JP2018517279A - 横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタは、基板(110)、ソース(150)、ドレイン(140)、ボディー領域(160)及び基板上のウェル領域を有し、ウェル領域は、ドープ型がP型であり、且つドレインの下方に設けられるとともにドレインに接する介挿式ウェル(122)と、介挿式ウェルの両側に設けられるNウェル(124)と、Nウェルの隣に設けられるとともにNウェルに接続し、ソース及びボディー領域が内設されるPウェル(126)とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体プロセスに関し、特に横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ及び横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの製造方法に関する。
RESURF(表面電界緩和)理論により形成された基本構造は、低濃度ドープのP型基板と低濃度ドープのN型エピタキシャル層からなる。エピタキシャル層にPウェルを形成させるとともに、N+とP+を注入することによって、1つの横方向のP−well/N−epi(Pウェル−N型エピタキシャル層)結合及び1つの縦方向のP−sub/N−epi(P型基板−N型エピタキシャル層)結合を形成する。横方向結合の両端は、より高いドープ濃度を有するため、その降伏電圧が縦方向結合より低い。RESURFの基本理論としては、横方向結合と縦方向結合との相互作用を利用して、エピタキシャル層を横方向結合が臨界雪崩降伏電界に達する前に、完全に空乏状態にさせるとともに、素子のパラメータを合理化することにより、素子の降伏を縦方向結合に発生させ、これによって表面電界緩和の役割を果たす。
従来のRESURF構造は、濃度の低いディープウェルが空乏状態になりやすく、降伏がドレイン領域の表面で発生しやすいこととともに、ターンオン抵抗が比較的に高いため、信頼性及び製品の応用に影響を及ぼす。
そのため、背景技術に記載された従来のRESURF構造におけるターンオン抵抗が比較的に高く、降伏が発生し易い問題を鑑みて、ターンオン抵抗が低く、降伏特性が改善された横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタを提供する必要がある。
横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタは、基板、ソース、ドレイン、ボディー領域及び基板上のウェル領域を有し、前記ウェル領域は、ドープ型がP型であり、前記ドレインの下方に設けられるとともにドレインに接する介挿式ウェルと、前記介挿式ウェルの両側に設けられるNウェルと、前記Nウェルの隣に設けられるとともにNウェルに接し、前記ソース及びボディー領域が内設されるPウェルとを有する。
横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの製造方法は、基板を提供するステップと、フォトリソグラフィによって基板上に被覆されたフォトレジストで隔てられ介挿式ウェルの位置を確保するNウェル注入口を形成するとともに、前記注入口を介して基板内にN型イオンを注入するステップと、ドライブイン熱処理によって、Nウェルを形成するステップと、P型イオンを注入するとともにドライブイン熱処理を行うことによって、前記Nウェルに介挿する前記介挿式ウェルと、Nウェルの隣に形成されるとともに、Nウェルに接するPウェルとを形成するステップと、活性領域及びフィールド酸化領域を形成するステップと、ソース、及び前記介挿式ウェルの上方に形成されるとともに介挿式ウェルに接するドレインを形成するステップとを含む。
他の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの製造方法は、基板を提供するステップと、フォトリソグラフィによって基板上に被覆されたフォトレジストで隔てられ第1介挿式ウェルの位置を確保する第1Nウェル注入口を形成するとともに、前記注入口を介して基板内にN型イオンを注入するステップと、ドライブイン熱処理によって、第1Nウェルを形成するステップと、P型イオンを注入するとともにドライブイン熱処理を行うことによって、前記第1Nウェルに介挿する前記第1介挿式ウェルと、第1Nウェルの隣に形成されるとともに、第1Nウェルに接する第1Pウェルを形成するステップと、前記基板に第1エピタキシャル層を形成するステップと、フォトリソグラフィを行うとともに前記エピタキシャル層にN型イオンを注入し、ドライブインを行った後、第1Nウェルの上方に第1Nウェルに接する第2Nウェルを形成するステップと、P型イオンを注入するとともにドライブイン熱処理を行うことによって、第2Nウェルに介挿され、第1介挿式ウェルの上方に形成され、第1介挿式ウェルに接する第2介挿式ウェルと、第2Nウェルの隣の第2Pウェルとを形成するステップと、活性領域及びフィールド酸化領域を形成するステップと、ソース、及び前記第2介挿式ウェルの上方に形成されるとともに第2介挿式ウェルに接するドレインを形成するステップとを含む。
上記の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタは、介挿式ウェルによってトリプルRESURF構造を形成するため、Nウェルのドープ濃度の向上、素子のターンオン抵抗の下降、及び素子の降伏特性の改善に寄与できる。
以下、本発明の実施例又は従来技術の技術方案をより明瞭に説明するために、実施例の説明に必要な図面を簡単に説明する。無論、下記の図面は、本発明の一部の実施例を示したものに過ぎず、当業者は、創造的な労働をしなくても、これらの図面から他の実施例の図面を得られる。
一実施例に係る横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの構造模式図である。 他の実施例に係る横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの構造模式図である。 図1に示す実施例に係る横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの製造方法の流れ図である。 図2に示す実施例に係る横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの製造方法の流れ図である。
以下、本発明を理解し易くするために、図面を参照して本発明をより全面的に説明する。図面は本発明の好ましい実施例を示すが、本発明は、数多くの異なる形態で実施でき、本明細書に記載された実施例に限るものではない。逆に、これらの実施例を提供することは、本発明の開示内容をより明瞭且つ完全にさせるためである。
その他の定義がない限り、本明細書に使用される全ての技術及び科学用語は、当業者の通常の理解と同一である。本明細書に使用される用語は、具体的な実施例を説明するためのものであり、本発明を限定する旨のものではない。本明細書に使用される用語である「及び/又は」は、1つ又は複数の関連要素に係る任意及び全ての組合せを含む。
本発明は、表面電界緩和(RESURF)構造を有する横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタを提供し、基板、ソース、ドレイン、ボディー領域及び基板上のウェル領域を有する。具体的には、ウェル領域は、Nウェル、Pウェル及びNウェルに介挿された介挿式ウェルを有する。介挿式ウェルは、そのドープ型がP型であり、ドレインの下方に設けられて、ドレイン及び基板に接している。Nウェルは、介挿式ウェルの両側に設けられている。Pウェルは、Nウェルの隣に設けられて、Nウェルに接続している。ソース及びボディー領域は、Pウェル内に設けられている。
図1は、一実施例に係るRESURF構造を有する横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(LDMOS)の構造模式図である。当該LDMOSは、左右対称の構成であり、P型ドープからなる基板110、基板上のウェル領域、N型ドープからなるドレイン140、N型ドープからなるソース150、P型ドープからなるボディー領域160、フィールド酸化領域170及びポリシリコン構造180を有する。ウェル領域は、P型ドープからなる介挿式ウェル122、ドリフト領域であるNウェル124及びチャンネル領域であるPウェル126を有する。フィールド酸化領域170は、ドリフト領域であるNウェル124の表面に設けられ、2つのフィールド酸化領域170によりドレイン140を挟む。ポリシリコン構造180は、ポリシリコンゲートとフィールド接続部分とからなり、フィールド酸化領域170の表面とソース150の表面を亘って接続するように構成されている。
図1に示すように、従来構造のドレインN+結合の下方に、Nウェル124を一定の幅で分割して、Pウェル126を介挿することによって、triple RESURF構造を形成する。これによって、介挿式ウェル122、Nウェル124、Pウェル126及び基板110を空乏状態にさせ、降伏点を素子内に遷移させることにより、素子の縦方向降伏を実現する。
その1つの実施例において、介挿式ウェル122の幅は、ドレインの活性領域の幅の10%〜40%である。
介挿式ウェル122の幅を大きく設定してはならず、ドレイン140の下方の両側に位置するNウェル124がドレイン140に確実に接触できるようにする必要がある(即ち、介挿式ウェル122の幅が少なくともドレイン140より小さい)。これによって、ドリフト領域のNウェル124の濃度を従来技術より向上させ、ターンオン抵抗を下降させることに寄与することができる。これは、空乏領域に余分の電荷を加入すると、電荷のバランスがとれるように、逆極性の電荷の密度も相応に上昇するためである。
介挿式ウェル122の幅を小さく設定してはならない。一定の幅を有する介挿式ウェル122により、素子内の降伏の発生順序を有効に制御できる。介挿式ウェル122の幅が小さ過ぎると、両側のNウェル124の空乏領域に対する影響が小さいため、降伏位置が、従来技術におけるドリフト領域であるNウェル124に介挿式ウェル122を設けない場合の降伏位置と接近するので、介挿式ウェル122の介挿は降伏の調整について役に立たない。
ドレイン140に高電位が印加され、ドレイン140まで空乏状態になったとき、介挿式ウェル122と両側のドリフト領域にあるNウェル124が空乏状態になりつつある。そして、両側のNウェル124に形成される空乏層が徐々にPウェル126へ拡大し、Pウェル126と重なって、両側の電位線が接続されるまで空乏状態になった後、上から下へ基板110において空乏状態になりつつある。これによって、電界のピークが削減され、降伏電圧を有効に改善した。
図1に示す実施例において、ドレイン140はN+ドレインであり、ソース150はN+ソースであり、ボディー領域160はP+ボディー領域である。
図2は、他の実施例に係るRESURF構造を有する横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの構造模式図である。図1に示す実施例との相違点は、ウェル領域が、高圧素子に対応する1つの高圧ウェルと、低圧素子に対応する低圧ウェルとからなることである。即ち、LDMOSは、基板210、基板上の第1ウェル領域と第1ウェル領域上の第2ウェル領域、ドレイン240、ソース250、ボディー領域260、フィールド酸化領域270及びポリシリコン構造280を有する。第1ウェル領域は、P型ドープからなる第1介挿式ウェル222、第1Nウェル224及び第1Pウェル226を有する。第2ウェル領域は、第2介挿式ウェル232、第2Nウェル234及び第3Pウェル236を有する。第2介挿式ウェル232、第2Nウェル234及び第3Pウェル236はそれぞれ第1介挿式ウェル222、第1Nウェル224及び第1Pウェル226に接する。第1Nウェル224は第2Nウェル234とともにドリフト領域とする。ソース250とボディー領域260は第2Pウェル236内に設けられている。
図2に示す実施例において、LDMOSは、さらに、第2Nウェル234内且つフィールド酸化領域270の下方に設けられるフローティング層Pウェル235を有する。そのドープ濃度は第2Nウェル234より低く、濃度の勾配を減少させることができるとともに素子の電圧耐性を向上させることができる。
ドリフト領域がドレイン240の活性領域(DTO)まで消耗されたときも、比較的に高濃度のN型不純物を有することを確保するために、Nウェル(第1Nウェル224と第2Nウェル234とを含む)と介挿式ウェル(第1介挿式ウェル222と第2介挿式ウェル232とを含む)との間にあるN+が確実に一定の有効幅を有する必要があり、少なくともドレイン240の活性領域の30%とする。このため、第1介挿式ウェル222及び第2介挿式ウェル232の幅は、ドレイン240の活性領域の幅の40%を超えてはいけない。活性領域の幅が10μmである実施例において、上記の有効幅は少なくとも3μmであり、即ち、第1介挿式ウェル222及び第2介挿式ウェル232の幅は2μm以下である。
図2に示す実施例において、ドレイン240はN+ドレインであり、ソース250はN+ソースであり、ボディー領域260はP+ボディー領域である。
本発明は、さらに、LDMOSを形成するためのRESURF構造を有する横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの製造方法を提供する。図3は一実施例の当該方法の流れ図であり、以下のステップを含む。
ステップS310において、基板を提供する。
本実施例では、P型ドープのシリコン基板を提供する。
ステップS320において、フォトリソグラフィによってNウェルの注入口を形成するとともに、注入口を介して基板内にN型のイオンを注入する。
Nウェルに1つのPウェルを介挿するために、介挿しようとする位置にフォトレジストを形成し、介挿式ウェルを形成するように位置を確保する。フォトリソグラフィの前に、初期酸化を行ってもよい。
ステップS330において、ドライブイン熱処理によってNウェルを形成する。
ドライブイン熱処理を行うとともにNウェルの酸化を行うことによって、Nウェルの表面に酸化層を形成する。当該酸化層は、ステップS340のP型イオンの注入に対して自動位置合わせ注入構造を提供できるので、1つのフォトマスクを省略できる。次のステップを実施する前に、フォトレジストを除去する必要がある。
ステップS340において、P型イオンを注入するとともにドライブイン熱処理を行うことによって、Nウェルに介挿する介挿式ウェルと、Nウェルの隣のPウェルとを形成する。
形成された介挿式ウェルはNウェルに挟まれ、PウェルはNウェルの外側に形成されるとともにそれに接する。
ステップS350において、活性領域及びフィールド酸化領域を形成する。
本実施例では、活性領域及びフィールド酸化領域を形成した後、ゲート酸化領域及びポリシリコンゲートを形成する。
ステップS360において、ソースとドレインを形成する。
ドレインは、介挿式ウェルの上方に形成するとともにし、介挿式ウェルに接する。
本発明は、さらに、図2に示すLDMOSを形成するためのRESURF構造を有する他の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの製造方法を提供する。図4は、一実施例の当該方法の流れ図であり、以下のステップを含む。
ステップS410において、基板を提供する。
ステップS420において、フォトリソグラフィによって第1Nウェルの注入口を形成するとともに、注入口を介して基板内にN型イオンを注入する。
ステップS430において、ドライブイン熱処理によって第1Nウェルを形成する。
ドライブイン熱処理を行うとともに第1Nウェルの酸化を行うことによって、第1Nウェルの表面に酸化層を形成する。次のステップを実施する前に、フォトレジストを除去する必要がある。
ステップS440において、P型イオンを注入するとともにドライブイン熱処理を行うことによって、第1Nウェルに介挿する第1介挿式ウェルと、第1Nウェルの隣の第1Pウェルとを形成する。
ステップS450において、基板にエピタキシャル層を形成する。
エピタキシャル層を形成する前に、余分の酸化層を除去する。
ステップS460において、フォトリソグラフィを行うとともにエピタキシャル層にN型イオンを注入し、ドライブイン熱処理を行った後、第1Nウェルに接する第2Nウェルを形成する。
フォトレジストパターンはステップS420と同様である。ドライブイン熱処理によって、注入されるN型イオンを第1Nウェルに接するまでドライブインする。ドライブイン熱処理を行うとともに第2Nウェルの酸化を行うことによって、自動位置合わせ注入構造として第2Nウェル表面に酸化層を形成させる。次のステップを実施する前に、フォトレジストを除去する必要がある。
ステップS470は、P型イオンを注入するとともにドライブイン熱処理を行うことによって、第2Nウェルに介挿する第2介挿式ウェルと、第2Nウェルの隣の第2Pウェルとを形成する。
ステップS480において、活性領域及びフィールド酸化領域を形成する。
本実施例においては、活性領域及びフィールド酸化領域を形成した後、ゲート酸化領域及びポリシリコンゲートを形成する。
ステップS490において、ソース及びドレインを形成する。
ドレインは、第2介挿式ウェルの上方に形成されるとともにそれに接する。
以上の実施例は、本発明の幾つかの実施形態のみを示し、その説明が比較的具体及び詳細なものですが、本発明の保護範囲を制限するものであると理解すべきではない。無論、当業者は、本発明の思想を脱離しない限り、幾つかの変形及び変更を実施でき、これらも本発明の保護範囲に該当する。このため、本発明の保護範囲は、付する特許請求の範囲に準じる。

Claims (14)

  1. 基板、ソース、ドレイン、ボディー領域及び基板上のウェル領域を有する横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタであって、
    前記ウェル領域は、
    ドープ型がP型であり、前記ドレインの下方に設けられるとともに前記ドレインに接する介挿式ウェルと、
    前記介挿式ウェルの両側に設けられるNウェルと、
    前記Nウェルの隣に設けられるとともに前記Nウェルに接し、前記ソース及び前記ボディー領域が内設されるPウェルと、
    を有することを特徴とする横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ。
  2. 前記ウェル領域は、前記基板上の第1ウェル領域及び第1ウェル領域上の第2ウェル領域を有し、
    前記介挿式ウェルは、前記第1ウェル領域内の第1介挿式ウェル及び前記第2ウェル領域内の第2介挿式ウェルを有し、
    前記Nウェルは、前記第1ウェル領域内の第1Nウェル及び前記第2ウェル領域内の第2Nウェルを有し、
    前記Pウェルは、前記第1ウェル領域内の第1Pウェル及び前記第2ウェル領域内の第2Pウェルを有する
    ことを特徴とする請求項1に記載の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ。
  3. 前記第1Nウェルのドープ濃度は、前記第2Nウェルのドープ濃度より低く、
    前記第1Pウェルのドープ濃度は、前記第2Pウェルのドープ濃度より低く、
    前記第1介挿式ウェルのドープ濃度は、前記第2介挿式ウェルのドープ濃度より低い
    ことを特徴とする請求項2に記載の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ。
  4. フィールド酸化領域及びポリシリコン構造を有し、
    前記フィールド酸化領域は、前記Nウェルの表面に設けられ、2つの前記フィールド酸化領域は、前記ドレインを挟むように構成され、
    前記ポリシリコン構造は、前記フィールド酸化領域の表面と前記ソースの表面を亘って接続するように構成されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ。
  5. 前記Nウェル内且つフィールド酸化領域の下方に設けられるフローティング層Pウェルを有することを特徴とする請求項4に記載の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ。
  6. 前記介挿式ウェルの幅は前記ドレインの活性領域幅の40%以下になることを特徴とする請求項1に記載の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ。
  7. 前記介挿式ウェルの幅は前記ドレインの活性領域幅の10%〜40%であることを特徴とする請求項6に記載の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ。
  8. 前記ドレインの活性領域の幅は10μmであり、前記第1介挿式ウェル及び前記第2介挿式ウェルの幅は2μm以下であることを特徴とする請求項2に記載の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ。
  9. 前記ウェル領域のドープ濃度は前記ドレインのドープ濃度より低いことを特徴とする請求項1に記載の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ。
  10. 前記基板はPドープ基板であり、前記ドレインはNドープドレインであり、前記ソースはNドープソースであり、前記ボディー領域はPドープボディー領域であることを特徴とする請求項1に記載の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ。
  11. 基板を提供するステップと、
    フォトリソグラフィによって前記基板上に被覆されたフォトレジストで隔てられ介挿式ウェルの位置を確保するNウェル注入口を前記基板に形成するとともに、前記Nウェル注入口を介して前記基板内にN型イオンを注入するステップと、
    ドライブイン熱処理によってNウェルを形成するステップと、
    前記基板内にP型イオンを注入するとともにドライブイン熱処理を行うことによって、前記Nウェルに介挿する前記介挿式ウェルと、前記Nウェルの隣に形成されるとともに前記Nウェルに接するPウェルとを形成するステップと、
    活性領域及びフィールド酸化領域を形成するステップと、
    ソース、及び前記介挿式ウェルの上方に形成されるとともに前記介挿式ウェルに接するドレインを形成するステップと
    を含むことを特徴とする横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの製造方法。
  12. 前記ドライブイン熱処理によってNウェルを形成するステップは、基板内にP型イオンを注入する前記ステップにおける自動位置合わせ注入構造として前記Nウェルの表面に酸化層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項11に記載の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの製造方法。
  13. 基板を提供するステップと、
    フォトリソグラフィによって前記基板上に被覆されたフォトレジストで隔てられ第1介挿式ウェルの位置を確保する第1Nウェル注入口を前記基板に形成するとともに、前記第1Nウェル注入口を介して基板内にN型イオンを注入するステップと、
    ドライブイン熱処理によって第1Nウェルを形成するステップと、
    前記基板内にP型イオンを注入するとともにドライブイン熱処理を行うことによって、前記第1Nウェルに介挿する前記第1介挿式ウェルと、前記第1Nウェルの隣に形成されるとともに前記第1Nウェルに接する第1Pウェルとを形成するステップと、
    前記基板に第1エピタキシャル層を形成するステップと、
    フォトリソグラフィを行うとともに前記第1エピタキシャル層にN型イオンを注入し、ドライブイン熱処理を行った後、前記第1Nウェルの上方に前記第1Nウェルに接する第2Nウェルを形成するステップと、
    前記第2Nウェル内にP型イオンを注入するとともにドライブイン熱処理を行うことによって、第2Nウェルに介挿し、第1介挿式ウェルの上方に形成されるとともに前記第1介挿式ウェルに接する第2介挿式ウェル、及び前記第1Pウェルの上方に形成されるとともに前記第1Pウェルに接する第2Nウェルの隣の第2Pウェルを形成するステップと、
    活性領域及びフィールド酸化領域を形成するステップと、
    ソース、及び前記第2介挿式ウェルの上方に形成されるとともに前記第2介挿式ウェルに接するドレインを形成するステップと、
    を含むことを特徴とする横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの製造方法。
  14. 前記ドライブイン熱処理によって第1Nウェルを形成するステップは、基板内にP型イオンを注入する前記ステップにおける自動位置合わせ注入構造として前記第1Nウェルの表面に酸化層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項13に記載の横方向拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタの製造方法。
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