JP4088263B2 - High voltage semiconductor element - Google Patents
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Description
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。 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.
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。
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. An n − type silicon layer (active layer) 3 is formed on the
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。
In such a horizontal diode, consider a reverse bias state in which, for example, the
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。 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.
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。 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.
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。 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.
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、横方向に線形のド−ピング濃度分布を形成する方法(例えば、特許文献1参照)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。
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。 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.
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。 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.
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。 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.
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。 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.
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。 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.
即ち、本発明の一態様は、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、0.3μm以下の厚さを有する活性層と、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、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高耐圧半導体素子を提供する。 That is, according to one embodiment of the present invention, a semiconductor substrate, an insulating layer formed over the semiconductor substrate, and a high-conductivity semiconductor of the first conductivity type formed over the insulating layer is 0.3 μm or less. An active layer having a thickness, a first impurity layer of a first conductivity type formed in the active layer, and formed in the active layer and formed at a predetermined distance from the first impurity layer A second conductivity type second impurity layer; a first electrode formed on the first impurity layer; and a second electrode formed on the second impurity layer. The first impurity layer has a stepwise shape of 2 to 10 steps in which the lateral impurity concentration distribution is a Gaussian distribution, and the interval between the steps is at least twice the diffusion length. A high voltage semiconductor device is provided.
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。 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.
本発明の一態様では、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。 In one aspect of the present invention, by performing a general impurity diffusion technique a plurality of times, the lateral concentration distribution of the active layer is stepped, so that even if the thickness of the active layer is 0.3 μm or less, Provided is a dielectric isolation semiconductor element capable of achieving a high breakdown voltage without increasing the length of the drift region.
本発明の一態様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。 It is considered that the dielectric isolation semiconductor device according to one aspect of the present invention exhibits a high breakdown voltage based on the following principle.
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。 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.
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。
n (x, y) = n o exp (-x 2 / a 2)
Here, a represents the diffusion length (a = 2D t 1/2 , n 0 represents the difference in impurity concentration in the staircase portion. At this time, the maximum value of the concentration gradient Δn max is given by x = a · 2 −1/2 . As a result, the following formula is obtained.
Δnmax =|dn/dx (x=a -1/2 |=|−2×exp(−1/2)×n0 /a|=0.85776×n0 /a
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。
Δn max = | dn / dx (x = a −1/2 | = | −2 × exp (−1/2) × n 0 /a|=0.85776×n 0 / a
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 )
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。
n (x) = (ε s / q) (dE x / d x + dE y / d y )
Here, ε s is a dielectric constant with respect to Si, and q is an elementary charge. In order to obtain the avalanche breakdown voltage of the element, ionization integration is performed as shown in the following
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。
I = ∫α (E) dX
Here, α (E) is an ionization coefficient and is obtained by the following equation.
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。
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, it was found that there is a relationship represented by the following equation between n 0 and a.
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。
n 0 / a 1/2 ≦ 1 × 10 19
Therefore, it is necessary that the maximum value Δn max of the concentration gradient satisfies the following formula.
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。
Δn max ≦ 0.85776 × 10 19 / a 1/2
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.
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、本発明の一態様によると、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。 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 drawings, according to one embodiment of the present invention, it is possible to realize a high breakdown voltage dielectric isolation semiconductor element without increasing the length of the drift region.
本発明の一態様によれば、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。 According to one aspect of the present invention, even if the thickness of the active layer is 0.3 μm or less, the lateral impurity concentration distribution of the active layer has a step shape of 2 to 10 steps each having a Gaussian distribution. By setting the interval between 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.
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
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。
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. An n − -type high-resistance silicon layer (active layer) 12 is formed on the
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。
A p-
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。
In this configuration, consider a case where the p-
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。
In addition, a minute current flows through the
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。
In the configuration as described above, the breakdown voltage also changes when the total amount of impurities in the
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。
As described above, according to this embodiment, the n-
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。
Modifications of the first embodiment are shown in FIGS. FIG. 2 shows the p-
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。
In FIG. 5, the depth of the n-
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。
FIG. 6 applies the idea of FIG. 2 to the configuration of FIG. In FIG. 7, the n-
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。
In FIG. 8, the
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。
In FIG. 10, only the protective insulating
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。 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.
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。
The structure in which the n − -type
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。
An n-
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。
A
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。
The
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。
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-
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。
Modifications of the second embodiment are shown in FIGS. In FIG. 12, the n-
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。
In FIG. 15, the drain side end portion of the
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。
In FIG. 16, the
図17は、本発明の第3の実施例に係わるIGBT(Insulated Gate BipolarTransistor )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。 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.
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。
The basic configuration is the same as that of FIG. 11, but in this embodiment, the n-
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。
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-
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。
Modifications of the third embodiment are shown in FIGS. 18, the
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。
In FIG. 19, the
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。
In FIG. 21, the drain side end of the
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。
In FIG. 22, the
次に、本発明の参考例について説明する。図24は、第1の参考例の概略構成を示す断面図である。この参考例は、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。
Next, reference examples of the present invention will be described. FIG. 24 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the first reference example . This reference example is an example of a lateral IGBT. An n − -type high-resistance silicon layer (active layer) 52 having a thickness of 5 μm or less is formed on the
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。
The
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。
FIG. 25 shows the structure of FIG. 24 in which the n-type
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。
FIG. 26 shows the relationship between the thickness of the n-type
図27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を拡散した参考例である。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。
FIG. 27 is a reference example in which the n-
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を用いた参考例であり、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の参考例と同様の理由で高耐圧が得られる。
FIG. 28 is a reference example in which a p − type
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を拡散した参考例である。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。
FIG. 29 is a reference example in which an n-
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の参考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。
FIG. 30 shows an embodiment in which the
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。 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.
図34は、図24の構造で一部変形したサイリスタの参考例である。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。
FIG. 34 is a reference example of a thyristor partially modified with the structure of FIG. In FIG. 34,
図35は、図25の参考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。この参考例においても、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。
FIG. 35 is an example of a lateral IGBT in which the drain portion is modified in the reference example of FIG. A high-concentration n-
図36も、図25の参考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。この参考例では、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。
FIG. 36 is also a modification of the drain portion of the reference example of FIG. An anode short type IGBT in which a part of the n-
図37は、図25の参考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。この参考例でも、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。
FIG. 37 is a modification of the reference example of FIG. An n-
図38は、図25の参考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。
FIG. 38 is a modification of the reference example of FIG. Above the
図39は、図25の参考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。
FIG. 39 is a modification of the reference example of FIG. As in the example of FIG. 38, the n-type
図40は、図25の参考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。この参考例においても、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。
FIG. 40 is a modification of the reference example of FIG. 25, but uses a dielectric isolation substrate different from the previous modification. In order to increase the breakdown voltage, a SIPOS film 69 is provided between the n-type
なお、図24の実施例、図25、27〜40の参考例において、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。 Of course, the embodiment of FIG. 24 and the reference examples of FIGS. 25 and 27 to 40 can be applied to a p-channel lateral IGBT having all conductivity types reversed.
次に、第2の参考例について説明する。図41は、第2の参考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。
Next, a second reference example will be described. FIG. 41 is an element structure cross-sectional view showing a high voltage diode according to a second reference example . An n − -type high-resistance silicon
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。
In the high breakdown voltage diode configured as described above, when the
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。
Further, when the n-
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。
FIG. 43 shows the relationship between the
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。
FIG. 42 shows a structure in which an n-
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。
FIG. 44 shows an example in which the
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。
FIG. 45 shows an example in which the
このように本参考例によれば、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、本参考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。 As described above, according to this reference example , by forming the n-type buffer layer with 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 below the active layer as in this reference example can also be applied to the first embodiment shown in FIGS.
次に、本発明の別の参考例について説明する。この参考例は、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。 Next, another reference example of the present invention will be described. In this reference example , a high-speed diode is formed on a dielectric isolation substrate.
図46は第3の参考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。
FIG. 46 is a sectional view of an element structure showing a high speed diode according to a third reference example . An insulating
ここまでは従来構造と同じであるが、本参考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。
Up to this point, the structure is the same as that of the conventional structure, but in this reference example , in addition to this, an n +
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。
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
次に、本発明の第4の参考例について説明する。この参考例は、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4の参考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。
Next, a fourth reference example of the present invention will be described. This reference example relates to a dielectric isolation semiconductor substrate having an insulating film layer in the middle of a semiconductor substrate. 48A and 48B show the configuration of the dielectric isolation semiconductor substrate according to the fourth reference example , 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
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(c)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。
FIG. 49 shows a manufacturing process of this dielectric isolation semiconductor substrate. After silicon direct bonding, as shown in FIG. 49A, a lattice-shaped
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。
In this dielectric isolation semiconductor substrate, since the
このように本参考例によれば、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。 As described above, according to this reference example , even if the thickness of the intermediate oxide film is increased, it is possible to realize a dielectric-isolated semiconductor substrate having a small warp, simplifying the process, and reducing the cost of the power IC. It becomes possible to contribute to realization.
図50は、図48の参考例の変形例である。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。この参考例は、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、この参考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。
FIG. 50 is a modification of the reference example of FIG. The difference from FIG. 48 is that
第4の参考例では、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、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、本参考例では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、第5の参考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。
In the fourth reference example , the silicon substrate is used as the semiconductor substrate and the oxide film is used as the insulating film. However, the present invention is not limited to this, and other materials can be used. In this reference example , the dielectric isolation semiconductor substrate obtained by directly joining two semiconductor substrates is used. However, it is also effective when a dielectric isolation semiconductor substrate obtained by another method is used. FIG. 54 is a cross-sectional view showing an example of a dielectric isolation semiconductor device according to a fifth reference example . An n − type high-resistance silicon layer (active layer) 103 is formed on the silicon substrate 101 with a silicon oxide film (isolation insulating film) 102 interposed therebetween. The thickness of the
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。
The impurity concentration distribution in the lateral direction of the n − -type
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。
That is, a first mask is formed on the n − -type
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。 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.
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。 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.
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。 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.
(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。 (N + 1) [a + (V b /200)+1.5]=V b 2/13600 formula, V b is the breakdown voltage (V), a diffusion length (μm), n represents the number of stages.
以上説明したように、第5の参考例によると、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。 As described above, according to the fifth reference example , even if the thickness of the active layer is 0.3 μm or less, the high withstand voltage lateral dielectric isolation semiconductor element can be obtained without increasing the length of the drift region. It is possible to realize.
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。
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