JP2012023165A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which is highly reliable and effective for practical use and where fluctuation of a pressure resisting feature is small in a high breakdown voltage semiconductor device which is integrated on an SOI substrate and in which rated voltage is shared between an embedded oxide film and a drain of an element active layer.SOLUTION: A high breakdown voltage semiconductor device of high reliability with small fluctuation of the pressure resisting feature can be provided by providing a floating resurf layer on a source side and an n-type electric field relaxation layer on a drain side and means for relaxing simultaneous electric field concentration in a source region and a drain region.

Description

本発明は半導体装置及びその製造方法に係り、特に、素子間絶縁に誘電体分離方式を用い、モータをドライブするパワーデバイスを最適に制御するものに好適な半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device suitable for using a dielectric isolation system for element isolation and optimally controlling a power device that drives a motor, and a method for manufacturing the same.

パワーデバイスを最適に制御する半導体装置に誘電体分離型半導体装置が用いられる。誘電体分離型半導体装置は、高耐圧素子,大電流出力回路、及び低耐圧のロジック回路が集積された半導体装置であり、各素子はシリコン酸化膜などの誘電体材料で取り囲まれ、素子間及び素子と基板との間は高電圧で絶縁分離される。   A dielectric isolation type semiconductor device is used as a semiconductor device that optimally controls a power device. A dielectric isolation type semiconductor device is a semiconductor device in which a high breakdown voltage element, a large current output circuit, and a low breakdown voltage logic circuit are integrated, and each element is surrounded by a dielectric material such as a silicon oxide film. The element and the substrate are insulated and separated at a high voltage.

例えば、モータの駆動を制御する誘電体分離型装置は、高電圧側ゲート駆動回路,高電圧側ゲート駆動回路に制御信号を与える高耐圧MOSトランジスタ、そして制御ロジック回路などの各種回路を含んで構成されるものである。   For example, a dielectric separation type device for controlling the driving of a motor includes various circuits such as a high voltage side gate drive circuit, a high voltage MOS transistor for supplying a control signal to the high voltage side gate drive circuit, and a control logic circuit. It is what is done.

図11には、誘電体分離型半導体装置に設けられた第1の従来技術に基づく高耐圧n型MOSトランジスタの断面図を示す(以後これを従来技術Aと称する)。   FIG. 11 shows a cross-sectional view of a high voltage n-type MOS transistor based on the first prior art provided in a dielectric isolation type semiconductor device (hereinafter referred to as prior art A).

図11において、ソース端子はn+型高不純物濃度層110とp+型高不純物濃度層120とに電気的にオーミック接続されている。ドレイン端子は、n+型高不純物濃度層130とオーミック接続されている。102はゲート電極である。140は、p型チャネル領域であり、ゲート電極102の直下でn型のチャネル反転層が形成される。これらのn型,p型のそれぞれの領域はSOI(Silicon On Insulator)基板とよばれるシリコン基板を適用して形成されている。 In FIG. 11, the source terminal is electrically ohmically connected to an n + type high impurity concentration layer 110 and a p + type high impurity concentration layer 120. The drain terminal is ohmically connected to the n + -type high impurity concentration layer 130. Reference numeral 102 denotes a gate electrode. Reference numeral 140 denotes a p-type channel region, and an n-type channel inversion layer is formed immediately below the gate electrode 102. Each of these n-type and p-type regions is formed by applying a silicon substrate called an SOI (Silicon On Insulator) substrate.

SOI基板は、シリコン支持基板105とシリコン酸化膜106を介して所定の厚みのシリコン活性層108とで構成された基板である。以後この中間のシリコン酸化膜106を埋め込み酸化膜とよぶ。   The SOI substrate is a substrate composed of a silicon support substrate 105 and a silicon active layer 108 having a predetermined thickness with a silicon oxide film 106 interposed therebetween. Hereinafter, this intermediate silicon oxide film 106 is referred to as a buried oxide film.

そして、シリコン活性層108には、シリコン活性層108の表面から埋め込み酸化膜106に達するほぼ垂直な形状で素子を周囲の領域と電気的にアイソレーションする誘電体分離領域107が形成される。誘電体分離領域107は、前記垂直溝の側壁に形成されるシリコン酸化膜171とその間に埋め込まれた多結晶シリコン層172とから構成される。また、シリコン活性層108の表面には所定の領域に厚いシリコン酸化膜160,161(以後これをフィールド酸化膜とよぶ)が形成され、表面でのn,p型各不純物領域を相互に分離させている。   The silicon active layer 108 is formed with a dielectric isolation region 107 that electrically isolates the element from the surrounding region in a substantially vertical shape reaching the buried oxide film 106 from the surface of the silicon active layer 108. The dielectric isolation region 107 is composed of a silicon oxide film 171 formed on the side wall of the vertical groove and a polycrystalline silicon layer 172 buried therebetween. In addition, thick silicon oxide films 160 and 161 (hereinafter referred to as field oxide films) are formed in a predetermined region on the surface of the silicon active layer 108, and the n and p type impurity regions on the surface are separated from each other. ing.

図11に示された半導体装置の断面図では、ソースとドレインとの間のシリコン活性層の所定表面領域に、p-型高不純物濃度層100が設けられている。このp-型高不純物濃度層100が、電気的にフローティング状態で形成されているため、高い阻止電圧を印加してもシリコン活性層表面の電界が緩和され素子の高耐圧化が図られる。 In the cross-sectional view of the semiconductor device shown in FIG. 11, a p -type high impurity concentration layer 100 is provided in a predetermined surface region of the silicon active layer between the source and the drain. Since the p -type high impurity concentration layer 100 is formed in an electrically floating state, even if a high blocking voltage is applied, the electric field on the surface of the silicon active layer is relaxed and the breakdown voltage of the device is increased.

ここで、フローティング状態とは電位が固定されていない半導体領域および電極等に接触していない状態をいう。   Here, the floating state refers to a state in which the potential is not in contact with a semiconductor region, an electrode, or the like where the potential is not fixed.

一方、図12には、誘電体分離型半導体装置に設けられた第2の従来技術に基づく高耐圧n型MOSトランジスタの断面図を示す(以後これを従来技術Bと称する)。   On the other hand, FIG. 12 shows a cross-sectional view of a high voltage n-type MOS transistor based on the second prior art provided in the dielectric isolation type semiconductor device (hereinafter referred to as prior art B).

図12において、ドレイン層がn+型高不純物濃度層130、これを取り囲んでn型不純物濃度層300、さらにn型不純物濃度層300を囲むn-型低不純物濃度層301とで構成されている。上記のn-型低不純物濃度層301は、noffsetと明記されている。noffset301は、ドレイン層の抵抗を下げ素子がオンの状態でもオフの状態での耐圧とほぼ等しい耐圧を実現させる目的で導入されている。 In FIG. 12, the drain layer is composed of an n + -type high impurity concentration layer 130, an n-type impurity concentration layer 300 surrounding this, and an n -type low impurity concentration layer 301 surrounding the n-type impurity concentration layer 300. . The n type low impurity concentration layer 301 is specified as noffset. The noffset 301 is introduced for the purpose of reducing the resistance of the drain layer and realizing a breakdown voltage substantially equal to the breakdown voltage in the off state even when the element is on.

特開2008−244092号公報JP 2008-244092 A

Proc.ISPSD2006,pp.341-344Proc.ISPSD2006, pp.341-344

しかしながら、上記2つの従来技術に基づく素子には、阻止特性の特性変動を低減する点での対策が不十分であることが、本発明者等の詳細検討で初めて明らかになった。   However, it has been revealed for the first time by detailed studies by the present inventors that the elements based on the above two conventional techniques are insufficient in terms of reducing the characteristic variation of the blocking characteristics.

ここで、特性変動とは、以下の現象を意味する。つまり、素子のオフ状態で電圧を印加したとき所望の電圧値より低い電圧でオフ電流が流れてしまう。その後も電圧を印加し続けるとオフ電流は減少して、さらに高い電圧が印加できるようになる。これはオフ電流の立ち上がる電圧が時間とともに増加する現象であり、このような特性変動は高い電圧が印加される高耐圧素子では頻繁におこる。問題は素子の定格電圧以下の低い電圧で電流が立ち上がってしまう場合であり、最初に電流の立ち上がる電圧値を定格阻止電圧以上に高くさせることが重要となる。   Here, the characteristic fluctuation means the following phenomenon. That is, when a voltage is applied in the off state of the element, an off current flows at a voltage lower than a desired voltage value. After that, when the voltage is continuously applied, the off-current is decreased and a higher voltage can be applied. This is a phenomenon in which the voltage at which the off-current rises increases with time, and such a characteristic variation frequently occurs in a high-breakdown-voltage element to which a high voltage is applied. The problem is when the current rises at a voltage lower than the rated voltage of the element, and it is important to first make the voltage value at which the current rises higher than the rated blocking voltage.

ソース,ドレインの半導体層が半導体表面で対向して形成されている横方向素子構造の特性変動原因を調べたところ、印加時のシリコン表面の電界分布に起因することが分かった。   When the cause of the characteristic fluctuation of the lateral element structure in which the source and drain semiconductor layers are formed opposite to each other on the semiconductor surface was investigated, it was found that the cause was due to the electric field distribution on the silicon surface during application.

この点をさらに詳述する。図11と図12の従来技術に基づいてそれぞれ設計した2種類の素子構造をとりあげシリコン活性層表面での電界分布を数値計算した。その結果を図13に示す。   This point will be described in further detail. The electric field distribution on the surface of the silicon active layer was numerically calculated by taking two types of element structures designed based on the prior art of FIGS. The result is shown in FIG.

図13に示す如く、従来技術Aではソース領域で、従来技術Bではドレイン領域で、それぞれ電界が250kV/cmを超す領域が発生していることが分かる。   As shown in FIG. 13, it can be seen that there are regions where the electric field exceeds 250 kV / cm in the source region in the prior art A and in the drain region in the prior art B, respectively.

このように、表面電界が局所的に集中すると酸化膜とシリコンとの界面において存在するわずかな界面電荷の影響がさらに追加され、シリコンの絶縁破壊強度を越す高い電界がこの局所的に集中している箇所に現れる。このため定格阻止電圧より低い電圧が印加されても、この部分でシリコン表面でのアバランシェが発生する。アバランシェが発生するとシリコン内部にエネルギーの高いホットな電子が発生するため、酸化膜のポテンシャルバリアをこえてホットな電子が酸化膜中に注入される。注入された電子は界面電荷を中和するのでアバランシェ現象が抑制されリーク電流が減少する。印加電圧を高めると再度アバランシェが発生してホット電子が再び発生し界面電荷をさらに中和する。この現象の繰り返しで電流の立ち上がり電圧が増大する特性変動が発生する。   In this way, when the surface electric field is locally concentrated, the influence of a slight interface charge existing at the interface between the oxide film and silicon is further added, and a high electric field exceeding the breakdown strength of silicon is concentrated locally. Appears where it is. For this reason, even if a voltage lower than the rated blocking voltage is applied, avalanche occurs on the silicon surface in this portion. When avalanche is generated, hot electrons with high energy are generated inside the silicon, so that hot electrons are injected into the oxide film beyond the potential barrier of the oxide film. Since the injected electrons neutralize the interface charge, the avalanche phenomenon is suppressed and the leakage current is reduced. When the applied voltage is increased, avalanche is generated again, hot electrons are generated again, and the interface charge is further neutralized. Repeating this phenomenon causes characteristic fluctuations in which the rising voltage of the current increases.

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、MOSトランジスタにおいて、上述の特性変動が少なく安定で信頼性の高い素子構造を有する半導体装置及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a stable and highly reliable element structure in which the above-described characteristic variation is small and a method for manufacturing the same in a MOS transistor. It is in.

また、本発明の他の目的として、実用性に適した高耐圧化可能な素子構造を有する半導体装置及びその製造方法を提供することを挙げることができる。ここで、実用性に適することの具体的な意味は、素子を形成するSOI基板の仕様に関するもので、基板の許容範囲を拡げて実用化を容易にすることである。   Another object of the present invention is to provide a semiconductor device having an element structure capable of increasing the withstand voltage suitable for practical use and a method for manufacturing the same. Here, the specific meaning of being suitable for practical use relates to the specification of the SOI substrate on which the element is formed, and is to widen the allowable range of the substrate to facilitate practical use.

本発明の半導体装置は、上記目的を達成するために、支持基板と、該支持基板に積層された絶縁膜と、該絶縁膜に積層された第1導電型の半導体層とを含み、前記半導体層の主表面から前記絶縁膜に達する誘電体により前記半導体層を分離して形成される半導体領域の少なくとも1つに高耐圧MOSトランジスタが設けられた半導体装置において、前記高耐圧MOSトランジスタは、前記第1導電型の半導体層を低濃度ドレイン層とした第1の半導体領域と、ソース電極とドレイン電極との間で前記第1の半導体領域の表面の少なくとも一部に電気的にフローティング状態で形成される第2導電型の第2の半導体領域と、前記第1の半導体領域の所定領域でドレイン電極とオーミックコンタクトされる第1導電型の高不純物濃度の第3の半導体領域と、該第3の半導体領域を囲んで隣接して形成される同じ導電型の前記第3の半導体領域より少ない不純物濃度の第4の半導体領域と、さらに同じ導電型で前記第4の半導体領域よりさらに低不純物濃度の第5の半導体領域とを備え、前記第5の半導体領域が前記第4の半導体領域を囲んで形成されることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention includes a support substrate, an insulating film stacked on the support substrate, and a semiconductor layer of a first conductivity type stacked on the insulating film. In a semiconductor device in which a high breakdown voltage MOS transistor is provided in at least one of semiconductor regions formed by separating the semiconductor layer by a dielectric that reaches the insulating film from the main surface of the layer, the high breakdown voltage MOS transistor includes: A first semiconductor region in which a first conductivity type semiconductor layer is a low-concentration drain layer and an electrically floating state formed on at least part of the surface of the first semiconductor region between a source electrode and a drain electrode A second semiconductor region of the second conductivity type, and a third semiconductor of high impurity concentration of the first conductivity type that is in ohmic contact with the drain electrode in a predetermined region of the first semiconductor region. A fourth semiconductor region having a lower impurity concentration than the third semiconductor region of the same conductivity type formed adjacent to and surrounding the third semiconductor region, and the fourth semiconductor having the same conductivity type And a fifth semiconductor region having a lower impurity concentration than that of the region, wherein the fifth semiconductor region is formed surrounding the fourth semiconductor region.

また、本発明の半導体装置の製造方法は、上記目的を達成するために、シリコン支持基板上にシリコン酸化膜およびシリコン活性層が積層されたSOI基板を準備する工程と、シリコン層の主表面から前記シリコン酸化膜に達する略垂直な誘電体分離溝を形成する工程と、前記誘電体分離溝の中を熱酸化膜と多結晶シリコンとで埋め込む工程と、前記シリコン活性層の表面に該シリコン活性層と同じ導電型の半導体領域を形成する工程と、前記シリコン活性層の表面にシリコン活性層と反対の導電型の半導体領域を形成する工程と、選択酸化により素子活性層を分離するフィールド酸化膜を形成する工程と、前記シリコン活性層の表面にゲート酸化膜とゲート電極を形成する工程と、高耐圧MOSトランジスタのチャネル層を形成する工程とを含むことを特徴とする。   According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device comprising: a step of preparing an SOI substrate in which a silicon oxide film and a silicon active layer are stacked on a silicon support substrate; and a main surface of the silicon layer. Forming a substantially vertical dielectric isolation groove reaching the silicon oxide film; filling the dielectric isolation groove with a thermal oxide film and polycrystalline silicon; and forming a silicon active layer on the surface of the silicon active layer. A step of forming a semiconductor region of the same conductivity type as the layer, a step of forming a semiconductor region of a conductivity type opposite to the silicon active layer on the surface of the silicon active layer, and a field oxide film separating the element active layer by selective oxidation Forming a gate oxide film and a gate electrode on the surface of the silicon active layer, forming a channel layer of a high voltage MOS transistor, Characterized in that it contains.

本発明によれば、高耐圧MOSトランジスタが形成されているシリコン活性層表面の電界をソース領域およびドレイン領域についてそれぞれ独立かつ同時に制御できる手段をもち、ソース領域からドレイン領域までほぼ平坦にすることができるので、MOSトランジスタにおいて、特性変動が少なく安定で信頼性の高い素子構造を得ることができる。   According to the present invention, the electric field on the surface of the silicon active layer on which the high voltage MOS transistor is formed can be controlled independently and simultaneously for the source region and the drain region, and can be made substantially flat from the source region to the drain region. Therefore, in a MOS transistor, a stable and highly reliable element structure with little characteristic variation can be obtained.

さらに、シリコン活性層の深さ方向の電界分布も平坦性が改善できるので、シリコン活性層の抵抗率に対する許容範囲を拡げることができSOI基板の仕様を緩和することが可能となる。これによりSOI基板の低コスト化が実現できる。   Furthermore, since the flatness of the electric field distribution in the depth direction of the silicon active layer can be improved, the allowable range for the resistivity of the silicon active layer can be expanded and the specification of the SOI substrate can be relaxed. Thereby, cost reduction of the SOI substrate can be realized.

本発明の第1の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the dielectric isolation type semiconductor device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置のn+ドレイン領域下の深さ方向での不純物濃度分布を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing an impurity concentration distribution in a depth direction under an n + drain region of the dielectric isolation type semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の誘電体分離型半導体装置を用いたモータドライブシステムを示すブロック図である。1 is a block diagram showing a motor drive system using a dielectric isolation type semiconductor device of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置のシリコン活性層表面での電界分布を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the electric field distribution in the silicon | silicone active layer surface of the dielectric material isolation type semiconductor device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置の耐圧とシリコン活性層の抵抗率との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the proof pressure of the dielectric isolation type semiconductor device concerning the 1st Embodiment of this invention, and the resistivity of a silicon active layer. 本発明の第1の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the dielectric isolation type semiconductor device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置の平面図の他の例を示す平面図である。It is a top view which shows the other example of the top view of the dielectric isolation type semiconductor device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置の製造工程の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing process of the dielectric isolation type semiconductor device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置の製造工程の一部を示し、図8−1の工程の続きを示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the dielectric isolation type semiconductor device according to the first embodiment of the present invention and showing the continuation of the process of FIG. 本発明の第1の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置の製造工程の一部を示し、図8−2の続きを示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the dielectric isolation type semiconductor device according to the first embodiment of the present invention and continued from FIG. 本発明の第2の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the dielectric isolation type semiconductor device concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置を示す断面図であるIt is sectional drawing which shows the dielectric isolation type semiconductor device concerning the 3rd Embodiment of this invention. 第1の従来技術Aの誘電体分離型半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the dielectric isolation type semiconductor device of 1st prior art A. 第2の従来技術Bの誘電体分離型半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the dielectric isolation type semiconductor device of the 2nd prior art B. 従来技術の誘電体分離型半導体装置のシリコン活性層表面での電界分布を示す特性図である。It is a characteristic view which shows electric field distribution in the silicon | silicone active layer surface of the dielectric isolation type semiconductor device of a prior art.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図、前述した従来技術を説明するための全図において、同一または類似の部分には原則として同一または類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that, in all the drawings for explaining the embodiments and in all the drawings for explaining the above-described prior art, the same or similar parts are denoted by the same or similar symbols in principle, and the repeated explanation thereof is omitted. To do.

先ず、本発明の第1の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置の詳細を、図1及び図3を参照しつつ説明する。   First, details of the dielectric isolation type semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図3は、誘電体分離型半導体装置を用いたモータドライブシステム1を示す。該図に示す如く、モータドライブシステムは、負荷のモータ3を駆動するIGBTモジュール5と、このIGBTモジュール5のスイッチング動作を制御する上下2個のMOSトランジスタを基本構成とする駆動回路7と、さらにこの駆動回路7を最適に制御する誘電体分離型半導体装置10からなる。ここで、誘電体分離型半導体装置10は、高電圧側ゲート駆動回路12とこの駆動回路12に制御信号を与える高耐圧MOSトランジスタ14、さらにはシステム全体を制御するデジタル制御ICとのインターフェースをとる制御ロジック回路20、図には示されていないが各種の保護回路などで構成されている。   FIG. 3 shows a motor drive system 1 using a dielectric isolation type semiconductor device. As shown in the figure, the motor drive system includes an IGBT module 5 that drives a load motor 3, a drive circuit 7 that basically includes two upper and lower MOS transistors that control the switching operation of the IGBT module 5, and It consists of a dielectric isolation type semiconductor device 10 that optimally controls the drive circuit 7. Here, the dielectric isolation type semiconductor device 10 has an interface with a high voltage side gate drive circuit 12, a high voltage MOS transistor 14 for supplying a control signal to the drive circuit 12, and a digital control IC for controlling the entire system. Although not shown in the figure, the control logic circuit 20 includes various protection circuits.

図3において、誘電体分離型半導体装置として集積されている高電圧側ゲート駆動回路を構成する素子はMOSトランジスタ構造である。この高電圧側ゲート駆動回路は、モータドライバの出力回路のうち上アーム素子のゲート端子に接続されて動作するためそのソースは負荷の高圧電源より高い電圧まで上昇するのでゲート電位は高圧電位に持ち上げる必要があり、高耐圧のn型MOS,高耐圧のp型MOSを用いてレベルシフトさせている。   In FIG. 3, the elements constituting the high voltage side gate driving circuit integrated as a dielectric isolation type semiconductor device have a MOS transistor structure. Since the high voltage side gate drive circuit operates by being connected to the gate terminal of the upper arm element in the output circuit of the motor driver, the source rises to a voltage higher than the high voltage power supply of the load, so the gate potential is raised to the high voltage potential. It is necessary to shift the level using a high breakdown voltage n-type MOS and a high breakdown voltage p-type MOS.

図1は、本発明の第1の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置の断面図であって、n型のチャネルを形成する高耐圧nMOSトランジスタに適用したものである。ただし、図1ではnMOSトランジスタのみが示されており、その他の素子は省略されている。半導体支持基板、とくにシリコン支持基板105はp型としたがn型シリコンでも問題はない。   FIG. 1 is a sectional view of a dielectric isolation type semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, which is applied to a high breakdown voltage nMOS transistor forming an n-type channel. However, only nMOS transistors are shown in FIG. 1, and other elements are omitted. The semiconductor support substrate, particularly the silicon support substrate 105 is p-type, but there is no problem with n-type silicon.

シリコン酸化膜(埋め込み酸化)106を介して一定の不純物濃度で高抵抗(低不純物濃度)のn--型シリコン活性層108が積層されて配置された、いわゆるSOI基板を形成している。n--型基板108の主表面から埋め込み酸化膜106に達する略垂直な溝が形成される。その溝の中に誘電体部材が埋め込まれ誘電体分離領域107が形成される。この溝の平面的形状は閉ループであり内と外を絶縁分離する機能を有する。上記の溝の両側面にはシリコン酸化膜171が形成され、このシリコン酸化膜171の間に多結晶シリコンが埋め込まれ、多結晶シリコン層172が形成された構造である。 N of the silicon oxide film high resistance at a constant impurity concentration through the (buried oxide) 106 (low impurity concentration) - -type silicon active layer 108 is disposed is stacked to form a so-called SOI substrate. A substantially vertical groove reaching the buried oxide film 106 from the main surface of the n -type substrate 108 is formed. A dielectric member is embedded in the groove to form a dielectric isolation region 107. The planar shape of the groove is a closed loop and has a function of insulating and separating the inside and the outside. A silicon oxide film 171 is formed on both side surfaces of the groove, and polycrystalline silicon is buried between the silicon oxide films 171 to form a polycrystalline silicon layer 172.

本実施例では、素子形成領域を1重の誘電体分離領域107で取り囲まれた構造が示されているが、多重構造とすることもある。上記のn--型シリコン活性層108は、NMOSトランジスタのオフ状態での阻止電圧を分担するドリフト層としての作用が主な機能である。 In this embodiment, a structure in which the element formation region is surrounded by a single dielectric isolation region 107 is shown, but a multiple structure may be used. The n -type silicon active layer 108 functions mainly as a drift layer that shares the blocking voltage in the OFF state of the NMOS transistor.

+型高不純物濃度層110,p+型高不純物濃度層120が、ゲート電極102の一方に形成される。このn+型高不純物濃度層110は、MOSトランジスタのソース層であり、以後n+ソース110とも記す。n+ソース110とp+型高不純物濃度層120を取り囲み、かつ、ゲート電極102の一端から所定の距離だけオーバラップされる配置でp型チャネル領域140が形成される。このp型チャネル領域140は、ゲート電極102とオーバラップされている表面において、ゲート電極に正の電圧が印加されたときn型反転層が形成され、n+ソース110より電子が注入されて、この反転層を通ってソース領域と対向するドレイン領域へキャリアが流れる電子のチャネル領域が形成される。この状態は素子のオン状態と呼ばれる。 An n + type high impurity concentration layer 110 and a p + type high impurity concentration layer 120 are formed on one side of the gate electrode 102. This n + -type high impurity concentration layer 110 is a source layer of the MOS transistor, and is also referred to as an n + source 110 hereinafter. A p-type channel region 140 is formed so as to surround the n + source 110 and the p + -type high impurity concentration layer 120 and overlap by a predetermined distance from one end of the gate electrode 102. In the p-type channel region 140, an n-type inversion layer is formed on the surface overlapping with the gate electrode 102 when a positive voltage is applied to the gate electrode, and electrons are injected from the n + source 110. An electron channel region in which carriers flow through the inversion layer to the drain region facing the source region is formed. This state is called an on state of the element.

上述したp+型高不純物濃度層120は、p型チャネル領域140の電位を決める層であり、通常は、n+ソース110と同時にソース電極101とオーミック接続される。ドレイン領域は、ゲート電極102に対してソース領域に対向して所定の距離を隔てたシリコン活性層108の表面に形成される。まず、n+型高不純物濃度層130が、このn+型高不純物濃度層130を囲んでこの層よりも低いn型不純物濃度層300が、さらにn型不純物濃度層300を囲んでさらに不純物濃度の低いn-型不純物濃度層400が、ドレイン領域に形成される。 The p + -type high impurity concentration layer 120 described above is a layer that determines the potential of the p-type channel region 140 and is usually ohmically connected to the source electrode 101 simultaneously with the n + source 110. The drain region is formed on the surface of the silicon active layer 108 facing the source region with a predetermined distance from the gate electrode 102. First, an n + -type high impurity concentration layer 130 surrounds the n + -type high impurity concentration layer 130 and an n-type impurity concentration layer 300 lower than this layer further surrounds the n-type impurity concentration layer 300 and further has an impurity concentration. A low n -type impurity concentration layer 400 is formed in the drain region.

図2に、ドレイン領域でのシリコン活性層表面から深さ方向にとったキャリア濃度分布(略不純物濃度分布に等しい)の代表例を示す。図示のようにドレイン領域はN+,N,N-,N--の4段階の構成になっている。 FIG. 2 shows a representative example of the carrier concentration distribution (substantially equal to the impurity concentration distribution) taken in the depth direction from the surface of the silicon active layer in the drain region. As shown in the figure, the drain region has a four-stage configuration of N + , N, N , and N .

--型シリコン活性層108主表面には厚いシリコン酸化膜が所定の平面形状で形成されフィールド酸化膜160および161を形成している。 A thick silicon oxide film is formed in a predetermined planar shape on the main surface of the n -type silicon active layer 108 to form field oxide films 160 and 161.

本実施例では、フィールド酸化膜の厚さは一定ではなく、図に示すように2種の膜厚に違えて形成されている点が特徴である。これは厚い酸化膜に到達するまでに順次厚くさせることで配線の加工性、及び電界集中の緩和効果を目的として対策された構造である。   The present embodiment is characterized in that the thickness of the field oxide film is not constant and is formed differently from two kinds of film thicknesses as shown in the figure. This is a structure in which measures are taken for the purpose of wiring processability and the effect of mitigating electric field concentration by increasing the thickness sequentially until reaching a thick oxide film.

さらに、上記のn-型不純物濃度層400とn+ソース110との間にp-型高不純物濃度層100がn--型のシリコン活性層108の表面に形成される。上記p-型高不純物濃度層100は、フィールド酸化膜162の上に延在して形成されたソース電極と平面配置的に重なって形成されている場合を示しているが、この配置は、後述する表面電界の緩和設計との観点から詳細に決めるべきである。重要な点は、上記p-型高不純物濃度層100がフローティング状態で形成されている点である。また、ドレイン領域に設けられているn-型不純物濃度層400と接触されて示されているが、この点も限定事項ではない。 Further, a p type high impurity concentration layer 100 is formed on the surface of the n type silicon active layer 108 between the n type impurity concentration layer 400 and the n + source 110. The p type high impurity concentration layer 100 shows a case where the p type high impurity concentration layer 100 is formed so as to overlap with a source electrode formed extending on the field oxide film 162 in a planar arrangement. It should be determined in detail from the viewpoint of the relaxation design of the surface electric field. The important point is that the p type high impurity concentration layer 100 is formed in a floating state. Further, although shown in contact with the n -type impurity concentration layer 400 provided in the drain region, this point is not limited.

次に、本実施形態での作用効果について詳述する。オフ状態、つまりゲート電極に0Vあるいは負の電圧が印加された状態で、ソース,ドレイン間に阻止電圧(逆方向電圧とも称される)が印加されると、p型チャネル領域140とn--型ドレインのシリコン活性層108とのpn接合面からキャリアの無くなった空乏層が深さおよび横方向へと形成される。この空乏層の拡がり状況は印加される電圧によるが、一般のSOI型素子の場合ではシリコン活性層のほぼ全面が空乏化されるように設計することで電界緩和を図り、高電圧を阻止できる。 Next, the effect in this embodiment is explained in full detail. When a blocking voltage (also referred to as a reverse voltage) is applied between the source and the drain in an off state, that is, a state where 0 V or a negative voltage is applied to the gate electrode, the p-type channel region 140 and the n A depletion layer with no carriers is formed in the depth and lateral direction from the pn junction surface with the silicon active layer 108 of the type drain. The spread of the depletion layer depends on the applied voltage. However, in the case of a general SOI type device, the electric field can be relaxed and high voltage can be prevented by designing the entire silicon active layer to be depleted.

本発明技術の目的は、前記した耐圧特性の変動を低減することであり、このためにはシリコン活性層表面での電界が問題となる。図13の従来技術での問題点でも示したように、シリコン表面での電界はソース側とドレイン側の2ヶ所に電界の高い部分が現れる。この点をもう少し具体的に調べると、電界の集中点はソース電極101、およびドレイン電極103の終端点である。そこで、ソース側とドレイン側での電界を同時に制御することができれば全体として電界を平坦にすることができ、特性変動に強い素子を実現できると考えた。   An object of the technique of the present invention is to reduce the fluctuation of the withstand voltage characteristics described above. For this purpose, an electric field on the surface of the silicon active layer becomes a problem. As shown in the problem of the prior art in FIG. 13, the electric field on the silicon surface has high electric field portions at two locations on the source side and the drain side. When this point is examined more specifically, the concentration point of the electric field is the terminal point of the source electrode 101 and the drain electrode 103. Therefore, it was considered that if the electric fields on the source side and the drain side can be controlled simultaneously, the electric field can be flattened as a whole, and an element that is resistant to characteristic fluctuations can be realized.

そこで、ドレイン領域にシリコン活性層108の不純物濃度よりも少し高い不純物濃度層を設けた構造を検討した。ドレイン領域での深さ方向での電界分布は上記の不純物濃度層がない場合よりも平坦になり、その結果ドレイン表面での電界が低減できることが分かった。この電界緩和効果は、不純物濃度層のプロファイルにも関係しており、表面から内部に向かって不純物濃度が順次低減するようなプロファイルで電界緩和効果が強く、その深さも深い場合に強く表れる。   Therefore, a structure in which an impurity concentration layer slightly higher than the impurity concentration of the silicon active layer 108 is provided in the drain region was examined. It has been found that the electric field distribution in the depth direction in the drain region becomes flatter than in the case where there is no impurity concentration layer, and as a result, the electric field on the drain surface can be reduced. This electric field relaxation effect is also related to the profile of the impurity concentration layer, and the electric field relaxation effect is strong with a profile in which the impurity concentration is sequentially reduced from the surface toward the inside, and it appears strongly when the depth is deep.

しかし、ドレイン側で高い電圧を分担できるようになると、ソース側で高くなった電圧を負担する結果、ソース側での電界が高くなる。このとき、電界集中が現れるソース電極端の電界を低減する対策を講じなければならない。この対策として考えたのがp-型高不純物濃度層100である。p-型高不純物濃度層100は、ソース電極近傍での空乏層の拡がりを高め大幅な電界緩和効果を示す。従って、p-型高不純物濃度層100とソース電極とが平面位置的にオーバラップされた関係で配置されることが望ましい。 However, when a high voltage can be shared on the drain side, the electric field on the source side increases as a result of bearing the increased voltage on the source side. At this time, it is necessary to take measures to reduce the electric field at the end of the source electrode where electric field concentration appears. The p type high impurity concentration layer 100 is considered as a countermeasure. The p -type high impurity concentration layer 100 increases the spread of the depletion layer in the vicinity of the source electrode and exhibits a significant electric field relaxation effect. Therefore, it is desirable that the p -type high impurity concentration layer 100 and the source electrode are arranged so as to overlap each other in plan position.

図4は、上記のドレイン側とソース側での電界緩和作用を有する構造を同時に適用させた場合でのシリコン活性層表面で、ソース端からドレインに向かっての電界分布を数値計算手法で求めた結果である。   FIG. 4 shows the electric field distribution from the source end toward the drain on the surface of the silicon active layer when the structure having the electric field relaxation action on the drain side and the source side is applied at the same time. It is a result.

該図に示す如く、ソース側およびドレイン側での電界のピーク値が略等しく、局所的に電界集中しない。しかも200kV/cm以下と低い値に制御できている。一般にシリコンの場合、300kV/cmの電界でアバランシェ現象が発生することが知られている。この値に対して3割も低減されているため、アバランシェが表面で発生することはなく、シリコン内部で発生するので特性変動の無い素子を実現できる。   As shown in the figure, the peak values of the electric field on the source side and the drain side are substantially equal, and the electric field does not concentrate locally. Moreover, it can be controlled to a low value of 200 kV / cm or less. In general, in the case of silicon, it is known that an avalanche phenomenon occurs in an electric field of 300 kV / cm. Since this value is reduced by 30%, an avalanche is not generated on the surface and is generated inside the silicon, so that an element having no characteristic variation can be realized.

図5には、本実施形態の素子を試作してNMOSトランジスタの耐圧とシリコン活性層108の抵抗率(図にはSOI活性層の抵抗率と明記)との関係を、従来技術Aの素子特性と比較して示す。   FIG. 5 shows the relationship between the breakdown voltage of the NMOS transistor and the resistivity of the silicon active layer 108 (shown as the resistivity of the SOI active layer in the figure) as a prototype of the device of this embodiment. It shows in comparison with.

該図に示す如く、抵抗率が30Ω・cmから50Ω・cmの広い範囲で耐圧は略等しい素子が得られ、SOI基板の抵抗率に対する要求仕様を従来素子に比較して大幅に緩めることができる。このことは、SOI基板を製作する上で大幅な歩留まり向上を達成するものであり、基板コストの低減など実用性の高い効果を達成する。   As shown in the figure, an element having substantially the same breakdown voltage can be obtained in a wide range of resistivity from 30 Ω · cm to 50 Ω · cm, and the required specification for the resistivity of the SOI substrate can be greatly relaxed compared to the conventional device. . This achieves a significant yield improvement in manufacturing an SOI substrate, and achieves highly practical effects such as a reduction in substrate cost.

図6は、本実施形態の平面パターンの代表例を示す。ただし、主な機能を有する部分のみを示している。誘電体分離領域107の中央領域にn+ソース110が配置され、これをU字型に囲むn+ドレイン130が配置されている。n+ソース110を取り囲んでp-型高不純物濃度層100がリング形状で配置される。n-型不純物濃度層400は、p-型高不純物濃度層100と対向しながらU字型のn+ドレイン130層を取り囲んで形成される。上記のn-型不純物濃度層400の外郭の一部が素子分離領域と接触するように配置されている。 FIG. 6 shows a typical example of the planar pattern of the present embodiment. However, only the portion having the main function is shown. An n + source 110 is arranged in the central region of the dielectric isolation region 107, and an n + drain 130 surrounding the U + shape is arranged. A p type high impurity concentration layer 100 is arranged in a ring shape so as to surround the n + source 110. The n -type impurity concentration layer 400 is formed to surround the U-shaped n + drain 130 layer while facing the p -type high impurity concentration layer 100. A portion of the outline of the n -type impurity concentration layer 400 is disposed so as to be in contact with the element isolation region.

本実施の平面パターンでは、n-型不純物濃度層400をU字形状としたが、場合によってはドレイン側で外郭部分をすべて素子分離領域まで接触させる形で配置する場合もある。このようにドレインの外郭領域にすべてn-型高不純物濃度層400をもうけることで素子分離領域での電界緩和が作用して特性安定性が増す。 In the planar pattern of the present embodiment, the n -type impurity concentration layer 400 is U-shaped. However, depending on the case, the entire outer portion may be in contact with the element isolation region on the drain side. In this manner, by providing the n type high impurity concentration layer 400 in the entire outer region of the drain, the electric field relaxation in the element isolation region acts and the characteristic stability is increased.

図7は、本実施形態の平面パターンの第2の例を示す。図6と同じく主な機能を有する部分のみを示している。図6と異なり、誘電体分離領域107の中央領域にn+ドレイン130が配置され、これをU字型に囲むn+ソース110が配置されている。n+ドレイン130を取り囲んでn-型不純物濃度層400がドーナツ形状で配置される。その外側をp-型高不純物濃度層100がn-型不純物濃度層400と対向しながら同じくドーナツ形状で形成される。 FIG. 7 shows a second example of the planar pattern of the present embodiment. Only the part which has the main functions like FIG. 6 is shown. Unlike FIG. 6, an n + drain 130 is disposed in the central region of the dielectric isolation region 107, and an n + source 110 surrounding the U + shape is disposed. An n type impurity concentration layer 400 is arranged in a donut shape so as to surround the n + drain 130. On the outside, the p type high impurity concentration layer 100 is formed in the same donut shape while facing the n type impurity concentration layer 400.

本実施の平面パターンでは1本のn+ドレイン130をU字形状で囲むn+ソース110において、ドレイン電極が外部領域に引き出されている部分では、U字のn+ソース110端よりn+ドレイン130が突出して配置されている。ドレイン電極が引き出されるところでは電界集中が発生しやすく、このためn+ソース110との対向長を長くとって電界緩和を有効に作用させている。 In the planar pattern of the present embodiment, in the n + source 110 surrounding one n + drain 130 in a U shape, the n + drain from the end of the U shape n + source 110 is the portion where the drain electrode is drawn to the external region. 130 protrudes. Electric field concentration is likely to occur where the drain electrode is drawn out. For this reason, the opposing length with respect to the n + source 110 is increased to effectively act on electric field relaxation.

図6と図7では第1の実施形態についての平面図を示したが、平面パターンは断面構造とは別個として考えられるのでその他の実施形態にも適用できる。   Although FIG. 6 and FIG. 7 show plan views of the first embodiment, the planar pattern can be considered as separate from the cross-sectional structure, and can be applied to other embodiments.

次に、図8を参照しつつ、第1の実施形態に係る誘電体分離型半導体装置の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the dielectric isolation type semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIG.

図8−1,図8−2,図8−3は、第1の実施形態に係る誘電体分離型半導体装置の製造過程を表す工程断面図である。なお、製造過程は、図8−1の(a),(b),(c)、図8−2の(d),(e)、図8−3の(f),(g)、の順である。   8A, 8B, and 8C are process cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the dielectric isolation type semiconductor device according to the first embodiment. The manufacturing process is as shown in (a), (b), (c) of FIG. 8-1, (d), (e) of FIG. 8-2, and (f), (g) of FIG. In order.

まず図8−1(a)に示されるように、シリコン支持基板105の一方の面にシリコン酸化膜106を介してn--型のシリコン活性層108が積層されたSOI基板を用意する。シリコン酸化膜106の厚みは、半導体素子の定格電圧でそれぞれ異なる仕様を適用することとしてもよい。 First, as shown in FIG. 8A, an SOI substrate is prepared in which an n -type silicon active layer 108 is stacked on one surface of a silicon support substrate 105 with a silicon oxide film 106 interposed therebetween. Different specifications may be applied to the thickness of the silicon oxide film 106 depending on the rated voltage of the semiconductor element.

誘電分離型半導体装置の長期信頼性を保証するために、酸化膜に印加する許容電界を2MV/cm以下とする。上記の許容電界を600V定格の素子で満たそうとすれば、シリコン酸化膜の厚みは、3μm必要となる。一方で、このシリコン酸化膜の厚みが増加すると、シリコン酸化膜とシリコンとの熱膨張係数の違いから大きな反りが発生してしまう。反りが大きくなると、フォトリソグラフィでの露光装置へのウエハの装着,ドライエッチング装置へのウエハ装着などに支障が生じるのでそりを低減する対策が必要となる。   In order to guarantee the long-term reliability of the dielectric isolation type semiconductor device, the allowable electric field applied to the oxide film is set to 2 MV / cm or less. If the allowable electric field is to be satisfied with an element rated at 600 V, the thickness of the silicon oxide film needs to be 3 μm. On the other hand, when the thickness of the silicon oxide film increases, a large warp occurs due to the difference in thermal expansion coefficient between the silicon oxide film and silicon. When the warpage becomes large, troubles occur in mounting of a wafer on an exposure apparatus in photolithography, mounting of a wafer in a dry etching apparatus, and the like, and thus a countermeasure for reducing the warpage is required.

図8−1(b)において、n--型のシリコン活性層108の主表面から埋め込みシリコン酸化膜106にまで達する溝を、ドライエッチング装置を用いて垂直な形状で形成する。溝幅は、幅が広くなるほど埋めることが困難になるため、その幅を2μm前後とする。垂直溝を形成したのち酸化性雰囲気において熱処理し、溝側壁にシリコン酸化膜171を形成する。その後、溝の隙間にはCVD法により多結晶シリコン層172を成膜して充填し、誘電体分離領域107を形成する。 In FIG. 8B, a trench reaching the buried silicon oxide film 106 from the main surface of the n -type silicon active layer 108 is formed in a vertical shape using a dry etching apparatus. Since it becomes difficult to fill the groove width as the width becomes wider, the width is set to about 2 μm. After forming the vertical groove, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere to form a silicon oxide film 171 on the side wall of the groove. Thereafter, a polycrystalline silicon layer 172 is formed and filled in the gap of the groove by a CVD method, and the dielectric isolation region 107 is formed.

図8−1(c)において、n--型のシリコン活性層108の主表面にシリコン酸化膜610,フォトレジスト膜620を被覆し、フォトリソグラフィ技術を用いてn-型不純物濃度層400とする部分のレジストを除去する。この開口部を通してリンイオンをシリコン中に注入する。加速電圧は100keVから150keV、ドーズ量は1011〜1012ヶ/cm2程度とする。イオン注入後1200℃程度の温度で数時間の熱処理を施し少なくとも10μmまたはそれ以上の深さまでリンの不純物元素を引き延ばす。この高温熱処理は、後の工程で実施する酸化工程での不純物濃度分布の再分布による変動を少なく抑えることができる。 In FIG. 8C, the main surface of the n -type silicon active layer 108 is covered with a silicon oxide film 610 and a photoresist film 620 to form an n -type impurity concentration layer 400 using a photolithography technique. Part of the resist is removed. Phosphorus ions are implanted into the silicon through this opening. The acceleration voltage is set to 100 keV to 150 keV, and the dose amount is set to about 10 11 to 10 12 pieces / cm 2 . After the ion implantation, a heat treatment is performed at a temperature of about 1200 ° C. for several hours to extend the impurity element of phosphorus to a depth of at least 10 μm or more. This high-temperature heat treatment can suppress the fluctuation due to the redistribution of the impurity concentration distribution in the oxidation process performed in a later process.

図8−2(d)において、再度フォトレジスト膜621を被覆し直して、フォトリソグラフィ技術によりp-型高不純物濃度層100とする部分のレジストを除去し、イオン注入技術でボロンイオンをシリコン中に注入する。加速電圧は50keV、ドーズ量は1012ヶ/cm2程度とする。イオン注入後1100℃から1200℃の温度で熱処理しp-型高不純物濃度層100を引き延ばす。図示は省略しているが、引き続き上述と同様にフォトリソグラフィ技術を適用してリンイオンを加速電圧、125keV、ドーズ量、1012ヶ/cm2台でシリコン中に注入後、1200℃の温度で数時間の熱処理を施しn型不純物濃度層300を形成する。 In FIG. 8-2 (d), the photoresist film 621 is coated again, the resist for the p type high impurity concentration layer 100 is removed by the photolithography technique, and boron ions are introduced into the silicon by the ion implantation technique. Inject. The acceleration voltage is 50 keV and the dose is about 10 12 / cm 2 . After the ion implantation, the p type high impurity concentration layer 100 is stretched by heat treatment at a temperature of 1100 ° C. to 1200 ° C. Although illustration is omitted, the photolithographic technique is applied in the same manner as described above, and phosphorus ions are implanted into silicon at an acceleration voltage of 125 keV, a dose of 10 12 / cm 2 , and then at a temperature of 1200 ° C. An n-type impurity concentration layer 300 is formed by heat treatment for a time.

図8−2(e)において、シリコン窒化膜を用いた選択的酸化法を2回にわたり繰り返して、厚いフィールド酸化膜160と、薄いフィールド酸化膜161とを形成する。また、3回にわたり選択酸化法を繰り返して、厚みの異なる酸化膜を3種類形成してもよい。   In FIG. 8-2 (e), the selective oxidation method using a silicon nitride film is repeated twice to form a thick field oxide film 160 and a thin field oxide film 161. Alternatively, three types of oxide films having different thicknesses may be formed by repeating the selective oxidation method three times.

図8−3(f)において、50nmから80nmの厚さでシリコン活性層108の主表面にシリコン酸化膜を形成し、これをゲート酸化膜112とする。そして、ゲート酸化膜の上に多結晶シリコン膜を成膜し、通常のドライエッチング装置でこの多結晶シリコン膜をパターニングして、ゲート電極102を形成する。   In FIG. 8C, a silicon oxide film is formed on the main surface of the silicon active layer 108 with a thickness of 50 nm to 80 nm, and this is used as the gate oxide film 112. Then, a polycrystalline silicon film is formed on the gate oxide film, and this polycrystalline silicon film is patterned with a normal dry etching apparatus to form the gate electrode 102.

図8−3(g)において、ゲート電極102と自己整合的にボロンイオンを数十keVの加速電圧でイオン注入して、高耐圧nチャネルMOSのp型チャネル領域140を形成する。次に、リンイオンを用いて100keVの加速電圧でイオン注入して、n+ドレイン130を形成する。さらに、n+ソース110,p+型高不純物濃度層120、及びn+ドレイン130をそれぞれイオン注入法によりゲート電極102とフィールド酸化膜161を用いて自己整合的に形成する。 8G, boron ions are ion-implanted in an self-aligned manner with the gate electrode 102 at an acceleration voltage of several tens keV to form a p-type channel region 140 of a high breakdown voltage n-channel MOS. Next, ions are implanted using phosphorus ions at an acceleration voltage of 100 keV to form the n + drain 130. Further, the n + source 110, the p + type high impurity concentration layer 120, and the n + drain 130 are formed in a self-aligned manner by using the gate electrode 102 and the field oxide film 161, respectively, by ion implantation.

その後、通常の半導体製造装置で必要な工程、例えば、CVD法によりシリコン酸化膜を成膜し、それぞれの素子の上でソース,コレクタ,ゲートなどの電気的接続の必要な箇所にドライエッチング装置で開口する工程,スパッタ法によりアルミニウムを主成分とする電極を成膜,加工する工程などによりソース電極101,ドレイン電極103を形成する。その後は、水分等の不純物の浸入から素子を守る目的でシリコン窒化膜を成膜して、最終的な電極取り出し開口部を形成する。以上のプロセスを経て、誘電体分離型半導体装置が完成する。   Thereafter, a silicon oxide film is formed by a process necessary for a normal semiconductor manufacturing apparatus, for example, a CVD method, and a dry etching apparatus is used on each element where electrical connection such as a source, collector, and gate is necessary. The source electrode 101 and the drain electrode 103 are formed by an opening step, a step of forming and processing an electrode containing aluminum as a main component by sputtering, and the like. Thereafter, a silicon nitride film is formed for the purpose of protecting the element from the intrusion of impurities such as moisture, and a final electrode extraction opening is formed. The dielectric isolation type semiconductor device is completed through the above processes.

次に、本発明に係わる他の実施形態について説明する。   Next, another embodiment according to the present invention will be described.

次に、本発明の第2の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置について説明する。   Next, a dielectric isolation semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described.

図9は、本発明の第2の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置の断面図である。図1の実施形態と異なる点は、n--型低不純物濃度のシリコン活性層108の底面、つまり、埋め込み酸化膜106と隣接する領域にn--型低不純物濃度のシリコン活性層108よりも不純物濃度の高いn型半導体層180を積層させていることである。 FIG. 9 is a sectional view of a dielectric isolation type semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Embodiment differs from FIG. 1, n - bottom type low impurity concentration in the silicon active layer 108, i.e., n in the region adjacent to the buried oxide film 106 - than type low impurity concentration in the silicon active layer 108 The n-type semiconductor layer 180 having a high impurity concentration is stacked.

この底面に積層されたn型半導体層180は、厚みと濃度を適正化させる必要があるが、本実施形態では厚みとして10μm以下、不純物濃度は5×1014cm-3〜1×1016cm-3の範囲が望ましい。 The n-type semiconductor layer 180 laminated on the bottom surface needs to have an appropriate thickness and concentration. In this embodiment, the thickness is 10 μm or less, and the impurity concentration is 5 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 16 cm. A range of -3 is desirable.

ドレインに阻止電圧が印加されたとき、シリコン活性層108,n型不純物濃度層180と埋め込み酸化膜106とでこの電圧をそれぞれ分担することになる。本実施形態の場合、分担電圧比がn型半導体層180が設置された効果で、シリコン酸化膜106側での分担電圧が増加し、シリコン側での分担電圧が減少するため、シリコン側で発生する電界は低減され、印加する阻止電圧を高くできる。   When a blocking voltage is applied to the drain, the silicon active layer 108, the n-type impurity concentration layer 180, and the buried oxide film 106 share this voltage. In the case of the present embodiment, the shared voltage ratio is generated on the silicon side because the shared voltage on the silicon oxide film 106 side increases and the shared voltage on the silicon side decreases due to the effect that the n-type semiconductor layer 180 is installed. And the applied blocking voltage can be increased.

次に、本発明の第3の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置について説明する。   Next, a dielectric isolation semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described.

図10は、本発明の第3の実施形態に係わる誘電体分離型半導体装置の断面図である。図1及び図9のそれぞれの実施形態と異なる点は、n--型低不純物濃度のシリコン活性層108の底面、つまり、埋め込みシリコン酸化膜106と隣接する領域にn--型低不純物濃度のシリコン活性層108よりも不純物濃度の高いn型半導体層180とn型半導体層181とを積層させていることである。 FIG. 10 is a sectional view of a dielectric isolation type semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. Each embodiment differs from FIGS. 1 and 9, the n - -type low impurity concentration bottom surface of the silicon active layer 108, that is, buried in the silicon oxide film 106 and the adjacent regions n - -type low impurity concentration That is, an n-type semiconductor layer 180 and an n-type semiconductor layer 181 having a higher impurity concentration than the silicon active layer 108 are stacked.

この底面に積層されたn型半導体層180,181は、厚みと濃度を適正化させる必要があるが、本実施形態では厚みとして10μm以下、不純物濃度は5×1014cm-3〜1×1016cm-3の範囲が望ましい。n型半導体層180はほぼn-型不純物濃度層400と対向した位置でシリコン活性層108の底面に設けられる。n型半導体層181はシリコン活性層の底面でn型半導体層180以外の領域に設置される。そして、n型半導体層180よりも不純物濃度が高く設定される。 The n-type semiconductor layers 180 and 181 stacked on the bottom surface need to have an appropriate thickness and concentration. In this embodiment, the thickness is 10 μm or less, and the impurity concentration is 5 × 10 14 cm −3 to 1 × 10. A range of 16 cm -3 is desirable. The n-type semiconductor layer 180 is provided on the bottom surface of the silicon active layer 108 at a position substantially opposite to the n -type impurity concentration layer 400. The n-type semiconductor layer 181 is disposed in a region other than the n-type semiconductor layer 180 on the bottom surface of the silicon active layer. The impurity concentration is set higher than that of the n-type semiconductor layer 180.

このようにシリコン活性層の底面に設けるn型半導体層の不純物濃度をドレイン領域とソース領域のそれぞれの部分で異なる領域としている点が図9に示す実施形態と異なる。   Thus, the embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 9 in that the impurity concentration of the n-type semiconductor layer provided on the bottom surface of the silicon active layer is different in each of the drain region and the source region.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種種変更可能であることはいうまでも無い。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

1 モータドライブシステム
3 モータ
5 IGBTモジュール
7 駆動回路
10 誘電体分離型半導体装置
12 高電圧側ゲート駆動回路
14 高耐圧MOSトランジスタ(nチャネル)
16 高耐圧MOSトランジスタ(pチャネル)
18 低電圧側ゲート駆動回路
20 制御ロジック回路
100 p-型高不純物濃度層
101 ソース電極
102 ゲート電極
103 ドレイン電極
105 シリコン支持基板
106 シリコン酸化膜(埋め込み酸化膜)
107 誘電体分離領域
108 シリコン活性層(n-型)
110 n+型高不純物濃度層(n+ソース)
120 p+型高不純物濃度層
130 n+型高不純物濃度層(n+ドレイン)
140 p型チャネル領域
160,161,162 フィールド酸化膜
171 シリコン酸化膜
172 多結晶シリコン層
180,181 n型不純物濃度層(n型半導体層)
300 n型不純物濃度層
400 n-型不純物濃度層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Motor drive system 3 Motor 5 IGBT module 7 Drive circuit 10 Dielectric isolation type semiconductor device 12 High voltage side gate drive circuit 14 High voltage MOS transistor (n channel)
16 High voltage MOS transistor (p channel)
18 Low voltage side gate drive circuit 20 Control logic circuit 100 p type high impurity concentration layer 101 Source electrode 102 Gate electrode 103 Drain electrode 105 Silicon support substrate 106 Silicon oxide film (buried oxide film)
107 dielectric isolation region 108 silicon active layer (n - type)
110 n + type high impurity concentration layer (n + source)
120 p + type high impurity concentration layer 130 n + type high impurity concentration layer (n + drain)
140 p-type channel region 160, 161, 162 field oxide film 171 silicon oxide film 172 polycrystalline silicon layer 180, 181 n-type impurity concentration layer (n-type semiconductor layer)
300 n-type impurity concentration layer 400 n - -type impurity concentration layer

Claims (5)

支持基板と、該支持基板に積層された絶縁膜と、該絶縁膜に積層された第1導電型の半導体層とを含み、前記半導体層の主表面から前記絶縁膜に達する誘電体により前記半導体層を分離して形成される半導体領域の少なくとも1つに高耐圧MOSトランジスタが設けられた半導体装置において、
前記高耐圧MOSトランジスタは、前記第1導電型の半導体層を低濃度ドレイン層とした第1の半導体領域と、ソース電極とドレイン電極との間で前記第1の半導体領域の表面の少なくとも一部に電気的にフローティング状態で形成される第2導電型の第2の半導体領域と、前記第1の半導体領域の所定領域でドレイン電極とオーミックコンタクトされる第1導電型の高不純物濃度の第3の半導体領域と、該第3の半導体領域を囲んで隣接して形成される同じ導電型の前記第3の半導体領域より少ない不純物濃度の第4の半導体領域と、さらに同じ導電型で前記第4の半導体領域よりさらに低不純物濃度の第5の半導体領域とを備え、前記第5の半導体領域が前記第4の半導体領域を囲んで形成されることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor includes a support substrate, an insulating film stacked on the support substrate, and a first conductivity type semiconductor layer stacked on the insulating film, and a dielectric that reaches the insulating film from a main surface of the semiconductor layer. In a semiconductor device in which a high voltage MOS transistor is provided in at least one of semiconductor regions formed by separating layers,
The high-breakdown-voltage MOS transistor includes at least a part of a surface of the first semiconductor region between a first semiconductor region in which the semiconductor layer of the first conductivity type is a low-concentration drain layer and a source electrode and a drain electrode. A second semiconductor region of a second conductivity type formed in an electrically floating state, and a third impurity of a high impurity concentration of the first conductivity type that is in ohmic contact with the drain electrode in a predetermined region of the first semiconductor region. , A fourth semiconductor region having a lower impurity concentration than the third semiconductor region of the same conductivity type formed adjacent to and surrounding the third semiconductor region, and the fourth semiconductor region of the same conductivity type. And a fifth semiconductor region having a lower impurity concentration than that of the semiconductor region, wherein the fifth semiconductor region is formed so as to surround the fourth semiconductor region.
支持基板と、該支持基板に積層された絶縁膜と、該絶縁膜に積層された第1導電型の半導体層とを含み、前記半導体層の主表面から前記絶縁膜に達する誘電体により前記半導体層を分離して形成される半導体領域の少なくとも1つに高耐圧MOSトランジスタが設けられた半導体装置において、
前記高耐圧MOSトランジスタは、前記第1導電型の半導体層を低濃度ドレイン層とした第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の所定領域に対向して第1導電型で高不純物濃度の第2および第3の半導体領域とが形成され、それぞれソース領域とドレイン領域を構成し、前記第2の半導体領域と前記第3の半導体領域とにそれぞれオーミックコンタクトされるソース電極とドレイン電極とが形成され、ソース電極とドレイン電極との間に素子のオフ状態で電圧が印加されたときに発生する前記第1の半導体領域表面での電界を前記ソース領域とドレイン領域とにそれぞれ個別に作用して同時に電界緩和を実現する手段を、前記第1の半導体領域の中に設けたことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor includes a support substrate, an insulating film stacked on the support substrate, and a first conductivity type semiconductor layer stacked on the insulating film, and a dielectric that reaches the insulating film from a main surface of the semiconductor layer. In a semiconductor device in which a high voltage MOS transistor is provided in at least one of semiconductor regions formed by separating layers,
The high breakdown voltage MOS transistor includes a first semiconductor region having the first conductivity type semiconductor layer as a low concentration drain layer, and a first conductivity type and a high impurity concentration facing a predetermined region of the first semiconductor region. Second and third semiconductor regions are formed, respectively, constituting a source region and a drain region, respectively, and a source electrode and a drain electrode that are in ohmic contact with the second semiconductor region and the third semiconductor region, respectively And an electric field on the surface of the first semiconductor region, which is generated when a voltage is applied between the source electrode and the drain electrode in an off state of the element, acts individually on the source region and the drain region, respectively. At the same time, a means for realizing electric field relaxation is provided in the first semiconductor region.
請求項1又は2に記載の半導体装置において、
前記第1の半導体領域の底面で前記支持基板に隣接して設けられた絶縁膜と接する領域に、前記第1の半導体領域よりも高い不純物濃度の第6の半導体層を積層させたことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
A sixth semiconductor layer having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region is stacked on a region of the bottom surface of the first semiconductor region that is in contact with an insulating film provided adjacent to the support substrate. A semiconductor device.
請求項1又は2に記載の半導体装置において、
前記第1の半導体領域の底面で前記支持基板に隣接して設けられた絶縁膜と接する領域に前記第1の半導体領域よりも高い不純物濃度の第6及び第7の半導体層を積層させ、前記第6の半導体領域はソース領域の底部に、前記第7の半導体領域はドレイン領域の底部にそれぞれ設けられ、前記第6の半導体領域の不純物濃度は前記第7の領域の不純物濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
Stacking sixth and seventh semiconductor layers having an impurity concentration higher than that of the first semiconductor region in a region in contact with an insulating film provided adjacent to the support substrate at a bottom surface of the first semiconductor region; The sixth semiconductor region is provided at the bottom of the source region, the seventh semiconductor region is provided at the bottom of the drain region, and the impurity concentration of the sixth semiconductor region is higher than the impurity concentration of the seventh region. A semiconductor device characterized by the above.
シリコン支持基板上にシリコン酸化膜およびシリコン活性層が積層されたSOI基板を準備する工程と、シリコン層の主表面から前記シリコン酸化膜に達する略垂直な誘電体分離溝を形成する工程と、前記誘電体分離溝の中を熱酸化膜と多結晶シリコンとで埋め込む工程と、前記シリコン活性層の表面に該シリコン活性層と同じ導電型の半導体領域を形成する工程と、前記シリコン活性層の表面にシリコン活性層と反対の導電型の半導体領域を形成する工程と、選択酸化により素子活性層を分離するフィールド酸化膜を形成する工程と、前記シリコン活性層の表面にゲート酸化膜とゲート電極を形成する工程と、高耐圧MOSトランジスタのチャネル層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。   A step of preparing an SOI substrate in which a silicon oxide film and a silicon active layer are laminated on a silicon support substrate; a step of forming a substantially vertical dielectric isolation groove reaching the silicon oxide film from a main surface of the silicon layer; Filling the dielectric isolation trench with a thermal oxide film and polycrystalline silicon; forming a semiconductor region of the same conductivity type as the silicon active layer on the surface of the silicon active layer; and a surface of the silicon active layer Forming a semiconductor region having a conductivity type opposite to that of the silicon active layer, forming a field oxide film for separating the element active layer by selective oxidation, and forming a gate oxide film and a gate electrode on the surface of the silicon active layer. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of forming; and a step of forming a channel layer of a high voltage MOS transistor.
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