JP2022094896A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置に関し、特に、パルス幅変調(PWM)インバータ、スイッチング電源等におけるスイッチングパワーデバイスのゲートにオン・オフの駆動信号を伝達する場合等に使用される高耐圧集積回路装置(HVIC)に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and is a high withstand voltage integrated circuit device (HVIC) used particularly when transmitting an on / off drive signal to the gate of a switching power device in a pulse width modulation (PWM) inverter, a switching power supply, or the like. Regarding.
PWMインバータ等の電力逆変換(直流交流変換)用ブリッジ回路の上アームを構成するスイッチングパワーデバイスを駆動する手段としては、高耐圧接合を利用した素子分離方式のHVICが使用されている。HVICは、スイッチングパワーデバイスの異常時の過電流検出や温度検出手段を備えた高機能化を図ることができる。また、HVICは、トランスやフォトカプラ等による電位絶縁を行わないため、電源システムの小型化及び低コスト化を図ることができる。 As a means for driving a switching power device constituting an upper arm of a bridge circuit for reverse power conversion (DC / AC conversion) such as a PWM inverter, an element separation type HVIC using a high withstand voltage junction is used. The HVIC can be enhanced in functionality by providing overcurrent detection and temperature detection means at the time of abnormality of the switching power device. Further, since the HVIC does not perform potential insulation by a transformer, a photocoupler, or the like, it is possible to reduce the size and cost of the power supply system.
スイッチングパワーデバイスで構成されたハーフブリッジ回路を組み合わせて構成される電力変換システムは、モータ制御用のインバータのほか、アミューズメント機器、液晶パネル等の電源用途、エアコンや照明といった家電用インバータ等の多くの分野で広く利用されている。これらモータや照明等はインダクタンス負荷(L負荷)となるため、プリント基板上の配線やL負荷までのケーブル等による寄生インダクタンス成分等の影響が発生する。 Power conversion systems that are configured by combining half-bridge circuits composed of switching power devices include inverters for motor control, amusement equipment, power supply applications such as liquid crystal panels, and inverters for home appliances such as air conditioners and lighting. Widely used in the field. Since these motors, lighting, and the like have an inductance load (L load), the influence of parasitic inductance components and the like due to wiring on the printed circuit board, cables to the L load, and the like occurs.
即ち、上アームのスイッチングパワーデバイスがオフする時や、下アームのスイッチングパワーデバイスがオンとなるスイッチング時に、HVICを構成するハイサイド回路部の高電位側の基準電位となるVs端子の電位やH-VDD端子の電位が接地電位(GND電位)に対して負電位側へ変動する。この負電位側への変動(負サージ電圧)がハイサイド回路部の誤動作やラッチアップを引き起こし、それによってHVICが破壊に至る可能性がある。 That is, when the switching power device of the upper arm is turned off or when the switching power device of the lower arm is turned on, the potential of the Vs terminal which is the reference potential on the high potential side of the high side circuit portion constituting the HVIC or H -The potential of the VDD terminal fluctuates to the negative potential side with respect to the ground potential (GND potential). This fluctuation to the negative potential side (negative surge voltage) causes a malfunction or latch-up of the high-side circuit portion, which may lead to destruction of the HVIC.
このような負サージ電圧に対して、ハーフブリッジ構成のパワーデバイスを駆動するHVIC自身の誤動作や破壊を防止するためのチップレイアウト構成が開示されている(特許文献1参照)。特許文献1は、ハイサイド回路部の外周部に配置されるハイサイド回路部の電源の高電位側の電位に固定される領域のピックアップ領域をユニバーサルコンタクト領域とすることで、ローサイド回路部に流れ込むキャリア量を低減し、ローサイド回路部のロジック部の誤動作やラッチアップによる破壊を防止することを開示する。また、特許文献2は、高耐圧横型ダイオードのアノード及びカソードのそれぞれにn+/p+型のショート領域を設け、少数キャリアの引き抜きを促進することを開示する。
A chip layout configuration for preventing malfunction or destruction of the HVIC itself that drives a power device having a half-bridge configuration against such a negative surge voltage is disclosed (see Patent Document 1). In
また、近年、チップ小型化の観点から、自己分離型や接合分離型のHVICにおいては、高耐圧nチャネルMOSFETで構成されるレベルシフタと高耐圧接合終端領域(HVJT)を一体化した自己遮蔽方式を用いるのが主流となっている。自己遮蔽方式で安定したレベルシフト回路動作を実現するため、レベルシフタのドレインとH-VDD電位領域の寄生抵抗成分を高くする目的で、ハイサイド回路部を取り囲む耐圧領域内にp-型の開口部を設けた構成が開示されている(特許文献3~5参照)。また、特許文献3の図15に示した、p-開口部を使用せずに高耐圧nチャネルMOSFETをHVJTに一体化する構成も、上述した自己遮蔽方式に属する。更に、レベルシフタの周りをp-層で接合分離し、レベルシフタのドレインとH-VDD電位領域の寄生抵抗成分を完全になくした分割RESURF技術が開示されている(特許文献6参照)。特許文献6に開示された構成も、上述した自己遮蔽方式に属する。
In recent years, from the viewpoint of chip miniaturization, in self-separated type and junction-separated HVICs, a self-shielding method that integrates a level shifter composed of high-voltage n-channel MOSFETs and a high-voltage junction termination region (HVJT) has been adopted. It is the mainstream to use. In order to realize stable level shift circuit operation by the self-shielding method, a p - type opening is provided in the withstand voltage region surrounding the high side circuit section for the purpose of increasing the parasitic resistance component in the drain of the level shifter and the H- VDD potential region. (See
また、特許文献7は、パワーMOSFET内蔵のダイオードを、MOSFETの保護ダイオードとして利用できるようにソフトリカバリー特性を改善するために、セル領域の低濃度層の厚みに対して、外周領域の少なくとも一部の低濃度層の厚みが大である構成を開示する。また、特許文献8は、HVICにおいて、レベルシフタの発熱と伝達遅延時間のトレードオフを改善するために、レベルシフタの制御電極と重なる部分のベース領域の幅で定義される実効チャネル幅が、その実効チャネル幅と同一方向に沿って測られるドレイン領域の幅よりも広い構成を開示する。 Further, Patent Document 7 describes at least a part of the outer peripheral region with respect to the thickness of the low concentration layer in the cell region in order to improve the soft recovery characteristics so that the diode having a built-in power MOSFET can be used as the protection diode of the MOSFET. Discloses a configuration in which the thickness of the low-concentration layer is large. Further, in Patent Document 8, in order to improve the trade-off between heat generation of the level shifter and the transmission delay time in HVIC, the effective channel width defined by the width of the base region of the portion overlapping the control electrode of the level shifter is the effective channel. Disclosed is a configuration wider than the width of the drain region measured along the same direction as the width.
また、特許文献9には、トレンチMOSFETのトレンチ側壁にチャネル層を設けることで短絡耐量を向上する技術が開示されている。特許文献10には、トレンチ側壁にショットキー接触のSBDを内蔵したトレンチコンタクト構造のMOSFET技術が開示されている。特許文献11には、ソース領域にシリコン基板に通じる溝部を形成し、ソース電極とソース領域及びシリコン基板とをこの溝部によって電気的に接続してソース領域が短くなるようにし、ソース領域の下部を直接ソース電極と接続してソース領域の下部の抵抗成分を低減する技術が開示されている。 Further, Patent Document 9 discloses a technique for improving the short-circuit tolerance by providing a channel layer on the trench side wall of the trench MOSFET. Patent Document 10 discloses a MOSFET technique having a trench contact structure in which an SBD for Schottky contact is built in a trench side wall. In Patent Document 11, a groove portion leading to the silicon substrate is formed in the source region, and the source electrode, the source region, and the silicon substrate are electrically connected by the groove portion so that the source region is shortened, and the lower portion of the source region is formed. A technique for directly connecting to a source electrode to reduce the resistance component at the bottom of the source region is disclosed.
特許文献1に記載の技術では、H-VDD端子を経由して負サージ電圧が印加されたとき、HVJTの寄生pnダイオードのn-領域(H-VDD側)からp領域へ少数キャリアとして電子が注入され、このp領域を経由してローサイド回路部のn-領域へ電子が流れ込む。そのとき、n-領域(H-VDD側)からn-領域(ローサイド回路側)へ流れ込む電子の移動経路の途中にあるp領域に入り込んだ電子の一部は、このp領域より接合障壁が高い(0.6V程度高い)、即ち電子エネルギー障壁が低いn+領域でトラップされ、アノード電極内で引き抜かれる。そのため、n-領域(ローサイド回路側)へ流れ込む電子量が減少して、ローサイド回路部のロジックの誤動作やラッチアップによる破壊を防止することができる。また、p+領域(GND側)からp領域へ放出される正孔量はp+領域(GND側)に隣接してn+領域があるために抑制される。そのため、寄生pnダイオードのp領域からn-領域へ注入される正孔量も低減され、ハイサイド回路部のロジックの誤動作やラッチアップによる破壊を防止することができる。
In the technique described in
しかしながら、HVJT内に高耐圧nチャネルMOSFETを形成した自己遮蔽方式のHVICでは、H-VDD端子に負サージ電圧が印加された際、HVJTの寄生ダイオードの順方向電流が流れ始めるとともに、高耐圧nチャネルMOSFETのボディダイオードにも順方向電流が流れ始める。このとき、高耐圧nチャネルMOSFETのドレインとH-VDD電位領域の間に存在するp-開口部はn領域よりも電位の高い状態となり、接合障壁が潰れ、接合分離領域として機能しなくなる。その結果、高耐圧nチャネルMOSFETのドレイン及び、p-開口部を介してH-VDD電位領域から注入される過剰な電子キャリアがGND電位のp+領域へ流れ込む。一方でGND電位のp+領域からは過剰な正孔キャリアがドレイン領域へ流れ込むことになる。 However, in the self-shielding type HVIC in which the high withstand voltage n-channel MOSFET is formed in the HVJT, when a negative surge voltage is applied to the H- VDD terminal, the forward current of the parasitic diode of the HVJT starts to flow and the high withstand voltage n Forward current also begins to flow in the body diode of the channel MOSFET. At this time, the p - opening existing between the drain of the high withstand voltage n-channel MOSFET and the H- VDD potential region has a higher potential than the n region, the junction barrier is crushed, and the junction separation region does not function. As a result, excess electron carriers injected from the H- VDD potential region through the drain of the high withstand voltage n-channel MOSFET and the p - opening flow into the p + region of the GND potential. On the other hand, excess hole carriers flow into the drain region from the p + region of the GND potential.
そして、負サージ状態からVS電位が回復した際に、高耐圧nチャネルMOSFETのボディダイオードは逆回復状態となり、過剰な逆回復電流Irrが流れる。過剰な逆回復電流Irr(正孔電流)は、高耐圧nチャネルMOSFETのソース領域下のベース領域において0.6V以上の電圧降下を誘発し、寄生npnバイポーラが動作する。寄生npnバイポーラが動作すると、一定期間ドレインの電位が引き下げられて入力信号を受け付けない(信号無視)だけでなく、レベルシフト回路の誤動作や高温状態では熱暴走破壊を招くもとになる。 Then, when the VS potential is recovered from the negative surge state, the body diode of the high withstand voltage n-channel MOSFET is in the reverse recovery state, and an excessive reverse recovery current Irr flows. Excessive reverse recovery current Irr (hole current) induces a voltage drop of 0.6 V or more in the base region below the source region of the high withstand voltage n-channel MOSFET, and the parasitic npn bipolar operates. When the parasitic npn bipolar operates, not only the potential of the drain is lowered for a certain period of time and the input signal is not accepted (signal is ignored), but also a malfunction of the level shift circuit or a thermal runaway destruction is caused in a high temperature state.
つまり、特許文献1及び2に記載の、p領域とn領域とが互いに接して設けられた構成のユニバーサル電極は、高耐圧ダイオード領域のみに適用されるものであり、上述した逆回復電流Irrをトリガとした高耐圧MOSFETの寄生npnバイポーラトランジスタ動作を回避することはできない。
That is, the universal electrode described in
上記課題に鑑み、本発明は、自己遮蔽方式のHVICにおいて、レベルシフタである高耐圧MOSFETの寄生バイポーラトランジスタ動作を抑制可能なノイズ耐性の高い半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a semiconductor device having high noise immunity capable of suppressing the operation of a parasitic bipolar transistor of a high withstand voltage MOSFET as a level shifter in a self-shielding HVIC.
本発明の一態様は、高電位側回路領域と、高電位側回路領域の周囲に設けられた高耐圧接合終端構造と、高耐圧接合終端構造を介して高電位側回路領域の周囲に設けられた低電位側回路領域が同一半導体チップに集積化された半導体装置であって、(a)第1導電型の半導体層と、(b)高電位側回路領域に位置し、半導体層の表面層に設けられた第2導電型のウェル領域と、(c)ウェル領域の周囲を囲み、ウェル領域と接して設けられた、ウェル領域よりも低不純物濃度の第2導電型の耐圧領域と、(d)耐圧領域の周囲を囲み、耐圧領域と接して設けられた第1導電型のベース領域と、(e)低電位側回路領域と高電位側回路領域との間で信号を伝達するレベルシフト回路に含まれるレベルシフタの担体供給領域であって、ベース領域の表面層に設けられた第2導電型の担体供給領域と、(f)レベルシフタの担体受領領域であって、ウェル領域又は耐圧領域の表面層に設けられた担体受領領域とを備え、担体受領領域が、第1導電型の領域と第2導電型の領域とが互いに接して設けられたユニバーサルコンタクト領域で構成されている半導体装置であることを要旨とする。 One aspect of the present invention is provided around the high potential side circuit region via the high potential side circuit region, the high withstand voltage junction termination structure provided around the high potential side circuit region, and the high withstand voltage junction termination structure. This is a semiconductor device in which the low-potential side circuit region is integrated on the same semiconductor chip, and is located in (a) the first conductive type semiconductor layer and (b) the high-potential side circuit region, and is the surface layer of the semiconductor layer. The second conductive type well region provided in the above, and (c) the second conductive type pressure resistant region having a lower impurity concentration than the well region, which surrounds the well region and is provided in contact with the well region. d) A level shift that transmits a signal between the first conductive type base region that surrounds the withstand voltage region and is provided in contact with the withstand voltage region, and (e) the low potential side circuit region and the high potential side circuit region. A second conductive type carrier supply region provided on the surface layer of the base region, which is a carrier supply region of the level shifter included in the circuit, and (f) a carrier receiving region of the level shifter, which is a well region or a pressure resistant region. A semiconductor device comprising a carrier receiving region provided on a surface layer, and the carrier receiving region is composed of a universal contact region provided in which a first conductive type region and a second conductive type region are in contact with each other. The gist is that there is.
本発明の他の態様は、高電位側回路領域と、高電位側回路領域の周囲に設けられた高耐圧接合終端構造と、高耐圧接合終端構造を介して高電位側回路領域の周囲に設けられた低電位側回路領域が同一半導体チップに集積化された半導体装置であって、(a)第1導電型の半導体層と、(b)高電位側回路領域に位置し、半導体層の表面層に設けられた第2導電型のウェル領域と、(c)ウェル領域の周囲を囲み、ウェル領域と接して設けられた、ウェル領域よりも低不純物濃度の第2導電型の耐圧領域と、(d)耐圧領域の周囲を囲み、耐圧領域と接して設けられた第1導電型のベース領域と、(e)低電位側回路領域と高電位側回路領域との間で信号を伝達するレベルシフト回路に含まれるレベルシフタの担体供給領域であって、ベース領域の表面層に設けられた第2導電型の担体供給領域と、(f)レベルシフタの担体受領領域であって、ウェル領域又は耐圧領域の表面層に設けられた担体受領領域と、(g)ウェル領域の表面層に設けられた複数のピックアップ領域とを備え、ピックアップ領域が、第1導電型の領域と第2導電型の領域とが互いに接して設けられたユニバーサルコンタクト領域で構成されている半導体装置であることを要旨とする。 Another aspect of the present invention is provided around the high potential side circuit region via the high potential side circuit region, the high withstand voltage junction termination structure provided around the high potential side circuit region, and the high withstand voltage junction termination structure. The low-potential side circuit region is integrated into the same semiconductor chip, and is located in (a) the first conductive type semiconductor layer and (b) the high-potential side circuit region, and is the surface of the semiconductor layer. A second conductive type well region provided in the layer, and (c) a second conductive type pressure resistant region having a lower impurity concentration than the well region, which surrounds the well region and is provided in contact with the well region. (D) A level at which a signal is transmitted between a first conductive type base region that surrounds the withstand voltage region and is provided in contact with the withstand voltage region, and (e) between a low potential side circuit region and a high potential side circuit region. A second conductive type carrier supply region provided on the surface layer of the base region, which is a carrier supply region of the level shifter included in the shift circuit, and (f) a carrier receiving region of the level shifter, which is a well region or a pressure resistant region. A carrier receiving region provided on the surface layer of the above, and a plurality of pickup regions provided on the surface layer of the (g) well region, and the pickup region includes a first conductive type region and a second conductive type region. The gist is that is a semiconductor device composed of universal contact regions provided in contact with each other.
本発明の更に他の態様は、高電位側回路領域と、高電位側回路領域の周囲に設けられた高耐圧接合終端構造と、高耐圧接合終端構造を介して高電位側回路領域の周囲に設けられた低電位側回路領域が同一半導体チップに集積化された半導体装置であって、(a)第1導電型の半導体層と、(b)高電位側回路領域に位置し、半導体層の表面層に設けられた第2導電型のウェル領域と、(c)ウェル領域の周囲を囲み、ウェル領域と接して設けられた、ウェル領域よりも低不純物濃度の第2導電型の耐圧領域と、(d)耐圧領域の周囲を囲み、耐圧領域と接して設けられた第1導電型のベース領域と、(e)低電位側回路領域と高電位側回路領域との間で信号を伝達するレベルシフト回路に含まれるレベルシフタの担体供給領域であって、ベース領域の表面層に設けられた第2導電型の担体供給領域と、(f)レベルシフタの担体受領領域であって、ウェル領域又は耐圧領域の表面層に設けられた担体受領領域とを備え、平面パターン上、担体供給領域及び担体受領領域が互いに平行に設けられ、担体供給領域の幅が担体受領領域の幅よりも広く、平面パターン上、担体受領領域に対向する位置の担体供給領域の密度が、担体受領領域に対向しない位置の担体供給領域の密度よりも低い半導体装置であることを要旨とする。 Yet another aspect of the present invention is around the high potential side circuit region via the high potential side circuit region, the high withstand voltage junction termination structure provided around the high potential side circuit region, and the high withstand voltage junction termination structure. The provided low-potential side circuit region is a semiconductor device integrated on the same semiconductor chip, and is located in (a) a first conductive type semiconductor layer and (b) a high-potential side circuit region, and is a semiconductor layer. A second conductive type well region provided on the surface layer, and (c) a second conductive type pressure resistant region having a lower impurity concentration than the well region, which surrounds the well region and is provided in contact with the well region. , (D) A first conductive type base region that surrounds the withstand voltage region and is provided in contact with the withstand voltage region, and (e) transmits a signal between the low potential side circuit region and the high potential side circuit region. The carrier supply region of the level shifter included in the level shift circuit, which is the second conductive type carrier supply region provided on the surface layer of the base region, and (f) the carrier receiving region of the level shifter, which is the well region or the withstand voltage. The carrier receiving region is provided on the surface layer of the region, the carrier supply region and the carrier receiving region are provided parallel to each other on the plane pattern, the width of the carrier supply region is wider than the width of the carrier receiving region, and the plane pattern. The gist of the present invention is that the density of the carrier supply region at a position facing the carrier receiving region is lower than the density of the carrier supply region at a position not facing the carrier receiving region.
本発明によれば、自己遮蔽方式のHVICにおいて、レベルシフタである高耐圧MOSFETの寄生バイポーラトランジスタ動作を抑制可能なノイズ耐性の高い半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having high noise immunity capable of suppressing the operation of a parasitic bipolar transistor of a high withstand voltage MOSFET as a level shifter in a self-shielding HVIC.
以下、図面を参照して、本発明の第1~第9実施形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。 Hereinafter, the first to ninth embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are designated by the same or similar reference numerals, and duplicate description will be omitted. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimensions, the ratio of the thickness of each layer, etc. may differ from the actual ones. In addition, parts having different dimensional relationships and ratios may be included between the drawings. Further, the embodiments shown below exemplify devices and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention describes the material, shape, structure, and arrangement of constituent parts. Etc. are not specified as the following.
本明細書において、「担体供給領域」とは、電界効果トランジスタ(FET)や静電誘導トランジスタ(SIT)のソース領域、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)のエミッタ領域等の主電流を構成する多数キャリアを供給する半導体領域を意味する。また、静電誘導(SI)サイリスタやゲートターンオフ(GTO)サイリスタにおいてはアノード領域が担体供給領域となる。また、「担体受領領域」とは、FETやSITのドレイン領域、IGBTのコレクタ領域等の主電流を構成する多数キャリアを受領する半導体領域を意味する。SIサイリスタやGTOサイリスタにおいてはカソード領域が担体受領領域として機能する。また、「制御電極」とは、FET、SIT、IGBT、SIサイリスタやGTOサイリスタのゲート電極を意味し、上記担体供給領域と担体受領領域の間を流れる主電流の流れを制御する機能を有する。 In the present specification, the “carrier supply region” refers to a large number of main currents such as a field effect transistor (FET), a static induction transistor (SIT) source region, and an insulated gate bipolar transistor (IGBT) emitter region. It means the semiconductor area that supplies carriers. Further, in the electrostatic induction (SI) thyristor and the gate turn-off (GTO) thyristor, the anode region is the carrier supply region. Further, the “carrier receiving region” means a semiconductor region that receives a large number of carriers constituting a main current, such as a drain region of FETs and SITs, and a collector region of IGBTs. In SI thyristors and GTO thyristors, the cathode region functions as a carrier receiving region. Further, the “control electrode” means a gate electrode of a FET, SIT, IGBT, SI thyristor or GTO thyristor, and has a function of controlling the flow of the main current flowing between the carrier supply region and the carrier receiving region.
また、以下の説明における上下等の方向の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を90°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、180°回転して観察すれば上下は反転して読まれることは勿論である。 Further, the definition of the direction such as up and down in the following description is merely a definition for convenience of explanation, and does not limit the technical idea of the present invention. For example, if the object is rotated by 90 ° and observed, the top and bottom are converted to left and right and read, and if the object is rotated by 180 ° and observed, the top and bottom are reversed and read.
また、以下の説明では、第1導電型がp型、第2導電型がn型の場合について例示的に説明する。しかし、導電型を逆の関係に選択して、第1導電型をn型、第2導電型をp型としても構わない。また「n」や「p」に付す「+」や「-」は、「+」及び「-」が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。ただし同じ「n」と「n」とが付された半導体領域であっても、それぞれの半導体領域の不純物濃度が厳密に同じであることを意味するものではない。更に、以下の説明で「第1導電型」及び「第2導電型」の限定を加えた部材や領域は、特に明示の限定がなくても半導体材料からなる部材や領域を意味する。 Further, in the following description, the case where the first conductive type is the p type and the second conductive type is the n type will be exemplified. However, the conductive type may be selected in the reverse relationship, the first conductive type may be the n type, and the second conductive type may be the p type. Further, "+" and "-" attached to "n" and "p" are semiconductor regions having a relatively high or low impurity concentration, respectively, as compared with the semiconductor regions to which "+" and "-" are not added. Means that However, even in the semiconductor regions with the same "n" and "n", it does not mean that the impurity concentrations of the respective semiconductor regions are exactly the same. Further, in the following description, the member or region to which the "first conductive type" and the "second conductive type" are limited means a member or region made of a semiconductor material without any particular limitation.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係る半導体装置(半導体集積回路)として、自己遮蔽方式の高耐圧集積回路装置(HVIC)を説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置であるHVIC111と、HVIC111により駆動されるインバータ等の電力変換装置のスイッチングパワーデバイス(スイッチング素子)であるIGBT114,115との接続例を示す。なお、電力変換装置のスイッチング素子としてはIGBT114,115に限定されず、MOSFET等のスイッチング素子でもよい。
(First Embodiment)
As a semiconductor device (semiconductor integrated circuit) according to the first embodiment of the present invention, a self-shielding high withstand voltage integrated circuit device (HVIC) will be described. FIG. 1 shows an example of connection between HVIC111, which is a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and
IGBT114,115は直列に接続されてハーフブリッジを構成している。IGBT114,115には、還流ダイオード(FWD)116,117が逆並列に接続されている。IGBT114のエミッタには、接地電位(GND電位)が接続されている。IGBT115のコレクタには、主回路電源である高電圧電源の高電位側のVss電位が接続されている。
The
図1に示した電力変換装置の上アームのIGBT115と下アームのIGBT114を交互にオンさせることで、出力端子であるVs端子110から高電位又は低電位を交互に出力して、L負荷118に交流電力を供給する(交流電流を流す)。即ち、高電位を出力する場合には、上アームのIGBT115がオンし、下アームのIGBT114がオフするようにIGBT114,115を動作させる。また、逆に低電位を出力する場合には、上アームのIGBT115がオフし、下アームのIGBT114がオンするようにIGBT114,115を動作させる。
By alternately turning on the
このとき、IGBT114,115を駆動するHVIC111は、下アームのIGBT114のゲートにはGND基準のゲート信号を出力し、上アームのIGBT115のゲートにはVs端子110のVs電位を基準とするゲート信号を出力する。このため、HVIC111はレベルシフト機能を備えている必要がある。
At this time, the
図1に示したHVIC111の符号「Vs」は、Vss電位からGND電位まで変動する中間電位である。「H-VDD」は、Vs電位を基準とする低電圧電源113の高電位側である。「L-VDD」は、GND電位を基準とする低電圧電源112の高電位側である。低電圧電源113は、ブートストラップ回路方式の場合は、「L-VDD」と「H-VDD」の間に接続される外付けのブートストラップダイオード(不図示)によって外部コンデンサ(不図示)から構成される。
The reference numeral “Vs” of the
「H-IN」は、レベルアップ回路と接続するローサイド側のCMOS回路のゲートに入力される入力信号及び入力端子である。「L-IN」は、下アームのIGBT114のゲートと接続するローサイド側のCMOS回路のゲートに入力される入力信号及び入力端子である。「H-OUT」は、上アームのIGBT115のゲートへ出力するハイサイド側のCMOS回路の出力信号及び出力端子である。「L-OUT」は、下アームのIGBT114のゲートへ出力する出力信号及び出力端子である。「ALM-IN」は、上アームのIGBT115の温度や過電流を検出したときの検出信号119の入力信号及び入力端子である。「ALM-OUT」は、レベルダウンされた検出信号の出力信号及び出力端子である。
“H-IN” is an input signal and an input terminal input to the gate of the CMOS circuit on the low side connected to the level-up circuit. “L-IN” is an input signal and an input terminal input to the gate of the CMOS circuit on the low side connected to the gate of the
図2は、図1に示したHVIC111の内部のレベルシフト回路(レベルアップ回路)132と、レベルアップ回路132の周辺回路(131,133)を示す回路図である。周辺回路(131,133)として、レベルアップ回路132への入力信号を伝達するローサイド側のローサイド回路131と、レベルアップ回路132からの出力信号を上アームのIGBT115に伝達するハイサイド側のハイサイド回路133とを例示している。ローサイド回路131は、CMOS回路を構成するpチャネルMOSFET71及びnチャネルMOSFET72を有する。ハイサイド回路133は、CMOS回路を構成するpチャネルMOSFET75及びnチャネルMOSFET76を有する。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a level shift circuit (level up circuit) 132 inside the
レベルアップ回路132は、レベルシフト抵抗73と、レベルシフト抵抗73にドレインが接続されたnチャネルMOSFET41とを備える。レベルシフト抵抗73とnチャネルMOSFET41との接続部をレベルアップ回路132の出力部101としている。レベルシフト抵抗73の両端には、ダイオード74のアノード及びカソードがそれぞれ接続されている。ダイオード74は、レベルシフト抵抗73の両端の過電圧降下をクランプする。レベルシフト抵抗73の一端及びハイサイド回路133のpチャネルMOSFET75のソースには、Vs電位を基準とする低電圧電源113の高電位側のH-VDD端子120が接続されている。
The level-up
図2に示したローサイド回路131に入力信号H-INが入力されると、ローサイド回路131のCMOS回路(71,72)を経由して、ローサイドレベルのオン・オフ信号がレベルアップ回路132のnチャネルMOSFET41のゲートに入力される。この信号によりnチャネルMOSFET41はオン・オフし、ハイサイドレベルのオン・オフ信号をレベルアップ回路132の出力部101から出力する。この信号によりハイサイド回路133のCMOS回路(75,76)がオン・オフして出力信号H-OUTが出力される。出力信号H-OUTは、Vs電位を基準とした信号に変換される。出力信号H-OUTは、図1に示した上アームのIGBT115のゲートに印加されて、上アームのIGBT115をオン・オフさせる。
When the input signal H-IN is input to the low-
次に、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の構造について説明する。図3は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の要部を示す平面図である。図4は、図3のA-A´方向から見た高耐圧nチャネルMOSFET41aを含む断面図であり、図5は、図3のB-B´方向から見た断面図である。
Next, the structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a plan view showing a main part of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view including a high withstand voltage n-
図3に示すように、本発明の第1実施形態に係る半導体装置であるHVIC111は、高電位側回路領域(ハイサイド回路領域)301と、ハイサイド回路領域301の周囲に環状に設けられた高耐圧接合終端構造(HVJT)303と、ハイサイド回路領域301の周囲にHVJT303を介して設けられた低電位側回路領域(ローサイド回路領域)302とを1チップに備える。ハイサイド回路領域301は、図2に示したハイサイド回路133を内部回路として含む。ローサイド回路領域302は、図2に示したローサイド回路131を内部回路として含む。HVJT303は、ハイサイド回路領域301とローサイド回路領域302とを電気的に分離している。
As shown in FIG. 3, the
図3~図5に示すように、HVIC111は、p型半導体層1の内部の一方の主面側(以下、「表面層」とする)に設けられた、ハイサイド浮遊電位領域であるn型ウェル領域3を備える。p型半導体層1としては、例えばシリコン(Si)基板が使用可能であるが、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ガリウムヒ素(GaAs)等の化合物半導体基板や、半金属基板等を使用してもよい。また、半導体層1は、p型半導体基板上に設けられたp型もしくはn型のエピタキシャル成長層であってもよい。この場合、p型半導体基板とエピタキシャル成長層との間の一部にn型埋込層を設けてもよい。さらに、n型ウェル領域3はn型埋込層に接する深さで設けてもよい。
As shown in FIGS. 3 to 5, the
n型ウェル領域3はハイサイド回路領域301に位置する。n型ウェル領域3には、Vs電位領域200及びH-VDD電位領域201が設けられている。Vs電位領域200は、ハイサイドロジック部であるnチャネルMOSFETのn+型ソース領域、p型ベース領域及びn型ドレイン領域や、pチャネルMOSFETのp型ドレイン領域を含む。H-VDD電位領域201は、ハイサイドロジック部であるpチャネルMOSFETのp+型ソース及びn型ベース領域を含む。更に、n型ウェル領域3上には、H-VDDパッド102、H-OUTパッド103及びVsパッド104が設けられている。
The n-
図3に示すように、n型ウェル領域3には、Vs電位領域200及びH-VDD電位領域201の周囲を囲むように、p型接合分離領域(スリット領域)63が環状(C字状)に設けられている。図4及び図5に示すように、p型接合分離領域63は、n型ウェル領域3を貫通してp型半導体層1に到達する深さを有し、n型ウェル領域3を接合分離する。図5に示す断面では、p型接合分離領域63上に絶縁膜81,82を介してピックアップ電極203が設けられている。
As shown in FIG. 3, in the n-
図3に示すように、p型接合分離領域63よりも内側のn型ウェル領域3の表面層には、n+型ピックアップ領域62a,62b,62cが帯状又は環状に設けられている。n+型ピックアップ領域62a,62b,62c上には、H-VDD端子に接続するピックアップ電極(ピックアップコンタクト)203a,203b,203cがそれぞれ設けられている。
As shown in FIG. 3, n +
また、p型接合分離領域63の平面パターンの開口部(欠落部)の位置において、p型接合分離領域63よりも外側のn型ウェル領域3の表面層には、n+型ピックアップ領域62dが設けられている。n+型ピックアップ領域62dは、n+型ピックアップ領域62cと対向する位置に設けられている。n+型ピックアップ領域62d上には、H-VDD端子に接続するピックアップ電極(ピックアップコンタクト)203dが設けられている。
Further, at the position of the opening (missing portion) of the plane pattern of the p-type
図3~図5に示すように、n型ウェル領域3の周囲を囲み、且つn型ウェル領域3に接するように、n型ウェル領域3よりも低不純物濃度のn-型耐圧領域4が環状に設けられている。更に、n-型耐圧領域4の周囲を囲み、且つn-型耐圧領域4に接するようにp型ベース領域61が環状に設けられている。n型ウェル領域3、n-型耐圧領域4及びp型ベース領域61上には、絶縁膜81,82,83が設けられている。図4に模式的に示すように、n-型耐圧領域4とp型ベース領域61とのpn接合により寄生ダイオード42が形成され、この寄生ダイオード42によりHVJT303が構成されている。
As shown in FIGS. 3 to 5, the n - type pressure
p型ベース領域61の不純物濃度は、p型半導体層1の不純物濃度よりも高い。p型ベース領域61は、p型半導体層1をGND電位に固定する。p型ベース領域61の表面層には、p型半導体層1の表面に沿って、p型ベース領域61よりも高不純物濃度のp+型コンタクト領域56が環状に設けられている。図3及び図5に示すように、p+型コンタクト領域56上には、GND電位に接続するピックアップ電極(ピックアップコンタクト)202が環状に設けられている。
The impurity concentration of the p-
図3の下側に示すように、p型ベース領域61の周囲を囲むように設けられたp型ウェル領域2には、ローサイド回路領域302が設けられている。更に、p型ウェル領域2には、H-INパッド105、L-VDDパッド106及びGNDパッド107が設けられている。
As shown on the lower side of FIG. 3, a low-
図3に示すように、HVJT303の一部には、ハイサイド回路領域301とローサイド回路領域302の間の信号伝達を行うためのレベルシフタである高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bが設けられている。高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bは、図2に示したnチャネルMOSFET41に対応する。ハイサイドロジック及び出力回路への信号伝達は、SET信号及びRESET信号の2入力方式で行うため、SET信号及びRESET信号用の2つの高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bが設けられている。高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bの構造は同様であり、以降では主に高耐圧nチャネルMOSFET41aに着目して説明する。
As shown in FIG. 3, a part of the
図3及び図4に示すように、高耐圧nチャネルMOSFET41aは、n-型耐圧領域4をドリフト領域として用いる。高耐圧nチャネルMOSFET41aは、p型ベース領域61の表面層に、p+型コンタクト領域56に隣接して設けられたn+型ソース領域53を有する。p+型コンタクト領域56及びn+型ソース領域53上には、p+型コンタクト領域56及びn+型ソース領域53に接してソース電極400が設けられている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the high withstand voltage n-
高耐圧nチャネルMOSFET41aは、n型ウェル領域3の表面層に設けられた、ドレイン領域であるユニバーサルコンタクト領域(51,52)を有する。ここで、「ユニバーサルコンタクト領域」とは、少なくとも1つのp+型コンタクト領域(p+型領域)と、少なくとも1つのn+型コンタクト領域(n+型領域)が互いに接して配置された領域を意味する。図3及び図4では、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)は、p型半導体層1の表面に沿ってp+型コンタクト領域51及びn+型コンタクト領域52が互いに接して交互に配置されて構成されている。p+型コンタクト領域51及びn+型コンタクト領域52の深さは互いに同一であってもよく、p+型コンタクト領域51及びn+型コンタクト領域52のいずれか一方が相対的に深くてもよい。
The high withstand voltage n-
図3及び図4では、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)がn型ウェル領域3の表面層に設けられた構造を例示するが、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)がn-型耐圧領域4の表面層に設けられていてもよい。
3 and 4 illustrate a structure in which the universal contact region (51, 52) is provided on the surface layer of the n-
ユニバーサルコンタクト領域(51,52)上には、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)とオーミック接触するユニバーサル電極(ユニバーサルコンタクト)401が設けられている。ユニバーサルコンタクト領域(51,52)及びユニバーサル電極401により、ユニバーサルコンタクト構造(51,52,401)が構成されている。
On the universal contact region (51, 52), a universal electrode (universal contact) 401 that makes ohmic contact with the universal contact region (51, 52) is provided. The universal contact region (51, 52) and the
図4に示すように、ソース電極400とドレイン電極401の間のp型ベース領域61上には、ゲート絶縁膜を介してゲート電極402が設けられている。ゲート電極402は、例えばポリシリコンで構成されている。ピックアップ電極202及びソース電極400は、GND電位に接続されて同電位となる。
As shown in FIG. 4, a
図6は、図1の高耐圧nチャネルMOSFET41aの周辺部の部分拡大図である。図6では、ソース電極400のコンタクト部を破線で図示している。図6に示すように、n+型ソース領域53及びユニバーサルコンタクト領域(51,52)は、互いに平行に設けられている。n+型ソース領域53及びユニバーサルコンタクト領域(51,52)は直線状の平面パターンを有する。図6の上下方向において、高耐圧nチャネルMOSFET41aのn+型ソース領域53の幅Wsが、高耐圧nチャネルMOSFET41aのドレイン領域であるユニバーサルコンタクト領域(51,52)の幅Wdよりも広い。また、ゲート電極402と重なる部分のp型ベース領域61の幅で定義される実効チャネル幅も、n+型ソース領域53の幅Wsと略同一であり、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)の幅Wdよりも広い。
FIG. 6 is a partially enlarged view of the peripheral portion of the high withstand voltage n-
n+型ソース領域53の幅Wsは、n+型ソース領域53の両端間の幅であり、図6に示すように、n+型ソース領域53の間にp+型コンタクト領域56が設けられていてもよい。なお、図6では、n+型ソース領域53の間にp+型コンタクト領域56が設けられていているが、n+型ソース領域53の間にp+型コンタクト領域56を設けなくてもよく、その場合、n+型ソース領域53が直線状に延伸する平面パターンを有していてもよい。
The width Ws of the n +
図7は、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)の平面パターンを示す。p+型コンタクト領域51は、長方形の平面形状をそれぞれ有し、島状に設けられている。n+型コンタクト領域52は、p+型コンタクト領域51の周囲を囲むように設けられている。図7では、ユニバーサル電極401のコンタクト部の平面パターンを破線で示している。ここではユニバーサル電極401のコンタクト部の平面パターンが矩形である場合を例示しているが、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)の長手方向に延長したライン状であってもよい。
FIG. 7 shows a planar pattern of the universal contact region (51, 52). Each of the p +
p+型コンタクト領域51及びn+型コンタクト領域52は、それぞれ個別のイオン注入用マスクを用いて形成されている。例えば、p+型コンタクト領域51を形成した後、p+型コンタクト領域51の表面からp+型コンタクト領域51よりも深いn+型コンタクト領域52を選択的に形成してもよい。
The p +
高耐圧nチャネルMOSFET41aのドレイン領域をユニバーサルコンタクト領域(51,52)とすることで、Vs端子110を経由してH-VDD端子に負サージ電圧が印加されたとき、図8に示すように、寄生ボディダイオード42を流れる少数キャリアである正孔を速やかにユニバーサル電極401から引き抜くことができる。その結果、Vs電位が復帰してボディダイオード42が逆回復状態になった時の逆回復電流Irr(正孔電流)を減少させることができ、n+型ソース領域53、p型ベース領域61及びn-型耐圧領域4で構成される寄生npnバイポーラトランジスタ動作を抑制することで、レベルシフト回路の誤動作や寄生動作による熱暴走破壊等を防止することができる。
By setting the drain region of the high withstand voltage n-
負サージ電圧がVs端子110に印加されている期間において、高耐圧nチャネルMOSFET41aのボディダイオード42のn-型耐圧領域4及びn型ウェル領域3での正孔キャリアの引抜き効果を高めるためには、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)において、n+型コンタクト領域52に比べてp+型コンタクト領域51の割合を増やすことが望ましい。
In order to enhance the extraction effect of hole carriers in the n - type withstand
しかしながら、p+型コンタクト領域51の割合を増やすことは、高耐圧nチャネルMOSFET41aのドレインコンタクト抵抗を増大させ、オン電流の低下を招くだけでなく、H-VDD端子からn+型コンタクト領域52に静電気放電(ESD)等の正サージが入力された際には、ボディダイオード42は逆バイアス状態となり、アバランシェブレークダウンする。このとき、n型ウェル領域3にはアバランシェブレークダウンにより発生した電子が多数キャリアとして流れる。この電子は、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)のn+型コンタクト領域52に取り込まれる。p+型コンタクト領域51がn+型コンタクト領域52を取り囲むように2重、3重の幅広いライン形状で配置した場合には、そのp+型コンタクト領域51直下のn型ウェル領域3における抵抗(ベース抵抗)が高くなる。このため、p+型コンタクト領域51直下のn型ウェル領域3で0.6Vの電圧降下が起きた場合、p型半導体層1、n型ウェル領域3及びp+型コンタクト領域51からなる寄生pnpバイポーラトランジスタが動作し、電流破壊に至る虞がある。
However, increasing the proportion of the p +
このような寄生pnpバイポーラトランジスタ動作を抑制するために、図7に示すように、n+型コンタクト領域52を外周に配置し、n+型コンタクト領域52の中にp+型コンタクト領域51をライン形状ではなく、短く分割した島状に交互に重なるように2重以上(図7では2重構造を例示)配置することが望ましい。その上で、n+型コンタクト領域52及びp+型コンタクト領域51にまたがるようにユニバーサル電極401のコンタクトを形成する。このように配置すると、電子をp+型コンタクト領域51間に挟まれたn+型コンタクト領域52でも吸収することができるため、局部的なベース抵抗の増加を抑制し、寄生pnpバイポーラトランジスタ動作を抑制することができる。
In order to suppress such parasitic pnp bipolar transistor operation, as shown in FIG. 7, the n +
なお、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)の平面パターンとして、島状に設けられたp+型コンタクト領域51の平面パターンが円形でもよく、四角形等の多角形でもよい。また、n+型コンタクト領域52とp+型コンタクト領域51とが縞状(例えばストライプ状)で互いに接して形成されていてもよい。n+型コンタクト領域52を外周側に配置することで、高耐圧nチャネルMOSFET41aのオン電流の著しい低下も抑制できるため、レベルシフト動作の安定性を損ねることなく寄生pnpバイポーラトランジスタ動作を防止可能となる。
As the plane pattern of the universal contact region (51, 52), the plane pattern of the p +
図3では図示を省略するが、図4に示すように、n型ウェル領域3上には、絶縁膜81を介して抵抗(レベルシフト抵抗)173が設けられている。レベルシフト抵抗173は、図2に示した等価回路図のレベルシフト抵抗73に対応する。レベルシフト抵抗173は、例えばポリシリコンで構成することができる。レベルシフト抵抗173は、高耐圧nチャネルMOSFET41aのゲート電極402と同層、または、異なる層で形成することができる。
Although not shown in FIG. 3, as shown in FIG. 4, a resistance (level shift resistance) 173 is provided on the n-
レベルシフト抵抗173の上面側には第1電極501及び第2電極502が設けられている。第1電極501及び第2電極502は、レベルシフト抵抗173の両端のそれぞれに電気的に接続されている。図4では便宜上、ピックアップ電極203aと第1電極501の電気的な接続を実線で示しているが、ピックアップ電極203a及び第1電極501と同層の配線層または、異なる層の配線層で形成し、ビアを介してピックアップ電極203a及び第1電極501と接続してもよい。また、図4では便宜上、ユニバーサル電極401と第2電極502の電気的な接続を実線で示しているが、ユニバーサル電極401及び第2電極502と同層の配線層または、異なる層の配線層で形成し、ビアを介してユニバーサル電極401及び第2電極502と接続してもよい。ピックアップ電極203aは、レベルシフト抵抗173を介して高耐圧nチャネルMOSFET41aのドレイン領域であるユニバーサルコンタクト領域(51,52)に電気的に接続されている。
A
本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造工程に関して、n-型耐圧領域4、n型ウェル領域3、p型ベース領域61及びp型接合分離領域63は、パターニング工程を経てリン等のn型不純物又はボロン等のp型不純物をイオン注入し、その後、例えば高温(1100~1200℃程度)の拡散工程で所定の拡散深さまで拡散して形成される。また、ハイサイド回路部に設けられたVs電位領域200やローサイド回路部のウェル領域等は、例えば高温(1100~1200℃程度)のn-型耐圧領域4、n型ウェル領域3、p型ベース領域61及びp型接合分離領域63を形成するための拡散工程とは異なる拡散工程で所定の拡散深さまで拡散して形成される。
Regarding the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the n - type pressure
n+型ピックアップ領域62は、例えば砒素等のn型不純物を表面濃度1×1020/cm3程度になるようにイオン注入して、その後、例えば750~900℃程度のアニール工程により、所定の深さで形成される。高耐圧nチャネルMOSFET41aのn+ソース領域53及びn+型コンタクト領域52も、n+型ピックアップ領域62と同様に、イオン注入及びアニール処理により形成される。p+型コンタクト領域56やp+型コンタクト領域51は、p+領域形成用のパターニング工程を経て、例えばBF2を表面濃度1×1020/cm3程度になるようにイオン注入し、その後、例えば上記と同一である750~900℃程度のアニール工程により、それぞれ所定の拡散深さで形成される。
In the n + type pickup region 62, for example, an n-type impurity such as arsenic is ion-implanted so as to have a surface concentration of about 1 × 10 20 / cm 3 , and then a predetermined annealing step is performed, for example, at about 750 to 900 ° C. Formed at depth. The n + source region 53 and the n +
<比較例>
次に、従来の自己遮蔽方式のHVICを比較例として説明する。図9は、比較例に係るHVICの平面レイアウトであり、図10は、図9のA-A´方向から見た、高耐圧nチャネルMOSFET41aを含む断面図である。図9において、自己遮蔽方式のHVICに内在する寄生抵抗Rs1、Rr1、Rsrを模式的に図示している。このような寄生抵抗Rs1、Rr1、Rsrは、図3に示した第1実施形態に係る半導体装置でも内在している。
<Comparison example>
Next, a conventional self-shielding HVIC will be described as a comparative example. FIG. 9 is a plan layout of the HVIC according to the comparative example, and FIG. 10 is a cross-sectional view including a high withstand voltage n-
比較例に係るHVICは、図9及び図10に示すように、高耐圧nチャネルMOSFET41aのn+型ドレイン領域52がユニバーサルコンタクト領域ではない点が、図3に示した第1実施形態に係る半導体装置と異なる。更に、高耐圧nチャネルMOSFET41aのn+型ソース領域53の幅Wsが、n+型ドレイン領域52の幅Wdと同一である点が、図3に示した第1実施形態に係る半導体装置と異なる。高耐圧nチャネルMOSFET41bも、高耐圧nチャネルMOSFET41aの構造と同様である。
As shown in FIGS. 9 and 10, the HVIC according to the comparative example is a semiconductor according to the first embodiment shown in FIG. 3 in that the n +
比較例に係るHVICを用いて図1に示した上アームのIGBT115を駆動する場合、上アームのIGBT115がオフする時や、下アームのIGBT114がオンとなるスイッチング時に、HVICを構成するハイサイド回路部の高電位側の基準電位となるVs端子の電位やH-VDD端子の電位がGND電位に対して負電位側へ変動する。この負電位側への変動(負サージ電圧)がハイサイド回路部の誤動作やラッチアップを引き起こし、それによってHVICが破壊に至る可能性がある。
When driving the
負サージ電圧VS0がGND電位(0V)-(Vspy+Vfd)よりも低くなると、HVICの寄生pnダイオードが導通し始める。但し、Vspyはハイサイドの低電圧電源113もしくは図示しないブートストラップコンデンサの両端間のバッテリ電圧であり、Vfdは寄生pnダイオードの順方向電圧降下である。負サージ電圧VS0が大きくマイナス方向に引かれた場合には過電流がHVIC内を流れ、その結果、ハイサイド回路部の誤動作の発生やレベルシフタである高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bが寄生動作することで、HVICが破壊に至る虞がある。
When the negative surge voltage VS0 becomes lower than the GND potential (0V)-(Vspy + Vfd), the parasitic pn diode of the HVIC begins to conduct. However, Vspy is the battery voltage between both ends of the high-side low-
印加される負サージ電圧VS0は、プリント基板上の配線やL負荷118までのケーブル等による寄生インダクタンス成分L1とIGBT115で流していたオン電流I1のオフする期間によるdI1/dtとの積{L1×(dI1/dt)}に比例し、このスパイク状の負サージ電圧VS0はVs端子に印加される。その印加電圧は、上記インダクタンスやIGBTのオン電流、FWDの過渡VF特性等によって変わるが、約-50V程度であり、その印加期間は約100~500ns程度である。
The applied negative surge voltage VS0 is the product of the parasitic inductance component L1 due to the wiring on the printed circuit board and the cable up to the
これに対して、本発明に第1実施形態に係る半導体装置によれば、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域をユニバーサルコンタクト領域(51,52)とすることで、Vs端子110に負サージ電圧が入力された時に流れるボディダイオード電流で、正孔キャリアをユニバーサルコンタクト領域(51,52)のp+型コンタクト領域51で効率よく引き抜き、残留キャリアを減少させることができる。そのため、Vs電位が回復する際の逆回復電流Irr(正孔電流)を減少させ、逆回復電流Irrをトリガとする寄生npnバイポーラトランジスタ動作を抑制することができる。したがって、自己遮蔽方式のHVIC111において、Vs端子の負サージ電圧に対するノイズ耐性が向上し、誤動作や破壊を発生させない強靭で信頼性の高いHVIC111を実現することができる。
On the other hand, according to the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the drain region of the high withstand voltage n-
更に、自己遮蔽方式のHVIC111において、レベルシフタである高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのn+型ソース領域53の幅Wsを、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域であるユニバーサルコンタクト領域(51,52)の幅Wdよりも広くすることで、ボディダイオード42の逆回復時にドレイン側から戻ろうとする少数キャリア(正孔)のn+型ソース領域53下におけるキャリア密度を下げることができ、n+型ソース領域53下のp型ベース領域61における電圧降下を抑制し、寄生npnバイポーラトランジスタ動作を防止することができる。
Further, in the self-shielding
また、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域としてユニバーサルコンタクト領域(51,52)を形成するために必要となる面積は、図9及び図10に示した比較例のHVICにおけるn+型ドレイン領域52の面積と同じである。このため、チップサイズの増大はなくプロセス工数も変わらないため、製造コストは増加しない。
Further, the area required to form the universal contact region (51, 52) as the drain region of the high withstand voltage n-
なお、本発明に第1実施形態に係る半導体装置では、レベルシフタである高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのn+型ソース領域53の幅Wsを、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのn+型ドレイン領域52の幅よりも広くしたが、図9及び図10に示した比較例に係るHVICと同様にn+型ソース領域53の幅Wsとユニバーサルコンタクト領域(51,52)の幅Wdとを略同一としてもよい。その場合、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域をユニバーサルコンタクト領域(51,52)とすればよい。
In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the width Ws of the n +
(第2実施形態)
図11は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置(HVIC)の要部を示す平面図であり、図12は、図11のA-A´方向から見た、高耐圧nチャネルMOSFET41aを含む断面図である。本発明の第2実施形態に係るHVICは、図11及び図12に示すように、H-VDD電位のピックアップ領域(62a,64),62b,62c,62dのうち、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域の近傍にあるピックアップ領域(62a,64)のコンタクトをユニバ―サルコンタクト領域としている点が、図3に示した本発明の第1実施形態に係る半導体装置と異なる。
(Second Embodiment)
FIG. 11 is a plan view showing a main part of the semiconductor device (HVIC) according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 12 shows a high withstand voltage n-
図11及び図12に示すように、ピックアップ領域(62a,64)は、p型半導体層1の表面に沿って、n+型ピックアップ領域62a及びp+型コンタクト領域64が互いに接して交互に配置されてユニバーサルコンタクト領域を構成している。ピックアップ領域(62a,64)と、ピックアップ電極203aにより、ユニバーサルコンタクト構造(62a,64,203a)を構成している。
As shown in FIGS. 11 and 12, in the pickup regions (62a, 64), the n +
ピックアップ領域(62a,64)の平面パターンは、図7に示したユニバーサルコンタクト領域(51,52)の平面パターンと同様である。例えば、p+型コンタクト領域64は、長方形の平面形状をそれぞれ有し、島状に設けられている。n+型ピックアップ領域62aは、p+型コンタクト領域51の周囲を囲むように設けられている。本発明の第2実施形態に係る半導体装置の他の構成は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置と同様であり、重複した説明を省略する。
The planar pattern of the pickup region (62a, 64) is the same as the planar pattern of the universal contact region (51, 52) shown in FIG. 7. For example, each of the p +
本発明の第2実施形態に係る半導体装置によれば、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域の近傍にあるH-VDD電位のピックアップ領域(62a,64)をユニバーサルコンタクト領域とすることで、p型接合分離領域63を突き抜けてボディダイオード42に流れ込む正孔キャリア量を減少することができる。そのため、Vs電位の負サージからの復帰時におけるボディダイオード42の逆回復現象による寄生npnバイポーラトランジスタ動作を防止することができる。
According to the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, the pickup region (62a, 64) of the H- VDD potential near the drain region of the high withstand voltage n-
(第3実施形態)
図13は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置(HVIC)の要部を示す平面図であり、図14は、図13のA-A´方向から見た、高耐圧nチャネルMOSFET41aを含む断面図である。本発明の第2実施形態に係るHVICは、図13及び図14に示すように、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域52がユニバーサルコンタクト領域ではない点が、図11に示した本発明の第2実施形態に係る半導体装置と異なる。
(Third Embodiment)
FIG. 13 is a plan view showing a main part of the semiconductor device (HVIC) according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 14 shows a high withstand voltage n-
本発明の第3実施形態に係る半導体装置によれば、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域52の近傍にあるH-VDD電位のピックアップ領域(62a,64)をユニバーサルコンタクト領域とすることで、p型接合分離領域63を突き抜けてボディダイオード42に流れ込む正孔キャリア量を減少することができる。そのため、Vs電位の負サージからの復帰時におけるボディダイオード42の逆回復現象による寄生npnバイポーラトランジスタ動作を防止することができる。よって、第2実施の形態に比べて高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのオン電流を増加できる。
According to the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, the pickup region (62a, 64) of the H— VDD potential near the
第2実施形態および第3実施形態において、ユニバーサルコンタクト領域としたピックアップ領域(62a,64)は、平面パターン上、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域の内側で、ハイサイド回路領域301内のハイサイド回路部(Vs電位領域200、H-VDD電位領域201およびVs電位領域200およびH-VDD電位領域201と接続される領域)の外側に配置されることが望ましい。また、このピックアップ領域(62a,64)は、平面パターン上、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域とハイサイド回路部との間に配置されることが望ましい。さらに、このピックアップ領域(62a,64)は、平面パターン上、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域との距離が100μm以内であることが望ましい。このような構成であれば、p型接合分離領域63を突き抜けてボディダイオード42に流れ込む正孔キャリア量を減少することができる。そのため、Vs電位の負サージからの復帰時におけるボディダイオード42の逆回復現象による寄生npnバイポーラトランジスタ動作を防止することができる。
In the second embodiment and the third embodiment, the pickup region (62a, 64) as the universal contact region is inside the drain region of the high withstand voltage n-
(第4実施形態)
図15は、本発明の第4実施形態に係る半導体装置(HVIC)の高耐圧nチャネルMOSFET41aの周辺の平面図である。図15に示すように、本発明の第4実施形態に係る半導体装置は、高耐圧nチャネルMOSFET41aのn+型ソース領域53の密度が、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)に対向する位置よりも、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)に対向しない位置において高い点が、図6に示した本発明の第1実施形態に係る半導体装置と異なる。
(Fourth Embodiment)
FIG. 15 is a plan view of the periphery of the high withstand voltage n-
図15に示すように、n+型ソース領域53は、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)に対向する位置に設けられた複数の対向領域53aと、複数の対向領域53aを挟み、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)に対向しない位置に設けられた端部領域(張り出し領域)53b,53cを有する。複数の対向領域53aは、矩形の平面パターンであり、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)に平行に互いに離間して設けられている。端部領域53b,53cは、直線状の平面パターンを有する。
As shown in FIG. 15, the n +
図示を省略するが、図3に示した高耐圧nチャネルMOSFET41bも、図15に示した高耐圧nチャネルMOSFET41aと同様の構造である。本発明の第4実施形態に係る半導体装置の他の構成は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置と同様であり、重複した説明を省略する。
Although not shown, the high withstand voltage n-
本発明の第4実施形態に係る半導体装置によれば、図15に示すように、高耐圧nチャネルMOSFET41aのドレイン電流Idは、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)に対向しない位置の端部領域53b,53cからも供給され、レベルシフト回路動作に必要なドレイン電流Idを確保することが可能である。一方で、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)に対向する位置の複数の対向領域53aは、p+型コンタクト領域56と交互に配置することで、逆回復時の逆回復電流Irrはインピーダンスの低い複数の対向領域53aに集中するため、複数の対向領域53a下における電圧降下からの寄生npnバイポーラトランジスタ動作を抑制することが可能である。つまり、レベルシフト回路動作マージンを維持しつつ、逆回復時の寄生npnバイポーラトランジスタ動作を抑制することができる。
According to the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 15, the drain current Id of the high withstand voltage n-
なお、第4実施形態に係る半導体装置では、高耐圧nチャネルMOSFET41aのドレイン領域をユニバーサルコンタクト領域(51,52)としたが、図9及び図10に示した比較例に係るHVICと同様のn+型ドレイン領域52としてもよい。
In the semiconductor device according to the fourth embodiment, the drain region of the high withstand voltage n-
(第5実施形態)
図16は、本発明の第5実施形態に係る半導体装置(HVIC)の高耐圧nチャネルMOSFET41a及びピックアップ領域(62a,64)の周辺の平面図である。図17は、本発明の第5実施形態に係る半導体装置の断面図であり、図3のA-A´方向から見た位置に対応する。
(Fifth Embodiment)
FIG. 16 is a plan view of the periphery of the high withstand voltage n-
本発明の第5実施形態に係る半導体装置は、図16及び図17に示すように、ピックアップ領域(62a,64)の構成が、図6に示した本発明の第1実施形態に係る半導体装置と異なる。また、高耐圧nチャネルMOSFET41aのドレイン領域をn+型ドレイン領域52とした点が、図6に示した本発明の第1実施形態に係る半導体装置と異なる。
As shown in FIGS. 16 and 17, the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention has a pickup region (62a, 64) configuration according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. Is different. Further, the point that the drain region of the high withstand voltage n-
図16に示すように、ピックアップ領域(62a,64)は、平面パターン上、直線状(ライン状)にそれぞれ延伸し、互いに接するn+型ピックアップ領域62a及びp+型コンタクト領域64を有する。n+型ピックアップ領域62a及びp+型コンタクト領域64により、ユニバーサルコンタクト領域を構成している。
As shown in FIG. 16, the pickup region (62a, 64) has an n +
図17に示すように、ピックアップ領域(62a,64)上には、ピックアップ領域(62a,64)とオーミック接触するピックアップ電極203aが設けられている。ピックアップ領域(62a,64)と、ピックアップ電極203aにより、ユニバーサルコンタクト構造(62a,64,203a)を構成している。
As shown in FIG. 17, a
図示を省略するが、図3に示した高耐圧nチャネルMOSFET41bも、図16及び図17に示した高耐圧nチャネルMOSFET41aの構造と同様である。本発明の第5実施形態に係る半導体装置の他の構成は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置と同様であり、重複した説明を省略する。
Although not shown, the high withstand voltage n-
本発明の第5実施形態に係る半導体装置によれば、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域の近傍にあるH-VDD電位のピックアップ領域(62a,64)をライン状のn+型ピックアップ領域62a及びp+型コンタクト領域64により構成されるユニバーサルコンタクト領域とすることで、正孔キャリアの引き抜き効果を高めることができ、p型接合分離領域63を突き抜けてボディダイオード42に流れ込む正孔キャリア量を減少することができる。
According to the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention, a line-shaped n + type pickup region (62a, 64) in the vicinity of the drain region of the high withstand voltage n-
(第6実施形態)
図18は、本発明の第6実施形態に係る半導体装置(HVIC)の高耐圧nチャネルMOSFET41a及びピックアップ領域(62a,64)の周辺の平面図である。図19は、本発明の第6実施形態に係る半導体装置の断面図であり、図3のA-A´方向から見た位置に対応する。
(Sixth Embodiment)
FIG. 18 is a plan view of the periphery of the high withstand voltage n-
本発明の第6実施形態に係る半導体装置は、図18及び図19に示すように、高耐圧nチャネルMOSFET41aのドレイン領域が、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)で構成されている点が、図16及び図17に示した本発明の第5実施形態に係る半導体装置と異なる。図18に示すように、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)は、平面パターン上、直線状(ライン状)にそれぞれ延伸し、互いに接するp+型コンタクト領域51及びn+型コンタクト領域52を有する。
In the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 18 and 19, the drain region of the high withstand voltage n-
図19に示すように、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)上には、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)とオーミック接触するユニバーサル電極(ユニバーサルコンタクト)401が設けられている。ユニバーサルコンタクト領域(51,52)及びユニバーサル電極401により、ユニバーサルコンタクト構造(51,52,401)が構成されている。
As shown in FIG. 19, a universal electrode (universal contact) 401 that makes ohmic contact with the universal contact region (51, 52) is provided on the universal contact region (51, 52). The universal contact region (51, 52) and the
図示を省略するが、図3に示した高耐圧nチャネルMOSFET41bも、図18及び図19に示した高耐圧nチャネルMOSFET41aの構造と同様である。本発明の第6実施形態に係る半導体装置の他の構成は、本発明の第5実施形態に係る半導体装置と同様であり、重複した説明を省略する。
Although not shown, the high withstand voltage n-
本発明の第6実施形態に係る半導体装置によれば、高耐圧nチャネルMOSFET41aのドレイン領域を、ライン状のp+型コンタクト領域51及びn+型コンタクト領域52により構成されたユニバーサルコンタクト領域(51,52)とすることで、負サージ電圧が印加されたときに寄生ボディダイオードを流れる少数キャリアである正孔の引き抜き効果を高めて、正孔を速やかにユニバーサル電極401から引き抜くことができる。
According to the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention, the drain region of the high withstand voltage n-
(第7実施形態)
図20は、本発明の第7実施形態に係る半導体装置の要部を示す平面図である。図21は、図20のA-A´方向から見た高耐圧nチャネルMOSFET41aを含む断面図であり、図22は、図20のB-B´方向から見た断面図である。
(7th Embodiment)
FIG. 20 is a plan view showing a main part of the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention. 21 is a cross-sectional view including a high withstand voltage n-
図20~図22に示すように、p型ベース領域61の表面側には、p型半導体層1の表面に形成されたトレンチ(溝部)65が環状に設けられている。更に、トレンチ65の側壁に形成されたp型ベース領域61よりも高不純物濃度のp+型トレンチコンタクト領域(p+型高濃度ベース領域)57が環状に設けられている。図20及び図22に示すように、p+型トレンチコンタクト領域57は、GND電位に接続するピックアップ電極(ピックアップコンタクト)202と接続されている。
As shown in FIGS. 20 to 22,
図21に示すように、図20のA-A´方向から見た高耐圧nチャネルMOSFET41aにおいて、p+型トレンチコンタクト領域57は、トレンチ65の周囲を囲むように、トレンチ65の側壁及び下面に接している。p+型トレンチコンタクト領域57は、n+型ソース領域53の側面及び下面に接して設けられている。
As shown in FIG. 21, in the high withstand voltage n-
p+型トレンチコンタクト領域57及びn+型ソース領域53上にはソース電極(トレンチコンタクト電極)400が設けられている。ソース電極400は、トレンチ65に埋め込まれ、トレンチ65の側壁及び底面においてp+型トレンチコンタクト領域57にオーミック接触している。つまり、ソース電極400とGND電位に接続するピックアップ電極(ピックアップコンタクト)202とは同電位でショートしている。また、ソース電極400は、コンタクトを介してn+型ソース領域53にオーミック接触している。
A source electrode (trench contact electrode) 400 is provided on the p + type
p+型トレンチコンタクト領域57は、通常の平坦な活性領域に形成する、例えばGND電位のピックアップ領域202やロジック回路を構成するpチャネルMOSFETのソース・ドレイン領域として用いるp+型コンタクト領域56とは個別のイオン注入用マスクを用いて形成されている。例えば、ポリシリコンパターン形成後に、p+型トレンチコンタクト領域5を形成する領域にトレンチ65を掘り、バッファ酸化膜を堆積して、トレンチ65へのイオン注入用マスクを用いて、ボロン(11B)不純物を高濃度で4分割の斜めイオン注入で形成する。その後、ロジック回路を構成するpチャネルMOSFETのソース・ドレイン領域であるp+型コンタクト領域56や高耐圧nチャネルMOSFET41aのソース・ドレイン領域であるn+型コンタクト領域52、53を選択的に形成する。p+型トレンチコンタクト領域57の形成のためのイオン注入の不純物にボロン(11B)を用いることで、一般に砒素(75As)を用いるn+型コンタクト領域52よりも深く拡散し、トレンチ65の側壁だけなく高耐圧nチャネルMOSFET41aのn+型ソース領域53下まで横方向拡散して形成される。
The p + type
図示を省略するが、図20に示した高耐圧nチャネルMOSFET41bも、図21に示した高耐圧nチャネルMOSFET41aと同様の構造である。本発明の第7実施形態に係る半導体装置の他の構成は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置と同様であり、重複した説明を省略する。
Although not shown, the high withstand voltage n-
本発明の第7実施形態に係る半導体装置によれば、高耐圧nチャネルMOSFET41aのn+型ソース領域53の下面に接するようにp+型トレンチコンタクト領域(高濃度ベース領域)57が形成されることで、Vs端子110を経由してH-VDD端子(H-VDD端子に接続するピックアップ電極203a等)に負サージ電圧が印加されたとき、寄生ボディダイオード42の順方向電流がGND端子からH-VDD端子に向かって過剰に流れる。その後、Vs電位が復帰してH-VDD電位も電圧が戻る際に寄生ダイオード42は逆回復状態となる。
According to the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention, the p + type trench contact region (high concentration base region) 57 is formed so as to be in contact with the lower surface of the n +
その時、図23に示すように、少数キャリアである正孔がp型半導体層1やn-型耐圧領域4を経由してn+型ソース領域53の下まで過剰に流れ込むが、その前段にp+型トレンチコンタクト領域57の引抜構造が存在するために速やかに正孔を引き抜くことができる。その結果、Vs電位が復帰して過剰なボディダイオード42の逆回復電流Irr(正孔電流)が流入してきても、n+型ソース領域53下のp型ベース領域61で0.6V以上の電圧降下が発生することなく、n+型ソース領域53、p型ベース領域61及びn-型耐圧領域4で構成される寄生npnバイポーラトランジスタ動作を抑制し、レベルシフト回路の誤動作や寄生動作による熱暴走破壊等を防止することができる。
At that time, as shown in FIG. 23, holes, which are minority carriers, excessively flow to the bottom of the n +
なお、本発明の第7実施形態に係る半導体装置のトレンチ65に接するp+型トレンチコンタクト領域(p+型高濃度ベース領域)57及びトレンチ65に埋め込まれたソース電極(トレンチコンタクト電極)400の構造は、図15に示した本発明の第4実施形態に係る半導体装置の、n+型ソース領域53の密度が、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)に対向する位置よりも、ユニバーサルコンタクト領域(51,52)に対向しない位置において高い構造にも適用することができる。
The p + type trench contact region (p + type high concentration base region) 57 in contact with the
(第8実施形態)
図24は、本発明の第8実施形態に係る半導体装置(HVIC)の高耐圧nチャネルMOSFET41aを示す平面図である。上述した本発明の第7実施形態に係る半導体装置において、負サージ電圧がVs端子110に印加されている期間において、高耐圧nチャネルMOSFET41aのボディダイオード42のn-型耐圧領域4及びn型ウェル領域3での正孔キャリアの引抜き効果を高めるためには、n+ソース領域53下に高濃度のp+型領域を広げることが望ましい。
(8th Embodiment)
FIG. 24 is a plan view showing a high withstand voltage n-
しかしながら、n+型コンタクト領域53下の全域をp+型トレンチコンタクト領域57で囲もうとして過度なイオン注入のドーズ量や高加速電圧イオン注入によって高濃度のp+型トレンチコンタクト領域57を広げ過ぎることや、逆にソースのn+型コンタクト領域(n+型ソース領域)53幅を狭くし過ぎることなどで、高耐圧nチャネルMOSFET41aのソースコンタクト抵抗を増大させ、著しいオン電流の低下やしきい値電圧の上昇などを招いてしまう可能性がある。
However, in an attempt to surround the entire area under the n +
そこで、本発明の第8実施形態に係る半導体装置では、図24に示すように、n+ソース領域53をライン形状ではなく複数に分割して細切れとし、複数のn+ソース領域53の間にp+型コンタクト領域56を挟むように配置する。n+ソース領域53の分割数やサイズ、間隔等は特に限定されない。更に、n+ソース領域53及びp+型コンタクト領域56にまたがるようにソース電極400のコンタクトを形成する。
Therefore, in the semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 24, the n + source region 53 is divided into a plurality of pieces instead of the line shape, and the n +
図示を省略するが、高耐圧nチャネルMOSFET41bも、図24に示した高耐圧nチャネルMOSFET41aと同様の構造である。本発明の第8実施形態に係る半導体装置の他の構成は、本発明の第7実施形態に係る半導体装置と同様であり、重複した説明を省略する。
Although not shown, the high withstand voltage n-
本発明の第8実施形態に係る半導体装置によれば、少数キャリアである正孔をn+ソース領域53に挟まれたp+型コンタクト領域56でも吸収することができるため、n+ソース領域53下の全域をp+型トレンチコンタクト領域57で囲まなくてもベース抵抗の増加を抑制でき、寄生npnバイポーラトランジスタ動作を抑制することができる。
According to the semiconductor device according to the eighth embodiment of the present invention, holes, which are minority carriers, can be absorbed even in the p +
本発明の第7及び第8実施形態に係る半導体装置の製造工程に関して、n-型耐圧領域4、n型ウェル領域3、p型ベース領域61及びp型接合分離領域63は、パターニング工程を経てリン等のn型不純物又はボロン等のp型不純物をイオン注入し、その後、例えば高温(1100~1200℃程度)の拡散工程で所定の拡散深さまで拡散して形成される。また、ハイサイド回路部に設けられたVs電位領域200やローサイド回路部のウェル領域等は、例えば高温(1100~1200℃程度)のn-型耐圧領域4、n型ウェル領域3、p型ベース領域61及びp型接合分離領域63を形成するための拡散工程とは異なる拡散工程で所定の拡散深さまで拡散して形成される。
Regarding the manufacturing process of the semiconductor device according to the 7th and 8th embodiments of the present invention, the n - type pressure
n+型ピックアップ領域62は、例えば砒素等のn型不純物を表面濃度1×1020/cm3程度になるようにイオン注入して、その後、例えば750~900℃程度のアニール工程により、所定の深さで形成される。高耐圧nチャネルMOSFET41aのn+ソース領域53及びn+型コンタクト領域52も、n+型ピックアップ領域62と同様に、イオン注入及びアニール処理により形成される。
In the n + type pickup region 62, for example, an n-type impurity such as arsenic is ion-implanted so as to have a surface concentration of about 1 × 10 20 / cm 3 , and then a predetermined annealing step is performed, for example, at about 750 to 900 ° C. Formed at depth. The n + source region 53 and the n +
p+型コンタクト領域56は、p+領域形成用のパターニング工程を経て、例えばBF2を表面濃度1×1020/cm3程度になるようにイオン注入し、その後、例えばn+型ピックアップ領域62のアニール工程と同一である750~900℃程度のアニール工程により、それぞれ所定の拡散深さで形成される。
The p +
p+型トレンチコンタクト領域57は、ポリシリコンパターン形成後にn+ソース領域53に隣接した領域にトレンチ65を0.5~5.0μm程度の深さ、0.5~5.0μm程度の幅でドライエッチングして掘り、バッファ酸化膜を堆積して、トレンチ溝領域へのイオン注入用マスクを用いて、ボロン(B11)不純物をトレンチ側壁の濃度が1×1019~1×1020/cm3程度になるように4分割の斜めイオン注入で形成し、n+型ピックアップ領域62及びp+型コンタクト領域56のアニール工程と同一である750~900℃程度のアニール工程により、それぞれ所定の拡散深さで形成される。なお、4分割の斜めイオン注入の際にトレンチ底面にもボロン不純物が入るように、0°のイオン注入を併用してもよい。
The p + type
(第9実施形態)
図25は、本発明の第9実施形態に係る半導体装置(HVIC)の断面図であり、図21に示した本発明の第7実施形態に係る半導体装置の断面に対応する。本発明の第9実施形態に係る半導体装置は、図25に示すように、トレンチ65に接するp+型トレンチコンタクト領域(p+型高濃度ベース領域)57及びトレンチ65に埋め込まれたソース電極(トレンチコンタクト電極)400を有する点は、図21に示した本発明の第7実施形態に係る半導体装置と同様である。
(9th Embodiment)
FIG. 25 is a cross-sectional view of the semiconductor device (HVIC) according to the ninth embodiment of the present invention, and corresponds to the cross section of the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention shown in FIG. 21. As shown in FIG. 25, the semiconductor device according to the ninth embodiment of the present invention includes a p + type trench contact region (p + type high concentration base region) 57 in contact with the
しかし、本発明の第9実施形態に係る半導体装置は、高耐圧nチャネルMOSFET41aが、n型ウェル領域3の表面層に設けられた、ドレイン領域であるユニバーサルコンタクト領域(51,52)を有する点が、図21に示した本発明の第7実施形態に係る半導体装置と異なる。ユニバーサルコンタクト領域(51,52)は、p型半導体層1の表面に沿ってp+型コンタクト領域51及びn+型コンタクト領域52が互いに接して交互に配置されて構成されている。
However, in the semiconductor device according to the ninth embodiment of the present invention, the high withstand voltage n-
更に、本発明の第9実施形態に係る半導体装置は、高耐圧nチャネルMOSFET41aのドレイン領域の近傍にあるピックアップ領域(62a,64)のコンタクトをユニバ―サルコンタクト領域としている点が、図21に示した本発明の第7実施形態に係る半導体装置と異なる。図11及び図12に示すように、ピックアップ領域(62a,64)は、p型半導体層1の表面に沿って、n+型ピックアップ領域62a及びp+型コンタクト領域64が互いに接して交互に配置されてユニバーサルコンタクト領域を構成している。
Further, in the semiconductor device according to the ninth embodiment of the present invention, the contact of the pickup region (62a, 64) near the drain region of the high withstand voltage n-
図示を省略するが、高耐圧nチャネルMOSFET41bも、図25に示した高耐圧nチャネルMOSFET41aと同様の構造である。本発明の第9実施形態に係る半導体装置の他の構成は、本発明の第7実施形態に係る半導体装置と同様であり、重複した説明を省略する。
Although not shown, the high withstand voltage n-
本発明の第9実施形態に係る半導体装置によれば、本発明の第7実施形態に係る半導体装置と同様の効果を奏する。更に、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域をユニバーサルコンタクト領域(51,52)とすることで、Vs端子110に負サージ電圧が入力された時に流れるボディダイオード電流で、正孔キャリアをユニバーサルコンタクト領域(51,52)のp+型コンタクト領域51で効率よく引き抜き、残留キャリアを減少させることができる。そのため、Vs電位が回復する際の逆回復電流Irr(正孔電流)を減少させ、逆回復電流Irrをトリガとする寄生npnバイポーラトランジスタ動作を抑制することができる。
According to the semiconductor device according to the ninth embodiment of the present invention, the same effect as that of the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention is obtained. Further, by setting the drain region of the high withstand voltage n-
更に、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域52の近傍にあるH-VDD電位のピックアップ領域(62a,64)をユニバーサルコンタクト領域とすることで、p型接合分離領域63を突き抜けてボディダイオード42に流れ込む正孔キャリア量を減少することができる。そのため、Vs電位の負サージからの復帰時におけるボディダイオード42の逆回復現象による寄生npnバイポーラトランジスタ動作を防止することができる。
Further, by setting the pickup region (62a, 64) of the H- VDD potential near the
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は第1~第9実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As mentioned above, the invention has been described by embodiments 1-9, but the statements and drawings that form part of this disclosure should not be understood to limit the invention. This disclosure will reveal to those skilled in the art various alternative embodiments, examples and operational techniques.
例えば、第1~第9実施形態に係る半導体装置として、p型半導体層1の表面層にn型ウェル領域3等のn型拡散層を形成した構造を例示したが、これに限定されない。例えば、p型半導体層1上にn型エピタキシャル成長層を成長させた構造でも同様の効果を奏する。また、p型半導体層1上にp型エピタキシャル成長層を成長させ、p型エピタキシャル成長層とp型半導体層1との接合部にn型埋め込み層を設けた場合でも同様の効果を奏する。
For example, as the semiconductor device according to the first to ninth embodiments, a structure in which an n-type diffusion layer such as an n-
また、第1~第9実施形態に係る半導体装置として、HVJT303の環状の平面パターンの同一の辺に高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bを設けた構造を例示したが、これに限定されない。例えば、HVJT303の環状の平面パターンの互いに対向する辺に、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bを個別に設けてもよい。この構造を第2実施形態に採用する場合には、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのそれぞれのドレイン領域から最も近傍にあるピックアップ領域のコンタクトをそれぞれユニバ―サルコンタクト領域とすればよい。
Further, as the semiconductor device according to the first to ninth embodiments, a structure in which high withstand voltage n-
また、第1~第9実施形態に係る半導体装置としてHVICを例示したが、HVIC以外の半導体装置にも適用可能である。例えば数十V以上の高電圧が印加される半導体装置に特に有効である。 Further, although HVIC is exemplified as the semiconductor device according to the first to ninth embodiments, it can also be applied to a semiconductor device other than the HVIC. For example, it is particularly effective for a semiconductor device to which a high voltage of several tens of volts or more is applied.
1…p型半導体層
2…p型ウェル領域
3…n型ウェル領域
4…n-型耐圧領域
41,41a,41b…レベルシフタ
42…ボディダイオード
51…p+型コンタクト領域
52…n+型コンタクト領域(n+型ドレイン領域)
53…n+型ソース領域
53a…対向領域
53b,53c…端部領域
56…p+型コンタクト領域
57…p+型トレンチコンタクト領域(高濃度ベース領域)
61…p型ベース領域
62a,62b,62c,62d…n+型ピックアップ領域
63…p型接合分離領域
64…p+型コンタクト領域
65…トレンチ(溝部)
71,72,75,76…MOSFET
73…レベルシフト抵抗
74…ダイオード
101…出力部
102…H-VDDパッド
103…H-OUTパッド
104…Vsパッド
105…H-INパッド
106…L-VDDパッド
107…GNDパッド
110…Vs端子
111…高耐圧集積回路装置(HVIC)
112,113…低電圧電源
114,115…IGBT
116,117…還流ダイオード
118…L負荷
119…検出信号
120…H-VDD端子
131…ローサイド回路
132…レベルシフト回路(レベルアップ回路)
133…ハイサイド回路
173…レベルシフト抵抗
200…Vs電位領域
201…H-VDD電位領域
202,203,203a,203b,203c,203d…ピックアップ電極
301…ハイサイド回路領域
302…ローサイド回路領域
303…高耐圧接合終端領域(HVJT)
400…ソース電極
401…ユニバーサル電極
402…ゲート電極
501…第1電極
502…第2電極
1 ... p-
53 ... n +
61 ... p-
71,72,75,76 ... MOSFET
73 ...
112, 113 ... Low
116, 117 ...
133 ... High-
400 ...
なお、本発明に第1実施形態に係る半導体装置では、レベルシフタである高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのn+型ソース領域53の幅Wsを、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域としてのユニバーサルコンタクト領域(51,52)の幅Wdよりも広くしたが、図9及び図10に示した比較例に係るHVICと同様にn+型ソース領域53の幅Wsとユニバーサルコンタクト領域(51,52)の幅Wdとを略同一としてもよい。その場合、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域をユニバーサルコンタクト領域(51,52)とすればよい。
In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the width Ws of the n +
ピックアップ領域(62a,64)の平面パターンは、図7に示したユニバーサルコンタクト領域(51,52)の平面パターンと同様である。例えば、p+型コンタクト領域64は、長方形の平面形状をそれぞれ有し、島状に設けられている。n+型ピックアップ領域62aは、p+型コンタクト領域64の周囲を囲むように設けられている。本発明の第2実施形態に係る半導体装置の他の構成は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置と同様であり、重複した説明を省略する。
The planar pattern of the pickup region (62a, 64) is the same as the planar pattern of the universal contact region (51, 52) shown in FIG. 7. For example, each of the p +
(第3実施形態)
図13は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置(HVIC)の要部を示す平面図であり、図14は、図13のA-A´方向から見た、高耐圧nチャネルMOSFET41aを含む断面図である。本発明の第3実施形態に係るHVICは、図13及び図14に示すように、高耐圧nチャネルMOSFET41a,41bのドレイン領域52がユニバーサルコンタクト領域ではない点が、図11に示した本発明の第2実施形態に係る半導体装置と異なる。
(Third Embodiment)
FIG. 13 is a plan view showing a main part of the semiconductor device (HVIC) according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 14 shows a high withstand voltage n-
Claims (19)
第1導電型の半導体層と、
前記高電位側回路領域に位置し、前記半導体層の表面層に設けられた第2導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域の周囲を囲み、前記ウェル領域と接して設けられた、前記ウェル領域よりも低不純物濃度の第2導電型の耐圧領域と、
前記耐圧領域の周囲を囲み、前記耐圧領域と接して設けられた第1導電型のベース領域と、
前記低電位側回路領域と前記高電位側回路領域との間で信号を伝達するレベルシフト回路に含まれるレベルシフタの担体供給領域であって、前記ベース領域の表面層に設けられた第2導電型の担体供給領域と、
前記レベルシフタの担体受領領域であって、前記ウェル領域又は前記耐圧領域の表面層に設けられた担体受領領域と、
を備え、
前記担体受領領域が、第1導電型の領域と第2導電型の領域とが互いに接して設けられた第1ユニバーサルコンタクト領域で構成されていることを特徴とする半導体装置。 The high-potential side circuit region, the high-potential junction termination structure provided around the high-potential side circuit region, and the low-potential side provided around the high-potential side circuit region via the high-potential junction termination structure. A semiconductor device in which the circuit area is integrated on the same semiconductor chip.
The first conductive type semiconductor layer and
A second conductive type well region located in the high potential side circuit region and provided on the surface layer of the semiconductor layer,
A second conductive type pressure-resistant region having a lower impurity concentration than the well region, which surrounds the well region and is provided in contact with the well region.
A first conductive type base region that surrounds the pressure-resistant region and is provided in contact with the pressure-resistant region.
A second conductive type provided on the surface layer of the base region, which is a carrier supply region of the level shifter included in the level shift circuit for transmitting a signal between the low potential side circuit region and the high potential side circuit region. Carrier supply area and
The carrier receiving region of the level shifter, which is the carrier receiving region provided on the surface layer of the well region or the pressure resistant region.
Equipped with
A semiconductor device characterized in that the carrier receiving region is composed of a first universal contact region in which a first conductive type region and a second conductive type region are provided in contact with each other.
前記ピックアップ領域が、第1導電型の領域と第2導電型の領域とが互いに接して設けられた第2ユニバーサルコンタクト領域で構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 A plurality of pickup areas provided on the surface layer of the well area are further provided.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the pickup region is composed of a second universal contact region in which a first conductive type region and a second conductive type region are provided in contact with each other.
前記担体供給領域の幅が前記担体受領領域の幅よりも広い
ことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一項に記載の半導体装置。 On a planar pattern, the carrier supply region and the carrier receiving region are provided in parallel with each other.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein the width of the carrier supply region is wider than the width of the carrier receiving region.
第1導電型の半導体層と、
前記高電位側回路領域に位置し、前記半導体層の表面層に設けられた第2導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域の周囲を囲み、前記ウェル領域と接して設けられた、前記ウェル領域よりも低不純物濃度の第2導電型の耐圧領域と、
前記耐圧領域の周囲を囲み、前記耐圧領域と接して設けられた第1導電型のベース領域と、
前記低電位側回路領域と前記高電位側回路領域との間で信号を伝達するレベルシフト回路に含まれるレベルシフタの担体供給領域であって、前記ベース領域の表面層に設けられた第2導電型の担体供給領域と、
前記レベルシフタの担体受領領域であって、前記ウェル領域又は前記耐圧領域の表面層に設けられた担体受領領域と、
前記ウェル領域の表面層に設けられた複数のピックアップ領域と、
を備え、
前記ピックアップ領域が、第1導電型の領域と第2導電型の領域とが互いに接して設けられたユニバーサルコンタクト領域で構成されていることを特徴とする半導体装置。 The high-potential side circuit region, the high-potential junction termination structure provided around the high-potential side circuit region, and the low-potential side provided around the high-potential side circuit region via the high-potential junction termination structure. A semiconductor device in which the circuit area is integrated on the same semiconductor chip.
The first conductive type semiconductor layer and
A second conductive type well region located in the high potential side circuit region and provided on the surface layer of the semiconductor layer,
A second conductive type pressure-resistant region having a lower impurity concentration than the well region, which surrounds the well region and is provided in contact with the well region.
A first conductive type base region that surrounds the pressure-resistant region and is provided in contact with the pressure-resistant region.
A second conductive type provided on the surface layer of the base region, which is a carrier supply region of the level shifter included in the level shift circuit for transmitting a signal between the low potential side circuit region and the high potential side circuit region. Carrier supply area and
The carrier receiving region of the level shifter, which is the carrier receiving region provided on the surface layer of the well region or the pressure resistant region.
A plurality of pickup areas provided on the surface layer of the well area, and
Equipped with
A semiconductor device characterized in that the pickup region is composed of a universal contact region in which a first conductive type region and a second conductive type region are provided in contact with each other.
第1導電型の半導体層と、
前記高電位側回路領域に位置し、前記半導体層の表面層に設けられた第2導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域の周囲を囲み、前記ウェル領域と接して設けられた、前記ウェル領域よりも低不純物濃度の第2導電型の耐圧領域と、
前記耐圧領域の周囲を囲み、前記耐圧領域と接して設けられた第1導電型のベース領域と、
前記低電位側回路領域と前記高電位側回路領域との間で信号を伝達するレベルシフト回路に含まれるレベルシフタの担体供給領域であって、前記ベース領域の表面層に設けられた第2導電型の担体供給領域と、
前記レベルシフタの担体受領領域であって、前記ウェル領域又は前記耐圧領域の表面層に設けられた担体受領領域と、
を備え、
平面パターン上、前記担体供給領域及び前記担体受領領域が互いに平行に設けられ、
前記担体供給領域の幅が前記担体受領領域の幅よりも広く、
平面パターン上、前記担体受領領域に対向する位置の前記担体供給領域の密度が、前記担体受領領域に対向しない位置の前記担体供給領域の密度よりも低いことを特徴とする半導体装置。 The high-potential side circuit region, the high-potential junction termination structure provided around the high-potential side circuit region, and the low-potential side provided around the high-potential side circuit region via the high-potential junction termination structure. A semiconductor device in which the circuit area is integrated on the same semiconductor chip.
The first conductive type semiconductor layer and
A second conductive type well region located in the high potential side circuit region and provided on the surface layer of the semiconductor layer,
A second conductive type pressure-resistant region having a lower impurity concentration than the well region, which surrounds the well region and is provided in contact with the well region.
A first conductive type base region that surrounds the pressure-resistant region and is provided in contact with the pressure-resistant region.
A second conductive type provided on the surface layer of the base region, which is a carrier supply region of the level shifter included in the level shift circuit for transmitting a signal between the low potential side circuit region and the high potential side circuit region. Carrier supply area and
The carrier receiving region of the level shifter, which is the carrier receiving region provided on the surface layer of the well region or the pressure resistant region.
Equipped with
On a planar pattern, the carrier supply region and the carrier receiving region are provided in parallel with each other.
The width of the carrier supply area is wider than the width of the carrier receiving area,
A semiconductor device characterized in that the density of the carrier supply region at a position facing the carrier receiving region on a planar pattern is lower than the density of the carrier supply region at a position not facing the carrier receiving region.
前記トレンチに埋め込まれ、前記高濃度ベース領域にオーミック接触するトレンチコンタクト電極と、
を更に備えることを特徴とする請求項1ないし16のいずれか一項に記載の半導体装置。 A first conductive type high-concentration base region having a higher impurity concentration than the base region, which is provided in contact with the side wall of the trench provided in the surface layer of the base region and in contact with the carrier supply region.
A trench contact electrode embedded in the trench and ohmic contacting the high concentration base region.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 16, further comprising.
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