JP6019619B2 - Semiconductor device - Google Patents

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Description

この発明は、自動車の内燃機関点火用イグナイタなどに用いられる半導体装置に関する。特に、インダクタンス負荷でスイッチングを行った際の逆起電圧などインダクタンス負荷に蓄積されたエネルギーを半導体スイッチをオンさせることにより吸収するとき、そのオン信号を半導体スイッチに与えるためのダイナミッククランプ回路を内蔵した半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device used in an igniter for ignition of an internal combustion engine of an automobile. Built-in dynamic clamp circuit to give the ON signal to the semiconductor switch, especially when absorbing the energy accumulated in the inductance load such as the back electromotive voltage when switching with the inductance load by turning on the semiconductor switch The present invention relates to a semiconductor device.

自動車の内燃機関点火用イグナイタなどでは、インダクタンス負荷でスイッチングを行った際のインダクタンス負荷に蓄積されたエネルギーを半導体スイッチをオンさせることにより吸収するときに、そのオン信号を半導体スイッチに与えるダイナミッククランプ回路を内蔵した半導体装置が多用されている。   In an internal combustion engine ignition igniter of an automobile, a dynamic clamp circuit that gives an ON signal to the semiconductor switch when absorbing energy stored in the inductance load by turning on the semiconductor switch when switching with the inductance load. Semiconductor devices with built-in are widely used.

図10は、ダイナミッククランプ回路を内蔵した半導体装置を用いたイグニッションシステムの要部構成図である。
図11および図12は、従来のダイナミッククランプ回路を内蔵した半導体装置1の構成図であり、図11は要部平面図、図12は図11のX−X線で切断した要部断面図である。
FIG. 10 is a configuration diagram of a main part of an ignition system using a semiconductor device incorporating a dynamic clamp circuit.
11 and 12 are configuration diagrams of a semiconductor device 1 incorporating a conventional dynamic clamp circuit. FIG. 11 is a plan view of the main part, and FIG. 12 is a cross-sectional view of the main part taken along line XX in FIG. is there.

図10において、半導体装置1を構成するIGBT2のコレクタ端子3とゲート電極4の間には、複数の定電圧ダイオード6−1,6−2,・・・・で構成される定電圧ダイオード群6と逆流防止ダイオード7が接続されたダイナミッククランプ回路を構成するダイナミッククランプダイオード24が形成されている。また、ゲート電極4とゲート端子8の間にはゲート抵抗9が接続されている。   10, between the collector terminal 3 of the IGBT 2 constituting the semiconductor device 1 and the gate electrode 4, a constant voltage diode group 6 composed of a plurality of constant voltage diodes 6-1, 6-2,. And a dynamic clamp diode 24 constituting a dynamic clamp circuit to which the backflow prevention diode 7 is connected. A gate resistor 9 is connected between the gate electrode 4 and the gate terminal 8.

ゲート保護ダイオード10及び11はESD(静電気放電:Electro−Static Discharge)などの外来サージからIGBT2のゲート4を保護するためのものでゲート抵抗9とともに外来サージを大きく減衰させる効果がある。   The gate protection diodes 10 and 11 are for protecting the gate 4 of the IGBT 2 from an external surge such as ESD (Electro-Static Discharge) and have an effect of greatly attenuating the external surge together with the gate resistor 9.

図10において、駆動回路12からオン信号(Highレベル:通常3〜5V)がゲート端子8に印加されると、ゲート抵抗9を通してIGBT2のゲート4の電位(ゲート電位)が上昇してIGBT2がオンする。IGBT2がオンすると、バッテリー13からイグニッションコイル14の1次コイ14aにバッテリー13の電圧が印加され、1次コイル14aにバッテリー13の電圧を1次コイル14aのインダクタンスで割った値のdi/dtの勾配で上昇する電流が流れる。   In FIG. 10, when an ON signal (High level: normally 3 to 5 V) is applied from the drive circuit 12 to the gate terminal 8, the potential of the gate 4 (gate potential) of the IGBT 2 rises through the gate resistor 9 and the IGBT 2 is turned on. To do. When the IGBT 2 is turned on, the voltage of the battery 13 is applied from the battery 13 to the primary coil 14a of the ignition coil 14, and the voltage of the battery 13 is divided by the inductance of the primary coil 14a to the primary coil 14a. A current rising with a gradient flows.

イグニッションコイル14の1次コイル14aに流れる電流は、時間とともに増加し、所定のタイミングで駆動回路12からオフ信号(Lowレベル:通常0〜1V)がゲート端子8に印加され、IGBT2がオフする。このIGBT2がオフすることにより、イグニッションコイル14の1次コイル14aに蓄積したエネルギーにより、イグニッションコイル14の1次コイル14aに印加される電圧が上昇し、コレクタ端子3の電位は上昇する。   The current flowing through the primary coil 14a of the ignition coil 14 increases with time, and an off signal (Low level: normally 0 to 1 V) is applied from the drive circuit 12 to the gate terminal 8 at a predetermined timing, so that the IGBT 2 is turned off. When the IGBT 2 is turned off, the voltage applied to the primary coil 14a of the ignition coil 14 is increased by the energy accumulated in the primary coil 14a of the ignition coil 14, and the potential of the collector terminal 3 is increased.

1次コイル14aの電圧上昇により、イグニッションコイル14の2次コイル14bには1次コイル14aと2次コイル14bの巻き数比に応じた高い電圧が発生する。この2次コイル14bに発生する高い電圧はスパークプラグ15のギャップ間に印加され、このキャップ間で放電が発生する。この放電によりエンジンのシリンダー内でガソリンと空気の混合気体が点火され、シリンダーが動作を開始する。   As the voltage of the primary coil 14a increases, a high voltage is generated in the secondary coil 14b of the ignition coil 14 in accordance with the turn ratio of the primary coil 14a and the secondary coil 14b. A high voltage generated in the secondary coil 14b is applied between the gaps of the spark plug 15, and a discharge is generated between the caps. This discharge ignites a mixture of gasoline and air in the engine cylinder, and the cylinder starts to operate.

尚、図10において、毎回IGBT2がオンしたとき、そのオンした瞬間に、イグニッションコイル14の1次コイル14aにバッテリー13の電圧が印加される。このとき、2次コイル14bには、1次と2次コイル14bの巻き数比に応じた電圧が発生する。例えば、巻き数比が1:100でバッテリー電圧が13Vとすると、2次コイル14bには1300Vの電圧が発生する。この2次電圧がスパークプラグ15に印加されると、IGBT2がオンした瞬間(正規のタイミングでない期間)にスパークプラグ15は誤放電(誤点弧)することになる。この誤放電時には2次コイル14bからスパークプラグ15を通してGNDへ放電電流が流れる。この誤放電(誤点弧)を防止するために、誤点弧防止ダイオード16を設ける。この誤点弧防止ダイオード16を設けることで、2次コイル14bで発生した電圧の一部を誤点弧防止ダイオード15で負担するため、スパークプラグ15に印加される電圧が低減されて、スパークプラグ15の誤放電を防止できる。   In FIG. 10, when the IGBT 2 is turned on every time, the voltage of the battery 13 is applied to the primary coil 14a of the ignition coil 14 at the moment when the IGBT 2 is turned on. At this time, a voltage corresponding to the turn ratio of the primary and secondary coils 14b is generated in the secondary coil 14b. For example, if the turn ratio is 1: 100 and the battery voltage is 13V, a voltage of 1300V is generated in the secondary coil 14b. When this secondary voltage is applied to the spark plug 15, the spark plug 15 is erroneously discharged (erroneously ignited) at the moment when the IGBT 2 is turned on (in a period not having a normal timing). During this erroneous discharge, a discharge current flows from the secondary coil 14b to the GND through the spark plug 15. In order to prevent this erroneous discharge (erroneous ignition), an erroneous ignition prevention diode 16 is provided. By providing the false ignition prevention diode 16, a part of the voltage generated in the secondary coil 14b is borne by the false ignition prevention diode 15, so that the voltage applied to the spark plug 15 is reduced and the spark plug is reduced. 15 erroneous discharges can be prevented.

IGBT2を通して1次コイル14aに流れる1次電流の遮断時に、イグニッションコイルの1次コイル14aの逆起電力(1次コイル14aに蓄積したエネルギーで発生する起電力)によりコレクタ端子3に高い電圧が発生する。この高い電圧がIGBT2のアバランェ電圧を超えると、IGBT2にアバランシェ電流が流れてIGBT2を破壊する。   When the primary current flowing through the primary coil 14a through the IGBT 2 is interrupted, a high voltage is generated at the collector terminal 3 due to the counter electromotive force of the primary coil 14a of the ignition coil (electromotive force generated by the energy accumulated in the primary coil 14a). To do. When this high voltage exceeds the avalanche voltage of the IGBT 2, an avalanche current flows through the IGBT 2 to destroy the IGBT 2.

このため、IGBT2にアバランシェ電圧が印加されないように、ダイナミッククランプダイオード24を設けている。
このダイナミッククランプダイオード24は、イグニッションコイル14の1次コイル14aのインダクタンスに蓄えられたエネルギーをIGBT2をオンさせて吸収するために、IGBT2にそのトリガー信号を与える働きをする。
For this reason, the dynamic clamp diode 24 is provided so that the avalanche voltage is not applied to the IGBT 2.
The dynamic clamp diode 24 functions to give the IGBT 2 a trigger signal for absorbing the energy stored in the inductance of the primary coil 14a of the ignition coil 14 by turning on the IGBT 2.

その動作は、IGBT2のゲート・コレクタ間に定電圧ダイオード群6の逆方向電圧及び逆流防止ダイオード7で構成されるダイアミッククランプダイオード24を接続することで、定電圧ダイオード群6の逆方向電圧及び逆流防止ダイオード7の順方向電圧の合計で決まるクランプ電圧(イグナイタの場合通常400〜600V)以上の電圧がIGBT2のエミッタ・コレクタ間に印加されたとき、このダイナミッククランプダイオード24に電流が流れる。この電流はゲート抵抗9から駆動回路12を通りGNDへ流れる。   The operation is performed by connecting the reverse voltage of the constant voltage diode group 6 and the dynamic clamp diode 24 composed of the reverse current prevention diode 7 between the gate and the collector of the IGBT 2. When a voltage equal to or higher than a clamp voltage (usually 400 to 600 V in the case of an igniter) determined by the total forward voltage of the backflow prevention diode 7 is applied between the emitter and collector of the IGBT 2, a current flows through the dynamic clamp diode 24. This current flows from the gate resistor 9 to the GND through the drive circuit 12.

この電流によりゲート抵抗9には電圧降下が発生する。この電圧降下によりIGBT2のゲート4の電圧は上昇し、IGBT2はオンする。IGBT2がオンすると、1次コイル14aのインダクタンスに蓄えられたエネルギーがIGBT2を通してGNDへ放出される。このエネルギーの放出は、見方を変えると、IGBT2でこのエネルギーを吸収したことになる。   This current causes a voltage drop in the gate resistor 9. Due to this voltage drop, the voltage of the gate 4 of the IGBT 2 rises and the IGBT 2 is turned on. When the IGBT 2 is turned on, the energy stored in the inductance of the primary coil 14a is released to the GND through the IGBT 2. In other words, this energy release is absorbed by the IGBT 2.

なお、イグニッションコイル14の設計によっては、IGBT2の遮断によってクランプ電圧に達しない場合もある。このようなイグニッションコイル14であっても、スパークプラグ15の失火(ミスファイア)等による無声放電が起こる場合がある。この無声放電時には放電電圧がクランプ電圧に達するほど高くなるため、無声放電時にIGBT2が破壊しないように、ダイナミッククランプダイオード24を付加することが必要である。   Depending on the design of the ignition coil 14, the clamp voltage may not be reached due to the interruption of the IGBT 2. Even with such an ignition coil 14, silent discharge may occur due to misfire or the like of the spark plug 15. During the silent discharge, the discharge voltage increases as the clamp voltage is reached. Therefore, it is necessary to add the dynamic clamp diode 24 so that the IGBT 2 is not destroyed during the silent discharge.

図11において、耐圧構造20で囲まれた領域内にIGBT2を構成するIGBTセルが埋め込まれた活性領域21とワイヤボンディングを行うためのゲートパッド22、エミッタパッド23が設けられている。なお、耐圧構造20は低い電圧の場合は特に必要ではないが、耐圧が100V程度以上では必要となる。   In FIG. 11, an active region 21 in which an IGBT cell constituting the IGBT 2 is buried, a gate pad 22 for performing wire bonding, and an emitter pad 23 are provided in a region surrounded by the breakdown voltage structure 20. The breakdown voltage structure 20 is not particularly necessary when the voltage is low, but is required when the breakdown voltage is about 100 V or more.

通常ゲートパッド22の直下には活性領域21は存在しないが、エミッタパッド23の下にはIGBTセルが埋め込まれた活性領域21が存在する。ただし、エミッタパッド23はワイヤボンディングを行う箇所直下に段差が生じるとワイヤボンディング時のダメージによりシェルクラックなどが発生する。このシェルクラックはコレクタ・エミッタ(CE)間をショートするなどの不具合を起こすため、エミッタパッド23の下には活性領域21のセルを形成しない場合もある。   Normally, the active region 21 does not exist immediately below the gate pad 22, but the active region 21 in which the IGBT cell is embedded exists under the emitter pad 23. However, if the emitter pad 23 has a step directly under the position where wire bonding is performed, shell cracks or the like are generated due to damage during wire bonding. Since this shell crack causes a problem such as a short circuit between the collector and the emitter (CE), the cell of the active region 21 may not be formed under the emitter pad 23 in some cases.

耐圧構造20内の一部には、チップ周辺部表面のコレクタ電位となる部分と、活性部周辺のゲート電位となる部分との間(図12に示すn拡散領域36とp拡散領域32の間のnドリフト領域27上に厚いフィールド酸化膜33を介して)にダイナミッククランプダイオード24を構成する定電圧ダイオード群24(図10に示す定電圧ダイオード6−1.6−2、・・・と逆流防止ダイオード7)が形成されている。 In part of the breakdown voltage structure 20, there is a portion between the portion that becomes the collector potential on the surface of the chip peripheral portion and the portion that becomes the gate potential around the active portion (the n + diffusion region 36 and the p + diffusion region 32 shown in FIG. The constant voltage diode group 24 (constant voltage diodes 6-1.6-2 shown in FIG. 10) constituting the dynamic clamp diode 24 on the n drift region 27 between them via the thick field oxide film 33. And a backflow prevention diode 7) are formed.

図12において、p基板25の上にnバッファ層26及びnドリフト層27が積層されている。p基板25の表面にはコレクタ電極38が形成されている。nドリフト層27の表面にはpベース領域28と、その一部に形成されたnエミッタ領域29と、ゲート酸化膜30を介しポリシリコンで形成されたゲート電極31とからなるIGBTセルが活性領域21に形成されている。
ゲートパッド22の直下のnドリフト層27表面にはp拡散領域32が形成され、フィールド酸化膜33を介してポリシリコン層31aが形成されている。ポリシリコン層31aはゲート電極31に接続し、両者は同時に形成される。
In FIG. 12, an n + buffer layer 26 and an n drift layer 27 are stacked on a p + substrate 25. A collector electrode 38 is formed on the surface of the p + substrate 25. On the surface of the n drift layer 27, there is an IGBT cell comprising a p base region 28, an n + emitter region 29 formed in a part thereof, and a gate electrode 31 formed of polysilicon via a gate oxide film 30. It is formed in the active region 21.
A p + diffusion region 32 is formed on the surface of the n drift layer 27 immediately below the gate pad 22, and a polysilicon layer 31 a is formed via a field oxide film 33. The polysilicon layer 31a is connected to the gate electrode 31, and both are formed simultaneously.

ポリシリコン層31aの上には層間絶縁膜34を介してゲートAl電極35が形成されており、このゲートAl電極35を被覆する点線で示すパッシベーション42に開口部を設けゲートパッド22としている。   A gate Al electrode 35 is formed on the polysilicon layer 31 a via an interlayer insulating film 34, and an opening is provided in a passivation 42 indicated by a dotted line covering the gate Al electrode 35 to serve as a gate pad 22.

この半導体装置の最外周のnドリフト層27の表面にはn拡散領域36が形成されている。ポリシリコン層31aに形成されたn領域40−1,40−2,40−3,・・・とp領域41−1,41−2,・・・のn領域とp領域を交互に形成することにより、定電圧ダイオードの直列接続が形成され、また逆流防止ダイオードの直列接続が形成される。この低電圧ダイオードと逆流防止ダイオードはダイナミッククランプ回路24aを構成するダイナミッククランプダイオード24となる。 An n + diffusion region 36 is formed on the surface of the outermost n drift layer 27 of this semiconductor device. .. And p regions 41-1, 41-2,... And n regions 40-1, 40-2, 40-3,... Formed in the polysilicon layer 31a are alternately formed. As a result, a series connection of constant voltage diodes and a series connection of backflow prevention diodes are formed. The low voltage diode and the backflow prevention diode become the dynamic clamp diode 24 constituting the dynamic clamp circuit 24a.

n領域40の最もn拡散領域36に近いn領域40−1はAl電極37によりほぼコレクタ電位に等しいn拡散領域36に接続される。図10に示す様にダイナミッククランプダイオード24はコレクタ3、ゲート電極4間に接続される。 The n region 40-1 closest to the n + diffusion region 36 in the n region 40 is connected to the n + diffusion region 36 that is substantially equal to the collector potential by the Al electrode 37. As shown in FIG. 10, the dynamic clamp diode 24 is connected between the collector 3 and the gate electrode 4.

なお、図12に示す断面図では、このダイナミッククランプダイオード24はポリシリコンのn領域40−1/p領域41−1/n領域40−2/p領域41−2・・・・・が繰り返されるため、図10とは異なっている。図12の断面図ではダイオードの逆方向接合と順方向接合が互いに向かい合って交互に繰り返される。n領域40−1/p領域41−1/n領域40−2/p領域41−2・・・・・が繰り返されてポリシリコンで形成される場合には、拡散長が短く、接合で注入された少数キャリアは隣の接合には影響を与えない。そのため、例えば、p領域41/n領域40で構成されるダイオードの順方向電圧の合計がp領域41/n領域40で構成されるダイオードの逆方向電圧(逆耐圧)の合計に加算されクランプ電圧が高くなる。しかし、図12に示すダイナミッククランプダイオード24と図10の回路に示したダイナミッククランプダイオード6(6−1,6−2,6−3,・・・)、7の場合と保護の効果としては同じである。   In the cross-sectional view shown in FIG. 12, the dynamic clamp diode 24 has a polysilicon n region 40-1 / p region 41-1 / n region 40-2 / p region 41-2. Therefore, it is different from FIG. In the cross-sectional view of FIG. 12, the reverse direction junction and the forward direction junction of the diode face each other and are repeated alternately. When the n region 40-1 / p region 41-1, n region 40-2 / p region 41-2,... are formed of polysilicon by repetition, the diffusion length is short and implantation at the junction The minority carriers that are made do not affect the adjacent junction. Therefore, for example, the sum of the forward voltages of the diodes composed of the p region 41 / n region 40 is added to the sum of the reverse voltages (reverse breakdown voltages) of the diodes composed of the p region 41 / n region 40, and the clamp voltage. Becomes higher. However, the dynamic clamping diode 24 shown in FIG. 12 and the dynamic clamping diodes 6 (6-1, 6-2, 6-3,...), 7 shown in the circuit of FIG. It is.

前記した従来のダイナミッククランプ回路24aを内蔵した半導体装置では、耐圧構造20の一部に酸化膜(フィールド酸化膜33)を介してダイナミッククランプダイオード24が形成されている。そのため、図11のAの箇所では、ダイナミッククランプダイオード24直下の空乏層の広がり方とダイナミッククランプダイオード24が無い部分の空乏層の広がり方が異なる。ダイナミッククランプダイオード24直下の空乏層の広がり方がダイナミッククランプダイオード24が無い部分の空乏層の広がり方より広がる。   In the semiconductor device incorporating the above-described conventional dynamic clamp circuit 24a, the dynamic clamp diode 24 is formed on a part of the breakdown voltage structure 20 via an oxide film (field oxide film 33). Therefore, in the portion A in FIG. 11, the depletion layer just below the dynamic clamp diode 24 spreads differently from the depletion layer in a portion where the dynamic clamp diode 24 is not present. The spread of the depletion layer immediately below the dynamic clamp diode 24 is wider than the spread of the depletion layer where there is no dynamic clamp diode 24.

そうすると、その境界付近に空乏層の曲がりが発生して、電界強度が高い箇所が出来やすくなる。その結果、耐圧が正常に得られない場合が発生する。
また、耐圧は正常であっても、低温でのダイナミッククランプが連続的に発生する動作などでは、空乏層の広がりが狭くなり、電界強度が高まり、ホットキャリアによる影響と見られるリーク電流の増加などの現象が発生する場合がある。
Then, the depletion layer is bent near the boundary, and a portion with a high electric field strength is easily formed. As a result, the breakdown voltage may not be obtained normally.
In addition, even when the withstand voltage is normal, the operation of continuous dynamic clamping at low temperatures, etc., narrows the depletion layer, increases the electric field strength, and increases the leakage current that seems to be affected by hot carriers. May occur.

また、ダイナミッククランプダイオード24を耐圧構造20の一部に設けると耐圧構造が制約され、耐圧構造が占める面積が増加し、チップ面積が増加して製造コストが上昇する。   Further, when the dynamic clamp diode 24 is provided in a part of the breakdown voltage structure 20, the breakdown voltage structure is restricted, the area occupied by the breakdown voltage structure increases, the chip area increases, and the manufacturing cost increases.

この構造ではダイナミッククランプダイオード回路を形成する箇所は耐圧構造を形成する箇所に限定され、耐圧構造20とダイナミッククランプダイオード回路24aを接続する必要があり、ダイナミッククランプダイオード回路を形成する場所の選択の自由度が小さい。   In this structure, the location where the dynamic clamp diode circuit is formed is limited to the location where the breakdown voltage structure is formed, and it is necessary to connect the breakdown voltage structure 20 and the dynamic clamp diode circuit 24a. The degree is small.

この発明の目的は、前記の課題を解決して、ダイナミッククランプ回路周辺での電界集中を防止し、耐圧の低下やリーク電流の増加などを防止することができる半導体装置を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a semiconductor device capable of preventing electric field concentration around a dynamic clamp circuit and preventing a decrease in breakdown voltage and an increase in leakage current.

また、耐圧構造が占める面積を縮小し、ダイナミッククランプ回路を形成する箇所の自由度を広げ、コスト上昇を招かずにダイナミッククランプ回路を形成することができる半導体装置を提供することにある。   It is another object of the present invention to provide a semiconductor device capable of reducing the area occupied by the breakdown voltage structure, increasing the degree of freedom of the location where the dynamic clamp circuit is formed, and forming the dynamic clamp circuit without increasing the cost.

前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項1に記載の発明によれば、第1導電型のドリフト層と、該ドリフト層の表面に選択的に形成された第2導電型のベース領域と、該ベース領域の表面に選択的に形成された第1導電型のエミッタ領域を第1主面に有する縦型パワー半導体素子と、該パワー半導体素子の第1主面上に絶縁層を介して形成され、前記ドリフト層の第1主面側に接続された第1電極とゲート電極との間に接続され中央の前記第1電極に向かって小さくなる複数のループ状の定電圧ダイオードの直列接続により構成されるポリシリコンからなるダイナミッククランプダイオードを備え、該ダイナミッククランプダイオードが前記縦型パワー半導体素子の外周部を囲む耐圧構造の内側の領域上に配置され、前記ダイナミッククランプダイオードの一端直下に前記ドリフト層を貫通し空乏層の伸びを抑えるストッパ層が配置され、前記縦型パワー半導体素子の耐圧に比べて前記ダイナミッククランプダイオードのクランプ電圧の方が低く、前記クランプ電圧では前記ダイナミッククランプダイオードの前記第1電極に接続された前記一端直下の前記ドリフト層が空乏化されない構成の半導体装置とする。 To achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the drift layer of the first conductivity type and the second conductivity type selectively formed on the surface of the drift layer are provided. A base power region, a vertical power semiconductor element having a first conductivity type emitter region selectively formed on the surface of the base region on the first main surface, and insulation on the first main surface of the power semiconductor element A plurality of loop-shaped constant voltages that are formed between the first electrode and the gate electrode that are connected to the first main surface side of the drift layer and decrease toward the center first electrode. includes a dynamic clamping diode made of polysilicon formed by a series connection of a diode, the dynamic clamping diode is arranged on the inner region of the pressure-resistant structure that surrounds the outer periphery of the vertical power semiconductor device, the Dyna Click stopper layer penetrates the drift layer immediately below the one end suppressing extension of the depletion layer of the clamping diode is arranged, it is low clamp voltage of the dynamic clamp diode as compared to the breakdown voltage of the vertical power semiconductor device, wherein The semiconductor device has a configuration in which the drift layer directly below the one end connected to the first electrode of the dynamic clamp diode is not depleted with a clamp voltage .

また、特許請求の範囲の請求項に記載の発明によれば、請求項に記載の発明において、前記ストッパ層が、前記ドリフト層と同じ導電型で高濃度であるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項に記載の発明によれば、請求項に記載の発明において、前記ストッパ層が、トレンチと、該トレンチを充填する高濃度不純物が添加されたポリシリコンと、前記トレンチを取り囲む絶縁層もしくは前記トレンチを取り囲み前記ドリフト層と同じ導電型で高濃度の不純物層を備えるとよい。
According to the invention described in claim 2 of the claims, in the invention described in claim 1 , the stopper layer may have the same conductivity type as the drift layer and a high concentration.
According to the invention described in claim 3 of the claims, in the invention described in claim 1 , the stopper layer includes a trench, and a polysilicon doped with a high-concentration impurity filling the trench. The insulating layer surrounding the trench or the impurity layer having the same conductivity type as the drift layer surrounding the trench may be provided.

また、特許請求の範囲の請求項に記載の発明によれば、請求項1〜のいずれか一項に記載の発明において、前記ダイナミッククランプダイオードの平面形状が円形もしくは矩形であるとよい。 According to the invention described in claim 4 of the claims, in the invention described in any one of claims 1 to 3 , the planar shape of the dynamic clamp diode may be circular or rectangular.

また、特許請求の範囲の請求項に記載の発明によれば、請求項1〜のいずれか一項に記載の発明において、前記ダイナミッククランプダイオード上に前記縦型パワー半導体素子のゲートパッドもしくはエミッタパッドが絶縁膜を介して配置されるとよい。 According to the invention described in claim 5 , the gate pad of the vertical power semiconductor element or the gate pad of the vertical power semiconductor element on the dynamic clamp diode in the invention described in any one of claims 1 to 4. The emitter pad may be disposed via an insulating film.

また、特許請求の範囲の請求項に記載の発明によれば、請求項1〜のいずれか一項に記載の発明において、前記ダイナミッククランプダイオードの耐圧が100V以上あるとよい。 According to the invention described in claim 6 of the claims, in the invention described in any one of claims 1 to 5 , the withstand voltage of the dynamic clamp diode is preferably 100 V or more.

また、特許請求の範囲の請求項に記載の発明によれば、請求項1〜のいずれか一項に記載の発明において、前記縦型パワー半導体素子が、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)もしくはパワーMOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)であるとよい。
According to the invention described in claim 7 , the vertical power semiconductor element is an IGBT (insulated gate bipolar transistor) in the invention described in any one of claims 1-6. Alternatively, it may be a power MOSFET (MOS type field effect transistor).

この発明によれば、耐圧構造とは別の領域にダイナミッククランプ回路を配置することで、耐圧構造上にダイナミッククランプ回路が存在しなくなるため、電界集中が起こる箇所が存在しなくなり、耐圧の低下、リーク電流の増加などが防止することができる。   According to the present invention, by disposing the dynamic clamp circuit in a region different from the withstand voltage structure, the dynamic clamp circuit does not exist on the withstand voltage structure. An increase in leakage current can be prevented.

また、ダイナミッククランプ回路の直下ではダイナミッククランプダイオードが電位勾配を持つフィールドプレートとして作用するため電界集中が発生し難く安定した耐圧が得られる。   Moreover, since the dynamic clamp diode acts as a field plate having a potential gradient immediately below the dynamic clamp circuit, electric field concentration hardly occurs and a stable breakdown voltage can be obtained.

また、ダイナミッククランプダイオードを絶縁膜を挟んで複数積層し、耐圧構造上にダイナミッククランプ回路を形成しないことで、ダイナミッククランプ回路の縮小化を図ることができ、さらに耐圧構造の幅を短縮することができる。その結果、製造コストの低減を図ることができる。   In addition, a plurality of dynamic clamp diodes are stacked with an insulating film in between, and the dynamic clamp circuit is not formed on the breakdown voltage structure, so that the dynamic clamp circuit can be reduced and the width of the breakdown voltage structure can be further reduced. it can. As a result, the manufacturing cost can be reduced.

また、ダイナミッククランプ回路を形成する箇所の自由度を広げ、コスト上昇を招かずにダイナミッククランプ回路を形成することができる。   In addition, the degree of freedom of the location where the dynamic clamp circuit is formed can be expanded, and the dynamic clamp circuit can be formed without increasing the cost.

この発明の第1実施例に係る半導体装置100の要部平面図である。1 is a plan view of an essential part of a semiconductor device 100 according to a first embodiment of the present invention; 図1のX−X線で切断した要部断面図である。It is principal part sectional drawing cut | disconnected by the XX line of FIG. コレクタ電圧がクランプ電圧に到達したときの空乏層の広がりを示した図である。It is the figure which showed the breadth of a depletion layer when a collector voltage reaches | attains a clamp voltage. この発明の第2実施例に係る半導体装置200の要部平面図である。It is a principal part top view of the semiconductor device 200 concerning 2nd Example of this invention. この発明の第3実施例に係る半導体装置300の要部平面図である。It is a principal part top view of the semiconductor device 300 concerning 3rd Example of this invention. 図5のX−X線で切断した要部断面図である。It is principal part sectional drawing cut | disconnected by the XX line of FIG. この発明の第4実施例に係る半導体装置400の要部平面図である。It is a principal part top view of the semiconductor device 400 concerning 4th Example of this invention. 図7のX−X線で切断した要部断面図である。It is principal part sectional drawing cut | disconnected by the XX line of FIG. この発明の第5実施例に係る半導体装置500の要部平面図である。It is a principal part top view of the semiconductor device 500 concerning 5th Example of this invention. ダイナミッククランプ回路を内蔵した半導体装置を用いたイグニッションシステムの要部構成図である。It is a principal part block diagram of the ignition system using the semiconductor device which incorporated the dynamic clamp circuit. 従来のダイナミッククランプ回路を内蔵した半導体装置の要部平面図である。It is a principal part top view of the semiconductor device incorporating the conventional dynamic clamp circuit. 図11のX−X線で切断した要部断面図である。It is principal part sectional drawing cut | disconnected by the XX line of FIG.

実施の形態を以下の実施例で説明する。
<実施例1>
図1および図2は、この発明の第1実施例に係る半導体装置100の構成図であり、図1は要部平面図、図2は図1のX−X線で切断した要部断面図である。図1および図2において、図11および図12と同一部位には同一の符号を付した。
Embodiments will be described in the following examples.
<Example 1>
1 and 2 are configuration diagrams of a semiconductor device 100 according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1 is a plan view of the main part, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part taken along line XX in FIG. It is. 1 and 2, the same parts as those in FIGS. 11 and 12 are denoted by the same reference numerals.

この半導体装置100は、p基板25と、p基板上に配置されるnバッファ層26と、このnバッファ層26上に配置されるnドリフト層27を備える。nドリフト層27上に選択的に配置されるpベース領域28、p拡散領域32a、n拡散領域36を備える。pベース領域28の表面層に配置されるnエミッタ領域29と、このnエミッタ領域29とnドリフト層27に挟まれたpベース領域28上にゲート酸化膜30を介して配置されるポリシリコンで形成されたゲート電極31とを備える。 The semiconductor device 100 includes a p + substrate 25, an n + buffer layer 26 disposed on the p + substrate, and an n drift layer 27 disposed on the n + buffer layer 26. A p base region 28, a p + diffusion region 32 a, and an n + diffusion region 36 are provided selectively on the n drift layer 27. An n + emitter region 29 disposed in the surface layer of the p base region 28, and a p base region 28 sandwiched between the n + emitter region 29 and the n drift layer 27 via the gate oxide film 30. And a gate electrode 31 formed of polysilicon.

ゲート電極31上とnドリフト層27上に配置された絶縁膜33と、絶縁膜33上に配置され、前記ゲート電極31と接続するポリシリコン層31aと、このポリシリコン層31aに交互に配置されるn層40(40−1,40−2,40−3、・・・)とp層41(41−1,41−2、・・・)からなるダイナミッククランプ回路を構成するダイナミッククランプダイオード24aとを備える。符号で40,41は総称した番号であり、40−1,40−2,40−3・・・および41−1,41−2、・・・は個々の領域に付した番号である。 Insulating film 33 disposed on gate electrode 31 and n drift layer 27, polysilicon layer 31 a disposed on insulating film 33 and connected to gate electrode 31, and alternately disposed on this polysilicon layer 31 a Dynamic clamp diode constituting a dynamic clamp circuit composed of an n layer 40 (40-1, 40-2, 40-3,...) And a p layer 41 (41-1, 41-2,...) 24a. Reference numerals 40 and 41 are generic numbers, and 40-1, 40-2, 40-3,..., 41-1, 41-2,.

拡散領域36とp拡散領域32aに挟まれて配置される耐圧構造20と、ポリシリコン層31a上、ゲート電極31上に配置される層間絶縁膜34と、層間絶縁膜34上に配置され、nエミッタ領域29とpベース領域28に電気的に接続されるエミッタAl電極23aを備える。n拡散領域36aと電気的に接続するAl電極37aと、ポリシリコン層31aと接続するゲートAl電極35を備える。ゲートAl電極35がパッシベーション膜42の開口部から露出したゲート電極パッド22と、エミッタAl電極23aがパッシベーション膜42から露出したエミッタ電極パッド23と、p基板25の表面に配置されるコレクタ電極38とを備える。 The breakdown voltage structure 20 disposed between the n + diffusion region 36 and the p + diffusion region 32a, the interlayer insulating film 34 disposed on the polysilicon layer 31a and the gate electrode 31, and the interlayer insulating film 34. And an emitter Al electrode 23 a electrically connected to the n + emitter region 29 and the p base region 28. An Al electrode 37a electrically connected to the n + diffusion region 36a and a gate Al electrode 35 connected to the polysilicon layer 31a are provided. Gate electrode pad 22 in which gate Al electrode 35 is exposed from the opening of passivation film 42, emitter electrode pad 23 in which emitter Al electrode 23a is exposed from passivation film 42, and collector electrode 38 disposed on the surface of p + substrate 25 With.

図1および図2において、図11および図12と異なるのは、ダイナミッククランプダイオード24aが耐圧構造20の一部上ではなく、耐圧構造20とは別にリング状に形成されたp拡散領域32aで囲まれたnドリフト領域27上に絶縁膜33を介して形成されている点である。尚、耐圧構造20で囲まれた領域内にIGBTセルが形成された活性領域21とワイヤボンディングを行うためのゲートパッド22およびエミッタパッド23が設けられている点は図11および図12と同じである。 1 and FIG. 2 is different from FIGS. 11 and 12 in that the dynamic clamp diode 24a is not on a part of the breakdown voltage structure 20, but in a p + diffusion region 32a formed in a ring shape separately from the breakdown voltage structure 20. This is that the insulating film 33 is formed on the surrounded n drift region 27. The active region 21 in which the IGBT cell is formed and the gate pad 22 and the emitter pad 23 for wire bonding are provided in the region surrounded by the breakdown voltage structure 20 as in FIGS. is there.

IGBT2のコレクタ電圧は、p基板25と、nバッファ層26と、nドリフト層27と、n拡散領域36aを通してAl電極37aに印加され、n拡散領域36aに接続するダイナミッククランプダイオード24aに印加される。 Collector voltage of the IGBT2 includes a p + substrate 25, an n + buffer layer 26, n - drift layer 27, is applied to the Al electrode 37a through the n + diffusion region 36a, dynamic clamping diodes connected to the n + diffusion region 36a 24a.

図3は、コレクタ電圧がクランプ電圧に到達したときの空乏層の広がりを示した図である。図3に示すように、コレクタ電圧がクランプ電圧に到達しても空乏層43はn拡散領域36a直下のnドリフト層27には広がらない。なお、本図では空乏層端がnバッファ層26に到達していない様に描かれているがnドリフト層27の濃度や厚さ、クランプ電圧の値によっては到達する場合もある。 FIG. 3 is a diagram showing the spread of the depletion layer when the collector voltage reaches the clamp voltage. As shown in FIG. 3, even if the collector voltage reaches the clamp voltage, the depletion layer 43 does not spread to the n drift layer 27 immediately below the n + diffusion region 36a. In this figure is depicted as a depletion layer end it does not reach the n + buffer layer 26 n - drift layer 27 density and thickness, in some cases reaching depending on the value of the clamp voltage.

また、ダイナミッククランプダイオード24aの最外周下のnドリフト層27の表面には、p領域32aが形成される。図2では、このp領域32aは耐圧構造20の端部に配置されるp領域32aと重なっている。ダイナミッククランプダイオード24aの一部の上には層間絶縁膜34を介してゲートAl電極35が形成されており、そのゲートAl電極35上に形成されるパッシベーション膜42に開口部を設けゲートパッド22としている。 A p + region 32a is formed on the surface of n drift layer 27 below the outermost periphery of dynamic clamp diode 24a. In Figure 2, the p + region 32a overlaps the p + region 32a is arranged at the end of the pressure-resistant structure 20. A gate Al electrode 35 is formed on a part of the dynamic clamp diode 24 a via an interlayer insulating film 34. An opening is provided in the passivation film 42 formed on the gate Al electrode 35 as the gate pad 22. Yes.

このようにゲートパッド22下にダイナミッククランプダイオード24aの一部を形成することにより面積効率を上げることが可能となる。ただし、この場合コレクタ電位が上昇した場合、ダイナミッククランプダイオード24aの中央付近の電位はゲート電位に対し高くなるため、層間絶縁膜の厚さや膜質を考慮し、十分な耐圧を確保する必要がある。   Thus, by forming a part of the dynamic clamp diode 24a under the gate pad 22, the area efficiency can be increased. However, in this case, when the collector potential rises, the potential in the vicinity of the center of the dynamic clamp diode 24a becomes higher than the gate potential. Therefore, it is necessary to secure a sufficient breakdown voltage in consideration of the thickness and film quality of the interlayer insulating film.

また、電極Al上に層間絶縁膜34を介してゲートパッド22を設けるなどの2層配線した場合は、ゲートパッド22の大きさを十分大きくできるので、ダイナミッククランプダイオード24aの全体をゲートパッド22直下に形成することが可能となる。また、ダイナミッククランプダイオード24aは必ずしもゲートパッド22の下に形成する必要はなく、活性領域21内の任意の場所に設けても構わない。但し、その場所にはセルは形成しない。   Further, when two-layer wiring such as providing the gate pad 22 via the interlayer insulating film 34 on the electrode Al, the size of the gate pad 22 can be made sufficiently large, so that the entire dynamic clamp diode 24a is directly under the gate pad 22. Can be formed. Further, the dynamic clamp diode 24a is not necessarily formed under the gate pad 22, and may be provided at an arbitrary location in the active region 21. However, no cell is formed there.

つまり、ダイナミッククランプダイオード24aを形成する箇所は耐圧領域20以外の任意の箇所を選定できるので、形成箇所の選定に対して自由度が向上する。たとえば、チップの中央に形成した場合、端部にある場合に比較してダイナミッククランプによるゲート電圧の上昇がゲート配線抵抗の影響を受け難くチップ全体に均等に与えられる利点がある(ゲートポリシリコンには配線抵抗が存在するため、ダイナミッククランプダイオードとゲート電極の接続点に近い所のゲート電圧が先に上昇し、離れた場所のゲート電圧の上昇が遅れるため電流が近い所に集中する。チップの中央にダイナミッククランプダイオードを配置することで、距離の差が小さくなり、比較的均一にオンすることができる。)。   That is, since the location where the dynamic clamp diode 24a is formed can be selected from any location other than the withstand voltage region 20, the degree of freedom in selecting the location is improved. For example, when it is formed at the center of the chip, the gate voltage rise due to dynamic clamping is less affected by the gate wiring resistance than when it is at the end, and it has the advantage that it is given evenly to the entire chip (the gate polysilicon has Since there is a wiring resistance, the gate voltage near the connection point between the dynamic clamp diode and the gate electrode rises first, and the rise in the gate voltage at a remote location is delayed, so that the current is concentrated near the chip. By placing the dynamic clamp diode in the center, the difference in distance is reduced and it can be turned on relatively uniformly.)

尚、前記半導体装置100においては、縦型パワー半導体素子はIGBT2を例にあげて説明したがパワーMOSFETとしても構わない。また、ダイナミッククランプ回路を内蔵した半導体装置を用いたイグニッションシステムにおいては、ダイナミッククランプダイオード24aの耐圧(クランプ電圧)は100V以上とするとよい。   In the semiconductor device 100, the vertical power semiconductor element is described by taking the IGBT 2 as an example, but it may be a power MOSFET. In an ignition system using a semiconductor device incorporating a dynamic clamp circuit, the breakdown voltage (clamp voltage) of the dynamic clamp diode 24a is preferably 100 V or more.

また、n領域40とp領域41の繰り返しで構成される前記のダイナミッククランプダイオード24aを、n領域40とp領域41からなるpn接合を一つ置きに導電膜で短絡してもよい。この場合はpnダイオードが直列接続された図10のダイナミッククランプダイオード6,7と同じ構成になる。
<実施例2>
図4は、この発明の第2実施例に係る半導体装置200の要部平面図である。図1と異なるのは、ダイナミッククランプダイオード24bが同心円上ではなく矩形になっている点とダイナミッククランプダイオード24bの一部がエミッタパッド23下に形成されている点である。
Alternatively, the dynamic clamp diode 24a configured by repeating the n region 40 and the p region 41 may be short-circuited with a conductive film every other pn junction composed of the n region 40 and the p region 41. In this case, the configuration is the same as that of the dynamic clamp diodes 6 and 7 in FIG. 10 in which pn diodes are connected in series.
<Example 2>
FIG. 4 is a plan view of an essential part of a semiconductor device 200 according to the second embodiment of the present invention. The difference from FIG. 1 is that the dynamic clamp diode 24b is not concentric but rectangular, and a part of the dynamic clamp diode 24b is formed under the emitter pad 23.

これは、エミッタパッド23下に活性領域のセルを形成しない場合に適用可能である。ダイナミッククランプダイオード24bはこの他に長円形などであっても問題ないこと、エミッタパッド23とゲートパッド22の間隔を小さくして、エミッタパッド23下に一部を、ゲートパッド22下に残りの一部を形成することが可能であることもいうまでもない。   This is applicable when no active region cell is formed under the emitter pad 23. In addition, the dynamic clamp diode 24b may be oval or the like, and the distance between the emitter pad 23 and the gate pad 22 is reduced so that a part of the dynamic clamp diode 24b is below the emitter pad 23 and the remaining one is below the gate pad 22. It goes without saying that the portion can be formed.

前記の実施例1および実施例2において、耐圧構造20上にはダイナミッククランプダイオード24a、24bが存在しないため、電界集中が起こる箇所が存在しない.そのため、耐圧の低下、リーク電流の増加などの懸念がない。   In the first and second embodiments, the dynamic clamping diodes 24a and 24b do not exist on the breakdown voltage structure 20, so that there is no portion where electric field concentration occurs. Therefore, there is no concern about a decrease in breakdown voltage or an increase in leakage current.

また、ダイナミッククランプダイオード24a、24b直下では電位勾配を持つフィールドプレートとして作用するため電界集中が発生し難く安定した耐圧が得られる。
さらに、耐圧構造20にダイナミッククランプダイオード24a、24bを形成しないため、耐圧構造20の幅を狭く設計することができる。その結果、チップサイズが縮小化され製造コストを低減することがてきる。
<実施例3>
図5および図6は、この発明の第3実施例に係る半導体装置300の構成図であり、図5は要部平面図、図6は図5のX−X線で切断した要部断面図である。この半導体装置300と実施例1の半導体装置100との違いは、ダイナミッククランプダイオード24aが、微細加工されて小さなダイナミッククランプダイオード24cとした場合であり、中央部にnバッファ層24に達するストッパ層44を設けている点である。このストッパ層44は高濃度のn拡散層44aで形成する。このストッパ層44を設けることで、
コレクタ電圧がクランプ電圧に到達した時点で、左右から伸びてくる空乏層43が中央で接して繋がる(ピンチオフする)ことが防止される。空乏層43がピンチオフするのが防止されるために、コレクタ電圧は電圧降下することなくダイナミッククランプダイオード24cに伝達され、コレクタ電圧がクランプ電圧で効果的に抑えられる。
<実施例4>
図7および図8は、この発明の第4実施例に係る半導体装置400の構成図であり、図7は要部平面図、図8は図7のX−X線で切断した要部断面図である。この半導体装置400と実施例1の半導体装置100との違いは、ダイナミッククランプダイオード24aが、二層に配置されて小さなダイナミッククランプダイオード24dとした場合であり、中央部にnバッファ層26に達するストッパ層44を設けている点である。
Further, immediately below the dynamic clamp diodes 24a and 24b, it acts as a field plate having a potential gradient, so that electric field concentration hardly occurs and a stable breakdown voltage can be obtained.
Furthermore, since the dynamic clamp diodes 24a and 24b are not formed in the breakdown voltage structure 20, the width of the breakdown voltage structure 20 can be designed to be narrow. As a result, the chip size can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
<Example 3>
5 and 6 are configuration diagrams of a semiconductor device 300 according to the third embodiment of the present invention. FIG. 5 is a plan view of the main part, and FIG. 6 is a cross-sectional view of the main part taken along line XX in FIG. It is. The difference between the semiconductor device 300 and the semiconductor device 100 of the first embodiment is that the dynamic clamp diode 24a is finely processed to be a small dynamic clamp diode 24c, and a stopper layer reaching the n + buffer layer 24 at the center. 44 is provided. The stopper layer 44 is formed of a high concentration n diffusion layer 44a. By providing this stopper layer 44,
When the collector voltage reaches the clamp voltage, the depletion layer 43 extending from the left and right is prevented from being connected and pinched off at the center. Since the depletion layer 43 is prevented from being pinched off, the collector voltage is transmitted to the dynamic clamp diode 24c without a voltage drop, and the collector voltage is effectively suppressed by the clamp voltage.
<Example 4>
7 and 8 are configuration diagrams of a semiconductor device 400 according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 7 is a plan view of the main part, and FIG. 8 is a cross-sectional view of the main part taken along line XX in FIG. It is. The difference between the semiconductor device 400 and the semiconductor device 100 of the first embodiment is that the dynamic clamp diode 24a is a small dynamic clamp diode 24d arranged in two layers and reaches the n + buffer layer 26 in the center. The stopper layer 44 is provided.

一層目のダイナミッククランプダイオード24d−1と二層目のダイナミッククランプダイオード24d−2は同一諸元で形成され、それぞれは層間絶縁膜34を挟んでAl電極46で接続される。二層目のダイナミッククランプダイオード24d−2の中央部はゲートパッドに接続する。この場合も実施例4と同様の効果が得られる。ただし、この場合p拡散領域32a付近はその上部にあるポリシリコン層31aの電位が高く空乏層が伸び難いため、フィールド酸化膜33の厚さを厚くするなどの工夫が必要である。
<実施例5>
図9は、この発明の第5実施例に係る半導体装置500の要部平面図である。この半導体装置500と実施例4の半導体装置400との違いは、nバッファ層26に達するストッパ層44がトレンチ47と、このトレンチ47の周りに高濃度のn拡散層48と、トレンチ47を充填するポリシリコン49で構成されている点である。このポリシリコン49はポリシリコン層31aを形成するときに同時に充填するとよい。また、前記の高濃度のn拡散層48の代わりに絶縁層を配置しても構わない。この実施例5の場合も実施例4と同様の効果が得られる。また、実施例3や実施例4のストッパ層44にも実施例5のストッパ層が適用できることは言うまでもない。
The first-layer dynamic clamp diode 24d-1 and the second-layer dynamic clamp diode 24d-2 are formed with the same specifications, and are connected by an Al electrode 46 with the interlayer insulating film 34 interposed therebetween. The central portion of the second-layer dynamic clamp diode 24d-2 is connected to the gate pad. In this case, the same effect as in the fourth embodiment can be obtained. However, in this case, since the potential of the polysilicon layer 31a above the p + diffusion region 32a is high and the depletion layer is difficult to extend, it is necessary to devise measures such as increasing the thickness of the field oxide film 33.
<Example 5>
FIG. 9 is a plan view of an essential part of a semiconductor device 500 according to the fifth embodiment of the present invention. The difference between the semiconductor device 500 and the semiconductor device 400 of the fourth embodiment is that the stopper layer 44 reaching the n + buffer layer 26 has a trench 47, a high-concentration n diffusion layer 48 around the trench 47, and a trench 47. The point is that it is made of polysilicon 49 to be filled. The polysilicon 49 is preferably filled simultaneously with the formation of the polysilicon layer 31a. Further, an insulating layer may be disposed in place of the high-concentration n diffusion layer 48. In the case of Example 5, the same effect as that of Example 4 can be obtained. Needless to say, the stopper layer of Example 5 can also be applied to the stopper layer 44 of Example 3 or Example 4.

前記の実施例1〜5を纏めると以下のようになる。
1)耐圧構造とは別の領域にダイナミッククランプ回路を配置することで、耐圧構造上にダイナミッククランプ回路が存在しなくなるため、電界集中が起こる箇所が存在しなくなり、耐圧の低下、リーク電流の増加などを防止することができる。
2)ダイナミッククランプ回路の直下ではダイナミッククランプダイオードが電位勾配を持つフィールドプレートとして作用するため電界集中が発生し難く安定した耐圧が得られる。
3)ダイナミッククランプダイオードを絶縁膜を挟んで複数積層し、耐圧構造上にダイナミッククランプ回路を形成しないことで、ダイナミッククランプ回路の縮小化を図ることができ、さらに耐圧構造の幅を短縮することができる。その結果、製造コストの低減を図ることができる。
4)ダイナミッククランプ回路を形成する箇所の自由度を広げ、コスト上昇を招かずにダイナミッククランプ回路を形成することができる。
It is as follows when the said Examples 1-5 are put together.
1) By disposing the dynamic clamp circuit in a region different from the breakdown voltage structure, the dynamic clamp circuit does not exist on the breakdown voltage structure, so that there is no location where electric field concentration occurs, the breakdown voltage decreases, and the leakage current increases. Etc. can be prevented.
2) Immediately below the dynamic clamp circuit, the dynamic clamp diode acts as a field plate having a potential gradient, so that electric field concentration hardly occurs and a stable breakdown voltage can be obtained.
3) By stacking a plurality of dynamic clamp diodes with an insulating film interposed therebetween and not forming a dynamic clamp circuit on the breakdown voltage structure, the dynamic clamp circuit can be reduced, and the width of the breakdown voltage structure can be further reduced. it can. As a result, the manufacturing cost can be reduced.
4) The degree of freedom of the location where the dynamic clamp circuit is formed can be expanded, and the dynamic clamp circuit can be formed without increasing the cost.

1,100,200,300,400,500 半導体装置
2 IGBT
3 コレクタ端子
4 ゲート電極
5 エミッタ端子
6 定電圧ダイオード
7 逆流防止ダイオード
8 ゲート端子
9 ゲート抵抗
10、11 ゲート保護ダイオード
12 駆動回路
13 バッテリー
14 イグニッションコイル
15 スパークプラグ
16 オン時誤点弧防止ダイオード
20 耐圧構造
21 活性領域
22 ゲートパッド
23 エミッタパッド
23a エミッタAl電極
24,24a ダイナミッククランプダイオード
25 p基板
26 nバッファ層
27 nドリフト層
28 pベース領域
29 nエミッタ領域
30 ゲート酸化膜
31 ゲート電極
31a ポリシリコン層
32,32a p拡散領域
33 フィールド酸化膜
34、45 層間絶縁膜
35 ゲートAl電極
36,36a n拡散領域
37,37a、46 Al電極
40 n領域(総称)
40−1,40−2.40−3、・・・ n領域(個別)
41 p領域(総称)
41−1,41−2、・・・ p領域(個別)
42 パッシベーション膜
43 空乏層
44 ストッパ層
47 トレンチ
48 高濃度のn拡散層
49 ポリシリコン
1,100,200,300,400,500 Semiconductor device 2 IGBT
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Collector terminal 4 Gate electrode 5 Emitter terminal 6 Constant voltage diode 7 Backflow prevention diode 8 Gate terminal 9 Gate resistance 10, 11 Gate protection diode 12 Drive circuit 13 Battery 14 Ignition coil 15 Spark plug 16 On-time false ignition prevention diode 20 Withstand voltage Structure 21 Active region 22 Gate pad 23 Emitter pad 23a Emitter Al electrode 24, 24a Dynamic clamp diode 25 p + Substrate 26 n + Buffer layer 27 n - Drift layer 28 p Base region 29 n + Emitter region 30 Gate oxide film 31 Gate electrode 31a polysilicon layer 32, 32a p + diffusion region 33 field oxide film 34, 45 interlayer insulating film 35 the gate Al electrode 36, 36a n + diffusion regions 37, 37a, 46 Al electrode 0 n region (collectively)
40-1, 40-2.40-3, ... n region (individual)
41 p region (generic name)
41-1, 41-2, ... p region (individual)
42 Passivation film 43 Depletion layer 44 Stopper layer 47 Trench 48 High-concentration n diffusion layer 49 Polysilicon

Claims (7)

第1導電型のドリフト層と、該ドリフト層の表面に選択的に形成された第2導電型のベース領域と、該ベース領域の表面に選択的に形成された第1導電型のエミッタ領域を第1主面に有する縦型パワー半導体素子と、該パワー半導体素子の第1主面上に絶縁層を介して形成され、前記ドリフト層の第1主面側に接続された第1電極とゲート電極との間に接続され中央の前記第1電極に向かって小さくなる複数のループ状の定電圧ダイオードの直列接続により構成されるポリシリコンからなるダイナミッククランプダイオードを備え、該ダイナミッククランプダイオードが前記縦型パワー半導体素子の外周部を囲む耐圧構造の内側の領域上に配置され、前記ダイナミッククランプダイオードの一端直下に前記ドリフト層を貫通し空乏層の伸びを抑えるストッパ層が配置され、前記縦型パワー半導体素子の耐圧に比べて前記ダイナミッククランプダイオードのクランプ電圧の方が低く、前記クランプ電圧では前記ダイナミッククランプダイオードの前記第1電極に接続された前記一端直下の前記ドリフト層が空乏化されないことを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type drift layer; a second conductivity type base region selectively formed on a surface of the drift layer; and a first conductivity type emitter region selectively formed on a surface of the base region. A vertical power semiconductor element having a first main surface, a first electrode formed on the first main surface of the power semiconductor element via an insulating layer and connected to the first main surface side of the drift layer, and a gate A dynamic clamp diode made of polysilicon composed of a series connection of a plurality of loop-shaped constant voltage diodes connected between the electrodes and becoming smaller toward the first electrode at the center. disposed on the inner region of the pressure-resistant structure that surrounds the outer peripheral portion of the mold power semiconductor element, and through said drift layer directly below an end of the dynamic clamping diodes suppressing extension of the depletion layer The stopper layer is arranged, the vertical power semiconductor device lower in the clamp voltage of the dynamic clamp diode as compared to the breakdown voltage of, said clamp voltage just below the one end connected to said first electrode of said dynamic clamping diode The semiconductor device, wherein the drift layer is not depleted . 前記ストッパ層が、前記ドリフト層と同じ導電型で高濃度であることを特徴とする請求項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 , wherein the stopper layer has the same conductivity type as the drift layer and a high concentration. 前記ストッパ層が、トレンチと、該トレンチを充填する高濃度不純物が添加されたポリシリコンと、前記トレンチを取り囲む絶縁層もしくは前記トレンチを取り囲み前記ドリフト層と同じ導電型で高濃度の不純物層を備えることを特徴とする請求項に記載の半導体装置。 The stopper layer includes a trench, polysilicon doped with a high-concentration impurity filling the trench, and an insulating layer surrounding the trench or a high-concentration impurity layer surrounding the trench and having the same conductivity type as the drift layer. The semiconductor device according to claim 1 . 前記ダイナミッククランプダイオードの平面形状が円形もしくは矩形であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, the planar shape of the dynamic clamping diode characterized in that it is a round or rectangular. 前記ダイナミッククランプダイオード上に前記縦型パワー半導体素子のゲートパッドもしくはエミッタパッドが絶縁膜を介して配置されることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, a gate pad or emitter pad is characterized in that it is arranged through the insulating layer of the vertical power semiconductor element to the dynamic clamping diodes on. 前記ダイナミッククランプダイオードの耐圧が100V以上あることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, the breakdown voltage of the dynamic clamp diode is characterized in that more than 100 V. 前記縦型パワー半導体素子が、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)もしくはパワーMOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。 The vertical power semiconductor element, IGBT semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a (insulated gate bipolar transistor) or a power MOSFET (MOS field effect transistor).
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