JP5410133B2 - Semiconductor device and control method thereof - Google Patents
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Description
この発明は、半導体装置およびその制御方法に関し、特にトレンチゲート構造の半導体装置およびその制御方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a control method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a trench gate structure and a control method thereof.
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)は、表面構造にトレンチゲート構造を採用することにより、従来に比べて低損失化を実現することができる。 An insulated gate bipolar transistor (IGBT) can achieve a lower loss than the conventional one by adopting a trench gate structure as a surface structure.
図7は、従来のトレンチゲート構造の半導体装置を模式的に示す断面図である。図7に示す半導体装置2000のおもて面には、n-ドリフト領域101となる半導体基板1000の表面に、p型半導体領域104が設けられている。p型半導体領域104の表面には、n型エミッタ領域105が選択的に設けられている。また、n型エミッタ領域105およびp型半導体領域104を貫通し、n-ドリフト領域101まで達するトレンチ106が設けられている。トレンチ106の内部には、ゲート絶縁膜107を介してゲート電極108が設けられている。
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a conventional semiconductor device having a trench gate structure. On the front surface of the
p型半導体領域104は、トレンチ106により分離され、n型エミッタ領域105が設けられた固定電位領域102と、n型エミッタ領域105が設けられていない浮遊電位領域103とが交互に繰り返し形成された構成となっている。トレンチ106および浮遊電位領域103の表面には、層間絶縁膜109が設けられている。エミッタ電極110は、半導体装置2000のおもて面に、n型エミッタ領域105および固定電位領域102と接するように設けられている。固定電位領域102は、チャネル形成領域である。浮遊電位領域103は、エミッタ電極110と電気的に絶縁されている。
The p-
半導体装置2000の裏面には、半導体基板1000の表面に、n型フィールドストップ領域111が設けられている。n型フィールドストップ領域111の表面には、p型コレクタ領域112が設けられている。p型コレクタ領域112の表面には、コレクタ電極113が設けられている。半導体装置2000では、半導体装置2000のオン状態時、p型コレクタ領域112から注入される正孔が浮遊電位領域103に蓄積されることによって、半導体装置2000のオン電圧が低減する。
On the back surface of the
図8は、従来のダミートレンチを有する半導体装置を模式的に示す断面図である。図8に示す半導体装置2100において、浮遊電位領域103の表面の一部には、n型エミッタ領域105に接しないトレンチ(以下、ダミートレンチとする)114が設けられている。ダミートレンチ114の内部に絶縁膜(以下、ダミーゲート絶縁膜とする)115を介して設けられた電極(以下、ダミーゲート電極とする)116は、電気的に浮遊している。その他の構成は、半導体装置2000と同様である。半導体装置2100では、ダミートレンチ114により浮遊電位領域103を複数の領域に分離することで、トレンチ106近傍の電界集中が緩和され、半導体装置2000に比べて耐圧が向上する。また、浮遊電位領域103に蓄積された正孔が排出されにくくなり、導通損失が低減し、半導体装置2000に比べてオン電圧が低減する。
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device having a conventional dummy trench. In the semiconductor device 2100 illustrated in FIG. 8, a trench 114 (hereinafter referred to as a dummy trench) that does not contact the n-
また、ダミートレンチを有する別の半導体装置として、次に示すような装置が提案されている。高抵抗の第1導電型ベース層と、この第1導電型ベース層の表面に形成された第2導電型ベース層と、平面パターンが閉じた帯状パターンを有し、かつ前記第2導電型ベース層の表面から前記第1導電型ベース層に達する深さの溝(以下、トレンチ溝とする)内に、ゲート絶縁膜を介して埋め込み形成されたゲート電極と、前記平面パターンが閉じた帯状パターンの部分の溝で囲まれた領域の前記第2導電型ベース層の表面に、該溝に接して選択的に形成された第1導電型エミッタ層と、この第1導電型エミッタ層および前記溝で囲まれた領域の前記第2導電型ベース層に設けられた第1の主電極と、前記第2導電型ベース層と反対側の前記第1導電型ベース層の表面に形成された第2導電型エミッタ層と、この第2導電型エミッタ層に設けられた第2の主電極とを有している。この半導体装置では、複数のトレンチ溝を形成している。さらに、これらトレンチ溝のうち、素子端部のトレンチ溝の平面パターンは梯子パターン、他のトレンチ溝の平面パターンはストライプパターンである。平面パターンがストライプパターンのトレンチ溝に接する部分のp型ベース層の表面には、n型エミッタ層は形成されていない。また、この部分のp型ベース層は、層間絶縁膜によりカソード電極と絶縁されている(例えば、下記特許文献1参照。)。 As another semiconductor device having a dummy trench, the following device has been proposed. A high-resistance first conductivity type base layer, a second conductivity type base layer formed on the surface of the first conductivity type base layer, a band-like pattern with a closed planar pattern, and the second conductivity type base A gate electrode embedded through a gate insulating film in a groove having a depth reaching the first conductivity type base layer from the surface of the layer (hereinafter referred to as a trench groove), and a band-like pattern in which the planar pattern is closed A first conductivity type emitter layer selectively formed on and in contact with the groove on the surface of the second conductivity type base layer in a region surrounded by the groove, and the first conductivity type emitter layer and the groove And a second main electrode formed on the surface of the first conductivity type base layer opposite to the second conductivity type base layer. Conductive emitter layer and the second conductive emitter layer Second and a main electrode. In this semiconductor device, a plurality of trench grooves are formed. Further, among these trench grooves, the planar pattern of the trench groove at the end of the element is a ladder pattern, and the planar pattern of the other trench grooves is a stripe pattern. The n-type emitter layer is not formed on the surface of the p-type base layer where the planar pattern is in contact with the trench groove of the stripe pattern. In addition, the p-type base layer in this portion is insulated from the cathode electrode by an interlayer insulating film (see, for example, Patent Document 1 below).
また、ダミートレンチを有する別の半導体装置として、n-層と、n-層の第1の主表面に垂直方向に形成するゲート電極と、ゲート電極間に配置されるpベース層と、pベース層内に配置されるnエミッタ領域及びバックゲート領域と、n-層の第2の主表面に配置されるpコレクタ領域と、ゲート電極間のpベース層を配置しないn-層においてゲート電極と同程度か若しくは深い深さまで形成されたp領域と、p領域内において第1の主表面に対して垂直方向に配置され、ダミートレンチ内埋め込み材と絶縁膜とからなるダミートレンチゲートと、ゲート電極とエミッタ領域、ベース層、n-層との界面に形成されたゲート絶縁膜と、エミッタ領域及びバックゲート領域と電気的に接触するエミッタ電極と、コレクタ領域と電気的に接触するコレクタ電極とを備える半導体装置が提案されている(例えば、下記特許文献2参照。)。 As another semiconductor device having a dummy trench, an n − layer, a gate electrode formed in a direction perpendicular to the first main surface of the n − layer, a p base layer disposed between the gate electrodes, and a p base and n emitter region and the back gate region arranged in layers, n - and the gate electrode in the layer - and p collector region arranged on the second main surface of the layer, n without arranging the p base layer between the gate electrode A p region formed to the same or deeper depth, a dummy trench gate which is disposed in a direction perpendicular to the first main surface in the p region and is made of a dummy trench filling material and an insulating film, and a gate electrode A gate insulating film formed at the interface between the emitter region, the base layer and the n − layer, an emitter electrode in electrical contact with the emitter region and the back gate region, and an electrical contact with the collector region. A semiconductor device including a collector electrode is proposed (for example, see Patent Document 2 below).
また、低オン電圧を実現する別の半導体装置として、次に示すような装置が提案されている。第1導電型エミッタ層と、この第1導電型エミッタ層に接して形成された第2導電型ベース層と、この第2導電型ベース層に接して形成された第1導電型ベース層と、この第1導電型ベース層内に前記第2導電型ベース層に達する深さに形成された溝にゲート絶縁膜を介して埋め込み形成されたゲート電極と、前記溝の側面に接するように前記第1導電型ベース層の表面に選択的に形成された第2導電型ソース層と、前記第2導電型ソース層、前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ベース層、前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極とで構成された第1のMOSトランジスタとは異なる場所に設けられ、且つ前記ゲート電極が前記第1導電型エミッタ層のゲート電極と共通であって、前記第1導電型エミッタ層の多数キャリアと同極性のキャリアを、素子外に排出するための第2のMOSトランジスタと、前記第1導電型エミッタ層に設けられた第1の主電極と、前記第1導電型ベース層および前記第2導電型ソース層にコンタクトする第2の主電極とを具備している。半導体装置のターンオン時、第2のMOSトランジスタのゲートに正または0Vの電圧を与えてオフ状態にし、半導体装置内の正孔が排出されないようにすることで、半導体装置内に正孔を蓄積し、低オン電圧を実現している(例えば、下記特許文献3参照。)。
Further, as another semiconductor device that realizes a low on-state voltage, the following device has been proposed. A first conductivity type emitter layer; a second conductivity type base layer formed in contact with the first conductivity type emitter layer; a first conductivity type base layer formed in contact with the second conductivity type base layer; A gate electrode embedded in a groove formed at a depth reaching the second conductivity type base layer in the first conductivity type base layer via a gate insulating film, and the first electrode so as to be in contact with a side surface of the groove A second conductivity type source layer selectively formed on a surface of the one conductivity type base layer; the second conductivity type source layer; the first conductivity type base layer; the second conductivity type base layer; and the gate insulating film. And the first MOS transistor composed of the gate electrode, the gate electrode is common to the gate electrode of the first conductivity type emitter layer, and the first conductivity type emitter layer. Of the same polarity as the majority carrier A second MOS transistor for discharging the carrier out of the device, a first main electrode provided in the first conductivity type emitter layer, the first conductivity type base layer, and the second conductivity type source layer A second main electrode in contact with the second main electrode. When the semiconductor device is turned on, positive or 0V voltage is applied to the gate of the second MOS transistor to turn it off, so that holes in the semiconductor device are not discharged, so that holes are accumulated in the semiconductor device. A low on-state voltage is realized (for example, see
図6は、従来のダミートレンチを有する半導体装置の電流−電圧特性を示す特性図である。半導体装置2100のダミーゲート電極116に電荷が蓄積された場合の、半導体装置2100の耐圧変動を示すシミュレーション結果を示している。ダミーゲート電極116に−1×10-14〜−1×10-12Cの負電荷が蓄積された場合、ダミーゲート電極116に電荷が蓄積されていない(0C)場合と比べて、半導体装置2100の耐圧は高くなっている。これに対して、ダミーゲート電極116に+1×10-14および+1×10-13Cの正電荷(正孔)が蓄積された場合、半導体装置2100の耐圧は、ダミーゲート電極116に電荷が蓄積されていない場合と比べて大きく低下している。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing current-voltage characteristics of a semiconductor device having a conventional dummy trench. A simulation result showing fluctuation in the breakdown voltage of the semiconductor device 2100 when charges are accumulated in the
半導体装置2100では、ダミーゲート電極116が電気的に浮遊していることにより、ダミーゲート電極116に蓄積された電荷は解放されにくい。そのため、ダミーゲート電極116に正孔が蓄積された場合に、図6に示すように、半導体装置2100の耐圧が大きく低下してしまうという問題が生じる。ダミーゲート電極が他の電極と接続されている構成の半導体装置では、このような問題は生じないが、ダミーゲート電極がゲート電極と接続されている場合、ゲート容量が大きくなってしまうため、半導体装置の動作速度が遅くなってしまう。また、ダミーゲート電極がエミッタ電極と接続されている場合、半導体装置のスイッチング動作が、半導体装置に流れる電流を強制的に遮断したり、半導体装置に印加された電圧を急激に変化させたりするなどのハードスイッチング動作となってしまい、半導体装置自体や半導体装置が設置される回路に負荷がかかりすぎてしまう。
In the semiconductor device 2100, the charge accumulated in the
また、上述した問題の他に、半導体装置2100では、ダミーゲート電極116が電気的に浮遊していることでダミーゲート絶縁膜115に電圧をかけることができない。そのため、例えば特開2005−150426号公報において提案されている双方向ツェナー特性を利用した静特性試験(以下、ゲートショック試験とする)を行い、トレンチが中断していたり、トレンチが浅すぎたりするなどのトレンチ形成不良をウエハ段階で検出し判別することが難しくなってしまうという問題がある。半導体装置にトレンチ形成不良が存在する場合、所望の電気的特性を得られない可能性があり、この半導体装置とともに組み込まれた他の部品のコストや組み立てに要したコストが無駄になるという問題点や、製品の歩留まりや信頼性が低下するという問題が生じる。
In addition to the above-described problems, in the semiconductor device 2100, the dummy gate
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、半導体装置の耐圧を向上させることができる半導体装置およびその制御方法を提供することを目的とする。また、この発明は、歩留まりや信頼性を向上させることができる半導体装置およびその制御方法を提供することを目的とする。また、コストを低減させることができる半導体装置およびその制御方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a control method thereof that can improve the breakdown voltage of the semiconductor device in order to solve the above-described problems caused by the prior art. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device and a control method thereof that can improve yield and reliability. It is another object of the present invention to provide a semiconductor device and a control method thereof that can reduce costs.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面に設けられた第2導電型の第2の半導体領域と、前記第2の半導体領域の表面の一部に設けられた第1導電型の第3の半導体領域と、前記第3の半導体領域に接し、前記第2の半導体領域を貫通し、前記第1の半導体領域に達するように設けられた第1のトレンチと、前記第1のトレンチの中に第1の絶縁膜を介して設けられた第1の電極と、前記第3の半導体領域に接する第2の電極と、前記第1のトレンチにより分離された前記第2の半導体領域の浮遊電位領域を貫通し、該浮遊電位領域を分離するように設けられた第2のトレンチと、前記第2のトレンチの中に第2の絶縁膜を介して設けられた浮遊電位の第3の電極と、前記第3の電極を、前記第3の電極よりも電位の低い導電領域に短絡させるスイッチと、を有することを特徴とする。 To solve the above problems and achieve an object, a semiconductor device according to this invention includes a first semiconductor region of a first conductivity type, a second conductivity type provided in the surface of said first semiconductor region A second semiconductor region, a third semiconductor region of a first conductivity type provided in a part of the surface of the second semiconductor region, and the second semiconductor region in contact with the third semiconductor region A first trench provided so as to penetrate the first semiconductor region, a first electrode provided in the first trench via a first insulating film, and the first trench A second electrode which is in contact with the third semiconductor region and a floating potential region of the second semiconductor region separated by the first trench, and is provided so as to separate the floating potential region A trench, and a second insulating film provided in the second trench. A third electrode of the floating potential was, the third electrode, and having a, a switch for shorting the low conductivity region potential than the third electrode.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記スイッチによって前記第3の電極と前記導電領域とを短絡させることにより、前記第3の電極に蓄積された正孔を外部装置へ排出することを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記スイッチは、前記第1の半導体領域を有する半導体基板上に一体的に形成されていることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention, the holes accumulated in the third electrode are discharged to an external device by short-circuiting the third electrode and the conductive region by the switch. It is characterized by doing. Further, the semiconductor device according to this invention, in the invention described above, the switch is characterized in that it is integrally formed on a semiconductor substrate having a first semiconductor region.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記スイッチは、前記第2のトレンチ内に設けられていることを特徴とする。 In the invention a semiconductor device according to this, in the invention described above, the switch is characterized in that provided within the second trench.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記導電領域は、前記第1の電極または前記第2の電極であることを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention is the invention described above, the conductive region, wherein said a first electrode or the second electrode.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記スイッチを、外部の前記導電領域に接続させる外部接続部を備えていることを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention is the invention described above, the switch, characterized in that an external connecting portion to be connected to the conductive area of the external.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記スイッチは、前記第1の電極の動作に同期して動作することを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to this invention, in the invention described above, the switch is characterized in that operate in synchronization with the operation of the first electrode.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記スイッチは、前記第1の電極のオフ動作に同期してオンになることを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention is the invention described above, the switch is characterized in that turns on in synchronization with the OFF operation of the first electrode.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記スイッチは、前記第2の電極と前記第3の電極の電位差が、予め設定された値以上になったときに動作することを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to this invention, in the invention described above, the switch, the potential difference of the second electrode and the third electrode is operative when it is more than a preset value Features.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記スイッチは、予め設定した周期に同期して動作することを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention is the invention described above, the switch, characterized in that it operates in synchronization with the period set in advance.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記スイッチには、MOSFETが用いられていることを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention is the invention described above, the switch is characterized in that the MOSFET is used.
また、この発明にかかる半導体装置は、第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面に設けられた第2導電型の第2の半導体領域と、前記第2の半導体領域の表面の一部に設けられた第1導電型の第3の半導体領域と、前記第3の半導体領域に接し、前記第2の半導体領域を貫通し、前記第1の半導体領域に達するように設けられた第1のトレンチと、前記第1のトレンチの中に第1の絶縁膜を介して設けられた第1の電極と、前記第3の半導体領域に接する第2の電極と、前記第1のトレンチにより分離された前記第2の半導体領域の浮遊電位領域を貫通し、該浮遊電位領域を分離するように設けられた第2のトレンチと、前記第2のトレンチの中に第2の絶縁膜を介して設けられた浮遊電位の第3の電極と、前記第3の電極よりも電位の低い導電領域に短絡させる外部のスイッチに、前記第3の電極を電気的に接続可能な外部接続部と、を備えることを特徴とする。 The semiconductor device includes a first semiconductor region of a first conductivity type, said second semiconductor region of a second conductivity type provided in the surface of the first semiconductor region, the second according to this invention A third semiconductor region of a first conductivity type provided in a part of the surface of the semiconductor region, and in contact with the third semiconductor region, through the second semiconductor region, and into the first semiconductor region A first trench provided to reach the first trench, a first electrode provided in the first trench via a first insulating film, and a second electrode in contact with the third semiconductor region, A second trench provided so as to penetrate the floating potential region of the second semiconductor region separated by the first trench and to isolate the floating potential region; and in the second trench a third electrode at a floating potential, which is provided through the second insulating film, the third Outside of the switch for short-circuiting the low conductivity region potential than the electrode, and wherein the obtaining Bei electrically connectable external connection portion, the said third electrode.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記スイッチによって前記第3の電極と前記導電領域とを短絡させることにより、前記第3の電極に蓄積された正孔を外部装置へ排出することを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記外部接続部はパッドを備えていることを特徴とする。 In the semiconductor device according to the present invention, the holes accumulated in the third electrode are discharged to an external device by short-circuiting the third electrode and the conductive region by the switch. It is characterized by doing. The semiconductor device according to this invention is the invention described above, the external connection section is characterized in that it comprises pads.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1のトレンチと前記第2のトレンチは、同じ大きさであることを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention is the invention described above, the first trench and the second trench, characterized in that it is the same size.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1のトレンチと前記第2のトレンチは、同一の構造を有することを特徴とする。 The semiconductor device according to this invention is the invention described above, the first trench and the second trench, characterized in that it has the same structure.
また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記浮遊電位領域は、前記第2のトレンチにより、同じ幅を有する複数の領域に分離されることを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to this invention, in the invention described above, the floating potential region, by the second trench, characterized in that it is separated into a plurality of regions having the same width.
また、この発明にかかる半導体装置の制御方法は、第1導電型の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の表面に設けられた第2導電型の第2の半導体領域と、前記第2の半導体領域の表面の一部に設けられた第1導電型の第3の半導体領域と、前記第3の半導体領域に接し、前記第2の半導体領域を貫通し、前記第1の半導体領域に達するように設けられた第1のトレンチと、前記第1のトレンチの中に第1の絶縁膜を介して設けられた第1の電極と、前記第3の半導体領域に接する第2の電極と、前記第1のトレンチにより分離された前記第2の半導体領域の浮遊電位領域を貫通し、該浮遊電位領域を分離するように設けられた第2のトレンチと、前記第2のトレンチの中に第2の絶縁膜を介して設けられた浮遊電位の第3の電極と、を有する半導体装置の制御方法であって、前記第3の電極を、浮遊電位の第1の状態と、前記第3の電極よりも電位の低い導電領域に短絡させた第2の状態とに切り替えることを特徴とする。 A control method of a semiconductor device according to this invention includes a first semiconductor region of a first conductivity type, said second semiconductor region of a second conductivity type provided in the surface of the first semiconductor region, A third semiconductor region of a first conductivity type provided in a part of a surface of the second semiconductor region; and a contact with the third semiconductor region; the second semiconductor region; A first trench provided to reach the semiconductor region; a first electrode provided in the first trench through a first insulating film; and a second electrode in contact with the third semiconductor region. A second trench provided so as to penetrate the floating potential region of the second semiconductor region separated by the first trench and to isolate the floating potential region, and the second trench A third electrode having a floating potential provided through the second insulating film, A control method of a semiconductor device having a switch wherein a third electrode, and the first state of floating potential, and a second state of being short-circuited to the low conductivity region potential than said third electrode It is characterized by that.
また、この発明にかかる半導体装置の制御方法は、上述した発明において、前記第1の状態と前記第2の状態とを切り替えることにより、前記第3の電極に蓄積された正孔を外部装置へ排出することを特徴とする。また、この発明にかかる半導体装置の制御方法は、上述した発明において、前記導電領域は、前記第1の電極または前記第2の電極であることを特徴とする。 According to the method for controlling a semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the holes accumulated in the third electrode are transferred to an external device by switching between the first state and the second state. It is characterized by discharging. A control method of a semiconductor device according to this invention is the invention described above, the conductive region, wherein said a first electrode or the second electrode.
また、この発明にかかる半導体装置の制御方法は、上述した発明において、前記導電領域は、半導体基板の外部に設けられた第4の電極であることを特徴とする。 The control method of a semiconductor device according to the invention of this, in the invention described above, the conductive region is characterized by a fourth electrode provided on the outside of the semiconductor substrate.
また、この発明にかかる半導体装置の制御方法は、上述した発明において、前記第1の状態と前記第2の状態とは、前記第1の電極の動作に同期して切り替わることを特徴とする。 A control method of a semiconductor device according to this invention is the invention described above, wherein the first state and the second state, characterized in that switched in synchronization with the operation of the first electrode .
また、この発明にかかる半導体装置の制御方法は、上述した発明において、前記第1の状態と前記第2の状態とは、前記第1の電極のオフ動作に同期して切り替わることを特徴とする。 A control method of a semiconductor device according to this invention is the invention described above, the first state and said second state, and wherein the switched in synchronism with the off operation of the first electrode To do.
また、この発明にかかる半導体装置の制御方法は、上述した発明において、前記第1の状態と前記第2の状態とは、前記第2の電極と前記第3の電極の電位差が、予め設定された値以上になったときに切り替わることを特徴とする。 A control method of a semiconductor device according to this invention is the invention described above, wherein the first state and the second state, the potential difference between the second electrode and the third electrode is preset It changes when it becomes more than the value which was done.
また、この発明にかかる半導体装置の制御方法は、上述した発明において、前記第1の状態と前記第2の状態とは、予め設定した周期に同期して切り替わることを特徴とする。 A control method of a semiconductor device according to this invention is the invention described above, wherein the first state and the second state, and wherein the switched in synchronism with the period set in advance.
上述した発明によれば、第3の電極と他の導電領域とを電気的に接続するスイッチを動作させて、第3の電極を半導体装置内の他の導電領域や外部装置の導電領域に電気的に接続することにより、第3の電極に蓄積された電荷を解放することができる。また、スイッチを所望のタイミングで動作させることにより、スイッチのオフ時には、第3の電極を電気的に浮遊している状態にすることができ、第1のトレンチ近傍の電界集中を緩和することができる。また、第3の電極を電気的に浮遊している状態とすることで、第3の電極がゲート電極またはエミッタ電極と常時接続されていることで生じる、半導体装置の動作速度が遅くなってしまう問題や、ハードスイッチング動作となってしまう問題を回避することができる。また、このようなスイッチを設け、スイッチを動作させることで、第3の電極を電気的に固定された他の導電領域と接続することができるため、第3の電極を電気的に固定された状態にすることができる。第3の電極を電気的に固定された状態にすることによって、第3の電極および第2の絶縁膜に電圧をかけることができるため、例えばゲートショック試験などの静特性試験を行うことができる。 According to the above-described invention, the switch that electrically connects the third electrode and the other conductive region is operated to electrically connect the third electrode to the other conductive region in the semiconductor device or the conductive region of the external device. Thus, the charge accumulated in the third electrode can be released. Further, by operating the switch at a desired timing, the third electrode can be in an electrically floating state when the switch is turned off, and the electric field concentration in the vicinity of the first trench can be reduced. it can. In addition, when the third electrode is in an electrically floating state, the operation speed of the semiconductor device, which is generated when the third electrode is always connected to the gate electrode or the emitter electrode, is slowed down. Problems and hard switching operations can be avoided. Further, by providing such a switch and operating the switch, the third electrode can be connected to another electrically conductive region that is electrically fixed. Therefore, the third electrode is electrically fixed. Can be in a state. Since the voltage can be applied to the third electrode and the second insulating film by making the third electrode electrically fixed, a static characteristic test such as a gate shock test can be performed. .
本発明にかかる半導体装置およびその制御方法によれば、半導体装置の耐圧を向上させることができるという効果を奏する。また、半導体装置の歩留まりや信頼性を向上させることができるという効果を奏する。また、コストを低減させることができるという効果を奏する。 According to the semiconductor device and the control method thereof according to the present invention, there is an effect that the breakdown voltage of the semiconductor device can be improved. In addition, the yield and reliability of the semiconductor device can be improved. Moreover, there exists an effect that cost can be reduced.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、各実施の形態の説明およびすべての添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region where it is not attached. Note that, in the description of each embodiment and all the attached drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1にかかる半導体装置を示す断面図である。図1に示す半導体装置200のおもて面には、n-ドリフト領域1となる半導体基板100の表面に、均一な厚さのp型半導体領域4が設けられている。p型半導体領域4の表面には、n型エミッタ領域5が選択的に設けられている。n-ドリフト領域1は、第1の半導体領域に相当する。p型半導体領域4は、第2の半導体領域に相当する。n型エミッタ領域5は、第3の半導体領域に相当する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. On the front surface of the
n型エミッタ領域5およびp型半導体領域4を貫通し、n-ドリフト領域1まで達するトレンチ6が設けられている。トレンチ6の内部には、ゲート絶縁膜7を介してゲート電極8が設けられている。トレンチ6は、第1のトレンチに相当する。ゲート絶縁膜7は、第1の絶縁膜に相当する。ゲート電極8は、第1の電極に相当する。
A
p型半導体領域4は、トレンチ6によって、n型エミッタ領域5が設けられた固定電位領域2と、n型エミッタ領域5が設けられていない浮遊電位領域3に分離されている。トレンチ6の一方の側面に固定電位領域2が接し、他方の側面に浮遊電位領域3が接する。
The p-
浮遊電位領域3を貫通しn-ドリフト領域1まで達するトレンチ(以下、ダミートレンチとする)14が設けられている。ダミートレンチ14は、例えばトレンチ6と同じ大きさ、もしくはトレンチ6と同一の構成、またはその両方を満たすように形成されている。トレンチ6およびダミートレンチ14によって、浮遊電位領域3は例えば同じ幅を有する複数の領域に分離されている。例えば、浮遊電位領域3が3つの領域に分離されている場合、p型半導体領域4は、固定電位領域2、トレンチ6、浮遊電位領域3、ダミートレンチ14、浮遊電位領域3、ダミートレンチ14、浮遊電位領域3およびトレンチ6が、この順で繰り返し形成された構成となる。ダミートレンチ14は、第2のトレンチに相当する。
A trench (hereinafter referred to as a dummy trench) 14 that penetrates the floating
ダミートレンチ14の内部には、電気的に浮遊する電極(以下、ダミーゲート電極とする)16が絶縁膜(以下、ダミーゲート絶縁膜とする)15を介して設けられている。ダミーゲート電極16の上には、ダミーゲート電極16の表面の一部に接し、ダミーゲート電極16と、ダミーゲート電極16と異なる電位を有する領域とを短絡させるスイッチ(以下、短絡用スイッチとする)20が設けられている。ダミーゲート絶縁膜15は、第2の絶縁膜に相当する。ダミーゲート電極16は、第3の電極に相当する。
An electrically floating electrode (hereinafter referred to as a dummy gate electrode) 16 is provided inside the
エミッタ電極10は、半導体装置200のおもて面に、n型エミッタ領域5および固定電位領域2と接するように設けられている。浮遊電位領域3、トレンチ6およびダミートレンチ14の表面には層間絶縁膜9が設けられている。層間絶縁膜9により、浮遊電位領域3はエミッタ電極10から電気的に絶縁されている。固定電位領域2は、チャネル形成領域である。エミッタ電極10は、第2の電極に相当する。
半導体装置200の裏面には、半導体基板100の表面に、n型フィールドストップ領域11が設けられている。n型フィールドストップ領域11の表面には、p型コレクタ領域12が設けられている。p型コレクタ領域12の表面には、コレクタ電極13が設けられている。
An n-type
短絡用スイッチ20は、例えばMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)構造を有する。このMOSFETは、ゲート電極(以下、短絡用ゲート電極とする)21、ドレイン電極(以下、短絡用ドレイン電極とする)22、ソース領域(以下、短絡用ソース領域とする)23、ウェル領域(以下、短絡用ウェル領域とする)24およびドレイン領域(以下、短絡用ドレイン領域とする)25で構成されている。短絡用スイッチ20は、ダミーゲート絶縁膜15の、ダミーゲート電極16の上の部分の内部に、例えばダミートレンチ14ごとに設けられている。
The shorting
短絡用スイッチ20では、短絡用ソース領域23は、ダミーゲート電極16に接して設けられている。短絡用ドレイン領域25は、短絡用ウェル領域24を介して、短絡用ソース領域23から離れて設けられている。短絡用ドレイン電極22は、短絡用ドレイン領域25に接して設けられている。短絡用ゲート電極21は、短絡用ソース領域23と短絡用ドレイン電極22との間の短絡用ウェル領域24に臨んで設けられている。短絡用ゲート電極21は、ダミーゲート絶縁膜15により、ダミーゲート電極16、短絡用ドレイン電極22および短絡用ウェル領域24と絶縁されている。短絡用ゲート電極21および短絡用ドレイン電極22は、例えばダミーゲート絶縁膜15に設けられた図示省略するコンタクト領域を介して例えばパッドに接続され、パッドから引き出された配線により半導体装置200の外部に設けられた図示省略する外部装置に接続されている。このパッドが、外部接続部に相当する。
In the shorting
このような半導体装置200では、外部装置の動作に同期して短絡用スイッチ20が動作する。短絡用スイッチ20が導通することにより、例えばダミーゲート電極16が短絡用スイッチ20を介して外部装置に電気的に接続されるので、ダミーゲート電極16に蓄積された正孔は短絡用スイッチ20を経由して外部装置へ解放される。ダミーゲート電極16が浮遊電位を有する状態が、第1の状態に相当する。ダミーゲート電極16が外部装置に電気的に接続されている状態が、第2の状態に相当する。短絡用スイッチ20のオン動作により、第1の状態と第2の状態とに切り替えられる。
In such a
短絡用スイッチ20のオン動作を、外部装置にタイマーを備えて周期的に行っても良い。また、短絡用スイッチ20のオン動作を、半導体装置200のゲート電極8の例えばオフ動作に同期させても良い。また、ダミーゲート電極16の電位を検知し、例えばエミッタ電極10とダミーゲート電極16との電位差が予め外部装置に設定した値以上になったときに、短絡用スイッチ20をオンさせても良い。また、上述した短絡用スイッチ20のオン動作を2つ以上組み合わせて行っても良い。
The on-operation of the short-
以上、説明したように、実施の形態1によれば、短絡用スイッチ20を導通させて、ダミーゲート電極16を外部装置の導電領域に電気的に接続することにより、ダミーゲート電極16に蓄積された電荷を外部装置に解放することができる。また、短絡用スイッチ20を所望のタイミングで導通させることにより、短絡用スイッチ20のオフ時には、ダミーゲート電極16を電気的に浮遊している状態にすることができる。これにより、トレンチ6近傍の電界集中を緩和することができ、半導体装置200の耐圧を向上させることができる。また、ダミーゲート電極16を電気的に浮遊している状態とすることで、ダミーゲート電極がゲート電極またはエミッタ電極と常時接続されていることで生じる、半導体装置の動作速度が遅くなってしまう問題や、ハードスイッチング動作となってしまう問題を回避することができる。また、短絡用スイッチ20を設け、短絡用スイッチ20を導通させることで、ダミーゲート電極16を電気的に固定された他の導電領域と接続することができるため、ダミーゲート電極16を電気的に固定された状態にすることができる。ダミーゲート電極16を電気的に固定された状態にすることによって、ダミーゲート電極16およびダミーゲート絶縁膜15に電圧をかけることができるため、例えばゲートショック試験などの静特性試験を行うことができる。これにより、半導体装置200の歩留まりや信頼性を向上させることができる。また、半導体装置200のコストを低減させることができる。
As described above, according to the first embodiment, the short-
(実施の形態2)
図2は、実施の形態2にかかる半導体装置を示す断面図である。図2に示す半導体装置210では、層間絶縁膜9の内部にコンタクト部26が設けられている。コンタクト部26は、短絡用ドレイン電極22とエミッタ電極10とを接続している。半導体装置210のその他の構成は、半導体装置200と同様である。短絡用スイッチ20のオン動作のタイミングは、実施の形態1と同様である。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment. In the
なお、コンタクト部26を、短絡用ドレイン電極22とゲート電極8とを接続するように設けた構成としても良い。
The
以上、説明したように、実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。 As described above, according to the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
(実施の形態3)
図3は、実施の形態3にかかる半導体装置を示す断面図である。図3に示す半導体装置220では、例えばトレンチ6とダミートレンチ14に挟まれた浮遊電位領域3の上の層間絶縁膜9の内部に、短絡用スイッチ20が設けられている。短絡用スイッチ20において、短絡用ウェル領域24は、浮遊電位領域3と離れて設けられている。短絡用ソース領域23および短絡用ドレイン領域25は、短絡用ウェル領域24を介して互いに離れて設けられている。短絡用ゲート電極21は、浮遊電位領域3と短絡用ウェル領域24の間に設けられ、層間絶縁膜9により浮遊電位領域3および短絡用ウェル領域24と絶縁されている。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a sectional view of the semiconductor device according to the third embodiment. In the semiconductor device 220 shown in FIG. 3, for example, a shorting
また、ゲート電極8と短絡用ドレイン領域25の間の、ゲート絶縁膜7および層間絶縁膜9の内部には、ゲート電極8および短絡用ドレイン領域25と接してコンタクト領域が設けられている。このコンタクト領域が、短絡用ドレイン電極(以下、短絡用ドレインコンタクト電極とする)28となっている。ダミーゲート電極16と短絡用ソース領域23の間の、ダミーゲート絶縁膜15および層間絶縁膜9の内部には、各ダミーゲート電極16および短絡用ソース領域23と接してコンタクト領域(以下、短絡用ソースコンタクト領域とする)27が設けられている。また、層間絶縁膜9の内部には、短絡用ゲート電極21と接して、例えば短絡用ゲート電極21の配線を半導体装置220の外部に引き出すパッドに接続するための図示省略するコンタクト領域が設けられている。半導体装置220のその他の構成は、半導体装置200と同様である。短絡用スイッチ20のオン動作のタイミングは、実施の形態1と同様である。
Further, a contact region is provided in contact with the
なお、短絡用ドレインコンタクト電極28となるコンタクト領域を、短絡用ドレイン領域25およびエミッタ電極10に接するように構成しても良い。また、短絡用ドレインコンタクト電極28を例えばパッドに接続して配線を引き出し、外部装置と接続しても良い。
The contact region that becomes the short-circuit
以上、説明したように、実施の形態3によれば、実施の形態1および実施の形態2と同様の効果を得ることができる。 As described above, according to the third embodiment, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained.
(実施の形態4)
図4は、実施の形態4にかかる半導体装置を示す平面図である。図4に示す半導体装置230では、半導体基板100上に、エミッタ電極などが形成されている活性領域31を囲むように耐圧構造部32が設けられている。活性領域31の断面構造は、実施の形態1に示す半導体装置(図1参照)の短絡用スイッチを設けていない構造と同様である。
(Embodiment 4)
FIG. 4 is a plan view of the semiconductor device according to the fourth embodiment. In the
短絡用スイッチは半導体装置230とは別の図示しない駆動回路集積装置に設けられている。半導体装置230の耐圧構造部32の外側の半導体基板100上には、半導体装置230のダミーゲート電極(図1参照)と外部の短絡用スイッチとを接続する例えばパッドなどを用いた接続部(以下、ダミーゲート電極接続部とする)37が設けられている。ダミーゲート電極接続部37は、外部接続部に相当する。
The shorting switch is provided in a driving circuit integrated device (not shown) different from the
このダミーゲート電極接続部37には、半導体装置230の全てのダミーゲート電極が例えば並列に接続されている。また、ダミーゲート電極接続部37は、半導体装置230のその他の接続部であるゲートパッド33、電流センスエミッタパッド34、温度センサーダイオードカソード35および温度センサーダイオードアノード36などと同様に配置されている。ダミーゲート電極接続部37から引き出された配線は、例えば短絡用スイッチのオン動作のタイミングを計るための図示しない外部装置に接続されている。
For example, all the dummy gate electrodes of the
短絡用スイッチに、半導体装置230のゲート電極またはエミッタ電極を接続して、短絡用スイッチのオン時に、ダミーゲート電極と、半導体装置230のゲート電極またはエミッタ電極とを電気的に短絡させる構成としても良い。また、半導体装置230のゲート電極またはエミッタ電極の代わりに、半導体装置230の外部に設けた別の半導体装置のゲート電極またはエミッタ電極を接続しても良い。半導体装置230の外部に設けた別の半導体装置のゲート電極またはエミッタ電極は、第4の電極に相当する。短絡用スイッチのオン動作のタイミングは、実施の形態1と同様である。また、短絡用スイッチとして、例えばMOSFETを用いても良い。
The gate electrode or emitter electrode of the
なお、ゲートパッド33には、半導体装置230のゲート電極が接続されている。電流センスエミッタパッド34には、n型エミッタ領域5の一部を分離して、その分離した一部のn型エミッタ領域5が接続され、半導体装置230内に流れる電流の一部を分流して検出できるようになっている。温度センサーダイオードカソード35および温度センサーダイオードアノード36には、半導体装置230の温度を測定するためのダイオードのカソードおよびアノードがそれぞれ接続されており、例えばこのダイオードに一定電流を流して順方向電圧を測定することにより、半導体装置230の温度変化を算出できるようにしている。電流や温度を検出する機構は、半導体装置230内に必ずしも設ける必要はない。
Note that the gate electrode of the
以上、説明したように、実施の形態4によれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、従来の半導体装置を作製する工程と同様に、ダミーゲート電極接続部37を設けることができる。
As described above, according to the fourth embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Further, the dummy gate
(実施の形態5)
図5は、実施の形態5にかかる半導体装置を示す平面図である。半導体装置230の耐圧構造部32の外側の半導体基板100上には、短絡用スイッチとしてMOSFET39およびMOSFET39のゲート電極が接続された短絡用ゲートパッド38が設けられている。半導体装置230の構成は、実施の形態4と同様である。MOSFET39のソース電極には、半導体装置230の全てのダミーゲート電極が接続されている。MOSFET39のドレイン電極には、半導体装置230のエミッタ電極またはゲート電極が接続されている。MOSFET39のゲート電極は短絡用ゲートパッド38に接続されている。短絡用ゲートパッド38から引き出された配線は、例えばMOSFET39のオン動作のタイミングを計るための外部装置に接続されている。MOSFET39のオン動作のタイミングは、実施の形態1の短絡用スイッチと同様である。
(Embodiment 5)
FIG. 5 is a plan view of the semiconductor device according to the fifth embodiment. On the
以上、説明したように、実施の形態5によれば、実施の形態1および実施の形態4と同様の効果を得ることができる。 As described above, according to the fifth embodiment, the same effects as those of the first and fourth embodiments can be obtained.
以上において本発明では、短絡用スイッチとして横型のMOSFETを用いているが、縦型のMOSFETやIGBTを用いても良い。 In the above description, the lateral MOSFET is used as the short-circuit switch in the present invention. However, a vertical MOSFET or IGBT may be used.
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、電力変換装置などに使用されるパワー半導体装置に有用である。 As described above, the semiconductor device according to the present invention is useful for a power semiconductor device used for a power conversion device or the like.
1 n-ドリフト領域
2 固定電位領域
3 浮遊電位領域
4 p型半導体領域
5 n型エミッタ領域5
6 トレンチ
7 ゲート絶縁膜
8 ゲート電極
9 層間絶縁膜
10 エミッタ電極
11 n型フィールドストップ領域
12 p型コレクタ領域
13 コレクタ電極
14 ダミートレンチ
15 ダミーゲート絶縁膜
16 ダミーゲート電極
20 短絡用スイッチ
21 短絡用スイッチのゲート電極
22 短絡用スイッチのドレイン電極
23 短絡用スイッチのソース領域
24 短絡用スイッチのウェル領域
25 短絡用スイッチのドレイン領域
100 半導体基板
200 半導体装置
1 n − drift region 2 fixed
6 trench 7
Claims (25)
前記第1の半導体領域の表面に設けられた第2導電型の第2の半導体領域と、
前記第2の半導体領域の表面の一部に設けられた第1導電型の第3の半導体領域と、
前記第3の半導体領域に接し、前記第2の半導体領域を貫通し、前記第1の半導体領域に達するように設けられた第1のトレンチと、
前記第1のトレンチの中に第1の絶縁膜を介して設けられた第1の電極と、
前記第3の半導体領域に接する第2の電極と、
前記第1のトレンチにより分離された前記第2の半導体領域の浮遊電位領域を貫通し、該浮遊電位領域を分離するように設けられた第2のトレンチと、
前記第2のトレンチの中に第2の絶縁膜を介して設けられた浮遊電位の第3の電極と、
前記第3の電極を、前記第3の電極よりも電位の低い導電領域に短絡させるスイッチと、
を有することを特徴とする半導体装置。 A first semiconductor region of a first conductivity type;
A second semiconductor region of a second conductivity type provided on the surface of the first semiconductor region;
A third semiconductor region of a first conductivity type provided on a part of the surface of the second semiconductor region;
A first trench provided in contact with the third semiconductor region, penetrating through the second semiconductor region, and reaching the first semiconductor region;
A first electrode provided in the first trench via a first insulating film;
A second electrode in contact with the third semiconductor region;
A second trench provided so as to penetrate the floating potential region of the second semiconductor region separated by the first trench and to isolate the floating potential region;
A third electrode having a floating potential provided in the second trench via a second insulating film;
A switch for short-circuiting the third electrode to a conductive region having a lower potential than the third electrode;
A semiconductor device comprising:
前記第1の半導体領域の表面に設けられた第2導電型の第2の半導体領域と、A second semiconductor region of a second conductivity type provided on the surface of the first semiconductor region;
前記第2の半導体領域の表面の一部に設けられた第1導電型の第3の半導体領域と、A third semiconductor region of a first conductivity type provided on a part of the surface of the second semiconductor region;
前記第3の半導体領域に接し、前記第2の半導体領域を貫通し、前記第1の半導体領域に達するように設けられた第1のトレンチと、A first trench provided in contact with the third semiconductor region, penetrating through the second semiconductor region, and reaching the first semiconductor region;
前記第1のトレンチの中に第1の絶縁膜を介して設けられた第1の電極と、A first electrode provided in the first trench via a first insulating film;
前記第3の半導体領域に接する第2の電極と、A second electrode in contact with the third semiconductor region;
前記第1のトレンチにより分離された前記第2の半導体領域の浮遊電位領域を貫通し、該浮遊電位領域を分離するように設けられた第2のトレンチと、A second trench provided so as to penetrate the floating potential region of the second semiconductor region separated by the first trench and to isolate the floating potential region;
前記第2のトレンチの中に第2の絶縁膜を介して設けられた浮遊電位の第3の電極と、A third electrode having a floating potential provided in the second trench via a second insulating film;
前記第3の電極よりも電位の低い導電領域に短絡させる外部のスイッチに、前記第3の電極を電気的に接続可能な外部接続部と、An external connection that can electrically connect the third electrode to an external switch that is short-circuited to a conductive region having a lower potential than the third electrode;
を備えることを特徴とする半導体装置。A semiconductor device comprising:
前記第3の電極を、浮遊電位の第1の状態と、前記第3の電極よりも電位の低い導電領域に短絡させた第2の状態とに切り替えることを特徴とする半導体装置の制御方法。A method for controlling a semiconductor device, wherein the third electrode is switched between a first state having a floating potential and a second state short-circuited to a conductive region having a lower potential than the third electrode.
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