特許第6221618号(P6221618)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6221618
(24)【登録日】2017年10月13日
(45)【発行日】2017年11月1日
(54)【発明の名称】半導体装置及び半導体装置の製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/336 20060101AFI20171023BHJP
   H01L 29/78 20060101ALI20171023BHJP
   H01L 27/088 20060101ALI20171023BHJP
   H01L 21/8234 20060101ALI20171023BHJP
【FI】
   H01L29/78 301X
   H01L27/088 331D
   H01L27/088 B
【請求項の数】7
【全頁数】22
(21)【出願番号】特願2013-217727(P2013-217727)
(22)【出願日】2013年10月18日
(65)【公開番号】特開2015-79919(P2015-79919A)
(43)【公開日】2015年4月23日
【審査請求日】2016年6月28日
(73)【特許権者】
【識別番号】308014341
【氏名又は名称】富士通セミコンダクター株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100119987
【弁理士】
【氏名又は名称】伊坪 公一
(74)【代理人】
【識別番号】100081330
【弁理士】
【氏名又は名称】樋口 外治
(72)【発明者】
【氏名】島 昌司
【審査官】 戸次 一夫
(56)【参考文献】
【文献】 特開2005−136290(JP,A)
【文献】 特開2013−149677(JP,A)
【文献】 特開2002−158348(JP,A)
【文献】 特開2008−140817(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L21/336
21/70
21/74−21/764
21/8234−21/8238
21/8249
27/06
27/08
27/088−27/092
29/76
29/772
29/78
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、
前記基板上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極と、
第1導電性を有し、前記ゲート電極の下方の前記基板の部分に形成されたチャネル領域と、
第2導電性を有し、前記チャネル領域の両側の前記基板の部分に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域の下方に配置され、第1導電性を有し、前記ゲート電極の下方に前記ドレイン領域側の第1端部を有し、前記第1端部から前記ソース領域側に延びる第1ウエルと、
前記ドレイン領域の下方に配置され、第1導電性を有し、前記第1ウエルと電気的に接続し、前記第1端部と同じ位置か又は前記第1ウエルと重なるように前記第1端部よりも前記ソース領域側の位置に第2端部を有し、前記第2端部から前記ドレイン領域側に延びる第2ウエルと、
前記ドレイン領域と前記第2ウエルとの間に配置され、第1導電性を有し、前記第2ウエルよりも第1導電性の不純物濃度が低い第3ウエルと、
第2導電性を有し、前記第1ウエル及び前記第2ウエルの下方及び側部を囲む第4ウエルと、
を備え、
前記第2ウエルの上側の位置は、前記第1ウエルの上側の位置よりも下方に位置し、且つ前記第1ウエルの下側の位置よりも上方に位置し、
前記第2ウエルの下側の位置は、前記第1ウエルの下側の位置よりも下方に位置する、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
前記第1ウエルの前記第1端部は、前記チャネル領域の下方に位置することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第2ウエルの前記第2端部は、前記ゲート電極の前記ソース領域側の端部よりも前記ドレイン側の位置に配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第4ウエルと、前記第1ウエル及び前記第2ウエルとの間に、第1導電性を有し、前記第1ウエル及び第2ウエルよりも第1導電性の不純物濃度が低い第5ウエルを備えることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第5ウエルは、前記第4ウエルと、前記第1ウエル及び前記第2ウエルの側部との間に配置されることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
【請求項6】
基板と、
前記基板上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極と、
第1導電性を有し、前記ゲート電極の下方の前記基板の部分に形成されたチャネル領域と、
第2導電性を有し、前記チャネル領域の両側の前記基板の部分に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記ソース領域の下方に配置され、第1導電性を有し、前記ゲート電極の下方に前記ドレイン領域側の第1端部を有し、前記第1端部から前記ソース領域側に延びる第1ウエルと、
前記ドレイン領域の下方に配置され、第1導電性を有し、前記第1ウエルと電気的に接続し、前記第1端部と同じ位置か又は前記第1ウエルと重なるように前記第1端部よりも前記ソース領域側の位置に第2端部を有し、前記第2端部から前記ドレイン領域側に延びる第2ウエルと、
前記ドレイン領域と前記第2ウエルとの間に配置され、第1導電性を有し、前記第2ウエルよりも第1導電性の不純物濃度が低い第3ウエルと、
第2導電性を有し、前記第1ウエル及び前記第2ウエルの下方及び側部を囲む第4ウエルと、
を備え、
前記第2ウエルの上側の位置は、前記第1ウエルの上側の位置よりも下方に位置し、且つ前記第1ウエルの下側の位置よりも上方に位置し、
前記第2ウエルの下側の位置は、前記第1ウエルの下側の位置よりも下方に位置する、半導体装置の製造方法であって、
前記ゲート電極が形成される前記基板の部分の下方に前記ドレイン領域側の第1端部を有し、前記第1端部から前記ソース領域側に延びるように、第1導電性の不純物を前記基板に注入して前記第1ウエルを形成する工程と、
前記ドレイン領域が形成される前記基板の部分の下方に、前記第1端部と同じ位置か又は前記第1端部よりも前記ソース領域側の位置に第2端部を有し、前記第2端部から前記ドレイン領域側に延びるように、第1導電性の不純物を前記基板に注入して前記第2ウエルを形成する工程と、を含み、
前記第2ウエルの上側の位置は、前記第1ウエルの上側の位置よりも下方に位置し且つ前記第1ウエルの下側の位置よりも上方に位置し、さらに、前記第2ウエルの下側の位置は、前記第1ウエルの下側の位置よりも下方に位置するように、それぞれの不純物を前記基板に注入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項7】
前記半導体装置と共に、第6ウエルを有する第2の半導体装置及び第7ウエルを有する第3の半導体装置を前記基板に製造する際に、
前記第1ウエルを形成する工程は、同時に、前記第2の半導体装置の前記第6ウエルを前記基板に形成し、
前記第2ウエルを形成する工程は、同時に、前記第3の半導体装置の前記第7ウエルを前記基板に形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、電源回路のスイッチングにトランジスタ等の半導体装置が用いられている。電源回路に使用される半導体装置には、高い耐電圧特性と共に、低いオン抵抗を有することが望まれる。
【0003】
また、半導体装置が組み込まれる電子装置の小型化及び高性能化に伴って、半導体装置の寸法が縮小されている。
【0004】
半導体装置の寸法の縮小に伴って素子面積が縮小されており、小さな面積で大きな電流をロスなく流すためにオン抵抗をより低減することが望まれている。
【0005】
従って、小型化されて、集積度が高められた状態で、高い耐電圧特性と共に、低いオン抵抗を有する半導体装置が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2009−252972号公報
【特許文献2】特開2011−199153号公報
【特許文献3】特開平7−183393号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
一般に、トランジスタ等の半導体装置が、高い耐電圧特性を有することと、低いオン抵抗を有することとには、トレードオフの関係がある。
【0008】
そこで、本明細書では、高い耐電圧特性及び低いオン抵抗を有する半導体装置を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本明細書に開示する半導体装置の一形態によれば、基板と、上記基板上に配置されたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極と、第1導電性を有し、上記ゲート電極の下方の上記基板の部分に形成されたチャネル領域と、第2導電性を有し、上記チャネル領域の両側の上記基板の部分に形成されたソース領域及びドレイン領域と、上記ソース領域の下方に配置され、第1導電性を有し、上記ゲート電極の下方に上記ドレイン領域側の第1端部を有し、上記第1端部から上記ソース領域側に延びる第1ウエルと、上記ドレイン領域の下方に配置され、第1導電性を有し、上記第1ウエルと電気的に接続し、上記第1端部と同じ位置か又は上記第1ウエルと重なるように上記第1端部よりも上記ソース領域側の位置に第2端部を有し、上記第2端部から上記ドレイン領域側に延びる第2ウエルと、上記ドレイン領域と上記第2ウエルとの間に配置され、第1導電性を有し、上記第2ウエルよりも第1導電性の不純物濃度が低い第3ウエルと、第2導電性を有し、上記第1ウエル及び上記第2ウエルの下方及び側部を囲む第4ウエルと、を備え、上記第2ウエルの上側の位置は、上記第1ウエルの上側の位置よりも下方に位置し、且つ上記第1ウエルの下側の位置よりも上方に位置し、上記第2ウエルの下側の位置は、上記第1ウエルの下側の位置よりも下方に位置する。
【0010】
また、本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一形態によれば、基板と、上記基板上に配置されたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極と、第1導電性を有し、上記ゲート電極の下方の上記基板の部分に形成されたチャネル領域と、第2導電性を有し、上記チャネル領域の両側の上記基板の部分に形成されたソース領域及びドレイン領域と、上記ソース領域の下方に配置され、第1導電性を有し、上記ゲート電極の下方に上記ドレイン領域側の第1端部を有し、上記第1端部から上記ソース領域側に延びる第1ウエルと、上記ドレイン領域の下方に配置され、第1導電性を有し、上記第1ウエルと電気的に接続し、上記第1端部と同じ位置か又は上記第1ウエルと重なるように上記第1端部よりも上記ソース領域側の位置に第2端部を有し、上記第2端部から上記ドレイン領域側に延びる第2ウエルと、上記ドレイン領域と上記第2ウエルとの間に配置され、第1導電性を有し、上記第2ウエルよりも第1導電性の不純物濃度が低い第3ウエルと、第2導電性を有し、上記第1ウエル及び上記第2ウエルの下方及び側部を囲む第4ウエルと、を備え、上記第2ウエルの上側の位置は、上記第1ウエルの上側の位置よりも下方に位置し、且つ上記第1ウエルの下側の位置よりも上方に位置し、上記第2ウエルの下側の位置は、上記第1ウエルの下側の位置よりも下方に位置する半導体装置の製造方法であって、上記ゲート電極が形成される上記基板の部分の下方に上記ドレイン領域側の第1端部を有し、上記第1端部から上記ソース領域側に延びるように、第1導電性の不純物を上記基板に注入して上記第1ウエルを形成し、且つ、上記ドレイン領域が形成される上記基板の部分の下方に、上記第1端部と同じ位置か又は上記第1端部よりも上記ソース領域側の位置に第2端部を有し、上記第2端部から上記ドレイン領域側に延びるように、第1導電性の不純物を上記基板に注入して上記第2ウエルを形成し、この時、上記第2ウエルの上側の位置は、上記第1ウエルの上側の位置よりも下方に位置し且つ上記第1ウエルの下側の位置よりも上方に位置し、且つ、上記第2ウエルの下側の位置は、上記第1ウエルの下側の位置よりも下方に位置するように、それぞれの不純物を上記基板に注入する。
【発明の効果】
【0011】
上述した本明細書に開示する半導体装置の一形態によれば、高い耐電圧特性及び低いオン抵抗を有する。
【0012】
また、本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一形態によれば、高い耐電圧特性及び低いオン抵抗を有する半導体装置が得られる。
【0013】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られる。
【0014】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0015】
図1】本明細書に開示する半導体装置の一実施形態を示す図である。
図2】不純物濃度の分布を示す図である。
図3】オン抵抗と第1ウエルのドレイン領域側の端部の位置との関係を示す図である。
図4】しきい値電圧と第1ウエルのドレイン領域側の端部の位置との関係を示す図である。
図5】第4ウエルの引出抵抗と第2ウエルのソース領域側の端部の位置との関係を示す図である。
図6】他の第1半導体装置を示す図である。
図7】他の第2半導体装置を示す図である。
図8】他の第3半導体装置を示す図である。
図9】オン抵抗と降伏電圧との関係を示す図である。
図10】本明細書に開示する半導体装置の変型例を示す図である。
図11】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その1)を示す図である。
図12】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その2)を示す図である。
図13】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その3)を示す図である。
図14】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その4)を示す図である。
図15】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その5)を示す図である。
図16】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その6)を示す図である。
図17】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その7)を示す図である。
図18】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その8)を示す図である。
図19】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その9)を示す図である。
図20】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その10)を示す図である。
図21】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その11)を示す図である。
図22】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その12)を示す図である。
図23】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その13)を示す図である。
図24】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その14)を示す図である。
図25】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その15)を示す図である。
図26】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程(その11)を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本明細書で開示する半導体装置の好ましい一実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【0017】
図1は、本明細書に開示する半導体装置の一実施形態を示す図である。
【0018】
本実施形態の半導体装置10は、n型MOSトランジスタである。
【0019】
半導体装置10は、p型の導電性を有する半導体の基板11と、基板11上に配置されたゲート絶縁膜12と、ゲート絶縁膜12上に配置されたゲート電極13を備える。
【0020】
ゲート電極13の下方の基板11の部分には、p型の導電性を有するチャネル領域14が形成される。
【0021】
チャネル領域14の両側の基板11の部分には、n型の導電性を有するソース領域S及びドレイン領域Dが形成される。
【0022】
ソース領域Sは、n型の不純物濃度が低い低濃度ソース領域S1と、低濃度ソース領域S1よりもn型の不純物濃度が高い高濃度ソース領域S2を有する。
【0023】
ドレイン領域Dは、n型の不純物濃度が低い低濃度ドレイン領域D1と、低濃度ドレイン領域D1よりもn型の不純物濃度が高い高濃度ドレイン領域D2を有する。
【0024】
ソース領域Sにおけるチャネル領域14とは反対側の端部は、素子分離層V2によって絶縁される。同様に、ドレイン領域Dにおけるチャネル領域14とは反対側の端部は、素子分離層V3によって絶縁される。
【0025】
チャネル領域14は、低濃度ソース領域S1と低濃度ドレイン領域D1との間に配置される。
【0026】
チャネル領域14は、低濃度ソース領域S1から低濃度ドレイン領域D1に向かって、途中の部分まで延びるしきい値調整領域14aを有する。しきい値調整領域14aは、半導体装置10のしきい値電圧を調整するために設けられている。しきい値調整領域14aは、基板11に対して、p型の不純物が注入されて形成される。
【0027】
ゲート絶縁膜12及びゲート電極13の積層体の周りには側壁15が形成される。
【0028】
また、半導体装置10は、ソース領域Sの下方に配置される第1ウエルW1を備える。第1ウエルW1は、p型の導電性を有し、ゲート電極13の下方にドレイン領域側の端部Pを有し、端部Pからソース領域側に延びる。図1に示す例では、第1ウエルW1は、素子分離層V1の下方まで延びている。
【0029】
更に、半導体装置10は、ドレイン領域Dの下方に配置される第2ウエルW2を備える。第2ウエルW2は、p型の導電性を有し、第1ウエルW1と電気的に接続し、端部Pと同じ位置か又は第1ウエルW1と重なるように端部Pよりもソース領域側の位置に端部Qを有し、端部Qからドレイン領域側に延びる。図1に示す例では、第2ウエルW2は、素子分離層V3の下方まで延びている。
【0030】
ドレイン領域Dと、第2ウエルW2との間には、p型の導電性を有し、第2ウエルW2よりもp型の不純物濃度が低い第3ウエルW3が配置される。第3ウエルW3は、チャネル領域14の下方から、低濃度ソース領域S1と第1ウエルW1との間を通って、高濃度ソース領域S2まで延びている。
【0031】
第1ウエルW1及び第2ウエルW2の下方及び側部は、n型の導電性を有する第4ウエルW4によって囲まれている。第4ウエルは、第1ウエルW1及び第2ウエルW2の下方を囲む下方第4ウエルW4aと、第1ウエルW1及び第2ウエルW2の側部を囲む側方第4ウエルW4bを有する。
【0032】
上述した半導体装置10を形成する構成要素の中には、基板11に不純物が注入されて形成されたものも含まれるが、本明細書では、基板11に不純物が注入されて形成された構成要素を、基板11とは別の構成要素として、半導体装置10の説明を行う。
【0033】
下方第4ウエルW4aの下には、基板11が配置される。側方第4ウエルW4bの上には、素子分離層V1、V3が配置される。
【0034】
第1ウエルW1及び第2ウエルW2は、第4ウエルW4によって、基板11と電気的に絶縁される。同様に、第3ウエルW3は、第4ウエルW4によって、基板11と電気的に絶縁される。
【0035】
また、ドレイン領域D及びソース領域Sは、第1ウエルW1及び第2ウエルW2及び第3ウエルW3によって、第4ウエルW4と電気的に絶縁されるので、降伏電圧を向上することができる。
【0036】
仮に、ドレイン領域Dと、第4ウエルW4とが電気的に絶縁されていない場合には、半導体装置10のスイッチング動作時に、ドレイン領域に印加される電圧が負バイアスに変動すると、ドレイン領域Dと接続する第4ウエルW4も負バイアスに変動する。そして、負バイアスに印加されたn型の導電性を有する第4ウエルW4と、接地されているp型の導電性を有する基板11との間に順方向電圧が印加されてリーク電流が流れるおそれがある。
【0037】
一方、半導体装置10では、ドレイン領域Dと第4ウエルW4とは、電気的に絶縁されるので、このようなリーク電流を防止できる。
【0038】
第1ウエルW1及び第2ウエルW2には、コンタクトC2を用いて、電位が制御される。また、第4ウエルW4には、コンタクトC1を用いて、電位が制御される。コンタクトC1とコンタクトC2とは、素子分離層V1によって電気的に絶縁される。
【0039】
次に、上述した第1ウエルW1及び第2ウエルW2について、以下に更に詳述する。
【0040】
第1ウエルW1と第2ウエルW2とは、重なっていても良い。また、図1に示すように、第1ウエルW1のドレイン側の端部Pと、第2ウエルW2のソース側の端部Qとを接するようにして、第1ウエルW1と第2ウエルW2とが電気的に接続しているが重なっていないようにしても良い。
【0041】
第1ウエルW1と第2ウエルW2のp型の不純物濃度は、同じであっても良いし、異なっていても良い。
【0042】
第2ウエルW2の上側(ドレイン領域側)の位置は、第1ウエルW1の上側(ソース領域側)の位置よりも下方に位置し、且つ第1ウエルW1の下側(第4ウエル側)の位置よりも上方に位置する。低濃度ドレイン領域D1と第2ウエルW2との間の第3ウエルW3の厚さは、低濃度ソース領域S1と第1ウエルW1との間の第3ウエルW3の厚さよりも厚い。
【0043】
また、第2ウエルW2の下側の位置は、第1ウエルW1の下側の位置よりも下方に位置する。従って、第1ウエルW1の下方に位置する第4ウエルW4の厚さは、第2ウエルW2の下方に位置する第4ウエルW4の厚さよりも厚い。
【0044】
図1に示す例では、第1ウエルW1と第2ウエルW2は、同じ厚さを有しているので、第2ウエルW2の上側の位置と第1ウエルW1の上側の位置とがずれている厚さだけ、第2ウエルW2の下側の位置は、第1ウエルW1の下側の位置よりも下方にずれている。
【0045】
第1ウエルW1のドレイン領域側の端部Pは、ゲート電極13のドレイン領域側の端部の位置L2よりもソース領域側に位置する。これは、ゲート電極13よりドレイン側の低濃度ドレイン領域D1の寄生抵抗を低減し、オン抵抗を低減するためである。
【0046】
第1ウエルW1の形成時には、ウエル近接効果により、p型の不純物が低濃度ドレイン領域D1の方向にも拡散する場合がある。これは、第1ウエルW1を形成する時に、マスクされている端部P近傍に注入されたp型の不純物が周囲に拡散して、その一部が低濃度ドレイン領域D1側まで広がるためである。
【0047】
仮に、第1ウエルW1のドレイン領域側の端部Pが、ゲート電極13のドレイン領域側の端部L2よりもドレイン領域側に位置していると、低濃度ドレイン領域D1では、拡散したp型の不純物によってn型の不純物の導電性が中和されて抵抗率が高くなる。そして、低濃度ドレイン領域D1の抵抗率が高くなると、オン抵抗が増加するおそれがある。
【0048】
一方、半導体装置10のように、第1ウエルW1の端部Pが、ゲート電極13のドレイン領域側の端部L2よりもソース領域側に位置していれば、低濃度ドレイン領域D1の電気的特性を、ゲート電極13を用いて制御できるため、オン抵抗の増大を抑制できる。
【0049】
そこで、半導体装置10では、第1ウエルW1の端部Pが、ゲート電極13のドレイン領域側の端部の位置L2よりもソース領域側に位置するようになされている。
【0050】
また、製造工程の工程能力内の変動を考慮すると、第1ウエルW1の端部Pを、チャネル領域14の下方に位置させることが、上述した問題が生じることを抑制する観点から好ましい。
【0051】
次に、半導体装置10では、第1ウエルW1のドレイン領域側の端部Pの位置を、ゲート電極13の下方に配置することにより、ウエル近接効果によるオン抵抗の増加を抑制することを以下に説明する。
【0052】
図2は、半導体装置10の不純物濃度の分布を示す図である。
【0053】
図2に示す不純物濃度は、図2の半導体装置のX−X線に沿ったp型の不純物濃度を計算により求めたものである。
【0054】
図2の計算では、基板11としてシリコン基板を用いて、第1ウエルW1は、ボロンを、入射エネルギー100〜250keVで、2〜5E13(1/cm)の濃度で基板11に注入して形成されたものとした。第2ウエルW2は、ボロンを、入射エネルギー300〜500keVで、2〜5E12(1/cm)の濃度で基板11に注入して形成されたものとした。また、第4ウエルW4は、リンが、入射エネルギー1〜3MeVで、2〜5E13(1/cm)の濃度で基板11に注入して形成されたものとした。アニール条件は、1000℃で10〜100秒とした。
【0055】
上述したように、第1ウエルW1を形成する時に、端部P近傍に注入されたp型の不純物は周囲に拡散する。X−X線は、半導体装置10の深さ方向において、第1ウエルW1の上に位置する第3ウエルW3内を横方向(ソース領域・ドレイン領域方向)に走査する線である。
【0056】
不純物濃度は、端部P近傍においてピークを示しており、両側よりも高い不純物濃度を有する。
【0057】
また、不純物濃度は、端部Pのピークよりもソース領域側の部分では、第1ウエルW1の影響を受けるので、端部Pのピークよりもドレイン領域側の部分よりも高い値を示す。
【0058】
しかし、不純物濃度がピークを示す位置は、ゲート電極13の下方に位置しているので、チャネル領域14の電気的特性をゲート電極13による電圧の印加により制御して、オン抵抗が高くなることを抑制することが可能である。
【0059】
図3は、オン抵抗と第1ウエルのドレイン領域側の端部の位置との関係を示す図である。
【0060】
図3は、オン抵抗Ronと、第1ウエルW1のソース領域側の端部Pの位置とゲート電極13のソース領域側の位置L1との間の距離Lwとの関係を、実験により求めた結果を示す。
【0061】
図3の実験では、ゲート長を0.7μmとし、ドレインーソース間電圧を0.1Vとし、ゲートーソース間電圧を5.5Vとした。その他の条件は、図2に示す計算と同様にした。
【0062】
図3中のプロットD1は、後述する図7に示すように、第1ウエルW1がソース領域Sからドレイン領域Dに亘って配置された場合のオン抵抗を示す。
【0063】
図3に示すように、端部Pの位置を、位置L1(0μm)から位置L2(0.7μm)へ移動させて、距離Lwが増加すると共に、オン抵抗Ronが増加している。これは、第1ウエルW1の端部Pの位置が、ドレイン領域側に移動すると共に、ウエル近接効果によって、低濃度ドレイン領域D1の抵抗率が増加することが要因と考えられる。
【0064】
一方、プロットD1は、ウエル近接効果の影響を受けないので、比較的低いオン抵抗Ronの値を示している。
【0065】
オン抵抗Ronを低減する観点からは、端部Pの位置は、ソース領域側にある程良いことが分かる。一方、端部Pの位置を、ソース領域側に移動すると、半導体装置10のオン状態において、チャネル領域に流れるパンチスルー電流が増加する。従って、端部Pの位置は、他の設計要素との兼ね合いにより設定され得る。
【0066】
図4は、しきい値電圧と第1ウエルのドレイン領域側の端部の位置との関係を示す図である。
【0067】
図4は、しきい値電圧と、第1ウエルW1のソース領域側の端部Pの位置とゲート電極13のソース領域側の位置L1との間の距離Lwとの関係を、実験により求めた結果を示す。図4は、図3と同じ実験により測定された。
【0068】
図4中のプロットD2は、後述する図7に示すように、第1ウエルW1がソース領域Sからドレイン領域Dに亘って配置された場合のしきい値電圧を示す。
【0069】
図4に示すように、端部Pの位置を、位置L1(0μm)から位置L2(0.7μm)へ移動していくと、しきい値電圧は、増加してピークを示した後減少する。
【0070】
しきい値電圧の値は、例えば、不純物濃度を用いて調整され得る。
【0071】
次に、図5を参照して、半導体装置10では、第4ウエルの引出抵抗を低減していることについて、以下に説明する。
【0072】
第2ウエルW2のソース領域側の端部Qは、ゲート電極13のソース領域側の端部の位置L1よりもドレイン領域側の位置に配置されることが、第4ウエルの引出抵抗を低減する観点から好ましい。これは、第2ウエルW2と第1ウエルW1との重なる領域を減らすためである。
【0073】
図5は、第4ウエルの引出抵抗と第2ウエルのソース側の端部の位置との関係を示す図である。
【0074】
図5では、第1ウエルW1のドレイン領域側の端部Pの位置を、ゲート電極13のドレイン領域側の端部の位置L2(図1参照)に固定した状態で、第2ウエルW2のソース領域側の端部の位置Qを、位置L3から位置L2(図1参照)まで変化させた時の第4ウエルの引出抵抗を計算した結果を示す。ここで、位置L3は、第1ウエルW1のソース領域側の端部の位置である。第4ウエルの引出抵抗は、コンタクトC2と第2ウエルW2の下方の第4ウエルW4の部分との間の抵抗率を意味する。
【0075】
図5の計算条件は、上述した図2同じである。
【0076】
図5に示すように、第2ウエルW2と、第1ウエルW1との重なりが少ない程、第4ウエルW4の引出抵抗が減少する。具体的には、第2ウエルW2の端部Qの位置が、位置L3から位置L2に変化することにより、引出抵抗は約30%低減する。これは、第1ウエルW1の下方に位置する第4ウエルW4の厚さの厚い領域が増加することによる。第2ウエルW2の端部Qの位置が位置L2にいる状態は、第1ウエルW1のドレイン側の端部Pと、第2ウエルW2のソース側の端部Qとが接しており、第2ウエルW2と第1ウエルW1とが重なっていない状態となる。
【0077】
次に、他の3つの半導体装置を参照しながら、本実施形態の半導体装置10の構造が、高い耐電圧特性及び低いオン抵抗を有する理由を以下に説明する。
【0078】
図6は、他の第1半導体装置を示す図である。図7は、他の第2半導体装置を示す図である。図8は、他の第3半導体装置を示す図である。
【0079】
図9は、他の3つの半導体装置及び本実施形態の半導体装置10のオン抵抗と降伏電圧との関係を測定した結果を示す図である。プロットAは、他の第1半導体装置110の測定結果であり、プロットBは、他の第2半導体装置120の測定結果であり、プロットCは、他の第3半導体装置130の測定結果であり、プロットDは、本実施形態の半導体装置10の測定結果である。
【0080】
他の第1半導体装置110は、第2ウエルを備えていない点が、本実施形態の半導体装置10とは異なっている。
【0081】
他の第2半導体装置120は、第2ウエルを備えていない。また、他の第2半導体装置120は、第1ウエルW1が、第1ウエルW1がソース領域Sからドレイン領域Dに亘って配置されている。
【0082】
他の第3半導体装置130は、第1ウエルW1のドレイン領域側の端部Pが、ゲート電極13のドレイン側の端部の位置よりもドレイン領域側に位置する。また、第2ウエルW2のソース領域側の端部Qが、端部Pにおいて第1ウエルW1と接している。
【0083】
まず、プロットAに示すように、他の第1半導体装置110は、オン抵抗Ronが高く、且つ、降伏電圧も低い。
【0084】
そこで、第1ウエルW1がソース領域Sからドレイン領域Dに亘って配置するにして、図7に示す他の第2半導体装置120とした。
【0085】
プロットBに示すように、他の第2半導体装置120は、他の第1半導体装置110に対して、低いオン抵抗Ron及び高い降伏電圧を示した。
【0086】
そこで、更に降伏電圧を増加するために、第2ウエルW2を配置して、ソース領域Dの下方に位置する第3ウエルW3の厚さを増加して、図8に示す他の第3半導体装置130とした。
【0087】
しかし、プロットCに示すように、他の第3半導体装置130は、他の第2半導体装置120に対して、降伏電圧は増加したものの、オン抵抗Ronは、逆に増大してしまった。
【0088】
そこで、降伏電圧を増加させる共に、オン抵抗Ronを低減するために、図1に示す本実施形態の半導体装置10の構造が考え出された。
【0089】
半導体装置10は、プロットDに示すように、他の第3半導体装置130に対して、オン抵抗Ronが低く、且つ、降伏電圧が高い。また、半導体装置10は、他の第2半導体装置120に対しても、オン抵抗Ronが低く、且つ、降伏電圧が高い。
【0090】
上述した本実施形態の半導体装置10によれば、高い耐電圧特性及び低いオン抵抗を有する。
【0091】
半導体装置10は、高い降伏電圧と共に低いオン抵抗が求められる電源回路等のスイッチング素子として好適に用いることができる。
【0092】
例えば、半導体装置10は、ロジック回路の電力制御用の半導体装置として用いることができる。詳しくは、後述するが、半導体装置10は、ロジック回路の半導体装置を製造する時に、第1ウエル又は第2ウエルを同時に形成することができる。
【0093】
また、上述した実施形態の半導体装置は、n型MOSトランジスタであったが、半導体装置は、p型MOSトランジスタであっても良い。
【0094】
次に、上述した本実施形態の半導体装置の変型例を、図10を参照して、以下に説明する。
【0095】
図10は、本明細書に開示する半導体装置の変型例を示す図である。
【0096】
本変型例10では、第4ウエルW4と、第1ウエルW1及び第2ウエルW2との間に、p型の導電性を有し、第1ウエルW1及び第2ウエルW2よりもp型の不純物濃度が低い第5ウエルW5を備える。
【0097】
本変型例10では、第5ウエルW5は、第4ウエルW4と、第1ウエルW1及び第2ウエルW2の側部との間に配置される。
【0098】
本変型例10は、抵抗率の高い第5ウエルW5を用いて、第4ウエルW4と、第1ウエルW1及び第2ウエルW2との間の距離を増加させることにより、耐電圧特性を一層向上させることができる。
【0099】
例えば、本変型例10は、n型の導電性を有する第4ウエルW4に対して、正の電源電圧を印加する場合にも、十分な耐電圧特性を示すことができる。
【0100】
次に、上述した本明細書に開示する半導体装置の製造方法の好ましい一実施形態を、図面を参照しながら、以下に説明する。
【0101】
本実施形態は、本明細書に開示する半導体装置を、ロジック回路用の他の半導体装置と同時に製造する例を示す。本明細書に開示する半導体装置は、ロジック回路に電力を供給する電源回路に用いられる。ロジック回路用の他の半導体装置は、インタフェース用の半導体装置及びロジック回路のコア用の半導体装置である。
【0102】
まず、図11に示すように、p型の導電性を有するシリコンの基板11が用意されて、基板11の所定の位置に素子分離層V1〜V8が形成される。基板11は、電源回路用の本明細書に開示する半導体装置が形成される領域R1と、ロジック回路のインタフェース用の半導体装置が形成される領域R2と、ロジック回路のコア用の半導体装置が形成される領域R3を有する。各半導体基板は、n型のMOSトランジスタである。
【0103】
次に、図12に示すように、開口部を有するマスクM1が基板11上に形成され、ボロン等のp型の不純物が、開口部から基板11に注入されて、第2ウエルW2が領域R1に形成され、第6ウエルW6が領域R2に形成される。不純物は、例えば、入射エネルギー300〜500keVで、2〜5E12(1/cm)の濃度で基板11に注入される。そして、マスクM1が除去される。
【0104】
次に、図13に示すように、開口部を有するマスクM2が基板11上に形成され、リン等のn型の不純物が、開口部から基板11に注入されて、下方第4ウエルW4aが領域R1に形成され、下方第7ウエルW7aが領域R2に形成される。不純物は、例えば、入射エネルギー1〜3MeVで、2〜5E13(1/cm)の濃度で基板11に注入される。そして、マスクM2が除去される。
【0105】
次に、図14に示すように、開口部を有するマスクM3が基板11上に形成され、ボロン等のp型の不純物が、開口部から基板11に注入されて、第1ウエルW1が領域R1に形成され、第9ウエルW9が領域R3に形成される。また、領域R2には、第11ウエルW11が形成される。不純物は、例えば、入射エネルギー100〜250keVで、2〜13E13(1/cm)の濃度で基板11に注入される。そして、マスクM3が除去される。
【0106】
次に、図15に示すように、開口部を有するマスクM4が基板11上に形成され、リン等のn型の不純物が、開口部から基板11に注入されて、側方第4ウエルW4bが領域R1に形成され、側方第7ウエルW7bが領域R2に形成される。また、領域R1では、側方第4ウエルW4bと第1ウエルW1及び第2ウエルW2との間の不純物が注入されない領域が第5ウエルW5として形成される。不純物は、例えば、入射エネルギー300〜500keVで、2〜5E12(1/cm)の濃度で基板11に注入される。そして、マスクM4が除去される。
【0107】
次に、図16に示すように、開口部を有するマスクM5が基板11上に形成され、リン等のn型の不純物が、開口部から基板11に注入されて、領域R1に、低濃度ドレイン領域D1が形成される。不純物は、例えば、入射エネルギー10〜50keVで、1〜5E13(1/cm)の濃度で基板11に注入される。そして、マスクM5が除去される。
【0108】
次に、図17に示すように、開口部を有するマスクM6が基板11上に形成され、ボロン等のp型の不純物が、開口部から基板11に注入されて、領域R1に、しきい値調整領域14aが形成される。不純物は、例えば、入射エネルギー10〜30keVで、2〜5E12(1/cm)の濃度で基板11に注入される。そして、マスクM6が除去される。
【0109】
次に、図18に示すように、開口部を有するマスクM7が基板11上に形成され、ボロン等のp型の不純物が、開口部から基板11に注入されて、領域R2に、しきい値調整領域24aが形成される。不純物は、例えば、入射エネルギー10〜30keVで、2〜5E12(1/cm)の濃度で基板11に注入される。そして、マスクM7が除去される。
【0110】
次に、図19に示すように、開口部を有するマスクM8が基板11上に形成され、ボロン等のp型の不純物が、開口部から基板11に注入されて、領域R3に、しきい値調整領域34aが形成される。不純物は、例えば、入射エネルギー10〜20keVで、1〜3E13(1/cm)の濃度で基板11に注入される。そして、マスクM8が除去される。
【0111】
次に、図20に示すように、基板11上に絶縁膜20が形成された後、領域R3に開口部を有するマスクM9が基板11上に形成される。絶縁膜20の厚さは、例えば、10〜15nmとすることができる。そして、開口部から露出している絶縁膜20が除去される。そして、マスクM9が除去される。
【0112】
次に、図21に示すように、基板11上に、他の絶縁膜が、絶縁膜20よりも薄く(例えば、2〜3nmの厚さ)形成される。領域R3では、他の絶縁膜だけが基板11上に形成され、領域R1,R2では、他の絶縁膜が絶縁膜20上に更に積層される。そして、基板11上に、ポリシリコン等を用いて、ゲート電極層が形成されて、このゲート電極層及び絶縁膜がパターニングされて、ゲート電極13,23,33及びゲート絶縁膜12,22,32が、各領域R1,R2,R3に形成される。ゲート絶縁膜32の厚さは、他のゲート絶縁膜12,22よりも薄く形成される。
【0113】
次に、図22に示すように、開口部を有するマスクM10が基板11上に形成され、リン等のn型の不純物が、開口部から基板11に注入されて、低濃度ソース領域S1が領域R1に形成され、低濃度ソース領域2S1及び低濃度ドレイン領域2D1が領域R2に形成される。不純物は、例えば、入射エネルギー20〜50keVで、1〜5E13(1/cm)の濃度で基板11に注入される。そして、マスクM10が除去される。
【0114】
次に、図23に示すように、開口部を有するマスクM11が基板11上に形成され、ヒ素等のn型の不純物が、開口部から基板11に注入されて、低濃度ソース領域3S1及び低濃度ドレイン領域3D1が領域R3に形成される。不純物は、例えば、入射エネルギー10〜30keVで、1〜9E13(1/cm)の濃度で基板11に注入される。また、ボロン等の不純物が、ポケット形成のために例えば、10〜30keVで、1〜3E13(1/cm2)で注入さる。そして、マスクM11が除去される。そして、基板11上に、ゲート絶縁膜及びゲート電極の積層体を埋め込むように、電気絶縁層が形成され、この電気絶縁層がパターニングされて側壁15,25,35が、各領域R1,R2,R3に形成される。
【0115】
次に、図24に示すように、開口部を有するマスクM12が基板11上に形成され、リン等のn型の不純物が、開口部から基板11に注入されて、高濃度ソース領域S2及び高濃度ドレイン領域D2が領域R1に形成される。同時に、高濃度ソース領域2S2及び高濃度ドレイン領域2D2が領域R2に形成され、高濃度ソース領域3S2及び高濃度ドレイン領域3D2が領域R3に形成される。また、コンタクトC1が領域R1に形成され、コンタクトC4が領域R2に形成される。不純物は、例えば、入射エネルギー10〜20keVで、1〜3E15(1/cm)の濃度で基板11に注入される。そして、マスクM12が除去される。
【0116】
次に、図25に示すように、開口部を有するマスクM13が基板11上に形成され、ボロン等のp型の不純物が、開口部から基板11に注入されて、コンタクトC2が領域R1に形成される。同時に、コンタクトC3、C5が領域R2に形成され、コンタクトC6が領域R3に形成される。不純物は、例えば、入射エネルギー5〜10keVで、1〜3E15(1/cm)の濃度で基板11に注入される。そして、マスクM13が除去される。
【0117】
次に、図26に示すように、基板11に対して、例えば、1000℃の温度で1秒間のアニール処理を行った後、各領域R1〜R3におけるゲート電極、ソース領域及びドレイン領域、コンタクトの表面にシリサイド層16が形成される。シリサイド層16としては、例えば、厚さ20〜50nmのコバルトシリサイド層とすることができる。
【0118】
本発明では、上述した実施形態の半導体装置及び半導体装置の製造方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
【0119】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【0120】
10 半導体装置
11 基板
12 ゲート絶縁膜
13 ゲート電極
14 チャネル領域
14a しきい値調整領域
S ソース領域
S1 低濃度ソース領域
S2 高濃度ソース領域
D ドレイン領域
D1 低濃度ドレイン領域
D2 高濃度ドレイン領域
W1 第1ウエル
P 第1ウエルのドレイン領域側の端部(第1端部)
W2 第2ウエル
Q 第2ウエルのソール領域側の端部(第2端部)
W3 第3ウエル
W4 第4ウエル
W4a 下方第4ウエル
W4b 側方第4ウエル
W5 第5ウエル
15 側壁
16 シリサイド層
C1〜C6 コンタクト
V1〜V8 素子分離層
T1〜T2 トランジスタ
R1〜R3 領域1〜領域3
20 絶縁膜
22 ゲート絶縁膜
23 ゲート電極
24 チャネル領域
24a しきい値調整領域
2S ソース領域
2S1 低濃度ソース領域
2S2 高濃度ソース領域
2D ドレイン領域
2D1 低濃度ドレイン領域
2D2 高濃度ドレイン領域
W6 第6ウエル
W7 第7ウエル
W7a 下方第7ウエル
W7b 側方第7ウエル
W8 第8ウエル
32 ゲート絶縁膜
33 ゲート電極
34 チャネル領域
34a しきい値調整領域
3S ソース領域
3S1 低濃度ソース領域
3S2 高濃度ソース領域
3D ドレイン領域
3D1 低濃度ドレイン領域
3D2 高濃度ドレイン領域
W9 第9ウエル
W10 第10ウエル
M1〜M13 マスク
W11 第11ウエル
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15
図16
図17
図18
図19
図20
図21
図22
図23
図24
図25
図26