JP5202473B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、特に高耐圧MOSFET、低耐圧MOSFET、静電保護用MOSFETを混載した半導体装置に関する。また、本発明は、このような半導体装置の製造方法に関する。
一般に、半導体集積回路(IC: Integrated Circuit)は、静電放電(ESD:Electrostatic Discharge)によって生じるサージ電圧に弱く、破壊されやすい。従って、通常、サージ電圧からICを保護するための静電保護用の回路がIC内に設けられている。
静電保護用の回路の一例として、MOSFETを用いるものが提案されている。例えば、図6に示す回路例では、静電保護回路としてN型MOSFET91を備え、被保護回路である内部回路92と並列に接続する構成である。このN型MOSFET91は、ソースとゲートを短絡させており、通常時、信号線路SEに通常の信号電圧Vinが印加された状態下ではオフ状態を示す。ところが、この信号線路SEに、Vinよりはるかに大きい過電圧Vsurが印加されると、N型MOSFET91のドレインと基板間のpn接合が逆バイアスされ、ブレークダウンが生じる。このとき、ドレイン直下で衝突電離が起こり、多数のホールが発生することで、基板の電位が上昇する。それと共に、多数の電子がソースから基板に拡散することで拡散電流が発生する。この拡散電流により、ドレインをコレクタとし、ソースをエミッタとし、半導体基板をベースとする寄生バイポーラトランジスタが動作状態となる(スナップバック動作)。この動作により、ドレインに印加された過電圧Vsurを、寄生バイポーラトランジスタを介して、ソースが接続された接地線VSSへと放電させることができる。従って、過電圧Vsur由来の高電流が内部回路92内に流れることがなく、内部回路92を保護することができる。
加工技術微細化による、寄生抵抗(コンタクト抵抗)の増大は、ICの高速化の妨げになって来る。この対策として、サリサイド(SelfAligned Silicide)技術による、寄生抵抗の低減は、必須となっている。
サリサイド技術は、MOSFETのソース/ドレイン領域並びにゲート電極に対し、自己整合的に金属とシリコンの熱的な反応層(シリサイド)を形成する技術である。金属とシリコンを反応させることで、通常のシリコン層或いはポリシリコン層と比べて抵抗値を低下させることができる。
ところが、このサリサイド技術は、上記スナップバック動作後のMOSFETを利用して静電保護を行う静電保護回路にとっては、その機能発揮に対して悪影響を及ぼすおそれがある。
図7は、ブレークダウン後の、N型MOSFETにおけるドレイン電圧Vdとドレイン電流Idの関係を示す概念図である。ドレイン電圧Vdが増加していくと、ブレークダウン電圧VaにおいてMOSFETのブレークダウンが生じ、寄生バイポーラトランジスタが動作を開始する、スナップバック現象が生じる。このとき、ドレイン電圧Vdとドレイン電流Idが負の相関を持つ、負性抵抗領域が現れる(図内<I>参照)。そして、スナップバック現象が生じた後は、ドレイン電圧Vdとドレイン電流Idが正の相関を持つ、抵抗領域(図内<II>参照)が形成される。
ソース/ドレイン領域にシリサイド層が形成されていない場合、図7の(a)に示す実線のように、正抵抗領域におけるId−Vd曲線の傾きは小さい。これはソース/ドレイン領域内の抵抗成分に由来するものである。しかし、ソース/ドレイン領域にシリサイド層が形成されている場合、当該領域内の抵抗値が大きく低下する。このため、(b)に示す破線のように、正抵抗領域におけるId−Vd曲線の傾きが(a)と比べて大きくなる。
このため、静電保護用のMOSFET91のソース/ドレイン領域にシリサイド層が形成されている場合、信号線路SEに過電圧Vsurが印加され、スナップバック動作が実行すると、シリサイド層が形成されていない場合と比べて、その抵抗値が小さいためMOSFET91に非常に高い電流が流れる。これにより、非常に大きなジュール熱が発生し、MOSFET91が破壊されやすくなる。MOSFET91がひとたび破壊されてしまうと、もはや内部回路92を保護する機能を有しなくなる。つまり、MOSFET91が破壊されやすくなる結果、内部回路92の保護機能が低下してしまうという問題を有している。
また、高耐圧MOSFETにおいて、ゲート電極の外側にドリフト領域を設ける構造の場合、ドリフト領域がシリサイド層によって低抵抗化されることで、電界緩和の役目を果たさなくなる。このため、サリサイド技術と高耐圧MOSFETを組み合わせる場合には、ドリフト領域をゲート電極下に形成する構造、いわゆる「ゲートオーバーラップ構造」が従来用いられている。
しかしながら、この構造は、ゲート−ドレイン間容量、或いはゲート−ソース間容量が大きくなり、高速動作に不利となるという問題や、ゲート電極エッジがシリサイド領域或いは高濃度のソース/ドレイン領域に近接することで、GIDL(Gate Induced Leakage)と呼ばれる、ドレインから基板へ流れるリーク電流が増大してしまうという問題をはらんでいる。
これらの問題を解消すべく、ゲート電極の外側にドリフト領域を設ける構成としながらも、所定の領域に対してのみシリサイド層を形成しないようにした高耐圧MOSFETが提案されている(例えば特許文献1,2参照)。
図8は、特許文献1に開示された半導体装置の概略断面図であり、説明の都合上、製造途上の、ある工程の時点における断面図を示している。半導体基板100上には、素子分離領域101によって、領域B1とB2が形成されており、領域B1内に被保護素子であるMOSFET121,領域B2内に静電保護用のMOSFET122が形成されている。
図8(a)に示すように、MOSFET121においては、低濃度の拡散領域103の上面、及びゲート電極105の上面に、それぞれシリサイド層107,108が形成されている。なお、ゲート電極105及びシリサイド層108の側壁にはサイドウォール絶縁膜106が形成されている。104はゲート酸化膜である。
静電保護用のMOSFET122においても、低濃度の拡散領域113の上面、及びゲート電極115の上面に、それぞれシリサイド層117,118が形成されている。しかし、拡散領域113の上面を完全にシリサイド層117で覆うのではなく、ゲート電極115側の一部領域にはシリサイド層117を形成しない部分を設ける。すなわち、シリサイド層117とゲート電極115に水平方向の離間領域(X1)を設ける。なお、MOSFET122において、114はゲート酸化膜、116はサイドウォール絶縁膜である。
このような構成とすべく、シリサイド層117を形成する工程の前段階において、予めシリサイド層117を形成したくない領域に絶縁膜(シリサイドブロック)120を成膜しておき、この状態でシリサイド化を行う。これにより、拡散領域113の一部のみをシリサイド化することができる。
なお、実際の工程としては、シリサイド層108とシリサイド層118を同時に形成し、その後、絶縁膜120を形成した後、シリサイド層107とシリサイド層117を同時に形成する。一例としては、シリサイド層108とシリサイド層118をタングステンシリサイドで形成し、シリサイド層107とシリサイド層117をチタンシリサイドで形成する。
その後、図8(b)に示すように、絶縁膜120を除去した後、高濃度の不純物イオンを注入することで、高濃度拡散領域(ソース/ドレイン領域)102,112をそれぞれ形成すると共に、ゲート電極105,115に対して不純物ドープを行う。これにより、MOSFET121においては、ソース/ドレイン領域102が完全にシリサイド層107で覆われるが、保護素子としてのMOSFET122においては、ソース/ドレイン領域112は、一部シリサイド層117が覆われていない領域(X1)が形成される。これにより、スナップバック動作後の抵抗値が大幅に低下するのを抑制することができる。
図9は、特許文献2に開示された構成の概略断面図であり、説明の都合上、製造途上の、ある工程の時点における断面図を示している。なお、図9では、静電保護用のMOSFETのみを図示している。
半導体基板200上に素子分離領域201、ゲート酸化膜204,ゲート電極205を形成した後、まず低濃度イオン注入を行う。このイオン注入により、ソース側の低濃度領域202、及びドレイン側においてLDD領域となる低濃度領域203が形成される。次に、サイドウォール絶縁膜208を形成した後、図9(a)に示すようにレジストパターン220を用いて高濃度イオン注入を行う。このイオン注入により、低濃度領域203側にはゲート電極205のエッジから水平方向にX2だけ離間した位置にドレイン206が形成される。このとき、同時にソース207が形成され、ゲート電極205に対して不純物ドープがされる。
その後、レジストパターン220を除去した後、図9(b)に示すように、ドレイン206の上面、ソース207の上面、並びにゲート電極205の上面の一部が露出するようなパターニング形状で、シリサイドブロックとしての絶縁膜212を形成し、シリサイド化を行う。これにより、ドレイン206の上層、ソース207の上層、及びゲート電極205の上層に、それぞれシリサイド層209,210,211が形成される。
この場合も、図8と同様、シリサイド層が覆われていない拡散領域203が離間領域X2内に形成されるため、スナップバック動作後の抵抗値が大幅に低下するのを抑制することができる。
特開平5−3173号公報 特開2004−47721号公報
しかし、特許文献1に記載した方法による場合、シリサイド化を2回に分けて実行する必要がある上、シリサイドブロック用の絶縁膜120を別途成膜する必要があり、工程数及び製造費用が大きく増加する。
また、特許文献2に記載した方法による場合においても、シリサイドブロック用の絶縁膜212を別途成膜する必要があり、工程数及び製造費用が大きく増加する。加えて、この絶縁膜212は、既に形成されているドレイン領域206を覆わないように位置合わせをする必要があり、自己整合的に形成されるのではない。このため、位置合わせのためのアライメントマージンを確保する必要があり、トランジスタサイズの拡大を招いてしまう。
本発明は、このような問題点を踏まえ、被保護素子であるMOSFETと、静電保護用のMOSFETを同一基板上に搭載する半導体装置において、高い保護能力を備えながらも少ない工程数で製造することができる半導体装置を提供することを目的とする。特に、半導体基板上に高耐圧のMOSFETと静電保護用のMOSFETを搭載する半導体装置を実現する際に有用である。
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置は、高耐圧の第1MOSFET、低耐圧の第2MOSFET、及び静電保護用の第3MOSFETを同一半導体基板上に搭載した半導体装置であって、素子分離領域によって画定された第1〜第3領域内に、それぞれ前記第1〜第3MOSFETが形成されており、
前記第1領域内には、ウェル領域と、その表面箇所に離間して形成された第1低濃度拡散領域と、前記半導体基板上に高耐圧のゲート酸化膜を介して前記第1低濃度拡散領域の離間領域の上方に位置するよう形成された第1ゲート電極と、前記第1ゲート電極の一部上方から前記第1低濃度拡散領域の一部上方にかけてオーバーラップする第1絶縁膜と、上方に前記第1絶縁膜が形成されていない前記第1低濃度拡散領域の表面位置に形成された第1高濃度拡散領域と、上方に前記第1絶縁膜が形成されていない箇所における前記第1ゲート電極の上層及び前記第1高濃度拡散領域の上層に形成された第1シリサイド層とを有し、
前記第2領域内には、ウェル領域と、その表面箇所に離間して形成された第2低濃度拡散領域と、前記半導体基板上に低耐圧のゲート酸化膜を介して前記第2低濃度拡散領域の離間領域の上方に位置するよう形成された第2ゲート電極と、前記第2ゲート電極の側壁に形成された第2絶縁膜と、上方に前記第2絶縁膜が形成されていない前記第2低濃度拡散領域の表面位置に形成された第2高濃度拡散領域と、前記第2ゲート電極の上層及び前記第2高濃度拡散領域の上層に形成された第2シリサイド層とを有し、
前記第3領域内には、ウェル領域と、その表面箇所に離間して形成された第3低濃度拡散領域と、前記半導体基板上にゲート酸化膜を介して前記第3低濃度拡散領域の離間領域の上方に位置するよう形成された第3ゲート電極と、前記第3ゲート電極の一部上方から前記第3低濃度拡散領域の一部上方にかけてオーバーラップする第3絶縁膜と、上方に前記第3絶縁膜が形成されていない前記第3低濃度拡散領域の表面位置に形成された第3高濃度拡散領域と、上方に前記第3絶縁膜が形成されていない箇所における前記第3ゲート電極の上層及び前記第3高濃度拡散領域の上層に形成された第3シリサイド層とを有し、
前記第2領域内の前記ウェル領域と前記第3領域内の前記ウェル領域とが同一工程下で形成され、
前記第2領域内の前記第2低濃度拡散領域と前記第3領域内の前記第3低濃度拡散領域とが同一工程下で形成され、
前記第2領域内の前記ゲート酸化膜と前記第3領域内の前記ゲート酸化膜とが同一工程下で形成されていることを特徴とする。
このように構成することで、第1〜第3絶縁膜を同一工程で形成でき、これらは通常のサイドウォール絶縁膜の形成工程によってり実現できる。そして、この第1〜第3絶縁膜を形成後に、シリサイド化を行うことで、当該絶縁膜がシリサイドブロックとしての機能を果たす。
つまり、本発明の半導体装置によれば、サイドウォール絶縁膜にシリサイドブロックの機能を追加することができるため、シリサイドブロックのための絶縁膜を別途形成する必要がない。これにより、製造時の工程数を従来より削減することが可能である。
更に、この第1〜第3絶縁膜をマスクとして高濃度イオン注入を行うことで、第1〜第3高濃度拡散領域を形成できる。つまり、第1〜第3絶縁膜の形成時に位置合わせを行っておけば、ソース/ドレイン領域を構成する第1〜第3高濃度拡散領域は自己整合的に形成される。よって、従来よりも、プロセス時のバラツキを考慮する必要がある因子が経るため、確保すべきアライメントマージンを減らすことができる。
このとき、第1及び第3ゲート電極は、その上方が一部開口しているため、第1〜第3高濃度拡散領域を形成するためのイオン注入と同時に、ゲート電極への不純物ドープを行うことが可能となる。
なお、第1絶縁膜を、左右いずれか一方のみ、前記第1ゲート電極の一部上方から前記第1低濃度拡散領域の一部上方にかけてオーバーラップする構成としても良い。このようにすることで、第1MOSFETの電圧印加方向が一方向に固定されている場合においても、対応することができる。
また、第1〜第3低濃度拡散領域を、第1〜第3高濃度拡散領域より十分低い(例えば1桁以上低い)不純物濃度とするのが好適である。このようにすることで、特に第3低濃度拡散領域内の抵抗率が上昇するため、第3低濃度拡散領域にオーバーラップさせる第3絶縁膜の幅を縮小してもある程度の抵抗値を確保することができる。つまり、スナップバック動作時に大電流が流れるという事態を招くことなく、第3低濃度拡散領域の水平方向の幅を縮小化することができ、装置サイズの縮小化が図られる。
本発明によれば、被保護素子であるMOSFETと、静電保護用のMOSFETを同一基板上に搭載する半導体装置において、スナップバック動作後に著しく高い電流が発生するという事態を招くことがなく、高い保護能力を備えながらも少ない工程数で製造可能な半導体装置が実現される。
本発明の半導体装置の概略断面図 本発明の半導体装置の製造工程を示す工程断面図 本発明の半導体装置の製造工程を示す工程断面図 本発明の半導体装置の製造工程を示す工程断面図 本発明の半導体装置の別の概略断面図 静電保護回路を含む回路例 ブレークダウン後のN型MOSFETにおけるドレイン電圧Vdとドレイン電流Idの関係を示す概念図 従来の半導体装置の概略断面図 従来の半導体装置の別の概略断面図
(構造)
図1に本発明の半導体装置の概略断面図を示す。本半導体装置は、同一半導体基板1上に3領域A1〜A3を有し、各領域内にそれぞれ異なるMOSFETが形成される。領域A1が第1領域に、領域A2が第2領域に、領域A3が第3領域にそれぞれ対応する。
そして、領域A1内には高耐圧MOSFET61が、領域A2内には低耐圧MOSFET62が、領域A3内には、静電保護素子としてのMOSFET63がそれぞれ形成される。以下において、静電保護素子としてのMOSFETを、「静電保護MOSFET」と呼ぶ。高耐圧MOSFET61が第1MOSFETに、低耐圧MOSFET62が第2MOSFETに、静電保護MOSFET63が第3MOSFETにそれぞれ対応する。なお、ここでは各MOSFETがN型のMOSFETであるとする。
本実施形態では、静電保護MOSFET63を、低耐圧MOSFET62の保護用素子であるとする。つまり、ここでは、静電保護MOSFET63は、低耐圧MOSFET62と同様、低耐圧のP型ウェル4上に形成される。
高耐圧MOSFET61は、高耐圧のP型ウェル3上に形成される。P型ウェル3の表面領域には、一部離間を有して低濃度N型のドリフト領域6が形成される。ドリフト領域6が第1低濃度拡散領域に対応する。
また、高耐圧MOSFET61は、P型ウェル3の上面に高耐圧用のゲート酸化膜5を介してゲート電極11を有する。このゲート電極11は、離間したドリフト領域6に挟まれる領域、並びにドリフト領域6の一部上方にオーバーラップするように形成されている。ゲート電極11が第1ゲート電極に対応する。
ドリフト領域6の表面領域のうち、ゲート電極11とは反対側の素子分離領域2側の一部領域に、高濃度N型のソース/ドレイン領域31が形成されている。このソース/ドレイン領域31の上面には、シリサイド層41が形成されている。ソース/ドレイン領域31が第1高濃度拡散領域に対応する。
高耐圧MOSFET61は、ゲート電極11の一部上面、並びに表面にソース/ドレイン領域31が形成されていないドリフト領域6の上方にオーバーラップするように、絶縁膜21aを有する。この絶縁膜21aは、単にゲート電極11の側壁部分に垂直方向に形成されているのみならず、半導体基板1と平行な水平方向にもある程度伸びるように形成されている。この絶縁膜21aによって、ゲート電極11と、ソース/ドレイン領域31上のシリサイド層41の水平方向の離間d1が確保されている。
そして、この絶縁膜21aは、ゲート電極11の上面を完全に覆うのではなく、エッジから一定の幅を有した領域にのみ形成され、その中央部には形成されていない。この絶縁膜21aが形成されていないゲート電極11の上面には、シリサイド層42が形成され、接触抵抗の低減に寄与している。なお、シリサイド層41及び42が第1シリサイド層に対応し、絶縁膜21aが第1絶縁膜に対応する。
高濃度MOSFET61内に形成されるドリフト領域6は、電界緩和効果を発揮させるべく形成されるものであるが、この効果が発揮するためには、ゲート電極11下方とソース/ドレイン領域31との間に、ある程度の水平方向の離間を必要とする。図1の構成では、離間領域(d1)に形成されたドリフト領域6の存在によって、ソース/ドレイン領域31とゲート電極11の間に高電界が発生するのを緩和することができる。
しかしながら、この離間を確保しても、この離間位置におけるドリフト領域6の上面にシリサイド層41が形成されてしまうと、ソース/ドレイン領域31がドリフト領域6が共に同一のシリサイド層41の下層に形成されることとなり、この位置において両者の電位にほとんど差がなくなってしまう。つまりこのとき、ゲート電極11間の電界を緩和するというドリフト領域6の機能を十分に発揮できなくなる。
そのため、本発明の半導体装置においては、図1に示すように、ソース/ドレイン領域31が形成されていないドリフト領域6の上面にはシリサイド層41が形成されておらず、その代わりに絶縁膜21aが形成されている。
そして、ゲート電極11、絶縁膜21a、シリサイド層41,42を覆うように層間絶縁膜51が形成されており、この層間絶縁膜51内には、ソース/ドレイン領域31上のシリサイド層41と電気的に接続するためのコンタクト電極52が形成されている。そして、層間絶縁膜51の上層には、コンタクト電極52と電気的に接続された配線層55が形成される。なお、図示していないが、ゲート電極11上のシリサイド層42と電気的に接続するためのコンタクト電極も、他の位置において形成されている。
低耐圧MOSFET62は、領域A2内における低耐圧のP型ウェル4上に形成される。P型ウェル4の表面領域には、一部離間を有して低濃度N型のLDD領域15が形成される。LDD領域15が第2低濃度拡散領域に対応する。
低耐圧MOSFET62は、P型ウェル4の上面に低耐圧用のゲート酸化膜8を介してゲート電極12を有する。このゲート電極12は、離間した低濃度LDD領域15に挟まれる領域、並びに低濃度LDD領域15の一部上方にオーバーラップするように形成されている。ゲート電極12が第2ゲート電極に対応する。
低濃度LDD領域15の表面領域のうち、ゲート電極12とは反対側の素子分離領域2側の一部領域に、高濃度N型のソース/ドレイン領域32が形成されている。このソース/ドレイン領域32の上面には、シリサイド層43が形成されている。また、ゲート電極12の上面にもシリサイド層44が形成されている。ソース/ドレイン領域32が第2高濃度拡散領域に対応し、シリサイド層43及び44が第2シリサイド層に対応する。
低耐圧MOSFET62は、ゲート電極12の側壁部分に絶縁膜21bを有する。この絶縁膜21bは、表面にソース/ドレイン領域32が形成されていない低濃度LDD領域15の上方にオーバーラップするように形成されている。ただし、この絶縁膜21bは、高耐圧MOSFET61が備える絶縁膜21aと比較して、水平方向の拡がりは少ない。すなわち、ゲート電極12の上面にはほとんど若しくは完全に形成されておらず、絶縁膜21bがゲート酸化膜に接触する高さ位置においても、絶縁膜21aと比べて水平方向の伸びは小さい。絶縁膜21bが第2絶縁膜に対応する。
低耐圧MOSFET62内に形成されるLDD領域15も、高濃度MOSFET61内に形成されるドリフト領域6と同様、ゲート電極12とソース/ドレイン領域32の間に高電界が発生するのを緩和する目的で設けられるものである。しかし、低耐圧MOSFET62は、高耐圧MOSFET61と比べて要求される耐圧が低い。このため、占有面積の縮小化を図るべく、低耐圧MOSFET62においては、高耐圧MOSFET61と比較して、ゲート電極とソース/ドレイン領域の水平方向の離間距離が短くなっている。そして、低耐圧MOSFET61の場合、その離間の確保を、ゲート電極12の側壁に形成される絶縁膜21bによって実現している。
前記の層間絶縁膜51は、ゲート電極12、絶縁膜21b、シリサイド層43,44を覆うように形成されており、この層間絶縁膜51内には、ソース/ドレイン領域32上のシリサイド層43と電気的に接続するためのコンタクト電極53が形成されている。そして、層間絶縁膜51の上層には、コンタクト電極53と電気的に接続された配線層56が形成される。なお、図示していないが、ゲート電極12上のシリサイド層44と電気的に接続するためのコンタクト電極も、他の位置において形成されている。
低耐圧の静電保護MOSFET63は、領域A3内における低耐圧のP型ウェル4上に形成される。P型ウェル4の表面領域には、一部離間を有して低濃度N型のLDD領域16が形成される。LDD領域16が第3低濃度拡散領域に対応する。
静電保護MOSFET63は、P型ウェル4の上面に低耐圧用のゲート酸化膜9を介してゲート電極13を有する。このゲート電極13は、離間した低濃度LDD領域16に挟まれる領域、並びに低濃度LDD領域16の一部上方にオーバーラップするように形成されている。ゲート電極13が第3ゲート電極に対応する。
低濃度LDD領域16の表面領域のうち、ゲート電極13とは反対側の素子分離領域2側の一部領域に、高濃度N型のソース/ドレイン領域33が形成されている。このソース/ドレイン領域33の上面には、シリサイド層45が形成されている。ソース/ドレイン領域33が第3高濃度拡散領域に対応する。
静電保護MOSFET63は、ゲート電極13の一部上面、並びに表面にソース/ドレイン領域33が形成されていない低濃度LDD領域16の上方にオーバーラップするように、絶縁膜21cを有する。この絶縁膜21cは、単にゲート電極13の側壁部分に垂直方向に形成されているのみならず、半導体基板1と平行な水平方向にもある程度伸びるように形成されている。この絶縁膜21cによって、ゲート電極13と、ソース/ドレイン領域33上のシリサイド層45の水平方向の離間d3が確保されている。
上述したように、静電保護用のMOSFETにおいては、拡散領域にシリサイド層が形成されると、スナップバック動作後の寄生トランジスタの抵抗値が著しく低下するため、過電圧が印加されると高電流が流れて容易に破壊してしまう。このため、本発明における半導体装置では、領域A3内において、拡散領域である低濃度LDD領域16に対してはシリサイド層45を形成しないようにすることで、ソース/ドレイン33とゲート電極13の間、すなわち離間領域d3の位置に、シリサイド層45が形成されていない低濃度LDD領域16を設けている。これにより、スナップバック動作後の抵抗値が大幅に低下するのを抑制することができる。
そして、この絶縁膜21cは、ゲート電極13の上面を完全に覆うのではなく、エッジから一定の幅を有した領域にのみ形成され、その中央部には形成されていない。この絶縁膜21cが形成されていないゲート電極13の上面には、シリサイド層46が形成されている。なお、シリサイド層45及び46が第3シリサイド層に対応し、絶縁膜21cが第3絶縁膜に対応する。
前記の層間絶縁膜51は、ゲート電極13、絶縁膜21c、シリサイド層45,46
を覆うように形成されており、この層間絶縁膜51内には、ソース/ドレイン領域33上のシリサイド層45と電気的に接続するためのコンタクト電極54が形成されている。そして、層間絶縁膜51の上層には、コンタクト電極54と電気的に接続された配線層57が形成される。なお、図示していないが、ゲート電極13上のシリサイド層46と電気的に接続するためのコンタクト電極も、他の位置において形成されている。また、静電保護MOSFET63は、通常時にはオフ状態とすべく、ゲート電極13と、ソース/ドレイン33の内の一方の拡散領域(ソース)とを電気的に接続している。
図1の構成によれば、高耐圧MOSFET61は低耐圧MOSFET62よりも高耐圧を実現することができ、静電保護MOSFET63は、容易に破壊されることなく低耐圧MOSFET62を過電圧から保護することができる。そして、以下に説明するように、絶縁膜21a,21b,21cは全て同一の工程で形成することができるため、シリサイドブロックとしての絶縁膜を形成するための工程を別途追加する必要がない。また、シリサイド層41〜46も同一の工程で形成されるため、ゲート電極の上層に形成するシリサイド層とソース/ドレイン領域の上層に形成するシリサイド層を、別工程で形成する必要がない。このため、従来技術と比べて大幅に少ない工程数で製造することが可能となる。
更に、絶縁膜21a,21b,21cは、それぞれソース/ドレイン領域31,32,33を形成するためのマスクとして機能する。よって、絶縁膜21a,21cを形成する時点においてレジストパターンを形成する際に位置合わせを行っておけば、ソース/ドレイン領域は自己整合的に形成される。よって、従来技術よりも、プロセス時のバラツキを考慮する必要がある因子が経るため、確保すべきアライメントマージンを減らすことができる。以下では、絶縁膜21a,21b,21cを適宜「マスク絶縁膜」と総称することがある。
なお、図1では、P型半導体基板1上にN型MOSFETが形成される場合につき説明をしたが、各不純物イオンの導電型を反転させることで、P型MOSFETが形成される場合においても同様に説明することができる。
(製法)
本半導体装置の製造方法につき、図2〜図4に模式的に示す工程断面図を参照して説明する。なお、紙面の都合上、工程断面図を3図面に分けている。また、説明の便宜上、各工程に#1〜#15のステップ番号を付記している。
まず、図2(a)に示すように、P型半導体基板1上に、公知のSTI(Shallow Trench Isolation)技術を用いて、深さ0.3〜1.0μm程度の素子分離領域2を形成する(ステップ#1)。これにより、素子分離領域2により区画された活性領域が形成される。
本発明の半導体装置は、高耐圧MOSFET,低耐圧MOSFET,及び静電保護素子としてのMOSFET(以下、静電保護MOSFETという)の3素子を同一基板上に混載する構成である。このため、ステップ#1においては、少なくとも3領域以上の活性領域を形成する。図2(a)では、3の活性領域を形成する場合を図示しており、それぞれが、領域A1,A2,A3内に形成されているものとする。
なお、本実施形態では、領域A1が高耐圧MOSFETを形成するための領域、領域A2が低耐圧MOSFETを形成するための領域、領域A3が静電保護MOSFETを形成するための領域である。すなわち、各領域A1〜A3内に形成された活性領域は、それぞれの領域に形成されるMOSFETの活性領域として利用される。
次に、図2(b)に示すように、領域A1内に高耐圧用のP型ウェル3を、領域A2及びA3内に低耐圧用のP型ウェル4をそれぞれ形成する(ステップ#2)。具体的には、それぞれのウェル形成において、P型不純物イオン(例えばBイオン)を注入後、熱処理を行うことで行う。領域A2及びA3に対して同時にイオン注入を行うことで、低耐圧MOSFETと静電保護MOSFETがP型ウェル4を共用する。その後、全面に高耐圧用ゲート酸化膜5を、熱酸化法或いはCVD法により膜厚30〜60nm程度成膜する(ステップ#3)。
次に、図2(c)に示すように、高耐圧用ウェル3の一部表面にイオン注入を行うことで、高耐圧MOSFET用のドリフト領域6を形成する(ステップ#4)。具体的には、イオン注入を行わない領域、すなわち、領域A2及びA3内の全面と領域A1内の一部にレジストパターン7を形成した状態で、N型不純物イオン(例えばPイオン)をドーズ量5×1012ions/cm,注入エネルギ100keVで注入する。その後、レジストパターン7を除去する。
次に、図2(d)に示すように、低耐圧用ウェル4上に形成されていた高耐圧用ゲート酸化膜5を除去した後(ステップ#5)、当該領域に、低耐圧用ゲート酸化膜を熱酸化法により膜厚7nm程度成長させる(ステップ#6)。具体的には、領域A2内に低耐圧用ゲート酸化膜8を、領域A3内にゲート酸化膜9を形成する。
次に、図3(a)に示すように、領域A1内のゲート酸化膜5上の所定領域、領域A2内のゲート酸化膜8上の所定領域、領域A3内のゲート酸化膜9上の所定領域に、それぞれポリシリコンで構成されたゲート電極11,12,13を形成する(ステップ#7)。具体的には、ポリシリコン膜を全面に成膜後、エッチング処理を施して形成する。
次に、図3(b)に示すように、低耐圧用ウェル4の一部表面にイオン注入を行うことで、低耐圧MOSFET用の低濃度LDD領域15,並びに静電保護MOSFET用の
LDD領域16を形成する(ステップ#8)。具体的には、イオン注入を行わない領域、すなわち領域A1全面にレジストパターン17を形成した状態で、N型不純物イオン(例えばPイオン)をドーズ量2×1013ions/cm,注入エネルギ20keVで注入する。低耐圧用ウェル4上には、ゲート電極12,13が形成されているため、このゲート電極がマスクとなって当該ゲート電極の下方にはイオン注入がされず、その外側に注入される。
次に、図3(c)に示すように、絶縁膜21を全面に成膜する(ステップ#9)。具体的には、例えばSiN或いはSiOで構成される絶縁膜を、CVD法により100nm程度成長させる。この絶縁膜21がマスク絶縁膜に対応するものであり、後の工程によってこの絶縁膜21が成形されることで、MOSFET61の第1絶縁膜21a、MOSFET62の絶縁膜21b、MOSFET63の絶縁膜21cを構成する。
次に、図3(d)に示すように、領域A1内及びA3内の所定領域にレジストパターン22,23を形成する(ステップ#10)。このとき、領域A1内においては、ゲート電極11の一部上方から、ドリフト領域6の一部上方にかけてオーバーラップするようにレジストパターン22を形成する。同様に、領域A3内においては、ゲート電極13の一部上方から低濃度LDD領域16の一部上方にかけてオーバーラップするようにレジストパターン23を形成する。
すなわち、ステップ#10によって、領域A1内においては、ゲート電極11の中央部の上方、並びに、ドリフト領域6の上方のうち、ゲート電極11側とは反対の素子分離領域2側に形成された絶縁膜21上には、レジストパターン22が形成されていない。また、領域A3内においては、ゲート電極13の中央部の上方、並びに、低濃度LDD領域16の上方のうち、ゲート電極13側とは反対の素子分離領域2側に形成された絶縁膜21上には、レジストパターン23が形成されていない。
このような状態の下で、異方性のドライエッチング(例えば、RIE:Reactive Ion Etching)により、絶縁膜21のエッチングを行う(ステップ#11)。これにより、図4(a)に示すように、領域A1においては、レジストパターン22に覆われた領域の絶縁膜21aが残存し、他の部分は除去される。領域A2においては、ゲート電極12の側壁部分に絶縁膜21bが残存し、他の部分は除去される。また、領域A3においては、レジストパターン23に覆われた領域の絶縁膜21cが残存し、他の部分は除去される。なお、素子分離領域2上に形成されていた絶縁膜21も除去される。
本ステップにより、領域A1内では、ドリフト領域6のうち、上方に絶縁膜21aが形成されている部分の区域が水平方向にd1の幅で形成される。同様に、領域A3内では、LDD領域16のうち、上方に絶縁膜21cが形成されている部分の区域が水平方向にd3の幅で形成される。この絶縁膜21a及び21cは、後述するシリサイド化の工程(ステップ#13〜#14)において、これらの絶縁膜にオーバーラップされた位置におけるドリフト領域6或いはLDD領域16のシリサイド化をブロックする機能を果たす。更には、後述する高濃度不純物イオンの注入工程(ステップ#12)において、領域A1及びA3内にソース/ドレイン領域を形成するためのマスクとしての機能も果たす。
一方で、領域A2内では、LDD領域15のうち、上方に絶縁膜21bが形成されている部分の区域は、高々ゲート電極12の側壁にサイドウォール絶縁膜として残存する絶縁膜21bの膜厚相当の幅であり、d1及びd3に比べて十分短い。このため、後述するシリサイド化の工程においては、ほとんどのLDD領域15がシリサイド化されることとなる。なお、絶縁膜21bは、絶縁膜21a及び21cと同様、ソース/ドレイン領域形成のための高濃度不純物イオンの注入工程におけるマスク機能を果たす。
また、領域A1内並びにA3内においては、絶縁膜21a及び21cは、ゲート電極の上方を一部開口して成膜されている。このため、後述するステップ#12において、ソース/ドレイン領域を形成する際、これらのゲート電極11及び13に対する不純物ドープも併せて行うことができる。ゲート電極上面に絶縁膜21bが形成されていない領域A2内においては、当然にゲート電極12への不純物ドープを行うことができる。
なお、この絶縁膜21をエッチングするステップ#11においては、併せてゲート酸化膜5,8,9についてもエッチングが行われる。これにより、図4(a)に示すように、ステップ#11終了時において、ゲート酸化膜は、絶縁膜(21a,21b,21c)又はゲート電極(11,12,13)の下層にのみ残存する。つまり、上方に絶縁膜21が形成されていない位置における各拡散領域(6,15,16)の上層に成膜されていたゲート酸化膜(5,8,9)は、本ステップによって除去されている。
次に、図4(b)に示すように、領域A1,A2,A3内の表面にイオン注入を行うことで、それぞれのMOSFETのソース/ドレイン領域31,32,33を形成する(ステップ#12)。具体的には、N型不純物イオン(例えばAsイオン)を、ドーズ量5×1015ions/cm,注入エネルギ40keVで注入する。
このとき、領域A1内においては、ゲート電極11と絶縁膜21aがマスクとして機能し、ゲート電極11及び絶縁膜21aの外側に位置するドリフト領域6の表面領域に、ソース/ドレイン領域31が形成される。領域A2内においては、ゲート電極12とその側壁に形成された絶縁膜21bがマスクとして機能し、ゲート電極12及び絶縁膜21bの外側に位置する低濃度LDD領域15の表面領域に、ソース/ドレイン領域32が形成される。領域A3内においては、ゲート電極13と絶縁膜21cがマスクとして機能し、ゲート電極13及び絶縁膜21cの外側に位置する低濃度LDD領域16の表面領域に、ソース/ドレイン領域33が形成される。
また、上述したように、本ステップ#12によって、各ゲート電極11,12,13に対する不純物ドープが併せてなされる。
次に、露出されているゲート電極11,12,13の上面、並びにソース/ドレイン領域31,32,33の上面に、それぞれシリサイド層を形成する。具体的には、まず、全面にTi,Co等の高誘電金属膜をスパッタ法若しくはCVD法により成膜する(ステップ#13)。その後、RTA(Rapid Thermal Annealing)等の熱処理を行う(ステップ#14)。
前述したように、ステップ#11のエッチング工程において、上方に絶縁膜21が形成されていない位置における各拡散領域(6,15,16)の上層に成膜されていたゲート酸化膜(5,8,9)が除去されている。このため、当該領域のシリコン基板(活性領域)は露出しており、この基板面をステップ#13で成膜した金属膜と接触させることができる。また、露出したゲート電極の上面も、この金属膜と接触する。そして、ステップ#14の熱処理により、金属膜とシリコン基板の接触領域、並びに金属膜とポリシリコン膜(ゲート電極)の接触領域において、シリサイド化が行われる。
一方、絶縁膜上に形成された金属膜は、熱処理によっても反応することなく残存する。この未反応の金属膜を、HSO,H等を用いた薬液処理によって、選択的に除去する(ステップ#15)。これにより、図4(c)に示すように、領域A1内にはシリサイド層41,42が、領域A2内にはシリサイド層43,44が、領域A3内にはシリサイド層45,46がそれぞれ形成される。
より具体的にいえば、以下の通りである。領域A1では、上方に絶縁膜21aが形成されていない、ソース/ドレイン領域31の上面にシリサイド層41が形成され、ゲート電極11の上面のうち、絶縁膜21aが形成されていない領域にシリサイド層42が形成される。一方、上方に絶縁膜21aが形成されている領域d1におけるドリフト領域6については、当該絶縁膜21aがシリサイドブロックとして機能するため、当該表面にシリサイド層が形成されない。
領域A2では、上方に絶縁膜21bが形成されていない、ソース/ドレイン領域32の上面にシリサイド層43が形成され、ゲート電極12の上面にシリサイド層44が形成される。領域A2内では、LDD領域15のうち、上方に絶縁膜21bが形成されている部分の区域は、高々ゲート電極12の側壁にサイドウォール絶縁膜として残存する絶縁膜21bの膜厚相当の幅であり、絶縁膜21aよりも短い。つまり、領域A2内においては、ほとんどの活性領域上にシリサイド層43が形成される。また、ゲート電極12の上面にも絶縁膜21bはほとんど残存していないため、当該ゲート電極12の上面のほとんどがシリサイド化される。
領域A3では、ソース/ドレイン領域33の上面のうち、絶縁膜21cが形成されていない領域にシリサイド層45が形成され、ゲート電極13の上面のうち、絶縁膜21cが形成されていない領域にシリサイド層46が形成される。一方、上方に絶縁膜21cが形成されている領域d3におけるLDD領域16については、当該絶縁膜21cがシリサイドブロックとして機能するため、当該表面にシリサイド層が形成されない。
その後は、公知の方法により、層間絶縁膜51を成膜後、例えばW等の高誘電金属によってコンタクトプラグ52,53,54、及び配線層55,56,57を形成する。以上の各工程を経て、図1に示す半導体装置が形成される。
以下に別実施形態につき説明する。
〈1〉 上述の実施形態では、高耐圧MOSFET及び低耐圧MOSFETと、低耐圧MOSFETを保護するための静電保護MOSFETを同一基板上に搭載する場合につき説明したが、高耐圧MOSFETを保護するための静電保護MOSFETを搭載する場合においても、同様の方法によって実現することができる。
〈2〉 上述の実施形態では、高耐圧MOSFET61は、電圧印加方向に限定がない場合を想定していた。これに対し、電圧印加方向が一方向に限定される場合であっても、同様の工程によって実現することが可能である。
図5は、このような半導体装置の構成例である。図1と比較して、絶縁膜21aの形状が異なる。絶縁膜21aは、ドレイン31d側においては、図1の場合と同様、ゲート電極11の一部上面、並びに表面にドレイン領域31dが形成されていないドリフト領域6dの上方にオーバーラップするよう、形成されている。一方で、ソース31s側においては、領域A2と同様、ゲート電極11の側壁部分にサイドウォール絶縁膜として形成されている。
図5の構成は、上述したステップ#10において、レジストパターン22をドレイン31d側にだけ覆うように形成する以外は、上述した実施形態と同様の方法で実現することができる。
この場合、ドレインとして機能する拡散領域と、ソースとして機能する拡散領域がそれぞれ確定する構成である。耐圧性で問題となるのはドレイン側であるため、ソース側については、高電界緩和のためのドリフト領域の幅を、ドレイン側ほど確保する必要がない。このため、図1よりも装置サイズを縮小化することができるという効果がある。

1 :半導体基板
2 :素子分離領域
3 :高耐圧用P型ウェル
4 :低耐圧用P型ウェル
5 :ゲート酸化膜
6 :ドリフト領域
8,9 :ゲート酸化膜
11,12,13 :ゲート電極
15,16 :LDD領域
17 :レジストパターン
21 :絶縁膜(マスク絶縁膜)
21a,21b,21c :絶縁膜(マスク絶縁膜)
22,23 :レジストパターン
31,32,33 :ソース/ドレイン領域
31d :ドレイン
31s :ソース
41,42,43,44,45,46 :シリサイド層
51 :層間絶縁膜
52,53,54 :コンタクト電極
55,56,57 :配線層
61 :高耐圧MOSFET
62 :低耐圧MOSFET
63 :静電保護用MOSFET
91 :MOSFET
92 :内部回路
100 :半導体基板
101 :素子分離領域
102 :高濃度拡散領域
103 :低濃度拡散領域
104 :ゲート酸化膜
105 :ゲート電極
106 :サイドウォール絶縁膜
107,108 :シリサイド層
112 :高濃度拡散領域
113 :低濃度拡散領域
114 :ゲート酸化膜
115 :ゲート電極
116 :サイドウォール絶縁膜
117,118 :シリサイド層
120 :シリサイドブロック用絶縁膜
121 :MOSFET
122 :静電保護用MOSFET
200 :半導体基板
201 :素子分離領域
202 :低濃度拡散領域
203 :低濃度拡散領域
204 :ゲート酸化膜
205 :ゲート電極
206 :ドレイン
207 :ソース
208 :サイドウォール絶縁膜
209,210,211 : シリサイド層
212 :シリサイドブロック用絶縁膜
220 :レジストパターン
A1,A2,A3 :領域
B1,B2 :領域
B2 :領域
d1,d3 :離間、領域
Id :ドレイン電流
SE :信号線路
Va :ブレークダウン電圧
Vd :ドレイン電圧
VSS :接地線
X1,X2 :離間、領域

Claims (3)

  1. 高耐圧の第1MOSFET、低耐圧の第2MOSFET、及び静電保護用の第3MOSFETを同一半導体基板上に搭載した半導体装置の製造方法であって、
    半導体基板上に素子分離領域を形成することで、前記第1MOSFETを形成する第1領域、前記第2MOSFETを形成する第2領域、及び前記第3MOSFETを形成する第3領域をそれぞれ画定し、
    前記第1領域内において、前記第1MOSFETを構成するウェル領域、当該ウェル領域の所定の表面位置に第1低濃度拡散領域、及び前記半導体基板上に高耐圧用のゲート酸化膜を介して第1ゲート電極をそれぞれ形成し、
    前記第2領域内において、前記第2MOSFETを構成するウェル領域、当該ウェル領域の所定の表面位置に第2低濃度拡散領域、及び前記半導体基板上に低耐圧用のゲート酸化膜を介して第2ゲート電極をそれぞれ形成し、
    前記第3領域内において、前記第3MOSFETを構成するウェル領域、当該ウェル領域の所定の表面位置に第3低濃度拡散領域、及び前記半導体基板上にゲート酸化膜を介して第3ゲート電極をそれぞれ形成し、
    前記第2MOSFETを構成する前記ウェル領域と前記第3MOSFETを構成する前記ウェル領域とを同一工程下で形成し、
    前記第2MOSFETを構成する前記第2低濃度拡散領域と前記第3MOSFETを構成する前記第3低濃度拡散領域とを同一工程下で形成し、
    前記第2MOSFETを構成する前記ゲート酸化膜と前記第3MOSFETを構成する前記ゲート酸化膜とを同一工程下で形成し、
    前記第1〜第3ゲート電極、前記第1〜第3低濃度拡散領域が形成された状態の下で、全面にマスク絶縁膜を成膜し、
    その後に、前記第1領域内において、前記第1ゲート電極の一部上方から前記第1低濃度拡散領域の一部上方にかけてオーバーラップし、且つ、前記第3領域内において、前記第3ゲート電極の一部上方から前記第3低濃度拡散領域の一部上方にかけてオーバーラップするレジストパターンを形成し、
    その後に、前記レジストパターンをマスクとして前記マスク絶縁膜に対して異方性エッチングを行い、前記第1領域及び前記第3領域内における前記レジストパターンに覆われた箇所、並びに前記第2領域内における前記第2ゲート電極の側壁部分に前記マスク絶縁膜を残存させ、
    その後に、残存した前記マスク絶縁膜並びに前記第1〜第3ゲート電極をマスクとして高濃度イオン注入を行って、前記マスク絶縁膜で覆われていない前記第1〜第3低濃度拡散領域の表面領域にそれぞれ第1〜第3高濃度拡散領域を形成すると共に、前記第1〜第3ゲート電極をドープし、
    その後に、全面に高融点金属膜を成膜後、熱処理を行って、前記第1〜第3高濃度拡散領域の上面、前記マスク絶縁膜で覆われていない箇所の前記第1及び第3ゲート電極の上面、及び前記第2ゲート電極の上面にシリサイド層を形成し、
    その後に、前記マスク絶縁膜上及び前記素子分離領域上に残存する未反応の前記高融点金属膜を選択的に除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記レジストパターンを形成する際、前記第1領域内において、左右いずれか一方のみ、前記第1ゲート電極の一部上方から前記第1低濃度拡散領域の一部上方にかけてオーバーラップさせ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. 前記マスク絶縁膜に対して異方性エッチングを行う際、上方に前記マスク絶縁膜が形成されていない位置における前記第1〜第3低濃度拡散領域の上層に形成されていたゲート酸化膜を併せてエッチング除去することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
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