JP3730283B2 - Manufacturing method of high voltage semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、高耐圧半導体装置の製造方法に係り、特に、ゲート駆動方式のpチャネル高耐圧半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、高耐圧駆動回路等の高耐圧素子と低耐圧制御回路等の低耐圧素子とを同一の基板に形成したパワ−ICは知られており、多くの用途が考えられている。例えば、高耐圧素子としてpチャネルMOSFET又はIGBTを用いてインバ−タ回路を作成することにより、レベル・シフタ−又はハイサイド側のゲ−ト回路を簡略化することが可能である。
【0003】
しかし、素子の構造上の制約から、高耐圧駆動回路と低耐圧制御回路とは、共通する工程により製造することが出来ず、従って、いずれか一方を形成した後に形成していた。例えば、pチャネル高耐圧MOSFETでは、従来、DMOSにおけるように深いpウエルを形成し、そこに素子を形成していたため、ロジック部の製造工程との共通性が少なかった。そのため、工程数が多く、多くの製造時間が費やされ、製造コストの増加を招いていた。
また、従来の高耐圧MOSFETでは、オン抵抗を下げるために活性領域の不純物のド−ズ量を増加させると、耐圧が低下してしまうという問題もあった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記事情を考慮してなされ、高耐圧駆動回路と低耐圧制御回路とを同時に形成することにより、コストの大幅な低減を可能とし、かつ高耐圧を維持しつつオン抵抗を下げることを可能とする高耐圧半導体装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明(請求項1)は、絶縁層上に形成されたn型活性層にn型不純物を2×10 12 cm −2 〜3×10 12 cm −2 のドーズ量でイオン注入してn型ドリフト領域を形成する工程、前記n型ドリフト領域にp型不純物を1×10 12 cm −2 〜2×10 12 cm −2 のドーズ量で選択的にイオン注入して、前記絶縁層に達しないようにp型ドリフト領域を形成する工程、前記n型ドリフト領域の表面領域にn型不純物を選択的にイオン注入してn型ベ−ス領域を形成する工程、前記n型ベ−ス領域及び前記p型ドリフト領域上にゲ−ト絶縁膜を形成する工程、前記ゲ−ト絶縁膜上にゲ−ト電極を形成する工程、前記p型ドリフト領域及びn型ベ−ス領域にp型不純物をイオン注入して、前記p型ドリフト層にp型ドレイン領域を、前記n型ベ−ス領域にp型ソース領域をそれぞれ形成する工程、及び前記p型ドレイン領域上にドレイン電極を、前記p型ソース領域上にソース電極をそれぞれ形成する工程を具備することを特徴とする高耐圧半導体装置の製造方法を提供する。
【0006】
また、発明(請求項2)は、絶縁層上に形成されたn型活性層にn型不純物を2×10 12 cm −2 〜3×10 12 cm −2 のドーズ量でイオン注入してn型ドリフト層を形成する工程、前記n型ドリフト層にp型不純物をイオン注入してp型のバッファ層を形成する工程、前記n型ドリフト層の前記p型のバッファ層に隣接する領域にp型不純物を1×10 12 cm −2 〜2×10 12 cm −2 のドーズ量でイオン注入して、前記絶縁層に達しないようにp型ドリフト層を形成する工程、前記n型ドリフト層の表面領域にn型不純物をイオン注入してn型ベ−ス領域を形成する工程、前記n型ベ−ス領域及び前記p型ドリフト領域上にゲ−ト絶縁膜を形成する工程、前記ゲ−ト絶縁膜上にゲ−ト電極を形成する工程、前記p型ドリフト層及びn型ベ−ス領域にp型不純物をイオン注入して、前記p型ドリフト層にp型ドレイン領域を、前記n型ベ−ス領域にp型ソース領域をそれぞれ形成する工程、及び前記p型ドレイン領域上にドレイン電極を、前記p型ソース領域上にソース電極をそれぞれ形成する工程を具備することを特徴とする高耐圧半導体装置の製造方法を提供する。
【0007】
【作用】
本発明の高耐圧半導体装置は、第1導電型のSOI基板に第2導電型の浅いドリフト領域を形成した構造を有する。このような構造では、一様な不純物濃度の第1導電型の基板を用いた場合に比べ、第1導電型の活性層の不純物のド−ズ量を大幅に増加させることが可能であり、そのため、高耐圧を維持しつつ、オン抵抗を大幅に下げることが可能である。
【0008】
また、SOI構造を採用しているため、素子間を電気的に分離することが容易であり、従って、ノイズに対して非常に有効である。
更に、本発明の高耐圧半導体装置は、第2導電型の深いウエル領域を形成せずに浅いドリフト領域を形成しているため、このドリフト領域はロジック部の形成工程において形成可能であり、その結果、多くの工程においてロジック部の形成工程を採用することが出来る。そのため、高耐圧素子と低耐圧ロジック部とを同時に形成することが出来、工程数の減少、コストの大幅な低減が可能である。
【0009】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例に係る高耐圧半導体装置について説明する。
図1は、本発明の第1の実施例に係る、高耐圧pチャネルMOSFETの断面図である。図1において、半導体基板1上にはSiO2 層2が形成され、このSiO2 層2上には、高抵抗n型活性層3が形成されている。高抵抗n型活性層3には、n型ドリフト層4が形成され、このn型ドリフト層4の表面にp型ドリフト層5が形成されている。また、n型ドリフト層4の表面には、p型ドリフト層5に隣接してn型ベ−ス層6が形成されている。なお、n型ドリフト層4は、酸化膜2にまで到達してもよい。
【0010】
p型ドリフト層5にはp+ −ドレイン領域7が、またn型ベ−ス層6にはp+ −ソ−ス領域8がそれぞれ形成されている。なお、n型ベ−ス層6には、活性層3の電位を固定するためのn+ −コンタクト領域9が形成されている。
【0011】
p型ドリフト層5とp+ −ソ−ス領域8の間の領域の上にはゲ−ト絶縁膜10が形成されるとともに、その上にはゲ−ト電極11が形成されている。更に、p+ −ドレイン領域7とp+ −ソ−ス領域8の上には、それぞれドレイン電極12及びソ−ス電極13が形成されている。このようにして、高耐圧pチャネルMOSFETが構成されている。
【0012】
以上のように構成される高耐圧pチャネルMOSFETは、以下のようにして製造される。
まず、一方の表面にSiO2 層が形成された2枚の基板を直接張合わせることにより、n型半導体基板1上にSiO2 層2及び高抵抗n型活性層3が形成されたSOI構造の半導体基板を得る。次いで、高抵抗n型活性層3にド−ズ量が2×1012cm-2〜3×1012cm-2となるようにリンをイオン注入して、n型ドリフト層4を形成し、更に、このn型ドリフト層4にド−ズ量が1×1012cm-2〜2×1012cm-2となるようにボロンを、1〜2μmの厚さにイオン注入して、p型ドリフト層5を形成する。なお、p型ドリフト層5が1μmより浅いと耐圧が低くなってしまい、2μmより深くなるとn型ドリフト層4のド−ズ量が減少してしまい、問題となる。
【0013】
次に、CMOSのしきい値コントロ−ル用のチャンネル・インプラ技術を用いて、pチャンネル形成用及びパンチスル−防止用のn型ベ−ス層6(p型ドリフト層5の厚さが1μmの場合、厚さ2μm)を形成する。その後、15nmの厚さのゲ−ト絶縁膜10を形成し、更にポリシリコンを堆積して、ソ−ス領域8の側にゲ−ト電極11、ドレイン領域7の側にフィ−ルド・プレ−トを形成する。
【0014】
その後、これらゲ−ト電極11及びフィ−ルド・プレ−トをマスクとして用いて、ボロンをセルフアラインでイオン注入し、p型ドリフト層5が1μmの場合、厚さ0.5μmのドレイン領域7及びソ−ス領域8を形成する。次いで、活性層3の電位を固定するために、ソ−ス領域8にn+ −コンタクト領域9を形成し、更にソ−ス電極13及びドレイン電極12を形成して、高耐圧pチャネルMOSFETが完成する。
【0015】
以上説明した製造工程は、従来行われていたDMOSの形成に用いられている工程ではなく、CMOSの形成に用いられている工程を採用している。そのため、ロジック回路等の低耐圧素子と共通の工程を多く含み、高耐圧素子と低耐圧素子とを同時に形成することが可能である。このような高耐圧素子(pチャネルMOSFET)と低耐圧素子(ロジック部)とを同時に形成する半導体装置の製造工程の一例を図2に示す。
【0016】
図2に示すように、13工程のうち、pチャネルMOSFETとロジック部とで共通する工程は10工程にも達し、工程数及び製造時間の大幅な低減が可能であることがわかる。
【0017】
以上のように構成された高耐圧pチャネルMOSFETについて、p型ドリフト層5のド−ズ量をパラメ−タ−(0〜2.12×1012cm-2)として、n型ドリフト層4のド−ズ量を変化させた場合の耐圧を図3に示す。なお、図3のグラフは、2μmのSiO2 層2上の5μmの高抵抗n型活性層3に形成された、ドリフト長が25μmのMOSFETにおいて得られたデ−タである。
【0018】
図3のグラフから明らかなように、n型ドリフト層4のド−ズ量が2×1012cm-2〜3×1012cm-2、p型ドリフト層5のド−ズ量が1×1012cm-2〜2×1012cm-2のときに、優れた耐圧が得られている。なお、p型ドリフト層5のド−ズ量が0の場合、即ちp型ドリフト層5が形成されていない場合には、優れた耐圧を得るためにはn型ドリフト層4のド−ズ量を増加させることが出来ず、そのため、素子抵抗を低くすることが出来ない。これに対し、p型ドリフト層5のド−ズ量が1×1012cm-2〜2×1012cm-2の場合には、高耐圧を維持しつつ、n型ドリフト層4のド−ズ量を増加させることが出来、その結果、素子抵抗を下げることが出来る。
【0019】
次に、3μmのSiO2 層2上の15μmの高抵抗n型活性層3に形成された、ドリフト長が60μmのMOSFETについて、耐圧を求めたところ、500Vの高耐圧が得られた。この場合のn型ドリフト層4のド−ズ量は2.7×1012cm-2、p型ドリフト層5のド−ズ量は1.5×1012cm-2であった。
【0020】
このMOSFETについて、5Vのゲ−ト電圧におけるドレイン電圧とドレイン電流との関係を求めたところ、図4に示す結果を得た。この場合のオン抵抗は180Ω・mm2 であった。また、ソ−ス・ドレイン電圧が3Vの場合のドレイン電流とゲ−ト電圧との関係を求めたところ、図5に示す結果を得た。
【0021】
図6は、本発明の第2の実施例に係るIGBTの断面図である。図6において、n型半導体基板21上にはSiO2 層22が形成され、このSiO2 層22上には、高抵抗n型活性層23が形成されている。高抵抗n型活性層23には、n型ドリフト層24が形成され、このn型ドリフト層24の表面にp型ドリフト層25が形成されている。また、n型ドリフト層24の表面には、p型ドリフト層25に隣接してn型ベ−ス層26が形成されている。
【0022】
p型ドリフト層25及びn型ドリフト層24にはp型バッファ層20が形成され、このp型バッファ層20にはn+ −ドレイン領域27が、またn型ベ−ス層26にはp+ −ソ−ス領域28がそれぞれ形成されている。なお、n型ベ−ス層26には、活性層3の電位を固定するためのn+ −コンタクト領域29が形成されている。
【0023】
p型ドリフト層25とp+ −ソ−ス領域28の間の領域の上にはゲ−ト絶縁膜30が形成されるとともに、その上にはゲ−ト電極31が形成されている。更に、n+ −ドレイン領域27とp+ −ソ−ス領域28の上には、それぞれドレイン電極32及びソ−ス電極33が形成されている。このようにして、IGBTが構成されている。
【0024】
図6に示すIGBTは、図1に示すMOSFETと同様の方法により形成され得るが、図1に示すMOSFETと異なるのは、p型ドリフト層25及びn型ドリフト層24にp型バッファ層20が形成されていることである。このp型バッファ層20は、フィ−ルド・インプラの際前後に、ボロンをイオン注入することにより形成することが可能である。
【0025】
図7は、図6に示すIGBTにおいて、p型バッファ層20のド−ズ量をパラメ−タ−とした場合のドレイン電圧とドレイン電流との関係を示すグラフである。このグラフから、p型バッファ層20のド−ズ量を2.5×1013cm-2以下とすることにより、十分な導電率変調を起こさせることが出来、電流−電圧特性を改善することが出来ることがわかる。なお、p型バッファ層20のド−ズ量は、好ましくは1×1013cm-2〜2.5×1013cm-2である。
図8は、図6に示すIGBTのスイッチング波形を示す特性図である。図8から、スイッチング速度は約0.5μsecと速いことがわかる。
【0026】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、第1導電型のSOI基板に第2導電型の浅いドリフト領域を形成した構造を有するため、一様な不純物濃度の第1導電型の基板を用いた場合に比べ、第1導電型の活性層の不純物のド−ズ量を大幅に増加させることが可能であり、そのため、高耐圧を維持しつつ、オン抵抗を大幅に下げることが可能である。
【0027】
また、SOI構造を採用しているため、素子間を電気的に分離することが容易であり、従って、ノイズに対して非常に有効である。
更に、第2導電型の深いウエル領域を形成せずに浅いドリフト領域を形成しているため、多くの工程においてロジック部の形成工程を採用することが出来、そのため、高耐圧素子と低耐圧ロジック部とを同時に形成することが出来、コストの大幅な低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係る高耐圧MOSFETの断面図。
【図2】図1に示す高耐圧MOSFETをロジック部と同時に形成する製造工程の流れを示す図。
【図3】図1に示す高耐圧MOSFETにおいて、p型ドリフト層のド−ズ量をパラメ−タ−として、n型ドリフト層のド−ズ量を変化させた場合の耐圧の変化を示す特性図。
【図4】図1に示す高耐圧MOSFETのドレイン電圧とドレイン電流との関係を示す特性図。
【図5】図1に示す高耐圧MOSFETのドレイン電流とゲ−ト電圧との関係を示す特性図。
【図6】本発明の第2の実施例に係るIGBTの断面図。
【図7】図6に示すIGBTのp型バッファ層のド−ズ量をパラメ−タ−とした場合のドレイン電圧とドレイン電流との関係を示す特性図。
【図8】図6に示すIGBTのスイッチング波形を示す特性図。
【符号の説明】
1,21…半導体基板、2,22…SiO2 層、3,23…高抵抗n型活性層、4,24…n型ドリフト層、5,25…p型ドリフト層、6,26…n型ベ−ス層、7…p+ −ドレイン領域、8,28…p+ −ソ−ス領域、9,29…n+ −コンタクト領域、10,30…ゲ−ト絶縁膜、11,31…ゲ−ト電極、12,32…ドレイン電極、13,33…ソ−ス電極、20…p型バッファ層、27…n+ −ドレイン領域。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a method for manufacturing a high voltage semiconductor device, more particularly to a method of manufacturing a p-channel high breakdown voltage semiconductor device of the gate drive system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a power IC in which a high breakdown voltage element such as a high breakdown voltage drive circuit and a low breakdown voltage element such as a low breakdown voltage control circuit are formed on the same substrate is known, and many applications are considered. For example, it is possible to simplify the level shifter or the gate circuit on the high side by creating an inverter circuit using a p-channel MOSFET or IGBT as the high breakdown voltage element.
[0003]
However, the high breakdown voltage drive circuit and the low breakdown voltage control circuit cannot be manufactured by a common process due to the restrictions on the structure of the element. Therefore, they are formed after either one is formed. For example, in a p-channel high withstand voltage MOSFET, since a deep p-well is conventionally formed and an element is formed there as in a DMOS, there is little commonality with a manufacturing process of a logic part. For this reason, the number of processes is large, and a lot of manufacturing time is consumed, resulting in an increase in manufacturing cost.
Further, the conventional high voltage MOSFET has a problem that the breakdown voltage is lowered when the dose of impurities in the active region is increased in order to lower the on-resistance.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the present invention has been made in consideration of the above circumstances, and by simultaneously forming a high withstand voltage drive circuit and a low withstand voltage control circuit, it is possible to significantly reduce the cost and to maintain the on-resistance while maintaining a high withstand voltage. An object of the present invention is to provide a high voltage semiconductor device that can be lowered.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention (claim 1) , an n-type impurity is ion-implanted into an n-type active layer formed on an insulating layer at a dose of 2 × 10 12
[0006]
In the invention (invention 2) , n-type impurities are ion-implanted into the n-type active layer formed on the insulating layer at a dose of 2 × 10 12
[0007]
[Action]
The high breakdown voltage semiconductor device of the present invention has a structure in which a shallow drift region of the second conductivity type is formed on the first conductivity type SOI substrate. In such a structure, compared with the case where the first conductivity type substrate having a uniform impurity concentration is used, it is possible to greatly increase the impurity dose of the first conductivity type active layer, Therefore, it is possible to greatly reduce the on-resistance while maintaining a high breakdown voltage.
[0008]
In addition, since the SOI structure is adopted, it is easy to electrically isolate elements from each other, and therefore, it is very effective against noise.
Furthermore, since the high breakdown voltage semiconductor device of the present invention forms a shallow drift region without forming a second well-type deep well region, this drift region can be formed in the logic portion forming step. As a result, the logic part forming process can be employed in many processes. Therefore, the high breakdown voltage element and the low breakdown voltage logic portion can be formed at the same time, and the number of processes can be reduced and the cost can be greatly reduced.
[0009]
【Example】
Hereinafter, a high voltage semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a high breakdown voltage p-channel MOSFET according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a SiO 2 layer 2 is formed on a
[0010]
p-type p + is the drift layer 5 - the drain region 7, and n-type base - the scan layer 6 p + - source - source region 8 are formed respectively. Note that an n + -contact region 9 for fixing the potential of the
[0011]
A
[0012]
The high breakdown voltage p-channel MOSFET configured as described above is manufactured as follows.
First, an SOI structure in which a SiO 2 layer 2 and a high-resistance n-type
[0013]
Next, using a channel implantation technique for CMOS threshold control, an n-
[0014]
Thereafter, boron is ion-implanted by self-alignment using the gate electrode 11 and the field plate as a mask, and when the p-
[0015]
The manufacturing process described above adopts a process used for forming a CMOS instead of a process used for forming a DMOS which has been conventionally performed. For this reason, it is possible to form a high withstand voltage element and a low withstand voltage element at the same time, including many steps common to low withstand voltage elements such as logic circuits. An example of a manufacturing process of a semiconductor device in which such a high breakdown voltage element (p-channel MOSFET) and a low breakdown voltage element (logic part) are formed simultaneously is shown in FIG.
[0016]
As shown in FIG. 2, it can be seen that among the 13 steps, the steps common to the p-channel MOSFET and the logic part reach 10 steps, and the number of steps and the manufacturing time can be greatly reduced.
[0017]
With respect to the high breakdown voltage p-channel MOSFET configured as described above, the dose amount of the p-
[0018]
As apparent from the graph of FIG. 3, the dose amount of the n-
[0019]
Next, when the breakdown voltage of the MOSFET having a drift length of 60 μm formed on the 15 μm high-resistance n-type
[0020]
When the relationship between the drain voltage and drain current at a gate voltage of 5 V was determined for this MOSFET, the results shown in FIG. 4 were obtained. In this case, the on-resistance was 180 Ω · mm 2 . Further, when the relationship between the drain current and the gate voltage when the source / drain voltage was 3 V was obtained, the result shown in FIG. 5 was obtained.
[0021]
FIG. 6 is a cross-sectional view of an IGBT according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 6, an SiO 2 layer 22 is formed on an n-
[0022]
The p-
[0023]
A
[0024]
The IGBT shown in FIG. 6 can be formed by a method similar to that of the MOSFET shown in FIG. 1 except that the p-
[0025]
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the drain voltage and the drain current when the dose amount of the p-
FIG. 8 is a characteristic diagram showing switching waveforms of the IGBT shown in FIG. FIG. 8 shows that the switching speed is as fast as about 0.5 μsec.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the second conductivity type shallow drift region is formed on the first conductivity type SOI substrate, the first conductivity type substrate having a uniform impurity concentration is used. Compared to the case, it is possible to greatly increase the dose of impurities in the active layer of the first conductivity type. Therefore, it is possible to significantly reduce the on-resistance while maintaining a high breakdown voltage.
[0027]
In addition, since the SOI structure is adopted, it is easy to electrically isolate elements from each other, and therefore, it is very effective against noise.
Further, since the shallow drift region is formed without forming the second conductivity type deep well region, the formation process of the logic part can be adopted in many processes. Therefore, the high breakdown voltage element and the low breakdown voltage logic can be adopted. The portions can be formed at the same time, and the cost can be greatly reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a high voltage MOSFET according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a flow of a manufacturing process for forming the high voltage MOSFET shown in FIG. 1 at the same time as a logic portion.
FIG. 3 is a graph showing a change in breakdown voltage when the dose amount of the n-type drift layer is changed with the dose amount of the p-type drift layer as a parameter in the high breakdown voltage MOSFET shown in FIG. 1; Figure.
4 is a characteristic diagram showing the relationship between the drain voltage and drain current of the high voltage MOSFET shown in FIG.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the drain current and the gate voltage of the high voltage MOSFET shown in FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of an IGBT according to a second embodiment of the present invention.
7 is a characteristic diagram showing the relationship between drain voltage and drain current when the dose of the p-type buffer layer of the IGBT shown in FIG. 6 is a parameter.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a switching waveform of the IGBT shown in FIG. 6;
[Explanation of symbols]
1,21 ... semiconductor substrate, 2, 22 ... SiO 2 layer, 3, 23 ... high-resistance n-type active layer, 4, 24 ... n-type drift layer, 5,25 ... p-type drift layer, 6, 26 ... n-type Base layer, 7... P + -drain region, 8, 28... P + -source region, 9, 29... N + -contact region, 10, 30. -Electrode, 12, 32 ... drain electrode, 13, 33 ... source electrode, 20 ... p-type buffer layer, 27 ... n + -drain region.
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