JP3308505B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
CMOSが搭載可能な、エピタキシャル層を形成した半
導体基板において、10V以上の耐圧をもつ絶縁ゲート
Nチャネル電界効果型トランジスタ、及びこの絶縁ゲー
トNチャネル絶縁ゲート電界効果型トランジスタを含む
半導体装置に関する。
ピタキシャル工程を経て作製されたBiCMOS集積回
路の1例の断面図である。Nチャネル型絶縁ゲート電界
効果型トランジスタ101はN型エピタキシャル層2に
P型ウェル層4を形成し、この領域内に形成し、P型絶
縁ゲート電界効果型トランジスタ102はN型エピタキ
シャル層2の領域に形成する。NPN縦形バイポーラト
ランジスタ103は、N型埋込み層13上のN型エピタ
キシャル層2に、P型ベース拡散領域15及びN型シン
カー14を形成して作製される。各素子の分離、特に絶
縁ゲート電界効果型トランジスタとバイポーラトランジ
スタの分離はP型埋込み層3とP型ウェル層4をN型エ
ピタキシャル層の上下から拡散させ、接触させることに
より、行うことができる。
回路の性能によるが、1例としてNPN縦形バイポーラ
トランジスタの耐圧を15V以上に設定する場合、厚み
を4μm以上にするとよい。N型シンカー14はコレク
タ抵抗の低減や、寄生バイポーラのhfeの低減のために
濃度が5×1017〜1×1019/cm3で深さが3〜5
μmの間の条件から選ぶとよい。
ピタキシャル層を有する半導体基板に使用される絶縁ゲ
ートNチャネル電界効果型トランジスタの1例の断面図
である。1は半導体基板で、一般的にP型半導体基板を
用いる。このP型半導体基板上に1×1014〜1×10
16/cm3のN型エピタキシャル層2を形成し、この中
で素子を作製する。Nチャネル型の絶縁ゲート電界効果
型トランジスタの場合は、P型ウェル層4及び必要に応
じてP型埋込み層3を形成し、このP型の領域内に形成
する。5、6は絶縁ゲート電界効果型トランジスタのソ
ース領域及びドレイン領域で、PまたはAsを注入し、
1×1020/cm3以上となるような高濃度とする。
ゲート電極8はゲート絶縁膜7を介してチャネル形成領
域11上に形成するが、ドレイン領域6及びチャネル形
成領域11の間に、1×1016〜1×1018/cm3の
N型の低濃度領域9を形成することにより、この低濃度
領域が無い場合に比較してドレイン・ソース間耐圧を高
くすることができる。
ンジスタに比べてドレイン側の空乏層が、この低濃度領
域で伸びやすいために、ドレイン領域とチャネル形成領
域の間のジャンクションで生じるアバランシェ破壊を生
じにくくする効果があるためである。この低濃度領域の
長さは、所望の耐圧によるが、15Vから40Vの耐圧
の場合は1.5μmから3μmの間で設定するとよい。
またN型の低濃度領域上の絶縁膜はゲート絶縁膜より厚
くすることにより、ゲート・ドレイン間の高電界化を避
けることができ、これに起因するリーク・及び破壊を防
ぐことができる。このゲート絶縁膜より厚い絶縁膜10
は0.1μm以上の厚さが望ましく、例えば素子分離の
ためのフィールド絶縁膜を併用してもよい。
トランジスタは、ESD(Electric Stat
ic Discharge)耐量が低く、ドレイン端子
が外部のパッドと接続している場合、外部からドレイン
端子に入ってくる静電気によってN型の低濃度領域にお
いてジャンクション破壊を起こしやすいという欠点を持
つ。この静電気による破壊を防止するためには、例とし
てパッドに通じる配線に、特殊な保護素子を回路上設置
するという方法がある。しかしこの保護素子を設置する
ことにより、半導体集積回路の面積が増大し、コストの
増加を招くことになる。半導体集積回路の面積を増大さ
せないために、保護素子を用いずに絶縁ゲート型トラン
ジスタのESD耐量を向上するには、例えば図3のよう
に深いN型の拡散領域12を、高濃度ドレイン領域を中
心に形成するという方法がある。しかし、この方法も、
このN型の拡散領域を形成するためにマスク工程及び拡
散工程を新たに付加しなければならず、工程増によるコ
ストの増加を招く。このN型拡散層12は濃度が濃いほ
ど、またN型エピタキシャル層2の表面から拡散させる
深さが深いほど、ESD耐量を向上させることができ
る。例えば、HBM(Human Body Mode
l)の場合、ESD耐量2kV以上を得るには、N型拡散
層の濃度が、1×1016/cm3以上、深さが1.5μm
以上であればよい。
ト電界効果型トランジスタにおいて、高耐圧と高ESD
耐量を両立させるためには、1マスク分の工程増を避け
ることができない。また、この素子においてチャネルを
形成する基板の電位(P型半導体基板の電位と区別する
ために以下Body電位と呼ぶ)が回路上の最低電位で
あるP型半導体基板の電位と同電位となるので、素子の
Body電位が回路上の最低電位と異なるような回路構
成を持つ、チャージポンプ回路のような多系統電源IC
への応用が難しい。
うな課題を解決するため、保護素子を用いず、かつ工程
を増加させることなく、絶縁ゲート電界効果型トランジ
スタの高耐圧と高ESD耐量を両立させ、さらに素子の
Body電位を自由に変更できる素子構造を実現するこ
とにある。
に、この発明は、P型の半導体基板上に形成されたN型
のエピタキシャル層に、互いに間隔を置いて設けられた
N型で高濃度のソース領域及びドレイン領域と、このソ
ース領域及びドレイン領域との間のチャネル形成領域及
び、チャネル形成領域とゲート絶縁膜を介して設けられ
たゲート電極とを有し、さらにドレイン領域とチャネル
形成領域との間に形成されたN型の低濃度領域と低濃度
領域上に形成されたゲート絶縁膜より厚い絶縁膜とを有
し、ソース領域、チャネル形成領域及び、ゲート絶縁膜
より厚い絶縁膜下の領域の一部を含み、ドレイン領域を
囲む領域にP型ウェル層を有し、半導体基板とエピタキ
シャル層の境界であってソース領域、ドレイン領域、チ
ャネル形成領域及びゲート絶縁膜より厚い絶縁膜下の領
域を含む領域にN型埋込み層を有し、ソース領域、ドレ
イン領域、チャネル形成領域及びゲート絶縁膜より厚い
絶縁膜下の領域を含み、平面的にはN型埋込み層の内側
であって、さらに深さ方向ではN型埋込み層の下側及び
上側に存在し、上側が前記N型埋込み層の直上から、P
型ウェル層に接するまでの幅をもつP型埋込み層を有す
ることを特徴とする、絶縁ゲートNチャネル電界効果型
トランジスタとした。
の間に形成されたN型の低濃度領域と低濃度領域上に形
成されたゲート絶縁膜より厚い絶縁膜とを有し、ソース
領域とチャネル形成領域との間に形成されたN型の低濃
度領域と低濃度領域上に形成されたゲート絶縁膜より厚
い絶縁膜とを有し、チャネル形成領域及び、ゲート絶縁
膜より厚い絶縁膜下の領域の一部を含み、ドレイン領域
及びソース領域を囲む領域にP型ウェル層を有すること
を特徴とする、先の構造の絶縁ゲートNチャネル電界効
果型トランジスタとした。
面に基づいて説明する。 本発明は図1の断面図にみら
れるようなBiCMOS集積回路に用いる絶縁ゲートN
チャネル電界効果型トランジスタに関するものである。
まず最初に、本発明の絶縁ゲート電界効果型トランジス
タの製造工程を図7に基づいて説明する。
面の一部の領域にSB、AsなどのN型の不純物を導入
する。この注入領域は後にN型埋込み層となる領域であ
り、例えばNPN縦形バイポーラトランジスタを作製す
る場合はその素子領域に形成することでコレクタ抵抗を
低減させる効果がある。本発明の絶縁ゲートNチャネル
電界効果型トランジスタの素子領域においてもP型半導
体基板と絶縁分離を行うために、このN型埋め込み層を
形成する。注入量は、例えばAsの場合、N型埋込み層
上に発生する欠陥を抑えるために、多くても1015/c
m2の前半までにすることが望ましい。次にP型埋込み
層3を形成するためにBを、半導体基板の一部の領域に
形成する。このP型埋込み層は一般的に素子分離領域を
形成するために用いるが、本発明では先に形成したN型
埋込み層領域内の内側に、このP型埋込み層形成のため
のB注入を行う(図7(a))。注入量は、P型埋込み
層上に発生する欠陥を抑えるために、多くても1014/
cm2の半ばまでであることが望ましい。これにより、本
発明では図7(a)以下に示すようにN型埋込み層とP
型埋込み層の積層構造を形成する。その後、欠陥回復の
ために1100℃以上の高温アニールを行う。
体基板上に形成する。膜厚や濃度は作製する素子や回路
の性能によって変える。このときP型半導体基板表面に
形成した埋込み層は、エピタキシャル成長中の熱拡散や
オートドーピングにより、N型エピタキシャル中を上方
に拡散する。本発明の絶縁ゲートNチャネル電界効果型
トランジスタでは、埋込み層としてN型の不純物及びP
型の不純物を平面的に重なる領域に注入しているので、
N型エピタキシャル層形成後は図7(b)のようにな
る。P型不純物のBは、N型不純物のSBやAsよりも
アニールにより拡散しやすいため、N型拡散領域の上方
及び下方にP型拡散領域が形成される構造となる。ま
た、このN型埋込み層はP型半導体基板1と絶縁ゲート
Nチャネル電界効果型トランジスタとの絶縁分離に使わ
れるので、回路や素子に必要とされる耐圧を満たすよう
に、P型埋込み層及びN型埋込み層の不純物注入量を、
先に述べた欠陥が発生しない範囲で選ぶ必要がある。
ウェル層4を形成するために、Bを注入し、拡散させる。
このP型ウェル層は、Nチャネル絶縁ゲート電界効果型
トランジスタ、PNP縦型バイポーラトランジスタなど
の素子領域や素子分離領域などに形成する。素子分離は
このP型ウェル層とP型埋込み層を上下から接触させる
ことにより行う場合、P型埋込み層とP型ウェル層の不
純物注入量や、熱処理を調整してプロセス設計を行う必
要がある。本発明の絶縁ゲートNチャネル電界効果型ト
ランジスタにおいては、チャネルを形成する領域にはP
型ウェル層を形成するが、高濃度ドレイン領域を形成す
る領域にはあえてP型ウェル層を形成しないようにして
いる。また、N型埋込み層上のP型埋め込み層の一部が
P型ウェル層に接触するような構造となる。NPN縦形
バイポーラトランジスタを同時に集積化する場合は、一
般的にコレクタ部分にN+シンカー14をこの工程の前
後で形成するが、このN+シンカーを本発明ではN型埋
込み層の電極取り出しのために利用してもよい(図7
(c))。
成する。絶縁ゲート電界効果型トランジスタを形成する
場合、このフィールド絶縁膜及び反転防止層を、チャネ
ル形成領域とドレイン領域の間に同時に形成してもよ
い。そうすることにより、マスク工程を増加させずに高
ドレイン耐圧を得るための、N型低濃度領域を形成する
ことができる(図7(d))。
濃度ソース領域5、高濃度ドレイン領域6の形成など、
通常の絶縁ゲート電界効果型トランジスタ特有のプロセ
スを行う(図7(e))。バイポーラトランジスタを同
時に集積化する場合は、あえて図示しないが、ベース拡散
工程なども付加する。その後は、図示しないが、中間絶縁
膜、金属配線、パッシベーションなどの工程を経て半導
体素子を完成させる。
半導体基板と絶縁分離されたNチャネル絶縁ゲート電界
効果型トランジスタを得ることができる。本プロセスは
絶縁ゲートNチャネル電界効果型トランジスタのためだ
けのプロセスはなく、通常のBiCMOS作製プロセス
で容易に本素子が作製できる。 図1(a)は、本発明の半導体素子の断面図で、図1
(b)は本発明の半導体素子の模式平面図ある。図1
(b)で分かるように、P型埋込み層3はこの絶縁ゲー
ト電界効果型トランジスタの素子領域の下側全面を覆っ
ているが、平面的にさらに広い領域にN型埋込み層を形
成し、その周囲をN+シンカーで囲んでいる。P型ウェル
層は図2の従来例のように素子領域全面に形成するので
はなく、高濃度ドレイン領域以外の、ソース領域5、N
型低濃度領域9の一部を含む領域に形成している。ま
た、図1(b)のようにこのP型ウェル層はこの絶縁ゲ
ート電界効果型トランジスタの周囲を囲むように、図1
(b)の4の2つの点線の内側に形成する。従ってドレ
インと同電位となる領域は、ドレイン領域6と、N型低
濃度領域9と、P型埋込み層及びP型ウェル層で囲まれ
るN型エピタキシャル層2の3つの領域となる。ここで
この絶縁ゲート電界効果型トランジスタの基板領域とな
るP型ウェル層及びP型埋込み層は、N型埋込み層によ
って、P型半導体基板と完全に分離されているので、こ
の素子のBody電位は半導体集積回路の最低電位であ
るP型半導体基板の電位に束縛されることなく、自由に
設定できる。
縁ゲート電界効果型トランジスタの構造と同じである。
すなわち、N型低濃度領域9及び厚い絶縁膜10をドレ
イン領域とチャネル形成領域の間に形成しているので、
通常の絶縁ゲート電界効果型トランジスタに比べて高耐
圧化が実現できる。先に述べた、ドレイン領域と同電位
となるP型ウェル層に囲まれたN型エピタキシャル層の
領域は、図1中の下方はP型埋込み層に覆われており、
横方向はP型ウェル層で囲まれており、P型埋込み層及
びP型ウェル層は接触するように形成されているので、
トランジスタの電気的動作において、ドレインから他の
領域にドレイン電流がリークすることは無い。この領域
は従来例の図3のN型拡散領域12と同様な機能を持た
せることができる。すなわち、図2のような従来の構造
の絶縁ゲートNチャネル電界効果型トランジスタに比べ
て、ESD耐量を向上させる目的で形成している。
形成工程を付加することなく、高耐圧とともに高ESD
耐量を実現することができる。このN型のエピタキシャ
ル層の深さは2.5μm以上にすることで、HBMでは
2kV以上のESD耐量を得ることができる。例えばエ
ピタキシャル層の膜厚が5μm、P型埋込み層の上方拡
散が2.5μmとなるようなプロセスで上記条件を満た
すことができる。この本発明の図1の方法は、ドレイン直
下のN型エピタキシャル層の領域を確保するため、好ま
しくはN型エピタキシャル層を形成するときの膜厚は少
なくとも3.5〜5μmが必要である。
とし、それを囲むようにゲート電極を形成し、ソース領域
がドレイン領域の左右に配置されるような構造となって
いるが、ソース領域はドレイン領域の左右に必ずしも配
置する必要は無く、図示はしないが、ソース領域が高濃
度ドレイン領域のどちらか片側、あるいは全周を取り囲
むような構造でも構わない。その場合もP型ウェル層
は、高濃度ドレイン領域以外の、ソース領域、N型低濃
度領域を含み、高濃度ドレイン領域を囲むように形成す
ることは同様である。
る。本発明ではP型ウェル層及びP型埋込み層で囲まれ
るN型エピタキシャル領域は高濃度ドレイン領域だけで
なく、高濃度ソース領域を含む領域に形成してもよい。
これにより、このトランジスタのドレイン端子、ソース
端子のいずれが外部端子に接続される場合でも高いES
D耐量を得ることができる。
型トランジスタのBody電位を素子1つ1つについて
自由に設定できるので、広範な種類の回路に応用するこ
とができる。図6に、本発明の絶縁ゲート電界効果型ト
ランジスタを用いた回路の例として反転型チャージポン
プ回路を挙げている。この回路ではスイッチ107と1
08が導通、109と110が遮断状態であるサイクル
及び、スイッチ107と108が遮断、109と110
が導通状態であるサイクルを、各スイッチのゲート端子
に信号を与えながら繰り返すことにより、出力端子11
1から、負の電源電圧値を得ることができる。スイッチ
108のBody電位は、サイクルによって容量105
側か電源104側かに切り替えられるように回路上設定
する。
y電位が負電位に変化する。つまり回路上のグラウンド
に固定しているP型半導体基板の電位より低い電位にな
るが、図1や図4のような本発明によるトランジスタを
用いることにより、P型半導体基板の電位状態を考慮せ
ずに設計することができる。このときには、図1や図4
におけるN型埋込み層13の電位を回路内の最大電位に
固定しておくとよい。
電位に対して低くなる場合をとりあげたが、本発明では
半導体基板と素子のBody領域が絶縁分離しているの
で、Bodyの電位が半導体基板に対して高くなるよう
な回路にも半導体基板の電位・極性を考慮することなく
応用できる。
電界効果型トランジスタにおいて、工程の増加や回路面
積の増加無しに、高耐圧化と高ESD耐量化が実現で
き、チャネルが形成されるBody領域の電位を半導体
基板の電位に関わらず自由に設定できる。
果型トランジスタの模式断面図である。 (b)本発明の、絶縁ゲートNチャネル電界効果型トラ
ンジスタの模式平面図である。
ンジスタの模式断面図である。
ンジスタの別の模式断面図である。
果型トランジスタの別の例の模式断面図である。 (b)本発明の、絶縁ゲートNチャネル電界効果型トラ
ンジスタの別の例の模式平面図である。
ラトランジスタを含むBiCMOS集積回路の模式断面
図である。
ランジスタを使用した模式回路図である。
ランジスタの製造方法を示した工程断面図である。
スイッチ1 108 Nチャネル絶縁ゲート電界効果型トランジスタ
スイッチ1 109 Nチャネル絶縁ゲート電界効果型トランジスタ
スイッチ2 110 Nチャネル絶縁ゲート電界効果型トランジスタ
スイッチ3 111 出力端子
Claims (2)
- 【請求項1】 P型の半導体基板上に形成されたN型の
エピタキシャル層と、 前記N型のエピタキシャル層表面に互いに間隔を置いて
設けられたN型で高濃度のソース領域及びドレイン領域
と、 前記ソース領域及びドレイン領域との間のチャネル形成
領域と、 前記チャネル形成領域とゲート絶縁膜を介して設けられ
たゲート電極と、 前記ドレイン領域と前記チャネル形成領域との間に形成
されたN型の低濃度領域と、 前記低濃度領域上に形成され、前記ゲート絶縁膜より厚
い第2の絶縁膜と、 前記ソース領域、前記チャネル形成領域、及び前記第2
の絶縁膜下の領域の一部を含み、前記ドレイン領域を前
記N型のエピタキシャル層を介して囲む様に前記エピタ
キシャル層に形成されたP型ウェル層と、 前記半導体基板と前記N型のエピタキシャル層の境界で
あって、前記ソース領域、前記ドレイン領域、前記チャ
ネル形成領域、及び前記第2の絶縁膜下の領域を含む領
域に形成されたN型埋込み層と、 前記ソース領域、前記ドレイン領域、前記チャネル形成
領域、及び前記第2の絶縁膜下の領域を含み、かつ平面
的には前記N型埋込み層の内側であって、深さ方向では
前記N型埋込み層に接し、前記N型埋込み層の下側及び
上側に存在し、上側に設けられたものは、前記P型ウェ
ル層に接するまでの幅をもつP型埋込み層とを有するこ
とを特徴とする、絶縁ゲートNチャネル電界効果型トラ
ンジスタ。 - 【請求項2】 P型の半導体基板上に形成されたN型の
エピタキシャル層と、 前記N型のエピタキシャル層表面に互いに間隔を置いて
設けられたN型で高濃度のソース領域及びドレイン領域
と、 前記ソース領域及びドレイン領域との間のチャネル形成
領域と、 前記チャネル形成領域とゲート絶縁膜を介して設けられ
たゲート電極と、 前記ドレイン領域と前記チャネル形成領域との間、及び
前記ソース領域と前記チャネル形成領域との間に形成さ
れたN型の低濃度領域と、 前記それぞれの低濃度領域上に形成され、前記ゲート絶
縁膜より厚い第2の絶縁膜と、 前記チャネル形成領域、及び前記第2の絶縁膜下の領域
の一部を含み、前記ドレイン領域と前記ソース領域と
を、前記N型のエピタキシャル層を介してそれぞれ囲む
領域で、前記N型のエピタキシャル層に形成されたP型
ウェル層と、 前記半導体基板と前記N型のエピタキシャル層の境界で
あって、前記ソース領域、前記ドレイン領域、前記チャ
ネル形成領域、及び前記第2の絶縁膜下の領域を含む領
域に形成されたN型埋込み層と、 前記ソース領域、前記ドレイン領域、前記チャネル形成
領域、及び前記第2の絶縁膜下の領域を含み、かつ平面
的には前記N型埋込み層の内側であって、深さ方向では
前記N型埋込み層に接し、前記N型埋込み層の下側及び
上側に存在し、上側に設けられたものは、前記P型ウェ
ル層に接するまでの幅をもつP型埋込み層とを有するこ
とを特徴とする絶縁ゲートNチャネル電界効果型トラン
ジスタ。
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