JP2012156370A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of accurately detecting a current flowing in a main cell, and hard to be affected by a high voltage even when the high voltage is used.SOLUTION: The main cell is insulated and isolated from a sense cell by a trench isolation structure 1d. Thereby, even if a high voltage of 100 V or higher is applied to a collector of the main cell, noise resulting from that can be controlled so as not to be induced to an output terminal for current detection. Even if the emitter potential of the sense cell rises due to a current flowing in a sense resistance Rs, since the emitter of the sense cell is electrically completely isolated from the emitter of the main cell, no parasitic transistor starts action. As a matter of course, it can be suppressed that noise generated from a resistance layer 14 is induced to the output terminal for current detection. Accordingly, the current flowing in the main cell can be accurately detected, and even when a high voltage is used, the semiconductor device hard to be affected by the high voltage can be obtained.

Description

本発明は、半導体スイッチング素子からなるパワー素子をメインセルとセンスセルとに分け、メインセルに流れる電流をセンスセルにて検出するようにした半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device in which a power element including a semiconductor switching element is divided into a main cell and a sense cell, and a current flowing through the main cell is detected by the sense cell.

従来、特許文献1において、横型IGBTが形成されたメインセルに加えて、横型IGBTのエミッタに流れる電流を検出する電流検出部(センスセル)を備えた半導体集積回路が開示されている。この半導体集積回路は、メインセルに形成された横型IGBTと同じ構造としつつエミッタ長さを変えた電流検出用の横型IGBTを電流検出部に形成し、これらをカレントミラー接続した構造とされている。このような構造では、メインセルの横型IGBTのエミッタに流れる電流を所定比率に減少させた電流が電流検出部のエミッタに流れることから、電流検出部に流れる電流に基づいてメインセルのエミッタに流れる電流を検出することができる。具体的には、この半導体集積回路では、半導体チップ内において、横型IGBTを構成する各部を複数セル並列的に並べることによってメインセルを構成すると共に、メインセルから離れた半導体チップの端部に電流検出部を配置した構造としている。   Conventionally, Patent Document 1 discloses a semiconductor integrated circuit provided with a current detection unit (sense cell) for detecting a current flowing in an emitter of a lateral IGBT in addition to a main cell in which a lateral IGBT is formed. This semiconductor integrated circuit has the same structure as that of the lateral IGBT formed in the main cell, but has a structure in which a lateral IGBT for current detection with different emitter lengths is formed in the current detection unit and these are connected in a current mirror. . In such a structure, a current obtained by reducing the current flowing through the emitter of the lateral IGBT of the main cell to a predetermined ratio flows through the emitter of the current detection unit, and therefore flows through the emitter of the main cell based on the current flowing through the current detection unit. Current can be detected. Specifically, in this semiconductor integrated circuit, a main cell is formed by arranging a plurality of cells constituting a lateral IGBT in parallel in a semiconductor chip, and a current is applied to an end of the semiconductor chip away from the main cell. The detection unit is arranged.

特公平08−34709号公報Japanese Patent Publication No. 08-34709

しかしながら、例えば図14に示すメインセル100とセンスセル101を有する回路構成に上記従来公報に示される半導体集積回路の構成を適用しようとした場合において、電流検出部に流れる電流値を検出するための出力電圧形成用のセンス抵抗Rsの両端電圧を大きくしようとセンス抵抗Rsの抵抗値を大きくすると、センスセル101のエミッタ電位が上昇する。このため、エミッタ電極に対して電気的に接続されるp型ボディ層の電位が上昇することになり、p型ボディ層とn-型ドリフト層との間に形成されるPN接合が順バイアスされ、出力が不安定になる。このため、センス抵抗Rsの両端電圧、つまり出力電圧の最大電圧を0.3V程度に抑える必要がある。そして、コレクタに高い電圧(例えば、200〜600V)が印加される場合には、この高い電圧とのカップリングにより、出力電圧が影響を受け、正しい電圧を出力することができなくなる。 However, for example, when the configuration of the semiconductor integrated circuit disclosed in the above-mentioned conventional publication is applied to the circuit configuration having the main cell 100 and the sense cell 101 shown in FIG. 14, the output for detecting the current value flowing through the current detection unit If the resistance value of the sense resistor Rs is increased to increase the voltage across the sense resistor Rs for voltage formation, the emitter potential of the sense cell 101 increases. For this reason, the potential of the p-type body layer electrically connected to the emitter electrode rises, and the PN junction formed between the p-type body layer and the n -type drift layer is forward-biased. The output becomes unstable. For this reason, it is necessary to suppress the voltage across the sense resistor Rs, that is, the maximum voltage of the output voltage to about 0.3V. When a high voltage (for example, 200 to 600 V) is applied to the collector, the output voltage is affected by the coupling with the high voltage, and a correct voltage cannot be output.

なお、ここでは半導体素子として横型IGBTを例に挙げて説明したが、他の素子、例えばダイオードについてメインセルとセンスセルとを構成し、電流検出機能を持たせるようにする場合について、上記と同様の問題が発生し得る。   Here, the lateral IGBT has been described as an example of the semiconductor element. However, in the case where the main cell and the sense cell are configured with respect to another element, for example, a diode, and the current detection function is provided, the same as described above. Problems can arise.

本発明は上記点に鑑みて、正確にメインセルに流れる電流を検出することができると共に、高い電圧が用いられる場合でもその影響を受け難い半導体装置を提供することを目的とする。   In view of the above-described points, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can accurately detect a current flowing through a main cell and is not easily affected even when a high voltage is used.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、半導体基板(1、21)の表面に形成された第1電極(12、29)と第2電極(13、28)との間に電流を流すことで、半導体基板(1、21)の水平方向である横方向に電流を流す横型半導体素子を有し、該横型半導体素子をメインセルとセンスセルに分け、センスセルに流れる電流を検出することによってメインセルに流れる電流を検出する半導体装置において、メインセルとセンスセルとを半導体基板(1、21)に形成した素子分離構造(1d、21d、56)によって絶縁分離していることを特徴としている。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, between the first electrode (12, 29) and the second electrode (13, 28) formed on the surface of the semiconductor substrate (1, 21). By having a current flow, a horizontal semiconductor element that flows a current in a horizontal direction that is the horizontal direction of the semiconductor substrate (1, 21) is provided. The horizontal semiconductor element is divided into a main cell and a sense cell, and a current flowing in the sense cell is detected. Thus, in the semiconductor device for detecting the current flowing in the main cell, the main cell and the sense cell are insulated and separated by the element isolation structure (1d, 21d, 56) formed on the semiconductor substrate (1, 21). Yes.

このように、メインセルとセンスセルとを素子分離構造(1d、21d、56)によって絶縁分離している。このため、メインセルの高電圧側の部位、例えば横型半導体素子が横型IGBTである場合にコレクタに対して100V以上の高電圧が印加されても、それに起因するノイズが電流検出用の出力端子に誘起されないようにできる。また、センスセルの低電圧側の部位の電位、例えば横型半導体素子が横型IGBTである場合にエミッタ電位がセンス抵抗(Rs、Rs1、Rs2)に流れる電流によって上昇しても、メインセルの低電圧側の部位と電気的に完全に分離されているため、寄生トランジスタが動作することもない。   Thus, the main cell and the sense cell are insulated and separated by the element isolation structure (1d, 21d, 56). For this reason, even when a high voltage of 100 V or higher is applied to the collector on the high voltage side portion of the main cell, for example, when the lateral semiconductor element is a lateral IGBT, noise caused by the voltage is applied to the output terminal for current detection. It can be prevented from being induced. Further, even if the potential of the portion on the low voltage side of the sense cell, for example, when the lateral semiconductor element is a lateral IGBT, the emitter potential rises due to the current flowing through the sense resistors (Rs, Rs1, Rs2), the low voltage side of the main cell Therefore, the parasitic transistor does not operate.

したがって、正確にメインセルに流れる電流を検出することができると共に、高い電圧が用いられる場合でもその影響を受け難い半導体装置とすることが可能となる。また、半導体素子の電位勾配の偏りを抑制するためのフィールドプレートを構成する抵抗層(14、30)を形成するような場合においても、そこから発生させられたノイズが電流検出用の出力端子に誘起されることも抑制できる。このため、抵抗層(14、30)を形成する場合には、より有効に上記効果を得ることができる。   Therefore, it is possible to accurately detect the current flowing through the main cell, and to make the semiconductor device less susceptible to the influence even when a high voltage is used. Even when the resistance layers (14, 30) constituting the field plate for suppressing the bias of the potential gradient of the semiconductor element are formed, the noise generated from the resistance layer (14, 30) is applied to the output terminal for current detection. Induction can also be suppressed. For this reason, when forming a resistance layer (14, 30), the said effect can be acquired more effectively.

請求項2に記載の発明では、センスセルにはセンス抵抗(Rs、Rs1、Rs2)が接続され、センスセルとセンス抵抗(Rs、Rs1、Rs2)の間の電圧を出力電圧(V1、V2)として出力し、該出力電圧(V1、V2)に基づいてセンスセルに流れる電流を検出しており、出力電圧(V1、V2)の最大電圧が0.7V以上に設定されていることを特徴としている。   According to the second aspect of the present invention, the sense resistor (Rs, Rs1, Rs2) is connected to the sense cell, and the voltage between the sense cell and the sense resistor (Rs, Rs1, Rs2) is output as the output voltage (V1, V2). The current flowing in the sense cell is detected based on the output voltage (V1, V2), and the maximum voltage of the output voltage (V1, V2) is set to 0.7 V or more.

このように、出力電圧(V1、V2)の最大電圧が0.7V以上、つまりシリコンのPNジャンクションの順方向電圧である0.7Vよりも大きく設定されるようにすることで、より大きな出力電圧(V1、V2)に基づいて、電流検出を行うことが可能となる。   Thus, by setting the maximum voltage of the output voltage (V1, V2) to 0.7V or higher, that is, larger than 0.7V which is the forward voltage of the PN junction of silicon, a larger output voltage can be obtained. Based on (V1, V2), current detection can be performed.

例えば、請求項3に記載したように、横型半導体素子として、横型半導体スイッチング素子および横型ダイオードを有した半導体装置に対して本発明を適用することができる。この場合にも、横型半導体スイッチング素子をメインセルとセンスセルとに分けると共に、該横型半導体スイッチング素子のメインセルとセンスセルとが素子分離構造(1d)によって絶縁分離されるようにし、横型ダイオードもメインセルとセンスセルとに分けると共に、該横型ダイオードのメインセルとセンスセルとが素子分離構造(21d)によって絶縁分離されるようにする。そして、横型半導体スイッチング素子のメインセルおよびセンスセルの第1電極(12)が横型ダイオードのメインセルおよびセンスセルの第2電極(28)と電気的に接続され、横型半導体スイッチング素子のメインセルの第2電極(13)と横型ダイオードのメインセルの第1電極(29)とが、横型半導体スイッチング素子のセンスセルの第2電極(13)と横型半導体スイッチング素子用のセンス抵抗(Rs1)を介して接続され、かつ、横型ダイオードのセンスセルの第1電極(29)とも横型ダイオード用のセンス抵抗(Rs2)を介して接続されるようにすることで、横型半導体スイッチング素子および横型ダイオードの並列接続による電流経路を構成する。このような回路構成により、横型半導体スイッチング素子のセンスセルと横型半導体スイッチング素子用のセンス抵抗(Rs1)との間の出力電圧(V1)と、横型ダイオードのセンスセルと横型ダイオード用のセンス抵抗(Rs2)との間の出力電圧(V2)とにより、電流経路に流れる電流の正負および電流の増減を判定することが可能となる。   For example, as described in claim 3, the present invention can be applied to a semiconductor device having a lateral semiconductor switching element and a lateral diode as the lateral semiconductor element. Also in this case, the lateral semiconductor switching element is divided into a main cell and a sense cell, and the main cell and the sense cell of the lateral semiconductor switching element are insulated and separated by the element isolation structure (1d). In addition, the main cell and the sense cell of the lateral diode are insulated and separated by the element isolation structure (21d). The first electrode (12) of the main cell and sense cell of the lateral semiconductor switching element is electrically connected to the main electrode of the lateral diode and second electrode (28) of the sense cell, and the second electrode of the main cell of the lateral semiconductor switching element. The electrode (13) and the first electrode (29) of the main cell of the lateral diode are connected to the second electrode (13) of the sense cell of the lateral semiconductor switching element via the sense resistor (Rs1) for the lateral semiconductor switching element. In addition, by connecting the first electrode (29) of the sense cell of the lateral diode via the sense resistor (Rs2) for the lateral diode, the current path by the parallel connection of the lateral semiconductor switching element and the lateral diode can be reduced. Constitute. With such a circuit configuration, the output voltage (V1) between the sense cell of the lateral semiconductor switching element and the sense resistor (Rs1) for the lateral semiconductor switching element, the sense cell of the lateral diode and the sense resistor (Rs2) for the lateral diode. It is possible to determine whether the current flowing in the current path is positive or negative and whether the current is increasing or decreasing.

この場合において、請求項4に記載したように、横型半導体スイッチング素子のセンスセル(53a〜53f)と横型半導体スイッチング素子用のセンス抵抗(Rs1)および横型ダイオードのセンスセル(55a〜55f)と横型ダイオード用のセンス抵抗(Rs2)が一列に並べられてレイアウトされるようにすると好ましい。このようなレイアウトにすれば、これら各部の間の接続を最短距離で行えるようにしつつ、半導体装置のチップ面積を最小化できる。特に、請求項5に記載したように、横型半導体スイッチング素子のセンスセル(53a〜53f)と横型ダイオードのセンスセル(55a〜55f)の間に、横型半導体スイッチング素子用のセンス抵抗(Rs1)および横型ダイオード用のセンス抵抗(Rs2)が配置されるようにすると好ましい。   In this case, as described in claim 4, the sense cell (53a to 53f) of the lateral semiconductor switching element, the sense resistor (Rs1) for the lateral semiconductor switching element, and the sense cell (55a to 55f) of the lateral diode and the lateral diode The sense resistors (Rs2) are preferably arranged in a line. With such a layout, the chip area of the semiconductor device can be minimized while making it possible to connect these parts at the shortest distance. In particular, the sense resistor (Rs1) for the lateral semiconductor switching element and the lateral diode are provided between the sense cells (53a to 53f) of the lateral semiconductor switching element and the sense cells (55a to 55f) of the lateral diode as described in claim 5. Preferably, a sense resistor (Rs2) is arranged.

請求項6に記載の発明では、横型半導体スイッチング素子のメインセル(52a〜52f)と横型ダイオードのメインセル(54a〜54f)とが間隔を空けて並べられて配置され、横型半導体スイッチング素子のメインセル(52a〜52f)と横型ダイオードのメインセル(54a〜54f)との間に、横型半導体スイッチング素子のセンスセル(53a〜53f)と横型半導体スイッチング素子用のセンス抵抗(Rs1)および横型ダイオードのセンスセル(55a〜55f)と横型ダイオード用のセンス抵抗(Rs2)が配置されていることを特徴としている。   In the sixth aspect of the invention, the main cells (52a to 52f) of the horizontal semiconductor switching element and the main cells (54a to 54f) of the horizontal diode are arranged with a space therebetween, and the main cells of the horizontal semiconductor switching element are arranged. Between the cells (52a to 52f) and the main cells (54a to 54f) of the lateral diode, the sense cells (53a to 53f) of the lateral semiconductor switching element, the sense resistor (Rs1) for the lateral semiconductor switching element, and the sense cell of the lateral diode (55a to 55f) and a sense resistor (Rs2) for a lateral diode are arranged.

このようなレイアウトとすれば、横型半導体スイッチング素子のメインセル(52a〜52f)および横型ダイオードのメインセル(54a〜54f)と横型半導体スイッチング素子のセンスセル(53a〜53f)および横型ダイオードのセンスセル(55a〜55f)等とを接続する配線についても最短距離で接続できるレイアウトにすることが可能となる。   With such a layout, the main cells (52a to 52f) of the horizontal semiconductor switching element and the main cells (54a to 54f) of the horizontal diode, the sense cells (53a to 53f) of the horizontal semiconductor switching element, and the sense cell (55a) of the horizontal diode. ˜55f) and the like can be arranged in a layout that can be connected at the shortest distance.

請求項7に記載の発明では、横型半導体スイッチング素子のメインセル(52a〜52f)と横型ダイオードのメインセル(54a〜54f)とが間隔を空けて並べられて配置され、横型半導体スイッチング素子のメインセル(52a〜52f)と横型ダイオードのメインセル(54a〜54f)との間に、出力電圧(V1、V2)を増幅するバッファ回路(56a〜56f)も備えられていることを特徴としている。   In the invention according to claim 7, the main cells (52a to 52f) of the horizontal semiconductor switching element and the main cells (54a to 54f) of the horizontal diode are arranged with a space therebetween, and the main cells of the horizontal semiconductor switching element are arranged. A buffer circuit (56a-56f) for amplifying output voltages (V1, V2) is also provided between the cells (52a-52f) and the main cells (54a-54f) of the lateral diode.

このように、バッファ回路(56a〜56f)を備えた構造とすることもできる。この場合において、バッファ回路(56a〜56f)が横型半導体スイッチング素子のメインセル(52a〜52f)と横型ダイオードのメインセル(54a〜54f)との間に備えられるようにすれば、請求項6と同様の効果を得ることができる。   Thus, it can also be set as the structure provided with the buffer circuit (56a-56f). In this case, if the buffer circuit (56a to 56f) is provided between the main cell (52a to 52f) of the horizontal semiconductor switching element and the main cell (54a to 54f) of the horizontal diode, Similar effects can be obtained.

請求項8に記載の発明では、半導体スイッチング素子のオンオフを駆動する制御回路部(51)を有し、該制御回路部(51)にはコンパレータが含まれていると共に、該コンパレータがCMOSのみによって構成されていることを特徴としている。   The invention according to claim 8 has a control circuit part (51) for driving on / off of the semiconductor switching element, the control circuit part (51) includes a comparator, and the comparator is constituted only by CMOS. It is characterized by being composed.

このように、制御回路部(51)にコンパレータが備えられる場合において、そのコンパレータがCMOSのみによって構成されている場合に、請求項3ないし6に記載した構造とすることが特に有効である。すなわち、バイポーラトランジスタを使用したコンパレータと比較して、CMOSを使用したコンパレータはオフセット電圧が大きい。このため、電流0点付近で出力電圧が大きく変わる回路構成を適用すると、電流の正負の切り替わりを正確に検出するのに好適である。   Thus, in the case where the control circuit unit (51) is provided with a comparator, the structure described in claims 3 to 6 is particularly effective when the comparator is composed of only CMOS. That is, the comparator using the CMOS has a larger offset voltage than the comparator using the bipolar transistor. For this reason, applying a circuit configuration in which the output voltage largely changes near the current 0 point is suitable for accurately detecting the positive / negative switching of the current.

請求項9に記載の発明では、素子分離構造(1d、21d)にて横型半導体素子のメインセルと分離された領域に備えられたセンスセルに加えて、素子分離構造(1d、21d)にて分離された横型半導体素子のメインセルが備えられる領域内において、メインセルに挟まれてさらにセンスセルが備えられていることを特徴としている。   According to the ninth aspect of the invention, in addition to the sense cell provided in the region separated from the main cell of the lateral semiconductor element by the element isolation structure (1d, 21d), the element isolation structure (1d, 21d) provides isolation. In the region where the main cell of the lateral semiconductor element is provided, a sense cell is further provided between the main cells.

このように、素子分離構造(1d、21d)にて分離された横型半導体素子のメインセルが備えられる領域内において、メインセルに挟まれてさらにセンスセルが備えられるようにすれば、メインセルと異なる領域に配置されたセンスセルとメインセルと同じ領域に配置されたセンスセルの双方によって電流検出が行える。このような構成は、メインセルに流れる電流の正負の切り替わりと、電流の絶対値の両方を正確に検出したい場合に好適である。すなわち、電流0点の検出はメインセルと異なる領域に配置されたセンスセルの出力電圧に基づいて検出し、電流の絶対値の検出はメインセルと同じ領域に配置されたセンスセルによって検出すれば良い。   In this way, in the region where the main cell of the lateral semiconductor element separated by the element isolation structure (1d, 21d) is provided, it is different from the main cell if a sense cell is further provided between the main cells. Current detection can be performed by both the sense cell arranged in the region and the sense cell arranged in the same region as the main cell. Such a configuration is suitable when it is desired to accurately detect both the positive / negative switching of the current flowing through the main cell and the absolute value of the current. That is, the detection of the current 0 point is detected based on the output voltage of the sense cell arranged in a different area from the main cell, and the absolute value of the current may be detected by the sense cell arranged in the same area as the main cell.

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

本発明の第1実施形態にかかる横型IGBTを有する半導体装置の断面構成を示した図である。It is the figure which showed the cross-sectional structure of the semiconductor device which has horizontal type IGBT concerning 1st Embodiment of this invention. 図1に示す横型IGBTを有する半導体装置の上面レイアウト図である。FIG. 2 is a top surface layout diagram of the semiconductor device having the lateral IGBT shown in FIG. 1. 本発明の第2実施形態にかかる横型FWDを有する半導体装置の断面構成を示した図である。It is the figure which showed the cross-sectional structure of the semiconductor device which has horizontal type | mold FWD concerning 2nd Embodiment of this invention. 図3に示す横型FWDを有する半導体装置の上面レイアウト図である。FIG. 4 is a top layout view of the semiconductor device having the lateral FWD shown in FIG. 3. 本発明の第3実施形態にかかる横型IGBTおよび横型FWDが備えられる回路構成の一例を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed an example of the circuit structure with which the horizontal type IGBT and horizontal type FWD concerning 3rd Embodiment of this invention are provided. 図5に示す回路構成を用いて電流経路のオンオフ制御を行う場合の電流値および向きの検出イメージを表した模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a detection image of a current value and a direction when on / off control of a current path is performed using the circuit configuration illustrated in FIG. 5. 図6に示す動作を行うときの全体電流Iと出力電圧V1、V2および出力電圧V1、V2の合計値Vをそれぞれ表した波形図である。FIG. 7 is a waveform diagram illustrating the total current I, the output voltages V1 and V2, and the total value V of the output voltages V1 and V2 when the operation illustrated in FIG. 6 is performed. 横型IGBTのコレクタ電圧−コレクタ電流特性を示した図である。It is the figure which showed the collector voltage-collector current characteristic of horizontal type IGBT. メインセル40のコレクタ電流Icに対するセンスセル41に流れる電流Isenseおよび出力電圧V1の関係を表した図である。FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a current Isense flowing in a sense cell 41 and an output voltage V1 with respect to a collector current Ic of the main cell 40. 本発明の第4実施形態にかかるインバータ回路を構成した半導体装置の上面レイアウト図である。It is a top surface layout diagram of the semiconductor device which constituted the inverter circuit concerning a 4th embodiment of the present invention. 配線レイアウトの一例を示した拡大図である。It is the enlarged view which showed an example of the wiring layout. 本発明の第5実施形態にかかる横型IGBTを備えた半導体装置の上面レイアウト図である。It is a top surface layout view of a semiconductor device provided with a lateral IGBT according to a fifth embodiment of the present invention. 図12のC−C’線上の断面図である。It is sectional drawing on the C-C 'line of FIG. メインセルとセンスセルを有する半導体集積回路に電流検出用のセンス抵抗を接続した場合の回路図である。It is a circuit diagram when a sense resistor for current detection is connected to a semiconductor integrated circuit having a main cell and a sense cell.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の一実施形態を半導体スイッチング素子からなるパワー素子として横型IGBTが備えられた半導体装置に適用した場合について説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a case will be described in which one embodiment of the present invention is applied to a semiconductor device provided with a lateral IGBT as a power element composed of a semiconductor switching element.

図1は、本実施形態にかかる横型IGBTを有する半導体装置の断面構成を示した図である。また、図2は、図1に示す横型IGBTを有する半導体装置の上面レイアウト図である。図1は、図2におけるA−A’線上の断面に相当している。なお、図2は断面図ではないが、図を見易くするために部分的にハッチングを示してある。以下、これらの図を参照して、本実施形態にかかる横型IGBTの構造について説明する。   FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a semiconductor device having a lateral IGBT according to the present embodiment. FIG. 2 is a top surface layout diagram of the semiconductor device having the lateral IGBT shown in FIG. FIG. 1 corresponds to a cross section on the line A-A ′ in FIG. 2. Although FIG. 2 is not a cross-sectional view, hatching is partially shown for easy understanding of the drawing. Hereinafter, the structure of the lateral IGBT according to the present embodiment will be described with reference to these drawings.

図1に示すように、本実施形態では、SOI基板1を用いて横型IGBTを形成しており、負荷(図示せず)への電流供給のオンオフを行うための横型IGBTのメインセルに加えて、メインセルと同じ構造の横型IGBTを電流検出用素子として備えたセンスセルも形成している。   As shown in FIG. 1, in the present embodiment, a lateral IGBT is formed using an SOI substrate 1, and in addition to the main cell of the lateral IGBT for turning on / off current supply to a load (not shown). A sense cell including a lateral IGBT having the same structure as the main cell as a current detection element is also formed.

SOI基板1は、シリコンなどによって構成された支持基板1a上に、埋込酸化膜(ボックス)1bを介してシリコンからなる活性層1cを形成することにより構成されている。本実施形態では、活性層1cがn-型ドリフト層2として機能しており、このn-型ドリフト層2の表層部に、メインセルおよびセンスセルにおける横型IGBTを構成する各部が形成されている。 The SOI substrate 1 is formed by forming an active layer 1c made of silicon on a support substrate 1a made of silicon or the like via a buried oxide film (box) 1b. In this embodiment, the active layer 1c the n - is functioning as a type drift layer 2, the the n - surface portion of the type drift layer 2, the components constituting the lateral IGBT is formed in the main cell and sensing cell.

SOI基板1における埋込酸化膜1bの厚みや活性層1c(n-型ドリフト層2)の厚さおよび不純物濃度に関しては任意であるが、所望の耐圧が得られる設計としてある。例えば、高い耐圧が得られるようにするためには埋込酸化膜1bの厚みは4μm以上であることが望ましく、特に、耐圧が安定して600V以上確保できるようにするためには厚みを5μm以上にするのが好ましい。また、活性層1cについては、耐圧が安定して600V以上確保できるようにするためには、厚さ15μm以下のときにはn型不純物濃度が1×1014〜1.2×1015cm-3、厚さ20μmのときにはn型不純物濃度が1×1014〜8×1014cm-3とすると好ましい。 The thickness of the buried oxide film 1b in the SOI substrate 1, the thickness of the active layer 1c (n type drift layer 2), and the impurity concentration are arbitrary, but are designed to obtain a desired breakdown voltage. For example, the thickness of the buried oxide film 1b is preferably 4 μm or more in order to obtain a high breakdown voltage, and in particular, the thickness is 5 μm or more in order to ensure a stable breakdown voltage of 600 V or more. Is preferable. For the active layer 1c, the n-type impurity concentration is 1 × 10 14 to 1.2 × 10 15 cm −3 when the thickness is 15 μm or less in order to ensure a stable withstand voltage of 600 V or more. When the thickness is 20 μm, the n-type impurity concentration is preferably 1 × 10 14 to 8 × 10 14 cm −3 .

活性層1cは、基板表面から埋込酸化膜1bに至るトレンチ分離構造1dによって素子分離されており、互いに電気的に分離された複数のトレンチ島に分けられている。メインセルおよびセンスセルは、それぞれトレンチ分離構造1dによって囲まれており、異なるトレンチ島内に配置された構造とされている。例えば、トレンチ分離構造1dは、活性層1cに対して埋込酸化膜1bまで達するトレンチを形成したのち、このトレンチ内壁面を熱酸化することで酸化膜を形成し、さらにPoly−Siなどでトレンチ内を埋め込むことによって形成されている。   The active layer 1c is element-isolated by a trench isolation structure 1d extending from the substrate surface to the buried oxide film 1b, and is divided into a plurality of trench islands that are electrically isolated from each other. The main cell and the sense cell are each surrounded by a trench isolation structure 1d and are arranged in different trench islands. For example, in the trench isolation structure 1d, after forming a trench reaching the buried oxide film 1b with respect to the active layer 1c, an oxide film is formed by thermally oxidizing the inner wall surface of the trench, and further, the trench is formed with Poly-Si or the like. It is formed by embedding the inside.

-型ドリフト層2の表面には、LOCOS酸化膜3が形成されており、LOCOS酸化膜3によって横型IGBTを構成する各部が分離されている。そして、n-型ドリフト層2の表層部のうち、LOCOS酸化膜3が形成されていない部分に、一方向を長手方向とするp+型コレクタ領域4が形成されている。このp+型コレクタ領域4の周囲はn-型ドリフト層2よりも高不純物濃度とされたn型バッファ層5にて囲まれている。 A LOCOS oxide film 3 is formed on the surface of the n -type drift layer 2, and each part constituting the lateral IGBT is separated by the LOCOS oxide film 3. A p + -type collector region 4 having one direction as a longitudinal direction is formed in a portion of the surface layer portion of the n -type drift layer 2 where the LOCOS oxide film 3 is not formed. The periphery of the p + -type collector region 4 is surrounded by an n-type buffer layer 5 having a higher impurity concentration than the n -type drift layer 2.

また、n-型ドリフト層2の表層部のうち、LOCOS酸化膜3が形成されていない部分において、p+型コレクタ領域4を中心としてチャネルpウェル層6、n+型エミッタ領域7、p+型コンタクト層8およびp型ボディ層9が形成されている。 Further, in the surface layer portion of the n type drift layer 2 where the LOCOS oxide film 3 is not formed, the channel p well layer 6, the n + type emitter region 7, p + with the p + type collector region 4 as the center. A type contact layer 8 and a p-type body layer 9 are formed.

チャネルpウェル層6は、表面にチャネル領域を形成するための部分であり、例えば厚みが2μm以下、幅が6μm以下とされている。このチャネルpウェル層6は、図2に示すように、p+型コレクタ領域4(および後述するコレクタ電極12)と同方向を長手方向とする直線状の部分を有し、p+型コレクタ領域4を中心として、p+型コレクタ領域4の周囲を1周囲むように同心状に形成されている。 The channel p well layer 6 is a part for forming a channel region on the surface, and has a thickness of 2 μm or less and a width of 6 μm or less, for example. As shown in FIG. 2, the channel p-well layer 6 has a linear portion having the same direction as the p + -type collector region 4 (and a collector electrode 12 described later) as the longitudinal direction, and the p + -type collector region The p + -type collector region 4 is concentrically formed around the p + -type collector region 4.

また、n+型エミッタ領域7は、チャネルpウェル層6の表層部において、チャネルpウェル層6の終端位置よりも内側で終端するように形成されており、p+型コレクタ領域4の長手方向と同方向を長手方向として形成されている。本実施形態では、図2に示すように、n+型エミッタ領域7がp型コンタクト層8およびp型ボディ層9を挟んだ両側に一本ずつ配置してあり、p+型コレクタ領域4のコーナー部、つまり一方向を長手方向としたp+型コレクタ領域4の両端には形成されておらず、p+型コレクタ領域4と平行に配置された直線状のレイアウトとされている。 Further, the n + -type emitter region 7 is formed in the surface layer portion of the channel p-well layer 6 so as to terminate inside the termination position of the channel p-well layer 6, and the longitudinal direction of the p + -type collector region 4 And the same direction as the longitudinal direction. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, n + type emitter regions 7 are arranged on both sides of the p type contact layer 8 and the p type body layer 9, and the p + type collector region 4 They are not formed at the corners, that is, at both ends of the p + -type collector region 4 having one direction as the longitudinal direction, but are in a linear layout arranged in parallel with the p + -type collector region 4.

+型コンタクト層8は、チャネルpウェル層6をエミッタ電位に固定するためのものであり、チャネルpウェル層6よりも高不純物濃度とされている。このp+型コンタクト層8も、図2に示すようにp+型コレクタ領域4(および後述するコレクタ電極12)と同方向を長手方向とする直線状の部分を有し、p+型コレクタ領域4を中心として、p+型コレクタ領域4の周囲を1周囲むように同心状に配置されている。 The p + -type contact layer 8 is for fixing the channel p-well layer 6 to the emitter potential, and has a higher impurity concentration than the channel p-well layer 6. As shown in FIG. 2, this p + type contact layer 8 also has a linear portion whose longitudinal direction is the same direction as p + type collector region 4 (and collector electrode 12 described later), and p + type collector region Centering on 4, the p + -type collector region 4 is arranged concentrically so as to surround one circumference.

p型ボディ層9は、コレクタからエミッタへ表面を経由して流れるホール電流により生じる電圧ドロップを低減する役割を果たす。このp型ボディ層9も、p+型コレクタ領域4(および後述するコレクタ電極12)と同方向を長手方向とする直線状の部分を有し、p+型コレクタ領域4を中心として、p+型コレクタ領域4の周囲を1周囲むように同心状に配置されている。このp型ボディ層9により、n+型エミッタ領域7とチャネルpウェル層6およびn-型ドリフト層2にて構成される寄生npnトランジスタが動作し難くなるようにでき、ターンオフ時間をより改善することが可能となる。 The p-type body layer 9 serves to reduce a voltage drop caused by a hole current flowing from the collector to the emitter via the surface. The p-type body layer 9 also, p + -type collector region 4 (and later the collector electrode 12) and the same direction has a linear portion whose longitudinal direction, around the p + -type collector region 4, p + The mold collector region 4 is arranged concentrically so as to surround the periphery of the mold collector region 4. This p-type body layer 9 makes it difficult for the parasitic npn transistor constituted by the n + -type emitter region 7, the channel p-well layer 6 and the n -type drift layer 2 to operate, and further improves the turn-off time. It becomes possible.

このように構成されたチャネルpウェル層6、n+型エミッタ領域7、p+型コンタクト層8およびp型ボディ層9は、各セル毎に、p+型コレクタ領域4を挟んだ両側に配置されている。このため、セル同士が隣接して配置されている場所では、隣り合うセル間において、図2に示したように、チャネルpウェル層6、n+型エミッタ領域7、p+型コンタクト層8およびp型ボディ層9の組が2組並んだレイアウトとされる。 The channel p-well layer 6, n + -type emitter region 7, p + -type contact layer 8 and p-type body layer 9 thus configured are arranged on both sides of the p + -type collector region 4 for each cell. Has been. Therefore, in the place where the cells are arranged adjacent to each other, between the adjacent cells, as shown in FIG. 2, the channel p-well layer 6, the n + -type emitter region 7, the p + -type contact layer 8 and A layout in which two sets of p-type body layers 9 are arranged.

また、チャネルpウェル層6の表面には、ゲート絶縁膜10を介してドープトPoly−Siなどで構成されたゲート電極11が配置されている。このゲート電極11に対してゲート電圧を印加することで、チャネルpウェル層6の表面部にチャネル領域が形成されるようになっている。   A gate electrode 11 made of doped Poly-Si or the like is disposed on the surface of the channel p well layer 6 with a gate insulating film 10 interposed therebetween. By applying a gate voltage to the gate electrode 11, a channel region is formed on the surface portion of the channel p-well layer 6.

また、p+型コレクタ領域4の表面には、p+型コレクタ領域4に対して電気的に接続されたコレクタ電極12が形成されていると共に、n+型エミッタ領域7およびp+型コンタクト層8の表面には、これらn+型エミッタ領域7およびp+型コンタクト層8に対して電気的に接続されたエミッタ電極13が形成されている。 Further, a collector electrode 12 electrically connected to the p + type collector region 4 is formed on the surface of the p + type collector region 4, and the n + type emitter region 7 and the p + type contact layer are formed. An emitter electrode 13 electrically connected to the n + -type emitter region 7 and the p + -type contact layer 8 is formed on the surface of 8.

さらに、本実施形態では、コレクタ−ゲート間に形成されたLOCOS酸化膜3の表面に、ドープトPoly−Siが延設されたフィールドプレートを構成する抵抗層14を形成してあり、コレクタ−ゲート間の電位勾配の偏りがなくなるようにしている。具体的には、抵抗層14は、図2に示すように、コレクタ電極12を中心として渦巻状に巻回された構造とされ、図1に示すように、その一端がコレクタ電極12に電気的に接続されていると共に、他端がゲート電極11に接続されている。このため、抵抗層14は、コレクタ電極12に接続された部位がコレクタ電位とされ、そこから内部抵抗によって徐々に電圧降下しながらエミッタ側に進んでいく。したがって、抵抗層14の電位がコレクタ電極12からの距離に応じた電位勾配となり、LOCOS酸化膜3を介して抵抗層14の下方に位置しているn-型ドリフト層2中の電位勾配も一定に保たれるようにできる。これにより、電位勾配に偏りがある場合に発生し得る電界集中を抑制することができ、耐圧を向上させられると共に、インパクトイオン化を抑制でき、スイッチング時(ターンオフ時)のスイッチング時間増加を抑制することが可能となる。 Furthermore, in the present embodiment, the resistance layer 14 constituting the field plate in which doped Poly-Si is extended is formed on the surface of the LOCOS oxide film 3 formed between the collector and gate, In this way, the bias of the potential gradient is eliminated. Specifically, as shown in FIG. 2, the resistance layer 14 has a structure wound in a spiral around the collector electrode 12, and one end thereof is electrically connected to the collector electrode 12 as shown in FIG. And the other end is connected to the gate electrode 11. For this reason, the portion of the resistance layer 14 connected to the collector electrode 12 is set to the collector potential, and proceeds from the resistance layer 14 to the emitter side while gradually decreasing the voltage due to the internal resistance. Therefore, the potential of the resistance layer 14 becomes a potential gradient corresponding to the distance from the collector electrode 12, and the potential gradient in the n type drift layer 2 located below the resistance layer 14 via the LOCOS oxide film 3 is also constant. Can be kept in. As a result, electric field concentration that can occur when there is a bias in the potential gradient can be suppressed, the withstand voltage can be improved, impact ionization can be suppressed, and an increase in switching time during switching (turn-off) can be suppressed. Is possible.

このような構造により長円形状にレイアウトされた横型IGBTが構成されており、この長円形状にレイアウトされた横型IGBTによって、メインセルおよびセンスセルを構成している。具体的には、複数の長円形状のレイアウト構造の横型IGBTによってメインセルを構成しつつ、p+型コレクタ領域4の長手方向に対して垂直な方向に複数個並べては位置し、そのうちの最も外側も配置された1セル分の横型IGBTによってセンスセルを構成している。そして、トレンチ分離構造1dにより、メインセルとセンスセルとを分離し、これらを異なるトレンチ島に配置することで、センスセルがメインセルに対して電気的に分離された構造としている。 With such a structure, a lateral IGBT laid out in an oval shape is configured, and the main cell and the sense cell are configured by the lateral IGBT laid out in an oval shape. Specifically, a main cell is formed by a plurality of horizontal IGBTs having an elliptical layout structure, and a plurality of them are arranged side by side in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the p + -type collector region 4. A sense cell is constituted by a lateral IGBT of one cell arranged on the outside. Then, the main cell and the sense cell are separated by the trench isolation structure 1d, and these are arranged on different trench islands so that the sense cell is electrically isolated from the main cell.

以上のような構造により、本実施形態にかかる横型IGBTが構成されている。このように構成される横型IGBTでは、ゲート電極11に対して所望のゲート電圧を印加すると、n+型エミッタ領域7とn-型ドリフト層2の間に挟まれたゲート電極11の下方に位置するチャネルpウェル層6の表層部にチャネル領域が形成され、エミッタ電極13およびn+型エミッタ領域7からチャネル領域を通じてn-型ドリフト層2内に電子が流れ込む。これに伴って、コレクタ電極12およびp+型コレクタ領域4を通じてn-型ドリフト層2内にホールが流れ込み、n-型ドリフト層2内において導電率変調が起きる。これにより、エミッタ―コレクタ間に大電流を流すというIGBT動作を行う。 The horizontal IGBT according to the present embodiment is configured by the above structure. In the lateral IGBT configured as described above, when a desired gate voltage is applied to the gate electrode 11, the lateral IGBT is positioned below the gate electrode 11 sandwiched between the n + -type emitter region 7 and the n -type drift layer 2. A channel region is formed in the surface layer portion of the channel p-well layer 6 to be operated, and electrons flow into the n -type drift layer 2 from the emitter electrode 13 and the n + -type emitter region 7 through the channel region. Along with this, n through the collector electrode 12 and the p + -type collector region 4 - hole flows into the type drift layer 2, n - conductivity modulation occurs in the type drift layer 2. Thereby, an IGBT operation of flowing a large current between the emitter and the collector is performed.

また、本実施形態では、センスセルと同じ構造のメインセルを備え、これらの面積比(より詳しくは各セルでのエミッタ長さの比)に相当するカレントミラー比に応じて、メインセルのエミッタに流れる電流を減少させた電流をセンスセルのエミッタに流させるようにしている。そして、この電流をメインセルとセンスセルの両エミッタ間に配置したセンス抵抗Rsの両端電圧に相当する出力電圧に変換して検出することで、エミッタに流れる電流を検出している。   Further, in the present embodiment, the main cell having the same structure as the sense cell is provided, and the emitter of the main cell corresponds to the current mirror ratio corresponding to the area ratio (more specifically, the ratio of the emitter length in each cell). A current obtained by reducing the flowing current is caused to flow to the emitter of the sense cell. The current flowing through the emitter is detected by converting this current into an output voltage corresponding to the voltage across the sense resistor Rs disposed between the emitters of the main cell and the sense cell.

このような電流検出を行うにあたって、横型IGBTを例えばコレクタに対して100V以上の高電圧が印加される高耐圧素子として用いる場合には、スイッチング時にコレクタ電位が0Vと100Vの間で変化することから、この高い電圧とのカップリングにより、ノイズが電流検出用の出力端子に誘起される。このため、出力電圧にノイズが乗り、正確に電流検出を行うのが難しい。また、センス抵抗Rsでの出力電圧を高くするとp型ボディ層9とn-型ドリフト層2との間に形成されるPN接合が順バイアスされ、寄生トランジスタが動作してしまうため、出力が不安定になってしまう。さらに、高耐圧デバイスにおいて、本実施形態のように耐圧確保のためにフィールドプレートを構成する抵抗層14を配置する場合、スイッチング時に抵抗層14も電位変化するのでノイズ発生源となり得るため、より正確に電流検出を行うのが難しくなる。 In performing such current detection, when a lateral IGBT is used as a high voltage element to which a high voltage of 100 V or more is applied to the collector, for example, the collector potential changes between 0 V and 100 V during switching. As a result of this coupling with the high voltage, noise is induced at the output terminal for current detection. For this reason, noise is added to the output voltage, and it is difficult to accurately detect the current. Further, when the output voltage at the sense resistor Rs is increased, the PN junction formed between the p-type body layer 9 and the n -type drift layer 2 is forward-biased, and the parasitic transistor operates, so that the output is not good. It becomes stable. Furthermore, in the high breakdown voltage device, when the resistance layer 14 constituting the field plate is arranged to ensure the breakdown voltage as in the present embodiment, the potential of the resistance layer 14 also changes during switching, so that it can be a noise generation source. It is difficult to detect current.

しかしながら、本実施形態の横型IGBTでは、メインセルとセンスセルとをトレンチ分離構造1dによって絶縁分離している。このため、メインセルのコレクタに対して100V以上の高電圧が印加されても、それに起因するノイズが電流検出用の出力端子に誘起されないようにできる。また、センスセルのエミッタ電位がセンス抵抗Rsに流れる電流によって上昇しても、メインセルのエミッタと電気的に完全に分離されているため、寄生トランジスタが動作することもない。勿論、抵抗層14から発生させられたノイズが電流検出用の出力端子に誘起されることも抑制できる。したがって、正確にメインセルに流れる電流を検出することができると共に、高い電圧が用いられる場合でもその影響を受け難い半導体装置とすることが可能となる。   However, in the lateral IGBT of this embodiment, the main cell and the sense cell are insulated and separated by the trench isolation structure 1d. For this reason, even if a high voltage of 100 V or higher is applied to the collector of the main cell, noise caused by the high voltage can be prevented from being induced in the output terminal for current detection. Even if the emitter potential of the sense cell is increased by the current flowing through the sense resistor Rs, the parasitic transistor does not operate because it is electrically completely separated from the emitter of the main cell. Of course, it is also possible to suppress the noise generated from the resistance layer 14 from being induced in the current detection output terminal. Therefore, it is possible to accurately detect the current flowing through the main cell, and to make the semiconductor device less susceptible to the influence even when a high voltage is used.

なお、ノイズ耐性をより向上させるためには、よりセンスセルに流す電流が多くなるようにするのが好ましい。このため、メインセルとセンスセルの面積比を1/100〜1/5に設定すると、よりセンスセルに流せる電流を多くでき、さらにノイズ耐性に優れた半導体装置にすることが可能となる。   In order to further improve noise immunity, it is preferable to increase the current flowing through the sense cell. For this reason, when the area ratio of the main cell and the sense cell is set to 1/100 to 1/5, it is possible to increase the current that can be passed through the sense cell, and to make the semiconductor device further excellent in noise resistance.

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態のような横型IGBTを備えた半導体装置とするのではなく、横型のフリーホイールダイオード(以下、FWDという)に対して電流検出機能を持たせる場合について説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a case will be described in which a lateral free wheel diode (hereinafter referred to as FWD) is provided with a current detection function, instead of a semiconductor device including a lateral IGBT as in the first embodiment.

図3は、本実施形態にかかる横型FWDを有する半導体装置の断面構成を示した図である。また、図4は、図3に示す横型FWDを有する半導体装置の上面レイアウト図である。図3は、図4におけるB−B’線上の断面に相当している。なお、図4は断面図ではないが、図を見易くするために部分的にハッチングを示してある。以下、これらの図を参照して、本実施形態にかかる横型FWDの構造について説明する。   FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a semiconductor device having a lateral FWD according to the present embodiment. FIG. 4 is a top surface layout diagram of the semiconductor device having the lateral FWD shown in FIG. FIG. 3 corresponds to a cross section taken along line B-B ′ in FIG. 4. Although FIG. 4 is not a cross-sectional view, hatching is partially shown for easy understanding of the drawing. Hereinafter, the structure of the horizontal FWD according to the present embodiment will be described with reference to these drawings.

図3に示すように、本実施形態でもSOI基板21を用いて横型FWDを形成している。SOI基板21は、支持基板21aと埋込酸化膜21bおよび活性層21cを有した構成とされ、第1実施形態で説明したSOI基板1と同様の構成とされている。そして、活性層21cをn-型カソード層22として、このn-型カソード層22内に横型FWDを構成する各部が形成されている。また、SOI基板21の活性層21cは、基板表面から埋込酸化膜21bに至るトレンチ分離構造21dによって素子分離されており、互いに電気的に分離された複数のトレンチ島に分けられている。本実施形態のトレンチ分離構造21dも第1実施形態で説明したトレンチ分離構造1dと同様の構成とされ、メインセルおよびセンスセルは、それぞれトレンチ分離構造21dによって囲まれており、異なるトレンチ島内に配置された構造とされている。 As shown in FIG. 3, the horizontal FWD is also formed using the SOI substrate 21 in this embodiment. The SOI substrate 21 includes a support substrate 21a, a buried oxide film 21b, and an active layer 21c, and has a configuration similar to that of the SOI substrate 1 described in the first embodiment. Then, an active layer 21c n - as type cathode layer 22, the n - each part constituting a lateral FWD to type cathode layer 22 is formed. The active layer 21c of the SOI substrate 21 is isolated by a trench isolation structure 21d extending from the substrate surface to the buried oxide film 21b, and is divided into a plurality of trench islands that are electrically isolated from each other. The trench isolation structure 21d of the present embodiment is configured similarly to the trench isolation structure 1d described in the first embodiment, and the main cell and the sense cell are surrounded by the trench isolation structure 21d, and are arranged in different trench islands. Structure.

また、図3に示すように、n-型カソード層22の表面にLOCOS酸化膜23が形成されており、LOCOS酸化膜23によって横型FWDを構成する各部が分離されている。そして、n-型カソード層22の表層部のうちLOCOS酸化膜23が形成されていない部分において、一方向を長手方向とするn+型コンタクト層24およびn型バッファ層25が形成されていると共に、これらn+型コンタクト層24およびn型バッファ層25を囲むようにp型アノード層26およびp+型コンタクト層27が形成されている。 Further, as shown in FIG. 3, a LOCOS oxide film 23 is formed on the surface of the n -type cathode layer 22, and each part constituting the lateral FWD is separated by the LOCOS oxide film 23. An n + -type contact layer 24 and an n-type buffer layer 25 having one direction as a longitudinal direction are formed in a portion of the surface layer portion of the n -type cathode layer 22 where the LOCOS oxide film 23 is not formed. A p-type anode layer 26 and a p + -type contact layer 27 are formed so as to surround the n + -type contact layer 24 and the n-type buffer layer 25.

また、基板表面には、n+型コンタクト層24に電気的に接続されるカソード電極28とp+型コンタクト層27およびp型アノード層26に電気的に接続されるアノード電極29が備えられている。さらに、アノード−カソード間に形成されたLOCOS酸化膜23の表面には、ドープトPoly−Siが延設されて構成された抵抗層30が形成されており、アノード−カソード間の電位勾配の偏りがなくなるようにされている。この抵抗層30も、カソード電極28を中心として渦巻状に巻回された構造とされ、図3に示すように、その一端がカソード電極28に接続されていると共に、他端がアノード電極29に接続されている。このため、抵抗層30の電位がカソード電極28からの距離に応じた電位勾配となり、LOCOS酸化膜23を介して抵抗層30の下方に位置している活性層21c中の電位勾配も一定に保たれるようにできる。 Further, a cathode electrode 28 electrically connected to the n + type contact layer 24 and an anode electrode 29 electrically connected to the p + type contact layer 27 and the p type anode layer 26 are provided on the substrate surface. Yes. Further, a resistance layer 30 formed by extending doped Poly-Si is formed on the surface of the LOCOS oxide film 23 formed between the anode and the cathode, and the potential gradient between the anode and the cathode is uneven. It is supposed to disappear. The resistance layer 30 is also wound in a spiral shape with the cathode electrode 28 as the center. As shown in FIG. 3, one end of the resistance layer 30 is connected to the cathode electrode 28 and the other end is connected to the anode electrode 29. It is connected. Therefore, the potential of the resistance layer 30 becomes a potential gradient corresponding to the distance from the cathode electrode 28, and the potential gradient in the active layer 21c located below the resistance layer 30 via the LOCOS oxide film 23 is also kept constant. Can be drunk.

このように、本実施形態では、横型FWDについて、メインセルとセンスセルとをトレンチ分離構造21dによって分離し、異なるトレンチ島に配置されるようにし、これらの間が電気的に完全に分離されるようにしている。このような構造の横型FWDにおいても、第1実施形態で説明した横型IGBTと同様に、例えば、センスセルのアノードに対してセンス抵抗Rsが接続され、これらがメインセルのカソードとセンスセルのカソードとが接続されると共にメインセルのアノードにセンス抵抗Rsが接続された回路構成に適用できる。すなわち、センスセルに流れる電流をセンス抵抗Rsの出力電圧に変換して出力することで、メインセルに流れる電流を検出することができる。   As described above, in the present embodiment, in the lateral FWD, the main cell and the sense cell are separated by the trench isolation structure 21d and arranged in different trench islands so that they are completely separated electrically. I have to. Also in the lateral FWD having such a structure, as in the lateral IGBT described in the first embodiment, for example, a sense resistor Rs is connected to the anode of the sense cell, and the cathode of the main cell and the cathode of the sense cell are connected to each other. The present invention can be applied to a circuit configuration in which the sense resistor Rs is connected to the anode of the main cell. That is, the current flowing through the main cell can be detected by converting the current flowing through the sense cell into the output voltage of the sense resistor Rs and outputting it.

このような回路構成において、本実施形態のような構造の横型FWDとすることで、メインセルのカソードに対して100V以上の高電圧が印加されても、それに起因するノイズが電流検出用の出力端子に誘起されないようにできる。また、センスセルのアノード電位がセンス抵抗に流れる電流によって上昇しても、メインセルのアノードと電気的に完全に分離されているため、寄生トランジスタが動作することもない。勿論、抵抗層30から発生させられたノイズが電流検出用の出力端子に誘起されることも抑制できる。したがって、正確にメインセルに流れる電流を検出することができると共に、高い電圧が用いられる場合でもその影響を受け難い半導体装置とすることが可能となる。   In such a circuit configuration, by adopting a lateral FWD having the structure as in the present embodiment, even when a high voltage of 100 V or higher is applied to the cathode of the main cell, noise caused by the applied voltage is output for current detection. It can be prevented from being induced at the terminal. Further, even if the anode potential of the sense cell rises due to the current flowing through the sense resistor, the parasitic transistor does not operate because it is electrically separated from the anode of the main cell. Of course, the noise generated from the resistance layer 30 can also be suppressed from being induced in the output terminal for current detection. Therefore, it is possible to accurately detect the current flowing through the main cell, and to make the semiconductor device less susceptible to the influence even when a high voltage is used.

(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態で説明した横型IGBTと第2実施形態で説明した横型FWDの双方を備える回路構成について説明する。なお、横型IGBTおよび横型FWDの構造については、第1、第2実施形態と同様であるため、ここではこれら横型IGBTおよび横型FWDが備えられる回路構成について説明する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a circuit configuration including both the lateral IGBT described in the first embodiment and the lateral FWD described in the second embodiment will be described. Since the structures of the lateral IGBT and the lateral FWD are the same as those in the first and second embodiments, a circuit configuration provided with the lateral IGBT and the lateral FWD will be described here.

図5は、横型IGBTおよび横型FWDが備えられる回路構成の一例を示した回路図である。この図に示されるように、横型IGBTのメインセル40およびセンスセル41が備えられていると共に、横型FWDのメインセル42およびセンスセル43が備えられ、各センスセル41、43に対してセンス抵抗Rs1、Rs2が接続された構造とされている。具体的には、横型IGBTのメインセル40のコレクタ−エミッタに対して横型FWDのメインセル42のカソード−アノードが電気的に接続され、横型IGBTのセンスセル41のエミッタにセンス抵抗Rs1が接続されていると共に横型FWDのセンスセル43のアノードにセンス抵抗Rs2が接続されている。このように横型IGBTと横型FWDとが並列接続された回路構成により電流経路が構成され、この回路に接続される負荷への電流供給のオンオフが制御できる構造とされている。このような回路構成は、例えば三相モータを駆動するためのインバータ回路の各相に備えられる上下アームの各アームに適用される。   FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a circuit configuration provided with a lateral IGBT and a lateral FWD. As shown in this figure, a horizontal IGBT main cell 40 and a sense cell 41 are provided, and a horizontal FWD main cell 42 and a sense cell 43 are provided, and sense resistors Rs1 and Rs2 are provided for the sense cells 41 and 43, respectively. Are connected to each other. Specifically, the cathode-anode of the main cell 42 of the lateral FWD is electrically connected to the collector-emitter of the main cell 40 of the lateral IGBT, and the sense resistor Rs1 is connected to the emitter of the sense cell 41 of the lateral IGBT. The sense resistor Rs2 is connected to the anode of the sense cell 43 of the horizontal FWD. In this way, a current path is configured by a circuit configuration in which the lateral IGBT and the lateral FWD are connected in parallel, and on / off of current supply to a load connected to this circuit can be controlled. Such a circuit configuration is applied to each arm of the upper and lower arms provided in each phase of an inverter circuit for driving a three-phase motor, for example.

この回路では、横型IGBTもしくは横型FWDを通じる電流経路中を流れる電流を検出し、その電流値や電流の向きを検出すると共に、その電流が過電流状態になっているか否かなどを検出する。例えば、各センス抵抗Rs1、Rs2の出力電圧V1、V2を図示しないマイコンなどに伝えることで、電流値や電流の向きを検出でき、過電流状態であることなどを検出することができる。そして、その検出結果に基づいて、横型IGBTのゲート電圧を制御することにより、例えば過電流検出時には横型IGBTの駆動を停止させることで、インバータ回路および三相モータを誤動作から保護することが可能となる。   In this circuit, the current flowing in the current path through the lateral IGBT or the lateral FWD is detected, the current value and the direction of the current are detected, and whether or not the current is in an overcurrent state is detected. For example, by transmitting the output voltages V1 and V2 of the sense resistors Rs1 and Rs2 to a microcomputer (not shown), the current value and the direction of the current can be detected, and it can be detected that the current is in an overcurrent state. And by controlling the gate voltage of the lateral IGBT based on the detection result, it is possible to protect the inverter circuit and the three-phase motor from malfunctioning, for example, by stopping the driving of the lateral IGBT when overcurrent is detected. Become.

以下、この回路を使用して電流経路のオンオフ制御を行う場合の具体的な電流検出、すなわち横型IGBTもしくは横型FWDに流れる電流の値および向きの検出手法について、図6に、電流値および向きの検出イメージを表した模式図を示し、この図を参照して説明する。   Hereinafter, specific current detection when performing on / off control of the current path using this circuit, that is, a method for detecting the value and direction of the current flowing in the lateral IGBT or the lateral FWD is shown in FIG. A schematic diagram showing a detection image is shown and described with reference to this figure.

まず、電流検出の具体的手法に先立ち、図5に示される回路構成がインバータ回路に適用される場合を想定し、インバータ回路を構成する各アームの動作について説明する。   First, prior to a specific method of current detection, the operation of each arm constituting the inverter circuit will be described assuming that the circuit configuration shown in FIG. 5 is applied to the inverter circuit.

インバータ回路を構成する各アームでは、横型IGBTをオンすると、横型IGBTのコレクタ−エミッタ間に電流を流すため、横型IGBT側ではコレクタからエミッタ側に向かう電流が流れ、横型FWD側では電流が流れない状態となる(図6(a)の状態)。次に、横型IGBTをオンからオフに切替えると、横型FWDに還流電流が流れる(図6(b)の状態)。このため、横型IGBT側では電流が流れず、横型FWDではアノードからカソード側に向かう電流が流れる状態となる。そして、還流電流が流れる期間が過ぎると、横型IGBTおよび横型FWDの両方共に電流が流れない状態となる(図6(c)の状態)。このような動作を前提として電流検出を行う。   In each arm constituting the inverter circuit, when the lateral IGBT is turned on, a current flows between the collector and the emitter of the lateral IGBT. Therefore, a current flows from the collector to the emitter side on the lateral IGBT side, and no current flows on the lateral FWD side. A state is reached (the state shown in FIG. 6A). Next, when the lateral IGBT is switched from on to off, a reflux current flows through the lateral FWD (state shown in FIG. 6B). For this reason, current does not flow on the lateral IGBT side, and current flows from the anode to the cathode side in the lateral FWD. Then, after the period in which the reflux current flows, the current does not flow in both the lateral IGBT and the lateral FWD (state in FIG. 6C). Current detection is performed on the premise of such an operation.

具体的には、図6(a)に示すように、下アームにおいてメインセル40の横型IGBTをオンさせると、それに伴ってセンスセル41の横型IGBTもオンさせられ、センス抵抗Rs1にも電流が流れる。このときのセンスセル41の横型IGBTとセンス抵抗Rs1の間の電位で示される出力電圧V1は、電源から印加される高電圧を基準としてセンスセル41の横型IGBTのオン電圧分を差し引いた値となるため、プラスの電位となる。一方、横型FWDについては電流が流れないため、センスセル43の横型FWDとセンス抵抗Rs2との間の電位で示される出力電圧V2はゼロになる。したがって、出力電圧V1に基づいて電流経路に流れている電流の電流値の絶対値を検出することができると共に、出力電圧V1がプラス、出力電圧V2がゼロのときには電流が順方向(高電圧側から低電圧側)に流されていることを検出することができる。   Specifically, as shown in FIG. 6A, when the lateral IGBT of the main cell 40 is turned on in the lower arm, the lateral IGBT of the sense cell 41 is also turned on accordingly, and a current also flows through the sense resistor Rs1. . At this time, the output voltage V1 indicated by the potential between the lateral IGBT of the sense cell 41 and the sense resistor Rs1 is a value obtained by subtracting the ON voltage of the lateral IGBT of the sense cell 41 with reference to the high voltage applied from the power supply. The potential becomes positive. On the other hand, since no current flows in the lateral FWD, the output voltage V2 indicated by the potential between the lateral FWD of the sense cell 43 and the sense resistor Rs2 becomes zero. Therefore, the absolute value of the current value of the current flowing in the current path can be detected based on the output voltage V1, and the current is forward (high voltage side) when the output voltage V1 is positive and the output voltage V2 is zero. To the low voltage side) can be detected.

また、図6(b)に示すように、下アームにおいてメインセル40の横型IGBTをオフさせると、センスセル41の横型IGBTも同時にオフされるため、電流が流れず、出力電圧V1はゼロとなる。一方、メインセル40およびセンスセル41の横型IGBTをオフさせた瞬間に、メインセル42およびセンスセル43の横型FWDに還流電流が流れる。このため、出力電圧V2はGNDを基準としてセンス抵抗Rs2での電圧降下分が差し引かれた値になり、マイナスの電位となる。したがって、出力電圧V2に基づいて電流経路に流れている電流の電流値の絶対値を検出することができると共に、出力電圧V1がゼロ、出力電圧V2がマイナスのときには電流が逆方向(低電圧側から高電圧側)に流されていることを検出することができる。   Further, as shown in FIG. 6B, when the lateral IGBT of the main cell 40 is turned off in the lower arm, the lateral IGBT of the sense cell 41 is also turned off simultaneously, so that no current flows and the output voltage V1 becomes zero. . On the other hand, at the moment when the lateral IGBTs of the main cell 40 and the sense cell 41 are turned off, a reflux current flows through the lateral FWD of the main cell 42 and the sense cell 43. Therefore, the output voltage V2 becomes a value obtained by subtracting the voltage drop at the sense resistor Rs2 with respect to GND, and becomes a negative potential. Accordingly, the absolute value of the current value of the current flowing in the current path can be detected based on the output voltage V2, and when the output voltage V1 is zero and the output voltage V2 is negative, the current is in the reverse direction (low voltage side). To the high voltage side) can be detected.

そして、図6(c)に示すように、メインセル40およびセンスセル41の横型IGBTをオフさせてから還流電流が流れる期間が経過すると、メインセル40およびセンスセル41の横型IGBTとセンスセル42およびセンスセル43の横型FWDに電流が流れなくなる。このため、出力電圧V1と出力電圧V2が共にゼロとなり、電流が流れていないことを検出することができる。   Then, as shown in FIG. 6C, when a period in which the reflux current flows after the lateral IGBTs of the main cell 40 and the sense cell 41 are turned off, the lateral IGBTs of the main cell 40 and the sense cell 41, the sense cell 42, and the sense cell 43. No current flows through the horizontal FWD. For this reason, both the output voltage V1 and the output voltage V2 become zero, and it can be detected that no current flows.

図7は、上記のような動作を行うときの全体電流Iと出力電圧V1、V2および出力電圧V1、V2の合計値Vをそれぞれ表した波形図である。この図に示されるように、全体電流Iが0となる電流0点付近において、出力電圧V1、V2もしくはそれらの合計値Vの正負が急激に変わっている。また、電流増加に伴って出力電圧V1、V2もしくはそれらの合計値Vが増加し、電流減少に伴って出力電圧圧V1、V2もしくはそれらの合計値Vが減少する。したがって、全体電流の正負の判定や増減判定を正確に行うことが可能となり、電流の大きさや向きを検出することができる。   FIG. 7 is a waveform diagram showing the total current I, the output voltages V1 and V2, and the total value V of the output voltages V1 and V2 when the above operation is performed. As shown in this figure, the sign of the output voltages V1, V2 or their total value V changes abruptly in the vicinity of the current 0 point where the total current I becomes zero. Further, the output voltages V1, V2 or their total value V increase as the current increases, and the output voltage pressures V1, V2 or their total value V decrease as the current decreases. Therefore, it is possible to accurately determine whether the entire current is positive or negative and to determine whether the current is increasing or decreasing, and the magnitude and direction of the current can be detected.

なお、出力電圧V1、V2としてメインセル40の横型IGBTのオン電圧もしくはメインセル42の横型FWDのVfに近い、高い電圧が発生させられるように、センス抵抗Rs1、Rs2の抵抗値を大きく設定すると好ましい。例えば、横型IGBTとして、図8に示すようなコレクタ電圧−コレクタ電流特性を持つものを用いて、メインセル40とセンスセル41のミラー比を例えば1/70、センス抵抗Rs1を1000Ωとした場合にメインセル40のコレクタ電流Icに対するセンスセル41に流れる電流Isenseおよび出力電圧V1の関係は図9のように表される。この図から明らかなように、低電流領域では、電流に対Isenseして出力電圧V1は大きな傾きを持つ。大電流領域では、徐々に傾きが小さくなるが、正の傾きを少なくとも出力電圧V1が1V以上となるまで確保できる。同様に、横型FWDにおいても、メインセル42とセンスセル43のミラー比、センス抵抗Rs2を適宜設定することで、横型FWDに流れる電流に対して出力電圧V2が少なくとも1V以上となるまで正の傾きを確保できるようにすることができる。このため、センス抵抗Rs1、Rs2の設定により、出力電圧V1、2をシリコンのPNジャンクションの順方向電圧(つまり横型IGBTのオン電圧もしくは横型FWDのVf)である0.7V以上を最大出力に設定することができる。よって、より大きな出力電圧V1、V2に基づいて、電流検出を行うことが可能となる。   When the resistance values of the sense resistors Rs1 and Rs2 are set large so that high voltages close to the on-voltage of the lateral IGBT of the main cell 40 or the Vf of the lateral FWD of the main cell 42 are generated as the output voltages V1 and V2. preferable. For example, when a lateral IGBT having a collector voltage-collector current characteristic as shown in FIG. 8 is used and the mirror ratio of the main cell 40 and the sense cell 41 is 1/70 and the sense resistor Rs1 is 1000Ω, the main IGBT is used. The relationship between the current Isense flowing through the sense cell 41 and the output voltage V1 with respect to the collector current Ic of the cell 40 is expressed as shown in FIG. As is clear from this figure, in the low current region, the output voltage V1 has a large slope with respect to the current. In the large current region, the slope gradually decreases, but a positive slope can be secured at least until the output voltage V1 becomes 1 V or higher. Similarly, in the horizontal FWD, by setting the mirror ratio of the main cell 42 and the sense cell 43 and the sense resistor Rs2 as appropriate, a positive slope is obtained until the output voltage V2 becomes at least 1 V or more with respect to the current flowing in the horizontal FWD. Can be secured. Therefore, by setting the sense resistors Rs1 and Rs2, the output voltages V1 and 2 are set to a maximum output of 0.7 V or more, which is the forward voltage of the silicon PN junction (that is, the on-voltage of the lateral IGBT or the Vf of the lateral FWD). can do. Therefore, current detection can be performed based on the larger output voltages V1 and V2.

以上説明したように、第1実施形態で説明した横型IGBTと第2横型FWDの双方を備える回路構成により、例えばインバータの各アームを構成し、この回路構成に流れる電流の大きさや向きを検出することが可能となる。   As described above, with the circuit configuration including both the lateral IGBT and the second lateral FWD described in the first embodiment, for example, each arm of the inverter is configured, and the magnitude and direction of the current flowing through this circuit configuration are detected. It becomes possible.

(第4実施形態)
本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態は、第3実施形態で説明した横型IGBTおよび横型FWDを備えた回路構成を、インバータ回路を構成する半導体装置に適用した場合について説明する。なお、横型IGBTおよび横型FWDの構造については、第1、第2実施形態と同様である。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a case where the circuit configuration including the lateral IGBT and the lateral FWD described in the third embodiment is applied to a semiconductor device configuring an inverter circuit will be described. The structures of the lateral IGBT and the lateral FWD are the same as those in the first and second embodiments.

図10は、本実施形態にかかるインバータ回路を構成した半導体装置の上面レイアウト図である。この図に示すインバータ回路は、バッテリなどの主電源から印加される高電圧(例えば288V)に基づいて三相モータを駆動するものであり、半導体装置は、インバータ回路の基本構成を集積回路として1チップ化したインバータドライバICを構成する。具体的には、半導体装置外部に備えられた制御マイコン(図示せず)によって三相モータの駆動が制御され、モータ駆動時に制御マイコンが三相モータの各相に順番に交流電流が供給されるようにインバータ回路を制御することで三相モータを駆動する。   FIG. 10 is a top surface layout diagram of the semiconductor device constituting the inverter circuit according to the present embodiment. The inverter circuit shown in this figure drives a three-phase motor based on a high voltage (for example, 288 V) applied from a main power source such as a battery. A semiconductor device has a basic configuration of an inverter circuit as an integrated circuit. A chip inverter driver IC is configured. Specifically, the driving of a three-phase motor is controlled by a control microcomputer (not shown) provided outside the semiconductor device, and the control microcomputer supplies alternating current to each phase of the three-phase motor in turn when the motor is driven. Thus, the three-phase motor is driven by controlling the inverter circuit.

半導体装置は、SOI基板に形成され、直列接続した上下アーム50a〜50fが三相分並列接続たインバータ出力回路50と、三相分の上下アーム50a〜50f、つまり6個分のアーム50a〜50fを制御するための回路など、各種回路が備えられた制御回路部51が備えられた構成とされている。   The semiconductor device is formed on an SOI substrate, and an inverter output circuit 50 in which upper and lower arms 50a to 50f connected in series are connected in parallel for three phases, and upper and lower arms 50a to 50f for three phases, that is, six arms 50a to 50f. The control circuit unit 51 including various circuits such as a circuit for controlling the control is provided.

図10に示すように、三相分の上アーム50a、50c、50eと三相分の下アーム50b、50d、50fは、紙面左右方向において交互にレイアウトされている。本実施形態では図2の紙面左から順に下アーム50b、上アーム50a、上アーム50c、下アーム50d、下アーム50f、上アーム50eの順に交互に配置されている。また、これら各上下アーム50a〜50fに対応して各種回路が備えられることで制御回路部51が構成されている。そして、各アーム50a〜50fに備えられるメインセル52a〜52fおよびセンスセル53a〜53fの横型IGBTおよびメインセル54a〜54fおよびセンスセル55a〜55fの横型FWDおよび制御回路部51がそれぞれトレンチ分離構造56によって絶縁分離された構造とされている。なお、トレンチ分離構造56は、第1、第2実施形態で説明したトレンチ分離構造1d、21dと同様の構造とされている。   As shown in FIG. 10, the upper arms 50a, 50c, 50e for three phases and the lower arms 50b, 50d, 50f for three phases are alternately laid out in the left-right direction on the paper. In this embodiment, the lower arm 50b, the upper arm 50a, the upper arm 50c, the lower arm 50d, the lower arm 50f, and the upper arm 50e are alternately arranged in this order from the left in FIG. Further, the control circuit unit 51 is configured by providing various circuits corresponding to the upper and lower arms 50a to 50f. Then, the lateral IGBTs of the main cells 52a to 52f and the sense cells 53a to 53f and the lateral FWDs of the main cells 54a to 54f and the sense cells 55a to 55f and the control circuit unit 51 provided in the arms 50a to 50f are insulated by the trench isolation structure 56, respectively. The structure is separated. The trench isolation structure 56 has the same structure as the trench isolation structures 1d and 21d described in the first and second embodiments.

このような構造において、長円形状の上面レイアウトとされたメインセル52a〜52fの横型IGBTが一方向(紙面上下方向)に複数個並べて配置されると共に、そこから所定間隔離間してメインセル54a〜54fの横型FWDが同方向に複数個並べて配置されている。そして、各アーム50a〜50fそれぞれにおいて、メインセル52a〜52fの横型IGBTとメインセル54a〜54fの横型FWDの間に、センスセル53a〜53fの横型IGBTやセンスセル55a〜55fの横型FWDおよびセンス抵抗Rs1、Rs2が形成されている。また、各出力電圧V1、V2を増幅するために各アーム50a〜50fにバッファ回路56a〜56fを備えており、このバッファ回路56a〜56fもメインセル52a〜52fの横型IGBTとメインセル54a〜54fの横型FWDの間に形成してある。各アーム50fに備えられたセンスセル53a〜53fの横型IGBTやセンスセル55a〜55fの横型FWD、センス抵抗Rs1、Rs2およびバッファ回路56a〜56fは、センス抵抗Rs1、Rs2を各センスセル53a〜53fおよび各センスセル55a〜55fの間に挟まれた状態で、一列に並べられて配置されている。   In such a structure, a plurality of horizontal IGBTs of main cells 52a to 52f having an oval top surface layout are arranged side by side in one direction (up and down direction in the drawing), and the main cell 54a is spaced apart from the main cell 54a. A plurality of horizontal FWDs of ~ 54f are arranged side by side in the same direction. In each of the arms 50a to 50f, between the lateral IGBT of the main cells 52a to 52f and the lateral FWD of the main cells 54a to 54f, the lateral IGBT of the sense cells 53a to 53f and the lateral FWD of the sense cells 55a to 55f and the sense resistor Rs1. , Rs2 are formed. Further, in order to amplify the output voltages V1 and V2, the arms 50a to 50f are provided with buffer circuits 56a to 56f, and the buffer circuits 56a to 56f are also the lateral IGBTs of the main cells 52a to 52f and the main cells 54a to 54f. Are formed between the horizontal FWDs. The lateral IGBTs of the sense cells 53a to 53f and the lateral FWDs of the sense cells 55a to 55f, the sense resistors Rs1 and Rs2, and the buffer circuits 56a to 56f provided in each arm 50f include the sense resistors Rs1 and Rs2 as the sense cells 53a to 53f and the sense cells. In a state sandwiched between 55a to 55f, they are arranged in a line.

このように、インバータ回路を構成する半導体装置に対して第1、第2実施形態に示した横型IGBTおよび横型FWDを適用することができる。そして、上記のように各アーム50a〜50fにおいて、メインセル52a〜52fの横型IGBTやメインセル54a〜54fの横型FWDを一方向に並べて配置し、これらの間においてセンスセル53a〜53fの横型IGBTやセンスセル55a〜55fの横型FWDおよびセンス抵抗Rs1、Rs2を配置している。これにより、半導体装置のチップ面積を最小化でき、チップ面積増大を抑制することができる。また、バッファ回路56a〜56fを備えた場合にも、それがメインセル52a〜52fの横型IGBTやメインセル54a〜54fの横型FWDの間に配置されるようにしている。このため、バッファ回路56a〜56fを備えても、半導体装置のチップ面積を最小化できる。   As described above, the lateral IGBT and the lateral FWD shown in the first and second embodiments can be applied to the semiconductor device constituting the inverter circuit. As described above, in each arm 50a-50f, the lateral IGBTs of the main cells 52a-52f and the lateral FWDs of the main cells 54a-54f are arranged in one direction, and the lateral IGBTs of the sense cells 53a-53f are arranged between them. A lateral FWD and sense resistors Rs1 and Rs2 of the sense cells 55a to 55f are arranged. As a result, the chip area of the semiconductor device can be minimized and an increase in the chip area can be suppressed. Also, when the buffer circuits 56a to 56f are provided, they are arranged between the horizontal IGBTs of the main cells 52a to 52f and the horizontal FWDs of the main cells 54a to 54f. For this reason, even if the buffer circuits 56a to 56f are provided, the chip area of the semiconductor device can be minimized.

また、センスセル53a〜53fの横型IGBT、センスセル55a〜55fの横型FWD、センス抵抗Rs1、Rs2およびバッファ回路56a〜56fを一列に並べて配置している。このため、これらの間の接続を最短距離で行えるようにしつつ、半導体装置のチップ面積を最小化できる。特に、センスセル53a〜53fおよびセンスセル55a〜55fの間にセンス抵抗Rs1、Rs2が配置されるようにすると良い。   Further, the lateral IGBTs of the sense cells 53a to 53f, the lateral FWD of the sense cells 55a to 55f, the sense resistors Rs1 and Rs2, and the buffer circuits 56a to 56f are arranged in a line. For this reason, the chip area of the semiconductor device can be minimized while the connection between them can be performed at the shortest distance. In particular, the sense resistors Rs1 and Rs2 are preferably arranged between the sense cells 53a to 53f and the sense cells 55a to 55f.

さらに、センスセル53a〜53fの横型IGBT、センスセル55a〜55fの横型FWD、センス抵抗Rs1、Rs2およびバッファ回路56a〜56fをメインセル52a〜52fの横型IGBTやメインセル54a〜54fの横型FWDの間に配置している。このため、メインセル52a〜52fおよびメインセル54a〜54fとセンスセル53a〜53fおよびセンスセル55a〜55f等とを接続する配線についても最短距離で接続できるレイアウトにすることが可能となる。   Further, the lateral IGBTs of the sense cells 53a to 53f, the lateral FWD of the sense cells 55a to 55f, the sense resistors Rs1 and Rs2, and the buffer circuits 56a to 56f are arranged between the lateral IGBT of the main cells 52a to 52f and the lateral FWD of the main cells 54a to 54f. It is arranged. For this reason, it is possible to provide a layout that can connect the main cells 52a to 52f and the main cells 54a to 54f, the sense cells 53a to 53f, the sense cells 55a to 55f, and the like with the shortest distance.

図11は、この配線レイアウトの一例を示した拡大図である。なお、図11は、図10におけるセンスセル近傍の拡大図に相当し、断面図ではないが図を見易くするために配線レイアウトについてハッチングを示してある。   FIG. 11 is an enlarged view showing an example of this wiring layout. Note that FIG. 11 corresponds to an enlarged view of the vicinity of the sense cell in FIG. 10 and is not a cross-sectional view, but hatching of the wiring layout is shown for easy understanding of the drawing.

この図に示すように、各メインセル52a〜52fの横型IGBTのエミッタ配線57やコレクタ配線58および各メインセル54a〜54fの横型FWDのアノード配線59やカソード配線60がメインセル52a〜52fおよびメインセル54a〜54fの配列方向に対する垂直方向に引き出されている。そして、メインセル52a〜52fおよびメインセル54a〜54fの両側において、これらの配列方向に平行に、エミッタ配線57やアノード配線59が接続される負極側共通配線61およびコレクタ配線58およびカソード配線60が接続される正極側共通配線62が延設されている。   As shown in this figure, the emitter wiring 57 and collector wiring 58 of the lateral IGBT of each main cell 52a to 52f and the anode wiring 59 and cathode wiring 60 of the lateral FWD of each main cell 54a to 54f are the main cells 52a to 52f and the main cell 52a to 52f. The cells 54a to 54f are drawn in a direction perpendicular to the arrangement direction of the cells 54a to 54f. Further, on both sides of the main cells 52a to 52f and the main cells 54a to 54f, the negative common wiring 61, the collector wiring 58, and the cathode wiring 60 to which the emitter wiring 57 and the anode wiring 59 are connected are parallel to the arrangement direction. The positive-side common wiring 62 to be connected is extended.

このようにレイアウトされたエミッタ配線57やアノード配線59および負極側共通配線61と、コレクタ配線58やカソード配線60および正極側共通配線62によって囲まれた領域内において、センスセル53a〜53fの横型IGBT、センスセル55a〜55fの横型FWD、センス抵抗Rs1、Rs2およびバッファ回路56a〜56fの所望部位同士を接続する配線64が配置されている。また、センス抵抗Rs1は、配線65がエミッタ配線57に接続されることで負極側共通配線61と接続され、センス抵抗Rs2は、配線66がアノード配線59に接続されることで負極側共通配線61と接続されている。   In the region surrounded by the emitter wiring 57, the anode wiring 59 and the negative electrode common wiring 61, the collector wiring 58, the cathode wiring 60 and the positive electrode common wiring 62 laid out in this way, the lateral IGBTs of the sense cells 53a to 53f, Wiring 64 is arranged to connect desired portions of the lateral FWD of sense cells 55a to 55f, sense resistors Rs1 and Rs2, and buffer circuits 56a to 56f. The sense resistor Rs1 is connected to the negative common wiring 61 by connecting the wiring 65 to the emitter wiring 57, and the negative resistance common wiring 61 is connected to the sense resistance Rs2 by connecting the wiring 66 to the anode wiring 59. Connected with.

このように、各アーム50a〜50fを構成する各部に接続される配線を最短距離で接続することができるため、ノイズによる誤動作をより抑制することが可能となる。具体的にはセンス抵抗Rs1、Rs2を最短距離で各メインセル52a〜52fの横型IGBTのエミッタ配線57や各メインセル54a〜54fの横型FWDのアノード配線59に電気的に接続できる。これにより、これらの間の配線長が長くなった場合のノイズによる誤動作を抑制することが可能となる。また、各センスセル53a〜53f、55a〜55fなどを挟んだ両側に各メインセル52a〜52f、54a〜54fを配置しているため、各メインセル52a〜52fの横型IGBTのエミッタ配線57やコレクタ配線58および各メインセル54a〜54fの横型FWDのアノード配線59やカソード配線60を各共通配線61、62を介して最短距離で接続できる。これにより、これらの間の配線長が長くなった場合のノイズによる誤動作を抑制することも可能となる。   Thus, since the wiring connected to each part which comprises each arm 50a-50f can be connected by the shortest distance, it becomes possible to suppress the malfunction by noise more. Specifically, the sense resistors Rs1 and Rs2 can be electrically connected to the lateral IGBT emitter wiring 57 of the main cells 52a to 52f and the lateral FWD anode wiring 59 of the main cells 54a to 54f at the shortest distance. Thereby, it is possible to suppress malfunction due to noise when the wiring length between them becomes long. Further, since the main cells 52a to 52f and 54a to 54f are arranged on both sides of the sense cells 53a to 53f, 55a to 55f, etc., the emitter wiring 57 and the collector wiring of the lateral IGBT of each main cell 52a to 52f. 58 and the horizontal FWD anode wiring 59 and cathode wiring 60 of each of the main cells 54a to 54f can be connected through the common wirings 61 and 62 at the shortest distance. Thereby, it is also possible to suppress malfunction due to noise when the wiring length between them becomes long.

このような構造は、制御回路部51にコンパレータが備えられる場合において、そのコンパレータがCMOSのみによって構成されている場合に特に有効である。すなわち、バイポーラトランジスタを使用したコンパレータと比較して、CMOSを使用したコンパレータはオフセット電圧が大きい。このため、電流0点付近で出力電圧が大きく変わる回路構成を適用すると、電流の正負の切り替わりを正確に検出するのに好適である。   Such a structure is particularly effective when the comparator is provided in the control circuit unit 51 and the comparator is constituted only by CMOS. That is, the comparator using the CMOS has a larger offset voltage than the comparator using the bipolar transistor. For this reason, applying a circuit configuration in which the output voltage largely changes near the current 0 point is suitable for accurately detecting the positive / negative switching of the current.

(第5実施形態)
本発明の第5実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態で説明した横型IGBTのメインセルの一部を利用してセンスセルを構成するものである。なお、横型IGBTの基本構造については、第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a sense cell is configured using a part of the main cell of the lateral IGBT described in the first embodiment. Since the basic structure of the lateral IGBT is the same as that of the first embodiment, only the parts different from the first embodiment will be described.

図12は、本実施形態にかかる横型IGBTを備えた半導体装置の上面レイアウト図である。図13は、図12のC−C’線上の断面図である。なお、図12のD−D’線上の断面は、図1と同じである。   FIG. 12 is a top surface layout diagram of the semiconductor device including the lateral IGBT according to the present embodiment. 13 is a cross-sectional view taken along line C-C ′ of FIG. Note that the cross section taken along the line D-D 'of FIG. 12 is the same as FIG.

図12および図13に示すように、本実施形態では、第1実施形態と同様に、トレンチ分離構造1dによってセンスセルが配置されるトレンチ島をメインセルが配置されるトレンチ島から分離しているが、メインセルが配置されるトレンチ島内にもセンスセルを形成している。具体的には、p+型コレクタ領域4の長手方向に対する垂直方向において、横型IGBTのメインセルを複数個並べて配置し、そのうちの最も外側に位置するセルのうちの配列方向の外側のエミッタの直線部を用いてセンスセルが構成されるようにしている。 As shown in FIGS. 12 and 13, in the present embodiment, the trench island where the sense cell is arranged is separated from the trench island where the main cell is arranged by the trench isolation structure 1d, as in the first embodiment. The sense cell is also formed in the trench island where the main cell is disposed. Specifically, in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the p + -type collector region 4, a plurality of horizontal IGBT main cells are arranged side by side, and the outermost straight line of the emitter in the arrangement direction among the cells located on the outermost side of them. The sense cell is configured by using the unit.

すなわち、図12および図13に示すように、センスセルが構成されるエミッタの直線部において、チャネルpウェル層6、n+型エミッタ領域7およびp+型コンタクト層8が中央位置において2箇所分断されることで3つの領域に分割されていると共に、図示していないがp型ボディ層9も同様に分割されている。そして、分割された中央部をセンスセルとし、センスセルの両側にメインセルが配置されるようにしている。つまり、センスセルのエミッタがメインセルのエミッタに挟まれた構造となるようにしている。そして、センスセルとメインセルとの間において、p型ボディ層9も分断されるようにしており、センスセルとメインセルそれぞれのp型ボディ層9の間がジャンクション分離されるようにしている。これにより、p型ボディ層9を通じてのリークを防止することができる。 That is, as shown in FIGS. 12 and 13, the channel p-well layer 6, the n + -type emitter region 7 and the p + -type contact layer 8 are divided into two at the central position in the linear portion of the emitter constituting the sense cell. As a result, the region is divided into three regions, and the p-type body layer 9 is also divided in the same manner, although not shown. The divided central portion is used as a sense cell, and main cells are arranged on both sides of the sense cell. That is, the emitter of the sense cell is sandwiched between the emitters of the main cell. The p-type body layer 9 is also divided between the sense cell and the main cell, and the p-type body layer 9 of each of the sense cell and the main cell is junction-separated. Thereby, leakage through the p-type body layer 9 can be prevented.

さらに、分断されたn+型エミッタ領域7の間において、p+型コンタクト層8の端部からn+型エミッタ領域7の端部に向けて、p+型コンタクト層8の長手方向と垂直方向に延設されたp+型分離層8aを備えてある。このp+型分離層8aを備えることで、メインセル側およびセンスセル側それぞれにおいて、n+型エミッタ領域7とp型ボディ層9およびnー型ドリフト層2によって構成される寄生トランジスタが動作することを防止できるようにしている。 Further, between the n + -type emitter region 7 shed, toward the end of the p + -type contact layer 8 on the end portion of the n + -type emitter region 7, the longitudinal direction and the vertical direction of the p + -type contact layer 8 The p + type separation layer 8a is provided. By providing this p + type isolation layer 8a, a parasitic transistor constituted by the n + type emitter region 7, the p type body layer 9, and the n − type drift layer 2 operates on the main cell side and the sense cell side, respectively. It is possible to prevent.

以上のような構造により、本実施形態にかかる横型IGBTが構成されている。このように構成される横型IGBTでは、メインセルと異なるトレンチ島に配置されたセンスセルとメインセルと同じトレンチ島に配置されたセンスセルの双方によって電流検出が行える。このような横型IGBTは、メインセルに流れる電流の正負の切り替わりと、電流の絶対値の両方を正確に検出したい場合に好適である。   The horizontal IGBT according to the present embodiment is configured by the above structure. In the lateral IGBT configured as described above, current detection can be performed by both the sense cell arranged in a trench island different from the main cell and the sense cell arranged in the same trench island as the main cell. Such a lateral IGBT is suitable when it is desired to accurately detect both the positive / negative switching of the current flowing through the main cell and the absolute value of the current.

具体的には、電流0点についてはメインセルと異なるトレンチ島に配置されたセンスセルの出力電圧に基づいて検出し、電流の絶対値についてはメインセルと同じトレンチ島に配置されたセンスセルによって検出する。   Specifically, the current 0 point is detected based on the output voltage of the sense cell arranged in a trench island different from the main cell, and the absolute value of the current is detected by the sense cell arranged in the same trench island as the main cell. .

メインセルと異なるトレンチ島に配置されたセンスセルでは、メインセルに流れる電流の絶対値と正確に対応していない可能性があるが、出力電圧を大きくすることでメインセルに流れる電流の正負の切り替わりを検出することができる。すなわち、メインセルと異なるトレンチ島に配置されたセンスセルでは、センスセルのエミッタに流れる電流密度とセンスセルのエミッタに流れる電流密度とが大きく異なり、出力電圧が電流の絶対値と正確に対応している値にならない可能性がある。このため、正確な電流の絶対値は検出し難くなるが、出力電圧を大きくすることでメインセルに流れる電流の正負の切り替わりは検出し易くなる。   The sense cell placed on a trench island different from the main cell may not accurately correspond to the absolute value of the current flowing through the main cell, but switching between positive and negative current flowing through the main cell by increasing the output voltage Can be detected. That is, in a sense cell arranged on a trench island different from the main cell, the current density flowing through the emitter of the sense cell and the current density flowing through the emitter of the sense cell are greatly different, and the output voltage corresponds exactly to the absolute value of the current. It may not be. For this reason, it is difficult to detect an accurate absolute value of the current, but it is easy to detect the positive / negative switching of the current flowing through the main cell by increasing the output voltage.

一方、メインセルと同じトレンチ島に配置されたセンスセルでは、小さい値になるものの、電流の絶対値と正確に対している出力電圧を発生させられる。すなわち、メインセルと同じトレンチ島においてメインセルに挟まれるようにセンスセルを配置することで、センスセルのエミッタに流れる電流密度とセンスセルのエミッタに流れる電流密度とを近づけることができ、ミラー比がメインセルとセンスセルそれぞれのエミッタの長手方向における長さの比に近くなる。このため、メインセルに流れる電流の絶対値と正確に対応する出力電圧を発生させることができ、出力電圧に基づいてメインセルに流れる電流の絶対値を正確に検出できる。   On the other hand, a sense cell arranged on the same trench island as the main cell can generate an output voltage which is small relative to the absolute value of the current. In other words, by arranging the sense cell so that it is sandwiched between the main cells on the same trench island as the main cell, the current density flowing to the emitter of the sense cell can be made closer to the current density flowing to the emitter of the sense cell, and the mirror ratio is the main cell. And the length ratio in the longitudinal direction of the emitter of each sense cell. Therefore, it is possible to generate an output voltage that accurately corresponds to the absolute value of the current flowing through the main cell, and it is possible to accurately detect the absolute value of the current flowing through the main cell based on the output voltage.

したがって、本実施形態の横型IGBTにより、メインセルに流れる電流の正負の切り替わりと、電流の絶対値の両方を正確に検出することが可能となる。なお、メインセルと同じトレンチ島に配置されたセンスセルでは、有効面積をメインセルに対して小さくできるため、ミラー比を小さくしてセンスセルに流れる電流を小さくでき、損失を低減することができる。また、メインセルと異なるトレンチ島に配置されたセンスセルでは、有効面積をメインセルに対してあまり小さくできないが、センスセルに接続するセンス抵抗Rs1の抵抗値を大きくすることで、センスセルに流れる電流を制限して損失を低減できる。   Therefore, the lateral IGBT according to the present embodiment can accurately detect both the positive / negative switching of the current flowing through the main cell and the absolute value of the current. In the sense cell arranged on the same trench island as the main cell, since the effective area can be made smaller than that of the main cell, the mirror ratio can be reduced, the current flowing through the sense cell can be reduced, and the loss can be reduced. Further, in the sense cell arranged on a trench island different from the main cell, the effective area cannot be made much smaller than that of the main cell, but the current flowing through the sense cell is limited by increasing the resistance value of the sense resistor Rs1 connected to the sense cell. Loss can be reduced.

(他の実施形態)
上記各実施形態では、横型IGBTを備えた半導体装置の構成の一例を挙げて説明したが、適宜設計変更可能である。
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, an example of the configuration of a semiconductor device including a lateral IGBT has been described, but the design can be changed as appropriate.

例えば、上記各実施形態では、横型IGBTや横型FWDをSOI基板1、21に形成する場合について説明したが、SOI構造ではない単なるシリコン基板などの半導体基板に形成しても良い。また、横型IGBTや横型FWDの構造を変更しても良い。例えば、上記各実施形態では、抵抗層14、30を形成することで、より電位勾配が均等になるようにしたが、抵抗層14、30を形成しなくても良い。また、抵抗層14の他端をゲート電極11に接続しているが、エミッタ電極13に接続した構造としても構わない。また、素子分離構造としてトレンチ分離構造1d、21dを例に挙げて説明したが、他の素子分離構造を用いても良い。   For example, in each of the above embodiments, the case where the lateral IGBT and the lateral FWD are formed on the SOI substrates 1 and 21 has been described. However, the lateral IGBT and the lateral FWD may be formed on a semiconductor substrate such as a simple silicon substrate that does not have an SOI structure. Further, the structure of the lateral IGBT or the lateral FWD may be changed. For example, in each of the above embodiments, the resistance layers 14 and 30 are formed to make the potential gradient more uniform. However, the resistance layers 14 and 30 may not be formed. Further, although the other end of the resistance layer 14 is connected to the gate electrode 11, a structure in which it is connected to the emitter electrode 13 may be used. Moreover, although the trench isolation structures 1d and 21d have been described as an example of the element isolation structure, other element isolation structures may be used.

さらに、上記第1実施形態等では、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたnチャネルタイプの横型IGBTを例に挙げて説明したが、各構成要素の導電型を反転させたpチャネルタイプの横型IGBTに対しても本発明を適用することができる。すなわち、ドリフト層をn-型ドリフト層2で構成すると共にチャネル層をチャネルpウェル層6で構成し、第1不純物領域をp+型コレクタ領域4、第2不純物領域をn+型エミッタ領域7で構成したnチャネルタイプの横型IGBTを例に挙げたが、これらの導電型を反転させることで、pチャネルタイプの横型IGBTとすることができる。 Further, in the first embodiment and the like, an n-channel type lateral IGBT in which the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type has been described as an example. However, the conductivity type of each component is reversed. The present invention can also be applied to a p-channel type lateral IGBT. That is, the drift layer is composed of the n type drift layer 2, the channel layer is composed of the channel p well layer 6, the first impurity region is the p + type collector region 4, and the second impurity region is the n + type emitter region 7. Although the n-channel type lateral IGBT configured as described above is given as an example, a p-channel type lateral IGBT can be obtained by inverting these conductivity types.

また、上記各実施形態では、半導体基板の水平方向である横方向に電流を流す横型半導体素子として、横型半導体スイッチング素子である横型IGBTや横型ダイオードである横型FWDを例に挙げて説明した。しかしながら、他の横型半導体素子、例えば横型半導体スイッチング素子である横型パワーMOSFETを有する半導体装置に対して本発明を適用しても構わない。   Further, in each of the above-described embodiments, the lateral IGBT that is the lateral semiconductor switching element and the lateral FWD that is the lateral diode are described as examples of the lateral semiconductor element that flows current in the lateral direction that is the horizontal direction of the semiconductor substrate. However, the present invention may be applied to another lateral semiconductor element, for example, a semiconductor device having a lateral power MOSFET that is a lateral semiconductor switching element.

すなわち、第1実施形態では、第1不純物領域をp+型コレクタ領域4、第2不純物領域をn+型エミッタ領域7で構成し、第1電極をコレクタ電極12、第2電極をエミッタ電極13とする横型IGBTを例に挙げた。また、第2実施形態では、第1電極をアノード電極29とし、第2電極をカソード電極28とする横型FWDを例に挙げた。これに対して、p+型コレクタ領域4の代わりにn+型ドレイン領域を第1不純物領域、n+型エミッタ領域7の代わりにn+型ソース領域を第2不純物領域、ドレイン電極を第1電極、ソース電極を第2電極とする横型パワーMOSFETに対しても、本発明を適用することができる。 That is, in the first embodiment, the first impurity region is constituted by the p + type collector region 4, the second impurity region is constituted by the n + type emitter region 7, the first electrode is the collector electrode 12, and the second electrode is the emitter electrode 13. As an example, a horizontal IGBT is used. In the second embodiment, a horizontal FWD in which the first electrode is the anode electrode 29 and the second electrode is the cathode electrode 28 is taken as an example. In contrast, the first impurity region n + -type drain region instead of p + -type collector region 4, the second impurity region n + -type source region instead of the n + -type emitter region 7, the drain electrode first The present invention can also be applied to a lateral power MOSFET in which the electrode and the source electrode are the second electrodes.

1、21 SOI基板
1d、21d トレンチ分離構造
2 n-型ドリフト層
4 p+型コレクタ領域
6 チャネルpウェル層
7 n+型エミッタ領域
8 p+型コンタクト層
9 p型ボディ層
10 ゲート絶縁膜
11 ゲート電極
12 コレクタ電極
13 エミッタ電極
14、30 抵抗層
22 n-型カソード層
24 n+型コンタクト層
26 p型アノード層
27 p+型コンタクト層
28 カソード電極
29 アノード電極
40 横型IGBTのメインセル
41 横型IGBTのセンスセル
42 横型FWDのメインセル
43 横型FWDのセンスセル
50 インバータ回路
51 制御回路部
Rs センス抵抗
1, 21 SOI substrate 1d, 21d Trench isolation structure 2 n type drift layer 4 p + type collector region 6 channel p well layer 7 n + type emitter region 8 p + type contact layer 9 p type body layer 10 gate insulating film 11 Gate electrode 12 Collector electrode 13 Emitter electrode 14, 30 Resistance layer 22 n type cathode layer 24 n + type contact layer 26 p type anode layer 27 p + type contact layer 28 Cathode electrode 29 Anode electrode 40 Horizontal IGBT main cell 41 Horizontal type IGBT sense cell 42 Horizontal FWD main cell 43 Horizontal FWD sense cell 50 Inverter circuit 51 Control circuit section Rs Sense resistor

Claims (9)

半導体基板(1、21)の表面に形成された第1電極(12、29)と第2電極(13、28)との間に電流を流すことで、前記半導体基板(1、21)の水平方向である横方向に電流を流す横型半導体素子を有し、該横型半導体素子をメインセルとセンスセルに分け、前記センスセルに流れる電流を検出することによって前記メインセルに流れる電流を検出する半導体装置において、
前記メインセルと前記センスセルとを前記半導体基板(1、21)に形成した素子分離構造(1d、21d、56)によって絶縁分離していることを特徴とする半導体装置。
By passing a current between the first electrode (12, 29) and the second electrode (13, 28) formed on the surface of the semiconductor substrate (1, 21), the horizontal direction of the semiconductor substrate (1, 21) is increased. In a semiconductor device having a lateral semiconductor element that conducts current in a lateral direction that is a direction, dividing the lateral semiconductor element into a main cell and a sense cell, and detecting a current flowing in the sense cell by detecting a current flowing in the sense cell ,
A semiconductor device, wherein the main cell and the sense cell are insulated and separated by an element isolation structure (1d, 21d, 56) formed on the semiconductor substrate (1, 21).
前記センスセルにはセンス抵抗(Rs、Rs1、Rs2)が接続され、前記センスセルと前記センス抵抗(Rs、Rs1、Rs2)の間の電圧を出力電圧(V1、V2)として出力し、該出力電圧(V1、V2)に基づいて前記センスセルに流れる電流を検出しており、前記出力電圧(V1、V2)の最大電圧が0.7V以上に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   A sense resistor (Rs, Rs1, Rs2) is connected to the sense cell, and a voltage between the sense cell and the sense resistor (Rs, Rs1, Rs2) is output as an output voltage (V1, V2), and the output voltage ( The current flowing through the sense cell is detected based on V1, V2), and the maximum voltage of the output voltage (V1, V2) is set to 0.7 V or more. Semiconductor device. 前記横型半導体素子として、横型半導体スイッチング素子および横型ダイオードを有し、
前記横型半導体スイッチング素子がメインセルとセンスセルとに分けられ、該横型半導体スイッチング素子のメインセルとセンスセルとが前記素子分離構造(1d)によって絶縁分離されていると共に、
前記横型ダイオードもメインセルとセンスセルとに分けられ、該横型ダイオードのメインセルとセンスセルとが前記素子分離構造(21d)によって絶縁分離されており、
前記横型半導体スイッチング素子のメインセルおよびセンスセルの前記第1電極(12)が前記横型ダイオードのメインセルおよび前記センスセルの前記第2電極(28)とが電気的に接続されていると共に、
前記横型半導体スイッチング素子のメインセルの前記第2電極(13)と前記横型ダイオードのメインセルの前記第1電極(29)とが、前記横型半導体スイッチング素子のセンスセルの前記第2電極(13)と前記横型半導体スイッチング素子用のセンス抵抗(Rs1)を介して接続され、かつ、前記横型ダイオードのセンスセルの前記第1電極(29)とも前記横型ダイオード用のセンス抵抗(Rs2)を介して接続され、
前記横型半導体スイッチング素子および前記横型ダイオードの並列接続によって電流経路が構成されており、
前記横型半導体スイッチング素子のセンスセルと前記横型半導体スイッチング素子用のセンス抵抗(Rs1)との間の出力電圧(V1)と、前記横型ダイオードのセンスセルと前記横型ダイオード用の前記センス抵抗(Rs2)との間の出力電圧(V2)とにより、前記電流経路に流れる電流の正負および電流の増減を判定することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
The lateral semiconductor element has a lateral semiconductor switching element and a lateral diode,
The lateral semiconductor switching element is divided into a main cell and a sense cell, and the main cell and the sense cell of the lateral semiconductor switching element are insulated and separated by the element isolation structure (1d).
The lateral diode is also divided into a main cell and a sense cell, and the main cell and the sense cell of the lateral diode are insulated and separated by the element isolation structure (21d),
The first electrode (12) of the main cell and sense cell of the lateral semiconductor switching element is electrically connected to the main cell of the lateral diode and the second electrode (28) of the sense cell;
The second electrode (13) of the main cell of the lateral semiconductor switching element and the first electrode (29) of the main cell of the lateral diode are connected to the second electrode (13) of the sense cell of the lateral semiconductor switching element. Connected via the sense resistor (Rs1) for the lateral semiconductor switching element, and also connected to the first electrode (29) of the sense cell of the lateral diode via the sense resistor (Rs2) for the lateral diode,
A current path is configured by parallel connection of the lateral semiconductor switching element and the lateral diode,
The output voltage (V1) between the sense cell of the lateral semiconductor switching element and the sense resistor (Rs1) for the lateral semiconductor switching element, and the sense cell for the lateral diode and the sense resistor (Rs2) for the lateral diode The semiconductor device according to claim 1, wherein positive / negative of current flowing through the current path and increase / decrease in current are determined based on an output voltage (V 2) between them.
前記横型半導体スイッチング素子のセンスセル(53a〜53f)と前記横型半導体スイッチング素子用の前記センス抵抗(Rs1)および前記横型ダイオードのセンスセル(55a〜55f)と前記横型ダイオード用の前記センス抵抗(Rs2)が一列に並べられてレイアウトされていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。   The sense cell (53a to 53f) of the lateral semiconductor switching element, the sense resistor (Rs1) for the lateral semiconductor switching element, the sense cell (55a to 55f) of the lateral diode, and the sense resistor (Rs2) for the lateral diode. The semiconductor device according to claim 3, wherein the semiconductor devices are arranged in a line. 前記横型半導体スイッチング素子のセンスセル(53a〜53f)と前記横型ダイオードのセンスセル(55a〜55f)の間に、前記横型半導体スイッチング素子用の前記センス抵抗(Rs1)および前記横型ダイオード用の前記センス抵抗(Rs2)が配置されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。   Between the sense cell (53a to 53f) of the lateral semiconductor switching element and the sense cell (55a to 55f) of the lateral diode, the sense resistor (Rs1) for the lateral semiconductor switching element and the sense resistor (for the lateral diode) 5. The semiconductor device according to claim 4, wherein Rs2) is arranged. 前記横型半導体スイッチング素子のメインセル(52a〜52f)と前記横型ダイオードのメインセル(54a〜54f)とが間隔を空けて並べられて配置され、前記横型半導体スイッチング素子のメインセル(52a〜52f)と前記横型ダイオードのメインセル(54a〜54f)との間に、前記横型半導体スイッチング素子のセンスセル(53a〜53f)と前記横型半導体スイッチング素子用の前記センス抵抗(Rs1)および前記横型ダイオードのセンスセル(55a〜55f)と前記横型ダイオード用の前記センス抵抗(Rs2)が配置されていることを特徴とする請求項4または5に記載の半導体装置。   The main cells (52a to 52f) of the horizontal semiconductor switching element and the main cells (54a to 54f) of the horizontal diode are arranged at intervals, and the main cells (52a to 52f) of the horizontal semiconductor switching element are arranged. Between the main cell (54a to 54f) of the lateral diode and the sense cell (53a to 53f) of the lateral semiconductor switching element, the sense resistor (Rs1) for the lateral semiconductor switching element, and the sense cell ( The semiconductor device according to claim 4, wherein 55a to 55f) and the sense resistor (Rs2) for the lateral diode are arranged. 前記横型半導体スイッチング素子のメインセル(52a〜52f)と前記横型ダイオードのメインセル(54a〜54f)とが間隔を空けて並べられて配置され、前記横型半導体スイッチング素子のメインセル(52a〜52f)と前記横型ダイオードのメインセル(54a〜54f)との間に、前記出力電圧(V1、V2)を増幅するバッファ回路(56a〜56f)も備えられていることを特徴とする請求項4ないし6のいずれか1つに記載の半導体装置。   The main cells (52a to 52f) of the horizontal semiconductor switching element and the main cells (54a to 54f) of the horizontal diode are arranged at intervals, and the main cells (52a to 52f) of the horizontal semiconductor switching element are arranged. A buffer circuit (56a-56f) for amplifying the output voltage (V1, V2) is also provided between the main cell (54a-54f) of the lateral diode and the horizontal diode. The semiconductor device according to any one of the above. 前記半導体スイッチング素子のオンオフを駆動する制御回路部(51)を有し、該制御回路部(51)にはコンパレータが含まれていると共に、該コンパレータがCMOSのみによって構成されていることを特徴とする請求項3ないし6のいずれか1つに記載の半導体装置。   It has a control circuit part (51) for driving on / off of the semiconductor switching element, the control circuit part (51) includes a comparator, and the comparator is constituted only by CMOS. The semiconductor device according to claim 3. 前記素子分離構造(1d、21d)にて前記横型半導体素子のメインセルと分離された領域に備えられた前記センスセルに加えて、
前記素子分離構造(1d、21d)にて分離された前記横型半導体素子のメインセルが備えられる領域内において、前記メインセルに挟まれてさらにセンスセルが備えられていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の半導体装置。
In addition to the sense cell provided in a region separated from the main cell of the lateral semiconductor element by the element isolation structure (1d, 21d),
The sense cell is further provided between the main cells in a region where the main cell of the lateral semiconductor element separated by the element isolation structure (1d, 21d) is provided. 9. The semiconductor device according to any one of items 8 to 8.
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