JP2015095525A - Semiconductor circuit device manufacturing method and semiconductor circuit device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体回路装置の製造方法および半導体回路装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor circuit device and a semiconductor circuit device.
DC(Direct Current)/DCコンバータIC(Integrated Circuit)などの回路動作を安定させるために、所定の基準電圧を出力する基準電圧回路装置が用いられる。基準電圧回路装置の回路構成として、ダイオードと抵抗素子を直列に接続したバンドギャップレファレンス方式や、2つのMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を直列に接続した方式が公知である。 In order to stabilize circuit operations such as a DC (Direct Current) / DC converter IC (Integrated Circuit), a reference voltage circuit device that outputs a predetermined reference voltage is used. As a circuit configuration of the reference voltage circuit device, a band gap reference method in which a diode and a resistance element are connected in series and a method in which two MOSFETs (Metal Oxide Field Effect Transistor) are connected in series are known.
バンドギャップレファレンス方式の基準電圧回路装置は、温度変動が小さく、かつ耐放射線性のうちのトータルドーズ(TID:Total Ionising Dose)耐量が大きい等の長所を有する反面、消費電力が大きく、かつ初期特性のばらつきが大きい等の短所がある。 The reference voltage circuit device of the band gap reference method has advantages such as a small temperature fluctuation and a large total dose resistance (TID) of radiation resistance, but has a large power consumption and initial characteristics. Disadvantages such as large variations in
一方、2つのMOSFETを直列に接続した方式の基準電圧回路装置は、消費電力や初期特性のばらつきが小さく、かつ耐放射線性のうちシングルイベント特性(SEE:Sigle Event Effect)が優れている等の長所を有する反面、温度変動が大きく、かつTID耐量が小さい等の短所がある。 On the other hand, a reference voltage circuit device of a system in which two MOSFETs are connected in series has small variations in power consumption and initial characteristics, and excellent single event characteristics (SEE: Single Event Effect) among radiation resistance. While having advantages, it has disadvantages such as large temperature fluctuation and small TID resistance.
上述した基準電圧回路装置を、放射線の照射量が多い例えば宇宙空間などで用いる場合、耐放射線性のうちTID特性およびSEE特性が優れていることが重要である。ここで、TID特性とは、ゲート酸化膜に放射線が照射されている状態のときに、ゲート酸化膜内に電子・正孔対が発生し、電子または正孔がゲート酸化膜内のシリコンとの界面に固定電荷となって蓄積される現象をいう。例えば、ゲート酸化膜に正のバイアス電圧が印加された場合には、正孔がゲート酸化膜内のシリコンとの界面に移動して、正の固定電荷となって蓄積される。その結果、n型MOSFETでは、しきい値電圧が低下し、ソース電極とドレイン電極間のリーク電流が増加する。 When the above-described reference voltage circuit device is used in a large amount of radiation, for example, in outer space, it is important that TID characteristics and SEE characteristics are excellent in radiation resistance. Here, the TID characteristic means that when the gate oxide film is irradiated with radiation, electron-hole pairs are generated in the gate oxide film, and the electrons or holes are in contact with the silicon in the gate oxide film. A phenomenon that accumulates as fixed charges at the interface. For example, when a positive bias voltage is applied to the gate oxide film, holes move to the interface with silicon in the gate oxide film and accumulate as positive fixed charges. As a result, in the n-type MOSFET, the threshold voltage decreases and the leakage current between the source electrode and the drain electrode increases.
SEE特性とは、宇宙から飛散してくる陽子や重粒子などの高エネルギー粒子がシリコン基板に入射したときに、その飛跡に沿って高密度の電子・正孔対の集合体であるプラズマフィラメントが形成される現象をいう。例えば、半導体装置内に形成されたウェルが正電位を有する場合、導電体であるプラズマフィラメントを通じてウェルと基板が短絡する。その時間はピコ秒オーダーである。 The SEE characteristic is that when high energy particles such as protons and heavy particles scattered from space enter the silicon substrate, the plasma filament that is an aggregate of high-density electron / hole pairs along the track A phenomenon that is formed. For example, when a well formed in a semiconductor device has a positive potential, the well and the substrate are short-circuited through a plasma filament that is a conductor. The time is on the order of picoseconds.
バンドギャップレファレンス方式の基準電圧回路装置では、シリコン基板の表面に形成された一本のダイオードと複数の熱起電力の差が正の熱起電力を示すという特性を利用し、ごくわずかな起電力の差を増幅して基準電圧として出力する。このため、基準電圧回路装置内部にSEE特性によるプラズマフィラメントが形成され、ウェルの電位が基板電位まで低下した場合、ウェルの電位が回復する時間は長くなる傾向にある。このような問題を解消する方法として、シリコン基板の厚さを薄くしてプラズマフィラメントを短縮する方法が提案されているが、コストが増大してしまう。 In the reference voltage circuit device of the band gap reference method, a very small electromotive force is utilized by utilizing a characteristic that a difference between a plurality of thermoelectromotive forces and a single diode formed on the surface of the silicon substrate shows a positive electromotive force. Is amplified and output as a reference voltage. For this reason, when a plasma filament with SEE characteristics is formed inside the reference voltage circuit device and the well potential is lowered to the substrate potential, the time for the well potential to recover tends to be longer. As a method for solving such a problem, a method of shortening the plasma filament by reducing the thickness of the silicon substrate has been proposed, but the cost increases.
一方、2つのMOSFETを直列に接続した方式の基準電圧回路装置では、TID特性によってMOSFETのしきい値電圧が変動する。放射線が照射されることによるMOSFETのしきい値電圧の変動量は、ゲート酸化膜の厚さに依存する。放射線の吸収線量が1kGy(1×105RAD)の場合、MOSFETのしきい値電圧の変動量は、ゲート酸化膜の厚さが例えば20nmで−100mV台、ゲート酸化膜の厚さが例えば10nmで−10mV台程度になることが報告されている(例えば、下記特許文献1(第8図)参照)。ゲート酸化膜の厚さを10nm程度にすることで、放射線が照射されている状態のときのTID特性による問題が解消される。 On the other hand, in a reference voltage circuit device in which two MOSFETs are connected in series, the threshold voltage of the MOSFET varies depending on the TID characteristics. The amount of fluctuation of the threshold voltage of the MOSFET due to irradiation with radiation depends on the thickness of the gate oxide film. When the absorbed dose of radiation is 1 kGy (1 × 10 5 RAD), the amount of change in the threshold voltage of the MOSFET is, for example, about −100 mV when the thickness of the gate oxide film is 20 nm, and the thickness of the gate oxide film is 10 nm, for example. Is reported to be on the order of −10 mV (see, for example, Patent Document 1 (FIG. 8) below). By setting the thickness of the gate oxide film to about 10 nm, the problem due to the TID characteristic when the radiation is applied is solved.
基準電圧回路装置として、デプレッション型のFETと抵抗手段との直列回路に電源電圧を印加し、上記デプレッション型のFETと抵抗手段との接続点を出力端子とし、デプレッション型のFETに流れる電流がこのFETの定電流特性領域内とするように抵抗手段の値を設定してなる装置が提案されている(例えば、下記特許文献2参照。)。
As a reference voltage circuit device, a power supply voltage is applied to a series circuit of a depletion type FET and resistance means, and a connection point between the depletion type FET and resistance means is used as an output terminal. An apparatus has been proposed in which the value of the resistance means is set so as to be within the constant current characteristic region of the FET (see, for example,
基準電圧回路装置の出力電圧のばらつきを低減した回路装置として、ディプレション型MOSFETとエンハンスメント型MOSFETとが直列接続され、ディプレション型MOSFETが高電位側端子に、エンハンスメント型MOSFETが低電位側端子にそれぞれ接続され、両MOSFETの接続点と両MOSFETのゲートとが出力端子に接続されたMOS基準電圧回路において、ディプレション型MOSFETのチャネル領域の表面濃度が、1×1016cm-3以上で、1×1017cm-3以下の範囲にある装置が提案されている(例えば、下記特許文献3参照。)。
As a circuit device that reduces variations in the output voltage of the reference voltage circuit device, a depletion type MOSFET and an enhancement type MOSFET are connected in series, the depletion type MOSFET is at the high potential side terminal, and the enhancement type MOSFET is at the low potential side In the MOS reference voltage circuit in which the connection points of both MOSFETs and the gates of both MOSFETs are connected to the output terminal, respectively, the surface concentration of the channel region of the depletion type MOSFET is 1 × 10 16 cm −3. As described above, an apparatus in the range of 1 × 10 17 cm −3 or less has been proposed (for example, see
また、別の装置として、次のような装置が提案されている。第1のトランジスタは、n型基板のpウェル内に形成されたデプレッション型トランジスタであり、ゲートとソースが接続され、サブストレートゲートは接地電圧に接続されている。第2,3のトランジスタは、基板やチャネルドープの不純物濃度が等しく、n型基板のpウェル内にそれぞれ形成され、第2のトランジスタは高濃度n型ゲートを持ち、第3のトランジスタは高濃度p型ゲートを持つ。第2,3のトランジスタの接続部に第2,3のトランジスタの各ゲート並びに第2のトランジスタのサブストレートゲートをそれぞれ接続し、第3のトランジスタのサブストレートゲートを接地電圧に接続する(例えば、下記特許文献4参照。)。
As another device, the following device has been proposed. The first transistor is a depletion type transistor formed in the p-well of the n-type substrate, the gate and source are connected, and the substrate gate is connected to the ground voltage. The second and third transistors have the same substrate and channel dope impurity concentrations and are formed in p-wells of the n-type substrate, the second transistor has a high-concentration n-type gate, and the third transistor has a high concentration. Has a p-type gate. The gates of the second and third transistors and the substrate gate of the second transistor are connected to the connection parts of the second and third transistors, respectively, and the substrate gate of the third transistor is connected to the ground voltage (for example, (See
耐放射線性を向上した基準電圧回路装置として、次の装置が提案されている。シリコン基板上に酸化膜を介してポリシリコン層を堆積し、メサエッチングしてゲート酸化膜とゲート電極とを形成した後、シリコン基板中に不純物イオン注入し、さらに熱処理を施してソースおよびドレイン不純物拡散領域を形成して構成される絶縁ゲート型半導体装置の製造方法において、ゲート電極中に含まれる不純物がゲート酸化膜中に拡散しゲート酸化膜中の不純物濃度が上昇するのを抑制する方法として、ゲート電極中の不純物濃度を5×1018〜5×1020cm-3に設定する方法、ゲート電極の表面上にシリサイド層を堆積する方法、ソースおよびドレイン不純物拡散領域を形成するための熱処理工程を900℃以下の温度で行う方法、のうち、少なくとも1つの方法を備えた方法により製造される(例えば、下記特許文献5参照。)。
The following devices have been proposed as reference voltage circuit devices with improved radiation resistance. A polysilicon layer is deposited on a silicon substrate through an oxide film, and mesa etching is performed to form a gate oxide film and a gate electrode. Then, impurity ions are implanted into the silicon substrate, and heat treatment is performed to form source and drain impurities. In a method of manufacturing an insulated gate semiconductor device configured by forming a diffusion region, as a method for suppressing an impurity contained in a gate electrode from diffusing into a gate oxide film and increasing an impurity concentration in the gate oxide film A method for setting the impurity concentration in the gate electrode to 5 × 10 18 to 5 × 10 20 cm −3 , a method for depositing a silicide layer on the surface of the gate electrode, and a heat treatment for forming source and drain impurity diffusion regions Manufactured by a method including at least one of the methods in which the step is performed at a temperature of 900 ° C. or less (for example,
また、別の装置として、次のような装置が提案されている。支持基板と絶縁膜と複数の島状の半導体層からなるSOI基板を用い、その各半導体層上にゲート酸化膜を設け、その上にそれぞれ半導体層を横断するようにゲート電極を設けて、nチャネル型半導体装置とpチャネル型半導体装置とを構成する。そのpチャネル型半導体装置のゲート電極と半導体層との間の該半導体層の周辺領域に第1の境界領域被膜を設け、nチャネル型半導体装置のゲート電極と半導体層との間の該半導体層の周辺領域に第1の境界領域被膜より膜厚が薄い第2の境界領域被膜を設け、第1,第2の境界領域被膜の膜圧をいずれもゲート酸化膜の膜厚よりは厚くする(例えば、下記特許文献6参照。)。 As another device, the following device has been proposed. An SOI substrate composed of a supporting substrate, an insulating film, and a plurality of island-like semiconductor layers is used, a gate oxide film is provided on each semiconductor layer, and a gate electrode is provided on each of the semiconductor layers so as to cross the semiconductor layer. A channel type semiconductor device and a p channel type semiconductor device are formed. A first boundary region film is provided in a peripheral region of the semiconductor layer between the gate electrode of the p-channel semiconductor device and the semiconductor layer, and the semiconductor layer between the gate electrode of the n-channel semiconductor device and the semiconductor layer Is provided with a second boundary region film having a thickness smaller than that of the first boundary region film, and the film pressure of each of the first and second boundary region films is larger than the film thickness of the gate oxide film ( For example, see the following Patent Document 6.)
しかしながら、発明者が鋭意研究を重ねた結果、次のような問題が発生することが判明した。基準電圧回路装置のゲート酸化膜の厚さを10nm程度とした場合、ゲート酸化膜の薄膜化によりゲート電極に印加可能なゲート電圧が低くなる。このため、基準電圧回路装置の信頼性が低下し、用途によっては基準電圧回路装置の特性を発揮することができない虞がある。 However, as a result of extensive research by the inventor, it has been found that the following problems occur. When the thickness of the gate oxide film of the reference voltage circuit device is about 10 nm, the gate voltage that can be applied to the gate electrode is lowered by reducing the thickness of the gate oxide film. For this reason, the reliability of the reference voltage circuit device is lowered, and there is a possibility that the characteristics of the reference voltage circuit device cannot be exhibited depending on applications.
そこで、ゲート電極近傍の電界強度を3.5MV/cm程度以下に抑えることが望ましく、基準電圧回路装置を搭載する論理回路の電圧が一般的に5Vであることから、ゲート酸化膜の厚さは20nm程度とするのが望ましい。しかしながら、ゲート酸化膜の厚さを20nm程度とした場合、上述したように、TID特性によってMOSFETのしきい値電圧が大きく変動して、基準電圧回路装置の出力電圧がばらつくという問題が生じる。 Therefore, it is desirable to suppress the electric field strength in the vicinity of the gate electrode to about 3.5 MV / cm or less, and since the voltage of the logic circuit mounting the reference voltage circuit device is generally 5 V, the thickness of the gate oxide film is It is desirable that the thickness be about 20 nm. However, when the thickness of the gate oxide film is about 20 nm, as described above, the threshold voltage of the MOSFET largely fluctuates due to the TID characteristics, resulting in a problem that the output voltage of the reference voltage circuit device varies.
また、従来の基準電圧回路装置(例えば特許文献2参照)は、デプレッション型MOSFET側の基板表面の不純物濃度がエンハンスメント型MOSFET側に比べて低い。このため、放射線が照射されている状態のときに、デプレッション型MOSFETのしきい値電圧の変動量と、エンハンスメント型MOSFETのしきい値電圧の変動量はそれぞれ異なってくる。これにより、放射線が照射されている状態のときに、基準電圧回路装置の出力電圧が予め設定された出力電圧よりも数%程度低下するという問題が生じる。 Further, in the conventional reference voltage circuit device (see, for example, Patent Document 2), the impurity concentration of the substrate surface on the depletion type MOSFET side is lower than that on the enhancement type MOSFET side. For this reason, the amount of variation in the threshold voltage of the depletion type MOSFET and the amount of variation in the threshold voltage of the enhancement type MOSFET differ from each other when the radiation is applied. As a result, there is a problem that the output voltage of the reference voltage circuit device is reduced by several percent from the preset output voltage when radiation is being applied.
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、基準電圧のばらつきを低減することができる半導体回路装置の製造方法および半導体回路装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor circuit device and a semiconductor circuit device capable of reducing variations in reference voltage in order to eliminate the above-described problems caused by the prior art.
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体回路装置の製造方法は、デプレッション型MOSFETとエンハンスメント型MOSFETとが直列に接続された半導体回路装置の製造方法であって、前記デプレッション型MOSFETおよび前記エンハンスメント型MOSFETの、それぞれのしきい値電圧を測定する第1の測定工程と、前記デプレッション型MOSFETおよび前記エンハンスメント型MOSFETに放射線を照射する照射工程と、放射線照射後の前記デプレッション型MOSFETおよび前記エンハンスメント型MOSFETの、それぞれのしきい値電圧を測定する第2の測定工程と、前記第1の測定工程および第2の測定工程によって測定された複数のしきい値電圧に基づいて、前記デプレッション型MOSFETと前記エンハンスメント型MOSFETとの接続点および該エンハンスメント型MOSFETのソース間の電位差が、放射線が照射される前と放射線が照射されている状態のときとで等しくなる素子寸法を算出する算出工程と、前記算出工程によって算出された前記素子寸法に調整した前記デプレッション型MOSFETおよび前記エンハンスメント型MOSFETを作製する作製工程と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor circuit device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor circuit device in which a depletion type MOSFET and an enhancement type MOSFET are connected in series. A first measurement step of measuring respective threshold voltages of the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET, an irradiation step of irradiating the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET with radiation, and after irradiation A second measurement step of measuring the respective threshold voltages of the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET, and a plurality of threshold voltages measured by the first measurement step and the second measurement step Based on Calculation for calculating the element size in which the potential difference between the connection point of the compression type MOSFET and the enhancement type MOSFET and the source of the enhancement type MOSFET is equal before and when the radiation is applied And a manufacturing step of manufacturing the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET adjusted to the element size calculated by the calculation step.
また、この発明にかかる半導体回路装置の製造方法は、上述した発明において、前記算出工程では、前記デプレッション型MOSFETのチャネル長または前記エンハンスメント型MOSFETのチャネル長を算出することを特徴とする。 In the semiconductor circuit device manufacturing method according to the present invention, in the above-described invention, the calculation step calculates the channel length of the depletion type MOSFET or the channel length of the enhancement type MOSFET.
また、この発明にかかる半導体回路装置の製造方法は、上述した発明において、前記デプレッション型MOSFETおよび前記エンハンスメント型MOSFETの、それぞれのゲート酸化膜の厚さは10nm以上であることを特徴とする。 In the method of manufacturing a semiconductor circuit device according to the present invention, the thickness of each gate oxide film of the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET is 10 nm or more in the above-described invention.
また、この発明にかかる半導体回路装置の製造方法は、上述した発明において、前記作製工程では、前記デプレッション型MOSFETと前記エンハンスメント型MOSFETとを同一基板上に集積することを特徴とする。 In addition, the method for manufacturing a semiconductor circuit device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET are integrated on the same substrate in the manufacturing step.
また、この発明にかかる半導体回路装置の製造方法は、上述した発明において、前記デプレッション型MOSFETのソースおよびゲートは、前記エンハンスメント型MOSFETのドレインおよびゲートに接続されており、前記デプレッション型MOSFETのドレインは高電位側端子に接続されており、前記エンハンスメント型MOSFETのソースは低電位側端子に接続されていることを特徴とする。 In the method for manufacturing a semiconductor circuit device according to the present invention, in the above-described invention, the source and gate of the depletion type MOSFET are connected to the drain and gate of the enhancement type MOSFET, and the drain of the depletion type MOSFET is The enhancement type MOSFET is connected to a high potential side terminal, and the source of the enhancement type MOSFET is connected to the low potential side terminal.
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体回路装置は、デプレッション型MOSFETとエンハンスメント型MOSFETとが直列に接続された半導体回路装置であって、前記デプレッション型MOSFETと前記エンハンスメント型MOSFETとの接続点および該エンハンスメント型MOSFETのソース間の電位差を、放射線が照射されている状態のときに、放射線が照射される前の電位差に近づけた素子寸法とされ、前記素子寸法は、放射線が照射されている状態の前記デプレッション型MOSFETおよび前記エンハンスメント型MOSFETの、それぞれのしきい値電圧の変動量に基づいた寸法であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a semiconductor circuit device according to the present invention is a semiconductor circuit device in which a depletion type MOSFET and an enhancement type MOSFET are connected in series, and the depletion type The potential difference between the connection point of the MOSFET and the enhancement MOSFET and the source of the enhancement MOSFET is the element size that is close to the potential difference before the radiation is irradiated when radiation is irradiated. The element dimension is a dimension based on a variation amount of each threshold voltage of the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET in a state in which radiation is irradiated.
また、この発明にかかる半導体回路装置は、上述した発明において、前記デプレッション型MOSFETと前記エンハンスメント型MOSFETとの接続点および該エンハンスメント型MOSFETのソース間の電位差が、放射線が照射される前と放射線が照射されている状態のときとで等しい素子寸法を有することを特徴とする。 In the semiconductor circuit device according to the present invention, the potential difference between the connection point of the depletion-type MOSFET and the enhancement-type MOSFET and the source of the enhancement-type MOSFET is the same as that in the above-described invention. It has the same element size as that in the irradiated state.
また、この発明にかかる半導体回路装置は、上述した発明において、前記素子寸法は、前記デプレッション型MOSFETのチャネル長または前記エンハンスメント型MOSFETチャネル長であることを特徴とする。 In the semiconductor circuit device according to the present invention as set forth in the invention described above, the element size is the channel length of the depletion type MOSFET or the enhancement type MOSFET channel length.
また、この発明にかかる半導体回路装置は、上述した発明において、前記デプレッション型MOSFETおよび前記エンハンスメント型MOSFETの、それぞれのゲート酸化膜の厚さは10nm以上であることを特徴とする。 The semiconductor circuit device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the thickness of each gate oxide film of the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET is 10 nm or more.
また、この発明にかかる半導体回路装置は、上述した発明において、前記デプレッション型MOSFETと前記エンハンスメント型MOSFETとは同一基板上に集積されていることを特徴とする。 The semiconductor circuit device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET are integrated on the same substrate.
また、この発明にかかる半導体回路装置は、上述した発明において、前記デプレッション型MOSFETのソースおよびゲートは、前記エンハンスメント型MOSFETのドレインおよびゲートに接続されており、前記デプレッション型MOSFETのドレインは高電位側端子に接続されており、前記エンハンスメント型MOSFETのソースは低電位側端子に接続されていることを特徴とする。 In the semiconductor circuit device according to the present invention, the source and gate of the depletion type MOSFET are connected to the drain and gate of the enhancement type MOSFET, and the drain of the depletion type MOSFET is on the high potential side. The enhancement type MOSFET is connected to a terminal, and a source of the enhancement type MOSFET is connected to a low potential side terminal.
上述した発明によれば、デプレッション型MOSFETおよびエンハンスメント型MOSFETのそれぞれの、放射線照射前後のしきい値電圧の変動量に基づいて、基準電圧回路装置を再度作製する。このとき、デプレッション型MOSFETとエンハンスメント型MOSFETとの接続点および該エンハンスメント型MOSFETのソース間の電位差が、放射線が照射される前と放射線が照射されている状態のときとでほぼ等しくなる基準電圧回路装置を作製する。これにより、放射線の吸収線量が任意の吸収線量に至るまで、出力電圧がほぼ変動しない基準電圧回路装置を作製することができる。 According to the above-described invention, the reference voltage circuit device is produced again based on the fluctuation amount of the threshold voltage before and after the radiation irradiation of each of the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET. At this time, the reference voltage circuit in which the connection point between the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET and the potential difference between the sources of the enhancement type MOSFET are substantially equal before the radiation is applied and when the radiation is applied. Make the device. Thereby, it is possible to manufacture a reference voltage circuit device in which the output voltage does not substantially vary until the absorbed dose of radiation reaches an arbitrary absorbed dose.
また、上述した発明によれば、放射線が照射されている状態のときの基準電圧回路装置の出力電圧は、放射線が照射される前の出力電圧とほぼ等しい。つまり、放射線の吸収線量が任意の吸収線量に至るまで、基準電圧回路装置の出力電圧はほぼ変動しない。 Further, according to the above-described invention, the output voltage of the reference voltage circuit device when radiation is being irradiated is substantially equal to the output voltage before radiation is irradiated. That is, until the absorbed dose of radiation reaches an arbitrary absorbed dose, the output voltage of the reference voltage circuit device hardly varies.
本発明にかかる半導体回路装置の製造方法および半導体回路装置によれば、基準電圧のばらつきを低減することができるという効果を奏する。 According to the method for manufacturing a semiconductor circuit device and the semiconductor circuit device according to the present invention, it is possible to reduce variations in the reference voltage.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体回路装置の製造方法および半導体回路装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Exemplary embodiments of a method of manufacturing a semiconductor circuit device and a semiconductor circuit device according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region where it is not attached. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.
(実施の形態)
図1は、実施の形態にかかる半導体回路装置の構成を示す回路図である。図1に示す半導体回路装置は、デプレッション型MOSFET1とエンハンスメント型MOSFET2を直列に接続し、これらのしきい値電圧Vthの差を基準電圧として出力する基準電圧回路装置である。デプレッション型MOSFET1とエンハンスメント型MOSFET2は、高電位側端子Vsと低電位側端子Gndとの間に直列に接続されている。高電位側端子Vsは、例えば電源電位を有する。低電位側端子Gndは、例えば接地電位を有する。また、デプレッション型MOSFET1は、定電流源として形成されている。
(Embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a configuration of a semiconductor circuit device according to an embodiment. The semiconductor circuit device shown in FIG. 1 is a reference voltage circuit device in which a
具体的には、高電位側端子Vsは、デプレッション型MOSFET1のドレインに電気的に接続される。低電位側端子Gndは、エンハンスメント型MOSFET2のソースに電気的に接続される。また、低電位側端子Gndは、デプレッション型MOSFET1とエンハンスメント型MOSFET2が設けられた基板に電気的に接続される。出力端子Vrefは、デプレッション型MOSFET1のソースおよびゲートと、エンハンスメント型MOSFET2のドレインおよびゲートと、に電気的に接続される。
Specifically, the high potential side terminal Vs is electrically connected to the drain of the
デプレッション型MOSFET1は、定電流源として動作し、デプレッション型MOSFET1とエンハンスメント型MOSFET2の接続部である出力端子Vrefとエンハンスメント型MOSFET2のソースとの電位差が出力電圧Voutとして出力される。例えば、高電位側端子Vsに印加される電源電圧が3V以上の場合、基準電圧回路装置の出力電圧Voutは1Vとなる。
The
図2は、実施の形態にかかる半導体回路装置の構造を示す断面図である。図2に示すように、実施の形態にかかる半導体回路装置は、p基板11の表面層にpウェル領域12が設けられている。p基板11とpウェル領域12の不純物濃度は等しくてもよい。pウェル領域12の表面濃度は、例えば1×1015cm-3台であってもよい。pウェル領域12の表面層には、デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2が設けられている。pウェル領域12の表面層の一部には、第1〜第3のn+領域13〜15が互いに離れて設けられている。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the structure of the semiconductor circuit device according to the embodiment. As shown in FIG. 2, in the semiconductor circuit device according to the embodiment, a p-
デプレッション型MOSFET1において、第1のn+領域13がn+ドレイン領域であり、第2のn+領域14がn+ソース領域である。nデプレッション領域16は、pウェル領域12の表面層の一部に、第1のn+領域13および第2のn+領域14と接するように設けられている。nデプレッション領域16の表面濃度は、1×1016cm-3以上1×1017cm-3以下であってもよい。nデプレッション領域16が設けられていることより、デプレッション型MOSFET1のしきい値電圧は、エンハンスメント型MOSFET2のしきい値電圧よりも低く設定されている。
In the
nデプレッション領域16の上には、ゲート酸化膜17を介してゲート電極18が設けられている。ゲート酸化膜17の厚さは、例えば10nm以上であるのが好ましい。その理由は、ゲート電極に印加可能なゲート電圧を高くすることができ、基準電圧回路装置の信頼性を向上することができるからである。
A
エンハンスメント型MOSFET2において、第2のn+領域14がn+ドレイン領域であり、第3のn+領域15がn+ソース領域である。pウェル領域12の上には、第2のn+領域14から第3のn+領域15に跨って、ゲート酸化膜19を介してゲート電極20が設けられている。ゲート酸化膜19の厚さは、例えば10nm以上であるのが好ましい。その理由は、デプレッション型MOSFET1のゲート酸化膜17と同様である。
In the
デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2において、pウェル領域12および第2のn+領域14は共通する領域である。出力端子Vrefは、第2のn+領域14(デプレッション型MOSFET1のn+ソース領域およびエンハンスメント型MOSFET2のn+ドレイン領域)と、デプレッション型MOSFET1のゲート電極18と、エンハンスメント型MOSFET2のゲート電極20と、に電気的に接続される。
In the
高電位側端子Vsは、第1のn+領域13(デプレッション型MOSFET1のn+ドレイン領域)に電気的に接続される。また、低電位側端子Gndは、第3のn+領域15(エンハンスメント型MOSFET2のn+ソース領域)に電気的に接続される。フィールド酸化膜21は、pウェル領域12の表面層の一部に設けられており、デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2を、図示しない他の素子から分離している。
The high potential side terminal Vs is electrically connected to the first n + region 13 (the n + drain region of the depletion type MOSFET 1). The low potential side terminal Gnd is electrically connected to the third n + region 15 (the n + source region of the enhancement type MOSFET 2 ). The
デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2は、デプレッション型MOSFET1とエンハンスメント型MOSFET2との接続点およびエンハンスメント型MOSFET2のソース間の電位差を、放射線が照射されている状態のときに、放射線が照射される前の電位差に近づけた素子寸法を有する。具体的には、デプレッション型MOSFET1とエンハンスメント型MOSFET2との接続点およびエンハンスメント型MOSFET2のソース間の電位差は、放射線が照射されている状態のときに、放射線が照射される前の電位差とほぼ等しい。放射線が照射される前の電位差と放射線が照射されている状態のときの電位差との変動量は例えば1%未満である。この素子寸法は、放射線が照射されている状態のデプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2の、それぞれのしきい値電圧の変動量に基づいて設定される。
The depletion-
具体的には、デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2の素子寸法は、デプレッション型MOSFET1の放射線照射前後のしきい値電圧の変動量ΔVthDと、エンハンスメント型MOSFET2の放射線照射前後のしきい値電圧の変動量ΔVthEと、に基づいて設定される。
Specifically, the element dimensions of the
ここで、素子寸法とは、デプレッション型MOSFET1のチャネル長Ldおよびチャネル幅Wdと、エンハンスメント型MOSFET2のチャネル長Leおよびチャネル幅Weである。
Here, the element dimensions are the channel length Ld and channel width Wd of the
図3は、図1に示すMOSFETのチャネル長およびチャネル幅を示す説明図である。チャネル長Ldは、デプレッション型MOSFET1のソース領域(第2のn+領域14)とドレイン領域(第1のn+領域13)間に形成されるチャネル領域の、ドレイン・ソース電流の流れる方向の幅である。チャネル幅Wdは、デプレッション型MOSFET1のチャネル領域の、チャネル長Ldに直行する方向の幅である。同様に、チャネル長Leは、エンハンスメント型MOSFET2のチャネル領域の、ドレイン・ソース電流の流れる方向の幅である。チャネル幅Weは、エンハンスメント型MOSFET2のチャネル領域の、チャネル長Leに直行する方向の幅である(不図示)。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the channel length and channel width of the MOSFET shown in FIG. The channel length Ld is the width of the channel region formed between the source region (second n + region 14) and the drain region (first n + region 13) of the
詳細には、例えば、デプレッション型MOSFET1のチャネル長Ldは、次の(1)式および(2)式を満たす寸法を有する。ここで、ΔVthDは、放射線照射後のデプレッション型MOSFET1のしきい値電圧の変動量である。ΔVthEは、放射線照射後のエンハンスメント型MOSFET2のしきい値電圧の変動量である。
Specifically, for example, the channel length Ld of the
同様に、デプレッション型MOSFET1のチャネル幅Wd、エンハンスメント型MOSFET2のチャネル長Leおよびチャネル幅Weは、上記(2)式の左辺が、デプレッション型MOSFET1のチャネル幅Wdや、エンハンスメント型MOSFET2のチャネル長Leおよびチャネル幅Weとなるように展開された式を満たすように設定される。
Similarly, the channel width Wd of the
このように、上記(1)式および(2)式を満たす素子寸法で基準電圧回路装置を作製することで、放射線が照射されている状態のときに出力電圧がばらつくことを抑制することができる。その理由については後述する。 As described above, by producing the reference voltage circuit device with the element size satisfying the above expressions (1) and (2), it is possible to suppress the output voltage from being varied when the radiation is being applied. . The reason will be described later.
次に、図1に示す半導体回路装置の製造方法について説明する。図4は、実施の形態にかかる半導体回路装置の製造方法を示すフローチャートである。まず、基板上に、デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2を形成する。ついで、デプレッション型MOSFET1のソースおよびゲートと、エンハンスメント型MOSFET2のドレインおよびゲートを接続する。また、デプレッション型MOSFET1のドレインを高電位側端子Vsに接続し、エンハンスメント型MOSFET2のソースは低電位側端子Gndに接続する。つまり、デプレッション型MOSFET1とエンハンスメント型MOSFET2とが直列に接続された基準電圧回路装置を作製する(ステップS1)。
Next, a method for manufacturing the semiconductor circuit device shown in FIG. 1 will be described. FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the semiconductor circuit device according to the embodiment. First, a
ここで、デプレッション型MOSFET1のチャネル長Ldおよびチャネル幅Wdを、それぞれ130μmおよび10μmとしてもよい。エンハンスメント型MOSFET2のチャネル長Leおよびチャネル幅Weを、それぞれ160μmおよび12μmとしてもよい。また、デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2を、同一基板上に集積してもよいし(図2参照)、異なる基板上に形成してもよい。また、基準電圧回路装置の作製は、一般的な工程および条件で行う。
Here, the channel length Ld and the channel width Wd of the
ついで、ステップS1で作製したデプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2の、それぞれのしきい値電圧を、一般的なパラメータアナライザを用いて測定する(第1の測定工程:ステップS2)。
Next, the respective threshold voltages of the
具体的には、ステップS2では、デプレッション型MOSFET1のソース・ドレイン間の電位差を5Vとした後、デプレッション型MOSFET1のゲートに電圧を印加する。そして、デプレッション型MOSFET1のゲート電圧を上昇させて、ドレイン・ソース間電流Idsが100μAとなったときのゲート電圧を、デプレッション型MOSFET1のしきい値電圧として測定する。エンハンスメント型MOSFET2のしきい値電圧についても、同様の方法で測定する。
Specifically, in step S2, the potential difference between the source and drain of the
また、ステップS2では、出力端子Vrefおよび低電位側端子Gnd間の電位差を出力電圧Voutとして測定する。具体的には、高電位側端子Vsを例えば電源電圧電位5Vとし、低電位側端子Gndを例えば接地電位とする。そして、デプレッション型MOSFET1とエンハンスメント型MOSFET2との接続点(出力端子Vref)およびエンハンスメント型MOSFET2のソース(低電位側端子Gnd)間の電位差を測定する。
In step S2, the potential difference between the output terminal Vref and the low potential side terminal Gnd is measured as the output voltage Vout. Specifically, the high potential side terminal Vs is set to the power supply voltage potential 5V, for example, and the low potential side terminal Gnd is set to the ground potential, for example. Then, the potential difference between the connection point (output terminal Vref) between the
ついで、ステップS1で作製したデプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2に放射線を照射する(照射工程:ステップS3)。ステップS3では、例えば、コバルトの人工放射性同位体のうち質量数60のもの(コバルト60)を放射線源とし、γ線を吸収線量1kGy/Hrで1時間照射してもよい。
Next, radiation is applied to the
また、ステップS3では、放射線照射中に、例えば、次の電圧印加条件で基準電圧回路装置を動作させる。基準電圧回路装置の高電位側端子Vsを電源電圧電位5Vとし、低電位側端子Gndを例えば接地電位とする。つまり、基準電圧回路装置の動作開始直後におけるデプレッション型MOSFET1のドレインに5Vの電圧を印加し、エンハンスメント型MOSFET2のソースを接地する。デプレッション型MOSFET1は、ゲートに電圧が印加されていない状態のときには、ソース・ドレイン間が導通状態(以下、ノーマリオンとする)となっているため、エンハンスメント型MOSFET2のドレインには5Vの電圧が印加される。その後、エンハンスメント型MOSFET2のゲートの電位が1Vとなるまで動作させる。
In step S3, the reference voltage circuit device is operated under the following voltage application conditions during radiation irradiation, for example. The high potential side terminal Vs of the reference voltage circuit device is set to the power supply voltage potential 5V, and the low potential side terminal Gnd is set to the ground potential, for example. That is, a voltage of 5 V is applied to the drain of the
ついで、照射工程後のデプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2の、それぞれのしきい値電圧を、一般的なパラメータアナライザを用いて測定する(第2の測定工程:ステップS4)。測定方法および測定条件は、ステップS2と同様である。
Next, the respective threshold voltages of the
ついで、上記(1)式および(2)式を用いて、放射線が照射される空間で使用するための、基準電圧回路装置の最適な素子寸法を算出する(算出工程:ステップS5)。例えば、デプレッション型MOSFET1のチャネル長Ldおよびチャネル幅Wdと、エンハンスメント型MOSFET2のチャネル長Leおよびチャネル幅Weのうち、後の工程で作製する基準電圧回路装置で調整する部分の寸法を算出する。好ましくは、デプレッション型MOSFET1のチャネル長Ldまたはエンハンスメント型MOSFET2のチャネル長Leの寸法を算出するのがよい。その理由は、素子設計を容易に行うことができるからである。ここで、基準電圧回路装置の最適な素子寸法とは、デプレッション型MOSFET1とエンハンスメント型MOSFET2との接続点およびエンハンスメント型MOSFET2のソース間の電位差が、放射線が照射される前と放射線が照射されている状態のときとで等しくなる素子寸法である。具体的な算出方法については後述する。
Next, using the above equations (1) and (2), the optimum element size of the reference voltage circuit device to be used in the space irradiated with radiation is calculated (calculation step: step S5). For example, of the channel length Ld and the channel width Wd of the
ついで、ステップS5において算出した基準電圧回路装置の素子寸法に基づいて、デプレッション型MOSFET1とエンハンスメント型MOSFET2からなる基準電圧回路装置を再度作製する(作製工程:ステップS6)。つまり、上記ステップS1で作製した基準電圧回路装置とは素子寸法の異なる基準電圧回路装置を作製する。基準電圧回路装置の作製は、一般的な工程および条件で行う。
Next, a reference voltage circuit device composed of a
ついで、ステップS6において作製した基準電圧回路装置の電気的特性を確認する(ステップS7)。具体的には、ステップS2において測定した最適化前の基準電圧回路装置の出力電圧と、ステップS7において測定した最適化後の基準電圧回路装置の出力電圧とを比較する。測定方法は、ステップS2と同様である。これにより、放射線照射によって出力電圧が変動しない基準電圧回路装置が完成する。 Next, the electrical characteristics of the reference voltage circuit device manufactured in step S6 are confirmed (step S7). Specifically, the output voltage of the reference voltage circuit device before optimization measured in step S2 is compared with the output voltage of the reference voltage circuit device after optimization measured in step S7. The measurement method is the same as in step S2. Thereby, a reference voltage circuit device in which the output voltage does not fluctuate due to radiation irradiation is completed.
以上、説明したように、実施の形態によれば、デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2のそれぞれの、放射線照射前後のしきい値電圧の変動量に基づいて、基準電圧回路装置を再度作製する。このとき、デプレッション型MOSFET1とエンハンスメント型MOSFET2との接続点および該エンハンスメント型MOSFET2のソース間の電位差が、放射線が照射される前と放射線が照射されている状態のときとでほぼ等しくなる基準電圧回路装置を作製する。これにより、放射線の吸収線量が任意の吸収線量に至るまで、出力電圧がほぼ変動しない基準電圧回路装置を作製することができる。したがって、基準電圧のばらつきを低減することができる。
As described above, according to the embodiment, the reference voltage circuit device is produced again based on the threshold voltage fluctuation amount before and after the radiation irradiation of the
また、基準電圧回路装置は、デプレッション型MOSFET1とエンハンスメント型MOSFET2との接続点および該エンハンスメント型MOSFET2のソース間の電位差が、放射線が照射される前と放射線が照射されている状態のときとで等しくなる素子寸法を有する。この素子寸法は、デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2の、それぞれのしきい値電圧に基づいて算出される。このため、放射線が照射されている状態の基準電圧回路装置の出力電圧は、放射線が照射される前の出力電圧とほぼ等しい。つまり、放射線の吸収線量が任意の吸収線量に至るまで、基準電圧回路装置の出力電圧はほぼ変動しない。したがって、基準電圧のばらつきを低減することができる。
Further, in the reference voltage circuit device, the potential difference between the connection point between the
また、放射線が照射されている状態のときに、ゲート酸化膜17,19に固定電荷が蓄積されても、上述したように基準電圧のばらつきを低減することができる。このため、トータルドーズ(TID)耐量を大きくすることができる。
Further, even when fixed charges are accumulated in the
また、ゲート酸化膜17,19を10nm以上とすることができる。このため、従来の製造装置や製造方法を用いて、実施の形態にかかる基準電圧回路装置を作製することができる。これにより、製造コストを低減することができる。また、基準電圧回路装置の強度を向上することができる。
Further, the
また、ゲート酸化膜17,19を10nm以上とすることで、ゲート酸化膜17,19を他の絶縁膜とともに作製することができ、製造工程数を低減することができる。これにより、製造コストを低減することができる。
Further, by setting the
(基準電圧回路装置の基準電圧について)
上記(1)式および(2)式を満たす素子寸法で基準電圧回路装置を作製することで、放射線が照射されている状態のときに、基準電圧のばらつきを低減することができる理由について説明する。基準電圧回路装置(図1参照)の、放射線照射前の出力電圧Vout1は、次の(3)式で表わされる。
(Reference voltage of reference voltage circuit device)
The reason why the variation in the reference voltage can be reduced by manufacturing the reference voltage circuit device with the element dimensions satisfying the above expressions (1) and (2) when the radiation is applied. . The output voltage V out1 before radiation irradiation of the reference voltage circuit device (see FIG. 1) is expressed by the following equation (3).
ここで、VthD1は、放射線照射前のデプレッション型MOSFET1のしきい値電圧である。VthE1は、放射線照射前のエンハンスメント型MOSFET2のしきい値電圧である。また、βd=Ld/Wdとし、βe=Le/Weとする。
Here, V thD1 is the threshold voltage of the
上記(3)式右辺第2項の、放射線照射前のデプレッション型MOSFET1のしきい値電圧VthD1以外の係数を、次の(4)式に示すように係数Kと置き換えると、上記(3)式は、次の(5)式で表される。
同様に、基準電圧回路装置の、放射線照射後の出力電圧Vout2は、次の(6)式で表わされる。 Similarly, the output voltage V out2 after irradiation of the reference voltage circuit device is expressed by the following equation (6).
ここで、VthD2は、放射線照射後のデプレッション型MOSFET1のしきい値電圧である。VthE2は、放射線照射後のエンハンスメント型MOSFET2のしきい値電圧である。
Here, V thD2 is the threshold voltage of the
従来の基準電圧回路装置は、放射線が照射されている状態のときに、デプレッション型MOSFET1のしきい値電圧およびエンハンスメント型MOSFET2のしきい値電圧が低下し、出力電圧が変動する。出力電圧の変動量ΔVoutは、放射線照射前の出力電圧Vout1と放射線照射後の出力電圧Vout2との差分となる。したがって、上記(5)式および(6)式より、出力電圧の変動量ΔVoutは、次の(7)式で表される。
In the conventional reference voltage circuit device, when radiation is applied, the threshold voltage of the
上記(7)式では、放射線照射後のデプレッション型MOSFET1のしきい値電圧の変動量(VthD1−VthD2)をΔVthDとし、放射線照射後のエンハンスメント型MOSFET2のしきい値電圧の変動量(VthE1−VthE2)をΔVthEとしている。
In the above equation (7), the variation amount of the threshold voltage (V thD1 −V thD2 ) of the
本実施の形態では、放射線が照射されている状態のときの出力電力Voutが放射線照射前の出力電圧と等しくなるように、上記(7)式における係数Kを調整する。具体的には、上記(7)式における出力電圧の変動量ΔVout=0となるように、係数Kを調整する。つまり、係数Kは上記(1)式を満たす必要があることがわかる。 In the present embodiment, the coefficient K in the above equation (7) is adjusted so that the output power V out when radiation is being applied is equal to the output voltage before radiation irradiation. Specifically, the coefficient K is adjusted so that the output voltage fluctuation amount ΔV out = 0 in the equation (7). That is, it can be seen that the coefficient K needs to satisfy the above equation (1).
また、上記(4)式は、βd=Ld/Wd,βe=Le/Weであることより、デプレッション型MOSFET1のチャネル長Ldおよびチャネル幅Wdと、エンハンスメント型MOSFET2のチャネル長Leおよびチャネル幅Weのいずれか一つを解とし、係数Kを含む式に変換することができる。デプレッション型MOSFET1のチャネル長Ldを解とする場合、上記(2)式となる。
Further, since the above equation (4) is βd = Ld / Wd and βe = Le / We, the channel length Ld and channel width Wd of the
このように、デプレッション型MOSFET1のチャネル長Ldおよびチャネル幅Wdと、エンハンスメント型MOSFET2のチャネル長Leおよびチャネル幅Weを上記(1)式および(2)式を満たすように設定することで、上記(7)式における出力電圧の変動量ΔVout=0とすることができる。
Thus, by setting the channel length Ld and channel width Wd of the
(蓄積電荷量としきい値電圧の関係)
放射線によりゲート酸化膜内に蓄積される蓄積電荷量と、基準電圧回路装置のしきい値電圧の関係について説明する。MOSFETのしきい値電圧Vtは一般的に、次の(8)式で表される。
(Relationship between accumulated charge and threshold voltage)
The relationship between the amount of charge accumulated in the gate oxide film due to radiation and the threshold voltage of the reference voltage circuit device will be described. The threshold voltage Vt of the MOSFET is generally expressed by the following equation (8).
ここで、QBは、シリコン基板表面の空乏層中のアクセプタ電荷の総量である。Coxは、ゲート酸化膜容量である。φsは、シリコン基板表面の導電型が反転するときのシリコンの表面電位である。φsは、約0.8V程度である。 Here, Q B is the total amount of acceptor charges in the depletion layer on the silicon substrate surface. C ox is a gate oxide film capacitance. φs is the surface potential of silicon when the conductivity type of the silicon substrate surface is inverted. φs is about 0.8V.
放射線照射によってゲート酸化膜とシリコン基板の界面に発生する固定電荷をQRadとした場合、上記(8)式より、放射線による蓄積電荷量とMOSFETのしきい値電圧の関係は、次の(9)式で表される。 When the fixed charge generated at the interface between the gate oxide film and the silicon substrate due to radiation irradiation is Q Rad , the relationship between the accumulated charge amount due to radiation and the threshold voltage of the MOSFET is ) Expression.
つまり、MOSFETのしきい値電圧Vtは、放射線照射量に比例する。基準電圧回路装置の出力電圧は、デプレッション型MOSFET1のしきい値電圧とエンハンスメント型MOSFET2のしきい値電圧との差分である。このため、基準電圧回路装置の出力電圧も同様に、放射線照射量に比例すると推測される。
That is, the threshold voltage Vt of the MOSFET is proportional to the radiation dose. The output voltage of the reference voltage circuit device is the difference between the threshold voltage of the
したがって、例えば、上述した実施の形態に従い、上述した照射工程(図4のステップS3参照)において、γ線を吸収線量1kGy/Hrで1時間照射した後に、この放射線照射前後のしきい値電圧に基づいて算出された素子寸法で、デプレッション型MOSFET1とエンハンスメント型MOSFET2の素子寸法を作製したとする。この場合、吸収線量1kGyで、基準電圧回路装置の出力電圧がほぼ変動しない設定とするため(出力電圧の変動量ΔVout=0)、実使用時に基準電圧回路装置に照射される放射線の吸収線量が1kGyに至るまで、出力電圧の変動量ΔVout=0となる比例関係が成立すると推測される。したがって、実使用時において、基準電圧回路装置に照射される放射線の吸収線量が1kGyに至るまで、基準電圧回路装置の出力電圧がほぼ変動しないことがわかる。
Therefore, for example, according to the above-described embodiment, in the above-described irradiation process (see step S3 in FIG. 4), after irradiating γ rays with an absorbed dose of 1 kGy / Hr for 1 hour, the threshold voltage before and after this radiation irradiation is set. It is assumed that the element dimensions of the
また、上記(8)式および(9)式より、例えば2kGyや3kGyなどの任意の吸収線量においても、上述したように放射線照射量と基準電圧回路装置の出力電圧との比例関係が成り立つ。このため、任意の吸収線量において、本実施の形態を適用することができる。したがって、基準電圧回路装置に照射される放射線の吸収線量によらず、出力電力Voutをほぼ変化させないようにすることができる。 Further, from the above equations (8) and (9), as described above, the proportional relationship between the radiation dose and the output voltage of the reference voltage circuit device is established even at an arbitrary absorbed dose such as 2 kGy or 3 kGy. For this reason, this Embodiment is applicable in arbitrary absorbed dose. Therefore, it is possible to prevent the output power V out from being substantially changed regardless of the absorbed dose of radiation applied to the reference voltage circuit device.
(実施例)
基準電圧回路装置の具体的な製造方法について説明する。図5は、実施の形態にかかるデプレッション型MOSFETの電気的特性を示す特性図である。また、図6は、実施の形態にかかるエンハンスメント型MOSFETの電気的特性を示す特性図である。図5,6には、ドレイン・ソース間電圧Vdsとドレイン・ソース間電流Idsの関係について示す。実施の形態に従い、基準電圧回路装置の製造工程を行い、放射線が照射される空間で使用するための最適化された素子寸法を有する基準電圧回路装置を作製した。
(Example)
A specific method for manufacturing the reference voltage circuit device will be described. FIG. 5 is a characteristic diagram showing electrical characteristics of the depletion type MOSFET according to the embodiment. FIG. 6 is a characteristic diagram showing electrical characteristics of the enhancement type MOSFET according to the embodiment. 5 and 6 show the relationship between the drain-source voltage Vds and the drain-source current Ids. In accordance with the embodiment, the reference voltage circuit device was manufactured to produce a reference voltage circuit device having an optimized element size for use in a space irradiated with radiation.
まず、デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2を作製した。デプレッション型MOSFET1のチャネル長Ldおよびチャネル幅Wdを、それぞれ130μmおよび10μmとした。エンハンスメント型MOSFET2のチャネル長Leおよびチャネル幅Weを、それぞれ160μmおよび12μmとした。
First, a
ついで、第1の測定工程を行い、デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2の、それぞれのしきい値電圧を測定した。ドレイン・ソース間の電位差を5Vとし、ドレイン・ソース間電流Idsが100μAとなったときのゲート電圧を、しきい値電圧とした。デプレッション型MOSFET1のゲートは、ソース電位である。エンハンスメント型MOSFET2ゲートは、ドレイン電位である。
Next, the first measurement process was performed, and the respective threshold voltages of the
また、このときの、デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2の、それぞれのドレイン・ソース間電圧Vdsおよびドレイン・ソース間電流Idsを測定した(図5,6の点線:γ線照射前)。図5に示す結果より、デプレッション型MOSFET1では、ドレイン・ソース間電圧Vdsが0.6Vを超えると、ドレイン・ソース間電流Idsは、1.3μAで一定となり、飽和状態となることがわかる。
Further, the drain-source voltage Vds and the drain-source current Ids of the
また、図6に示す結果より、エンハンスメント型MOSFET2では、1.3μAのドレイン・ソース間電流Idsが流れたときに、ドレイン・ソース間電圧Vdsが1.32Vになることがわかる。つまり、基準電圧回路装置の出力電圧Voutは1.32Vとなり、基準電圧として1.32Vが出力される。
Further, from the results shown in FIG. 6, it can be seen that in the
ついで、照射工程を行った。具体的には、基準電圧回路装置に、コバルト60を放射線源とするγ線を、吸収線量1kGy/Hrで1時間照射した。ついで、第2の測定を行った。しきい値電圧の測定方法は、第1の測定と同様である(図5,6の実線:γ線照射後)。図5に示すように、デプレッション型MOSFET1のドレイン・ソース間電流Idsは、1.5μAで一定となり、飽和状態となることがわかる。
Next, an irradiation process was performed. Specifically, the reference voltage circuit device was irradiated with γ rays using cobalt 60 as a radiation source at an absorbed dose of 1 kGy / Hr for 1 hour. A second measurement was then performed. The method for measuring the threshold voltage is the same as in the first measurement (solid line in FIGS. 5 and 6: after γ-ray irradiation). As shown in FIG. 5, it can be seen that the drain-source current Ids of the
また、図6に示す結果より、エンハンスメント型MOSFET2では、1.5μAのドレイン・ソース間電流Idsが流れたときに、ドレイン・ソース間電圧Vdsが1.32Vになることがわかる。つまり、基準電圧回路装置の出力電圧Voutは、放射線が照射されることにより、1.32Vから1.31Vに変動し、その電圧変動量は−10mVとなった。
Further, from the result shown in FIG. 6, it can be seen that in the
このとき、デプレッション型MOSFET1のしきい値電圧の変動量ΔVthDは62mVとなった。また、エンハンスメント型MOSFET2のしきい値電圧の変動量ΔVthEは52mVとなった。デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2のしきい値電圧はともに低下し、電流駆動能力が増加することがわかった。
At this time, the fluctuation amount ΔV thD of the threshold voltage of the
放射線が照射量が少ない例えば地上に近い場所で用いられる一般的な基準電圧回路装置では、しきい値電圧のばらつき(ΔVthDおよびΔVthE)は小さいため、プロセスでの寸法ばらつきを考慮して、上記(7)式における係数Kを1近傍に調整している。このため、放射線照射後の出力電圧の変動量ΔVoutは、上記(7)式より、10mV(=−52+1×{−(−62)})となる。つまり、図5,6に示す特性図から導き出された結果と同様に、出力電圧の変動量が10mVとなることがわかる。 In a general reference voltage circuit device used in a place where the amount of radiation is small, for example, near the ground, the threshold voltage variation (ΔV thD and ΔV thE ) is small. Therefore , considering the dimensional variation in the process, The coefficient K in the above equation (7) is adjusted to the vicinity of 1. For this reason, the fluctuation amount ΔV out of the output voltage after radiation irradiation is 10 mV (= −52 + 1 × {− (− 62)}) from the above equation (7). That is, it can be seen that the variation amount of the output voltage is 10 mV, similarly to the results derived from the characteristic diagrams shown in FIGS.
したがって、ドレイン・ソース間電流Idsが増加ことにより上昇するドレイン・ソース間電圧Vdsの上昇分を相殺するように、デプレッション型MOSFET1のチャネル長Ldおよびチャネル幅Wdの比(βd)と、エンハンスメント型MOSFET2のチャネル長Leおよびチャネル幅Weの比(βe)を調整すれば、基準電圧は変化しないことがわかる。つまり、上記(1)式および(2)式において、係数Kを調整して、デプレッション型MOSFET1およびエンハンスメント型MOSFET2の素子寸法を算出することで、基準電圧のばらつきを低減することができる。
Therefore, the ratio (βd) between the channel length Ld and the channel width Wd of the
具体的には、上記(1)式より、係数Kは0.838(=−52/−62)となる。そして、上記(2)式より、デプレッション型MOSFET1のチャネル幅Wdを10μm、エンハンスメント型MOSFET2のチャネル長Leおよびチャネル幅Weを、それぞれ160μmおよび12μmとした場合、デプレッション型MOSFET1のチャネル長Ldは189μm(=(10/12)×160/(0.838×0.838))とするとよいことがわかる。
Specifically, the coefficient K is 0.838 (= −52 / −62) from the above equation (1). From the above equation (2), when the channel width Wd of the
以上において本発明では、デプレッション型MOSFET1のチャネル長またはエンハンスメント型MOSFET2のチャネル長を、上記(1)式および(2)式に基づいて調整した例について説明しているが、上述した実施の形態に限らず、デプレッション型MOSFET1のチャネル幅またはエンハンスメント型MOSFET2のチャネル幅を調整してもよい。また、半導体回路装置の素子寸法は、種々変更可能である。
In the above description, the present invention describes an example in which the channel length of the
以上のように、本発明にかかる半導体回路装置の製造方法および半導体回路装置は、放射線の照射量の多い例えば宇宙空間で用いるDC/DCコンバータICなどに使用される基準電圧回路装置に有用である。 As described above, the method for manufacturing a semiconductor circuit device and the semiconductor circuit device according to the present invention are useful for a reference voltage circuit device that is used in, for example, a DC / DC converter IC that is used in outer space with a large radiation dose. .
1 デプレッション型MOSFET
2 エンハンスメント型MOSFET
Vs 高電位側端子
Vref 出力端子
Gnd 低電位側端子
1 Depletion type MOSFET
2 Enhancement type MOSFET
Vs High potential side terminal Vref Output terminal Gnd Low potential side terminal
Claims (11)
前記デプレッション型MOSFETおよび前記エンハンスメント型MOSFETの、それぞれのしきい値電圧を測定する第1の測定工程と、
前記デプレッション型MOSFETおよび前記エンハンスメント型MOSFETに放射線を照射する照射工程と、
放射線照射後の前記デプレッション型MOSFETおよび前記エンハンスメント型MOSFETの、それぞれのしきい値電圧を測定する第2の測定工程と、
前記第1の測定工程および第2の測定工程によって測定された複数のしきい値電圧に基づいて、前記デプレッション型MOSFETと前記エンハンスメント型MOSFETとの接続点および該エンハンスメント型MOSFETのソース間の電位差が、放射線が照射される前と放射線が照射されている状態のときとで等しくなる素子寸法を算出する算出工程と、
前記算出工程によって算出された前記素子寸法に調整した前記デプレッション型MOSFETおよび前記エンハンスメント型MOSFETを作製する作製工程と、
を含むことを特徴とする半導体回路装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor circuit device in which a depletion type MOSFET and an enhancement type MOSFET are connected in series,
A first measuring step of measuring respective threshold voltages of the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET;
An irradiation step of irradiating the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET with radiation;
A second measurement step of measuring respective threshold voltages of the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET after irradiation;
Based on a plurality of threshold voltages measured in the first measurement step and the second measurement step, a potential difference between a connection point between the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET and a source of the enhancement type MOSFET is obtained. A calculation step of calculating an element size that is equal between before irradiation with radiation and when irradiated with radiation;
A manufacturing process for manufacturing the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET adjusted to the element size calculated by the calculation process;
A method for manufacturing a semiconductor circuit device, comprising:
前記デプレッション型MOSFETのドレインは高電位側端子に接続されており、
前記エンハンスメント型MOSFETのソースは低電位側端子に接続されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の半導体回路装置の製造方法。 The source and gate of the depletion type MOSFET are connected to the drain and gate of the enhancement type MOSFET,
The drain of the depletion type MOSFET is connected to the high potential side terminal,
5. The method of manufacturing a semiconductor circuit device according to claim 1, wherein a source of the enhancement type MOSFET is connected to a low potential side terminal.
前記デプレッション型MOSFETと前記エンハンスメント型MOSFETとの接続点および該エンハンスメント型MOSFETのソース間の電位差を、放射線が照射されている状態のときに、放射線が照射される前の電位差に近づけた素子寸法とされ、
前記素子寸法は、放射線が照射されている状態の前記デプレッション型MOSFETおよび前記エンハンスメント型MOSFETの、それぞれのしきい値電圧の変動量に基づいた寸法であることを特徴とする半導体回路装置。 A semiconductor circuit device in which a depletion type MOSFET and an enhancement type MOSFET are connected in series,
An element size in which a potential difference between a connection point of the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET and a source of the enhancement type MOSFET is close to a potential difference before the radiation is irradiated when the radiation is irradiated. And
2. The semiconductor circuit device according to claim 1, wherein the element dimension is a dimension based on a variation amount of a threshold voltage of each of the depletion type MOSFET and the enhancement type MOSFET in a state where radiation is irradiated.
前記デプレッション型MOSFETのドレインは高電位側端子に接続されており、
前記エンハンスメント型MOSFETのソースは低電位側端子に接続されていることを特徴とする請求項6〜10のいずれか一つに記載の半導体回路装置。 The source and gate of the depletion type MOSFET are connected to the drain and gate of the enhancement type MOSFET,
The drain of the depletion type MOSFET is connected to the high potential side terminal,
11. The semiconductor circuit device according to claim 6, wherein a source of the enhancement type MOSFET is connected to a low potential side terminal.
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