JP2013041994A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve, in a small area, a structure that relaxes the electric-field strength around a power semiconductor element.SOLUTION: In a peripheral region Q, a plurality of polycrystalline silicon layers 70 are provided between a source region 30 and an end drain electrode 41 via a peripheral interlayer insulating layer (an insulating layer) between the polycrystalline silicon layers 70 and a semiconductor layer. In the polycrystalline silicon layers 70, inclination portions in which their longitudinal direction are inclined from the horizontal direction (the inclination angle is θ, where 0<θ<90°) are provided. In the inclination portions of the polycrystalline silicon layers 70, a plurality of p-type regions 71 and n-type regions 72 are alternately formed in the longitudinal direction.

Description

本発明は、高電圧が印加されて動作する半導体装置の構造に関する。   The present invention relates to a structure of a semiconductor device that operates by applying a high voltage.

高電圧が印加され、大電流が流されて動作するパワー半導体素子においては、各電極間に高電圧が印加される。このため、各電極間における耐圧が充分に高くなる構造が採用される。   In a power semiconductor element that operates by applying a high voltage and flowing a large current, a high voltage is applied between the electrodes. For this reason, a structure in which the withstand voltage between the electrodes is sufficiently high is employed.

一般的には、高電圧が印加された場合に局所的に電位勾配が大きくなる箇所でブレークダウンは発生する。このため、耐圧を高めるためには、電位勾配(電界強度)が大きくなる箇所が局所的に発生しないような構造を採用することが有効である。このため、一般的には、能動領域を環状に取り囲む逆導電型層(ガードリング)等が用いられている。   In general, breakdown occurs where the potential gradient locally increases when a high voltage is applied. For this reason, in order to increase the withstand voltage, it is effective to adopt a structure in which a portion where the potential gradient (electric field strength) becomes large does not occur locally. For this reason, generally, a reverse conductivity type layer (guard ring) or the like surrounding the active region in a ring shape is used.

例えば、特許文献1には、こうした構造をもつIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が記載されている。このIGBTにおいては、能動領域(エミッタやゲートが形成された領域)を多重に取り囲む環状のガードリングが設けられた構成が記載されている。このガードリングにより、表面近傍の面内方向においては局所的な電界強度の緩和が図れる。更に、エミッタ領域の下部における拡散層の断面形状を最適化することにより、半導体層の内部で局所的に電位勾配が高まる箇所を除去している。これにより、IGBTにおける耐圧を向上させることができる。こうした構造は、IGBTに限らず、同様の構造をもち、同様に耐圧が要求されるパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)においても同様である。   For example, Patent Document 1 describes an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) having such a structure. This IGBT describes a configuration in which an annular guard ring that surrounds multiple active regions (regions where emitters and gates are formed) is provided. With this guard ring, local electric field strength can be relaxed in the in-plane direction near the surface. Further, by optimizing the cross-sectional shape of the diffusion layer in the lower part of the emitter region, a portion where the potential gradient locally increases inside the semiconductor layer is removed. Thereby, the breakdown voltage in the IGBT can be improved. Such a structure is not limited to the IGBT, but has the same structure, and the same applies to a power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) that requires a withstand voltage.

特開2008−277352号公報JP 2008-277352 A

上記のガードリングを用いた構成においては、半導体層とその中に形成されたガードリング(逆導電型層)との界面に空乏層が形成され、特にこの空乏層が横方向に存在することが電界強度の緩和に寄与する。しかしながら、半導体層や逆導電型層において空乏化していない領域は、電界強度の緩和には寄与しない。このため、こうした逆導電型層を用いて電界強度を緩和する場合には、本来電界強度の緩和に寄与しない領域も同時形成される。このため、電界強度の緩和に必要となるためにガードリングが占める面積は大きくなる。すなわち、充分な耐圧を確保するためには、ガードリングを広い面積にわたり形成することが必要であった。   In the configuration using the guard ring, a depletion layer is formed at the interface between the semiconductor layer and the guard ring (reverse conductivity type layer) formed therein, and this depletion layer may exist in the lateral direction. Contributes to the relaxation of the electric field strength. However, a region that is not depleted in the semiconductor layer or the reverse conductivity type layer does not contribute to the relaxation of the electric field strength. For this reason, when the electric field strength is relaxed using such a reverse conductivity type layer, a region which does not originally contribute to the relaxation of the electric field strength is simultaneously formed. For this reason, the area occupied by the guard ring is increased because it is necessary for relaxation of the electric field strength. That is, in order to ensure a sufficient breakdown voltage, it is necessary to form the guard ring over a wide area.

すなわち、パワー半導体素子において、周辺の電界強度を緩和する構造を小さな面積で実現することは困難であった。   That is, in a power semiconductor element, it has been difficult to realize a structure for relaxing the electric field strength in the periphery with a small area.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、2つの電極を具備する半導体素子が半導体層に形成され平面視において略矩形形状である能動領域の外側に、平面視において当該能動領域を取り囲む略矩形環形状の周辺領域を具備する半導体装置であって、前記周辺領域において、前記略矩形形状の1辺側において一端が前記2つの電極の一方と接続され、前記1辺と平行な前記略矩形環形状の外側の1辺側に向かって延伸し、当該外側の1辺側で他端が前記2つの電極の他方と接続される複数の多結晶シリコン層が、前記半導体層との間に絶縁層を挟んで形成され、前記多結晶シリコン層は、長手方向が前記略矩形形状の1辺との間でなす角度がθ(0<θ<90°)となる直線形状とされて延伸する傾斜部を具備し、当該傾斜部において複数のpn接合が前記長手方向とpn接合界面とが垂直になるように形成され、複数の前記多結晶シリコン層において前記傾斜部が平行に形成された構成を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記傾斜部において、前記pn接合界面が長手方向において周期的に形成された構成を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置は、複数の前記多結晶シリコン層における前記傾斜部が平行とされた箇所において、前記pn接合界面が同一の直線を構成するように形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記複数の多結晶シリコン層は、前記略矩形形状における交差する2辺に対応した2つの前記傾斜部を具備すると共に、当該2つの前記傾斜部の間に、曲線形状で90°向きを変える曲線部を具備し、2つの前記傾斜部の各々と前記曲線部との間に、前記交差する2辺の各々と平行に直線状に延伸する2つの平行部を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置において、隣接する前記複数の多結晶シリコン層の曲線部は、それぞれ異なる曲率半径をもち略同一の曲率中心をもつ円弧形状を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置において、隣接する前記複数の多結晶シリコン層の曲線部は、略同一の曲率半径をもちそれぞれ異なる曲率中心をもつ円弧形状を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記平行部において、pn接合が、前記平行部が延伸する方向とpn接合界面とが垂直になるように形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記半導体素子はパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であることを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記2つの電極の一方は、前記パワーMOSFETにおけるソース電極、又は前記IGBTにおけるエミッタ電極であり、
前記2つの電極の他方は、前記パワーMOSFETにおけるドレイン電極、又は前記IGBTにおけるコレクタ電極であることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記半導体素子における前記2つの電極間の耐圧をVds、1本の多結晶シリコン層において形成されたpn接合の数をNz、当該pn接合のブレークダウン電圧をVzとした場合に、Vds<Vz×Nzとされたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記2つの電極の一方は、前記パワーMOSFETにおけるゲート電極、又は前記IGBTにおけるゲート電極であり、
前記2つの電極の他方は、前記パワーMOSFETにおけるドレイン電極、又は前記IGBTにおけるコレクタ電極であることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記半導体素子における前記2つの電極間の耐圧をVds、1本の多結晶シリコン層において形成されたpn接合の数をNz、当該pn接合のブレークダウン電圧をVzとした場合に、Vds>Vz×Nzとされたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The semiconductor device of the present invention has a substantially rectangular ring-shaped peripheral region that surrounds the active region in plan view outside the active region that is formed in a semiconductor layer and has a substantially rectangular shape in plan view. In the peripheral region, one end of one side of the substantially rectangular shape is connected to one of the two electrodes in the peripheral region, and the outer one of the substantially rectangular ring shape parallel to the one side. A plurality of polycrystalline silicon layers extending toward the side and having the other end connected to the other of the two electrodes on the outer side are formed with an insulating layer interposed between the semiconductor layers. The polycrystalline silicon layer includes an inclined portion extending in a linear shape in which an angle between a longitudinal direction and one side of the substantially rectangular shape is θ (0 <θ <90 °), A plurality of pn junctions in the inclined portion are It is formed so as countercurrent and the pn junction interface are vertical the inclined portion at a plurality of said polycrystalline silicon layer is characterized by comprising a structure which is formed in parallel.
The semiconductor device of the present invention is characterized in that, in the inclined portion, the pn junction interface is periodically formed in the longitudinal direction.
The semiconductor device according to the present invention is characterized in that the pn junction interface forms the same straight line at a location where the inclined portions of the plurality of polycrystalline silicon layers are parallel to each other.
In the semiconductor device of the present invention, the plurality of polycrystalline silicon layers include the two inclined portions corresponding to two intersecting sides in the substantially rectangular shape, and a curved shape between the two inclined portions. And has two parallel portions extending linearly in parallel with each of the two intersecting sides between each of the two inclined portions and the curved portion. It is characterized by that.
In the semiconductor device of the present invention, the curved portions of the plurality of adjacent polycrystalline silicon layers have arc shapes each having a different curvature radius and having substantially the same curvature center.
In the semiconductor device of the present invention, the curved portions of the plurality of adjacent polycrystalline silicon layers have arc shapes having substantially the same radius of curvature and different curvature centers.
The semiconductor device of the present invention is characterized in that, in the parallel portion, a pn junction is formed such that a direction in which the parallel portion extends and a pn junction interface are perpendicular to each other.
In the semiconductor device of the present invention, the semiconductor element is a power MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
In the semiconductor device of the present invention, one of the two electrodes is a source electrode in the power MOSFET or an emitter electrode in the IGBT,
The other of the two electrodes is a drain electrode in the power MOSFET or a collector electrode in the IGBT.
In the semiconductor device of the present invention, the breakdown voltage between the two electrodes in the semiconductor element is Vds, the number of pn junctions formed in one polycrystalline silicon layer is Nz, and the breakdown voltage of the pn junction is Vz. In this case, Vds <Vz × Nz.
In the semiconductor device of the present invention, one of the two electrodes is a gate electrode in the power MOSFET or a gate electrode in the IGBT,
The other of the two electrodes is a drain electrode in the power MOSFET or a collector electrode in the IGBT.
In the semiconductor device of the present invention, the breakdown voltage between the two electrodes in the semiconductor element is Vds, the number of pn junctions formed in one polycrystalline silicon layer is Nz, and the breakdown voltage of the pn junction is Vz. In this case, Vds> Vz × Nz.

本発明は以上のように構成されているので、パワー半導体素子において、周辺の電界強度を緩和する構造を小さな面積で実現することができる。   Since the present invention is configured as described above, in the power semiconductor element, a structure for relaxing the peripheral electric field strength can be realized with a small area.

本発明の実施の形態に係る半導体装置の上面から見た構成図である。It is the block diagram seen from the upper surface of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体装置の能動領域において形成された半導体素子の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor element formed in the active region of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体装置の周辺領域の構成の上面図である。It is a top view of the structure of the peripheral region of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体装置の周辺領域の断面図である。It is sectional drawing of the peripheral region of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 多結晶シリコン層中において形成される空乏層の状況を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the condition of the depletion layer formed in a polycrystalline-silicon layer. 本発明の実施の形態に係る半導体装置の周辺領域の角部における構成の上面図である。It is a top view of the structure in the corner | angular part of the peripheral region of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体装置の周辺領域の構成の変形例の上面図である。It is a top view of the modification of the structure of the peripheral region of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体装置の周辺領域の角部における構成の変形例の上面図である。It is a top view of the modification of the structure in the corner | angular part of the peripheral region of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体装置の周辺領域の平行部における構成の変形例の上面図である。It is a top view of the modification of the structure in the parallel part of the peripheral region of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る半導体装置の2種類の等価回路である。It is two types of equivalent circuits of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態となる半導体装置につき説明する。この半導体装置は、パワーMOSFETであり、特に、パワーMOSFETの能動領域(ゲートやゲート下のチャンネルが形成される領域)の周囲において、電位勾配(電界強度)が局所的に高くなる箇所が発生しにくい構造が形成される。   Hereinafter, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described. This semiconductor device is a power MOSFET, and in particular, there are places where the potential gradient (electric field strength) locally increases around the active region of the power MOSFET (the region where the gate and the channel under the gate are formed). A difficult structure is formed.

図1は、このパワーMOSFET(半導体装置)10の上面から見た構成図である。このパワーMOSFET10は略矩形体形状をなしており、その中央部に平面視において略矩形形状の能動領域Pが形成されている。能動領域Pにおいては、半導体層50の上に複数のゲート電極20が形成され、ゲート電極20の周囲には、ゲート電極20と絶縁されたソース電極30が形成されている。複数のゲート電極20は、ゲート接続電極21によって並列に接続されている。一方、下面側の全面には、ドレイン電極が形成されている。これにより、能動領域Pにおいては並列に接続された複数のパワーMOSFET素子(半導体素子)が形成されている。なお、ここでは、ソース電極30の外形が能動領域Pの形状と等しくなっている。   FIG. 1 is a configuration diagram of the power MOSFET (semiconductor device) 10 as viewed from above. The power MOSFET 10 has a substantially rectangular shape, and an active region P having a substantially rectangular shape is formed in the center in a plan view. In the active region P, a plurality of gate electrodes 20 are formed on the semiconductor layer 50, and a source electrode 30 insulated from the gate electrode 20 is formed around the gate electrode 20. The plurality of gate electrodes 20 are connected in parallel by gate connection electrodes 21. On the other hand, a drain electrode is formed on the entire lower surface. Thereby, in the active region P, a plurality of power MOSFET elements (semiconductor elements) connected in parallel are formed. Here, the outer shape of the source electrode 30 is equal to the shape of the active region P.

図2は、図1におけるA−A方向(ゲート電極20の長手方向に垂直な方向)の断面図である。このパワーMOSFET素子は、プレーナゲート型であり、半導体層の表面に、ゲート酸化膜を介してゲートが形成される。   FIG. 2 is a cross-sectional view in the AA direction (direction perpendicular to the longitudinal direction of the gate electrode 20) in FIG. This power MOSFET element is a planar gate type, and a gate is formed on the surface of a semiconductor layer via a gate oxide film.

この構造における半導体層50はシリコンで形成され、ドレインとして機能するn(不純物濃度の高いn型)基板51上に、n(不純物濃度の低いn型)層52が形成されている。n層52の上にはゲート酸化膜60を介してゲート電極20が形成されている。ゲート電極20は例えば導電性の多結晶シリコンで構成することができる。ゲート電極20の両側の半導体層50(n層52)中にはp層53が形成されており、p層53の中にはソースとして機能するn層54が更に形成されている。また、この構造の上面には、ゲート電極20と絶縁されるように、層間絶縁層61を介してソース電極30が形成されている。ソース電極30は、n層54及びp層53の表面と接続されている。 The semiconductor layer 50 in this structure is formed of silicon, and an n (n-type with low impurity concentration) layer 52 is formed on an n + (high-impurity concentration n-type) substrate 51 that functions as a drain. A gate electrode 20 is formed on the n layer 52 via a gate oxide film 60. The gate electrode 20 can be made of, for example, conductive polycrystalline silicon. A p layer 53 is formed in the semiconductor layer 50 (n layer 52) on both sides of the gate electrode 20, and an n + layer 54 that functions as a source is further formed in the p layer 53. A source electrode 30 is formed on the upper surface of this structure via an interlayer insulating layer 61 so as to be insulated from the gate electrode 20. Source electrode 30 is connected to the surfaces of n + layer 54 and p layer 53.

一方、n基板51の下面にはドレイン電極40が形成されている。また、前記の通り、上面側では、層間絶縁層61によってソース電極30との間の絶縁性が確保される状態で、ゲート接続電極21が形成されている。この構造においては、ソース電極30、ドレイン電極40、ゲート接続電極21をMOSFETの3つの電極端子として、その動作をすることができる。特に、ソース電極30とドレイン電極40の間には高電圧が印加され、大電流が流される。なお、上記の各層の製造方法や各電極の材料等は、通常知られるものと同様である。また、上記の構造は通常のプレーナゲート型のMOSFETと同様である。 On the other hand, a drain electrode 40 is formed on the lower surface of the n + substrate 51. Further, as described above, the gate connection electrode 21 is formed on the upper surface side in a state where the insulating property between the source electrode 30 and the interlayer insulating layer 61 is ensured. In this structure, the source electrode 30, the drain electrode 40, and the gate connection electrode 21 can be operated with the three electrode terminals of the MOSFET. In particular, a high voltage is applied between the source electrode 30 and the drain electrode 40, and a large current flows. In addition, the manufacturing method of each said layer, the material of each electrode, etc. are the same as that of what is generally known. The above structure is the same as that of a normal planar gate type MOSFET.

図1に示されるように、平面視において能動領域Pを取り囲む略矩形環形状の周辺領域Qが形成されている。このパワーMOSFET10の構造において特徴的なのは、周辺領域Q中の構造である。図1における周辺領域Q内の領域Xの詳細の上面図を図3に、そのC−C方向の断面図を図4に示す。領域Xは、図1における能動領域Pの下辺側の周辺領域Qの一部である。   As shown in FIG. 1, a substantially rectangular ring-shaped peripheral region Q surrounding the active region P in plan view is formed. A characteristic of the structure of the power MOSFET 10 is the structure in the peripheral region Q. A detailed top view of the region X in the peripheral region Q in FIG. 1 is shown in FIG. 3, and a sectional view in the CC direction is shown in FIG. The region X is a part of the peripheral region Q on the lower side of the active region P in FIG.

この領域Xの図3における上側には、前記の通り、n層54及びp層53に接続されたソース電極30が形成されている。一方、図3における下側(端部側)には、端部n層55が形成され、この端部n層55には端部ドレイン電極41が形成されている。端部ドレイン電極41の電位は、n層52と同電位となり、この電位はドレイン電極40と同一である。すなわち、領域Xの上下端部にはそれぞれソース電極30と端部ドレイン電極41が設けられる。これらの間の電位差はこのパワーMOSFET10の動作時におけるソース・ドレイン間の電位差となる。 As described above, the source electrode 30 connected to the n + layer 54 and the p layer 53 is formed above the region X in FIG. On the other hand, an end n + layer 55 is formed on the lower side (end side) in FIG. 3, and an end drain electrode 41 is formed on the end n + layer 55. The potential of the end drain electrode 41 is the same as that of the n layer 52, and this potential is the same as that of the drain electrode 40. That is, the source electrode 30 and the end drain electrode 41 are provided at the upper and lower ends of the region X, respectively. The potential difference between them is the potential difference between the source and drain during the operation of the power MOSFET 10.

一方、図3、4に示されるように、周辺領域Qにおいては、半導体層50との間に周辺層間絶縁層(絶縁層)62を介して複数の多結晶シリコン層70が、ソース電極30から端部ドレイン電極41の間にかけて設けられる。多結晶シリコン層70には、その長手方向が図3における水平方向(略矩形形状の能動領域Pの1辺を構成する直線の方向)から傾斜した(傾斜角θ、0<θ<90°)傾斜部が設けられている。また、複数の多結晶シリコン層70における傾斜部の長手方向は互いに平行とされる。この多結晶シリコン層70は、能動領域Pに対応する略矩形形状の1辺側(図3中上側)において、パワーMOSFET素子を構成する2つの電極(ソース電極30、ドレイン電極40)の一方であるソース電極30と接続される。また、この多結晶シリコン層70は、傾斜部を介して、周辺領域Qに対応した略矩形環形状の外側の1辺(前記の略矩形形状の1辺に平行)側に延伸する。この外側の1辺側で、2つの電極の他方である端部ドレイン電極41と接続される。なお、図3においては、ソース電極30、端部ドレイン電極41、多結晶シリコン層70以外の構成要素(周辺層間絶縁層62等)は記載を省略している。また、後述するように、多結晶シリコン層70の一端は、ソース電極30ではなく、ゲート電極20(ゲート接続電極21)に接続される場合もある。   On the other hand, as shown in FIGS. 3 and 4, in the peripheral region Q, a plurality of polycrystalline silicon layers 70 are connected to the semiconductor layer 50 via the peripheral interlayer insulating layer (insulating layer) 62 from the source electrode 30. It is provided between the end drain electrodes 41. The longitudinal direction of the polycrystalline silicon layer 70 is inclined from the horizontal direction in FIG. 3 (the direction of a straight line constituting one side of the substantially rectangular active region P) (inclination angle θ, 0 <θ <90 °). An inclined portion is provided. The longitudinal directions of the inclined portions in the plurality of polycrystalline silicon layers 70 are parallel to each other. This polycrystalline silicon layer 70 is one of two electrodes (source electrode 30 and drain electrode 40) constituting a power MOSFET element on one side (upper side in FIG. 3) of a substantially rectangular shape corresponding to the active region P. It is connected to a certain source electrode 30. The polycrystalline silicon layer 70 extends to the outer side of the substantially rectangular ring shape corresponding to the peripheral region Q (parallel to one side of the substantially rectangular shape) via the inclined portion. One end side of the outer side is connected to the end drain electrode 41 which is the other of the two electrodes. In FIG. 3, constituent elements (peripheral interlayer insulating layer 62 and the like) other than the source electrode 30, the end drain electrode 41, and the polycrystalline silicon layer 70 are omitted. Further, as will be described later, one end of the polycrystalline silicon layer 70 may be connected to the gate electrode 20 (gate connection electrode 21) instead of the source electrode 30 in some cases.

多結晶シリコン層70の傾斜部においては、導電性のp型領域71と、導電性のn型領域72とが長手方向に交互に多数形成されている。p型領域71、n型領域72においては、多結晶シリコン層70の厚さ方向にわたりそれぞれp型、n型の導電型とされている。図3に示されるように、平面視において、p型領域71とn型領域72の境界で構成されるpn接合界面は周期的に構成される。また、このpn接合界面は多結晶シリコン層70の傾斜部の長手方向と垂直とされ、隣接する多結晶シリコン層70間においては、p型領域71同士、n型領域72同士が隣接するように設定される。このため、隣接する多結晶シリコン層70におけるpn接合界面は同一直線を構成するように設定される。   In the inclined portion of the polycrystalline silicon layer 70, a large number of conductive p-type regions 71 and conductive n-type regions 72 are alternately formed in the longitudinal direction. The p-type region 71 and the n-type region 72 are p-type and n-type conductivity types in the thickness direction of the polycrystalline silicon layer 70, respectively. As shown in FIG. 3, the pn junction interface formed by the boundary between the p-type region 71 and the n-type region 72 is periodically configured in plan view. Further, the pn junction interface is perpendicular to the longitudinal direction of the inclined portion of the polycrystalline silicon layer 70, and between the adjacent polycrystalline silicon layers 70, the p-type regions 71 and the n-type regions 72 are adjacent to each other. Is set. For this reason, the pn junction interfaces in the adjacent polycrystalline silicon layers 70 are set so as to form the same straight line.

パワーMOSFET10の動作時における多結晶シリコン層70の作用について説明する。まず、多結晶シリコン層70の両端部はそれぞれソース電極30(ソース)、端部ドレイン電極41(ドレイン)と同電位とされる。このため、動作時における多結晶シリコン層70の両端部間の電位差は大きくなる。しかしながら、この両端部間には多数のpn接合が等間隔で形成されており、このpn接合の中には必ず逆バイアスとなる箇所が1周期中に発生するため、各pn接合がブレークダウンしない状態では、電位差の方向によらず、多結晶シリコン層70中を流れる電流は無視できる。すなわち、この多結晶シリコン層70を絶縁体とみなすことができる。ただし、この多結晶シリコン層70においては、逆バイアスとなったpn接合の間はほぼ同電位とみなせるため、ソース電極30と端部ドレイン電極41間の電位が、逆バイアスとなったpn接合(あるいは空乏層)によって多数に均等に分割される。   The operation of the polycrystalline silicon layer 70 during the operation of the power MOSFET 10 will be described. First, both ends of the polycrystalline silicon layer 70 are set to the same potential as the source electrode 30 (source) and the end drain electrode 41 (drain), respectively. For this reason, the potential difference between both ends of the polycrystalline silicon layer 70 during operation increases. However, since a large number of pn junctions are formed at equal intervals between the both ends, and a portion that is necessarily reverse-biased is generated in one period in each pn junction, each pn junction does not break down. In the state, the current flowing in the polycrystalline silicon layer 70 can be ignored regardless of the direction of the potential difference. That is, this polycrystalline silicon layer 70 can be regarded as an insulator. However, since the polycrystalline silicon layer 70 can be regarded as having substantially the same potential between the pn junctions that are reverse-biased, the potential between the source electrode 30 and the end drain electrode 41 is the reverse-biased pn junction ( Alternatively, it is equally divided into a large number by a depletion layer.

一方、図4に示されるように、多結晶シリコン層70、多結晶シリコン層70下の周辺層間絶縁層(絶縁層)62、半導体層50(p層53)によってMOS構造が形成される。このため、半導体層50(p層53)の表面電位は、多結晶シリコン層70の局所的な電位によって制御される。多結晶シリコン層70の傾斜部においては、長手方向において電位が均等に分割されるため、p層53の表面電位も均等に分割される。このため、多結晶シリコン層70の長手方向においては、半導体層50における局所的な電界集中は抑制される。   On the other hand, as shown in FIG. 4, a MOS structure is formed by the polycrystalline silicon layer 70, the peripheral interlayer insulating layer (insulating layer) 62 under the polycrystalline silicon layer 70, and the semiconductor layer 50 (p layer 53). Therefore, the surface potential of the semiconductor layer 50 (p layer 53) is controlled by the local potential of the polycrystalline silicon layer 70. In the inclined portion of the polycrystalline silicon layer 70, since the potential is equally divided in the longitudinal direction, the surface potential of the p layer 53 is also equally divided. For this reason, local electric field concentration in the semiconductor layer 50 is suppressed in the longitudinal direction of the polycrystalline silicon layer 70.

この構成の傾斜部が平行に多数設けられており、図1における領域Xにおいては、半導体層50の表面の大半で上記の状況が起こる。このため、半導体層50の全面において、電界集中を抑制することができる。   A large number of inclined portions of this configuration are provided in parallel, and in the region X in FIG. For this reason, electric field concentration can be suppressed over the entire surface of the semiconductor layer 50.

また、各傾斜部に設けられているpn接合の数が多いほどこの効果が大きくなることは明らかである。仮に多結晶シリコン層70の長手方向が図3における垂直方向(能動領域の端部を構成する直線の方向と垂直な方向)となっていた場合には、1本の多結晶シリコン層70が短くなり、pn接合の数を確保するためには、p型領域71、n型領域72を充分に小さくすることが必要となる。しかしながら、p型領域71、n型領域72の大きさは、リソグラフィの精度や不純物の拡散の度合いによって制限されるため、p型領域71、n型領域72を小さくすることは困難である。   It is clear that this effect increases as the number of pn junctions provided in each inclined portion increases. If the longitudinal direction of the polycrystalline silicon layer 70 is the vertical direction in FIG. 3 (the direction perpendicular to the direction of the straight line constituting the end portion of the active region), one polycrystalline silicon layer 70 is short. Therefore, in order to secure the number of pn junctions, it is necessary to make the p-type region 71 and the n-type region 72 sufficiently small. However, since the size of the p-type region 71 and the n-type region 72 is limited by the accuracy of lithography and the degree of impurity diffusion, it is difficult to make the p-type region 71 and the n-type region 72 small.

これに対して、図3の構成においては、多結晶シリコン層70に設けられた傾斜部の長手方向を、水平方向からわずかに傾斜した方向とすることによって、個々の多結晶シリコン層70を長く設定し、かつp型領域71、n型領域72を大きく(長く)設定した場合でも、pn接合の数を確保することが可能である。また、多結晶シリコン層70は短い間隔で平行に多数設けられるため、実質的には周辺領域Qの大部分は多結晶シリコン層70で覆われる。このため、周辺領域Qにおける半導体層50(p層53)の電位は多結晶シリコン層70で設定され、電界集中が抑制される。   On the other hand, in the configuration of FIG. 3, the individual polycrystalline silicon layers 70 are elongated by setting the longitudinal direction of the inclined portion provided in the polycrystalline silicon layer 70 to a direction slightly inclined from the horizontal direction. Even when the p-type region 71 and the n-type region 72 are set large (long), the number of pn junctions can be ensured. Since a large number of polycrystalline silicon layers 70 are provided in parallel at short intervals, the peripheral region Q is substantially covered with the polycrystalline silicon layer 70 substantially. Therefore, the potential of the semiconductor layer 50 (p layer 53) in the peripheral region Q is set in the polycrystalline silicon layer 70, and electric field concentration is suppressed.

また、p型領域71とn型領域72の境界のpn接合界面は、多結晶シリコン層70の長手方向と垂直となる構成が好ましい。pn接合界面の方向と多結晶シリコン層70の長手方向との間の関係が異なる場合において多結晶シリコン層70にバイアスが印加された場合の状況を模式的に示したのが図5である。ここで、不純物濃度は特にn型領域72において高くなっているものとする。このため、バイアス印加時には空乏層73は不純物濃度の低いp型領域71側に主に形成される。pn接合の逆方向特性(ブレークダウン特性)は、この空乏層73の形態の影響を大きく受ける。   In addition, it is preferable that the pn junction interface at the boundary between the p-type region 71 and the n-type region 72 is perpendicular to the longitudinal direction of the polycrystalline silicon layer 70. FIG. 5 schematically shows the situation when a bias is applied to the polycrystalline silicon layer 70 in the case where the relationship between the direction of the pn junction interface and the longitudinal direction of the polycrystalline silicon layer 70 is different. Here, it is assumed that the impurity concentration is particularly high in the n-type region 72. For this reason, when a bias is applied, the depletion layer 73 is mainly formed on the p-type region 71 side having a low impurity concentration. The reverse characteristics (breakdown characteristics) of the pn junction are greatly affected by the form of the depletion layer 73.

図5(a)上側に示されるように、pn接合界面が多結晶シリコン層70の長手方向と垂直に形成され、図中右上側に−側、左下側に+側のバイアスが印加された場合においては、図5(a)下側に示されるように、空乏層73はpn接合界面が延伸する方向の両側(多結晶シリコン層70両側面側)で対称に形成される。多結晶シリコン層70(傾斜部)の長手方向に沿ったこの空乏層73の長さをDとする。 As shown in the upper side of FIG. 5A, the pn junction interface is formed perpendicular to the longitudinal direction of the polycrystalline silicon layer 70, and a negative bias is applied to the upper right side and the lower left side in the figure. In FIG. 5A, the depletion layer 73 is formed symmetrically on both sides (both sides of the polycrystalline silicon layer 70) in the direction in which the pn junction interface extends. The length of the depletion layer 73 along the longitudinal direction of the polycrystalline silicon layer 70 (inclined portion) and D 0.

一方、pn接合が多結晶シリコン層70の長手方向と垂直に形成されていない場合における同様の状況を図5(b)に示す。この場合には、不純物濃度が高いn型領域72と、多結晶シリコン層70の側面との関係がpn接合が延伸する方向の両側で対称でないために、図5(a)とは状況が異なる。図5(b)の下側に示されるように、pn接合の左上則端部側においては、pn接合の右上側にはn型領域72が存在していない。空乏層73はpn接合の両側におけるドナーとアクセプタの総量が均等となるように形成されるため、この状態で平衡状態で空乏層73が形成されるためには、空乏層73は左上則端部で短くなる。多結晶シリコン層70の長手方向に沿ったこの空乏層73の左上則端部の長さをDとする。一方、右下則端部においては、これと逆の状態となっているため、空乏層73は右下則端部で長くなる。多結晶シリコン層70の長手方向に沿ったこの空乏層73の右下則端部の長さをDとすると、D>Dとなる。一方、左上則端部と右下則端部の中間における状況は図5(a)の場合と変わらないため、多結晶シリコン層70の長手方向に沿った空乏層73の長さはDとなる。すなわち、D<D<Dとなった形態で空乏層73が形成される。 On the other hand, the same situation in the case where the pn junction is not formed perpendicular to the longitudinal direction of the polycrystalline silicon layer 70 is shown in FIG. In this case, since the relationship between the n-type region 72 having a high impurity concentration and the side surface of the polycrystalline silicon layer 70 is not symmetric on both sides in the direction in which the pn junction extends, the situation is different from FIG. . As shown in the lower side of FIG. 5B, the n-type region 72 does not exist on the upper right side of the pn junction on the upper left side of the pn junction. Since the depletion layer 73 is formed so that the total amount of donors and acceptors on both sides of the pn junction is equal, in order for the depletion layer 73 to be formed in an equilibrium state in this state, Becomes shorter. The length of the upper left law end of the depletion layer 73 along the longitudinal direction of the polycrystalline silicon layer 70 and D 1. On the other hand, since the lower right law end is in the opposite state, the depletion layer 73 becomes longer at the lower right law end. When the length of the lower right end of the depletion layer 73 along the longitudinal direction of the polycrystalline silicon layer 70 is D 2 , D 2 > D 1 is satisfied. On the other hand, the situation in the middle between the upper left end and the lower right end is not different from the case of FIG. 5A, and therefore the length of the depletion layer 73 along the longitudinal direction of the polycrystalline silicon layer 70 is D 0 . Become. That is, the depletion layer 73 is formed in a form in which D 1 <D 0 <D 2 .

空乏層73の両端に印加される電圧は左則端部から右則端部にかけて図5(a)の場合と同様であるため、空乏層73の長さが最も短い長さDの箇所においては最も電界強度が高まり、ブレークダウンしやすくなる。このため、図5(b)の構成の場合には、左上則端部でブレークダウンしやすくなり、多結晶シリコン層70の耐圧が低くなる。これに対して、図5(a)のようにpn接合を多結晶シリコン層70の長手方向と垂直に形成した場合には、こうした非対称性は発生しないため、耐圧を高くすることができる。 Since the voltage applied across the depletion layer 73 is the same as in FIGS. 5 (a) to right rule ends left law ends, at a point the length of the shortest length D 1 of the depletion layer 73 Has the highest electric field strength and is easy to break down. For this reason, in the case of the configuration of FIG. 5B, breakdown is easily caused at the upper left end, and the breakdown voltage of the polycrystalline silicon layer 70 is lowered. On the other hand, when the pn junction is formed perpendicular to the longitudinal direction of the polycrystalline silicon layer 70 as shown in FIG. 5A, such asymmetry does not occur, and the breakdown voltage can be increased.

なお、図3における多結晶シリコン層70の上下方向の長さ(ソース・ドレイン間距離)をLとし、多結晶シリコン層70の水平方向からの傾斜角をθとした場合、多結晶シリコン層70の長手方向における長さはL/sinθとなる。1本の多結晶シリコン層70におけるpn接合の数をNz、pn接合の周期をZpと、単一のpn接合の耐圧をVz、要求されるソース・ドレイン間の耐圧をVdsとした場合、Vds/Vz≒Nzとなる。すなわち、この条件が満たされるようにNzを設定すればよい。前記の通り、Nzを大きくするためには、θを小さくする(ただしθ≠0)ことが有効である。すなわち、sinθ<L/(Zp・Nz)とすればよい。   When the length in the vertical direction (distance between the source and the drain) of the polycrystalline silicon layer 70 in FIG. 3 is L and the inclination angle of the polycrystalline silicon layer 70 from the horizontal direction is θ, the polycrystalline silicon layer 70. The length in the longitudinal direction is L / sin θ. In the case where the number of pn junctions in one polycrystalline silicon layer 70 is Nz, the period of the pn junction is Zp, the breakdown voltage of a single pn junction is Vz, and the required breakdown voltage between the source and drain is Vds. / Vz≈Nz. That is, Nz may be set so that this condition is satisfied. As described above, in order to increase Nz, it is effective to reduce θ (however, θ ≠ 0). That is, sin θ <L / (Zp · Nz) may be satisfied.

なお、上記の多結晶シリコン層70においては、多結晶シリコン層70を絶縁体として用いている、すなわち、パワーMOSFETの通常動作時において両端部間において流れる電流が無視できる構成とすることが好ましい。このためには、p型領域71とn型領域72とでサイリスタが構成されないようにp型領域71の長さを設定することが好ましい。   In the polycrystalline silicon layer 70, it is preferable that the polycrystalline silicon layer 70 is used as an insulator, that is, the current flowing between both ends during the normal operation of the power MOSFET can be ignored. For this purpose, it is preferable to set the length of the p-type region 71 so that the p-type region 71 and the n-type region 72 do not constitute a thyristor.

なお、図1における能動領域Pの上辺側の周辺領域Qの構成は図3を時計回りに180°回転させた構成であり、能動領域Pの左辺側の周辺領域Qの構成は図3を時計回りに90°、能動領域Pの右辺側の周辺領域Qの構成は図3を時計回りに270°回転させた構成となる。   The configuration of the peripheral region Q on the upper side of the active region P in FIG. 1 is a configuration obtained by rotating FIG. 3 clockwise by 180 °, and the configuration of the peripheral region Q on the left side of the active region P is shown in FIG. The configuration of the peripheral region Q on the right side of the active region P is 90 ° around, and is a configuration obtained by rotating FIG. 3 270 ° clockwise.

図1における周辺領域Q内の領域Yの詳細の上面図を図6に示す。領域Yは、図1における能動領域Pの下辺側の周辺領域Qと、能動領域Pの左辺側の周辺領域Qとの接続部分である。なお、図示を省略しているが、領域Yにおいても、図4の場合と同様に、多結晶シリコン層70と半導体層50との間には周辺層間絶縁層(絶縁層)62が形成されている。   A detailed top view of the region Y in the peripheral region Q in FIG. 1 is shown in FIG. The region Y is a connection portion between the peripheral region Q on the lower side of the active region P in FIG. 1 and the peripheral region Q on the left side of the active region P. Although not shown, a peripheral interlayer insulating layer (insulating layer) 62 is formed between the polycrystalline silicon layer 70 and the semiconductor layer 50 in the region Y as well as in the case of FIG. Yes.

領域Yの上側の領域における構成は、図3の構成を時計回りに90°回転させた構成となる。このため、複数の多結晶シリコン層70は、領域Yにおいて延伸する方向が変化する。ただし、多結晶シリコン層70が曲がる際には、電界集中を発生しやすい鋭角的な部分が発生しない構成とされる。このため、図6中右側から前記の傾斜角θで延伸した多結晶シリコン層70は、図6中における水平方向(能動領域の端部を構成する直線と平行な方向)に一旦向きを変えた平行部を設け、その後に所定の曲率半径をもって図6中の上側に90°向きを変えた曲線部を設けている。図6においては、角部で最も外側となる多結晶シリコン層70における平行部をS、曲線部をBで示している。周辺領域Qの左辺側では、これらの多結晶シリコン層70は、能動領域Pの左辺と平行とされた平行部を挟んで、能動領域Pの左辺を構成する直線と傾斜角θとされて延伸する傾斜部が設けられている。   The configuration in the upper region of the region Y is a configuration obtained by rotating the configuration in FIG. 3 by 90 ° clockwise. For this reason, the extending direction of the plurality of polycrystalline silicon layers 70 in the region Y changes. However, when the polycrystalline silicon layer 70 is bent, an acute angle portion that is likely to cause electric field concentration is not generated. For this reason, the polycrystalline silicon layer 70 extended from the right side in FIG. 6 at the inclination angle θ is once changed in the horizontal direction in FIG. 6 (direction parallel to the straight line constituting the end of the active region). A parallel part is provided, and then a curved part with a predetermined radius of curvature is provided on the upper side in FIG. In FIG. 6, the parallel part in the polycrystalline silicon layer 70 which is the outermost part at the corner part is indicated by S, and the curved part is indicated by B. On the left side of the peripheral region Q, these polycrystalline silicon layers 70 are stretched with a straight line and an inclination angle θ constituting the left side of the active region P across a parallel portion parallel to the left side of the active region P. An inclined portion is provided.

各多結晶シリコン層70は、図6中の左下で円弧形状で90°向きを変える曲線部を具備する。この曲線部の曲率は、内側の多結晶シリコン層70から外側の多結晶シリコン層70に向かって大きくなるように設定されている。この際、各々の曲率中心は図6中のXで示される一定の箇所となるように設定される。   Each polycrystalline silicon layer 70 includes a curved portion that changes in a 90 ° direction in an arc shape in the lower left in FIG. 6. The curvature of the curved portion is set so as to increase from the inner polycrystalline silicon layer 70 toward the outer polycrystalline silicon layer 70. At this time, each center of curvature is set to be a fixed portion indicated by X in FIG.

この際、曲線部にpn接合を形成した場合には、図5(b)と同様の状況が発生しやすくなるため、この曲線部にはn型領域72を形成しないことが好ましい。このため、この曲線部はp型領域72のみで構成される。このため、各多結晶シリコン層70の曲線部は均一な電位となる。この電位は、各多結晶シリコン層70においてソース電極30から端部ドレイン電極41に至るまでの電位がpn接合によって分割された電位となる。半導体層50(p層53)の表面電位はこの電位に応じた値となり、各多結晶シリコン層70の曲線部の直下では一定となる。   At this time, when a pn junction is formed in the curved portion, the same situation as in FIG. 5B is likely to occur. Therefore, it is preferable not to form the n-type region 72 in the curved portion. For this reason, this curved portion is constituted only by the p-type region 72. Therefore, the curved portion of each polycrystalline silicon layer 70 has a uniform potential. This potential is a potential obtained by dividing the potential from the source electrode 30 to the end drain electrode 41 in each polycrystalline silicon layer 70 by the pn junction. The surface potential of semiconductor layer 50 (p layer 53) has a value corresponding to this potential, and is constant immediately below the curved portion of each polycrystalline silicon layer 70.

上記の構成の多結晶シリコン層70により、半導体層50(p層53)の表面電位を制御し、電界集中を抑制することができる。ここで、前記の通り、多結晶シリコン層70に傾斜部を形成することにより、多数のpn接合を多結晶シリコン層70中に形成することができる。これにより、能動領域Pの周辺の周辺領域Qの幅が狭い場合においても、周辺領域Q中において半導体層50の表面電位が制御される点を多数設けることができる。このため、従来のガードリングを用いた構成と比べて、電界強度の緩和を行う周辺領域Qの面積を小さくすることができ、チップ全体の面積を小さくすることができる。   The polycrystalline silicon layer 70 having the above configuration can control the surface potential of the semiconductor layer 50 (p layer 53) and suppress electric field concentration. Here, as described above, a large number of pn junctions can be formed in the polycrystalline silicon layer 70 by forming inclined portions in the polycrystalline silicon layer 70. Thereby, even when the width of the peripheral region Q around the active region P is narrow, it is possible to provide many points in the peripheral region Q where the surface potential of the semiconductor layer 50 is controlled. For this reason, compared with the structure using the conventional guard ring, the area of the peripheral region Q where electric field intensity is reduced can be reduced, and the area of the entire chip can be reduced.

上記の構成を製造するに際しては、多結晶シリコン層70は、ゲート酸化膜60を形成した後にゲート電極20と同時に多結晶シリコンで形成することができる。この際、周辺領域Qにおいて更に酸化膜を局所的に追加して形成することにより、多結晶シリコン層70下の酸化膜厚とゲート電極20下の酸化膜厚を異ならせることができる。その後の多結晶シリコン層70のパターニングは、ゲート電極20と同時に行うことができる。   In manufacturing the above configuration, the polycrystalline silicon layer 70 can be formed of polycrystalline silicon simultaneously with the gate electrode 20 after the gate oxide film 60 is formed. At this time, the oxide film under the polycrystalline silicon layer 70 and the oxide film under the gate electrode 20 can be made different by forming an additional oxide film locally in the peripheral region Q. The subsequent patterning of the polycrystalline silicon layer 70 can be performed simultaneously with the gate electrode 20.

また、p層53はホウ素等のイオン注入によって形成するが、この際に多結晶シリコン層70にもこのイオン注入が同時に行われる設定とすれば、多結晶シリコン層70全体をp型化することができる。同様に、n層54は燐等のイオン注入によって形成するが、この際に多結晶シリコン層70におけるn型領域72に対応する領域に選択的にイオン注入が同時に行われる設定とすれば、多結晶シリコン層70においてp型領域71、n型領域72を形成することができる。この際、隣接する多結晶シリコン層70(傾斜部)におけるpn接合界面が同一直線を形成する構成とすれば、周辺領域Qにおいてn型領域72を形成するためのマスクは、単純なライン&スペースのパターンとなる。このため、この製造が特に容易であり、各n型領域72を小さくすることも特に容易となる。なお、端部n層55もn層54と同時に形成することができる。 Further, the p layer 53 is formed by ion implantation of boron or the like. If the ion implantation is performed simultaneously on the polycrystalline silicon layer 70 at this time, the entire polycrystalline silicon layer 70 is made p-type. Can do. Similarly, the n + layer 54 is formed by ion implantation of phosphorus or the like. At this time, if the ion implantation is selectively performed simultaneously in the region corresponding to the n-type region 72 in the polycrystalline silicon layer 70, A p-type region 71 and an n-type region 72 can be formed in the polycrystalline silicon layer 70. At this time, if the pn junction interface in the adjacent polycrystalline silicon layer 70 (inclined portion) forms the same straight line, the mask for forming the n-type region 72 in the peripheral region Q is a simple line and space. Pattern. For this reason, this manufacturing is particularly easy, and it is particularly easy to make each n-type region 72 small. Note that the end n + layer 55 can also be formed simultaneously with the n + layer 54.

また、層間絶縁層61と多結晶シリコン層70上の周辺層間絶縁層62は同時に形成することができる。層間絶縁層61、周辺層間絶縁層62に開口を形成した後で、ソース電極30、ゲート接続電極21、端部ドレイン電極41をAl等の材料で同時に形成することができる。一方、下面側においては、同様にAl等の材料でドレイン電極40を形成することができる。   Further, the interlayer insulating layer 61 and the peripheral interlayer insulating layer 62 on the polycrystalline silicon layer 70 can be formed simultaneously. After the openings are formed in the interlayer insulating layer 61 and the peripheral interlayer insulating layer 62, the source electrode 30, the gate connection electrode 21, and the end drain electrode 41 can be simultaneously formed of a material such as Al. On the other hand, on the lower surface side, the drain electrode 40 can be similarly formed of a material such as Al.

このように、このパワーMOSFET10においては、通常の構造をもつパワーMOSFET素子が能動領域Pに形成され、このパワーMOSFET素子を形成するための製造プロセスで、同時に上記の周辺領域Qの構造を形成することができる。すなわち、低コストで上記のパワーMOSFET10を製造することが可能である。   Thus, in the power MOSFET 10, a power MOSFET element having a normal structure is formed in the active region P, and the structure of the peripheral region Q is simultaneously formed in the manufacturing process for forming the power MOSFET element. be able to. That is, the power MOSFET 10 can be manufactured at a low cost.

なお、多結晶シリコン層70の構成は、上記の他にも適宜設定が可能である。例えば、多結晶シリコン層70におけるpn接合の構成は、電界強度が緩和されるように適宜設定することが可能であり、このためにはpn接合の周期性を部分的に崩すことが有効な場合もある。図7は、このために、図3の構成と比べて、多結晶シリコン層70の傾斜部におけるソース電極30に近い領域において、n型領域72を2本ずつ減少させた構成である。前記の通り、n型領域72をイオン注入によって形成することができるが、イオン注入の条件等を変更することなしに、n型領域72のパターン(マスクパターン)を変更することによって、こうした微調整を行うことができ、半導体層50中の電界分布を容易に最適化することができる。   The configuration of the polycrystalline silicon layer 70 can be set as appropriate in addition to the above. For example, the configuration of the pn junction in the polycrystalline silicon layer 70 can be set as appropriate so that the electric field strength is relaxed. For this purpose, it is effective to partially disrupt the periodicity of the pn junction. There is also. FIG. 7 shows a configuration in which n-type regions 72 are reduced by two in the region near the source electrode 30 in the inclined portion of the polycrystalline silicon layer 70 as compared with the configuration of FIG. As described above, the n-type region 72 can be formed by ion implantation. However, such fine adjustment can be made by changing the pattern (mask pattern) of the n-type region 72 without changing the ion implantation conditions. The electric field distribution in the semiconductor layer 50 can be easily optimized.

また、多結晶シリコン層70の曲線部の構成についても様々な設定が可能である。例えば、領域Yにおける構成を、図8のようにすることもできる。この例の場合には、各多結晶シリコン層70の向きが90°変わる箇所における曲率半径を一定としている。このため、各多結晶シリコン層70の曲率中心は、図8におけるXで示されるように、内側の多結晶シリコン層70においては内側に、外側の多結晶シリコン層70においては外側となるように設定される。   Various settings can also be made for the configuration of the curved portion of the polycrystalline silicon layer 70. For example, the configuration in the region Y can be as shown in FIG. In the case of this example, the radius of curvature at a location where the orientation of each polycrystalline silicon layer 70 changes by 90 ° is constant. Therefore, as shown by X in FIG. 8, the center of curvature of each polycrystalline silicon layer 70 is on the inner side in the inner polycrystalline silicon layer 70 and on the outer side in the outer polycrystalline silicon layer 70. Is set.

前記の通り、各多結晶シリコン層70の曲線部分にはpn接合が形成されないために、この曲線部分は同電位となる。このため、半導体層50における電界集中が発生しにくいように、これらの形状を適宜設定することが可能である。すなわち、上記のパワーMOSFET10においては、4つの角部に対応する箇所における多結晶シリコン層70の形状を適宜設定することによって、半導体層50における角部近辺の電界分布を最適化することができる。   As described above, since no pn junction is formed in the curved portion of each polycrystalline silicon layer 70, this curved portion has the same potential. For this reason, these shapes can be set as appropriate so that electric field concentration in the semiconductor layer 50 does not easily occur. That is, in the power MOSFET 10 described above, the electric field distribution near the corners in the semiconductor layer 50 can be optimized by appropriately setting the shape of the polycrystalline silicon layer 70 at the locations corresponding to the four corners.

また、図6に示されるように、多結晶シリコン層70においては、傾斜部(θ≠0°)が平行部(θ=0°)を介して曲線部に接続される。前記の通り、曲線部にはpn接合を形成しないことが好ましいが、この平行部にpn接合を形成することによって、平行部の直下における半導体層50の電位分布や曲線部の電位を設定することができる。図9は、この構成の一例を示す図である。ここでは、多結晶シリコン層70における左端側の平行部と、右端側の平行部に、n型領域72が追加して形成されている。平行部も傾斜部と同様に直線形状であるため、pn接合界面をこれらの直線と垂直に形成することが可能であり、傾斜部と同様に電位を調整することが可能である。図5(a)の場合と同様に、これによる多結晶シリコン層70中における電界集中は生じにくい。   Further, as shown in FIG. 6, in the polycrystalline silicon layer 70, the inclined portion (θ ≠ 0 °) is connected to the curved portion via the parallel portion (θ = 0 °). As described above, it is preferable not to form a pn junction in the curved portion. However, by forming a pn junction in the parallel portion, the potential distribution of the semiconductor layer 50 immediately below the parallel portion and the potential of the curved portion are set. Can do. FIG. 9 is a diagram showing an example of this configuration. Here, an n-type region 72 is additionally formed in the parallel portion on the left end side and the parallel portion on the right end side in the polycrystalline silicon layer 70. Since the parallel portion is also linear like the inclined portion, the pn junction interface can be formed perpendicular to these straight lines, and the potential can be adjusted in the same manner as the inclined portion. As in the case of FIG. 5A, the electric field concentration in the polycrystalline silicon layer 70 is less likely to occur.

上記の例においては、多結晶シリコン層70(周辺領域Q)によって半導体層50の電位分布が調整され、パワーMOSFETのソース(S)とドレイン(D)間の耐圧が向上する。一方、多結晶シリコン層70を、ソース・ドレイン間に接続されたツェナーダイオードの直列接続と考えることもできる。この場合、上記のパワーMOSFETの等価回路は図10(a)に示される通りとなる。すなわち、ソース電極端子(S)とドレイン電極端子(D)間にツェナーダイオード(ZD)が接続されている。ただし、このツェナーダイオードは、多数のツェナーダイオードが交互方向に直列に接続されて構成されている。この構成においては、前記の通り、このパワーMOSFET10の耐圧は周辺領域Qを設けることによって向上するが、高電圧印加時におけるソース・ドレイン間のブレークダウンが最終的にどの構成要素で発生するかは、適宜設定することができる。すなわち、このブレークダウンが、(1)能動領域PにおけるパワーMOSFET素子において発生する、あるいは(2)周辺領域Qにおける多結晶シリコン層70で発生する、という2つの設定をすることが可能である。(2)の場合には、周辺領域QがパワーMOSFET10における保護素子としても機能する。   In the above example, the potential distribution of the semiconductor layer 50 is adjusted by the polycrystalline silicon layer 70 (peripheral region Q), and the breakdown voltage between the source (S) and drain (D) of the power MOSFET is improved. On the other hand, the polycrystalline silicon layer 70 can also be considered as a series connection of Zener diodes connected between the source and the drain. In this case, an equivalent circuit of the power MOSFET is as shown in FIG. That is, a Zener diode (ZD) is connected between the source electrode terminal (S) and the drain electrode terminal (D). However, this Zener diode is configured by connecting a large number of Zener diodes in series in alternate directions. In this configuration, as described above, the breakdown voltage of the power MOSFET 10 is improved by providing the peripheral region Q. However, in which component will the breakdown between the source and the drain finally occur when a high voltage is applied? Can be set as appropriate. That is, it is possible to make two settings, that is, this breakdown occurs in the power MOSFET element in the active region P or (2) occurs in the polycrystalline silicon layer 70 in the peripheral region Q. In the case of (2), the peripheral region Q also functions as a protection element in the power MOSFET 10.

ブレークダウンを、(1)能動領域PにおけるパワーMOSFET素子において発生させる場合においては、前記の通り、このパワーMOSFET素子の耐圧をVdsとした場合に、Vdsを多結晶シリコン層70がブレークダウンする電圧Vz×Nzよりも低く設定すればよい。すなわち、Vds<Vz×Nzとすることにより、ブレークダウンを能動領域PにおけるパワーMOSFET素子において発生させることができる。前記の通り、この条件を満たすNzを得るためには、傾斜角θを、sinθ<L/(Zp・Nz)となる設定とすればよい。この耐圧Vdsは周辺領域Qの存在によって向上していることは前記の通りである。   When the breakdown is generated in (1) the power MOSFET element in the active region P, as described above, when the breakdown voltage of the power MOSFET element is Vds, Vds is the voltage at which the polycrystalline silicon layer 70 breaks down. What is necessary is just to set lower than VzxNz. That is, by setting Vds <Vz × Nz, breakdown can be generated in the power MOSFET element in the active region P. As described above, in order to obtain Nz satisfying this condition, the inclination angle θ may be set so that sin θ <L / (Zp · Nz). As described above, the breakdown voltage Vds is improved by the presence of the peripheral region Q.

逆に、パワーMOSFET素子を保護するという観点からは、(2)周辺領域Qにおける多結晶シリコン層70でブレークダウンを発生させる構成が有効である。こうした特性は、このパワーMOSFET10を例えばエンジンの点火用のスイッチング素子として用いる場合には特に好ましい。この場合の目安としては、前記の場合と逆に、Vds>Vz×Nzとなる。   On the contrary, from the viewpoint of protecting the power MOSFET element, (2) a configuration in which breakdown occurs in the polycrystalline silicon layer 70 in the peripheral region Q is effective. Such characteristics are particularly preferable when the power MOSFET 10 is used as, for example, a switching element for engine ignition. As a standard in this case, Vds> Vz × Nz, contrary to the above case.

ただし、この場合には、多結晶シリコン層70に流れる過電流を、ソース電極端子(S)には流さず、ゲート電極端子(G)に流すことが使用上好ましい場合もある。この場合の等価回路構成は、図10(b)の通りとすることができる。すなわち、前記の例では、ツェナーダイオード(ZD)の一端がソース電極端子(S)に接続されたのに対し、この一端をゲート電極端子(G)に接続される。具体的には、前記の例ではソース電極30に接続されていた多結晶シリコン層70の一端を、代わりにゲート接続電極21に接続する。パワーMOSFETの通常使用時においては、ソース電極端子(S)が接地電位、ドレイン電極端子(D)が高電位、ゲート電極端子(G)が接地電位に近い低電位(制御電位)、となるため、この場合においても、前記の耐圧向上の効果が同様に得られることは明らかである。すなわち、同様の耐圧向上の効果が得られる上に、周辺領域Qが保護素子として機能し、かつ保護素子に流れた過電流をゲート電極端子(G)に流すことができる。   However, in this case, it may be preferable in use that the overcurrent flowing through the polycrystalline silicon layer 70 does not flow through the source electrode terminal (S) but flows through the gate electrode terminal (G). The equivalent circuit configuration in this case can be as shown in FIG. That is, in the above example, one end of the Zener diode (ZD) is connected to the source electrode terminal (S), whereas this one end is connected to the gate electrode terminal (G). Specifically, one end of the polycrystalline silicon layer 70 connected to the source electrode 30 in the above example is connected to the gate connection electrode 21 instead. During normal use of the power MOSFET, the source electrode terminal (S) has a ground potential, the drain electrode terminal (D) has a high potential, and the gate electrode terminal (G) has a low potential (control potential) close to the ground potential. Also in this case, it is clear that the effect of improving the breakdown voltage can be obtained similarly. That is, the same breakdown voltage improving effect can be obtained, and the peripheral region Q functions as a protective element, and the overcurrent that has flowed through the protective element can flow to the gate electrode terminal (G).

以上の設定において、多結晶シリコン層70における単一のpn接合の耐圧Vzは調整が容易ではないが、Nzの設定は、n型領域72のパターニングの調整、すなわち、n型領域72の形成時のマスクパターンによって容易に行うことができる。従って、マスクパターン以外、例えばイオン注入条件等を行うことなしに、上記の(1)(2)の設定を容易に行うことができる。   In the above setting, the withstand voltage Vz of a single pn junction in the polycrystalline silicon layer 70 is not easily adjusted. However, the setting of Nz is the adjustment of the patterning of the n-type region 72, that is, when the n-type region 72 is formed This mask pattern can be easily used. Accordingly, the above settings (1) and (2) can be easily performed without performing, for example, ion implantation conditions other than the mask pattern.

なお、上記の例においては、能動領域Pの4辺全てに対応して上記の構成の多結晶シリコン層が設けられた場合について記載したが、特に電界集中が問題になる箇所においてのみ局所的に上記の構成の多結晶シリコン層を設けてもよい。   In the above example, the case where the polycrystalline silicon layer having the above-described configuration is provided corresponding to all four sides of the active region P has been described. A polycrystalline silicon layer having the above structure may be provided.

また、上記の構成において、半導体層や多結晶シリコン層におけるp型とn型とを逆転させても同様の効果を奏することは明らかである。また、多結晶シリコン層におけるp型領域とn型領域の形成方法についても任意である。   In the above configuration, it is clear that the same effect can be obtained even if the p-type and the n-type in the semiconductor layer and the polycrystalline silicon layer are reversed. Also, the method for forming the p-type region and the n-type region in the polycrystalline silicon layer is arbitrary.

また、上記の構成においては、能動領域Pにプレーナ型のパワーMOSFET素子が形成されるものとしたが、トレンチ型のパワーMOSFET素子、あるいはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子等を形成した場合でも、同様の効果を奏することは明らかである。IGBTの場合には、図2、4の構成における下面側にコレクタ層となるp層を設け、下面側にコレクタ電極を形成する以外は上記と同様であり、特に上面側の構成は同様である。この場合、上記のパワーMOSFETにおけるゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を、IGBTにおけるゲート電極、エミッタ電極、コレクタ電極、にそれぞれ置換すれば、同様の効果を奏することは明らかである。多結晶シリコン層の接続を、図10(a)(b)の等価回路が実現されるように行うことができることも同様であり、その効果も同様である。   In the above configuration, a planar type power MOSFET element is formed in the active region P. However, even when a trench type power MOSFET element, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) element, or the like is formed, It is clear that the same effect can be achieved. In the case of IGBT, it is the same as the above except that a p layer serving as a collector layer is provided on the lower surface side in the configuration of FIGS. 2 and 4 and a collector electrode is formed on the lower surface side. . In this case, if the gate electrode, source electrode, and drain electrode in the power MOSFET are replaced with the gate electrode, emitter electrode, and collector electrode in the IGBT, respectively, it is apparent that the same effect can be obtained. Similarly, the connection of the polycrystalline silicon layers can be performed so that the equivalent circuit of FIGS. 10A and 10B is realized, and the effect is also the same.

10 パワーMOSFET(半導体装置)
20 ゲート電極
21 ゲート接続電極
30 ソース電極
40 ドレイン電極
41 端部ドレイン電極
50 半導体層
51 n基板
52 n
53 p層
54 n
55 端部n
60 ゲート酸化膜
61 層間絶縁層
62 周辺層間絶縁層(絶縁層)
70 多結晶シリコン層
71 p型領域
72 n型領域
73 空乏層
10 Power MOSFET (semiconductor device)
20 gate electrode 21 gate connection electrode 30 source electrode 40 drain electrode 41 ends the drain electrode 50 semiconductor layer 51 n + substrate 52 n - layer 53 p layer 54 n + layer 55 ends the n + layer 60 gate oxide film 61 interlayer insulating layer 62 Peripheral interlayer insulation layer (insulation layer)
70 polycrystalline silicon layer 71 p-type region 72 n-type region 73 depletion layer

Claims (12)

2つの電極を具備する半導体素子が半導体層に形成され平面視において略矩形形状である能動領域の外側に、平面視において当該能動領域を取り囲む略矩形環形状の周辺領域を具備する半導体装置であって、
前記周辺領域において、
前記略矩形形状の1辺側において一端が前記2つの電極の一方と接続され、前記1辺と平行な前記略矩形環形状の外側の1辺側に向かって延伸し、当該外側の1辺側で他端が前記2つの電極の他方と接続される複数の多結晶シリコン層が、前記半導体層との間に絶縁層を挟んで形成され、
前記多結晶シリコン層は、長手方向が前記略矩形形状の1辺との間でなす角度がθ(0<θ<90°)となる直線形状とされて延伸する傾斜部を具備し、当該傾斜部において複数のpn接合が前記長手方向とpn接合界面とが垂直になるように形成され、複数の前記多結晶シリコン層において前記傾斜部が平行に形成された構成を具備することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device in which a semiconductor element having two electrodes is formed in a semiconductor layer and has a substantially rectangular ring-shaped peripheral region surrounding the active region in plan view outside the active region that is substantially rectangular shape in plan view. And
In the peripheral region,
One end of one side of the substantially rectangular shape is connected to one of the two electrodes, extends toward one side of the outer side of the substantially rectangular ring shape parallel to the one side, and one side of the outer side A plurality of polycrystalline silicon layers whose other ends are connected to the other of the two electrodes, with an insulating layer interposed between the semiconductor layers,
The polycrystalline silicon layer includes an inclined portion extending in a linear shape in which an angle between a longitudinal direction and one side of the substantially rectangular shape is θ (0 <θ <90 °). A plurality of pn junctions are formed so that the longitudinal direction and the pn junction interface are perpendicular to each other, and the inclined portions are formed in parallel in the plurality of polycrystalline silicon layers. Semiconductor device.
前記傾斜部において、前記pn接合界面が長手方向において周期的に形成された構成を具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the inclined portion has a configuration in which the pn junction interface is periodically formed in a longitudinal direction. 複数の前記多結晶シリコン層における前記傾斜部が平行とされた箇所において、前記pn接合界面が同一の直線を構成するように形成されたことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the pn junction interface is formed to form the same straight line at a portion where the inclined portions are parallel to each other in the plurality of polycrystalline silicon layers. . 前記複数の多結晶シリコン層は、前記略矩形形状における交差する2辺に対応した2つの前記傾斜部を具備すると共に、当該2つの前記傾斜部の間に、曲線形状で90°向きを変える曲線部を具備し、
2つの前記傾斜部の各々と前記曲線部との間に、前記交差する2辺の各々と平行に直線状に延伸する2つの平行部を具備することを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の半導体装置。
The plurality of polycrystalline silicon layers include two inclined portions corresponding to two intersecting sides in the substantially rectangular shape, and a curve that changes 90 ° in a curved shape between the two inclined portions. Comprising
4. Two parallel portions extending linearly in parallel with each of the two intersecting sides are provided between each of the two inclined portions and the curved portion. The semiconductor device according to any one of the above.
隣接する前記複数の多結晶シリコン層の曲線部は、それぞれ異なる曲率半径をもち略同一の曲率中心をもつ円弧形状を具備することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the curved portions of the plurality of adjacent polycrystalline silicon layers have arc shapes each having a different curvature radius and having substantially the same curvature center. 隣接する前記複数の多結晶シリコン層の曲線部は、略同一の曲率半径をもちそれぞれ異なる曲率中心をもつ円弧形状を具備することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the curved portions of the plurality of adjacent polycrystalline silicon layers have arc shapes having substantially the same radius of curvature and different curvature centers. 前記平行部において、pn接合が、前記平行部が延伸する方向とpn接合界面とが垂直になるように形成されたことを特徴とする請求項4から請求項6までのいずれか1項に記載の半導体装置。   The pn junction is formed in the parallel portion so that a direction in which the parallel portion extends and a pn junction interface are perpendicular to each other. Semiconductor device. 前記半導体素子はパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、又はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であることを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載の半導体装置。   8. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor element is a power MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). 9. 前記2つの電極の一方は、前記パワーMOSFETにおけるソース電極、又は前記IGBTにおけるエミッタ電極であり、
前記2つの電極の他方は、前記パワーMOSFETにおけるドレイン電極、又は前記IGBTにおけるコレクタ電極であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
One of the two electrodes is a source electrode in the power MOSFET or an emitter electrode in the IGBT,
The semiconductor device according to claim 8, wherein the other of the two electrodes is a drain electrode in the power MOSFET or a collector electrode in the IGBT.
前記半導体素子における前記2つの電極間の耐圧をVds、1本の多結晶シリコン層において形成されたpn接合の数をNz、当該pn接合のブレークダウン電圧をVzとした場合に、Vds<Vz×Nzとされたことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。   When the breakdown voltage between the two electrodes in the semiconductor element is Vds, the number of pn junctions formed in one polycrystalline silicon layer is Nz, and the breakdown voltage of the pn junction is Vz, Vds <Vz × The semiconductor device according to claim 9, wherein the semiconductor device is Nz. 前記2つの電極の一方は、前記パワーMOSFETにおけるゲート電極、又は前記IGBTにおけるゲート電極であり、
前記2つの電極の他方は、前記パワーMOSFETにおけるドレイン電極、又は前記IGBTにおけるコレクタ電極であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
One of the two electrodes is a gate electrode in the power MOSFET or a gate electrode in the IGBT,
The semiconductor device according to claim 8, wherein the other of the two electrodes is a drain electrode in the power MOSFET or a collector electrode in the IGBT.
前記半導体素子における前記2つの電極間の耐圧をVds、1本の多結晶シリコン層において形成されたpn接合の数をNz、当該pn接合のブレークダウン電圧をVzとした場合に、Vds>Vz×Nzとされたことを特徴とする請求項11に記載の半導体装置。   When the breakdown voltage between the two electrodes in the semiconductor element is Vds, the number of pn junctions formed in one polycrystalline silicon layer is Nz, and the breakdown voltage of the pn junction is Vz, Vds> Vz × The semiconductor device according to claim 11, wherein the semiconductor device is Nz.
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