JP2005159352A - Ldmosトランジスタ装置、集積回路およびその製造方法 - Google Patents

Ldmosトランジスタ装置、集積回路およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】集積回路、特に無線周波数のアプリケーションのための、集積回路内のLDMOSトランジスタ装置を提供する。
【解決手段】半導体基板(11)、LDMOSゲート領域(17)、LDMOSソース(14)とドレイン(15)領域およびLDMOSゲート領域の下に配置されたチャネル領域(13)を含み、チャネル領域がLDMOSソースとドレイン領域を相互結合する集積LDMOSトランジスタ。LDMOSゲート領域は、第1(18a)および第2(18b)のゲート絶縁領域、その間に備えられる中央配置ゲート分割絶縁領域(19)、およびそれぞれ第1および第2のゲート絶縁領域上に備えられ、中央配置ゲート分割絶縁領域のスペーサ領域の外側で各々エッチングされる第1(20a)および第2(20b)の個別ゲート導電層領域を含む。
【選択図】図1

Description

本発明は一般に集積回路技術の分野に関し、特に、LDMOS(側方二重拡散MOS)トランジスタ装置、LDMOSトランジスタ装置を含む集積回路、およびLDMOSトランジスタ装置を有する集積回路の製造方法に、それぞれ関係する。
LDMOSトランジスタの速度は、相互コンダクタンスgおよび入力キャパシタンスCinにより決定され、特にこの速度は、g/Cinに比例する。相互コンダクタンスを変更せずにこのキャパシタンスを減少させることにより、プロセス・リソグラフィーへ影響することなく何も欠点を加えずに速度を増すことができる。
今日のプロセス・リソグラフィが許容する最少のマスク寸法よりも短いチャネル長さを有する縮小装置を使用する改良された効率が、いくつかの方法により得られている。一つの一般的な方法は、チャネル長さまたはゲートの長さなどのクリティカルな長さを定義する拡散ステップを使用することであって、たとえば、公表された米国特許出願番号20020055220 A1を参照されたい。
いくつかの先行技術の解決法は、充分な改良可能性を考慮に入れていない。たとえば、いくつかの先行技術の上記に指摘した種類のLDMOSトランジスタは、依然として不必要に高い入力キャパシタンスを有し、それにより、不必要に遅い速度を有する。
前記の米国特許出願に描かれたような、LDMOSトランジスタのためのいくつかの更なる先行技術の解決法は、サブ・リソグラフィ的仕様サイズを有する装置を製作するための追加の処理ステップを必要とする。
従って本発明の一つの目的は、集積回路、特に無線周波数のアプリケーションのための、集積回路内のLDMOSトランジスタ装置を提供することであり、このLDMOSトランジスタ装置は、上述の先行技術に関連する諸問題を克服するものである。
さらに本発明の一つの目的は、そうしたLDMOSトランジスタ装置を含む集積回路を供給することである。
さらにまた本発明の一つの目的は、集積回路特に無線周波数アプリケーションのための集積回路の製造方法を供給することであり、これには上述の目的を達成するLDMOSトランジスタが含まれる。
本発明によりこれらの諸目的は、添付の特許請求の範囲に記載されるLDMOSトランジスタ装置、集積回路および製造方法で達成される。
集積回路とくに新規な分割ゲート構造を含む無線周波数アプリケーションのための、集積回路内のLDMOSトランジスタ装置を供給することにより、ゲート長さが著しく減少し、これにより入力キャパシタンスが減少して、LDMOSトランジスタ装置の速度が増加する。
この新規な分割ゲート構造は、第1および第2のゲート絶縁層領域と、これら第1および第2のゲート絶縁層領域の間に供給される中央配置絶縁層領域と、前記第1および第2のゲート絶縁層領域の上に供給される第1および第2のゲート導電層領域とを含む。第1および第2のゲート導電層は、中央配置絶縁層領域の反対側でエッチングされた外部スペーサ領域であり、それぞれ中央配置絶縁層領域の長さよりも短い、好ましくは著しく短い長さをそれぞれ有する。好ましくは中央配置絶縁層領域の長さがマスクにより設定されるが、これらのゲート長さは、現在のプロセス・リソグラフィが許容する最少のマスク寸法よりも短い。
さらに好ましくは、LDMOSトランジスタ装置の第1および第2のゲート導電層領域は、電気接続の個別接点を備えている。この方法により、第1および第2のゲート導電層領域の一つが制御電圧へ接続されることができ、第1および第2のゲート導電層領域のもう一つが、バイアス電圧、好ましくは高いバイアス電圧へ接続されて、LDMOSトランジスタ装置のドレイン・ドリフト領域内のチャネル・キャリアを反転させることができる。
さらに本発明のLDMOSトランジスタの製造方法は、好ましくはマスキングまたはエッチングにより半導体基板の上に一つの中央配置絶縁層を形成するステップと、前記中央配置絶縁層領域の反対側に第1および第2の絶縁層領域を形成するステップと、前記中央配置絶縁層領域および前記第1および第2のゲート絶縁層領域の上に一つの導電物質の層を等角的にデポジットさせるステップと、一つの導電物質の等角的にデポジットされた層を異方性にエッチングして、前記第1および第2のゲート絶縁層領域の上で前記中央配置絶縁層領域の反対側に、外側スペーサ領域の形に第1および第2のゲート導電層領域を形成するステップとを含む。
本発明の製造方法により、最新技術のBiCMOSおよびCMOSプロセスにすでに含まれている典型的な処理ステップを使用して、あるゲート長さを有する小型仕様の装置が製造される。
本発明の更なる諸特徴およびその諸利点は、以下に示す本発明の好ましい実施例の詳細な説明および添付の図1ないし図10により明らかになるが、これらは例示の方法によってのみ示され、したがって本発明を限定するものではない。
図1に、本発明の好ましい第1実施例によるシリコンLDMOSトランジスタを拡大断面図で示す。このLDMOSトランジスタは、高出力無線周波数アプリケーションに特に適合し、半導体基板11を含み、その中に、n型ドープ・ドレイン・ドリフト12、p型ドープ・チャネル・ポケット13、n型ドープ・ソース14およびn+型ドープ・ドレイン15の諸領域が形成されている。基板11内のドープ領域12ないし15は、フィールド酸化物16またはシャロウ・トレンチ絶縁(STI)領域など他の種類の絶縁領域により横方向に取り巻かれている。
本発明のLDMOSゲート構造17が、基板11の上に配置されている。ゲート構造17は、電気絶縁物質の中央配置スプリット・ゲート分割セパレータ19および、このスプリット・ゲート分割セパレータ19のそれぞれの側面上の第1ゲート絶縁層領域18aおよび第2ゲート絶縁層領域18bを含む。スプリット・ゲート分割セパレータ19は、長さLgdおよび高さhを有し、これらは比較的なサイズであって、典型的に0.5ないし1ミクロンの間にある。
好ましくは、ドープされた多結晶シリコンの第1ゲート導電層領域20aおよび第2ゲート導電層領域20bが、第1ゲート絶縁層領域18aおよび第2ゲート絶縁層領域18bの上に配置され、ゲート導電層領域20aおよび20bの各々は、中央配置スプリット・ゲート分割セパレータ19に隣接するエッチング外側スペーサ領域である。さらにゲート導電層領域20aと20bの各々は、中央配置スプリット・ゲート分割セパレータ19の長さLgdよりも、小さいないしは、非常に小さい長さLを有する。このゲート長さLgdは、好ましくは、0.5ミクロンよりも小さく、一層好ましくは、0.2ミクロンよりも小さく、最も好ましくは、たとえば、約50ないし70nmのように、0.1ミクロンよりも小さい。こうして、ゲート長さは、リソグラフィ的に定義されるゲートを有する従来のLDMOSトランジスタにおいてよりも遥かに小さく作られる。
チャネル・ポケット領域13は、少なくとも部分的には、ゲート導電層領域の一つ20aの下に直接位置しており、またドレイン・ドリフト領域12は、少なくとも部分的には、ゲート導電層領域の他の一つ20bの下に直接に配置されている。
好ましくは、第1および第2のゲート導電層領域20aと、20bおよびソース領域14およびドレイン領域15は、珪素化合物にされている。こうして第1および第2のゲート外側スペーサ領域20aと20bは、シリコン領域21aと21bおよび、その上の珪素化合物領域22aと22bからなる。ソースおよびドレインの珪素化合物領域は23および24と記述されている。
ゲート導電層領域20aと20bは、電気接続のための個別接点を備えている。好ましくは、ソース14に最も近いゲート導電層領域20aは、通常のゲート機能のために制御電圧へ接続され、またドレイン15へ最も近いゲート導電層領域20bは、バイアス電圧へ接続され、これはドレイン・ドリフト領域12内のそれ自体の下横で、できるだけ多くのチャネル・キャリアを反転させるために、好ましくは高いバイアス電圧へ接続されている。さらにドレイン・ドリフト領域12は、好ましくは対応する単一系統ゲート・トランジスタのドレイン・ドリフト領域よりも厚くドープされていて、これによりドレイン15に最も近いゲート導電層領域20bの電圧と共に、スレッショルドを超える制御電圧においてチャネル・キャリアが反転されるのを確実にする。
ゲート導電層領域20aと20bの間の適切な間隔を確実に取って、ゲート導電層領域20aと20bの間の容量結合を防止する。こうして、この分離は好ましくは、ゲート絶縁層領域18aと18bの厚さよりも大きい。
図2に、本発明の2重スペーサ・ゲートLDMOSトランジスタの基板内の種々の領域の典型的なドーピング濃度分布を図示する。また、このトランジスタの典型的な機能寸法を示す。破線はソース・チャネルとチャネル・ドレインのpn接合を示す。
図3に、本発明の2重スペーサ・ゲートLDMOSトランジスタおよび従来の先行技術のLDMOSトランジスタの、水平的なチャネル・ドーピング濃度分布を示す。これら二つのトランジスタのソースの異なった位置を無視すると、スレッショルド電圧を決定するドーピング濃度分布の部分が、両方の場合において、同一のスレッショルド電圧Vを与える同一のピーク値を有することが分かる。
図4に示すのは、本発明の2重スペーサ・ゲートLDMOSトランジスタおよび従来の先行技術LDMOSトランジスタについて、ドレイン・バイアス電圧VDS=10Vにおいて、ゲート電圧に対する、それぞれ、ドレイン電流および相互コンダクタンスである。これらのトランジスタが同一のスレッショルド電圧Vを有することがわかる。
図5および図6は、本発明の2重スペーサ・ゲートLDMOSトランジスタおよび従来の先行技術LDMOSトランジスタについて、ドレイン電流に対する入力キャパシタンスおよび単一利得周波数fを、それぞれ示す。図5から分かるのは、本発明の2重スペーサ・ゲートLDMOSトランジスタについて、入力キャパシタンスが、ほぼ2倍も低くなっている、ことである。変化しない相互コンダクタンスと、減少したキャパシタンスの組み合わせは、改良された利得と、対応する増加した単一利得遷移周波数fを与える。図6から分かるのは、単一利得遷移周波数fは、本発明の2重スペーサ・ゲートLDMOSトランジスタについて、ほぼ2倍も高くなっていることである。
さらに理解すべきは、例示したLDMOSトランジスタの好ましい実施例はnチャネル装置であるが、本発明はこの点において限定されないことである。本発明はPチャネル装置にも同様に応用できる。
さらに理解すべきは、本発明が主として無線周波数パワー・シリコンLDMOSトランジスタ装置を目指しているが、シリコン・ベースの集積無線周波数回路におけるより小さな装置にも、それは充分利用できることである。さらに本発明の2重スペーサ・ゲートLDMOSトランジスタは、たとえばSiC、GaAsなどの他の物質により実現できる。
以下に図7ないし図10を参照しながら、本発明の集積LDMOSトランジスタの製造の好ましい実施例を説明する。この製造は、BiCMOSプロセスまたは純粋なCMOSプロセスにおいて遂行できる。これらのプロセスにおける多くのステップ、たとえばウエル領域およびソース領域およびドレイン領域を形成するためのイオン注入ステップは、当業者に良く知られているので、本書には全く説明しないかまたは図式的に示すだけにする。主な目標は、どのようにLDMOSトランジスタのゲート構造が形成されるかに置かれている。
フィールド酸化物領域16が、nタイプにドープされた上部を有する半導体基盤11の表面内に、形成される。フィールド酸化物領域16は、水平方向寸法においてLDMOSトランジスタを取り囲むように、形成される。厚めのシリコン酸化物の層が基板11の上にデポジットされて、それからパターン化され、エッチングされて、中央配置スプリット・ゲート分割セパレータ19を形成する。それから薄いゲート酸化物層71がこの構造の上にデポジットされ、またこれに続いて本発明のLDMOSトランジスタの2重スペーサ・ゲート構造のために、等角多結晶シリコン層72がデポジットされる。
等角多結晶シリコン層72は、好ましくは、結果するゲート層内の適切な導電性を確実にするために、厚くドープされる。図7に、結果する構造の断面図を図示する。
注意すべきは、スプリット・ゲート分割構造の高さが、スプリット・ゲート分割セパレータ19を形成するシリコン酸化物の厚い層の厚さと、薄いゲート酸化物71の厚さの合計に等しいこと、およびスプリット・ゲート分割構造の長さが、スプリット・ゲート分割セパレータ19を形成するシリコン酸化物の厚い層の長さと、薄いゲート酸化物層71の厚さの2倍との合計に等しいことである。スプリット・ゲート分割セパレータ19を形成するシリコン酸化物の厚い層のデポジット厚さとエッチングは、そのように選択される。
それから等角デポジット多結晶シリコン層72が異方性にエッチングされて、薄いゲート酸化物層71の上で、中央配置スプリット・ゲート分割セパレータ19の反対側に、外側スペーサ領域21aおよび21bの形に、第1および第2のゲート導電層領域を形成する。このエッチングは、下にあるゲート酸化物層71に関して選択的である。結果する構造の断面図を、図8に図示する。
外側スペーサ領域21aおよび21bの接点を形成するために、マスク(図示なし)を貫通して異方性のエッチングが遂行され、それによりLDMOSトランジスタの基板領域の外側領域で、フィールド酸化物16が形成されていない所に、外側スペーサ領域21aと21bの広がりの上に、多結晶シリコン接触領域91aおよび91bが形成される。図9に、そうした構造の断面を図示する。この多結晶シリコン接触領域91aおよび91bは、後にこの構造の金属化の間に、この構造の金属層(図示なし)へ、個別に接続される。多結晶シリコン接触領域91aおよび91bを形成するためのマスキングとエッチング、または他のマスキングとエッチングは、外側スペーサ領域21aおよび21bのレイアウトを決定するため、またそれらが互いに他と電気的に絶縁されるのを確実にするために、使用される。
それから薄いゲート酸化物層71がエッチングされるが、これは外側スペーサ領域21aおよび21bをマスクとして使用し、第1ゲート酸化物層領域18aと第2ゲート酸化物層領域18bを形成する。以前に遂行されていない基板のドーピングが、この処理でイオン注入により遂行されて、チャネル・ポケット領域13、ソース領域14およびドレイン領域15を形成する。結果する構造の断面を、図10に図示する。
処理は、外側スペーサ・ゲート領域21aと21bおよびソース領域14およびドレイン領域15の珪素化合物化に続いて、図1に図示したような構造を得る。注意すべきは、多結晶シリコン接触領域91aおよび91bであって、多結晶シリコン接触領域91aと91bの下の外側スペーサ領域21aと21bの延長でないものが、同時にニッケル珪素化合物化されることである。
好ましくは、珪素化合物化のためにニッケル、プラチナまたはパラヂウムが使用される。これらの原子は、珪素化合物化の間に本質的にシリコンの中に移動するので、ソース領域14またはドレイン領域15および外側スペーサ領域21a、21bの間で、ブリッジする危険が全くない。注意すべきは、これは珪素化合物化の間にシリコン原子が金属の中へ移動するチタンまたはコバルトなどいくつかの他の一般的な金属珪素化合物と対照をなすことである。この場合、珪素化合物化は、酸化物へじわじわと増大して横切ることにより、ソース領域14またはドレイン領域15と外側スペーサ・ゲート領域21a、21bの間に、回路の短絡を引き起こす。しかしながら、そうした回路短絡の危険がないアプリケーションにおいては、チタンまたはコバルトを、珪素化合物化のために同等に使用できる。
珪素化合物の形成の後に、ソース領域14とドレイン領域15、および多結晶シリコン接触領域91a、91bは、装置の金属化の間に接続される。
本発明の好ましい実施例によるモノリシック集積LDMOSトランジスタを高度に拡大した断面図である。 図1に例示した本発明のLDMOSトランジスタのゲート構造の下の基板における典型的なドーピング濃度を図示する。 図1に示した本発明のLDMOSトランジスタの種々なシミュレートされた特性を、従来のLDMOSトランジスタと比較して図示する図表である。 図1に示した本発明のLDMOSトランジスタの種々なシミュレートされた特性を、従来のLDMOSトランジスタと比較して図示する図表である。 図1に示した本発明のLDMOSトランジスタの種々なシミュレートされた特性を、従来のLDMOSトランジスタと比較して図示する図表である。 図1に示した本発明のLDMOSトランジスタの種々なシミュレートされた特性を、従来のLDMOSトランジスタと比較して図示する図表である。 本発明のさらなる好ましい実施例による処理の間の半導体構造の一部分を高度に拡大した断面図である。 本発明のさらなる好ましい実施例による処理の間の半導体構造の一部分を高度に拡大した断面図である。 本発明のさらなる好ましい実施例による処理の間の半導体構造の一部分を高度に拡大した断面図である。 本発明のさらなる好ましい実施例による処理の間の半導体構造の一部分を高度に拡大した断面図である。
これらの図面を通じて使用された同一の参照番号は、種々な実施例の同一または類似の構成要素、部分、詳細などを示す。
符号の説明
11 半導体基板
12 ドレイン・ドリフト領域
13 チャネル領域
14 LDMOSソース領域
15 LDMOSドレイン領域
18a 第1ゲート絶縁層領域
18b 第2ゲート絶縁層領域
19 中央配置絶縁層領域
20a 第1ゲート導電層領域
20b 第2ゲート導電層領域
22a、22b 外側スペーサ領域の珪素化合物
23 LDMOSソース領域の珪素化合物
24 LDMOSドレイン領域の珪素化合物
gd 中央配置絶縁層領域(19)の長さ
第1ゲート導電層(20a)および第2ゲート導電層(20b)の長さ

Claims (17)

  1. 半導体基板(11)と、
    前記基板上のLDMOSゲート領域(17)と、
    LDMOSソース領域(14)およびLDMOSドレイン領域(15)と、
    前記LDMOSゲート領域の下で前記基板内に配置されたチャネル領域(13)であり前記LDMOSソース領域およびドレイン領域を相互結合する前記チャネル領域とを含む、集積回路特に無線周波数アプリケーションのための集積回路内のLDMOSトランジスタ装置であって、
    第1ゲート絶縁層領域(18a)および第2ゲート絶縁層領域(18b)と、
    前記第1および第2の絶縁層領域の間に供給される中央配置絶縁層領域(19)と、
    第1ゲート導電層領域(20a)および第2ゲート導電層領域(20b)であって、これらの各々は前記第1および第2のゲート絶縁層領域のそれぞれ一つの上に供給され、前記中央配置絶縁層領域において各々エッチングされた外側スペーサ領域であって前記中央配置絶縁層領域の長さ(Lgd)よりも短い長さ(L)を各々有するものとを、前記LDMOSゲート領域が含むことを特徴とする前記LDMOSトランジスタ装置。
  2. 前記第1ゲート導電層および前記第2ゲート導電層が電気接続のための個別接点を備えている請求項1記載のLDMOSトランジスタ装置。
  3. 前記チャネル領域(13)が前記第1および第2のゲート導電層領域の一つ(20a)の直接下に少なくとも部分的に位置し、また、一つのドレイン・ドリフト領域(12)が前記第1および第2のゲート導電層領域のもう一つのもの(20b)の直接下に少なくとも部分的に位置している請求項1または請求項2記載のLDMOSトランジスタ装置。
  4. 前記第1および第2のゲート導電層領域の前記一つが制御電圧へ接続され、また、前記第1および第2のゲート導電層領域のもう一つのものがバイアス電圧、好ましくは高いバイアス電圧へ接続されて、前記ドレイン・ドリフト領域内のチャネル・キャリアを反転させる請求項3記載のLDMOSトランジスタ装置。
  5. 前記第1および第2のゲート導電層領域がドープされた多結晶シリコンで各々作られている請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のLDMOSトランジスタ装置。
  6. 前記第1および第2のゲート導電層領域が珪素化合物化(22a、22b)、特にニッケル珪素化合物化されている請求項5記載のLDMOSトランジスタ装置。
  7. 前記LDMOSトランジスタ装置が無線周波数パワー・トランジスタである請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のLDMOSトランジスタ装置。
  8. 請求項1ないし請求項7のいずれかに記載のLDMOSトランジスタ装置を含むモノリシック集積回路。
  9. 一つのLDMOSトランジスタ装置を含むモノリシック集積回路の製造方法であって、
    半導体基板(11)を供給するステップと、
    前記半導体基板上にLDMOSゲート領域(17)を形成するステップと、
    LDMOSソース領域(14)およびLDMOSドレイン領域(15)を形成するステップと、
    前記LDMOSゲート領域の下に前記基盤内に配置されたチャネル領域(13)を形成し、前記チャネル領域が前記LDMOSソース領域と前記LDMOSドレイン領域を相互接続するステップとを含み、前記基板上にLDMOSゲート領域を形成する前記ステップが、
    中央配置絶縁層領域(19)を形成するステップと、
    前記中央配置絶縁層領域の反対側に第1ゲート絶縁層領域(18a)および第2ゲート絶縁層領域(18b)を形成するステップと、
    前記中央配置絶縁層領域および前記第1および第2のゲート絶縁層領域の上に導電物質の層を等角的にデポジットするステップと、
    前記導電物質の等角的にデポジットされた層を異方的にエッチングして、前記第1および第2のゲート絶縁層領域上で、前記中央配置絶縁層領域の反対側に外側スペーサ領域の形に第1ゲート導電層領域(20a)および第2ゲート導電層領域(20b)を形成するステップとを含むことを特徴とする前記方法。
  10. 前記中央配置絶縁層領域(19)が第1長さ(Lgd)により形成され、また、前記第1ゲート導電層領域(20a)および第2ゲート導電層領域(20b)が第2長さ(L)により形成され、前記第1長さ(Lgd)が前記第2長さ(L)よりも長い請求項9記載の方法。
  11. 絶縁物質の層をデポジットして前記絶縁物質の層をエッチングすることにより、前記中央配置絶縁層領域が形成される請求項9または請求項10に記載の方法。
  12. 前記導電物質が、ドープされた好ましくは厚くドープされた半導体物質特に多結晶シリコンである請求項9ないし請求項11のいずれかに記載の方法。
  13. 前記外側スペーサ領域のレイアウトは、前記導電物質の前記層のマスキングおよび等方性エッチングにより設定される請求項9ないし請求項12のいずれかに記載の方法。
  14. 前記外側スペーサ領域が珪素化合物化され、特にニッケル珪素化合物化(22a、22b)されている請求項9ないし請求項13のいずれかに記載の方法。
  15. 前記LDMOSソース領域および前記LDMOSドレイン領域が、前記外側スペーサ領域の珪素化合物化(22a、22b)と同時に珪素化合物化(23、24)される請求項14記載の方法。
  16. ドープされ好ましくは厚くドープされた半導体物質特に多結晶シリコンで特に作られた前記第1および第2の接触領域が、それらの各々が前記外側スペーサ領域のそれぞれの一つに接続されて形成される請求項9ないし15のいずれかに記載の方法。
  17. 前記モノリシック集積回路が金属化され、前記第1および第2の接触領域の各々が前記金属化の間に個別に接続される請求項16記載の方法。
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