JP3052975B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
体分離されるバイポーラトランジスタ(BPT)を有す
る半導体装置に関する。
ン制御用のマイコンなどの車載半導体装置では多少の集
積度の低下及び製造工程増加のデメリットを甘受しても
耐圧向上が重要であり、側面誘電体分離構造や全面(側
面及び底面)誘電体分離構造(特開昭48−10008
1号公報)のトランジスタ集積回路が好適である。
集積回路において、トランジスタ寸法を縮小して集積度
を向上するには、ベース領域から側面分離絶縁膜までの
水平距離(すなわち、ベ−ス領域の外側のコレクタ耐圧
領域の横幅)Wを縮小する必要がある。しかしながら、
水平距離Wを縮小すると、集積度は向上するもののコレ
クタ耐圧BVceo が低下するという欠点があった。
あり、耐圧向上と集積度向上の両立が可能なバイポーラ
型の半導体装置を提供することを、その目的としてい
る。
基板上に形成された第1導電型で高不純物濃度の埋め込
みコレクタ領域と、前記埋め込みコレクタ領域の上部に
形成された第1導電型で低不純物濃度のコレクタ耐圧領
域と、前記コレクタ耐圧領域の表面からその内部に形成
され、前記コレクタ耐圧領域との間でPN接合を形成す
る第2導電型のベース領域と、前記ベース領域の全周側
部に接触して前記コレクタ耐圧領域の表面から前記ベー
ス領域よりも深く形成され、前記コレクタ耐圧領域のう
ちの前記ベース領域直下の所定の領域および前記ベース
領域を囲む側面分離絶縁物領域と、前記ベース領域の表
面部に形成される第1導電型のエミッタ領域と、前記コ
レクタ耐圧領域の表面に前記ベース領域から離れて形成
された第1導電型で高不純物濃度のコレクタ表面コンタ
クト領域と、該側面分離絶縁物領域を介して前記所定の
領域を囲むとともに、前記コレクタ耐圧領域、埋め込み
コレクタ領域およびコレクタ表面コンタクト領域の何れ
からも絶縁分離され、前記コレクタ表面コンタクト領域
の電位よりも前記エミッタ領域の電位に近い電位が印加
される隣接半導体領域とを備える。
コレクタ領域の表面部に接触しなくても、近傍に達する
だけでよい。例えばエミッタ領域底面から埋め込みコレ
クタ領域表面までのコレクタ耐圧領域の実質深さの80
%以上を側面分離絶縁物領域が形成されていればよい。
クタ領域との間に底面絶縁分離領域を有するとともに、
側面分離絶縁物領域は、所定の領域とコレクタ表面コン
タクト領域との間の領域を除いて該底面絶縁分離領域に
達している。好適な態様によれば、隣接半導体領域は、
少なくとも前記所定の領域とコレクタ表面コンタクト領
域との間の領域において、側面分離絶縁物領域の内部に
充填された高不純物濃度のポリシリコン領域からなる。
好適な態様によれば、隣接半導体領域にはエミッタ領域
と同電位が印加されている。
クタ領域及びコレクタ耐圧領域の側面が隣接半導体領域
から絶縁分離される誘電体分離型のバイポーラトランジ
スタにおいて、ベース領域に接しつつそれを囲むととも
にベ−ス領域と表面コレクタ領域との間に側面分離絶縁
物領域が形成される。
との間の水平距離を短縮してもベ−ス領域と表面コレク
タ領域領域との間の電気絶縁はこの側面分離絶縁物領域
により確保され、かつ、側面分離絶縁物領域は上記絶縁
物領域のように埋め込みコレクタ領域を分断しないの
で、ベ−ス領域直下の埋め込みコレクタ領域と表面コレ
クタ領域との導通が確保される。
離絶縁物領域により、埋め込みコレクタ領域を分断する
ことなくベ−ス領域と表面コレクタ領域とを絶縁分離す
るので、ベ−ス領域と表面コレクタ領域との間の距離を
短縮し、耐圧低下を招くことなくトランジスタ寸法の縮
小が可能となる。特に、ベ−ス領域に側面分離絶縁物領
域を挟んで隣接半導体領域(例えばポリシリコン溝埋め
領域)を隣接させ、この隣接半導体領域に例えばエミッ
タ電位といった低電位を印加すると、側面分離絶縁物領
域に近接するコレクタ耐圧領域の部位に形成されるコレ
クタ空乏層の曲がりが抑圧され、それにより電界集中が
緩和され、この部分での降伏が抑止されるので、ベ−ス
領域の全周囲が側面分離絶縁物領域と直接接触させてト
ランジスタ寸法の縮小を図っても、耐圧低下を抑止でき
るという優れた効果を奏することができる。
分離構造の高耐圧NPNバイポーラトランジスタを示
す。1はP- シリコン基板(基板)、2は底部絶縁用の
シリコン酸化膜、3はN+埋め込みコレクタ領域、4は
N- コレクタ耐圧領域、5はP+ ベース領域、6はN+
エミッタ領域、7はN+ 表面コレクタ領域(コレクタ表
面コンタクト領域)、8はトレンチ充填用のポリシリコ
ン溝埋め領域(隣接半導体領域)、9aは島状の埋め込
みコレクタ領域3及びその直上のコレクタ耐圧領域4の
側面を囲むシリコン酸化膜、9bはベ−ス領域5の側面
を囲み、ベ−ス領域5と表面コレクタ領域7とを分離す
るシリコン酸化膜(側面分離絶縁物領域)である。
り、E,B,Cはそれぞれアルミニウムからなるエミッ
タコンタクト電極、ベースコンタクト電極、コレクタコ
ンタクト電極、12はシリコン酸化膜9aを挟んでこの
バイポ−ラトランジスタの側面を囲むN- 領域11の表
面に形成されたN+ コンタクト領域であり、13はその
コンタクト電極である。
9bの両端はポリシリコン溝埋め領域9aに接続されて
おり、コンタクト電極13とともに接地されている。ま
た、エミッタ電極Eには接地電位又は接地電位に近い電
位が印加されている。このトランジスタの製造工程を以
下に説明する。まず図2に示すように、鏡面研磨された
比抵抗3〜5Ω・cmのN- 型(100)単結晶シリコ
ン基板40を用意し、その表面に気相拡散法を用いてア
ンチモンを3μm拡散してN+ 拡散層30を形成する。
また別にP- 基板1の片方の主面に鏡面研磨を施した
後、熱酸化を行い、厚さ約1.0μmのシリコン酸化膜
2をする。これらシリコン基板1及びシリコン基板40
をH2 02 −H2 SO4 混合液中で加熱し、親水性処理
を行い、室温清浄雰囲気中で貼り合わせ、摂氏1100
度N2 雰囲気で2時間熱処理し、接合させた。つづいて
所定の厚さに基板40を厚さ14μmまで鏡面研磨して
SOI基板を作製した。
表面に熱酸化で約0.5μmのフィールド酸化膜を形成
し、その上にLPCVD法で0.1μmの窒化シリコン
膜を形成する。次に、窒化シリコン膜上にレジストマス
クを形成し、フッ素系エッチングガスによるプラズマエ
ッチング、フッ酸エッチング、及びフッ素系エッチング
ガスによる反応性イオンエッチングを行って、バイポ−
ラトランジスタ形成予定領域の周囲にシリコン酸化膜2
に達するトレンチT1を形成し、このトレンチT1の表
面を酸化してシリコン酸化膜9aを形成する。つづい
て、LPCVD法でポリシリコンのデポジションを実施
し、トレンチ領域T1を埋設する。次に、窒化シリコン
膜表面上のポリシリコンを除去し、トレンチT1から露
出するポリシリコンの表面を酸化し、その後、ドライエ
ッチングで窒化シリコン膜を除去する。これによりトレ
ンチT1の内部にシリコン酸化膜9aで囲まれたポリシ
リコン溝埋め領域8が形成される。このポリシリコン溝
埋め領域はN+ にドープされている。そして、シリコン
酸化膜9aにより、N+ 拡散層30及びN- 領域40か
ら島状のN+ 埋め込みコレクタ領域3とN- コレクタ耐
圧領域4が分離形成される。
1、シリコン酸化膜9a、トレンチT1内のポリシリコ
ン溝埋め領域8形成プロセスと同じプロセスにて、トレ
ンチT2、シリコン酸化膜9b、トレンチT2内のポリ
シリコン溝埋め領域8が形成される。なお、トレンチT
2は、ベ−ス予定領域と表面コレクタ領域との間におい
て埋め込みコレクタ領域3の表面部に達するまで形成さ
れ、トレンチT1、T2の両ポリシリコン溝埋め領域
8、8は接触して電気的に導通される。
5、N+ エミッタ領域6、N+ 表面コレクタ領域7、N
+ コンタクト領域12をホトリソ工程、イオン注入工
程、ドライブイン工程により形成し、その後、酸化膜1
0を開口して、各電極E、B、C、13を形成する。ま
た図示しないが、ポリシリコン溝埋め領域8の所定の1
箇所にコンタクトするコンタクト電極も同様に形成され
る。
化膜9a、9bに接して形成されており、表面コレクタ
領域7の全側面もシリコン酸化膜9a、9bに接して形
成されている。その結果、ベ−ス領域5直下のN- コレ
クタ耐圧領域4の全側面もシリコン酸化膜9a、9bに
接して形成されることになる。このようにすれば、ベ−
ス領域5の側面がN- コレクタ耐圧領域4を介すること
なく直接にシリコン酸化膜9a、9bの側面に接して形
成されるので、その分、トランジスタの平面寸法を縮小
することができ、集積度を向上できる。ちなみに、ベ−
ス領域5の平面寸法を等しくした場合、従来の接合分離
型バイポーラトランジスタに比較して1/8に面積を縮
小できた。
ることにより、耐圧向上を実現できた。なお、ポリシリ
コン溝埋め領域8をフローティング電位又は空乏化し、
N+領域12を本発明でいう隣接半導体領域として接地
してもよい。各部のパラメータの一例を記載する。N-
コレクタ耐圧領域4の不純物濃度は1×1015原子/c
m3 、P+ ベース領域の表面における不純物濃度は3×
1018原子/cm3 、N+ エミッタ領域6の表面におけ
る不純物濃度は1×1020原子/cm3 、ベ−ス領域5
と埋め込みコレクタ領域3との間のコレクタ耐圧領域4
の厚さは4μm、ポリシリコン溝埋め領域8の不純物濃
度は1×1020原子/cm3 、その横幅は1μm、シリ
コン酸化膜9a,9bの厚さは0.7μm、ベ−ス領域
5の厚さは3μmとした。次に、ポリシリコン溝埋め領
域8の接地することにより耐圧が向上することの説明を
図5のトランジスタモデル及びそのベ−ス領域5の平面
形状と耐圧との関係を示す図6〜図8により説明する。
この図5のトランジスタは、図1のトランジスタにおい
て、トレンチT2を省略し、かつ、ベ−ス領域5とシリ
コン酸化膜9aとを離して形成したものである。
ト領域13(N- 領域11と等電位とする)は接地さ
れ、N+ 埋め込みコレクタ領域3には+50Vが印加す
るものとする。ポリシリコン溝埋め領域8はN- 領域で
あって、実質的にシリコン酸化膜9aとともに絶縁物と
なっているとする。図6〜図8はベ−ス領域5の側縁と
シリコン酸化膜9aとの間のN+ コレクタ耐圧領域4の
水平幅Wが15μm、10μm、5μmである場合のコ
レクタ空乏層の各縦断面形状を示す。なお、この水平幅
Wはレジストマスク開口パタンの値とする。マスクの開
口パタンのエッジはベ−ス領域5の表面におけるエッジ
に対し2.5μm変位している。
の電位的影響によりベ−ス領域5の側縁とシリコン酸化
膜9aとの間のN+ コレクタ耐圧領域4に形成される空
乏層の等電位線は上記水平幅が縮小されるほど曲がりが
減り、近似的に水平方向に平坦な形状となることがわか
る。この曲がりが小さいと電界集中によりトランジスタ
の降伏電圧が向上する。
のコレクタ耐圧領域4内の最大電界強度が変わる様子の
シミュレーション結果を図9に示す。図9から、距離W
が減少するにつれて最大電界強度が低下することがわか
る。すなわち、シリコン領域11が低電位であるため
に、シリコン領域11の低電位がシリコン酸化膜9a
(ポリシリコン溝埋め領域8を含む。この場合、フロー
ティング電位であるポリシリコン溝埋め領域8の不純物
濃度は低く、空乏化していると仮定するか又はポリシリ
コン溝埋め領域8はシリコン酸化膜に置換されているも
のと仮定して議論を進める))を介してベ−ス領域5の
側面近傍のコレクタ耐圧領域4に静電的な影響を与え
(静電的に低電位とし)、ベ−ス領域5の側面近傍のコ
レクタ耐圧領域4の空乏層電界を緩和する。これによ
り、電界集中が最も激しく、最初にアバランシェ崩壊が
生じるベ−ス領域5の角部近傍の空乏層電界を緩和し
て、耐圧向上が実現する。
9aとの間の距離Wを変え、その他は上記と同じ条件と
した場合におけるベースオープン時のコレクタエミッタ
耐圧BVCEO のシミュレーション結果を示す。この時の
空乏層幅は9μmである。空乏層が側面分離絶縁物領域
9に達すると、BVCEO が向上することが理解される。
クタ耐圧領域4の不純物濃度及びWを種々変更した場合
におけるBVCEO のシミュレーション結果を示す。最良
の条件において、120〜130Vの耐圧を実現するこ
とができることがわかる。上記各データはN- 領域11
を接地し、かつ、ポリシリコン溝埋め領域8を空乏化と
いう条件で行ったが、ポリシリコン溝埋め領域8の不純
物濃度を高濃度とし、かつ接地するという条件において
もほとんど同じデータが得られた。
Vを印加し、更にポリシリコン溝埋め領域8をN+ (約
1×1020原子/cm3 )とし、ポリシリコン溝埋め領
域8に0V又は+50Vを印加した場合における空乏層
の状態を図12〜図14に示す。図12はコレクタ空乏
層がシリコン酸化膜9aに到達しない場合(W=13.
5μm)でこの場合にはBVCEO は54Vであった。図
13はコレクタ空乏層がシリコン酸化膜9aに到達し
(W=約3μm)、かつポリシリコン溝埋め領域8に+
50Vを印加する場合で、BVCEO は55Vであった。
図14はコレクタ空乏層がシリコン酸化膜9aに到達し
(W=約3μm)、かつ、ポリシリコン溝埋め領域8に
0Vを印加する場合で、BVCEO は75Vであった。
接地することにより、著しい耐圧向上が実現することが
わかる。他の態様を図15に示す。 (a),上記実施例(図1)では、ポリシリコン溝埋め
領域8を接地したが、ポリシリコン溝埋め領域8をフロ
ーティングとし、その外側のN- 領域11を接地しても
よい。また、ポリシリコン溝埋め領域8とN- 領域11
の両方を接地してもよい。この場合、ポリシリコン溝埋
め領域8が低濃度であれば空乏化して誘電体として機能
し、高濃度であれば、リークによりなんらかの電位に落
ち着く。したがって、ポリシリコン溝埋め領域8をフロ
ーティングとする場合(電極コンタクトしない場合)に
は、ポリシリコン溝埋め領域8を低不純物濃度とするこ
とが好ましく、電極コンタクトしてエミッタ電位に近い
電位を印加する場合には空乏化しない部分が残る程度の
不純物濃度とすることが好ましい。
クタ領域7との間の間の(すなわちトレンチT2の)ポ
リシリコン溝埋め領域8は、フローティングとすると、
N+表面コレクタ領域7の影響がP+ ベ−ス領域5直下
のN- コレクタ耐圧領域4の空乏層を曲がらせるので、
少なくともトレンチT2のポリシリコン溝埋め領域8は
高不純物濃度とし、接地電位又はそれに近い電位に固定
して、表面コレクタ領域7からの静電的な影響を遮断す
ることが好ましい。
溝埋め領域8を空乏化し、シリコン酸化膜9aに隣接す
るN- 領域11を接地してもよい。この場合でもシリコ
ン酸化膜9b以外の部位におけるコレクタ耐圧領域では
耐圧向上が図ることができる。 (b),上記実施例(図1)では、トレンチT1内のポ
リシリコン溝埋め領域8とトレンチT2内のポリシリコ
ン溝埋め領域8は同じ不純物濃度としたが、変更しても
よい。例えば、トレンチT2内だけを高不純物濃度かつ
接地電位とし、トレンチT1のポリシリコン溝埋め領域
8を低不純物濃度とし、トレンチT1の外側のN- 領域
11を接地してもよい。 (c),上記実施例では、一個のバイポ−ラトランジス
タだけを示したが、このバイポ−ラトランジスタととも
にCMOS、ラテラルPNPバイポ−ラトランジスタ、
IILなどを集積できることは当然である。 (実施例2)他の実施例を図15に示す。
レンチT2すなわちシリコン酸化膜9bで完全に囲み、
かつ、トレンチT2内のポリシリコン溝埋め領域8を高
不純物濃度とし、接地したものである。このようにすれ
ばトレンチT1内のポリシリコン溝埋め領域8は低不純
物濃度とすることができ、トランジスタのコレクタ寄生
容量を削減でき、耐圧低下、寸法縮小を図りつつ周波数
特性を改善することができる。 (実施例3)他の実施例を図16に示す。
クタ領域7とを分離するトレンチT2のポリシリコン溝
埋め領域8の横幅をトレンチT1のポリシリコン溝埋め
領域8の横幅より大きく形成したものである。このよう
にすれば、トレンチT2内のポリシリコン溝埋め領域8
を低不純物濃度としても、表面コレクタ領域7の高電位
の影響がベ−ス領域5の直下のコレクタ耐圧領域4に及
びにくくなり、コレクタ空乏層の曲がりを低減すること
ができ、耐圧向上が実現する。
めのトランジスタモデルを示す平面図である。
布を示す断面図である。
布を示す断面図である。
布を示す断面図である。
側のコレクタ耐圧領域の横幅Wと最大電界強度との関係
を示す特性図である。
/エミッタ間耐圧との関係を示す特性図である。
/エミッタ間耐圧とコレクタ耐圧領域の不純物濃度との
関係を示す特性図である。
分布を示す断面図である。
分布を示す断面図である。
分布を示す断面図である。
3はN+ 埋め込みコレクタ領域、4はN- コレクタ耐圧
領域、5はP+ ベ−ス領域、6はN+ エミッタ領域、7
はN+ 表面コレクタ領域、8はポリシリコン領域(隣接
半導体領域)、9aは絶縁物領域、9bは側面分離絶縁
物領域。
Claims (5)
- 【請求項1】 基板上に形成された第1導電型で高不純
物濃度の埋め込みコレクタ領域と、 前記埋め込みコレクタ領域の上部に形成された第1導電
型で低不純物濃度のコレクタ耐圧領域と、 前記コレクタ耐圧領域の表面からその内部に形成され、
前記コレクタ耐圧領域との間でPN接合を形成する第2
導電型のベース領域と、 前記ベース領域の全周側部に接触して前記コレクタ耐圧
領域の表面から前記ベース領域よりも深く形成され、前
記コレクタ耐圧領域のうちの前記ベース領域直下の所定
の領域および前記ベース領域を囲む側面分離絶縁物領域
と、前記ベース領域の表面部に形成される第1導電型のエミ
ッタ領域と、 前記コレクタ耐圧領域の表面に前記ベース領域から離れ
て形成された第1導電型で高不純物濃度のコレクタ表面
コンタクト領域と、 該側面分離絶縁物領域を介して前記所定の領域を囲むと
ともに、前記コレクタ耐圧領域、埋め込みコレクタ領域
およびコレクタ表面コンタクト領域の何れからも絶縁分
離され、前記コレクタ表面コンタクト領域の電位よりも
前記エミッタ領域の電位に近い電位が印加される隣接半
導体領域と、 を備えることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 前記基板と前記埋め込みコレクタ領域と
の間に底面絶縁分離領域を有するとともに、前記側面分
離絶縁物領域は、前記所定の領域と前記コレクタ表面コ
ンタクト領域との間の領域を除いて該底面絶縁分離領域
に達していることを特徴とする請求項1記載の半導体装
置。 - 【請求項3】 前記隣接半導体領域は、少なくとも前記
所定の領域と前記コレクタ表面コンタクト領域との間の
領域において、前記側面分離絶縁物領域の内部に充填さ
れた高不純物濃度のポリシリコン領域からなることを特
徴とする請求項1または2記載の半導体装置。 - 【請求項4】 前記隣接半導体領域には前記エミッタ電
位と同電位が印加されていることを特徴とする請求項3
記載の半導体装置。 - 【請求項5】 前記第1導電型はN型、前記第2導電型
はP型であり、前記 隣接半導体領域は接地されているこ
とを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導
体装置 。
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