JP2005183609A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＯＩ−トレンチによる誘電体分離を用いて、電圧依存性の少ない高耐圧かつ高抵抗のポリシリコン抵抗を得る。
【解決手段】半導体層３３を表面酸化膜３７から酸化膜３２まで届く複数のトレンチ溝３４ａ〜３４ｅで分離され一連に形成した複数の区画３３ａ〜３３ｄを跨ぐように、表面酸化膜３７を介してポリシリコン抵抗３８を形成し、ポリシリコン抵抗３８の２つの両端と、半導体層３３両端の区画３３ａと区画３３ｄをそれぞれ金属電極３９ａと金属電極３９ｄで繋ぐことで、ポリシリコン３８中の電圧分布と、下地の半導体層３３の電圧分布を近づけ、電圧依存性の少ない高耐圧かつ高抵抗のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トレンチ分離技術を使うことにより抵抗値の電圧依存性を小さくした高耐圧かつ高抵抗のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置に関するものである。

ＳＯＩ（Ｓilicon Ｏn Ｉnsulator）−トレンチ分離による誘電体分離を用いた半導体装置は、従来のＰＮ接合分離で生じた接合リークや寄生容量、寄生トランジスタを無くすことができるといったメリットを有するため、特に高耐圧半導体装置の分野では、重要な要素技術となってきている。

まず、高耐圧かつ高抵抗のポリシリコン抵抗で見られる従来例１について、図４を参照して説明する。

図４（ａ）は、ＳＯＩ−トレンチ分離上に形成したポリシリコン抵抗の従来例１を示す断面図であり、１はＰ型半導体基板、２は酸化膜、３はＮ型半導体層、４はトレンチ溝、５はトレンチ側壁酸化膜、６はトレンチ埋め込みポリシリコン、７は表面酸化膜、８はポリシリコン、９はポリシリコン８の一端に繋った金属電極、１０はポリシリコン８の他端に繋った金属電極、１１はポリシリコン８と金属電極９および金属電極１０の間に形成された層間絶縁膜である。また、図４（ｂ）は上面図である。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、表面酸化膜７上に形成され、かつトレンチ溝４で周辺の素子と完全に分離されたポリシリコン抵抗である。金属電極９と金属電極１０の間に電圧印加することにより、抵抗として機能する。

ここで、酸化膜２とトレンチ溝４と表面酸化膜７で分離されたＮ型半導体層３は、電位が固定されていないために浮遊の電位状態となり、この電位が表面酸化膜７を介してポリシリコン８中のキャリア分布に影響を与える。ポリシリコン８に電圧を印加した場合、Ｎ型半導体層３の浮遊電位とポリシリコン８中の電位との間に電位差が生じる。

さらに、ポリシリコン８に印加する電圧を変化させた場合には、Ｎ型半導体層３との電位差も変化することから、ポリシリコン８中のキャリア分布が変わるため、抵抗値の電圧依存性が大きくなる。特に、高耐圧、高抵抗のポリシリコン抵抗の場合、印加される電圧が一般的に大きいことから、Ｎ型半導体層３との電位差も大きくなり、抵抗値の電圧依存性が顕著になる。

また、図５（ａ）は、ＳＯＩ−トレンチ分離上に形成したポリシリコン抵抗の従来例２を示す断面図、図５（ｂ）は上面図であり、図５（ａ），（ｂ）において、１２は表面酸化膜７の開口部、１３は開口部１２を通じてＮ型半導体層３とポリシリコン８の一端を繋ぐ金属電極である。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、表面酸化膜７上に形成され、かつトレンチ溝４で周辺の素子と完全に分離されたポリシリコン抵抗であり、Ｎ型半導体層３の電位を、ポリシリコンの一端の電位と同電位にすることによって、浮遊電位とならないようにした一例である。

以上のように半導体装置に構成されたポリシリコン抵抗について、以下に説明する。

金属電極１０と金属電極１３の間に電圧印加することにより、抵抗として機能する点は前述の従来例１と同様であるが、この従来例２の場合、Ｎ型半導体層３とポリシリコン８の一端が金属電極１３を通じて同電位となっている。そのため、電圧を印加した場合、ポリシリコン８中の金属電極１０近傍の電位と、Ｎ型半導体３との間に電位差が生じるため、前述の従来例１と同様のメカニズムにより、電圧依存性の大きなポリシリコン抵抗となる。

しかしながら、このような従来の構成では、特に、高耐圧かつ高抵抗のポリシリコン抵抗として使用する場合、抵抗の両端間に加える電圧が大きくなるため、ポリシリコン抵抗の下部にあるＳＯＩ−トレンチ分離で完全分離された半導体層との電位差が特に大きくなることから、電圧依存性の大きな抵抗になってしまうという問題があった。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、電圧依存性の小さな高耐圧かつ高抵抗のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る請求項１，２に記載した半導体装置は、半導体基板上に形成した酸化膜と、酸化膜の上に形成した第１導電型の半導体層と、半導体層の表面に形成した表面酸化膜と、表面酸化膜から酸化膜まで届く複数のトレンチ溝と、複数のトレンチ溝内の絶縁物と、半導体層を酸化膜と複数のトレンチ溝で分離して一連に形成した複数の区画と、表面酸化膜上に一連に形成した複数の区画を跨ぐように加工したポリシリコンと、ポリシリコンの両端のそれぞれと一連に形成した複数の区画における両端の区画のそれぞれを繋ぐ金属電極とを備え、さらに、ポリシリコンと、一連に形成した複数の区画でそれぞれの区画とを繋ぐ金属電極を形成した構成によって、ポリシリコンの２つの両端に電位差を加えた際、トレンチ溝で分離された半導体層の複数の区画のうち、両端の区画間にも同じ電位差が生じることになるが、その電位差は複数のトレンチ溝内の絶縁物で分圧され、一連の複数の区画の中では段階的に分散されることから、結果的にポリシリコン中の電圧との電位差を小さくすることができ、また、ポリシリコンと一連に形成した複数の区画のそれぞれを繋いだ構成にしても、電圧依存性の小さな高耐圧かつ高抵抗のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置が形成できる。

また、請求項３に記載された半導体装置は、半導体基板上に形成した酸化膜と、酸化膜上に形成した第１導電型の半導体層と、半導体層の表面に形成した表面酸化膜と、表面酸化膜から酸化膜まで届く複数のトレンチ溝と、複数のトレンチ溝内の絶縁物と、半導体層を酸化膜と複数のトレンチ溝で分離して一連に形成した複数の区画と、表面酸化膜上かつ一連に形成した複数の区画の各区画内でそれぞれに加工した複数のポリシリコンと、複数のポリシリコン間を繋ぐ第１の金属電極と、複数のポリシリコンにおける両端のそれぞれと一連に形成した複数の区画における両端の区画のそれぞれを繋ぐ第２の金属電極とを備えた構成によっても、ポリシリコン中の電圧と半導体層との電位差を小さくすることができ、さらに、ポリシリコンがトレンチ溝上を跨ぐことがないため、トレンチ溝部の表面形状の凹凸に関わらずポリシリコン抵抗の形成の加工が容易にでき、電圧依存性の小さな高耐圧かつ高抵抗のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置が形成できる。

また、請求項４に記載された半導体装置は、請求項１〜３の半導体装置であって、トレンチ溝において、トレンチ構内の側壁および上部に絶縁物を形成し、トレンチ溝の中心部を半導体または導体で形成した構成によっても、トレンチ溝部の絶縁性は保たれることから、電圧依存性の少ないポリシリコン抵抗を備えた半導体装置を形成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、ＳＯＩによる埋め込み酸化膜と複数のトレンチ溝で誘電体分離してできる一連に形成した複数の半導体層区画の上を跨ぐように、表面酸化膜を介してポリシリコン抵抗を形成することにより、また、ＳＯＩによる埋め込み酸化膜と複数のトレンチ溝で誘電体分離してできる一連に形成した複数の半導体層区画の各区画上に、表面酸化膜を介してポリシリコン抵抗を個別に形成し、各ポリシリコン間を金属電極で接続することにより、トレンチ溝表面の凹凸形状に関係なく、電圧依存性の少ない高耐圧かつ高抵抗のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置を実現できるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の実施の形態１における半導体装置を示す断面図、図１（ｂ）は半導体装置の上面図である。図１（ａ），（ｂ）において、３１は半導体基板、３２は半導体基板３１の上に形成された酸化膜、３３は酸化膜３２上に形成された半導体層、３４ａ〜３４ｅは酸化膜３２まで届くトレンチ溝、３６はトレンチ溝３４ａ〜３４ｅのそれぞれの内部に形成した絶縁物、３７は半導体層３３の上に形成された表面酸化膜、３８は表面酸化膜３７の上に形成したポリシリコン、３９ａと３９ｄは金属電極、４１は層間絶縁膜、４２ａと４２ｄは表面酸化膜３７に形成した開口部である。

半導体層３３は、トレンチ溝３４ａ〜３４ｅによって、半導体層３３が区画３３ａ〜３３ｄに分離されている。金属電極３９ａは、開口部４２ａを通じてポリシリコン３８の一端と区画３３ａに接続され、一方、金属電極３９ｄは、開口部４２ｄを通じてポリシリコン３８の他端と区画３３ｄに接続されている。

以上のように構成された本実施の形態１の半導体装置について、以下、その動作を説明する。

金属電極３９ａと金属電極３９ｄの間に電位差を加えると、ポリシリコン３８は抵抗体として機能して電流が流れる。この時、金属電極３９ａによって、ポリシリコン３８の一端と区画３３ａは同電位に、また、金属電極３９ｄによって、ポリシリコン３８の他端と区画３３ｄは同電位になっている。したがって、区画３３ａと区画３３ｄの間にも、ポリシリコン３８の両端に加わる電位差と全く同じ電位差が加わっている。しかし、トレンチ溝３４ｂ〜３４ｄの内部に形成された絶縁物３６と、酸化膜３２によって絶縁が保たれているため、区画３３ａと区画３３ｄの間に電流は全く流れない。

区画３３ａと区画３３ｄの間の電位差は、トレンチ溝３４ｂとトレンチ溝３４ｃの内部にそれぞれ形成された絶縁物３６に分割されて加わる。そのため、区画３３ａ〜区画３３ｄの電圧降下分は、各区画ごとに段階的に降下することになる。結果的に、ポリシリコン３８の両端間の電圧分布と、区画３３ａ〜区画３３ｄの電圧分布が近づく。ポリシリコン３８は、表面酸化膜３７を介して下地の半導体層３３の電位の影響を受けるが、その半導体層３３を区画３３ａ〜区画３３ｄのようにトレンチ溝３４ｂ〜３４ｄで分割することによって、ポリシリコン３８の電圧分布に近づけることができれば、下地の半導体層との電位差が小さくなることから、電圧依存性の少ないポリシリコン抵抗を備えた半導体装置を形成することができる。

図２（ａ）は本発明の実施の形態２における半導体装置を示す断面図、図２（ｂ）は半導体装置の上面図である。本実施の形態２について、図２（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。

前述した実施の形態１においては、ポリシリコン３８の両端のそれぞれと、半導体層３３を一連に形成した両端の区画３３ａと３３ｄのみを繋ぐ構造としたが、代わりに本実施の形態２では、図２（ａ）,（ｂ）に示すように、ポリシリコン３８と、すべての区画３３ａ〜３３ｄを繋ぐ金属電極を形成してもよい。なお、４２ａ〜４２ｄは表面酸化膜３７に形成された開口部であり、金属電極３９ａ〜３９ｄは、開口部４２ａ〜４２ｄをそれぞれ通じてポリシリコン３８と区画３３ａ〜３３ｄのそれぞれを繋いでいる。

本実施の形態２においても、ポリシリコン３８中の電圧分布と、半導体層３３の電圧分布を近づけることができるので、前述した実施の形態１と同様の効果が得られる。

図３（ａ）は本発明の実施の形態３における半導体装置を示す断面図、図３（ｂ）は半導体装置の上面図である。本実施の形態３について、図３（ａ）,（ｂ）を参照しながら説明する。

図３（ａ），（ｂ）において、３１は半導体基板、３２は半導体基板３１上に形成された酸化膜、３３は酸化膜上に形成された半導体層、３３ａ〜３３ｄはそれぞれ後述するトレンチ溝３４によって分離された区画、３４ａ〜３４ｅは酸化膜３２まで届くトレンチ溝、３６はトレンチ溝３４ａ〜３４ｅのそれぞれの内部に形成した絶縁物、３７は半導体層３３の上に形成された表面酸化膜、３８ａ〜３８ｄは区画３３ａ〜３３ｄのそれぞれの上に形成されたポリシリコン、３９ａ〜３９ｄは金属電極、４１は層間絶縁膜、４２ａと４２ｄは表面酸化膜３７に形成した開口部である。

金属電極３９ａは開口部４２ａを通じて区画３３ａとポリシリコン３８ａを、また、金属電極３９ｄは開口部４２ｄを通じて区画３３ｄとポリシリコン３８ｄをそれぞれ接続している。また、金属電極３９ｂはポリシリコン３８ａとポリシリコン３８ｂを、金属電極３９ｃはポリシリコン３８ｃとポリシリコン３８ｄを、金属電極３９ｅはポリシリコン３８ｂとポリシリコン３８ｃをそれぞれ接続している。

本実施の形態３においては、一本のポリシリコン抵抗を複数に分割し、金属電極３９ｂ，３９ｅ，３９ｃにより各ポリシリコン３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ間を接続しているが、ポリシリコン抵抗の両端の電極３９ａ，３９ｄに電圧印加した場合、同じ長さの一本のポリシリコン抵抗値の電圧降下を複数に分割したことと等価である。

この実施の形態３においても、区画３３ａ〜区画３３ｄの間の電圧は、各区画ごとに段階的に降下することになり、一本のポリシリコン抵抗の場合の効果と同様に、各々のポリシリコンの電位とその下にある各々の区画との電位差を小さくすることができるので、電圧依存性の少ないポリシリコン抵抗を備えた半導体装置を形成することができる。

また、本実施の形態３の場合、トレンチ溝３４上をポリシリコン３８が跨ぐことがない。トレンチ溝３４上にポリシリコン３８を形成する場合、トレンチ溝３４表面を平坦化しておくことが望ましいが、この実施の形態３では、トレンチ溝３４表面の凹凸形状に関係なく、ポリシリコン抵抗を容易に形成できるという効果もある。

次に、本発明の実施の形態４について説明する。前述した実施の形態１〜３においては、トレンチ溝３４ａ〜３４ｅの内部をすべて絶縁物３６で埋めた構造としたが、これに代えて、トレンチ溝３４ａ〜３４ｅ内部の側壁および上部に絶縁物３６を形成して、トレンチ溝３４ａ〜３４ｅ中心部の埋め込みは、導体や半導体を形成してもよい。本実施の形態４においても、トレンチ溝部の絶縁性は保たれることから、前述した各実施の形態と同様のメカニズムによって、電圧依存性の少ないポリシリコン抵抗を備えた半導体装置を形成することができる。

本発明に係る半導体装置は、複数のトレンチ溝で誘電体分離した一連に形成した複数の半導体層の区画上を跨ぐように、表面酸化膜を介してポリシリコン抵抗を形成し、また、複数のトレンチ溝で誘電体分離した一連に形成した複数の区画の各区画上に、表面酸化膜を介しポリシリコン抵抗を個別に形成して、各ポリシリコン間を金属電極で接続することで、トレンチ溝表面の凹凸形状に関係なく、電圧依存性の少ない高耐圧かつ高抵抗のポリシリコン抵抗を実現でき、トレンチ分離技術を使うことで抵抗値の電圧依存性を小さくした高耐圧かつ高抵抗のポリシリコン抵抗を備えた半導体装置の実現に有用である。

本発明の実施の形態１における半導体装置を示す（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図 本発明の実施の形態２における半導体装置を示す（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図 本発明の実施の形態３における半導体装置を示す（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図 従来例１の半導体装置を示す（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図 従来例２の半導体装置を示す（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図

符号の説明

１ Ｐ型半導体基板
２，３２ 酸化膜
３ Ｎ型半導体層
４，３４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ トレンチ溝
５ トレンチ側壁酸化膜
６ トレンチ埋め込みポリシリコン
７，３７ 表面酸化膜
８，３８，３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ ポリシリコン
９，１０，１３，３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅ 金属電極
１１，４１ 層間絶縁膜
１２，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ 開口部
３１ 半導体基板
３３ 半導体層
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ 半導体層の区画
３６ 絶縁物

Claims (4)

1. 半導体基板上に形成した酸化膜と、前記酸化膜の上に形成した第１導電型の半導体層と、前記半導体層の表面に形成した表面酸化膜と、前記表面酸化膜から前記酸化膜まで届く複数のトレンチ溝と、前記複数のトレンチ溝内の絶縁物と、前記半導体層を前記酸化膜と前記複数のトレンチ溝で分離して一連に形成した複数の区画と、前記表面酸化膜上に前記一連に形成した複数の区画を跨ぐように加工したポリシリコンと、前記ポリシリコンの両端のそれぞれと前記一連に形成した複数の区画における両端の区画のそれぞれを繋ぐ金属電極とを備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記ポリシリコンと、前記一連に形成した複数の区画でそれぞれの区画とを繋ぐ金属電極を形成したこと特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 半導体基板上に形成した酸化膜と、前記酸化膜上に形成した第１導電型の半導体層と、前記半導体層の表面に形成した表面酸化膜と、前記表面酸化膜から前記酸化膜まで届く複数のトレンチ溝と、前記複数のトレンチ溝内の絶縁物と、前記半導体層を前記酸化膜と前記複数のトレンチ溝で分離して一連に形成した複数の区画と、前記表面酸化膜上かつ前記一連に形成した複数の区画で各区画内のそれぞれに加工した複数のポリシリコンと、前記複数のポリシリコン間を繋ぐ第１の金属電極と、前記複数のポリシリコンにおける両端のそれぞれと前記一連に形成した複数の区画における両端の区画のそれぞれを繋ぐ第２の金属電極とを備えたことを特徴とする半導体装置。
4. 前記トレンチ溝において、前記トレンチ構内の側壁および上部に絶縁物を形成し、前記トレンチ溝の中心部を半導体または導体で形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。

Images