JP2010153634A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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康雄 大石橋
Yasunari Tagami
康成 田上
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Abstract

【課題】従来の半導体装置では、分離領域の形成領域を狭めつつ、MOSトランジスタの動作耐圧を向上させ難いという問題があった。
【解決手段】本発明の半導体装置では、P型の埋込層9が這い上がり、P型の拡散層12が這い下がり、両拡散層9、12が連結することで、MOSトランジスタ3のバックゲート領域が構成される。この構造により、分離領域1のP型の拡散層13の横方向拡散幅が抑制され、分離領域の形成領域及びMOSトランジスタのデバイスサイズが低減される。その一方で、バックゲート領域での寄生抵抗が低減し、MOSトランジスタの動作耐圧が向上する。
【選択図】図1

Description

本発明は、分離領域を縮小し、MOSトランジスタの動作耐圧を向上させる半導体装置及びその製造方法に関する。
従来の半導体装置の実施例として、下記の半導体装置が知られている。
図8に示す如く、N型のエピタキシャル層62が、P型の単結晶シリコン基板61上に形成される。N型の埋込層63が、基板61とエピタキシャル層62に渡り形成される。P型の拡散層64、65がエピタキシャル層62に形成され、バックゲート領域として用いられる。N型の拡散層66、67が、P型の拡散層64、65と重畳して形成され、ソース領域として用いられる。N型の拡散層68、69が、エピタキシャル層62に形成され、ドレイン領域として用いられる。そして、エピタキシャル層62上にはゲート電極70等が形成され、Nチャネル型MOSトランジスタ(以下、N−MOSと呼ぶ。)が形成される(例えば、特許文献1参照。)。
また、図9に示す如く、N型のエピタキシャル層82が、P型の単結晶シリコン基板81上に形成される。N型の埋込層83が、基板81とエピタキシャル層82に渡り形成される。P型の拡散層84がエピタキシャル層82に形成され、バックゲート領域として用いられる。そして、P型の拡散層84は、N型の埋込層83と連結する。N型の拡散層85、86が、P型の拡散層84と重畳して形成され、ソース領域として用いられる。N型の拡散層87〜89が、エピタキシャル層82に形成され、ドレイン領域として用いられる。そして、エピタキシャル層82上にはゲート電極90等が形成され、Nチャネル型MOSトランジスタ(以下、N−MOSと呼ぶ。)が形成される(例えば、特許文献2参照。)。
特開2002−314066号広報(第5−6頁、第1図) 特開2007−180244号公報(第5−7頁、第1図)
図8に示す如く、N−MOSが動作し、ソース−ドレイン領域間に電流が流れ、ソース−ドレイン領域間の電界により、P型の拡散層64、65にホットキャリアが発生する。発生したホットキャリアは、P型の拡散層71、72を経由しソース電極72へと流れ込むことで、P型の拡散層65の電位は、寄生抵抗に応じて上昇する。そして、N型の拡散層66、67、P型の拡散層64、65及びN型の拡散層68、69から成る寄生NPNトランジスタ(以下、寄生Trと呼ぶ。)1では、ベース−エミッタ領域間の電位差が0.7V以上となることで、オン動作する。このとき、P型の拡散層64、65の拡散幅が狭い(深さ方向の拡散幅が狭い)場合には、P型の拡散層64、65での寄生抵抗値が大きくなり、その電位の上昇も大きくなる。その結果、寄生Tr1の電流量も増大し、N−MOSの動作耐圧が低下するという問題が発生する。
一方、上記N−MOSの動作耐圧の低下を防止するために、図9に示すように、P型の拡散層84を深く拡散させ、ホットキャリアに起因するバックゲート領域での電位上昇を防止することもできる。しかしながら、上記構造により、P型の拡散層84での寄生抵抗値の低減は図れるが、熱処理時間が増大するため、分離領域91を構成するP型の拡散層92の横方向拡散幅W1が増大する。その結果、分離領域91の形成領域が増大し、N−MOSのデバイスサイズを縮小し難いという問題が発生する。特に、P型の拡散層84とP型の拡散層92の離間幅W2は、N−MOSの耐圧特性に影響を与えるため、その特性に応じて一定の離間幅は必要となる。そして、N−MOSのデバイスサイズを縮小するためには、P型の拡散層92の拡散幅W1が、出来る限り狭められることが必要となる。
上述した各事情に鑑みて成されたものであり、本発明の半導体装置では、一導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成される逆導電型のエピタキシャル層と、前記エピタキシャル層を複数の素子形成領域に区分する一導電型の分離領域と、前記素子形成領域の1領域には、前記半導体基板と前記エピタキシャル層に渡り形成される逆導電型の埋込層と、前記逆導電型の埋込層と重畳して形成され、少なくとも前記逆導電型の埋込層の上面に導出する一導電型の第1の埋込層と、前記エピタキシャル層に形成され、前記一導電型の第1の埋込層と連結する一導電型の第1の拡散層と、前記一導電型の第1の拡散層と重畳して形成される逆導電型の第1の拡散層及び逆導電型の第2の拡散層と、前記エピタキシャル層上に形成される電極とを有することを特徴とする。従って、本発明では、分離領域の形成領域を狭めつつ、分離領域内に形成される素子の耐圧特性が向上される。
また、本発明の半導体装置の製造方法では、一導電型の半導体基板を準備し、前記半導体基板に逆導電型の埋込層を形成するための不純物を拡散した後、一導電型の第1の埋込層を形成する不純物を前記半導体基板にイオン注入する工程と、前記半導体基板上に逆導電型のエピタキシャル層を形成し、前記基板に熱処理を施し、前記一導電型の第1の埋込層を前記逆導電型の埋込層上面に導出させた後、前記エピタキシャル層表面から一導電型の第1の拡散層を形成する不純物をイオン注入し、前記一導電型の第1の拡散層と前記一導電型の第1の埋込層とを連結させる工程と、前記一導電型の第1の拡散層に逆導電型の第1の拡散層及び第2の拡散層を形成し、前記エピタキシャル層上に電極を形成する工程とを有することを特徴とする。従って、本発明では、適宜、熱処理を加えることで、分離領域の形成領域を狭めつつ、分離領域内に形成される素子の耐圧特性が向上される。
本発明では、分離領域の横方向拡散幅を狭めつつ、MOSトランジスタのバックゲート拡散層での寄生抵抗値が低減される。この構造により、MOSトランジスタの動作耐圧を向上させ、そのデバイスサイズが縮小される。
また、本発明では、分離領域の拡散層とMOSトランジスタのバックゲート拡散層とが、同一工程にて形成される。この製造方法により、熱処理時間が短縮し、分離領域の形成領域が縮小される。
以下に、本発明の第1の実施の形態である半導体装置について、図1を参照し説明する。図1は、本実施の形態における半導体装置を説明するための断面図である。
図1に示す如く、分離領域1、2にて区画された1つの素子形成領域にはNチャネル型MOSトランジスタ(以下、N−MOSと呼ぶ。)3とPチャネル型MOSトランジスタ(以下、P−MOSと呼ぶ。)4とが形成される。そして、分離領域1、2は、P型の単結晶シリコン基板5と連結し、N型のエピタキシャル層6を複数の素子形成領域に区分する。
次に、エピタキシャル層6が、基板5上に形成される。N型の埋込層7、8が、基板5及びエピタキシャル層6の両領域に渡り形成される。そして、N型の埋込層7はN−MOS3の形成領域に配置され、N型の埋込層8がP−MOS4の形成領域に配置される。尚、基板5上面には複数のエピタキシャル層が形成される場合でもよい。
次に、N−MOS3の形成領域では、P型の埋込層9が、N型の埋込層7と重畳して形成される。例えば、P型の埋込層9はホウ素(B)を拡散させ、形成され、N型の埋込層7はアンチモン(Sb)を拡散させ、形成される。そして、両不純物の拡散係数の違いにより、P型の埋込層9は、N型の埋込層7上下面から導出する。また、分離領域1、2を構成するP型の埋込層10、11が、P型の埋込層9と同一工程にて形成される。尚、P型の埋込層9が、少なくともN型の埋込層7上面から導出していれば良く、P型の不純物の拡散係数がN型の不純物の拡散係数より大きければ、任意の設計変更が可能である。
次に、N−MOS3の形成領域では、P型の拡散層12が、エピタキシャル層6に形成され、P型の埋込層9と連結する。そして、P型の埋込層9は、バックゲート領域として用いられる。また、分離領域1、2を構成するP型の拡散層13、14が、P型の拡散層12と同一工程にて形成され、P型の埋込層10、11と連結する。一方、P−MOS4の形成領域では、N型の拡散層15が、エピタキシャル層6に形成される。そして、N型の拡散層15は、バックゲート領域として用いられる。また、N型の拡散層16が、N型の拡散層15と同一工程にて形成され、分離領域1、2の内周側には、N型の拡散層15、16が配置される。
次に、N−MOS3の形成領域では、N型の拡散層17〜20が、P型の拡散層12に形成される。N型の拡散層17、18はドレイン領域として用いられ、N型の拡散層19、20はソース領域として用いられる。一方、P−MOS4の形成領域では、P型の拡散層21、22が、N型の拡散層15に形成される。P型の拡散層21はドレイン領域として用いられ、P型の拡散層22はソース領域として用いられる。
次に、両形成領域では、ゲート酸化膜23とゲート電極24、25とが、エピタキシャル層6上に形成される。ゲート電極24、25の側面にはサイドウォール(絶縁スペーサー)26が形成される。そして、シリコン酸化膜27、シリコン窒化膜28及びBPSG膜29が、エピタキシャル層6上に積層される。上記絶縁膜にはコンタクトホール30〜33が形成され、ドレイン電極34、36とソース電極35、37とが形成される。
上述したように、P型の埋込層9とP型の拡散層12とが連結することで、N−MOS3のバックゲート領域の拡散幅は広くなり、この領域での寄生抵抗値が小さくなる。この構造により、N型の拡散層17、18、P型の拡散層9、12及びN型の拡散層19、20から成る寄生NPNトランジスタ(以下、寄生Trと呼ぶ。)2では、ホットキャリアに起因するバックゲート領域での電位上昇が抑止される。そして、寄生Tr2の動作を防止し、N−MOS3の動作耐圧を低下することを防止できる。
更に、P型の埋込層9とP型の拡散層12とが連結することで、P型の拡散層12の熱処理時間が短くなり、分離領域1のP型の拡散層13の横方向拡散幅W3が増大することを防止できる。そして、分離領域1の形成領域が縮小される。また、P型の拡散層12は、熱処理時間の短縮による他、N型の拡散層15、16によっても、その横方向拡散幅が増大することを防止できる。この構造により、P型の拡散層13とP型の拡散層12の離間幅W4によりN−MOS3の耐圧特性を維持しつつ、N−MOS3のデバイスサイズを縮小することができる。
尚、本実施の形態では、P型の埋込層9、10、11同士が、また、P型の拡散層12、13、14同士が、それぞれ同一工程にて形成される場合について説明したが、この場合に限定するものではない。例えば、P型の拡散層12の熱処理時間の短縮により、P型の拡散層13の横方向拡散幅W3の広がりを防止し、N−MOS3の耐圧特性を維持しつつ、デバイスサイズを縮小できる構造であればよく、それらの拡散層9〜11、12〜14の形成方法は任意の設計変更が可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
次に、本発明の第2の実施の形態である半導体装置の製造方法について、図2〜図7を参照し説明する。図2〜図7は、本実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。尚、以下の説明では、図1に示した半導体装置で説明した各構成要素と同じ構成要素には同じ符番を付している。
先ず、図2に示す如く、P型の単結晶シリコン基板5を準備する。基板5上にシリコン酸化膜41を形成し、N型の埋込層7、8の形成領域上に開口部が形成されるように、シリコン酸化膜41を選択的に除去する。そして、シリコン酸化膜41をマスクとして用い、基板5の表面にN型不純物、例えば、アンチモン(Sb)を含む液体ソース42を回転塗布法により塗布する。その後、アンチモン(Sb)を熱拡散し、N型の埋込拡散層7、8を形成した後、シリコン酸化膜41及び液体ソース42を除去する。
次に、図3に示す如く、基板5上にシリコン酸化膜43を形成し、シリコン酸化膜43上にフォトレジスト44を形成する。そして、P型の埋込層9〜11が形成される領域上のフォトレジスト44に開口部を形成する。その後、基板5の表面から、P型不純物、例えば、ホウ素(B+)を加速電圧150〜170keV、導入量1.0×1013〜1.0×1015/cmでイオン注入する。このとき、図示したように、P型の埋込層7を形成する不純物は、N型の埋込層7の形成領域にイオン注入される。
次に、図4に示す如く、基板5上にN型のエピタキシャル層6を形成する。このとき、膜厚が2.4〜2.6μm程度となるように、エピタキシャル層6を形成する。そして、エピタキシャル層6の形成工程における熱処理により、上記N型の埋込層7、8及びP型の埋込層9〜11が熱拡散される。
次に、基板5を1100(℃)の窒素雰囲気中に1時間程度置き、熱拡散処理を行う。この熱拡散処理により、ホウ素の方がアンチモンよりも熱拡散係数が大きく、P型の埋込層9が、N型の埋込層7よりも上面に這い上がる。
次に、図5に示す如く、エピタキシャル層6の所望の領域にLOCOS酸化膜45〜47を形成する。そして、エピタキシャル層6上にシリコン酸化膜48を形成し、シリコン酸化膜48上にフォトレジスト49を形成する。そして、P型の拡散層12〜14が形成される領域上のフォトレジスト49に開口部を形成する。エピタキシャル層6の表面から、P型不純物、例えば、ホウ素(B+)を3段階に分けてイオン注入する。例えば、1回目のイオン注入では、加速電圧440〜460keV、導入量3.0×1012〜3.0×1014/cmの条件にて行う。2回目のイオン注入では、加速電圧180〜200keV、導入量1.0×1012〜1.0×1014/cmの条件にて行う。3回目のイオン注入では、加速電圧30〜50keV、導入量2.2×1011〜2.2×1013/cmの条件にて行う。
この製造方法により、エピタキシャル層6の深部に対しても所望の不純物濃度とすることができ、P型の拡散層12とP型の埋込層9とを確実に連結させ、更に、その連結領域の不純物濃度も、適宜、調整することができる。一方、エピタキシャル層6の表面近傍に対しても所望の不純物濃度とすることができ、チャネル領域での不純物濃度も、適宜、調整でき、N−MOS3の特性も所望の値とすることができる。
また、P型の拡散層12〜14を形成する前工程にて、LOCOS酸化膜45〜47を形成する。その後、ホウ素(B+)をイオン注入することで、エピタキシャル層7表面はダメージを受けるが、既に、LOCOS酸化膜45〜47は形成されているので、LOCOS酸化膜45〜47形成時の熱により、エピタキシャル層6表面のダメージから結晶欠陥が発生することを防ぐことができる。
次に、図6に示す如く、P型の拡散層12〜14の熱拡散工程を行うことなく、フォトレジスト49(図5参照)を除去する。そして、シリコン酸化膜48上にフォトレジスト50を形成する。そして、N型の拡散層15、16が形成される領域上のフォトレジスト50に開口部を形成する。エピタキシャル層6の表面から、N型不純物、例えば、リン(P++、P+)、フッ化ホウ素(BF+)を3段階に分けてイオン注入する。例えば、1回目のイオン注入では、リン(P++)を加速電圧370〜390keV、導入量5.0×1011〜5.0×1013/cmの条件にて行う。2回目のイオン注入では、リン(P+)を加速電圧110〜130keV、導入量5.0×1011〜5.0×1012/cmの条件にて行う。3回目のイオン注入では、フッ化ホウ素(BF+)を加速電圧25〜45keV、導入量4.0×1011〜4.0×1013/cmの条件にて行う。
この製造方法により、N型の拡散層15、16においても、P型の拡散層12〜14と同様に、エピタキシャル層の深さ方向に対し所望の不純物濃度の拡散層となり、また、結晶欠陥の発生を防止できる。
次に、図7に示す如く、フォトレジスト50(図6参照)を除去し、P型の拡散層12〜14とN型の拡散層15、16とを同一の熱拡散工程にて拡散させる。そして、この熱拡散工程にて、P型の拡散層12〜14は、それぞれP型の埋込層9〜11と連結する。また、上記熱拡散工程を共用化により1回分の熱拡散工程を省くことができ、P型の埋込層10、11とP型の拡散層13、14との必要以上の横方向への拡散広がりを防止できる。
次に、シリコン酸化膜48(図6参照)を除去し、ゲート酸化膜23とゲート電極24とを形成する。そして、ゲート電極24をマスクの一部として用い、自己整合技術によりN型の拡散層18、20を形成する。その後、ゲート電極24の側面にサイドウォール(絶縁スペーサー)26を形成し、エピタキシャル層6上にシリコン酸化膜27を形成する。N型の拡散層18、20は、ゲート電極24に対し位置精度良く配置される。
次に、シリコン酸化膜48上にフォトレジスト51を形成する。そして、N型の拡散層17、19が形成される領域上のフォトレジスト51に開口部を形成する。その後、エピタキシャル層6の表面から、N型不純物、例えば、ヒ素(As+)をイオン注入し、N型の拡散層17、19を形成する。このとき、ゲート電極24とサイドウォール26とをマスクの一部として用い、自己整合技術により形成することで、N型の拡散層17、19は、N型の拡散層18、20に対し位置精度良く配置される。
最後に、P型の拡散層21、22、シリコン窒化膜28、BPSG膜29を形成する。その後、ドレイン電極34、36、ソース電極35、37を形成し、図1に示す半導体装置が完成する。
尚、本実施の形態では、P型の拡散層12〜14とN型の拡散層15、16は、それぞれ3回のイオン注入工程によって形成される場合について説明したがこの場合に限定するものではない。例えば、2回のイオン注入工程や4回以上のイオン注入により形成する場合でもよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
本発明の実施の形態における半導体装置を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 従来の実施の形態における半導体装置を説明するための断面図である。 従来の実施の形態における半導体装置を説明するための断面図である。
符号の説明
1 分離領域
2 分離領域
3 Nチャネル型MOSトランジスタ
9 P型の埋込層
12 P型の拡散層

Claims (4)

  1. 一導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成される逆導電型のエピタキシャル層と、
    前記エピタキシャル層を複数の素子形成領域に区分する一導電型の分離領域と、
    前記素子形成領域の1領域には、前記半導体基板と前記エピタキシャル層に渡り形成される逆導電型の埋込層と、
    前記逆導電型の埋込層と重畳して形成され、少なくとも前記逆導電型の埋込層の上面に導出する一導電型の第1の埋込層と、
    前記エピタキシャル層に形成され、前記一導電型の第1の埋込層と連結する一導電型の第1の拡散層と、
    前記一導電型の第1の拡散層と重畳して形成される逆導電型の第1の拡散層及び逆導電型の第2の拡散層と、
    前記エピタキシャル層上に形成される電極とを有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記分離領域は、前記半導体基板と前記エピタキシャル層とに渡り形成された一導電型の第2の埋込層と、前記エピタキシャル層に形成され、前記一導電型の第2の埋込層と連結する一導電型の第2の拡散層とを有し、
    前記一導電型の第2の埋込層は、前記一導電型の第1の埋込層と同一工程にて形成される拡散層であり、前記一導電型の第2の拡散層は、前記一導電型の第1の拡散層と同一工程にて形成される拡散層であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 一導電型の半導体基板を準備し、前記半導体基板に逆導電型の埋込層を形成するための不純物を拡散した後、一導電型の第1の埋込層を形成する不純物を前記半導体基板にイオン注入する工程と、
    前記半導体基板上に逆導電型のエピタキシャル層を形成し、前記半導体基板に熱処理を施し、前記一導電型の第1の埋込層を前記逆導電型の埋込層上面に導出させた後、前記エピタキシャル層表面から一導電型の第1の拡散層を形成する不純物をイオン注入し、前記一導電型の第1の拡散層と前記一導電型の第1の埋込層とを連結させる工程と、
    前記一導電型の第1の拡散層に逆導電型の第1の拡散層及び第2の拡散層を形成し、前記エピタキシャル層上に電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 前記エピタキシャル層を複数の素子形成領域に区分する分離領域を構成する一導電型の第2の埋込層を形成するイオン注入工程は、前記一導電型の第1の埋込層を形成するイオン注入工程と同一工程であり、
    前記分離領域を構成する一導電型の第2の拡散層を形成するイオン注入工程は、前記一導電型の第1の拡散層を形成するイオン注入工程と同一工程であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
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