JPS6254961A - Dmosトランジスタのスレツシユホ−ルド電圧をシフトさせる方法 - Google Patents

Dmosトランジスタのスレツシユホ−ルド電圧をシフトさせる方法

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JPS6254961A
JPS6254961A JP61202762A JP20276286A JPS6254961A JP S6254961 A JPS6254961 A JP S6254961A JP 61202762 A JP61202762 A JP 61202762A JP 20276286 A JP20276286 A JP 20276286A JP S6254961 A JPS6254961 A JP S6254961A
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リチャード エイ.ブランチャード
リチャード ケイ.ウィリアムズ
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、Mo8)−ランジスタに関するものであって
、更に詳細には、製造過程中に二重拡散型MOS (D
MOS)  トランジスタのスレッシュホールド電圧を
シフトさせる方法に関するものである。
MoSトランジスタは従来公知である。従来のMoSト
ランジスタを断面で第1図に示しである。
第1図を参照すると、NチャンネルMo8 (NMoS
)トランジスタ10は、P−型基板14内に形成したN
+ソース12s及びN+ドレイン12dを有している。
コンタクトメタリゼーション22及び24が夫々ソース
12s及びドレイン12dへ電気的にコンタクトしてい
る。チャンネル領域16がソース12sとドレイン12
dとの間に存在している。チャンネル16上方には、二
酸化シリコン18の如き絶縁物質の層があり、二酸化シ
リコン層18の上には、アルミニウム又はポリシリコン
等の物質からなるゲート導体20が存在している。従来
公知の如く、ソース12gに存在する電圧と相対的な電
圧をドレイン12dへ印加すると、ゲート導体20にお
ける電圧がトランジスタ10のスレッシュホールド電圧
よりも大きくない限り、ドレイン12dがらソース12
gへは電流は流れない。
トランジスタの製造過程中にトランジスタ1゜の如きト
ランジスタのスレッシュホールド電圧を修正する為の種
々の方法がある。このことは、特定の適用条件に適合さ
せたスレッシュホールド電圧を持ったMOSトランジス
タを設計者が提供することを可能とする為に行われる0
例えば、トランジスタのチャンネル領域内にドーパント
を導入する為にイオン注入を使用することは従来公知で
ある。このプロセスは、William E、 Art
astrongに対して発行された米国再発行特許第2
9,660号に詳細に記載されている。更に従来公知の
こととしては、最終的な高温処理ステップの間に、窒素
の代りに酸素中においてウェハをアニールすることによ
ってMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧を調
節することである。これは、チャンネル上方のシリコン
と二酸化シリコンとの界面において単位面積当りの固定
電荷を増加させ、そのことは該トランジスタのスレッシ
ュホールド電圧を減少させる。更に公知のことは、[1
111結晶配向を持ったシリコンを使用することであり
それは[100]配向を持ったシリコンを使用して製造
したデバイスよりもシリコンと二酸化シリコンとの界面
においてより多くの電荷を発生させる。従来の低電圧(
即ち、20V未満)MOSトランジスタのスレッシュホ
ールド電圧を調節する為に使用した技術は、ゲート絶縁
膜として1,000人の厚さの二酸化シリコンを持った
トランジ・ スタに対して表工に示した範囲内のスレッ
シュホールドのシフトを与える。
紅 XL/ッシュホールド電圧  従来トランジスタにシフ
ト ”        おける電 シフト量シリコン串
内のイオン注入 Δvth=o乃至±2vアニール  
       Δvth=o7)至−2v[1111配
向に対しテ[100] 結晶配向の使用      Δvth=o乃至2v傘リ
ーク(即ち、トランジスタがオフの時にそれを介して流
れる電流)及びブレークダウン電圧が変化 MoSトランジスタの1変形例はDMOSトランジスタ
であり、それは通常高電流(即ち、最大20OA)及び
高電圧(即ち、最大1,0OOV)適用において使用さ
れる。(従来公知の如<、DMOSトランジスタは、共
通端部乃至は境界からの逐次的に導入した不純物の拡散
における差異を使用してチャンネル長さを画定するトラ
ンジスタである。)第2a図は、従来技術に従って製造
した縦型DMOSトランジスタ50の断面を示している
。DMOSトランジスタは、多少の違いはあるが、従来
のMOSトランジスタと同様の態様で動作する。DMO
Sトランジスタ50は、一対のP領域54(トランジス
タ50の本体領域)内に形成したN+ソース52sを有
しており、該P領域はN−ドレイン領域52d内に形成
されており。
そのN−ドレイン領域はドレインリード57に接続され
ているN÷領域56上に形成されている。
領域54は2つの分離した領域の様に見えるが、これら
は実際には、領域52gの如く、断面の面の背後で結合
された単一の連続的な領域である。
メタリゼーション64及び66は領域54及び52sと
電気的にコンタクトする。N−ドレイン領域52d上方
に延在しているP領域54と56及びN+ソース52s
は二酸化シリコン層6oの如き絶縁物質層である。絶縁
層60の上にはポリシリコン又はアルミニウムから形成
されたゲート62がある。動作に付いて説明する、トラ
ンジスタ50のスレッシュホールド電圧よりも大きな正
の電圧がゲート62へ印加されると、電流キャリヤ(N
チャンネルデバイスにおいては電子)が、正電圧がドレ
インに存在する時には、矢印A及びBで示した方向にソ
ース領域52sからドレイン52dへ流される。
トランジスタ50の如きトランジスタは、高電圧−高電
流適用に対して特に適切であることが分かっている。何
故ならば、DMOSトランジスタのチャンネル長さは従
来のMOSトランジスタの製造におけるよりも一層狭い
値の範囲内に制御することが可能だからである。(上述
した如く、チャンネル長さは共通の境界乃至は発生値か
らの逐次的拡散の間の差異によって決定されるので、チ
ャンネル長さは精密に制御される。)このことは、チャ
ンネル領域によって寄与されるオン抵抗がそうである如
く、トランジスタの相互コンダクタンスは略チャンネル
長さに逆比例する。DMO3)−ランジスタにおいて、
N″″領域52d(これはドレインの一部を形成する)
はチャンネル52cよすも軽度にドープされているので
、逆バイアスされると、チャンネル52cとドレイン5
2dとの間の空乏領域はチャンネル52cよりもN−ド
レイン52d内に更に延在し、チャンネル52cとドレ
イン52dとが同じ濃度でドープされている場合よりも
より少ない範囲でチャンネル長さに影響を与える。(従
来公知の如く、トランジスタ50がオフの場合、チャン
ネル−ドレイン接合は逆バイアスされ、ドレイン52d
における電圧はチャンネル52cにおける電圧よりも大
きい。空乏領域は、ドレイン52dとチャンネル52c
との間の領域であって、逆バイアスされると、その中の
正孔及び導通電子は逆バイアス電圧によって取り除かれ
る。)この動静の為に、パンチスルーブレークダウンと
呼ばれる現象となることのある本体領域54をソース5
2へ貫通して空乏させること無しに、高ドレイン電圧に
耐えることが可能である。
DMOSトランジスタは、従来の低電圧MOSトランジ
スタにおけるドーピング分布とは異なった。ソースとド
レインとの間のチャンネル領域に沿って傾斜ドーピング
分布を必要とする。傾斜ドーピング分布は、第2b図の
グラフに示した如き非一様性のドーピング分布である。
ドレイン領域上の大きな逆バイアス電圧に耐える為に本
体内に必要とされる典型的なりMOSドーピング濃度も
、デバイスに対してのスレッシュホールド電圧を決定す
る。低電圧(即ち、100v未満)のDMOSトランジ
スタに対して、約1vのスレッシュホールド電圧は認知
し得る程度のサブスレッシュホールド電流が発生する前
に従来のプロセス制御によって得ることが可能である。
(サブスレッシュホールド電流は、計算したスレッシュ
ホールド電圧以下のゲート電圧で発生する電流である。
この電流は、スレッシュホールド電圧がゼロVへ近付く
と迅速に増加する。) 2乃至4vの典型的なスレッシュホールド電圧を持った
従来の縦型DMOSトランジスタの場合、6v未満のス
レッシュホールド電圧シフトを表工に示した方法を使用
して得ることが可能である。
チャ、ンネル領域においてドーピング分布を変化させる
為にイオン注入を使用することは、DMOSトランジス
タのブレークダウン電圧を減少させることが実験的に分
かっている。イオン注入技術を使用せずに得ることの可
能なスレッシュホールドシフトは約4vであり、それは
所望のデプリション(空乏)モード特性を発生させる、
即ちスレッシュホールド電圧をゼロV以下にシフトさせ
る為には十分ではない、(従来公知の如く、デプリショ
ンモードトランジスタは通常オンのトランジスタであり
、Nチャンネルデバイスの場合、それをオフさせる為に
は負電圧を印加させることが必要である。)従って、負
のスレッシュホールド電圧を持ったDMOSトランジス
タ、即ちデプリションモードDMOSトランジスタ、を
形成することが所望される場合には、別の方法を使用し
てスレッシュホールド電圧を減少させねばならない。
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、DMOSトランジス
タのスレッシュホールド電圧をシフトさせる方法を提供
することを目的とする。本発明方法においては、イオン
注入及び爾後の処理ステップの後に正又は負の何れかに
帯電したままのイオンをゲート絶縁膜内にイオン注入す
るステップを有する。本発明の1実施例においては、セ
シウムイオン(これは正のイオン)を使用してDMOS
トランジスタのスレシュホールド電圧を負の方向ヘシフ
トさせる。これらのイオンは絶縁物質に取り囲まれるの
で、ゲート絶縁膜内にイオン注入されてもそれらの電荷
を保持する0本発明の別の実施例においては、沃素イオ
ン(これは負のイオン)を使用してスレッシュホールド
電圧を正の方向ヘシフトさせる。イオン、ドーズ、注入
エネルギ、及びゲート絶縁膜の種々のパラメータの選択
は、スレッシュホールド電圧における変化を決定する。
この様にして、DMOSトランジスタのスレッシュホー
ルド電圧を正確に制御することが可能である。イオンを
ゲート絶縁膜内にイオン注入することによって、DMO
Sトランジスタのブレークダウン又は漏れ特性を変化さ
せること無しに、上述した従来技術よりもより大きな範
囲にDMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧を
シフトさせることが可能である。
第3a図を参照すると、N型エピタキシャル層101を
N子基板100上に付着させる0本発明の1実施例にお
いて、エピタキシャル層101は0.5と30Ω・cm
の範囲内の導電度を持っており、基板100は0.00
5と0.1Ω・cmの範囲内の導電度を持っている。次
いで、二酸化シリコン層102をエピタキシャル層10
1上に形成する。二酸化シリコン層102は典型的には
3゜000乃至8,000人の厚さであり、熱酸化処理
によって形成され、例えば約3乃至6時間の間酸素中で
ウェハを約1,050乃至1,200℃へ加熱するか、
又は0.5乃至2時間の量水蒸気中で900乃至1,1
00℃へ加熱する6次いで、二酸化シリコン層102を
パターン形成して、従来技術(例えば、二酸化シリコン
層102をホトレジストで被覆し、該ホトレジストをパ
ターン形成して二酸化シリコン層102を部分的に露出
させ、例えば緩衝HFを使用して露出して部分をエツチ
ングする)を使用して形成されるべきDMOSトランジ
スタの活性区域を露出させ、第3a図に示した構成とす
る。
第3b図を参照すると2次いで、ウェハをホトレジスト
層103で被覆し、それを公知の方法でパターン形成し
て、DMOSトランジスタの深い本体即ちP中領域10
6となるべきエピタキシャル層101の部分104を露
出させる。次いで、ウェハにイオン注入プロセスを行い
、P中領域106を形成する。(本発明の別の実施例に
おいては、深い本体領域106はその他の技術によって
形成することが可能である。)このプロセスにおいては
、20乃至200keVのエネルギを持ったボロンイオ
ンを約1013乃至10”/Cm”の範囲内のドーズヘ
イオン注入させる。その後、第3C図に示した如く、ホ
トレジスト層103の残存部分を除去し、深い本体領域
106を所望の接合深さ、典型的には3乃至5ミクロン
、へ拡散させ、それは1例えば、酸素又は窒素の如き不
活性ガス中におイテ約1,100乃至1,200℃で約
4乃至12時間の間ウェハを拡散させることによって行
う。第3d図を参照すると、ウェハ上に新たなホトレジ
スト層110を付着させる。活性領域112を露出させ
る為に、公知の方法でホトレジスト層110をパターン
形成する。活性領域112をエツチングして、緩衝HF
を使用するウェットエツチングプロセス又はプラズマエ
ッチプロセスによる前の処理ステップの間に、活性領域
112の表面上に形成されることのある全ての二酸化シ
リコンを除去する。その後に、ホトレジスト層110を
除去する。
次いで、二酸化シリコン114の500乃至1゜000
人の厚さの層を第3e図に示した如く活性領域112上
に形成するが、その場合に、例えば、酸素雰囲気中にお
いて約0.5乃至2.0時間の間約900乃至1,10
0℃で熱酸化によって行う。本発明の1実施例において
は、二酸化シリコン層114は後に形成されるべきDM
O8)−ランジスタのゲート絶縁膜を形成する。本発明
の別の実施例においては、二酸化シリコン層114は窒
化シリコン(不図示)の上側層と結合してゲート絶縁膜
を形成する。何れの場合においても、次いで、ウェハを
ホトレジスト層115で被覆し、該ホトレジスト層をパ
ターン形成して、後に説明する如く、スレッシュホール
ド電圧調節用イオンをイオン注入することを所望される
ゲート絶縁層114の部分を露出させる。その他の実施
例においては、ホトレジスト層115は使用せずに、イ
オン注入によるスレッシュホールド調節用物質の導入の
前にウェハはブランクのままとさせる。
次いで、ウェハにイオン注入を行い、イオンを二酸化シ
リコン層114に注入させる。マスク層115を使用す
る場合、イオンはマスク115によって露出されている
ゲート絶縁膜114の部分内にのみ注入される。マスク
115を使用しない場合、イオンはウェハの全面に渡っ
て酸化層114及び102内に付与される。前述した如
く、注入されたイオンは、注入後もそれらの電荷を保持
する。何故ならば、それらは絶縁物質によって取り囲ま
れており且つ高温度においてさえも二酸化シリコン層1
14を介して非常にゆっくりと移動するからである。こ
れらのイオンは製造中のトランジスタのスレッシュホー
ルド電圧を変化させる。
本発明の1実施例において、正のイオンを二酸化シリコ
ン層114内に注入させ、それにより形成すべきNチャ
ンネル0MO3)−ランジスタのスレシュホールド電圧
を減少させる。これは、正のイオンはチャンネル領域上
方に一定の電界を与え、チャンネル領域内に等量である
が反対極性の電荷を誘起させるからである。本発明の別
の実施例においては、負のイオンを二酸化シリコン層1
14内に注入させ、形成すべきトランジスタのスレッシ
ュホールド電圧を増加させる。(PチャンネルDMOS
トランジスタの場合、正のイオンはスレッシュホールド
電圧を減少させ且つ負のイオンはスレッシュホールド電
圧を増加させる。)本発明の1実施例においては、正の
セシウムイオンを約40乃至150ke’Vの範囲内の
注入エネルギで約2 X l O”乃至7 X 10”
/am2のドーズでイオン注入させ、スレッシュホール
ド電圧を5乃至15Vl少させる。この様に、トランジ
スタのスレッシュホールド電圧を変化させる別の方法が
提供され、それはトランジスタのドーピング分布を変化
させることを必要とせず、従ってトランジスタのブレー
クダウン及びリーク特性を変化させることはない、更に
、この技術を使用して最大で60V迄トランジスタのス
レッシュホールド電圧を変化させることが可能であるこ
とが判明し、このシフトはその他の従来技術を使用して
達成可能なものよりも大きい。本発明の別の実施例にお
いては、負に帯電した沃素イオンをイオン注入し、それ
はトランジスタのチャンネル上方に負の電荷を与えるこ
とにより、トランジスタのスレッシュホールド電圧を増
加させる。前述した如く、その他のイオンで正又は負に
帯電しているものを使用することも可能である。
その後に、マスク115(使用した場合)を除去する。
次いで、ウェハ表面上にポリシリコン層116(第3f
図)を、例えばCV D L:よって、約4,000乃
至6,000人の厚さに形成し、例えば、ドーパントと
して燐を使用して、ドープしてその導電度を約30及び
60Ω/口の範囲内に増加させる0次いで、ポリシリコ
ン層116をパターン形成し且つ従来技術によってエツ
チングするが、例えばウェハをホトレジストで被覆し、
該ホトレジストをパターン形成してポリシリコン層11
6を所望しないウェハの部分を露出させ、例えばプラズ
マエツチングプロセスを使用してポリシリコン層116
の露出した部分をエツチングすることによって行う。次
いで、ホトレジストを除去し、図示した如くポリシリコ
ンゲート構造116を形成する。
第3g図を参照すると、本体領域118が形成されるべ
き個所の上方の活性領域112内の絶縁層を従来技術を
使用してエツチングするが、この場合に1例えば、ウェ
ハをホトレジストで被覆し。
ホトレジストをパターン形成して二酸化シリコン層11
4の一部を露出させ、二酸化シリコン層114の露出し
た部分をエツチングし、且っホトレジストを除去するこ
とによって行う、(前の処理ステップに依存して、この
処理ステップにおいてホトレジストの存在無しでエッチ
ステップを行うことも可能である。)次いで2本体領域
118を。
例えば、ボロン等のドーパントを注入し且つ拡散させる
ことによって形成する。本発明の1実施例においては、
ボロンを40乃至120keVの範囲内の注入エネルギ
を使用して約1013乃至2×101、’/am”の範
囲内のドーズで注入させる0次いで1例えば、クエへを
酸素又は窒素雰囲気中において約4乃至12時間の間約
1,100乃至1゜200℃の温度でウェハを加熱する
ことによって。
拡散させる。
次いで、ウェハにイオン注入を行い、その場合に、5 
X 1014乃至5 X 10”イ、t ン/cm”ノ
範囲内のドーズで約50乃至150keVのエネルギで
砒素又は燐イオンを注入させてソース領域120を形成
する。二酸化シリコン層114がこのスルテップの間マ
スクとして機能するので、このソースイオン注入プロセ
スの間付加的なマスクは使用しない。次いで、注入させ
た砒素又は燐を所望の深さ、例えば1乃至3ミクロンへ
拡散させる・本発明の1実施例においては、ソース領域
120を拡散させる場合に、酸素又は窒素雰囲気中にお
いて約0.5乃至3.0時間の間約1,000乃至1.
150℃にウェハを加熱する。
次いで、第3h図に示した如く、ウェハを絶縁性二酸化
シリコン層121で被覆するが、この場合に、例えば、
ソース拡散の間にウェハ上に十分な厚さの二酸化シリコ
ン層が成長されなかった場合には、CVDプロセスで行
う0次いで、ソース領域120と本体領域106と上部
表面上のゲート領域116へのコンタクトを開口し、且
つメタル層122(典型的には1乃至4ミクロンの厚さ
のアルミニウム又はアルミ合金)を1例えば、スパッタ
で付着させて第3h図に示した如くデバイスの上部表面
への電気的コンタクトを形成する。
メタル層122がゲート116とコンタクトする点は図
の面内にはなく従って第3h図には示されていない0次
いでメタル層122をホトレジストでマスクし5次いで
それをパターン形成してメタル層122を除去すること
が所望される部分を露出させる0次いで、メタル層12
2をエツチングして、第3h図に示したごとき構成とす
る。上述した如<、N−エピタキシャル層101の下側
はN十基板100であり、それはシリコンウェハの底部
表面へ延在している。この領域を使用してドレインコン
タクト124を形成する。
上述した方法は、ブレークダウン特性を劣化させること
なしにDMOSトランジスタのスレッシュホールド電圧
を変化させることを可能としている。更に、従来のイオ
ン注入方法と異なって、上述した方法はDMO8)−ラ
ンジスタのリーク特性を劣化させることもない。
例えばテレコム適用等の成る適用においては、上述した
方法を使用して、−2乃至−4vの間のスレッシュホー
ルド電圧を持ったDMOSトランジスタを製造する0例
えば、電流源適用等のその他の適用の場合1本方法を使
用して−4乃至−8Vの間のスレッシュホールド電圧を
持ったDMOSトランジスタが提供される。本方法を使
用してその他のスレッシュホールド電圧を持ったDMO
Sトランジスタを提供することも可能である。
以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
では無く1本発明の技術的範囲を逸脱すること無しに種
々の変形が可能であることは勿論である。例えば、本発
明方法を使用してエンハンスメント型又はデプリション
型のトランジスタを製造することが可能である。更に、
この方法をPチャンネルとNチャンネルの両方のデバイ
スの製造に使用することが可能である6本方法の1変形
例としては、ソースドーパント導入ステップ及び本体ド
ーパント導入ステップを、例えば二。
酸化シリコン領域又は別の物質の領域から共通端部(ゲ
ート電極ではない)へ整合させることである。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のMoSトランジスタの概略断面図、第2
a図は従来のDMO8)−ランジスタの概略断面図、第
2b図は第2a図のトランジスタのドーピング分布を示
したグラフ図、第3a図乃至第3h図は本発明に基づく
種々の処理ステップにおけるトランジスタのトランジス
タの各概略断面図、第4図はスレッシュホールド電圧シ
フトとセシウムイオン注入ドーズとの関係を示したグラ
フ図、である。 (符号の説明) 100:基板 101:エピタキシャル層 102:二酸化シリコン層 103:ホトレジスト 112:活性領域 114:二酸化シリコン層 115:ホトレジスト 116:ポリシリコン層 118二本体領域 120:ソース領域 121:二酸化シリコン層 122:メタル層 うl−へ*、y (μm) FIG、30 FIG、3b FI G、 3c FIG、3d FIG−3e FIG、3f FIG、3g

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、DMOSトランジスタの製造方法において、ゲート
    絶縁層内に帯電したイオンを与えるステップを有するこ
    とを特徴とする方法。 2、特許請求の範囲第1項において、前記イオンはセシ
    ウムイオンであることを特徴とする方法。 3、特許請求の範囲第1項において、前記イオンは沃素
    イオンであることを特徴とする方法。 4、特許請求の範囲第1項において、前記絶縁層が二酸
    化シリコン層を有していることを特徴とする方法。 5、特許請求の範囲第1項において、前記絶縁層が二酸
    化シリコン層上に形成した窒化シリコン層を有すること
    を特徴とする方法。 6、特許請求の範囲第1項において、該ゲート絶縁層の
    上にポリシリコンゲートを設けるステップを有すること
    を特徴とする方法。 7、特許請求の範囲第1項において、第1導電型を持っ
    た基板を用意し、前記基板の導電型と反対の第2導電型
    を持った第2ウェル領域を前記基板内に形成し、前記第
    1導電型を持った第2ウェル領域を前記第1ウェル領域
    内に形成し、ゲートを設け、前記ゲートが前記基板及び
    前記第1及び第2ウェル上方を延在することをとくちよ
    とする方法。 8、DMOSトランジスタにおいて、チャンネル領域、
    前記チャンネル領域上方の絶縁層、前記チャンネル領域
    上方のゲート領域、前記絶縁層内の所定濃度の帯電イオ
    ンとを有しており、前記帯電イオンが前記DMOSトラ
    ンジスタのスレッシュホールド電圧を変化させることを
    特徴とするDMOSトランジスタ。 9、特許請求の範囲第8項において、前記イオンがセシ
    ウムであることを特徴とするDMOSトランジスタ。 10、特許請求の範囲第8項において、前記イオンが沃
    素であることを特徴とするDMOSトランジスタ。 11、特許請求の範囲第8項において、前記チャンネル
    領域に隣接してソース領域が又前記チャンネル領域に隣
    接してドレイン領域が設けられていることを特徴とする
    DMOSトランジスタ。
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