JP7593804B2 - Semiconductor Device - Google Patents
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Description
本明細書中に開示されている発明は、半導体装置に関する。 The invention disclosed in this specification relates to a semiconductor device.
従来、パワートランジスタを有する半導体装置の多くは、パワートランジスタの異常発熱を検出する温度検出素子を備えている。特に、大電流を流す半導体装置において、パワートランジスタの異常発熱を精度良く検出するためには、チップ内の最大発熱箇所で温度検出を行う必要がある。 Conventionally, many semiconductor devices with power transistors are equipped with a temperature detection element that detects abnormal heat generation in the power transistor. In particular, in semiconductor devices that pass large currents, in order to accurately detect abnormal heat generation in the power transistor, it is necessary to detect the temperature at the point on the chip where the greatest heat is generated.
なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献１を挙げることができる。
An example of related prior art is
しかしながら、従来の半導体装置では、チップ内における最大発熱箇所の特定手法について、更なる改善の余地があった。 However, in conventional semiconductor devices, there was room for further improvement in the method of identifying the maximum heat generating point within a chip.
本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者により見出された上記課題に鑑み、パワートランジスタの異常発熱を正しく検出することのできる半導体装置を提供することを目的とする。 The invention disclosed in this specification aims to provide a semiconductor device that can correctly detect abnormal heat generation in a power transistor in consideration of the above problems identified by the inventors of the present application.
例えば、本明細書中に開示されている半導体装置は、複数のゲート制御信号に応じて複数のチャネル領域が個別制御されるように構成されたゲート分割型のパワートランジスタと、前記複数のゲート制御信号を生成するように構成されたゲート制御回路と、温度検出素子を用いて前記パワートランジスタの異常発熱を検出する過熱保護回路と、を有し、前記パワートランジスタは、前記複数のチャネル領域が個別制御されるように構成された通常エリアと、前記複数のチャネル領域のうち少なくとも一つが常時オフ状態となるように構成されたチャネル低減エリアを含み、前記温度検出素子は、前記通常エリアの内部又は周囲に配置されている構成（第１の構成）とされている。
For example, a semiconductor device disclosed in this specification includes a gate-split type power transistor configured so that a plurality of channel regions are individually controlled in response to a plurality of gate control signals, a gate control circuit configured to generate the plurality of gate control signals, and an overheat protection circuit configured to detect abnormal heat generation of the power transistor by using a temperature detection element, and the power transistor includes a normal area configured so that the plurality of channel regions are individually controlled, and a channel reduction area configured so that at least one of the plurality of channel regions is always in an off state, and the temperature detection element is configured to be disposed inside or around the normal area (first configuration).
上記第１の構成から成る半導体装置において、前記パワートランジスタは、半導体基板の第１主面側に形成された第１電極と、前記半導体基板の第２主面側に形成された第２電極と、前記第１電極上に配置されたパッドと、を含む構成（第２の構成）にしてもよい。 In the semiconductor device having the first configuration described above, the power transistor may have a configuration (second configuration) including a first electrode formed on a first main surface side of a semiconductor substrate, a second electrode formed on a second main surface side of the semiconductor substrate, and a pad disposed on the first electrode.
また、上記第２の構成から成る半導体装置において、前記パッドは、複数均等配置されている構成（第３の構成）にしてもよい。 In addition, in the semiconductor device having the second configuration described above, the pads may be configured to be evenly spaced in multiple locations (third configuration).
また、上記第２または第３の構成から成る半導体装置において、前記通常エリアは、前記パッドの近傍に形成されている構成（第４の構成）にしてもよい。
In the semiconductor device having the second or third configuration, the normal area may be formed in the vicinity of the pad (fourth configuration).
また、上記第２～第４いずれかの構成から成る半導体装置において、前記第１電極には前記温度検出素子の配線を端辺まで引き出すためのスリットが形成されている構成（第５の構成）にしてもよい。 In addition, in a semiconductor device having any of the second to fourth configurations, the first electrode may have a slit formed therein for drawing out the wiring of the temperature detection element to an edge (fifth configuration).
また、上記第１～第５いずれかの構成から成る半導体装置において、前記過熱保護回路は、前記温度検出素子で前記パワートランジスタの異常発熱が検出されたときに前記パワートランジスタを強制的にオフさせる構成（第６の構成）にしてもよい。 In addition, in a semiconductor device having any one of the first to fifth configurations, the overheat protection circuit may be configured (sixth configuration) to forcibly turn off the power transistor when the temperature detection element detects abnormal heat generation in the power transistor.
また、上記第１～第６いずれかの構成から成る半導体装置は、前記パワートランジスタのオフ遷移時に前記パワートランジスタの両端間電圧を所定のクランプ電圧以下に制限するアクティブクランプ回路をさらに有し、前記ゲート制御回路は、前記アクティブクランプ回路の動作時に前記パワートランジスタのオン抵抗を引き上げるように前記複数のゲート制御信号を個別制御する構成（第７の構成）にしてもよい。 In addition, a semiconductor device having any one of the first to sixth configurations may further have an active clamp circuit that limits the voltage across the power transistor to a predetermined clamp voltage or less when the power transistor transitions to an off state, and the gate control circuit may be configured (seventh configuration) to individually control the multiple gate control signals so as to increase the on-resistance of the power transistor when the active clamp circuit is operating.
また、上記第１～第７いずれかの構成から成る半導体装置において、前記ゲート制御回路は、入力信号に応じて前記複数のゲート制御信号を一括制御することにより前記パワートランジスタをオン／オフする構成（第８の構成）にしてもよい。 In addition, in a semiconductor device having any one of the first to seventh configurations, the gate control circuit may be configured to collectively control the multiple gate control signals in response to an input signal to turn the power transistors on and off (eighth configuration).
また、上記第１～第８いずれかの構成から成る半導体装置において、前記チャネル低減エリアに属する少なくとも一つのチャネル領域は、前記通常エリアに属する一つのチャネル領域と同期してオン／オフする構成（第９の構成）にしてもよい。 In addition, in a semiconductor device having any one of the first to eighth configurations, at least one channel region belonging to the channel reduction area may be configured to be turned on/off in synchronization with one channel region belonging to the normal area (ninth configuration).
また、上記第１～第９いずれかの構成から成る半導体装置において、前記通常エリア及び前記チャネル低減エリアそれぞれに属する複数のトランジスタセルのうち、同期してオン／オフするトランジスタセルのゲート配線は、電気的に接続されている構成（第１０の構成）にしてもよい。 In addition, in a semiconductor device having any one of the first to ninth configurations, the gate wiring of the transistor cells that are turned on/off synchronously among the multiple transistor cells that belong to the normal area and the reduced channel area may be electrically connected (tenth configuration).
また、上記第１～第１０いずれかの構成から成る半導体装置において、前記パワートランジスタがオンしているとき、前記チャネル低減エリアの特性チャネル割合は、通常エリアの特性チャネル割合よりも低い構成（第１１の構成）にしてもよい。 In addition, in a semiconductor device having any one of the first to tenth configurations, when the power transistor is on, the characteristic channel ratio of the channel reduction area may be lower than the characteristic channel ratio of the normal area (11th configuration).
また、例えば、本明細書中に開示されている電子機器は、上記第１～第１１いずれかの構成から成る半導体装置と、前記半導体装置に接続される負荷と、を有する構成（第１２の構成）とされている。
For example, the electronic device disclosed in this specification has a configuration (configuration 12) that includes a semiconductor device having any one of the
また、例えば、本明細書中に開示されている車両は、上記第１２の構成から成る電子機器を有する構成（第１３の構成）とされている。 For example, the vehicle disclosed in this specification is configured to have electronic equipment having the twelfth configuration described above (thirteenth configuration).
本明細書中に開示されている発明によれば、パワートランジスタの異常発熱を正しく検出することのできる半導体装置を提供することが可能となる。 The invention disclosed in this specification makes it possible to provide a semiconductor device that can accurately detect abnormal heat generation in a power transistor.
＜半導体装置＞
以下では、添付図面を参照して、半導体装置に関する種々の実施形態を説明する。
<Semiconductor Device>
Various embodiments of a semiconductor device will be described below with reference to the accompanying drawings.
図１は、半導体装置１を１つの方向から見た斜視図である。以下では、半導体装置１がハイサイド側のスイッチングデバイスである形態例について説明するが、半導体装置１はハイサイド側のスイッチングデバイスに限定されるものではない。半導体装置１は、各種構造の電気的な接続形態や機能を調整することにより、ローサイド側のスイッチングデバイスとしても提供されることができる。
Figure 1 is a perspective view of the
図１を参照して、半導体装置１は、半導体層２を含む。半導体層２はシリコンを含む。半導体層２は、直方体形状のチップ状に形成されている。半導体層２は、一方側の第１主面３、他方側の第２主面４、並びに、第１主面３および第２主面４を接続する側面５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄを有している。
Referring to FIG. 1, the
第１主面３および第２主面４は、それらの法線方向Ｚから見た平面視（以下、単に「平面視」という。）において四角形状に形成されている。側面５Ａおよび側面５Ｃは、第１方向Ｘに沿って延び、第１方向Ｘに交差する第２方向Ｙに互いに対向している。側面５Ｂおよび側面５Ｄは、第２方向Ｙに沿って延び、第１方向Ｘに互いに対向している。第２方向Ｙは、より具体的には、第１方向Ｘに直交している。
The first
半導体層２には、出力領域６および入力領域７が設定されている。出力領域６は、側面５Ｃ側の領域に設定されている。入力領域７は、側面５Ａ側の領域に設定されている。平面視において、出力領域６の面積ＳＯＵＴは、入力領域７の面積ＳＩＮ以上である（ＳＩＮ≦ＳＯＵＴ）。
An output region 6 and an input region 7 are defined in the
面積ＳＩＮに対する面積ＳＯＵＴの比ＳＯＵＴ／ＳＩＮは、１以上１０以下であってもよい（１＜ＳＯＵＴ／ＳＩＮ≦１０）。比ＳＯＵＴ／ＳＩＮは、１以上２以下、２以上４以下、４以上６以下、６以上８以下、または、８以上１０以下であってもよい。入力領域７の平面形状および出力領域６の平面形状は、任意であり、特定の形状に限定されない。むろん、比ＳＯＵＴ／ＳＩＮは、０を超えて１未満であってもよい。 The ratio SOUT/SIN of the area SOUT to the area SIN may be 1 or more and 10 or less (1<SOUT/SIN≦10). The ratio SOUT/SIN may be 1 or more and 2 or less, 2 or more and 4 or less, 4 or more and 6 or less, 6 or more and 8 or less, or 8 or more and 10 or less. The planar shapes of the input area 7 and the output area 6 are arbitrary and are not limited to a specific shape. Of course, the ratio SOUT/SIN may be greater than 0 and less than 1.
出力領域６は、絶縁ゲート型のパワートランジスタの一例として、パワーＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）９を含む。パワーＭＩＳＦＥＴ９は、ゲート、ドレインおよびソースを含む。
The output region 6 includes a power MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) 9, which is an example of an insulated gate power transistor. The
入力領域７は、制御回路の一例としてのコントロールＩＣ（Integrated Circuit）１０を含む。コントロールＩＣ１０は、種々の機能を実現する複数種の機能回路を含む。複数種の機能回路は、外部からの電気信号に基づいてパワーＭＩＳＦＥＴ９を駆動制御するゲート制御信号を生成する回路を含む。コントロールＩＣ１０は、パワーＭＩＳＦＥＴ９と共に所謂ＩＰＤ（Intelligent Power Device）を形成している。なお、ＩＰＤは、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）とも称される。
The input area 7 includes a control IC (Integrated Circuit) 10 as an example of a control circuit. The control IC 10 includes multiple types of functional circuits that realize various functions. The multiple types of functional circuits include a circuit that generates a gate control signal that drives and controls the
入力領域７は、領域分離構造８によって出力領域６から電気的に絶縁されている。図１では、領域分離構造８がハッチングによって示されている。具体的な説明は省略するが、領域分離構造８は、トレンチに絶縁体が埋め込まれたトレンチ絶縁構造を有してもよい。 The input region 7 is electrically isolated from the output region 6 by a region isolation structure 8. In FIG. 1, the region isolation structure 8 is shown by hatching. Although a detailed description is omitted, the region isolation structure 8 may have a trench isolation structure in which an insulator is embedded in a trench.
半導体層２の上には、複数（ここでは６つ）の電極１１，１２，１３，１４，１５，１６が形成されている。図１では、ハッチングによって複数の電極１１～１６が示されている。複数の電極１１～１６は、導線（たとえばボンディングワイヤ）等によって外部接続される端子電極として形成されている。複数の電極１１～１６の個数、配置および平面形状は任意であり、図１に示される形態に限定されない。
A plurality of electrodes (six in this example) 11, 12, 13, 14, 15, and 16 are formed on the
複数の電極１１～１６の個数、配置および平面形状は、パワーＭＩＳＦＥＴ９の仕様やコントロールＩＣ１０の仕様に応じて調整される。複数の電極１１～１６は、この形態では、ドレイン電極１１（電源電極）、ソース電極１２（出力電極）、入力電極１３、基準電圧電極１４、ＥＮＡＢＬＥ電極１５およびＳＥＮＳＥ電極１６を含む。
The number, arrangement and planar shape of the multiple electrodes 11-16 are adjusted according to the specifications of the
ドレイン電極１１は、半導体層２の第２主面４の上に形成されている。ドレイン電極１１は、半導体層２の第２主面４に電気的に接続されている。ドレイン電極１１は、パワーＭＩＳＦＥＴ９のドレインやコントロールＩＣ１０の各種回路に電源電圧ＶＢを伝える。
The
ドレイン電極１１は、Ｔｉ層、Ｎｉ層、Ａｕ層、Ａｇ層およびＡｌ層のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。ドレイン電極１１は、Ｔｉ層、Ｎｉ層、Ａｕ層、Ａｇ層またはＡｌ層を含む単層構造を有していてもよい。ドレイン電極１１は、Ｔｉ層、Ｎｉ層、Ａｕ層、Ａｇ層およびＡｌ層のうちの少なくとも２つを任意の態様で積層させた積層構造を有していてもよい。
The
ソース電極１２は、第１主面３において出力領域６の上に形成されている。ソース電極１２は、パワーＭＩＳＦＥＴ９のソースに電気的に接続されている。ソース電極１２は、パワーＭＩＳＦＥＴ９によって生成された電気信号を外部に伝達する。
The
入力電極１３、基準電圧電極１４、ＥＮＡＢＬＥ電極１５及びＳＥＮＳＥ電極１６は、第１主面３において入力領域７の上にそれぞれ形成されている。入力電極１３は、コントロールＩＣ１０を駆動するための入力電圧を伝達する。
The
基準電圧電極１４は、コントロールＩＣ１０に基準電圧（たとえばグランド電圧）を伝達する。ＥＮＡＢＬＥ電極１５は、コントロールＩＣ１０の一部または全部の機能を有効または無効にするための電気信号を伝達する。ＳＥＮＳＥ電極１６は、コントロールＩＣ１０の異常を検出するための電気信号を伝達する。
The
半導体層２の上には、制御配線の一例としてのゲート制御配線１７がさらに形成されている。ゲート制御配線１７は、出力領域６及び入力領域７に選択的に引き回されている。ゲート制御配線１７は、出力領域６においてパワーＭＩＳＦＥＴ９のゲートに電気的に接続され、入力領域７においてコントロールＩＣ１０に電気的に接続されている。
A
ゲート制御配線１７は、コントロールＩＣ１０によって生成されたゲート制御信号をパワーＭＩＳＦＥＴ９のゲートに伝達する。ゲート制御信号は、オン信号Ｖｏｎおよびオフ信号Ｖｏｆｆを含み、パワーＭＩＳＦＥＴ９のオン状態およびオフ状態を制御する。
The
オン信号Ｖｏｎは、パワーＭＩＳＦＥＴ９のゲート閾値電圧Ｖｔｈよりも高い（Ｖｔｈ＜Ｖｏｎ）。オフ信号Ｖｏｆｆは、パワーＭＩＳＦＥＴ９のゲート閾値電圧Ｖｔｈよりも低い（Ｖｏｆｆ＜Ｖｔｈ）。オフ信号Ｖｏｆｆは、基準電圧（たとえばグランド電圧）であってもよい。 The on signal Von is higher than the gate threshold voltage Vth of the power MISFET 9 (Vth<Von). The off signal Voff is lower than the gate threshold voltage Vth of the power MISFET 9 (Voff<Vth). The off signal Voff may be a reference voltage (for example, a ground voltage).
ゲート制御配線１７は、この形態では、第１ゲート制御配線１７Ａ、第２ゲート制御配線１７Ｂおよび第３ゲート制御配線１７Ｃを含む。第１ゲート制御配線１７Ａ、第２ゲート制御配線１７Ｂおよび第３ゲート制御配線１７Ｃは、互いに電気的に絶縁されている。
In this embodiment, the
この形態では、２つの第１ゲート制御配線１７Ａが異なる領域に引き回されている。また、２つの第２ゲート制御配線１７Ｂが異なる領域に引き回されている。また、２つの第３ゲート制御配線１７Ｃが異なる領域に引き回されている。
In this embodiment, two first
第１ゲート制御配線１７Ａ、第２ゲート制御配線１７Ｂおよび第３ゲート制御配線１７Ｃは、同一のまたは異なるゲート制御信号をパワーＭＩＳＦＥＴ９のゲートに伝達する。ゲート制御配線１７の個数、配置、形状等は任意であり、ゲート制御信号の伝達距離や、伝達すべきゲート制御信号の数に応じて調整される。
The first
ソース電極１２、入力電極１３、基準電圧電極１４、ＥＮＡＢＬＥ電極１５、ＳＥＮＳＥ電極１６およびゲート制御配線１７は、ニッケル、パラジウム、アルミニウム、銅、アルミニウム合金および銅合金のうちの少なくとも１種をそれぞれ含んでいてもよい。
The
ソース電極１２、入力電極１３、基準電圧電極１４、ＥＮＡＢＬＥ電極１５、ＳＥＮＳＥ電極１６およびゲート制御配線１７は、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ（アルミニウム－シリコン－銅）合金、Ａｌ－Ｓｉ（アルミニウム－シリコン）合金、および、Ａｌ－Ｃｕ（アルミニウム－銅）合金のうちの少なくとも１種をそれぞれ含んでいてもよい。
The
ソース電極１２、入力電極１３、基準電圧電極１４、ＥＮＡＢＬＥ電極１５、ＳＥＮＳＥ電極１６およびゲート制御配線１７は、同一種の電極材料を含んでいてもよいし、互いに異なる電極材料を含んでいてもよい。
The
図２は、図１に示す半導体装置１の電気的構造を示すブロック回路図である。以下では半導体装置１が車両に搭載される場合を例にとって説明する。
Figure 2 is a block circuit diagram showing the electrical structure of the
半導体装置１は、ドレイン電極１１、ソース電極１２、入力電極１３、基準電圧電極１４、ＥＮＡＢＬＥ電極１５、ＳＥＮＳＥ電極１６、ゲート制御配線１７、パワーＭＩＳＦＥＴ９およびコントロールＩＣ１０を含む。
The
ドレイン電極１１は、電源に接続される。ドレイン電極１１は、パワーＭＩＳＦＥＴ９およびコントロールＩＣ１０に電源電圧ＶＢを提供する。電源電圧ＶＢは、１０Ｖ以上２０Ｖ以下であってもよい。ソース電極１２は、負荷に接続される。
The
入力電極１３は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＬＤＯ（Low Drop Out）等に接続されてもよい。入力電極１３は、コントロールＩＣ１０に入力電圧を提供する。入力電圧は、１Ｖ以上１０Ｖ以下であってもよい。基準電圧電極１４は基準電圧配線に接続される。基準電圧電極１４は、パワーＭＩＳＦＥＴ９およびコントロールＩＣ１０に基準電圧を提供する。
The
ＥＮＡＢＬＥ電極１５は、ＭＣＵに接続されてもよい。ＥＮＡＢＬＥ電極１５には、コントロールＩＣ１０の一部または全部の機能を有効または無効にするための電気信号が入力される。ＳＥＮＳＥ電極１６は、抵抗器に接続されてもよい。
The
パワーＭＩＳＦＥＴ９のゲートは、ゲート制御配線１７を介してコントロールＩＣ１０（後述のゲート制御回路２５）に接続されている。パワーＭＩＳＦＥＴ９のドレインは、ドレイン電極１１に接続されている。パワーＭＩＳＦＥＴ９のソースは、コントロールＩＣ１０（後述する電流検出回路２７）およびソース電極１２に接続されている。
The gate of the
コントロールＩＣ１０は、センサＭＩＳＦＥＴ２１、入力回路２２、電流・電圧制御回路２３、保護回路２４、ゲート制御回路２５、アクティブクランプ回路２６、電流検出回路２７、電源逆接続保護回路２８および異常検出回路２９を含む。
The
センサＭＩＳＦＥＴ２１のゲートは、ゲート制御回路２５に接続されている。センサＭＩＳＦＥＴ２１のドレインは、ドレイン電極１１に接続されている。センサＭＩＳＦＥＴ２１のソースは、電流検出回路２７に接続されている。
The gate of the
入力回路２２は、入力電極１３および電流・電圧制御回路２３に接続されている。入力回路２２は、シュミットトリガ回路を含んでいてもよい。入力回路２２は、入力電極１３に印加された電気信号の波形を整形する。入力回路２２により生成された信号は、電流・電圧制御回路２３に入力される。
The
電流・電圧制御回路２３は、保護回路２４、ゲート制御回路２５、電源逆接続保護回路２８および異常検出回路２９に接続されている。電流・電圧制御回路２３は、ロジック回路を含んでいてもよい。
The current/
電流・電圧制御回路２３は、入力回路２２からの電気信号および保護回路２４からの電気信号に応じて種々の電圧を生成する。電流・電圧制御回路２３は、この形態では、駆動電圧生成回路３０、第１定電圧生成回路３１、第２定電圧生成回路３２および基準電圧・基準電流生成回路３３を含む。
The current/
駆動電圧生成回路３０は、ゲート制御回路２５を駆動するための駆動電圧を生成する。駆動電圧は、電源電圧ＶＢから所定値を差し引いた値に設定されてもよい。駆動電圧生成回路３０は、電源電圧ＶＢから５Ｖを差し引いた５Ｖ以上１５Ｖ以下の駆動電圧を生成してもよい。駆動電圧は、ゲート制御回路２５に入力される。
The drive
第１定電圧生成回路３１は、保護回路２４を駆動するための第１定電圧を生成する。第１定電圧生成回路３１は、ツェナーダイオードやレギュレータ回路（ここではツェナーダイオード）を含んでいてもよい。第１定電圧は、１Ｖ以上５Ｖ以下であってもよい。第１定電圧は、保護回路２４（より具体的には、後述する負荷オープン検出回路３５等）に入力される。
The first constant
第２定電圧生成回路３２は、保護回路２４を駆動するための第２定電圧を生成する。第２定電圧生成回路３２は、ツェナーダイオードやレギュレータ回路（ここではレギュレータ回路）を含んでいてもよい。第２定電圧は、１Ｖ以上５Ｖ以下であってもよい。第２定電圧は、保護回路２４（より具体的には、後述する過熱保護回路３６や低電圧誤動作抑制回路３７）に入力される。
The second constant
基準電圧・基準電流生成回路３３は、各種回路の基準電圧および基準電流を生成する。基準電圧は、１Ｖ以上５Ｖ以下であってもよい。基準電流は、１ｍＡ以上１Ａ以下であってもよい。基準電圧および基準電流は、各種回路に入力される。各種回路がコンパレータを含む場合、基準電圧および基準電流は、当該コンパレータに入力されてもよい。
The reference voltage/reference
保護回路２４は、電流・電圧制御回路２３、ゲート制御回路２５、異常検出回路２９、パワーＭＩＳＦＥＴ９のソース及びセンサＭＩＳＦＥＴ２１のソースに接続されている。保護回路２４は、過電流保護回路３４、負荷オープン検出回路３５、過熱保護回路３６および低電圧誤動作抑制回路３７を含む。
The
過電流保護回路３４は、過電流からパワーＭＩＳＦＥＴ９を保護する。過電流保護回路３４は、ゲート制御回路２５およびセンサＭＩＳＦＥＴ２１のソースに接続されている。過電流保護回路３４は、電流モニタ回路を含んでいてもよい。過電流保護回路３４によって生成された信号は、ゲート制御回路２５（より具体的には、後述する駆動信号出力回路４０）に入力される。
The
負荷オープン検出回路３５は、パワーＭＩＳＦＥＴ９のショート状態やオープン状態を検出する。負荷オープン検出回路３５は、電流・電圧制御回路２３及びパワーＭＩＳＦＥＴ９のソースに接続されている。負荷オープン検出回路３５によって生成された信号は、電流・電圧制御回路２３に入力される。
The load
過熱保護回路３６は、パワーＭＩＳＦＥＴ９の温度を監視し、過度な温度上昇からパワーＭＩＳＦＥＴ９を保護する。過熱保護回路３６は、電流・電圧制御回路２３に接続されている。過熱保護回路３６は、感温ダイオードやサーミスタ等の感温デバイスを含んでいてもよい。過熱保護回路３６によって生成された信号は、電流・電圧制御回路２３に入力される。
The
低電圧誤動作抑制回路３７は、電源電圧ＶＢが所定値未満である場合にパワーＭＩＳＦＥＴ９が誤動作するのを抑制する。低電圧誤動作抑制回路３７は、電流・電圧制御回路２３に接続されている。低電圧誤動作抑制回路３７によって生成された信号は、電流・電圧制御回路２３に入力される。
The low-voltage
ゲート制御回路２５は、パワーＭＩＳＦＥＴ９のオン状態およびオフ状態、ならびに、センサＭＩＳＦＥＴ２１のオン状態およびオフ状態を制御する。ゲート制御回路２５は、電流・電圧制御回路２３、保護回路２４、パワーＭＩＳＦＥＴ９のゲートおよびセンサＭＩＳＦＥＴ２１のゲートに接続されている。
The
ゲート制御回路２５は、電流・電圧制御回路２３からの電気信号および保護回路２４からの電気信号に応じて、ゲート制御配線１７の個数に応じた複数のゲート制御信号を生成する。複数のゲート制御信号は、ゲート制御配線１７を介してパワーＭＩＳＦＥＴ９のゲートおよびセンサＭＩＳＦＥＴ２１のゲートにそれぞれ入力される。
The
ゲート制御回路２５は、具体的に述べると、入力電極１３に印加された電気信号（入力信号）に応じて複数のゲート制御信号を一括制御することによりパワーＭＩＳＦＥＴ９をオン／オフする一方、アクティブクランプ回路２６の動作時にパワーＭＩＳＦＥＴ９のオン抵抗を引き上げるように複数のゲート制御信号を個別制御する機能を備えている（詳細については後述）。
Specifically, the
ゲート制御回路２５は、より具体的には、発振回路３８、チャージポンプ回路３９および駆動信号出力回路４０を含む。発振回路３８は、電流・電圧制御回路２３からの電気信号に応じて発振し、所定の電気信号を生成する。発振回路３８によって生成された電気信号は、チャージポンプ回路３９に入力される。チャージポンプ回路３９は、発振回路３８からの電気信号を昇圧させる。チャージポンプ回路３９によって昇圧された電気信号は、駆動信号出力回路４０に入力される。
More specifically, the
駆動信号出力回路４０は、チャージポンプ回路３９からの電気信号および保護回路２４（より具体的には、過電流保護回路３４）からの電気信号に応じて複数のゲート制御信号を生成する。複数のゲート制御信号は、ゲート制御配線１７を介してパワーＭＩＳＦＥＴ９のゲートおよびセンサＭＩＳＦＥＴ２１のゲートに入力される。センサＭＩＳＦＥＴ２１およびパワーＭＩＳＦＥＴ９は、ゲート制御回路２５によって同時に制御される。
The drive
アクティブクランプ回路２６は、逆起電力からパワーＭＩＳＦＥＴ９を保護する。アクティブクランプ回路２６は、ドレイン電極１１、パワーＭＩＳＦＥＴ９のゲートおよびセンサＭＩＳＦＥＴ２１のゲートに接続されている。アクティブクランプ回路２６は、複数のダイオードを含んでいてもよい。
The
アクティブクランプ回路２６は、互いに順バイアス接続された複数のダイオードを含んでいてもよい。アクティブクランプ回路２６は、互いに逆バイアス接続された複数のダイオードを含んでいてもよい。アクティブクランプ回路２６は、互いに順バイアス接続された複数のダイオード、および、互いに逆バイアス接続された複数のダイオードを含んでいてもよい。
The
複数のダイオードは、ｐｎ接合ダイオード、または、ツェナーダイオード、もしくは、ｐｎ接合ダイオードおよびツェナーダイオードを含んでいてもよい。アクティブクランプ回路２６は、互いにバイアス接続された複数のツェナーダイオードを含んでいてもよい。アクティブクランプ回路２６は、互いに逆バイアス接続されたツェナーダイオードおよびｐｎ接合ダイオードを含んでいてもよい。
The multiple diodes may include pn junction diodes, or Zener diodes, or pn junction diodes and Zener diodes. The
電流検出回路２７は、パワーＭＩＳＦＥＴ９およびセンサＭＩＳＦＥＴ２１を流れる電流を検出する。電流検出回路２７は、保護回路２４、異常検出回路２９、パワーＭＩＳＦＥＴ９のソースおよびセンサＭＩＳＦＥＴ２１のソースに接続されている。電流検出回路２７は、パワーＭＩＳＦＥＴ９によって生成された電気信号およびセンサＭＩＳＦＥＴ２１によって生成された電気信号に応じて、電流検出信号を生成する。電流検出信号は、異常検出回路２９に入力される。
The
電源逆接続保護回路２８は、電源が逆接続された際に、逆電圧から電流・電圧制御回路２３やパワーＭＩＳＦＥＴ９等を保護する。電源逆接続保護回路２８は、基準電圧電極１４および電流・電圧制御回路２３に接続されている。
The power supply reverse
異常検出回路２９は、保護回路２４の電圧を監視する。異常検出回路２９は、電流・電圧制御回路２３、保護回路２４および電流検出回路２７に接続されている。過電流保護回路３４、負荷オープン検出回路３５、過熱保護回路３６および低電圧誤動作抑制回路３７のいずれかに異常（電圧の変動等）が生じた場合、異常検出回路２９は、保護回路２４の電圧に応じた異常検出信号を生成し、外部に出力する。
The
異常検出回路２９は、より具体的には、第１マルチプレクサ回路４１および第２マルチプレクサ回路４２を含む。第１マルチプレクサ回路４１は、２つの入力部、１つの出力部および１つの選択制御入力部を含む。第１マルチプレクサ回路４１の入力部には、保護回路２４および電流検出回路２７がそれぞれ接続されている。第１マルチプレクサ回路４１の出力部には、第２マルチプレクサ回路４２が接続されている。第１マルチプレクサ回路４１の選択制御入力部には、電流・電圧制御回路２３が接続されている。
More specifically, the
第１マルチプレクサ回路４１は、電流・電圧制御回路２３からの電気信号、保護回路２４からの電圧検出信号および電流検出回路２７からの電流検出信号に応じて、異常検出信号を生成する。第１マルチプレクサ回路４１によって生成された異常検出信号は、第２マルチプレクサ回路４２に入力される。
The
第２マルチプレクサ回路４２は、２つの入力部および１つの出力部を含む。第２マルチプレクサ回路４２の入力部には、第２マルチプレクサ回路４２の出力部およびＥＮＡＢＬＥ電極１５がそれぞれ接続されている。第２マルチプレクサ回路４２の出力部には、ＳＥＮＳＥ電極１６が接続されている。
The
ＥＮＡＢＬＥ電極１５にＭＣＵが接続され、ＳＥＮＳＥ電極１６に抵抗器が接続されている場合、ＭＣＵからＥＮＡＢＬＥ電極１５にオン信号が入力され、ＳＥＮＳＥ電極１６から異常検出信号が取り出される。異常検出信号は、ＳＥＮＳＥ電極１６に接続された抵抗器によって電気信号に変換される。半導体装置１の状態異常は、この電気信号に基づいて検出される。
When an MCU is connected to ENABLE
図３は、図１に示す半導体装置１のアクティブクランプ動作を説明するための回路図である。図４は、図３に示す回路図の主要な電気信号の波形図である。
Figure 3 is a circuit diagram for explaining the active clamp operation of the
ここでは、パワーＭＩＳＦＥＴ９に誘導性負荷Ｌが接続された回路例を用いて、半導体装置１の通常動作及びアクティブクランプ動作を説明する。ソレノイド、モータ、トランス、リレー等の巻線（コイル）を利用したデバイスが、誘導性負荷Ｌとして例示される。誘導性負荷Ｌは、Ｌ負荷とも称される。
Here, the normal operation and active clamp operation of the
図３を参照して、パワーＭＩＳＦＥＴ９のソースは、誘導性負荷Ｌに接続されている。パワーＭＩＳＦＥＴ９のドレインは、ドレイン電極１１に電気的に接続されている。パワーＭＩＳＦＥＴ９のゲートおよびドレインは、アクティブクランプ回路２６に接続されている。アクティブクランプ回路２６は、この回路例では、ｍ個（ｍは自然数）のツェナーダイオードＤＺおよびｎ個（ｎは自然数）のｐｎ接合ダイオードＤを含む。ｐｎ接合ダイオードＤは、ツェナーダイオードＤＺに対して逆バイアス接続されている。
Referring to FIG. 3, the source of the
図３および図４を参照して、オフ状態のパワーＭＩＳＦＥＴ９のゲートにオン信号Ｖｏｎが入力されると、パワーＭＩＳＦＥＴ９がオフ状態からオン状態に切り替わる（通常動作）。オン信号Ｖｏｎは、ゲート閾値電圧Ｖｔｈ以上（Ｖｔｈ≦Ｖｏｎ）の電圧を有している。パワーＭＩＳＦＥＴ９は、所定のオン時間ＴＯＮだけ、オン状態に維持される。
Referring to Figures 3 and 4, when an on signal Von is input to the gate of the
パワーＭＩＳＦＥＴ９がオン状態に切り替わると、ドレイン電流ＩＤが、パワーＭＩＳＦＥＴ９のドレインからソースに向けて流れ始める。ドレイン電流ＩＤは、零から所定の値まで増加し、飽和する。誘導性負荷Ｌは、ドレイン電流ＩＤの増加に起因して誘導性エネルギを蓄積させる。
When the
パワーＭＩＳＦＥＴ９のゲートにオフ信号Ｖｏｆｆが入力されると、パワーＭＩＳＦＥＴ９がオン状態からオフ状態に切り替わる。オフ信号Ｖｏｆｆは、ゲート閾値電圧Ｖｔｈ未満の電圧（Ｖｏｆｆ＜Ｖｔｈ）を有している。オフ信号Ｖｏｆｆは、基準電圧（たとえばグランド電圧）であってもよい。
When an off signal Voff is input to the gate of the
パワーＭＩＳＦＥＴ９がオン状態からオフ状態に切り替わる遷移時では、誘導性負荷Ｌの誘導性エネルギが、逆起電力としてパワーＭＩＳＦＥＴ９に印加される。これにより、パワーＭＩＳＦＥＴ９がアクティブクランプ状態になる（アクティブクランプ動作）。パワーＭＩＳＦＥＴ９がアクティブクランプ状態になると、ソース電圧ＶＳＳが、基準電圧（グランド電圧）未満の負電圧まで急激に下降する。
When the
このとき、ソース電圧ＶＳＳは、アクティブクランプ回路２６の動作に起因して、電源電圧ＶＢから制限電圧ＶＬ及びクランプオン電圧ＶＣＬＰを減算した電圧以上の電圧（ＶＳＳ≧ＶＢ－ＶＬ－ＶＣＬＰ）に制限される。
At this time, the source voltage VSS is limited to a voltage equal to or greater than the power supply voltage VB minus the clamping voltage VL and the clamp-on voltage VCLP (VSS≧VB-VL-VCLP) due to the operation of the
換言すると、パワーＭＩＳＦＥＴ９がアクティブクランプ状態になると、パワーＭＩＳＦＥＴ９のドレイン・ソース間のドレイン電圧ＶＤＳは、クランプ電圧ＶＤＳＳＣＬまで急激に上昇する。クランプ電圧ＶＤＳＳＣＬは、パワーＭＩＳＦＥＴ９およびアクティブクランプ回路２６によって、クランプオン電圧ＶＣＬＰおよび制限電圧ＶＬを加算した電圧以下の電圧（ＶＤＳ≦ＶＣＬＰ＋ＶＬ）に制限される。
In other words, when the
制限電圧ＶＬは、この形態では、アクティブクランプ回路２６におけるツェナーダイオードＤＺの端子間電圧ＶＺ及びｐｎ接合ダイオードの端子間電圧ＶＦの総和（ＶＬ＝ｍ・ＶＺ＋ｎ・ＶＦ）である。 In this embodiment, the clamping voltage VL is the sum of the terminal voltage VZ of the Zener diode DZ and the terminal voltage VF of the pn junction diode in the active clamp circuit 26 (VL = m VZ + n VF).
クランプオン電圧ＶＣＬＰは、パワーＭＩＳＦＥＴ９のゲート・ソース間に印加される正電圧（つまり、ゲート電圧ＶＧＳ）である。クランプオン電圧ＶＣＬＰは、ゲート閾値電圧Ｖｔｈ以上（Ｖｔｈ≦ＶＣＬＰ）である。したがって、パワーＭＩＳＦＥＴ９は、アクティブクランプ状態においてオン状態を維持する。
The clamp-on voltage VCLP is a positive voltage (i.e., the gate voltage VGS) applied between the gate and source of the
クランプ電圧ＶＤＳＳＣＬが最大定格ドレイン電圧ＶＤＳＳを超えた場合（ＶＤＳＳ＜ＶＤＳＳＣＬ）、パワーＭＩＳＦＥＴ９は破壊に至る。パワーＭＩＳＦＥＴ９は、クランプ電圧ＶＤＳＳＣＬが最大定格ドレイン電圧ＶＤＳＳ以下（ＶＤＳＳＣＬ≦ＶＤＳＳ）になるように設計される。
If the clamp voltage VDSSCL exceeds the maximum rated drain voltage VDSS (VDSS<VDSSCL), the
クランプ電圧ＶＤＳＳＣＬが最大定格ドレイン電圧ＶＤＳＳ以下の場合（ＶＤＳＳＣＬ≦ＶＤＳＳ）、ドレイン電流ＩＤがパワーＭＩＳＦＥＴ９のドレインからソースに向けて流れ続け、誘導性負荷Ｌの誘導性エネルギがパワーＭＩＳＦＥＴ９において消費（吸収）される。
When the clamp voltage VDSSCL is equal to or lower than the maximum rated drain voltage VDSS (VDSSCL≦VDSS), the drain current ID continues to flow from the drain to the source of the
ドレイン電流ＩＤは、アクティブクランプ時間ＴＡＶを経て、パワーＭＩＳＦＥＴ９のオフ直前のピーク値ＩＡＶからゼロに減少する。これにより、ゲート電圧ＶＧＳが基準電圧（たとえばグランド電圧）になり、パワーＭＩＳＦＥＴ９がオン状態からオフ状態に切り替わる。
The drain current ID decreases from the peak value IAV just before the
パワーＭＩＳＦＥＴ９のアクティブクランプ耐量Ｅａｃは、アクティブクランプ動作時におけるパワーＭＩＳＦＥＴ９の耐量によって定義される。アクティブクランプ耐量Ｅａｃは、より具体的には、パワーＭＩＳＦＥＴ９のオン状態からオフ状態への遷移時において、誘導性負荷Ｌの誘導性エネルギに起因して生じる逆起電力に対するパワーＭＩＳＦＥＴ９の耐量によって定義される。
The active clamp withstand capability Eac of the
アクティブクランプ耐量Ｅａｃは、さらに具体的には、クランプ電圧ＶＤＳＳＣＬに起因して生じるエネルギに対するパワーＭＩＳＦＥＴ９の耐量によって定義される。たとえば、アクティブクランプ耐量Ｅａｃは、制限電圧ＶＬ、クランプオン電圧ＶＣＬＰ、ドレイン電流ＩＤ及びアクティブクランプ時間ＴＡＶを用いて、Ｅａｃ＝（ＶＬ＋ＶＣＬＰ）×ＩＤ×ＴＡＶの式で表される。
More specifically, the active clamp withstand voltage Eac is defined by the withstand voltage of the
図５は、図１に示す領域Ｖの断面斜視図である。なお、本図では、説明の便宜上、第１主面３の上部構造（ソース電極１２及びゲート制御配線１７、並びに、層間絶縁層など）を省略している。
Figure 5 is a cross-sectional perspective view of region V shown in Figure 1. For ease of explanation, the upper structure of the first main surface 3 (
本図の半導体装置１において、半導体層２は、この形態では、ｎ＋型の半導体基板５１およびｎ型のエピタキシャル層５２を含む積層構造を有している。半導体基板５１によって半導体層２の第２主面４が形成されている。エピタキシャル層５２によって半導体層２の第１主面３が形成されている。半導体基板５１およびエピタキシャル層５２によって半導体層２の側面５Ａ～５Ｄが形成されている。
In the
エピタキシャル層５２は、半導体基板５１のｎ型不純物濃度未満のｎ型不純物濃度を有する。半導体基板５１のｎ型不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ－３以上１×１０２０ｃｍ－３以下であってもよい。エピタキシャル層５２のｎ型不純物濃度は、１×１０１５ｃｍ－３以上１×１０１８ｃｍ－３以下であってもよい。
エピタキシャル層５２は、半導体基板５１の厚さＴｓｕｂ未満の厚さＴｅｐｉ（Ｔｅｐｉ＜Ｔｓｕｂ）を有している。厚さＴｓｕｂは、５０μｍ以上４５０μｍ以下であってもよい。厚さＴｓｕｂは、５０μｍ以上１５０μｍ以下、１５０μｍ以上２５０μｍ以下、２５０μｍ以上３５０μｍ以下、又は、３５０μｍ以上４５０μｍ以下であってもよい。
The
厚さＴｓｕｂを低減させることにより、抵抗値を低減できる。厚さＴｓｕｂは、研削によって調整される。この場合、半導体層２の第２主面４は、研削痕を有する研削面であってもよい。
The resistance value can be reduced by reducing the thickness Tsub. The thickness Tsub is adjusted by grinding. In this case, the second
エピタキシャル層５２の厚さＴｅｐｉは、厚さＴｓｕｂの１／１０以下であることが好ましい。厚さＴｅｐｉは、５μｍ以上２０μｍ以下であってもよい。厚さＴｅｐｉは、５μｍ以上１０μｍ以下、１０μｍ以上１５μｍ以下、または、１５μｍ以上２０μｍ以下であってもよい。厚さＴｅｐｉは、５μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
The thickness Tepi of the
半導体基板５１は、ドレイン領域５３として半導体層２の第２主面４側に形成されている。エピタキシャル層５２は、ドリフト領域５４（ドレインドリフト領域）として半導体層２の第１主面３の表層部に形成されている。ドリフト領域５４の底部は、半導体基板５１およびエピタキシャル層５２の境界によって形成されている。以下、エピタキシャル層５２をドリフト領域５４という。
The
出力領域６において半導体層２の第１主面３の表層部には、ｐ型のボディ領域５５が形成されている。ボディ領域５５は、パワーＭＩＳＦＥＴ９の基礎となる領域である。ボディ領域５５のｐ型不純物濃度は、１×１０１６ｃｍ－３以上１×１０１８ｃｍ－３以下であってもよい。
In the output region 6, a p-
ボディ領域５５は、ドリフト領域５４の表層部に形成されている。ボディ領域５５の底部は、ドリフト領域５４の底部に対して第１主面３側の領域に形成されている。ボディ領域５５の厚さは、０．５μｍ以上２μｍ以下であってもよい。ボディ領域５５の厚さは、０．５μｍ以上１μｍ以下、１μｍ以上１．５μｍ以下、または、１．５μｍ以上２μｍ以下であってもよい。
The
パワーＭＩＳＦＥＴ９は、第１ＭＩＳＦＥＴ５６（第１トランジスタ）および第２ＭＩＳＦＥＴ５７（第２トランジスタ）を含む。第１ＭＩＳＦＥＴ５６は、第２ＭＩＳＦＥＴ５７から電気的に分離されており、独立して制御される。第２ＭＩＳＦＥＴ５７は、第１ＭＩＳＦＥＴ５６から電気的に分離されており、独立して制御される。
The
つまり、パワーＭＩＳＦＥＴ９は、第１ＭＩＳＦＥＴ５６及び第２ＭＩＳＦＥＴ５７の双方がオン状態において駆動するように構成されている（Ｆｕｌｌ－ＯＮ制御）。また、パワーＭＩＳＦＥＴ９は、第１ＭＩＳＦＥＴ５６がオン状態である一方で第２ＭＩＳＦＥＴ５７がオフ状態で駆動するように構成されている（第１Ｈａｌｆ－ＯＮ制御）。更に、パワーＭＩＳＦＥＴ９は、第１ＭＩＳＦＥＴ５６がオフ状態である一方で第２ＭＩＳＦＥＴ５７がオン状態で駆動するように構成されている（第２Ｈａｌｆ－ＯＮ制御）。
In other words, the
Ｆｕｌｌ－ＯＮ制御の場合、全ての電流経路が解放された状態でパワーＭＩＳＦＥＴ９が駆動される。したがって、半導体層２内のオン抵抗は相対的に低下する。一方、第１Ｈａｌｆ－ＯＮ制御または第２Ｈａｌｆ－ＯＮ制御の場合、一部の電流経路が遮断された状態でパワーＭＩＳＦＥＴ９が駆動される。したがって、半導体層２内のオン抵抗は相対的に増加する。
In the case of full-on control, the
第１ＭＩＳＦＥＴ５６は、具体的には複数の第１ＦＥＴ（Field Effect Transistor）構造５８を含む。複数の第１ＦＥＴ構造５８は、平面視において第１方向Ｘに沿って間隔を空けて配列され、第２方向Ｙに沿って帯状にそれぞれ延びている。複数の第１ＦＥＴ構造５８は、平面視において全体としてストライプ状に形成されている。
The first MISFET 56 specifically includes a plurality of first FET (Field Effect Transistor)
図５では第１ＦＥＴ構造５８の一端部側の領域を図示し、第１ＦＥＴ構造５８の他端部側の領域の図示を省略している。なお、第１ＦＥＴ構造５８の他端部側の領域の構造は、第１ＦＥＴ構造５８の一端部側の領域の構造とほぼ同様である。以下では、第１ＦＥＴ構造５８の一端部側の領域の構造を例にとって説明し、第１ＦＥＴ構造５８の他端部側の領域の構造についての説明は省略する。
In FIG. 5, the region on one end side of the
各第１ＦＥＴ構造５８は、この形態では、第１トレンチゲート構造６０を含む。第１トレンチゲート構造６０の第１幅ＷＴ１は、０．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。第１幅ＷＴ１は、第１トレンチゲート構造６０が延びる方向（第２方向Ｙ）に直交する方向（第１方向Ｘ）の幅である。
In this embodiment, each
なお、第１幅ＷＴ１は、０．５μｍ以上１μｍ以下、１μｍ以上１．５μｍ以下、１．５μｍ以上２μｍ以下、２μｍ以上２．５μｍ以下、２．５μｍ以上３μｍ以下、３μｍ以上３．５μｍ以下、３．５μｍ以上４μｍ以下、４μｍ以上４．５μｍ以下、または、４．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。第１幅ＷＴ１は、０．８μｍ以上１．２μｍ以下であることが好ましい。 The first width WT1 may be 0.5 μm to 1 μm, 1 μm to 1.5 μm, 1.5 μm to 2 μm, 2 μm to 2.5 μm, 2.5 μm to 3 μm, 3 μm to 3.5 μm, 3.5 μm to 4 μm, 4 μm to 4.5 μm, or 4.5 μm to 5 μm. The first width WT1 is preferably 0.8 μm to 1.2 μm.
第１トレンチゲート構造６０は、ボディ領域５５を貫通し、ドリフト領域５４に達している。第１トレンチゲート構造６０の第１深さＤＴ１は、１μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。第１深さＤＴ１は、１μｍ以上２μｍ以下、２μｍ以上４μｍ以下、４μｍ以上６μｍ以下、６μｍ以上８μｍ以下、又は、８μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。第１深さＤＴ１は、２μｍ以上６μｍ以下であることが好ましい。
The first
第１トレンチゲート構造６０は、一方側の第１側壁６１、他方側の第２側壁６２、ならびに、第１側壁６１および第２側壁６２を接続する底壁６３を含む。以下では、第１側壁６１、第２側壁６２および底壁６３を纏めて「内壁」または「外壁」ということがある。
The first
半導体層２内において第１側壁６１が第１主面３との間で成す角度（テーパ角）の絶対値は、９０°を超えて９５°以下（たとえば９１°程度）であってもよい。半導体層２内において第２側壁６２が第１主面３との間で成す角度（テーパ角）の絶対値は、９０°を超えて９５°以下（たとえば９１°程度）であってもよい。第１トレンチゲート構造６０は、断面視において第１主面３側から底壁６３側に向けて第１幅ＷＴ１が狭まる先細り形状（テーパ形状）に形成されていてもよい。
The absolute value of the angle (taper angle) that the
第１トレンチゲート構造６０の底壁６３は、ドリフト領域５４の底部に対して第１主面３側の領域に位置している。第１トレンチゲート構造６０の底壁６３は、ドリフト領域５４の底部に向かう凸湾曲状（Ｕ字状）に形成されている。
The
第１トレンチゲート構造６０の底壁６３は、ドリフト領域５４の底部に対して１μｍ以上１０μｍ以下の第１間隔ＩＴ１を空けて第１主面３側の領域に位置している。第１間隔ＩＴ１は、１μｍ以上２μｍ以下、２μｍ以上４μｍ以下、４μｍ以上６μｍ以下、６μｍ以上８μｍ以下、又は、８μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。第１間隔ＩＴ１は、１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。
The
第２ＭＩＳＦＥＴ５７は、この形態では、複数の第２ＦＥＴ構造６８を含む。複数の第２ＦＥＴ構造６８は、平面視において第１方向Ｘに沿って間隔を空けて配列され、第２方向Ｙに沿って帯状にそれぞれ延びている。
In this embodiment, the second MISFET 57 includes a plurality of
複数の第２ＦＥＴ構造６８は、複数の第１ＦＥＴ構造５８と同一方向に沿って延びている。複数の第２ＦＥＴ構造６８は、平面視において全体としてストライプ状に形成されている。複数の第２ＦＥＴ構造６８は、この形態では、１個の第１ＦＥＴ構造５８を挟む態様で複数の第１ＦＥＴ構造５８と交互に配列されている。
The multiple
図５では第２ＦＥＴ構造６８の一端部側の領域を図示し、第２ＦＥＴ構造６８の他端部側の領域の図示を省略している。なお、第２ＦＥＴ構造６８の他端部側の領域の構造は、第２ＦＥＴ構造６８の一端部側の領域の構造とほぼ同様である。以下では、第２ＦＥＴ構造６８の一端部側の領域の構造を例にとって説明し、第２ＦＥＴ構造６８の他端部側の領域の構造についての説明は省略する。
In FIG. 5, the region on one end side of the
各第２ＦＥＴ構造６８は、この形態では、第２トレンチゲート構造７０を含む。第２トレンチゲート構造７０の第２幅ＷＴ２は、０．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。第２幅ＷＴ２は、第２トレンチゲート構造７０が延びる方向（第２方向Ｙ）に直交する方向（第１方向Ｘ）の幅である。
In this embodiment, each
なお、第２幅ＷＴ２は、０．５μｍ以上１μｍ以下、１μｍ以上１．５μｍ以下、１．５μｍ以上２μｍ以下、２μｍ以上２．５μｍ以下、２．５μｍ以上３μｍ以下、３μｍ以上３．５μｍ以下、３．５μｍ以上４μｍ以下、４μｍ以上４．５μｍ以下、または、４．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。第２幅ＷＴ２は、０．８μｍ以上１．２μｍ以下であることが好ましい。 The second width WT2 may be 0.5 μm or more and 1 μm or less, 1 μm or more and 1.5 μm or less, 1.5 μm or more and 2 μm or less, 2 μm or more and 2.5 μm or less, 2.5 μm or more and 3 μm or less, 3 μm or more and 3.5 μm or less, 3.5 μm or more and 4 μm or less, 4 μm or more and 4.5 μm or less, or 4.5 μm or more and 5 μm or less. The second width WT2 is preferably 0.8 μm or more and 1.2 μm or less.
第２トレンチゲート構造７０の第２幅ＷＴ２は、第１トレンチゲート構造６０の第１幅ＷＴ１以上（ＷＴ１≦ＷＴ２）であってもよい。第２幅ＷＴ２は、第１幅ＷＴ１以下（ＷＴ１≧ＷＴ２）であってもよい。第２幅ＷＴ２は、第１幅ＷＴ１と等しい（ＷＴ１＝ＷＴ２）ことが好ましい。 The second width WT2 of the second trench gate structure 70 may be equal to or greater than the first width WT1 of the first trench gate structure 60 (WT1≦WT2). The second width WT2 may be equal to or less than the first width WT1 (WT1≧WT2). It is preferable that the second width WT2 is equal to the first width WT1 (WT1=WT2).
第２トレンチゲート構造７０は、ボディ領域５５を貫通し、ドリフト領域５４に達している。第２トレンチゲート構造７０の第２深さＤＴ２は、１μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。第２深さＤＴ２は、１μｍ以上２μｍ以下、２μｍ以上４μｍ以下、４μｍ以上６μｍ以下、６μｍ以上８μｍ以下、又は、８μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。第２深さＤＴ２は、２μｍ以上６μｍ以下であることが好ましい。
The second trench gate structure 70 penetrates the
第２トレンチゲート構造７０の第２深さＤＴ２は、第１トレンチゲート構造６０の第１深さＤＴ１以上（ＤＴ１≦ＤＴ２）であってもよい。第２深さＤＴ２は、第１深さＤＴ１以下（ＤＴ１≧ＤＴ２）であってもよい。なお、第２深さＤＴ２は、第１深さＤＴ１と等しい（ＤＴ１＝ＤＴ２）ことが好ましい。 The second depth DT2 of the second trench gate structure 70 may be equal to or greater than the first depth DT1 of the first trench gate structure 60 (DT1≦DT2). The second depth DT2 may be equal to or less than the first depth DT1 (DT1≧DT2). It is preferable that the second depth DT2 is equal to the first depth DT1 (DT1=DT2).
第２トレンチゲート構造７０は、一方側の第１側壁７１、他方側の第２側壁７２、ならびに、第１側壁７１および第２側壁７２を接続する底壁７３を含む。以下では、第１側壁７１、第２側壁７２および底壁７３を纏めて「内壁」または「外壁」ということがある。
The second trench gate structure 70 includes a
半導体層２内において第１側壁７１が第１主面３との間で成す角度（テーパ角）の絶対値は、９０°を超えて９５°以下（たとえば９１°程度）であってもよい。半導体層２内において第２側壁７２が第１主面３との間で成す角度（テーパ角）の絶対値は、９０°を超えて９５°以下（たとえば９１°程度）であってもよい。第２トレンチゲート構造７０は、断面視において第１主面３側から底壁７３側に向けて第２幅ＷＴ２が狭まる先細り形状（テーパ形状）に形成されていてもよい。
The absolute value of the angle (taper angle) that the
第２トレンチゲート構造７０の底壁７３は、ドリフト領域５４の底部に対して第１主面３側の領域に位置している。第２トレンチゲート構造７０の底壁７３は、ドリフト領域５４の底部に向かう凸湾曲状（Ｕ字状）に形成されている。
The
第２トレンチゲート構造７０の底壁７３は、ドリフト領域５４の底部に対して１μｍ以上１０μｍ以下の第２間隔ＩＴ２を空けて第１主面３側の領域に位置している。第２間隔ＩＴ２は、１μｍ以上２μｍ以下、２μｍ以上４μｍ以下、４μｍ以上６μｍ以下、６μｍ以上８μｍ以下、又は、８μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。第２間隔ＩＴ２は、１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。
The
複数の第１トレンチゲート構造６０および複数の第２トレンチゲート構造７０の間の領域には、セル領域７５がそれぞれ区画されている。複数のセル領域７５は、平面視において第１方向Ｘに沿って間隔を空けて配列され、第２方向Ｙに沿って帯状にそれぞれ延びている。複数のセル領域７５は、第１トレンチゲート構造６０および第２トレンチゲート構造７０と同一方向に沿って延びている。複数のセル領域７５は、平面視において全体としてストライプ状に形成されている。
第１トレンチゲート構造６０の外壁からは、ドリフト領域５４の内部に第１空乏層が拡がる。第１空乏層は、第１トレンチゲート構造６０の外壁から第１主面３に沿う方向および法線方向Ｚに向けて広がる。同様に、第２トレンチゲート構造７０の外壁からは、ドリフト領域５４内に第２空乏層が拡がる。第２空乏層は、第２トレンチゲート構造７０の外壁から第１主面３に沿う方向および法線方向Ｚに向けて広がる。
A first depletion layer extends from the outer wall of the first
第２トレンチゲート構造７０は、第２空乏層が第１空乏層に重なる態様で、第１トレンチゲート構造６０から間隔を空けて配列されている。つまり、第２空乏層は、セル領域７５において第２トレンチゲート構造７０の底壁７３に対して第１主面３側の領域で第１空乏層に重なる。このような構造によれば、第１トレンチゲート構造６０および第２トレンチゲート構造７０に電界が集中するのを抑制できるから、ブレークダウン電圧の低下を抑制できる。
The second trench gate structure 70 is arranged at a distance from the first
第２空乏層は、第２トレンチゲート構造７０の底壁７３に対してドリフト領域５４の底部側の領域で第１空乏層に重なることが好ましい。このような構造によれば、第１トレンチゲート構造６０の底壁６３および第２トレンチゲート構造７０の底壁７３に電界が集中するのを抑制できるから、ブレークダウン電圧の低下を適切に抑制できる。
The second depletion layer preferably overlaps with the first depletion layer in a region on the bottom side of the
第１トレンチゲート構造６０および第２トレンチゲート構造７０の側壁間のピッチＰＳは、０．２μｍ以上２μｍ以下であってもよい。ピッチＰＳは、第１トレンチゲート構造６０の第１側壁６１（第２側壁６２）および第２トレンチゲート構造７０の第２側壁７２（第１側壁７１）の間において、第１トレンチゲート構造６０および第２トレンチゲート構造７０が延びる方向（第２方向Ｙ）に直交する方向（第１方向Ｘ）の距離である。
The pitch PS between the sidewalls of the first
ピッチＰＳは、０．２μｍ以上０．４μｍ以下、０．４μｍ以上０．６μｍ以下、０．６μｍ以上０．８μｍ以下、０．８μｍ以上１．０μｍ以下、１．０μｍ以上１．２μｍ以下、１．２μｍ以上１．４μｍ以下、１．４μｍ以上１．６μｍ以下、１．６μｍ以上１．８μｍ以下、又は、１．８μｍ以上２．０μｍ以下であってもよい。ピッチＰＳは、０．３μｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましい。 The pitch PS may be 0.2 μm to 0.4 μm, 0.4 μm to 0.6 μm, 0.6 μm to 0.8 μm, 0.8 μm to 1.0 μm, 1.0 μm to 1.2 μm, 1.2 μm to 1.4 μm, 1.4 μm to 1.6 μm, 1.6 μm to 1.8 μm, or 1.8 μm to 2.0 μm. The pitch PS is preferably 0.3 μm to 1.5 μm.
第１トレンチゲート構造６０および第２トレンチゲート構造７０の中央部間のピッチＰＣは、１μｍ以上７μｍ以下であってもよい。ピッチＰＣは、第１トレンチゲート構造６０の中央部および第２トレンチゲート構造７０の中央部の間において、第１トレンチゲート構造６０および第２トレンチゲート構造７０が延びる方向（第２方向Ｙ）に直交する方向（第１方向Ｘ）の距離である。
The pitch PC between the central portions of the first
なお、ピッチＰＣは、１μｍ以上２μｍ以下、２μｍ以上３μｍ以下、３μｍ以上４μｍ以下、４μｍ以上５μｍ以下、５μｍ以上６μｍ以下、または、６μｍ以上７μｍ以下であってもよい。ピッチＰＣは、１μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。 The pitch PC may be 1 μm or more and 2 μm or less, 2 μm or more and 3 μm or less, 3 μm or more and 4 μm or less, 4 μm or more and 5 μm or less, 5 μm or more and 6 μm or less, or 6 μm or more and 7 μm or less. The pitch PC is preferably 1 μm or more and 3 μm or less.
第１トレンチゲート構造６０は、より具体的には、第１ゲートトレンチ８１、第１絶縁層８２および第１電極８３を含む。第１ゲートトレンチ８１は、第１主面３を第２主面４側に向けて掘り下げることによって形成されている。
More specifically, the first
第１ゲートトレンチ８１は、第１トレンチゲート構造６０の第１側壁６１、第２側壁６２および底壁６３を区画している。以下では、第１トレンチゲート構造６０の第１側壁６１、第２側壁６２および底壁６３を、第１ゲートトレンチ８１の第１側壁６１、第２側壁６２および底壁６３ともいう。
The
第１絶縁層８２は、第１ゲートトレンチ８１の内壁に沿って膜状に形成されている。第１絶縁層８２は、第１ゲートトレンチ８１内において凹状の空間を区画している。第１絶縁層８２において第１ゲートトレンチ８１の底壁６３を被覆する部分は、第１ゲートトレンチ８１の底壁６３に倣って形成されている。これにより、第１絶縁層８２は、第１ゲートトレンチ８１内においてＵ字状に窪んだＵ字空間を区画している。
The first insulating
第１絶縁層８２は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ３）のうちの少なくとも１種を含む。
The first insulating
第１絶縁層８２は、半導体層２側からこの順に積層されたＳｉＮ層およびＳｉＯ２層を含む積層構造を有していてもよい。第１絶縁層８２は、半導体層２側からこの順に積層されたＳｉＯ２層およびＳｉＮ層を含む積層構造を有していてもよい。第１絶縁層８２は、ＳｉＯ２層またはＳｉＮ層からなる単層構造を有していてもよい。第１絶縁層８２は、この形態では、ＳｉＯ２層からなる単層構造を有している。
The first insulating
第１絶縁層８２は、第１ゲートトレンチ８１の底壁６３側から第１主面３側に向けてこの順に形成された第１底側絶縁層８４および第１開口側絶縁層８５を含む。
The first insulating
第１底側絶縁層８４は、第１ゲートトレンチ８１の底壁６３側の内壁を被覆している。第１底側絶縁層８４は、より具体的には、ボディ領域５５の底部に対して第１ゲートトレンチ８１の底壁６３側の内壁を被覆している。第１底側絶縁層８４は、第１ゲートトレンチ８１の底壁６３側においてＵ字空間を区画している。第１底側絶縁層８４は、Ｕ字空間を区画する平滑な内壁面を有している。第１底側絶縁層８４は、ドリフト領域５４に接している。第１底側絶縁層８４の一部は、ボディ領域５５に接していてもよい。
The first
第１開口側絶縁層８５は、第１ゲートトレンチ８１の開口側の内壁を被覆している。第１開口側絶縁層８５は、より具体的には、ボディ領域５５の底部に対して第１ゲートトレンチ８１の開口側の領域において第１ゲートトレンチ８１の第１側壁６１および第２側壁６２を被覆している。第１開口側絶縁層８５は、ボディ領域５５に接している。第１開口側絶縁層８５の一部は、ドリフト領域５４に接していてもよい。
The first opening-
第１底側絶縁層８４は、第１厚さＴ１を有している。第１開口側絶縁層８５は、第１厚さＴ１未満の第２厚さＴ２（Ｔ２＜Ｔ１）を有している。第１厚さＴ１は、第１底側絶縁層８４において第１ゲートトレンチ８１の内壁の法線方向に沿う厚さである。第２厚さＴ２は、第１開口側絶縁層８５において第１ゲートトレンチ８１の内壁の法線方向に沿う厚さである。
The first bottom
なお、第１ゲートトレンチ８１の第１幅ＷＴ１に対する第１厚さＴ１の第１比Ｔ１／ＷＴ１は、０．１以上０．４以下であってもよい。また、第１比Ｔ１／ＷＴ１は、０．１以上０．１５以下、０．１５以上０．２以下、０．２以上０．２５以下、０．２５以上０．３以下、０．３以上０．３５以下、または、０．３５以上０．４以下であってもよい。第１比Ｔ１／ＷＴ１は、０．２５以上０．３５以下であることが好ましい。
The first ratio T1/WT1 of the first thickness T1 to the first width WT1 of the
なお、第１底側絶縁層８４の第１厚さＴ１は、１５００Å以上４０００Å以下であってもよい。第１厚さＴ１は、１５００Å以上２０００Å以下、２０００Å以上２５００Å以下、２５００Å以上３０００Å以下、３０００Å以上３５００Å以下、または、３５００Å以上４０００Å以下であってもよい。第１厚さＴ１は、１８００Å以上３５００Å以下であることが好ましい。
The first thickness T1 of the first bottom
第１厚さＴ１は、第１ゲートトレンチ８１の第１幅ＷＴ１に応じて、４０００Å以上１２０００Å以下に調整されてもよい。第１厚さＴ１は、４０００Å以上５０００Å以下、５０００Å以上６０００Å以下、６０００Å以上７０００Å以下、７０００Å以上８０００Å以下、８０００Å以上９０００Å以下、９０００Å以上１００００Å以下、１００００Å以上１１０００Å以下、又は、１１０００Å以上１２０００Å以下であってもよい。この場合、第１底側絶縁層８４の厚化により半導体装置１の耐圧を高めることができる。
The first thickness T1 may be adjusted to 4000 Å or more and 12000 Å or less depending on the first width WT1 of the
第１開口側絶縁層８５の第２厚さＴ２は、第１底側絶縁層８４の第１厚さＴ１の１／１００以上１／１０以下であってもよい。第２厚さＴ２は、１００Å以上５００Å以下であってもよい。第２厚さＴ２は、１００Å以上２００Å以下、２００Å以上３００Å以下、３００Å以上４００Å以下、または、４００Å以上５００Å以下であってもよい。第２厚さＴ２は、２００Å以上４００Å以下であることが好ましい。
The second thickness T2 of the first opening-
第１底側絶縁層８４は、第１ゲートトレンチ８１の第１側壁６１および第２側壁６２を被覆する部分から第１ゲートトレンチ８１の底壁６３を被覆する部分に向けて第１厚さＴ１が減少する態様で形成されている。
The first
第１底側絶縁層８４において第１ゲートトレンチ８１の底壁６３を被覆する部分の厚さは、第１底側絶縁層８４において第１ゲートトレンチ８１の第１側壁６１および第２側壁６２を被覆する部分の厚さよりも小さい。第１底側絶縁層８４によって区画されたＵ字空間の底壁側の開口幅は、第１厚さＴ１の減少分だけ拡張されている。これにより、Ｕ字空間の先細りが抑制されている。このようなＵ字空間は、たとえば、第１底側絶縁層８４の内壁に対するエッチング法（たとえばウエットエッチング法）によって形成される。
The thickness of the portion of the first
第１電極８３は、第１絶縁層８２を挟んで、第１ゲートトレンチ８１に埋め込まれている。第１電極８３にはオン信号Ｖｏｎおよびオフ信号Ｖｏｆｆを含む第１ゲート制御信号（第１制御信号）が印加される。第１電極８３は、この形態では、第１底側電極８６、第１開口側電極８７および第１中間絶縁層８８を含む絶縁分離型のスプリット電極構造を有している。
The first electrode 83 is embedded in the
第１底側電極８６は、第１絶縁層８２を挟んで第１ゲートトレンチ８１の底壁６３側に埋設されている。第１底側電極８６は、より具体的には、第１底側絶縁層８４を挟んで第１ゲートトレンチ８１の底壁６３側に埋設されている。第１底側電極８６は、第１底側絶縁層８４を挟んでドリフト領域５４に対向している。第１底側電極８６の一部は、第１底側絶縁層８４を挟んでボディ領域５５に対向していてもよい。
The first
第１底側電極８６は、第１ゲートトレンチ８１の開口側において、第１底側絶縁層８４および第１開口側絶縁層８５との間で、断面視において逆凹状のリセスを区画している。このような構造によれば、第１底側電極８６に対する局所的な電界集中を抑制できるから、ブレークダウン電圧の低下を抑制できる。特に、第１底側絶縁層８４の拡張されたＵ字空間に第１底側電極８６を埋設することにより、第１底側電極８６が上端部から下端部に向けて先細り形状になることを適切に抑制できる。これにより、第１底側電極８６の下端部に対する局所的な電界集中を適切に抑制できる。
The first
第１底側電極８６は、導電性ポリシリコン、タングステン、アルミニウム、銅、アルミニウム合金および銅合金のうちの少なくとも１種を含んでいてもよい。第１底側電極８６は、この形態では、導電性ポリシリコンを含む。導電性ポリシリコンは、ｎ型不純物またはｐ型不純物を含んでいてもよい。なお、導電性ポリシリコンは、ｎ型不純物を含むことが好ましい。
The first
第１開口側電極８７は、第１絶縁層８２を挟んで第１ゲートトレンチ８１の開口側に埋設されている。第１開口側電極８７は、より具体的には、第１開口側絶縁層８５を挟んで第１ゲートトレンチ８１の開口側に区画された逆凹状のリセスに埋設されている。第１開口側電極８７は、第１開口側絶縁層８５を挟んでボディ領域５５に対向している。第１開口側電極８７の一部は、第１開口側絶縁層８５を挟んでドリフト領域５４に対向していてもよい。
The first
第１開口側電極８７は、導電性ポリシリコン、タングステン、アルミニウム、銅、アルミニウム合金および銅合金のうちの少なくとも１種を含んでいてもよい。第１開口側電極８７は、第１底側電極８６と同一種の導電材料を含むことが好ましい。第１開口側電極８７は、この形態では、導電性ポリシリコンを含む。導電性ポリシリコンは、ｎ型不純物またはｐ型不純物を含んでいてもよい。導電性ポリシリコンは、ｎ型不純物を含むことが好ましい。
The first
第１中間絶縁層８８は、第１底側電極８６および第１開口側電極８７の間に介在し、第１底側電極８６および第１開口側電極８７を電気的に絶縁している。第１中間絶縁層８８は、より具体的には、第１底側電極８６及び第１開口側電極８７の間の領域において第１底側絶縁層８４から露出する第１底側電極８６を被覆している。第１中間絶縁層８８は、第１底側電極８６の上端部（より具体的には突出部）を被覆している。第１中間絶縁層８８は、第１絶縁層８２（第１底側絶縁層８４）に連なっている。
The first intermediate insulating layer 88 is interposed between the first
第１中間絶縁層８８は、第３厚さＴ３を有している。第３厚さＴ３は、第１底側絶縁層８４の第１厚さＴ１未満（Ｔ３＜Ｔ１）である。第３厚さＴ３は、第１厚さＴ１の１／１００以上１／１０以下であってもよい。第３厚さＴ３は、１００Å以上５００Å以下であってもよい。第３厚さＴ３は、１００Å以上２００Å以下、２００Å以上３００Å以下、３００Å以上４００Å以下、または、４００Å以上５００Å以下であってもよい。第３厚さＴ３は、２００Å以上４００Å以下であることが好ましい。 The first intermediate insulating layer 88 has a third thickness T3. The third thickness T3 is less than the first thickness T1 of the first bottom insulating layer 84 (T3<T1). The third thickness T3 may be 1/100 or more and 1/10 or less of the first thickness T1. The third thickness T3 may be 100 Å or more and 500 Å or less. The third thickness T3 may be 100 Å or more and 200 Å or less, 200 Å or more and 300 Å or less, 300 Å or more and 400 Å or less, or 400 Å or more and 500 Å or less. The third thickness T3 is preferably 200 Å or more and 400 Å or less.
第１中間絶縁層８８は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ３）のうちの少なくとも１種を含む。第１中間絶縁層８８は、この形態では、ＳｉＯ２層からなる単層構造を有している。 The first intermediate insulating layer 88 includes at least one of silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and tantalum oxide (Ta 2 O 3 ). In this embodiment, the first intermediate insulating layer 88 has a single-layer structure consisting of two SiO 2 layers.
第１開口側電極８７において第１ゲートトレンチ８１から露出する露出部は、この形態では、第１主面３に対して第１ゲートトレンチ８１の底壁６３側に位置している。第１開口側電極８７の露出部は、第１ゲートトレンチ８１の底壁６３に向かう湾曲状に形成されている。
In this embodiment, the exposed portion of the first
第１開口側電極８７の露出部は、膜状に形成された第１キャップ絶縁層によって被覆されている。第１キャップ絶縁層は、第１ゲートトレンチ８１内において第１絶縁層８２（第１開口側絶縁層８５）に連なっている。第１キャップ絶縁層は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含んでいてもよい。
The exposed portion of the first
各第１ＦＥＴ構造５８は、ｐ型の第１チャネル領域９１（第１チャネル）を更に含む。第１チャネル領域９１は、ボディ領域５５において第１絶縁層８２（第１開口側絶縁層８５）を挟んで第１電極８３（第１開口側電極８７）に対向する領域に形成される。
Each
第１チャネル領域９１は、第１トレンチゲート構造６０の第１側壁６１または第２側壁６２、もしくは、第１側壁６１および第２側壁６２に沿って形成されている。第１チャネル領域９１は、この形態では、第１トレンチゲート構造６０の第１側壁６１および第２側壁６２に沿って形成されている。
The
各第１ＦＥＴ構造５８は、ボディ領域５５の表層部に形成されたｎ＋型の第１ソース領域９２をさらに含む。第１ソース領域９２は、ボディ領域５５内においてドリフト領域５４との間で第１チャネル領域９１を画定する。第１ソース領域９２のｎ型不純物濃度は、ドリフト領域５４のｎ型不純物濃度を超えている。第１ソース領域９２のｎ型不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ－３以上１×１０２１ｃｍ－３以下であってもよい。
Each
各第１ＦＥＴ構造５８は、この形態では、複数の第１ソース領域９２を含む。複数の第１ソース領域９２は、ボディ領域５５の表層部において第１トレンチゲート構造６０に沿って間隔を空けて形成されている。複数の第１ソース領域９２は、より具体的には、第１トレンチゲート構造６０の第１側壁６１または第２側壁６２、もしくは、第１側壁６１及び第２側壁６２に沿って形成されている。複数の第１ソース領域９２は、この形態では、第１トレンチゲート構造６０の第１側壁６１および第２側壁６２に沿って間隔を空けて形成されている。
In this embodiment, each
複数の第１ソース領域９２の底部は、ボディ領域５５の底部に対して第１主面３側の領域に位置している。これにより、複数の第１ソース領域９２は、第１絶縁層８２（第１開口側絶縁層８５）を挟んで第１電極８３（第１開口側電極８７）に対向している。このようにして、第１ＭＩＳＦＥＴ５６の第１チャネル領域９１が、ボディ領域５５において複数の第１ソース領域９２およびドリフト領域５４に挟まれた領域に形成される。
The bottoms of the multiple
各第１ＦＥＴ構造５８は、ボディ領域５５の表層部に形成されたｐ＋型の第１コンタクト領域９３を更に含む。第１コンタクト領域９３のｐ型不純物濃度は、ボディ領域５５のｐ型不純物濃度を超えている。第１コンタクト領域９３のｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０１９ｃｍ－３以上１×１０２１ｃｍ－３以下であってもよい。
Each
各第１ＦＥＴ構造５８は、この形態では、複数の第１コンタクト領域９３を含む。複数の第１コンタクト領域９３は、ボディ領域５５の表層部において第１トレンチゲート構造６０に沿って間隔を空けて形成されている。複数の第１コンタクト領域９３は、より具体的には、第１トレンチゲート構造６０の第１側壁６１または第２側壁６２、もしくは、第１側壁６１および第２側壁６２に沿って形成されている。
In this embodiment, each
複数の第１コンタクト領域９３は、この形態では、第１トレンチゲート構造６０の第１側壁６１及び第２側壁６２に沿って間隔を空けて形成されている。複数の第１コンタクト領域９３は、より具体的には、複数の第１ソース領域９２に対して交互の配列となる態様でボディ領域５５の表層部に形成されている。複数の第１コンタクト領域９３の底部は、ボディ領域５５の底部に対して第１主面３側の領域に位置している。
In this embodiment, the multiple first contact regions 93 are formed at intervals along the
第２トレンチゲート構造７０は、第２ゲートトレンチ１０１、第２絶縁層１０２および第２電極１０３を含む。第２ゲートトレンチ１０１は、第１主面３を第２主面４側に向けて掘り下げることによって形成されている。
The second trench gate structure 70 includes a
第２ゲートトレンチ１０１は、第２トレンチゲート構造７０の第１側壁７１、第２側壁７２および底壁７３を区画している。以下では、第２トレンチゲート構造７０の第１側壁７１、第２側壁７２および底壁７３を、第２ゲートトレンチ１０１の第１側壁７１、第２側壁７２および底壁７３ともいう。
The
第２絶縁層１０２は、第２ゲートトレンチ１０１の内壁に沿い膜状に形成されている。第２絶縁層１０２は、第２ゲートトレンチ１０１内において凹状の空間を区画している。第２絶縁層１０２において第２ゲートトレンチ１０１の底壁７３を被覆する部分は、第２ゲートトレンチ１０１の底壁７３に倣って形成されている。これにより、第２絶縁層１０２は、第２ゲートトレンチ１０１内においてＵ字状に窪んだＵ字空間を区画している。
The second
第２絶縁層１０２は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）及び酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ３）のうちの少なくとも１種を含む。
The second
第２絶縁層１０２は、半導体層２側からこの順に積層されたＳｉＮ層およびＳｉＯ２層を含む積層構造を有していてもよい。第２絶縁層１０２は、半導体層２側からこの順に積層されたＳｉＯ２層およびＳｉＮ層を含む積層構造を有していてもよい。第２絶縁層１０２は、ＳｉＯ２層またはＳｉＮ層からなる単層構造を有していてもよい。第２絶縁層１０２は、この形態では、ＳｉＯ２層からなる単層構造を有している。
The second
第２絶縁層１０２は、第２ゲートトレンチ１０１の底壁７３側から第１主面３側に向けてこの順に形成された第２底側絶縁層１０４および第２開口側絶縁層１０５を含む。
The second
第２底側絶縁層１０４は、第２ゲートトレンチ１０１の底壁７３側の内壁を被覆している。第２底側絶縁層１０４は、より具体的には、ボディ領域５５の底部に対して第２ゲートトレンチ１０１の底壁７３側の内壁を被覆している。第２底側絶縁層１０４は、第２ゲートトレンチ１０１の底壁７３側においてＵ字空間を区画している。第２底側絶縁層１０４は、Ｕ字空間を区画する平滑な内壁面を有している。第２底側絶縁層１０４は、ドリフト領域５４に接している。第２底側絶縁層１０４の一部は、ボディ領域５５に接していてもよい。
The second bottom
第２開口側絶縁層１０５は、第２ゲートトレンチ１０１の開口側内壁を被覆している。第２開口側絶縁層１０５は、より具体的には、ボディ領域５５の底部に対して第２ゲートトレンチ１０１の開口側の領域において第２ゲートトレンチ１０１の第１側壁７１及び第２側壁７２を被覆している。第２開口側絶縁層１０５は、ボディ領域５５に接している。第２開口側絶縁層１０５の一部は、ドリフト領域５４に接していてもよい。
The second opening-side
第２底側絶縁層１０４は、第４厚さＴ４を有している。第２開口側絶縁層１０５は、第４厚さＴ４未満の第５厚さＴ５（Ｔ５＜Ｔ４）を有している。第４厚さＴ４は、第２底側絶縁層１０４において第２ゲートトレンチ１０１の内壁の法線方向に沿う厚さである。第５厚さＴ５は、第２開口側絶縁層１０５において第２ゲートトレンチ１０１の内壁の法線方向に沿う厚さである。
The second bottom
第２ゲートトレンチ１０１の第２幅ＷＴ２に対する第４厚さＴ４の第２比Ｔ４／ＷＴ２は、０．１以上０．４以下であってもよい。例えば、第２比Ｔ４／ＷＴ２は、０．１以上０．１５以下、０．１５以上０．２以下、０．２以上０．２５以下、０．２５以上０．３以下、０．３以上０．３５以下、または、０．３５以上０．４以下であってもよい。第２比Ｔ４／ＷＴ２は、０．２５以上０．３５以下であることが好ましい。
The second ratio T4/WT2 of the fourth thickness T4 to the second width WT2 of the
第２比Ｔ４／ＷＴ２は、第１比Ｔ１／ＷＴ１以下（Ｔ４／ＷＴ２≦Ｔ１／ＷＴ１）であってもよい。第２比Ｔ４／ＷＴ２は、第１比Ｔ１／ＷＴ１以上（Ｔ４／ＷＴ２≧Ｔ１／ＷＴ１）であってもよい。また、第２比Ｔ４／ＷＴ２は、第１比Ｔ１／ＷＴ１と等しくてもよい（Ｔ４／ＷＴ２＝Ｔ１／ＷＴ１）。 The second ratio T4/WT2 may be less than or equal to the first ratio T1/WT1 (T4/WT2≦T1/WT1). The second ratio T4/WT2 may be greater than or equal to the first ratio T1/WT1 (T4/WT2≧T1/WT1). The second ratio T4/WT2 may also be equal to the first ratio T1/WT1 (T4/WT2=T1/WT1).
第２底側絶縁層１０４の第４厚さＴ４は、１５００Å以上４０００Å以下であってもよい。第４厚さＴ４は、１５００Å以上２０００Å以下、２０００Å以上２５００Å以下、２５００Å以上３０００Å以下、３０００Å以上３５００Å以下、または、３５００Å以上４０００Å以下であってもよい。第４厚さＴ４は、１８００Å以上３５００Å以下であることが好ましい。
The fourth thickness T4 of the second bottom
第４厚さＴ４は、第２ゲートトレンチ１０１の第２幅ＷＴ２に応じて、４０００Å以上１２０００Å以下であってもよい。第４厚さＴ４は、４０００Å以上５０００Å以下、５０００Å以上６０００Å以下、６０００Å以上７０００Å以下、７０００Å以上８０００Å以下、８０００Å以上９０００Å以下、９０００Å以上１００００Å以下、１００００Å以上１１０００Å以下、又は、１１０００Å以上１２０００Å以下であってもよい。この場合、第２底側絶縁層１０４の厚化により半導体装置１の耐圧を高めることができる。
The fourth thickness T4 may be 4000 Å or more and 12000 Å or less depending on the second width WT2 of the
第４厚さＴ４は、第１厚さＴ１以下（Ｔ４≦Ｔ１）であってもよい。第４厚さＴ４は、第１厚さＴ１以上（Ｔ４≧Ｔ１）であってもよい。第４厚さＴ４は、第１厚さＴ１と等しくてもよい（Ｔ４＝Ｔ１）。 The fourth thickness T4 may be less than or equal to the first thickness T1 (T4≦T1). The fourth thickness T4 may be greater than or equal to the first thickness T1 (T4≧T1). The fourth thickness T4 may be equal to the first thickness T1 (T4=T1).
第２開口側絶縁層１０５の第５厚さＴ５は、第２底側絶縁層１０４の第４厚さＴ４未満（Ｔ５＜Ｔ４）である。第５厚さＴ５は、第４厚さＴ４の１／１００以上１／１０以下であってもよい。１００Å以上５００Å以下であってもよい。第５厚さＴ５は、１００Å以上２００Å以下、２００Å以上３００Å以下、３００Å以上４００Å以下、または、４００Å以上５００Å以下であってもよい。第５厚さＴ５は、２００Å以上４００Å以下であることが好ましい。
The fifth thickness T5 of the second opening-side
第５厚さＴ５は、第２厚さＴ２以下（Ｔ５≦Ｔ２）であってもよい。第５厚さＴ５は、第２厚さＴ２以上（Ｔ５≧Ｔ２）であってもよい。第５厚さＴ５は、第２厚さＴ２と等しくてもよい（Ｔ５＝Ｔ２）。 The fifth thickness T5 may be less than or equal to the second thickness T2 (T5≦T2). The fifth thickness T5 may be greater than or equal to the second thickness T2 (T5≧T2). The fifth thickness T5 may be equal to the second thickness T2 (T5=T2).
第２底側絶縁層１０４は、第２ゲートトレンチ１０１の第１側壁７１および第２側壁７２を被覆する部分から第２ゲートトレンチ１０１の底壁７３を被覆する部分に向けて第４厚さＴ４が減少する態様で形成されている。
The second
第２底側絶縁層１０４において第２ゲートトレンチ１０１の底壁７３を被覆する部分の厚さは、第２底側絶縁層１０４において第２ゲートトレンチ１０１の第１側壁７１及び第２側壁７２を被覆する部分の厚さよりも小さい。第２底側絶縁層１０４により区画されたＵ字空間の底壁側の開口幅は、第４厚さＴ４の減少分だけ拡張されている。これにより、Ｕ字空間の先細りが抑制されている。このようなＵ字空間は、例えば、第２底側絶縁層１０４の内壁に対するエッチング法（例えばウエットエッチング法）によって形成される。
The thickness of the portion of the second
第２電極１０３は、第２絶縁層１０２を挟んで第２ゲートトレンチ１０１に埋め込まれている。第２電極１０３にはオン信号Ｖｏｎおよびオフ信号Ｖｏｆｆを含む所定の第２ゲート制御信号（第２制御信号）が印加される。
The
第２電極１０３は、この形態では、第２底側電極１０６、第２開口側電極１０７および第２中間絶縁層１０８を含む絶縁分離型のスプリット電極構造を有している。第２底側電極１０６は、この形態では、第１底側電極８６に電気的に接続されている。第２開口側電極１０７は、第１開口側電極８７から電気的に絶縁されている。
The
第２底側電極１０６は、第２絶縁層１０２を挟んで第２ゲートトレンチ１０１の底壁７３側に埋設されている。第２底側電極１０６は、より具体的には、第２底側絶縁層１０４を挟んで第２ゲートトレンチ１０１の底壁７３側に埋設されている。第２底側電極１０６は、第２底側絶縁層１０４を挟んでドリフト領域５４に対向している。第２底側電極１０６の一部は、第２底側絶縁層１０４を挟んでボディ領域５５に対向していてもよい。
The second
第２底側電極１０６は、第２ゲートトレンチ１０１の開口側において、第２底側絶縁層１０４および第２開口側絶縁層１０５との間で、断面視において逆凹状のリセスを区画している。このような構造によれば、第２底側電極１０６に対する局所的な電界集中を抑制できるので、ブレークダウン電圧の低下を抑制できる。特に、第２底側絶縁層１０４の拡張されたＵ字空間に第２底側電極１０６を埋設することにより、第２底側電極１０６が上端部から下端部に向けて先細り形状になることを適切に抑制できる。これにより、第２底側電極１０６の下端部に対する局所的な電界集中を適切に抑制できる。
The second
第２底側電極１０６は、導電性ポリシリコン、タングステン、アルミニウム、銅、アルミニウム合金および銅合金のうちの少なくとも１種を含んでいてもよい。第２底側電極１０６は、この形態では、導電性ポリシリコンを含む。導電性ポリシリコンは、ｎ型不純物またはｐ型不純物を含んでいてもよい。導電性ポリシリコンは、ｎ型不純物を含むことが好ましい。
The second
第２開口側電極１０７は、第２絶縁層１０２を挟んで第２ゲートトレンチ１０１の開口側に埋設されている。第２開口側電極１０７は、より具体的には、第２開口側絶縁層１０５を挟んで第２ゲートトレンチ１０１の開口側に区画された逆凹状のリセスに埋設されている。第２開口側電極１０７は、第２開口側絶縁層１０５を挟んでボディ領域５５に対向している。第２開口側電極１０７の一部は、第２開口側絶縁層１０５を挟んでドリフト領域５４に対向していてもよい。
The second
第２開口側電極１０７は、導電性ポリシリコン、タングステン、アルミニウム、銅、アルミニウム合金および銅合金のうちの少なくとも１種を含んでいてもよい。第２開口側電極１０７は、第２底側電極１０６と同一種の導電材料を含むことが好ましい。第２開口側電極１０７は、この形態では、導電性ポリシリコンを含む。導電性ポリシリコンは、ｎ型不純物またはｐ型不純物を含んでいてもよい。導電性ポリシリコンは、ｎ型不純物を含むことが好ましい。
The second
第２中間絶縁層１０８は、第２底側電極１０６および第２開口側電極１０７の間に介在し、第２底側電極１０６および第２開口側電極１０７を電気的に絶縁している。第２中間絶縁層１０８は、より具体的には、第２底側電極１０６および第２開口側電極１０７の間の領域において第２底側絶縁層１０４から露出する第２底側電極１０６を被覆している。第２中間絶縁層１０８は、第２底側電極１０６の上端部（より具体的には突出部）を被覆している。第２中間絶縁層１０８は、第２絶縁層１０２（第２底側絶縁層１０４）に連なっている。
The second intermediate insulating
第２中間絶縁層１０８は、第６厚さＴ６を有している。第６厚さＴ６は、第２底側絶縁層１０４の第４厚さＴ４未満（Ｔ６＜Ｔ４）である。第６厚さＴ６は、第４厚さＴ４の１／１００以上１／１０以下であってもよい。第６厚さＴ６は、１００Å以上５００Å以下であってもよい。第６厚さＴ６は、１００Å以上２００Å以下、２００Å以上３００Å以下、３００Å以上４００Å以下、または、４００Å以上５００Å以下であってもよい。第６厚さＴ６は、２００Å以上４００Å以下であることが好ましい。
The second intermediate insulating
第６厚さＴ６は、第３厚さＴ３以下（Ｔ６≦Ｔ３）であってもよい。第６厚さＴ６は、第３厚さＴ３以上（Ｔ６≧Ｔ３）であってもよい。第６厚さＴ６は、第３厚さＴ３と等しくてもよい（Ｔ６＝Ｔ３）。 The sixth thickness T6 may be less than or equal to the third thickness T3 (T6≦T3). The sixth thickness T6 may be greater than or equal to the third thickness T3 (T6≧T3). The sixth thickness T6 may be equal to the third thickness T3 (T6=T3).
第２中間絶縁層１０８は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）および酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ３）のうちの少なくとも１種を含む。なお、第２中間絶縁層１０８は、この形態では、ＳｉＯ２層からなる単層構造を有している。
The second intermediate insulating
第２開口側電極１０７において第２ゲートトレンチ１０１から露出する露出部は、この形態では、第１主面３に対して第２ゲートトレンチ１０１の底壁７３側に位置している。第２開口側電極１０７の露出部は、第２ゲートトレンチ１０１の底壁７３に向かう湾曲状に形成されている。
In this embodiment, the exposed portion of the second
第２開口側電極１０７の露出部は、膜状に形成された第２キャップ絶縁層によって被覆されている。第２キャップ絶縁層は、第２ゲートトレンチ１０１内において第２絶縁層１０２（第２開口側絶縁層１０５）に連なっている。第２キャップ絶縁層は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含んでいてもよい。
The exposed portion of the second
各第２ＦＥＴ構造６８は、ｐ型の第２チャネル領域１１１（第２チャネル）をさらに含む。第２チャネル領域１１１は、より具体的には、ボディ領域５５において第２絶縁層１０２（第２開口側絶縁層１０５）を挟んで第２電極１０３（第２開口側電極１０７）に対向する領域に形成される。
Each
第２チャネル領域１１１は、より具体的には、第２トレンチゲート構造７０の第１側壁７１または第２側壁７２、もしくは、第１側壁７１および第２側壁７２に沿って形成されている。第２チャネル領域１１１は、この形態では、第２トレンチゲート構造７０の第１側壁７１および第２側壁７２に沿って形成されている。
More specifically, the
各第２ＦＥＴ構造６８は、ボディ領域５５の表層部に形成されたｎ＋型の第２ソース領域１１２をさらに含む。第２ソース領域１１２は、ボディ領域５５内においてドリフト領域５４との間で第２チャネル領域１１１を画定する。
Each
第２ソース領域１１２のｎ型不純物濃度は、ドリフト領域５４のｎ型不純物濃度を超えている。第２ソース領域１１２のｎ型不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ－３以上１×１０２１ｃｍ－３以下であってもよい。第２ソース領域１１２のｎ型不純物濃度は、第１ソース領域９２のｎ型不純物濃度と等しいことが好ましい。
The n-type impurity concentration of the
各第２ＦＥＴ構造６８は、この形態では、複数の第２ソース領域１１２を含む。複数の第２ソース領域１１２は、ボディ領域５５の表層部において第２トレンチゲート構造７０に沿って間隔を空けて形成されている。複数の第２ソース領域１１２は、具体的には、第２トレンチゲート構造７０の第１側壁７１または第２側壁７２、もしくは、第１側壁７１および第２側壁７２に沿って形成されている。複数の第２ソース領域１１２は、この形態では、第２トレンチゲート構造７０の第１側壁７１および第２側壁７２に沿って間隔を空けて形成されている。
In this embodiment, each
各第２ソース領域１１２は、この形態では、第１方向Ｘに沿って各第１ソース領域９２と対向している。また、各第２ソース領域１１２は、各第１ソース領域９２と一体を成している。図５では、第１ソース領域９２および第２ソース領域１１２を境界線によって区別して示しているが、第１ソース領域９２および第２ソース領域１１２の間の領域には、実際には明確な境界線はない。
In this embodiment, each
各第２ソース領域１１２は、第１方向Ｘに沿って各第１ソース領域９２の一部または全部と対向しないように、各第１ソース領域９２から第２方向Ｙにずれて形成されていてもよい。つまり、複数の第１ソース領域９２および複数の第２ソース領域１１２は、平面視において千鳥状に配列されていてもよい。
Each
複数の第２ソース領域１１２の底部は、ボディ領域５５の底部に対して第１主面３側の領域に位置している。これによって、複数の第２ソース領域１１２は、第２絶縁層１０２（第２開口側絶縁層１０５）を挟んで第２電極１０３（第２開口側電極１０７）に対向している。このようにして、第２ＭＩＳＦＥＴ５７の第２チャネル領域１１１が、ボディ領域５５において複数の第２ソース領域１１２およびドリフト領域５４に挟まれた領域に形成される。
The bottoms of the multiple
各第２ＦＥＴ構造６８は、ボディ領域５５の表層部に形成されたｐ＋型の第２コンタクト領域１１３を更に含む。第２コンタクト領域１１３のｐ型不純物濃度は、ボディ領域５５のｐ型不純物濃度を超えている。第２コンタクト領域１１３のｐ型不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ－３以上１×１０２１ｃｍ－３以下であってもよい。第２コンタクト領域１１３のｐ型不純物濃度は、第１コンタクト領域９３のｐ型不純物濃度と等しいことが好ましい。
Each
各第２ＦＥＴ構造６８は、この形態では、複数の第２コンタクト領域１１３を含む。複数の第２コンタクト領域１１３は、ボディ領域５５の表層部において第２トレンチゲート構造７０に沿って間隔を空けて形成されている。複数の第２コンタクト領域１１３は、より具体的には、第２トレンチゲート構造７０の第１側壁７１または第２側壁７２、もしくは、第１側壁７１および第２側壁７２に沿って形成されている。複数の第２コンタクト領域１１３の底部は、ボディ領域５５の底部に対して第１主面３側の領域に位置している。
In this embodiment, each
複数の第２コンタクト領域１１３は、この形態では、第２トレンチゲート構造７０の第１側壁７１および第２側壁７２に沿って間隔を空けて形成されている。複数の第２コンタクト領域１１３は、より具体的には、複数の第２ソース領域１１２に対して交互の配列となる態様でボディ領域５５の表層部に形成されている。
In this embodiment, the second contact regions 113 are formed at intervals along the
図５を参照して、各第２コンタクト領域１１３は、この形態では、第１方向Ｘに沿って各第１コンタクト領域９３と対向している。各第２コンタクト領域１１３は、各第１コンタクト領域９３と一体を成している。 Referring to FIG. 5, in this embodiment, each second contact region 113 faces each first contact region 93 along the first direction X. Each second contact region 113 is integral with each first contact region 93.
図５では、第１ソース領域９２および第２ソース領域１１２と区別するため、第１コンタクト領域９３および第２コンタクト領域１１３を纏めて「ｐ＋」の記号で示している。
In FIG. 5, the first contact region 93 and the second contact region 113 are collectively indicated by the symbol “p + ” in order to distinguish them from the
各第２コンタクト領域１１３は、第１方向Ｘに沿って各第１コンタクト領域９３の一部または全部と対向しないように、各第１コンタクト領域９３から第２方向Ｙにずれて形成されていてもよい。つまり、複数の第１コンタクト領域９３および複数の第２コンタクト領域１１３は、平面視において千鳥状に配列されていてもよい。 Each second contact region 113 may be formed offset from each first contact region 93 in the second direction Y so as not to face a part or all of each first contact region 93 along the first direction X. In other words, the multiple first contact regions 93 and the multiple second contact regions 113 may be arranged in a staggered pattern in a plan view.
図５を参照して、半導体層２の第１主面３において第１トレンチゲート構造６０の一端部および第２トレンチゲート構造７０の一端部の間の領域からは、この形態では、ボディ領域５５が露出している。第１ソース領域９２、第１コンタクト領域９３、第２ソース領域１１２および第２コンタクト領域１１３は、第１主面３において第１トレンチゲート構造６０の一端部および第２トレンチゲート構造７０の一端部に挟まれた領域に形成されていない。
Referring to FIG. 5, in this embodiment, the
同様に、図示はしないが、半導体層２の第１主面３において第１トレンチゲート構造６０の他端部及び第２トレンチゲート構造７０の他端部の間の領域からは、この形態では、ボディ領域５５が露出している。第１ソース領域９２、第１コンタクト領域９３、第２ソース領域１１２および第２コンタクト領域１１３は、第１トレンチゲート構造６０の他端部および第２トレンチゲート構造７０の他端部に挟まれた領域に形成されていない。
Similarly, although not shown, in this embodiment, the
図５を参照し、半導体層２の第１主面３には、複数（ここでは２つ）のトレンチコンタクト構造１２０が形成されている。複数のトレンチコンタクト構造１２０は、一方側のトレンチコンタクト構造１２０および他方側のトレンチコンタクト構造１２０を含む。
Referring to FIG. 5, a plurality (two in this example) of
一方側のトレンチコンタクト構造１２０は、第１トレンチゲート構造６０の一端部および第２トレンチゲート構造７０の一端部側の領域に位置する。他方側のトレンチコンタクト構造１２０は、第１トレンチゲート構造６０の他端部および第２トレンチゲート構造７０の他端部側の領域に位置する。
The
他方側のトレンチコンタクト構造１２０は、一方側のトレンチコンタクト構造１２０とほぼ同様の構造を有している。以下では、一方側のトレンチコンタクト構造１２０側の構造を例にとって説明し、他方側のトレンチコンタクト構造１２０側の構造についての具体的な説明は、省略される。
The
トレンチコンタクト構造１２０は、第１トレンチゲート構造６０の一端部および第２トレンチゲート構造７０の一端部に接続されている。トレンチコンタクト構造１２０は、この形態では、平面視において第１方向Ｘに沿って帯状に延びている。
The
トレンチコンタクト構造１２０の幅ＷＴＣは、０．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。幅ＷＴＣは、トレンチコンタクト構造１２０が延びる方向（第１方向Ｘ）に直交する方向（第２方向Ｙ）の幅である。
The width WTC of the
幅ＷＴＣは、０．５μｍ以上１μｍ以下、１μｍ以上１．５μｍ以下、１．５μｍ以上２μｍ以下、２μｍ以上２．５μｍ以下、２．５μｍ以上３μｍ以下、３μｍ以上３．５μｍ以下、３．５μｍ以上４μｍ以下、４μｍ以上４．５μｍ以下、または、４．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。幅ＷＴＣは、０．８μｍ以上１．２μｍ以下であることが好ましい。 The width WTC may be 0.5 μm to 1 μm, 1 μm to 1.5 μm, 1.5 μm to 2 μm, 2 μm to 2.5 μm, 2.5 μm to 3 μm, 3 μm to 3.5 μm, 3.5 μm to 4 μm, 4 μm to 4.5 μm, or 4.5 μm to 5 μm. The width WTC is preferably 0.8 μm to 1.2 μm.
幅ＷＴＣは、第１トレンチゲート構造６０の第１幅ＷＴ１と等しいことが好ましい（ＷＴＣ＝ＷＴ１）。幅ＷＴＣは、第２トレンチゲート構造７０の第２幅ＷＴ２と等しいことが好ましい（ＷＴＣ＝ＷＴ２）。 The width WTC is preferably equal to the first width WT1 of the first trench gate structure 60 (WTC=WT1). The width WTC is preferably equal to the second width WT2 of the second trench gate structure 70 (WTC=WT2).
トレンチコンタクト構造１２０は、ボディ領域５５を貫通し、ドリフト領域５４に達している。トレンチコンタクト構造１２０の深さＤＴＣは、１μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。深さＤＴＣは、１μｍ以上２μｍ以下、２μｍ以上４μｍ以下、４μｍ以上６μｍ以下、６μｍ以上８μｍ以下、または、８μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。深さＤＴＣは、２μｍ以上６μｍ以下であることが好ましい。
The
深さＤＴＣは、第１トレンチゲート構造６０の第１深さＤＴ１と等しいことが好ましい（ＤＴＣ＝ＤＴ１）。深さＤＴＣは、第２トレンチゲート構造７０の第２深さＤＴ２と等しいことが好ましい（ＤＴＣ＝ＤＴ２）。 The depth DTC is preferably equal to the first depth DT1 of the first trench gate structure 60 (DTC=DT1). The depth DTC is preferably equal to the second depth DT2 of the second trench gate structure 70 (DTC=DT2).
トレンチコンタクト構造１２０は、一方側の第１側壁１２１と、他方側の第２側壁１２２と、第１側壁１２１および第２側壁１２２を接続する底壁１２３とを含む。以下では、第１側壁１２１、第２側壁１２２および底壁１２３を纏めて「内壁」ということがある。第１側壁１２１は、第１トレンチゲート構造６０および第２トレンチゲート構造７０に接続された接続面である。
The
第１側壁１２１、第２側壁１２２および底壁１２３は、ドリフト領域５４内に位置している。第１側壁１２１および第２側壁１２２は、法線方向Ｚに沿って延びている。第１側壁１２１および第２側壁１２２は、第１主面３に対して垂直に形成されていてもよい。
The
半導体層２内において第１側壁１２１が第１主面３との間で成す角度（テーパ角）の絶対値は、９０°を超えて９５°以下（例えば９１°程度）であってもよい。半導体層２内において第２側壁１２２が第１主面３との間で成す角度（テーパ角）の絶対値は、９０°を超えて９５°以下（たとえば９１°程度）であってもよい。トレンチコンタクト構造１２０は、断面視において半導体層２の第１主面３側から底壁１２３側に向けて幅ＷＴＣが狭まる先細り形状（テーパ形状）に形成されていてもよい。
The absolute value of the angle (taper angle) that the
底壁１２３は、ドリフト領域５４の底部に対して第１主面３側の領域に位置している。底壁１２３は、ドリフト領域５４の底部に向かう凸湾曲状に形成されている。底壁１２３は、ドリフト領域５４の底部に対して１μｍ以上１０μｍ以下の間隔ＩＴＣを空けて第１主面３側の領域に位置している。間隔ＩＴＣは、１μｍ以上２μｍ以下、２μｍ以上４μｍ以下、４μｍ以上６μｍ以下、６μｍ以上８μｍ以下、または、８μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。間隔ＩＴＣは、１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。
The
間隔ＩＴＣは、第１トレンチゲート構造６０の第１間隔ＩＴ１と等しいことが好ましい（ＩＴＣ＝ＩＴ１）。間隔ＩＴＣは、第２トレンチゲート構造７０の第２間隔ＩＴ２と等しいことが好ましい（ＩＴＣ＝ＩＴ２）。 The interval ITC is preferably equal to the first interval IT1 of the first trench gate structure 60 (ITC=IT1). The interval ITC is preferably equal to the second interval IT2 of the second trench gate structure 70 (ITC=IT2).
トレンチコンタクト構造１２０は、コンタクトトレンチ１３１、コンタクト絶縁層１３２およびコンタクト電極１３３を含む。コンタクトトレンチ１３１は、半導体層２の第１主面３を第２主面４側に向けて掘り下げることによって形成されている。
The
コンタクトトレンチ１３１は、トレンチコンタクト構造１２０の第１側壁１２１、第２側壁１２２および底壁１２３を区画している。以下では、トレンチコンタクト構造１２０の第１側壁１２１、第２側壁１２２および底壁１２３を、コンタクトトレンチ１３１の第１側壁１２１、第２側壁１２２および底壁１２３ともいう。
The
コンタクトトレンチ１３１の第１側壁１２１は、第１ゲートトレンチ８１の第１側壁６１および第２側壁６２に連通している。コンタクトトレンチ１３１の第１側壁１２１は、第２ゲートトレンチ１０１の第１側壁７１および第２側壁７２に連通している。コンタクトトレンチ１３１は、第１ゲートトレンチ８１および第２ゲートトレンチ１０１との間で１つのトレンチを形成している。
The
コンタクト絶縁層１３２は、コンタクトトレンチ１３１の内壁に沿って膜状に形成されている。コンタクト絶縁層１３２は、コンタクトトレンチ１３１内において凹状の空間を区画している。コンタクト絶縁層１３２においてコンタクトトレンチ１３１の底壁１２３を被覆する部分は、コンタクトトレンチ１３１の底壁１２３に倣って形成されている。
The
コンタクト絶縁層１３２は、第１底側絶縁層８４（第２底側絶縁層１０４）と同様の態様で、コンタクトトレンチ１３１内においてＵ字状に窪んだＵ字空間を区画している。つまり、コンタクト絶縁層１３２は、コンタクトトレンチ１３１の底壁１２３側の領域が拡張され、先細りが抑制されたＵ字空間を区画している。このようなＵ字空間は、例えば、コンタクト絶縁層１３２の内壁に対するエッチング法（たとえばウエットエッチング法）によって形成される。
The
コンタクト絶縁層１３２は、第７厚さＴ７を有している。第７厚さＴ７は、１５００Å以上４０００Å以下であってもよい。第７厚さＴ７は、１５００Å以上２０００Å以下、２０００Å以上２５００Å以下、２５００Å以上３０００Å以下、３０００Å以上３５００Å以下、または、３５００Å以上４０００Å以下であってもよい。第７厚さＴ７は、１８００Å以上３５００Å以下であることが好ましい。
The
第７厚さＴ７は、トレンチコンタクト構造１２０の幅ＷＴＣに応じて４０００Å以上１２０００Å以下であってもよい。第７厚さＴ７は、４０００Å以上５０００Å以下、５０００Å以上６０００Å以下、６０００Å以上７０００Å以下、７０００Å以上８０００Å以下、８０００Å以上９０００Å以下、９０００Å以上１００００Å以下、１００００Å以上１１０００Å以下、又は、１１０００Å以上１２０００Å以下であってもよい。この場合、コンタクト絶縁層１３２の厚化により半導体装置１の耐圧を高めることができる。
The seventh thickness T7 may be 4000 Å or more and 12000 Å or less depending on the width WTC of the
第７厚さＴ７は、第１底側絶縁層８４の第１厚さＴ１と等しい（Ｔ７＝Ｔ１）ことが好ましい。第７厚さＴ７は、第２底側絶縁層１０４の第４厚さＴ４と等しい（Ｔ７＝Ｔ４）ことが好ましい。 The seventh thickness T7 is preferably equal to the first thickness T1 of the first bottom side insulating layer 84 (T7=T1). The seventh thickness T7 is preferably equal to the fourth thickness T4 of the second bottom side insulating layer 104 (T7=T4).
コンタクト絶縁層１３２は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）及び酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ３）のうちの少なくとも１種を含む。
The
コンタクト絶縁層１３２は、半導体層２側からこの順に積層されたＳｉＮ層およびＳｉＯ２層を含む積層構造を有していてもよい。コンタクト絶縁層１３２は、半導体層２側からこの順に積層されたＳｉＯ２層およびＳｉＮ層を含む積層構造を有していてもよい。コンタクト絶縁層１３２は、ＳｉＯ２層またはＳｉＮ層からなる単層構造を有していてもよい。コンタクト絶縁層１３２は、この形態では、ＳｉＯ２層からなる単層構造を有している。コンタクト絶縁層１３２は、第１絶縁層８２（第２絶縁層１０２）と同一の絶縁材料からなることが好ましい。
The
コンタクト絶縁層１３２は、第１ゲートトレンチ８１およびコンタクトトレンチ１３１の間の連通部において第１絶縁層８２と一体を成している。コンタクト絶縁層１３２は、第２ゲートトレンチ１０１およびコンタクトトレンチ１３１の間の連通部において第２絶縁層１０２と一体を成している。
The
コンタクト絶縁層１３２は、この形態では、第１ゲートトレンチ８１の一端部および第２ゲートトレンチ１０１の一端部に引き出された引き出し絶縁層１３２Ａを有している。引き出し絶縁層１３２Ａは、連通部を横切って第１ゲートトレンチ８１の一端部の内壁を被覆している。引き出し絶縁層１３２Ａは、連通部を横切って第２ゲートトレンチ１０１の一端部の内壁を被覆している。
In this embodiment, the
引き出し絶縁層１３２Ａは、第１ゲートトレンチ８１内で、第１底側絶縁層８４及び第１開口側絶縁層８５と一体を成している。引き出し絶縁層１３２Ａは、第１ゲートトレンチ８１の一端部の内壁において、第１底側絶縁層８４と共にＵ字空間を区画している。
The lead-out insulating
引き出し絶縁層１３２Ａは、第２ゲートトレンチ１０１内において第２底側絶縁層１０４および第２開口側絶縁層１０５と一体を成している。引き出し絶縁層１３２Ａは、第２ゲートトレンチ１０１の一端部の内壁において、第２底側絶縁層１０４と共にＵ字空間を区画している。
The lead-out insulating
コンタクト電極１３３は、コンタクト絶縁層１３２を挟んでコンタクトトレンチ１３１に埋め込まれている。コンタクト電極１３３は、第１電極８３および第２電極１０３とは異なり、一体物としてコンタクトトレンチ１３１に埋め込まれている。コンタクト電極１３３は、コンタクトトレンチ１３１から露出する上端部、コンタクト絶縁層１３２に接する下端部を有している。
The
コンタクト電極１３３の下端部は、第１底側電極８６（第２底側電極１０６）と同様の態様で、コンタクトトレンチ１３１の底壁１２３に向かう凸湾曲状に形成されている。コンタクト電極１３３の下端部は、より具体的には、コンタクト絶縁層１３２によって区画されたＵ字空間の底壁に倣って形成されており、底壁１２３に向かう滑らかな凸湾曲状に形成されている。
The lower end of the
このような構造によれば、コンタクト電極１３３に対する局所的な電界集中を抑制できるので、ブレークダウン電圧の低下を抑制できる。特に、コンタクト絶縁層１３２の拡張されたＵ字空間にコンタクト電極１３３を埋設することにより、コンタクト電極１３３が上端部から下端部に向けて先細り形状になることを適切に抑制できる。これにより、コンタクト絶縁層１３２の下端部に対する局所的な電界集中を適切に抑制できる。
This structure can suppress localized electric field concentration on the
コンタクト電極１３３は、第１ゲートトレンチ８１およびコンタクトトレンチ１３１の間の接続部において第１底側電極８６に電気的に接続されている。コンタクト電極１３３は、第２ゲートトレンチ１０１およびコンタクトトレンチ１３１の間の接続部において第２底側電極１０６に電気的に接続されている。これにより、第２底側電極１０６は、第１底側電極８６に電気的に接続されている。
The
コンタクト電極１３３は、より具体的には、第１ゲートトレンチ８１の一端部および第２ゲートトレンチ１０１の一端部に引き出された引き出し電極１３３Ａを有している。引き出し電極１３３Ａは、第１ゲートトレンチ８１およびコンタクトトレンチ１３１の間の連通部を横切って第１ゲートトレンチ８１内に位置している。引き出し電極１３３Ａは、さらに、第２ゲートトレンチ１０１およびコンタクトトレンチ１３１の間の連通部を横切って第２ゲートトレンチ１０１内に位置している。
More specifically, the
引き出し電極１３３Ａは、第１ゲートトレンチ８１内においてコンタクト絶縁層１３２によって区画されたＵ字空間に埋め込まれている。引き出し電極１３３Ａは、第１ゲートトレンチ８１内において第１底側電極８６と一体を成している。これにより、コンタクト電極１３３は、第１底側電極８６に電気的に接続されている。
The
第１ゲートトレンチ８１内においてコンタクト電極１３３および第１開口側電極８７の間には、第１中間絶縁層８８が介在している。これにより、コンタクト電極１３３は、第１ゲートトレンチ８１内において第１開口側電極８７から電気的に絶縁されている。
A first intermediate insulating layer 88 is interposed between the
引き出し電極１３３Ａは、第２ゲートトレンチ１０１内においてコンタクト絶縁層１３２によって区画されたＵ字空間に埋め込まれている。引き出し電極１３３Ａは、第２ゲートトレンチ１０１内において第２底側電極１０６と一体を成している。これにより、コンタクト電極１３３は、第２底側電極１０６に電気的に接続されている。
The
第２ゲートトレンチ１０１内において、コンタクト電極１３３と第２開口側電極１０７との間には、第２中間絶縁層１０８が介在している。これにより、コンタクト電極１３３は、第２ゲートトレンチ１０１内において、第２開口側電極１０７から電気的に絶縁されている。
In the
コンタクト電極１３３は、導電性ポリシリコン、タングステン、アルミニウム、銅、アルミニウム合金および銅合金のうちの少なくとも１種を含んでいてもよい。コンタクト電極１３３は、この形態では、導電性ポリシリコンを含む。導電性ポリシリコンは、ｎ型不純物またはｐ型不純物を含んでいてもよい。導電性ポリシリコンは、ｎ型不純物を含むことが好ましい。コンタクト電極１３３は、第１底側電極８６および第２底側電極１０６と同一の導電材料を含むことが好ましい。
The
コンタクト電極１３３において、コンタクトトレンチ１３１から露出する露出部は、この形態では、第１主面３に対してコンタクトトレンチ１３１の底壁１２３側に位置している。コンタクト電極１３３の露出部は、コンタクトトレンチ１３１の底壁１２３に向かう湾曲状に形成されている。
In this embodiment, the exposed portion of the
コンタクト電極１３３の露出部は、膜状に形成された第３キャップ絶縁層１３９により被覆されている。第３キャップ絶縁層１３９は、コンタクトトレンチ１３１内においてコンタクト絶縁層１３２に連なっている。第３キャップ絶縁層１３９は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含んでいてもよい。
The exposed portion of the
なお、コントロールＩＣ１０から第１ゲート制御配線１７Ａ（不図示）に入力されるゲート制御信号は、第１開口側電極８７に伝達される。また、コントロールＩＣ１０から第２ゲート制御配線１７Ｂ（不図示）に入力されるゲート制御信号は、第２開口側電極１０７に伝達される。また、コントロールＩＣ１０から第３ゲート制御配線１７Ｃ（不図示）に入力されるゲート制御信号は、コンタクト電極１３３を介して第１底側電極８６および第２底側電極１０６に伝達される。
The gate control signal input from the
第１ＭＩＳＦＥＴ５６（第１トレンチゲート構造６０）及び第２ＭＩＳＦＥＴ５７（第２トレンチゲート構造７０）が共にオフ状態に制御される場合、第１チャネル領域９１および第２チャネル領域１１１は共にオフ状態に制御される。
When the first MISFET 56 (first trench gate structure 60) and the second MISFET 57 (second trench gate structure 70) are both controlled to the off state, the
第１ＭＩＳＦＥＴ５６および第２ＭＩＳＦＥＴ５７が共にオン状態に制御される場合、第１チャネル領域９１および第２チャネル領域１１１は共にオン状態に制御される（Ｆｕｌｌ－ＯＮ制御）。
When the first MISFET 56 and the second MISFET 57 are both controlled to the on state, the
第１ＭＩＳＦＥＴ５６がオン状態に制御される一方で、第２ＭＩＳＦＥＴ５７がオフ状態に制御される場合、第１チャネル領域９１はオン状態に制御され、第２チャネル領域１１１はオフ状態に制御される（第１Ｈａｌｆ－ＯＮ制御）。
When the first MISFET 56 is controlled to the on state while the second MISFET 57 is controlled to the off state, the
第１ＭＩＳＦＥＴ５６がオフ状態に制御される一方で、第２ＭＩＳＦＥＴ５７がオン状態に制御される場合、第１チャネル領域９１はオフ状態に制御され、第２チャネル領域１１１はオン状態に制御される（第２Ｈａｌｆ－ＯＮ制御）。
When the first MISFET 56 is controlled to the off state while the second MISFET 57 is controlled to the on state, the
このようにして、パワーＭＩＳＦＥＴ９では、１つの出力領域６に形成された第１ＭＩＳＦＥＴ５６および第２ＭＩＳＦＥＴ５７を利用して、Ｆｕｌｌ－ＯＮ制御、第１Ｈａｌｆ－ＯＮ制御および第２Ｈａｌｆ－ＯＮ制御を含む複数種の制御が実現される。
In this way, in the
第１ＭＩＳＦＥＴ５６を駆動させるとき（つまり、ゲートのオン制御時）、第１底側電極８６にオン信号Ｖｏｎが印加され、第１開口側電極８７にオン信号Ｖｏｎが印加されてもよい。この場合、第１底側電極８６および第１開口側電極８７は、ゲート電極として機能する。
When the first MISFET 56 is driven (i.e., when the gate is controlled to be on), an on signal Von may be applied to the first
これにより、第１底側電極８６および第１開口側電極８７の間の電圧降下を抑制できるので、第１底側電極８６及び第１開口側電極８７の間の電界集中を抑制できる。また、半導体層２のオン抵抗を低下させることができるので、消費電力低減を図ることができる。
This makes it possible to suppress the voltage drop between the first
第１ＭＩＳＦＥＴ５６を駆動させるとき（つまり、ゲートのオン制御時）、第１底側電極８６にオフ信号Ｖｏｆｆ（たとえば基準電圧）が印加され、第１開口側電極８７にオン信号Ｖｏｎが印加されてもよい。この場合、第１底側電極８６がフィールド電極として機能する一方で、第１開口側電極８７がゲート電極として機能する。これにより、寄生容量を低下させることができるから、スイッチング速度の向上を図ることができる。
When the first MISFET 56 is driven (i.e., when the gate is controlled to be on), an off signal Voff (e.g., a reference voltage) may be applied to the first
第２ＭＩＳＦＥＴ５７を駆動させるとき（つまり、ゲートのオン制御時）、第２底側電極１０６にオン信号Ｖｏｎが印加され、第２開口側電極１０７にオン信号Ｖｏｎが印加されてもよい。この場合、第２底側電極１０６および第２開口側電極１０７は、ゲート電極として機能する。
When the second MISFET 57 is driven (i.e., when the gate is controlled to be on), an on signal Von may be applied to the second
これにより、第２底側電極１０６および第２開口側電極１０７の間の電圧降下を抑制できるから、第２底側電極１０６及び第２開口側電極１０７の間の電界集中を抑制できる。また、半導体層２のオン抵抗を低下させることができるから、消費電力の低減を図ることができる。
This makes it possible to suppress the voltage drop between the second
第２ＭＩＳＦＥＴ５７を駆動させるとき（つまり、ゲートのオン制御時）、第２底側電極１０６にオフ信号Ｖｏｆｆ（基準電圧）が印加され、第２開口側電極１０７にオン信号Ｖｏｎが印加されてもよい。この場合、第２底側電極１０６がフィールド電極として機能する一方で、第２開口側電極１０７がゲート電極として機能する。これにより、寄生容量を低下させることができるから、スイッチング速度の向上を図ることができる。
When the second MISFET 57 is driven (i.e., when the gate is controlled to be on), an off signal Voff (reference voltage) may be applied to the second
図５を参照して、第１チャネル領域９１は、各セル領域７５において第１チャネル面積Ｓ１で形成されている。第１チャネル面積Ｓ１は、各セル領域７５に形成された複数の第１ソース領域９２のトータル平面面積によって定義される。
Referring to FIG. 5, the
第１チャネル領域９１は、各セル領域７５において第１チャネル割合Ｒ１（第１割合）で形成されている。第１チャネル割合Ｒ１は、各セル領域７５の平面面積を１００％としたとき、各セル領域７５において第１チャネル面積Ｓ１が占める割合である。
The
第１チャネル割合Ｒ１は、０％以上５０％以下の範囲で調整される。第１チャネル割合Ｒ１は、０％以上５％以下、５％以上１０％以下、１０％以上１５％以下、１５％以上２０％以下、２０％以上２５％以下、２５％以上３０％以下、３０％以上３５％以下、３５％以上４０％以下、４０％以上４５％以下、または、４５％以上５０％以下であってもよい。第１チャネル割合Ｒ１は、１０％以上３５％以下であることが好ましい。 The first channel ratio R1 is adjusted in the range of 0% to 50%. The first channel ratio R1 may be 0% to 5%, 5% to 10%, 10% to 15%, 15% to 20%, 20% to 25%, 25% to 30%, 30% to 35%, 35% to 40%, 40% to 45%, or 45% to 50%. It is preferable that the first channel ratio R1 is 10% to 35%.
第１チャネル割合Ｒ１が５０％の場合、第１トレンチゲート構造６０の第１側壁６１および第２側壁６２のほぼ全域に第１ソース領域９２が形成される。この場合、第１トレンチゲート構造６０の第１側壁６１および第２側壁６２に第１コンタクト領域９３は形成されない。第１チャネル割合Ｒ１は、５０％未満であることが好ましい。
When the first channel ratio R1 is 50%, the
第１チャネル割合Ｒ１が０％の場合、第１トレンチゲート構造６０の第１側壁６１および第２側壁６２に第１ソース領域９２は形成されない。この場合、第１トレンチゲート構造６０の第１側壁６１および第２側壁６２にボディ領域５５および／または第１コンタクト領域９３だけが形成される。第１チャネル割合Ｒ１は、０％を超えることが好ましい。この形態では、第１チャネル割合Ｒ１が２５％である例が示されている。
When the first channel ratio R1 is 0%, the
第２チャネル領域１１１は、各セル領域７５において第２チャネル面積Ｓ２で形成されている。第２チャネル面積Ｓ２は、各セル領域７５に形成された複数の第２ソース領域１１２のトータル平面面積によって定義される。
The
第２チャネル領域１１１は、各セル領域７５において、第２チャネル割合Ｒ２（第２割合）で形成されている。第２チャネル割合Ｒ２は、各セル領域７５の平面面積を１００％としたとき、各セル領域７５において第２チャネル面積Ｓ２が占める割合である。
The
第２チャネル割合Ｒ２は、０％以上５０％以下の範囲で調整される。第２チャネル割合Ｒ２は、０％以上５％以下、５％以上１０％以下、１０％以上１５％以下、１５％以上２０％以下、２０％以上２５％以下、２５％以上３０％以下、３０％以上３５％以下、３５％以上４０％以下、４０％以上４５％以下、または、４５％以上５０％以下であってもよい。第２チャネル割合Ｒ２は、１０％以上３５％以下であることが好ましい。 The second channel ratio R2 is adjusted in the range of 0% to 50%. The second channel ratio R2 may be 0% to 5%, 5% to 10%, 10% to 15%, 15% to 20%, 20% to 25%, 25% to 30%, 30% to 35%, 35% to 40%, 40% to 45%, or 45% to 50%. It is preferable that the second channel ratio R2 is 10% to 35%.
第２チャネル割合Ｒ２が５０％の場合、第２トレンチゲート構造７０の第１側壁７１および第２側壁７２のほぼ全域に第２ソース領域１１２が形成される。この場合、第２トレンチゲート構造７０の第１側壁７１および第２側壁７２に第２コンタクト領域１１３は形成されない。第２チャネル割合Ｒ２は、５０％未満であることが好ましい。
When the second channel ratio R2 is 50%, the
第２チャネル割合Ｒ２が０％の場合、第２トレンチゲート構造７０の第１側壁７１および第２側壁７２に第２ソース領域１１２は形成されない。この場合、第２トレンチゲート構造７０の第１側壁７１および第２側壁７２にボディ領域５５および／または第２コンタクト領域１１３だけが形成される。第２チャネル割合Ｒ２は、０％を超えることが好ましい。この形態では、第２チャネル割合Ｒ２が２５％である例が示されている。
When the second channel ratio R2 is 0%, the
このように、第１チャネル領域９１および第２チャネル領域１１１は、各セル領域７５において０％以上１００％以下（好ましくは０％を超えて１００％未満）の総チャネル割合ＲＴ（ＲＴ＝Ｒ１＋Ｒ２）で形成される。
In this way, the
各セル領域７５における総チャネル割合ＲＴは、この形態では５０％である。この形態では、全ての総チャネル割合ＲＴが等しい値に設定されている。そのため、出力領域６内（単位面積）における平均チャネル割合ＲＡＶは５０％となる。平均チャネル割合ＲＡＶは、全ての総チャネル割合ＲＴの和を、総チャネル割合ＲＴの総数で除したものである。
In this embodiment, the total channel ratio RT in each
なお、総チャネル割合ＲＴは、セル領域７５毎に調整されてもよい。つまり、異なる値をそれぞれ有する複数の総チャネル割合ＲＴがセル領域７５毎に適用されてもよい。総チャネル割合ＲＴは、半導体層２の温度上昇に関係している。たとえば、総チャネル割合ＲＴを増加させると、半導体層２の温度が上昇し易くなる。一方で、総チャネル割合ＲＴを減少させると、半導体層２の温度が上昇し難くなる。
The total channel ratio RT may be adjusted for each
これを利用して、総チャネル割合ＲＴは、半導体層２の温度分布に応じて調整されてもよい。たとえば、半導体層２において温度が高まり易い領域の総チャネル割合ＲＴを比較的小さくし、半導体層２において温度が高まり難い領域の総チャネル割合ＲＴを比較的大きくしてもよい。
Using this, the total channel ratio RT may be adjusted according to the temperature distribution in the
半導体層２において温度が高まり易い領域として、出力領域６の中央部を例示できる。半導体層２において温度が高まり難い領域として、出力領域６の周縁部を例示できる。むろん、半導体層２の温度分布に応じて総チャネル割合ＲＴを調整しながら、平均チャネル割合ＲＡＶが調整されてもよい。
An example of an area in the
２０％以上４０％以下（たとえば２５％）の総チャネル割合ＲＴを有するセル領域７５を、温度が高まり易い領域（たとえば中央部）に複数集約させてもよい。６０％以上８０％以下（たとえば７５％）の総チャネル割合ＲＴを有するセル領域７５を、温度が高まり難い領域（たとえば周縁部）に複数集約させてもよい。４０％を超えて６０％未満（たとえば５０％）の総チャネル割合ＲＴを有するセル領域７５を、温度が高まり易い領域および温度が高まり難い領域の間の領域に複数集約させてもよい。
さらに、２０％以上４０％以下の総チャネル割合ＲＴ、４０％以上６０％以下の総チャネル割合ＲＴおよび６０％以上８０％以下の総チャネル割合ＲＴが、規則的な配列で、複数のセル領域７５に適用されてもよい。
Furthermore, a total channel ratio RT of 20% to 40%, a total channel ratio RT of 40% to 60%, and a total channel ratio RT of 60% to 80% may be applied to
一例として、２５％（low）→５０％（middle）→７５％（high）の順に繰り返す３種の総チャネル割合ＲＴが、複数のセル領域７５に適用されてもよい。この場合、平均チャネル割合ＲＡＶは、５０％に調整されてもよい。このような構造の場合、比較的簡単な設計で、半導体層２の温度分布に偏りが形成されるのを抑制できる。
As an example, three types of total channel ratios RT, which are repeated in the order of 25% (low), 50% (middle), and 75% (high), may be applied to
図６は、アクティブクランプ耐量Ｅａｃおよび面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａの関係を実測によって調べたグラフである。図６のグラフは、第１ＭＩＳＦＥＴ５６および第２ＭＩＳＦＥＴ５７を同時にオン状態およびオフ状態に制御した場合の特性を示している。 Figure 6 is a graph showing the relationship between the active clamp withstand voltage Eac and the sheet resistivity Ron·A, as determined by actual measurements. The graph in Figure 6 shows the characteristics when the first MISFET 56 and the second MISFET 57 are simultaneously controlled to the on and off states.
図６において、縦軸はアクティブクランプ耐量Ｅａｃ［ｍＪ／ｍｍ２］を示しており、横軸は面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａ［ｍΩ・ｍｍ２］を示している。アクティブクランプ耐量Ｅａｃは、図３において述べた通り、逆起電力に対する耐量である。面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａは、通常動作時における半導体層２内のオン抵抗を表している。
6, the vertical axis indicates the active clamp withstand voltage Eac [mJ/ mm2 ], and the horizontal axis indicates the sheet resistivity Ron·A [mΩ· mm2 ]. As described in FIG 3, the active clamp withstand voltage Eac is the withstand voltage against the back electromotive force. The sheet resistivity Ron·A represents the on-resistance in the
図６には、第１プロット点Ｐ１、第２プロット点Ｐ２、第３プロット点Ｐ３および第４プロット点Ｐ４が示されている。第１プロット点Ｐ１、第２プロット点Ｐ２、第３プロット点Ｐ３および第４プロット点Ｐ４は、平均チャネル割合ＲＡＶ（つまり、各セル領域７５に占める総チャネル割合ＲＴ）が６６％、５０％、３３％および２５％に調整された場合の特性をそれぞれ示している。 Figure 6 shows a first plot point P1, a second plot point P2, a third plot point P3, and a fourth plot point P4. The first plot point P1, the second plot point P2, the third plot point P3, and the fourth plot point P4 show the characteristics when the average channel ratio RAV (i.e., the total channel ratio RT in each cell area 75) is adjusted to 66%, 50%, 33%, and 25%, respectively.
平均チャネル割合ＲＡＶを増加させた場合、通常動作時に面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａが低下し、アクティブクランプ動作時にアクティブクランプ耐量Ｅａｃが低下した。これとは反対に、平均チャネル割合ＲＡＶを低下させた場合、通常動作時に面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａが増加し、アクティブクランプ動作時にアクティブクランプ耐量Ｅａｃが向上した。 When the average channel ratio RAV was increased, the sheet resistivity Ron·A decreased during normal operation, and the active clamp withstand current Eac decreased during active clamp operation. Conversely, when the average channel ratio RAV was decreased, the sheet resistivity Ron·A increased during normal operation, and the active clamp withstand current Eac improved during active clamp operation.
面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａを鑑みると、平均チャネル割合ＲＡＶは３３％以上（より具体的には３３％以上１００％未満）であることが好ましい。アクティブクランプ耐量Ｅａｃを鑑みると、平均チャネル割合ＲＡＶは３３％未満（より具体的には０％を超えて３３％未満）であることが好ましい。 In consideration of the sheet resistivity Ron·A, it is preferable that the average channel ratio RAV is 33% or more (more specifically, 33% or more and less than 100%). In consideration of the active clamp withstand voltage Eac, it is preferable that the average channel ratio RAV is less than 33% (more specifically, more than 0% and less than 33%).
平均チャネル割合ＲＡＶの増加に起因して面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａが低下したのは、電流経路が増加したためである。また、平均チャネル割合ＲＡＶの増加に起因してアクティブクランプ耐量Ｅａｃが低下したのは、逆起電力に起因する急激な温度上昇が引き起こされたためである。 The area resistivity Ron·A decreased due to an increase in the average channel ratio RAV because the current path increased. Also, the active clamp withstand current Eac decreased due to an increase in the average channel ratio RAV because a sudden temperature rise was caused by the back electromotive force.
とりわけ、平均チャネル割合ＲＡＶ（総チャネル割合ＲＴ）が比較的大きい場合には、互いに隣り合う第１トレンチゲート構造６０および第２トレンチゲート構造７０の間の領域において局所的かつ急激な温度上昇が発生する可能性が高まる。アクティブクランプ耐量Ｅａｃは、この種の温度上昇に起因して低下したと考えられる。
In particular, when the average channel ratio RAV (total channel ratio RT) is relatively large, there is a high possibility that a local and sudden temperature rise will occur in the region between the adjacent first
一方、平均チャネル割合ＲＡＶの低下に起因して面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａが増加した理由は、電流経路が縮小したためである。平均チャネル割合ＲＡＶの低下に起因してアクティブクランプ耐量Ｅａｃが向上したのは、平均チャネル割合ＲＡＶ（総チャネル割合ＲＴ）が比較的小さくなり、局所的かつ急激な温度上昇が抑制されたためと考えられる。 On the other hand, the area resistivity Ron·A increased due to the decrease in the average channel ratio RAV because the current path was reduced. The active clamp withstand current Eac improved due to the decrease in the average channel ratio RAV because the average channel ratio RAV (total channel ratio RT) became relatively small, suppressing localized and rapid temperature increases.
図６のグラフの結果から、平均チャネル割合ＲＡＶ（総チャネル割合ＲＴ）に基づく調整法にはトレードオフの関係が存在するため、当該トレードオフの関係から切り離して優れた面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａおよび優れたアクティブクランプ耐量Ｅａｃを両立することは困難であることが分かる。 The results of the graph in Figure 6 show that there is a trade-off relationship in the adjustment method based on the average channel ratio RAV (total channel ratio RT), and it is difficult to achieve both an excellent sheet resistivity Ron·A and an excellent active clamp withstand current Eac independently of the trade-off relationship.
一方、図６のグラフの結果から、パワーＭＩＳＦＥＴ９において、通常動作時に第１プロット点Ｐ１（ＲＡＶ＝６６％）に近づく動作をさせて、アクティブクランプ動作時に第４プロット点Ｐ４（ＲＡＶ＝２５％）に近づく動作をさせることにより、優れた面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａ及び優れたアクティブクランプ耐量Ｅａｃを両立できることが分かる。そこで、半導体装置１では、以下の制御が実施される。
On the other hand, from the results of the graph in FIG. 6, it can be seen that by operating the
図７は、図１に示す半導体装置１の通常動作を説明するための断面斜視図である。図８は、図１に示す半導体装置１のアクティブクランプ動作を説明するための断面斜視図である。図７および図８では、説明の便宜上、第１主面３の上の構造を省略し、ゲート制御配線１７を簡略化している。
Figure 7 is a cross-sectional perspective view for explaining the normal operation of the
図７を参照して、パワーＭＩＳＦＥＴ９の通常動作時では、第１ゲート制御配線１７Ａに第１オン信号Ｖｏｎ１が入力され、第２ゲート制御配線１７Ｂに第２オン信号Ｖｏｎ２が入力され、第３ゲート制御配線１７Ｃに第３オン信号Ｖｏｎ３が入力される。
Referring to FIG. 7, during normal operation of the
第１オン信号Ｖｏｎ１、第２オン信号Ｖｏｎ２および第３オン信号Ｖｏｎ３は、コントロールＩＣ１０からそれぞれ入力される。第１オン信号Ｖｏｎ１、第２オン信号Ｖｏｎ２及び第３オン信号Ｖｏｎ３は、ゲート閾値電圧Ｖｔｈ以上の電圧をそれぞれ有している。第１オン信号Ｖｏｎ１、第２オン信号Ｖｏｎ２および第３オン信号Ｖｏｎ３は、それぞれ等しい電圧を有していてもよい。
The first on signal Von1, the second on signal Von2, and the third on signal Von3 are each input from the
この場合、第１開口側電極８７、第２開口側電極１０７、第１底側電極８６および第２底側電極１０６がそれぞれオン状態になる。つまり、第１開口側電極８７、第２開口側電極１０７、第１底側電極８６および第２底側電極１０６は、ゲート電極としてそれぞれ機能する。
In this case, the first
これにより、第１チャネル領域９１および第２チャネル領域１１１は共にオン状態に制御される。図７では、オン状態の第１チャネル領域９１および第２チャネル領域１１１がドット状のハッチングによって示されている。
As a result, both the
その結果、第１ＭＩＳＦＥＴ５６および第２ＭＩＳＦＥＴ５７の双方が駆動される（Ｆｕｌｌ－ＯＮ制御）。通常動作時のチャネル利用率ＲＵは、１００％である。通常動作時の特性チャネル割合ＲＣは、５０％である。チャネル利用率ＲＵは、第１チャネル領域９１および第２チャネル領域１１１のうちオン状態に制御されている第１チャネル領域９１および第２チャネル領域１１１の割合である。
As a result, both the first MISFET 56 and the second MISFET 57 are driven (Full-ON control). The channel utilization rate RU during normal operation is 100%. The characteristic channel ratio RC during normal operation is 50%. The channel utilization rate RU is the ratio of the
なお、特性チャネル割合ＲＣは、平均チャネル割合ＲＡＶにチャネル利用率ＲＵを乗じた値（ＲＣ＝ＲＡＶ×ＲＵ）である。パワーＭＩＳＦＥＴ９の特性（面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａおよびアクティブクランプ耐量Ｅａｃ）は、特性チャネル割合ＲＣに基づいて定められる。これにより、面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａは、図６のグラフにおいて第２プロット点Ｐ２で示された面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａに近づく。 The characteristic channel ratio RC is the average channel ratio RAV multiplied by the channel utilization ratio RU (RC = RAV x RU). The characteristics of the power MISFET 9 (area resistivity Ron·A and active clamp withstand current Eac) are determined based on the characteristic channel ratio RC. As a result, the area resistivity Ron·A approaches the area resistivity Ron·A indicated by the second plot point P2 in the graph of FIG. 6.
一方、図８を参照して、パワーＭＩＳＦＥＴ９のアクティブクランプ動作時では、第１ゲート制御配線１７Ａにオフ信号Ｖｏｆｆが入力され、第２ゲート制御配線１７Ｂに第１クランプオン信号ＶＣｏｎ１が入力され、第３ゲート制御配線１７Ｃに第２クランプオン信号ＶＣｏｎ２が入力される。
On the other hand, referring to FIG. 8, during active clamp operation of the
オフ信号Ｖｏｆｆ、第１クランプオン信号ＶＣｏｎ１および第２クランプオン信号ＶＣｏｎ２は、コントロールＩＣ１０からそれぞれ入力される。オフ信号Ｖｏｆｆは、ゲート閾値電圧Ｖｔｈ未満の電圧（たとえば基準電圧）を有している。第１クランプオン信号ＶＣｏｎ１および第２クランプオン信号ＶＣｏｎ２は、ゲート閾値電圧Ｖｔｈ以上の電圧をそれぞれ有している。第１クランプオン信号ＶＣｏｎ１および第２クランプオン信号ＶＣｏｎ２は、それぞれ等しい電圧を有していてもよい。第１クランプオン信号ＶＣｏｎ１および第２クランプオン信号ＶＣｏｎ２は、通常動作時の電圧以下または未満の電圧を有していてもよい。
The off signal Voff, the first clamp-on signal VCon1, and the second clamp-on signal VCon2 are each input from the
この場合、第１開口側電極８７がオフ状態となり、第１底側電極８６、第２底側電極１０６及び第２開口側電極１０７がそれぞれオン状態になる。これにより、第１チャネル領域９１がオフ状態に制御されると共に第２チャネル領域１１１がオン状態に制御される。図８では、オフ状態の第１チャネル領域９１が塗りつぶしハッチングにより示され、オン状態の第２チャネル領域１１１がドット状のハッチングにより示されている。
In this case, the first
その結果、第１ＭＩＳＦＥＴ５６がオフ状態に制御される一方、第２ＭＩＳＦＥＴ５７がオン状態に制御される（第２Ｈａｌｆ－ＯＮ制御）。これによりアクティブクランプ動作時のチャネル利用率ＲＵが、零を超えて通常動作時のチャネル利用率ＲＵ未満となる。 As a result, the first MISFET 56 is controlled to an off state, while the second MISFET 57 is controlled to an on state (second half-on control). This causes the channel utilization rate RU during active clamp operation to exceed zero and become less than the channel utilization rate RU during normal operation.
アクティブクランプ動作時のチャネル利用率ＲＵは、５０％である。また、アクティブクランプ動作時の特性チャネル割合ＲＣは、２５％である。これにより、アクティブクランプ耐量Ｅａｃは、図６のグラフにおいて第４プロット点Ｐ４で示されたアクティブクランプ耐量Ｅａｃに近づく。 The channel utilization rate RU during active clamp operation is 50%. Also, the characteristic channel ratio RC during active clamp operation is 25%. As a result, the active clamp tolerance Eac approaches the active clamp tolerance Eac shown by the fourth plot point P4 in the graph of Figure 6.
この場合、コントロールＩＣ１０は、通常動作時及びアクティブクランプ動作時の間で異なる特性チャネル割合ＲＣ（チャネルの面積）が適用されるように、第１ＭＩＳＦＥＴ５６及び第２ＭＩＳＦＥＴ５７を制御する。コントロールＩＣ１０は、より具体的には、アクティブクランプ動作時のチャネル利用率ＲＵが、零を超えて通常動作時のチャネル利用率ＲＵ未満となるように第１ＭＩＳＦＥＴ５６及び第２ＭＩＳＦＥＴ５７を制御する。
In this case, the
コントロールＩＣ１０は、さらに具体的には、通常動作時に第１ＭＩＳＦＥＴ５６および第２ＭＩＳＦＥＴ５７をオン状態に制御し、アクティブクランプ動作時に第１ＭＩＳＦＥＴ５６をオフ状態に制御すると共に第２ＭＩＳＦＥＴ５７をオン状態に制御する。
More specifically, the
従って、通常動作時には、特性チャネル割合ＲＣが相対的に増加する。すなわち、通常動作時には、第１ＭＩＳＦＥＴ５６および第２ＭＩＳＦＥＴ５７を利用して電流を流すことができる。これにより、電流経路が相対的に増加するから、面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａ（オン抵抗）の低減を図ることができる。 Therefore, during normal operation, the characteristic channel ratio RC increases relatively. In other words, during normal operation, a current can be passed using the first MISFET 56 and the second MISFET 57. This relatively increases the current path, making it possible to reduce the sheet resistivity Ron·A (on-resistance).
一方、アクティブクランプ動作時には、特性チャネル割合ＲＣが相対的に減少する。すなわち、第１ＭＩＳＦＥＴ５６を停止させた状態で第２ＭＩＳＦＥＴ５７を利用して電流を流すことができるから、第２ＭＩＳＦＥＴ５７により逆起電力を消費（吸収）できる。これにより、逆起電力に起因する急激な温度上昇を抑制できるから、アクティブクランプ耐量Ｅａｃの向上を図ることができる。 On the other hand, during active clamp operation, the characteristic channel ratio RC decreases relatively. In other words, since a current can be passed using the second MISFET 57 while the first MISFET 56 is stopped, the second MISFET 57 can consume (absorb) the back electromotive force. This makes it possible to suppress a sudden increase in temperature caused by the back electromotive force, thereby improving the active clamp withstand voltage Eac.
その結果、図６に示されるトレードオフの関係から切り離して、優れた面積抵抗率Ｒｏｎ・Ａおよび優れたアクティブクランプ耐量Ｅａｃの両立を図ることができる半導体装置１を提供できる。
As a result, it is possible to provide a
なお、上記の制御例では、アクティブクランプ動作時において第２Ｈａｌｆ－ＯＮ制御が適用された例について説明した。しかし、アクティブクランプ動作時において第１Ｈａｌｆ－ＯＮ制御が適用されてもよい。 In the above control example, the second half-on control is applied during active clamp operation. However, the first half-on control may be applied during active clamp operation.
＜最大発熱箇所の特定手法＞
図９は、パワーＭＩＳＦＥＴ９における最大発熱箇所の特定手法（第１例）を模式的に示す平面図である。
<Method for identifying the maximum heat generation point>
FIG. 9 is a plan view diagrammatically showing a method (first example) for identifying the maximum heat generating location in the
パワーＭＩＳＦＥＴ９を有する半導体装置１００は、パワーＭＩＳＦＥＴ９の異常発熱を検出する温度検出素子Ｄ１を備えている。特に、大電流を流す半導体装置１００において、パワーＭＩＳＦＥＴ９の異常発熱を精度良く検出するためには、チップ内の最大発熱箇所で温度検出を行う必要がある。
The
そこで、本図のパッドレイアウトでは、ソース電極１２上におけるパッド１２ａ～１２ｅの均等配置を敢えて崩している。本図に即してより具体的に述べると、上記５つのパッド１２ａ～１２ｅのうち、パッド１２ｃだけがソース電極１２の中央寄り（下端寄り）に突出して配置されている。このような偏在配置に伴い、ソース電極１２の半面（パッド１２ｃよりもソース電極１２の下端に近い領域）に流れる電流は、パッド１２ａ～１２ｅのうち、ソース電極１２の下端に最も近いパッド１２ｃに対して集中的に流れ込む。
Therefore, in the pad layout of this figure, the even arrangement of
従って、パッド１２ａ～１２ｅそれぞれの周囲における電流密度分布については、パッド１２ｃの下端近傍が最も電流密度の高い領域となり、同領域がパワーＭＩＳＦＥＴ９の最大発熱箇所（図中のハッチング領域）となる。これに鑑み、本図の半導体装置１では、パッド１２ｃの下端近傍領域から見てその直下に温度検出素子Ｄ１が形成されている。なお、ソース電極１２には、温度検出素子Ｄ１の配線を端辺（下端）まで引き出すためのスリットＳＬを形成しておくとよい。
Therefore, in terms of the current density distribution around each of the
このように、本図のパッドレイアウトを採用すれば、最も電流の集中しやすいパッド１２ｃを唯一に特定することができるので、温度検出素子Ｄ１を形成するべき最大発熱箇所を唯一に特定することが可能となる。従って、温度検出素子Ｄ１による異常発熱の検出精度（延いては過熱保護回路３６の信頼性）を高めることが可能となる。
In this way, by adopting the pad layout of this figure, it is possible to uniquely identify
ただし、本図の半導体装置１では、ソース電極１２上におけるパッド１２ａ～１２ｅの均等配置を敢えて崩しているので、ＩＰＤとして重要な特性である破壊耐量（アクティブクランプ耐量など）の低下、延いては、ショート耐久試験への影響が懸念される。以下では、このような懸念を払拭することのできる別の手法を提案する。
However, in the
図１０は、パワーＭＩＳＦＥＴ９における最大発熱箇所の特定手法（第２例）を模式的に示す平面図である。
Figure 10 is a plan view that shows a schematic diagram of a method (second example) for identifying the maximum heat generating location in a
これまでに説明してきたように、パワーＭＩＳＦＥＴ９は、複数のゲート制御信号に応じて第１チャネル領域９１及び第２チャネル領域１１１（延いては第１ＭＩＳＦＥＴ５６及び第２ＭＩＳＦＥＴ５７）が個別制御されるように構成されたゲート分割型のパワートランジスタである。従って、例えば、通常動作時には、第１ＭＩＳＦＥＴ５６及び第２ＭＩＳＦＥＴ５７の双方をオンしてパワーＭＩＳＦＥＴ９のオン抵抗を引き下げる一方、アクティブクランプ動作時には、第１ＭＩＳＦＥＴ５６及び第２ＭＩＳＦＥＴ５７の一方をオフしてパワーＭＩＳＦＥＴ９のオン抵抗を引き上げることができる。
As described above, the
さらに、パワーＭＩＳＦＥＴ９は、第１チャネル領域９１及び第２チャネル領域１１１がそれぞれ個別制御されるように構成された通常エリア９ｘのほかに、第１チャネル領域９１及び第２チャネル領域１１１の一方が常時オフ状態となるように構成されたチャネル低減エリア９ｙを含む。例えば、チャネル低減エリア９ｙでは、第１ＭＩＳＦＥＴ５６及び第２ＭＩＳＦＥＴ５７のうち、常にオフしておく方のゲート・ソース間をショートしてもよいし、或いは、ゲートをローレベル（ＧＮＤ）にショートしてもよい。若しくは、ゲート制御信号を１本追加し、ゲート制御回路２５を用いてゲートをローレベルに固定してもよい。なお、通常エリア９ｘは、パワーＭＩＳＦＥＴ９を形成する全領域のうち、チャネル低減エリア９ｙ以外の領域に相当する。
Further, the
また、チャネル低減エリア９ｙに属する少なくとも一つのチャネル領域（常時オフ状態とされない方）は、通常エリア９ｘに属する一つのチャネル領域と同期してオン／オフする。なお、通常エリア９ｘ及びチャネル低減エリア９ｙそれぞれに属する複数のトランジスタセルのうち、同期してオン／オフするトランジスタセルのゲート配線は、電気的に接続しておいてもよい。
At least one channel region (not always turned off) belonging to the channel-reduced
上記したように、チャネル低減エリア９ｙでは、パワーＭＩＳｆＥＴ９がオンしている通常動作時でもアクティブクランプ動作時と同じく、第１ＭＩＳＦＥＴ５６及び第２ＭＩＳＦＥＴ５７の一方がオフしているので、特性チャネル割合ＲＣが通常エリア９ｘと比べて低くなる。なお、通常エリア９ｘ（チャネル低減エリア９ｙ以外）の特性チャネル割合ＲＣがａ％（例えばａ＝５０％、先出の図７を参照）である場合には、チャネル低減エリア９ｙの特性チャネル割合ＲＣをｂ％（ただしｂ＜ａであり、例えばｂ＝２５％、先出の図８を参照）とすればよい。
As described above, in the channel-reduced
例えば、パワーＭＩＳＦＥＴ９の中心部に通常エリア９ｘを配置すると、その部分だけオン抵抗が低くなる。従って、パワーＭＩＳＦＥＴ９に大電流が流れたときには通常エリア９ｘの形成領域がパワーＭＩＳＦＥＴ９の最大発熱箇所（図中のハッチング領域）となる。これに鑑み、本図の半導体装置１では、通常エリア９ｘの内部（又は周囲でも可）に温度検出素子Ｄ１が配置されているので、温度検出素子Ｄ１による異常発熱の検出精度（延いては過熱保護回路３６の信頼性）を高めることができる。
For example, if the normal area 9x is arranged in the center of the
また、本図の半導体装置１であれば、ソース電極１２上にパッド１２ａ～１２ｅを均等配置していても、温度検出素子Ｄ１を形成すべき最大発熱箇所を唯一に特定することができる。従って、パッド１２ａ～１２ｅの偏在配置に伴う破壊耐量（アクティブクランプ耐量など）の低下を招くことがないので、ショート耐久試験への影響を懸念せずに済む。
In addition, with the
なお、通常エリア９ｘ（延いては温度検出素子Ｄ１）は、電流集中による発熱も考慮して、パッド１２ａ～１２ｅの近傍（本図ではパッド１２ｃの下端近傍）に形成することが望ましい。
Incidentally, it is desirable to form the normal area 9x (and therefore the temperature detection element D1) near the
ここで、「近傍」についての具体例を挙げる。例えば、温度検出素子Ｄ１からパッド１２ｃまでの距離は、温度検出素子Ｄ１からパワーＭＩＳＦＥＴ９の端辺（本図では下端）までの距離の５％～２０％程度（例えば１０％）に設計すればよい。
Here is a specific example of "vicinity." For example, the distance from the temperature detection element D1 to the
＜ＩＣレイアウト＞
図１１は、ＩＣレイアウトの一例を模式的に示す平面図である。本図の半導体装置５００には、２つのＮチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ５１０及び５２０（それぞれ先出のパワーＭＩＳＦＥＴ９に相当）が集積化されている。
<IC layout>
11 is a plan view showing an example of an IC layout, in which two N-channel MOS field effect transistors 510 and 520 (each corresponding to the
なお、トランジスタ５１０及び５２０は、それぞれ、半導体装置５００の中央部ではなく側辺部に寄せて配置されている。一方、半導体装置５００の中央部には、自身に入力される制御信号に応じてトランジスタ５１０及び５２０をそれぞれオン／オフするためのドライバＤＲＶ（図２のゲート制御回路２５などがこれに相当）と、温度異常検出時にトランジスタ５１０及び５２０をいずれも強制オフするための温度保護回路ＴＳＤ（図２の過熱保護回路３６がこれに相当）が形成されている。また、半導体装置５００の残余領域には、その他の回路要素ｏｔｈｅｒｓ（図２の電流・電圧制御回路２３などがこれに相当）が形成されている。
The transistors 510 and 520 are arranged on the sides of the semiconductor device 500 rather than in the center. Meanwhile, in the center of the semiconductor device 500, a driver DRV (corresponding to the
また、トランジスタ５１０及び５２０は、半導体装置５００の平面視において、左右対称にレイアウトされている。このようなレイアウトを採用することにより、特性の均等性や配線の敷設容易性を高めることが可能となる。 In addition, the transistors 510 and 520 are laid out symmetrically in a plan view of the semiconductor device 500. By adopting such a layout, it is possible to improve the uniformity of characteristics and the ease of laying wiring.
トランジスタ５１０のソース電極５１１上には、複数（ここでは２つ）のパッド５１２ａ及び５１２ｂが均等に配置されている。トランジスタ５１０は、複数のゲート制御信号に応じて複数のチャネル領域が個別制御されるように構成されたゲート分割型であり、複数のチャネル領域のうち少なくとも一つが常時オフ状態となるように構成されたチャネル低減エリアとこれ以外の通常エリア５１３（先出の通常エリア９ｘに相当）を含む。例えば、通常エリア５１３は、電流が集中しやすいパッド５１２ａの角部近傍に形成することが望ましい。
A plurality of (here, two) pads 512a and 512b are evenly arranged on a source electrode 511 of a transistor 510. The transistor 510 is a split-gate type configured so that a plurality of channel regions are individually controlled in response to a plurality of gate control signals, and includes a channel reduction area configured so that at least one of the plurality of channel regions is always in an off state, and a normal area 513 (corresponding to the above-mentioned normal area 9x) other than the channel reduction area. For example, it is desirable to form the normal area 513 in the vicinity of a corner of the pad 512a where current is likely to concentrate.
また、トランジスタ５１０の温度を検出する温度検出素子Ｄ１０（先の温度検出素子Ｄ１に相当）は、トランジスタ５１０の形成領域内において、最大発熱箇所に配設することが望ましい。通常エリア５１３は、他の素子領域と比べてオン抵抗が低くなるので、相対的に発熱も大きくなる。これを鑑みると、温度検出素子Ｄ１０は、本図で示すように、通常エリア５１３の内部（又は周囲でも良い）に設けることが望ましい。
Moreover, it is desirable to dispose the temperature detection element D10 (corresponding to the above-mentioned temperature detection element D1) for detecting the temperature of the transistor 510 at the maximum heat generating location within the formation region of the transistor 510. The normal area 513 has a lower on-resistance than other element regions, and therefore generates relatively more heat. In view of this, it is desirable to dispose the temperature detection element D10 inside (or around) the normal area 513, as shown in this figure.
また、図１１では明示されていないが、ソース電極５１１には、先の図１０と同じく、温度検出素子Ｄ１０の配設位置からソース電極５１１の右端に至る直線状のスリットが形成されているものとする。 Although not shown in FIG. 11, the source electrode 511 has a linear slit extending from the position where the temperature detection element D10 is disposed to the right end of the source electrode 511, as in FIG. 10.
また、トランジスタ５２０についても、トランジスタ５１０と左右が反転されている以外、上記と同様のＩＣレイアウトが採用されている。すなわち、トランジスタ５１０の説明中で参照した符号の十の位を「１」から「２」に読み替えることにより、トランジスタ５２０についての説明として理解することができる。 Transistor 520 also has the same IC layout as transistor 510, except that it is inverted from left to right. In other words, by changing the tens digit of the reference numerals used in the explanation of transistor 510 from "1" to "2," the explanation can be understood as being about transistor 520.
＜車両への適用＞
図１２は、車両の一構成例を示す外観図である。本構成例の車両Ｘは、バッテリ（本図では不図示）と、バッテリから電源電圧の供給を受けて動作する種々の電子機器Ｘ１１～Ｘ１８と、を搭載している。なお、本図における電子機器Ｘ１１～Ｘ１８の搭載位置については、図示の便宜上、実際とは異なる場合がある。
<Application to vehicles>
12 is an external view showing an example of a vehicle configuration. The vehicle X of this example configuration is equipped with a battery (not shown in this figure) and various electronic devices X11 to X18 that operate by receiving a power supply voltage from the battery. Note that the mounting positions of the electronic devices X11 to X18 in this figure may differ from the actual positions for convenience of illustration.
電子機器Ｘ１１は、エンジンに関連する制御（インジェクション制御、電子スロットル制御、アイドリング制御、酸素センサヒータ制御、及び、オートクルーズ制御など）を行うエンジンコントロールユニットである。 Electronic device X11 is an engine control unit that performs engine-related controls (such as injection control, electronic throttle control, idling control, oxygen sensor heater control, and auto-cruise control).
電子機器Ｘ１２は、ＨＩＤ［high intensity discharged lamp］やＤＲＬ［daytime running lamp］などの点消灯制御を行うランプコントロールユニットである。 The electronic device X12 is a lamp control unit that controls the turning on and off of HID [high intensity discharged lamps] and DRL [daytime running lamps].
電子機器Ｘ１３は、トランスミッションに関連する制御を行うトランスミッションコントロールユニットである。 Electronic device X13 is a transmission control unit that performs control related to the transmission.
電子機器Ｘ１４は、車両Ｘの運動に関連する制御（ＡＢＳ［anti-lock brake system］制御、ＥＰＳ［electric power steering］制御、電子サスペンション制御など）を行うボディコントロールユニットである。 The electronic device X14 is a body control unit that performs control related to the movement of the vehicle X (ABS [anti-lock brake system] control, EPS [electric power steering] control, electronic suspension control, etc.).
電子機器Ｘ１５は、ドアロックや防犯アラームなどの駆動制御を行うセキュリティコントロールユニットである。 Electronic device X15 is a security control unit that controls the operation of door locks, burglar alarms, etc.
電子機器Ｘ１６は、ワイパー、電動ドアミラー、パワーウィンドウ、ダンパー（ショックアブソーバー）、電動サンルーフ、及び、電動シートなど、標準装備品やメーカーオプション品として、工場出荷段階で車両Ｘに組み込まれている電子機器である。 The electronic devices X16 are electronic devices that are installed in the vehicle X at the factory as standard equipment or manufacturer options, such as wipers, power door mirrors, power windows, dampers (shock absorbers), power sunroofs, and power seats.
電子機器Ｘ１７は、車載Ａ／Ｖ［audio/visual］機器、カーナビゲーションシステム、及び、ＥＴＣ［electronic toll collection system］など、ユーザオプション品として任意で車両Ｘに装着される電子機器である。 Electronic device X17 is an electronic device that is optionally installed in vehicle X as a user option, such as an in-vehicle A/V [audio/visual] device, a car navigation system, and an ETC [electronic toll collection system].
電子機器Ｘ１８は、車載ブロア、オイルポンプ、ウォーターポンプ、バッテリ冷却ファンなど、高耐圧系モータを備えた電子機器である。 Electronic device X18 is an electronic device equipped with a high-voltage motor, such as an in-vehicle blower, oil pump, water pump, or battery cooling fan.
なお、先に説明した半導体装置１は、電子機器Ｘ１１～Ｘ１８のいずれにも組み込むことが可能である。
The
＜その他の変形例＞
なお、上記の実施形態では、車載用ハイサイドスイッチＩＣを例に挙げて説明を行ったが、本明細書中に開示されている発明の適用対象は、これに限定されるものではなく、その他の用途に供される車載用ＩＰＤ［intelligent power device］（車載用ローサイドスイッチＩＣや車載用電源ＩＣなど）を始めとして、パワートランジスタを有する半導体装置全般に広く適用することが可能である。
<Other Modifications>
In the above embodiment, an in-vehicle high-side switch IC has been described as an example, but the application of the invention disclosed in this specification is not limited to this, and the invention can be widely applied to semiconductor devices having power transistors in general, including in-vehicle intelligent power devices (IPDs) (such as in-vehicle low-side switch ICs and in-vehicle power supply ICs) used for other purposes.
すなわち、本明細書中に開示されている発明は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。 In other words, in addition to the above-mentioned embodiment, the invention disclosed in this specification can be modified in various ways without departing from the spirit of the technical creation. In other words, the above-mentioned embodiment should be considered to be illustrative in all respects and not restrictive, and the technical scope of the present invention is indicated by the claims, not the description of the above-mentioned embodiment, and should be understood to include all modifications that are equivalent in meaning and scope to the claims.
１ 半導体装置
９ パワーＭＩＳＦＥＴ
９ｙ チャネル低減エリア
９ｘ 通常エリア
１２ ソース電極
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ パッド
２５ ゲート制御回路
２６ アクティブクランプ回路
３６ 過熱保護回路
５６ 第１ＭＩＳＦＥＴ
５７ 第２ＭＩＳＦＥＴ
９１ 第１チャネル領域
１１１ 第２チャネル領域
Ｄ１ 温度検出素子
ＳＬ スリット
9 y- channel reduced area 9 x -
57 Second MISFET
91
Claims (13)
前記複数のゲート制御信号を生成するように構成されたゲート制御回路と、
温度検出素子を用いて前記パワートランジスタの異常発熱を検出する過熱保護回路と、
を有し、
前記パワートランジスタは、前記複数のチャネル領域が個別制御されるように構成された通常エリアと、前記複数のチャネル領域のうち少なくとも一つが常時オフ状態となるように構成されたチャネル低減エリアを含み、前記温度検出素子は、前記通常エリアの内部又は周囲に配置されている、半導体装置。 a split-gate power transistor configured so that a plurality of channel regions are individually controlled in response to a plurality of gate control signals;
a gate control circuit configured to generate the plurality of gate control signals;
an overheat protection circuit that detects abnormal heat generation of the power transistor by using a temperature detection element;
having
a power transistor including a normal area configured so that the plurality of channel regions are individually controlled, and a channel reduced area configured so that at least one of the plurality of channel regions is always in an off state, and the temperature detection element is disposed inside or around the normal area.
半導体基板の第１主面側に形成された第１電極と、
前記半導体基板の第２主面側に形成された第２電極と、
前記第１電極上に配置されたパッドと、
を含む、請求項１に記載の半導体装置。 The power transistor is
A first electrode formed on a first main surface side of a semiconductor substrate;
A second electrode formed on a second main surface side of the semiconductor substrate;
A pad disposed on the first electrode;
The semiconductor device according to claim 1 .
前記ゲート制御回路は、前記アクティブクランプ回路の動作時に前記パワートランジスタのオン抵抗を引き上げるように前記複数のゲート制御信号を個別制御する、請求項１～６のいずれか一項に記載の半導体装置。 an active clamp circuit that limits a voltage between both ends of the power transistor to a predetermined clamp voltage or less when the power transistor transitions to an off state;
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate control circuit individually controls the plurality of gate control signals so as to increase the on-resistance of the power transistor when the active clamp circuit is in operation.
前記半導体装置に接続される負荷と、
を有する電子機器。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 11,
A load connected to the semiconductor device;
An electronic device having the
A vehicle comprising the electronic device according to claim 12.
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