用于升压型直流-直流转换器内的半导体装置和该转换器的制作方法

专利名称：用于升压型直流-直流转换器内的半导体装置和该转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用在升压型DC-DC转换器中的、包括开关元件和二极 管元件的半导体装置，以及包括该半导体装置的升压型DC-DC转换器。
背景技术：
便携电子装置如以蜂窝电话为代表以爆发性的速度应用于各个领域，并 且得到广泛的认可。便携装置是由电池驱动的。当便携装置需要比电池输出 电压高的电压时，需要使用升压型变压器电路。通常，升压型变压器电路可 以由升压型DC-DC转换器形成。例如，日本7〉开专利申请No.9-84333 (在 下文中称为"参考I")和日本公开专利申请No.2001-154627 (在下文中称 为"参考2")公开了升压型DC-DC转换器。图32是图解升压型DC-DC转换器的示例的电路图。图32中所示的升压型DC-DC转换器包括电感(线圈)201、 二极管元 件203、开关元件205以及电容器207。线圈201的一终端连接至DC(直流) 电源209，以及线圈201的另一端连接至二极管元件203的阳极。开关元件 205的一终端连接至线圈201和二极管元件203之间的连接点A,开关元件 205的另一终端连接至地(GND)。电容器207的一终端连接至二极管元件 203的阴极，电容器207的另一终端连接至地(GND)。 二极管203的阴招_ 连接至输出端子B。当开关元件205导通时，电流流过DC电源209、线圈201、开关元件 205以及至地(GND)。例如，如果开关元件205的阻抗是OQ (欧姆)，在 连接点A的电压是OV,在二极管元件203上施加反向偏置，以及输出在电 容器207上的感应电压。当开关元件205关断(turn-off)时，在线圈201的两端出现反电动势， 以及在连接点A感应出比输入电压高的电压。这时，在二极管元件203上施 加正向偏置以及电流流过DC电源209、线圈201、 二才及管元件203和输出 端子B。
通过升压型DC-DC转换器的开关元件205的重复地接通和关断，可以 从升压型DC-DC转换器提取比输入电压高的输出电压。通常，如参考2中公开的，开关元件205可以是MOS晶体管，二极管 元件203可以是外部元件，以及例如，可以是具有内建肖特基二极管的半导 体装置。在如图32所示的升压型DC-DC转换器中，当开关元件205接通时，在 连接点A的电压基本上是OV,以及在输出终端B的电压是在高电平。然而， 这会引起在二极管元件203中的反向偏置漏电流。尤其，当二极管元件203 是由肖特基二极管形成，其中金属元件连接至半导体层，反向电压漏电流会 变大。另夕卜，由于在线圈201上的反电动势(back electromotive force )与每单 位时间电流变化成比例，所以要求开关元件205能够高速开关。进一步，当开关元件205关断时，在连接点A和输出端子B的电压是 高电平，以及高电压反向偏置施加在由MOS晶体管形成的开关元件205的 漏极。因此，当结泄漏和关断泄漏(关断状态源极至漏极的泄漏)出现，在 连接点A的电压会逐渐地降低。上面的问题会降低DC-DC转换器的转换效率。发明内容本发明可以解决相关技术的一个或更多的问题。 .日/件和二极管元件并且具有高转换效率的升压型DC-DC转换器中的半导体装 置，以及包括半导体装置的升压型DC-DC转换器。根据本发明的第一方面，提供用在升压型DC-DC转换器中的半导体装 置，包括开关元件；与开关元件形成在相同的半导体衬底上的二极管元件；开关端子；以及输出端子，其中
沟道区域的LDMOS晶体管，所述的LDMOS晶体管包括 源极扩散层，具有电导率相对于源极扩散层电导率的沟道扩散层，并且以包围源极扩 散层的侧表面和底表面而形成，以及具有与源极扩散层的电导率相同电导率的漏极扩散层，并且形成在外面 并且邻近沟道扩散层，以及二极管元件包括垂直双极型晶体管，包括形成二极管元件集电极的集电极扩散层，具有电导率相对于集电极扩散层电导率的基极扩散层，并且在集电极扩 散层中形成二极管元件的基极，所述的基极连接至集电极，以及具有与集电极扩散层的电导率相同电导率的发射极扩散层，并且在基极 扩散层中形成二极管元件的发射极，在基极和发射极之间产生二极管，其中将开关元件的漏极和二极管元件的阳极连接至开关端子，以及 将二极管元件的阴极连接至输出端子。至于LDMOS的细节，例如，可以从日本专利公开申请No.2001-68561 (在下文中称为"参考3")和曰本专利公开申请No.2003-86790 (在下文中 称为"参考4")获得参考。作为实施例，二极管元件可以具有与基极扩散层电导率相同电导率的基 极接触扩散层，并且形成在基极扩散层中，以及基极接触扩散层是以一间隔与发射极扩散层分开的，并且以包围发射极 扩散层而形成。更优选地，半导体装置进一步包括具有与集电极扩散层电导率相同电导率的集电极接触扩散层，并且形成 在集电极扩散层中，在邻近集电极接触扩散层处形成安排在发射极扩散层和集电极接触扩 散层之间的基极接触扩散层的一部分。作为实施例，在半导体装置中，二极管元件包括具有与集电极扩散层电导率相同电导率的集电极接触扩散层，并且形成 在集电极扩散层表面上； 由沉积在发射极扩散层和集电极接触扩散层之间的基极扩散层的部々表面上的LOCOS氧化膜形成的场氧化膜；以及设置在场氧化膜下的基极扩散层的部分上的第二基极扩散层， 其中第二基极扩散层的杂质浓度比基极扩散层的杂质浓度高。 作为可选实施例，在半导体装置中， 二极管元件包括与集电极扩散层电导率相同电导率的集电极接触扩散层，并且形成在集 电极扩散层表面上；以及由沉积在发射极扩散层和集电极接触扩散层之间的基极扩散层的部分 表面上的LOCOS氧化膜形成的场氧化膜，其中场氧化膜不覆盖在发射极扩散层和集电极接触扩散层之间的基极扩散 层的一部分的表面部分。作为实施例，漏极扩散层和集电极扩散层具有相同的杂质浓度分布。根据本发明的第二方面，提供升压型DC-DC转换器，包括半导体装置；线圈；以及电容器，其中半导体装置包括 开关元件；与开关元件形成在相同的半导体村底中的二极管元件； 连接至线圈的开关终端；以及 连接至电容器一个终端的输出终端，其中一 ，、 、「"、-、 乂 、的沟道区域的LDMOS晶体管，上述的LDMOS晶体管包括 源极扩散层，具有电导率相对于源极扩散层电导率的沟道扩散层，并且以包围源极扩 散层的侧表面和底表面而形成，以及
具有与源极扩散层的电导率相同电导率的漏极扩散层，并且形成在外面 并且邻近沟道扩散层，二极管元件包括垂直双极性晶体管，包括 形成二极管元件集电极的集电极扩散层，具有电导率相对于集电极扩散层电导率的基极扩散层，并且在集电极扩 散层中形成二极管元件的基极，所述的基极连接至集电极，以及具有与集电极扩散层的电导率相同电导率的发射极扩散层，并且在基极 扩散层中形成二极管元件的发射极，在基极和发射极之间产生二极管，其中将开关元件的漏极和二极管元件的阳极连接至开关端子，以及 将二极管元件的阴极连接至输出端子。 线圈的一个终端连接到开关端子，以及 电容器的一个终端连接至输出终端。根据本发明的半导体装置和升压型DC-DC转换器，开关元件包括 LDMOS，以及二极管元件包括PN结二极管。根据本发明的升压型DC-DC转换器，升压型DC-DC转换器包括半导体 装置、线圈以及电容器，并且线圈的一个终端连接至半导体装置的开关端子， 以及电容器的一个终端连接至半导体装置的输出端子。由于开关元件包括LDMOS,当在开关元件的漏极上施加高反向偏置时 可能减少漏电流。进一步，由于二极管元件包括PN结二极管，与使用肖特基二极管的情 况相比，可能减少反向电压漏电流。结果，可能改进升压型DC-DC转换器的转换效率。根据本发明的半导体装置，二极管元件可以具有与基极扩散层的电导率 相同的电导率的基极接触扩散层，并且形成在基极扩散层中，以及基极接触 扩散层是以 一间隔与发射极扩散层分开的，并且以包围发射极扩散层而形 成。因此，与缺少框状基极接触扩散层的情况相比，可能减少反向偏置漏电 流，并且可能改进升压型DC-DC转换器的转换效率。另外，根据本发明的半导体装置，半导体装置进一步包括具有与集电极 扩散层的电导率相同的电导率的集电极接触扩散层，并且形成在集电极扩散 层中，并且在邻近集电极接触扩散层处形成安排在发射极扩散层和集电极接 触扩散层之间的基极接触扩散层。当基极接触扩散层的 一部分是以 一 间隔与集电极接触扩散层分开时，当 形成间隔时需要使用用于离子注入的掩膜(例如，光致抗蚀剂)，或在基极 扩散层的外表面上形成场氧化膜，例如，p型阱扩散层。由于离子注入掩膜 的使用，用来形成基极扩散层的区域不得不因而扩大。相反，在本发明中，由于部分基极接触扩散层是邻近集电极接触扩散层 的，所以不必要使用离子注入掩膜。因此，与其中基极接触扩散层的一部分以 一间隔与集电极接触扩散层分 开的情况相比，当部分基极接触扩散层邻近集电极接触扩散层时，用于形成 基极扩散层的区域能变小；这样，可能减小二极管元件的尺寸，并且这使得 装置的布图容易。另外，根据本发明的半导体装置，二极管元件可以包括具有与集电极扩散层相同电导率的集电极接触扩散层，并且形成在集电极扩散层的表面上；由设置在发射极扩散层和集电极接触扩散层之间的基极扩散层的一部分表面上的LOCOS氧化膜形成的场氧化膜；以及设置在场氧化膜下的基极扩散 层的一部分上的第二基极扩散层，并且第二基极扩散层杂质密度比基极扩散 层南。因此，与不存在第二基极扩散层的情况相比，可能减少反向偏置漏电流， 并且因此可能进一步改进升压型DC-DC转换器的转换效率。在其中由p型 扩散层形成基极扩散层的结构中，该配置是显著有效的，并且在场氧化膜下 的p型掺杂是由场氧化膜吸出的。另外，根据本发明的半导体装置，二极管元件可以具有与集电极扩散层相同电导率的集电极接触扩散层并且形成在集电极扩散层的表面上；以及由沉积在发射极扩散层和集电极接触扩散层之间的基极扩散层的一部分表面上的LOCOS氧化膜形成的场氧化膜，并且场氧化膜不覆盖在发射极扩散层和集电极接触扩散层之间的基极扩散层的 一部分的表面部分。因此，与场氧化膜完全覆盖在发射极扩散层和集电极接触扩散层之间的 基极扩散层的表面的情况相比，可能减少反向偏置漏电流，并且因此可能进一步改进升压型DC-DC转换器的转换效率。在其中由p型扩散层形成基极 扩散层的结构中，该配置是显著有效的，并且在场氧化膜下的p型掺杂是由 场氧化膜吸出的。
另外，根据本发明的半导体装置，漏极扩散层和集电极扩散层具有相同 的杂质浓度分布。因此，可以在相同杂质注入步骤中形成漏极扩散层和集电极扩散层；与其中在不同步骤中形成漏极扩散层和集电极扩散层的情况相 比，这简化了制造工艺。通过下面给出的参照附图的对优选实施例的详细表述，本发明的这些和 其它目标、特征以及优势将变得更加明显。


图l是图示根据本发明的第一实施例的开关元件和二极管元件的截面视图；图2A是图1中所示的开关元件的平面视图； 图2B是如图2A中表示的开关元件在X-X位置的截面视图； 图2C是如图2A中表示的开关元件在Y-Y位置的截面视图； 图3A是图1中所示的二极管元件的平面视图； 图3B是如图3A中表示的二极管元件在X-X位置的截面视图； 图3C是如图3A中表示的二极管元件在Y-Y位置的截面视图； 图4是图示MOS晶体管和电阻器的截面视图，其在本实施例中其形成 集电极；图5是图示包括本实施例的半导体装置的升压型DC-DC转换器的电路图；图6是图示如图5中所示升压型DC-DC转换器操作的脉沖波形图； 图7A直到图7C是图示如图4中所示本实施例的半导体装置制造方法 的一部分的截面^L图；图8A直到图8C，自图7C延续，是图示如图4中所示本实施例的半导 体装置制造方法的一部分的截面视图；图9A直到图9C，自图8C延续，是图示如图4中所示本实施例的半导 体装置制造方法的一部分的截面视图；图10A直到图10C，自图9C延续，是图示如图4中所示本实施例的半 导体装置制造方法的 一部分的截面视图；图IIA直到图IIC，自图IOC延续，是图示如图4中所示本实施例的半 导体装置制造方法的一部分的截面视图； 图12A直到图12C，自图IIC延续，是图示如图4中所示本实施例的半 导体装置制造方法的一部分的截面视图；图13A直到图13C，自图12C延续， 半导体装置制造方法的一部分的截面视14A直到图14C，自图12C延续， 半导体装置制造方法的一部分的截面视15A直到图15C,自图12C延续， 半导体装置制造方法的一部分的截面视16A直到图16C，自图15C延续， 半导体装置制造方法的一部分的截面视17A直到图17C，自图16C延续， 半导体装置制造方法的一部分的截面视18A直到图18C，自图17C延续， 半导体装置制造方法的一部分的截面视19A是根据第二实施例的二极管元件的平面视图；图19B是如图19A中表示的二极管元件在X-X位置的截面视图；图19C是如图19A中表示的二极管元件在Y-Y位置的截面视图；图20A和图20B分别是图示图3A直到3C所示的没有条二极管元件的 特性以及图19A直到19C所示的有条二极管元件的特性；图21A图示了 DC-DC转换器的转换效率的测量结果，其是等价于具有 由图19A直到图19C所示的二极管元件取代的二极管元件的图5中所示的 DC-DC转换器；图21B图示了用于比较的其中使用内建肖特基二极管作为二极管元件的DC-DC转换器的转换效率的测量结果；图22A是根据第三实施例的二极管元件平面视图；图22B是如图22A中表示的二极管元件在X-X位置的截面视图；图22C是如图22A中表示的二极管元件在Y-Y位置的截面视图；图23图示了 DC-DC转换器的转换效率的测量结果，其是等价于具有由图22A直到图22C所示的二极管元件取代的二极管元件的图5中所示的DC-DC转换器；图24A是根据本发明的第四实施例的二极管元件平面视图；12是图示如图4中所示本实施例的 是图示如图4中所示本实施例的 是图示如图4中所示本实施例的 是图示如图4中所示本实施例的 是图示如图4中所示本实施例的 是图示如图4中所示本实施例的图24B是如图24A中表示的二极管元件在X-X位置的截面视图； 图24C是如图24A中表示的二极管元件在Y-Y位置的截面视图； 图25是图示如图24A直到24C所示的本实施例的半导体装置的制造方法步骤的截面视图，其是在图14B中的步骤和图14C中的步骤之间执行； 图26A是根据第五实施例的二极管元件平面视图； 图26B是如图26A中表示的二极管元件在X-X位置的截面视图； 图26C是如图26A中表示的二极管元件在Y-Y位置的截面视图； 图27是图示如图26A直到26C所示的本实施例的半导体装置制造方法步骤的截面4见图，其取代图13B中的步骤；图28是图示如图26A直到26C所示的本实施例的半导体装置制造方法步骤的截面视图，其取代图17A中的步骤；图29是图示如图26A直到26C所示的本实施例的半导体装置制造方法步骤的截面视图，其取代图18A中的步骤；图30A是第五实施例的变形的二极管元件的平面视图；图30B是如图30A中表示的二极管元件在X-X位置的截面视图；图30C是如图30A中表示的二极管元件在Y-Y位置的截面视图；图31是分别呈现反向偏置漏电流与图3A直到图3C、图19A直到图19C、图24A直到图24C以及图26A直到26C所示的二极管元件的温度的依存关系的测量结果；以及图32是图示升压型DC-DC转换器示例的电路图。
具体实施方式
下面，通过参考

本发明的优选实施例。第一实施例图1是图示根据本发明第一实施例的开关元件和二极管元件的截面视图。如图1中所示，本实施例的半导体装置主要包括开关元件，例如，LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)， 以及二才及管元4牛。 然后，参考图2A直到图2C说明本实施例的开关元件。 图2A是图1所示的开关元件的平面视图，图2B是如图2A中表示的开关元件在X-X位置的截面视图， 图2C是如图2A中表示的开关元件在Y-Y位置的截面视图。 这里，图2B所示结构(以及图3B所示结构，如下面表述)与图1所 示结构一致。如图2A直到2C所示，在本实施例中，开关元件由n沟道LDMOS形成。这里，在图2A中省略了用于元件分离的场氧化膜和用于电场衰减的氧 化膜的图示。例如，场氧化膜3可以在p型半导体村底(Psub) 1中形成， 其具有大约20Q的特定阻抗，通过LOCOS ( Local Oxidation of Silicon)的方式。如图2A直到2C所示，在LDMOS区域的半导体衬底1的一部分上形 成n型阱扩散层5 (在图2A直到图2C中以NW1表示并且对应LDMOS的 漏极扩散层)，在n型阱扩散层5中形成p型体扩散层7(在图2A直到图2C 中以PB表示并且对应LDMOS的沟道扩散层)，在p型体扩散层7中形成n 型源极扩散层9 (在图2A直到图2C中以N+表示)和p型高浓度扩散层11 (在图2A直到图2C中以P+表示)。P型高浓度扩散层11提取P型体扩散 层7的电压。n型源极扩散层9是在自p型体扩散层7的外围的一间隔处， 并且形成框以包围p型高浓度扩散层11 。轻掺杂n型阱扩散层13 (在图2A直到图2C中以LNW表示)，其具有 比n型阱扩散层5高的n型杂质浓度，在n型阱扩散层5中形成。轻掺杂n 型阱扩散层(LNW) 13形成框以包围p型体扩散层7。在轻掺杂n型阱扩散层(LNW) 13中自p型体扩散层7以一间隔形成n 型高浓度扩散层15 (在图2A直到图2C中以N+表示)。n型阱扩散层5，轻n型阱扩散层(LNW )13以及n型高浓度扩散层(N+ ) 15形成LDMOS的漏极。如图2B所示，在n型源极扩散层9、 n型高浓度扩散层(N+) 15以及 p型体扩散层7之间的n型阱扩散层5上形成栅氧化膜17;在栅氧化膜17 上形成多晶硅栅电极19。在多晶硅栅电极19下面的p型体扩散层7的表面， 构成LDMOS的沟道区域。在轻n型阱扩散层(LNW) 13上形成电场衰减 氧化膜21。形成栅电极19以在栅极氧化膜17上延伸直到电场衰减氧化膜 21。 以自n型高浓度扩散层(N+) 15 —侧的电场衰减氧化膜21的一终端的 一间隔在电场衰减氧化膜21上安排电场衰减氧化膜21 —侧的栅电极19侧 表面。电场衰减氧化膜21相对于场氧化膜3分离地形成，并且比栅氧化膜 17厚。电场衰减氧化膜21在厚度方向上的截面形状近似为梯形。但是电场 衰减氧化膜21的形状是不局限于梯形的。例如，可以将场氧化膜3用作电 场衰减氧化膜21。p型阱扩散层23以环绕n型阱扩散层5形成在半导体衬底1中；p型体 扩散层25形成在p型阱扩散层23中，以包围形成n型阱扩散层5的区域。p型阱扩散层23和p型体扩散层25使LDMOS与其它元件电绝缘。场 氧化膜3覆盖了 p型阱扩散层23和p型体扩散层25的表面。然后，通过参考图3A直到图3C说明本实施例的二极管元件。图3A是图1所示二极管元件的平面视图，图3B是如图3A中表示的二极管元件在X-X位置的截面视图，与图2A 的一样，图3C是如图3A中表示的二极管元件在Y-Y位置的截面视图，与图2A 的一样。这里，图3B所示的结构(以及图2B所示的结构，如上面表述)对应 于图1所示结构。如图3A直到图3C所示，本实施例的二极管元件具有垂直双极型晶体 管结构，其中在基极和发射极之间产生PN二极管，以及基极连接至集电极 以保护PN 二极管不受p型半导体衬底Psub影响。应当注意的是在图3A中省略场氧化膜的图示。在场氧化膜3包围的二极管元件区域中的半导体衬底1的一部分中形成 n型阱扩散层27 (在图3A直到图3C中以NW1表示并且对应于二极管元件 的集电极扩散层)。在n型阱扩散层27中形成p型阱扩散层29 (在图3A直 到图3C中以PW-DI表示并且对应于二极管元件的基极扩散层)。在p型阱 扩散层29中形成n型体扩散层31 (在图3A直到图3C中以NB表示并且对 应二极管元件的发射极扩散层)。n型高浓度扩散层33 (在图3A直到图3C中以N+表示)，其具有比n 型体扩散层31高的n型杂质浓度，形成在n型体扩散层31中。在本实施例中，n型体扩散层31和n型高浓度扩散层(N+) 33的平面
形状是矩形。如图3A所示，在p型阱扩散层29中，有两组n型体扩散层31和n型 高浓度扩散层33;这两组n型体扩散层31和n型高浓度扩散层33布置在p 型阱扩散层29纵向方向上的相同直线上，但是彼此是通过一间隔分开。p型阱扩散层29的平面形状也是矩形，并且具有与n型体扩散层31和 n型高浓度扩散层33 (在图3A直到图3C中以N+表示)相同的纵向方向。在n型阱扩散层27中，沿p型阱扩散层29的纵向方向自p型阱扩散层 29以一间隔形成n型阱扩散层(在图3A直到图3C中以NW2表示)35。 n 型阱扩散层(NW2) 35具有比n型阱扩散层27高的n型杂质浓度。在n型阱扩散层中27的n型阱扩散层(NW2) 35上形成n型高浓度扩 散层37(在图3A直到图3C中以N+表示并且对应于二极管元件的集电极接 触扩散层)。n型高浓度扩散层37具有比n型阱扩散层35高的n型杂质浓度。在p型阱扩散层29中在p型阱扩散层29的纵向方向相交的方向形成p 型高浓度扩散层39(在图3A直到图3C中以P+表示并且对应于二极管元件 的基极接触扩散层)。p型高浓度扩散层39比p型阱扩散层29的高的p型杂 质浓度。以对应于n型体扩散层31的纵向边的两末端安排p型高浓度扩散层39, 并且位于自n型体扩散层31的两末端的一间隔处。由场氧化膜3a(参考图3B)覆盖n型高浓度扩散层(N+) 33和n型高 浓度扩散层37之间的n型体扩散层31和p型阱扩散层29的表面。由场氧 化膜3b (参考图3C )覆盖n型高浓度扩散层(N+ ) 33和p型高浓度扩散层 39之间的n型体扩散层31和p型阱扩散层29的表面。在场氧化膜3a和场 氧化膜3b下，以场掺杂层41不与n型体扩散层31交迭的方式形成p型场 掺杂层41。与LDMOS区域相似，在半导体衬底1中环绕n型阱扩散层27形成p 型阱扩散层23和p型体扩散层25。场氧化膜3覆盖p型阱扩散层23和p 型体扩散层25的表面。在场氧化膜3下在环绕二极管元件的p型阱扩散层 23和p型体扩散层25中形成p型场摻杂层41 。如图1所示，LDMOS的n型高浓度扩散层(N+) 15 (漏极)连接至开 关端子43,并且二极管元件的p型阱扩散层29 (基极)和n型高浓度扩散 层37(集电极)也连接至开关端子43。 二极管元件的n型高浓度扩散层(N+ ) 33 (发射极)连接至输出端子45。LDMOS的n型源极扩散层9和p型高浓度扩散层11连接至地(GND )。 向LDMOS的栅电极19输入控制信号。图4是图示MOS晶体管和电阻器的截面视图，在本实施例中其形成控 制器。如图4所示，在与LDMOS区域和二极管元件区域不同的区域中提供n 沟道MOS晶体管(下面，称作"NMOS")。在NMOS区域中半导体衬底1 的一部分中形成p型阱扩散层47 (在图4中以PW表示)。通过场氧化膜3 和场掺杂层41将NMOS区域与其它元件区域隔离。在本实施例中，例如，NMOS具有LDD (lightly doped drain)结构，并 且包括源极-漏极扩散层49,其具有LDD (lightly doped drain)结构；栅氧 化膜51;栅电极53以及侧壁55。无疑NMOS不局限于LDD结构。在与LDMOS区域、二极管元件区域以及NMOS区域不同的区域中提 供p沟道MOS晶体管(下面，称作"PMOS")。在PMOS区域中半导体村 底1的一部分中形成n型阱扩散层57 (在图4中以NW2表示)。通过场氧 化膜3将PMOS区域与其它元件区域隔离。在本实施例中，例如，PMOS具有LDD (lightly doped drain)结构，并 且包括具有双扩散结构的源极-漏极扩散层59、栅氧化膜61、栅电极63以 及侧壁65。无疑PMOS不局限于LDD结构。另外，尽管已经描述了提供一个NMOS晶体管和一个PMOS晶体管， 其作为本实施例的控制器的MOS晶体管，本实施例不局限于此。例如，可 以形成多种类型的NMOS和PMOS，其具有不同的晶体管特性。为实现本 实施例的控制器，可以使用通常在半导体装置中使用的任何种类的MOS晶 体管。在场氧化膜3上提供由多晶硅形成的电阻器元件67，以及在电阻器元件 67的侧表面上形成侧壁69。图5是图示包括本实施例的半导体装置的升压型DC-DC转换器的电路图。在这个示例中，假定本实施例的升压型DC-DC转换器用于点亮四个 LEDs ( Light Emission Diodes )。用在本实施例的升压式DC-DC转换器中的半导体装置封装成IC芯片 71。如图5所示，本实施例的升压型DC-DC转换器包括IC芯片71、开关 端子(SW) 43、输出端子(Vout) 45、电源端子(Vin) 73、地端子(GND) 75以及反馈端子(FD) 77。DC电源79连接在电源端子(Vin) 73和地端子(GND ) 75之间，并且 线圏81连接在DC电源79与开关端子(SW) 43之间。电容器83以及串联 LED电路85并联连接在输出端子(Vout) 45和地端子(GND ) 75之间。 在IC芯片71中，形成开关元件87、 二极管元件89以及控制电路91。 控制电路91包括反馈电路93、 PWM ( Pulse Width Modulation )电路95 以及驱动电5各97。开关元件87包括如参考图1以及图2A直到图2C描述的n沟道LDMOS。 二极管元件89包括如参考图1以及图3A直到图3C描述的垂直双极型 二极管结构。控制电路91包括如参考图4描述的MOS晶体管和电阻器。 值得注意的是，本实施例的半导体装置不局限于上述配置，而是只要提供开关元件、二极管元件、开关端子以及输出端子，可以具有任何结构。 开关元件87的漏极和二极管元件89的阳极连接至开关端子43。开关元件87的源极连接至地端子(GND ) 75。 二极管元件89的阴极连接至输出端子(Vout) 45。反馈端子(FD) 77连接至控制电路91的反馈电路93。 图6是图示如图5中所示升压型DC-DC转换器操作的脉沖波形图。 如图6所示，通过控制电路91,开关元件87重复地导通和关断。例如，控制电路91基于自反馈端子(FD) 77的反馈信号控制开关元件87的开和关。当开关元件87导通时，电流顺次流过DC电源79、线圈81、开关端子 (SW) 43、开关元件87和地端子(GND) 75。在这种情况下，反向偏置施 加在二极管元件89上，并且在电容器83上感应的电压输出至串联LED电 路85。当开关元件87关断时，在线圈81的两末端出现反电动势，并且在开关 端子(SW) 43的上感应出比输入电压高的电压。在这种情况下，正向偏置 施加在二极管元件89上并且电流流过DC电源79、线圈81、开关端子(SW) 43、 二极管元件89、输出端子45以及串联LED电路85。通过升压型DC-DC转换器的开关元件87的重复地导通和关断，可以从升压型DC-DC转换器提取比输入电压高的输出电压。根据本实施例的半导体装置和升压型DC-DC转换器，因为使用LDMOS 作为开关元件、以及使用PN结二极管作为二极管元件，漏电流可以减小， 并且可能改进升压型DC-DC转换器的转换效率。下面，通过参考图7A直到图18C描述如图4中所示的半导体装置的制 造方法。在下面的描述中，由于形成和去除热氧化膜，在半导体衬底表面上可能 形成不平坦，但是在图7A直到图18C中没有明示地图示该不平坦。另外， 省略一些步骤的描述，例如RCA清洁。图7A直到图7C是图示制造如图4中所示本实施例的半导体装置的部 分方法的截面视图。在图7A中所示的步骤中，在半导体衬底1上淀积达25nm厚(250埃) 的未示出的緩冲氧化膜，然后在緩冲氧化膜上淀积达100nm ( 1000埃)厚的 氮化硅膜101。在图7B中所示的步骤中，形成光致抗蚀剂103,其具有分别对应于 LDMOS区域和二极管元件区域的开口 。通过用光致抗蚀剂103作为掩膜刻蚀移除氮化硅膜101。然后，用光致 抗蚀剂103作为掩膜，作为N型掺杂的磷离子(在图7B中通过三角形"△" 表示)以160keV的注入能量和3.4 x 1012cm々的剂量注入到半导体村底1中。在图7C中所示步骤中，移除光致抗蚀剂103。然后，在半导体衬底1 上以1180。C的温度执行热处理持续14.5小时以在LDMOS区域形成n型阱 扩散层5，以及在二极管元件区域形成n型阱扩散层27。在这个步骤中， LDMOS区域和二极管元件区域的表面上形成氧化硅膜。这样，n型阱扩散层5 (对应于LDMOS的漏极扩散层)与n型阱扩散 层27 (对应于二极管元件的集电极扩散层)同时形成；因此，n型阱扩散层 5与n型阱扩散层27具有相同的杂质浓度。图8A直到图8C,自图7C延续，是图示制造如图4中所示本实施例的 半导体装置的部分方法的截面视图。在图8A中所示的步骤中，形成光致抗蚀剂105，其具有对应于二极管 元件区域的开口。用光致抗蚀剂105作为掩膜，移除形成在二极管元件区域 中的n型阱扩散层27表面的氧化硅膜。
在图8B中所示的步骤中，移除光致抗蚀剂105。然后，在半导体村底1 上执行热氧化工艺以在n型阱扩散层27的表面上形成緩沖氧化层(未示出)。形成光致抗蚀剂107，其具有对应于二极管元件区域中的p型阱扩散层 29的开口 (参考图3A直到图3C)。用光致抗蚀剂107作为掩膜，作为P型 掺杂的硼离子(在图8B中通过十字"x"表示)，以30keV的注入能量和 1.5 x 10 m々的剂量注入到半导体衬底1中。在图8C中所示的步骤中，移除光致抗蚀剂107。然后，在半导体衬底1 上以1150。C的温度执行热氧化处理经过3.5小时，以在n型阱扩散层27中 形成p型阱扩散层29。图9A直到9C，自图8C延续，是图示制造如图4中所示本实施例的半 导体装置的部分方法的截面视图。在图9A中所示步骤中，形成光致抗蚀剂109，其具有对应于PMOS区 域和在二极管元件区域中的n型阱扩散层35的开口 (参考图3A直到3C)。 用光致抗蚀剂109作为掩膜，通过刻蚀移除氮化硅膜101。在这个步骤中， 也移除二极管元件区域中暴露在光致抗蚀剂109的开口中的部分氧化硅膜。 然后，用光致抗蚀剂109作为掩膜，磷离子(在图9A中通过三角形"△，， 表示)以160keV的注入能量和7.7 x 1012cm-2的剂量注入到半导体衬底1中。在图9B中所示的步骤中，在半导体衬底1上执行热处理以在PMOS区 域形成n型阱扩散层57,并且在二极管元件区域中的n型阱扩散层27中形 成n型阱扩散层35。在这个步骤中，在n型阱扩散层27的表面上形成具有 300nm (3000埃)厚度的氧化硅膜；因此，其它区域中的氧化硅膜的厚度是 增力口的。然后，在覆盖半导体衬底1整个表面的氧化硅膜上执行刻蚀，以减少 30nm (300埃)的氧化硅膜的厚度。在图9C中所示的步骤中，完全移除在LDMOS区域的、二4及管元件区 域表面的、以及PMOS区域的作为掩膜的氧化硅膜，以及包括NMOS区域 的p阱区域中的半导体衬底1的表面上的残余氮化硅膜101。然后，在半导 体衬底1上执行热氧化处理以形成緩冲氧化层(未示出)。然后，用在LDMOS区域、二极管元件区域以及PMOS区域表面上的氧 化硅膜作为掩膜，硼离子(在图9C中通过十字"x，，表示)以25keV的注 入能量和2.1 x 10"cm々的剂量注入到半导体衬底1中。
图10A直到图10C,自图9C延续，是图示制造如图4中所示本实施例 的半导体装置的部分方法的截面视图。在图10A中所示步骤中，在半导体衬底1上以1150。C的温度4丸行热氧 化处理经过44分钟，以在NMOS区域中形成p型阱扩散层47。在这个步骤 中，在元件分离区域中形成p型阱扩散层23。在图10B中所示步骤中，完全移除半导体衬底1上的氧化硅膜，并且在 整个半导体衬底l上形成緩沖氧化层(未示出)。形成光致抗蚀剂111,其具有对应于在LDMOS区域中的轻掺杂n型阱 扩散层13的开口 (参考图2A直到图2C)。用光致抗蚀剂lll作为掩膜，磷离子(在图10B中通过三角形"A"表 示)以100keV的注入能量和2.0 x 1012cm-2的剂量注入到半导体衬底1中。在图10C中所示步骤中，移除光致抗蚀剂111。然后，在半导体衬底1 上执行热氧化处理，以在NMOS区域中的n型阱扩散层5中形成轻掺杂n 型阱扩散层13。在这个步骤中，緩冲氧化层变厚，并且形成具有300nm(3000 埃)厚度的氧化硅膜113。图IIA直到图11C,自图IOC延续，是图示制造如图4中所示本实施例 的半导体装置的部分方法的截面视图。在图IIA中所示步骤中，形成光致抗蚀剂115，其对应于LDMOS区域 中的电场衰减氧化膜21 (参考图2A直到图2C)。在图11B中所示步骤中，用光致抗蚀剂115作为掩膜，在氧化硅膜113 上执行热处理以在LDMOS区域中形成电场衰减氧化膜21。然后，移除光致 抗蚀剂115。在图11C中所示步骤中，在半导体衬底1上执行热氧化处理以形成达 25nm ( 250埃)厚的栅极氧化膜17。在栅极氧化膜17上形成多晶硅膜117。 应当注意的是，当形成栅极氧化膜17时电场衰减氧化膜21变厚，但是，为 图示的方便，在图1、图2A直到图2C、图4以及图11C中，栅极氧化膜17 和电场衰减氧化膜21是作为分离的膜来图示的。图12A直到图12C,自图IIC延续，是图示制造如图4中所示本实施例 的半导体装置的部分方法的截面视图。在图12A中所示的步骤中，在多晶硅膜117上形成光致抗蚀剂119，以 定义LDMOS区域中将要形成多晶硅栅电极19的区域。 通过光致抗蚀剂119作为掩膜图案化多晶硅膜117以在LDMOS区域中 的栅极氧化膜17和电场衰减氧化膜21上形成多晶硅栅电极19。在图12B中所示步骤中，移除光致抗蚀剂119。另外，通过^f吏用多晶硅 栅电极19作为掩膜来移除栅极氧化膜17,保留在多晶硅栅电极19下的部分 栅极氧化膜17。然后，形成緩沖氧化(未示出)。形成光致抗蚀剂121，其具有分别对应于LDMOS区域中p型体扩散层 7 (参考图2A直到图2C )和围绕LDMOS区域以及二极管元件区域的p型 体扩散层25 (参考图2A直到图2C,以及参考图3A直到图3C )的开口。 用光致抗蚀剂121以及栅电极19作为掩膜，硼离子(在图12B中通过十字 "x "表示)以25keV的注入能量和2.1 x 10)W2的剂量注入到半导体衬底 1中。在图12C中所示步骤中，移除光致抗蚀剂121。形成光致抗蚀剂123，其具有对应于二极管元件区域中的n型体扩散层 31 (参考图3A直到图3C)的开口。这里，光致抗蚀剂123同样具有对应于 n型阱扩散层(NW2) 35侧面的开口，所述侧面靠近n型阱扩散层27 (参 考图3A直到图3C)的边缘。用光致抗蚀剂123作为掩膜，磷离子(在图12C中通过三角形"△"表 示)以100keV的注入能量和自8.0 x 1012cm-2至20.0 x 1012cm-2范围的剂量注 入到半导体衬底l中。图13A直到图13C，自图12C延续，是图示制造如图4中所示本实施 例的半导体装置的部分方法的截面视图。在图13A中所示步骤中，移除光致抗蚀剂123。然后，在半导体衬底1 上以1100。C的温度执行热处理经过140分钟，以在LDMOS区域中的n阱扩 散层5中形成p型体扩散层7、在环绕LDMOS区域和二极管元件区域的p 型阱扩散层23中形成p型体扩散层25、以及在二极管元件区域中的p型阱 扩散层29中形成n型体扩散层31。在二极管元件区域中，用磷离子注入的n型阱扩散层35的部分具有高 磷浓度。为方便，在图13A中，n型阱扩散层35的这个注入部分和其它部 分作为一个整体图示为一个元件。另外，在热处理过程中形成热氧化膜， <旦 是省略热氧化膜的图示。在图13B中所示步骤中，在整个在热处理过程中形成的热氧化膜表面沉 积氮化硅膜125。通过使用光致抗蚀剂图案化氮化硅膜125,以定义形成场 氧化膜3的区域。然后，移除光致抗蚀剂。在图13C中所示步骤中，形成光致抗蚀剂127，其具有对应于形成场掺 杂层41 (参考图3A直到图3C,以及图4)的区域的开口。光致抗蚀剂127 覆盖n型体扩散层31以及围绕物，这样在场掺杂中使用的杂质不会注入到 二极管元件区域中的n型体扩散层31中。用光致抗蚀剂127和氮化硅膜125作为掩膜，硼离子(在图13C中通过 十字"x "表示)以15keV的注入能量和3.0 x IO'W2的剂量注入到半导体 衬底1中。图14A直到图14C,自图12C延续，是图示制造如图4中所示本实施 例的半导体装置的部分方法的截面视图。在图14A中所示步骤中，移除光致抗蚀剂127。化膜3、场氧化膜3a以及场氧化膜3b (参考图3A直到图3C)。在这个步骤 中，图12A中所示步骤中注入的硼离子热扩散，并且形成场掺杂层41。在图14B中所示步骤中，移除遍及半导体村底1上的氧化膜，并且执行 刻蚀以减小场氧化膜3、场氧化膜3a以及场氧化膜3b的厚度30nm( 300埃)。然后，移除氮化硅膜125。在图14C中所示步骤中，在半导体衬底1上执行热氧化处理以形成具有 llnm ( IIO埃)厚度的预栅极(pre-gate)氧化层(未示出)。形成光致抗蚀剂129，其具有对应于NMOS区域的开口。然后，用光致 抗蚀剂129作为掩膜执行沟道掺杂。图15A直到图15C,自图12C延续，是图示制造如图4中所示本实施 例的半导体装置的部分方法的截面视图在图15A中所示步骤中，移除光致抗蚀剂129。形成光致抗蚀剂131， 其具有对应于PMOS区域的开口。然后，用光致抗蚀剂131作为掩膜执行沟 道掺杂。在图15B中所示步骤中，移除光致抗蚀剂131。在RCA清洁后，在半 导体衬底1上以920。C的温度执行热处理以形成13.5nm ( 135埃)厚度的氧 化硅膜133，其用作栅极氧化膜。然后，在氧化硅膜133上形成达35nm(350 埃)厚的多晶硅膜135。然后，磷离子以30keV的注入能量和根据电阻器元
件的目标阻抗决定的剂量注入到多晶硅膜135中。应当注意的是，当形成氧化硅膜133时，场氧化膜3、场氧化膜3a、场 氧化膜3b以及电场衰减氧化膜21变厚，但是为了图15B示的方<更，氧化硅 膜133、场氧化膜3、场氧化膜3a、场氧化膜3b以及电场衰减氧化膜21作 为分离的膜在图15B示出。在图15C中所示步骤中，在多晶硅膜135上淀积达250nm ( 2500埃) 厚的高温氧化膜137。通过光刻和刻蚀，图案化高温氧化膜137，同时留下 对应于确定电阻器元件阻抗区域中多晶硅膜135形成区域的高温氧化膜137 部分。用高温氧化膜137作为掩膜，在多晶硅膜135和高温氧化膜137上淀积 磷硅玻璃(PSG)。然后在半导体衬底1上执行热处理，并且磷离子扩散至 多晶硅膜135中。这样形成多晶硅膜139,其具有比多晶硅膜135高的磷浓 度。部分多晶硅膜135，其确定电阻器元件的阻抗，在高温氧化膜137下保留。然后，移除磷硅玻璃(PSG)。图16A直到图16C，自图15C延续，是图示制造如图4中所示本实施例的半导体装置的部分方法的截面视图。在图16A中所示步骤中，移除高温氧化膜137。形成光致抗蚀剂141，其定义用于MOS晶体管的栅电极(除LDMOS 外)以及多晶硅膜135上的电阻器元件和多晶硅膜139的区域。光致抗蚀剂 141覆盖LDMOS区域。在图16B中所示步骤中，用光致抗蚀剂141作为掩膜，图案化多晶硅膜 135和多晶硅膜139以形成栅电极53、 63以及电阻器元件67。栅电极53下的氧化硅膜133部分构成栅极氧化膜51,以及4册电极63 下的氧化硅膜133部分构成栅极氧化膜61 。部分多晶硅膜139保留在LDMOS 区域中。然后，移除光致抗蚀剂141。接下来，在半导体衬底1上执行热处理以 在栅电极53、 63、电阻器元件67以及多晶硅膜139上形成达13.5nm ( 135 埃)厚的氧化硅膜(未示出)。在图16C中所示步骤中，形成光致抗蚀剂143，其具有分别对应于 LDMOS区域中p型高浓度扩散层11、 PMOS区域以及二极管元件区域中p
型高浓度扩散层39的开口 (参考图3A直到图3C)。用于形成光致抗蚀剂 143的掩膜板(光掩膜)也在图18C所示步骤中使用。用光致抗蚀剂143作为掩膜，硼离子(在图16C中通过十字"x"表示) 以15keV的注入能量和2.0x 1013cm-2的剂量注入到半导体衬底1中。在 LDMOS区域，硼离子受到多晶硅膜139阻碍并且不能到达半导体衬底1。图17A直到图17C，自图16C延续，是图示制造如图4中所示本实施 例的半导体装置的部分方法的截面视图。在图17A中所示步骤中，移除光致抗蚀剂143。形成光致抗蚀剂145， 其具有分別对应于LDMOS区域、二极管元件区域以及NMOS区域的开口。 在LDMOS区域中，光致抗蚀剂145覆盖p型高浓度扩散层11 (参考图2A 直到图2C )。用于形成光致抗蚀剂145的掩膜板(光掩膜)也在图18A所示 步骤中使用。用光致抗蚀剂145作为掩膜，磷离子(在图17A中通过三角形"A"表 示)以70keV的注入能量和2.5 x 1013cm-2的剂量注入到半导体衬底1中。在 LDMOS区域中，磷离子受到多晶硅膜139阻碍并且不能到达半导体衬底1。在图17B中所示步骤中，移除光致抗蚀剂145。然后，用作侧壁的高温 氧化膜在遍及半导体衬底1上淀积达150nm ( 1500埃)的厚。回刻蚀高温氧 化膜，并且在4册电纟及53的侧表面上形成侧壁55,在栅电4及63的侧表面上形 成侧壁65,以及在电阻器元件67的侧表面上形成侧壁69。进一步，在多晶 硅膜139的侧表面上形成侧壁147。在图17C中所示步骤中，形成光致抗蚀剂149，其具有对应于LDMOS 区域的开口。用光致抗蚀剂149作为掩膜，移除侧壁147、多晶硅膜139以 及氧化硅膜133。图18A直到图18C，自图17C延续，是图示制造如图4中所示本实施 例的半导体装置的部分方法的截面视图。在图18A中所示步骤中，移除光致抗蚀剂149。使用图17A中所示步骤 中的前述掩膜板以形成光致抗蚀剂145。用光致抗蚀剂145作为掩膜，砷离 子(在图18A中通过三角形"A"表示)以50keV的注入能量和6.0 x 1015cm-2 的剂量注入到LDMOS区域、二极管元件区域以及NMOS区域中。在图18B中所示步骤中，移除光致抗蚀剂145。在半导体衬底1上在氮 气氛中以900。C的温度执行热处理经过一小时以热扩散砷离子，从而形成LDMOS晶体管区域中的n型源极扩散层9和n型高浓度扩散层15、 二极管 元件区域中的n型高浓度扩散层33和n型高浓度扩散层37、以及NMOS区 域中n型源极和漏极扩散层49。图18C中所示步骤中，使用图16C所示步骤中的前述掩膜板以形成光 致抗蚀剂143。用光致抗蚀剂143作为掩膜，硼离子(在图18C中通过十字 "x，，表示)以50keV的注入能量和3.0x 1015cm-2的剂量注入到LDMOS 区域、二极管元件区域以及NMOS区域中。然后，移除光致抗蚀剂143。在半导体衬底1上以85(TC的温度执行热 处理经过27分钟以热扩散硼离子，从而形成LDMOS晶体管区域中的p型 高浓度扩散层11、 二极管元件区域中p型高浓度扩散层39(参考图3A直到 图3C)以及PMOS区域中p型源极和漏极扩散层59 (参考图4)。在上述中，通过参考图7A直到图18C例示了如图4所示半导体装置的 制造方法；可以确定，本实施例是不局限于上面的示例的。第二实施例图19A直到图19C图示了才艮据本发明第二实施例的二极管元件。 明确地，图19A是根据第二实施例的二极管元件的平面视图。 图19B是如图19A中表示的二极管元件在X-X位置的截面视图。 图19C是如图19A中表示的二极管元件在Y-Y位置的截面视图。 在图19A直到图19C中，相同的参考数字指定与那些在图3A直到图 3C中图示的相同元件，并且省略重复表述。图19A直到图19C中所示二极管元件与图3A直到图3C中所示的二极 管元件不同在于p型高浓度扩散层39a，其组成二极管元件的基极接触扩散 层，形成像框架一样，具体地，在邻近n型高浓度扩散层37并且在n型体 扩散层31和n型高浓度扩散层33纵向方向上形成像条一样的p型高浓度扩 散层39a。图20A和图20B是分别图示图3A直到3C所示的没有前述条的二极管 元件的特性以及图19A直到19C所示的有前述条的二极管元件的特性的图。明确地，图20A表现依赖温度的正向电流，并且图20B表现依赖温度 的反向Y扁置漏电 流。图20A中，横坐标代表温度(。C )，并且纵坐标以单位mA (毫安培)
代表正向电流；图20B中，横坐标代表温度(°C )，并且纵坐标以单位pA(皮 安培)代表反向偏置漏电流；在这些示例中，在反向偏置漏电流的测量中，在基极和集电极短路时基 极和发射极之间施加20V电压的条件下测量漏电流。至于正向电流对温度的依赖，如图20A所示，当存在前述条时与缺少前 述条时相比较，这个依赖关系变化很少。至于依赖温度的反向偏置漏电流，由于以包围n型体扩散层31 ( 二极管 元件的发射极扩散层)来形成p型高浓度扩散层39a ( 二极管元件的基极接 触扩散层)，也就是说，存在前述条，与如图3A直到图3C中所示的二极管 元件当不存在前述条时的反向偏置漏电流相比，反向偏置漏电流是小的。图21A图示了 DC-DC转换器的转换效率的测量结果，其是等价于具有 由图19A直到图19C所示的二极管元件取代的二极管元件的图5中所示的 DC-DC转换器。图21B图示了用于比较的其中使用内建肖特基二极管作为二极管元件 的DC-DC转换器的转换效率的测量结果。在图21A与21B中，横坐标以单位mA (毫安培)表示LED电流以及 纵坐标表示转换效率(％ )。另外，在图21A和21B所示的示例中，DC电 源输出3.6V的直流电压，使用在上面示例中的线圈的感应系数是22^iH (微 亨利)，并且在25。C的环境温度下做测量。以DC-DC转换器的输出消耗功 率与DC电源消耗功率的比值来表示转换效率，这里消耗功率等于相关电流 和电压的乘积。当LED电流是5mA时，在图21B所示用于比较的示例中，转换效率略 小于70%;与之相比，图21A所示本实施例中，转换效率接近80%。这样，根据本实施例的半导体装置和DC-DC转换器，由于LDMOS用 作开关元件，PN结二极管用作二极管元件，漏电流可以减少，并且可能改 进升压型DC-DC转换器的转换效率。第三实施例图22A直到图22C图示了根据本发明第三实施例的二极管元件。 明确地，图22A是根据第三实施例的二极管元件的平面视图。 图22B是如图22A中表示的二极管元件在X-X位置的截面视图。图22C是如图22A中表示的二极管元件在Y-Y位置的截面视图。在图22A直到图22C中，相同的参考数字指定与那些在图3A直到图 3C和图19A至图19C中图示的相同元件，并且省略重复表述。在图22A直到图22C所示的二极管元件与图19A直到图19C中所示的 二极管元件不同，在于n型体扩散层31(对应于二极管元件的发射极扩散层) 与n型高浓度扩散层37 (对应于二极管元件的集电极接触扩散层)之间的p 型高浓度扩散层39a (对应于二极管元件的基极接触扩散层)是以一距离与 n型高浓度扩散层37分开的。与图19A直到图19C中所示的二极管元件相似，与图3A直到图3C中 所示的没有条的二极管元件相比，本实施例的二极管元件同样具有小的反向 偏置漏电流。图23图示了 DC-DC转换器的转换效率的测量结果，其是等价于具有由 图22A直到图22C中所示的二极管元件取代的二极管元件的图5中所示的 DC-DC转换器。在图23中，横坐标以单位mA (毫安培)表示的LED电流以及纵坐标 表示转换效率(％ )。在这个示例中，DC电源输出3.6V的直流电压，使用 在上面示例中的线圈的感应系数是22(iH (微亨利)，并且在25°C的环境温度 下做测量。以DC-DC转换器的输出消耗功率与DC电源消耗功率的比值来 表示转换效率，并且消耗功率等于相关电流和电压的乘积。如图23中所示，本实施例中，当LED电流是5mA时，转换效率大约 为80%。因此，与图21B中示例比较，其中内建肖特基二极管用作二极管 元件，漏电流减少，并且改进了升压型DC-DC转换器的转换效率。第四实施例图24A直到图24C图示了根据本发明第四实施例的二极管元件。 明确地，图24A是根据第四实施例的二极管元件的平面视图。 图24B是如图24A中表示的二极管元件在X-X位置的截面视图。 图24C是如图24A中表示的二极管元件在Y-Y位置的截面视图。 在图24A直到图24C中，相同的参考数字指定与那些在图3A直到图 3C中图示的相同元件，并且省略重复表述。图24A直到图24C所示的二极管元件与图3A直到图3C所示的二极管
元件不同，在于在场氧化膜3a下的p型阱扩散层29中并且以一距离与n型 体扩散层31 (对应于二极管元件的发射极扩散层)和n型高浓度扩散层37 (对应于二极管元件的集电极接触扩散层)分开来提供p型高浓度扩散层93 (对应于本申请权利要求中的第二基极扩散层)。在n型体扩散层31 (二极 管元件的发射极扩散层)和n型高浓度扩散层37 ( 二极管元件的集电极接触 扩散层)之间的p型阱扩散层29 (对应于二极管元件的基极扩散层)的表面 部分上形成场氧化膜3a。并且，p型高浓度扩散层93具有比p型阱扩散层 29高的杂质浓度。根据本实施例，与当不存在p型高浓度扩散层93的情况相比，可能减 少反向偏置漏电流(集电极和发射极之间的漏电流)。本实施例的配置在其 中由场氧化膜3a吸出场氧化膜3a下p型阱扩散层29的p型杂质的结构中 是显著有效的。上面中，记述了以一距离与n型体扩散层31(对应于二极管元件的发射 极扩散层)和n型高浓度扩散层37(对应于二极管元件的集电极接触扩散层) 分开来提供p型高浓度扩散层93 (第二基极扩散层)。应当注意的是本实施 例不局限于此；可以以邻近n型体扩散层31或n型高浓度扩散层37、或邻 近n型体扩散层31和n型高浓度扩散层37两者形成p型高浓度扩散层93。 可以以如图4以及图7A直到图18C所示方式的相同方式制造本实施例的结 构，除了在图14B中所示步骤和图14C中所示步骤之间执行下列附加步骤。图25是图示制造如图24A直到24C所示的本实施例的半导体装置的方 法步骤的截面视图，其是在图14B中的步骤和图14C中的步骤之间执行。如在第一实施例中表述的，在图14A中的步骤中形成场氧化膜3、 3a、 3b，并且在图14B中的步骤中移除氮化^f圭膜125。那之后，在图25中所示步骤中，形成光致抗蚀剂151,其具有对应于场 氧化膜3a下的p阱扩散层29位置的开口。用光致抗蚀剂151作为掩膜，硼 离子(在图25中通过十字"x ，，表示)例如通过场氧化膜3a以160keV的 注入能量和l.Ox 1012^11-2至l.Ox 10"cm^范围的剂量注入到p型阱扩散层 29中。然后，移除光致抗蚀剂151。为图示的目的，光致抗蚀剂151呈现在 图25中。然后，执行图14C直到图18C所示的步骤，因此，在场氧化膜3a下的 p型阱扩散层29中形成p型高浓度扩散层93。
用于形成p型高浓度扩散层93的硼离子，可以通过特别为硼离子的激 活处理或通过特别为硼离子的激活处理以及同时为其它离子的激活处理来 激活。第五实施例图26A直到图26C图示了根据本发明第五实施例的二极管元件。 明确地，图26A是根据第五实施例的二极管元件的平面视图。 图26B是如图26A中表示的二极管元件在X-X位置的截面视图。 图26C是如图26A中表示的二极管元件在Y-Y位置的截面视图。 在图26A直到图26C中，相同的参考数字指定与那些在图3A直到图 3C中图示的相同元件，并且省略重复表述。图26A直到图26C所示的二极管元件与图3A直到图3C所示的二极管 元件不同，在于在n型体扩散层31 (对应于二极管元件的发射极扩散层)与 n型高浓度扩散层37 (对应于二极管元件的集电极接触扩散层)之间的p型 阱扩散层29 (对应于二极管元件的基极扩散层)表面部分上提供场氧化膜 3a，并且与n型高浓度扩散层37 ( 二极管元件的集电极接触扩散层)以一距 离分开形成。而且，场氧化膜3a不完全覆盖在n型体扩散层31 (对应于二极管元件 的发射极扩散层)与n型高浓度扩散层37 (对应于二极管元件的集电极接触 扩散层)之间的p型阱扩散层29 (对应于二极管元件的基极扩散层)部分表 面上。进一步，场氧化膜3a下的场掺杂层41也与n型高浓度扩散层37(对应 于二极管元件的集电极接触扩散层)以一距离形成。根据本实施例，与图3A直到图3C中所示的氧化膜3a完全覆盖在n型 体扩散层31与n型高浓度扩散层37之间的p型阱扩散层29部分表面上的 结构相比，可能减少反向偏置漏电流(集电极和发射极之间的漏电流)。本实施例的配置在其中由场氧化膜3a吸出场氧化膜3a下p型阱扩散层 29的p型杂质的结构中是显著有效的。可以以如图4中以及图7A直到图18C所示方式的相同方式制造本实施 例的结构，除了应该对用在图13B、图17A以及图18A所示步骤中的光掩 膜设计做出修改。 图27是图示制造如图26A直到26C所示的本实施例的半导体装置方法 步骤的截面视图，其取代图13B中的步骤。如第一实施例中表述，在图13A中的步骤之后，以如图13B中所示步 骤相同的方式，形成氮化硅膜125以定义场氧化膜3形成的区域。这里，如图27中虚线圈所示，也在p型阱扩散层29部分上形成氮化硅 膜125。也就是说，图27中步骤与图13B中步骤基本上相同，除了用于形成光 掩膜的图案不同，其用于定义氮化硅膜125的区域。然后，执行图13C和图14A中所示步骤，如参考图26A直到图26C的 表述，在n型体扩散层31和n型高浓度扩散层37之间的p型阱扩散层29 部分表面上形成场氧化膜3a。图28是图示制造如图26A直到26C所示的本实施例的半导体装置方法 步骤的截面视图，其取代图17A中的步骤。在图16C中的步骤之后，以如图17A中所示步骤中相同的方式，形成 光致抗蚀剂145，并且用光致抗蚀剂145作为掩膜，注入磷离子(在图28 中通过三角形"A，，表示)。这里，如图28中虚线圈所示，以不将磷离子注入到p型阱扩散层29中 的方式形成光致抗蚀剂145。也就是说，图28中步骤与图18A中步骤基本上相同，除了用于形成光 致抗蚀剂145的光掩膜图案不同。因此，如参考图26A直到图26C的表述，不将磷离子注入到在n型体 扩散层31和n型高浓度扩散层37之间的p型阱扩散层29部分中，其中p 型阱扩散层29部分，不形成场氧化膜3a。图29是图示制造如图26A直到26C所示的本实施例的半导体装置方法 步骤的截面视图，其取代图18A中的步骤。在图17C中的步骤之后，以如图18A中所示步骤相同的方式，形成光 致抗蚀剂145,并且用光致抗蚀剂145作为掩膜，注入磷离子(在图29中通 过三角形"△，，表示)。这里，如图29中虚线圈所示，以不将磷离子注入到p型阱扩散层29中 的方式形成光致抗蚀剂145。也就是说，图29中步骤与图18A中步骤基本上相同，除了用于形成光
致抗蚀剂145的光掩膜图案不同。因此，如参考图26A直到图26C的表述，在n型体扩散层31和n型高 浓度扩散层37之间的p型阱扩散层29部分中，不形成n型高浓度扩散层37， 其中p型阱扩散层29部分，不形成场氧化膜3a。然后，执行图18B和图18C中所示步骤，获得如图26A直到图26C所 示的结构，其中场氧化膜3a不完全覆盖在n型体扩散层31和n型高浓度扩 散层37之间的p型阱扩散层29部分的表面。在制造本实施例半导体装置的上述方法中，仅仅需要修改光掩膜的设 计，并且与参考图4和图7A直到图18C的第一实施例中表述的方法相比， 不需要增加用于制造如图26A直到26C中所示本实施例的半导体装置的步 骤数。在本实施例中，表述了在n型体扩散层31和n型高浓度扩散层37之间 的p型阱扩散层29部分的表面部分，是邻近n型高浓度扩散层37并且以一 距离与n型体扩散层31分开的，其中p型阱扩散层29部分的部分表面不形 成场氧化膜3a。无疑地，本实施例不局限于此。其中不形成场氧化膜3a的 p型阱扩散层29部分的部分表面，可以以其它方式安排。图30A直到图30C图示了对于根据本发明第五实施例的二极管元件的 变形。明确地，图30A是对于第五实施例二极管元件的变形的平面视图； 图30B是如图30A中表示的二极管元件在X-X位置的截面视图； 图30C是如图30A中表示的二极管元件在Y-Y位置的截面视图； 在图30A直到图30C中，相同的参考数字指定与那些在图26A直到图26C中图示的相同元件，并且省略重复表述。如图30A直到图30C所示，在n型体扩散层31和n型高浓度扩散层37之间的p型阱扩散层29部分的表面部分，可以以一距离与n型体扩散层31和n型高浓度扩散层37分开来形成，其中p型阱扩散层29部分的部分表面不形成场氧化膜3a。可选择地，其中不形成场氧化膜3a的p型阱扩散层29部分的部分表面可以以邻近n型体扩散层31和以一距离与n型高浓度扩散层37分开来形成。 另外，两个或三个包括p型高浓度扩散层39a或39b的结构、包括在场氧化膜3a下的p型高浓度扩散层93的结构、以及其中在p型阱扩散层29
部分不形成场氧化膜3a的结构的结合，可以安排在n型体扩散层31和n型 高浓度扩散层37之间的p型阱扩散层29部分中。因为这些结构的结合，有可能进一步减少反向偏置漏电流(集电极和发 射极之间的漏电 流)o图31是分别呈现依赖于图3A直到图3C、图19A直到图19C、图24A 直到图24C以及图26A直到26C所示的二极管元件的温度的反向偏置漏电 流的测量结果。在图31中，横坐标表示温度(。C )，并且纵坐标以单位pA (皮安培) 表示反向偏置漏电 流o在反向偏置电流的测量中，在基极和集电极短路时基极和发射极之间施加20V电压的条件下测量漏电流。在图31所示的测量中，在图24A直到图24C中所示的二极管元件的两 个不同示例用于测量，图24A直到图24C中所示的二^ L管元件的一个示例 是当形成p型高浓度扩散层93 (第二基极扩散层)时，通过以l.Ox l012cm-2 的硼离子注入剂量形成，以及二极管元件的另 一个示例是当形成p型高浓度 扩散层93时，通过以1.0 x 10"cm^的硼离子注入剂量形成。在图31中，前 面示例的结果通过表述"图24 ( l.Ox I012cm-2)"来表示，并且后面一个的 结果通过表述"图24 ( l.Ox I013cm-2)"来表示。图31显示了在图19A直到图19C所示的二极管元件和图24 (l.Ox 1013cm-2) 二极管元件中存在很少的漏电流。图24 ( 1.0 x 1012cm-2) 二极管元件与图24 ( 1.0 x 1013cm-2) 二极管元件 结果比较，发现二极管元件的漏电流的大小和温度依赖特性的改变依赖于形 成第二基极扩散层时硼离子的注入剂量。图26A直到图26C所示二极管元件(其中，场氧化膜3a没有覆盖在n 型体扩散层31与n型高浓度扩散层37之间的p型阱扩散层29部分的全部 表面)与图3A直到图3C所示二极管元件(其中，场氧化膜3a覆盖在n型 体扩散层31与n型高浓度扩散层37之间的p型阱扩散层29部分的全部表 面)结果比较，发现图26A直到图26C中所示二极管元件中漏电流减少。进一步，从图31中所示结果，发现在二极管元件中，表面漏电流占优势。尽管本发明通过参考为说明目的选择的特殊实施例描述，显然本发明不 局限于这些实施例，而是在不脱离发明基本概念和范围的情况下通过本领域 技术人员可以在此作出许多的修改。例如，用作开关元件的LDMOS不局限于上述示例。只要LDMOS晶体 管包括源极扩散层、具有相对于源极扩散层电导率的电导率并包围源极扩散 层的侧表面和底表面的沟道扩散层、以及具有与源极扩散层电导率相同电导 率并邻近沟道扩散层外侧的漏极扩散层，就可以使用任何LDMOS晶体管； 并且在栅电极下的沟道扩散层表面担当沟道区域。另外，本发明的二极管元件不局限于上述示例。只要二极管元件具有垂 直双极型晶体管，其包括集电极扩散层、具有相对于集电极扩散层电导率的 电导率并形成在集电极扩散层上的基极扩散层、以及具有与集电极扩散层电 导率相同电导率并形成在基极扩散层上的发射极扩散层，就可以使用任何二 极管。上面实施例中，使用p型半导体衬底；当然，也可以使用n型半导体衬底。上面实施例中，n沟道LDMOS用作开关元件；当然，开关元件也可以 是p沟道LDMOS。上面实施例中，二极管元件具有npn垂直双极型晶体管结构；当然，二 极管元件也可以具有pnp垂直双极型晶体管结构。在本发明的半导体装置中，组成开关元件的n沟道LDMOS和p沟道 LDMOS中的一个，以及组成二极管元件的npn垂直双极型晶体管结构和p叩 垂直双极型晶体管结构中的一个，可以以想要的任何方式结合。注意视DC-DC转换器的应用，有时需要将二极管元件限制于叩n垂直 双极型晶体管结构，例如，当使用DC-DC转换器是用于点亮LED。本发明的DC-DC转换器不局限于图5中所示结构，只要升压型DC-DC 转换器包括具有由LDMOS晶体管形成开关元件的半导体装置、具有垂直双 极型晶体管结构的二极管元件、开关端子、输出端子、连接至开关端子的线 圈、以及连接至输出端子的电容器，就可以使用任何升压型DC-DC转换器。
权利要求
1、一种用于升压型DC-DC转换器的半导体装置，包括开关元件；与该开关元件形成在相同半导体衬底上的二极管元件；开关端子；以及输出端子，其中该开关元件包括具有由LDMOS栅电极下的沟道扩散层的表面部分形成的沟道区域的LDMOS晶体管，所述LDMOS晶体管包括源极扩散层，具有相对该源极扩散层电导率的电导率的沟道扩散层，并以包围该源极扩散层的侧表面和底表面形成，以及具有与该源极扩散层电导率相同电导率的漏极扩散层，并以在外面邻近该沟道扩散层形成，该二极管元件包括垂直双极型晶体管，具有形成该二极管元件集电极的集电极扩散层，具有相对该集电极扩散层电导率的电导率的基极扩散层，并在该集电极扩散层中形成该二极管元件的基极，所述基极连接至该集电极，以及具有与该集电极扩散层电导率相同电导率的发射极扩散层，并在该基极扩散层中形成该二极管元件的发射极，因此在该基极和该发射极之间产生二极管，其中该开关元件的漏极和该二极管元件的阳极连接至该开关端子，以及该二极管元件的阴极连接至该输出端子。
2、 如权利要求1所述的半导体装置，其中该二极管元件包括具有与该基极扩散层电导率相同电导率的基极接触 扩散层，并且在该基极扩散层中形成，以及该基极接触扩散层以一间隔与该发射极扩散层分开并且以包围该发射 极扩散层来形成。
3、 如权利要求2所述的半导体装置，进一步包括具有与该集电极扩散层电导率相同电导率的集电极接触扩散层，并且在该集电极扩散层中形成；其中安排在该发射极扩散层和该集电极接触扩散层之间的该基极接触扩散 层部分以邻近该集电极接触扩散层来形成。
4、 如权利要求l所述的半导体装置，其中 该二极管元件包括具有与该集电极扩散层电导率相同电导率的集电极接触扩散层，并且在 该集电极扩散层表面上形成；由在该发射极扩散层和该集电极接触扩散层之间的该基极扩散层部分 的表面上淀积的LOCOS氧化膜构成的场氧化膜；以及在该场氧化膜下的该基极扩散层部分上设置的第二基极扩散层，其中该第二基极扩散层的杂质浓度高于该基极扩散层的杂质浓度。
5、 如权利要求1所述的半导体装置，其中 该二极管元件包括具有与该集电极扩散层电导率相同电导率的集电极接触扩散层，并且在 该集电极扩散层表面上形成；以及由在该发射极扩散层和该集电极接触扩散层之间的该基极扩散层部分 的表面上淀积的LOCOS氧化膜构成的场氧化膜；该场氧化膜不覆盖在该发射极扩散层和该集电极接触扩散层之间的该 基极扩散层部分的部分该表面。
6、 如权利要求1所述的半导体装置，其中该漏极扩散层和该集电极扩 散层具有相同的杂质浓度分布。
7、 一种升压型DC-DC转换器，包括 半导体装置；线圈；以及电容器；其中该半导体装置包括 开关元件； 与该开关元件形成在相同半导体衬底上的二极管元件； 连接至该线圈的开关端子；以及 连接至该电容器一端的输出端子； 其中的沟道区域的LDMOS晶体管，所述LDMOS晶体管包括 源极扩散层，具有相对该源极扩散层电导率的电导率的沟道扩散层，并以包围该源极 扩散层的侧表面和底表面形成，以及具有与该源极扩散层电导率相同电导率的漏极扩散层，并以在外面邻近该沟道扩散层形成，该二极管元件包括垂直双极型晶体管，具有 形成该二极管元件集电极的集电极扩散层，具有相对该集电极扩散层电导率的电导率的基极扩散层，并在该集电极 扩散层中形成该二极管元件的基极，所述基极连接至该集电极，以及具有与该集电极扩散层电导率相同电导率的发射极扩散层，并在该基极 扩散层中形成该二极管元件的发射极，因此在该基极和该发射极之间产生二 极管，其中该开关元件的漏极和该二极管元件的阳极连接至该开关端子，以及 该二极管元件的阴极连接至该输出端子， 该线圈的一个终端连接至该开关端子，以及 该电容器的一个终端连接至该输出端子。
全文摘要
公开了在使用中能够满足装置功率需求和具有高效率的电源装置。该电源装置包括第一电源；提高第一电源输出电压的电压升压单元；降低电压升压单元的输出电压的电压降压单元；以及通过电压降压单元的输出电压驱动工作的负载。所述电压升压单元将第一电源的输出电压提升至电压降压单元操作电压的下限值。
文档编号H02M3/07GK101114649SQ200710142129
公开日2008年1月30日 申请日期2007年6月15日 优先权日2006年6月15日
发明者上田佳德, 大塚正也 申请人:株式会社理光