JPH09266310A - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- JPH09266310A JPH09266310A JP8250299A JP25029996A JPH09266310A JP H09266310 A JPH09266310 A JP H09266310A JP 8250299 A JP8250299 A JP 8250299A JP 25029996 A JP25029996 A JP 25029996A JP H09266310 A JPH09266310 A JP H09266310A
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Abstract
した場合のスイッチングノイズの発生を抑制する。 【解決手段】 表面電界緩和型のLDMOSを、酸化膜
22、23にて絶縁分離した素子領域に形成し、その場
合に、LDMOSの最外周領域に、N+ 型基板21bと
ディープN+ 拡散層26を設けて、その電位を接地又は
電源電位に固定するようにした。
Description
体素子、例えばLDMOS(Lateral DiffusedMOS )ト
ランジスタ(以下、単にLDMOSという)を有してな
る半導体装置に関する。
成を図9に示す。LDMOSは、図に示すように、N型
基板1にNウェル2が形成され、このNウェル2内にチ
ャネルPウェル3が形成されるとともにチャネルPウェ
ル3内にN型拡散層4が形成され、またNウェル2内に
N型拡散層5が形成されている。基板表面にはゲート酸
化膜6を介してゲート電極7が形成されており、ゲート
電極7直下のチャネルPウェル3の表面領域にはチャネ
ル領域8が形成されている。
拡散層5をドレイン領域とし、LOCOS酸化膜9下の
Nウェル2をドリフト領域としている。なお、10、1
1はそれぞれソース電極、ドレイン電極であり、12は
チャネルPウェル3の電位を取るための拡散層、13は
層間絶縁膜である。このようなLDMOSにおいて、オ
ン抵抗を小さくして電流を流しやすくするために、Nウ
ェル2の濃度を高くすると、ドリフト領域で空乏層が拡
大しにくくなり高耐圧を得ることができなくなる。逆
に、Nウェル2の濃度を低くすると、高耐圧化を図るこ
とができる反面、電流が流れにくくなりオン抵抗が大き
くなるという問題がある。
公昭59ー24550号公報および特開平5ー2676
52号公報に示す、表面電界緩和型(RESURF)L
DMOSがある。その概略構成を図10に示す。この表
面電界緩和型LDMOSにおいては、P型基板14にN
ウェル2が形成されている。この場合、Nウェル2を拡
散形成すると、Nウェル2表面での濃度が高くなり、N
ウェル2表面での電流が流れやすくなるとともに、Nウ
ェル2全体で空乏層が広がりやすくなるため、高耐圧化
を図ることができる。なお、Nウェル2のドリフト領域
のドーパント濃度は、上記公報に記載されているよう
な、いわゆるRESURF条件を満たすように設定され
ている。
一主面側にSiO2 等の絶縁膜で素子領域を島状に分離
した構造、すなわちSOI(Silicon On Insulator)構
造のものが種々提案されている。この場合、それぞれの
素子領域に、バイポーラトランジスタ、CMOS等の素
子が形成される。そこで、上記した電力用のLDMOS
も、島状に分離された素子領域に形成することが考えら
れる。
周囲を囲むように構成した場合、絶縁膜にはN型基板1
が接することになる。この構造の場合、N型基板1、N
ウェル2はドレイン電位と共通となる。このため、図1
1(A)に示すように、電源側に負荷、GND(接地)
側にLDMOSを接続したローサイドスイッチ型で負荷
駆動を行うようにした場合、LDMOSのスイッチング
に合わせてドレイン電位はGNDから電源(又はそれ以
上)の電位まで変動し、N型基板1の電位もそれに応じ
て変動する。
膜には寄生キャパシタが存在するため、絶縁膜と接する
領域の電位が大きく変動すると、スイッチングノイズ
が、他の素子領域に伝播し、他の半導体素子の誤動作の
要因となる。また、図10に示す表面電界緩和型LDM
OSにおいては、P型基板14が分離用絶縁膜と接する
ことになる。この場合、図10に示すように、P型基板
14とソース電極とを同電位にするためには、電位を取
るためのディープP+ 拡散層を形成する必要がある。こ
のように構成した場合、図11(B)に示すように、電
源側にLDMOS、GND側に負荷を接続したハイサイ
ドスイッチ型で負荷駆動を行うようにした場合、LDM
OSのスイッチングに合わせてソース電位が大きく変動
するため、上記したのと同様、スイッチングノイズが発
生する。
ラトランジスタ、CMOS等の比較的サイズの小さい素
子を素子領域に形成していたため、上記のようなスイッ
チングノイズは問題とならないが、LDMOSのような
負荷駆動用のものでは、素子サイズが大きく、上記した
スイッチングノイズが問題となる。本発明は、負荷駆動
用の半導体素子を、絶縁分離された素子領域に形成する
場合に、上記したスイッチングノイズの発生を抑制する
ことを目的とする。
め、請求項1乃至12に記載の発明においては、負荷駆
動用の半導体素子を絶縁分離された素子領域に形成し、
さらに半導体素子と絶縁膜との間に、半導体素子の周囲
を囲む電位固定領域を形成したことを特徴としている。
にて囲むことにより、負荷駆動時の電位変動を抑制し、
スイッチングノイズの発生を抑制することができる。負
荷駆動用の半導体素子としては、請求項2、4に記載し
たようなLDMOSを用いることができる。また、請求
項4に記載の表面電界緩和型のLDMOSにおいては、
ドレイン領域に逆起電圧が印加された場合に、第2ウェ
ルから第1ウェル、第1半導体層および電位固定領域を
介して電流経路が形成されるため、逆起電圧印加時のチ
ャネル形成部分での素子破壊を防止することができる。
第1ウェルの電位をソース電位に固定するようにすれ
ば、電位変動によるスイッチングノイズの発生を一層抑
制することができる。また、請求項7、8に記載の発明
のように、MOSトランジスタをハイサイドスイッチ型
とする場合には、電位固定領域を電源に接続し、MOS
トランジスタをローサイドスイッチ型とする場合には、
電位固定領域を接地に接続する。
のように、電位固定領域に電源あるいは接地のいずれか
一方を選択して接続するようにすれば、MOSトランジ
スタをローサイドスイッチ型でもハイサイドスイッチ型
でも自由に選択使用することができる。
について説明する。図3に、本発明の一実施形態にて適
用する表面電界緩和型LDMOS100の断面構成を示
す。この図3に示すものでは、N型層15にPウェル1
6を形成し、その中にNウェル2を形成する2重ウェル
構造としている。なお、Nウェル2のドリフト領域は、
いわゆるRESURF条件を満たすようにドーパント濃
度が設定されている。また、図中の符号で図9、図10
に示すものと同一のものは、同一もしくは均等の構成を
示している。
0は、高耐圧および低オン抵抗の本来の効果を有すると
ともに、ドレイン電極11にL負荷が接続された場合の
逆起電圧印加時のチャネル形成部分の破壊を防止するこ
とができるものである。この点につき図4を用いて説明
する。ドレイン電極11にL負荷19が接続されている
場合、ゲート電極7に印加される電圧を低下させてスイ
ッチオフした時、ドレイン電極11に逆起電圧が印加さ
れる。ここで、Nウェル2とPウェル16との間に形成
される寄生ダイオードVZ1と、Nウェル2とチャネル
Pウェル3との間に形成される寄生ダイオードVZ2と
があるが、Nウェル2内の電位上昇により、寄生ダイオ
ードVZ1が先にブレークダウンする。
れると、Nウェル2とPウェル16における電位分布は
図5に示すようになり、ドレイン領域5からソース領域
4方向への横方向に比べて基板方向への縦方向に電位勾
配が急になっており、これにより寄生ダイオードVZ1
が先にブレークダウンする。この場合、Pウェル16で
の抵抗R2によりPウェル16内の電圧が上昇してい
き、Pウェル16とN型層15間の寄生ダイオードVZ
3がオンし、Nウェル2とPウェル16とN型層15に
よる寄生バイポーラトランジスタ18がオンして、面積
の広い基板方向に電流が流れるため、電流を分散するこ
とができ、従って、電流が流れることによる発熱を抑制
できる。これによって、破壊耐量の低いチャネル形成部
分での素子の破壊を防止でき、素子の破壊耐量を向上さ
せることができる。
に達するベース17が設けられており、Pウェル16か
らソース側に電流Iを流すようにしている。このことに
よりチャネル形成部分には電流が一層流れにくくなる。
なお、上記構成においては、寄生バイポーラトランジス
タ18により基板方向に電流を流すものを示したが、P
ウェル16が基板方向に十分薄く形成されている場合に
は、寄生バイポーラ動作でなく、パンチスルーにより基
板方向に電流を流すことができる。
る素子領域に、上記した表面電界緩和型LDMOS10
0とCMOSとNPNTrとをそれぞれ形成している。
図6にその概略的構成を示す。この図6に示す半導体装
置においては、N+ 基板21b上にN- 層(図3のN型
層15に相当)21aを形成したN型基板21と、P型
基板20とをSiO2 等の絶縁膜22を介して貼り合わ
せた貼り合わせ基板に、トレンチ溝を形成するとともに
その溝内に酸化膜23を形成して、絶縁分離された複数
の素子領域を形成し、それぞれの素子領域にLDMO
S、CMOS、NPNTrを形成している。
8に示す工程図を基に説明する。まず、上記した貼り合
わせ基板を用意し、それにトレンチ溝を形成するととも
に、その溝内に酸化膜23を形成し、さらに多結晶シリ
コン24を埋設する。なお、この状態ではN型基板21
表面に酸化膜25が形成されている。そして、図7
(A)に示すように、LDMOSの形成領域にディープ
N+ 拡散層26を形成する。なお、図6、図7では、デ
ィープN+ 拡散層26が酸化膜23の片側のみに形成さ
れたものを図示しているが、実際は後述する図1に示す
ように、ディープN+ 拡散層26が酸化膜23の内周に
接するように形成されている。
するためのイオン注入を行い、それらを同時拡散させ
る。この場合、Pウェルにはボロン(B)、Nウェルに
は砒素(As)を用い、両者の拡散係数の相違により、
Pウェルを深く、Nウェルを浅く形成する。この工程に
おいては、ボロンと砒素の同時拡散を行っているため、
それに必要なマスクを1枚のみとすることができる。
ドーズ量は3×1012〜1×1013原子/cm2 であ
り、砒素のドーズ量は3×1012〜1×1013原子/c
m2 である。また、注入したイオンを拡散させる場合、
1200℃で約600分程度のドライブインを行う。な
お、RESURF構造の条件としては、Nウェル層2の
表面からPウェル層16とのPN接合までの深さ方向の
不純物濃度が、数式1で示す関係になる必要がある。
不純物濃度を表し、xは深さを表し、xj は、Nウェル
層2とPウェル層16とのPN接合深さを表す。次に、
図7(B)に示すように、CMOSの形成領域にPウェ
ル27、Nウェル28を形成するためのイオン注入を行
い、拡散させる。その後、図7(C)に示すように、N
PNTrの形成領域にイオン注入を行い、ドライブイン
してベース28を形成する。この時、必要であればLD
MOS領域にも同様にしてベース17を形成する。
S酸化を行う。この工程により、LDMOSの形成領域
にLOCOS酸化膜9が形成される。この後、LDMO
Sのゲート酸化膜6を形成するために、基板表面の酸化
を行う(図8(B))。そして、基板表面にPoly
Siを形成し、リンをドープした後、フォトエッチング
してパターニングを行い、LDMOSのゲート電極7を
形成する(図8(C))。
DMOS、CMOS、NPNTrを順次形成していき、
最終的に図6に示すものを構成する。なお、LDMOS
の形成領域においては、ゲートをマスクとしてNウェル
2内にチャネルPウェル8およびソース領域4を拡散形
成する。なお、上記した表面電界緩和型LDMOSにお
いては、N型の半導体層21にP型の第1ウェルとN型
の第2ウェルが形成された2重ウェル構造としているた
め、N型の半導体層21をコレクタ層とするNPNTr
と同一基板上に形成することができる。
た表面電界緩和型LDMOSの具体的な構成について説
明する。図1に、その断面構成を示す。ディープN+ 拡
散層26およびN+ 基板21bを除く部分が、図3に示
した表面電界緩和型LDMOS100に相当している。
この図1に示す具体的構成においては、Pウェル16の
電位をソース電位に固定するために、Pウェル29およ
びベース30が設けられている。
3にて島状に分離形成された素子領域において、図1中
のLDMOS100が複数形成された(具体的には、ソ
ース領域、ドレイン領域が格子状に交互に配置され、そ
の間にゲートが配置された)セル領域31が配置され、
その周囲に、Pウェル16の電位をソース電位に固定す
るPウェル29が配置されている。さらに、その外周に
おいて、酸化膜23に接するようにディープN+ 拡散層
26が形成されている。
が接続されており、このボトム電極Bの電位を固定し
て、ディープN+ 拡散層26およびN+ 基板21bの電
位を固定する。絶縁膜22には、図1に示すように寄生
キャパシタ32が存在するが、ディープN+ 拡散層26
およびN+ 基板21bの電位を固定することにより、L
DMOSがスイッチング動作してもP型基板20の電位
が変動するのを抑制することができる。
ッチ型で負荷駆動を行う場合には、ボトム電極BをGN
Dに接続し、図11(B)に示すハイサイドスイッチ型
で負荷駆動を行う場合には、ボトム電極Bを電源に接続
する。従って、ローサイドスイッチ型でもハイサイドス
イッチ型でも、ボトム電極Bの電位が固定され、スイッ
チングノイズの発生が抑制される。
OSの上下に負荷が接続される場合には、ボトム電極B
を電源に接続する。さらに、図11(D)に示すよう
に、ハイサイド側とローサイド側に2つのLDMOSを
設けて負荷を駆動する場合には、ハイサイド側のLDM
OSについてはボトム電極Bを電源に接続し、ローサイ
ド側のLDMOSについてはGNDに接続する。また、
図11(E)に示すように、ハイサイド側の2つのLD
MOSで1つの負荷を駆動する場合には、それぞれのL
DMOSを電源に接続する。
行う場合、上述したように、ドレイン電極11に逆起電
圧が印加されると基板方向に電流が流れるが、その電流
は、N+ 基板21bおよびディープN+ 拡散層26を介
しボトム電極Bから取り出されることになる。ここで、
ボトム電極Bを電源もしくはGNDに接続する場合、ボ
トム電極Bの電極パターンを、電源もしくはGNDの電
極パターンに予め接続するようにしておけばよいが、以
下のような構成を用いれば、LDMOSをローサイドス
イッチ型でもハイサイドスイッチ型でも自由に選択使用
することができる。
の電極パッド35、ドレイン電極の電極パッド36にボ
トム電極Bの電極パターン34を接続形成しておき、図
中の点線A、Bのいずれかをトリミングによりカットす
れば、ローサイドスイッチ型あるいはハイサイドスイッ
チ型の選択を行うことができる。具体的には、点線Aの
部分でトリミングカットすれば、ボトム電極Bをドレイ
ン側すなわち電源に接続してハイサイドスイッチ型とす
ることができ、点線Bの部分でトリミングカットすれ
ば、ボトム電極Bをソース側すなわちGNDに接続して
ローサイドスイッチ型とすることができる。また、ボト
ム電極Bの電極パターン34と、ソース電極、ドレイン
電極の電極パッド35、36との間にヒューズを設けて
おき、ヒューズを溶断させて、その選択を行うようにし
てもよい。
の電極パッド34aを、ソース電極の電極パッド35、
ドレイン電極の電極パッド36のいずれかにワイヤ3
7、38を用いてワイヤボンディングすることにより、
ローサイドスイッチ型あるいはハイサイドスイッチ型の
選択を行うようにすることもできる。また、MOSトラ
ンジスタを用いてボトム電極Bの電位を設定するように
してもよい。例えば、図11(D)に示す構成に対し、
図14に示すように、電位選択用のMOSトランジスタ
39〜42を設け、MOSトランジスタ39、42をオ
ン、MOSトランジスタ40、41をオフさせることに
より、ハイサイド側のLDMOSのボトム電極Bを電源
に接続し、ローサイド側のLDMOSをGNDに接続す
ることができる。この場合、電位選択用のトランジスタ
としてはMOSトランジスタ以外に、バイポーラトラン
ジスタを用いてもよい。なお、図14では、回路を分か
り易くするためにボトム電極Bをバックゲートのように
示している。
体素子として、図3に示す表面電荷緩和型LDMOSを
用いるものを示したが、図9、図10に示すようなLD
MOS、あるいはその他の電力用半導体素子を用いるよ
うにしてもよい。また、LDMOSとしては、Nチャネ
ル型に限らずPチャネル型としてもよい。なお、図1に
示す構成において、P型基板20には図1に示すように
基板抵抗33が存在するが、P型基板20の不純物濃度
を高くする(1×1018cm-3〜1×1020cm-3程
度)ことにより、基板抵抗を低くし、P型基板20から
GNDに電流を流しやすくすれば、スイッチングノイズ
の影響をより低減することができる。
DMOSの具体的な断面構成を示す図である。
DMOSの概略的断面構成を示す図である。
作を説明するための説明図である。
位状態を説明するための説明図である。
成図である。
る。
図である。
を示す図である。
成を示す図である。
イドスイッチ型のいずれでも選択使用できるようにした
第1の例を示す図である。
イドスイッチ型のいずれでも選択使用できるようにした
第2の例を示す図である。
イドスイッチ型のいずれでも選択使用できるようにした
第3の例を示す図である。
域、5…ドレイン領域、6…ゲート酸化膜、7…ゲート
電極、8…チャネル領域、9…LOCOS酸化膜、10
…ソース電極、11…ドレイン電極、13…層間絶縁
膜、15…N型層、16…Pウェル、21…N型基板、
22…P型基板、26…ディープN+ 拡散層、29…P
ウェル、30…ベース。
Claims (12)
- 【請求項1】 半導体基板(20、21)の一主表面側
に絶縁膜(22、23)により周囲が囲まれて絶縁分離
された複数の素子領域が形成され、いずれかの素子領域
に負荷駆動用の半導体素子(100)が形成されてなる
半導体装置であって、 前記半導体素子と前記絶縁膜との間に、前記半導体素子
の周囲を囲む電位固定領域(21b、26)が形成され
ていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 前記半導体素子(100)は、 半導体層(2)内にソース領域(4)、チャネル領域
(8)およびドレイン領域(5)が形成され、さらに前
記チャネル領域(8)上にゲート電極(7)が形成され
て、前記半導体層をドリフト領域とするMOSトランジ
スタであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装
置。 - 【請求項3】 前記絶縁膜(22、23)は、前記半導
体基板の縦方向の絶縁分離を行う第1の絶縁膜(22)
と横方向の絶縁分離を行う第2の絶縁膜(23)とから
構成されており、前記電位固定領域は、前記第1の絶縁
膜上に形成された電位固定層(21b)と、この電位固
定層と前記半導体基板の一主表面側との間に形成された
ディープ拡散層(26)とから構成されていることを特
徴とする請求項2に記載の半導体装置。 - 【請求項4】 前記半導体素子(100)は、 第1導電型の第1半導体層(21a)に、第2導電型の
第1ウェル(16)が形成されるとともにこの第1ウェ
ル(16)内に第1導電型の第2ウェル(2)が形成さ
れており、前記第2ウェル(2)内にソース領域
(4)、チャネル領域(8)およびドレイン領域(5)
が形成され、さらに前記チャネル領域(8)上にゲート
電極(7)が形成されて、前記第2ウェル(2)をドリ
フト領域とする表面電界緩和型のMOSトランジスタで
あることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項5】 前記絶縁膜(22、23)は、前記半導
体基板の縦方向の絶縁分離を行う第1の絶縁膜(22)
と横方向の絶縁分離を行う第2の絶縁膜(23)とから
構成されており、前記電位固定領域は、前記第1の絶縁
膜上に形成された第1導電型の第2半導体層(21b)
と、この第2半導体層と前記半導体基板の一主表面側と
の間に形成された第1導電型のディープ拡散層(21
b)とから構成されていることを特徴とする請求項4に
記載の半導体装置。 - 【請求項6】 前記第1ウェル(16)と前記半導体基
板の一主表面側との間に、前記第1ウェルの電位をソー
ス電位に固定する第2導電型の半導体領域(29、3
0)が形成されていることを特徴とする請求項4又は5
に記載の半導体装置。 - 【請求項7】 前記電位固定領域は電源に接続されてお
り、前記MOSトランジスタは、ハイサイドスイッチ型
で負荷駆動を行うことを特徴とする請求項2乃至6のい
ずれか1つに記載の半導体装置。 - 【請求項8】 前記電位固定領域は接地に接続されてお
り、前記MOSトランジスタは、ローサイドスイッチ型
で負荷駆動を行うことを特徴とする請求項2乃至6のい
ずれか1つに記載の半導体装置。 - 【請求項9】 前記電位固定領域に接続された電極パタ
ーン(34)が、電源に接続されるパッド(36)と接
地に接続されるパッド(35)に電気的に接続されるよ
うに形成されており、両パッドと前記電極パターンとの
いずれかの電気的な接続が遮断されて、前記MOSトラ
ンジスタが、ローサイドスイッチ型およびハイサイドス
イッチ型のいずれか一方で負荷駆動を行うことを特徴と
する請求項2乃至6のいずれか1つに記載の半導体装
置。 - 【請求項10】 前記電位固定領域に接続された電極パ
ッド(34a)が、電源に接続されるパッド(36)と
接地に接続されるパッド(35)のいずれかにワイヤボ
ンディングされて、前記MOSトランジスタが、ローサ
イドスイッチ型およびハイサイドスイッチ型のいずれか
一方で負荷駆動を行うことを特徴とする請求項2乃至6
のいずれか1つに記載の半導体装置。 - 【請求項11】 前記電源に接続されるパッドは、前記
MOSトランジスタのドレインパッドとソースパッドの
いずれか一方のパッドであり、前記接地に接続されるパ
ッドは、他方のパッドであることを特徴とする請求項9
又は10に記載の半導体装置。 - 【請求項12】 前記電位固定領域の電位を電源および
接地のいずれか一方に接続するトランジスタ(39〜4
2)が設けられており、前記MOSトランジスタを、ロ
ーサイドスイッチ型およびハイサイドスイッチ型のいず
れか一方で負荷駆動するようにしたことを特徴とする請
求項2乃至6のいずれか1つに記載の半導体装置。
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