JP6956600B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、LDMOSを有する半導体装置に関する。
微細プロセスでは、素子分離としてSTI(Shallow−Trench−Isolation)が採用されている。これは、基板表面に形成したトレンチに絶縁膜を埋め込んだものである。このトレンチに埋め込まれた絶縁膜は、STIとしてだけでなく、素子の耐圧を向上させる目的でも使用されることがあり、例えば、図10に示すような横型高耐圧MOSトランジスタ(LDMOS)を有する半導体装置に採用されている(例えば、特許文献1の図14参照)。
かかる従来の半導体装置におけるLDMOSは、半導体基板201中に隣接して形成されたn型拡散領域202及び第p型拡散領域203と、n型拡散領域202中に形成されたp型ソースコンタクト領域206と、p型拡散領域203中に形成されたp型ドレインコンタクト領域207と、p型ソースコンタクト領域206とp型ドレインコンタクト領域207の間のp型拡散領域203中にp型ドレインコンタクト領域207と隣接するように形成されたトレンチ絶縁領域204と、半導体基板201上にゲート絶縁膜208を介して形成されたゲート電極209とを含んで構成されている。ゲート電極209は、p型ソースコンタクト領域206のp型ドレインコンタクト領域207側の端部からトレンチ絶縁領域204上までを覆うように設けられている。
また、上記LDMOSは、STI領域205によって、他の領域(図示せず)と分離されている。
特開2014−107302号公報
従来のLDMOSでは、動作時にn型拡散領域202とp型拡散領域203との接合部から生じる空乏層がトレンチ絶縁領域204の側壁に到達すると、側壁付近の電界強度が大きくなり、その電界によってキャリアが加速されることとなる。その結果、側壁付近でインパクトイオン化が生じ、ホットキャリアが発生しやすくなってしまう。発生したホットキャリアも含め、キャリア(正孔)の大部分は、ドレインコンタクト領域207に向かって移動するが、一部のキャリアは、ゲート電極209に印加した電位に引き寄せられる。そのようなキャリアがゲート絶縁膜208に注入されると、ゲート絶縁膜208の破壊につながる。
一方、トレンチ絶縁領域204の側壁付近は、基板であるシリコンとトレンチに埋め込まれたシリコン酸化膜等の絶縁膜との熱膨張係数の差による欠陥が多く存在している。その欠陥は、トレンチ絶縁領域204の側壁付近のゲート絶縁膜208中にも存在しているため、その部分のゲート絶縁膜208は脆くなっている。そのため、ゲート絶縁膜208のその脆弱な部分に上述の一部のキャリアが注入されやすいことから、ゲート絶縁膜208の破壊が起きてしまうこととなる。
したがって、本発明は、ゲート絶縁膜の破壊を防止することが可能なLDMOSを有する半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板中に互いに隣接して形成された第1導電型の第1の拡散領域及び第2導電型の第2の拡散領域と、前記第1の拡散領域中に形成された第1導電型のドレインコンタクト領域と、前記第2の拡散領域中に形成された第1導電型のソースコンタクト領域と、前記ドレインコンタクト領域と前記ソースコンタクト領域との間の前記第1の拡散領域中に形成されたトレンチ絶縁領域と、前記ソースコンタクト領域と前記トレンチ絶縁領域との間の前記第1の拡散領域において、前記トレンチ絶縁領域の前記ソースコンタクト側の側壁に隣接して形成された第2導電型の第3の拡散領域と、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成され、前記ソースコンタクト領域の前記ドレインコンタクト領域側の端部から前記トレンチ絶縁領域上までを覆うゲート電極とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、トレンチ絶縁領域の側壁に隣接して第1の拡散領域とは逆の極性の第3の拡散領域が設けられていることにより、予め、第1の拡散領域に空乏層を形成することができる。したがって、動作時に第1の拡散領域と第2の拡散領域との接合部からドレインコンタクト領域側に伸びる空乏層が予め形成された空乏層と結合するため、該空乏層をトレンチ絶縁領域側壁付近を越えてドレインコンタクト領域の近傍まで伸ばすことが可能になる。よって、トレンチ絶縁領域の側壁付近の電界強度が小さくなり、従来よりも側壁付近におけるキャリアの加速を抑えることができるため、ホットキャリアの発生を抑制することができる。また、トレンチ絶縁領域の側壁付近のゲート絶縁膜は、上述のとおり脆くなっているが、ホットキャリアがわずかに発生したとしても、第3の拡散領域がホットキャリアに対する電気的障壁となるため、ゲート絶縁膜の脆くなっている部分にホットキャリアが注入されるのを防ぐことが可能になる。以上により、ゲート絶縁膜を保護することが可能になる。
本発明の第一の実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第一の実施形態の半導体装置の動作時の空乏層の状態を示す断面図である。 本発明の第一の実施形態の半導体装置と従来の半導体装置の動作状態における電位分布のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第一の実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の第一の実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第三の実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第四の実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明の第五の実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。 従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の第一の実施形態のLDMOSを有する半導体装置の構造を示す断面図である。なお、以降の実施形態では、pチャネル型のLDMOSを例として説明する。
図1に示すように、本実施形態の半導体装置におけるLDMOSは、p型(第1導電型)の単結晶シリコンからなる半導体基板101中に互いに隣接するように形成されたn型(第2導電型)拡散領域102とp型拡散領域103とを備え、n型拡散領域102内にはp型ソースコンタクト領域106が、p型拡散領域103内にはp型ドレインコンタクト領域107がそれぞれ形成されている。p型拡散領域103は、p型ドレインコンタクト領域107と極性が同じであるが、p型ドレインコンタクト領域107よりも不純物濃度が低くなっている。
p型ソースコンタクト領域106とp型ドレインコンタクト領域107との間のp型拡散領域103中には、p型ドレインコンタクト領域107に接するように、例えば、シリコン酸化膜からなるトレンチ絶縁領域104が形成されている。
p型ソースコンタクト領域106とトレンチ絶縁領域104との間のp型拡散領域103中には、トレンチ絶縁領域104の上端部からトレンチ絶縁領域104の側壁全面及び底面の少なくとも一部を連続して覆うようにn型拡散領域110が形成されている。
半導体基板101上にはゲート絶縁膜108を介してゲート電極109が形成されている。ゲート電極109は、その両側にp型ソースコンタクト領域106とp型ドレインコンタクト領域107が位置するように、ソースコンタクト領域106のドレインコンタクト領域側の端部からトレンチ絶縁領域104上までを覆っている。また、本実施形態の半導体装置におけるLDMOSは、例えば、シリコン酸化膜からなるSTI領域105によって、他の領域(図示せず)と分離されている。
次に、上記のように構成された本実施形態の半導体装置の動作について、図2を用いて説明する。
本実施形態の半導体装置を動作させる場合には、n型拡散領域110の電位は、フローティングとする。ここで、動作状態を説明するに当たって、p型ソースコンタクト領域106(図1参照)に接地電位を、ゲート電極109にソースコンタクト領域106よりも低い電位(例えば−2V)を、p型ドレインコンタクト領域107(図1参照)にゲート電極109よりも低い電位(例えば−36V)を印加する場合を考える。
ゲート電極109とp型ソースコンタクト領域106に上述の電位を印加し、p型ドレインコンタクト領域107の電位を0Vから徐々に下げていくと、図2(a)に示すように、n型拡散領域102とp型拡散領域103との電位差に応じて空乏層131が広がっていく。一方、n型拡散領域110は、p型拡散領域103とは極性が異なるため、n型拡散領域110とp型拡散領域103との接合部には、予め空乏層132が形成される。
p型ドレインコンタクト領域107の電位をさらに下げていくと、図2(b)に示すように、空乏層131が空乏層132に到達し、空乏層132と結合する。空乏層131は、空乏層132と結合した箇所では、それ以上伸びることはできないため、空乏層132の下側に向かって伸びていく。
図2(b)の状態から、さらにp型ドレインコンタクト領域107の電位を下げていくと、図2(c)に示すように空乏層131と空乏層132は1つの空乏層133として、p型ドレインコンタクト領域107に向かってさらに伸びていく。
以上のように、n型拡散領域110を形成することで、空乏層133をトレンチ絶縁領域104のp型ソースコンタクト領域106側の側壁部を越えてp型ドレインコンタクト領域107側に伸ばすことができるため、当該側壁部付近における電界を緩和し、キャリアの加速を抑え、結果としてホットキャリアの生成を抑制することが可能になる。
電界を緩和する効果は、シミュレーションでも確認できている。図3(a)に、本実施形態の半導体装置における電位分布のシミュレーション結果を、図3(b)に、比較例として、図10に示した従来の半導体装置における電位分布のシミュレーション結果を示す。各部に印加した電位は、上記のように、p型ソースコンタクト領域106が接地電位、ゲート電極109が−2V、p型ドレインコンタクト領域107が−36Vである。
両者を比較すると、図3(a)の本実施形態の半導体装置では、図3(b)の従来の半導体装置よりも、p型ソースコンタクト領域106とp型ドレインコンタクト領域107との間の電位の変化がより広い範囲にわたって起こっていることが確認できる。これは、上述のように空乏層133(図2(c)参照)がp型ドレインコンタクト領域107側に伸びたことにより電界を緩和することができたことを示している。
このように、本実施形態によれば、トレンチ絶縁領域104の側壁付近においてホットキャリアが発生することを抑制でき、したがって、ホットキャリアによるゲート絶縁膜108の破壊を抑制することが可能となる。
これまで、p型ソースコンタクト領域106とp型ドレインコンタクト領域107間における電界の緩和によってホットキャリアの発生を抑制することについて説明してきた。しかしながら、上述のように電界が緩和されても、ホットキャリアがわずかに発生する場合もある。そのような場合でも、本実施形態によれば、以下のように、ゲート絶縁膜の破壊を防ぐことができる。
発生したホットキャリアのうち、電子は、一番高電位となっているn型拡散領域102の方に向かっていく。正孔は、大半が電位の低いp型ドレインコンタクト領域107に向かっていく。しかし、ゲート電極109(ゲート絶縁膜108)に向かっていく正孔も一部存在する。ここで、本実施形態では、トレンチ絶縁領域104のp型ソースコンタクト領域106側の側壁に隣接してn型拡散領域110が設けられており、このn型拡散領域110は、pn接合の拡散電位により電位が高くなっている。したがって、正孔は、n型拡散領域110を避けてゲート絶縁膜108に向かっていく。これにより、トレンチ絶縁領域104のp型ソースコンタクト領域106側の側壁付近のゲート絶縁膜108の脆弱な部分に正孔(ホットキャリア)が注入されることを防ぐことができる。よって、ゲート絶縁膜108の破壊を防止することが可能となる。
以上のとおり、本実施形態の半導体装置によれば、n型拡散領域110を形成することにより、ホットキャリア生成を抑制し、ゲート絶縁膜108を保護する効果が得られる。
本実施形態の半導体装置を説明するに当たって、p型ソースコンタクト領域106に接地電位を、ゲート電極109に−2Vを、p型ドレインコンタクト領域107に−36Vをそれぞれ印加した例を挙げたが、印加する電位の条件は、上記の例に限定されることはない。
次に、図4及び5を用いて、図1に示す半導体装置の製造方法を説明する。
まず、図4(a)に示すように、半導体基板101の表面にトレンチ絶縁領域用のトレンチ104t及びSTI用のトレンチ105tを形成する。トレンチ104t及び105tは、まず、半導体基板101の表面全体にシリコン窒化膜121を形成し、その後、フォトリソグラフィーにより、トレンチ104t及び105tを形成する領域上に開口を有するフォトレジストパターン(図示せず)を形成し、該フォトレジストパターンをマスクとしてシリコン窒化膜121をパターニングし、フォトレジストパターンを除去後、パターニングされたシリコン窒化膜121をマスクとして半導体基板101のエッチングを行うことにより形成される。
その後、図4(b)に示すように、トレンチ104tにおける後の工程で形成されるp型ソースコンタクト領域106(図1参照)側の側面に隣接する領域上とこれと連続するトレンチ104tの少なくとも一部の領域上に開口を有するフォトレジストパターン123を形成し、これをマスクとして、矢印122で示すように、半導体基板101にn型不純物をイオン注入する。これにより、半導体基板101のトレンチ104tの側面及び底面の少なくとも一部を連続して覆うn型拡散領域110が形成される。その後、フォトレジストトパターン123をアッシング処理などにより除去する。
次に、化学気相成長(CVD)により、絶縁膜として、例えばシリコン酸化膜をトレンチ104t及び105tに埋め込むとともに半導体基板101上に堆積させる。その後、シリコン窒化膜121(図4参照)をストッパーとして、化学機械研磨(CMP)により、半導体基板101上のシリコン酸化膜を除去して平坦化し、その後、シリコン窒化膜121を除去することにより、図5(a)に示すように、トレンチ104tに埋め込まれたトレンチ絶縁領域104とトレンチ105tに埋め込まれたSTI領域105が形成される。
続いて、図5(b)に示すように、まず、n型拡散領域102を形成する領域上に開口を有するフォトレジストパターン(図示せず)を形成し、n型不純物のイオン注入を行う。フォトレジストパターンを除去した後、p型拡散領域103を形成する領域上に開口を有するフォトレジストパターン(図示せず)を形成し、p型不純物のイオン注入を行う。その後、熱処理を加えることで、半導体基板101中にn型拡散領域102とp型拡散領域103とが互いに隣接するように形成される。
次に、図5(c)に示すように、半導体基板101の表面を熱酸化することによりゲート絶縁膜108を形成し、その上にゲート電極の材料として、例えば、ポリシリコン膜を堆積する。その後、ゲート電極を形成する領域上に開口を有するフォトレジストパターン(図示せず)を形成し、これをマスクとしてエッチングを行う。これにより、所望の形状にパターニングされたゲート電極109とゲート絶縁膜108が形成される。
最後に、p型の不純物を全面にイオン注入することで、セルフアラインでp型ソースコンタクト領域106とp型ドレインコンタクト領域107を形成する。以上の工程により、図1に示す本実施形態の半導体装置が得られる。
図6は、本発明の第二の実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。
本実施形態の半導体装置は、第一の実施形態に対して、n型拡散領域110の形成範囲が異なっており、n型拡散領域110は、トレンチ絶縁領域104の側壁の上端部を含む少なくとも一部を覆うように形成されている。
n型拡散領域110をこのように形成しても、ホットキャリアの発生を抑制する効果、及び仮にホットキャリアが発生した場合でもn型拡散領域110の電位がpn接合の拡散電位により高くなっていることによってゲート絶縁膜108の脆弱な部分にホットキャリア(正孔)が注入されることを防ぐ効果が得られ、ゲート絶縁膜108の破壊を防止することができる。
ホットキャリアの抑制効果は、第一の実施形態の半導体装置のほうが多少優れているが、本実施形態の半導体装置におけるLDMOSは、ON抵抗が低いという利点がある。以下、その理由を説明する。
n型拡散領域110とp型拡散領域103を形成する際に熱処理を行うが、そのとき互いの不純物が拡散し合うため、p型拡散領域103の抵抗値が上昇することとなる。第一の実施形態の半導体装置は、n型拡散領域110の形成範囲が広い分、抵抗値の上昇の影響を受けやすくなってしまうのに対し、本実施形態の半導体装置は、抵抗値上昇の影響を受けにくいため、第一の実施形態の半導体装置よりもLDMOSのON抵抗を低くすることができる。
図7は、本発明の第三の実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。
本実施形態の半導体装置は、第一及び第二の実施形態に対して、n型拡散領域110の形成範囲が異なっており、n型拡散領域110は、トレンチ絶縁領域104の側壁部から離れた箇所に形成されている。すなわち、トレンチ絶縁領域104の側壁との間にp型拡散領域103の一部が介在している。
n型拡散領域110をこのように形成しても、ホットキャリアの発生を抑制する効果を得ることが可能である。n型拡散領域110がトレンチ絶縁領域104の側壁部から離間しているが、n型拡散領域110の電位が拡散電位により高くなっていることにより、その周辺の電位も高くなる。そのため、ホットキャリアが発生した場合でも、ホットキャリア(正孔)がトレンチ絶縁領域104の側壁とn型拡散領域110との間の領域に入っていくことはない。したがって、本実施形態においても、ゲート絶縁膜108の脆弱な部分にホットキャリアが注入されてゲート絶縁膜108が破壊されることを防ぐことができる。
以上のように、n型拡散領域110をトレンチ絶縁領域104の側壁付近に形成すれば、ホットキャリアの発生を抑制する効果が得られるため、n型拡散領域110は必ずしもトレンチ絶縁領域104の側壁部を完全に覆っている必要はない。ただし、n型拡散領域110がトレンチ絶縁領域104の側壁部から離れすぎてしまうと、上述の効果が薄くなるため、n型拡散領域110の形成範囲は、適宜調整することが望ましい。
なお、図6に示す第二の実施形態におけるn型拡散領域110及び図7に示す第三の実施形態におけるn型拡散領域110は、第一の実施形態におけるn型拡散領域110の形成プロセスを示した図4(b)において、フォトレジスト123の開口の位置及び大きさを適宜変更し、また、イオン注入のエネルギーを適宜変更することにより形成することができる。
図8は、本発明の第四の実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。
本実施形態の半導体装置は、第一の実施形態に対して、半導体基板101のn型拡散領域102及びp型拡散領域103の下に、これらの領域と離間してn型埋め込み層111が形成されている点が異なっている。n型埋め込み層111は、例えば、トレンチ絶縁領域104を形成する前に、n型不純物を高エネルギーでイオン注入することにより形成される。
n型埋め込み層111は、n型拡散領域102と電気的に接続する。これにより、p型半導体基板101とLDMOSとを電気的に分離することができる。
n型埋め込み層111とp型拡散領域103との間には、pn接合による空乏層が形成される。第一の実施形態で例示したように、p型ドレインコンタクト領域107の電位を下げていくと、n型埋め込み層111とp型拡散領域103とは逆バイアスの関係となるため、空乏層が両者の間に広がっていく。この空乏層が形成されることにより、空乏層133(図2(c)参照)は、p型半導体基板101の深い部分までは伸びず、より一層p型ドレインコンタクト領域107側に伸びていく。したがって、本実施形態によれば、さらなる電界緩和効果が期待できる。
図9は、本発明の第五の実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。
本実施形態の半導体装置は、第一の実施形態に対して、ドレインコンタクト領域107の下に、不純物濃度が拡散領域103よりも高く、ドレインコンタクト領域107よりも低いp型拡散領域112が形成されている点が異なっている。p型拡散領域112は、p型拡散領域103を形成した後に、p型不純物をドレインコンタクト領域107を形成する際のエネルギーよりも高いエネルギーでイオン注入することにより形成される。
本実施形態においては、p型拡散領域112は、上述のとおり、p型拡散領域103よりも不純物濃度が高くなっている。そのため、p型拡散領域112内には、空乏層が広がりにくくなり、p型ドレインコンタクト領域107が空乏化することを防ぐ効果がある。そのため、半導体装置の耐圧の向上が期待できる。
ただし、p型拡散領域112は、不純物濃度が高くなっている分、アバランシェブレークダウンを引き起こすおそれがある。そのため、n型拡散領域110及びp型拡散領域112の不純物濃度や形成範囲を適宜調整することが望ましい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においては種々の変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態においては、半導体基板としてp型半導体基板を用いた例を使用しているが、n型半導体基板を用いることも可能であり、半導体基板の導電型は限定されない。また、pチャネル型のLDMOSを例として説明をしてきたが、本発明は、nチャネル型のLDMOSにも適用することができる。
第四及び第五の実施形態では、n型埋め込み層111、p型拡散領域112をそれぞれ図1に示す第一の実施形態の半導体装置に追加した例を示したが、これらn型埋め込み層111、p型拡散領域112は、第二及び第三の実施形態の半導体装置にも追加可能である。また、n型埋め込み層111及びp型拡散領域112の両方を備えた構成とすることももちろん可能である。
101 半導体基板
102 n型拡散領域
103 p型拡散領域
104 トレンチ絶縁領域
105 STI領域
106 p型ソースコンタクト領域
107 p型ドレインコンタクト領域
110 n型拡散領域
108 ゲート絶縁膜
109 ゲート電極
121 シリコン窒化膜
122 イオン注入の方向
123 フォトレジスト
131、132、133 空乏層
111 n型埋め込み層
112 p型拡散領域

Claims (6)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板中に互いに隣接して形成された第1導電型の第1の拡散領域及び第2導電型の第2の拡散領域と、
    前記第1の拡散領域中に形成された第1導電型のドレインコンタクト領域と、
    前記第2の拡散領域中に形成された第1導電型のソースコンタクト領域と、
    前記ドレインコンタクト領域と前記ソースコンタクト領域との間の前記第1の拡散領域中に形成されたトレンチ絶縁領域と、
    前記ソースコンタクト領域と前記トレンチ絶縁領域との間の前記第1の拡散領域において、前記トレンチ絶縁領域の前記ソースコンタクト側の側壁に隣接して形成された第2導電型の第3の拡散領域と、
    前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成され、前記ソースコンタクト領域の前記ドレインコンタクト領域側の端部から前記トレンチ絶縁領域上までを覆うゲート電極とを備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第3の拡散領域は、前記トレンチ絶縁領域の前記側壁全面及び底面の少なくとも一部を連続して覆っていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第3の拡散領域は、前記トレンチ絶縁領域の前記側壁の上端部を含む少なくとも一部を覆っていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記第3の拡散領域と前記トレンチ絶縁領域の前記側壁との間に前記第1の拡散領域の一部が介在していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体基板の前記第1及び第2の拡散領域の下に前記第1及び第2の拡散領域と離間して形成された第2導電型の埋め込み層をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記ドレインコンタクト領域の下部に形成され、不純物濃度が前記第1の拡散領域よりも高く前記ドレインコンタクト領域よりも低い第1導電型の第4の拡散領域をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体装置。
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