JP6679908B2 - 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、半導体装置の製造方法等に関する。
例えば、回路素子として、ラテラル型のPNPバイポーラトランジスターを搭載した半導体装置が用いられている。このトランジスターは、P型の半導体基板に配置されたN型の埋め込み拡散層と、半導体基板上に配置されたP型のエピタキシャル層(半導体層)と、埋め込み拡散層とのコンタクトをとるために半導体層の表面から埋め込み拡散層まで延びるN型の不純物拡散領域(Nプラグ)と、埋め込み拡散層に達する深いNウエルとを有している。
そのような半導体装置の製造過程においては、MOS電界効果トランジスターの形成には用いられない工程として、P型の半導体層の下層にN型の埋め込み拡散層を形成する工程と、半導体層の表面から埋め込み拡散層まで延びるNプラグを形成する工程と、埋め込み拡散層に達する深いNウエルを形成する工程とが必要になる。
また、半導体装置における回路素子として、ツェナーダイオードが形成される場合がある。ツェナーダイオードは、高濃度のP型の不純物拡散領域とN型の不純物拡散領域とのPN接合で構成される。一般的には、MOS電界効果トランジスターのソース又はドレインを構成するP型の不純物拡散領域とN型の不純物拡散領域とを接合させて、PN接合が形成される。ただし、降伏電圧の仕様が異なる場合には、別の濃度の不純物拡散領域を追加して、濃度調整を行うことによってPN接合を形成する工程が必要になる。
さらに、半導体装置における回路素子として、LD(Lateral Double-diffused)MOS電界効果トランジスターが形成される場合がある。その場合には、MOS電界効果トランジスターの形成には用いられない工程として、P型の半導体層の下層にN型の埋め込み拡散層を形成する工程と、埋め込み拡散層に達する深いNウエルを形成する工程と、深いNウエルの一部にボディー領域を形成する工程とが必要になる。
関連する技術として、特許文献1の図1及び図2には、耐圧変動を抑制したダイオードを有する半導体装置が開示されている。この半導体装置は、シリコン基板11上にN型の埋め込み層12を介して設けられたP型のエピタキシャル成長層13と、エピタキシャル成長層13に形成された素子分離領域17及び18と、エピタキシャル成長層13に形成され、素子分離領域17及び18の内側に位置するN型のカソード14と、カソード14上に接して形成され、素子分離領域17及び18の内側の角部を覆うP型のアノード20とを具備する。
特開2015−90913号公報(段落0008−0009、図1及び図2)
ところで、多様な回路を実現するためには、上記のようなラテラル型のバイポーラトランジスターに加えて、他の種類の回路素子を半導体装置に混載したり、所望の降伏電圧を有するツェナーダイオードを半導体装置に混載したりすることが求められている。一方、複数の異なる種類の回路素子を半導体装置に混載しようとすると、それぞれの回路素子のために不純物拡散領域等を専用に形成する工程が増加して、マスクの枚数や工程数の増加に伴って半導体装置の製造コストが上昇してしまう。
そこで、本発明の幾つかの態様は、多様な回路を実現するために、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置を提供することに関連している。また、本発明の他の幾つかの態様は、製造工程をあまり増加させずに、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置を製造する方法を提供することに関連している。
本発明の第1の態様に係る半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板に配置された第2導電型の第1及び第2の埋め込み拡散層と、半導体基板上に配置された半導体層と、半導体層に配置され、第1の埋め込み拡散層上で半導体層の第1の領域を平面視で囲む第2導電型の第1の不純物拡散領域と、半導体層において第2の埋め込み拡散層上に配置された第2導電型の第2の不純物拡散領域と、半導体層の第1の領域に配置された第2導電型の第1のウエルと、半導体層において第2の不純物拡散領域に接する第2の領域に配置された第1導電型の第2のウエルと、第1のウエルに配置された第1導電型の第3及び第4の不純物拡散領域と、第2のウエルに配置された第1導電型の第5の不純物拡散領域とを備える。なお、本願において、第1導電型がP型で第2導電型がN型であっても良いし、第1導電型がN型で第2導電型がP型であっても良い。
本発明の第1の態様に係る半導体装置によれば、第1の不純物拡散領域等をベース領域とし、第3及び第4の不純物拡散領域をそれぞれエミッター領域及びコレクター領域として、ラテラル型のバイポーラトランジスターが構成される。また、第2の不純物拡散領域等をカソード又はアノード領域とし、第5の不純物拡散領域をアノード又はカソード領域として、ラテラル型のツェナーダイオードが構成される。
このように、本発明の第1の態様に係る半導体装置によれば、半導体基板に配置された埋め込み拡散層と、半導体層において埋め込み拡散層上に配置された不純物拡散領域とで構成される基本的な構造を共通にしながら、複数の異なる種類の回路素子を同一の半導体装置に混載して、多様な回路を実現することができる。
本発明の第2の態様に係る半導体装置は、第1の態様に加えて、半導体基板に配置された第2導電型の第3の埋め込み拡散層と、半導体層に配置され、第3の埋め込み拡散層上で半導体層の第3の領域を平面視で囲む第2導電型の第6の不純物拡散領域と、半導体層の第3の領域に配置された第2導電型の第3のウエルと、第3のウエルに配置された第2導電型の第7の不純物拡散領域と、少なくとも第7の不純物拡散領域上に配置された第1導電型の第8の不純物拡散領域とをさらに備える。
本発明の第2の態様に係る半導体装置によれば、第6及び第7の不純物拡散領域等をカソード又はアノード領域とし、第8の不純物拡散領域をアノード又はカソード領域として、バーチカル型のツェナーダイオードが構成される。
本発明の第3の態様に係る半導体装置は、第1の態様に加えて、半導体基板に配置された第2導電型の第3の埋め込み拡散層と、第3の埋め込み拡散層上の半導体層の第3の領域に配置された第2導電型の第3のウエルと、第3のウエルに配置された第1導電型の第6の不純物拡散領域と、第3のウエルに配置された第2導電型の第7の不純物拡散領域と、第3のウエル上に絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、第6の不純物拡散領域に配置された第2導電型の第8の不純物拡散領域とをさらに備える。
本発明の第3の態様に係る半導体装置によれば、第6の不純物拡散領域をボディー領域とし、第7の不純物拡散領域をドリフト領域又はドレイン領域とし、第8の不純物拡散領域をソース領域として、LDMOS電界効果トランジスターが構成される。
このように、本発明の第2又は第3の態様に係る半導体装置によれば、半導体基板に配置された埋め込み拡散層と、半導体層において埋め込み拡散層上に配置された不純物拡散領域又はウエルとで構成される基本的な構造を共通にしながら、複数の異なる種類の回路素子を同一の半導体装置に混載して、多様な回路を実現することができる。
本発明の第1の態様に係る半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体基板に第2導電型の第1及び第2の埋め込み拡散層を同時に形成する工程と、半導体基板上に半導体層を形成する工程と、第1の埋め込み拡散層上で半導体層の第1の領域を平面視で囲む第2導電型の第1の不純物拡散領域を半導体層に形成し、同時に、半導体層において第2の埋め込み拡散層上に第2導電型の第2の不純物拡散領域を形成する工程と、半導体層の第1の領域に第2導電型の第1のウエルを形成する工程と、半導体層において第2の不純物拡散領域に接する第2の領域に第1導電型の第2のウエルを形成する工程と、第1のウエルに第1導電型の第3及び第4の不純物拡散領域を形成し、同時に、第2のウエルに第1導電型の第5の不純物拡散領域を形成する工程とを備える。
本発明の第1の態様に係る半導体装置の製造方法によれば、第1の不純物拡散領域等をベース領域とし、第3及び第4の不純物拡散領域をそれぞれエミッター領域及びコレクター領域として、ラテラル型のバイポーラトランジスターが形成される。また、第2の不純物拡散領域等をカソード又はアノード領域とし、第5の不純物拡散領域をアノード又はカソード領域として、ラテラル型のツェナーダイオードが形成される。
本発明の第2の態様に係る半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体基板に第2導電型の第1〜第3の埋め込み拡散層を同時に形成する工程と、半導体基板上に半導体層を形成する工程と、第1の埋め込み拡散層上で半導体層の第1の領域を平面視で囲む第2導電型の第1の不純物拡散領域を半導体層に形成し、同時に、第2の埋め込み拡散層上で半導体層の第2の領域を平面視で囲む第2導電型の第2の不純物拡散領域を半導体層に形成し、半導体層において第3の埋め込み拡散層上に第2導電型の第3の不純物拡散領域を形成する工程と、半導体層の第1の領域に第2導電型の第1のウエルを形成し、同時に、半導体層の第2の領域に第2導電型の第2のウエルを形成する工程と、半導体層において第3の不純物拡散領域に接する第3の領域に第1導電型の第3のウエルを形成する工程と、第2のウエルに第2導電型の第4の不純物拡散領域を形成する工程と、第1のウエルに第1導電型の第5及び第6の不純物拡散領域を形成し、同時に、少なくとも第4の不純物拡散領域上に第1導電型の第7の不純物拡散領域を形成し、第3のウエルに第1導電型の第8の不純物拡散領域を形成する工程とを備える。
本発明の第2の態様に係る半導体装置の製造方法によれば、第1の不純物拡散領域等をベース領域とし、第5及び第6の不純物拡散領域をそれぞれエミッター領域及びコレクター領域として、ラテラル型のバイポーラトランジスターが形成される。また、第2及び第4の不純物拡散領域等をカソード又はアノード領域とし、第7の不純物拡散領域をアノード又はカソード領域として、バーチカル型のツェナーダイオードが形成される。さらに、第3の不純物拡散領域等をカソード又はアノード領域とし、第8の不純物拡散領域をアノード又はカソード領域として、ラテラル型のツェナーダイオードが形成される。
本発明の第3の態様に係る半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体基板に第2導電型の第1〜第3の埋め込み拡散層を同時に形成する工程と、半導体基板上に半導体層を形成する工程と、第1の埋め込み拡散層上で半導体層の第1の領域を平面視で囲む第2導電型の第1の不純物拡散領域を半導体層に形成し、同時に、半導体層において第2の埋め込み拡散層上に第2導電型の第2の不純物拡散領域を形成する工程と、半導体層の第1の領域に第2導電型の第1のウエルを形成し、同時に、第3の埋め込み拡散層上の半導体層の第2の領域に第2導電型の第2のウエルを形成する工程と、第2のウエルに第1導電型の第3の不純物拡散領域を形成する工程と、第2のウエルに第2導電型の第4の不純物拡散領域を形成する工程と、半導体層において第2の不純物拡散領域に接する第3の領域に第1導電型の第3のウエルを形成する工程と、第2のウエル上に絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、第3の不純物拡散領域に第2導電型の第5の不純物拡散領域を形成する工程と、第1のウエルに第1導電型の第6及び第7の不純物拡散領域を形成し、同時に、第3のウエルに第1導電型の第8の不純物拡散領域を形成する工程とを備える。
本発明の第3の態様に係る半導体装置の製造方法によれば、第1の不純物拡散領域等をベース領域とし、第6及び第7の不純物拡散領域をそれぞれエミッター領域及びコレクター領域として、ラテラル型のバイポーラトランジスターが形成される。また、第2の不純物拡散領域等をカソード又はアノード領域とし、第8の不純物拡散領域をアノード又はカソード領域として、ラテラル型のツェナーダイオードが形成される。さらに、第3の不純物拡散領域をボディー領域とし、第4の不純物拡散領域をドリフト領域又はドレイン領域とし、第5の不純物拡散領域をソース領域として、LDMOS電界効果トランジスターが形成される。
このように、本発明のいずれかの態様に係る半導体装置の製造方法によれば、複数の異なる種類の回路素子の主要な構成部分を同時に形成するので、製造工程をあまり増加させずに、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置を製造することができる。
半導体装置に搭載される回路素子の第1の例を示す図。 半導体装置に搭載される回路素子の第2の例を示す図。 半導体装置に搭載される回路素子の第3の例を示す図。 半導体装置に搭載される回路素子の第4の例を示す図。 半導体装置に搭載される回路素子の第1の例の製造工程における断面図。 半導体装置に搭載される回路素子の第1の例の製造工程における断面図。 半導体装置に搭載される回路素子の第2の例の製造工程における断面図。 半導体装置に搭載される回路素子の第2の例の製造工程における断面図。 半導体装置に搭載される回路素子の第3の例の製造工程における断面図。 半導体装置に搭載される回路素子の第3の例の製造工程における断面図。 半導体装置に搭載される回路素子の第4の例の製造工程における断面図。 半導体装置に搭載される回路素子の第4の例の製造工程における断面図。
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、重複する説明を省略する。
<半導体装置>
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、複数の異なる種類の回路素子を混載しているが、以下においては、それらの回路素子の例について、図1〜図4を参照しながら説明する。なお、図1〜図4に示した複数の異なる種類の回路素子は、同一の下地基板10上に配置される。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置に搭載される回路素子の第1の例を示す図である。図1の左側は、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターを示しており、図1の右側は、ラテラル型のPNPバイポーラトランジスターを示している。また、図1(A)は断面図であり、図1(B)は平面図である。ただし、図1(B)において、フィールド酸化膜は省略されている。
図1に示すように、この半導体装置は、P型の下地基板(半導体基板)10と、下地基板10上にP型の半導体をエピタキシャル成長させて配置されたP型のエピタキシャル層(半導体層)20とを含んでいる。下地基板10及びエピタキシャル層20の材料としては、例えば、シリコン(Si)が用いられる。エピタキシャル層(半導体層)20は、N型でも良い。
バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターが形成された素子領域(図1の左側)において、半導体装置は、下地基板10に配置されたN型の埋め込み拡散層11a及びP型の埋め込み拡散層11bを含んでいる。埋め込み拡散層11a及び11bの一部は、エピタキシャル層20に延在しても良い。
また、半導体装置は、N型の埋め込み拡散層11a上のエピタキシャル層20の所定の領域に配置された深いNウエル41と、Nウエル41に配置されたP型の不純物拡散領域51及び浅いNウエル61と、エピタキシャル層20においてNウエル41の外側に配置されたPウエル60とを含んでいる。P型の不純物拡散領域51は、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターのベース領域を構成する。Nウエル61は、Nウエル41及びN型の埋め込み拡散層11aと共に、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターのコレクター領域を構成する。
P型の不純物拡散領域51には、N型の不純物拡散領域71と、P型の不純物拡散領域51よりも高い不純物濃度を有するP型の不純物拡散領域81とが配置されている。N型の不純物拡散領域71は、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターのエミッター領域を構成する。P型の不純物拡散領域81は、ベースコンタクト領域を構成する。P型の不純物拡散領域51上には、絶縁膜(ゲート絶縁膜)を介して電極111が配置されている。絶縁膜及び電極111は、不純物拡散領域71及び81を形成する際に、ハードマスクとして用いられる。
Nウエル61には、N型の不純物拡散領域91が配置されている。N型の不純物拡散領域91は、コレクターコンタクト領域を構成する。Pウエル60には、P型の不純物拡散領域101が配置されている。P型の不純物拡散領域101は、基板コンタクト領域を構成する。不純物拡散領域81及び91の周囲には、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法等によって形成されたフィールド酸化膜110が配置されている。以上により、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターが構成される。
一方、ラテラル型のPNPバイポーラトランジスターが形成された素子領域(図1の右側)において、半導体装置は、下地基板10に配置されたN型の埋め込み拡散層12a及びP型の埋め込み拡散層12bを含んでいる。埋め込み拡散層12a及び12bの一部は、エピタキシャル層20に延在しても良い。
また、半導体装置は、エピタキシャル層20に配置され、N型の埋め込み拡散層12a上でエピタキシャル層20の所定の領域を平面視で囲むN型の不純物拡散領域(Nプラグ)32と、エピタキシャル層20の上記所定の領域に配置された深いNウエル42と、エピタキシャル層20においてNプラグ32の外側に配置されたPウエル60とを含んでいる。なお、本願において、「平面視」とは、エピタキシャル層20の主面(図中の上面)に垂直な方向から各部を透視することを言う。Nプラグ32は、Nウエル42及びN型の埋め込み拡散層12aと共に、ラテラル型のPNPバイポーラトランジスターのベース領域を構成する。
Nプラグ32には、Nプラグ32よりも高い不純物濃度を有するN型の不純物拡散領域72が配置されている。N型の不純物拡散領域72は、ベースコンタクト領域を構成する。Nウエル42には、P型の不純物拡散領域82及び92が配置されている。P型の不純物拡散領域82は、ラテラル型のPNPバイポーラトランジスターのエミッター領域を構成し、P型の不純物拡散領域92は、ラテラル型のPNPバイポーラトランジスターのコレクター領域を構成する。
Pウエル60には、P型の不純物拡散領域102が配置されている。P型の不純物拡散領域102は、基板コンタクト領域を構成する。不純物拡散領域72、82、92の周囲には、フィールド酸化膜110が配置されている。以上により、ラテラル型のPNPバイポーラトランジスターが構成される。
図2は、本発明の一実施形態に係る半導体装置に搭載される回路素子の第2の例を示す図である。図2の左側は、バーチカル型のツェナーダイオードを示しており、図2の右側は、ラテラル型のツェナーダイオードを示している。また、図2(A)は断面図であり、図2(B)は平面図である。ただし、図2(B)において、フィールド酸化膜は省略されている。
図2に示すように、バーチカル型のツェナーダイオードが形成された素子領域(図2の左側)において、半導体装置は、下地基板10に配置されたN型の埋め込み拡散層13a及びP型の埋め込み拡散層13bを含んでいる。埋め込み拡散層13a及び13bの一部は、エピタキシャル層20に延在しても良い。
また、半導体装置は、エピタキシャル層20に配置され、N型の埋め込み拡散層13a上でエピタキシャル層20の所定の領域を平面視で囲むN型の不純物拡散領域(Nプラグ)33と、エピタキシャル層20の上記所定の領域に配置された深いNウエル43と、エピタキシャル層20においてNプラグ33の外側に配置されたPウエル60とを含んでいる。
Nウエル43には、N型の不純物拡散領域73が配置され、少なくともN型の不純物拡散領域73上にP型の不純物拡散領域83が配置されている。N型の不純物拡散領域73は、Nウエル43、Nプラグ33、及び、N型の埋め込み拡散層13aと共に、バーチカル型のツェナーダイオードのカソード領域を構成する。
N型の不純物拡散領域73の濃度や形状が、バーチカル型のツェナーダイオードの降伏電圧を主に決定する。また、N型の埋め込み拡散層13a及びNプラグ33は、素子分離特性を高めることができる。P型の不純物拡散領域83は、バーチカル型のツェナーダイオードのアノード領域を構成する。
Nプラグ33には、Nプラグ33よりも高い不純物濃度を有するN型の不純物拡散領域93が配置されている。N型の不純物拡散領域93は、カソードコンタクト領域を構成する。Pウエル60には、P型の不純物拡散領域103が配置されている。P型の不純物拡散領域103は、基板コンタクト領域を構成する。不純物拡散領域83及び93の周囲には、フィールド酸化膜110が配置されている。以上により、バーチカル型のツェナーダイオードが構成される。図2に示すバーチカル型のツェナーダイオードは、例えば、7V〜10V程度の降伏電圧を有している。
一方、ラテラル型のツェナーダイオードが形成された素子領域(図2の右側)において、半導体装置は、下地基板10に配置されたN型の埋め込み拡散層14a及びP型の埋め込み拡散層14bを含んでいる。埋め込み拡散層14a及び14bの一部は、エピタキシャル層20に延在しても良い。
また、半導体装置は、エピタキシャル層20においてN型の埋め込み拡散層14a上に配置されたN型の不純物拡散領域(Nプラグ)34aを含み、エピタキシャル層20に配置され、N型の埋め込み拡散層14a上でエピタキシャル層20の所定の領域を平面視で囲むN型の不純物拡散領域(Nプラグ)34bをさらに含んでも良い。Nプラグ34a及び34bは、N型の埋め込み拡散層14aと共に、ラテラル型のツェナーダイオードのカソード領域を構成する。
Nプラグ34aには、Nプラグ34aよりも高い不純物濃度を有するN型の不純物拡散領域74が配置されており、Nプラグ34bには、Nプラグ34bよりも高い不純物濃度を有するN型の不純物拡散領域84が配置されている。N型の不純物拡散領域74及び84は、カソードコンタクト領域を構成する。
さらに、半導体装置は、エピタキシャル層20においてNプラグ34aに接する領域に配置されたPウエル64と、エピタキシャル層20においてNプラグ34bの外側に配置されたPウエル60とを含んでいる。Pウエル64は、ラテラル型のツェナーダイオードのアノード領域を構成する。
Pウエル64には、P型の不純物拡散領域94が配置されている。P型の不純物拡散領域94は、アノードコンタクト領域を構成する。Pウエル60には、P型の不純物拡散領域104が配置されている。P型の不純物拡散領域104は、基板コンタクト領域を構成する。不純物拡散領域74、84、94の周囲には、フィールド酸化膜110が配置されている。以上により、ラテラル型のツェナーダイオードが構成される。
ここで、少なくともNプラグ34a及びN型の埋め込み拡散層14aは、高い不純物濃度を有すると共に広い領域に設けられており、低い不純物濃度を有するエピタキシャル層20に接しているので、図2に示すラテラル型のツェナーダイオードは、例えば、16V〜22V程度の高い降伏電圧を有している。
図3は、本発明の一実施形態に係る半導体装置に搭載される回路素子の第3の例を示す図である。図3の左側は、CMOS電界効果トランジスターを示しており、図3の右側は、LD(Lateral Double-diffused)MOS電界効果トランジスターを示している。また、図3(A)は断面図であり、図3(B)は平面図である。ただし、図3(B)において、フィールド酸化膜は省略されている。
図3に示すように、CMOS電界効果トランジスターが形成された素子領域(図3の左側)において、半導体装置は、下地基板10に配置されたN型の埋め込み拡散層15a及びP型の埋め込み拡散層15bを含んでいる。埋め込み拡散層15a及び15bの一部は、エピタキシャル層20に延在しても良い。
また、半導体装置は、N型の埋め込み拡散層15a上のエピタキシャル層20の所定の領域に配置された深いNウエル45と、Nウエル45に配置された浅いNウエル65a及びPウエル65bと、エピタキシャル層20においてNウエル45の外側に配置されたPウエル60とを含んでいる。Nウエル65aは、PチャネルMOS電界効果トランジスターのバックゲート領域を構成し、Pウエル65bは、NチャネルMOS電界効果トランジスターのバックゲート領域を構成する。
Nウエル65aには、P型の不純物拡散領域75a及び85aと、N型の不純物拡散領域95aとが配置されている。P型の不純物拡散領域75a及び85aは、PチャネルMOS電界効果トランジスターのソース/ドレイン領域を構成し、N型の不純物拡散領域95aは、バックゲートコンタクト領域を構成する。Nウエル65a上には、ゲート絶縁膜を介してゲート電極115aが配置されている。
Pウエル65bには、N型の不純物拡散領域75b及び85bと、P型の不純物拡散領域95bとが配置されている。N型の不純物拡散領域75b及び85bは、NチャネルMOS電界効果トランジスターのソース/ドレイン領域を構成し、P型の不純物拡散領域95bは、バックゲートコンタクト領域を構成する。Pウエル65b上には、ゲート絶縁膜を介してゲート電極115bが配置されている。
Pウエル60には、P型の不純物拡散領域105が配置されている。P型の不純物拡散領域105は、基板コンタクト領域を構成する。不純物拡散領域75a等の周囲には、フィールド酸化膜110が配置されている。以上により、CMOS電界効果トランジスターが構成される。
一方、LDMOS電界効果トランジスターが形成された素子領域(図3の右側)において、半導体装置は、下地基板10に配置されたN型の埋め込み拡散層16a及びP型の埋め込み拡散層16bを含んでいる。埋め込み拡散層16a及び16bの一部は、エピタキシャル層20に延在しても良い。
また、半導体装置は、N型の埋め込み拡散層16a上のエピタキシャル層20の所定の領域に配置された深いNウエル46と、Nウエル46に配置されたP型の不純物拡散領域56a及びN型の不純物拡散領域56bと、エピタキシャル層20においてNウエル46の外側に配置されたPウエル60とを含んでいる。
P型の不純物拡散領域56aは、LDMOS電界効果トランジスターのボディー領域を構成する。N型の不純物拡散領域56bは、LDMOS電界効果トランジスターにおいてドレイン領域とボディー領域との間で電流が流れるドリフト領域、又は、ドレイン領域の一部を構成する。なお、N型の不純物拡散領域56bを省略しても良い。
P型の不純物拡散領域56aには、N型の不純物拡散領域86、及び、P型の不純物拡散領域56aよりも高い不純物濃度を有するP型の不純物拡散領域96が配置されている。N型の不純物拡散領域86は、LDMOS電界効果トランジスターのソース領域を構成し、P型の不純物拡散領域96は、ボディーコンタクト領域を構成する。
N型の不純物拡散領域56bには、N型の不純物拡散領域56bよりも高い不純物濃度を有するN型の不純物拡散領域76が配置されている。N型の不純物拡散領域76は、LDMOS電界効果トランジスターのドレイン領域を構成する。Nウエル46上には、絶縁膜(ゲート絶縁膜又はフィールド酸化膜110)を介してゲート電極116が配置されている。
Pウエル60には、P型の不純物拡散領域106が配置されている。P型の不純物拡散領域106は、基板コンタクト領域を構成する。N型の不純物拡散領域76の周囲には、フィールド酸化膜110が配置されている。以上により、LDMOS電界効果トランジスターが構成される。
図4は、本発明の一実施形態に係る半導体装置に搭載される回路素子の第4の例を示す図である。図4は、MOS構造を用いて形成されるキャパシターを示している。また、図4(A)は断面図であり、図4(B)は平面図である。ただし、図4(B)において、フィールド酸化膜は省略されている。
図4に示すように、キャパシターが形成された素子領域において、半導体装置は、下地基板10に配置されたN型の埋め込み拡散層17a及びP型の埋め込み拡散層17bを含んでいる。埋め込み拡散層17a及び17bの一部は、エピタキシャル層20に延在しても良い。
また、半導体装置は、N型の埋め込み拡散層17a上のエピタキシャル層20の所定の領域に配置された深いNウエル47と、Nウエル47に配置された浅いNウエル67a及びPウエル67bと、エピタキシャル層20においてNウエル47の外側に配置されたPウエル60とを含んでいる。
Nウエル67aには、N型の不純物拡散領域87aが配置されている。N型の不純物拡散領域87aは、Nウエル67aに電位を与えるために用いられる。Pウエル67bには、N型の不純物拡散領域77及びP型の不純物拡散領域87bが配置されている。N型の不純物拡散領域77は、キャパシターの第1の電極BPLを構成し、P型の不純物拡散領域87bは、Pウエル67bに電位を与えるために用いられる。
N型の不純物拡散領域77には、N型の不純物拡散領域77よりも高い不純物濃度を有するN型の不純物拡散領域97が配置されている。N型の不純物拡散領域97は、第1の電極のコンタクト領域を構成する。N型の不純物拡散領域77上には、絶縁膜(ゲート絶縁膜)が配置されており、絶縁膜上には、電極117が配置されている。電極117は、キャパシターの第2の電極TPLを構成する。
Pウエル60には、P型の不純物拡散領域107が配置されている。P型の不純物拡散領域107は、基板コンタクト領域を構成する。不純物拡散領域87a及び87bの周囲には、フィールド酸化膜110が配置されている。以上により、キャパシターが構成される。
ここで、Pウエル67bは、エピタキシャル層20においてN型の不純物拡散領域77を囲むように配置されている。また、Nウエル47及び67aは、エピタキシャル層20においてPウエル67bを囲むように配置されている。このように、N型の不純物拡散領域77を囲むPウエル67bと、Pウエル67bを囲むNウエル47及び67aとをエピタキシャル層20に設けることにより、キャパシターの第2の電極の絶縁特性を高めることができる。
本実施形態によれば、下地基板10に配置された埋め込み拡散層と、エピタキシャル層20において埋め込み拡散層上に配置された不純物拡散領域(プラグ)又はウエルとで構成される基本的な構造を共通にしながら、複数の異なる種類の回路素子を同一の半導体装置に混載して、多様な回路を実現することができる。
<製造方法>
次に、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置を製造することが可能であるが、以下においては、それらの回路素子の製造工程について、図5A〜図8Bを参照しながら説明する。なお、図5A〜図8Bに示した複数の異なる種類の回路素子の製造工程は、同一の下地基板10上で行われる。
図5A〜図8Bは、本発明の一実施形態に係る半導体装置に搭載される回路素子の第1〜第4の例の製造工程における断面図である。図5A及び図5Bの左側は、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターの製造工程を示しており、図5A及び図5Bの右側は、ラテラル型のPNPバイポーラトランジスターの製造工程を示している。
また、図6A及び図6Bの左側は、バーチカル型のツェナーダイオードの製造工程を示しており、図6A及び図6Bの右側は、ラテラル型のツェナーダイオードの製造工程を示している。図7A及び図7Bの左側は、CMOS電界効果トランジスターの製造工程を示しており、図7A及び図7Bの右側は、LDMOS電界効果トランジスターの製造工程を示している。図8A及び図8Bは、MOS構造を用いて形成されるキャパシターの製造工程を示している。
まず、P型の下地基板(半導体基板)10として、例えば、P型不純物としてボロン(B)等を含むシリコン(Si)基板が用意される。フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、下地基板10の第1群の領域にアンチモン(Sb)若しくは燐(P)イオン等のN型不純物が同時に注入され、第2群の領域にボロン(B)イオン等のP型不純物が同時に注入される。その後、不純物を熱によって拡散することにより、図5A〜図8Aの(a)に示すように、N型の埋め込み拡散層11a〜17aが同時に形成されると共に、P型の埋め込み拡散層11b〜17bが同時に形成される。
次に、図5A〜図8Aの(b)に示すように、下地基板10上にP型のエピタキシャル層(半導体層)20がエピタキシャル成長によって形成される。例えば、シリコン基板上にシリコン層をエピタキシャル成長させる際に、ボロン(B)等のP型不純物のガスを混合させることにより、所望の導電率(比抵抗)を有するP型のエピタキシャル層20を形成することができる。エピタキシャル層20の厚さは、例えば、4.5μm〜5μm程度である。エピタキシャル層(半導体層)20は、N型でも良い。
次に、図5A〜図8Aの(c)に示す工程において、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、エピタキシャル層20の複数の領域に、燐(P)イオン等のN型不純物が同時に注入される。例えば、燐イオンをシリコンエピタキシャル層に注入してNプラグを形成する場合には、ドーズ量が、2×1014atom/cm〜5×1014atom/cm程度とされる。
さらに、図5A〜図8Aの(d)に示す工程において、エピタキシャル層20に注入されたN型不純物を熱によって拡散することにより、N型不純物がN型の埋め込み拡散層11a〜17aに到達して、Nプラグ32〜34bが同時に形成されると共に、Nウエル41〜43及び45〜47が同時に形成される。
例えば、シリコンエピタキシャル層に注入された燐を拡散させる場合には、加熱温度が、1100℃〜1150℃程度とされる。その際に、埋め込み拡散層11a〜17a及び11b〜17bの一部が、不純物の熱拡散によってエピタキシャル層20に延在しても良い。
それにより、図5Aの(d)に示すように、N型の埋め込み拡散層12a上でエピタキシャル層20の領域A2を平面視で囲むNプラグ32が、エピタキシャル層20に形成される。それと同時に、図6Aの(d)に示すように、N型の埋め込み拡散層13a上でエピタキシャル層20の領域A3を平面視で囲むNプラグ33が、エピタキシャル層20に形成される。
また、エピタキシャル層20においてN型の埋め込み拡散層14a上にNプラグ34aが形成されると共に、N型の埋め込み拡散層14a上でエピタキシャル層20の領域A4を平面視で囲むNプラグ34bが、エピタキシャル層20に形成される。さらに、エピタキシャル層20の領域A1〜A3及びA5〜A7に、Nウエル41〜43及び45〜47が同時に形成される。
次に、図5A〜図8Aの(e)に示す工程において、例えば、LOCOS法によって、エピタキシャル層20の主面(図中の上面)の所定の領域に、フィールド酸化膜110が形成される。なお、フィールド酸化膜110の形成は、不純物拡散領域56a等を形成した後に行っても良い。
次に、図5B及び図7Bの(f)に示す工程において、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、Nウエル41及び46の一部の領域に、ボロン(B)イオン等のP型不純物が注入される。それにより、図5Bの(f)に示すように、Nウエル41にP型の不純物拡散領域(ベース領域)51が形成され、それと同時に、図7Bの(f)に示すように、Nウエル46にP型の不純物拡散領域(ボディー領域)56aが形成される。
また、図7Bの(f)に示す工程において、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、Nウエル46の他の一部の領域に、燐(P)イオン等のN型不純物が注入される。それにより、図7Bの(f)に示すように、Nウエル46にN型の不純物拡散領域(ドリフト領域又はドレイン領域)56bが形成される。
次に、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、深いNウエルの一部の領域に、燐(P)イオン等のN型不純物が注入される。それにより、図5Bの(g)に示すように、深いNウエル41に浅いNウエル61が形成される。それと同時に、図7Bの(g)に示すように、深いNウエル45に浅いNウエル65aが形成され、図8Bの(g)に示すように、深いNウエル47に浅いNウエル67aが形成される。
また、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、エピタキシャル層20又は深いNウエルの他の一部の領域に、ボロン(B)イオン等のP型不純物が注入される。それにより、図5B〜図8Bの(g)に示すように、エピタキシャル層20に浅いPウエル60が形成される。
それと同時に、図6Bの(g)に示すように、エピタキシャル層20においてNプラグ34aに接する領域に浅いPウエル64が形成される。また、図7Bの(g)に示すように、深いNウエル45に浅いPウエル65bが形成され、図8Bの(g)に示すように、深いNウエル47に浅いPウエル67bが形成される。
次に、図6B及び図8Bの(h)に示す工程において、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、Nウエル43及びPウエル67bの一部の領域に、燐(P)イオン等のN型不純物が同時に注入される。それにより、図6Bの(h)に示すように、深いNウエル43にN型の不純物拡散領域73が形成され、それと同時に、図8Bの(h)に示すように、Pウエル67bにN型の不純物拡散領域77が形成される。
その際の注入条件として、例えば、燐イオンをシリコンエピタキシャル層に注入してN型の不純物拡散領域を形成する場合には、加速電圧が、100keV〜150keV程度とされ、ドーズ量が、2×1013atom/cm〜6×1013atom/cm程度とされる。それにより、7V〜10V程度の降伏電圧を有するツェナーダイオードのカソードと、酸化膜の異常成長を抑制できるキャパシターの不純物拡散領域とを同時に形成することができる。
次に、例えば、エピタキシャル層20の主面を熱酸化することによって、エピタキシャル層20の主面にゲート絶縁膜(図示せず)が形成される。それにより、図5Bの(i)に示すP型の不純物拡散領域51にゲート絶縁膜が形成される。それと同時に、図7Bの(i)に示すNウエル65a、Pウエル65b、及び、Nウエル46上にゲート絶縁膜が形成される。また、図8Bの(i)に示すN型の不純物拡散領域77上にゲート絶縁膜が形成される。
さらに、ゲート絶縁膜上に電極又はゲート電極が形成される。それにより、図5Bの(i)に示すように、P型の不純物拡散領域51上にゲート絶縁膜を介して電極111が形成される。それと同時に、図7Bの(i)に示すように、Nウエル65a上にゲート絶縁膜を介してゲート電極115aが形成され、Pウエル65b上にゲート絶縁膜を介してゲート電極115bが形成され、Nウエル46上にゲート絶縁膜又はフィールド酸化膜110を介してゲート電極116が形成される。
また、図8Bの(i)に示すように、N型の不純物拡散領域77上にゲート絶縁膜を介して電極117が形成される。電極111及び117、及び、ゲート電極115a、115b、及び、116は、例えば、不純物がドープされて導電性を有するポリシリコン等で形成される。
次に、図5B〜図8Bの(j)に示す工程において、各種のウエルや不純物拡散領域に、燐(P)イオン等のN型不純物が注入される。それにより、図5Bの(j)に示すように、P型の不純物拡散領域51にN型の不純物拡散領域71が形成され、Nウエル61にN型の不純物拡散領域91が形成される。それと同時に、Nプラグ32にN型の不純物拡散領域72が形成される。
また、図6Bの(j)に示すように、Nプラグ33にN型の不純物拡散領域93が形成され、Nプラグ34a及び34bにN型の不純物拡散領域74及び84がそれぞれ形成される。また、図7Bの(j)に示すように、Nウエル65aにN型の不純物拡散領域95aが形成され、Pウエル65bにN型の不純物拡散領域75b及び85bが形成され、P型の不純物拡散領域56aにN型の不純物拡散領域86が形成され、N型の不純物拡散領域56bにN型の不純物拡散領域76が形成される。また、図8Bの(j)に示すように、Nウエル67aにN型の不純物拡散領域87aが形成され、N型の不純物拡散領域77にN型の不純物拡散領域97が形成される。
さらに、各種のウエルや不純物拡散領域に、ボロン(B)イオン等のP型不純物が注入される。それにより、図5B〜図8Bの(j)に示すように、Pウエル60にP型の不純物拡散領域101〜107がそれぞれ形成される。それと同時に、図5Bの(j)に示すように、P型の不純物拡散領域51にP型の不純物拡散領域81が形成され、Nウエル42にP型の不純物拡散領域82及び92が形成される。
また、図6Bの(j)に示すように、少なくともN型の不純物拡散領域73上にP型の不純物拡散領域83が形成され、Pウエル64にP型の不純物拡散領域94が形成される。また、図7Bの(j)に示すように、Nウエル65aにP型の不純物拡散領域75a及び85aが形成され、Pウエル65bにP型の不純物拡散領域95bが形成され、P型の不純物拡散領域56aにP型の不純物拡散領域96が形成される。また、図8Bの(j)に示すように、Pウエル67bにP型の不純物拡散領域87bが形成される。
不純物を注入する工程においては、フィールド酸化膜110、電極111及び117、ゲート電極115a、115b、及び、116が、ハードマスクとして用いられる。以降の工程は、通常の半導体装置の製造工程と同様である。即ち、所定数の層間絶縁膜及び配線層が形成される。各々のコンタクト領域及びゲート電極上において、層間絶縁膜にコンタクトホールが形成され、アルミニウム(Al)等の配線又はタングステン(W)等のプラグが、コンタクト領域及びゲート電極に接続される。
本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、複数の異なる種類の回路素子の主要な構成部分を同時に形成するので、製造工程をあまり増加させずに、異なる種類の回路素子を混載した半導体装置を製造することができる。例えば、ラテラル型のバイポーラトランジスター及びラテラル型のツェナーダイオードの主要な構成部分を同時に形成することができる。さらに、バーチカル型のツェナーダイオード又はLDMOS電界効果トランジスターの主要な構成部分を同時に形成することができる。
上記の実施形態においてはP型の半導体基板を用いる場合について説明したが、N型の半導体基板を用いても良い。その場合には、他の構成部分においてP型とN型とを逆にすれば良い。このように、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
10…下地基板、11a〜17a…N型の埋め込み拡散層、11b〜17b…P型の埋め込み拡散層、20…エピタキシャル層、32〜34b…Nプラグ、41〜43、45〜47…Nウエル、51、56a…P型の不純物拡散領域、56b…N型の不純物拡散領域、60、64、65b、67b…Pウエル、61、65a、67a…Nウエル、71〜74、75b、76、77、84、85b、86、87a、91、93、95a、97…N型の不純物拡散領域、75a、81〜83、85a、87b、92、94、95b、96、101〜107…P型の不純物拡散領域、110…フィールド酸化膜、111、117…電極、115a〜116…ゲート電極。

Claims (6)

  1. 第1導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板に配置された第2導電型の第1及び第2の埋め込み拡散層と、
    前記半導体基板上に配置された半導体層と、
    前記半導体層に配置され、前記第1の埋め込み拡散層上で前記半導体層の第1の領域を平面視で囲む第2導電型の第1の不純物拡散領域と、
    前記半導体層において前記第2の埋め込み拡散層上に配置され、前記半導体層の第2の領域を平面視で囲む第2導電型の第2の不純物拡散領域と、
    前記半導体層の第1の領域に配置された第2導電型の第1のウエルと、
    前記半導体層において前記第2の不純物拡散領域に接する前記第2の領域に配置された第1導電型の第2のウエルと、
    前記第1のウエルに配置された第1導電型の第3及び第4の不純物拡散領域と、
    前記第2のウエルに配置され、平面視で環状に配置された第1導電型の第5の不純物拡散領域と、
    を備える半導体装置。
  2. 前記半導体基板に配置された第2導電型の第3の埋め込み拡散層と、
    前記半導体層に配置され、前記第3の埋め込み拡散層上で前記半導体層の第3の領域を平面視で囲む第2導電型の第6の不純物拡散領域と、
    前記半導体層の第3の領域に配置された第2導電型の第3のウエルと、
    前記第3のウエルに配置された第2導電型の第7の不純物拡散領域と、
    少なくとも前記第7の不純物拡散領域上に配置された第1導電型の第8の不純物拡散領域と、
    をさらに備える、請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記半導体基板に配置された第2導電型の第3の埋め込み拡散層と、
    前記第3の埋め込み拡散層上の前記半導体層の第3の領域に配置された第2導電型の第3のウエルと、
    前記第3のウエルに配置された第1導電型の第6の不純物拡散領域と、
    前記第3のウエルに配置され、前記第6の不純物拡散領域を平面視で囲む第2導電型の第7の不純物拡散領域と、
    前記第6の不純物拡散領域と前記第7の不純物拡散領域との間に位置する前記第3のウエル上に絶縁膜を介して配置された環状のゲート電極と、
    前記第6の不純物拡散領域に配置された第2導電型の第8の不純物拡散領域と、
    をさらに備える、請求項1記載の半導体装置。
  4. 第1導電型の半導体基板に第2導電型の第1及び第2の埋め込み拡散層を同時に形成する工程と、
    前記半導体基板上に半導体層を形成する工程と、
    前記第1の埋め込み拡散層上で前記半導体層の第1の領域を平面視で囲む第2導電型の第1の不純物拡散領域を前記半導体層に形成し、同時に、前記半導体層において前記第2の埋め込み拡散層上に第2導電型の第2の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記半導体層の第1の領域に第2導電型の第1のウエルを形成する工程と、
    前記半導体層において前記第2の不純物拡散領域に接する第2の領域に第1導電型の第2のウエルを形成する工程と、
    前記第1のウエルに第1導電型の第3及び第4の不純物拡散領域を形成し、同時に、前記第2のウエルに第1導電型の第5の不純物拡散領域を形成する工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。
  5. 第1導電型の半導体基板に第2導電型の第1〜第3の埋め込み拡散層を同時に形成する工程と、
    前記半導体基板上に半導体層を形成する工程と、
    前記第1の埋め込み拡散層上で前記半導体層の第1の領域を平面視で囲む第2導電型の第1の不純物拡散領域を前記半導体層に形成し、同時に、前記第2の埋め込み拡散層上で前記半導体層の第2の領域を平面視で囲む第2導電型の第2の不純物拡散領域を前記半導体層に形成し、前記半導体層において前記第3の埋め込み拡散層上に第2導電型の第3の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記半導体層の第1の領域に第2導電型の第1のウエルを形成し、同時に、前記半導体層の第2の領域に第2導電型の第2のウエルを形成する工程と、
    前記半導体層において前記第3の不純物拡散領域に接する第3の領域に第1導電型の第3のウエルを形成する工程と、
    前記第2のウエルに第2導電型の第4の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記第1のウエルに第1導電型の第5及び第6の不純物拡散領域を形成し、同時に、少なくとも前記第4の不純物拡散領域上に第1導電型の第7の不純物拡散領域を形成し、前記第3のウエルに第1導電型の第8の不純物拡散領域を形成する工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。
  6. 第1導電型の半導体基板に第2導電型の第1〜第3の埋め込み拡散層を同時に形成する工程と、
    前記半導体基板上に半導体層を形成する工程と、
    前記第1の埋め込み拡散層上で前記半導体層の第1の領域を平面視で囲む第2導電型の第1の不純物拡散領域を前記半導体層に形成し、同時に、前記半導体層において前記第2の埋め込み拡散層上に第2導電型の第2の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記半導体層の第1の領域に第2導電型の第1のウエルを形成し、同時に、前記第3の埋め込み拡散層上の前記半導体層の第2の領域に第2導電型の第2のウエルを形成する工程と、
    前記第2のウエルに第1導電型の第3の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記第2のウエルに第2導電型の第4の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記半導体層において前記第2の不純物拡散領域に接する第3の領域に第1導電型の第3のウエルを形成する工程と、
    前記第2のウエル上に絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
    前記第3の不純物拡散領域に第2導電型の第5の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記第1のウエルに第1導電型の第6及び第7の不純物拡散領域を形成し、同時に、前記第3のウエルに第1導電型の第8の不純物拡散領域を形成する工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。
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