JP5147203B2 - 絶縁ゲート型半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は絶縁ゲート型半導体装置に係り、VDSS耐圧特性を安定化し、信頼性を向上させた絶縁ゲート型半導体装置に関する。
従来の絶縁ゲート型半導体装置において、主動作を行うトランジスタと、該トランジスタの電流検出等を行うセンシング用トランジスタを1チップに集積化した絶縁ゲート型半導体装置が知られている(例えば特許文献1参照。)。
図5は、従来の絶縁ゲート型半導体装置の一例としてトレンチ構造のMOSFETを示す平面図である。尚、図5においてソース電極、ゲートパッド電極等の金属電極層および層間絶縁膜は省略している。
図5の如く、MOSFETのチップは、主動作を行うMOSトランジスタ35mが配置される動作部41と、センシング用のMOSトランジスタ35sが配置されるセンス部42が1チップに集積化されている。動作部41とセンス部42は、それぞれのチャネル領域33、34が所定の間隔で分離される。
半導体基板30は、n+型シリコン半導体基板の上にn−型半導体層を積層するなどしてドレイン領域としたものである。p型のチャネル領域33、34は、n−型半導体層の表面に設けられる。チャネル領域33、34にはトレンチを設け、トレンチ内を絶縁膜で被覆してゲート電極を埋設し、MOSトランジスタ35m、35sを例えば格子状に配置する。それぞれのチャネル領域33、34のMOSトランジスタ35m、35sは、同一構成である。
センス部42を駆動するゲート電極は、ポリシリコンなどのゲート連結電極36により動作部41のゲート電極と接続する。動作部41の例えば1つのコーナー部分の基板表面にはゲートパッド電極(不図示)が設けられ、ゲート連結電極36と接続する。
つまり、動作部41とセンス部42のMOSトランジスタ35m、35sは同時に駆動され、センス部42で電流を検出することにより動作部31の過電流等の異常を監視、制御する。
特開2002−314086号公報
従来のMOSFETにおいて、1チップに動作部41とセンス部42を集積化する場合、図5の如く、チャネル領域33、34を分割してMOSトランジスタ35m、35sを構成し、1つのゲート電極に接続している。
センス部42は、例えばチップのコーナー部など、チップの外周端に沿って配置される。すなわち、センス部42を設ける場合、動作部41(のチャネル領域33)の外周の形状はセンス部42(のチャネル領域34)の形状に沿ってコーナー部を少なくとも6つ以上有する形状となる。
そしてこのような場合には、所定のドレイン−ソース間耐圧(以下VDSS耐圧)を確保するために、チャネル領域33、34のそれぞれにおいて、X1〜X6点、Z1〜Z4点の各コーナー部の曲率を均一とし、逆方向電圧印加時にチャネル領域33、34のそれぞれから外側に広がる空乏層の曲率をほぼ均一にしている。
尚、X点とZ点のパターンを凸部とした場合、凹部となるY点は、凸部と比較して空乏層が十分広がるためVDSS耐圧として有利なパターンである。つまりY点の曲率がVDSS耐圧に及ぼす影響はほとんど無く、X点とZ点について考慮すればよい。
ここで、例えばハッチングの領域において、動作部41から広がる空乏層とセンス部42から広がる空乏層とがピンチオフする程度に、動作部41とセンス部42が近接している場合、チップの耐圧は、X1点、Z2点、X4点、X5点、X6点の曲率に影響を受ける。つまり、少なくともX1点、Z2点、X4点、X5点、X6点の曲率を均一にすれば、理論上はチップ全体として外側に広がる空乏層がほぼ均一となり、耐圧が劣化することはない。
動作部41とセンス部42のトランジスタは同一構成であり、図5に示すディスクリートチップとして、動作部41とセンス部42を測定した場合、これらに印加されるゲート−ソース間電圧およびドレイン−ソース間電圧は均一である。
しかし実際のアプリケーションにおいて、例えばセンス部42にのみ、チップの外部で電流検出抵抗が接続し、制御ICにより動作部41の電流が検出される。このため、動作部41とセンス部42において、印加されるゲート−ソース間電圧およびドレイン−ソース間電圧が異なることになる。
従って、例えばチャネル領域33のX1点とチャネル領域34のZ2点の曲率が均一であっても、動作部41とセンス部42に印加されるドレイン−ソース間電圧が異なるため、X1点とZ2点において広がる空乏層にばらつきが生じ、VDSS耐圧がばらつく問題がある。
一方ハッチングの部分において、逆方向電圧印加時に、動作部41とセンス部42とから広がる空乏層がピンチオフしない程度に両者が離間されて配置される場合、各コーナー部となるX1点〜X6点と、Z1点〜Z4点の曲率を、すべて均一にしておけばチップ全体として安定したVDSS耐圧を得ることができる。
しかし、この場合は動作部41とセンス部42の間(ハッチングの領域)を十分離間し、更にそれぞれのコーナー部で所定の耐圧が得られるよう、曲率を十分小さくする必要がある。そのため、MOSトランジスタ35m、35sの配置面積(セル数)が小さくなってしまう問題がある。
本発明はかかる課題に鑑みてなされ、第1に、一導電型の半導体層と、該半導体層表面に設けられた第1動作部と、前記半導体層表面に設けられ前記第1動作部より面積が小さい第2動作部と、前記第1動作部に設けられた逆導電型の第1チャネル領域および第1トランジスタと、前記第2動作部に設けられた逆導電型の第2チャネル領域および第2トランジスタと、を具備し、前記第2動作部の周囲に前記第1動作部を配置し、前記第1チャネル領域と前記第2チャネル領域とを、前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタにドレイン−ソース間耐圧の逆方向電圧を印加した際に前記第1チャネル領域および前記第2チャネル領域から前記半導体層に広がる空乏層が互いにしてピンチオフする距離で離間して配置することにより解決するものである。
第2に、一導電型の半導体基板と、該基板上に設けられた一導電型の半導体層と、該半導体層表面に設けられた第1動作部と、該第1動作部と離間して前記半導体層表面に設けられ前記第1動作部より面積が小さい第2動作部と、前記第1動作部に設けられた逆導電型の第1チャネル領域と、前記第1動作部に設けられた絶縁ゲート型の第1トランジスタと、前記第2動作部に設けられた逆導電型の第2チャネル領域と、前記第2動作部に設けられた絶縁ゲート型の第2トランジスタと、を具備し、前記第2動作部の外周を前記第1動作部により完全に囲み、前記第1チャネル領域と前記第2チャネル領域とを、前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタにドレイン−ソース間耐圧の逆方向電圧を印加した際に前記第1チャネル領域および前記第2チャネル領域から前記半導体層に広がる空乏層が互いにしてピンチオフする距離で離間して配置することにより解決するものである。
本発明によれば、センス部と動作部を有するMOSFETにおいて、VDSS耐圧を決定するチップの最外周のチャネル領域を第1チャネル領域のみとすることができる。従って、チップのVDSS耐圧は、第1チャネル領域の端部のパターンのみ考慮すればよく、安定したVDSS耐圧の設計が容易となる。
第2に、第1チャネル領域を矩形状にすることにより、第1チャネル領域最外周の各コーナー部の曲率を均一にすることができる。これにより、チップの最外周の各コーナー部において空乏層をほぼ均一に広げることができ、VDSS耐圧の特性が安定し、信頼性を向上させることができる。
第3に、センス部と動作部とで空乏層の広がりが不均一になった場合であっても、チップとしてVDSS耐圧を安定させることができる。すなわち、第1チャネル領域と第2チャネル領域は、逆方向電圧印加時に空乏層がピンチオフする程度の距離で配置される。センス部と動作部を1チップに集積化した絶縁ゲート型半導体装置の場合、ディスクリートのチップとしては性能が同等であっても、アプリケーションにおいてセンス部に電流検出抵抗等が接続することでセンス部と動作部に印加されるドレイン−ソース間電圧が異なり、センス部と動作部とで空乏層の広がりが不均一になる場合がある。しかし本実施形態ではこのような場合であっても、チップとしての最外周は、各コーナー部の曲率が均一な第1チャネル領域である。このため、チップとしてVDSS耐圧を安定させることができる。またセンス部から広がる空乏層は4辺とも動作部から広がる空乏層とピンチオフする。従って、センス部としてもVDSS耐圧を安定させることができる。
本発明の実施の形態を、絶縁ゲート型半導体装置の一例としてnチャネル型のトレンチ構造のMOSFETを例に図1から図4を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態であるMOSFETのチップの平面図を示す。尚、図1においては、層間絶縁膜、金属電極層(ソース電極、ゲートパッド電極、ゲート配線)を省略している。
本発明のMOSFET100は、n型半導体層2と、第1動作部21と、第2動作部22と、第1チャネル領域3と、第2チャネル領域4と、第1トランジスタ15mと、第2トランジスタ15sとを有する。
n+型シリコン半導体基板にn−型半導体層を積層して(ここではいずれも不図示)ドレイン領域とする。n−型半導体層は例えばエピタキシャル層である。
第1動作部21は、主動作を行う多数の第1トランジスタ15mが配置された領域である。一方、第2動作部22は、第1動作部21より面積が小さく、第1トランジスタ15mのセンシングを行う少数の第2トランジスタ15sが配置された領域である。
図1での詳細な図示は省略するが、第1トランジスタ15mおよび第2トランジスタ15sは、第1動作部21、第2動作部22に均等な離間距離で配置されている。尚、第2動作部22にもソース電極を設けワイヤボンドする必要がある。つまり、第2動作部22において、実際に第2トランジスタ15sが配置される領域は非常に微小なものであるが、少なくともワイヤボンドに必要な面積は確保されている。第1トランジスタ15mおよび第2トランジスタ15sは、同一の構成であり、同時に動作する。そして第2トランジスタ15sの電流を制御IC(不図示)で検出することで、第1トランジスタ15mの状態を監視・制御する。本実施形態では以下第1動作部21、第2動作部22をそれぞれ動作部21、センス部22と称する。
動作部21およびセンス部22のn−型半導体層表面には、それぞれ対応する第1チャネル領域3、第2チャネル領域4が設けられる。本実施形態の第1チャネル領域3および第2チャネル領域4は例えば、n−型半導体層表面にp型不純物を注入・拡散するなどした、それぞれ1つの連続した拡散領域である。そして第1チャネル領域3および第2チャネル領域4は、第1トランジスタ15mおよび第2トランジスタ15sに逆方向電圧を印加した際にn−型半導体層2に広がる空乏層が接する距離dで離間して配置される。
また本実施形態では、第1チャネル領域3と動作部21、および第2チャネル領域4とセンス部22とは基板表面(図1)におけるパターン(平面パターン)において一致する。つまり、動作部21端部とは第1チャネル領域3の端部であり、センス部22の端部とは第2チャネル領域4の端部である。
動作部21(第1チャネル領域3)およびセンス部22(第2チャネル領域4)の周囲に延在するゲート連結電極23はポリシリコン等により設けられ、動作部21およびセンス部22のゲート電極(ここでは不図示)に共通で接続する。ゲート連結電極23は、動作部21外のゲートパッド形成領域24まで延在し、ゲートパッド形成領域24のn−型半導体層2上方に絶縁膜を介して設けられるゲートパッド電極(不図示)と接続する。
これにより、動作部21およびセンス部22には、同じタイミングで同じゲート電圧が印加される。
図2は、図1のMOSFETの使用例を示す回路図である。本実施形態のMOSFETは、動作部21と、動作部の電流を検知するためのトランジスタが配置されたセンス部22を1チップに集積化したものである。センス部22と動作部21は、同じタイミングで印加される同じゲート電圧により同時に動作する。
センス部22のMOSトランジスタ15sと動作部21のMOSトランジスタ15mは図の如くドレインDが共通接続し、ソースSがそれぞれ負荷Lを介して接地される。センス部22のソースSと負荷L間には抵抗Rが接続する。例えば抵抗R両端の電圧降下を測定することで、センス部のMOSトランジスタ15sに流れる電流を検出する。動作部21のMOSトランジスタ15mは、センス部22のそれらと同一構成であるので、センス部22を測定することにより動作部21の過電流等を検出する。センス部22および動作部21のゲートGは不図示の制御IC等に接続しており、センス部22で過電流等の異常が検出された場合は、制御ICにより動作部21のMOSトランジスタ15m(センス部22のMOSトランジスタ15sも同様)に対して制御を行う。
このようなアプリケーションに用いるMOSFETでは、動作部21とセンス部22とで空乏層の広がりが不均一になる場合がある。すなわち、動作部21とセンス部22とを1チップに集積化したMOSFETの場合、ディスクリートのチップとして測定すると、動作部21とセンス部22とで印加されるドレイン−ソース間電圧およびゲート−ソース間電圧は同等である。しかし、アプリケーションにおいて上記の如くセンス部22にのみ電流検出のための抵抗Rが接続すると、センス部22と動作部21に印加されるドレイン−ソース間電圧が異なり、センス部22と動作部21とで空乏層の広がりが不均一になる場合がある。
しかし本実施形態ではこのような場合であっても、チップとしての最外周は、各コーナー部の曲率が均一な第1チャネル領域である。このため、チップとしてVDSS耐圧を安定させることができる。また第1チャネル領域3と第2チャネル領域4は、逆方向電圧印加時に空乏層がピンチオフする程度の距離で配置される。従って、センス部22から広がる空乏層は4辺とも動作部21から広がる空乏層とピンチオフする。従って、センス部としてもVDSS耐圧を安定させることができる。
図3は、図1のMOSFET100の断面図であり、図3(A)が図1のg−g線、図3(B)が図1のh−h線断面図である。
図3を参照し、n+型シリコン半導体基板1の上にn−型半導体層2を積層するなどしてドレイン領域を設ける。n−型半導体層2の表面には動作部21およびセンス部22にそれぞれ対応したp型の第1チャネル領域3、第2チャネル領域4を設ける。第1チャネル領域3、第2チャネル領域4は、逆方向電圧印加時に両者から広がる空乏層がピンチオフする距離dで離間される。
トレンチ5は第1チャネル領域3および第2チャネル領域4を貫通し、n−型半導体層2に達する深さを有する。トレンチ5の内壁をゲート絶縁膜(例えば酸化膜)6で被膜し、トレンチ5にポリシリコンを充填するなどしたゲート電極7を設ける。ゲート電極7は、動作部21およびセンス部22の周囲の絶縁膜6’上に設けられたゲート連結電極23を介してゲートパッド電極と接続する。
トレンチ5に隣接した第1チャネル領域3、第2チャネル領域4表面にはn+型のソース領域8が形成され、隣り合うソース領域8間の第1チャネル領域3、第2チャネル領域4表面にはp+型のボディ領域9を設ける。
ゲート電極7を被覆してBPSG(Boron phosphorus Silicate Glass)膜等からなる層間絶縁膜11が設けられ、ソース電極17は層間絶縁膜11に設けたコンタクトホールCHを介して、ソース領域8およびボディ領域9とコンタクトする。
また、第1チャネル領域3の外周のn−型半導体層2表面には、必要に応じてp+型不純物を拡散したガードリング25が配置される。更にチップ最外周のn−型半導体層2表面には、n+型不純物領域26が設けられ、その一部にシールドメタル27がコンタクトする(図3(B)参照)。
ソース電極17はゲートパッド形成領域24(図1参照)と隣接して設けられる。ゲートパッド形成領域24に設けられるゲートパッド電極(不図示)は、ソース電極17と同一の金属電極層により構成される。動作部21とセンス部22のソース電極17は分離しており、それぞれMOSトランジスタ15m、15sと電気的に接続する。
第1チャネル領域3を囲むゲート連結電極23の上には、これと重畳するリング状にゲート配線16が設けられる。更に、基板1の裏面には金属蒸着等によりドレイン電極19が設けられる。
図4は、図1のi−i線の断面における第1チャネル領域3と第2チャネル領域4を模式的に示した図である。図示は省略するが、第1チャネル領域3および第2チャネル領域4にはそれぞれMOSトランジスタ15m、15sが配置されているとする。
第1チャネル領域3と第2チャネル領域4は、逆方向電圧印加時に両者から広がる空乏層がピンチオフする距離dで配置される。従って、A点とB点の曲率は等しくする必要はない。また、A点を凸部とした場合に凹部となる、第2チャネル領域4と対向する第1チャネル領域3は、A点と比較して空乏層が十分に広がるパターンである。すなわち、C点において4つのコーナー部の曲率が均一であれば、C点の曲率がVDSS耐圧に及ぼす影響はほとんどなく、ここで考慮する必要はない。
すなわち、第1チャネル領域3と第2チャネル領域4の間(図1のハッチングの領域)を空乏層がピンチオフする距離dとすることで、チップ100の外周端で外側に広がる空乏層をVDSS耐圧の主な設計要因とすることができる。
そして、図1の如く本実施形態の第2チャネル領域4(センス部22)は、その外周4辺を第1チャネル領域3(動作部21)によって完全に囲まれている。
これにより、MOSFET100のチップとして、VDSS耐圧を決定するチップの最外周のチャネル領域を第1チャネル領域3のみとすることができる。従って、チップのVDSS耐圧は、第1チャネル領域の端部のパターンのみ考慮すればよく、安定したVDSS耐圧の設計が容易となる。
また、第2チャネル領域4を第1チャネル領域3内部に配置することで、第1チャネル領域3の外側端部のパターンは、4つのコーナー部(A点)を有する矩形となる。そして、各コーナー部は完全な直角ではなく所定の曲率を有しており、各A点においてコーナー部の曲率は均一である。
更に、第2チャネル領域4の外側端部のパターンも、4つのコーナー部(B点)を有する矩形である。そして、各コーナー部は完全な直角ではなく所定の曲率を有しており、各B点においてコーナー部の曲率は均一である。
つまり、本実施形態では、逆方向電圧印加時に、第1チャネル領域3の外周端からn−型半導体層に広がる空乏層が4つの各コーナー部(A点)においてほぼ均一となる。従って、チップ全体として、VDSS耐圧特性を安定させることができる。
更に既述の如く、図2で示したアプリケーションに用いる場合には、動作部21とセンス部22に印加されるドレイン−ソース間電圧が不均一になる恐れがある。しかし本実施形態では、チップのVDSS耐圧は第1チャネル領域3の均一な曲率の4つのコーナー部(A点)で制御できるため、安定したVDSS耐圧を得ることができる。
以上、本実施形態ではnチャネル型MOSFETで説明したが、導電型を逆にしたpチャネル型MOSFETでも同様の効果が得られる。更に、トレンチ構造のMOSFETに限らず、n−型半導体層2表面にゲート絶縁膜6を介してゲート電極7を配置した、プレーナ構造のMOSFETであっても同様に実施できる。
本発明の半導体装置の平面図である。 本発明の半導体装置の回路図である。 本発明の半導体装置の断面図である。 本発明の半導体装置の断面図である。 従来の半導体装置の平面図である。
符号の説明
1 n+型シリコン半導体基板
2 n−型半導体層
3 第1チャネル領域
4 第2チャネル領域
5 トレンチ
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8 ソース領域
9 ボディ領域
10 半導体基板
11 層間絶縁膜
15m、15s MOSトランジスタ
16 ゲート配線
17 ソース電極
19 ドレイン電極
21 動作部
22 センス部
23 ゲート連結電極
24 ゲートパッド形成領域
25 ガードリング
26 n+型不純物領域
27 シールドメタル
30 半導体基板
33、34 チャネル領域
35m、35s MOSトランジスタ
36 ゲート連結電極
41 動作部
42 センス部

Claims (6)

  1. 一導電型の半導体層と、
    該半導体層表面に設けられた第1動作部と、
    前記半導体層表面に設けられ前記第1動作部より面積が小さい第2動作部と、
    前記第1動作部に設けられた逆導電型の第1チャネル領域および第1トランジスタと、
    前記第2動作部に設けられた逆導電型の第2チャネル領域および第2トランジスタと、
    を具備し、
    前記第2動作部の周囲に前記第1動作部を配置し、
    前記第1チャネル領域と前記第2チャネル領域は、前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタにドレイン−ソース間耐圧の逆方向電圧を印加した際に前記第1チャネル領域および前記第2チャネル領域から前記半導体層に広がる空乏層が互いにしてピンチオフする距離で離間して配置されることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。
  2. 一導電型の半導体基板と、
    該基板上に設けられた一導電型の半導体層と、
    該半導体層表面に設けられた第1動作部と、
    該第1動作部と離間して前記半導体層表面に設けられ前記第1動作部より面積が小さい第2動作部と、
    前記第1動作部に設けられた逆導電型の第1チャネル領域と、
    前記第1動作部に設けられた絶縁ゲート型の第1トランジスタと、
    前記第2動作部に設けられた逆導電型の第2チャネル領域と、
    前記第2動作部に設けられた絶縁ゲート型の第2トランジスタと、
    を具備し、
    前記第2動作部の外周は前記第1動作部により完全に囲まれており、
    前記第1チャネル領域と前記第2チャネル領域は、前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタにドレイン−ソース間耐圧の逆方向電圧を印加した際に前記第1チャネル領域および前記第2チャネル領域から前記半導体層に広がる空乏層が互いにしてピンチオフする距離で離間して配置されることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。
  3. 前記第1動作部において前記第1チャネル領域は矩形状に配置され、該矩形状の各コーナー部の曲率が均一であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
  4. 前記第2チャネル領域は矩形状に配置され、該矩形状の各コーナー部の曲率が均一であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
  5. 前記第1トランジスタおよび前記第2トランジスタは、それぞれのゲート電極が共通で接続されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
  6. 前記第2トランジスタは、前記第1トランジスタの電流を検出するためのトランジスタであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
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