JP3869581B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、MOSFETや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)のゲート・ソース間などに保護ダイオードが接続されるような半導体装置およびその製法に関する。さらに詳しくは、特別の製造工程を増やすことなく、しかもゲート電極パッドの不純物濃度を充分に上げることによりスイッチング特性を向上し、信頼性を高くすることができる半導体装置およびその製法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、たとえば縦型MOSFETは、スイッチングスピードが速く、大出力のスイッチングデバイスとして用いられているが、ゲート絶縁膜を薄膜化することにより、ゲート閾値電圧を下げる方向にある。この絶縁膜が薄くなると静電気などの小さなエネルギーでも容易に絶縁破壊する。そのため、ゲート・ソース間に保護ダイオードを挿入して、その保護ダイオードで静電気を放電させる構造が用いられている。この保護ダイオードは、たとえばポリシリコン膜からなるゲート電極パッドの外周部分にpn接合が形成されてツェナーダイオードとされ、ゲートとソースとの間に接続されるもので、このような保護ダイオードを設ける構造の縦型MOSFETの一例が図4(a)に断面図で示されている。
【0003】
すなわち、たとえば半導体基板21a上に、ドレイン領域とするn形の半導体層(エピタキシャル成長層)21がエピタキシャル成長され、その表面側にp形不純物を拡散することによりp形のボディ領域(ベース領域)22が形成され、そのボディ領域22の表面側にn+ 形のソース領域23が形成されている。ボディ領域22の端部およびその外側の半導体層21の表面側にゲート酸化膜24を介してゲート電極25が設けられている。そして、ソース領域23と接続するように層間絶縁膜26を介してAlなどによりソース電極27が形成され、半導体基板21aの裏面に図示しないドレイン電極が形成されることにより、FET部20が形成されている。このボディ領域22が図4(b)に平面図で示されるように、マトリクス状に形成され、トランジスタセルが沢山形成されることにより、大電流に対応するパワーMOSFETが形成されている。
【0004】
また、保護ダイオード部30は、n形半導体層21にボディ領域22と同様に拡散により形成されたp形領域31の表面に絶縁膜32を介してポリシリコン膜によりゲート電極パッド33が形成され、図5(a)にゲート電極パッド33の平面説明図が示されるように、そのゲート電極パッド33の外周部にn形層33aとp形層33bとが、交互に形成されることにより、npnpnの接続構造として最外周のn形層33bが前述のソース電極25と接続されている。その結果、図5(b)に等価回路図が示されるように、FETのゲートGとソースS間に双方向のツェナーダイオードZDからなる保護ダイオードが形成されている。なお、図4において、35は層間絶縁膜34を介してAlなどによりゲート電極パッド33に接続して形成されたゲート配線である。
【0005】
この保護ダイオード部は、このようにポリシリコン膜により形成されるが、たとえば特開平1−202867号公報の従来技術に述べられているように、前述のp形領域31に直接保護ダイオードを形成することも行われている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、ゲート電極パッドなどのポリシリコンにpn接合部を形成することにより、保護ダイオードを形成すると、その不純物濃度によりツェナー降伏電圧が定まり、ツェナーダイオードを構成するためには、余り不純物濃度を上げることができず、高い抵抗値でゲート電極パッドなどを形成しなければならない。その結果、nチャネルMOSFETの場合のNa+ などの可動イオンのゲッタリングを充分に行うことができず、スイッチング特性が低下し、また、信頼性試験におけるゲート閾値電圧が変動するという問題がある。
【0007】
また、前述の特開平1−202867号公報にあるようなp形領域に保護ダイオードを形成する方法では、ゲート電極パッドを形成することができず、同様の問題があると共に、保護ダイオードを形成するためのマスクを形成して不純物を導入しなければならず、製造工程が増えるという問題がある。
【0008】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、製造工程を特別に増やすことなく、また、ゲート電極パッドを高不純物濃度で形成することにより、ゲッタリング効果を充分にもたせてスイッチング特性や信頼性を向上させることができる保護ダイオードを有する半導体装置およびその製法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、第1導電形の半導体層と、該半導体層の表面に第2導電形のベース領域(ボディ領域)が複数個設けられ、該第2導電形ベース領域内に第1導電形拡散領域が形成されることにより形成される複数個のトランジスタセルと、前記第1導電形の半導体層の表面に前記ベース領域とは別に形成される第2導電形拡散領域と、該第2導電形拡散領域上に絶縁膜を介して前記セルのゲート電極と同じ材料で設けられるゲート電極パッドと、該ゲート電極パッドがリング状に除去されることにより形成される複数個の除去部と、該複数個の除去部の下の前記第2導電形拡散領域に形成される複数個の第1導電形領域と、該第1導電形領域および前記第2導電形拡散領域とにより形成される保護ダイオードと、該保護ダイオードの一端部の前記第1導電形領域に接続して設けられるゲート配線と、前記保護ダイオードの他端部の前記第1導電形領域に接続して設けられるソース配線とからなっている。
【0010】
本発明の半導体装置の製法は、(a)第1導電形半導体層の表面にマスクを形成して第2導電形不純物を導入し、トランジスタセルを構成するベース領域およびゲート電極パッドの下のウェルを構成する第2導電形拡散領域を同時に形成し、(b)前記半導体層の表面にゲート酸化膜を形成した後ポリシリコン膜を成膜して第1導電形不純物を導入し、(c)前記ポリシリコン膜をエッチングすることにより、前記トランジスタセルのゲート電極およびゲート電極パッド部を形成すると共に、該ゲート電極パッド部に保護ダイオード形成のためのリング状溝を形成し、(d)前記ゲート電極をマスクとして第2導電形不純物を導入してチャネル領域形成用領域を前記半導体層の表面に形成し、(e)前記ベース領域上にマスクを形成し、第1導電形不純物を導入することにより、前記ベース領域内にソース領域を設けてトランジスタセルを形成すると共に、前記第2導電形拡散領域に保護ダイオードを形成し、(f)全面に絶縁膜を形成した後コンタクト孔を設け、前記保護ダイオードの一端部に接続されると共に前記トランジスタセルのゲート電極に接続されるようにゲート電極配線を、前記保護ダイオードの他端部に接続されると共に前記トランジスタセルのソースに接続されるようにソース配線をそれぞれ形成することを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体装置およびその製法について説明をする。
【0012】
本発明による半導体装置は、図1にその一実施形態の縦型MOSFETの保護ダイオード部とトランジスタセルの一部を示した断面説明図が示されるように、第1導電形(たとえばn- 形)の半導体層1の表面に第2導電形(p形)のベース領域(ボディ領域)2が複数個設けられ、そのベース領域内に第1導電形(n形)拡散領域3が形成され、n形拡散領域3と半導体層1とで挟まれるベース領域2の端部がチャネル領域4となり、その表面にゲート酸化膜5を介してゲート電極6がポリシリコンなどにより設けられることにより、複数個のトランジスタセルTが形成されている。
【0013】
そして、n形の半導体層1の表面には、ベース領域2とは別に、ゲート電極パッド9が形成される部分に第2導電形(p形)拡散領域7が形成され、そのp形拡散領域7上に絶縁膜5を介してトランジスタセルTのゲート電極6と同じ材料である、ポリシリコンなどによりゲート電極パッド9が設けられ、そのゲート電極パッド9がリング状に除去されることにより複数個の除去部9aが形成されている。そして、その複数個の除去部9aの下のp形拡散領域7に複数個の第1導電形(n形)領域8が拡散などにより形成され、そのn形領域8およびp形拡散領域7によりpn接合が形成されて保護ダイオードDが設けられている。この保護ダイオードDは、たとえば図1(b)にp形拡散領域7部の平面図が示されるように、p形拡散領域7にn形領域8がリング状に拡散されることによりリング状のp形層およびn形層が交互に接合して形成されている。保護ダイオードDの一端部のn形領域8に接続してゲート配線11がAlなどにより層間絶縁膜10を介して設けられ、保護ダイオードDの他端部のn形領域8に接続してソース配線12が同様に設けられている。ソース配線12は、トランジスタセルTのソース領域3と接続するように設けられている。
【0014】
従来ゲート電極パッドが形成される部分の半導体層の表面側に、空乏層を外周側に延ばすためのウェルとしてp形拡散領域7が設けられているが、本発明では、このp形拡散領域7を利用して保護ダイオードDが形成されている。しかも特別のマスクを形成しないでゲート電極パッド9をパターニングしてリング状の除去部9aを設け、その除去部からn形不純物を導入して拡散することによりpn接合が形成されている。そして、たとえば一番内周のn形領域8にゲート配線11が電気的に接続されるように設けられ、たとえば一番外周のn形領域8に接続されるようにソース配線12が同様にAlなどにより設けられている。その結果、ゲート・ソース間に双方向の保護ダイオードDが接続される。この保護ダイオードDは、その不純物濃度をある程度独自に調整することができ、必要なツェナー降伏電圧を設定することができ、所望の耐圧を有し、それ以上の電圧の静電気などのサージに対しては、その保護ダイオードDを介して放電することができ、薄いゲート酸化膜を保護することができる。
【0015】
なお、ゲート電極パッド9は、リング状の除去部9aが形成されているが、保護ダイオードとは関係ないため、充分に不純物濃度をあげることができ、ゲッタリング作用を充分に行わせることができる。また、図1(a)では、ゲート電極パッド9上のゲート配線が狭くかかれているが、この領域を広くしてワイヤボンディングできるようにすることができ、ゲート電極パッド9がリング状になっていても電気的に絶縁されているため、何ら差し支えない。なお、ゲート配線11とゲート電極パッド9とが直接接続することができなくても、ゲート配線のどこかでゲート電極と接続されればよく、ゲート配線から延びるゲートフィンガー部分でゲート電極と接続するようにしてもよい。
【0016】
トランジスタのセル部Tは、図1(a)に示されるように、n+ 形半導体基板1a上にエピタキシャル成長されたn- 形の半導体層1の表面側にp形ドーパントが導入されてベース領域(ボディ領域)2がマトリクス状に設けられ、そのベース領域2の外周部にn形不純物が導入されてソース領域3が形成され、ソース領域3とn- 形半導体層1とで挟まれるベース領域2の周辺のチャネル領域4上にゲート酸化膜5を介してゲート電極6が設けられることにより、形成されている。このベース領域5が、前述のようにマトリクス状に設けられ、トランジスタセルTが並列に多数個形成されて、大電流が得られる縦型MOSFETになっている。ゲート電極6上にリンガラスなどからなる層間絶縁膜10を設けると共にコンタクト孔を開け、Alなどを真空蒸着などにより設けることにより、ソース配線12およびゲート配線11が形成される。また、半導体基板1aの裏面には、同様に蒸着による電極メタルなどにより図示しないドレイン電極が形成される。なお、ゲート配線11は、ゲート電極パッドGから遠くなるトランジスタセルTのゲート電極を部分的に連結して抵抗を下げるためなどのために設けられる。
【0017】
つぎに、図2〜3を参照しながら図1に示される半導体装置の製法を説明する。まず、図2(a)に示されるように、たとえばn+ 形半導体基板1aの表面に比抵抗が0.1〜数十Ω・cm程度で、数μm〜数十μm程度の厚さのエピタキシャル成長により形成されるn形半導体層1の表面にマスクを形成してp形不純物を導入し、トランジスタセルを構成するベース領域2およびゲート電極パッドの下のウェルを構成するp形拡散領域7を同時に形成する。このベース領域2およびp形拡散領域7の形成は、たとえば数千Å程度の酸化膜15を形成し、図示しないレジスト膜を設けてパターニングをし、エッチングにより図2(a)に示されるようなマスク15とし、さらに数百Å程度のスルーオキサイド膜16を形成し、たとえばボロン(B)などのp形ドーパントをイオン注入によりドーピングし、熱処理をすることにより形成される。
【0018】
つぎに、図2(b)に示されるように、半導体層1の表面にゲート酸化膜4を形成し、ポリシリコン膜6aをたとえばCVD法により成膜する。そして、リンデポ処理(第1導電形不純物の導入)を行う。
【0019】
ついで、図2(c)に示されるように、ポリシリコン膜6aをエッチングすることにより、トランジスタセルのゲート電極6およびゲート電極パッド9を形成すると共に、ゲート電極パッド9に保護ダイオード形成のためのリング状溝9aを形成する。ポリシリコン膜6aのパターニングは、たとえばポリシリコン膜6a上の全面に図示しないレジスト膜を設け、ホトリソグラフィ工程によりパターニングをしてそのレジスト膜をマスクとして、エッチングすることにより形成することができる。
【0020】
ついで、図2(d)に示されるように、ゲート電極6をマスクとしてp形不純物を導入してチャネル領域形成用領域2aを半導体層1の表面に形成する。このチャネル領域形成用領域2aの形成は、図2(d)に示されるように、ボロン(B)などのp形不純物をイオン注入などにより導入した後に、拡散を行うことにより形成することができる。
【0021】
その後、図3(e)に示されるように、ベース領域2上にホトレジストなどにより前述と同様のフォトリソグラフィ工程によりマスク17を形成し、n形不純物を導入することにより、ベース領域2内にソース領域3を設けてトランジスタセルTを形成すると共に、p形領域7にn形領域8を形成して、保護ダイオードDを形成する。このn形領域(ソース領域)も、リン(P)などをイオン注入して熱処理をすることにより形成することができる。
【0022】
その後、図3(f)に示されるように、全面にたとえば常圧CVD法により、PSG膜を成膜した後、コンタクト孔10aが設けられた層間絶縁膜10を形成する。このコンタクト孔10aの形成も、図示しないレジスト膜を設けてパターニングをし、エッチングすることにより形成することができる。その後、保護ダイオードDの一端部(たとえば中心部)に接続されると共にトランジスタセルTのゲート電極6に接続されるようにゲート電極配線11を、また、保護ダイオードDの他端部(たとえば外周側)に接続されると共に前記トランジスタセルTのソース領域3に接続されるようにソース配線12をそれぞれ形成することにより、図1(a)に示される構造の保護ダイオード付きの縦型MOSFETが得られる。このゲート配線11およびソース配線12は、たとえば全面にAlなどを真空蒸着法により成膜して、前述のようにレジスト膜を設けてパターニングすることにより形成することができる。
【0023】
本発明によれば、ゲート電極パッドのポリシリコン膜を利用しながら、その電極パッドの下側に形成される第2導電形領域内に保護ダイオードDを形成しているため、ゲート電極パッドの不純物濃度を自由に制御することができ、ゲート電極を充分に低抵抗にすることができる。その結果、スイッチング速度を向上させることができると共に、信頼性試験におけるゲート閾値電圧の変動を抑えることができる(たとえばnチャネルMOSFETでは、n形ポリシリコンの濃度が薄いとNa+ の可動イオンに対するゲッタリング効果が薄れて閾値電圧の低下を招くという問題がある)。
【0024】
前述の例は、縦型MOSFETの例であったが、この縦型MOSFETにさらにバイポーラトランジスタが作り込まれる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)でも同様である。
【0025】
【発明の効果】
本発明によれば、ゲート電極とするポリシリコン膜の不純物濃度が制限されることなく、充分に低抵抗にすることができるため、スイッチング特性の向上や信頼性試験におけるゲート閾値などの特性の安定性を確保することができて、信頼性が向上する。
【0026】
さらに、保護ダイオードを形成するに当り、特別の工程を追加する必要がなく、トランジスタセルの製造工程と同時に形成することができるため、工数増にならず、安価に保護ダイオード付きの半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の一実施形態である縦型MOSFETの断面説明図および保護ダイオード部分の平面説明図である。
【図2】図1の縦型MOSFETの製造工程を示す断面説明図である。
【図3】図1の縦型MOSFETの製造工程を示す断面説明図である。
【図4】従来の保護ダイオードが設けられた縦型MOSFETの断面および平面の説明図である。
【図5】図4の保護ダイオードが設けられた電極パッドの説明図である。
【符号の説明】
1 n形半導体層
2 ベース領域
3 ソース領域
6 ゲート電極
7 p形拡散領域
8 n形領域
9 ゲート電極パッド
D 保護ダイオード
T トランジスタセル
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device in which a protective diode is connected between a gate and a source of a MOSFET or an insulated gate bipolar transistor (IGBT), and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device that can improve switching characteristics and increase reliability by increasing the impurity concentration of a gate electrode pad sufficiently without increasing a special manufacturing process, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, a vertical MOSFET has a high switching speed and is used as a high-output switching device. However, the gate threshold voltage is lowered by reducing the thickness of the gate insulating film. When this insulating film becomes thin, dielectric breakdown easily occurs even with small energy such as static electricity. Therefore, a structure in which a protective diode is inserted between the gate and the source and static electricity is discharged by the protective diode is used. This protection diode is formed as a Zener diode by forming a pn junction at the outer periphery of a gate electrode pad made of, for example, a polysilicon film, and is connected between the gate and the source. A structure in which such a protection diode is provided An example of the vertical MOSFET is shown in a sectional view in FIG.
[0003]
That is, for example, an n-type semiconductor layer (epitaxial growth layer) 21 serving as a drain region is epitaxially grown on a semiconductor substrate 21a, and a p-type body region (base region) 22 is formed by diffusing p-type impurities on the surface side. An n + -type source region 23 is formed on the surface side of the body region 22. A gate electrode 25 is provided on the end of the body region 22 and on the surface side of the semiconductor layer 21 outside the body region 22 via a gate oxide film 24. Then, a source electrode 27 is formed of Al or the like through an interlayer insulating film 26 so as to be connected to the source region 23, and a drain electrode (not shown) is formed on the back surface of the semiconductor substrate 21a, whereby the FET portion 20 is formed. ing. As shown in the plan view of FIG. 4B, the body region 22 is formed in a matrix and a large number of transistor cells are formed, so that a power MOSFET corresponding to a large current is formed.
[0004]
Further, in the protection diode portion 30, a gate electrode pad 33 is formed of a polysilicon film through an insulating film 32 on the surface of a p-type region 31 formed by diffusion in the n-type semiconductor layer 21 in the same manner as the body region 22. As shown in the plan view of the gate electrode pad 33 in FIG. 5A, n-type layers 33a and p-type layers 33b are alternately formed on the outer periphery of the gate electrode pad 33, whereby npnpn As the connection structure, the outermost n-type layer 33b is connected to the source electrode 25 described above. As a result, as shown in an equivalent circuit diagram in FIG. 5B, a protective diode including a bidirectional Zener diode ZD is formed between the gate G and the source S of the FET. In FIG. 4, reference numeral 35 denotes a gate wiring formed by being connected to the gate electrode pad 33 by Al or the like through the interlayer insulating film 34.
[0005]
The protection diode portion is formed of the polysilicon film as described above. For example, as described in the prior art of Japanese Patent Laid-Open No. 1-220267, the protection diode portion is directly formed in the p-type region 31 described above. Things are also done.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when a protective diode is formed by forming a pn junction in polysilicon such as a gate electrode pad, the Zener breakdown voltage is determined by the impurity concentration. The gate electrode pad and the like must be formed with a high resistance value. As a result, gettering of mobile ions such as Na + in the case of an n-channel MOSFET cannot be sufficiently performed, and switching characteristics are deteriorated, and a gate threshold voltage in a reliability test varies.
[0007]
Further, in the method of forming a protection diode in the p-type region as described in JP-A-1-202867, the gate electrode pad cannot be formed, and there are similar problems, and the protection diode is formed. Therefore, it is necessary to form a mask for introducing impurities and to increase the number of manufacturing steps.
[0008]
The present invention has been made in order to solve such problems. The gettering effect can be sufficiently obtained without specially increasing the number of manufacturing steps and by forming the gate electrode pad with a high impurity concentration. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a protection diode capable of improving switching characteristics and reliability, and a manufacturing method thereof.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the semiconductor device of the present invention, a first conductivity type semiconductor layer and a plurality of second conductivity type base regions (body regions) are provided on the surface of the semiconductor layer, and the first conductivity type base region is provided within the first conductivity type base region. A plurality of transistor cells formed by forming a conductivity type diffusion region; a second conductivity type diffusion region formed separately from the base region on a surface of the first conductivity type semiconductor layer; A gate electrode pad formed of the same material as the gate electrode of the cell via an insulating film on the two-conductivity diffusion region, and a plurality of removal portions formed by removing the gate electrode pad in a ring shape; And a plurality of first conductivity type regions formed in the second conductivity type diffusion region below the plurality of removal portions, and the first conductivity type region and the second conductivity type diffusion region. A protection diode and a protection diode; A gate wiring provided to connect to the first conductivity type region of the ends, consists the source wiring provided to connect to the first conductivity type region of the other end of the protective diode.
[0010]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, (a) a mask is formed on the surface of the first conductivity type semiconductor layer, a second conductivity type impurity is introduced, and a well below the base region and gate electrode pad constituting the transistor cell (B) forming a gate oxide film on the surface of the semiconductor layer, forming a polysilicon film and introducing a first conductivity type impurity; (c) Etching the polysilicon film forms a gate electrode and a gate electrode pad portion of the transistor cell, and forms a ring-shaped groove for forming a protective diode in the gate electrode pad portion, and (d) the gate Using the electrode as a mask, a second conductivity type impurity is introduced to form a channel region forming region on the surface of the semiconductor layer, and (e) a mask is formed on the base region. By introducing electric impurities, a source cell is provided in the base region to form a transistor cell, a protective diode is formed in the second conductivity type diffusion region, and (f) an insulating film is formed on the entire surface. A back contact hole is provided, and connected to one end of the protection diode and connected to the gate electrode of the transistor cell. A gate electrode wiring is connected to the other end of the protection diode and the transistor cell. Each of the source wirings is formed so as to be connected to the source.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the semiconductor device of the present invention and the manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings.
[0012]
The semiconductor device according to the present invention has a first conductivity type (for example, n − type ), as shown in FIG. 1 which is a cross-sectional explanatory view showing a part of a protection diode portion and a transistor cell of a vertical MOSFET of one embodiment. A plurality of second conductivity type (p-type) base regions (body regions) 2 are provided on the surface of the semiconductor layer 1, and a first conductivity type (n-type) diffusion region 3 is formed in the base region. An end portion of the base region 2 sandwiched between the shaped diffusion region 3 and the semiconductor layer 1 becomes a channel region 4, and a gate electrode 6 is provided on the surface of the base region 2 with a gate oxide film 5. A transistor cell T is formed.
[0013]
A second conductivity type (p-type) diffusion region 7 is formed on the surface of the n-type semiconductor layer 1 separately from the base region 2 in a portion where the gate electrode pad 9 is formed. The p-type diffusion region 7 is provided with a gate electrode pad 9 made of polysilicon, which is the same material as the gate electrode 6 of the transistor cell T, with an insulating film 5 interposed therebetween, and a plurality of gate electrode pads 9 are removed in a ring shape. The removal part 9a is formed. Then, a plurality of first conductivity type (n-type) regions 8 are formed by diffusion or the like in the p-type diffusion region 7 below the plurality of removal portions 9a, and the n-type region 8 and the p-type diffusion region 7 A pn junction is formed and a protection diode D is provided. For example, as shown in the plan view of the p-type diffusion region 7 in FIG. 1B, the protection diode D has a ring-like shape by diffusing an n-type region 8 in the ring shape in the p-type diffusion region 7. A p-type layer and an n-type layer are alternately joined. A gate wiring 11 is provided via an interlayer insulating film 10 with Al or the like connected to the n-type region 8 at one end of the protection diode D, and connected to the n-type region 8 at the other end of the protection diode D to form a source wiring. 12 is similarly provided. The source line 12 is provided so as to be connected to the source region 3 of the transistor cell T.
[0014]
Conventionally, a p-type diffusion region 7 is provided as a well for extending the depletion layer to the outer peripheral side on the surface side of the semiconductor layer where the gate electrode pad is formed. In the present invention, this p-type diffusion region 7 is provided. The protection diode D is formed using In addition, the gate electrode pad 9 is patterned to form a ring-shaped removal portion 9a without forming a special mask, and an n-type impurity is introduced from the removal portion and diffused to form a pn junction. For example, the gate wiring 11 is provided so as to be electrically connected to the innermost n-type region 8. For example, the source wiring 12 is similarly Al connected so as to be connected to the outermost n-type region 8. Etc. are provided. As a result, a bidirectional protection diode D is connected between the gate and the source. The protection diode D can adjust its impurity concentration to some extent independently, can set a necessary Zener breakdown voltage, has a desired withstand voltage, and withstands surges such as static electricity of higher voltage. Can be discharged through the protective diode D, and the thin gate oxide film can be protected.
[0015]
The gate electrode pad 9 is provided with a ring-shaped removal portion 9a. However, since the gate electrode pad 9 is not related to the protective diode, the impurity concentration can be sufficiently increased and the gettering action can be sufficiently performed. . Further, in FIG. 1A, the gate wiring on the gate electrode pad 9 is narrowed, but this region can be widened so that wire bonding can be performed, and the gate electrode pad 9 has a ring shape. However, since it is electrically insulated, there is no problem. Note that even if the gate wiring 11 and the gate electrode pad 9 cannot be directly connected, they may be connected to the gate electrode somewhere in the gate wiring, and the gate finger portion extending from the gate wiring is connected to the gate electrode. You may do it.
[0016]
As shown in FIG. 1A, the cell portion T of the transistor is formed by introducing a p-type dopant into the surface side of an n -type semiconductor layer 1 epitaxially grown on an n + -type semiconductor substrate 1a to form a base region ( Body region) 2 is provided in a matrix, and an n-type impurity is introduced into the outer periphery of base region 2 to form source region 3, and base region 2 sandwiched between source region 3 and n -type semiconductor layer 1. The gate electrode 6 is formed on the peripheral channel region 4 with the gate oxide film 5 interposed therebetween. The base region 5 is provided in a matrix form as described above, and a large number of transistor cells T are formed in parallel to form a vertical MOSFET from which a large current can be obtained. The source wiring 12 and the gate wiring 11 are formed by providing the interlayer insulating film 10 made of phosphor glass or the like on the gate electrode 6, opening a contact hole, and providing Al or the like by vacuum deposition or the like. Similarly, a drain electrode (not shown) is formed on the back surface of the semiconductor substrate 1a by an electrode metal by vapor deposition. Note that the gate wiring 11 is provided to partially connect the gate electrode of the transistor cell T far from the gate electrode pad G to lower the resistance.
[0017]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 2A, for example, epitaxial growth is performed on the surface of an n + type semiconductor substrate 1a with a specific resistance of about 0.1 to several tens of Ω · cm and a thickness of about several μm to several tens of μm. A mask is formed on the surface of the n-type semiconductor layer 1 formed by the step of introducing p-type impurities, and the base region 2 constituting the transistor cell and the p-type diffusion region 7 constituting the well under the gate electrode pad are simultaneously formed. Form. The base region 2 and the p-type diffusion region 7 are formed by, for example, forming an oxide film 15 of about several thousand Å, providing a resist film (not shown), patterning, and etching as shown in FIG. The mask 15 is further formed by forming a through oxide film 16 of about several hundreds of liters, doping a p-type dopant such as boron (B) by ion implantation, and performing a heat treatment.
[0018]
Next, as shown in FIG. 2B, a gate oxide film 4 is formed on the surface of the semiconductor layer 1, and a polysilicon film 6a is formed by, for example, a CVD method. Then, a phosphorus deposition process (introduction of the first conductivity type impurity) is performed.
[0019]
Next, as shown in FIG. 2C, the polysilicon film 6a is etched to form the gate electrode 6 and the gate electrode pad 9 of the transistor cell, and the gate electrode pad 9 is formed with a protection diode. A ring-shaped groove 9a is formed. The polysilicon film 6a can be patterned, for example, by providing a resist film (not shown) on the entire surface of the polysilicon film 6a, performing patterning by a photolithography process, and etching using the resist film as a mask.
[0020]
Next, as shown in FIG. 2 (d), a p-type impurity is introduced using the gate electrode 6 as a mask to form a channel region forming region 2 a on the surface of the semiconductor layer 1. The channel region forming region 2a can be formed by introducing a p-type impurity such as boron (B) by ion implantation or the like and then performing diffusion as shown in FIG. 2D. .
[0021]
Thereafter, as shown in FIG. 3E, a mask 17 is formed on the base region 2 by a photolithography process similar to that described above using a photoresist or the like, and an n-type impurity is introduced, whereby a source in the base region 2 is obtained. The region 3 is provided to form the transistor cell T, and the n-type region 8 is formed in the p-type region 7 to form the protective diode D. This n-type region (source region) can also be formed by ion implantation of phosphorus (P) or the like and heat treatment.
[0022]
Thereafter, as shown in FIG. 3F, a PSG film is formed on the entire surface by, for example, atmospheric pressure CVD, and then an interlayer insulating film 10 provided with contact holes 10a is formed. The contact hole 10a can also be formed by providing a resist film (not shown), patterning, and etching. Thereafter, the gate electrode wiring 11 is connected so as to be connected to one end (for example, the center) of the protection diode D and to the gate electrode 6 of the transistor cell T, and the other end (for example, the outer peripheral side) of the protection diode D. And a source wiring 12 formed so as to be connected to the source region 3 of the transistor cell T, thereby obtaining a vertical MOSFET with a protective diode having a structure shown in FIG. . The gate wiring 11 and the source wiring 12 can be formed, for example, by depositing Al or the like on the entire surface by a vacuum deposition method and providing a resist film and patterning as described above.
[0023]
According to the present invention, since the protection diode D is formed in the second conductivity type region formed below the electrode pad while using the polysilicon film of the gate electrode pad, the impurity of the gate electrode pad is formed. The concentration can be freely controlled, and the gate electrode can have a sufficiently low resistance. As a result, the switching speed can be improved and the variation of the gate threshold voltage in the reliability test can be suppressed (for example, in an n-channel MOSFET, a low concentration of n-type polysilicon results in gettering against Na + mobile ions. There is a problem that the ring effect is weakened and the threshold voltage is lowered).
[0024]
The above example is an example of a vertical MOSFET, but the same applies to an insulated gate bipolar transistor (IGBT) in which a bipolar transistor is further formed in the vertical MOSFET.
[0025]
【The invention's effect】
According to the present invention, the impurity concentration of the polysilicon film serving as the gate electrode can be sufficiently reduced without being limited, so that the switching characteristics are improved and the characteristics such as the gate threshold value in the reliability test are stabilized. Reliability can be ensured, and reliability is improved.
[0026]
Further, when forming the protection diode, it is not necessary to add a special process and can be formed at the same time as the manufacturing process of the transistor cell, so that the number of steps is not increased and a semiconductor device with the protection diode can be obtained at a low cost. It is done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional explanatory view of a vertical MOSFET as an embodiment of a semiconductor device of the present invention and a plan explanatory view of a protective diode portion.
2 is a cross-sectional explanatory view showing a manufacturing process of the vertical MOSFET of FIG. 1. FIG.
3 is a cross-sectional explanatory view showing the manufacturing process of the vertical MOSFET of FIG. 1; FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a cross section and a plan view of a vertical MOSFET provided with a conventional protection diode.
FIG. 5 is an explanatory diagram of an electrode pad provided with the protection diode of FIG. 4;
[Explanation of symbols]
1 n-type semiconductor layer 2 base region 3 source region 6 gate electrode 7 p-type diffusion region 8 n-type region 9 gate electrode pad D protection diode T transistor cell

Claims (2)

第1導電形の半導体層と、該半導体層の表面に第2導電形のベース領域が複数個設けられ、該第2導電形ベース領域内に第1導電形拡散領域が形成されることにより形成される複数個のトランジスタセルと、前記第1導電形の半導体層の表面に前記ベース領域とは別に形成される第2導電形拡散領域と、該第2導電形拡散領域上に絶縁膜を介して前記セルのゲート電極と同じ材料で設けられるゲート電極パッドと、該ゲート電極パッドがリング状に除去されることにより形成される複数個の除去部と、該複数個の除去部の下の前記第2導電形拡散領域に形成される複数個の第1導電形領域と、該第1導電形領域および前記第2導電形拡散領域とにより形成される保護ダイオードと、該保護ダイオードの一端部の前記第1導電形領域に接続して設けられるゲート配線と、前記保護ダイオードの他端部の前記第1導電形領域に接続して設けられるソース配線とからなる半導体装置。Formed by forming a first conductivity type semiconductor layer and a plurality of second conductivity type base regions on the surface of the semiconductor layer, and forming a first conductivity type diffusion region in the second conductivity type base region. A plurality of transistor cells, a second conductivity type diffusion region formed separately from the base region on the surface of the first conductivity type semiconductor layer, and an insulating film on the second conductivity type diffusion region A gate electrode pad made of the same material as the gate electrode of the cell, a plurality of removal portions formed by removing the gate electrode pad in a ring shape, and the bottom of the plurality of removal portions A plurality of first conductivity type regions formed in the second conductivity type diffusion region, a protection diode formed by the first conductivity type region and the second conductivity type diffusion region, and one end portion of the protection diode; Connected to the first conductivity type region A gate wiring kicked, the semiconductor device comprising a source wiring provided to connect to the first conductivity type region of the other end of the protective diode. (a)第1導電形半導体層の表面にマスクを形成して第2導電形不純物を導入し、トランジスタセルを構成するベース領域およびゲート電極パッドの下のウェルを構成する第2導電形拡散領域を同時に形成し、
(b)前記半導体層の表面にゲート酸化膜を形成した後ポリシリコン膜を成膜して第1導電形不純物を導入し、
(c)前記ポリシリコン膜をエッチングすることにより、前記トランジスタセルのゲート電極およびゲート電極パッド部を形成すると共に、該ゲート電極パッド部に保護ダイオード形成のためのリング状溝を形成し、
(d)前記ゲート電極をマスクとして第2導電形不純物を導入してチャネル領域形成用領域を前記半導体層の表面に形成し、
(e)前記ベース領域上にマスクを形成し、第1導電形不純物を導入することにより、前記ベース領域内にソース領域を設けてトランジスタセルを形成すると共に、前記第2導電形拡散領域に保護ダイオードを形成し、
(f)全面に絶縁膜を形成した後コンタクト孔を設け、前記保護ダイオードの一端部に接続されると共に前記トランジスタセルのゲート電極に接続されるようにゲート電極配線を、前記保護ダイオードの他端部に接続されると共に前記トランジスタセルのソースに接続されるようにソース配線をそれぞれ形成する
ことを特徴とする半導体装置の製法。
(A) A second conductivity type diffusion region which forms a mask on the surface of the first conductivity type semiconductor layer and introduces a second conductivity type impurity to form a base region constituting a transistor cell and a well under a gate electrode pad Forming at the same time,
(B) forming a gate oxide film on the surface of the semiconductor layer, forming a polysilicon film, and introducing a first conductivity type impurity;
(C) etching the polysilicon film to form a gate electrode and a gate electrode pad portion of the transistor cell, and forming a ring-shaped groove for forming a protective diode in the gate electrode pad portion;
(D) introducing a second conductivity type impurity using the gate electrode as a mask to form a channel region forming region on the surface of the semiconductor layer;
(E) A mask is formed on the base region and a first conductivity type impurity is introduced, thereby providing a source region in the base region to form a transistor cell and protecting the second conductivity type diffusion region. Forming a diode,
(F) An insulating film is formed on the entire surface, a contact hole is provided, a gate electrode wiring is connected to one end of the protection diode and to the gate electrode of the transistor cell, and the other end of the protection diode And forming a source wiring so as to be connected to the source of the transistor cell and to the source of the transistor cell.
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