專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在同一個半導(dǎo)體襯底上具有高壓晶體管和低壓晶體管的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置包括具有第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底；在該半導(dǎo)體襯底上形成的具有第二導(dǎo)電型的第一勢阱；
在該第一勢阱內(nèi)形成的具有第一導(dǎo)電型的第二勢阱；在該第一勢阱內(nèi)形成的具有第二導(dǎo)電型的第三勢阱；在該第二勢阱形成的具有第二導(dǎo)電型的低壓晶體管；在該第三勢阱形成的具有第一導(dǎo)電型的低壓晶體管；以及在該第一勢阱形成的具有第一導(dǎo)電型的高壓晶體管，其中，該第二勢阱和該第三勢阱中的雜質(zhì)濃度比該第一勢阱中的雜質(zhì)濃度高。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，由于用于形成低壓晶體管的該第二勢阱和第三勢阱是在用于形成高壓晶體管的該第一勢阱內(nèi)形成的，所以，相對于該第一勢阱，可以獨立地設(shè)計該第二勢阱以及該第三勢阱。其結(jié)果是，即使是含有高壓晶體管的半導(dǎo)體裝置，也可以適應(yīng)低壓晶體管的小型化和高速化要求，提高該第二勢阱和該第三勢阱的表面濃度。尤其是第三勢阱，雖然和第一勢阱是同一導(dǎo)電型，但是其雜質(zhì)濃度能與第一勢阱的濃度很好區(qū)分開，并且能夠控制勢阱的旁向膨脹。因此，可以縮小第二和第三勢阱的面積，從而提高這些勢阱的集成度。
另外，該第二勢阱和第三勢阱中的雜質(zhì)濃度比該第一勢阱的濃度設(shè)定得要高。這樣，便可以根據(jù)各晶體管的驅(qū)動電壓及耐壓能力，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定各勢阱的雜質(zhì)濃度。而且，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置可以具有被例如10V以上，特別是在20～60V的電源電壓驅(qū)動的高壓晶體管；以及被例如1.8～5V的電源電壓驅(qū)動的低壓晶體管。
另外，由于在該第一勢阱內(nèi)形成第二勢阱和第三勢阱，所以在該第二和第三勢阱內(nèi)形成的低壓晶體管不受襯底電位的限制，可由所希望的任何電源電壓操作。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置還包括在該半導(dǎo)體襯底上形成的具有第一導(dǎo)電型的第四勢阱和在該第四勢阱內(nèi)形成的具有第二導(dǎo)電型的高壓晶體管。
在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中該低壓晶體管和該高壓晶體管的耐壓能力之比可以為3～60，另外，該高壓晶體管還可以具有補償柵結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置制造方法包括(a)在具有第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底上形成具有第二導(dǎo)電型的第一勢阱；(b)通過離子注入法分別將具有第一導(dǎo)電型和第二導(dǎo)電型的雜質(zhì)注入第一勢阱的特定區(qū)域內(nèi)，以形成第一雜質(zhì)層和第二雜質(zhì)層；以及(c)通過熱處理分別使第一雜質(zhì)層和第二雜質(zhì)層中的雜質(zhì)擴散，以形成具有第一導(dǎo)電型的第二勢阱和具有第二導(dǎo)電型的第三勢阱。
根據(jù)本發(fā)明的制造方法，由于形成高壓晶體管的該第一勢阱和形成低壓晶體管的該第二勢阱和第三勢阱是在不同的步驟完成的，所以相對于第一勢阱，第二勢阱和第二勢阱可以獨立地設(shè)計。
另外，通過根據(jù)本發(fā)明制造方法，可以通過熱處理分別使該第一雜質(zhì)層及該第二雜質(zhì)層中的雜質(zhì)擴散，并同時形成具有第一導(dǎo)電型的第二勢阱及具有第二導(dǎo)電型的第三勢阱。
在根據(jù)本發(fā)明的制造方法中，該第二勢阱及該第三勢阱中的雜質(zhì)濃度高于該第一勢阱中的雜質(zhì)濃度。
根據(jù)本發(fā)明的制造方法還可以包括在該第二勢阱內(nèi)形成具有第二導(dǎo)電型的低壓晶體管；在該第三勢阱內(nèi)形成具有第一導(dǎo)電型的低壓晶體管；以及在該第一勢阱內(nèi)形成第一導(dǎo)電型的高壓晶體管。
在根據(jù)本發(fā)明的制造方法中，可以在該半導(dǎo)體襯底上形成具有第一導(dǎo)電型的第四勢阱，在該第四勢阱形成具有第二導(dǎo)電型的高壓晶體管。
圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體裝置制造方法按步驟順序表示的剖面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的半導(dǎo)體裝置的高壓晶體管的示例結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖9是圖8所示的高壓晶體管主要部分的平面圖；以及
圖10是圖1所示的半導(dǎo)體裝置各晶體管之間的驅(qū)動電壓關(guān)系圖。
圖1所示的半導(dǎo)體裝置包括具有第一導(dǎo)電型(該例中為P型)半導(dǎo)體(硅)襯底10，在其內(nèi)形成的具有第二導(dǎo)電型(該例中為N型)的第一勢阱20和P型第四勢阱50。然后，由第一勢阱20和第四勢阱50構(gòu)成所謂的雙重勢阱結(jié)構(gòu)。
在第一勢阱20內(nèi)形成P型第二勢阱30和N型第三勢阱40。在比第一勢阱20淺的第二勢阱30及第三勢阱40中形成低壓晶體管，并在第一勢阱20及第四勢阱50中形成高壓晶體管。
具體而言，在第二勢阱30內(nèi)形成N溝道型低壓晶體管100NL。低壓晶體管100NL包括由N型雜質(zhì)層構(gòu)成的源極/漏極層32a和32b，以及柵極絕緣層34和柵極36。
在第三勢阱40內(nèi)形成P溝道型低壓晶體管200PL。低壓晶體管200PL包括由P型雜質(zhì)層構(gòu)成的源極/漏極層42a和42b，以及柵極絕緣層44和柵極46。
在第四勢阱50內(nèi)形成N溝道型高壓晶體管300NH，高壓晶體管300NH包括由N型雜質(zhì)層構(gòu)成的源極/漏極層52a和52b和柵極絕緣層54以及柵極56。
在第一勢阱20內(nèi)形成P溝道型高壓晶體管400PH，高壓晶體管400PH包括由P型雜質(zhì)層構(gòu)成的22a和22b，以及柵極絕緣層24和柵極26。
根據(jù)本實施例，低壓晶體管100NL和200PL被例如1.8～5V的驅(qū)動電壓下驅(qū)動。與低壓晶體管100NL和200PL相比，高壓晶體管300NH和400PH的驅(qū)動電壓相當(dāng)高，例如為20～60V。低壓晶體管100NL和200PL與高壓晶體管300NH和400PH的耐壓能力之比，即(高壓晶體管耐壓)/(低壓晶體管耐壓)之比為例如3～60。這里的“耐壓”主要是指漏極耐壓。
設(shè)定各個勢阱的結(jié)構(gòu)要考慮設(shè)置在各勢阱內(nèi)的晶體管的耐壓和閾值，以及各勢阱間的結(jié)耐壓和擊穿耐壓等因素。
首先就勢阱的雜質(zhì)濃度進行說明。形成低壓晶體管的第二勢阱30及第三勢阱40的雜質(zhì)濃度比形成高耐壓晶體管的第一勢阱20及第四勢阱50的雜質(zhì)濃度設(shè)定得要高。第二勢阱30以及第三勢阱40的雜質(zhì)濃度，例如表面濃度，是4.0×1016～7.0×1017atoms/cm3。另外，第一勢阱20以及第四勢阱50的雜質(zhì)濃度，例如表面濃度，是8.0×1015～4.0×1016atoms/cm3。
關(guān)于勢阱的深度，如果考慮勢阱耐壓能力，形成低壓晶體管的第二勢阱30和第三勢阱40的深度比形成高壓晶體管的第一勢阱20和第四勢阱50要淺。例如，第一勢阱20的深度為10～20μm，第二勢阱30和第三勢阱40的深度為3～10μm。將第一勢阱20的深度與第二勢阱30和第三勢阱40的深度相比，二者深度的比值分別為例如2～5。
圖1所示的各晶體管被未在圖中表示的元件隔離絕緣層所隔離。并且各高壓晶體管300NH和400PH可以具有所謂補償柵極結(jié)構(gòu)，其中，柵極與源極/漏極層不重合。在以下所述的例子中，各高壓晶體管具有LOCOS補償結(jié)構(gòu)。具體而言，在各高壓晶體管中，在柵極與源極/漏極層之間設(shè)置補償區(qū)。該補償區(qū)由設(shè)定在半導(dǎo)體襯底的特定區(qū)域的補償LOCOS層下的低濃度雜質(zhì)層構(gòu)成。
圖8示出了作為補償柵極結(jié)構(gòu)的一個示例的高壓晶體管400PH結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖9示出了高壓晶體管400PH的主要部分的平面圖。
P溝道型高壓晶體管400PH包括設(shè)置在N型第一勢阱20上的柵極絕緣層24；在該柵極絕緣層24上形成的柵極26；設(shè)置在柵極絕緣層24周圍的補償LOCOS層65a；在該補償LOCOS層65a下面形成的由P型低濃度雜質(zhì)層構(gòu)成的補償雜質(zhì)層57a；以及設(shè)置在補償LOCOS層65a外側(cè)的源極/漏極層22a和22b。
通過元件隔離LOCOS層(元件隔離絕緣層)65b將高壓晶體管400PH與其相鄰的晶體管電隔離。進而，在如圖所示的N型第一勢阱20內(nèi)的元件隔離LOCOS層65b的下面形成由N型低濃度雜質(zhì)層構(gòu)成的溝道阻擋層63c。勢阱接觸層27通過LOCOS層65c與源極/漏極層22b隔離。在LOCOS層65c的下面，可以形成圖中未示出的溝道阻擋層。
根據(jù)本實施例，各高壓晶體管具有LOCOS補償結(jié)構(gòu)，從而具有高漏極耐壓，從而構(gòu)成耐高壓的MOSFET。換言之，通過在補償LOCOS層65a下面設(shè)置由低濃度雜質(zhì)層構(gòu)成的補償雜質(zhì)層57a，與沒有補償LOCOS層的情況相比，補償雜質(zhì)層57a相對溝道區(qū)可以較深。其結(jié)果是，當(dāng)晶體管處于OFF狀態(tài)時，由于該補償雜質(zhì)層57a，可以形成較深的耗盡層，能夠緩解漏極近旁的電場，提高漏極耐壓。
在根據(jù)本實施例的半導(dǎo)體裝置中，在用于形成高壓晶體管400PH的第一勢阱20內(nèi)形成用于形成低壓晶體管100NL和200PL的第二勢阱30以及第三勢阱40。因此，如下所述，第一勢阱20、第二勢阱30和第三勢阱40是在不同的熱處理擴散步驟中形成的。因此，相對于第一勢阱20，第二勢阱30以及第三勢阱40可以獨立地設(shè)計。其結(jié)果是，為適應(yīng)低壓晶體管的小型化和高速化，第二勢阱30以及第三勢阱40的沿橫向的膨脹量可被減小，并且這些勢阱的面積也可隨之縮小，從而提高第二勢阱30和第三勢阱40的集成度。
另外，第二勢阱30及第三勢阱40中的雜質(zhì)濃度比第一勢阱20中的雜質(zhì)濃度設(shè)定得要高。因此，能夠根據(jù)各晶體管的驅(qū)動電壓及耐壓能力恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定各勢阱的雜質(zhì)濃度。
另外，由于在第一勢阱20內(nèi)形成的第二勢阱30和第三勢阱40分別與半導(dǎo)體襯底10電隔離。其結(jié)果是可以獨立地設(shè)定第二勢阱30和第三勢阱40的偏置條件。換言之，相對于半導(dǎo)體襯底10的襯底電位Vsub，可以獨立地設(shè)定第二勢阱30以及第三勢阱40的驅(qū)動電壓。因此，例如圖10所示，將低壓晶體管100NL和200PL的驅(qū)動電壓V1和V2由于被設(shè)定在高壓晶體管300NH和400PH的驅(qū)動電壓V3和V4之間，從低壓晶體管的驅(qū)動電壓電平變換到高壓晶體管的驅(qū)動電壓電平的電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計可以做到高效且容易。2.制造方法接下來，舉例說明根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法，圖2～圖7示意性地顯示了與圖1所示的半導(dǎo)體裝置制造方法有關(guān)的剖面圖。
(A)如圖2所示，通過對P型半導(dǎo)體(硅)襯底10進行熱氧化處理，在半導(dǎo)體襯底10的表面上形成厚約40nm的氧化硅層12。然后，在該氧化硅層12上形成厚度為140～160nm的作為抗氧化層的氮化硅層14。接著，在該氮化硅層14上形成抗蝕層R100。為在對應(yīng)N型第一勢阱20(參照圖1)的位置上形成開口部分，在抗蝕層R100上形成圖案。然后，利用抗蝕層R100作為掩膜，蝕刻氮化硅層14。接著，利用抗蝕層R100和氮化硅層14作為掩膜，向半導(dǎo)體襯底10內(nèi)，例如注入磷離子，形成N型雜質(zhì)層20a。在這種情況下，可以在120keV的加速電壓下注入磷離子。
(B)如圖2和圖3所示，去除抗蝕層R100之后，利用氮化硅層14作為抗氧化掩膜，通過對半導(dǎo)體襯底10進行熱氧化處理，在N型的雜質(zhì)層20a上形成厚500nm的LOCOS層16。接著，在去除氮化硅層14后，利用LOCOS層16作為掩膜，向半導(dǎo)體襯底10內(nèi)注入硼離子，形成P型雜質(zhì)層50a。在這種情況下，例如可以在60keV的加速電壓下注入硼離子。
(C)如圖3和圖4所示，通過熱處理使N型雜質(zhì)層20a和P型的雜質(zhì)層50a中的雜質(zhì)擴散(受迫)，以自對準(zhǔn)的方式形成N型第一勢阱20和P型第四勢阱50。然后，在去除氧化硅層12和LOCOS層16后，通過熱氧化，在半導(dǎo)體襯底10上形成氧化硅層18。
(D)如圖5所示，在氧化硅層18上形成抗蝕層R200，該抗蝕層在對應(yīng)第三勢阱40(參照圖1)的位置上設(shè)有開口部分。利用該抗蝕層R200作為掩膜，向N型第一勢阱20的特定區(qū)域內(nèi)注入磷離子，形成N型雜質(zhì)層(第二雜質(zhì)層)40a。在這種情況下，例如可以在120keV的加速電壓下注入磷離子。
(E)如圖6所示，去除抗蝕層R200之后，在氧化硅層18上形成抗蝕層R300，該抗蝕層在對應(yīng)第二勢阱30(參照圖1)的位置上設(shè)有開口部分。利用抗蝕層R300作為掩膜，向第一勢阱20的特定的區(qū)域內(nèi)，注入硼離子，形成P型雜質(zhì)層(第一雜質(zhì)層)30a。在這種情況下，例如可以在60keV的加速電壓下注入硼離子。然后，去除抗蝕層R300。
(F)如圖6和圖7所示，通過熱處理使P型雜質(zhì)層30a和N型雜質(zhì)層40a的雜質(zhì)同時擴散(受迫)，形成P型第二勢阱30和N型第三勢阱40。在這種情況下，第一勢阱20和第四勢阱50的雜質(zhì)也同時擴散。
如此，在P型半導(dǎo)體襯底10上，形成N型第一勢阱20，并在第一勢阱20內(nèi)形成P型第二勢阱30和N型第三勢阱40。進而，形成與第一勢阱20相鄰的P型第三勢阱50。上述步驟(D)和步驟(E)的順序可以相反。
然后，采用眾所周知的方法形成元件隔離絕緣層、柵極絕緣層、柵極以及源極/漏極層等，以形成特定的晶體管。具體而言，如圖1所示，在第二勢阱30內(nèi)形成N溝道型低壓晶體管100NL；在第三勢阱40內(nèi)形成P溝道型低壓晶體管200PL。此外，在第一勢阱20內(nèi)還形成P溝道型高壓晶體管400PH；在第四勢阱50內(nèi)形成N溝道型高壓晶體管300NH。
根據(jù)本實施例的制造方法，由于形成高壓晶體管400PH的第一勢阱20和形成低壓晶體管100NL和200PL的第二勢阱30以及第三勢阱40是分別在不同步驟中形成的。其結(jié)果是，相對于第一勢阱20可以獨立地設(shè)計第二勢阱30及第三勢阱40。
根據(jù)本實施例的制造方法，通過步驟(F)的熱處理使雜質(zhì)層30a和雜質(zhì)層40a中的雜質(zhì)分別擴散，同時形成P型第二勢阱30和N型第三勢阱40。另外，根據(jù)本實施例的制造方法，通過步驟(C)的熱處理使雜質(zhì)層20a和雜質(zhì)層50a中的雜質(zhì)分別擴散，同時形成N型第二勢阱20和P型第四勢阱50。
本發(fā)明并不僅限于上述實施例，在本發(fā)明的主題范圍之內(nèi)可以有各種變形。例如，也可采用與該實施例所述的第一導(dǎo)電型為P型、第二導(dǎo)電型為N型相反的導(dǎo)電型。勢阱并不限定于三重勢阱，根據(jù)需要也可以設(shè)置單重勢阱以及雙重勢阱。此外，半導(dǎo)體裝置的層結(jié)構(gòu)或是平面結(jié)構(gòu)，根據(jù)裝置的設(shè)計也可以采取與上述實施例不同的結(jié)構(gòu)。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參照附圖和優(yōu)選實施例進行了說明，但是，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。本發(fā)明的各種更改、變化、和等同物由所附的權(quán)利要求書的內(nèi)容涵蓋。
附圖標(biāo)記說明10 半導(dǎo)體襯底12 氧化硅層14 氮化硅層16 LOCOS層18 氧化硅層
20 第一勢阱22a，22b 源極/漏極層24 柵極絕緣層26 柵極30 第二勢阱32a，32b 源極/漏極層34 柵極絕緣層36 柵極40 第三勢阱42a，42b 源極/漏極層44 柵極絕緣層46 柵極50 第四勢阱52a，52b 源極/漏極層54 柵極絕緣層56 柵極100NL，200PL 低壓晶體管300NH，400PH 高壓晶體管R100～R300 抗蝕層
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，包括具有第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底上形成的具有第二導(dǎo)電型的第一勢阱；在所述第一勢阱內(nèi)形成的具有所述第一導(dǎo)電型的第二勢阱；在所述第一勢阱內(nèi)形成的具有所述第二導(dǎo)電型的第三勢阱；在所述第二勢阱形成的具有所述第二導(dǎo)電型的低壓晶體管；在所述第三勢阱形成的具有所述第一導(dǎo)電型的低壓晶體管；以及在所述第一勢阱形成的具有所述第一導(dǎo)電型的高壓晶體管，其中，所述第二勢阱及所述第三勢阱中的雜質(zhì)濃度高于所述第一勢阱中的雜質(zhì)濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，還包括在所述半導(dǎo)體襯底上形成的具有所述第一導(dǎo)電型的第四勢阱和在所述第四勢阱形成的具有所述第二導(dǎo)電型的高壓晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述低壓晶體管和所述高壓晶體管的耐壓能力之比為3～60。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述第二勢阱和所述第三勢阱分別與所述第一勢阱的深度之比為2～5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述高壓晶體管具有補償柵結(jié)構(gòu)。
6.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，包括(a)在具有第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體襯底上形成具有第二導(dǎo)電型的第一勢阱；(b)通過離子注入法分別將具有所述第一導(dǎo)電型和所述第二導(dǎo)電型的雜質(zhì)注入所述第一勢阱的特定區(qū)域內(nèi)，以形成第一雜質(zhì)層和第二雜質(zhì)層；以及(c)通過熱處理分別使所述第一雜質(zhì)層和所述第二雜質(zhì)層中的雜質(zhì)擴散，以形成具有所述第一導(dǎo)電型的第二勢阱和具有所述第二導(dǎo)電型的第三勢阱。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置制造方法，其中，所述第二勢阱和所述第三勢阱中的雜質(zhì)濃度比所述第一勢阱中的雜質(zhì)濃度高。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的半導(dǎo)體裝置制造方法，還包括以下步驟在所述第二勢阱形成具有所述第二導(dǎo)電型的低壓晶體管；在所述第三勢阱形成具有所述第一導(dǎo)電型的低壓晶體管；以及在所述第一勢阱形成具有所述第一導(dǎo)電型的高壓晶體管。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一所述的半導(dǎo)體裝置制造方法，還包括步驟在所述半導(dǎo)體襯底上形成具有所述第一導(dǎo)電型的第四勢阱。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體裝置制造方法，還包括步驟在所述第四勢阱形成具有所述第二導(dǎo)電型的高壓晶體管。
11.根據(jù)權(quán)利要求6至10中任一所述的半導(dǎo)體裝置制造方法，其中，所述第二勢阱和所述第三勢阱分別與所述第一勢阱的深度之比為2～5。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠在同一個襯底上具有不同驅(qū)動電壓的高壓晶體管和低壓晶體管的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。該半導(dǎo)體裝置包括具有第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底(10)；在半導(dǎo)體襯底上形成的具有第二導(dǎo)電型的第一勢阱(20)；在第一勢阱內(nèi)形成的具有第一導(dǎo)電型的第二勢阱(30)；在第一勢阱內(nèi)形成的具有第二導(dǎo)電型的第三勢阱(40)；在第二勢阱形成的具有第二導(dǎo)電型的低壓晶體管(100NL)；在第三勢阱形成的具有第一導(dǎo)電型的低壓晶體管(200PL)；以及在第一勢阱形成的具有第一導(dǎo)電型的高壓晶體管(400PH)。第二勢阱(30)及第三勢阱(40)中的雜質(zhì)濃度比第一勢阱(20)中的雜質(zhì)濃度高。
文檔編號H01L27/092GK1444280SQ0310470
公開日2003年9月24日 申請日期2003年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月8日
發(fā)明者林正浩 申請人:精工愛普生株式會社