JP4171251B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路に内蔵される、DMOS(Diffused MOS)タイプの高耐圧トランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術】
高耐圧MOSトランジスタは、高いソースドレイン耐圧(BVDS)、あるいは高いゲート耐圧を有しており、LCDドライバー、ELドライバーや電源回路等に応用されている。
【0003】
図11は従来例に係るDMOSタイプのNチャネル型の高耐圧トランジスタの構造を示す断面図である。P型のシリコン基板100の表面に、N型ウエル領域101が形成され、このN型ウエル領域101の表面にP型のボディ層102が形成されている。またP型のボディ層102の表面に、ゲート酸化膜103、厚いフィールド酸化膜104A,104Bが形成されている。そして、ゲート酸化膜103から隣接するフィールド酸化膜104Aの一部上に延在するゲート電極105が形成されている。
【0004】
ゲート電極105の一方の端に隣接し、ボディ層102の表面にN+型ソース層106が形成されている。また、N+型ソース層106に隣接して、ボディ層102の電位固定用のP+層107が形成されている。
【0005】
更に、ウエル領域101の表面領域及びボディ層102の表面に部分的に重畳する領域にN型の第1ドレイン層108が形成されている。また、ゲート電極105の他方の端から離間して、N型の第1ドレイン層108の表面に配置されたN+型の第2ドレイン層109が形成されている。
【0006】
上記の高耐圧MOSトランジスタ構造によれば、第2ドレイン層109に高いドレイン電圧を印加した場合に、N型ウエル領域101及びボディ層102に空乏層が広がり、ドレイン電界が緩和されるため、高いソースドレイン耐圧を得ることができる。また、N型の第1ドレイン層108を設けているので、トランジスタのオン抵抗を下げることができる。
【0007】
また、ゲート電極105はゲート酸化膜103から隣接するフィールド酸化膜104Aの一部上に延在しているため、ゲート酸化膜103の破壊にも強い構造を有している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した高耐圧トランジスタは、その動作耐圧が低いという問題があった。ここで、動作耐圧は、高耐圧トランジスタがオンであり、チャネル電流が流れている状態でのソースドレイン間耐圧をいう。
【0009】
その原因は、本発明者の検討によれば、図11に示すように、第2ドレイン層109に印加されるドレイン電圧が高くなると、ボディ層102の上縁部(図中のAの部分)で電界が集中し、ブレークダウンを生じるためである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明はボディ層の不純物分布を工夫して、ボディ層の上縁部の電界を緩和した。即ち、図8に示すように、ボディ層は、N+型ソース層とN型の第1ドレイン層4との間のチャネル領域CHを含んで深く形成された第1のボディ層3と、この第1のボディ層3からN型の第1ドレイン層4の下の領域に張り出して浅く形成された第2のボディ層6とから構成されるようにした。
【0011】
これにより、第2のボディ層6の不純物濃度は第1のボディ層3の不純物濃度とは無関係に低く設定できるようになるので、ドレイン電圧による電界をこの部分で緩和することができる。一方、チャネル領域CHについては、第1のボディ層3と第2のボディ層6とが重畳されているので、チャネル不純物濃度を高く設定でき、ソースドレイン間のパンチスルーを防止できる。更に、第1のボディ層3は深く形成されているので、N型ウエル領域2との接合付近では第2のボディ層6の不純物濃度に影響されず、第1のボディ層3とN型ウエル領域2との接合耐圧も高く確保することができる。
【0012】
したがって、この構造によれば、高耐圧トランジスタの動作耐圧を向上できると共に、ソースドレイン間のパンチスルーを防止してトランジスタサイズを縮小できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
【0014】
まず、図1に示すように、P型シリコン基板1の表面にイオン注入・熱拡散によりN型ウエル領域2を形成する。ここで、イオン注入は、例えばリン(31P+)を加速エネルギー140〜160KeV、dose量5×1012/cm2の条件で行う。その後、1200℃で15時間程度の熱拡散を行う。
【0015】
次に、図2に示すように、P型の第1のボディ層3、N型の第1ドレイン層4を形成する。このN型の第1ドレイン層4は、P型の第1のボディ層3に隣接して形成される。ただし、図のようにN型の第1ドレイン層4とP型の第1のボディ層3とは必ずしも接触していることは必要ではなく、離間されていてもよい。
【0016】
ここで、P型の第1のボディ層3形成のためのイオン注入は、不図示のフォトレジスト層をマスクとして、例えばボロン(11B+)を加速エネルギー80KeV、dose量1.5×1013/cm2の条件で行う。
【0017】
また、N型の第1ドレイン層4を形成するためのイオン注入は、不図示のフォトレジスト層をマスクとして、例えば砒素(75As+)を加速エネルギー160KeV、dose量2×1012/cm2、続いてリン(31P+)を加速エネルギー100KeV、dose量1×1012/cm2、条件で行う。上記のイオン注入後、1100℃で4時間程度の熱拡散を行う。
【0018】
次に、図3に示すように、フォトレジスト層5をマスクとして、P型の第2のボディ層6を形成するためのイオン注入を行う。このイオン注入は、例えば、ボロン(11B+)を加速エネルギー120KeV、dose量1×1013/cm2〜2×1013/cm2の条件で行う。P型の第2のボディ層6は、P型の第1のボディ層3に重畳され、このP型の第1のボディ層3からN型の第1ドレイン層4の一部の下の領域に張り出して形成される。P型の第2のボディ層6は、N型の第1ドレイン層4と部分的に重畳されるが、N型の第1ドレイン層4はP型の第2のボディ層6よりも浅く形成される。
【0019】
次に、図4に示すように、LOCOS(Local Oxidation Of Silicon)法を用いて、フィールド酸化膜7A,7Bを形成する。フィールド酸化膜は一般には素子分離用に形成されるが、この半導体装置では高耐圧トランジスタの耐圧を向上するために利用している。その膜厚は目標耐圧によって異なるが、300nm〜1100nm程度である。また、このフィールド酸化処理により、P型の第2のボディ層6は、拡散係数の違いからN型の第1ドレイン層4よりも深く拡散されるため、N型の第1ドレイン層4の一部の下の領域に広がって形成される。
【0020】
次に、図5に示すように、フィールド酸化膜7Aの所定領域を部分的にエッチングして、P型の第1のボディ層3及び第2のボディ層6の重畳領域の表面を露出する。そして、熱酸化することによりゲート酸化膜8を形成する。その膜厚はトランジスタのゲート耐圧の目標耐圧によって異なるが、15nm〜250nm程度である。当然であるが、フィールド酸化膜7A,7Bは、ゲート酸化膜9よりも相当厚い膜厚を有している。
【0021】
そして、前面にポリシリコン層をLPCVD法を用いて堆積し、このポリシリコン層を選択的にエッチングすることにより、ゲート電極9形成する。このゲート電極9の一端はP型の第1のボディ層3及び第2のボディ層6の重畳領域の表面上に配置する。また、ゲート電極9の他端は、ゲート酸化膜8上からフィールド酸化膜7Aの一部上に延在するように形成する。
【0022】
なお、P型の第1のボディ層3はN型の第1ドレイン層4と接している事は必要ではなく、後述するソース層側に(図上では左側に)離れていてもよい。
【0023】
次に、図6に示すように、N+型の第2ドレイン層の形成予定領域をマスクするフォトレジスト層10を形成し、イオン注入を行い、ボディ層電位固定用のP+層11を形成する。このイオン注入は、Pチャネルトランジスタのソースドレイン形成用のイオン注入を兼用することができ、例えばボロン(11B+)を加速エネルギー30KeV、dose量2×1015/cm2程度の条件で打ち込む。
【0024】
次に、図7に示すように、イオン注入により、N+型ソース層12、N+型の第2ドレイン層13を形成する。N+型ソース層12は、フォトレジスト層14がマスクとなり、ゲート電極9の一端に整合すると共に、P+層11に隣接して形成される。また、N+型の第2ドレイン層13は、フィールド酸化膜7A,7Bの間の、N型の第1ドレイン層4の表面に形成される。
【0025】
このイオン注入は、例えば、リン(31P+)をdose量1×1014/cm2、加速エネルギー70KeVの条件で打ち込み、更に、砒素(75As+)をdose量6×1015/cm2、加速エネルギー80KeVの条件で打ち込む。
【0026】
そして、図8に示すように、層間絶縁膜としてBPSG膜15をCVD法により堆積する。その後、P+層11及びN+型ソース層12の境界領域上、
及びN+型の第2ドレイン層13上にコンタクトホールを形成し、ソース電極16、ドレイン電極17を形成する。
【0027】
このようにして完成した半導体装置の不純物濃度分布を図9に示す。図9(a)は図8のX線上の不純物分布、即ち、チャネル領域CHの表面からN型ウエル領域2の深さ方向に沿った不純物分布を示している。図9(b)は図8のY線上の不純物分布、即ち、N型の第1ドレイン層4の表面からN型ウエル領域2の深さ方向に沿った不純物分布を示している。
【0028】
第2のボディ層6は、第1のボディ層3からN型の第1ドレイン層4の下の領域に張り出しているので、この張り出し領域の不純物濃度は第1のボディ層3の不純物濃度とは無関係に低く設定されている。(図9(b)参照)これにより、ドレイン電圧による電界をこの部分で緩和することができる。
【0029】
一方、N+型ソース層12とN型の第1ドレイン層4との間に画定されるチャネル領域CHについては、第1のボディ層3と第2のボディ層6とが重畳されているので、チャネル不純物濃度が高く設定され、ソースドレイン間のパンチスルーを防止できる。更に、第1のボディ層3は深く形成されているので、N型ウエル領域2との接合付近では第2のボディ層6の不純物濃度に影響されず、第1のボディ層3とN型ウエル領域2との接合耐圧も高く確保することができる。(図9(a)参照)
図10はドレイン電圧とソースドレイン間に流れる動作電流との関係を示す図である。図10(a)は本発明に係る特性、図10(b)は従来例に係る特性を示している。従来例では、動作耐圧が40Vと低いが、本発明によれば80V程度まで向上していることが実験的に確認された。
【0030】
なお、上記実施形態では、Nチャネル型MOSトランジスタについて説明したが、本発明はPチャネル型MOSトランジスタについても同様に適用することができる。
【0031】
【発明の効果】
本発明によれば、DMOSタイプのトランジスタにおいて、ボディ層を、チャネル領域CHに深く形成された第1のボディ層3と、この第1のボディ層3からN型の第1ドレイン層4の下の領域に張り出して浅く形成された第2のボディ層6とから構成した。これにより、トランジスタの動作耐圧を向上できると共に、ソースドレイン間のパンチスルーを防止してトランジスタサイズを縮小できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。
【図2】本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。
【図3】本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。
【図4】本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。
【図5】本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。
【図6】本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。
【図7】本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。
【図8】本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。
【図9】本発明の実施形態による半導体装置の不純物濃度分布を示す図である。
【図10】ドレイン電圧とソースドレイン間に流れる動作電流との関係を示す図である。
【図11】従来例に係る半導体装置を示す断面図である。
Claims (4)
- 第1導電型の半導体基板と、この半導体基板の表面に設けられた第2導電型のウエル領域と、この第2導電型のウエル領域に表面に設けられた第1導電型のボディ層と、このボディ層の表面に配置されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極と、このゲート電極の一方の端に隣接し、前記ボディ層の表面に配置された第2導電型のソース層と、前記ソース層と離れた前記ウエル領域の表面領域に配置された第2導電型の第1ドレイン層と、前記ゲート電極の他方の端から離間して前記第1ドレイン層の表面に配置された第2導電型の第2ドレイン層と、を具備し、
前記ボディ層は前記ソース層と前記第1ドレイン層との間のチャネル領域を含んで深く形成された第1のボディ層と、前記第1のボディ層に重畳し、かつ、この第1のボディ層から前記第1ドレイン層の下の領域に張り出して浅く形成された第2のボディ層と、から成り、前記チャネル領域では、前記第1のボディ層と前記第2のボディ層は重畳していることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1ドレイン層の表面に前記ゲート絶縁膜よりも厚い絶縁膜が配置され、前記ゲート電極はこの厚い絶縁膜の一部上に延在することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 第1導電型の半導体基板の表面に第2導電型のウエル領域を形成する工程と、
前記ウエル領域の表面に第1導電型の第1のボディ層と、この第1のボディ層に隣接して第2導電型の第1ドレイン層を形成する工程と、
前記第1のボディ層に重畳し、かつ、前記第1のボディ層から前記第1ドレイン層の下の領域に張り出した前記第1のボディ層より浅く形成された第2のボディ層を形成する工程と、
少なくとも前記第1のボディ層の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
このゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記第1のボディ層の表面に第2導電型のソース層を形成すると共に、前記ゲート電極から離れた前記第1ドレイン層の表面に第2導電型の第2ドレイン層を形成する工程とを具備し、
前記ソース層と前記第1のドレイン層との間のチャネル領域では、前記第1のボディ層と前記第2のボディ層は重畳されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 第1導電型の半導体基板の表面に第2導電型のウエル領域を形成する工程と、
前記ウエル領域の表面に第1導電型の第1のボディ層と、この第1のボディ層に隣接して第2導電型の第1ドレイン層を形成する工程と、
前記第1のボディ層に重畳し、かつ、前記第1のボディ層から前記第1ドレイン層の下の領域に張り出した前記第1のボディ層より浅く形成された第2のボディ層を形成する工程と、
少なくとも前記第1及び第2のボディ層の表面に厚い酸化膜を形成する工程と、
前記厚い酸化膜を部分的にエッチングした領域にゲート絶縁膜を形成する工程と、
このゲート絶縁膜及び前記厚い酸化膜の一部上に延在するゲート電極を形成する工程と、
前記第1のボディ層の表面に第2導電型のソース層を形成すると共に、前記ゲート電極から離れた前記第1ドレイン層の表面に第2導電型の第2ドレイン層を形成する工程とを具備し、
前記ソース層と前記第1のドレイン層との間のチャネル領域では、前記第1のボディ層と前記第2のボディ層は重畳されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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