JP6606185B2 - 半導体装置、車載用半導体装置および車載制御装置 - Google Patents

半導体装置、車載用半導体装置および車載制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置、車載用半導体装置および車載制御装置に関する。
従来、複数個の能動素子を非一様な間隔で配置して、一定の温度を実現する半導体装置が知られている(特許文献1)。また、複数の能動素子を一つのトレンチで取り囲み、複数の能動素子を並列接続した半導体装置も知られている(特許文献2)。
特開平6−342803号公報 特開2002−43521号公報
特許文献1に記載の発明では、能動素子間は熱伝導率の比較的高いシリコンで熱的に接続されるため、能動素子で発生した熱は容易に周囲の能動素子に伝わる。そのため、能動素子間の距離を大きくして放熱を促進している。
一方、特許文献2に記載の発明では、半導体装置の中央部の温度が周辺領域の温度よりも高くなり、半導体装置としての温度抑制が望まれている。
請求項1に記載の車載用半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成される複数の能動素子と、複数の能動素子を囲んで絶縁分離する複数のトレンチと、複数のトレンチ中の異なるトレンチで絶縁分離された複数の能動素子を並列に接続して外部と接続するための端子と、を備える。
本発明によれば、能動素子の温度上昇を抑制することができる。
(a)は本発明による第1の実施の形態の半導体装置の平面図、(b)はシミュレーションによる温度分布図である。 本発明による実施の形態における能動素子の接続方法の例である。 (a)は従来の半導体装置の平面図、(b)はシミュレーションによる温度分布図である。 本発明による第2の実施の形態の半導体装置の平面図である。 本発明による第3の実施の形態の半導体装置の平面図である。 本発明による第4の実施の形態の半導体装置の平面図である。 本発明による第5の実施の形態の半導体装置の平面図である。 本発明による第6の実施の形態の半導体装置の平面図である。 本発明による第7の実施の形態の半導体装置の平面図である。 本発明による第1〜7の実施の形態の半導体装置の断面構造の例である。
高電力出力が要求されるパワー半導体装置においては、その出力段に大電流を流すことが可能な能動素子、例えばMOSFETのようなスイッチング素子が用いられる。この能動素子はサイズ(例えばゲート幅)が大きくなるほど高電力の出力が可能となるが、大電流を流すと能動素子が発熱して温度が上昇し、耐圧などの破壊耐量が低下するという問題が生じる。
特に、車載用半導体装置では、ソレノイドの電流駆動といった大きな電流の制御が必要となるため、破壊耐量の低下に多くの注意が必要となる。また、車載用半導体装置は、高温になるエンジンやモーター等の制御対象機器の近くに設置される場合が多く、環境温度が高温化する。このため、半導体装置が高温になりやすく、破壊耐量が低下する懸念が一層強まっている。また、車載用半導体装置では、能動素子として40V〜200Vを超える素子耐圧が求められる場合があり、絶縁分離が重要な課題となっている。
(第1の実施の形態)
図1(a)は、本発明による第1の実施の形態の半導体装置を模式的に示す平面図であり、素子要素101がトレンチ102で絶縁分離されて形成された能動素子201〜205を並列に接続した半導体装置300を示している。なお、図1(a)において、能動素子201、205はそれぞれ4つの素子要素101で構成され、能動素子202、204はそれぞれ3つの素子要素101で構成され、能動素子203は1つの素子要素101で構成されている。
図1(a)の半導体装置300内のトレンチ102で囲まれた素子要素101において、能動素子がMOSFETの場合にゲート幅が大きいと、つまり素子要素101の面積が大きいと、電流を流す能力が大きくなる。また、その大きさに規定はないが、例えば数A程度の電流を制御するMOSFETなどでは、数10μm〜数cmのゲート幅が用いられる場合がある。
車載用半導体装置の耐圧は40V〜200Vが要求され、その耐圧を維持するために、トレンチの幅は0.5μm〜2μm程度が用いられる。また、幅の細いトレンチを2重に、あるいはそれ以上に並べて、実効的に幅の太いトレンチとして用いられる場合がある。
図2は、本発明による実施の形態における能動素子の接続方法の例を示す図であり、それぞれが一つもしくは複数の素子要素101で構成される複数の能動素子の接続方法の例を示している。図2に示すように、トレンチ102aで囲まれた能動素子221は、ドレイン部421、ソース部422、ゲート部423を有するMOSFETである。能動素子221は、異なるトレンチ102bで囲まれた能動素子222と並列に接続され、外部と接続するための端子411、412、413を備えている。端子411、412、413は、たとえば、外部回路と接続される。
図1(a)に示す半導体装置300において、能動素子201および205と、能動素子202および204と、能動素子203のそれぞれは、トレンチ102が囲う面積またはトレンチ102に囲まれた領域内の素子要素101の合計面積が異なっている。本明細書では、トレンチ102に囲まれた領域内の素子要素101の合計面積のことをトレンチに囲まれた能動素子の面積とも呼ぶこととする。能動素子の面積が異なると、それぞれの能動素子の動作時の発熱量は異なる。そのため、能動素子のそれぞれの大きさを制御することにより、すなわち各トレンチ内に設ける素子要素数を設定することで、各トレンチ内で発生する発熱量を異ならせることができる。その結果、半導体装置300内の温度分布を制御することが可能となる。図1(a)においては、能動素子202と204との間に設けられた能動素子203は、能動素子202および204よりも面積が小さい。こうすることにより、能動素子203の発熱量は能動素子202および204の発熱量よりも小さくすることができる。
図1(b)は、シミュレーションによる温度分布図であり、図1(a)における素子要素101すべてに一様の電流を流した場合の、半導体装置300内の温度分布をシミュレーションにより求め、A-A’に沿った温度分布を示したものである。半導体装置300の能動素子202、204の間にそれらよりも面積の小さい能動素子203を設けることにより、能動素子203周辺で温度上昇が抑制されていることがわかる。
図3(a)は従来の半導体装置を模式的に示す平面図、図3(b)はシミュレーションによる温度分布図を示している。図3(a)における半導体装置300において、トレンチ102により絶縁分離された能動素子は1つだけである。なお、図3の半導体装置300は15個の素子要素101により構成されており、素子要素数は図1に示した実施の形態の半導体装置300と同数である。また、図3(b)は、図3(a)における素子要素101に一様に電流を流した場合の、半導体装置300内の温度分布をシミュレーションにより求め、A-A’に沿った温度分布を示したものである。
この温度シミュレーションにおいて、図3で例示した構造と図1で例示した構造における能動素子の電流を流す能力は同じと仮定したが、図1(b)と図3(b)とでは温度分布が異なることがわかる。半導体装置300内にトレンチで絶縁分離された能動素子が1つだけの場合の図3(b)では、装置内温度は装置中央付近で最も高い。一方、本発明を適用した場合の図1(b)では、面積の小さな能動素子203を設置した装置中央部分で温度が低下している。また、素子全体の温度を比較しても、トレンチで能動素子を分離していない図3よりも、トレンチで能動素子を分離した図1の構造で温度が低下していることが明らかである。
上述した本実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
(1)半導体装置300は、半導体基板と、半導体基板上に形成される複数の能動素子221、222と、複数の能動素子を囲んで絶縁分離する複数のトレンチ102a、102bと、複数のトレンチ中の異なるトレンチで絶縁分離された複数の能動素子を並列に接続して外部と接続するための端子411、412、413と、を備える。本実施の形態では、並列に接続される能動素子221、222を、それぞれトレンチ102a、102bで分離するようにした。このようにしたので、素子要素101の総数をN個で同一とした場合、一つのトレンチでN個の素子要素を取り囲んだ従来例と、二つのトレンチ102a、102bでN個の素子要素をそれぞれ取り囲んだ囲んだ実施の形態とを比較すると、後者の半導体装置は前者の半導体装置に比べて中央部での温度上昇を抑制できる。すなわち、実施の形態のように半導体装置の二つの能動素子間に2列のトレンチが設けられるため、能動素子間の熱伝導が抑制され、能動素子221と能動素子222との間の領域、すなわち半導体装置の内側(中央部)の領域の温度上昇が抑制される。通常、半導体装置の最高温度は半導体装置の内側、とくに中央部の温度となることが多い。
複数の能動素子は、たとえば、シリコンよりも高い絶縁性と低い熱伝導率を有する材料(例えば、二酸化シリコン、石英ガラス)で分離することができる。このような材料の選択によっても、能動素子の温度上昇を抑制することができる。なお当然に、温度上昇を抑制することにより、能動素子の破壊耐量を向上することができる。
能動素子間の距離を大きくすることにより同等の温度上昇抑制効果を実現する特許文献1の思想を適用した半導体装置に比べると、半導体装置のサイズを小さくできる。さらに、トレンチの材料としてシリコンよりも熱伝導率の低い材料を選択すれば半導体装置のサイズをより一層小さくすることができる。
(2)本実施の形態の半導体装置300では、並列に接続される能動素子221、222をそれぞれトレンチ102a、102bで分離するため、半導体のPN接合を用いる場合と比較して、能動素子の耐圧を少ない面積で向上させることができる。
(3)半導体装置300は、第一のトレンチ102aおよび第二のトレンチ102bを備え、第一のトレンチ102aが囲う面積または第一のトレンチ102aに囲まれる能動素子221の面積と、第二のトレンチ102bが囲う面積または前記第二のトレンチ102bに囲まれる能動素子222の面積と、が異なる。本実施の形態では、トレンチが囲う面積または能動素子の面積を制御して、それぞれの能動素子の動作時の発熱量を制御する。このようにしたので、発熱量が大きい能動素子の高温部での発熱を抑制、または、放熱を促進し、能動素子の局部的な温度上昇を抑制できる。
(第2の実施の形態)
図4(a)は、本発明による第2の実施の形態の半導体装置を模式的に示す平面図であり、素子要素101がトレンチ102a〜102eで絶縁分離されて形成された複数の能動素子201〜205を並列に接続した半導体装置300を示している。第2の実施の形態にかかる半導体装置300は、素子を絶縁分離するトレンチ間の間隔401〜404が異なることを特徴とする半導体装置である。トレンチ間の間隔が広いと放熱量が多くなるため、半導体装置300内の温度を低減することが可能となる。
図4(b)は、シミュレーションによる温度分布図であり、図4(a)における素子要素101すべてに一様の電流を流した場合の、半導体装置300内の温度分布をシミュレーションにより求め、A-A’に沿った温度分布を示したものである。トレンチ間の間隔401、404よりも大きい、間隔402、403を有する能動素子203に相当する部分の温度が、周辺部よりも低下していることが明らかである。
上述した実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様の作用効果に加えて、次の作用効果が得られる。
(4)半導体装置300は、第一のトレンチ102aと、第二のトレンチ102b、102cと、第三のトレンチ102d、102eとを備える。第一のトレンチ102aと第二のトレンチ102b、102cとの間隔402、403と、第二のトレンチ102b、102cと第三のトレンチ102d、102eとの間隔401、404と、が異なる。半導体装置300で局部的に高温になる場所で、能動素子を絶縁分離するトレンチ間のスペースを広げることができ、その結果、放熱が促進されるので、半導体装置300内の温度上昇を抑制することができる。
(第3の実施の形態)
図5は、本発明による第3の実施の形態の半導体装置を模式的に示す平面図であり、素子要素101がトレンチ102で絶縁分離されて形成された複数の能動素子201〜205を並列に接続した半導体装置300を示している。
図5に示す第3の実施の形態は、第1の実施の形態の構造と、第2の実施の形態の特徴を合わせ持つ装置である。即ち、能動素子202、204との間に設けられた能動素子203は、能動素子202、204よりも面積が小さく、また、トレンチ間の間隔401〜404が異なる。この第3の実施の形態では、第1および第2の実施の形態で説明したように、半導体装置が動作中に高温となる装置中央部(能動素子203の存在する部分)の温度上昇をさらに抑制することが可能となる。トレンチの数、トレンチ間の間隔、トレンチ内に設ける素子要素数などを設定することにより、半導体装置300内の温度分布を制御することができる。その結果、半導体基板上で局部的に高温になる場所の放熱を促進させたり、半導体基板上の発熱分布を均一化させたりすることができる。
(第4の実施の形態)
図6は、本発明による第4の実施の形態の半導体装置を模式的に示す平面図であり、素子要素101がトレンチ102で絶縁分離されて形成された複数の能動素子201〜205を並列に接続した半導体装置300を示している。
図6に示す第4の実施の形態では、第1の実施の形態において、トレンチ102の外側をさらにトレンチ106で囲んだ構造である。能動素子を2重のトレンチで囲うことにより、トレンチの外側からの熱がトレンチの内側の能動素子により伝わりにくくなり、能動素子はそれを囲むトレンチの外側の熱の影響を受けにくくなるという効果がある。本実施の形態では、能動素子を分離するトレンチは2重としたが、3重以上としても同様の効果が得られる。
(第5の実施の形態)
図7は、本発明による第5の実施の形態の半導体装置を模式的に示す平面図である。図7に示す第5の実施の形態は、本発明の第1の実施の形態において、トレンチ間スペース105内に熱を遮断するためのトレンチ107を設置した構造を有している。この第5の実施の形態では、第4の実施の形態と同様に、隣接する能動素子の熱をトレンチ107が遮断し、熱の影響を受けにくくするという効果がある。
(第6の実施の形態)
図8は、本発明による第6の実施の形態の半導体装置を模式的に示す平面図である。図8に示す第6の実施の形態は、本発明の第1の実施の形態において、隣接する能動素子間でそれら能動素子間を絶縁分離するトレンチ108を共有する構造を持つ。この構造では、隣接するトレンチ間のスペースを削減できる分、半導体装置300全体の面積を削減できるという効果がある。
(第7の実施の形態)
図9は、本発明による第7の実施の形態の半導体装置を模式的に示す平面図である。図9に示す第7の実施の形態において、半導体装置300内の面積の異なる2つの能動素子201、202は、トレンチ102、112、113で分離されている。この実施の形態においても、半導体装置300の中心部の能動素子202の温度上昇を低減することが可能となる。
次に上述した第1〜第7の実施の形態に適用される半導体装置の構成例を挙げ、簡単に説明する。以下の説明では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型とするが、その逆でも同様に構成例となりうる。本発明が有効な能動素子としては、MOSFET、IGBT、バイポーラトランジスタ等が考えられるが、MOSFETを用いた実施の形態を図10に簡単に説明する。
図10は、本発明による第1〜7の実施の形態の半導体装置の断面構造の例を模式的に示した図であり、SOI(silicon on insulator)基板上に形成されたトレンチを有するMOSFET、特に高耐圧半導体素子として使われるn型LDMOS(lateral
double-diffused MOSFET)61の断面構造を示したものである。SOI基板は、支持基板(シリコン基板)30と埋め込み酸化膜12と半導体素子を形成する第2導電型のシリコン層31から成っている。埋め込み酸化膜12の膜厚は0.5μm〜3μm、シリコン層31の厚さは1μm〜8m程度である。
LDMOS61はゲート酸化膜14の上部に第1導電型のゲート用ポリシリコン41が形成され、ゲート酸化膜14の下部には第2導電型ウェル32が形成されている。ウェル32は高濃度にドーパントを含有する第2導電型シリコン層33に接続されている。LDMOS61のソース領域は高濃度に第1導電型のドーパントを含有するシリコン層22であり、一方、LDMOS61のドレイン領域は高濃度に第1導電型のドーパントを含有するシリコン層23である。図10で示したLDMOS61は、ドレイン領域23に対して左右対称にソース領域22が配置されている。
ゲート用ポリシリコン41に電圧が印加され、第2導電型ウェル32とゲート酸化膜41の界面付近に第1導電型の反転層が形成されると、ソース22とドレイン23は、第1導電型のドリフト領域21を介して電気的に接続される。第1導電型のドリフト領域21は、電界緩和層であり、ドレイン23に高電圧を印加されてもシリコンがブレイクダウンしないように電界緩和を行うために設置されている。一般にドリフト層21を広くし、ソース22とドレイン23間の距離を大きく取った場合、ブレイクダウンする電圧(耐圧)は大きくなるが、ソース・ドレイン間の抵抗が大きくなる。その逆も同様であり、ドリフト層21を小さくすることでソースとドレイン間の距離を小さくした場合、ソース・ドレイン間の抵抗は下がるが、ブレイクダウンする電圧(耐圧)は低下する。
LDMOS61はトレンチ11及び素子分離層13を用いて、隣接素子62やトレンチ間スペース領域34から電気的に絶縁分離されている。素子分離層13はLOCOS(local oxidation of silicon)方式やSTI(shallow trench isolation)方式などが一般的であるが、図10では、STI方式を示している。ゲート用ポリシリコン41と、ウェル32と、ソース22、ドレイン23は、メタル配線51に接続される。特に、ウェル32とソース22は同一ノードの配線層に接続される。メタル配線51の材料は、必要に応じて、タングステン、アルミ、銅などが使われる。
上述した実施の形態では、本発明を車載用途の半導体装置に適用した例について説明したが、本発明は車載用途に限定されない。
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
11…トレンチ、12…埋め込み酸化膜、13…素子分離層(STI)、14…ゲート酸化膜、21…第1導電型のドリフト領域層、22…ソース領域、23…ドレイン領域、30…支持基板、31…第2導電型シリコン層、32…第2導電型ウェル、33…高濃度に不純物濃度がドープされた第2導電型シリコン層、34…トレンチ間スペース領域、41…第1導電型ポリシリコン、51…メタル配線、61…LDMOS、62…隣接素子、101…素子要素、102,102a,102b,102c,102d,102e…能動素子の絶縁分離用トレンチ、103…活性領域、104…トレンチの外側の非活性領域、105…トレンチ間のスペース、106…トレンチ102の外側のトレンチ、107…トレンチ間スペース105内に熱を遮断するためのトレンチ、108…隣接する能動素子で共有された絶縁分離用トレンチ、112…能動素子の絶縁分離用トレンチ、113…能動素子の絶縁分離用トレンチ、201〜211,221,222…トレンチで絶縁分離された能動素子、300…半導体装置、421…ドレイン部、422…ソース部、423…ゲート部、411…ドレイン端子、412…ソース端子、413…ゲート端子

Claims (16)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成される複数の能動素子と、
    前記複数の能動素子を囲んで絶縁分離する複数のトレンチと、
    前記複数のトレンチ中の異なるトレンチで絶縁分離された複数の能動素子を並列に接続して外部と接続するための端子と、を備える車載用半導体装置において、
    前記複数のトレンチは、第一のトレンチおよび第二のトレンチを備え、
    前記第一のトレンチと前記第二のトレンチとの間に、前記端子と接続された能動素子を囲んでいないトレンチを備える車載用半導体装置。
  2. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成される複数の能動素子と、
    前記複数の能動素子を囲んで絶縁分離する複数のトレンチと、
    前記複数のトレンチ中の異なるトレンチで絶縁分離された複数の能動素子を並列に接続して外部と接続するための端子と、を備える車載用半導体装置において、
    前記複数のトレンチは、第一のトレンチと、第二のトレンチと、前記第一のトレンチと前記第二のトレンチとの間に設けられた第四のトレンチとを備え、
    前記第四のトレンチが囲う面積は、前記第一のトレンチ及び前記第二のトレンチが囲ういずれの面積よりも小さい車載用半導体装置。
  3. 請求項1記載の車載用半導体装置において、
    前記第一のトレンチが囲う面積または前記第一のトレンチに囲まれる能動素子の面積と、前記第二のトレンチが囲う面積または前記第二のトレンチに囲まれる能動素子の面積と、が異なる車載用半導体装置。
  4. 請求項1記載の車載用半導体装置において、
    前記複数のトレンチは、第三のトレンチを備え、
    前記第一のトレンチと前記第二のトレンチとの間隔と、前記第二のトレンチと前記第三のトレンチとの間隔と、が異なる車載用半導体装置。
  5. 請求項1記載の車載用半導体装置において、
    前記複数のトレンチは、前記第一のトレンチと前記第二のトレンチとの間に設けられた第四のトレンチとを備え、
    前記第四のトレンチが囲う面積は、前記第一のトレンチ及び前記第二のトレンチが囲ういずれの面積よりも小さい車載用半導体装置。
  6. 請求項1記載の車載用半導体装置において、
    前記複数のトレンチは、前記第一のトレンチと前記第二のトレンチとの間に設けられた第四のトレンチとを備え、
    前記第四のトレンチに囲まれる能動素子の面積は、前記第一のトレンチ及び前記第二のトレンチのいずれに囲まれる能動素子の面積よりも小さい車載用半導体装置。
  7. 請求項3または6のいずれか一項に記載の車載用半導体装置において、
    前記能動素子の面積は、同一のトレンチに囲まれた複数の能動素子の入力と出力を結ぶ方向に直交する方向の長さに基づいて増減する車載用半導体装置。
  8. 請求項1から7のいずれか一項に記載の車載用半導体装置において、
    前記端子を外部回路に接続して前記車載用半導体装置を駆動したときの前記第一のトレンチ内で発生する発熱量と、前記第二のトレンチ内で発生する発熱量とが異なるように、各トレンチ内に設ける素子要素数を設定した車載用半導体装置。
  9. 請求項8に記載の車載用半導体装置において、
    前記半導体基板上の発熱分布が均一化されるように、少なくとも、前記複数のトレンチの数、トレンチ間の間隔、およびトレンチ内に設ける素子要素数を設定した車載用半導体装置。
  10. 請求項1から9のいずれか一項に記載の車載用半導体装置において、
    前記複数のトレンチ各々が囲う面積は、前記半導体基板の中心部に近い程小さい車載用半導体装置。
  11. 請求項1から10のいずれか一項に記載の車載用半導体装置において、
    前記端子は、入力用端子、制御用端子、および出力用端子を備え、
    前記入力用端子は前記複数の能動素子各々の入力部、前記制御用端子は前記複数の能動素子各々の制御部、前記出力用端子は前記複数の能動素子各々の出力部、に接続されている車載用半導体装置。
  12. 請求項11記載の車載用半導体装置において、
    前記車載用半導体装置はMOSFETであり、前記入力用端子はドレイン端子、前記制御用端子はゲート端子、前記出力用端子はソース端子、である車載用半導体装置。
  13. 請求項1から12のいずれか一項に記載の車載用半導体装置において、
    前記半導体基板はSOI基板であり、
    前記トレンチの深さはSi活性層の厚さに等しい車載用半導体装置。
  14. 請求項1から13のいずれか一項に記載の車載用半導体装置を備えた車載制御装置。
  15. 請求項14に記載の車載制御装置において、
    前記車載制御装置は、車両のエンジンルーム内、または制御対象機器に直付けで設置される車載制御装置。
  16. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成される複数の能動素子と、
    前記複数の能動素子を囲んで絶縁分離する複数のトレンチと、
    前記複数のトレンチ中の異なるトレンチで絶縁分離された複数の能動素子を並列に接続して外部と接続するための端子と、を備え、
    前記複数のトレンチは、第一のトレンチ、第二のトレンチ、および前記第一のトレンチと前記第二のトレンチとの間に設けられた第三のトレンチを備え、
    前記第三のトレンチが囲う面積または前記第三のトレンチに囲まれる能動素子の面積は、前記第一、第二いずれのトレンチが囲う面積、または前記第一、第二いずれのトレンチに囲まれる能動素子の面積よりも小さい半導体装置。
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