JP3519226B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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Description
プレイなどを駆動するプッシュプル型出力回路などが集
積されたパワー集積回路などの半導体装置に関する。
例で、一ドット当たりの出力回路を示す。表示セルであ
る放電管53の両端にプッシュプル型ドライバICを構
成するデータドライバIC51の出力端子DOとスキャ
ンドライバIC52の出力端子DOとがそれぞれ接続さ
れている。各ドライバIC51、52の出力回路は、n
チャネルMOSFETを直列に接続したプッシュプル型
となっていて、出力端子DOはこれら直列接続された二
つのMOSFET(N1 とN2 、N3 とN4 )の間から
取り出されている。電源54、55の高電位端子(電源
端子:VDH)に接続される素子をハイサイド素子(こ
こではN2 とD2 およびN4 とD4 を指す)、電源5
4、55の低電位端子(グランド端子:GND)側に接
続される素子をローサイド素子(ここではN1 とD1 お
よびN3 とD3 を指す)と呼ぶ。データドライバIC5
1ではハイサイドトランジスタN2 とローサイドトラン
ジスタN1 に、それぞれハイサイドダイオードD2 、ロ
ーサイドダイオードD1 が並列接続されている。スキャ
ンドライバIC52のハイサイドトランジスタN4 とロ
ーサイドトランジスタN3 にもそれぞれハイサイドダイ
オードD4 、ローサイドダイオードD3 が並列接続され
ている。尚、並列に接続されるダイオードD2 、D1 、
D4 、D3 は寄生pnダイオードである。
サイドトランジスタN2 、N4 とローサイドトランジス
タN1 、N3 をオン・オフすることにより、出力端子D
Oの電位を制御して、表示セル53を充放電し、発光さ
せる方式が一般的である。図6はデータドライバIC5
1の出力部のハイサイドトランジスタN2 とローサイド
トランジスタN1 とをCMOS構造で構成した場合の要
部断面図である。尚、以下の説明において、n、pを冠
した層、領域等はそれぞれ、電子、正孔を多数キャリア
とする層、領域を意味することとする。
ntary MOSFETのことで、pチャネルMOS
FETとnチャネルMOSFETで構成される構造)の
形成方法は、p形半導体基板101の表面層にnウェル
領域102を形成し、nウェル領域102の表面層にp
+ ソース領域103とp+ ドレイン領域104とを形成
し、p+ ソース領域103と接するようにn+ 領域10
5を形成し、p+ ソース領域103とp+ ドレイン領域
104に挟まれたnウェル領域102上にゲート絶縁膜
106を介してゲート電極107が形成され、p+ ソー
ス領域103上とn+ 領域105上にソース電極108
が形成され、p+ ドレイン領域104上にドレイン電極
109が形成され、pチャネル型のハイサイドトランジ
スタN2が形成される。一方、p形半導体基板101の
表面層にn+ ソース領域110とn+ ドレイン領域11
1が形成され、n+ ソース領域110に接してp+ 領域
112が形成され、n+ ソース領域110とn+ ドレイ
ン領域111とに挟まれたp形半導体基板101上にゲ
ート絶縁膜113を介してゲート電極114が形成さ
れ、n+ ソース領域110上とp+ 領域112上にソー
ス電極115が形成され、p+ ドレイン領域111上に
ドレイン電極116が形成されて、nチャネル型のロー
サイドトランジスタN1 が形成される。ハイサイドトラ
ンジスタN2 のソース電極108は電源VDHに接続さ
れ、ハイサイドトランジスタN2 のドレイン電極109
とローサイドトランジスタN1 のドレイン電極116と
は互いに出力端子DOに接続され、ローサイドトランジ
スタN1 のソース電極115はグランド端子GNDに接
続される。
の構造では、出力端子DOとグランド端子GNDとの間
にp形半導体基板101とn+ ドレイン領域111とで
並列ダイオードD1 が形成され、出力端子DOと電源端
子VDHとの間にnウェル領域102とp+ ドレイン領
域104とでやはり並列ダイオードD2 が形成され、グ
ランド端子GNDと、出力端子DOが接続されるハイサ
イドトランジスタN2 との間に、p+ ドレイン領域10
4、nウェル領域102、p形半導体基板101とで寄
生pnpトランジスタT1 が形成される。
ドダイオードD2に寄生pnpトランジスタが接続され
た等価回路を示す。寄生pnpトランジスタT1 のエミ
ッタとベースはハイサイドダイオードD2 と並列に点線
で示すように接続される。図5で示すデータドライバI
C51とスキャンドライバIC52のそれぞれの出力端
子DOは放電管53に接続され、電気的に容量結合され
ている。そのため、放電管53の充放電のタイミングに
よっては、出力端子DOの電位は電源端子VDHより高
電位となる場合もあり、その場合には図7で示すように
出力端子DOからハイサイドダイオードD2を経由して
電源端子VDHに電流Id が流れる。
出力端子DOの電位が電源端子VDHより高くなった場
合、出力端子DOから電源端子VDHにハイサイドダイ
オードD2 を介して電流Id が流れる。この電流Idの一
部が寄生pnpトランジスタT1 のベース電流となり寄
生pnpトランジスタT1 のコレクタ電流はこのベース
電流に寄生pnpトランジスタT1 の電流増幅率を乗じ
た大きな値となり、このコレクタ電流がグランド端子側
に寄生電流Il となって流出することになる。この寄生
電流Il が大きいと、消費電力が増大して、データドラ
イバIC51が発熱する。またこの寄生電流Il が過大
になるとデータドライバIC51が破壊する場合も生じ
る。勿論、スキャンドライバIC52でも全く同様の現
象が起こる。
て、寄生pnダイオード電流をベース電流として寄生p
npトランジスタが動作することによって流れる寄生電
流を低減し、発熱の少ない、熱破壊が起きにくい半導体
装置を提供することにある。
めに、第1導電形半導体基板上に第1導電形の第1領域
と第2導電形の第2領域とがそれぞれ選択的に形成さ
れ、第2領域の表面層に第2導電形の第3領域と第1導
電形の第4領域とが分離され、且つ選択的に形成され、
第4領域の表面層に第1導電形の第5領域と第2導電形
の第6領域とがそれぞれ形成され、第1領域上、第3領
域上、第5領域上および第6領域上に第1電極、第3電
極、第5電極および第6電極がそれぞれ形成され、第5
電極と第6電極とが導体で接続されるダイオードとす
る。
され、第5領域上と第6領域上とに共通の第8電極が形
成される構成としてもよい。また、前記の第5領域に接
して、第5領域を取り囲むように第6領域が形成され、
第5領域上と第6領域上とに共通の第9電極が形成され
る構成としても効果的である。
電形の第1領域と第2導電形の第2領域とをそれぞれ選
択的に形成され、第2領域の表面層に第2導電形の第3
領域と第1導電形の第4領域および第7領域とがそれぞ
れ分離され、選択的に形成され、第4領域の表面層に第
1導電形の第5領域に接して、第2導電形の第6領域が
形成され、第7領域上に第7電極(ソース電極)が形成
され、第7領域と第4領域に挟まれた第2領域上に絶縁
膜(ゲート絶縁膜)を介して第10電極(ゲート電極)
が形成され、第1領域上、第3領域上に第1電極、第3
電極がそれぞれ形成され、第5領域と第6領域とに共通
の第8電極(ドレイン電極)が形成されるMOSFET
としてもよい。
形の第1領域と第2導電形の第2領域とをそれぞれ選択
的に形成され、第2領域の表面層に第2導電形の第3領
域と第1導電形の第4領域および第7領域とがそれぞれ
分離され、選択的に形成され、第4領域の表面層に第1
導電形の第5領域が形成され、第7領域上に第7電極
(エミッタ電極)が形成され、第7領域と第4領域に挟
まれた第2領域上に絶縁膜(ゲート絶縁膜)を介して第
10電極(ゲート電極)が形成され、第1領域上、第3
領域上に第1電極、第3電極がそれぞれ形成され、第5
領域に第8電極(コレクタ電極)が形成される第1の絶
縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)と、前
記第2領域の表面層に第2導電形の第31領域と第1導
電形の第41領域および第71領域とがそれぞれ分離さ
れ、選択的に形成され、第41領域の表面層に第1導電
形の第51領域に接して、第2導電形の第61領域が形
成され、第71領域上に第71電極(ソース電極)が形
成され、第71領域と第41領域に挟まれた第2領域上
に絶縁膜(ゲート絶縁膜)を介して第101電極(ゲー
ト電極)が形成され、第31領域上に第31電極が形成
され、第51領域と第61領域とに共通の第81電極
(コレクタ電極)が形成され、第101電極と第71電
極とが接続される第2の絶縁ゲート型バイポーラトラン
ジスタ(IGBT)とが、並列接続(ここでは、ソース
電極同士、コレクタ電極同士がそれぞれ接続され、ゲー
ト電極同士は接続されていない状態をいう)される構成
としてもよい。
をプラズマディスプレイなどの容量負荷にこの半導体装
置を用いた場合に、前記の第1導電形半導体基板と第2
領域と第4領域で構成される寄生トランジスタを通して
流れる寄生電流を減少させることができる。その理由は
第4領域に第6領域を形成することで、第2領域と第4
領域と第6領域で負荷トランジスタが形成され、寄生ト
ランジスタのベース電流を負荷トランジスタに一部分流
するために寄生電流が減少する。また、例えば、第1導
電形をp形、第2導電形をn形とした場合、CMOSの
pチャネルMOSFETのpドレイン領域の表面層にn
+ 領域を形成することで、やはり寄生電流を低減でき
る。また、pチャネルMOSFETを2個のpチャネル
IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を並
列接続するようにして、置き換え、一方のIGBTのゲ
ート電極とソース電極とを短絡することで、IGBTと
しての働きを殺してダイオードとして利用し、他方のI
GBTをIGBTとして動作させることで、MOSFE
Tの場合より電流容量を大きくできる。
ディスプレイなどプッシュプル形出力回路との接続は、
従来技術で述べた通りで、プッシュプル型出力回路の出
力端子DOと第5電極と第6電極とを接続する導体と接
続し、電源の低電位端子GNDと第1電極と接続し、電
源の高電位端子VDHと第3電極と接続する場合であ
る。
部断面図である。この図はプッシュプル型出力回路を集
積する半導体装置のハイサイドトランジスタと並列に形
成されるハイサイドダイオード(寄生ダイオードD2)
部の断面図を示す。p形シリコン基板1の表面層に第1
p+ 領域2と第1p+ 領域2と離れてp形シリコン基板
1の表面層にn- ウエル領域3を拡散等で形成し、n-
ウエル領域3の表面層にp領域4と第1n+ 領域5を形
成し、p領域4の表面層に第2n+ 領域6と第2p+ 領
域7とを形成する。第1p+ 領域2上、第1n+ 領域上
5に第1金属配線8および第2金属配線9を形成し、第
2p+ 領域7上と第2n+ 領域6上とに共通の第3金属
配線10を形成する。尚、第1n+ 領域5の形成と同時
に第2n+ 領域6も形成する。また、各金属配線8、
9、10を形成した後で、シリコンが露出している箇所
にP−CVD膜等の表面保護膜を形成する。
子GNDと第1金属配線8とが接続され、電源の高電位
端子VDHと第2金属配線9とが接続され、出力端子D
Oと第3金属配線10とが接続される。この構造では、
等価回路で示すように、p領域4とn- ウェル領域3と
で形成される寄生pnダイオードD2(寄生という意味
は他の領域を形成される時に同時に形成されることから
付けられた。実回路では積極的に電流を流すダイオード
で回路的には必須のダイオードである)と同時にp領域
4とn- ウェル領域3およびp形シリコン基板1で形成
される寄生pnpトランジスタ(このトランジスタは不
要のトランジスタで文字通り寄生のダイオードである)
が存在し、さらに、この寄生pnpトランジスタT1の
ベースとコレクタを短絡するように、第2n+ 領域6、
p領域4およびn- ウェル領域3で付加npnトランジ
スタT2が形成される。そのため、プッシュプル型出力
回路の電源の高電位端子VDHより出力端子DOの電位
が高くなると、寄生pnpトランジスタT1に寄生電流
Il が流れる。しかし、付加npnトランジスタT2を
形成することで、寄生pnpトランジスタT1のベース
電流が付加npnトランジスタのコレクタ電流として吸
い取られ、ベース電流が減少する。また、見方を変える
と寄生pnpトランジスタT1のエミッタ注入効率を付
加npnトランジスタT2で抑えて、結果として電流増
幅率が低下するともいえる。これらのことにより、寄生
pnpトランジスタT1を通って流れる出力端子DOか
ら低電位端子GNDに流れる寄生電流Il は従来の構造
に対して1/10〜1/20に減少し、シリコンチップ
の発熱は抑制される。
積する半導体装置を例にとって説明したが、それ以外の
パワーIC(集積回路)を形成する際、同時に作り込ま
れる寄生ダイオードを有する半導体装置にも当然当ては
まる。図2はこの発明の第2実施例の要部断面図であ
る。図1との違いは第2p+ 領域7が第2n+ 領域6に
接して、且つ囲まれており、また第3金属配線10がp
n接合の露出部を被覆している点と、p領域4を第1n
+ 領域5で取り囲んでいる点である。効果については、
pn接合を短絡し、p領域4を第1n+ 領域5で取り囲
むことで、付加npnトランジスタT2のエミッタ電流
を流れやすくすることで前記の効果をさらに増大させ
て、寄生電流Il を減少させている。
である。n- ウェル領域3の表面層にp領域4と第1n
+ 領域5と第3p+ 領域21とを形成し、p領域4の表
面層に第2n+ 領域23と第2p+ 領域24を接するよ
うに形成し、第1n+ 領域5上と第3p+ 領域21上に
第2金属配線9と第4金属配線11とを形成し、第2n
+ 領域6上と第2p+ 領域7上とに共通の第3金属配線
10を形成する。また第3p+ 領域21とp領域4とに
挟まれるn- ウェル領域3の表面にゲート絶縁膜23を
介してゲート電極24が形成され、ハイサイドトランジ
スタとしてドレインショート型のpチャネルMOSFE
Tを形成する。そしてプッシュプル型出力回路の出力端
子DOが高電位端子VDHより電位が高くなったとき、
第2p+領域7、p領域4およびn- ウェル領域3と、
p形シリコン基板1とで形成される寄生pnpトランジ
スタT1のエミッタ電流を、第2n+ 領域6、p領域4
およびn- ウェル領域3で形成される付加npnトラン
ジスタT2でバイパスすることで、寄生pnpトランジ
スタT1のベース電流を減少させ、p形シリコン基板に
流れる寄生電流Il を減少させることができる。
である。図3との違いはpチャネルMOSFETが2個
のpチャネルIGBTに代わった点である。同図(a)
に示す第1のIGBTはコレクタ電極である第3金属配
線10がコレクタ領域である第2n+ 領域22のみに接
続しており、このIGBTはハイサイドトランジスタと
して利用される。一方、同図(b)に示す第2のIGB
Tはコレクタ電極である第3金属配線10aがコレクタ
領域である第2n+ 領域27とベース領域の高濃度層で
ある第2p+ 領域28に共通に接続し、ゲート電極26
とエミッタ電極である第4金属配線11aが接続して、
pチャネルMOSFETはMOSFETとしての働きは
せず、前記の寄生ダイオードD2と同様の働きをし、回
路的に必要なダイオードを構成する。第1のIGBTの
エミッタ電極としての第4金属配線11と第2のIGB
Tのエミッタ電極としての第4金属配線11aとが接続
され、第1のIGBTのコレクタ電極としての第2金属
配線11と第2のIGBTのエミッタ電極としての第2
金属配線11aとが接続される。つまり、第1のIGB
Tと第2のIGBTが並列接続される。またコレクタ電
極である第3金属配線10、10aはプッシュプル型出
力回路の出力端子DOに接続し、第2金属配線9、9a
とエミッタ電極である第4金属配線11、11aとは電
源の高電位端子VDHに接続し、第1金属配線8は電源
の低電位端子GNDに接続する。
第1のIGBTで図3のMOSFETよりも電流容量を
大きくできる。またハイサイドダイオードは寄生ダイオ
ードで第2のIGBTがその役割をする。そのときコレ
クタ領域である第2n+ 領域27は第2p+ 領域28で
短絡される構造となり、この第2p+ 領域28を形成す
ることで、前記の寄生pnpトランジスタが形成される
が、第2n+ 領域23で付加トランジスタT2を構成し
て、この寄生pnpトランジスタを流れる寄生電流Il
は抑制される。尚、この第2のIGBTは図3のpチャ
ネルMOSFETと構造的には類似している。また、こ
この例ではn- ウェル領域3を共通として、その中に第
1および第2のIGBTを形成している。このとき、勿
論、第1n+ 領域5、5aは共通であってもよい。
スタをpチャネルMOSFETで形成した場合、このp
チャネルMOSFETのp+ ドレイン領域内にn+ 領域
を設けてこれら領域を導体で接続することで、付加np
nトランジスタを形成して、寄生電流の減少を図る。ま
た、ハイサイドトランジスタをpチャネルMOSFET
に付加npnトランジスタと同様の働きをさせること
で、寄生電流の低減を図る。さらにpチャネルMOSF
ETの代わりにpチャネルIGBTを2個並接続し、一
方をダイオードとして利用し、他方をIGBTとして働
かせることで、MOSFETより電流容量を大きくでき
る。
ト当たりの出力回路図
npトランジスタが接続された等価回路図
Claims (5)
- 【請求項1】第1導電形半導体基板上に第1導電形の第
1領域と第2導電形の第2領域とがそれぞれ選択的に形
成され、第2領域の表面層に第2導電形の第3領域と第
1導電形の第4領域とが分離され、且つ選択的に形成さ
れ、第4領域の表面層に第1導電形の第5領域と第2導
電形の第6領域とがそれぞれ形成され、第1領域上、第
3領域上、第5領域上および第6領域上に第1電極、第
3電極、第5電極および第6電極がそれぞれ形成され、
第5電極と第6電極とが導体で接続されたダイオードで
あることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】第5領域に接して、第6領域が形成され、
第5領域上と第6領域上とに共通の第8電極が形成され
ることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項3】第5領域に接して、第5領域を取り囲むよ
うに第6領域が形成され、第5領域上と第6領域上とに
共通の第9電極が形成されることを特徴とする請求項1
記載の半導体装置。 - 【請求項4】第1導電形半導体基板上に第1導電形の第
1領域と第2導電形の第2領域とがそれぞれ選択的に形
成され、第2領域の表面層に第2導電形の第3領域と第
1導電形の第4領域および第7領域とがそれぞれ分離さ
れ、選択的に形成され、第4領域の表面層に第1導電形
の第5領域に接して、第2導電形の第6領域が形成さ
れ、第7領域上に第7電極が形成され、第7領域と第4
領域とに挟まれた第2領域上に絶縁膜を介して第10電
極が形成され、第1領域上、第3領域上に第1電極、第
3電極がそれぞれ形成され、第5領域と第6領域とに共
通の第8電極が形成されたMOSFETであることを特
徴とする半導体装置。 - 【請求項5】第1導電形半導体基板上に第1導電形の第
1領域と第2導電形の第2領域とがそれぞれ選択的に形
成され、第2領域の表面層に第2導電形の第3領域と第
1導電形の第4領域および第7領域とがそれぞれ分離さ
れ、選択的に形成され、第4領域の表面層に第1導電形
の第5領域が形成され、第7領域上に第7電極が形成さ
れ、第7領域と第4領域とに挟まれた第2領域上に絶縁
膜を介して第10電極が形成され、第1領域上、第3領
域上に第1電極、第3電極がそれぞれ形成され、第5領
域に第8電極が形成される第1絶縁ゲート型バイポーラ
トランジスタと、前記第2領域の表面層に第2導電形の
第31領域と第1導電形の第41領域および第71領域
とがそれぞれ分離され、選択的に形成され、第41領域
の表面層に第1導電形の第51領域に接して、第2導電
形の第61領域が形成され、第71領域上に第71電極
が形成され、第71領域と第41領域とに挟まれた第2
領域上に絶縁膜を介して第101電極が形成され、第3
1領域上に第31電極が形成され、第51領域と第61
領域とに共通の第81電極が形成され、第101電極と
第71電極とが接続される第2絶縁ゲート型バイポーラ
トランジスタとが、並列接続(第7電極と第71電極、
第8電極と第81電極がそれぞれ接続されている状態)
されることを特徴とする半導体装置。
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JP33435896A JP3519226B2 (ja) | 1996-12-16 | 1996-12-16 | 半導体装置 |
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JP33435896A JP3519226B2 (ja) | 1996-12-16 | 1996-12-16 | 半導体装置 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP33435896A Expired - Lifetime JP3519226B2 (ja) | 1996-12-16 | 1996-12-16 | 半導体装置 |
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