JP2914026B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関し、特に
高ドレイン耐圧絶縁ゲート電界効果トランジスタに関す
る。
【0002】
【従来の技術】電力増幅用の高ドレイン耐圧パワーMO
Sトランジスタは高いドレイン耐圧を要求されるが、ゲ
ート近くのドレイン領域に生じる高電界部分での絶縁破
壊により、耐圧の低下が引き起こされる。
【0003】半導体装置の断面図である図6を参照する
と、従来の高ドレイン耐圧パワーMOSトランジスタ
は、フィールド酸化膜2に囲まれたp型シリコン基板1
の表面に、ゲート酸化膜3とn+ 拡散層からなるソース
領域5,ドレイン領域6とゲート電極7とから構成され
ている。シリコン基板1上にはシリコン酸化膜8が設け
られ、このシリコン酸化膜8に設けられた開口部を介し
てアルミニウム電極9がソース領域5,ドレイン領域6
と接続している。上記ゲート酸化膜3の膜厚は、ドレイ
ン領域6近傍で厚くなっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】宇宙空間あるいは原子
炉の周辺で使用される半導体装置は、高線量の放射に曝
され、装置内に放射損傷が発生する。MOSトランジス
タのゲート酸化膜にX線やガンマ線等の放射線が入射す
ると、半導体基板と酸化膜の界面に界面準位が発生す
る。界面準位は、放射線の入射により酸化膜の内部に発
生した正孔が、膜内電界により酸化膜/シリコン界面に
移動し、界面と反応する事により生じる。
【0005】放射線の入射により酸化膜内には正孔が均
一に発生するため、正孔量は酸化膜の体積に比例するの
で、単位面積あたりの酸化膜内に発生する正孔量及び界
面準位発生量は、酸化膜厚にほぼ比例する。
【0006】高ドレイン耐圧MOSトランジスタは、ド
レイン領域付近のゲート酸化膜が厚いため、これに放射
線が入射した場合、ドレイン付近の厚いゲート酸化膜と
シリコン基板との界面にはソース領域付近のシリコン/
酸化膜界面よりも多量の界面準位が発生し、これが散乱
中心として振る舞うため、トランジスタがON状態の場
合に流れるドレイン電流の移動度が低下するという欠点
を有する。この移動度の低下は、最大ドレイン電流量の
低下を引き起こす。
【0007】以上示した様な放射線の被爆に起因するト
ランジスタ特性の変動は回復不可能であり、被爆線量の
蓄積に伴い増加するため、やがて装置の機能を損なう。
【0008】本発明の目的は、放射線環境下に於いて十
分動作しうる高ドレイン耐圧MOSトランジスタを搭載
した、放射線耐性が強化された半導体装置を提供するこ
とである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上述したように、ドレイ
ン付近のゲート酸化膜を厚くした高耐圧MOSトランジ
スタに放射線が入射すると、厚い酸化膜とシリコン基板
の界面に多量の界面準位が発生し、厚い酸化膜下のチャ
ネル領域のキャリア移動度を低下させる。
【0010】この様な移動度の低下を防ぐために、本発
明では厚い酸化膜下のシリコン基板表面に、シリコン基
板内部の導電型と異なる導電型の不純物層を設けてい
る。
【0011】
【実施例】次に本発明について、図面を参照して説明す
る。
【0012】半導体装置の縦断面図である図1の参照す
ると、本発明の第1の関連技術は、p型シリコン基板1
の表面に、ゲート酸化膜3が形成されている。ゲート酸
化膜3の厚さは均一でなくn+ 拡散層からなるソース領
域5の付近よりn+ 拡散層からなるドレイン領域6の付
近で大きな膜厚を有している。ゲート酸化膜3のうちド
レイン領域6の付近の膜厚が厚い領域の下のp型シリコ
ン基板1の表面には、n型拡散層4が形成されている。
ゲート酸化膜3の表面は、多結晶シリコンからなるゲー
ト電極5で覆われている。ソース領域5,およびドレイ
ン領域6にはアルミニウム電極9が設けられている。ゲ
ート電極7とアルミニウム電極9とは、シリコン酸化膜
8によって、電気的に絶縁されている。また素子はフィ
ールド酸化膜2によって、隣接する素子と電気的に絶縁
されている。
【0013】上記第1の関連技術の如く放射線を被爆し
た際に発生する界面準位量が多い厚いゲート酸化膜3の
直下のシリコン基板1の表面に、シリコン基板1と逆導
電型のn型拡散4層を形成することにより、厚いゲート
酸化膜3下では、チャネルがシリコン基板1表面でなく
シリコン基板1内部に生じるため、伝導電流は多量に発
生した界面準位による散乱の影響を受けず、電荷移動度
の低下,あるいはそれにともなうドレイン電流量の減少
を大きく抑制することができる。
【0014】図2は、上記第1の関連技術の効果を説明
するための耐放射線性の試験データ図である。図2
(a)は放射線照射の有無によるサブスレッシオルド特
性の変化を示すグラフである。ここで半導体装置が吸収
した放射線量は1Mradで、放射線照射中のゲートバ
イアスは5V、ドレイン領域6,ソース領域5,シリコ
ン基板1は接地電位とした。放射線の放射により、本
1の関連技術のトランジスタ及び従来構造のトランジス
タの特性がともに負電圧方向に移動しているのは、放射
線の入射によりゲート酸化膜中に発生した正孔が膜中ト
ラップに捕獲され、固定正電荷となっているためであ
る。放射線照射後のサブスレッシオルド領域の特性の傾
きの減少は、酸化膜/シリコン界面における準位の発生
に起因するものであるが、従来のトランジスタ(破線)
に比べ本第1の関連技術のトランジスタ(実線)の方が
傾きの変化が小さいことは、本第1の関連技術のトラン
ジスタにおいて界面準位の発生が防止された事を示す。
この様に本第1の関連技術のトランジスタにおいて耐放
射線性が大幅に改善されていることがわかる。図2
(b)は、図2(a)と同じ条件でガンマ線を照射した
トランジスタのドレイン電流−ドレイン電圧特性であ
る。放射線照射によりドレイン電流が減少するが、減少
の度合いは、従来のトランジスタに比べて本第1の関連
技術のトランジスタの方が小さい。この結果からも、本
第1の関連技術のトランジスタにおいて耐放射線性が大
幅に改善されていることがわかる。
【0015】半導体装置の作り方を説明するための工程
の縦断面図である図3を参照すると、上記第1の関連技
の製造方法の1つは、まず、公知の技術を用いてp型
シリコン基板1上にフィールド酸化膜2を形成する。次
いで、素子領域内のp型シリコン基板1上に、熱酸化法
によりシリコン酸化膜11を形成する。更に、スパッタ
法により素子全面にアルミニウム膜12を形成した後、
公知の技術を用いて、厚いゲート酸化膜が形成される領
域のアルミニウム膜12を除去する。更に、このアルミ
ニウム膜12をマスクとして、厚いゲート酸化膜が形成
される領域下のp型シリコン基板1の表面に、n型不純
物、例えば砒素イオンをイオン注入法を用いて導入し、
n型拡散層4を形成する〔図3(a)〕。
【0016】その後、エッチング法を用いて、素子表面
のアルミニウム膜12およびシリコン酸化膜11を除去
する。続いて、熱酸化法を用いて素子全面に、たとえば
厚さ20nmのシリコン酸化膜13を形成する。さらに
気相成長法を用いて、素子全面にシリコン酸化膜14を
例えば300nm堆積し、続いて既知の技術を用いて、
ゲート酸化膜が厚い領域を除く領域のシリコン酸化膜1
3,14を除去することにより、ゲート酸化膜の厚い部
分を形成する〔図3(b)〕。
【0017】次に、熱酸化法,例えば900度の乾燥酸
素を用いた熱酸化法により、シリコン基板1の表面が露
出した領域に、シリコン酸化膜15を、例えば厚さ20
nm形成する。このシリコン酸化膜15とシリコン酸化
膜13,14とをもって、ゲート酸化膜3を構成する。
その後、素子全面に気相成長法を用いて、多結晶シリコ
ン膜16を後えば厚さ400nm形成し、更に多結晶シ
リコン膜16の電気抵抗を減少させるため、リンを含む
雰囲気、例えばオキシ塩化リン(POCl3 )中で熱処
理を行うことにより、多結晶シリコン膜16中にリンを
導入する〔図3(c)〕。
【0018】更に、公知の技術を用いて、チャネル領域
以外の多結晶シリコン膜14を除去することにより、ゲ
ート電極5を形成する。続いてn+ 拡散層からなるソー
ス領域5,およびドレイン領域7を形成するために、ゲ
ート電極5をマスクとして、自己整合的にn型の不純
物、例えば砒素イオンを注入する。続いて、注入した砒
素イオンを活性化するために高温の熱処理、例えば90
0度の窒素雰囲気中での熱処理を行う〔図3(d)〕。
【0019】次に、気相成長法を用いて、素子全面にリ
ンとボロンを含むシリコン酸化膜8を堆積する〔図3
(e)〕。続いて、コンタクト孔を形成し、最後にソー
ス領域5,ドレイン領域6上に接してアルミニウム電極
9を形成することにより、図1に示す構造の半導体装置
を得る。
【0020】半導体装置を説明するための縦断面図であ
る。図4を参照すると、本発明の第2の関連技術は、p
+ 型拡散層からなるソース領域23,ドレイン領域24
を有するpチャンネルMOSトランジスタに、本発明の
構造を応用している。本実施例ではn型シリコン基板2
1の表面の、ゲート酸化膜3の膜厚が厚い領域の下のn
型シリコン基板21の表面に、基板に含まれる不純物と
異なる型のp型拡散層22が設けられている。
【0021】図5は、本発明の一実施例を説明する縦断
面図である。本一実施例では、ゲート酸化膜の厚い領域
が、p型シリコン基板1に接して形成された薄いシリコ
ン熱酸化膜31とリンとボロンとを含むシリコン酸化膜
32とで構成されている。リンとボロンの少なくとも一
方を含むシリコン酸化膜32が放射線に被爆した場合、
リンやボロン等の不純物は再結合中心として振る舞うた
め、ゲート酸化膜内に発生した電子−正孔対は速やかに
消滅し、界面準位等の放射線損傷の発生が著しく抑制さ
れるという効果がある。リン或いはボロンとを含むシリ
コン酸化膜32は、通常気相成長法を用いて形成される
が、気相成長法を用いてシリコン基板上にシリコン酸化
膜を形成すると、多量の界面準位が存在し、ゲート絶縁
膜として不適当であるため、リンとボロンとを含むシリ
コン酸化膜32の下には、p型シリコン基板1と接して
界面特性の良いシリコン熱酸化膜31が形成されてい
る。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、ゲート酸
化膜がドレイン付近において大きな膜厚を有する高ドレ
イン耐圧トランジスタにおいて、ドレイン付近の厚いゲ
ート酸化膜下のシリコン基板表面にシリコン基板内に含
まれる不純物と異なる型の不純物層を設けると、チャネ
ルがシリコン表面ではなく基板内部に生じるため、ドレ
イン電流は界面準位による電荷散乱の影響を受けず、移
動度の低下,あるいはそれにともなうドレイン電流量の
減少を大きく抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の関連技術を説明するための縦断
面図である。
【図2】上記第1の関連技術の効果を説明するためのグ
ラフである。
【図3】上記第1の関連技術の製造方法を説明するため
の工程順の縦断面図である。
【図4】本発明の第2の関連技術を説明するための縦断
面図である。
【図5】本発明の一実施例を説明するための縦断面図で
ある。
【図6】従来の半導体装置を説明するための縦断面図で
ある。
【符号の説明】
1 p型シリコン基板 2 フィールド酸化膜 3 ゲート酸化膜 4 n型拡散層 5 ソース領域(n+ 型) 6 ドレイン領域(n+ 型) 7 ゲート電極 8,32 シリコン酸化膜(リン,ボロンを含む) 9 アルミニウム電極 11,13,14,15 シリコン酸化膜 12 アルミニウム膜 16 多結晶シリコン膜 21 n型シリコン基板 22 p型シリコン基板 23 ソース領域(p+ 型) 24 ドレイン領域(p+ 型) 31 シリコン熱酸化膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 29/78

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一導電型のシリコン基板の表面に設けら
    れた逆導電型のドレイン付近の絶縁ゲート膜が逆導電型
    のソース付近の絶縁ゲート膜に較べて大きな膜厚を有す
    る高ドレイン耐圧絶縁ゲート電界効果トランジスタに於
    いて、前記絶縁ゲート膜における膜厚の薄い部分が、熱酸化に
    よるシリコン酸化膜から構成され、 前記絶縁ゲート膜における膜厚の厚い部分が、前記熱酸
    化によるシリコン酸化膜に、リンおよびボロンの少なく
    とも一方を含むシリコン酸化膜が積層された膜から構成
    され、 前記ドレイン付近の厚い絶縁ゲート膜下の前記シリコン
    基板表面に、逆導電型の不純物層が形成されていること
    を特徴とする半導体装置。
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