JP2011066146A - Semiconductor device, and plasma display device - Google Patents

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晃久 生田
Hiroyoshi Ogura
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure of a semiconductor device like a high-breakdown-voltage hybrid transistor which has small parasitic resistance and large current driving capability. <P>SOLUTION: A semiconductor layer 22 of a first conductivity type includes a base region 9 of the first conductivity type. An emitter region 10 of a second conductivity type is provided in the base region 9. In the semiconductor layer 22, an impurity layer 23 of the second conductivity type is provided adjacently to the base region 9 from a surface of the semiconductor layer 22 to a predetermined depth smaller than the thickness of the semiconductor layer 22. The impurity layer 23 is provided with a collector region 11 of the first conductivity type and a drain region 14 of the second conductivity type, apart from the region layer 9. On the surface of the semiconductor layer 22, a gate electrode 13 is provided on an end of the emitter region 10 and partially on the base region 9 and impurity layer 23, through the gate insulating film 12. The semiconductor device includes a first electrode 15 connected to the emitter region 10 and base region 9 in common, and a second electrode 16 connected to the collector region 11 and drain region 14 in common. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明はSOI(Silicon on insulator)基板上に形成された半導体装置の構造および当該半導体装置を使用したプラズマディスプレイデバイスに関する。   The present invention relates to a structure of a semiconductor device formed on an SOI (Silicon on insulator) substrate and a plasma display device using the semiconductor device.

近年、SOI基板上に、出力駆動デバイスである横型絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)と、低耐圧のトランジスタで構成された制御回路とを1チップに搭載したシリコン集積回路が、薄型ディスプレイ駆動用ICとして用いられている。   In recent years, a silicon integrated circuit in which a lateral insulated gate bipolar transistor (IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor), which is an output driving device, and a control circuit composed of a low breakdown voltage transistor are mounted on a single chip on an SOI substrate, It is used as a thin display drive IC.

図15は、ディスプレイ駆動用ICの出力部の一例を示す回路図である。図15に示すように、ディスプレイ駆動用ICの出力端子には200Vクラスの高耐圧IGBT1、高耐圧ダイオード2および高耐圧PチャネルMOS型トランジスタ3が接続され、出力パワー回路部を構成している。この出力パワー回路部の前段には、低耐圧のトランジスタで構成されたレベルシフト回路4が接続されている。高耐圧IGBT1と高耐圧PチャネルMOS型トランジスタ3は、図示を省略しているが、例えばプラズマディスプレイデバイスからの容量負荷の充放電を行う機能を有する。一方、高耐圧ダイオード2は、出力端子の電位がGND電位(接地電位)よりも低電位になった場合にGNDから電流を供給する機能を有する。   FIG. 15 is a circuit diagram illustrating an example of an output unit of a display driving IC. As shown in FIG. 15, a 200V class high voltage IGBT 1, high voltage diode 2 and high voltage P-channel MOS transistor 3 are connected to the output terminal of the display driving IC to constitute an output power circuit unit. A level shift circuit 4 composed of a low breakdown voltage transistor is connected to the preceding stage of the output power circuit section. The high breakdown voltage IGBT 1 and the high breakdown voltage P-channel MOS transistor 3 have a function of charging and discharging a capacitive load from a plasma display device, for example. On the other hand, the high breakdown voltage diode 2 has a function of supplying a current from the GND when the potential of the output terminal becomes lower than the GND potential (ground potential).

このような出力部を構成する回路のパターン寸法は、レベルシフト回路4等の内部回路を構成する低電圧駆動トランジスタのパターン寸法に比べてかなり大きく、チップ上の占有面積割合も大きい。そのため、近年、異なった機能を有する別の種類の素子を同じ素子形成領域に形成して一体化したハイブリッドトランジスタを構成することにより、チップ全体としての素子面積を縮小する試みがなされている。   The pattern size of the circuit constituting such an output unit is considerably larger than the pattern size of the low voltage driving transistor constituting the internal circuit such as the level shift circuit 4 and the occupied area ratio on the chip is also large. Therefore, in recent years, attempts have been made to reduce the element area of the entire chip by forming a hybrid transistor in which different types of elements having different functions are formed in the same element formation region and integrated.

Ravishankar Sunkavalli、他1名, "COMPARISON OF HIGH SPEED DI-LIGBT STRUCTURE", ソリッドステート・エレクトロニクス(Solid-State Electronics), 第41巻, 1997年, pp.1953−1956Ravishankar Sunkavalli and 1 other, "COMPARISON OF HIGH SPEED DI-LIGBT STRUCTURE", Solid-State Electronics, Vol. 41, 1997, pp. 1953-1956

しかしながら、上記従来のハイブリッドトランジスタには以下のような課題があった。例えば、IGBT、ダイオード、PチャネルMOSトランジスタを含むハイブリッドトランジスタでは、駆動状態においてP型ベース領域とN+ドレイン領域とからなる内蔵ダイオードが順方向動作する場合、N+エミッタ領域、N+ドレイン領域、ゲート電極からなるMOS型トランジスタがオン状態であるときとオフ状態であるときの2通りが存在する。そして、MOS型トランジスタがオン状態である際には、内蔵ダイオードの順方向電流が低下するという問題が生じる。このメカニズムについては本発明者らによれば次のように考えられる。 However, the conventional hybrid transistor has the following problems. For example, in a hybrid transistor including an IGBT, a diode, and a P-channel MOS transistor, when a built-in diode including a P-type base region and an N + drain region operates in a forward direction in a driving state, an N + emitter region, an N + drain region, There are two types when the MOS transistor composed of the gate electrode is in the on state and when it is in the off state. When the MOS transistor is in an on state, there arises a problem that the forward current of the built-in diode is reduced. According to the present inventors, this mechanism is considered as follows.

MOS型トランジスタがオン状態であるとき、ゲート絶縁膜下方のベース領域表面は反転してチャネルが形成される。図16は、このときのダイオード順方向特性に関する等価回路を示す回路図である。図16に示すように、内蔵ダイオード121とチャネル抵抗119は並列接続され、さらにゲート絶縁膜下のチャネル端からN+ドレイン領域までの間のN型半導体層の領域であるドリフト領域の寄生抵抗120が直列に接続される。内蔵ダイオード121が順方向動作するときは、エミッタ電極(エミッタ領域およびベース領域)をGND電位にして、N+ドレイン領域に負電圧が印加される。図16の等価回路から理解できるように、この場合、内蔵ダイオード121にはチャネル抵抗119とドリフト領域の寄生抵抗120の比で分割された電圧しか印加されない。 When the MOS transistor is on, the surface of the base region below the gate insulating film is inverted to form a channel. FIG. 16 is a circuit diagram showing an equivalent circuit related to the diode forward characteristic at this time. As shown in FIG. 16, the built-in diode 121 and the channel resistor 119 are connected in parallel, and the parasitic resistance 120 in the drift region, which is the region of the N-type semiconductor layer between the channel end under the gate insulating film and the N + drain region. Are connected in series. When the built-in diode 121 operates in the forward direction, the emitter electrode (emitter region and base region) is set to the GND potential, and a negative voltage is applied to the N + drain region. As can be understood from the equivalent circuit of FIG. 16, in this case, only a voltage divided by the ratio of the channel resistance 119 and the parasitic resistance 120 in the drift region is applied to the built-in diode 121.

200V耐圧クラスの素子では、高耐圧化のためにN型半導体層の不純物濃度は低く、またドリフト領域の長さが長く設定される。そのため、チャネル抵抗119よりもドリフト領域の寄生抵抗120が大きくなる。一方で、P型ベース領域では、高耐圧化のために構造を変える必要がないためチャネル抵抗は増加しない。このため、素子の高耐圧化にともない、全体の抵抗の中で、ドリフト領域の寄生抵抗が占める割合が増加していくのである。例えば、N+ドレイン領域に接続されているコレクタ電極116に−1Vの電位を印加しても内蔵ダイオード121に実際に印加される順方向電圧は、0.13V程度である。この電圧(電位差)は、ベース領域とN型半導体層とで構成されるPN接合におけるビルトインポテンシャルよりもかなり小さい。このため、図15に示すダイオード2をトレンチ分離に包囲されるIGBT形成領域にIGBTと共に形成するのではなく、他の領域に独立に形成した構成と比較すると、本構造では電流駆動能力は大幅に低下する。また、出力端子の電位がGND電位よりも下がった場合にGNDから電流を供給する機能を担う内蔵ダイオード2の電流駆動能力が低いと、寄生抵抗を低減させるために出力回路部の面積をより大きくしなければならず、集積回路全体としての製造コストの面でも課題となる。 In the 200V breakdown voltage class element, the impurity concentration of the N-type semiconductor layer is set low and the length of the drift region is set long in order to increase the breakdown voltage. Therefore, the parasitic resistance 120 in the drift region becomes larger than the channel resistance 119. On the other hand, in the P-type base region, the channel resistance does not increase because there is no need to change the structure in order to increase the breakdown voltage. For this reason, the proportion of the parasitic resistance of the drift region in the overall resistance increases with the increase in the breakdown voltage of the element. For example, even if a potential of −1V is applied to the collector electrode 116 connected to the N + drain region, the forward voltage actually applied to the built-in diode 121 is about 0.13V. This voltage (potential difference) is considerably smaller than the built-in potential in the PN junction composed of the base region and the N-type semiconductor layer. For this reason, the diode 2 shown in FIG. 15 is not formed together with the IGBT in the IGBT formation region surrounded by the trench isolation, but the current driving capability is greatly increased in this structure as compared with the structure formed independently in other regions. descend. Further, if the current drive capability of the built-in diode 2 that is responsible for supplying a current from the GND when the potential at the output terminal is lower than the GND potential is low, the area of the output circuit section is increased in order to reduce the parasitic resistance. This is also a problem in terms of manufacturing cost of the integrated circuit as a whole.

本発明は上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、寄生抵抗が小さく、かつ電流駆動能力が大きい高耐圧ハイブリッドトランジスタのような半導体装置の構造を提供することを目的とする。   The present invention has been proposed in view of the above-described conventional circumstances, and an object thereof is to provide a structure of a semiconductor device such as a high voltage hybrid transistor having a small parasitic resistance and a large current driving capability.

上記課題を解決するために本発明は、以下の技術的手段を採用している。すなわち、本発明に係る半導体装置は第1導電型の半導体層を備え、当該半導体層に第1導電型のベース領域を備える。当該ベース領域には、第2導電型のエミッタ領域が設けられている。また、この半導体装置は、ベース領域に隣接して上記半導体層に、表面から半導体層の厚さより小さい所定深さにわたって第2導電型の不純物層を備える。当該不純物層には、ベース領域から離間して、第1導電型のコレクタ領域および第2導電型のドレイン領域が設けられている。半導体層の表面上には、エミッタ領域の端部上、ベース領域上および不純物層上の一部にわたって、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。さらに、エミッタ領域とベース領域とに電気的に共通接続された第1電極と、コレクタ領域とドレイン領域とに電気的に共通接続された第2電極とを備える。   In order to solve the above problems, the present invention employs the following technical means. That is, the semiconductor device according to the present invention includes a first conductivity type semiconductor layer, and the semiconductor layer includes a first conductivity type base region. A second conductivity type emitter region is provided in the base region. The semiconductor device further includes a second conductivity type impurity layer on the semiconductor layer adjacent to the base region over a predetermined depth smaller than the thickness of the semiconductor layer from the surface. The impurity layer is provided with a first conductivity type collector region and a second conductivity type drain region spaced apart from the base region. On the surface of the semiconductor layer, a gate electrode is provided over the end of the emitter region, the base region, and part of the impurity layer via a gate insulating film. Furthermore, a first electrode electrically connected in common to the emitter region and the base region, and a second electrode electrically connected in common to the collector region and the drain region are provided.

この半導体装置は、第2導電型の不純物層より下方の半導体層に、当該半導体層よりも大きな不純物濃度を有する第1導電型の埋め込み不純物層をさらに備えてもよい。この埋め込み不純物層は、半導体層の膜厚によっては、コレクタ領域直下に形成しないことで耐圧をより向上させることができる。   The semiconductor device may further include a first conductivity type buried impurity layer having an impurity concentration higher than that of the semiconductor layer in a semiconductor layer below the second conductivity type impurity layer. Depending on the thickness of the semiconductor layer, the buried impurity layer is not formed immediately below the collector region, so that the breakdown voltage can be further improved.

また、本発明に係る他の半導体装置は第2導電型の半導体層を備え、当該半導体層に第1導電型のベース領域を備える。当該ベース領域には、第2導電型のエミッタ領域が設けられている。また、この半導体装置は、上記半導体層に、ベース領域から離間して設けられた、第1導電型のコレクタ領域および第2導電型のドレイン領域を備える。半導体層の表面上には、エミッタ領域の端部上、ベース領域上、およびベース領域とコレクタ領域との間の半導体層上の一部にわたって、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。さらに、エミッタ領域とベース領域とに電気的に共通接続された第1電極と、コレクタ領域とドレイン領域とに電気的に共通接続された第2電極とを備える。加えて、ベース領域の一部に電気的に接続し、ベース領域からゲート電極下の半導体層の一部領域を経て、少なくともドレイン領域とゲート電極との間の半導体層に設けられた第1導電型の延長不純物領域を備える。なお、延長不純物領域は、ゲート電極とコレクタ領域との間の半導体層に設けられていてもよい。   Another semiconductor device according to the present invention includes a second conductivity type semiconductor layer, and the semiconductor layer includes a first conductivity type base region. A second conductivity type emitter region is provided in the base region. The semiconductor device further includes a first conductivity type collector region and a second conductivity type drain region provided in the semiconductor layer so as to be spaced apart from the base region. On the surface of the semiconductor layer, a gate electrode is provided via a gate insulating film over the end of the emitter region, the base region, and a part of the semiconductor layer between the base region and the collector region. . Furthermore, a first electrode electrically connected in common to the emitter region and the base region, and a second electrode electrically connected in common to the collector region and the drain region are provided. In addition, the first conductive layer is electrically connected to a part of the base region, passes through a part of the semiconductor layer below the gate electrode from the base region, and is provided in at least the semiconductor layer between the drain region and the gate electrode. An extended impurity region of the mold is provided. Note that the extended impurity region may be provided in the semiconductor layer between the gate electrode and the collector region.

本発明に係るさらに他の半導体装置は、互いに隣接して配列された第1の部分と第2の部分とを備える。第1の部分は、半導体層を備え、当該半導体層に第1導電型のベース領域を備える。当該ベース領域には、第2導電型のエミッタ領域が設けられている。また、第1の部分は、ベース領域に隣接して半導体層に設けられた第2導電型の不純物層を備える。当該第2導電型の不純物層には、ベース領域から離間して、第1導電型のコレクタ領域が設けられている。そして、半導体層の表面上には、エミッタ領域の端部上、ベース領域上および第2導電型の不純物層上の一部にわたって、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。また、第2の部分は、第1の部分と同様に、上記半導体層を備え、当該半導体層に第1導電型のベース領域を備える。当該ベース領域には、第2導電型のエミッタ領域が設けられている。また、第2の部分は、ベース領域に隣接して半導体層に設けられた第1導電型の不純物層を備える。当該第1導電型の不純物層には、ベース領域から離間して、第2導電型のドレイン領域が設けられている。そして、半導体層の表面上には、エミッタ領域の端部上、ベース領域上および第1導電型の不純物層上の一部にわたって、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極を備える。当該ゲート電極は、第1の部分のゲート電極と連続している。さらに、エミッタ領域とベース領域とに電気的に共通接続された第1電極と、コレクタ領域とドレイン領域とに電気的に共通接続された第2電極とを備える。なお、第1の部分と第2の部分は、ベース領域からコレクタ領域への方向、あるいはベース領域からドレイン領域への方向とは異なる方向に沿って配列されている。   Still another semiconductor device according to the present invention includes a first portion and a second portion arranged adjacent to each other. The first portion includes a semiconductor layer, and the semiconductor layer includes a first conductivity type base region. A second conductivity type emitter region is provided in the base region. The first portion includes a second conductivity type impurity layer provided in the semiconductor layer adjacent to the base region. The second conductivity type impurity layer is provided with a first conductivity type collector region spaced from the base region. On the surface of the semiconductor layer, a gate electrode is provided via a gate insulating film over the end of the emitter region, the base region, and part of the second conductivity type impurity layer. Similarly to the first portion, the second portion includes the semiconductor layer, and the semiconductor layer includes a base region of the first conductivity type. A second conductivity type emitter region is provided in the base region. The second portion includes a first conductivity type impurity layer provided in the semiconductor layer adjacent to the base region. The first conductivity type impurity layer is provided with a second conductivity type drain region spaced apart from the base region. On the surface of the semiconductor layer, a gate electrode is provided over the end of the emitter region, the base region, and a portion of the first conductivity type impurity layer via a gate insulating film. The gate electrode is continuous with the gate electrode of the first portion. Furthermore, a first electrode electrically connected in common to the emitter region and the base region, and a second electrode electrically connected in common to the collector region and the drain region are provided. The first portion and the second portion are arranged along a direction different from the direction from the base region to the collector region or the direction from the base region to the drain region.

本発明に係る、またさらに他の半導体装置は、互いに隣接して配列された第1の部分と第2の部分とを備える。第1の部分は、第2導電型の半導体層を備え、当該半導体層に第1導電型のベース領域を備える。当該ベース領域には、第2導電型のエミッタ領域が設けられている。また、第1の部分は、上記半導体層に、ベース領域から離間して設けられた第1導電型のコレクタ領域を備える。半導体層の表面上には、エミッタ領域の端部上、ベース領域上、およびベース領域とコレクタ領域との間の前記半導体層上の一部にわたって、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。また、第2の部分は、第1の部分と同様に、上記第2導電型の半導体層を備え、当該半導体層に第1導電型のベース領域を備える。また、第2の部分は、上記半導体層に、ベース領域から離間して設けられた第2導電型のドレイン領域を備える。半導体層の表面上には、ベース領域上、およびベース領域とドレイン領域との間の半導体層上の一部にわたって、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極を備える。当該ゲート電極は、第1の部分のゲート電極と連続している。さらに、エミッタ領域とベース領域とに電気的に共通接続された第1電極と、コレクタ領域とドレイン領域とに電気的に共通接続された第2電極とを備える。なお、第1の部分と第2の部分は、ベース領域からコレクタ領域への方向、あるいはベース領域からドレイン領域への方向とは異なる方向に沿って配列されている。   Still another semiconductor device according to the present invention includes a first portion and a second portion arranged adjacent to each other. The first portion includes a second conductivity type semiconductor layer, and the semiconductor layer includes a first conductivity type base region. A second conductivity type emitter region is provided in the base region. The first portion includes a collector region of a first conductivity type provided in the semiconductor layer so as to be separated from the base region. On the surface of the semiconductor layer, a gate electrode is provided through a gate insulating film over the end of the emitter region, the base region, and a part on the semiconductor layer between the base region and the collector region. Yes. Similarly to the first portion, the second portion includes the second conductivity type semiconductor layer, and the semiconductor layer includes a first conductivity type base region. The second portion includes a drain region of a second conductivity type provided in the semiconductor layer so as to be separated from the base region. On the surface of the semiconductor layer, a gate electrode is provided over the base region and part of the semiconductor layer between the base region and the drain region with a gate insulating film interposed therebetween. The gate electrode is continuous with the gate electrode of the first portion. Furthermore, a first electrode electrically connected in common to the emitter region and the base region, and a second electrode electrically connected in common to the collector region and the drain region are provided. The first portion and the second portion are arranged along a direction different from the direction from the base region to the collector region or the direction from the base region to the drain region.

このように、コレクタ領域に対向するベース領域にエミッタ領域を形成しない構成によっても、上述の各半導体装置と同様に内蔵ダイオードの電流駆動能力を向上させることができる。   As described above, even when the emitter region is not formed in the base region facing the collector region, the current driving capability of the built-in diode can be improved as in the above-described semiconductor devices.

本発明によれば、MOS型トランジスタ構造がオン状態にある場合でも、従来構造と比較して内蔵ダイオードの電流能力を向上させることができる。すなわち、本発明では、内蔵ダイオードのPN接合をドレイン領域の近傍に配置することができるため、ドリフト領域での電圧降下を低減することができ、MOS型トランジスタ構造がオン状態である場合でも、上記PN接合をより低い順方向電圧でオン状態にすることができる。また、より低い順方向電圧でダイオード電流が立ち上がるため、従来構造と比較して電流駆動能力が向上する。   According to the present invention, even when the MOS transistor structure is in an ON state, the current capability of the built-in diode can be improved as compared with the conventional structure. That is, in the present invention, since the PN junction of the built-in diode can be arranged in the vicinity of the drain region, the voltage drop in the drift region can be reduced, and even when the MOS transistor structure is in the on state, The PN junction can be turned on with a lower forward voltage. In addition, since the diode current rises with a lower forward voltage, the current driving capability is improved as compared with the conventional structure.

また、ドレイン領域に対向するベース領域内にエミッタ領域を設けない構成では、MOS型トランジスタ構造がオン状態の場合でも、チャネルにキャリアを供給するエミッタ領域が存在しない。そのため、内蔵ダイオードのPN接合に至るまでのドリフト領域での電圧降下を低減することができ、MOS型トランジスタ構造がオン状態である場合でも、当該PN接合をより低い順方向電圧でオン状態にすることができる。その結果、従来構造と比較して内蔵ダイオードの電流駆動能力が向上する。   Further, in the configuration in which the emitter region is not provided in the base region facing the drain region, there is no emitter region for supplying carriers to the channel even when the MOS transistor structure is on. Therefore, the voltage drop in the drift region up to the PN junction of the built-in diode can be reduced, and the PN junction is turned on with a lower forward voltage even when the MOS transistor structure is on. be able to. As a result, the current drive capability of the built-in diode is improved as compared with the conventional structure.

本発明の第1の実施形態における半導体装置を示す平面図The top view which shows the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention 本発明の第1の実施形態における半導体装置を示す断面図Sectional drawing which shows the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention 本発明の第1の実施形態における半導体装置の内蔵ダイオードの電流−電圧特性を示す図The figure which shows the current-voltage characteristic of the built-in diode of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention 本発明の第1の実施形態における半導体装置の変形例を示す平面図The top view which shows the modification of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention 本発明の第1の実施形態における半導体装置の変形例を示す断面図Sectional drawing which shows the modification of the semiconductor device in the 1st Embodiment of this invention 本発明の第2の実施形態における半導体装置を示す平面図The top view which shows the semiconductor device in the 2nd Embodiment of this invention 本発明の第2の実施形態における半導体装置を示す断面図Sectional drawing which shows the semiconductor device in the 2nd Embodiment of this invention 本発明の第3の実施形態における半導体装置を示す平面図The top view which shows the semiconductor device in the 3rd Embodiment of this invention 本発明の第3の実施形態における半導体装置を示す断面図Sectional drawing which shows the semiconductor device in the 3rd Embodiment of this invention 本発明の第3の実施形態における半導体装置を示す断面図Sectional drawing which shows the semiconductor device in the 3rd Embodiment of this invention 本発明の第4の実施形態における半導体装置を示す平面図The top view which shows the semiconductor device in the 4th Embodiment of this invention 本発明の第4の実施形態における半導体装置を示す断面図Sectional drawing which shows the semiconductor device in the 4th Embodiment of this invention 本発明の第4の実施形態における半導体装置を示す断面図Sectional drawing which shows the semiconductor device in the 4th Embodiment of this invention 本発明の第4の実施形態における半導体装置の内蔵ダイオードの等価回路を示す図The figure which shows the equivalent circuit of the built-in diode of the semiconductor device in the 4th Embodiment of this invention ディスプレイ駆動用IC回路の出力部の一例を示す回路図Circuit diagram showing an example of output part of display driving IC circuit 半導体装置の内蔵ダイオードの等価回路の課題を説明するための図The figure for demonstrating the subject of the equivalent circuit of the built-in diode of a semiconductor device

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。以下の実施形態では、IGBT、ダイオードおよびMOS型トランジスタを同一の素子形成領域内に形成したハイブリッドトランジスタにより本発明を具体化している。なお、本明細書において、高不純物濃度とは不純物濃度が1×1019cm-3以上、好ましくは1×1020cm-3以上で1×1021cm-3以下の範囲をいい、中不純物濃度とは不純物濃度が5×1016cm-3より大きく1×1019cm-3より小さい範囲、好ましくは1×1017cm-3以上で5×1018cm-3以下の範囲をいい、低不純物濃度とは不純物濃度が5×1016cm-3以下、好ましくは1×1015cm-3以上で3×1016cm-3以下の範囲をいう。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, the present invention is embodied by a hybrid transistor in which an IGBT, a diode, and a MOS transistor are formed in the same element formation region. Note that in this specification, the high impurity concentration means an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more, preferably 1 × 10 20 cm −3 or more and 1 × 10 21 cm −3 or less. The concentration refers to a range in which the impurity concentration is greater than 5 × 10 16 cm −3 and smaller than 1 × 10 19 cm −3 , preferably 1 × 10 17 cm −3 to 5 × 10 18 cm −3 . The low impurity concentration means an impurity concentration of 5 × 10 16 cm −3 or less, preferably 1 × 10 15 cm −3 or more and 3 × 10 16 cm −3 or less.

(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態における半導体装置であるハイブリッドトランジスタを示す平面図である。また、図2は図1のA−A線に沿って切断した断面図である。図2に示すように、本実施形態の半導体装置は、シリコン単結晶などからなる支持基板5上に、シリコン酸化物などの埋め込み絶縁膜6を介して膜厚3.5μmの単結晶で低不純物濃度高比抵抗を有するP型半導体層22が貼り合わせ形成され、これらでSOI基板を構成している。トレンチ分離8(絶縁分離)は半導体層22表面から埋め込み絶縁膜6まで到達し、図1に示すように、ハイブリッドトランジスタを形成すべき半導体層22の領域を取り囲む。トレンチ分離8は半導体層22に形成された溝内部に酸化膜を埋め込み形成したものである。
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view showing a hybrid transistor which is a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. As shown in FIG. 2, the semiconductor device according to the present embodiment is a single crystal having a thickness of 3.5 μm and low impurity on a support substrate 5 made of silicon single crystal or the like via a buried insulating film 6 such as silicon oxide. A P-type semiconductor layer 22 having a high concentration specific resistance is bonded to form an SOI substrate. The trench isolation 8 (insulation isolation) reaches the buried insulating film 6 from the surface of the semiconductor layer 22 and surrounds a region of the semiconductor layer 22 where a hybrid transistor is to be formed, as shown in FIG. The trench isolation 8 is formed by embedding an oxide film in a groove formed in the semiconductor layer 22.

図2に示すように、半導体層22表面部の一部分に中不純物濃度のP型ベース領域9が設けられ、さらにP型ベース領域9の表面部に高不純物濃度のN型エミッタ領域10が設けられる。半導体層22表面部においてP型ベース領域9に隣接して拡散深さ約2μmの低不純物濃度のN型ドリフト領域23が拡散されている。N型ドリフト領域23内には、高不純物濃度のP型コレクタ領域11が設けられ、また、図2に示す断面図では図示されないが紙面に垂直な方向に離れた位置に高不純物濃度のN型ドレイン領域14が配置されている(図1参照)。さらに、半導体層22の表面上には、N型エミッタ領域10の端部上からP型ベース領域9上およびN型ドリフト領域23上の一部にわたって、シリコン酸化膜などのゲート絶縁膜12を介して高濃度のリンが添加された多結晶シリコンからなるゲート電極13が形成されている。   As shown in FIG. 2, a P-type base region 9 having a medium impurity concentration is provided on a part of the surface portion of the semiconductor layer 22, and an N-type emitter region 10 having a high impurity concentration is provided on the surface portion of the P-type base region 9. . A low impurity concentration N-type drift region 23 having a diffusion depth of about 2 μm is diffused adjacent to the P-type base region 9 on the surface of the semiconductor layer 22. In the N-type drift region 23, a high impurity concentration P-type collector region 11 is provided, and although not shown in the cross-sectional view shown in FIG. A drain region 14 is disposed (see FIG. 1). Further, on the surface of the semiconductor layer 22, the gate insulating film 12 such as a silicon oxide film is interposed from the end of the N-type emitter region 10 to a part on the P-type base region 9 and the N-type drift region 23. A gate electrode 13 made of polycrystalline silicon to which high concentration phosphorus is added is formed.

半導体層22表面上はゲート電極13を含みシリコン酸化膜等の第1絶縁膜17で被覆され、第1絶縁膜17に設けられた各コンタクトホールを通じてN型エミッタ領域10とP型ベース領域9表面とを共通接続した第1電極15、P型コレクタ領域11とN型ドレイン領域14表面とを共通接続した第2電極16が形成される。さらに、第1絶縁膜17上には保護膜として第2の絶縁膜18が形成される。   The surface of the semiconductor layer 22 includes the gate electrode 13 and is covered with a first insulating film 17 such as a silicon oxide film, and the surface of the N-type emitter region 10 and the P-type base region 9 through each contact hole provided in the first insulating film 17. Are formed, and a first electrode 15 and a second electrode 16 are formed. The P-type collector region 11 and the N-type drain region 14 are connected in common. Further, a second insulating film 18 is formed on the first insulating film 17 as a protective film.

本実施形態のハイブリッドトランジスタは以上のような断面構造を有しているが、主として高電圧駆動用途に用いられるため、平面パターンは図1に示すようになっている。すなわち、図1に示すように、方形状に配置されたトレンチ分離8がP型半導体層22を包囲しており、このトレンチ分離8で区画された方形の内部がハイブリッドトランジスタの形成領域になっている。P型ベース領域9およびゲート電極13は長円のリング形状を有し、これらが長円状のN型ドリフト領域23を取り囲んでいる。さらに、N型ドリフト領域23の中央部にはP型コレクタ領域11とN型ドレイン領域14とがN型ドリフト領域23の長手方向に沿って交互に配置され、図1では示されないが1つの第2電極16で共通に電気的接続されている。N型エミッタ領域10は、P型コレクタ領域11およびN型ドレイン領域14が交互に配置された直線状の配列領域に対向するP型ベース領域9内に配置されている。すなわち、P型コレクタ領域11およびN型ドレイン領域14が交互に配置された直線状の配列領域は、P型ベース領域9内に配置された直線状の2つのN型エミッタ領域10の間に挟まれている。   Although the hybrid transistor of the present embodiment has the cross-sectional structure as described above, the planar pattern is as shown in FIG. 1 because it is mainly used for high-voltage driving. That is, as shown in FIG. 1, the trench isolation 8 arranged in a square shape surrounds the P-type semiconductor layer 22, and the inside of the square partitioned by the trench isolation 8 is the formation region of the hybrid transistor. Yes. The P-type base region 9 and the gate electrode 13 have an oval ring shape, which surrounds the oval N-type drift region 23. Further, the P-type collector region 11 and the N-type drain region 14 are alternately arranged along the longitudinal direction of the N-type drift region 23 at the center of the N-type drift region 23, and although not shown in FIG. The two electrodes 16 are electrically connected in common. The N-type emitter region 10 is disposed in the P-type base region 9 facing the linear array region in which the P-type collector region 11 and the N-type drain region 14 are alternately disposed. That is, the linear array region in which the P-type collector regions 11 and the N-type drain regions 14 are alternately arranged is sandwiched between two linear N-type emitter regions 10 disposed in the P-type base region 9. It is.

以上のような構造を有する本実施形態のハイブリッドトランジスタでは、N型エミッタ領域10、P型ベース領域9、ゲート絶縁膜12、ゲート電極13、N型ドリフト領域23、P型コレクタ領域11がIGBTを構成している。また、N型エミッタ領域10、P型ベース領域9、ゲート絶縁膜12、ゲート電極13、N型ドリフト領域23、N型ドレイン領域14がMOS型トランジスタを構成している。さらに、P型ベース領域9、N型ドリフト領域23、N型ドレイン領域14が内蔵ダイオードを構成している。   In the hybrid transistor of the present embodiment having the above structure, the N-type emitter region 10, the P-type base region 9, the gate insulating film 12, the gate electrode 13, the N-type drift region 23, and the P-type collector region 11 are IGBTs. It is composed. The N-type emitter region 10, the P-type base region 9, the gate insulating film 12, the gate electrode 13, the N-type drift region 23, and the N-type drain region 14 constitute a MOS type transistor. Further, the P-type base region 9, the N-type drift region 23, and the N-type drain region 14 form a built-in diode.

本実施形態のハイブリッドトラジスタでは、IGBTの動作電流は、主に図1の平面図において、P型コレクタ領域11と対向したN型エミッタ領域10間に挟まれるベース領域9部分およびドリフト領域23部分を流れる。また、内蔵ダイオードの動作電流は、主に、N型ドレイン領域14と、N型ドレイン領域14に対向するP型ベース領域9との間に挟まれる領域を流れる。   In the hybrid transistor of this embodiment, the operating current of the IGBT is mainly the base region 9 portion and the drift region 23 portion sandwiched between the N-type emitter region 10 facing the P-type collector region 11 in the plan view of FIG. Flowing. The operating current of the built-in diode mainly flows through a region sandwiched between the N-type drain region 14 and the P-type base region 9 facing the N-type drain region 14.

次に、本実施形態のハイブリッドトランジスタにおいて、IGBTがオン状態である場合のダイオード順方向電流−電圧特性について説明する。なお、オン状態とは、ゲート電極13に対する印加電圧が制御され、ゲート電極13直下のベース領域9表面部にチャネルが形成された状態を意味する。図3は、本実施形態のハイブリッドトランジスタの内蔵ダイオードおよび従来のハイブリッドトランジスタの内蔵ダイオードの、順方向電流−電圧特性のシミュレーション結果を示す図である。ここで、従来のハイブリッドトランジスタは、絶縁分離で囲まれたN型半導体層をそのままドリフト領域として使用する構造を有する。また、図3の横軸はエミッタ領域10を含む第1電極15を基準電位(0V)としたときの第2電極16に対する印加電圧、エミッタ領域を含むエミッタ電極を基準電位(0V)としたときのコレクタ電極に対する印加電圧に対応する。図3の縦軸は順方向電流に対応する。   Next, the diode forward current-voltage characteristics when the IGBT is in the on state in the hybrid transistor of the present embodiment will be described. The ON state means a state in which the voltage applied to the gate electrode 13 is controlled and a channel is formed on the surface of the base region 9 immediately below the gate electrode 13. FIG. 3 is a diagram showing simulation results of forward current-voltage characteristics of the built-in diode of the hybrid transistor of this embodiment and the built-in diode of the conventional hybrid transistor. Here, the conventional hybrid transistor has a structure in which an N-type semiconductor layer surrounded by isolation is used as it is as a drift region. Also, the horizontal axis of FIG. 3 shows the voltage applied to the second electrode 16 when the first electrode 15 including the emitter region 10 is set to the reference potential (0 V), and the emitter electrode including the emitter region is set to the reference potential (0 V). Corresponds to the voltage applied to the collector electrode. The vertical axis in FIG. 3 corresponds to the forward current.

図3に示すように、従来構造の内蔵ダイオードの順方向電流は、コレクタ電極への印加電圧が0Vから負電圧になるにともない、当該電圧に比例して直線的に増加していく。上述のように、ゲート電極直下のベース領域表面部のチャネルはオン状態であるため、このような印加電圧が比較的小さい領域ではチャネルを経由して電流が流れることが支配的となっており、ベース領域とドリフト領域(N型半導体層)とで構成されるPN接合ダイオード部にはほとんど電流が流れないと考えられる(図16参照)。そして、コレクタ電極への印加電圧が−4V程度になると、急激に順方向電流が増加している。これは、この時点で、順方向電流の主体がPN接合ダイオード部を流れる電流に切り替わったと考えられる。すなわち、コレクタ電極への印加電圧が増加することによってベース領域とドリフト領域(N型半導体層)のPN接合部両端での電位差がPN接合のビルトインポテンシャルを超え、PN接合が順方向にオンすることで、電子と正孔の少数キャリアによる電流が加わり電流が急増すると考えられる。   As shown in FIG. 3, the forward current of the built-in diode having a conventional structure increases linearly in proportion to the voltage applied to the collector electrode from 0 V to a negative voltage. As described above, since the channel on the surface of the base region directly under the gate electrode is in an on state, in such a region where the applied voltage is relatively small, current is dominant through the channel. It is considered that almost no current flows through the PN junction diode portion composed of the base region and the drift region (N-type semiconductor layer) (see FIG. 16). When the voltage applied to the collector electrode becomes about -4V, the forward current increases rapidly. It is considered that at this time, the main current of the forward current is switched to the current flowing through the PN junction diode portion. That is, as the voltage applied to the collector electrode increases, the potential difference between the PN junction ends of the base region and the drift region (N-type semiconductor layer) exceeds the built-in potential of the PN junction, and the PN junction is turned on in the forward direction. Thus, it is thought that the current increases rapidly due to the addition of current due to minority carriers of electrons and holes.

一方、本実施形態のハイブリッドトランジスタでは、第2電極16への印加電圧が、0Vから−1Vの範囲にある場合、従来構造よりも電流が小さくなっている。しかしながら、第2電極16への印加電圧が−1Vより負電圧側になると、従来構造のダイオードよりも電流が増大している。すなわち、電流駆動能力が向上している。特に、第2電極16への印加電圧が、約−0.7Vで電流増加の傾きが変化している。これは、−0.7Vまでの領域ではチャネルがオンしているためチャネル経由の電流が主体であるが、−0.7Vより負電位側では内蔵ダイオード経由の電流が主体になっているためであると考えられる。   On the other hand, in the hybrid transistor of this embodiment, when the applied voltage to the second electrode 16 is in the range of 0V to −1V, the current is smaller than that of the conventional structure. However, when the voltage applied to the second electrode 16 is on the negative voltage side from -1 V, the current is increased as compared with the diode having the conventional structure. That is, the current driving capability is improved. In particular, when the applied voltage to the second electrode 16 is about −0.7 V, the slope of current increase changes. This is because the channel is on in the region up to -0.7V, so the current through the channel is the main, but the current through the built-in diode is mainly on the negative potential side from -0.7V. It is believed that there is.

次に、本実施形態の構造を採用することで、従来構造より小さい印加電圧で内蔵ダイオードのPN接合経由の電流に切り替わるようにできた要因について説明する。本実施形態のハイブリッドトランジスタは、図2に示すように、P型コレクタ領域11あるいはN型ドレイン領域14下方に、N型ドリフト領域23を介してP型半導体層22が存在する構造になっている。この構造では、内蔵ダイオードとして作用するPN接合は、P型半導体層22とN型ドリフト領域23とで構成される。当該PN接合はP型コレクタ領域11あるいはN型ドレイン領域14から比較的近い距離に位置するため、PN接合までの間に存在する高抵抗のドリフト領域23(寄生抵抗として働く)の厚さが薄い。そのため、第2電極16に電圧が印加された場合、ほとんど電圧降下を発生することなく、PN接合に当該電圧が印加される。このため、容易に内蔵ダイオードを順方向にオンすることができる。   Next, a description will be given of the factors that have been able to switch to the current via the PN junction of the built-in diode with the applied voltage smaller than that of the conventional structure by adopting the structure of the present embodiment. As shown in FIG. 2, the hybrid transistor of this embodiment has a structure in which a P-type semiconductor layer 22 exists below the P-type collector region 11 or the N-type drain region 14 via an N-type drift region 23. . In this structure, the PN junction that functions as a built-in diode is composed of a P-type semiconductor layer 22 and an N-type drift region 23. Since the PN junction is located at a relatively close distance from the P-type collector region 11 or the N-type drain region 14, the thickness of the high-resistance drift region 23 (acting as a parasitic resistance) existing until the PN junction is thin. . Therefore, when a voltage is applied to the second electrode 16, the voltage is applied to the PN junction with almost no voltage drop. For this reason, the built-in diode can be easily turned on in the forward direction.

これに対して従来構造では、内蔵ダイオードとして作用するPN接合は、N型半導体層とP型ベース領域とで構成される。したがって、コレクタ領域あるいはドレイン領域から当該PN接合までの距離は、ベース領域までの横方向の距離になる。しかしながら、当該横方向の距離は、IGBT素子を高耐圧化するために大きく設定されるのが普通である。そのため、この間の抵抗は大きくなり、図16に示すとおり大きな寄生抵抗120として作用する。   On the other hand, in the conventional structure, the PN junction that functions as a built-in diode is composed of an N-type semiconductor layer and a P-type base region. Therefore, the distance from the collector region or the drain region to the PN junction is a lateral distance to the base region. However, the distance in the lateral direction is usually set large in order to increase the breakdown voltage of the IGBT element. Therefore, the resistance during this period increases, and acts as a large parasitic resistance 120 as shown in FIG.

以上のように、本実施形態の構造では、順方向電流が、チャネルを流れる電流から内蔵ダイオード(PN接合)を流れる電流に切り替わる電圧を低くでき、寄生抵抗が小さく、かつ電流駆動能力が大きい高耐圧ハイブリッドトランジスタを実現することができる。   As described above, in the structure of the present embodiment, the voltage at which the forward current switches from the current flowing through the channel to the current flowing through the built-in diode (PN junction) can be lowered, the parasitic resistance is small, and the current driving capability is high. A withstand voltage hybrid transistor can be realized.

一方、寄生抵抗をより低減する観点では、図1、図2に示すハイブリッドトランジスタは、以下のような構造であってもよい。図4は本実施形態における半導体装置の変形例を示す平面図である。図5は図4のB−B線に沿って切断した断面図である。このハイブリッドトランジスタでは、図1、図2に示すハイブリッドトランジスタの構造に加えて、P型埋め込み拡散層24を備えている。図5に示すように、P型埋め込み拡散層24は、少なくともP型コレクタ領域11直下のP型半導体層22の部分を除き、N型ドリフト領域23およびP型ベース領域9と、埋め込み絶縁膜6との間に設けられる。また、P型埋め込み拡散層24の不純物濃度はP型半導体層22の不純物濃度より高く設定される。そのため、内蔵ダイオードの寄生抵抗のうち、コレクタ領域11およびドレイン領域14に近い半導体層22部分の寄生抵抗をより低減することができる。したがって、このP型埋め込み拡散層24により、内蔵ダイオードの順方向電流駆動能力を一層向上させることができる。   On the other hand, from the viewpoint of further reducing the parasitic resistance, the hybrid transistor shown in FIGS. 1 and 2 may have the following structure. FIG. 4 is a plan view showing a modification of the semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. This hybrid transistor includes a P-type buried diffusion layer 24 in addition to the structure of the hybrid transistor shown in FIGS. As shown in FIG. 5, the P-type buried diffusion layer 24 includes the N-type drift region 23 and the P-type base region 9, and the buried insulating film 6 except at least the portion of the P-type semiconductor layer 22 immediately below the P-type collector region 11. Between. Further, the impurity concentration of the P-type buried diffusion layer 24 is set higher than the impurity concentration of the P-type semiconductor layer 22. Therefore, the parasitic resistance of the semiconductor layer 22 near the collector region 11 and the drain region 14 among the parasitic resistances of the built-in diode can be further reduced. Therefore, the forward current drive capability of the built-in diode can be further improved by the P-type buried diffusion layer 24.

また、このハイブリッドトランジスタではP型埋め込み拡散層24をP型コレクタ領域11直下には形成しない構成にしている。これは、第2電極16(コレクタ領域11およびドレイン領域14)に正電圧が印加され、第1電極15(エミッタ領域10およびベース領域9)およびゲート電極13が接地される場合(すなわち、ドリフト領域23のPN接合が逆バイアスとなる条件で動作させる場合)、コレクタ領域11直下にはP型埋め込み拡散層24が存在せずP型低不純物濃度領域(不純物層22)となっているので、この部分ではPN接合の空乏層の延びが他の部分と比較して大きくなり、逆にドリフト領域23内の空乏層の延びを抑制できる。この結果、P型埋め込み拡散層24とN型ドリフト領域23とのPN接合において、ドリフト領域23側に延びる空乏層がコレクタ領域11へ到達することに起因して発生する、コレクタ領域11とエミッタ領域10との間のパンチスルーによる電流の降伏を抑制することができ、耐圧を向上させることができる。なお、耐圧が許容できるのであれば、コレクタ領域11直下にP型埋め込み拡散層24を形成してもよいことは勿論である。   In this hybrid transistor, the P-type buried diffusion layer 24 is not formed immediately below the P-type collector region 11. This is because a positive voltage is applied to the second electrode 16 (collector region 11 and drain region 14), and the first electrode 15 (emitter region 10 and base region 9) and the gate electrode 13 are grounded (that is, the drift region). 23, the P-type buried diffusion layer 24 does not exist immediately below the collector region 11 and is a P-type low impurity concentration region (impurity layer 22). In the portion, the extension of the depletion layer of the PN junction becomes larger than that in other portions, and conversely, the extension of the depletion layer in the drift region 23 can be suppressed. As a result, in the PN junction between the P-type buried diffusion layer 24 and the N-type drift region 23, the collector region 11 and the emitter region generated due to the depletion layer extending toward the drift region 23 reaching the collector region 11 The breakdown of current due to punch through between 10 and 10 can be suppressed, and the breakdown voltage can be improved. Of course, the P-type buried diffusion layer 24 may be formed immediately below the collector region 11 if the breakdown voltage is acceptable.

(第2の実施形態)
上記第1の実施形態では、P型半導体層にN型ドリフト領域を設ける構成について説明したが、本発明に係る技術的思想は、N型半導体層で構成したSOI基板において、N型半導体層をN型ドリフト領域として用いる場合にも適用できる。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the configuration in which the N-type drift region is provided in the P-type semiconductor layer has been described. However, the technical idea according to the present invention is that an N-type semiconductor layer is formed on an SOI substrate configured with an N-type semiconductor layer. It can also be applied when used as an N-type drift region.

図6は本発明の第2の実施形態における半導体装置であるハイブリッドトランジスタを示す平面図である。また、図7は図6のC−C線に沿って切断した断面図である。なお、図6および図7では、第1の実施形態の半導体装置と同一の作用効果を奏する部位に同一の符号を付している。   FIG. 6 is a plan view showing a hybrid transistor which is a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. In FIGS. 6 and 7, the same reference numerals are given to the portions having the same operational effects as the semiconductor device of the first embodiment.

図7に示すように、本実施形態の半導体装置は、シリコン単結晶などからなる支持基板5上に、シリコン酸化物などの埋め込み絶縁膜6を介して膜厚3.5μmの単結晶で低不純物濃度高比抵抗を有するN型半導体層7が貼り合わせ形成され、これらでSOI基板を構成している。第1の実施形態と同様に、トレンチ分離8は半導体層7表面から埋め込み絶縁膜6まで到達し、図1に示すように、ハイブリッドトランジスタを形成すべき半導体層7の領域を取り囲む。   As shown in FIG. 7, the semiconductor device according to the present embodiment is a single crystal having a thickness of 3.5 μm and low impurity on a support substrate 5 made of silicon single crystal or the like via a buried insulating film 6 such as silicon oxide. An N-type semiconductor layer 7 having a high concentration specific resistance is bonded to form an SOI substrate. Similar to the first embodiment, the trench isolation 8 reaches the buried insulating film 6 from the surface of the semiconductor layer 7 and surrounds the region of the semiconductor layer 7 where the hybrid transistor is to be formed, as shown in FIG.

半導体層7表面部の一部分に中不純物濃度のP型ベース領域9が設けられ、さらにその表面部に高不純物濃度のN型エミッタ領域10が設けられる。また、高不純物濃度のP型コレクタ領域11はN型半導体層7内に直接設けられ、図7に示す断面図では図示されないが紙面に垂直な方向に離れた位置に高不純物濃度のN型ドレイン領域14が配置される(図6参照)。さらに、N型半導体層7の表面上には、N型エミッタ領域10の端部上からP型ベース領域9上およびN型半導体層7上の一部にわたって、シリコン酸化膜などのゲート絶縁膜12を介してゲート電極13が形成されている。   A P-type base region 9 having a medium impurity concentration is provided on a part of the surface portion of the semiconductor layer 7, and an N-type emitter region 10 having a high impurity concentration is provided on the surface portion. The high impurity concentration P-type collector region 11 is provided directly in the N-type semiconductor layer 7 and is not shown in the cross-sectional view of FIG. Region 14 is arranged (see FIG. 6). Further, on the surface of the N-type semiconductor layer 7, a gate insulating film 12 such as a silicon oxide film extends from the end of the N-type emitter region 10 to the P-type base region 9 and a part on the N-type semiconductor layer 7. A gate electrode 13 is formed through the.

本実施形態の半導体装置は、ゲート電極13の端部からP型コレクタ領域11(またはN型ドレイン領域14)に至るN型半導体層7の表面部にP型ベース領域9から延出されたP型ベース延長領域25を備えることが特徴である。   In the semiconductor device of this embodiment, P extended from the P-type base region 9 to the surface of the N-type semiconductor layer 7 extending from the end of the gate electrode 13 to the P-type collector region 11 (or the N-type drain region 14). It is characterized by including a mold base extension region 25.

図6に示すように、P型ベース延長領域25は、平面視において、コレクタ領域11およびドレイン領域14が交互に配置された直線状の配列領域を取り囲む長円のリング形状を有する。また、P型ベース延長領域25は、長円のリング形状を有するベース領域9に囲まれている。さらに、P型ベース延長領域25は、P型ベース領域9から突き出し、ゲート電極13下方のN型半導体層7を横断する複数本の幅の狭いP型不純物層25aによって電気的に接続されている。なお、トレンチ分離8、エミッタ領域10、ゲート電極13は第1の実施形態の半導体装置と同様の平面形状を有する。また、半導体層7上を被覆する第1絶縁膜17に設けられたコンタクトホールを通じて、N型エミッタ領域10とP型ベース領域9表面とを共通接続した第1電極15、P型コレクタ領域11とN型ドレイン領域14表面とを共通接続した第2電極16が設けられている。   As shown in FIG. 6, the P-type base extension region 25 has an elliptical ring shape surrounding a linear array region in which the collector regions 11 and the drain regions 14 are alternately arranged in a plan view. The P-type base extension region 25 is surrounded by the base region 9 having an oval ring shape. Furthermore, the P-type base extension region 25 protrudes from the P-type base region 9 and is electrically connected by a plurality of narrow P-type impurity layers 25 a that cross the N-type semiconductor layer 7 below the gate electrode 13. . The trench isolation 8, the emitter region 10, and the gate electrode 13 have the same planar shape as that of the semiconductor device of the first embodiment. In addition, the first electrode 15, the P-type collector region 11, and the N-type emitter region 10 and the surface of the P-type base region 9 are commonly connected through a contact hole provided in the first insulating film 17 covering the semiconductor layer 7. A second electrode 16 is provided in common with the surface of the N-type drain region 14.

図7から理解できるように、本実施形態のハイブリッドトランジスタにおける内蔵ダイオードは、P型ベース領域9およびP型ベース延長領域25とN型半導体層7とのPN接合により構成される。特に、P型ベース延長領域25とN型半導体層7とで構成されるPN接合は、P型コレクタ領域11、N型ドレイン領域14との距離が近い。すなわち、P型ベース延長領域25と、P型コレクタ領域11およびドレイン領域14との間の高抵抗のN型半導体層7の横方向長さが小さい。そのため、内蔵ダイオードが順方向動作を行う場合、寄生抵抗が小さくなり、内蔵ダイオードの順方向電流駆動能力を向上させることができる。   As can be understood from FIG. 7, the built-in diode in the hybrid transistor of the present embodiment is configured by a PN junction of the P-type base region 9 and the P-type base extension region 25 and the N-type semiconductor layer 7. In particular, the PN junction formed by the P-type base extension region 25 and the N-type semiconductor layer 7 is close to the P-type collector region 11 and the N-type drain region 14. That is, the lateral length of the high-resistance N-type semiconductor layer 7 between the P-type base extension region 25 and the P-type collector region 11 and the drain region 14 is small. Therefore, when the built-in diode performs forward operation, the parasitic resistance is reduced, and the forward current drive capability of the built-in diode can be improved.

本実施形態は、特に、SOI基板を構成する半導体層の膜厚が厚い場合に有用である。SOI基板を構成する半導体層の膜厚が厚い場合、例えば、図5に示すような埋め込み層(P型埋め込み拡散層24)を形成するには、MeVオーダの加速エネルギーによるイオン注入や、エピタキシャル成長を用いる必要があり半導体装置の製造フローが複雑になる。しかしながら、図7に示すように、N型半導体層7の表面側にP型ベース延長領域25を形成する構成では、イオン注入時の加速エネルギーをMeVオーダに大きくする必要はなく、半導体装置の製造フローが簡素になる利点を有する。   This embodiment is particularly useful when the thickness of the semiconductor layer constituting the SOI substrate is thick. When the film thickness of the semiconductor layer constituting the SOI substrate is thick, for example, in order to form a buried layer (P-type buried diffusion layer 24) as shown in FIG. 5, ion implantation by MeV order acceleration energy or epitaxial growth is performed. It is necessary to use this, and the manufacturing flow of the semiconductor device becomes complicated. However, as shown in FIG. 7, in the configuration in which the P-type base extension region 25 is formed on the surface side of the N-type semiconductor layer 7, it is not necessary to increase the acceleration energy at the time of ion implantation to the order of MeV. It has the advantage of simplifying the flow.

なお、上記では、P型ベース延長領域25が、ゲート電極13とコレクタ領域11との間の半導体層22、およびゲート電極13とドレイン領域14との間の半導体層22に設けられた構成について説明したが、P型ベース延長領域25が、少なくともゲート電極13とドレイン領域14との間の半導体層22に設けられていれば同様の効果を得ることができる。   In the above description, a configuration in which the P-type base extension region 25 is provided in the semiconductor layer 22 between the gate electrode 13 and the collector region 11 and the semiconductor layer 22 between the gate electrode 13 and the drain region 14 will be described. However, the same effect can be obtained if the P-type base extension region 25 is provided at least in the semiconductor layer 22 between the gate electrode 13 and the drain region 14.

(第3の実施形態)
上記第1および第2の実施形態では、P型不純物領域とN型不純物領域とを深さ方向に積層した構成について説明したが、本発明に係る技術的思想は、P型不純物領域とN型不純物領域とを水平方向に配列する構成によっても具体化することができる。
(Third embodiment)
In the first and second embodiments, the configuration in which the P-type impurity region and the N-type impurity region are stacked in the depth direction has been described. However, the technical idea according to the present invention is that the P-type impurity region and the N-type impurity region are stacked. It can also be embodied by a configuration in which the impurity regions are arranged in the horizontal direction.

図8は本発明の第3の実施形態における半導体装置であるハイブリッドトランジスタを示す平面図である。また、図9は図8のD−D線に沿って切断した断面図であり、図10は図8のE−E線に沿って切断した断面図である。なお、図8〜図10では、第1の実施形態の半導体装置と同一の作用効果を奏する部位に同一の符号を付している。   FIG. 8 is a plan view showing a hybrid transistor which is a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. 9 is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 8, and FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line EE in FIG. In FIGS. 8 to 10, the same reference numerals are given to the portions that exhibit the same operational effects as the semiconductor device of the first embodiment.

図9および図10に示すように、本実施形態の半導体装置は、シリコン単結晶などからなる支持基板5上に、シリコン酸化物などの埋め込み絶縁膜6を介して膜厚3.5μmの単結晶で低不純物濃度高比抵抗を有するP型半導体層22が貼り合わせ形成され、これらでSOI基板を構成している。トレンチ分離8は半導体層22表面から埋め込み絶縁膜6まで到達し、ハイブリッドトランジスタを形成すべき半導体層22の領域を取り囲む。   As shown in FIGS. 9 and 10, the semiconductor device of this embodiment is a single crystal having a film thickness of 3.5 μm on a support substrate 5 made of silicon single crystal or the like via a buried insulating film 6 made of silicon oxide or the like. Then, a P-type semiconductor layer 22 having a low impurity concentration and a high specific resistance is bonded to form an SOI substrate. The trench isolation 8 reaches the buried insulating film 6 from the surface of the semiconductor layer 22 and surrounds the region of the semiconductor layer 22 where the hybrid transistor is to be formed.

半導体層22表面部の一部分に中不純物濃度のP型ベース領域9が設けられ、さらにその表面部に高不純物濃度のN型エミッタ領域10が設けられる。図8に示すように、P型ベース領域9は、平面視において長円のリング形状を有し、高不純物濃度のP型コレクタ領域11および高不純物濃度のN型ドレイン領域14が交互に配置された直線状の配列領域を取り囲む。なお、トレンチ分離8、エミッタ領域10、ゲート電極13は第1の実施形態の半導体装置と同様の平面形状を有する。また、半導体層22上を被覆する第1絶縁膜17に設けられたコンタクトホールを通じて、N型エミッタ領域10とP型ベース領域9表面とを共通接続した第1電極15、P型コレクタ領域11とN型ドレイン領域14表面とを共通接続した第2電極16が設けられている。   A P-type base region 9 having a medium impurity concentration is provided on a part of the surface portion of the semiconductor layer 22, and an N-type emitter region 10 having a high impurity concentration is further provided on the surface portion. As shown in FIG. 8, the P-type base region 9 has an oval ring shape in plan view, and a high impurity concentration P-type collector region 11 and a high impurity concentration N-type drain region 14 are alternately arranged. Encloses a linear array region. The trench isolation 8, the emitter region 10, and the gate electrode 13 have the same planar shape as that of the semiconductor device of the first embodiment. In addition, the first electrode 15, the P-type collector region 11, and the N-type emitter region 10 and the surface of the P-type base region 9 are commonly connected through a contact hole provided in the first insulating film 17 covering the semiconductor layer 22. A second electrode 16 is provided in common with the surface of the N-type drain region 14.

図9に示すように、図8のD−D線断面では、半導体層22表面において、P型ベース領域9に隣接して拡散深さ約3.5μm、P型ベース領域9とほぼ同じ不純物濃度を有し、かつ半導体層22より不純物濃度が高いP型ベース延長領域25が設けられる。本実施形態では、P型ベース延長領域25は埋め込み絶縁膜6にも接している。P型ベース延長領域25内の表面部にN型ドレイン領域14が設けられている。ゲート電極13は、N型エミッタ領域10の端部上からP型ベース領域9上およびP型ベース延長領域25上の一部に至るまでの半導体層22の表面上にゲート絶縁膜12を介して設けられている。このD−D線断面部分では、N型ドレイン領域14、N型ドレイン領域14とP型ベース延長領域25とのPN接合、ベース延長領域25およびベース領域9が内蔵ダイオードを構成している。   As shown in FIG. 9, in the cross section taken along the line DD in FIG. 8, the diffusion depth is about 3.5 μm adjacent to the P-type base region 9 on the surface of the semiconductor layer 22, and the impurity concentration is almost the same as the P-type base region 9. And a P-type base extension region 25 having an impurity concentration higher than that of the semiconductor layer 22 is provided. In the present embodiment, the P-type base extension region 25 is also in contact with the buried insulating film 6. An N-type drain region 14 is provided on the surface portion in the P-type base extension region 25. The gate electrode 13 is formed on the surface of the semiconductor layer 22 from the end of the N-type emitter region 10 to a part on the P-type base region 9 and the P-type base extension region 25 via the gate insulating film 12. Is provided. In the DD line cross-sectional portion, the N-type drain region 14, the PN junction between the N-type drain region 14 and the P-type base extension region 25, the base extension region 25, and the base region 9 constitute a built-in diode.

一方、図10に示すように、図8のE−E線断面では、半導体層22表面において、P型ベース領域9に隣接して拡散深さ約3.5μm、P型ベース延長領域25より低不純物濃度であり、P型半導体層22とほぼ同一の不純物濃度レベルを有するN型ドリフト領域23が設けられている。本実施形態では、ドリフト領域23は埋め込み絶縁膜6にも接している。N型ドリフト領域23内の表面部にP型コレクタ領域11が設けられている。ゲート電極13は、N型エミッタ領域10の端部上からP型ベース領域9上およびドリフト領域23上の一部にわたって、半導体層22の表面上にゲート絶縁膜12を介して設けられている。このE−E線断面部分では、N型エミッタ領域10、P型ベース領域9、ゲート絶縁膜12、ゲート電極13、N型ドリフト領域23、P型コレクタ領域11がIGBTを構成している。   On the other hand, as shown in FIG. 10, in the cross section taken along the line E-E in FIG. 8, the diffusion depth is about 3.5 μm adjacent to the P-type base region 9 on the surface of the semiconductor layer 22 and lower than the P-type base extension region 25. An N-type drift region 23 having an impurity concentration and substantially the same impurity concentration level as that of the P-type semiconductor layer 22 is provided. In the present embodiment, the drift region 23 is also in contact with the buried insulating film 6. A P-type collector region 11 is provided on a surface portion in the N-type drift region 23. The gate electrode 13 is provided on the surface of the semiconductor layer 22 via the gate insulating film 12 from the end of the N-type emitter region 10 to part of the P-type base region 9 and the drift region 23. In the section taken along the line EE, the N-type emitter region 10, the P-type base region 9, the gate insulating film 12, the gate electrode 13, the N-type drift region 23, and the P-type collector region 11 constitute an IGBT.

以上のように、本実施形態のハイブリッドトランジスタは、P型コレクタ領域11およびN型ドレイン領域14が交互に配置された直線状の配列領域の長手方向の位置によって図9または図10のような断面構造を有している。図8に示すように、P型ベース延長領域25はN型ドレイン領域14の両側からP型ベース領域9の端部まで上記配列領域の長手方向と垂直に延びるように設けられ、N型ドリフト領域23はP型コレクタ領域11の両側からP型ベース領域9の端部まで上記配列領域の長手方向と垂直に延びるように設けられている。すなわち、P型ベース延長領域25とN型ドリフト領域23も、上記配列領域の長手方向に沿って交互に配置されている。また、ベース延長領域25の長手方向幅をN型ドレイン領域14の長手方向幅より狭くするとともに、N型ドリフト領域23の長手方向幅をP型コレクタ領域11の長手方向幅より広くし、P型ベース延長領域25とP型コレクタ領域11とが直接接触することのない配置を採用している。   As described above, the hybrid transistor according to the present embodiment has a cross section as shown in FIG. 9 or 10 depending on the position in the longitudinal direction of the linear array region in which the P-type collector regions 11 and the N-type drain regions 14 are alternately arranged. It has a structure. As shown in FIG. 8, the P-type base extension region 25 is provided so as to extend from both sides of the N-type drain region 14 to the end of the P-type base region 9 so as to be perpendicular to the longitudinal direction of the array region. 23 is provided so as to extend from both sides of the P-type collector region 11 to the end of the P-type base region 9 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the array region. That is, the P-type base extension regions 25 and the N-type drift regions 23 are alternately arranged along the longitudinal direction of the arrangement region. Further, the longitudinal width of the base extension region 25 is made smaller than the longitudinal width of the N-type drain region 14, and the longitudinal width of the N-type drift region 23 is made wider than the longitudinal width of the P-type collector region 11. An arrangement is employed in which the base extension region 25 and the P-type collector region 11 are not in direct contact.

以上説明したように、本実施形態のハイブリッドトランジスタにおける内蔵ダイオードは、IGBTとは異なる領域に形成されている。また、図9から明らかなように、内蔵ダイオードの本体が中不純物濃度を有し抵抗が比較的小さいP型ベース領域9、P型ベース延長領域25と高不純物濃度を有し抵抗が小さいN型ドレイン領域23のPN接合のみで構成される。すなわち、従来構造のように、低不純物濃度で高抵抗のドリフト領域(半導体層)を介して電流が流れることがなく、内蔵ダイオードの順方向電流駆動能力を向上させることができる。   As described above, the built-in diode in the hybrid transistor of the present embodiment is formed in a region different from the IGBT. As is apparent from FIG. 9, the body of the built-in diode has a medium impurity concentration and a relatively low resistance P-type base region 9 and P-type base extension region 25, and a high impurity concentration and a low resistance N-type. The drain region 23 is composed only of a PN junction. That is, unlike the conventional structure, no current flows through the drift region (semiconductor layer) having a low impurity concentration and a high resistance, and the forward current drive capability of the built-in diode can be improved.

本実施形態は、特に、SOI基板を構成する半導体層の膜厚が薄い場合に有用である。SOI基板を構成する半導体層の膜厚が薄い場合、例えば、図5に示すような、半導体層の深さ方向にN型不純物層、P型不純物層の積層構造を作製することが困難になる。本実施形態では、N型半導体層の横方向にN型ドリフト領域23、P型ベース延長領域25を交互に配置する構成であるため、半導体層の膜厚が薄い場合であっても容易に作製することができる。   This embodiment is particularly useful when the film thickness of the semiconductor layer constituting the SOI substrate is thin. When the semiconductor layer constituting the SOI substrate is thin, for example, it becomes difficult to form a stacked structure of an N-type impurity layer and a P-type impurity layer in the depth direction of the semiconductor layer as shown in FIG. . In the present embodiment, since the N-type drift regions 23 and the P-type base extension regions 25 are alternately arranged in the lateral direction of the N-type semiconductor layer, it can be easily manufactured even when the semiconductor layer is thin. can do.

(第4の実施形態)
図11は本発明の第4の実施形態における半導体装置であるハイブリッドトランジスタを示す平面図である。また、図12は図11のF−F線に沿って切断した断面図であり、図13は図11のG−G線に沿って切断した断面図である。なお、図11〜図13では、第1の実施形態の半導体装置と同一の作用効果を奏する部位に同一の符号を付している。
(Fourth embodiment)
FIG. 11 is a plan view showing a hybrid transistor which is a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. 12 is a cross-sectional view taken along line FF in FIG. 11, and FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line GG in FIG. In FIGS. 11 to 13, the same reference numerals are given to the portions having the same operational effects as the semiconductor device of the first embodiment.

図12および図13に示すように、本実施形態の半導体装置は、シリコン単結晶などからなる支持基板5上に、シリコン酸化物などの埋め込み絶縁膜6を介して膜厚3.5μmの単結晶で低不純物濃度高比抵抗を有するN型半導体層7が貼り合わせ形成され、これらでSOI基板を構成している。トレンチ分離8は半導体層7表面から埋め込み絶縁膜6まで到達し、ハイブリッドトランジスタを形成すべき半導体層7の領域を取り囲む。   As shown in FIGS. 12 and 13, the semiconductor device of this embodiment is a single crystal having a film thickness of 3.5 μm on a support substrate 5 made of silicon single crystal or the like via a buried insulating film 6 made of silicon oxide or the like. Thus, an N-type semiconductor layer 7 having a low impurity concentration and a high specific resistance is bonded to form an SOI substrate. The trench isolation 8 reaches the buried insulating film 6 from the surface of the semiconductor layer 7 and surrounds the region of the semiconductor layer 7 where the hybrid transistor is to be formed.

半導体層7表面部の一部分に中不純物濃度のP型ベース領域9が設けられる。図11に示すように、P型ベース領域9は、平面視において長円のリング形状を有し、高不純物濃度のP型コレクタ領域11および高不純物濃度のN型ドレイン領域14が交互に配置された直線状の配列領域を取り囲む。なお、トレンチ分離8、ゲート電極13は第1の実施形態の半導体装置と同様の平面形状を有する。   A P-type base region 9 having a medium impurity concentration is provided in a part of the surface portion of the semiconductor layer 7. As shown in FIG. 11, the P-type base region 9 has an oval ring shape in plan view, and a high impurity concentration P-type collector region 11 and a high impurity concentration N-type drain region 14 are alternately arranged. Encloses a linear array region. The trench isolation 8 and the gate electrode 13 have the same planar shape as that of the semiconductor device of the first embodiment.

さて、本実施形態の半導体装置は、図12および図13に示すように、F−F線断面ではP型ベース領域9内部に高不純物濃度のN型エミッタ領域10が設けられ、G−G線断面ではP型ベース領域9内部にN型エミッタ領域10が設けられないことを特徴とする。   In the semiconductor device of this embodiment, as shown in FIGS. 12 and 13, a high impurity concentration N-type emitter region 10 is provided in the P-type base region 9 in the cross-section of the FF line, and the GG line is provided. In the cross section, the N-type emitter region 10 is not provided inside the P-type base region 9.

すなわち、N型エミッタ領域10は、図11に示すように、P型コレクタ領域11およびN型ドレイン領域14が交互に配置された直線状の配列領域に対向するP型ベース領域9内に配置される。P型コレクタ領域11およびN型ドレイン領域14が交互に配置された直線状の配列領域を挟むエミッタ領域10は、当該直線状の配列領域の長手方向に沿って複数に分割され、隣接するエミッタ領域10の間にはP型ベース領域9だけが存在する。また、N型エミッタ領域10間に位置するP型ベース領域9は、ドレイン領域14と最短距離で対向している。なお、第1の実施形態と同様に、半導体層7上を被覆する第1絶縁膜17に設けられたコンタクトホールを通じて、N型エミッタ領域10とP型ベース領域9表面とを共通接続した第1電極15、P型コレクタ領域11とN型ドレイン領域14表面とを共通接続した第2電極16が設けられている。   That is, as shown in FIG. 11, the N-type emitter region 10 is disposed in the P-type base region 9 facing the linear array region in which the P-type collector region 11 and the N-type drain region 14 are alternately disposed. The The emitter region 10 sandwiching the linear array region in which the P-type collector region 11 and the N-type drain region 14 are alternately arranged is divided into a plurality of adjacent emitter regions along the longitudinal direction of the linear array region. 10, only the P-type base region 9 exists. Further, the P-type base region 9 positioned between the N-type emitter regions 10 faces the drain region 14 at the shortest distance. Similar to the first embodiment, the N-type emitter region 10 and the surface of the P-type base region 9 are commonly connected through a contact hole provided in the first insulating film 17 covering the semiconductor layer 7. A second electrode 16 is provided in which the electrode 15, the P-type collector region 11 and the surface of the N-type drain region 14 are connected in common.

以上のように、本実施形態のハイブリッドトランジスタは、図12に示すエミッタ領域10が形成された部分と、図13に示すエミッタ領域10が形成されない部分とが、少なくとも半導体層7およびベース領域9を共有するとともに、隣接して交互に配置されている。このハイブリッドトランジスタでは、従来構造と同様に、P型ベース領域9と半導体層7とのPN接合により内蔵ダイオードが構成される。   As described above, in the hybrid transistor of the present embodiment, the portion where the emitter region 10 shown in FIG. 12 is formed and the portion where the emitter region 10 shown in FIG. 13 is not formed include at least the semiconductor layer 7 and the base region 9. They are shared and arranged alternately next to each other. In this hybrid transistor, a built-in diode is formed by a PN junction between the P-type base region 9 and the semiconductor layer 7 as in the conventional structure.

この内蔵ダイオードは、ハイブリッドトランジスタのゲート電極13に正電圧が印加され、その直下のベース領域9表面にチャネルが生成されたオン状態であって、P型コレクタ領域11とN型ドレイン領域14に、N型エミッタ領域10およびP型ベース領域9を基準として負電位が印加される場合、順方向にバイアスされる。図12から理解できるように、F−F線断面部分の構造は従来と同じ構造であるから、当該バイアス条件では、電流は主としてエミッタ領域10からベース領域9表面のチャネルを経由して半導体層7の表面付近を通過し、ドレイン領域14へ流れ込む。したがって、F−F線断面部分の等価回路は、図16に示す回路図と同様であり、N型低不純物濃度の半導体層7に起因するドリフト抵抗(図16の寄生抵抗120に対応)のために、ベース領域9および半導体層7により構成されるPN接合と、ドレイン領域14との間で大きな電圧降下が発生する。このため、PN接合の両端の電位差は小さくなるので、このF−F線断面部分での内蔵ダイオードの電流駆動能力は低いままである。   This built-in diode is in an ON state in which a positive voltage is applied to the gate electrode 13 of the hybrid transistor and a channel is generated on the surface of the base region 9 immediately below the built-in diode, and the P-type collector region 11 and the N-type drain region 14 When a negative potential is applied with reference to the N-type emitter region 10 and the P-type base region 9, the forward bias is applied. As can be understood from FIG. 12, the structure of the FF line cross-sectional portion is the same as the conventional structure. Therefore, under the bias condition, the current mainly flows from the emitter region 10 to the surface of the base region 9 through the channel of the semiconductor layer 7. Passes near the surface of the drain region 14 and flows into the drain region 14. Therefore, the equivalent circuit of the cross-section portion of the FF line is the same as the circuit diagram shown in FIG. 16, and is due to the drift resistance (corresponding to the parasitic resistance 120 in FIG. 16) caused by the N-type low impurity concentration semiconductor layer 7. In addition, a large voltage drop occurs between the PN junction constituted by the base region 9 and the semiconductor layer 7 and the drain region 14. For this reason, since the potential difference between both ends of the PN junction is reduced, the current driving capability of the built-in diode at the cross-sectional portion of the FF line remains low.

一方、図13に示すG−G線断面部分では、N型エミッタ領域10が存在しないため、ベース領域9表面にチャネルが形成されても、当該チャネルにキャリアを供給するN型エミッタ領域が存在しないため電流は半導体層7の表面付近に集中して流れることがない。当該部分では、電流は、ベース領域9から、ベース領域9とドレイン領域14間に存在する半導体層7の深く広い部分を経由してドレイン領域14へ流れ込む。このG−G線断面部分の順方向特性に関する等価回路は、図14に示す回路図、すなわち近似的に内蔵ダイオード21に半導体層7の広い深部に対応する寄生抵抗20が直列に接続された回路と考えることができる。当該電流が流れる半導体層7領域の断面積は、F−F線断面部において電流が流れる半導体層7領域の断面積より相当大きいため、寄生抵抗20の大きさは、F−F線断面部において半導体層7に起因する寄生抵抗の大きさより小さくなる。したがって、内蔵ダイオード21のPN接合とドレイン領域14との間の電圧降下も小さくなり、第2電極16に印加された電圧が、ほとんど電圧降下することなくPN接合に印加される。その結果、G−G線断面部分では内蔵ダイオード21の電流駆動能力を向上させることができる。   On the other hand, since the N-type emitter region 10 does not exist in the GG cross section shown in FIG. 13, even if a channel is formed on the surface of the base region 9, there is no N-type emitter region that supplies carriers to the channel. Therefore, current does not flow near the surface of the semiconductor layer 7. In this portion, current flows from the base region 9 into the drain region 14 via a deep and wide portion of the semiconductor layer 7 existing between the base region 9 and the drain region 14. The equivalent circuit relating to the forward characteristic of the GG line section is the circuit diagram shown in FIG. 14, that is, a circuit in which a parasitic resistor 20 corresponding to a wide deep portion of the semiconductor layer 7 is connected in series to the built-in diode 21. Can be considered. Since the cross-sectional area of the semiconductor layer 7 region through which the current flows is considerably larger than the cross-sectional area of the semiconductor layer 7 region through which the current flows at the FF line cross-section, the size of the parasitic resistance 20 is at the FF line cross-section. It becomes smaller than the magnitude of the parasitic resistance caused by the semiconductor layer 7. Therefore, the voltage drop between the PN junction of the built-in diode 21 and the drain region 14 is also reduced, and the voltage applied to the second electrode 16 is applied to the PN junction with almost no voltage drop. As a result, the current drive capability of the built-in diode 21 can be improved in the cross-section portion along the line GG.

図11に示すように、F−F線断面部分とG−G線断面部分とは、平面視において隣接し、かつ半導体層7は共通であるので、F−F線断面部分における半導体層7内の電圧降下は、隣接するG−G線断面部分の半導体層7内に伝達し、G−G線断面部分の内蔵ダイオードのPN接合にかかる電圧が小さくなる方向に作用する。しかしながら、G−G線断面部分のPN接合付近からF−F線断面部分のPN接合付近へ水平方向にも電流が流れることによって両断面部分のPN接合にかかる電圧差は維持される。また、上述のように、本実施形態では、隣接するエミッタ領域10間のベース領域9を、ドレイン領域14と最短距離で対向する状態で配置しているため、この部分においてドリフト領域となる半導体層7の水平方向の長さを極小にでき、寄生抵抗20を極小にすることができる。   As shown in FIG. 11, the FF line cross-sectional portion and the GG line cross-sectional portion are adjacent to each other in plan view, and the semiconductor layer 7 is common. Is transmitted to the semiconductor layer 7 in the cross-sectional portion of the adjacent GG line, and acts in such a direction that the voltage applied to the PN junction of the built-in diode in the cross-sectional portion of the GG line is reduced. However, a current flows in the horizontal direction from the vicinity of the PN junction at the GG line cross section to the vicinity of the FN junction at the FF line cross section, whereby the voltage difference applied to the PN junction at both cross sections is maintained. Further, as described above, in this embodiment, since the base region 9 between the adjacent emitter regions 10 is disposed in a state of facing the drain region 14 at the shortest distance, a semiconductor layer that becomes a drift region in this portion. 7 can be minimized, and the parasitic resistance 20 can be minimized.

以上説明したように本発明によれば、MOS型トランジスタ構造がオン状態にある場合でも、従来構造と比較して内蔵ダイオードの電流能力を向上させることができる。すなわち、本発明では、内蔵ダイオードのPN接合をドレイン領域に配置することができるため、ドリフト領域での電圧降下を低減することができ、MOS型トランジスタ構造がオン状態である場合でも、上記PN接合をより低い順方向電圧でオン状態にすることができる。また、より低い順方向電圧でダイオード電流が立ち上がるため、従来構造と比較して電流駆動能力が向上する。   As described above, according to the present invention, even when the MOS transistor structure is in the ON state, the current capability of the built-in diode can be improved compared to the conventional structure. That is, in the present invention, since the PN junction of the built-in diode can be arranged in the drain region, the voltage drop in the drift region can be reduced, and the PN junction can be obtained even when the MOS transistor structure is in the ON state. Can be turned on with a lower forward voltage. In addition, since the diode current rises with a lower forward voltage, the current driving capability is improved as compared with the conventional structure.

また、ドレイン領域に対向するベース領域内にエミッタ領域を設けない構成では、MOS型トランジスタ構造がオン状態の場合でも、チャネルにキャリアを供給するエミッタ領域が存在しない。そのため、内蔵ダイオードのPN接合に至るまでのドリフト領域での電圧降下を低減することができ、MOS型トランジスタ構造がオン状態である場合でも、当該PN接合をより低い順方向電圧でオン状態にすることができる。その結果、従来構造と比較して内蔵ダイオードの電流駆動能力が向上する。   Further, in the configuration in which the emitter region is not provided in the base region facing the drain region, there is no emitter region for supplying carriers to the channel even when the MOS transistor structure is on. Therefore, the voltage drop in the drift region up to the PN junction of the built-in diode can be reduced, and the PN junction is turned on with a lower forward voltage even when the MOS transistor structure is on. be able to. As a result, the current drive capability of the built-in diode is improved as compared with the conventional structure.

なお、以上で説明した実施形態は、本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載した以外でも、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記各実施形態では、NチャネルMOS型構造を含むハイブリッドトランジスタについて説明したが、エミッタ領域、ベース領域、ベース延長領域、ドリフト領域、ドレイン領域など各拡散層の導電型を反対にすることで、PチャネルMOS型構造を含むハイブリッドトランジスタについても、内蔵ダイオードの順方向電流駆動能力を向上させることが可能である。また、本発明は、上述の半導体装置を駆動用IC回路の出力部等として備えるプラズマディスプレイデバイスは、駆動用IC回路等を小型化することができるため、小型化や低コスト化を実現することができる。   The embodiments described above do not limit the technical scope of the present invention, and various modifications and applications can be made within the scope of the technical idea of the present invention other than those already described. For example, in each of the above embodiments, a hybrid transistor including an N-channel MOS type structure has been described. However, by inverting the conductivity type of each diffusion layer such as an emitter region, a base region, a base extension region, a drift region, and a drain region. The forward current drive capability of the built-in diode can be improved also for the hybrid transistor including the P-channel MOS type structure. In addition, the present invention realizes downsizing and cost reduction of a plasma display device including the above-described semiconductor device as an output unit of a driving IC circuit because the driving IC circuit can be downsized. Can do.

本発明によれば、寄生抵抗が小さく、電流駆動能力が大きい高耐圧ハイブリッドトランジスタのような半導体装置を実現することができ、半導体装置およびプラズマディスプレイデバイスとして有用である。   According to the present invention, it is possible to realize a semiconductor device such as a high voltage hybrid transistor having a small parasitic resistance and a large current driving capability, which is useful as a semiconductor device and a plasma display device.

5 支持基板
6 埋め込み絶縁膜
7 N型半導体層
8 トレンチ分離
9 P型ベース領域
10 高濃度N型エミッタ領域
11 高濃度P型コレクタ領域
12 ゲート絶縁膜
13 ゲート電極
14 高濃度N型ドレイン領域
15 第1電極
16 第2電極
17 第1絶縁膜
18 第2絶縁膜
20 寄生抵抗
21 内蔵ダイオード
22 P型半導体層
23 N型ドリフト領域
24 P型埋め込み拡散層
25 P型ベース延長領域
5 Support substrate 6 Embedded insulating film 7 N-type semiconductor layer 8 Trench isolation 9 P-type base region 10 High-concentration N-type emitter region 11 High-concentration P-type collector region 12 Gate insulating film 13 Gate electrode 14 High-concentration N-type drain region 15 1 electrode 16 2nd electrode 17 1st insulating film 18 2nd insulating film 20 Parasitic resistance 21 Built-in diode 22 P-type semiconductor layer 23 N-type drift region 24 P-type buried diffusion layer 25 P-type base extension region

Claims (10)

第1導電型の半導体層と、
前記半導体層に設けられた第1導電型のベース領域と、
前記ベース領域に設けられた第2導電型のエミッタ領域と、
前記ベース領域に隣接して前記半導体層に、表面から前記半導体層の厚さより小さい所定深さにわたって設けられた第2導電型の不純物層と、
前記不純物層に、前記ベース領域から離間して設けられた、第1導電型のコレクタ領域および第2導電型のドレイン領域と、
前記エミッタ領域の端部上、前記ベース領域上および前記不純物層上の一部にわたって、前記半導体層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、
前記エミッタ領域と前記ベース領域とに電気的に共通接続された第1電極と、
前記コレクタ領域と前記ドレイン領域とに電気的に共通接続された第2電極と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type semiconductor layer;
A base region of a first conductivity type provided in the semiconductor layer;
An emitter region of a second conductivity type provided in the base region;
A second conductivity type impurity layer provided on the semiconductor layer adjacent to the base region over a predetermined depth smaller than the thickness of the semiconductor layer from the surface;
A first conductivity type collector region and a second conductivity type drain region provided in the impurity layer apart from the base region;
A gate electrode provided on a surface of the semiconductor layer through a gate insulating film over an end portion of the emitter region, a portion of the base region, and a portion of the impurity layer;
A first electrode electrically connected in common to the emitter region and the base region;
A second electrode electrically connected in common to the collector region and the drain region;
A semiconductor device comprising:
前記第2導電型の不純物層より下方の前記半導体層に、前記半導体層よりも大きな不純物濃度を有する第1導電型の埋め込み不純物層をさらに備えた請求項1記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a first conductivity type buried impurity layer having an impurity concentration higher than that of the semiconductor layer in the semiconductor layer below the second conductivity type impurity layer. 前記埋め込み不純物層は、前記コレクタ領域直下の前記半導体層を除く領域に配置される、請求項2記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein the buried impurity layer is disposed in a region excluding the semiconductor layer immediately below the collector region. 第2導電型の半導体層と、
前記半導体層に設けられた第1導電型のベース領域と、
前記ベース領域に設けられた第2導電型のエミッタ領域と、
前記半導体層に、前記ベース領域から離間して設けられた、第1導電型のコレクタ領域および第2導電型のドレイン領域と、
前記エミッタ領域の端部上、前記ベース領域上、および前記ベース領域と前記コレクタ領域との間の前記半導体層上の一部にわたって、前記半導体層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、
前記エミッタ領域と前記ベース領域とに電気的に共通接続された第1電極と、
前記コレクタ領域と前記ドレイン領域とに電気的に共通接続された第2電極と、
前記ベース領域の一部に電気的に接続し、前記ベース領域から前記ゲート電極下の前記半導体層の一部領域を経て、少なくとも前記ドレイン領域と前記ゲート電極との間の前記半導体層に設けられた第1導電型の延長不純物領域と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A second conductivity type semiconductor layer;
A base region of a first conductivity type provided in the semiconductor layer;
An emitter region of a second conductivity type provided in the base region;
A first conductivity type collector region and a second conductivity type drain region provided in the semiconductor layer apart from the base region;
A gate insulating film is provided on the surface of the semiconductor layer over the end of the emitter region, over the base region, and over a portion of the semiconductor layer between the base region and the collector region. A gate electrode;
A first electrode electrically connected in common to the emitter region and the base region;
A second electrode electrically connected in common to the collector region and the drain region;
The semiconductor layer is electrically connected to a part of the base region, and is provided in the semiconductor layer at least between the drain region and the gate electrode through a part of the semiconductor layer below the gate electrode from the base region. An extended impurity region of the first conductivity type;
A semiconductor device comprising:
前記延長不純物領域が、前記ゲート電極と前記コレクタ領域との間の前記半導体層にも設けられた、請求項4記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 4, wherein the extended impurity region is also provided in the semiconductor layer between the gate electrode and the collector region. 半導体層と、
前記半導体層に設けられた第1導電型のベース領域と、
前記ベース領域に設けられた第2導電型のエミッタ領域と、
前記ベース領域に隣接して前記半導体層に設けられた第2導電型の不純物層と、
前記第2導電型の不純物層に、前記ベース領域から離間して設けられた第1導電型のコレクタ領域と、
前記エミッタ領域の端部上、前記ベース領域上および前記第2導電型の不純物層上の一部にわたって、前記半導体層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、を含む第1の部分と、
前記半導体層と、
前記第1導電型のベース領域と、
前記第2導電型のエミッタ領域と、
前記ベース領域に隣接して前記半導体層に設けられた第1導電型の不純物層と、
前記第1導電型の不純物層に、前記ベース領域から離間して設けられた第2導電型のドレイン領域と、
前記エミッタ領域の端部上、前記ベース領域上および前記第1導電型の不純物層上の一部にわたって、前記半導体層の表面上にゲート絶縁膜を介して設けられた前記ゲート電極と、
を含む第2の部分と、
前記エミッタ領域と前記ベース領域に電気的に共通接続された第1電極と、
前記コレクタ領域と前記ドレイン領域に電気的に共通接続された第2電極と、
を備え、
前記第1の部分および前記第2の部分は互いに隣接するとともに、前記ベース領域から前記コレクタ領域、あるいは前記ベース領域から前記ドレイン領域への方向とは異なる方向に沿って配列されたことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor layer;
A base region of a first conductivity type provided in the semiconductor layer;
An emitter region of a second conductivity type provided in the base region;
A second conductivity type impurity layer provided in the semiconductor layer adjacent to the base region;
A first conductivity type collector region provided in the second conductivity type impurity layer apart from the base region;
A gate electrode provided on an end of the emitter region, on the base region and on a part of the impurity layer of the second conductivity type over the surface of the semiconductor layer via a gate insulating film. 1 part and
The semiconductor layer;
A base region of the first conductivity type;
An emitter region of the second conductivity type;
A first conductivity type impurity layer provided in the semiconductor layer adjacent to the base region;
A second conductivity type drain region provided in the first conductivity type impurity layer apart from the base region;
The gate electrode provided on the surface of the semiconductor layer over a portion of the emitter region, on the base region, and on the impurity layer of the first conductivity type via a gate insulating film;
A second part comprising:
A first electrode electrically connected in common to the emitter region and the base region;
A second electrode electrically connected in common to the collector region and the drain region;
With
The first portion and the second portion are adjacent to each other and arranged along a direction different from the direction from the base region to the collector region or from the base region to the drain region. Semiconductor device.
第2導電型の半導体層と、
前記半導体層に設けられた第1導電型のベース領域と、
前記ベース領域に設けられた第2導電型のエミッタ領域と、
前記半導体層に、前記ベース領域から離間して設けられた第1導電型のコレクタ領域と、
前記エミッタ領域の端部上、前記ベース領域上、および前記ベース領域と前記コレクタ領域との間の前記半導体層上の一部にわたって、前記半導体層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、
を含む第1の部分と、
前記第2導電型の半導体層と、
前記第1導電型のベース領域と、
前記半導体層に、前記ベース領域から離間して設けられた第2導電型のドレイン領域と、
前記ベース領域上、および前記ベース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体層上の一部にわたって、前記半導体層の表面上にゲート絶縁膜を介して設けられた前記ゲート電極と、
を含む第2の部分と、
前記エミッタ領域と前記ベース領域に電気的に共通接続された第1電極と、
前記コレクタ領域と前記ドレイン領域に電気的に共通接続された第2電極と、
を備え、
前記第1の部分および前記第2の部分は互いに隣接するとともに、前記ベース領域から前記コレクタ領域、あるいは前記ベース領域から前記ドレイン領域への方向とは異なる方向に沿って配列されたことを特徴とする半導体装置。
A second conductivity type semiconductor layer;
A base region of a first conductivity type provided in the semiconductor layer;
An emitter region of a second conductivity type provided in the base region;
A collector region of a first conductivity type provided in the semiconductor layer apart from the base region;
A gate insulating film is provided on the surface of the semiconductor layer over the end of the emitter region, over the base region, and over a portion of the semiconductor layer between the base region and the collector region. A gate electrode;
A first portion comprising:
A semiconductor layer of the second conductivity type;
A base region of the first conductivity type;
A drain region of a second conductivity type provided in the semiconductor layer apart from the base region;
The gate electrode provided on the surface of the semiconductor layer via a gate insulating film over the base region and a part on the semiconductor layer between the base region and the drain region;
A second part comprising:
A first electrode electrically connected in common to the emitter region and the base region;
A second electrode electrically connected in common to the collector region and the drain region;
With
The first portion and the second portion are adjacent to each other and arranged along a direction different from the direction from the base region to the collector region or from the base region to the drain region. Semiconductor device.
前記半導体層は支持基板の一主面上に設けられた絶縁膜上に設けられている、請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is provided on an insulating film provided on one main surface of the support substrate. 前記ベース領域および前記不純物層を平面的に取り囲み、かつ前記半導体層の表面から前記支持基板上の前記絶縁膜に達するように形成された絶縁分離を有する、請求項8記載の半導体装置。   9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device has insulation isolation formed so as to surround the base region and the impurity layer in a plane and to reach the insulating film on the support substrate from a surface of the semiconductor layer. 請求項1から9のいずれか1項に記載の半導体装置を備えたプラズマディスプレイデバイス。   A plasma display device comprising the semiconductor device according to claim 1.
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