JP4959931B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、耐圧特性の向上及びON時の抵抗値の低減を実現するために、ドレイン領域を精度良く形成する技術に関する。
従来の半導体装置の製造方法では、二重拡散構造で形成するドレイン領域において、先ず、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)酸化膜を形成する。このとき、ドレイン領域側に位置するLOCOS酸化膜のバーズビーク形状を緩やかな傾斜で、かつ、大きく形成する。そして、LOCOS酸化膜のバーズビーク形状を利用し、LOCOS酸化膜上面から不純物を高加速度電圧でイオン注入し、拡散する。この製造方法により、ドレイン領域の、深く拡散する低濃度拡散層を形成する。その後、LOCOS酸化膜を用い自己整合技術により、低濃度拡散層表面から不純物を注入し、ドレイン領域の高濃度拡散層を形成する製法がある(例えば、特許文献1参照。)。
特開2003−309258号公報(第8−10頁、第5−9図)
上述したように、従来の半導体装置の製造方法では、LOCOS酸化膜を形成する領域のエピタキシャル層表面に、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を選択的に形成する。そして、LOCOS酸化膜を形成した後、該LOCOS酸化膜のバーズビーク上面からイオン注入により、ドレイン領域を形成する。そのため、LOCOS酸化膜形成時のマスクずれやバーズビーク部の膜厚、形状等により、ドレイン領域の形成領域にずれが生じ、位置合わせ精度が悪いという問題がある。
また、ドレイン領域が、ソース領域と重畳して形成されるバックゲート領域の近傍まで形成されると、耐圧特性が劣化する問題が発生する。一方、ドレイン領域が、該バックゲート領域から遠方へと形成されると、ON時の抵抗値が増大する問題が発生する。つまり、ドレイン領域は、耐圧特性やON時の抵抗値等が考慮され、精度良く形成される必要がある。しかしながら、上述の如く、ドレイン領域位置合わせ精度が悪いために、所望の耐圧特性や所望のON時における抵抗値を実現し難いという問題がある。
また、エピタキシャル層表面には、先ず、LOCOS酸化膜を形成する際のシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を堆積する。そして、LOCOS酸化膜を形成した後、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を除去し、ゲート酸化膜、ゲート電極用のポリシリコン膜を堆積する。この製造方法により、製造プロセスが煩雑となり、製造コストが掛かるという問題がある。
上述した各事情に鑑みて成されたものであり、本発明の半導体装置の製造方法では、半導体層表面に絶縁層を形成し、該半導体層にフィールド酸化膜が形成される領域に開口部が設けられるように、前記絶縁層を選択的に除去する工程と、前記半導体層表面にレジストを堆積した後、前記絶縁層の段差を位置合わせマークとして用いて前記レジストを選択的に除去し、前記レジストをマスクとしてドレイン拡散層を形成する工程と、前記絶縁層を用いて、前記半導体層表面から前記フィールド酸化膜を形成し、前記絶縁層の一部を除去した後、前記フィールド酸化膜上方に少なくともその一端側が配置されるようにゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の他端側下方に一部が配置されるようにバックゲート拡散層を形成し、該バックゲート拡散層表面からソース拡散層を形成する工程とを有することを特徴とする。従って、本発明では、フィールド酸化膜を形成する前に、フィールド酸化膜形成用の絶縁層を位置合わせマークとして用いドレイン拡散層を形成する。この製造方法により、ドレイン拡散層を位置精度良く形成することができる。
また、本発明の半導体装置の製造方法では、前記バックゲート拡散層を形成する工程では、前記ゲート電極の他端を用い、自己整合技術により形成することを特徴とする。従って、本発明では、ゲート電極を用いて自己整合技術によりバックゲート拡散層を形成する。この製造方法により、ドレイン拡散層とバックゲート拡散層とを位置精度良く配置でき、所望の耐圧特性や所望のON時における抵抗値を実現できる。
また、本発明の半導体装置の製造方法では、前記絶縁層を選択的に除去する工程では、前記半導体層表面にゲート酸化膜、第1のシリコン膜及びシリコン窒化膜を、順次、堆積した後、前記第1のシリコン膜及び前記シリコン窒化膜を前記フィールド酸化膜の形成領域に合わせて除去することを特徴とする。従って、本発明では、ゲート酸化膜、ゲート電極として用いる第1のシリコン膜は、フィールド酸化膜を形成する際のマスクとして用いられる。この製造方法により、製造工程を簡略化することができ、製造コストを抑制することができる。
また、本発明の半導体装置の製造方法では、前記絶縁層の一部を除去する工程では、前記フィールド酸化膜を形成した後、前記シリコン窒化膜を除去することを特徴とする。従って、本発明では、ゲート酸化膜をシリコン膜で被覆した状態で、フィールド酸化膜を形成する際の絶縁層として用いる。この製造方法により、半導体層表面にゲート酸化膜を堆積する際に、所望の膜厚とすることで、ゲート酸化膜が余分に成長することを防止できる。
また、本発明の半導体装置の製造方法では、前記ゲート電極を形成する工程では、前記シリコン窒化膜を除去した後、前記半導体層上面に第2のシリコン膜を堆積し、前記フィールド酸化膜の段差を位置合わせマークとして用いることを特徴とする。従って、本発明では、ドレイン拡散層に対してゲート電極を位置精度良く形成できる。そして、ゲート電極を用いて自己整合技術により形成されるバックゲート拡散層をドレイン拡散層に対して位置精度良く形成できる。
本発明では、フィールド酸化膜を形成するマスクとして用いられる絶縁層の段差をアライメントマークとして利用し、ドレイン拡散層を形成する。このとき、フィールド酸化膜を形成する工程の前工程で、ドレイン拡散層を形成することができる。この製造方法により、フィールド酸化膜の形状等に影響されることなく、ドレイン拡散層を位置精度良く形成することができる。
また、本発明では、フィールド酸化膜の段差を利用して、ゲート電極をパターニングする。そして、該ゲート電極の他端を用い、バックゲート拡散層を自己整合技術により形成する。この製造方法により、ドレイン拡散層とバックゲート拡散層とを位置精度良く配置でき、所望の耐圧特性や所望のON時における抵抗値を実現できる。
また、本発明では、ゲート酸化膜、ゲート電極として用いるシリコン膜は、フィールド酸化膜を形成する際の絶縁層として用いる。その後、ゲート酸化膜及びシリコン膜を用い、ゲート電極を形成する。この製造方法により、製造工程を簡略化することができ、また、製造コストを抑制することができる。
また、本発明では、半導体層表面にゲート酸化膜を堆積した後、ゲート電極として用いるシリコン膜でゲート酸化膜を被覆する。その後、シリコン膜上面に、更に、シリコン膜を堆積し、ゲート電極が所望の膜厚となるようにする。この製造方法により、ゲート酸化膜が余分に成長することを防ぎ、ゲート酸化膜の膜厚を所望の厚さに維持することができる。
以下に、本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法について、図1から図7を参照し、詳細に説明する。
図1から図7は、本実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。尚、以下の説明では、分離領域で区画された、1つの素子形成領域に、例えば、Nチャネル型のMOSトランジスタを形成する場合に関し説明するが、この場合に限定するものではない。例えば、その他の素子形成領域に、Pチャネル型のMOSトランジスタ、NPN型のトランジスタ、縦型PNPトランジスタ等を形成し、半導体集積回路装置を形成する場合でも良い。
先ず、図1に示す如く、P型の単結晶シリコン基板1を準備する。基板1の表面から、公知のフォトリソグラフィ技術を用い、N型不純物、例えば、リン(P)をイオン注入し、N型の埋込拡散層2を形成する。次に、基板1の表面から、公知のフォトリソグラフィ技術を用い、P型不純物、例えば、ホウ素(B)をイオン注入し、P型の埋込拡散層3を形成する。その後、基板1をエピタキシャル成長装置のサセプタ上に配置する。そして、ランプ加熱によって基板1に、例えば、1200℃程度の高温を与えると共に反応管内にSiHClガスとHガスを導入する。この工程により、基板1上に、例えば、比抵抗0.1〜2.0Ω・cm、厚さ0.5〜1.5μm程度のエピタキシャル層4を成長させる。
尚、本実施の形態での基板1及びエピタキシャル層4が本発明の「半導体層」に対応する。そして、本実施の形態では、基板1上に1層のエピタキシャル層4が形成されている場合を示すが、この場合に限定するものではない。例えば、本発明の「半導体層」としては、基板のみの場合でも良く、基板上面に複数のエピタキシャル層が積層されている場合でも良い。また、基板は、N型の単結晶シリコン基板、化合物半導体基板でも良い。
次に、図2に示す如く、エピタキシャル層4の表面から、公知のフォトリソグラフィ技術を用い、N型不純物、例えば、リン(P)をイオン注入し、N型の拡散層5を形成する。次に、エピタキシャル層4の表面から、公知のフォトリソグラフィ技術を用い、P型不純物、例えば、ホウ素(B)をイオン注入し、P型の拡散層6を形成する。そして、P型の埋込拡散層3とP型の拡散層6とが連結することで、分離領域7が形成される。上述したように、分離領域7により、基板1及びエピタキシャル層4は、複数の島領域に区分される。その後、エピタキシャル層4表面に、シリコン酸化膜8、ポリシリコン膜9、シリコン窒化膜10を、順次、堆積する。
尚、本実施の形態でのシリコン酸化膜8、ポリシリコン膜9及びシリコン窒化膜10が本発明の「絶縁層」に対応する。また、本実施の形態でのポリシリコン膜10が本発明の「第1のシリコン膜」に対応する。
次に、図3に示す如く、LOCOS酸化膜14(図4参照)を形成する部分に開口部が設けられるように、ポリシリコン膜9及びシリコン窒化膜10を選択的に除去する。このとき、図示していないが、スクライブライン領域には、N型の埋込拡散層2形成時に、基板1表面に段差が形成される。そして、この段差がアライメントマークとして利用され、ポリシリコン膜9及びシリコン窒化膜10は、選択的に除去される。その後、ドレイン領域として用いられるN型の拡散層11を形成するためのフォトレジスト12をエピタキシャル層4表面に堆積する。そして、公知のフォトリソグラフィ技術を用い、N型の拡散層11が形成される領域に開口部13を形成する。
このとき、上述したように、ポリシリコン膜9及びシリコン窒化膜10は、LOCOS酸化膜14の形成領域に合わせてパターン配置されている。そして、開口部13は、アライメントマーク用としてスクライブライン領域に配置されたポリシリコン膜9及びシリコン窒化膜10の段差を利用して、形成される。その後、フォトレジスト12をマスクとして、N型不純物、例えば、リン(P)をイオン注入し、N型の拡散層11を形成する。
この製造方法により、N型の拡散層11は、LOCOS酸化膜14の形成前にイオン注入により形成することができる。つまり、LOCOS酸化膜14のバーズビーク上面からイオン注入を行うことなく、N型の拡散層11を形成できるので、LOCOS酸化膜のバーズビークの厚み、形状等に左右されることはない。その結果、N型の拡散層11を所望の領域に位置精度良く、形成することができる。
尚、本実施の形態でのN型の拡散層11が本発明の「ドレイン拡散層」に対応する。また、本実施の形態でのLOCOS酸化膜14が本発明の「フィールド酸化膜」に対応するが、LOCOS法により形成する場合に限定するものではない。本発明の「フィールド酸化膜」は、厚い熱酸化膜を形成できる製造方法により形成される場合でも良い。
次に、図4に示す如く、ポリシリコン膜9及びシリコン窒化膜10をマスクとして用い、シリコン酸化膜8上から、例えば、800〜1200℃程度でスチーム酸化により、酸化膜付けを行う。そして、同時に、基板1全体に熱処理を与えLOCOS酸化膜14を形成する。このとき、ポリシリコン膜9及びシリコン窒化膜10が形成された部分の一部には、バーズビークが形成される。尚、LOCOS酸化膜14の平坦部では、その膜厚が、例えば、3000〜5000Å程度となる。特に、分離領域7上では、LOCOS酸化膜14が形成されることで、より素子間分離が成される。その後、LOCOS酸化膜14間に残存するシリコン窒化膜10を除去する。
次に、残存したシリコン酸化膜8、ポリシリコン膜9上面を覆うように、エピタキシャル層4上面に、ポリシリコン膜15、タングステンシリコン膜16及びシリコン酸化膜17を、順次、堆積する。このとき、エピタキシャル層4表面に残存したシリコン酸化膜8がゲート酸化膜として用いられる。また、残存したポリシリコン膜9上面に、更に、ポリシリコン膜15及びタングステンシリコン膜16を堆積し、ゲート電極として用いるための所望の膜厚とする。尚、図4では、ポリシリコン膜9とポリシリコン膜15とを一体に示している。
つまり、本実施の形態では、ゲート酸化膜として用いるシリコン酸化膜8及びゲート電極として用いるポリシリコン膜9をLOCOS酸化膜14形成時のマスクとして兼用する。この製造方法により、LOCOS酸化膜14形成時に用いるシリコン酸化膜を堆積し、除去する工程を省略でき、製造工程を簡略化し、製造コストを抑制できる。
また、シリコン酸化膜8形成後、その上面にポリシリコン膜9を堆積することで、シリコン酸化膜8をポリシリコン膜9で保護できる。そして、シリコン酸化膜8の膜厚は、ゲート酸化膜として用いるのに適した範囲で維持される。
尚、本実施の形態でのポリシリコン膜15及びタングステンシリコン膜16が本発明の「第2のシリコン膜」に対応する。しかしながら、「第2のシリコン膜」は、ポリシリコン膜15、あるいは、タングステンシリコン膜16のみの場合でも良く、その他、ゲート電極を構成できる膜であれば良い。
次に、図5に示す如く、ゲート電極18として用いられる領域のポリシリコン膜15、タングステンシリコン膜16及びシリコン酸化膜17を残すように、ポリシリコン膜15等を選択的に除去する。このとき、ゲート電極18の一端181側が、LOCOS酸化膜14上面に配置される。
その後、エピタキシャル層4上面にTEOS膜19を堆積し、TEOS膜19上面にフォトレジスト20を堆積する。公知のフォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト20には、バックゲート領域として用いられるP型の拡散層21が形成される領域に開口部22を形成する。そして、フォトレジスト20をマスクとして、P型不純物、例えば、ホウ素(B)をイオン注入し、P型の拡散層21を形成する。このとき、図示したように、ゲート電極18の他端182側を用いて、自己整合技術によりP型の拡散層21を形成する。
上述したように、N型の拡散層11は、LOCOS酸化膜14の形成時のポリシリコン膜9及びシリコン窒化膜10の段差を利用して、LOCOS酸化膜14形成前に形成される。ゲート電極18は、アライメントマーク用として形成されたLOCOS酸化膜の段差を利用して、形成される。そして、P型の拡散層21は、ゲート電極18の他端182を用いて、自己整合技術により形成される。この製造方法により、ドレイン領域として用いられるN型の拡散層11に対して、P型の拡散層21を位置精度良く形成することができる。
尚、本実施の形態でのP型の拡散層21が本発明の「バックゲート拡散層」に対応する。
次に、図6に示す如く、エピタキシャル層4の表面から、公知のフォトリソグラフィ技術を用い、N型不純物、例えば、リン(P)をイオン注入し、N型の拡散層23、24を形成する。N型の拡散層23はソース領域として用いられ、N型の拡散層24はドレイン取り出し領域として用いられる。図示したように、N型の拡散層23、24は、LOCOS酸化膜14を用いて、自己整合技術により形成される。
最後に、図7に示す如く、エピタキシャル層4に、例えば、全面に絶縁層25としてBPSG(Boron Phospho Silicate Glass)膜、SOG(Spin On Glass)膜等を堆積する。そして、公知のフォトリソグラフィ技術により、例えば、CHF+O系のガスを用いたドライエッチングで、絶縁層25にコンタクトホール26、27を形成する。
次に、コンタクトホール26、27内壁等にバリアメタル膜28を形成する。コンタクトホール26、27内をタングステン(W)膜29で埋設する。そして、W膜29上面に、CVD法により、アルミ銅(AlCu)膜、バリアメタル膜を堆積する。その後、公知のフォトリソグラフィ技術を用い、AlCu膜及びバリアメタル膜を選択的に除去し、ドレイン電極30及びソース電極31を形成する。尚、図7に示した断面では、ゲート電極への配線層は図示していないが、その他の領域で配線層と接続している。
次に、図7及び図8を用いて、上述した製造方法により形成されるNチャネル型MOSトランジスタの耐圧特性及びON抵抗値について説明する。図8(A)は、ドレイン−ソース間の耐圧とドレイン領域−バックゲート領域の離間距離のずれ量との関係を示す図である。図8(B)は、ON抵抗値とドレイン領域−バックゲート領域の離間距離のずれ量との関係を示す図である。
図7に示す如く、Nチャネル型MOSトランジスタの耐圧特性及びON抵抗値は、主に、ドレイン領域としてのN型の拡散層11とバックゲート領域としてのP型の拡散層21との離間距離Wに起因する。例えば、離間距離Wが狭くなるように拡散層11、21が配置された場合には、ON抵抗値は低減するが、耐圧特性は劣化する。一方、離間距離Wが広くなるように拡散層11、21が配置された場合には、耐圧特性は向上するが、ON抵抗値は大きくなる。つまり、Nチャネル型MOSトランジスタの耐圧特性とON抵抗値はトレード・オフの関係にあり、両特性が考慮され、所望の離間距離Wが決められる。
先ず、図8(A)では、縦軸にはドレイン−ソース間の耐圧を示し、横軸にはN型の拡散層11とP型の拡散層21との離間距離Wのずれ量X(μm)を示している。そして、横軸において、所望の離間距離Wを0.0で示し、離間距離Wが狭まる場合を正の値、離間距離Wが広がる場合を負の値で示している。また、実線では、N型の拡散層11の不純物導入量が、2.0×1012(/cm)の場合を示す。一点鎖線では、N型の拡散層11の不純物導入量が、5.0×1012(/cm)の場合を示す。
実線で示すように、不純物導入量が、2.0×1012(/cm)の場合には、離間距離Wのずれ量X(μm)を、例えば、−0.8<X<0.1の範囲とすることで、ドレイン−ソース間の耐圧は60〜65(V)の範囲の特性値を示している。一方、一点鎖線で示すように、不純物導入量が、5.0×1012(/cm)の場合には、離間距離Wのずれ量Xを、例えば、−0.2<X<0.1の範囲とすることで、ドレイン−ソース間の耐圧は53〜60(V)の範囲の特性値を示している。つまり、実線と一点鎖線の比較により、N型の拡散層11を形成する際の不純物導入量が多くなる程、空乏層形成領域が狭くなり、耐圧特性が劣化することがわかる。また、N型の拡散層11を形成する際に、耐圧特性のみを考慮すると、離間距離Wを広げる程、耐圧特性が向上することがわかる。
次に、図8(B)では、縦軸にはON抵抗値を示し、横軸にはN型の拡散層11とP型の拡散層21との離間距離Wのずれ量X(μm)を示している。そして、横軸において、所望の離間距離Wを0.0で示し、離間距離Wが狭まる場合を正の値、離間距離Wが広がる場合を負の値で示している。また、実線では、N型の拡散層11の不純物導入量が、2.0×1012(/cm)の場合を示す。一点鎖線では、N型の拡散層11の不純物導入量が、5.0×1012(/cm)の場合を示す。
実線及び一点鎖線で示すように、N型の拡散層11を形成する際の不純物導入量が多くなる程、ドレイン領域での抵抗値が低減し、ON抵抗値も低減することがわかる。また、N型の拡散層11を形成する際に、ON抵抗値のみを考慮すると、離間距離Wが狭まる程、ON抵抗値が低減することがわかる。
図7及び図8を用いて上述したように、耐圧特性及びON抵抗値の両者を考慮すると、不純物導入量が、2.0×1012(/cm)の場合には、離間距離Wのずれ量Xを−0.2<X<0.1の範囲とすることで、所望の耐圧特性値を維持しつつ、ON抵抗値の増大を防ぐことができる。一方、不純物導入量が、5.0×1012(/cm)の場合には、離間距離Wのずれ量Xを−0.2<X<0.1の範囲とすることで、所望耐圧特性を維持しつつ、ON抵抗値の増大を防ぐことができる。つまり、N型の拡散層11とP型の拡散層21とは、離間距離Wのずれ量Xが、−0.2<X<0.1の範囲で形成されることが望ましい。そして、上述した半導体装置の製造方法により、実現することができる。
尚、本実施の形態では、離間距離Wのずれ量Xが、−0.2<X<0.1の範囲に限定するものではない。例えば、ON抵抗値よりも耐圧特性が求められる場合には、意図的に離間距離Wのずれ量Xを負の値となるように形成することも可能である。また、その逆に、ON抵抗値が求められる場合には、意図的に離間距離Wのずれ量Xを正の値となるように形成することも可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の実施の形態における(A)半導体装置の耐圧特性を説明する図、(B)半導体装置のON抵抗値を説明する図である。
符号の説明
1 P型の単結晶シリコン基板
2 N型の埋込拡散層
4 N型のエピタキシャル層
8 シリコン酸化膜
9 ポリシリコン膜
10 シリコン窒化膜
11 N型の拡散層
12 フォトレジスト
13 開口部
15 ポリシリコン膜
16 タングステンシリコン膜
17 シリコン酸化膜
18 ゲート電極
21 P型の拡散層

Claims (3)

  1. 半導体層表面にゲート酸化膜、第1のシリコン膜及びシリコン窒化膜を、順次、堆積した絶縁層を形成し、該半導体層にフィールド酸化膜が形成される領域に第1の開口部が設けられるように、前記絶縁層を選択的に除去する工程と、
    前記半導体層表面にレジストを堆積した後、前記絶縁層の段差を位置合わせマークとして用いて前記レジストを選択的に除去し、前記第1の開口部の一部が露出するように前記レジストに第2の開口部を形成し、前記レジストの第2の開口部をマスクとして前記半導体層に不純物を注入し、ドレイン拡散層を形成する工程と、
    前記絶縁層の第1の開口部を用いて、前記半導体層に少なくともその一部が前記ドレイン拡散層上に位置するように前記半導体層にフィールド酸化膜を形成し、前記絶縁層の前記シリコン窒化膜を除去し、前記第1のシリコン膜上面に第2のシリコン膜を堆積した後、前記第1及び第2のシリコン膜を選択的に除去することで、前記フィールド酸化膜上方に少なくともその一端側が配置されるようにゲート電極を形成する工程と、
    前記ゲート電極の他端側下方に一部が配置されるようにバックゲート拡散層を形成し、該バックゲート拡散層表面からソース拡散層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記バックゲート拡散層を形成する工程では、前記ゲート電極の他端を用い、自己整合技術により形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記ゲート電極を形成する工程では、前記フィールド酸化膜の段差を位置合わせマークとして用いることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
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