JPH07202197A

JPH07202197A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH07202197A
Application number: JP6264000A
Authority: JP
Inventors: Wilhelmus G Voncken; ヘルラヒウスフォンケンウイルヘルムス; Louis Praamsma; プラムスマルイス
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1993-10-27
Filing date: 1994-10-27
Publication date: 1995-08-04
Also published as: BE1007672A3; KR100355514B1; KR950012709A; EP0651441A1; US5719428A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】高周波で十分迅速にスイッチング可能な半導
体装置を提供する。【構成】半導体本体３の表面４に隣接する第１導電型
の表面領域５を有する装置で、絶縁ゲート６をもつ電界
効果トランジスタ１と、２つのｐｎ接合を有し過大電圧
に対する保護装置２とが設けられ、電界効果トランジス
タは第２導電型のソース領域７とドレイン領域８を表面
領域内に有し、両領域間に第１導電型のチャネル領域９
を有し、その上方にあるゲート電極６は絶縁層によりチ
ャネル領域から分離されている。表面４にフィールド酸
化物１５が局部的に埋設され、保護装置２ではドーピン
グ濃度が表面領域より高く、表面やフィールド酸化物に
隣接する第２導電型のコクレタ領域１６及びエミッタ領
域１７と、また該酸化物の下側にあるベース領域１８を
有する横型バイポーラＴｒが設けられ、コレクタ領域は
ゲート電極に、エミッタ領域はソース領域に接続され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面に隣接する第１導
電型の表面領域を有する半導体本体を具える半導体装置
であって、この半導体装置には絶縁ゲートを有する電界
効果トランジスタと、２つのｐｎ接合を有し過大電圧に
対し保護する保護装置とが設けられ、前記の電界効果ト
ランジスタは前記の第１導電型とは反対の第２導電型の
ソース領域及びドレイン領域を前記の表面領域内に有す
るとともに第１導電型のチャネル領域を前記のソース領
域及びドレイン領域間に有し、前記のチャネル領域の上
方に位置する金属ゲート電極が絶縁層によって前記のチ
ャネル領域から分離されている当該半導体装置に関する
ものである。

【０００２】このような半導体装置においては、ゲート
電極がチャネル領域及び誘電体としての絶縁層と相俟っ
て入力キャパシタンスを構成する。この入力キャパシタ
ンスは半導体装置のスイッチング中充放電される。電気
抵抗（Ｒ）が低い金属ゲート電極を用いている為、この
入力キャパシタンス（Ｃ）の充放電は極めて迅速に行え
る。この半導体装置のいわゆるＲＣ時定数は低い。従っ
て、このような半導体装置は約５００ＭＨｚよりも高い
高周波で用いるのに極めて適している。保護装置は、ゲ
ート電極に印加される実際に回避することのできない高
い妨害電圧が絶縁層を破壊せしめないようにするもので
ある。

【０００３】

【従来の技術】米国特許第３，６４８，１２９号明細書
（第５，６及び７図）には、保護装置におけるｐｎ接合
が“バック・トゥ・バック”の逆直列接続したダブルダ
イオードを形成している。このダブルダイオードは表面
（１１）に隣接する第２導電型の第１ダイオード領域
（７）を有し、この第１ダイオード領域はその横方向で
第１導電型の第２ダイオード領域（６）により囲まれて
おり、この第２ダイオード領域も表面に隣接している。
又、表面に隣接し第１ダイオード領域（７）により完全
に囲まれた第１導電型の第３ダイオード領域（２２）が
ある。上記の参照符号は米国特許第３，６４８，１２９
号の第６図に示されたものである。ダブルダイオードは
第１ダイオード領域（７）と第２及び第３ダイオード領
域（６，２２）との間のｐｎ接合を以って構成されてい
る。第３ダイオード領域（２２）は電界効果トランジス
タのゲート電極に接続され、第２ダイオード領域（６）
は電界効果トランジスタのソース電極に接続されてい
る。従って、“バック・トゥ・バック”の逆直列接続し
たダブルダイオードが形成され、これが電界効果トラン
ジスタのゲート電極及びソース間に位置する。ダブルダ
イオードはゲートにおける正及び負の双方の妨害電圧で
ブレークダウンし、電荷がゲートからソースに除去され
る。従って、ゲート電極には大きな妨害電圧が存在しな
くなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した既知の半導体
装置には、この半導体装置が高周波で充分迅速にスイッ
チングできないという欠点がある。本発明の目的は、上
述した欠点を回避することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、表面に隣接す
る第１導電型の表面領域を有する半導体本体を具える半
導体装置であって、この半導体装置には絶縁ゲートを有
する電界効果トランジスタと、２つのｐｎ接合を有し過
大電圧に対し保護する保護装置とが設けられ、前記の電
界効果トランジスタは前記の第１導電型とは反対の第２
導電型のソース領域及びドレイン領域を前記の表面領域
内に有するとともに第１導電型のチャネル領域を前記の
ソース領域及びドレイン領域間に有し、前記のチャネル
領域の上方に位置する金属ゲート電極が絶縁層によって
前記のチャネル領域から分離されている当該半導体装置
において、半導体本体の前記の表面に、局部的に埋設さ
れたフィールド酸化物が設けられ、前記の保護装置に
は、ドーピング濃度が前記の表面領域よりも高く前記の
表面及びフィールド酸化物に隣接する第２導電型のコレ
クタ領域及びエミッタ領域と、ドーピング濃度が前記の
表面領域よりも高く前記のフィールド酸化物の下側に位
置するベース領域とを有するラテラルバイポーラトラン
ジスタが設けられ、前記のコレクタ領域は前記のゲート
電極に電気的に接続され、前記のエミッタ領域は前記の
ソース領域に電気的に接続されていることを特徴とす
る。

【０００６】本発明によれば、電界効果トランジスタが
高周波でより一層迅速にスイッチングしうるようにな
る。

【０００７】本発明は、既知の半導体装置における保護
装置は電界効果トランジスタの高周波特性に悪影響を及
ぼすという認識に基づいて成したものである。本発明に
よれば、高周波に、より一層適した保護装置を選択す
る。アメリカ合衆国カリフォルニア州のLattice Press
発行の本“Process Integration(Part2)”の第４４１〜
４４６頁の論文“Silicon Processing for the VLSI Er
a ”（Wolf氏著）には電界効果トランジスタに対する通
常の保護装置の概要が説明されており、この場合ダイオ
ードのブレークダウン、ノードからノードへの突抜け現
象、電界ブレークダウン及び寄生ｐｎｐｎダイオードの
ラッチアップのような効果が用いられている。しかし、
このような装置の、高周波に対する適合性は全く記載さ
れていない。

【０００８】本発明によれば、保護装置にラテラルバイ
ポーラトランジスタを用いる。この種の保護は上記の本
の論文（Wolf氏著）には記載されていないが、フィール
ド酸化物の下にベース領域を有するラテラルトランジス
タを具える保護装置は欧州特許出願公開第２２５５８６
号明細書に記載されている。しかし、この欧州特許出願
公開明細書の第７頁の第２段落には、この保護は極めて
高いスイッチングレートのトランジスタに用いる場合に
は満足なものではないということが記載されている点に
注意すべきである。それにもかかわらず、驚いたことに
この保護は電界効果トランジスタの超高スイッチング周
波数（ＵＨＦ）では実際に満足なものであるということ
を確かめた。

【０００９】エミッタ領域は金属導体細条を介してソー
ス領域に接続することができる。しかし好適例では、電
界効果トランジスタのソース領域を同時に保護装置のラ
テラルトランジスタのエミッタ領域とする。この場合、
保護装置は一層迅速に動作する。その理由は、ソース領
域とエミッタ領域との間の追加の抵抗を構成する導体細
条が存在しない為である。保護装置自体のＲＣ時定数が
小さくなる。更に、この場合、保護装置が半導体装置上
で占める面積が少なくなる。

【００１０】本発明による半導体装置では、前記の電界
効果トランジスタのソース領域及びドレイン領域の各々
が前記のチャネル領域及び前記の表面に隣接する延長領
域を有し、これら延長領域は前記のソース及びドレイン
領域よりも低いドーピング濃度を有しており、第２導電
型のドーパント原子が与えられた酸化物層が前記の延長
領域及びフィールド酸化物の上に存在し、前記のラテラ
ルバイポーラトランジスタのコレクタ領域を前記の電界
効果トランジスタのゲートに電気接続する導体細条が前
記のフィールド酸化物及び前記の酸化物層上に設けられ
ているようにするのが好適である。この場合の半導体装
置は、いわゆる疑似自己整合金属ゲート構造を有するト
ランジスタを具えている。このような構造では、チャネ
ル領域がソース及びドレイン領域の延長領域と同時に自
己整合的に形成される。ゲート電極はチャネル領域の縁
部で比較的厚肉の酸化物層上にある為、金属ゲート電極
とソース及びドレイン領域との間の重なりキャパシタン
スが小さくなり、従ってトランジスタが高周波に対し極
めて適したものとなる。ラテラルバイポーラトランジス
タのコレクタ領域を電界効果トランジスタのゲートに電
気接続する導体細条はフィールド酸化物及び酸化物層上
に設ける。フィールド酸化物と酸化物層とより成る誘電
体層は比較的厚肉である為、この導体細条と表面領域と
の間のキャパシタンスは極めて小さく、半導体装置は高
周波に一層適したものとなる。

【００１１】

【実施例】図面は線図的なものであり、実際のものに正
比例して描いていない。図１は本発明による半導体装置
の一実施例を示す断面図であり、この半導体装置は半導
体本体３を具え、この半導体本体は表面４に隣接する第
１導電型の表面領域５を有し、この表面領域５内に、絶
縁ゲート６が設けられた電界効果トランジスタ１が設け
られており、この電界効果トランジスタは表面領域５内
の、前記の第１導電型とは反対の第２導電型のソース領
域７及びドレイン領域８と、これらソース領域７及びド
レイン領域８間に位置する第１導電型のチャネル領域９
とを有し、このチャネル領域９の上方に位置する金属ゲ
ート電極６は絶縁層１０によりチャネル領域９から分離
されており、半導体装置には更に、２つのｐｎ接合を有
する、過大電圧に対する保護装置２が設けられている。
このような装置では、ゲート電極６がチャネル領域９と
相俟って、絶縁層１０を誘電体として有する入力キャパ
シタンスを構成している。この入力キャパシタンスは半
導体装置のスイッチング中充電されたり放電されたりす
る。この入力キャパシタンスは、金属ゲート電極６、本
例の場合電気抵抗値の低いアルミニウムより成る金属ゲ
ート電極６を用いているために極めて迅速に充電しう
る。しばしば用いられている、金属珪化物の頂部層が設
けられドーピングされた多結晶シリコンより成るゲート
電極は実際には適していないということを確かめた。そ
の理由は、このようなゲート電極の抵抗値はあまりにも
高すぎる為である。金属ゲート電極６の場合、この半導
体装置は約５００ＭＨｚよりも高い周波数に適用するの
に特に適するような小さいＲＣ時定数を有する。保護装
置２は、ゲート電極６に印加され実際に回避することが
できない高い妨害電圧が絶縁層１０を破壊せしめないよ
うにするものである。

【００１２】明細書の発明の詳細な説明の欄の冒頭に述
べた種類の装置であって、保護装置のｐｎ接合が“バッ
ク・トゥ・バック”の逆直列接続されたダブルダイオー
ドを形成している装置は既知である。ダブルダイオード
はｎ型ウエルを有するｐｎｐ構造をしており、このｎ型
ウエルは表面内に設けられ且つ第１ｐ型表面領域により
囲まれており、このｎ型ウエルの内側に第２ｐ型表面領
域が設けられている。ダブルダイオードはｎ型ウエルと
ｐ型表面領域との間のｐｎ接合により形成されている。
ｎ型ウエルは実際にはしばしば電界効果トランジスタの
ソース及びドレイン領域とは異なってドーピングされて
いる。ｎ型ウエルを囲む第１ｐ型表面領域は電界効果ト
ランジスタのソース電極に接続され、ｎ型ウエルの内側
の第２ｐ型表面領域は電界効果トランジスタのゲートに
接続されている。これにより電界効果トランジスタのゲ
ート電極とソース電極との間に位置する“バック・トゥ
・バック”の逆直列接続したダブルダイオードが形成さ
れている。ダブルダイオードはゲート電極に印加される
正及び負の双方の妨害電圧に対してブレークダウン（降
服）し、電荷をゲートからソースに除去する。これによ
りゲートには高い妨害電圧が存在しなくなる。

【００１３】しかし、この既知の装置には、この装置が
高周波数で充分に迅速にスイッチングすることができな
いという欠点がある。

【００１４】本発明による装置では、半導体本体３の表
面４に、局部的に埋設したフィールド酸化物１５（ＬＯ
ＣＯＳ）が設けられ、保護装置２は、表面領域５よりも
著しく多量にドーピングされ表面４及びフィールド酸化
物１５に隣接する第２導電型のコレクタ領域１６及びエ
ミッタ領域１７と、表面領域５よりも著しく多量にドー
ピングされフィールド酸化物１５の下側に位置する第１
導電型のベース領域１８とを有するラテラルバイポーラ
トランジスタを有し、コレクタ領域１６はゲート電極６
に電気接続され、エミッタ領域１７はソース領域７に電
気接続されている。このような半導体装置は高周波で一
層迅速にスイッチングしうる。本発明による保護装置で
は、ラテラルバイポーラトランジスタのコレクタ及びエ
ミッタ領域と電界効果トランジスタのソース及びドレイ
ン領域とに対し同じドーピングを用いることができる。
ラテラルバイポーラトランジスタのベース領域のドーピ
ングはバイポーラトランジスタの所望のブレークタウン
電圧に適合させることができる。

【００１５】本発明は、既知の半導体装置における保護
装置２は比較的大きな容量性負荷を構成し、これにより
装置のＲＣ時定数を高めるという認識を基に成したもの
である。既知の半導体装置における保護装置がスイッチ
・オンしていない時、ｎ型ウエルの内側の第２ｐ型表面
領域とこのｎ型ウエル自体との間の非導通ｐｎ接合がキ
ャパシタンスを形成し、このキャパシタンスが、ゲート
電極とチャネル領域とより成る電界効果トランジスタの
入力キャパシタンスに並列に接続される。ｎ型ウエルは
第２ｐ型表面領域を囲んでおり、又、ｎ型ウエル及び第
２ｐ型表面領域は比較的多量にドーピングされている
為、このキャパシタンスは比較的大きく、従って装置の
ＲＣ時定数が増大する。本発明によれば、高周波に対し
より一層適した保護装置を選択する。

【００１６】ＭＯＳトランジスタに対する通常の保護装
置は、ダイオードのブレークダウン、ノードからノード
への突抜け現象、電界効果ブレークダウン及び寄生ｐｎ
ｐｎダイオードのラッチアップのような効果を利用して
いる。しかし、本発明によれば、保護装置にラテラルバ
イポーラトランジスタを用いている。この保護自体は既
知であるが、この保護はこれをスイッチングレートが極
めて高いトランジスタに用いた場合に満足なものではな
いということも知られている。驚いたことに、それにも
かかわらずこの保護な電界効果トランジスタの場合超高
周波（ＵＨＦ）で実際に満足なものであるということを
確かめた。本発明による保護装置ではゲート電極６とチ
ャネル領域９とより成る入力キャパシタンスの容量性負
荷は極めて小さいということを確かめた。その理由は、
コレクタ領域１６とベース領域１８との間のｐｎ接合２
０のみが保護装置により形成されるキャパシタンスに大
きく寄与するにすぎない為であると思われる。コレクタ
領域１６と表面領域５との間のｐｎ接合は、表面領域５
のドーピングレベルが比較的低い為にキャパシタンスに
それほど寄与しない。

【００１７】図１の好適実施例では、電界効果トランジ
スタ１のソース領域７は同時に保護装置２のラテラルバ
イポーラトランジスタのエミッタ領域１７である。この
場合、保護装置２はより迅速に動作する。その理由は、
ソース領域７とエミッタ領域１７との間に追加の抵抗を
構成する導電細条が存在しない為である。従って、保護
装置２自体のＲＣ時定数が小さくなる。更に、保護装置
２が半導体表面４上に占める面積が少なくなる。

【００１８】図１では、本発明による半導体装置がソー
ス領域７及びドレイン領域８を有する電界効果トランジ
スタを具え、これらソース領域及びドレイン領域は、こ
れらよりもドーピング濃度が低くチャネル領域９及び表
面４に隣接する延長領域２７及び２８をそれぞれ有し、
これら延長領域２７，２８及びフィールド酸化物１５の
上に、第２導電型のドーパント原子が与えられた酸化物
層３０が設けられ、バイポーラトランジスタのコレクタ
領域１６を電界効果トランジスタ１のゲート電極６に電
気的に接続する導体細条２６がフィールド酸化物１５及
び酸化物層３０の上に設けられている。この場合、この
半導体装置はいわゆる疑似自己整合金属ゲート構造を有
するトランジスタを含む。従って、チャネル領域９はソ
ース領域７及びドレイン領域８の延長領域２７，２８と
同時に自己整合的に形成する。次にゲート電極６をチャ
ネル領域９の縁部上の比較的厚肉の酸化物層３０上に位
置させ、金属ゲート電極６とソース領域２７及びドレイ
ン領域２８との間の重なりキャパシタンスを小さくし、
従ってトランジスタを高周波に対し極めて適したものと
する。バイポーラトランジスタのコレクタ領域１６を電
界効果トランジスタ１のゲート電極６に電気接続する導
体細条２６はフィールド酸化物１５及び酸化物層３０上
に設ける。フィールド酸化物１５及び酸化物層３０より
成る誘電体層は比較的厚肉である為、前記の導体細条２
６と、表面領域５との間のキャパシタンスは極めて小さ
く、従って半導体装置は高周波に対し更に一層適したも
のとなる。フィールド酸化物１５の厚さ及びドーパント
原子が与えられた酸化物層３０の厚さは、半導体装置の
所定の幾何学的形状に対し導体細条２６と表面領域５と
の間の分離が最適に選択されるように決定しうる。半導
体装置においては、トランジスタを横方向で分離するた
めに、局部的に埋設したフィールド酸化物領域３５とそ
の下側のドーピングされた領域３１、いわゆるチャネル
ストッパとを用いることができる。チャネルストッパ３
１のドーピングはラテラルバイポーラ保護トランジスタ
のベース領域にとって望ましいドーピングに適合させる
ことができる。

【００１９】図１の半導体装置は以下のようにして製造
する。１０Ω・cmの抵抗率を有するｐ^-導電型のシリコ
ン半導体本体３から出発して、薄肉の酸化物及び窒化物
層を有するLOCOS マスクを通常のようにして設ける。ま
ず最初、このマスクの孔内でシリコン表面４を（０．４
μm の深さまで）エッチングし、次に３・１０¹⁵cm²の
ドーピングでＢ原子を注入することによりチャネルスト
ッパ３１及びベース領域１８を設ける。次に、通常のよ
うに高温の蒸気によりフィールド酸化物１５及び３５を
０．５μm の厚さに成長させる。次に、LOCOS マスクを
除去する。次に表面を再び酸化してマスク用の酸化物層
を得、その後このマスク用の酸化物層にコレクタ領域１
６、エミッタ領域１７、ソース領域７及びドレイン領域
８用の孔を形成する。次に、これらの孔を経て６・１０
¹⁵cm^-2のドーピングでＰ原子を注入し、且つ活性化して
ｎ⁺型の層を形成する。マスク用の酸化物層を表面から
再び除去する。次に、Ｐ原子がドーピングされた０．５
μm の厚さの酸化物層３０（SILOX ）を表面４に設け、
その後この酸化物層をチャネル領域９の上から除去す
る。次に、酸化雰囲気中での温度工程により絶縁層１
０、すなわちゲート酸化物を形成し、同時に延長領域２
７及び２８を層３０からの拡散によるｎ型ドーピングに
より形成する。次に、コレクタ領域１６、エミッタ／ソ
ース領域１７，７及びドレイン領域８に対する接点孔を
酸化物層３０にあける。次に、アルミニウム導体層２
６，６を設けてパターン化する。半導体装置は最終的に
通常のようにして容器内に装着する。このような半導体
装置は９００ＭＨｚよりも高い周波数に適している。

【００２０】半導体装置の製造には、例えばイオン注入
やSILOX 堆積のようなある技術を上述した説明で用いた
が、例えばTEOS（テトラエトキシシラン）からの拡散又
は堆積のような他の技術を使用することも本発明の本質
から外れるものではない。

【００２１】本発明は上述した実施例に限定されず、幾
多の変更を加えうること勿論である。例えば、単一の電
界効果トランジスタ１の代わりに二重電界効果トランジ
スタ、いわゆる四極トランジスタ（テトロード）を用い
ることができる。複数の保護装置を設けた複数の電界効
果トランジスタを１つの半導体本体内に設けることもで
きる。又、保護装置のラテラルトランジスタのエミッ
タ、ベース及びコレクタ領域におけるドーピング濃度は
このラテラルトランジスタ自体がスイッチ・オンする所
望電圧に適合できること当業者にとって明らかである。
更に、上述した以外の材料を用いることもできる。例え
ば、半導体本体をIII−IV族化合物から造ることもでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】保護装置としてラテラルバイポーラトランジス
タが設けられた電界効果トランジスタを有する本発明の
半導体装置の一実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１電界効果トランジスタ２保護装置３半導体本体４表面５表面領域６絶縁ゲート（金属ゲート電極）７ソース領域８ドレイン領域９チャネル領域１０絶縁層１５フィールド酸化物１６コレクタ領域１７エミッタ領域１８ベース領域２０，２２ｐｎ接合２６導体細条２７，２８延長領域３０酸化物層３１チャネルストッパ３５フィールド酸化物領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ルイスプラムスマオランダ国 6534 アーエーネイメーヘンヘルストウェッハ２

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に隣接する第１導電型の表面領域を
有する半導体本体を具える半導体装置であって、この半
導体装置には絶縁ゲートを有する電界効果トランジスタ
と、２つのｐｎ接合を有し過大電圧に対し保護する保護
装置とが設けられ、前記の電界効果トランジスタは前記
の第１導電型とは反対の第２導電型のソース領域及びド
レイン領域を前記の表面領域内に有するとともに第１導
電型のチャネル領域を前記のソース領域及びドレイン領
域間に有し、前記のチャネル領域の上方に位置する金属
ゲート電極が絶縁層によって前記のチャネル領域から分
離されている当該半導体装置において、半導体本体の前記の表面に、局部的に埋設されたフィー
ルド酸化物が設けられ、前記の保護装置には、ドーピン
グ濃度が前記の表面領域よりも高く前記の表面及びフィ
ールド酸化物に隣接する第２導電型のコレクタ領域及び
エミッタ領域と、ドーピング濃度が前記の表面領域より
も高く前記のフィールド酸化物の下側に位置するベース
領域とを有するラテラルバイポーラトランジスタが設け
られ、前記のコレクタ領域は前記のゲート電極に電気的
に接続され、前記のエミッタ領域は前記のソース領域に
電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】請求項１に記載の半導体装置において、
前記の電界効果トランジスタのソース領域が同時に前記
の保護装置のラテラルバイポーラトランジスタのエミッ
タ領域であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】請求項１又は２に記載の半導体装置にお
いて、前記の電界効果トランジスタのソース領域及びド
レイン領域の各々が前記のチャネル領域及び前記の表面
に隣接する延長領域を有し、これら延長領域は前記のソ
ース及びドレイン領域よりも低いドーピング濃度を有し
ており、第２導電型のドーパント原子が与えられた酸化
物層が前記の延長領域及びフィールド酸化物の上に存在
し、前記のラテラルバイポーラトランジスタのコレクタ
領域を前記の電界効果トランジスタのゲートに電気接続
する導体細条が前記のフィールド酸化物及び前記の酸化
物層上に設けられていることを特徴とする半導体装置。