JP2005064472A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高耐圧の横型半導体素子と低耐圧の制御用半導体素子とを誘電体分離技術を適用して同一基板上に集積した高耐圧IC(集積回路)等の半導体装置に関し、特に横型のIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)および横型FWD(還流用ダイオード)を駆動回路、制御回路およびレベルシフト回路とともに同一基板上に搭載した1チップインバータを構成する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device such as a high breakdown voltage IC (integrated circuit) in which a high breakdown voltage lateral semiconductor element and a low breakdown voltage control semiconductor element are integrated on the same substrate by applying a dielectric isolation technique. The present invention relates to a semiconductor device that constitutes a one-chip inverter in which an IGBT (insulated gate bipolar transistor) and a lateral FWD (freewheeling diode) are mounted on a same substrate together with a drive circuit, a control circuit, and a level shift circuit.
近年、高耐圧IC等の半導体装置において、IGBT等の電力用スイッチング素子と、これを駆動、制御および保護するための回路とを1つの半導体基板上に集積した高耐圧パワーICが開発されている。このような高耐圧パワーICでは、接合分離や誘電体分離などの素子分離技術が用いられている。 2. Description of the Related Art In recent years, in a semiconductor device such as a high voltage IC, a high voltage power IC has been developed in which a power switching element such as an IGBT and a circuit for driving, controlling and protecting the same are integrated on a single semiconductor substrate. . In such a high withstand voltage power IC, element isolation techniques such as junction isolation and dielectric isolation are used.
誘電体分離構造では、分離領域の単位面積当たりの容量が接合分離構造に比べて格段に小さくなるので、寄生素子のラッチアップ現象による半導体装置の破壊や誤動作を起こし難い構造を形成することができるという利点がある。加えて、接合分離構造の素子では強い放射線環境下で光によるリーク電流が発生するが、誘電体分離構造ではこれを排除することができるという利点がある。 In the dielectric isolation structure, the capacitance per unit area of the isolation region is significantly smaller than that of the junction isolation structure, so that it is possible to form a structure that is less likely to cause breakdown or malfunction of the semiconductor device due to the latch-up phenomenon of the parasitic element. There is an advantage. In addition, a leakage current due to light occurs in an element having a junction isolation structure in a strong radiation environment, but the dielectric isolation structure has an advantage that it can be eliminated.
以上のような利点を有することから、誘電体分離技術を用いて横型IGBTおよび横型FWDを、それらを制御するための制御用素子と同一基板上に搭載した1チップインバータが開発されている。1チップインバータの利点は、従来の電力用素子チップと制御用素子チップとを別々に設けていた構成に比べて、チップの実装面積の大幅な削減によるインバータ装置の小型化や、ボンディングワイヤーによるチップ間の電気的な接続の削減による高信頼性化を実現できるということである。 Because of the advantages as described above, a one-chip inverter has been developed in which a lateral IGBT and a lateral FWD are mounted on the same substrate as a control element for controlling them using a dielectric isolation technique. The advantage of the 1-chip inverter is that the size of the inverter device can be reduced by reducing the mounting area of the chip and the chip using bonding wires compared to the conventional configuration in which the power element chip and the control element chip are separately provided. This means that high reliability can be realized by reducing the electrical connection between them.
図9に、一般的なインバータ回路の構成を示す。図9に示すように、図示しない三相モータ等を駆動するために用いられるパワーデバイスは、6個のIGBTQ1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6とそれらに1個ずつ並列に接続された6個のFWDD1,D2,D3,D4,D5,D6より構成されており、ブリッジ回路を構成している。FWDD1,D2,D3,D4,D5,D6のアノードは、それぞれIGBTQ1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6のエミッタに接続され、カソードはコレクタに接続されている。 FIG. 9 shows a configuration of a general inverter circuit. As shown in FIG. 9, the power devices used for driving a three-phase motor or the like (not shown) include six IGBTs Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 and one connected to each of them in parallel. It is composed of FWDD1, D2, D3, D4, D5, and D6, and constitutes a bridge circuit. The anodes of FWDD1, D2, D3, D4, D5, and D6 are connected to the emitters of IGBTs Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, and Q6, respectively, and the cathodes are connected to the collector.
U相、V相およびW相のそれぞれの上アームスイッチング素子であるIGBTQ1,Q2,Q3のコレクタと、U相、V相およびW相のそれぞれの下アームスイッチング素子であるIGBTQ4,Q5,Q6のエミッタとの間には、直流電圧が印加される。この直流電圧は、AC電源1、コンバータ2およびコンデンサCによって得られる。 Collectors of IGBTs Q1, Q2 and Q3 which are upper arm switching elements of U phase, V phase and W phase, and emitters of IGBTs Q4, Q5 and Q6 which are lower arm switching elements of U phase, V phase and W phase, respectively A DC voltage is applied between the two. This DC voltage is obtained by the AC power source 1, the converter 2 and the capacitor C.
上アーム側のIGBTQ1,Q2,Q3のゲートは、それぞれ対応する出力段素子3a,3b,3cに接続されている。下アーム側のIGBTQ4,Q5,Q6のゲートは、それぞれ制御回路4内に設けられた対応する出力段素子(図示省略)に接続されている。つまり、IGBTQ1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6は、それぞれに対応する出力段素子の出力信号に基づいて、オン/オフする。なお、図9では、図が煩雑になるのを避けるため、各ゲートと出力段素子との接続を省略している。
The gates of the IGBTs Q1, Q2 and Q3 on the upper arm side are connected to the corresponding
IGBTQ1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6のうち、どれをオンさせ、どれをオフさせるかを決める制御信号は、図示しないマイクロコンピュータから供給される信号に基づいて、制御回路4から発せられる。上アーム側のIGBTQ1,Q2,Q3に対する制御信号は、レベルシフト回路5により電圧調整された後、それぞれに対応した駆動回路6a,6b,6cを介して出力段素子3a,3b,3cに供給される。下アーム側のIGBTQ4,Q5,Q6に対する制御信号は、制御回路4内に設けられたそれぞれに対応する駆動回路(図示省略)を介して図示省略した出力段素子に供給される。
A control signal that determines which one of IGBTs Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, and Q6 is turned on and which is turned off is issued from the control circuit 4 based on a signal supplied from a microcomputer (not shown). The control signals for the IGBTs Q1, Q2 and Q3 on the upper arm side are adjusted in voltage by the level shift circuit 5 and then supplied to the
図10は、従来の1チップインバータのU相上アーム分の構成を模式的に示す要部平面図である。図10に示すように、従来の1チップインバータ(U相上アーム分)10では、SOI(シリコン・オン・インシュレータ)基板上に、入力信号に基づいてU相、V相およびW相の各駆動回路へ制御信号を出力する制御回路11、レベルシフト回路のレベルシフト素子を構成する高耐圧のNMOSFET(ゲート絶縁膜として酸化膜を用いたNチャネルの絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)12a,12b、U相上アームのスイッチング素子である横型IGBT13、横型IGBT13に並列接続される横型FWD14、横型IGBT13にスイッチング信号を供給する出力段素子15、高耐圧NMOSFET12a,12b(レベルシフト素子)のドレイン電極17a,17bから配線18a,18bを介して供給された信号に基づいて出力段素子15への出力信号を生成する駆動回路16が作製されている。
FIG. 10 is a plan view of a principal part schematically showing the configuration of the U-phase upper arm of a conventional one-chip inverter. As shown in FIG. 10, a conventional one-chip inverter (for U-phase upper arm) 10 drives each of U-phase, V-phase and W-phase on an SOI (silicon on insulator) substrate based on an input signal. A
各回路や素子の形成領域は、絶縁領域となるトレンチ分離領域19により分離されている。なお、図10には、インバータの基本的機能に関係する回路についてのみ明示されており、通常、駆動回路や制御回路に含まれる保護回路やその他の機能を有する回路については、明示されていない(他の図においても同じ)。また、レベルシフト素子として、レベルアップ回路用の高耐圧NMOSFETの代わりに、レベルダウン回路用の高耐圧PMOSFET(PチャネルのMOSFET)が搭載される場合もある。
The formation region of each circuit and element is separated by a
図11は、図10のG−G’における縦断面図であり、高耐圧NMOSFET12a(レベルシフト素子)の断面構成を示している。図11に示すように、SOI基板20は、支持基板である第1の半導体基板21と、素子構造が形成される半導体層としての第2の半導体基板23とを、絶縁層となる酸化膜22を介して貼り合わせた構成となっている。高耐圧NMOSFET12aのドレイン電極17aは、高耐圧NMOSFET12aの中心に設けられている。ドレイン電極17aの周囲には、ダブルRESURF(リデュースト・サーフィス・フィールド)やシングルRESURF等のリサーフ構造よりなる高耐圧接合終端構造24が形成されている。
FIG. 11 is a longitudinal sectional view taken along the line G-G ′ of FIG. 10 and shows a sectional configuration of the high
高耐圧NMOSFET12aのゲート電極25とソース電極26a,26bは、高耐圧接合終端構造24の外周部の一部に形成されている。RESURF効果による高耐圧化を図るため、P拡散層27a,27bが高耐圧接合終端構造24の表面に設けられている。高耐圧NMOSFET12aの周囲には、トレンチ分離領域19が設けられている。トレンチ分離領域19の側壁には、酸化膜28が形成されている。その酸化膜28の内側部分は、多結晶シリコン29により埋められている。
The
図11に示すように、従来の1チップインバータでは、高耐圧NMOSFET12aのドレイン電極17aに接続された配線18aが高耐圧接合終端構造24の上を横切っているため、この配線18aと第2の半導体基板23との間にたとえば600V程度の高電圧が印加される箇所が生じる。このため、この高電圧配線18aと第2の半導体基板23との間の酸化膜等の層間絶縁膜30は、厚くなければならない。この層間絶縁膜30が薄いと、高電圧配線18aの電位が基板の電位分布に影響を及ぼし、高耐圧NMOSFET12aの耐圧劣化の原因になる。また、ドレイン電極17aの電位が跳ね上がったときに層間絶縁膜30が破壊するおそれがある。
As shown in FIG. 11, in the conventional one-chip inverter, since the
このことは、図10に示すもう一方の高耐圧NMOSFET12bのドレイン電極17bに接続された配線18bと第2の半導体基板との間の層間絶縁膜についても同様である。また、上述したU相上アーム分と同じ構成のV相上アーム分およびW相上アーム分についても同様である。
The same applies to the interlayer insulating film between the second semiconductor substrate and the
ところで、本発明者らは、自己シールド技術を用いることによって、高電位の配線が絶縁膜を介して接地(GND)レベルの基板上を横切る構造をなくし、それによって1000V以上の高耐圧ICが実現可能であることを先に報告している(たとえば、非特許文献1参照。)。自己シールド技術については、種々、提案されている(たとえば、特許文献1、特許文献2、特許文献3参照。)。 By the way, the present inventors have eliminated the structure in which the high potential wiring crosses the ground (GND) level substrate through the insulating film by using the self-shielding technique, thereby realizing a high voltage IC of 1000 V or more. It has been previously reported that this is possible (see, for example, Non-Patent Document 1). Various self-shielding techniques have been proposed (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3).
図12は、従来の多チップ構成に自己シールド技術を適用したインバータ装置のU相上アーム分の構成を模式的に示す要部平面図である。図12に示すように、制御回路11、出力段素子15および駆動回路16は高耐圧ICチップ31に作製されている。IGBT32およびFWD33は、高耐圧ICチップ31とは別のチップに作製されている。
FIG. 12 is a plan view of a principal part schematically showing the configuration of the U-phase upper arm of the inverter device in which the self-shielding technology is applied to the conventional multi-chip configuration. As shown in FIG. 12, the
出力段素子15および駆動回路16は、高耐圧ICチップ31にループ状のリサーフ構造よりなる高耐圧接合終端構造34により囲まれる領域内に作製されている。出力段素子15は、IGBT32のゲート電極35およびエミッタ電極36にそれぞれボンディングワイヤ37,38を介して電気的に接続されている。
The
図13は、図12のH−H’における縦断面図であり、レベルシフト素子である高耐圧NMOSFET12aの断面構成を示している。図13に示すように、高耐圧NMOSFET12aのドレイン電極17aは、高耐圧接合終端構造34を挟んでその一方の端に形成され、もう一方の端に高耐圧NMOSFET12aのゲート電極25とソース電極26a,26bが形成されている。もう一方の高耐圧NMOSFET12bの断面構成も図13と同様である。また、V相上アーム分の構成およびW相上アーム分の構成もU相上アーム分の構成と同様である。
FIG. 13 is a vertical cross-sectional view taken along the line H-H ′ of FIG. 12 and shows a cross-sectional configuration of the high
上述したように、従来の1チップインバータでは、高電圧配線18aと第2の半導体基板23との間に厚い層間絶縁膜30が必要であるが、基板上に形成することができる酸化膜等の絶縁膜の厚さには製造コストの点で限界がある。現状で実用化されている層間絶縁膜の厚さは、600V耐圧の1チップインバータで6μm程度である。それに対して、1200V耐圧クラスの1チップインバータを600V耐圧のものと同じ構造で実現する場合、高い信頼性を確保するには、高電圧配線下の層間絶縁膜を10μmを超える厚さで形成する必要があり、低コストでの製造が困難であるという問題点がある。
As described above, the conventional one-chip inverter requires the thick
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、電力用素子とこれを駆動するための駆動回路を同一チップに集積した低コストで高耐圧の半導体装置、さらにはこれに電力用素子を制御する論理素子も集積した半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and is a low-cost, high-breakdown-voltage semiconductor device in which a power element and a drive circuit for driving the power element are integrated on the same chip. An object is to provide a semiconductor device in which logic elements for controlling elements are also integrated.
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置は、支持基板と、前記支持基板上に積層された絶縁層と、前記絶縁層上に積層された半導体層と、前記半導体層の表面領域にループ状に形成されたリサーフ構造よりなる高耐圧接合終端構造と、前記高耐圧接合終端構造により囲まれる領域内に形成された電力用素子と、前記高耐圧接合終端構造により囲まれる領域内に形成された前記電力用素子の駆動手段と、前記高耐圧接合終端構造により囲まれる領域内で前記電力用素子を囲み、かつ前記半導体層を貫通して前記絶縁層に達する絶縁領域と、前記高耐圧接合終端構造を挟んでその一方の側にレベルシフト前の電圧が印加される入力電極を有し、かつ他方の側にレベルシフト後の電圧を出力する出力電極を有するレベルシフト素子と、前記レベルシフト素子の出力電極と前記駆動手段とを電気的に接続する配線と、前記半導体層と前記配線との間に設けられた層間絶縁膜と、を具備することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a support substrate, an insulating layer stacked on the support substrate, a semiconductor layer stacked on the insulating layer, and a surface region of the semiconductor layer. A high withstand voltage junction termination structure made of a RESURF structure formed in a loop shape, a power element formed in a region surrounded by the high withstand voltage junction termination structure, and formed in a region surrounded by the high withstand voltage junction termination structure The power element driving means, an insulating region that surrounds the power element in a region surrounded by the high-voltage junction termination structure, and penetrates the semiconductor layer to reach the insulating layer; A level shift element having an input electrode to which a voltage before level shift is applied on one side of the junction termination structure and an output electrode for outputting a voltage after level shift on the other side; Output electrode of the serial level shift element and the wiring that electrically connects the driving means, characterized by comprising, an interlayer insulating film provided between the wire and the semiconductor layer.
この発明によれば、自己シールド技術を適用したことにより、レベルシフト素子が高耐圧接合終端構造の内側と外側にまたがって形成されているので、レベルシフト素子に接続された高電位配線が、接地(GND)レベルの半導体層上を横切ることなく駆動手段に接続される。したがって、半導体層上に特別に厚い層間絶縁膜を設ける必要がない。また、電力用素子が高耐圧接合終端構造の内側領域において絶縁領域により誘電体分離されていることによって、電力用素子と、高耐圧接合終端構造の外側の接地(GND)レベルを基準電位とする素子との間での寄生素子の動作を防ぐことができる。 According to the present invention, since the level shift element is formed across the inner side and the outer side of the high voltage junction termination structure by applying the self-shielding technique, the high potential wiring connected to the level shift element is connected to the ground. It is connected to the driving means without crossing over the (GND) level semiconductor layer. Therefore, it is not necessary to provide a particularly thick interlayer insulating film on the semiconductor layer. In addition, since the power element is dielectrically separated by an insulating region in the inner region of the high-voltage junction termination structure, the grounding (GND) level outside the power element and the high-voltage junction termination structure is used as a reference potential. It is possible to prevent a parasitic element from operating with the element.
この発明において、前記駆動手段は、前記高耐圧接合終端構造と前記絶縁領域との間に設けられていてもよい。また、前記高耐圧接合終端構造を囲み、かつ前記半導体層を貫通して前記絶縁層に達する第2の絶縁領域を具備する構成であってもよい。あるいは、前記駆動手段が、前記絶縁領域により囲まれている構成であってもよい。このようにすることによって、より一層、寄生素子の動作を抑制することができるので、信頼性を高めることができる。 In this invention, the drive means may be provided between the high voltage junction termination structure and the insulating region. Moreover, the structure which comprises the 2nd insulation area | region which surrounds the said high voltage | pressure-resistant junction termination structure and penetrates the said semiconductor layer and reaches the said insulating layer may be sufficient. Alternatively, the drive unit may be surrounded by the insulating region. By doing so, the operation of the parasitic element can be further suppressed, so that the reliability can be improved.
また、上記発明において、前記レベルシフト素子は、高耐圧接合終端構造を挟んでその一方の側に前記出力電極となるドレイン電極を有し、かつ他方の側にゲート電極および前記入力電極となるソース電極を有する高耐圧のMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)により構成されていてもよい。また、前記電力用素子として、IGBTおよびFWDの一方または両方が形成されていてもよい。また、前記駆動手段には、NMOSFETおよびPMOSFETの一方または両方が形成されていてもよい。このようにすれば、低コストで、寄生素子の動作による破壊や誤動作が起こり難く、かつ1000Vを超える耐圧の、電力用素子とその駆動手段を集積した1チップインバータが得られる。 In the above invention, the level shift element has a drain electrode serving as the output electrode on one side of the high voltage junction termination structure and a source serving as the gate electrode and the input electrode on the other side. You may be comprised by high voltage | pressure-resistant MOSFET (insulated gate field effect transistor) which has an electrode. One or both of IGBT and FWD may be formed as the power element. One or both of NMOSFET and PMOSFET may be formed in the driving means. In this way, it is possible to obtain a one-chip inverter that integrates a power element and its driving means, which is low in cost, hardly breaks down or malfunctions due to the operation of a parasitic element, and has a withstand voltage exceeding 1000V.
さらに、上記発明において、前記半導体層の、前記高耐圧接合終端構造の外側領域に論理素子が設けられていてもよく、その論理素子として、Nチャネルの絶縁ゲート型電界効果トランジスタおよびPチャネルの絶縁ゲート型電界効果トランジスタの一方または両方が形成されていてもよい。このようにすれば、低コストで、寄生素子の動作による破壊や誤動作が起こり難く、かつ1000Vを超える耐圧の、電力用素子(IGBTおよびFWD)とその駆動手段および制御回路を集積した1チップインバータが得られる。 Further, in the above invention, a logic element may be provided in an outer region of the high breakdown voltage junction termination structure of the semiconductor layer. As the logic element, an N channel insulated gate field effect transistor and a P channel insulation are provided. One or both of the gate type field effect transistors may be formed. In this way, a one-chip inverter that integrates power elements (IGBT and FWD), driving means and control circuit thereof, which is low in cost, hardly breaks down or malfunctions due to the operation of parasitic elements, and has a withstand voltage exceeding 1000V. Is obtained.
さらにまた、上記発明において、前記入力電極と前記出力電極との間の半導体層の上に第2の層間絶縁膜が形成されており、入力電極および出力電極がその第2の層間絶縁膜の上にまで張り出してレベルシフト素子のフィールドプレートを兼ねた構成としてもよい。このようにすれば、フィールドプレートがあることによって、レベルシフト素子において電界が集中するのを緩和することができる。 Furthermore, in the above invention, a second interlayer insulating film is formed on the semiconductor layer between the input electrode and the output electrode, and the input electrode and the output electrode are formed on the second interlayer insulating film. It is good also as a structure which extended to (2) and used also as the field plate of a level shift element. In this way, the presence of the field plate can alleviate the concentration of the electric field in the level shift element.
本発明にかかる半導体装置によれば、レベルシフト素子と駆動手段とを接続する高電位配線の下に特別に厚い層間絶縁膜を設ける必要がないので、高耐圧の半導体装置が低コストで得られるという効果を奏する。また、寄生素子の動作を防ぐことができるので、破壊や誤動作が起こり難い半導体装置が得られるという効果を奏する。 According to the semiconductor device of the present invention, since it is not necessary to provide a particularly thick interlayer insulating film under the high potential wiring that connects the level shift element and the driving means, a high breakdown voltage semiconductor device can be obtained at low cost. There is an effect. In addition, since the operation of the parasitic element can be prevented, there is an effect that a semiconductor device that is unlikely to break down or malfunction can be obtained.
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態では、本発明を1チップ構成の三相インバータに適用した例を挙げ、その1チップインバータのU相上アーム分の構成について説明する。V相およびW相の上アーム分の構成は、U相上アーム分の構成と同じである。また、各相の下アーム分の構成は、レベルシフト素子がない点を除いて、U相上アーム分の構成と同様である。したがって、それらの説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each of the following embodiments, an example in which the present invention is applied to a three-phase inverter having a one-chip configuration will be described, and the configuration of the U-phase upper arm of the one-chip inverter will be described. The configuration of the upper arm of the V phase and the W phase is the same as the configuration of the upper arm of the U phase. The configuration of the lower arm for each phase is the same as the configuration of the U-phase upper arm except that there is no level shift element. Therefore, the description thereof is omitted.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる1チップインバータのU相上アーム分の構成を模式的に示す要部平面図である。なお、実施の形態1において、図10〜図13に示す構成と同様の構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a main part plan view schematically showing the configuration of the U-phase upper arm of the one-chip inverter according to the first embodiment of the present invention. Note that in the first embodiment, the same components as those illustrated in FIGS. 10 to 13 are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.
図1に示すように、実施の形態1の1チップインバータ(U相上アーム分)40では、論理素子を含む制御回路11、レベルシフト素子である高耐圧NMOSFET12a,12b、電力用素子である横型IGBT13および横型FWD14、並びに駆動手段を構成する出力段素子15および駆動回路16が、同一基板上に作製されている。この基板としては、第1の半導体基板21、酸化膜22および第2の半導体基板23よりなるSOI基板20(図2〜図4参照。)が用いられる。
As shown in FIG. 1, in the one-chip inverter (for U-phase upper arm) 40 according to the first embodiment, a
横型IGBT13、横型FWD14、出力段素子15および駆動回路16は、ループ状のリサーフ構造よりなる高耐圧接合終端構造34により囲まれる領域内に作製されている。さらに、横型IGBT13および横型FWD14は、絶縁領域であるトレンチ分離領域19により囲まれた素子形成領域内に作製されている。出力段素子15および駆動回路16は、高耐圧接合終端構造34とトレンチ分離領域19との間の領域に作製されている。
The
高耐圧NMOSFET12a,12bは、高耐圧接合終端構造34の内側と外側にまたがって形成されている。ドレイン電極17a,17bと駆動回路16とは、配線18a,18bを介して電気的に接続されている。また、高耐圧接合終端構造34は、ループ状に形成された第2の絶縁領域であるトレンチ分離領域19により囲まれている。制御回路11は、第2の絶縁領域であるトレンチ分離領域19の外側に設けられている。
The high
図2は、図1のA−A’における縦断面図であり、横型IGBT13および横型FWD14の断面構成を示している。図2に示すように、トレンチ分離領域19は、SOI基板20の第2の半導体基板(N型)23を貫通してSOI基板20の酸化膜22に達する。横型IGBT13および横型FWD14は、それぞれトレンチ分離領域19およびSOI基板20の酸化膜22により囲まれる異なる素子形成領域に形成されている。以下、便宜上、横型IGBT13が形成される素子形成領域をIGBT形成領域とし、横型FWD14が形成される素子形成領域をFWD形成領域とする。
FIG. 2 is a vertical cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 1, and shows cross-sectional configurations of the
IGBT形成領域において、Pウェル領域41a,41bが第2の半導体基板23の表面層に選択的に形成されている。P+コンタクト領域45a,45cおよびN+エミッタ領域46a,46bはPウェル領域41a,41bの表面に形成されている。エミッタ電極47a,47cはP+コンタクト領域45a,45cおよびN+エミッタ領域46a,46bに電気的に接続している。
In the IGBT formation region, P well
また、IGBT形成領域において、Nバッファ領域42が第2の半導体基板23の表面層に選択的に形成されている。P+コレクタ領域45bはNバッファ領域42の表面に形成されている。コレクタ電極47bはP+コレクタ領域45bに電気的に接続している。ゲート電極44a,44bは、ゲート絶縁膜を介してPウェル領域41a,41bの表面上に設けられている。
Further, the N buffer region 42 is selectively formed on the surface layer of the
FWD形成領域において、P拡散領域41c,41dが第2の半導体基板23の表面層に選択的に形成されている。P+アノード領域45d,45eはP拡散領域41c,41dの表面に形成されている。アノード電極47d,47fはP+アノード領域45d,45eに電気的に接続している。N+カソード領域46cは第2の半導体基板23の表面層に選択的に形成されている。カソード電極47eはN+カソード領域46cに電気的に接続している。
In the FWD formation region,
トレンチ分離領域19上には、素子分離用の熱酸化膜43a,43d,43gが設けられている。また、Pウェル領域41a,41bとNバッファ領域42との間にも熱酸化膜43b,43cが形成されている。また、P拡散領域41c,41dとN+カソード領域46cとの間にも熱酸化膜43e,43fが形成されている。熱酸化膜43a,43b,43c,43d,43e,43f,43gおよびゲート電極44a,44bの上には、BPSG等の層間絶縁膜30が設けられている。
On the
また、図2に示すように、エミッタ電極47a,47c、コレクタ電極47b、アノード電極47d,47fおよびカソード電極47eは、層間絶縁膜30の上に張り出しており、それによってフィールドプレートとしての機能を有する。同様に、ゲート電極44a,44bは、熱酸化膜43b,43cの上に張り出しており、それによってフィールドプレートとしての機能を有する。エミッタ電極47a,47cの端部は、それぞれの下に位置するゲート電極44a,44bの端部よりもコレクタ電極47bの近くまで伸びており、ゲート電極44a,44bの端部近くで電界が集中するのを緩和する。
Further, as shown in FIG. 2, the
図2に示す構成の横型IGBT13および横型FWD14の形成方法について説明する。まず、N型またはP型の第1の半導体基板21に、酸化膜22を介してN型の第2の半導体基板23を貼り合わせることによって、SOI基板20を作製する。そして、第2の半導体基板23の表面から酸化膜22に達する溝(トレンチ)を形成して、第2の半導体基板23を複数の素子形成領域に分割する。ついで、溝の表面に酸化膜28を形成し、さらにその内側を多結晶シリコン29で埋めることにより、トレンチ分離領域19を形成する。
A method for forming the
ついで、第2の半導体基板23のIGBT形成領域およびFWD形成領域の表面に、それぞれPウェル領域41a,41bおよびP拡散領域41c,41dを形成する。また、IGBT形成領域の表面にNバッファ領域42を形成する。ついで、第2の半導体基板23の表面に熱酸化膜43a,43b,43c,43d,43e,43f,43gを形成する。ついで、Pウェル領域41a,41b上にゲート絶縁膜を形成し、その上に多結晶シリコンよりなるゲート電極44a,44bを形成する。
Next, P well
ついで、横型IGBT13のP+コンタクト領域45a,45cおよびP+コレクタ領域45bと、横型FWD14のP+アノード領域45d,45eを形成する。その後、横型IGBT13のN+エミッタ領域46a,46bと、横型FWD14のN+カソード領域46cを形成する。そして、表面にBPSG等の層間絶縁膜30を形成した後、半導体基板とのコンタクトのための開口部を開け、横型IGBT13のエミッタ電極47a,47cおよびコレクタ電極47bと、横型FWD14のアノード電極47d,47fおよびカソード電極47eを形成し、横型IGBT13および横型FWD14が完成する。
Next, the P + contact regions 45a and 45c and the P + collector region 45b of the
図3は、図1のB−B’における縦断面図であり、高耐圧NMOSFET12aの断面構成を示している。図3に示すように、N+ドレイン領域54cは、高耐圧接合終端構造34の内側に形成されている。高耐圧NMOSFET12aの、レベルシフト後の電圧を出力する出力電極であるドレイン電極17aは、N+ドレイン領域54cに電気的に接続している。Pウェル領域52a,52bは高耐圧接合終端構造34の外側に形成されている。ゲート電極25は、ゲート絶縁膜を介して、Pウェル領域52a,52bの間の基板表面上に設けられている。
FIG. 3 is a vertical cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 1 and shows a cross-sectional configuration of the
P+コンタクト領域53a,53bおよびN+ソース領域54a,54bはPウェル領域52a,52bの表面に形成されている。高耐圧NMOSFET12aの、レベルシフト前の電圧が印加される入力電極であるソース電極26a,26bは、N+ソース領域54a,54bおよびP+コンタクト領域53a,53bに電気的に接続している。RESURF効果による高耐圧化を図るため、P拡散層27aが、高耐圧接合終端構造34の基板表面に設けられた熱酸化膜43jの下に設けられている。
P + contact regions 53a and 53b and N + source regions 54a and 54b are formed on the surfaces of P
また、ドレイン電極17aから図示しない駆動回路16へつづく配線18aの下の基板表面に設けられた熱酸化膜43kの下にも、P拡散層27bが設けられている。配線18aと熱酸化膜43kとの間には、層間絶縁膜30が設けられている。U相上アームの駆動回路16および出力段素子15等を形成するためのNウェル層51は、P拡散層27bを挟んで高耐圧NMOSFET12aの反対側に設けられている。トレンチ分離領域19上には熱酸化膜43hが設けられている。
Further, a
また、図3に示すように、高耐圧接合終端構造34のすぐ外側のソース電極26bと、ドレイン電極17aは、高耐圧接合終端構造34に設けられた熱酸化膜43j上の層間絶縁膜30(第2の層間絶縁膜に相当)の上に張り出しており、それによってフィールドプレートとしての機能を有する。なお、ゲート電極25を挟む2つのソース電極26a,26bが、ゲート電極25の上の層間絶縁膜30の上で接続されていてもよい。
Further, as shown in FIG. 3, the
図3に示す構成の高耐圧NMOSFET12aの形成方法について説明する。まず、第2の半導体基板23の素子形成領域の表面層にNウェル層51を形成する。ついで、P拡散層27a,27bを形成し、Pウェル領域52a,52bを形成する。ついで、第2の半導体基板23の表面に熱酸化膜43h,43j,43kを形成する。そして、Pウェル領域52a,52b上にゲート絶縁膜を形成し、その上に多結晶シリコンよりなるゲート電極25を形成する。
A method of forming the high
ついで、P+コンタクト領域53a,53bを形成し、つづいてN+ソース領域54a,54bおよびN+ドレイン領域54cを形成する。ついで、表面にBPSG等の層間絶縁膜30を形成した後、半導体基板とのコンタクトのための開口部を開ける。そして、ソース電極26a,26bとドレイン電極17aを形成するとともに、配線18aを形成し、高耐圧NMOSFET12aが完成する。
Next, P + contact regions 53a and 53b are formed, followed by N + source regions 54a and 54b and an N + drain region 54c. Next, after an
図4は、図1のC−C’における縦断面図であり、高耐圧接合終端構造34の断面構成を示している。図4に示すように、RESURF効果による高耐圧化を図るため、P拡散層61が、高耐圧接合終端構造34の基板表面に設けられた熱酸化膜43nの下に設けられている。Pウェル領域62は、高耐圧接合終端構造34と第2の絶縁領域であるトレンチ分離領域19との間に形成されている。P+コンタクト領域63はPウェル領域62の表面に形成されている。金属電極65aはP+コンタクト領域63に電気的に接続している。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 1 and shows a sectional configuration of the high voltage
Nウェル層51は、高耐圧接合終端構造34の内側領域に設けられている。N+コンタクト領域64は、高耐圧接合終端構造34とNウェル層51との間の基板表面に設けられている。金属電極65bはN+コンタクト領域64に電気的に接続している。Nウェル層51の表面には熱酸化膜43pが設けられている。また、トレンチ分離領域19上にも熱酸化膜43mが設けられている。また、金属電極65a,65bは、高耐圧接合終端構造34に設けられた熱酸化膜43n上の層間絶縁膜30の上に張り出しており、それによってフィールドプレートとしての機能を有する。
The N well
図4に示す構成の高耐圧接合終端構造34の形成方法について説明する。まず、第2の半導体基板23の素子形成領域の表面層にNウェル層51を形成する。ついで、P拡散層61を形成し、Pウェル領域62を形成する。ついで、第2の半導体基板23の表面に熱酸化膜43m,43n,43pを形成する。そして、P+コンタクト領域63を形成し、つづいてN+コンタクト領域64を形成する。ついで、表面にBPSG等の層間絶縁膜30を形成した後、半導体基板とのコンタクトのための開口部を開け、金属電極65a,65bを形成し、高耐圧接合終端構造34が完成する。
A method of forming the high voltage
上述した実施の形態1によれば、自己シールド構造を採用したことにより、ドレイン電極17a,17bに接続された配線18a,18bは、上アームの基準電位と同電位レベルの基板の上を横切るだけであるので、配線18a,18bと基板との間の層間絶縁膜30を特別厚くする必要がなく、層間絶縁膜30の厚さは1〜5μm程度であれば十分である。したがって、耐圧1000Vを超える高耐圧の1チップインバータを低コストで実現することができる。また、インバータシステムの小型化を図ることができる。
According to the first embodiment described above, by adopting the self-shielding structure, the
また、実施の形態1によれば、横型IGBT13および横型FWD14がSOI基板20の酸化膜22とトレンチ分離領域19の酸化膜28とによってシールドされているので、寄生素子の動作を防ぐことができる。また、高耐圧接合終端構造34がトレンチ分離領域19により囲まれていることによっても寄生素子の動作を防いでいる。したがって、1チップインバータの破壊や誤動作を防ぐことができるので、信頼性の高い1チップインバータが得られる。
Further, according to the first embodiment, since the
実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2にかかる1チップインバータのU相上アーム分の構成を模式的に示す要部平面図である。図6、図7および図8は、それぞれ図5のD−D’、E−E’およびF−F’における縦断面図である。なお、実施の形態2において、図1〜図4に示す構成と同様の構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 5 is a main part plan view schematically showing a configuration of the U-phase upper arm of the one-chip inverter according to the second embodiment of the present invention. 6, 7 and 8 are longitudinal sectional views taken along lines DD ′, EE ′ and FF ′ of FIG. 5, respectively. Note that in the second embodiment, the same configurations as those illustrated in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図5に示すように、実施の形態2の1チップインバータ(U相上アーム分)70では、高耐圧接合終端構造34はトレンチ分離領域19により囲まれていない。その一方で、高耐圧接合終端構造34の内側領域において出力段素子15および駆動回路16もトレンチ分離領域19により囲まれている。
As shown in FIG. 5, in the one-chip inverter (for U-phase upper arm) 70 of the second embodiment, the high voltage
また、図6〜図8に示すように、SOI基板として、第1の半導体基板21の上に酸化膜22を積層し、さらにその上にP型の第2の半導体基板123を貼り合わせたSOI基板120が用いられている。そのため、N-層71が第2の半導体基板123の表面層に形成されている。高耐圧NMOSFET12a,12b、横型IGBT13、横型FWD14、高耐圧接合終端構造34は、N-層71の表面側に作製されている。その他の構成は実施の形態1と同じである。
Further, as shown in FIGS. 6 to 8, an SOI substrate in which an
図6には、実施の形態2における横型IGBT13および横型FWD14の断面構成が示されている。図6に示すように、トレンチ分離領域19は、SOI基板120の第2の半導体基板123を貫通してSOI基板120の酸化膜22に達する。横型IGBT13および横型FWD14は、それぞれトレンチ分離領域19およびSOI基板120の酸化膜22により囲まれるIGBT形成領域およびFWD形成領域に形成されている。
FIG. 6 shows a cross-sectional configuration of the
IGBT形成領域において、Pウェル領域41a,41bは、N-層71を貫通して、第2の半導体基板123のN-層71の下側部分(以下、P層72とする)に達している。また、FWD形成領域のP拡散領域41c,41dも、N-層71を貫通してP層72に達している。
In IGBT forming region, P-
横型IGBT13および横型FWD14のその他の構成は図2の構成と同じである。また、図6に示す構成の横型IGBT13および横型FWD14の形成方法は、実施の形態1で説明した方法にN-層71の形成工程を追加するだけである。
Other configurations of the
図7には、高耐圧NMOSFET12aの断面構成が示されている。また、図8には、高耐圧接合終端構造34の断面構成が示されている。図7および図8に示すように、高耐圧接合終端構造34の外側にはトレンチ分離領域が設けられていない。そして、終端部は、N-層71とP層72とのPN接合により形成されている。この終端部の外側の表面には、P層72とのコンタクトのためのP+コンタクト領域73が設けられている。P+コンタクト領域73には金属電極74が電気的に接続している。
FIG. 7 shows a cross-sectional configuration of the high
高耐圧NMOSFET12および高耐圧接合終端構造34のその他の構成は図3および図4の構成と同じである。また、図7に示す構成の高耐圧NMOSFET12aおよび図8に示す高耐圧接合終端構造34の形成方法は、実施の形態1で説明した方法にN-層71の形成工程を追加するとともに、P+コンタクト領域53a,53b,63と同時にP+コンタクト領域73を形成し、またソース電極26a,26b、ドレイン電極17aおよび金属電極65a,65bと同時に金属電極74を形成すればよい。
Other configurations of the high voltage NMOSFET 12 and the high voltage
上述した実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果に加えて、つぎの効果が得られる。高耐圧接合終端構造34の距離が長いため、その外周に沿ってトレンチ分離領域(第2の絶縁領域)を設けると、その分の面積が多く必要になる。また、トレンチ分離領域の周囲には結晶欠陥が発生することがあるため、トレンチ分離領域の近くにはデバイスを形成することができない。
According to the second embodiment described above, the following effects are obtained in addition to the same effects as the first embodiment. Since the distance of the high voltage
このような事情により、高耐圧接合終端構造34の周囲にトレンチ分離領域を設けた場合には、チップ面積が大きくなるにもかかわらず、それに占めるデバイスの有効面積は小さくなる。つまり、チップが大きくなってしまう。それに対して、実施の形態2のように高耐圧接合終端構造34の外側にトレンチ分離領域を設けなければ、チップを小型化することができる。
For this reason, when a trench isolation region is provided around the high-voltage
また、実施の形態2によれば、出力段素子15および駆動回路16がトレンチ分離領域19により囲まれているので、出力段素子15および駆動回路16を構成する素子と、高耐圧接合終端構造の外側の制御回路11などを構成する接地(GND)レベルを基準電位とする素子との間での寄生素子の動作(ラッチアップ等)を防ぐことができる。
Further, according to the second embodiment, since the
また、実施の形態2によれば、横型IGBT13のコレクタ電極47bとエミッタ電極47a,47cとの間に高電圧が印加されると、Pウェル領域41a,41bとN-層71との間だけでなく、N-層71とP層72との間にも空乏層が広がるので、電界集中が起こり難い。また、横型FWD14のアノード電極47d,47fとカソード電極47eとの間に高電圧が印加された場合も、P拡散領域41c,41dとN-層71との間だけでなく、N-層71とP層72との間にも空乏層が広がるので、電界集中が起こり難い。したがって、高耐圧接合終端構造34の距離が短くても容易に高耐圧化することができる。
According to the second embodiment, when a high voltage is applied between the
また、実施の形態2によれば、高耐圧接合終端構造34についても同様に、N-層71とP層72とのPN接合が加わることによって、高耐圧接合終端構造34の距離が短くても容易に高耐圧化することができる。
Further, according to the second embodiment, the high breakdown voltage
以上において本発明は、上述した各実施の形態に限らず、種々変更可能である。たとえば、レベルシフト素子として、上アームIGBTを駆動するためのレベルアップ回路用の高耐圧NMOSFETに追加して、センス信号などの出力用としてのレベルダウン回路用に高耐圧PMOSFETを高耐圧接合終端構造34の内側と外側にまたがって設けてもよい。また、半導体層や半導体領域の各導電型を反転した構成としてもよい。 In the above, this invention is not restricted to each embodiment mentioned above, A various change is possible. For example, in addition to a high breakdown voltage NMOSFET for a level up circuit for driving the upper arm IGBT as a level shift element, a high breakdown voltage PMOSFET is used for a level down circuit for outputting a sense signal or the like. 34 may be provided across the inside and outside of 34. Alternatively, the conductivity types of the semiconductor layer and the semiconductor region may be reversed.
また、電力用素子はIGBTおよびFWDに限らないし、IGBTおよびFWDも上記各実施の形態の構成に限らない。また、トレンチ分離領域19の配置箇所は、寄生素子の動作を防ぐことができれば、適宜変更可能である。また、本発明は、三相の1チップインバータ以外にも、電力用素子とその駆動回路および制御回路等を1チップに集積した半導体装置に適用することができる。
The power elements are not limited to IGBTs and FWDs, and IGBTs and FWDs are not limited to the configurations of the above embodiments. Moreover, the arrangement | positioning location of the trench isolation | separation area |
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、電力用素子とその駆動回路および制御回路等を1チップに集積した高耐圧IC等の半導体装置に有用であり、特に、1チップインバータを構成する半導体装置に適している。 As described above, the semiconductor device according to the present invention is useful for a semiconductor device such as a high voltage IC in which a power element and its drive circuit and control circuit are integrated on one chip, and particularly constitutes a one-chip inverter. Suitable for semiconductor devices.
11 論理素子(制御回路)
12a,12b レベルシフト素子(高耐圧NMOSFET)
13,14 電力用素子(横型IGBT、横型FWD)
15,16 駆動手段(出力段素子、駆動回路)
17a,17b 出力電極(ドレイン電極)
18a,18b 配線
19 絶縁領域、第2の絶縁領域(トレンチ分離領域)
21 支持基板(第1の半導体基板)
22 絶縁層(酸化膜)
23 半導体層(第2の半導体基板)
26a,26b 入力電極(ソース電極)
30 層間絶縁膜
34 高耐圧接合終端構造
40,70 半導体装置(1チップインバータ)
11 logic elements (control circuit)
12a, 12b level shift element (high voltage NMOSFET)
13, 14 Power element (horizontal IGBT, horizontal FWD)
15, 16 Driving means (output stage element, driving circuit)
17a, 17b Output electrode (drain electrode)
18a,
21 Support substrate (first semiconductor substrate)
22 Insulating layer (oxide film)
23 Semiconductor layer (second semiconductor substrate)
26a, 26b Input electrode (source electrode)
30
Claims (10)
前記支持基板上に積層された絶縁層と、
前記絶縁層上に積層された半導体層と、
前記半導体層の表面領域にループ状に形成されたリサーフ構造よりなる高耐圧接合終端構造と、
前記高耐圧接合終端構造により囲まれる領域内に形成された電力用素子と、
前記高耐圧接合終端構造により囲まれる領域内に形成された前記電力用素子の駆動手段と、
前記高耐圧接合終端構造により囲まれる領域内で前記電力用素子を囲み、かつ前記半導体層を貫通して前記絶縁層に達する絶縁領域と、
前記高耐圧接合終端構造を挟んでその一方の側にレベルシフト前の電圧が印加される入力電極を有し、かつ他方の側にレベルシフト後の電圧を出力する出力電極を有するレベルシフト素子と、
前記レベルシフト素子の出力電極と前記駆動手段とを電気的に接続する配線と、
前記半導体層と前記配線との間に設けられた層間絶縁膜と、
を具備することを特徴とする半導体装置。 A support substrate;
An insulating layer laminated on the support substrate;
A semiconductor layer stacked on the insulating layer;
A high voltage junction termination structure comprising a RESURF structure formed in a loop shape in the surface region of the semiconductor layer;
A power element formed in a region surrounded by the high withstand voltage junction termination structure;
Driving means for the power element formed in a region surrounded by the high voltage junction termination structure;
An insulating region that surrounds the power element in a region surrounded by the high-breakdown-voltage junction termination structure and reaches the insulating layer through the semiconductor layer;
A level shift element having an input electrode to which a voltage before level shift is applied on one side of the high withstand voltage junction termination structure and an output electrode for outputting the voltage after level shift on the other side; ,
Wiring for electrically connecting the output electrode of the level shift element and the driving means;
An interlayer insulating film provided between the semiconductor layer and the wiring;
A semiconductor device comprising:
A second interlayer insulating film is formed on the semiconductor layer between the input electrode and the output electrode, and the input electrode and the output electrode protrude to the second interlayer insulating film. The semiconductor device according to claim 1, which also serves as a field plate of the level shift element.
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