JP5056147B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、DMOS素子(Double diffused MOS-FET)を備える半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device including a DMOS element (Double diffused MOS-FET).
従来より、例えば所謂DC−DCコンバータなどのスイッチング電源回路として、特許文献1に示されるように、出力制御部にMOS素子が用いられた同期整流方式の回路が知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a switching power supply circuit such as a so-called DC-DC converter, a synchronous rectification type circuit using a MOS element as an output control unit is known as shown in
このような同期整流方式の回路においては、直流電源の高電位側に接続されるハイサイド側のMOS素子と直流電源の低電位側に接続されるローサイド側のMOS素子が同時にオンして大きな貫通電流が流れないようにするために、各MOS素子のゲート電圧信号にデッドタイム(同時にオフする期間)を設けながら、ハイサイド側のMOS素子とローサイド側のMOS素子を交互にオンオフさせるようにしている。
回路の動作周波数を高周波化するほど、できるだけ高いスイッチング速度のMOS素子が必要であり、DMOS素子は上記用途に好適である。しかしながら、例えば1A以上の電流を流す場合や、ディスクリート部品をワイヤで繋いで構成するようなシステムでは、寄生インダクタンスによってMOS素子のスイッチング時間が長くなるため、比較的長いデッドタイムを設けなければならない。この場合、デッドタイムの間にローサイド側のMOS素子に寄生するダイオードに電流が流れ、ダイオードのリカバリー特性(逆回復時間)の遅れにより、ハイサイド側のMOS素子とローサイド側のMOS素子に、貫通電流が流れてしまうという問題がある。 As the operating frequency of the circuit is increased, a MOS element having a switching speed as high as possible is required, and the DMOS element is suitable for the above-mentioned use. However, for example, in the case where a current of 1 A or more flows, or in a system in which discrete components are connected by wires, the switching time of the MOS element becomes long due to parasitic inductance, so a relatively long dead time must be provided. In this case, current flows through the diode parasitic to the low-side MOS element during the dead time, and the high-side MOS element and the low-side MOS element pass through due to the delay in the recovery characteristics (reverse recovery time) of the diode. There is a problem that current flows.
本発明は上記問題点に鑑み、寄生ダイオードの動作を制御して、貫通電流の発生を抑制することができる半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of controlling the operation of a parasitic diode and suppressing the generation of a through current.
上記目的を達成する為に請求項1に記載の半導体装置は、第1導電型の半導体層と、半導体層の一面側の表層に形成された、第1導電型とは逆の第2導電型のベース領域と、ベース領域の表層に形成された第1導電型のソース領域と、ベース領域の表層において、ソース領域に隣接して形成されたベース領域よりも不純物濃度の高い第2導電型のベースコンタクト領域と、半導体層での少なくともベース領域の一部領域に対し、ゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、を有するDMOS素子を備えた半導体装置である。そして、ベース領域内には、印加される電位をソース領域に印加される電位に対して所定電位に切り替えることにより、ベース領域と半導体層との間に構成される寄生ダイオードと高濃度領域の一部であるベース領域のコンタクトとの間の電流経路を塞ぐように、ベース領域内に空乏層を形成する空乏層形成部が形成されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to
このように本発明によれば、ベース領域内に形成した空乏層形成部の電位を、ソース領域の電位に対して所定電位とすることにより、ベース領域内に空乏層を形成することができる。この空乏層は、ベース領域と半導体層との間に構成される寄生ダイオードとベース領域のコンタクト(高濃度層の表面の一部)との間の電流経路を塞ぐように形成されるので、空乏層によってコンタクトから寄生ダイオードのアノードへの電流の流れ込みを遮断することができる。すなわち、空乏層の有無によって、寄生ダイオードの動作を抑制することができ、これにより、同期整流方式の回路における貫通電流の発生を抑制することができる。 Thus, according to the present invention, the depletion layer can be formed in the base region by setting the potential of the depletion layer forming portion formed in the base region to a predetermined potential with respect to the potential of the source region. This depletion layer is formed so as to block the current path between the parasitic diode formed between the base region and the semiconductor layer and the contact of the base region (part of the surface of the high concentration layer). The layer can block the flow of current from the contact to the anode of the parasitic diode. In other words, the operation of the parasitic diode can be suppressed depending on the presence or absence of the depletion layer, thereby suppressing the occurrence of a through current in the synchronous rectification type circuit.
例えば請求項2に記載のように、第1導電型がn導電型の場合には、空乏層形成部をソース領域に対して正の電位とすることで、空乏層を形成することができる。 For example, as described in claim 2, when the first conductivity type is an n conductivity type, the depletion layer can be formed by setting the depletion layer forming portion to a positive potential with respect to the source region.
空乏層形成部としては、例えば請求項3に記載のように、ベース領域内において、半導体層の一面から形成されたトレンチ内に絶縁膜を介して導電材料が充填されたトレンチゲート電極を採用すると良い。このようなトレンチゲート電極は、公知の半導体プロセスで形成することができる。 As the depletion layer forming portion, for example, when a trench gate electrode in which a conductive material is filled through an insulating film in a trench formed from one surface of the semiconductor layer in the base region is employed as described in claim 3 good. Such a trench gate electrode can be formed by a known semiconductor process.
この場合、請求項4に記載のように、寄生ダイオードに対して電流が流れ込む起点であるコンタクトの近傍にトレンチゲート電極が形成された構成とすると良い。このような構成とすると、コンタクトに近い位置に空乏層を形成することができ、コンタクトと寄生ダイオードとの間の電流経路を効率よく塞ぐことができる。 In this case, as described in claim 4, it is preferable that the trench gate electrode is formed in the vicinity of the contact which is a starting point where current flows into the parasitic diode. With such a configuration, a depletion layer can be formed at a position close to the contact, and the current path between the contact and the parasitic diode can be efficiently blocked.
また、請求項5に記載のように、複数のトレンチゲート電極が、コンタクトを間に挟むように形成された構成としても良い。このような構成とすると、コンタクトを介して対向配置されたトレンチゲート電極による空乏層によって、コンタクトと寄生ダイオードとの間の電流経路を効率よく塞ぐことができる。 Further, as described in claim 5, a plurality of trench gate electrodes may be formed so as to sandwich the contact therebetween. With such a configuration, the current path between the contact and the parasitic diode can be efficiently blocked by the depletion layer formed by the trench gate electrodes arranged to face each other via the contact.
請求項5に記載の発明において、例えば請求項6に記載のように、ベース領域の表層において、複数のコンタクトが列状に形成される場合、コンタクトの配列方向において、複数のトレンチゲート電極がコンタクトと交互に形成された構成とすることが好ましい。このような構成とすると、均一に空乏層を形成して、複数のコンタクトと寄生ダイオードとの間の電流経路をもれなく塞ぐことができる。 In the fifth aspect of the present invention, for example, as described in the sixth aspect, in the case where a plurality of contacts are formed in a row on the surface layer of the base region, the plurality of trench gate electrodes are contacted in the contact arrangement direction. It is preferable to have a configuration in which the two are alternately formed. With such a configuration, it is possible to uniformly form a depletion layer and completely block the current path between the plurality of contacts and the parasitic diode.
また、請求項7に記載のように、複数のトレンチゲート電極が、コンタクトを取り囲むように形成された構成としても良い。このような構成としても、コンタクトを取り囲む各トレンチゲート電極による空乏層によって、コンタクトと寄生ダイオードとの間の電流経路を効率よく塞ぐことができる。 Further, as described in claim 7, a plurality of trench gate electrodes may be formed so as to surround the contacts. Even in such a configuration, the current path between the contact and the parasitic diode can be efficiently blocked by the depletion layer formed by each trench gate electrode surrounding the contact.
トレンチゲート電極以外の空乏層形成部としては、例えば請求項8に記載のように、ベース領域内であって、高濃度領域及びソース領域とは異なる部位に埋め込まれた第1導電型の埋め込み拡散層と、ベース領域の表層であって、高濃度領域及びソース領域とは異なる部位に形成され、埋め込み拡散層と接続された第1導電型の接続領域を有する構成を採用することもできる。 As a depletion layer forming portion other than the trench gate electrode, for example, as in claim 8, embedded diffusion of the first conductivity type embedded in a portion different from the high concentration region and the source region in the base region It is also possible to adopt a configuration having a first conductivity type connection region formed in a portion different from the high concentration region and the source region and connected to the buried diffusion layer, which is the surface layer of the base region and the source region.
この場合、請求項9に記載のように、埋め込み拡散層の少なくとも一部がベース領域内であって高濃度領域の直下部位に形成された構成とすると良い。このような構成とすると、できるだけコンタクトに近い位置に空乏層を形成することができ、コンタクトと寄生ダイオードとの間の電流経路を効率よく塞ぐことができる。 In this case, as described in claim 9, at least a part of the buried diffusion layer is preferably formed in the base region and immediately below the high concentration region. With such a configuration, the depletion layer can be formed as close to the contact as possible, and the current path between the contact and the parasitic diode can be efficiently blocked.
また、請求項10に記載のように、複数の埋め込み拡散層が、コンタクトを間に挟むように形成された構成としても良い。このような構成とすると、コンタクトを介して対向配置された埋め込み拡散層による空乏層によって、コンタクトと寄生ダイオードとの間の電流経路を効率よく塞ぐことができる。
Further, as described in
請求項10に記載の発明において、例えば請求項11に記載のように、ベース領域の表層において、複数のコンタクトが列状に形成される場合、コンタクトの配列方向に沿って、複数の埋め込み拡散層が形成された構成とすることが好ましい。このような構成とすると、均一に空乏層を形成して、複数のコンタクトと寄生ダイオードとの間の電流経路をもれなく塞ぐことができる。
In the invention according to
なお、請求項1〜11いずれかに記載の発明においては、請求項12に記載のように、DMOS素子として、半導体層の表層に、ベース領域とは離れて形成された第1導電型のドレイン領域を有する横型DMOS素子を採用することができる。横型DMOS素子は、CMOSなどの他の素子との工程整合性が良く、集積化が容易である。なお、DMOS素子としては、横型DMOS素子以外にも、ドレイン領域が、ベース領域などが形成された半導体層の一面の裏面側に積層配置された構成の縦型DMOS素子を採用することもできる。
In the invention according to any one of
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。図2は、図1のII−II線に沿う概略構成を示す断面図である。図3は、空乏層形成時の断面図である。なお、図1においては、便宜上、半導体基板上の、LOCOS酸化膜、層間絶縁膜、保護膜などの絶縁膜を省略している。また、図2においても、層間絶縁膜や保護膜などの絶縁膜を省略している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration along the line II-II in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view when the depletion layer is formed. In FIG. 1, for convenience, insulating films such as a LOCOS oxide film, an interlayer insulating film, and a protective film on the semiconductor substrate are omitted. Also in FIG. 2, insulating films such as an interlayer insulating film and a protective film are omitted.
図1及び図2に示すように、半導体装置100は、DMOS素子として横型DMOS素子(Lateral Double Diffused MOS-FET、以下LDMOS素子と示す)を備えるものであり、本実施形態においては複数のLDMOS素子が半導体基板110に構成されている。半導体基板110は、特許請求の範囲に記載の第1導電型の半導体層に相当するものであり、本実施形態においては、例えば不純物濃度が1×1016cm−3程度のn導電型(n−)のバルク単結晶シリコン基板を採用している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
半導体基板110には、一面側の表層の一部に、例えば不純物濃度が1×1017cm−3程度のp導電型(p)のベース領域120が形成されている。そして、ベース領域120の表層には、n導電型(n+)のソース領域130が形成されている。このソース領域130の不純物濃度としては、ソース電極との間でオーミック特性を確保できる濃度であれば良い。本実施形態においては、1×1020cm−3程度とされている。また、ベース領域120の表層には、ソース領域130と隣接してp導電型(p+)の高濃度領域140が形成されている。本実施形態においては、高濃度領域140がソース領域130の下部まで入り込むように形成されている。高濃度領域140は、ベース領域120におけるソース電極(図示略)とのコンタクト領域であり、その不純物濃度は、ソース電極との間でオーミック特性を確保できる濃度であれば良い。本実施形態においては、1×1020cm−3程度とされている。なお、本実施形態においては、1つのベース領域120内に、隣接するLDMOS素子のソース領域130が、高濃度層140を間に挟んで形成されている。
In the
また、ソース領域130におけるソース電極とのコンタクト131と、高濃度領域140におけるソース電極とのコンタクト141は、それぞれ図1に示すように、ソース領域130及び高濃度領域140の長手方向に沿って複数形成されている。換言すれば、複数のコンタクト131がソース領域130の長手方向に沿って一列に配置され、複数のコンタクト141が高濃度領域140の長手方向に沿って一列に配置されている。このコンタクト141が、特許請求の範囲に記載のベース領域120のコンタクトに相当するものであり、以下、ベースコンタクト141と示す。
Further, as shown in FIG. 1, there are a plurality of
また、半導体基板110の表層には、ベース領域120とは離れて例えば不純物濃度が1×1020cm−3程度のn導電型(n+)のドレイン領域150が形成されている。そして、ソース領域130とドレイン領域150とに挟まれたベース領域120の部分が、LDMOS素子のチャネル形成領域となっている。すなわち、本実施形態においては、LDMOS素子としてnチャネル型のLDMOS素子が形成されている。なお、本実施形態においては、半導体層110の表層に、半導体基板110よりも高濃度であり、ドレイン領域150に近づくほど高濃度となるn導電型(n)のドリフト領域160が形成されており、このドリフト領域160の表層にドレイン領域150が形成されている。
Further, an n conductivity type (n +)
また、ベース領域120などが形成された側の半導体基板110の表面上であって、ソース領域130とドレイン領域150とに挟まれたベース領域120の部位上(チャネル形成領域上)には、絶縁膜170を介してゲート電極180が形成されている。
In addition, on the surface of the
このように構成されるLDMOS素子は、CMOSなどの他の素子との工程整合性が良く、半導体基板110への集積化が容易である。なお、図2に示す符号190は、p導電型(p)のベース領域120とn導電型(n−)の半導体基板110との間に構成される寄生ダイオードを示している。
The LDMOS element configured as described above has good process consistency with other elements such as CMOS, and can be easily integrated on the
さらに、本実施形態に係る半導体装置100においては、LDMOS素子を構成するベース領域120内に含まれるようにトレンチが形成され、このトレンチ内にシリコン酸化膜などの絶縁膜(図示略)を介して、不純物が導入された多結晶シリコンや金属材料が充填されたトレンチゲート電極200が形成されている。このトレンチゲート電極200が、特許請求の範囲に記載の空乏層形成部に相当する。
Furthermore, in the
トレンチゲート電極200は、その少なくとも一部がベース領域120内であってソース領域130及び高濃度領域140とは異なる部位に位置するように形成されている。したがって、本実施形態に示すようにnチャネル型のLDMOS素子の場合には、トレンチゲート電極200の電位(図2に示す空乏層形成用パッドKに印加される電位)をソース領域130に印加される電位(図2に示すソース電極パッドSに印加される電位)に対して正の電位とすると、例えば図3に一点鎖線で示すように、トレンチゲート電極200からベース領域120に広がる空乏層210を形成することができる。
The
また、トレンチゲート電極200は、ベース領域120と半導体基板110との間に構成される寄生ダイオード190と高濃度領域140の一部であるベースコンタクト141との間の電流経路を、空乏層210によって塞ぐ(遮断する)ように形成(形状、配置、印加される電位などが決定)されている。すなわち、空乏層210の形成時には、ソース電極パッドSからベースコンタクト141を介して寄生ダイオード190のアノードに電流が流れないようにトレンチゲート電極200が形成されている。例えば寄生ダイオード190に対して電流が流れ込む起点であるベースコンタクト141の近傍にトレンチゲート電極200が形成された構成とすると、ベースコンタクト141に近い位置に空乏層190を形成することができるので、ベースコンタクト141と寄生ダイオード190との間の電流経路を効率よく塞ぐことができる。また、複数のトレンチゲート電極200によって、ベースコンタクト141を間に挟む構成とすると、ベースコンタクト141を介して対向配置されたトレンチゲート電極200から広がる空乏層210によって、ベースコンタクト141と寄生ダイオード190との間の電流経路を効率よく塞ぐことができる。
In addition, the
本実施形態においては、これらの点を考慮し、図1に示すように、ベース領域120の表層において、複数のベースコンタクト141が列状に形成された構成において、ベースコンタクト141の配列方向において、複数のトレンチゲート電極200がベースコンタクト141と交互に形成されている。また、複数のトレンチゲート電極200は互いに略平行となっている。したがって、複数のベースコンタクト141に対して、その近傍に均一に空乏層210を形成して、複数のベースコンタクト141と寄生ダイオード190との間の電流経路をもれなく塞ぐことができる。なお、本実施形態においては、トレンチゲート電極200の深さが、ESD耐量等を考慮して、空乏層210が形成された時点で所望の耐圧を確保できるように設定されている。具体的には、1つのベースコンタクト141を間に挟んで対向配置されたトレンチゲート電極200の間隔をD(図1参照)とすると、トレンチゲート電極200の底部とベース領域120の底部との対向間隔H(図2参照)を、少なくともD/2よりも大きくすれば良く、好ましくはDよりも大きくすると良い。本実施形態においては、対向間隔HがDよりも大きく設定されている。
In the present embodiment, in consideration of these points, as shown in FIG. 1, in the configuration in which a plurality of
このように本実施形態に係る半導体装置100によれば、ベース領域120内に形成したトレンチゲート電極200の電位を、ソース領域130の電位に対して所定電位(正の電位)とすることにより、ベース領域120内に空乏層210を形成することができる。そして、この空乏層210により、ベース領域120と半導体基板110との間に構成される寄生ダイオード190とベースコンタクト141との間の電流経路を塞いで、ベースコンタクト141から寄生ダイオード190のアノードへの電流の流れ込みを遮断することができる。すなわち、トレンチゲート電極200が、ベースコンタクト141と寄生ダイオード190との間の電流経路において導通状態を制御するスイッチとして機能する。
As described above, according to the
なお、半導体装置100(LDMOS素子)の通常動作時には、トレンチゲート電極200の電位をソース領域130の電位に対して負の電位とすることで、n導電型のソース領域130、p導電型のベース領域120、及びn導電型の半導体基板110からなるnpnの寄生バイポーラトランジスタのベース抵抗を下げて寄生バイポーラトランジスタの動作を抑制し、LDMOS素子の特性を劣化しにくくすることができる。
Note that, during normal operation of the semiconductor device 100 (LDMOS element), the potential of the
次に、本実施形態に係る半導体装置100のLDMOS素子を、同期整流方式のスイッチング回路に適用した場合の効果について、図4及び図5を用いて説明する。図4は、本実施形態に係る半導体装置のLDMOS素子を、ローサイド側のMOS素子として適用した同期整流方式のスイッチング回路の一例を示す図である。図5は、スイッチング回路の動作波形を示す図である。
Next, effects obtained when the LDMOS element of the
図4に示すスイッチング回路10(降圧回路)は、ハイサイド側のMOS素子と、ローサイド側のMOS素子からなる公知のスイッチング回路において、ローサイド側のMOS素子に上述した半導体装置100のLDMOS素子を適用したものである。
The switching circuit 10 (voltage step-down circuit) shown in FIG. 4 is a known switching circuit including a high-side MOS element and a low-side MOS element, and the LDMOS element of the
詳しくは、主スイッチング素子としてハイサイド側(直流電源11の高電位(正極)側)のMOS素子12、同期整流用素子としてのローサイド側(直流電源の低電位(負極)側)のLDMOS素子13、インダクタンス14、平滑コンデンサ15からなる回路群と、これらの回路群を制御する制御回路16とを有している。なお、図4に示す符号190は上述した寄生ダイオードであり、符号200は、上述したように、ベースコンタクト141と寄生ダイオード190との間の電流経路において導通状態を制御するスイッチとしてのトレンチゲート電極である。
Specifically, the
MOS素子12とLDMOS素子13との直列回路は、直流電源11に対して並列に接続されている。また、LDMOS素子13のドレイン−ソース間にインダクタンス14と平滑コンデンサ15が直列に接続されている。また、制御回路16が、図5に示すように、MOS素子12とLDMOS素子13を交互にオンオフさせることにより、直流電源11の電圧が降下され平滑された出力VOUTが負荷(図示略)に供給されるようになっている。さらには、LDMOS素子13のドレイン−ソース間に寄生ダイオード190とトレンチゲート電極200が直列に接続されている。
A series circuit of the
このようなスイッチング回路10においては、上述したように、MOS素子12及びLDMOS素子13の同時オンを防止するために、図5に示すようにデッドタイムを設け、MOS素子12及びLDMOS素子13に対して交互にゲート信号Vg1,Vg2を与えている。ここで、ローサイド側のLDMOS素子13のゲート信号Vg2をオフしようとすると、過渡状態において、インダクタンス14がドレインから電流を引き出そうとする。なお、過渡状態とは、ドレイン−ソース間の抵抗がオン抵抗でもハイインピーダンスでもない状態である。従来の構成(スイッチとしてのトレンチゲート電極200のない構成)においては、これにより、ベースコンタクト141から寄生ダイオード190のアノードに電流が流れ、寄生ダイオード190のリカバリー特性の遅れにより、MOS素子12及びLDMOS素子13が同時オンとなって貫通電流が流れてしまうという問題があった。
In such a
これに対し、本実施形態においては、図5に示すように、制御回路16が、ローサイド側のLDMOS素子13のゲート信号Vg2をオフさせる際の過渡状態を含む所定期間において、スイッチとしてのトレンチゲート電極200に対し、空乏層信号Vkとして、ソース電位に対して正の信号を与える。これにより、上述したように、ベースコンタクト141と寄生ダイオード190との間の電流経路を遮るようにベース領域120に空乏層210が形成される。したがって、ベースコンタクト141から寄生ダイオード190のアノードに電流が流れず、寄生ダイオード190が動作しないので、貫通電流の発生を抑制することができる。
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, the trench gate as a switch in a predetermined period including a transient state when the
このように本実施形態に係る半導体装置100によれば、トレンチゲート電極200の印加電位に応じて空乏層210を形成することができ、空乏層210の有無によって寄生ダイオード190の動作を制御することができる。これにより、同期整流方式のスイッチング回路10における貫通電流の発生を抑制することができる。
As described above, according to the
なお、本実施形態においては、半導体装置100がローサイド側のMOS素子としてLDMOS素子を備えている。しかしながら、半導体装置100が、ローサイド側のLDMOS素子だけでなく、ハイサイド側のMOS素子12も含む構成としても良い。さらには、スイッチング回路10が同一の半導体基板110に集積化された構成としても良い。
In the present embodiment, the
また、本実施形態においては、ローサイド側のLDMOS素子13のゲート信号Vg2をオフさせる際の過渡状態を含む所定期間において、スイッチとしてのトレンチゲート電極200に対し、空乏層信号Vkとして、ソース電位に対して正の信号を与える例を示した。しかしながら、ゲート信号Vg2をオンさせる際の過渡状態を含む所定期間において、スイッチとしてのトレンチゲート電極200に対し、空乏層信号Vkとして、ソース電位に対して正の信号を与えるようにしても良い。さらには、図6に示すように、ハイサイド側のMOS素子12のゲート信号Vg1をオフさせる際の過渡状態を含む所定期間において、スイッチとしてのトレンチゲート電極200に対し、空乏層信号Vkとして、ソース電位に対して正の信号を与えるようにしても良い。これにより、寄生ダイオード190が動作してインダクタンス14へ電流を供給した場合であっても、寄生ダイオード190への電流が遮断されて貫通電流の発生を抑制することができる。なお、ゲート信号Vg1をオフさせる際の過渡状態を含む所定期間において、スイッチとしてのトレンチゲート電極200に対し、空乏層信号Vkとして、ソース電位に対して正の信号を与えるようにしても良い。
In this embodiment, the source potential is supplied as the depletion layer signal Vk to the
また、本実施形態においては、トレンチゲート電極200とベースコンタクト141が交互に形成される例を示した。しかしながら、トレンチゲート電極200の態様は上記例に限定されるものではない。例えば図7に示すように、複数のトレンチゲート電極200が、ベースコンタクト141を取り囲むように形成された構成としても良い。このような構成としても、ベースコンタクト141を取り囲む各トレンチゲート電極200から広がる空乏層210によって、ベースコンタクト141の近傍で、ベースコンタクト141と寄生ダイオード190との間の電流経路を効率よく塞ぐことができる。なお、図7においては、各トレンチゲート200がソース領域130と高濃度領域140を跨いで形成され、4つのトレンチゲート電極200によって、1つのベースコンタクト141を取り囲んだ構成となっている。図7は変形例を示す平面図である。
In the present embodiment, an example in which the
また、図8に示すように、ベースコンタクト141の配列方向に沿って、ソース領域130と高濃度領域140を跨いで2つのトレンチゲート電極200が形成され、トレンチゲート電極200の間に複数のベースコンタクト141が挟まれた構成とすることも可能である。この場合も、ベースコンタクト141の近傍で、ベースコンタクト141と寄生ダイオード190との間の電流経路を効率よく塞ぐことができる。しかしながら、本実施形態に示した構成や図7に示した構成と比べて、ソース領域130、ベース領域120、及び半導体基板110からなる寄生バイポーラトランジスタのベース抵抗が大きくなり、寄生バイポーラトランジスタが動作しやすくなる。したがって、この点を考慮すると、本実施形態に示した構成や図7に示した構成を採用することが好ましい。図8は変形例を示す平面図である。
Further, as shown in FIG. 8, two
本実施形態においては、ソース領域130と高濃度領域140を跨いで形成される例を示した。しかしながら、トレンチゲート電極200は、上述したように、その少なくとも一部がベース領域120内であってソース領域130及び高濃度領域140とは異なる部位に位置するように形成されていれば良い。例えば、高濃度領域140のみを貫通して形成されたものでも良いし、ソース領域130のみを貫通して形成されたものでも良い。さらには、ベース領域120内であってソース領域130及び高濃度領域140とは異なる部位のみに形成されたものでも良い。ただし、効率よく電流経路をする点を考慮すると、上述したように、ベースコンタクト141の近傍に形成された構成とすることが好ましい。
In the present embodiment, an example in which the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態を、図9及び図10に基づいて説明する。図9は、第2実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。図10は、図9のX−X線に沿う概略構成を示す断面図である。なお、図9においては、便宜上、半導体基板上の、LOCOS酸化膜、層間絶縁膜、保護膜などの絶縁膜を省略している。また、図10においても、層間絶縁膜や保護膜などの絶縁膜を省略している。
(Second Embodiment)
Next, 2nd Embodiment of this invention is described based on FIG.9 and FIG.10. FIG. 9 is a plan view illustrating a schematic configuration of the semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration along the line XX of FIG. In FIG. 9, for convenience, insulating films such as a LOCOS oxide film, an interlayer insulating film, and a protective film on the semiconductor substrate are omitted. Also in FIG. 10, insulating films such as an interlayer insulating film and a protective film are omitted.
第2実施形態に係る半導体装置は、第1実施形態に示した半導体装置と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第1実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。 Since the semiconductor device according to the second embodiment is often in common with the semiconductor device shown in the first embodiment, the detailed description of the common parts will be omitted below, and different parts will be described mainly. In addition, the same code | symbol shall be provided to the element same as the element shown in 1st Embodiment.
第1実施形態においては、ベース領域120内に空乏層210を形成するための空乏層形成部として、トレンチゲート電極200の例を示した。これに対し、本実施形態においては、図9及び図10に示すように、空乏層形成部が、ベース領域120内であって、高濃度領域140及びソース領域130とは異なる部位に埋め込まれたn導電型の埋め込み拡散層220と、ベース領域120の表層であって、高濃度領域140及びソース領域130とは異なる部位に形成され、埋め込み拡散層220と接続されたn導電型の接続領域221を有する点を特徴とする。なお、その他の構成については、第1実施形態に示した構成と同じである。
In the first embodiment, the example of the
このような、埋め込み拡散層220は、例えばイオン注入法によって形成することができる。本実施形態においては、高加速インプラにより、高濃度領域140及びソース領域130を跨ぐように、高濃度領域140及びソース領域130の直下に高濃度領域140及びソース領域130とは離間して形成されている。なお、不純物濃度としては、少なくとも半導体基板110よりも高濃度であれば良く、本実施形態においてはベース領域120と同程度(1×1017cm−3程度)とされている。なお、接続領域221は、埋め込み拡散層220のコンタクト領域であり、その不純物濃度は、ソース領域130と同程度(1×1020cm−3程度)とされている。
Such a buried
したがって、ベース領域120内に形成した埋め込み拡散層220及び接続領域221に印加される電位を、ソース領域130の電位に対して所定電位(正の電位)とすることにより、ベース領域120内に空乏層(図示略)を形成することができる。そして、この空乏層により、ベース領域120と半導体基板110との間に構成される寄生ダイオード190とベースコンタクト141との間の電流経路を塞いで、ベースコンタクト141から寄生ダイオード190のアノードへの電流の流れ込みを遮断することができる。すなわち、埋め込み拡散層220及び接続領域221からなる空乏層形成部が、ベースコンタクト141と寄生ダイオード190との間の電流経路において導通状態を制御するスイッチとして機能する。したがって、同期整流方式のスイッチング回路10における貫通電流の発生を抑制することができる。
Therefore, the potential applied to the buried
また、本実施形態においては、複数のベースコンタクト141が列状に形成され、ベースコンタクト141の配列方向に沿って、2つの埋め込み拡散層220が複数のベースコンタクト141を間に挟むように略平行に形成されている。したがって、複数のベースコンタクト141に対して、その近傍に均一に空乏層210を形成して、複数のベースコンタクト141と寄生ダイオード190との間の電流経路をもれなく塞ぐことができる。なお、埋め込み拡散層220は、一部のみ(本実施形態においては両端部)が接続領域221と接続されている。したがって、ベースコンタクト141の配列方向に沿って形成される構成でありながら、同様の構成のトレンチゲート電極200よりも、ソース領域130、ベース領域120、及び半導体基板110からなる寄生バイポーラトランジスタの動作を抑制することができる。
In the present embodiment, the plurality of
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
本実施形態においては、DMOS素子として、LDMOS素子の例を示した。しかしながら、ドレイン領域が、ベース領域などが形成された半導体層の一面の裏面側に積層配置された構成の縦型DMOS素子(所謂VDMOS素子)に対して、本発明を適用した構成(空乏層形成部を設けた構成)としても良い。しかしながら、VDMOS素子においては、半導体基板110の厚さ方向の設計要因が入るため、CMOSなどの他の素子との集積化が困難である。したがって、CMOSなどの他の素子との工程整合性や集積化を考慮すると、LDMOS素子を採用するほうが好ましい。
In the present embodiment, an example of an LDMOS element is shown as the DMOS element. However, a configuration in which the present invention is applied (depletion layer formation) to a vertical DMOS device (so-called VDMOS device) in which a drain region is stacked on the back side of one surface of a semiconductor layer in which a base region and the like are formed. It is also possible to adopt a configuration in which a part is provided. However, in the VDMOS element, since design factors in the thickness direction of the
また、本実施形態においては、DMOS素子(LDMOS素子)がnチャネル型である例を示した。しかしながら、pチャネル型においても本発明を適用することができる。pチャネル型の場合、空乏層形成部に印加される電位をp導電型のソース領域に印加される電位に対して負の電位とすることで、空乏層形成部からn導電型のベース領域に広がる空乏層を形成することができる。さらには、半導体装置100が、スイッチング回路10を構成するハイサイド側及びローサイド側のMOS素子として、nチャネル型とpチャネル型のDMOS素子(LDMOS素子)をそれぞれ含む構成としても良い。なお、pチャネル型のDMOS素子を適用した同期整流方式のスイッチング回路の一例を図11に示す。図11においては、上述したスイッチング回路と同一の要素について同じ符号を付与している。図11に示すスイッチング回路10(昇圧回路)は、ハイサイド側のMOS素子12としてのpチャネル型のDMOS素子(LDMOS素子)、ローサイド側のnチャネル型のMOS素子13、インダクタンス14、平滑コンデンサ15からなる回路群と、これらの回路群を制御する制御回路16とを有している。また、図11に示す符号190は上述した寄生ダイオードであり、符号200は、上述したように、ベースコンタクト141と寄生ダイオード190との間の電流経路において導通状態を制御するスイッチとしてのトレンチゲート電極である。
In the present embodiment, an example in which the DMOS element (LDMOS element) is an n-channel type is shown. However, the present invention can also be applied to a p-channel type. In the case of the p-channel type, the potential applied to the depletion layer formation portion is set to a negative potential with respect to the potential applied to the p-conduction type source region, so that the depletion layer formation portion is transferred to the n-conduction type base region A spreading depletion layer can be formed. Further, the
本実施形態においては、半導体基板110としてバルク単結晶シリコン基板を採用する例を示した。しかしながら、支持基板上に絶縁層を介して半導体層を配置してなるSOI構造基板の半導体層を、半導体基板として採用しても良い。
In this embodiment, an example in which a bulk single crystal silicon substrate is employed as the
10・・・スイッチング回路
12・・・ハイサイド側のMOS素子
13・・・ローサイド側のLDMOS素子(半導体装置)
14・・・インダクタンス
13・・・平滑コンデンサ
100・・・半導体装置
110・・・半導体基板(半導体層)
120・・・ベース領域
130・・・ソース領域
140・・・高濃度領域
141・・・ベースコンタクト
150・・・ドレイン領域
160・・・ドリフト層
180・・・ゲート電極
190・・・寄生ダイオード
200・・・トレンチゲート電極(空乏層形成部)
210・・・空乏層
DESCRIPTION OF
14 ...
120 ...
210 ... depletion layer
Claims (12)
前記半導体層の一面側の表層に形成された、第1導電型とは逆の第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域の表層に形成された第1導電型のソース領域と、
前記ベース領域の表層において、前記ソース領域に隣接して形成された前記ベース領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の高濃度領域と、
前記半導体層での少なくとも前記ベース領域の一部領域に対し、ゲート絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、を有するDMOS素子を備えた半導体装置であって、
前記ベース領域内には、印加される電位を前記ソース領域に印加される電位に対して所定電位に切り替えることにより、前記ベース領域と前記半導体層との間に構成される寄生ダイオードと前記高濃度領域の一部である前記ベース領域のコンタクトとの間の電流経路を塞ぐように、前記ベース領域内に空乏層を形成する空乏層形成部が形成されていることを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type semiconductor layer;
A base region of a second conductivity type opposite to the first conductivity type formed on a surface layer on one surface side of the semiconductor layer;
A source region of a first conductivity type formed in a surface layer of the base region;
A second conductivity type high concentration region having a higher impurity concentration than the base region formed adjacent to the source region in a surface layer of the base region;
A semiconductor device comprising a DMOS element having a gate electrode disposed through a gate insulating film for at least a partial region of the base region in the semiconductor layer,
In the base region, a parasitic diode configured between the base region and the semiconductor layer and the high concentration are switched by switching the applied potential to a predetermined potential with respect to the potential applied to the source region. A semiconductor device, wherein a depletion layer forming part for forming a depletion layer is formed in the base region so as to block a current path between the base region and a contact of the base region which is a part of the region.
前記空乏層形成部を前記ソース領域に対して正の電位とすることにより、前記空乏層が形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The first conductivity type is an n conductivity type,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the depletion layer is formed by setting the depletion layer formation portion to a positive potential with respect to the source region.
前記コンタクトの配列方向において、複数の前記トレンチゲート電極が前記コンタクトと交互に形成されていることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。 In the surface layer of the base region, a plurality of the contacts are formed in a row,
6. The semiconductor device according to claim 5, wherein a plurality of the trench gate electrodes are alternately formed with the contacts in the arrangement direction of the contacts.
前記コンタクトの配列方向に沿って、複数の前記埋め込み拡散層が形成されていることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の半導体装置。 In the surface layer of the base region, a plurality of the contacts are formed in a row,
The semiconductor device according to claim 9, wherein a plurality of the buried diffusion layers are formed along an arrangement direction of the contacts.
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