KR101128707B1 - 반도체 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 장채널을 갖는 고전압용 UniMOS 트랜지스터에서 발생하는 커런트 리버스 현상과 문턱전압이 크게 증가하는 것을 방지할 수 있는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명에서는 기판과, 상기 기판에 형성된 제1 접합영역과, 상기 제1 접합영역을 감싸도록 상기 기판에 형성된 제1 드리프트 영역과, 상기 제1 드리프트 영역을 둘러싸고 상기 기판 상에 형성된 게이트 전극과, 상기 게이트 전극을 기준으로 하여 상기 제1 접합영역이 형성된 지역의 반대편으로 노출된 상기 기판에 형성된 제2 접합영역과, 일부 영역이 상기 게이트 전극과 중첩되고 상기 제2 접합영역을 감싸도록 상기 제1 및 제2 접합영역과 반대 타입의 불순물 이온이 주입되어 상기 기판에 형성된 제2 드리프트 영역을 포함하는 반도체 소자를 제공한다.
커런트 리버스, UniMOS, 문턱전압, 고전압, 저전류.

Description

반도체 소자 및 그 제조방법{A SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자를 설명하기 위하여 도시한 고전압용 UniMOS 트랜지스터의 평면도.
도 2는 도 1에 도시된 I-I' 절취선을 따라 도시한 단면도.
도 3 내지 도 6은 도 2에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위해 도시한 공정단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 웰
11 : N- 드리프트
12a, 12b : P- 드리프트
13 : 필드 산화막
14 : 게이트 절연막
15 : 폴리 실리콘막
16 : 게이트 전극
17 : N+ 접합영역
18 : P+ 접합영역
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 40V 이상의 항복전압(Break Voltage, BV)을 갖는 고전압용 UniMOS(Unipolar Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 0.18㎛급에서 40V 이상의 항복전압을 갖기 위해 고전압용 MOS 트랜지스터는 2㎛ 이상의 장채널(long channel)을 갖는다. 그러나, 이러한 고전압용 UniMOS 트랜지스터에서는 문턱전압(threshold Voltage)이 높게 설정되는 한편, 유효 채널 길이(effective channel length)를 기준으로 하여 채널 길이(channel length)가 어느 정도 이상 길어지는 경우, 드레인 영역과 소오스 영역을 흐르는 전류의 양이 단채널(short channel)보다 작아지는 커런트 리버스(current reverse) 현상이 발생하게 된다. 이로 인하여, 설계자가 회로 설계시 스파이스(spice)와 일렉트리컬 파라미터(electrical parameters)를 정확하게 파악하여 설정할 수 없는 문제가 발생한다.
또한, 고전압에서 소자의 채널 영역에 흐르는 전류의 양을 감소시키고자 하는 경우에는 채널 길이를 증가시켜야 하므로, 전류가 감소하는 것에 비하여 소자의 크기가 월등히 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 장채널을 갖는 고전압용 UniMOS 트랜지스터에서 발생하는 커런트 리버스 현상과 문턱전압이 크게 증가하는 것을 방지할 수 있는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 소자의 크기를 증가시키지 않고도 고전압에서 저전류로 동작할 수 있는 반도체 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기에서 설명한 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 본 발명은, 기판과, 상기 기판에 형성된 제1 접합영역과, 상기 제1 접합영역을 감싸도록 상기 기판에 형성된 제1 드리프트 영역과, 상기 제1 드리프트 영역을 둘러싸고 상기 기판 상에 형성된 게이트 전극과, 상기 게이트 전극을 기준으로 하여 상기 제1 접합영역이 형성된 지역의 반대편으로 노출된 상기 기판에 형성된 제2 접합영역과, 일부 영역이 상기 게이트 전극과 중첩되고 상기 제2 접합영역을 감싸도록 상기 제1 및 제2 접합 영역과 반대 타입의 불순물 이온이 주입되어 상기 기판에 형성된 제2 드리프트 영역을 포함하는 반도체 소자를 제공한다.
또한, 상기에서 설명한 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 본 발명은, 기판 내에 웰을 형성하는 단계와, 상기 웰 내의 소정 영역에 제1 드리프트 영역을 형성하는 단계와, 상기 제1 드리프트 영역을 둘러싸도록 상기 제1 드리프트 영역과 반대 타입의 불순물 이온을 주입시켜 제2 드리프트 영역을 형성하는 단계와, 상기 제1 드리프트 영역은 전부 노출시키고 상기 제2 드리프트 영역의 일정 부분을 덮도록 상기 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계와, 상기 제2 드리프트 영역과 반대 타입의 불순물 이온을 주입시켜 상기 게이트 전극의 양측으로 노출된 상기 제1 드리프트 영역 및 상기 제2 드리프트 영역 내에 제1 접합영역 및 제2 접합영역을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자를 설명하기 위하여 도시한 고전압용 UniMOS 트랜지스터의 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 I-I' 절취선을 따라 도시한 단면도이다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 일례로 NMOS 트랜지스터를 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자는 반도체 기판(미도시)에 형성된 N+ 접합영역(17b; 이하, 제1 접합영역이라 함)과, 제1 접합영역(17b)을 둘러싸도록 기판에 형성된 N- 드리프트(drift) 영역(11; 이하, 제1 드리프트 영역이라 함)과, 제1 드리프트 영역(11)을 둘러싸도록 기판 상에 형성된 게이트 전극(16)과, 게이트 전극(16)을 기준으로 하여 제1 드리프트 영역(11) 의 반대편으로 노출된 기판에 형성된 N+ 접합영역(17a; 이하, 제2 접합영역이라 함)과, 일부 영역이 게이트 전극(16)과 중첩되고 제2 접합영역(17a)을 감싸도록 제1 및 제2 접합영역(17b, 17a)과 반대 타입의 불순물 이온이 주입되어 기판에 형성된 P- 드리프트 영역(12; 이하, 제2 드리프트 영역이라 함)을 포함한다.
제1 드리프트 영역(11)은 접합영역의 깊이를 깊게하여 제1 접합영역(17b)에 가해지는 전계를 분산시켜 전계 집중에 의한 접합 항복전압(breakdown voltage)을 높히기 위하여 제1 접합영역(17b)을 감싸도록 형성된다.
제2 드리프트 영역(12)은 제1 드리프트 영역(11)과 일정한 간격(L2)으로 이격되도록 형성된다. 또한, 제2 접합영역(17a)은 게이트 전극(16)과 일정한 간격(L1), 예컨대 0.50㎛ 내지 0.90㎛, 바람직하게는 0.75㎛의 간격으로 이격되도록 형성된다.
또한, 제2 드리프트 영역(12)은 제2 접합영역(17a)에 바이어스(bias)가 인가되는 경우 제2 접합영역(17a)에 도핑된 이온, 예컨대 인(Phosphorus, P), 비소 (arsenic, As) 이온들이 채널 영역의 일측으로 확산되어 채널 길이가 유효 채널 길이 이하로 감소되는 것을 방지한다.
또한, 기판에 형성된 웰(10)은 제1 접합영역(17b) 및 제2 접합영역(17a)과 반대 타입의 불순물, 예컨대 붕소(Boron, B)로 형성되므로, 제1 접합영역(17b)에 바이어스가 인가되는 경우 제1 접합영역(17b) 또는 제1 드리프트 영역(11)에 도핑된 이온, 예컨대 인 또는 비소 이온들이 채널 영역의 일측으로 확산되어 채널 길이가 유효 채널 길이 이하로 감소되는 것을 방지한다. 즉, 유효 채널 길이가 일정하게 유지되도록 채널 길이를 고정(fix)시킨다. 이로써, 장채널에서 발생하는 커런트 리버스 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 소자의 크기를 크게 증가시키지 않고도 전류의 양을 크게 감소시킬 수 있게 된다. 따라서, 소자의 크기를 증가시키지 않고도 고전압에서 저전류로 동작할 수 있는 반도체 소자를 제조할 수 있다.
또한, 제2 드리프트 영역(12)을 통해 제2 접합영역(17a)이 채널영역으로 확산되는 것을 방지함으로써, 확산에 의해 채널 길이가 감소하는 경우를 고려하여 채널 길이가 감소한 만큼 감소되는 문턱전압을 증가시키기 위해 진행되는 문턱전압 조절용 이온주입공정시 웰(10) 농도를 높게 가져가야하는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 제1 드리프트 영역(11) 및 제2 드리프트 영역(12) 간에 위치되는 채널 영역에서의 웰(10) 농도를 일정하게 유지시켜줌으로써 문턱전압이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 금속배선 공정을 선택적으로 실시하여 제1 및 제2 접합영역(17b, 17a) 중 소오스 영역 또는 드레인 영역으로 사용될 접합영역을 적절히 선택한다. 예컨 대, 금속배선 공정을 통해 제2 접합영역(17a)을 소오스 영역으로 하고, 제1 접합영역(17b)을 공통 드레인 영역으로 사용하면 된다.
이하, 도 2에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 소자의 제조방법을 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명하기로 한다. 도 3 내지 도 6에는 NMOS 트랜지스터만 도시되어 있으나, 이하에서는 이해를 돕고자 CMOS 트랜지스터 제조방법으로 설명하기로 한다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(미도시) 내에 확산(diffusion)공정 또는 이온주입(ion implantation)공정을 실시하여 PMOS 영역에 고전압용 N-웰(HNWELL, 미도시)를 형성하고, NMOS 영역에 고전압용 P-웰(HPWELL, 10)을 형성한다. 참고로, 확산 공정은 선증착(pre-deposition) 단계와 드라이브 인(drive-in) 단계로 이루어지며, 선증착은 일정량의 N형 또는 P형 불순물을 기판의 표면에 주입시키는 단계이고, 드라이브 인은 기판의 표면에 선증착된 불순물의 양을 온도와 공정시간을 조절하여 최종 접합깊이와 농도 분포를 얻도록 하는 단계이다. 한편, 이온주입공정은 불순물 원자를 이온 상태로 가속시켜서 기판에 직접 주입하는 방식이다. 물론, 이온주입공정에서도 확산공정에서와 같이 열처리 공정을 이용한 드라이브 인 단계를 실시할 수도 있다.
이어서, N형 또는 P형 불순물 이온을 이용한 확산공정 또는 이온주입공정을 실시하여 N-웰과 P-웰(10) 내의 소정 영역에 각각 N- 드리프트 영역(11)과 P- 드리프트 영역(12)을 형성한다. 이때, P-웰(10) 내에 형성되는 P- 드리프트 영역(12)은 N- 드리프트 영역(11)과 일정한 간격(L2)으로 이격되도록 일부는 게이트 전극(16; 도 5 참조)과 중첩되고 나머지 부분은 N+ 접합영역(17a)을 감싸도록 형성한다. 또한, N-웰 내에 형성되는 N- 드리프트 영역은 NMOS 영역에서 그 일부가 게이트 전극(16; 도 5 참조)과 중첩되고 N+ 접합영역(17a)을 감싸도록 형성되는 P- 드리프트 영역(12)과 동일한 형태로 형성된다.
이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 공정을 실시하여 기판의 소정 영역에 액티브 영역(active region))과 필드 영역(fild region)을 정의하는 필드 산화막(13)을 형성한다. 한편, LOCOS 공정 대신에 STI(Shallow Trench Isolation) 공정 또는 DTI(Deep Trench Isolation) 공정을 실시하여 액티브 영역과 필드 영역을 정의하는 소자 분리막을 형성할 수도 있다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, PMOS 영역과 NMOS 영역의 채널 영역에 각각 문턱전압 조절용 이온주입공정을 실시한다.
이어서, 산화공정을 실시하여 PMOS 영역과 NMOS 영역에 게이트 절연막(14)을 형성한다. 이때, 산화공정은 수증기와 같은 산화기체 내에서 실리콘 기판을 대략 900 내지 1000℃의 온도에서 가열하는 습식산화방식으로 실시하거나, 순수한 산소를 산화기체로 사용하여 약 1200℃의 온도에서 가열하는 건식산화방식으로 실시한다.
이어서, 게이트 절연막(14) 상에 도전막으로 폴리 실리콘막(15)을 증착한다. 이때, 폴리 실리콘막(15)은 도프트(doped) 또는 언도프트(undoped) 실리콘막으로 형성한다. 예컨대, 언도프트 실리콘막의 경우에는 SiH4를 이용하여 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방식으로 증착한다. 한편, 도프트 실리콘막의 경우에는 SiH4에 PH3, PCl5, BCl3 또는 B2H6를 혼합시킨 기체를 이용하여 LPCVD 방식으로 증착한다.
한편, 폴리 실리콘막(15) 상부에는 텅스텐층(또는, 텅스텐 실리사이드층)(미도시)이 더 형성될 수도 있다.
이어서, 포토리소그래피(photlithography) 공정을 실시하여 폴리 실리콘막(15)과 게이트 절연막(14)을 식각하여 PMOS 영역과 NMOS 영역에 각각 게이트 전극(16)을 형성한다.
이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 소오스/드레인 이온주입공정을 실시하여 PMOS 영역과 NMOS 영역에서 각 게이트 전극(16)의 양측으로 노출된 N- 드리프트 영역(11) 및 P- 드리프트 영역(12) 내에 N+ 접합영역(17a, 17b)을 형성한다. 이로써, NMOS 영역의 N- 드리프트 영역(11) 및 P- 드리프트 영역(12) 내에 N+ 접합영역(17a, 17b)이 형성되고, PMOS 영역의 N- 드리프트 영역(미도시) 및 P- 드리프트 영역(미도시) 내에는 P+ 접합영역(미도시)이 형성된다. P+ 또는 N+ 접합영역(17a, 17b)은 각각 소오스 영역 또는 드레인 영역으로 기능한다.
한편, 미설명된 참조부호 '18'은 PMOS 영역에서 형성된 P+ 접합영역과 동시에 형성되는 접합영역으로서, 소자 분리 기능을 수행한다.
본 발명의 기술 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명은 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 소오스/드레인으로 기능하는 접합영역과 동일한 타입(type)의 불순물 이온을 주입시켜 형성한 제1 드리프트를 둘러싸도록 기판 상에 형성된 게이트 전극을 기준으로 하여, 제1 드리프트의 반대편으로 노출된 기판에 제1 드리프트와 반대 타입의 불순물 이온을 주입시켜 제2 드리프트를 형성함으로써, 접합영역에 바이어스가 인가되는 경우 접합영역 및 제1 드리프트 영역에 도핑된 이온들이 채널 영역으로 확산되어 채널 길이가 유효 채널 길이 이하로 감소되는 것을 방지한다. 이를 통해, 장채널 트랜지스터에서 발생하는 커런트 리버스 현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 소자의 크기를 증가시키지 않고도 고전압에서 저전류로 동작할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하면 제1 드리프트 영역 및 제2 드리프트 영역 간에 위치되는 채널 영역에서의 기판 농도, 즉 웰 농도를 일정하게 유지시켜 이 부위에서 문 턱전압이 증가하는 것을 방지할 수 있다.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판에 형성된 제1 접합영역;
    상기 제1 접합영역을 감싸도록 상기 기판에 형성된 제1 드리프트 영역;
    상기 제1 드리프트 영역을 둘러싸고 상기 기판 상에 형성된 게이트 전극;
    상기 게이트 전극을 기준으로 하여 상기 제1 접합영역이 형성된 지역의 반대편으로 노출된 상기 기판에 형성된 제2 접합영역; 및
    일부 영역이 상기 게이트 전극과 중첩되고 상기 제2 접합영역을 감싸도록 상기 제1 및 제2 접합영역과 반대 타입의 불순물 이온이 주입되어 상기 기판에 형성된 제2 드리프트 영역
    을 포함하는 반도체 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 접합영역은 상기 게이트 전극과 일정한 간격으로 이격되어 상기 게이트 전극을 둘러싸도록 형성된 반도체 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 접합영역은 상기 게이트 전극과 0.50 내지 0.90㎛의 간격으로 이격된 반도체 소자.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 접합영역은 상기 제1 접합영역과 동일한 타입의 불순물 이온이 주입되어 형성된 반도체 소자.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 접합영역을 감싸도록 상기 제1 접합영역과 동일한 타입의 불순물 이온이 주입되어 형성된 제2 드리프트 영역을 더 포함하는 반도체 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 드리프트 영역은 상기 제1 드리프트 영역과 일정한 간격으로 이격되도록 형성된 반도체 소자.
  7. 기판 내에 웰을 형성하는 단계;
    상기 웰 내의 소정 영역에 제1 드리프트 영역을 형성하는 단계;
    상기 제1 드리프트 영역을 둘러싸도록 상기 제1 드리프트 영역과 반대 타입의 불순물 이온을 주입시켜 제2 드리프트 영역을 형성하는 단계;
    상기 제1 드리프트 영역은 전부 노출시키고 상기 제2 드리프트 영역의 일정 부분을 덮도록 상기 기판 상에 게이트 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 드리프트 영역과 반대 타입의 불순물 이온을 주입시켜 상기 게이트 전극의 양측으로 노출된 상기 제1 드리프트 영역 및 상기 제2 드리프트 영역 내에 제1 접합영역 및 제2 접합영역을 형성하는 단계
    를 포함하는 반도체 소자의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 드리프트 영역은 상기 제2 접합영역을 둘러싸도록 형성하는 반도체 소자의 제조방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 접합영역은 상기 게이트 전극과 일정한 간격으로 이격되도록 상기 제2 드리프트 영역 내에 형성하는 반도체 소자의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 드리프트 영역은 상기 제1 드리프트 영역과 일정한 간격으로 이격되도록 형성하는 반도체 소자의 제조방법.
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