JP4166010B2 - 横型高耐圧mosfet及びこれを備えた半導体装置 - Google Patents

横型高耐圧mosfet及びこれを備えた半導体装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、横型MOSFETに関し、特に数10V以上のソース・ドレイン間耐圧を有する横型高耐圧MOSFET、または横型高耐圧MOSFETを含む半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図9は第1の従来例であるp型の横型高耐圧MOSFET600の断面図である。横型高耐圧MOSFET600は、n型半導体基板601の所望領域に該半導体基板601の表面より拡散形成された深さ約1μmのp型のドレイン拡散層614と、該ドレイン拡散層614の外周を取り囲むように同じく基板表面側より拡散形成されたnウエル層605とを有している。nウエル層605内には、前記ドレイン拡散層614との境界から所定距離離れた領域に基板表面側からp型ソース層609が形成され、ドレイン拡散層614内には、前記nウエル層605との境界から略等距離となる中央領域に基板表面側からp型のドレインコンタクト層610が形成されている。
【0003】
また、nウエル層605の表面のうち、ソース層609の端部からドレイン拡散層614の一部にわたってゲート酸化膜607が形成され、ドレイン拡散層614の表面のうち、ドレインコンタクト層610およびゲート酸化膜607が形成されていない領域にフィールド酸化膜606が形成されている。
ゲート酸化膜607上からフィールド酸化膜606の一部に張り出すようにゲート電極608が形成され、ソース層609上とドレインコンタクト層610上にはそれぞれソース電極612とドレイン電極613が形成されている。611は、nウエル層605へのn+コンタクト層である。
【0004】
図10は、横型高耐圧MOSFET600がオフの状態において、ソース電極612およびゲート608に100V、ドレイン電極613に0Vを印加した逆バイアス状態の等電位線(20V間隔)を示す図である。空乏層はp型のドレイン拡散層614とn型半導体基板601およびnウエル層605とのpn接合から両側に広がり、図10においては、0Vと100Vの等電位線が空乏層の端部にほぼ等しい。
【0005】
このような横型高耐圧MOSFETにおける最適化とは、素子の耐圧が最大となる構造を見出すことであり、RESURF(Reduced Surface Field)構造を用いて最適化することが、「High Voltage Thin Layer Device」(IEDM Proceedings 1979 第238頁乃至第241頁)により知られている。
図9に示す第1従来例では、n型の半導体基板601にドレイン拡散層614を形成しており、このドレイン拡散層614がドリフト領域に相当する。したがって、n型半導体基板601内のn型不純物電荷をキャンセルするよう、ドレイン拡散層614のp型の不純物総量を、前記文献で最適とされる約1×1012/cm2に設定している。ここで前記不純物総量は、拡散層の濃度(cm-3)のプロファイルを拡散の深さで積分すれば求められる。このため、逆バイアス時の空乏層は主にドレイン拡散層614に伸びることになる。また、ゲート電極608がフィールド酸化膜に張り出すように形成されていることから、フィールドプレート効果が得られ、空乏層はドレイン拡散層614内に伸びやすくなり、表面付近の電界が緩和される構造となっている。
【0006】
図9に示す第1従来例の横型高耐圧MOSFET600の耐圧は約110Vであるが、耐圧を確保するためドレイン拡散層614のnウエル層605方向への張り出し(図9のaで示す距離)は6μm程度、ソース層609の端部からドレイン拡散層614までの距離で規定されるチャネル長(図9のbで示す距離)は3μm程度にそれぞれ設定されている。
【0007】
図11は、第2の従来例であるp型の横型高耐圧MOSFET700の断面図である。横型高耐圧MOSFET700は、p型半導体基板701の所望領域に該半導体基板701の表面より10μm程度に深く拡散形成されたnウエル層705と、該nウエル層705内の表面側より拡散形成された深さ約1μmのp型のドレイン拡散層714とを有している。nウエル層705内には、前記ドレイン拡散層714から所定距離離れた領域に基板表面側からp型ソース層709が形成され、ドレイン拡散層714内には、前記nウエル層705との境界から略等距離となる中央領域に基板表面側からp型のドレインコンタクト層710が形成されている。
【0008】
また、nウエル層705の表面のうち、ソース層709の端部からドレイン拡散層714の一部にわたってゲート酸化膜707が形成され、ドレイン拡散層714の表面のうち、ドレインコンタクト層710およびゲート酸化膜707が形成されていない領域にフィールド酸化膜706が形成されている。
ゲート酸化膜707上からフィールド酸化膜706の一部に張り出すようにゲート電極708が形成され、ソース層709上とドレインコンタクト層710上にはそれぞれソース電極712とドレイン電極713が形成されている。711は、nウエル層705へのn+コンタクト層である。
【0009】
図12は、横型高耐圧MOSFET700がオフの状態において、ソース電極712およびゲート708に100V、ドレイン電極713に0Vを印加した逆バイアス状態の等電位線(20V間隔)を示す図である。空乏層はp型ドレイン拡散層714とnウエル層705とのpn接合から両側に広がり、図12においては、0Vと100Vの等電位線が空乏層の端部にほぼ等しい。さらに、p型半導体基板701を0Vにしている場合は、図12に示すように、p型半導体基板701とnウエル705との間も逆バイアスになり、このpn接合にも空乏層が伸びる。
【0010】
図11に示す第2従来例では、nウエル層705内にドレイン拡散層714を形成しており、このドレイン拡散層714がドリフト領域に相当する。したがって、nウエル705内のn型不純物電荷をキャンセルするよう、ドレイン拡散層714のp型の不純物総量を前記文献で最適とされる約1×1012/cm2に設定している。このため、逆バイアス時の空乏層は主にドレイン拡散層714に伸びることになる。
【0011】
また、ゲート電極708がフィールド酸化膜に張り出すように形成されていることから、フィールドプレート効果が得られ、空乏層はドレイン拡散層714内に伸びやすくなり、表面付近の電界が緩和される構造となっている。
図11に示す第2従来例の横型高耐圧MOSFET700の耐圧は約110Vであるが、耐圧を確保するためドレイン拡散層714のnウエル層705方向への張り出し(図11のaで示す距離)は6μm程度、ソース層709の端部からドレイン拡散層714までの距離で規定されるチャネル長(図11のbで示す距離)は3μm程度にそれぞれ設定されている。
【0012】
次に、上記のような横型高耐圧MOSFETを半導体集積回路(IC)に適用した具体的な例について説明する。
具体的な例として、プラズマディスプレイパネル(以下、PDPという)を駆動するドライバICがある。
PDPは、パネルが平坦であること、大画面化に向いていること、高品位な画像を表示できることなどから、CRTに替わる表示デバイスとして注目され、近年市場規模が拡大している。PDPはアドレス側の電極とスキャン側の電極を対向させ、両電極間に数10V以上の高電圧を印加して充放電させ発光させるディスプレイである。アドレス側の電極とスキャン側の電極はそれぞれ数百本以上の電極で構成されていて、これら電極の駆動にはドライバICが用いられる。ドライバICが備える出力回路は、数十回路以上であるため、前記電極の駆動には多数のドライバICが用いられる。
【0013】
例えば、アドレス側の電極を駆動するドライバICには、ソース・ドレイン間の耐圧が100V以上、±30mAのプッシュプル出力、出力数128ビットなどが求められる。プッシュプル回路には、低電位側に高耐圧nMOSFET、高電位側にpMOSFETを用いる。
30mA出力の高耐圧nMOSFETと同出力の高耐圧pMOSFETのデバイス面積を比較すると、高耐圧pMOSFETの面積が高耐圧nMOSFETの面積の2〜3倍となる。これは、電子をキャリアとする高耐圧nMOSFETに対し、高耐圧pMOSFETはホール(正孔)をキャリアとするため、キャリアの移動度の差がデバイスの面積に反映されるからである。
【0014】
ドライバICに適用可能な高耐圧pMOSFETの例として、特許第3198959号がある。これは埋め込み層を有するエピタキシャルウエハを用いて素子分離を行うものであり、その構成を図13に示す。
図13は、第3の従来例であるp型の横型高耐圧MOSFET800の断面図である。横型高耐圧MOSFET800は、p型半導体基板801の所望領域にn型の埋め込み層802を形成し、該n型埋め込み層802上に形成したエピタキシャル層(図示せず)の表面側から拡散形成されたnウエル層805と、nウエル層805の外周を取り囲み、n埋め込み層802に到達する深さに拡散形成されたn+ウォール層803と、nウエル層805内の表面側より拡散形成された深さ約1μmのp型のドレイン拡散層814とを有する。nウエル層805内には、前記ドレイン拡散層814との境界から所定距離離れた領域に基板表面側からp型ソース層809が形成され、ドレイン拡散層814内には、前記nウエル層805との境界から略等距離となる中央領域に基板表面側からp型のドレインコンタクト層810が形成されている。n+ウォール層803の外側には横型高耐圧MOSFET800を基板から電気的に分離するためのpウエル層804が形成されている。
【0015】
また、nウエル層805の表面のうち、ソース層809の端部からドレイン拡散層814の一部にわたってゲート酸化膜807が形成され、ドレイン拡散層814の表面のうち、ドレインコンタクト層810およびゲート酸化膜807が形成されていない領域にフィールド酸化膜806が形成されている。
ゲート酸化膜807上からフィールド酸化膜806の一部に張り出すようにゲート電極808が形成され、ソース層809上とドレインコンタクト層810上にはそれぞれソース電極812とドレイン電極813が形成されている。
【0016】
上記のように、n埋め込み層802とn+ウォール層803を備えることにより、素子領域から基板801に漏れる電流を低減することができる。811は、nウエル層805へのn+コンタクト層である。
図14は、横型高耐圧MOSFET800がオフの状態において、ソース電極812およびゲート808に100V、ドレイン電極813に0Vを印加した逆バイアス状態の等電位線(20V間隔)を示す図である。空乏層はp型ドレイン拡散層814とnウエル層805とのpn接合から両側に広がり、図14においては、0Vと100Vの等電位線が空乏層の端部にほぼ等しい。さらに、p型半導体基板801を0Vにしている場合は、図14に示すように、p型半導体基板801とn埋め込み層802との間も逆バイアスになり、このpn接合からも空乏層が伸びる。
【0017】
図13に示す第3従来例では、nウエル805にドレイン拡散層814を形成しており、このドレイン拡散層814がドリフト領域に相当する。したがって、nウエル805内のn型不純物電荷をキャンセルするよう、ドレイン拡散層814のp型の不純物総量を前記文献で最適とされる約1×1012/cm2に設定している。このため、逆バイアス時の空乏層は主にドレイン拡散層814に伸びることになる。
【0018】
また、ゲート電極808がフィールド酸化膜に張り出すように形成されていることから、フィールドプレート効果が得られ、空乏層はドレイン拡散層814内に伸びやすくなり、表面付近の電界が緩和される構造となっている。
図13に示す第3従来例の横型高耐圧MOSFET800の耐圧は約110Vであるが、耐圧を確保するためドレイン拡散層814のnウエル層805方向への張り出し(図13のaで示す距離)は6μm程度、ソース層809の端部からドレイン拡散層814までの距離で規定されるチャネル長(図13のbで示す距離)は3μm程度にそれぞれ設定されている。
【0019】
これまで述べたように、上記の第1〜第3従来例において、空乏層が主にドリフト領域であるドレイン拡散層(614,714,814)に伸びるRESURF構造である。これらRESURF構造を用いた横型高耐圧pMOSFETの他の特徴は、ゲート酸化膜中の電界強度を抑制できることである。
前述の如く、ソース電極(612,712,812)およびゲート(608,708,808)に100V、ドレイン電極(613,713,813)に0Vを印加した逆バイアス状態(オフ状態)において、逆バイアスの電圧を主に負担するのはドレイン拡散層(614,714,814)と厚さ800nm程度のフィールド酸化膜(606,706,806)である。これは、図10,図12,図14に示した等電位線からも明らかである。
【0020】
一方、nウエル層(605,705,805)とゲート酸化膜(607,707,807)とで負担する逆バイアス電圧は、逆バイアス電圧100Vのうち10V以下である。このため、例えばゲート酸化膜(607,707,807)の厚さを25nmとしたとき、該ゲート酸化膜(607,707,807)での電界強度は、前記10Vに対して4MV/cm以下となり、ゲート酸化膜の信頼性が確保される。
【0021】
つまり、上述のRESURF構造は、ソース・ドレイン間耐圧を最大にしオフ状態での逆バイアス電圧をゲート酸化膜に負担させない構造である。ゲート酸化膜に負担がかからない構造であるため、比較的薄いゲート酸化膜を用いる。
前述した従来例の如く、ドレイン拡散層・フィールド酸化膜でソース・ドレイン間電圧の大半を負担する構成(RESURF構造)が抱える課題について次項で説明する。
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
これまで述べたように、第1〜第3従来例では、RESURF構造を採用して素子の耐圧が最大となる構造への最適化を行ってきた。このため、ドリフト領域となるドレイン拡散層(614,714,814)の不純物総量を約1×1012/cm2程度に設定し、ドレイン拡散層(614,714,814)のnウエル層(605,705,805)方向への張り出しを6μm程度に設定した。
【0023】
このようなRESURF構造は素子の耐圧を向上させるために有効な手法であるが、一方でオン抵抗が高いという課題がある。
第1の原因として、ドレイン拡散層の不純物総量が低いことである。即ち、ドレイン拡散層の不純物総量が1×1012/cm2程度では、ドレイン拡散層の抵抗が増大する。RESURF構造の横型高耐圧MOSFETのオン抵抗成分のうち大きな割合を占めるのがドレイン抵抗であり、約90%を占める。チャネル抵抗は10%程度である。このドレイン抵抗は、ドレイン拡散層の抵抗であり、上記の従来例におけるドレイン拡散層のシート抵抗は約12kΩ/□である。
【0024】
第2の原因として、ドレイン拡散層の張り出し長が長いことである。即ち、ソース・ドレイン間の耐圧を確保するために、上記の例では6μm程度に設定されていた。この長さが長いほどオン抵抗は増大する。
オン抵抗を低減するためには、ドレイン拡散層の不純物濃度を高くすればよいが、不純物濃度が濃くなると、ドレイン拡散層が空乏化しにくくなるという問題がある。また、ドレイン拡散層は拡散深さが約1μmと浅く形成されているため、不純物濃度が濃くなるとシリンドリカル部の電界が高くなり、ソース・ドレイン間の耐圧が低下するという問題もある。
【0025】
したがって、ドレイン拡散層の不純物濃度を単純に濃くすることはできず、ドレイン拡散層の不純物濃度は低くせざるを得ず、オン抵抗が高くなるという課題がある。
この発明の目的は、横型高耐圧MOSFETの耐圧を確保しつつオン抵抗の低減を図り、特に、横型高耐圧pMOSFETの面積を縮小することであり、素子面積の縮小により、PDPドライバICなどの半導体装置を低コストで提供することにある。
【0026】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、従来のMOSFETの如く、ドレイン領域の張り出しを大きくし、ドレイン拡散層の不純物濃度を下げるのではなく、ドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くし、オフ時のソース・ドレイン間の電圧をゲート酸化膜に分担させることに着目し、以下の構成を見出した。
【0027】
即ち、第1導電型の横型高耐圧MOSFETにおいて、ボディー拡散層表面のうちソース拡散層の端部からドレイン拡散層の一部にわたって形成されたゲート酸化膜(シリコン酸化膜)と、前記ドレイン拡散層表面のうちドレインコンタクト拡散層及び前記ゲート酸化膜が形成されていない領域に形成されたフィールド酸化膜と、前記ゲート酸化膜上から前記フィールド酸化膜の一部にわたって形成されたゲート電極とを備え、前記ゲート酸化膜厚が、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧(最大動作電圧)に対する電界値が4MV/cm以下となる厚さであり、前記ドレイン拡散層の不純物総量が2×1012/cm2以上であるとよい。
【0028】
ドレイン拡散層の不純物総量が多くなるとドレイン拡散層は空乏化しにくくなり、空乏層はボディー拡散層(nウエル層)側に伸びるようになる。
なお、ドレイン拡散層の表面不純物濃度が前記従来例と同程度(例えば、2×1016/cm3程度)としても、ドレイン拡散層を深く拡散して不純物総量を増やし、RESURF構造の最適条件(1×1012cm2)を上回る不純物総量とすることができる。ここで、ドレイン拡散層の不純物総量は、2×1012/cm2以上とすればよい。また、ドレイン拡散層の深さは、埋め込み層に到達する深さとすればよい。
【0029】
不純物総量を多くするためには、ドレイン拡散層のイオン注入量を増やし、高温長時間拡散すればよい。ただし、基板表面における不純物濃度が必要以上に高いと、ドレイン拡散層のソース側の表面近傍における電界が高くなり耐圧の低下を招く。上述のように、ドレイン拡散層の表面不純物濃度を従来例と同程度としても、ドレイン拡散層を深く拡散すれば、ドレイン拡散層内の不純物総量を多くすることができるが、さらに、上述の耐圧低下を起こさない範囲で表面不純物濃度を前記従来例より高めれば、ドレイン拡散層内の不純物総量をさらに増加させることもできる。
【0030】
ドレイン拡散層の不純物総量が増加することによりドレインのオン抵抗は低減される。
上記の本発明の構成を採用することにより、ドレイン拡散層は空乏化しにくく、空乏層は主にボディー拡散層側に伸びる。よってドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすることができる。
【0031】
ここで、フィールド酸化膜上にゲート電極が長く張り出すことで、フィールドプレート効果により空乏層がドレインコンタクト方向に伸びやすくなる。つまり、ドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすると、上記フィールドプレート効果により空乏層端がドレインコンタクト層に近くなる。空乏層がドレインコンタクト層まで達すると、その部分での電界が上昇し耐圧低下を招く。
【0032】
ドレイン拡散層の低抵抗化のためにはドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすればよいが、単に張り出し距離を短くすると上記の理由で耐圧が低下する。
そこで、ドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くするとともに、フィールド酸化膜上へのゲート電極の張り出しを短くするのが好適である。ゲート電極の張り出しが短いとフィールドプレート効果が抑制されるためである。例えば、前記ゲート電極の前記フィールド絶縁膜上の長さが、2μm以下とすれば好適である。
【0033】
かかる構成により、ドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすることができ、ドレイン拡散層内が低抵抗となる。また、デバイスピッチの縮小にも有効である。
また、空乏層の伸びかたを比較すると、ソース・ドレイン間に逆バイアスを印加した際、半導体層最表面側での空乏層幅は、第1導電型ドレイン拡散層側に伸びる空乏層の幅をW1、第2導電型ボディー拡散層側に伸びる空乏層の幅をW2としてW1<W2である。
【0034】
かかる構成においては、ソース・ドレイン間電圧のかなりの部分(例えば8割程度)をゲート酸化膜で負担することになるが、ゲート酸化膜は、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値が4MV/cm以下となる厚さに形成されているため破壊されることはなく、信頼性が確保される。
上述の如く、ゲート酸化膜の膜厚を厚くすると、しきい値電圧が上昇し、相互コンダクタンス(Gm)が低下するが、例えば、PDPドライバICに適用した場合などのように、p型の横型高耐圧MOSFETのゲート駆動電圧がドレイン電圧と同等に高い場合には十分な駆動能力がある。
【0035】
ここで、絶対最大定格電圧が高く、ゲート酸化膜の膜厚が厚い場合は、ゲート酸化膜の膜厚とフィールド酸化膜の膜厚とを同程度としてもよい。
なお、ゲート絶縁膜にシリコン酸化膜以外の絶縁膜(例えば窒化膜や他の酸化膜など)を適用した場合は、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧が当該絶縁膜に印加された場合に、該絶縁膜が破壊されない電界値以下となるよう、その絶縁膜の材質に応じて膜厚を決定することにより、上記の構成が適用可能である。
【0036】
また、p型の横型高耐圧MOSFETのp型のドレイン拡散層と同時に形成される拡散層(p型)をn型の横型高耐圧MOSFETのボディー拡散層に用い、同様に、p型の横型高耐圧MOSFETのn型のボディー拡散層と同時に形成される拡散層(n型)をn型の横型高耐圧MOSFETのドレイン拡散層に用いればよい。
【0037】
さらに、上記のp型の拡散層,n型の拡散層とそれぞれ同時に形成される拡散層を素子形成領域(ウエル)とし、当該素子形成領域内に低耐圧のMOSFETを形成するとよい。
ここで、同時に形成する拡散層とは、同一の工程で形成されるものをいう。例えば、p型の横型高耐圧MOSFETのドレイン拡散層を形成するためのイオン注入工程において、n型の横型高耐圧MOSFETのボディー拡散層形成領域,低耐圧MOSFET形成領域(ウエル)にも同時にイオン注入を行い、続いて拡散工程を行えば、複数種類の素子のための拡散層を同時に形成することができる。
【0038】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1は、第1の実施の形態であるp型の横型高耐圧MOSFET100の断面図である。
横型高耐圧MOSFET100は、n型半導体基板101の所望領域に該半導体基板101の表面より拡散形成されたp型のドレイン拡散層114と、該ドレイン拡散層114の外周(側面)を取り囲むように同じく基板表面側より拡散形成されたnウエル層105とを有している。
【0039】
ドレイン拡散層114は、底面がn型半導体基板101に接し、その側面は底面とのコーナー部を除いてnウエル層105と接している。
nウエル層105とドレイン拡散層114は、nウエル層105の形成領域とドレイン拡散層114の形成領域に選択的にそれぞれ所望のドーズ量で不純物を注入した後、同時に拡散することにより形成される。
【0040】
nウエル層105内には、前記ドレイン拡散層114との境界から所定距離離れた領域に基板表面側からp型ソース層109が形成され、ドレイン拡散層114内には、前記nウエル層105との境界から略等距離となる中央領域に基板表面側からp型のドレインコンタクト層110が形成されている。
また、nウエル層105の表面のうち、ソース層109の端部からドレイン拡散層114の一部にわたってゲート酸化膜107が形成されている。さらに、ドレイン拡散層114の表面のうち、ドレインコンタクト層110およびゲート酸化膜107が形成されていない領域にフィールド酸化膜106が形成されている。
【0041】
ゲート酸化膜107上からフィールド酸化膜106の一部に張り出すようにゲート電極108が形成され、ソース層109上とドレインコンタクト層110上にはそれぞれソース電極112とドレイン電極113が形成されている。
ここで、ソース層109とドレイン拡散層114との距離は、ドレイン拡散層114のドレインコンタクト層110からソース層109方向への張り出し長さより長く形成されている。また、ゲート酸化膜107の膜厚は、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値で4MV/cm以下となるような厚さに形成されている。111は、nウエル層105へのn+コンタクト層である。
【0042】
第1の実施の形態における具体的な例として、ゲート酸化膜の膜厚は250nm、フィールド酸化膜106の膜厚は800nmである。特に、ソース・ドレイン間に形成されるフィールド酸化膜106の幅は2μmである。また、nウエル層105は約5μmの深さに拡散され、ドレイン拡散層114は約6μmの深さに拡散される。ドレイン拡散層114のシート抵抗は4kΩ/□であって、p型の不純物総量は3.0×1012/cm2である。ソース層109とドレイン拡散層114との距離(チャネル長)は約5μm、ゲート電極108のフィールド酸化膜106への張り出しは1μm程度である。この横型高耐圧MOSFET100の耐圧は110V程度、絶対最大定格電圧は80Vである。
【0043】
図2は、横型高耐圧MOSFET100がオフの状態において、ソース電極112およびゲート108に100 、ドレイン電極113に0Vを印加した状態の等電位線(20V間隔)を示す図である。空乏層はp型ドレイン拡散層114とn型半導体基板101およびnウエル層105とのpn接合から両側に広がり、図2においては、0Vと100Vの等電位線が空乏層の端部にほぼ等しい。
【0044】
シリコン表面付近において、上記pn接合から伸びる空乏層の広がりは、nウエル層105内に伸びる空乏層幅(図2のaで示す距離)がドレイン拡散層114内に伸びる空乏層幅(同じくbで示す距離)より広くなっていることがわかる。即ち、空乏層は主にnウエル層105側に広がるため、オフ時のソース・ドレイン間の逆バイアス電圧の大半をnウエル層105が負担する。
【0045】
上述したように、第1の実施の形態において、ソース層109とドレイン拡散層114との距離(チャネル長)は、ドレイン拡散層114のソース層109方向への張り出し長さより長く形成されているため、nウエル層105内に空乏層が伸びてもソース層109に到達することはなく、パンチスルーすることはない。
また、図2に示した等電位線がゲート酸化膜107内を通っていることからも明らかなように、ゲート酸化膜107でもかなりの電圧を負担している。
【0046】
第1の実施の形態において、ゲート酸化膜107はソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値で4MV/cm以下となるような厚さ(例えば250nm)に形成されている。そのため、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧を全てゲート酸化膜107で負担したとしても、ゲート酸化膜内の電界強度は3.2MV/cmであり、ゲート酸化膜が破壊されることはなく、信頼性が確保されている。
【0047】
上記の本発明の構成を採用することにより、ドレイン拡散層は空乏化しにくく、空乏層は主にボディー拡散層側に伸びる。よってドレイン拡散層のドレインコンタクト層からソース側への張り出しを短くすることができる。
ここで、フィールド酸化膜上にゲート電極が長く張り出すことで、フィールドプレート効果により空乏層がドレインコンタクト方向に伸びやすくなる。つまり、ドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすると、上記フィールドプレート効果により空乏層端がドレインコンタクト層に近くなる。空乏層がドレインコンタクト層まで達すると、その部分での電界が上昇し耐圧低下を招く。
【0048】
ドレイン拡散層の低抵抗化のためにはドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすればよいが、単に張り出し距離を短くすると上記の理由で耐圧が低下する。
そこで、ドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くするとともに、フィールド酸化膜上へのゲート電極の張り出しを短くするのが好適である。ゲート電極の張り出しが短いとフィールドプレート効果が抑制されるためである。
【0049】
かかる構成により、ドレイン拡散層のドレインコンタクト層からソース側への張り出しを短くすることができ、ドレイン拡散層内が低抵抗となる。また、デバイスピッチの縮小にも有効である。
第1の実施の形態では、フィールド酸化膜106上へのゲート電極108の張り出しを1μm程度に設定し、ドレイン拡散層内への空乏層の伸びを抑制している。ドレイン拡散領域のドリフト長(ドレインコンタクト層からの張り出しの長さ)は、3μm程度と短いため、ドレイン拡散層の抵抗が低減できる。
【0050】
上述のとおり、第1の実施の形態においては、空乏層は主にnウエル層に伸びよって、第1の実施の形態は第1の従来例に比して、ドレイン拡散層の不純物総量を3倍にすることができ、シート抵抗は1/3になる。また、ドリフト長も1/2となる。横型高耐圧MOSFETにおけるオン抵抗成分の大半(90%程度)は、ドレイン抵抗が占めるが、このドレイン抵抗を1/6にすることができる。
【0051】
なお、ソース層109とドレイン拡散層114との距離(チャネル長)が、ドレイン拡散層114のソース層109方向への張り出し長さより長く(5μm程度)形成されているため、第1の従来例における約3μmに比して5/3倍となる。しかしながら、オン抵抗に占めるチャネル抵抗の割合は10%程度であるから、ドレイン抵抗(オン抵抗の90%程度)とチャネル抵抗(同10%程度)の和は、(1)式に示すように、
【0052】
【数1】
90%×(1/6)+10%×(5/3)≒32% ・・・(1)
従来の1/3程度に低減され、さらに、チャネル長+ドリフト領域の長さについても、従来の9μmに比して8μmと若干短縮される。
【0053】
つまり、従来と同じオン抵抗の横型高耐圧pMOSFETであれば、チャネル幅(図1の紙面に対し垂直方向の長さ)が1/3で形成でき、さらに、前記チャネル長+ドリフト領域の長さが短縮されることによるデバイスピッチの縮小もあいまって、素子面積を1/3以下に縮小することができる。
上記の如く構成すると、ゲート酸化膜が厚くなり、しきい値電圧が上昇して相互コンダクタンス(Gm)が低下する。しかしながら、p型の横型高耐圧MOSFETのゲート駆動電圧がドレイン電圧と同等に高い場合には十分な駆動能力がある。
【0054】
複数の横型高耐圧pMOSFETを集積して集積回路装置(IC)を形成する場合については、個々の横型高耐圧pMOSFETの面積が1/3以下になるため、集積回路装置としても大幅に小型化することができる。
さらに、横型高耐圧pMOSFETを横型高耐圧nMOSFETやこれら高耐圧素子の駆動回路,他の周辺回路などととも集積して集積回路装置を形成する場合においては、これまで大きな面積を占めていた横型高耐圧pMOSFETの面積が1/3以下になることによって集積回路装置の小型化が図れるだけでなく、デバイスレイアウトの自由度が高くなる。
【0055】
特に、横型高耐圧pMOSFETと横型高耐圧nMOSFETとを多数集積するような場合においては、デバイスレイアウトの自由度が高いことのメリットは大きい。
上記の例では、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧が80Vの例で説明したが、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧が50Vの場合は、ゲート酸化膜107の膜厚をソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値が、絶対最大定格電圧に応じて4MV/cm以下となるような厚さ、例えば150nmに設定すればよい。
【0056】
次に、第2の実施の形態について説明する。
図3は、第2の実施の形態であるp型の横型高耐圧MOSFET200の断面図である。
横型高耐圧MOSFET200は、p型半導体基板201の所望領域に該半導体基板201の表面より拡散形成されたnウエル層205と、nウエル層205内の基板表面側から形成されたp型のドレイン拡散層214とを有している。nウエル層205内には、ドレイン拡散層214との境界から所定距離離れた領域に基板表面側からp型ソース層209が拡散形成され、ドレイン拡散層214内には、前記nウエル層205との境界から略等距離となる中央領域に基板表面側からp型のドレインコンタクト層210が形成されている。
【0057】
また、nウエル層205の表面のうち、ソース層209の端部からドレイン拡散層214の一部にわたってゲート酸化膜207が形成されている。さらに、ドレイン拡散層214の表面のうち、ドレインコンタクト層210およびゲート酸化膜207が形成されていない領域にフィールド酸化膜206が形成されている。
ゲート酸化膜207上からフィールド酸化膜206の一部に張り出すようにゲート電極208が形成され、ソース層209上とドレインコンタクト層210上にはそれぞれソース電極212とドレイン電極213が形成されている。
【0058】
ここで、ソース層209とドレイン拡散層214との距離は、ドレイン拡散層214のドレインコンタクト層210からソース層209方向への張り出し長さより長く形成されている。また、ゲート酸化膜207の膜厚は、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値で4MV/cm以下となるような厚さに形成されている。211は、nウエル層205へのn+コンタクト層である。
【0059】
第2の実施の形態における具体的な例として、ゲート酸化膜の膜厚は250nm、フィールド酸化膜206の膜厚は800nmである。特に、ソース・ドレイン間に形成されるフィールド酸化膜206の幅は2μmである。また、nウエル層205は約10μmの深さに拡散され、ドレイン拡散層214は約6μmの深さに拡散される。ドレイン拡散層214のシート抵抗は4kΩ/□であって、p型の不純物総量は3.0×1012/cm2である。ソース層209とドレイン拡散層214との距離(チャネル長)は約5μm、ゲート電極208のフィールド酸化膜206への張り出しは1μm程度である。この横型高耐圧MOSFET200の耐圧は110V程度、絶対最大定格電圧は80Vである。
【0060】
図4は、横型高耐圧MOSFET200がオフの状態において、ソース電極212およびゲート208に100 、ドレイン電極213に0Vを印加した状態の等電位線(20V間隔)を示す図である。空乏層はp型のドレイン拡散層214とnウエル層205とのpn接合から両側に広がり、図4においては、0Vと100Vの等電位線が空乏層の端部にほぼ等しい。基板201にも0Vを印加した場合は基板201とnウエル層205とのpn接合にも空乏層が広がる。
【0061】
シリコン表面付近において上記pn接合からの空乏層の広がりは、nウエル層205内に伸びる空乏層幅(図4のaで示す距離)がドレイン拡散層214内に伸びる空乏層幅(図4のbで示す距離)より広くなっていることがわかる。即ち、空乏層は主にnウエル層205側に広がるため、オフ時のソース・ドレイン間の逆バイアス電圧の大半をnウエル層205が負担する。
【0062】
上述したように、第2の実施の形態において、ソース層209とドレイン拡散層214との距離(チャネル長)は、ドレイン拡散層214のドレインコンタクト層210からソース層209方向への張り出し長さより長く形成されているため、nウエル層205内に空乏層が伸びてもソース層209に到達することはなく、パンチスルーすることはない。
【0063】
また、図4に示した等電位線がゲート酸化膜207内を通っていることからも明らかなように、ゲート酸化膜207でもかなりの電圧を負担している。
第2の実施の形態において、ゲート酸化膜207はソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値で4MV/cm以下となるような厚さ(例えば250nm)に形成されている。そのため、ソース・ドレイン間の電圧を全てゲート酸化膜207で負担したとしても、ゲート酸化膜内の電界強度は3.2MV/cmであり、ゲート酸化膜が破壊されることはなく、信頼性が確保されている。
【0064】
上記の本発明の構成を採用することにより、ドレイン拡散層は空乏化しにくく、空乏層は主にボディー拡散層側に伸びる。よってドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすることができる。
ここで、フィールド酸化膜上にゲート電極が長く張り出すことで、フィールドプレート効果により空乏層がドレインコンタクト方向に伸びやすくなる。つまり、ドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすると、上記フィールドプレート効果により空乏層端がドレインコンタクト層に近くなる。空乏層がドレインコンタクト層まで達すると、その部分での電界が上昇し耐圧低下を招く。
【0065】
ドレイン拡散層の低抵抗化のためにはドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすればよいが、単に張り出し距離を短くすると上記の理由で耐圧が低下する。
そこで、ドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くするとともに、フィールド酸化膜上へのゲート電極の張り出しを短くするのが好適である。ゲート電極の張り出しが短いとフィールドプレート効果が抑制されるためである。
【0066】
かかる構成により、ドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすることができ、ドレイン拡散層内が低抵抗となる。また、デバイスピッチの縮小にも有効である。
第2の実施の形態では、フィールド酸化膜206上へのゲート電極208の張り出しを1μm程度に設定し、ドレイン拡散層内への空乏層の伸びを抑制している。ドレイン拡散領域のドリフト長(ドレインコンタクト層からの張り出しの長さ)は、3μm程度と短いため、ドレイン拡散層の抵抗が低減できる。
【0067】
よって、第2の実施の形態は第2の従来例に比して、ドレイン拡散層の不純物総量を3倍にすることができ、シート抵抗は1/3になる。また、ドリフト長も1/2となる。横型高耐圧MOSFETにおけるオン抵抗成分の大半(90%程度)は、ドレイン抵抗が占めるが、このドレイン抵抗を1/6にすることができる。
【0068】
なお、ソース層209とドレイン拡散層214との距離(チャネル長)が、ドレイン拡散層214のドレインコンタクト層210からソース層209方向への張り出し長さより長く(5μm程度)形成されているため、第2の従来例における約3μmに比して5/3倍となる。しかしながら、オン抵抗に占めるチャネル抵抗の割合は10%程度であるから、ドレイン抵抗(オン抵抗の90%)とチャネル抵抗(同10%程度)の和は、(2)式に示すように、
【0069】
【数2】
90%×(1/6)+10%×(5/3)≒32% ・・・(2)
従来の1/3程度に低減され、さらに、チャネル長+ドリフト領域の長さについても、従来の9μmに比して8μmと若干短縮される。
【0070】
つまり、従来と同じオン抵抗の横型高耐圧pMOSFETであれば、チャネル幅(図3の紙面に対し垂直方向の長さ)が1/3で形成でき、さらに、前記チャネル長+ドリフト領域の長さが短縮されることによるデバイスピッチの縮小もあいまって、素子面積を1/3以下に縮小することができる。
なお、ゲート酸化膜の膜厚を厚くすると、しきい値電圧が上昇し相互コンダクタンス(Gm)が低下するが、p型の横型高耐圧MOSFETのゲート駆動電圧がドレイン電圧と同等に高い場合には十分な駆動能力がある。
【0071】
複数の横型高耐圧pMOSFETを集積して集積回路装置(IC)を形成する場合については、個々の横型高耐圧pMOSFETの面積が1/3以下になるため、集積回路装置としても大幅に小型化することができる。
さらに、横型高耐圧pMOSFETを横型高耐圧nMOSFETやこれら高耐圧素子の駆動回路,他の周辺回路などととも集積して集積回路装置を形成する場合においては、これまで大きな面積を占めていた横型高耐圧pMOSFETの面積が1/3以下になることによって集積回路装置の小型化が図れるだけでなく、デバイスレイアウトの自由度が高くなる。
【0072】
特に、横型高耐圧pMOSFETと横型高耐圧nMOSFETとを多数集積するような場合においては、デバイスレイアウトの自由度が高いことのメリットは大きい。
上記の例では、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧が80Vの例で説明したが、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧が50Vの場合は、ゲート酸化膜207の膜厚をソース・ドレイン間耐圧に対する電界値が、絶対最大定格電圧に応じて4MV/cm以下となるような厚さ、例えば150nmに設定すればよい。
【0073】
図5は、第3の実施の形態であるp型の横型高耐圧MOSFET300の断面図である。横型高耐圧MOSFET300は、p型半導体基板301の所望領域にn型の埋め込み層302を形成し、該n型埋め込み層302上に形成したエピタキシャル層(図示せず)の表面側から拡散形成されたp型のドレイン拡散層314と、ドレイン拡散層314の外周(側面)を取り囲むように表面側から拡散形成されたnウエル層305と、nウエル層305の外周を取り囲むように拡散形成されたn+ウォール層303とを有する。ドレイン拡散層314の側面はnウエル層305と接している。
【0074】
nウエル層305とドレイン拡散層314は、nウエル層305の形成領域とドレイン拡散層314の形成領域に選択的にそれぞれ所望のドーズ量で不純物を注入した後、同時に拡散することにより形成される。
nウエル層305内には、前記ドレイン拡散層314との境界から所定距離離れた領域に基板表面側からp型ソース層309が形成され、ドレイン拡散層314内には、前記nウエル層305との境界から略等距離となる中央領域にの基板表面側からp型のドレインコンタクト層310が形成されている。なお、ドレイン拡散層314、nウエル層305、n+ウォール層303はいずれも埋め込み層302に到達する深さまで拡散されている。n+ウォール層303についても同様に、n+ウォール層303の形成領域に選択的に所望のドーズ量で不純物を注入し、前記nウエル層305とドレイン拡散層314の拡散工程で同時に拡散・形成してもよい。
【0075】
+ウォール層303の外側には、横型高耐圧MOSFET300を基板から電気的に分離するためのpウエル層304が形成されている。pウエル層304は、ドレイン拡散層314の形成と同時に形成すればよい。
また、nウエル層305の表面のうち、ソース層309の端部からドレイン拡散層314の一部にわたってゲート酸化膜307が形成され、ドレイン拡散層314の表面のうち、ドレインコンタクト層310およびゲート酸化膜307が形成されていない領域にフィールド酸化膜306が形成されている。
【0076】
ゲート酸化膜307上からフィールド酸化膜306の一部に張り出すようにゲート電極308が形成され、ソース層309上とドレインコンタクト層310上にはそれぞれソース電極312とドレイン電極313が形成されている。
上記のように、n埋め込み層302とn+ウォール層303を備えることにより、素子領域から基板301に漏れる電流を低減することができる。
【0077】
ここで、ソース層309とドレイン拡散層314との距離は、ドレイン拡散層314のドレインコンタクト層310からソース層309方向への張り出し長さより長く形成されている。また、ゲート酸化膜307の膜厚は、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値で4MV/cm以下となるような厚さに形成されている。311は、nウエル層305へのn+コンタクト層である。
【0078】
第3の実施の形態における具体的な例として、ゲート酸化膜307の膜厚は250nm、フィールド酸化膜306の膜厚は800nmである。特に、ソース・ドレイン間に形成されるフィールド酸化膜306の幅は2μmである。また、ドレイン拡散層314、nウエル層305、n+ウォール303は、表面から約6μmの深さに形成されているn埋め込み層302に到達する深さまで拡散される。ドレイン拡散層314のシート抵抗は4kΩ/□であって、p型の不純物総量は3.0×1012/cm2である。ソース層309とドレイン拡散層314との距離(チャネル長)は約5μm、ゲート電極308のフィールド酸化膜306への張り出しは1μm程度である。この横型高耐圧MOSFET300の耐圧は105V程度で、絶対最大定格電圧は80Vである。
【0079】
図6は、横型高耐圧MOSFET300がオフの状態において、ソース電極312およびゲート308に100 、ドレイン電極313に0Vを印加した状態の等電位線(20V間隔)を示す図である。空乏層はp型のドレイン拡散層314とnウエル層305及びn埋め込み層302とのpn接合から両側に広がり、図6においては、0Vと100Vの等電位線が空乏層の端部にほぼ等しい。さらに、p型半導体基板301を0Vにしている場合は、図6に示すように、p型半導体基板301とn埋め込み層302とのpn接合にも空乏層が伸びる。
【0080】
シリコン表面付近において上記pn接合からの空乏層の広がりは、nウエル層305内に伸びる空乏層幅(図6のaで示す距離)がドレイン拡散層304内に伸びる空乏層幅(同じくbで示す距離)より広くなっていることがわかる。即ち、空乏層は主にnウエル層305側に広がるため、オフ時のソース・ドレイン間の逆バイアス電圧の大半をnウエル層305が負担する。
【0081】
上述したように、第3の実施の形態において、ソース層309とドレイン拡散層314との距離(チャネル長)は、ドレイン拡散層314のドレインコンタクト層310からソース層309方向への張り出し長さより長く形成されているため、nウエル層305内に空乏層が伸びてもソース層309に到達することはなく、パンチスルーすることはない。
【0082】
また、図6に示した等電位線がゲート酸化膜307内を通っていることからも明らかなように、ゲート酸化膜307でもかなりの電圧を負担している。
第3の実施の形態において、ゲート酸化膜307はソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値で4MV/cm以下となるような厚さ(例えば250nm)に形成されている。そのため、ソース・ドレイン間の電圧(100V)を全てゲート酸化膜307で負担したとしても、ゲート酸化膜内の電界強度は3.2MV/cmであり、ゲート酸化膜が破壊されることはなく、信頼性が確保されている。
【0083】
上記の本発明の構成を採用することにより、ドレイン拡散層は空乏化しにくく、空乏層は主にボディー拡散層側に伸びる。よってドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすることができる。
ここで、フィールド酸化膜上にゲート電極が長く張り出すことで、フィールドプレート効果により空乏層がドレインコンタクト方向に伸びやすくなる。つまり、ドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすると、上記フィールドプレート効果により空乏層端がドレインコンタクト層に近くなる。空乏層がドレインコンタクト層まで達すると、その部分での電界が上昇し耐圧低下を招く。
【0084】
ドレイン拡散層の低抵抗化のためにはドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすればよいが、単に張り出し距離を短くすると上記の理由で耐圧が低下する。
そこで、ドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くするとともに、フィールド酸化膜上へのゲート電極の張り出しを短くするのが好適である。ゲート電極の張り出しが短いとフィールドプレート効果が抑制されるためである。
【0085】
かかる構成により、ドレイン拡散層のソース側への張り出しを短くすることができ、ドレイン拡散層内が低抵抗となる。また、デバイスピッチの縮小にも有効である。
第3の実施の形態では、フィールド酸化膜306上へのゲート電極308の張り出しを1μm程度に設定し、ドレイン拡散層内への空乏層の伸びを抑制している。ドレイン拡散領域のドリフト長(ドレインコンタクト層からの張り出しの長さ)は、3μm程度と短いため、ドレイン拡散層の抵抗が低減できる。
【0086】
よって、第3の実施の形態は第3の従来例に比して、ドレイン拡散層の不純物総量を3倍にすることができ、シート抵抗は1/3になる。また、ドリフト長も1/2となる。横型高耐圧MOSFETにおけるオン抵抗成分の大半(90%程度)は、ドレイン抵抗が占めるが、このドレイン抵抗を1/6にすることができる。
【0087】
なお、ソース層309とドレイン拡散層314との距離(チャネル長)が、ドレイン拡散層314のドレインコンタクト層310からソース層309方向への張り出し長さより長く(5μm程度)形成されているため、第3の従来例における約3μmに比して5/3倍となる。しかしながら、オン抵抗に占めるチャネル抵抗の割合は10%程度であるから、ドレイン抵抗(オン抵抗の90%)とチャネル抵抗(同10%程度)の和は、(3)式に示すように、
【0088】
【数3】
90%×(1/6)+10%×(5/3)≒32% ・・・(3)
従来の1/3程度に低減され、さらに、チャネル長+ドリフト領域の長さについても、従来の9μmに比して8μmと若干短縮される。
【0089】
つまり、従来と同じオン抵抗の横型高耐圧pMOSFETであれば、チャネル幅(図5の紙面に対し垂直方向の長さ)が1/3で形成でき、さらに、前記チャネル長+ドリフト領域の長さが短縮されることによるデバイスピッチの縮小もあいまって、素子面積を1/3以下に縮小することができる。
第3の実施の形態において、ドレイン拡散層314はn埋め込み層302に達する深さまで拡散されている。このことにより、オフ状態でソース・ドレイン間に逆バイアス時のブレイクダウンポイントをドレイン拡散層314とn埋め込み層302との境界部とすることができる。即ち、ブレイクダウンポイントをデバイスの表面から深い部分(図5の点線で囲んだ領域A:バルク内部)とすることができるため、ブレイクダウン時に表面酸化膜にホットキャリアが注入される心配がない。このため、ホットキャリアが表面酸化膜に侵入することに伴う素子耐圧の変動を防ぐことができ、デバイスの信頼性を向上させることができる。
【0090】
なお、ゲート酸化膜の膜厚を厚くすると、しきい値電圧が上昇し相互コンダクタンス(Gm)が低下するが、例えば、PDPドライバICに適用した場合などのように、p型の横型高耐圧MOSFETのゲート駆動電圧がドレイン電圧と同等に高い場合には十分な駆動能力がある。
複数の横型高耐圧pMOSFETを集積して集積回路装置(IC)を形成する場合については、個々の横型高耐圧pMOSFETの面積が1/3以下になるため、集積回路装置としても大幅に小型化することができる。
【0091】
さらに、横型高耐圧pMOSFETを横型高耐圧nMOSFETやこれら高耐圧素子の駆動回路,他の周辺回路などととも集積して集積回路装置を形成する場合においては、これまで大きな面積を占めていた横型高耐圧pMOSFETの面積が1/3以下になることによって集積回路装置の小型化が図れるだけでなく、デバイスレイアウトの自由度が高くなる。
【0092】
特に、横型高耐圧pMOSFETと横型高耐圧nMOSFETとを多数集積するような場合においては、デバイスレイアウトの自由度が高いことのメリットは大きい。
上記の例では、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧が80Vの例で説明したが、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧が50Vの場合は、ゲート酸化膜307の膜厚をソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値が、絶対最大定格電圧に応じて4MV/cm以下となるような厚さ、例えば150nmに設定すればよい。
【0093】
図7は、第4の実施の形態であるp型の横型高耐圧MOSFET400の断面図である。第4の実施の形態は、前記第3の実施の形態で説明した横型高耐圧MOSFET300の構成をPDPのドライバICなどに適用した例である。図7では、図面の都合により3個の横型高耐圧MOSFET300を並列に配置した例を示している。前述のとおり、ドライバICは多数の出力をもつものであり、実際のドライバICに用いる際には、数十個以上(例えば128個)の横型高耐圧MOSFET300を並列に配置して各出力ビットの出力段に用いる。即ち、横型高耐圧MOSFET300のドレイン電極を図示しない出力端子に接続する。
【0094】
図7において、図5と同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。図7では、横型高耐圧MOSFET300A〜300Cの3個の横型高耐圧MOSFETを並列配置した状態を示している。このとき、n+ウォール層303は、横型高耐圧MOSFET300A〜300Cを並列配置した構造の最外周に配置される。隣り合う横型高耐圧MOSFET300の間には設けられない。
【0095】
これは、nウエル層305はn埋め込み層302に達する深さ(約6μm)まで拡散されているため、並列配置される各横型高耐圧MOSFET300間の素子分離は、nウエル層305によってなされるためである。
図13に示した第3の従来例では、横型高耐圧MOSFET800を並列配置するためには、各横型高耐圧MOSFET800間にn+ウォール層803を設ける必要がある、これに対して、図7で説明した例では、並列配置される素子間の素子分離がnウエル層305によってなされるため、並列配置される素子間のn+ウォール層が不要となる。
【0096】
したがって、素子分離領域の面積が低減されるのである。数十以上の出力ビットを有するPDPドライバICなどに適用した場合、素子分離領域の面積を低減することはICの素子面積を低減することになり、ドライバICのコスト削減に有効である。
図8は、第5の実施の形態である半導体装置500の断面図である。第5の実施の形態は、前記第3の実施の形態で説明したp型の横型高耐圧MOSFET300とn型の横型高耐圧MOSFET350を並べて配置し、さらに低耐圧MOSFET370,380を並べて配置した例である。
【0097】
図8において、p型の横型高耐圧MOSFET300については、図5と同一の符号を付して説明を省略する。
n型の横型高耐圧MOSFET350は、p型の半導体基板301の表面の所望の領域に拡散形成されたドレイン拡散層355と、ドレイン拡散層355の外周を取り囲むように拡散形成されたpウエル層354とを有する。pウエル層354内には、前記ドレイン拡散層355との境界から所定距離離れた領域に基板表面側からn型のソース層359が形成され、ドレイン拡散層355内には、pウエル層354との境界から略等距離となる中央領域に基板表面側からn型のドレインコンタクト層360が形成されている。
【0098】
また、pウエル層354の表面のうち、ソース層359の端部からドレイン拡散層355の一部にわたってゲート酸化膜357が形成され、ドレイン拡散層355の表面のうち、ドレインコンタクト層360およびゲート酸化膜357が形成されていない領域にフィールド酸化膜356が形成されている。
ゲート酸化膜357上からフィールド酸化膜356の一部に張り出すようにゲート電極358が形成され、ソース層359上とドレインコンタクト層360上にはそれぞれソース電極362とドレイン電極363が形成されている。361は、pウエル層354へのp+コンタクト層である。
【0099】
n型の横型高耐圧MOSFET350の具体的な例として、ゲート酸化膜357の膜厚は25nm、フィールド酸化膜356の膜厚は800nmである。特に、ソース・ドレイン間に形成されるフィールド酸化膜356の幅は5μmである。また、ドレイン拡散層355、pウエル層354は、表面から約7μmの深さに拡散される。
なお、n型の横型高耐圧MOSFET350のゲート駆動電圧は5V程度なので、ゲート酸化膜厚は25nmあれば信頼性に問題はなく、相互コンダクタンス(Gm)も十分大きい。
【0100】
このn型の横型高耐圧MOSFET350は、RESURF構造を採用し、耐圧はp型の横型高耐圧MOSFET300と同様に105V程度である。
n型の横型高耐圧MOSFET350のドレイン拡散層355は、p型の横型高耐圧MOSFET300のnウエル層305と同時に形成される拡散層を用いればよい。
p型の横型高耐圧MOSFET300のnウエル層305を形成するためのイオン注入工程において、n型の横型高耐圧MOSFET350のドレイン拡散層355の形成領域にも同時にイオン注入を行い、続いて拡散工程を行えば、それぞれの拡散層が同時に形成される。
【0101】
即ち、各1回のリソグラフィー工程,イオン注入工程,拡散工程で、p型の横型高耐圧MOSFET300のnウエル層305とn型の横型高耐圧MOSFET350のドレイン拡散層355とを同時に形成することができる。
同様に、pウエル層354は、ドレイン拡散層314と同時に形成される拡散層を用いればよい。
【0102】
p型の横型高耐圧MOSFET300のドレイン拡散層314を形成するためのイオン注入工程において、n型の横型高耐圧MOSFET350のpウエル層354形成領域にも同時にイオン注入を行い、続いて拡散工程を行えば、それぞれの拡散層が同時に形成される。
即ち、各1回のリソグラフィー工程,イオン注入工程,拡散工程で、p型の横型高耐圧MOSFET300のドレイン拡散層314とn型の横型高耐圧MOSFET350のpウエル層354とを同時に形成することができる。
【0103】
よって、使用する拡散層の形成工程をp型の横型高耐圧MOSFETとn型の横型高耐圧MOSFETとで共通化することができ、工程数を増やすことなくp型の横型高耐圧MOSFETとn型の横型高耐圧MOSFETを同一の半導体基板上に形成することができる。
また、PDPのドライバICに採用するには、半導体装置500におけるp型の横型高耐圧MOSFET300とn型の横型高耐圧MOSFET350とでプッシュプル回路を構成すればよい。複数のプッシュプル回路を構成するp型とn型の横型高耐圧MOSFETを工程数を増加させずに形成することができるので、低コストのドライバICを提供するのに有効である。
【0104】
さらに、これまで説明した第1〜第5の実施の形態において、横型高耐圧MOSFETの拡散層(nウエル層,ドレイン拡散層,pウエル層など)と同時に拡散層を形成し、該拡散層内に低耐圧のMOSFETを形成することができる。
例えば、図8に示すように、n型の横型高耐圧MOSFET350のドレイン拡散層355などと同時に拡散層371を形成する。
【0105】
p型の横型高耐圧MOSFET300のnウエル層305,n型の横型高耐圧MOSFET350のドレイン拡散層355を形成するためのイオン注入工程において、拡散層371形成領域にも同時にイオン注入を行い、続いて拡散工程を行えば、それぞれの拡散層が同時に形成される。
即ち、各1回のリソグラフィー工程,イオン注入工程,拡散工程で、p型の横型高耐圧MOSFET300のnウエル層305,n型の横型高耐圧MOSFET350のドレイン拡散層355,拡散層371を同時に形成することができる。
【0106】
そして、拡散層371をウエルとして、ソース拡散層375、ドレイン拡散層379、ゲート酸化膜377、ゲート電極378からなる低耐圧のp型MOSFET370を形成する(ソース,ドレイン電極は図示せず)。
同様に、n型の横型高耐圧MOSFET350のpウエル層354などと同時に拡散層381を形成する。
【0107】
p型の横型高耐圧MOSFET300のドレイン拡散層314,n型の横型高耐圧MOSFET350のpウエル層354を形成するためのイオン注入工程において、拡散層381形成領域にも同時にイオン注入を行い、続いて拡散工程を行えば、それぞれの拡散層が同時に形成される。
即ち、各1回のリソグラフィー工程,イオン注入工程,拡散工程で、p型の横型高耐圧MOSFET300のドレイン拡散層314,n型の横型高耐圧MOSFET350のpウエル層354,拡散層381を同時に形成することができる。
【0108】
そして、拡散層381をウエルとして、ソース拡散層385、ドレイン拡散層389、ゲート酸化膜387、ゲート電極388からなる低耐圧のn型MOSFET380を形成する(ソース,ドレイン電極は図示せず)。
上記のp型MOSFET370とn型MOSFET380とでCMOS回路などの低圧のロジック回路を形成し、p型の横型高耐圧MOSFET300とn型や横型高耐圧MOSFET350の制御回路として用いることができる。
【0109】
このように、横型高耐圧MOSFETの拡散層と同時に形成される拡散層を用いて低耐圧のMOSFETを形成することができ、高耐圧素子と低耐圧素子とを工程数を増加させることなく同一チップ上に形成することができる。
【0110】
【発明の効果】
以上説明したように、ゲート酸化膜厚を、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値が4MV/cm以下となる厚さに形成し、前記ドレイン拡散層をその不純物総量が2×1012/cm2以上(好ましくは3×1012/cm2以上)となるよう形成する。かかる構成により、ドレイン拡散層は空乏化しにくくなり、空乏層はボディー拡散層(nウエル層)側に伸びるようになる。また、ソース・ドレイン間電圧のかなりの部分(約8割程度)をゲート酸化膜で負担するようになる。
【0111】
よって、ドレイン拡散層のシート抵抗は、不純物総量の増加分だけ小さくなり、不純物総量を3×1012/cm2として構成した場合は、従来例に比して、ドレイン拡散層のシート抵抗を1/3に、ドリフト長を1/2とすることができる。
横型高耐圧MOSFETにおけるオン抵抗成分の大半(90%程度)は、ドレイン抵抗が占めるため、このドレイン抵抗を1/6にすることができる。
【0112】
また、チャネル長+ドリフト領域の長さについても、従来の9μmに比して8μmと若干短縮される。
この結果、チャネル長が従来例に比して長くなった分を考慮しても、従来と同じオン抵抗の横型高耐圧pMOSFETを、1/3のチャネル幅で形成でき、さらに、前記チャネル長+ドリフト領域の長さが短縮されることによるデバイスピッチの縮小もあいまって、素子面積を1/3以下に縮小することができる。
【0113】
さらに、複数の横型高耐圧pMOSFETを集積して集積回路装置(IC)を形成する場合については、個々の横型高耐圧pMOSFETの面積が1/3以下になるため、集積回路装置としても大幅に小型化することができ、チップのコストを大幅に低減することができる。
また、横型高耐圧pMOSFETを横型高耐圧nMOSFETやこれら高耐圧素子の駆動回路,他の周辺回路などととも集積して集積回路装置を形成する場合においては、これまで大きな面積を占めていた横型高耐圧pMOSFETの面積が1/3以下になることによって集積回路装置の小型化が図れるだけでなく、デバイスレイアウトの自由度が高くなる。
【0114】
特に、横型高耐圧pMOSFETと横型高耐圧nMOSFETとを多数集積するPDPドライバICのような場合においては、デバイスレイアウトの自由度が高まることにより、チップ面積の有効活用が可能となり、横型高耐圧pMOSFETの占有面積の縮小とあいまって、一層のICの小型化と低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施の形態を示す断面図。
【図2】 第1の実施の形態における等電位線を示す図。
【図3】 第2の実施の形態を示す断面図。
【図4】 第2の実施の形態における等電位線を示す図。
【図5】 第3の実施の形態を示す断面図。
【図6】 第3の実施の形態における等電位線を示す図。
【図7】 第4の実施の形態を示す断面図。
【図8】 第5の実施の形態を示す断面図。
【図9】 第1の従来例を示す断面図。
【図10】第1の従来例における等電位線を示す図。
【図11】第2の従来例を示す断面図。
【図12】第2の従来例における等電位線を示す図。
【図13】第3の従来例を示す断面図。
【図14】第3の従来例における等電位線を示す図。
【符号の説明】
100,200,300,350,400,600,700,800 横型高耐圧MOSFET
101,601 n型半導体基板
201,301,701,801 p型半導体基板
302,802 n型埋め込み層
303,803 n+ウォール層
304,354,381,804 pウエル層
105,205,305,605,705,805 nウエル層
106,206,306,356,606,706,806 フィールド酸化膜
107,207,307,357,607,707,807 ゲート酸化膜
108,208,308,358,378,388,608,708,808 ゲート電極
109,209,309,359,375,385,609,709,809 ソース拡散層
110,210,310,360,610,710,810 ドレインコンタクト層
111,211,311,611,711,811 n+コンタクト層
112,212,312,362,612,712,812 ソース電極
113,213,313,363,613,713,813 ドレイン電極
114,214,314,355,379,389,614,714,814 ドレイン拡散層
361 p+コンタクト層
500 半導体装置

Claims (4)

  1. 第2導電型半導体基板の表面側から拡散形成された第1導電型のドレイン拡散層と、前記半導体基板の表面側から拡散され前記ドレイン拡散層を取り囲むように形成された第2導電型のボディー拡散層と、該ボディー拡散層内に前記ドレイン拡散層との境界から所定距離離れた領域に表面側から形成された第1導電型のソース拡散層と、前記ドレイン拡散層の表面側から形成された第1導電型のドレインコンタクト拡散層と、前記ソース拡散層の端部から前記ドレイン拡散層の一部にわたって形成されたゲート酸化膜と、前記ドレイン拡散層表面のうち前記ドレインコンタクト拡散層及び前記ゲート酸化膜が形成されていない領域に形成されたフィールド酸化膜と、前記ゲート酸化膜上から前記フィールド酸化膜の一部にわたって形成されたゲート電極とを備えた横型高耐圧MOSFETにおいて、前記ゲート酸化膜厚は、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値が4MV/cm以下となる厚さであり、前記ドレイン拡散層の不純物総量は2×1012/cm2以上であり、前記ゲート電極の前記フィールド絶縁膜上の長さが、2μm以下であり、逆バイアスを印加した際、前記半導体基板の最表面側での空乏層幅は、前記ドレイン拡散層側に伸びる空乏層幅をW1、前記ボディー拡散層側に伸びる空乏層幅をW2とした場合W1<W2であり、前記ソース拡散層と前記ドレイン拡散層との間隔が、前記ドレイン拡散層の前記ドレインコンタクト拡散層からの張り出し長さより長いことを特徴とする横型高耐圧MOSFET。
  2. 第1導電型半導体基板の表面側から拡散形成された第2導電型のボディー拡散層と、該ボディー拡散層内の表面側から形成された第1導電型のドレイン拡散層と、前記ボディー拡散層内であって前記ドレイン拡散層との境界から所定距離離れた領域の表面側から形成された第1導電型のソース拡散層と、前記ドレイン拡散層の表面側から形成された第1導電型のドレインコンタクト拡散層と、前記ソース拡散層の端部から前記ドレイン拡散層の一部にわたって形成されたゲート酸化膜と、前記ドレイン拡散層表面のうち前記ドレインコンタクト拡散層及び前記ゲート酸化膜が形成されていない領域に形成されたフィールド酸化膜と、前記ゲート酸化膜上から前記フィールド酸化膜の一部にわたって形成されたゲート電極とを備えた横型高耐圧MOSFETにおいて、前記ゲート酸化膜厚は、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値が4MV/cm以下となる厚さであり、前記ドレイン拡散層の不純物総量は、2×1012/cm2以上であり、前記ゲート電極の前記フィールド絶縁膜上の長さが、2μm以下であり、逆バイアスを印加した際、前記半導体基板の最表面側での空乏層幅は、前記ドレイン拡散層側に伸びる空乏層幅をW1、前記ボディー拡散層側に伸びる空乏層幅をW2とした場合W1<W2であり、前記ソース拡散層と前記ドレイン拡散層との間隔が、前記ドレイン拡散層の前記ドレインコンタクト拡散層からの張り出し長さより長いことを特徴とする横型高耐圧MOSFET。
  3. 第1導電型半導体基板の所望領域に形成された第2導電型の埋め込み層と、前記埋め込み層上の表面側から形成された第1導電型のドレイン拡散層と、前記埋め込み層上の表面側から拡散され前記ドレイン拡散層を取り囲むように形成された第2導電型のボディー拡散層と、該ボディー拡散層内に前記ドレイン拡散層との境界から所定距離離れた領域の表面側から形成された第1導電型のソース拡散層と、前記ドレイン拡散層の表面側から形成された第1導電型のドレインコンタクト拡散層と、前記ボディー拡散層表面のうちソース拡散層の端部から前記ドレイン拡散層の一部にわたって形成されたゲート酸化膜と、前記ドレイン拡散層表面のうち前記ドレインコンタクト拡散層及び前記ゲート酸化膜が形成されていない領域に形成されたフィールド酸化膜と、前記ゲート酸化膜上から前記フィールド酸化膜の一部にわたって形成されたゲート電極とを備えた横型高耐圧MOSFETにおいて、前記ゲート酸化膜厚は、ソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値が4MV/cm以下となる厚さであり、前記ドレイン拡散層の不純物総量は、2×1012/cm2以上であり、前記ゲート電極の前記フィールド絶縁膜上の長さが、2μm以下であり、逆バイアスを印加した際、前記半導体基板の最表面側での空乏層幅は、前記ドレイン拡散層側に伸びる空乏層幅をW1、前記ボディー拡散層側に伸びる空乏層幅をW2とした場合W1<W2であり、前記ソース拡散層と前記ドレイン拡散層との間隔が、 前記ドレイン拡散層の前記ドレインコンタクト拡散層からの張り出し長さより長いことを特徴とする横型高耐圧MOSFET。
  4. 第1導電型半導体基板の所望領域に形成された第2導電型の埋め込み層と、前記第2導電型の埋め込み層上の表面側から形成された第1導電型のドレイン拡散層と、前記第2導電型の埋め込み層上の表面側から拡散され前記第1導電型のドレイン拡散層を取り囲むように形成された第2導電型のボディー拡散層と、該第2導電型のボディー拡散層内に前記第1ドレイン拡散層との境界から所定距離離れた領域の表面側から形成された第1導電型のソース拡散層と、前記第1導電型のドレイン拡散層の表面側から形成された第1導電型のドレインコンタクト拡散層と、前記第1導電型のソース拡散層の端部から前記第1導電型のドレイン拡散層の一部にわたって形成されたゲート酸化膜と、前記第1導電型のドレイン拡散層表面のうち前記第1導電型のドレインコンタクト拡散層及び前記ゲート酸化膜が形成されていない領域に形成されたフィールド酸化膜と、前記ゲート酸化膜上から前記フィールド酸化膜の一部にわたって形成されたゲート電極とからなる第1導電型の横型高耐圧MOSFETと、前記第1導電型半導体基板の所望領域に表面側から形成された第2導電型のドレイン拡散層と、該第2導電型のドレイン拡散層を取り囲むように表面側から形成された第1導電型のボディー拡散層と、該第1導電型のボディー拡散層内に前記第2導電型のドレイン拡散層との境界から所定距離離れた領域の表面側から形成された第2導電型のソース拡散層と、前記第2導電型のドレイン拡散層の表面側から形成された第2導電型のドレインコンタクト層と、前記第2導電型のソース拡散層の端部から前記第2導電型のドレイン拡散層の一部にわたって形成されたゲート酸化膜と、前記第2導電型のドレイン拡散層表面のうち前記第2導電型のドレインコンタクト拡散層及び前記ゲート酸化膜が形成されていない領域に形成されたフィールド酸化膜と、前記ゲート酸化膜上から前記フィールド酸化膜の一部にわたって形成されたゲート電極とからなる第2導電型の横型高耐圧MOSFETとを備えた半導体装置において、前記第1導電型の横型高耐圧MOSFETのゲート酸化膜厚は、該横型高耐圧MOSFETソース・ドレイン間の絶対最大定格電圧に対する電界値が4MV/cm以下となる厚さであり、前記第1導電型の横型高耐圧MOSFETのゲート電極の前記第1導電型の横型高耐圧MOSFETのフィールド絶縁膜上の長さが、2μm以下であり、逆バイアスを印加した際、前記半導体基板の最表面側での空乏層幅は、前記第1導電型のドレイン拡散層側に伸びる空乏層幅をW1、前記第2導電型のボディー拡散層側に伸びる空乏層幅をW2とした場合W1<W2であり、前記第1導電型のソース拡散層と前記第1導電型のドレイン拡散層との間隔が、該ドレイン拡散層の前記第1導電型のドレインコンタクト拡散層からの張り出し長さより長いことを特徴とする半導体装置。
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