JP2012004460A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】エピタキシャル層および高濃度埋め込み拡散領域を有することなく、順バイアス動作時の基板リーク電流を効果的に抑制する。
【解決手段】P型半導体基板1内にN型拡散領域2を備え、N型拡散領域2内に、P型拡散領域3と、P型拡散領域3とは平面的に離間した位置に形成された高濃度N型拡散領域4とを備えている。P型拡散領域3内には、高濃度N型拡散領域5と高濃度P型拡散領域6が形成され、P型拡散領域3の上で高濃度N型拡散領域5と高濃度N型拡散領域4の間には、ゲート酸化膜を介してゲート電極7が形成され、ゲート電極7の一方端部が高濃度N型拡散領域5上にオーバーラップして形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、整流を行うデバイスの高耐圧ダイオードなどの半導体装置およびその製造方法に関する。
この種の従来の半導体装置としての高耐圧ダイオードは、モノシリック集積回路において形成される、整流を行うデバイスの代表的なものとして、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、バッテリ充電器など、パワーマネージメント分野において重要な役割を果たしている。
しかし、集積回路の中に高耐圧ダイオードを形成した場合、接合部周辺の寄生バイポーラトランジスタの影響により、順方向使用時に基板へのリーク電流が発生し、消費電力が増大してしまうという問題点がある。
以下、図18(a)および図18(b)を参照しながら、特許文献1に記載の従来の高耐圧ダイオード100について詳細に説明する。
図18(a)は、特許文献1に開示されている従来の高耐圧ダイオードを模式的に示す縦断面図であり、図18(b)は、図18(a)の縦断面図において順バイアス時の電流パスI1、I2および基板リーク電流を説明するための図である。
図18(a)に示すように、従来の高耐圧ダイオード100は、P型半導体基板101と、P型半導体基板101上に形成されたN型半導体層102と、N型半導体層102内に、アノード領域として作用する第1のP型拡散領域103と、P型拡散領域103と電気的に接続された第2のP型拡散領域104と、P型拡散領域103と離間して形成されたN型拡散領域107を備えている。
また、P型拡散領域103内には、高濃度P型拡散領域106が形成され、P型拡散領域104内には高濃度N型拡散領域105、N型拡散領域107内には高濃度N型拡散領域105Aが形成されている。
なお、高濃度P型拡散領域106の上にはアノード電極、高濃度N型拡散領域105の上にはカソード電極が形成されている。高濃度N型拡散領域105Aはカソード電極により高濃度N型拡散領域105と電気的に同電位に接続されている。
一般的に、PN接合ダイオードはP型拡散領域で構成されるアノード領域とN型拡散領域で構成されるカソード領域のPN接合により形成され、順バイアス時には、アノード領域からカソード領域に向かって順方向電流が流れ、逆バイアス時には電流が遮断される、いわゆる整流作用を有している。
上記従来の高耐圧ダイオード100においては、逆バイアス時には、図18(a)に示すL、およびP型拡散領域103、P型拡散領域104のプロファイルを調整することにより、高耐圧化を実現し、逆バイアス時の電流を良好に遮断することができる。
一方、順バイアス時には、図18(b)に示すように、アノードの高濃度P型拡散領域106に+電源を接続し、カソードの高濃度N型拡散領域105および高濃度N型拡散領域105Aをグランドに接続することにより、高濃度P型拡散領域106から第1のP型拡散領域103、および第2のP型拡散領域104を経て、高濃度N型拡散領域105に至る電流パスI1と、高濃度P型拡散領域106から第1のP型拡散領域103を経て、N型半導体層102、さらにN型拡散領域107、および高濃度N型拡散領域105Aに至る電流パスI2が存在する。
このとき、アノード領域のP型拡散領域(第1のP型拡散領域103、第2のP型拡散領域104および高濃度P型拡散領域106;エミッタ)とN型半導体層102(ベース)、P型半導体基板101(コレクタ)から構成される寄生PNPTrが形成されている。電流パスI1は問題ないが、電流パスI2によって、N型半導体層102の不純物濃度が薄く、N型半導体層102の電位がアノード領域のP型拡散領域に対して順バイアスになるため、寄生PNPTrがオンして、P型半導体基板101に基板リーク電流が流れるという課題を有している。
図18(b)に示すように、この従来構造において、順バイアス時の基板リーク電流を抑制するために、N型半導体層102の不純物濃度を上げるかまたは、N型半導体層102の厚さを増大させることが考えられるが、一般的には、N型半導体層102は、他のデバイスと併用しているため、他のデバイスへの影響が大きく、このことは実現が困難となっている。この基板リーク電流が増加すると、消費電力が増加すると共に、基板電位が揺れて不安定になって誤動作を起こしてしまう。
そこで、順バイアス時の基板リーク電流の抑制を目的として、特許文献2において、別の手段が開示されている。
以下、図19を参照しながら、特許文献2に記載の従来の高耐圧ダイオード200について説明する。
図19は、特許文献2に開示されている従来の高耐圧ダイオードの要部断面構造を模式的に示す縦断面図である。
図19に示すように、従来の高耐圧ダイオード200は、P型半導体基板201と、このP型半導体基板201上に形成されたN型埋め込み拡散領域208と、さらにその上に形成されたP型半導体層202を備えている。このP型半導体層202内には、アノード領域として作用するP型拡散領域203と、P型拡散領域203と離間して形成されたN型拡散領域207を備えている。
また、P型拡散領域203と離間して形成され、さらにN型埋め込み拡散領域208とその底部で接続されるように形成されたN型シンカー領域209を備えている。
さらに、N型拡散領域207とN型埋め込み拡散領域208との間に形成されたP型拡散領域204を備えている。
さらに、各P型拡散領域203内にはそれぞれ高濃度P型拡散領域206がそれぞれ形成されている。また、N型拡散領域207内には高濃度N型拡散領域205が形成されている。さらに、各N型シンカー領域209内にはそれぞれ高濃度N型拡散領域205Aがそれぞれ形成されている。
なお、高濃度P型拡散領域206の上にはアノード電極、高濃度N型拡散領域205の上にはカソード電極が形成され、高濃度N型拡散領域205Aはアノード電極により高濃度N型拡散領域205と電気的に同電位に接続されている。
また、アノード領域とカソード領域の間には、逆バイアス時の高耐圧化を目的として、ゲート電極210が形成され、アノード電極とゲート電極210は、電気的に同電位に接続されている。
上記従来の高耐圧ダイオード200においては、逆バイアス時には、図19に示すL、およびN型拡散領域207のプロファイルを調整することにより、高耐圧化を実現し、逆バイアス時の電流を良好に遮断することができる。
一方、順バイアス時の電流パスは、図19に示すように、高濃度P型拡散領域206から第1のP型拡散領域203、さらにP型半導体層202を経て、N型拡散領域207、さらに高濃度N型拡散領域205に至る電流パスとなっている。
このとき、アノード領域のP型拡散領域(P型拡散層202、P型拡散領域203および高濃度P型拡散領域206;エミッタ)、N型埋め込み拡散領域208(ベース)、P型半導体基板201(コレクタ)から構成される寄生PNPTrが形成されるが、N型埋め込み拡散領域208の不純物濃度が高いこと、および、順バイアス動作時に、N型埋め込み拡散領域208がアノード電位と同電位に、高濃度のN型シンカー領域209を介して接続されていることにより、寄生PNPTrの動作、即ち、順バイアス動作を抑制することができて、順バイアス動作時のP型半導体基板201への基板リーク電流を大幅に改善することができる。
特表2009−520349号公報(US7659584B2) 特表2007−535812号公報(US7095092B2)
しかしながら、特許文献2に記載の上記従来の高耐圧ダイオード200では、N型埋め込み拡散領域208を有することを特徴構成としていることから、P型半導体基板201の深部に高濃度のN型埋め込み拡散領域208を高エネルギー注入により埋め込むのは困難であり、基本的に、エピタキシャル成長させた後に、そこに高濃度のN型埋め込み拡散領域208を形成する必要があり、製造上、コスト的にデメリットが生じる。
また、N型埋め込み拡散領域208の電位をアノード電位と同電位にするために、P型半導体基板201の深部に至るN型シンカー領域209が必要であること、さらには、N型埋め込み拡散領域208をカソード領域(N型拡散領域207、高濃度N型領域205)と電気的に分離するために、N型埋め込み拡散領域208とN型拡散領域207との間に、逆導電型のP型拡散領域204が必要であることなど、N型シンカー領域209やP型拡散領域204など、余分な拡散領域が必要となる。
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、従来のようなエピタキシャル層および高濃度埋め込み拡散領域を有することなく、順バイアス動作時の基板リーク電流を効果的に抑制することができて、低コストで形成できる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置は、第1導電型の半導体層上に形成される半導体装置において、該半導体層上に形成された第2導電型の第1拡散領域と、該第1拡散領域内に形成された第1導電型の第2拡散領域と、該第2拡散領域内に形成された第2導電型の第1高濃度拡散領域および第1導電型の第2高濃度拡散領域と、該第1拡散領域内で該第2拡散領域と所定距離だけ離間した位置に形成された第2導電型の第3高濃度拡散領域と、該第1高濃度拡散領域と該第3高濃度拡散領域の間上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備え、該ゲート電極が該第1高濃度拡散領域上にオーバーラップして形成され、該ゲート電極が、該第1高濃度拡散領域および該第2高濃度拡散領域と同電位に電気的に接続されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記第1高濃度拡散領域、前記第3高濃度拡散領域および、これらの間上に設けられた前記ゲート電極により逆バイアスMOSFETが構成されている。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記ゲート電極の一端と前記第3高濃度拡散領域とは所定距離だけ離間している。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記第1高濃度拡散領域、前記第2高濃度拡散領域および前記ゲート電極がアノード電極に接続され、前記第3高濃度拡散領域がカソード電極に接続されている。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記第2導電型の第1拡散領域内に第2導電型の第3拡散領域を備え、該第3拡散領域内に前記第3高濃度拡散領域を備えている。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記第2導電型の第1拡散領域内に、前記第1導電型の第2拡散領域と前記第3高濃度拡散領域との間に形成された絶縁分離膜を備えている。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記第2導電型の第1拡散領域内に第2導電型の第3拡散領域を備え、該第3拡散領域内に前記第3高濃度拡散領域および絶縁分離膜を備え、該絶縁分離膜は前記第1導電型の第2拡散領域と該第3高濃度拡散領域との間に形成されている。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置において、前記第2拡散領域と前記第3拡散領域とは、前記ゲート電極下で所定距離だけ離間している。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置における第2拡散領域と前記絶縁分離膜とは、前記ゲート電極下で所定距離だけ離間している。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置における絶縁分離膜は、前記ゲート電極の前記第3高濃度拡散領域側の一端下を含む所定距離だけ設けられている。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置における第1導電型の第2拡散領域の底部に、高エネルギー注入により形成された第2導電型の埋め込み拡散領域を備えている。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置における第1導電型の半導体層が第1導電型の半導体基板である。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置における第1導電型の半導体層が第1導電型の拡散領域である。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置は、高耐圧ダイオードである。
本発明の半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体層上に形成される半導体装置の製造方法において、該半導体層上に第2導電型の第1拡散領域を形成する工程と、該第1拡散領域内に第1導電型の第2拡散領域を形成する工程と、該第2拡散領域内に第2導電型の第1高濃度拡散領域および第1導電型の第2高濃度拡散領域を形成する工程と、該第1拡散領域内で該第2拡散領域と所定距離だけ離間した位置に第2導電型の第3高濃度拡散領域を形成する工程と、該第1高濃度拡散領域と該第3高濃度拡散領域の間上にゲート絶縁膜を介して、該第1高濃度拡散領域と上下でオーバーラップするようにゲート電極を形成する工程と、該ゲート電極を、該第1高濃度拡散領域および該第2高濃度拡散領域と同電位に電気的に接続する工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法において、前記第1拡散領域内に第1導電型の第2拡散領域を形成する工程は、該第1拡散領域内に該第2拡散領域と所定距離を置いて第2導電型の第3拡散領域を形成する工程を含み、前記第1拡散領域内で該第2拡散領域と所定距離だけ離間した位置に第2導電型の第3高濃度拡散領域を形成する工程は、該第1拡散領域内の該第3拡散領域内に該第3高濃度拡散領域を形成する。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法において、前記第1拡散領域内に第1導電型の第2拡散領域を形成する工程は、該第1拡散領域内に該第2拡散領域と所定距離を置いて絶縁分離膜を形成する工程を含む。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法において、前記第1拡散領域内に第1導電型の第2拡散領域を形成する工程は、該第1拡散領域内に該第2拡散領域と所定距離を置いて第2導電型の第3拡散領域を形成すると共に、該第3拡散領域内に該第2拡散領域と所定距離を置いて絶縁分離膜を形成する工程を含み、前記第1拡散領域内で該第2拡散領域と所定距離だけ離間した位置に第2導電型の第3高濃度拡散領域を形成する工程は、該第1拡散領域内の該第3拡散領域内に該第3高濃度拡散領域を形成する。
さらに、好ましくは、本発明の半導体装置の製造方法において、前記第1拡散領域内に第1導電型の第2拡散領域を形成する工程は、該第2拡散領域の底部に、高エネルギー注入により第2導電型の埋め込み拡散領域を形成する工程を含む。
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
本発明の半導体装置においては、半導体層上に形成された第2導電型の第1拡散領域と、第1拡散領域内に形成された第1導電型の第2拡散領域と、第2拡散領域内に形成された第2導電型の第1高濃度拡散領域および第1導電型の第2高濃度拡散領域と、第1拡散領域内で第2拡散領域と離間した位置に形成された第2導電型の第3高濃度拡散領域と、第1高濃度拡散領域と第3高濃度拡散領域間上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備え、 ゲート電極が第1高濃度拡散領域上にオーバーラップして形成され、ゲート電極が、第1高濃度拡散領域および該第2高濃度拡散領域と同電位に電気的に接続されている。この場合の半導体装置の製造方法としては、半導体層上に第2導電型の第1拡散領域を形成する工程と、 第1拡散領域内に第1導電型の第2拡散領域を形成する工程と、第2拡散領域内に第2導電型の第1高濃度拡散領域および第1導電型の第2高濃度拡散領域を形成する工程と、第1拡散領域内で第2拡散領域と離間した位置に第2導電型の第3高濃度拡散領域を形成する工程と、第1高濃度拡散領域と第3高濃度拡散領域間上にゲート絶縁膜を介して、第1高濃度拡散領域と上下でオーバーラップするようにゲート電極を形成する工程と、ゲート電極を、該第1高濃度拡散領域および該第2高濃度拡散領域と同電位に電気的に接続する工程とを有している。
これによって、基板リーク電流自体は変わらないものの、逆バイアスMOSFETが有るために順方向電流が増え、所望の順方向電流に対して動作点を下げることが可能となって、従来のようにエピタキシャル層および高濃度埋め込み拡散領域を有することなく、順バイアス動作時の基板リーク電流が効果的に抑制されて大幅に少なくなって、本発明の構成が低コストで形成される。
以上により、本発明によれば、エピタキシャル層および高濃度埋め込み拡散領域を有することなく、順バイアス動作時の基板リーク電流を効果的に抑制することができて、低コストで形成できる。
本発明の実施形態1の半導体装置としての高耐圧ダイオードの要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 図1の高耐圧ダイオードの等価回路図である。 逆バイアスMOSFETを有しない従来の高耐圧ダイオードの要部断面構成例を模式的に示す縦断面図である。 図3の高耐圧ダイオードの等価回路図である。 逆バイアスMOSFETが有る場合と逆バイアスMOSFETがない場合に関し、アノード電圧(V)に対する順方向電流Ibおよび基板リーク電流Iの関係を示す図である。 逆バイアスMOSFETが有る場合の本実施形態1の高耐圧ダイオードと、逆バイアスMOSFETがない場合の従来の高耐圧ダイオードとの順方向特性を示す図である。 (a)〜(c)は、図1の高耐圧ダイオードの製造方法における各製造工程を説明するための要部縦断面図である。 本発明の実施形態2の半導体装置としての高耐圧ダイオードの要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 (a)〜(c)は、図8の高耐圧ダイオードの製造方法における各製造工程を説明するための要部縦断面図である。 本発明の実施形態3の半導体装置としての高耐圧ダイオードの要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 (a)〜(c)は、図10の高耐圧ダイオードの製造方法における各製造工程を説明するための要部縦断面図である。 本発明の実施形態4の半導体装置としての高耐圧ダイオードの要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 (a)〜(c)は、図12の高耐圧ダイオードの製造方法における各製造工程を説明するための要部縦断面図である。 本発明の実施形態5の半導体装置としての高耐圧ダイオードの要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 アノード電圧(V)に対する順方向電流Ibおよび、本発明の実施形態1,5における基板リーク電流Iの関係を示す図である。 (a)〜(c)は、図14の高耐圧ダイオード25の製造方法における各製造工程を説明するための要部縦断面図である。 本発明の実施形態6の半導体装置としての高耐圧ダイオードの要部構成例を模式的に示す縦断面図である。 (a)は、特許文献1に開示されている従来の高耐圧ダイオードの要部断面構造を模式的に示す縦断面図であり、(b)は、(a)の縦断面図において順バイアス時の電流パスI1、I2および基板リーク電流を説明するための図である。 特許文献2に開示されている従来の高耐圧ダイオードの要部断面構造を模式的に示す縦断面図である。
以下に、本発明の半導体装置およびその製造方法を高耐圧ダイオードおよびその製造方法に適用した場合の実施形態1〜6について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図における構成部材のそれぞれの厚みや長さなどは図面作成上の観点から、図示する構成に限定されるものではない。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1の半導体装置としての高耐圧ダイオードの要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
図1において、本実施形態1の半導体装置としての高耐圧ダイオード21は、P型半導体基板1上に形成される半導体装置であって、P型半導体基板1内にN型拡散領域2を備え、N型拡散領域2内に、P型拡散領域3と、P型拡散領域3とは平面的に離間した位置に形成された高濃度N型拡散領域4とを備えている。
また、P型拡散領域3内には、高濃度N型拡散領域5と高濃度P型拡散領域6が形成され、P型拡散領域3の上で高濃度N型拡散領域5と高濃度N型拡散領域4の間には、ゲート酸化膜を介してゲート電極7が形成され、ゲート電極7の一方端部が高濃度N型拡散領域5上にオーバーラップして形成されている。
さらに、高濃度N型拡散領域4上にカソード電極が形成されて、カソード電極が高濃度N型拡散領域4に電気的に接続されている。高濃度N型拡散領域5と高濃度P型拡散領域6上にはアノード電極が形成され、このアノード電極によって、高濃度N型拡散領域5と高濃度P型拡散領域6とゲート電極7とがそれぞれ電気的に同電位に接続されている。
これによって、本実施形態1の半導体装置としての高耐圧ダイオード21が構成されている。この高耐圧ダイオード21は、順バイアス動作時、PNダイオードと並列に逆バイアスMOSFETを内蔵している点で、逆バイアスMOSFETを有しない従来の高耐圧ダイオードとはその構成が全く異なっている。
このことについて、以下、図面を用いて詳細に説明する。
図2は、図1の高耐圧ダイオードの等価回路図である。
図2に示すように、本実施形態1の高耐圧ダイオード21は、ダイオードの順バイアス動作時に、高濃度N型拡散領域5(ドレイン)、N型半導体層2(ソース)、P型半導体領域3(ボディー)、ゲート電極7から構成される逆バイアスMOSFET(Q1)を有することを特徴構成としている。
一方、逆バイアスMOSFETを有する本実施形態1の高耐圧ダイオード21との比較のために、逆バイアスMOSFETを有しない高耐圧ダイオード、つまり、図1に示す高耐圧ダイオードから高濃度N型拡散領域5を削除した場合の高耐圧ダイオード20の事例を図3に示し、図4に図3の高耐圧ダイオード20の等価回路を示している。
図4に示すように、逆バイアスMOSFETがない図3の高耐圧ダイオード20において、高耐圧ダイオード20を順バイアスで動作させた場合に、順方向電流Ibは寄生PNPTr(Q2)のベース電流Ibpと一致しており、I=Ibpの関係を満たしている。
一方、図2に示すように、逆バイアスMOSFETを有する図1の高耐圧ダイオード21においては、順バイアスで動作させた場合に、順方向電流Ibは寄生PNPTr(Q2)のベース電流Ibpと寄生NPNTr(Q3)のエミッタ電流Ienと、逆バイアスMOSFET(Q1)の電流IMOSとの和となり、I=IMOS+Ibp+Ien ・・・(式1)の関係を満たしている。
ここで、逆バイアスMOSFETの電流IMOSについてさらに詳細に説明する。
図2の高耐圧ダイオード21を順バイアス動作させた場合、アノード電位はカソード電位(GND電位)よりも高くなるため、ソースに相当するN型拡散領域2に対して、ボディーに相当するP型拡散領域3が高くなり、基板バイアス効果により、逆バイアスMOSFETの閾値電圧(以降、Vthと表記する)は非常に小さくなる。その結果、アノード電極と同電位に接続されているゲート電極7によって、反転層が形成され、逆バイアスMOSFET(Q1)に電流が流れる。
ここで、図5に、逆バイアスMOSFETが有る場合の高耐圧ダイオード21と、逆バイアスMOSFETがない場合のの高耐圧ダイオードのガンメルプロットを示している。図5において、横軸はアノード電圧(V)の値を示し、縦軸は順方向電流IbおよびP型半導体基板1への基板リーク電流Iを示している。
図5に示すように、逆バイアスMOSFETを有る場合と、逆バイアスMOSFETを有しない場合との両者について、P型半導体基板1への基板リーク電流Iには相違がない。しかし、順方向電流Iについては、逆バイアスMOSFETを有る場合の方が、逆バイアスMOSFETを有しない場合と比較して、アノード電圧が低い領域から順方向電流Iが上昇し始めるが、これは、基板バイアス効果により低下した閾値電圧Vthによるもので、逆バイアスMOSFET(Q1)に反転層が形成されて、IMOSが指数関数的に増大していることを示している。
したがって、順バイアス動作時、上記式(1)に示すIMOSはIbp、Ienと比較して非常に大きくなる(IMOS≫ Ibp+Ien)。このように、逆バイアスMOSFETが有る場合の方が、逆バイアスMOSFETがない場合と比較して、順方向電流Iが大幅に増大していることが分かる。
この結果、図5に示すように、例えば、回路上、所望の順方向電流をIbxとすると、アノード電圧は、逆バイアスMOSFETが有る場合はVA1、逆MOSFETがない場合はVA2となる。このとき、P型半導体基板1への基板リーク電流は、逆バイアスMOS方向MOSFETが有る場合はIc1となり、逆バイアスMOSFETがないい場合のIc2と比較して、大幅に低減できることが分かる。
したがって、本実施形態1の高耐圧ダイオード21は、前述した通り、ダイオード順バイアス動作時に、内蔵される逆バイアスMOSFETの閾値電圧Vthが基板バイアス効果により、大幅に低減される。この結果、逆バイアスMOSFETのオンモードにより順方向電流Iが大幅に増大し、所望の順方向電流Iに対応するアノード電圧が実質的に低下することにより、P型半導体基板1への基板リーク電流が大幅に低減される。
一方、図1中の高耐圧ダイオード21に逆バイアスを印加した場合、カソード電極に、アノード電極に対して正の電圧が印加されるため、図1中のL(≧0μm)の長さを調整するかまたは/および、N型拡散領域2のプロファイルを調整することにより、高耐圧化を実現することができて、逆バイアス時の電流を良好に遮断することができる。
図6は、逆バイアスMOSFETが有る場合の本実施形態1の高耐圧ダイオード21と、逆バイアスMOSFETがない場合の従来の高耐圧ダイオードとの順方向特性を示す図である。
図6に示すように、逆バイアスMOSFETがない従来の高耐圧ダイオードの場合は、順方向電圧VF2≒0.6Vに対して、逆バイアスMOSFETが有る本実施形態1の高耐圧ダイオード21の場合は、順方向電圧VF1≒0.2V程度と、ショットキーダイオード並みの順方向電圧VFとなり、大幅な順方向電圧VFの低減が可能となる。さらに、高耐圧ダイオードの主要特性として逆回復時間(順バイアスから逆バイアスに切り替わる際に流れる過大電流が収まるまでの時間)が挙げられるが、逆バイアスMOSFETが有る高耐圧ダイオード21の場合は、順方向電流の殆どが逆MOSFETのチャネル電流のため、逆回復時間も大幅に低減することが可能となる。
以上のように、本実施形態1に係る高耐圧ダイオード21においては、エピタキシャル層および高濃度埋め込み拡散領域を有することなく、順方向動作時の基板リーク電流を効果的に抑制することが可能となり、さらに順方向電圧(VF)の低減および逆回復時間の低減も可能となる。
次に、上記構成の高耐圧ダイオード21の製造方法について説明する。
図7(a)〜図7(c)は、図1の高耐圧ダイオードの製造方法における各製造工程を説明するための要部縦断面図である。
図7(a)に示すように、まず、P型半導体基板1に、N型不純物を注入し、高温ドライブインによる熱拡散処理によりN型拡散領域2を所望の深さに形成する。N型不純物としては、例えばリンを使用し、注入エネルギーは例えば2MeV以上、ドーズ量は、1.0×1013cm−2以下とする。また、N型不純物注入を行う領域は、例えば、高エネルギー注入に対応した厚膜のレジストを用いて、フォトエッチング技術などによって不純物注入を行う領域を開口するようにパターンニングすることによって規定する。さらに、N型拡散領域2内にP型不純物、例えばボロンの不純物注入により、P型拡散領域3を所定領域に形成する。
次に、図7(b)に示すように、N型拡散領域2およびP型拡散領域3の表面領域にゲート絶縁膜を形成する。そのゲート絶縁膜上に、さらにP型拡散領域3の一部からN型拡散領域2上を跨ぐようにゲート電極7を形成する。ゲート電極7の材料として、例えば、リンがドープされたポリシリコン膜をCVD法により形成し、その上にフォトエッチング技術によってレジストをパターンニングした後、ドライエッチング技術などによってそのポリシリコン膜を所定形状に加工することによりゲート電極7を形成する。
続いて、図7(c)に示すように、例えばリンまたは砒素などのN型不純物注入によって高濃度N型拡散領域4および高濃度N型拡散領域5を所定領域に形成すると共に、例えばボロンなどのP型不純物注入によって高濃度P型拡散領域6を高濃度N型拡散領域5に隣接して形成する。
この際、高濃度N型拡散領域5はゲート電極7に対してセルフアラインで形成され、その後に熱処理が為されるため、ゲート電極7は、必ず高濃度N型拡散領域5上にオーバーラップして形成される。一方、高濃度N型拡散領域4に関しては、ゲート電極7との離間距離L(≧0μm)は所望の耐圧に応じて設定され、L>0μmの場合は高濃度N型拡散領域4をN型不純物注入する際のレジストマスクにより規定される。
さらに、図7(c)には示していないが、その後の基板表面に例えば常圧CVD法によって酸化膜を形成し、リフローして表面段差を軽減する。この後、ゲート電極7、高濃度N型拡散領域5、高濃度N型拡散領域4および高濃度P型拡散領域6の上方において、それぞれ前記の酸化膜にコンタクトエッチを行い、開口を形成する。さらに、例えば、スパッタによってアルミニウム膜を成長させた後、このアルミニウム膜をフォトエッチングおよびドライエッチングによって所定形状にパターンニングして金属電極を形成する。
このとき、高濃度N型拡散領域5と高濃度P型拡散領域6およびゲート電極7は、金属電極によって同電位に電気的に接続される。
以上によって、逆バイアスMOSFET(Q1)を有した本実施形態1の高耐圧ダイオード21が、P型半導体基板1上に形成される。
要するに、本実施形態1の高耐圧ダイオード21の製造方法は、P型半導体基板1上にN型拡散領域2を形成する工程と、N型拡散領域2内にP型拡散領域3を形成する工程と、P型拡散領域3内に高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6を形成する工程と、N型拡散領域2内でP型拡散領域3と所定距離だけ離間した位置に高濃度N型拡散領域4を形成する工程と、高濃度N型拡散領域5と高濃度N型拡散領域4間上にゲート絶縁膜を介して、高濃度N型拡散領域5と上下でオーバーラップするようにゲート電極7を形成する工程と、ゲート電極7を、高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6と同電位に電気的に接続する工程とを有している。
(実施形態2)
本実施形態2では、上記実施形態1の構成に加えて、第2導電型の第1拡散領域(N型拡散領域2)内に第2導電型の第3拡散領域(N型拡散領域8)を備え、第3拡散領域(N型拡散領域8)内に第3高濃度拡散領域(高濃度N型拡散領域4)を備えた場合について説明する。
図8は、本発明の実施形態2の半導体装置としての高耐圧ダイオードの要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
図8において、本実施形態2の高耐圧ダイオード22は、上記実施形態1の高耐圧ダイオード21と比較して、逆バイアスMOSFET(Q1)のオン抵抗を小さくするために、N型拡散領域2内に形成され、高濃度N型拡散領域4を内部に内包するN型拡散領域8を備えたことを特徴構成としている。このN型拡散領域8内には高濃度N型拡散領域4が形成されている。
本実施形態2によれば、上記実施形態1の場合と比較して、順バイアス動作時、逆バイアスMOSFET(Q1)のオン抵抗が小さくなるため、所望の順方向電流に対して特に高電流領域での順方向電圧を低減することができる。
また、逆バイアス時には、P型拡散領域3とN型拡散領域8の離間距離L(≧0μm)、または/およびN型拡散領域8のプロファイルを調整することにより、高耐圧化を実現でき、逆バイアス動作時の電流を良好に遮断することができる。
さらに、本実施形態2においても、前述した通り、順方向電圧(VF)の低減、および逆回復時間の低減が可能であることは自明である。
次に、上記構成の高耐圧ダイオード22の製造方法について説明する。
図9(a)〜図9(c)は、図8の高耐圧ダイオード22の製造方法における各製造工程を説明するための要部縦断面図である。
図9(a)に示すように、上記実施形態1の製造方法と比較して、まず、P型半導体基板1に、N型不純物を注入し、高温ドライブインによる熱拡散処理によりN型拡散領域2を所望の深さに形成する。
次に、N型拡散領域2内に、P型拡散領域3を所定領域に形成した後に、N型拡散領域8を所定領域に形成する。このN型拡散領域8のN型不純物注入に際しては、例えばリンを使用し、注入ドーズ量は、1.0×1012cm−2以上とする。
P型拡散領域3とN型拡散領域8の離間距離L(≧0um)は、所望の耐圧に応じて設定されるが、この離間距離Lは、N型拡散領域8を形成する際のレジストマスクのパターンニングにより規定される。
続いて、図9(b)に示すように、N型拡散領域2、P型拡散領域3およびN型拡散領域8の表面にゲート絶縁膜を形成する。そのゲート絶縁膜上に、さらにP型拡散領域3の一部からN型拡散領域2上を介してN型拡散領域8の一部を跨ぐようにゲート電極7を形成する。
以降の工程に関しては、図9(c)に示すが、上記実施形態1の製造方法の図7(c)の場合と同一条件で行われるため、ここではその説明を省略する。
以上によって、逆バイアスMOSFET(Q1)を有した本実施形態2の高耐圧ダイオード22が、P型半導体基板1上に形成される。
要するに、本実施形態2の高耐圧ダイオード22の製造方法は、P型半導体基板1上にN型拡散領域2を形成する工程と、N型拡散領域2内に、P型拡散領域3を形成すると共に、P型拡散領域3と所定距離を置いてN型拡散領域8を形成する工程と、P型拡散領域3内に高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6を形成する工程と、N型拡散領域8内に、N型拡散領域2内でP型拡散領域3と所定距離だけ離間した位置に高濃度N型拡散領域4を形成する工程と、高濃度N型拡散領域5と高濃度N型拡散領域4間上にゲート絶縁膜を介して、高濃度N型拡散領域5と上下でオーバーラップするようにゲート電極7を形成する工程と、ゲート電極7を、高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6と同電位に電気的に接続する工程とを有している。
(実施形態3)
本実施形態3では、上記実施形態1の構成に加えて、第2導電型の第1拡散領域(N型拡散領域2)内の、第1導電型の第2拡散領域(P型拡散領域3)と第3高濃度拡散領域(高濃度N型拡散領域4)との間に形成された絶縁分離膜を備えるた場合について説明する。
図10は、本発明の実施形態3の半導体装置としての高耐圧ダイオードの要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
図10において、本実施形態3の高耐圧ダイオード23は、上記実施形態1の高耐圧ダイオード21と比較して、N型拡散領域2内のP型拡散領域3と高濃度N型拡散領域4との間に形成された絶縁分離膜9を備えたことを特徴構成としている。
本実施形態3によれば、絶縁分離膜9を設けたことにより、上記実施形態1の場合と比較して、逆バイアス時の電界を大幅に緩和することができるため、更なる高耐圧化が可能となる。上記実施形態1において、逆バイアス時に、ゲート電極7のカソード側のゲートエッジ(領域Aとする)で電界が集中するため、高耐圧化には限界があったが、図10に示す絶縁分離膜9により、領域A(ゲート電極7の一端)の電界を大幅に緩和することができて更なる高耐圧化を実現することができる。
したがって、図10に示す絶縁分離膜9の長さLを調整することにより、更なる高耐圧化を実現できて、逆バイアス動作時の電流を良好に遮断することができる。
また、本実施形態3においても、前述した通り、順方向電圧(VF)の低減、および逆回復時間の低減が可能であることは自明である。
次に、上記構成の高耐圧ダイオード23の製造方法について説明する。
図11(a)〜図11(c)は、図10の高耐圧ダイオード23の製造方法における各製造工程を説明するための要部縦断面図である。
図11(a)に示すように、まず、P型半導体基板1に対して、N型不純物を注入し、高温ドライブインによる熱拡散によりN型拡散領域2を所望の深さに形成する。N型不純物としては、例えばリンを使用し、注入エネルギーは例えば2MeV以上、ドーズ量は、1.0×1013cm−2以下とする。また、N型不純物注入を行う領域は、例えば、高エネルギー注入に対応した厚膜のレジストを用い、フォトエッチング技術などによって不純物注入を行う領域を開口するようにパターンニングすることによって規定する。
さらに、N型拡散領域2の表面の一部(所定領域)に絶縁分離膜9を形成する。この絶縁分離膜9から所定距離だけ離間した領域に、P型不純物、例えばボロンの不純物注入により、P型拡散領域3を形成する。図11(a)中の絶縁分離膜9の長さ(図中L)は、所望の耐圧に応じて設定(長いほど高耐圧化が可能)され、例えば60V以上の高耐圧化を図る場合は、絶縁分離膜9の長さLは、例えば1.5μm以上に設定される。なお、絶縁分離膜9は、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)により構成されてもよいし、STI(Shallow Trench Isolation)により構成されてもよい。
次に、図11(b)に示すように、N型拡散領域2、P型拡散領域3および絶縁分離膜9の表面領域にゲート絶縁膜を形成する。このゲート絶縁膜上に、P型拡散領域3の一部からN型拡散領域2を介して絶縁分離膜9の一部に跨るようにゲート電極7を形成する。ゲート電極7の材料として、例えば、リンがドープされたポリシリコン膜をCVD法により成膜し、その上にフォトエッチング技術によってレジストをパターンニングした後に、ドライエッチング技術などによって前記のポリシリコン膜を所定形状に加工することによりゲート電極7を形成する。
続いて、図11(c)に示すように、例えばリンまたは砒素の不純物注入によって高濃度N型拡散領域5および高濃度N型4を形成すると共に、例えばボロンなどの不純物注入によって高濃度P型拡散領域6を形成する。
この際、高濃度N型拡散領域5は、ゲート電極7に対してセルフアラインで形成されて熱処理されるため、ゲート電極7は、必ず高濃度N型拡散領域5上にオーバーラップして形成される。一方、高濃度N型拡散領域4は絶縁分離膜9に対してセルフアラインで形成される。
次に、図には示していないが、表面に例えば常圧CVD法によって酸化膜を形成し、リフローして表面段差を軽減する。この後、ゲート電極7、高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6の上と、高濃度N型拡散領域4上とにおいて、それぞれ前記の酸化膜にコンタクトエッチを行い、開口を形成する。さらに、例えば、スパッタによってアルミニウム膜を成長させた後、該アルミニウム膜をフォトエッチング及びドライエッチングによってパターンニングし、金属電極を形成する。
このとき、高濃度N型拡散領域5と高濃度P型拡散領域6、およびゲート電極7は、金属電極により同電位に電気的に接続される。
以上によって、逆バイアスMOSFET(Q1)を有した本実施形態3の高耐圧ダイオード23が、P型半導体基板1上に形成される。
要するに、本実施形態3の高耐圧ダイオード23の製造方法は、P型半導体基板1上にN型拡散領域2を形成する工程と、N型拡散領域2内に、P型拡散領域3を形成すると共に、P型拡散領域3と所定距離を置いて絶縁分離膜9を形成する工程と、P型拡散領域3内に高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6を形成する工程と、N型拡散領域2内でP型拡散領域3と所定距離だけ離間した位置に高濃度N型拡散領域4を形成する工程と、高濃度N型拡散領域5と高濃度N型拡散領域4間上にゲート絶縁膜を介して、高濃度N型拡散領域5と上下でオーバーラップするようにゲート電極7を形成する工程と、ゲート電極7を、高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6と同電位に電気的に接続する工程とを有している。
(実施形態4)
本実施形態4では、上記実施形態1の構成に加えて、第2導電型の第1拡散領域(N型拡散領域2)内に、第1導電型の第2拡散領域(P型拡散領域3)と第2導電型の第3拡散領域(N型拡散領域8A)を備え、第3拡散領域(N型拡散領域8A)内に第3高濃度拡散領域(高濃度N型拡散領域4)を備え、第1導電型の第2拡散領域(P型拡散領域3)と第3高濃度拡散領域(高濃度N型拡散領域4)との間に形成された絶縁分離膜9を備えた場合について説明する。
図12は、本発明の実施形態4の半導体装置としての高耐圧ダイオードの要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
図12において、本実施形態4の高耐圧ダイオード24は、上記実施形態1の高耐圧ダイオード21と比較して、N型拡散領域2内にP型拡散領域3とN型拡散領域8Aとがゲート電極7下で所定距離L1だけ離間して形成されている。また、この高耐圧ダイオード24は、N型拡散領域8A内には絶縁分離膜9と高濃度N型拡散領域4とが並んで形成され、P型拡散領域3と高濃度N型拡散領域4との間のN型拡散領域8A内に、所定長さL2の絶縁分離膜9が形成されたことを特徴構成としている。要するに、本実施形態4は、上記実施形態2のN型拡散領域8と上記実施形態3の絶縁分離膜9とを合体した場合である。
以上により、本実施形態4によれば、上記実施形態3の効果として、上記実施形態1の場合と比較して、逆バイアス時、ゲート電極7のカソード側の一端の集中電界を大幅に緩和することができるため、更なる高耐圧化が可能となる。これに加えて、本実施形態4によれば、上記実施形態2の効果として、順バイアス時、逆MOSFETのオン抵抗が小さくなるため、所望の順方向電流に対して特に高電流領域での順方向電圧を低減することができる。
また、逆バイアス時には、P型拡散領域3とN型拡散領域8Aの離間距離L1(≧0μm)、絶縁分離膜9の長さL2、およびN型拡散領域8Aのプロファイルを調整することにより、更なる高耐圧化を実現できて、逆バイアス時の電流を良好に遮断することができる。
さらに、本実施形態4においても、前述した通り、順方向電圧(VF)の低減、および逆回復時間の低減が可能であることは自明である。
次に、上記構成の高耐圧ダイオード24の製造方法について説明する。
図13(a)〜図13(c)は、図12の高耐圧ダイオード24の製造方法における各製造工程を説明するための要部縦断面図である。
まず、図13(a)に示すように、N型拡散領域2内に、N型拡散領域8Aが形成されるが、N型拡散領域8Aの不純物注入に際しては、例えばリンを使用し、注入エネルギーは例えば200keV以上、ドーズ量は、1.0×1012cm−2以上とする。
さらに、N型拡散領域8Aの表面の一部(所定領域)に絶縁分離膜9を形成する。さらに、N型拡散領域8Aから所定距離L1だけ離れたN型拡散領域2内の所定領域に、P型不純物、例えばボロンの不純物注入によりP型拡散領域3を形成する。絶縁分離膜9の長さ(図中L2)は、所望の耐圧に応じて設定される。なお、絶縁分離膜9は、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)により構成されてもよいし、STI(Shallow Trench Isolation)により、構成されてもよい。
次に、図13(b)に示すように、N型拡散領域2、P型拡散領域3およびN型拡散領域8A、さらに絶縁分離膜9の各表面領域にゲート絶縁膜を形成する。このゲート絶縁膜上に、P型拡散領域3の一部からN型拡散領域2およびN型拡散領域8Aを介して絶縁分離膜9の一部に跨るようにゲート電極7を形成する。ゲート電極7の材料が、例えば、リンがドープされたポリシリコン膜をCVD法により成膜され、その上にフォトエッチング技術によってレジストをパターンニングした後に、ドライエッチング技術などによって前記のポリシリコン膜を所定形状に加工することによりゲート電極7を形成する。
この場合、P型拡散領域3とN型拡散領域8Aの離間距離L1(≧0um)、および絶縁分離膜9の長さL2は、所望の耐圧に応じて設定されるが、離間距離L1は、N型拡散領域8Aを不純物注入する際のレジストマスクにより規定される。
このとき、高濃度N型拡散領域5は、ゲート電極7に対してセルフアラインで形成されて熱処理されるため、ゲート電極7は、必ず高濃度N型拡散領域5上にオーバーラップして形成される。一方、高濃度N型拡散領域4は絶縁分離膜9に対してセルフアラインで形成されるため、高濃度N型拡散領域4は絶縁分離膜9に隣接して設けられる。
続いて、表面に例えば常圧CVD法によって酸化膜を形成し、リフローして表面段差を軽減する。この後、ゲート電極7、高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6の上と、高濃度N型拡散領域4上とにおいて、それぞれ前記の酸化膜にコンタクトエッチを行い、開口を形成する。さらに、例えば、スパッタによってアルミニウム膜を成長させた後、該アルミニウム膜をフォトエッチング及びドライエッチングによってパターンニングし、金属電極を形成する。
このとき、高濃度N型拡散領域5と高濃度P型拡散領域6およびゲート電極7は、金属電極により同電位に電気的に接続される。
以上によって、逆バイアスMOSFET(Q1)を有した本実施形態4の高耐圧ダイオード24が、P型半導体基板1上に形成される。
要するに、本実施形態4の高耐圧ダイオード24の製造方法は、P型半導体基板1上にN型拡散領域2を形成する工程と、N型拡散領域2内に、P型拡散領域3を形成すると共に、P型拡散領域3と所定距離を置いてN型拡散領域8Aを形成し、N型拡散領域8A内にP型拡散領域3と所定距離を置いて絶縁分離膜9を形成する工程と、P型拡散領域3内に高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6を形成する工程と、N型拡散領域2内でP型拡散領域3と所定距離だけ離間した位置に高濃度N型拡散領域4を形成する工程と、高濃度N型拡散領域5と高濃度N型拡散領域4間上にゲート絶縁膜を介して、高濃度N型拡散領域5と上下でオーバーラップするようにゲート電極7を形成する工程と、ゲート電極7を、高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6と同電位に電気的に接続する工程とを有している。
(実施形態5)
本実施形態5では、第1導電型の第2拡散領域(P型拡散領域3)の底部に、高エネルギー注入により形成されたN型埋め込み拡散領域(後述するN型埋め込み拡散領域10)を備えた場合について説明する。
図14は、本発明の実施形態5の半導体装置としての高耐圧ダイオードの要部構成例を模式的に示す縦断面図である。
図14において、本実施形態5の高耐圧ダイオード25は、上記実施形態1の高耐圧ダイオード21と比較して、P型拡散領域3の底部側に、高エネルギー注入されたN型埋め込み拡散領域10を備えたことを特徴構成としている。
図15に、アノード電圧(V)に対する順方向電流Ibおよび、本発明の実施形態1および5における基板リーク電流Iの関係を示している。
本実施形態5によれば、P型拡散領域3(エミッタ)、N型拡散領域2(ベース)、P型半導体基板1から構成される寄生PNPTrにおいて、N型埋め込み拡散領域10を設けたことにより、寄生PNPTrのhFEが低減されるため、図15に示すように、上記実施形態1の場合と比較して、順バイアス時のP型半導体基板1への基板リーク電流(I)をさらに低減することが可能である(Ic1⇒Ic3)。
また、本実施形態5においても、前述した通り、順方向電圧(VF)の低減、および逆回復時間の低減が可能であることは自明である。
以上により、上記実施形態5によれば、高耐圧ダイオード25において、N型埋め込み拡散領域10はP型拡散領域3の底部側だけに形成されているだけで、従来例のようなエピタキシャル層および高濃度埋め込み拡散領域を有することなく、順バイアス動作時の基板リーク電流を効果的に更に抑制することが可能で低コストで形成可能となる。
なお、N型埋め込み拡散領域10を、上記実施形態1〜4に係る高耐圧ダイオード21〜24のいずれかに追加形成しても、同様の効果を得ることは自明である。
次に、上記構成の高耐圧ダイオード24の製造方法について説明する。
図16(a)〜図16(c)は、図14の高耐圧ダイオード25の製造方法における各製造工程を説明するための要部縦断面図である。
まず、図16(a)に示すように、P型半導体基板1上にN型不純物、例えばリンの不純物注入により、N型拡散領域2を形成し、さらに、N型拡散領域2内にP型不純物、例えばボロンの不純物注入により、P型拡散領域3を形成する。
次に、図16(b)に示すように、N型埋め込み拡散領域10を、P型拡散領域3の底部に、高エネルギー注入により形成する。このN型埋め込み拡散領域10の不純物注入に際しては、例えばリンを使用し、注入エネルギーは例えば800keV以上、ドーズ量は、1.0×1012cm−2以上とする。
続いて、図16(b)に示すように、N型拡散領域2およびP型拡散領域3の表面領域にゲート絶縁膜を形成する。このゲート絶縁膜上に、P型拡散領域3の一部からN型拡散領域2側に跨るようにゲート電極7を形成する。ゲート電極7の材料として、例えば、リンがドープされたポリシリコン膜がCVD法により成膜され、その上にフォトエッチング技術によってレジストをパターンニングした後に、ドライエッチング技術などによって前記のポリシリコン膜を所定形状に加工することによりゲート電極7を形成する。
その後、図16(c)に示すように、例えばリンまたは砒素の不純物注入によって高濃度N型拡散領域4および高濃度N型拡散領域5を形成すると共に、例えばボロン等の不純物注入によって高濃度P型拡散領域6を形成する。
このとき、高濃度N型拡散領域5は、ゲート電極7に対してセルフアラインで形成されて熱処理されるため、ゲート電極7は、必ず高濃度N型拡散領域5上にオーバーラップして形成される。
さらに、表面に例えば常圧CVD法によって酸化膜を形成し、リフローして表面段差を軽減する。この後、ゲート電極7、高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6の上と、高濃度N型拡散領域4上とにおいて、それぞれ前記の酸化膜にコンタクトエッチを行い、開口を形成する。さらに、例えば、スパッタによってアルミニウム膜を成長させた後、該アルミニウム膜をフォトエッチング及びドライエッチングによってパターンニングし、金属電極を形成する。
このとき、高濃度N型拡散領域5と高濃度P型拡散領域6およびゲート電極7は、金属電極により同電位に接続される。
以上によって、逆バイアスMOSFET(Q1)を有した本実施形態5の高耐圧ダイオード25が、P型半導体基板1上に形成される。
要するに、本実施形態5の高耐圧ダイオード25の製造方法は、P型半導体基板1上にN型拡散領域2を形成する工程と、N型拡散領域2内にP型拡散領域3を形成すると共に、P型拡散領域3の底部に、高エネルギー注入によりN型埋め込み拡散領域10を形成する工程と、P型拡散領域3内に高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6を形成する工程と、N型拡散領域2内でP型拡散領域3と所定距離だけ離間した位置に高濃度N型拡散領域4を形成する工程と、高濃度N型拡散領域5と高濃度N型拡散領域4間上にゲート絶縁膜を介して、高濃度N型拡散領域5と上下でオーバーラップするようにゲート電極7を形成する工程と、ゲート電極7を、高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6と同電位に電気的に接続する工程とを有している。
なお、本実施形態5では、上記実施形態1の高耐圧ダイオード21のP型拡散領域3の底部側に、高エネルギー注入されたN型埋め込み拡散領域10を新たに備えた場合について説明したが、これに限らず、上記実施形態2〜4の高耐圧ダイオード22〜24のいずれかのP型拡散領域3の底部側に、高エネルギー注入されたN型埋め込み拡散領域10を新たに備えてもよい。この場合にも、N型埋め込み拡散領域10を設けたことにより、寄生PNPTrのhFEが低減されるため、上記実施形態2〜4の場合と比較しても、順バイアス時のP型半導体基板1への基板リーク電流(I)をさらに低減することができるものである。
(実施形態6)
上記実施形態1〜5では、第1導電型の半導体層が第1導電型の半導体基板(P型半導体基板1)である場合について説明し、このP型半導体基板1上に高耐圧ダイオード21〜25を形成したが、本実施形態6では、第1導電型の半導体層が第1導電型の拡散領域である場合について説明し、このP型拡散領域上に高耐圧ダイオード26を形成する場合について説明する。
図17は、本発明の実施形態6の半導体装置としての高耐圧ダイオードの要部断面構成例を模式的に示す縦断面図である。
図17に示すように、本実施形態6の高耐圧ダイオード26は、N型半導体基板11上のP型拡散領域1A(例えばPウェル層)内に形成される点において、上記実施形態1〜5の高耐圧ダイオード21〜25とは異なっている。例えば、トレンチゲートMOSFETを搭載するプロセスの場合、トレンチMOSFETは縦型半導体装置であり、裏面電極はドレイン(n+)となり、N型半導体基板11が使用される。このため、本実施形態6の高耐圧ダイオード26は、N型半導体基板11と電気的に分離することを目的として、例えば、Pウェル層のようなP型拡散領域1Aの中に形成される。
本実施形態6においては、ゲート電極としてのトレンチゲート7Aを使用した例を示すが、N型半導体基板11への基板リーク電流の低減効果は、上記実施形態1の場合と全く同様に得られる。つまり、ゲート電極としてのトレンチゲート7Aがアノード電極と同電位に電気的に接続されるため、順バイアス動作時に、内蔵される逆バイアスMOSFETの閾値電圧Vthが基板バイアス効果により、大幅に低減される。その結果、逆バイアスMOSFETのオンモードにより順方向電流が大幅に増大し、所望の順方向電流に対応するアノード電圧が実質的に低下することにより、N型半導体基板11への基板リーク電流が大幅に低減されることになる。
また、本実施形態6においても、前述した通り、順方向電圧(VF)の低減および逆回復時間の低減が可能であることは自明である。
上記実施形態1〜6において、P型半導体基板1上に形成される半導体装置であって、P型半導体基板1内にN型拡散領域2を備え、N型拡散領域2内に、P型拡散領域3と、P型拡散領域3とは平面的に離間した位置に形成された高濃度N型拡散領域4を備える。また、P型拡散領域3内には、高濃度N型拡散領域5と高濃度P型拡散領域6が形成され、P型拡散領域3の上で高濃度N型拡散領域5と高濃度N型拡散領域4の間には、ゲート酸化膜を介してゲート電極7が形成され、ゲート電極7は高濃度N型拡散領域5上にオーバーラップして形成される。また、アノード領域の高濃度P型拡散領域6、高濃度N型拡散領域5およびゲート電極7は、電気的に同電位に接続される。
以上により、上記実施形態1〜6によれば、高耐圧ダイオード21〜26において、従来例のようなエピタキシャル層および高濃度埋め込み拡散領域を有することなく、順バイアス動作時の基板リーク電流を効果的に抑制することが可能で低コストで形成可能となり、さらには順方向電圧(VF)の低減および逆回復時間の低減が可能となる。
なお、上記実施形態1では、半導体層としてのP型半導体基板1上に形成されたN型拡散領域2と、N型拡散領域2内に形成されたP型拡散領域3と、P型拡散領域3内に形成された高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6と、N型拡散領域2内でP型拡散領域3と離間した位置に形成された高濃度N型拡散領域4と、高濃度N型拡散領域5と高濃度N型拡散領域4間上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極7とを備え、ゲート電極7が高濃度N型拡散領域5上にオーバーラップして形成され、ゲート電極7が、高濃度N型拡散領域5および高濃度P型拡散領域6と同電位に電気的に接続されている場合について説明し、上記実施形態2では、上記実施形態1の場合に加えて、N型拡散領域2内にP型拡散領域3の他にN型拡散領域8を備え、N型拡散領域8内に高濃度N型拡散領域4を備えた場合について説明し、上記実施形態3では、上記実施形態1の場合に加えて、N型拡散領域2内にP型拡散領域3の他に絶縁分離膜9を備えた場合について説明し、上記実施形態4では、上記実施形態1の場合に加えて、N型拡散領域2内にP型拡散領域3の他にN型拡散領域8を形成し、N型拡散領域8内に絶縁分離膜9を備え、絶縁分離膜9はP型拡散領域3と高濃度N型拡散領域4の間に形成された場合について説明し、上記実施形態5では、上記実施形態1の場合に加えて、N型拡散領域2内にP型拡散領域3の他に、P型拡散領域3の底部に、高エネルギー注入により形成されたN型埋め込み拡散領域10を備えた場合について説明し、上記実施形態1〜5の場合に半導体層としてのP型半導体基板1を用いたのに対して、上記実施形態6では、半導体層としてのP型拡散領域1Aを用いた場合について説明したが、これらに限らず、導電型を全て逆にしてもよい。即ち、上記実施形態1では、導電型を全て逆にして、半導体層としてのN型半導体基板上に形成されたP型拡散領域と、P型拡散領域内に形成されたN型拡散領域と、N型拡散領域内に形成された高濃度P型拡散領域および高濃度N型拡散領域と、P型拡散領域内でN型拡散領域と離間した位置に形成された高濃度P型拡散領域と、高濃度P型拡散領域と高濃度P型拡散領域間上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備え、ゲート電極が高濃度P型拡散領域上にオーバーラップして形成され、ゲート電極が、高濃度P型拡散領域および高濃度N型拡散領域と同電位に電気的に接続されている場合であってもよい。上記実施形態2では、導電型を全て逆にして、P型拡散領域内にN型拡散領域の他にP型拡散領域を備え、P型拡散領域内に高濃度P型拡散領域を備えた場合であってもよい。上記実施形態3では、導電型を全て逆にして、P型拡散領域内にN型拡散領域の他に絶縁分離膜を備えた場合であってもよい。上記実施形態4では、導電型を全て逆にして、P型拡散領域内にN型拡散領域の他にP型拡散領域を形成し、P型拡散領域内に絶縁分離膜を備え、絶縁分離膜はN型拡散領域と高濃度P型拡散領域の間に形成された場合であってもよい。上記実施形態5では、導電型を全て逆にして、P型拡散領域内にN型拡散領域の他に、N型拡散領域の底部に、高エネルギー注入により形成されたP型埋め込み拡散領域を備えた場合であってもよい。上記実施形態1〜5の場合に、導電型を全て逆にして、半導体層としてのN型半導体基板を用いてもよく、上記実施形態6では、半導体層としてのN型拡散領域を用いてもよい。
以上のように、本発明の好ましい実施形態1〜6を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態1〜6に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態1〜6の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
本発明は、整流を行うデバイスの高耐圧ダイオードなどの半導体装置およびその製造方法の分野において、従来例のようなエピタキシャル層および高濃度埋め込み拡散領域を有することなく、順バイアス動作時の基板リーク電流を効果的に抑制することが可能で低コストで形成可能となり、さらには順方向電圧(VF)の低減および逆回復時間の低減が可能となる。
1 P型半導体基板
1A P型拡散領域(Pウェル層)
2 N型拡散領域
3 P型拡散領域
4 高濃度N型拡散領域
5 高濃度N型拡散領域
6 高濃度P型拡散領域
7 ゲート電極
7A トレンチゲート
8、8A N型拡散領域
9 絶縁分離膜
10 N型埋め込み拡散領域
11 N型半導体基板
21〜26 高耐圧ダイオード
Ib 順方向電流
Ibp ベース電流
en エミッタ電流
MOS 逆バイアスMOSFET(Q1)の電流
Vth 逆バイアスMOSFETの閾値電圧
基板リーク電流
A1 逆バイアスMOSFETが有る場合のアノード電圧
A2 逆MOSFETがない場合のアノード電圧
c1 逆バイアスMOSFETが有る場合の基板リーク電流
c2 逆バイアスMOSFETがないい場合の基板リーク電流
L 長さ
VF、VF1、VF2 順方向電圧

Claims (19)

  1. 第1導電型の半導体層上に形成される半導体装置において、
    該半導体層上に形成された第2導電型の第1拡散領域と、
    該第1拡散領域内に形成された第1導電型の第2拡散領域と、
    該第2拡散領域内に形成された第2導電型の第1高濃度拡散領域および第1導電型の第2高濃度拡散領域と、
    該第1拡散領域内で該第2拡散領域と所定距離だけ離間した位置に形成された第2導電型の第3高濃度拡散領域と、
    該第1高濃度拡散領域と該第3高濃度拡散領域の間上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備え、
    該ゲート電極が該第1高濃度拡散領域上にオーバーラップして形成され、該ゲート電極が、該第1高濃度拡散領域および該第2高濃度拡散領域と同電位に電気的に接続されている半導体装置。
  2. 前記第1高濃度拡散領域、前記第3高濃度拡散領域および、これらの間上に設けられた前記ゲート電極により逆バイアスMOSFETが構成されている請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ゲート電極の一端と前記第3高濃度拡散領域とは所定距離だけ離間している請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記第1高濃度拡散領域、前記第2高濃度拡散領域および前記ゲート電極がアノード電極に接続され、前記第3高濃度拡散領域がカソード電極に接続されている請求項1に記載の半導体装置。
  5. 前記第2導電型の第1拡散領域内に第2導電型の第3拡散領域を備え、該第3拡散領域内に前記第3高濃度拡散領域を備えた請求項1に記載の半導体装置。
  6. 前記第2導電型の第1拡散領域内に、前記第1導電型の第2拡散領域と前記第3高濃度拡散領域との間に形成された絶縁分離膜を備えた請求項1に記載の半導体装置。
  7. 前記第2導電型の第1拡散領域内に第2導電型の第3拡散領域を備え、該第3拡散領域内に前記第3高濃度拡散領域および絶縁分離膜を備え、該絶縁分離膜は前記第1導電型の第2拡散領域と該第3高濃度拡散領域との間に形成された請求項1に記載の半導体装置。
  8. 前記第2拡散領域と前記第3拡散領域とは、前記ゲート電極下で所定距離だけ離間している請求項5または7に記載の半導体装置。
  9. 前記第2拡散領域と前記絶縁分離膜とは、前記ゲート電極下で所定距離だけ離間している請求項7に記載の半導体装置。
  10. 前記絶縁分離膜は、前記ゲート電極の前記第3高濃度拡散領域側の一端下を含む所定距離だけ設けられている請求項6、7および9のいずれかに記載の半導体装置。
  11. 前記第1導電型の第2拡散領域の底部に、高エネルギー注入により形成された第2導電型の埋め込み拡散領域を備えた請求項1に記載の半導体装置。
  12. 前記第1導電型の半導体層が第1導電型の半導体基板である請求項1に記載の半導体装置。
  13. 前記第1導電型の半導体層が第1導電型の拡散領域である請求項1に記載の半導体装置。
  14. 高耐圧ダイオードである請求項1に記載の半導体装置。
  15. 第1導電型の半導体層上に形成される半導体装置の製造方法において、
    該半導体層上に第2導電型の第1拡散領域を形成する工程と、
    該第1拡散領域内に第1導電型の第2拡散領域を形成する工程と、
    該第2拡散領域内に第2導電型の第1高濃度拡散領域および第1導電型の第2高濃度拡散領域を形成する工程と、
    該第1拡散領域内で該第2拡散領域と所定距離だけ離間した位置に第2導電型の第3高濃度拡散領域を形成する工程と、
    該第1高濃度拡散領域と該第3高濃度拡散領域の間上にゲート絶縁膜を介して、該第1高濃度拡散領域と上下でオーバーラップするようにゲート電極を形成する工程と、
    該ゲート電極を、該第1高濃度拡散領域および該第2高濃度拡散領域と同電位に電気的に接続する工程とを有する半導体装置の製造方法。
  16. 前記第1拡散領域内に第1導電型の第2拡散領域を形成する工程は、該第1拡散領域内に該第2拡散領域と所定距離を置いて第2導電型の第3拡散領域を形成する工程を含み、前記第1拡散領域内で該第2拡散領域と所定距離だけ離間した位置に第2導電型の第3高濃度拡散領域を形成する工程は、該第1拡散領域内の該第3拡散領域内に該第3高濃度拡散領域を形成する請求項15に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記第1拡散領域内に第1導電型の第2拡散領域を形成する工程は、該第1拡散領域内に該第2拡散領域と所定距離を置いて絶縁分離膜を形成する工程を含む請求項15に記載の半導体装置の製造方法。
  18. 前記第1拡散領域内に第1導電型の第2拡散領域を形成する工程は、該第1拡散領域内に該第2拡散領域と所定距離を置いて第2導電型の第3拡散領域を形成すると共に、該第3拡散領域内に該第2拡散領域と所定距離を置いて絶縁分離膜を形成する工程を含み、前記第1拡散領域内で該第2拡散領域と所定距離だけ離間した位置に第2導電型の第3高濃度拡散領域を形成する工程は、該第1拡散領域内の該第3拡散領域内に該第3高濃度拡散領域を形成する請求項15に記載の半導体装置の製造方法。
  19. 前記第1拡散領域内に第1導電型の第2拡散領域を形成する工程は、該第2拡散領域の底部に、高エネルギー注入により第2導電型の埋め込み拡散領域を形成する工程を含む請求項15に記載の半導体装置の製造方法。
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