JP3052975B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP3052975B2
JP3052975B2 JP5015338A JP1533893A JP3052975B2 JP 3052975 B2 JP3052975 B2 JP 3052975B2 JP 5015338 A JP5015338 A JP 5015338A JP 1533893 A JP1533893 A JP 1533893A JP 3052975 B2 JP3052975 B2 JP 3052975B2
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貴是 杉坂
利夫 榊原
治 石原
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも側面を誘電
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。
【0002】
【従来の技術】高ノイズ環境下で使用される車両エンジ
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。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このようなバイポーラ
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。
【0004】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
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。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
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
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
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
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。
【0006】ここで、側面分離絶縁物領域は、埋め込み
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。
【0007】好適な態様によれば、基板と埋め込みコレ
クタ領域との間に底面絶縁分離領域を有するとともに、
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。
【0008】
【作用及び発明の効果】 絶縁物領域により埋め込みコレ
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。
【0009】この結果、ベ−ス領域と表面コレクタ領域
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。
【0010】すなわち、本発明の半導体装置は、側面分
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。
【0011】
【実施例】(実施例1) 以下、本発明の半導体装置の一実施例として全面誘電体
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
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。
【0012】また、10は表面のシリコン酸化膜であ
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。
【0013】この実施例では、ポリシリコン溝埋め領域
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 2 −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。
【0014】次に図3に示すように、このSOI基板の
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。
【0015】次に図4に示すように、上記トレンチT
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。
【0016】次に図1に示すように、P+ ベ−ス領域
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。
【0017】なお、ベ−ス領域5の全側面はシリコン酸
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。
【0018】また、ポリシリコン溝埋め領域8を接地す
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、
+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
3 、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。
【0019】ただし、エミッタ領域6及びN+ コンタク
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。
【0020】図6〜図7から、接地されたN- 領域11
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。
【0021】実際に上記水平距離Wを種々変更した場合
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。
【0022】図10に、ベ−ス領域5とシリコン酸化膜
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。
【0023】図11は図5のモデルにおいて、N- コレ
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。
【0024】次に、N- 領域11にコレクタ電圧+50
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。
【0025】図14から、ポリシリコン溝埋め領域8を
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。
【0026】ただし、P+ ベ−ス領域5とN+ 表面コレ
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、
+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。
【0027】もちろん、実施例1においてポリシリコン
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。
【0028】この実施例では、ベ−ス領域5の周囲をト
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。
【0029】この実施例では、ベ−ス領域5と表面コレ
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。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の半導体装置の断面図である。
【図2】実施例1の工程を示す断面図である。
【図3】実施例1の工程を示す断面図である。
【図4】実施例1の工程を示す断面図である。
【図5】実施例1の半導体装置の作用効果を説明するた
めのトランジスタモデルを示す平面図である。
【図6】図5のトランジスタのコレクタ空乏層の電位分
布を示す断面図である。
【図7】図5のトランジスタのコレクタ空乏層の電位分
布を示す断面図である。
【図8】図5のトランジスタのコレクタ空乏層の電位分
布を示す断面図である。
【図9】図5のトランジスタのベ−ス領域の水平方向外
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。
【図10】図5のトランジスタの上記横幅Wとコレクタ
/エミッタ間耐圧との関係を示す特性図である。
【図11】図5のトランジスタの上記横幅Wとコレクタ
/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。
【図12】図5のトランジスタのコレクタ空乏層の電位
分布を示す断面図である。
【図13】図5のトランジスタのコレクタ空乏層の電位
分布を示す断面図である。
【図14】図5のトランジスタのコレクタ空乏層の電位
分布を示す断面図である。
【図15】実施例2の半導体装置を示す断面図である。
【図16】実施例3の半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
1はN+ シリコン基板(基板)、2はシリコン酸化膜、
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−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。
フロントページの続き (72)発明者 石原 治 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本 電装株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−207568(JP,A) 特開 昭63−175440(JP,A) 特開 昭61−174741(JP,A) 特開 昭60−171738(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/331 H01L 21/762 H01L 29/73

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【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
    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
    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。
  2. 【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。
  3. 【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
  4. 【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
    記載の半導体装置。
  5. 【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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