2021-192416 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-192416(P2021-192416A)

(43)【公開日】2021年12月16日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/336 20060101AFI20211119BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20211119BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/78 301H

   H01L29/78 301R

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2020-98909(P2020-98909)

(22)【出願日】2020年6月5日

(71)【出願人】

【識別番号】308033711

【氏名又は名称】ラピスセミコンダクタ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】特許業務法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】谷畑 篤史

【テーマコード（参考）】

5F140

【Ｆターム（参考）】

5F140AA16

5F140AA23

5F140AA24

5F140BB12

5F140BC06

5F140BD18

5F140BF51

5F140BF54

5F140BH04

5F140BH30

5F140CB03

5F140CB10

(57)【要約】

【課題】ハンプ特性を抑制し、かつ電気的特性を向上させることができる半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体基板の一方の面に形成された活性領域に離間して配置され、各々第１の極性の不純物を含む第１の不純物領域、および第２の不純物領域と、第１の不純物領域と第２の不純物領域との間に配置され、活性領域の端部から予め定められた長さだけ内側に端部を有するゲート電極と、活性領域の端部から第１の不純物領域および第２の不純物領域の端部までの領域に形成された第１の極性とは逆極性の第２の極性の不純物を含む第３の不純物領域と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板の一方の面に形成された活性領域に離間して配置され、各々第１の極性の不純物を含む第１の不純物領域、および第２の不純物領域と、
前記第１の不純物領域と前記第２の不純物領域との間に配置され、前記活性領域の端部から予め定められた長さだけ内側に端部を有するゲート電極と、
前記活性領域の端部から前記第１の不純物領域および前記第２の不純物領域の端部までの領域に形成された前記第１の極性とは逆極性の第２の極性の不純物を含む第３の不純物領域と、
を備える半導体装置。

【請求項2】

半導体基板の一方の面に形成された活性領域に環状に形成され、第１の極性の不純物を含む第１の不純物領域と、
前記第１の不純物領域の外側に前記第１の不純物領域に沿って環状に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の外側の前記活性領域に形成され、前記第１の極性の不純物を含む第２の不純物領域と、
前記第１の不純物領域の内側の前記活性領域に前記第１の不純物領域に沿った形状に形成され、前記第１の極性と逆極性の第２の極性の不純物を含む第３の不純物領域と、
を含む半導体装置。

【請求項3】

前記環状が円環状であり、前記第３の不純物領域の形状が円形状である
請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記第３の不純物領域の第２の極性の不純物の濃度が、前記第１の不純物領域および前記第２の不純物領域の第１の極性の不純物の濃度と等しくされ、前記第３の不純物領域が電気的に中性となっている
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記活性領域が絶縁物で周囲と分離されている
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置を構成する回路素子として、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果型ＭＯＳトランジスタ）が知られている。図３（ａ）は、一般的なＭＯＳＦＥＴの構成を示している。図３（ａ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴとしての半導体装置５０は、フィールド酸化膜１６によって素子分離された活性領域１５上に、ゲート酸化膜１７を介してゲート電極１３配置され、ゲート電極１３の一方の側にドレイン領域１１、他方の側にソース領域１２が配置されている。ドレイン領域１１およびソース領域１２には、キャリアとなる不純物が注入されている。ドレイン領域１１は、導通をとるためのコンタクトホールを介してドレイン電極（図示省略）に接続され、ソース領域１２は、導通をとるためのコンタクトホールを介してソース電極（図示省略）に接続される。ここで、ゲート電極１３の図３（ａ）に示す短軸方向の長さを実効ゲート長ＬＧ、活性領域１５のゲート電極１３の幅方向（図３（ａ）に示す長軸方向）の長さを実効活性領域長ＬＡという。

【0003】

ＭＯＳＦＥＴに関連して、特許文献１には、半導体基板上であって絶縁ゲート電界効果トランジスタの形成される素子活性領域が溝素子分離領域で囲繞され、絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極が溝素子分離領域を跨る領域でゲート電極のパターン寸法が太くなっていることを特徴とする半導体装置が開示されている。

【0004】

一方特許文献２には、シャロートレンチ・アイソレーション構造の素子分離領域を有する半導体装置において、素子分離領域によって分離されたソース拡散層、またはドレイン拡散層の少なくとも一方の拡散層のエッジをリング状にゲート電極で覆われたトランジスタを備えたことを特徴とする半導体装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１−１１９０２４号公報

【特許文献2】特開２００６−２２２３２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記半導体装置５０の動作について検討する。図３（ｂ）は図３（ａ）に示すＺ−Ｚ線に沿った断面図であり、半導体装置５０における、活性領域１５とフィールド酸化膜１６との境界近傍を拡大して示した図である。活性領域１５上にゲート酸化膜１７が形成され、ゲート酸化膜１７の上部を含む領域にゲート電極１３が形成されている。

【0007】

ここで、図３（ｂ）に示すように、活性領域１５の端部ではゲート酸化膜１７に段差ができる場合があり、該端部におけるゲート酸化膜１７の厚さｄＧが、他の領域の厚さと比較して薄くなる場合がある。一般にゲート酸化膜１７の厚さはＭＯＳＦＥＴの閾値電圧に影響し、厚さが薄いほど閾値電圧が下がる。すなわち、図３（ｂ）に示すような構造を有するＭＯＳＦＥＴでは、設計値よりも低い電圧で動作してしまう場合がある。これは、一般にハンプ特性と称される現象である。図３（ｃ）は、このハンプ特性の影響を示すゲート電圧−ドレイン電流特性（Ｖｇ−Ｉｄ特性）の図である。すなわち、曲線Ｃ１が設計上のＶｇ−Ｉｄ特性を、曲線Ｃ２がハンプ特性が発現したＶｇ−Ｉｄ特性を示している。このように、ハンプ特性が発生すると、ＭＯＳＦＥＴが低いゲート電圧でオンしてしまう。

【0008】

また、図３（ｂ）に示すような構造を有するＭＯＳＥＴでは、ゲート酸化膜１７の界面準位が高くなってリーク電流が増加したり、領域Ｄで示す活性領域１５の角部における電界集中に起因してホットキャリアが発生し、その結果ＭＯＳＦＥＴの電気的特性が変動したりする問題が発生する場合がある。従来このような現象の発生に起因して、ＭＯＳＦＥＴの動作上のノイズ源が形成されることが問題となっていた。

【0009】

この点、特許文献１に係る半導体装置、あるいは特許文献２に係る半導体装置もハンプ特性を課題とするものである。すなわち、特許文献１に係る半導体装置では、ハンプ特性の抑制のために、ゲート電極が溝素子分離領域を横断する領域でゲート電極のパターン寸法を太くする構造を採用している。また、特許文献２に係る半導体装置では、素子分離領域によって分離されたソース拡散層、またはドレイン拡散層の少なくとも一方の拡散層のエッジをリング状のゲート電極で覆う構造を採用している。しかしながら、特許文献１に係る半導体装置も、特許文献２に係る半導体装置も、ノイズ対策や実効活性領域の確保や電界集中の抑制等のトランジスタの電気特性を向上させるという観点からは、さらなる改善の余地があった。

【0010】

本発明は、上記の事情を踏まえ、ハンプ特性を抑制し、かつ電気的特性を向上させることができる半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するため、本発明に係る半導体装置は、半導体基板の一方の面に形成された活性領域に離間して配置され、各々第１の極性の不純物を含む第１の不純物領域、および第２の不純物領域と、前記第１の不純物領域と前記第２の不純物領域との間に配置され、前記活性領域の端部から予め定められた長さだけ内側に端部を有するゲート電極と、前記活性領域の端部から前記第１の不純物領域および前記第２の不純物領域の端部までの領域に形成された前記第１の極性とは逆極性の第２の極性の不純物を含む第３の不純物領域と、を備える。

【0012】

上記課題を解決するため、本発明に係る他の態様の半導体装置は、半導体基板の一方の面に形成された活性領域に環状に形成され、第１の極性の不純物を含む第１の不純物領域と、前記第１の不純物領域の外側に前記第１の不純物領域に沿って環状に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の外側の前記活性領域に形成され、前記第１の極性の不純物を含む第２の不純物領域と、前記第１の不純物領域の内側の前記活性領域に前記第１の不純物領域に沿った形状に形成され、前記第１の極性と逆極性の第２の極性の不純物を含む第３の不純物領域と、を含む。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、ハンプ特性を抑制し、かつ電気的特性を向上させることができる半導体装置を提供することが可能となる、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１の実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は活性領域とフィールド酸化膜との境界近傍の拡大図である。

【図2】第２の実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。

【図3】従来技術に係る半導体装置の、（ａ）は平面図、（ｂ）は活性領域とフィールド酸化膜との境界近傍の拡大図、（ｃ）はゲート電圧−ドレイン電流（Ｖｇ−Ｉｄ）特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図１および図２を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下の実施の形態では、本発明に係る半導体装置を、ハンプ特性の発現を抑制するために、ゲート電極が活性領域の端部を横断することがないように構成されたエッジレストランジスタに適用した形態を例示して説明する。

【0016】

［第１の実施の形態］
図１は、本実施の形態に係る半導体装置１０の構成の一例を示している。図１（ａ）は半導体装置１０の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＸ−Ｘ線に沿った断面図である。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体装置１０は、実効ゲート長がＬＧのゲート電極１３と、ドレイン領域１１、およびソース領域１２を備えている。ドレイン領域１１、およびソース領域１２の各々は実効活性領域長がＬＡの活性領域１５内に形成され、キャリアとなる不純物が注入されている。活性領域１５は、フィールド酸化膜１６で周囲を絶縁されている。フィールド酸化膜１６は、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）技術を用いて形成してもよい。半導体装置１０は、さらに活性領域１５のゲート幅方向の両端に形成された中性領域１４を備えている。ドレイン領域１１、およびソース領域１２は、コンタクトを介して各々ドレイン電極、ソース電極（図示省略）に接続されている。

【0017】

半導体装置１０の製造工程において、中性領域１４には、まずドレイン領域１１およびソース領域１２と同じ極性の不純物が注入される。その後、中性領域１４には、ドレイン領域１１およびソース領域１２に添加された不純物とは逆極性の不純物が、ドレイン領域１１およびソース領域１２の不純物濃度と同じか、または製造誤差等の範囲内で同じといえる程度に近似した濃度で添加される。このことによって、中性領域１４はドレイン領域１１としてもソース領域１２としても機能しない電気的に中性な領域となっている。換言すると、半導体装置１０では、中性領域１４の、ゲート電極１３の幅方向の長さだけ活性領域長が短くなっている。本実施の形態では、活性領域１５の中性領域１４を除いた領域のゲート幅方向の長さを実効活性領域長ＬＡという。

【0018】

図１（ｃ）は、活性領域１５とフィールド酸化膜１６との境界近傍（図１（ｂ）に示すＡの領域）を拡大した図である。図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、本実施の形態に係る半導体装置１０の中性領域１４は、ゲート電極１３のゲート幅方向の端部から外側に延伸された延伸領域ＥＡを有している。換言すると、図１（ｂ）に示すように、中性領域１４は、活性領域１５の端部からの長さがＬＥ（以下、「中性領域長ＬＥ」）までの領域に、ゲート電極１３の下部に入り込んで形成されている。

【0019】

ここで、中性領域１４のゲート幅方向内側の端部を、「実効活性領域端Ｅ」という。つまり、半導体装置１０では、ドレイン領域１１およびソース領域１２が実質的に実効活性領域端Ｅまでとなっており、ゲート電極１３が活性領域１５の実効活性領域端Ｅを横断することがない。このことによって、半導体装置１０では、実効活性領域端Ｅの近傍でゲート酸化膜１７が薄くなることが回避されている。その結果半導体装置１０ではハンプ特性が効果的に抑制される。なお、延伸領域ＥＡ、あるいは中性領域長ＬＥは極力面積を小さくし、当該領域におけるソース−ドレイン間のリーク電流を小さくするようにレイアウトするのが好ましい。リーク電流は、半導体装置１０が動作する際のノイズ源となるからである。

【0020】

ここで、上記特許文献１に係る半導体装置では、ゲート電極を活性領域の端部全体にかけて拡幅する必要があるため、ゲート電極のパターンが冗長になり、隣接するトランジスタとの距離を詰めることができず、半導体装置全体のサイズが大きくなってしまう問題がある。これに対し、本実施の形態に係る半導体装置１０では、ゲート電極を拡幅するのではなく、上述したように活性領域をゲート幅方向に延伸させている。このことにより、特許文献１に係る半導体装置と比較して、より小型のＭＯＳＦＥＴの実現が可能となる。ＭＯＳＦＥＴの小型化は、ＭＯＳＦＥＴの低ノイズ化にも寄与する。

【0021】

以上のように、本実施の形態に係る半導体装置１０によれば、ハンプ特性を抑制し、かつ電気的特性を向上させることができる半導体装置を提供することが可能となる。

【0022】

［第２の実施の形態］
図２を参照して、本実施の形態に係る半導体装置１０Ａについて説明する。図２（ａ）は半導体装置１０Ａの平面図を、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＹ−Ｙ線に沿った断面図を各々示している。図２（ａ）に示すように、半導体装置１０Ａは、活性領域１５内に形成されたドレイン領域１１Ａ、ソース領域１２Ａ、およびドレイン領域１１Ａとソース領域１２Ａとの間に形成されたゲート電極１３Ａを備えている。換言すれば、ゲート電極１３Ａの外側にドレイン領域１１Ａが、内側にソース領域１２Ａが形成されている。さらに、ソース領域１２Ａの内側には、中性領域１４Ａが形成されている。ドレイン領域１１Ａの周囲は、図示しないフィールド酸化膜で素子分離されている。

【0023】

半導体装置１０Ａのソース領域１２Ａ、およびゲート電極１３Ａは円環（ドーナツ）状に形成されている。ドレイン領域１１Ａ、ソース領域１２Ａ、およびゲート電極１３Ａの各々は、コンタクトホール１８によって配線（図示省略）に接続されている。また、半導体装置１０Ａでは、ソース領域１２Ａの内側に中性領域１４Ａが円形状に形成されている。

【0024】

半導体装置１０の製造工程において、中性領域１４には、まずドレイン領域１１およびソース領域１２と同じ極性の不純物が注入される。その後、中性領域１４Ａには、ドレイン領域１１Ａ、およびソース領域１２Ａの不純物とは逆極性の不純物が、ドレイン領域１１Ａおよびソース領域１２Ａの不純物濃度と略等しい濃度で注入される、その結果、中性領域１４Ａはほぼ電気的に中性の状態とされている。そのため、中性領域１４Ａは、ソース領域としては機能しない。なお、本実施の形態においてソース領域１２Ａ、およびゲート電極１３Ａの形状は円環状に限られず、閉じた状態であれば楕円形状、矩形形状等他の形状であってもよい。本実施の形態では、円環状以外のこのような形状も含めて「環状」と称する。また、本実施の形態では、ドレイン領域１１Ａとソース領域１２Ａの位置は相互に入れ替えてもよい。

【0025】

以上のように、本実施の形態に係る半導体装置１０Ａでは、ソース領域１２Ａをゲート電極１３Ａで囲繞し、ゲート電極１３Ａの外側にドレイン領域１１Ａを配置することで、ゲート電極１３Ａが活性領域１５とフィールド酸化膜との境界を横断することなく、エッジレスでソース領域とドレイン領域とが分離されている。また、一般のゲート電極においては、レイアウトパターンを曲げた部分は電界が集中しやすく、ゲート長も変化し、トランジスタ特性が変動するという問題が発生する場合があるが、半導体装置１０Ａはゲート電極１３Ａが円環状となっているので電界の集中も抑制され、またゲート長が一定なのでノイズを抑制する効果も奏することが可能となっている。

【0026】

ここで、エッジレストランジスタを構成するだけであれば、円環状のゲート電極１３Ａのみを配置し、不純物領域１４Ａを設けない形態も考えられる。しかしながら、この場合ソース領域の形状が円環状ではなく円形状になり、ソース領域の面積が大きくなってしまう。ソース領域の面積は極力小さい方がＭＯＳＦＥＴのサイズは小型化され、ノイズも低く抑えることが可能である。この場合、円環状のゲート電極の径を小さくすることで、ソース面積を縮小することも考えられるが、そのような構成ではより微細化が要求されるため、製造加工が難しくなるという問題が発生する。

【0027】

そこで、本実施の形態に係る半導体装置１０Ａでは、ゲート電極の径を変えることなくソース領域の面積を低減するために、ソース領域の中央に、ソース領域の不純物の極性とは逆極性の不純物を注入した中性領域１４Ａを設けた。このことにより、半導体装置１０Ａでは、製造工程における問題を回避しつつソース領域の面積の低減が可能となっている。さらに、半導体装置１０の小型化も実現されるため、低ノイズのＭＯＳＦＥＴを形成することが可能となっている。

【0028】

以上のように、本実施の形態に係る半導体装置１０Ａによっても、ハンプ特性を抑制し、かつ電気的特性を向上させることできる半導体装置を提供することが可能となる。

【符号の説明】

【0029】

１０、１０Ａ 半導体装置
１１、１１Ａ ドレイン領域
１２、１２Ａ ソース領域
１３、１３Ａ ゲート電極
１４、１４Ａ 中性領域
１５ 活性領域
１６ フィールド酸化膜
１７ ゲート酸化膜
１８ コンタクト
１９ 基板
Ｃ１、Ｃ２ 曲線
ｄＧ 距離
ＥＡ 延伸領域
Ｅ 実効活性領域端
Ｄ 領域
ＬＡ 実効活性領域長
ＬＥ 中性領域長
ＬＧ 実効ゲート長
５０ 半導体装置

【図1】

【図2】

【図3】