JPH0864687A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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JPH0864687A
JPH0864687A JP6201950A JP20195094A JPH0864687A JP H0864687 A JPH0864687 A JP H0864687A JP 6201950 A JP6201950 A JP 6201950A JP 20195094 A JP20195094 A JP 20195094A JP H0864687 A JPH0864687 A JP H0864687A
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semiconductor substrate
soi
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Takashi Kanda
隆司 神田
Shozo Kataoka
省三 片岡
Masahiko Suzumura
正彦 鈴村
Masahito Onishi
雅人 大西
Yoshiki Hayazaki
嘉城 早崎
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 素子の高耐圧化に影響を与えることなく高速
動作が可能となると共に、SOI構造の埋め込み酸化膜
厚が素子に印加される電位によらず任意に設定可能とな
り、また、デバイスの電位が固定されることにより安定
動作も可能となる半導体装置及びその製造方法を提供す
る。 【構成】 絶縁膜2を介してSOI層3と相対する比較
的高抵抗な導電性領域61をシリコン基板1中に設け
て、横型MOSFET(Q12)が形勢されているSOI
層3と、横型MOSFET(Q42)が形成されているS
OI層3とを電気的に接続した。 【効果】 素子の高耐圧化に影響を与えることなく高速
動作が可能となると共に、SOI構造の埋め込み酸化膜
厚が素子に印加される電位によらず任意に設定可能とな
り、また、デバイスの電位が固定されることにより安定
動作も可能となる半導体装置及びその製造方法を提供で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の構造及び
その製造方法に関するものであり、更に詳しくはSOI
基板を用いて横型MOSFET等のデバイス(例えばス
イッチング素子)を集積した半導体装置及びその製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、複数のスイッチング素子と複数の
キャパシタンス素子とから構成されるスイッチドキャパ
シタ電力変換回路(SC回路)は複数の高電圧を扱うた
め、半導体上に集積化する場合、素子分離の自由度が高
く、且つ高耐圧分離が容易なSOI構造を用いることが
有効である。
【0003】図8は並列充電、直列放電型のSC回路を
示すものであり、以下に動作を簡単に説明する。
【0004】先ず、スイッチング素子S2 をオフ、スイ
ッチング素子S1 をオンし、MOSFET(Q11)〜
(Q41)をオン、MOSFET(Q12)〜(Q42)をオ
フして、直流電源電圧EをキャパシタC1 〜C5 の並列
回路に印加する。この時、MOSFET(Q12)〜(Q
42)のドレイン電圧V21〜V51は、MOSFET
(Q11)〜(Q41)のオン抵抗が無視できるとすると直
流電源電圧Eとなり、MOSFET(Q12)〜(Q42
のソース電圧V10〜V40はダイオ−ドD1 〜D4 の電圧
降下がほぼ無視できるとするとゼロとなる。従ってキャ
パシタC1 〜C5 は直流電源電圧Eまで充電される。
【0005】次にスイッチング素子S1 をオフ、スイッ
チング素子S2 をオンして、MOSFET(Q11)〜
(Q41)をオフ、MOSFET(Q12)〜(Q42)をオ
ンすると、ダイオ−ドD1 〜D4 は逆バイアスされてオ
フとなり、負荷Z→キャパシタC5 →MOSFET(Q
42)→キャパシタC4 →MOSFET(Q32)→キャパ
シタC3 →MOSFET(Q22)→キャパシタC2 →M
OSFET(Q12)→キャパシタC1 →スイッチング素
子S2 →負荷Zというループで負荷Zには直流電源電圧
Eの5倍圧(5E)が印加される。この時、ダイオ−ド
4 のカソ−ド電圧V50=0を基準とすると、MOSF
ET(Q11)のドレイン電圧V11=5E,MOSFET
(Q21)のドレイン電圧V21=4E,MOSFET(Q
31)のドレイン電圧V31=3E,MOSFET(Q41
のドレイン電圧V41=2E,MOSFET(Q42)のド
レイン電圧V51=E,MOSFET(Q12)のソース電
圧V 10=4E,MOSFET(Q22)のソース電圧V20
=3E,MOSFET(Q32)のソース電圧V30=2
E,MOSFET(Q42)のソース電圧V40=E,ダイ
オ−ドD4 のカソ−ド電圧V50=0となる。
【0006】この回路の一部であるMOSFET
(Q12)〜MOSFET(Q42)をSOI構造に実現し
たもの(第1従来例)を図9に示す。本構造は、シリコ
ン基板1とシリコン活性層(SOI層)3の間に一面絶
縁酸化膜層(絶縁膜)2があるSOI構造であり、SO
I層3の表面から絶縁膜2までトレンチ4を掘り、絶縁
酸化膜で埋めることにより個々のデバイス(ここではM
OSFET(Q12)〜MOSFET(Q42))領域を分
離するものであり、各デバイス領域には横方向DMOS
FETを形成し、基板表面より各端子を引き出してい
る。
【0007】ここで、図9の様な構成において、図8に
示す回路が例えば並列充電をする時は、MOSFET
(Q12)〜MOSFET(Q42)のドレインDにはそれ
ぞれ直流電源電圧Eの電圧が印加され、ソースSにはゼ
ロの電圧が印加される。ここでシリコン基板1の基準電
位Vsub がゼロであれば、絶縁膜2に印加される電圧は
最大でも各デバイスの最大電圧(ここではドレイン電
圧)と基準電位Vsub の差であり、MOSFET
(Q12)のデバイス領域とシリコン基板1との間、つま
り絶縁膜2にかかる電圧V2Sは最大で、 V2S=V21−Vsub =E−0=E ・・・・・・・・・・・・・・・(1) となる。同様に、MOSFET(Q22)〜MOSFET
(Q42)のデバイス領域とシリコン基板1との間、つま
り絶縁膜2にかかる電圧V3S〜V5Sは、電圧V31
4S,V51が直流電源電圧Eであるため、 V3S=V4S=V5S=E ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2) である。また、MOSFET(Q12)〜MOSFET
(Q42)に印加される電圧は直流電源電圧Eである。
【0008】一方、直列放電をする時は、MOSFET
(Q12)のデバイス領域とシリコン基板1との間、つま
り絶縁膜2にかかる電圧V2Sは最大で、 V2S=V21−Vsub =4E−0=4E ・・・・・・・・・・・・・(3) となり、絶縁膜2には最大で直流電源電圧Eの4倍圧
(4E)の電圧がかかり、同様にして、 V3S=3E,V4S=2E,V5S=E ・・・・・・・・・・・・・・(4) となる。
【0009】以上のようにSOI基板上にデバイスを製
作し、それぞれのデバイスを絶縁分離することにより、
各デバイス間の電圧関係に制約を受けることなく1つの
基板上に素子を集積化できる。
【0010】なお、本従来例に於いて、一般に知られて
いるようにシリコン活性層3の片面を所望の厚さまで酸
化して絶縁膜2とすると共に、シリコン基板1と貼り合
わせてシリコン活性層3を所望の厚さになるまで研磨す
る、貼り合わせSOI基板等を用いてもよく、また、M
OSFET(Q12)〜MOSFET(Q42)として横方
向DMOSFETの例を示してあるが、横方向MOSF
ETやバイポーラトランジスタでも良い。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかし、MOSFET
(Q12)〜MOSFET(Q42)においてデバイス自体
は直流電源電圧Eの耐圧を持てば良いにもかかわらず、
絶縁膜2には最大4Eの電圧が印加されるため、絶縁膜
2はそれに耐えるだけの膜厚をもつ必要がある。その為
に、基板を介しての放熱が悪くなるという問題があっ
た。また、各デバイスはオン/ オフ時に大きな電圧差を
持つ絶縁膜2の容量の電荷を充放電する必要がある為
に、各デバイスのスイッチングスピードが遅くなると共
に、基板間の電圧差はそれぞれ異なるためにスイッチン
グスピードが異なり、回路動作が不安定になるという問
題があった。
【0012】上記問題点を解決し、さらにデバイス中の
等電位線を均等にしてデバイス自体の耐圧を向上する為
に、図10(5)に示すようにデバイスの最高電位点
(V21)をシリコン基板1と接続することによりシリコ
ン基板1を最高電位に固定するフィールドプレートを用
いる手段(第2従来例)がある。この様に構成すれば、
最高電位にあるデバイス(ここではMOSFET
(Q12))とシリコン基板1との間、つまり絶縁膜2に
かかる電圧V2Sは低減されるが、逆に最低電位にあるデ
バイス(ここではMOSFET(Q42))とシリコン基
板1との間、つまり絶縁膜2にかかる電圧V5Sは−3E
〜−4Eと大きくなるという問題が生じる。
【0013】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、素子の高耐圧化に影響を
与えることなく高速動作が可能となると共に、SOI構
造の埋め込み酸化膜厚が素子に印加される電位によらず
任意に設定可能となり、また、デバイスの電位が固定さ
れることにより安定動作も可能となる半導体装置及びそ
の製造方法を提供する。
【0014】
【発明を解決するための手段】上記課題を解決する為
に、請求項1記載の発明によれば、請求項2記載の発明
によれば、請求項3記載の発明によれば、請求項4記載
の発明によれば、請求項5記載の発明によれば、請求項
6記載の発明によれば、
【0015】
【作用】請求項1乃至請求項5記載の発明によれば、S
OI層3とシリコン基板1との間に存在する絶縁膜2に
よって形成される寄生容量を充放電することは必要な
く、シリコン基板1は接地電位ゼロに接続され、導電性
領域61は常に正電位となる為に、シリコン基板1に対
して導電性領域61は常に逆バイアス条件となり、PN
接合の整流特性により導電性領域61とシリコン基板1
とは電気的に分離される。
【0016】請求項6記載の発明によれば、N型シリコ
ン基板表面の適当な領域にシリコンエッチングを行い、
N型シリコン基板表面に凹凸部を形成した後、表面の熱
酸化を行い、その後で表面が平坦化されるまで研磨す
る。ここで、P型シリコン基板1とN型シリコン基板3
との貼り合わせを行い、SOI構造の基板が形成され
る。この後SOI基板の表面シリコン層を所望の厚みま
で研磨して、表面シリコン基板のシリコンエッチングを
行った後、エッチングにより形成されたシリコン溝に絶
縁膜を堆積することによりSOI基板を完成する。
【0017】
【実施例】
(実施例1)本発明に係る第1実施例を図1に示し、そ
の製造方法を図2に示す。
【0018】図10に示した第2従来例と異なる点は、
絶縁膜2を介してSOI層3と相対する比較的高抵抗な
導電性領域61をシリコン基板1中に新たに設けて、横
型MOSFET(Q12)が形勢されているSOI層3
と、横型MOSFET(Q42)が形成されているSOI
層3とを電気的に接続した構造であることであり、その
他の第2従来例と同一構成には同一符号を付すことによ
り説明を省略する。
【0019】次に、製造方法を図2を用いて説明する。
図2(a)に示す様にP型シリコン基板1の表面の酸化
膜2上に拡散窓7を開口した後、図2(b)に示す様に
開口された拡散窓7よりリン等のN型不純物を導入し熱
拡散を行いN型不純物領域61を形成する。一方、図2
(c)に示す様にN型シリコン基板3表面の適当な領域
にシリコンエッチングを行い、N型シリコン基板3表面
に凹凸部を形成した後、図2(d)に示す様にN型シリ
コン基板3表面の熱酸化を行う。引続き図2(e)に示
す様にN型シリコン基板3表面が平坦化されるまで研磨
する。ここで、図2(b)に示すP型シリコン基板1の
ウエハと、図2(e)に示すN型シリコン基板3のウエ
ハとの貼り合わせを行う。この貼り合わせ工程におい
て、図2(e)に示したN型シリコン基板3のウエハの
表裏を反転し貼り合わせ工程は実施し、SOI構造の基
板が形成される。この後SOI基板の表面シリコン層を
所望の厚みまで研磨して、図2(f)に示す構造が形成
される。この後、図2(g)に示す様にSOI基板の表
面シリコン基板のシリコンエッチングを行った後、エッ
チングされたシリコン溝8に絶縁膜2を堆積することに
より、SOI基板が完成される。そして、SOI層3に
横型MOSFETを形成することにより図1に示した半
導体装置が完成する。
【0020】ここで、各々の横型MOSFETのドレイ
ン電圧は横型MOSFET(Q12)とMOSFET(Q
42)が形成されているSOI層3と電気的に接続され
る。また、高抵抗な導電性領域61の導電型はSOI層
3と同一導電型で、シリコン基板1とは反対導電型であ
る。そして、シリコン基板1は接地電位に電気的に接続
されている。そして、導電性領域61の両端の電位はそ
れぞれV21とV51と等しくなり導電性領域61間では電
位はV21からV51へと連続的に変化する。従って、図1
に示す回路における並列充電、直列放電時のSOI層3
とシリコン基板1との間の電圧は常にほぼゼロとなる。
【0021】この為、SOI層3とシリコン基板1との
間に存在する絶縁膜2によって形成される寄生容量を充
放電することは必要なく、スイッチング素子は高周波動
作が可能となる。また、シリコン基板1は接地電位ゼロ
に接続され、導電性領域61は常に正電位となる為に、
シリコン基板1に対して導電性領域61は常に逆バイア
ス条件となり、PN接合の整流特性により導電性領域6
1とシリコン基板1とは電気的に分離される。そして、
MOSFET(Q12)〜MOSFET(Q42)のドレイ
ン電位は絶縁膜2の容量で導電性領域61の電位に結合
される為、ノイズ等で基準電位がふらつくことが低減さ
れ、安定動作も可能となる。更に、導電性領域61はフ
ィールドプレート効果も有している為、デバイスの耐圧
に悪影響を与えることはは何等ないことは明らかであ
る。
【0022】(実施例2)本発明に係る第2実施例を図
3に示し、その製造方法を図4に示す。
【0023】図1に示した第1実施例と異なる点は、導
電性領域61がSOI基板のSOI層3とシリコン基板
1との間の絶縁膜21及び絶縁膜22中に埋め込まれた
構造にして、導電性領域61とシリコン基板1との分離
を、絶縁膜21及び絶縁膜22で電気的に行うものであ
り、第1実施例と同一構成には同一符号を付すことによ
り説明を省略する。
【0024】次に、図4を用いて製造方法を簡単に示
す。図4(a)に示す様にN型シリコン基板3表面の適
当な領域のシリコンエッチングを行い、N型シリコン基
板3表面に凹凸部を形成した後、図4(b)に示す様に
N型シリコン基板3表面の熱酸化を行う。そして、図4
(c)に示す様にN型シリコン基板3表面が平坦化され
るまで研磨する。一方、図4(d)に示す様にP型シリ
コン基板1に高加速エネルギにより酸素イオンをイオン
注入するSIMOX法によりP型シリコン基板1中に酸
化膜22とP型シリコン基板1表面にシリコン層61を
形成する。ここで、図4(c)に示すN型シリコン基板
3中に酸化膜21が埋め込まれたウエハと、図4(d)
に示すP型シリコン基板1のウエハとの両者の貼り合わ
せを行う。この貼り合わせ工程において、図4(c)に
示すN型シリコン基板3のウエハの表裏を反転して貼り
合わせ工程を行い、SOI構造の基板が形成され、SO
I基板のSOI層3を所望の厚みまで研磨し、図4
(e)に示す構造が形成される。図4(f)に示す様に
SOI基板のSOI層3のシリコンエッチングを行った
後、図4(g)に示す様にエッチングされたシリコン溝
8に絶縁膜21を堆積することにより、SOI基板が完
成される。SOI層3に横型MOSFETを形成するこ
とにより図3に示す半導体装置が完成する。
【0025】ここで、図4(g)に示すSOI構造を得
る為に、図4(d)の工程においてP型シリコン基板1
の表面に酸化膜22を形成した後、SIPOS等の導電
性膜を形成しても良い。
【0026】なお、上記実施例1及び実施例2に示した
製造方法は、いずれも2枚のウエハを貼り合わせてSO
Iウエハを作成する場合に、一方のシリコン基板のウエ
ハ表面を予めエッチングし凹凸部を形成しておいた後に
酸化を施して表面の凹凸部を無くする様に平坦化する。
この酸化膜はSOIウエハの埋め込み酸化膜として機能
する。又、埋め込み酸化膜が形成された一方のシリコン
基板のウエハは貼り合わせ時に反転し、他方のシリコン
基板のウエハと貼り合わせた後、所望の厚みになるまで
研磨する為、得られたSOIウエハの表面半導体層の結
晶性は従来の貼り合わせ法による表面半導体層と同様の
良好な結晶性が維持されている。
【0027】(実施例3)本発明に係る第3実施例を図
5に示す。
【0028】図1に示す第1実施例と異なる点は、個別
に形成された導電性領域61が絶縁膜2を間に挟んでS
OI層3に形成された横型MOSFETの各々と個別に
電気的接続されていることであり、その他の第1実施例
と同一構成には同一符号を付すことにより説明を省略す
る。
【0029】(実施例4)本発明に係る第4実施例を図
6に示す。
【0030】図5に示す第3実施例と異なる点は、個別
に形成された導電性領域61がSOI基板のSOI層3
とシリコン基板1の間の絶縁膜21及び絶縁膜22の中
に埋め込まれた構造になっていることであり、その他の
第3実施例と同一構成には同一符号を付すことにより説
明を省略する。
【0031】なお、実施例3及び実施例4に於ける導電
性領域61は比較的高抵抗でなくても良い。
【0032】(実施例5)本発明に係る第5実施例を図
7に示す。
【0033】図1に示す第1実施例と異なる点は、新た
に高抵抗導電性領域62を絶縁膜23を介してSOI層
3の表面に形成し、高抵抗導電性領域62とSOI層3
とを電気的に接続したことであり、その他の第1実施例
と同一構成には同一符号を付すことにより説明を省略す
る。
【0034】なお、上記実施例3から実施例5に示した
構造の製造方法は、上記実施例1,実施例2に示した製
造方法を適用して、更に導電性領域61とSOI層3と
の電気的接続を形成する為に、適当なシリコンエッチン
グを施すことは容易に推察される。
【0035】また、上記実施例1から実施例5のいずれ
を組み合わせてもよく、上記実施例1から実施例5に示
す導電性領域61は、シリコン基板1の内部に形成して
も、絶縁膜2の内部に形成してもよく、導電性領域61
とシリコン基板1との電気的接続を行う箇所を任意に設
定してもよい。
【0036】
【発明の効果】請求項1乃至請求項5記載の発明によれ
ば、素子の高耐圧化に影響を与えることなく高速動作が
可能となると共に、SOI構造の埋め込み酸化膜厚が素
子に印加される電位によらず任意に設定可能となり、ま
た、デバイスの電位が固定されることにより安定動作も
可能となる半導体装置を提供できる。
【0037】請求項6記載の発明によれば、結晶性を維
持したまま、請求項1乃至請求項5記載の半導体素子を
容易に得る製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第1実施例を示す構造の断面図で
ある。
【図2】上記実施例に用いる半導体基板の製造工程を示
す断面図である。
【図3】本発明に係る第2実施例を示す構造の断面図で
ある。
【図4】上記実施例に用いる半導体基板の製造工程を示
す断面図である。
【図5】本発明に係る第3実施例を示す構造の断面図で
ある。
【図6】本発明に係る第4実施例を示す構造の断面図で
ある。
【図7】本発明に係る第5実施例を示す構造の断面図で
ある。
【図8】本発明に係る並列充電、直列放電型のSC回路
の回路図である。
【図9】本発明に係る第1従来例を示す構造の断面図で
ある。
【図10】本発明に係る第2従来例を示す構造の断面図
である。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 酸化膜 3 SOI層 6 導電性領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 27/12 Z 29/786 9056−4M H01L 29/78 613 Z (72)発明者 大西 雅人 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 早崎 嘉城 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 支持基板となる第1の半導体基板と、前
    記第1の半導体基板とは反対導電型を有すると共に、複
    数のデバイスが互いに絶縁されて形成されている第2の
    半導体基板と、前記第1の半導体基板と前記第2の半導
    体基板とを互いに電気的に絶縁させる第1の絶縁層とか
    ら構成される、SOI構造を有する半導体装置に於い
    て、 前記第1の半導体基板中に形成されると共に、前記第1
    の半導体基板とは反対導電型を有する第1の導電性領域
    と、前記第1の絶縁層に前記複数のデバイスの少なくと
    も2つと前記第1の導電性領域と、を電気的に接続する
    為の開口部とを設けたことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記第1の導電性領域は、前記第1の絶
    縁層中に形成されると共に、前記複数のデバイスの少な
    くとも2つと電気的に接続されたものであることを特徴
    とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記第1の導電性領域は、前記第1の半
    導体基板中に少なくとも2つ形成されると共に、前記複
    数のデバイスと電気的に接続されたものであることを特
    徴とする請求項1または請求項2記載半導体装置。
  4. 【請求項4】 前記第1の導電性領域は、前記第1の絶
    縁層中に少なくとも2つ形成されると共に、前記複数の
    デバイスと電気的に接続されたものであることを特徴と
    する請求項1または請求項2記載半導体装置。
  5. 【請求項5】 前記第1の半導体基板の前記第1の絶縁
    層とは相対する面に接して配置された第2の絶縁層と、
    前記第1の半導体基板とは反対導電型を有する第2の導
    電性領域と、前記第2の絶縁層に前記複数のデバイスの
    少なくとも2つと前記第2の導電性領域とを電気的に接
    続する為の開口部と、を設けたことを特徴とする請求項
    1乃至請求項4記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】 前記第2の半導体基板の表面をエッチン
    グすることにより、前記絶縁層を形成する為の凹凸部を
    形成し、前記凹凸部が平坦になるまで研磨を施すことに
    より表面部分に酸化膜が埋め込まれてなる前記第2の半
    導体基板を形成すると共に、前記第1の半導体基板のウ
    エハと前記第2の半導体基板のウエハとを貼り合わせた
    後、研磨することを特徴とする、請求項1乃至請求項5
    のいずれかに記載の半導体装置を形成するSOI基板の
    製造方法。
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