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Description
本明細書で開示する技術は、サイリスタを内蔵する半導体装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device incorporating a thyristor.
特許文献1は、LDMOS(Lateral Double Diffused Metal Oxide Semiconductor)にサイリスタを内蔵させる技術を開示する。このLDMOSは、ドレイン電極に静電気放電(ESD)が印加されたときに内蔵サイリスタが動作するように構成されている。これにより、LDMOSは、高いESD耐量を有することができる。
しかしながら、特許文献1のLDMOSでは、内蔵サイリスタを構成する複数の半導体領域が半導体活性層の表層部に設けられている。このため、内蔵サイリスタが動作したときの電流が半導体活性層の表層部を主に流れるので、局所的な電流集中による素子破壊が問題となる。本明細書は、内蔵サイリスタが動作したとき、電流が半導体活性層の厚み方向にも広がって流れるようにする技術を提供する。
However, in the LDMOS of
本明細書で開示する半導体装置の一実施形態は、半導体活性層、ソース電極及びドレイン電極を備える。半導体活性層は、第1導電型のソース領域、第2導電型のボディ領域、第1導電型のドレイン領域、第1導電型のドリフト領域、第2導電型のベース領域及び第2導電型の第1深部半導体領域を有する。ソース領域は、半導体活性層の上面に露出しており、ソース電極に接する。ボディ領域は、半導体活性層の上面に露出しており、ソース領域を囲んでおり、ソース電極に接する。ドレイン領域は、半導体活性層の上面に露出しており、半導体活性層の上面に平行な少なくとも一方向においてボディ領域から離れて配置されており、ドレイン電極に接する。ドリフト領域は、ボディ領域とドレイン領域の間に配置されており、ドレイン領域の不純物濃度よりも薄い不純物濃度を含む。ベース領域は、前記一方向においてボディ領域から離れて配置されており、ドリフト領域によってボディ領域から隔てられており、半導体活性層の上面に露出しており、ドレイン電極に接する。第1深部半導体領域は、ドリフト領域によって半導体活性層の上面から隔てられており、ボディ領域に接しており、前記一方向に沿ってボディ領域からベース領域側に向けて延びている。 One embodiment of a semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor active layer, a source electrode, and a drain electrode. The semiconductor active layer includes a first conductivity type source region, a second conductivity type body region, a first conductivity type drain region, a first conductivity type drift region, a second conductivity type base region, and a second conductivity type. The first deep semiconductor region is included. The source region is exposed on the upper surface of the semiconductor active layer and is in contact with the source electrode. The body region is exposed on the upper surface of the semiconductor active layer, surrounds the source region, and is in contact with the source electrode. The drain region is exposed on the upper surface of the semiconductor active layer, is disposed away from the body region in at least one direction parallel to the upper surface of the semiconductor active layer, and is in contact with the drain electrode. The drift region is disposed between the body region and the drain region, and includes an impurity concentration lower than the impurity concentration of the drain region. The base region is disposed away from the body region in the one direction, is separated from the body region by the drift region, is exposed on the upper surface of the semiconductor active layer, and is in contact with the drain electrode. The first deep semiconductor region is separated from the upper surface of the semiconductor active layer by the drift region, is in contact with the body region, and extends from the body region toward the base region along the one direction.
上記半導体装置に内蔵されるサイリスタは、ベース領域とドリフト領域と第1深部半導体領域で構成されるトランジスタを含む。このため、内蔵サイリスタが動作したときの電流の一部は、第1深部半導体領域を介して流れる。第1深部半導体領域は、半導体活性層の深い位置に設けられているので、内蔵サイリスタが動作したときの電流は、半導体活性層の厚み方向にも広がって流れることができる。このように、上記半導体装置では、内蔵サイリスタが動作したときの電流集中が緩和され、局所的な電流集中による素子破壊が抑制される。 The thyristor incorporated in the semiconductor device includes a transistor including a base region, a drift region, and a first deep semiconductor region. For this reason, a part of current when the built-in thyristor is operated flows through the first deep semiconductor region. Since the first deep semiconductor region is provided at a deep position in the semiconductor active layer, the current when the built-in thyristor operates can spread and flow in the thickness direction of the semiconductor active layer. Thus, in the semiconductor device, current concentration when the built-in thyristor is operated is alleviated, and element destruction due to local current concentration is suppressed.
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。 The technical features disclosed in this specification will be summarized below. The items described below have technical usefulness independently.
本明細書で開示する半導体装置の一実施形態は、半導体活性層、ソース電極及びドレイン電極を備えていてもよい。半導体活性層は、SOI基板の構成要素であってもよい。半導体活性層は、第1導電型のソース領域、第2導電型のボディ領域、第1導電型のドレイン領域、第1導電型のドリフト領域、第2導電型のベース領域及び第2導電型の第1深部半導体領域を有していてもよい。ソース領域は、半導体活性層の上面に露出しており、ソース電極に接する。ボディ領域は、半導体活性層の上面に露出しており、ソース領域を囲んでおり、ソース電極に接する。ドレイン領域は、半導体活性層の上面に露出しており、半導体活性層の上面に平行な少なくとも一方向においてボディ領域から離れて配置されており、ドレイン電極に接する。ドリフト領域は、ボディ領域とドレイン領域の間に配置されており、ドレイン領域の不純物濃度よりも薄い不純物濃度を含む。ベース領域は、半導体活性層の上面に露出しており、前記一方向においてボディ領域から離れて配置されており、ドリフト領域によってボディ領域から隔てられており、ドレイン電極に接する。ベース領域は、ドレイン領域よりもボディ領域側に配置されているのが望ましい。第1深部半導体領域は、ドリフト領域によって半導体活性層の上面から隔てられており、ボディ領域に接しており、前記一方向に沿ってボディ領域からベース領域側に向けて延びている。半導体装置はさらに、ゲート電極を備えていてもよい。ゲート電極は、ソース領域とドリフト領域を隔てるボディ領域に絶縁膜を介して対向する。 One embodiment of the semiconductor device disclosed in this specification may include a semiconductor active layer, a source electrode, and a drain electrode. The semiconductor active layer may be a component of the SOI substrate. The semiconductor active layer includes a first conductivity type source region, a second conductivity type body region, a first conductivity type drain region, a first conductivity type drift region, a second conductivity type base region, and a second conductivity type. The first deep semiconductor region may be included. The source region is exposed on the upper surface of the semiconductor active layer and is in contact with the source electrode. The body region is exposed on the upper surface of the semiconductor active layer, surrounds the source region, and is in contact with the source electrode. The drain region is exposed on the upper surface of the semiconductor active layer, is disposed away from the body region in at least one direction parallel to the upper surface of the semiconductor active layer, and is in contact with the drain electrode. The drift region is disposed between the body region and the drain region, and includes an impurity concentration lower than the impurity concentration of the drain region. The base region is exposed on the upper surface of the semiconductor active layer, is disposed away from the body region in the one direction, is separated from the body region by the drift region, and is in contact with the drain electrode. The base region is desirably disposed on the body region side with respect to the drain region. The first deep semiconductor region is separated from the upper surface of the semiconductor active layer by the drift region, is in contact with the body region, and extends from the body region toward the base region along the one direction. The semiconductor device may further include a gate electrode. The gate electrode faces the body region that separates the source region and the drift region via an insulating film.
半導体活性層はさらに、第1導電型の第2深部半導体領域を有していてもよい。第2深部半導体領域は、ドリフト領域によって半導体活性層の上面から隔てられており、第1深部半導体領域よりもドレイン領域側に設けられており、ドリフト領域の不純物濃度よりも濃い不純物濃度を含む。第2深部半導体領域を有する半導体装置では、内蔵サイリスタが動作したときの電流集中がさらに緩和され、局所的な電流集中による素子破壊がさらに抑制される。 The semiconductor active layer may further include a first conductivity type second deep semiconductor region. The second deep semiconductor region is separated from the upper surface of the semiconductor active layer by the drift region, is provided closer to the drain region than the first deep semiconductor region, and includes an impurity concentration higher than the impurity concentration of the drift region. In the semiconductor device having the second deep semiconductor region, the current concentration when the built-in thyristor is operated is further relaxed, and the element breakdown due to the local current concentration is further suppressed.
図1〜図3に示されるように、半導体装置1は、LDMOSであり、半導体基板10、複数の電極32,34,36及びLOCOS酸化膜42を備える。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
半導体基板10は、半導体支持層12、埋込み絶縁層14及び半導体活性層16を有する。半導体支持層12の材料は、リン又はボロンの不純物を高濃度に含むシリコン単結晶である。埋込み絶縁層14は、半導体支持層12の上面に接しており、半導体支持層12と半導体活性層16を隔てる。埋込み絶縁層14の材料は、酸化シリコンである。半導体活性層16は、埋込み絶縁層14の上面に接する。半導体活性層16の材料は、リンを低濃度に含むシリコン単結晶である。このように、半導体基板10は、半導体支持層12、埋込み絶縁層14及び半導体活性層16が積層して構成されており、SOI基板と称されるものである。
The
半導体活性層16は、p型のボディ領域21、n型のソース領域22、p型の第1深部半導体領域23、n型のドリフト領域24、p型のベース領域25及びn型のドレイン領域26を含む。
The semiconductor
ボディ領域21は、半導体活性層16の表層部の一部に設けられており、半導体活性層16の上面に露出しており、不純物濃度が相対的に濃いコンタクト部21aと不純物濃度が相対的に薄いメイン部21bを有する。ボディ領域21のコンタクト部21aは、半導体活性層16の上面の一部を被覆するソース電極32にオーミック接触する。ボディ領域21は、イオン注入技術を利用して、半導体活性層16の上面からボロンを注入することで形成される。
The
ソース領域22は、半導体活性層16の表層部の一部に設けられており、半導体活性層16の上面に露出しており、ボディ領域21のメイン部21bに囲まれている。ソース領域22は、半導体活性層16の上面の一部を被覆するソース電極32にオーミック接触する。ソース領域22は、イオン注入技術を利用して、半導体活性層16の上面からリンを高濃度に注入することで形成される。なお、ボディ領域21のコンタクト部21aとソース領域22は、離れているのが望ましい。ボディ領域21のコンタクト部21aとソース領域22が離れていると、製造バラツキによってこれらの面方向の位置が変動しても、半導体装置1の電気的特性に与える影響が抑えられる。また、必要に応じて、ボディ領域21のコンタクト部21aとソース領域22の間に絶縁層を設けてもよい。
The
第1深部半導体領域23は、ドリフト領域24によって半導体活性層16の上面から隔てられており、半導体活性層16の所定深さを面的に広がって形成されている。第1深部半導体領域23は、ボディ領域21のメイン部21bの下面に接している。第1深部半導体領域23は、ソース領域22とドレイン領域26を結ぶ方向(紙面左右方向であり、以下、ソース・ドレイン間方向という)に沿って、ボディ領域21からベース領域25側に向けて延びている。半導体活性層16の上面に直交する方向から観測したときに、第1深部半導体領域23のベース領域25側の先端は、LOCOS酸化膜42の下方に配置されている。第1深部半導体領域23は、イオン注入技術を利用して、半導体活性層16の上面からボロンを注入することで形成される。なお、第1深部半導体領域23は、埋込み絶縁層14に接するように設けられていてもよい。
The first
ドリフト領域24は、半導体活性層16の上面に露出しており、ボディ領域21、第1深部半導体領域23、ベース領域25、ドレイン領域26及び埋込み絶縁層14に接する。ドリフト領域24は、ボディ領域21によってソース領域22から隔てられている。ドリフト領域24を間において、ソース・ドレイン間方向の一方側にボディ領域21とソース領域22と第1深部半導体領域23が配置されており、ソース・ドレイン間方向の他方側にベース領域25とドレイン領域26が配置されている。ドリフト領域24の不純物濃度は、ドレイン領域26の不純物濃度よりも薄い。ドリフト領域24は、半導体活性層16に他の半導体領域を形成した残部である。
The
ベース領域25は、半導体活性層16の表層部の一部に設けられており、半導体活性層16の上面に露出する。ベース領域25は、ソース・ドレイン間方向においてボディ領域21から離れて配置されており、ドレイン領域26よりもボディ領域21側に配置されており、ドリフト領域24によってボディ領域21から隔てられている。ベース領域25は、半導体活性層16の上面の一部を被覆するドレイン電極36にオーミック接触する。ベース領域25は、イオン注入技術を利用して、半導体活性層16の上面からボロンを高濃度に注入することで形成される。
The
ドレイン領域26は、半導体活性層16の表層部の一部に設けられており、半導体活性層16の上面に露出する。ドレイン領域26は、ソース・ドレイン間方向においてボディ領域21から離れて配置されており、ドリフト領域24によってボディ領域21から隔てられている。ドレイン領域26は、半導体活性層16の上面の一部を被覆するドレイン電極36にオーミック接触する。ドレイン領域26は、イオン注入技術を利用して、半導体活性層16の上面からリンを高濃度に注入することで形成される。なお、ベース領域25とドレイン領域26は、離れているのが望ましい。ベース領域25とドレイン領域26が離れていると、製造バラツキによってこれらの面内方向の位置が変動しても、半導体装置1の電気的特性に与える影響が抑えられる。また、必要に応じて、ベース領域25とドレイン領域26の間に絶縁層を設けてもよい。
The
ゲート電極34は、ソース領域22とドリフト領域24を隔てるボディ領域21のメイン部21bに絶縁膜を介して対向する。
The
LOCOS酸化膜42は、半導体活性層16の上面を被覆しており、半導体活性層16の上面に直交する方向から観測したときに、ボディ領域21とベース領域25の間に配置されている。
The
半導体装置1は、NPNトランジスタとPNPトランジスタで構成されるサイリスタを内蔵する。NPNトランジスタは、ソース領域22、ボディ領域21及びドリフト領域24によって構成されている。PNPトランジスタは、ボディ領域21、ドリフト領域24及びベース領域25によって構成されている。さらに、PNPトランジスタは、第1深部半導体領域23、ドリフト領域24及びベース領域25によっても構成されている。
The
半導体装置1では、ソース電極32が接地されており、ドレイン電極36が図示しない電源に接続されている。半導体装置1では、ドレイン電極36の配線に静電気放電(ESD)が印加されると、第1深部半導体領域23とドリフト領域24のpn接合面の高電界領域がアバランシェによってブレークダウンし、高電界領域でキャリアが発生し、第1深部半導体領域23とドリフト領域24に電流が流れる。このため、NPNトランジスタのベース電位(第1深部半導体領域23及びボディ領域21の電位)が上昇してNPNトランジスタが動作するとともに、PNPトランジスタのベース電位(ドリフト領域24の電位)が上昇してPNPトランジスタが動作する。これにより、内蔵サイリスタが動作し、ドレイン電極36の電位がサイリスタ動作の保持電圧まで低下する。
In the
半導体装置1では、第1深部半導体領域23が半導体活性層16の深い位置に形成されているとともにボディ領域21よりもベース領域25に近い位置に配置されているので、内蔵サイリスタのトリガとなる高電界領域が半導体活性層16の深い位置に存在するようになる。これにより、第1深部半導体領域23、ドリフト領域24及びベース領域25で構成されるPNPトランジスタを流れる電流は、半導体活性層16の深い位置を流れるようになる。即ち、内蔵サイリスタが動作したときの電流の一部が、半導体活性層16の深い位置を流れる。このように、半導体装置1では、内蔵サイリスタが動作したときの電流が半導体活性層16の厚み方向にも流れることができるので、電流集中が緩和され、局所的な電流集中による素子破壊が抑制される。また、半導体装置1では、第1深部半導体領域23が半導体活性層16の深い位置に形成されているので、LDMOSとしての動作に影響を与えない。
In the
図4に示される変形例の半導体装置2は、半導体活性層16内にn型の第2深部半導体領域27が形成されていることを特徴とする。第2深部半導体領域27は、ドリフト領域24によって半導体活性層16の上面から隔てられており、半導体活性層16の所定深さを面的に広がって形成されている。第2深部半導体領域27は、第1深部半導体領域23とドレイン領域26の間に設けられており、ドリフト領域24の不純物濃度よりも濃い不純物濃度を含む。半導体活性層16の上面に直交する方向から観測したときに、第2深部半導体領域27は、ドレイン領域26の下方に配置されるとともに、そのボディ領域21側の先端がLOCOS酸化膜42の下方に配置されている。第2深部半導体領域27は、イオン注入技術を利用して、半導体活性層16の上面からリンを注入することで形成される。
The
第2深部半導体領域27が設けられていると、内蔵サイリスタが動作したときの電流のうちのソース領域22、ボディ領域21及びドリフト領域24で構成されるNPNトランジスタを流れる電流の一部は、低抵抗な第2深部半導体領域27を通過する。このため、NPNトランジスタを流れる電流一部は、半導体活性層16の深い位置を流れるようになる。このように、半導体装置2では、内蔵サイリスタが動作したときの電流の多くが厚み方向にも広がって流れるので、電流集中がさらに緩和され、局所的な電流集中による素子破壊がさらに抑制される。
When the second
なお、この変形例では、第2深部半導体領域27が1つの層として形成されている場合を例示したが、この例に代えて、第2深部半導体領域27は、半導体活性層16の面内方向及び/又は厚み方向に分散して配置された複数のn型半導体領域の集合として構成されてもよい。また、この変形例では、第1深部半導体領域23と第2深部半導体領域27の半導体活性層16内における深さが同一の場合を例示したが、この例に代えて、第1深部半導体領域23と第2深部半導体領域27の半導体活性層16内における深さが異なっていてもよい。具体的には、第1深部半導体領域23と第2深部半導体領域27の半導体活性層16の厚み方向における不純物濃度の各々のピーク位置が同一であってもよく、異なっていてもよい。また、この変形例では、第1深部半導体領域23の先端と第2深部半導体領域27の先端が離れている場合を例示したが、この例に代えて、第1深部半導体領域23の先端と第2深部半導体領域27の先端が接していてもよい。
In this modification, the case where the second
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
10:半導体基板
12:半導体支持層
14:埋込み絶縁層
16:半導体活性層
21:ボディ領域
21a:コンタクト部
21b:メイン部
22:ソース領域
23:第1深部半導体領域
24:ドリフト領域
25:ベース領域
26:ドレイン領域
32:ソース電極
34:ゲート電極
36:ドレイン電極
42:LOCOS酸化膜
10: Semiconductor substrate 12: Semiconductor support layer 14: Buried insulating layer 16: Semiconductor active layer 21:
Claims (1)
前記半導体活性層は、
前記半導体活性層の上面に露出しており、前記ソース電極に接する第1導電型のソース領域と、
前記半導体活性層の上面に露出しており、前記ソース領域を囲んでおり、前記ソース電極に接する第2導電型のボディ領域と、
前記半導体活性層の上面に露出しており、前記半導体活性層の上面に平行な少なくとも一方向において前記ボディ領域から離れて配置されており、前記ドレイン電極に接する第1導電型のドレイン領域と、
前記ボディ領域と前記ドレイン領域の間に配置されており、前記ドレイン領域の不純物濃度よりも薄い不純物濃度を含む第1導電型のドリフト領域と、
前記半導体活性層の上面に露出しており、前記一方向において前記ボディ領域から離れて配置されており、前記ドリフト領域によって前記ボディ領域から隔てられており、前記ドレイン電極に接する第2導電型のベース領域と、
前記ドリフト領域によって前記半導体活性層の上面から隔てられており、前記ボディ領域に接しており、前記一方向に沿って前記ボディ領域から前記ベース領域側に向けて延びている第2導電型の第1深部半導体領域と、
前記ドリフト領域によって前記半導体活性層の上面から隔てられており、前記第1深部半導体領域よりも前記ドレイン領域側に設けられており、前記ドリフト領域の不純物濃度よりも濃い不純物濃度を含む第1導電型の第2深部半導体領域と、を有しており、
前記第1深部半導体領域と前記第2深部半導体領域が前記半導体活性層内の同一深さに設けられており、前記第1深部半導体領域の先端と前記第2深部半導体領域の先端が接しており、
前記第1深部半導体領域と前記第2深部半導体領域は、前記半導体活性層の下面から隔てられており、
前記半導体活性層の一部である第1導電型の部分が、前記第1深部半導体領域と前記第2深部半導体領域の下方に存在している、半導体装置。
A semiconductor active layer, a source electrode and a drain electrode;
The semiconductor active layer is
A source region of a first conductivity type exposed on an upper surface of the semiconductor active layer and in contact with the source electrode;
A body region of a second conductivity type exposed on an upper surface of the semiconductor active layer, surrounding the source region, and in contact with the source electrode;
A drain region of a first conductivity type that is exposed on the upper surface of the semiconductor active layer, is spaced apart from the body region in at least one direction parallel to the upper surface of the semiconductor active layer, and is in contact with the drain electrode;
A first conductivity type drift region that is disposed between the body region and the drain region and includes an impurity concentration lower than an impurity concentration of the drain region;
Exposed on the upper surface of the semiconductor active layer, arranged away from the body region in the one direction, separated from the body region by the drift region, and of a second conductivity type in contact with the drain electrode The base region,
The second conductivity type is separated from the upper surface of the semiconductor active layer by the drift region, is in contact with the body region, and extends from the body region toward the base region along the one direction. 1 deep semiconductor region;
First conductivity separated from the upper surface of the semiconductor active layer by the drift region, provided closer to the drain region than the first deep semiconductor region, and having a higher impurity concentration than the impurity concentration of the drift region. A second deep semiconductor region of the mold,
The first deep semiconductor region and the second deep semiconductor region are provided at the same depth in the semiconductor active layer, and a tip of the first deep semiconductor region and a tip of the second deep semiconductor region are in contact with each other. ,
The first deep semiconductor region and the second deep semiconductor region are separated from a lower surface of the semiconductor active layer;
A semiconductor device, wherein a portion of the first conductivity type, which is a part of the semiconductor active layer, exists below the first deep semiconductor region and the second deep semiconductor region .
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