JP2010186878A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP2010186878A
JP2010186878A JP2009030214A JP2009030214A JP2010186878A JP 2010186878 A JP2010186878 A JP 2010186878A JP 2009030214 A JP2009030214 A JP 2009030214A JP 2009030214 A JP2009030214 A JP 2009030214A JP 2010186878 A JP2010186878 A JP 2010186878A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
semiconductor region
semiconductor device
voltage
gate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2009030214A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5407398B2 (en
Inventor
Hongfei Lu
ルー ホンフェイ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Systems Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Systems Co Ltd filed Critical Fuji Electric Systems Co Ltd
Priority to JP2009030214A priority Critical patent/JP5407398B2/en
Publication of JP2010186878A publication Critical patent/JP2010186878A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5407398B2 publication Critical patent/JP5407398B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a protective function for preventing breakage of a semiconductor device, and to improve the withstand voltage of the semiconductor device, in a horizontal semiconductor device. <P>SOLUTION: A trench 16 is formed on a wafer surface between an n+ emitter region 6 and a p+ collector region 12, and the inside thereof is embedded with a trench embedding insulation film 17. A p-type floating region 13 is arranged on the wafer surface between the n+ emitter region 6 and the trench 16. Thereby, a p-type floating region 13 being a protective function for detecting abnormality of this semiconductor device is provided, and a drift region for supporting the withstand voltage is bent by the trench 16 to increase an effective drift length. In a first switch arranged in a protective circuit of such a semiconductor circuit, a gate threshold voltage of the semiconductor device and a turn-on time not smaller than the turn-on time of the semiconductor device are set. The gate voltage of the semiconductor device is controlled by detecting the voltage of the p-type floating region 13 by the first switch. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、横型のパワー半導体装置に関する。   The present invention relates to a horizontal power semiconductor device.

MOS型電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)とバイポーラトランジスタを融合したパワー半導体装置の一つである絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)は、その内部に形成されたpnpトランジスタによる伝導度変調により、オン抵抗を大幅に低減させることができる。そのため、特にインバータドライバやプラズマディスプレイ(PDP:Plasma Display Panel)ドライバなどに用いられている。   An insulated gate bipolar transistor (IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor), which is one of power semiconductor devices in which a MOS type field effect transistor (MOSFET: Metal Oxide Field Effect Transistor) and a bipolar transistor are fused, is formed inside. The on-resistance can be greatly reduced by the conductivity modulation by the pnp transistor. Therefore, it is used especially for an inverter driver or a plasma display panel (PDP) driver.

一般に、IGBTなどのパワー半導体装置は、大電流や過電圧に対する耐量を持ち、その耐量を超える負荷が半導体装置に加わった場合、電極間において内部短絡が生じ、破壊に至る恐れがある。半導体装置に内部短絡が生じる原因には、半導体装置がオン状態のときにコレクタ・エミッタ間電圧が過剰に高くなる(FUL:Fault Under Load)ことや、コレクタ・エミッタ間電圧が高電位に固定された状態で半導体装置がターンオンされる(HSF:Hard Switching Fault)ことなどが挙げられる。このような原因から生じるパワー半導体装置の破壊を防止するために、パワー半導体装置を過電流や過電圧から保護するための様々な保護機能が必要となる。   In general, a power semiconductor device such as an IGBT has a withstand capability against a large current or an overvoltage, and when a load exceeding the withstand capability is applied to the semiconductor device, an internal short circuit may occur between the electrodes, which may lead to a breakdown. The cause of the internal short circuit in the semiconductor device is that the collector-emitter voltage becomes excessively high when the semiconductor device is on (FUL: Fault Under Load), or the collector-emitter voltage is fixed at a high potential. For example, the semiconductor device is turned on (HSF: Hard Switching Fault). In order to prevent the power semiconductor device from being destroyed due to such a cause, various protection functions are required for protecting the power semiconductor device from overcurrent and overvoltage.

半導体装置を過電圧から保護するための方法として、例えば、トランジスタやIGBTなどの個別半導体装置(ディスクリートデバイス)にアバランシェダイオードを接続する方法が提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。   As a method for protecting a semiconductor device from overvoltage, for example, a method of connecting an avalanche diode to an individual semiconductor device (discrete device) such as a transistor or IGBT has been proposed (for example, see Non-Patent Document 1).

また、半導体装置を過電流から保護するための方法として、メインIGBTにセンスIGBTを備えて、メインIGBTに流れる電流を監視し、メインIGBTに過電流が流れた場合にゲート電圧を遮断する方法が提案されている(例えば、非特許文献2参照。)。   Also, as a method for protecting the semiconductor device from overcurrent, there is a method in which a sense IGBT is provided in the main IGBT, the current flowing through the main IGBT is monitored, and the gate voltage is cut off when the overcurrent flows through the main IGBT. (For example, refer nonpatent literature 2).

また、半導体装置を過電流から保護するための別の方法として、IGBTのコレクタ・エミッタ間電圧を監視し、コレクタ・エミッタ間に過電圧がかかった場合に、IGBTを流れる電流を制御する方法(以下、電圧センシングとする)が提案されている(例えば、非特許文献3〜5参照。)。   As another method for protecting a semiconductor device from overcurrent, a voltage between the collector and the emitter of the IGBT is monitored, and when an overvoltage is applied between the collector and the emitter, a current flowing through the IGBT is controlled (hereinafter referred to as an “overcurrent”). Have been proposed (for example, see Non-Patent Documents 3 to 5).

非特許文献2の技術では、センスIGBTとメインIGBTとの電気性能の整合性が問われる他、消費電力が大きいという問題がある。また、電流検出時のフィードバックループにより、電流波形に振動が生じやすくなるという問題がある。一方、電圧センシングでは、非特許文献2の技術に比べて電流検出精度が低くなってしまうが、検出電流にノイズが少なく、装置全体を簡素化できるという利点がある。   In the technique of Non-Patent Document 2, there is a problem that power consumption is large in addition to checking consistency of electrical performance between the sense IGBT and the main IGBT. In addition, there is a problem that vibration is likely to occur in the current waveform due to the feedback loop at the time of current detection. On the other hand, in voltage sensing, the current detection accuracy is lower than that in the technique of Non-Patent Document 2, but there is an advantage that the detection current has less noise and the entire apparatus can be simplified.

上述した電圧センシングでは、半導体装置にかかる過電圧を監視するためのセンサー(以下、電圧センサーとする)を設けている。電圧センサーには、ダイオードを用いるものや、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)酸化膜の膜厚と同程度の膜厚を有するゲート酸化膜を設けたMOSFET(以下、フィールドMOSFETとする)を用いるものや、半導体装置と一体化して形成され、半導体装置の電源電圧から独立した半導体領域(以下、フローティング領域とする)を用いるものがある。   In the voltage sensing described above, a sensor (hereinafter referred to as a voltage sensor) for monitoring an overvoltage applied to the semiconductor device is provided. As the voltage sensor, one using a diode, a MOSFET provided with a gate oxide film having a film thickness similar to that of a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) oxide film (hereinafter referred to as a field MOSFET), Some semiconductor devices are formed integrally with a semiconductor device and use a semiconductor region (hereinafter referred to as a floating region) independent of the power supply voltage of the semiconductor device.

上述したそれぞれの電圧センサーついて説明する。なお、本明細書および添付図面において、nまたはpを冠記した半導体は、それぞれ電子または正孔がキャリアであることを意味する。また、n+やn-などのように、nやpに付す+または-は、それぞれそれらが付されていない半導体の不純物濃度よりも比較的高不純物濃度または比較的低不純物濃度であることを表す。 Each voltage sensor described above will be described. Note that in this specification and the accompanying drawings, a semiconductor in which n or p is mentioned means that an electron or a hole is a carrier, respectively. Further, n + and n - as such, subjected to n or p + or - that is, a relatively high impurity concentration or a relatively low impurity concentration than the impurity concentration of the semiconductor which they are not attached, respectively To express.

図24は、従来の電圧センシングの一例を示す回路図である。図24に示すように、ダイオードを用いた電圧センシングでは、IGBT2001を保護するために、IGBT2001に、ダイオード2002、センシング抵抗2003、コンパレータ2004およびゲート制御回路2005が設けられている。IGBT2001のコレクタ端子は、ダイオード2002のカソード端子と出力端子2007に接続されている。IGBT2001のエミッタ端子は接地されている。IGBT2001のゲート端子には、ゲート制御回路2005が接続されている。ダイオード2002のアノード端子には、センシング抵抗2003を介して制御電圧入力端子(センス入力)2008が接続されている。出力端子2007における電圧VOUTが制御電圧入力端子2008における電圧VSよりも高い場合に、ダイオード2002とセンシング抵抗2003との間のノード2006におけるセンス電圧VSENを、コンパレータ2004によって、予め設定された電圧VREFと比較して、ゲート制御回路2005が駆動される。ゲート制御回路2005は、IGBT2001のゲート電圧を遮断または低下させるように機能する(例えば、非特許文献3参照。)。 FIG. 24 is a circuit diagram showing an example of conventional voltage sensing. As shown in FIG. 24, in voltage sensing using a diode, a diode 2002, a sensing resistor 2003, a comparator 2004, and a gate control circuit 2005 are provided in the IGBT 2001 in order to protect the IGBT 2001. The collector terminal of the IGBT 2001 is connected to the cathode terminal of the diode 2002 and the output terminal 2007. The emitter terminal of the IGBT 2001 is grounded. A gate control circuit 2005 is connected to the gate terminal of the IGBT 2001. A control voltage input terminal (sense input) 2008 is connected to the anode terminal of the diode 2002 via a sensing resistor 2003. When the voltage V OUT at the output terminal 2007 is higher than the voltage V S at the control voltage input terminal 2008, the sense voltage V SEN at the node 2006 between the diode 2002 and the sensing resistor 2003 is preset by the comparator 2004. Compared to the voltage V REF , the gate control circuit 2005 is driven. The gate control circuit 2005 functions to cut off or reduce the gate voltage of the IGBT 2001 (see, for example, Non-Patent Document 3).

図25は、従来の電圧センシングの別の一例を示す回路図である。図25に示すように、フィールドMOSFETを用いた電圧センシングでは、MOSFET2101を保護するために、MOSFET2101に、フィールドMOSFET2102、センシング抵抗2103およびゲート制御回路2105が接続されている。MOSFET2101のドレイン端子は、出力端子2104を介してフィールドMOSFET2102のゲート端子に接続されている。MOSFET2101のソース端子は、接地されている。MOSFET2101のゲート端子は、ゲート制御回路2105に接続されている。フィールドMOSFET2102のドレイン端子は、電源電圧端子2106に接続されている。フィールドMOSFET2102のソース端子はセンシング抵抗2103およびゲート制御回路2105に接続されている。センシング抵抗2103およびゲート制御回路2105は接地されている。センシング抵抗2103の両端の電圧は、フィールドMOSFET2102のゲート・ソース間電圧−ドレイン・ソース間電流(Vgs−Ids)特性に制御され、ゲート制御回路2105に入力される。そして、ゲート制御回路2105によってMOSFET2101のゲート電圧が制御される(例えば、非特許文献6参照。)。 FIG. 25 is a circuit diagram showing another example of conventional voltage sensing. As shown in FIG. 25, in voltage sensing using a field MOSFET, a field MOSFET 2102, a sensing resistor 2103, and a gate control circuit 2105 are connected to the MOSFET 2101 in order to protect the MOSFET 2101. The drain terminal of the MOSFET 2101 is connected to the gate terminal of the field MOSFET 2102 via the output terminal 2104. The source terminal of the MOSFET 2101 is grounded. The gate terminal of the MOSFET 2101 is connected to the gate control circuit 2105. The drain terminal of the field MOSFET 2102 is connected to the power supply voltage terminal 2106. The source terminal of the field MOSFET 2102 is connected to the sensing resistor 2103 and the gate control circuit 2105. The sensing resistor 2103 and the gate control circuit 2105 are grounded. The voltage across the sensing resistor 2103 is controlled by the gate-source voltage-drain-source current (V gs -I ds ) characteristic of the field MOSFET 2102 and is input to the gate control circuit 2105. Then, the gate voltage of the MOSFET 2101 is controlled by the gate control circuit 2105 (see, for example, Non-Patent Document 6).

図26は、従来の電圧センシングの別の一例を示す回路図である。図26に示すように、縦型のメインIGBT1000にフローティング領域を設けた電圧センシングでは、メインIGBT1000のゲート電圧を制御するためのスイッチ1017を設けている。メインIGBT1000のおもて面には、n-ドリフト層1003の表面層の一部に、pベース領域1004、p+低抵抗領域1005、n+エミッタ領域1006、エミッタ電極1007、ゲート電極1008およびゲート絶縁膜1009が設けられている。メインIGBT1000の裏面には、n-ドリフト層1003の裏面に、nバッファ層1011、p+コレクタ層1012およびコレクタ電極1010が設けられている。また、ゲート電極1008、エミッタ電極1007およびコレクタ電極1010には、ゲート端子1015、エミッタ端子1016およびコレクタ端子1018が接続されている。 FIG. 26 is a circuit diagram showing another example of conventional voltage sensing. As shown in FIG. 26, in voltage sensing in which a floating region is provided in a vertical main IGBT 1000, a switch 1017 for controlling the gate voltage of the main IGBT 1000 is provided. On the front surface of the main IGBT 1000, a p base region 1004, a p + low resistance region 1005, an n + emitter region 1006, an emitter electrode 1007, a gate electrode 1008, and a gate are formed on part of the surface layer of the n drift layer 1003. An insulating film 1009 is provided. The rear surface of the main IGBT1000, n - on the back surface of the drift layer 1003, n the buffer layer 1011, p + collector layer 1012 and a collector electrode 1010 is provided. A gate terminal 1015, an emitter terminal 1016, and a collector terminal 1018 are connected to the gate electrode 1008, the emitter electrode 1007, and the collector electrode 1010.

-ドリフト層1003の表面層の一部には、pベース領域1004と離れてp型フローティング領域1013が設けられている。p型フローティング領域1013の表面の一部には、フローティング電極1014が設けられている。フローティング電極1014は、ゲート絶縁膜1009によりゲート電極1008と電気的に絶縁されている。p型フローティング領域1013は、フローティング電極1014を介してスイッチ1017のゲート端子と接続されている。 A part of the surface layer of the n drift layer 1003 is provided with a p-type floating region 1013 apart from the p base region 1004. A floating electrode 1014 is provided on part of the surface of the p-type floating region 1013. The floating electrode 1014 is electrically insulated from the gate electrode 1008 by the gate insulating film 1009. The p-type floating region 1013 is connected to the gate terminal of the switch 1017 through the floating electrode 1014.

スイッチ1017のソース端子は、メインIGBT1000のエミッタ電極1007と接続されている。スイッチ1017のドレイン端子はメインIGBT1000のゲート電極1008と接続されている。スイッチ1017には例えばMOSFETなどが用いられ、スイッチ1017のゲート閾値電圧は、メインIGBT1000のコレクタ・エミッタ間電圧の制限値に応じて設定される。メインIGBT1000のコレクタ・エミッタ間電圧が制限値を超えた場合に、スイッチ1017がターンオンされ、メインIGBT1000のゲート電圧を制御している(例えば、非特許文献7参照。)。   The source terminal of the switch 1017 is connected to the emitter electrode 1007 of the main IGBT 1000. The drain terminal of the switch 1017 is connected to the gate electrode 1008 of the main IGBT 1000. For example, a MOSFET or the like is used as the switch 1017, and the gate threshold voltage of the switch 1017 is set according to the limit value of the collector-emitter voltage of the main IGBT 1000. When the collector-emitter voltage of the main IGBT 1000 exceeds the limit value, the switch 1017 is turned on to control the gate voltage of the main IGBT 1000 (see, for example, Non-Patent Document 7).

図27は、従来の電圧センシングの別の一例を示す断面図である。図27に示すように、横型のメインIGBT1100にフローティング領域を設けた電圧センシングでは、図26に示す半導体装置と同様に、メインIGBT1100のゲート電圧を制御するためのスイッチ1017を設けている。図27に示すメインIGBT1100は、p+低抵抗率基板1001のおもて面に、n-ドリフト層1003が設けられている。n-ドリフト層1003の表面層には、pベース領域1004およびnバッファ領域1011が互いに離れて設けられている。pベース領域1004の表面層の一部には、n+エミッタ領域1006が設けられている。n+エミッタ領域1006に隣接して、p+低抵抗領域1005が設けられている。p+低抵抗領域1005の一部は、n+エミッタ領域1006の下の領域の一部を占めている。nバッファ領域1011の表面層の一部には、p+コレクタ領域1012が設けられている。 FIG. 27 is a cross-sectional view showing another example of conventional voltage sensing. As shown in FIG. 27, in the voltage sensing in which the floating region is provided in the horizontal main IGBT 1100, a switch 1017 for controlling the gate voltage of the main IGBT 1100 is provided as in the semiconductor device shown in FIG. In the main IGBT 1100 shown in FIG. 27, an n drift layer 1003 is provided on the front surface of the p + low resistivity substrate 1001. the n - surface layer of the drift layer 1003, p base region 1004 and the n buffer region 1011 is disposed apart from each other. An n + emitter region 1006 is provided in part of the surface layer of the p base region 1004. A p + low resistance region 1005 is provided adjacent to the n + emitter region 1006. A part of the p + low resistance region 1005 occupies a part of the region below the n + emitter region 1006. A p + collector region 1012 is provided in part of the surface layer of the n buffer region 1011.

+エミッタ領域1006の表面の一部からp+低抵抗領域1005の表面にかけて、エミッタ電極1007が設けられている。つまり、エミッタ電極1007により、n+エミッタ領域1006とp+低抵抗領域1005は短絡している。n+エミッタ領域1006の表面の一部からn-ドリフト層1003の表面の一部にかけて、ゲート絶縁膜1009を介してゲート電極1008が設けられている。p+コレクタ領域1012の表面の一部には、コレクタ電極1010が設けられている。ゲート電極1008とコレクタ電極1010の間において、n-ドリフト層1003の表面の一部には、絶縁膜1019を介してフローティング電極1014が設けられている。p+低抵抗率基板1001の裏面には、裏面電極1020が設けられている。ゲート電極1008、エミッタ電極1007およびコレクタ電極1010には、図示省略したゲート端子1015、エミッタ端子1016およびコレクタ端子1018が接続されている。絶縁膜1019およびフローティング電極1014が電圧センサーとして機能している。 An emitter electrode 1007 is provided from a part of the surface of the n + emitter region 1006 to the surface of the p + low resistance region 1005. That is, the emitter electrode 1007, n + emitter region 1006 and the p + low resistance region 1005 are short-circuited. A gate electrode 1008 is provided through a gate insulating film 1009 from a part of the surface of the n + emitter region 1006 to a part of the surface of the n drift layer 1003. A collector electrode 1010 is provided on a part of the surface of the p + collector region 1012. Between the gate electrode 1008 and the collector electrode 1010, a floating electrode 1014 is provided on a part of the surface of the n drift layer 1003 with an insulating film 1019 interposed therebetween. A back electrode 1020 is provided on the back surface of the p + low resistivity substrate 1001. A gate terminal 1015, an emitter terminal 1016, and a collector terminal 1018 (not shown) are connected to the gate electrode 1008, the emitter electrode 1007, and the collector electrode 1010. The insulating film 1019 and the floating electrode 1014 function as a voltage sensor.

-ドリフト層1003は、フローティング電極1014を介してスイッチ1017のゲート端子と接続されている。スイッチ1017のソース端子は、メインIGBT1100のエミッタ電極1007と接続されている。スイッチ1017のドレイン端子はメインIGBT1100のゲート電極1008と接続されている。メインIGBT1100のゲート電圧の制御方法は、図26に示す例と同様である(例えば、特許文献1参照。)。 n - drift layer 1003 is connected to the gate terminal of the switch 1017 via a floating electrode 1014. The source terminal of the switch 1017 is connected to the emitter electrode 1007 of the main IGBT 1100. The drain terminal of the switch 1017 is connected to the gate electrode 1008 of the main IGBT 1100. The method for controlling the gate voltage of the main IGBT 1100 is the same as the example shown in FIG. 26 (see, for example, Patent Document 1).

特許文献1に示す技術では、スイッチ1017のゲート電圧VGM1は、絶縁膜1019下のn-ドリフト層1003の表面層における静電ポテンシャルVB、n-ドリフト層1003と絶縁膜1019を介したフローティング電極1014との間に形成される容量CSEN、スイッチ1017のゲート容量CGM1により、次の(1)式を満たす値となる。 In the technique shown in Patent Document 1, the gate voltage V GM1 of the switch 1017 is floating through the electrostatic potential V B in the surface layer of the n drift layer 1003 below the insulating film 1019, via the n drift layer 1003 and the insulating film 1019. The capacitance C SEN formed between the electrode 1014 and the gate capacitance C GM1 of the switch 1017 has a value satisfying the following expression (1).

GM1=(CSEN/(CSEN+CGM1))VB ・・・(1) V GM1 = (C SEN / (C SEN + C GM1 )) V B (1)

ゲート容量CGM1は、主にスイッチ1017のゲート絶縁膜による容量である。メインIGBT1100のゲート電圧を制御するための分圧を合理的に行うためには、センシング容量CSENとゲート容量CGM1とは同程度の大きさとする必要がある。 The gate capacitance C GM1 is mainly a capacitance due to the gate insulating film of the switch 1017. To perform the partial pressure for controlling the gate voltage of the main IGBT1100 reasonable is the sensing capacitance C SEN and the gate capacitance C GM1 is required to be of the same order of magnitude.

ところで、半導体装置内に設けられる各領域の面積を減らしつつ、半導体装置の耐圧を向上させる方法として、ドリフト領域に誘電体トレンチを設ける方法が広く知られている(例えば、特許文献2、非特許文献8および非特許文献9参照。)。   By the way, a method of providing a dielectric trench in the drift region is widely known as a method for improving the breakdown voltage of the semiconductor device while reducing the area of each region provided in the semiconductor device (for example, Patent Document 2, Non-Patent Document). (Ref. Literature 8 and Non-Patent Literature 9).

このような半導体装置として、例えば横型MOSFETを用いて説明する。図28は、従来の誘電体トレンチを有する半導体装置を示す断面図である。図28に示す半導体装置1300では、p型基板1301のおもて面に、n+埋込層1302およびn-エピタキシャル層1303が積層されている。n-エピタキシャル層1303の表面層の一部には、pボディ領域1305およびnバッファ領域1304が互いに接して設けられている。pボディ領域1305の表面層の一部には、n+ソース領域1307が設けられている。n+ソース領域1307に隣接して、p+低抵抗領域1306が設けられている。nバッファ領域1304の表面層の一部には、n+ドレイン領域1308が設けられている。また、n+ドレイン領域1308に接して、nバッファ領域1304を貫通しない程度のトレンチ1309が設けられている。トレンチ1309は、酸化膜等のトレンチ埋め込み絶縁膜1310により埋められている。 As such a semiconductor device, for example, a lateral MOSFET will be described. FIG. 28 is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor device having a dielectric trench. In the semiconductor device 1300 shown in FIG. 28, an n + buried layer 1302 and an n epitaxial layer 1303 are stacked on the front surface of a p-type substrate 1301. A p body region 1305 and an n buffer region 1304 are provided in contact with each other on part of the surface layer of the n epitaxial layer 1303. An n + source region 1307 is provided in part of the surface layer of the p body region 1305. A p + low resistance region 1306 is provided adjacent to the n + source region 1307. An n + drain region 1308 is provided in part of the surface layer of the n buffer region 1304. A trench 1309 is provided in contact with the n + drain region 1308 so as not to penetrate the n buffer region 1304. The trench 1309 is filled with a trench buried insulating film 1310 such as an oxide film.

+ソース領域1307の一部からトレンチ1309の一部にかけて、ゲート酸化膜1313を介してゲート電極1312が設けられている。ソース電極1311は、n+ソース領域1307とp+低抵抗領域1306の両方に接触し、n+ソース領域1307とp+低抵抗領域1306を短絡している。ドレイン電極1314は、n+ドレイン領域1308に接触している。n+ドレイン領域1308のゲート電極1312側の端部は、pボディ領域1305とnバッファ領域1304の境界から第1の長さLDだけ離れている。トレンチ1309のゲート電極1312側の端部は、pボディ領域1305とnバッファ領域1304の境界から第2の長さLPだけ離れている。 A gate electrode 1312 is provided through a gate oxide film 1313 from a part of the n + source region 1307 to a part of the trench 1309. The source electrode 1311 is in contact with both the n + source region 1307 and the p + low resistance region 1306, are short-circuited to the n + source region 1307 and the p + low resistance region 1306. Drain electrode 1314 is in contact with n + drain region 1308. The end of n + drain region 1308 on the gate electrode 1312 side is separated from the boundary between p body region 1305 and n buffer region 1304 by a first length L D. The end of the trench 1309 on the gate electrode 1312 side is separated from the boundary between the p body region 1305 and the n buffer region 1304 by the second length L P.

このような半導体装置1300では、ドリフト領域にシリコンに比べて破壊電界が大きいトレンチ埋め込み絶縁膜1310を設けることで、半導体基板中のキャリアがトレンチ1309に沿って移動するため、トレンチが形成されていない構造の半導体装置に比べて実効的なドリフト長Leffを伸ばすことができる。そのため、半導体装置1300のドリフト領域の表面面積を減らしたとしても、トレンチ1309の外周を調節することでドリフト長Leffを伸ばすことができ、オン抵抗(RonA:Specific on−Resistance)が低減される。このとき、ドリフト長Leffは、第1の長さLDに比べて長くすることができ、n+ドレイン領域1308の下の領域からトレンチ1309の底面までのトレンチの深さLTおよびトレンチ幅LBとしたときに、次の(2)式を満たす値となる。 In such a semiconductor device 1300, since the trench embedded insulating film 1310 having a breakdown electric field larger than that of silicon is provided in the drift region, carriers in the semiconductor substrate move along the trench 1309, so that no trench is formed. The effective drift length L eff can be increased as compared with the semiconductor device having the structure. Therefore, even if the surface area of the drift region of the semiconductor device 1300 is reduced, the drift length L eff can be increased by adjusting the outer periphery of the trench 1309, and the on-resistance (RonA) is reduced. . At this time, the drift length L eff can be made longer than the first length L D , and the trench depth LT and the trench width from the region below the n + drain region 1308 to the bottom surface of the trench 1309 when the L B, a value that satisfies the following equation (2).

eff=LP+2LT+LB>LD ・・・(2) L eff = L P + 2L T + L B > L D (2)

特開平11−266016号公報(図54)Japanese Patent Laid-Open No. 11-266016 (FIG. 54)

特開2006−5175号公報JP 2006-5175 A

ティー・ヤマザキ(T.Yamazaki)、外2名、ジ IGBT ウィズ モノリシック オーバーボルテージ プロテクション サーキット(The IGBT with monolithic overvoltage protection circuit)、(米国)、パワー半導体デバイス国際シンポジウム1993(ISPSD’93:Proceedings of International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 1993)、1993年、p.41−45T. Yamazaki, 2 others, The IGBT with monolithic overvoltage protection circuit (The IGBT protection protection circuit, United States) on Power Semiconductor Devices and ICs 1993), 1993, p. 41-45

ワイ・セキ(Y.Seki)、外3名、ア ニュー IGBT ウィズ ア モノリシック オーバー−カレント ボルテージ プロテクション サーキット(A new IGBT with a monolithic over−current protection circuit)、(スイス)、パワー半導体デバイス国際シンポジウム1994(ISPSD’94:Proceedings of International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 1994)、1994年、p.31−35Y. Seki, 3 others, A new IGBT with a monolithic over-current voltage protection circuit (A new IGBT with a monolithic over-current protection circuit), (Switzerland), Power Semiconductor Device Symposium (Swiss 19) ISPSD '94: Proceedings of International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 1994), 1994, p. 31-35

アール・レター(R.Letor)、外1名、ショート サーキット ビヘイビュア オブ IGBT’ズ コーレレイティド トゥー ジ イントリンシック デバイス ストラクチャー アンド オン ジ アプリケーション サーキット(Short circuit behavior of IGBT’s correlated to the intrinsic device structure and on the application circuit)、(USA)、アイ・トリプル・イー トランサクションズ オン インダストリー アプリケーションズ(IEEE Transactions on Industry Applications)、1995年3−4月、第31巻、第2号、p.234−239R.Letor, 1 other, Short Circuit Behavior of IGBT's Correlated to the Intrinsic Device Structure and on the application in the circuit in the application circuit), (USA), I Triple E Transactions on Industry Applications, March-April 1995, Vol. 31, No. 2, p. 234-239

エス・ムズメッチ(S.Musumeci)、外2名、ア ニュー ゲート サーキット パフォーミング フォールト プロテクション オブ IGBTズ デュアリング ショート サーキット トランジェンツ(A new gate circuit performing fault protection of IGBTs during short circuit transients)、(USA)、2002 アイ・トリプル・イー インダストリー アプリケーションズ カンファレンス(IEEE Industry Applications Conference 2002)、2002年、第4巻、p.2614−2621S. Musumeci, 2 others, A New Gate Circuit Performing Fault Protection of IGBTs, Duaring Short Circuit Transforms (200), 2nd, 2), A New Gate Circuit Performing Fraction of IGBTs I. Triple E Industry Applications Conference (IEEE Industry Applications Conference 2002), 2002, Vol. 4, p. 2614-2621

シー・カラメル(C.Caramel)、外4名、インタラクション アナライズ アンド インスレイション テクニキューズ フォア ショート−サーキット インテグレイティド プロテクション ストラクチャー(Interaction analysis and insulation techniques for short−circuit integrated protection structure)、(イタリア)、プロシーディングス オブ ザ 18th インターナショナル シンポジウム オン パワー セミコンダクタ デバイシズ アンド IC’s(Proceedings of the 18th International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s)、2006年6月4−8日、p6−46C. Caramel, 4 others, Interaction Analyzes and Insulation Techniques for Short-Circuit Integrated Protection Structure (Instruction Analysis for Short-Circuit Int. Of the 18th International Symposium on Power Semiconductor Devices and IC's (Proceedings of the 18th International Symposium on Power Semiconductor Dev ices & IC's), June 4-8, 2006, p6-46.

ティー・テラシマ(T.Terashima)、外3名、60V フィールド NMOS アンド PMOS トランジスタズ フォア ザ マルチ−ボルテージ システム インテグレーション(60V field NMOS and PMOS transistors for the multi−voltage system integration)、パワー半導体デバイス国際シンポジウム2001(Proceedings of 2001 International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s)、2001年、p.259−262T. Terashima, 3 others, 60V field NMOS and PMOS transistors for the multi-voltage system integration (60V field NMOS and PMOS transistors for the multi-voltage system integration, power semiconductor symposium 1) Proceedings of 2001, International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's), 2001, p. 259-262

インファン ジ(In−Hwan Ji)、外7名、ア ニュー 1200V PT−IGBT ウィズ プロテクション サーキット エンプロイイング ザ ラテラル IGBT アンド フローティング pウェル ボルテージ センシング スキーム(A new 1200V PT−IGBT with protection circuit employing the Lateral IGBT and floating p−well voltage sensing scheme)、エクステンデッド アブストラクツ オブ ザ 2006 インターナショナル カンファレンス オン ソリッド ステイト デバイシズ アンド マテリアルズ(Extended Abstracts of the 2006 International Conference on Solid State Devices and Materials)、2006年、p.512−513In-Hwan Ji, 7 others, A New 1200V PT-IGBT with protection circuit Employing the Lateral IGBT and Floating p-well voltage sensing scheme (A new 1200V PT-IGBT with protection circuit L floating p-well voltage sensing scheme, Extended Abstracts of the 2006 International Conference on Solid State Devices of the 2006 International Institute Conference on Solid State Devices and Materials), 2006 years, p. 512-513

エム・ジトゥニ(M.Zitouni)、外5名、ア ニュー コンセプト フォア ザ ラテラル DMOS トランジスタ フォア スマート パワーIC’ズ(A New Concept for the Lateral DMOS Transistor for Smart Power IC’s)、(カナダ)、パワー半導体デバイス国際シンポジウム1999(ISPSD’99:Proceedings of International Symposium on Power Semiconductor Devices and IC’s 1999)、1999年、p.73−76M. Zitouni, 5 others, A New Concept for the Lateral DMOS Transistor for Smart Power IC's (Canada), Canada Device International Symposium 1999 (ISPSD '99: Proceedings of International Symposium on Power Semiconductor Devices and IC's 1999), 1999, p. 73-76

エッチ・テラニシ(H.Teranishi)、外9名、ア ハイ デンシティ, ロー オン−レジスタンス 700V クラス トレンチ オフセット ドレイン LDMOSFET(TOD−DMOS)(A high density, low on−resistance 700V class trench offset drain LDMOSFET(TOD−DMOS))、(米国)、アイ・トリプル・イー インターナショナル エレクトロン デバイシズ ミーティング テクニカル ダイジェスト 2003(IEEE International Electron Devices Meeting(IEDM) Technical Digest 2003)、2003年、p.757−760H. Teranishi, Nine, A High Density, Low On-resistance 700V Class Trench Offset Drain LDMOSFET (TOD-DMOS) (A high density, low on-resistance 700 V class trench offset OD DMOS), (USA), I Triple E International Electron Devices Meeting Technical Digest 2003 (IEEE International Devices Meeting (IEDM) Technical Digest 2003), p. 757-760

上述した非特許文献3〜6の技術(図24および図25参照)では、メインIGBTの他に、電圧センシングのための高耐圧デバイスが必要となってしまう。一方、上述した非特許文献7に示す技術(図26参照)では、電圧センシングのための高耐圧デバイスは不要である。しかしながら、この技術を横型IGBTに適用した場合にIGBTの耐圧が低下してしまうという問題が生じる。   In the techniques of Non-Patent Documents 3 to 6 described above (see FIGS. 24 and 25), a high voltage device for voltage sensing is required in addition to the main IGBT. On the other hand, the technique shown in Non-Patent Document 7 (see FIG. 26) does not require a high voltage device for voltage sensing. However, when this technology is applied to a lateral IGBT, there arises a problem that the breakdown voltage of the IGBT is lowered.

上述した非特許文献7に示す技術を適用した横型IGBTについて説明する。図23は、電圧センシングの一例を示す断面図である。図23に示すメインIGBT1200は、p+低抵抗率基板1001のおもて面に、絶縁層1002が設けられている。絶縁層1002の表面には、n-ドリフト層1003が設けられている。n-ドリフト層1003の表面層には、図27に示す半導体装置と同様に、pベース領域1004、p+低抵抗領域1005、n+エミッタ領域1006、エミッタ電極1007、ゲート電極1008、ゲート絶縁膜1009、コレクタ電極1010、nバッファ層1011およびp+コレクタ層1012が設けられている。p+低抵抗率基板1001の裏面には、裏面電極1020が設けられている。また、ゲート電極1008、エミッタ電極1007およびコレクタ電極1010には、図示省略したゲート端子、エミッタ端子およびコレクタ端子が接続されている。 A lateral IGBT to which the technique shown in Non-Patent Document 7 described above is applied will be described. FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating an example of voltage sensing. A main IGBT 1200 shown in FIG. 23 is provided with an insulating layer 1002 on the front surface of a p + low resistivity substrate 1001. An n drift layer 1003 is provided on the surface of the insulating layer 1002. On the surface layer of the n drift layer 1003, similarly to the semiconductor device shown in FIG. 27, a p base region 1004, a p + low resistance region 1005, an n + emitter region 1006, an emitter electrode 1007, a gate electrode 1008, and a gate insulating film 1009, a collector electrode 1010, an n buffer layer 1011 and a p + collector layer 1012 are provided. A back electrode 1020 is provided on the back surface of the p + low resistivity substrate 1001. Further, a gate terminal, an emitter terminal, and a collector terminal (not shown) are connected to the gate electrode 1008, the emitter electrode 1007, and the collector electrode 1010.

-ドリフト層1003の表面層には、pベース領域1004とnバッファ層1011との間に、p型フローティング領域1013が設けられている。p型フローティング領域1013の表面には、フローティング電極1014が設けられている。スイッチ1017は、図27に示す半導体装置と同様に、エミッタ電極1007、ゲート電極1008およびフローティング電極1014を介したp型フローティング領域1013に接続されている。 A p-type floating region 1013 is provided on the surface layer of the n drift layer 1003 between the p base region 1004 and the n buffer layer 1011. A floating electrode 1014 is provided on the surface of the p-type floating region 1013. The switch 1017 is connected to the p-type floating region 1013 through the emitter electrode 1007, the gate electrode 1008, and the floating electrode 1014, similarly to the semiconductor device shown in FIG.

図23に示すメインIGBT1200では、n-ドリフト層1003の表面層にp型フローティング領域1013が設けられていることで、実際にベース領域としての効果が現れる領域(以下、実効ベース領域とする)が短くなってしまう。そのため、メインIGBT1200の耐圧が低下してしまう。また、上述した図27に示す横型IGBTにおいては、メインIGBT1100の絶縁層1019が薄くなってしまい、メインIGBT1100の耐圧に悪影響を及ぼしている。 In the main IGBT 1200 shown in FIG. 23, since the p-type floating region 1013 is provided in the surface layer of the n drift layer 1003, a region where an effect as a base region actually appears (hereinafter referred to as an effective base region) is formed. It will be shorter. Therefore, the breakdown voltage of the main IGBT 1200 is reduced. In the lateral IGBT shown in FIG. 27 described above, the insulating layer 1019 of the main IGBT 1100 becomes thin, which adversely affects the breakdown voltage of the main IGBT 1100.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、横型半導体装置において、半導体装置の破壊を防止するための保護機能を備えることができる半導体装置を提供することを目的とする。また、半導体装置の耐圧を向上させることができる半導体装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of providing a protection function for preventing destruction of a semiconductor device in a horizontal semiconductor device in order to solve the above-described problems caused by the prior art. It is another object of the present invention to provide a semiconductor device that can improve the breakdown voltage of the semiconductor device.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1の発明にかかる半導体装置は、第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面層の一部に設けられた、前記第1の半導体領域よりも抵抗率の低い第1導電型の第2の半導体領域と、前記第1の半導体領域および前記第2の半導体領域に接して前記第1の半導体領域の表面層の一部に設けられた第2導電型の第3の半導体領域と、前記第3の半導体領域の一部の表面上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記第3の半導体領域の一部に設けられた第1導電型のエミッタ領域と、前記第1の半導体領域の表面層の一部に、前記第2の半導体領域および前記第3の半導体領域から離れて設けられた、前記第1の半導体領域よりも抵抗率の低い第1導電型の第4の半導体領域と、前記第4の半導体領域の一部に設けられた第2導電型のコレクタ領域と、前記第2の半導体領域および前記第3の半導体領域と前記第4の半導体領域との間に設けられたトレンチと、前記トレンチの中に埋め込まれたトレンチ埋め込み絶縁膜と、前記第1の半導体領域の表面層の一部に、前記第1の半導体領域および前記第2の半導体領域に接して、前記第3の半導体領域と前記トレンチとの間に設けられた第2導電型の第5の半導体領域と、前記エミッタ領域に接するエミッタ電極と、前記コレクタ領域に接するコレクタ電極と、前記第5の半導体領域に接するフローティング電位のフローティング電極と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device according to claim 1 is provided in a first semiconductor region of a first conductivity type and a part of a surface layer of the first semiconductor region. A first conductivity type second semiconductor region having a resistivity lower than that of the first semiconductor region, and the first semiconductor region and the second semiconductor region in contact with the first semiconductor region. A third semiconductor region of a second conductivity type provided in a part of the surface layer; a gate electrode provided on a part of the surface of the third semiconductor region via a gate insulating film; A first conductivity type emitter region provided in a part of the first semiconductor region and a part of a surface layer of the first semiconductor region apart from the second semiconductor region and the third semiconductor region; The first conductivity type fourth having a lower resistivity than the first semiconductor region. A semiconductor region; a collector region of a second conductivity type provided in a part of the fourth semiconductor region; and between the second semiconductor region and the third semiconductor region and the fourth semiconductor region. A trench provided, a trench embedded insulating film embedded in the trench, a part of a surface layer of the first semiconductor region, in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor region; A fifth semiconductor region of a second conductivity type provided between the third semiconductor region and the trench, an emitter electrode in contact with the emitter region, a collector electrode in contact with the collector region, and the fifth And a floating electrode having a floating potential in contact with the semiconductor region.

請求項2の発明にかかる半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記エミッタ電極は接地されており、前記フローティング電極は、第1の閾値電圧を有する第1の電界効果トランジスタのゲート端子に接続されており、前記ゲート電極は、前記第1の閾値電圧よりも低い第2の閾値電圧の第2の電界効果トランジスタのドレイン端子に接続されており、前記コレクタ電極は、高電圧の出力端子に接続されており、前記第1の電界効果トランジスタのドレイン端子は、回路電源電位を有する第1の電源端子に接続されており、前記第1の電界効果トランジスタのソース端子は、前記第2の電界効果トランジスタのゲート端子および抵抗体の一端に接続されており、前記第1の電界効果トランジスタのボディ電位および前記第2の電界効果トランジスタのボディ電位は接地電位であり、前記第2の電界効果トランジスタのソース端子および前記抵抗体の他端は接地されていることを特徴とする。   A semiconductor device according to a second aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the emitter electrode is grounded, and the floating electrode is a gate terminal of a first field effect transistor having a first threshold voltage. The gate electrode is connected to the drain terminal of a second field-effect transistor having a second threshold voltage lower than the first threshold voltage, and the collector electrode has a high voltage output A drain terminal of the first field effect transistor is connected to a first power supply terminal having a circuit power supply potential, and a source terminal of the first field effect transistor is connected to the second power supply terminal. Connected to the gate terminal of the first field effect transistor and one end of the resistor, and the body potential of the first field effect transistor and the second field effect transistor. Body potential of the transistor is a ground potential, the source terminal and the other end of the resistor of said second field effect transistor is characterized in that it is grounded.

請求項3の発明にかかる半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記エミッタ電極は、抵抗体を介して第1の閾値電圧を有する第1の電界効果トランジスタのソース端子と接続されており、前記エミッタ電極は、さらに、前記第1の閾値電圧よりも低い第2の閾値電圧の第2の電界効果トランジスタのソース端子および高電圧の出力端子に接続されており、前記フローティング電極は、前記第1の電界効果トランジスタのゲート端子および前記第1の電界効果トランジスタのドレイン端子に接続されており、前記ゲート電極は、前記第2の電界効果トランジスタのドレイン端子に接続されており、前記コレクタ電極は、高電圧出力段の第2の電源端子に接続されており、前記第1の電界効果トランジスタのソース端子は、前記第2の電界効果トランジスタのゲート端子および前記抵抗体の一端に接続されており、前記第1の電界効果トランジスタのボディ電位および前記第2の電界効果トランジスタのボディ電位は、前記エミッタ電極の電位に保たれており、前記第2の電界効果トランジスタのソース端子および前記抵抗体の他端は、エミッタ電極に接続されていることを特徴とする。   A semiconductor device according to a third aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the emitter electrode is connected to a source terminal of a first field effect transistor having a first threshold voltage via a resistor. The emitter electrode is further connected to a source terminal and a high voltage output terminal of a second field effect transistor having a second threshold voltage lower than the first threshold voltage, and the floating electrode is A gate terminal of the first field effect transistor and a drain terminal of the first field effect transistor; and the gate electrode is connected to a drain terminal of the second field effect transistor; The electrode is connected to the second power supply terminal of the high voltage output stage, and the source terminal of the first field effect transistor is connected to the second power supply terminal. The field effect transistor is connected to the gate terminal and one end of the resistor, and the body potential of the first field effect transistor and the body potential of the second field effect transistor are kept at the potential of the emitter electrode. The source terminal of the second field effect transistor and the other end of the resistor are connected to an emitter electrode.

請求項4の発明にかかる半導体装置は、請求項2または3に記載の発明において、前記第1の電界効果トランジスタおよび前記第2の電界効果トランジスタは、金属酸化物半導体構造の電界効果トランジスタであることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the second or third aspect, the first field effect transistor and the second field effect transistor are field effect transistors having a metal oxide semiconductor structure. It is characterized by that.

請求項5の発明にかかる半導体装置は、第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面層の一部に設けられた、前記第1の半導体領域よりも抵抗率の低い第1導電型の第2の半導体領域と、前記第1の半導体領域および前記第2の半導体領域に接して前記第1の半導体領域の表面層の一部に設けられた第2導電型の第3の半導体領域と、前記第3の半導体領域の一部の表面上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記第3の半導体領域の一部に設けられた第1導電型のソース領域と、前記第1の半導体領域の表面層の一部に、前記第2の半導体領域および前記第3の半導体領域から離れて設けられた、前記第1の半導体領域よりも抵抗率の低い第1導電型の第4の半導体領域と、前記第4の半導体領域の一部に設けられた第1導電型のドレイン領域と、前記第2の半導体領域および前記第3の半導体領域と前記第4の半導体領域との間に設けられたトレンチと、前記トレンチの中に埋め込まれたトレンチ埋め込み絶縁膜と、前記第1の半導体領域の表面層の一部に、前記第1の半導体領域および前記第2の半導体領域に接して、前記第3の半導体領域と前記トレンチとの間に設けられた第2導電型の第5の半導体領域と、前記ソース領域に接するソース電極と、前記ドレイン領域に接するドレイン電極と、前記第5の半導体領域に接するフローティング電位のフローティング電極と、を備えることを特徴とする。   A semiconductor device according to a fifth aspect of the present invention includes a first conductivity type first semiconductor region and a resistivity higher than that of the first semiconductor region provided in a part of a surface layer of the first semiconductor region. First conductivity type second semiconductor region having a low level, and the second conductivity type provided in part of the surface layer of the first semiconductor region in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor region A third semiconductor region, a gate electrode provided on a surface of a part of the third semiconductor region via a gate insulating film, and a first conductivity provided in a part of the third semiconductor region The resistivity of the source region of the mold and a part of the surface layer of the first semiconductor region, which is provided apart from the second semiconductor region and the third semiconductor region, than the first semiconductor region A first conductive type fourth semiconductor region having a low level and a part of the fourth semiconductor region A drain region of the first conductivity type, a trench provided between the second semiconductor region and the third semiconductor region and the fourth semiconductor region, and embedded in the trench A trench buried insulating film, a part of a surface layer of the first semiconductor region, in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor region, and between the third semiconductor region and the trench A fifth semiconductor region of a second conductivity type provided; a source electrode in contact with the source region; a drain electrode in contact with the drain region; and a floating electrode having a floating potential in contact with the fifth semiconductor region. It is characterized by that.

請求項6の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜5のいずれか一つに記載の発明において、前記第1の半導体領域は、支持基板上に絶縁層を介して設けられていることを特徴とする。   A semiconductor device according to a sixth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the first semiconductor region is provided on a support substrate via an insulating layer. Features.

請求項7の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜5のいずれか一つに記載の発明において、前記第1の半導体領域は、支持基板上に設けられていることを特徴とする。   A semiconductor device according to a seventh aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the first semiconductor region is provided on a support substrate.

請求項8の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜7のいずれか一つに記載の発明において、前記第5の半導体領域は、前記トレンチに接していることを特徴とする。   A semiconductor device according to an eighth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to seventh aspects, wherein the fifth semiconductor region is in contact with the trench.

上述した各請求項の発明によれば、第1の半導体領域にトレンチを設けることにより、半導体基板中のキャリアがトレンチに沿って移動するため、半導体装置の実効的なドリフト長を、トレンチを設けていない構成の半導体装置のドリフト長よりも長くすることができる。また、このような半導体装置に、第5の半導体領域にかかる電圧を検出する第1の電界効果トランジスタを備えることで、半導体装置に過電圧がかかった場合に、ゲート電圧を低減することができる。これにより、半導体装置の実質的な短絡耐量を高くすることができる。   According to the invention of each claim described above, by providing the trench in the first semiconductor region, carriers in the semiconductor substrate move along the trench, so that the effective drift length of the semiconductor device is provided. It can be made longer than the drift length of a semiconductor device having a configuration that is not. In addition, by providing the semiconductor device with the first field effect transistor that detects the voltage applied to the fifth semiconductor region, the gate voltage can be reduced when an overvoltage is applied to the semiconductor device. Thereby, the substantial short circuit tolerance of the semiconductor device can be increased.

本発明にかかる半導体装置によれば、横型半導体装置において、半導体装置の破壊を防止するための保護機能を備えるという効果を奏する。また、半導体装置の耐圧を向上させることができるという効果を奏する。   According to the semiconductor device of the present invention, the lateral semiconductor device has an effect of providing a protection function for preventing the semiconductor device from being destroyed. Moreover, there is an effect that the breakdown voltage of the semiconductor device can be improved.

実施の形態1にかかる半導体装置を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置の別の一例を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device according to the first embodiment; FIG. 実施の形態1にかかる半導体装置の別の一例を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device according to the first embodiment; FIG. 実施の形態1にかかる半導体装置の別の一例を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device according to the first embodiment; FIG. 実施の形態2にかかる半導体装置を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a second embodiment; 実施の形態2にかかる半導体装置の別の一例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device according to the second embodiment. 実施の形態2にかかる半導体装置の別の一例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device according to the second embodiment. 実施の形態2にかかる半導体装置の別の一例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device according to the second embodiment. 本発明のIGBTの製造に使用される半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in the middle of manufacture of the semiconductor device used for manufacture of IGBT of this invention. 本発明のIGBTの製造に使用される半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in the middle of manufacture of the semiconductor device used for manufacture of IGBT of this invention. 本発明のIGBTの製造に使用される半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in the middle of manufacture of the semiconductor device used for manufacture of IGBT of this invention. 本発明のIGBTの製造に使用される半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in the middle of manufacture of the semiconductor device used for manufacture of IGBT of this invention. 本発明のIGBTの製造に使用される半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in the middle of manufacture of the semiconductor device used for manufacture of IGBT of this invention. 本発明にかかる半導体装置における降伏時の静電ポテンシャル分布を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the electrostatic potential distribution at the time of breakdown in the semiconductor device concerning this invention. 図14に示す半導体装置および従来の半導体装置におけるオフ状態の電流−電圧特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the current-voltage characteristic of the OFF state in the semiconductor device shown in FIG. 14, and the conventional semiconductor device. 本発明にかかる半導体装置を用いた保護回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the protection circuit using the semiconductor device concerning this invention. 本発明にかかる半導体装置の異常検出回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the abnormality detection circuit of the semiconductor device concerning this invention. 本発明にかかる半導体装置の異常検出回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the abnormality detection circuit of the semiconductor device concerning this invention. 本発明の半導体装置にかかるコレクタ・エミッタ間電圧とフローティング電圧との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the collector-emitter voltage concerning the semiconductor device of this invention, and a floating voltage. 本発明にかかる半導体装置のコレクタ・エミッタ間電流と各電極の電圧との関係についてのシミュレーション結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the simulation result about the relationship between the collector-emitter current of the semiconductor device concerning this invention, and the voltage of each electrode. 本発明にかかる半導体装置のコレクタ・エミッタ間電流と各電極の電圧との関係についてのシミュレーション結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the simulation result about the relationship between the collector-emitter current of the semiconductor device concerning this invention, and the voltage of each electrode. 本発明にかかる半導体装置の電圧特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the voltage characteristic of the semiconductor device concerning this invention. 従来の電圧センシングの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the conventional voltage sensing. 従来の電圧センシングの一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the conventional voltage sensing. 従来の電圧センシングの別の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows another example of the conventional voltage sensing. 従来の電圧センシングの別の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows another example of the conventional voltage sensing. 従来の電圧センシングの別の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of the conventional voltage sensing. 従来の誘電体トレンチを有する半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device which has the conventional dielectric trench.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明およびすべての添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that, in the following description of the embodiments and all the attached drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1にかかる半導体装置を示す断面図である。図1に示す横型のnチャネルIGBTは、SOI基板を用いて作製されている。SOI基板は、p支持基板1の上に、酸化膜等からなる絶縁層2およびn-ドリフト領域3aを、この順に積層した構成となっている。n-ドリフト領域3aは、第1の半導体領域に相当する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. The lateral n-channel IGBT shown in FIG. 1 is manufactured using an SOI substrate. The SOI substrate has a structure in which an insulating layer 2 made of an oxide film or the like and an n drift region 3 a are stacked in this order on a p support substrate 1. The n drift region 3a corresponds to the first semiconductor region.

nウェル領域3bは、n-ドリフト領域3aの表面層の一部に設けられている。nウェル領域3bは、n-ドリフト領域3aよりも高濃度にドープされており、n-ドリフト領域3aよりも低い抵抗率を有する。 N well region 3b is provided in a part of the surface layer of n drift region 3a. n-well region 3b is, n - are more heavily doped than the drift region 3a, n - have a lower resistivity than the drift region 3a.

pベース領域4は、n-ドリフト領域3aの表面層の一部に、n-ドリフト領域3aとnウェル領域3bに接して設けられている。nウェル領域3bおよびpベース領域4は、それぞれ第2の半導体領域および第3の半導体領域に相当する。 p base region 4, n - the part of the surface layer of the drift region 3a, n - is provided in contact with the drift region 3a and the n-well region 3b. N well region 3b and p base region 4 correspond to a second semiconductor region and a third semiconductor region, respectively.

ゲート電極8は、pベース領域4の一部およびnウェル領域3bの表面上にゲート絶縁膜9を介して設けられている。n+エミッタ領域6は、pベース領域4の一部に、ゲート電極8のpベース領域側端部(図1では、n+エミッタ領域6上の端部)に整合するように設けられている。 Gate electrode 8 is provided on part of p base region 4 and on the surface of n well region 3b with gate insulating film 9 interposed. The n + emitter region 6 is provided in a part of the p base region 4 so as to be aligned with the end of the gate electrode 8 on the p base region side (the end on the n + emitter region 6 in FIG. 1). .

チャネルは、ゲート電圧が閾値電圧を超えたときに、n+エミッタ領域6とnウェル領域3bとの間のpベース領域4と、ゲート絶縁膜9との界面に形成される。pベース領域4の一部には、n+エミッタ領域6の下側を占めるように形成されたp+低抵抗領域5aと、n+エミッタ領域6に隣接するp+ベースコンタクト領域5bが設けられている。p+低抵抗領域5aは、本実施の形態のようにn+エミッタ領域6の下側を閾値に影響を及ぼさない範囲で占めるように形成されるのが望ましい。 The channel is formed at the interface between the gate insulating film 9 and the p base region 4 between the n + emitter region 6 and the n well region 3b when the gate voltage exceeds the threshold voltage. Some The p base region 4, and p + low resistance region 5a formed so as to occupy the lower n + emitter region 6 and p + base contact region 5b which is adjacent to the n + emitter region 6 is provided ing. The p + low resistance region 5a is preferably formed so as to occupy the lower side of the n + emitter region 6 in a range that does not affect the threshold as in the present embodiment.

ゲート電極8のpベース領域側端部の外側には、その端部に接して酸化膜や窒化膜からなるゲート側壁スペーサ領域18が設けられている。p+低抵抗領域5aは、閾値に影響を及ぼさないようにするため、ゲート側壁スペーサ領域18を利用して、チャネルが形成される領域に入らないように形成されている。 Outside the edge of the gate electrode 8 on the p base region side, a gate sidewall spacer region 18 made of an oxide film or a nitride film is provided in contact with the edge. The p + low resistance region 5a is formed so as not to enter the region where the channel is formed by utilizing the gate sidewall spacer region 18 so as not to affect the threshold value.

また、nバッファ領域11が、nウェル領域3bおよびpベース領域4から離れて、n-ドリフト領域3aの表面層の一部に設けられている。nバッファ領域11は、n-ドリフト領域3aよりも高濃度にドープされており、n-ドリフト領域3aよりも低い抵抗率を有する。nバッファ領域11は、第4の半導体領域に相当し、n-ドリフト領域3aおよびnウェル領域3bとともに、デバイスの耐圧を保持するドリフト領域となる。このように、本デバイスは、nバッファ領域11を有するパンチスルー型のIGBTである。 Further, n buffer region 11 is provided in a part of the surface layer of n drift region 3 a, apart from n well region 3 b and p base region 4. n buffer region 11, n - are more heavily doped than the drift region 3a, n - have a lower resistivity than the drift region 3a. The n buffer region 11 corresponds to a fourth semiconductor region, and becomes a drift region that holds the breakdown voltage of the device together with the n drift region 3a and the n well region 3b. As described above, this device is a punch-through type IGBT having the n buffer region 11.

+コレクタ領域12は、nバッファ領域11の一部に設けられており、nバッファ領域11によりn-ドリフト領域3aから隔離されている。 The p + collector region 12 is provided in a part of the n buffer region 11 and is isolated from the n drift region 3 a by the n buffer region 11.

nウェル領域3bおよびpベース領域4とnバッファ領域11との間には、トレンチ16が、nウェル領域3bおよびnバッファ領域11と離れて、n-ドリフト領域3aを貫通しないように形成されている。トレンチ16は、酸化膜等のトレンチ埋め込み絶縁膜17により埋められている。 A trench 16 is formed between n well region 3b and p base region 4 and n buffer region 11 so as to be separated from n well region 3b and n buffer region 11 so as not to penetrate n drift region 3a. Yes. The trench 16 is filled with a trench buried insulating film 17 such as an oxide film.

p型フローティング領域13は、pベース領域4とトレンチ16との間の、n-ドリフト領域3aの表面層の一部に、n-ドリフト領域3aとnウェル領域3bに接して設けられている。p型フローティング領域13は、第5の半導体領域に相当する。 The p-type floating region 13 is provided in a part of the surface layer of the n drift region 3 a between the p base region 4 and the trench 16 in contact with the n drift region 3 a and the n well region 3 b. The p-type floating region 13 corresponds to a fifth semiconductor region.

エミッタ電極7は、n+エミッタ領域6とp+ベースコンタクト領域5bの両方に接触し、p+ベースコンタクト領域5bとn+エミッタ領域6を短絡している。コレクタ電極10は、p+コレクタ領域12に接触している。フローティング電極14は、p型フローティング領域13に接触している。図1において、符号19は、製造時に、ゲート絶縁膜9に対するプラズマエッチングダメージを低減するために設けられる酸化膜等の絶縁膜カバー層であり、符号15は、層間絶縁膜である。 The emitter electrode 7 is in contact with both the n + emitter region 6 and the p + base contact region 5b, and short-circuits the p + base contact region 5b and the n + emitter region 6. The collector electrode 10 is in contact with the p + collector region 12. The floating electrode 14 is in contact with the p-type floating region 13. In FIG. 1, reference numeral 19 denotes an insulating film cover layer such as an oxide film provided to reduce plasma etching damage to the gate insulating film 9 during manufacturing, and reference numeral 15 denotes an interlayer insulating film.

以上の構成においては、トレンチ16を設けることにより、半導体装置の実効的なドリフト長が、pベース領域4からp型フローティング領域13の下の領域を経由したトレンチ16までの長さ(以下、第1のドリフト長とする)A1と、p型フローティング領域13の下の領域からトレンチ16のゲート電極8側の側面に沿った長さ(以下、第2のドリフト長とする)A2と、トレンチ16の底面に沿った長さ(以下、第3のドリフト長とする)A3と、トレンチ16のコレクタ電極10側の側面に沿った長さ(以下、第4のドリフト長とする)A4と、トレンチ16からp+コレクタ領域12までの長さ(以下、第5のドリフト長とする)A5との総和となる。 In the above configuration, by providing the trench 16, the effective drift length of the semiconductor device is the length from the p base region 4 to the trench 16 via the region under the p-type floating region 13 (hereinafter referred to as the first). A 1 ), a length from the region below the p-type floating region 13 to the side surface on the gate electrode 8 side of the trench 16 (hereinafter referred to as a second drift length) A 2 , A length along the bottom surface of the trench 16 (hereinafter referred to as a third drift length) A 3 and a length along a side surface of the trench 16 on the collector electrode 10 side (hereinafter referred to as a fourth drift length) A 4 and the total length A 5 from the trench 16 to the p + collector region 12 (hereinafter referred to as a fifth drift length) A 5 .

これにより、実施の形態1にかかる半導体装置のオフ状態の耐圧を、pベース領域4と、n-ドリフト領域3aおよびnバッファ領域11と、p+コレクタ領域12とからなるpnpトランジスタの実効ベース領域で決まる耐圧とすることができる。 As a result, the breakdown voltage of the semiconductor device according to the first embodiment is reduced to the effective base region of the pnp transistor including the p base region 4, the n drift region 3a and the n buffer region 11, and the p + collector region 12. The withstand voltage determined by

一方、トレンチ16を設けていない構成の半導体装置(以下、従来例の半導体装置とする)では、p+コレクタ領域12の電圧が高くなると、pベース領域4とn-ドリフト領域3aとp型フローティング領域13とからなるpnpトランジスタがパンチスルーし、実効ベース領域の幅が狭くなる。従来例の半導体装置における実効的なドリフト長は、pベース領域4からトレンチ16までの長さ(以下、第6のドリフト長とする)B1と、第3のドリフト長A3と、第5のドリフト長A5の総和である。 On the other hand, the semiconductor device of the structure provided with no trench 16 (hereinafter, the conventional semiconductor device) in the voltage of the p + collector region 12 increases, p base region 4 and the n - drift region 3a and the p-type floating The pnp transistor composed of the region 13 punches through, and the width of the effective base region is reduced. The effective drift length in the conventional semiconductor device is the length from the p base region 4 to the trench 16 (hereinafter referred to as the sixth drift length) B 1 , the third drift length A 3 , and the fifth of the sum of the drift length a 5.

そのため、実施の形態1にかかる半導体装置では、従来例の半導体装置に比べて、実効的なドリフト長を長くすることができる。これにより、実施の形態1にかかる半導体装置の耐圧を、従来例の半導体装置の耐圧よりも高くすることができる。その理由は、後述する。   Therefore, in the semiconductor device according to the first embodiment, the effective drift length can be increased as compared with the conventional semiconductor device. Thereby, the breakdown voltage of the semiconductor device according to the first embodiment can be made higher than the breakdown voltage of the conventional semiconductor device. The reason will be described later.

また、p型フローティング領域13を設けずにトレンチ16だけを設けた構成の半導体装置(以下、トレンチ16のみを設けた半導体装置とする)では、トレンチを設けたことにより、実効的なドリフト長が、第6のドリフト長B1と、トレンチ16のゲート電極8側の側面に沿った長さ(以下、第7のドリフト長とする)B2と、第3のドリフト長A3と、第4のドリフト長A4と、第5のドリフト長A5の総和となる。 In addition, in a semiconductor device having a configuration in which only the trench 16 is provided without providing the p-type floating region 13 (hereinafter referred to as a semiconductor device in which only the trench 16 is provided), an effective drift length is obtained by providing the trench. , A sixth drift length B 1 , a length along the side surface of the trench 16 on the gate electrode 8 side (hereinafter referred to as a seventh drift length) B 2 , a third drift length A 3 , a fourth Is the sum of the drift length A 4 and the fifth drift length A 5 .

このとき、トレンチ16のみを設けた半導体装置における第6のドリフト長B1と第7のドリフト長B2の和と、実施の形態1にかかる半導体装置における第1のドリフト長A1と第2のドリフト長A2の和とを、ほぼ同じ長さにすることができる。そのため、実施の形態1にかかる半導体装置では、p型フローティング領域13を設けたとしても、トレンチ16のみを設けた半導体装置の実効的なドリフト長とほぼ同じ長さとすることができる。 At this time, the sum of the sixth drift length B 1 and the seventh drift length B 2 in the semiconductor device in which only the trench 16 is provided, and the first drift length A 1 and the second drift length in the semiconductor device according to the first embodiment. The sum of the drift lengths A 2 can be made substantially the same. For this reason, in the semiconductor device according to the first embodiment, even if the p-type floating region 13 is provided, the effective drift length of the semiconductor device provided with only the trench 16 can be made substantially the same.

これにより、実施の形態1にかかる半導体装置では、実効ベース領域の表面面積を狭くしたとしても、トレンチ16の外周を調節することで、実効的なドリフト長を従来例の半導体装置と同等以上の長さにすることができる。つまり、実施の形態1にかかる半導体装置の耐圧を従来例の半導体装置に比べて維持または向上しつつ、半導体装置の小型化を図ることができる。   Thereby, in the semiconductor device according to the first embodiment, even if the surface area of the effective base region is narrowed, the effective drift length is equal to or greater than that of the conventional semiconductor device by adjusting the outer periphery of the trench 16. Can be length. That is, the semiconductor device according to the first embodiment can be downsized while maintaining or improving the withstand voltage of the semiconductor device of the conventional example.

図2〜図4は、実施の形態1にかかる半導体装置の別の一例を示す断面図である。図2に示すように、横型IGBTを、SOI基板を用いずに、p支持基板1の上にn-ドリフト領域3aを積層した構成としても良い。また、図3および図4に示すように、横型IGBT構造に代えて、横型LDMOSトランジスタ構造としても良い。図3に示す半導体装置は、図2に示す半導体装置と同様に、SOI基板を用いずに作製されている。図4に示す半導体装置は、SOI基板を用いて作製されている。 2 to 4 are sectional views showing another example of the semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, the lateral IGBT may have a configuration in which an n drift region 3 a is stacked on a p support substrate 1 without using an SOI substrate. Further, as shown in FIGS. 3 and 4, a lateral LDMOS transistor structure may be used instead of the lateral IGBT structure. The semiconductor device illustrated in FIG. 3 is manufactured without using an SOI substrate, similarly to the semiconductor device illustrated in FIG. The semiconductor device illustrated in FIG. 4 is manufactured using an SOI substrate.

図3および図4に示す横型LDMOSトランジスタ構造の半導体装置では、図1に示す半導体装置において、p+コレクタ領域12に代えてn+ドレイン領域31が設けられている。n+エミッタ領域6に代えてn+ソース領域33が設けられている。エミッタ電極7に代えてソース電極34が設けられている。ソース電極34は、n+ソース領域33とp+ベースコンタクト領域5bの両方に接触し、p+ベースコンタクト領域5bとn+ソース領域33を短絡している。コレクタ電極10に代えてドレイン電極32が設けられている。ドレイン電極32は、n+ドレイン領域31に接触している。 In the semiconductor device having the lateral LDMOS transistor structure shown in FIGS. 3 and 4, an n + drain region 31 is provided in place of the p + collector region 12 in the semiconductor device shown in FIG. An n + source region 33 is provided in place of the n + emitter region 6. A source electrode 34 is provided in place of the emitter electrode 7. Source electrode 34 is in contact with both n + source region 33 and p + base contact region 5 b, and short-circuits p + base contact region 5 b and n + source region 33. A drain electrode 32 is provided in place of the collector electrode 10. The drain electrode 32 is in contact with the n + drain region 31.

なお、横型LDMOSトランジスタ構造の半導体装置の耐圧は、pベース領域4と、n-ドリフト領域3aおよびnバッファ領域11と、n+ドレイン領域31とからなるpnpトランジスタの実効ベース領域で決まる。 Incidentally, the withstand voltage of the semiconductor device of the lateral LDMOS transistor structure includes a p base region 4, n - drift region 3a and the n buffer region 11, determined by the effective base region of the pnp transistor consisting of the n + drain region 31..

以上、説明したように、実施の形態1によれば、n-ドリフト領域3aにトレンチ16を設けることで、半導体装置の実効的なドリフト長を、トレンチ16を設けていない構成の半導体装置のドリフト長よりも長くすることができる。これにより、半導体装置の耐圧を、従来例の半導体装置の耐圧よりも高くすることができる。また、半導体装置の実効的なドリフト長を、p型フローティング領域13を設けずトレンチ16だけを設けた構成の半導体装置のドリフト長とほぼ同じ長さとすることができる。これにより、半導体装置の小型化を図り、実効ベース領域の表面面積を狭くしたとしても、トレンチ16の外周を調節することで実効的なドリフト長を従来例の半導体装置と同等以上の長さにすることができる。 As described above, according to the first embodiment, by providing the trench 16 in the n drift region 3 a, the effective drift length of the semiconductor device can be reduced to the drift of the semiconductor device having the configuration in which the trench 16 is not provided. Can be longer than long. Thereby, the breakdown voltage of the semiconductor device can be made higher than the breakdown voltage of the conventional semiconductor device. In addition, the effective drift length of the semiconductor device can be made substantially the same as the drift length of the semiconductor device in which only the trench 16 is provided without providing the p-type floating region 13. As a result, even if the semiconductor device is reduced in size and the surface area of the effective base region is reduced, the effective drift length is made equal to or longer than that of the conventional semiconductor device by adjusting the outer periphery of the trench 16. can do.

(実施の形態2)
図5は、実施の形態2にかかる半導体装置を示す断面図である。図1に示す半導体装置において、p型フローティング領域13を、pベース領域4とトレンチ16との間の、n-ドリフト領域3aの表面層の一部に、n-ドリフト領域3aとnウェル領域3bとトレンチ16とに接して設けても良い。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment. In the semiconductor device shown in FIG. 1, the p-type floating region 13 is formed on a part of the surface layer of the n drift region 3a between the p base region 4 and the trench 16, and the n drift region 3a and the n well region 3b. And may be provided in contact with the trench 16.

図6〜図8は、実施の形態2にかかる半導体装置の別の一例を示す断面図である。図6に示すように、横型IGBTを、SOI基板を用いずに、p支持基板1の上にn-ドリフト領域3aを積層した構成としても良い。また、図7および図8に示すように、横型IGBT構造に代えて、横型LDMOSトランジスタ構造としても良い。図7に示す半導体装置は、図6に示す半導体装置と同様に、SOI基板を用いずに作製されている。図8に示す半導体装置は、SOI基板を用いて作製されている。横型LDMOSトランジスタの構造は、実施の形態1(図3および図4参照)と同様である。 6 to 8 are sectional views showing another example of the semiconductor device according to the second embodiment. As shown in FIG. 6, the lateral IGBT may have a configuration in which an n drift region 3 a is stacked on a p support substrate 1 without using an SOI substrate. Further, as shown in FIGS. 7 and 8, a lateral LDMOS transistor structure may be used instead of the lateral IGBT structure. The semiconductor device illustrated in FIG. 7 is manufactured without using an SOI substrate, similarly to the semiconductor device illustrated in FIG. The semiconductor device illustrated in FIG. 8 is manufactured using an SOI substrate. The structure of the lateral LDMOS transistor is the same as that of the first embodiment (see FIGS. 3 and 4).

以上、説明したように、実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。   As described above, according to the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

次に、本発明にかかる半導体装置の製造プロセスについて図9〜図13を参照しながら説明する。図9〜図13は、本発明の半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。ここでは、実施の形態1にかかる半導体装置を例にして説明する。まず、図9に示すように、p支持基板1の表面に酸化膜等の絶縁層2およびn-ドリフト領域3aをこの順で積層し、通常のプレーナプロセスを用いて、nウェル領域3b、pベース領域4、p+低抵抗領域5a、p+ベースコンタクト領域5b、n+エミッタ領域6、ゲート電極8、ゲート絶縁膜9、nバッファ領域11、p+コレクタ領域12、p型フローティング領域13、ゲート側壁スペーサ領域18、絶縁膜カバー層19および層間絶縁膜15を形成する。 Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 9 to 13 are cross-sectional views showing states during the manufacture of the semiconductor device of the present invention. Here, the semiconductor device according to the first embodiment will be described as an example. First, as shown in FIG. 9, an insulating layer 2 such as an oxide film and an n drift region 3a are stacked in this order on the surface of the p support substrate 1, and the n well region 3b, p Base region 4, p + low resistance region 5a, p + base contact region 5b, n + emitter region 6, gate electrode 8, gate insulating film 9, n buffer region 11, p + collector region 12, p-type floating region 13, A gate sidewall spacer region 18, an insulating film cover layer 19 and an interlayer insulating film 15 are formed.

このとき、p+低抵抗領域5aは、例えば、ゲート側壁スペーサ領域18を介してボロンなどをイオン注入することで、n+エミッタ領域6の下に形成される。その際、チャネル領域へのボロンイオンの注入が絶縁膜カバー層19およびゲート電極8により阻止され、チャネル領域が保護される。また、ゲート側壁スペーサ領域18を利用することにより、チャネル領域側にボロンイオンが入らないようにp+低抵抗領域5aが形成される。 At this time, the p + low resistance region 5a is formed under the n + emitter region 6 by ion-implanting boron or the like through the gate sidewall spacer region 18, for example. At this time, boron ions are implanted into the channel region by the insulating film cover layer 19 and the gate electrode 8 to protect the channel region. Further, by using the gate sidewall spacer region 18, the p + low resistance region 5a is formed so that boron ions do not enter the channel region side.

次いで、図10に示すように、層間絶縁膜15の表面に、トレンチエッチング用のフォトレジスト41を塗布し、フォトリソグラフィにより、フォトレジスト41にトレンチ16を形成するためのマスクパターンを形成する。次いで、図11に示すように、フォトレジスト41をマスクとして、例えば反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)などにより層間絶縁膜15を開口する。   Next, as shown in FIG. 10, a photoresist 41 for trench etching is applied to the surface of the interlayer insulating film 15, and a mask pattern for forming the trench 16 in the photoresist 41 is formed by photolithography. Next, as shown in FIG. 11, using the photoresist 41 as a mask, the interlayer insulating film 15 is opened by, for example, reactive ion etching (RIE).

次いで、図12に示すように、フォトレジスト41を除去し、基板を洗浄した後に、層間絶縁膜15をマスクとして、トレンチエッチングによりn-ドリフト領域3aにトレンチ16を形成する。このトレンチエッチング工程では、基板表面および層間絶縁膜15の開口部の側壁に残留するエッチング残渣なども除去される。エッチング残渣の除去では、図示省略するが、例えば、湿式エッチングを用いて層間絶縁膜15の開口部を例えば100nmほど広げる。次いで、トレンチ16の開口部近傍の、トレンチ16の側壁を、化学乾式エッチング(CDE:ケミカルドライエッチング)により、例えば100nmほど除去すると良い。 Next, as shown in FIG. 12, after removing the photoresist 41 and cleaning the substrate, a trench 16 is formed in the n drift region 3a by trench etching using the interlayer insulating film 15 as a mask. In this trench etching step, etching residues remaining on the substrate surface and the side walls of the openings of the interlayer insulating film 15 are also removed. In the removal of the etching residue, although not shown, the opening of the interlayer insulating film 15 is widened by, for example, about 100 nm using wet etching, for example. Next, the sidewall of the trench 16 in the vicinity of the opening of the trench 16 may be removed by, for example, about 100 nm by chemical dry etching (CDE: chemical dry etching).

次いで、図13に示すように、トレンチ16の側壁および底面に例えば800℃程度の低温酸化処理を行い例えば20nm程度の酸化膜を成長させた後、トレンチ16の内部をトレンチ埋め込み絶縁膜17で埋める。トレンチ埋め込み絶縁膜17は、緻密性の良い酸化膜である例えば高温での化学気相蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)により形成される酸化膜と、埋め込み性の良い酸化膜である例えばオゾンCVD法を用いたテトラエトキシシラン(TEOS)膜により形成される。   Next, as shown in FIG. 13, a low-temperature oxidation process of, eg, about 800 ° C. is performed on the sidewalls and bottom surface of the trench 16 to grow an oxide film of, eg, about 20 nm. . The trench buried insulating film 17 is a dense oxide film, for example, an oxide film formed by chemical vapor deposition (CVD) at a high temperature, and an oxide film having a good fillability, for example, ozone CVD. It is formed by a tetraethoxysilane (TEOS) film using

次いで、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)による平坦化後、フォトリソグラフィおよびRIEによりフローティング電極14のコンタクト部を形成し、このコンタクト部に接触するフローティング電極14を形成する。次いで、エミッタ電極7およびコレクタ電極10などを形成し、図1に示すような半導体装置が完成する。上述した製造プロセスは、横型LDMOSトランジスタの半導体装置にも適用することができる。   Next, after planarization by chemical mechanical polishing (CMP), a contact portion of the floating electrode 14 is formed by photolithography and RIE, and the floating electrode 14 in contact with the contact portion is formed. Next, the emitter electrode 7 and the collector electrode 10 are formed to complete the semiconductor device as shown in FIG. The manufacturing process described above can also be applied to a semiconductor device of a lateral LDMOS transistor.

次に、本発明にかかる半導体装置のオフ状態における降伏時の電流−電圧(ICE−VCE)特性について説明する。図14は、本発明にかかる半導体装置における降伏時の静電ポテンシャル分布を示す特性図である。また、図15は、図14に示す半導体装置および従来の半導体装置におけるオフ状態の電流−電圧特性を示す特性図である。図14は、実施例の半導体装置における静電ポテンシャル分布を示している。また、次に示すように、実施例の半導体装置と、p型フローティング領域13のみを設けた構成の半導体装置(従来例の半導体装置)と、p型フローティング領域13およびトレンチ16を設けていない構成の半導体装置(以下、比較例の半導体装置とする)とを作製し、それぞれの半導体装置におけるICE−VCE曲線を図15に示した。実施例の半導体装置は、図1に示す構成において、n-ドリフト領域3aの厚さを14μmとし、pベース領域4とp型フローティング領域13との間隔を3.0μmとし、ゲート電極8のp型フローティング領域側端部とトレンチ16との間隔を4.0μmとし、トレンチ16とnバッファ領域11との間隔と4.0μmとし、トレンチ16の深さを10μmとし、トレンチ16の幅を0.8μmとしたときの半導体装置である。 Next, the current-voltage (I CE -V CE ) characteristic at the breakdown in the OFF state of the semiconductor device according to the present invention will be described. FIG. 14 is a characteristic diagram showing the electrostatic potential distribution during breakdown in the semiconductor device according to the present invention. FIG. 15 is a characteristic diagram showing current-voltage characteristics in the off state in the semiconductor device shown in FIG. 14 and the conventional semiconductor device. FIG. 14 shows an electrostatic potential distribution in the semiconductor device of the example. Further, as shown below, the semiconductor device of the embodiment, the semiconductor device having only the p-type floating region 13 (conventional semiconductor device), and the configuration in which the p-type floating region 13 and the trench 16 are not provided. A semiconductor device (hereinafter, referred to as a semiconductor device of a comparative example) was manufactured, and an I CE -V CE curve in each semiconductor device is shown in FIG. The semiconductor device of embodiment, in the configuration shown in FIG. 1, n - the thickness of the drift region 3a and 14 [mu] m, and the distance between the p base region 4 and the p-type floating region 13 and the 3.0 [mu] m, p of the gate electrode 8 The distance between the end of the mold floating region and the trench 16 is 4.0 μm, the distance between the trench 16 and the n buffer region 11 is 4.0 μm, the depth of the trench 16 is 10 μm, and the width of the trench 16 is 0.2 μm. This is a semiconductor device when the thickness is 8 μm.

従来例の半導体装置は、図23に示す半導体装置と同じような構成となっている。従来例の半導体装置では、n-ドリフト領域3aの厚さを10μmとし、pベース領域4とp型フローティング領域13との間隔を4.0μmとし、p型フローティング領域13とnバッファ領域11との間隔を4.0μmとした。また、比較例の半導体装置では、pベース領域4とnバッファ領域11との間隔を10.5μmとした。 The conventional semiconductor device has the same configuration as the semiconductor device shown in FIG. In the conventional semiconductor device, the thickness of the n drift region 3 a is 10 μm, the distance between the p base region 4 and the p type floating region 13 is 4.0 μm, and the distance between the p type floating region 13 and the n buffer region 11 is The interval was set to 4.0 μm. In the semiconductor device of the comparative example, the interval between the p base region 4 and the n buffer region 11 is 10.5 μm.

図15に示す結果より、実施例の半導体装置は、従来例の半導体装置に比べて、半導体装置の耐圧が向上していることがわかる。実施例の半導体装置の耐圧は、248Vである。これは、従来例の半導体装置では、p型フローティング領域13の存在により、pベース領域4と、n-ドリフト領域3aおよびnバッファ領域11と、p+コレクタ領域12とからなるpnpトランジスタの実効ベース領域の幅が狭くなるからである。 From the results shown in FIG. 15, it can be seen that the breakdown voltage of the semiconductor device of the example is improved as compared with the semiconductor device of the conventional example. The breakdown voltage of the semiconductor device of the example is 248V. This is because, in the conventional semiconductor device, due to the presence of the p-type floating region 13, the effective base of the pnp transistor comprising the p base region 4, the n drift region 3 a and the n buffer region 11, and the p + collector region 12. This is because the width of the region is narrowed.

従来例の半導体装置では、p+コレクタ領域12の電圧が高くなると、pベース領域4と接しているn-ドリフト領域3aの一部からnバッファ領域11に向かって空乏層が広がり、ある電圧値において、pベース領域4とn-ドリフト領域3aとp型フローティング領域13とからなるpnpトランジスタがパンチスルーする。そのため、p型フローティング領域13とフローティング電極14の電位VPが固定される。その後さらにp+コレクタ領域12の電圧が高くなると、電位VPで固定されたp型フローティング領域13と、n-ドリフト領域3aおよびnバッファ領域11と、p+コレクタ領域12とからなるpnpトランジスタの実効ベース領域で決まる耐圧VP1に達し、従来例の半導体装置は降伏する。このときの従来例の半導体装置の全体の耐圧はVP+VP1となり、実施例の半導体装置よりも耐圧が低下することになる。 In the semiconductor device of the conventional example, when the voltage of the p + collector region 12 increases, a depletion layer spreads from a part of the n drift region 3 a in contact with the p base region 4 toward the n buffer region 11 and has a certain voltage value. , A pnp transistor comprising the p base region 4, the n drift region 3 a and the p-type floating region 13 punches through. Therefore, potential V P of the p-type floating region 13 and the floating electrode 14 is fixed. Thereafter, when the voltage of p + collector region 12 further increases, the pnp transistor comprising p type floating region 13 fixed at potential V P , n drift region 3 a and n buffer region 11, and p + collector region 12. The breakdown voltage V P1 determined by the effective base region is reached, and the conventional semiconductor device breaks down. At this time, the overall breakdown voltage of the conventional semiconductor device is V P + V P1 , which is lower than the breakdown voltage of the semiconductor device of the embodiment.

また、実施例の半導体装置は、比較例の半導体装置に比べて、半導体装置の耐圧が向上していることがわかる。この理由は、実施例の半導体装置では、トレンチ16を設けることによりp型フローティング領域13による耐圧への影響を抑制し、pベース領域4と、n-ドリフト領域3aおよびnバッファ領域11と、p+コレクタ領域12とからなるpnpトランジスタの実効ベース領域を、比較例の半導体装置よりも長くすることができるからである。さらに、実施例の半導体装置では、n-ドリフト領域3aの厚さとトレンチ16の深さとを調節することで、比較例の半導体装置の耐圧を維持しつつ小型化を図ることができる。 Further, it can be seen that the semiconductor device of the example has an improved breakdown voltage of the semiconductor device compared to the semiconductor device of the comparative example. This is because in the semiconductor device of the embodiment, the trench 16 is provided to suppress the influence of the p-type floating region 13 on the breakdown voltage, and the p base region 4, the n drift region 3 a and the n buffer region 11, p This is because the effective base region of the pnp transistor including the + collector region 12 can be made longer than that of the semiconductor device of the comparative example. Further, in the semiconductor device of the example, the thickness of the n drift region 3a and the depth of the trench 16 can be adjusted, and the size of the semiconductor device of the comparative example can be reduced while maintaining the withstand voltage.

次に、例えばコンデンサーを駆動する回路を例に、本発明にかかる半導体装置を用いた電圧センシングについて説明する。図16は、本発明にかかる半導体装置を用いた保護回路の一例を示す回路図である。図16に示す回路の出力段は、いわゆるトーテムポール構成としている。図16に示す回路は、第1のIGBT51、第2のIGBT52、コンデンサー53、抵抗54、定電流源55、起動スイッチ56、ハイレベル電源端子57、ゲート制御信号入力端子58および出力端子59を備えている。第1のIGBT51のコレクタ端子は、出力端子59を介して第2のIGBT52のエミッタ端子に接続されている。第1のIGBT51のエミッタ端子は、接地されている。第1のIGBT51のゲート端子は、ゲート制御信号入力端子58に接続されている。第2のIGBT52のコレクタ端子は、高電圧出力段のハイレベル電源端子57に接続されている。第2のIGBT52のゲート端子は、抵抗54および高電圧の出力端子59を介してコンデンサー53に接続されている。コンデンサー53の一方の電極は、接地されている。また、第2のIGBT52のコレクタ端子とゲート端子の間には、定電流源55および起動スイッチ56が接続されている。このような回路では、第1のIGBT51、第2のIGBT52および起動スイッチ56のオン・オフ状態を調節することにより、コンデンサー53の充電および放電を行っている。ハイレベル電源端子57は、第2の電源端子に相当する。   Next, voltage sensing using the semiconductor device according to the present invention will be described using, for example, a circuit for driving a capacitor as an example. FIG. 16 is a circuit diagram showing an example of a protection circuit using the semiconductor device according to the present invention. The output stage of the circuit shown in FIG. 16 has a so-called totem pole configuration. The circuit shown in FIG. 16 includes a first IGBT 51, a second IGBT 52, a capacitor 53, a resistor 54, a constant current source 55, a start switch 56, a high level power supply terminal 57, a gate control signal input terminal 58, and an output terminal 59. ing. The collector terminal of the first IGBT 51 is connected to the emitter terminal of the second IGBT 52 via the output terminal 59. The emitter terminal of the first IGBT 51 is grounded. The gate terminal of the first IGBT 51 is connected to the gate control signal input terminal 58. The collector terminal of the second IGBT 52 is connected to the high level power supply terminal 57 of the high voltage output stage. The gate terminal of the second IGBT 52 is connected to the capacitor 53 via a resistor 54 and a high voltage output terminal 59. One electrode of the capacitor 53 is grounded. A constant current source 55 and a start switch 56 are connected between the collector terminal and the gate terminal of the second IGBT 52. In such a circuit, the capacitor 53 is charged and discharged by adjusting the on / off states of the first IGBT 51, the second IGBT 52, and the start switch 56. The high level power supply terminal 57 corresponds to a second power supply terminal.

また、図16に示す第1のIGBT51および第2のIGBT52に、それぞれ過電圧を検出するための保護回路を設けた。図17および図18は、本発明にかかる半導体装置の異常検出回路の一例を示す回路図である。図17に示す回路は、第1のIGBT51の過電圧を検出する回路であり、第1のスイッチ61、第2のスイッチ62および第1の分圧抵抗63を備えている。第1のスイッチ61および第2のスイッチ62は、第1のIGBT51からの検出信号により、第1のIGBT51のゲート電圧を制御するスイッチである。第1のスイッチ61および第1の分圧抵抗63は、第1のIGBT51からの検出信号を第2のスイッチ62に入力可能な電圧値に変換する機能を有する(以下、第1の分圧回路とする)。第1のスイッチ61は、第1の電界効果トランジスタに相当する。第2のスイッチ62は、第2の電界効果トランジスタに相当する。第1の分圧抵抗63は、抵抗体に相当する。   Further, the first IGBT 51 and the second IGBT 52 shown in FIG. 16 are each provided with a protection circuit for detecting an overvoltage. 17 and 18 are circuit diagrams showing examples of the abnormality detection circuit of the semiconductor device according to the present invention. The circuit shown in FIG. 17 is a circuit that detects an overvoltage of the first IGBT 51, and includes a first switch 61, a second switch 62, and a first voltage dividing resistor 63. The first switch 61 and the second switch 62 are switches that control the gate voltage of the first IGBT 51 based on a detection signal from the first IGBT 51. The first switch 61 and the first voltage dividing resistor 63 have a function of converting a detection signal from the first IGBT 51 into a voltage value that can be input to the second switch 62 (hereinafter referred to as a first voltage dividing circuit). And). The first switch 61 corresponds to a first field effect transistor. The second switch 62 corresponds to a second field effect transistor. The first voltage dividing resistor 63 corresponds to a resistor.

第1のIGBT51のフローティング電極(図1のフローティング電極14)端子とゲート端子の間には、第1の分圧回路を介して第2のスイッチ62が接続されている。第2のスイッチ62のドレイン端子は、第1のIGBT51のゲート端子に接続されている。第2のスイッチ62のソース端子は、接地されている。第1の分圧回路では、第1のスイッチ61のソース端子と第1の分圧抵抗63の一端が接続されている。第1の分圧抵抗63の他端は、接地されている。第2のスイッチ62のゲート端子は、第1のスイッチ61のソース端子と第1の分圧抵抗63の中間ノードに接続されている。第1のスイッチ61のゲート端子は、第1のIGBT51のフローティング電極端子に接続されている。第1のスイッチ61のドレイン端子は、回路電源電位を有するローレベル電源端子に接続されている。第1のスイッチ61および第2のスイッチ62に用いる半導体基板の電位(ボディ電位)は、接地電位である。ローレベル電源端子は、第1の電源端子に相当する。   A second switch 62 is connected between the floating electrode (floating electrode 14 in FIG. 1) terminal of the first IGBT 51 and the gate terminal via a first voltage dividing circuit. The drain terminal of the second switch 62 is connected to the gate terminal of the first IGBT 51. The source terminal of the second switch 62 is grounded. In the first voltage dividing circuit, the source terminal of the first switch 61 and one end of the first voltage dividing resistor 63 are connected. The other end of the first voltage dividing resistor 63 is grounded. The gate terminal of the second switch 62 is connected to the source terminal of the first switch 61 and the intermediate node of the first voltage dividing resistor 63. The gate terminal of the first switch 61 is connected to the floating electrode terminal of the first IGBT 51. The drain terminal of the first switch 61 is connected to a low level power supply terminal having a circuit power supply potential. The potential (body potential) of the semiconductor substrate used for the first switch 61 and the second switch 62 is a ground potential. The low level power supply terminal corresponds to the first power supply terminal.

第1の分圧回路において、第1のIGBT51のフローティング電極から検出された電圧(以下、フローティング電圧とする)VPを第2のスイッチ62に入力可能な電圧VG2に変換し、第2のスイッチ62を駆動させる。第2のスイッチ62がオン状態になると、第1のIGBT51のゲート端子が接地され、第1のIGBT51のゲート電圧VG1を低減させることができる。 In the first voltage dividing circuit, a voltage (hereinafter referred to as a floating voltage) V P detected from the floating electrode of the first IGBT 51 is converted into a voltage V G2 that can be input to the second switch 62, The switch 62 is driven. When the second switch 62 is turned on, the gate terminal of the first IGBT 51 is grounded, and the gate voltage V G1 of the first IGBT 51 can be reduced.

このような第1のスイッチ61および第2のスイッチ62には、例えばMOSFETが用いられる。第1のIGBT51と直接接続される第1のスイッチ61において、第1のIGBT51のゲート・エミッタ間電圧(ゲート駆動電圧)VGEよりも高く、かつ第1のIGBT51のフローティング電圧VPの飽和電圧値以下に、ゲート閾値電圧を設定するのが良い。その理由は、第1のIGBT51が飽和モードに入っていない場合は、第1のスイッチング61をオンさせないためである。第2のスイッチ62のゲート閾値電圧は、第1のスイッチ61よりも低いゲート閾値電圧とするのが良い。 For example, MOSFETs are used for the first switch 61 and the second switch 62. In the first switch 61 directly connected to the first IGBT 51, the saturation voltage of the floating voltage V P of the first IGBT 51 that is higher than the gate-emitter voltage (gate drive voltage) V GE of the first IGBT 51. The gate threshold voltage should be set below the value. This is because the first switching 61 is not turned on when the first IGBT 51 is not in the saturation mode. The gate threshold voltage of the second switch 62 is preferably a gate threshold voltage lower than that of the first switch 61.

図18に示す回路は、第2のIGBT52の過電圧を検出する回路であり、第3のスイッチ71、第4のスイッチ72、および第2の分圧抵抗73を備えている。第3のスイッチ71および第4のスイッチ72は、第2のIGBT52からの検出信号により、第2のIGBT52のゲート電圧を制御するスイッチである。また、第3のスイッチ71および第2の分圧抵抗73は、第2のIGBT52からの検出信号を第4のスイッチ72に入力可能な電圧値に変換する機能を有する(以下、第2の分圧回路とする)。第3のスイッチ71は、第1の電界効果トランジスタに相当する。第4のスイッチ72は、第2の電界効果トランジスタに相当する。第2の分圧抵抗73は、抵抗体に相当する。   The circuit shown in FIG. 18 is a circuit that detects an overvoltage of the second IGBT 52, and includes a third switch 71, a fourth switch 72, and a second voltage dividing resistor 73. The third switch 71 and the fourth switch 72 are switches that control the gate voltage of the second IGBT 52 based on the detection signal from the second IGBT 52. Further, the third switch 71 and the second voltage dividing resistor 73 have a function of converting the detection signal from the second IGBT 52 into a voltage value that can be input to the fourth switch 72 (hereinafter referred to as a second voltage divider). Pressure circuit). The third switch 71 corresponds to a first field effect transistor. The fourth switch 72 corresponds to a second field effect transistor. The second voltage dividing resistor 73 corresponds to a resistor.

第2のIGBT52のフローティング電極(図1のフローティング電極14)端子とゲート端子の間には、第2の分圧回路を介して第4のスイッチ72が接続されている。第3のスイッチ71のドレイン端子は、第3のスイッチ71のゲート端子に短絡されている。第4のスイッチ72のソース端子および第2の分圧抵抗73の他端は、第2のIGBT52のエミッタ端子に短絡されている。第3のスイッチ71および第4のスイッチ72のボディ電位は、第2のIGBT52のエミッタ端子電位となっている。その他の構成は、図17に示す回路における第1のIGBT51、第1のスイッチ61、第2のスイッチ62および第1の分圧抵抗63を、それぞれ第2のIGBT52、第3のスイッチ71、第4のスイッチ72および第2の分圧抵抗73に代えた構成となっている。   A fourth switch 72 is connected between the floating electrode (floating electrode 14 in FIG. 1) terminal of the second IGBT 52 and the gate terminal via a second voltage dividing circuit. The drain terminal of the third switch 71 is short-circuited to the gate terminal of the third switch 71. The source terminal of the fourth switch 72 and the other end of the second voltage dividing resistor 73 are short-circuited to the emitter terminal of the second IGBT 52. The body potentials of the third switch 71 and the fourth switch 72 are the emitter terminal potential of the second IGBT 52. Other configurations include the first IGBT 51, the first switch 61, the second switch 62, and the first voltage dividing resistor 63 in the circuit shown in FIG. 17, the second IGBT 52, the third switch 71, and the first switch, respectively. 4 switch 72 and the second voltage dividing resistor 73.

第2の分圧回路において、第2のIGBT52のフローティング電圧VPを第4のスイッチ72に入力可能な電圧VG4に変換し、第4のスイッチ72を駆動させる。第4のスイッチ72がオン状態になると、第2のIGBT52のゲート端子が接地され、第2のIGBT52のゲート電圧VG3を低減させることができる。 In the second voltage dividing circuit, the floating voltage V P of the second IGBT 52 is converted into a voltage V G4 that can be input to the fourth switch 72, and the fourth switch 72 is driven. When the fourth switch 72 is turned on, the gate terminal of the second IGBT 52 is grounded, and the gate voltage V G3 of the second IGBT 52 can be reduced.

また、第3のスイッチ71および第4のスイッチ72は、それぞれ第1のスイッチ61および第2のスイッチ62と同様の方法で設定する。その際、第3のスイッチ71では、第2のIGBT52のゲート・エミッタ間電圧VGEおよび第2のIGBT52のフローティング電圧VPの飽和電圧値を基準とする。 The third switch 71 and the fourth switch 72 are set in the same manner as the first switch 61 and the second switch 62, respectively. At this time, the third switch 71 uses the saturation voltage value of the gate-emitter voltage V GE of the second IGBT 52 and the floating voltage V P of the second IGBT 52 as a reference.

図19は、本発明の半導体装置にかかるコレクタ・エミッタ間電圧とフローティング電圧との関係を示す特性図である。ここでは、図17に示す保護回路を例に説明する。第1のIGBT51のコレクタ・エミッタ間電圧VCEが異常な原因により高くなる(以下、異常動作時とする)場合、第1のIGBT51に過電圧が印加されるとともに過電流が流れることで破壊に至る恐れがある。図19に示す結果より、このとき、第1のIGBT51では、コレクタ・エミッタ間電圧VCEの増大に伴い、フローティング電圧VPも増大して飽和状態となることがわかった。 FIG. 19 is a characteristic diagram showing the relationship between the collector-emitter voltage and the floating voltage according to the semiconductor device of the present invention. Here, the protection circuit illustrated in FIG. 17 will be described as an example. When the collector-emitter voltage V CE of the first IGBT 51 becomes high due to an abnormal cause (hereinafter referred to as an abnormal operation), an overvoltage is applied to the first IGBT 51 and an overcurrent flows, resulting in destruction. There is a fear. From the results shown in FIG. 19, it was found that, at this time, in the first IGBT 51, the floating voltage V P also increased and became saturated as the collector-emitter voltage V CE increased.

第1のIGBT51のターンオフ時、つまりゲート・エミッタ間電圧VGEが0Vの場合には、コレクタ・エミッタ間電圧VCEが20V程度(測定結果C1)より大きい電圧値である例えば30V以上で、フローティング電圧VPの飽和電圧は4V程度となる。一方、第1のIGBT51のターンオン時、つまりゲート・エミッタ間電圧VGEが2.0V以上の場合に、コレクタ・エミッタ間電圧VCEが20V程度に達した時点で、フローティング電圧VPの飽和電圧は測定結果C1よりも大きくなる(測定結果C2)。例えば、ゲート・エミッタ間電圧VGEが6.0Vで、7V程度である。 When the first IGBT 51 is turned off, that is, when the gate-emitter voltage V GE is 0 V, the collector-emitter voltage V CE is greater than about 20 V (measurement result C 1 ), for example, 30 V or more, The saturation voltage of the floating voltage V P is about 4V. On the other hand, when the first IGBT 51 is turned on, that is, when the gate-emitter voltage V GE is 2.0 V or higher, when the collector-emitter voltage V CE reaches about 20 V, the saturation voltage of the floating voltage V P is reached. Becomes larger than the measurement result C 1 (measurement result C 2 ). For example, the gate-emitter voltage V GE is at 6.0V, is approximately 7V.

この測定結果C1と測定結果C2とのフローティング電圧VPの差は、ターンオン時における第1のIGBT51のpベース領域(図1のpベース領域4)とp型フローティング領域(図1のp型フローティング領域13)との間に生じる電圧降下に起因している。そのため、フローティング電圧VPを検出することで、第1のIGBT51が破壊される前、すなわちコレクタ・エミッタ間電圧VCEが高くなりすぎる前に、第1のIGBT51のターンオフ時期を判別することができる。つまり、第1のスイッチ61のゲート閾値電圧値に、第1のIGBT51のゲート・エミッタ間電圧(ゲート駆動電圧)VGEよりも高く、かつ第1のIGBT51のフローティング電圧VPの飽和電圧値以下の電圧値を設定する。これにより、第1のIGBT51を駆動させることができ、かつ第1のIGBT51が破壊に至る前に第1のIGBT51をターンオフすることができる。例えば、ゲート・エミッタ間電圧VGEが5Vのときに、コレクタ・エミッタ間電圧VCE>20Vおよびフローティング電圧VP>6Vとなるときを異常状態とした場合は、第1のスイッチ61のゲート閾値電圧を6Vに設定すれば良い。 The difference in the floating voltage V P between the measurement result C 1 and the measurement result C 2 is that the p base region (p base region 4 in FIG. 1) and the p type floating region (p in FIG. 1) of the first IGBT 51 at the time of turn-on. This is due to a voltage drop that occurs between the mold floating region 13). Therefore, by detecting the floating voltage V P , it is possible to determine the turn-off timing of the first IGBT 51 before the first IGBT 51 is destroyed, that is, before the collector-emitter voltage V CE becomes too high. . That is, the gate threshold voltage value of the first switch 61 is higher than the gate-emitter voltage (gate drive voltage) V GE of the first IGBT 51 and equal to or less than the saturation voltage value of the floating voltage V P of the first IGBT 51. Set the voltage value of. Thereby, the first IGBT 51 can be driven, and the first IGBT 51 can be turned off before the first IGBT 51 is destroyed. For example, when the gate-emitter voltage V GE is 5 V and the collector-emitter voltage V CE > 20 V and the floating voltage V P > 6 V are abnormal, the gate threshold value of the first switch 61 is set. What is necessary is just to set a voltage to 6V.

また、第1のスイッチ61および第3のスイッチ71に、LOCOS酸化膜をゲート酸化膜として設けたフィールドMOSFETを用いても良い。   Further, a field MOSFET in which a LOCOS oxide film is provided as a gate oxide film may be used for the first switch 61 and the third switch 71.

エッチ・スミダ(H.Sumida)らは、「ブレークダウン キャラクタリスティックス オブ ア ハイ−ボルテージ ラテラル PMOS ウィズ LOCOS ゲート オン SOI(Breakdown Characteristics of a High−Voltage Lateral PMOS with LOCOS Gate on SOI)」(ザ 7th インターナショナル シンポジウム オン セミコンダクタ ウェハ ボンディング サイエンス, テクノロジー, アンド アプリケーションズ, 203rd ミーティング オブ ジ エレクトロケミカル ソサイエティ(The Seventh International Symposium on Semiconductor Wafer Bonding Science, Technology, and Applications, 203rd Meeting of the Electrochemical Society)、2003年4月29日、フランス)の中で、ゲート酸化膜の厚さを400nmとした高耐圧を有するpチャネルMOSFETについて報告している。   H. Sumida et al. “Breakdown Characteristic of a High-Voltage Lateral PMOS with the LOCOS Gate on SOI” (Breakdown Characteristics of a High-Voltage Lateral PMOS with the LOCOS Gate) International Symposium on Semiconductor Wafer Bonding Science, Technology, and Applications, 203rd Meeting of the Electrochemical Society (The Seventh International Symposium on Semiconductor Bonding Sci ence, Technology, and Applications, 203rd Meeting of the Electrochemical Society), April 29, 2003, France), reported on a p-channel MOSFET having a high breakdown voltage with a gate oxide thickness of 400 nm. .

本発明において、nチャネルMOSFETのゲート閾値電圧Vthは、フラットバンド電圧Vfb、フェルミ準位とミッドギャプの差ΨB、誘電率εs、単位電荷q、アクセプタ濃度Na、ゲート酸化膜容量Coxとしたときに、次の(3)式を満たす値として算出することができる。 In the present invention, the gate threshold voltage V th of the n-channel MOSFET includes the flat band voltage V fb , the difference between Fermi level and mid gap ψ B , dielectric constant ε s , unit charge q, acceptor concentration N a , gate oxide film capacitance C When ox , it can be calculated as a value satisfying the following expression (3).

th=Vfb+2ΨB+(4εsqNaΨB0.5/Cox ・・・(3) V th = V fb + 2Ψ B + (4ε s qN a Ψ B ) 0.5 / C ox (3)

(3)式より、ゲート酸化膜Tox=400nm、アクセプタ濃度Na=1×1016cm-3とした場合、ゲート閾値電圧Vthは約6Vとなる。 From the formula (3), when the gate oxide film Tox = 400 nm and the acceptor concentration N a = 1 × 10 16 cm −3 , the gate threshold voltage V th is about 6V.

次に、第1のIGBT51および第2のIGBT52の電流−電圧特性について説明する。図20および図21は、本発明にかかる半導体装置のコレクタ・エミッタ間電流と各電極の電圧との関係についてのシミュレーション結果を示す特性図である。図20では、第2のIGBT52を動作させ、コンデンサー53を充電させたときの電流−電圧特性を示している。また、図21では、第1のIGBT51を動作させ、コンデンサー53を放電させたときの電流−電圧特性を示している。各測定値を実測するにあたり、図16〜図18に示す回路を、次に示すように設定している。図16に示す回路において、第1のIGBT51に流すことのできる電流値の上限(以下、電流能力とする)を0.6Aとした。第2のIGBT52の電流能力を0.2Aとした。コンデンサー53の容量を200pFとした。抵抗54の抵抗値を約5kΩとした。定電流源55の定電流値を0.1Aとした。ハイレベル電源端子57に接続される回路電源の電圧を約150Vとした。   Next, the current-voltage characteristics of the first IGBT 51 and the second IGBT 52 will be described. 20 and 21 are characteristic diagrams showing simulation results on the relationship between the collector-emitter current and the voltage of each electrode of the semiconductor device according to the present invention. FIG. 20 shows current-voltage characteristics when the second IGBT 52 is operated and the capacitor 53 is charged. FIG. 21 shows current-voltage characteristics when the first IGBT 51 is operated and the capacitor 53 is discharged. In actually measuring each measured value, the circuits shown in FIGS. 16 to 18 are set as follows. In the circuit shown in FIG. 16, the upper limit (hereinafter referred to as current capability) of the current value that can be passed through the first IGBT 51 is set to 0.6A. The current capability of the second IGBT 52 was set to 0.2A. The capacity of the capacitor 53 was 200 pF. The resistance value of the resistor 54 was about 5 kΩ. The constant current value of the constant current source 55 was set to 0.1A. The voltage of the circuit power supply connected to the high level power supply terminal 57 was about 150V.

また、図17に示す回路において、第1のスイッチ61および第2のスイッチ62は、nチャネルMOSFETを用いた。第1のスイッチ61および第2のスイッチ62のゲート閾値電圧Vthを、それぞれ6Vおよび1Vとした。第1のスイッチ61のチャネル長Lおよびチャネル幅Wを、それぞれ2μmおよび50μmとした。第2のスイッチ62のチャネル長Lおよびチャネル幅Wを、それぞれ2μmおよび15μmとした。第1の分圧抵抗63の抵抗値を50kΩとした。ローレベル電源端子に接続される回路電源の電圧を5Vとした。 In the circuit shown in FIG. 17, the first switch 61 and the second switch 62 are n-channel MOSFETs. The gate threshold voltages V th of the first switch 61 and the second switch 62 were 6 V and 1 V, respectively. The channel length L and channel width W of the first switch 61 were 2 μm and 50 μm, respectively. The channel length L and the channel width W of the second switch 62 were 2 μm and 15 μm, respectively. The resistance value of the first voltage dividing resistor 63 was set to 50 kΩ. The voltage of the circuit power supply connected to the low level power supply terminal was 5V.

また、図18に示す回路において、第3のスイッチ71および第4のスイッチ72は、nチャネルMOSFETを用いた。第3のスイッチ71および第4のスイッチ72のゲート閾値電圧Vthを、それぞれ6Vおよび1Vとした。第3のスイッチ71のチャネル長Lおよびチャネル幅Wを、それぞれ2μmおよび50μmとした。第4のスイッチ72のチャネル長Lおよびチャネル幅Wを、それぞれ2μmおよび15μmとした。第2の分圧抵抗73の抵抗値を50kΩとした。なお、チャネル長Lとは、MOSFETのソース領域とドレイン領域との間でキャリアの流れる方向の長さをいう。また、チャネル幅Wとは、チャネル長Lと直行する方向のチャネル部分の長さをいう。 In the circuit shown in FIG. 18, the third switch 71 and the fourth switch 72 are n-channel MOSFETs. The gate threshold voltage V th of the third switch 71 and fourth switch 72, was 6V and 1V, respectively. The channel length L and the channel width W of the third switch 71 were 2 μm and 50 μm, respectively. The channel length L and the channel width W of the fourth switch 72 were 2 μm and 15 μm, respectively. The resistance value of the second voltage dividing resistor 73 was set to 50 kΩ. The channel length L is the length in the direction in which carriers flow between the source region and the drain region of the MOSFET. The channel width W is the length of the channel portion in the direction orthogonal to the channel length L.

コンデンサー53を充電する場合、第1のIGBT51をオフ状態とし、起動スイッチ56をオン状態にすることで、ハイレベル電源端子57に接続される回路電源から電圧が印加され第2のIGBT52がターンオンされる。図20の結果より、第2のIGBT52では、ハイレベル電源端子57からの電圧により、ゲート電圧VGが、エミッタ電圧VEよりも約5Vほど高くなることがわかる。また、フローティング電圧VPは、エミッタ電圧VEよりも約10Vほど高くなることがわかる。このとき、コレクタ・エミッタ間電流ICEは約0.2Aまで増加した後に減少している。また、フローティング電圧VPがエミッタ電圧VEよりも高くなる時間(以下、充電時VPハイ時間とする)は、第3のスイッチ71のゲート閾値電圧Vthを6Vに設定していることから、フローティング電圧VPとエミッタ電圧VEとの差が6V以上となる約12nsから約210nsまでの、約200ns間であることがわかる。つまり、第2のIGBT52に過電圧がかからない正常状態において、第2のIGBT52は200nsでターンオンすることがわかる。 When charging the capacitor 53, the first IGBT 51 is turned off and the start switch 56 is turned on, whereby a voltage is applied from the circuit power supply connected to the high-level power supply terminal 57 and the second IGBT 52 is turned on. The From the result of FIG. 20, it can be seen that in the second IGBT 52, the gate voltage V G becomes higher by about 5V than the emitter voltage V E due to the voltage from the high-level power supply terminal 57. It can also be seen that the floating voltage V P is about 10 V higher than the emitter voltage V E. At this time, the collector-emitter current I CE increases to about 0.2 A and then decreases. Further, the time during which the floating voltage V P becomes higher than the emitter voltage V E (hereinafter referred to as “V P high time during charging”) is because the gate threshold voltage V th of the third switch 71 is set to 6V. It can be seen that the difference between the floating voltage V P and the emitter voltage V E is about 200 ns from about 12 ns to about 210 ns where the difference is 6 V or more. That is, it can be seen that the second IGBT 52 is turned on in 200 ns in a normal state where no overvoltage is applied to the second IGBT 52.

一方、コンデンサー53を放電させる場合、第2のIGBT52をオフ状態とし、ローレベル電源端子に接続される回路電源から電圧を印加することにより、第1のIGBT51をターンオンさせる。図21の結果より、第1のIGBT51では、ローレベル電源端子からの電圧により、ゲート電圧VGおよびコレクタ・エミッタ間電流ICEが増加し始めることがわかる。また、コレクタ電圧VCは、フローティング電圧VPの増加とともに減少し始めることがわかる。このとき、フローティング電圧VPが、ゲート電圧VG=0Vのときのフローティング電圧VPの電圧値(約5V)よりも高くなる時間(以下、放電時VPハイ時間とする)は、ゲート電圧VGが2.5V以上となる約20nsから70nsまでの、約50ns間であることがわかる。つまり、第1のIGBT51に過電圧がかからない正常状態において、第1のIGBT51は50nsでターンオンすることがわかる。 On the other hand, when discharging the capacitor 53, the second IGBT 52 is turned off, and the first IGBT 51 is turned on by applying a voltage from a circuit power supply connected to the low-level power supply terminal. From the results of FIG. 21, it can be seen that in the first IGBT 51, the gate voltage V G and the collector-emitter current I CE begin to increase due to the voltage from the low-level power supply terminal. It can also be seen that the collector voltage V C begins to decrease as the floating voltage V P increases. At this time, the floating voltage V P is, the voltage value of the floating voltage V P at the time when the gate voltage V G = 0V (approximately 5V) becomes higher time than (hereinafter referred to as the discharge time of V P high time), the gate voltage V G is about 20ns to be 2.5V or higher to 70 ns, it is understood that between about 50 ns. That is, it can be seen that the first IGBT 51 is turned on in 50 ns in a normal state where no overvoltage is applied to the first IGBT 51.

そのため、このような回路において、第1のIGBT51および第2のIGBT52から構成される出力段を正常に動作させるためには、保護回路に用いる第1のスイッチ61および第2のスイッチ62のターンオン時間を、第1のIGBT51のターンオン時間よりも長くすることが好ましい。また、保護回路に用いる第3のスイッチ71および第4のスイッチ72のターンオン時間を、第2のIGBT52のターンオン時間よりも長くすることが好ましい。保護回路のスイッチのターンオン時間を、正常動作時のフローティング電圧VPがハイとなる時間よりも長くするのは、図16に示すような回路の正常動作を妨害しないためである。 Therefore, in such a circuit, in order to operate the output stage composed of the first IGBT 51 and the second IGBT 52 normally, the turn-on time of the first switch 61 and the second switch 62 used in the protection circuit Is preferably longer than the turn-on time of the first IGBT 51. Further, it is preferable that the turn-on time of the third switch 71 and the fourth switch 72 used in the protection circuit is longer than the turn-on time of the second IGBT 52. The reason why the turn-on time of the switch of the protection circuit is set to be longer than the time during which the floating voltage VP is high during normal operation is to prevent the normal operation of the circuit as shown in FIG.

次に、本発明の半導体装置のターンオン時間とフローティング電圧の関係について説明する。図22は、本発明にかかる半導体装置の電圧特性を示す特性図である。ここでは、図17を例に説明する。図22では、第1のIGBT51のゲート容量を24pFとし、コンデンサー53を放電させる場合の第1のIGBT51のゲート電圧VG1について示している。第1のIGBT51のゲート電圧VG1に電圧が印加されると、第1のIGBT51のフローティング電圧VPが上昇し始める。フローティング電圧VPが第1のスイッチ61のゲート閾値電圧を超えた場合に、第2のスイッチ62のゲート電圧VG2に電圧が印加され第2のスイッチ62がオン状態となるため、第1のIGBT51のゲート電圧VG1が減少し始める。 Next, the relationship between the turn-on time and the floating voltage of the semiconductor device of the present invention will be described. FIG. 22 is a characteristic diagram showing voltage characteristics of the semiconductor device according to the present invention. Here, FIG. 17 will be described as an example. FIG. 22 shows the gate voltage V G1 of the first IGBT 51 when the gate capacitance of the first IGBT 51 is 24 pF and the capacitor 53 is discharged. When a voltage is applied to the gate voltage V G1 of the first IGBT 51, the floating voltage V P of the first IGBT 51 starts to rise. When the floating voltage V P exceeds the gate threshold voltage of the first switch 61, the voltage is applied to the gate voltage V G2 of the second switch 62 and the second switch 62 is turned on. The gate voltage V G1 of the IGBT 51 starts to decrease.

図22に示す結果より、第1のIGBT51の異常動作時、例えば第1のスイッチ61のターンオン時間を340nsに設定している場合、つまり放電時VPハイ時間が340nsとなる場合、第1のIGBT51のゲート電圧VG1は5Vから2Vまで降下する。一般に、IGBTの短絡耐量はゲート電圧によって変化し、あるゲート電圧を超えると減少する。そのため、第1のIGBT51のゲート電圧VG1を減少させることで、第1のIGBT51の短絡耐量を増加させることができるため、異常放電時にフローティング電圧VPがハイとなる時間が長い場合でも、第1のIGBT51のゲート電圧VG1を制御することができる。また、異常放電時にフローティング電圧VPがハイとなる時間がもっと長ければ、第1のIGBT51のゲート電圧VG1の値は、第1のIGBT51の閾値よりも低くなり、第1のIGBT51はターンオフされる。 From the results shown in FIG. 22, the abnormal operation of the first IGBT 51, for example, if you set the turn-on time of the first switch 61 to 340 ns, that is, when the discharge time of V P high time is 340 ns, the first The gate voltage V G1 of the IGBT 51 drops from 5V to 2V. In general, the short-circuit withstand capability of the IGBT varies depending on the gate voltage, and decreases when a certain gate voltage is exceeded. Therefore, since the short-circuit withstand capability of the first IGBT 51 can be increased by reducing the gate voltage V G1 of the first IGBT 51, even if the time during which the floating voltage V P becomes high during an abnormal discharge is long, the first The gate voltage V G1 of one IGBT 51 can be controlled. Further, if the time during which the floating voltage V P becomes high during abnormal discharge is longer, the value of the gate voltage V G1 of the first IGBT 51 becomes lower than the threshold value of the first IGBT 51, and the first IGBT 51 is turned off. The

一方、第1のIGBT51の正常動作時、第1のIGBT51は放電時VPハイ時間である50nsでプルダウンされる。このとき、図22に示す結果より、第1のIGBT51のゲート電圧VG1の降下は0.5Vであり、図17に示す回路の正常動作への影響は少ないことがわかる。 On the other hand, during normal operation of the first IGBT 51, the first IGBT 51 is pulled down by 50ns is discharged when V P high time. At this time, the result shown in FIG. 22 shows that the drop of the gate voltage V G1 of the first IGBT 51 is 0.5 V, and the influence on the normal operation of the circuit shown in FIG. 17 is small.

図18に示す保護回路では、第2のIGBT52のエミッタ端子が第4のスイッチ72に短絡されていることで、図22に示す電圧波形とほぼ同様の電圧波形となる。そこで、図22に示す電圧波形を例に、コンデンサー53を充電する場合の第2のIGBT52のゲート電圧VG3の電圧波形について説明する。このとき、図22に示す第1のゲート電圧が、第2のIGBT52のゲート電圧VG3に相当する。図22に示す第2のゲート電圧が、第4のスイッチ72のゲート電圧VG4に相当する。第2のIGBT52の異常動作時、第1のIGBT51と同様に、第2のIGBT52のゲート電圧VG3を降下させることができ、第2のIGBT52が破壊されることを防止することができる。一方、第2のIGBT52の正常動作時、第2のIGBT52は放電時VPハイ時間である200nsでプルダウンされることとなるが、図22に示すように、第2のIGBT52のゲート電圧VG1は200ns間で5Vから3Vまで降下する。そのため、異常動作時と同様に、第2のIGBT52のゲート電圧VG3を制御することができる。 In the protection circuit shown in FIG. 18, the emitter terminal of the second IGBT 52 is short-circuited to the fourth switch 72, so that the voltage waveform is almost the same as the voltage waveform shown in FIG. Therefore, the voltage waveform of the gate voltage V G3 of the second IGBT 52 when the capacitor 53 is charged will be described by taking the voltage waveform shown in FIG. 22 as an example. At this time, the first gate voltage shown in FIG. 22 corresponds to the gate voltage V G3 of the second IGBT 52. The second gate voltage shown in FIG. 22 corresponds to the gate voltage V G4 of the fourth switch 72. During the abnormal operation of the second IGBT 52, the gate voltage V G3 of the second IGBT 52 can be lowered similarly to the first IGBT 51, and it is possible to prevent the second IGBT 52 from being destroyed. On the other hand, during normal operation of the second IGBT 52, although the second IGBT 52 becomes to be pulled down by 200ns is the discharge time of V P high time, as shown in FIG. 22, the gate voltage V G1 of the second IGBT 52 Drops from 5V to 3V in 200ns. Therefore, the gate voltage V G3 of the second IGBT 52 can be controlled in the same manner as during abnormal operation.

以上の結果より、IGBTの保護回路として設ける半導体スイッチにおいて、半導体スイッチのゲート閾値電圧を、IGBTのゲート・エミッタ間電圧よりも高く、かつIGBTのフローティング電圧の飽和電圧値以下に設定することで、フローティング電圧の値によって、保護対象であるIGBTのターンオフ時期を判別することができることがわかった。また、半導体スイッチのターンオン時間をIGBTのターンオン時間以上に設定することで、例えばトーテムポール構成の出力段を正常に動作させることができることがわかった。また、上述したような設定とすることで、IGBTが破壊される前にIGBTのゲート電圧を低減することができ、IGBTの実質的な短絡耐量を高くすることができることがわかった。   From the above results, in the semiconductor switch provided as the protection circuit of the IGBT, by setting the gate threshold voltage of the semiconductor switch higher than the gate-emitter voltage of the IGBT and below the saturation voltage value of the floating voltage of the IGBT, It was found that the turn-off time of the IGBT to be protected can be determined by the value of the floating voltage. Further, it has been found that by setting the turn-on time of the semiconductor switch to be longer than the turn-on time of the IGBT, for example, an output stage having a totem pole configuration can be operated normally. Further, it was found that by setting as described above, the gate voltage of the IGBT can be reduced before the IGBT is destroyed, and the substantial short-circuit withstand capability of the IGBT can be increased.

以上において、本発明の耐圧担持に関する構造は、高耐圧を必要とする横型LDMOSトランジスタなどにも応用可能である。また、本発明において、半導体装置のn-ドリフト領域の厚さ、トレンチの深さは、上述した数値に限らず種々変更可能である。また、本発明にかかる半導体装置を用いた回路の構成および保護回路の構成は、上述した回路構成に限らず種々変更可能であり、保護回路として用いるスイッチング素子のターンオン時間、ゲート閾値電圧などは、回路構成に合わせて好適な条件に変更することが望ましい。 In the above, the structure relating to withstand voltage according to the present invention can be applied to a lateral LDMOS transistor or the like that requires high withstand voltage. In the present invention, the thickness of the n drift region and the depth of the trench of the semiconductor device are not limited to the above-described numerical values and can be variously changed. In addition, the configuration of the circuit using the semiconductor device according to the present invention and the configuration of the protection circuit are not limited to the circuit configuration described above, and can be variously changed. It is desirable to change to suitable conditions according to the circuit configuration.

以上のように、本発明にかかるIGBTは、高い短絡耐量が要求される高耐圧スイッチング素子に有用であり、特に、フラットパネルディスプレイのドライバICや車載ICなどの出力段に用いる高耐圧スイッチング素子に適している。   As described above, the IGBT according to the present invention is useful for a high breakdown voltage switching element that requires a high short-circuit withstand capability, and particularly for a high breakdown voltage switching element used in an output stage of a driver IC or an in-vehicle IC of a flat panel display. Is suitable.

1 支持基板
2 絶縁層
3a 第1の半導体領域(ドリフト領域)
3b 第2の半導体領域(ウェル領域)
4 第3の半導体領域(ベース領域)
5a 低抵抗領域
5b ベースコンタクト領域
6 エミッタ領域
7 エミッタ電極
8 ゲート電極
9 ゲート絶縁膜
10 コレクタ電極
11 第4の半導体領域(バッファ領域)
12 コレクタ領域
13 第5の半導体領域(p型フローティング領域)
14 フローティング電極
15 層間絶縁膜
16 トレンチ
17 トレンチ埋め込み絶縁膜
18 ゲート側壁スペーサ領域
19 絶縁膜カバー層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Support substrate 2 Insulating layer 3a 1st semiconductor region (drift region)
3b Second semiconductor region (well region)
4 Third semiconductor region (base region)
5a Low resistance region 5b Base contact region 6 Emitter region 7 Emitter electrode 8 Gate electrode 9 Gate insulating film 10 Collector electrode 11 Fourth semiconductor region (buffer region)
12 Collector region 13 Fifth semiconductor region (p-type floating region)
14 Floating electrode 15 Interlayer insulating film 16 Trench 17 Trench embedded insulating film 18 Gate sidewall spacer region 19 Insulating film cover layer

Claims (8)

第1導電型の第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域の表面層の一部に設けられた、前記第1の半導体領域よりも抵抗率の低い第1導電型の第2の半導体領域と、
前記第1の半導体領域および前記第2の半導体領域に接して前記第1の半導体領域の表面層の一部に設けられた第2導電型の第3の半導体領域と、
前記第3の半導体領域の一部の表面上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記第3の半導体領域の一部に設けられた第1導電型のエミッタ領域と、
前記第1の半導体領域の表面層の一部に、前記第2の半導体領域および前記第3の半導体領域から離れて設けられた、前記第1の半導体領域よりも抵抗率の低い第1導電型の第4の半導体領域と、
前記第4の半導体領域の一部に設けられた第2導電型のコレクタ領域と、
前記第2の半導体領域および前記第3の半導体領域と前記第4の半導体領域との間に設けられたトレンチと、
前記トレンチの中に埋め込まれたトレンチ埋め込み絶縁膜と、
前記第1の半導体領域の表面層の一部に、前記第1の半導体領域および前記第2の半導体領域に接して、前記第3の半導体領域と前記トレンチとの間に設けられた第2導電型の第5の半導体領域と、
前記エミッタ領域に接するエミッタ電極と、
前記コレクタ領域に接するコレクタ電極と、
前記第5の半導体領域に接するフローティング電位のフローティング電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A first semiconductor region of a first conductivity type;
A second semiconductor region of a first conductivity type provided in a part of a surface layer of the first semiconductor region and having a resistivity lower than that of the first semiconductor region;
A third semiconductor region of a second conductivity type provided in part of a surface layer of the first semiconductor region in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor region;
A gate electrode provided on a part of the surface of the third semiconductor region via a gate insulating film;
A first conductivity type emitter region provided in a part of the third semiconductor region;
A first conductivity type having a lower resistivity than the first semiconductor region, which is provided apart from the second semiconductor region and the third semiconductor region in a part of the surface layer of the first semiconductor region. A fourth semiconductor region of
A second conductivity type collector region provided in a part of the fourth semiconductor region;
A trench provided between the second semiconductor region and the third semiconductor region and the fourth semiconductor region;
A trench buried insulating film buried in the trench;
Second conductivity provided between a part of the surface layer of the first semiconductor region and in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor region and between the third semiconductor region and the trench. A fifth semiconductor region of the mold;
An emitter electrode in contact with the emitter region;
A collector electrode in contact with the collector region;
A floating electrode having a floating potential in contact with the fifth semiconductor region;
A semiconductor device comprising:
前記エミッタ電極は接地されており、
前記フローティング電極は、第1の閾値電圧を有する第1の電界効果トランジスタのゲート端子に接続されており、
前記ゲート電極は、前記第1の閾値電圧よりも低い第2の閾値電圧の第2の電界効果トランジスタのドレイン端子に接続されており、
前記コレクタ電極は、高電圧の出力端子に接続されており、
前記第1の電界効果トランジスタのドレイン端子は、回路電源電位を有する第1の電源端子に接続されており、
前記第1の電界効果トランジスタのソース端子は、前記第2の電界効果トランジスタのゲート端子および抵抗体の一端に接続されており、
前記第1の電界効果トランジスタのボディ電位および前記第2の電界効果トランジスタのボディ電位は接地電位であり、
前記第2の電界効果トランジスタのソース端子および前記抵抗体の他端は接地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。
The emitter electrode is grounded;
The floating electrode is connected to a gate terminal of a first field effect transistor having a first threshold voltage;
The gate electrode is connected to a drain terminal of a second field effect transistor having a second threshold voltage lower than the first threshold voltage;
The collector electrode is connected to a high voltage output terminal;
A drain terminal of the first field effect transistor is connected to a first power supply terminal having a circuit power supply potential;
A source terminal of the first field effect transistor is connected to a gate terminal of the second field effect transistor and one end of a resistor;
The body potential of the first field effect transistor and the body potential of the second field effect transistor are ground potentials;
The semiconductor device according to claim 1, wherein a source terminal of the second field effect transistor and the other end of the resistor are grounded.
前記エミッタ電極は、抵抗体を介して第1の閾値電圧を有する第1の電界効果トランジスタのソース端子と接続されており、
前記エミッタ電極は、さらに、前記第1の閾値電圧よりも低い第2の閾値電圧の第2の電界効果トランジスタのソース端子および高電圧の出力端子に接続されており、
前記フローティング電極は、前記第1の電界効果トランジスタのゲート端子および前記第1の電界効果トランジスタのドレイン端子に接続されており、
前記ゲート電極は、前記第2の電界効果トランジスタのドレイン端子に接続されており、
前記コレクタ電極は、高電圧出力段の第2の電源端子に接続されており、
前記第1の電界効果トランジスタのソース端子は、前記第2の電界効果トランジスタのゲート端子および前記抵抗体の一端に接続されており、
前記第1の電界効果トランジスタのボディ電位および前記第2の電界効果トランジスタのボディ電位は、前記エミッタ電極の電位に保たれており、
前記第2の電界効果トランジスタのソース端子および前記抵抗体の他端は、エミッタ電極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。
The emitter electrode is connected to a source terminal of a first field effect transistor having a first threshold voltage through a resistor,
The emitter electrode is further connected to a source terminal and a high voltage output terminal of a second field effect transistor having a second threshold voltage lower than the first threshold voltage,
The floating electrode is connected to a gate terminal of the first field effect transistor and a drain terminal of the first field effect transistor;
The gate electrode is connected to a drain terminal of the second field effect transistor;
The collector electrode is connected to the second power supply terminal of the high voltage output stage;
A source terminal of the first field effect transistor is connected to a gate terminal of the second field effect transistor and one end of the resistor;
The body potential of the first field effect transistor and the body potential of the second field effect transistor are kept at the potential of the emitter electrode,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a source terminal of the second field effect transistor and the other end of the resistor are connected to an emitter electrode.
前記第1の電界効果トランジスタおよび前記第2の電界効果トランジスタは、金属酸化物半導体構造の電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein the first field effect transistor and the second field effect transistor are field effect transistors having a metal oxide semiconductor structure. 第1導電型の第1の半導体領域と、
前記第1の半導体領域の表面層の一部に設けられた、前記第1の半導体領域よりも抵抗率の低い第1導電型の第2の半導体領域と、
前記第1の半導体領域および前記第2の半導体領域に接して前記第1の半導体領域の表面層の一部に設けられた第2導電型の第3の半導体領域と、
前記第3の半導体領域の一部の表面上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記第3の半導体領域の一部に設けられた第1導電型のソース領域と、
前記第1の半導体領域の表面層の一部に、前記第2の半導体領域および前記第3の半導体領域から離れて設けられた、前記第1の半導体領域よりも抵抗率の低い第1導電型の第4の半導体領域と、
前記第4の半導体領域の一部に設けられた第1導電型のドレイン領域と、
前記第2の半導体領域および前記第3の半導体領域と前記第4の半導体領域との間に設けられたトレンチと、
前記トレンチの中に埋め込まれたトレンチ埋め込み絶縁膜と、
前記第1の半導体領域の表面層の一部に、前記第1の半導体領域および前記第2の半導体領域に接して、前記第3の半導体領域と前記トレンチとの間に設けられた第2導電型の第5の半導体領域と、
前記ソース領域に接するソース電極と、
前記ドレイン領域に接するドレイン電極と、
前記第5の半導体領域に接するフローティング電位のフローティング電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A first semiconductor region of a first conductivity type;
A second semiconductor region of a first conductivity type provided in a part of a surface layer of the first semiconductor region and having a resistivity lower than that of the first semiconductor region;
A third semiconductor region of a second conductivity type provided in part of a surface layer of the first semiconductor region in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor region;
A gate electrode provided on a part of the surface of the third semiconductor region via a gate insulating film;
A first conductivity type source region provided in a part of the third semiconductor region;
A first conductivity type having a lower resistivity than the first semiconductor region, which is provided apart from the second semiconductor region and the third semiconductor region in a part of the surface layer of the first semiconductor region. A fourth semiconductor region of
A drain region of a first conductivity type provided in a part of the fourth semiconductor region;
A trench provided between the second semiconductor region and the third semiconductor region and the fourth semiconductor region;
A trench buried insulating film buried in the trench;
Second conductivity provided between a part of the surface layer of the first semiconductor region and in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor region and between the third semiconductor region and the trench. A fifth semiconductor region of the mold;
A source electrode in contact with the source region;
A drain electrode in contact with the drain region;
A floating electrode having a floating potential in contact with the fifth semiconductor region;
A semiconductor device comprising:
前記第1の半導体領域は、支持基板上に絶縁層を介して設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor region is provided on a support substrate via an insulating layer. 前記第1の半導体領域は、支持基板上に設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor region is provided on a support substrate. 前記第5の半導体領域は、前記トレンチに接していることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the fifth semiconductor region is in contact with the trench.
JP2009030214A 2009-02-12 2009-02-12 Semiconductor device Expired - Fee Related JP5407398B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009030214A JP5407398B2 (en) 2009-02-12 2009-02-12 Semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009030214A JP5407398B2 (en) 2009-02-12 2009-02-12 Semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2010186878A true JP2010186878A (en) 2010-08-26
JP5407398B2 JP5407398B2 (en) 2014-02-05

Family

ID=42767348

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009030214A Expired - Fee Related JP5407398B2 (en) 2009-02-12 2009-02-12 Semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5407398B2 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015095531A (en) * 2013-11-12 2015-05-18 日立オートモティブシステムズ株式会社 Semiconductor device
CN106024872A (en) * 2015-03-31 2016-10-12 拉碧斯半导体株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of same
JP2018511163A (en) * 2015-02-18 2018-04-19 ザ ユニヴァーシティ オブ ウォーリック Power semiconductor devices
JP2019087707A (en) * 2017-11-10 2019-06-06 エイブリック株式会社 Semiconductor device
JP2019176061A (en) * 2018-03-29 2019-10-10 ラピスセミコンダクタ株式会社 Semiconductor device
JP2019192741A (en) * 2018-04-24 2019-10-31 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
CN113437149A (en) * 2020-03-23 2021-09-24 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 Semiconductor structure and forming method thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0897411A (en) * 1994-09-21 1996-04-12 Fuji Electric Co Ltd Lateral trench mos fet having high withstanding voltage and its manufacture
JPH08227999A (en) * 1994-12-21 1996-09-03 Mitsubishi Electric Corp Integrated gate bipolar transistor and its manufacture and semiconductor integrated circuit and its manufacture
JP2001015750A (en) * 1999-07-02 2001-01-19 Fuji Electric Co Ltd Semiconductor device and use thereof
WO2001022584A1 (en) * 1999-09-20 2001-03-29 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Overcurrent control circuit of power semiconductor device
JP2006005175A (en) * 2004-06-17 2006-01-05 Fuji Electric Holdings Co Ltd Soi trench lateral igbt

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0897411A (en) * 1994-09-21 1996-04-12 Fuji Electric Co Ltd Lateral trench mos fet having high withstanding voltage and its manufacture
JPH08227999A (en) * 1994-12-21 1996-09-03 Mitsubishi Electric Corp Integrated gate bipolar transistor and its manufacture and semiconductor integrated circuit and its manufacture
JP2001015750A (en) * 1999-07-02 2001-01-19 Fuji Electric Co Ltd Semiconductor device and use thereof
WO2001022584A1 (en) * 1999-09-20 2001-03-29 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Overcurrent control circuit of power semiconductor device
JP2006005175A (en) * 2004-06-17 2006-01-05 Fuji Electric Holdings Co Ltd Soi trench lateral igbt

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6013049777; In-Hwan JI et al.: 'A New 1200V Punch Through-Insulated Gate Bipolar Transistor with ProtectionCircuit Employing Lateral' Japanese Journal of Applied Physics vol.46,No.4B, 2007, pp.2037-2040, 日本応用物理学会 *

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015095531A (en) * 2013-11-12 2015-05-18 日立オートモティブシステムズ株式会社 Semiconductor device
WO2015072295A1 (en) * 2013-11-12 2015-05-21 日立オートモティブシステムズ株式会社 Semiconductor device
CN105723518A (en) * 2013-11-12 2016-06-29 日立汽车系统株式会社 Semiconductor device
US10211337B2 (en) 2013-11-12 2019-02-19 Hitachi Automotive Systems, Ltd. Semiconductor device
JP2018511163A (en) * 2015-02-18 2018-04-19 ザ ユニヴァーシティ オブ ウォーリック Power semiconductor devices
CN106024872A (en) * 2015-03-31 2016-10-12 拉碧斯半导体株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of same
US9620629B2 (en) 2015-03-31 2017-04-11 Lapis Semiconductor Co., Ltd. Semiconductor device and manufacturing method for semiconductor device
US9929259B2 (en) 2015-03-31 2018-03-27 Lapis Semiconductor Co., Ltd. Semiconductor device and manufacturing method for semiconductor device
JP2019087707A (en) * 2017-11-10 2019-06-06 エイブリック株式会社 Semiconductor device
JP2019176061A (en) * 2018-03-29 2019-10-10 ラピスセミコンダクタ株式会社 Semiconductor device
JP7040976B2 (en) 2018-03-29 2022-03-23 ラピスセミコンダクタ株式会社 Semiconductor device
JP2019192741A (en) * 2018-04-24 2019-10-31 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
JP6997033B2 (en) 2018-04-24 2022-01-17 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices
US11329152B2 (en) 2018-04-24 2022-05-10 Renesas Electronics Corporation Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
CN113437149A (en) * 2020-03-23 2021-09-24 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 Semiconductor structure and forming method thereof
CN113437149B (en) * 2020-03-23 2023-10-20 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 Semiconductor structure and forming method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP5407398B2 (en) 2014-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5407398B2 (en) Semiconductor device
EP3010042B1 (en) Semiconductor device
US6069372A (en) Insulated gate type semiconductor device with potential detection gate for overvoltage protection
US8981482B2 (en) ESD protection structure
EP1130652A1 (en) Semiconductor device with improved protection against electrostatic discharges
US9136362B2 (en) Semiconductor device having lateral element
US20120119318A1 (en) Semiconductor device with lateral element
US8638533B2 (en) Semiconductor device
JP2009522784A (en) Trench polysilicon diode
US20050253190A1 (en) Semiconductor device
CN105321945A (en) Trench mosfet having reduced gate charge
JP4971848B2 (en) Power MOS circuit that achieves both low switching loss and low noise
JP5293831B2 (en) High voltage semiconductor device and drive circuit
US20150255454A1 (en) Semiconductor device
JP4593126B2 (en) Semiconductor device
US7888768B2 (en) Power integrated circuit device having embedded high-side power switch
Mori et al. Investigation into HCl improvement by a split-reeessed-gate structure in an STI-based nLDMOSFET
US6914297B2 (en) Configuration for generating a voltage sense signal in a power semiconductor component
KR101505313B1 (en) Semiconductor device and semiconductor integrated circuit device using the same
JP5195547B2 (en) Semiconductor device
JPH10313064A (en) Semiconductor device
JP4945948B2 (en) Semiconductor device
US20100224933A1 (en) Semiconductor device
JP4218512B2 (en) Semiconductor device
US11552073B2 (en) Semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20110422

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110913

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130716

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130718

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130917

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20131008

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20131021

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees