JP4162566B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体装置、特にＰＮ接合を有するダイオードに接続されたメタル配線を具える半導体装置に関する。

従来の半導体装置においては、ＰＮ接合を有するダイオード（以下、ＰＮ接合ダイオードという。）とこのＰＮ接合ダイオードに接続されたメタル配線は、以下のような構造のものがある。

図４（Ａ）は、従来のＰＮ接合ダイオード及びそのダイオードに接続されたメタル配線の概略的な構造を断面切り口で示したものである。

Ｓｉ基板２００の表面に形成されたＮ⁺領域２０２中に、ＰＮ接合を形成するためのＰ⁺領域２０４が形成されている。このＰ⁺領域２０４上に導電層プラグ２１０ａが形成され、導電層配線２１０ｂと接続されている。導電層プラグ２１０ａ及び導電層配線２１０ｂは、メタル、例えばアルミニウムで形成されており、導電層プラグ２１０ａは、Ｓｉ基板２００の表面を覆うように形成された絶縁膜２０６に埋め込まれた構造になっている。

図５（Ａ）〜（Ｄ）は、図４（Ａ）に示した従来のＰＮ接合ダイオードの概略的な製造工程を示したものである。

Ｓｉ基板本体の一方の主表面側に、Ｎ型不純物をイオン打ち込みし、本体残存部のＳｉ基板２００とその上側のＮ⁺領域２０２とを形成する（図５（Ａ））。このＮ⁺領域２０２の表面内側に、Ｐ型不純物をイオン打ち込みし、Ｐ⁺領域２０４を形成する（図５（Ｂ））。これにより、Ｎ⁺領域２０２とＰ⁺領域２０４とが接する領域にＰＮ接合２０５が形成される。

絶縁膜２０６をＰ⁺領域２０４を含むＮ⁺領域２０２の表面上に形成し、次いで、この絶縁膜２０６にＰ⁺領域２０４表面を露出させる開口部２０８を形成する（図５（Ｃ））。スパッタリングによって、開口部２０８を埋め込むように、絶縁膜２０６上に、導電層を形成し、次いで、エッチングによってパターニングすることによって導電層プラグ２１０ａ及び導電層配線２１０ｂを形成する（図５（Ｄ））。

また、基板表面上に、ポリシリコン層を設けたダイオードがいくつか知られている。例えば、特許文献１では、ＰＮ接合部分及び空乏層領域直上に、ポリシリコン層を設けることで、キャリアの蓄積を防ぐダイオードが提案されている。特許文献２では、基板上の同一面に、基準電圧発生用のツェナーダイオードと温度補償用ダイオードを形成する方法が提案されている。
特許第３２５５６９８号公報 特開平６−３５０１０８号公報

図４（Ａ）に示した従来のＰＮ接合ダイオードでは、接合部分の接合面積が大きく、接合を流れる電流も多方向である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示したＰＮ接合ダイオードのＰ⁺領域２０４を模式的に斜視図で示したものである。説明を容易にするために、形状を直方体として示している。ＰＮ接合２０５は、Ｐ⁺領域２０４を直方体と考えた際の底面２０５ａ及び４つの側面２０５ｂ〜２０５ｅに形成されているため、接合面積が大きい。また、電流は、図４（Ｂ）中の矢印で示したように、底面方向（I）、４つの側面方向（II）〜（V）の５つの方向に流れていく。一般に、接合面積が大きいほど回路を流れる電流は大きくなるため、ＰＮ接合ダイオードにおいて、接合面積が大きければ、リーク電流増加へとつながる。

このように、従来のＰＮ接合ダイオードでは、電流の流れる経路が多く、接合面積も大きいことにより、リーク電流が増大するという欠点があった。

また、プラズマ処理、例えばスパッタリング或いはドライエッチングの工程では、図４（Ａ）及び（Ｂ）中の矢印に示した経路へリーク電流と同様にチャージアップ電流が流れる。ＰＮ接合している面が、Ｐ⁺領域２０４の底面及び側面であるために、多方向にチャージアップ電流が流れることになる。すなわち、ＰＮ接合ダイオードに接続される配線形成の際に行うスパッタリング等のプラズマ処理で生じるチャージアップ電流が、多方向に流れることにより、不具合を生じやすいという問題点もあった。

そこで、発明者は鋭意研究の結果、ＰＮ接合の形成を一つの面のみにすることで、ＰＮ接合の形成される面積を減らし、チャージアップ電流の流れる方向も一方向にできることを見いだした。

この発明の半導体装置によれば、シリコン基板と、シリコン基板の一方の主表面に上面を露出させてシリコン基板中に設けられている第一導電型の不純物領域と、第一導電型の不純物領域の上面と接して設けられていてＰＮ接合を形成している第二導電型のポリシリコンプラグと、第二導電型のポリシリコンプラグの頂面に接続された配線とを具え、第二導電型のポリシリコンプラグは、第一導電型の不純物領域とＰＮ接合を形成するＰＮ接合プラグ部と、ＰＮ接合プラグ部と一体的に連続構成されていて配線と接続されている配線接続部とを有しており、配線は、配線接続部と接続されたプラグを有しており、第一導電型の不純物領域の上面と第二導電型のポリシリコンプラグの底面は、面積が等しく、同じ輪郭形状を有していることを特徴とする。

この発明の半導体装置によれば、ＰＮ接合の接合面を、ポリシリコンプラグの底面のみにする、すなわち、シリコンウエハ表面の拡散層と拡散層とは異なる導電型のポリシリコンプラグの接触面でＰＮ接合を形成することで、電流経路が一方向に制限でき、尚かつ接合リーク電流の低減も可能になる。

また、接続する配線を形成する際のプラズマ処理、例えばスパッタリングによって生じるチャージアップ電流をＰＮ接合の整流作用により制御することができる。
この発明の半導体装置は、配線がプラグを有する。また、この発明の半導体装置は、配線接続部を有する。さらに、この発明の半導体装置は、第一導電型の不純物領域の上面と第二導電型のポリシリコンプラグの底面が同じ輪郭形状を有している。これらの特徴により、この発明の半導体装置は、図１に示すような多層の配線を有する構造として最良の形態となっている。

以下、図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を説明する。尚、製造方法を説明する各図は、製造工程の各段階で得られる構造体の断面切り口を概略的に示している。また、構造体を構成する各構成要素の大きさ、形状及び配置関係は、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、各図において同様の構成成分については同一の番号を付して示し、その重複する説明を省略することもある。

以下、一例として、シリコン（Ｓｉ）基板の一方の主表面上に上面を露出させて設けられている第一導電型の不純物領域であるＮ⁺領域上に、第一導電型の不純物領域の上面と接して設けられている第二導電型のポリシリコンプラグであるＰ⁺ポリシリコンプラグを形成したＰＮ接合ダイオードの場合について説明する。よって、Ｎ型が第一導電型、及びＰ型が第二導電型に相当する。

図１は、この発明による半導体装置の一部分を概略的な断面で表した図である。

Ｓｉ基板１００の主表面１００ａからＳｉ基板１００中にＮ型不純物が拡散されたＮ⁺領域１０２が形成されている。このＮ⁺領域１０２は、Ｓｉ基板１００の主表面１００ａに上面１０３を露出した状態で形成されている。従って、この場合には、Ｎ⁺領域１０２の上面１０３は、Ｓｉ基板１００の主表面１００ａと同一面内にあるか、或いは場合によっては、この上面１０３は主表面１００ａより上側に形成されている。このＮ⁺領域１０２の上面１０３上に接するようにＰ⁺ポリシリコンプラグ１０９が形成されている。Ｐ⁺ポリシリコンプラグ１０９は、この最良の形態では、ＰＮ接合プラグ部１０８ａと、このＰＮ接合プラグ部１０８ａと一体的に連続形成されている配線接続部１０８ｂとからなっている。ＰＮ接合プラグ部１０８ａは、Ｎ⁺領域１０２と接してＰＮ接合を形成している。従って、このＰＮ接合は、一平面内のみに形成されている。

配線接続部１０８ｂは、導電層配線部１１４ｂと接続するための導電層プラグ１１４ａと頂面１１１で接続されている。Ｐ⁺ポリシリコンプラグ１０９及び導電層プラグ１１４ａは、Ｓｉ基板１００の主表面１００ａを覆うように形成された絶縁膜１０４及びこの絶縁膜１０４上に形成された絶縁膜１１０に埋め込まれた構造になっている。そして、上述したこの導電層プラグ１１４ａと導電層配線部１１４ｂとで一体的に連続構成された配線１１４としての導電層を形成している（図１（Ａ））。

この最良の形態では、Ｐ⁺ポリシリコンプラグ１０９は、ＰＮ接合プラグ部１０８ａと配線接続部１０８ｂとで構成されているが、配線接続部１０８ｂを形成せずに、直接導電層プラグ１１４ａとＰＮ接合プラグ部１０８ａを接続しても良い（図１（Ｂ））。

このように、図１に示す構成は、丁度、図４（Ａ）に示した従来の構成例において、Ｓｉ基板２００を省略し、Ｎ⁺領域２０２をＳｉ基板１００で置き換え、Ｐ⁺領域２０４をＮ⁺領域１０２で置き換え、導電層プラグ２１０ａをＰＮ接合プラグ部１０８ａで置き換えた構造となっている。

この最良の形態では、Ｎ⁺領域の上面１０３の面積とＰ⁺ポリシリコンプラグの底面１０７の面積が等しく、これら上面と底面が同じ輪郭形状としている。しかしながら、この発明は、Ｎ⁺領域の上面１０３にＰ⁺ポリシリコンプラグ１０９が形成されることにより、ＰＮ接合が形成されていればよく、Ｐ⁺ポリシリコンプラグの底面１０７が、Ｎ⁺領域の上面１０３よりも大きい、或いは小さい場合でも同様に適用できる。

従って、図１に示す構成例において、Ｐ⁺ポリシリコンプラグ１０９の底面の面積を図４（Ａ）に示すＰ⁺領域２０４のＳｉ基板２００の主表面と平行なＰＮ接合２０５と同じ面積として形成した場合、このようなＮ⁺領域１０２上にＰ⁺ポリシリコンプラグ１０９を形成した構造にすることにより、ＰＮ接合の面積は、Ｐ⁺ポリシリコンプラグ１０９の底面１０７の面積のみとなり、従って、従来の構造の側面部分のＰＮ接合の面積が減少するため、リーク電流を低減できる。また、図１中に矢印で示したように、配線形成時のプラズマ処理、例えば、スパッタリングやドライエッチングにおいて生じるチャージアップ電流は、従来のＰＮ接合のように多方向では無く、一方向に流れるように制御できる。

図２及び３を参照して、この発明を実施するための最良の形態の半導体装置の製造方法を説明する。

まず、Ｓｉ基板１００を用意する（図２（Ａ））。このＳｉ基板１００の主表面上に、Ｎ⁺領域１０２を形成する領域を開口したレジストパターンを形成する（図示せず）。Ｓｉ基板１００の主表面１００ａに、Ｎ型不純物をイオン打ち込みし、レジストパターンを除去することによって、当該主表面からＳｉ基板１００中にＮ⁺領域１０２を形成する（図２（Ｂ））。

次に、絶縁膜１０４を、例えば、ＣＶＤ法によってシリコン酸化膜で成膜する。次いで、Ｎ⁺領域１０２の上側の絶縁膜の領域部分を公知のホトリソ・エッチング技術によって開口し、開口部１０６を形成する（図２（Ｃ））。

次いで、例えば、Ｐ型不純物をドープしたポリシリコン膜をＣＶＤ法によって成膜することによって、Ｐ⁺ポリシリコン膜１０８を形成する（図２（Ｄ））。Ｎ⁺領域１０２とＰ⁺ポリシリコン膜１０８の接している領域が、ＰＮ接合１１３となる。Ｐ⁺ポリシリコン膜１０８の成膜は、ノンドープのポリシリコン膜を成膜した後、Ｐ型不純物をイオン打ち込みすることによって形成してもよい。

形成したＰ⁺ポリシリコン膜１０８を公知のホトリソ・エッチング技術によりパターニングして、ＰＮ接合プラグ部１０８ａと配線接続部１０８ｂとから構成されるＰ⁺ポリシリコンプラグ１０９を形成する（図２（Ｅ））。

次に、絶縁膜１１０を、例えば、シリコン酸化膜をＣＶＤ法によって成膜することで形成する（図３（Ａ））。公知のホトリソ・エッチング技術により、Ｐ⁺ポリシリコンプラグ１０９の頂面１１１を露出するための開口部１１２を形成する（図３（Ｂ））。

導電層１１４を、例えば、スパッタリングによりアルミニウムで形成する（図３（Ｃ））。公知のホトリソ・エッチング技術によってパターニングを行い、図１に示した半導体装置が形成される。

ここで、Ｎ⁺領域１０２とＰ⁺ポリシリコンプラグ１０９の不純物濃度は、同じに設定する。このようにすることで、電流の整流作用が必要とされる部位に使用するＰＮ接合ダイオードとして好適である。不純物濃度が同じとみなせる範囲としては、Ｎ⁺領域１０２とＰ⁺ポリシリコンプラグ１０９の不純物濃度が等しいか、或いはツェナーダイオードを形成しない程度の不純物濃度の差の範囲とする。例えば、Ｎ⁺領域１０２のＮ型不純物の不純物濃度が１．０Ｅ１５ｃｍ ^-３ 程度である場合、Ｐ⁺ポリシリコンプラグ１０９のＰ型不純物の不純物濃度は、５．０Ｅ１４ｃｍ ^-３ 〜５．０Ｅ１５ｃｍ ^-３ 程度となっていれば良い。

この最良の形態では、Ｎ⁺領域にＰ⁺ポリシリコンプラグを形成する例を示したが、第一導電型と第二導電型を逆にした、すなわち、Ｐ⁺領域にＮ⁺ポリシリコンプラグを形成したＰＮ接合ダイオードでも同様の効果が得られる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、最良の形態の半導体装置の構成例の説明に供するための図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、最良の形態の半導体装置の一構成例の製造方法を説明するための工程図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図２（Ｅ）の工程に続く工程図である。 従来の半導体装置の説明に供するための図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、従来の半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。

符号の説明

１００：Ｓｉ基板
１０２：Ｎ⁺領域
１０３：上面
１０４、１１０：絶縁膜
１０６、１１２：開口部
１０７：底面
１０８：Ｐ⁺ポリシリコン膜
１０８ａ：ＰＮ接合プラグ部
１０８ｂ：配線接続部
１０９：Ｐ⁺ポリシリコンプラグ
１１１：頂面
１１３：ＰＮ接合
１１４：配線（導電層）
１１４ａ：導電層プラグ
１１４ｂ：導電層配線部

Claims (5)

1. シリコン基板と、
   該シリコン基板の一方の主表面に上面を露出させて該シリコン基板中に設けられている第一導電型の不純物領域と、
   該第一導電型の不純物領域の前記上面と接して設けられていてＰＮ接合を形成している第二導電型のポリシリコンプラグと、
   該第二導電型のポリシリコンプラグの頂面に接続された配線とを具える半導体装置であって、
   前記第二導電型のポリシリコンプラグは、前記第一導電型の不純物領域とＰＮ接合を形成するＰＮ接合プラグ部と、該ＰＮ接合プラグ部と一体的に連続構成されていて前記配線と接続されている配線接続部とを有しており、
   前記配線は、前記配線接続部と接続されたプラグを有しており、
   前記第一導電型の不純物領域の上面と前記第二導電型のポリシリコンプラグの底面は、面積が等しく、同じ輪郭形状を有していることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記第一導電型の不純物領域の不純物濃度と第二導電型のポリシリコンプラグの不純物濃度とが同じであることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記第一導電型をＮ導電型とし及び前記第二導電型をＰ導電型とすることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項３に記載の半導体装置において、
   前記第一導電型の不純物領域の不純物濃度を１．０Ｅ１５ｃｍ^-3の値とし及び前記第二導電型のポリシリコンプラグの不純物濃度を５．０Ｅ１４ｃｍ^-3から５．０Ｅ１５ｃｍ^-3までの範囲内の値とすることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記第一導電型をＰ導電型とし及び前記第二導電型をＮ導電型とすることを特徴とする半導体装置。