JP2010010408A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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陽樹 米田
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Abstract

【課題】高耐圧トランジスタのドレイン耐圧を高くし、かつ電流駆動能力を向上させる。
【解決手段】ドレイン層18の下方から、素子分離絶縁膜9の下方を経由して、ソース層17の下部のN型ボディ層の下方のN型エピタキシャル層3中に拡がったP型ドリフト層10が形成されている。このP型ドリフト層10は、ドレイン層18の直下での深さが素子分離絶縁膜9の下方に比べて浅くなり、また、素子分離絶縁膜9の下方からN型ボディ層11に近づくにつれて浅くなり、N型ボディ層11の底部に接している。このように、P型ドリフト層10が上記広範囲に拡散されているので、N型ボディ層11からドレイン層18に至る幅広い電流通路が形成され、電流駆動能力を高くすることができると共に、ドレイン耐圧も高くすることができる。
【選択図】図2

Description

本発明は半導体装置及びその製造方法に関し、特に、高耐圧トランジスタの半導体装置及びその製造方法に関するものである。
従来より、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)オフセット法を用いた高耐圧MOSトランジスタが知られている。以下、図9を参照して、係る高耐圧MOSトランジスタの製造方法について説明する。
図9(a)に示されるように、N型のシリコン基板21又はNウエルが形成されているシリコン基板21の表面にパッド酸化膜22を熱酸化で形成し、パッド酸化膜22上にシリコン窒化膜23を減圧CVD法等で形成する。
次に、図9(b)に示すように、素子分離領域にすべき部分及びオフセットドレイン領域となるP型ドリフト層を形成する部分のシリコン窒化膜23を、所定のフォトリソグラフィ工程等を経ることによりエッチングし除去する。次に、オフセットドレイン領域を形成すべき部分以外の部分をフォトレジスト膜(不図示)で覆い、このフォトレジスト膜及びシリコン窒化膜23をマスクとしてP型不純物をイオン注入し、オフセットドレイン領域となる比較的低濃度のP型層24aを形成する。
次に、図9(c)に示すように、シリコン窒化膜23をマスクとして熱酸化並びに熱拡散を行い、膜厚500nm程度の素子分離用の酸化膜25をシリコン基板21の表面に形成し、またオフセットドレイン領域となるP型ドリフト層24bを形成する。その後シリコン窒化膜23等はエッチング除去される。
次に、図9(d)に示すように、酸化膜25をマスクにして閾値電圧調整のためN型の不純物26をシリコン基板21にイオン注入し、その後、ゲート酸化膜27をシリコン基板21の表面に形成する。次に、ポリシリコン膜をCVD法で堆積させ、所定のフォトグラフィ工程等を経てポリシリコン膜からなるゲート電極28を形成する。
次に、図9(e)に示すように、ゲート電極28、酸化膜25をマスクとして不純物のイオン注入により、高濃度のP型のソース層29並びにP型のドレイン層30が形成される。このようにしてP型ドリフト層24bとP型ソース層29間をチャネル領域31とする高耐圧MOSトランジスタ32が完成する。
なお、上述の高耐圧MOSトランジスタについては、以下の特許文献1,2に記載されている。
特開平9−223793 特開2005−243832
従来例による高耐圧MOSトランジスタ32において、チャネル領域31に接するP型ドリフト層24b側端部における電解強度を緩和しドレイン耐圧を高め信頼性の向上を図るためには、オフセットドレイン領域であるP型ドリフト層24bの不純物濃度を低くして空乏層が拡がるようにする必要がある。
その一方で、高耐圧MOSトランジスタの電流駆動能力を高める必要があり、オフセットドレイン領域であるP型ドリフト層24bの不純物濃度を高くして電流通路の抵抗を低減させる必要がある。即ち、従来例の高耐圧MOSトランジスタ32においては、高耐圧特性と高電流駆動能力性とはトレードオフの関係にあり両特性のいずれをも最良にするのは困難であった。
したがって、本発明の目的は、高性能な高耐圧トランジスタを求める市場の要求に対して、ドレイン耐圧が高く、かつ電流駆動能力が高い高耐圧トランジスタを提供することである。
本発明の半導体装置は、第1導電型の半導体層と、前記半導体層の表面に形成された素子分離絶縁膜と、前記素子分離絶縁膜の一方の端に隣接して前記半導体層の表面に形成された第1導電型のボディ層と、前記素子分離絶縁膜の他方の端に隣接して前記半導体層の表面に形成された第2導電型のドレイン層と、前記ボディ層の表面に形成された第2導電型のソース層と、前記ボディ層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記素子分離絶縁膜上から前記ゲート絶縁膜を介して前記ボディ層上に延在するゲート電極と、前記ドレイン層の下方から前記ソース層の下部の前記ボディ層の下方の前記半導体層中に拡がったドリフト層と、を備え、前記ドリフト層は、前記ドレイン層の直下での深さが前記素子分離絶縁膜の下方に比べて浅くなるとともに、前記素子分離絶縁膜の下方から前記ボディ層に近づくにつれて浅くなり、前記ボディ層の底部に接していることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体層の表面に第2導電型の不純物を選択的に導入する工程と、前記不純物を導入された領域を選択酸化することにより、素子分離絶縁膜を形成するとともに、前記不純物を拡散して第2導電型のドリフト層を形成する工程と、前記素子分離絶縁膜を基準にし、前記素子分離絶縁膜の一方の端に隣接して第1導電型のボディ層を形成する工程と、前記ボディ層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記素子分離絶縁膜上から前記ゲート絶縁膜を介して前記ボディ層上に延在するゲート電極を形成する工程と、前記ボディ層の表面に第2導電型のソース層を形成すると共に、前記素子分離絶縁膜の他方の端に隣接して第2導電型のドレイン層を形成する工程と、を備え、前記ドリフト層は、前記ドレイン層の下方から前記ソース層の下部の前記ボディ層の下方の前記半導体層中に拡がると共に、前記ドリフト層は、前記ドレイン層の直下での深さが前記素子分離絶縁膜の下方に比べて浅くなり、更に前記素子分離絶縁膜の下方から前記ボディ層に近づくにつれ浅くなるように拡散されることを特徴とする。
本発明によれば、高耐圧トランジスタのドレイン耐圧を高くし、かつ電流駆動能力を向上させることができる。
本発明の実施形態について以下に図面に従って説明する。図1は、本発明の実施の形態による高耐圧MOSトランジスタの平面図である。図2は、図1のA−A線における断面図である。この高耐圧MOSトランジスタは、チャネル幅を大きくするために、ゲート電極13、ソース層17、ドレイン層18が繰り返し形成されているが、図1においては、その一部について図示している。以下では、まず高耐圧MOSトランジスタの構成の要部を説明し、続いて、その製造方法について詳しく説明する。
図2に示すように、P型半導体基板1の表面にN+型埋め込み層2が形成され、N+型埋め込み層2上にN型エピタキシャル層3が形成されている。N型エピタキシャル層3の表面には、LOCOSよりなる素子分離絶縁膜9が形成されており、この素子分離絶縁膜9の一方の端に隣接して、N型エピタキシャル層3の表面にN型ボディ層11が形成されている。また、素子分離絶縁膜9の他方の端に隣接して、N型エピタキシャル層3の表面にP+型のドレイン層18が形成されている。N型ボディ層11の表面にはP+型のソース層17が形成されている。
N型ボディ層11上には、ゲート絶縁膜12が形成され、素子分離絶縁膜9上からゲート絶縁膜12を介してN型ボディ層11上に延在するゲート電極13が形成されている。そして、ドレイン層18の下方から、素子分離絶縁膜9の下方を経由して、ソース層17の下部のN型ボディ層11の下方のN型エピタキシャル層3中に拡がったP型ドリフト層10が形成されている。このP型ドリフト層10は、ドレイン層18の直下での深さが素子分離絶縁膜9の下方に比べて浅くなっている。
このように、P型ドリフト層10が上記広範囲に拡散されているので、N型ボディ層11からドレイン層18に至る幅広い電流通路が形成され、電流駆動能力を高くすることができる。ドレイン層18の直下での深さが素子分離絶縁膜9の下方に比べて浅くなっていることも電流駆動能力を高くすることに寄与している。
また、P型ドリフト層10が上記広範囲に拡散され、且つドレイン層18の直下での深さが素子分離絶縁膜9の下方に比べて浅くなっているので、P型ドリフト層10とN型エピタキシャル層3とで形成されるPN接合の接合面積が大きくなる。その結果、ドレイン層18の空乏層が広く拡がり、ドレイン層18の電界が緩和される結果、ドレイン耐圧を高くすることができる。
また、N型ボディ層11の表面には、N型チャネル層14が形成され、このN型チャネル層14上にゲート絶縁膜12を介してゲート電極13が配置されている。つまり、ゲート電極13の下のN型ボディ層11及びN型チャネル層14が高耐圧トランジスタのチャネル領域になっている。
N型チャネル層14の不純物濃度は、N型ボディ層11の不純物濃度より高いことが好ましい。これにより、高耐圧トランジスタのしきい値Vtは、N型チャネル層14の不純物濃度で決定することができる。
一方、P型ドリフト層10の端部は、素子分離絶縁膜9の下方からN型ボディ層11に近づくにつれて浅くなり、N型ボディ層11の底部に延在し、ソース層17の下部におけるP型ドリフト層10とN型エピタキシャル層3とで形成されるPN接合の接合面積が大きくなることにより、ドレイン耐圧を高くすることができる。従ってこの部分のドレイン耐圧は、P型ドリフト層10とN型ボディ層11との接触部で決定されることになる。また、N型ボディ層11の不純物濃度を適切な値に設定して、P型ドレイン層の不純物濃度を補償してやることによりドレイン耐圧を高くすることができる。この場合、高耐圧トランジスタの閾値Vtは、N型チャネル層14の不純物濃度で決定されるので、N型ボディ層11の不純物濃度を低く設定しても、閾値Vtへの影響はない。つまり、上記構成によれば、ドレイン耐圧と高耐圧トランジスタのしきい値Vtとを独立に制御することができる。
また、本実施形態においては、ゲート電極13、ソース層17、ドレイン層18が繰り返し形成されるパターンになっており、ソース層17又はドレイン層18を中心にして見ると、左右対称な構造になっている。そして、ドレイン層18の下方において、互いに隣接したP型ドリフト層10,10を重畳させれば、この重畳部分の不純物濃度が高くなる。このような構成も、電流駆動能力を高くすることに有利に働くことになる。
一方、ソース層17の下方において、互いに隣接したP型ドリフト層10,10が接しない程度にN型ボディ層11の底部に延在させることにより、PN接合の接合面積を大きくし、ドレイン耐圧を高くすることができる。
以下、上述の高耐圧トランジスタの製造方法について、図3乃至図8を参照して説明する。まず、図3に示すように、P型半導体基板1(例えば、P型のシリコン単結晶基板)を準備し、その表面にN+型埋め込み層2を所定の工程を経ることにより形成し、更にその表面にエピタキシャル法によりN型エピタキシャル層3を所定の厚みに形成する。
その後、N型エピタキシャル層3の表面に薄いパッド用熱酸化膜4を形成し、更にその上面に減圧CVD法等によりシリコン窒化膜5を形成する。次に後述のP型ドリフト層10並びに素子分離絶縁膜9を形成する領域に開口部を有するフォトレジスト膜(不図示)を所定のフォトレジスト工程を経ることにより形成する。その後、P型ドリフト層等の形成予定領域に露出したシリコン窒化膜5等をドライエッチング等によりエッチング除去し、その後フォトレジスト膜を所定の薬液やアッシングにより除去する。
次に、イオン注入法を用いてP型不純物を上記エッチングにより開口したN型エピタキシャル層3内に注入し、P型層8を形成する。この場合、イオン注入した後に高温でドライブインすることからP型層8は、N型エピタキシャル層3の表面に浅く形成すればよいので、P型不純物の濃度を適切に制御したP型層8を形成するのが好ましい。係る工程を経ることにより、P型層8の間には後にソース層等が形成されるソースセル領域6と後にドレイン層が形成されるドレインセル領域7が形成される。
次に、図4に示すように、シリコン窒化膜5を耐酸化マスクとして、1100℃以上の高い温度で熱酸化を行うことで、熱酸化膜からなる素子分離絶縁膜9を形成するとともに、P型層8をドライブインして、P型の深い拡散層であるP型ドリフト層10を形成する。P型ドリフト層10は図に示される通り、ソースセル領域6内まで深く拡散されており、またドレインセル領域7内にはドレインセル領域7の両側から2つのP型ドリフト層10が拡散して、互いに重畳することにより、その重畳部分のP型不純物の濃度が高くなり、その部分のP型ドリフト層10の抵抗を小さいものとしている。
次に、図5に示すように、素子分離絶縁膜9パターンを合わせマークの基準として所定のフォトリソグラフィ工程によりソースセル領域6に開口部を有するフォトレジスト膜(不図示)を形成し、当該フォトレジスト膜をマスクとして、N型不純物をそのフォトレジスト膜の開口部から半導体層内にイオン注入することによりN型ボディ層11が形成される。N型ボディ層11は素子分離絶縁膜9パターンを基準に形成されていることから、素子分離絶縁膜9と同時に形成されたP型ドリフト層10との位置関係は安定し、その再現性が高い。従って、N型ボディ層11の端部のP型ドリフト層10により決定される耐圧特性もバラツキが少なく、再現性の高いものが実現できる。
次に、図6に示すように、N型ボディ層11上を含めて半導体層の表面にゲート絶縁膜12を形成する。その後、ゲート絶縁膜12上にポリシリコン膜をCVD等で形成し、所定のフォトグラフィ工程等を経ることによりゲート電極13を形成する。ゲート電極13は、N型ボディ層11上に開口部を有し、ゲート絶縁膜12上から素子分離絶縁膜9上に延在している。この場合の合わせマークの基準も素子分離絶縁膜9パターンとなるので、ゲート電極13とN型ボディ層11の位置関係が大きくずれることはないし、また仮に多少ずれたとしても後述するように耐圧や閾値電圧に影響することはない。
次に、図7に示すように、ソースセル領域6に開口部を有するフォトレジスト膜15を所定のフォトレジスト工程を経ることにより形成する。その後、露出しているN型ボディ層11に対し、当該N型ボディ層11の表面に垂直な方向から30°前後の角度で、ゲート電極13をマスクとしてN型の不純物をイオン注入する。この場合、P型半導体基板1を回転させて数回にわたってセルフアラインでイオン注入を行うことにより、N型ボディ層11の内側に、N型ボディ層11より濃度の高いN型チャネル層14を形成する。イオン注入後の低温アニールによりN型チャネル層14は、左右両サイドのゲート電極13の下のゲート酸化膜12との界面に入り込む。N型チャネル層14の端部のゲート絶縁膜12と接触している表面部の位置は、P型半導体基板1を回転させ同一条件でイオン注入し形成していることから、図7に示されるように左右対称となる所望のN型チャネル層14を形成することが出来る。
従って、N型チャネル層14の外側のN型ボディ層11の表面濃度がかなり低い場合でも、左右どちらかのチャネル長が短くなることも無く、左右いずれかのチャネルで短チャネル効果が生ずることを懸念する必要もない。なお、本発明の実施の形態においては、P型半導体基板1を90°づつ4回回転してN型チャネル層14を形成している。また、仮にN型チャネル層14の端部、N型ボディ層11の端部それぞれのゲート絶縁膜12と接触している部分間の距離が左右で異なる場合でも、耐圧はN型ボディ層11端部に接するP型ドリフト層10で決まり、しきい値VtはN型ボディ層11より不純物濃度の高いN型チャネル層14で決まることから大きな問題となることは無い。
次に、図8に示すように、半導体層の表面全体を被覆する酸化膜(不図示)をCVD法により形成し、所定のRIE(Reactive Ion Etching)によりエッチバックし、ゲート電極13の側壁に酸化膜から成るサイドウォール16を形成する。次に、ソースセル領域6及びドレイン層18等に開口部を有するフォトレジスト膜(不図示)を所定のフォトレジスト工程を経ることにより形成する。その後ゲート電極13、サイドウォール16をマスクとして、P+型のソース層17を、また、あわせて前記フォトレジスト膜(不図示)をマスクとして、P+型のドレイン層18を高ドーズ量のP型不純物をイオン注入することにより形成する。
この場合、素子分離絶縁膜9をマスクにしてセルフアラインでドレイン層18を形成すれば、さらに微細なパターンが実現できる。なお、ソース層17はサイドウォール16をマスクとしてセルフアラインで形成されることから、N型チャネル層14との位置関係はほぼ一定となりN型チャネル層14表面に形成されるチャネル長もほぼ一定となる。
最後に、図2に示すように、半導体層全面を被覆する層間絶縁膜19を形成し、その後ドレイン層18、ソース層17並びに不図示のゲート電極13に対するコンタクトホール20を所定のフォトグラフィ工程等を経て形成し、不図示のアルミニュ−ム等からなる配線電極等を形成することにより所望の半導体装置が完成する。
図2から分かるように、P型ドリフト層10が素子分離絶縁膜9の形成位置を中心として広く拡散し、N型ボディ層11下部まで広がり、素子分離絶縁膜9下部において最も深く拡散されていることから、N型ボディ層11からドレイン層18に至る広い電流通路が形成されている。また、本発明における実施の形態ではドレイン層18はソース層17より素子分離絶縁膜9に近い位置に配置していることからドレイン層18の下部には当該ドリフト層の両側からP型ドリフト層10,10が拡散しており、その部分の不純物濃度は高くなるので当該部分の抵抗は下がる。このように、電流の集中する終端部であるドレイン層18下部の不純物濃度が高濃度になっていることから終端部効果もあり、ソース層17からドレイン層18に至る電流通路の抵抗が下がることにより電流駆動能力が高くなる。
またドレイン耐圧に関しても、N型ボディ層11とP型ドリフト層10との位置関係がいずれも素子分離絶縁膜9パターンを基準に形成されていることから安定しているので、それぞれの濃度を最適に設定することにより所望の耐圧を得ることが出来る。さらに、前述の如くP型ドリフト層10をドレイン層直下での深さに比べ、素子分離絶縁膜9の下方で深く拡散していることから広い電流通路が形成されるが、それとともに、接合面積が広くなり深く拡散されたP型ドリフト層10の曲率半径が大きくなる。また、ソース層17の下方においては、P型ドリフト層10は隣接するP型ドリフト層10と接しない範囲でN型ボディ層11の底部に延在している。従って、P型ドリフト層10とN型エピタキシャル層3及びP型ドリフト層10とNボディ層11で形成されるPN接合内に空乏層が広く均一に拡がることになり耐圧を高めることに有利に働いている。また閾値を決めているN型チャネル層14を、ゲート電極13をマスクにしてセルフアラインで形成し、ソース層17もゲート電極13の側端部に形成したサイドウォール16をマスクにセルフアラインで形成しているので濃度の高いN型チャネル層14部分のチャネル領域のチャネル長が一定となり、トランジスタ特性も安定する。
なお、本実施形態は、バイポーラトランジスタ等も形成できるN+型埋め込み層2等を含む半導体基板の構成となっているが、MOS型トランジスタのみからなるN+型埋め込み層2等の無い半導体基板上に構成される場合を除外するものでないし、本実施形態と逆極性の構成とすること、即ちP型をN型に、N型をP型に変更した場合や、単体のMOS型トランジスタの場合であっても発明の思想が同一であれば本発明の範囲に含まれることも言うまでもない。
本発明の実施形態による半導体装置を示す平面図である。 図1の半導体装置のA−A線における断面図である。 本発明の半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 従来の半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。
符号の説明
1 P型半導体基板 2 N+型埋め込み層 3 N型エピタキシャル層
4 パッド酸化膜 5 シリコン窒化膜 6 ソースセル領域
7 ドレインセル領域 8 P型層 9 素子分離絶縁膜
10 P型ドリフト層 11 N型ボディ層 12 ゲート絶縁膜
13 ゲート電極 14 N型チャネル層 15 フォトレジスト膜
16 サイドウォール 17 ソース層 18 ドレイン層
19 層間絶縁膜 20 コンタクトホール

Claims (9)

  1. 第1導電型の半導体層と、
    前記半導体層の表面に形成された素子分離絶縁膜と、
    前記素子分離絶縁膜の一方の端に隣接して前記半導体層の表面に形成された第1導電型のボディ層と、
    前記素子分離絶縁膜の他方の端に隣接して前記半導体層の表面に形成された第2導電型のドレイン層と、
    前記ボディ層の表面に形成された第2導電型のソース層と、
    前記ボディ層上に形成されたゲート絶縁膜と、
    前記素子分離絶縁膜上から前記ゲート絶縁膜を介して前記ボディ層上に延在するゲート電極と、
    前記ドレイン層の下方から前記ソース層の下部の前記ボディ層の下方の前記半導体層中に拡がったドリフト層と、を備え、
    前記ドリフト層は、前記ドレイン層の直下での深さが前記素子分離絶縁膜の下方に比べて浅くなるとともに、前記素子分離絶縁膜の下方から前記ボディ層に近づくにつれて浅くなり、前記ボディ層の底部に接していることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ボディ層の下方の前記ドリフト層は、隣接する他のドリフト層と重畳していないことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ドレイン層の下方の前記ドリフト層は、隣接する他のドリフト層と重畳していることに特徴を有する請求項1乃至2のいずれかに記載の半導体装置。
  4. 前記ボディ層は、当該ボディ層の表面に形成された第1導電型のチャネル層を備え、
    前記チャネル層の濃度は前記ボディ層の濃度より高いことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 第1導電型の半導体層の表面に第2導電型の不純物を選択的に導入する工程と、
    前記不純物を導入された領域を選択酸化することにより、素子分離絶縁膜を形成するとともに、前記不純物を拡散して第2導電型のドリフト層を形成する工程と、
    前記素子分離絶縁膜を基準にし、前記素子分離絶縁膜の一方の端に隣接して第1導電型のボディ層を形成する工程と、
    前記ボディ層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記素子分離絶縁膜上から前記ゲート絶縁膜を介して前記ボディ層上に延在するゲート電極を形成する工程と、
    前記ボディ層の表面に第2導電型のソース層を形成すると共に、前記素子分離絶縁膜の他方の端に隣接して第2導電型のドレイン層を形成する工程と、を備え、
    前記ドリフト層は、前記ドレイン層の下方から前記ソース層の下部の前記ボディ層の下方の前記半導体層中に拡がると共に、前記ドレイン層の直下での深さが前記素子分離絶縁膜の下方に比べて浅くなり、更に前記素子分離絶縁膜の下方から前記ボディ層に近づくにつれ浅くなるように拡散されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 前記ドリフト層が、前記素子分離絶縁膜の下方から前記ボディ層に近づくにつれて浅くなり、前記ボディ層の底部に接するように形成されることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記ボディ層の下方の前記ドリフト層が、隣接する他のドリフト層と重畳しない状態で形成されることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記ドレイン層の下方の前記ドリフト層が、隣接する他のドリフト層と重畳して形成されることを特徴とする請求項5乃至7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記ゲート電極の下方の前記ボディ層の表面に、斜めイオン注入により、第1導電型のチャネル層を形成する工程を備えることを特徴とする請求項5乃至8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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