JP6718140B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明が開示する技術は、半導体装置に関する。 The technique disclosed by the present invention relates to a semiconductor device.
特許文献1は、メイン素子領域とセンス素子領域に区画されている半導体基板を備える半導体装置を開示する。メイン素子領域に対応する範囲の半導体基板にメインスイッチング素子が形成されており、センス素子領域に対応する範囲の半導体基板にセンススイッチング素子が形成されている。メイン素子領域の面積が、センス素子領域の面積よりも大きい。メインスイッチング素子に流れる電流とセンススイッチング素子に流れる電流の比は、メイン素子領域とセンス素子領域とにそれぞれ形成される総チャネル長の比と略一致する。したがって、センススイッチング素子を流れる電流を検出することで、メインスイッチング素子を流れる電流を知ることができる。 Patent Document 1 discloses a semiconductor device including a semiconductor substrate divided into a main element region and a sense element region. The main switching element is formed on the semiconductor substrate in the range corresponding to the main element region, and the sense switching element is formed on the semiconductor substrate in the range corresponding to the sense element region. The area of the main element region is larger than the area of the sense element region. The ratio of the current flowing through the main switching element and the current flowing through the sense switching element is substantially equal to the ratio of the total channel lengths formed in the main element region and the sense element region. Therefore, the current flowing through the main switching element can be known by detecting the current flowing through the sense switching element.
負荷短絡等に起因してこのような半導体装置にサージが印加される場合がある。
従来、センス素子を内蔵した半導体装置では、メイン素子領域とセンス素子領域とで単位セル構造を統一とすることが多い。
ここで、製造ばらつき等により、センス素子がメイン素子よりも先にターンオンすると、面積の小さいセンス素子に負荷電流が集中し、センス素子領域において大電流に起因した素子破壊が生じることが考えられる。一方で、センス素子に流れる単位面積当たりの電流量を制限するために欠陥層等を設けると、電流検出に使用される電流量を確保するためにセンス素子領域の面積を大きくする必要があり、半導体装置の大型化に繋がる。
A surge may be applied to such a semiconductor device due to a load short circuit or the like.
Conventionally, in a semiconductor device including a sense element, the unit cell structure is often unified in the main element region and the sense element region.
Here, if the sense element is turned on before the main element due to manufacturing variations or the like, the load current concentrates on the sense element having a small area, and element breakdown due to the large current may occur in the sense element region. On the other hand, if a defect layer or the like is provided to limit the amount of current per unit area flowing in the sense element, it is necessary to increase the area of the sense element region in order to secure the amount of current used for current detection. Leads to larger semiconductor devices.
本明細書は、メイン素子領域とセンス素子領域とが同一半導体基板上に形成されている半導体装置であって、半導体装置を大型化することなく、センス素子領域に負荷電流が集中することを抑制する半導体装置を提供するものである。 This specification describes a semiconductor device in which a main element region and a sense element region are formed on the same semiconductor substrate, and suppresses concentration of load current in the sense element region without increasing the size of the semiconductor device. The present invention provides a semiconductor device that does.
本明細書は、メイン素子領域と、メイン素子領域よりも面積の小さいセンス素子領域とが同一半導体基板上に形成されている半導体装置を提供する。メイン素子領域は、半導体基板の表面側に形成されている第2導電型の第1メイン半導体領域と、第1メイン半導体領域の裏面側に形成されている第1導電型の第2メイン半導体層と、第2メイン半導体層の裏面側に形成されている第2導電型の第3メイン半導体層と、半導体基板の表面に、第1方向に沿って形成されており、第1メイン半導体領域と第2メイン半導体層を貫通して、第3メイン半導体層に達する、複数のメイントレンチと、メイントレンチの内面を覆うメインゲート絶縁膜と、メイントレンチの内部に配置されており、メインゲート絶縁膜によって半導体基板から絶縁されているメインゲート電極と、を備える。センス素子領域は、半導体基板の表面側に形成されている第2導電型の第1センス半導体領域と、第1センス半導体領域の裏面側に形成されている第1導電型の第2センス半導体層と、第2センス半導体層の裏面側に形成されている第2導電型の第3センス半導体層と、半導体基板の表面に、第1方向に沿って形成されており、第1センス半導体領域と第2センス半導体層を貫通して、第3センス半導体層に達する、複数の第1センストレンチと、半導体基板の表面に、第1方向に間隔を空けて形成されており、第1センス半導体領域と第2センス半導体層を貫通して、第3センス半導体層に達すると共に、第1センストレンチと接続する、第2センストレンチと、第1センストレンチ及び第2センストレンチの内面を一体的に覆うセンスゲート絶縁膜と、第1センストレンチ及び第2センストレンチの内部に配置されており、センスゲート絶縁膜によって半導体基板から絶縁されているセンスゲート電極と、を備える。センス素子領域の単位面積当たりにおいてセンスゲート絶縁膜の第2センス半導体層に接する面積は、メイン素子領域の単位面積当たりにおいてメインゲート絶縁膜の第2メイン半導体層に接する面積よりも大きい。 The present specification provides a semiconductor device in which a main element region and a sense element region having an area smaller than that of the main element region are formed on the same semiconductor substrate. The main element region is a second conductivity type first main semiconductor region formed on the front surface side of the semiconductor substrate, and a first conductivity type second main semiconductor layer formed on the back surface side of the first main semiconductor region. A third main semiconductor layer of the second conductivity type formed on the back surface side of the second main semiconductor layer, and a first main semiconductor region formed on the front surface of the semiconductor substrate along the first direction. A plurality of main trenches that penetrate the second main semiconductor layer and reach the third main semiconductor layer, a main gate insulating film that covers the inner surface of the main trench, and a main gate insulating film that is arranged inside the main trench. A main gate electrode insulated from the semiconductor substrate by. The sense element region is a second conductivity type first sense semiconductor region formed on the front surface side of the semiconductor substrate, and a first conductivity type second sense semiconductor layer formed on the back surface side of the first sense semiconductor region. A third sense semiconductor layer of the second conductivity type formed on the back surface side of the second sense semiconductor layer, and a first sense semiconductor region formed on the front surface of the semiconductor substrate along the first direction. A plurality of first sense trenches that penetrate the second sense semiconductor layer and reach the third sense semiconductor layer, and are formed on the surface of the semiconductor substrate at intervals in the first direction. And the second sense trench, which penetrates the second sense semiconductor layer to reach the third sense semiconductor layer and is connected to the first sense trench, and integrally covers the inner faces of the first sense trench and the second sense trench. A sense gate insulating film and a sense gate electrode disposed inside the first sense trench and the second sense trench and insulated from the semiconductor substrate by the sense gate insulating film. An area of the sense gate insulating film in contact with the second sense semiconductor layer per unit area of the sense element region is larger than an area of the main gate insulating film in contact with the second main semiconductor layer per unit area of the main element region.
上記の構成によれば、センス素子領域に形成されるトレンチを略格子形状とすることで、センス素子領域の単位面積当たりにおいて、ゲート絶縁膜がボディ層に接する面積を、メイン素子領域の単位面積当たりにおいて、ゲート絶縁膜がボディ層に接する面積よりも大きくすることで、センス素子領域のゲート容量を、メイン素子領域のゲート容量よりも大きくする。これにより、センス素子のターンオンをメイン素子のターンオンよりも遅らせ、面積の小さいセンス素子領域に負荷電流が集中することを抑制する。
また、センス素子領域に形成されるトレンチゲートを略格子状に形成することにより、チャネル面積を大きくし、センス素子領域の面積を小さくする。
According to the above configuration, by making the trench formed in the sense element region into a substantially lattice shape, the area where the gate insulating film is in contact with the body layer is defined as the unit area of the main element region per unit area of the sense element region. In this regard, the gate capacitance of the sense element region is made larger than that of the main element region by making the area of the gate insulating film in contact with the body layer larger. This delays the turn-on of the sense element later than the turn-on of the main element, and suppresses the load current from concentrating in the sense element region having a small area.
Further, by forming the trench gate formed in the sense element region in a substantially lattice shape, the channel area is increased and the area of the sense element region is reduced.
図1は、実施形態に係る半導体装置1の回路図の概略を示す。半導体装置1は、メインスイッチング素子SW1及びセンススイッチング素子SW2を構成するIGBT、メインエミッタ電極22、センスエミッタ電極24、コレクタ電極28及びゲートパッド26を有する。メインエミッタ電極22は、外部電極44に接続される。センスエミッタ電極24は、センス抵抗R1を介して外部電極44に接続される。
FIG. 1 is a schematic circuit diagram of a semiconductor device 1 according to an embodiment. The semiconductor device 1 includes an IGBT that constitutes the main switching element SW1 and the sense switching element SW2, a
図2に示されるように、半導体装置1は、シリコン製の半導体基板10を有する。半導体基板10の表面には、複数のメインエミッタ電極22、センスエミッタ電極24及びゲートパッド26が形成されている。メインエミッタ電極22の周囲、さらに、隣接するメインエミッタ電極22の間には、ゲートパッド26に電気的に接続するゲート配線(図示省略)が配設されている。半導体基板10の裏面には、コレクタ電極28が形成されている。メインエミッタ電極22が形成されている範囲がメイン素子領域10Aに対応し、センスエミッタ電極24が形成されている範囲がセンス素子領域10Bに対応する。このよに、半導体基板10はメイン素子領域10Aとセンス素子領域10Bに区画されており、メイン素子領域10Aの面積がセンス素子領域10Bの面積よりも大きい。
As shown in FIG. 2, the semiconductor device 1 has a
図3は、図2のI−I線に対応した断面図である。図3に示されるように、メインエミッタ電極22が形成されているメイン素子領域10Aに対応する範囲の半導体基板10にメインスイッチング素子SW1が形成されており、センスエミッタ電極24が形成されているセンス素子領域10Bに対応する範囲の半導体基板10にセンススイッチング素子SW2が形成されている。メイン素子領域10Aとセンス素子領域10Bの間には、スイッチング素子が形成されていない分離範囲10Cが存在する。
FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to the line I-I in FIG. As shown in FIG. 3, the main switching element SW1 is formed on the
半導体基板10は、コレクタ領域11、バッファ領域12、ドリフト領域13、ボディ領域14A、14B、ボディコンタクト領域15A、15B及びエミッタ領域16A、16Bを有する。コレクタ領域11は、半導体基板10の裏面側に形成されており、p型不純物濃度が濃いp型領域である。メインスイッチング素子SW1及びセンススイッチング素子SW2のコレクタ領域11の各々は、コレクタ電極28に共通接続しており、コレクタ電極28にオーミック接触する。バッファ領域12は、コレクタ領域11とドリフト領域13の間に配置されており、n型領域である。ドリフト領域13は、バッファ領域12とボディ領域14の間に配置されており、n型不純物濃度が薄いn型領域である。ボディ領域14A、14Bは、ドリフト領域13とエミッタ領域16A、16Bの間に配置されており、p型領域である。ボディ領域14は、メイン素子領域10Aとセンス素子領域10Bの間でドリフト領域13によって分離されている。ボディコンタクト領域15A、15Bは、半導体基板10の表面側に形成されると共に、ボディ領域14A、14Bに接続しており、p型不純物が濃いp型領域である。メインスイッチング素子SW1のボディコンタクト領域15Aは、メインエミッタ電極22にオーミック接触する。センススイッチング素子SW2のボディコンタクト領域15Bは、センスエミッタ電極24にオーミック接触する。エミッタ領域16A、16Bは、半導体基板10の表面側に形成されると共に、ボディ領域14に接しており、n型不純物濃度が濃いn型領域である。メインスイッチング素子SW1のエミッタ領域16Aは、メインエミッタ電極22にオーミック接触する。センススイッチング素子SW2のエミッタ領域16Bは、センスエミッタ電極24にオーミック接触する。
The
図4は、図2の領域IIに対応した平面拡大図であって、図3のIII−III線に対応した断面図である。半導体基板10の表面側には、複数のトレンチが形成されている。ここで、図4に示されるように、メイン素子領域10Aには、ストライプ状にトレンチが形成されており、センス素子領域10Bには、格子状にトレンチが形成される。各トレンチは、エミッタ領域16A、16Bとボディ領域14A、14Bを貫通してドリフト領域13に達する。各トレンチ内に、ゲート絶縁膜32A、32Bとゲート電極34A、34Bを有する絶縁トレンチゲート30A、30Bが形成されている。ゲート絶縁膜32A、32Bは、トレンチの内面を覆うように形成されている。ゲート電極34A、34Bは、ゲート絶縁膜32A、32Bによって半導体基板10から絶縁されている。ゲート電極34A、34Bは、ゲート絶縁膜32A、32Bを介して、エミッタ領域16A、16B、ボディ領域14A、14B及びドリフト領域13に対向する。ゲート電極34A、34B上に層間絶縁膜が形成されており、ゲート電極34Aとメインエミッタ電極22が層間絶縁膜で絶縁されており、ゲート電極34Bとセンスエミッタ電極24も層間絶縁膜で絶縁されている。ゲート電極34A、34Bは、図示しないゲート配線によってゲートパッド26(図2参照)に電気的に接続されている。
FIG. 4 is an enlarged plan view corresponding to the area II in FIG. 2, and is a cross-sectional view corresponding to the line III-III in FIG. A plurality of trenches are formed on the front surface side of the
上記したように、メインスイッチング素子SW1は、コレクタ電極28、コレクタ領域11、バッファ領域12、ドリフト領域13、ボディ領域14A、ボディコンタクト領域15A、エミッタ領域16A、メインエミッタ電極22及び絶縁トレンチゲート30Aによって構成されている。また、センススイッチング素子SW2は、コレクタ電極28、コレクタ領域11、バッファ領域12、ドリフト領域13、ボディ領域14B、ボディコンタクト領域15B、エミッタ領域16B、センスエミッタ電極24及び絶縁トレンチゲート30Bによって構成されている。メインスイッチング素子SW1は、ゲート電極34に印加されるゲート電圧に基づいて、コレクタ電極28とメインエミッタ電極22の間を流れる電流をスイッチングする。センススイッチング素子SW2は、ゲート電極34に印加されるゲート電圧に基づいて、コレクタ電極28とセンスエミッタ電極24の間を流れる電流をスイッチングする。
As described above, the main switching element SW1 includes the
上記の構成によれば、センス素子領域10Bに形成されるトレンチ30Bを略格子形状とすることで、センス素子領域10Bの単位面積当たりにおいて、ゲート絶縁膜32Bがボディ層14Bに接する面積を、メイン素子領域10Aの単位面積当たりにおいて、ゲート絶縁膜32Aがボディ層14Aに接する面積よりも大きくする。これにより、センス素子領域10Bのゲート容量を、メイン素子領域10Aのゲート容量よりも大きくする。
According to the above configuration, by forming the
次に、半導体装置1の動作について説明する。メインスイッチング素子SW1とセンススイッチング素子SW2を同時にオンさせると、コレクタ電極28から外部電極44(図1参照)に向かって電流が流れる。電流の大部分は、メインスイッチング素子SW1(即ち、メインエミッタ電極22)を経由して流れる。電流の一部は、センススイッチング素子SW2(即ち、センスエミッタ電極24)を経由して流れる。センススイッチング素子SW2に流れる電流は、センス抵抗R1の両端の電位差によって測定することができる。また、メインスイッチング素子SW1に流れる電流とセンススイッチング素子SW2に流れる電流の比は、メイン素子領域10Aとセンス素子領域10Bにそれぞれ形成される総チャネル長の比と略等しい。したがって、センススイッチング素子SW2の電流を検出することで、メインスイッチング素子SW1の電流を検出することができる。
Next, the operation of the semiconductor device 1 will be described. When the main switching element SW1 and the sense switching element SW2 are turned on at the same time, a current flows from the
負荷短絡等に起因して半導体装置1にサージが印加される場合がある。半導体装置1では、センス素子領域10Aのゲート容量が、メイン素子領域10Bのゲート容量よりも大きい。したがって、センススイッチング素子SW2のターンオンをメインスイッチング素子SW1のターンオンよりも遅らせ、面積の小さいセンス素子領域10Bに負荷電流が集中し、センス素子領域10Bにおいて大電流に起因した素子破壊が生じることを抑制する。また、センス素子領域に形成されるトレンチゲートを略格子状に形成することにより、チャネル面積を大きくし、センス素子領域の面積を小さくする。
A surge may be applied to the semiconductor device 1 due to a load short circuit or the like. In the semiconductor device 1, the gate capacitance of the
上記では、メイン素子領域10Aにおいてストライプ状にトレンチを形成している例を説明した。この例に代えて、メイン素子領域10Aにおいても、一部格子状にトレンチが形成されており、センス素子領域10Bにおいて、ゲート絶縁膜32Bがボディ層14Bに接する面積が、メイン素子領域10Aにおいて、ゲート絶縁膜32Aがボディ層14Aに接する面積よりも大きい構造であってもよい。この場合、メイン素子領域10Aにおいて、オン抵抗を低減することができる。
In the above, the example in which the trenches are formed in a stripe shape in the
1:半導体装置
10:半導体基板
10A:メイン素子領域
10B:センス素子領域
10C:分離範囲
11:コレクタ領域
12:バッファ領域
13:ドリフト領域(第3メイン領域、第3センス領域)
14A、14B:ボディ領域(第2メイン領域、第2センス領域)
15A、15B:ボディコンタクト領域
16A、16B:エミッタ領域(第1メイン領域、第1センス領域)
22:メインエミッタ電極
24:センスエミッタ電極
26:ゲートパッド
28:コレクタ電極
30A、30B:絶縁トレンチゲート
32A、32B:ゲート絶縁膜(メインゲート絶縁膜、センスゲート絶縁膜)
34A、34B:ゲート電極(メインゲート電極、センスゲート電極)
SW1:メインスイッチング素子
SW2:センススイッチング素子
外部抵抗:R1
1: semiconductor device 10:
14A, 14B: body region (second main region, second sense region)
15A, 15B:
22: main emitter electrode 24: sense emitter electrode 26: gate pad 28:
34A, 34B: Gate electrodes (main gate electrode, sense gate electrode)
SW1: Main switching element SW2: Sense switching element External resistance: R1
Claims (1)
前記メイン素子領域は、
前記半導体基板の表面側に形成されている第2導電型の第1メイン半導体領域と、
前記第1メイン半導体領域の裏面側に形成されている第1導電型の第2メイン半導体層と、
前記第2メイン半導体層の裏面側に形成されている第2導電型の第3メイン半導体層と、
前記半導体基板の表面に、第1方向に沿って形成されており、前記第1メイン半導体領域と前記第2メイン半導体層を貫通して、前記第3メイン半導体層に達する、複数のメイントレンチと、
前記メイントレンチの内面を覆うメインゲート絶縁膜と、
前記メイントレンチの内部に配置されており、前記メインゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されているメインゲート電極と、
を備え、
前記センス素子領域は、
前記半導体基板の表面側に形成されている第2導電型の第1センス半導体領域と、
前記第1センス半導体領域の裏面側に形成されている第1導電型の第2センス半導体層と、
前記第2センス半導体層の裏面側に形成されている第2導電型の第3センス半導体層と、
前記半導体基板の表面に、前記第1方向に沿って形成されており、前記第1センス半導体領域と前記第2センス半導体層を貫通して、前記第3センス半導体層に達する、複数の第1センストレンチと、
前記半導体基板の表面に、前記第1方向に間隔を空けて形成されており、前記第1センス半導体領域と前記第2センス半導体層を貫通して、前記第3センス半導体層に達すると共に、前記第1センストレンチと接続する第2センストレンチと、
前記第1センストレンチ及び前記第2センストレンチの内面を一体的に覆うセンスゲート絶縁膜と、
前記第1センストレンチ及び前記第2センストレンチの内部に配置されており、前記センスゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されているセンスゲート電極と、
を備え、
前記センス素子領域の単位面積当たりにおいて前記センスゲート絶縁膜の前記第2センス半導体層に接する面積は、前記メイン素子領域の前記単位面積当たりにおいて前記メインゲート絶縁膜の前記第2メイン半導体層に接する面積よりも大きい、半導体装置。 A main device region, it said and a small sensing element region area than the main device region is a semiconductor device which is formed on the same semiconductor substrate,
The main element region is
A first main semiconductor region of a second conductivity type formed on the front surface side of the semiconductor substrate;
A second main semiconductor layer of a first conductivity type formed on the back surface side of the first main semiconductor region;
A third main semiconductor layer of a second conductivity type formed on the back surface side of the second main semiconductor layer;
A plurality of main trenches formed along the first direction on the surface of the semiconductor substrate, penetrating the first main semiconductor region and the second main semiconductor layer to reach the third main semiconductor layer; ,
A main gate insulating film covering the inner surface of the main trench;
A main gate electrode disposed inside the main trench and insulated from the semiconductor substrate by the main gate insulating film;
Equipped with
The sense element region is
A second sense type first sense semiconductor region formed on the front surface side of the semiconductor substrate;
A second sense semiconductor layer of a first conductivity type formed on the back surface side of the first sense semiconductor region;
A second sense type third sense semiconductor layer formed on the back surface side of the second sense semiconductor layer;
A plurality of first semiconductor layers are formed on the surface of the semiconductor substrate along the first direction and penetrate the first sense semiconductor region and the second sense semiconductor layer to reach the third sense semiconductor layer. With sense trench,
The semiconductor substrate is formed on the surface of the semiconductor substrate with a space in the first direction, penetrates the first sense semiconductor region and the second sense semiconductor layer, reaches the third sense semiconductor layer, and A second sense trench connected to the first sense trench;
A sense gate insulating film integrally covering inner surfaces of the first sense trench and the second sense trench;
A sense gate electrode disposed inside the first sense trench and the second sense trench and insulated from the semiconductor substrate by the sense gate insulating film;
Equipped with
The area of the sense gate insulating film contacting the second sense semiconductor layer per unit area of the sense element region contacts the second main semiconductor layer of the main gate insulating film per unit area of the main element region. A semiconductor device that is larger than the area.
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