JP2008270367A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の横型DMOS素子(Lateral Double Diffusion MOS-FET)を備える半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device including a plurality of lateral DMOS elements (Lateral Double Diffusion MOS-FETs).
近年、車両制御用ECU(Electric Control Unit)や各種民生機器の制御に用いられるパワーICとして、例えばCMOSなどの他の素子との工程整合性の点から、横型DMOS素子(以下、LDMOS素子と示す)が広く用いられている。このLDMOS素子を高耐圧化する場合、ドリフト層の長さを長くしたり、ドリフト層の不純物濃度を低くするが、このような構成とすると、ESD(Electro Static Discharge)によるサージ電流を素子外へ逃がしにくくなり、素子が熱破壊されやすくなる。 In recent years, as a power IC used for controlling a vehicle control ECU (Electric Control Unit) and various consumer devices, for example, a horizontal DMOS element (hereinafter referred to as an LDMOS element) in terms of process consistency with other elements such as a CMOS. ) Is widely used. When increasing the breakdown voltage of this LDMOS device, the length of the drift layer is increased or the impurity concentration of the drift layer is decreased. With such a configuration, surge current due to ESD (Electro Static Discharge) is transferred to the outside of the device. It becomes difficult to escape, and the element is easily destroyed by heat.
これに対し、ESD耐量を向上する構成が提案されている。例えば、特許文献1に示される構成においては、活性層(半導体層)の表層に、ドレイン層(ドレイン領域)に隣接して、ドレイン層とは逆の導電型のアノード層が形成されている。そして、このアノード層が、ソース層(ソース領域)、ベース層(ウェル領域)、及び活性層とともに、ESD時に寄生サイリスタを構成し、これによって、大電流でのソース・ドレイン間の保持電圧を低くするようにしている。なお、特許文献1においては、ゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極が、表層にドレイン層が形成された側の活性層の一面上に形成されている。
ところで、複数のLDMOS素子を備える場合、特に高耐圧化及び大電流化にともなって素子面積を大きくすると、特許文献1に示される構成としても、ESD耐量を確保することが困難となる。 By the way, in the case where a plurality of LDMOS elements are provided, particularly when the element area is increased in accordance with an increase in breakdown voltage and an increase in current, it is difficult to ensure the ESD tolerance even with the configuration shown in Patent Document 1.
この原因としては、以下のことが考えられる。複数のLDMOS素子を備える場合、各素子のドレイン領域にはコンタクトホールを介してドレイン電極が接続され、それぞれのドレイン電極が、配線やビアホール(又はスルーホール)などを介して共通のパッドに接続されている。なお、上述した各ホールは、その内部に接続部材が充填されている。素子面積を大きくすると、配線が高インピーダンスとなる。したがって、サージ伝達に対する配線長の差の影響が大きくなり、パッドから素子(ドレイン領域)までのサージ電流の伝達に差異が生じて、電流経路の抵抗値が低い素子にサージ電流が集中しやすくなると考えられる。なお、配線以外に、ビアホールやコンタクトホールなどの高さの差や製造ばらつきも、サージ電流の伝達に影響を与えて差異を生じさせる原因となる。 As the cause, the following can be considered. When a plurality of LDMOS elements are provided, a drain electrode is connected to the drain region of each element via a contact hole, and each drain electrode is connected to a common pad via a wiring or a via hole (or a through hole). ing. Each hole described above is filled with a connecting member. When the element area is increased, the wiring becomes high impedance. Therefore, the influence of the wiring length difference on the surge transmission becomes large, the transmission of the surge current from the pad to the element (drain region) becomes different, and the surge current tends to concentrate on the element having a low current path resistance value. Conceivable. In addition to the wiring, height differences such as via holes and contact holes and manufacturing variations also affect the transmission of surge currents and cause differences.
本発明は上記問題点に鑑み、複数の横型DMOS素子を備える構成において、ESD耐量を向上できる半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of improving ESD tolerance in a configuration including a plurality of lateral DMOS elements.
上記目的を達成する為に請求項1に記載の半導体装置は、半導体基板の一部としての第1導電型の半導体層と、半導体層の表層に形成された第1導電型とは逆の第2導電型のウェル領域と、ウェル領域の表層に形成された第1導電型のソース領域と、半導体層の表層に、ウェル領域とは離れて形成された第1導電型のドレイン領域と、ソース領域とドレイン領域との間で、ウェル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、ウェル領域及びソース領域上に形成されたソース電極と、ドレイン領域と電気的に接続されたドレイン電極とを有する横型DMOS素子(以下、LDMOS素子と示す)を複数備えた半導体装置である。そして、半導体基板における複数のLDMOS素子の形成領域として、半導体層とともに、半導体層のウェル形成面とは反対の面上に、半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の高濃度層が形成され、半導体基板におけるゲート電極形成面の裏面であって、少なくとも高濃度層の半導体層との境界とは反対の表面全面にドレイン電極が直接形成され、ドレイン電極と複数のドレイン領域とが、それぞれ電気的に接続されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to claim 1 includes a first conductivity type semiconductor layer as a part of a semiconductor substrate and a first conductivity type opposite to the first conductivity type formed on a surface layer of the semiconductor layer. A second conductivity type well region; a first conductivity type source region formed in a surface layer of the well region; a first conductivity type drain region formed in a surface layer of the semiconductor layer apart from the well region; and a source Between the region and the drain region, a gate electrode formed on the well region via a gate insulating film, a source electrode formed on the well region and the source region, and a drain electrically connected to the drain region A semiconductor device including a plurality of lateral DMOS elements (hereinafter referred to as LDMOS elements) having electrodes. A first conductive type high concentration layer having a higher impurity concentration than the semiconductor layer is formed on the surface opposite to the well formation surface of the semiconductor layer together with the semiconductor layer as a formation region of the plurality of LDMOS elements in the semiconductor substrate. A drain electrode is directly formed on the entire surface of the semiconductor substrate opposite to the boundary with the semiconductor layer of the high concentration layer at the back surface of the gate electrode formation surface, and the drain electrode and the plurality of drain regions are respectively It is electrically connected.
このように本発明によれば、パッドを通じてESDによるサージ電流が流入する側のドレイン電極が各素子に対して共通となっているので、パッドとドレイン電極との間の経路も共通であり、サージ伝達に際して配線やスルーホールなどの影響を受けない。また、ドレイン電極は、高濃度層全面に形成されているのでサージ電流が流れやすく、ドレイン電極において各素子への経路長に差があっても、その影響を従来(各配線による接続構造)よりも小さくすることができる。さらには、ドレイン電極が、コンタクトホールを介さずに高濃度層全面に直接形成されている。したがって、ESDによるサージ電流は、各素子にほぼ均一に流入することとなり、従来よりもESD耐量を向上することができる。 As described above, according to the present invention, the drain electrode on the side into which the surge current due to ESD flows through the pad is common to each element, and therefore the path between the pad and the drain electrode is also common, and the surge It is not affected by wiring or through holes during transmission. In addition, since the drain electrode is formed on the entire surface of the high-concentration layer, surge current easily flows, and even if there is a difference in the path length to each element in the drain electrode, the influence is conventional (connection structure by each wiring). Can also be reduced. Furthermore, the drain electrode is formed directly on the entire surface of the high concentration layer without using a contact hole. Therefore, the surge current due to ESD flows into each element almost uniformly, and the ESD tolerance can be improved as compared with the conventional case.
具体的には、請求項2に記載のように、半導体層に半導体層よりも不純物濃度が高い第1導電型の接続領域が形成され、接続領域及び高濃度層を介して、ドレイン電極と複数のドレイン領域とが、それぞれ電気的に接続された構成とすると良い。このような構成とすると、サージ電流は、主として、パッド、ドレイン電極、高濃度層、接続領域、ドレイン領域、半導体層、ウェル領域、ソース領域、ソース電極の順で素子外に排出されることとなる。なお、上記構成とすると、素子によって接続領域の抵抗ばらつきが生じたとしても、ESD時に、半導体層とウェル領域で構成される寄生ダイオードが作動し、サージ電流の排出を各素子の形成領域全体で行うことができる。したがって、ESD耐量を向上することができる。 Specifically, as described in claim 2, a first conductivity type connection region having an impurity concentration higher than that of the semiconductor layer is formed in the semiconductor layer, and a plurality of drain electrodes and a plurality of drain electrodes are connected via the connection region and the high concentration layer. The drain regions are preferably electrically connected to each other. With such a configuration, surge current is mainly discharged out of the device in the order of the pad, drain electrode, high concentration layer, connection region, drain region, semiconductor layer, well region, source region, and source electrode. Become. With the above configuration, even if resistance variation in the connection region occurs depending on the element, a parasitic diode composed of the semiconductor layer and the well region is activated during ESD, and surge current is discharged in the entire formation region of each element. It can be carried out. Therefore, ESD tolerance can be improved.
請求項2に記載の発明においては、請求項3に記載のように、1つのLDMOS素子の形成領域において、接続領域とウェル領域との対向距離が、ドレイン領域とウェル領域との対向距離よりも長くされた構成とすることが好ましい。このような構成とすると、ドレイン領域とウェル領域との対向距離によって所謂ドリフト長が決定されることとなるので、所定のドリフト長を確保して耐圧(ドレイン-ソース耐圧)の低下を抑制することができる。また、接続領域が存在しながら、ドレイン電流の流れ方向を主として横方向とし、縦方向の動作を抑制することができる。 In the invention described in claim 2, as described in claim 3, in the formation region of one LDMOS element, the facing distance between the connection region and the well region is larger than the facing distance between the drain region and the well region. A lengthened configuration is preferred. With such a configuration, the so-called drift length is determined by the facing distance between the drain region and the well region, so that a predetermined drift length is ensured and a decrease in breakdown voltage (drain-source breakdown voltage) is suppressed. Can do. In addition, while the connection region is present, the drain current can flow mainly in the horizontal direction, and the vertical operation can be suppressed.
たとえば請求項4に記載のように、半導体層と高濃度層の積層方向に垂直な方向において、接続領域の断面積をドレイン領域の断面積よりも小さくすることで、請求項4に記載の構成とすることができる。なお、請求項5に記載のように、半導体層と高濃度層の積層方向に垂直な方向において、接続領域の断面積が高濃度層からドレイン領域に向けて小さくなる構成とすると、LDMOS素子の動作に影響を及ぼすことなく、接続領域を低抵抗化することができる。 For example, as described in claim 4, in the direction perpendicular to the stacking direction of the semiconductor layer and the high concentration layer, the cross-sectional area of the connection region is made smaller than the cross-sectional area of the drain region. It can be. As described in claim 5, when the cross-sectional area of the connection region decreases from the high concentration layer toward the drain region in the direction perpendicular to the stacking direction of the semiconductor layer and the high concentration layer, The connection region can be reduced in resistance without affecting the operation.
請求項2〜5いずれかに記載の発明においては、請求項6に記載のように、高濃度層及び接続領域と半導体層との間に、第2導電型の拡散領域が形成された構成としても良い。このような構成とすると、耐圧を確保しつつ通常動作でのリーク電流を抑制することができる。 In the invention according to any one of claims 2 to 5, as described in claim 6, the second conductivity type diffusion region is formed between the high concentration layer, the connection region, and the semiconductor layer. Also good. With such a configuration, it is possible to suppress a leakage current in a normal operation while ensuring a withstand voltage.
請求項2〜5いずれかに記載の発明においては、請求項7に記載のように、接続領域の周囲に、接続領域と半導体層とを絶縁分離する絶遠分離トレンチが形成された構成とすると良い。このような構成とすると、接続領域と接続領域を除く半導体基板の部位との間で寄生素子が構成されるのを抑制することができる。また、絶遠分離トレンチによって囲まれた接続領域は、LDMOS素子の動作に影響を与えないので、断面積を大きくして接続領域をより低抵抗化することが可能である。 In the invention according to any one of claims 2 to 5, as described in claim 7, an isolation trench for insulating and separating the connection region and the semiconductor layer is formed around the connection region. good. With such a configuration, it is possible to suppress a parasitic element from being formed between the connection region and the portion of the semiconductor substrate excluding the connection region. In addition, since the connection region surrounded by the isolation trench does not affect the operation of the LDMOS element, it is possible to increase the cross-sectional area and lower the resistance of the connection region.
絶遠分離トレンチは、例えば請求項8に記載のように、高濃度層のドレイン電極形成側の表面からドレイン領域の底部まで形成された構成としても良い。また、請求項9に記載のように、絶遠分離トレンチが高濃度層のドレイン電極形成側の表面からドレイン領域を貫通して半導体層の表面まで形成され、半導体層の表面上には、絶遠分離トレンチ内の接続領域と絶遠分離トレンチ外のドレイン領域とを電気的に接続する繋ぎ配線が形成された構成としても良い。請求項8に記載の発明によれば、構成を簡素化することができる。請求項9に記載の発明によれば、構成は複雑化するものの、絶遠分離トレンチの形成と、半導体基板における絶遠分離トレンチ形成部位以外の部位(例えばLDMOS素子形成領域以外)におけるトレンチの形成とを同一の工程で実施することができる。 The far isolation trench may be configured to be formed from the surface on the drain electrode forming side of the high concentration layer to the bottom of the drain region, for example. According to a ninth aspect of the present invention, the isolation trench is formed from the surface on the drain electrode formation side of the high concentration layer to the surface of the semiconductor layer through the drain region, and on the surface of the semiconductor layer, the isolation trench is formed. A connection wiring that electrically connects the connection region in the far isolation trench and the drain region outside the far isolation trench may be formed. According to invention of Claim 8, a structure can be simplified. According to the ninth aspect of the present invention, although the configuration is complicated, the formation of the far isolation trench and the formation of the trench in a portion other than the far isolation trench formation portion (for example, other than the LDMOS element formation region) in the semiconductor substrate. Can be carried out in the same process.
次に、請求項1に記載の発明においては、請求項10に記載のように、半導体基板に、半導体層のウェル形成面と反対の面に開口するトレンチが形成され、ドレイン電極がトレンチの形成面上にも形成され、高濃度層がトレンチの形成面の周囲に形成されてドレイン領域と接する構成としても良い。このような構成とすると、接続領域を形成しなくとも、ESD耐量を向上することができる。なお、トレンチ内の一部がドレイン電極によって埋められた構成としても良いし、トレンチがドレイン電極によって完全に埋められた構成としても良い。 Next, in the invention described in claim 1, as described in claim 10, a trench is formed in the semiconductor substrate on the surface opposite to the well formation surface of the semiconductor layer, and the drain electrode is formed in the trench. The high concentration layer may be formed on the surface, and may be formed around the formation surface of the trench so as to be in contact with the drain region. With such a configuration, the ESD resistance can be improved without forming a connection region. Note that a structure in which a part of the trench is filled with the drain electrode may be used, or a structure in which the trench is completely filled with the drain electrode may be used.
なお、請求項1〜10いずれかに記載の発明においては、例えば請求項11に記載のように、半導体基板において、LDMOS素子の形成領域とLDMOS素子の形成領域を除く領域とが絶縁分離され、半導体基板におけるゲート電極形成面の裏面上全面に、ドレイン電極が形成された構成としても良い。このように、半導体基板の一方の表面全面にドレイン電極が形成された構成とすることも可能である。ただし、半導体基板において、LDMOS素子とは動作電圧の異なる部位の基板電位をLDMOS素子とは異なるものとする場合には、請求項12に記載のように、半導体基板のうち、LDMOS素子の形成領域を除く領域とドレイン電極とが、絶縁分離された構成とすれば良い。それ以外にも、半導体基板におけるゲート電極形成面の裏面のうち、高濃度層の表面(LDMOS素子の形成領域の表面)上のみにドレイン電極が形成された構成としても良い。 In the invention according to any one of claims 1 to 10, for example, as described in claim 11, in the semiconductor substrate, the formation region of the LDMOS element and the region excluding the formation region of the LDMOS element are insulated and separated, The drain electrode may be formed on the entire back surface of the gate electrode formation surface of the semiconductor substrate. In this manner, a drain electrode can be formed on the entire surface of one surface of the semiconductor substrate. However, in the semiconductor substrate, when the substrate potential at a portion having an operating voltage different from that of the LDMOS element is different from that of the LDMOS element, the region where the LDMOS element is formed in the semiconductor substrate according to claim 12. The region except for the drain electrode and the drain electrode may be insulated from each other. In addition, the drain electrode may be formed only on the surface of the high concentration layer (the surface of the formation region of the LDMOS element) in the back surface of the gate electrode formation surface of the semiconductor substrate.
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置のうち、LDMOS素子形成領域の一部の概略構成を示す断面図である。なお、図1においては、便宜上、保護膜やパッドを省略している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of part of an LDMOS element formation region in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a protective film and a pad are omitted for convenience.
図1に示すように、半導体装置100は、半導体基板110に構成された複数の横型DMOS素子101(Lateral Double Diffusion MOS-FET、以下LDMOS素子101と示す)を有するものである。
As shown in FIG. 1, the
半導体基板110は、例えば不純物濃度が1×1016cm−3程度のN導電型(N−)の半導体層111と、半導体層111と同一導電型であって半導体層111よりも不純物濃度の高いN導電型(N+)の高濃度層112とを積層して構成されている。この高濃度層112は、半導体基板110におけるドレイン電極170とのコンタクト領域であり、その不純物濃度は、ドレイン電極170との間でオーミック特性を確保できる濃度であれば良い。ドレイン電極170とドレイン領域140との間の電流伝達経路の一部としての機能も果たす点も考慮して、本実施形態においては、1×1020cm−3程度とされている。
The
なお、このような構成の半導体基板110は、公知の半導体プロセスによって種々の方法により構成することができる。本実施形態においては、N導電型(N−)の基板の一面側から、LDMOS素子101の形成領域の表層にN導電型不純物を導入することにより、N導電型不純物を導入された基板の一部を高濃度層112とし、残りの部分を半導体層111としている。それ以外にも、高濃度層112を基板とし、高濃度層112上にエピ成長によって半導体層111を設けてなる構成としても良い。
The
半導体層111には、高濃度層112との境界とは反対側の表層(半導体基板110の表層)の一部に、例えば不純物濃度が1×1017cm−3程度のP導電型(P−)のウェル領域120が形成されている。そして、半導体基板110の表層であってウェル領域120内に、N導電型(N+)のソース領域130が形成されている。このソース領域130は、半導体基板110におけるソース電極160とのコンタクト領域であり、その不純物濃度は、ソース電極160との間でオーミック特性を確保できる濃度であれば良い。本実施形態においては、1×1020cm−3程度とされている。また、半導体層111の表層には、ウェル領域120とは離れて例えば不純物濃度が1×1020cm−3程度のN導電型(N+)のドレイン領域140が形成されている。そして、ソース領域130とドレイン領域140とに挟まれたウェル領域120の部分が、LDMOS素子101のチャネル形成領域となっている。すなわち、本実施形態においては、LDMOS素子101としてNチャネル型のLDMOS素子が形成されている。
The
ドレイン領域140などが形成された側の半導体基板110の表面上(半導体層111の表面上)であって、ソース領域130とドレイン領域140とに挟まれたウェル領域120の部位上(チャネル形成領域上)には、ゲート絶縁膜151を介してゲート電極150が形成されている。また、ウェル領域120の一部及びソース領域130上に、ソース電極160が形成されている。本実施形態においては、図1に示すように、複数のLDMOS素子101のソース電極160が一体化されてベタ状の共通ソース電極161となっており、共通ソース電極161の一部が保護膜(図示略)から露出されてソース用のパッド(図示略)となっている。しかしながら、従来と同様に、各LDMOS素子101のソース電極160が、配線やスルーホールなどの配線部を介して共通のパッドに接続された構成としても良い。なお、図1に示す符号152は、ゲート電極150とソース電極160との間に介在された絶縁膜、符号153は、ソース電極160と共通ソース電極161との間の層間絶縁膜、符号154は、絶縁膜152に形成されたコンタクトホール、符号155は、層間絶縁膜153に形成されたビアホールである。
On the surface of the
また、半導体基板110の裏面上(高濃度層112の半導体層111との境界とは反対の表面上)には、少なくとも高濃度層112の表面全面にベタ状のドレイン電極170が直接形成されている。すなわち、各LDMOS素子101のドレイン電極170が一体化されてベタ状となっている。なお、本実施形態においては、半導体基板110の裏面のうち、高濃度層112の表面全面のみ(LDMOS素子101の形成領域のみ)にドレイン電極170が形成されている。そして、このドレイン電極170の一部が、配線部(配線や接続用のビアホールなど)を介して、保護膜(図示略)から露出されたドレイン用のパッド(図示略)と電気的に接続されている。
In addition, a
さらに、本実施形態においては、ドレイン電極170とドレイン領域140との間を電気的に接続するために、半導体基板110のうちの少なくとも半導体層111に接続領域180が形成されている。この接続領域180は、高濃度層112とともに、ドレイン電極170とドレイン領域140との間の電流伝達経路としての機能を果たすものであり、半導体層111と同一導電型であって半導体層111よりも不純物濃度の高いN導電型(N+)の領域として構成されている。本実施形態においては、その不純物濃度が1×1020cm−3程度とされている。なお、本実施形態においては、接続領域180が、半導体層111にのみ形成され、高濃度層112とともに、ドレイン電極170とドレイン領域140との間の電流伝達経路としての機能を果たすように構成されている。しかしながら、接続領域180のみが、ドレイン電極170とドレイン領域140との間の電流伝達経路としての機能を果たす構成(接続領域180が半導体層111及び高濃度層112に形成された構成)としても良い。
Further, in the present embodiment, a
また、図1に示すように、1つのLDMOS素子101の形成領域において、接続領域180とウェル領域120との対向距離(最短距離)h2は、ドレイン領域140とウェル領域120との対向距離(最短距離)h1よりも長くされている。より詳しくは、半導体層111と高濃度層112の積層方向に垂直な方向において、接続領域180の断面積をドレイン領域140の断面積よりも小さくすることで、対向距離h2を対向距離h1よりも長くしている。このような構成とすると、ドレイン領域140とウェル領域120との対向距離h1が所謂ドリフト長となるので、所定のドリフト長を確保して耐圧(ドレイン-ソース耐圧)の低下を抑制することができる。また、接続領域180が存在しながら、ドレイン電流の流れを主として横方向(半導体層111の表層)とし、縦方向の動作を抑制することができる。なお、本実施形態においては、接続領域180の断面積が、半導体層111と高濃度層112の積層方向に沿ってほぼ一定となっている。
As shown in FIG. 1, in the formation region of one
このように構成される半導体装置100は、公知の半導体プロセスを用いて形成することができる。例えばN導電型(N−)の基板を準備し、イオン注入によって基板の一面からその裏面まで到達するN導電型(N+)の接続領域180を形成する。次に、基板の位置面側の表層にP導電型(P−)のウェル領域120を形成し、次いでN導電型(N+)ソース領域130及びドレイン領域140を形成する。なお、ソース領域130及びドレイン領域140を形成した後に、接続領域180を形成しても良い。次に、基板のドレイン領域140などが形成された面の裏面のうち、LDMOS素子101の形成領域全面をN導電型(N+)の高濃度層112とする。この高濃度層112は、イオン注入、リンデポ、エピ成長、ウエハ貼り合せなどによって形成することができる。そして、高濃度層112全面にスパッタ法などによってドレイン電極170を形成する。また、基板のドレイン領域140などが形成された面側に、ゲート電極150やソース電極160などを形成することで、半導体装置100を形成することができる。
The
次に、このような構成の半導体装置100の効果について、図2及び図3を用いて説明する。図2は、比較対象としての従来の半導体装置における、ドレイン用のパッドからLDMOS素子のドレイン領域までの電流経路を示す模式図である。図3は、本実施形態に係る半導体装置のうち、ドレイン用のパッドからLDMOS素子のドレイン領域までの電流経路を示す模式図である。なお、図2及び図3においては、一例として、LDMOS素子101の個数を3個としている。また、図2に示す従来の半導体装置に対しても、本実施形態に係る半導体装置の要素と同一の要素には、同一の符号を付与している。
Next, the effect of the
図2に示すように、従来の半導体装置100においては、各LDMOS素子101のドレイン電極170は、配線や接続部材の充填されたビアホールなどの配線部200を介して、共通のドレイン用のパッド190に接続されている。また、各LDMOS素子101のドレイン電極170は、コンタクトホール210を介して半導体基板110に形成された対応するドレイン領域140と接続されている。
As shown in FIG. 2, in the
このような構成においては、ドレイン用のパッド190から各LDMOS素子101のドレイン領域140までの電気抵抗を一定とすることは困難である。例えば素子面積を大きくするほど配線が高インピーダンスとなり、配線の長さの差によって各配線部200の抵抗に差異が生じることとなる。また、配線を多層化するほど、各配線部200として多くの配線やビアホールを備えることとなり、配線の取り回しによる配線長の差異だけでなく、配線やビアホールの製造ばらつきによっても各配線部200の抵抗に差異が生じることとなる。また、ドレイン電極170とドレイン領域140とを繋ぐコンタクトホール210の製造ばらつきによって抵抗に差異が生じることとなる。したがって、パッド190を介してESDによるサージ電流が流入すると、パッド190からドレイン領域140までのサージ電流の伝達に差異が生じて電流経路の抵抗値が低いLDMOS素子101にサージ電流が集中し、該素子101が破壊されてしまう。
In such a configuration, it is difficult to make the electric resistance from the
これに対し、本実施形態に係る半導体装置100においては、上述したように、各LDMOS素子101のドレイン電極170が一体化されてベタ状の電極となっている。したがって、図3に示すように、ドレイン用のパッド190とドレイン電極170とを接続する配線や接続用のビアホールなどの配線部200が各素子101で共通となっている。すなわち、各LDMOS素子101において、パッド190とドレイン電極170との間で電流伝達に差異が生じない構成となっている。また、ドレイン電極170は、半導体基板110の裏面にベタ状に形成されており、各LDMOS素子101のドレイン領域140との間は、高濃度層112と接続領域180によってそれぞれ接続されている。
On the other hand, in the
このような構成においては、サージ電流の伝達に影響を与える要素として、ベタ状のドレイン電極170における配線部200との接続点から各LDMOS素子101の接続領域180に対応する部位までの距離の差が考えられる。しかしながら、本実施形態においてはドレイン電極170が高濃度層112の表面全面を覆うベタ状となっているので、上述した従来の配線に比べて電流が流れやすく、距離の差がサージ電流の伝達に与える影響は小さい。
In such a configuration, the difference in distance from the connection point of the
また、高耐圧のLDMOS素子101を形成するためには、半導体基板110(半導体層111)の厚さを厚くする(例えば数μm以上とする)必要がある。この場合、接続領域180の長さは、一般的なビアホールの長さ(例えば1μm程度)の数倍以上と大きくなり、これによって接続領域180の抵抗も大きくなる。したがって、サージ電流の伝達に影響を与える要素として、距離差以外にも、接続領域180の製造ばらつき(抵抗ばらつき)を考慮する必要がある。これに対し、本実施形態においては、ドレイン電極170を高濃度層112の表面全面(LDMOS素子101の形成領域全面)に配置しているので接続領域180の抵抗ばらつきの影響を小さくすることができる。例えば複数の接続領域180の一部として他のものよりも抵抗値の高いものがある場合、高抵抗の接続領域180を伝達するサージ電流は減少してその近傍のポテンシャルが局所的に上昇する。そして、ドレイン電極170のうち、接続領域180に対応する部位の周辺部位から半導体基板110に流入するサージ電流が増加することとなるが、このサージ電流はP導電型のウェル領域120を通してソース電極160に排出される。このように、本実施形態に係る半導体装置100においては、接続領域180よりも極めて大面積のダイオードがLDMOS素子101と並列に挿入された構成とみなすことができる。なお、N導電型の半導体層111とP導電型のウェル領域120とで構成される寄生ダイオードは、ESDのピークである数十V〜数百Vで作動し、LDMOS素子101の通常動作では作動しないように構成されているので、リーク電流の原因になることはない。
In addition, in order to form the high breakdown
このように本実施形態に係る半導体装置100によれば、パッド190を通じてESDによるサージ電流が流入するドレイン電極170が各LDMOS素子101に対して共通となっている。また、ドレイン電極170が、高濃度層112の表面全面に形成されている。さらには、ドレイン電極170が、コンタクトホールを介さずに高濃度層112の表面全面に直接形成されている。なお、LDMOS素子101によって接続領域180の抵抗ばらつきが生じたとしても、ESD時に、半導体層111とウェル領域120で構成される寄生ダイオードが作動し、サージ電流の排出を各LDMOS素子101の形成領域全体で行うことができる。したがって、ESDによるサージ電流は、各LDMOS素子101にほぼ均一に流入することとなり、従来よりもESD耐量を向上することができる。
As described above, according to the
また、半導体層111と高濃度層112の積層方向に垂直な方向において、接続領域180の断面積をドレイン領域140の断面積よりも小さくすることで、1つのLDMOS素子101の形成領域において、接続領域180とウェル領域120との対向距離h2が、ドレイン領域140とウェル領域120との対向距離h1よりも長くなっている。したがって、所定のドリフト長を確保して耐圧の低下を抑制することができる。また、接続領域180が存在しながら、ドレイン電流の流れ方向を主として横方向とし、縦方向の動作を抑制することができる。
In addition, in the direction perpendicular to the stacking direction of the
なお、本実施形態においては、ソース電極160が半導体基板110の表面側に配置され、ドレイン電極170が半導体基板110の裏面側にベタ状に配置される例を示した。これに対し、ドレイン電極170が半導体基板110の表面側に配置され、ソース電極160が半導体基板110の裏面側にベタ状に配置された構成とすることも考えられる。しかしながら、このような構成においてドレイン電極170をベタ状としても、ドレイン電極170はコンタクトホールを介して半導体基板110(ドレイン領域140)と接続されるので、コンタクトホールの製造ばらつき(抵抗ばらつき)により、サージ電流の伝達に差異が生じる恐れがある。したがって、本実施形態に示したように、サージ電流が流入する側のドレイン電極170が半導体基板110の裏面側に配置された構成とすることが好ましい。
In the present embodiment, an example in which the
また、VDMOS素子に代表される縦型パワーMOS素子においては、ソース電極が半導体基板の表面側に配置され、ドレイン電極が半導体基板の裏面側に配置される。しかしながら縦型パワーMOS素子は半導体基板の厚さ方向の設計要因が入るため、CMOSなどの他の素子との集積化が困難である。これに対し、本実施形態に示すようにLDMOS素子101を備えた半導体装置100によれば、CMOSなどの他の素子との工程整合性が良く、集積化が容易である。
In a vertical power MOS device typified by a VDMOS device, the source electrode is disposed on the front surface side of the semiconductor substrate, and the drain electrode is disposed on the back surface side of the semiconductor substrate. However, since the vertical power MOS device has design factors in the thickness direction of the semiconductor substrate, it is difficult to integrate it with other devices such as CMOS. On the other hand, according to the
また、本実施形態においては、接続領域180の断面積が、半導体層111と高濃度層112の積層方向に沿ってほぼ一定とされる例を示した。しかしながら、接続領域180の形態は、ドレイン電流の流れ方向が横方向となり、縦方向の動作を抑制することができるものであれば採用することができる。例えば、図4に示すように、半導体層111と高濃度層112の積層方向に垂直な方向において、接続領域180の断面積が高濃度層112からドレイン領域140に向けて小さくなる構成としても良い。このような構成とすると、LDMOS素子101の動作に影響を及ぼすことなく、接続領域180を低抵抗化することができる。図4は、変形例を示す断面図である。
Further, in the present embodiment, an example is shown in which the cross-sectional area of the
また、本実施形態においては、半導体基板110として、接続領域180を含む半導体層111と高濃度層112とを有する例を示した。しかしながら、例えば図5に示すように、高濃度層112と半導体層111との間及び接続領域180と半導体層111との間に、半導体層111とは逆の導電型のP導電型(P−)の拡散領域220が形成された構成としても良い。このような構成は、拡散領域220の形成後、高濃度層112を形成することで得ることができる。このような構成とすると、半導体基板110との耐圧を確保するとともに通常動作においてリーク電流をより生じにくくすることができる。図5は、変形例を示す断面図である。
In the present embodiment, an example in which the
また、本実施形態においては、ドレイン電極170が、配線部200を介してパッド190と接続される例を示した。しかしながら、ドレイン電極170の一部が保護膜から露出されてパッド190とされた構成としても良い。このような構成としても、上述した構成と同様の効果を発揮することができるだけでなく、配線部200を不要とできる分、サージ電流を流れやすくすることができる。
In the present embodiment, the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態を、図6に基づいて説明する。図6は、第2実施形態に係る半導体装置のうち、LDMOS素子形成領域の一部の概略構成を示す断面図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described based on FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of part of the LDMOS element formation region in the semiconductor device according to the second embodiment.
第2実施形態に係る半導体装置は、第1実施形態に示した半導体装置と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第1実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。 Since the semiconductor device according to the second embodiment is often in common with the semiconductor device shown in the first embodiment, the detailed description of the common parts will be omitted below, and different parts will be described mainly. In addition, the same code | symbol shall be provided to the element same as the element shown in 1st Embodiment.
本実施形態においては、図6に示すように、接続領域180と半導体層111とを絶縁分離するように、接続領域180の周囲に絶遠分離トレンチ230が形成されている点を特徴とする。本実施形態においては、高濃度層112のドレイン電極形成側の表面(ドレイン電極170の配置面)からドレイン領域140の底部までの範囲に渡って略垂直にトレンチが形成され、該トレンチ内に多結晶シリコンやシリコン酸化物などが充填されて絶遠分離トレンチ230が構成されている。なお、半導体層111と高濃度層112の積層方向に垂直な方向において、絶遠分離トレンチ230によって囲まれた接続領域180の断面積は、ドレイン領域140の断面積よりも若干小さいながらも、第1実施形態に示した断面積よりも大きくなっている。
As shown in FIG. 6, the present embodiment is characterized in that an
このように本実施形態に係る半導体装置100によれば、絶遠分離トレンチ230によって、接続領域180と接続領域180を除く半導体基板110の部位との間で寄生素子が構成されるのを抑制することができる。したがって、高温化に適し、より微細なレイアウトに対応することができる。
As described above, according to the
また、絶遠分離トレンチ230によって囲まれた接続領域180は、LDMOS素子101の動作に影響を与えないので、断面積を大きくして接続領域180をより低抵抗化することが可能である。すなわち、オン抵抗を低減しつつESD耐量を向上することができる。
Further, since the
なお、本実施形態においては、絶遠分離トレンチ230が高濃度層112のドレイン電極形成側の表面からドレイン領域140の底部までの範囲に渡って形成される例を示した。しかしながら、絶遠分離トレンチ230としては、接続領域180と半導体層111とを絶縁分離しつつ、LDMOS素子101の機能を損なわない形態であれば、採用することができる。例えば図7に示すように、絶遠分離トレンチ230が高濃度層112のドレイン電極形成側の表面からドレイン領域140を貫通して半導体層111の表面まで形成され、半導体層111の表面上には、絶遠分離トレンチ230内の接続領域180と絶遠分離トレンチ230外のドレイン領域140とを電気的に接続する繋ぎ配線240が形成された構成としても良い。このように、絶遠分離トレンチ230が半導体基板110の表裏面に渡って貫通する構成とすると、上述の構成よりも複雑化するものの、絶遠分離トレンチ230の形成と、半導体基板110における絶遠分離トレンチ形成部位以外の部位(例えばLDMOS素子形成領域以外)におけるトレンチの形成とを同一の工程で実施することができる。図7は、変形例を示す断面図である。
In the present embodiment, the example in which the
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態を、図8に基づいて説明する。図8は、第3実施形態に係る半導体装置のうち、LDMOS素子形成領域の一部の概略構成を示す断面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of part of the LDMOS element formation region in the semiconductor device according to the third embodiment.
第3実施形態に係る半導体装置は、第1実施形態に示した半導体装置と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第1実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。 Since the semiconductor device according to the third embodiment is common in common with the semiconductor device shown in the first embodiment, a detailed description of the common parts will be omitted below, and different parts will be described mainly. In addition, the same code | symbol shall be provided to the element same as the element shown in 1st Embodiment.
上述した各実施形態においては、高濃度層112及び接続領域180を介して、ドレイン電極170とドレイン領域140とが電気的に接続される例を示した。これに対し、本実施形態においては、例えば図8に示すように、半導体基板110に、半導体層111のウェル形成面と反対の面に開口するトレンチ113が形成され、ドレイン電極170がトレンチ113の形成面上にも形成され、高濃度層112がトレンチの形成面の周囲に形成されてドレイン領域140と接している点を特徴とする。すなわち、高濃度層112のみを介して、ドレイン電極170とドレイン領域140とが電気的に接続されている点を特徴とする。なお、このような構成は、半導体基板110の裏面側からドレイン領域140に到達しない程度の深さをもつトレンチ113を形成後、半導体基板110の裏面のうち、トレンチ113を含むLDMOS素子101の形成領域全面に、イオン注入などによってドレイン領域140まで到達する高濃度層112を形成する。そして、半導体基板110の裏面のうち、少なくとも高濃度層112の表面全面にドレイン電極170を形成することで得ることができる。
In each of the embodiments described above, the
このように本実施形態に係る半導体装置100によれば、接続領域180を形成しなくとも、ESD耐量を向上することができる。
Thus, according to the
なお、本実施形態においては、図8に示すように、トレンチ113に対応して、ドレイン電極170の表面に凹部171を有する例を示した。すなわち、トレンチ113内の一部がドレイン電極170によって埋められた構成を示した。しかしながら、図9に示すように、トレンチ113内が、ドレイン電極170によって完全に埋められた構成としても良い。図9は、変形例を示す断面図である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 8, the example in which the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
本実施形態においては、複数のLDMOS素子を有する例として、半導体装置100が複数のNチャネル型のLDMOS素子101を有する例を示した。しかしながら、Pチャネル型のLDMOS素子101に対しても上述した各実施形態の構成を適用することができる。また、Nチャネル型とPチャネル型のLDMOS素子101をそれぞれ有する構成としても良い。
In the present embodiment, as an example having a plurality of LDMOS elements, the example in which the
本実施形態においては、半導体装置100において、LDMOS素子101以外の構成については特に言及しなかった。しかしながら、実際の用途ではCMOSやバイポーラ等、動作電圧の異なる他の素子と集積化されることが多い。このような場合、ドレイン電極170は、少なくとも高濃度層112の表面全面にベタ状に配置されれば良いが、LDMOS素子101以外の部分との絶縁性さえ確保できれば、半導体基板110の裏面全面にドレイン電極170を配置することも可能である。ただし、例えば回路部といった動作電圧の異なる部位の基板電位を、LDMOS素子101と同一にすることは望ましくない場合がある。この場合は、例えば図10に示すように、半導体基板110の裏面のうち、LDMOS素子101以外の部位(図10においては、回路部102)に対応する部位に絶縁膜250を形成し、これによって半導体基板110とドレイン電極170とを絶縁分離すれば良い。このような構成とすると、LDMOS素子101以外の裏面電位を、適宜所定電位に制御することが可能となる。なお、このような半導体装置100は、例えば絶縁膜250として埋め込み酸化膜を付けたウエハに対し、LDMOS素子101の形成領域のみ絶縁膜250を除去し、高濃度層112を選択的に形成した後に、ドレイン電極170を半導体基板110の裏面全面に形成することで得ることができる。また、LDMOS素子101の形成領域の側面との電気絶縁性を問題にする場合には、図10に示すように、回路部102の側面領域の耐圧が確保できるよう周囲に半導体基板110と逆の導電型のP導電型(P−)領域260を形成しておけばよい。図10は、その他変形例を示す断面図である。
In the present embodiment, in the
また、絶縁膜250を介しての、半導体基板110におけるLDMOS素子101以外の部分とドレイン電極170との容量結合が問題になる場合には、本実施形態に示したように、半導体基板110の裏面のうち、LDMOS101の形成領域のみ(高濃度層112の表面のみ)にドレイン電極170を形成するようにしても良い。また必要に応じてダイオードなどのESD保護素子を半導体基板110におけるLDMOS素子101以外の部分に形成し、この部分の絶縁膜250を除去した構成としても良い。
When capacitive coupling between the
また、図11に示すように、絶縁膜250の代わりに、半導体基板110と逆の導電型のP導電型(P−)領域270を形成した構成としても良い。すなわち、電位障壁を形成してやれば良い。LDMOS電位が低い場合には、絶縁膜250を不要とすることができるので、より低コストで形成することが可能である。図11は、その他変形例を示す断面図である。
Further, as shown in FIG. 11, instead of the insulating
100・・・半導体装置
101・・・LDMOS素子
110・・・半導体基板
111・・・半導体層
112・・・高濃度層
120・・・ウェル領域
130・・・ソース領域
140・・・ドレイン領域
170・・・ドレイン電極
180・・・接続領域
190・・・ドレイン用パッド
200・・・配線部
210・・・コンタクト部
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記半導体層の表層に形成された前記第1導電型とは逆の第2導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域の表層に形成された第1導電型のソース領域と、
前記半導体層の表層に、前記ウェル領域とは離れて形成された第1導電型のドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で、前記ウェル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記ウェル領域及び前記ソース領域上に形成されたソース電極と、
前記ドレイン領域と電気的に接続されたドレイン電極とを有する横型DMOS素子を複数備えた半導体装置であって、
前記半導体基板における前記複数の横型DMOS素子の形成領域として、前記半導体層とともに、前記半導体層のウェル形成面とは反対の面上に、前記半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の高濃度層が形成され、
前記半導体基板におけるゲート電極形成面の裏面であって、少なくとも前記高濃度層の半導体層との境界とは反対の表面全面に前記ドレイン電極が直接形成され、
前記ドレイン電極と複数の前記ドレイン領域とが、それぞれ電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type semiconductor layer as a part of the semiconductor substrate;
A well region of a second conductivity type opposite to the first conductivity type formed in a surface layer of the semiconductor layer;
A first conductivity type source region formed in a surface layer of the well region;
A drain region of a first conductivity type formed in a surface layer of the semiconductor layer apart from the well region;
A gate electrode formed on the well region via a gate insulating film between the source region and the drain region;
A source electrode formed on the well region and the source region;
A semiconductor device comprising a plurality of lateral DMOS elements each having a drain electrode electrically connected to the drain region,
As a formation region of the plurality of lateral DMOS elements in the semiconductor substrate, a first conductivity type high impurity concentration higher than that of the semiconductor layer is formed on the surface opposite to the well formation surface of the semiconductor layer together with the semiconductor layer. A concentration layer is formed,
The drain electrode is directly formed on the entire surface of the semiconductor substrate opposite to the boundary with the semiconductor layer of the high-concentration layer on the back surface of the gate electrode formation surface,
The semiconductor device, wherein the drain electrode and the plurality of drain regions are electrically connected to each other.
前記接続領域及び前記高濃度層を介して、前記ドレイン電極と複数の前記ドレイン領域とが、それぞれ電気的に接続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。 A connection region of a first conductivity type having a higher impurity concentration than the semiconductor layer is formed in the semiconductor layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the drain electrode and the plurality of drain regions are electrically connected to each other through the connection region and the high concentration layer.
前記半導体層の表面上には、前記絶遠分離トレンチ内の接続領域と前記絶遠分離トレンチ外のドレイン領域とを電気的に接続する繋ぎ配線が形成されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。 The distant isolation trench is formed from the surface on the drain electrode forming side of the high concentration layer to the surface of the semiconductor layer through the drain region,
8. A connecting wiring for electrically connecting a connection region in the far isolation trench and a drain region outside the far isolation trench is formed on the surface of the semiconductor layer. A semiconductor device according to 1.
前記ドレイン電極が、前記トレンチの形成面上にも形成され、
前記高濃度層が、前記トレンチの形成面の周囲に形成されて前記ドレイン領域と接していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 In the semiconductor substrate, a trench is formed that opens on a surface opposite to the well formation surface of the semiconductor layer,
The drain electrode is also formed on the formation surface of the trench,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the high-concentration layer is formed around a formation surface of the trench and is in contact with the drain region.
前記半導体基板におけるゲート電極形成面の裏面上全面に、前記ドレイン電極が形成されていることを特徴とする請求項1〜10いずれか1項に記載の半導体装置。 In the semiconductor substrate, the formation region of the lateral DMOS element and the region excluding the formation region of the lateral DMOS element are insulated and separated.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the drain electrode is formed on the entire back surface of the gate electrode forming surface of the semiconductor substrate.
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