導体層に第1導電型のウエル層を形成する工程と、前記ウエル層上に複数の素子分離膜を形成する工程と、前記素子分離膜の中央部分に開口溝を形成する工程と、前記開口溝内の前記ウエル層に第1導電型のボディ層を形成する工程と、前記開口溝の側壁からゲート絶縁膜を介して開口溝の内側に向かってゲート電極を形成する工程と、前記ボディ層に第2導電型のソース層を形成する工程と、2つの前記素子分離膜に挟まれた領域の前記ウエル層に第2導電型のドレイン層を形成する工程と、前記素子分離膜の下方の前記ウエル層に前記ボディ層から前記ドレイン層まで延在して第2導電型のドリフト層を形成する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の半導体装置製造方法は、前記ボディ層を前記ゲート電極をマスクとして不純物イオンを斜めイオン注入することにより形成することを特徴とする。
また、本発明の半導体装置製造方法は、前記開口溝を第1開口溝と該第1開口溝と重畳してそれより大きな幅からなる第2開口溝により形成することを特徴とする。
また、本発明の半導体装置製造方法は、前記ボディ層を前記第1開口溝から不純物イオンをイオン注入することにより形成することを特徴とする。
本発明による半導体装置及びその製造方法によれば、スイッチング損失の少ないLDMOSトランジスタからなる半導体装置の製造が可能となる。
本発明の第1及び第2の実施形態における半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。
〔第1の実施形態〕
本発明の第1の実施形態について図1に基づいて説明する。図1は本実施形態における半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。本実施形態の半導体装置に係るLDMOSトランジスタにおいては、先ず、P型半導体基板1上にN型エピタキシャル層または深く拡散されたN型ウエル層からなるN型半導体層2が形成される。
N型半導体層2にはP型ウエル層3が形成され、該P型ウエル層3の表面には複数の素子分離膜4が形成される。素子分離膜4の中央部には開口溝5が形成され、該開口溝5内にはその両側壁から該開口溝の内側に向かってゲート絶縁膜6を介して2つの分離したゲート電極7が形成される。
開口溝5内のP型ウエル層3にはP型ボディ層8が形成され、該P型ボディ層8にはN+型ソース層9が形成される。また、2つの素子分離膜4に挟まれたP型ウエル層3にはN+型ドレイン層10が形成される。更に、素子分離膜4の下方のP型ウエル層3にはP型ボディ層8からN+型ドレイン層10まで延在する電界緩和層として機能するN−型ドリフト層11が形成される。
素子分離膜4等を含むP型半導体基板1の表面を被覆する層間絶縁膜12に形成されたコンタクトホールを介してN+型ソース層9と接続されるソース電極13、N+型ドレイン層10と接続されるドレイン電極14が形成される。
係る構造からなる本実施形態の半導体装置に係るLDMOSトランジスタの特徴を、図8に示す従来のLDMOSトランジスタと比較して以下に説明する。全体的構成は従来のLDMOSトランジスタも本実施形態のLDMOSトランジスタも変わらない。本実施形態ではP型ボディ層8をゲート電極7をマスクにしてボロン(B)等の不純物イオンを斜めイオン注入しているが、従来のP型ボディ層54も微細化を追求する中、同様にゲート電極60をマスクにしてボロン(B)等の不純物イオンを斜めイオン注入している。
しかし、部分的に見た場合、本実施形態のゲート電極7とゲート絶縁膜6を介して対峙する図1に示す領域AのN−型ドリフト層11のが、従来のゲート電極60とゲート絶縁膜59を介して対峙する図8に示す領域BのN−型ドリフト層58のに比べ狭くなる点が大きく異なる。
ゲート電極7と、該ゲート電極7とゲート絶縁膜6を介して対峙する領域AのN−型ドリフト層11とは、LDMOSトランジスタのドレイン−ゲート間容量CGDを構成する。従って、本実施形態のLDMOSトランジスタのドレイン−ゲート間容量CGDは従来のLDMOSトランジスタのドレイン−ゲート間容量CGDより小さな値になる。
ドレイン−ゲート間容量CGDはいわゆるミラー容量としてLDMOSトランジスタの入力容量CINを増大させる。入力容量CINは、ゲート−ソース間容量をCGS、電圧利得AとするとCIN=CGS+(1−A)CGDという形でLDMOSトランジスタの入力容量CINを増大させる方向にフィードバックされ、高速スイッチング特性の劣化を招くことになる。
従って、LDMOSトランジスタの高速化のためにはドレイン−ゲート間容量CGDは小さくする必要がある。
本実施形態のLDMOSトランジスタのゲート電極7とゲート絶縁膜6を介して対峙する領域AのN−型ドリフト層11の幅が従来のLDMOSトランジスタのゲート電極60とゲート絶縁膜59を介して対峙する領域BのN−型ドリフト層58のに比べ狭くなる理由について以下に説明する。
前述の如く本実施形態のP型ボディ層8も従来のP型ボディ層54もボロン(B)等をそれぞれゲート電極7、ゲート電極60をマスクとして斜めイオン注入して形成することに変わりはない。しかし、マスクとなるゲート電極7とゲート電極60の形成方法が異なる。
従来の場合は、素子分離膜57のパターンを基準にマスク合わせを行い、レジストマスクを使用してゲート絶縁膜59上から素子分離膜57上に延在するゲート電極60が形成される。このとき、素子分離膜57上からゲート絶縁膜59上に延在しているゲート電極60の幅を、マスク合わせ精度を考慮した分大きくとっている。
ゲート電極60をマスクとしてP型ボディ層54形成のためボロン(B)等を斜めイオン注入する際、P型ボディ層54の先端部がLOCOS法により形成された素子分離膜57のバーズビーク部分に隣接した領域に形成されたり、素子分離膜57の下まで侵入したりしないようにするためである。
バーズビーク部分に隣接した領域にP型ボディ層54の先端部がかかるとその部分のP型ボディ層54とN−型ドリフト層58で形成されるPN接合がリーク電流成分のある不完全な接合になる。また、P型ボディ層54の先端部が厚い素子分離膜57の下方まで延在して形成されるとゲート電圧でチャネル形成の制御ができなくなるからである。
それに対して、本実施形態のLDMOSトランジスタでは素子分離膜4の中央部分に形成した開口溝5の両側壁から開口溝5の内側に向かい、ゲート絶縁膜6を介してゲート電極7を形成している。ゲート電極7は開口溝5を含むP型半導体基板1上を被覆する所定の膜厚からなるポリシリコン膜をエッチバックしてセルフアラインで形成している。
そのため素子分離膜4の端部となる開口溝5の側壁からゲート電極7の先端までの距離は、ポリシリコンの膜厚ばらつきやエッチバックのばらつき分だけばらつくだけであり、従来のゲート電極60のマスク合わせのばらつきに比べ小さい。本実施形態の場合は素子分離膜4の中央部分に開口溝5を形成しているため、その中に形成されるP型ボディ層8が素子分離膜4の両端に形成されるバーズビークと遭遇することもない
従って、本実施形態のLDMOSトランジスタのゲート電極7とゲート絶縁膜6を介して対峙する領域AのN−型ドリフト層11のは従来のLDMOSトランジスタのゲート電極60とゲート絶縁膜59を介して対峙する領域BのN−型ドリフト層58のに比べ狭くできる。結果的に本実施形態のLDMOSトランジスタのドレイン−ゲート間容量CGDは従来のLDMOSトランジスタのドレイン−ゲート間容量CGDより小さな値にすることができ、高速化の要求に応えることができる。
なお、本実施形態のLDMOSトランジスタはゲート電極7の形成をセルフアラインで行うため、従来のようなマスク合わせ精度を考慮したゲート長にする必要がない分、チップサイズの縮小も可能になる。
本実施形態の半導体装置の製造方法について以下に図1〜図4に基づいて説明する。図2に示すように、P型半導体基板1を準備し、該P型半導体基板1にN型半導体層2を形成する。N型半導体層2は所定のエピタキシャル法でN型エピタキシャル層を形成してもよいし、リン(P)等をイオン注入してから熱拡散処理を行い深いN型ウエル層を形成しても良い。
次に、N型半導体層2の所定の領域にボロン(B)等をイオン注入し、必要に応じ熱拡散してP型ウエル層3を形成する。P型ウエル層3の所定の位置にリン(P)等をイオン注入し、所定のLOCOS法により複数の素子分離膜4を形成する。素子分離膜4の幅は、従来の素子分離膜57の2倍程度の幅に形成する。また、素子分離膜4の下方から素子分離膜4の形成されない領域の一部まで延在するN−型ドレイン層11が形成される。
次に、図3に示すように、素子分離膜4の中央部領域に所定の異方性ドライエッチングにより開口溝5を形成する。左右に分断されたそれぞれの素子分離膜4の幅は従来のLDMOSトランジスタの素子分離膜57の幅と略同等である。開口溝5に露出したN−型ドリフト層11等にはゲート絶縁膜6を形成する。
次に、開口溝5を含むP型半導体基板1の表面に所定のCVD法によりポリシリコン膜を堆積する。ポリシリコン膜にはリン(P)が所定の不純物源から熱拡散等される。次に、ポリシリコン膜をその表面から全面エッチバックすることにより、開口溝5の両側壁からゲート絶縁膜6を介して開口溝5の内側に向かう分離した2つのゲート電極7を形成する。ゲート電極7の開口溝5の側壁からゲート電極7の先端部までの幅はポリシリコンの膜厚とLOCOS法により形成された素子分離膜4の膜厚で決定される。
次に、ゲート電極7をマスクにしてボロン(B)等を斜めイオン注入し熱処理をすることによりN−型ドリフト層11からP型ウエル層3の内部まで延在するP型ボディ層8を形成する。このとき、P型ボディ層8が素子分離膜4の下方まで形成されない条件でイオン注入及び熱処理を行う。
次に、図4に示すように、ゲート電極7をマスクにしてセルフアラインで砒素(A)等をイオン注入してP型ボディ層8にN+型ソース層9を形成する。同時に、素子分離膜4をマスクにして2つの素子分離膜4の間のP型ウエル層3にN+型ドレイン層10を形成する。このN+型ドレイン層10は必要に応じてN−型ドリフト層11で覆っても良い。
次に、図1に示すように、素子分離膜4を含むP型半導体基板1の表面面に所定のCVD法によりシリコン酸化膜およびBPSG膜等からなる層間絶縁膜12を堆積する。必要に応じ不図示の平坦化処理を行ってから所定のフォトエッチング工程を経てコンタクトホールを形成する。
次に、スパッタ法等によりアルミニューム等の金属膜を堆積してから所定のフォトエッチング工程を経てN+型ソース層9と接続するソース電極13、N+型ドレイン層10と接続するドレイン電極14を形成する。ゲート電極7も同じくコンタクトホールを介して
不図示のゲート引き出し電極により上層に引き出される。
必要に応じ、多層配線を形成し、最上層にパッシベーション膜を形成することにより半導体装置は完成する。
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態について以下に説明する。本実施形態の半導体装置に係るLDMOSトランジスタの断面構造は第1の実施形態と同様である。従って、効果も同様である。製造方法だけが一部異なる。
本実施形態の半導体装置の製造方法について、第1の実施形態と異なる製造工程を中心に、図5〜図7に基づいて以下に説明する。素子分離膜4を形成するところまでは第1の実施形態の図2と同じである。
次に図5に示すように、フォトレジスト膜、またはシリコン酸化膜からなる素子分離膜4に対してエッチング選択性の高いシリコン窒化膜等からなるエッチングマスク15により、素子分離膜4に第1開口溝5aを所定の異方性ドライエッチング等により形成する。この場合、第1開口溝5aの幅は第1の実施形態の開口溝5の幅より狭い。
次に、エッチングマスク15等をマスクとしてボロン(B)等をイオン注入して第1開口溝5a内に露出したN−型ドリフト層11にP型デポ層8aを形成する。この場合、イオン注入は斜め注入ではなく、通常の垂直注入となる。
次に、図6に示すように、エッチングマスク15をその表面全面から等方性エッチングし、素子分離膜4の第1開口溝5aの側壁と面一であったエッチングマスク15の端面を素子分離膜4上で後退させる。この結果、エッチングマスク15の開口は広くなり素子分離膜4の一部がエッチングマスク15の端部から露出する。
次に、図7に示すように、開口幅の大きくなったエッチングマスク15により、該露出した素子分離膜4に対して所定の異方性エッチングを施し、第1の開口溝5aに重畳する形で第2の開口溝5bを形成する。第2の開口溝5bの幅は第1の実施形態の開口溝5と略同一である。
以降の工程は、P型デポ層8aから後続の熱処理によりP型ボディ層8が形成される点を除いて第1の実施形態と同様である。本実施形態によればP型ボディ層8の形成を、第1の実施形態で行うボロン(B)等の斜めイオン注入によることなく通常の垂直イオン注入で形成できる。
1 P型半導体基板 2 N型半導体層 3 P型半導体層 4 素子分離膜
5 開口溝 5a 第1開口溝 5b 第2開口溝 6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極 8 P型ボディ層 9 N+型ソース層
10 N+型ドレイン層 11 N−型ドリフト層 12 層間絶縁膜
13 ソース電極 14 ドレイン電極 15 エッチングマスク
51 P型半導体基板 52 N型半導体層 53 P型ウエル層
54 P型ボディ層 55 N+型ソース層 56 N+型ドレイン層
57 素子分離膜 58 N−型ドリフト層 59 ゲート絶縁膜
60 ゲート電極 61 層間絶縁膜 62 ソース電極 63 ドレイン電極

Claims (8)

  1. LDMOSトランジスタに係る半導体装置であって、
    第1導電型の半導体基板に形成された第2導電型の半導体層と、
    前記半導体層に形成された第1導電型のウエル層と、
    前記ウエル層上に形成された複数の素子分離膜と、
    前記素子分離膜の中央部分に形成された開口溝と、
    前記開口溝内の前記ウエル層に形成された第1導電型のボディ層と、
    前記開口溝の側壁からゲート絶縁膜を介して開口溝の内側に向かって形成されたゲート電極と、
    前記ボディ層に形成された第2導電型のソース層と、
    2つの前記素子分離膜に挟まれた領域の前記ウエル層に形成された第2導電型のドレイン層と、
    前記素子分離膜の下方の前記ウエル層に前記ボディ層から前記ドレイン層まで延在して形成された第2導電型のドリフト層と、を具備することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ボディ層が前記ゲート電極をマスクとして不純物イオンを斜めイオン注入することにより形成されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記開口溝が第1開口溝と該第1開口溝と重畳してそれより大きな幅からなる第2開口溝により形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記ボディ層が前記第1開口溝から前記ウエル層内に不純物イオンをイオン注入することにより形成されたことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  5. LDMOSトランジスタに係る半導体装置であって、
    第1導電型の半導体基板に第2導電型の半導体層を形成する工程と、
    前記半導体層に第1導電型のウエル層を形成する工程と、
    前記ウエル層上に複数の素子分離膜を形成する工程と、
    前記素子分離膜の中央部分に開口溝を形成する工程と、
    前記開口溝内の前記ウエル層に第1導電型のボディ層を形成する工程と、
    前記開口溝の側壁からゲート絶縁膜を介して開口溝の内側に向かってゲート電極を形成する工程と、
    前記ボディ層に第2導電型のソース層を形成する工程と、
    2つの前記素子分離膜に挟まれた領域の前記ウエル層に第2導電型のドレイン層を形成する工程と、
    前記素子分離膜の下方の前記ウエル層に前記ボディ層から前記ドレイン層まで延在して第2導電型のドリフト層を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 前記ボディ層を前記ゲート電極をマスクとして不純物イオンを斜めイオン注入することにより形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記開口溝を第1開口溝と該第1開口溝と重畳してそれより大きな幅からなる第2開口溝により形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記ボディ層を前記第1開口溝から前記ウエル層内に不純物イオンをイオン注入することにより形成することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
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