JP5158095B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、耐圧を向上させた金属絶縁体半導体(MIS)型トランジスタを有する半導体装置及びその製造方法に関する。
金属絶縁体半導体(MIS)型トランジスタ、例えば金属酸化物半導体(MOS)トランジスタの耐圧を向上させることが行われている。
図15は、J. C. Mitros et al. IEEE transactions on electron devices vol.48 pp1751−1754
August 2001が開示するn型MOSトランジスタの断面図(同文献Fig.1の(a))である。
ドレインのn型高濃度不純物領域102が、オフセット長さDだけゲート電極100から離されている。低濃度のnウェル101が、n型高濃度不純物領域102を内包し、ゲート電極100のドレイン側部分下方まで延在する。ドレインへの高電圧印加時に、ゲート電極100とドレインのn型高濃度不純物領域102との間で、nウェル101が空乏化することにより、ゲート電極100のドレイン端直下の基板内にかかる電圧が緩和される。このようにして、ドレイン耐圧の向上が図られている。
同様に、ゲート電極から、ドレインの高濃度不純物領域を、ドレインの低濃度不純物領域を介して離す構造のMOSトランジスタが、その他、例えば、日本特開2005−093458号公報、日本特開2006−319331号公報、日本特開2005−136169号公報、日本特開2004−207498号公報に開示されている。
上記のような構造で、より高い耐圧を得ようとすると、ドレインの高濃度不純物領域とゲートとのオフセット長さを長くすることとなる。しかし、オフセット長さが長くなると、一方でトランジスタのオン抵抗が上昇して、トランジスタの駆動能力が低下することとなる。
本発明の一目的は、オン抵抗の増加を抑制しつつ、耐圧向上を図ることができるMIS型トランジスタを含む半導体装置を提供することである。
本発明の他の目的は、このような半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明の一観点によれば、第1導電型の第1領域を有する半導体基板と、前記第1領域上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記第1領域内において、前記ゲート電極に対し一方の側に形成され、前記第1導電型と反対の第2導電型を有するソース領域と、前記第1領域内において、前記ゲート電極に対し他方の側に、前記ソース領域側の端が該ゲート電極の下方に入り込んで形成され、前記第2導電型を有する第1低濃度ドレイン領域と、前記第1低濃度ドレイン領域内において、前記ゲート電極から離れて形成され、前記第2導電型を有し、該第1低濃度ドレイン領域よりも不純物濃度が高い高濃度ドレイン領域と、前記第1低濃度ドレイン領域内において、前記高濃度ドレイン領域と前記ゲート電極の間の表面領域に形成され、前記第1導電型を有し、該第1低濃度ドレイン領域とpn接合を形成し、前記第1低濃度ドレイン領域より不純物濃度が高く、前記高濃度ドレイン領域より不純物濃度が低い逆導電型領域とを有する半導体装置が提供される。
本発明の他の観点によれば、(a)第1導電型の第1領域を有する半導体基板を準備する工程と、(b)前記第1領域内に、前記第1導電型と反対の第2導電型を有する低濃度ドレイン領域を形成する工程と、(c)前記第1領域及び前記低濃度ドレイン領域の上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、(d)前記ゲート絶縁膜の上に、前記第1領域及び前記低濃度ドレイン領域の双方に重なりを持つように、ゲート電極を形成する工程と、(e)前記低濃度ドレイン領域の表層に、前記第1導電型を決定する不純物を注入し、該第1導電型を有する逆導電型領域を形成する工程と、(f)前記低濃度ドレイン領域の上方に形成され、前記ゲート電極の該低濃度ドレイン領域側の側壁を覆い、前記逆導電型領域一部上方まで延在する絶縁膜を形成する工程と、(g)前記絶縁膜をマスクとして、前記逆導電型領域及びその下方の前記低濃度ドレイン領域に、前記第2導電型を決定する不純物を注入し、該第2導電型を有し、該低濃度ドレイン領域よりも不純物濃度が高い高濃度ドレイン領域を形成する工程と、(h)前記ゲート電極に対し、前記低濃度ドレイン領域と反対側の前記第1領域内に、前記第2導電型を有するソース領域を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
ゲート電極と、第2導電型の高濃度ドレイン領域との間に、第1導電型の逆導電型領域が形成されている。逆導電型領域は、周囲の第2導電型の領域とpn接合を形成する。このpn接合の作る空乏層が、高いドレイン電圧のときに拡がることにより、耐圧の向上が図られる。
図1A及び図1Bは、第1の実施例のMOSトランジスタの製造工程を説明するための概略断面図である。 図2A〜図2Cは、図1A及び図1Bに引き続き、第1の実施例のMOSトランジスタの製造工程を説明するための概略断面図である。 図3A〜図3Cは、図2A〜図2Cに引き続き、第1の実施例のMOSトランジスタの製造工程を説明するための概略断面図である。 図4は、第1の実施例のMOSトランジスタの概略断面図である。 図5は、MOSトランジスタの電流電圧(IV)特性を示すグラフである。 図6は、第1の実施例のMOSトランジスタの耐圧性能とオン抵抗との関係を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。 図7Aは、ゲート電圧VGSが0Vに近くドレイン電圧VDSが非常に高い状態を示す第1の実施例のMOSトランジスタの概略断面図であり、図7Bは、ゲート電圧VGSがある程度の高さでドレイン電圧VDSが低い状態を示す第1の実施例のMOSトランジスタの概略断面図である。 図8は、第1の実施例の変形例のMOSトランジスタの概略断面図である。 図9は、第2の実施例のMOSトランジスタの概略断面図である。 図10Aは、ゲート電圧VGSが0Vに近くドレイン電圧VDSが非常に高い状態を示す第2の実施例のMOSトランジスタの概略断面図であり、図10Bは、ゲート電圧VGSがある程度の高さでドレイン電圧VDSが低い状態を示す第2の実施例のMOSトランジスタの概略断面図である。 図11は、第2の実施例のMOSトランジスタの製造工程を説明するための概略断面図である。 図12は、第2の実施例の変形例のMOSトランジスタの概略断面図である。 図13Aは、応用例の携帯電子機器を概略的に示すダイヤグラムであり、図13Bは、応用例のパワーアンプトランジスタを示す回路図であり、図13Cは、応用例のパワーアンプトランジスタによる増幅ゲインを概略的に示すグラフである。 図14は、応用例のパワーアンプトランジスタのダイナミックロードラインを示すグラフである。 図15は、J. C. Mitros et al. IEEE transactions on electron devices vol.48 pp1751−1754August 2001記載のn型MOSトランジスタの断面図である。
まず、本発明の第1の実施例による金属酸化物半導体(MOS)トランジスタの製造方法について説明する。図1A〜図3Cは、第1の実施例によるMOSトランジスタの製造工程を説明するための概略断面図である。
まず、図1Aに示すように、n型シリコン基板1に、半導体素子を形成する活性領域を画定する素子分離領域2を形成する。素子分離領域2は、例えばシャロートレンチアイソレーション(STI)により形成することができる。
素子分離領域2の形成後、n型シリコン基板1に、例えばp型不純物としてホウ素(B)を加速エネルギ200keV、ドーズ量1×1013cm−2(以下1E13のように表記する)で注入して、p型ウェル3を形成する。次に、しきい値調整のため、p型ウェル3に、例えばBを加速エネルギ20keV、ドーズ量1E12で注入する。
次に、図1Bに示すように、イオン注入不要な部分をレジストマスクRM1でカバーし、p型ウェル3の一部に、例えばn型不純物としてリン(P)を加速エネルギ200keV、ドーズ量1E13で注入して、低濃度ドレイン(LDD)領域4を形成する。LDD領域4形成後、レジストマスクRM1を除去する。
次に、図2Aに示すように、p型ウェル3及びLDD領域4の表面を熱酸化して、例えば厚さ5nm〜10nmのゲート絶縁膜5を形成する。ゲート絶縁膜の材料及び厚さは、MOSトランジスタの直流電圧での動作時の、ゲートドレイン間(及びソースゲート間)の耐圧の要求を満たすように選択される。シリコン酸化膜からなる厚さ5nm〜10nm程度のゲート絶縁膜5は、直流での使用で、3.3Vの耐圧を想定したものである。
ゲート絶縁膜5の上に、例えばポリシリコンを化学気相堆積(CVD)で厚さ100nm堆積する。ポリシリコン層を残す領域をレジストマスクRM2でカバーし、ドライエッチングにより不要なポリシリコン層を除去して、ゲート電極6を形成する。ゲート電極6は、p型ウェル3及びLDD領域4の双方と重なりを持つように配置される。ゲート電極6形成後、レジストマスクRM2を除去する。
次に、図2Bに示すように、LDD領域4をレジストマスクRM3でカバーし、さらにゲート電極6をマスクとして、p型ウェル3に、例えばPを加速エネルギ30keV、ドーズ量1E13で注入して、低濃度ソース領域7を形成する。低濃度ソース領域7形成後、レジストマスクRM3を除去する。
次に、図2Cに示すように、低濃度ソース領域7をレジストマスクRM4でカバーし、さらにゲート電極6をマスクとして、LDD領域4に、例えばBを加速エネルギ3keV、ドーズ量1E13で注入して、LDD領域4の表層の導電型をn型からp型に反転させ、逆導電型領域8を形成する。逆導電型領域8のゲート電極6側の端が、ゲート電極6の下に入り込んで形成されるように、斜め方向のイオン注入が行われる。逆導電型領域8形成後、レジストマスクRM4を除去する。
次に、図3Aに示すように、ゲート電極6を覆ってゲート絶縁膜5上に絶縁膜、例えば酸化シリコン膜をCVDで厚さ50nm堆積する。
この絶縁膜の上に、ゲート電極6のドレイン側端部及び逆導電型領域8のゲート電極側領域をカバーするように、レジストマスクRM5を形成する。反応性イオンエッチング(RIE)により、レジストマスクRM5でカバーされていない平坦部上面部分の酸化シリコン膜を除去する。
ゲート電極6のソース側側壁上に、サイドウォールスペーサ9を残して、エッチングを終了する。レジストマスクRM5を除去すると、ゲート電極6のドレイン側の端近傍を覆い(少なくともゲート電極6のドレイン側の側面を覆い)、逆導電型領域8の一部上方まで延在するシリサイドブロック絶縁膜10が残る。なお、このエッチングにより、ゲート絶縁膜5も、サイドウォールスペーサ9及びシリサイドブロック絶縁膜10に整合する形状にパタニングされる。
次に、図3Bに示すように、サイドウォールスペーサ9及びシリサイドブロック絶縁膜10をマスクとして、例えばn型不純物としてヒ素(As)を加速エネルギ30keV、ドーズ量1E15で注入して、高濃度ソース領域11及び高濃度ドレイン(HDD)領域12を形成する。なお、シリサイドブロック絶縁膜10に覆われず露出するゲート電極6の上面部分にもn型不純物が注入される。
逆導電型領域8及びその下方のLDD領域4にn型不純物が注入されて、HDD領域12が形成される。このイオン注入がされた逆導電型領域8の部分では、導電型がp型から反転して再びn型となる。
次に、図3Cに示すように、コバルト(Co)をスパッタリングで堆積し、熱処理を行うことにより、高濃度ソース領域11、ゲート電極6の露出した上面部分、及びHDD領域12の表層に、それぞれ、ソース側シリサイド領域13、ゲート電極上シリサイド領域14、及びドレイン側シリサイド領域15を形成する。以上のようにして、第1の実施例のMOSトランジスタが作製される。
さらに、図4を参照して、第1の実施例のMOSトランジスタのドレイン側の構造について説明する。
ゲート電極6のソース側端部からドレイン側に向かう方向をX方向と定義する。ソース側を左側、ドレイン側を右側と呼ぶこととする。X方向を水平方向とも呼ぶこととする。LDD領域4の左端をX1、逆導電型領域8の左端をX2、逆導電型領域8の右端をX3、ドレイン側シリサイド領域15の左端をX4とし、ゲート電極6の右端をXGDとする。まず、各領域の水平方向の位置関係について説明する。
LDD領域4の左端X1で、p型ウェル3とLDD領域4とがpn接合を形成する。LDD領域4の内部に、逆導電型領域8及びHDD領域12が形成されている。逆導電型領域8の左端X2は、LDD領域4の左端X1からHDD領域12側に離れて配置されている(X1<X2)。逆導電型領域8の左端X2で、LDD領域4と逆導電型領域8とがnp接合を形成する。逆導電型領域8の右端X3で、逆導電型領域8とHDD領域12とがpn接合を形成する。
ゲート電極6は、p型ウェル3とLDD領域4の両方に重なるように形成されており、すなわち、LDD領域4が、ゲート電極6の下に入り込むように形成されており、ゲート電極6の右端XGDよりもLDD領域4の左端X1の方がソース側にある(X1<XGD)。また、逆導電型領域8も、ゲート電極6の下に入り込むように形成されており、ゲート電極6の右端XGDよりも、逆導電型領域8の左端X2の方がソース側にある(X2<XGD)。
ゲート電極6と、HDD領域12との間に、逆導電型領域8が介在し、ゲート電極6の右端XGDとHDD領域12の左端(逆導電型領域8の右端)X3とが互いに離されている(XGD<X3)。
逆導電型領域8とドレイン側シリサイド領域15との間に、シリサイドブロック絶縁膜10下の部分のHDD領域12が介在し、逆導電型領域8の右端X3とドレイン側シリサイド領域15の左端X4とが互いに離されている(X3<X4)。
基板1の表面から下方に向かう法線方向をY方向と定義する。Y方向を垂直方向とも呼ぶこととする。逆導電型領域8の下端をY1、HDD領域12の下端をY2、LDD領域4の下端をY3とする。次に、各領域の垂直方向の位置関係について説明する。
LDD領域4の下端Y3で、p型ウェル3とLDD領域4とがpn接合を形成する。LDD領域4の内部に、逆導電型領域8及びHDD領域12が形成されており、逆導電型領域8の下端Y1及びHDD領域12の下端Y2は、LDD領域4の下端X3から上側に離れて配置されている(Y1,Y2<Y3)。また、逆導電型領域8はLDD領域4の表面に形成されており、逆導電型領域8の下端Y1は、HDD領域12の下端Y2よりも浅い位置にある(Y1<Y2)。逆導電型領域8の下端Y1で、LDD領域4と逆導電型領域8とがnp接合を形成する。
次に、LDD領域4、逆導電型領域8、及びHDD領域12の、導電型決定不純物の濃度NL、NP、NHの関係について説明する。これらの領域の不純物濃度は、NL<NP<NHという関係がある。
次に、図5及び図6を参照して、第1の実施例のMOSトランジスタの耐圧性能について説明する。
図5は、MOSトランジスタの電流電圧(IV)特性を示すグラフである。横軸がドレイン電圧(VDS)であり、縦軸がチャネル電流である。ゲート電圧(VGS)を0V近くから3.3Vまで変化させた複数のIV曲線を示す。ゲート電圧が増加するほど、所定ドレイン電圧での電流値が増加して、IV曲線が立ち上がる。
グラフ中にいくつかの動作点Ionを示す。動作点Ion4は、ゲート電圧が0Vに近く(例えば0.3V)、ドレイン電圧が10Vと非常に大きい場合、すなわち、ゲートドレイン間の電位差が10V程度と非常に大きい場合の動作点である。動作点Ion4での挙動が、耐圧を示す指標となる。
一方、動作点Ion1は、ゲート電圧が3.3Vで、ドレイン電圧が0.1Vと小さい場合の動作点である。動作点Ion1での挙動が、オン抵抗(Ron)を示す指標となる。なお、動作点Ion2は、ゲート電圧が3.3Vでドレイン電圧が3.3Vの場合の動作点であり、動作点Ion3は、ゲート電圧が3.3Vでドレイン電圧が10Vの場合の動作点である。
後に応用例で説明するように、MOSトランジスタを、高周波を増幅するアンプ等の用途に用いるとき、動作点がダイナミックロードライン上で変化する。ダイナミックロードライン上に、動作点Ion4のようにゲートドレイン間の電位差が非常に大きい動作点が含まれる。
図6は、第1の実施例のMOSトランジスタの耐圧性能とオン抵抗との関係を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。なお、第1の実施例のMOSトランジスタから逆導電型領域8を除いた構造の比較例のトランジスタの耐圧性能とオン抵抗との関係も示す。
グラフの横軸は、動作点Ion4におけるゲート電極ドレイン端下の基板電圧をV単位で示す。この基板電圧が低くなっているほど、ゲート電極ドレイン端と、その下の基板との電位差が小さくなるので、耐圧が高いと判断できる。グラフの縦軸は、動作点Ion1におけるオン電流を任意単位で示す。オン電流が大きいほど、オン抵抗が低く抑えられている。
三角形のプロット(p層なし)が比較例の結果であり、菱形のプロット(p層あり)が第1の実施例の結果である。比較例に比べて、実施例ではプロットが左上方向に移動している。すなわち、実施例の方が、ゲート電極ドレイン端下の基板電圧が減少して耐圧が向上するとともに、オン電流が増加してオン抵抗が抑えられている。
次に、図7A及び図7Bを参照して、第1の実施例のMOSトランジスタにおける耐圧向上の原理について考察するとともに、耐圧を向上させてもオン抵抗増加が抑制される原理について考察する。
まず、図7Aを参照して、ゲート電圧VGSが0Vに近く(例えば0.3V)、ドレイン電圧VDSが非常に高い(例えば10V)場合の耐圧向上原理について考察する。逆導電型領域8が、LDD領域4及びHDD領域12とpn接合を形成することにより、空乏層DLが形成されている。ドレイン電圧VDSが高くなるほど空乏層DLが拡がる。従って、ドレイン電圧VDSが高くなるほど、空乏層DLによる電位降下が大きくなる。すなわち、ドレイン電圧VDSが高くなっても、ゲート電極ドレイン端下の基板にかかる電圧増加が抑制され、耐圧が向上すると考えられる。
なお、LDD領域4の不純物濃度よりも逆導電型領域8の不純物濃度が高いので、逆導電型領域8とLDD領域4とのpn接合では、空乏層DLが逆導電型領域8側よりもLDD領域4側に拡がることとなる。また、逆導電型領域8の不純物濃度よりもHDD領域12の不純物濃度が高いので、逆導電型領域8とHDD領域12とのpn接合では、空乏層DLがHDD領域12側よりも逆導電型領域8側に拡がることとなる。
次に、図7Bを参照して、ゲート電圧VGSがある程度の高さ(例えば3.3V)で、ドレイン電圧VDSが低い(例えば0.1V)場合に、オン抵抗が抑制される原理について考察する。ドレイン電圧VDSが低いときには、空乏層DLの拡がりが小さい。LDD領域4の、より広い断面をキャリアが輸送可能となる。従って、ドレイン電圧VDSが低ければ、電位降下が小さく、オン抵抗増加が抑制される。
さらに、図4を参照して説明した構造の利点について考察する。逆導電型領域8の左端X2が、LDD領域4の左端X1からHDD領域12側に離れて配置されている(X1<X2)。すなわち、p型の逆導電型領域8よりソース側に、n型のLDD領域4が確保されている。これにより、逆導電型領域8の左端X2がLDD領域4の左端X1に達するように配置される場合に比べて、低ドレイン電圧時のオン抵抗が低く抑えられる。
また、第1の実施例のMOSトランジスタでは、ゲート電極6の右端XGDよりも、逆導電型領域8の左端X2の方がソース側にある(X2<XGD)。すなわち、逆導電型領域8がゲート電極6のドレイン側端部の下に入り込んで形成されている。垂直方向について見ると、ゲート電極6のドレイン端とLDD領域4との間に、逆導電領域8が介在する。これにより、ゲートのドレイン端で大きな耐圧を確保しやすい。
ゲート電極6の右端XGDとHDD領域12の左端(逆導電型領域8の右端)X3とが互いに離されている(XGD<X3)。すなわち、ゲート電極6のドレイン端とHDD領域12とが互いに離されている。高濃度のn型のHDD領域12を、ゲート電極6のドレイン端から離し、LDD領域4側に空乏層を拡げることにより、耐圧を稼ぎやすくなる。
また、逆導電型領域8の右端X3とドレイン側シリサイド領域15の左端X4とが互いに離されている(X3<X4)。すなわち、逆導電型領域8とドレイン側シリサイド領域15とが接触しない。これにより、高いドレイン電圧の印加時に、逆導電型領域8とHDD領域12とのpn接合での空乏層の伸びが妨げられない。なお、逆導電型領域8は、シリサイドブロック絶縁膜10で覆われて、シリサイド化されていない。これにより、逆導電型領域8内の空乏層の伸びが妨げられない。
以上説明したように、第1の実施例のMOSトランジスタでは、LDD領域内において、HDD領域とゲート電極との間の表面領域に、逆導電型領域が形成されている。逆導電型領域が周囲の領域と形成するpn接合により、空乏層が形成される。
高いドレイン電圧が印加されると、この空乏層が拡がり、電位降下が大きくなり、ゲートのドレイン端の下に高い電圧が印加されることが抑制される。一方、低いドレイン電圧が印加されているときには、この空乏層の拡がりが小さくなり、電位降下が抑制され、オン抵抗の増加が抑制される。このように、オン抵抗の増加を抑制しつつ、耐圧向上を図ることができる。
次に、図8を参照して、第1の実施例の変形例によるMOSトランジスタについて説明する。本変形例の、第1の実施例との違いは、逆導電型領域8のソース側の端(左端)X2が、ゲート電極6のドレイン端XGDよりも、HDD領域12側に配置されている(XGD<X2)ことである。
すなわち、本変形例では、逆導電型領域8が、ゲート電極6のドレイン端からHDD領域12側に離れて形成されており、ゲート電極6のドレイン端の下に入り込んでいない。ゲート電極6のドレイン端の直下に、LDD領域4が配置される。これにより、第1の実施例に比べて、ゲートのドレイン端での耐圧がやや低下すると考えられるが、一方、ゲート電極6のドレイン端直下に逆導電型領域8が配置されないので、寄生容量を低減でき、高速動作が行える。
本変形例のMOSトランジスタの製造方法について説明する。本変形例のMOSトランジスタも、図1A〜図3Cを参照して説明した第1の実施例のMOSトランジスタの製造方法と同様な工程で作製されるが、図2Cを参照して説明した逆導電型領域8の形成工程が異なる。
第1の実施例では、逆導電型領域8がゲート電極6の下に入り込んで形成されるように、斜め方向に、p型不純物をイオン注入した。本変形例では、逆導電型領域8がゲート電極6から離れて形成されるように、第1の実施例とは反対側から、斜め方向に、p型不純物をイオン注入する。
次に、図9〜図11を参照して、第2の実施例によるMOSトランジスタについて説明する。
まず、図9を参照して、第2の実施例のMOSトランジスタの構造について説明する。第2の実施例のMOSトランジスタの、第1の実施例のMOSトランジスタとの違いは、LDD領域4(これを第1のLDD領域4と呼ぶこととする)の中に、それよりもn型不純物濃度の高いLDD領域16(これを第2のLDD領域16と呼ぶこととする)が形成されていることである。
水平方向について、第2のLDD領域16の左端をX5とする。まず、第2のLDD領域16と他の領域との水平方向の位置関係について説明する。
第1のLDD領域4の内部に、第2のLDD領域16が形成されており、第1のLDD領域の左端X1よりも第2のLDD領域16の左端X5の方がドレイン側にある(X1<X5)。
第2のLDD領域16の内部に、HDD領域12が形成されており、第2のLDD領域16の左端X5よりもHDD領域12の左端X3の方がドレイン側にある(X5<X3)。
第2のLDD領域16の、HDD領域12よりソース側の表層が、逆導電型領域8となっている。図9に示す例では、逆導電型領域8が、第2のLDD領域16から第1のLDD領域4に張り出し、逆導電型領域8の左端X2が、第2のLDD領域16の左端X5よりもソース側にある(X2<X5)。
なお、第2のLDD領域16の内部に、逆導電型領域8を形成し、逆導電型領域8の左端X2が、第2のLDD領域16の左端X5よりもHDD12側に配置される(X5<X2)ようにしてもよい。あるいは、逆導電型領域8の左端X2と、第2のLDD領域16の左端X5とを揃える(X5=X2)ようにしてもよい。耐圧とオン抵抗(なお、オン抵抗は、図5の動作点Ion1の逆数で表現される)とはトレードオフの関係にあり、X2<X5では相対的に耐圧良好、X5<X2では相対的にオン抵抗良好となる。ただし、基本的には、プロセス工程の増大を避けるため、ゲートにセルフアラインで形成するので、位置関係はどちらでもよいといえる。
また、ゲート電極6が、第2のLDD領域16と重なるように形成されており、ゲート電極6の右端XGDよりも第2のLDD領域16の左端X5の方がソース側にある(X5<XGD)。このように、ゲートの下側に第2のLDD領域16が入り込んでいることが、オン抵抗改善のために好ましい。なお、すでに耐圧は確保されているので、XGD<X5としても、耐圧向上効果はあまりないといえる。
垂直方向について、第2のLDD領域の下端をY4とする。次に、第2のLDD領域16と他の領域との垂直方向の位置関係について説明する。
第1のLDD領域4の内部に、第2のLDD領域16が形成されており、第2のLDD領域16の下端Y4は、第1のLDD領域4の下端Y3から上側に離れて配置されている(Y4<Y3)。
第2のLDD領域16の内部に、HDD領域12が形成されており、また第2のLDD領域16の表面に、逆導電型領域8が形成されている。逆導電型領域8の下端Y1及びHDD12の下端Y2は、第2のLDD領域16の下端Y4から上側に離れて配置されている(Y1<Y2<Y4)。逆導電型領域8の下端Y1で、第2のLDD領域16と逆導電型領域8とがnp接合を形成する。
次に、第1のLDD領域4の不純物濃度NL1、第2のLDD領域16の不純物濃度NL2、逆導電型領域8の不純物濃度NP、及びHDD領域12の不純物濃度NHの関係について説明する。これらの不純物濃度は、NL1<NP<NL2<NHという関係がある。
次に、第2の実施例のMOSトランジスタの利点について説明する。第2の実施例では、逆導電型領域8の不純物濃度よりも、第2のLDD領域16の不純物濃度が高くされている。
まず、図10Aを参照して、ゲート電圧VGSが0Vに近く(例えば0.3V)、ドレイン電圧VDSが非常に高い(例えば10V)場合について説明する。第1の実施例と同様に、p型の逆導電型領域8が、周囲のn型領域とpn接合を形成しており、ドレイン電圧VDSの増加により空乏層DLが伸びて、耐圧向上が図られる。
第2の実施例では、逆導電型領域8の不純物濃度よりも第2のLDD領域16の不純物濃度が高いので、逆導電型領域8と第2のLDD領域16とのpn接合で、空乏層DLが、第2のLDD領域16側よりも逆導電型領域8側に拡がる。
空乏層DLが逆導電型領域8の方に伸びるので、電流パスを表面に近づけられる。このため、寄生抵抗増加を抑制して、第1のLDD領域4の深さを浅くでき、チャネル長のばらつきを改善することができる。
なお、第2の実施例でも、第1の実施例と同様に、逆導電型領域8がゲート電極6のドレイン側端部の下に入り込んで形成されており、ゲートのドレイン端で大きな耐圧を確保しやすい。
次に、図10Bを参照して、ゲート電圧VGSがある程度の高さ(例えば3.3V)で、ドレイン電圧VDSが低い(例えば0.1V)場合について説明する。第1の実施例と同様に、ドレイン電圧VDSが低いときには、空乏層DLの拡がりが小さく、電位降下が小さいので、オン抵抗増加が抑制される。
第2の実施例では、第1のLDD領域4内に、それよりも高い不純物濃度の第2のLDD領域16を設けたことにより、寄生抵抗が低減され、オン抵抗が第1の実施例よりも改善することが期待される。
次に、第2の実施例のMOSトランジスタの製造方法について説明する。図2Bを参照して説明した、低濃度ソース領域7を形成する工程までは、第1の実施例と同様である。以下、その後の工程について説明する。
図11に示すように、低濃度ソース領域7をレジストマスクRM6でカバーし、さらにゲート電極6をマスクとして、第1の実施例と同様に、第1のLDD領域4に、例えばBを加速エネルギ3keV、ドーズ量1E13で注入して、第1のLDD領域4の表層の導電型をn型からp型に反転させ、逆導電型領域8を形成する。
引き続き、例えばAsを加速エネルギ80keV、ドーズ量1E14とし、逆導電型領域8よりも深い飛程で注入して、逆導電型領域8の直下に、第2のLDD領域16を形成する。第2のLDD領域16の導電型決定不純物の濃度が、逆導電型領域8のそれよりも高くなるようにする。逆導電型領域8及び第2のLDD領域16形成後、レジストマスクRM6を除去する。
その後は、第1の実施例で図3A〜図3Cを参照して説明した工程と同様にして、サイドウォールスペーサ9及びシリサイドブロック絶縁膜10を形成し、高濃度ソース領域11及びHDD領域12を形成し、さらに、ソース側シリサイド領域13、ゲート電極上シリサイド領域14、及びドレイン側シリサイド領域15を形成する。HDD領域12の形成において、逆導電型領域8及びその下方の第2のLDD領域16に、n型不純物が注入される。以上のようにして、第2の実施例のMOSトランジスタが作製される。
次に、図12を参照して、第2の実施例の変形例によるMOSトランジスタについて説明する。本変形例の、第2の実施例との違いは、第1の実施例の変形例と同様に、逆導電型領域8が、ゲート電極6のドレイン端からHDD領域12側に離れて形成されており、ゲート電極6のドレイン端の下に入り込んでいないことである。第2の実施例の変形例も、第1の実施例の変形例と同様に、ゲート電極6のドレイン端直下に逆導電型領域8が配置されないので、寄生容量を低減でき、高速動作が行える。
なお、図12に示す例では、逆導電型領域8が、第2のLDD領域16から第1のLDD領域4に張り出しているが、第2のLDD領域16の内部に、逆導電型領域8を形成するようにしてもよいし、あるいは、逆導電型領域8及び第2のLDD領域16のソース側の端を揃えてもよい。
第2の実施例の変形例のMOSトランジスタの製造方法について説明する。本変形例のMOSトランジスタも、第2の実施例のMOSトランジスタの製造方法と同様な工程で作製されるが、第1の実施例の変形例と同様に、逆導電型領域8がゲート電極6から離れて形成されるように、p型不純物をイオン注入する。
次に、図13A〜図13C及び図14を参照して、第1または第2の実施例のMOSトランジスタを応用した携帯電子機器について説明する。
図13Aは、本応用例の携帯電子機器50を概略的に示すダイヤグラムである。携帯電子機器50は、例えば携帯電話であり、パワーアンプトランジスタ52を含む送信モジュール51を有する。パワーアンプトランジスタ52の出力が、アンテナ53に入力される。
図13Bは、パワーアンプトランジスタ52を示す回路図である。パワーアンプトランジスタ52として、第1または第2の実施例のMOSトランジスタが用いられる。パワーアンプトランジスタ52のゲート端子52aに、高周波の入力電力が印加され、ドレイン端子52bから、入力電力が増幅された出力電力が出力される。入出力される高周波の周波数として、百MHzのオーダからGHzのオーダ(数百MHz〜数GHz)が想定される。
図13Cは、パワーアンプトランジスタ52による増幅ゲインを概略的に示すグラフである。グラフの横軸及び縦軸は、それぞれ、dBm単位で示す入力電力及び出力電力である。入力電力に対して増幅ゲイン分電力が増加した出力電力が出力される。
例えば、パワーアンプトランジスタのゲート端子に交流の入力電圧として0Vと3.3Vとが交互に印加され、ドレイン端子から増幅出力が供給される。なお、ソース端子は接地される(0V)。例えばGHzオーダの高周波を入出力させる。結果的に、ドレイン電圧が非常に高い値に達し、ゲートドレイン間電位差が3.3Vを大きく超える状況が生じる。パワーアンプトランジスタの動作点変化の軌跡が、ダイナミックロードラインである。
図14は、本応用例のパワーアンプトランジスタのダイナミックロードラインを示すグラフである。グラフの横軸がV単位で示すドレイン電圧であり、縦軸がA単位で示す電流である。ゲート電圧VGSが0.3V、0.6V、0.9V、1.2V、1.5V、1.8V、2.1V、2.4V、2.7V、3.0V、及び3.3Vの場合のIV曲線とともに、ダイナミックロードラインDLLを示す。
ダイナミックロードラインDLL上で、ドレイン電圧が7V程度と最も高く、ゲート電圧が0.3V程度と0Vに近い動作点が動作点P1である。パワーアンプトランジスタの挙動を直流的に捉えた動作点が、バイアス点P0である。
動作電圧3.3Vに対して、動作点P1のドレイン電圧は、その2倍以上の7V程度となっている。動作電圧に対して、少なくとも2倍以上のゲートドレイン間電位差に耐える耐圧性能が要求される。
第1及び第2の実施例のMOSトランジスタは、逆導電型領域8を形成することにより耐圧向上が図られており、このようなパワーアンプトランジスタとしての使用に好適である。なお、第1及び第2の実施例のMOSトランジスタのゲート絶縁膜は、直流での使用時に、3.3Vの動作電圧を想定した耐圧のものである。
以上説明したように、MOSトランジスタを第1または第2の実施例の構造とすることにより、例えば直流での使用時に3.3Vの耐圧を想定したゲート絶縁膜のままで、例えばパワーアンプ用途等、例えばGHz帯の高周波での使用時に生じる高いゲートドレイン間の電位差に耐える耐圧性能を得ることができる。
なお、例えばパワーアンプトランジスタ用途としては、上記実施例で説明したようなn型MOSトランジスタが好ましいが、実施例の説明でn型とp型とを反転させて得られるp型MOSトランジスタにおいても、n型の逆導電型領域が形成されていることにより、耐圧の向上が図られることとなる。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
以下、本発明の特徴を付記する。
(付記1)
第1導電型の第1領域を有する半導体基板と、
前記第1領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記第1領域内において、前記ゲート電極に対し一方の側に形成され、前記第1導電型と反対の第2導電型を有するソース領域と、
前記第1領域内において、前記ゲート電極に対し他方の側に、前記ソース領域側の端が該ゲート電極の下方に入り込んで形成され、前記第2導電型を有する第1低濃度ドレイン領域と、
前記第1低濃度ドレイン領域内において、前記ゲート電極から離れて形成され、前記第2導電型を有し、該第1低濃度ドレイン領域よりも不純物濃度が高い高濃度ドレイン領域と、
前記第1低濃度ドレイン領域内において、前記高濃度ドレイン領域と前記ゲート電極の間の表面領域に形成され、前記第1導電型を有し、該第1低濃度ドレイン領域内の前記第2導電型を有する領域とpn接合を形成する逆導電型領域と
を有する半導体装置。
(付記2)
前記逆導電型領域は、前記第1低濃度ドレイン領域とpn接合を形成する付記1に記載の半導体装置。
(付記3)
前記逆導電型領域は、前記高濃度ドレイン領域とpn接合を形成する付記1に記載の半導体装置。
(付記4)
前記逆導電型領域の前記ソース側の端が、前記第1低濃度ドレイン領域の前記ソース側の端よりも前記高濃度ドレイン側に配置されている付記1に記載の半導体装置。
(付記5)
前記逆導電型領域の前記ソース側の端が、前記ゲート電極の下方に入り込んで形成されている付記1に記載の半導体装置。
(付記6)
さらに、前記高濃度ドレイン領域の表面に形成されたシリサイド領域を有し、該シリサイド領域の前記ソース側の端が、前記逆導電型領域の該高濃度ドレイン領域側の端から離れている付記1に記載の半導体装置。
(付記7)
さらに、前記シリサイド領域を露出させ、前記逆導電型領域を覆うように形成された絶縁膜を有する付記6に記載の半導体装置。
(付記8)
前記逆導電型領域の不純物濃度が、前記第1低濃度ドレイン領域の不純物濃度よりも高く、前記高濃度ドレイン領域の不純物濃度よりも低い付記1に記載の半導体装置。
(付記9)
前記逆導電型領域の前記ソース側の端が、前記ゲート電極の該第1低濃度ドレイン領域側の端から、前記高濃度ドレイン領域側に離れて形成されている付記1に記載の半導体装置。
(付記10)
さらに、前記第1低濃度ドレイン領域内に形成され、前記第2導電型を有し、不純物濃度が、該第1低濃度ドレイン領域の不純物濃度よりも高く、前記高濃度ドレイン領域の不純物濃度よりも低い第2低濃度ドレイン領域を有し、前記逆導電型領域が、該第2低濃度ドレイン領域とpn接合を形成する付記1に記載の半導体装置。
(付記11)
前記第1低濃度ドレイン領域の不純物濃度よりも前記逆導電型領域の不純物濃度が高く、前記逆導電型領域の不純物濃度よりも前記第2低濃度ドレイン領域の不純物濃度が高く、前記第2低濃度ドレイン領域の不純物濃度よりも前記高濃度ドレイン領域の不純物濃度が高い付記10に記載の半導体装置。
(付記12)
前記第1導電型はp型であり、前記第2導電型はn型である付記1に記載の半導体装置。
(付記13)
前記ゲート電極に高周波の入力電力が印加され、前記ドレイン領域は、該ゲート電極に印加された該入力電力を増幅した高周波の出力電力を出力し、携帯電子機器である付記1に記載の半導体装置。
(付記14)
前記ゲート絶縁膜の材料及び厚さに対応して、前記ゲート電極と前記ドレイン領域との間に直流電圧が印加されたときの耐圧が想定され、
前記ゲート電極に高周波の入力電力が印加され、前記ドレイン領域は、該ゲート電極に印加された該入力電力を増幅した高周波の出力電力を出力し、該出力電力の出力時に該ドレイン領域にかかるドレイン電圧の最大値が、前記耐圧の2倍以上である付記1に記載の半導体装置。
(付記15)
(a)第1導電型の第1領域を有する半導体基板を準備する工程と、
(b)前記第1領域内に、前記第1導電型と反対の第2導電型を有する第1低濃度ドレイン領域を形成する工程と、
(c)前記第1領域及び前記第1低濃度ドレイン領域の上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記ゲート絶縁膜の上に、前記第1領域及び前記第1低濃度ドレイン領域の双方に重なりを持つように、ゲート電極を形成する工程と、
(e)前記第1低濃度ドレイン領域の表層に、前記第1導電型を決定する不純物を注入し、該第1導電型を有する逆導電型領域を形成する工程と、
(f)前記第1低濃度ドレイン領域の上方に形成され、前記ゲート電極の該第1低濃度ドレイン領域側の側壁を覆い、前記逆導電型領域一部上方まで延在する絶縁膜を形成する工程と、
(g)前記絶縁膜をマスクとして、前記逆導電型領域及びその下方の前記第1低濃度ドレイン領域に、前記第2導電型を決定する不純物を注入し、該第2導電型を有し、該第1低濃度ドレイン領域よりも不純物濃度が高い高濃度ドレイン領域を形成する工程と、
(h)前記ゲート電極に対し、前記第1低濃度ドレイン領域と反対側の前記第1領域内に、前記第2導電型を有するソース領域を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
(付記16)
さらに、(i)前記工程(e)と前記工程(f)との間に、該逆導電型領域の下方の前記第1低濃度ドレイン領域内に、前記第2導電型を決定する不純物を注入し、該第1低濃度ドレイン領域よりも不純物濃度が高い第2低濃度ドレイン領域を形成する工程を有し、前記工程(g)は、前記逆導電型領域及びその下の前記第2低濃度ドレイン領域に、前記第2導電型を決定する不純物を注入し、該第2低濃度ドレイン領域よりも不純物濃度が高い高濃度ドレイン領域を形成する付記15に記載の半導体装置の製造方法。
(付記17)
さらに、(j)前記高濃度ドレイン領域の表層をシリサイド化する工程を有する付記15に記載の半導体装置の製造方法。

Claims (7)

  1. 第1導電型の第1領域を有する半導体基板と、
    前記第1領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
    前記第1領域内において、前記ゲート電極に対し一方の側に形成され、前記第1導電型と反対の第2導電型を有するソース領域と、
    前記第1領域内において、前記ゲート電極に対し他方の側に、前記ソース領域側の端が該ゲート電極の下方に入り込んで形成され、前記第2導電型を有する第1低濃度ドレイン領域と、
    前記第1低濃度ドレイン領域内において、前記ゲート電極から離れて形成され、前記第2導電型を有し、該第1低濃度ドレイン領域よりも不純物濃度が高い高濃度ドレイン領域と、
    前記第1低濃度ドレイン領域内において、前記高濃度ドレイン領域と前記ゲート電極の間の表面領域に形成され、前記第1導電型を有し、該第1低濃度ドレイン領域とpn接合を形成し、前記第1低濃度ドレイン領域より不純物濃度が高く、前記高濃度ドレイン領域より不純物濃度が低い逆導電型領域と
    を有する半導体装置。
  2. 前記逆導電型領域の前記ソース側の端が、前記第1低濃度ドレイン領域の前記ソース側の端よりも前記高濃度ドレイン側に配置されている請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記逆導電型領域の前記ソース側の端が、前記ゲート電極の下方に入り込んで形成されている請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記逆導電型領域の前記ソース側の端が、前記ゲート電極の該第1低濃度ドレイン領域側の端から、前記高濃度ドレイン領域側に離れて形成されている請求項1に記載の半導体装置。
  5. 前記ゲート電極に高周波の入力電力が印加され、前記高濃度ドレイン領域は、該ゲート電極に印加された該入力電力を増幅した高周波の出力電力を出力し、携帯電子機器である請求項1に記載の半導体装置。
  6. 前記第1低濃度ドレイン領域と前記高濃度ドレイン領域との間に形成され、不純物濃度が前記逆導電型領域よりも高く、不純物濃度が前記高濃度ドレイン領域よりも低く、前記第2導電型を有し、少なくとも一部が前記逆導電型領域とpn接合を形成する第2低濃度ドレイン領域を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  7. (a)第1導電型の第1領域を有する半導体基板を準備する工程と、
    (b)前記第1領域内に、前記第1導電型と反対の第2導電型を有する低濃度ドレイン領域を形成する工程と、
    (c)前記第1領域及び前記低濃度ドレイン領域の上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、
    (d)前記ゲート絶縁膜の上に、前記第1領域及び前記低濃度ドレイン領域の双方に重なりを持つように、ゲート電極を形成する工程と、
    (e)前記低濃度ドレイン領域の表層に、前記第1導電型を決定する不純物を注入し、該第1導電型を有する逆導電型領域を形成する工程と、
    (f)前記低濃度ドレイン領域の上方に形成され、前記ゲート電極の該低濃度ドレイン領域側の側壁を覆い、前記逆導電型領域一部上方まで延在する絶縁膜を形成する工程と、
    (g)前記絶縁膜をマスクとして、前記逆導電型領域及びその下方の前記低濃度ドレイン領域に、前記第2導電型を決定する不純物を注入し、該第2導電型を有し、該低濃度ドレイン領域よりも不純物濃度が高い高濃度ドレイン領域を形成する工程と、
    (h)前記ゲート電極に対し、前記低濃度ドレイン領域と反対側の前記第1領域内に、前記第2導電型を有するソース領域を形成する工程と
    を有する半導体装置の製造方法。
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