JP2017139291A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device.
特許文献1は、メイン素子領域とセンス素子領域に区画されている半導体基板を備える半導体装置を開示する。メイン素子領域に対応する範囲の半導体基板にメインスイッチング素子が形成されており、センス素子領域に対応する範囲の半導体基板にセンススイッチング素子が形成されている。メイン素子領域の面積が、センス素子領域の面積よりも大きい。メインスイッチング素子に流れる電流とセンススイッチング素子に流れる電流の比は、メイン素子領域とセンス素子領域の面積比と略一致する。したがって、センススイッチング素子を流れる電流を検出することで、メインスイッチング素子を流れる電流を知ることができる。
負荷短絡等に起因してこのような半導体装置にサージが印加される場合がある。サージによってセンス素子領域でアバランシェ降伏が生じると、センス素子領域に負荷電流が流れる。センス素子領域の面積は小さいので、センス素子領域に負荷電流が流れると、電流集中を引き起こす。このような事態を避けるために、メイン素子領域で優先的にアバランシェ降伏を生じさせることで、センス素子領域に負荷電流が流れるのを抑える技術が望まれている。 A surge may be applied to such a semiconductor device due to a load short circuit or the like. When an avalanche breakdown occurs in the sense element region due to a surge, a load current flows in the sense element region. Since the area of the sense element region is small, current concentration occurs when a load current flows in the sense element region. In order to avoid such a situation, there is a demand for a technique for suppressing load current from flowing in the sense element region by preferentially causing avalanche breakdown in the main element region.
本明細書が開示する半導体装置の一実施形態は、少なくともメイン素子領域とセンス素子領域に区画されている半導体基板を備える。この実施形態の半導体装置では、メイン素子領域の面積が、センス素子領域の面積よりも大きい。メイン素子領域に対応する範囲の半導体基板に、第1ドリフト領域を有するメインスイッチング素子が形成されている。センス素子領域に対応する範囲の半導体基板に、第2ドリフト領域を有するセンススイッチング素子が形成されている。センススイッチング素子が形成されている範囲の第2ドリフト領域の結晶欠陥濃度が、メインスイッチング素子が形成されている範囲の第1ドリフト領域の結晶欠陥濃度よりも濃い。ここで、メインスイッチング素子及びセンススイッチング素子はいずれも、ゲート入力によって電流の導通状態と非導通状態をスイッチングする機能を有する素子であり、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)及びMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等が例示される。 One embodiment of a semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate that is partitioned into at least a main element region and a sense element region. In the semiconductor device of this embodiment, the area of the main element region is larger than the area of the sense element region. A main switching element having a first drift region is formed on a semiconductor substrate in a range corresponding to the main element region. A sense switching element having a second drift region is formed on a semiconductor substrate in a range corresponding to the sense element region. The crystal defect concentration in the second drift region in the range where the sense switching element is formed is higher than the crystal defect concentration in the first drift region in the range where the main switching element is formed. Here, each of the main switching element and the sense switching element is an element having a function of switching a current conduction state and a non-conduction state by a gate input, and includes an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect). Transistor) and the like.
上記実施形態の半導体装置では、センス素子領域の第2ドリフト領域の結晶欠陥濃度が濃く調整されているので、センス素子領域の第2ドリフト領域のキャリア密度が低くく、空乏層が第2ドリフト領域の高範囲に広がることができる。このため、上記実施形態の半導体装置では、センス素子領域の耐圧がメイン素子領域の耐圧よりも高い。これにより、負荷短絡等に起因して半導体装置にサージが印加されても、メイン素子領域で優先的にアバランシェ降伏が生じる。メイン素子領域の面積は広いので、メイン素子領域に負荷電流が流れても、電流集中が抑えられる。この結果、上記実施形態の半導体装置は、負荷電流に対して高い耐量を有することができる。 In the semiconductor device of the above embodiment, since the crystal defect concentration of the second drift region of the sense element region is adjusted to be high, the carrier density of the second drift region of the sense element region is low, and the depletion layer is the second drift region. Can spread to a high range. For this reason, in the semiconductor device of the above embodiment, the breakdown voltage of the sense element region is higher than the breakdown voltage of the main element region. As a result, even if a surge is applied to the semiconductor device due to a load short circuit or the like, avalanche breakdown occurs preferentially in the main element region. Since the area of the main element region is large, current concentration can be suppressed even when a load current flows through the main element region. As a result, the semiconductor device of the above embodiment can have a high tolerance for the load current.
図1は、実施形態に係る半導体装置1の回路図の概略を示す。半導体装置1は、メインスイッチング素子SW1及びセンススイッチング素子SW2を構成するIGBT、メインエミッタ電極22、センスエミッタ電極24、コレクタ電極28及びゲートパッド26を有する。メインエミッタ電極22は、外部電極44に接続される。センスエミッタ電極24は、センス抵抗R1を介して外部電極44に接続される。
FIG. 1 is a schematic circuit diagram of a
図2に示されるように、半導体装置1は、シリコン製の半導体基板10を有する。半導体基板10の表面には、複数のメインエミッタ電極22、センスエミッタ電極24及びゲートパッド26が形成されている。メインエミッタ電極22の周囲、さらに、隣接するメインエミッタ電極22の間には、ゲートパッド26に電気的に接続するゲート配線(図示省略)が配設されている。半導体基板10の裏面には、コレクタ電極28が形成されている。メインエミッタ電極22が形成されている範囲がメイン素子領域10Aに対応し、センスエミッタ電極24が形成されている範囲がセンス素子領域10Bに対応する。このように、半導体基板10はメイン素子領域10Aとセンス素子領域10Bに区画されており、メイン素子領域10Aの面積がセンス素子領域10Bの面積よりも大きい。
As shown in FIG. 2, the
図3に示されるように、メインエミッタ電極22が形成されているメイン素子領域10Aに対応する範囲の半導体基板10にメインスイッチング素子SW1が形成されており、センスエミッタ電極24が形成されているセンス素子領域10Bに対応する範囲の半導体基板10にセンススイッチング素子SW2が形成されている。メイン素子領域10Aとセンス素子領域10Bの間には、スイッチング素子が形成されていない分離領域10Cが存在する。
As shown in FIG. 3, the main switching element SW1 is formed on the
メインスイッチング素子SW1とセンススイッチング素子SW2の単位構造は共通である。したがって、以下では、メインスイッチング素子SW1とセンススイッチング素子SW2に共通する構成要素については共通の符号を付し、それらを纏めて説明をする。 The unit structure of the main switching element SW1 and the sense switching element SW2 is common. Therefore, in the following description, components common to the main switching element SW1 and the sense switching element SW2 are denoted by common reference numerals, and are described collectively.
半導体基板10は、コレクタ領域11、バッファ領域12、ドリフト領域13、ボディ領域14、ボディコンタクト領域15及びエミッタ領域16を有する。コレクタ領域11は、半導体基板10の裏層部に形成されており、半導体基板10の裏面に露出しており、p型不純物濃度が濃いp型領域である。メインスイッチング素子SW1及びセンススイッチング素子SW2のコレクタ領域11の各々は、コレクタ電極28に共通接続しており、コレクタ電極28にオーミック接触する。バッファ領域12は、コレクタ領域11とドリフト領域13の間に配置されており、n型領域である。ドリフト領域13は、バッファ領域12とボディ領域14の間に配置されており、n型不純物濃度が薄いn型領域である。ドリフト領域13は、半導体基板10に他の半導体領域を形成した残部である。ボディ領域14は、半導体基板10の表層部に形成されており、ドリフト領域13とエミッタ領域16の間に配置されており、p型領域である。ボディ領域14は、メイン素子領域10Aとセンス素子領域10Bの間でドリフト領域13によって分離されている。ボディコンタクト領域15は、半導体基板10の表層部に形成されており、半導体基板10の表面に露出しており、ボディ領域14に接しており、p型不純物が濃いp型領域である。メインスイッチング素子SW1のボディコンタクト領域15は、メインエミッタ電極22にオーミック接触する。センススイッチング素子SW2のボディコンタクト領域15は、センスエミッタ電極24にオーミック接触する。エミッタ領域16は、半導体基板10の表層部に形成されており、半導体基板10の表面に露出しており、ボディ領域14に接しており、n型不純物濃度が濃いn型領域である。エミッタ領域16は、半導体基板10の表面に露出する範囲に複数個形成されている。メインスイッチング素子SW1のエミッタ領域16は、メインエミッタ電極22にオーミック接触する。センススイッチング素子SW2のエミッタ領域16は、センスエミッタ電極24にオーミック接触する。
The
半導体基板10の表層部には、複数のトレンチが形成されている。各トレンチは、エミッタ領域16とボディ領域14を貫通してドリフト領域13に達する。各トレンチ内に、ゲート絶縁膜32とゲート電極34を有する絶縁トレンチゲート30が形成されている。ゲート絶縁膜32は、トレンチの内面を覆うように形成されている。ゲート電極34は、ゲート絶縁膜32によって半導体基板10から絶縁されている。ゲート電極34は、ゲート絶縁膜32を介して、エミッタ領域16、ボディ領域14及びドリフト領域13に対向する。ゲート電極34上に層間絶縁膜が形成されており、ゲート電極34とメインエミッタ電極22が層間絶縁膜で絶縁されており、ゲート電極34とセンスエミッタ電極24も層間絶縁膜で絶縁されている。ゲート電極34は、図示しないゲート配線によってゲートパッド26(図2参照)に電気的に接続されている。
A plurality of trenches are formed in the surface layer portion of the
上記したように、メインスイッチング素子SW1は、コレクタ電極28、コレクタ領域11、バッファ領域12、ドリフト領域13、ボディ領域14、ボディコンタクト領域15、エミッタ領域16、メインエミッタ電極22及び絶縁トレンチゲート30によって構成されている。また、センススイッチング素子SW2は、コレクタ電極28、コレクタ領域11、バッファ領域12、ドリフト領域13、ボディ領域14、ボディコンタクト領域15、エミッタ領域16、センスエミッタ電極24及び絶縁トレンチゲート30によって構成されている。このように、メインスイッチング素子SW1とセンススイッチング素子SW2の単位構造は共通である。メインスイッチング素子SW1は、ゲート電極34に印加されるゲート電圧に基づいて、コレクタ電極28とメインエミッタ電極22の間を流れる電流をスイッチングする。センススイッチング素子SW2は、ゲート電極34に印加されるゲート電圧に基づいて、コレクタ電極28とセンスエミッタ電極24の間を流れる電流をスイッチングする。
As described above, the main switching element SW1 includes the
半導体装置1では、センススイッチング素子SW2が形成されている範囲のドリフト領域13の結晶欠陥濃度が、メインスイッチング素子SW1が形成されている範囲のドリフト領域13の結晶欠陥濃度よりも濃くなるように構成されている。図3中の「×」が結晶欠陥を示す。半導体装置1では、結晶欠陥形成工程により、センス素子領域10Bに対して選択的に結晶欠陥が形成されている。例えば、半導体装置1では、センス素子領域10Bに対して選択的にHe照射を実施することで、センス素子領域10Bに対して選択的に結晶欠陥が形成されている。これにより、半導体装置1は、上記の結晶欠陥の濃度関係を有するように構成されている。なお、メインスイッチング素子SW1が形成されている範囲のドリフト領域13にも結晶欠陥を形成してもよいが、その場合でも、結晶欠陥濃度については上記関係が成立するように調整される。
The
次に、半導体装置1の動作について説明する。メインスイッチング素子SW1とセンススイッチング素子SW2を同時にオンさせると、コレクタ電極28から外部電極44(図1参照)に向かって電流が流れる。電流の大部分は、メインスイッチング素子SW1(即ち、メインエミッタ電極22)を経由して流れる。電流の一部は、センススイッチング素子SW2(即ち、センスエミッタ電極24)を経由して流れる。センススイッチング素子SW2に流れる電流は、センス抵抗R1の両端の電位差によって測定することができる。また、メインスイッチング素子SW1に流れる電流とセンススイッチング素子SW2に流れる電流の比は、メイン素子領域10Aの面積とセンス素子領域10Bの面積の比と略等しい。したがって、センススイッチング素子SW2の電流を検出することで、メインスイッチング素子SW1の電流を検出することができる。
Next, the operation of the
負荷短絡等に起因して半導体装置1にサージが印加される場合がある。半導体装置1では、センス素子領域10Bのドリフト領域13の結晶欠陥濃度が濃く調整されているので、センス素子領域10Bのドリフト領域13のキャリア密度が低くく、空乏層がドリフト領域13の高範囲に広がることができる。このため、半導体装置1では、センス素子領域10Bの耐圧がメイン素子領域10Aの耐圧よりも高い。これにより、負荷短絡等に起因して半導体装置1にサージが印加されても、メイン素子領域10Aで優先的にアバランシェ降伏が生じる。メイン素子領域10Aの面積は広いので、メイン素子領域10Aに負荷電流が流れても、電流集中が抑えられる。この結果、半導体装置1は、負荷電流に対して高い耐量を有することができる。
A surge may be applied to the
また、背景技術で例示した特開2012−253391号公報は、メイン素子領域で優先的にアバランシェ降伏を生じさせるために、絶縁トレンチゲートのピッチをメイン素子領域よりもセンス素子領域で狭くする例、絶縁トレンチゲートの深さをセンス素子領域よりもメイン素子領域で深くする例を開示する。しかしながら、特性改善のためにメイン素子領域の絶縁トレンチゲートのピッチはプロセス限界まで狭くなっており、センス素子領域の絶縁トレンチゲートのピッチをメイン素子領域よりも狭くすることは困難である。換言すると、絶縁トレンチゲートのピッチをメイン素子領域よりもセンス素子領域で狭くするためには、絶縁トレンチゲートのピッチをメイン素子領域で広くする必要があり、この場合、メインスイッチング素子SW1の特性を犠牲にしなければならない。また、絶縁トレンチゲートの深さをセンス素子領域よりもメイン素子領域で深くするためには、製造工程数を大幅に増加させなければならない。一方、本明細書で開示する半導体装置1は、メインスイッチング素子SW1とセンススイッチング素子SW2の単位構造は共通である。メインスイッチング素子SW1の特性を犠牲にしない。本明細書で開示する半導体装置1は、結晶欠陥を形成する工程(例えば、He照射)を追加するのみで、メイン素子領域で優先的にアバランシェ降伏を生じさせることができる。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-253391 exemplified in the background art is an example in which the pitch of the insulating trench gate is narrower in the sense element region than in the main element region in order to cause avalanche breakdown preferentially in the main element region, An example in which the depth of the insulating trench gate is made deeper in the main element region than in the sense element region is disclosed. However, in order to improve the characteristics, the pitch of the insulating trench gate in the main element region is narrowed to the process limit, and it is difficult to make the pitch of the insulating trench gate in the sense element region narrower than that of the main element region. In other words, in order to make the pitch of the insulating trench gate narrower in the sense element region than in the main element region, it is necessary to increase the pitch of the insulating trench gate in the main element region. In this case, the characteristics of the main switching element SW1 are changed. You have to sacrifice. Further, in order to make the depth of the insulating trench gate deeper in the main element region than in the sense element region, the number of manufacturing steps must be greatly increased. On the other hand, in the
上記では、メイン素子領域10Aにスイッチング素子SW1のみが形成されている例を説明した。この例に代えて、メイン素子領域10Aにスイッチング素子SW1の他に、還流用のダイオードが形成されていてもよい。この場合、メイン素子領域10Aのうちのダイオードが形成されている範囲のドリフト領域13には、結晶欠陥が形成されていてもよい。この結晶欠陥は、センス素子領域10Bに形成される結晶欠陥と同一工程で形成されていてもよい。この場合も、センススイッチング素子SW2が形成されている範囲のドリフト領域13の結晶欠陥濃度が、メイン素子領域10Aのうちのメインスイッチング素子SW1が形成されている範囲のドリフト領域13の結晶欠陥濃度よりも濃くなるように構成されていれば、負荷短絡等に起因して半導体装置1にサージが印加されても、メイン素子領域10Aで優先的にアバランシェ降伏を生じさせることができ、半導体装置1は、負荷電流に対して高い耐量を有することができる。
In the above, the example in which only the switching element SW1 is formed in the
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。 The embodiments have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of them.
1:半導体装置
10:半導体基板
10A:メイン素子領域
10B:センス素子領域
10C:分離領域
11:コレクタ領域
12:バッファ領域
13:ドリフト領域
14:ボディ領域
15:ボディコンタクト領域
16:エミッタ領域
22:メインエミッタ電極
24:センスエミッタ電極
26:ゲートパッド
28:コレクタ電極
30:絶縁トレンチゲート
32:ゲート絶縁膜
34:ゲート電極
SW1:メインスイッチング素子
SW2:センススイッチング素子
外部抵抗:R1
1: Semiconductor device 10:
Claims (1)
前記メイン素子領域の面積が、前記センス素子領域の面積よりも大きく、
前記メイン素子領域に対応する範囲の前記半導体基板に、第1ドリフト領域を有するメインスイッチング素子が形成されており、
前記センス素子領域に対応する範囲の前記半導体基板に、第2ドリフト領域を有するセンススイッチング素子が形成されており、
前記センススイッチング素子が形成されている範囲の前記第2ドリフト領域の結晶欠陥濃度が、前記メインスイッチング素子が形成されている範囲の前記第1ドリフト領域の結晶欠陥濃度よりも濃い、半導体装置。 A semiconductor device comprising a semiconductor substrate divided into at least a main element region and a sense element region,
An area of the main element region is larger than an area of the sense element region;
A main switching element having a first drift region is formed on the semiconductor substrate in a range corresponding to the main element region;
A sense switching element having a second drift region is formed on the semiconductor substrate in a range corresponding to the sense element region;
The semiconductor device, wherein a crystal defect concentration of the second drift region in a range where the sense switching element is formed is higher than a crystal defect concentration of the first drift region in a range where the main switching element is formed.
Priority Applications (1)
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JP2016018104A JP2017139291A (en) | 2016-02-02 | 2016-02-02 | Semiconductor device |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2022004807A1 (en) * | 2020-07-03 | 2022-01-06 | 株式会社デンソー | Semiconductor device |
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2016
- 2016-02-02 JP JP2016018104A patent/JP2017139291A/en active Pending
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WO2022004807A1 (en) * | 2020-07-03 | 2022-01-06 | 株式会社デンソー | Semiconductor device |
JP7364081B2 (en) | 2020-07-03 | 2023-10-18 | 株式会社デンソー | semiconductor equipment |
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