[发明专利]电介质隔离型半导体装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及在电介质隔离型衬底上形成有高耐压电路的电介质隔离型半导体装置及其制造方法。

背景技术

现有的电介质隔离型半导体装置分别在支撑衬底的上表面和下表面设置有电介质层和背面电极。在电介质层的上表面具备半导体衬底，电介质层将半导体衬底和支撑衬底进行电介质隔离。半导体衬底内的绝缘膜在预定范围对构成半导体衬底的n-型半导体层进行区划。在该区划的预定范围，在n-型半导体层的上表面形成比n-型半导体层电阻低的n+型半导体区域，此外，以包围n+型半导体区域的方式形成p+型半导体区域。阴极电极和阳极电极分别与n+型半导体区域和p+型半导体区域连接。阴极电极和阳极电极通过场效氧化膜被相互绝缘。

阳极电极和背面电极都为0V，当向阴极电极逐渐增加正电压时，从n-型半导体层和p+型半导体区域之间的pn结延伸耗尽层。此时，支撑衬底通过电介质层作为场电极工作，因此，除耗尽层之外，还从n-型半导体层和电介质层的界面向朝向n-型半导体层的上表面的方向延伸耗尽层。通过延伸该耗尽层，从pn结开始延伸的耗尽层容易延伸，缓和了在n-型半导体层和p+型半导体区域之间的pn结上的电场。该效应一般被称为RESURF(reduced surface field：降低表面电场)效应。

从p+型半导体区域充分隔离的位置的n-型半导体层的厚度方向的电场强度，从n-型半导体层的上表面开始到预定位置为零，从预定位置开始线性增加，在n-型半导体层和电介质层的界面阶梯状增加，在电介质层内为固定值，在电介质层和支撑衬底的边界返回为零。将从n-型半导体层和电介质层的界面延伸的耗尽层的厚度设为x，将电介质层的厚度设为t₀，将n-型半导体层的杂质浓度设为N(cm^-3)，将真空介电常数设为ε₀(C×V^-1×cm^-1)，将n-型半导体层的相对介电常数设为ε₂，将电介质层的相对介电常数设为ε₃，则从p+型半导体区域充分隔离的位置的n-型半导体层的厚度方向的全电压降V由式(1)表示。

V＝q·N/(ε₂·ε₀)×(x²/2+ε₂·t₀·x/ε₃)    (1)

由式(1)可知，在全电压降相等的情况下，增厚电介质层的厚度t₀时，从界面延伸的耗尽层的厚度x变薄。这意味着RESURF效应变弱。

另一方面，在不发生由于n-型半导体层和p+型半导体区域之间的pn结的电场集中以及在n-型半导体层和n+型半导体区域的界面的电场集中产生的雪崩击穿的条件下，最终由在n+型半导体区域的正下方的、由于n-型半导体层和电介质层的界面的电场集中产生的雪崩击穿决定电介质隔离型半导体装置的耐压。为构成电介质隔离型半导体装置以使满足这样的条件，只要充分地隔离p+型半导体区域和n+型半导体区域，对n-型半导体层的厚度和其杂质浓度进行最优化即可。

一般地公知不发生雪崩击穿的条件意味着如下的状态：当从n-型半导体层和电介质层的界面到n-型半导体层的上表面为止耗尽时，在n-型半导体层和电介质层的界面的电场集中满足雪崩击穿条件。

在这样的条件下，将n-型半导体层的厚度设为d，将引起雪崩击穿的临界电场设为E_Cr时，耐压V由式(2)表示。但是，忽略了n+型半导体区域的厚度。

V＝E_Cr·(d/2+ε₂·t₀/ε₃)    (2)

分别用硅形成n-型半导体层，用硅氧化膜形成电介质层，计算电介质隔离型半导体装置的耐压V。作为一般值，采用d＝4×10^-4V、t₀＝2×10^-4。另外，临界电场E_Cr影响n-型半导体层的厚度d，这时大约为E_Cr＝4×10⁵。将其与ε₂＝11.7，ε₃＝3.9代入，则耐压V为320V。

并且，当n-型半导体层的厚度d增加1μm时，耐压增加20V，电介质层的厚度t₀增加1μm时，耐压增加120V。