JP4961658B2 - Bidirectional element and semiconductor device - Google Patents

Bidirectional element and semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP4961658B2
JP4961658B2 JP2004038698A JP2004038698A JP4961658B2 JP 4961658 B2 JP4961658 B2 JP 4961658B2 JP 2004038698 A JP2004038698 A JP 2004038698A JP 2004038698 A JP2004038698 A JP 2004038698A JP 4961658 B2 JP4961658 B2 JP 4961658B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
trench
source
contact
drain
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP2004038698A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2004274039A (en
Inventor
睦美 北村
直人 藤島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP2004038698A priority Critical patent/JP4961658B2/en
Priority to CNB2004100551886A priority patent/CN100539184C/en
Priority to CN2009101363073A priority patent/CN101567373B/en
Priority to DE102004039402.4A priority patent/DE102004039402B4/en
Priority to US10/918,705 priority patent/US7902596B2/en
Publication of JP2004274039A publication Critical patent/JP2004274039A/en
Priority to US12/612,243 priority patent/US8084812B2/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4961658B2 publication Critical patent/JP4961658B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66477Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET
    • H01L29/66666Vertical transistors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66234Bipolar junction transistors [BJT]
    • H01L29/66325Bipolar junction transistors [BJT] controlled by field-effect, e.g. insulated gate bipolar transistors [IGBT]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70Bipolar devices
    • H01L29/72Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7393Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/7827Vertical transistors

Description

この発明双方向素子および双方向素子を有するパワー集積回路(パワーIC)などの半導体装置に関する。 The present invention relates to a bidirectional device and a semiconductor device such as a power integrated circuit (power IC) having the bidirectional device.

バッテリーなどの電源装置では、バッテリーを充電する場合と、バッテリーを放電する場合(負荷へ電流を供給する場合)の双方を制御して、バッテリーの過充電や過放電を防止している。そのため、交流信号や交流電力のオン・オフできる双方向の半導体スイッチが必要となり、この双方向の半導体スイッチとして、単方向半導体素子を逆並列に接続した複合型の双方向素子が用いられている。
また、この複合型の双方向素子とこれを制御する制御用ICを同一の半導体基板に集積したパワーICを用いて電源装置を小型化することが行われている。
また、単一の双方向素子も開発されており、その一例として、双方向横型絶縁ゲートトランジスタ(LIGBT)が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。つぎにこの双方向LIGBTについてその構造と動作を説明する。
In a power supply device such as a battery, overcharging and overdischarging of the battery are prevented by controlling both when the battery is charged and when the battery is discharged (when a current is supplied to the load). Therefore, a bidirectional semiconductor switch that can turn on / off an AC signal and AC power is required, and a composite bidirectional element in which unidirectional semiconductor elements are connected in antiparallel is used as the bidirectional semiconductor switch. .
Further, the power supply device is downsized by using a power IC in which the composite bidirectional element and a control IC for controlling the composite bidirectional element are integrated on the same semiconductor substrate.
A single bidirectional element has also been developed. As an example, a bidirectional lateral insulated gate transistor (LIGBT) has been proposed (see Non-Patent Document 1, for example). Next, the structure and operation of the bidirectional LIGBT will be described.

図30は、双方向LIGBTの要部断面図である。双方向LIGBTでは、n半導体層503の表面側に2つのp+ ウェル領域504、505が形成され、p+ウェル領域504、505の中にn+ エミッタ領域506、507が形成される。p+ ウェル領域504、505はn半導体層503の表面に露出するように形成され且つ所定の耐圧を維持できるように所定距離(ドリフト距離)だけ離間して形成される。また、n+エミッタ領域506、507もn半導体層503の表面(p+ ウェル領域504、505の表面)に露出するように形成される。
+ ウェル領域504、505のうちで2つのn+ エミッタ領域506、507の間に位置する部位の上には、ゲート絶縁膜508、509を介してポリシリコン等からなる絶縁ゲート型のゲート電極510、511が形成される。また、p+ウェル領域504、505とn+ エミッタ領域506、507とに跨がる形でエミッタ電極512、513が形成されている。この構造では、ゲート電極510、511への印加電圧を制御すれば、エミッタ電極512、513間を双方向に流れる主電流のオン・オフを制御できる。
FIG. 30 is a cross-sectional view of a main part of the bidirectional LIGBT. In the bidirectional LIGBT, two p + well regions 504 and 505 are formed on the surface side of the n semiconductor layer 503, and n + emitter regions 506 and 507 are formed in the p + well regions 504 and 505. The p + well regions 504 and 505 are formed so as to be exposed on the surface of the n semiconductor layer 503 and are separated by a predetermined distance (drift distance) so as to maintain a predetermined breakdown voltage. The n + emitter regions 506 and 507 are also formed so as to be exposed on the surface of the n semiconductor layer 503 (the surfaces of the p + well regions 504 and 505).
An insulated gate type gate electrode made of polysilicon or the like is disposed on a portion of the p + well regions 504 and 505 located between the two n + emitter regions 506 and 507 via the gate insulating films 508 and 509. 510, 511 are formed. Emitter electrodes 512 and 513 are formed so as to straddle the p + well regions 504 and 505 and the n + emitter regions 506 and 507. In this structure, when the voltage applied to the gate electrodes 510 and 511 is controlled, on / off of the main current flowing in both directions between the emitter electrodes 512 and 513 can be controlled.

図31は、図30の双方向LIGBTの出力特性を示す図である。pn接合の内蔵電位に起因する立ち上がり電圧(0.6V)以上にならないと主電流は流れ始めないため、小さな電流領域ではオン電圧が高く、オン損失が大きくなる。
これを改善するために、立ち上がりで電圧が零VとなるMOSFETで双方向素子を形成した単一の双方向MOSFETがある(例えば、特許文献1参照)。その内容について説明する。
図32は、従来の双方向MOSFETの要部断面図である。ここでは双方向LDMOSFET(Lateral Double−Diffused MOSFET)を例示する。前記の例と同様に、SOI構造を有しており、半導体基板101の上に絶縁層102を介してn半導体層103が形成される。n半導体層103の表面側には2つのn++ドレイン領域104、105が形成されるとともに、両n++ドレイン領域104、105の間でp+ウェル領域106が形成される。p+ ウェル領域106は絶縁層102に達する深さに形成され、n半導体基板103を2つの領域に分割している。さらに、p+ウェル領域106の中には2つのn++ソース領域107、108が形成されるとともに、両n++ソース領域107、108の間でp++ベースコンタクト109領域が形成される。n++ドレイン領域104、105とp+ウェル領域106とはn半導体基板103の表面に露出し、n++ソース領域107、108、p++ベースコンタクト領域109はp+ウェル領域106の表面に露出する。p+ ウェル領域106上には、ゲート絶縁膜110、111を介して絶縁ゲート型のゲート電極112、113が形成され、両ゲート電極112、113は共通に接続される。n++ドレイン領域104、105にはそれぞれドレイン電極114、115が接続される。さらに、n++ソース領域107、108とp++ベースコンタクト領域109とに跨がる形でソース電極117が接続される。
FIG. 31 is a diagram showing output characteristics of the bidirectional LIGBT of FIG. Since the main current does not begin to flow unless the rising voltage (0.6 V) due to the built-in potential of the pn junction is exceeded, the on-voltage is high and the on-loss is large in a small current region.
In order to improve this, there is a single bidirectional MOSFET in which a bidirectional element is formed by a MOSFET whose voltage becomes zero V at the rising edge (see, for example, Patent Document 1). The contents will be described.
FIG. 32 is a cross-sectional view of a main part of a conventional bidirectional MOSFET. Here, a bidirectional LDMOSFET (Lateral Double-Diffused MOSFET) is illustrated. Similar to the above example, the semiconductor device has an SOI structure, and an n semiconductor layer 103 is formed on a semiconductor substrate 101 with an insulating layer 102 interposed therebetween. Two n ++ drain regions 104 and 105 are formed on the surface side of the n semiconductor layer 103, and a p + well region 106 is formed between the n ++ drain regions 104 and 105. The p + well region 106 is formed to a depth reaching the insulating layer 102 and divides the n semiconductor substrate 103 into two regions. Further, in the p + well region 106, two n ++ source regions 107 and 108 are formed, and a p ++ base contact 109 region is formed between the n ++ source regions 107 and 108. . The n ++ drain regions 104 and 105 and the p + well region 106 are exposed on the surface of the n semiconductor substrate 103, and the n ++ source regions 107 and 108 and the p ++ base contact region 109 are on the surface of the p + well region 106. Exposed to. Insulated gate type gate electrodes 112 and 113 are formed on the p + well region 106 via gate insulating films 110 and 111, and both gate electrodes 112 and 113 are connected in common. Drain electrodes 114 and 115 are connected to n ++ drain regions 104 and 105, respectively. Further, the source electrode 117 is connected so as to straddle the n ++ source regions 107 and 108 and the p ++ base contact region 109.

上述した双方向LDMOSFETをオン状態にするには、ゲート電極112、113とソース電極117の間にゲート電極112、113が正電位になるように電圧を印加する。このとき、p+ウェル領域106におけるゲート絶縁膜110、111の直下にチャネルが形成される。ここで、ドレイン電極114、115間にドレイン電極114側が高電位になるように電圧が印加されているとすれば、ドレイン電極114→n++ドレイン領域104→n半導体層103→ゲート電極112に対応するチャネル→n++ソース領域107→ソース電極117→n++ソース領域108→ゲート電極113に対応するチャネル→n半導体層103→n++ドレイン領域105→ドレイン電極115の経路で電子電流が流れる。このとき、電流は電子電流が支配しており(つまりモノポーラであり)、電流通路に接合がないから低電位においてもオフセット成分が生じない。つまり、微小電流領域においても直線性がよい。ドレイン電極114、115に印加される電圧極性が逆になった場合には電流の向きが逆になるが同様に動作する。その結果、図33に示すように、交流電流を流すことができるとともに、微小電流領域においても直線性のよい動作が期待できる。 In order to turn on the above-described bidirectional LDMOSFET, a voltage is applied between the gate electrodes 112 and 113 and the source electrode 117 so that the gate electrodes 112 and 113 have a positive potential. At this time, a channel is formed immediately below the gate insulating films 110 and 111 in the p + well region 106. Here, if a voltage is applied between the drain electrodes 114 and 115 so that the drain electrode 114 side has a high potential, the drain electrode 114 → n ++ drain region 104 → n semiconductor layer 103 → gate electrode 112. Corresponding channel → n ++ source region 107 → source electrode 117 → n ++ source region 108 → channel corresponding to gate electrode 113 → n semiconductor layer 103 → n ++ drain region 105 → electron current in the path of drain electrode 115 Flows. At this time, the current is dominated by the electron current (that is, monopolar), and no offset component is generated even at a low potential because there is no junction in the current path. That is, the linearity is good even in a minute current region. When the polarity of the voltage applied to the drain electrodes 114 and 115 is reversed, the direction of the current is reversed, but the same operation is performed. As a result, as shown in FIG. 33, an alternating current can be passed, and an operation with good linearity can be expected even in a minute current region.

一方、上述した双方向LDMOSFETをオフ状態にするには、ゲート電極112、113とソース電極117を短絡させる。これによってp+ ウェル領域106においてゲート絶縁膜110、111の直下に形成されていたチャネルが消滅し電子電流が流れなくなり、オフ状態となるのである。オフ状態ではドレイン電極114、115間に正負いずれの電圧を印加しても電流は流れない。つまり交流電圧に対してオフ状態になる。ここに、耐圧は双方向LDMOSFETの片側部分の耐圧に等しい。
上述した双方向LDMOSFETをもちいる1チップで交流電力をオン・オフさせることができ、しかも、導通時には微小電流領域においても電圧・電流特性の直線性がよく、信号電流のオン・オフに用いることが可能となる。また、ゲート電極112、113は共通接続されソース電極117は1つであるから、ゲートに制御信号を与える駆動回路も1つでよく制御が容易である。
On the other hand, in order to turn off the above-described bidirectional LDMOSFET, the gate electrodes 112 and 113 and the source electrode 117 are short-circuited. As a result, the channel formed immediately below the gate insulating films 110 and 111 in the p + well region 106 disappears, so that no electron current flows and the channel is turned off. In the off state, no current flows even if a positive or negative voltage is applied between the drain electrodes 114 and 115. That is, it is turned off with respect to the AC voltage. Here, the breakdown voltage is equal to the breakdown voltage of one side portion of the bidirectional LDMOSFET.
AC power can be turned on / off with a single chip using the above-described bidirectional LDMOSFET, and when conducting, the voltage / current characteristics have good linearity even in a very small current region, so that it can be used to turn on / off signal current. Is possible. Further, since the gate electrodes 112 and 113 are commonly connected and the number of the source electrodes 117 is one, only one drive circuit for supplying a control signal to the gate is sufficient and the control is easy.

前記のように、主電流はpn接合を通らずにチャネルを通って流れるために、基本的に抵抗体を流れる電流と同じであり、電流は零電圧以上で流れ、小さな電流領域でのオン電圧は小さくなり、オン損失を小さくすることができる。
特開平11−224950号公報 ISPSD(International Symposium on Power Semiconducter Devices and ICs)1997、pp37−40)
As described above, since the main current flows through the channel without passing through the pn junction, it is basically the same as the current flowing through the resistor, and the current flows above zero voltage, and the on-voltage in a small current region. Becomes smaller and the on-loss can be reduced.
JP 11-224950 A ISPSD (International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs) 1997, pp 37-40)

しかし、図32の双方向LDMOSFETは、耐圧は双方向LDMOSFETの一方のMOSFETの耐圧で維持するために、順逆耐圧を維持するためには両方のMOSFETでそれぞれ耐圧が必要で、占有面積が2倍必要になり、ドレイン領域間での占有面積は大きくなる。また、プレーナ構造であるため双方向LDMOSFETを構成するセルの微細化が困難であり、従って、オン電圧を改善することが難しい。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、双方向素子のセル密度を上げてオン電圧を小さくできる高耐圧の双方向素子および双方向素子を有する半導体装置を提供することにある。
However, since the withstand voltage of the bidirectional LDMOSFET of FIG. 32 is maintained at the withstand voltage of one of the bidirectional LDMOSFETs, both MOSFETs require a withstand voltage in order to maintain the forward / reverse withstand voltage, and the occupied area is doubled. As a result, the occupied area between the drain regions becomes large. In addition, because of the planar structure, it is difficult to miniaturize the cells constituting the bidirectional LDMOSFET, and therefore it is difficult to improve the on-voltage.
An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a high breakdown voltage bidirectional element that can increase the cell density of the bidirectional element and reduce the on-voltage, and a semiconductor device having the bidirectional element .

本発明によれば、第1導電型のウェル領域内に該ウェル領域の表面から形成されたトレンチにより、前記ウェル領域の表面層を分割して形成された第1、第2の分割半導体領域を備え、
前記トレンチから前記ウェル領域の表面に平行な一方向に前記第1の分割半導体領域および前記トレンチを備え、前記一方向と逆の方向に前記第2の分割半導体領域および前記トレンチを備えた、前記トレンチと前記第1、第2の分割半導体領域の繰り返し領域と、この繰り返し領域において、
前記トレンチの底部から側壁に渡って形成された第1導電型のドレイン領域と、
前記第1の分割半導体領域の表面層に、前記第1の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁および前記ドレイン領域に接して形成された第2導電型の第1オフセット領域と、
前記第1オフセット領域の表面層に、前記第1の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁と接し、前記第1オフセット領域に接して形成された第1導電型の第1ソース領域と、
前記第1オフセット領域の表面層に、前記第1オフセット領域に接して形成された第2導電型の第1コンタクト領域と、
前記第1の分割半導体領域の該第1の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁に、前記ドレイン領域から前記第1ソース領域に渡って第1絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、
前記第1ソース領域および前記第1コンタクト領域に接する第1ソース電極と、
前記第2の分割半導体領域の表面層に、前記第2の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁および前記ドレイン領域に接して形成された第2導電型の第2オフセット領域と、
前記第2オフセット領域の表面層に、前記第2の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁と接し、前記第2オフセット領域に接して形成された第1導電型の第2ソース領域と、
前記第2オフセット領域の表面層に、前記第2オフセット領域に接して形成された第2導電型の第2コンタクト領域と、
前記第2の分割半導体領域の該第2の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁に、前記ドレイン領域から前記第2ソース領域に渡って第2絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、
前記第2ソース領域および前記第2コンタクト領域に接する第2ソース電極と、を備え、
前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とが電気的に絶縁されており、
前記ドレイン領域をドレイン、前記第1オフセット領域をチャネル、前記第1ソース領域をソースとする第1MOSFETと、前記ドレイン領域をドレイン、前記第2オフセット領域をチャネル、前記第2ソース領域をソースとする第2MOSFETと、が直列接続された双方向素子であり、
前記第1ソース電極と前記第2ソース電極との間で電流を流すための素子である構成とする。
According to the present invention, the first and second divided semiconductor regions formed by dividing the surface layer of the well region by the trench formed from the surface of the well region in the well region of the first conductivity type. Prepared,
The first divided semiconductor region and the trench are provided in one direction parallel to the surface of the well region from the trench, and the second divided semiconductor region and the trench are provided in a direction opposite to the one direction. In the repeating region of the trench and the first and second divided semiconductor regions, and in the repeating region,
A drain region of a first conductivity type formed from the bottom of the trench to the side wall;
A first offset region of a second conductivity type formed on the surface layer of the first divided semiconductor region in contact with the sidewalls of the trench and the drain region on both sides of the first divided semiconductor region;
A first source region of a first conductivity type formed on a surface layer of the first offset region, in contact with a sidewall of the trench on both sides of the first divided semiconductor region, and in contact with the first offset region;
A first contact region of a second conductivity type formed on a surface layer of the first offset region in contact with the first offset region;
A first gate electrode formed on a sidewall of the trench on both sides of the first divided semiconductor region through the first insulating film from the drain region to the first source region. When,
A first source electrode in contact with the first source region and the first contact region;
A second conductivity type second offset region formed on the surface layer of the second divided semiconductor region in contact with the sidewalls of the trench and the drain region on both sides of the second divided semiconductor region;
A second source region of a first conductivity type formed on a surface layer of the second offset region, in contact with a sidewall of the trench on both sides of the second divided semiconductor region, and in contact with the second offset region;
A second contact region of a second conductivity type formed on the surface layer of the second offset region in contact with the second offset region;
A second gate electrode formed on a sidewall of the trench on both sides of the second divided semiconductor region of the second divided semiconductor region from the drain region to the second source region via a second insulating film; When,
A second source electrode in contact with the second source region and the second contact region,
The first gate electrode and the second gate electrode are electrically insulated;
The drain region is a drain, the first offset region is a channel, the first source region is a source, a first MOSFET, the drain region is a drain, the second offset region is a channel, and the second source region is a source. A second MOSFET and a bidirectional element connected in series;
The element is configured to allow a current to flow between the first source electrode and the second source electrode.

また、前記ウェル領域は、第2導電型半導体基板の表面層に選択的に形成された領域であるとよい。
また、前記第1、第2の分割半導体領域を、それぞれ複数個備え、隣接する分割半導体領域の間の前記トレンチ幅が、同じ領域間よりも広いとよい。
The well region may be a region selectively formed in the surface layer of the second conductivity type semiconductor substrate.
Further, it is preferable that a plurality of the first and second divided semiconductor regions are provided, and the trench width between adjacent divided semiconductor regions is wider than between the same regions.

また、 第1導電型のウェル領域内に該ウェル領域の表面から形成されたトレンチにより、前記ウェル領域の表面層を分割して形成された第1、第2の分割半導体領域を備え、
前記トレンチから前記ウェル領域の表面に平行な一方向に前記第1の分割半導体領域および前記トレンチを備え、前記一方向と逆の方向に前記第2の分割半導体領域および前記トレンチを備えた、前記トレンチと前記第1、第2の分割半導体領域の繰り返し領域と、この繰り返し領域において、
前記ウェル領域の表面に平行で前記一方向と垂直方向に選択的に前記トレンチの底部から側壁に渡って形成された第1導電型のソース領域と、
前記垂直方向に選択的にかつ前記ソース領域が形成されていない領域に前記トレンチの底部から側壁に渡って形成された第2導電型のコンタクト領域と、
前記第1の分割半導体領域の表面層に、前記第1の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁、前記ソース領域および前記コンタクト領域に接して形成された第2導電型の第1オフセット領域と、
前記第1オフセット領域の表面層に、前記第1の分割半導体領域の両側の前記トレンチ
の側壁と接し、前記第1オフセット領域に接して形成された第1導電型の第1ドレイン領域と、
前記第1の分割半導体領域の該第1の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁に、前記ソース領域から前記第1ドレイン領域に渡って第1絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、
前記第1ドレイン領域に接する第1ドレイン電極と、
前記第2の分割半導体領域の表面層に、前記第2の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁、前記ソース領域および前記コンタクト領域に接して形成された第2導電型の第2オフセット領域と、
前記第2オフセット領域の表面層に、前記第2の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁と接し、前記第2オフセット領域に接して形成された第1導電型の第2ドレイン領域と、
前記第2の分割半導体領域の該第2の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁に、前記ソース領域から前記第2ドレイン領域に渡って第2絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、
前記第2ドレイン領域に接する第2ドレイン電極と、
前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極との間に絶縁膜を介して前記ソース領域と前記コンタクト領域とに接する導電体と、を備え、
前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とが電気的に絶縁されており、
前記ソース領域をソース、前記第1オフセット領域をチャネル、前記第1ドレイン領域をドレインとする第1MOSFETと、前記ソース領域をソース、前記第2オフセット領域をチャネル、前記第2ドレイン領域をドレインとする第2MOSFETと、が直列接続された双方向素子であり、
前記第1ドレイン電極と前記第2ドレイン電極との間で電流を流すための素子である構成とする。
The first conductivity type well region includes first and second divided semiconductor regions formed by dividing the surface layer of the well region by a trench formed from the surface of the well region.
The first divided semiconductor region and the trench are provided in one direction parallel to the surface of the well region from the trench, and the second divided semiconductor region and the trench are provided in a direction opposite to the one direction. In the repeating region of the trench and the first and second divided semiconductor regions, and in the repeating region,
A source region of a first conductivity type formed across the sidewall from the bottom of the trench selectively in a direction perpendicular to the one direction and parallel to the surface of the well region ;
A contact region of a second conductivity type formed across the sidewall from the bottom of the trench in a region that is selectively formed in the vertical direction and in which the source region is not formed;
A first conductivity type first offset region formed on a surface layer of the first divided semiconductor region in contact with the sidewalls of the trench, the source region and the contact region on both sides of the first divided semiconductor region; ,
A first drain region of a first conductivity type formed on a surface layer of the first offset region, in contact with a sidewall of the trench on both sides of the first divided semiconductor region, and in contact with the first offset region;
A first gate electrode formed on a sidewall of the trench on both sides of the first divided semiconductor region of the first divided semiconductor region through a first insulating film from the source region to the first drain region. When,
A first drain electrode in contact with the first drain region;
A second conductivity type second offset region formed on the surface layer of the second divided semiconductor region in contact with the sidewalls of the trench, the source region, and the contact region on both sides of the second divided semiconductor region; ,
A second drain region of a first conductivity type formed on a surface layer of the second offset region, in contact with a sidewall of the trench on both sides of the second divided semiconductor region, and in contact with the second offset region;
A second gate electrode formed on the sidewall of the trench on both sides of the second divided semiconductor region of the second divided semiconductor region from the source region to the second drain region via a second insulating film. When,
A second drain electrode in contact with the second drain region;
A conductor in contact with the source region and the contact region through an insulating film between the first gate electrode and the second gate electrode;
The first gate electrode and the second gate electrode are electrically insulated;
A first MOSFET having the source region as a source, the first offset region as a channel, and the first drain region as a drain, the source region as a source, the second offset region as a channel, and the second drain region as a drain. A second MOSFET and a bidirectional element connected in series;
The element is configured to allow a current to flow between the first drain electrode and the second drain electrode.

また、前記双方向素子と、該双方向素子を制御する制御用回路とを同一の半導体基板に形成するとよい。 The bidirectional element and a control circuit for controlling the bidirectional element may be formed on the same semiconductor substrate .

この発明によれば、双方向素子の高耐圧化と低オン電圧化を図ることができる。
また、コンタクト領域を形成し、オフセット領域と第1、第2ソース領域とを電気的に接触させることで双方向素子の安全動作領域を広くすることができる。
According to the present invention, it is possible to achieve a high breakdown voltage and a low on-voltage of the bidirectional element .
Further, a safe operation region of the bidirectional element can be widened by forming a contact region and electrically contacting the offset region and the first and second source regions .

以下の説明では第1導電形をn形とし、第2導電形をp形として説明したがこれを逆にしても構わない。   In the following description, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, but this may be reversed.

図1、この発明の第1実施例の半導体装置の構成図であり、同図(a)は要部平面図、同図(b)は同図(a)のA部拡大図、同図(c)は同図(b)のX−X線で切断した要部断面図である。ここでは双方向LMOSFET(双方向横型MOSFET)を例に挙げて説明する。この双方向LMOSFETの構造はTLPM(トレンチ・ラテラル・パワー・MOSFET)構造と類似している。
p半導体基板1にnウェル領域2を形成し、このnウェル領域2にトレンチ3を形成し、このトレンチ底面3a下にnドレイン領域4を形成し、nウェル領域2の表面層にpオフセット領域5を形成する。
トレンチ3内壁にゲート絶縁膜6を形成し、トレンチ側壁3bにゲート絶縁膜を介してゲート電極7を形成する。トレンチ3に囲まれたpオフセット領域5の表面にトレンチ3と接するように選択的に第1nソース領域9と第2nソース領域10を形成する。この第1nソース領域9と第2nソース領域10はトレンチ3を挟んで交互に形成される。ゲート電極7上とトレンチ3内部を層間絶縁膜8で充填し平坦化する。全面に層間絶縁膜8aを形成した後、この層間絶縁膜にコンタクトホールを開口して、第1nソース領域9上と第2nソース領域10上に第1ソース電極11と第2ソース電極12をそれぞれ形成する。第1ソース電極11同士、第2ソース電極12同士は第1ソース配線13、第2ソース配線14でそれぞれ接続する。またゲート電極7は図示しないゲートパッドとゲート配線を介して接続する。
FIG. 1 is a block diagram of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1 (a) is a plan view of the main part, FIG. 1 (b) is an enlarged view of part A of FIG. c) is a cross-sectional view of the main part taken along line XX of FIG. Here, a bidirectional LMOSFET (bidirectional lateral MOSFET) will be described as an example. The structure of this bidirectional LMOSFET is similar to a TLPM (trench lateral power MOSFET) structure.
An n well region 2 is formed in a p semiconductor substrate 1, a trench 3 is formed in the n well region 2, an n drain region 4 is formed below the bottom surface 3 a of the trench, and a p offset region is formed in a surface layer of the n well region 2. 5 is formed.
A gate insulating film 6 is formed on the inner wall of the trench 3, and a gate electrode 7 is formed on the trench side wall 3b via the gate insulating film. A first n source region 9 and a second n source region 10 are selectively formed on the surface of the p offset region 5 surrounded by the trench 3 so as to be in contact with the trench 3. The first n source region 9 and the second n source region 10 are alternately formed with the trench 3 interposed therebetween. The gate electrode 7 and the inside of the trench 3 are filled with an interlayer insulating film 8 and flattened. After the interlayer insulating film 8a is formed on the entire surface, contact holes are opened in the interlayer insulating film, and the first source electrode 11 and the second source electrode 12 are formed on the first n source region 9 and the second n source region 10, respectively. Form. The first source electrodes 11 and the second source electrodes 12 are connected by a first source line 13 and a second source line 14, respectively. The gate electrode 7 is connected to a gate pad (not shown) via a gate wiring.

前記したように、nドレイン領域4をトレンチ底部に形成されていることで、電界が緩和され30V程度の高耐圧を確保することができる。
また、前記のように、ゲート電極7とnドレイン領域4をトレンチ3底部に形成することで、耐圧がトレンチ3に沿って維持されるようになり、そのため、第1nソース領域9と第2nソース領域10の表面での間隔を狭くでき、セルの微細化ができる。その結果、オン電圧を低下させることができる。
尚、前記したようにp半導体基板1を用いることで、この基板1をグランド電位にすることができて、図示しないCMOS回路などをこの基板1に形成することが容易になる。また、前記のトレンチ底部に形成されるn拡張nドレイン領域4は、離れて形成されているが、それぞれのnドレイン領域4が接するように形成しても構わない。
As described above, by forming the n drain region 4 at the bottom of the trench, the electric field is relaxed and a high breakdown voltage of about 30 V can be secured.
In addition, as described above, the breakdown voltage is maintained along the trench 3 by forming the gate electrode 7 and the n drain region 4 at the bottom of the trench 3, and therefore, the first n source region 9 and the second n source The space on the surface of the region 10 can be narrowed, and the cells can be miniaturized. As a result, the on-voltage can be reduced.
Incidentally, by using the p semiconductor substrate 1 as described above, the substrate 1 can be set to the ground potential, and it becomes easy to form a CMOS circuit or the like (not shown) on the substrate 1. Further, although the n extended n drain region 4 formed at the bottom of the trench is formed apart, it may be formed so that the respective n drain regions 4 are in contact with each other.

また、図2に記載のような構成としても構わない。図2(a)は、nウェル領域2が図1(c)におけるnドレイン領域4を兼ねている構成である。図2(a)(b)は半導体基板がn型の場合の構成であり、同図(b)では、半導体基板1が図1(c)におけるnドレイン領域4を兼ねている構成である。同図(c)では、同図(b)においてnドレイン領域4をさらに形成したものである。
また、図1(c)では、ゲート電極7がトレンチ3内に左右に分かれて形成されているが、図2のように1つとなっていても構わない。
図3は、図1の双方向LMOSFETの等価回路図である。この双方向LDMOSFET50の動作について説明する。第1ソース端子S1に対して第2ソース端子S2に高電圧を印加し、第2ソース端子S2より高い電圧をゲート端子Gに印加することで、図1の第1、第2nソース領域9、10とnドレイン領域4に挟まれたpオフセット領域5側面にチャネルが形成されて第2ソース端子S2から第1ソース端子S1に電流が流れる。第2ソース端子S2に対して第1ソース端子S1に高電圧を印加し、第1ソース端子S1より高い電圧をゲート端子Gに印加することで、第1、第2nソース領域9、10とnドレイン領域4に挟まれたpオフセット領域5側面にチャネルが形成されて第1ソース端子S1から第2ソース端子S2に電流が流れる。このように、双方向に電流を流すことができる双方向LMOSFETとなる。
Further, a configuration as shown in FIG. 2 may be used. FIG. 2A shows a configuration in which the n well region 2 also serves as the n drain region 4 in FIG. 2A and 2B show a configuration in the case where the semiconductor substrate is n-type, and in FIG. 2B, the semiconductor substrate 1 also serves as the n drain region 4 in FIG. 1C. In FIG. 8C, the n drain region 4 is further formed in FIG.
Further, in FIG. 1C, the gate electrode 7 is formed separately in the left and right in the trench 3, but may be one as shown in FIG.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the bidirectional LMOSFET of FIG. The operation of this bidirectional LDMOSFET 50 will be described. By applying a high voltage to the second source terminal S2 with respect to the first source terminal S1 and applying a voltage higher than the second source terminal S2 to the gate terminal G, the first and second n source regions 9 in FIG. A channel is formed on the side surface of the p offset region 5 sandwiched between 10 and the n drain region 4, and a current flows from the second source terminal S2 to the first source terminal S1. By applying a high voltage to the first source terminal S1 with respect to the second source terminal S2, and applying a voltage higher than the first source terminal S1 to the gate terminal G, the first and second n source regions 9, 10 and n A channel is formed on the side surface of the p offset region 5 sandwiched between the drain regions 4, and a current flows from the first source terminal S1 to the second source terminal S2. In this way, a bidirectional LMOSFET capable of flowing current bidirectionally is obtained.

一方、ゲート端子Gを第1、第2ソース端子S1、S2の内の低電位側の端子の電位にするか、グランド電位にすることで、pオフセット領域5に形成されたチャネルを消滅させて双方向LMOSFETを阻止状態とすることができる。   On the other hand, the channel formed in the p offset region 5 is extinguished by setting the gate terminal G to the potential of the low potential side of the first and second source terminals S1 and S2 or to the ground potential. The bidirectional LMOSFET can be blocked.

図4は、この発明の第2実施例の半導体装置の構成図であり、同図(a)は図1(b)に相当する要部平面図、同図(b)は同図(a)のX−X線で切断した要部断面図である。図1との違いは、pオフセット領域5の表面層に第1および第2nソース領域9、10に囲まれたpコンタクト領域15、16を形成し、第1nソース領域9上と第2nソース領域10上とそれぞれのpコンタクト15、16を形成している点である。動作は図3の説明と同じである。
前記のように、pコンタクト領域15、16を形成することで、pオフセット領域5の電位が安定し、双方向LMOSFETの安全動作領域が広くなる。その他は第1実施例と同じである。
尚、この双方向LMOSFETはpコンタクト領域15、16が形成されることで寄生ダイオードが内蔵され、双方向IGBTとしての動作モードもある。そのため、ゲート電圧(ゲート電極7の電圧)が高電位側のソース電極の電圧より低い場合でも第1ソース電極11と第2ソース電極12の間に主電流を流すことができる。
FIG. 4 is a block diagram of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 (a) is a plan view of the main part corresponding to FIG. 1 (b), and FIG. It is principal part sectional drawing cut | disconnected by the XX line. The difference from FIG. 1 is that p contact regions 15 and 16 surrounded by the first and second n source regions 9 and 10 are formed in the surface layer of the p offset region 5, and the first n source region 9 and the second n source region are formed. 10 and the respective p contacts 15 and 16 are formed. The operation is the same as described in FIG.
As described above, by forming the p contact regions 15 and 16, the potential of the p offset region 5 is stabilized, and the safe operation region of the bidirectional LMOSFET is widened. Others are the same as the first embodiment.
This bidirectional LMOSFET has p-contact regions 15 and 16 formed therein and has a built-in parasitic diode, and has an operation mode as a bidirectional IGBT. Therefore, the main current can flow between the first source electrode 11 and the second source electrode 12 even when the gate voltage (voltage of the gate electrode 7) is lower than the voltage of the source electrode on the high potential side.

図5は、この発明の第3実施例の半導体装置の構成図であり、同図(a)は要部平面図、同図(b)は同図(a)のB部拡大図、同図(c)は同図(b)のX−X線で切断した要部断面図である。ここでは双方向LMOSFETを例に挙げて説明する。
p半導体基板1にnウェル領域2を形成し、このnウェル領域2にトレンチ33を形成し、このトレンチ底面33a下にnソース領域34を形成し、nウェル領域2の表面層にpオフセット領域35を形成する。
トレンチ33内壁にゲート絶縁膜36を形成し、トレンチ側壁33bにゲート絶縁膜36を介してゲート電極37を形成する。トレンチ33に囲まれたpオフセット領域35の表面にトレンチ33と接するように第1nドレイン領域39と第2nドレイン領域40を形成する。この第1nドレイン領域39と第2nドレイン領域40はトレンチ33を挟んで交互に形成される。ゲート電極37上とトレンチ33内部を層間絶縁膜38で充填し平坦化する。この層間絶縁膜38にコンタクトホールを開口して、第1nドレイン領域39上と第2nドレイン領域40上に第1ドレイン電極41と第2ドレイン電極42をそれぞれ形成し、またnソース領域34の表面を露出させ、ピックアップ電極45を充填する。このピックアップ電極45はnソース領域が複数に分割されて形成されている場合等電位にする効果があり、また、制御電圧を印加して所定の電位とすることが可能である。例えば、装置のオフ時にグランド電位を印加しD1、D2間に電流が流れないようにすることができる。また、第1ドレイン電極41同士、第2ドレイン電極42同士は第1ドレイン配線43、第2ドレイン配線44でそれぞれ接続する。またゲート電極37は図示しないゲートパッドとゲート配線を介して接続する。
FIG. 5 is a block diagram of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 5 (a) is a plan view of the main part, FIG. 5 (b) is an enlarged view of part B of FIG. (C) is principal part sectional drawing cut | disconnected by the XX line of the same figure (b). Here, a bidirectional LMOSFET will be described as an example.
An n well region 2 is formed in the p semiconductor substrate 1, a trench 33 is formed in the n well region 2, an n source region 34 is formed below the bottom surface 33 a of the trench, and a p offset region is formed in the surface layer of the n well region 2. 35 is formed.
A gate insulating film 36 is formed on the inner wall of the trench 33, and a gate electrode 37 is formed on the trench side wall 33 b via the gate insulating film 36. A first n drain region 39 and a second n drain region 40 are formed on the surface of the p offset region 35 surrounded by the trench 33 so as to be in contact with the trench 33. The first n drain region 39 and the second n drain region 40 are alternately formed with the trench 33 interposed therebetween. The gate electrode 37 and the trench 33 are filled with an interlayer insulating film 38 and planarized. Contact holes are opened in the interlayer insulating film 38 to form the first drain electrode 41 and the second drain electrode 42 on the first n drain region 39 and the second n drain region 40, respectively, and the surface of the n source region 34 And the pickup electrode 45 is filled. The pick-up electrode 45 has an effect of being equipotential when the n source region is divided into a plurality of parts, and can be made to have a predetermined potential by applying a control voltage. For example, a ground potential can be applied when the device is off so that no current flows between D1 and D2. The first drain electrodes 41 and the second drain electrodes 42 are connected to each other by a first drain wiring 43 and a second drain wiring 44, respectively. The gate electrode 37 is connected to a gate pad (not shown) via a gate wiring.

nソース領域34をトレンチ底部に形成し、その上に層間絶縁膜38が被覆されていることで、電界が緩和され30V程度の高耐圧を確保することができる。
また、前記のように、ゲート電極37とpオフセット領域35をトレンチ内に形成することで、耐圧がトレンチ側壁33bに沿って維持されるようになり、そのため、第1nドレイン領域39と第2nドレイン領域40の表面での間隔を狭くでき、セルの微細化ができる。その結果、オン電圧を低下させることができる。
尚、前記したようにp半導体基板1を用いることで、この基板1をグランド電位にすることができて、図示しないCMOS回路などをこの基板1に形成することが容易になる。また、前記のトレンチ底部に形成されるnソース領域34は、離れて形成されているが、それぞれのnドレイン領域34が接するように形成しても構わない。
By forming the n source region 34 at the bottom of the trench and covering the interlayer insulating film 38 thereon, the electric field is relaxed and a high breakdown voltage of about 30 V can be secured.
Further, as described above, by forming the gate electrode 37 and the p offset region 35 in the trench, the breakdown voltage is maintained along the trench side wall 33b. Therefore, the first n drain region 39 and the second n drain The space on the surface of the region 40 can be narrowed, and the cell can be miniaturized. As a result, the on-voltage can be reduced.
Incidentally, by using the p semiconductor substrate 1 as described above, the substrate 1 can be set to the ground potential, and it becomes easy to form a CMOS circuit or the like (not shown) on the substrate 1. The n source regions 34 formed at the bottom of the trench are formed apart from each other, but may be formed so that the respective n drain regions 34 are in contact with each other.

図6は、図5の双方向LMOSFETの等価回路図である。この双方向LMOSFET60の動作について説明する。第1ドレイン端子D1に対して第2ドレイン端子D2に高電圧を印加し、第1ドレイン端子D1より高い電圧をゲート端子Gに印加することで、図5に示す第1、第2nドレイン領域39、40とnソース領域34に挟まれたpオフセット領域35側面にチャネルが形成されて第2ドレイン端子D2から第1ドレイン端子D1に電流が流れる。第2ドレイン端子D2に対して第1ドレイン端子D1に高電圧を印加し、第2ドレイン端子D2より高い電圧をゲート電極Gに印加することで、第1、第2nドレイン領域39、40とnソース領域34に挟まれたpオフセット領域35側面にチャネルが形成されて第1ドレイン端子D1から第2ドレイン端子D2に電流が流れる。このように、双方向のLMOSFETとなる。   FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the bidirectional LMOSFET of FIG. The operation of the bidirectional LMOSFET 60 will be described. By applying a high voltage to the second drain terminal D2 with respect to the first drain terminal D1, and applying a voltage higher than the first drain terminal D1 to the gate terminal G, the first and second n drain regions 39 shown in FIG. , 40 and the n source region 34, a channel is formed on the side surface of the p offset region 35, and a current flows from the second drain terminal D 2 to the first drain terminal D 1. By applying a high voltage to the first drain terminal D1 relative to the second drain terminal D2, and applying a voltage higher than the second drain terminal D2 to the gate electrode G, the first and second n drain regions 39, 40 and n A channel is formed on the side surface of the p offset region 35 sandwiched between the source regions 34, and a current flows from the first drain terminal D1 to the second drain terminal D2. Thus, a bidirectional LMOSFET is obtained.

一方、ゲート端子Gを第1、第2ドレイン端子D1、D2の内低い電位と同じ電位にすることで、pオフセット領域35に形成されたチャネルを消滅させ、双方向LMOSFETを阻止状態とすることができる。   On the other hand, by setting the gate terminal G to the same potential as the lower potential of the first and second drain terminals D1 and D2, the channel formed in the p offset region 35 is extinguished and the bidirectional LMOSFET is blocked. Can do.

図7は、この発明の第4実施例の半導体装置の構成図であり、同図(a)は図5(b)に相当する要部平面図、同図(b)は同図(a)のX1−X1で切断した要部断面図、同図(c)は同図(a)のX2−X2で切断した要部断面図である。ここでは双方向LMOSFETを例に挙げて説明する。
図5との違いは、トレンチ底面33a下のnソース領域34の隣にpベースピックアップ領域46を形成し、このnソース領域34とpベースピックアップ領域36に接するようにピックアップ電極45を形成した点である。動作は図5で説明した内容と同じである。
このように、pベースピックアップ領域46を形成し、このpベースピックアップ領域46とnソース領域34をピックアップ電極45で短絡することで、pオフセット領域35の電位が安定し、双方向LMOSFETの安全動作領域が広くなる。その他は第3実施例と同じである。
FIG. 7 is a block diagram of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 7 (a) is a plan view of an essential part corresponding to FIG. 5 (b), and FIG. The principal part sectional drawing cut | disconnected by X1-X1 of this, The figure (c) is principal part sectional drawing cut | disconnected by X2-X2 of the figure (a). Here, a bidirectional LMOSFET will be described as an example.
The difference from FIG. 5 is that a p base pickup region 46 is formed next to the n source region 34 below the trench bottom surface 33a, and a pickup electrode 45 is formed in contact with the n source region 34 and the p base pickup region 36. It is. The operation is the same as that described in FIG.
Thus, by forming the p base pickup region 46 and shorting the p base pickup region 46 and the n source region 34 with the pickup electrode 45, the potential of the p offset region 35 is stabilized, and the bidirectional LMOSFET is operated safely. The area becomes wider. Others are the same as the third embodiment.

図8は、この発明の第5実施例の半導体装置の要部配置図である。ここでは、バッテリー装置に搭載されるパワーICを例として示した。
このパワーICは、同一半導体基板91に双方向LMOSFET50と駆動・保護回路部51と残量回路部52を形成する。駆動・保護回路部51と残量回路部52は電池セル92の電圧と、電池セル92に図示しないチャジャーから流入する充電電流と、電池セ92ルから負荷(携帯機器など)へ流出する放電電流を抵抗93で検出して、双方向LMOSFET50を正常に制御し、過充電や過放電のような異常時の場合には双方向LMOSFET50をオフする信号を双方向LMOSFET50へ伝送する働きをする。尚、駆動・保護回路部51にはチャージポンプ回路53が入っており、双方向LMOSFET50の第1、第2ソース端子S1、S2の電圧より高い電圧をゲート端子Gへ与えることができるようになっている。また、制御端子は電池セル92の電荷残量を外部から指定する端子である。
FIG. 8 is a main part layout diagram of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. Here, a power IC mounted on the battery device is shown as an example.
This power IC forms a bidirectional LMOSFET 50, a drive / protection circuit unit 51, and a remaining amount circuit unit 52 on the same semiconductor substrate 91. The drive / protection circuit unit 51 and the remaining amount circuit unit 52 are provided with the voltage of the battery cell 92, the charging current flowing into the battery cell 92 from a charger (not shown), and the discharging current flowing out of the battery cell 92 into a load (such as a portable device). Is detected by the resistor 93, and the bidirectional LMOSFET 50 is normally controlled, and in the case of an abnormality such as overcharge or overdischarge, a signal for turning off the bidirectional LMOSFET 50 is transmitted to the bidirectional LMOSFET 50. Note that the drive / protection circuit unit 51 includes a charge pump circuit 53, which can apply a voltage higher than the voltages of the first and second source terminals S1 and S2 of the bidirectional LMOSFET 50 to the gate terminal G. ing. The control terminal is a terminal for designating the remaining charge of the battery cell 92 from the outside.

図9は、この発明の第6実施例の半導体装置の製造方法であり、同図(a)から同図(c)は工程順に示した要部製造工程断面図である。これは図1の双方向LMOSFETの製造方法である。
p半導体基板1上に、nウェル領域2を形成し、続いて、表面濃度1×1017cm-3、拡散深さ1μmのpオフセット領域5を形成し、酸化膜をマスクとしてnウェル領域2に幅1.5μmのトレンチ3を形成し、トレンチ3の窓からトレンチ3の底面3aに表面濃度1×1018cm-3、拡散深さ1μmのnドレイン領域4をイオン注入と熱処理(ドライブ)で形成する(同図(a))。ここでは、ウェル領域2、pオフセット領域5を形成した後にトレンチ3を形成したが、トレンチ3を形成した後で形成してもよい。
つぎに、トレンチ側壁3bのチャネル形成箇所に図示しないしきい値調整用のイオン注入をチルド角45度で行い、表面濃度7×1016cm-3、拡散深さ0.3μmの拡散層を形成する。続いて、チャネル形成箇所を清浄化しトレンチ内壁にゲート絶縁膜6(例えば、ゲート酸化膜)を形成し、このゲート絶縁膜6上にゲート電極7となるドープドポリシリコンを0.3μmの厚さで堆積させ、異方性エッチングによりゲート電極7を形成する(同図(b))。
FIG. 9 shows a method of manufacturing a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention. FIGS. 9A to 9C are cross-sectional views showing the main part manufacturing process shown in the order of processes. This is a method of manufacturing the bidirectional LMOSFET of FIG.
An n-well region 2 is formed on a p-semiconductor substrate 1, followed by formation of a p-offset region 5 having a surface concentration of 1 × 10 17 cm −3 and a diffusion depth of 1 μm, and using the oxide film as a mask, the n-well region 2 to form a trench 3 of width 1.5 [mu] m, the heat treatment from the window of the trench 3 bottom 3a on a surface concentration of 1 × 10 18 cm -3 of the trench 3, the n drain region 4 of the diffusion depth 1μm and ion implantation (drive) (FIG. 2A). Here, the trench 3 is formed after the well region 2 and the p offset region 5 are formed, but may be formed after the trench 3 is formed.
Next, a threshold adjustment ion implantation (not shown) is performed at a channel forming position on the trench side wall 3b at a chilled angle of 45 degrees to form a diffusion layer having a surface concentration of 7 × 10 16 cm −3 and a diffusion depth of 0.3 μm. To do. Subsequently, the channel forming portion is cleaned, a gate insulating film 6 (for example, a gate oxide film) is formed on the inner wall of the trench, and doped polysilicon serving as the gate electrode 7 is formed on the gate insulating film 6 to a thickness of 0.3 μm. Then, a gate electrode 7 is formed by anisotropic etching ((b) in the figure).

つぎに、pオフセット領域5の表面層に第1、第2nソース領域9、10を形成し、層間絶縁膜8として酸化膜を堆積する。この工程でトレンチ内部は層間絶縁膜8が充填され、エッチバックにより層間絶縁膜8の表面を平坦化する。続いて、第1、第2nソース領域9、10にコンタクト抵抗低減のためのイオン注入を行い、この第1、第2nソース領域9、10上にアルミニウムなどで第1、第2ソース電極11、12を形成する。続いて、図示しない第1ソース配線、第2ソース配線を形成する(同図(c))。   Next, first and second n source regions 9 and 10 are formed on the surface layer of the p offset region 5, and an oxide film is deposited as the interlayer insulating film 8. In this step, the trench is filled with the interlayer insulating film 8, and the surface of the interlayer insulating film 8 is flattened by etch back. Subsequently, ion implantation for reducing contact resistance is performed on the first and second n source regions 9 and 10, and the first and second source electrodes 11 and 11 are formed on the first and second n source regions 9 and 10 with aluminum or the like. 12 is formed. Subsequently, a first source wiring and a second source wiring (not shown) are formed (FIG. 3C).

図10は、この発明の第7実施例の半導体装置の製造方法であり、同図(a)から同図(c)は工程順に示した要部製造工程断面図である。これは図3の双方向LMOSFETの製造方法である。
図9と違うのは、図10(c)で、pコンタクト領域15、16を形成し、第1、第2ソース電極11、12とこのpコンタクト領域15、16が接している点である。
FIG. 10 shows a method of manufacturing a semiconductor device according to a seventh embodiment of the present invention. FIGS. 10A to 10C are cross-sectional views showing the main part manufacturing process shown in the order of processes. This is a method of manufacturing the bidirectional LMOSFET of FIG.
The difference from FIG. 9 is that, in FIG. 10C, p contact regions 15 and 16 are formed, and the first and second source electrodes 11 and 12 and the p contact regions 15 and 16 are in contact with each other.

図11は、この発明の第8実施例の半導体装置の製造方法であり、同図(a)から同図(c)は工程順に示した要部製造工程断面図である。これは図5の双方向LMOSFETの製造方法である。
p半導体基板1上に、nウェル領域2を形成し、図示しない酸化膜をマスクとしてnウェル領域2に幅3μmのトレンチ33を形成し、トレンチ33の窓からトレンチの底面33aに表面濃度1×1018cm-3、拡散深さ1μmのnソース領域34をイオン注入と熱処理(ドライブ)で形成する。続いて、マスク酸化膜を除去し、表面濃度1×1017cm-3、拡散深さ1μmのpオフセット領域35をnドレイン領域34と接するように、トレンチ33で分割された分離半導体領域61に形成する(同図(a))。
つぎに、トレンチの側壁33bのチャネル形成箇所に、図示しないしきい値調整用のイオン注入をチルド角45度で行い、表面濃度7×1016cm-3、拡散深さ0.3μmの拡散層を形成する。続いて、チャネル形成箇所を清浄化しトレンチ内壁にゲート絶縁膜36を形成し、このゲート絶縁膜36上にゲート電極37となるドープドポリシリコンを0.3μmの厚さで堆積させ、異方性エッチングによりゲート電極37を形成する(同図(b))。
FIG. 11 shows a method of manufacturing a semiconductor device according to an eighth embodiment of the present invention. FIG. 11A to FIG. 11C are cross-sectional views showing a main part manufacturing process shown in the order of steps. This is a method of manufacturing the bidirectional LMOSFET of FIG.
An n-well region 2 is formed on a p-semiconductor substrate 1, a trench 33 having a width of 3 μm is formed in the n-well region 2 using an unillustrated oxide film as a mask, and a surface concentration of 1 × is applied from the window of the trench 33 to the bottom surface 33a of the trench. An n source region 34 having a density of 10 18 cm −3 and a diffusion depth of 1 μm is formed by ion implantation and heat treatment (drive). Subsequently, the mask oxide film is removed, and an isolation semiconductor region 61 divided by the trench 33 is formed so that the p offset region 35 having a surface concentration of 1 × 10 17 cm −3 and a diffusion depth of 1 μm is in contact with the n drain region 34. It forms (the figure (a)).
Next, ion implantation for threshold adjustment (not shown) is performed at a chilled angle of 45 degrees in the channel formation portion of the sidewall 33b of the trench, and a diffusion layer having a surface concentration of 7 × 10 16 cm −3 and a diffusion depth of 0.3 μm. Form. Subsequently, the channel forming portion is cleaned, a gate insulating film 36 is formed on the inner wall of the trench, and doped polysilicon serving as the gate electrode 37 is deposited on the gate insulating film 36 to a thickness of 0.3 μm, and anisotropic A gate electrode 37 is formed by etching (FIG. 5B).

つぎに、pオフセット領域35の表面層に第1、第2nドレイン領域39、40を形成し、層間絶縁膜38として酸化膜を堆積する。この工程では幅の広いトレンチ内部は層間絶縁膜38で充填されず、エッチバックによりトレンチ底部の層間絶縁膜38がエッチングで除去されnソース領域34の表面が露出する。続いて、トレンチの底面33に図示しないバリアメタルを形成し、タングステンなどのピックアップ電極45を埋め込み平坦化する。続いて、第1、第2ドレイン領域39、40にコンタクト抵抗低減のためのイオン注入を行い、この第1、第2nドレイン領域39、40上にアルミニウムなどで第1、第2ドレイン電極41、42を形成する。このとき、同時にピックアップ電極45上にもアルミニウム膜を形成する。続いて、図示しない第1ドレイン配線、第2ドレイン配線を形成する(同図(c))。   Next, first and second n drain regions 39 and 40 are formed in the surface layer of the p offset region 35, and an oxide film is deposited as the interlayer insulating film 38. In this step, the wide trench is not filled with the interlayer insulating film 38, and the interlayer insulating film 38 at the bottom of the trench is removed by etching and the surface of the n source region 34 is exposed. Subsequently, a barrier metal (not shown) is formed on the bottom surface 33 of the trench, and a pickup electrode 45 such as tungsten is buried and planarized. Subsequently, ion implantation for reducing contact resistance is performed on the first and second drain regions 39, 40, and the first and second drain electrodes 41, 41 are formed on the first and second n drain regions 39, 40 with aluminum or the like. 42 is formed. At this time, an aluminum film is also formed on the pickup electrode 45 at the same time. Subsequently, a first drain wiring and a second drain wiring (not shown) are formed ((c) in the figure).

図12は、この発明の第9実施例の半導体装置の製造方法であり、同図(a)、(b)は図11(a)に相当しする要部製造工程断面図、同図(c)、(d)は図11(c)に相当する要部製造工程断面図である。尚、同図(a)、(c)は図7(a)のX1−X1に相当する要部製造工程断面図、同図(b)、(d)は図7(a)のX2−X2に相当する要部製造工程断面図である。これは図7の双方向LMOSFETの製造方法である。
図11と違うのは、図12(a)で、トレンチ底部にpベースピックアップ領域46を形成し、図12(c)で、ピックアップ電極45とこのpベースピックアップ領域46が接している点である。
FIG. 12 shows a method of manufacturing a semiconductor device according to a ninth embodiment of the present invention. FIGS. 12A and 12B are cross-sectional views of the main part manufacturing process corresponding to FIG. ), (D) are cross-sectional views of the main part manufacturing process corresponding to FIG. FIGS. 7A and 7C are cross-sectional views of the main part manufacturing process corresponding to X1-X1 in FIG. 7A, and FIGS. 7B and 7D are X2-X2 in FIG. 7A. It is principal part manufacturing process sectional drawing corresponded to. This is a method of manufacturing the bidirectional LMOSFET of FIG.
11 differs from FIG. 11 in that a p base pickup region 46 is formed at the bottom of the trench in FIG. 12A, and the pickup electrode 45 and this p base pickup region 46 are in contact with each other in FIG. .

図13は、この発明の第10実施例の半導体装置の製造方法であり、同図(a)から同図(c)は工程順に示した要部製造工程断面図である。これは図1の双方向LMOSFETとCMOSを同一半導体基板に形成した製造方法である。CMOSは図7の駆動・保護回路や残量回路を形成するための基本素子である。
p半導体基板71上に、nウェル領域72を形成し、図示しない酸化膜をマスクとしてnウェル領域72に幅1.5μmのトレンチ73を形成し、pウェル領域76も形成し、トレンチ73の窓からトレンチの底面73aに表面濃度1×1017cm-3、拡散深さ1μmのnドレイン領域74をイオン注入と熱処理(ドライブ)で形成する。続いて、マスク酸化膜を除去し、表面濃度1×1017cm-3、拡散深さ1μmのpオフセット領域75を形成しする(同図(a))。
FIG. 13 shows a method of manufacturing a semiconductor device according to the tenth embodiment of the present invention. FIG. 13A to FIG. This is a manufacturing method in which the bidirectional LMOSFET and the CMOS of FIG. 1 are formed on the same semiconductor substrate. The CMOS is a basic element for forming the drive / protection circuit and remaining amount circuit of FIG.
An n well region 72 is formed on a p semiconductor substrate 71, a trench 73 having a width of 1.5 μm is formed in the n well region 72 using an oxide film (not shown) as a mask, a p well region 76 is also formed, and a window of the trench 73 is formed. Then, an n drain region 74 having a surface concentration of 1 × 10 17 cm −3 and a diffusion depth of 1 μm is formed on the bottom surface 73a of the trench by ion implantation and heat treatment (drive). Subsequently, the mask oxide film is removed, and a p-offset region 75 having a surface concentration of 1 × 10 17 cm −3 and a diffusion depth of 1 μm is formed (FIG. 1A).

つぎに、LOCOS工程により表面の素子分離を行い、CMOS部のチャネル形成箇所およびトレンチ側壁73bのチャネル形成箇所に図示しないしきい値調整用のイオン注入をチルド角45度で行い、表面濃度7×1016cm-3、拡散深さ0.3μmの拡散層を形成する。続いて、チャネル形成箇所を清浄化し、トレンチ内壁にゲート絶縁膜79を形成し、このゲート絶縁膜79上にゲート電極80となるドープドポリシリコンを0.3μmの厚さで堆積させ、異方性エッチングによりCMOS部とトレンチ内部のゲート電極80を形成する(同図(b))。
つぎに、pオフセット領域75の表面層に第1、第2nソース領域81、82を形成し、CMOS部にソース/ドレイン領域83、84を形成し、層間絶縁膜87として酸化膜を堆積する。この工程でトレンチ内部は層間絶縁膜87が充填され、エッチバックにより層間絶縁膜87の表面を平坦化する。続いて、層間絶縁膜87にコンタクトホールを形成し、開口部にコンタクト抵抗低減のためのプラグイオン注入を行い、第1、第2nソース領域81、82上にアルミニウムでなどで第1、第2ソース電極85、86を形成し、CMOS部のソース/ドレイン領域83、84上にソース/ドレイン電極88、89を形成する(同図(c))。
Next, element isolation on the surface is performed by a LOCOS process, and ion implantation for threshold adjustment (not shown) is performed at a chilled angle of 45 degrees in the channel formation portion of the CMOS portion and the channel formation portion of the trench side wall 73b to obtain a surface concentration of 7 ×. A diffusion layer having a density of 10 16 cm −3 and a diffusion depth of 0.3 μm is formed. Subsequently, the channel forming portion is cleaned, a gate insulating film 79 is formed on the inner wall of the trench, and doped polysilicon serving as the gate electrode 80 is deposited on the gate insulating film 79 to a thickness of 0.3 μm. The gate electrode 80 inside the CMOS portion and the trench is formed by reactive etching ((b) in the figure).
Next, first and second n source regions 81 and 82 are formed on the surface layer of the p offset region 75, source / drain regions 83 and 84 are formed in the CMOS portion, and an oxide film is deposited as an interlayer insulating film 87. In this step, the trench is filled with an interlayer insulating film 87, and the surface of the interlayer insulating film 87 is flattened by etch back. Subsequently, a contact hole is formed in the interlayer insulating film 87, plug ion implantation for reducing contact resistance is performed in the opening, and the first and second n-type source regions 81 and 82 are made of aluminum with the first and second layers. Source electrodes 85 and 86 are formed, and source / drain electrodes 88 and 89 are formed on the source / drain regions 83 and 84 in the CMOS portion (FIG. 5C).

前記した本発明の半導体装置とは別の半導体装置であってゲート配線構造まで含めた実施例について説明する。ゲート配線とソース電極は同時に金属膜で形成される。ここでは、コンタクトホールで接続されソース領域の真上に配置されたものをソース電極とし、それ以外の箇所をゲート配線とする。   An embodiment including a gate wiring structure, which is a semiconductor device different from the semiconductor device of the present invention described above, will be described. The gate wiring and the source electrode are simultaneously formed of a metal film. Here, a source electrode connected to a contact hole and disposed immediately above a source region is a source electrode, and a gate wiring is a portion other than that.

図14から図17は、この発明の第11実施例の半導体装置であって、ゲート配線構造まで含めた要部構成図であり、図14は平面図、図15は図14のX−X線で切断した断面図、図16は図14のY−Y線で切断した断面図、図17は図14のZ−Z線で切断した断面図である。図14は、表面から見た平面図であり、影に隠れた部分は点線で示す。また、層間絶縁膜208aは図示していない。
図1と異なる点のみ説明すると、図1では一個の第1nソース領域9と一個の第2nソース領域10が交互に配置されていたが、この実施例では、第1nソース領域209が隣接して複数個形成され、また第2nソース領域210も隣接して複数個形成されている。また、pオフセット領域205がnドレイン領域204と接していない。さらに、各ソース領域には図4と同様にpコンタクト領域215、216が形成されている。図1では図示しなかったゲート配線構造が図示されている。
FIGS. 14 to 17 show a semiconductor device according to an eleventh embodiment of the present invention, which is a configuration diagram of a main part including a gate wiring structure, FIG. 14 is a plan view, and FIG. 15 is a line XX in FIG. 16 is a cross-sectional view taken along the line YY of FIG. 14, and FIG. 17 is a cross-sectional view taken along the line ZZ of FIG. FIG. 14 is a plan view seen from the surface, and the portion hidden behind the shadow is indicated by a dotted line. Further, the interlayer insulating film 208a is not shown.
Only the differences from FIG. 1 will be described. In FIG. 1, one first n source region 9 and one second n source region 10 are alternately arranged. However, in this embodiment, the first n source region 209 is adjacent to each other. A plurality of second n source regions 210 are formed adjacent to each other. Further, the p offset region 205 is not in contact with the n drain region 204. Further, p contact regions 215 and 216 are formed in each source region as in FIG. FIG. 1 shows a gate wiring structure not shown.

前記の、pオフセット領域205がnドレイン領域204と接しない場合は、接する場合に比べ耐圧を高くすることができ、オン抵抗を下げることができる。しかしながらpオフセットの幅(nウェル領域202とソース領域209との間の幅)が狭いため製造時に高精度が要求される。
図14から図17に示すように、第1nソース領域209と層間絶縁膜208aに形成されたコンタクトホール217を介して接続した第1ソース電極211と、第1ソース電極211と接続する第1ソース配線213とは同時に金属膜で形成される。また、第2nソース領域210と層間絶縁膜208aに形成されたコンタクトホール217を介して接続した第2ソース電極212と、第2ソース電極212と接続する第2ソース配線214とは同時に金属膜で形成される。隣接した第1nソース領域209同士および第2nソース領域210同士の間はゲート絶縁膜206を介して形成されたゲート電極207で埋め込まれている。また第1nソース領域209群と第2nソース領域210群は互いに層間絶縁膜208を挟んで対峙している。トレンチ外周203aを大きくして、この第1nソース領域209群と第2nソース領域210群を交互に多数配置することで電流容量を増加させることができる。
When the p offset region 205 is not in contact with the n drain region 204, the breakdown voltage can be increased and the on-resistance can be reduced as compared with the case where the p offset region 205 is not in contact. However, since the width of the p offset (the width between the n-well region 202 and the source region 209) is narrow, high accuracy is required during manufacturing.
As shown in FIGS. 14 to 17, the first source electrode 211 connected to the first n source region 209 via the contact hole 217 formed in the interlayer insulating film 208 a and the first source connected to the first source electrode 211. The wiring 213 is formed of a metal film at the same time. The second source electrode 212 connected to the second n source region 210 via the contact hole 217 formed in the interlayer insulating film 208a and the second source wiring 214 connected to the second source electrode 212 are simultaneously formed of a metal film. It is formed. The adjacent first n source regions 209 and the second n source regions 210 are filled with a gate electrode 207 formed through a gate insulating film 206. The first n source region 209 group and the second n source region 210 group are opposed to each other with the interlayer insulating film 208 interposed therebetween. The current capacity can be increased by enlarging the trench outer periphery 203a and arranging the first n source region 209 group and the second n source region 210 group alternately in large numbers.

ゲート電極207を形成するポリシリコンは、nソース領域209、210が形成されているトレンチ外周203aから岬のように突き出した細長いトレンチ203bを形成し、そのトレンチ203bの内壁に形成されたゲート絶縁膜206を介してポリシリコン配線218が形成され、このポリシリコン配線218はp半導体基板201上に形成されたゲート絶縁膜206上にも形成される。このポリシリコン配線218と金属膜のゲート配線219とが層間絶縁膜208aに開けたコンタクトホール217を介して接続する。
このように、前記した本発明の半導体装置では、トレンチ外周203aの側壁全域に形成されるポリシリコン(ゲート電極207)で繋がっているため、ゲート電極207は1個となる。
このようにゲート電極が1個の半導体装置を使った適用装置例を前記の図8に示した。
The polysilicon forming the gate electrode 207 forms an elongated trench 203b protruding like a cape from the trench outer periphery 203a in which the n source regions 209 and 210 are formed, and a gate insulating film formed on the inner wall of the trench 203b A polysilicon wiring 218 is formed via 206, and this polysilicon wiring 218 is also formed on the gate insulating film 206 formed on the p semiconductor substrate 201. The polysilicon wiring 218 and the metal film gate wiring 219 are connected through a contact hole 217 opened in the interlayer insulating film 208a.
Thus, in the semiconductor device of the present invention described above, the gate electrode 207 is one because it is connected by the polysilicon (gate electrode 207) formed over the entire side wall of the trench outer periphery 203a.
An example of an application apparatus using a semiconductor device having a single gate electrode is shown in FIG.

図18は、図8の双方向LMOSFETと駆動・保護回路部を抜き書きした図であり、同図(a)〜同図(c)は電池セルが過充電されるときの時間的な経過を示した図である。
同図(a)において、図8の電池セル92に図示しない負荷である携帯機器を接続した状態で充電している場合は、ゲート端子Gにオン信号を与え、左右のnチャネルMOSFETをオン状態として、電池セル92に双方向LMOSFET50を介して右から左方向に充電電流I1が流れる。このとき、電池セル92から負荷へ放電電流I2が供給されている。つまり、電池セル92は充電されなが放電も行っている。
同図(b)において、電池セル92が過充電したとき、ゲート端子Gにオフ信号を与え、左右のnチャネルMOSFETをオフ状態にする。左右のnチャネルMOSFETがオフ状態になると、負荷と電池セル92は回路的に切り離され、電池セル92へ充電電流I1が流れなくなり、過充電は停止する。またそれと同時に電池セル92から負荷へ放電電流I2が供給されなくなる。この過充電期間に図8のバッテリーチャージャーのプラグが抜かれた場合は、負荷へ電流が全く供給されなくなり、負荷は動作不能に陥る。
FIG. 18 is a diagram in which the bidirectional LMOSFET and the drive / protection circuit unit in FIG. 8 are extracted. FIGS. 18A to 18C show the time course when the battery cell is overcharged. FIG.
8A, when the battery cell 92 of FIG. 8 is charged with a portable device (not shown) connected thereto, an ON signal is given to the gate terminal G, and the left and right n-channel MOSFETs are turned on. The charging current I1 flows from the right to the left through the bidirectional LMOSFET 50 in the battery cell 92. At this time, the discharge current I2 is supplied from the battery cell 92 to the load. That is, the battery cell 92 is not charged but also discharged.
In FIG. 6B, when the battery cell 92 is overcharged, an off signal is given to the gate terminal G to turn off the left and right n-channel MOSFETs. When the left and right n-channel MOSFETs are turned off, the load and the battery cell 92 are disconnected in a circuit manner, the charging current I1 does not flow to the battery cell 92, and overcharging stops. At the same time, the discharge current I2 is not supplied from the battery cell 92 to the load. If the battery charger in FIG. 8 is unplugged during this overcharge period, no current is supplied to the load, and the load becomes inoperable.

これを避けるために、同図(c)で示すように、ゲート端子Gに再度オン信号を与え双方向LMOSFET50をオン状態にして、電池セル92から負荷へ放電電流I2を供給する。しかし、電池セル92の電圧が正常電圧になったことを検出してオン信号を駆動・保護回路51から出力するために、時間遅れが生じて、その間は電池セル92から負荷へ電流が供給されない状態、つまり、瞬断が生じる。
これを解決する方法として、左右のnチャネルMOSFETにそれぞれゲート電極を設けた双方向LMOSFETを用いる方法がある。
図19は、2つのゲート電極を有する双方向LMOSFETの等価回路図である。これは前記の図6に相当する図である。
図6と異なる点は、ゲート電極が2つあるため、図6のゲート端子Gが第1ゲート端子G1と第2ゲート端子G2の2つの端子になっており、それぞれのnチャネルMOSFET331、332が個別に動作させることができるようにした点と、nチャネルMOSFETの寄生ダイオード333、334を動作に利用している点である。
In order to avoid this, as shown in FIG. 3C, an ON signal is again applied to the gate terminal G to turn on the bidirectional LMOSFET 50, and the discharge current I2 is supplied from the battery cell 92 to the load. However, since it detects that the voltage of the battery cell 92 has become a normal voltage and outputs an ON signal from the drive / protection circuit 51, a time delay occurs, and no current is supplied from the battery cell 92 to the load during that time. A state, that is, an instantaneous interruption occurs.
As a method of solving this, there is a method of using a bidirectional LMOSFET in which a gate electrode is provided for each of the left and right n-channel MOSFETs.
FIG. 19 is an equivalent circuit diagram of a bidirectional LMOSFET having two gate electrodes. This is a view corresponding to FIG.
The difference from FIG. 6 is that there are two gate electrodes, so that the gate terminal G in FIG. 6 is the two terminals of the first gate terminal G1 and the second gate terminal G2, and the n-channel MOSFETs 331 and 332 are respectively The point is that they can be operated individually, and the point that the parasitic diodes 333 and 334 of the n-channel MOSFET are used for the operation.

この2つのゲート電極を有する双方向LMOSFET300を用いた動作モードをつぎに説明する。
図20は、図18に相当する図であり、同図(a)〜同図(c)は電池セルが過充電されるときの時間的な経過を示した図である。
同図(a)において、第1、第2ゲート端子G1、G2に駆動・保護回路51からオン信号を与え、左右のnチャネルMOSFET331、332がオン状態となり、電池セル92へ充電電流I1が流れる。このとき、電池セル92から負荷へ放電電流I2が供給されている。つまり、電池セル92は充電されなが放電も行っている。
同図(b)において、電池セル92が過充電したとき、第1ゲート端子G1にオフ信号を与え、充電電流I1を停止させる。このとき、第2ゲート端子G2にはオン信号を与えたままにしておく。そうすると、充電電流I1が停止しても、放電電流I2が寄生ダイオード333とnチャネルMOSFET332を通って負荷へ流れるため、前記の瞬断は起こらない。
Next, an operation mode using the bidirectional LMOSFET 300 having the two gate electrodes will be described.
FIG. 20 is a diagram corresponding to FIG. 18, and FIGS. 20A to 20C are diagrams illustrating a time course when the battery cell is overcharged.
In FIG. 9A, an ON signal is given to the first and second gate terminals G1 and G2 from the drive / protection circuit 51, the left and right n-channel MOSFETs 331 and 332 are turned on, and the charging current I1 flows to the battery cell 92. . At this time, the discharge current I2 is supplied from the battery cell 92 to the load. That is, the battery cell 92 is not charged but also discharged.
In FIG. 5B, when the battery cell 92 is overcharged, an off signal is given to the first gate terminal G1, and the charging current I1 is stopped. At this time, the ON signal is left applied to the second gate terminal G2. Then, even if the charging current I1 is stopped, the discharge current I2 flows to the load through the parasitic diode 333 and the n-channel MOSFET 332, so that the instantaneous interruption does not occur.

同図(c)において、電池セル92が正常電圧に戻った時点で、第1ゲート端子G1にオン信号が再び与えられて、左のnチャネルMOSFET331をオン状態とする。この状態で左右のnチャネルMOSFET331、332を介して、放電電流I2が負荷へ供給され、正常動作に戻る。
このように、2つのゲート電極を有する双方向LMOSFET300を用いることで、負荷への電流が途切れることなく供給されるようになる。
つぎに、2つのゲート電極を有する半導体装置の構成について説明する。
In FIG. 5C, when the battery cell 92 returns to the normal voltage, the ON signal is again applied to the first gate terminal G1, and the left n-channel MOSFET 331 is turned ON. In this state, the discharge current I2 is supplied to the load via the left and right n-channel MOSFETs 331 and 332, and the normal operation is resumed.
In this way, by using the bidirectional LMOSFET 300 having two gate electrodes, the current to the load is supplied without interruption.
Next, the structure of a semiconductor device having two gate electrodes will be described.

図21から図25は、この発明の第12実施例の半導体装置であって、ゲート配線まで含めた要部構成図であり、図21は平面図、図22は図21のA−A線で切断した断面図、図23は図21のB−B線で切断した断面図、図24は図21のC−C線で切断した断面図、図25は図21のD−D線で切断した断面図である。図21は、表面から見た平面図であり、影に隠れた部分は点線で示し、層間絶縁膜308aは図示していない。トレンチ内には柱状のトレンチ残し部分である島341、342が複数個あり、この図ではMOSFETとして動作する島341(デバイスセル)が6個(図の309と310が形成されている島)と、ゲート配線を形成する島342が2個ある。島341にはpオフセット領域305とnソース領域309、310およびソース電極311、312が形成される。 図14から図17との違いは、ゲート電極が層間絶縁膜308でそれぞれ囲まれた第1ゲート電極307aと第2ゲート電極307bが独立してあり、これらのゲート電極307a、307bは、トレンチ外周303a側壁のポリシリコン307とは切り離されている点と、それぞれのゲート電極307a、307bがポリシリコン配線318を介して金属の第1ゲート配線319と第2ゲート配線320に接続している点である。   FIGS. 21 to 25 show a semiconductor device according to a twelfth embodiment of the present invention. FIG. 21 is a main part configuration diagram including a gate wiring, FIG. 21 is a plan view, and FIG. 22 is an AA line in FIG. 23 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 21, FIG. 24 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 21, and FIG. 25 is cut along the line DD in FIG. It is sectional drawing. FIG. 21 is a plan view seen from the surface, the portion hidden behind the shadow is indicated by a dotted line, and the interlayer insulating film 308a is not shown. In the trench, there are a plurality of islands 341 and 342 which are columnar trench remaining portions. In this figure, there are six islands 341 (device cells) operating as MOSFETs (islands where 309 and 310 in the figure are formed). There are two islands 342 forming the gate wiring. A p offset region 305, n source regions 309 and 310, and source electrodes 311 and 312 are formed on the island 341. The difference from FIGS. 14 to 17 is that the first gate electrode 307a and the second gate electrode 307b whose gate electrodes are surrounded by the interlayer insulating film 308 are independent, and these gate electrodes 307a and 307b The side wall 303a is separated from the polysilicon 307, and the gate electrodes 307a and 307b are connected to the metal first gate wiring 319 and the second gate wiring 320 via the polysilicon wiring 318, respectively. is there.

このように、トレンチ外周303aに形成されたポリシリコン307と、第1ゲート電極307aおよび第2ゲート電極307bは層間絶縁膜308で分離されているため、第1nソース領域309を形成した島341と第2nソース領域310を形成した島341の間隔W1は、ゲート電極を形成するためのポリシリコンで埋まらない広さとする。一方、第1、第2nソース領域309、310を形成する島341同士の間隔Wg1は、ゲート電極を形成するポリシリコンで完全に埋まる広さにする。ゲート電極307a、307bを金属のゲート配線319、320と接続するためのポリシリコン配線318を形成する島342とnソース領域309、310を形成する島341の間隔Wg2もポリシリコンで埋まるようにするためにWg1と同じ間隔にする。
具体的な例で説明すると、例えば、ゲート電極を形成するポリシリコンの厚さを0.3μmとした場合はW1は1μm程度とし、Wg1、Wg2は0.5μm程度とする。また、表面を平坦化するためにはW1はソース領域を形成する島341の幅以下とするのが好ましい。
As described above, since the polysilicon 307 formed in the trench outer periphery 303a, the first gate electrode 307a and the second gate electrode 307b are separated by the interlayer insulating film 308, the island 341 in which the first n source region 309 is formed; The interval W1 between the islands 341 in which the second n source region 310 is formed is wide enough not to be filled with polysilicon for forming the gate electrode. On the other hand, the distance Wg1 between the islands 341 forming the first and second n source regions 309 and 310 is set to be completely filled with polysilicon forming the gate electrode. The gap Wg2 between the island 342 that forms the polysilicon wiring 318 for connecting the gate electrodes 307a and 307b to the metal gate wiring 319 and 320 and the island 341 that forms the n source regions 309 and 310 is also filled with polysilicon. Therefore, the same interval as Wg1 is used.
For example, when the thickness of the polysilicon forming the gate electrode is 0.3 μm, W1 is about 1 μm, and Wg1 and Wg2 are about 0.5 μm. In order to planarize the surface, W1 is preferably set to be equal to or smaller than the width of the island 341 forming the source region.

このようにして、独立した第1ゲート電極307aと第2ゲート電極307bを形成することで、図20で説明した効果が得られる。   In this manner, by forming the independent first gate electrode 307a and second gate electrode 307b, the effect described in FIG. 20 can be obtained.

図26〜図29は、この発明の第13実施例の半導体装置の製造方法を示す図であり、工程順に示した要部工程断面図である。各図において(a)は図22に相当する箇所の断面図、(b)は図23に相当する箇所の断面図、(c)は図24に相当する箇所の断面図である。
図26において、p半導体基板301の表面層に、例えば、表面濃度5×1016cm-2、深さ4μm程度nウェル領域302を形成し、表面からnウェル領域302に達するトレンチ303をメッシュ状に深さ2μm程度に形成し、柱状にトレンチ残し部分、所謂島341、342を形成する。この島341、342は、後工程で第1、第2pオフセット領域、第1、第2nソース領域を形成する島341と、第1、第2ゲート電極、第1、第2ゲート配線と接続するポリシリコン配線318を形成する島342となる。
26 to 29 are views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a thirteenth embodiment of the present invention, and are principal part process sectional views shown in the order of processes. In each figure, (a) is a cross-sectional view of a part corresponding to FIG. 22, (b) is a cross-sectional view of a part corresponding to FIG. 23, and (c) is a cross-sectional view of a part corresponding to FIG.
In FIG. 26, for example, an n-well region 302 having a surface concentration of 5 × 10 16 cm −2 and a depth of about 4 μm is formed in the surface layer of the p semiconductor substrate 301, and a trench 303 reaching the n-well region 302 from the surface is formed in a mesh shape. Are formed to have a depth of about 2 μm, and trench-remaining portions, so-called islands 341 and 342 are formed in a columnar shape. The islands 341 and 342 are connected to the island 341 that forms the first and second p offset regions, the first and second n source regions, and the first and second gate electrodes and the first and second gate wirings in a later step. It becomes an island 342 that forms the polysilicon wiring 318.

島341同士の間隔Wg1と、島341と島342の間隔Wg2は等しく、0.5μm程度とすることで、ポリシリコンのエッチバック(ポリシリコンのパターニング)でもポリシリコンが切り離されず、間隔はポリシリコンで埋まる状態にできる。また、これらの島341、342とトレンチ外周303aの側壁の間隔W1および第1ソース領域309および第2ソース領域310を形成する島341同士の間隔W1を1μm以上とすることで、ポリシリコンのエッチバックで、ポリシリコンを完全に切り離すことができる。
図27において、ゲート絶縁膜306を形成し、30Vから50V程度の耐圧を持たせるために、トレンチ底面のnウェル領域302に1×1017cm-3以上の高濃度でnドレイン領域304を形成し、このnドレイン領域304と離してpオフセット領域305を形成する(接続する場合もある)。その後、0.3μm程度の厚さで第1、第2ゲート電極307a、307b、ポリシリコン配線318となるポリシリコンを全面に形成し、島341同士の間、島341と島342の間をポリシリコンで完全に埋めた後、パターニングする。
The interval Wg1 between the islands 341 and the interval Wg2 between the islands 341 and 342 are equal to about 0.5 μm, so that the polysilicon is not separated even by polysilicon etchback (polysilicon patterning). Can be filled with. Further, by setting the interval W1 between the islands 341 and 342 and the sidewall of the trench outer periphery 303a and the interval W1 between the islands 341 forming the first source region 309 and the second source region 310 to 1 μm or more, the polysilicon is etched. At the back, the polysilicon can be completely separated.
In FIG. 27, a gate insulating film 306 is formed, and an n drain region 304 is formed at a high concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more in the n well region 302 at the bottom of the trench in order to have a breakdown voltage of about 30 V to 50 V. Then, the p offset region 305 is formed apart from the n drain region 304 (sometimes connected). Thereafter, polysilicon to be the first and second gate electrodes 307a and 307b and the polysilicon wiring 318 is formed on the entire surface with a thickness of about 0.3 μm, and the polysilicon is formed between the islands 341 and between the islands 341 and 342. After completely filling with silicon, patterning is performed.

図28において、第1、第2ゲート電極307a、307bをマスクに1×1020cm-3以上の高濃度で第1、第2nソース領域309、310を形成し、この第1、第2ソース領域309、310を貫通してpオフセット領域305に達する高濃度のpコンタクト領域316を形成し、表面に層間絶縁膜308aを形成する。
図29において、層間絶縁膜308aにコンタクトホール317を形成し、このコンタクトホール317で第1、第2nソース領域309、310、pコンタクト領域315、316と接続する金属の第1、第2ソース電極311、312と、この第1、第2ソース電極311、312と同時に形成された第1、第2ソース配線313、314および第1、第2ゲート電極307a、307bと同時に形成されたポリシリコン配線318と接続する金属の第1、第2ゲート配線319、320を形成する。
In FIG. 28, first and second n source regions 309 and 310 are formed at a high concentration of 1 × 10 20 cm −3 or more using the first and second gate electrodes 307a and 307b as masks. A high-concentration p contact region 316 that penetrates the regions 309 and 310 and reaches the p offset region 305 is formed, and an interlayer insulating film 308a is formed on the surface.
In FIG. 29, a contact hole 317 is formed in the interlayer insulating film 308a, and the first and second source electrodes of the metal connected to the first and second n source regions 309 and 310 and the p contact regions 315 and 316 through the contact hole 317. 311 and 312, and first and second source lines 313 and 314 formed simultaneously with the first and second source electrodes 311 and 312, and a polysilicon line formed simultaneously with the first and second gate electrodes 307 a and 307 b Metal first and second gate wirings 319 and 320 connected to 318 are formed.

ゲート電極などのポリシリコンの厚さを0.3μm程度としたとき、W1は1μm以上とし、表面を平坦化するために島の幅以下とするとよい。また、Wg1=Wg2は0.5μm以下とするとよい。   When the thickness of polysilicon such as a gate electrode is about 0.3 μm, W1 is preferably 1 μm or more, and is preferably less than the width of the island in order to flatten the surface. Wg1 = Wg2 is preferably 0.5 μm or less.

この発明の第1実施例の半導体装置の構成図であり、(a)は要部平面図、(b)は(a)のA部拡大図、(c)は(b)のX−X線で切断した要部断面図BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a block diagram of the semiconductor device of 1st Example of this invention, (a) is a principal part top view, (b) is the A section enlarged view of (a), (c) is XX line of (b). Sectional view of the main part cut by 図1と異なる構成の図であり、(a)は、nウェル領域が図1(c)におけるnドレイン領域4を兼ねている図、(b)は、半導体基板1が図1(c)におけるnドレイン領域を兼ねている図、(c)は、(b)においてnドレイン領域4をさらに形成した図2A is a diagram of a configuration different from FIG. 1, in which FIG. 1A is a diagram in which an n-well region also serves as an n-drain region 4 in FIG. 1C, and FIG. The figure which also serves as an n drain region, (c) is a diagram in which an n drain region 4 is further formed in (b). 図1の双方向LMOSFETの等価回路図1 is an equivalent circuit diagram of the bidirectional LMOSFET of FIG. この発明の第2実施例の半導体装置の構成図であり、(a)は図1(b)に相当する要部平面図、(b)は(a)のX−X線で切断した要部断面図It is a block diagram of the semiconductor device of 2nd Example of this invention, (a) is a principal part top view equivalent to FIG.1 (b), (b) is the principal part cut | disconnected by the XX line of (a). Cross section この発明の第3実施例の半導体装置の構成図であり、(a)は要部平面図、(b)は(a)のB部拡大図、(c)は(b)のX−X線で切断した要部断面図It is a block diagram of the semiconductor device of 3rd Example of this invention, (a) is a principal part top view, (b) is the B section enlarged view of (a), (c) is XX line of (b). Sectional view of the main part cut by 図5の双方向LMOSFETの等価回路図FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the bidirectional LMOSFET. この発明の第4実施例の半導体装置の構成図であり、(a)は図5(b)に相当する要部平面図、(b)は(a)のX1−X1で切断した要部断面図、(c)は(a)のX2−X2で切断した要部断面図It is a block diagram of the semiconductor device of 4th Example of this invention, (a) is a principal part top view equivalent to FIG.5 (b), (b) is the principal part cross section cut | disconnected by X1-X1 of (a). Figure, (c) is a cross-sectional view of the principal part cut at X2-X2 of (a) この発明の第5実施例の半導体装置の要部配置図Principal part layout of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention この発明の第6実施例の半導体装置の製造方法であり、(a)から(c)は工程順に示した要部製造工程断面図FIG. 6 is a method for manufacturing a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention, wherein (a) to (c) are cross-sectional views of the main part manufacturing process shown in the order of processes; この発明の第7実施例の半導体装置の製造方法であり、(a)から(c)は工程順に示した要部製造工程断面図FIG. 7 is a manufacturing method of a semiconductor device according to a seventh embodiment of the present invention, wherein FIGS. この発明の第8実施例の半導体装置の製造方法であり、(a)から(c)は工程順に示した要部製造工程断面図FIG. 8 is a method for manufacturing a semiconductor device according to an eighth embodiment of the present invention, wherein FIGS. この発明の第9実施例の半導体装置の製造方法であり、(a)、(b)は図11(a)に相当する要部製造工程断面図、(c)、(d)は図11(c)に相当する要部製造工程断面図FIG. 11 shows a manufacturing method of a semiconductor device according to a ninth embodiment of the present invention, in which (a) and (b) are cross-sectional views of main part manufacturing steps corresponding to FIG. 11 (a), and (c) and (d) are FIG. c) Main part manufacturing process cross-sectional view corresponding to この発明の第10実施例の半導体装置の製造方法であり、(a)から(c)は工程順に示した要部製造工程断面図FIG. 10 is a manufacturing method of a semiconductor device according to a tenth embodiment of the present invention, and FIGS. この発明の第11実施例の半導体装置の要部平面図Plan view of relevant part of a semiconductor device according to an eleventh embodiment of the present invention. 図14のX−X線で切断した断面図Sectional drawing cut | disconnected by the XX line of FIG. 図14のY−Y線で切断した断面図Sectional drawing cut | disconnected by the YY line of FIG. 図14のZ−Z線で切断した断面図Sectional drawing cut | disconnected by the ZZ line | wire of FIG. 図8の双方向LMOSFETと駆動・保護回路部を抜き書きした図であり、(a)〜(c)は電池セルが過充電されるときの時間的な経過を示した図FIG. 9 is a diagram in which the bidirectional LMOSFET and the drive / protection circuit unit in FIG. 8 are extracted and (a) to (c) are diagrams illustrating a time course when the battery cell is overcharged. 2つのゲート電極を有する双方向LMOSFETの等価回路図Equivalent circuit diagram of bidirectional LMOSFET having two gate electrodes 2つのゲート電極を有する双方向LMOSFETを用いた場合の図18に相当する図であり、(a)〜(c)は電池セルが過充電されるときの時間的な経過を示した図FIG. 19 is a diagram corresponding to FIG. 18 in the case of using a bidirectional LMOSFET having two gate electrodes, and (a) to (c) are diagrams showing a time course when a battery cell is overcharged. この発明の第12実施例の半導体装置の要部平面図The principal part top view of the semiconductor device of 12th Example of this invention 図21のA−A線で切断した断面図Sectional drawing cut | disconnected by the AA line of FIG. 図21のB−B線で切断した断面図Sectional drawing cut | disconnected by the BB line of FIG. 図21のC−C線で切断した断面図Sectional drawing cut | disconnected by CC line of FIG. 図21のD−D線で切断した断面図Sectional drawing cut | disconnected by the DD line | wire of FIG. この発明の第13実施例の半導体装置の製造方法の要部工程断面図であり、(a)は図22に相当する箇所の断面図、(b)は図23に相当する箇所の断面図、(c)は図24に相当する箇所の断面図It is principal part process sectional drawing of the manufacturing method of the semiconductor device of 13th Example of this invention, (a) is sectional drawing of the location corresponding to FIG. 22, (b) is sectional drawing of the location corresponding to FIG. (C) is a sectional view of a portion corresponding to FIG. 図26に続く、この発明の第13実施例の半導体装置の製造方法の要部工程断面図であり、(a)は図22に相当する箇所の断面図、(b)は図23に相当する箇所の断面図、(c)は図24に相当する箇所の断面図26 is a sectional view of the principal part of the method for fabricating the semiconductor device according to the thirteenth embodiment of the present invention continued from FIG. 26, (a) is a sectional view of a portion corresponding to FIG. 22, and (b) is equivalent to FIG. Sectional drawing of a location, (c) is a sectional view of a location corresponding to FIG. 図27に続く、この発明の第13実施例の半導体装置の製造方法の要部工程断面図であり、(a)は図22に相当する箇所の断面図、(b)は図23に相当する箇所の断面図、(c)は図24に相当する箇所の断面図27 is a sectional view of the principal part of the semiconductor device manufacturing method according to the thirteenth embodiment of the present invention continued from FIG. 27, (a) is a sectional view of a portion corresponding to FIG. 22, and (b) is equivalent to FIG. Sectional drawing of a location, (c) is a sectional view of a location corresponding to FIG. 図28に続く、この発明の第13実施例の半導体装置の製造方法の要部工程断面図であり、(a)は図22に相当する箇所の断面図、(b)は図23に相当する箇所の断面図、(c)は図24に相当する箇所の断面図28 is a sectional view of the principal part of the semiconductor device manufacturing method according to the thirteenth embodiment of the present invention continued from FIG. 28, (a) is a sectional view of a portion corresponding to FIG. 22, and (b) is equivalent to FIG. Sectional drawing of a location, (c) is a sectional view of a location corresponding to FIG. 従来の双方向LIGBTの要部断面図Sectional view of the main part of a conventional bidirectional LIGBT 図29の双方向LIGBTの出力特性を示す図The figure which shows the output characteristic of bidirectional | two-way LIGBT of FIG. 従来の別の双方向MOSFETの要部断面図Sectional view of the main part of another conventional bidirectional MOSFET 図32の双方向LIGBTの出力特性を示す図The figure which shows the output characteristic of bidirectional | two-way LIGBT of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1、71 201、301 p半導体基板
2、72 202、302 nウェル領域
3、33、73、203、303 トレンチ
3a、33a、73a 底面
3b、33b、73b 側面
4、74、204、304 nドレイン領域
5、35、75、205、305 pオフセット領域
6、36、79、206、306 ゲート絶縁膜
7、37、80、207 ゲート電極
8、38、87、208、208a、308、308a 層間絶縁膜
9、81、209、309 第1nソース領域
10、82、210、310 第2nソース領域
11、85、211、311 第1ソース電極
12、86、212、312 第2ソース電極
13、213、313 第1ソース配線
14、214、314 第2ソース配線
15、16、215、216、315、316 pコンタクト領域
34 nソース領域
39 第1nドレイン領域
40 第2nドレイン領域
41 第1ドレイン電極
42 第2ドレイン電極
43 第1ドレイン配線
44 第2ドレイン配線
45 ピックアップ電極
46 pベースピックアップ領域
50、60 双方向LMOSFET
51 駆動・保護回路部
52 残量回路部
53 チャージポンプ回路
61 分割半導体領域
70、90、91 半導体基板
83、84 ソース/ドレイン領域
88、89 ソース/ドレイン電極
92 バッテリー装置
203a、303a トレンチ外周
203b 突き出したトレンチ
307 ポリシリコン
217、317 コンタクトホール
218、318 ポリシリコン配線
219 ゲート配線
300 双方向LMOSFET
307a 第1ゲート電極
307b 第2ゲート電極
319 第1ゲート配線
320 第2ゲート配線
331、332 nチャネルMOSFET
333、334 寄生ダイオード
341、342 島
S1 第1ソース端子
S2 第2ソース端子
G ゲート端子
G1 第1ゲート端子
G2 第2ゲート端子
D1 第1ドレイン端子
D2 第2ドレイン端子
1, 71 201, 301 p semiconductor substrate
2, 72 202, 302 n-well region
3, 33, 73, 203, 303 trench
3a, 33a, 73a Bottom
3b, 33b, 73b Side
4, 74, 204, 304 n drain region
5, 35, 75, 205, 305 p offset region
6, 36, 79, 206, 306 Gate insulating film
7, 37, 80, 207 Gate electrode
8, 38, 87, 208, 208a, 308, 308a Interlayer insulating film
9, 81, 209, 309 First n source region 10, 82, 210, 310 Second n source region 11, 85, 211, 311 First source electrode 12, 86, 212, 312 Second source electrode 13, 213, 313 First 1 source wiring 14, 214, 314 2nd source wiring 15, 16, 215, 216, 315, 316 p contact region 34 n source region 39 1n drain region 40 2n drain region 41 1st drain electrode 42 2nd drain electrode 43 first drain wiring 44 second drain wiring 45 pickup electrode 46 p base pickup region 50, 60 bidirectional LMOSFET
51 drive / protection circuit unit 52 remaining amount circuit unit 53 charge pump circuit 61 divided semiconductor region 70, 90, 91 semiconductor substrate 83, 84 source / drain region 88, 89 source / drain electrode 92 battery device 203a, 303a outer periphery of trench 203b protruding Trench 307 Polysilicon 217, 317 Contact hole 218, 318 Polysilicon wiring 219 Gate wiring 300 Bidirectional LMOSFET
307a First gate electrode 307b Second gate electrode 319 First gate wiring 320 Second gate wiring 331, 332 n-channel MOSFET
333, 334 Parasitic diode 341, 342 Island
S1 First source terminal
S2 Second source terminal
G Gate terminal
G1 First gate terminal
G2 Second gate terminal
D1 first drain terminal
D2 Second drain terminal

Claims (5)

第1導電型のウェル領域内に該ウェル領域の表面から形成されたトレンチにより、前記ウェル領域の表面層を分割して形成された第1、第2の分割半導体領域を備え、
前記トレンチから前記ウェル領域の表面に平行な一方向に前記第1の分割半導体領域および前記トレンチを備え、前記一方向と逆の方向に前記第2の分割半導体領域および前記トレンチを備えた、前記トレンチと前記第1、第2の分割半導体領域の繰り返し領域と、この繰り返し領域において、
前記トレンチの底部から側壁に渡って形成された第1導電型のドレイン領域と、
前記第1の分割半導体領域の表面層に、前記第1の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁および前記ドレイン領域に接して形成された第2導電型の第1オフセット領域と、
前記第1オフセット領域の表面層に、前記第1の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁と接し、前記第1オフセット領域に接して形成された第1導電型の第1ソース領域と、
前記第1オフセット領域の表面層に、前記第1オフセット領域に接して形成された第2導電型の第1コンタクト領域と、
前記第1の分割半導体領域の該第1の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁に、前記ドレイン領域から前記第1ソース領域に渡って第1絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、
前記第1ソース領域および前記第1コンタクト領域に接する第1ソース電極と、
前記第2の分割半導体領域の表面層に、前記第2の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁および前記ドレイン領域に接して形成された第2導電型の第2オフセット領域と、
前記第2オフセット領域の表面層に、前記第2の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁と接し、前記第2オフセット領域に接して形成された第1導電型の第2ソース領域と、
前記第2オフセット領域の表面層に、前記第2オフセット領域に接して形成された第2導電型の第2コンタクト領域と、
前記第2の分割半導体領域の該第2の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁に、前記ドレイン領域から前記第2ソース領域に渡って第2絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、
前記第2ソース領域および前記第2コンタクト領域に接する第2ソース電極と、を備え、
前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とが電気的に絶縁されており、
前記ドレイン領域をドレイン、前記第1オフセット領域をチャネル、前記第1ソース領域をソースとする第1MOSFETと、前記ドレイン領域をドレイン、前記第2オフセット領域をチャネル、前記第2ソース領域をソースとする第2MOSFETと、が直列接続された双方向素子であり、
前記第1ソース電極と前記第2ソース電極との間で電流を流すための素子であることを特徴とする双方向素子。
First and second divided semiconductor regions formed by dividing the surface layer of the well region by a trench formed from the surface of the well region in the well region of the first conductivity type,
The first divided semiconductor region and the trench are provided in one direction parallel to the surface of the well region from the trench, and the second divided semiconductor region and the trench are provided in a direction opposite to the one direction. In the repeating region of the trench and the first and second divided semiconductor regions, and in the repeating region,
A drain region of a first conductivity type formed from the bottom of the trench to the side wall;
A first offset region of a second conductivity type formed on the surface layer of the first divided semiconductor region in contact with the sidewalls of the trench and the drain region on both sides of the first divided semiconductor region;
A first source region of a first conductivity type formed on a surface layer of the first offset region, in contact with a sidewall of the trench on both sides of the first divided semiconductor region, and in contact with the first offset region;
A first contact region of a second conductivity type formed on a surface layer of the first offset region in contact with the first offset region;
A first gate electrode formed on a sidewall of the trench on both sides of the first divided semiconductor region through the first insulating film from the drain region to the first source region. When,
A first source electrode in contact with the first source region and the first contact region;
A second conductivity type second offset region formed on the surface layer of the second divided semiconductor region in contact with the sidewalls of the trench and the drain region on both sides of the second divided semiconductor region;
A second source region of a first conductivity type formed on a surface layer of the second offset region, in contact with a sidewall of the trench on both sides of the second divided semiconductor region, and in contact with the second offset region;
A second contact region of a second conductivity type formed on the surface layer of the second offset region in contact with the second offset region;
A second gate electrode formed on a sidewall of the trench on both sides of the second divided semiconductor region of the second divided semiconductor region from the drain region to the second source region via a second insulating film; When,
A second source electrode in contact with the second source region and the second contact region,
The first gate electrode and the second gate electrode are electrically insulated;
The drain region is a drain, the first offset region is a channel, the first source region is a source, a first MOSFET, the drain region is a drain, the second offset region is a channel, and the second source region is a source. A second MOSFET and a bidirectional element connected in series;
A bidirectional element, wherein the bidirectional element is an element for causing a current to flow between the first source electrode and the second source electrode.
前記ウェル領域は、第2導電型半導体基板の表面層に選択的に形成された領域であることを特徴とする請求項に記載の双方向素子。 The bidirectional device according to claim 1 , wherein the well region is a region selectively formed in a surface layer of a second conductivity type semiconductor substrate. 前記第1、第2の分割半導体領域を、それぞれ複数個備え、隣接する分割半導体領域の間の前記トレンチ幅が、同じ領域間よりも広いことを特徴とする請求項1または2に記載の双方向素子。 3. Both according to claim 1 or 2 , wherein a plurality of the first and second divided semiconductor regions are provided, and the trench width between adjacent divided semiconductor regions is wider than between the same regions. Direction element. 第1導電型のウェル領域内に該ウェル領域の表面から形成されたトレンチにより、前記ウェル領域の表面層を分割して形成された第1、第2の分割半導体領域を備え、
前記トレンチから前記ウェル領域の表面に平行な一方向に前記第1の分割半導体領域および前記トレンチを備え、前記一方向と逆の方向に前記第2の分割半導体領域および前記トレンチを備えた、前記トレンチと前記第1、第2の分割半導体領域の繰り返し領域と、この繰り返し領域において、
前記ウェル領域の表面に平行で前記一方向と垂直方向に選択的に前記トレンチの底部から側壁に渡って形成された第1導電型のソース領域と、
前記垂直方向に選択的にかつ前記ソース領域が形成されていない領域に前記トレンチの底部から側壁に渡って形成された第2導電型のコンタクト領域と、
前記第1の分割半導体領域の表面層に、前記第1の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁、前記ソース領域および前記コンタクト領域に接して形成された第2導電型の第1オフセット領域と、
前記第1オフセット領域の表面層に、前記第1の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁と接し、前記第1オフセット領域に接して形成された第1導電型の第1ドレイン領域と、
前記第1の分割半導体領域の該第1の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁に、前記ソース領域から前記第1ドレイン領域に渡って第1絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、
前記第1ドレイン領域に接する第1ドレイン電極と、
前記第2の分割半導体領域の表面層に、前記第2の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁、前記ソース領域および前記コンタクト領域に接して形成された第2導電型の第2オフセット領域と、
前記第2オフセット領域の表面層に、前記第2の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁と接し、前記第2オフセット領域に接して形成された第1導電型の第2ドレイン領域と、
前記第2の分割半導体領域の該第2の分割半導体領域の両側の前記トレンチの側壁に、前記ソース領域から前記第2ドレイン領域に渡って第2絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、
前記第2ドレイン領域に接する第2ドレイン電極と、
前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極との間に絶縁膜を介して前記ソース領域と前記コンタクト領域とに接する導電体と、を備え、
前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とが電気的に絶縁されており、
前記ソース領域をソース、前記第1オフセット領域をチャネル、前記第1ドレイン領域をドレインとする第1MOSFETと、前記ソース領域をソース、前記第2オフセット領域をチャネル、前記第2ドレイン領域をドレインとする第2MOSFETと、が直列接続された双方向素子であり、
前記第1ドレイン電極と前記第2ドレイン電極との間で電流を流すための素子であることを特徴とする双方向素子。
First and second divided semiconductor regions formed by dividing the surface layer of the well region by a trench formed from the surface of the well region in the well region of the first conductivity type,
The first divided semiconductor region and the trench are provided in one direction parallel to the surface of the well region from the trench, and the second divided semiconductor region and the trench are provided in a direction opposite to the one direction. In the repeating region of the trench and the first and second divided semiconductor regions, and in the repeating region,
A source region of a first conductivity type formed across the sidewall from the bottom of the trench selectively in a direction perpendicular to the one direction and parallel to the surface of the well region;
A contact region of a second conductivity type formed across the sidewall from the bottom of the trench in a region that is selectively formed in the vertical direction and in which the source region is not formed;
A first conductivity type first offset region formed on a surface layer of the first divided semiconductor region in contact with the sidewalls of the trench, the source region and the contact region on both sides of the first divided semiconductor region; ,
A first drain region of a first conductivity type formed on a surface layer of the first offset region, in contact with a sidewall of the trench on both sides of the first divided semiconductor region, and in contact with the first offset region;
A first gate electrode formed on a sidewall of the trench on both sides of the first divided semiconductor region of the first divided semiconductor region through a first insulating film from the source region to the first drain region. When,
A first drain electrode in contact with the first drain region;
A second conductivity type second offset region formed on the surface layer of the second divided semiconductor region in contact with the sidewalls of the trench, the source region, and the contact region on both sides of the second divided semiconductor region; ,
A second drain region of a first conductivity type formed on a surface layer of the second offset region, in contact with a sidewall of the trench on both sides of the second divided semiconductor region, and in contact with the second offset region;
A second gate electrode formed on the sidewall of the trench on both sides of the second divided semiconductor region of the second divided semiconductor region from the source region to the second drain region via a second insulating film. When,
A second drain electrode in contact with the second drain region;
A conductor in contact with the source region and the contact region through an insulating film between the first gate electrode and the second gate electrode;
The first gate electrode and the second gate electrode are electrically insulated;
A first MOSFET having the source region as a source, the first offset region as a channel, and the first drain region as a drain, the source region as a source, the second offset region as a channel, and the second drain region as a drain. A second MOSFET and a bidirectional element connected in series;
A bidirectional element, wherein the bidirectional element is an element for allowing a current to flow between the first drain electrode and the second drain electrode.
前記双方向素子と、該双方向素子を制御する制御用回路とを同一の半導体基板に形成した請求項1〜のいずれかに記載の双方向素子を含む半導体装置。 The bi-directional device, a semiconductor device including a two-way element according to any one of claims 1 to 4 formed a control circuit for controlling the bidirectional elements on the same semiconductor substrate.
JP2004038698A 2003-02-17 2004-02-16 Bidirectional element and semiconductor device Expired - Lifetime JP4961658B2 (en)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004038698A JP4961658B2 (en) 2003-02-17 2004-02-16 Bidirectional element and semiconductor device
CNB2004100551886A CN100539184C (en) 2004-02-16 2004-08-12 Bi-direction element and manufacture method thereof, semiconductor device
CN2009101363073A CN101567373B (en) 2004-02-16 2004-08-12 Bi-direction element and its manufacturing method
DE102004039402.4A DE102004039402B4 (en) 2004-02-16 2004-08-13 Bidirectional device, method of manufacturing the same and semiconductor device
US10/918,705 US7902596B2 (en) 2004-02-16 2004-08-16 Bidirectional semiconductor device and a manufacturing method thereof
US12/612,243 US8084812B2 (en) 2004-02-16 2009-11-04 Bidirectional semiconductor device, method of fabricating the same, and semiconductor device incorporating the same

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003038602 2003-02-17
JP2003038602 2003-02-17
JP2004038698A JP4961658B2 (en) 2003-02-17 2004-02-16 Bidirectional element and semiconductor device

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011173584A Division JP5321657B2 (en) 2003-02-17 2011-08-09 Bidirectional element and semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004274039A JP2004274039A (en) 2004-09-30
JP4961658B2 true JP4961658B2 (en) 2012-06-27

Family

ID=33134036

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004038698A Expired - Lifetime JP4961658B2 (en) 2003-02-17 2004-02-16 Bidirectional element and semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4961658B2 (en)

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4997694B2 (en) * 2004-10-07 2012-08-08 富士電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2006147700A (en) * 2004-11-17 2006-06-08 Sanyo Electric Co Ltd Semiconductor device
JP2006261537A (en) * 2005-03-18 2006-09-28 Fuji Electric Holdings Co Ltd Lateral semiconductor device
JP2006294713A (en) * 2005-04-07 2006-10-26 Fuji Electric Holdings Co Ltd Semiconductor device
JP4887662B2 (en) * 2005-05-16 2012-02-29 富士電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP4899425B2 (en) * 2005-11-04 2012-03-21 富士電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2007134500A (en) * 2005-11-10 2007-05-31 Fuji Electric Holdings Co Ltd Bidirectional semiconductor device
JP5157164B2 (en) 2006-05-29 2013-03-06 富士電機株式会社 Semiconductor device, battery protection circuit and battery pack
JP2010245196A (en) * 2009-04-02 2010-10-28 Elpida Memory Inc Semiconductor device and method of forming the same
JP2012033552A (en) * 2010-07-28 2012-02-16 On Semiconductor Trading Ltd Bidirectional switch and method of manufacturing the same
JP2012079992A (en) * 2010-10-05 2012-04-19 Elpida Memory Inc Semiconductor device
US8704328B2 (en) 2011-06-24 2014-04-22 Fuji Electric Co., Ltd. High-voltage integrated circuit device
JP5435138B2 (en) * 2011-06-24 2014-03-05 富士電機株式会社 High voltage integrated circuit device
US9570447B2 (en) * 2013-01-23 2017-02-14 Longitude Semiconductor S.A.R.L. Semiconductor device and production method therefor
JP2019067796A (en) 2017-09-28 2019-04-25 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP7206728B2 (en) * 2018-09-18 2023-01-18 富士電機株式会社 SEMICONDUCTOR DEVICE AND SEMICONDUCTOR DEVICE CONTROL METHOD

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6231167A (en) * 1985-07-30 1987-02-10 イ−トン コ−ポレ−シヨン Bidirectional power fet having on state of bipolar
JPS6232649A (en) * 1985-07-30 1987-02-12 イ−トン コ−ポレ−シヨン Bidirectional power fet
JPS6229173A (en) * 1985-07-30 1987-02-07 イ−トン コ−ポレ−シヨン Trapped charge bidirectional power fet
JP3222847B2 (en) * 1997-11-14 2001-10-29 松下電工株式会社 Bidirectional semiconductor device
GB9820904D0 (en) * 1998-09-26 1998-11-18 Koninkl Philips Electronics Nv Bi-directional semiconductor switch and switch circuit for battery-powered equipment
JP2000243949A (en) * 1999-02-24 2000-09-08 Nissan Motor Co Ltd Trenched semiconductor device
AU3716000A (en) * 1999-03-01 2000-09-21 General Semiconductor, Inc. Trench dmos transistor structure having a low resistance path to a drain contactlocated on an upper surface
JP4797265B2 (en) * 2001-03-21 2011-10-19 富士電機株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2004274039A (en) 2004-09-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8084812B2 (en) Bidirectional semiconductor device, method of fabricating the same, and semiconductor device incorporating the same
US11031390B2 (en) Bidirectional switch having back to back field effect transistors
US10388781B2 (en) Device structure having inter-digitated back to back MOSFETs
JP4961658B2 (en) Bidirectional element and semiconductor device
US20190189798A1 (en) Semiconductor device and manufacturing method of the same
US8450810B2 (en) Bidirectional switch
US20070007588A1 (en) Insulated gate semiconductor device, protection circuit and their manufacturing method
TWI278114B (en) Semiconductor device
TWI443836B (en) Power device integration on a common substrate
US8530284B2 (en) Method of forming a bi-directional transistor with by-pass path
US8816419B2 (en) Semiconductor device
US7528441B2 (en) Insulated gate semiconductor device
JP5321657B2 (en) Bidirectional element and semiconductor device
JP3917144B2 (en) Semiconductor device
JP2010016221A (en) Bidirectional switch and semiconductor device
KR20140002676A (en) Vertical dmos-field effect transistor and method of making the same
JP2009088006A (en) Insulation gate-type semiconductor device
JP2009260031A (en) Insulation gate type semiconductor device
JPH1093023A (en) Semiconductor device
JP2005302953A (en) Semiconductor device
US20130248996A1 (en) Semiconductor device having transistor and diode
JP2004207706A (en) Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060615

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20060703

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20060704

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080328

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20081216

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20090219

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20091112

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100209

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100409

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100914

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20101111

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20110422

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110614

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110809

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120228

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120312

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4961658

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150406

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250