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JP2017112219A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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博明 新田
和伸 桑澤
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和伸 桑澤
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Abstract

【課題】複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置の高集積化を提供する。【解決手段】P型半導体基板10に配置されたN型の第1の埋め込み拡散層上のN型第1半導体層45と、第2の埋め込み拡散層上のN型の第2半導体層46と、第1の埋め込み拡散層上でN型第1半導体層45を平面視で囲むN型第1不純物拡散領域65aと、第2半導体層46に配置されたP型第2不純物拡散領域56aと、第2半導体層46に配置されたN型第3不純物拡散領域56bと、第1半導体層45に配置されたN型第4の不純物拡散領域95aと、第2の半導体層46上に絶縁膜を介しゲート電極116と、第2不純物拡散領域56aに配置されたN型第5不純物拡散領域86と、第4不純物拡散領域95a上にP型第6不純物拡散領域75a,85aとを備える。【選択図】図2

Description

本発明は、半導体装置、及び、半導体装置の製造方法等に関する。
半導体装置において複数の回路素子を分離するための方式として、例えば、P型の半導体内に、N型の埋め込み拡散層、及び、半導体表面から埋め込み拡散層まで延びる比較的高濃度のN型の不純物拡散領域(Nプラグ)を形成するタブ(Tub)分離方式と、P型の半導体内に比較的低濃度のNウエルを形成するウエル(Well)分離方式とが知られている。
タブ分離方式によれば、高濃度のプラグによって、半導体表面から埋め込み拡散層までの寄生抵抗が小さくなるので、バイポーラトランジスター又はツェナーダイオードを含む半導体装置を製造するのに適している。一方、ウエル分離方式によれば、プラグがない分だけ素子配置可能領域が広がり、素子間距離を小さくできるので、主にCMOS電界効果トランジスター又はLD(Lateral Double-diffused)MOS電界効果トランジスターを含む半導体装置を製造するのに適している。
関連する技術として、特許文献1の図1には、第1不純物領域21nに形成されたLDMOS電界効果トランジスターが示されている。このトランジスターは、第1不純物領域21nに位置するボディー領域26pと、ボディー領域26pに位置するソース領域27n及びボディーコンタクト領域28pと、ボディー領域26pの端部上に位置するゲート絶縁膜33と、ゲート絶縁膜33上に位置するゲート電極34と、第1不純物領域21nに位置するドレイン領域29nとを含んでいる。
第1不純物領域21nは、半導体基板30の厚み方向において、第1埋め込み拡散層11nによって下地層10pから分離される。また、第1不純物領域21nは、半導体基板30の第1の面31に沿った方向において、第1導電型の第2不純物領域(Nプラグ)22nと、第2導電型の第2埋め込み拡散層12p及び第5不純物領域25pとによって、エピタキシャル層20pに位置する他の回路素子から分離される。
特開2014−187275号公報(段落0021−0022、図1)
しかしながら、NプラグはN型不純物を熱拡散して形成されるので、半導体表面から埋め込み拡散層まで縦方向に延びるNプラグを形成すると、横方向においてもNプラグが広がる。従って、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置において、回路素子毎にNプラグを形成すると、素子配置可能領域が狭くなってしまう。また、複数の異なる種類の回路素子を半導体装置に混載しようとすると、それぞれの回路素子のために不純物拡散領域等を専用に形成する工程が増加して、マスクの枚数や工程数の増加に伴って半導体装置の製造コストが上昇してしまう。
そこで、本発明の幾つかの態様は、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置において、素子分離領域を縮小すると共に素子配置可能領域を拡大して、半導体装置の高集積化を実現することに関連している。また、本発明の他の幾つかの態様は、製造工程をあまり増加させずに、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置を製造する方法を提供することに関連している。
本発明の第1の態様に係る半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板に配置された第2導電型の第1及び第2の埋め込み拡散層と、第1の埋め込み拡散層上の第1の領域に配置され、第1の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第1の半導体層と、第2の埋め込み拡散層上の第2の領域に配置され、第2の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第2の半導体層と、第1の埋め込み拡散層上で第1の領域を平面視で囲み、第1の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の第1の不純物拡散領域と、第2の半導体層に配置された第1導電型の第2の不純物拡散領域と、第2の半導体層に配置された第2導電型の第3の不純物拡散領域と、第1の半導体層に配置された第2導電型の第4の不純物拡散領域と、第2の半導体層上に絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、第2の不純物拡散領域に配置された第2導電型の第5の不純物拡散領域と、少なくとも第4の不純物拡散領域上に配置された第1導電型の第6の不純物拡散領域とを備え、第2の領域は、第2の埋め込み拡散層に接し且つ第2の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の不純物拡散領域の配置禁止領域である。
なお、本願において、半導体層とは、第1導電型の半導体基板上に配置された第2導電型のエピタキシャル層でも良いし、第1導電型のエピタキシャル層に配置された第2導電型のウエルでも良い。また、第1導電型がP型で第2導電型がN型であっても良いし、第1導電型がN型で第2導電型がP型であっても良い。
本発明の第1の態様に係る半導体装置によれば、第1及び第4の不純物拡散領域等をカソード又はアノード領域とし、第6の不純物拡散領域をアノード又はカソード領域として、バーチカル型のツェナーダイオードが構成される。また、第2の不純物拡散領域をボディー領域とし、第3の不純物拡散領域をドリフト領域又はドレイン領域とし、第5の不純物拡散領域をソース領域として、LDMOS電界効果トランジスターが構成される。
ここで、ツェナーダイオードには、第1の埋め込み拡散層上で第1の領域を平面視で囲む比較的高濃度の第2導電型の第1の不純物拡散領域(プラグ)が配置されているが、LDMOS電界効果トランジスターには、第2の埋め込み拡散層に接する比較的高濃度の第2導電型の不純物拡散領域(プラグ)が配置されていない。言い換えれば、第2の埋め込み拡散層上の第2の領域は、第2の埋め込み拡散層に接する比較的高濃度の第2導電型の不純物拡散領域(プラグ)の配置禁止領域である。それにより、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置において、素子分離領域を縮小すると共に素子配置可能領域を拡大して、半導体装置の高集積化を実現することができる。
その場合に、第1の不純物拡散領域が、素子分離領域と、ツェナーダイオードのカソード又はアノード領域の一部とを兼ねるようにしても良い。それにより、素子分離特性を維持しながら素子分離領域を縮小すると共に素子配置可能領域を拡大して、半導体装置の高集積化を実現することができる。
また、本発明の第2の態様に係る半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、半導体基板に配置された第2導電型の第1及び第2の埋め込み拡散層と、第1の埋め込み拡散層上の第1の領域に配置され、第1の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第1の半導体層と、第2の埋め込み拡散層上の第2の領域に配置され、第2の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第2の半導体層と、第1の埋め込み拡散層上で第1の領域を平面視で囲み、第1の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の第1の不純物拡散領域と、第1の半導体層に配置された第1導電型の第2の不純物拡散領域と、第2の半導体層に配置された第1導電型の第3の不純物拡散領域と、第2の半導体層に配置された第2導電型の第4の不純物拡散領域と、第2の半導体層上に絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、第2の不純物拡散領域に配置された第2導電型の第5の不純物拡散領域と、第3の不純物拡散領域に配置された第2導電型の第6の不純物拡散領域とを備え、第2の領域は、第2の埋め込み拡散層に接し且つ第2の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の不純物拡散領域の配置禁止領域である。
本発明の第2の態様に係る半導体装置によれば、第1の不純物拡散領域等をコレクター領域とし、第2及び第5の不純物拡散領域をそれぞれベース領域及びエミッター領域として、バーチカル型のバイポーラトランジスターが構成される。また、第3の不純物拡散領域をボディー領域とし、第4の不純物拡散領域をドリフト領域又はドレイン領域とし、第6の不純物拡散領域をソース領域として、LDMOS電界効果トランジスターが構成される。
ここで、バイポーラトランジスターには、第1の埋め込み拡散層上で第1の領域を平面視で囲む比較的高濃度の第2導電型の第1の不純物拡散領域(プラグ)が配置されているが、LDMOS電界効果トランジスターには、第2の埋め込み拡散層に接する比較的高濃度の第2導電型の不純物拡散領域(プラグ)が配置されていない。言い換えれば、第2の埋め込み拡散層上の第2の領域は、第2の埋め込み拡散層に接する比較的高濃度の第2導電型の不純物拡散領域(プラグ)の配置禁止領域である。それにより、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置において、素子分離領域を縮小すると共に素子配置可能領域を拡大して、半導体装置の高集積化を実現することができる。
その場合に、第1の不純物拡散領域が、素子分離領域と、バイポーラトランジスターのコレクター領域の一部とを兼ねるようにしても良い。それにより、素子分離特性を維持しながら素子分離領域を縮小すると共に素子配置可能領域を拡大して、半導体装置の高集積化を実現することができる。
さらに、本発明の第1の態様に係る半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体基板に第2導電型の第1及び第2の埋め込み拡散層を同時に形成する工程と、第1の埋め込み拡散層上の第1の領域に、第1の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第1の半導体層を形成し、同時に、第2の埋め込み拡散層上の第2の領域に、第2の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第2の半導体層を形成する工程と、第1の埋め込み拡散層上で第1の領域を平面視で囲み、第1の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の第1の不純物拡散領域を形成する工程と、第2の半導体層に第1導電型の第2の不純物拡散領域を形成する工程と、第2の半導体層に第2導電型の第3の不純物拡散領域を形成する工程と、第1の半導体層に第2導電型の第4の不純物拡散領域を形成する工程と、第2の半導体層上に絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、第2の不純物拡散領域に第2導電型の第5の不純物拡散領域を形成する工程と、少なくとも第4の不純物拡散領域上に第1導電型の第6の不純物拡散領域を形成する工程とを備え、第2の領域は、第2の埋め込み拡散層に接し且つ第2の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の不純物拡散領域の形成禁止領域である。
本発明の第1の態様に係る半導体装置の製造方法によれば、第1及び第4の不純物拡散領域等をカソード又はアノード領域とし、第6の不純物拡散領域をアノード又はカソード領域として、バーチカル型のツェナーダイオードが構成される。また、第2の不純物拡散領域をボディー領域とし、第3の不純物拡散領域をドリフト領域又はドレイン領域とし、第5の不純物拡散領域をソース領域として、LDMOS電界効果トランジスターが構成される。
ここで、ツェナーダイオードには、第1の埋め込み拡散層上で第1の領域を平面視で囲む比較的高濃度の第2導電型の第1の不純物拡散領域(プラグ)が形成されるが、LDMOS電界効果トランジスターには、第2の埋め込み拡散層に接する比較的高濃度の第2導電型の不純物拡散領域(プラグ)が形成されない。言い換えれば、第2の埋め込み拡散層上の第2の領域は、第2の埋め込み拡散層に接する比較的高濃度の第2導電型の不純物拡散領域(プラグ)の形成禁止領域である。それにより、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置において、素子分離領域を縮小すると共に素子配置可能領域を拡大して、半導体装置の高集積化を実現することができる。
また、本発明の第2の態様に係る半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体基板に第2導電型の第1及び第2の埋め込み拡散層を同時に形成する工程と、第1の埋め込み拡散層上の第1の領域に、第1の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第1の半導体層を形成し、同時に、第2の埋め込み拡散層上の第2の領域に、第2の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第2の半導体層を形成する工程と、第1の埋め込み拡散層上で第1の領域を平面視で囲み、第1の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の第1の不純物拡散領域を形成する工程と、第1の半導体層に第1導電型の第2の不純物拡散領域を形成し、同時に、第2の半導体層に第1導電型の第3の不純物拡散領域を形成する工程と、第2の半導体層に第2導電型の第4の不純物拡散領域を形成する工程と、第2の半導体層上に絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、第2の不純物拡散領域に第2導電型の第5の不純物拡散領域を形成し、同時に、第3の不純物拡散領域に第2導電型の第6の不純物拡散領域を形成する工程とを備え、第2の領域は、第2の埋め込み拡散層に接し且つ第2の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の不純物拡散領域の形成禁止領域である。
本発明の第2の態様に係る半導体装置の製造方法によれば、第1の不純物拡散領域等をコレクター領域とし、第2及び第5の不純物拡散領域をそれぞれベース領域及びエミッター領域として、バーチカル型のバイポーラトランジスターが構成される。また、第3の不純物拡散領域をボディー領域とし、第4の不純物拡散領域をドリフト領域又はドレイン領域とし、第6の不純物拡散領域をソース領域として、LDMOS電界効果トランジスターが構成される。
ここで、バイポーラトランジスターには、第1の埋め込み拡散層上で第1の領域を平面視で囲む比較的高濃度の第2導電型の第1の不純物拡散領域(プラグ)が形成されるが、LDMOS電界効果トランジスターには、第2の埋め込み拡散層に接する比較的高濃度の第2導電型の不純物拡散領域(プラグ)が形成されない。言い換えれば、第2の埋め込み拡散層上の第2の領域は、第2の埋め込み拡散層に接する比較的高濃度の第2導電型の不純物拡散領域(プラグ)の形成禁止領域である。それにより、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置において、素子分離領域を縮小すると共に素子配置可能領域を拡大して、半導体装置の高集積化を実現することができる。
また、本発明のいずれかの態様に係る半導体装置の製造方法によれば、複数の異なる種類の回路素子の主要な構成部分を同時に形成するので、製造工程をあまり増加させずに、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置を製造することができる。
半導体装置に搭載される回路素子の第1の例を示す図。 半導体装置に搭載される回路素子の第2の例を示す図。 半導体装置に搭載される回路素子の第1の例の製造工程における断面図。 半導体装置に搭載される回路素子の第1の例の製造工程における断面図。 半導体装置に搭載される回路素子の第2の例の製造工程における断面図。 半導体装置に搭載される回路素子の第2の例の製造工程における断面図。
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、重複する説明を省略する。
<半導体装置>
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、複数の異なる種類の回路素子を混載しているが、以下においては、それらの回路素子の例について、図1及び図2を参照しながら説明する。なお、図1及び図2に示した複数の異なる種類の回路素子は、同一の下地基板10上に配置される。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置に搭載される回路素子の第1の例を示す図である。図1の左側は、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターを示しており、図1の右側は、バーチカル型のツェナーダイオードを示している。また、図1(A)は断面図であり、図1(B)は平面図である。ただし、図1(B)において、フィールド酸化膜は省略されている。
図1に示すように、この半導体装置は、P型の下地基板(半導体基板)10と、下地基板10上にP型又はN型の半導体をエピタキシャル成長させて配置されたP型又はN型のエピタキシャル層20とを含んでいる。下地基板10及びエピタキシャル層20の材料としては、例えば、シリコン(Si)が用いられる。
以下においては、一例として、P型の下地基板10上にP型のエピタキシャル層20が配置された場合について説明する。その場合には、P型のエピタキシャル層20に配置される複数のNウエルが、トランジスター等の回路素子が形成される半導体層として用いられる。
一方、P型の下地基板10上にN型のエピタキシャル層20が配置される場合には、N型のエピタキシャル層20が、トランジスター等の回路素子が形成される半導体層として用いられる。その場合には、下地基板10に配置されるP型の埋め込み拡散層と、エピタキシャル層20の表面からP型の埋め込み拡散層まで延びるPウエルとによって、複数の回路素子が分離され、Nウエルは不要になる。
バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターが形成された素子領域(図1の左側)において、半導体装置は、下地基板10に配置されたN型の埋め込み拡散層11a及びP型の埋め込み拡散層11bを含んでいる。埋め込み拡散層11a及び11bの一部は、エピタキシャル層20に延在しても良い。
また、半導体装置は、N型の埋め込み拡散層11a上の所定の領域に配置された深いNウエル41と、N型の埋め込み拡散層11a上で上記所定の領域を平面視で囲むN型の不純物拡散領域(Nプラグ)31と、Nウエル41に配置されたP型の不純物拡散領域51と、エピタキシャル層20においてNウエル41の外側に配置されたPウエル60とを含んでいる。なお、本願において、「平面視」とは、エピタキシャル層20の主面(図中の上面)に垂直な方向から各部を透視することを言う。
ここで、N型の埋め込み拡散層11a及びNプラグ31は、半導体層を構成するNウエル41よりも高い不純物濃度を有している。Nプラグ31は、Nウエル41及びN型の埋め込み拡散層11aと共に、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターのコレクター領域を構成する。また、N型の埋め込み拡散層11a及びNプラグ31は、寄生抵抗が小さく、素子分離特性を高めることができる。P型の不純物拡散領域51は、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターのベース領域を構成する。
P型の不純物拡散領域51には、N型の不純物拡散領域71と、P型の不純物拡散領域51よりも高い不純物濃度を有するP型の不純物拡散領域81とが配置されている。N型の不純物拡散領域71は、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターのエミッター領域を構成する。P型の不純物拡散領域81は、ベースコンタクト領域を構成する。P型の不純物拡散領域51上には、絶縁膜(ゲート絶縁膜)を介して電極111が配置されている。絶縁膜及び電極111は、不純物拡散領域71及び81を形成する際に、ハードマスクとして用いられる。
Nプラグ31には、N型の不純物拡散領域91が配置されている。N型の不純物拡散領域91は、コレクターコンタクト領域を構成する。Pウエル60には、P型の不純物拡散領域101が配置されている。P型の不純物拡散領域101は、基板コンタクト領域を構成する。不純物拡散領域81及び91の周囲には、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法等によって形成されたフィールド酸化膜110が配置されている。以上により、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターが構成される。
一方、バーチカル型のツェナーダイオードが形成された素子領域(図1の右側)において、半導体装置は、下地基板10に配置されたN型の埋め込み拡散層13a及びP型の埋め込み拡散層13bを含んでいる。埋め込み拡散層13a及び13bの一部は、エピタキシャル層20に延在しても良い。
また、半導体装置は、N型の埋め込み拡散層13a上の所定の領域に配置された深いNウエル43と、N型の埋め込み拡散層13a上で上記所定の領域を平面視で囲むN型の不純物拡散領域(Nプラグ)33と、エピタキシャル層20においてNプラグ33の外側に配置されたPウエル60とを含んでいる。ここで、N型の埋め込み拡散層13a及びNプラグ33は、半導体層を構成するNウエル43よりも高い不純物濃度を有している。
Nウエル43には、N型の不純物拡散領域73が配置され、少なくともN型の不純物拡散領域73上にP型の不純物拡散領域83が配置されている。N型の不純物拡散領域73は、Nウエル43、Nプラグ33、及び、N型の埋め込み拡散層13aと共に、バーチカル型のツェナーダイオードのカソード領域を構成する。
N型の不純物拡散領域73の濃度や形状が、バーチカル型のツェナーダイオードの降伏電圧を主に決定する。また、N型の埋め込み拡散層13a及びNプラグ33は、寄生抵抗が小さく、素子分離特性を高めることができる。P型の不純物拡散領域83は、バーチカル型のツェナーダイオードのアノード領域を構成する。
Nプラグ33には、Nプラグ33よりも高い不純物濃度を有するN型の不純物拡散領域93が配置されている。N型の不純物拡散領域93は、カソードコンタクト領域を構成する。Pウエル60には、P型の不純物拡散領域103が配置されている。P型の不純物拡散領域103は、基板コンタクト領域を構成する。不純物拡散領域83及び93の周囲には、フィールド酸化膜110が配置されている。以上により、バーチカル型のツェナーダイオードが構成される。図1に示すバーチカル型のツェナーダイオードは、例えば、7V〜10V程度の降伏電圧を有している。
図2は、本発明の一実施形態に係る半導体装置に搭載される回路素子の第2の例を示す図である。図2の左側は、CMOS電界効果トランジスターを示しており、図2の右側は、LD(Lateral Double-diffused)MOS電界効果トランジスターを示している。また、図2(A)は断面図であり、図2(B)は平面図である。ただし、図2(B)において、フィールド酸化膜は省略されている。
図2に示すように、CMOS電界効果トランジスターが形成された素子領域(図2の左側)において、半導体装置は、下地基板10に配置されたN型の埋め込み拡散層15a及びP型の埋め込み拡散層15bを含んでいる。埋め込み拡散層15a及び15bの一部は、エピタキシャル層20に延在しても良い。
また、半導体装置は、N型の埋め込み拡散層15a上の所定の領域に配置された深いNウエル45と、Nウエル45に配置された浅いNウエル65a及びPウエル65bと、エピタキシャル層20においてNウエル45の外側に配置されたPウエル60とを含んでいる。
ここで、N型の埋め込み拡散層15aは、半導体層を構成するNウエル45よりも高い不純物濃度を有している。Nウエル65aは、PチャネルMOS電界効果トランジスターのバックゲート領域を構成し、Pウエル65bは、NチャネルMOS電界効果トランジスターのバックゲート領域を構成する。
Nウエル65aには、P型の不純物拡散領域75a及び85aと、N型の不純物拡散領域95aとが配置されている。P型の不純物拡散領域75a及び85aは、PチャネルMOS電界効果トランジスターのソース/ドレイン領域を構成し、N型の不純物拡散領域95aは、バックゲートコンタクト領域を構成する。Nウエル65a上には、ゲート絶縁膜を介してゲート電極115aが配置されている。
Pウエル65bには、N型の不純物拡散領域75b及び85bと、P型の不純物拡散領域95bとが配置されている。N型の不純物拡散領域75b及び85bは、NチャネルMOS電界効果トランジスターのソース/ドレイン領域を構成し、P型の不純物拡散領域95bは、バックゲートコンタクト領域を構成する。Pウエル65b上には、ゲート絶縁膜を介してゲート電極115bが配置されている。
Pウエル60には、P型の不純物拡散領域105が配置されている。P型の不純物拡散領域105は、基板コンタクト領域を構成する。P型の不純物拡散領域75a等の周囲には、フィールド酸化膜110が配置されている。以上により、CMOS電界効果トランジスターが構成される。
一方、LDMOS電界効果トランジスターが形成された素子領域(図2の右側)において、半導体装置は、下地基板10に配置されたN型の埋め込み拡散層16a及びP型の埋め込み拡散層16bを含んでいる。埋め込み拡散層16a及び16bの一部は、エピタキシャル層20に延在しても良い。
また、半導体装置は、N型の埋め込み拡散層16a上の所定の領域に配置された深いNウエル46と、Nウエル46に配置されたP型の不純物拡散領域56a及びN型の不純物拡散領域56bと、エピタキシャル層20においてNウエル46の外側に配置されたPウエル60とを含んでいる。
ここで、N型の埋め込み拡散層16aは、半導体層を構成するNウエル46よりも高い不純物濃度を有している。P型の不純物拡散領域56aは、LDMOS電界効果トランジスターのボディー領域を構成する。N型の不純物拡散領域56bは、LDMOS電界効果トランジスターにおいてドレイン領域とボディー領域との間で電流が流れるドリフト領域、又は、ドレイン領域の一部を構成する。なお、N型の不純物拡散領域56bを省略しても良い。
P型の不純物拡散領域56aには、N型の不純物拡散領域86、及び、P型の不純物拡散領域56aよりも高い不純物濃度を有するP型の不純物拡散領域96が配置されている。N型の不純物拡散領域86は、LDMOS電界効果トランジスターのソース領域を構成し、P型の不純物拡散領域96は、ボディーコンタクト領域を構成する。
N型の不純物拡散領域56bには、N型の不純物拡散領域56bよりも高い不純物濃度を有するN型の不純物拡散領域76が配置されている。N型の不純物拡散領域76は、LDMOS電界効果トランジスターのドレイン領域を構成する。Nウエル46上には、絶縁膜(ゲート絶縁膜又はフィールド酸化膜110)を介してゲート電極116が配置されている。
Pウエル60には、P型の不純物拡散領域106が配置されている。P型の不純物拡散領域106は、基板コンタクト領域を構成する。N型の不純物拡散領域76の周囲には、フィールド酸化膜110が配置されている。以上により、LDMOS電界効果トランジスターが構成される。
本実施形態において、図1に示すバーチカル型のNPNバイポーラトランジスターには、N型の埋め込み拡散層11a上でNウエル41を平面視で囲む比較的高濃度のNプラグ31が配置されており、バーチカル型のツェナーダイオードには、N型の埋め込み拡散層13a上でNウエル43を平面視で囲む比較的高濃度のNプラグ33が配置されている。
一方、図2に示すCMOS電界効果トランジスターやLDMOS電界効果トランジスターには、N型の埋め込み拡散層に接する比較的高濃度のNプラグが配置されていない。それにより、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置において、素子分離領域を縮小すると共に素子配置可能領域を拡大して、半導体装置の高集積化を実現することができる。
その場合に、図1に示すNプラグ31が、素子分離領域と、NPNバイポーラトランジスターのコレクター領域の一部とを兼ねるようにしても良い。また、図1に示すNプラグ33が、素子分離領域と、ツェナーダイオードのカソード領域の一部とを兼ねるようにしても良い。それにより、素子分離特性を維持しながら素子分離領域を縮小すると共に素子配置可能領域を拡大して、半導体装置の高集積化を実現することができる。
<製造方法>
次に、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置を製造することが可能であるが、以下においては、それらの回路素子の製造工程について、図3A〜図4Bを参照しながら説明する。なお、図3A〜図4Bに示した複数の異なる種類の回路素子の製造工程は、同一の下地基板10上で行われる。
図3A〜図4Bは、本発明の一実施形態に係る半導体装置に搭載される回路素子の第1及び第2の例の製造工程における断面図である。図3A及び図3Bの左側は、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターの製造工程を示しており、図3A及び図3Bの右側は、バーチカル型のツェナーダイオードの製造工程を示している。また、図4A及び図4Bの左側は、CMOS電界効果トランジスターの製造工程を示しており、図4A及び図4Bの右側は、LDMOS電界効果トランジスターの製造工程を示している。
まず、P型の下地基板(半導体基板)10として、例えば、P型不純物としてボロン(B)等を含むシリコン(Si)基板が用意される。フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、下地基板10の第1群の領域にアンチモン(Sb)若しくは燐(P)イオン等のN型不純物が同時に注入され、第2群の領域にボロン(B)イオン等のP型不純物が同時に注入される。その後、不純物を熱によって拡散することにより、図3A及び図4Aの(a)に示すように、N型の埋め込み拡散層11a〜16aが同時に形成されると共に、P型の埋め込み拡散層11b〜16bが同時に形成される。
次に、図3A及び図4Aの(b)に示すように、下地基板10上にP型又はN型のエピタキシャル層(半導体層)20がエピタキシャル成長によって形成される。以下においては、一例として、P型の下地基板10上にP型のエピタキシャル層20を形成する場合について説明する。その場合には、P型のエピタキシャル層20に配置される複数のNウエルが、トランジスター等の回路素子が形成される半導体層として用いられる。
一方、P型の下地基板10上にN型のエピタキシャル層20を形成する場合には、N型のエピタキシャル層20が、トランジスター等の回路素子が形成される半導体層として用いられる。その場合には、下地基板10に配置されるP型の埋め込み拡散層と、エピタキシャル層20の表面からP型の埋め込み拡散層まで延びるPウエルとによって、複数の回路素子が分離され、Nウエルは不要になる。
例えば、シリコン基板上にシリコン層をエピタキシャル成長させる際に、ボロン(B)等のP型不純物のガスを混合させることにより、所望の導電率(比抵抗)を有するP型のエピタキシャル層20を形成することができる。エピタキシャル層20の厚さは、例えば、4.5μm〜5μm程度である。
次に、図3A及び図4Aの(c)に示す工程において、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、エピタキシャル層20の複数の領域に、燐(P)イオン等のN型不純物が同時に注入される。例えば、燐イオンをシリコンエピタキシャル層に注入してNプラグを形成する場合には、ドーズ量が、2×1014atom/cm〜5×1014atom/cm程度とされる。
さらに、図3A及び図4Aの(d)に示す工程において、エピタキシャル層20に注入されたN型不純物を熱によって拡散することにより、N型不純物がN型の埋め込み拡散層11a〜16aに到達して、Nウエル41及び43と45及び46が同時に形成されると共に、Nプラグ31及び33が同時に形成される。
例えば、シリコンエピタキシャル層に注入された燐を拡散させる場合には、加熱温度が、1100℃〜1150℃程度とされる。その際に、埋め込み拡散層11a〜16a及び11b〜16bの一部が、不純物の熱拡散によってエピタキシャル層20に延在しても良い。
それにより、埋め込み拡散層11a及び13aと15a及び16a上の領域A1及びA3とA5及びA6に、半導体層としてNウエル41及び43と45及び46が同時に形成される。さらに、図3Aの(d)に示すように、N型の埋め込み拡散層11a上で領域A1を平面視で囲むNプラグ31が形成され、N型の埋め込み拡散層13a上で領域A3を平面視で囲むNプラグ33が形成される。一方、領域A5及びA6にはNプラグが形成されない。言い換えれば、領域A5及びA6は、Nプラグの形成禁止領域である。ここで、N型の埋め込み拡散層11a〜16a及びNプラグ31及び33は、半導体層を構成するNウエル41及び43と45及び46よりも高い不純物濃度を有している。
次に、図3A及び図4Aの(e)に示す工程において、例えば、LOCOS法によって、エピタキシャル層20の主面(図中の上面)の所定の領域に、フィールド酸化膜110が形成される。なお、フィールド酸化膜110の形成は、P型の不純物拡散領域56a(図4B)等を形成した後に行っても良い。
次に、図3B及び図4Bの(f)に示す工程において、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、Nウエル41及び46の一部の領域に、ボロン(B)イオン等のP型不純物が注入される。それにより、図3Bの(f)に示すように、Nウエル41にP型の不純物拡散領域(ベース領域)51が形成され、それと同時に、図4Bの(f)に示すように、Nウエル46にP型の不純物拡散領域(ボディー領域)56aが形成される。
また、図4Bの(f)に示す工程において、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、Nウエル46の他の一部の領域に、燐(P)イオン等のN型不純物が注入される。それにより、図4Bの(f)に示すように、Nウエル46にN型の不純物拡散領域(ドリフト領域又はドレイン領域)56bが形成される。
次に、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、深いNウエルの一部の領域に、燐(P)イオン等のN型不純物が注入される。それにより、図4Bの(g)に示すように、深いNウエル45に浅いNウエル65aが形成される。
また、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、エピタキシャル層20又は深いNウエルの他の一部の領域に、ボロン(B)イオン等のP型不純物が注入される。それにより、図3B及び図4Bの(g)に示すように、エピタキシャル層20に浅いPウエル60が形成される。それと同時に、図4Bの(g)に示すように、深いNウエル45に浅いPウエル65bが形成される。
次に、図3B及び図4Bの(h)に示す工程において、フォトリソグラフィー法によって形成されたマスクを用いて、Nウエル43の一部の領域に、燐(P)イオン等のN型不純物が注入される。それにより、図3Bの(h)に示すように、深いNウエル43にN型の不純物拡散領域73が形成される。
その際の注入条件として、例えば、燐イオンをシリコンエピタキシャル層に注入してN型の不純物拡散領域を形成する場合には、加速電圧が、100keV〜150keV程度とされ、ドーズ量が、2×1013atom/cm〜6×1013atom/cm程度とされる。それにより、7V〜10V程度の降伏電圧を有するツェナーダイオードのカソードを形成することができる。
次に、例えば、エピタキシャル層20の主面を熱酸化することによって、エピタキシャル層20の主面にゲート絶縁膜(図示せず)が形成される。それにより、図3Bの(i)に示すP型の不純物拡散領域51にゲート絶縁膜が形成される。それと同時に、図4Bの(i)に示すNウエル65a、Pウエル65b、及び、Nウエル46上にゲート絶縁膜が形成される。
さらに、ゲート絶縁膜上に電極又はゲート電極が形成される。それにより、図3Bの(i)に示すように、P型の不純物拡散領域51上にゲート絶縁膜を介して電極111が形成される。それと同時に、図4Bの(i)に示すように、Nウエル65a上にゲート絶縁膜を介してゲート電極115aが形成され、Pウエル65b上にゲート絶縁膜を介してゲート電極115bが形成され、Nウエル46上にゲート絶縁膜又はフィールド酸化膜110を介してゲート電極116が形成される。電極111、及び、ゲート電極115a、115b、及び、116は、例えば、不純物がドープされて導電性を有するポリシリコン等で形成される。
次に、図3B及び図4Bの(j)に示す工程において、各種のウエルや不純物拡散領域に、燐(P)イオン等のN型不純物が注入される。それにより、図3Bの(j)に示すように、P型の不純物拡散領域51にN型の不純物拡散領域71が形成され、Nプラグ31にN型の不純物拡散領域91が形成され、Nプラグ33にN型の不純物拡散領域93が形成される。
また、図4Bの(j)に示すように、Nウエル65aにN型の不純物拡散領域95aが形成され、Pウエル65bにN型の不純物拡散領域75b及び85bが形成され、P型の不純物拡散領域56aにN型の不純物拡散領域86が形成され、N型の不純物拡散領域56bにN型の不純物拡散領域76が形成される。
さらに、各種のウエルや不純物拡散領域に、ボロン(B)イオン等のP型不純物が注入される。それにより、図3B及び図4Bの(j)に示すように、Pウエル60にP型の不純物拡散領域101〜106がそれぞれ形成される。それと同時に、図3Bの(j)に示すように、P型の不純物拡散領域51にP型の不純物拡散領域81が形成される。
また、図3Bの(j)に示すように、少なくともN型の不純物拡散領域73上にP型の不純物拡散領域83が形成される。また、図4Bの(j)に示すように、Nウエル65aにP型の不純物拡散領域75a及び85aが形成され、Pウエル65bにP型の不純物拡散領域95bが形成され、P型の不純物拡散領域56aにP型の不純物拡散領域96が形成される。
不純物を注入する工程においては、フィールド酸化膜110、電極111、ゲート電極115a、115b、及び、116が、ハードマスクとして用いられる。以降の工程は、通常の半導体装置の製造工程と同様である。即ち、所定数の層間絶縁膜及び配線層が形成される。各々のコンタクト領域及びゲート電極上において、層間絶縁膜にコンタクトホールが形成され、アルミニウム(Al)等の配線又はタングステン(W)等のプラグが、コンタクト領域及びゲート電極に接続される。
本実施形態においては、図3A及び図3Bに示すように、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスターには、N型の埋め込み拡散層11a上でNウエル41を平面視で囲む比較的高濃度のNプラグ31が形成され、バーチカル型のツェナーダイオードには、N型の埋め込み拡散層13a上でNウエル43を平面視で囲む比較的高濃度のNプラグ33が形成される。
一方、図4A及び図4Bに示すように、CMOS電界効果トランジスターやLDMOS電界効果トランジスターには、N型の埋め込み拡散層に接する比較的高濃度のNプラグが形成されない。言い換えれば、領域A5及びA6は、第2の埋め込み拡散層に接する比較的高濃度の第2導電型の不純物拡散領域(プラグ)の形成(配置)禁止領域である。それにより、複数の異なる種類の回路素子を混載した半導体装置において、素子分離領域を縮小すると共に素子配置可能領域を拡大して、半導体装置の高集積化を実現することができる。
また、本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、複数の異なる種類の回路素子の主要な構成部分を同時に形成するので、製造工程をあまり増加させずに、異なる種類の回路素子を混載した半導体装置を製造することができる。例えば、バーチカル型のNPNバイポーラトランジスター及びLDMOS電界効果トランジスターの主要な構成部分を同時に形成することができる。あるいは、バーチカル型のツェナーダイオード及びLDMOS電界効果トランジスターの主要な構成部分を同時に形成することができる。
上記の実施形態においてはP型の半導体基板を用いる場合について説明したが、N型の半導体基板を用いても良い。その場合には、他の構成部分においてP型とN型とを逆にすれば良い。このように、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
10…下地基板、11a〜16a…N型の埋め込み拡散層、11b〜16b…P型の埋め込み拡散層、20…エピタキシャル層、31、33…Nプラグ、41、43、45、46…Nウエル、51、56a…P型の不純物拡散領域、56b…N型の不純物拡散領域、60、65b…Pウエル、65a…Nウエル、71、73、75b、76、85b、86、91、93、95a…N型の不純物拡散領域、75a、81、83、85a、95b、96、101〜106…P型の不純物拡散領域、110…フィールド酸化膜、111…電極、115a〜116…ゲート電極。

Claims (6)

  1. 第1導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板に配置された第2導電型の第1及び第2の埋め込み拡散層と、
    前記第1の埋め込み拡散層上の第1の領域に配置され、前記第1の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第1の半導体層と、
    前記第2の埋め込み拡散層上の第2の領域に配置され、前記第2の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第2の半導体層と、
    前記第1の埋め込み拡散層上で前記第1の領域を平面視で囲み、前記第1の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の第1の不純物拡散領域と、
    前記第2の半導体層に配置された第1導電型の第2の不純物拡散領域と、
    前記第2の半導体層に配置された第2導電型の第3の不純物拡散領域と、
    前記第1の半導体層に配置された第2導電型の第4の不純物拡散領域と、
    前記第2の半導体層上に絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、
    前記第2の不純物拡散領域に配置された第2導電型の第5の不純物拡散領域と、
    少なくとも前記第4の不純物拡散領域上に配置された第1導電型の第6の不純物拡散領域と、
    を備え、前記第2領域は、前記第2の埋め込み拡散層に接し且つ前記第2の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の不純物拡散領域の配置禁止領域である、半導体装置。
  2. 前記第1の不純物拡散領域が、素子分離領域と、ツェナーダイオードのカソード又はアノード領域の一部とを兼ねる、請求項1記載の半導体装置。
  3. 第1導電型の半導体基板と、
    前記半導体基板に配置された第2導電型の第1及び第2の埋め込み拡散層と、
    前記第1の埋め込み拡散層上の第1の領域に配置され、前記第1の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第1の半導体層と、
    前記第2の埋め込み拡散層上の第2の領域に配置され、前記第2の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第2の半導体層と、
    前記第1の埋め込み拡散層上で前記第1の領域を平面視で囲み、前記第1の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の第1の不純物拡散領域と、
    前記第1の半導体層に配置された第1導電型の第2の不純物拡散領域と、
    前記第2の半導体層に配置された第1導電型の第3の不純物拡散領域と、
    前記第2の半導体層に配置された第2導電型の第4の不純物拡散領域と、
    前記第2の半導体層上に絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、
    前記第2の不純物拡散領域に配置された第2導電型の第5の不純物拡散領域と、
    前記第3の不純物拡散領域に配置された第2導電型の第6の不純物拡散領域と、
    を備え、前記第2の領域は、前記第2の埋め込み拡散層に接し且つ前記第2の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の不純物拡散領域の配置禁止領域である、半導体装置。
  4. 前記第1の不純物拡散領域が、素子分離領域と、バイポーラトランジスターのコレクター領域の一部とを兼ねる、請求項3記載の半導体装置。
  5. 第1導電型の半導体基板に第2導電型の第1及び第2の埋め込み拡散層を同時に形成する工程と、
    前記第1の埋め込み拡散層上の第1の領域に、前記第1の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第1の半導体層を形成し、同時に、前記第2の埋め込み拡散層上の第2の領域に、前記第2の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第2の半導体層を形成する工程と、
    前記第1の埋め込み拡散層上で前記第1の領域を平面視で囲み、前記第1の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の第1の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記第2の半導体層に第1導電型の第2の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記第2の半導体層に第2導電型の第3の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記第1の半導体層に第2導電型の第4の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記第2の半導体層上に絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
    前記第2の不純物拡散領域に第2導電型の第5の不純物拡散領域を形成する工程と、
    少なくとも前記第4の不純物拡散領域上に第1導電型の第6の不純物拡散領域を形成する工程と、
    を備え、前記第2領域は、前記第2の埋め込み拡散層に接し且つ前記第2の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の不純物拡散領域の形成禁止領域である、半導体装置の製造方法。
  6. 第1導電型の半導体基板に第2導電型の第1及び第2の埋め込み拡散層を同時に形成する工程と、
    前記第1の埋め込み拡散層上の第1の領域に、前記第1の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第1の半導体層を形成し、同時に、前記第2の埋め込み拡散層上の第2の領域に、前記第2の埋め込み拡散層よりも低い不純物濃度を有する第2導電型の第2の半導体層を形成する工程と、
    前記第1の埋め込み拡散層上で前記第1の領域を平面視で囲み、前記第1の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の第1の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記第1の半導体層に第1導電型の第2の不純物拡散領域を形成し、同時に、前記第2の半導体層に第1導電型の第3の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記第2の半導体層に第2導電型の第4の不純物拡散領域を形成する工程と、
    前記第2の半導体層上に絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
    前記第2の不純物拡散領域に第2導電型の第5の不純物拡散領域を形成し、同時に、前記第3の不純物拡散領域に第2導電型の第6の不純物拡散領域を形成する工程と、
    を備え、前記第2領域は、前記第2の埋め込み拡散層に接し且つ前記第2の半導体層よりも高い不純物濃度を有する第2導電型の不純物拡散領域の形成禁止領域である、半導体装置の製造方法。
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