JP2005174996A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電力用の半導体装置に係り、特に、主電流素子と電流検出素子と
を同一チップ上に備えた縦型の半導体装置に好適なものである。
The present invention relates to a power semiconductor device, and is particularly suitable for a vertical semiconductor device having a main current element and a current detection element on the same chip.
電力用半導体装置(パワー半導体デバイス)は、最近では、縦型MOSFET(Metal O
xide Semiconductor Field Effect Transitor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Tran
sitor)などの縦型MOS構造の半導体装置が主流となってきている。このような電力用半
導体装置においては過電流保護や素子動作制御を目的とした電流検出機能が必要であり、
この機能を実現するために電流検出電極が設けられる。一般的には主電極と検出電流との
間に外部抵抗を接続しその両端の電位差を検出する方法などがあり、過電流の場合定格の
所定倍(例えば、1.5倍)となったことを該電位差により検出するように構成される。
Recently, power semiconductor devices (power semiconductor devices) have become vertical MOSFETs (Metal O
xide Semiconductor Field Effect Transitor) and IGBT (Insulated Gate Bipolar Tran)
Vertical MOS structure semiconductor devices such as sitor) have become mainstream. Such a power semiconductor device requires a current detection function for the purpose of overcurrent protection and element operation control,
In order to realize this function, a current detection electrode is provided. In general, there is a method of connecting an external resistor between the main electrode and the detection current and detecting the potential difference between the two ends. In the case of overcurrent, the value is a predetermined multiple of the rating (for example, 1.5 times). Is detected by the potential difference.
図6は、従来のトレンチゲート構造を有する電流検出機能付き縦型nチャネルMOSF
ET(以下、縦型n−MOSFET)の構成を示す図である。
同図に示す縦型n−MOSFETT100は、n-型ドリフト領域101の表面に、p-型ベース領域102が選択的に形成されている。各p-型ベース領域102の表面にはn+型ソース領域103が選択的に形成されている。そして、n+型ソース領域103とp-型ベース領域102の一部を貫通して上記n-型ドリフト領域101に達する深さまで溝104が形成され、この溝104内にゲート絶縁膜105を介して電極材料106が埋め込まれて、ゲート電極(不図示)に接続されるトレンチゲート107が形成されている。
FIG. 6 shows a vertical n-channel MOSF with a current detection function having a conventional trench gate structure.
It is a figure which shows the structure of ET (henceforth vertical n-MOSFET).
In the vertical n-MOSFET T100 shown in the figure, a p −
また、上記n-型ドリフト領域101の裏面には、ドレイン領域となるn型半導体層1
08が設けられている。さらに、そのn型半導体層108の他面(下面)にドレイン電極
109が設けられている。また、上記トレンチゲート107の表面(上面)を覆うように
して層間絶縁膜110が設けられ、さらに、所定間隔だけ離れて互いに隣接するp-型ベ
ース領域102の端部上部と上記n-型ドリフト領域101の該端部間の表面を覆うよう
にして層間絶縁膜111が設けられている。また、さらに、上記p-型ベース領域102
の表面上に、層間絶縁膜110の上面と側面及び層間絶縁膜111の端部の上面と側面を
覆うようにして、主電極(ソース電極)112と電流検出電極113が所定間隔だけ隔て
て形成されている。
Further, on the back surface of the n −
08 is provided. Further, a
A main electrode (source electrode) 112 and a current detection electrode 113 are formed at a predetermined interval so as to cover the upper surface and the side surface of the
図6に示すように、主電流素子(主電流セル領域)115は、n-型ドリフト領域10
1、p-型ベース領域102、n+型ソース領域103、ゲート絶縁膜105、トレンチゲート107、n型半導体層108、ドレイン電極109、層間絶縁膜110、層間絶縁膜111及び主電極112から構成されるユニットセル114が複数、所定間隔で配設された構成となっている。また、電流検出素子(電流検出セル領域)117も主電流素子115と同様の構成をしており、上記ユニットセル114と同様の構成のユニットセル116(主電極112を電流検出電極113に置き換えただけ)を少なくとも1つ備えた構成となっている。
As shown in FIG. 6, the main current element (main current cell region) 115 includes an n −
1, p −
縦型n−MOSFET100は、通常、複数の主電流素子115に対して、少なくとも
1つの電流検出素子117が隣接して設けられた構成となっている。このような構成の縦
型n−MOSFET100においては、主電流素子115と電流検出素子117とが電気
的に分離して設けられた構成となっている。しかしながらn-型ドリフト領域101は共
有されており電流は同じ裏面電極109から流れる。
The vertical n-
図7は、従来のトレンチゲート構造を有する電流検出機能付きのnチャネルIGBTの
構成を示す図である。
同図に示すIGBT200の構成は、上記縦型n−MOSFET100とほぼ同様の構
成であり、n型半導体層108の変わりにコレクタ領域となるp型半導体層208が設け
られている。そして、そのp型半導体層208の裏面にコレクタ電極209が設けられて
いる。
このIGBT200の場合も、主電流素子215と電流検出素子217はp-型ベース領域202上の表面上に電気的に分離して配設されており、複数の主電流素子215に対して少なくとも1つの電流検出素子217が隣接して設けられる構成となっている。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an n-channel IGBT with a current detection function having a conventional trench gate structure.
The configuration of the IGBT 200 shown in the figure is substantially the same as that of the vertical n − MOSFET 100, and a p-
Also in the case of this
このような構成のIGBT200においては、各トレンチゲート207間のp-型ベー
ス領域202の直下がキャリア蓄積層として機能するようになっており、そこに蓄積され
るキャリア量によってオン電圧やスイッチング特性が変化する(例えば、特許文献1参照
)。
In the
上記縦型n−MOSFET100(または上記IGBT200)においては、n+型ソ
ース領域103(203)、p-型ベース領域102(202)及びn-型ドリフト領域101(201)が寄生npnトランジスタを構成している。
In the vertical n-MOSFET 100 (or the IGBT 200), the n + type source region 103 (203), the p − type base region 102 (202), and the n − type drift region 101 (201) constitute a parasitic npn transistor. ing.
図8は、該寄生npnトランジスタの等価回路を示す図である。
同図において、ベース抵抗Rbはp-型ベース領域102(202)の抵抗である。
ここで、図9を用いて上記寄生npnトランジスタにおけるアバランシェ発生メカニズ
ムを説明する。
FIG. 8 is a diagram showing an equivalent circuit of the parasitic npn transistor.
In the figure, the base resistance Rb is the resistance of the p − type base region 102 (202).
Here, the avalanche generation mechanism in the parasitic npn transistor will be described with reference to FIG.
図9(a)は上記縦型n−MOSFET100をスイッチング素子として使用した回路
を示す図であり、同図(b)は同回路の動作時におけるドレイン電流−ドレイン・ソース
間電圧VDSの波形図である。
同図(a)において、縦型n−MOSFET100のソースは接地されており、そのド
レインには誘導性の負荷L(以下、L負荷)が接続されている。該L負荷の他端は、片側
が接地された電源VDDの正極に接続されている。
FIG. 9A is a diagram showing a circuit using the vertical n-
In FIG. 2A, the source of the vertical n-
縦型n−MOSFET100のゲート電極Gに正のゲート電圧VGを印加すると、p-型ベース領域102のトレンチゲート107の周囲部分に反転層が形成され(nチャネルが形成され)、このnチャネルを介してn+型ソース領域103とn-型ドリフト領域101が導通し、縦型n−MOSFET100はオンとなる。
When a positive gate voltage V G is applied to the gate electrode G of the vertical n-
このとき、同図(b)に示すように、オンとなる前にVDDであった縦型n−MOSFET100のドレイン・ソース間電圧VDSはほぼ0Vに近い値まで減少し、その後、オフとなるまでその値をほぼ維持し続ける。一方、ドレイン電流IDは0A(アンペア)からほぼリニアに漸増していく。
At this time, as shown in FIG. 5B, the drain-source voltage V DS of the vertical n-
そして、縦型n−MOSFET100のゲート電極への正のゲート電圧VGの印加を止
め、縦型n−MOSFET100をオフにすると、L負荷に逆起電力VRが生じる。この
結果、縦型n−MOSFET100のドレイン・ソース間に、電源電圧VDDに該逆起電力VRを加えた電圧(=VDD+VR)が加わり、縦型n−MOSFETのドレイン・ソース間電圧VDSは急速に増大する(同図(b)参照)。そして、このドレイン・ソース電圧VDSがブレークダウン電圧VBRまで達するとアバランシェが発生する。このアバランシェにより生じる電力(アバランシェエネルギー)は縦型n−MOSFET100内部の寄生npnトランジスタで消費される。この結果、スイッチングオフ後に、縦型n−MOSFET100のドレイン電流IDは徐々に減少し、ドレイン電極IDが0Aになった時点で、ドレイン・ソース電圧VDSは電源電圧VDDまで減少する(同図(b)参照)。
Then, stop the positive gate voltage is applied V G to the gate electrode of the vertical n-
このときアバランシェ電流はp-型ベース領域102を流れるためベース抵抗Rbによ
るベース電位上昇を起こす。この電位上昇が大きいと寄生npnトランジスタがオンして
しまい縦型n−MOSFET100はオフできなくなり破壊に至ってしまう。このように
、縦型n−MOSFET100内部で吸収可能なエネルギー量には限界があり、そのエネ
ルギー量をアバランシェ耐量と呼んでいる。
At this time, since the avalanche current flows through the p − -
縦型n−MOSFET100(及びIGBT200)では素子形成が不連続な部分にア
バランシェ電流が集中し、部分的な電流の増大から寄生npnトランジスタがオンしやす
く素子全体でのアバランシェ耐量低下を招きやすい。主電流素子115(215)のほか
に電流検出素子117(217)がある場合は主電流素子115(215)のp-型ベー
ス領域と電流検出素子117(217)のp-型ベース領域が向き合う距離が隣接するユ
ニットセルよりも大きくなっているため、主電流素子115(215)及び電流検出素子
117(217)の端部でアバランシェ電流が集中して大きくなり寄生npnトランジス
タがオンしやすくなるため破壊しやすい。
In the vertical n-MOSFET 100 (and the IGBT 200), the avalanche current is concentrated in a portion where the element formation is discontinuous, and the parasitic npn transistor is likely to be turned on due to a partial increase in current, and the avalanche withstand capability of the entire element is likely to be reduced. Facing the type base region - p type base region and the current detecting element 117 (217) - p In addition to the current detection element 117 (217) main If there are
このように、アバランシェ発生時においては、端部付近のユニットセル114(214
)で形成される寄生npnトランジスタの方が端部付近以外のユニットセル114(21
4)で形成される寄生npnトランジスタよりも先に破壊し易い。そして、このことが、
縦型n−MOSFET100の素子全体としてのアバランシェ耐量を低下させる原因とな
っていた(例えば、特許文献2参照)。
) Formed in the unit cell 114 (21
It is easy to destroy before the parasitic npn transistor formed in 4). And this is
This has been a cause of reducing the avalanche resistance of the vertical n-
上述したように、従来の電流検出機能付き縦型半導体装置においては、主電流素子及び
電流検出素子の端部付近の寄生npnトランジスタがオンし易く、アバランシェ耐量が低
下するという問題があった。
本発明の目的は、電流検出機能付き縦型半導体装置において、主電流素子及び電流検出
素子の端部付近の寄生バイポーラトランジスタをオンしにくくして、アバランシェ耐量を
向上させることである。
As described above, the conventional vertical semiconductor device with a current detection function has a problem that the main current element and the parasitic npn transistor near the end of the current detection element are easily turned on, and the avalanche resistance is reduced.
An object of the present invention is to improve the avalanche resistance in a vertical semiconductor device with a current detection function by making it difficult to turn on a main bipolar current transistor and a parasitic bipolar transistor near the ends of the current detection element.
本発明の半導体装置は、
第1導電型の半導体領域と、
前記半導体領域の表面に形成された第2導電型の第1の領域と、
該第1の領域内に選択的に形成された第1導電型の第2の領域と、
該半導体領域と該第1の領域と該第2の領域に接するように形成されたゲート絶縁膜と
、
該ゲート絶縁膜を挟んで前記第1の領域に対向するように形成されたゲート電極と、
前記第1の領域と前記第2の領域に接続された取り出し電極を有するユニットセルが複
数設けられた主電流素子と、
前記ユニットセルが少なくとも1つ設けられ、前記第1の領域が前記主電流素子の第1
の領域と所定間隔隔てて形成された、前記半導体領域を前記主電流素子と共通する電流検
出素子を備え、
前記主電流素子の前記電流検出素子側の端部に設けられた少なくとも1つの前記ユニッ
トセルと前記電流検出素子の前記主電流素子側の端部に設けられた少なくとも1つのユニ
ットセルは、前記第1領域内の前記第2の領域の周囲が前記第1の領域よりも不純物濃度
の高い第2導電型の第3の領域で覆われていることを構成上の特徴とする。
The semiconductor device of the present invention is
A first conductivity type semiconductor region;
A first region of a second conductivity type formed on the surface of the semiconductor region;
A second region of the first conductivity type selectively formed in the first region;
A gate insulating film formed to be in contact with the semiconductor region, the first region, and the second region;
A gate electrode formed to face the first region with the gate insulating film interposed therebetween;
A main current element provided with a plurality of unit cells each having an extraction electrode connected to the first region and the second region;
At least one unit cell is provided, and the first region is a first of the main current element.
A current detection element that is formed at a predetermined interval from the region and the semiconductor region is shared with the main current element,
At least one unit cell provided at an end portion of the main current element on the current detection element side and at least one unit cell provided at an end portion of the current detection element on the main current element side include the first cell A feature of the configuration is that the periphery of the second region in one region is covered with a third region of the second conductivity type having an impurity concentration higher than that of the first region.
上記構成の本発明の半導体装置は、例えば、縦型MOSFETやIGBT等であり、そ
の場合、前記第1の領域はベース領域、前記第2の領域はソース領域となる。
前記ゲート電極は、例えば、前記第2の領域と前記第1の領域を貫いて前記半導体領域
に達する深さまで形成されているように構成される。このような構成のゲート電極は、例
えば、トレンチゲート電極である。そして、この場合、前記主電流素子と前記電流検出素
子は、例えば、前記半導体領域上に形成された層間絶縁膜により電気的に分離されるよう
に構成される(実施例1〜3,5)。
The semiconductor device of the present invention having the above configuration is, for example, a vertical MOSFET, IGBT, or the like. In that case, the first region is a base region and the second region is a source region.
For example, the gate electrode is configured to be formed to a depth reaching the semiconductor region through the second region and the first region. The gate electrode having such a configuration is, for example, a trench gate electrode. In this case, the main current element and the current detection element are configured to be electrically separated by, for example, an interlayer insulating film formed on the semiconductor region (Examples 1 to 3 and 5). .
また、前記ゲート電極は、前記第1の領域及び前記半導体領域の上方に前記ゲート絶縁
膜を介して形成されているように構成される。このような構成のゲート電極は、縦型プレ
ーナ構造半導体装置のゲート電極である。そして、この場合、前記主電流素子と前記電流
検出素子の間に設けられた前記ゲート電極は、前記主電流素子及び前記電流検出素子内の
ユニットセルのゲート電極よりも横幅が広いように構成される。
The gate electrode is configured to be formed above the first region and the semiconductor region via the gate insulating film. The gate electrode having such a configuration is a gate electrode of a vertical planar structure semiconductor device. In this case, the gate electrode provided between the main current element and the current detection element is configured to have a wider width than the main current element and the gate electrode of the unit cell in the current detection element. The
上記構成の半導体装置において、前記ユニットセル内には前記第2の領域、前記第1の
領域及び前記半導体領域から成る寄生バイポーラトランジスタが形成される。そして、前
記主電流素子と前記電流検出素子の端部間のユニットセルの間隔は、主電流素子内及び電
流検出素子内のユニットセルの間隔よりも広いため、前記主電流素子の該端部側のユニッ
トセルと前記電流検出素子の該端部側のユニットセルには、上記2つの素子内のユニット
セルよりも大きな電流が流れ込む構造となっている。本発明の半導体装置によれば、前記
第3の領域を設けたため、前記寄生バイポーラトランジスタのベース抵抗を従来よりも小
さくできる。このため、前記寄生バイポーラトランジスタがオンしにくくなるので、アバ
ランシェ耐量が従来よりも向上する。
In the semiconductor device configured as described above, a parasitic bipolar transistor including the second region, the first region, and the semiconductor region is formed in the unit cell. Since the interval between the unit cells between the main current element and the end of the current detection element is wider than the interval between the unit cells in the main current element and the current detection element, the end side of the main current element The unit cell and the unit cell on the end side of the current detection element have a structure in which a larger current flows than the unit cells in the two elements. According to the semiconductor device of the present invention, since the third region is provided, the base resistance of the parasitic bipolar transistor can be made smaller than before. For this reason, since the parasitic bipolar transistor is difficult to turn on, the avalanche resistance is improved as compared with the prior art.
本発明の半導体装置の一態様においては、前記第3の領域を、前記主電流素子の最端部
のユニットセルと、前記電流検出素子の最端部のユニットセルのみに形成する。
上記端部側の複数のユニットセルにおいては、アバランシェにより発生する電流の流入
量は端部側のユニットセルの方がより大きくなる。したがって、前記主電流素子と前記電
流検出素子の各素子のユニットセルにおいて、最端部のユニットセルにのみ前記第3の領
域を設けるだけでも、アバランシェ耐量の向上の効果は大きい。また、半導体装置の最大
許容電流規格値等によっては、該最端部のユニットセルにのみ前記第3の領域を設けるだ
けで充分の場合もありうる。
In one aspect of the semiconductor device of the present invention, the third region is formed only in the unit cell at the end of the main current element and the unit cell at the end of the current detection element.
In the plurality of unit cells on the end side, the inflow amount of current generated by the avalanche is larger in the unit cell on the end side. Therefore, in the unit cell of each element of the main current element and the current detection element, the effect of improving the avalanche resistance is great even if the third region is provided only in the end unit cell. Further, depending on the maximum allowable current standard value of the semiconductor device, it may be sufficient to provide the third region only in the endmost unit cell.
本発明の半導体装置の他の態様においては、前記第3の領域は、前記主電流素子の端部
側の複数のユニットセルと、前記電流検出素子の端部側の複数のユニットセルに設けられ
る。
このように、主電流素子と電流検出素子の各素子において、該端部側の複数のユニット
セルに前記第3の領域を設けることにより、アバランシェにより大電流が発生しても、こ
れら複数のユニットセルの破壊を防止でき、アバランシェ耐量を向上できる。
In another aspect of the semiconductor device of the present invention, the third region is provided in a plurality of unit cells on the end side of the main current element and a plurality of unit cells on the end side of the current detection element. .
As described above, in each element of the main current element and the current detection element, even if a large current is generated by the avalanche by providing the third region in the plurality of unit cells on the end side, the plurality of units Cell destruction can be prevented and avalanche resistance can be improved.
本発明の半導体装置の、さらに、他の態様では、前記第3の領域は、前記主電流素子の
最端部のユニットセルの電流検出素子側に設けられた前記第2の領域の周囲と、前記電流
検出素子の最端部のユニットセルの前記主電流素子側に設けられた前記第2の領域の周囲
のみに設けられる。
In still another aspect of the semiconductor device of the present invention, the third region includes a periphery of the second region provided on the current detection element side of the unit cell at the extreme end of the main current element, It is provided only around the second region provided on the main current element side of the endmost unit cell of the current detection element.
例えば、本発明の半導体装置が前記トレンチゲート構造の縦型半導体装置であった場合
、前記第3の領域は主電流素子と電流検出素子の最端部に設けられたユニットセルのトレ
ンチゲート電極の端部側にのみゲート絶縁膜を介して設けられる。
このような構成にすることにより、主電流素子のユニットセル数が少ない場合であって
も、素子としての電気的特性に大きな影響を及ぼすことなく、アバランシェ耐量を向上さ
せることが可能となる。
For example, when the semiconductor device according to the present invention is a vertical semiconductor device having the trench gate structure, the third region is formed by the trench gate electrode of the unit cell provided at the extreme ends of the main current element and the current detection element. The gate insulating film is provided only on the end side.
With such a configuration, even when the number of unit cells of the main current element is small, it is possible to improve the avalanche resistance without greatly affecting the electrical characteristics of the element.
本発明によれば、主電流素子と電流検出素子を有する電流検出機能付きの縦型半導体装
置において、該主電流素子と該電流検出素子の端部のユニットセルの寄生バイポーラトラ
ンジスタのベース領域の抵抗が小さくなるようにして、アバランシェ耐量を従来よりも向
上させることができる。
According to the present invention, in a vertical semiconductor device with a current detection function having a main current element and a current detection element, the resistance of the base region of a parasitic bipolar transistor of the unit cell at the end of the main current element and the current detection element As a result, the avalanche resistance can be improved as compared with the prior art.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施例の電流検出機能付き縦型MOSFETの構成を示す図である
。同図において、図6の上記従来の縦型n−MOSFET100(以下、縦型MOSFE
T100)の部分と同一の部分には同一の符号を付与している。
図1に示す電流検出機能付き縦型n−MOSFET10(以下、縦型MOSFET10
)が図6に示す上記電流検出機能付き縦型n−MOSFET100と異なる点は、主電流
素子12の最端部のユニットセル13及び電流検出素子14の最端部のユニットセル15
において、p-型ベース領域102内のn型ソース領域(n+型ソース領域)103の周囲に、それぞれ、p+型領域16s、16dを形成したことである。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a vertical MOSFET with a current detection function according to an embodiment of the present invention. In the figure, the conventional vertical n-
The same reference numerals are given to the same parts as the part of T100).
A vertical n-
) Differs from the vertical n-
The p + -
このように、縦型MOSFET10の主電流素子12及び電流検出素子14の最端部の
ユニットセル13、15において、それぞれ、p+型領域16s、16dを設けたことに
より、n+型ソース領域103、p+型領域16s(16d)並びにp-型ベース領域102、及びn-型ドリフト領域101から構成される寄生npnトランジスタのベース抵抗が、上記従来の縦型MOSFETT100の寄生npnトランジスタのベース抵抗よりも小さくなる。
Thus, in the unit cell 13, 15 of the top end of the main current element 12 and the current detecting
このことにより、上記のようにしてアバランシェが発生した場合、従来と同等の大電流
が主電流素子12及び電流検出素子14の上記端部のユニットセル13、15に流れ込ん
でも、縦型MOSFET10の寄生npnトランジスタのベース・エミッタ間の電圧VBEは、従来の縦型MOSFET100よりも小さくなる。このため、縦型MOSFET10の寄生npnトランジスタは、従来の縦型MOSFET100の寄生npnトランジスタよりもオンしにくくなり、縦型MOSFET10のアバランシェ耐量は従来の縦型MOSFET100よりも向上する。
As a result, when an avalanche occurs as described above, even if a large current equivalent to that in the past flows into the unit cells 13 and 15 at the end portions of the main current element 12 and the
図2は、本発明の他の実施例の電流検出機能付き縦型MOSFETの構成を示す図であ
る。同図において、従来の電流検出機能付き縦型MOSFET100の部分と同一の部分
には同一の符号を付与している。
図2に示す電流検出機能付き縦型MOSFET20は、主電流素子22の端部の2つの
ユニットセル23と、電流検出素子24の端部の2つのユニットセル25の構成に特徴が
ある。主電流素子22の端部の2つのユニットセル23においては、実施例1の縦型MO
SFET10のユニットセル13と同様に、p-型ベース領域102内のn+型ソース領域103の周囲にp+型領域26sを形成している。また、電流検出素子24の端部の2つのユニットセル25においても、p-型ベース領域102内のn+型ソース領域103の周囲にp+型領域26dを形成している。
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a vertical MOSFET with a current detection function according to another embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals are assigned to the same parts as those of the conventional
The
Similar to the unit cell 13 of the
このように、縦型MOSFET20においては、主電流素子22と電流検出素子24に
おいて、それらの端部の2つのユニットセル23、25のそれぞれのp-型ベース領域1
02内のn+型ソース領域103の周囲に高不純物濃度のp+型領域26s、p+型領域26dを設けている。このような構成により、アバランシェ耐量の低下を、実施例1の縦型MOSFET10よりもさらに抑制できる。
Thus, in the
Around the n + -
例えば主電流素子22と電流検出素子24の分離幅Wがより大きい場合には、主電流素
子22と電流検出素子24の端部のユニットセルに流れる電流量もより大きくなるので、
最端部以外の端部のユニットセルにも大きな電流が流れ込む。このため、最端部以降の端
部側のユニットセルのアバランシェ耐量も大きくする必要がある。縦型MOSFET20
は、このような場合でも端部のユニットセルの破壊を防止できるので、素子破壊を防止で
きる。尚、実施例2では、主電流素子22と電流検出素子24において、p+型領域26
s、26dを設ける端部側ユニットセルの個数を2個としているが、本発明はこれに限定
されるものではない。主電流素子と電流検出素子においてp+型領域26s、26dを設
ける端部側ユニットセルの個数は、主電流素子と電流検出素子の分離幅等に応じて、適宜
、決定するようにしてよい。
For example, when the separation width W between the main
A large current also flows into the unit cell at the end other than the end. For this reason, it is necessary to increase the avalanche resistance of the unit cell on the end side after the end.
Even in such a case, the unit cell at the end can be prevented from being destroyed, so that element destruction can be prevented. In the second embodiment, in the main
Although the number of end unit cells provided with s and 26d is two, the present invention is not limited to this. The number of end side unit cells in which the p + -
図3は、本発明のさらに他の実施例の電流検出機能付き縦型MOSFETの構成を示す
図である。同図において、図6の上記電流検出機能付き縦型MOSFET100の部分と
同一部分には同じ符号を付与している。
図3に示す電流検出機能付き縦型MOSFET30は、主電流素子32の最端部のユニ
ットセル33及び電流検出素子34の最端部のユニットセル35の構成に特徴がある。該
ユニットセル33、35においては、p-型ベース領域102内のn+型ソース領域103の片側(端部側)のみに、それぞれ、p+型領域36s、36dを設けるようにしている。
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a vertical MOSFET with a current detection function according to still another embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals are given to the same parts as those of the
The vertical MOSFET 30 with a current detection function shown in FIG. 3 is characterized by the structure of the
上述したように、主電流素子と電流検出素子の分離幅に応じて、主電流素子と電流検出
素子の端部側に流れ込む電流の量は変化する。したがって、その電流量がそれほど大きく
ない場合には、主電流素子と電流検出素子の最端部のユニットセルの構成を縦型MOSF
ET30のようにすることで、実施例1の縦型MOSFET10よりもスイッチング特性
(ターンオン速度、ターンオフ速度)等の電気的特性を向上できる。
As described above, the amount of current flowing into the end portions of the main current element and the current detection element changes according to the separation width of the main current element and the current detection element. Therefore, when the amount of current is not so large, the configuration of the unit cell at the end of the main current element and the current detection element is the vertical MOSF.
By using ET30, electrical characteristics such as switching characteristics (turn-on speed, turn-off speed) can be improved as compared with the
図4は、本発明のさらに他の実施例の電流検出機能付き縦型MOSFETの構成を示す
図である。
同図に示す電流検出機能付き縦型MOSFET40(以下、縦型MOSFET40)は
プレーナ構造をしており、n型ドレイン領域41と、このn型ドレイン領域41上に形成
されたn-型ドリフト領域42を母体にして形成されている。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a vertical MOSFET with a current detection function according to still another embodiment of the present invention.
A vertical MOSFET 40 with a current detection function (hereinafter, vertical MOSFET 40) shown in the figure has a planar structure, and includes an n-type drain region 41 and an n − -type drift region 42 formed on the n-type drain region 41. It is formed with the mother body.
この縦型MOSFET40は、複数の主電流素子52と該主電流素子52間に形成され
た電流検出素子54から構成されている。主電流素子52は複数のユニットセル53を有
し、電流検出素子54は少なくとも1つのユニットセル55を有している。
ここで、プレーナ構造縦型MOSFET40全体の構成を説明すると、n型ドレイン領
域41の上にn-型ドリフト領域42が形成されている。n-型ドリフト領域42の上面にはp型半導体層43が形成されており、このp型半導体層43の表面にはn型ソース領域44が所定間隔で形成されている。n型ソース領域44の上方には、ゲート絶縁膜46を介してゲート47が形成されている。このゲート絶縁膜46は、ゲート47とp型半導体層43の間に形成されている。ゲート47の他の周囲は層間絶縁膜45により覆われている。主電流素子52のp型半導体層43とn型ソース領域44の一部と層間絶縁膜45の上にはソース電極48が形成されている。電流検出素子54のp型半導体層43の上とn型ソース領域44の一部と層間絶縁膜60の上には電流検出電極50が形成されている。また、n型ドレイン領域41の裏面全体にはドレイン電極49が形成されている。尚、主電流素子52と電流検出素子54の間に設けられたゲート47(47a)及びゲート絶縁膜46(46a)は、主電流素子52及び電流検出素子54内のゲート47及びゲート絶縁膜46よりも横幅が広くなっている。
The vertical MOSFET 40 includes a plurality of main current elements 52 and a
Here, the overall structure of the planar structure vertical MOSFET 40 will be described. The n − type drift region 42 is formed on the n type drain region 41. A p-
上記構成のプレーナ構造縦型MOSFET40においても、主電流素子52と電流検出
素子54の双方において、n型ソース領域44、p型半導体層43及びn-型ドリフト領
域42から成る寄生npnトランジスタが形成される。
実施例4のプレーナ構造の縦型MOSFET40の特徴は、主電流素子52の端部のユ
ニットセル53と電流検出素子54の端部のユニットセル55の構成にある。
Also in the planar structure vertical MOSFET 40 having the above configuration, a parasitic npn transistor including the n-type source region 44, the p-
The feature of the vertical MOSFET 40 of the planar structure of the fourth embodiment is the configuration of the unit cell 53 at the end of the main current element 52 and the unit cell 55 at the end of the
主電流素子52の端部のユニットセル53は、n型ドレイン領域41、n-型ドリフト
領域42、p型半導体層43、n型ソース領域44、層間絶縁膜45、ゲート絶縁膜46
、ゲート47、ソース電極48及びドレイン電極49から構成されている。主電流素子5
2の端部のユニットセル53の特徴は、p型半導体層43内の端部側のn型ソース領域4
4の周囲に高不純物濃度のp+型領域62sを設けたことである。
The unit cell 53 at the end of the main current element 52 includes an n-type drain region 41, an n − -type drift region 42, a p-
, A
The feature of the unit cell 53 at the end of 2 is that the n-
4 is provided with a p + -type region 62 s having a high impurity concentration around 4.
電流検出素子54の端部のユニットセル55は主電流素子52のユニットセル53と同
様な構成となっており、n型ドレイン領域41、n-型ドリフト領域42、p型半導体層
43、n型ソース領域44、層間絶縁膜60、ゲート絶縁膜46、ゲート47及び電流検
出電極50から構成されている。電流検出素子54の端部のユニットセル55の特徴は、
p型半導体層43内の端部側のn型ソース領域44の周囲に高不純物濃度のp+型領域6
2dを設けたことである。
The unit cell 55 at the end of the
A high impurity concentration p + -type region 6 around the n-type source region 44 on the end side in the p-
2d is provided.
このように、プレーナ構造縦型MOSFET40においては、主電流素子52の端部の
ユニットセル53と電流検出素子54の端部のユニットセル55のn型ソース領域44の
下部周囲に、それぞれ、高不純物濃度のp+型領域62s、62dを設けるようにしたの
で、実施例1の縦型MOSFET10と同様なメカニズムにより、従来よりもアバランシ
ェ耐量を向上させることができる。
As described above, in the planar structure vertical MOSFET 40, high impurities are formed around the lower part of the n-type source region 44 of the unit cell 53 at the end of the main current element 52 and the unit cell 55 at the end of the
実施例1〜3は本発明を縦型トレンチゲート構造MOSFETに適用した例であるが、
実施例1〜3の縦型トレンチゲート構造MOSFETの構成を一部変えることで、本発明
はIGBTにも適用可能である。
図5は、本発明を適用したIGBTの構成を示す図である。
Examples 1 to 3 are examples in which the present invention is applied to a vertical trench gate structure MOSFET.
The present invention can also be applied to an IGBT by partially changing the configuration of the vertical trench gate structure MOSFETs of the first to third embodiments.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an IGBT to which the present invention is applied.
同図に示すIGBT70は、p型半導体層71上にn型ドリフト領域72が設けられて
いる。n型ドリフト領域72の表面には所定の深さでp型ベース領域73が選択的に形成
されている。p型ベース領域73の表面には、所定の深さでn型エミッタ領域74が選択
的に形成されている。そして、n型エミッタ領域74とp型ベース領域73の一部を貫通
して上記n型ドリフト領域72に達する深さまで溝75が形成され、この溝75内にゲー
ト絶縁膜76を介して電極材料77が埋め込まれて、ゲート電極(不図示)に接続される
トレンチゲート78が形成されている。
In the
また、上記p型半導体層71の他面側には、コレクタ電極79が設けられている。そし
て、上記トレンチゲート78の表面を覆うようにして層間絶縁膜80が設けられ、さらに
、隣接するp型ベース領域73の端部と該端部間の上記n型ドリフト領域72の表面を覆
うようにして層間絶縁膜81が設けられている。また、さらに、上記p型ベース領域73
の表面上に、層間絶縁膜80の上面と側面及び層間絶縁膜81の端部の上面と側面を覆う
ようにして、主電極(エミッタ電極)82と電流検出電極83が所定間隔だけ隔てて形成
されている。
A
A main electrode (emitter electrode) 82 and a current detection electrode 83 are formed at a predetermined interval so as to cover the upper surface and the side surface of the
このように、主電流素子90と電流検出素子94は、電気的に分離されてn型ドリフト
領域72上に形成されている。主電流素子90のp型ベース領域73内の電流検出素子9
4側の最端部のn型エミッタ領域74の周囲にはp+型領域84sが設けられている。ま
た、電流検出素子94のp型ベース領域73内の主電流素子90側の最端部のn型エミッ
タ領域74の周囲にはp+型領域84dが設けられている。
As described above, the main
A p + -type region 84 s is provided around the n-type emitter region 74 at the extreme end on the 4 side. A p + -type region 84 d is provided around the n-type emitter region 74 at the end of the p-type base region 73 of the
主電流素子90と電流検出素子94は、n型エミッタ領域74、p型ベース領域73、
n型ドリフト領域72、p型半導体層71、トレンチゲート78、ゲート絶縁膜76、コ
レクタ電極79、層間絶縁膜80及び主電極82(電流検出素子94の場合は電流検出電
極83)から成るユニットセル91、95を有している。
The main
A unit cell comprising an n-
このIGBT70においても、主電流素子90と電流検出素子94のそれぞれのユニッ
トセル91、95において、n型エミッタ領域74、p型ベース領域73及びn型ドリフ
ト領域72とから成る寄生npnトランジスタが形成される。このため、上記のように、
主電流素子90と電流検出素子94の最端部のユニットセル91、95のそれぞれにおい
て、n型エミッタ領域74の周囲(上面を除く)にp+型領域84s、84dを形成する
ことにより、実施例1の縦型MOSFET10と同様なメカニズムによりアバランシェ耐
量が従来よりも向上する。
Also in this
The p + -type regions 84 s and 84 d are formed around the n-type emitter region 74 (excluding the upper surface) in each of the
実施例1〜4は、いずれもn−MOSFETであるが、本発明は逆導電型のp−MOS
FETにも適用可能である。また、本発明は、実施例5に示すIGBT70に限定される
ものではなく、実施例2〜3の縦型MOSFETの構成を適用したIGBTも含まれる。
その他、本発明の趣旨を変えない範囲内で、種々の変形が実施可能である。
Each of Examples 1 to 4 is an n-MOSFET, but the present invention is a reverse conductivity type p-MOS.
It is applicable also to FET. The present invention is not limited to the
In addition, various modifications can be implemented without departing from the scope of the present invention.
本発明は、DC−DCコンバータやインバータなどの様々なパワーエレクトロニクスの
スイッチング素子として広範囲に適用できる。
The present invention can be widely applied as switching elements of various power electronics such as a DC-DC converter and an inverter.
10 トレンチゲート構造の電流検出機能付き縦型MOSFET(実施例1)
12 主電流素子
13 ユニットセル13
14 電流検出素子
15 ユニットセル
16s、16d p+型領域
20 トレンチゲート構造の電流検出機能付き縦型MOSFET(実施例2)
22 主電流素子
23 ユニットセル
24 電流検出素子
25 ユニットセル
26s、26d p+型領域
30 トレンチゲート構造の電流検出機能付き縦型MOSFET(実施例3)
32 主電流素子
33 ユニットセル
34 電流検出素子
35 ユニットセル
36s、36d p+型領域
40 プレーナ構造の電流検出機能付き縦型MOSFET(実施例4)
41 n型ドレイン領域
42 n-型ドリフト領域
43 p型半導体層
44 n型ソース領域
45 層間絶縁膜
46、46a ゲート絶縁膜
47、47a ゲート
48 ソース電極
49 ドレイン電極
50 電流検出電極
52 主電流素子
53 ユニットセル
54 電流検出素子
55 ユニットセル
60 層間絶縁膜
62s、62d p+型領域
70 トレンチゲート構造の電流検出機能付きIGBT(実施例5)
71 p型半導体層
72 n型ドリフト領域
73 p型ベース領域
74 n型エミッタ領域
75 溝
76 ゲート絶縁膜
77 電極材料
78 トレンチゲート
79 コレクタ電極
80、81 層間絶縁膜
82 主電極
83 電流検出電極
84s、84d p+型領域
90 主電流素子
91 ユニットセル
94 電流検出素子
95 ユニットセル
101 n-型ドリフト領域
102 p-型ベース領域
103 n+型ソース領域
104 溝
105 ゲート絶縁膜
106 電極材料
107 トレンチゲート
108 n型半導体層
109 ドレイン電極
110、111 層間絶縁膜
112 主電極
113 電流検出電極
10 Vertical MOSFET with current detection function of trench gate structure (Example 1)
12 Main current element 13 Unit cell 13
14 Current detection element 15
22 Main
32 main
41 n-type drain region
42 n - type drift region
43 p-type semiconductor layer
44 n-type source region
45 Interlayer insulation film
46, 46a Gate insulating film
47, 47a Gate
48 Source electrode
49 Drain electrode
DESCRIPTION OF
71 p-type semiconductor layer 72 n-type drift region 73 p-type base region 74 n-type emitter region 75
Claims (8)
前記半導体領域の表面に形成された第2導電型の第1の領域と、
該第1の領域内に選択的に形成された第1導電型の第2の領域と、
該半導体領域と該第1の領域と該第2の領域に接するように形成されたゲート絶縁膜と
、
該ゲート絶縁膜を挟んで前記第1の領域に対向するように形成されたゲート電極と、
前記第1の領域と前記第2の領域に接続された取り出し電極を有するユニットセルが複
数設けられた主電流素子と、
前記ユニットセルが少なくとも1つ設けられ、前記第1の領域が前記主電流素子の第1
の領域と所定間隔隔てて形成された、前記半導体領域を前記主電流素子と共通する電流検
出素子を備え、
前記主電流素子の前記電流検出素子側の端部に設けられた少なくとも1つの前記ユニッ
トセルと前記電流検出素子の前記主電流素子側の端部に設けられた少なくとも1つのユニ
ットセルは、前記第1領域内の前記第2の領域の周囲が前記第1の領域よりも不純物濃度
の高い第2導電型の第3の領域で覆われていること、
を特徴とする半導体装置。 A first conductivity type semiconductor region;
A first region of a second conductivity type formed on the surface of the semiconductor region;
A second region of the first conductivity type selectively formed in the first region;
A gate insulating film formed to be in contact with the semiconductor region, the first region, and the second region;
A gate electrode formed to face the first region with the gate insulating film interposed therebetween;
A main current element provided with a plurality of unit cells each having an extraction electrode connected to the first region and the second region;
At least one unit cell is provided, and the first region is a first of the main current element.
A current detection element that is formed at a predetermined interval from the region and the semiconductor region is shared with the main current element,
At least one unit cell provided at an end portion of the main current element on the current detection element side and at least one unit cell provided at an end portion of the current detection element on the main current element side include the first cell The periphery of the second region in one region is covered with a third region of the second conductivity type having a higher impurity concentration than the first region,
A semiconductor device characterized by the above.
深さまで形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is formed to a depth reaching the semiconductor region through the second region and the first region.
り電気的に分離されていることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the main current element and the current detection element are electrically separated by an interlayer insulating film formed on the semiconductor region.
して形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is formed above the first region and the semiconductor region via the gate insulating film.
子及び前記電流検出素子内のユニットセルのゲート電極よりも横幅が広いことを特徴とす
る請求項4記載の半導体装置。 5. The gate electrode provided between the main current element and the current detection element is wider in width than the gate electrode of the unit cell in the main current element and the current detection element. Semiconductor device.
端部のユニットセルのみに形成されていること、
を特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The third region is formed only in the unit cell at the end of the main current element and the unit cell at the end of the current detection element;
The semiconductor device according to claim 1.
子の端部側の複数のユニットセルに設けられていることを特徴とする請求項1記載の半導
体装置。 The said 3rd area | region is provided in the several unit cell by the side of the edge part of the said main current element, and the several unit cell by the side of the edge part of the said current detection element, The said 1st area | region is provided. Semiconductor device.
れた前記第2の領域の周囲と、前記電流検出素子の最端部のユニットセルの前記主電流素
子側に設けられた前記第2の領域の周囲のみに設けられていることを特徴とする請求項2
記載の半導体装置。
The third region includes the periphery of the second region provided on the current detection element side of the end cell of the main current element and the main cell of the unit cell at the end of the current detection element. 3. The device according to claim 2, wherein the second region is provided only around the second region provided on the current element side.
The semiconductor device described.
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