JP3792734B2 - High voltage semiconductor element - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、誘電体分離構造の高耐圧半導体素子に係わり、特に拡散層形状の改良をはかった高耐圧半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、誘電体分離構造を用いた各種の高耐圧半導体素子が提案されている。図51は、誘電体分離構造を用いた横型の高耐圧ダイオードの従来例である。半導体基板1上に分離絶縁膜2を介してn- 型シリコン層(活性層)3が形成されている。また、活性層3の表面部にp型アノード層5と、これから所定距離離れたn型カソード層6とが形成され、それぞれにアノード電極7,カソード電極8が形成されている。
【0003】
このような横型のダイオードにおいて、例えば基板1及びアノード電極7を接地して、カソード電極8に正の電圧を印加した逆バイアス状態を考える。このとき、n型カソード層6に印加される電圧は、n型カソード層6の下の活性層3に拡がる空乏層と分離絶縁膜2により分担される。従って、n型カソード層6下の活性層部分の厚みが薄いと、ここで大きな電界を分担することになり、n型カソード層6のエッジ部(底部の曲面部付近)で電界集中を起こし、低い印加電圧でアバランシェ降伏を生じる。これを避けて十分な高耐圧を実現するために、従来は、活性層3の厚みを20μm以上とすることが行われていた。
【0004】
しかしながら、活性層厚みが大きいと、V字溝等により横方向の素子分離を行うと深い分離溝が必要になり、分離溝領域の面積が大きいものとなる。従って、加工が困難になるのみならず、ウェハ上の素子の有効面積が小さくなり、結果的に高耐圧素子の集積回路のコストが増大する。
【0005】
一方、誘電体分離構造は、高耐圧素子とロジック回路を同一基板上に作成することを可能とする。その場合、絶縁膜上に形成された半導体層(活性層)に素子を形成するSOI(Silicon on insulator) 技術によれば、高耐圧素子とロジック回路とを完全に分離することが可能である。
【0006】
このようなSOI基板を用いた半導体装置は、活性層の厚さを0.3μm以下に薄くしたとしても、絶縁膜のため、縦方向に高耐圧が得られることが知られており、かつトレンチ溝を用いた素子分離が可能であるため、この素子分離構造は、パワ−ICにおいて有力な構造となっている。
【0007】
しかし、このように活性層が薄い場合、横方向の耐圧を高くするためには、活性層内のnドリフト領域の不純物ド−ピング濃度を下げなければならず、そうするためには200μm以上のnドリフト領域の長さが必要とである。このことを避けるため、例えば図57に示すように、ドリフト領域に沿ってSIPOS(semi-insulating polycrystalline silicon)層18を形成することにより、横方向の電界強度を一様にする方法や、特開平4−309234号に開示されているように、横方向に線形のド−ピング濃度分布を形成する方法等が考えられる。しかし、これらの方法は特殊な工程を必要とし、その実施は困難である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の誘電体分離構造の高耐圧半導体素子では、活性層が薄いと十分な耐圧が得られず、活性層を厚くすると横方向の素子分離が困難になる、といった問題点があった。
【0009】
また、ドリフト領域においては、活性層が薄い場合、横方向の耐圧を高くするためには、活性層内のnドリフト領域の不純物ド−ピング濃度を下げなければならず、そうするためにはnドリフト領域の長さを長くすることが必要となり、素子の微細化が困難となるという問題があった。
【0010】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、薄い活性層で十分な高耐圧特性を得ることを可能とした誘電体分離構造の高耐圧半導体素子を提供することにある。
【0011】
本発明の他の目的は、ドリフト領域の長さを長くすることなく十分な高耐圧特性を得ることを可能とした誘電体分離構造の高耐圧半導体素子を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の骨子は、拡散層の形状を工夫することにより、拡散層のエッジ部(特に底部の曲面部付近)における電界集中を緩和させることにある。
【0013】
即ち、第1の発明の第1の態様は、半導体基板と、この半導体基板上に形成された絶縁層と、この絶縁層上に形成された、第1導電型の高抵抗半導体からなる活性層と、この活性層内に形成された第1導電型の第1の不純物層と、前記活性層内に形成され、前記第1の不純物層と所定距離おいて形成された第2導電型の第2の不純物層と、前記第1の不純物層上に形成された第1の電極と、前記第2の不純物層上に形成された第2の電極とを具備してなり、前記第1の不純物層は、拡散窓の幅又は拡散深さの少なくとも一方が異なる、相互に重ねられた複数の拡散層を含み、前記第1の不純物層及び第2の不純物層は、前記活性層の底部に達していることを特徴とする高耐圧半導体素子を提供する。
また、第1の発明の第2の態様は、半導体基板と、この半導体基板上に形成された絶縁層と、この絶縁層上に形成された、第1導電型の高抵抗半導体からなる活性層と、この活性層内に形成された第1導電型の第1の不純物層と、前記活性層内に形成され、前記第1の不純物層と所定距離おいて形成された第2導電型の第2の不純物層と、前記第1の不純物層内に形成された第2導電型の第3の不純物層と、前記第3の不純物層上に形成された第1の電極と、前記第2の不純物層上に形成された第2の電極とを具備してなり、前記第1の不純物層は、拡散窓の幅又は拡散深さの少なくとも一方が異なる、相互に重ねられた複数の拡散層を含み、前記第1の不純物層及び第2の不純物層は、前記活性層の底部に達していることを特徴とする高耐圧半導体素子を提供する。
【0014】
また、第1の発明の望ましい実施態様としては、次のものが上げられる。
【0015】
(1)第1導電型及び第2導電型の不純物層間において、活性層上に高抵抗体膜を形成する。
【0016】
(2)活性層の不純物総量を、1×1010cm−2〜2×1012cm−2の範囲に設定する。
【0017】
第2の発明は、半導体基板と、この半導体基板上に絶縁膜を介して形成された、高抵抗半導体からなる0.3μm以下の厚さを有する活性層とを具備する高耐圧半導体素子において、前記活性層は、横方向の不純物濃度分布が、それぞれガウス分布である2〜10段の階段状であって、各階段の間隔が拡散長の2倍以上であることを特徴とする。
【0018】
【作用】
誘電体分離構造の高耐圧半導体素子において、第2導電型の不純物層と基板を接地した状態で、第1導電型の不純物層に逆バイアスとなる高電圧が印加されたとする。このとき、第1導電型の不純物層に印加される電圧は、縦方向には活性層と絶縁膜によって分担される。ここで、第1導電型の不純物層の底部の曲面部付近で電界集中が生じると、低い電圧でアバランシェ降伏が生じる。
【0019】
第1の発明では、第1導電型の不純物層を、拡散窓の幅や拡散深さを変えながら2重以上の拡散層に形成することにより、拡散層底部の曲面部付近での電界集中を緩和させることができる。つまり、活性層内部の電界集中、特に拡散層底部曲面部付近での電界集中を緩和することができ、従来にない高耐圧の素子が実現可能となる。さらに、活性層の厚さを薄くすることができることから、横方向の素子分離も容易となる。
【0020】
また、第1導電型及び第2導電型の不純物層を絶縁膜に至る深さまで形成することにより、第1導電型の不純物層に印加される電圧を絶縁膜のみに分担させることができ、活性層の縦方向電界が小さく抑えられる。また、活性層の表面に高抵抗体膜を設けることにより、該膜内に形成される一様な電位分布に従って、活性層表面の横方向電位分布を均一なものとすることができる。これらにより、活性層内部の電界集中を効果的に緩和することができ、薄型で従来にない高耐圧の素子が実現可能となる。
【0021】
第2の発明では、一般的な不純物拡散技術を複数回行なうことにより、活性層の横方向の濃度分布を階段状とし、それによって活性層の厚さが0.3μm以下であっても、ドリフト領域の長さを長くすることなく高耐圧を達成することが可能な誘電体分離半導体素子が提供される。
【0022】
第2の発明に係る誘電体分離半導体素子が高耐圧を示すのは、以下のような原理に基づくものと考えられる。
【0023】
横方向をx軸、縦方向をy軸とする。活性層の厚さが0.3μm以下であれば、不純物を拡散させたときの縦方向のの不純物濃度分布はほぼ一様であると考えられる。そこで、横方向の不純物濃度分布をガウシアン分布と仮定すると、次式で与えられる。
【0024】
n(x,y)=no exp(−x2 /a2 )
ここでaは拡散長(a=2Dt 1/2 、n0 は階段部分における不純物濃度の差を表わす。このとき、濃度勾配の最大値Δnmax は、x=a・2-1/2において得られて、下記式に示すようになる。
【0025】
横方向及び縦方向の電界強度は、ポアソン方程式を解くことによって得られる。 n(x)=(εs /q)(dEx /dx +dEy /dy )
ここでεs はSiに対する誘電率、qは素電荷である。素子のアバランシェ耐圧を求めるためには、下記数2に示すようにイオン化積分を行う。
【0026】
I=∫α(E)dX
ここでα(E)はイオン化係数であって、次式で求められる。
【0027】
α(E)=A・exp(−B/E)
ここでA及びBは定数である。一般にポアソン方程式及びイオン化積分は解析的に求めることが出来ないので、数値計算を行う。この結果、n0 とaには次式で示される関係があることがわかった。
【0028】
n0 /a1/2 ≦1×1019
従って、濃度勾配の最大値Δnmax が次式を満足することが必要である。
【0029】
Δnmax ≦0.85776×1019/a1/2
一方、階段のステップ部分では、横方向の電界強度は段差部分と比べて非常に小さいので、階段の間隔を小さくするほうがよい。しかし、階段の間隔が小さ過ぎると、隣接する階段間で干渉が生じ、電界が強くなってしまう。従って、階段間の間隔は、拡散長の2倍以上、好ましくは3〜4倍程度とするのがよい。
【0030】
拡散長を変化させたときのブレ−クダウン電圧を図52に、拡散数を変化させたときのブレ−クダウン電圧を図53にそれぞれ示す。これらの図から、第2の発明によると、ドリフト領域の長さを長くすることなく、高耐圧の誘電体分離半導体素子を実現することが可能である。
【0031】
【実施例】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【0032】
図1は、本発明の第1の実施例に係わる高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図である。シリコン基板10上に、シリコン酸化膜(分離絶縁膜)11を介して、n- 型の高抵抗シリコン層(活性層)12が形成されている。この構造は、例えばシリコン基板10の表面にシリコン酸化膜11を形成し、これに表面が鏡面に研磨された別のシリコン基板を直接接着し、該基板を薄く加工することにより形成される。また、シリコン酸化膜11は1〜5μm程度の厚さとする。n- 型活性層12は、不純物総量が1×1010cm-2〜2×1012cm-2の範囲、より好ましくは0.5〜1.8×1012cm-2の範囲に設定されており、その厚さは約10μmとした。
【0033】
活性層12には、所定距離離れてp型アノード層13とn型カソード層14が形成されている。p型アノード層13とn型カソード層14は、図示のように活性層底部のシリコン酸化膜11に達する深さまで拡散形成されている。さらに、n型カソード層14は拡散窓の幅と拡散深さを変えて3重の拡散層14a,14b,14cとなっている。14a以外の拡散層、即ちここでは14b,14cの拡散層の不純物総量は1×1011cm-2〜3×1012cm-2の範囲に設定する。p型アノード層13とn型カソード層14にはそれぞれ、アノード電極15,カソード電極16が形成されている。これらの電極15,16間の活性層12上には、シリコン酸化膜17を介して、高抵抗体膜18が配設されている。高抵抗体膜18は、例えばSIPOS(Semi-Insulating Polycrystalline Silicom )であり、この高抵抗体膜18の両端部は電極15,16にそれぞれ接続されている。そして、高抵抗体膜18の表面は、保護膜としてのシリコン酸化膜19により覆われている。
【0034】
このような構成において、p型アノード層13と基板10を接地して、n型カソード層14に正の高電圧を印加した場合について考える。n型カソード層14は、活性層底部に達する深さに形成されていることから、縦方向には、n型カソード層14に印加されている電圧は全てシリコン酸化膜11で分担される。ここで、シリコン酸化膜11は活性層12に比較してその耐圧が十分に高いものである。
【0035】
また、アノード・カソード間電圧により、活性層12の表面に形成された高抵抗体膜18には微小電流が流れて、横方向に一様な電位分布が形成される。この高抵抗体膜18内の電位分布の影響を受けて、高抵抗体膜直下の活性層表面も横方向に一様な電位分布が形成される。さらに、n型カソード層14を3重に拡散することで、拡散層底部の曲面部分での不純物濃度勾配が緩和され、この影響で等電位線の間隔が拡がり、極端な電界集中が防げる。以上の結果、素子内部の電界集中は緩和され、高耐圧が実現される。
【0036】
なお、上記のような構成においては、活性層12の不純物総量を変えると耐圧も変わる。図23は、活性層12の不純物総量と耐圧との関係を示す特性図である。不純物総量が1×1010cm-2以上では不純物総量が大きくなるほど耐圧は高くなり、不純物総量が3×1012cm-2を越えると耐圧が急激に低下する。従って活性層12の不純物総量としては、1×1010cm-2〜2×1012cm-2の範囲が望ましい。
【0037】
このように本実施例によれば、n型カソード層14を3重拡散により形成すると共に、シリコン酸化膜11に達する深さまで形成し、さらに活性層12の上に高抵抗体膜18を形成することにより、素子内部の電界集中を緩和することができ、活性層12を薄くしても高耐圧のダイオードを実現することができる。
【0038】
第1の実施例における変形例を、図2〜図10に示す。図2は、第1の実施例において、p型アノード層13をシリコン酸化膜11より浅く形成したものである。図3は、n型カソード層14をシリコン酸化膜11より浅く形成したものである。図4は、p型アノード層13及びn型カソード層14を、共にシリコン酸化膜11より浅く形成したものである。このような構成であっても、n型カソード層14のエッジ部における電界集中が緩和されるため、第1の実施例と同様な効果が得られる。
【0039】
図5は、n型カソード層14の深さはシリコン酸化膜11に達する深さで一定とし、3重拡散における横方向の拡散窓の長さを変えたものである。ここで、14a,14b,14cは順に不純物濃度が薄くなっている。このような構成であっても、横方向の等電位線の間隔を拡げることにより、極端な電界集中が防ぐことができ、第1の実施例と同様に効果が得られる。なお、不純物濃度の異なる複数回の拡散を行う代わりに、不純物濃度を連続的に可変してもよい。
【0040】
図6は、図5の構成に加えて図2の考えを適用したものである。図7は、n型カソード層14を3重拡散ではなく、2重拡散で形成したものである。
【0041】
図8は、高抵抗体膜18を電極15,16と共にp型アノード層13,n型カソード層14に直接接続したものである。図9は、高抵抗体膜18を活性層12上に直接形成したものである。この場合であっても、高抵抗体膜18の抵抗が十分に高いため、アノード層13,カソード層14間が短絡されることはなく、これらの間の電位分布を均一化することができる。
【0042】
図10は高抵抗体膜18を用いることなく、活性層12上に保護絶縁膜19のみを形成したものである。この場合、高抵抗体膜18による電位分布の均一化はできないが、n型カソード層14を3重拡散により形成し、さらに拡散深さをシリコン酸化膜11に達する深さに形成していることから、これらによる電界集中の緩和効果が得られる。
【0043】
図11は、本発明の第2の実施例に係わる高耐圧MOSトランジスタの素子構造を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【0044】
基板10上にシリコン酸化膜11を介してn- 型活性層12が形成される構造は図1と同様である。活性層12の不純物総量も第1の実施例と同様である。活性層12には、第1の実施例におけるp型アノード層13,n型カソード層14に対応するp型ベース層23,n型ドレイン層24が形成されている。
【0045】
p型ベース層23内にはn型ソース層22が形成され、このn型ソース層22とn- 型活性層12により挟まれたp型ベース層23の表面部をチャネル領域として、この上に60nm程度のゲート酸化膜を介してゲート電極21が形成されている。
【0046】
p型ベース層23とn型ドレイン層24により挟まれた活性層の表面には、第1の実施例と同様に、シリコン酸化膜17を介して高抵抗体膜18が形成されており、高抵抗体膜18の上はシリコン酸化膜19で覆われている。
【0047】
ソース電極25はn型ソース層22とp型ベース層23に同時にコンタクトするようにこれらの上に形成され、ドレイン電極26はn型ドレイン層24上に形成されている。高抵抗体膜18の端部は、ゲート電極21とドレイン電極26とにそれぞれ接続されている。ここで、ゲート電極21はオフ時には0Vで接地と同じであり、オン時でもドレイン電極26に掛かる高電圧よりも十分に低い電圧であるので、高抵抗体膜18はゲート電極21とドレイン電極26との間に接続しても、第1の実施例と同様の機能を果たす。
【0048】
この実施例のMOSFETも、n型ドレイン層24の3重拡散、シリコン酸化膜11に達する拡散、及び高抵抗体膜18の作用により、第1の実施例のダイオードと同様に優れた高耐圧特性が得られる。
【0049】
第2の実施例における変形例を、図12〜図16に示す。図12は、n型ソース層22を酸化膜11に達する深さまで形成したものである。図13は、高抵抗体膜18を活性層12上に直接形成したものである。図14は、高抵抗体膜18をゲート電極21ではなく、ソース電極25に接続したものである。
【0050】
図15は、高抵抗体膜18のドレイン側端部を不純物ドープの多結晶シリコン膜28を介してドレイン電極26に接続したものである。ここで、高抵抗体膜18とドレイン電極26とのコンタクト抵抗は大きいが、高抵抗体膜18と不純物ドープ多結晶シリコン膜28とのコンタクト抵抗は極めて小さく、またドレイン電極26と不純物ドープ多結晶シリコン膜28とのコンタクト抵抗も極めて小さいため、不純物ドープ多結晶シリコン膜28を介在させることにより、高抵抗体膜18とドレイン電極26とのコンタクト抵抗を小さくすることができる。
【0051】
図16は、高抵抗体膜18を省略したものである。また、図には示さないが、第1の実施例における図2〜図4と同様に、p型ベース層23やn型ドレイン層24等をシリコン酸化膜11よりも浅く形成してもよい。さらに、図5の例と同様に、n型ドレイン層24を、3重拡散における横方向の拡散窓の長さを変え、拡散深さを一定としてもよい。
【0052】
図17は、本発明の第3の実施例に係わるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor )の素子構造を示す断面図である。なお、図11と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【0053】
基本的な構成は図11と同様であるが、この実施例では図11のn型ドレイン層24に相当するものがn型ベース層34であり、このn型ベース層34内にp型ドレイン層36が形成されている。
【0054】
このような構成であれば、バイポーラトランジスタとパワーMOSFETを1つのチップ内にモノリシックで複合化した横型のIGBTを実現することができる。そしてこの場合、第1の実施例と同様に、n型ベース層34の3重拡散,シリコン酸化膜11に達する拡散,及び高抵抗体膜18の作用により、n型ベース層34のエッジ部における電界集中を緩和することができ、耐圧向上をはかることができる。
【0055】
第3の実施例における変形例を、図18〜図22に示す。図18は、図12の例と同様にn型ソース層22及びp型ドレイン層36がシリコン酸化膜11に達する深さとなるように活性層12を薄くしたものである。このとき、p型ドレイン層36がシリコン酸化膜11に接しているため、活性層底部にp型反転層によるチャネルが形成されることがある。これを防ぐには、n型ベース層34の不純物濃度を高く設定する必要があり、具体的にはn型ベース層34の不純物濃度が1×1017cm-3以上であればよい。または、図17の例のようにp型ドレイン層36がシリコン酸化膜11に達していない構成であれば、活性層底部のp型反転層によるチャネル形成を避けることができる。
【0056】
図19は、高抵抗体膜18を活性層12上に直接形成したものである。図20は、高抵抗体膜18をゲート電極21ではなく、ソース電極25に接続したものである。
【0057】
図21は、高抵抗体膜18のドレイン側端部を不純物ドープの多結晶シリコン膜28を介してドレイン電極26に接続したものである。この場合も、図15の例と同様に、不純物ドープ多結晶シリコン膜28を介在させることにより、高抵抗体膜18とドレイン電極26のコンタクト抵抗を小さくすることができる。
【0058】
図22は、高抵抗体膜18を省略したものである。また、図には示さないが、第1の実施例における図2〜図4と同様に、p型ベース層23やn型ベース層34等をシリコン酸化膜11よりも浅く形成してもよい。さらに、図5の例と同様に、n型ベース層34を、3重拡散における横方向の拡散窓の長さを変え、拡散深さを一定としてもよい。
【0059】
次に、本発明の別の実施例について説明する。図24は、第4の実施例の概略構成を示す断面図である。この実施例は、横型IGBTの例である。シリコン基板50上にシリコン酸化膜51を介して、厚さ5μm以下のn- 型高抵抗シリコン層(活性層)52が形成されている。
【0060】
シリコン酸化膜51は1〜5μm程度の厚さとする。活性層52に、シリコン酸化膜51に達する深さで所定距離離れてpベース53層,nベース層(バッファ層)54を拡散により形成する。さらに、pベース層53中にn+ 型ソース層55を、nベース層54中にp+ 型ドレイン層56を拡散により形成する。n+ 型ソース層55とn- 型活性層52により挟まれたpベース層53の表面部をチャネル領域として、この上に60nm程度のゲート酸化膜を介してゲート電極57が形成されている。ソース電極58はn+ 型ソース層55とpベース層53に同時にコンタクトするように形成され、ドレイン電極59はp型ドレイン層56にコンタクトするように形成されている。また、電極58,59間の活性層52上には絶縁保護膜60が形成されている。
【0061】
図25は、図24の構成でn型活性層52を厚く形成しn型バッファ層54の底部にn型活性層52が残るようにしたものである。n型活性層52の表面にn型バッファ層54が形成され、その中にp型ドレイン層56が形成されている。n型バッファ層54はパンチスルーを防いで耐圧を高める働きをする。また、p型ドレイン層56からの正孔の注入効率を下げる働きがあるため、素子のオン抵抗が高くなる代わりにターンオフ速度は速くなる。
【0062】
この構造の素子のn型活性層52の厚さとオン抵抗,100A/cm2 の電流を流したときのオン抵抗及びターンオフ時のフォールタイムの関係を図26に示す。破線の部分はシミュレーション結果である。n型活性層52が薄くなるとオン抵抗は少しずつ高くなるが、ターンオフ速度は著しく速くなる。特に、厚さ10μm以下になるとその効果は顕著である。一方、薄くし過ぎるとオン抵抗が急激に上がってしまうので、n型活性層52の厚さを4μm以上10μm以下の範囲に設定することが望ましい。
【0063】
図27は、図24の構造を基本として、活性層52の表面全体からn型不純物層61を拡散した実施例である。活性層52の厚さは10μm以下、好ましくは5μm以下とする。この構造では、活性層52中に縦方向の濃度勾配がつき、活性層底部での電界集中が効果的に緩和されてトレードオフの向上と共により高耐圧が得られる。
【0064】
図28は、図27の構造でn- 型活性層52の代わりにp- 型の活性層62を用いた実施例であり、活性層62の表面全体からn型不純物層61を拡散してある。この場合も、図24の実施例と同様の理由で高耐圧が得られる。
【0065】
図29は、図24の構造を基本として、活性層52の底面全体からn型不純物層63を拡散した実施例である。この構造でも、活性層52中に縦方向の濃度勾配がつき、活性層底部での電界集中が緩和されてトレードオフの向上と共に高耐圧が得られる。
【0066】
図30は、図24の構造を基本として、nベース層54を拡散窓の幅を変え2重以上に拡散した実施例である。この構造でも2重以上の拡散層54′,54″の効果により横方向の電界が緩和され、図27の実施例と同様にトレードオフの向上と共に高耐圧が得られる。
【0067】
図31〜図33は、図30の構造を基本として、図27〜図29の例と同様の活性層の変形を行った実施例である。これらの構造でも、図30の実施例と同様にトレードオフの向上と共に高耐圧が得られる。
【0068】
図34は、図24の構造で一部変形したサイリスタの実施例である。なお、図34において図24と異なる符号77はゲート、78はカソード、79はアノードである。本発明は、他の横型構造の高耐圧素子、例えば、EST,MCT,GTOなどに適用することも可能である。
【0069】
図35は、図25の実施例においてドレイン部分を変形した横型IGBTの例である。p型ドレイン層56の表面に高濃度のn型層65とp型層66が形成され、ドレイン電極59はこれらの両方にコンタクトしている。n型層65は正孔の注入効率を制限するために設けられたもので、ターンオフを速くする働きがある。平面的にはn型層65は1本のストライプ状でも複数に分かれた島状でもよい。p型層66はドレインのコンタクトを良くするために設けられているが、なくてもよい。この実施例においても、n型活性層52が薄く、好ましくは10μm以下に設定されていることにより、ターンオフ速度がさらに速くなっている。
【0070】
図36も、図25の実施例のドレイン部分を変形したものである。n型バッファ層54の一部がドレイン電極59とコンタクトしているアノードショート型のIGBTであり、ターンオフ速度が速くなっている。さらに、n型活性層52が薄く設定されていることにより、ターンオフ速度がより速くなっている。この実施例では、n型バッファ層54とドレイン電極59のコンタクト部分に、コンタクト抵抗を下げるための高濃度のn型層を設けてもよい。
【0071】
図37は、図25の実施例を変形したものである。n型活性層52の底部に、n型活性層52よりも不純物濃度の高いn型層67が形成されている。一般に、n型活性層52の厚さが薄くなると、電圧印加時にドレインの下での縦方向の電界が強くなり、耐圧が低くなる。図37の素子ではn型層67が空乏化して生じる空間電荷により、酸化膜51中の電界が大きくなる代わりに活性層52中の電界が緩和されるので、高耐圧が保たれる。この実施例でも、n型活性層52が薄いことにより、速いターンオフ速度が得られる。
【0072】
図38は、図25の実施例を変形したものである。酸化膜51の上はp型シリコン層68であり、その表面にn型活性層52が拡散形成され、そこに素子が作られている。n型活性層52を含めたp型半導体層68の厚さを薄く、望ましくは10μm以下に設定していることにより、ターンオフ速度の速い横型IGBTが得られている。
【0073】
図39は、図25の実施例を変形したものである。図38の例と同じく酸化膜51によってシリコン基板(支持基板)50から分離されたp型シリコン層68の表面にn型活性層52が拡散形成され、そこに図35と同じ構成の素子が形成されている。
【0074】
図40は、図25の実施例を変形したものであるが、これまでの変形例とは異なる誘電体分離基板を用いている。高耐圧化をはかるためにn型活性層52と酸化膜51との間にSIPOS膜69が設けられている。これは、SIPOS膜69以外の高抵抗膜や高誘電率膜でもよい。この実施例においても、n型活性層52を薄く設定していることにより、ターンオフ速度が速くなっている。
【0075】
なお、図24,25,27〜40の実施例において、導電型を全て反対にしたpチャネル横型IGBTに適用できるのは勿論である。
【0076】
次に、本発明の第5の実施例について説明する。図41は、第5の実施例に係わる高耐圧ダイオードを示す素子構造断面図である。シリコン基板10上にシリコン酸化膜11を介してn- 型の高抵抗シリコン活性層12が形成されている。シリコン活性層12に所定距離離れてアノード領域となる高不純物濃度のp+ 型層13と、カソード領域となる高不純物濃度層のn+ 型層14が形成されている。p+ 型層13にはアノード電極15が形成され、n+ 型層14にはカソード電極16が形成されている。そして、シリコン活性層12の底部にはn型バッファ層71が形成されている。
【0077】
このように構成された高耐圧ダイオードにおいて、基板10及び電極15を接地して電極16に正の電位を印加すると、pn接合は逆バイアスされてシリコン活性層12内に空乏層が広がる。酸化膜11とシリコン活性層12の界面からも上に向かって空乏層が広がる。印加電圧がある値以上になると、シリコン活性層12は空乏層で満たされた状態になり、シリコン活性層12内にはn+ 型層13から下方に向かう強い電界が生じる。
【0078】
また、シリコン活性層12の底部に形成したn型バッファ層71は逆バイアスを与えてバッファ層71が空乏化すると、ここに正の空間電荷が生じる。この空間電荷がシリコン活性層12内の電界を緩和する働きをする結果、シリコン活性層底部の中間酸化膜でより多くの印加電圧が分担され、高耐圧特性が得られる。このバッファ層71の不純物総量は3×1012cm-2以下、より望ましくは5×1011〜2×1012cm-2となるように設定される。
【0079】
図43は、このn型バッファ層71の拡散長2×(Dt)1/2 と素子の耐圧との関係を示したものであり、各々の拡散長において不純物ドープ量を最適にしている。これは、n型バッファ層71の不純物総量を決めると得られるカーブである。拡散長が1/2000cmより小さい範囲では拡散長が短くなるにつれて耐圧の向上が見られ、かつ高耐圧が得られている。また、200V系で動作させるには500Vの耐圧を保証しなければならないが、拡散長が1/4000cmより小さい範囲であれば500V以上の高耐圧を得ることが可能となる。
【0080】
図42は、図41の構造を基本として、シリコン活性層12の底部のn型バッファ層71を選択的に形成したものである。印加電圧はドレイン直下部分のシリコン活性層12により大きく掛かってくるわけだから、この部分のみ選択的にn型バッファ層72を形成して電界を緩和すれば高耐圧が得られる。
【0081】
図44は、図41の構造に対して活性層12の厚さが薄い場合の例である。活性層12が薄いとn型不純物層が活性層下の酸化膜に達するが、この場合もn型バッファ層を活性層底部に形成した方が高耐圧が得られる。
【0082】
図45は,図42の構造に対して活性層12の厚さが薄い場合の例である。n型不純物層が酸化膜に達している構造でも、選択的にn型バッファ層を入れて同様の効果が得られる。
【0083】
このように本実施例によれば、拡散長の短いn型バッファ層を活性層底部に形成することによって、薄い活性層で十分な高耐圧を得ることができる。また、本実施例のように活性層の下にn型バッファ層を設ける構成は、図1〜図10に示す第1の実施例に適用することも可能である。
【0084】
次に、本発明の別の実施例について説明する。この実施例は、誘電体分離基板に高速ダイオードを形成したものである。
【0085】
図46は第6の実施例に係わる高速ダイオードを示す素子構造断面図である。半導体基板81と高抵抗のn型半導体基板82の間に絶縁膜83を形成して誘電体分離基板が構成されている。誘電体分離基板の高抵抗のn型半導体基板82の表面にp型のアノード層84,n型のカソード層85が形成され、アノード層84の表面にはアノード電極86が、カソード層85の表面にはカソード電極87が形成されている。
【0086】
ここまでは従来構造と同じであるが、本実施例ではこれに加えて、アノード層84にn+ 型の不純物層88を選択的に形成し、カソード層85にp+ 型の不純物層89を選択的に形成し、アノード電極86はアノード層84及びn+ 型の不純物層88の双方にオーミックコンタクトし、カソード電極87はカソード層85及びp+ 型の不純物層89の双方にオーミックコンタクトするようになっている。そして、アノード層84,カソード層85が形成される半導体基板82の厚さは2〜10μmに設定してある。
【0087】
図47は、誘電体分離基板に形成したダイオードのオン電圧Vf 及び逆回復時間trrと半導体基板82の厚さts の関係を示す。逆回復時間trrは基板82の厚さts が薄くなるほど短くなり、ts ≦10μmになるとtrr≦0.3μsec を満足することが認められた。しかし、オン電圧Vf はts ≦2μmになると急激に上昇することが分かった。このことから、半導体基板82の厚さts は2〜10μmに設定すれば、電子線照射などのライフタイムコントロールをすることなく逆回復時間の高速化をはかったダイオードを実現することができる。
【0088】
次に、本発明の第7の実施例について説明する。この実施例は、半導体基板の中間に絶縁膜層を有する誘電体分離半導体基板に関する。図48は、第7の実施例に係わる誘電体分離半導体基板の構成を示し、(a)は裏面から見た平面図、(b)そのA−A′断面図である。2枚のシリコン基板91,93が酸化膜92を介して一体化され、シリコン基板91の表面は所定の厚さまで研磨されている。そして、シリコン基板93には格子状の溝94が形成され、この溝94に酸化膜95を埋め込んだ構造にしてある。
【0089】
図49にこの誘電体分離半導体基板の製造工程を示す。シリコン直接接合後、図49(a)に示すようにシリコン基板93に幅数μm、望ましくは1μm以下、深さ数μm〜数十μmの格子状の溝94を形成する。続いて、図49(b)に示すように、この溝94を酸化膜95で埋め込む。このとき、溝幅を約1μm以下にしておけば、熱酸化で溝94を完全に埋め込むことができる。この後、図49(b)に示すように、シリコン基板91の表面を所定の厚さまで研磨する。
【0090】
この誘電体分離半導体基板では、シリコン基板93を挟むように酸化膜92と酸化膜95が形成されているから、基板の反りは小さく抑えることができる。また、素子形成時の基板表面に形成した酸化膜を除去する工程においても、酸化膜95が除去されるのはその表面だけであり、溝94内には酸化膜95は残る。従って、従来のような裏面の酸化膜が除去されないように保護膜を設ける必要がなく、工程を簡略化することができる。
【0091】
このように本実施例によれば、中間酸化膜の厚さを厚くしても反りの小さな誘電体分離半導体基板を実現することができ、工程の簡略化がはかられ、低コストのパワーICの実現に寄与することが可能となる。
【0092】
図50は、図48の実施例の変形例である。図48と異なる点は、酸化膜95の表面に減圧CVD法によりポリシリコン96を形成したことである。この実施例は、溝94の幅が1μm以上のとき有効である。溝94の幅が1μm以上になると、熱酸化だけで溝94を埋め込むことは困難になる。そこで、埋め込み不足を生じた部分をポリシリコン96で埋め込んだものである。また、この実施例では基板の裏面がポリシリコン96であることから、素子形成時の酸化膜を除去する工程においても、酸化膜95は全く除去されない利点がある。
【0093】
第7の実施例では、半導体基板にシリコン、絶縁膜に酸化膜を用いて説明したが、本発明はこれに限らず他の材料を用いても適用することが可能である。また、本実施例では2枚の半導体基板を直接接合して得られる誘電体分離半導体基板を用いたが、他の方法で得られる誘電体分離半導体基板を用いた場合も有効である。 図54は、本発明の第8の実施例に係る誘電体分離半導体素子の一例を示す断面図である。シリコン基板101上に、シリコン酸化膜(分離絶縁膜)102を介して、n- 型の高抵抗シリコン層(活性層)103が形成されている。シリコン酸化膜102の厚さは3μm、n- 型活性層103の厚さは0.1μmである。n- 型活性層103の不純物濃度は1.0×1017/cm3 である。n- 型活性層103には、ドレイン領域104、ソ−ス領域105がそれぞれ形成され、これらドレイン領域104、ソ−ス領域105の上には、それぞれドレイン電極106、ソ−ス電極107が形成されている。なお、参照数字108、109はそれぞれ絶縁膜、ゲ−ト電極である。
【0094】
n- 型活性層103の横方向の不純物濃度分布は、3段の階段状となっている。この階段状の不純物濃度分布は、次のようにして得ることが出来る。
【0095】
即ち、n- 型活性層103の上に第1のマスクを形成し、2×1012cm-2のド−ズ量で燐をイオン注入する。次いで、横方向の開口部が第1のマスクよりも広い第2のマスクを用いて、2×1012cm-2のド−ズ量で燐をイオン注入する。更に、横方向の開口部が第2のマスクよりも広い第3のマスクを用いて、2×1012cm-2のド−ズ量で燐をイオン注入する。なお、マスクの横方向の開口部の差は、いずれも拡散長の2倍以上、好ましくは3〜4倍である。
【0096】
次いで、約1200℃で熱処理して、イオン注入した燐を拡散させることにより、図55に示すような、横方向に3段の階段状の不純物濃度分布が得られる。図54に示す誘電体分離半導体素子のアバランシェ耐圧を測定したところ、700Vであった。
【0097】
図54に示す例では、階段状不純物濃度分布の段数を3段としたが、2〜10段の範囲で適宜変えることが可能である。段数を増やした場合には、拡散長を小さくしても同様の耐圧を得ることが出来る。一方、段数を減少させた場合には、拡散長を大きくする必要がある。
【0098】
図55は、半導体素子の耐圧をパラメ−タ−とした場合の、階段数とそれに対応する拡散長との関係を示すグラフである。図中の曲線は、下記の式で表される。
【0099】
(n+1)[a+(Vb/200)+1.5]=Vb 2 /13600
式中、Vbは耐圧(V)、aは拡散長(μm)、nは段数を示す。
【0100】
以上説明したように、本発明の第8の実施例によると、活性層の厚さが0.3μm以下であっても、ドリフト領域の長さを大きくすることなく、高耐圧の横型誘電体分離半導体素子を実現することが可能である。
【0101】
【発明の効果】
以上詳述したように第1の発明によれば、2重以上の拡散により拡散層の形状を工夫することにより、拡散層のエッジ部(特に底部の曲面部付近)における電界集中を緩和させることができ、これによって薄い活性層で十分な高耐圧特性を得ることを可能とした誘電体分離構造の高耐圧半導体素子を実現することが可能となる。
【0102】
また、第2の発明によれば、活性層の厚さが0.3μm以下であっても、活性層の横方向の不純物濃度分布を、それぞれガウス分布である2〜10段の階段状とし、各階段の間隔を拡散長の2倍以上とすることによって、ドリフト領域の長さを大きくすることなく、高耐圧の横型誘電体分離半導体素子を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係わる高耐圧ダイオードの素子構造を示す断面図。
【図2】第1の実施例でp型アノード層を酸化膜よりも浅く形成した例を示す断面図。
【図3】第1の実施例でn型カソード層を酸化膜よりも浅く形成した例を示す断面図。
【図4】第1の実施例でp型アノード層及びn型カソード層を酸化膜よりも浅く形成した例を示す断面図。
【図5】第1の実施例でn型カソード層の3重拡散深さを一定とした例を示す断面図。
【図6】図5の例でp型アノード層を酸化膜よりも浅く形成した例を示す断面図。
【図7】第1の実施例においてn型カソード層を2重拡散で形成した例を示す断面図。
【図8】第1の実施例で高抵抗体膜をp型アノード層及びn型カソード層に接続した例を示す断面図。
【図9】第1の実施例において高抵抗体膜を活性層上に直接形成した例を示す断面図。
【図10】第1の実施例で高抵抗体膜を省略した例を示す断面図。
【図11】本発明の第2の実施例に係わる高耐圧MOSFETの素子構造を示す断面図。
【図12】第2の実施例でn型ソース層を酸化膜に達するよう形成した例を示す断面図。
【図13】第2の実施例で高抵抗体膜を活性層上に直接形成した例を示す断面図。
【図14】第2の実施例で高抵抗体膜の両端を電極に接続した例を示す断面図。
【図15】第2の実施例で高抵抗体膜の一端を不純物ドープ多結晶シリコン膜を介して電極に接続した例を示す断面図。
【図16】第2の実施例において高抵抗体膜を省略した例を示す断面図。
【図17】第3の実施例に係わる横型IGBTの素子構造を示す断面図。
【図18】第3の実施例でn型ソース層及びp型ドレイン層を酸化膜に達する深さまで形成した例を示す断面図。
【図19】第3の実施例で高抵抗体膜を活性層上に直接形成した例を示す断面図。
【図20】第3の実施例で高抵抗体膜の両端を電極に接続した例を示す断面図。
【図21】第3の実施例で高抵抗体膜の一端を不純物ドープ多結晶シリコン膜を介して電極に接続した例を示す断面図。
【図22】第3の実施例において高抵抗体膜を省略した例を示す断面図。
【図23】活性層の不純物総量と耐圧との関係を示す特性図。
【図24】本発明の第4の実施例に係わる横型IGBTの素子構造を示す断面図。
【図25】図24の構成で活性層を厚く形成した実施例を示す断面図。
【図26】活性層厚さに対するオン電圧とスイッチングオフ時間の関係を示す特性図。
【図27】図24の構造を基本として、活性層の表面全体からn型不純物層を拡散した実施例を示す断面図、
【図28】図27の構造でn- 型活性層の代わりにp- 型の活性層を用いた実施例を示す断面図。
【図29】図24の構造を基本として、活性層の底面全体からn型不純物層を拡散した実施例を示す断面図。
【図30】図24の構造を基本として、nベース層を拡散窓の幅を変えて2重以上に拡散した実施例を示す断面図。
【図31】図30の構造を基本として、活性層の表面全体からn型不純物層を拡散した実施例を示す断面図。
【図32】図31の構造でn- 型活性層の代わりにp- 型の活性層を用いた実施例を示す断面図。
【図33】図30の構造を基本として、活性層の底面全体からn型不純物層を拡散した実施例を示す断面図。
【図34】図24の構造で一部変形したサイリスタの実施例を示す断面図。
【図35】図25の実施例においてドレイン部分を変形した横型IGBTの例を示す断面図。
【図36】図25の実施例のドレイン部分を変形した例を示す断面図。
【図37】図25の実施例を変形した例を示す断面図。
【図38】図25の実施例を変形した例を示す断面図。
【図39】図25の実施例を変形した例を示す断面図。
【図40】図25の実施例を変形した例を示す断面図。
【図41】本発明の第5の実施例に係わる高耐圧ダイオードを示す素子構造断面図。
【図42】図41の構造を基本として、活性層底部のn型バッファ層を選択的に形成した例を示す断面図。
【図43】バッファ層の拡散長2×(Dt)1/2 と素子耐圧との関係を示す特性図。
【図44】図41の構造を基本として、活性層の底部のバッファ層を選択的に形成した例を示す断面図。
【図45】図41の構造に対して活性層の厚さが薄い場合の例を示す断面図。
【図46】本発明の第6の実施例に係わる高速ダイオードを示す素子構造断面図。
【図47】誘電体分離基板に形成したダイオードのオン電圧Vf 及び逆回復時間trrと半導体基板の厚さts の関係を示す特性図。
【図48】本発明の第7の実施例に係わる誘電体分離半導体基板の概略構成を示す平面図及び断面図。
【図49】図48の誘電体分離半導体基板の製造工程を示す断面図。
【図50】図48の実施例の変形例を示す断面図。
【図51】誘電体分離構造を用いた横型の高耐圧ダイオードの従来例を示す断面図。
【図52】拡散長とブレ−クダウン電圧との関係を示す特性図。
【図53】階段数とブレ−クダウン電圧との関係を示す特性図。
【図54】本発明の第8の実施例に係る誘電体分離半導体素子の一例を示す断面図。
【図55】活性層に3回の拡散を行なったときの活性層の横方向の不純物濃度分布を示す特性図。
【図56】素子のブレ−クダウン電圧をパラメ−タ−としたときの階段数と拡散長との関係を示す特性図。
【図57】誘電体分離構造を用いた横型の高耐圧ダイオードの従来例を示す断面図。
【符号の説明】
10…シリコン基板
11…シリコン酸化膜(分離絶縁膜)
12…n- 型高抵抗シリコン層(活性層)
13…p型アノード層(第2導電型不純物層)
14…n型カソード層(第1導電型不純物層)
15…アノード電極
16…カソード電極
18…高抵抗体膜
21…ゲート電極
23…p型ベース層
24…n型ドレイン層
25…ソース電極
26…ドレイン電極
28…不純物ドープ多結晶シリコン膜
34…n型ベース層
36…p型ドレイン層。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a high breakdown voltage semiconductor element having a dielectric isolation structure, and more particularly to a high breakdown voltage semiconductor element having an improved diffusion layer shape.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various high voltage semiconductor elements using a dielectric isolation structure have been proposed. FIG. 51 shows a conventional example of a lateral type high voltage diode using a dielectric isolation structure. N on the
[0003]
In such a horizontal diode, consider a reverse bias state in which, for example, the
[0004]
However, if the thickness of the active layer is large, a deep isolation groove is required when element isolation in the lateral direction is performed by a V-shaped groove or the like, and the area of the isolation groove region is large. Therefore, not only is the processing difficult, but the effective area of the element on the wafer is reduced, resulting in an increase in the cost of the integrated circuit of the high breakdown voltage element.
[0005]
On the other hand, the dielectric isolation structure makes it possible to create a high voltage element and a logic circuit on the same substrate. In that case, according to SOI (Silicon on insulator) technology for forming an element in a semiconductor layer (active layer) formed on an insulating film, it is possible to completely separate a high voltage element and a logic circuit.
[0006]
Such a semiconductor device using an SOI substrate is known to be able to obtain a high breakdown voltage in the vertical direction because of an insulating film even if the thickness of the active layer is reduced to 0.3 μm or less. Since element isolation using a groove is possible, this element isolation structure is a powerful structure in a power IC.
[0007]
However, when the active layer is thin like this, in order to increase the lateral breakdown voltage, the impurity doping concentration of the n drift region in the active layer has to be lowered. The length of the n drift region is necessary. In order to avoid this, for example, as shown in FIG. 57, a method of uniforming the electric field strength in the lateral direction by forming a SIPOS (semi-insulating doped silicon)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional high breakdown voltage semiconductor element having a dielectric isolation structure has a problem that a sufficient breakdown voltage cannot be obtained if the active layer is thin, and lateral isolation becomes difficult if the active layer is thick. It was.
[0009]
In the drift region, when the active layer is thin, the impurity doping concentration of the n drift region in the active layer must be lowered in order to increase the lateral breakdown voltage. There is a problem that it is necessary to increase the length of the drift region, which makes it difficult to miniaturize the element.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a high breakdown voltage semiconductor element having a dielectric isolation structure capable of obtaining a sufficiently high breakdown voltage characteristic with a thin active layer. There is.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a high breakdown voltage semiconductor element having a dielectric isolation structure that can obtain a sufficiently high breakdown voltage characteristic without increasing the length of the drift region.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The gist of the present invention is to alleviate the electric field concentration at the edge portion (especially near the curved surface portion of the bottom portion) of the diffusion layer by devising the shape of the diffusion layer.
[0013]
That is, the first aspect of the first invention is a semiconductor substrate, an insulating layer formed on the semiconductor substrate, and an active layer made of a high-resistance semiconductor of the first conductivity type formed on the insulating layer. A first impurity layer of a first conductivity type formed in the active layer, and a second impurity of a second conductivity type formed in the active layer and formed at a predetermined distance from the first impurity layer. 2 impurity layers, a first electrode formed on the first impurity layer, and a second electrode formed on the second impurity layer, and the first impurity The layer includes a plurality of mutually stacked diffusion layers having different diffusion window widths or diffusion depths, and the first impurity layer and the second impurity layer reach the bottom of the active layer. A high voltage semiconductor device is provided.
According to a second aspect of the first invention, a semiconductor substrate, an insulating layer formed on the semiconductor substrate, and an active layer made of a high-resistance semiconductor of the first conductivity type formed on the insulating layer. A first impurity layer of a first conductivity type formed in the active layer, and a second impurity of a second conductivity type formed in the active layer and formed at a predetermined distance from the first impurity layer. 2 impurity layers, a third impurity layer of the second conductivity type formed in the first impurity layer, a first electrode formed on the third impurity layer, and the second electrode A second electrode formed on the impurity layer, wherein the first impurity layer comprises a plurality of mutually stacked diffusion layers having different diffusion window widths or diffusion depths. And the first impurity layer and the second impurity layer reach the bottom of the active layer. To provide a semiconductor element.
[0014]
Further, as preferred embodiments of the first invention, the following may be mentioned.
[0015]
(1) A high resistance film is formed on the active layer between the impurity layers of the first conductivity type and the second conductivity type.
[0016]
(2)The total amount of impurities in the active layer is 1 × 1010cm-2~ 2x1012cm-2Set to the range.
[0017]
A second invention is a high voltage semiconductor device comprising a semiconductor substrate and an active layer formed on the semiconductor substrate through an insulating film and having a thickness of 0.3 μm or less made of a high resistance semiconductor. The active layer is characterized in that the lateral impurity concentration distribution has a step shape of 2 to 10 steps each having a Gaussian distribution, and the interval between the steps is at least twice the diffusion length.
[0018]
[Action]
In the high breakdown voltage semiconductor element having a dielectric isolation structure, it is assumed that a high voltage with a reverse bias is applied to the first conductivity type impurity layer in a state where the second conductivity type impurity layer and the substrate are grounded. At this time, the voltage applied to the first conductivity type impurity layer is shared by the active layer and the insulating film in the vertical direction. Here, when electric field concentration occurs in the vicinity of the curved surface portion at the bottom of the first conductivity type impurity layer, avalanche breakdown occurs at a low voltage.
[0019]
In the first invention, the first conductivity type impurity layer is formed in a double or more diffusion layer while changing the width and diffusion depth of the diffusion window, thereby concentrating the electric field in the vicinity of the curved surface at the bottom of the diffusion layer. Can be relaxed. That is, the electric field concentration inside the active layer, particularly the electric field concentration in the vicinity of the curved surface of the bottom of the diffusion layer can be alleviated, and an unprecedented high breakdown voltage device can be realized. Furthermore, since the thickness of the active layer can be reduced, lateral element isolation is also facilitated.
[0020]
Further, by forming the first conductivity type and second conductivity type impurity layers to a depth reaching the insulating film, the voltage applied to the first conductivity type impurity layer can be shared only by the insulating film, The longitudinal electric field of the layer is kept small. Further, by providing a high resistance film on the surface of the active layer, the lateral potential distribution on the surface of the active layer can be made uniform according to the uniform potential distribution formed in the film. As a result, the electric field concentration inside the active layer can be effectively mitigated, and a thin and unprecedented high breakdown voltage device can be realized.
[0021]
In the second invention, a general impurity diffusion technique is performed a plurality of times to make the concentration distribution in the lateral direction of the active layer stepwise, so that even if the thickness of the active layer is 0.3 μm or less, the drift Provided is a dielectric isolation semiconductor element capable of achieving a high breakdown voltage without increasing the length of the region.
[0022]
The reason why the dielectric isolation semiconductor device according to the second invention exhibits a high breakdown voltage is considered to be based on the following principle.
[0023]
The horizontal direction is the x axis and the vertical direction is the y axis. If the thickness of the active layer is 0.3 μm or less, it is considered that the impurity concentration distribution in the vertical direction when impurities are diffused is substantially uniform. Thus, assuming that the lateral impurity concentration distribution is a Gaussian distribution, the following expression is given.
[0024]
n (x, y) = noexp (-x2/ A2)
Where a is the diffusion length (a = 2Dt 1/2, N0Represents a difference in impurity concentration in the staircase portion. At this time, the maximum value of the concentration gradient ΔnmaxX = a · 2-1/2Is obtained as shown in the following formula.
[0025]
The electric field strength in the horizontal direction and the vertical direction can be obtained by solving the Poisson equation. n (x) = (εs/ Q) (dEx/ Dx+ DEy/ Dy)
Where εsIs the dielectric constant for Si and q is the elementary charge. In order to obtain the avalanche breakdown voltage of the element, ionization integration is performed as shown in the following
[0026]
I = ∫α (E) dX
Here, α (E) is an ionization coefficient and is obtained by the following equation.
[0027]
α (E) = A · exp (−B / E)
Here, A and B are constants. In general, the Poisson equation and the ionization integral cannot be obtained analytically, so numerical calculation is performed. As a result, n0It was found that and a have the relationship represented by the following formula.
[0028]
n0/ A1/2≦ 1 × 1019
Therefore, the maximum concentration gradient ΔnmaxMust satisfy the following equation.
[0029]
Δnmax≦ 0.85776 × 1019/ A1/2
On the other hand, in the step portion of the staircase, the electric field strength in the lateral direction is much smaller than that of the step portion, so it is better to reduce the interval between the staircases. However, if the interval between the steps is too small, interference occurs between adjacent steps and the electric field becomes strong. Therefore, the interval between steps should be at least twice the diffusion length, preferably about 3 to 4 times.
[0030]
FIG. 52 shows a breakdown voltage when the diffusion length is changed, and FIG. 53 shows a breakdown voltage when the diffusion number is changed. From these figures,Second inventionAccording to this, it is possible to realize a high breakdown voltage dielectric isolation semiconductor element without increasing the length of the drift region.
[0031]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0032]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an element structure of a high voltage diode according to a first embodiment of the present invention. N on a
[0033]
A p-
[0034]
In this configuration, consider a case where the p-
[0035]
In addition, a minute current flows through the
[0036]
In the configuration as described above, the breakdown voltage also changes when the total amount of impurities in the
[0037]
As described above, according to this embodiment, the n-
[0038]
Modifications of the first embodiment are shown in FIGS. FIG. 2 shows the p-
[0039]
In FIG. 5, the depth of the n-
[0040]
FIG. 6 applies the idea of FIG. 2 to the configuration of FIG. In FIG. 7, the n-
[0041]
In FIG. 8, the
[0042]
In FIG. 10, only the protective insulating
[0043]
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the element structure of a high voltage MOS transistor according to the second embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to FIG. 1 and an identical part, and the detailed description is abbreviate | omitted.
[0044]
N on the
[0045]
An n-
[0046]
A
[0047]
The
[0048]
The MOSFET of this embodiment also has excellent high breakdown voltage characteristics similar to the diode of the first embodiment due to the triple diffusion of the n-
[0049]
Modifications of the second embodiment are shown in FIGS. In FIG. 12, the n-
[0050]
In FIG. 15, the drain side end portion of the
[0051]
In FIG. 16, the
[0052]
FIG. 17 is a sectional view showing the element structure of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) according to the third embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to FIG. 11 and an identical part, and the detailed description is abbreviate | omitted.
[0053]
The basic configuration is the same as that of FIG. 11, but in this embodiment, the n-
[0054]
With such a configuration, it is possible to realize a lateral IGBT in which a bipolar transistor and a power MOSFET are monolithically combined in one chip. In this case, as in the first embodiment, the triple diffusion of the n-
[0055]
Modifications of the third embodiment are shown in FIGS. 18, the
[0056]
In FIG. 19, the
[0057]
In FIG. 21, the drain side end of the
[0058]
In FIG. 22, the
[0059]
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 24 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the fourth embodiment. This embodiment is an example of a lateral IGBT. N having a thickness of 5 μm or less is formed on the
[0060]
The
[0061]
FIG. 25 shows the structure of FIG. 24 in which the n-type
[0062]
The thickness and on-resistance of the n-type
[0063]
FIG. 27 shows an embodiment in which the n-
[0064]
FIG. 28 shows the structure of FIG.-P instead of type
[0065]
FIG. 29 shows an embodiment in which the n-
[0066]
FIG. 30 shows an embodiment in which the
[0067]
FIGS. 31 to 33 are examples in which the active layer is modified in the same manner as the examples of FIGS. 27 to 29 on the basis of the structure of FIG. Even in these structures, a high breakdown voltage can be obtained with an improved trade-off as in the embodiment of FIG.
[0068]
FIG. 34 shows an embodiment of a thyristor partially modified with the structure of FIG. In FIG. 34,
[0069]
FIG. 35 is an example of a lateral IGBT in which the drain portion is modified in the embodiment of FIG. A high-concentration n-
[0070]
FIG. 36 is also a modification of the drain portion of the embodiment of FIG. An anode short type IGBT in which a part of the n-
[0071]
FIG. 37 is a modification of the embodiment of FIG. An n-
[0072]
FIG. 38 is a modification of the embodiment of FIG. Above the
[0073]
FIG. 39 is a modification of the embodiment of FIG. As in the example of FIG. 38, the n-type
[0074]
FIG. 40 is a modification of the embodiment of FIG. 25, but uses a dielectric isolation substrate different from the previous modification. In order to increase the breakdown voltage, a
[0075]
Of course, the embodiments shown in FIGS. 24, 25, and 27 to 40 can be applied to p-channel lateral IGBTs whose conductivity types are all reversed.
[0076]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 41 is a sectional view of an element structure showing a high voltage diode according to the fifth embodiment. N on the
[0077]
In the high breakdown voltage diode configured as described above, when the
[0078]
Further, when the n-
[0079]
FIG. 43 shows the
[0080]
FIG. 42 shows a structure in which an n-
[0081]
FIG. 44 shows an example in which the
[0082]
FIG. 45 shows an example in which the
[0083]
As described above, according to the present embodiment, by forming the n-type buffer layer having a short diffusion length at the bottom of the active layer, a sufficiently high breakdown voltage can be obtained with a thin active layer. The configuration in which the n-type buffer layer is provided under the active layer as in this embodiment can also be applied to the first embodiment shown in FIGS.
[0084]
Next, another embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, a high-speed diode is formed on a dielectric isolation substrate.
[0085]
FIG. 46 is a sectional view of an element structure showing a high-speed diode according to the sixth embodiment. An insulating
[0086]
Up to this point, the structure is the same as that of the conventional structure, but in this embodiment, in addition to this, the
[0087]
FIG. 47 shows the relationship between the on-voltage Vf and reverse recovery time trr of the diode formed on the dielectric isolation substrate and the thickness ts of the
[0088]
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. This embodiment relates to a dielectric isolation semiconductor substrate having an insulating film layer in the middle of the semiconductor substrate. 48A and 48B show the structure of a dielectric isolation semiconductor substrate according to the seventh embodiment, in which FIG. 48A is a plan view seen from the back surface, and FIG. 48B is a cross-sectional view taken along line AA ′. Two
[0089]
FIG. 49 shows a manufacturing process of this dielectric isolation semiconductor substrate. After silicon direct bonding, as shown in FIG. 49A, a lattice-shaped
[0090]
In this dielectric isolation semiconductor substrate, since the
[0091]
As described above, according to this embodiment, even if the thickness of the intermediate oxide film is increased, a dielectric-isolated semiconductor substrate having a small warp can be realized, the process can be simplified, and a low-cost power IC can be realized. It becomes possible to contribute to realization.
[0092]
FIG. 50 is a modification of the embodiment of FIG. The difference from FIG. 48 is that polysilicon 96 is formed on the surface of
[0093]
In the seventh embodiment, silicon is used for the semiconductor substrate and an oxide film is used for the insulating film. However, the present invention is not limited to this and can be applied to other materials. In this embodiment, the dielectric isolation semiconductor substrate obtained by directly joining two semiconductor substrates is used. However, it is effective to use a dielectric isolation semiconductor substrate obtained by another method. FIG. 54 is a sectional view showing an example of a dielectric isolation semiconductor device according to the eighth example of the present invention. N on a
[0094]
n-The impurity concentration distribution in the lateral direction of the type
[0095]
That is, n-A first mask is formed on the mold
[0096]
Next, heat treatment is performed at about 1200 ° C. to diffuse the ion-implanted phosphorus, thereby obtaining a three-stage stepwise impurity concentration distribution in the horizontal direction as shown in FIG. The avalanche breakdown voltage of the dielectric isolation semiconductor element shown in FIG. 54 was measured and found to be 700V.
[0097]
In the example shown in FIG. 54, the number of steps of the stepped impurity concentration distribution is three, but can be appropriately changed within a range of 2 to 10 steps. When the number of stages is increased, the same breakdown voltage can be obtained even if the diffusion length is reduced. On the other hand, when the number of stages is reduced, it is necessary to increase the diffusion length.
[0098]
FIG. 55 is a graph showing the relationship between the number of steps and the corresponding diffusion length when the breakdown voltage of the semiconductor element is a parameter. The curve in the figure is represented by the following formula.
[0099]
(N + 1) [a + (Vb/200)+1.5]=Vb 2/ 13600
Where VbIs the breakdown voltage (V), a is the diffusion length (μm), and n is the number of stages.
[0100]
As explained above, the present inventionEighth embodimentAccording to this, even when the thickness of the active layer is 0.3 μm or less, it is possible to realize a high breakdown voltage lateral dielectric isolation semiconductor element without increasing the length of the drift region.
[0101]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the first invention, the electric field concentration in the edge portion of the diffusion layer (especially in the vicinity of the curved surface portion at the bottom) can be alleviated by devising the shape of the diffusion layer by diffusing twice or more. Thus, it is possible to realize a high breakdown voltage semiconductor element having a dielectric isolation structure that can obtain a sufficiently high breakdown voltage characteristic with a thin active layer.
[0102]
According to the second invention, even if the thickness of the active layer is 0.3 μm or less, the impurity concentration distribution in the lateral direction of the active layer is a stepped shape of 2 to 10 steps each having a Gaussian distribution, By setting the interval between the steps to be twice or more the diffusion length, it is possible to realize a high breakdown voltage lateral dielectric isolation semiconductor element without increasing the length of the drift region.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an element structure of a high voltage diode according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example in which a p-type anode layer is formed shallower than an oxide film in the first embodiment.
FIG. 3 is a sectional view showing an example in which an n-type cathode layer is formed shallower than an oxide film in the first embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example in which a p-type anode layer and an n-type cathode layer are formed shallower than an oxide film in the first embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example in which the triple diffusion depth of the n-type cathode layer is constant in the first embodiment.
6 is a cross-sectional view showing an example in which a p-type anode layer is formed shallower than an oxide film in the example of FIG.
7 is a cross-sectional view showing an example in which an n-type cathode layer is formed by double diffusion in the first embodiment. FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an example in which the high resistance film is connected to the p-type anode layer and the n-type cathode layer in the first embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example in which a high resistance film is directly formed on an active layer in the first embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example in which the high resistance film is omitted in the first embodiment.
FIG. 11 is a sectional view showing an element structure of a high voltage MOSFET according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example in which an n-type source layer is formed to reach an oxide film in the second embodiment.
FIG. 13 is a sectional view showing an example in which a high resistance film is directly formed on an active layer in the second embodiment.
FIG. 14 is a sectional view showing an example in which both ends of a high resistance film are connected to electrodes in the second embodiment.
FIG. 15 is a sectional view showing an example in which one end of a high resistance film is connected to an electrode through an impurity-doped polycrystalline silicon film in the second embodiment.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing an example in which the high resistance film is omitted in the second embodiment.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing an element structure of a lateral IGBT according to a third embodiment.
FIG. 18 is a sectional view showing an example in which an n-type source layer and a p-type drain layer are formed to a depth reaching an oxide film in the third embodiment.
FIG. 19 is a sectional view showing an example in which a high resistance film is directly formed on an active layer in the third embodiment.
FIG. 20 is a cross-sectional view showing an example in which both ends of a high-resistance film are connected to electrodes in the third embodiment.
FIG. 21 is a sectional view showing an example in which one end of a high resistance film is connected to an electrode through an impurity-doped polycrystalline silicon film in the third embodiment.
FIG. 22 is a sectional view showing an example in which the high resistance film is omitted in the third embodiment.
FIG. 23 is a characteristic diagram showing the relationship between the total amount of impurities in the active layer and the withstand voltage.
FIG. 24 is a cross-sectional view showing the device structure of a lateral IGBT according to a fourth embodiment of the present invention.
25 is a cross-sectional view showing an embodiment in which an active layer is formed thick with the configuration of FIG. 24;
FIG. 26 is a characteristic diagram showing a relationship between an on-voltage and a switching-off time with respect to the active layer thickness.
27 is a cross-sectional view showing an example in which an n-type impurity layer is diffused from the entire surface of the active layer based on the structure of FIG. 24;
FIG. 28 is n in the structure of FIG.-P instead of type active layer-Sectional drawing which shows the Example using the active layer of a type | mold.
29 is a cross-sectional view showing an embodiment in which an n-type impurity layer is diffused from the entire bottom surface of an active layer based on the structure of FIG. 24;
30 is a cross-sectional view showing an embodiment in which an n base layer is diffused twice or more by changing the width of a diffusion window based on the structure of FIG. 24;
FIG. 31 is a cross-sectional view showing an embodiment in which an n-type impurity layer is diffused from the entire surface of an active layer based on the structure of FIG. 30;
32 is n in the structure of FIG.-P instead of type active layer-Sectional drawing which shows the Example using the active layer of a type | mold.
33 is a cross-sectional view showing an embodiment in which an n-type impurity layer is diffused from the entire bottom surface of an active layer based on the structure of FIG. 30;
34 is a cross-sectional view showing an embodiment of a thyristor partially modified with the structure of FIG. 24. FIG.
35 is a cross-sectional view showing an example of a lateral IGBT in which the drain portion is modified in the embodiment of FIG.
36 is a cross-sectional view showing an example in which the drain portion of the embodiment of FIG. 25 is modified.
FIG. 37 is a cross-sectional view showing an example in which the embodiment of FIG. 25 is modified.
38 is a cross-sectional view showing an example in which the embodiment of FIG. 25 is modified.
39 is a cross-sectional view showing an example in which the embodiment of FIG. 25 is modified.
40 is a cross-sectional view showing an example in which the embodiment of FIG. 25 is modified.
FIG. 41 is a sectional view of an element structure showing a high voltage diode according to a fifth embodiment of the present invention.
42 is a sectional view showing an example in which an n-type buffer layer at the bottom of an active layer is selectively formed based on the structure of FIG.
FIG. 43 shows diffusion length of
44 is a sectional view showing an example in which the buffer layer at the bottom of the active layer is selectively formed based on the structure of FIG. 41;
45 is a cross-sectional view showing an example in which the active layer is thin with respect to the structure of FIG.
FIG. 46 is a sectional view of an element structure showing a high-speed diode according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 47 is a characteristic diagram showing the relationship between the ON voltage Vf and reverse recovery time trr of the diode formed on the dielectric isolation substrate and the thickness ts of the semiconductor substrate.
48A and 48B are a plan view and a cross-sectional view showing a schematic configuration of a dielectric isolation semiconductor substrate according to a seventh embodiment of the present invention.
49 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the dielectric isolation semiconductor substrate of FIG. 48;
50 is a sectional view showing a modification of the embodiment of FIG. 48. FIG.
FIG. 51 is a cross-sectional view showing a conventional example of a lateral type high breakdown voltage diode using a dielectric isolation structure.
FIG. 52 is a characteristic diagram showing the relationship between the diffusion length and the breakdown voltage.
FIG. 53 is a characteristic diagram showing the relationship between the number of steps and the breakdown voltage.
54 is a sectional view showing an example of a dielectric isolation semiconductor device according to an eighth example of the present invention. FIG.
FIG. 55 is a characteristic diagram showing the impurity concentration distribution in the lateral direction of the active layer when diffusion is performed three times in the active layer.
FIG. 56 is a characteristic diagram showing the relationship between the number of steps and the diffusion length when the breakdown voltage of the element is a parameter.
FIG. 57 is a cross-sectional view showing a conventional example of a lateral type high-breakdown-voltage diode using a dielectric isolation structure.
[Explanation of symbols]
10 ... Silicon substrate
11 ... Silicon oxide film (isolation insulating film)
12 ... n-Type high resistance silicon layer (active layer)
13 ... p-type anode layer (second conductivity type impurity layer)
14: n-type cathode layer (first conductivity type impurity layer)
15 ... Anode electrode
16 ... Cathode electrode
18 ... High resistance film
21 ... Gate electrode
23 ... p-type base layer
24 ... n-type drain layer
25 ... Source electrode
26 ... Drain electrode
28 ... Impurity doped polycrystalline silicon film
34 ... n-type base layer
36: p-type drain layer.
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