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JP4291429B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP4291429B2
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に半導体装置に関し、特に半導体基板上に半導体層をエピタキシャル成長させた、いわゆるエピタキシャル基板を有する半導体装置の製造方法に関する。
微細化技術の進歩により、半導体装置の微細化は年々進行しているが、最近のいわゆるサブハーフミクロンデバイスでは、市販されている高品質Si基板に含まれる低密度の結晶欠陥でさえも動作に悪影響をおよぼすので、かかるSi基板上にSi層をエピタキシャルに成長し、その上に半導体装置を形成するようになりつつある。
【0002】
特に従来のSi基板では、CMOS素子を形成した場合に、基板中にCMOS素子の拡散領域を含む寄生サイリスタが形成されるのが避けられないが、かかる寄生サイリスタは雑音等により容易にラッチアップしてしまい、半導体装置の正常な動作が妨げられる。かかるラッチアップは、基板上の拡散領域が近接して形成される微細化された半導体装置において特に顕著に現れるが、前記エピタキシャル基板を使うと、かかるラッチアップの問題を効果的に抑止することが可能になる。また、エピタキシャル基板を使うことにより、形成される半導体装置のリーク電流特性も大きく向上する。
【0003】
【従来の技術】
図1は、かかるエピタキシャル基板による、CMOS集積回路のラッチアップの防止の原理を示す。
図1を参照するに、p+ 型のSi基板1上にはp型のSi層1Aがエピタキシャルに形成され、前記Si層1A上にはnチャネルMOSトランジスタT1 のソース領域あるいはドレイン領域となる拡散領域3および5が形成される。さらに前記Si層1A中には前記nチャネルMOSトランジスタT1 に隣接してn型ウェル2が形成され、前記ウェル2中にはpチャネルMOSトランジスタT2 のソース領域あるいはドレイン領域となる拡散領域4および6が形成される。
【0004】
さらに、図1のCMOS集積回路では、前記MOSトランジスタT1 のチャネル領域に対応して、Siエピタキシャル層1A上にゲート絶縁膜7とゲート電極9とが形成され、さらに前記n型ウェル2上には、前記MOSトランジスタT2 のチャネル領域に対応して、ゲート絶縁膜8とゲート電極10とが形成される。さらに、前記Siエピタキシャル層1Aおよび前記n型ウェル2の電位を安定化するため、前記層1A中およびウェル2中には、それぞれp+ 型拡散領域11およびn+ 型拡散領域12が形成される。
【0005】
かかる構成では、p型Siエピタキシャル層1A自体をベース、n+ 型拡散領域3をエミッタ、nウェル2をコレクタとする寄生npnバイポーラトランジスタ13と、n型ウェル2自体をベース、p+ 型拡散領域4をエミッタ、p型Siエピタキシャル層1Aをコレクタとする寄生pnpバイポーラトランジスタ14とよりなる寄生サイリスタが形成されるが、Si層1Aの下に低抵抗のp+ 型Si基板1を配設することにより、トランジスタ13のベース−エミッタ間の抵抗R1が減少し、トランジスタ13、従って寄生サイリスタがオンしにくくなる。これは、前記低抵抗Si基板1が、トランジスタ13のベースとエミッタとの間に、低抵抗の電流路を形成するためである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
一方、一般に半導体集積回路では、電圧サージが内部素子に印加されこれが静電破壊するのを防止するために、基板の一部に保護回路を形成することが多い。かかる保護回路は一般に入出力パッド近傍に形成されることが多いが、エピタキシャル基板上に形成された半導体集積回路では、エピタキシャル層の下に低抵抗Si基板が存在する場合には、電圧サージが印加されても前記保護回路がオンしにくく、このため内部素子に電荷が蓄積されやすい。かかる電荷は局所的に放電し、熱破壊を生じる。
【0007】
図2は、従来の半導体集積回路で使われている保護回路を、図1のエピタキシャル基板に適用した例を示す。ただし、図2中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図2を参照するに、前記p- 型Siエピタキシャル層1A中にはp型ウェル21が形成され、前記p型ウェル21中には、外部端子20にライン20aを介して接続されたn+ 型拡散領域21Aと、別のn+ 型拡散領域21Bとが、間にフィールド酸化膜22を挟んで形成され、前記拡散領域21Bは接地される。さらに、前記p型ウェル21中にはウェル21の電位を接地電位に保持するため、接地されたp型拡散領域21Cが形成される。前記外部端子20に入来した信号は、いったんライン20aを介して前記拡散領域21Aに到達した後、図示を省略した内部回路に、別のライン20bを介して伝達される。前記内部回路は、例えば図1に示すCMOS回路であってもよい。
【0008】
図2の保護回路では、p型ウェル21中に、n+ 型拡散領域21Bをエミッタ、n+ 型拡散領域21Aをコレクタとするラテラルバイポーラトランジスタ21aが形成されるが、前記外部端子20にに大きな正のサージが印加されると前記ラテラルバイポーラトランジスタ21aは導通し、前記サージを接地に逃がす。一方、前記外部端子に大きな負のサージが印加されると、前記n+ 型拡散領域21Aとp型ウェル21との間のpn接合は順方向バイアスされ、サージは拡散領域21Aからウェル21を通り、さらに拡散領域21Cを通って接地へと逃がされる。
【0009】
一方、このようにエピタキシャル基板上に図2の保護回路を形成した場合、内部回路を構成する半導体装置のESD(electrostatic discharge)が著しく劣化することが見出された。
これは、図3に示すように、前記エピタキシャル層1A上に半導体集積回路を形成する際に、熱処理の結果高濃度にドープされた低抵抗基板1からp型ドーパントがエピタキシャル層1Aに拡散し、その結果エピタキシャル層1A中の不純物濃度が増大することに起因すると考えられる。すなわち、前記エピタキシャル層1A中の不純物濃度が増大するとエピタキシャル層1Aの抵抗値が減少し、前記ラテラルバイポーラトランジスタ21aのベースとエミッタとは接続された状態に近くなる。このため、前記外部端子20に大きな正電圧サージが印加されてもトランジスタ21aのターンオンは生じにくくなり、サージは散逸されることなく保護回路および内部回路に印加され、これを静電破壊する。さらに、サージに伴う電荷は前記拡散領域21Aに蓄積され、ラテラルトランジスタ21aを破壊する。また、前記外部端子20に大きな負電圧サージが印加された場合には、前記pウェル21が低抵抗であるため大電流が前記pウェル21を流れ、そのジュール熱により保護回路が破壊される。
【0010】
図4は、Bでドープされたp+ 型のSi基板上に厚さが2ミクロンのp型Siエピタキシャル層を形成したエピタキシャル基板を、1000°Cで30分間熱処理した場合の、前記Si基板からエピタキシャル層へのBの拡散を示す。
図4を参照するに、Si基板にはBが約1×1019cm-3の濃度で導入されており、一方前記Si基板上のエピタキシャル層は実質的に非ドープで、形成直後のB濃度は約1×1015cm-3以下であるが、熱処理前にはSi基板とエピタキシャル層との界面で非常に急峻であったBの濃度変化が、熱処理後にはBの熱拡散の結果なだらかになり、実質的な量のBがエピタキシャル層中に拡散していることがわかる。図示の例では、B濃度が1×1019cm-3の領域が前記エピタキシャル層中に約1ミクロン侵入していることがわかる。
【0011】
図5は、図2のエピタキシャル基板において、エピタキシャル層1Aの厚さを様々に変化させながら、エピタキシャル層1A中のp型ウェル21の抵抗値を測定した結果を示す。
図5を参照するに、BULKと記載している単純なp型Si基板を前記p型ウェル21として使った場合、換言すると前記p型エピタキシャル層1Aの厚さが無限大とみなされる場合には、前記p型ウェル21の抵抗値は約3500Ωであったのに対し、エピタキシャル層1Aの厚さが減少するにつれて前記p型ウェル21の抵抗値は減少し、厚さが2ミクロン程度になると100Ω以下に低下してしまうが、これは、図4で説明したような、前記p+ 型Si基板1からの実質的なBの拡散が生じていることを示している。
【0012】
図6は、図2のエピタキシャル基板において、保護回路が静電破壊される電圧とp型エピタキシャル層1Aの厚さとの関係を示す。ただし、図6の静電破壊試験は、容量が200pFのキャパシタに正あるいは負のサージ電圧を蓄積し、これを0.5秒間隔で5回前記保護回路に印加し、その後生じているリーク電流を測定することにより行った。
【0013】
図6を参照するに、静電破壊が生じる電圧(failure voltage) は、正および負のサージ電圧のいずれに対しても、前記エピタキシャル層1Aの厚さが減少するにつれて減少し、エピタキシャル層1Aの厚さが2μmの場合200V程度にまで低下してしまうことがわかる。このことからも、図4で説明した、p+ 型Si基板1からのBのエピタキシャル層1Aへの拡散が、エピタキシャル基板上に形成される半導体集積回路の動作に深刻な影響を及ぼすことがわかる。
【0014】
そこで、本発明は、上記の課題を解決した、新規で有用な半導体装置およびその製造方法を提供することを概括的課題とする。
本発明のより具体的な課題は、高濃度基板上に低濃度エピタキシャル層を形成したエピタキシャル基板において、前記高濃度基板と前記低濃度エピタキシャル層との界面近傍に高抵抗領域を形成し、前記エピタキシャル基板上に形成されるサージ保護回路を確実に動作させることにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を、第1の不純物元素を第1の濃度で含む基板と、前記基板上に形成され、前記第1の不純物元素を前記第1の濃度よりも低い第2の濃度で含むエピタキシャル層とよりなるエピタキシャル基板上への半導体装置の製造方法において、前記エピタキシャル基板中、前記基板と前記エピタキシャル層との界面近傍の領域に、前記第1の不純物元素とは逆導電型の第2の不純物元素を、イオン注入により導入し、高抵抗領域を形成する工程を含み、前記エピタキシャル層中には、サージ電流が入来した場合にターンオンし、サージ電流を接地へと逃がす静電破壊防止用の保護回路が形成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法により、解決する。
【0016】
図7を参照するに、本発明では、前記高濃度ドープ基板1とその上の低濃度ドープエピタキシャル層1Aとの界面近傍に高抵抗層1Bを形成し、図2で説明した静電破壊防止用保護回路が形成されるp型ウェル21は、前記高抵抗層1B上に形成される。かかる構成により、前記p型ウェル21中に形成される保護回路はサージ電流が入来した場合に容易にターンオンし、サージ電流は直ちに接地へと逃がされる。このため、半導体集積回路の内部回路、さらには保護回路自体がサージ電流に伴うサージ電圧により破壊されることがなくなる。
【0017】
前記高抵抗層1Bは、例えば前記エピタキシャル基板中の、前記高濃度ドープ基板1とエピタキシャル層1Aとの界面近傍に、前記高濃度ドープ基板1中の不純物元素により形成されるキャリアを打ち消すに十分な量の、あるいは導電型を反転させるに十分な量の、反対導電型の不純物元素をイオン注入により導入することにより、形成できる。
【0018】
さらに、前記高抵抗層1Bは、図7中に矢印で示した、前記高濃度ドープ基板1から前記エピタキシャル層1Aに至る不純物元素、今の場合にはB、の拡散を遮断する拡散障壁層により形成してもよい。この場合にも、前記エピタキシャル層1Aの抵抗値の減少が抑止され、保護回路の正常な動作が保証される。さらに、前記高抵抗層1Bは、前記基板1とエピタキシャル層1Aの界面に、基板1と導電型が反転する領域をエピタキシャル成長することにより、形成してもよい。
【0019】
前記高抵抗層1Bは、前記保護回路の直下に局所的に形成するのが好ましい。
図8は、図7の高抵抗層1BをPのイオン注入により形成した場合の、エピタキシャル基板中におけるPの深さ方向への濃度分布を示す図である。ただし、先に説明した図4の場合と同様に、エピタキシャル層1Aの厚さは2μmとしている。
【0020】
図8を参照するに、Si基板1中には、先に図4で説明したように、Bが1×1019cm-3の濃度で含まれるが、Pのイオン注入を、約1.5MeVの加速エネルギと約1×1013cm-2のドーズ量で、イオン入射角を垂直方向から2°傾斜させて行うことにより、1000°C,30分間の熱拡散工程の後、図8に示すように、前記Si基板1とエピタキシャル層1Aとの界面よりやや浅いところにPの濃度分布のピークが位置し、前記ピークにおけるPの濃度は約2×1017cm-3になることがわかる。このPの濃度は、Si基板1中におけるBの濃度、1×1019cm-3よりは低いものの、同じ深さにおける、基板1から拡散したBの濃度とほぼ同じ濃度である。
【0021】
図9は、図8のPを深くドープしたエピタキシャル基板中におけるホール濃度の深さ方向へのプロファイルを示す。
図9を参照するに、前記Si基板1とエピタキシャル層1Aとの界面よりやや上の、前記イオン注入されたPの濃度が基板1から拡散したBの濃度を上回る領域、すなわち図7の高抵抗層1Bに対応する領域において、ホールの著しい枯渇が生じていることがわかる。
【0022】
図8のイオン注入工程において、導入されるPのドーズ量をさらに増大させてもよい。この場合には、前記高抵抗層1Bにおいて導電型が反転し、高抵抗層1Bがn型になるが、その下のp+ 型Si基板1との間に形成されるpn接合に伴う空乏層が高抵抗層として機能する。
ところで、図8のイオン注入工程では、Pのドーズ量を、エピタキシャル基板の表面、すなわちエピタキシャル層1Aの表面におけるp型ウェルの導電型が変化しないように、前記表面におけるPの濃度が約1×1014cm-2になるように設定しているが、これは必須の事項ではない。Pのドーズ量をさらに増大させて、エピタキシャル層1A表面の導電型が変化した場合には、改めて所定の導電型をウェルを形成すればよい。
【0023】
また、先に説明したように、前記高抵抗層1Bを、基板1からの不純物元素の拡散を遮断する拡散障壁により形成してもよい。
図10は、前記Si基板1としてPで高濃度にドープされたn+ 型Si基板を使い、前記n+ 型Si基板1上にp型のSiエピタキシャル層を前記エピタキシャル層1Aとして形成する構成のエピタキシャル基板において、前記高抵抗層1Bとして厚さが約
0.05μmのSiN層を形成し、1000°Cで30分間の熱処理した後の、エピタキシャル基板の深さ方向へのPおよびBの濃度分布プロファイルを示す。
【0024】
図10を参照するに、n+ 型Si基板はPにより、約3×1014cm-3の濃度にドープされているが、前記Si基板1上に前記SiN層1Bを約0.05μmの厚さに形成するだけで、前記エピタキシャル層1A中へのPの拡散は実質的に完全に抑止されるのがわかる。また、エピタキシャル層1AからSi基板1中へのBの拡散も実質的に完全に抑止されている。このように、前記高抵抗層1Bは効果的な拡散障壁として機能する。
【0025】
これに対し、図11は、同じn+ 型Si基板1上にp型のSiエピタキシャル層1Aを、間に高抵抗層1Bを形成することなく形成し、これを1000°Cで30分間熱処理した場合のPとBの濃度分布を示す。
図11を参照するに、前記エピタキシャル層1A中には、Si基板1からの実質的な量のPの拡散が生じ、またSi基板1中へも、エピタキシャル層1Aからの実質的な量のBの拡散が生じていることがわかる。このようなエピタキシャル層1A中に静電破壊防止用の保護回路を形成した場合、先に説明したように保護回路は機能せず、エピタキシャル基板上に形成される内部回路および保護回路自体も、サージ電流に伴うサージ電圧により損傷する。
【0026】
図12は、図10の構成のエピタキシャル基板において、前記SiN層のかわりに前記高抵抗層1Bとして、厚さが同じく約0.05μmのSiO2 層を形成した場合の、エピタキシャル基板中における深さ方向へのPおよびBの濃度分布を示す。
図12を参照するに、前記高抵抗層1BとしてSiO2 層を使った場合にも、Si基板1からのエピタキシャル層1AへのPの拡散およびエピタキシャル層1AからのSi基板1へのBの拡散が、効果的に抑止される。
【0027】
【発明の実施の形態】
[第1実施例]
図13は、本発明の第1実施例による半導体装置の構成を示す。
図13を参照するに、Bを約1×1019cm-3の高濃度にドープされたp+ 型のSi基板31は約0.01Ω・cmの非常に低い比抵抗値を有するが、本実施例による半導体装置は、かかる低抵抗Si基板31上に、比抵抗値が約10Ω・cmの、Bを低濃度ドープしたp- 型エピタキシャルSi層31Aを約5μmの厚さに形成したエピタキシャル基板上に形成される。
【0028】
前記p- 型エピタキシャルSi層31A上にはp型ウェル41が形成され、前記p型ウェル41中にはn+ 型の拡散領域41Aおよび41Bが、間にフィールド酸化膜42を挟んで形成される。さらに、前記p型ウェル41中にはp型拡散領域41Cが形成され、前記n+ 型拡散領域41Bおよびp型拡散領域41Cは接地される。すなわち、前記p型ウェル41中には、図2で説明したのと同様な、静電破壊防止用の保護回路が形成される。
【0029】
一方、前記n+ 型拡散領域41Aは、導体パターン43aを介して外部端子43に接続され、さらに導体パターン43bを介して、例えば図1に示したCMOS回路等を含む内部回路に接続される。
本実施例の半導体装置では、前記エピタキシャル基板を構成する前記低抵抗Si基板31上には、前記拡散領域41の直下に、厚さが約0.1μmのSiNパターン31Bが形成され、さらにそれを覆うように厚さが約0.1μmのSiO2 パターン31Cが、先に図7で説明した高抵抗層1Bとして形成される。前記パターン31Bおよび31Cはそれ自体高抵抗であり、さらに図13中に矢印で示したSi基板31からエピタキシャル層31AへのBの拡散を、効果的に抑止する。
【0030】
前記SiNパターン31BおよびSiO2 パターン31Cは通常のCVD法により形成され、前記p- 型エピタキシャル層31Aは、横方向へのSi層のエピタキシャル成長(ELO:epitaxial lateral Overgrowth) により形成される。より具体的には、前記Si基板31上にSiNパターン31BおよびSiO2 パターン31Cを形成した後、前記Si基板31上に、CVD法により、Bを1×1014cm-3程度含むp- 型のSi層をエピタキシャルに形成する。その際、前記エピタキシャルSi層は前記SiO2 パターン31C上には堆積しないが、前記エピタキシャルSi層を前記SiO2 パターン31Cの厚さを超えて成長させることにより、エピタキシャルSi層中には前記SiO2 パターン31Cを囲む凹部が形成される。そこで、かかる凹部を画成する側壁面から側方にさらに前記Si層をエピタキシャルに成長させ、表面を平坦化することにより、前記SiO2 パターン31Cを覆うエピタキシャル層31Aが形成される。
【0031】
図14(A)〜(C)は、本発明の第1実施例による半導体装置の様々な変形例を示す。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図14(A)を参照するに、前記p+ 型Si基板31中には、前記p型ウェル41に対応して高融点金属のシリサイド、例えばCoSi2 よりなる拡散障壁層31Dが形成され、その上に高抵抗SiO2 パターン31Eが形成される。図14(A)の構成では、Si基板31からのエピタキシャル層31AへのBの拡散が前記拡散障壁層31Dにより阻止され、一方保護回路が形成されるp型ウェル41直下の低抵抗電流路がSiO2 パターン31Eのより遮断される。
【0032】
図14(B)の変形例は、図14(A)の構成において、低抵抗シリサイド層31Dを省略した構成を有し、SiO2 パターン31Eが拡散障壁層と低抵抗層の機能を兼ねる。前記シリサイド層31Dとしては、CoSi2 の他にも、TiSi2 ,MoSi2 ,WSi2 等が可能である。
さらに、図14(C)の変形例では、前記p+ 型Si基板31上に、前記p型ウェル41に対応してPあるいはAsで高濃度にドープされたn+ 型Siパターン31Fが形成され、前記エピタキシャル層31Aは前記Siパターン31Fを覆うように形成される。
【0033】
図14(C)の構成では、前記n+ 型Siパターン31Fは不純物元素の拡散領域としては機能しないが、隣接するp+ 型基板31あるいはp- 型エピタキシャル層31Aとの間に、pn接合に伴う高抵抗の空乏層を形成する。また、前記n+ 型領域31Fからも、熱処理に伴い基板表面に向かうn型不純物元素の拡散が生じるが、かかるn型不純物元素は、基板31から拡散するp型不純物元素によりエピタキシャル層31A中に生じるドーピングを中和するように作用し、その結果、前記n+ 型領域31Fにおおよそ重畳して、キャリア濃度の低い高抵抗領域が形成される。
【0034】
かかる構成でも、p型ウェル41中に形成された保護回路の正常な動作が保証される。
[第2実施例]
図15(A)〜(C)は、本発明の第2実施例による半導体装置の製造工程を示す。ただし、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【0035】
図15(A)を参照するに、前記p+ 型基板31上のp- 型エピタキシャル層31Aは典型的には2μmの厚さを有し、前記エピタキシャル層31A上には開口部51Aを形成されたレジストパターン51が、典型的には2.5〜2.6μmの厚さに形成される。レジストパターンとしては、膜厚を増加させてもパターンを安定に保持できるものが好ましく、例えば住友化学(株)より市販されているPF147B(商品名)、あるいは日本合成ゴム(株)より市販されているPFR7300(商品名)系のものが好都合である。
【0036】
次に、図15(B)の工程で、前記レジストパターン51をマスクに、Pを典型的には1.5MeVの加速エネルギと約1×1013cm-2程度のドーズ量でイオン注入し、前記p- 型エピタキシャル層31A中、前記層31Aとその下のSi基板31との界面近傍に、Pを導入する。このような高エネルギでイオン注入を行う装置としては、例えばジ−ナス社製のG1520(商品名)型イオン注入装置を使うことができる。
【0037】
さらに、図15(C)の工程で、レジストパターン51を除去し、さらに典型的には1000°Cで30分程度熱処理の後、前記層31Aと基板31との界面近傍のやや浅い位置に、先に図9で説明した高抵抗領域に対応する高抵抗領域31Hが形成される。また、図15(B)の工程で、前記レジストパターン51をマスクに、前記エピタキシャル層31Aの表面近傍にBをイオン注入しておくことにより、図15(C)の熱処理工程を行うことにより、同時にp型ウェル41を形成することが可能になる。
【0038】
先にも図8,9に関連して説明したように、図15(B)の工程におけるPのイオン注入は、そのドーズ量を、前記高抵抗領域31Hにおいて、基板31から層31Aに拡散するBに起因するホールの形成が実質的に補償されるような値に設定して行われる。その際、前記ドーズ量は、前記ホールの形成が過剰に補償され、前記高抵抗領域31Hに対応してn型あるいはn+ 型領域が形成されるように設定してもよい。この場合、形成されたn型あるいはn+ 型領域が隣接するp- 型エピタキシャル層31Aあるいはp+ 型基板31との間に空乏層を形成するため、いずれにせよ高抵抗領域が形成される。また、前記ドーズ量が小さく前記ホール形成を補償するには不十分な場合でも、前記p型ウェル41直下の領域においてエピタキシャル層31Aの抵抗値を減少させる効果は得られる。
【0039】
本実施例では、前記高抵抗領域31Hを、エピタキシャル基板の製造後に、必要に応じて形成することができる。また、高抵抗領域31Hを形成するに当たり、LEO 等の工程は必要ない。
本発明の第1および第2の実施例において、先に図10〜12で説明したように、導電型をp型とn型で入れ替えても、本発明は成立する。
【0040】
さらに、本発明において、保護回路は図13に示すものに限定されるものではなく、例えば図16に示すものを使うことができる。ただし、図16中先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図16を参照するに、図示の保護回路は、図13の保護回路においてフィールド酸化膜42をゲート絶縁膜42Aおよびゲート電極42Bにより構成し、前記ゲート電極42Bを拡散領域41Bと共に接地するようにしてもよい。
【0041】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【0042】
【発明の効果】
請求項1〜7記載の本発明の特徴によれば、高濃度ドープ基板と、前記高濃度ドープ基板上に形成された低濃度ドープエピタキシャル層とよりなるエピタキシャル基板において、前記高濃度ドープ基板と低濃度エピタキシャル層との境界面近傍に、前記高濃度ドープ基板とは逆導電型の不純物元素を導入することにより、前記界面近傍に高抵抗領域が形成され、前記低濃度エピタキシャル層中に形成される保護回路が電圧サージに対して確実に動作するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】エピタキシャル基板を使った従来のCMOS集積回路におけるラッチアップを説明する図である。
【図2】従来のエピタキシャル基板上に形成された集積回路の保護回路の構成を示す図である。
【図3】従来のエピタキシャル基板において生じる問題点を説明する図である。
【図4】従来のエピタキシャル基板において生じる、高濃度ドープ基板から低濃度ドープエピタキシャル層への不純物元素の拡散の問題を示す図である。
【図5】従来のエピタキシャル基板において生じる不純物元素の拡散に伴い生じる問題を説明する図(その1)である。
【図6】従来のエピタキシャル基板において生じる不純物元素の拡散に伴い生じる問題を説明する図(その2)である。
【図7】本発明の原理を説明する図(その1)である。
【図8】本発明の原理を説明する図(その2)である。
【図9】本発明の原理を説明する図(その3)である。
【図10】本発明の原理を説明する図(その4)である。
【図11】本発明の原理を説明する図(その5)である。
【図12】本発明の原理を説明する図(その6)である。
【図13】本発明の第1実施例による半導体装置の構成を示す図である。
【図14】(A)〜(C)は、本発明の第1実施例の変形例を示す図である。
【図15】(A)〜(C)は、本発明の第2実施例による半導体装置の製造方法を示す図である。
【図16】本発明に適用可能な別の保護回路を備えた半導体装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
1,31 高濃度ドープ基板
1A,31A エピタキシャル層
1B,31H 高抵抗領域
2 n型ウェル
3,5,12,21A,21B,41A,41B n+ 型拡散領域
4,6,11,21C,41C p+ 型拡散領域
7,8,42A ゲート絶縁膜
9,10,42B ゲート電極
13,14 寄生バイポーラトランジスタ
20,43 外部端子
20a,20b,43a,43b 導体パターン
21 p型ウェル
21a ラテラルバイポーラトランジスタ
22 フィールド絶縁膜
31B SiNパターン
31C,31E SiO2 パターン
31D 高融点シリサイドパターン
31F n+ 型パターン
31G 注入Pイオン
31H 高抵抗領域
51 レジストパターン
51A 開口部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention generally relates to semiconductor devices, and more particularly to a method of manufacturing a semiconductor device having a so-called epitaxial substrate in which a semiconductor layer is epitaxially grown on a semiconductor substrate.
Due to advances in miniaturization technology, miniaturization of semiconductor devices is progressing year by year. However, in recent so-called sub-half-micron devices, even low-density crystal defects contained in commercially available high-quality Si substrates can operate. Since an adverse effect is exerted, a Si layer is epitaxially grown on such a Si substrate, and a semiconductor device is being formed thereon.
[0002]
In particular, in a conventional Si substrate, when a CMOS device is formed, it is inevitable that a parasitic thyristor including a diffusion region of the CMOS device is formed in the substrate. However, such a parasitic thyristor is easily latched up by noise or the like. As a result, the normal operation of the semiconductor device is hindered. Such latch-up appears particularly prominently in a miniaturized semiconductor device in which diffusion regions on a substrate are formed close to each other. However, when the epitaxial substrate is used, the latch-up problem can be effectively suppressed. It becomes possible. Further, by using the epitaxial substrate, the leakage current characteristics of the formed semiconductor device are greatly improved.
[0003]
[Prior art]
FIG. 1 shows the principle of preventing latch-up of a CMOS integrated circuit using such an epitaxial substrate.
Referring to FIG. + A p-type Si layer 1A is epitaxially formed on the Si substrate 1 and an n-channel MOS transistor T is formed on the Si layer 1A. 1 Diffusion regions 3 and 5 to be source regions or drain regions are formed. Further, the n-channel MOS transistor T is included in the Si layer 1A. 1 An n-type well 2 is formed adjacent to the p-channel MOS transistor T in the well 2. 2 Diffusion regions 4 and 6 to be source regions or drain regions are formed.
[0004]
Further, in the CMOS integrated circuit of FIG. 1, the MOS transistor T 1 Corresponding to the channel region, a gate insulating film 7 and a gate electrode 9 are formed on the Si epitaxial layer 1A, and further, on the n-type well 2, the MOS transistor T 2 A gate insulating film 8 and a gate electrode 10 are formed corresponding to the channel region. Further, in order to stabilize the potentials of the Si epitaxial layer 1A and the n-type well 2, the layers 1A and 2 have p + Mold diffusion region 11 and n + A mold diffusion region 12 is formed.
[0005]
In such a configuration, the p-type Si epitaxial layer 1A itself is a base, n + A parasitic npn bipolar transistor 13 having a type diffusion region 3 as an emitter and an n well 2 as a collector, and the n type well 2 itself as a base, p + A parasitic thyristor composed of a parasitic pnp bipolar transistor 14 having a type diffusion region 4 as an emitter and a p-type Si epitaxial layer 1A as a collector is formed. A low resistance p is formed under the Si layer 1A. + By providing the type Si substrate 1, the resistance R1 between the base and the emitter of the transistor 13 is reduced, and the transistor 13 and therefore the parasitic thyristor is hardly turned on. This is because the low resistance Si substrate 1 forms a low resistance current path between the base and emitter of the transistor 13.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, in general, in a semiconductor integrated circuit, a protection circuit is often formed on a part of a substrate in order to prevent a voltage surge from being applied to an internal element and electrostatic breakdown. In general, such a protection circuit is often formed near the input / output pad. However, in a semiconductor integrated circuit formed on an epitaxial substrate, a voltage surge is applied when a low-resistance Si substrate exists under the epitaxial layer. Even if this is done, the protection circuit is difficult to turn on, and charges are likely to accumulate in the internal elements. Such charge is locally discharged and causes thermal destruction.
[0007]
FIG. 2 shows an example in which a protection circuit used in a conventional semiconductor integrated circuit is applied to the epitaxial substrate of FIG. However, in FIG. 2, the same reference numerals are assigned to portions corresponding to the portions described above, and description thereof is omitted.
Referring to FIG. - A p-type well 21 is formed in the p-type Si epitaxial layer 1A. In the p-type well 21, n connected to the external terminal 20 via a line 20a is formed. + Mold diffusion region 21A and another n + A mold diffusion region 21B is formed with a field oxide film 22 interposed therebetween, and the diffusion region 21B is grounded. Further, a grounded p-type diffusion region 21C is formed in the p-type well 21 in order to keep the potential of the well 21 at the ground potential. A signal that has entered the external terminal 20 reaches the diffusion region 21A once via the line 20a, and then is transmitted to an internal circuit (not shown) via another line 20b. The internal circuit may be, for example, a CMOS circuit shown in FIG.
[0008]
In the protection circuit of FIG. 2, n in the p-type well 21. + Type diffusion region 21B as an emitter, n + A lateral bipolar transistor 21a is formed using the type diffusion region 21A as a collector. When a large positive surge is applied to the external terminal 20, the lateral bipolar transistor 21a conducts and releases the surge to the ground. On the other hand, when a large negative surge is applied to the external terminal, the n + The pn junction between the type diffusion region 21A and the p-type well 21 is forward biased, and the surge is released from the diffusion region 21A through the well 21 and further through the diffusion region 21C to the ground.
[0009]
On the other hand, when the protection circuit of FIG. 2 is formed on the epitaxial substrate in this way, it has been found that ESD (electrostatic discharge) of the semiconductor device constituting the internal circuit is remarkably deteriorated.
As shown in FIG. 3, when forming a semiconductor integrated circuit on the epitaxial layer 1A, the p-type dopant diffuses from the low-resistance substrate 1 doped at a high concentration as a result of the heat treatment to the epitaxial layer 1A. As a result, it is considered that the impurity concentration in the epitaxial layer 1A increases. That is, as the impurity concentration in the epitaxial layer 1A increases, the resistance value of the epitaxial layer 1A decreases, and the base and emitter of the lateral bipolar transistor 21a become close to a connected state. For this reason, even if a large positive voltage surge is applied to the external terminal 20, the transistor 21a is not easily turned on, and the surge is applied to the protection circuit and the internal circuit without being dissipated, thereby electrostatically destroying it. Furthermore, the electric charge accompanying the surge is accumulated in the diffusion region 21A and destroys the lateral transistor 21a. When a large negative voltage surge is applied to the external terminal 20, a large current flows through the p-well 21 because the p-well 21 has a low resistance, and the protection circuit is destroyed by the Joule heat.
[0010]
FIG. 4 shows p doped with B + 3 shows diffusion of B from the Si substrate to the epitaxial layer when an epitaxial substrate in which a p-type Si epitaxial layer having a thickness of 2 microns is formed on a type Si substrate is heat-treated at 1000 ° C. for 30 minutes.
Referring to FIG. 4, B is about 1 × 10 6 in the Si substrate. 19 cm -3 While the epitaxial layer on the Si substrate is substantially undoped and the B concentration immediately after formation is about 1 × 10 15 cm -3 As described below, the concentration change of B, which was very steep at the interface between the Si substrate and the epitaxial layer before the heat treatment, becomes gentle as a result of the thermal diffusion of B after the heat treatment. It turns out that it has spread | diffused in the epitaxial layer. In the illustrated example, the B concentration is 1 × 10. 19 cm -3 It can be seen that this region penetrates about 1 micron into the epitaxial layer.
[0011]
FIG. 5 shows the results of measuring the resistance value of the p-type well 21 in the epitaxial layer 1A while varying the thickness of the epitaxial layer 1A in the epitaxial substrate of FIG.
Referring to FIG. 5, when a simple p-type Si substrate described as BULK is used as the p-type well 21, in other words, when the thickness of the p-type epitaxial layer 1A is considered to be infinite. While the resistance value of the p-type well 21 is about 3500Ω, the resistance value of the p-type well 21 decreases as the thickness of the epitaxial layer 1A decreases, and when the thickness is about 2 microns, the resistance value is 100Ω. Although it decreases to the following, this is the same as the p described with reference to FIG. + It shows that substantial diffusion of B from the type Si substrate 1 occurs.
[0012]
FIG. 6 shows the relationship between the voltage at which the protection circuit is electrostatically broken and the thickness of the p-type epitaxial layer 1A in the epitaxial substrate of FIG. However, in the electrostatic breakdown test of FIG. 6, a positive or negative surge voltage is accumulated in a capacitor having a capacity of 200 pF, and this is applied to the protection circuit five times at intervals of 0.5 seconds, and then the leakage current generated It was performed by measuring.
[0013]
Referring to FIG. 6, the voltage at which electrostatic breakdown occurs (failure voltage) decreases as the thickness of the epitaxial layer 1A decreases with respect to both positive and negative surge voltages. It can be seen that the thickness drops to about 200 V when the thickness is 2 μm. From this, p explained in FIG. + It can be seen that the diffusion of B from the type Si substrate 1 into the epitaxial layer 1A has a serious effect on the operation of the semiconductor integrated circuit formed on the epitaxial substrate.
[0014]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is a general object of the present invention to provide a new and useful semiconductor device and a method for manufacturing the same that solve the above-described problems.
A more specific problem of the present invention is that, in an epitaxial substrate in which a low concentration epitaxial layer is formed on a high concentration substrate, a high resistance region is formed in the vicinity of the interface between the high concentration substrate and the low concentration epitaxial layer, The object is to reliably operate the surge protection circuit formed on the substrate.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above-described problems by providing a substrate containing a first impurity element at a first concentration and a second concentration formed on the substrate, the first impurity element being lower than the first concentration. In the method of manufacturing a semiconductor device on an epitaxial substrate including an epitaxial layer including the first impurity element in a region near the interface between the substrate and the epitaxial layer in the epitaxial substrate. Second impurity element introduced by ion implantation And form a high-resistance region Including the process of In the epitaxial layer, there is formed a protection circuit for preventing electrostatic breakdown that turns on when a surge current comes in and releases the surge current to the ground. According to a method of manufacturing a semiconductor device , Solution Decide.
[0016]
Referring to FIG. 7, in the present invention, a high resistance layer 1B is formed in the vicinity of the interface between the heavily doped substrate 1 and the lightly doped epitaxial layer 1A thereon to prevent electrostatic breakdown described in FIG. The p-type well 21 in which the protection circuit is formed is formed on the high resistance layer 1B. With this configuration, the protection circuit formed in the p-type well 21 is easily turned on when a surge current comes in, and the surge current is immediately released to ground. For this reason, the internal circuit of the semiconductor integrated circuit and further the protection circuit itself are not destroyed by the surge voltage accompanying the surge current.
[0017]
The high resistance layer 1B is sufficient to cancel carriers formed by impurity elements in the heavily doped substrate 1 in the vicinity of the interface between the heavily doped substrate 1 and the epitaxial layer 1A in the epitaxial substrate, for example. It can be formed by introducing an impurity element of an opposite conductivity type in an amount sufficient to invert the conductivity type or by ion implantation.
[0018]
Further, the high resistance layer 1B is formed by a diffusion barrier layer that blocks diffusion of an impurity element from the heavily doped substrate 1 to the epitaxial layer 1A, in this case B, indicated by an arrow in FIG. It may be formed. Also in this case, a decrease in the resistance value of the epitaxial layer 1A is suppressed, and normal operation of the protection circuit is guaranteed. Further, the high resistance layer 1B may be formed by epitaxially growing a region in which the conductivity type is reversed with that of the substrate 1 at the interface between the substrate 1 and the epitaxial layer 1A.
[0019]
The high resistance layer 1B is preferably formed locally immediately below the protection circuit.
FIG. 8 is a diagram showing the concentration distribution in the depth direction of P in the epitaxial substrate when the high resistance layer 1B of FIG. 7 is formed by ion implantation of P. However, as in the case of FIG. 4 described above, the thickness of the epitaxial layer 1A is 2 μm.
[0020]
Referring to FIG. 8, in the Si substrate 1, as described above with reference to FIG. 19 cm -3 The ion implantation of P is about 1.5 × 10 MeV acceleration energy and about 1 × 10 13 cm -2 After the thermal diffusion step at 1000 ° C. for 30 minutes, the Si substrate 1 and the epitaxial layer 1A are formed as shown in FIG. The P concentration distribution peak is located slightly shallower than the interface, and the P concentration in the peak is about 2 × 10 17 cm -3 It turns out that it becomes. The concentration of P is the concentration of B in the Si substrate 1, 1 × 10 19 cm -3 Although it is lower, the concentration is almost the same as the concentration of B diffused from the substrate 1 at the same depth.
[0021]
FIG. 9 shows the profile of the hole concentration in the depth direction in the epitaxial substrate in which P in FIG. 8 is deeply doped.
Referring to FIG. 9, a region slightly above the interface between the Si substrate 1 and the epitaxial layer 1A where the concentration of the ion-implanted P exceeds the concentration of B diffused from the substrate 1, that is, the high resistance of FIG. It can be seen that there is a significant depletion of holes in the region corresponding to layer 1B.
[0022]
In the ion implantation step of FIG. 8, the dose of P introduced may be further increased. In this case, the conductivity type is reversed in the high resistance layer 1B, and the high resistance layer 1B becomes n-type. + A depletion layer associated with a pn junction formed between the Si substrate 1 and the type Si substrate 1 functions as a high resistance layer.
In the ion implantation process of FIG. 8, the dose of P is set so that the concentration of P on the surface is about 1 × so that the conductivity type of the p-type well on the surface of the epitaxial substrate, that is, the surface of the epitaxial layer 1A does not change. 10 14 cm -2 However, this is not essential. When the dose of P is further increased and the conductivity type on the surface of the epitaxial layer 1A is changed, a well having a predetermined conductivity type may be formed again.
[0023]
Further, as described above, the high resistance layer 1B may be formed by a diffusion barrier that blocks diffusion of impurity elements from the substrate 1.
FIG. 10 shows n doped with P as the Si substrate 1 at a high concentration. + N-type Si substrate + In the epitaxial substrate configured to form a p-type Si epitaxial layer on the Si substrate 1 as the epitaxial layer 1A, the high resistance layer 1B has a thickness of about
2 shows a P and B concentration distribution profile in the depth direction of an epitaxial substrate after a 0.05 μm SiN layer is formed and heat-treated at 1000 ° C. for 30 minutes.
[0024]
Referring to FIG. + Type Si substrate is about 3 × 10 14 cm -3 However, the diffusion of P into the epitaxial layer 1A is substantially completely suppressed only by forming the SiN layer 1B on the Si substrate 1 to a thickness of about 0.05 μm. You can see that Further, the diffusion of B from the epitaxial layer 1A into the Si substrate 1 is substantially completely suppressed. Thus, the high resistance layer 1B functions as an effective diffusion barrier.
[0025]
On the other hand, FIG. + 1 shows a concentration distribution of P and B when a p-type Si epitaxial layer 1A is formed on a Si substrate 1 without forming a high-resistance layer 1B and is heat-treated at 1000 ° C. for 30 minutes.
Referring to FIG. 11, a substantial amount of P diffuses from the Si substrate 1 in the epitaxial layer 1A, and a substantial amount of B from the epitaxial layer 1A also enters the Si substrate 1. It can be seen that diffusion occurs. When a protective circuit for preventing electrostatic breakdown is formed in such an epitaxial layer 1A, the protective circuit does not function as described above, and the internal circuit formed on the epitaxial substrate and the protective circuit itself are also surged. Damaged by surge voltage associated with current.
[0026]
FIG. 12 shows an SiO 2 substrate having the same thickness of about 0.05 μm as the high resistance layer 1B instead of the SiN layer in the epitaxial substrate having the structure shown in FIG. 2 The density | concentration distribution of P and B to the depth direction in an epitaxial substrate at the time of forming a layer is shown.
Referring to FIG. 12, the high resistance layer 1B is made of SiO. 2 Even when layers are used, the diffusion of P from the Si substrate 1 to the epitaxial layer 1A and the diffusion of B from the epitaxial layer 1A to the Si substrate 1 are effectively suppressed.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First embodiment]
FIG. 13 shows the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 13, B is approximately 1 × 10 19 cm -3 Highly doped p + Although the type Si substrate 31 has a very low specific resistance value of about 0.01 Ω · cm, the semiconductor device according to this example has a specific resistance value of about 10 Ω · cm on the low resistance Si substrate 31. P lightly doped with B - A type epitaxial Si layer 31A is formed on an epitaxial substrate having a thickness of about 5 μm.
[0028]
P - A p-type well 41 is formed on the p-type epitaxial Si layer 31A. + Mold diffusion regions 41A and 41B are formed with field oxide film 42 therebetween. Further, a p-type diffusion region 41C is formed in the p-type well 41, and the n-type well 41c is formed. + Type diffusion region 41B and p type diffusion region 41C are grounded. That is, in the p-type well 41, a protection circuit for preventing electrostatic breakdown similar to that described in FIG. 2 is formed.
[0029]
Meanwhile, the n + The mold diffusion region 41A is connected to the external terminal 43 through the conductor pattern 43a, and is further connected to an internal circuit including the CMOS circuit shown in FIG. 1 through the conductor pattern 43b.
In the semiconductor device of this embodiment, an SiN pattern 31B having a thickness of about 0.1 μm is formed immediately below the diffusion region 41 on the low resistance Si substrate 31 constituting the epitaxial substrate. SiO with a thickness of about 0.1 μm to cover 2 The pattern 31C is formed as the high resistance layer 1B described above with reference to FIG. The patterns 31B and 31C themselves have a high resistance, and effectively suppress the diffusion of B from the Si substrate 31 to the epitaxial layer 31A indicated by an arrow in FIG.
[0030]
SiN pattern 31B and SiO 2 The pattern 31C is formed by a normal CVD method, and the p - The type epitaxial layer 31A is formed by epitaxial growth of the Si layer in the lateral direction (ELO: epiaxial axial overgrowth). More specifically, the SiN pattern 31B and SiO on the Si substrate 31. 2 After forming the pattern 31C, 1 × 10 B is formed on the Si substrate 31 by the CVD method. 14 cm -3 P including degree - A type Si layer is formed epitaxially. At that time, the epitaxial Si layer is formed of the SiO. 2 Although not deposited on the pattern 31C, the epitaxial Si layer is deposited on the SiO. 2 By growing beyond the thickness of the pattern 31C, the SiO layer is included in the epitaxial Si layer. 2 A recess surrounding the pattern 31C is formed. Therefore, the Si layer is further epitaxially grown from the side wall surface defining the concave portion to the side, and the surface is flattened, whereby the SiO layer is planarized. 2 An epitaxial layer 31A covering pattern 31C is formed.
[0031]
14A to 14C show various modifications of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. However, in the figure, the same reference numerals are assigned to portions corresponding to the portions described above, and description thereof is omitted.
Referring to FIG. 14 (A), the p + In the Si substrate 31, a refractory metal silicide corresponding to the p-type well 41, for example, CoSi 2 A diffusion barrier layer 31D made of high-resistance SiO is formed thereon. 2 A pattern 31E is formed. In the configuration of FIG. 14A, the diffusion of B from the Si substrate 31 to the epitaxial layer 31A is blocked by the diffusion barrier layer 31D, while a low-resistance current path directly below the p-type well 41 where the protection circuit is formed. SiO 2 It is blocked by the pattern 31E.
[0032]
The modification of FIG. 14B has a configuration in which the low-resistance silicide layer 31D is omitted from the configuration of FIG. 2 The pattern 31E functions as a diffusion barrier layer and a low resistance layer. As the silicide layer 31D, CoSi 2 In addition to TiSi 2 , MoSi 2 , WSi 2 Etc. are possible.
Furthermore, in the modified example of FIG. + N doped at a high concentration with P or As on the p-type well 41 on the p-type Si substrate 31 + A type Si pattern 31F is formed, and the epitaxial layer 31A is formed so as to cover the Si pattern 31F.
[0033]
In the configuration of FIG. + The type Si pattern 31F does not function as an impurity element diffusion region, but is adjacent to p + Mold substrate 31 or p - A high resistance depletion layer associated with the pn junction is formed between the epitaxial layer 31A and the epitaxial layer 31A. The n + The n-type impurity element diffuses toward the substrate surface as a result of the heat treatment from the type region 31F. The n-type impurity element neutralizes doping generated in the epitaxial layer 31A by the p-type impurity element diffused from the substrate 31. As a result, the n + A high resistance region having a low carrier concentration is formed so as to substantially overlap with the mold region 31F.
[0034]
Even in such a configuration, normal operation of the protection circuit formed in the p-type well 41 is ensured.
[Second Embodiment]
15A to 15C show a manufacturing process of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. However, the parts described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0035]
Referring to FIG. 15A, the p + P on mold substrate 31 - The type epitaxial layer 31A typically has a thickness of 2 μm, and a resist pattern 51 having an opening 51A formed on the epitaxial layer 31A typically has a thickness of 2.5 to 2.6 μm. Formed. The resist pattern is preferably one that can stably maintain the pattern even when the film thickness is increased. For example, PF147B (trade name) commercially available from Sumitomo Chemical Co., Ltd. or commercially available from Nippon Synthetic Rubber Co., Ltd. The PFR7300 (trade name) system is convenient.
[0036]
Next, in the step of FIG. 15B, with the resist pattern 51 as a mask, P is typically 1.5 MeV acceleration energy and about 1 × 10 × 10. 13 cm -2 Ion implantation at a dose of about - In the epitaxial epitaxial layer 31A, P is introduced in the vicinity of the interface between the layer 31A and the underlying Si substrate 31. As an apparatus for performing ion implantation at such high energy, for example, a G1520 (trade name) ion implantation apparatus manufactured by Genus Corporation can be used.
[0037]
Further, in the step of FIG. 15C, the resist pattern 51 is removed, and typically after heat treatment at 1000 ° C. for about 30 minutes, a slightly shallow position near the interface between the layer 31A and the substrate 31 is obtained. A high resistance region 31H corresponding to the high resistance region described above with reference to FIG. 9 is formed. Further, in the step of FIG. 15B, by performing ion implantation of B in the vicinity of the surface of the epitaxial layer 31A using the resist pattern 51 as a mask, the heat treatment step of FIG. At the same time, the p-type well 41 can be formed.
[0038]
As described above with reference to FIGS. 8 and 9, the ion implantation of P in the step of FIG. 15B diffuses the dose from the substrate 31 to the layer 31A in the high resistance region 31H. The value is set so that the formation of holes due to B is substantially compensated. At that time, the dose is excessively compensated for the formation of the holes, and is n-type or n-type corresponding to the high resistance region 31H. + You may set so that a type | mold area | region may be formed. In this case, the formed n-type or n-type + P adjacent to the mold region - Type epitaxial layer 31A or p + In order to form a depletion layer with the mold substrate 31, a high resistance region is formed anyway. Even when the dose is small and insufficient to compensate for the hole formation, the effect of reducing the resistance value of the epitaxial layer 31A in the region immediately below the p-type well 41 can be obtained.
[0039]
In the present embodiment, the high resistance region 31H can be formed as necessary after manufacturing the epitaxial substrate. In addition, a process such as LEO is not required for forming the high resistance region 31H.
In the first and second embodiments of the present invention, as described above with reference to FIGS. 10 to 12, the present invention is established even if the conductivity type is switched between the p-type and the n-type.
[0040]
Furthermore, in the present invention, the protection circuit is not limited to that shown in FIG. 13, and for example, the protection circuit shown in FIG. 16 can be used. However, the parts described previously in FIG. 16 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
Referring to FIG. 16, in the protection circuit shown in FIG. 13, the field oxide film 42 is constituted by a gate insulating film 42A and a gate electrode 42B in the protection circuit of FIG. 13, and the gate electrode 42B is grounded together with the diffusion region 41B. Also good.
[0041]
Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims.
[0042]
【The invention's effect】
According to the features of the present invention described in claims 1 to 7, in an epitaxial substrate comprising a highly doped substrate and a lightly doped epitaxial layer formed on the heavily doped substrate, A high resistance region is formed in the vicinity of the interface by introducing an impurity element having a conductivity type opposite to that of the heavily doped substrate in the vicinity of the interface with the concentration epitaxial layer, and is formed in the low concentration epitaxial layer. The protection circuit operates reliably against a voltage surge.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining latch-up in a conventional CMOS integrated circuit using an epitaxial substrate.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a protection circuit of an integrated circuit formed on a conventional epitaxial substrate.
FIG. 3 is a diagram for explaining problems that occur in a conventional epitaxial substrate.
FIG. 4 is a diagram showing a problem of impurity element diffusion from a heavily doped substrate to a lightly doped epitaxial layer, which occurs in a conventional epitaxial substrate.
FIG. 5 is a diagram (part 1) for explaining a problem caused by diffusion of an impurity element that occurs in a conventional epitaxial substrate.
FIG. 6 is a diagram (part 2) for explaining a problem caused by diffusion of an impurity element generated in a conventional epitaxial substrate.
FIG. 7 is a diagram (part 1) for explaining the principle of the present invention;
FIG. 8 is a diagram (part 2) for explaining the principle of the present invention;
FIG. 9 is a diagram (part 3) for explaining the principle of the present invention;
FIG. 10 is a diagram (part 4) for explaining the principle of the present invention;
FIG. 11 is a diagram (part 5) for explaining the principle of the present invention;
FIG. 12 is a diagram (part 6) for explaining the principle of the present invention;
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a semiconductor device according to a first example of the present invention.
FIGS. 14A to 14C are diagrams showing modifications of the first embodiment of the present invention.
FIGS. 15A to 15C are views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the invention. FIGS.
FIG. 16 is a diagram showing a configuration of a semiconductor device provided with another protection circuit applicable to the present invention.
[Explanation of symbols]
1,31 Highly doped substrate
1A, 31A epitaxial layer
1B, 31H High resistance region
2 n-type well
3, 5, 12, 21A, 21B, 41A, 41B n + Mold diffusion region
4,6,11,21C, 41C p + Mold diffusion region
7, 8, 42A Gate insulation film
9, 10, 42B Gate electrode
13,14 Parasitic bipolar transistor
20, 43 External terminal
20a, 20b, 43a, 43b Conductor pattern
21 p-type well
21a Lateral bipolar transistor
22 Field insulating film
31B SiN pattern
31C, 31E SiO 2 pattern
31D refractory silicide pattern
31F n + Mold pattern
31G implanted P ion
31H high resistance region
51 resist pattern
51A opening

Claims (8)

第1の不純物元素を第1の濃度で含む基板と、前記基板上に形成され、前記第1の不純物元素を前記第1の濃度よりも低い第2の濃度で含むエピタキシャル層とよりなるエピタキシャル基板上への半導体装置の製造方法において、
前記エピタキシャル基板中、前記基板と前記エピタキシャル層との界面近傍の領域に、前記第1の不純物元素とは逆導電型の第2の不純物元素を、イオン注入により導入し、高抵抗領域を形成する工程を含み、
前記エピタキシャル層中には、サージ電流が入来した場合にターンオンし、サージ電流を接地へと逃がす静電破壊防止用の保護回路が形成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
An epitaxial substrate comprising: a substrate containing a first impurity element at a first concentration; and an epitaxial layer formed on the substrate and containing the first impurity element at a second concentration lower than the first concentration. In the semiconductor device manufacturing method above,
In the epitaxial substrate, a second impurity element having a conductivity type opposite to that of the first impurity element is introduced into a region near the interface between the substrate and the epitaxial layer by ion implantation to form a high resistance region . the process only contains,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a protective circuit for preventing electrostatic breakdown is formed in the epitaxial layer to turn on when a surge current comes in and to release the surge current to ground .
前記イオン注入工程は、前記第2の不純物元素を、前記第2の不純物元素を導入する領域にキャリアの枯渇が生じるようなドーズ量で導入することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。  2. The semiconductor device according to claim 1, wherein in the ion implantation step, the second impurity element is introduced at a dose such that carrier depletion occurs in a region into which the second impurity element is introduced. Production method. 前記イオン注入工程は、前記第2の不純物元素が前記基板と前記エピタキシャル層との界面近傍の深さに導入されるような加速エネルギで行われることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置の製造方法。  3. The semiconductor according to claim 1, wherein the ion implantation step is performed with an acceleration energy such that the second impurity element is introduced to a depth in the vicinity of an interface between the substrate and the epitaxial layer. Device manufacturing method. 前記イオン注入工程は、前記第2の不純物元素が、前記基板と前記エピタキシャル層との界面近傍で、しかも前記界面よりも浅い領域に導入されるように実行されることを特徴とする請求項1〜4のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。  2. The ion implantation process is performed such that the second impurity element is introduced in a region near the interface between the substrate and the epitaxial layer and shallower than the interface. The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of 1-4. 前記イオン注入工程は、前記第2の不純物元素を導入する領域において、前記第2の不純物元素の濃度が前記第1の不純物元素の濃度よりも高くなるようなドーズ量で実行されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。  The ion implantation step is performed at a dose such that the concentration of the second impurity element is higher than the concentration of the first impurity element in the region into which the second impurity element is introduced. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記イオン注入工程は、前記エピタキシャル層上に形成したレジストマスクを使って、局所的に実行されることを特徴とする請求項1〜5のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。  The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the ion implantation step is locally performed using a resist mask formed on the epitaxial layer. さらに、前記エピタキシャル層上の、前記第2の不純物元素が導入された領域上に、前記静電破壊防止用の保護回路を形成する工程を含むことを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。Moreover, the on epitaxial layer, on the second region to which an impurity element is introduced, the semiconductor device according to claim 6, characterized in that it comprises a step of forming a protective circuit for preventing the electrostatic breakdown Production method. 前記静電破壊防止用の保護回路は、サージ電圧が印加された場合に導通するラテラルバイポーラトランジスタを含むことを特徴とする請求項1〜7のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the protection circuit for preventing electrostatic breakdown includes a lateral bipolar transistor that conducts when a surge voltage is applied. .
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