JP4026934B2 - 静電気放電保護用半導体装置用フィールドトランジスタの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置用フィールドトランジスタの製造方法に関し、特に、プロファイルウェル工程を利用した静電気放電保護用半導体装置用フィールドトランジスタの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
静電気放電(electrostatic discharge;以下、ESD)は、半導体チップの信頼性を左右する要素中の一つである。このようなESDは半導体チップの取扱い時又は半導体チップをシステムに装着して使用する場合に発生され、半導体チップの損傷を引き起こす。従って、ESDから半導体チップを保護するため、半導体チップ内にESDに対する保護回路が提供される。
【0003】
図1はESDに対する一般的な保護回路を示す。
図1を参照すれば、入力パッド100と内部回路300との間にESD保護回路200が挿入される。ESD保護回路200は並列連結したフィールドトランジスタFD及びNMOSトランジスタNMと、これらの間に挿入された抵抗Rとを具備する。フィールドトランジスタのゲート及びドレインが入力パッド100に連結し、そのソースは電力ソースVSSに連結する。フィールドトランジスタFDはゲート酸化膜として作用する厚いフィールド酸化膜を有する。また、そのドレインはESD保護回路200の入力段である。抵抗Rは入力パッド100とNMOSトランジスタNM間で入力パッド100の電圧を降下する。抵抗RはフィールドトランジスタFD及びNMOSトランジスタNMのドレインに連結し、NMOSトランジスタNMのゲート及びソースは電力ソースVSSに連結する。
【0004】
入力パッド100へESDにより発生された高電圧が印加されると、フィールドトランジスタFDがターンオン(TURN ON)され、前記高電圧が内部回路300へ印加されることが防止される。又、入力パッド100へESDにより電力ソースVSSの以下の高電圧が印加される場合、NMOSトランジスタNMがターンオンされ、前記高電圧が内部回路300へ印加されることが防止される。
【0005】
図2はESD保護回路200のフィールドトランジスタFDを示す断面図である。図2を参照すれば、半導体基板20上にLOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)技術により第1乃至第3フィールド酸化膜21a、21b、21cが形成される。第1および第3フィールド酸化膜21a、21c間の第2フィールド酸化膜21bはゲート酸化膜である。第2フィールド酸化膜21bの一側の基板20にESD用Nウェル22が形成され、Nウェル22と接するように基板20にPウェル23が形成される。第2フィールド酸化膜21b上にゲート24が形成され、ゲート24の両側のNウェル22及びPウェル23に第1及び第2N+接合領域25a、25bが形成される。第1N+接合領域25aはソースであり、第2N+接合領域25bは入力パッド100と連結するドレインである。
【0006】
上記したように、第2N+接合領域25bの下部に形成されたESD用Nウェル22により、第2N+接合領域25bでESDによって引き起こされる接合スパイキングによる漏洩電流が防止され、PN接合部分のブレークダウン電圧(breakdown voltage)が増加される。これにより、入力パッド100から印加されるESDが効果的に防止される。
【0007】
また、ESD用Nウェル22とPウェル23は、プロファイルウェル工程により、N型及びP型の不純物イオンが深さを変えて段階的にイオン注入された後、アニーリングによりN型及びP型の不純物イオンが拡散されることにより形成される。この時、アニーリングが基板に段階的に注入された不純物により、短時間の間に低温で進行されるに従って工程時間が短縮されるという効果がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板に段階的に注入された不純物により、半導体基板の深さによるウェルの不純物濃度分布プロファイルが不均一であるという短所がある。特に、こうした濃度分布プロファイルは、不純物イオンの濃度差とは異なる導電型のため、Pウェル23とESD用Nウェル22間の接合面と、第2N+接合領域25bとESD用Nウェル22間の接合面で一層不均一である。つまり、図2に示すように、ESD用Nウェル22間の接合面近傍のPウェル23とESD用Nウェル22との間の接合面で谷(D;valley)が発生される。このような谷Dの深さはPウェル23の形成時に引き起こされるカウンタドーピングにより一層深くなる。図3は基板の深さによる不純物濃度分布プロファイルである。図3に示すように、第2N+接合領域25bとESD用Nウェル22間の接合面の深さX1と、谷Dの深さX2で不純物濃度が減少しながら更に増加する不均一なプロファイルが現れる。
【0009】
こうした谷により、フィールドトランジスタの動作時、谷Dに電界が集中して谷Dでブレーキダウンがまず発生され、電流の局部的混雑(locally crowding)を引き起こす。結果として、局部的にディバイスが加熱(heating)されディバイスの劣化を招く。また、このような電界集中により、第2N+接合領域25bで接合スパイキングが発生される。これに従い、ESDが効果的に防止されなくて結局はチップの損傷を引き起こす。
【0010】
従って、本発明の目的はプロファイルウェル工程を利用してウェル工程時間を短縮しながら、ESDから効果的にチップを保護できるESD保護用半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記した本発明の目的を達成するため、本発明の第1実施例によるESD保護用半導体装置用フィールドトランジスタは、まず半導体基板の前記入力パッドと連結するドレイン領域が形成される第1領域に第1導電型の第1不純物イオンが第1イオン注入され第1不純物イオン層が形成される。次に、前記第1領域を含み平面上で前記第1領域より面積が大きい第2領域に第1導電型の第2不純物イオンが第2イオン注入され、第1不純物イオン層よりも浅い位置に第2不純物イオン層が形成され、第1及び第2不純物イオン層に接する両側の基板に第2導電型の第3不純物イオンが第3イオン注入され第3不純物イオン層が形成される。その後、結果物構造が熱処理され、前記第1イオン層及び前記第2イオン層からESD用第1導電型第1ウェルと、前記第3イオン層から前記第1ウェルと接する第2導電型第2ウェルとが形成される。さらに、その後、前記第1ウェルに接して前記第1ウェルの上層に高濃度の第1導電型の領域を形成すると共に、前記第2ウェルに接して前記第2ウェルの上層に高濃度の第1導電型の領域を形成される。その結果、第1ウェルのうち前記高濃度の第1導電型の領域に接し前記第2イオン層に相当するエッジ上部が第2ウェルへ突出される。
【0012】
第1実施例において、第1及び第3イオン注入は基板の深さを変えて第1及び第3不純物イオンを段階的にイオン注入する。
【0013】
また、本発明の第2実施例によるESD保護用半導体装置用フィールドトランジスタは、入力パッドと連結するドレイン領域が形成される半導体基板の第1領域に第1導電型の第1不純物イオンが第1イオン注入され第1不純物イオン層が形成される。次に、前記第1領域と隔離された基板のフィールドトランジスタ領域以外の領域に前記第1不純物イオン層と同じ深さで、第2導電型の第2不純物イオンが第2イオン注入され第2不純物イオン層が形成され、結果物構造の基板が熱処理され、前記第1イオン層からESD用第1導電型第1ウェルが形成されると同時に、第1ウェルと隔離された前記第2イオン層から第2導電型第2ウェルが形成される。その後、第1ウェルの上層に高濃度の第1導電型接合領域が各々形成される。
【0014】
第2実施例において、第1及び第2イオン注入は基板の深さを変えて第1及び第2不純物イオンが段階的イオン注入される。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【0016】
図4A乃至図4Cは、本発明の第1実施例によるESD保護用半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【0017】
図4Aを参照すれば、半導体基板40上に公知のLOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)技術により第1乃至第3フィールド酸化膜41a、41b、41cが形成される。第1及び第3フィールド酸化膜41a、41c間の第2フィールド酸化膜41bはフィールドトランジスタFDのゲート酸化膜である。基板40上にフォトリソグラフィーにより第2フィールド酸化膜41bの一側の第1領域A1を露出させる第1マスクパターン42が形成される。第1マスクパターン42をイオン注入マスクとして、露出された第1領域A1へのN型不純物イオンが段階的に注入され、第1N型の不純物イオン層43aが形成される。
【0018】
図4Bを参照すれば、公知の方法により図4Aの第1マスクパターン42が除去され、基板40上にフォトリソグラフィーにより第1フィールド酸化膜41bの一側の第2領域A2を露出させる第2マスクパターン44が形成される。平面上で、第2領域A2は第1領域A1より面積が大きく、第1領域A1を含む。第2マスクパターン44をイオン注入マスクとして、第2領域A2でN型の不純物イオンがイオン注入され、第1N型の不純物イオン層43a上に第2N型の不純物イオン層43bが形成される。
【0019】
図4Cを参照すれば、公知の方法により図4Bの第2マスクパターン44が除去され、フォトリソグラフィーにより第1及び第2領域A1、A2を除外した基板を露出させるPウェル用第3マスクパターン(図示せず)が形成される。前記第3マスクパターンをイオン注入マスクとして、露出された基板へP型の不純物イオンが深さを変えて段階的にイオン注入されP型の不純物イオン層(図示せず)が形成される。その後、公知の方法により前記第3マスクパターンが除去され、アニーリングが進行される。この時、アニーリングは低温で短時間に進行される。これに伴い、P型の不純物イオン層と第1及び第2N型の不純物イオン層43a、43b(図4B参照)とのイオンが拡散され、第2フィールド酸化膜41bの一側にESD用Nウェル43が形成され、Nウェル43と接するように基板40にPウェル45が形成される。この時、図4Cに示すように、ESD用Nウェル43の上部で第2領域A2に注入された第2N型の不純物イオン43bによりエッジFがPウェル45へ突出される。
【0020】
その後、図には示されないが、第2フィールド酸化膜41b上にゲートが形成され、ゲート両側のPウェル45とESD用Nウェル43上に第1及び第2N+接合領域が形成される。ここで、第1N+接合領域はソースであり、第2N+接合領域は以後の入力パッド100(図1参照)と連結するドレインである。
【0021】
上記した第1実施例によれば、第2N型の不純物イオン層43bにより、ESD用Nウェル43の上部エッジFがPウェル45へ突出され、Pウェル45とESD用Nウェル43との間の接合面でESD用Nウェル43に谷が発生されない。これに伴い、谷による局部的電界集中が防止され、入力パッド100から印加されるESDが効果的に防止される。
【0022】
図5A乃至図5Cは、本発明の第2実施例によるESD保護用半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【0023】
図5Aを参照すれば、半導体基板50上に公知のLOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)技術により第1乃至第3フィールド酸化膜51a、51b、51cが形成される。第1及び第3フィールド酸化膜51a、51c間の第2フィールド酸化膜51bはフィールドトランジスタFDのゲート酸化膜である。基板50上にフォトリソグラフィーにより第2フィールド酸化膜51bの一側を露出させる第1マスクパターン52が形成される。第1マスクパターン52をイオン注入マスクとして、露出された領域へN型の不純物イオンが段階的に注入されてN型の不純物イオン層53aが形成される。
【0024】
図5Bを参照すれば、公知の方法により図5Aの第1マスクパターン52が除去され、基板50上にフォトリソグラフィーによりフィールドトランジスタ領域RをマスキングするPウェル用第2マスクパターン54が形成される。
【0025】
図5Cを参照すれば、第2マスクパターンをイオン注入マスクとして、露出された基板へP型の不純物イオンが深さを変えて段階的にイオン注入され、P型の不純物イオン層が形成される。その後、公知の方法により前記図5Bの第2マスクパターン54が除去され、アニーリングが進行される。これに伴い、前記P型の不純物イオン層とN型の不純物イオン層53a(図5B参照)のイオンが拡散され、ESD用Nウェル53とPウェル55が形成される。その後、図面には示されないが、第2フィールド酸化膜51b上にゲートが形成され、ゲート両側に第1及び第2N+接合領域が形成される。ここで、第1N+接合領域はソースであり、第2N+接合領域は以後の入力パッド100(図1参照)と連結するドレインである。
【0026】
上記した第2実施例によれば、フィールドトランジスタ領域RにはPウェル55が形成されなくて、ESD用Nウェル53とPウェル55との間の接合がなされないので、接合間に谷が発生されない。また、P型の不純物イオンのイオン注入時、第2マスクパターン54によりフィールドトランジスタ領域Rがマスキングされるので、カウンタドーピングが発生されない。これに伴い、谷による局部的電界集中が防止され、入力パッド100から印刷されるESDが効果的に防止される。
【0027】
また、第2実施例ではPウェルが形成されないので、フィールドトランジスタFDの設計時チャンネル長を従来より長く設定して漏洩電流を防止する。
【0028】
【発明の効果】
上記した本発明によれば、プロファイルウェル工程に従う不純物イオンの注入時ESD用NウェルとPウェル用マスクパターンを変形させることにより、ESD用Nウェルに谷の発生が防止される。また、接合領域を形成するためのマスクパターンを変形させることにより、ESD用Nウェルに谷の発生が防止される。これに伴い、プロファイルウェル工程によりウェル工程時間が短縮されると同時に、谷による局部的な電界集中が防止され、入力パッド100から印加されるESDが効果的に防止される。つまり、ESDからチップが効果的に保護される。
【0029】
また、本発明は前記実施例に限らず本発明の技術要旨から逸脱しない範囲内で多様に変形させ実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 一般のESD保護回路を示した図である。
【図2】 従来のESD保護用半導体装置を示した断面図である。
【図3】 図2のESD保護用半導体装置の深さによる不純物濃度プロファイルを示す。
【図4】 A乃至Cは、本発明の第1実施例によるESD保護用半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図5】 A乃至Cは、本発明の第2実施例によるESD保護用半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
40、50…半導体基板
41a、41b、41c、51a、51b、51c…フィールド酸化膜
42、44、52、54…マスクパターン
43、53…Nウェル
45、55…Pウェル
R…フィールドトランジスタ領域
Claims (5)
- 入力パッドと内部回路との間に挿入され、前記入力パッドから印加されるESDを防止するESD保護用半導体装置用フィールドトランジスタの製造方法において、
半導体基板の前記入力パッドと連結するドレイン領域が形成される第1領域に第1導電型の第1不純物イオンを第1イオン注入して第1不純物イオン層を形成する段階、
前記第1領域を含み平面上で前記第1領域より面積が大きい第2領域に第1導電型の第2不純物イオンを第2イオン注入し、前記第1不純物イオン層よりも浅い位置に第2不純物イオン層を形成する段階、
前記第1及び第2不純物イオン層に接する両側の基板に第2導電型の第3不純物イオンを第3イオン注入して第3不純物イオン層を形成する段階、及び、
前記結果物構造を熱処理して、前記第1イオン層及び前記第2イオン層からESD用第1導電型の第1ウェルと、前記第3イオン層から前記第1ウェルと接する第2導電型の第2ウェルを形成する段階を含み、
前記第1ウェルに接して前記第1ウェルの上層に高濃度の第1導電型の領域を形成すると共に、前記第2ウェルに接して前記第2ウェルの上層に高濃度の第1導電型の領域を形成する段階を含み、
前記第1ウェルのうち前記高濃度の第1導電型の領域に接し前記第2イオン層に相当する上部エッジが前記第2ウェルに突出されたことを特徴とする
ESD保護用半導体装置用フィールドトランジスタの製造方法。 - 前記第1及び第3イオン注入は、前記基板の深さを変えて前記第1及び第3不純物イオンを段階的にそれぞれ注入することを特徴とする
請求項1記載のESD保護用半導体装置用フィールドトランジスタの製造方法。 - 入力パッドと内部回路との間に挿入され、前記入力パッドから印加されるESDを防止するESD保護用半導体装置用フィールドトランジスタの製造方法において、
前記入力パッドと連結するドレイン領域が形成される半導体基板の第1領域に第1導電型の第1不純物イオンを第1イオン注入して第1不純物イオン層を形成する段階、
前記第1領域と離隔して前記基板のフィールドトランジスタ領域以外の領域に前記第1不純物イオン層と同じ深さで、第2導電型の第2不純物イオンを第2イオン注入して第2不純物イオン層を形成する段階、及び、
前記結果物構造の基板を熱処理して、前記第1イオン層からESD用第1導電型第1ウェルを形成すると同時に、前記第1ウェルと離隔された前記第2イオン層から第2導電型の第2ウェルを形成する段階を含むことを特徴とする
ESD保護用半導体装置用フィールドトランジスタの製造方法。 - 前記第1ウエルの上層に高濃度の第1導電型の領域を形成する段階を更に含むことを特徴とする
請求項3記載のESD保護用半導体装置用フィールドトランジスタの製造方法。 - 前記第1及び第2イオン注入は前記基板の深さを変えて前記第1及び第2不純物イオンを段階的にそれぞれ注入することを特徴とする
請求項3記載のESD保護用半導体装置用フィールドトランジスタの製造方法。
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