JP2518855B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof

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JP2518855B2
JP2518855B2 JP62162320A JP16232087A JP2518855B2 JP 2518855 B2 JP2518855 B2 JP 2518855B2 JP 62162320 A JP62162320 A JP 62162320A JP 16232087 A JP16232087 A JP 16232087A JP 2518855 B2 JP2518855 B2 JP 2518855B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ロジツク回路や小信号回路と共存する高耐
圧パワーICに係り、特に高い分離耐圧と低オン抵抗パワ
ーMOSFETとを同一チツプ上に集積化するのに好適な半導
体装置とその製造方法に関する。
The present invention relates to a high breakdown voltage power IC that coexists with a logic circuit and a small signal circuit, and particularly, a high isolation breakdown voltage and a low on-resistance power MOSFET are provided on the same chip. The present invention relates to a semiconductor device suitable for integration and a manufacturing method thereof.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、高耐圧パワーMOSトランジスタとロジツク回路
や小信号制御回路とが共存した半導体装置については、
エレクトロニク・デザイン 2月21号,1985年 第191頁
から第198頁(Electronic Design February21,1985PP.1
91−198)において述べられている。
Conventionally, regarding a semiconductor device in which a high voltage power MOS transistor and a logic circuit or a small signal control circuit coexist,
Electronic Design February 21, 1985, pages 191 to 198 (Electronic Design February21, 1985PP.1
91-198).

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

上記従来技術は、第3図のようにパワーMOSFETのドレ
イン端子Dを、p形エピタキシヤル層22を突き抜ける深
い高不純物濃度のn形埋込み拡散層26により、下のn+
基板21から取り出している。この構造で、パワーMOSFET
とCMOSロジツクや小信号回路とを分離するp形エピタキ
シヤル層22とp+形素子分離用拡散層27で囲まれた島の
耐圧は、主に、p形エピタキシヤル層22の厚さで制限さ
れていた。n+形埋込み貫通拡散層26の深さよりは厚く
できないからである。そのため、少しでも実効的なp形
エピタキシヤル層22の厚さを薄くしないために、CMOS部
や小信号回路部には従来の浅いn+埋込み層を設けてい
なかつた。従つて、高耐圧化に際して低耐圧部のコレク
タ直列抵抗の増加やCMOS部ラツチアツプ耐量の低下、等
の問題があつた。
In the above-mentioned prior art, as shown in FIG. 3, the drain terminal D of the power MOSFET is provided with a deep n-type buried diffusion layer 26 having a high impurity concentration and penetrating through the p-type epitaxial layer 22.
It is taken out from the substrate 21. With this structure, power MOSFET
The withstand voltage of the island surrounded by the p-type epitaxial layer 22 for separating the CMOS logic and the small-signal circuit and the p + type element isolation diffusion layer 27 is mainly limited by the thickness of the p-type epitaxial layer 22. Was there. This is because it cannot be thicker than the depth of the n + type embedded through diffusion layer 26. Therefore, in order not to reduce the effective thickness of the p-type epitaxial layer 22 as much as possible, the conventional shallow n + buried layer has not been provided in the CMOS portion or the small signal circuit portion. Therefore, when the breakdown voltage is increased, there are problems such as an increase in collector series resistance in the low breakdown voltage portion and a decrease in the CMOS latch resistance.

本発明の目的は、高耐圧低オン抵抗パワーMOSFETと制
御回路部とを、各々最適な構造条件で同一チツプ上に共
存させることにある。
An object of the present invention is to make a high-breakdown-voltage low on-resistance power MOSFET and a control circuit section coexist on the same chip under optimum structural conditions.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、
第1導電形の半導体基板上に、半導体基板と反対導電形
の第1のエピタキシヤル層が形成され、さらに第1のエ
ピタキシヤル層上に半導体基板と同一導電形の第2のエ
ピタキシヤル層が形成されると共に、第1のエピタキシ
ヤル層の所要部分に第1のエピタキシヤル層を貫通する
第1導電形の貫通拡散層が設けられ、該貫通拡散層上の
第2のエピタキシヤル層の領域に半導体基板を電源端子
とするトランジスタを形成し、第2のエピタキシヤル層
に設けた反対導電形の拡散層と第1のエピタキシヤル層
とで分離された島領域に回路を形成して成る半導体装置
において、前記第1のエピタキシヤル層は凹部を有し、
前記第1導電形の第2のエピタキシヤル層は前記凹部を
有する第1のエピタキシヤル層上の全面に形成されると
共に表面が実質的に平坦となるように形成されて成り、
かつ、前記第1導電形の貫通拡散層を前記第1のエピタ
キシヤル層の凹部に設けたことを特徴とするものであ
る。
In order to achieve the above object, the semiconductor device of the present invention,
A first epitaxial layer having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate is formed on the semiconductor substrate of the first conductivity type, and a second epitaxial layer having the same conductivity type as the semiconductor substrate is further formed on the first epitaxial layer. A through-diffusion layer of the first conductivity type which is formed and penetrates through the first epitaxial layer is provided at a required portion of the first epitaxial layer, and a region of the second epitaxial layer on the through-diffusion layer. A semiconductor having a semiconductor substrate as a power supply terminal, and a circuit formed in an island region separated by a diffusion layer of opposite conductivity type provided in the second epitaxial layer and the first epitaxial layer. In the device, the first epitaxial layer has a recess,
The second epitaxial layer of the first conductivity type is formed on the entire surface of the first epitaxial layer having the recess and has a substantially flat surface.
In addition, the through diffusion layer of the first conductivity type is provided in the recess of the first epitaxial layer.

また、本発明の半導体装置の製造方法は、第1導電形
の半導体基板上に、半導体基板と反対導電形の第1のエ
ピタキシヤル層を成長し、第1のエピタキシヤル層の、
半導体基板を電源端子とするトランジスタを形成する部
分にエッチングにより凹部を形成した後、拡散係数の大
きい不純物を用いて第1導電形の埋込み拡散層を第1の
エピタキシヤル層の前記凹部に形成する工程と、更に第
1導電形の第2のエピタキシヤル層を全面に形成した
後、表面を平坦にする工程と、前記第1導電形の埋込み
拡散層が前記半導体基板に達するように、第2のエピタ
キシヤル層の表面から第1のエピタキシヤル層に達する
半導体基板と反対導電形の拡散層を形成する工程とを少
なくとも含むことを特徴とする。すなわち、第4図に示
すように、n+基板1上にp形エピタキシヤル層3を形
成し、パワーMOSFETを形成する部分のp形エピタキシヤ
ル層3をエッチングして凹部を設け、このp形エピタキ
シヤル層3の凹部に拡散係数の大きいn+拡散層51を形
成し、更にn形エピタキシヤル層4を全面に成長して表
面を平坦化後、凹部に形成したn+拡散層51がn+基板
1に達すると共に凹部に埋込んだn形エピタキシヤル層
中にもわき上がらせるようにp形素子分離用拡散層6を
形成すれば良い。
Further, the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention comprises: growing a first epitaxial layer of a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate on a semiconductor substrate of a first conductivity type;
After forming a recess in a portion where a transistor having a semiconductor substrate as a power supply terminal is formed by etching, a buried diffusion layer of a first conductivity type is formed in the recess of the first epitaxial layer by using an impurity having a large diffusion coefficient. A step of further forming a second epitaxial layer of the first conductivity type on the entire surface, and then flattening the surface, and a second diffusion layer of the first conductivity type so as to reach the semiconductor substrate. And a step of forming a diffusion layer having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate reaching the first epitaxial layer from the surface of the epitaxial layer. That is, as shown in FIG. 4, a p-type epitaxial layer 3 is formed on an n + substrate 1, and the p-type epitaxial layer 3 in a portion forming a power MOSFET is etched to form a recess. An n + diffusion layer 51 having a large diffusion coefficient is formed in the concave portion of the jar layer 3, and the n-type epitaxial layer 4 is further grown on the entire surface to planarize the surface, and then the n + diffusion layer 51 formed in the concave portion is formed on the n + substrate 1. The p-type element isolation diffusion layer 6 may be formed so as to reach the side of the n-type epitaxial layer buried in the recess as it reaches.

〔作用〕[Action]

パワーMOSFETを形成する部分のp形エピタキシヤル層
をエツチングして凹部を設けることにより、深いn+埋
込拡散層を形成するための高温長時間拡散工程の拡散時
間の増加を招くことなく、従来例の第3図よりも厚いp
形エピタキシヤル層を容易に貫通することができる。従
つて容易に厚いp形エピタキシヤル層を得られるので、
パンチスルー耐圧が向上し、高い素子分離耐圧を確保す
ることができる。
By forming a recess by etching the p-type epitaxial layer in the portion where the power MOSFET is formed, the conventional example can be used without increasing the diffusion time in the high temperature long diffusion process for forming the deep n + buried diffusion layer. Thicker than Fig. 3
The epitaxial layer can be easily penetrated. Therefore, a thick p-type epitaxial layer can be easily obtained,
The punch-through breakdown voltage is improved, and a high element isolation breakdown voltage can be secured.

また、厚いp形エピタキシヤル層を用いることができ
るので、通常のバイポーラICで用いられているn+埋込
拡散層を入れても必要なパンチスルー耐圧を確保でき、
良好なバイポーラ素子やラツチアツプに強いCMOSを形成
できる。
Also, since a thick p-type epitaxial layer can be used, the necessary punch-through breakdown voltage can be secured even if the n + buried diffusion layer used in a normal bipolar IC is inserted.
It is possible to form a good bipolar device and a CMOS that is resistant to latch-up.

さらに、凹部に拡散係数の速い不純物、例えばリン等
を用いてn+貫通拡散層を形成することにより、凹部に
埋込んだn形エピタキシヤル層中にもわき上るようにす
ることで凹部を形成した分だけ厚くなつた低不純物濃度
のn形エピタキシヤル層を低抵抗にできるので、パワー
MOSFETのオン抵抗増加を防ぐことができる。
Furthermore, an n + through diffusion layer is formed in the recess by using an impurity having a high diffusion coefficient, for example, phosphorus, so that the n + through-diffusion layer is formed so as to extend into the n-type epitaxial layer embedded in the recess to form the recess. Since the resistance of the n-type epitaxial layer of low impurity concentration made thicker can be made low resistance,
It is possible to prevent the on-resistance of the MOSFET from increasing.

パワーMOS部のソース電極は、2層配線を用いること
により、実質的に厚い3〜μm厚のAl配線とし、パワー
MOS部以外の回路部は通常の0.8〜1μm厚のAl一層配線
を用いる。これによりパワーMOS部は5〜数10Aの大電流
を可能とし、回路部は微細なパターンを可能とすること
ができる。また、電源ライン,接地ライン等、回路部で
もフアインパターンを必要とせずマスク合せも厳しくな
い個所には、厚い2層配線を用いることで、高集積化を
図ることができる。
The source electrode of the power MOS portion is a substantially thick Al wiring with a thickness of 3 to μm by using a two-layer wiring,
For the circuit part other than the MOS part, a normal 0.8 to 1 μm thick Al single layer wiring is used. As a result, the power MOS section enables a large current of 5 to several tens of amperes, and the circuit section enables a fine pattern. Further, in the power source line, the ground line, and the like, where the fine pattern is not required in the circuit portion and the mask alignment is not strict, high integration can be achieved by using a thick two-layer wiring.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の一実施例を第1図および第7図により
説明する。ここでは、20A/60Vクラスのnチヤネル縦型
パワーMOSFETとBi−CMOS回路とが共存するIC構造を例に
とる。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 7. Here, an IC structure in which a 20A / 60V class n-channel vertical power MOSFET and a Bi-CMOS circuit coexist is taken as an example.

60Vクラスのnチヤネル縦型パワーMOSFETを低オン抵
抗で使うためには、ゲート電圧を十分高く振り込む必要
があり、ドレイン電圧より10V程度高くする。従つて、
パワーMOSFETのゲート・ドライブ回路は最高70V以上の
耐圧が必要である。第7図には、縦型パワーMOSFETの他
に、レベルシフトやゲート・ドライブ等に使うための高
耐圧nチヤネルMOSFETと横型オフセツト構造の高耐圧p
チヤネルMOSFETが示されている。それぞれp形分離拡散
層6とp形エピタキシヤル層3とで形成された独立した
島に形成しなければならないので、結局60Vクラスのn
チヤネル縦型パワーMOSFETと共存する回路部は、最高70
V以上の分離耐圧が必要である。マージンを15%程度と
して、80Vの分離耐圧を設計値にする。
In order to use the 60V class n-channel vertical power MOSFET with low on-resistance, it is necessary to transfer the gate voltage sufficiently high, which is higher than the drain voltage by about 10V. Therefore,
The power MOSFET gate drive circuit must withstand a maximum of 70V or more. FIG. 7 shows, in addition to the vertical power MOSFET, a high breakdown voltage n-channel MOSFET for use in level shift and gate drive, and a high breakdown voltage p of a lateral offset structure.
A channel MOSFET is shown. Since the p-type isolation diffusion layer 6 and the p-type epitaxial layer 3 must be formed on independent islands, respectively, the n-type of 60V class is eventually obtained.
Up to 70 circuits can coexist with a vertical power MOSFET.
A breakdown voltage of V or higher is required. The margin is about 15%, and the isolation withstand voltage of 80V is the design value.

パワーMOSFETのドレインに高電圧が印加された場合、
空乏層はパワーMOSFET部のn-エピタキシヤル層4および
p形エピタキシヤル層3の中に広がる。同様に、回路部
の高耐圧pチヤネルのソースに高電圧が印加された場合
も、空乏層は、n-エピタキシヤル層4およびp形エピタ
キシヤル層3の中に広がる。従つて、分離耐圧を確保す
るためには、n+基板1から延びる空乏層とn+埋込層
5から延びる空乏層が接続しないだけ、即ち、パンチス
ルーしないだけの厚いp形エピタキシヤル層3が必要で
ある。
When a high voltage is applied to the drain of the power MOSFET,
The depletion layer extends into the n - epitaxial layer 4 and the p-type epitaxial layer 3 in the power MOSFET section. Similarly, when a high voltage is applied to the source of the high breakdown voltage p-channel of the circuit portion, the depletion layer spreads in the n epitaxial layer 4 and the p-type epitaxial layer 3. Therefore, in order to secure the isolation breakdown voltage, a thick p-type epitaxial layer 3 that does not connect the depletion layer extending from the n + substrate 1 and the depletion layer extending from the n + buried layer 5, that is, does not punch through is required. Is.

分離耐圧80Vを考えると、少くともp形エピタキシヤ
ル層3の抵抗率は2.5Ω・cm以上の高抵抗率を用いる。8
0V印加した場合のp形エピタキシヤル層3中に延びる空
乏層は、階段接合近似で約5μmである。n+埋込層5
の拡散深さを7μmとすると、n+基板1からのわき上
りも、7μmで、最低必要なp形エピタキシヤル層3の
厚さは24μm以上である。しかし、p形エピタキシヤル
層3がほぼピンチオフした状態となるので、このp形エ
ピタキシヤル層3中に基板電流が流れた場合、電位降下
が生じ、寄生npnトランジスタやサイリスタが動作し破
壊に致ることがある。従つて、p形エピタキシヤル層3
の厚さは、十分マージンをとり30μm以上とする。
Considering the isolation breakdown voltage of 80 V, a high resistivity of at least 2.5 Ω · cm is used for the p-type epitaxial layer 3. 8
The depletion layer extending into the p-type epitaxial layer 3 when 0 V is applied is about 5 μm in a step junction approximation. n + buried layer 5
Assuming that the diffusion depth is 7 μm, the rise from the n + substrate 1 is also 7 μm, and the minimum required thickness of the p-type epitaxial layer 3 is 24 μm or more. However, since the p-type epitaxial layer 3 is in a substantially pinch-off state, when a substrate current flows in the p-type epitaxial layer 3, a potential drop occurs and a parasitic npn transistor or thyristor operates, causing damage. Sometimes. Therefore, the p-type epitaxial layer 3
The thickness should be 30 μm or more with a sufficient margin.

従来例の第3図では、n+埋込層5を回路部には入れ
ないので、23μm以上のp形エピタキシヤル層22が必要
である。このp形層22に深いn+貫通拡散層26を行な
い、パワーMOSFET部のドレイン端子をn+基板21から取
り出すようにしている。パワーMOSFET部で大電流・低オ
ン抵抗とするには、高不純物濃度で深いn+貫通拡散層
26を形成しなければならない。また、従来例では分離拡
散層27の形成時に、n+貫通拡散層26からのわき上りに
よる実効的なn-エピタキシヤル層23の厚さの減少を抑え
なければならないので、n+貫通拡散層26の不純物とし
て、例えば拡散係数の小さいアンチモン(Sb)を用いる
ことになる。深さ7μm程度でも1200℃15時間と長い時
間を要し、10μm以上の深い拡散を行なうためには、12
00℃で24時間以上と高温長時間拡散を余儀なくされる。
従つて、従来例では、例えばn+基板21にリン等の拡散
係数の速い不純物をデポし、わき上りによりn+貫通拡
散層26とつながる方法を用いても、せいぜい20μmの厚
さのp形エピタキシヤル層を貫通するのが限度であつ
た。
In FIG. 3 of the conventional example, since the n + buried layer 5 is not included in the circuit portion, the p-type epitaxial layer 22 of 23 μm or more is required. A deep n + through diffusion layer 26 is formed on the p-type layer 22 so that the drain terminal of the power MOSFET section is taken out from the n + substrate 21. In order to obtain a large current and low on-resistance in the power MOSFET, a deep n + through diffusion layer with a high impurity concentration
26 must be formed. Further, in the conventional example, when the separation diffusion layer 27 is formed, it is necessary to suppress an effective decrease in the thickness of the n - epitaxial layer 23 due to rising from the n + penetration diffusion layer 26. For example, antimony (Sb) having a small diffusion coefficient is used as the impurity. Even at a depth of about 7 μm, it takes a long time of 1200 ° C. for 15 hours.
It is forced to diffuse at high temperature for 24 hours or more at 00 ℃ for a long time.
Therefore, in the conventional example, even if a method of depositing an impurity with a high diffusion coefficient such as phosphorus on the n + substrate 21 and connecting it to the n + through diffusion layer 26 by raising it, the p-type epitaxial layer having a thickness of at most 20 μm is used. The limit was to penetrate the layers.

これに対して、本発明の第1図の構造では、n+基板
1上に30μmの厚いp形エピタキシヤル層3を成長させ
ても、n+貫通拡散層51を形成することができる。n+
埋込層5を形成する前に、パワーMOSFET部のp形エピタ
キシヤル層3をエツチングし15〜20μm深さの凹部を設
ける。この凹部に、リン51とアンチモン5のn形不純物
をデポし、拡散を行うことにより容易に、n+基板1と
接続することができる上に、p形分離拡散層6の形成時
にn形拡散層51のわき上りにより、凹部を設けたために
余分に厚くなつたn形エピタキシヤル層4の抵抗を下げ
ることができ、パワーMOSFET部のオン抵抗の増大を防げ
る。また回路部にもn+埋込層5を形成でき、特性の良
いBi−CMOS回路を構成できる。
On the other hand, in the structure of FIG. 1 of the present invention, the n + through diffusion layer 51 can be formed even if the thick p-type epitaxial layer 3 having a thickness of 30 μm is grown on the n + substrate 1. n +
Before forming the buried layer 5, the p-type epitaxial layer 3 of the power MOSFET section is etched to form a recess having a depth of 15 to 20 μm. By depositing and diffusing n-type impurities of phosphorus 51 and antimony 5 into the recesses, the n-type substrate can be easily connected to the n + substrate 1, and the n-type diffusion layer 6 can be formed when the p-type isolation diffusion layer 6 is formed. By raising the side of 51, it is possible to reduce the resistance of the n-type epitaxial layer 4 which is excessively thick due to the provision of the recess, and it is possible to prevent the on-resistance of the power MOSFET section from increasing. Also, the n + buried layer 5 can be formed in the circuit portion, and a Bi-CMOS circuit having excellent characteristics can be constructed.

このように、本発明の構造により、容易に十分高い分
離耐圧を有する島とパワーMOSFETの島を共存させること
ができる。
As described above, with the structure of the present invention, the island having the sufficiently high isolation breakdown voltage and the island of the power MOSFET can easily coexist.

60Vクラスの縦型パワーMOSFETを得るには、第1図でn
-エピタキシヤル層4の抵抗率および厚さは0.8Ω・cm,1
2μm程度である。n+基板1は直列抵抗とわき上りを
小さくするために、アンチモンドープの0.02Ωcm以下を
用いる。20Aの大電流を得るには、第1図で示したA0
ユニツトとしたMOSFETの単位セル(約30μmピツチ程
度)を5〜6千個程度並べれば良い。
To obtain a 60V class vertical power MOSFET, n
- resistivity and the thickness of the epitaxial layer 4 is 0.8Ω · cm, 1
It is about 2 μm. For the n + substrate 1, antimony-doped 0.02 Ωcm or less is used in order to reduce series resistance and rise. In order to obtain a large current of 20 A, it is sufficient to arrange about 5 to 6000 unit cells (about 30 μm pitch) of the MOSFET whose unit is A 0 shown in FIG.

パワーMOS部は大電流を扱うので、Al厚さを3〜4μ
mと厚くするために、2層構造とし、微細パターンが必
要なBi−CMOS回路部は0.8〜1μm厚の第一層Alを用い
ることで、大電流パワーMOSFETと高集積な回路部が共存
可能となつている。
Since the power MOS section handles a large current, the Al thickness should be 3-4μ.
In order to increase the thickness to m, the Bi-CMOS circuit part, which requires a fine pattern, has a two-layer structure. By using the first layer Al with a thickness of 0.8 to 1 μm, a large current power MOSFET and a highly integrated circuit part can coexist. It is said.

第2図は、本発明の他の実施例を示したもので、さら
に高い分離耐圧が必要な場合である。厚いp形エピタキ
シヤル層3をn+拡散層で貫通させるために、p形エピ
タキシヤル層3の成長前に、あらかじめ、リンをデポ
し、n形埋込み拡散層52を形成する。これにより、凹部
に形成したn+拡散層51と容易に接続できるようにした
ものである。
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention, in which a higher isolation breakdown voltage is required. In order to penetrate the thick p-type epitaxial layer 3 by the n + diffusion layer, phosphorus is previously deposited to form the n-type buried diffusion layer 52 before the growth of the p-type epitaxial layer 3. As a result, the n + diffusion layer 51 formed in the recess can be easily connected.

第4図により、本発明第1図,第7図の構造を実現す
るための製造方法の一例について説明する。まず、第4
図Aで0.02Ω・cm以下のn形(100)シリコン基板1上
に、p形2.5Ω・cmのエピタキシヤル成長を30μm成長
したのち、表面酸化を行ない酸化膜2を形成する。
An example of a manufacturing method for realizing the structure of FIGS. 1 and 7 of the present invention will be described with reference to FIG. First, the fourth
In FIG. A, p-type 2.5 Ω · cm epitaxial growth of 30 μm is grown on an n-type (100) silicon substrate 1 of 0.02 Ω · cm or less, and then surface oxidation is performed to form an oxide film 2.

同図Bで、縦型パワーMOSFETを形成する領域の酸化膜
をホトエツチングにより除去する。この時、ホトマスク
のパターンは<100>方向に平行な矩形パターンにす
る。酸化膜2をエツチングマスクとして、例えば70℃の
KOH40wt%水溶液で30分程異方性エツチングを行なうこ
とにより、15〜20μm深さの凹部を形成する。
In FIG. 9B, the oxide film in the region for forming the vertical power MOSFET is removed by photoetching. At this time, the photomask pattern is a rectangular pattern parallel to the <100> direction. Using the oxide film 2 as an etching mask, for example, at 70 ° C
Anisotropic etching is performed for 30 minutes with a 40 wt% KOH aqueous solution to form a recess having a depth of 15 to 20 μm.

同図Cで、凹部にリンを同図Bで用いた酸化膜をマス
クに、1015〜1016cm-2オーダーの高濃度のイオン打込み
を行ない、イオン打込層51を形成する。
In FIG. 6C, ion implantation is performed at a high concentration of 10 15 to 10 16 cm −2 using the oxide film having phosphorus as the mask in FIG.

同図Dで、パワーMOS部凹部および回路部にアンチモ
ンを不純物源としたn+埋込み拡散層5を形成する。
In FIG. 6D, an n + buried diffusion layer 5 using antimony as an impurity source is formed in the power MOS recess and the circuit section.

第4図Eは、酸化膜を除去した後に、n形エピタキシ
ヤル層4を凹部の深さよりも厚く成長させた状態を示し
ている。この状態から第4図Fの表面が平坦な構造を得
るには、例えば、本願出願人によって以前提案された
「半導体装置の製造方法」(特公昭58−43903号公報)
を利用すれば良い。あるいは、研磨技術を用いて平坦に
しても良い。
FIG. 4E shows a state in which the n-type epitaxial layer 4 is grown thicker than the depth of the recess after the oxide film is removed. In order to obtain a structure with a flat surface in FIG. 4F from this state, for example, “a method for manufacturing a semiconductor device” previously proposed by the applicant of the present application (Japanese Patent Publication No. 58-43903).
You can use. Alternatively, it may be flattened by using a polishing technique.

第4図Fで、回路部となる部分のn形エピタキシヤル
層4の厚さは、12μm程度、パワーMOS部となる部分の
n形エピタキシヤル層4の厚さは25〜30μmである。
In FIG. 4F, the thickness of the n-type epitaxial layer 4 in the portion to be the circuit portion is about 12 μm, and the thickness of the n-type epitaxial layer 4 in the portion to be the power MOS portion is 25 to 30 μm.

第4図Gで、表面酸化後、ホトエツチングにより酸化
膜を除去し、p形分離拡散層6を形成する。
In FIG. 4G, after the surface is oxidized, the oxide film is removed by photoetching to form the p-type isolation diffusion layer 6.

第4図Hで、深いn形拡散層53を形成する。この時、
p形分離拡散層6はp形エピタキシヤル層3に達し、pn
接合による島分離が完成される。さらに、凹部に形成し
たn形拡散層51は、n+基板1に達すると同時に凹部内
n形エピタキシヤル層4中にもわき上り、パワーMOS部
直下のn形エピタキシヤル層4の実効的厚さを12μm程
度にする。
In FIG. 4H, a deep n-type diffusion layer 53 is formed. This time,
The p-type isolation diffusion layer 6 reaches the p-type epitaxial layer 3 and
Island separation by joining is completed. Further, the n-type diffusion layer 51 formed in the recess reaches the n + substrate 1 and, at the same time, rises up into the n-type epitaxial layer 4 in the recess, and the effective thickness of the n-type epitaxial layer 4 immediately below the power MOS part. To about 12 μm.

第4図H以降は、凹部を設けた部分に、縦型パワーMO
Sを、その他の島分離された部分には、高耐圧pチヤネ
ルMOSやSi・CMOS回路等を形成することにより、第1図
および第7図の構造が実現される。
From FIG. 4H onward, vertical power MO
The structure shown in FIGS. 1 and 7 is realized by forming a high breakdown voltage p channel MOS, a Si CMOS circuit, or the like in the portion where S is separated from other islands.

第5図は、本発明の他の実施例を示したもので、凹部
に形成するn+埋込み貫通拡散層51をn+埋込み拡散層
5を形成した後に、凹部張り出し部まで入れた場合であ
る。n+埋込み拡散層51はリンをイオン打込みでなく通
常のリンデポ技術を用いることにより、高濃度が容易に
得られ、しかも、わき上りも大きくできるので、深い凹
部を形成できる。
FIG. 5 shows another embodiment of the present invention, in which the n + buried through-diffusion layer 51 to be formed in the recess is inserted into the recess projection after forming the n + buried diffusion layer 5. In the n + buried diffusion layer 51, a high concentration can be easily obtained by using an ordinary phosphorus deposition technique instead of ion implantation of phosphorus, and the armpit can be increased, so that a deep recess can be formed.

第8図は、さらに、本発明の他の実施例で、n+埋込
み貫通拡散層51を、バイポーラnpnトランジスタのコレ
クタ部にも適用すると同時に、第5図のパワーMOS部で
の深いn+拡散層53を省略することで、工程の簡略化を
図つたものである。
FIG. 8 shows a further embodiment of the present invention in which the n + buried through diffusion layer 51 is also applied to the collector portion of the bipolar npn transistor, and at the same time, the deep n + diffusion layer 53 in the power MOS portion of FIG. By omitting, the process is simplified.

第6図は、本発明の第5図の構造を実現するための製
造方法の一例である。
FIG. 6 is an example of a manufacturing method for realizing the structure of FIG. 5 of the present invention.

第6図Aおよび第6図Bは、それぞれ第4図Aおよび
第4図Bと同じ工程を示している。
6A and 6B show the same steps as FIGS. 4A and 4B, respectively.

第6図Cで、パワーMOS部となる凹部および回路部に
アンチモンを不純物源としたn+埋込み拡散層5を形成
する。
In FIG. 6C, an n + buried diffusion layer 5 using antimony as an impurity source is formed in the recess serving as the power MOS portion and the circuit portion.

同図Dで、表面酸化膜(あるいは、n+埋込み拡散層
5形成時に0.8μm程度の酸化膜ができるようにしても
良い)、ホトエツチングにより、パワーMOS部の凹部の
酸化膜を除去し、リンをデポジツトする。
In FIG. 4D, the surface oxide film (or the oxide film of about 0.8 μm may be formed when the n + buried diffusion layer 5 is formed) and the oxide film in the recess of the power MOS portion are removed by photoetching to remove phosphorus. Deposit.

同図Eは酸化膜を除去した後に、n形エピタキシヤル
層4を凹部の深さよりも厚く成長させた状態を示してい
る。第6図Eから第6図Fの表面が平坦な構造を得るに
は、例えば本願出願人によつて以前提案された「半導体
装置の製造方法」(特公昭58−43903)を利用すれば良
い。あるいは研磨を用いても良い。その場合、第4図B
で説明した<100>方向に平行な矩形パターンにする必
要はない。
FIG. 6E shows a state in which the n-type epitaxial layer 4 is grown thicker than the depth of the recess after the oxide film is removed. In order to obtain the flat surface structure of FIGS. 6E to 6F, for example, the “semiconductor device manufacturing method” previously proposed by the applicant of the present application (Japanese Patent Publication No. 58-43903) may be used. . Alternatively, polishing may be used. In that case, FIG.
It is not necessary to make the rectangular pattern parallel to the <100> direction described in.

第6図Fで回路部となる部分のn形エピタキシヤル層
4の厚さは12μm程度、パワーMOS部となる部分の厚さ
は25〜30μmである。
In FIG. 6F, the thickness of the n-type epitaxial layer 4 in the circuit portion is about 12 μm, and the thickness of the power MOS portion is 25 to 30 μm.

同図Gで表面酸化後、ホトエツチングにより酸化膜を
除去し、p形分離拡散層6を形成する。
After the surface is oxidized in FIG. 6G, the oxide film is removed by photoetching to form the p-type isolation diffusion layer 6.

同図Hで、深いn形拡散層53を形成する。この時は、
p形分離拡散層6はp形エピタキシヤル層3に達し、pn
接合による島分離が完成される。さらに、凹部に形成し
たn形貫通拡散層51は、n+基板1に達すると同時に凹
部内n形エピタキシヤル層4中にもわき上り、パワーMO
S部直下のn形エピタキシヤル層4の実効的厚さを12μ
m程度にする。
In FIG. 3H, a deep n-type diffusion layer 53 is formed. At this time,
The p-type isolation diffusion layer 6 reaches the p-type epitaxial layer 3 and
Island separation by joining is completed. Further, the n-type through diffusion layer 51 formed in the recess reaches the n + substrate 1 and, at the same time, rises up into the n-type epitaxial layer 4 in the recess, and the power MO
The effective thickness of the n-type epitaxial layer 4 directly under the S part is 12 μm.
Set to about m.

同図H以降は、凹部を設けた部分に、縦型パワーMOS
を、その他の島分離された部分には、高耐圧pチヤネル
MOSやBi−CMOS等を形成することにより、第5図の構造
が実現される。
After the same figure H, the vertical power MOS is
, And the other island-separated part has a high withstand voltage p channel.
The structure shown in FIG. 5 is realized by forming MOS, Bi-CMOS, or the like.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、n+基板に成長させたp形エピタキ
シヤル層の縦型パワーMOSFET形成部をエツチングし凹部
を設け、拡散係数の速い不純物、例えば、リンを凹部に
拡散することにより、従来例のような深いn+貫通拡散
工程が不要となる。また、凹部を設けたために厚くなつ
た分のn形エピタキシヤル層を、リンのわき上りにより
キヤンセルできるので、パワーMOS部のオン抵抗増加を
招くことなく、厚いp形エピタキシヤルを用いることが
できる。従つて回路部にもn+埋込み層を使つて回路素
子の特性向上が図られる上に、十分な素子分離耐圧を得
ることができる。
According to the present invention, the vertical power MOSFET formation portion of the p-type epitaxial layer grown on the n + substrate is etched to form a concave portion, and an impurity having a high diffusion coefficient, for example, phosphorus is diffused into the concave portion. Such a deep n + through diffusion process is unnecessary. Further, since the thick n-type epitaxial layer formed by forming the recess can be canceled by the rise of phosphorus, a thick p-type epitaxial layer can be used without increasing the on-resistance of the power MOS section. . Therefore, the characteristics of the circuit element can be improved by using the n + buried layer also in the circuit portion, and a sufficient isolation voltage can be obtained.

パワーMOS部を2層配線を用いて実質的に3〜4μm
の厚いAlとし、5〜数10Aの大電流を扱えるようにし、
回路部は0.8〜1μm厚の第一層Alを用いることで微細
パターンを可能とし、大電流パワーMOSFETと高集積ICを
同一チツプ上に共存させることができる。
The power MOS part is substantially 3 to 4 μm using the two-layer wiring.
Thick Al so that it can handle a large current of 5 to several 10A,
A fine pattern can be formed in the circuit portion by using the first layer Al having a thickness of 0.8 to 1 μm, and a large current power MOSFET and a highly integrated IC can coexist on the same chip.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図,第7図は本発明の一実施例の半導体装置の断面
図、第2図は本発明の別の実施例の半導体装置の断面
図、第3図は従来のBi−CMOS共存パワーMOSFETの断面
図、第4図(A)〜(H)は第1図,第7図の半導体装
置の製造方法を示す工程断面図、第5図は本発明のさら
に別の実施例の半導体装置の断面図、第6図(A)〜
(H)は第5図の半導体装置の製造方法を示す工程断面
図、第8図は本発明の他の実施例を示す半導体装置の断
面図である。 1……n+形シリコン基板、2……酸化膜、201……層
間絶縁膜、3……p形エピタキシヤル層、4……n形エ
ピタキシヤル層、5……n+埋込み層、51,52……n+
埋込み貫通拡散層、6……p形素子分離用拡散層、7…
…ポリシリコン・ゲート電極、8,82……p形拡散層、83
……p形ウエル、9……n+形拡散層、10……第一層Al
電極、11……第二層Al電極、101……金属電極。
1 and 7 are sectional views of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a conventional Bi-CMOS coexisting power. Sectional views of the MOSFET, FIGS. 4A to 4H are process sectional views showing a method for manufacturing the semiconductor device of FIGS. 1 and 7, and FIG. 5 is a semiconductor device of still another embodiment of the present invention. Sectional view of FIG. 6 (A)
(H) is a process sectional view showing the method for manufacturing the semiconductor device of FIG. 5, and FIG. 8 is a sectional view of the semiconductor device showing another embodiment of the present invention. 1 ... n + type silicon substrate, 2 ... oxide film, 201 ... interlayer insulating film, 3 ... p type epitaxial layer, 4 ... n type epitaxial layer, 5 ... n + buried layer, 51,52 ... ... n +
Buried through diffusion layer, 6 ... Diffusion layer for p-type element isolation, 7 ...
… Polysilicon gate electrode, 8,82 …… p-type diffusion layer, 83
... p well, 9 n + diffusion layer, 10 first layer Al
Electrode, 11 …… Second layer Al electrode, 101 …… Metal electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡部 健明 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 坂本 光造 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Takeaki Okabe 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji, Tokyo Inside Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Kozo Sakamoto 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji, Tokyo Hitachi Ltd. Central Research Center

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1導電形の半導体基板上に、半導体基板
と反対導電形の第1のエピタキシヤル層が形成され、さ
らに第1のエピタキシヤル層上に半導体基板と同一導電
形の第2のエピタキシヤル層が形成されると共に、第1
のエピタキシヤル層の所要部分に第1のエピタキシヤル
層を貫通する第1導電形の貫通拡散層が設けられ、該貫
通拡散層上の第2のエピタキシヤル層の領域に半導体基
板を電源端子とするトランジスタを形成し、第2のエピ
タキシヤル層に設けた反対導電形の拡散層と第1のエピ
タキシヤル層とで分離された島領域に回路を形成して成
る半導体装置において、前記第1のエピタキシヤル層は
凹部を有し、前記第1導電形の第2のエピタキシヤル層
は前記凹部を有する第1のエピタキシヤル層上の全面に
形成されると共に表面が実質的に平坦となるように形成
されて成り、かつ、前記第1導電形の貫通拡散層を前記
第1のエピタキシヤル層の凹部に設けたことを特徴とす
る半導体装置。
1. A first epitaxial layer having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate is formed on a semiconductor substrate of a first conductivity type, and a second epitaxial layer having the same conductivity type as that of the semiconductor substrate is further formed on the first epitaxial layer. A first epitaxial layer is formed and
Is provided with a through diffusion layer of a first conductivity type penetrating the first epitaxial layer in a required portion of the epitaxial layer, and the semiconductor substrate is connected to a power supply terminal in a region of the second epitaxial layer on the through diffusion layer. Forming a transistor, and forming a circuit in an island region separated by a diffusion layer of opposite conductivity type provided in the second epitaxial layer and the first epitaxial layer. The epitaxial layer has a recess, and the second epitaxial layer of the first conductivity type is formed on the entire surface of the first epitaxial layer having the recess and has a substantially flat surface. A semiconductor device, which is formed, and wherein the through diffusion layer of the first conductivity type is provided in the concave portion of the first epitaxial layer.
【請求項2】前記半導体基板を電源端子とするトランジ
スタの配線は二層電極構造とし、前記回路部の配線は一
層電極構造として成る特許請求の範囲第1項記載の半導
体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the wiring of the transistor having the semiconductor substrate as a power supply terminal has a double-layer electrode structure, and the wiring of the circuit portion has a single-layer electrode structure.
【請求項3】前記半導体基板を電源端子とするトランジ
スタは縦型パワーMOSFETである特許請求の範囲第1項ま
たは第2項記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the transistor having the semiconductor substrate as a power supply terminal is a vertical power MOSFET.
【請求項4】第1導電形の半導体基板上に、半導体基板
と反対導電形の第1のエピタキシヤル層を成長し、第1
のエピタキシヤル層の、半導体基板を電源端子とするト
ランジスタを形成する部分にエッチングにより凹部を形
成した後、拡散係数の大きい不純物を用いて第1導電形
の埋込み拡散層を第1のエピタキシヤル層の前記凹部に
形成する工程と、更に第1導電形の第2のエピタキシヤ
ル層を全面に形成した後、表面を平坦にする工程と、前
記第1導電形の埋込み拡散層が前記半導体基板に達する
ように、第2のエピタキシヤル層の表面から第1のエピ
タキシヤル層に達する半導体基板と反対導電形の拡散層
を形成する工程とを少なくとも含むことを特徴とする半
導体装置の製造方法。
4. A first epitaxial layer of a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate is grown on a semiconductor substrate of a first conductivity type, and a first epitaxial layer is formed.
Of the epitaxial layer, a recess is formed by etching in a portion where a transistor having a semiconductor substrate as a power supply terminal is formed, and then a buried diffusion layer of a first conductivity type is formed using an impurity having a large diffusion coefficient. Of the first conductive type second epitaxial layer and then flattening the surface after the second conductive type second epitaxial layer is formed on the entire surface, and the first conductive type buried diffusion layer is formed on the semiconductor substrate. So as to reach the first epitaxial layer from the surface of the second epitaxial layer, and a step of forming a diffusion layer of opposite conductivity type and a semiconductor substrate, the method of manufacturing a semiconductor device.
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