JPH0677470A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
ことなく、異なる電位差を有する領域上を通過すること
が可能な高圧配線層を容易に形成することができる半導
体装置を提供することを目的とする。 【構成】本発明による半導体装置は、N- 型半導体基板
11に形成されたN+ 型第一拡散層12及びP+ 型第二
拡散層13とからなるダイオ−ドと、該基板表面に形成
された絶縁膜14と、第一拡散層15と接続し第二拡散
層16上を通過する第一配線層15と、絶縁膜14中に
多結晶シリコンからなり第一配線層15下を数度横切る
ように連続して形成されその両端が第一拡散層12及び
第二拡散層13に接続された抵抗体17とからなる。
Description
体装置に関し、特に高圧配線層が他電位の半導体領域上
を通過する際の耐圧構造に関するものである。
ッチングレギュレ−タ、ハイサイドスイッチ回路、ロ−
サイドスイッチ回路などを含むパワ−用半導体集積回路
装置においては、高電圧の印加されるFRD(Fast Rec
overy Diode )、パワ−バイポ−ラトランジスタ、パワ
−MOSトランジスタ、IGBTなどの横型の半導体素
子が使用されている。このようなパワ−用半導体集積回
路装置では、高電圧の印加により2つの拡散層の電位差
が数100V程度またはそれ以上となる。
を示す。例えばN- 型半導体基板101にはN+ 型第一
拡散層102及びP+ 型第二拡散層103が各々形成さ
れており、横型ダイオ−ドを構成する。該基板表面には
絶縁膜104が形成され、各拡散層102、103に
は、オ−ミックコンタクトとなるように取り出された第
一配線層105と第二配線層106とが各々形成されて
いる。同図のような場合、第一拡散層102が高電圧
側,第二拡散層103が低電圧側になるように電圧を印
加すると、両拡散層102、103と間の半導体基板1
01の電界は均一に分布され、等電位線107(点線)
のようにほぼ等間隔になる。この場合耐圧はシリコンの
臨界電位密度を越える点で決定される。
おいて多くの配線層が必要であり、該配線層は異なる電
位を有する領域上を通過しなければならない。図9
(a)には、第一拡散層102から引き出された第一配
線層105が、数百V程度またはそれ以上の電位差を有
する第二拡散層103上を通過する場合を示している。
第一拡散層102及び第二拡散層103との間に逆バイ
アスが印加された場合、丸印(電界集中箇所108)で
囲まれた第二拡散層103上を第一配線層105が交差
する部分に、等電位線107で示されるように電界が集
中する。半導体基板101の電位は、第二拡散層103
近傍つまり電界が集中された部分で急激に変化している
(同図(b))。このように電界が集中するため、電界
集中密度が半導体基板101の絶縁耐圧の臨界を越える
と降伏が起こり、所望の耐圧が得られない。
板121に形成されたP+ 型第一拡散層122及びN+
型第二拡散層123と、表面に形成された絶縁膜124
と、第一拡散層122から引き出され第二拡散層123
上を通過する第一配線層125とからなる半導体装置の
場合を説明する。それら二つの拡散層122、123と
が数100V以上の電位差となるように、第一拡散層1
22に低電圧をまた第二拡散層123に高電圧を印加す
る。すると、第一配線層125と第二拡散層123との
間は大きな電位差が生じるため、N- −N+ 境界部分で
ある丸印108の部分に等電位線107が集中し降伏が
起こる。
が電位の異なる拡散層上を通過する場合、その部分に電
界が集中し耐圧が決定される。そこで、耐圧を上げる対
策として、次に示す方法が知られている。
104の厚さを厚く形成する方法がある(図11)。そ
れにより、電界が絶縁層104中で緩和され易くなり半
導体基板101中での電界集中が緩和される。この方法
であれば、製造工程では新たな材料を用いることなく対
応できる。しかし、一般に横型高耐圧素子は集積回路に
用いるのが目的であり、低耐圧で小寸法の信号処理用回
路と同一基板上に形成することが多い。絶縁層が厚い場
合、電極取り出し用の絶縁層に開口される穴はテ−パを
つけた形状にする必要があり、絶縁層が厚いとそれだけ
テ−パ加工のための余裕が大きく必要になる。従って、
絶縁層の厚さを厚くすることは例えば上記信号処理用回
路の寸法を大きくすることになり、集積回路全体の集積
度を落とすことになる。
る。第一配線層105下の絶縁膜104中に半絶縁性多
結晶シリコン(以下、SIPOS)109からなる高抵
抗体を形成する。SIPOS109の両端は第一拡散層
102及び第二拡散層103に接続されており、両拡散
層の電位に設定される。SIPOS109は高抵抗体で
あり、両端にかけられた電位差によりSIPOS109
中の電位は等分布される。等電位線107に示すよう
に、SIPOS109下の半導体基板101側では電界
がほとんど均等に分布され、基板自体の理想的な耐圧近
くまで上げることができる。しかし、半絶縁性多結晶シ
リコンは半導体装置において通常使用していない材料で
あるから、工程が増える上にコストが上昇する。
明する。同図(a)によれば、第一配線層105下の絶
縁膜104中に、浮遊電位(フロ−ティング)多結晶シ
リコン110が断続的に配置される。平面的には、該浮
遊電位多結晶シリコン110は短冊状に第一配線層10
5下に並列に配置されている(同図(b))。各浮遊電
位多結晶シリコン110はフィ−ルドプレ−トとして作
用し、それらの各電位は半導体基板101からの漏れ電
界の影響によりある一定の電位に固定される。従って、
浮遊電位多結晶シリコン110の下では電界が集中する
ことなくほぼ均一に分布され等電位線107のような電
界分布となる。
り新たな材料を用いるわけではないのでもないので、コ
ストが上昇することはない。しかし、フィ−ルドプレ−
トの電位はフィ−ルドプレ−トの配置形状、半導体基板
の不純物濃度、印加電圧等の影響を受けるため、予め電
算機などで最適化設計が必要である。最適化設計をしな
ければ十分な効果がえられないことと、ある電圧で最適
化したあとも電位が変動する場合は全ての条件で最適化
することは非常に難しく、設計段階での困難さが問題点
である。
線層が数100V程度またはそれ以上の電位差のある拡
散層上を通過する際に、電界が集中され降伏が起こるた
め所望の耐圧を得ることができない。その対策として種
々の方法があるが、プロセス及びコスト的にも問題があ
り、設計上も容易ではない。
層中の耐圧を低下させることなく、異なる電位差を有す
る領域上を通過することが可能な高圧配線層を容易に形
成することができる半導体装置を提供することを目的と
する。
域の電位差を有する2つの拡散層が形成され、該基板表
面には絶縁膜が形成され、一方の拡散層から取り出され
該絶縁膜上に形成された高圧配線層が他方の拡散層上を
通過する場合、上記絶縁膜中に上記2つの拡散層の電位
に設定された両端を有する抵抗体を形成する。上記抵抗
体は多結晶シリコンからなり、上記高圧配線層下を一度
以上横切るように形成される。断面図では上記高圧配線
層下で断続的に配置され、パタ−ン図では上記高圧配線
層と一度以上交差するように折り曲げて配置される。さ
らに、上記抵抗体は上記他方の拡散層を渦巻状に取り囲
むように形成することもできる。また、上記抵抗体は、
複数個のダイオ−ドを有する多結晶シリコン層とするこ
とができる。
各拡散層の電位に設定されているため、上記抵抗体の各
部分は両端からの距離に応じて一定の電位に固定されて
いる。従って上記抵抗体により、上記高圧配線層と上記
2つの拡散層間の半導体基板とを遮蔽する効果が生じ
る。即ち、上記抵抗体下側では電界が均一に分布され、
上記高圧配線層が上記他方の拡散層上を通過する際に生
じる電界集中を発生することなく、半導体基板の耐圧の
向上を図ることができる。また、上記抵抗体は半導体基
板からの漏れ電界ではなく上記各拡散層により電位を固
定するため、上記絶縁膜中の不純物イオンの影響を受け
ない。さらに上記抵抗体の形成をする際に複雑な最適化
設計を必要としない。また、上記抵抗体を多結晶シリコ
ンのみからでなく複数個のダイオ−ドを形成することに
より、上記抵抗体の抵抗値を格段に高くすることが可能
である。
て説明する。先ず、第1実施例を図1より説明する。同
図(a)によれば、本発明の半導体装置は、N- 型半導
体基板11(同図(b))に形成されダイオ−ドを構成
するN+ 型第一拡散層12及びP+ 型第二拡散層13
と、該基板表面に形成された絶縁膜14(同図(b))
と、第一拡散層12と接続しかつ第二拡散層13上を通
過する第一配線層15と、第二拡散層13と接続する第
二配線層16と、絶縁膜14内に第一配線層15下を横
切るように形成され多結晶シリコンからなる抵抗体17
とを有する。
7は第一配線層15下を一回以上、例えば8回交差して
おりかつ連続して形成されている。XX´断面を示した
同図(b)によれば、抵抗体17は第一配線層15直下
において断続的な形状となっている。またYY´断面を
示した同図(c)によれば、抵抗体17の一端は第一コ
ンタクト部18において第一配線層15と、他端は第二
コンタクト部19において第二配線層16と各々接続さ
れており、抵抗体17の両端は第一拡散層12及び第二
拡散層13の電位に設定される。
イアスを印加すると、抵抗体17は同図(d)のような
電位勾配を示す。第一配線層15下における抵抗体17
は各々一定の値を示しており、高電位の第一拡散層12
側から低電位の第二拡散層13側に向かい序々に低くな
っている。つまり、抵抗体17の両端は第一拡散層12
及び第二拡散層13の電位に設定されているため、抵抗
体17の各部分は上記両拡散層12、13からの距離に
応じて一定の電位に固定される。従って、第一配線層1
5が第二拡散層13上を通過する際に生じる電界集中を
避けることができる。
び第二拡散層13とに接続されるため、抵抗体17の間
に僅かなリ−ク電流が流れる。しかし抵抗体17は本実
施例において幾度も折り曲げられた形状に形成されてお
り、十分長く形成することにより上記リ−ク電流を低く
抑えることが可能であり問題とならない。
照して説明する。但し、第1実施例と異なるところのみ
を説明する。同図(a)によれば、第一拡散層12は抵
抗体17の内側に第二拡散層13は外側にそれぞれ配置
され、抵抗体17が第一拡散層12を取り囲み渦巻状に
形成されている。抵抗体17の両端は第一コンタクト部
18、第二コンタクト部19において、各々第一拡散層
12と第二拡散層13の電位に固定される。ここで、図
中の番号21は第一拡散層12と抵抗体17とを接続す
るための配線層である。また同図(b)によれば、抵抗
体17は第一配線層15下において断続的な形状となっ
ている。
り、抵抗体17の総延長を長く取ることができ上記リ−
ク電流をより低く押さえることができる。また、抵抗体
17を第一拡散層12の周囲を取り囲む形状とすること
により、第一配線層15をどの方向に引き出した場合で
もほぼ等価な効果を得ることができる。
ても、抵抗体の幅については設計面やプロセス面である
限界値以下に細かくはできないため、抵抗体の抵抗値を
大きくするには抵抗体をできるだけ長く形成する必要が
ある。
説明する。本実施例では、抵抗体として直列に接続した
ダイオ−ド群を有する多結晶シリコンからなる抵抗体1
7aを用いている(同図(a))。抵抗体17aに含ま
れたタイオ−ド群30は、P型領域31及びN型領域3
2が交互に並んだ形成された形状であり、等価的にはダ
イオ−ドが逆順交互(30a,30b,30a,……)
に接続された状態である(同図(b))。
たダイオ−ドにはごく僅かなリ−ク電流しか流れない。
このリ−ク電流は、同じ不純物濃度で形成された抵抗体
に同じ電圧を印加した場合に流れる電流と比較して、一
般的に数桁小さい。従って、多結晶シリコンのみから形
成された抵抗体に比べてリ−ク電流を数桁小さくするこ
とができる。但し、個々の逆バイアスされたダイオ−ド
に印加された電圧がダイオ−ドの耐圧を越えていては過
大な電流が流れてしまうので、適切な個数のダイオ−ド
を接続して電圧を分割しておく必要がある。例えば50
0V耐圧の素子に使用する場合、一個のダイオ−ドの耐
圧が5Vであれば100個以上の逆接続ダイオ−ドが必
要である。
め、ダイオ−ド群を含まない抵抗体に比べ、抵抗体の長
さを短くすることができ、素子全体の寸法が小さく抵抗
体を引き回す余裕がない場合に有効である。
る。本実施例は横型MOSFET(横型DMOS)に適
用したものである。第二拡散層13中にソ−スとなる第
三拡散層41があり、抵抗体17の外側部分17´をゲ
−ト電極として使用する。但し、抵抗体17´の部分下
の絶縁膜14の膜厚は、他の部分下の絶縁層14の膜厚
より薄くなっている。通常ゲ−ト電極にはソ−ス拡散や
第二拡散層の電位に対して数V程度の電位しか印加され
ない。本実施例では、抵抗体17の一端は第一拡散層1
1の電位に設定されており、他端は第二拡散層13若し
くは第三拡散層41に近い電位(例えばゲ−ト電位)に
設定される。ゲ−ト電極となる抵抗体17´は低電位側
の第二拡散層13とは数V程度の電位差であり、第一拡
散層12とは数100V以上の電位差である。そのた
め、抵抗体17はゲ−ト電極として機能すると同時に、
半導体基板中の電界集中を緩和することもできる。
2はドレイン電極(D)、抵抗体17´はゲ−ト電極
(G)、第三拡散層41はソ−ス電極(S)に接続され
る。同図(b)は同図(a)を模式的に示したものであ
り、絶縁膜14、抵抗体17、第一配線層15は省略さ
れている。
る。本実施例は、NPNバイポ−ラトランジスタに適用
したものである。本実施例の基本的構成は第4実施例と
同様であるため、同図は図4(b)と同様に模式的に示
している。第一拡散層12はコレクタ電極(C)、第二
拡散層13はベ−ス電極(B)、第三拡散層41はエミ
ッタ電極(E)に接続される。このとき、図示しない抵
抗体の一端はコレクタ電極(C)に接続され、他端はベ
−ス領域若しくはエミッタ領域に接続される。但し、抵
抗体の最も外側の部分(図4では抵抗体17´に相当)
は、第1実施例乃至第三実施例の如く形成しても、第4
実施例の如くその下の絶縁膜の膜厚を薄く形成してもい
ずれでも構わない。
説明する。本実施例はN−IGBTに適用したものであ
る。但し、同図は図5と同様に模式的に示している。P
+ 型拡散層61はコレクタ電極(C)、抵抗体17´は
ゲ−ト電極(G)、第三拡散層41はエミッタ電極
(E)に接続される。このとき図示しない抵抗体17の
一端はコレクタ電極(C)に接続され、他端はゲ−ト電
極(G)若しくはエミッタ電極(E)に接続される。
1に形成されたN+ 型第一拡散層12及びP+ 型第二拡
散層13に逆バイアスを印加した場合であるが、図7に
示す場合にも適用できる。
1に形成されダイオ−ドを構成するP+ 型第一拡散層7
2及びN+ 型第二拡散層73と、該基板表面に形成され
た絶縁膜74と、第一拡散層72と接続しかつ第二拡散
層73上を通過する第一配線層75と、絶縁膜74内に
第一配線層75下を横切るように形成され多結晶シリコ
ンからなる抵抗体77とからなる半導体装置である。こ
の場合においても第1実施例と同様に、抵抗体77は第
一配線層75下を一回以上、例えば8回交差しておりか
つ連続して形成され、その両端は第一拡散層72及び第
二拡散層73の電位に設定されている。第一拡散層72
が低電圧側、第二拡散層73が高電圧側となるように電
圧を印加すると、抵抗体77は低電位の第一拡散層72
側から高電位の第二拡散層73側に向かい電位が序々に
高くなる(同図(b))。半導体基板71と第一配線層
72との間には抵抗体77により遮蔽された効果が生じ
る。従って、第一配線層75が他電位第二拡散層73上
を通過する際に生じる電界集中を避けることができる。
が、第2実施例乃至第4実施例に示した抵抗体は、図7
のようなN- 型半導体基板71に形成されたP+ 型第一
拡散層72及びN+ 型第二拡散層73とを有する半導体
装置に第一拡散層72が低電圧側また第二拡散層73が
高電圧側となるように電圧を印加した場合にも適用でき
る。つまり、本発明による抵抗体は、配線層が異なる電
位を有する拡散層上を通過する場合すべてに適用可能で
ある。
に両端が接続されると共にできる限り長く形成された抵
抗体を高圧配線層下に配置する。このような形状の抵抗
体とすることにより、通常用いられる多結晶ポリシリコ
ンを用いて形成することができる。更に、逆順に形成さ
れたダイオ−ドを有する抵抗体とすることにより、抵抗
体の抵抗値を高めることができる。また、上記抵抗体の
電位は半導体基板の不純物濃度及び印加電圧等の影響を
受けないため、複雑な電界計算等の最適化設計を必要と
しない。従って、異なる電位を有する領域上を通過する
高圧配線を容易に形成することが可能である。
(a)のXX´断面を示す断面図(b)、(a)のYY
´断面を示す断面図(c)、(b)における抵抗体の電
位を示すグラフ図(d)である。
(a)のZZ´断面を示す断面図(b)である。
び(a)に示された直列ダイオ−ド群を模式的に示した
図(b)である。
S(DMOS)を示す断面図(a)及び(a)を更に模
式的に示した断面図(b)である。
ランジスタを模式的に示した断面図である。
的に示した断面図である。
び(a)中の抵抗体の電位を示すグラフ図(b)であ
る。
をかけた場合の電界分布を示す断面図である。
層上を通る場合の電界分布を示す断面図(a)、(a)
中の半導体基板の電位を示すグラフ図(b)である。
第二拡散層の導電型が逆転した場合を示す断面図であ
る。
布を示す断面図である。
分布を示す断面図である。
電界分布を示す断面図(a)及び平面図(b)である。
層 14…絶縁膜、15…第一配線層、16…第二配線層、
17…抵抗体 18…第一コンタクト部、19…第二コンタクト部。
Claims (5)
- 【請求項1】 一導電型の半導体基板と、該半導体基板
に形成され少なくとも一方は反対導電型を有する二つの
半導体領域と、上記半導体基板上に形成された絶縁膜
と、該絶縁膜中に設けられ上記二つの半導体領域に接続
された半導体抵抗層と、上記絶縁膜上に形成され上記一
方の半導体領域に接続されると共に、上記他方の半導体
領域上を通過するように設けられた配線層とを備え、上
記半導体抵抗層は上記配線層下を一回以上横切るように
配置されることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 上記半導体抵抗層は、上記一方の半導体
領域の周囲を渦巻状に形成されることを特徴とする請求
項1記載の半導体装置。 - 【請求項3】 上記半導体抵抗層は、多結晶シリコンか
らなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項4】 上記半導体抵抗層は、多結晶シリコンか
らなるダイオ−ドが複数個直列に接続されダイオ−ド群
であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項5】 一導電型の半導体基板と、該半導体基板
に形成され第一の電位の電位を有する一導電型の第一の
半導体領域と、上記半導体基板に形成され第二の電位を
有する反対導電型の第二の半導体領域と、上記第二の半
導体領域に形成され第三の電位を有する一導電型の第三
の半導体領域と、上記半導体基板上に形成された絶縁膜
と、該絶縁膜中に設けられた半導体抵抗層と、上記絶縁
膜上に形成され上記第一の半導体領域に接続されると共
に、上記第二の半導体領域上を通過するように設けられ
た配線層とを備え、上記半導体抵抗層の一端は上記第一
の電位に設定されると共に上記半導体抵抗層の他端は上
記第三の電位に近い電位に設定され、かつ上記半導体抵
抗層は上記配線層下を一回以上横切るように配置される
ことを特徴とする半導体装置。
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