半导体装置及使用了该半导体装置的能量传递装置的制作方法

专利名称：半导体装置及使用了该半导体装置的能量传递装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置、及使用了该半导体装置的能量传递装置，尤 其涉及在代表能量传递装置的开关电源装置中，反复开闭主电流的半导体 装置。
背景技术：
作为现有的半导体装置，具体可举出高耐压横型半导体装置，参照图
6对其进行说明(例如参照专利文献l)。图6是针对现有的半导体装置 的构成进行表示的剖面图。
现有的半导体装置124如图6所示，具备含有开关元件121及JFET (Junction Field-Effect Transistor)元件122的高耐压半导体元件123。半 导体装置124具备源电极lll、栅电极112、第一漏电极(以下称为"漏 电极")113、和第二漏电极(以下称为"TAP电极")114，具有四种电 极。
在P—型半导体基板101的表面形成有N型漂移区域102。在半导体基 板101的表面与漂移区域102相邻地形成有P型基极区域103。在基极区 域103的表面与漂移区域102分离地形成有N+型源极区域104。在基极区 域103的表面与源极区域104相邻地形成有P+型基极接触区域105。在源 极区域104与漂移区域102之间的基极区域103上形成有栅极绝缘膜106。 在漂移区域102的表面与基极区域103分离地形成有N+型第一漏极区域 107。在漂移区域102的表面与第一漏极区域107分离地形成有N+型第二 漏极区域108。
在基极区域103与第一漏极区域107之间的漂移区域102的表面，与 第一漏极区域107分离地形成有P型第一顶上半导体层109a，第一顶上半 导体层109a与基极区域103在未图示的部位电连接。在第一漏极区域107 与第二漏极区域108之间的漂移区域102的表面，与第一漏极区域107及第二漏极区域108分离地形成有P型第二顶上半导体层109b，第二顶上半
导体层109b与基极区域103在未图示的部位电连接。
源电极111形成在半导体基板101上，与基极区域103及源极区域104 电连接。栅电极112形成在栅极绝缘膜106上。漏电极113形成在半导体 基板101上，与第一漏极区域107电连接。TAP电极114形成在半导体基 板101上，与第二漏极区域108电连接。
在第一、第二顶上半导体层109a、 109b上形成有第一、第二场绝缘 膜110a、 110b。在半导体基板101上，隔着第一、第二场绝缘膜110a、 110b形成有层间膜115。
在现有的半导体装置中，如果对漏电极113与源电极111之间施加电 压，则基于电场效应使得第二漏极区域108附近的漂移区域102被耗尽， 对TAP电极114输出的电压例如被夹断(pinch off)为50V左右。
艮口，如图7所示，当对漏电极113与源电极111之间施加的电压低于 夹断电压时，对TAP电极114供给的电压与对漏电极113和源电极111 之间施加的电压成比例。另一方面，当对漏电极113与源电极111之间施 加的电压高于夹断电压时，对TAP电极114供给的电压为夹断电压，即 一定的电压，比对漏电极113与源电极111之间施加的电压低。
这样，在现有的半导体装置124中，由于对导通状态的TAP电极114 供给的电压如图7所示，与漏电极113的电压成比例，所以，可以通过 TAP电极114检测出导通状态的漏电极113与源电极111之间的导通电压。
而且，即使对截止状态的漏电极113施加了高电压，也能够夹断对 TAP电极114输出的电压。
这里，针对现有的半导体装置124的动作进行如下说明。
在源电极lll为负电压、栅电极112为正电压的情况下，由于基极区 域103中隔着栅极绝缘膜106与栅电极112相对的区域的表面反转为N型 区域，所以，可以通过该N型区域在漏电极113与源电极111件流动电流 (导通状态)。S卩，可以利用通过对栅电极112施加电压而产生的电场， 对漏电极113与源电极111之间流过的电流进行控制。
即便使栅电极112与源电极111同电位(截止状态)、对漏电极113 施加高电压，也能够通过向第二漏极区域108附近的漂移区域102扩展的耗尽层夹断向TAP电极114输出的电压。因此，可以将TAP电极114与
低电压电路(这里，作为"低电压电路"的具体例子，例如可举出具备现
有的半导体装置的开关电源装置所含有的控制电路(参照后述的图8: 144)
等)连接。
下面，以开关电源装置为具体例，参照图8对使用了现有的半导体装 置的能量传递装置进行说明(例如参照专利文献2)。图8是具备现有的 半导体装置124的开关电源装置的电路图。
现有的开关电源装置如图8所示，具备现有的半导体装置124、半 导体集成电路148、直流电压源152和变压器160。变压器160包含与 半导体装置124及直流电压源152串联连接的初级绕组153、与负载连接 的第一次级绕组154、和与控制电路144连接的第二次级绕组157。现有 的半导体装置124构成为，从变压器160的第一次级绕组154向负载供给 电力，并且，从变压器160的第二次级绕组157向控制电路144供给电力。
按顺序对半导体集成电路148、直流电压源152及变压器160的构成 进行说明。
半导体集成电路148具备控制电路144、和例如耐压为100V的中 耐压晶体管142。控制电路144例如利用脉冲宽度调制等，对开关控制主 电流的半导体装置124的开闭进行控制。
直流电压源152由二极管电桥150和滤波电容器151构成。直流电压 源152被供给交流电源e。
变压器160包含初级绕组153、第一次级绕组154和第二次级绕组 157。变压器160的第一次级绕组154与二极管155及滤波电容器156连 接。而且，变压器160的第二次级绕组157与二极管158及滤波电容器159 连接。
另外，半导体集成电路148借助栅电极及TAP电极与半导体装置124 连接，半导体集成电路148和半导体装置124形成在独立的半导体基板上。
这里，控制电路144是低电压电路，无法施加高电压。因此，如图8 所示，例如借助电阻143及中耐压晶体管142将JFET元件122的TAP电 极和控制电路144连接。
由于TAP电极的电压如上所述被夹断，所以，即使从变压器160的
7初级绕组153对漏电极施加高电压，TAP电极的电压也一定，即为夹断电 压(例如50V左右)，因此，可以将TAP电极与控制电路144连接，向 控制电路144供给启动电力。
这里，针对启动时(电源接通时)从TAP电极向控制电路144供给 启动电力的动作进行说明。
通常，通过开关元件121反复进行开闭动作，使变压器160的第二次 级绕组157感应电压，经过二极管158，从vbias电源端子149向控制电 路144供给电流。另一方面，在投入交流电源e时，由于开关元件121不 进行开闭动作，所以，第二次级绕组157不感应电压，控制电路144处于 无电源的状态。
中耐压晶体管142被控制电路144控制成当vbias电源端子149的电 压为规定电压以下时导通。因此，当投入了交流电源e时，在直流电压源 152中产生并经过了初级绕组153的直流电流的一部分，从JFET元件122 的TAP电极通过导通状态的中耐压晶体管142，被向控制电路144供给， 使控制电路144启动。
于是，由于开关元件121反复进行开闭动作，所以，变压器160的第 二次级绕组157感应电压，经由二极管158从vbias电源端子149向控制 电路144供给电流。如果vbias电源端子149的电压超过规定电压，则中 耐压晶体管142成为截止状态，控制电路144成为稳定的动作状态。
这样，由于能够由TAP电极生成电源接通时所必要的启动用低电压， 所以，能够不需要电力供给用的高耐压、高电力的电阻。因此，不仅可实 现布线的简化及随之而来的成本削减，而且可实现电源电路的小型化。
专利文献1:美国专利第4811075号说明书
专利文献2:美国专利第5285369号说明书
但是，在使用了现有的半导体装置的能量传递装置中，存在着以下所 示的问题。
为了说明该问题，以开关电源装置作为能量传递装置，参照图9进行 具体的说明。图9是针对现有的开关电源装置所含有的现有的半导体装置 124及半导体集成电路148的构成进行表示的剖面图。其中，由于图9中 所示的半导体装置124与上述图6中所示的半导体装置124是同一构成，所以省略说明。而且，图9中表示的中耐压晶体管142相当于上述图8中 表示的中耐压晶体管142。而图9中表示的双极性晶体管168包含在控制 电路(参照图8: 144)中。另外，为了简化图示，在上述的图8中省略了 图9中表示的双极性晶体管168的图示。
中耐压晶体管142和双极性晶体管168，如图9所示，形成在公共的 P一型第二半导体基板125上。第二半导体基板125与半导体装置124的第 一半导体基板101独立形成。
按顺序对中耐压晶体管142及双极性晶体管168的构成进行说明。
—中耐压晶体管一
如图9所示，中耐压晶体管142具备形成在第二半导体基板125的 表面的N型漂移区域131、在第二半导体基板125的表面与漂移区域131 相邻形成的P型基极区域132、形成在基极区域132的表面的N+型源极区 域133、形成在基极区域132上的栅极绝缘膜134、在漂移区域131的表 面与基极区域132分离形成的N+型漏极区域135、形成在第二半导体基板 125上并与源极区域133电连接的源电极136、形成在栅极绝缘膜134上 的栅电极137、和形成在第二半导体基板125上并与漏极区域135电连接 的漏电极138。
源电极136在未图示的部位与控制电路(参照图8: 144)连接。栅电 极137在未图示的部位借助电阻(参照图8: 143)与TAP电极114连接， 并且在未图示的部位与控制电路连接。
如图9所示，半导体装置124的TAP电极114与中耐压晶体管142 的漏电极138连接。
一双极性晶体管一
双极性晶体管168具备形成在第二半导体基板125的表面的N型集 电极区域161、形成在集电极区域161的表面的N+型集电极接触区域162、 在集电极区域161的表面与集电极接触区域162分离形成的P型基极区域 163、形成在基极区域163的表面的N+型发射极区域164、形成在第二半 导体基板125上并与集电极接触区域162电连接的集电极电极165、形成 在第二半导体基板125上并与基极区域163电连接的基极电极166、和形 成在第二半导体基板125上并与发射极区域164电连接的发射极电极167。在共同形成了双极性晶体管168和中耐压晶体管142的第二半导体基
板125上，隔着场绝缘膜139形成有层间膜140。
这里，如果使漏电极113相对源电极111成为负偏压(bias)，则从 TAP电极114输出负电压。于是，N+型漏极区域135相对P—型第二半导 体基板125被依次偏置，从第二半导体基板125向漏极区域135流动电流。 此时，由P型基极区域163、 N型集电极区域161、 P—型第二半导体基板 125及N型漂移区域131构成的寄生闸流晶体管导通，即，在半导体集成 电路148中发生了闭锁(latchup)，会引起误动作或破坏。
这样，在现有的半导体装置124中，当漏电极113相对源电极111为 负偏压时，由于在使用了现有的半导体装置124的开关电源装置所含有的 半导体集成电路148中会发生闭锁，所以，存在着不能使漏电极113相对 源电极111成为负偏压的问题。
而且，在现有的开关电源装置中，如上所述，当使漏电极113相对源 电极lll成为负偏压(具体而言，例如因电磁噪声或雷涌使得漏电极113 被瞬间施加负偏压)时，存在着在半导体集成电路148中发生闭锁的问题。 因此，在现有的开关电源装置中，噪声耐性及雷涌耐性弱。并且，必须按 照漏电极113的电压不成为负偏压的方式进行变压器设计，导致包含变压 器在内的外围部件的设计变得繁杂。

发明内容
本发明鉴于上述问题而提出，其目的在于，提供一种即使漏电极相对 源电极成为负偏压，也能够防止在半导体集成电路中发生闭锁的能量传递 装置，及能够实现该能量传递装置的半导体装置。
为了实现上述目的，本发明的半导体装置具备含有开关元件和JFET 元件的高耐压半导体元件，高耐压半导体元件具备形成在第一半导体基 板的表面的第一导电型的漂移区域；在第一半导体基板的表面与漂移区域 相邻形成的第二导电型的基极区域；在基极区域的表面与漂移区域分离形 成的第一导电型的源极区域；形成在源极区域与漂移区域之间的基极区域 上的栅极绝缘膜；在漂移区域的表面与基极区域分离形成的第一导电型的 第一漏极区域；在漂移区域的表面与第一漏极区域分离形成的第一导电型的第二漏极区域；形成在第一半导体基板上，与基极区域及源极区域电连
接的源电极；形成在栅极绝缘膜上的栅电极；形成在第一半导体基板上， 与第一漏极区域电连接的第一漏电极；和形成在第一半导体基板上，与第 二漏极区域电连接的第二漏电极；第二漏电极与在第二半导体基板的表面 上形成的第二导电型的逆电流防止层电连接，逆电流防止层被形成在第二 半导体基板中的第一导电型的阱层覆盖。
根据本发明的半导体装置，即使第一漏电极相对源电极成为负偏压， 由于从第二漏电极(TAP电极)输出的负电压使逆电流防止层及阱层逆偏 压，所以，电流也不会流入到逆电流防止层中。因此，可以使第一漏电极 相对源电极成为负偏压。
从而，在将本发明的半导体装置应用到能量传递装置的情况下，能够 防止在能量传递装置所包含的半导体集成电路中发生闭锁。因此，与应用 现有的半导体装置的能量传递装置相比，能够提供噪声耐性及雷涌耐性高 的能量传递装置。而且，在应用了本发明的半导体装置的能量传递装置中， 由于不需要按照第一漏电极的电压不成为负偏压的方式进行变压器设计， 所以，能够容易地进行外围部件的设计。
并且，即使对第一漏电极施加了高电压，通过向第二漏极区域附近的 漂移区域扩展的耗尽层，也能够夹断向第二漏电极(TAP电极)输出的电 压。
在本发明的半导体装置中，优选第一半导体基板与第二半导体基板独 立形成。
在本发明的半导体装置中，优选第一半导体基板与第二半导体基板共 同形成。
在本发明的半导体装置中，优选高耐压半导体元件还具备在基极区域 与第一漏极区域之间的漂移区域的表面和第一漏极区域分离形成，并与基 极区域电连接的第二导电型的第一顶上半导体层。
由此，具备第一顶上半导体层的高耐压半导体元件例如与不具备第一 顶上半导体层的高耐压半导体元件相比，可增加漂移区域的浓度，因此， 可减小半导体装置的导通电阻。
在本发明的半导体装置中，优选第一半导体基板的导电型为第二导电型，高耐压半导体元件还具备在基极区域与第一漏极区域之间的漂移区域 中和第一漏极区域分离形成，并与基极区域电连接的第二导电型的第一内 部半导体层。
由此，具备第一内部半导体层的高耐压半导体元件例如与具备第一顶 上半导体层的高耐压半导体元件相比，可增加漂移区域的浓度，因此，可 减小半导体装置的导通电阻。
在本发明的半导体装置中，优选区域是第二导电型的集电极区域，电 极是集电极电极，集电极电极与集电极区域电连接。
由此，可提供IGBT型半导体装置。而且，由于采用IGBT双极性元 件而不是MOS单极性元件作为开关元件，所以，可减小半导体装置的导 通电阻。
在本发明的半导体装置中，优选区域包括第二导电型的集电极区域、
和与该集电极区域相邻的第一导电型的第一漏极区域，电极是集电极/漏电 极，集电极/漏电极与集电极区域及第一漏极区域电连接。
由此，由于接通时可以从第一漏极区域拽出电子，所以，例如与IGBT 型半导体装置相比，可加快开关速度。
为了实现上述目的，本发明的能量传递装置具备本发明涉及的半导
体装置；半导体集成电路，其具备含有逆电流防止层及阱层的逆电流防止
二极管、和对反复开闭主电流的半导体装置的开闭进行控制的控制电路； 直流电压源；和变压器；变压器含有与半导体装置及直流电压源串联连
接的初级绕组、和与负载连接的第一次级绕组，构成为从变压器的第一次 级绕组向负载供给电力，半导体装置的第二漏电极与半导体集成电路的逆 电流防止层电连接。
根据本发明的能量传递装置，即使第一漏电极相对源电极为负偏压，
由于从第二漏电极(TAP电极)输出的负电压使逆电流防止层及阱层逆偏 压，所以，电流也不会流入到逆电流防止层中，因此，可防止在半导体集 成电路中发生闭锁。从而，与现有的能量传递装置相比，可实现噪声耐性 及雷涌耐性高的能量传递装置。而且，由于不需要按照第一漏电极的电压 不成为负偏压的方式进行变压器设计，所以，能够容易地进行外围部件的 设计。
12在本发明的能量传递装置中，优选变压器还包含与控制电路连接的第
二次级绕组，构成为从变压器的第二次级绕组向控制电路供给电力。
在本发明的能量传递装置中，优选逆电流防止二极管还含有在阱层
的表面与逆电流防止层分离形成的第一导电型的阴极接触区域；形成在第 二半导体基板上，与逆电流防止层电连接的阳极电极；和形成在第二半导
体基板上，与阴极接触区域电连接的阴极电极；阳极电极与半导体装置的 第二漏电极连接。
在本发明的能量传递装置中，优选半导体集成电路还具备第一导电型 的第一晶体管；第一晶体管借助第一电阻及逆电流防止二极管与半导体装
置的第二漏电极连接，第一晶体管借助第二电阻与接地电位连接，第一晶 体管的栅极电位与开关元件的栅极电位同步。
由此，根据第一电阻与第二电阻的电阻分割，可以检测出开关元件接
通时对第二漏电极(TAP电极)输出的导通电压(=对第一漏电极输出的 导通电压)。通过检测对第二漏电极(TAP电极)输出的导通电压，可以
调整半导体装置中流动的电流。
在本发明的能量传递装置中，优选半导体集成电路还具备第一导电型 的第二晶体管，借助电阻及第二晶体管将半导体装置的第二漏电极与控制 电路连接，第二晶体管被控制电路控制成当向控制电路供给电流的偏压电 源端子的电压为规定电压以下时导通。
由此，由于能够通过第二漏电极(TAP电极)在启动时对控制电路供 给驱动电力，所以，可由第二漏电极生成电源接通时所必要的启动用低电 压，因此，不需要电力供给用的高耐压、高电力的电阻。从而，可实现布 线的简化及与之相伴的成本削减，还能实现电源电路的小型化。
根据本发明的半导体装置及使用了该半导体装置的能量传递装置，即 使第一漏电极相对源电极成为负偏压，由于从第二漏电极(TAP电极)输 出的负电压使逆电流防止层及阱层逆偏压，所以，电流也不会进入到逆电 流防止层中，因此，能够防止在半导体集成电路中发生闭锁。


图1是针对本发明的第一实施方式涉及的半导体装置的构成进行表示的剖面图。.
图2是本发明的第一实施方式涉及的半导体装置及半导体集成电路的 电路图。
图3是使用了本发明的第一实施方式涉及的半导体装置的开关电源装 置的电路图。
图4是针对构成本发明的第二实施方式涉及的半导体装置的开关元件
及JFET元件部分的构成进行表示的剖面图。
图5是针对构成本发明的第三实施方式涉及的半导体装置的开关元件
部分的构成进行表示的立体图。
图6是针对现有的半导体装置的构成进行表示的剖面图。
图7是表示TAP电极的夹断特性的曲线图。
图8是使用了现有的半导体装置的开关电源装置的电路图。
图9是针对现有的半导体装置及半导体集成电路的构成进行表示的剖面图。
图中l一第一半导体基板，2—漂移区域，3—基极区域，4一源极区 域，5 —基极接触区域，6 —栅极绝缘膜，7—第一漏极区域，8 —第二漏极 区域，9a—第一顶上半导体层，9b —第二顶上半导体层，10a—第一场绝 缘膜，10b —第二场绝缘膜，ll一源电极，12 —栅电极，13 —第一漏电极 (漏电极)，14一第二漏电极(TAP电极)，15 —层间膜，16a—第一内 部半导体层，16b —第二内部半导体层，17 —集电极区域，18 —第一漏极 区域，19_发射极/源电极，20_集电极/漏电极，21、 21A、 21B —开关元 件，22、 22A—JFET元件，23、 23A—高耐压半导体元件，24 —半导体装 置，25 —第二半导体基板，26 —逆电流防止层，27_阱层，28 —阴极接触 区域，29 —阳极电极，30—阴极电极，31—漂移区域，32 —基极区域，33 一源极区域，34—栅极绝缘膜，35 —漏极区域，36—源电极，37 —栅电极， 38 —漏电极，39—场绝缘膜，40 —层间膜，41一逆电流防止二极管，42 — 第二晶体管，43 —电阻，44一控制电路，45—第一晶体管，46—第一电阻， 47 —第二电阻，48 —半导体集成电路，49一vbias电源端子，50 — 二极管 电桥，51 —滤波电容器，52 —直流电压源，53 —初级绕组，54 —第一次级 绕组，55 — 二极管，56 —滤波电容器，57 —第二次级绕组，58 — 二极管，59—滤波电容器，60 —变压器。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的各实施方式进行说明。 (第一实施方式)
以下参照图1，对本发明的第一实施方式涉及的半导体装置的构成进 行说明。图1是针对本发明的第一实施方式涉及的半导体装置的构成进行
表示的剖面图。其中，在图1中除了半导体装置24之外，还图示了使用 了该半导体装置24的开关电源装置所包含的半导体集成电路48。 <半导体装置>
本实施方式的半导体装置24如以往那样，具备含有开关元件21及 JFET元件22的高耐压半导体元件23。
半导体装置24具备源电极ll、栅电极12、第一漏电极(以下称为 "漏电极")13和第二漏电极(以下称为"TAP电极")14，具有4种电极。
针对高耐压半导体元件23的构成进行说明。
高耐压半导体元件23中，在P—型第一半导体基板1的表面形成有N 型漂移区域2。在第一半导体基板1的表面与漂移区域2相邻形成有P型 基极区域3 。在该基极区域3的表面与漂移区域2分离地形成有N+型源极 区域4。在基极区域3的表面与源极区域4相邻地形成有P+型基极接触区 域5。在源极区域4与漂移区域2之间的基极区域3上形成有栅极绝缘膜 6。在漂移区域2的表面与基极区域3分离地形成有N+型第一漏极区域7。 在漂移区域2的表面与第一漏极区域7分离地形成有N+型第二漏极区域 8。
在基极区域3与第一漏极区域7之间的漂移区域2的表面，与第一漏 极区域7分离地形成有P型第一顶上半导体层9a，第一顶上半导体层9a 与基极区域3在未图示的部位电连接。在第一漏极区域7与第二漏极区域 8之间的漂移区域2的表面，与第一漏极区域7及第二漏极区域8分离地 形成有P型第二顶上半导体层9b，第二顶上半导体层％与基极区域3在 未图示的部位电连接。在第一、第二顶上半导体层9a、 9b上形成有第一、第二场绝缘膜10a、 10b。
源电极11形成在第一半导体基板1上，与基极区域3及源极区域4 电连接。栅电极12形成在栅极绝缘膜6上。漏电极13形成在半导体基板 1上，与第一漏极区域7电连接。TAP电极14形成在半导体基板1上， 与第二漏极区域8电连接。
在第一半导体基板1上，隔着第一、第二场绝缘膜10a、 10b形成有 层间膜15。
本实施方式的半导体装置24与现有的半导体装置(参照图9: 124) 的不同之处在于，TAP电极14不与漏极区域(参照图9: 135)电连接， 而是与P+型逆电流防止层26电连接。逆电流防止层26形成在与第一半导 体基板1独立形成的第二半导体基板25的表面，被形成在第二半导体基 板25中的N型阱层27覆盖。
本实施方式的半导体装置24可以得到以下所示的特有效果。
即便使漏电极13相对源电极11成为负偏压，由于从TAP电极14输 出的负电压对逆电流防止层26及阱层27进行逆偏压，所以，电流不流入 到逆电流防止层26中。因此，可以使漏电极13相对源电极11负偏压。
从而，在将本实施方式的半导体装置24例如应用到开关电源装置的 情况下，可防止在开关电源装置所含有的半导体集成电路48中发生闭锁。 因此，与应用了现有的半导体装置的开关电源装置相比，能够提供噪声耐 性及雷涌耐性高的开关电源装置。而且，在应用了本实施方式的半导体装 置24的开关电源装置中，由于不需要按照漏电极13的电压不成为负偏压 的方式进行变压器设计，所以，能容易地进行外围部件的设计。
并且，由于本实施方式的半导体装置24、和应用了该半导体装置24 的开关电源装置所含有的半导体集成电路48，形成在独立的半导体基板 上，所以，可有效防止在半导体集成电路48中发生闭锁。
另外，本实施方式的半导体装置24能够得到与现有的半导体装置同 样的效果，即，可通过TAP电极14检测出导通状态的漏电极13与源电 极11之间的导通电压等效果。
如上所述，本实施方式的半导体装置24如图1所示，与半导体集成 电路48所包含的逆电流防止二极管41的逆电流防止层26电连接(其中，半导体集成电路48除了逆电流防止二极管41之外，如图1所示，例如包
含第二晶体管42等)。
下面，参照图1 图2对逆电流防止二极管41进行说明。图2是本实 施方式的半导体装置24及半导体集成电路48的电路图(即图1所示的构 成的电路图)。其中，在图1中为了简化图示，省略了半导体集成电路48 所含有的控制电路44的图示。
如图2所示，半导体装置24的TAP电极14，与半导体集成电路48 中含有的逆电流防止二极管41电连接。
参照图l，对逆电流防止二极管41的构成进行说明。
如图1所示，逆电流防止二极管41具备形成在P—型第二半导体基 板25的表面的P+型逆电流防止层26、和形成在第二半导体基板25中并 覆盖逆电流防止层26的N型阱层27。
并且，逆电流防止二极管41具备在阱层27的表面与逆电流防止层 26分离形成的N+型阴极接触区域28、形成在第二半导体基板25上并与 逆电流防止层26电连接的阳极电极29、和形成在第二半导体基板25上并 与阴极接触区域28电连接的阴极电极30。
阴极电极30如图1所示，与耐压例如为100V的N型第二晶体管42 的漏电极38连接。
其中，第二晶体管42的构成如下所述。如图1所示，在第二半导体 基板25的表面形成有N型漂移区域31。在第二半导体基板25的表面与 漂移区域31相邻地形成有P型基极区域32。在基极区域32的表面与漂移 区域31分离地形成有N+型源极区域33。在基极区域32上形成有栅极绝 缘膜34。在漂移区域31的表面与基极区域32分离地形成有N+型漏极区 域35。在第二半导体基板25上形成有源电极36，源电极36与源极区域 33电连接。在栅极绝缘膜34上形成有栅电极37。在第二半导体基板25 上形成有漏电极38，漏电极38与漏极区域35电连接。
其中，第二晶体管42的源电极36在未图示的部位与控制电路(参照 图2: 44)连接。第二晶体管42的栅电极37在未图示的部位借助电阻(参 照图2: 43)与阴极电极30连接，并且，在未图示的部位与控制电路连接。
在第二半导体基板25上形成有场绝缘膜39。在第二半导体基板25上隔着场绝缘膜39形成有层间膜40。
这样，本实施方式的半导体装置24与现有的半导体装置(参照图9: 124)的不同点是如下所示的点。现有的TAP电极(参照图9: 114)与中 耐压晶体管(参照图9: 142)的漏电极(参照图9: 138)连接，而本实 施方式的TAP电极14与逆电流防止二极管41的阳极电极29连接。
其中，逆电流防止二极管41可以通过一般的半导体工艺不增加制造 成本地制造。
下面，参照图3，对使用了本发明的第一实施方式涉及的半导体装置 24的开关电源装置的构成进行说明。图3是本发明的第一实施方式涉及的 开关电源装置的电路图。其中，在前述图2中为了简化图示，省略了半导 体集成电路48中含有的第一晶体管45的图示。
<开关电源装置>
本实施方式的开关电源装置如图3所示，具备本实施方式的半导体 装置24、半导体集成电路48、直流电压源52和变压器60，其中，所述半 导体集成电路48具有包含逆电流防止层(参照图1: 26)及阱层(参照 图l: 27)的逆电流防止二极管4K和对反复开闭主电流(开关控制主电 流)的半导体装置24的开闭进行控制的控制电路44。变压器60含有与 半导体装置24及直流电压源52串联连接的初级绕组53、与负载连接的第 一次级绕组54、和与控制电路44连接的第二次级绕组57，构成为从变压 器60的第一次级绕组54向负载供给电力，并且，从变压器60的第二次 级绕组57向控制电路44供给电力，半导体装置24的TAP电极14，与半 导体集成电路48中包含的逆电流防止二极管41的逆电流防止层电连接。
按顺序对构成本实施方式的开关电源装置的各构成要素进行说明。
一半导体装置一
本实施方式的半导体装置24如图3所示，具备开关元件21和JFET 元件22。 JFET元件22的TAP电极14与逆电流防止二极管41的逆鬼流 防止层(参照图1: 26)电连接。
—半导体集成电路—
半导体集成电路48具备包含逆电流防止层(参照图1: 26)及阱层 (参照图l: 27)的逆电流防止二极管41、和对开关控制主电流的半导体装置24的开闭进行控制的控制电路44。
并且，半导体集成电路48具备耐压例如为100V的N型第一晶体管 45。第一晶体管45借助第一电阻46及逆电流防止二极管41与TAP电极 14连接。第一晶体管45借助第二电阻47与GND电位(接地电位)连接。 第一晶体管45的栅极电位与开关元件21的栅极电位同步。
另外，半导体集成电路48具备耐压例如为100V的N型第二晶体管 42。 TAP电极14和控制电路44借助电阻43及第二晶体管42连接。第二 晶体管42被控制电路44控制成当vbias电源端子49的电压为规定电压以 下时导通。
一直流电压源一
直流电压源52由二极管电桥50、和滤波电容器51构成。直流电压源 52被供给交流电源e。 一变压器一
变压器60含有初级绕组53、第一次级绕组54和第二次级绕组57。 变压器60的第一次级绕组54与二极管55及滤波电容器56连接。而且， 变压器60的第二次级绕组57与二极管58及滤波电容器59连接。
本实施方式的开关电源装置与现有的开关电源状(参照图8)的不同 点在于，半导体集成电路48具备逆电流防止二极管41，半导体装置24 的TAP电极14与逆电流防止二极管41电连接。
本实施方式的开关电源装置可得到以下所示的特有效果。
如上所述，即便使漏电极13相对源电极11负偏压，也能够防止在半 导体集成电路48中发生闭锁。因此，与现有的开关电源装置相比，可实 现噪声耐性及雷涌耐性高的开关电源装置。并且，由于不需要按照漏电极 13的电压不成为负偏压的方式进行变压器设计，所以，可容易地进行外围 部件的设计。
另外，本实施方式的开关电源装置可得到以下所示的效果。 如图3所示，第一晶体管45其漏电极借助第一电阻46与逆电流防止 二极管41的阴极电位连接，并且，其源电极借助第二电阻47与GND电 位连接。第一晶体管45的栅极电位与开关元件21的栅极电位同步，对应 开关元件21接通的定时，第一晶体管45也导通。
19由此，通过第一电阻46与第二电阻47的电阻分割，可以由控制电路
44检测出开关元件21接通时向TAP电极14输出的导通电压(=对漏电 极13输出的导通电压)。通过检测对TAP电极14输出的导通电压，可 以调整流经半导体装置24的电流。
而且，与以往同样，由于可以通过TAP电极14在启动时对控制电路 44供给驱动电力，由TAP电极14生成电源接通时所必要的启动用低电压， 所以，能够不需要电力供给用的高耐压、高电力的电阻。因此，不仅可实 现布线的简化及与之相伴的成本削减，还能够实现电源电路的小型化。
并且，在开关元件21的接通电阻相对温度存在正的关系，且漏电压 在一定的漏电流下伴随着温度上升以规定的比率上升的情况下，如果导通 电压为规定电压以上，则判定为半导体装置24处于过热状态(异常状态)， 由此能够保护半导体装置24。
另外，虽然没有特别图示，但利用将逆电流防止二极管41的阴极电 位进行了电阻分割后的电压，还能够由控制电路44检测出开关元件21接 通的定时。
此外，在本实施方式中，举例说明了使用开关电源装置作为能量传递 装置的情况，但本发明不限定于此，例如也可以使用交流逆变器装置等。
而且，在本实施方式中，如图1所示，举例说明了具备第一顶上半导 体层9a及第二顶上半导体层9b双方的高耐压半导体元件23的情况，但 本发明不限定于此，例如也可以是仅具备第一顶上半导体层9a的高耐压 半导体元件。
(第二实施方式)
下面，参照图4，对本发明的第二实施方式涉及的半导体装置的构成 进行说明。图4是针对构成本发明的第二实施方式涉及的半导体装置的高 耐压半导体元件23A部分的构成进行表示的剖面图。其中，在图4中，对 与前述第一实施方式中的构成要素相同的构成要素，赋予和第一实施方式 中的图l所示的符号相同的符号，由此，在本实施方式中以与第一实施方 式的不同点为中心进行说明，对公共点适当省略说明。
本实施方式与第一实施方式的不同点在于，取代了第一实施方式中的 P型第一、第二顶上半导体层9a、 9b，而设置了P型第一、第二内部半导
20体层16a、 16b。
详细而言，在第一实施方式中如图l所示，在基极区域3与第一漏极 区域7之间的漂移区域2的表面，与第一漏极区域7分离地形成有第一顶 上半导体层9a。而且，在第一漏极区域7与第二漏极区域8之间的漂移区 域2的表面，与第一、第二漏极区域7、 8分离地形成有第二顶上半导体 层9b。
与之相对，本实施方式如图4所示，在基极区域3与第一漏极区域7 之间的漂移区域2中，与第一漏极区域7分离地形成有第一内部半导体层 16a。在第一漏极区域7与第二漏极区域8之间的漂移区域2中，与第一、 第二漏极区域7、 8分离地形成有第二内部半导体层16b。
根据本实施方式，通过取代第一、第二顶上半导体层9a、 9b而设置 了第一、第二内部半导体层16a、 16b，由于在使本实施方式中的高耐压半 导体元件23A的耐压与第一实施方式中的高耐压半导体元件23的耐压为 同程度时，可以使本实施方式中的漂移区域2的浓度比第一实施方式中的 漂移区域2的浓度浓，所以，能够减小半导体装置的导通电阻。
并且，由于在第一实施方式中，主要是第二顶上半导体层9b下的漂 移区域2被耗尽，而在本实施方式中，主要是第二内部半导体层16b周围 的漂移区域2被耗尽，所以，与第一实施方式相比，可扩展漂移区域2中 被耗尽的区域，能够更容易地夹断对TAP电极14输出的电压。
此外，本实施方式的高耐压半导体元件23A与第一实施方式的高耐压 半导体元件23相比，可以通过一般的半导体工艺不增大制造成本地制造。
另外，在本实施方式中如图4所示，举例说明了具备第一内部半导体 层16a及第二内部半导体层16b双方的高耐压半导体元件23A的情况，但 本发明不限定于此，例如也可以是仅具备第一内部半导体层16a的高耐压 半导体元件。
(第三实施方式)
下面参照图5，对本发明的第三实施方式涉及的半导体装置的构成进 行说明。图5是构成本发明的第三实施方式涉及的半导体装置的开关元件 21B部分的立体图。其中，在图5中，对与前述第一实施方式中的构成要 素相同的构成要素，赋予和第一实施方式中的图l所示的符号相同的符号，
21由此，在本实施方式中以与第一实施方式的不同点为中心进行说明，针对 公共点适当省略说明。
本实施方式与第一实施方式的不同点在于，在第一漏极区域的基础上 设置了集电极区域(参照图5: 17)，将开关元件IGBT化。
详细而言，第一，第一实施方式在漂移区域2的表面如图l所示，形 成有第一漏极区域7。与之相对，本实施方式在漂移区域2的表面如图5 所示，形成有P型集电极区域17及与该集电极区域17相邻的N+型第一 漏极区域18。
第二，第一实施方式中设置有与基极区域3及源极区域4电连接的源 电极ll。与之相对，本实施方式中设置有与基极区域3及源极区域4电连 接的发射极/源电极19。
第三，第一实施方式中设置有与第一漏极区域7电连接的漏电极13。 与之相对，本实施方式中设置有与集电极区域17及第一漏极区域18电连 接的集电极/漏电极20。
在开关元件21B中，如果使集电极/漏电极20与发射极/源电极19间 正偏压、对栅电极12施加正电压，则开始从第一漏极区域18经过源极区 域4向发射极/源电极19流动电流(MOSFET动作)。然后，如果集电极 区域17下的漂移区域2的电位比集电极区域17的电位下降了约0.6V，则 从集电极区域17向漂移区域2注入空穴，从MOSFET动作切换为IGBT 动作。由此，可以减小半导体装置的导通电阻。
而且，由于接通时可以从第一漏极区域18拽出电子，所以，能够加 速开关速度。
另外，本实施方式的开关元件21B与第一实施方式的开关元件21相 比，能够通过一般的半导体工艺不增大制造成本地制造。
此外，本实施方式对在第一漏极区域18的基础上设置了集电极区域 17的构成进行了具体说明，但本发明不限定于此，例如也可以是取代第一 漏极区域而只设置集电极区域的构成。
另外，在第一 第三实施方式中，举例说明了半导体装置和半导体集 成电路形成在独立的半导体基板的情况，但本发明不限定于此，也可以使 两者形成在公共的半导体基板上。而且，在第一 第三实施方式中，举例说明了电流相对半导体基板1 横向流动的横型半导体装置，但本发明不限定于此，也可以是电流相对半 导体基板纵向流动的纵型半导体装置。
并且，在第一、第三实施方式中，举例说明了具备形成在漂移区域2
的表面上的第一、第二顶上半导体层9a、 9b的半导体装置，另一方面， 在第二实施方式中，举例说明了具备形成在漂移区域2中的第一、第二内 部半导体层16a、 16b的半导体装置，但本发明不限定于此。即，即使在 不具备顶上半导体层及内部半导体层的半导体装置中，也可能够应用本发 明。
工业上的可利用性
由于本发明在第一漏电极相对源电极为负偏压的情况下，也能够防止 在半导体集成电路中发生闭锁，所以，可以使第一漏电极相对源电极为负 偏压，因此，在半导体装置及使用了该半导体装置的能量传递装置中是有 用的。
权利要求
1、一种半导体装置，具备含有开关元件和JFET元件的高耐压半导体元件，其中，所述高耐压半导体元件具备形成在第一半导体基板的表面的第一导电型的漂移区域；在所述第一半导体基板的表面与所述漂移区域相邻形成的第二导电型的基极区域；在所述基极区域的表面与所述漂移区域分离形成的第一导电型的源极区域；形成在所述源极区域与所述漂移区域之间的所述基极区域上的栅极绝缘膜；在所述漂移区域的表面与所述基极区域分离形成的区域；在所述漂移区域的表面与所述区域分离形成的第一导电型的第二漏极区域；形成在所述第一半导体基板上，与所述基极区域及所述源极区域电连接的源电极；形成在所述栅极绝缘膜上的栅电极；形成在所述第一半导体基板上，与所述区域电连接的电极；和形成在所述第一半导体基板上，与所述第二漏极区域电连接的第二漏电极；所述第二漏电极与在第二半导体基板的表面上形成的第二导电型的逆电流防止层电连接，所述逆电流防止层被形成在所述第二半导体基板中的第一导电型的阱层覆盖。
2、 根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述区域是第一导电型的第一漏极区域， 所述电极是第一漏电极。
3、 根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述第一半导体基板与所述第二半导体基板独立形成。
4、 根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述第一半导体基板与所述第二半导体基板共同形成。
5、 根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述第一半导体基板的导电型是第二导电型，所述高耐压半导体元件还具备在所述基极区域与所述第一漏极区域 之间的所述漂移区域的表面和所述第一漏极区域分离形成，并与所述基极 区域电连接的第二导电型的第一顶上半导体层。
6、 根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述第一半导体基板的导电型是第二导电型，所述高耐压半导体元件还具备在所述基极区域与所述第一漏极区域 之间的所述漂移区域中和所述第一漏极区域分离形成，并与所述基极区域 电连接的第二导电型的第一内部半导体层。
7、 根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述区域是第二导电型的集电极区域， 所述电极是集电极电极，所述集电极电极与所述集电极区域电连接。
8、 根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 所述区域包括第二导电型的集电极区域、和与该集电极区域相邻的第一导电型的第一漏极区域，所述电极是集电极/漏电极，所述集电极/漏电极与所述集电极区域及所述第一漏极区域电连接。
9、 一种能量传递装置，具备权利要求1 8中任意一项所述的半导 体装置；半导体集成电路，其具备含有所述逆电流防止层及所述阱层的逆电流 防止二极管、和对反复开闭主电流的所述半导体装置的开闭进行控制的控制电路；直流电压源；和 变压器；所述变压器含有与所述半导体装置及所述直流电压源串联连接的初 级绕组、和与负载连接的第一次级绕组，从所述变压器的所述第一次级绕组向所述负载供给电力， 所述半导体装置的所述第二漏电极与所述半导体集成电路的所述逆 电流防止层电连接。
10、 根据权利要求9所述的能量传递装置，其特征在于， 所述变压器还包含与所述控制电路连接的第二次级绕组， 从所述变压器的所述第二次级绕组向所述控制电路供给电力。
11、 根据权利要求9所述的能量传递装置，其特征在于， 所述逆电流防止二极管还含有在所述阱层的表面与所述逆电流防止层分离形成的第一导电型的阴极接触区域；形成在所述第二半导体基板上，与所述逆电流防止层电连接的阳极电 极;和形成在所述第二半导体基板上，与所述阴极接触区域电连接的阴极电极；所述阳极电极与所述半导体装置的所述第二漏电极连接。
12、 根据权利要求9所述的能量传递装置，其特征在于， 所述半导体集成电路还具备第一导电型的第一晶体管； 所述第一晶体管借助第一电阻及所述逆电流防止二极管与所述半导体装置的所述第二漏电极连接，所述第一晶体管借助第二电阻与接地电位连接， 所述第一晶体管的栅极电位与所述开关元件的栅极电位同步。
13、 根据权利要求9所述的能量传递装置，其特征在于， 所述半导体集成电路还具备第一导电型的第二晶体管， 借助电阻及所述第二晶体管将所述半导体装置的所述第二漏电极与所述控制电路连接，所述第二晶体管被所述控制电路控制成当向所述控制电路供给电流 的偏压电源端子的电压为规定电压以下时导通。
全文摘要
一种即使漏电极相对源电极成为负偏压，也能够防止在半导体集成电路中发生闭锁的能量传递装置，及能够实现该能量传递装置的半导体装置。该能量传递装置具备形成在第一半导体基板的半导体装置(24)；具备逆电流防止二极管(41)的半导体集成电路(48)，该逆电流防止二极管含有形成在第二半导体基板的表面的第二导电型的逆电流防止层、及对形成在第二半导体基板中的逆电流防止层进行覆盖的第一导电型的阱层；直流电压源(52)；和变压器(60)；变压器(60)含有与半导体装置(24)及直流电压源(52)串联连接的初级绕组(53)、和与负载连接的第一次级绕组(54)，构成为从变压器(60)的第一次级绕组(54)向负载供给电力。半导体装置(24)的第二漏电极(TAP电极)与半导体集成电路(48)的逆电流防止层电连接。
文档编号H01L23/52GK101562177SQ20091013270
公开日2009年10月21日 申请日期2009年4月14日 优先权日2008年4月15日
发明者金子佐一郎 申请人:松下电器产业株式会社