JP2010258355A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 低いオン抵抗を維持しつつ、従来構成よりも更に耐圧低下を抑制したLDMOSトランジスタ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 P型基板1上に形成された、N型ウェル2と、ウェル2内に形成されたP型ボディ領域6と、ウェル2内においてボディ領域6よりも深い位置に形成されたP型の埋め込み拡散領域4と、ボディ領域6内に形成されたN型のソース領域9と、ウェル2内において、素子分離領域を介してボディ領域6と離間して形成したN型のドリフト領域7と、ドリフト領域7内に形成されたN型のドレイン領域10と、少なくとも前記ボディ領域9の一部上方、及びボディ領域9とドレイン領域10に挟まれた位置におけるウェル領域2の上方にわたってゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極7と、有し、ドリフト領域7並びにドレイン領域10が、ボディ領域6を取り囲むようにリング状に形成されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特にLDMOSトランジスタ(ラテラル二重拡散MOSトランジスタ)及びその製造方法に関する。
LDMOSトランジスタは、スイッチング速度が速く、電圧駆動系のため使いやすいといった特徴を有しており、スイッチングレギュレータや各種ドライバ、DC−DCコンバータ等に用いられ、パワー・高耐圧分野のキーデバイスとなっている。
一般的に、LDMOSトランジスタの性能は、そのオフ時の耐圧(降伏耐圧)とオン抵抗で示される。しかし、これらは通常、トレードオフの関係にあり、高い耐圧と低いオン抵抗を両立させることは難しい。そのため、この両立をいかにして実現するかという点において、長年開発が行われている。
以下、図12及び図13を参照しながら、下記特許文献1に記載の従来のNチャネル型LDMOSトランジスタの構造につき説明する。図12はこのトランジスタの概略平面図であり、図13は図12中のL1−L2線で切断した概略断面図である。
図13に示すように、従来のLDMOSトランジスタは、P型半導体基板100上にP型エピタキシャル層101が形成されている。そして、このエピ層101内には、N型埋め込み拡散領域102と、この埋め込み拡散領域102の上層にN型ウェル2が形成されている。
N型ウェル2内にはP型ボディ領域6とN型ドレイン領域10が素子分離領域21を介してL方向(L1−L2線に平行な方向)に離間して形成されている。
P型ボディ領域6内には高濃度N型のソース領域8が形成されており、更にそのソース領域8内には高濃度P型のボディコンタクト領域9が形成されている。なお、ソース領域8,ボディコンタクト領域9上にはコンタクト電極を介してソース電極16が形成されており、このソース電極16によってソース領域8とボディ領域6が同電位に設定されている。
P型ボディ領域6の一部上方、及びその外側に位置するN型ウェル2の一部上方にわたって、ゲート電極11がゲート絶縁膜を介して形成されている。
N型ドレイン領域10上には、コンタクト電極を介してドレイン電極15が形成されている。また、図13中の22は層間絶縁膜を示す。
一般的に、NチャネルLDMOSトランジスタにおいて、オフ状態、つまりドレイン−ソース間に逆バイアスを印加する際には、ソース電極16及びゲート電極11をGND電位に設定し、ドレイン電極15に正電圧を印加する。このようにして、ドレイン−ソース間に逆バイアスが印加されると、ある電圧において空乏層内の電界が臨界電界に達し、なだれ降伏が生じて急激にドレイン−ソース間に電流が流れ始める。このときのドレイン電極の印加電圧がトランジスタのオフ耐圧値である。
ドレイン−ソース間に逆バイアスが印加されると、ドレイン側のゲートエッジ(図13中の領域A)にL方向の電界が集中し、耐圧が低下する要因となる。
従って、耐圧を上げるためには、このゲートエッジの電界を緩和させることが重要となる。その対策としては、N型ウェル2の濃度を調整したり、ドリフト長(図13中の領域B)を調整するという方法がある。
ところで、図12及び図13に記載の従来のNチャネルLDMOSトランジスタの場合、P型ボディ領域6がN型ウェル2内に形成されているため、P型ボディ領域6がP型半導体基板100と電気的に絶縁されているという特徴を有している。
一般的なNチャネルLDMOSトランジスタを電源とGND間に複数段直列に配置する場合、電源側に配置されるNチャネルLDMOSトランジスタは、オン時にソース領域の電位がほぼ電源電圧に固定されることになり、ソース領域にはP型半導体基板(通常GND電位)に対して、電源電圧相当の耐圧が要求される。
これに対し、上記構造のNチャネルLDMOSトランジスタのように、P型ボディ領域6をN型ウェル2内に形成する場合には、P型ボディ領域6がP型半導体基板100と電気的に絶縁されているため、P型ボディ領域6の電位、すなわちN型ソース領域8の電位がGND電位に固定されることなく使用でき、回路上汎用性が高いという利点を有する。
しかしながら、この図12及び図13に記載のNチャネルLDMOSトランジスタにおいては、P型ボディ領域6がN型ウェル2内に形成されているにもかかわらず、以下に示すように、使用条件によってはソース領域8の電位がGND電位に固定されてしまい、回路上の汎用性が失われるということが起こり得る。
このような問題は、図14のように、図12の構成においてゲート電極11の外側位置におけるN型ウェル2上方にまたがるようにLow電位の金属配線31が形成される場合に発生する。なお、図15は、図14中のW1−W2線で切断した概略断面図である。
ここで、NチャネルLDMOSトランジスタが飽和領域(5極管領域)で動作している場合を想定する。より具体的には、図15において、N型ウェル2がHigh電位(数十ボルト)、ゲート−ソース間電圧が5V程度、ソース電位がHigh電位とGND電位の中間電位である場合を想定する。
このとき、図15中の領域Cにおけるゲート絶縁膜直下及び素子分離領域21直下にはゲート電極11によって反転層(ホール)が形成される。また、同図中領域Dにおける素子分離領域21直下には金属配線31によって反転層(ホール)が形成される。これにより、P型エピタキシャル層101とP型ボディ領域6が導通する。この結果、P型ボディ領域6が中間電位である場合、ボディ領域6からP型エピタキシャル層101及びP型半導体基板100に抜けるリークパスが形成されてしまうため、このような使用条件では本トランジスタによって所望の結果を得ることができない。すなわち、図12(図14)の構成によれば、金属配線31の形成位置によっては前記のような問題を生じてしまうため、回路上の汎用性が失われる。
このような問題に対しては、通常、図16に示すような対策が実施される(例えば下記特許文献2参照)。なお、図17は図16中のW1−W2線で切断した概略断面図である。
この従来技術では、図16のように、P型ボディ領域6を取り囲むようにN型ドレイン領域10をリング状に形成する。これにより、図15とは異なり、図16ではW1−W2線での断面図にもN型ドレイン領域10が示されている。
このように構成されたNチャネルLDMOSトランジスタが飽和領域(5極管領域)で動作している場合、より具体的には、先ほどと同様、N型ウェル2がHigh電位(数十ボルト)、ゲート−ソース間電圧が5V程度、ソース電位がHigh電位とGND電位の中間電位である場合を想定する。
このとき、図15の場合と同様、領域Cにおけるゲート絶縁膜直下及び素子分離領域21直下にはゲート電極11によって反転層(ホール)が形成される。しかしながら、領域Dにおける素子分離領域21直下は、高濃度のN型ドレイン領域10の存在により反転層が形成されない。この結果、P型ボディ領域6とP型エピタキシャル層101の絶縁は保たれ、P型ボディ領域6を中間電位に固定することができる。すなわち、図15の構成に比べ、回路の汎用性が高まる。
米国特許第5719421号明細書 特許第3897801号明細書
しかしながら、図16及び図17の構成のNチャネル型LDMOSトランジスタに対し、ドレイン領域10−ソース領域8間に逆バイアスを印加すると、以下のような問題を生じる。なお、図18は、前記逆バイアス印加時におけるポテンシャル分布を図17に追加した図面である。
ドレイン領域10−ソース領域8間に逆バイアスを印加すると、空乏層がP型ボディ領域6とN型ウェル2の接合界面から伸びるが、ゲート電極11よりも低電位の金属配線31の存在によって、この空乏層(ホール)が金属配線31形成側(すなわち図18における右側)に移動する(フィールドプレート効果)。そして、ゲート電極11よりも図面右側には高濃度N型のドレイン領域10が形成されているため、結果的にこのエッジ近傍(図18内の領域E)に高電界が集中し、この部分の耐圧が低下するという問題が生じる。
一般的には、50V以上の耐圧を有するNチャネルLDMOSトランジスタの場合、オフ耐圧値を大きくするために、N型ウェル2の濃度を低く設定する必要がある。このことは、ドレイン領域10−ソース領域8間に逆バイアスを印加した場合に空乏層がよりドレイン領域10のエッジE側に伸びやすくなることを意味している。すなわち、W方向の耐圧低下が顕著となる。
この結果、L方向(L1−L2線に平行な方向)の断面構造から決定される耐圧よりも、W方向(W1−W2線に平行な方向)の耐圧の方が低くなり、結果的にNチャネルLDMOSトランジスタの耐圧が低下してしまうという問題を有する。
本発明は、上記の問題点に鑑み、低いオン抵抗を維持しつつ、従来構成よりも更に耐圧低下を抑制したLDMOSトランジスタ及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置は、
第1導電型の半導体基板上に形成された、前記第1導電型とは異なる第2導電型のウェルと、
前記ウェル内に形成された前記第1導電型のボディ領域と、
前記ウェル内において、前記ボディ領域の底面と接触するように前記ボディ領域よりも深い位置に形成された前記第1導電型の埋め込み拡散領域と、
前記ボディ領域内に形成された、前記ウェルより高濃度の前記第2導電型のソース領域と、
前記ウェル内において、前記半導体基板の基板面に平行な方向に前記ボディ領域と離間した位置に形成された、前記ウェルより高濃度の前記第2導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域内において、前記半導体基板の基板面に平行な方向に前記ボディ領域と素子分離領域を介して離間した位置に形成された、当該ドリフト領域より高濃度の前記第2導電型のドレイン領域と、
少なくとも前記ボディ領域の一部上方、及び前記ボディ領域と前記ドレイン領域に挟まれた位置における前記ウェル領域の上方にわたってゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、有し、
前記ドリフト領域並びに前記ドレイン領域が、前記ボディ領域を取り囲むようにリング状に形成されていることを特徴とする。
なお、本特徴を有する半導体装置は、以下の製造方法によって製造することができる。
すなわち、半導体装置の製造方法であって、
前記第1導電型の半導体基板に、前記第2導電型の不純物イオンを注入して前記ウェル領域を形成する工程と、
前記素子分離領域を形成する工程と、
前記ウェル内に前記第1導電型の不純物イオンを注入して、前記ボディ領域及び前記埋め込み拡散領域を形成する工程と、
前記ウェル内に当該ウェルよりも高濃度の前記第2導電型の不純物イオンを注入して、前記ボディ領域又はその形成予定領域を取り囲むようにリング状の前記ドリフト領域を形成する工程と、
前記ボディ領域内及び前記ドリフト領域内に前記ドリフト領域よりも高濃度の前記第2導電型の不純物イオンを注入して、前記ボディ領域内に前記ソース領域を、前記ドリフト領域内にリング状の前記ドレイン領域をそれぞれ形成する工程と、
前記ボディ領域の一部上方、及び前記ボディ領域と前記ドレイン領域に挟まれた位置における前記ウェル領域の上方にわたって、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極を形成する工程と、を有することを特徴とするものである。
また、本発明の半導体装置は、
第1導電型の半導体基板上に形成された、前記第1導電型とは異なる第2導電型のウェルと、
前記ウェル内に形成された前記第1導電型のボディ領域と、
前記ウェル内において、前記ボディ領域の底面と接触するように前記ボディ領域よりも深い位置に形成された前記第1導電型の埋め込み拡散領域と、
前記ボディ領域内に形成され、前記ウェルより高濃度の前記第2導電型のソース領域と、
前記ウェル内において、前記半導体基板の基板面に平行な方向に前記ボディ領域と離間した位置に形成された、前記ウェルより高濃度の前記第2導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域内において、前記半導体基板の基板面に平行な方向に前記ボディ領域と素子分離領域を介して離間した位置に形成された、当該ドリフト領域より高濃度の前記第2導電型のドレイン領域と、
前記ドリフト領域内において、前記半導体基板の基板面に平行な方向に前記ドレイン領域と離間した位置に形成された、前記ドリフト領域より高濃度の前記第2導電型の反転層形成防止用拡散領域と、
少なくとも前記ボディ領域の一部上方、及び前記ボディ領域と前記ドレイン領域に挟まれた位置における前記ウェル領域の上方にわたってゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、有し、
前記ソース領域は、基板面に平行な第1方向に延伸して形成され、
前記ドレイン領域は、前記ボディ領域に対し、基板面に平行で前記第1方向に直交する第2方向に離間して対向する一方、前記第1方向には対向しないように形成され、
前記ドリフト領域は、前記ボディ領域を取り囲むようにリング状に形成され
前記反転層形成防止用拡散領域は、前記ドレイン領域よりも外側位置における前記ドリフト領域内において、前記ボディ領域を取り囲むようにリング状に形成されていることを別の特徴とする。
なお、本特徴を有する半導体装置は、以下の製造方法によって製造することができる。
すなわち、半導体装置の製造方法であって、
前記第1導電型の半導体基板に、前記第2導電型の不純物イオンを注入して前記ウェル領域を形成する工程と、
前記素子分離領域を形成する工程と、
前記ウェル内に前記第1導電型の不純物イオンを注入して、前記ボディ領域及び前記埋め込み拡散領域を形成する工程と、
前記ウェル内に当該ウェルよりも高濃度の前記第2導電型の不純物イオンを注入して、前記ボディ領域又はその形成予定領域を取り囲むようにリング状の前記ドリフト領域を形成する工程と、
前記ボディ領域内及び前記ドリフト領域内に前記ドリフト領域よりも高濃度の前記第2導電型の不純物イオンを注入して、前記ボディ領域内に前記第1方向に延伸する前記ソース領域を形成し、前記ドリフト領域内に、前記第1方向に延伸する前記ドレイン領域と、同ドレイン領域よりも外側に離間した状態でリング状の前記反転層形成防止用拡散領域とをそれぞれ形成する工程と、
前記ボディ領域の一部上方、及び前記ボディ領域と前記ドレイン領域に挟まれた位置における前記ウェル領域の上方にわたって、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極を形成する工程と、を有することを特徴とするものである。
また、本発明の半導体装置は、上記の特徴に加えて、
前記ドリフト領域は、その一部が前記埋め込み拡散領域とリング状にオーバーラップするように形成されていることを別の特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、上記の特徴に加えて、
前記ソース領域は、基板面に平行な第1方向に延伸して形成されており、
前記ドリフト領域と前記ボディ領域の間隔につき、基板面に平行で前記第1方向に直交する第2方向よりも前記第1方向の方が間隔が広いことを別の特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、上記の特徴に加えて、
前記ソース領域は、基板面に平行な第1方向に延伸して形成されており、
前記ドリフト領域の不純物濃度につき、前記ソース領域と前記第1方向に離間して形成される領域が、基板面に平行で前記第1方向に直交する第2方向に離間して形成される領域よりも高濃度であることを別の特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、上記の特徴に加えて、前記ボディ領域内において、当該ボディ領域より高濃度の前記第1導電型のボディコンタクト領域が形成されていることを別の特徴とする。
本発明の半導体装置によれば、低いオン抵抗を維持しながらも従来よりも更に耐圧の向上したLDMOSトランジスタが実現される。
本発明の第1実施形態のLDMOSトランジスタの概略平面図 図1のL1−L2線における概略断面図 図1のW1−W2線における概略断面図 図4に対し逆バイアス印加時のポテンシャル分布を追加した図 図1において、N型ドリフト領域の注入ドーズ量とW方向の耐圧の関係を示すグラフ 図1において、N型ドリフト領域の注入ドーズ量とL方向の耐圧の関係を示すグラフ 本発明の第1実施形態のLDMOSトランジスタの別の概略平面図 図1におけるN型ドリフト領域とP型ボディ領域の間隔につき、W方向の間隔がL方向よりも広い場合と等しい場合とでW方向の耐圧を比較したグラフ 本発明の第1実施形態のLDMOSトランジスタの製造工程を概略的に示す工程断面図 本発明の第2実施形態のLDMOSトランジスタの概略平面図 第1及び第2実施形態の平面図の比較 従来技術におけるLDMOSトランジスタの概略平面図 図12のL1−L2線における概略断面図 従来技術におけるLDMOSトランジスタにおいて金属配線が形成された場合の概略平面図 図14のW1−W2線における概略断面図 別の従来技術におけるLDMOSトランジスタの概略平面図 図16のW1−W2線における概略断面図 図17に対し逆バイアス印加時のポテンシャル分布を追加した図
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して詳細に説明する。なお、図12〜図18と同一の構成要素については同一の符号を付している。また、各平面図及び断面図はあくまで模式的に図示したものであり、実際の寸法比と図面上の寸法比は必ずしも一致するものではない。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態のNチャネルLDMOSトランジスタの概略平面図である。また、図1のL1−L2線における概略断面図を図2に、W1−W2線における概略断面図を図3に示す。
本実施形態のNチャネルLDMOSトランジスタは、図16の場合と比較して、P型ボディ領域6を取り囲むようにN型ドリフト領域7が形成されている点が大きく異なる。なお、N型ドレイン領域10は、このN型ドリフト領域7内に形成される。N型ドレイン領域10がP型ボディ領域6を取り囲むように形成されている点は図16の場合と同様である。
また、本実施形態の構成では、P型半導体基板1上にN型ウェル2を形成し、同ウェル2内にP型の埋め込み拡散領域4を形成している。そして、P型ボディ領域6とP型埋め込み拡散領域4の界面が接触している。このP型埋め込み拡散領域4の存在により、逆バイアス印加時に当該埋め込み拡散領域4とN型ウェル2の界面に沿って空乏層がL方向に伸びることで、ゲートエッジ(図2中の領域A)に電界が集中するのを防止する役目を果たしている。言い換えれば、L方向の耐圧を向上させる狙いで設けられている。
つまり、このようなL方向の耐圧向上効果を高めるためには、このP型埋め込み拡散領域4は、ボディ領域6の下層からゲート電極11のドレイン側の端部よりも外側まで延伸して形成されることが好ましい。図2では、N型ドレイン領域10の下方位置まで延伸して形成されている例が図示されている。
なお、図2には、概略断面図に併せてポテンシャルの等電位面が描かれているが、これによれば、L方向に延伸するP型埋め込み拡散領域4の存在によりL方向の電界集中が緩和し、この結果ゲートエッジ部Aへの電界集中が防止されているのが分かる。
また、図3に示すW1−W2線断面図によれば、図17の場合と同様、金属配線31下方に高濃度N型のドレイン領域10が形成されている。従って、このドレイン領域10の存在により、LDMOSトランジスタが飽和領域で動作している場合、より具体的には、N型ウェル2がHigh電位(数十ボルト)、ゲート−ソース間電圧が5V程度、ソース電位がHigh電位とGND電位の中間電位である場合、領域Dにおける素子分離領域21直下には反転層(ホール)が形成されないため、P型ボディ領域6とP型半導体基板1とが導通するということがない。これにより、図15の構成に比べて回路の汎用性が高まるという点では、図17と共通する。
ところが、図17の構成の場合には、ソース領域9(ボディ領域6)とW方向に対向する位置におけるN型ドレイン10のドレインエッジEに電界が集中するため、これによって耐圧が低下してしまうという問題があった(図18参照)。本実施形態の構成によれば、ループ状にN型ドリフト領域7が形成されることで、この問題点を解消している。
図4は、図3においてポテンシャルの等電位面を追加したものであり、いわば従来構成における図18に対応するものである。N型ドリフト領域7の存在により、ポテンシャルの等電位面がP型ボディ領域側へと押し戻され、これによってN型ドレイン領域10のエッジ部(図中E)に電界が集中するのを緩和している。
このような効果をより顕著にするためには、図4(図3)に示すようにP型埋め込み拡散領域4の外縁よりも、リング形状のN型ドリフト領域7の内縁が内側(P型ボディ領域6側)に位置するように形成するのが好ましい。これによって、逆バイアス印加時に形成される空乏層が、P型ボディ領域6側、すなわちN型ドレイン領域10から離れる方向に押し戻され、この結果ドレインエッジEに電界が集中するのを緩和する働きを高めることができる。
図5及び図6は、N型ドリフト領域7の導入効果を示すグラフである。すなわち、N型ドリフト領域7として注入したドーズ量(横軸)と耐圧(縦軸)の関係を示すグラフである。図5がW方向(W1−W2線に平行な方向)の耐圧の変化、図6がL方向(L1−L2線に平行な方向)の耐圧の変化をグラフ化したものである。
なお、図5及び図6において、N型ドリフト領域7の注入ドーズ量が0の場合とは、すなわち、図1の構成においてN型ドリフト領域7が形成されていない場合に相当するものである。
図5によれば、N型ドリフト領域7への注入ドーズ量が大きくなる(N型ドリフト領域7の不純物濃度が上昇する)に従い、W方向における耐圧が増大することが分かる。
W方向に関する耐圧について見れば、図18を参照して説明したように、N型ドリフト領域7の注入ドーズ量が0の場合、金属配線31のフィールドプレート効果により、空乏層がP型ボディ領域6からN型ドレイン領域10の方に移動し、その結果、ドレインエッジEに電界が集中し、耐圧が低下する。このことは、図3のようにP型埋め込み拡散領域4が形成されていたとしても、この空乏層の伸び始める位置がP型ボディ領域6のドレイン側端部よりも更にドレイン10側に近付く点を除けば、同様に議論することができる。
これに対し、N型ドリフト領域7を導入することにより、ドレイン10側へ空乏層が伸びるのを抑制することができる(図4参照)。そして、N型ドリフト領域7へのドーズ量を増加させるほど(N型ドリフト領域7の不純物濃度を高くするほど)、その効果が増大し、このことは、図5においてドーズ量の増加と共にW方向の耐圧が上昇していることにも現れている。
次に、L方向の耐圧について見れば、上述したように、本実施形態の構成ではP型埋め込み拡散領域4を備えることで、L方向へ電界を分散させ、これによってドレイン側のゲートエッジ部Aへの電界集中を緩和することができる(RESURF効果、図2参照)。従って、このP型埋め込み拡散領域4の存在によってL方向の耐圧を向上させることができるため、同じ耐圧を確保する場合には、N型ドリフト領域7の濃度を上げることでオン抵抗を低減させることが可能であり、これによって耐圧とオン抵抗のトレードオフ関係を改善することができる。
なお、図6によれば、N型ドリフト領域7への注入ドーズ量を大きくするに従い、L方向の耐圧が一定程度低下する。これは、N型ドリフト領域7の濃度が高くなることで、P型埋め込み拡散領域4によるRESURF効果が抑制される結果、ドレイン側のゲートエッジ部Aへの電界集中が十分に緩和されないためである。
しかし、図6のグラフは、あくまでP型埋め込み拡散領域4を形成することでL方向の耐圧を高めた場合を前提にするものである。そして、このような構成の下では、W方向の耐圧がL方向の耐圧よりも低くなり、この結果としてW方向の耐圧をL方向の耐圧と同程度にまで高める必要が生じる。
つまり、図6ではN型ドリフト領域7を導入することで一見すると耐圧が低下しているように見えるが、図5と比較すれば分かるように、N型ドリフト領域7を導入しなければW方向の耐圧の方がL方向の耐圧が低いことから、このW方向の耐圧を上回る逆バイアス電圧が印加されると、ブレークダウンを生じてしまう。つまり、W方向の耐圧がL方向の耐圧と同程度となるようなドーズ量でN型ドリフト領域7を導入することで、LDMOSトランジスタ全体としての耐圧を最大限高める効果を示すことができる。当然ながら、W方向の耐圧がL方向の耐圧よりも低い条件の下では、ドーズ量を多くするほど耐圧を高める効果を発揮する。
例えば、図5及び図6の例によれば、N型ドリフト領域のNormalized−dose量を1.5に設定すると、W方向とL方向の耐圧をどちらも120V程度に設定することができる。これよりもドーズ量が少なければW方向の耐圧がL方向の耐圧より低く、逆に多ければL方向の耐圧がW方向の耐圧よりも低くなる。
図5の例によれば、W方向の耐圧は、N型ドリフト領域7を導入していない時点において70V程度有している。これにもかかわらず、W方向の耐圧を向上させる必要性が生じたのは、P型埋め込み拡散領域4を導入することでL方向の耐圧が飛躍的に高まったことに起因するものである。つまり、N型ドリフト領域7を導入することでL方向が一定程度低下することを受け入れても、当該L方向の耐圧よりも低いW方向の耐圧を向上させる効果を有するため、この点がN型ドリフト領域7を導入するメリットである。
なお、図5及び図6を参照すれば、W方向の耐圧を高くするためにはN型ドリフト領域7のドーズ量を高めることが好ましく、L方向の耐圧を高くするためにはN型ドリフト領域7のドーズ量を高めないことが好ましい。このため、N型ドリフト領域7を、L方向に延伸する領域とW方向に延伸する領域でドーズ量を異ならせることも有用である。
すなわち、図7に示すように、N型ドリフト領域7の濃度につき、W方向の耐圧に寄与する領域7aの濃度を、L方向に耐圧に寄与する領域7bの濃度よりも高濃度に設定する。より具体的には、ソース領域9とW方向に対向する領域7aの濃度を、L方向に対向する領域7bの濃度よりも高濃度に設定する。これにより、L方向の耐圧低下を抑制しながら、W方向の耐圧を向上させることができる。
なお、ソース領域9とL方向に離間して形成されているN型ドリフト領域7bとは、リング状に形成されたN型ドレイン領域10のうち、W方向に延伸する領域の下方位置に相当する。同様に、ソース領域9とW方向に離間して形成されているN型ドリフト領域7aとは、リング状に形成されたN型ドレイン領域10のうち、L方向に延伸する領域の下方位置に相当する。
更に、W方向の電界集中を緩和させるためには、P型ボディ領域6とN型ドリフト領域7の間隔を、W方向とL方向で異ならせることも有用である。すなわち、P型ボディ領域6とN型ドリフト領域7のW方向の間隔Yを、W方向の間隔Xよりも大きくする(図1,図2,図3参照)。
このような構造とした場合、逆バイアス印加時において、空乏層がP型ボディ領域6からN型ドリフト領域7に向かって伸びるが、L方向よりもW方向の方が両者の間隔が広いため、この方向の電界集中が緩和される。図8は、P型ボディ領域6とN型ドリフト領域7の間隔をW方向とL方向で等しくした場合(Y=X)と、L方向よりもW方向の間隔を広げた場合(Y>X)におけるW方向の耐圧を比較したグラフであるが、Y>XとすることでW方向の耐圧が高められていることが分かる。
以上、本実施形態の構成のように、(1)N型ドリフト領域7をボディ領域6の周囲を取り囲むようにリング状に形成することで、W方向の耐圧を高める効果を有する。そして、(2)このドリフト領域7について、ソース領域とL方向に対向する領域よりもW方向に対向する領域の注入ドーズ量(不純物濃度)を高めることで、L方向の耐圧低下を抑制しながらW方向の耐圧を高める効果を更に発揮することができる。また、(3)P型ボディ領域6とN型ドリフト領域7のW方向の間隔Yを、L方向の間隔Xよりも大きくすることで、更にW方向の耐圧を高める効果を増すことができる。すなわち、(1)のみを備えることでW方向の耐圧向上を高める効果を有し、これに(2)や(3)の要素を含めた場合にはその効果を更に向上させることができる。
以下、本実施形態のLDMOSトランジスタの製造方法につき、図9の工程断面図を参照して説明する。なお、前述の(1),(2),(3)の全てを満たす構造のLDMOSトランジスタを製造する場合を例に挙げて説明するが、(1)のみを満たす場合や(1)及び(2)、又は(1)及び(3)を満たす場合についても同様の方法で製造できる。
図9(a)に示すように、P型半導体基板1に対し、N型不純物を注入し、高温ドライブインによる熱拡散によりN型ウェル2を所望の深さに形成する。N型不純物としては、例えばリンを使用し、注入エネルギーは例えば2MeV以上、ドーズ量は1.0×1013cm−2以下とする。また、不純物注入を行う領域は、例えば高エネルギー注入に対応した厚膜のレジストを用い、フォトエッチング技術等によって注入を行う領域を開口するようにパターニングすることによって規定する。さらに、N型ウェル2の表面の一部に素子分離領域21(LOCOS酸化膜)を形成する。
次に、P型不純物、例えばボロンの注入により、P型ボディ領域6を形成する。更に、1MeV以上の高エネルギー注入でP型不純物、例えばボロン注入を実施して、P型埋め込み拡散領域4を形成する。
次に、図9(b)に示すように、P型ボディ領域6と離間した位置に、N型不純物、例えばリンの注入を、例えば300KeV以上の注入エネルギーにて行い、N型ドリフト領域7a,7bを形成する。ここで、N型ドリフト領域7aを形成するに際しては、N型ドリフト領域7bとは別のレジストマスクを使用し、P型ボディ領域6とN型ドリフト領域7との間隔について、W方向の間隔YがL方向の間隔Xよりも大きく設計されるように(Y>X)、レジストマスクを規定する。更にこのとき、N型ドリフト領域7aの注入ドーズ量を、N型ドリフト領域7bの注入ドーズ量よりも高く設定する。
次に、N型ウェル2の表面領域にゲート絶縁膜を形成し、更にP型ボディ領域6の一部から、素子分離領域21の一部にわたってゲート電極11を形成する。このゲート電極11の形成に際しては、例えばリンがドープされたポリシリコン膜をCVD法により形成し、その上にフォトエッチング技術によってレジストをパターニングした後、ドライエッチング技術等によって前記のポリシリコン膜を加工することにより形成される。
次に、図9(c)に示すように、例えばリン又は砒素の注入によってN型ソース領域8、及びN型ドレイン領域10を形成し、更に、例えばボロン等の注入によってP型ボディコンタクト領域9を形成する。
次に、図9(d)に示すように、表面に例えば常圧CVD法によって層間絶縁膜22を形成し、リフローして表面段差を軽減する。この後、ゲート電極11、N型ドレイン領域10、N型ソース領域8、及びP型ボディコンタクト領域9の上方において、それぞれ前記の酸化膜にコンタクトエッチを行い、コンタクトホールを形成する。その後、例えば、スパッタによってアルミニウム膜を成長させた後、該アルミニウム膜をフォトエッチング及びドライエッチングによってパターンニングし、ソース電極16、ドレイン電極15、及び金属配線31を形成する。なお、金属配線31は、ソース電極16及びドレイン電極15と同時に形成しても良いし、ソース電極16及びドレイン電極15を形成した後に形成しても良い。
[第2実施形態]
第1実施形態では、従来構成の図16と同様、P型ボディ領域6の周囲を取り囲むようにN型ドレイン領域10を形成することで、逆バイアス印加時に反転層が形成されP型ボディ領域6とP型半導体基板1が導通するのを防止した。すなわち、N型ドレイン領域10をリング状に形成することにより、通常のドレインとしての機能と、W方向への反転層形成の抑制機能を兼ね備えさせたものである。
これに対し、図10に示す本実施形態の構成(概略平面図)は、ドレインとしての機能領域と、W方向への反転層形成の抑制機能領域を分けたものである。すなわち、N型ドレイン10は、図12のようにW方向に延伸する形状(ソース領域9とL方向に対向する形状)とし、リング状には形成しない。一方で、このドレイン10の外側に、N型ドレイン10と同程度の高濃度N型領域27(反転層形成防止用拡散領域)を、ボディ領域6を取り囲むようにリング状に形成する。このN型領域27は、N型ドレイン領域10と同様、N型ドリフト領域7内に形成されており、N型ドレイン領域10とはL方向に素子分離領域を介して離間している。
このように構成した場合でも、P型ボディ領域6とW方向に離間した位置に高濃度N型領域27が形成されるため、金属配線31の下方位置であっても、このN型領域27の下方には反転層が形成されず、従って、逆バイアス印加時にP型ボディ領域6とP型半導体基板1の間にリークパスが形成されるということは起こらない。
そして、第1実施形態と同様、このN型領域27はリング状に形成されたN型ドリフト領域7内に形成されるため、この高濃度N型領域27のエッジ付近に電界が集中するという事態も避けることができる。その理由も第1実施形態と同様に、図4を参照して説明することができるため、ここではその説明を省略する。
更に、本実施形態の構成によれば、第1実施形態よりもサージ等の過電圧、過電流印加時の耐性が高まるという効果を有する。この点につき、図11を参照して説明する。
図11は第1実施形態の構成(a)と本実施形態の構成(b)を並べて図示したものである。
図11(a)に示す第1実施形態の構成の場合、N型ドレイン領域10がリング状に形成されているため、ソース領域9とドレイン領域10の間に電位差が与えられると、L方向を隔てて対向するソース領域9とドレイン領域10との間に流れる正規のドレイン電流に加え、W方向の方向成分を有した回り込み電流が発生する。
一般的に、LDMOSトランジスタのドレイン領域にサージ等の過電圧、過電流が印加される場合、まず、その過電圧による電界増大により、ドレイン領域近傍でアバランシェブレークダウンが起こり、そこで発生したホールがP型ボディ領域に流れる際の電位差により、N型ドレイン領域とP型ボディ領域とN型ソース領域から構成される寄生バイポーラトランジスタがオンする。その結果、大電流がドレイン領域からソース領域に流れ、最終的に熱破壊に至る。
ドレイン領域にサージ等の過電圧、過電流が印加される場合、最も電界が集中するのは、P型ボディ6領域のコーナー部(図11(a)中のF1,(b)中のF2)である。従って、このF1部分に、図11(a)のような回り込み電流が発生すると、サージ等の過電圧、過電流が印加された場合にアバランシェ電流の増大を促進する可能性もある。
これに対し、本実施形態の構成であれば、N型ドレイン領域10とは別にリング状のN型領域27が設けられ、N型ドレイン領域10は、N型ソース領域9とL方向にのみ対向する構成である。そして、N型領域27は、N型ドレイン領域10よりも外側に形成されるため、N型領域27とソース領域9の間隔は、ドレイン領域10とソース領域9の間隔よりも大きい。これにより、ソース−ドレイン間に電位差が与えられた場合、L方向に平行な正規のドレイン電流が流れる一方、ソース領域9からN型領域27に向かう回り込み電流は、(a)の場合よりも著しく低下する。
つまり、本実施形態の構成とすることで、第1実施形態の構成よりも、過電圧、過電流印加時の耐性(サージ耐性)を高めることができる。ただし、一方で、ドレイン領域10とは別のN型領域27をドレイン領域10の外側にリング状に形成する必要があるため、第1実施形態よりは占有面積を拡大させる。このため、本実施形態のような構成は、特に大面積にトランジスタをアレイする場合に使用するのが効果的である。その際には、チャネル反転防止のために形成する高濃度のN型領域27は、大面積にアレイしたトランジスタの最外周にのみ形成すれば良い。このように構成すれば、元々の占有面積を基準としたときにN型領域27を設けることによる追加面積の割合を小さくすることができ、面積増大の影響を最小限に抑制できる。
なお、本実施形態の構造に、第1実施形態で説明した(2)や(3)の要素を適用することが可能であることは言うまでもない。
[別実施形態]
以下に別実施形態につき説明する。
〈1〉 上述した本発明の構造では、ゲート電極11をL方向に平行な成分とW方向に平行な成分からなる多角形的な形状であるように図示していたが、この形状に限定されるものではない。例えば、図12のようなトラック状(長円状)に構成しても良い。
〈2〉 本発明の構造ではN型ウェル2を図13の場合よりも深く形成することで、図13のN型埋め込み拡散領域102の形成を省略しているが、図13のようにN型埋め込み拡散領域102を形成することも可能である。ただし、N型埋め込み拡散領域102をイオン注入で形成するには、かなりの高エネルギー注入を実施する必要があるため、現実的には難しいことから、このような構造を形成するにはエピタキシャル層の形成プロセスを利用するのが通常である。エピ形成プロセスは高価なプロセスであるところ、製造に際しエピ形成プロセスを必要としない上述した実施形態の構成の方が、製造コストを低廉化できる点で有用である。
なお、図13のN型埋め込み拡散領域102は、LDMOSトランジスタを高圧側で利用する場合に、このトランジスタがオンするとP型ボディ領域6が高電位に固定され、その際にP型ボディ領域6、N型ウェル2、P型半導体基板100で構成される縦方向の寄生バイポーラトランジスタの影響を抑制する目的で設けられるものである。特に、この寄生トランジスタのhFEが高いと、P型ボディ領域6からP型半導体基板100に向けて流れる電流に起因する消費電力が増大することから、このhFEを低下させる目的でN型埋め込み拡散領域102を形成するものである。
すなわち、縦方向の寄生PNPトランジスタのhFEに基づく縦方向の寄生電流がそもそも大きな問題にならないような場合には、このようなN型埋め込み拡散領域102は不要である。更に、図2のようにN型ウェル2を図13の構成よりも深い領域として形成することで、N型埋め込み拡散領域102を設けた場合と同様の効果(hFEの低下)を示すことができる。
〈3〉 上述の各実施形態では、P型半導体基板上に、P型のボディ領域とN型のソース・ドレイン領域を有してなるNチャネル型のLDMOSトランジスタについて説明を行ったが、各極性を反転させることにより、同様の効果を示すPチャネル型のLDMOSトランジスタを実現することができる。
〈4〉 上述の各実施形態において、ソース電極16をソース領域8及びボディコンタクト領域9の両領域に接触するように形成するものとしたが、両領域それぞれに対して各別に接続される電極を備える構成としても良い。
1: P型半導体基板
2: N型ウェル
4: 埋め込み拡散領域
6: P型ボディ領域
7: N型ドリフト領域
8: N型ソース領域
9: P型ボディコンタクト領域
10: N型ドレイン領域
11: ゲート電極
15: ドレイン電極
16: ソース電極
21: 素子分離領域
22: 層間絶縁膜
27: 高濃度N型領域(反転層形成防止用拡散領域)
31: 金属配線
100: P型半導体基板
101: P型エピタキシャル層
102: N型埋め込み拡散領域

Claims (8)

  1. 第1導電型の半導体基板上に形成された、前記第1導電型とは異なる第2導電型のウェルと、
    前記ウェル内に形成された前記第1導電型のボディ領域と、
    前記ウェル内において、前記ボディ領域の底面と接触するように前記ボディ領域よりも深い位置に形成された前記第1導電型の埋め込み拡散領域と、
    前記ボディ領域内に形成された、前記ウェルより高濃度の前記第2導電型のソース領域と、
    前記ウェル内において、前記半導体基板の基板面に平行な方向に前記ボディ領域と離間した位置に形成された、前記ウェルより高濃度の前記第2導電型のドリフト領域と、
    前記ドリフト領域内において、前記半導体基板の基板面に平行な方向に前記ボディ領域と素子分離領域を介して離間した位置に形成された、当該ドリフト領域より高濃度の前記第2導電型のドレイン領域と、
    少なくとも前記ボディ領域の一部上方、及び前記ボディ領域と前記ドレイン領域に挟まれた位置における前記ウェル領域の上方にわたってゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、有し、
    前記ドリフト領域並びに前記ドレイン領域が、前記ボディ領域を取り囲むようにリング状に形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 第1導電型の半導体基板上に形成された、前記第1導電型とは異なる第2導電型のウェルと、
    前記ウェル内に形成された前記第1導電型のボディ領域と、
    前記ウェル内において、前記ボディ領域の底面と接触するように前記ボディ領域よりも深い位置に形成された前記第1導電型の埋め込み拡散領域と、
    前記ボディ領域内に形成され、前記ウェルより高濃度の前記第2導電型のソース領域と、
    前記ウェル内において、前記半導体基板の基板面に平行な方向に前記ボディ領域と離間した位置に形成された、前記ウェルより高濃度の前記第2導電型のドリフト領域と、
    前記ドリフト領域内において、前記半導体基板の基板面に平行な方向に前記ボディ領域と素子分離領域を介して離間した位置に形成された、当該ドリフト領域より高濃度の前記第2導電型のドレイン領域と、
    前記ドリフト領域内において、前記半導体基板の基板面に平行な方向に前記ドレイン領域と離間した位置に形成された、前記ドリフト領域より高濃度の前記第2導電型の反転層形成防止用拡散領域と、
    少なくとも前記ボディ領域の一部上方、及び前記ボディ領域と前記ドレイン領域に挟まれた位置における前記ウェル領域の上方にわたってゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、有し、
    前記ソース領域は、基板面に平行な第1方向に延伸して形成され、
    前記ドレイン領域は、前記ボディ領域に対し、基板面に平行で前記第1方向に直交する第2方向に離間して対向する一方、前記第1方向には対向しないように形成され、
    前記ドリフト領域は、前記ボディ領域を取り囲むようにリング状に形成され
    前記反転層形成防止用拡散領域は、前記ドレイン領域よりも外側位置における前記ドリフト領域内において、前記ボディ領域を取り囲むようにリング状に形成されていることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記ドリフト領域は、その一部が前記埋め込み拡散領域とリング状にオーバーラップするように形成されている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. 前記ソース領域は、基板面に平行な第1方向に延伸して形成されており、
    前記ドリフト領域と前記ボディ領域の間隔につき、基板面に平行で前記第1方向に直交する第2方向よりも前記第1方向の方が間隔が広いことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記ソース領域は、基板面に平行な第1方向に延伸して形成されており、
    前記ドリフト領域の不純物濃度につき、前記ソース領域と前記第1方向に離間して形成される領域が、基板面に平行で前記第1方向に直交する第2方向に離間して形成される領域よりも高濃度であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記ボディ領域内において、当該ボディ領域より高濃度の前記第1導電型のボディコンタクト領域が形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記第1導電型の半導体基板に、前記第2導電型の不純物イオンを注入して前記ウェル領域を形成する工程と、
    前記素子分離領域を形成する工程と、
    前記ウェル内に前記第1導電型の不純物イオンを注入して、前記ボディ領域及び前記埋め込み拡散領域を形成する工程と、
    前記ウェル内に当該ウェルよりも高濃度の前記第2導電型の不純物イオンを注入して、前記ボディ領域又はその形成予定領域を取り囲むようにリング状の前記ドリフト領域を形成する工程と、
    前記ボディ領域内及び前記ドリフト領域内に前記ドリフト領域よりも高濃度の前記第2導電型の不純物イオンを注入して、前記ボディ領域内に前記ソース領域を、前記ドリフト領域内にリング状の前記ドレイン領域をそれぞれ形成する工程と、
    前記ボディ領域の一部上方、及び前記ボディ領域と前記ドレイン領域に挟まれた位置における前記ウェル領域の上方にわたって、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート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。
  8. 請求項2に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記第1導電型の半導体基板に、前記第2導電型の不純物イオンを注入して前記ウェル領域を形成する工程と、
    前記素子分離領域を形成する工程と、
    前記ウェル内に前記第1導電型の不純物イオンを注入して、前記ボディ領域及び前記埋め込み拡散領域を形成する工程と、
    前記ウェル内に当該ウェルよりも高濃度の前記第2導電型の不純物イオンを注入して、前記ボディ領域又はその形成予定領域を取り囲むようにリング状の前記ドリフト領域を形成する工程と、
    前記ボディ領域内及び前記ドリフト領域内に前記ドリフト領域よりも高濃度の前記第2導電型の不純物イオンを注入して、前記ボディ領域内に前記第1方向に延伸する前記ソース領域を形成し、前記ドリフト領域内に、前記第1方向に延伸する前記ドレイン領域と、同ドレイン領域よりも外側に離間した状態でリング状の前記反転層形成防止用拡散領域とをそれぞれ形成する工程と、
    前記ボディ領域の一部上方、及び前記ボディ領域と前記ドレイン領域に挟まれた位置における前記ウェル領域の上方にわたって、前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート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。
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