JP2016009808A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】MISFETの狭チャネル化に伴うしきい値電圧の不所望な上昇を抑制し、MISFETの微細化、高耐圧化を推進する。
【解決手段】素子分離溝11の下部に形成された反転防止用のp型チャネルストッパ領域18は、その端部がゲート酸化膜15の下部のチャネル領域に向けて突出するように形成されているが、チャネル領域にまでは達しておらず、チャネル領域の端部(素子分離溝11の端部)に対してオフセットされている。これにより、p型チャネルストッパ領域18の不純物の横方向(チャネル領域方向)への拡散が抑制され、チャネル領域端部におけるキャリア濃度の低下が抑制される結果、しきい値電圧の局所的な上昇が抑制される。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、例えば、数十Vの高電圧で動作するMISFETを有する半導体装置およびその製造に好適に利用できるものである。
半導体装置は、単結晶シリコンなどからなる半導体基板の主面に、MOSFET、抵抗、コンデンサなどの多数の回路素子を形成し、要求される回路動作や機能を果たすように各回路素子間を結線して構成される。
特許文献1(特開平8−130308号公報)は、複数のMOSFETをチャネルストッパ領域で分離する半導体装置において、MOSFETの高耐圧化を図ると共に、ソース領域−ドレイン領域間のリークを抑制する技術を開示している。
上記特許文献1に記載されたMOSFETは、ソース領域とドレイン領域の少なくとも一方が半導体基板と反対の導電型を有する低濃度領域と高濃度領域とで構成されており、素子分離用のフィールド酸化膜の下側には、半導体基板と同じ導電型のチャネルストッパ領域が形成されている。このチャネルストッパ領域と、ソース領域およびドレイン領域との間には両者を離間するオフセット領域が設けられている。また、このチャネルストッパ領域の端部は、フィールド酸化膜の下側からゲート電極の直下(チャネル領域)に向けて突出形成され、低濃度領域に接触されている。
上記特許文献1に記載されたMOSFETによれば、チャネルストッパ領域と、ソース領域およびドレイン領域との間にオフセット領域を設けたことにより、チャネルストッパ領域の不純物濃度を高くしても、pn接合の逆方向特性が劣化されることはなく、リーク電流の発生が抑制される。また、このチャネルストッパ領域は、ゲート電極の直下で低濃度領域に接触していることから、チャネル領域に隣接する半導体層(ウェル領域)での反転現象が生じることがなく、リークの発生が防止される。
特開平8−130308号公報
半導体装置は、市場からの要求に合わせて素子の微細化や多電源化(高圧化など)が進められてきた。
しかしながら、特に数十Vの高電圧が印加される高耐圧MOSFETにおいては、素子の微細化に伴ってチャネル幅が狭くなると、しきい値電圧が不所望に上昇する減少が発生する。これは、チャネル幅が狭いMOSFETの場合、チャネル領域に接触して配置されたチャネルストッパ領域から横方向(チャネル領域方向)に拡散する不純物の影響が顕在化するためである。
図15(a)は、高耐圧化を目的として素子分離用のフィールド酸化膜の下側に半導体基板と同じ導電型のチャネルストッパ領域を設けたMOSFETの要部平面レイアウト図、同図(b)は、同図(a)のA−A線で示すチャネル幅方向に沿った要部断面図である。
ここでは、nチャネル型のMOSFETを例示しており、図15(a)には、p型の半導体基板(またはp型ウェル)30の主面に形成されたゲート電極31と、ソース領域、ドレイン領域を構成するn型低濃度領域32およびn型高濃度領域33の平面レイアウトが示されている。また、図15(b)には、ゲート電極31の下部に形成されたゲート酸化膜34と、素子分離用の厚いフィールド酸化膜35と、フィールド酸化膜35の下部に形成された反転防止用のp型チャネルストッパ領域36とが示されている。
図16は、図15に示すMOSFETのチャネル領域端部近傍(図15(b)の破線で囲んだ領域)における不純物プロファイルのシミュレーション結果を示すグラフである。このシミュレーション結果から、チャネル領域中央部(図16の左端部)の不純物(ここではホウ素)の濃度を2×1016atoms/cmとした時、チャネル領域端部では3×1016atoms/cmと、50%高濃度になっており、p型チャネルストッパ領域36の不純物(ホウ素)が横方向(チャネル領域方向)に拡散していることが確認できる。
そして、この不純物プロファイルと連動して、キャリア(電子)の濃度がチャネル領域中央部に比べてチャネル領域端部で低くなり、局所的にしきい値電圧が高くなることが分かる。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される課題を解決するための手段のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
一実施の形態の半導体装置は、第1導電型の半導体基板に形成された素子分離領域によって区画された活性領域にMISFETが形成され、前記素子分離領域の下部の前記半導体基板には、その端部が前記活性領域に向けて突出する第1導電型のチャネルストッパ領域が形成され、前記チャネルストッパ領域の端部は、前記素子分離領域の端部に対して、前記活性領域から離間する方向にオフセットされている。
本願において開示される課題を解決するための手段のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。
一実施の形態によれば、MISFETを有する半導体装置において、MISFETの微細化、高耐圧化を推進することができる。
一実施の形態のMISFETの要部平面レイアウト図である。 (a)、(b)、(c)は、それぞれ図1のA−A線、B−B線、C−C線に沿ったMISFETの要部断面図である。 一実施の形態のMISFETのチャネル領域端部近傍における不純物プロファイルのシミュレーション結果を示すグラフである。 (a)は、一実施の形態の半導体装置の製造工程中の要部平面レイアウト図、(b)、(c)は、それぞれ図4(a)のA−A線、B−B線に沿った要部断面図である。 (a)は、図4に続く半導体装置の製造工程中の要部平面レイアウト図、(b)、(c)は、それぞれ図5(a)のA−A線、B−B線に沿った要部断面図である。 (a)は、図5に続く半導体装置の製造工程中の要部平面レイアウト図、(b)、(c)は、それぞれ図6(a)のA−A線、B−B線に沿った要部断面図である。 (a)、(b)は、それぞれ図6に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 (a)、(b)は、それぞれ図7に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 (a)、(b)は、それぞれ図8に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 (a)、(b)は、それぞれ図9に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 (a)は、図10に続く半導体装置の製造工程中の要部平面レイアウト図、(b)、(c)は、それぞれ図11(a)のA−A線、B−B線に沿った要部断面図である。 (a)、(b)は、それぞれ図11に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図12に続く半導体装置の製造工程中の要部平面レイアウト図である。 (a)は、図13に続く半導体装置の製造工程中の要部平面レイアウト図、(b)、(c)は、それぞれ図14(a)のA−A線、B−B線に沿った要部断面図である。 (a)は、本発明者が検討したMOSFETの要部平面レイアウト図、(b)は、図15(a)のA−A線に沿った要部断面図である。 図15に示すMOSFETのチャネル領域端部近傍における不純物プロファイルのシミュレーション結果を示すグラフである。
以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。さらに、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図であってもハッチングを付す場合がある。
本実施の形態の半導体装置を図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態の半導体装置の要部平面レイアウト図である。図2(a)、(b)、(c)は、それぞれ図1のA−A線、B−B線、C−C線に沿った半導体装置の要部断面図である。なお、図面を見易くするため、図1には、MISFETを構成する導電層(p型チャネルストッパ領域を除く)のみを示し、絶縁層の図示は省略している。
例えば1〜10Ωcm程度の比抵抗を有するp型の単結晶シリコンからなる半導体基板10の主面には、素子分離溝11が形成されており、この素子分離溝11によって分離(区画)された半導体基板10の活性領域には、nチャネル型のMISFET(Qn)が形成されている。また、上記素子分離溝11の下部の半導体基板10には、MISFET(Qn)の高耐圧化の推進を目的として、反転防止用のp型チャネルストッパ領域18が形成されている。
nチャネル型のMISFET(Qn)は、例えば30V〜40V程度の高電圧で動作する、いわゆる高耐圧MISFETであり、例えば液晶ドライバ回路の一部を構成する素子などとして使用される。以下、MISFET(Qn)の構成を具体的に説明する。
MISFET(Qn)は、半導体基板10に形成されたp型ウエル12と、このp型ウエル12を挟んでその両側の半導体基板10に形成された一対のn型低濃度領域13、13および一対のn型高濃度領域14、14と、活性領域の表面に形成されたゲート酸化膜15と、素子分離溝11の上部とゲート絶縁膜15の上部とに亘って形成されたゲート電極16とを有している。
半導体基板10に形成された一対のn型低濃度領域13、13および一対のn型高濃度領域14、14は、MISFET(Qn)のソース領域およびドレイン領域を構成する半導体領域である。すなわち、MISFET(Qn)のソース領域およびドレイン領域は、LDD(Lightly Doped Drain)構造を有している。n型高濃度領域14、14は、n型低濃度領域13、13よりも不純物(リンまたはヒ素)の濃度が高く、かつ接合深さが浅い。また、n型高濃度領域14、14の表面には、それらに接続される配線(図示せず)との電気的抵抗を低減するための金属シリサイド層14mが形成されている。金属シリサイド層14mは、例えばニッケルシリサイドからなる。
MISFET(Qn)のゲート電極16は、例えばリンがドープされたn型の多結晶シリコン膜と、この多結晶シリコン膜の表面に形成された金属シリサイド層16mとの積層膜で構成されている。金属シリサイド層16mは、例えばニッケルシリサイドからなる。また、ゲート電極16の側壁には、酸化シリコン膜などからなるサイドウォールスペーサー17が形成されている。
図2(b)に示すように、素子分離溝11の下部に形成されたp型チャネルストッパ領域18の端部は、ゲート電極16の下部において、ゲート酸化膜15の下部のチャネル領域に向けて突出するように形成されているが、チャネル領域にまでは達していない。すなわち、ゲート電極16の下部において、ゲート幅方向に沿ったp型チャネルストッパ領域18の端部は、チャネル領域の端部(素子分離溝11の端部)に対して距離(d)だけオフセット(離間)されている。
また、図2(c)に示すように、ゲート電極16の下部において、p型チャネルストッパ領域18の端部は、n型低濃度領域13、13の端部と接していることが望ましい。これにより、ゲート電極16の直下においてチャネル領域に隣接するp型ウェル12での反転現象が生じることがなく、リークの発生を防止することができる。
図3は、図1および図2に示すMISFET(Qn)のチャネル領域端部近傍(図2(b)の破線で囲んだ領域)における不純物プロファイルのシミュレーション結果を示すグラフである。このシミュレーション結果から、チャネル領域端部の不純物プロファイルがチャネル領域中央部(図3の左端部)の不純物プロファイルとほぼ同等になっていることが分かる。
このように、ゲート幅方向に沿ったp型チャネルストッパ領域18の端部をチャネル領域の端部(素子分離溝11の端部)から離間させることにより、p型チャネルストッパ領域18の不純物(ホウ素)の横方向(チャネル領域方向)への拡散が抑制される。これにより、MISFET(Qn)を微細化(狭チャネル化)した場合でも、チャネル領域端部におけるキャリア(電子)濃度の低下を抑制し、しきい値電圧の局所的な上昇を抑制することができる。従って、MISFET(Qn)の微細化、高耐圧化を推進することができる。
本実施の形態のMISFET(Qn)において、p型チャネルストッパ領域18の端部をチャネル領域の端部(素子分離溝11の端部)から離間させる距離(d)は、0.5μm〜0.7μm程度が好ましく、0.6μm程度が最も好ましい。オフセットの距離(d)が短すぎると、p型チャネルストッパ領域18の不純物(ホウ素)の横方向(チャネル領域方向)への拡散が顕在化する。また、オフセットの距離(d)が長すぎると、素子分離溝11の下部にp型チャネルストッパ領域18を設けた効果が阻害され、ゲート電極16に高電圧を印加した時に素子分離溝11の下部のp型ウエル12で反転が生じ易くなる。
次に、図4〜図14を参照して、上記nチャネル型のMISFET(Qn)の製造方法について説明する。なお、図面を見易くするため、製造方法を説明する平面図には、MISFET(Qn)を構成する導電層(p型チャネルストッパ領域18を除く)のみを示し、絶縁層(素子分離溝11、ゲート酸化膜15、フォトレジスト膜など)の図示は省略する。
まず、図4に示すように、フォトレジスト膜20をマスクにして半導体基板10に不純物(ホウ素)をイオン注入することにより、p型ウェル12を形成する。続いて、フォトレジスト膜20をアッシングまたはウェットエッチングで除去した後、図5に示すように、フォトレジスト膜21をマスクにして半導体基板10に不純物(リンまたはヒ素)をイオン注入することにより、n型低濃度領域13を形成する。
図4(a)に示すように、p型ウェル12とn型低濃度領域13は、ゲート長方向(同図の左右方向)におけるそれらの一端部が互いに重なるように形成する。なお、p型ウェル12とn型低濃度領域13の形成順序は任意であり、n型低濃度領域13を形成してからp型ウェル12を形成してもよい。
次に、フォトレジスト膜21をアッシングまたはウェットエッチングで除去した後、図6に示すように、フォトレジスト膜22をマスクにして半導体基板10に不純物(ホウ素)をイオン注入することにより、p型チャネルストッパ領域18を形成する。
次に、フォトレジスト膜22をアッシングまたはウェットエッチングで除去した後、図7に示すように、半導体基板10の活性領域を覆うハードマスク24を形成する。ハードマスク24は、例えば半導体基板10の主面に熱酸化法またはCVD法で酸化シリコン膜を形成し、続いてこの酸化シリコン膜上にCVD法で窒化シリコン膜を積層した後、フォトレジスト膜をマスクにしたドライエッチングでこれらの積層膜をパターニングすることにより形成する。
次に、図8に示すように、ハードマスク24をマスクにして半導体基板10をドライエッチングすることにより、素子分離領域の半導体基板10に溝11aを形成する。続いて、図9に示すように、半導体基板10の主面上にCVD法で酸化シリコン膜25を堆積した後、この酸化シリコン膜25をCMP(化学的機械研磨)法で平坦化して溝11aの内部に残し、続いて半導体基板10の活性領域を覆う酸化シリコン膜25をウェットエッチングで除去する。これにより、素子分離領域の半導体基板10にハードマスク25が埋め込まれた素子分離溝11が形成されると共に、先の工程で形成されたp型チャネルストッパ領域18が素子分離溝11の下部に配置される。
上記素子分離溝11を形成する際は、後の工程で形成されるゲート酸化膜15の下部のチャネル領域の端部(素子分離溝11の端部)に対してp型チャネルストッパ領域18が距離(d)だけオフセット(離間)されるようにする。
なお、ここでは、素子分離領域の半導体基板10に形成した溝11aの内部に酸化シリコン膜25を埋め込んで素子分離溝11を形成したが、素子分離領域の半導体基板10の表面に形成した酸化シリコン膜を熱処理によって厚膜化する、いわゆるLOCOS法を用いて素子分離領域にフィールド酸化膜を形成し、このフィールド酸化膜の下部に上記p型チャネルストッパ領域18を配置してもよい。
次に、図10に示すように、半導体基板10を熱処理して活性領域の表面に酸化シリコンからなるゲート酸化膜15を形成した後、半導体基板10の主面上にCVD法で多結晶シリコン膜16nを堆積する。多結晶シリコン膜16nは、その堆積の過程でリンをドープすることにより、その導電型をn型とする。また、ゲート酸化膜15は、CVD法で堆積した酸化シリコン膜の一部をドライエッチングでパターニングし、活性領域の表面に残すことによって、形成することもできる。
次に、図11に示すように、フォトレジスト膜23をマスクにして多結晶シリコン膜16nをドライエッチングすることにより、ゲート酸化膜15の上部にゲート電極16を形成する。ゲート電極16は、ゲート幅方向の両端部が素子分離溝11を覆うように形成する。
次に、フォトレジスト膜23を除去した後、図12に示すように、ゲート電極16の側壁にサイドウォールスペーサー17を形成する。サイドウォールスペーサー17は、例えば半導体基板10の主面上にCVD法で酸化シリコン膜を堆積し、続いてこの酸化シリコン膜を異方性エッチングすることによって形成する。
次に、図13に示すように、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクにしてn型低濃度領域13の一部に不純物(リンまたはヒ素)をイオン注入することにより、n型高濃度領域14を形成する。これにより、ゲート電極16の両側にn型低濃度領域13とn型高濃度領域14とからなるLDD構造のソース領域およびドレイン領域が形成される。
次に、フォトレジスト膜を除去した後、図14に示すように、n型高濃度領域14の表面に金属シリサイド層14mを形成し、ゲート電極16の表面に金属シリサイド層16mを形成する。金属シリサイド層14m、16mを形成するには、例えば半導体基板10の主面上にスパッタリング法でニッケル膜を堆積し、続いて半導体基板10を熱処理することによって、ゲート電極15を構成する多結晶シリコン膜とニッケル膜、およびn型高濃度領域14を構成する単結晶シリコン層とニッケル膜とをそれぞれ反応させた後、不要となったニッケル膜をウェットエッチングで除去する。
以上の工程により、図1および図2に示す本実施の形態のMISFET(Qn)が完成する。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
前記実施の形態ではソース領域とドレイン領域のそれぞれに対してn型低濃度領域を形成するMISFETに適用したが、ソース領域またはドレイン領域の一方についてのみ低濃度領域を形成するMISFETに適用することもできる。
また、前記実施の形態では、nチャネル型のMISFETを有する半導体装置に適用した例を示したが、n型半導体基板やn型ウェルにpチャネル型のMISFETを形成する半導体装置に適用することもできる。
10 半導体基板
11 素子分離溝
11a 溝
12 p型ウェル
13 n型低濃度領域
14 n型高濃度領域
14m 金属シリサイド層
15 ゲート酸化膜
16 ゲート電極
16n 多結晶シリコン膜
16m 金属シリサイド層
17 サイドウォールスペーサー
18 p型チャネルストッパ領域
20、21、22、23 フォトレジスト膜
24 ハードマスク
25 酸化シリコン膜
30 半導体基板
31 ゲート電極
32 n型低濃度領域
33 n型高濃度領域
34 ゲート酸化膜
35 フィールド酸化膜
36 p型チャネルストッパ領域
Qn MISFET

Claims (5)

  1. 第1導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板に形成された素子分離領域と、
    前記素子分離領域によって区画された前記半導体基板の活性領域の表面に形成されたゲート絶縁膜と、
    前記素子分離領域の上部と前記ゲート絶縁膜の上部とに亘って形成されたゲート電極と、
    前記半導体基板に形成された第2導電型のソース領域およびドレイン領域と、
    前記素子分離領域の下部の前記半導体基板に形成され、その端部が前記活性領域に向けて突出する第1導電型のチャネルストッパ領域と、
    を有し、
    前記ソース領域およびドレイン領域の少なくとも一方は、第2導電型の低濃度領域と、前記低濃度領域よりも不純物濃度が高い第2導電型の高濃度領域とで構成され、
    前記ゲート電極の幅方向に沿った前記チャネルストッパ領域の端部は、前記素子分離領域の端部に対して、前記活性領域から離間する方向にオフセットされている、半導体装置。
  2. 請求項1の半導体装置において、
    前記素子分離領域の端部と前記チャネルストッパ領域の端部とのオフセット量は、0.5μm〜0.7μmである、半導体装置。
  3. 請求項1の半導体装置において、
    前記ゲート電極の下部において、前記チャネルストッパ領域の端部は、前記低濃度領域の端部と接している、半導体装置。
  4. (a)第1導電型の半導体基板を用意する工程、
    (b)フォトレジスト膜をマスクにして前記半導体基板に不純物をイオン注入することにより、前記半導体基板の主面に第2導電型の低濃度領域を形成する工程、
    (c)フォトレジスト膜をマスクにして前記半導体基板に不純物をイオン注入することにより、前記半導体基板の主面に第1導電型のチャネルストッパ領域を形成する工程、
    (d)前記(b)工程および前記(c)工程の後、前記半導体基板の主面に素子分離領域を形成する工程、
    (e)前記素子分離領域によって区画された前記半導体基板の活性領域の表面にゲート絶縁膜を形成する工程、
    (f)前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程、
    (g)フォトレジスト膜をマスクにして前記低濃度領域の一部に不純物をイオン注入することにより、前記低濃度領域の一部に前記低濃度領域よりも不純物濃度が高い第2導電型の高濃度領域を形成する工程、
    を有し、
    前記ゲート電極の幅方向に沿った前記チャネルストッパ領域の端部を、前記素子分離領域の端部に対して、前記活性領域から離間する方向にオフセットする、半導体装置の製造方法。
  5. 請求項4の半導体装置の製造方法において、
    前記素子分離領域の端部と前記チャネルストッパ領域の端部とのオフセット量を、0.5μm〜0.7μmにする、半導体装置の製造方法。
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