JP2013191597A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、特にオン抵抗が低くESD耐性のすぐれたLDMOSトランジスタからなる半導体装置に係るものである。 The present invention relates to a semiconductor device, and particularly relates to a semiconductor device including an LDMOS transistor having low on-resistance and excellent ESD resistance.
半導体装置にはLDMOSトランジスで構成されるものがある。DMOSとはDouble―Diffused Metal Oxide Semiconductorの略称である。また、DMOSトランジスタの内、ドレイン電流がソース−ドレイン間を半導体基板の表面で横方向に流れるものがLDMOSトランジスタである。LDとはLaterally Diffusedの略称である。LDMOSトランジスタは電源回路やドライバー回路等に広く採用されている。尚、ESDとはElecto―Static Dischageの略称である。 Some semiconductor devices are composed of LDMOS transistors. DMOS is an abbreviation for Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor. Of the DMOS transistors, the one in which the drain current flows laterally between the source and the drain on the surface of the semiconductor substrate is the LDMOS transistor. LD is an abbreviation for Laterally Diffused. LDMOS transistors are widely used in power supply circuits and driver circuits. Note that ESD is an abbreviation for Electro-Static Discharge.
ゲートチャネル層に隣接して、高濃度の不純物が含まれるソース層およびドレイン層を形成するMOSトランジスタにおいては、ドレイン層に逆バイアスを印加したとき、ドレイン層から下側の半導体層への空乏層は、半導体層の不純物濃度に応じて拡がっていく。 In a MOS transistor that forms a source layer and a drain layer containing a high-concentration impurity adjacent to the gate channel layer, a depletion layer from the drain layer to the lower semiconductor layer when a reverse bias is applied to the drain layer Increases depending on the impurity concentration of the semiconductor layer.
しかし、ゲートチャネル層と隣接するドレイン層から、ゲートチャネル層となる半導体層への横方向の空乏層は、ゲート電極とドレイン層の電界が影響して十分拡がる事ができない。従って、ドレイン層の下方向に比し、ドレイン層の横方向の電界強度がはるかに大きくなり絶縁破壊を起こしてしまうため、高耐圧MOSトランジスタの実現が困難であった。 However, the lateral depletion layer from the drain layer adjacent to the gate channel layer to the semiconductor layer serving as the gate channel layer cannot be sufficiently expanded due to the electric field of the gate electrode and the drain layer. Therefore, since the electric field strength in the lateral direction of the drain layer is much larger than that in the downward direction of the drain layer, dielectric breakdown occurs, and it is difficult to realize a high voltage MOS transistor.
係る問題を解決するため、ゲート絶縁膜の膜厚を厚くしゲート電極からの電界を弱める対処が行われる。しかし、微細化の進展と共にゲート絶縁膜は薄膜化の方向に向かい、高耐圧の要求に対処する方法として、高濃度ドレイン層をゲートから離間させるいわゆるオフセットドレイン構造が採用されてきた。 In order to solve such a problem, measures are taken to increase the thickness of the gate insulating film and weaken the electric field from the gate electrode. However, as the miniaturization progresses, the gate insulating film moves in the direction of thinning, and a so-called offset drain structure in which the high-concentration drain layer is separated from the gate has been adopted as a method for dealing with the demand for high breakdown voltage.
オフセットドレイン構造とはゲートチャネル層から高濃度のドレイン層を離間させた構成である。この場合、ゲートチャネル層と高濃度ドレイン層の間に、ドレイン層と同型の不純物で高濃度ドレイン層より低濃度の、いわゆるドリフト層を形成し、高濃度ドレイン層から横方向へ空乏層が拡がりやすくして横方向の電界強度を弱め、耐圧の改善を図っている。 The offset drain structure is a structure in which a high-concentration drain layer is separated from the gate channel layer. In this case, a so-called drift layer is formed between the gate channel layer and the high-concentration drain layer with impurities of the same type as the drain layer and having a lower concentration than the high-concentration drain layer, and the depletion layer extends laterally from the high-concentration drain layer. The electric field strength in the lateral direction is weakened to improve the breakdown voltage.
図8に、従来のオフセットドレイン構造のLDMOSトランジスタの断面構造を示す。P型半導体基板51上に、N+型埋め込み層52を挟んでN−型エピタキシャル層53が堆積される。または、N−型エピタキシャル層53を堆積する代わりに、P型半導体基板51の表面から深いN−型ウエル層が形成される場合もある。
FIG. 8 shows a cross-sectional structure of a conventional LDMOS transistor having an offset drain structure. An N− type
N−型エピタキシャル層53の表面には、所定の領域にP型ボディ層54及び該P型ボディ層54に隣接してN型ドリフト層55が形成される。N型ドリフト層55は電界緩和層として機能し、通常、LDMOSトランジスタのソース−ドレイン間耐圧BVDSを決定し、また、LDMOSトランジスタがオン動作しているときの主たるオン抵抗を構成する。
On the surface of the N− type
P型ボディ層54の表面にはN+型ソース層56、N型ドリフト層55の表面にはN+型ドレイン層57が形成される。また、P型ボディ層54の表面には、P型ボディ層54の電位をソース電極Sの電位に固定するためP+型コンタクト層58が形成される。また、N+型ソース層54の端部から不図示のゲート絶縁膜を介して、チャネル層となるP型ボディ層54上及びN型ドリフト層55上まで延在するポリシリコン等からなるゲート電極59が形成される。
An N +
また、ゲート電極59等を被覆する不図示の層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して、アルミニューム(Al)等からなる、N+型ソース層56と接続するソース電極S、N+型ドレイン層57と接続するドレイン電極D、ポリシリコン等からなるゲート電極59と接続するゲート電極Gが形成される。更に、この上に必要に応じ多層配線構造、パッシベーション膜が形成されLDMOSトランジスタが完成する。
In addition, the source electrode S, N + type drain layer, which is made of aluminum (Al) or the like and is connected to the N +
係るオフセットドレイン構造のLDMOSトランジスタの耐圧とオン抵抗はトレードオフの関係にあり、N型ドリフト層55の不純物濃度等を適切な値に選んで、耐圧とオン抵抗のバランスを図っている。オフセットドレイン構造のLDMOSトランジスタのオン抵抗の改善法に関しては、特許文献1および特許文献2に記載されている。
The breakdown voltage and the on-resistance of the LDMOS transistor having such an offset drain structure are in a trade-off relationship, and the impurity concentration of the N-
特許文献1ではオン抵抗を低減するため、ドリフト層となる不純物領域の不純物濃度を高くしている。この場合、耐圧確保のため、ドリフト層となる不純物領域のチャネル領域側に、チャネル形成用不純物を重畳させて形成し、その部分のドリフト層の不純物濃度を低下させている。これにより低濃度になった側のドリフト層となる不純物領域で耐圧を確保し、逆側の高濃度の不純物領域で低オン抵抗を実現している。
In
特許文献2では、P型LDMOSトランジスタのオン抵抗の低減化について開示している。ドレインを接地電位にして、ソースに高電圧を印加した場合の素子の内部状態をシミュレーションによって調べ、Pオフセット領域の表面でアバランシェが起きることを確認している。Pオフセット領域の不純物濃度をそのままにしてオン抵抗を維持しつつ、耐圧を改善するため、ソースと同電位のフィールドプレートをPオフセット領域に形成しているのが内容になる。
いずれも、ドリフト層の不純物濃度を必要な値まで高くしてオン抵抗を低減させている。その結果生じる耐圧の低下は、ドリフト層となる不純物領域のチャネル領域側の不純物濃度を低下させるとか、Pオフセット領域の上方に高電位のフィールドプレートを配置しPオフセット領域に空乏層が拡がりやすくする等して解決している。 In either case, the on-resistance is reduced by increasing the impurity concentration of the drift layer to a required value. The resulting decrease in breakdown voltage reduces the impurity concentration on the channel region side of the impurity region serving as the drift layer, or arranges a high potential field plate above the P offset region to make the depletion layer easily spread in the P offset region. Equally solved.
ドリフト層の不純物濃度との関係で耐圧とトレードオフの関係にあるオン抵抗を、ドリフト層の不純物濃度から独立して低減させること、併せてESD耐性の強いLDMOSトランジスタを実現することが課題となる。 The challenge is to reduce the on-resistance, which is in a trade-off relationship with the breakdown voltage in relation to the impurity concentration of the drift layer, independently from the impurity concentration of the drift layer, and also to realize an LDMOS transistor with high ESD tolerance. .
本発明の半導体装置は、LDMOSトランジスタからなる半導体装置であって、第1導電型の半導体基板の表面に形成された第2導電型の埋め込み層と、前記埋め込み層を含む前記半導体基板上に形成された第2導電型のエピタキシャル層と、前記エピタキシャル層の表面から前記半導体基板まで延在して形成された第1導電型のボディ層と、前記エピタキシャル層の表面に前記ボディ層に隣接して形成された第2導電型のドリフト層と、前記ボディ層の表面に形成された第2導電型のソース層及び第1導電型のコンタクト層と、前記ソース層の端部からゲート絶縁膜を介して前記ドリフト層上まで延在するゲート電極と、前記ソース層と反対側の前記ゲート電極の端部から離間して、前記ドリフト層の表面に形成された第2導電型のドレイン層と、を具備し、前記埋め込み層が前記ドレイン層の直下領域から前記ボディ層方向に延在することを特徴とする。 The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device comprising an LDMOS transistor, and is formed on the semiconductor substrate including the second conductivity type buried layer formed on the surface of the first conductivity type semiconductor substrate and the buried layer. An epitaxial layer of the second conductivity type formed, a body layer of the first conductivity type formed extending from the surface of the epitaxial layer to the semiconductor substrate, and adjacent to the body layer on the surface of the epitaxial layer A formed second conductivity type drift layer, a second conductivity type source layer and a first conductivity type contact layer formed on the surface of the body layer, and an end portion of the source layer through a gate insulating film A drain electrode of a second conductivity type formed on the surface of the drift layer and spaced from the end of the gate electrode opposite to the source layer. Comprising a layer, wherein the buried layer is equal to or extending into the body layer direction from a region immediately below the drain layer.
また、本発明の半導体装置は、前記ボディ層が前記ソース層の直下領域まで延在することを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that the body layer extends to a region immediately below the source layer.
また、本発明の半導体装置は、前記ボディ層と前記埋め込み層で構成するPN接合の耐圧が前記ボディ層と前記ドリフト層で構成するPN接合の耐圧より低いことを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is characterized in that a breakdown voltage of a PN junction constituted by the body layer and the buried layer is lower than a breakdown voltage of a PN junction constituted by the body layer and the drift layer.
また、本発明の半導体装置は、前記半導体装置がサーマルヘッドドライバーであることを特徴とする。 The semiconductor device of the present invention is characterized in that the semiconductor device is a thermal head driver.
本発明の半導体装置によれば、オン抵抗が低くESD耐性のすぐれたLDMOSトランジスタが実現できる。 According to the semiconductor device of the present invention, an LDMOS transistor having low on-resistance and excellent ESD resistance can be realized.
[第1の実施形態]
本実施形態のLDMOSトランジスタのオン抵抗について、図1、図2、図4に基づき、図8に示す従来品と比較しながら以下に説明する。本願発明においては、N+型ドレイン層7領域近傍、N+型ソース層6領域近傍及びその間の領域が構成要素となるため、各図においては係る領域のみ拡大して表示する。
[First embodiment]
The on-resistance of the LDMOS transistor of this embodiment will be described below based on FIGS. 1, 2, and 4 and compared with the conventional product shown in FIG. In the present invention, the vicinity of the N + -
図1(A)は本実施形態のLDMOSトランジスタのN+型ソース層6、N+型ドレイン層7等の一部を示す平面図である。第2の実施形態、従来品も同様の平面図になる。
図1(B)は図1(A)のA−A線での断面図である。アルミニューム(Al)等からなる各電極は、図1(B)では、ソース電極S、ゲート電極G、ドレイン電極Dとしてのみ表示し、図1(A)では記載を省略する。ゲート絶縁膜、層間絶縁膜等も記載を省略する。
FIG. 1A is a plan view showing a part of the N +
FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. Each electrode made of aluminum (Al) or the like is displayed only as the source electrode S, the gate electrode G, and the drain electrode D in FIG. 1B, and the description is omitted in FIG. Description of a gate insulating film, an interlayer insulating film, and the like is also omitted.
本実施形態のLDMOSトランジスタは、図1(B)に示すように、図8に示す従来品と同様、P型半導体基板1の表面にN+型埋め込み層2を形成し、その上にN−型エピタキシャル層3を堆積し、該N−型エピタキシャル層3の表面の所定の領域にP型ボデイ層4、該P型ボディ層4に隣接してN型ドリフト層5が形成される。
In the LDMOS transistor of this embodiment, as shown in FIG. 1B, the N + type buried
N型ドリフト層5の表面には後述のゲート電極9の端部から離間してN+型ドレイン層7、P型ボディ層4の表面にはN+型ソース層6及び該N+型ソース層4とソース電極Sで接続されるP+型コンタクト層8が形成される。N+型ソース層6の端部から不図示のゲート絶縁膜を介して、P型ボディ層4のチャネル領域上、N型ドリフト層5上に延在するポリシリコン等からなるゲート電極9が形成される。
The surface of the N
本実施形態のLDMOSトランジスタの構成は、図8に示す従来品の構成と比較した場合、N−型エピタキシャル層3の膜厚が薄いこと、N+型埋め込み層2の形成領域がN+型ドレイン層7の直下領域からP型ボディ層4の端部方向に延在していること、及びP型ボディ層4がP型半導体基板1と接触していることである。なお、N−型エピタキシャル層3の膜厚は本実施形態では1μm、従来品では3.5μmである。
In the configuration of the LDMOS transistor of this embodiment, the N−
図8は、従来品のLDMOSトランジスタのドレイン電極Dに動作電圧vPが印加され、ソース電極S及びP型半導体基板1が接地され、ゲート電極Gに閾値電圧以上の電圧が印加されたときのLDMOSトランジスタを流れるオン電流の流路を示している。
FIG. 8 shows a case where the operating voltage v P is applied to the drain electrode D of the conventional LDMOS transistor, the source electrode S and the P-
一般的には、製造方法に依拠し、N型ドリフト層5は表面側で不純物濃度が高くなる。そのため、N型ドリフト層5の表面側で空乏層10は拡がりにくく、表面側の電界強度は内部より大きくなる。従って、N−型エピタキシャル層3の膜厚が厚い従来品では、同図に示すように、電界強度の大きいN型ドリフト層5の表面領域を流れるオン電流(1)がオン電流の主流となり、その他のN型ドリフト層5を流れるオン電流(2)と併せてオン電流の殆どを構成する。
Generally, depending on the manufacturing method, the N-
抵抗の高いN−型エピタキシャル層3を経由して流れるオン電流(3)は少なく、低抵抗のN+型埋め込み層2を経由して流れるオン電流も抵抗の高い膜厚の厚いN−型エピタキシャル層3を経由する必要があるため非常に少なくなる。
The on-current (3) flowing through the high-resistance N−
図2は、本実施形態のLDMOSトランジスタのドレイン電極Dに動作電圧+vPが印加され、ソース電極S及びP型半導体基板1が接地され、ゲート電極Gに閾値電圧以上の電圧が印加されたときのオン電流の流路を示している。ソース電極Sから流れ込む電子電流はN型に反転したチャネル層を経由し、P型ボデイ層4とN型ドリフト層5間に拡がる空乏層10の電界により加速されN型ドリフト層4内をN+型ドレイン層7に向かって流れる。
2 shows an operation voltage + v P applied to the drain electrode D of the LDMOS transistor of the present embodiment, the source electrode S and the P-
図8の従来品と異なり、本実施形態では、抵抗の高いN−型エピタキシャル層3の膜厚が薄い。また、不純物濃度の高いN+型埋め込み層2とN−型エピタキシャル層3との界面近傍でN+型埋め込み層2側に空乏層10が拡がりにくく同領域の電界強度が大きくなる。そのため、N−型エピタキシャル層3に流れ込んだオン電流は、N+型埋め込み層2上の高い電界強度にひきつけられ、低抵抗のN+型埋め込み層2に流入しやすくなりオン電流(4)を構成する。
Unlike the conventional product shown in FIG. 8, in this embodiment, the N−
本実施形態のLDMOSトランジスタのオン電流は、従来品では間に厚いN−型エピタキシャル層3が介在するため寄与率が低かった、低抵抗のN+型埋め込み層2を経由してN+型ドレイン層7に向かうオン電流(4)分だけ、従来品より増加する。オン電流(4)の寄与分が大きいためトータルのオン電流は大きく増大する。即ち、放電電流の流路が拡がりオン抵抗を低減させることができることが本実施形態の最大の特徴になる。
The on-current of the LDMOS transistor of the present embodiment has a low contribution rate due to the presence of the thick N−
図4に、本実施形態のLDMOSトランジスタと従来のLDMOSトランジスタのオン抵抗をドレイン−ソース間耐圧VDSとの関係で示す。ドレイン−ソース間耐圧VDSの値の如何にかかわらず、本実施形態のオン抵抗が従来品のオン抵抗より低いことが認められる。ドレイン−ソース間耐圧VDSの高い方でその差が開く傾向も認められる。ドレイン−ソース間耐圧VDSが高いということはN型ドリフト層5の不純物濃度が低いことを意味し、オン抵抗は高くなるためである。
4, the on-resistance of the LDMOS transistor and a conventional LDMOS transistor of this embodiment drain - shown in relation to source breakdown voltage V DS. Drain - regardless of the value of the source breakdown voltage V DS, the on-resistance of the present embodiment can be observed that less than the on-resistance of the conventional product. It is also recognized that the difference tends to increase when the drain-source breakdown voltage VDS is higher. Drain - that source breakdown voltage V DS is high means that the low impurity concentration of the N-
本実施形態のLDMOSトランジスタは、サーマルプリンターに用いられるサーマルヘッドドライバー用であり最大電圧12Vが規格になる。耐圧マージンを考慮した電圧17Vでの従来品のオン抵抗は、同図に示すように17.8mΩ・mm2になる。それに対して、本実施形態では11.8mΩ・mm2になる。 The LDMOS transistor of this embodiment is for a thermal head driver used in a thermal printer, and the maximum voltage of 12V is standard. The on-resistance of the conventional product at a voltage of 17 V in consideration of the withstand voltage margin is 17.8 mΩ · mm 2 as shown in FIG. On the other hand, in this embodiment, it is 11.8 mΩ · mm 2 .
従って、従来品のオン抵抗17.8mΩ・mm2に並列抵抗Xが付加されたことにより、本実施形態のオン抵抗が11.8mΩ・mm2に低減されたことになる。この場合の並列抵抗Xは35mΩ・mm2程度になることが計算できるので、本実施形態のLDMOSトランジスタのオン電流(4)の流路は概略35mΩ・mm2の抵抗で形成されていることになる。 Therefore, by adding the parallel resistance X to the conventional on-resistance of 17.8 mΩ · mm 2 , the on-resistance of the present embodiment is reduced to 11.8 mΩ · mm 2 . Since the parallel resistance X in this case can be calculated to be about 35 mΩ · mm 2 , the flow path of the on-current (4) of the LDMOS transistor of this embodiment is formed with a resistance of about 35 mΩ · mm 2. Become.
即ち、N−型エピタキシャル層3→N+型埋め込み層2→N−型エピタキシャル層3→N+型ドレイン層7と流れるオン電流(4)に対するオン抵抗35mΩ・mm2が、従来品のオン抵抗17.8mΩ・mm2に並列に接続され、全体のオン抵抗が11.8mΩ・mm2に低減される。これが本実施形態のLDMOSトランジスタの特徴になる。
That is, the on-resistance of 35 mΩ · mm 2 with respect to the on-current (4) flowing through the N−
なお、P型ボディ層4の端部からN+型埋め込み層2の端部までの距離が短いほどN+型埋め込み層2に流れ込むオン電流(4)は多くなり、全体のオン抵抗が低減できる。従って、P型ボディ層4の端部からN+型埋め込み層2の端部までの距離は、耐圧が許す限り短くするのが好ましい。
As the distance from the end portion of the P-
[第2の実施形態]
本実施形態のLDMOSトランジスタのESD耐性について、図5、図7に基づいて以下に説明する。図5は本実施形態のLDMOSトランジスタの断面図である。第1の実施形態との相違点はN+埋め込み層2がN+型ドレイン層7の下方からP型ボディ層4の底面まで延在する点である。その他の構成は第1の実施形態と同様になる。
[Second Embodiment]
The ESD resistance of the LDMOS transistor of this embodiment will be described below with reference to FIGS. FIG. 5 is a cross-sectional view of the LDMOS transistor of this embodiment. The difference from the first embodiment is that the N + buried
LDMOSトランジスタのドレイン電極Dに大きな正のチャージ電圧+VPが印加されると逆バイアスされたいずれかのPN接合でアバランシェ降伏が生じ大きな放電電流が流れる。本実施形態の特徴は、放電電流の流路が従来品と異なるため、電流流路の発熱量が少なく、且つ放熱量が多いため、発熱による温度上昇が小さくなり、結果としてESD耐性を大きくできたことである。 When a large positive charge voltage + VP is applied to the drain electrode D of the LDMOS transistor, avalanche breakdown occurs at any of the reverse-biased PN junctions, and a large discharge current flows. The feature of this embodiment is that the discharge current flow path is different from the conventional product, so that the heat generation amount of the current flow path is small and the heat dissipation amount is large. That is.
図5でその点について説明する。先ず、LDMOSトランジスタのドレイン電極Dに大きな正のサージ電圧+VPが印加される。このとき、P型ボディ層4とN型ドリフト層5及びN−型エピタキシャル層3とで構成されるPN接合では、主として不純物濃度の低いN型ドリフト層、N−型エピタキシャル層3の方向に向かって空乏層10が拡がる。
This will be described with reference to FIG. First, a large positive surge voltage + VP is applied to the drain electrode D of the LDMOS transistor. At this time, in the PN junction composed of the P-
同時に、N+型埋め込み層2とP型ボディ層4で構成されるPN接合では、低不純物濃度領域のP型ボディ層4に向かって空乏層10が拡がる。空乏層10の拡がりが一番小さい領域で電界強度が最大となり、当該領域のPN接合がアバランシェ降伏し、放電電流が接地ラインに向かって流れる。
At the same time, in the PN junction composed of the N + type buried
N+型埋め込み層2とP型ボディ層4で構成するPN接合の耐圧を、P型ボディ層4とN型ドリフト層5で構成するPN接合の耐圧より低く設定し、大きな正のチャージ電圧+VPがLDMOSトランジスタのドレイン電極Dに印加されたとき、N+型埋め込み層2とP型ボディ層4で構成するPN接合がアバランシェ降伏を起こさせるようにしたのが本実施形態の特徴である。
The withstand voltage of the PN junction constituted by the N + type buried
大きな正のチャージ電圧+VPがLDMOSトランジスタのドレイン電極Dに印加されると、図5に示すように、一番耐圧が低く設定されたN+型埋め込み層2とP型ボディ層4とで形成されるPN接合がアバランシェ降伏を起こし大量の正孔○+、電子○−対を発生させる。その結果、電子はN+埋め込み層2を経由して正の高電位のN+型ドレイン層7からドレイン電極に流出し、正孔は接地電位のP+型コンタクト層8を通ってソース電極Sに流出する。
When a large positive charge voltage + V P is applied to the drain electrode D of the LDMOS transistor, as shown in FIG. 5, formed at the very breakdown voltage and set N + -type buried
また、正孔は接地電位となるP+型コンタクト層8からソース電極Sに流出すると共に、一部はN+型ソース層6の周りに終結する。N+型ソース層6近傍に集結した正孔、またはP+型コンタクト層8に向かって流れる正孔によりP型ボディ層4の電位が上昇して、N+型ソース層6とP型ボディ層4で構成するPN接合が順方向にバイアスされる。
Further, the holes flow out from the P +
その結果、N+型ソース層6をエミッタ、P型ボディ層4をベース、N+型埋め込み層2をコレクタとする第1の寄生NPNバイポーラトランジスタがオン状態になり、いわゆるスナップバック現象が生じる。図7(A)の実線で示すように、ドレイン−ソース間電圧VDSがスナップバック電圧VS1まで上昇すると第1の寄生NPNバイポーラトランジスタがオン状態になりスナップバック現象を起こす。
As a result, the first parasitic NPN bipolar transistor having the N + type
スナップバック現象が起きるとドレイン−ソース間電圧VDSが急激に保持電圧VH1まで低下する。保持電圧VH1は該第1の寄生NPNバイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間の耐圧VCERに相当する。その後、該第1の寄生NPNバイポーラトランジスタのエミッタ−コレクタ間にコレクタ抵抗等により定まる、図7(A)に示す傾斜でもって増大する図5に示す放電電流(1)が流れる。 When the snapback phenomenon occurs, the drain-source voltage VDS suddenly decreases to the holding voltage VH1 . The holding voltage V H1 corresponds to the collector-emitter breakdown voltage V CER of the first parasitic NPN bipolar transistor. Thereafter, the discharge current (1) shown in FIG. 5 increases with the slope shown in FIG. 7 (A), which is determined by the collector resistance and the like between the emitter and collector of the first parasitic NPN bipolar transistor.
放電電流(1)が増加するに従い、ジュール熱により放電電流経路の温度が上昇し、最終的に同図に示すように、LDMOSトランジスタは熱破壊して、ドレイン−ソース間電圧VDSが低下し、放電電流が増大する。本実施形態では、放電電流(1)は、低抵抗のN+型不純物層2を流れるため発熱量は少ない。また、放電電流(1)は、熱の吸収体となるP型半導体基板1と隣接するN+型埋め込み層2を流れるため、N+型埋め込み層2で発生したジュール熱は、P型半導体基板1に放熱されやすい。
As the discharge current (1) increases, the temperature of the discharge current path rises due to Joule heat, and as shown in the figure, the LDMOS transistor is thermally destroyed and the drain-source voltage VDS decreases. The discharge current increases. In this embodiment, since the discharge current (1) flows through the low resistance N +
従って、放電電流(1)のジュール熱よるLDMOSトランジスタの温度上昇領域は、スポット状ではなくN+型埋め込み層2から広く上方に拡がる。結果的に、LDMOSトランジスタの温度上昇は低く押えられる。
Therefore, the temperature rise region of the LDMOS transistor due to the Joule heat of the discharge current (1) is not spot-like but widens upward from the N + type buried
図5では、主たる放電電流(1)以外に放電電流(2)、放電電流(3)、放電電流(4)も表示している。これはN+型ソース層6の近傍のP型ボディ層4の電位が高くなることによりN+型ソース層6をエミッタ、P型ボディ層4をベース、N型ドリフト層5をコレクタとする第2の寄生NPNバイポーラトランジスタもオン状態になっていることを示す。但し、放電電流(2)〜(4)に対する電流流路の抵抗が大きいため、放電電流(1)よりは全放電電流に対する寄与率は少ない。
In FIG. 5, in addition to the main discharge current (1), the discharge current (2), the discharge current (3), and the discharge current (4) are also displayed. This is because the potential of the P-
それに対して、従来品のLDMOSトランジスタのドレイン電極Dに大きな正のサージ電圧+VPが印加された場合の放電電流の流路について図9に基づき説明する。ドレイン電極に大きな正のサージ電圧+VPが印加されるとP型ボディ層54とN型ドリフト層55、N−型エピタキシャル層53間に形成されるPN接合から空乏層100がN型ドリフト層、N−型エピタキシャル層53方向に向かって延在する。
On the other hand, the flow path of the discharge current when a large positive surge voltage + VP is applied to the drain electrode D of the conventional LDMOS transistor will be described with reference to FIG. When a large positive surge voltage + VP is applied to the drain electrode, the
N型ドリフト層55の不純物濃度はN−型エピタキシャル層53の不純物濃度より高く、前述したように、特に表面領域で高い。従って、空乏層100の幅は表面領域で狭くなり、電界強度も大きくなる。また、本実施形態と異なり、P型ボディ層54とN+型埋め込み層52は直接接触していず、その間に膜厚の厚い、低濃度のN−型エピタキシャル層53が介在する。従って、P型ボディ層54の底面でN型ドリフト層55の表面より電界強度が大きくなることもない。
The impurity concentration of the N
その結果、N型ドリフト層55の表面近傍でアバランシェ降伏が起こり、多数の正孔、電子対が発生する。前述同様電子はN型ドリフト層55を経由して正電位のN+型ドレイン層57に向かって流れ、正孔は接地電位のN+型ソース層56に向かって流れる。一部の正孔はP+型コンタクト層58を経由して接地電位のソース電極Sに流出する。
As a result, avalanche breakdown occurs near the surface of the N-
N+型ソース層56の回りに集結した正孔またはP+型コンタクト層58に向かって流れる正孔はP型ボディ層54の電位をN+型ソース層56の接地電位より高くすることになり、N+型ソース層56をエミッタ、P型ボディ層54をベース、N型ドリフト層55をコレクタとする寄生NPNバイポーラトランジスタがオン状態になり放電電流(1)及び若干の放電電流(2)がドレイン電極Dに流出する。
The holes collected around the N + type
N−型エピタキシャル層53は膜厚が厚いためN+型埋め込み層52を経由する放電電流は殆ど流れない。従って、本実施形態のLDMOSトランジスタに比べて、放電電流の流路が狭く放電電流に対する抵抗が大きくなり、発熱量は大きくなる。また、P型半導体基板51から離れたN型ドリフト層55の表面領域を流れる成分が殆どであることから、発熱部からP型半導体基板51への放熱量も少ない。従って、発熱領域もN型ドリフト層55の表面領域でスポット状の狭い領域になるため、その領域の温度上昇も大きくなる。
Since the N−
図7(A)に従来のLDMOSトランジスタのドレイン電極Dに大きな正のサージ電圧+VPが印加されたときの放電電流の様子を点線で示す。不図示のドレイン−ソース間耐圧BVDSが高い分、スナップバック電圧VS2も高くなっている。保持電圧VH2までVDSがスナップバックした後の放電電流は、ドレイン−ソース間電圧VDSに対して本実施形態より緩やかな傾斜で増加する。即ち、放電電流の流路の抵抗が本実施形態より大きいことを示している。 FIG. 7A shows a state of a discharge current when a large positive surge voltage + VP is applied to the drain electrode D of the conventional LDMOS transistor by a dotted line. Since the drain-source breakdown voltage BV DS ( not shown) is high, the snapback voltage V S2 is also high. The discharge current after V DS snaps back to the holding voltage V H2 increases with a gentler slope than the present embodiment with respect to the drain-source voltage V DS . That is, the resistance of the discharge current channel is larger than that of the present embodiment.
図7(B)は、放電電流とLDMOSトランジスタの発熱部の最高温度との関係を示すグラフである。全放電電流領域で本実施形態の発熱部の最高温度が従来品のそれよりも低くなる。例えば、LDMOSトランジスタが熱破壊する目安の温度1400Kに達する放電電流は、本実施形態のLDMOSトランジスタでは4.5Aに対して、従来のLDMOSトランジスタでは3.5Aと小さくなる。即ち、本実施形態のLDMOSトランジスタは、従来品よりも大きな放電電流が流れても熱破壊しないので、大きなサージ電圧+VPによる静電気を速やかに接地ラインに放電することができる。 FIG. 7B is a graph showing the relationship between the discharge current and the maximum temperature of the heat generating portion of the LDMOS transistor. In the entire discharge current region, the maximum temperature of the heat generating portion of this embodiment is lower than that of the conventional product. For example, the discharge current reaching a temperature of 1400 K, which is an indication of the thermal breakdown of the LDMOS transistor, is as small as 4.5 A in the LDMOS transistor of the present embodiment and 3.5 A in the conventional LDMOS transistor. That, LDMOS transistor of the present embodiment, since the conventional not thermally broken even if a large discharge current flows than, it is possible to discharge the static electricity due to a large surge voltage + V P promptly ground line.
このことは、本実施形態の放電電流に対する抵抗が、従来品の放電電流に対する抵抗より小さく、また本実施形態の放電電流が熱吸収体となるP型半導体基板1に近い領域を流れるのに対して、従来品がP型半導体基板1から離間したN型ドリフト層5の表面領域を流れるという前述した結果とも一致する。
This is because the resistance to the discharge current of this embodiment is smaller than the resistance to the discharge current of the conventional product, and the discharge current of this embodiment flows in a region close to the P-
なお、本実施形態では、ドレイン電極Dに動作電圧+vPを印加し、ソース電極S、P型半導体基板1を接地電位にし、ゲート電極Gに閾値電圧以上の電圧を印加してオン動作をさせた場合のオン抵抗も、従来品に比して低くできる。図6に示すように、第1の実施形態の場合と同様、N+型ソース層6からチャネル層を経由してN型ドリフト層5に流れ込む放電電流(1)、放電電流(2)に加え、膜厚の薄いN−型エピタキシャル層3を介してN+型埋め込み層2に流れ込みN+型ドレイン層7に流出する放電電流(3)が流れるからである。
In the present embodiment, the operating voltage + v P is applied to the drain electrode D, the source electrode S and the P-
また、図3に第1の実施形態のLDMOSトランジスタのドレイン電極Dに大きな正のサージ電圧+VPが印加された場合の放電電流の流路を示す。従来品の場合と同様、N型ドリフト層5の表面領域でアバランシェ降伏が生じ、N+型ソース層6をエミッタ、P型ボディ層4をベース、N型ドリフト層5をエミッタとする寄生NPNバイポーラトランジスタがオン状態になる。
FIG. 3 shows a flow path of a discharge current when a large positive surge voltage + VP is applied to the drain electrode D of the LDMOS transistor of the first embodiment. As in the case of the conventional product, an avalanche breakdown occurs in the surface region of the N-
しかし、従来品と比べたとき、N−型エピタキシャル層3の膜厚が薄く、N+型ドレイン層7の下方のN−型エピタキシャル層3とP型半導体基板1の間にP型ボディ層4側に向かって延在する低抵抗のN+型埋め込み層2が存在する点が異なる。また、N+型埋め込み層2との界面近傍のN−型エピタキシャル層3領域で電界強度が前述のように高くなる。
However, when compared with the conventional product, the N−
従って、放電電流はN型ドリフト層5内及び表面近傍を流れる放電電流(1)、放電電流(2)に加え、膜厚の薄いN−型エピタキシャル層3を経由し、低抵抗のN+埋め込み層2を経由しN+型ドレイン層7に流れる放電電流(3)が加わる。そのため、第1の実施形態のLDMOSトランジスタも、従来品より発熱部の温度上昇が押えられることになりESD耐性が改善される。
Accordingly, in addition to the discharge current (1) and the discharge current (2) flowing in the N-
1 P型半導体基板 2 N+型埋め込み層 3 N−型エピタキシャル層
4 P型ボディ層 5 N型ドリフト層 6 N+型ソース層
7 N+型ドレイン層 8 P+型コンタクト層 9 ポリシリゲート電極
10 空乏層 S ソース電極 G ゲート電極
D ドレイン電極 51 P型半導体基板 52 N+型埋め込み層
53 N−型エピタキシャル層 54 P型ボディ層
55 N型ドリフト層 56 N+型ソース層 57 N+型ドレイン層
58 P+型コンタクト層 59 ポリシリゲート電極 100 空乏層
1 P-type semiconductor substrate 2 N + type buried layer 3 N− type epitaxial layer 4 P type body layer 5 N type drift layer 6 N + type source layer
7 N + type drain layer 8 P + type contact layer 9
D drain electrode 51 P type semiconductor substrate 52 N + type buried layer
53 N-type epitaxial layer 54 P-type body layer
55 N-type drift layer 56 N + type source layer 57 N + type drain layer
58 P +
Claims (4)
第1導電型の半導体基板の表面に形成された第2導電型の埋め込み層と、
前記埋め込み層を含む前記半導体基板上に形成された第2導電型のエピタキシャル層と、
前記エピタキシャル層の表面から前記半導体基板まで延在して形成された第1導電型のボディ層と、
前記エピタキシャル層の表面に前記ボディ層に隣接して形成された第2導電型のドリフト層と、
前記ボディ層の表面に形成された第2導電型のソース層及び第1導電型のコンタクト層と、
前記ソース層の端部からゲート絶縁膜を介して前記ドリフト層上まで延在するゲート電極と、
前記ソース層と反対側の前記ゲート電極の端部から離間して、前記ドリフト層の表面に形成された第2導電型のドレイン層と、を具備し、前記埋め込み層が前記ドレイン層の直下領域から前記ボディ層方向に延在することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device comprising an LDMOS transistor,
A second conductivity type buried layer formed on the surface of the first conductivity type semiconductor substrate;
A second conductivity type epitaxial layer formed on the semiconductor substrate including the buried layer;
A body layer of a first conductivity type formed extending from the surface of the epitaxial layer to the semiconductor substrate;
A drift layer of a second conductivity type formed on the surface of the epitaxial layer adjacent to the body layer;
A second conductivity type source layer and a first conductivity type contact layer formed on the surface of the body layer;
A gate electrode extending from the end of the source layer to the drift layer through a gate insulating film;
A drain layer of a second conductivity type formed on the surface of the drift layer and spaced from the end of the gate electrode opposite to the source layer, wherein the buried layer is a region immediately below the drain layer Extending in the body layer direction.
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CN106252406A (en) * | 2015-06-12 | 2016-12-21 | 旺宏电子股份有限公司 | There is the semiconductor device of buried regions |
CN106601785A (en) * | 2015-10-16 | 2017-04-26 | 立锜科技股份有限公司 | High-side power device and manufacturing method thereof |
-
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- 2012-03-12 JP JP2012054588A patent/JP2013191597A/en active Pending
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