JP2022073883A - Semiconductor device including reference voltage circuit - Google Patents

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Akira Koyama
尚 長谷川
Takashi Hasegawa
伸二郎 加藤
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康平 川端
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Abstract

To suppress the shift of threshold voltage in a high-temperature shelf test of a semiconductor device including a reference voltage circuit using an enhancement type transistor to set P-type polycrystalline silicon as a gate electrode.SOLUTION: A semiconductor device includes an enhancement type transistor using P-type polycrystalline silicon as a first gate electrode, and a depletion type transistor using N-type polycrystalline silicon as a second gate electrode. The enhancement type transistor includes a non-water-permeable film provided locally covering the first gate electrode through an interlayer insulating film over the first gate electrode, and a nitride film including an opening that is larger than the first gate electrode and smaller than the non-water-permeable film and provided covering the periphery of the non-water-permeable film. The depletion type transistor includes a reference voltage circuit including a nitride film covering the depletion type transistor entirely and provided directly in an interlayer insulating film over the second gate electrode.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、P型ゲート電極を備えたN型MOSトランジスタを有する基準電圧回路を備えた半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including a reference voltage circuit having an N-type MOS transistor with a P-type gate electrode.

2つのN型MOSトランジスタ(エンハンスメント型およびデプレッション型)を用いて、電源電圧の変動に対し、一定の電圧を出力する基準電圧回路を構成することができる。 By using two N-type MOS transistors (enhancement type and depletion type), it is possible to configure a reference voltage circuit that outputs a constant voltage against fluctuations in the power supply voltage.

基準電圧回路においては、温度による出力電圧の変動を抑制することを求められることが多い。そこで、特許文献1に示されるように、基準電圧回路(Vref回路)を構成する2つのN型MOSトランジスタ(エンハンスメント型およびデプレッション型)において、チャネル領域の不純物濃度を同一にしつつ、ゲート電極を構成する多結晶シリコンの導電型を、従来同一のN型だったものを、エンハンスメント型トランジスタのゲート電極のみを導電型がP型の多結晶シリコンにする方法がある。ゲート電極の導電型の違いによってもたらされる仕事関数の差を利用して、P型の導電型を有する多結晶シリコンをゲート電極として有するエンハンスメント型のMOSトランジスタとN型の導電型を有する多結晶シリコンをゲート電極として有するデプレッション型MOSトランジスタのしきい値電圧(Vth)に差を設け、基準電圧を発生させるのである。 In a reference voltage circuit, it is often required to suppress fluctuations in the output voltage due to temperature. Therefore, as shown in Patent Document 1, in two N-type MOS transistors (enhancement type and depletion type) constituting a reference voltage circuit (Vref circuit), a gate electrode is configured while making the impurity concentration in the channel region the same. There is a method of changing the conductive type of the polycrystalline silicon to be the same N-type in the past, and changing only the gate electrode of the enhancement type transistor to the P-type polycrystalline silicon. Utilizing the difference in work function caused by the difference in the conductive type of the gate electrode, the enhanced MOS transistor having a polycrystalline silicon having a P-type conductive type as a gate electrode and the polycrystalline silicon having an N-type conductive type A reference voltage is generated by providing a difference in the threshold voltage (Vth) of the depletion type MOS transistor having the gate electrode.

この場合、チャネル領域の不純物濃度は同一なので、温度変化が両トランジスタのしきい値電圧へ与える影響も同一になり、両トランジスタのしきい値の差から得られる基準電圧の変動を抑制することが可能となる。 In this case, since the impurity concentration in the channel region is the same, the influence of the temperature change on the threshold voltage of both transistors is also the same, and the fluctuation of the reference voltage obtained from the difference between the thresholds of both transistors can be suppressed. It will be possible.

以下では、P型の導電型を有する多結晶シリコンからなるゲート電極をP型ゲート電極、N型の導電型を有する多結晶シリコンからなるゲート電極をN型ゲート電極と称し、P型の導電型を有する多結晶シリコンをゲート電極として有するMOSトランジスタをP型ゲート電極MOSトランジスタ、N型の導電型を有する多結晶シリコンをゲート電極として有するMOSトランジスタをN型ゲート電極MOSトランジスタと称する。そして、P型ゲート電極MOSトランジスタとN型ゲート電極MOSトランジスタを用いて構成されたVref回路を異極ゲートを利用したVref回路と称する。 Hereinafter, a gate electrode made of polycrystalline silicon having a P-type conductive type is referred to as a P-type gate electrode, and a gate electrode made of polycrystalline silicon having an N-type conductive type is referred to as an N-type gate electrode. A MOS transistor having polycrystalline silicon as a gate electrode is referred to as a P-type gate electrode MOS transistor, and a MOS transistor having N-type conductive polycrystalline silicon as a gate electrode is referred to as an N-type gate electrode MOS transistor. A Vref circuit configured by using a P-type gate electrode MOS transistor and an N-type gate electrode MOS transistor is referred to as a Vref circuit using a different electrode gate.

特開2008-293409号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-293409

この異極ゲートを利用したVref回路の信頼性を評価するために、実使用よりも厳しい環境条件を設定して実施される加速試験のひとつである高温放置試験において、P型ゲート電極MOSトランジスタが、しきい電圧のシフトを起こすことがあるということが分かった。このシフトにより基準電圧が変動し、長期信頼性試験におけるICの特性シフトにつながってしまう。閾値電圧のシフトを引き起こす原因の一つとして水素の影響があげられる。ただし、このしきい値電圧のシフト量は数ミリボルトと微小ではあるが、しきい値電圧から得られる基準電圧の高度の安定性が要求される応用においては無視できない。 In order to evaluate the reliability of the Vref circuit using this hemimorphite, the P-type gate electrode MOS transistor was used in the high temperature standing test, which is one of the accelerated tests conducted under stricter environmental conditions than in actual use. It turns out that it can cause a threshold voltage shift. This shift causes the reference voltage to fluctuate, leading to a shift in the characteristics of the IC in the long-term reliability test. One of the causes of the threshold voltage shift is the influence of hydrogen. However, although the shift amount of this threshold voltage is as small as several millivolts, it cannot be ignored in applications that require a high degree of stability of the reference voltage obtained from the threshold voltage.

そこで、本発明は、高温放置試験において、P型ゲート電極MOSトランジスタに生じるしきい値電圧のシフトを抑制することが可能なトランジスタの構造を利用した、基準電圧回路を備えた半導体装置を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention provides a semiconductor device provided with a reference voltage circuit using a transistor structure capable of suppressing a threshold voltage shift occurring in a P-type gate electrode MOS transistor in a high temperature standing test. That is the issue.

上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る基準電圧回路を備えた半導体装置は、以下の構成をとる。即ち、P型の導電型を有する多結晶シリコンを第1のゲート電極として有するエンハンスメント型MOSトランジスタと、N型の導電型を有する多結晶シリコンを第2のゲート電極として有するデプレッション型MOSトランジスタと、からなる基準電圧回路を備えた半導体装置であって、さらに、前記エンハンスメント型MOSトランジスタは、前記第1のゲート電極の上部に配置された層間絶縁膜を介して、前記第1のゲート電極を覆って局所的に設けられた非透水性膜と、平面視において前記第1のゲート電極よりも大きく、前記非透水性膜よりは小さく設けられた開口部を有する、前記非透水性膜の周囲を覆うように設けられた窒化膜と、を有し、前記デプレッション型MOSトランジスタは、前記第2のゲート電極の上部に配置された層間絶縁膜に直接設けられた、平面視において前記デプレッション型MOSトランジスタを隙間なく覆う窒化膜を有することを特徴とする基準電圧回路を備えた半導体装置とする。 In order to solve the above problems, the semiconductor device provided with the reference voltage circuit according to the embodiment of the present invention has the following configuration. That is, an enhancement type MOS transistor having a P-type conductive type polycrystalline silicon as a first gate electrode, a depletion type MOS transistor having an N-type conductive type polycrystalline silicon as a second gate electrode, and a depletion type MOS transistor. A semiconductor device including a reference voltage circuit comprising, further, the enhancement type MOS transistor covers the first gate electrode via an interlayer insulating film arranged on the upper part of the first gate electrode. Around the impermeable film having a locally provided impermeable film and an opening provided in plan view larger than the first gate electrode and smaller than the impermeable film. The depletion-type MOS transistor has a nitride film provided so as to cover it, and the depletion-type MOS transistor is provided directly on an interlayer insulating film arranged above the second gate electrode, and the depletion-type MOS transistor is provided in a plan view. It is a semiconductor device provided with a reference voltage circuit characterized by having a nitride film that covers the above without gaps.

本発明に係る基準電圧回路を備えた半導体装置は、P型ゲート電極MOSトランジスタにおいて、高温放置試験においてしきい値電圧のシフトを引き起こす要因である水素拡散の元となる保護膜である窒化膜をP型ゲート電極の上部から除去することで水素の拡散を抑制し、高温放置による界面準位の変動を抑制する。プロセス変更を実施せずともICの特性変動の抑制を簡便に可能にする。窒化膜を除去する範囲は局所的であり、窒化膜が除去された開口部の下は非透水性膜であるので、水分の侵入は十分に抑制され、信頼性の低下を招く恐れはない。 The semiconductor device provided with the reference voltage circuit according to the present invention has a nitride film, which is a protective film that is a source of hydrogen diffusion, which is a factor that causes a shift in the threshold voltage in a high temperature standing test, in a P-type gate electrode MOS transistor. By removing it from the upper part of the P-type gate electrode, the diffusion of hydrogen is suppressed and the fluctuation of the interface state due to leaving at a high temperature is suppressed. It is possible to easily suppress fluctuations in IC characteristics without changing the process. Since the range from which the nitride film is removed is local and the impermeable film is under the opening from which the nitride film has been removed, the intrusion of water is sufficiently suppressed and there is no risk of causing a decrease in reliability.

本発明の第1の実施形態に係る基準電圧回路を備えた半導体装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor device provided with the reference voltage circuit which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図1の切断線Aに沿った断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the cutting line A of FIG. 図1の切断線Bに沿った断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the cutting line B of FIG. 第1の実施形態に係る基準電圧回路の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the reference voltage circuit which concerns on 1st Embodiment. 高温放置試験におけるシフト量の比較図である。It is a comparative figure of the shift amount in a high temperature leaving test. 本発明の第2の実施形態に係る基準電圧回路を備えた半導体装置の模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device provided with the reference voltage circuit which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る基準電圧回路を備えた半導体装置の模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device provided with the reference voltage circuit which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の第1の実施形態に係る基準電圧回路を備えた半導体装置の平面図である。図2は、図1の切断線Aに沿った断面模式図であり、図3は、図1の切断線Bに沿った断面模式図である。 FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device provided with a reference voltage circuit according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the cutting line A of FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the cutting line B of FIG.

図1に示すように、基準電圧回路を備えた半導体装置100は、エンハンスメント型のMOSトランジスタ1とデプレッション型のMOSトランジスタ2を有している。エンハンスメント型のMOSトランジスタ1とデプレッション型のMOSトランジスタ2の導電型はともにN型であり、Nチャネルと呼ばれることもある。
図2および図3に示すように、エンハンスメント型のMOSトランジスタ1は、N型基板7に配置されたP型ウェル8の表面に設けられており、ゲート酸化膜を介して設けられたP型ゲート電極3をはさんで、ともにN型高濃度層であるソース9Aとドレイン9Bが設けられている。P型ゲート電極3を覆って、中間絶縁膜10が設けられ、中間絶縁膜10の上に、第1の金属配線11が設けられる。第1の金属配線11を覆って層間絶縁膜12が設けられ、その上にP型ゲート電極3を覆って、非透水性膜5が局所的に配置される。非透水性膜5は、開口部6の周囲から外側を層間絶縁膜12の上に配置された最終保護膜13により覆われるが、非透水性膜5の上面に設けられた開口部6は最終保護膜13により覆われていない。最終保護膜13は非透水性膜5の上に開口部6を有しており、非透水性膜5の表面を露出させている。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device 100 provided with a reference voltage circuit has an enhancement type MOS transistor 1 and a depletion type MOS transistor 2. The conductive type of the enhancement type MOS transistor 1 and the depletion type MOS transistor 2 are both N type, and are sometimes called N channels.
As shown in FIGS. 2 and 3, the enhancement type MOS transistor 1 is provided on the surface of the P-type well 8 arranged on the N-type substrate 7, and the P-type gate is provided via the gate oxide film. A source 9A and a drain 9B, both of which are N-type high-concentration layers, are provided sandwiching the electrode 3. An intermediate insulating film 10 is provided so as to cover the P-type gate electrode 3, and a first metal wiring 11 is provided on the intermediate insulating film 10. An interlayer insulating film 12 is provided so as to cover the first metal wiring 11, and the impermeable film 5 is locally arranged so as to cover the P-type gate electrode 3 on the interlayer insulating film 12. The impermeable film 5 is covered from the periphery of the opening 6 to the outside by the final protective film 13 arranged on the interlayer insulating film 12, but the opening 6 provided on the upper surface of the impermeable film 5 is final. Not covered by the protective film 13. The final protective film 13 has an opening 6 on the impermeable film 5 to expose the surface of the impermeable film 5.

図1から見て取れるように、平面視において、非透水性膜5はP型ゲート電極3の全面を覆っているので、P型ゲート電極3よりも大きいことになる。また、開口部6はP型ゲート電極3の全面を内側に含むように、P型ゲート電極3よりも大きく設けられているが、開口部6は非透水性膜5の内側に設けられるので、非透水性膜5よりも小さいことになる。 As can be seen from FIG. 1, in a plan view, the impermeable membrane 5 covers the entire surface of the P-type gate electrode 3, so that it is larger than the P-type gate electrode 3. Further, the opening 6 is provided larger than the P-type gate electrode 3 so as to include the entire surface of the P-type gate electrode 3 inside, but since the opening 6 is provided inside the impermeable membrane 5, the opening 6 is provided inside. It will be smaller than the impermeable membrane 5.

図2に示すように、デプレッション型のMOSトランジスタ2は、エンハンスメント型のMOSトランジスタ1が設けられているP型ウェル8とは異なる、N型基板7に配置された他のP型ウェル8の表面に設けられており、ゲート酸化膜を介して設けられたN型ゲート電極4をはさんで、ともにN型高濃度層であるソース9Cとドレイン9Dが設けられている。N型ゲート電極4を覆って、中間絶縁膜10が設けられ、中間絶縁膜10の上に、第1の金属配線11が設けられる。第1の金属配線11を覆って層間絶縁膜12が設けられ、層間絶縁膜12の上に配置された最終保護膜13により全面が覆われている。デプレッション型のMOSトランジスタ2を覆う最終保護膜13には、開口部6が設けられていないので、デプレッション型のMOSトランジスタ2は、最終保護膜13により、全面が隙間なく覆われている。 As shown in FIG. 2, the depletion type MOS transistor 2 is different from the P type well 8 provided with the enhancement type MOS transistor 1 on the surface of another P type well 8 arranged on the N type substrate 7. A source 9C and a drain 9D, both of which are N-type high-concentration layers, are provided so as to sandwich the N-type gate electrode 4 provided via a gate oxide film. An intermediate insulating film 10 is provided so as to cover the N-type gate electrode 4, and a first metal wiring 11 is provided on the intermediate insulating film 10. The interlayer insulating film 12 is provided so as to cover the first metal wiring 11, and the entire surface is covered by the final protective film 13 arranged on the interlayer insulating film 12. Since the final protective film 13 covering the depletion type MOS transistor 2 is not provided with the opening 6, the entire surface of the depletion type MOS transistor 2 is covered with the final protective film 13 without any gaps.

図1に示ように、エンハンスメント型のMOSトランジスタ1のドレイン9Bはデプレッション型のMOSトランジスタ2のソース9Cに第1の金属配線11により接続されている。同じ金属配線により、エンハンスメント型のMOSトランジスタ1のP型ゲート電極3とデプレッション型のMOSトランジスタ2のN型ゲート電極4も接続され同電位となっている。通常、エンハンスメント型のMOSトランジスタ1のソース9Aはグランド電位の配線に接続され、デプレッション型のMOSトランジスタ2のドレイン9Dは電源電位の配線に、第1の金属配線11によって接続される。 As shown in FIG. 1, the drain 9B of the enhancement type MOS transistor 1 is connected to the source 9C of the depletion type MOS transistor 2 by the first metal wiring 11. By the same metal wiring, the P-type gate electrode 3 of the enhancement type MOS transistor 1 and the N-type gate electrode 4 of the depletion type MOS transistor 2 are also connected and have the same potential. Normally, the source 9A of the enhancement type MOS transistor 1 is connected to the ground potential wiring, and the drain 9D of the depletion type MOS transistor 2 is connected to the power supply potential wiring by the first metal wiring 11.

図4は、図1から図3を用いて説明した基準電圧回路を備えた半導体装置の基準電圧回路の部分を表す等価回路図である。直列に接続されたエンハンスメント型のMOSトランジスタ1とデプレッション型のMOSトランジスタ2を有し、エンハンスメント型のMOSトランジスタ1のソースはグランド電位VSSに接続され、デプレッション型のMOSトランジスタ2のドレインは電源電位VDDに接続される。エンハンスメント型のMOSトランジスタ1とデプレッション型のMOSトランジスタ2の接続点から基準電圧Vrefを出力する。 FIG. 4 is an equivalent circuit diagram showing a portion of a reference voltage circuit of a semiconductor device including the reference voltage circuit described with reference to FIGS. 1 to 3. It has an enhancement type MOS transistor 1 and a depletion type MOS transistor 2 connected in series, the source of the enhancement type MOS transistor 1 is connected to the ground potential VSS , and the drain of the depletion type MOS transistor 2 is the power supply potential. Connected to VDD . The reference voltage V ref is output from the connection point between the enhancement type MOS transistor 1 and the depletion type MOS transistor 2.

次に、上記基準電圧回路を備えた半導体装置の製造方法を説明する。基準電圧回路を構成するエンハンスメント型のMOSトランジスタおよびデプレッション型のMOSトランジスタは、N型シリコン基板もしくはN型ウェル中に別々に離間して形成されたP型ウェルの表面近傍にそれぞれ設けられる。素子分離領域をLOCOSもしくはSTIで形成した後、ゲート酸化膜を形成し、ゲート電極となる多結晶シリコン膜を堆積させる。多結晶シリコン膜は100nm~400nmの厚みで成膜した後、エンハンスメント型となるMOSトランジスタのゲート電極領域には、たとえばBFをイオン注入してP型多結晶シリコンにし、デプレッション型となるMOSトランジスタのゲート電極領域には、たとえばリンをイオン注入してN型多結晶シリコンとなるように不純物のイオン注入を実施する。その後多結晶シリコンをパターニング、加工しゲート電極を形成する。 Next, a method of manufacturing a semiconductor device provided with the reference voltage circuit will be described. The enhancement type MOS transistor and the depletion type MOS transistor constituting the reference voltage circuit are provided near the surface of the N-type silicon substrate or the P-type well separately formed in the N-type well. After the device separation region is formed by LOCOS or STI, a gate oxide film is formed, and a photoresist silicon film to be a gate electrode is deposited. After the polycrystalline silicon film is formed with a thickness of 100 nm to 400 nm, for example, BF 2 is ion-injected into the gate electrode region of the enhanced MOS transistor to form P-type polysilicon, which is a depletion type MOS transistor. For example, phosphorus is ion-injected into the gate electrode region of the above to carry out ion-injection of impurities so as to form N-type photoresist. After that, polycrystalline silicon is patterned and processed to form a gate electrode.

次に、ゲート電極を覆う中間絶縁膜を形成し、コンタクトホールを形成した後、第1の金属配線層となる金属膜を成膜する。その後、層間絶縁膜、および必要とされる数の多層配線層を形成する。
多層配線の最上層となる層には非透水層を形成し、そのパターニングにおいては、基準電圧回路を構成する少なくともエンハンスメント型のMOSトランジスタにおいてはゲート電極をカバーするようにレイアウトし、パターニングし、非透水性膜とする。エンハンスメント型のMOSトランジスタのゲート電極上のみではなくデプレッション型のMOSトランジスタのゲート電極上に非透水性膜を配置することも可能である。
非透水層としては、最上層となる金属配線層を用いることができる。金属ではなく、スパッタにより形成されるアモルファスシリコンを用いることもできる。
Next, an intermediate insulating film covering the gate electrode is formed, a contact hole is formed, and then a metal film to be a first metal wiring layer is formed. After that, an interlayer insulating film and a required number of multilayer wiring layers are formed.
A non-permeable layer is formed in the uppermost layer of the multilayer wiring, and in the patterning thereof, at least the enhancement type MOS transistor constituting the reference voltage circuit is laid out so as to cover the gate electrode, and the patterning is performed. Use a water permeable membrane. It is also possible to arrange the impermeable membrane not only on the gate electrode of the enhancement type MOS transistor but also on the gate electrode of the depletion type MOS transistor.
As the impermeable layer, a metal wiring layer to be the uppermost layer can be used. Amorphous silicon formed by sputtering can also be used instead of metal.

非透水層のパターニング後、最終保護膜を形成する。最終保護膜の構造はプラズマ窒化膜単層構造、もしくは酸化膜とプラズマ窒化膜の2層構造でも構わない。このプラズマ窒化膜に含まれる水素が、高温放置試験にて脱離し界面準位として捕獲されるため、前述の基準電圧回路のゲート電極上に配置した非透水性膜の領域部分の最終保護膜をエッチングして取り除く。こうすることで、P型ゲート電極の直上に位置するプラズマ窒化膜からの水素の拡散を防ぐことが可能となり、拡散する水素の総量を抑制することができる。 After patterning the impermeable layer, a final protective film is formed. The structure of the final protective film may be a single-layer structure of a plasma nitride film or a two-layer structure of an oxide film and a plasma nitride film. Since hydrogen contained in this plasma nitride film is desorbed in the high temperature standing test and captured as an interface state, the final protective film of the region portion of the impermeable membrane arranged on the gate electrode of the above-mentioned reference voltage circuit is used. Etch and remove. By doing so, it becomes possible to prevent the diffusion of hydrogen from the plasma nitride film located directly above the P-type gate electrode, and it is possible to suppress the total amount of diffused hydrogen.

図5は、図1から図4により示される基準電圧回路を備えた半導体装置が高温放置試験において示すシフト量を、従来の構造の基準電圧回路を備えた半導体装置におけるシフト量と比較したものである。従来構造におけるシフト量を1とすると、第1の実施形態に係る構造においては、シフト量が0.6に減少していることが分かる。この比較結果から、エンハンスメント型のMOSトランジスタ1のP型ゲート電極3の上方に、P型ゲート電極3を覆う非透水性膜を配置し、その上に配置される最終保護膜であるプラズマ窒化膜を除去した開口部を設けることで、高温放置試験におけるしきい値電圧のシフト量を抑制することが可能となることが分かる。 FIG. 5 compares the shift amount shown in the high temperature standing test by the semiconductor device provided with the reference voltage circuit shown by FIGS. 1 to 4 with the shift amount in the semiconductor device provided with the reference voltage circuit having the conventional structure. be. Assuming that the shift amount in the conventional structure is 1, it can be seen that the shift amount is reduced to 0.6 in the structure according to the first embodiment. From this comparison result, a non-permeable film covering the P-type gate electrode 3 is arranged above the P-type gate electrode 3 of the enhancement type MOS transistor 1, and a plasma nitride film which is a final protective film is arranged on the impermeable film. It can be seen that it is possible to suppress the shift amount of the threshold voltage in the high temperature leaving test by providing the opening in which the above is removed.

図6は、本発明の第2の実施形態に係る基準電圧回路を備えた半導体装置の断面模式図である。第1の実施形態と異なる点は、基準電圧回路の上方に配置された最終保護膜13を覆うポリイミド膜15を有する点である。非透水性膜5は水分を通さないが、最終保護膜13により覆われている周辺においては、非透水性膜5と最終保護膜13との界面から、水分が侵入する可能性がある。水分は水素とは異なり腐食を起こすので、半導体装置においては、水分の侵入を防ぐことも重要である。そこで、最終保護膜13に設けられた、非透水性膜5の表面に位置する開口部6を隙間なく覆うポリイミド膜15を配置することで、非透水性膜5と最終保護膜13との界面から、水分が侵入することを抑制する構造としたものである。ポリイミドは疎水性を示すので、水分の侵入を遅らせる効果がある。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device provided with a reference voltage circuit according to a second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the polyimide film 15 covering the final protective film 13 arranged above the reference voltage circuit is provided. Although the impermeable membrane 5 does not allow moisture to pass through, moisture may invade from the interface between the impermeable membrane 5 and the final protective film 13 in the vicinity covered by the final protective film 13. Unlike hydrogen, water causes corrosion, so it is important to prevent the ingress of water in semiconductor devices. Therefore, by arranging the polyimide film 15 provided on the final protective film 13 so as to cover the opening 6 located on the surface of the impermeable film 5 without gaps, the interface between the impermeable film 5 and the final protective film 13 is provided. Therefore, it has a structure that suppresses the invasion of moisture. Since polyimide is hydrophobic, it has the effect of delaying the invasion of water.

図7は、本発明の第3の実施形態に係る基準電圧回路を備えた半導体装置の断面模式図である。第1の実施形態と異なる点は、開口部6の底となる非透水性膜5の表面に、耐腐食性を有する酸化物の膜を有する点である。これは、第1の実施形態において、非透水性膜5の例として、金属配線層の利用、あるいはスパッタにより堆積されるアモルファスシリコンの利用を挙げた。金属配線層を利用した場合、開口部があるので、金属配線層を利用した非透水性膜5に水分などによる腐食が発生する可能性がある。そこで、非透水性膜5が腐食されないように、少なくとも開口部の底となる非透水性膜5の表面を隙間なく覆う、耐腐食性を有する酸化物の膜16を設けることで、半導体装置の腐食に対する信頼性を高くすることが可能となる。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device provided with a reference voltage circuit according to a third embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that a corrosion-resistant oxide film is provided on the surface of the impermeable film 5 which is the bottom of the opening 6. This cites the use of a metal wiring layer or the use of amorphous silicon deposited by sputtering as an example of the impermeable membrane 5 in the first embodiment. When a metal wiring layer is used, since there is an opening, corrosion due to moisture or the like may occur in the impermeable membrane 5 using the metal wiring layer. Therefore, by providing a corrosion-resistant oxide film 16 that covers at least the surface of the non-permeable film 5 which is the bottom of the opening without gaps so that the impermeable film 5 is not corroded, the semiconductor device is provided. It is possible to increase the reliability against corrosion.

耐腐食性を有する酸化物の膜16の例としては、金属酸化物であるアルミナ(酸化アルミニウム:Al)、セラミックを挙げることができる。アルミナは、非透水性膜5がアルミニウムを主たる成分とする場合、酸素雰囲気における酸化、あるいは陽極酸化により形成することができる。セラミックの膜は、セラミック成分主体の薄い膜をコーティングにより形成することができる。これらの酸化物は耐腐食性が高く、比較的低温で形成できるので、半導体装置に用いることが可能である。 Examples of the corrosion-resistant oxide film 16 include alumina (aluminum oxide: Al 2 O 3 ), which is a metal oxide, and ceramics. Alumina can be formed by oxidation in an oxygen atmosphere or anodization when the impermeable membrane 5 contains aluminum as a main component. The ceramic film can be formed by coating a thin film mainly composed of a ceramic component. Since these oxides have high corrosion resistance and can be formed at a relatively low temperature, they can be used in semiconductor devices.

なお、開口部6は、少なくとも第1のチャネル幅方向において、第1のチャネル幅より長くし、第1のチャネル領域を覆うように設けるが必要がある。しかしながら、開口部6は、第1のチャネル長方向においては、第1のチャネル長より短くし、第1のチャネル領域の内側に設定しても構わない。 The opening 6 needs to be longer than the first channel width at least in the first channel width direction and is provided so as to cover the first channel region. However, the opening 6 may be shorter than the first channel length in the first channel length direction and may be set inside the first channel region.

高温放置による界面準位の変動は、主にゲート絶縁膜と半導体基板の間の結合性の低い領域を中心に、ここに存在する酸化工程に起因する水素の脱離により発生すると考えられる。特にこの結合性が低い領域は、素子分離領域とチャネル領域との境界に集中する場合がある。従って、開口部6は、この領域を充分に覆うことで、保護膜である窒化膜からの水素侵入を抑制し、結合性が低い領域に存在する水素との結合及び脱離を抑制することが可能になる。 It is considered that the fluctuation of the interface state due to leaving at a high temperature is mainly caused by the desorption of hydrogen due to the oxidation process existing here, mainly in the region where the bondability between the gate insulating film and the semiconductor substrate is low. In particular, this region with low coupling property may be concentrated at the boundary between the device separation region and the channel region. Therefore, by sufficiently covering this region, the opening 6 suppresses hydrogen invasion from the nitride film which is a protective film, and suppresses binding and desorption with hydrogen existing in a region having low bondability. It will be possible.

一方、チャネル領域とソース・ドレイン領域の境界には、ゲート電極形成時のプラズマエッチング処理等によって発生するシリコンの未結合手が偏在しやすい。この未結合手は水素で終端されておらず固定電荷として働き、閾値電圧を高くする傾向がある。従って、保護膜である窒化膜からの水素侵入を積極的に促し、閾値電圧の上昇やそのばらつきを抑制する事で基準電圧回路が出力する基準電圧を安定させることができる。そのため、開口部6は、第1のチャネル長方向においては、第1のチャネル長より短くし、第1のチャネル領域の内側に設定することで、水素侵入を促進するような構成としてもよい。 On the other hand, unbonded silicon hands generated by plasma etching processing at the time of forming the gate electrode are likely to be unevenly distributed at the boundary between the channel region and the source / drain region. This unbonded hand is not terminated by hydrogen and acts as a fixed charge, which tends to increase the threshold voltage. Therefore, the reference voltage output by the reference voltage circuit can be stabilized by positively promoting the intrusion of hydrogen from the nitride film which is the protective film and suppressing the rise and variation of the threshold voltage. Therefore, the opening 6 may be configured to be shorter than the first channel length in the first channel length direction and set inside the first channel region to promote hydrogen intrusion.

1.Nチャネルエンハンスメント型トランジスタ
2.Nチャネルデプレッション型トランジスタ
3.P型の多結晶シリコンからなるゲート電極(P型ゲート電極)
4.N型の多結晶シリコンからなるゲート電極(N型ゲート電極)
5.非透水性膜
6.最終保護膜に設けられた開口部
7.N型基板
8.P型ウェル
9A、9C.N型高濃度層(ソース)
9B、9D.N型高濃度層(ドレイン)
10.中間絶縁膜
11.第1の金属配線
12.層間絶縁膜
13.最終保護膜
14.素子分離絶縁膜
15.ポリイミド膜
16.非浸透性膜
1. 1. N-channel enhancement type transistor 2. N-channel depletion type transistor 3. Gate electrode made of P-type polycrystalline silicon (P-type gate electrode)
4. Gate electrode made of N-type polycrystalline silicon (N-type gate electrode)
5. Impermeable membrane 6. Opening provided in the final protective film 7. N-type substrate 8. P-type wells 9A, 9C. N-type high-concentration layer (source)
9B, 9D. N-type high-concentration layer (drain)
10. Intermediate insulating film 11. First metal wiring 12. Interlayer insulating film 13. Final protective film 14. Element separation insulating film 15. Polyimide film 16. Impermeable membrane

Claims (7)

第1のチャネル長方向及び第1のチャネル幅方向を有する第1のチャネル領域と、前記第1のチャネル領域を覆いP型の導電型を有する多結晶シリコンを第1のゲート電極として有するエンハンスメント型MOSトランジスタと、
第2のチャネル長方向及び第2のチャネル幅方向を有する第2のチャネル領域と、前記第2のチャネル領域を覆いN型の導電型を有する多結晶シリコンを第2のゲート電極として有するデプレッション型MOSトランジスタと、
を有する基準電圧回路を備えた半導体装置であって、
前記エンハンスメント型MOSトランジスタは、前記第1のゲート電極の上部に配置された層間絶縁膜を介して、前記第1のゲート電極を覆って局所的に設けられた非透水性膜と、平面視において前記第1のゲート電極を含み、前記非透水性膜よりは小さく設けられた開口部を有する、前記非透水性膜の周囲を覆うように設けられた窒化膜と、を有し、
前記デプレッション型MOSトランジスタは、前記第2のゲート電極の上部に配置された層間絶縁膜に直接設けられた、平面視において前記デプレッション型MOSトランジスタを隙間なく覆う窒化膜を有することを特徴とする基準電圧回路を備えた半導体装置。
An enhancement type having a first channel region having a first channel length direction and a first channel width direction and a polycrystalline silicon having a P-type conductive type covering the first channel region as a first gate electrode. With MOS transistor
Depression type having a second channel region having a second channel length direction and a second channel width direction and polycrystalline silicon having an N-type conductive type covering the second channel region as a second gate electrode. With MOS transistor
A semiconductor device equipped with a reference voltage circuit having a
The enhancement type MOS transistor has an impermeable film locally provided over the first gate electrode via an interlayer insulating film arranged on the upper part of the first gate electrode, and a water-permeable film in plan view. It has a nitride film provided to wrap around the impermeable membrane, including the first gate electrode and having an opening provided smaller than the impermeable membrane.
The reference is characterized in that the depletion type MOS transistor has a nitride film directly provided on an interlayer insulating film arranged above the second gate electrode and covers the depletion type MOS transistor without gaps in a plan view. A semiconductor device equipped with a voltage circuit.
前記開口部は、前記第1のチャネル幅方向において前記第1のチャネル幅より長く、前記第1のチャネル長方向において前記第1のチャネル長よりも短いことを特徴とする請求項1に記載の基準電圧回路を備えた半導体装置。 The first aspect of claim 1, wherein the opening is longer than the first channel width in the first channel width direction and shorter than the first channel length in the first channel length direction. A semiconductor device equipped with a reference voltage circuit. P型の導電型を有する多結晶シリコンを第1のゲート電極として有するエンハンスメント型MOSトランジスタと、
N型の導電型を有する多結晶シリコンを第2のゲート電極として有するデプレッション型MOSトランジスタと、
を有する基準電圧回路を備えた半導体装置であって、
前記エンハンスメント型MOSトランジスタは、前記第1のゲート電極の上部に配置された層間絶縁膜を介して、前記第1のゲート電極を覆って局所的に設けられた非透水性膜と、平面視において前記第1のゲート電極よりも大きく、前記非透水性膜よりは小さく設けられた開口部を有する、前記非透水性膜の周囲を覆うように設けられた窒化膜と、を有し、
前記デプレッション型MOSトランジスタは、前記第2のゲート電極の上部に配置された層間絶縁膜に直接設けられた、平面視において前記デプレッション型MOSトランジスタを隙間なく覆う窒化膜を有することを特徴とする基準電圧回路を備えた半導体装置。
An enhancement type MOS transistor having polycrystalline silicon having a P-type conductive type as a first gate electrode, and an enhancement type MOS transistor.
A depletion type MOS transistor having an N-type conductive type polycrystalline silicon as a second gate electrode, and a depletion type MOS transistor.
A semiconductor device equipped with a reference voltage circuit having a
The enhancement type MOS transistor has an impermeable film locally provided over the first gate electrode via an interlayer insulating film arranged on the upper part of the first gate electrode, and a water-permeable film in plan view. It has a nitride film provided to wrap around the impermeable membrane, having an opening provided larger than the first gate electrode and smaller than the impermeable membrane.
The reference is characterized in that the depletion type MOS transistor has a nitride film directly provided on an interlayer insulating film arranged above the second gate electrode and covers the depletion type MOS transistor without gaps in a plan view. A semiconductor device equipped with a voltage circuit.
前記非透水性膜は、最上層の配線層であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の基準電圧回路を備えた半導体装置。 The semiconductor device provided with the reference voltage circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein the impermeable film is the uppermost wiring layer. 前記非透水性膜は、アモルファスシリコンであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の基準電圧回路を備えた半導体装置。 The semiconductor device provided with the reference voltage circuit according to any one of claims 1 to 3, wherein the impermeable film is amorphous silicon. 前記最終保護膜を覆うポリイミド膜をさらに有し、前記ポリイミド膜は前記最終保護膜に設けられた、前記非透水性膜の表面に位置する開口部を隙間なく覆うことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の基準電圧回路を備えた半導体装置。 Claim 1 is further provided with a polyimide film that covers the final protective film, and the polyimide film covers an opening located on the surface of the impermeable film provided in the final protective film without a gap. A semiconductor device provided with the reference voltage circuit according to any one of 3 to 3. 前記非透水性膜の表面を隙間なく覆う、耐腐食性を有する酸化物の膜をさらに有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の基準電圧回路を備えた半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a corrosion-resistant oxide film that covers the surface of the impermeable film without gaps. ..
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