JP2009038208A - Semiconductor device and its production process - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、MOSFETや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)などを絶縁破壊から保護する保護ダイオードを備えた半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device including a protection diode that protects a MOSFET, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), and the like from dielectric breakdown, and a manufacturing method thereof.
例えば特許文献1では、MOSFETと、そのゲート・ソース間に接続される保護ダイオードとを同一チップ上に有する半導体装置を記載している。FETにおけるゲート閾値電圧を下げるためゲート絶縁膜を薄くしたり、小チップ化により入力容量が小さくなったりすると、静電気などの小さなエネルギーでも絶縁破壊が生じ易くなる。このため、半導体基板上に絶縁膜を介して設けた多結晶シリコンに、上述の保護ダイオードとしてツェナーダイオードを形成し、FETのゲート絶縁膜を静電破壊から保護している。
図7は従来の保護ダイオードに用いられていた多結晶シリコンの断面TEM像を示す。上述のような保護ダイオードには、低電圧印加時に流れる電流が低く、静電気などのサージが入ってきたような高電圧印加時に流れる電流が高くなる特性が求められる。しかしながら、図7に示すように、多結晶シリコンのグレインサイズは約50〜100nm程度と小さい。グレインサイズが小さいと、リーク電流が大きくなってしまう。このため、高電圧印加時に大電流を流すべく、多結晶シリコンに導入する不純物濃度を大きくすると、ジャンクションリークも増加して低電圧印加時に流れる電流を十分に抑えられない。逆にリーク電流を抑えるべく不純物濃度を小さくすると、高電圧印加時に十分な電流を流すことができなくなる。保護ダイオードであるツェナーダイオードで電荷を十分に逃すことができなければ、結局、トランジスタの絶縁破壊を引き起こしてしまうことになる。 FIG. 7 shows a cross-sectional TEM image of polycrystalline silicon used in a conventional protection diode. The protection diode as described above is required to have a characteristic that a current that flows when a low voltage is applied is low and a current that flows when a high voltage is applied such that a surge such as static electricity enters. However, as shown in FIG. 7, the grain size of polycrystalline silicon is as small as about 50 to 100 nm. If the grain size is small, the leakage current increases. For this reason, if the impurity concentration introduced into the polycrystalline silicon is increased in order to flow a large current when a high voltage is applied, the junction leakage increases and the current flowing when the low voltage is applied cannot be sufficiently suppressed. Conversely, if the impurity concentration is reduced to suppress the leakage current, a sufficient current cannot be supplied when a high voltage is applied. If the Zener diode, which is a protective diode, cannot sufficiently release electric charge, it will eventually cause breakdown of the transistor.
本発明は、前記従来技術の問題を解決するものであり、保護ダイオードの低電圧印加時のリーク電流を増加させることなく、静電気などのサージが入ってきたような高電圧印加時により多くの電流を流すことのできる保護ダイオードを実現する半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, and does not increase the leakage current when a protective diode is applied with a low voltage, and more current is applied when a high voltage is applied such as a surge such as static electricity. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that realizes a protection diode that can flow a current and a method for manufacturing the same.
前記の目的を達成するため、本発明は、保護ダイオードをグレインサイズの大きな多結晶半導体で形成することにより、低電圧印加時のリーク電流を抑え、且つ、高電圧印加時には大電流を流すことができる構造にするものである。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention suppresses a leakage current when a low voltage is applied and allows a large current to flow when a high voltage is applied, by forming the protective diode from a polycrystalline semiconductor having a large grain size. A structure that can be made.
本発明の提供する半導体装置は、同一基板上に基板上に形成された半導体素子を絶縁破壊から保護する保護ダイオードを備え、前記保護ダイオードが、非晶質半導体膜を熱処理により結晶化した多結晶半導体膜に形成される。この多結晶半導体膜における結晶粒の平均粒径は200nmより大きくすることができる。 A semiconductor device provided by the present invention includes a protective diode that protects a semiconductor element formed on a substrate on the same substrate from dielectric breakdown, and the protective diode is a polycrystal obtained by crystallizing an amorphous semiconductor film by heat treatment. It is formed in a semiconductor film. The average grain size of the crystal grains in this polycrystalline semiconductor film can be larger than 200 nm.
また他の観点では、本発明は、同一基板上に形成された半導体素子を絶縁破壊から保護する保護ダイオードを備える半導体装置の製造方法を提供する。この半導体装置の製造方法は、非晶質半導体を成膜する工程と、前記非晶質半導体を熱処理により結晶化して、前記保護ダイオードに用いる多結晶半導体を形成する工程とを備えている。この多結晶半導体における結晶粒の平均粒径も200nmより大きくすることができる。 In another aspect, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device including a protection diode that protects a semiconductor element formed on the same substrate from dielectric breakdown. This method for manufacturing a semiconductor device includes a step of forming an amorphous semiconductor and a step of crystallizing the amorphous semiconductor by heat treatment to form a polycrystalline semiconductor used for the protection diode. The average grain size of the polycrystalline semiconductor can also be made larger than 200 nm.
本発明では、保護ダイオードの材料を非晶質半導体にすることにより、結晶化後のグレインサイズを大きくすることができ、保護ダイオードの低電圧印加時のリーク電流を低減することができる。このため、保護ダイオードにおいて低電圧印加時のリーク電流を増加させることなく高電圧印加時により多くの電流を流すことができ、静電気などのサージに対し、絶縁破壊を起こしにくくなり、絶縁ゲート型半導体素子ではゲート絶縁膜の薄膜化や、チップサイズの小型化(低入力容量化)が図り易くなる。 In the present invention, the material of the protection diode is made of an amorphous semiconductor, so that the grain size after crystallization can be increased, and the leakage current when a low voltage is applied to the protection diode can be reduced. For this reason, it is possible to flow more current when applying a high voltage without increasing the leakage current when a low voltage is applied to the protection diode. In the device, it is easy to reduce the thickness of the gate insulating film and reduce the chip size (lower input capacitance).
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
The semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、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している。この半導体装置では、縦型MOSFETのトランジスタセル部(FET部101)と、FET部101のゲート絶縁膜を静電破壊から保護する保護ダイオード部102とが同一の半導体基板103上に形成されている。 FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In this semiconductor device, a transistor cell portion (FET portion 101) of a vertical MOSFET and a protection diode portion 102 that protects the gate insulating film of the FET portion 101 from electrostatic breakdown are formed on the same semiconductor substrate 103. .
例えばn+型の半導体基板103上には、エピタキシャル成長によってn−型の半導体層(以下、エピタキシャル成長層)104が形成されている。FET部101においては、そのエピタキシャル成長層104の表面側に、逆導電形のp型ボディ領域105、および同導電形のn+型ソース領域106が形成されている。さらにFET部101では、このソース領域106からボディ領域105を貫通してエピタキシャル成長層104まで到達するトレンチ溝107が形成されている。このトレンチ溝107の内壁には、二酸化シリコンのような絶縁層からなるゲート絶縁膜108が設けられている。トレンチ溝107内に埋め込んだ半導体(例えばn型多結晶シリコン)からなるゲート電極109は、そのゲート絶縁膜108によって、ソース領域106・ボディ領域105・エピタキシャル成長層104と絶縁されている。ソース電極110は、図示していないボディコンタクト領域からソース領域106とボディ領域105に接続されており、絶縁層111によってゲート電極109と絶縁されている。図示していないドレイン電極は、半導体基板103の裏面に形成される。 For example, an n− type semiconductor layer (hereinafter referred to as an epitaxial growth layer) 104 is formed on the n + type semiconductor substrate 103 by epitaxial growth. In the FET portion 101, a p-type body region 105 of reverse conductivity type and an n + type source region 106 of the same conductivity type are formed on the surface side of the epitaxial growth layer 104. Further, in the FET portion 101, a trench groove 107 is formed that reaches from the source region 106 through the body region 105 to the epitaxial growth layer 104. A gate insulating film 108 made of an insulating layer such as silicon dioxide is provided on the inner wall of the trench groove 107. A gate electrode 109 made of a semiconductor (for example, n-type polycrystalline silicon) buried in the trench groove 107 is insulated from the source region 106, the body region 105, and the epitaxial growth layer 104 by the gate insulating film 108. The source electrode 110 is connected to the source region 106 and the body region 105 from a body contact region (not shown), and is insulated from the gate electrode 109 by the insulating layer 111. A drain electrode (not shown) is formed on the back surface of the semiconductor substrate 103.
また保護ダイオード部102では、ゲート電極109およびソース電極110と接続されるツェナーダイオードが形成される。保護ダイオード部102においては、多結晶シリコンのような多結晶半導体112が、絶縁層113を介してエピタキシャル成長層104上に成膜されている。この多結晶半導体中に、ツェナーダイオードのpn接合を構成するn型半導体領域114とp型半導体領域115が形成されている。FET部101に近接するn型領域は、ソース電極110と接続されており、保護ダイオード部102の中央にあるn型領域は、電極116を介してゲート電極109と接続されている。 In the protection diode portion 102, a Zener diode connected to the gate electrode 109 and the source electrode 110 is formed. In the protection diode portion 102, a polycrystalline semiconductor 112 such as polycrystalline silicon is formed on the epitaxial growth layer 104 via an insulating layer 113. In this polycrystalline semiconductor, an n-type semiconductor region 114 and a p-type semiconductor region 115 constituting a pn junction of a Zener diode are formed. The n-type region adjacent to the FET portion 101 is connected to the source electrode 110, and the n-type region in the center of the protection diode portion 102 is connected to the gate electrode 109 via the electrode 116.
図2Aは保護ダイオード部の平面図を示し、図2Bは等価回路を示す。平面図に示すように、保護ダイオード部においては、n型領域114とp型領域115が同心状に交互に配置され、npnpnの接続構造を有することになる。この構造において、最外周のn型領域114aがソース電極110と接続され、中央部のn型領域114bが、Alなどからなる電極116を介してゲート電極109と接続される。このため、等価回路に示すように、双方向のツェナーダイオードが、保護ダイオードとしてFETのゲートとソースの間に接続されることになる。 FIG. 2A shows a plan view of the protection diode portion, and FIG. 2B shows an equivalent circuit. As shown in the plan view, in the protection diode portion, the n-type regions 114 and the p-type regions 115 are alternately arranged concentrically and have an npnpn connection structure. In this structure, the outermost n-type region 114a is connected to the source electrode 110, and the central n-type region 114b is connected to the gate electrode 109 via the electrode 116 made of Al or the like. For this reason, as shown in the equivalent circuit, a bidirectional Zener diode is connected as a protection diode between the gate and the source of the FET.
図3は本実施形態における保護ダイオード部に用いる多結晶シリコンの断面TEM像の一例を示す。この例において、保護ダイオードに使用する多結晶シリコンは、その結晶粒の平均粒径が200nmとなっている。この多結晶シリコンは、熱処理により非晶質シリコンの結晶状態を変化させたものである。より具体的には、炉内温度を750℃に制御したバッチ式の熱処理炉に50mm/分で約30分かけて搬入する間に、750℃の雰囲気にさらして、非晶質シリコンから多結晶シリコンを得たものである。これによって従来の多結晶シリコンのグレインサイズが50nmから100nm程度であったのに対し(図7)、この例におけるグレインサイズは全体的にそれより大きくなっている。このように非晶質シリコンを材料にして多結晶シリコンのグレインサイズを200nm以上10μm以下にすることによって、保護ダイオードとしての特性が向上する。 FIG. 3 shows an example of a cross-sectional TEM image of polycrystalline silicon used in the protection diode portion in this embodiment. In this example, the polycrystalline silicon used for the protection diode has an average grain size of 200 nm. This polycrystalline silicon is obtained by changing the crystalline state of amorphous silicon by heat treatment. More specifically, it is exposed to an atmosphere at 750 ° C. while being carried into a batch-type heat treatment furnace whose temperature in the furnace is controlled at 750 ° C. at about 50 mm / min for about 30 minutes. Silicon is obtained. As a result, the grain size of the conventional polycrystalline silicon is about 50 nm to 100 nm (FIG. 7), but the grain size in this example is larger than that overall. Thus, the characteristics as a protective diode are improved by making the grain size of polycrystalline silicon 200 nm or more and 10 μm or less using amorphous silicon.
図4は本実施形態における保護ダイオードの電圧−電流特性の一例を示す。横軸が印加電圧(V)であり、縦軸がダイオードに流れる電流(A)である。また白菱形は本実施形態における保護ダイオードの特性を示し、黒菱形は従来の保護ダイオードの特性を示す。この例における保護ダイオードは、実使用電圧:4V、最大定格電圧:10Vのトランジスタ用の保護ダイオードであり、実使用電圧および最大定格電圧以下のゲート−ソース間に流れる電流は極力低く抑える必要がある。具体的には最大定格電圧で3μA以下とし、ゲートに電圧を印加したときにゲートリーク電流となるため、その電流は小さいほど好ましい。また高電圧のサージがゲートに印加されたようなときにゲート酸化膜を保護するため、高電圧印加時に保護ダイオードには大量の電流が流れる必要がある。 FIG. 4 shows an example of voltage-current characteristics of the protection diode in this embodiment. The horizontal axis is the applied voltage (V), and the vertical axis is the current (A) flowing through the diode. The white rhombus indicates the characteristics of the protection diode in this embodiment, and the black rhombus indicates the characteristics of the conventional protection diode. The protection diode in this example is a protection diode for a transistor having an actual use voltage of 4 V and a maximum rated voltage of 10 V, and the current flowing between the gate and source below the actual use voltage and the maximum rated voltage must be kept as low as possible. . Specifically, the maximum rated voltage is set to 3 μA or less, and a gate leakage current is generated when a voltage is applied to the gate. Also, in order to protect the gate oxide film when a high voltage surge is applied to the gate, a large amount of current needs to flow through the protection diode when a high voltage is applied.
この保護ダイオードは、図3に示した多結晶シリコンを用いており、その平均粒径が従来よりも大きな200nmとなっているため、従来と比べて低電圧印加時のリーク電流が抑えられている。図4に示すように、最大定格電圧における電流を許容値にしつつ、実使用電圧におけるゲートリーク電流も従来の保護ダイオードより小さくなっており、余分な電力の消費が抑えられる。 This protective diode uses the polycrystalline silicon shown in FIG. 3 and has an average grain size of 200 nm, which is larger than the conventional one, so that the leakage current when applying a low voltage is suppressed as compared with the conventional one. . As shown in FIG. 4, the current at the maximum rated voltage is set to an allowable value, and the gate leakage current at the actual use voltage is also smaller than that of the conventional protection diode, so that excessive power consumption can be suppressed.
一方、図4の電圧−電流特性に示すように高電圧印加時には従来よりも傾きが著しく大きくなっており、多くの電流を流せる特性となっている。例えば15Vを印加したときでは従来の保護ダイオードに対して約500倍の電流が流れる。これにより、素子外部からサージのような高電圧が印加されたとき、ダイオードを通してより短時間で入ってきた電荷を逃すことができる。このため、ゲート絶縁膜の膜厚が小さくなって破壊耐圧がさらに低下した場合に、外部から静電気などのサージが入ってきたとしても、従来の保護ダイオード以上に電荷を逃すことができ静電気に対する破壊耐量が著しく向上する。また、より小さなチップ(低入力容量)に対しても、破壊耐量を著しく向上させるのに有効である。 On the other hand, as shown in the voltage-current characteristics of FIG. 4, when a high voltage is applied, the slope is significantly larger than in the conventional case, and a large current can flow. For example, when 15 V is applied, a current about 500 times that of the conventional protection diode flows. As a result, when a high voltage such as a surge is applied from the outside of the element, the charge that has entered through the diode in a shorter time can be released. For this reason, even when surges such as static electricity enter from the outside when the thickness of the gate insulating film is reduced and the breakdown voltage is further reduced, it is possible to release charges more than conventional protection diodes, and the breakdown against static electricity Durability is significantly improved. In addition, it is effective to remarkably improve the breakdown tolerance even with a smaller chip (low input capacitance).
図5は本実施形態における保護ダイオードを備えたMOSFETの静電破壊耐圧の例を示す。横軸は各端子間、縦軸はMM(マシンモデル)−ESDを示している。また、各プロットは入力容量(Ciss)が100pFと300pFの本実施形態における保護ダイオード(白三角、白丸)と従来のダイオード(黒三角、黒丸)のデータを示している。なお、ドレイン−ソース間については静電破壊耐圧がいずれも1000Vを上回っているため、「1000V以上」とのみ記載している。 FIG. 5 shows an example of the electrostatic breakdown voltage of the MOSFET provided with the protection diode in this embodiment. The horizontal axis indicates between terminals, and the vertical axis indicates MM (machine model) -ESD. Each plot shows data of a protection diode (white triangle, white circle) and a conventional diode (black triangle, black circle) in this embodiment having an input capacitance (Ciss) of 100 pF and 300 pF. In addition, since the electrostatic breakdown voltage is more than 1000 V between the drain and the source, only “1000 V or more” is described.
この図に示している通り、従来の保護ダイオードを備えたMOSFETでは、保護ダイオードによって十分に電荷を逃すことができていないため、入力容量が小さくなると、より低い電圧で静電破壊し易くなっている。一方、本実施形態における保護ダイオードを備えたMOSFETでは電荷を良好に逃しており、MOSFETの入力容量が300pFの場合も100pFの場合も各端子間における耐圧は200V以上となっている。すなわち、従来の保護ダイオードを備えた場合と比べると、本実施形態における保護ダイオードを備えたMOSFETの静電破壊耐量が著しく向上し、また、より小さなチップ(低入力容量化)を設計・生産することが可能となる。 As shown in this figure, in a MOSFET with a conventional protection diode, charge cannot be sufficiently released by the protection diode. Therefore, when the input capacitance is reduced, electrostatic breakdown is likely to occur at a lower voltage. Yes. On the other hand, in the MOSFET provided with the protection diode in the present embodiment, the charge is released satisfactorily, and the withstand voltage between the terminals is 200 V or more regardless of whether the input capacitance of the MOSFET is 300 pF or 100 pF. That is, compared to the case where a conventional protection diode is provided, the electrostatic breakdown resistance of the MOSFET provided with the protection diode in this embodiment is significantly improved, and a smaller chip (lower input capacitance) is designed and produced. It becomes possible.
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態における半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図6A乃至Dは本発明の第2の実施形態における半導体装置の製造方法の工程を説明するための断面説明図である。図6Aに示すように、n+型半導体基板601の表面上に、エピタキシャル成長によって、比抵抗が0.1〜数十Ω・cm程度で、数μから数十μm程度の厚さのn−型半導体層602を形成する。その半導体層602の表面に、熱酸化法やCVD法を用いて酸化膜603を形成し、レジストマスクを形成してp型不純物を導入し、トランジスタセルのボディ領域604を形成する。続いて、トレンチ溝605を形成するためにレジストマスクを形成して、異方性エッチングにより、酸化膜603・ボディ領域604を貫通して半導体層602まで到達するトレンチ溝605を形成する。 6A to 6D are cross-sectional explanatory views for explaining the steps of the method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6A, an n − type semiconductor having a specific resistance of about 0.1 to several tens of Ω · cm and a thickness of about several μ to several tens of μm by epitaxial growth on the surface of an n + type semiconductor substrate 601. Layer 602 is formed. An oxide film 603 is formed on the surface of the semiconductor layer 602 using a thermal oxidation method or a CVD method, a resist mask is formed, p-type impurities are introduced, and a body region 604 of a transistor cell is formed. Subsequently, a resist mask is formed to form the trench groove 605, and a trench groove 605 that reaches the semiconductor layer 602 through the oxide film 603 and the body region 604 is formed by anisotropic etching.
次に、図6Bに示すように、熱酸化法やCVD法によりシリコン酸化膜(またはシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜などの積層膜)からなるゲート絶縁膜606を形成し、さらに、CVD法によってゲート電極や保護ダイオードに用いられる100nm〜1000nm程度の膜厚の非晶質シリコン607を形成する。ゲート電極の非晶質シリコン607aには、レジストマスクにより選択的に例えばリンを1e16〜1e17/cm2程度注入し、保護ダイオード部では、p型領域607bを形成するために、ホウ素を2e13〜5e14/cm2程度注入し、n型領域607cにはレジストマスクにより選択的にリン又は砒素を1e15〜2e16/cm2程度注入する。そして900℃〜1000℃の熱処理により均一に非晶質シリコン中に拡散させる。この熱処理により非晶質シリコンは多結晶シリコンに結晶状態が変化し、同時にそのグレインサイズが従来の多結晶シリコンより大きなものとなる。 Next, as shown in FIG. 6B, a gate insulating film 606 made of a silicon oxide film (or a laminated film of a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxide film, etc.) is formed by thermal oxidation or CVD, Amorphous silicon 607 having a thickness of about 100 nm to 1000 nm used for a gate electrode or a protective diode is formed by a CVD method. For example, phosphorus is selectively implanted into the amorphous silicon 607a of the gate electrode by a resist mask in an amount of about 1e16 to 1e17 / cm 2 , and in the protective diode portion, boron is used for 2e13 to 5e14 in order to form the p-type region 607b. About n / cm 2 is implanted, and about 1e15 to 2e16 / cm 2 of phosphorus or arsenic is selectively implanted into the n-type region 607c using a resist mask. Then, it is uniformly diffused in the amorphous silicon by heat treatment at 900 ° C. to 1000 ° C. By this heat treatment, the crystalline state of amorphous silicon changes to polycrystalline silicon, and at the same time, the grain size becomes larger than that of conventional polycrystalline silicon.
ここで900〜1000℃と記載したが、グレインサイズをより大きくするため、560℃〜900℃の低い温度で先に熱処理をかけておいてもよい。例えばイオン注入した不純物に対して950℃の熱処理によって拡散及び活性化を施す場合でも、第1の実施形態で記載したように、炉内温度を750℃に制御したバッチ式の熱処理炉に50mm/分で約30分かけて搬入するのであれば、その段階でグレインサイズが基本的に定まる。搬入の間に非晶質シリコンが十分な時間750℃の雰囲気にさらされることになり、グレイン成長は終わってしまう。このため、多結晶シリコンのグレインサイズはその段階で基本的に決まり、搬入後に連続して(8℃/分)、炉内温度を950℃にまであげて不純物の拡散及び活性化を行ったとしても、グレインサイズは大きく変動しない。熱処理によるグレインサイズの変化は、非晶質状態から多結晶状態に変化する最初の温度帯に対する影響が支配的であり、その後に熱処理を加えても1200℃以上にしない限り大きく変動しない。また比較的低温でゆっくり結晶化させると、グレインが大きく成長する。560℃の熱処理であれば、時間をかけることによって10μm程度の非常に大きな粒径を得ることができる。さらに注入の順番は重要ではなく、どれを先にしても同様の効果が得られる。 Although described as 900-1000 degreeC here, in order to enlarge a grain size, you may heat-process previously at the low temperature of 560 degreeC-900 degreeC. For example, even when diffusion and activation are performed on the ion-implanted impurities by heat treatment at 950 ° C., as described in the first embodiment, the batch-type heat treatment furnace in which the furnace temperature is controlled to 750 ° C. is set to 50 mm / If it takes about 30 minutes, the grain size is basically determined at that stage. During the loading, the amorphous silicon is exposed to an atmosphere of 750 ° C. for a sufficient time, and the grain growth ends. For this reason, the grain size of polycrystalline silicon is basically determined at that stage, and it is assumed that diffusion and activation of impurities are carried out by raising the furnace temperature to 950 ° C. continuously (8 ° C./min) after loading. However, the grain size does not vary greatly. The grain size change due to the heat treatment is dominated by the influence on the first temperature zone where the amorphous state changes to the polycrystalline state. Even if heat treatment is subsequently applied, the grain size does not vary greatly unless the temperature is increased to 1200 ° C. or higher. Moreover, when it is slowly crystallized at a relatively low temperature, the grains grow greatly. In the case of heat treatment at 560 ° C., a very large particle size of about 10 μm can be obtained by taking time. Further, the order of injection is not important, and the same effect can be obtained no matter which is first.
続いて、図6Cに示すように、保護ダイオード部608やゲート電極引き出し部(図示なし)をレジストマスクでパターニングし、エッチング法を用いて多結晶シリコンをエッチングし、トランジスタ部609と保護ダイオード部608をパターニングする。このときトレンチ溝605に埋め込まれた多晶質シリコンからゲート電極610が形成される。 Subsequently, as shown in FIG. 6C, the protection diode portion 608 and the gate electrode lead portion (not shown) are patterned with a resist mask, and the polycrystalline silicon is etched using an etching method, so that the transistor portion 609 and the protection diode portion 608 are formed. Is patterned. At this time, the gate electrode 610 is formed from polycrystalline silicon embedded in the trench groove 605.
さらに図6Dに示すように、レジストマスクにより、例えばn型のソース領域611、及びボディ領域604のp型のコンタクト領域(図示なし)を注入により形成する。さらにCVD法により絶縁膜612を形成してレジストマスクによりパターニング後、エッチングによりトランジスタ部609と保護ダイオード部608の電極コンタクトを形成する。その後、PVD法などによりAl膜613を成膜し、レジストマスク、エッチングにより所望のAl電極をパターニングする。最後にパッシベーション614となる保護膜をプラズマシリコン窒化膜やポリミドで成膜し、パターニングする。 Further, as shown in FIG. 6D, for example, an n-type source region 611 and a p-type contact region (not shown) of the body region 604 are formed by implantation using a resist mask. Further, an insulating film 612 is formed by a CVD method, patterned using a resist mask, and then electrode contacts of the transistor portion 609 and the protective diode portion 608 are formed by etching. Thereafter, an Al film 613 is formed by a PVD method or the like, and a desired Al electrode is patterned by a resist mask and etching. Finally, a protective film to be a passivation 614 is formed with a plasma silicon nitride film or a polyimide and patterned.
上述の製造方法によれば、非晶質シリコンを材料として保護ダイオードを形成するため、当該非晶質シリコンが熱処理後に変質した多結晶シリコンのグレインサイズが従来技術より大きくなり(図3:断面TEM像)、その結果、ダイオード特性が著しく向上する(図4:ダイオード特性)。この結果、ゲート酸化膜厚が薄くなって破壊耐圧が下がっても、外部から静電気などのサージが入ってきた場合、従来の保護ダイオード以上に電荷を逃がすことができ、静電気に対する破壊耐量を著しく向上させることが可能となる。また、より小さなチップ(低入力容量)に対しても、破壊耐量を著しく向上させるのに有効である。 According to the above-described manufacturing method, since the protective diode is formed using amorphous silicon as a material, the grain size of polycrystalline silicon obtained by modifying the amorphous silicon after the heat treatment becomes larger than that of the conventional technique (FIG. 3: cross-sectional TEM). As a result, the diode characteristics are remarkably improved (FIG. 4: diode characteristics). As a result, even if the gate oxide film thickness is reduced and the breakdown voltage drops, if a surge such as static electricity enters from the outside, charges can be released more than conventional protection diodes, and the breakdown resistance against static electricity is significantly improved. It becomes possible to make it. In addition, it is effective to remarkably improve the breakdown tolerance even with a smaller chip (low input capacitance).
尚、上述の各実施形態では、MOSFETの第1導電形をn型、第2の導電形をp型で説明したが、第1導電形をp型、第2の導電形をn型としたMOSFETでも同様の効果を得ることができる。また、縦型トランジスタとして、トレンチ型MOSFETで説明したが、チャネル部が表面にあるMOSFETや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)のようなその他の絶縁ゲート型半導体素子など、ツェナーダイオードを保護素子として使用する、その他の半導体装置にも有効である。 In each of the above-described embodiments, the first conductivity type of the MOSFET is described as n-type and the second conductivity type is described as p-type. However, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. A similar effect can be obtained with a MOSFET. In addition, although a trench type MOSFET has been described as a vertical transistor, a Zener diode is used as a protective element, such as a MOSFET with a channel portion on the surface or another insulated gate semiconductor element such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT). It is also effective for other semiconductor devices.
以上説明したように、本発明は、MOSFETや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)などの保護ダイオードを備える半導体装置及びその製造方法等に有用である。 As described above, the present invention is useful for a semiconductor device including a protection diode such as a MOSFET or an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a manufacturing method thereof, and the like.
101 FET部
102 保護ダイオード部
103 半導体基板
104 エピタキシャル成長層
105 ボディ領域
106 ソース領域
107 トレンチ溝
108 ゲート絶縁膜
109 ゲート電極
110 ソース電極
112 多結晶シリコン
114 n型半導体領域
115 p型半導体領域
601 半導体基板
602 n型半導体層
604 ボディ領域
605 トレンチ溝
606 ゲート絶縁膜
607 非晶質シリコン
608 保護ダイオード部
609 トランジスタ部
610 ゲート電極
611 ソース領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 FET part 102 Protection diode part 103 Semiconductor substrate 104 Epitaxial growth layer 105 Body area | region 106 Source area | region 107 Trench groove | channel 108 Gate insulating film 109 Gate electrode 110 Source electrode 112 Polycrystalline silicon 114 N-type semiconductor area 115 P-type semiconductor area 601 Semiconductor substrate 602 n-type semiconductor layer 604 body region 605 trench groove 606 gate insulating film 607 amorphous silicon 608 protective diode portion 609 transistor portion 610 gate electrode 611 source region
Claims (4)
前記保護ダイオードが、非晶質半導体膜を熱処理により結晶化した多結晶半導体膜に形成された半導体装置。 A protection diode for protecting a semiconductor element formed on the same substrate from dielectric breakdown,
A semiconductor device in which the protection diode is formed in a polycrystalline semiconductor film obtained by crystallizing an amorphous semiconductor film by heat treatment.
非晶質半導体を成膜する工程と、
前記非晶質半導体を熱処理により結晶化して、前記保護ダイオードに用いる多結晶半導体を形成する工程と
を備える半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device comprising a protective diode for protecting a semiconductor element formed on the same substrate from dielectric breakdown,
Forming an amorphous semiconductor film;
And crystallizing the amorphous semiconductor by heat treatment to form a polycrystalline semiconductor used for the protection diode.
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