JP2023137588A - 半導体装置 - Google Patents

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Shinya Sakurai
裕介 野中
Yusuke Nonaka
洋平 柳田
Yohei Yanagida
朋広 齊藤
Tomohiro Saito
健一郎 増田
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Abstract

【課題】電界集中が発生することを抑制する。【解決手段】ゲート電極51は、法線方向において、電界緩和層40と異なる位置に配置されるようにし、層間絶縁膜60上には、法線方向において、電界緩和層40と重なる位置に電界緩和層用電極73が配置されるようにする。そして、電界緩和層用電極73は、ソース電極72と電気的に接続されていると共に、層間絶縁膜60に形成された第3コンタクトホール63を通じて電界緩和層40に接続されるようにする。【選択図】図1

Description

本発明は、LDMOS(Lateral double Diffused MOSFETの略)が形成された半導体装置に関するものである。
従来より、LDMOSが形成された半導体装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。具体的には、この半導体装置は、半導体基板の表層部に、互いに離れる状態でn型のドレイン領域とp型のボディ層とが形成されており、ボディ層の表層部にn型のソース領域が形成されている。また、この半導体装置では、半導体基板の表層部であって、ドレイン層とボディ層との間に、電界緩和層としてのSTI分離部(Shallow Trench Isolationの略)が形成されている。そして、半導体基板上には、ボディ層上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が配置されている。なお、このゲート電極は、フィールドプレートとして機能することで半導体装置の耐圧を確保できるように、電界緩和層上まで延設されている。
特開2019-204853号公報
しかしながら、上記のような半導体装置では、ゲート電極が電界緩和層上まで延設されている。そして、本発明者らの検討によれば、上記のような半導体装置では、ゲート電極を延設することによって耐圧を向上できるものの、STI分離部上にゲート電極が配置されている部分で電界が広がり難くなる可能性があることが確認された。このため、上記のような半導体装置では、十分に電界を緩和できずに電界集中が発生する可能性がある。
本発明は上記点に鑑み、電界集中が発生することを抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための請求項1では、ゲート電極(51)を有する半導体装置であって、一面(10a)を有する半導体基板(10)と、半導体基板の一面側に形成され、一面から露出する第1導電型のドレイン領域(31)と、半導体基板の一面側に形成され、一面から露出すると共にドレイン領域と離れて形成される第2導電型のボディ層(33)と、ボディ層の表層部に形成され、一面から露出する第1導電型のソース領域(34)と、ボディ層のうちの一面から露出する部分上に配置されたゲート絶縁膜(50)と、ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極(51)と、半導体基板の一面に対する法線方向において、ソース領域とドレイン領域との間に配置された電界緩和層(40、43、44)と、半導体基板の一面側に配置され、ゲート絶縁膜、ゲート電極、および電界緩和層を覆う層間絶縁膜(60)と、層間絶縁膜上に配置され、層間絶縁膜に形成された第1コンタクトホール(61)を通じてドレイン領域と接続されるドレイン電極(71)と、層間絶縁膜上に配置され、層間絶縁膜に形成された第2コンタクトホール(62)を通じてソース領域と接続されるソース電極(72)と、を備え、ゲート電極は、法線方向において、電界緩和層と異なる位置に配置されており、層間絶縁膜上には、法線方向において、電界緩和層と重なる位置に電界緩和層用電極(73)が配置され、電界緩和層用電極は、ソース電極と電気的に接続されていると共に、層間絶縁膜に形成された第3コンタクトホール(63)を通じて電界緩和層に接続されている。
これによれば、層間絶縁膜上に電界緩和層用電極を配置し、電界緩和層用電極をソース電極と電気的に接続して電界緩和層用電極をフィールドプレートとして機能させている。このため、ゲート電極を電界緩和層上まで延設した半導体装置と比較して、層間絶縁膜側に電界を広げることができるため、電界集中が発生することを抑制でき、耐圧の向上を十分に図ることができる。また、この半導体装置によれば、電界緩和層用電極をソース電極と電気的に接続しているため、高速スイッチングにも対応し易くできる。
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
第1実施形態における半導体装置の断面図である。 図1に示す半導体装置の平面図である。 オフ状態の電界を示す模式図である。 耐圧とオン抵抗との関係を示す図である。 第2実施形態における半導体装置の断面図である。 第3実施形態における半導体装置の断面図である。 第4実施形態における半導体装置の断面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
第1実施形態について、図1および図2を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、nチャネル型のLDMOSが形成された半導体装置について説明する。また、図1は、図2中のI-I線に沿った断面図である。図2は、断面図ではないが、理解をし易くするために後述するゲート電極51にハッチングを施してある。また、図2では、理解をし易くするため、後述するドレイン電極71、ソース電極72、STI用電極73のうちの層間絶縁膜60上に配置されている部分を省略して示している。
本実施形態の半導体装置は、図1に示されるように、支持基板11上に埋込絶縁膜12を介して活性層13が積層されたSOI(Silicon On Insulatorの略)基板10を用いて構成されている。なお、支持基板11は、シリコン等の基板で構成され、埋込絶縁膜12は、酸化膜等で構成されている。活性層13は、所定の不純物濃度とされたn型のシリコン基板等で構成されている。そして、本実施形態では、SOI基板10が半導体基板に相当している。以下では、SOI基板10における活性層13の表面を含む面をSOI基板10の一面10aともいう。
本実施形態の活性層13は、トレンチ分離部20によって素子領域14とフィールドグランド領域15とに区画形成されることで素子分離されている。本実施形態では、活性層13は、素子領域14がフィールドグランド領域15に囲まれるように、トレンチ分離部20によって素子分離されている。
トレンチ分離部20は、SOI基板10の一面10aから埋込絶縁膜12に達するように形成された溝部21に、当該溝部21を埋め込むように絶縁膜22が配置されることで構成されている。なお、絶縁膜22は、熱酸化、またはデポジションによる絶縁材料の埋め込みによって溝部21に配置される。
素子領域14では、活性層13における表層部の略中央部に、SOI基板10の一面10aから露出するように、n型のドレイン領域31が形成されている。
また、活性層13の表層部には、ドレイン領域31と離れ、トレンチ分離部20と接するように、p型のボディ層33が形成されている。本実施形態のボディ層33は、ドレイン領域31側に突出するリサーフ部33aが形成されている。また、本実施形態のボディ層33は、SOI基板10の一面10aに対する法線方向(以下では、単に法線方向ともいう)において、ドレイン領域31を囲むように枠状に形成されている。なお、SOI基板10の一面10aに対する法線方向においてとは、言い換えると、SOI基板10の一面10aから視たときということもできる。
そして、ボディ層33の表層部には、SOI基板10の一面10aから露出するように、活性層13よりも高不純物濃度とされたn型のソース領域34が形成されている。なお、ソース領域34は、ボディ層33と同様に、ドレイン領域31を囲むように形成されている。すなわち、本実施形態では、後述するように、ソース-ドレイン間に電流が流れないオフ状態では、ドレイン領域31がソース領域34よりも高電位となる高電位領域となる。このため、法線方向から視たとき、半導体装置は、高電位領域となるドレイン領域31が低電位領域となるソース領域34で囲まれた構成とされている。
なお、本実施形態では、上記ドレイン領域31、ボディ層33、ソース領域34は、活性層13の中心を通り、一面10aに対する法線方向に沿って延びる軸Aに対して略回転対称(本実施形態では、2回対称)に形成されている。また、本実施形態では、活性層13のうちのドレイン領域31とボディ層33との間に位置する部分がドリフト層として機能する。
さらに、活性層13の表層部には、電界緩和層としてのSTI分離部40が形成されている。STI分離部40は、活性層13の表層部に所定深さのトレンチ41を形成してトレンチ41内を絶縁膜42で埋め込んだ後、CMP(Chemical Mechanical Polishingの略)法等で平坦化することによって形成される。
そして、STI分離部40には、第1開口部40aおよび第2開口部40bが形成されている。具体的には、第1開口部40aは、素子領域14のうちのSOI基板10の一面10aにおける略中央部を露出させるように形成されている。本実施形態では、第1開口部40aは、ドレイン領域31を露出させるように形成されている。第2開口部40bは、素子領域14のうちのSOI基板10の一面10aにおける外縁部を露出させるように形成されている。本実施形態では、第2開口部40bは、ボディ層33、ソース領域34、および活性層13を露出させるように、枠状に形成されている。
SOI基板10の一面10aには、ボディ層33から活性層13上に渡ってゲート絶縁膜50が配置されている。但し、ゲート絶縁膜50は、STI分離部40には達しないように形成されている。つまり、ゲート絶縁膜50は、法線方向において、STI分離部40と異なる位置に形成されている。言い換えると、ゲート絶縁膜50は、法線方向において、STI分離部40と重ならないように形成されている。
そして、ゲート絶縁膜50上には、ポリシリコン等で構成されるゲート電極51が配置されている。なお、ゲート電極51は、ゲート絶縁膜50と同様に、法線方向においてSTI分離部40と異なる位置に形成されている。また、ゲート電極51は、法線方向において、ドレイン領域31を囲むように枠状に形成されており、枠状とされた部分の一部にドレイン領域31と反対側に突き出た接続部51aが形成されている。
SOI基板10の一面10aには、STI分離部40、ゲート絶縁膜50、およびゲート電極51を覆うように、層間絶縁膜60が形成されている。層間絶縁膜60は、TEOS(Tetraethyl orthosilicateの略)等で構成されている。そして、層間絶縁膜60は、ドレイン領域31を露出させる第1コンタクトホール61、ソース領域34を露出させる第2コンタクトホール62、STI分離部40を露出させる第3コンタクトホール63が形成されている。また、層間絶縁膜60は、ゲート電極51の接続部51aを露出させる第4コンタクトホール64が形成されている。
層間絶縁膜60上には、ドレイン電極71、ソース電極72、STI用電極73が形成されている。具体的には、ドレイン電極71は、法線方向においてドレイン領域31と対向する位置を含んで形成され、第1コンタクトホール61を通じてドレイン領域31と電気的に接続されている。ソース電極72は、法線方向においてソース領域34と対向する位置を含んで形成され、第2コンタクトホール62を通じてソース領域34と電気的に接続されている。
STI用電極73は、法線方向においてSTI分離部40と対向する位置を含んで形成され、第3コンタクトホール63を通じてSTI分離部40と接続されている。より詳しくは、STI用電極73は、法線方向においてSTI分離部40と対向する位置を含み、ドレイン領域31とソース領域34との間であって、ドレイン領域31と離れた位置に形成されている。そして、STI用電極73は、ソース電極72と接続されている。本実施形態では、STI用電極73は、ソース電極72と繋がった状態となるように形成されることでソース電極72と接続されている。つまり、本実施形態のSTI用電極73は、ソース電極72がドレイン電極71側まで延設され、ソース電極72の一部で構成されているともいえる。なお、本実施形態では、第3コンタクトホール63は、ドレイン領域31とソース領域34との配列方向に沿った断面(例えば、図1の断面)において、STI分離部40の内縁部分を露出させるように形成されている。また、本実施形態では、STI用電極73が電界緩和層用電極に相当している。
さらに、層間絶縁膜60上には、図1とは異なる断面において、ゲート電極51の接続部51aと接続されるゲート配線74も形成されている。そして、ゲート配線74は、第4コンタクトホール64を通じてゲート電極51と接続されている。
以上が本実施形態における半導体装置の構成である。なお、本実施形態では、n型が第1導電型に相当し、p型が第2導電型に相当している。次に、上記半導体装置の作動について説明する。
本実施形態では、ゲート電極51に対して正電圧が印加されると、ゲート絶縁膜50を挟んでゲート電極51と反対側に位置するボディ層33に電子が引き寄せられて反転層が形成される。これにより、ソース-ドレイン間において電流が流れるオン状態となる。
そして、ゲート電極51への電圧の印加が停止されると、反転層が消滅してソース-ドレイン間に電流が流れないオフ状態となり、ドレイン領域31の電位がソース領域34より高くなる。この際、本実施形態では、高電位領域となるドレイン領域31が低電位領域となるソース領域34で囲まれている。このため、ドレイン領域31に起因する高電界がトレンチ分離部20まで達し難くなり、トレンチ分離部20を構成する絶縁膜22で電界集中が発生することを抑制できる。
そして、上記半導体装置では、オフ状態である際にソース電極72と同電位となるSTI用電極73がフィールドプレートとして機能する。このため、半導体装置の耐圧の向上を十分に図ることができる。具体的には、STI用電極73は、層間絶縁膜60上に配置されており、STI分離部40の直上には配置されていない。このため、ゲート電極51がSTI分離部40上まで延設されている場合と比較すると、図3に示されるように、STI分離部40におけるソース領域34側の部分においても、層間絶縁膜60側に電界を広げることができる。なお、特に図示しないが、STI分離部40上までゲート電極51が延設されている場合には、ゲート電極51によって電界を広げることができず、STI分離部40におけるソース領域34側の端部で電界が集中し易くなる。このため、本実施形態の半導体装置では、STI分離部40におけるソース領域34側の端部で電界が集中することを抑制できる。したがって、STI用電極73を配置せず、ゲート電極51をSTI分離部40上まで延設した半導体装置を比較例とすると、図4に示されるように、同じオン抵抗の半導体装置を構成する場合、耐圧を高くできる。言い換えると、同じ耐圧を有する半導体装置を構成する場合、オン抵抗を小さくできる。
また、本実施形態の半導体装置は、STI用電極73をソース電極72と接続しているため、高速スイッチングにも対応できる。すなわち、耐圧を向上させるためには、ゲート電極51(すなわち、ゲート配線74)を層間絶縁膜60上でSTI用電極73と接続しても同様の効果を得ることができる。しかしながら、高速スイッチングに対応するためには、オン抵抗(Ron)と、ドレイン-ゲート間電荷量(Qgd)との積を小さくすることが必要である。この場合、STI用電極73をゲート電極51と接続すると、STI分離部40を介したSTI用電極-ドレイン間電荷量がドレイン-ゲート間電荷量に含まれることになり、ドレイン-ゲート間電荷量が大きくなり易い。したがって、本実施形態では、STI用電極73をソース電極72と接続することで高速スイッチングにも対応できるようにしている。
以上説明した本実施形態によれば、層間絶縁膜60上にSTI用電極73を配置し、STI用電極73をソース電極72と電気的に接続してSTI用電極73をフィールドプレートとして機能させている。このため、本実施形態の半導体装置では、ゲート電極51をSTI分離部40上まで延設した半導体装置と比較して、層間絶縁膜60側に電界を広げることができるため、電界集中が発生することを抑制でき、耐圧の向上を十分に図ることができる。言い換えると、本実施形態の半導体装置では、ゲート電極51をSTI分離部40上まで延設した半導体装置と比較すると、同じ耐圧の半導体装置を構成する場合、オン抵抗の低減を図ることができる。また、本実施形態の半導体装置では、STI用電極73をソース電極72と電気的に接続しているため、高速スイッチングにも対応し易くできる。
(1)本実施形態では、ボディ層33に、ドレイン領域31側に突き出すリサーフ部33aが形成されている。このため、オフ状態である際の電界をさらに緩和し易くできる。
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、STI分離部40上に接続電極を配置したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
本実施形態の半導体装置では、図5に示されるように、STI分離部40上に、絶縁膜80および接続電極81が配置されている。具体的には、絶縁膜80は、ゲート絶縁膜50を形成する際に同時に形成され、ゲート絶縁膜50と同じ材料で構成されて同じ厚さとされている。接続電極81は、ゲート電極51を形成する際に同時に形成され、ゲート電極51と同じ材料で構成されて同じ厚さとされている。
層間絶縁膜60に形成される第3コンタクトホール63は、接続電極81を露出させるように形成されている。そして、STI用電極73は、第3コンタクトホール63を通じて接続電極81と接続されている。つまり、STI用電極73は、接続電極81を介してSTI分離部40と接続されている。
以上説明した本実施形態によれば、層間絶縁膜60上にSTI用電極73を配置し、STI用電極73をソース電極72と電気的に接続しているため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
(1)本実施形態では、STI分離部40上に接続電極81が配置されている。そして、接続電極81は、ゲート電極51と同じ材料で構成されて同じ厚さとされている。このため、第3コンタクトホール63を第1コンタクトホール61と同時に形成できる。また、第1、第3コンタクトホール61、63は、通常、エッチングによって形成される。この際、エッチングは、層間絶縁膜60やSTI分離部40の絶縁膜42を構成する酸化膜の方がシリコンよりも除去され易い選択比となる条件で行われる。このため、接続電極81が配置されていることにより、接続電極81の下方に位置するSTI分離部40の絶縁膜42が除去されることを抑制できる。したがって、半導体装置の耐圧が変動することを抑制できる。
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、電界緩和層を変更したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
本実施形態の半導体装置では、図6に示されるように、活性層13の表層部であって、ドレイン領域31とソース領域34との間に、電界緩和層としてのLOCOS(LOCal Oxidation of Siliconの略)膜43が形成されている。
層間絶縁膜60に形成される第3コンタクトホール63は、LOCOS膜43を露出させるように形成されている。そして、STI用電極73は、第3コンタクトホール63を通じてLOCOS膜43と接続されている。
以上説明した本実施形態によれば、層間絶縁膜60上にSTI用電極73を配置し、STI用電極73をソース電極72と電気的に接続しているため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第4実施形態)
第4実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、電界緩和層を変更したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
本実施形態の半導体装置では、図7に示されるように、活性層13内に電界緩和層としての酸化膜が配置されておらず、活性層13上であって、ドレイン領域31とソース領域34との間に電荷緩和層としての絶縁膜44が配置されている。なお、この絶縁膜44は、ゲート絶縁膜50よりも厚く形成されている。また、この絶縁膜44は、例えば、ゲート絶縁膜50を配置する前、SOI基板10の一面10a上にCVD(chemical vapor depositionの略)法等で絶縁膜を配置し、この絶縁膜をパターニングすることで配置される。
層間絶縁膜60に形成される第3コンタクトホール63は、絶縁膜44を露出させるように形成されている。そして、STI用電極73は、第3コンタクトホール63を通じて絶縁膜44と接続されている。
以上説明した本実施形態によれば、層間絶縁膜60上にSTI用電極73を配置し、STI用電極73をソース電極72と電気的に接続しているため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
(他の実施形態)
本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
上記各実施形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたnチャネルタイプのLDMOSが形成された半導体装置を説明した。しかしながら、半導体装置は、例えばnチャネルタイプに対して各構成要素の導電型を反転させたpチャネルタイプとされていてもよい。
また、上記各実施形態では、SOI基板10の活性層13に素子領域14とフィールドグランド領域15とが形成されている例を説明したが、素子領域14のみが形成されていてもよい。この場合、半導体装置は、トレンチ分離部20が形成されていなくてもよい。
さらに、上記各実施形態では、SOI基板10を用いた例を説明したが、半導体装置は、半導体基板として、シリコン基板、炭化珪素基板、窒化ガリウム基板、または他の化合物半導体基板等が用いられて構成されていてもよい。
また、上記各実施形態では、STI用電極73がソース電極72と一体化されている例を説明した。しかしながら、STI用電極73は、ソース電極72と電気的に接続されるのであれば、ソース電極72と分離して形成されていてもよい。例えば、STI用電極73とソース電極72とは、分離して形成され、ボンディングワイヤ等で電気的に接続されていてもよい。
そして、上記各実施形態を適宜組み合わせることもできる。例えば、上記第2実施形態を上記第3、第4実施形態に組み合わせ、電界緩和層上に、絶縁膜80および接続電極81を配置するようにしてもよい。
10 半導体基板
31 ドレイン領域
33 ボディ層
34 ソース領域
40 STI分離部(電界緩和層)
50 ゲート絶縁膜
51 ゲート電極
60 層間絶縁膜
61 第1コンタクトホール
62 第2コンタクトホール
63 第3コンタクトホール
71 ドレイン電極
72 ソース電極
73 STI用電極(電界緩和層用電極)

Claims (3)

  1. ゲート電極(51)を有する半導体装置であって、
    一面(10a)を有する半導体基板(10)と、
    前記半導体基板の一面側に形成され、前記一面から露出する第1導電型のドレイン領域(31)と、
    前記半導体基板の一面側に形成され、前記一面から露出すると共に前記ドレイン領域と離れて形成される第2導電型のボディ層(33)と、
    前記ボディ層の表層部に形成され、前記一面から露出する第1導電型のソース領域(34)と、
    前記ボディ層のうちの前記一面から露出する部分上に配置されたゲート絶縁膜(50)と、
    前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極(51)と、
    前記半導体基板の一面に対する法線方向において、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に配置された電界緩和層(40、43、44)と、
    前記半導体基板の一面側に配置され、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極、および前記電界緩和層を覆う層間絶縁膜(60)と、
    前記層間絶縁膜上に配置され、前記層間絶縁膜に形成された第1コンタクトホール(61)を通じて前記ドレイン領域と接続されるドレイン電極(71)と、
    前記層間絶縁膜上に配置され、前記層間絶縁膜に形成された第2コンタクトホール(62)を通じて前記ソース領域と接続されるソース電極(72)と、を備え、
    前記ゲート電極は、前記法線方向において、前記電界緩和層と異なる位置に配置されており、
    前記層間絶縁膜上には、前記法線方向において、前記電界緩和層と重なる位置に電界緩和層用電極(73)が配置され、
    前記電界緩和層用電極は、前記ソース電極と電気的に接続されていると共に、前記層間絶縁膜に形成された第3コンタクトホール(63)を通じて前記電界緩和層に接続されている半導体装置。
  2. 前記電界緩和層と前記層間絶縁膜との間には、前記ゲート電極と同じ材料で構成された接続電極(82)が配置され、
    前記層間絶縁膜は、前記接続電極も覆うように配置されており、
    前記第3コンタクトホールは、前記接続電極を露出させるように形成され、
    前記電界緩和層用電極は、前記接続電極を介して前記電界緩和層と接続されている請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ボディ層は、前記ドレイン領域側に突出したリサーフ部(33a)が形成されている請求項1または2に記載の半導体装置。
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