JP4700268B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、特に、SOI(Siliconon Insulator)基板上に形成されたボディソース接続型(ソースタイ型)トランジスタに適用して好適なものである。
SOI基板上に形成されたMOSトランジスタは、素子分離の容易性、ラッチアップフリー、ソース/ドレイン接合容量が小さいなどの点から、その有用性が注目されている。
特に、完全空乏型SOIトランジスタは、低消費電力かつ高速動作が可能で、低電圧駆動が容易なため、SOIトランジスタを完全空乏モードで動作させるための研究が盛んに行われている。
しかし、SOIトランジスタを完全空乏モードで動作させるには、SOI膜厚を薄くする必要がある。このため、ドレイン誘起電位障壁低下(DIBL:Drain Induced Barrier Lowering)に起因してパンチスルー現象が起こり易くなり、SOIトランジスタのドレイン耐圧が低下する。
一方、ドレイン耐圧の低下を防止するために、SOI膜厚を厚くすると、SOIトランジスタが完全空乏モードから部分空乏モードに変遷し、SOIトランジスタの低電圧動作が困難になる。
また、特許文献1には、SOIトランジスタのドレイン耐圧を向上させ、動作速度の高速化を図るために、SOI基板の半導体層に凹部を形成し、ソース/ドレイン領域に挟まれた凹部チャネル領域上にゲート電極を形成する方法が開示されている。
さらに、SOIトランジスタでは、SOI膜厚を薄くし、ソース/ドレイン領域の底面が絶縁層に接触すると、ゲート電極下のボディ領域が孤立化し、ホットキャリアの蓄積により、ドレイン耐圧が劣化を招く。このため、ゲート電極下のボディ領域をソース領域と接続したり(ボディソース接続型)、ボディ領域をゲート電極と接続したり(ダイナミックスレッショールド型)することにより、ボディ領域に蓄積したホットキャリアを逃がす方法がある。
図5(a)は、従来の半導体装置の概略構成を示す平面図、図5(b)は、図5(a)のA2−A2線で切断した断面図、図5(c)は、図5(a)のB2−B2線で切断した断面図である。
図5において、絶縁層21上には単結晶半導体層23が形成され、単結晶半導体層23は素子分離絶縁膜22で分離されている。そして、単結晶半導体層23上には、ゲート絶縁膜24を介してゲート電極25が形成されている。また、単結晶半導体層23には、ゲート電極25の両側にそれぞれ配置されたソース層26aおよびドレイン層26bが形成されている。なお、図5(b)に示すように、ソース層26aおよびドレイン層26bの底面は絶縁層21に接触し、ゲート電極25下のボディ領域は、ソース層26aとドレイン層26bとの間で孤立化している。
また、ソース層26a側の単結晶半導体層23には、ゲート電極25下のボディ領域に接するとともに、ソース層26aを挟み込むようにしてそれぞれ配置されたボディソース接続層27a、27bが形成されている。そして、ゲート電極25が形成された単結晶半導体層23上には層間絶縁膜29が形成され、ソース層26a側には、ソース層26aおよびボディソース接続層27a、27bとコンタクトをとるためのソースコンタクトC11、C12が形成されている。
すなわち、層間絶縁膜29には、図5(c)に示すように、ソース層26aとボディソース接続層27a、27bとの境界に跨るようにして配置されたコンタクトホールK11、K12が形成されている。そして、ソース層26aおよびボディソース接続層27a、27bは、コンタクトホールK11、K12をそれぞれ介してソース配線30a、30bに接続されている。
また、ゲート電極25上には、ゲート電極25とコンタクトをとるためのゲートコンタクトC15が形成され、ドレイン層26b上には、ドレイン層26bとコンタクトをとるためのドレインコンタクトC13、C14が形成されている。
ここで、単結晶半導体層23には、nチャンネルトランジスタが形成されているものとすると、単結晶半導体層23およびボディソース接続層27a、27bはp型に設定され、ソース層26aおよびドレイン層26bはn+型に設定される。
このため、ドレイン端で発生したホールがボディ領域に流れ込んだ場合においても、ボディソース接続層27a、27bを介してソース配線30a、30bに排出させることができ、ボディ領域にホットキャリアが蓄積することを抑制することができる。
特開平5−67785号公報
しかしながら、図5に示すボディソース接続型では、ソース層26aに接するようにボディソース接続層27a、27bが配置されているため、ボディ領域からソース層26aにホールが流れ込むと、ボディソース接続層27a、27bとの間にできるpn接合にてインパクトイオン化し、ドレイン耐圧を低下させるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、ボディソース接続層の境界でのインパクトイオン化を抑制することが可能な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することである。
上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、絶縁層上に形成された半導体層と、前記半導体層上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極の一方の側に配置され、前記半導体層に形成された第1導電型のソース層と、前記ゲート電極の他方の側に配置され、前記半導体層に形成された第1導電型のドレイン層と、前記ゲート電極下のボディ領域と前記ソース層とを電気的に接続する第2導電型のボディソース接続層と、前記ソース層と前記ボディソース接続層との間に設けられた第2導電型の電界緩和領域と、前記ソース層と前記ボディソース接続層とを前記電界緩和領域を跨ぐようにして電気的に接続するソース配線とを備え、前記電界緩和領域は前記ソース層側にのみ形成され、前記ボディソース接続層および前記電界緩和領域が前記ドレイン層と接しないようにして、前記ゲート電極下のチャネル領域に接し、さらに、前記電界緩和領域と前記ボディソース接続層は、前記ソース層に含まれる第1導電型の不純物と導電型の異なる第2導電型の不純物をそれぞれ含み、前記電界緩和領域における前記第2導電型の不純物の濃度は前記ボディソース接続層に含まれる前記第2導電型の不純物の濃度と比較して低いことを特徴とする。
これにより、ボディソース接続層とソース層との間にできるpn接合の電界を緩和することができる。このため、ボディソース接続層とソース層との間でのインパクトイオン化を抑制することが可能となり、ボディ領域のキャリアを逃がすことを可能としつつ、ドレイン耐圧の低下を抑制することができる。
た、本発明の一態様に係る半導体装置によれば、前記絶縁層上に形成された半導体層はSOI基板上に形成されていることを特徴とする。
これにより、MOSトランジスタの素子分離を容易に行うことが可能となるとともに、ラッチアップを防止することができ、さらに、ソース/ドレイン接合容量を低減させて、MOSトランジスタの高速化を図ることが可能となる。
また、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法によれば、絶縁層上の半導体層上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の両側にそれぞれ配置された第1導電型のソース/ドレイン層を前記半導体層に形成する工程と、前記ゲート電極下のボディ領域と前記ソース層とを電気的に接続する第2導電型のボディソース接続層を前記半導体層に形成する工程と、前記ソース層と前記ボディソース接続層との間に配置された第2導電型の電界緩和領域を前記半導体層に形成する工程と、前記ソース層と前記ボディソース接続層とを前記電界緩和領域を跨ぐようにして電気的に接続するソース配線を形成する工程とを備え、前記電界緩和領域は前記ソース層側にのみ形成し、前記ボディソース接続層および前記電界緩和領域が前記ドレイン層と接しないようにして、前記ゲート電極下のチャネル領域に接し、さらに、前記ソース層に含まれる第1導電型の不純物と導電型の異なる第2導電型の不純物を前記電界緩和領域と前記ボディソース接続層とにそれぞれ含み、前記電界緩和領域における前記第2導電型の不純物の濃度を前記ボディソース接続層に含まれる前記第2導電型の不純物の濃度と比較して低くすることを特徴とする。
これにより、ボディ領域のキャリアを逃がすことを可能としつつ、ボディソース接続層とソース層との間の電界を緩和することができ、SOIトランジスタの高耐圧化を図ることができる。
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置およびその製造方法について図面を参照しながら説明する。
図1(a)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図1(b)は、図1(a)のA1−A1線で切断した断面図、図1(c)は、図1(a)のB1−B1線で切断した断面図である。
図1において、絶縁層1上には単結晶半導体層3が形成され、単結晶半導体層3は素子分離絶縁膜2で分離されている。なお、単結晶半導体層3の材質としては、例えば、Si、SiGe、GaAs、InP、GaP、GaNなどを用いることができ、絶縁層1としては、例えば、酸化膜を用いることができる。また、絶縁層1上に半導体層3が形成された半導体基板としては、例えば、SOI基板を用いることができ、SOI基板としては、SIMOX(Separation by Implanted Oxgen)基板、貼り合わせ基板またはレーザアニール基板などを用いることができる。また、半導体基板以外にも、サファイア基板またはガラス基板などを用いるようにしてもよい。また、素子分離絶縁膜2としては、LOCOSによるフィールド酸化膜の他、STI(Shallow Trench Isolation)などを用いるようにしてもよい。
そして、単結晶半導体層3上には、ゲート絶縁膜4を介してゲート電極5が形成されている。また、単結晶半導体層3には、ゲート電極5の両側にそれぞれ配置されたソース層6aおよびドレイン層6bが形成されている。なお、図1(b)に示すように、ソース層6aおよびドレイン層6bの底面は絶縁層1に接触させることができ、ゲート電極5下のボディ領域はソース層6aとドレイン層6bとの間で孤立化させることができる。
また、ソース層6a側の単結晶半導体層3には、ゲート電極5下のボディ領域に接するとともに、ソース層6aを挟み込むようにしてそれぞれ配置されたボディソース接続層7a、7bが形成されている。そして、ソース層6aとボディソース接続層7a、7bとの境界にそれぞれ沿って、ソース層6aとボディソース接続層7a、7bとの間の電界を緩和する電界緩和領域8a、8bが形成されている。
なお、電界緩和領域8a、8bは、例えば、片階段接合型pn接合、傾斜接合型pn接合またはpin接合により構成することができる。また、電界緩和領域8a、8bでは、6MV/cm以上の電界がかからないように不純物の濃度勾配を設定することが好ましい。
そして、ゲート電極5が形成された単結晶半導体層3上には層間絶縁膜9が形成され、ソース層6a側には、ソース層6aおよびボディソース接続層7a、7bとコンタクトをとるためのソースコンタクトC1、C2が電界緩和領域8a、8bにそれぞれ跨るように配置されている。すなわち、層間絶縁膜9には、図1(c)に示すように、電界緩和領域8a、8bにそれぞれ跨るようにして、ソース層6a上およびボディソース接続層7a、7b上にそれぞれ食み出して配置されたコンタクトホールK1、K2が形成されている。そして、ソース層6aおよびボディソース接続層7a、7bは、コンタクトホールK1、K2をそれぞれ介してソース配線10a、10bに接続されている。
また、ゲート電極5上には、ゲート電極5とコンタクトをとるためのゲートコンタクトC5が形成され、ドレイン層6b上には、ドレイン層6bとコンタクトをとるためのドレインコンタクトC3、C4が形成されている。
ここで、単結晶半導体層3には、nチャンネルトランジスタが形成されているものとすると、単結晶半導体層3およびボディソース接続層7a、7bはp型に設定され、ソース層6aおよびドレイン層6bはn+型に設定される。また、電界緩和領域8a、8bは、例えば、p-型に設定することができる。
このため、ドレイン端で発生したホールがボディ領域に流れ込んだ場合においても、ボディソース接続層7a、7bを介してソース配線10a、10bに排出させることができ、ボディ領域にホットキャリアが蓄積することを抑制することができる。
また、ソース層6aとボディソース接続層7a、7bとの境界にそれぞれ沿って電界緩和領域8a、8bを設けることにより、ソース層6aとボディソース接続層7a、7bとの間でのインパクトイオン化を抑制することが可能となり、ボディ領域のキャリアを逃がすことを可能としつつ、ドレイン耐圧の低下を抑制することができる。
図2(a)〜図4(a)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図2(b)〜図4(b)は、図2(a)〜図4(a)のA1−A1線でそれぞれ切断した断面図、図2(c)〜図4(c)は、図2(a)〜図4(a)のB1−B1線でそれぞれ切断した断面図である。
図2において、例えば、LOCOS法を用いて単結晶半導体層3の選択酸化を行うことにより、単結晶半導体層3を分離する素子分離絶縁膜2を形成する。そして、例えば、単結晶半導体層3の熱酸化などの方法により単結晶半導体層3上にゲート絶縁膜4を形成する。そして、例えば、CVDなどの方法によりゲート絶縁膜4上に多結晶シリコン膜を堆積し、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用いて多結晶シリコン膜をパターニングすることにより、ゲート絶縁膜4上にゲート電極5を形成する。
次に、図3に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、ソース層6aおよびドレイン層6bに対応する開口部H1が設けられたレジスト層R1を単結晶半導体層3上に形成する。ここで、レジスト層R1に開口部H1を設ける場合、図1のボディソース接続層7a、7bおよび電界緩和領域8a、8bが覆われるようにすることができる。そして、ゲート電極5およびレジスト層R1をマスクとして、As、PまたはBなどの不純物を単結晶半導体層3にイオン注入することにより、ゲート電極7の両側にそれぞれ配置されたソース層6aおよびドレイン層6bを単結晶半導体層3に形成する。
次に、図4に示すように、レジスト層R1を除去した後、ボディソース接続層7a、7bに対応する開口部H2、H3がそれぞれ設けられたレジスト層R2を単結晶半導体層3上に形成する。そして、ゲート電極5およびレジスト層R2をマスクとして、As、PまたはBなどの不純物を単結晶半導体層3にイオン注入することにより、ソース層6aから所定間隔だけ隔てて配置されたボディソース接続層7a、7bを形成するとともに、ソース層6aとボディソース接続層7a、7bとの間に配置された電界緩和領域8a、8bを形成する。
そして、レジスト層R2を除去した後、図1に示すように、ゲート電極5が形成された単結晶半導体層3上に層間絶縁膜9を形成する。そして、層間絶縁膜9にコンタクトホールK1、K2を形成し、コンタクトホールK1、K2をそれぞれ介してソース層6aおよびボディソース接続層7a、7bにそれぞれ接続されたソース配線10a、10bを形成する。
これにより、ソース層6aおよびドレイン層6bまたはボディソース接続層7a、7bの形成時のレジスト層R1、R2の形状を変更することで、ボディ領域のキャリアを逃がすことを可能としつつ、ボディソース接続層7a、7bとソース層6aとの間の電界を緩和することができ、工程増を抑制しつつ、SOIトランジスタの高耐圧化を図ることができる。
なお、実施形態では、ソース層6aの両側にボディソース接続層7a、7bをそれぞれ形成する方法について説明したが、ソース層6aの片側にボディソース接続層7a、7bのいずれか一方を形成するようにしてもよい。
本発明の第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す図。 本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。 本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。 本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。 従来の半導体装置の概略構成を示す図。
符号の説明
1 絶縁層、2 素子分離絶縁膜、3 単結晶半導体層、4 ゲート絶縁膜、5 ゲート電極、6a ソース層、6b ドレイン層、7a、7b ボディソース接続層、8a、8b 電界緩和領域、9 層間絶縁膜、10a、10b ソース配線、K1、K2 コンタクトホール、C1、C2 ソースコンタクト、C3、C4 ドレインコンタクト、C5 ゲートコンタクト、R1、R2 レジスト膜、H1、H2、H3 開口部

Claims (3)

  1. 絶縁層上に形成された半導体層と、
    前記半導体層上に配置されたゲート電極と、
    前記ゲート電極の一方の側に配置され、前記半導体層に形成された第1導電型のソース層と、
    前記ゲート電極の他方の側に配置され、前記半導体層に形成された第1導電型のドレイン層と、
    前記ゲート電極下のボディ領域と前記ソース層とを電気的に接続する第2導電型のボディソース接続層と、
    前記ソース層と前記ボディソース接続層との間に設けられた第2導電型の電界緩和領域と、
    前記ソース層と前記ボディソース接続層とを前記電界緩和領域を跨ぐようにして電気的に接続するソース配線とを備え、
    前記電界緩和領域は前記ソース層側にのみ形成され、前記ボディソース接続層および前記電界緩和領域が前記ドレイン層と接しないようにして、前記ゲート電極下のチャネル領域に接し、さらに、
    前記電界緩和領域と前記ボディソース接続層は、前記ソース層に含まれる第1導電型の不純物と導電型の異なる第2導電型の不純物をそれぞれ含み、前記電界緩和領域における前記第2導電型の不純物の濃度は前記ボディソース接続層に含まれる前記第2導電型の不純物の濃度と比較して低いことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記絶縁層上に形成された半導体層はSOI基板上に形成されていることを特徴とする請求項記載の半導体装置。
  3. 絶縁層上の半導体層上にゲート電極を形成する工程と、
    前記ゲート電極の両側にそれぞれ配置された第1導電型のソース/ドレイン層を前記半導体層に形成する工程と、
    前記ゲート電極下のボディ領域と前記ソース層とを電気的に接続する第2導電型のボディソース接続層を前記半導体層に形成する工程と、
    前記ソース層と前記ボディソース接続層との間に配置された第2導電型の電界緩和領域を前記半導体層に形成する工程と、
    前記ソース層と前記ボディソース接続層とを前記電界緩和領域を跨ぐようにして電気的に接続するソース配線を形成する工程とを備え、
    前記電界緩和領域は前記ソース層側にのみ形成し、前記ボディソース接続層および前記電界緩和領域が前記ドレイン層と接しないようにして、前記ゲート電極下のチャネル領域に接し、さらに、
    前記ソース層に含まれる第1導電型の不純物と導電型の異なる第2導電型の不純物を前記電界緩和領域と前記ボディソース接続層とにそれぞれ含み、前記電界緩和領域における前記第2導電型の不純物の濃度を前記ボディソース接続層に含まれる前記第2導電型の不純物の濃度と比較して低くすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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