JP4667572B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般に半導体装置に関するものであり、より特定的にはディスクリート素子およびICに内蔵される二重拡散(DMOS(double defused MOS))トランジスタに関する。この発明は、また、そのような半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図8は、従来のDMOSトランジスタの断面図である。
【0003】
図8を参照して、n+基板1の上にn-エピタキシャル層2が形成されている。n-エピタキシャル層2の表面には、p拡散領域3が設けられている。p拡散領域3の内部と素子外周部にn+拡散領域4が形成されている。n-エピタキシャル層2の上にはゲート酸化膜5が形成されており、ゲート酸化膜5上にポリシリコンゲート電極6が形成されている。n-エピタキシャル層2の表面には、フィールド酸化膜7が形成されている。ゲート電極は、フィールド酸化膜7の上にも形成されており、これはフィールドプレートとして動作する。以下、これをフィールドプレート6fと呼ぶ。p拡散領域3とn+拡散領域4に接するように、ソース電極8が形成されている。外周部n+拡散領域4に接するように、チャネルストッパ電極9が形成されている。n+基板1の裏面に接するように、ドレイン電極10が形成されている。参照番号11で示すものは、バイアスが加わった場合の空乏層端を示している。
【0004】
フィールドプレート6fは、p拡散領域3の端部の電界集中を緩和している。ポリシリコン端部をフィールド酸化膜7の上部で終端させることによって、ゲート端部の電界集中を、フィールド酸化膜7の内部に形成させることによって、耐圧を上昇させている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来のDMOSトランジスタの構造では、図9を参照して、フィールド酸化膜7の端部での電界集中があり、この部分でのアバランシェによって、全体の耐圧が制限されるという問題があった。この動作を、図10を用いて、さらに詳細に説明する。
【0006】
バイアス印加時の電気力線は、SiO2,Siの誘電率の関係によって、界面で、式(1)に示すような屈折を生じ、そしてフィールドプレート6fへは直角に終端する。
【0007】
tanθ1/ε1=tanθ2/ε2・・・(1)
ε1:Siの比誘電率
ε2:SiO2の比誘電率
ここで、ε1はε2の約3倍であり、θ1もそれに応じて大きくなる。
【0008】
これらの関係により、Si側の電気力線は左方向に曲がり、フィールド酸化膜7の端部で電界集中が発生する。
【0009】
それゆえに、この発明は、そのような電界集中が発生しないフィールドプレート構造を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【0010】
この発明の他の目的は、そのような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】
この発明の第1の局面に従う半導体装置は、基板を備える。上記基板の上にフィールドプレートが設けられている。上記フィールドプレートは、上記基板の表面から下側へ向かって屈曲している段差部分を有している。
【0012】
この発明によれば、上記フィールドプレートは、上記基板の表面から下側へ向かって屈曲している段差部分を有しているので、段差部での電界集中がなくなる。
【0013】
この発明の第2の局面に従う半導体装置によれば、上記基板の表面には、その側壁が斜面である掘り下げられた部分が設けられている。上記基板の掘り下げられた部分には、その端部の一部が下に向かう斜面である酸化膜が設けられている。上記フィールドプレートの上記段差部分は、上記酸化膜の上記斜面を被覆するように設けられている。上記フィールドプレートは、上記段差部分において、以下の不等式を満たす屈曲角度φで下側へ向かって屈曲している。
【0014】
tanφ≧x(1−α)/(1+αx2)
上式において、x=tanθ1であり、
α=前記酸化膜の比誘電率/前記基板の比誘電率であり、
θ1は前記掘り下げられた部分の前記斜面と前記基板表面とのなす角度である。
【0015】
この発明の第3の局面に従う半導体装置においては、上記基板はSi基板であり、上記酸化膜はSiO2である。
【0016】
この発明の第4の局面に従う半導体装置は、その表面の一部が掘り下げられている基板を備える。上記基板の表面の上記掘り下げられた部分に酸化膜が設けられている。上記基板の上に第1フィールドプレートが設けられている。上記酸化膜の上に、水平方向に延びる部分を有する第2フィールドプレートが設けられている。上記第1フィールドプレートと上記第2フィールドプレートの上記水平方向に延びる部分との間の水平方向の距離を1とし、上記酸化膜の底面の上記基板表面からの深さをxとし、上記第2のフィールドプレートの底面の上記基板表面からの深さをyとしたとき、以下の不等式が成立する。
【0017】
y≧x(1−α)/(1+αx2)
上式において、α=前記酸化膜の比誘電率/前記基板の比誘電率である。
【0018】
この発明の第5の局面に従う半導体装置においては、上記基板はSiで形成されており、上記酸化膜はSiO2で形成されている。
【0019】
この発明の第6の局面に従う半導体装置によれば、上記第2フィールドプレートの他の部分は、上記第1フィールドプレートの上に層間絶縁膜を介在させて重なっている。
【0020】
この発明の第7の局面に従う半導体装置においては、上記第1フィールドプレートと上記第2フィールドプレートは一体化している。
【0021】
この発明の第8の局面に従う半導体装置の製造方法においては、基板の表面にLOCOS法によりフィールド酸化膜を形成する(第1工程)。上記フィールド酸化膜の端部の一部を上記基板の表面の一部が露出するように削り取る(第2工程)。上記第2工程において露出した上記基板の表面の一部を再酸化する(第3工程)。上記フィールド酸化膜の再酸化した部分を被覆するように上記基板の上にフィールドプレートを形成する(第4工程)。
【0022】
この発明の第9の局面に従う半導体装置の製造方法においては、当該方法は、二重拡散MOSトランジスタの製造方法に適用される。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
【0024】
実施の形態1
図1は、実施の形態に係るDMOSトランジスタのフィールドプレートを示す。図示した部分以外の構造は、図8に示す従来例と同様である。すなわち、図1と図8を参照して、n+基板1の上にn-エピタキシャル層2が形成されている。n-エピタキシャル層2の表面には、p拡散領域3が設けられている。p拡散領域3の内部と素子外周部にn+拡散領域4が形成されている。n-エピタキシャル層2の上にはゲート酸化膜5が形成されており、ゲート酸化膜5上にポリシリコンゲート電極6が形成されている。n-エピタキシャル層2の表面には、フィールド酸化膜7が形成されている。フィールド酸化膜7の上にフィールドプレート6fが形成されている。p拡散領域3とn+拡散領域4に接するように、ソース電極8が形成されている。外周部n+拡散領域4に接するように、チャネルストッパ電極9が形成されている。n+基板1の裏面に接するように、ドレイン電極10が形成されている。
【0025】
本実施の形態では、電気力線が表面へ向かってほぼ真っ直ぐに形成されるように、フィールドプレート6fの形状を設定している。このような効果が得られる第1の要因は、フィールド酸化膜7の表面が水平面より下がる方向に傾斜していること(φ≧0°)である。これは、誘電率の関係とフィールドプレート(6f)面に垂直に電界が終端する条件から得られる。さらに詳細に検討すると、電気力線が垂直に形成される場合、以下の関係がある。
【0026】
φ=θ1−θ2
tanφ=tan(θ1−θ2)より、tanφ=(tanθ1−tanθ2)/(1+tanθ1tanθ2)
x=tanθ1,α=ε2/ε1として
tanφ=x(1−α)/(1+αx2)
d(tanφ)/dx=(1−α)(1−αx2)/(1+αx2)(1+αx2)
したがって、x=1/√αで最大値をとり、
tanφ=(1−α)/2/√α
SiとSiO2の誘電率の比から、α=1/3とすると、
θ1=60°でtanφが最大値をとり、φ=30°になる。
【0027】
与えられたθ1に対して、式で得られるφよりφの値を大きくすると、当然LOCOS端部での電界緩和効果は大きくなる。
【0028】
LOCOS端部以外での電界緩和はフィールド酸化膜の厚みでカバーできるとすると、耐圧改善効果を得るためには式で与えられる値以上とすればよいので、条件は、
tanφ≧x(1−α)/(1+αx2)
となる。もちろん、本式はSi、SiO2以外の物質でも適用可能であり、その物質に応じたαを使えばよい。
【0029】
また、2段以上のフィールドプレートに対しても、各段差部において、この関係が利用できる。
【0030】
同様にα=1/3を適用すると、
tanφ≧2x/(3+x2)
である。
【0031】
実施の形態2
図2に、実施の形態2に係るDMOSトランジスタのフィールドプレートを示す。
【0032】
上記実施の形態1では、フィールドプレートの角度について詳細な条件を示した。実施の形態2では、マクロに見て、同様の効果が得られるフィールドプレートの構造を提案する。
【0033】
図2を参照して、Ltanφは、SiO27の、上面の基板表面からの距離Lyになる。Ltanθ1は、SiO27の底面の、基板表面からの距離Lxになる。
【0034】
したがって、フィールド酸化膜7の端部の角度が、多少、実施の形態1で示した数式関係を満たしていない場合でも、フィールドプレート表面のその他の部分が上記関係を満たすような位置に、水平方向に延びる、フィールドプレート6fの一部が形成されていれば、実施の形態1と同様の効果を期待することができる。
【0035】
Lを1として規格化すると、Si表面の深さxは、x=tanθ1となり、フィールドプレートまでの深さyは、y=tanφとなる。
【0036】
y=tanφ=x(1−α)/(1+αx2)
であり、電界緩和効果を得ることは、yをこの値以上にすることに相当する。
したがって、その条件は、
Lを1としたときのフィールドプレート形状比1:x:yにおいて
y≧x(1−α)/(1+αx2)
を満たすことに相当する。
【0037】
例として、θ1=60°,α=1/3として計算すると、x=√3,y=1/√3となる。
【0038】
図3に、ポリシリコンとアルミを利用した、本実施の形態の典型的な構成を示す。
【0039】
図3を参照して、基板1の表面の一部が掘り下げられている。基板1の表面の掘り下げられた部分に、酸化膜7が設けられている。基板1の表面に、第1フィールドプレート20が設けられている。酸化膜7の上に、水平方向に延びる部分21aを有する第2フィールドプレート21が設けられている。第2フィールドプレート21の、水平方向21aを除く、他の部分は、第1フィールドプレート20の上に、層間絶縁膜23を介在させて重なっている。層間絶縁膜23の厚みを調節することによって、実施の形態2における上記不等式関係を満たす構造が実現できる。
【0040】
実施の形態3
実施の形態3は、本発明に係るDMOSトランジスタのフィールドプレートの形成する方法にかかる。
【0041】
図4を参照して、シリコン基板1の表面に、SiNカバー30を用いて、LOCOS酸化を行ない、フィールド酸化膜7を形成する。
【0042】
図5を参照して、フィールド酸化膜7のエッジ部分のみエッチングし、フィールド酸化膜7の端部の一部を、基板1の表面の一部が露出するように削り取る。これは、所定の部分に開口部を有するマスクを用いて、フィールド酸化膜7の端部の一部を選択的にHF水溶液でウエットエッチングすることにより行われる。
【0043】
図6を参照して、露出した基板1の表面の一部を再酸化する。これは、O2を流しながら、露出面をドライ酸化すること、あるいは、H2Oを入れて露出面をウエット酸化することにより実現できる。
【0044】
次に、SiNカバー30を除去する。フィールド酸化膜7の再酸化した部分を被覆するように基板1の上にフィールドプレート6fを形成する。この方法によって、フィールド酸化膜のエッジ部分の上に形成されたフィールドプレートを、本発明に従った形にすることができる。
【0045】
なお、図7では、ゲートの端部6eがフィールド酸化膜上まで乗り上げている例を示しているが、フィールドプレート6fを小さくしたい場合は、ゲートの端部6eをフィールド酸化膜7のエッチングされた部分で止めてもよい。
【0046】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明に係る半導体装置によれば、段差部での電界集中をなくし、より高耐圧が得られるフィールドプレートを実現することができる。
【0048】
この発明の他の局面に従う半導体装置の製造方法においては、段差部での電界集中をなくし、より高耐圧が得られるフィールドプレートを有する半導体装置が得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態1に係る半導体装置のフィールドプレート部分の断面図である。
【図2】 実施の形態2に係る半導体装置のフィールドプレート部分の概念図である。
【図3】 実施の形態2に係る半導体装置の具体的な例を示す図である。
【図4】 実施の形態3に係る半導体装置の製造方法の順序の第1の工程における半導体装置の断面図である。
【図5】 実施の形態3に係る半導体装置の製造方法の順序の第2の工程における半導体装置の断面図である。
【図6】 実施の形態3に係る半導体装置の製造方法の順序の第3の工程における半導体装置の断面図である。
【図7】 実施の形態3に係る半導体装置の製造方法の順序の第4の工程における半導体装置の断面図である。
【図8】 従来の半導体装置の断面図である。
【図9】 従来の半導体装置の問題点を示す図である。
【図10】 従来の半導体装置の問題点をさらに詳細に説明する図である。
【符号の説明】
1 基板、6f フィールドプレート、7 フィールド酸化膜。
Claims (8)
- 基板と、
前記基板の上に設けられたフィールドプレートと、を備え、
前記フィールドプレートは、前記基板の表面から下側へ向かって屈曲している段差部分を有しており、
前記基板の表面には、その側壁が斜面である掘り下げられた部分が設けられており、
前記基板の掘り下げられた部分には、その端部の一部が下に向かう斜面である酸化膜が設けられており、
前記フィールドプレートの前記段差部分は、前記酸化膜の前記斜面を被覆するように設けられており、
前記フィールドプレートは、前記段差部分において、以下の不等式を満たす屈曲角度φで下側へ向かって屈曲している、半導体装置。
tanφ≧x(1−α)/(1+αx2)
上式において、x=tanθ1であり、
α=前記酸化膜の比誘電率/前記基板の比誘電率であり、
θ1は前記掘り下げられた部分の前記斜面と前記基板表面とのなす角度である。 - 前記基板はSi基板であり、前記酸化膜はSiO2である、請求項1に記載の半導体装置。
- その表面の一部が掘り下げられている基板と、
前記基板の表面の前記掘り下げられた部分に設けられた酸化膜と、
前記基板の上に設けられた第1フィールドプレートと、
前記酸化膜の上に設けられ、水平方向に延びる部分を有する第2フィールドプレートと、
前記第1フィールドプレートと前記第2フィールドプレートの前記水平方向に延びる部分との間の水平方向の距離を1とし、
前記酸化膜の底面の前記基板表面からの深さをxとし、
前記第2のフィールドプレートの底面の前記基板表面からの深さをyとしたとき、以下の不等式が成立する半導体装置。
y≧x(1−α)(1+αx2)
(上式において、α=前記酸化膜の比誘電率/前記基板の比誘電率である。) - 前記基板はSiで形成されており、前記酸化膜はSiO2で形成されている、請求項3に記載の半導体装置。
- 前記第2フィールドプレートの他の部分は、前記第1フィールドプレートの上に層間絶縁膜を介在させて重なっている、請求項3に記載の半導体装置。
- 前記第1フィールドプレートと前記第2フィールドプレートは一体化している、請求項3に記載の半導体装置。
- 基板の表面にLOCOS法によりフィールド酸化膜を形成する第1工程と、
前記フィールド酸化膜の端部の一部を前記基板の表面の一部が露出するように削り取る第2工程と、
前記第2工程において露出した前記基板の表面の一部を再酸化する第3工程と、
前記フィールド酸化膜の再酸化した部分を被覆するように前記基板の上にフィールドプレートを形成する第4工程と、を備えた半導体装置の製造方法。 - 前記方法は、二重拡散MOSトランジスタの製造方法に適用される、請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
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