JP2003174169A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
ルドプレートリングの外周側端部の下に位置するLOC
OS酸化膜のサージに対する信頼性を向上させることが
できる半導体装置を提供する。 【解決手段】 外周耐圧部において、n-型層1Bの表
層部の外周p型ウェル13の外周側終端13Eが、ゲー
ト配線19と電気的に接続されている最内周側のフィー
ルドプレートリング17aとこの隣に形成されているフ
ィールドプレートリング17bとの間に位置するように
外周p型ウェル13を配置する。
Description
ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBTと記
す)などの半導体素子を備える半導体装置に関するもの
である。
る半導体装置において、サージ耐量を向上させるための
手段が外周部に形成されている(特開平10−1634
82号公報参照)。
の断面の一例を示す。図の右側部分は複数の半導体素子
が形成されている領域の一部分であり、以下ではセル部
と記す。また、図中のセル部よりも左側の部分はセル部
の外周に形成されている外周耐圧部である。
にn-型層1Bが形成されている。そして、この半導体
基板1はp+型層1A側の表面を裏面1a、n-型層1B
側の表面を主表面1bとし、裏面1a上にはコレクタ電
極2が形成されている。
外周p型ウェル13’が形成されている。この外周p型
ウェル13’のセル部から離れた側の一部分と重なって
外周p型ウェル13’よりも接合深さが浅い最外周p型
ウェル14が形成されている。そして、n-型層1Bの
表層部の最外周にはn+型層15が形成されている。ま
た、n-型層1B表面上に形成されたLOCOS酸化膜
16の上に複数のフィールドプレートリング17a〜1
7eが外周p型ウェル13’の上からn+型層15のセ
ル部側の端部にかけて形成されている。さらにこれら複
数のフィールドプレートリング17a〜17eのそれぞ
れの間にポリシリコン等で形成されたツェナーダイオー
ド18a〜18dがそれぞれ配置され、これらが電気的
に接続されている。そして、フィールドプレートリング
17aはゲート配線19と接続され、フィールドプレー
トリング17eはn+型領域15と接続されている。
17a〜17eとツェナーダイオード18a〜18dと
をセル部から外周に向かって一定間隔にて配置すること
で、サージが印加されたとき、n-型層1Bの表層部に
おける外周p型ウェル13’から外側に向かう方向の電
位が均等に分布されている。
の半導体装置の一部の断面における等電位分布のシミュ
レーション結果を示す。なお、このときのdV/dtは
約2kV/1nsである。この半導体装置に逆バイアス
がかかると外周耐圧部において、n-型層1Bと外周p
型ウェル13’とによるpn接合の空乏層はpn接合面
から離れる方向で、n-型層1B側に向かって広がって
いる。そして、外周p型ウェル13’から最外周側に向
かって空乏層が延びていることから、複数のフィールド
プレートリング17a〜17eの電位に応じて図4
(a)に示すように、均等に電位が分布している。
ルドプレートリング17aの外周側端部17aE近辺の
領域Bを拡大したものを図4(b)に示す。
最外周p型ウェル14の外周側終端14Eが、フィール
ドプレートリング17aとその隣のフィールドプレート
リング17bとの間から離れていることから、フィール
ドプレートリング17a、17bの間の電位に相当する
等電位線は、外周p型ウェル13’及び最外周p型ウェ
ル14側から、フィールドプレートリング17a、17
bの間に向かってLOCOS酸化膜16に沿って延び、
フィールドプレートリング17a、17b間に達してい
る状態となっている。このため、フィールドプレートリ
ング17aの外周側端部17aEの下に位置するLOC
OS酸化膜16において、等電位線が集中し、フィール
ドプレートリング17aの外周側端部17aEの下に位
置するLOCOS酸化膜16での電界強度が大きくなっ
ている。このことから、外周側端部17aEの下に位置
するLOCOS酸化膜16のサージに対する信頼性の低
下を引き起こす可能性が高いことが推測される。
電極と電気的に接続されているフィールドプレートリン
グの外周側端部の下に位置するLOCOS酸化膜のサー
ジに対する信頼性を向上させる半導体装置を提供するこ
とを目的としている。
く、請求項1に記載の発明では、外周耐圧部は、半導体
領域(13)の外周側終端(13E)が、最内周側のフ
ィールドプレートリング(17a)とこの最内周側のフ
ィールドプレートリングの隣に形成されているフィール
ドプレートリング(17b)との間に位置するように、
半導体領域が配置されていることを特徴としている。
れているフィールドプレートリングの外周側端部17a
Eの下に位置するLOCOS酸化膜での電界集中を緩和
することができ、LOCOS酸化膜のサージに対する信
頼性を向上させることができる。
層部に半導体素子を構成するための第2導電型の第2半
導体領域(3、4)が形成されており、外周耐圧部の耐
圧が半導体素子が形成されている領域よりも低くなるよ
うに、外周耐圧部の半導体領域の湾曲部の曲率半径が設
定されていることを特徴としている。
耐圧が半導体素子が形成されている領域よりも70V以
上低い構造となっていることを特徴としている。
子が形成されている領域よりも70V以上低い構造とな
るように、半導体層の不純物濃度及び層の厚さが設定さ
れている。
プレートリングのそれぞれの間に保護素子(18a〜1
8d)が形成されていても良い。なお、保護素子として
は、例えば、ツェナーダイオードや抵抗などを用いるこ
とができる。
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
したIGBTを有する半導体装置の一部分の断面を示
す。図1の右側部分はセル部であり、セル部よりも左側
の部分はセル部の外周に形成されている外周耐圧部であ
る。
-型層1Bが形成されており、裏面1a上にコレクタ電
極2が形成されている。
ウェル3が形成されており、このp型ウェル3よりも接
合深さが浅く、p型ウェル3と重なってp型ベース領域
4が形成されている。さらに、このp型ベース領域4の
内部にはn+型ソース領域5が形成されている。また、
n-型層1Bの上面にはゲート絶縁膜6を介してポリシ
リコン等からなるゲート電極7が設けられている。そし
て、このゲート電極7の下に位置するn+型ソース領域
5とn-型層1Bとに挟まれたp型ベース領域4がチャ
ネル領域8となっている。
n+型ソース領域5に対してチャネル領域8の反対側に
はn+型ソース領域5と重なってp+型領域9が形成され
ている。そして、n-型層1Bの表面上に形成されたB
PSGまたはPSG等からなる層間絶縁膜10の上にA
l合金等からなるエミッタ電極11が設けられている。
このエミッタ電極11は層間絶縁膜10に形成されたコ
ンタクトホール12を通して、n+型ソース領域5、p+
型領域9と電気的に接続されている。
ース領域5とp+型領域9とを有し、p+型領域9の上の
エミッタ電極11と、p型ベース領域4の上のゲート電
極7とを有する構造を1セルとして、セル部は、これら
が複数設置された構成となっている。
層部のうち、最外周のセルの周りにp型ウェル3と接合
深さが等しい外周p型ウェル13が形成されている。ま
た、n-型層1Bの表層部の最外周側にはn+型コンタク
ト領域15が形成されている。そして、従来と同様に、
n-型層1Bの上にはLOCOS酸化膜16が形成され
ており、このLOCOS酸化膜16の上にポリシリコン
あるいはAl等のフィールドプレートリング17a〜1
7eと、保護素子として、ポリシリコン等により形成さ
れたツェナーダイオード18a〜18dが形成されてい
る。
縁膜10が形成されている。そして、この層間絶縁膜1
0の上にゲート電極19が設けられており、このゲート
電極19は層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホー
ル20を通してフィールドプレートリング17aと電気
的に接続されている。また、層間絶縁膜10上の最外周
側には等電位プレート21が設けられている。この等電
位プレート21はフィールドプレートリング17eと、
n+型コンタクト領域15とに電気的に接続されてい
る。
周p型ウェル13の外周側終端13Eが、ゲート配線1
9と電気的に接続されている最内周側のフィールドプレ
ートリング17aとこの隣に形成されているフィールド
プレートリング17bとの間に位置するように外周p型
ウェル13を形成している。
されたときの半導体装置の一部の断面における等電位分
布のシミュレーション結果を図2(a)に示す。また、
図2(a)中フィールドプレートリング17aの外周側
端部17aE近辺の領域Bを拡大したものを図2(b)
に示す。なお、このときのdV/dtは約2kV/1n
sである。
周側終端13Eがフィールドプレートリング17a、1
7bの間に位置していることから、図3(b)に示すよ
うに、外周p型ウェル13の外周側の形状に沿って、L
OCOS酸化膜16に対して垂直に等電位線がフィール
ドプレートリング17aとフィールドプレートリング1
7bとの間に延びている状態となっており、フィールド
プレートリング17aの外側端部の下に位置するLOC
OS酸化膜16において、等電位線が集中していない。
印加されたとき、フィールドプレートリング17aの外
周側端部17aE下のLOCOS酸化膜16での電界集
中を緩和させ、電界強度を低下させることができる。こ
れにより、LOCOS酸化膜16のサージに対する信頼
性を向上させることができる。
p型ウェル13の表面濃度は1.0×1017〜1.0×
1018、接合深さは7μmとしている。そして、本実施
形態では、外周p型ウェル13の外周側に最外周p型ウ
ェル14が形成されていない構造としているので、外周
p型ウェル13の湾曲部の曲率半径を従来よりも小さく
することができる。この場合、外周p型ウェル13の外
周側湾曲部に電界が集中し、この湾曲部での電界強度が
大きくなるため、外周耐圧部の耐圧が低下する。このと
き、セル部の耐圧も低下してしまうので、従来よりもn
-型層1Bの濃度を低く、膜厚を厚く設定している。例
えば、n-型層1Bの濃度及び膜厚をそれぞれ約1.4
×1014cm-3、70μmとしている。これにより、n
-型層1Bとp型ウェル3及びp型ベース領域4とによ
るpn接合における逆バイアス印加時の空乏層の広がり
を大きくし、空乏層での電界分布を広げることで、セル
部の耐圧を向上させ従来と同様の耐圧にすることができ
る。なお、外周耐圧部では、従来よりもn-型層1Bの
濃度を低く、膜厚を厚く設定しても、外周p型ウェル1
3の湾曲部の曲率半径が小さく、湾曲部は平坦な部分よ
りも空乏層が広がり難いことから、耐圧は向上しない。
したがって、セル部よりも外周耐圧部の方が耐圧が70
V以上低くなっており、具体的に本実施形態では、外周
耐圧部の耐圧がセル部よりも約100V低くなってい
る。
れたとき、外周耐圧部の外周p型ウェル13にてセル部
よりも先にブレークダウンをさせ、セル部に流れるブレ
ークダウン電流の密度を減少させることができる。この
ため、セル部でのキャリア密度を低減させ、セル部のn
-型層1Bとp型ベース領域4とn+型ソース領域5とに
よる寄生トランジスタの動作を起こし難くすることがで
きる。この結果、本実施形態では、従来の構造よりもサ
ージ耐量を2倍にすることができる。
導体層、第2導電型の半導体領域、第2導電型の第2半
導体領域は、本実施形態では、それぞれ、エミッタ電極
11、n-型層1B、外周p型ウェル13、p型ウェル
3及びp型ベース領域4に相当している。
ウェル14を形成しない構造としていたが、最外周p型
ウェル14を形成する構造でも、この最外周p型ウェル
14の外周側終端14Eがフィールドプレートリング1
7aとフィールドプレートリング17bとの間に位置す
るように配置することで、LOCOS酸化膜16のサー
ジに対する信頼性を向上させることができる。
ウェル14を形成しない構造とすることで、外周耐圧部
の耐圧を低下させ、それに伴うセル部の耐圧を向上させ
る手段として、従来よりもn-型層1Bの濃度を低く
し、かつ膜厚を厚くしていたが、セル部のn-型層1B
の表層部に形成されているp型ウェル3の接合深さを従
来よりも浅くすることで、セル部におけるp型ウェル3
とp+型層1Aとの間に相当するn-型層1Bの厚さを増
加させても良い。これによっても、セル部の耐圧を向上
させ、従来の耐圧を維持することができる。
圧は従来のままで、外周耐圧部の耐圧がセル部よりも7
0V以上低くなるような構造としていたが、セル部に形
成されている半導体素子の特性に影響を与えることがな
ければ、外周耐圧部の耐圧を従来のままにして、セル部
の耐圧が外周耐圧部よりも70V以上高くなるような構
造としても良い。
8a〜18dとして、ツェナーダイオードを用いていた
が、抵抗を用いることもできる。また、フィールドプレ
ートリング17a〜17eの数は5ではなく、他の数に
することもできる。
n型、第2導電型をp型としたNチャネルタイプのIG
BTを例に挙げて説明したが、各構成要素の導電型を逆
にしたPチャネルタイプのIGBTであっても本発明を
適用することができる。また、IGBTのうち、プレー
ナ型の縦型IGBTを備える半導体装置に本発明の一実
施形態を適用した場合について説明したが、トレンチゲ
ート型のIGBTを備える半導体装置に適用しても良
く、また、コレクタ電極2とエミッタ電極11とを半導
体基板1の表面1b上に備える構造のIGBTを備える
半導体装置に適用しても良い。また、p+型基板1Aと
n-型層1Bとを異なる導電型としたIGBTの代わり
に、p+型基板1Aとn-型層1Bとを同一の導電型とし
たMOSFETを備える半導体装置に本発明を適用する
こともできる。
面図である。
結果を示す図である。
果を示す図である。
…コレクタ電極、3…p型ウェル、4…p型ベース領
域、5…n+型ソース領域、6…ゲート絶縁膜、7…ゲ
ート電極、9…p+型領域、10…層間絶縁膜、11…
エミッタ電極、12…コンタクトホール、13…外周p
型ウェル、14…最外周p型ウェル、15…n+型コン
タクト領域、16…LOCOS酸化膜、17…フィール
ドプレートリング、18…ツェナーダイオード、19…
ゲート配線、20…コンタクトホール、21…等電位プ
レート、22…p+型コンタクト領域、23…コンタク
トホール。
Claims (5)
- 【請求項1】 主表面側に第1導電型の半導体層(1
B)を有する半導体基板(1)と、 前記半導体基板の主表面上に形成された電極(11)
と、 前記半導体基板の主表面上にゲート絶縁膜(6)を介し
て形成され、前記電極と電気的に絶縁されたゲート電極
(7)と、 前記ゲート電極に印加される電圧によって前記電極を介
して電流が流れるように構成された半導体素子と、 前記半導体素子が形成されている領域の外周の外周耐圧
部における前記半導体層の表層部に形成され、前記電極
と電気的に接続されている第2導電型の半導体領域(1
3)と、 前記半導体領域から外周に向かって、前記半導体層の表
面上に形成されたフィールド酸化膜(16)と、 前記フィールド酸化膜上に形成された多重の導電性リン
グよりなり、該導電性リングのうち、最内周側のリング
(17a)は前記ゲート電極と電気的に接続され、最外
周側のリング(17e)は前記半導体層と電気的に接続
されているフィールドプレートリング(17a〜17
e)とを備え、 前記半導体領域は、その外周側終端(13E)が前記最
内周側のフィールドプレートリング(17a)と該最内
周側のフィールドプレートリングの隣に形成されている
フィールドプレートリング(17b)との間に位置する
ように、配置されていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 前記半導体層の表層部に前記半導体素子
を構成するための第2導電型の第2半導体領域(3、
4)を有し、前記外周耐圧部の耐圧が前記半導体素子が
形成されている領域よりも低くなるように、前記外周耐
圧部の半導体領域の湾曲部の曲率半径が設定されている
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項3】 前記外周耐圧部の耐圧が前記半導体素子
が形成されている領域よりも70V以上低い構造となっ
ていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 - 【請求項4】 前記外周耐圧部の耐圧が前記半導体素子
が形成されている領域よりも70V以上低い構造となる
ように、前記半導体層の不純物濃度及び層の厚さが設定
されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装
置。 - 【請求項5】 前記複数のフィールドプレートリングの
それぞれの間に保護素子(18a〜18d)が形成され
ていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つ
に記載の半導体装置。
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