JP2008140817A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置におけるパンチスルーを防ぐ。
【解決手段】第2導電型の半導体基板上に形成された第1導電型の第1の半導体層と、第1の半導体層よりも不純物濃度の低い第1導電型の第2の半導体層と、第2導電型の第3の半導体層と、第2導電型のベース領域と、第1導電型のソース領域と、第1導電型の第1のドレイン領域と、第1導電型のLDD領域と、第1導電型の第2のドレイン領域と、第2導電型の第3のドレイン領域と、ゲート酸化膜を介し形成されたゲート電極と、前記ソース領域の表面に形成されたソース電極と、前記第1ドレイン領域の表面に形成されたドレイン電極を備えたことを特徴とする半導体装置を提供することにより上記課題を解決する。
【選択図】図3

Description

本発明は、半導体装置に関するものであり、特に、パンチスルーを防止した構成の半導体装置の技術分野に関するものである。
MOS構造の高耐圧デバイスより構成されるパワーIC等のパワーデバイスは、高電圧、高電流用として広く用いられている。このようなものとして、特許文献1に開示されているような横型MOS(LDMOS)がある。
ところで、MOS構造のFETでは、高集積化に伴う微細化により、ショートチャネル効果等によるソース・ドレイン間のリーク現象が顕著となる。このソース・ドレイン間のリーク現象は、ソース・ドレイン間に高電界に電圧が印加されるパワーデバイスにおいては、特に問題となる。
特開2001−320047号公報
本発明は、高電圧が印加されるパワーデバイスにおいて、パンチスルーの発生を防止した構造の半導体装置を提供するものである。
本発明の一態様に係る半導体装置は、第2導電型の半導体基板上に形成された第1導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に形成された前記第1の半導体層よりも不純物濃度の低い第1導電型の第2の半導体層と、前記第2の半導体層上に形成された第2導電型の第3の半導体層と、前記第3の半導体層の表面に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域内に形成された第1導電型のソース領域と、前記第3の半導体層の表面に前記ベース領域から離れて形成された第1導電型の第1のドレイン領域と、前記第1のソース領域と前記第1のドレイン領域の間に、前記第1のドレイン領域に隣接して形成され、前記第1のドレイン領域における不純物濃度よりも低い濃度の第1導電型のLDD領域と、前記第3の半導体層における前記第1のドレイン領域と前記第2の半導体層との間に、前記第1のドレイン領域に隣接して形成された第1導電型の第2のドレイン領域と、前記第3の半導体層における前記第2のドレイン領域と前記第2の半導体層との間に、前記第2のドレイン領域に隣接して形成された第2導電型の第3のドレイン領域と、前記ソース領域と前記第1のドレイン領域との間で、前記第3の半導体層及び前記ベース領域上にゲート酸化膜を介し形成されたゲート電極と、前記ソース領域の表面に形成されたソース電極と、前記第1ドレイン領域の表面に形成されたドレイン電極と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明の一態様に係る半導体装置は、第2導電型の半導体基板上に形成された第2導電型の第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に形成された前記第1の半導体層よりも不純物濃度の低い第1導電型の第2の半導体層と、前記第2の半導体層上に形成された第2導電型の第3の半導体層と、前記第3の半導体層の表面に形成された第2導電型のベース領域と、前記ベース領域内に形成された第1導電型のソース領域と、前記第3の半導体層の表面に前記ベース領域から離れて形成された第1導電型の第1のドレイン領域と、前記第1のソース領域と前記第1のドレイン領域の間に、前記第1のドレイン領域に隣接して形成され、前記第1のドレイン領域における不純物濃度よりも低い濃度の第1導電型のLDD領域と、前記第3の半導体層における前記第1のドレイン領域と前記第2の半導体層との間に、前記第1のドレイン領域に隣接して形成された第1導電型の第2のドレイン領域と、前記第3の半導体層における前記第2のドレイン領域と前記第2の半導体層との間に、前記第2のドレイン領域に隣接して形成された第2導電型の第3のドレイン領域と、前記ソース領域と前記第1のドレイン領域との間で、前記第3の半導体層及び前記ベース領域上にゲート酸化膜を介し形成されたゲート電極と、前記ソース領域の表面に形成されたソース電極と、前記第1ドレイン領域の表面に形成されたドレイン電極と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、ソース・ドレイン間において高電圧が印加された場合であってもパンチスルーが発生しないため、ソース・ドレイン間におけるリーク電流の発生を抑止することができる。
〔本発明に至る経緯〕
図1に、高耐圧用デバイスであるLDMOS(Lateral Double Diffusion MOS−FET)の構成を示す。
このLDMOSは、B(ボロン)等がドープされたP−型の半導体基板であるシリコン基板11上に、シリコンにP(リン)等がドープされた埋め込み層であるN+型の半導体層12が形成され、更にその上に、シリコンにP等がドープされたN型の半導体層13が形成され、更にその上に、シリコンにB等がドープされたP−WellとなるP型の半導体層14が形成されている。
P−WellとなるP型の半導体層14において、ソースが形成される領域には、P型のベース領域15が形成され、そのP型のベース領域15の表面には、N+型ソース領域16と、P+型ソース領域17が形成され、N+型ソース領域16とP+型ソース領域17との表面上に、ソース電極18が形成されている。また、ベース領域15とN型の半導体層13との間に、ベース領域15とN型のシリコン半導体層13に隣接して、P−型拡散領域19が形成される。
一方、P−WellとなるP型のシリコン半導体層14において、ドレインが形成される領域には、N+型のドレイン領域20が形成され、ドレイン領域20の表面にはドレイン電極21が形成される。ドレイン領域20とベース領域15の間には、ドレイン領域20に隣接して、N−型のLDD(Lightly Doped Drain)領域22が形成されている。更に、ソース電極18とドレイン電極21との間のベース領域15及びP−Wellとなる半導体層14上には、ゲート酸化膜23を介しゲート電極24が形成された構造のものである。
発明者は、この構造のLDMOSにおいて、ソース電極18とゲート電極24を短絡(ショート)させ接地(GND)し0〔V〕とした状態で、N+型の半導体層12における埋め込み層電位Vuと、ドレイン電極21におけるブレークダウン、即ち、パンチスルーが開始するドレイン電圧Vbとの関係を調べた。この結果を図2に示す。半導体層12において埋め込み層電圧Vuが0〔V〕の場合では、ドレイン電圧Vbは10〔V〕程度でブレークダウンが発生してしまう。ドレイン電圧が35〔V〕以上であってもブレークダウンが発生しないためには、半導体層12において埋め込み層電位Vuを15〔V〕以上にする必要がある。このため不純物のドープ量を調整等することにより、埋め込み層電位Vuを調整した場合、シリコン基板11や、埋め込み層であるN+型の半導体層12において、容量が高くなり周波数特性が低下し、高速スイッチングを行うことができず、又、誤動作も多くなってしまう。
以上より、発明者は、ブレークダウンはドレイン電極21と接触しているドレイン領域20と埋め込み層であるN+型の半導体層12の間で生じること、周波数特性を低下させない等のためには、埋め込み層であるN+型の半導体層の電位を調節した構造は適さないという知見を得た。
本発明は、上記実験の結果により得られた知見に基づくものである。
〔第1の実施の形態〕
本発明における一実施の形態を以下に記載する。
図3に示すように、本実施の形態は、B(ボロン)等がドープされたP−型の半導体基板であるシリコン基板31上に、シリコンにP(リン)等がドープされた第1の半導体層となる埋め込み層であるN+型の半導体層32が形成され、更にその上に、シリコンにP等がドープされた第2の半導体層であるN型の半導体層33が形成され、更にその上に、シリコンにB等がドープされたP−Wellとなる第3の半導体層であるP型の半導体層34が形成されている。尚、第2の半導体層であるN型の半導体層33にドープされる不純物であるP等の濃度は、第1の半導体層となる埋め込み層であるN+型の半導体層32にドープされるP等の濃度よりも低い値である。
P−WellとなるP型の半導体層34において、ソースが形成される領域には、P型のベース領域35が形成され、そのP型のベース領域35の表面には、N+型ソース領域36と、P+型ソース領域37が形成され、N+型ソース領域36とP+型ソース領域37との表面上にソース電極38が形成されている。また、ベース領域35と第2の半導体層であるN型の半導体層33との間に、ベース領域35とN型のシリコン半導体層33に隣接して、P−型拡散領域39が形成される。
一方、P−WellとなるP型のシリコン半導体層34のドレインの形成される部分には、深いところ、即ち、基板表面から離れたところより順に、P型の第3のドレイン領域40が形成され、次に、N型の第2のドレイン領域41が形成され、次に、表面となる部分にN+型の第1のドレイン領域42が形成され、第1のドレイン領域42の表面にはドレイン電極43が形成される。第1のドレイン領域42とベース領域35の間には、第1のドレイン領域42に隣接して、N−型のLDD(Lightly Doped Drain)領域44が形成されている。更に、ソース電極38とドレイン電極43との間における、ベース領域35及び第3の半導体層であるP−Wellとなる半導体層34上には、ゲート酸化膜45を介しゲート電極46が形成されている。
本実施の形態では、ドレイン電極43に接するN+型の第1のドレイン領域42を形成し、更に、第1のドレイン領域42に接するN型の第2のドレイン領域41を形成し、更に、第2のドレイン領域41に接するP型の第3のドレイン領域40を形成したものである。
この構成により、ドレイン電極43とソース電極38との間に電界を印加した場合、第2のドレイン領域41と第3のドレイン領域40により形成される空乏層において耐圧を高めることができ、第1のドレイン領域42と埋め込み層であるN+型半導体層32の間におけるパンチスルーの発生を防止することができる。
具体的には、第2の半導体層であるN+型の半導体層32においては、Pが1×1013〔/cm〕以上注入されており、第3の半導体層であるP型の半導体層33においては、Bが1×1013〔/cm〕以下注入されており、第1のドレイン領域42においては、Pが1×1014〔/cm〕以上注入されている。
LDD領域44では、Pが1×1011〜1×1013〔/cm〕注入されており、第2のドレイン領域41では、Pが1×1012〜1×1014〔/cm〕注入されており、第3のドレイン領域40では、Bが1×1012〜1×1014〔/cm〕注入されている。
従って、第2のドレイン領域41における不純物濃度は、第1のドレイン領域42における不純物濃度よりも低い値であり、第3の半導体層であるP型の半導体層33における不純物濃度よりも高い値である。
また、第3のドレイン領域40における不純物濃度は、第1のドレイン領域42における不純物濃度よりも低い値であり、第3の半導体層であるP型の半導体層33における不純物濃度よりも高い値である。
更に、LDD領域44における不純物濃度は、第1のドレイン領域42における不純物濃度よりも低い値である。
このような注入量で、第2のドレイン領域41と第3のドレイン領域40における各々の不純物を注入することにより、第1のドレイン領域42と第1の半導体層であるN+半導体層32との間のパンチスルーを防止することができる。
次に、本実施の形態における半導体装置の製造方法について説明する。
本実施の形態における半導体装置は、B(ボロン)等がドープされたP−型の半導体基板であるシリコン基板31の表面より、イオン注入によりSb(アンチモン)をドープし第1の半導体層となる埋め込み層であるN+型の半導体層32を形成し、更にその上に、シリコンのエピタキシャル成長により第2の半導体層であるP等をドープしたN型の半導体層33を形成する。
この後、フォトリソグラフィによりマスクとなるレジストを形成し、レジストの形成されていない所定の領域にイオン注入を行うことにより各々の領域を形成する。
具体的には、半導体層33においてP−Wellとなる部分にB等のイオン注入を行なうことにより、第3の半導体層であるP型の半導体層34を形成する。
この後、第3の半導体層であるP型の半導体層34においてソースの形成される部分にB等のイオン注入を行うことにより、P−型拡散領域39を形成する。
この後、第3の半導体層であるP型の半導体層34においてドレインの形成される部分にB等のイオン注入を行い、第3のドレイン領域40を形成し、次に、P等のイオン注入を行い、第2のドレイン領域41を形成する。
この後、不図示のフィールド酸化膜を形成する。尚、前記の第3のドレイン領域40及び第2のドレイン領域41の形成のための各々の不純物イオンのイオン注入は、フィールド酸化膜の形成直後に行ってもよい。
この後、P型の半導体層34においてソースの形成される部分及びゲートの一部が形成される部分にB等のイオン注入を行い、ベース領域35を形成し、次に、ゲート酸化膜45を形成し、次に、ソースの形成される部分及びドレインの形成される部分にP等のイオン注入を行い、N+型ソース領域36及びN+ドレイン領域42を形成し、次に、ベース層35においてソースの形成される部分にB等のイオン注入によりP+型ソース領域37を形成し、更に、P型の半導体層34のゲートとドレインの間となる部分にP等のイオン注入を行い、LDD領域44を形成する。
この後、第1のドレイン領域42の表面にドレイン電極43、N+型ソース領域36及びP+型ソース領域37の表面上にソース電極38、ゲート酸化膜45を介しゲート電極46を形成する。これにより、本実施の形態の半導体装置が完成する。
尚、図3では、第3のドレイン領域40が、第3の半導体層であるP型の半導体層34内に形成される構成の半導体装置を示したが、第3のドレイン領域40を深くすることにより、よりパンチスルーに強い構成となる。具体的には、図4に示すように、第2の半導体層であるN型の半導体層33に接するように、第3のドレイン領域40’が形成される構成や、図5に示すように、第1の半導体層となる埋め込み層であるN+型の半導体層32に接するように、第3のドレイン領域40’’が形成される構成であってもよい。この構成により、更にパンチスルーに強い半導体装置となる。
〔第2の実施の形態〕
次に、本発明における第2の実施の形態を以下に記載する。
図6に示すように、本実施の形態は、B(ボロン)等がドープされたP−型の半導体基板であるシリコン基板51上に、シリコンにB等がドープされた第1の半導体層となる埋め込み層であるP+型の半導体層52が形成され、更にその上に、シリコンにP(リン)等がドープされた第2の半導体層であるN型の半導体層53が形成され、更にその上に、シリコンにB等がドープされたP−Wellとなる第3の半導体層であるP型の半導体層54が形成されている。
P−WellとなるP型の半導体層54において、ソースが形成される領域には、P型のベース領域55が形成され、そのP型のベース領域55の表面には、N+型ソース領域56とP+型ソース領域57が形成され、N+型ソース領域56とP+型ソース領域57との表面上にソース電極58が形成されている。また、ベース領域55と第2の半導体層であるN型の半導体層53との間に、ベース領域55とN型のシリコン半導体層53に隣接して、P−型拡散領域59が形成される。
一方、P−WellとなるP型のシリコン半導体層54のドレインの形成される部分には、深いところ、即ち、基板表面から離れたところより順に、P型の第3のドレイン領域60が形成され、次に、N型の第2のドレイン領域61が形成され、次に、表面となる部分にN+型の第1のドレイン領域62が形成され、第1のドレイン領域62の表面にはドレイン電極63が形成される。第1のドレイン領域62とベース領域55の間には、第1のドレイン領域62に隣接して、N−型のLDD(Lightly Doped Drain)領域64が形成されている。更に、ソース電極58とドレイン電極63との間における、ベース領域55及び第3の半導体層であるP−Wellとなる半導体層54上には、ゲート酸化膜65を介しゲート電極66が形成されている。
本実施の形態では、ドレイン電極63に接するN+型の第1のドレイン領域62を形成し、更に、第1のドレイン領域62に接するN型の第2のドレイン領域61を形成し、更に、第2のドレイン領域61に接するP型の第3のドレイン領域60を形成したものである。
この構成により、ドレイン電極63とソース電極58との間に電界を印加した場合、第2のドレイン領域61と第3のドレイン領域60により形成される空乏層において耐圧を高めることができ、第1のドレイン領域62と埋め込み層であるN+型半導体層52の間におけるパンチスルーの発生を防止することができる。
具体的には、第2の半導体層であるN+型の半導体層52においては、Pが1×1013〔/cm〕以上注入されており、第3の半導体層であるP型の半導体層53においては、Bが1×1013〔/cm〕以下注入されており、第1のドレイン領域62においては、Pが1×1014〔/cm〕以上注入されている。
LDD領域64では、Pが1×1011〜1×1013〔/cm〕注入されており、第2のドレイン領域61では、Pが1×1012〜1×1014〔/cm〕注入されており、第3のドレイン領域60では、Bが1×1012〜1×1014〔/cm〕注入されている。
従って、第2のドレイン領域61における不純物濃度は、第1のドレイン領域62における不純物濃度よりも低い値であり、第3の半導体層であるP型の半導体層53における不純物濃度よりも高い値である。
また、第3のドレイン領域60における不純物濃度は、第1のドレイン領域62における不純物濃度よりも低い値であり、第3の半導体層であるP型の半導体層53における不純物濃度よりも高い値である。
更に、LDD領域64における不純物濃度は、第1のドレイン領域62における不純物濃度よりも低い値である。
このような注入量で、第2のドレイン領域61と第3のドレイン領域60における各々の不純物を注入することにより、第1のドレイン領域62と第1の半導体層であるN+半導体層52との間のパンチスルーを防止することができる。
尚、図6では、第3のドレイン領域60が、第3の半導体層であるP型の半導体層54内に形成される構成の半導体装置を示したが、第3のドレイン領域60を深くすることにより、よりパンチスルーに強い構成となる。具体的には、図7に示すように、第2の半導体層であるN型の半導体層53に接するように、第3のドレイン領域60’が形成される構成や、図8に示すように、第1の半導体層となる埋め込み層であるP+型の半導体層52に接するように、第3のドレイン領域60’’が形成される構成であってもよい。この構成により、更にパンチスルーに強い半導体装置となる。
以上、実施の形態において本発明における半導体装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、これ以外の形態をとることが可能である。
本実施の形態を説明するための半導体装置の断面図 図1に示した半導体装置におけるブレークダウン特性図 第1の実施の形態における半導体装置の断面図 第1の実施の形態における別の構成の半導体装置の断面図 第1の実施の形態における別の構成の半導体装置の断面図 第2の実施の形態における半導体装置の断面図 第2の実施の形態における別の構成の半導体装置の断面図 第2の実施の形態における別の構成の半導体装置の断面図
符号の説明
31・・・半導体基板、32・・・N+型の半導体層(第1の半導体層)、33・・・N型の半導体層(第2の半導体層)、34・・・P型の半導体層(第3の半導体層)、35・・・ベース領域、36・・・N+型ソース領域、37・・・P+型ソース領域、38・・・ソース電極、39・・・P−型拡散領域、40・・・第1のドレイン領域、41・・・第2のドレイン領域、42・・・第3のドレイン領域、43・・・ドレイン電極、44・・・LDD領域、45・・・ゲート酸化膜、46・・・ゲート電極。

Claims (5)

  1. 第2導電型の半導体基板上に形成された第1導電型の第1の半導体層と、
    前記第1の半導体層上に形成された前記第1の半導体層よりも不純物濃度の低い第1導電型の第2の半導体層と、
    前記第2の半導体層上に形成された第2導電型の第3の半導体層と、
    前記第3の半導体層の表面に形成された第2導電型のベース領域と、
    前記ベース領域内に形成された第1導電型のソース領域と、
    前記第3の半導体層の表面に前記ベース領域から離れて形成された第1導電型の第1のドレイン領域と、
    前記第1のソース領域と前記第1のドレイン領域の間に、前記第1のドレイン領域に隣接して形成され、前記第1のドレイン領域における不純物濃度よりも低い濃度の第1導電型のLDD領域と、
    前記第3の半導体層における前記第1のドレイン領域と前記第2の半導体層との間に、前記第1のドレイン領域に隣接して形成された第1導電型の第2のドレイン領域と、
    前記第3の半導体層における前記第2のドレイン領域と前記第2の半導体層との間に、前記第2のドレイン領域に隣接して形成された第2導電型の第3のドレイン領域と、
    前記ソース領域と前記第1のドレイン領域との間で、前記第3の半導体層及び前記ベース領域上にゲート酸化膜を介し形成されたゲート電極と、
    前記ソース領域の表面に形成されたソース電極と、
    前記第1ドレイン領域の表面に形成されたドレイン電極と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 第2導電型の半導体基板上に形成された第2導電型の第1の半導体層と、
    前記第1の半導体層上に形成された前記第1の半導体層よりも不純物濃度の低い第1導電型の第2の半導体層と、
    前記第2の半導体層上に形成された第2導電型の第3の半導体層と、
    前記第3の半導体層の表面に形成された第2導電型のベース領域と、
    前記ベース領域内に形成された第1導電型のソース領域と、
    前記第3の半導体層の表面に前記ベース領域から離れて形成された第1導電型の第1のドレイン領域と、
    前記第1のソース領域と前記第1のドレイン領域の間に、前記第1のドレイン領域に隣接して形成され、前記第1のドレイン領域における不純物濃度よりも低い濃度の第1導電型のLDD領域と、
    前記第3の半導体層における前記第1のドレイン領域と前記第2の半導体層との間に、前記第1のドレイン領域に隣接して形成された第1導電型の第2のドレイン領域と、
    前記第3の半導体層における前記第2のドレイン領域と前記第2の半導体層との間に、前記第2のドレイン領域に隣接して形成された第2導電型の第3のドレイン領域と、
    前記ソース領域と前記第1のドレイン領域との間で、前記第3の半導体層及び前記ベース領域上にゲート酸化膜を介し形成されたゲート電極と、
    前記ソース領域の表面に形成されたソース電極と、
    前記第1ドレイン領域の表面に形成されたドレイン電極と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  3. 前記第2のドレイン領域における不純物濃度が、前記第1のドレイン領域における不純物濃度よりも低く、かつ、前記第3の半導体層における不純物濃度よりも高いものであって、
    前記第3のドレイン領域における不純物濃度が、前記第1のドレイン領域における不純物濃度よりも低く、かつ、前記第3の半導体層における不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記第3のドレイン領域が、前記第2の半導体領域に隣接していることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記第3のドレイン領域が、前記第1の半導体領域に隣接していることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の半導体装置。
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