JP4687024B2 - Semiconductor device - Google Patents

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本発明は、被保護素子としてパワーMISFETと、静電保護素子としてpn接合の保護ダイオードを備えた半導体装置に関し、特に、高いESD(Electro Static Discharge)耐量を有する半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a power MISFET as a protected element and a pn-junction protective diode as an electrostatic protection element, and more particularly to a semiconductor device having a high ESD (Electro Static Discharge) resistance.

従来、MISFET(Metal−Insulator−Semiconductor Field Effect Transistor)のドレイン−ソース電極間またはゲート−ソース電極間に並列に、図26のようなpn接合の保護ダイオードを接続してESDサージなどの過電圧による破壊を防止する方法が知られている(特許文献1、特許文献2)。
この場合、MISFET113のドレイン−ソース間耐圧またはゲート−ソース間耐圧よりも低い耐圧を有する保護ダイオード112を接続することにより、ドレイン−ソース間またはゲート−ソース間に高いESDサージが印加されたときでも、保護ダイオード112が先にアバランシェに突入して保護ダイオード112に電流が流れ、ドレイン−ソース間またはゲート−ソース間に高い電圧が印加されるのを防ぎ、MISFET113がESDサージで破壊するのを防止することができる。
Conventionally, a pn-junction protective diode as shown in FIG. 26 is connected in parallel between the drain and source electrodes of a MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor) or between the gate and source electrodes, and is destroyed by an overvoltage such as an ESD surge. A method for preventing this is known (Patent Document 1, Patent Document 2).
In this case, even when a high ESD surge is applied between the drain and source or between the gate and source by connecting the protection diode 112 having a breakdown voltage lower than the drain-source breakdown voltage or the gate-source breakdown voltage of the MISFET 113. The protection diode 112 first enters the avalanche to prevent a current from flowing through the protection diode 112 to prevent a high voltage from being applied between the drain and the source or between the gate and the source, and prevents the MISFET 113 from being destroyed by the ESD surge. can do.

一方、この方法では、保護ダイオード112のカソード領域として、図26のn領域104を形成するが、n領域104の拡散深さが深いため、動作抵抗が大きくなる。
図27は、動作抵抗が異なる2つの保護ダイオードのI−V特性を示す図である。縦軸のIはアバランシェ電流、横軸のVは保護ダイオードに印加される電圧である。
保護ダイオードがMISFETのドレイン−ソース間に並列接続されている場合、動作抵抗が高いI−V特性(1)のときには、保護ダイオードのカソード・アノード間に印加される電圧がアバランシェ電圧V1に達してアバランシェ電流が流れる状態になった後も、アバランシェ電流の増加に伴い保護ダイオードのカソード・アノード間に印加される電圧は増加していく。この電圧がMISFETのドレイン−ソース間耐圧(図27のV2)を超えるとドレイン−ソース間には電流が流れ始める。このため保護ダイオードの動作抵抗が高い場合、高い電圧のESDサージに対してMISFETを保護することが困難になる。
On the other hand, in this method, the n region 104 of FIG. 26 is formed as the cathode region of the protection diode 112. However, since the diffusion depth of the n region 104 is deep, the operating resistance increases.
FIG. 27 is a diagram illustrating IV characteristics of two protection diodes having different operating resistances. I on the vertical axis is the avalanche current, and V on the horizontal axis is the voltage applied to the protection diode.
When the protection diode is connected in parallel between the drain and source of the MISFET, the voltage applied between the cathode and the anode of the protection diode reaches the avalanche voltage V1 when the operating resistance is high IV characteristics (1). Even after the avalanche current flows, the voltage applied between the cathode and anode of the protection diode increases as the avalanche current increases. When this voltage exceeds the drain-source breakdown voltage (V2 in FIG. 27) of the MISFET, current begins to flow between the drain and source. For this reason, when the operating resistance of the protection diode is high, it becomes difficult to protect the MISFET against a high voltage ESD surge.

この対策としては、保護ダイオードの動作抵抗を下げることが有効である。図27で動作抵抗が低い保護ダイオードのI−V特性(2)のときには、動作抵抗が高い場合と比べて保護ダイオードに流れる電流が同じでも、保護ダイオードにかかる電圧を低く保てることが分かる。保護ダイオードの動作抵抗を下げるためには、2つの方法がある。
(1)保護ダイオードの活性面積を増加する。
(2)カソード領域(n領域)を低抵抗化する。
(1)の方法では動作抵抗の低減に有効であるが、チップ面積の増大を招き好ましくない。
(2)の方法はカソード領域を深くまで高濃度化することが有効である。また、カソード領域を深くまで高濃度化することは、保護ダイオードのアバランシェ電圧をMISFETのアバランシェ電圧より低く設定するためにも有効である。
As a countermeasure, it is effective to lower the operating resistance of the protection diode. In the case of the IV characteristic (2) of the protection diode having a low operating resistance in FIG. 27, it can be seen that the voltage applied to the protection diode can be kept low even when the current flowing through the protection diode is the same as compared with the case where the operation resistance is high. There are two methods for reducing the operating resistance of the protection diode.
(1) Increase the active area of the protection diode.
(2) Lowering the resistance of the cathode region (n region).
The method (1) is effective in reducing the operating resistance, but it is not preferable because it increases the chip area.
In the method (2), it is effective to increase the concentration of the cathode region deeply. Further, increasing the concentration of the cathode region deeply is also effective for setting the avalanche voltage of the protection diode lower than the avalanche voltage of the MISFET.

しかし、カソード領域を深くまで高濃度化するために、高温熱処理を長時間行うと高濃度であるp+ 基板からpエピタキシャル層へのp不純物の染み出して形成されるp層の幅が大きくなり、ウエハの表面側に形成されるMISFETなどのデバイスの電気的特性(耐圧特性など)が悪影響を受けるので、カソード領域の動作抵抗を下げるには限度がある。
これを解決する方法として、保護ダイオードをより低抵抗化するために、pエピタキシャル層の表面からトレンチを掘って、トレンチの底部に保護ダイオードを形成し、金属など低抵抗の導電膜でトレンチ底部のカソード領域とオーミックコンタクトを取る方法が開示されている(特許文献3)。
図28は、従来のトレンチ構造の保護ダイオードを有する半導体装置の要部断面図である。
However, when the high temperature heat treatment is performed for a long time in order to increase the concentration of the cathode region deeply, the width of the p layer formed by the p impurity exudation from the high concentration p + substrate to the p epitaxial layer increases. Since the electrical characteristics (breakdown voltage characteristics, etc.) of devices such as MISFETs formed on the surface side of the wafer are adversely affected, there is a limit to lowering the operating resistance of the cathode region.
As a method for solving this, in order to further reduce the resistance of the protection diode, a trench is dug from the surface of the p epitaxial layer, the protection diode is formed at the bottom of the trench, and a low resistance conductive film such as metal is used to form the bottom of the trench. A method of making ohmic contact with the cathode region is disclosed (Patent Document 3).
FIG. 28 is a fragmentary cross-sectional view of a conventional semiconductor device having a protective diode having a trench structure.

保護ダイオード112は、トレンチ119の底部にカソード領域であるn領域104とコンタクト部としてn+ 領域118を形成し、このカソード領域と導電膜115をn+ 領域118を介してオーミックコンタクトさせて形成される。
尚、図中の101はp+ 基板、102はp+ 基板から拡散したp層、103はpエピタキシャル層、105はnウェル領域、106はpウェル領域、107はLOCOS酸化膜、108はnソース領域、nドレイン領域となるn+ 領域、109はコンタクト領域となるp+ 領域、111は裏面電極である。
ところで、MISFET113に求められるESD耐量が低ければ、保護ダイオード112の活性面積は小さくて良いが、高いESD耐量が要求される場合は、保護ダイオード112の活性部面積を大きくして、保護ダイオード112のアバランシェ電流の密度を下げて破壊を防ぐ必要がある。この場合、保護ダイオード112はチップ面積を小さくする目的からドレイン電極パッドの下に形成される。
The protection diode 112 is formed by forming an n region 104 as a cathode region and an n + region 118 as a contact portion at the bottom of the trench 119 and making ohmic contact between the cathode region and the conductive film 115 through the n + region 118. The
In the figure, 101 is a p + substrate, 102 is a p layer diffused from the p + substrate, 103 is a p epitaxial layer, 105 is an n well region, 106 is a p well region, 107 is a LOCOS oxide film, and 108 is an n source. An n + region that becomes an n drain region, 109 is a p + region that becomes a contact region, and 111 is a back electrode.
By the way, if the ESD tolerance required for the MISFET 113 is low, the active area of the protection diode 112 may be small. However, if a high ESD tolerance is required, the area of the active portion of the protection diode 112 is increased, and It is necessary to reduce the avalanche current density to prevent destruction. In this case, the protection diode 112 is formed under the drain electrode pad for the purpose of reducing the chip area.

図29は、幅が広く、深さが浅いトレンチの図であり、同図(a)は要部平面図、同図(b)は同図(a)のX−X線で切断した要部断面図、同図(c)は導電膜を形成したときの要部断面図である。
大面積の保護ダイオードを形成する場合、図29(a)、(b)に示すようにトレンチ119の幅が広い場合でも、トレンチ119の深さが1μm程度と浅ければ、図29(c)に示すように、コンタクトを取るための導電膜115がトレンチ119を通常の工程で埋め尽くすことができるため、1個の幅広のトレンチ119の底部に保護ダイオード112を形成することができる。
高耐圧のMISFETの場合、pエピタキシャル層103の厚さは10μm以上あり、そのためトレンチ119の深さは5μm以上となる。深さが5μm以上と深く、幅が10μm以上と広いトレンチの場合、トレンチ119内に埋め込むことができる導電膜115の厚さは、1μm程度と、限界があるために、図30に示すように、pエピタキシャル層103の表面高さまで、トレンチ119内に充填する導電膜115の表面高さを高くするすることができない。このようにトレンチ119内が不完全に導電膜115で埋め込まれる場合は、トレンチ119内を充填した導電膜115の表面高さは、トレンチ119を形成しないpエピタキシャル層103の表面高さより低くなり、ウエハ表面に大きな段差ができる。大きな段差があると、その後の工程でフォトレジストがウエハ全面に塗布できなくなったり、トレンチ119内にレジスト残りが発生したりする可能性がある。
特開昭57−35374号公報 特許3090081号公報 特開平8−32057号公報
29A and 29B are views of a trench having a wide width and a shallow depth. FIG. 29A is a plan view of the main part, and FIG. 29B is a main part cut along the line XX of FIG. The cross-sectional view and FIG. 4C are cross-sectional views of the main part when the conductive film is formed.
When forming a protection diode having a large area, even if the width of the trench 119 is wide as shown in FIGS. 29A and 29B, if the depth of the trench 119 is as shallow as about 1 μm, FIG. As shown in FIG. 6, since the conductive film 115 for making contact can fill the trench 119 in a normal process, the protective diode 112 can be formed at the bottom of one wide trench 119.
In the case of a high breakdown voltage MISFET, the thickness of the p epitaxial layer 103 is 10 μm or more, and therefore the depth of the trench 119 is 5 μm or more. In the case of a trench having a depth as deep as 5 μm or more and a width as wide as 10 μm or more, the thickness of the conductive film 115 that can be embedded in the trench 119 is limited to about 1 μm. The surface height of the conductive film 115 filling the trench 119 cannot be increased up to the surface height of the p epitaxial layer 103. Thus, when the trench 119 is imperfectly filled with the conductive film 115, the surface height of the conductive film 115 filling the trench 119 is lower than the surface height of the p epitaxial layer 103 not forming the trench 119, A large step is formed on the wafer surface. If there is a large step, there is a possibility that the photoresist cannot be applied to the entire surface of the wafer in the subsequent process, or a resist residue may be generated in the trench 119.
JP-A-57-35374 Japanese Patent No. 3090081 Japanese Patent Laid-Open No. 8-32057

この発明の目的は、前記の課題を解決して、ESD耐量の高い静電保護素子を有する半導体装置を提供することである。   An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a semiconductor device having an electrostatic protection element with high ESD resistance.

前記の目的を達成するために、被保護素子と、該被保護素子を過電圧から保護する保護ダイオードとを有し、該保護ダイオードのカソードと前記被保護素子の高電位側とが接続し、前記保護用ダイオードのアノードが前記被保護素子の低電位側と接続して形成された半導体装置において、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の表面から内部に向かって形成されたトレンチと、前記トレンチ底部の前記半導体基板内部に形成された第2導電型の第1半導体領域と、前記半導体基板と前記第1半導体領域とで形成されたpn接合を有する前記保護ダイオードとを備え、前記トレンチの開口部の平面形状がループ状である構成とする。
また、被保護素子と、該被保護素子を過電圧から保護する保護ダイオードとを有し、該保護ダイオードのカソードと前記被保護素子の高電位側とが接続し、前記保護ダイオードのアノードが前記被保護素子の低電位側と接続して形成された半導体装置において、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に絶縁層を介して形成された半導体層と、該半導体層の表面から前記絶縁層を貫通して前記半導体基板に達するトレンチと、前記トレンチ底部の半導体基板内部に形成された第2導電型の第1半導体領域と、前記半導体基板と前記第1半導体領域とで形成されたpn接合を有する前記保護ダイオードとを備え、前記トレンチの開口部の平面形状がループ状である構成とする。
In order to achieve the above-mentioned object, a protected element and a protection diode that protects the protected element from overvoltage are connected, and a cathode of the protection diode is connected to a high potential side of the protected element, In the semiconductor device formed by connecting the anode of the protective diode to the low potential side of the protected element, a semiconductor substrate of the first conductivity type, a trench formed from the surface of the semiconductor substrate toward the inside, A first conductive region of a second conductivity type formed inside the semiconductor substrate at the bottom of the trench; and the protection diode having a pn junction formed by the semiconductor substrate and the first semiconductor region. The planar shape of the opening is a loop shape.
And a protection diode that protects the protection element from overvoltage, the cathode of the protection diode and the high potential side of the protection element are connected, and the anode of the protection diode is connected to the protection diode. In a semiconductor device formed by connecting to a low potential side of a protection element, a semiconductor substrate of a first conductivity type, a semiconductor layer formed on the semiconductor substrate via an insulating layer, and the surface of the semiconductor layer from the surface A trench reaching the semiconductor substrate through an insulating layer, a first semiconductor region of a second conductivity type formed inside the semiconductor substrate at the bottom of the trench, and the semiconductor substrate and the first semiconductor region The protection diode having a pn junction is provided, and the planar shape of the opening of the trench is a loop.

また、被保護素子と、該被保護素子を過電圧から保護する保護ダイオードとを有し、該保護ダイオードのカソードと前記被保護素子の高電位側とが接続し、前記保護ダイオードのアノードが前記被保護素子の低電位側と接続して形成された半導体装置において、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の表面から内部に向かって形成されたトレンチと、前記トレンチ底部の前記半導体基板上に形成された第2導電型の第2半導体領域と、前記半導体基板と前記第2半導体領域とで形成されたpn接合を有する前記保護ダイオードとを備え、前記トレンチの開口部の平面形状がループ状である構成とする。
また、被保護素子と、該被保護素子を過電圧から保護する保護ダイオードとを有し、該保護ダイオードのカソードと前記被保護素子の高電位側とが接続し、前記保護ダイオードのアノードが前記被保護素子の低電位側と接続して形成された半導体装置において、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に絶縁層を介して形成された半導体層と、該半導体層の表面から前記絶縁層を貫通して前記半導体基板に達するトレンチと、前記トレンチ底部の半導体基板上に形成された第2導電型の第2半導体領域と、前記半導体基板と前記第2半導体領域とで形成されたpn接合を有する前記保護ダイオードとを備え、前記トレンチの開口部の平面形状がループ状である構成とする。
And a protection diode that protects the protection element from overvoltage, the cathode of the protection diode and the high potential side of the protection element are connected, and the anode of the protection diode is connected to the protection diode. In a semiconductor device formed by being connected to a low potential side of a protective element, a semiconductor substrate of a first conductivity type, a trench formed from the surface of the semiconductor substrate toward the inside, and the semiconductor substrate at the bottom of the trench And a protective diode having a pn junction formed by the semiconductor substrate and the second semiconductor region, and the planar shape of the opening of the trench is a loop. It is set as a structure.
And a protection diode that protects the protection element from overvoltage, the cathode of the protection diode and the high potential side of the protection element are connected, and the anode of the protection diode is connected to the protection diode. In a semiconductor device formed by connecting to a low potential side of a protection element, a semiconductor substrate of a first conductivity type, a semiconductor layer formed on the semiconductor substrate via an insulating layer, and the surface of the semiconductor layer from the surface A trench reaching the semiconductor substrate through an insulating layer, a second conductivity type second semiconductor region formed on the semiconductor substrate at the bottom of the trench, and the semiconductor substrate and the second semiconductor region The protection diode having a pn junction is provided, and the planar shape of the opening of the trench is a loop.

また、前記ループ状のトレンチが複数個形成されるとよい。
また、前記第2半導体領域がエピタキシャル成長層であるとよい。
また、前記トレンチと、前記トレンチ内に形成された前記第1もしくは第2半導体領域とオーミック接触する導電膜とを有するとよい。
また、前記保護ダイオードは前記被保護素子の電極パッドの下に形成されるとよい。
A plurality of the loop-shaped trenches may be formed.
Further, it is preferable the second semiconductor region is an epitaxial growth layer.
Moreover, it is good to have the said trench and the electrically conductive film which carries out the ohmic contact with the said 1st or 2nd semiconductor region formed in the said trench.
The protection diode may be formed under the electrode pad of the protected element .

この発明では、保護ダイオードを複数個のトレンチ形成と導電膜の埋め込みにより形成することにより高いESD耐量が要求される場合でも適用可能な半導体装置を提供できる。また、トレンチを切れ目なく連続したループ状とすることにより、これまでトレンチ終端部のトレンチ底で起き易かった電界集中を抑えることができ、高いESD耐量を有する半導体装置を形成することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device applicable even when a high ESD tolerance is required by forming a protection diode by forming a plurality of trenches and embedding a conductive film. Further, by making the trench into a continuous loop shape, electric field concentration that has been easy to occur at the bottom of the trench at the end of the trench can be suppressed, and a semiconductor device having high ESD tolerance can be formed .

実施の最良の形態は、複数のトレンチを形成し、ESD耐量の向上を図るために、トレンチの終端部を無して、トレンチの平面形状をループ状とする。また、このループの曲率半径を大きくする。また、保護ダイオードを横型トレンチMISFET内に形成することで、これらの占有面積を縮小して、ESD耐量の向上を図ることである。以下、実施例を用いて説明する。   In the best mode of implementation, in order to form a plurality of trenches and improve the ESD resistance, the trench is not looped and the planar shape of the trench is looped. Also, the radius of curvature of this loop is increased. Further, by forming the protective diode in the lateral trench MISFET, the occupied area is reduced, and the ESD resistance is improved. Hereinafter, description will be made using examples.

図1は、この発明の第1実施例の半導体装置の要部断面図である。高濃度のp+ 基板1の上にpエピタキシャル層3が形成され、ウエハプロセス中の熱処理によりp+ 基板1からpエピタキシャル層3に向けて拡散した不純物により形成されたp層2が、p+ 基板1とpエピタキシャル層3の間に形成されている。
本実施例ではトレンチ構造をした横型のn−MISFET15を保護するトレンチ構造の縦型の保護ダイオード17が示されている。前記n−MISFET15は、トレンチ底部にnドレイン領域(n+ 領域8とn領域6)とウエハ表面にnソース領域(n+ 領域8)が形成され、ゲート酸化膜20はトレンチ19の側壁に形成され、そのゲート酸化膜20上にゲート電極21が形成されている。
このn−MISFET15を保護する保護ダイオード17のカソード領域としてn領域7が形成され、このn領域7とトレンチ19内に埋め込まれたタングステンなどの金属膜23とをオーミック接触させるためにトレンチ底面と接してn+ 領域8が形成されている。このn+ 領域8の周囲にn領域7が形成され、n領域7とp+ 基板1から拡散したp層2が接して保護ダイオード17のpn接合が形成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. A p epitaxial layer 3 is formed on a high concentration p + substrate 1, and a p layer 2 formed by impurities diffused from the p + substrate 1 toward the p epitaxial layer 3 by the heat treatment in the wafer process is expressed as p + It is formed between the substrate 1 and the p epitaxial layer 3.
In this embodiment, a vertical protection diode 17 having a trench structure for protecting a lateral n-MISFET 15 having a trench structure is shown. In the n-MISFET 15, an n drain region (n + region 8 and n region 6) is formed at the bottom of the trench, an n source region (n + region 8) is formed on the wafer surface, and a gate oxide film 20 is formed on the sidewall of the trench 19. A gate electrode 21 is formed on the gate oxide film 20.
An n region 7 is formed as a cathode region of the protection diode 17 that protects the n-MISFET 15. The n region 7 is in contact with the bottom surface of the trench to make ohmic contact between the n region 7 and a metal film 23 such as tungsten embedded in the trench 19. Thus, an n + region 8 is formed. An n region 7 is formed around the n + region 8, and the n region 7 and the p layer 2 diffused from the p + substrate 1 are in contact with each other to form a pn junction of the protective diode 17.

尚、必ずしも、n領域7とp層2とは必ずしも接する必要はない。また、図1に示すようにn領域7が互いに横方向に接続していると、カソード領域(n領域7)の面積が拡がり動作抵抗を小さくできる。しかし、必ずしも接続させなくてもよい。
保護ダイオード17は、カソードとして機能するn領域7はトレンチ19の底部に形成され、このn領域7はn+ 領域8を介して金属膜23と接続しているために、トレンチ19を形成しない場合と比べると動作抵抗を低減できて、ESD耐量を高くすることができる。
図2は、図1の半導体装置の等価回路図である。保護ダイオード17のカソードKはn−MISFET15のドレインDと接続し、保護ダイオード17のアノードAはn−MISFET15のソースSと接続している。n−MISFET15のドレイン−ソース間にESDサージが印加された場合、n−MISFET15よりもアバランシェ電圧が低い保護ダイオード17がアバランシェに突入してアバランシェ電流を流す。保護ダイオード17は動作抵抗が低いため、アバランシェ電流が増加しても、カソード・アノード間(n−MISFET15のS−D間)に印加される電圧の上昇を低く抑えることができる。これにより、n−MISFET15には耐圧以上の電圧が印加されずESDサージによる破壊からn−MISFET15は保護される。尚、図中のGはゲートである。
Note that the n region 7 and the p layer 2 are not necessarily in contact with each other. Also, as shown in FIG. 1, when the n regions 7 are connected to each other in the lateral direction, the area of the cathode region (n region 7) is increased, and the operating resistance can be reduced. However, it is not always necessary to connect them.
In the protection diode 17, the n region 7 that functions as a cathode is formed at the bottom of the trench 19, and the n region 7 is connected to the metal film 23 through the n + region 8, and therefore the trench 19 is not formed. Compared with, the operating resistance can be reduced and the ESD tolerance can be increased.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device of FIG. The cathode K of the protection diode 17 is connected to the drain D of the n-MISFET 15, and the anode A of the protection diode 17 is connected to the source S of the n-MISFET 15. When an ESD surge is applied between the drain and source of the n-MISFET 15, the protection diode 17 having an avalanche voltage lower than that of the n-MISFET 15 enters the avalanche and causes an avalanche current to flow. Since the protection diode 17 has a low operating resistance, an increase in voltage applied between the cathode and the anode (between S and D of the n-MISFET 15) can be suppressed even if the avalanche current increases. As a result, a voltage higher than the withstand voltage is not applied to the n-MISFET 15 and the n-MISFET 15 is protected from destruction due to an ESD surge. In the figure, G is a gate.

つぎに、図1の保護ダイオードの要部平面図について説明する。
図31は、終端部があるトレンチを複数個形成した場合の要部平面図である。ウエハ表面に段差を形成しないために、細長形状のトレンチ19を複数形成する。しかしながら、このような平面形状の場合、トレンチの深さが5μm以上となると、トレンチエッチングやその後のトレンチ側壁に形成されたダメージを除去する工程において、終端部のトレンチ19底部のコーナーでは形状異常あるいは残渣が出来やすい。その様子の概略を図32、図33に示す。トレンチ19底部のコーナーで形状異常や残渣が発生しやすいのは、コーナー部は形状の特異点でありエッチングの進み方がトレンチ19底部の他の場所より遅いことなどが原因と考えられる。残渣の成分はシリコン基板の場合、シリコンやシリコン酸化物が主である。
Next, a plan view of the main part of the protection diode of FIG. 1 will be described.
FIG. 31 is a plan view of a principal part when a plurality of trenches having terminal portions are formed. In order not to form a step on the wafer surface, a plurality of elongated trenches 19 are formed. However, in the case of such a planar shape, when the depth of the trench is 5 μm or more, in the step of removing the damage formed on the trench side wall after the trench etching or in the corner of the bottom of the trench 19 at the end portion, Residue is easy to make. The outline of this state is shown in FIGS. The reason why shape abnormalities and residues are likely to occur at the corners of the bottom of the trench 19 is considered to be caused by the fact that the corners are singular points of the shape and the etching progresses later than other places at the bottom of the trench 19. In the case of a silicon substrate, the residual component is mainly silicon or silicon oxide.

形状異常や残渣は1ヶ所でもあると、トレンチ19底部に形成するn領域7(カソード領域)とpエピタキシャル層3とのpn接合が正規の形状に形成されず、保護ダイオード17にESDサージが印加されたときに、その箇所で電界が集中する原因となる。そのような電界が集中する場所では、保護ダイオード17のアバランシェ電流がその箇所に集中して流れるため、保護ダイオード17が破壊しやすくなってしまう。
また、上記のような形状異常や残渣が特になかったとしてもトレンチ終端部のトレンチ底部はn領域7(カソード領域)の曲率半径が小さく電界集中が起き易い場所である。
このように、終端部のあるトレンチ19に形成された保護ダイオード17では高いESD耐量を持つことができず、静電保護素子としての役割を果たすことができない。
これを解決する方法として、トレンチ19に終端部ができないようにトレンチ19の平面形状をループ状にするとよい。つぎに、図1の保護ダイオード17をループ状のトレンチ19にした場合について説明する。
If there is even one shape abnormality or residue, the pn junction between the n region 7 (cathode region) and the p epitaxial layer 3 formed at the bottom of the trench 19 is not formed in a regular shape, and an ESD surge is applied to the protective diode 17. When this is done, the electric field concentrates at that location. In a place where such an electric field is concentrated, the avalanche current of the protection diode 17 flows in a concentrated manner, so that the protection diode 17 is easily destroyed.
Even if there is no particular shape abnormality or residue as described above, the trench bottom at the end of the trench is a place where the radius of curvature of the n region 7 (cathode region) is small and electric field concentration is likely to occur.
Thus, the protection diode 17 formed in the trench 19 having the terminal portion cannot have a high ESD resistance, and cannot serve as an electrostatic protection element.
As a method for solving this, the planar shape of the trench 19 may be a loop so that the end portion of the trench 19 is not formed. Next, the case where the protection diode 17 of FIG.

図3、図4、図5、図6は、図1の保護ダイオードのそれぞれ異なる要部平面図である。前記した図1の保護ダイオード17は、図3〜図6の各平面図のA−A線で切断した要部断面図である。
図3は対向する終端部がある2つのトレンチのその終端部を接続したトレンチ19を4個形成した場合であり、図4は同心円状に3個のトレンチ19を形成した場合であり、図5は1個のトレンチ19を蛇行させて形成した場合であり、図6はドーナッツ状に5個のトレンチを形成した場合である。いづれの平面形状もループ状をしており終端部がない(トレンチが切れ目なく連続的に形成されている)ため、保護ダイオードにESDサージが印加されたときに、局部的な電界集中が起き難く、静電保護素子として優れている。
また、図4に示す平面形状では、トレンチ19が同心円状に形成されており、トレンチ19の方向が変わる4隅の場所の曲率半径を図3よりも大きくしやすい特徴がある。この曲率半径は大きいほど、電界集中を抑えられる。
3, FIG. 4, FIG. 5 and FIG. 6 are plan views of different main parts of the protection diode of FIG. The protection diode 17 shown in FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part taken along line AA in each of the plan views of FIGS.
FIG. 3 shows a case where four trenches 19 connecting two end portions of two trenches having opposing end portions are formed, and FIG. 4 shows a case where three trenches 19 are formed concentrically. Is a case where one trench 19 is meandered, and FIG. 6 is a case where five trenches are formed in a donut shape. Since any planar shape has a loop shape and no termination (the trench is continuously formed without a break), local electric field concentration hardly occurs when an ESD surge is applied to the protective diode. It is excellent as an electrostatic protection element.
Further, the planar shape shown in FIG. 4 is characterized in that the trenches 19 are formed concentrically, and the radius of curvature at the four corners where the direction of the trench 19 changes is easier to make than in FIG. The larger the radius of curvature, the more the electric field concentration can be suppressed.

また、図6に示す平面形状は、図3、図4、図5のように直線部分と円弧部分が混在するのでなく、円形のみである。この円形の半径を大きくすることで電界集中を抑えることができる。尚、これらの平面形状は、以下に説明する各実施例に適用できる。
図7〜図18は、図1の半導体装置の製造方法を示す図であり、工程順に示した要部製造工程断面図である。
高濃度のp+ 基板1としては、p型不純物濃度が1×1019cm-3程度の基板を用いる。このp+ 基板1上にpエピタキシャル層3を形成する。このpエピタキシャル層3は、p型不純物(例えばボロン)の濃度を7×1015cm-3程度とする(図7)。
まず、トレンチ19を形成する前に、pオフセット領域5を形成するために、ドーズ量1×1013cm-2程度のボロンのイオン注入をn−MISFET15を形成する箇所に行う(図8)。
Further, the planar shape shown in FIG. 6 is only a circle, not a straight line portion and an arc portion, as shown in FIGS. The electric field concentration can be suppressed by increasing the radius of the circle. These planar shapes can be applied to each embodiment described below.
7 to 18 are views showing a method of manufacturing the semiconductor device of FIG. 1, and are cross-sectional views of main part manufacturing steps shown in the order of steps.
As the high concentration p + substrate 1, a substrate having a p-type impurity concentration of about 1 × 10 19 cm −3 is used. A p epitaxial layer 3 is formed on the p + substrate 1. The p epitaxial layer 3 has a p-type impurity (for example, boron) concentration of about 7 × 10 15 cm −3 (FIG. 7).
First, before forming the trench 19, in order to form the p offset region 5, boron ion implantation with a dose amount of about 1 × 10 13 cm −2 is performed at a location where the n-MISFET 15 is to be formed (FIG. 8).

つぎに、深さ2μm程度のn−MISFET用のトレンチ19を図示しない酸化膜をマスクとして形成する(図9)。
つぎに、このトレンチ底部に、nドレイン領域となるn領域6(n−bodyと言われている)を形成するためにドーズ量2×1013cm-2程度のリン(P)のイオン注入を行い、保護ダイオード用のトレンチ底部にもカソード領域となるn領域7を形成するために、ドーズ量1×1015cm-2程度のリン(p)のイオン注入を行う。その後で、1150℃で1時間程度のドライブ(熱処理)を行い、pオフセット領域5、、n領域6およびn領域7の各領域を形成する。このとき、p+ 基板1とpエピタキシャル層3の間に、p+ 基板1からのボロンの拡散によりp層2が形成される。n領域7はそのp層2と接してpn接合が形成される(離して形成することもある)。これが保護ダイオード17のpn接合となる(図10)。
Next, an n-MISFET trench 19 having a depth of about 2 μm is formed using an unillustrated oxide film as a mask (FIG. 9).
Next, phosphorus (P) ion implantation having a dose amount of about 2 × 10 13 cm −2 is formed at the bottom of the trench in order to form an n region 6 (referred to as n-body) which becomes an n drain region. Then, in order to form the n region 7 serving as the cathode region at the bottom of the trench for the protective diode, phosphorus (p) ion implantation having a dose of about 1 × 10 15 cm −2 is performed. Thereafter, drive (heat treatment) is performed at 1150 ° C. for about 1 hour to form the p offset region 5, the n region 6, and the n region 7. At this time, the p layer 2 is formed between the p + substrate 1 and the p epitaxial layer 3 by the diffusion of boron from the p + substrate 1. N region 7 is in contact with p layer 2 to form a pn junction (may be formed separately). This is the pn junction of the protection diode 17 (FIG. 10).

つぎに、LOCOS酸化膜13を形成した後で、ゲート酸化膜を形成し、その上に高濃度のn型不純物をドープしたポリシリコンを0.3μm成長する(図11)。
つぎに、ポリシリコンを異方性エッチングによりトレンチの側壁だけに残し、n−MISFET15のゲート電極を形成する(保護ダイオード部のポリシリコンは機能的には不要)(図12)。
つぎに、ウエハ表面およびトレンチ底面のコンタクト部に選択的にイオン注入を行う。n型不純物(例えば砒素)をドーズ量3×1015cm-2で、p型不純物(例えばBF2 )をドーズ量3×1015cm-2の条件でイオン注入する。さらに900℃30分程度のアニール処理を行い、n+ 領域8、p+ 領域9を形成する(図13)。
つぎに、層間絶縁膜22としてBPSGなどのCVD酸化膜を形成する(図14)。
Next, after forming the LOCOS oxide film 13, a gate oxide film is formed, and a polysilicon doped with high-concentration n-type impurities is grown thereon by 0.3 μm (FIG. 11).
Next, the polysilicon is left only on the sidewall of the trench by anisotropic etching to form the gate electrode of the n-MISFET 15 (the polysilicon in the protective diode portion is not functionally required) (FIG. 12).
Next, ions are selectively implanted into the contact portions on the wafer surface and the bottom of the trench. N-type impurities (for example, arsenic) are ion-implanted at a dose of 3 × 10 15 cm −2 and p-type impurities (for example, BF 2 ) are implanted at a dose of 3 × 10 15 cm −2 . Further, annealing is performed at 900 ° C. for about 30 minutes to form the n + region 8 and the p + region 9 (FIG. 13).
Next, a CVD oxide film such as BPSG is formed as the interlayer insulating film 22 (FIG. 14).

つぎに、ウエハ表面をCMPで平坦化する(図15)。
つぎに、層間絶縁膜22をエッチングしてトレンチ19底部およびウエハ表面のコンタクト部を開口する(図16)。
つぎに、コンタクト部にタングステン23を埋め込む(図17)。
つぎに、アルミ−シリコン−銅の合金を電極24として形成し、さらに裏面に保護ダイオードのアノードに相当する電極14を形成する(図18)。保護ダイオード17に形成される電極24は、MOSFETのドレイン電極パッドとして用いられる。
以上が製造フローの概略である。
この製造方法では、n−MISFET15のトレンチエッチングと保護ダイオード17のトレンチエッチングとを同じ工程で行えるため、製造コストの低減を図ることができる。
Next, the wafer surface is planarized by CMP (FIG. 15).
Next, the interlayer insulating film 22 is etched to open the bottom of the trench 19 and the contact portion on the wafer surface (FIG. 16).
Next, tungsten 23 is embedded in the contact portion (FIG. 17).
Next, an aluminum-silicon-copper alloy is formed as the electrode 24, and an electrode 14 corresponding to the anode of the protective diode is formed on the back surface (FIG. 18). The electrode 24 formed on the protection diode 17 is used as a drain electrode pad of the MOSFET.
The above is the outline of the manufacturing flow.
In this manufacturing method, since the trench etching of the n-MISFET 15 and the trench etching of the protection diode 17 can be performed in the same process, the manufacturing cost can be reduced.

前記の実施例では、MISFETはnチャネル型の場合であるが、これをpチャネル型にした場合について説明する。
図19は、p−MISFETを有する場合の半導体装置の要部断面図である。保護ダイオードは図1と同じである。
p−MISFET16を形成するためにnウェル領域4を形成し、このnウェル領域4内にp−MISFET16を形成する。
この場合も、保護ダイオード17のトレンチはループ状となっているため、電界集中が起きにくく、ESD耐量を大きくすることができる。
図20は図19の半導体装置の等価回路図である。保護ダイオード17のカソードとp−MISFET16のソースが接続し、保護ダイオード17のアノードとp−MISFET16のドレインが接続している。p−MISFET16のソース−ドレイン間にESDサージが印加された場合、p−MISFET16よりもアバランシェ電圧が低い保護ダイオード17がアバランシェに突入してアバランシェ電流を流す。保護ダイオード17は動作抵抗が低いため、アバランシェ電流が増加しても、カソード・アノード間に印加される電圧の上昇を低く抑えることができる。これにより、p−MISFET16には耐圧以上の電圧が印加されなくなり、保護ダイオード17によりESDサージからp−MISFET16が保護される。
In the above-described embodiment, the MISFET is an n-channel type, but a case where this is a p-channel type will be described.
FIG. 19 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor device having a p-MISFET. The protection diode is the same as in FIG.
In order to form the p-MISFET 16, the n-well region 4 is formed, and the p-MISFET 16 is formed in the n-well region 4.
Also in this case, since the trench of the protection diode 17 has a loop shape, electric field concentration hardly occurs and the ESD tolerance can be increased.
FIG. 20 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device of FIG. The cathode of the protection diode 17 and the source of the p-MISFET 16 are connected, and the anode of the protection diode 17 and the drain of the p-MISFET 16 are connected. When an ESD surge is applied between the source and drain of the p-MISFET 16, the protection diode 17 having an avalanche voltage lower than that of the p-MISFET 16 enters the avalanche and causes an avalanche current to flow. Since the protection diode 17 has a low operating resistance, even if the avalanche current increases, the increase in the voltage applied between the cathode and the anode can be suppressed to a low level. As a result, a voltage higher than the withstand voltage is not applied to the p-MISFET 16 and the protection diode 17 protects the p-MISFET 16 from an ESD surge.

図21は、この発明の第2実施例の半導体装置の要部断面図である。これはトレンチ型の保護ダイオード17をプレーナー型のn−MISFET18に適用した例である。この構造では、n−MISFET18がトレンチ19を使用しないため、保護ダイオード17のトレンチ19を形成するためのトレンチエッチングが必要となる。また、n−MISFETがプレーナゲートであるので、ゲート電極12を形成した後にトレンチ19を形成することにより、保護ダイオードのトレンチ19側壁には図1のようなゲート電極(ポリシリコン)は形成されていない。
この場合も、トレンチ19はループ状となっているため、電界集中が起きにくく、ESD耐量を大きくすることができる。
FIG. 21 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. This is an example in which the trench type protection diode 17 is applied to the planar type n-MISFET 18. In this structure, since the n-MISFET 18 does not use the trench 19, trench etching for forming the trench 19 of the protection diode 17 is necessary. Since the n-MISFET is a planar gate, the trench 19 is formed after the gate electrode 12 is formed, so that the gate electrode (polysilicon) as shown in FIG. 1 is formed on the side wall of the trench 19 of the protective diode. Absent.
Also in this case, since the trench 19 has a loop shape, electric field concentration hardly occurs, and the ESD tolerance can be increased.

図22は、この発明の第3実施例の半導体装置の要部断面図である。被保護素子であるn−MISFET18は実施例2と同じ構造であるが、保護ダイオード17の断面構造が異なる。
本実施例では保護ダイオードのトレンチ19は、p+ 基板1にまで達している。トレンチ19はシリコン酸化膜22とその内側のタングステンなどの金属膜23から形成されている。トレンチ19の下方にはn+ 領域8およびn領域7が形成されていて、金属膜23とn+ 領域8はオーミック接触している。保護ダイオード17のpn接合は、n領域7とp+ 基板1の界面に形成される。前記の実施例2に比べて、深いトレンチ19を形成し、抵抗の低いp+ 基板1内にn領域7が形成されるために、保護ダイオード17の動作抵抗をより小さくできるという利点がある。
FIG. 22 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. The n-MISFET 18 that is a protected element has the same structure as that of the second embodiment, but the cross-sectional structure of the protective diode 17 is different.
In this embodiment, the protective diode trench 19 reaches the p + substrate 1. The trench 19 is formed of a silicon oxide film 22 and a metal film 23 such as tungsten inside thereof. An n + region 8 and an n region 7 are formed below the trench 19, and the metal film 23 and the n + region 8 are in ohmic contact. A pn junction of the protection diode 17 is formed at the interface between the n region 7 and the p + substrate 1. Compared to the second embodiment, since the deep trench 19 is formed and the n region 7 is formed in the p + substrate 1 having a low resistance, there is an advantage that the operating resistance of the protection diode 17 can be further reduced.

この場合も、トレンチ19はループ状となっているため、電界集中が起きにくく、ESD耐量を大きくすることができる。   Also in this case, since the trench 19 has a loop shape, electric field concentration hardly occurs, and the ESD tolerance can be increased.

図23は、この発明の第4実施例の半導体装置の要部断面図である。保護ダイオード17のトレンチ19の底部に露出したp層2の表面に、カソード領域となるn層30をエピタキシャル成長法で形成する。
この構造は、カソード領域であるn領域30の濃度分布をエピタキシャル成長により自由に変化させ、n領域30の濃度分布を最適化することで動作抵抗の低減を図ることができる。
また、実施例2、3のn領域7は、トレンチ底部へのイオン注入、熱拡散という工程を経て形成されるのに比べ、実施例4では比較的低温のエピタキシャル成長で形成することができるため、同一ウエハ上に形成される他のデバイスへの熱処理の影響を少なくすることができる。
FIG. 23 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. On the surface of the p layer 2 exposed at the bottom of the trench 19 of the protection diode 17, an n layer 30 serving as a cathode region is formed by an epitaxial growth method.
In this structure, the operating resistance can be reduced by changing the concentration distribution of the n region 30 as the cathode region freely by epitaxial growth and optimizing the concentration distribution of the n region 30.
In addition, since the n region 7 of Examples 2 and 3 can be formed by epitaxial growth at a relatively low temperature in Example 4 as compared with the case where the n region 7 is formed through processes such as ion implantation into the trench bottom and thermal diffusion, The influence of heat treatment on other devices formed on the same wafer can be reduced.

この場合も、トレンチ19はループ状となっているため、電界集中が起きにくく、ESD耐量を大きくすることができる。   Also in this case, since the trench 19 has a loop shape, electric field concentration hardly occurs, and the ESD tolerance can be increased.

図24は、この発明の第5実施例の半導体装置の要部断面図である。図21との違いは、SOI基板を用い、保護ダイオード17のトレンチ19が埋め込み酸化膜(BOX層31)を貫通してp+ 基板1に達して形成されている点である。
この場合も、トレンチ19はループ状となっているため、電界集中が起きにくく、ESD耐量を大きくすることができる。
FIG. 24 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 21 is that an SOI substrate is used, and the trench 19 of the protection diode 17 is formed so as to penetrate the buried oxide film (BOX layer 31) and reach the p + substrate 1.
Also in this case, since the trench 19 has a loop shape, electric field concentration hardly occurs, and the ESD tolerance can be increased.

図25は、この発明の第6実施例の半導体装置の要部断面図である。図23との違いは、SOI基板を用い、保護ダイオード17のトレンチ19が埋め込み酸化膜(BOX層31)を貫通してp+ 基板1に達している点である。
この場合も、トレンチ19はループ状となっているため、電界集中が起きにくく、ESD耐量を大きくすることができる。
さて、ここまでの実施例では、被保護素子であるトレンチ構造の横型MISFET(n−MISFET15)とは別の場所に形成した縦型の保護ダイオード17について説明したが、n−MISFET15と別の箇所に保護ダイオード17を形成すると、n−MISFET15と保護ダイオード17を合わせた領域のチップに対する占有面積は大きくなる。この占有面積を小さくするために、トレンチ構造の横型MISFET内に縦型の保護ダイオードを形成した構造にした場合について説明する。
FIG. 25 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 23 is that an SOI substrate is used and the trench 19 of the protection diode 17 reaches the p + substrate 1 through the buried oxide film (BOX layer 31).
Also in this case, since the trench 19 has a loop shape, electric field concentration hardly occurs, and the ESD tolerance can be increased.
In the embodiments described so far, the vertical protection diode 17 formed at a place different from the trench type lateral MISFET (n-MISFET 15) which is a protected element has been described. However, the vertical protection diode 17 is different from the n-MISFET 15 at a different place. If the protective diode 17 is formed on the chip, the area occupied by the chip in the region where the n-MISFET 15 and the protective diode 17 are combined increases. In order to reduce this occupied area, a case will be described in which a vertical protection diode is formed in a lateral MISFET having a trench structure.

従来のトレンチ構造の横型MISFETのn−Body6を保護ダイオード17のカソードとし、p+ 基板1を保護ダイオード17のアノードとした場合は、n−Body6がpエピタキシャル層3内(p層3と接していない)に形成されているため、n−MISFET15のソースおよび保護ダイオード17のアノードをGNDとして、n−Body6(n−MISFET15のドレイン、保護ダイオード17のカソードとなる)に高電圧を印加すると、n−Body6とpエピタキシャル層3に形成されるpn接合で、曲面となっている箇所に電界集中が起こり、この電界集中によるアバランシェでn−MISFETが破壊(ESD破壊)する。
トレンチ構造の横型MISFET内に縦型保護ダイオードを形成した場合でも、この曲面となっている箇所での電界集中を防止して、ESD耐量を向上させることができる実施例について説明する。
When n-Body 6 of a conventional lateral MISFET having a trench structure is used as the cathode of protection diode 17 and p + substrate 1 is used as the anode of protection diode 17, n-Body 6 is in p epitaxial layer 3 (in contact with p layer 3). If the source of the n-MISFET 15 and the anode of the protection diode 17 are GND, and a high voltage is applied to the n-Body 6 (the drain of the n-MISFET 15 and the cathode of the protection diode 17), n Electric field concentration occurs at a curved surface at the pn junction formed in the Body 6 and the p epitaxial layer 3, and the n-MISFET is destroyed (ESD breakdown) by the avalanche due to the electric field concentration.
An embodiment will be described in which even when a vertical protection diode is formed in a lateral MISFET having a trench structure, it is possible to prevent the electric field concentration at the curved portion and improve the ESD tolerance.

図34は、この発明の第7実施例の半導体装置の要部断面図である。まず、p+ 基板1上にpエピタキシャル層3を形成する。pエピタキシャル層にn−MISFET55を形成するときの熱処理により、p+ 基板1からpエピタキシャル層3に向けて拡散した不純物により形成されたp層2が、p+ 基板1とpエピタキシャル層3の間に形成される。
pエピタキシャル層3にトレンチ構造の横型のn−MISFET55を形成する。トレンチ19の底部にドレイン領域であるn+ 領域8およびn−Body6、ウエハ表面にソース領域であるn+ 領域8を形成し、ゲート酸化膜20を介してゲート電極21をトレンチ19の側壁に形成し、n−Body6の底面とp層2とが接するようにn−Body6を形成する。トレンチ19の底部のn+ 領域8はトレンチ19の内部を充填したタングステンなどの導電膜23と電気的に接続し、導電膜23上にドレイン電極となる金属電極24を形成する。ゲート電極21と導電膜23は層間絶縁膜22で電気的に絶縁されている。pエピタキシャル層3の表面層にp+ 層9を形成し、この上に金属電極24を形成し、p+ 基板1の裏面には保護ダイオード57のアノード電極となる裏面電極14を形成し、裏面電極14とソース電極となる金属電極24とp+ 層9上の金属電極24はGND電位にする。
FIG. 34 is a sectional view showing the principal part of the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention. First, the p epitaxial layer 3 is formed on the p + substrate 1. The p layer 2 formed by the impurities diffused from the p + substrate 1 toward the p epitaxial layer 3 by the heat treatment when forming the n-MISFET 55 in the p epitaxial layer is formed between the p + substrate 1 and the p epitaxial layer 3. Formed.
A lateral n-MISFET 55 having a trench structure is formed in the p epitaxial layer 3. Forming n + regions 8 and n-Body6 a drain region at the bottom of the trench 19 to form n + regions 8 for the source region on the wafer surface, the gate electrode 21 via the gate oxide film 20 on the sidewall of the trench 19 Then, n-Body 6 is formed so that the bottom surface of n-Body 6 and p layer 2 are in contact with each other. The n + region 8 at the bottom of the trench 19 is electrically connected to a conductive film 23 such as tungsten filled in the trench 19, and a metal electrode 24 serving as a drain electrode is formed on the conductive film 23. The gate electrode 21 and the conductive film 23 are electrically insulated by the interlayer insulating film 22. A p + layer 9 is formed on the surface layer of the p epitaxial layer 3, a metal electrode 24 is formed on the p + layer 9, and a back electrode 14 serving as an anode electrode of the protective diode 57 is formed on the back surface of the p + substrate 1. The electrode 14, the metal electrode 24 serving as the source electrode, and the metal electrode 24 on the p + layer 9 are set to the GND potential.

この構造において、n+ 層8とn−Body6は保護ダイオード57のカソード領域となり、p+ 基板1とp層2は保護ダイオードのアノード領域となり、ドレイン電極となる金属電極24はカソード電極を兼ねており、裏面電極14はアノード電極となる。
n−Body6の底面がpエピタキシャル層3より不純物濃度が高いp層2と接触しており、従って、n−Body6の曲面でのpn接合の不純物濃度より底面での不純物濃度が高くなる。そのため、曲面でのpエピタキシャル層3への空乏層の伸びより底面でのp層2への空乏層の伸びが小さくなる。
さらに、p+ 基板1に達した空乏層の伸びは極めて小さくなるため、底面での電界強度が曲面での電界強度より高くなり、底面でアバランシェが起こる。このアバランシェは平坦な底面全体のpn接合で起こり、アバランシェ電流は底面全体からアノード電極(裏面電極14)へ流れる。そのため、保護ダイオードの抵抗が小さくなり、また、アバランシェ破壊が防止されて、ESD耐量を向上させることができる。さらに、n−Body6とpエピタキシャル層3のpn接合では電界強度が高くならないために、ゲート酸化膜20へのアバランシェ注入現象が抑制されて、ESD耐量の向上に寄与する。
In this structure, n + layer 8 and n-Body 6 serve as the cathode region of protection diode 57, p + substrate 1 and p layer 2 serve as the anode region of the protection diode, and metal electrode 24 serving as the drain electrode also serves as the cathode electrode. The back electrode 14 becomes an anode electrode.
The bottom surface of n-Body 6 is in contact with p layer 2, which has a higher impurity concentration than p epitaxial layer 3. Therefore, the impurity concentration at the bottom surface is higher than the impurity concentration of the pn junction on the curved surface of n-Body 6. Therefore, the extension of the depletion layer to the p layer 2 at the bottom surface is smaller than the extension of the depletion layer to the p epitaxial layer 3 at the curved surface.
Further, since the extension of the depletion layer reaching the p + substrate 1 becomes extremely small, the electric field strength at the bottom surface becomes higher than the electric field strength at the curved surface, and avalanche occurs at the bottom surface. This avalanche occurs at the pn junction of the entire flat bottom surface, and the avalanche current flows from the entire bottom surface to the anode electrode (back electrode 14). Therefore, the resistance of the protection diode is reduced, and the avalanche breakdown is prevented, so that the ESD resistance can be improved. Furthermore, since the electric field strength does not increase at the pn junction between n-Body 6 and p epitaxial layer 3, the avalanche injection phenomenon into gate oxide film 20 is suppressed, which contributes to the improvement of ESD resistance.

尚、アバランシェ電流はn−MISFET55のソース領域である上部のn+ 層8へ流れずに、保護ダイオード57のアノード領域であるp+ 基板の方へ流れる。
図35は、図34の半導体装置の等価回路図である。n−MISFET55のドレイン(D)−ソース(S)間に逆並列に保護ダイオード57が接続されたものである。
n−MISFET55のドレイン−ソース間にESDなどのサージ電圧が印加された場合、n−MISFET55の耐圧(n−Body6とpエピタキシャル層3のpn接合で決まる耐圧:アバランシェ電圧)よりも低い耐圧(n−Body6とp層2のpn接合で決まる耐圧:アバランシェ電圧)の保護ダイオード57にアバランシェ電流が流れる。保護ダイオード57の抵抗を低くすることにより、保護ダイオード57に流れるアバランシェ電流が増加してもその両端にかかる電圧の上昇を低く抑えられて、n−MISFET55の耐圧以上の電圧が印加されなくなりn−MISFET55は保護される。
The avalanche current does not flow to the upper n + layer 8 which is the source region of the n-MISFET 55 but flows toward the p + substrate which is the anode region of the protection diode 57.
FIG. 35 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device of FIG. A protection diode 57 is connected in antiparallel between the drain (D) and the source (S) of the n-MISFET 55.
When a surge voltage such as ESD is applied between the drain and source of the n-MISFET 55, the withstand voltage (n An avalanche current flows through the protective diode 57 having a breakdown voltage determined by the pn junction between the Body 6 and the p layer 2 (avalanche voltage). By reducing the resistance of the protective diode 57, even if the avalanche current flowing through the protective diode 57 increases, the voltage applied to both ends of the protective diode 57 can be kept low, and a voltage higher than the breakdown voltage of the n-MISFET 55 is not applied. The MISFET 55 is protected.

図36は、図34の半導体装置のトレンチ形状の要部平面図であり、同図(a)は終端部を有するトレンチの場合、同図(b)はループ状のトレンチの場合である。
終端部を有するトレンチ(同図(a))より、切れ目なく連続的に形成されたループ状のトレンチ(同図(b))の方が、電界集中が起き易いトレンチ終端部がないため、電流集中が起きにくく電流がより均一に流れる構造とすることができ、ESD耐量を向上させることができる。
図37〜図46は、図34の半導体装置の製造方法を示す図であり、工程順に示した要部製造工程断面図である。
+ 基板1としては、例えばp型不純物(例えばボロン)濃度が1×1019cm-3程度の基板を用いる。pエピタキシャル3層は、例えばp型不純物の濃度を7×1015cm-3程度とする(図37)。
FIG. 36 is a plan view of the main part of the trench shape of the semiconductor device of FIG. 34. FIG. 36 (a) shows the case of a trench having a terminal portion, and FIG. 36 (b) shows the case of a loop-like trench.
Since a loop-shaped trench (FIG. (B)) formed continuously without a break does not have a trench termination that is more likely to cause electric field concentration than a trench having a terminal (FIG. (A)). Concentration does not easily occur and a current can flow more uniformly, and the ESD tolerance can be improved.
37 to 46 are views showing a method of manufacturing the semiconductor device of FIG. 34, and are cross-sectional views of main part manufacturing steps shown in the order of steps.
As the p + substrate 1, for example, a substrate having a p-type impurity (for example, boron) concentration of about 1 × 10 19 cm −3 is used. In the p-epitaxial trilayer, for example, the concentration of the p-type impurity is set to about 7 × 10 15 cm −3 (FIG. 37).

トレンチ形成前に、p−off5を形成するために、ドーズ量1×1013cm-2程度のボロンのイオン注入をn−MISFET55形成部に行う(図38)。
次に、深さ2μm程度のトレンチ19を形成する(図39)。
次に、n−MISFET55用のトレンチ底部にドーズ量2×1012cm-2程度のリン(P)のイオン注入を行い(n−Body6)、1150℃1時間程度のドライブを行い、P−off5、n−Body6の各領域を形成する。このとき、p+ 基板1とpエピタキシャル層3の間に、p基板1からのボロンの拡散によりp層2が形成される。n−Body6は、p+ 基板1またはp層2と接し、保護ダイオード57のpn接合を形成する(図40)。
次に、ウエハ表面に選択酸化膜13を成長させる(図41)
次に、ゲート酸化膜20を形成しその上に高濃度のn型不純物をドープしたポリシリコン21を0.3μm成長する(図42)。
Before forming the trench, in order to form the p-off 5, boron ion implantation with a dose amount of about 1 × 10 13 cm −2 is performed on the n-MISFET 55 forming portion (FIG. 38).
Next, a trench 19 having a depth of about 2 μm is formed (FIG. 39).
Next, phosphorus (P) with a dose of about 2 × 10 12 cm −2 is implanted into the bottom of the trench for the n-MISFET 55 (n-Body 6), and driving at 1150 ° C. for about 1 hour is performed. , N-Body6 regions are formed. At this time, the p layer 2 is formed between the p + substrate 1 and the p epitaxial layer 3 by the diffusion of boron from the p substrate 1. n-Body 6 is in contact with p + substrate 1 or p layer 2 to form a pn junction of protective diode 57 (FIG. 40).
Next, a selective oxide film 13 is grown on the wafer surface (FIG. 41).
Next, a gate oxide film 20 is formed, and a polysilicon 21 doped with a high concentration n-type impurity is grown thereon by 0.3 μm (FIG. 42).

次に、ポリシリコンを異方性エッチングによりトレンチ19の側壁だけに残し、これがn−MISFET55のゲート電極21となる(図43)。
次にウエハ表面およびトレンチ底面のコンタクト部に選択的にイオン注入を行う。n型不純物(例えば砒素)をドーズ量3×1015cm-2、p型不純物(例えばBF2 )をドーズ量3×1015cm-2の条件でイオン注入する。さらに900℃30分程度のアニール処理を行い、n+ 領域8、p+ 領域9を形成する(図44)。
次に、層間絶縁膜としてBPSGなどのCVD酸化膜22を形成した後、ウエハ表面をCMPで平坦化する。そして酸化膜をエッチングしてトレンチ底およびウエハ表面のコンタクト部を開口する。コンタクト部にはタングステン23を埋め込む(図45)。
次に、アルミ−シリコン−銅の合金を金属電極24としてソース領域となるn+ 層8上とp+ 層9上に形成し、ウエハ裏面に裏面電極14を形成する(図46)。
Next, the polysilicon is left only on the side wall of the trench 19 by anisotropic etching, which becomes the gate electrode 21 of the n-MISFET 55 (FIG. 43).
Next, ion implantation is selectively performed on the contact portions on the wafer surface and the bottom surface of the trench. N-type impurities (for example, arsenic) are ion-implanted at a dose amount of 3 × 10 15 cm −2 and p-type impurities (for example, BF 2 ) at a dose amount of 3 × 10 15 cm −2 . Further, an annealing process is performed at 900 ° C. for about 30 minutes to form an n + region 8 and a p + region 9 (FIG. 44).
Next, after a CVD oxide film 22 such as BPSG is formed as an interlayer insulating film, the wafer surface is planarized by CMP. The oxide film is etched to open the trench bottom and the contact portion on the wafer surface. Tungsten 23 is embedded in the contact portion (FIG. 45).
Next, an aluminum-silicon-copper alloy is formed as a metal electrode 24 on the n + layer 8 and the p + layer 9 which become the source region, and the back electrode 14 is formed on the back surface of the wafer (FIG. 46).

図47は、この発明の第8実施例の半導体装置の要部断面図である。n−MISFET35は、n−Body6の曲面部にn−Body6よりも低濃度のn−off10を形成している点が、図34のn−MISFET55とは異なる。p層2と接する底面は高濃度のn−Body6である。
図48は、保護ダイオード57、保護ダイオード57を除くn−MISFET35単体(p層2が無く、n−off10がp+ 基板1に接していない場合)のそれぞれのI−V特性図である。
図48に示すように、n−MISFET35単体の耐圧が保護ダイオード57の耐圧より高い程、n−MISFET35の保護として好ましい。n−off10を追加することでn−MISFET35単体の耐圧を保護ダイオード57の耐圧よりも十分高くすることが可能になるため、ESD耐量を高めることができる。
FIG. 47 is a cross-sectional view of the principal part of the semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention. The n-MISFET 35 is different from the n-MISFET 55 of FIG. 34 in that n-off 10 having a concentration lower than that of n-Body 6 is formed on the curved surface portion of n-Body 6. The bottom surface in contact with the p layer 2 is high-concentration n-Body 6.
48 is an IV characteristic diagram of each of the protection diode 57 and the n-MISFET 35 excluding the protection diode 57 (when the p layer 2 is not provided and the n-off 10 is not in contact with the p + substrate 1).
As shown in FIG. 48, the higher the breakdown voltage of the n-MISFET 35 alone than the protection diode 57 is, the more preferable the protection of the n-MISFET 35 is. By adding n-off 10, the breakdown voltage of the n-MISFET 35 alone can be made sufficiently higher than the breakdown voltage of the protective diode 57, so that the ESD tolerance can be increased.

図49は、この発明の第9実施例の半導体装置の要部断面図である。図34のn−MISFE55とはトレンチ19の底部の保護ダイオード40の構造が異なる。すなわち、p+ 基板1とpエピタキシャル層3の間にn型の埋め込み層32が形成され、n−Body6がこの埋め込み層32と接している。この埋め込み層32の不純物濃度を所定の値とすることで、n−Body6の曲面よりも低い電圧で埋め込み層32とp+ 基板1のpn接合でアバランシェを起こすことができる。この埋め込み層32とp+ 基板のpn接合は平坦で広い面積であるためアバランシェ破壊は起きにくく、またアバランシェ電流が広い面積で流れるために保護ダイオード40の抵抗は小さくなる。そのため、ESD耐量を向上させることができる。 FIG. 49 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the ninth embodiment of the present invention. The structure of the protection diode 40 at the bottom of the trench 19 is different from the n-MISFE 55 of FIG. That is, an n-type buried layer 32 is formed between the p + substrate 1 and the p epitaxial layer 3, and n-Body 6 is in contact with this buried layer 32. By setting the impurity concentration of the buried layer 32 to a predetermined value, an avalanche can be caused at the pn junction between the buried layer 32 and the p + substrate 1 at a voltage lower than the curved surface of n-Body 6. Since the pn junction between the buried layer 32 and the p + substrate is flat and has a large area, avalanche breakdown is unlikely to occur, and since the avalanche current flows in a wide area, the resistance of the protection diode 40 is reduced. Therefore, ESD tolerance can be improved.

図50は、この発明の第10実施例の半導体装置の要部断面図である。図49との違いは、図49のn−MISFET35のn−Body6の曲面部にn−Body6よりも低濃度のn−off10を形成している点である。このn−off10を入れることにより、保護ダイオード40を除いたn−MISFET35単体の耐圧を低下させることなく、n−Body6の濃度を高くすることができる。これによって、保護ダイオード40の抵抗を下げることができ、ESD耐量を図49の半導体装置よりも高くすることができる。   FIG. 50 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the tenth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 49 is that n-off 10 having a lower concentration than n-Body 6 is formed on the curved surface portion of n-Body 6 of n-MISFET 35 in FIG. By inserting this n-off 10, the concentration of n-Body 6 can be increased without reducing the breakdown voltage of the n-MISFET 35 alone excluding the protection diode 40. As a result, the resistance of the protection diode 40 can be lowered, and the ESD tolerance can be made higher than that of the semiconductor device of FIG.

図51は、この発明の第11実施例の半導体装置の要部断面図である。図49との違いは、埋め込み層32をn−Body6の底面と接触する箇所付近に選択的に形成した部分埋め込み層32aとした点である。こうすると、部分埋め込み層32aとp+ 基板1との接合容量が小さくなり、n−MISFET55の高周波特性が改善される。 FIG. 51 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the eleventh embodiment of the present invention. The difference from FIG. 49 is that the buried layer 32 is a partially buried layer 32a that is selectively formed in the vicinity of the portion that contacts the bottom surface of the n-Body 6. This reduces the junction capacitance between the partially buried layer 32a and the p + substrate 1 and improves the high frequency characteristics of the n-MISFET 55.

図52は、この発明の第12実施例の半導体装置の要部断面図である。図51との違いは、図51のn−MISFET55のn−Body6の曲面部にn−Body6よりも低濃度のn−off10を形成している点である。このn−off10を入れることにより、保護ダイオード40を除いたn−MISFET35単体の耐圧を低下させることなく、n−Body6の濃度を高くすることができる。これによって、保護ダイオード40の抵抗を下げることができ、ESD耐量を図51の半導体装置よりも高くすることができる。   FIG. 52 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the twelfth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 51 is that n-off 10 having a lower concentration than n-Body 6 is formed on the curved surface portion of n-Body 6 of n-MISFET 55 in FIG. By inserting this n-off 10, the concentration of n-Body 6 can be increased without reducing the breakdown voltage of the n-MISFET 35 alone excluding the protection diode 40. Thereby, the resistance of the protection diode 40 can be lowered, and the ESD tolerance can be made higher than that of the semiconductor device of FIG.

図53は、この発明の第13実施例の半導体装置の要部断面図である。p+ 基板1上に選択的に酸化膜58を形成し、その上にpエピタキシャル層3を形成したものを用いて、酸化膜58が形成さていない箇所のpエピタキシャル層3にn−MISFET55を形成する。pエピタキシャル層3とp+ 基板1の間に染みだし層であるp層2が形成される。このn−MISFET55のn−Body6の底面とp層2と接触させる。
このように選択的に酸化膜58を埋め込んだSOI基板を用いることで、n−MISFET55と縦型の保護ダイオード57を形成することができる。
この場合も、図51の部分的に埋め込み層32aを形成した場合と同様の効果が期待できる。
FIG. 53 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the thirteenth embodiment of the present invention. An n-MISFET 55 is formed in the p epitaxial layer 3 where the oxide film 58 is not formed by using the oxide film 58 selectively formed on the p + substrate 1 and the p epitaxial layer 3 formed thereon. To do. Between the p epitaxial layer 3 and the p + substrate 1, a p layer 2 which is a oozing layer is formed. The bottom surface of n-Body 6 of this n-MISFET 55 is brought into contact with p layer 2.
By using the SOI substrate in which the oxide film 58 is selectively buried in this way, the n-MISFET 55 and the vertical protection diode 57 can be formed.
In this case, the same effect as that in the case where the buried layer 32a is partially formed in FIG. 51 can be expected.

図54は、この発明の第14実施例の半導体装置の要部断面図である。図53との違いは、図53のn−MISFET55のn−Body6の曲面部にn−Body6よりも低濃度のn−off10を形成している点である。このn−off10を入れることにより、保護ダイオード40を除いたn−MISFET35単体の耐圧を低下させることなく、n−Body6の濃度を高くすることができる。これによって、保護ダイオード57の抵抗を下げることができ、ESD耐量を図53の半導体装置よりも高くすることができる。 尚、前記の全ての実施例の導電型を逆にして、p−MISFETを形成した場合は、p−Bodyがp−MISFETのpドレイン領域であり、保護ダイオードのアノード領域である。また、n+ 基板が保護ダイオードのカソード領域となり、前記の実施例と同様の効果が得られることは勿論である。 FIG. 54 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device according to the fourteenth embodiment of the present invention. The difference from FIG. 53 is that n-off 10 having a lower concentration than n-Body 6 is formed on the curved surface portion of n-Body 6 of n-MISFET 55 in FIG. By inserting this n-off 10, the concentration of n-Body 6 can be increased without reducing the breakdown voltage of the n-MISFET 35 alone excluding the protection diode 40. As a result, the resistance of the protection diode 57 can be lowered, and the ESD tolerance can be made higher than that of the semiconductor device of FIG. When the p-MISFET is formed by reversing the conductivity types of all the embodiments described above, p-Body is the p-drain region of the p-MISFET and the anode region of the protection diode. Of course, the n + substrate serves as the cathode region of the protective diode, and the same effect as in the above-described embodiment can be obtained.

この発明の第1実施例の半導体装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 1st Example of this invention. 図1の半導体装置の等価回路図1 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device of FIG. 図1の保護ダイオードの要部平面図FIG. 1 is a plan view of the main part of the protection diode of FIG. 図1の保護ダイオードの別の要部平面図Another main part top view of the protection diode of FIG. 図1の保護ダイオードの別の要部平面図Another main part top view of the protection diode of FIG. 図1の保護ダイオードの別の要部平面図Another main part top view of the protection diode of FIG. 図1の半導体装置の要部製造工程断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 1. 図7に続く、図1の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 7 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図8に続く、図1の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 8 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図9に続く、図1の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 9 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図10に続く、図1の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 10 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図11に続く、図1の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 11 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図12に続く、図1の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 12 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図13に続く、図1の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 13 is a cross-sectional view of the essential part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図14に続く、図1の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 14 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図15に続く、図1の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 15 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図16に続く、図1の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 16 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図17に続く、図1の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 17 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. p−MISFETを有する場合の半導体装置の要部断面図Cross-sectional view of essential parts of a semiconductor device having a p-MISFET 図19の半導体装置の等価回路図19 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device of FIG. この発明の第2実施例の半導体装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 2nd Example of this invention この発明の第3実施例の半導体装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 3rd Example of this invention. この発明の第4実施例の半導体装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 4th Example of this invention. この発明の第5実施例の半導体装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 5th Example of this invention この発明の第6実施例の半導体装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 6th Example of this invention 従来のプレーナ構造の保護ダイオードを有する半導体装置の要部断面図Sectional view of the main part of a conventional semiconductor device having a protective diode having a planar structure 動作抵抗が異なる2つの保護ダイオードのI−V特性を示す図The figure which shows the IV characteristic of two protection diodes from which operating resistance differs 従来のトレンチ構造の保護ダイオードを有する半導体装置の要部断面図Sectional view of the main part of a conventional semiconductor device having a protective diode with a trench structure 幅が広いトレンチ構造の保護ダイオードの概略の構成図であり、同図(a)は要部平面図、同図(b)は同図(a)のX−X線で切断した要部断面図、同図(c)は同図(b)のトレンチ側壁に絶縁膜を形成し、その上に導電膜を形成した要部断面図It is a schematic block diagram of the protection diode of a wide trench structure, the figure (a) is a principal part top view, the figure (b) is principal part sectional drawing cut | disconnected by the XX line of the figure (a). (C) is a cross-sectional view of the main part in which an insulating film is formed on the trench side wall of FIG. (B) and a conductive film is formed thereon. 図29のトレンチの深さが深い場合の図29(c)に相当する要部断面図29 is a fragmentary cross-sectional view corresponding to FIG. 29C when the trench of FIG. 29 is deep. 終端部があるトレンチを複数個形成した保護ダイオードの要部平面図Plan view of the main part of a protection diode with multiple trenches with terminations トレンチ終端部の底部での形状異状を示す図で、同図(a)は正常な形状図、同図(b)は異状な形状図The figure which shows the shape abnormality in the bottom part of a trench termination | terminus part, The figure (a) is a normal shape figure, The figure (b) is an unusual shape figure. トレンチ終端部の底部での残渣を示す図で、同図(a)は正常な図、同図(b)は残渣のある図The figure which shows the residue in the bottom part of a trench termination | terminus part, the figure (a) is a normal figure, the figure (b) is a figure with a residue この発明の第7実施例の半導体装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 7th Example of this invention. 図34の半導体装置の等価回路図34 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device of FIG. 図34の半導体装置のトレンチ形状の要部平面図であり、(a)は終端部を有するトレンチの場合、(b)はループ状のトレンチの場合FIG. 35 is a plan view of a main part of the trench shape of the semiconductor device of FIG. 34, where (a) is a trench having a terminal end, and (b) is a loop-shaped trench. 図34の半導体装置の要部製造工程断面図34 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図37に続く、図34の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 37 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図38に続く、図34の半導体装置の要部製造工程断面図34 is a fragmentary manufacturing process cross-sectional view of the semiconductor device of FIG. 図39に続く、図34の半導体装置の要部製造工程断面図34 is a cross-sectional view of manufacturing steps of main parts of the semiconductor device in FIG. 図40に続く、図34の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 40 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図41に続く、図34の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 41 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図42に続く、図34の半導体装置の要部製造工程断面図34 is a fragmentary manufacturing process cross-sectional view of the semiconductor device of FIG. 図43に続く、図34の半導体装置の要部製造工程断面図34 is a fragmentary manufacturing process cross-sectional view of the semiconductor device of FIG. 図44に続く、図34の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 44 is a cross-sectional view of the main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 図45に続く、図34の半導体装置の要部製造工程断面図FIG. 45 is a principal part manufacturing process sectional view of the semiconductor device in FIG. この発明の第8実施例の半導体装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 8th Example of this invention. 保護ダイオード57とn−MISFET35単体のそれぞれのI−V特性図IV characteristic diagrams of the protection diode 57 and the n-MISFET 35 alone この発明の第9実施例の半導体装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 9th Example of this invention. この発明の第10実施例の半導体装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 10th Example of this invention. この発明の第11実施例の半導体装置の要部断面図Sectional drawing of the principal part of the semiconductor device of 11th Embodiment of this invention. この発明の第12実施例の半導体装置の要部断面図Sectional view of the principal part of the semiconductor device according to the twelfth embodiment of the present invention. この発明の第13実施例の半導体装置の要部断面図Sectional view of the principal part of the semiconductor device according to the thirteenth embodiment of the present invention. この発明の第14実施例の半導体装置の要部断面図Sectional view of the principal part of the semiconductor device according to the fourteenth embodiment of the invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、101 p+ 基板
2、102 p+ 基板から拡散したp層
3、103 pエピタキシャル層
4、105 nウエル領域
5 pオフセット領域
6、104 n領域(n−body)
7、118 n領域
8、108 n+ 領域
9、109 p+ 領域
10 nオフセット領域
11 p領域(p−body)
13、107 LOCOS酸化膜
14 111 裏面電極
15、35、55 n−MISFET
16 p−MISFET
17、40、57、112 保護ダイオード
18 n−MISFET
19、119 トレンチ
20 ゲート酸化膜
21 ゲート電極
22 層間絶縁膜
23 115 金属膜
24 110 金属電極
25 106 pウエル領域
30 n層(エピタキシャル層)
31 BOX層
114 絶縁膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 p + board | substrate 2,102 p + diffused from board | substrate 3,103 p epitaxial layer 4,105 n well area | region 5 p offset area | region 6,104 n area | region (n-body)
7, 118 n region 8, 108 n + region 9, 109 p + region 10 n offset region 11 p region (p-body)
13, 107 LOCOS oxide film 14 111 Back electrode 15, 35, 55 n-MISFET
16 p-MISFET
17, 40, 57, 112 Protection diode 18 n-MISFET
19, 119 trench 20 gate oxide film 21 gate electrode 22 interlayer insulating film 23 115 metal film 24 110 metal electrode 25 106 p-well region 30 n layer (epitaxial layer)
31 BOX layer 114 Insulating film

Claims (9)

被保護素子と、該被保護素子を過電圧から保護する保護ダイオードとを有し、該保護ダイオードのカソードと前記被保護素子の高電位側とが接続し、前記保護用ダイオードのアノードが前記被保護素子の低電位側と接続して形成された半導体装置において、
第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の表面から内部に向かって形成されたトレンチと、前記トレンチ底部の前記半導体基板内部に形成された第2導電型の第1半導体領域と、前記半導体基板と前記第1半導体領域とで形成されたpn接合を有する前記保護ダイオードとを備え、前記トレンチの開口部の平面形状がループ状であることを特徴とする半導体装置。
A protection element, and a protection diode for protecting the protection element from an overvoltage; a cathode of the protection diode and a high potential side of the protection element are connected; and an anode of the protection diode is the protection target In a semiconductor device formed in connection with the low potential side of the element,
A first conductivity type semiconductor substrate; a trench formed inward from the surface of the semiconductor substrate; a second conductivity type first semiconductor region formed in the semiconductor substrate at the bottom of the trench; and the semiconductor A semiconductor device comprising: the protective diode having a pn junction formed by a substrate and the first semiconductor region, wherein a planar shape of an opening of the trench is a loop shape.
被保護素子と、該被保護素子を過電圧から保護する保護ダイオードとを有し、該保護ダイオードのカソードと前記被保護素子の高電位側とが接続し、前記保護ダイオードのアノードが前記被保護素子の低電位側と接続して形成された半導体装置において、
第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に絶縁層を介して形成された半導体層と、該半導体層の表面から前記絶縁層を貫通して前記半導体基板に達するトレンチと、前記トレンチ底部の半導体基板内部に形成された第2導電型の第1半導体領域と、前記半導体基板と前記第1半導体領域とで形成されたpn接合を有する前記保護ダイオードとを備え、前記トレンチの開口部の平面形状がループ状であることを特徴とする半導体装置。
A protection element and a protection diode for protecting the protection element from overvoltage; a cathode of the protection diode and a high potential side of the protection element are connected; and an anode of the protection diode is the protection element In the semiconductor device formed connected to the low potential side of
A first conductivity type semiconductor substrate; a semiconductor layer formed on the semiconductor substrate via an insulating layer; a trench reaching the semiconductor substrate from the surface of the semiconductor layer through the insulating layer; and a bottom of the trench A first semiconductor region of a second conductivity type formed inside the semiconductor substrate, and the protection diode having a pn junction formed by the semiconductor substrate and the first semiconductor region, and having an opening in the trench A semiconductor device, wherein the planar shape is a loop shape.
被保護素子と、該被保護素子を過電圧から保護する保護ダイオードとを有し、該保護ダイオードのカソードと前記被保護素子の高電位側とが接続し、前記保護ダイオードのアノードが前記被保護素子の低電位側と接続して形成された半導体装置において、
第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の表面から内部に向かって形成されたトレンチと、前記トレンチ底部の前記半導体基板上に形成された第2導電型の第2半導体領域と、前記半導体基板と前記第2半導体領域とで形成されたpn接合を有する前記保護ダイオードとを備え、前記トレンチの開口部の平面形状がループ状であることを特徴とする半導体装置。
A protection element and a protection diode for protecting the protection element from overvoltage; a cathode of the protection diode and a high potential side of the protection element are connected; and an anode of the protection diode is the protection element In the semiconductor device formed connected to the low potential side of
A semiconductor substrate of a first conductivity type, a trench formed inward from the surface of the semiconductor substrate, a second semiconductor region of a second conductivity type formed on the semiconductor substrate at the bottom of the trench, and the semiconductor A semiconductor device comprising: the protection diode having a pn junction formed by a substrate and the second semiconductor region, wherein a planar shape of an opening of the trench is a loop shape.
被保護素子と、該被保護素子を過電圧から保護する保護ダイオードとを有し、該保護ダイオードのカソードと前記被保護素子の高電位側とが接続し、前記保護ダイオードのアノードが前記被保護素子の低電位側と接続して形成された半導体装置において、
第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に絶縁層を介して形成された半導体層と、該半導体層の表面から前記絶縁層を貫通して前記半導体基板に達するトレンチと、前記トレンチ底部の半導体基板上に形成された第2導電型の第2半導体領域と、前記半導体基板と前記第2半導体領域とで形成されたpn接合を有する前記保護ダイオードとを備え、前記トレンチの開口部の平面形状がループ状であることを特徴とする半導体装置。
A protection element and a protection diode for protecting the protection element from overvoltage; a cathode of the protection diode and a high potential side of the protection element are connected; and an anode of the protection diode is the protection element In the semiconductor device formed connected to the low potential side of
A first conductivity type semiconductor substrate; a semiconductor layer formed on the semiconductor substrate via an insulating layer; a trench reaching the semiconductor substrate from the surface of the semiconductor layer through the insulating layer; and a bottom of the trench A second semiconductor region of a second conductivity type formed on the semiconductor substrate, and the protection diode having a pn junction formed by the semiconductor substrate and the second semiconductor region, and having an opening in the trench A semiconductor device, wherein the planar shape is a loop shape.
前記ループ状のトレンチが複数個形成されることを特徴とする請求項1または2のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein a plurality of the loop-shaped trenches are formed. 前記ループ状のトレンチが複数個形成されることを特徴とする請求項3または4のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3, wherein a plurality of the loop-shaped trenches are formed. 前記第2半導体領域がエピタキシャル成長層であることを特徴とする請求項3または4のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 3 or 4, characterized in that said second semiconductor region is epitaxially grown layer. 前記トレンチと、前記トレンチ内に形成された前記第1もしくは第2半導体領域とオーミック接触する導電膜とを有することを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。 The trench and the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it has a conductive film formed in contact said first or second semiconductor region and the ohmic in the trench. 前記保護ダイオードは、前記被保護素子の電極パッドの下に形成されたことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。 Said protective diode is a semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the formed under the electrode pads of the protected device.
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