JP6413467B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
このような高耐圧ICにおいては、スイッチング素子の動作によって生じる様々なノイズが入力されるが、このノイズに耐えて誤動作や動作不能を起こさない高耐圧ICの設計が重要である。ノイズ耐量を上げるには寄生素子の動作抑制が必要であり、特にハイサイド領域直下(高圧側スイッチング素子駆動回路周辺)の基板縦方向に形成される寄生素子の動作抑制が重要である。これは、基板縦方向の寄生素子は面積が大きく、大電流が流れ易いためである。
また、特許文献2には、n型ウエル領域にクランプ用のpチャネルMOSFETを設けることにより、負電圧サージによる寄生pnpバイポーラトランジスタの動作を抑制する技術が開示されている。
本明細書において、「主電極領域」とは、電界効果トランジスタ(FET)や静電誘導トランジスタ(SIT)においてソース領域又はドレイン領域の何れか一方となる低比抵抗の半導体領域を意味する。IGBTにおいてはエミッタ領域又はコレクタ領域の何れか一方となる低比抵抗の半導体領域を意味するので、「半導体装置」に依拠した名称となる。より具体的には、上記の「一方となる半導体領域」を「第1主電極領域」として定義すれば、「他方の半導体領域」は、「第2主電極領域」となる。すなわち、「第2主電極領域」とは、FET,SITにおいては第1主電極領域とはならないソース領域又はドレイン領域の何れか一方となる半導体領域、IGBTにおいては上記第1主電極領域とはならないエミッタ領域又はコレクタ領域の何れか一方となる半導体領域を意味する。以下の実施形態では、絶縁ゲート型電界効果トランジスタを用いたパワーICに着目して説明するので、ソース領域を「第1主電極領域」、ドレイン領域を「第2主電極領域」と呼ぶ。
また、本明細書および添付図面においては、n又はpを冠記した層や領域では、それぞれ電子又は正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、+および−の付記されていない半導体領域に比してそれぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。
また、実施形態で説明される添付図面は、見易く又は理解し易くするために正確なスケール、寸法で描かれていない。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する第1および第2の実施形態の記載に限定されるものではなない。
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置40は、制御回路31、レベルシフト回路32、ハイサイド駆動回路33及びローサイド駆動回路(図示せず)などを備えたパワーICである。この半導体装置40は、駆動対象として、例えば電力変換用ブリッジ回路の一相分である電力変換部50を駆動する高耐圧のパワーICである。
ハイサイド駆動回路33は、ゲート駆動回路34を備えている。ゲート駆動回路34は、第1導電型チャネルの第1電界効果トランジスタとして例えばnチャネルMOSFET(以下、nMOSと呼ぶ)36と、第2導電型チャネルの第2電界効果トランジスタとして例えばpチャネルMOSFET(以下、pMOSと呼ぶ)35とが相補うように直列に接続されたCMOS回路で構成されている。具体的には、pMOS35のソースはVB端子に接続され、pMOS35のドレインはnMOS36のドレインに接続されている。nMOS36のソースはVS端子43に接続されている。
制御回路31は、GND(グランド)端子46に印加されるGND電位を基準電位とし、VCC端子45に印加されるVCC電位を電源電位として動作し、高圧側スイッチング素子S1をオン・オフするためのローサイドレベルのオン・オフ信号、及び低圧側スイッチング素子をオン・オフするためのローサイドレベルのオン・オフ信号を生成する。
第1の実施形態に係る半導体装置40では、高圧側スイッチング素子S1を駆動する場合、制御回路31によって高圧側スイッチング素子S1をオン・オフするためのローサイドレベルのオン・オフ信号が生成される。このローサイドレベルのオン・オフ信号は、レベルシフト回路32によりハイサイドレベルのオン・オフ信号に変換された後、ハイサイド駆動回路33に入力される。
VB電位は半導体装置40に印加される最高電位であり、ノイズの影響を受けていない通常状態では、ブーストストラップコンデンサ等でVS電位よりも15V程度高く保たれている。VS電位は、電力変換用ブリッジ回路の高圧側スイッチング素子S1と低圧側スイッチング素子S2との接続点(出力ノード部)51の電位であり、電力変換の過程で0Vから数百Vの間で変化し、マイナスの電位になる場合もある。
図2及び図3に示すように、第1の実施形態に係る半導体装置40は、第2導電型(p−型)の半導体基板1に自己分離型ICプロセスによって作製された素子分離構造によってパワーICを構成している。半導体基板1は例えば単結晶シリコン基板で構成されている。
図3に示すように、pMOS35は、第1ウエル領域2の表層部に構成された能動素子である。nMOS36は、第2ウエル領域3の表層部に構成された能動素子である。第1ウエル領域2は半導体基板1からpMOS35を電気的に分離する分離領域であり、第2ウエル領域3は第1ウエル領域2からnMOS36を電気的に分離する分離領域である。
半導体基板1の主面上には、ゲート電極17及び18を覆うようにして層間絶縁膜20が形成されている。この層間絶縁膜20上には、接地電極5a,ソース電極6a,ドレイン電極7a,コンタクト電極8a,コンタクト電極9a,電荷引き抜き電極10a,ソース電極12a,ドレイン電極13a,コンタクト電極14aの各々が形成されている。これらの電極5a〜14aは、例えばアルミニウム膜で形成されている。
電荷引き抜き電極10aは、層間絶縁膜20に埋め込まれた導電性プラグ10bを介して電荷引き抜き領域10と電気的に接続されている。ソース電極12aは、層間絶縁膜20に埋め込まれた導電性プラグ12bを介して第1主電極領域(ソース領域)12と電気的に接続されている。ドレイン電極13aは、層間絶縁膜20に埋め込まれた導電性プラグ13bを介して第2主電極領域(ドレイン領域)13と電気的に接続されている。コンタクト電極14aは、層間絶縁膜20に埋め込まれた導電性プラグ14bを介して第2コンタクト領域14と電気的に接続されている。
すなわち、ウエル領域5にはGND電位が印加される。また、第1ウエル領域2及びウエル領域4には、第1ウエル領域2及びウエル領域4に亘って設けられたコンタクト領域9及び第1ウエル領域2の内部に設けられた第1コンタクト領域8を介してVB電位が印加される。また、第2ウエル領域3には、第2コンタクト領域14を介してVS電位が印加される。また、pMOS35の第1主電極領域12にはVB電位が印加され、nMOS36の第1主電極領域6にはVS電位が印加される。また、電荷引き抜き領域10にはVB電位が印加される。
第2コンタクト領域14は、平面形状がコの字形で形成され、nMOS36を囲むようにして配置されている。第2コンタクト領域14は、nMOS36のゲート電極17の長手方向に沿って伸びる一方の部分がnMOS36の第1主電極領域(ソース領域)6と接触し、この部分を除く他の部分がpMOS36の第1主電極領域6及び第2主電極領域7から離間するようにして配置されている。
電荷引き抜き領域10は、平面形状が枠状で形成され、nMOS36の周囲を囲むようにして環状に形成されている。電荷引き抜き領域10は、図2及び図3に示すように、第2コンタクト領域14の外側に配置され、第2コンタクト領域14の近傍、すなわち第2コンタクト領域14の隣に配置されている。また、電荷引き抜き領域10は、第1コンタクト領域8と第2コンタクト領域14との間に第1コンタクト領域8及び第2コンタクト領域14から離間して配置されている。電荷引き抜き領域10は、図3に示すように、第2ウエル領域3よりも浅く形成され、半導体基板1の厚さ方向において第1ウエル領域2から離間、換言すれば第1ウエル領域2との間に第2ウエル領域3が介在させるようにして設けられている。
第1の実施形態に係る半導体装置40は、自己分離型ICプロセスが用いられている。自己分離型ICプロセスによって作製された半導体装置40では、図3に示すように、ハイサイド駆動回路形成領域1Aに、p−型の第2ウエル領域3、n型の第1ウエル領域2、p−型の半導体基板1からなる寄生pnpバイポーラトランジスタ29が形成される。この寄生pnpバイポーラトランジスタ29のベース、エミッタ、コレクタは、VB端子44、VS端子43、GND端子46に夫々接続された状態となる。
本発明の第2の実施形態に係る半導体装置40Aは、第1の実施形態に係る半導体装置40とほぼ同様の構成になっているが、半導体基板の構成が異なっている。
すなちわ、第1の実施形態に係る半導体装置40では、図3に示すように、p−型の半導体基板1を用いた。これに対し、第2の実施形態に係る半導体装置40Aでは、図4に示すように、第2導電型(p−型)の半導体基板1a上に第1導電型(n−型)の半導体層1bが設けられた半導体基体23を用いている。この半導体基体23のハイサイド駆動回路形成領域1Aにおいて、半導体基板1aと半導体層1bとの間には、半導体基板1a及び半導体層1bよりも不純物濃度が高い第1導電型(n+型)の埋め込み領域22が形成されている。
本発明の第3の実施形態に係る半導体装置40Bは、第2の実施形態に係る半導体装置40Aとほぼ同様の構成になっているが、半導体基体の構成が異なっている。
すなわち、第2の実施形態に係る半導体装置40Aでは、図4に示すように、p−型の半導体層1a上にn−型の半導体層1bが設けられた半導体基体23を用いた。これに対し、第3の実施形態に係る半導体装置40Bでは、図5に示すように、第2導電型(p−型)の半導体基板1a上に第2導電型(p−型)の半導体層1cが設けられた半導体基体24を用いている。この半導体基体24のハイサイド駆動回路形成領域1Aにおいて、半導体基板1aと半導体層1cとの間には、半導体基板1a及び半導体層1cよりも不純物濃度が高い第1導電型(n+型)の埋め込み領域22が形成されている。
図6に示すように、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置40Cは、制御回路31、レベルシフト回路32、駆動回路33a等を備えたパワーICの駆動回路である。この半導体装置40Cは、図7に示すように、駆動対象として、例えば降圧コンバータ60のスイッチング素子S3を駆動する。降圧コンバータ60は、ダイオード61、キャパシタ62、コイル63及びスイッチング素子S3等で構成されている。スイッチング素子S3は例えばIGBT等の能動素子で構成されている。
このように降圧コンバータ60のスイッチング素子S3を駆動する第4の実施形態4に係る半導体装置40Cにおいても、第1の実施形態と同様に、図3を参照して説明すれば、p−型の第2ウエル領域3、n−型の第1ウエル領域2、p−型の半導体基板1からなる寄生pnpバイポーラトランジスタ29の動作を抑制することができる。
なお、第4の実施形態では、降圧コンバータ60のスイッチング素子S3を駆動する半導体装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、昇降コンバータ、フライバックコンバータ、フォワードコンバータなどのスイッチング素子を駆動する半導体装置に適用できる。
2…第1ウエル領域、3…第2ウエル領域、4,5…ウエル領域
6,12…第1主電極領域、7,13…第2主電極領域
8…第1コンタクト領域、14…第2コンタクト領域、9…コンタクト領域
10…電荷引き抜き領域
5a…接地電極、6a…ソース電極、7a…ドレイン電極、8a,9a…コンタクト電極、10a…電荷引き抜き電極、12a…ソース電極、13a…ドレイン電極、14a…コンタクト電極
5b,6b,7b,8b,9b,10b,12b,13b,14b…導電性プラグ
Claims (15)
- 第1電位が印加される第1導電型の第1ウエル領域と、
前記第1ウエル領域の表層部に形成され、かつ前記第1電位とは異なる第2電位が印加される第2導電型の第2ウエル領域と、
前記第2ウエル領域の表層部に形成され、かつ前記第1電位が印加される第1導電型の電荷引き抜き領域と、
を備え、
前記第1ウエル領域が前記第2導電型の半導体基板の表層部に形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 第1電位が印加される第1導電型の第1ウエル領域と、
前記第1ウエル領域の表層部に形成され、かつ前記第1電位とは異なる第2電位が印加される第2導電型の第2ウエル領域と、
前記第2ウエル領域の表層部に形成され、かつ前記第1電位が印加される第1導電型の電荷引き抜き領域と、
を備え、
前記第1ウエル領域が第2導電型の半導体基板の主面上に第1導電型の埋め込み領域を介して形成された半導体層の表層部に形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1電位及び前記第2電位は、前記第1ウエル領域と前記第2ウエル領域との間のpn接合が通常動作で逆バイアスされる電位であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。
- 前記電荷引き抜き領域は、前記第2ウエル領域よりも浅く形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第1ウエル領域の表層部に形成され、前記第1電位が印加される第1導電型の第1コンタクト領域と、
前記第2ウエル領域の表層部に形成され、前記第2電位が印加される第2導電型の第2コンタクト領域と、
を更に備え、
前記電荷引き抜き領域は、前記第2コンタクト領域の近傍に配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。 - 前記電荷引き抜き領域は、前記第1コンタクト領域と前記第2コンタクト領域との間に配置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。
- 前記電荷引き抜き領域は、前記第2コンタクト領域を囲むようにして環状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。
- 前記第1ウエル領域の表層部に第1能動素子を構成する第2導電型の第1及び第2主電極領域が、
前記第2ウエル領域の表層部に第2能動素子を構成する第1導電型の第1及び第2主電極領域が、
更に備えられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。 - 前記第1能動素子と前記第2能動素子とが直列に接続されたゲート駆動回路を更に備え、
前記第1能動素子と前記第2能動素子との接続点には、前記ゲート駆動回路の駆動対象となるスイッチング素子のゲートが接続されることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。 - 前記第1能動素子と前記第2能動素子とが直列に接続されたゲート駆動回路を更に備え、
高圧側のスイッチング素子と低圧側のスイッチング素子とが直列に接続されたハイサイド回路を前記ゲート駆動回路の駆動対象とするとき、前記第1能動素子と前記第2能動素子との接続点には、前記高圧側のスイッチング素子のゲートが接続されることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。 - 前記第1及び第2能動素子の各々の第2主電極領域が接続されており、前記第1能動素子の第1主電極領域に前記第1電位が印加され、前記第2能動素子の第1主電極領域に前記第2電位が印加されることを特徴とする請求項9または10に記載の半導体装置。
- 第1電位が印加される第1導電型の第1ウエル領域と、
前記第1ウエル領域の表層部に形成され、かつ前記第1電位とは異なる第2電位が印加される第2導電型の第2ウエル領域と、
前記第2ウエル領域の表層部に形成され、かつ前記第1電位が印加される第1導電型の電荷引き抜き領域と、
を備え、
前記第1ウエル領域の表層部に第1能動素子を構成する第2導電型の第1及び第2主電極領域が、
前記第2ウエル領域の表層部に第2能動素子を構成する第1導電型の第1及び第2主電極領域が、
更に備えられていることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1能動素子と前記第2能動素子とが直列に接続されたゲート駆動回路を更に備え、
前記第1能動素子と前記第2能動素子との接続点には、前記ゲート駆動回路の駆動対象となるスイッチング素子のゲートが接続されることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。 - 前記第1能動素子と前記第2能動素子とが直列に接続されたゲート駆動回路を更に備え、
高圧側のスイッチング素子と低圧側のスイッチング素子とが直列に接続されたハイサイド回路を前記ゲート駆動回路の駆動対象とするとき、前記第1能動素子と前記第2能動素子との接続点には、前記高圧側のスイッチング素子のゲートが接続されることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。 - 前記第1及び第2能動素子の各々の第2主電極領域が接続されており、前記第1能動素子の第1主電極領域に前記第1電位が印加され、前記第2能動素子の第1主電極領域に前記第2電位が印加されることを特徴とする請求項13または14に記載の半導体装置。
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