JP7731265B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

本発明は半導体装置の構造に係り、特に100V以上の高耐圧が要求される高耐圧LDMOSトランジスタに適用して有効な技術に関する。
車載用ソレノイド、ファンモータなどのインダクターや、圧電素子などの容量素子を負荷とする駆動回路に使われるトランジスタとして半導体基板上に形成された、耐圧が約30V以上のLDMOS(Lateral Double-diffused MOS)トランジスタがある。
このLDMOSトランジスタにおいて、高い耐圧を確保しながらも、低オン抵抗を実現するために、電流が流れるドリフト領域の不純物濃度を大きくしながら、ドリフト領域の下部にドリフト領域とは導電型が逆となる不純物層(埋め込み層)を設けたトランジスタ構造が知られている。(特許文献1)
図8に示すこの従来型のN型LDMOSトランジスタ400では、P型埋め込み層4がN型ドリフト領域7の下方にP型ボディ領域から延在しているとともに、ドリフト領域7上の絶縁層8上にゲート電極13の第1のフィールドプレートと、第1のフィールドプレート上の層間絶縁膜14、17の上に形成された複数の配線層からなる第2のフィールドプレート16a、19aが設けられている。そして、P型埋め込み層4のドレイン10からの距離LBは、第1のフィールドプレートのドレインからの距離LF1よりも小さく、第2のフィールドプレートを構成する上層配線層19aのドレインからの距離LF3よりも大きく設計されている。
係る構成により、ドリフト領域7の不純物濃度を1×10 16 /cm3以上の比較的高濃度とした場合でも、トランジスタのオフ状態におけるドリフト領域7で電界の集中を生じることなく、電位ポテンシャルを均一にすることができる。この結果、高い耐圧と低オン抵抗を両立したトランジスタ特性が得られる。
特開2020-98883号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載のN型LDMOSトランジスタでは、オフ状態時には比較的高い耐圧が得られるものの、トランジスタがオン状態時におけるドレイン電流の飽和領域において、電流が飽和せずにソース・ドレイン間電圧(Vds)の増大と共に増大するという特性がみられる。
図9は図8に示したN型LDMOSトランジスタのオン・オフ状態におけるドレイン電流(Ids)のVds依存性を示す。ゲートに電圧を加えたオン状態において、ドレイン電流はIdsがVdsに対して直線的に変化するリニア領域(Region1)、Vdsに対してIdsの変化が小さい飽和領域(Region2)、Vdsに対してIdsが大きく変化するアバランシェ領域(Region3)に分けられ、飽和領域(Region2)において、VdsがVds増大と共に緩やかに増大する領域(Region2b)がある。この領域はオフ耐圧(BVoff)の電圧に対して比較的低いVdsから生じている。このような特性のトランジスタをカレントミラー回路に用いた場合、ミラー比が電流量によって変化してしまう。
また、本トランジスタは、図9に示すように、Vdsに対してIdsが大きく変化するアバランシェ領域(Region3)となるVdsもBVoffに対して比較的小さくなっている。
このため、例えばインダクターが負荷となる駆動回路などで、オフ状態からオン状態となる遷移期間中に高いVdsが印加されて、トランジスタがアバランシェ領域(Region3)となった場合、大きなドレイン電流が流れて素子が破壊されるという問題がある。
さらに、本トランジスタを用いた駆動回路において、スイッチング動作時にRegion2bの飽和領域を過渡的に通るような動作条件の場合、トランジスタの特性が時間とともに変化するという信頼性の問題が生じる。
そこで、本発明の目的は、高耐圧LDMOS電界効果トランジスタにおいて、高耐圧化と低オン抵抗化の両立が可能な高性能な高耐圧LDMOS電界効果トランジスタを提供することにある。
具体的には、オフ耐圧と低オン抵抗特性を有する高耐圧LDMOSトランジスタのドレイン電流の飽和領域において、ドレイン電流のソース・ドレイン間電圧依存性が小さな電流特性をもつトランジスタを提供することにある。
また、本発明の別の目的は、オフ耐圧と低オン抵抗特性を有する高耐圧LDMOSトランジスタのドレイン電流のアバランシェ領域において、ドレイン電流が急激に増大し始めるソース・ドレイン間電圧が大きい特性を有するトランジスタを提供することにある。
また、本発明の別の目的は、オン抵抗等の特性の時間変化が小さく高い信頼性特性を有するトランジスタを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、半導体基板の主面に形成された第1導電型のボディ領域と、前記ボディ領域の表面に形成された第2導電型のソース領域と、前記ボディ領域と接するように形成された第2導電型のドリフト領域と、前記ドリフト領域上に形成された第2導電型のドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドリフト領域との間の前記ボディ領域及び前記ソース領域側の前記ドリフト領域上に、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極から前記ドレイン領域方向に延在し、前記ドリフト領域上に第1の絶縁膜を介して形成された、第1のフィールドプレートと、前記ソース領域又は前記ゲート電極に接し、前記第1のフィールドプレート上に第2の絶縁膜を介して形成された、複数の配線層からなる第2のフィールドプレートと、前記ボディ領域に接し、前記ドリフト領域の下方に形成された第1導電型の第1の埋め込み領域と、前記第1の埋め込み領域に隣接し、前記ドリフト領域の下方に前記ドレイン領域方向に延在して形成された前記第1の埋め込み領域の不純物濃度より小さな不純物濃度を有する第1導電型の第2の埋め込み領域を備え、前記第2のフィールドを構成する複数の配線層において、上層にある配線層の前記ドレイン領域との距離は、下層にある配線層の前記ドレイン領域との距離よりも短く、最下層にある配線層の前記ドレイン領域との距離は、前記第1のフィールドプレートの前記ドレイン領域との距離よりも短く、前記最上層の配線層の前記ドレイン領域との距離は、前記第2の埋め込み領域の前記ドレイン領域との距離よりも短く、前記第1のフィールドプレートの前記ドレイン領域との距離は、前記第1の埋め込み領域の前記ドレイン領域との距離よりも長いことを特徴とする。
本発明によれば、高耐圧LDMOS電界効果トランジスタにおいて、高耐圧化と低オン抵抗化の両立が可能な高性能な高耐圧LDMOS電界効果トランジスタを実現することができる。
本発明によれば、オフ耐圧と低オン抵抗特性を有するLDMOSトランジスタのドレイン電流の飽和領域において、ドレイン電流のソース・ドレイン間電圧依存性が小さな電流特性をもつトランジスタを実現することができる。
また、本発明によれば、オフ耐圧と低オン抵抗特性を有するLDMOSトランジスタのドレイン電流が急激に増大し始めるアバランシェ領域(Region3)のソース・ドレイン間電圧が大きい特性をもつトランジスタを実現することができる。
また、本発明によれば、オン抵抗等のトランジスタ特性の時間変化が小さい、高い信頼性を有するトランジスタを実現できる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の断面構造を示す図である。 図1の半導体装置の破線A-A’における基板主平面に並行な方向の不純物濃度分布を示す図である。 従来の半導体装置のドレイン電流特性を示す図である。 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置のオン状態時における等電位ポテンシャル分布を示す図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の断面構造を示す図である。 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の断面構造を示す図である。 図6の半導体装置の破線B-B’における基板主平面に並行な方向の不純物濃度分布を示す図である。 従来の半導体装置の断面構造を示す図である。 従来の半導体装置のドレイン電流特性を示す図である。 従来の半導体装置のオン状態時における等電位ポテンシャル分布を示す図である。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
図1から図4を参照して、本発明の第1の実施形態の半導体装置について説明する。
本実施例の半導体装置は、図1に示すように、N型LDMOSトランジスタ100であり、P型の半導体基板1上に絶縁層2が形成され、絶縁層2上にP型の半導体層3が形成されたSOI半導体基板上に形成されている。
SOI半導体基板には第1の埋め込み領域4となる例えば不純物濃度が4×10 16 /cm3のP型半導体層が、SOI半導体基板上に形成されたP型半導体層のPボディ領域6と接続されて形成されていて、第1の埋め込み領域4に第2の埋め込み領域5となるP型半導体層が基板主平面に並行な方向に隣在している。図2は、図1の破線A-A’における基板主平面に並行な方向の不純物濃度分布を示している。第2の埋め込み領域5の不純物濃度は、例えば2×10 16 /cm3であり、第1の埋め込み領域4の不純物濃度に対して、1/3から2/3の範囲にあるように設定されている。
また、Pボディ領域6に隣接し、第1の埋め込み領域4と第2の埋め込み領域5の上部に、不純物濃度が例えば5×10 16 /cm3のN型半導体層からなるドリフト領域7が形成されていて、Pボディ領域6の表面にはN型半導体層のソース領域9とPボディ接続領域11が形成されている。また、N型ドリフト領域7上にはN型ドレイン領域10が形成されている。そして、ソース領域9に隣接して、SOI半導体基板上には絶縁層からなるゲート酸化膜12が形成され、Pボディ領域6の一部及びドリフト領域7のソース領域9側の一部上にN型ポリシリコンからなるゲート電極13がゲート酸化膜12を介して形成されている。
さらに、ドリフト領域7上には、絶縁層8で構成されるSTI(Shallow Trenc Isolation)が形成され、ゲート電極13がSTI上の一部に延在して第1のフィールドプレート13を構成している。
続いて、SOI半導体基板上には層間絶縁膜14が堆積され、その一部が開孔されてアルミニウム(Al)等の金属層からなるコンタクト15aがソース領域9とPボディ接続領域11上に、コンタクト15bがドレイン領域10上に形成されている。
そして、層間絶縁膜14上には、アルミニウム(Al)等の金属層からなる第1配線層16a、16bが形成されて、コンタクト15a、15bと各々接続されている。コンタクト15aに接続された第1配線層16aはソース電極を構成するとともに、ドレイン領域方向に延在して、第2のフィールドプレートを構成している。
さらに、第1配線層16a、16b上には層間絶縁膜17が堆積され、その一部が開孔されてアルミニウム(Al)等の金属層からなる配線接続孔18a、18bが、第1配線層16a、16b上に各々形成されている。そして、層間絶縁膜17上には、アルミニウム(Al)等の金属層からなる第2配線層19a、19bが形成されて、配線接続孔18a、18bと各々接続されている。配線接続孔18aに接続された第2配線層19aはソース電極を構成するとともに、ドレイン領域方向に延在して、第2のフィールドプレートを構成している。
ここで、図1に示すように第1のフィールドプレート13とドレイン領域10との半導体基板平面方向の距離をLF1、第1配線層からなる第2のフィールドプレート16aとドレイン領域10との半導体基板平面方向の距離をLF2、第2配線層からなる第2のフィールドプレート19aとドレイン領域10との半導体基板平面方向の距離をLF3としたとき、LF1、LF2、LF3は式(1)の関係にある。
すなわち、第1及び第2のフィールドプレート(13、16a、19a)は上層になるに従い、ドレイン領域10から半導体基板平面方向の距離が小さくなっている。
また、第1の埋め込み領域4とドレイン領域10との半導体基板平面方向の距離をLB1、第2の埋め込み領域5とドレイン領域10との半導体基板平面方向の距離をLB2としたとき、LB1、LB2、LF1、LF3は式(2)、式(3)の関係にある。
すなわち、第1及び第2の埋め込み領域(4、5)とドレイン領域10との距離LB1、LB2は、第1フィールドプレート13とドレイン領域10との距離LF1より小さく、最上層にある配線の第2のフィールドプレート19aとドレイン領域10との距離LF3より大きい関係にある。
係る構成により、トランジスタ100がオン状態における飽和電流特性は図3に示すようになり、飽和領域(Region2)におけるドレイン電流(Ids)のVds依存性を小さくすることができる。また、IdsがVdsと共に大きく増大するアバランシェ領域(Region3)となるVds電圧をオフ耐圧(BVoff)と近い値にすることができる。
続いて、このような特性が得られる理由を説明する。図4はトランジスタ100のゲート、ソース間が5V、ソース・ドレイン間の電圧(Vds)が300Vと比較的高い電圧が印加されいて、ドレイン電流が飽和領域(Region2)にある時の電位ポテンシャル分布を示す。ドリフト領域7の不純物濃度が5×10 16 /cm3と比較的高いにもかかわらずドリフト領域7の電位ポテンシャルは、第1のフィールド13、第2のフィールドプレート(16a、19a)、及び第1、第2の埋め込み層(4、5)によるリサーフ効果により電界が局所集中すること無く分布している。また、図8の従来構造のトランジスタ400では、図10に示すように埋め込み層4の電位ポテンシャルが均一でなくドレイン領域10に近い方向に電界が集中するのに対して、電位ポテンシャルは、第1の埋め込み層4と第2の埋め込み層5内を均一に分布しており、電界集中が抑えられている。このため、インパクトイオン化現象によるアバランシェ電流が抑えられた結果、飽和領域(Region2)におけるドレイン電流(Ids)のVds依存性が小さく、アバランシェ領域(Region3)が始まるVdsを高くすることができる。
なお、ドリフト領域7における電位ポテンシャルをより均一にして、より高い耐圧を得るためには、式(4)で与えられる関係となるように構成さることがより望ましが、その限りではない。
なお、本実施例では、第2のフィールドプレート16aはN型ソース領域9(ボディ領域6)と電気的に接続されているが、ゲート電極及び第1のフィールドプレート13と電気的に接続した場合も同様の効果を得ることができる。
また、本実施例ではN型MOSトランジスタでの例を説明したが、P型MOSトランジスタでも、同様の効果が得られる。
さらに、N型MOSトランジスタのN型ドレイン領域10において、PN接合構造を設けて、IGBTの構造とした場合でも、ドリフト領域の電界集中を抑えることで、素子サイズを小型化しつつ、高耐圧化を図ることができる。この場合、図1に示す構造において、N型ソース領域9は「エミッタ領域」となり、N型ドレイン領域10は「コレクタ領域」となる。
図5を参照して、本発明の第2の実施形態の半導体装置について、主に第1の実施形態との差分を中心に説明する。
第1の実施形態と異なる点は、N型LDMOSトランジスタ200は第2配線層(19a、19b)上に層間絶縁膜20が堆積されていて、層間絶縁膜20に開孔された配線接続孔(21a、21b)が第2の配線層(19a、19b)に接続され、層間絶縁膜20上に第3の配線層(22a、22b)が形成されている。ソース電極となる第3配線層22aはドレイン領域10方向に延在していて、第2のフィールドプレートを構成している。
ここで、図5に示すように第3配線からなる第2のフィールドプレート22aとドレイン領域10との半導体基板平面方向の距離をLF4としたとき、LF1、LF2、LF3、LF4は式(5)の関係にある。
すなわち、第1のフィールドプレート13及び第2のフィールドプレート(16a、19a、22a)は上層になるに従い、ドレイン領域10からの半導体基板平面方向の距離が小さくなっている。
また、LF1、LB1、LB2、LF4は式(2)、式(6)の関係にある。
すなわち、第1及び第2の埋め込み領域(4、5)とドレイン領域10との距離LB1、LB2は、第1フィールドプレート13とドレイン10との距離LF1より小さく、最上層にある配線の第2のフィールドプレート22aとドレイン領域10との距離LF4より大きい関係にある。
係る構成により、第1の実施形態のトランジスタ100よりもドリフト領域7における電位ポテンシャル分布をより均一にでき、耐圧がより高いトランジスタにおいて、図3に示したように、ドレイン電流(Ids)のVds依存性が小さい飽和電流特性を得ることができる。
図6を参照して、本発明の第3の実施形態の半導体装置について、主に第2の実施形態との差分を中心に説明する。
第2の実施形態と異なる点は、N型LDMOSトランジスタ300では、半導体基板にP型半導体層からなる第3の埋め込み領域23が、第2の埋め込み領域5に隣接して、ドリフト領域7下に設けられていることである。図7は図6の破線B-B’における基板主平面に並行な方向の不純物濃度分布を示しているが、第3の埋め込み領域の23の不純物濃度は、例えば1×10 16 /cm3と第2の埋め込み領域5の不純物濃度に対して1/3~2/3程度となっている。
また、図6に示すように、第3の埋め込み領域23とドレイン領域10との半導体基板平面方向の距離をLB3としたとき、LB1、LB3,LF1,LF4は式(2)、式(7)の関係にある。
係る構成により、第2の実施形態のトランジスタ200よりも、埋め込み領域(4、5、23)における電位ポテンシャル分布をより均一にでき、高い耐圧のトランジスタにおいて、ドレイン電流(Ids)のVds依存性がより小さい飽和電流特性を得ることができる。
なお、ドリフト領域7における電位ポテンシャルをより均一にして、より高い耐圧を得るためには、式(8)で与えられる関係となるように構成さることが望ましいが、その限りではない。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
1…P型(半導体)基板
2…絶縁層
3…P型半導体層
4…第1の埋め込み領域
5…第2の埋め込み領域
6…Pボディ領域
7…ドリフト領域
8…STI
9…ソース領域
10…ドレイン領域
11…Pボディ接続領域
12…ゲート酸化膜
13…ゲート電極(第1のフィールドプレート)
14…層間絶縁膜
15a、b…コンタクト
16a…第1配線層(ソース電極,第2のフィールドプレート)
16b…第1配線層(ドレイン電極)
17…層間絶縁膜
18a、b…配線接続孔
19a…第2配線層(ソース電極,第2のフィールドプレート)
19b…第2配線層(ドレイン電極)
20…層間絶縁膜
21a、b…配線接続孔
22a…最上層配線層(ソース電極、第2のフィールドプレート)
22b…最上層配線層(ドレイン電極)
23…第3の埋め込み領域
100…第1の実施例のN型LDMOSトランジスタ
200…第2の実施例のN型LDMOSトランジスタ
300…第3の実施例のN型LDMOSトランジスタ
400…従来構造のN型LDMOSトランジスタ

Claims (6)

  1. 半導体基板の主面に形成された第1導電型のボディ領域と、
    前記ボディ領域の表面に形成された第2導電型のソース領域と、
    前記ボディ領域と接するように形成された第2導電型のドリフト領域と、
    前記ドリフト領域上に形成された第2導電型のドレイン領域と、
    前記ソース領域と前記ドリフト領域との間の前記ボディ領域及び前記ソース領域側の前記ドリフト領域上に、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
    前記ゲート電極から前記ドレイン領域方向に延在し、前記ドリフト領域上に第1の絶縁膜を介して形成された、第1のフィールドプレートと、
    前記ソース領域又は前記ゲート電極に接し、前記第1のフィールドプレート上に第2の絶縁膜を介して形成された、複数の配線層からなる第2のフィールドプレートと、
    前記ボディ領域に接し、前記ドリフト領域の下方に形成された第1導電型の第1の埋め込み領域と、
    前記第1の埋め込み領域に隣接し、前記ドリフト領域の下方に前記ドレイン領域方向に延在して形成された前記第1の埋め込み領域の不純物濃度より小さな不純物濃度を有する第1導電型の第2の埋め込み領域を備え、
    前記第2のフィールドプレートを構成する複数の配線層において、上層にある配線層の前記ドレイン領域との距離は、下層にある配線層の前記ドレイン領域との距離よりも短く、最下層にある配線層の前記ドレイン領域との距離は、前記第1のフィールドプレートの前記ドレイン領域との距離よりも短く、
    最上層の配線層の前記ドレイン領域との距離は、前記第2の埋め込み領域の前記ドレイン領域との距離よりも短く、
    前記第1のフィールドプレートの前記ドレイン領域との距離は、前記第1の埋め込み領域の前記ドレイン領域との距離よりも長いことを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置であって、
    前記ドリフト領域の不純物濃度は1×1016/cm3より大きく、第1の埋め込み領域の不純物濃度は1×1016/cm3より大きく、
    前記第2の埋め込み領域の不純物濃度は、第1の埋め込み領域の不純物濃度の1/3から2/3の値に設定されていることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項1、2に記載の半導体装置であって、
    前記第2のフィールドプレートを構成する複数の配線層において、
    最下層にある配線層の前記ドレイン領域との距離は、前記第1の埋め込み領域の前記ドレイン領域との距離よりも小さく、
    前記第2の埋め込み領域の前記ドレイン領域との距離よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項3に記載の半導体装置であって、
    前記第2の埋め込み領域に隣接し、前記ドリフト領域の下方に、前記ドレイン領域方向に延在して形成された前記第2の埋め込み領域の不純物濃度より小さな不純物濃度を有する第1導電型の第3の埋め込み領域を備え、
    前記第3の埋め込み領域と前記ドレイン領域との距離は、前記第2のフィールドプレートを構成する配線層において、最上層にある配線層の前記ドレイン領域との距離よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項4に記載の半導体装置であって、
    前記第3の埋め込み領域の不純物濃度は、前記第2の埋め込み領域の不純物濃度の1/3から2/3の値に設定されていることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項1乃至5に記載の半導体装置であって、
    前記半導体基板は、半導体層中に埋め込み絶縁層を有するSOI基板からなることを特徴とする半導体装置。
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