(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の第１面側に設けられたゲート端子および第１端子と前記基板の第２面側に設けられた第２端子とを有し、前記第１端子および前記第２端子の間を電気的に接続または切断する縦型半導体スイッチと、
前記基板の前記第１面側に設けられた第１絶縁膜と、
前記基板の前記第１面側において前記第１絶縁膜に接して設けられた、前記第１絶縁膜よりも薄い第２絶縁膜と、
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜の上側に形成され、前記第１絶縁膜の上側に設けられた第１部分が前記基板の前記第１面側に接続され、前記第２絶縁膜の上側に設けられた第２部分が前記ゲート端子側に接続されるツェナーダイオードと、
を備え、
前記第２部分は、ｐ型材料が注入された複数の領域とｎ型材料が注入された複数の領域とが交互に形成されている
デバイス。
【請求項２】
基板の第１面側に設けられたゲート端子および第１端子と前記基板の第２面側に設けられた第２端子とを有し、前記第１端子および前記第２端子の間を電気的に接続または切断する縦型半導体スイッチと、
前記基板の前記第１面側に設けられた第１絶縁膜と、
前記基板の前記第１面側において前記第１絶縁膜に接して設けられた、前記第１絶縁膜よりも薄い第２絶縁膜と、
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜の上側に形成され、前記第１絶縁膜の上側に設けられた第１部分が前記基板の前記第１面側に接続され、前記第２絶縁膜の上側に設けられた第２部分が前記ゲート端子側に接続されるツェナーダイオードと、
を備え、
前記ツェナーダイオードの前記第２部分の耐圧は、前記縦型半導体スイッチの切断時に前記第２端子に印加される電圧と前記縦型半導体スイッチのしきい値電圧との差よりも大きい
デバイス。
【請求項３】
基板の第１面側に設けられたゲート端子および第１端子と前記基板の第２面側に設けられた第２端子とを有し、前記第１端子および前記第２端子の間を電気的に接続または切断する縦型半導体スイッチと、
前記基板の前記第１面側に設けられた第１絶縁膜と、
前記基板の前記第１面側において前記第１絶縁膜に接して設けられた、前記第１絶縁膜よりも薄い第２絶縁膜と、
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜の上側に形成され、前記第１絶縁膜の上側に設けられた第１部分が前記基板の前記第１面側に接続され、前記第２絶縁膜の上側に設けられた第２部分が前記ゲート端子側に接続されるツェナーダイオードと、
を備え、
前記第２部分は、ｐ型材料が注入された領域とｎ型材料が注入された領域とを有し、
前記ツェナーダイオードの前記第１部分は、前記ツェナーダイオードの前記第２部分よりも、前記第１端子が接続される第１ウェル領域から遠くに設けられる
デバイス。
【請求項４】
前記ツェナーダイオードの前記第２部分は、前記ツェナーダイオードの前記第１部分よりも短い請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ツェナーダイオードは、前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜の境界部分において、前記第１部分の端部と前記第２部分の端部とが同じ導電型の半導体により形成される請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記基板の前記第１面側において前記第２絶縁膜の下側に、前記第１端子が接続される第１ウェル領域と同じ導電型であり、前記第１ウェル領域とは絶縁された第２ウェル領域を備える請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記ツェナーダイオードは、前記デバイスの周縁部分において前記第１部分が前記基板の第１面側に接続され、前記デバイスの中央部分に向かって延伸する請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記ツェナーダイオードの前記第１部分は、前記基板の前記第１面側における、前記第２端子と導通する第３ウェル領域に接続される請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記縦型半導体スイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
基板の第１面側に第１絶縁膜を形成する段階と、
前記基板の前記第１面側において前記第１絶縁膜よりも薄い第２絶縁膜を、前記第１絶縁膜に接して形成する段階と、
前記基板の前記第１面側に設けられる第１端子および前記基板の第２面側に設けられる第２端子の間を電気的に接続または切断する縦型半導体スイッチを形成する段階と、
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜の上側に形成され、前記第１絶縁膜の上側に設けられた第１部分が前記基板の前記第１面側に接続され、前記第２絶縁膜の上側に設けられた第２部分が前記縦型半導体スイッチのゲート端子側に接続されるツェナーダイオードを形成する段階と、
を備え、
前記第２部分は、ｐ型材料が注入された複数の領域とｎ型材料が注入された複数の領域とが交互に形成されている
デバイス製造方法。
【請求項１１】
基板の第１面側に第１絶縁膜を形成する段階と、
前記基板の前記第１面側において前記第１絶縁膜よりも薄い第２絶縁膜を、前記第１絶縁膜に接して形成する段階と、
前記基板の前記第１面側に設けられる第１端子および前記基板の第２面側に設けられる第２端子の間を電気的に接続または切断する縦型半導体スイッチを形成する段階と、
前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜の上側に形成され、前記第１絶縁膜の上側に設けられた第１部分が前記基板の前記第１面側に接続され、前記第２絶縁膜の上側に設けられた第２部分が前記縦型半導体スイッチのゲート端子側に接続されるツェナーダイオードを形成する段階と、
を備え、
前記ツェナーダイオードの前記第２部分の耐圧は、前記縦型半導体スイッチの切断時に前記第２端子に印加される電圧と前記縦型半導体スイッチのしきい値電圧との差よりも大きい
デバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デバイスおよびデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の点火等に用いられる半導体装置として、大電力を取り扱うパワー半導体デバイスと過電圧保護回路とを一体にしたデバイスを用いていた（例えば、特許文献１〜３参照）。
特許文献１  特開２０００−７７５３７号公報
特許文献２  特開平１１−１４５４６６号公報
特許文献３  特開２００４−９５６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなパワー半導体デバイスは、コレクタおよびゲートの間に入力する高電圧に対応すべく、当該コレクタおよびゲートの間にツェナーダイオードを設けていた。しかしながら、集積化したパワー半導体デバイスに、高耐圧のツェナーダイオードを形成することは困難であった。また、このようなツェナーダイオードが破壊すると、コレクタおよびゲートが短絡し、コレクタおよびエミッタの間で大電流が流れ続けてしまうことがあり、発熱による発煙および発火、ならびに当該半導体装置を搭載する内燃機関の機能停止および故障等を発生させてしまう場合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、基板の第１面側に設けられたゲート端子および第１端子と基板の第２面側に設けられた第２端子とを有し、第１端子および第２端子の間を電気的に接続または切断する縦型半導体スイッチと、基板の第１面側に設けられた第１絶縁膜と、基板の第１面側において第１絶縁膜に接して設けられた、第１絶縁膜よりも薄い第２絶縁膜と、第１絶縁膜および第２絶縁膜の上側に形成され、第１絶縁膜の上側に設けられた第１部分が基板の第１面側に接続され、第２絶縁膜の上側に設けられた第２部分がゲート端子側に接続されるツェナーダイオードと、を備えるデバイスを提供する。
【０００５】
本発明の第２の態様においては、基板の第１面側に第１絶縁膜を形成する段階と、基板の第１面側において第１絶縁膜よりも薄い第２絶縁膜を、第１絶縁膜に接して形成する段階と、基板の第１面側に設けられたゲート端子および第１端子と基板の第２面側に設けられた第２端子とを有し、第１端子および第２端子の間を電気的に接続または切断する縦型半導体スイッチを形成する段階と、第１絶縁膜および第２絶縁膜の上側に形成され、第１絶縁膜の上側に設けられた第１部分が基板の第１面側に接続され、第２絶縁膜の上側に設けられた第２部分がゲート端子側に接続されるツェナーダイオードを形成する段階と、を備えるデバイス製造方法を提供する。
【０００６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施形態に係る点火装置１０００の構成例を示す。
【図２】本実施形態に係るデバイス１００の断面の一例を示す。
【図３】本実施形態に係るデバイス３００のゲート電極およびエミッタ電極が形成される第１面の構成例を示す。
【図４】図３に示すデバイス３００の領域Ｓを拡大した構成例を示す。
【図５】本実施形態に係るデバイス３００の断面の第１例を示す。
【図６】本実施形態に係るデバイス３００の断面の第２例を示す。
【図７】本実施形態に係るデバイス３００の製造フローの一例を示す。
【図８】本実施形態に係る基板２００の第１面側に第１絶縁膜２３０を形成した段階の断面の一例を示す。
【図９】本実施形態に係る基板２００の第１面側において、第１ウェル領域１３２、第２ウェル領域１４０、および第３ウェル領域１５０を形成した段階の断面の一例を示す。
【図１０】本実施形態に係る基板２００の第１面側に第２絶縁膜２４０を形成した段階の断面の一例を示す。
【図１１】本実施形態に係る基板２００の第１面側において、ゲート絶縁膜２６２、ゲート電極２６０、および半導体膜２５０を形成した段階の断面の一例を示す。
【図１２】本実施形態に係る半導体膜２５０にツェナーダイオード１２０を形成した段階の断面の一例を示す。
【図１３】本実施形態に係るデバイス３００を形成した段階の断面の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
図１は、本実施形態に係る点火装置１０００の構成例を示す。点火装置１０００は、自動車等の内燃機関等に用いられる点火プラグを点火する。本実施形態において、点火装置１０００が自動車のエンジンに搭載される例を説明する。点火装置１０００は、制御信号発生部１０と、抵抗１２と、点火プラグ２０と、点火コイル３０と、電源４０と、デバイス１００と、を備える。
【００１０】
制御信号発生部１０は、デバイス１００のオンおよびオフの切り換えを制御するスイッチング制御信号を発生する。制御信号発生部１０は、例えば、点火装置１０００が搭載される自動車のエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）の一部または全部である。制御信号発生部１０は、発生したスイッチング制御信号を、抵抗１２を介してデバイス１００に供給する。制御信号発生部１０がスイッチング制御信号をデバイス１００に供給することにより、点火装置１０００は点火プラグ２０の点火動作を開始する。
【００１１】
点火プラグ２０は、放電により電気的に火花を発生させる。点火プラグ２０は、例えば、１０ｋＶ程度以上の印加電圧により放電する。点火プラグ２０は、一例として、内燃機関に設けられ、この場合、燃焼室の混合気等の燃焼ガスを点火する。点火プラグ２０は、例えば、シリンダの外部からシリンダ内部の燃焼室まで貫通する貫通孔に設けられ、当該貫通孔を封止するように固定される。この場合、点火プラグ２０の一端は燃焼室内に露出され、他端はシリンダ外部から電気信号を受け取る。
【００１２】
点火コイル３０は、点火プラグに電気信号を供給する。点火コイル３０は、点火プラグ２０を放電させる高電圧を電気信号として供給する。点火コイル３０は、変圧器として機能してよく、例えば、一次コイル３２および二次コイル３４を有するイグニッションコイルである。一次コイル３２および二次コイル３４の一端は、電気的に接続される。一次コイル３２は、二次コイル３４よりも巻き線数が少なく、二次コイル３４とコアを共有する。二次コイル３４は、一次コイル３２に発生する起電力に応じて、起電力（相互誘導起電力）を発生させる。二次コイル３４は、他端が点火プラグ２０と接続され、発生させた起電力を点火プラグ２０に供給して放電させる。
【００１３】
電源４０は、点火コイル３０に電圧を供給する。電源４０は、例えば、一次コイル３２および二次コイル３４の一端に予め定められた定電圧Ｖｂ（一例として、１４Ｖ）を供給する。電源４０は、一例として、自動車のバッテリーである。
【００１４】
デバイス１００は、制御信号発生部１０から供給されるスイッチング制御信号に応じて、点火コイル３０の一次コイル３２の他端および基準電位の間の導通および非導通を切り換える。デバイス１００は、例えば、スイッチング制御信号がハイ電圧（オン電圧）であることに応じて、一次コイル３２および基準電位の間を導通させ、ロー電圧（オフ電圧）であることに応じて、一次コイル３２および基準電位の間を非導通にさせる。ここで、基準電位は、自動車の制御システムにおける基準電位でよく、また、自動車内におけるデバイス１００に対応する基準電位でもよい。基準電位は、デバイス１００をオフにするロー電圧でもよく、一例として、０Ｖである。デバイス１００は、縦型半導体スイッチ１１０と、ツェナーダイオード１２０と、を有する。
【００１５】
縦型半導体スイッチ１１０は、ゲート端子（Ｇ）、第１端子、および第２端子を含み、ゲート端子に入力するスイッチング制御信号に応じて、第１端子および第２端子の間を電気的に接続または切断する。縦型半導体スイッチ１１０は、一例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。また、縦型半導体スイッチ１１０は、ＭＯＳトランジスタであってもよい。縦型半導体スイッチ１１０がこのようなトランジスタの場合、第１端子はエミッタ端子（Ｅ）であり、基準電位と接続される。また、第２端子はコレクタ端子（Ｃ）であり、一次コイル３２の他端に接続される。なお、本実施例において、縦型半導体スイッチ１１０が絶縁ゲートバイポーラトランジスタである例について説明する。
【００１６】
ツェナーダイオード１２０は、縦型半導体スイッチ１１０の第２端子およびゲート端子の間に設けられる。ツェナーダイオード１２０は、第２端子から入力する高電圧がゲート端子に入力することを防止する。ツェナーダイオード１２０は、数百Ｖ程度の耐圧を有することが望ましい。
【００１７】
以上の本実施形態に係るデバイス１００は、スイッチング制御信号がハイ電圧となる場合、縦型半導体スイッチ１１０がオン状態となる。これにより、電源４０から点火コイル３０の一次コイル３２を介してコレクタ電流Ｉｃが流れる。なお、コレクタ電流Ｉｃの時間変化ｄＩｃ／ｄｔは、一次コイル３２のインダクタンスおよび電源４０の供給電圧に応じて定まり、予め定められた（または設定された）電流値まで増加する。例えば、コレクタ電流Ｉｃは、数Ａ、十数Ａ、または数十Ａ程度まで増加する。
【００１８】
そして、スイッチング制御信号がロー電圧となると、縦型半導体スイッチ１１０はオフ状態となり、コレクタ電流は急激に減少する。コレクタ電流の急激な減少により、一次コイル３２の両端電圧は、自己誘電起電力により急激に増加し、二次コイル３４の両端電圧に数十ｋＶ程度に至る誘導起電力を発生させる。点火装置１０００は、このような二次コイル３４の電圧を点火プラグ２０に供給することにより、点火プラグ２０を放電させて燃焼ガスを点火する。
【００１９】
ここで、一次コイル３２の両端電圧が、ツェナーダイオード１２０の耐圧（一例として、４００Ｖ）程度まで増加した場合、コレクタ端子からゲート端子へと電流が徐々に流れ始める。コレクタ端子からゲート端子へと流れる当該電流と、抵抗１２とにより縦型半導体スイッチ１１０のゲート電圧が定まるので、一次コイル３２の両端電圧の増加に伴い、当該ゲート電圧が増加する。そして、当該ゲート電圧が縦型半導体スイッチ１１０の閾値Ｖｔｈ（一例として、２Ｖ）程度に達すると、縦型半導体スイッチ１１０のコレクタのインピーダンスが低下する。これにより、縦型半導体スイッチ１１０は、コレクタ端子およびエミッタ端子間の電圧が閾値Ｖｔｈおよびツェナーダイオード１２０の耐圧の和に略等しい電圧でバランスすることになる（コレクタ端子およびエミッタ端子間の電圧をクランプする）。
【００２０】
以上のように、本実施形態に係る点火装置１０００は、スイッチング制御信号に応じて、点火プラグ２０の点火動作を実行できる。そして、デバイス１００は、ツェナーダイオード１２０により、縦型半導体スイッチ１１０のコレクタ端子およびエミッタ端子間の電圧をクランプさせて、当該縦型半導体スイッチ１１０の破壊を防止する。このようなデバイス１００について、次に説明する。
【００２１】
図２は、本実施形態に係るデバイス１００の断面の一例を示す。ここでは、図２に示すデバイス１００の構成のうち、詳細については後述し、図１で説明したデバイス１００の構成に対応する部分を主に説明する。デバイス１００は、基板２００の第１面側にゲート端子１１２および第１端子１１４（即ち、エミッタ端子）が設けられ、当該第１面とは反対側の第２面側に第２端子１１６（即ち、コレクタ端子）が設けられる。デバイス１００は、ゲート端子１１２に入力する制御信号に応じて、第１端子１１４および第２端子１１６の縦方向（Ｚ方向）の電気的な接続および切断を切り換える。
【００２２】
デバイス１００は、基板２００に形成される。基板２００は、ｐ＋層領域２１０の第１面側にｎ層領域２２０が設けられる。基板２００は、一例として、シリコン基板である。基板２００は、例えば、ボロン等をドープしたｐ型基板の第１面側に、リンまたはヒ素等の不純物を注入することで、ｎ層領域２２０が形成される。図２は、基板２００の＋Ｚ方向に向く面を第１面とし、当該第１面をＸＹ面に略平行な面とした例を示す。また、図２は、デバイス１００の当該第１面に対して略垂直なＸＺ面における断面の構成例を示す。基板２００のｐ＋層領域２１０側には、第２端子１１６が形成される。なお、基板２００の第２面側には、コレクタ電極が更に形成されてもよい。
【００２３】
ｎ層領域２２０には、第１ウェル領域１３２と、第２ウェル領域１４０と、第３ウェル領域１５０と、がそれぞれ形成される。第１ウェル領域１３２は、縦型半導体スイッチ１１０のエミッタ領域が形成される。第１ウェル領域１３２は、ｎ層領域２２０に複数形成される。第１ウェル領域１３２は、一例として、導電型のｐ＋領域として形成され、当該ｐ＋領域にｎ＋領域であるエミッタ領域が形成される。第１ウェル領域１３２は、エミッタ領域と共に、第１端子１１４が接続される。なお、第１ウェル領域１３２は、一例として、第１ウェル領域１３２よりも不純物濃度が低いｐ領域が隣接して形成されてもよい。
【００２４】
第２ウェル領域１４０は、第１ウェル領域１３２より基板２００の端部側において、第１ウェル領域１３２とは電気的に絶縁されて形成される。第２ウェル領域１４０は、一例として、導電性のｐ＋領域として形成される。第２ウェル領域１４０は、周囲を囲うｎ層領域２２０とｐｎ接合による空乏層を形成し、基板２００に加わる高電圧等に起因するキャリアが第１ウェル領域１３２側に流れることを防止する。第３ウェル領域１５０は、基板２００の外周に形成され、第２端子１１６と電気的に接続される。
【００２５】
ｎ層領域２２０の第１面には、ランナ電極１３０と、第１絶縁膜２３０と、第２絶縁膜２４０と、半導体膜２５０と、ゲート電極２６０と、が積層されて形成される。ランナ電極１３０は、ゲート端子１１２およびゲート電極２６０に接続される。ゲート電極２６０は、Ｘ方向に並ぶ２つの第１ウェル領域１３２の間に形成される。ゲート電極２６０は、ゲート端子１１２に接続される。なお、ゲート電極２６０およびｎ層領域２２０の間には、ゲート絶縁膜２６２が形成される。
【００２６】
第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０は、ｎ層領域２２０の第１面側に形成される。第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０は、例えば、酸化膜を含む。第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０は、一例として、酸化シリコンを含む。第２絶縁膜２４０は、第１絶縁膜２３０に接し、第１絶縁膜２３０よりも薄く形成される。
【００２７】
半導体膜２５０は、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０の上面に形成され、一端がランナ電極１３０に、他端が第３ウェル領域１５０に接続される。半導体膜２５０は、一例として、ポリシリコンで形成される。半導体膜２５０における第１絶縁膜２３０の上側の第１部分は、ツェナーダイオード１２０が形成される。即ち、ツェナーダイオード１２０は、ゲート端子１１２および第２端子１１６の間に形成される。
【００２８】
以上の本実施形態に係るデバイス１００は、第１端子１１４および第２端子１１６間に、コレクタ電位を正とした急峻な高電圧（正サージ）が加わった場合、図１で説明したように、第１端子１１４および第２端子１１６間の電圧をクランプするように動作する。しかしながら、このような正サージは、数μｓ未満程度の立ち上がり時間で急峻に立ち上がり、その一方、ツェナーダイオード１２０によるクランプ動作は、数μｓ程度の遅延時間の後に機能する。即ち、当該遅延時間の間、コレクタ電位は、上昇を継続し、例えば、コレクタ側のｎ層領域２２０と、エミッタ側の第１ウェル領域１３２とのｐｎ接合の耐圧（一例として、６００Ｖ）を超えてしまう場合がある。
【００２９】
そこで、デバイス１００は、第２ウェル領域１４０がｎ層領域２２０および第１ウェル領域１３２の耐圧よりも大きい耐圧のｐｎ接合領域を形成することで、第２ウェル領域１４０からゲート電極２６０に至る範囲において、コレクタおよびエミッタ間の導通を防止できる。しかしながら、この場合、ｎ層領域２２０内部は、第２ウェル領域１４０の周囲から、第３ウェル領域１５０に向けて電位が増加する電位分布が形成される。そして、ｎ層領域２２０および半導体膜２５０の間の電位差が、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０の材料の耐圧（例えば、酸化膜の耐圧８００Ｖ等）を超えると、絶縁破壊が生じてしまう。
【００３０】
即ち、急峻な正サージによっては、第２ウェル領域１４０から第３ウェル領域１５０に至る範囲において、絶縁膜が破壊されることがある。この場合、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０の境界近辺が破壊されることが多い。なお、第１絶縁膜２３０は、第２ウェル領域１４０から、第３ウェル領域１５０に至る領域の上に形成され、当該領域に形成される電位分布をなだらかにする目的で、第２ウェル領域１４０よりも広い面積を有する。また、第１絶縁膜２３０は、（後述のとおり）第２絶縁膜２４０と比較して厚く形成することができるので、当該第２絶縁膜２４０よりも耐圧が大きくなる。これにより、ツェナーダイオード１２０は、半導体膜２５０のうち、第１絶縁膜２３０の上側の第１部分に形成されることになる。
【００３１】
したがって、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０の境界近辺が破壊されると、コレクタ電圧が直接ランナ電極１３０に供給され、第２端子１１６からの電流が直接ゲート端子１１２へと流れてしまう。そして、ゲート電圧が縦型半導体スイッチ１１０の閾値Ｖｔｈを超えると、当該縦型半導体スイッチ１１０は、第１端子１１４および第２端子１１６間の電気的接続を遮断することができなくなってしまう。このように、縦型半導体スイッチ１１０が電流を流し続けると、点火コイル３０および点火装置１０００が発熱して、発煙、発火、および／またはヒューズの溶断等による機能停止を引き起こし、点火装置１０００を搭載する自動車の走行に影響を及ぼしてしまうことがある。
【００３２】
そこで、本実施形態に係るデバイス３００は、第１絶縁膜２３０側にもツェナーダイオードの一部を形成することで、絶縁膜が破壊されても、他の装置および機器に故障が拡大することを防止する。このようなデバイス３００について、次に説明する。なお、本実施形態に係るデバイス３００は、図１で説明したデバイス１００と同様に、ゲート端子１１２、第１端子１１４、および第２端子１１６を含み、ゲート端子１１２に入力するスイッチング制御信号に応じて、第１端子１１４および第２端子１１６の間を電気的に接続または切断する。
【００３３】
即ち、デバイス３００を用いた点火装置１０００の点火動作は、デバイス１００を用いた点火装置１０００の点火動作と略同一となるので、ここでは説明を省略する。また、本実施形態に係るデバイス３００において、図２に示された本実施形態に係るデバイス１００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。
【００３４】
図３は、デバイス３００のゲート電極およびエミッタ電極が形成される第１面の構成例を示す。なお、図３に示す第１面は、ＸＹ平面と略平行な面とする。図３は、デバイス３００に設けられる、ツェナーダイオード１２０と、ランナ電極１３０と、第２ウェル領域１４０と、第３ウェル領域１５０と、ゲートパッド部１６０と、エミッタ電極１７０と、をそれぞれ示す。
【００３５】
ツェナーダイオード１２０は、図２でも説明したように、ランナ電極１３０および第３ウェル領域１５０を電気的に接続する半導体膜２５０の少なくとも一部に形成される。ツェナーダイオード１２０については、後述する。
【００３６】
ランナ電極１３０は、ゲート端子１１２に接続される電極であり、ゲート電圧と等電圧となる。ランナ電極１３０は、エミッタ電極１７０と絶縁され、エミッタ電極１７０の周囲を囲うように形成される。このように、ランナ電極１３０は、エミッタ電極１７０を囲うので、ランナ電極１３０の内側に配置されるエミッタ電極１７０において、ゲート電圧程度以下の電圧値を有するノイズ等の入力を低減させる。
【００３７】
第２ウェル領域１４０は、ランナ電極１３０と絶縁され、ランナ電極１３０の周囲を囲うように形成される。このように、第２ウェル領域１４０は、ランナ電極１３０を囲うので、第２ウェル領域１４０の内側に配置されるランナ電極１３０およびエミッタ電極１７０において、第２ウェル領域１４０が形成するＰＮ接合の耐圧程度以下の電圧値を有するノイズ等の入力を低減させる。第２ウェル領域１４０は、ランナ電極１３０およびエミッタ電極１７０を、外部から入力する電圧信号等から保護するガードリングとして機能する。即ち、第２ウェル領域１４０は、当該第２ウェル領域１４０が囲う内部の領域を、デバイス３００の耐圧領域とする。
【００３８】
第３ウェル領域１５０は、第２ウェル領域１４０と絶縁され、第２ウェル領域１４０の周囲を囲うように形成される。第３ウェル領域１５０は、デバイス３００の周囲を囲い、外部から素子を分離させる。第３ウェル領域１５０は、第２端子１１６と電気的に接続される。また、第３ウェル領域１５０は、ツェナーダイオード１２０と接続される。
【００３９】
ゲートパッド部１６０は、ランナ電極１３０と接続される電極パッドである。ゲートパッド部１６０は、一例として、ゲート端子１１２である。また、デバイス３００がパッケージ等に収容される場合、ゲートパッド部１６０は、当該パッケージに設けられる端子とワイヤボンディング等により電気的に接続される。ゲートパッド部１６０は、ランナ電極１３０と一体に形成されてよく、これに代えて、ランナ電極１３０の一部でもよい。
【００４０】
エミッタ電極１７０は、第１ウェル領域１３２と接して形成される電極である。エミッタ電極１７０は、一例として、デバイス３００に複数の第１ウェル領域１３２が形成される場合、当該複数の第１ウェル領域１３２と接して形成される。また、エミッタ電極１７０の少なくとも一部は、一例として、第１端子１１４である。また、エミッタ電極１７０の少なくとも一部は、電極パッドとして形成されてもよい。デバイス３００がパッケージ等に収容される場合、エミッタ電極１７０の少なくとも一部は、当該パッケージに設けられる端子とワイヤボンディング等により電気的に接続される。
【００４１】
図４は、図３に示すデバイス３００の領域Ｓを拡大した構成例を示す。図４において、ランナ電極１３０、第１ウェル領域１３２、第２ウェル領域１４０、および第３ウェル領域１５０は、略同一の方向（本例ではＹ軸方向）に延伸する。第１ウェル領域１３２は、一例として、エミッタ電極１７０に覆われるように配置される。また、第３ウェル領域１５０は、電極部１５２が形成され、当該電極部１５２によって半導体膜２５０と電気的に接続される。
【００４２】
半導体膜２５０は、ランナ電極１３０および第３ウェル領域１５０が延伸する方向に対して略垂直な方向（本例ではＸ軸方向）に延伸し、一部にツェナーダイオード１２０が形成される。ツェナーダイオード１２０は、第１部分３１０と、第２部分３２０とを有する。このようなツェナーダイオード１２０を備えるデバイス３００について、図４のＡ−Ａ'断面図である図５を用いて説明する。
【００４３】
図５は、本実施形態に係るデバイス３００の断面の第１例を示す。デバイス３００は、基板２００の第１面側にゲート端子１１２および第１端子１１４（即ち、エミッタ端子）が設けられ、当該第１面とは反対側の第２面側に第２端子１１６（即ち、コレクタ端子）が設けられる。即ち、デバイス３００は、ゲート端子１１２に入力する制御信号に応じて、第１端子１１４および第２端子１１６の縦方向（Ｚ方向）の間を電気的に接続または切断する縦型半導体スイッチ１１０を備える。縦型半導体スイッチ１１０は、一例として、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。
【００４４】
デバイス３００は、基板２００に形成される。基板２００は、ｐ＋層領域２１０の第１面側にｎ層領域２２０が設けられる。基板２００は、一例として、シリコン基板である。基板２００は、例えば、ボロン等をドープしたｐ型基板の第１面側に、リンまたはヒ素等の不純物を注入することで、ｎ層領域２２０が形成される。図５は、基板２００の＋Ｚ方向に向く面を第１面とし、当該第１面をＸＹ面に略平行な面とした例を示す。また、図５は、デバイス１００の当該第１面に対して略垂直なＸＺ面における断面の構成例を示す。基板２００のｐ＋層領域２１０側には、第２端子１１６が形成される。なお、基板２００の第２面側には、コレクタ電極が更に形成されてもよい。
【００４５】
ｎ層領域２２０には、第１ウェル領域１３２と、第２ウェル領域１４０と、第３ウェル領域１５０と、がそれぞれ形成される。第１ウェル領域１３２は、縦型半導体スイッチ１１０のエミッタ領域が形成される。第１ウェル領域１３２は、ｎ層領域２２０に複数形成される。第１ウェル領域１３２は、一例として、導電型のｐ＋領域として形成され、当該ｐ＋領域にｎ＋領域であるエミッタ領域が形成される。第１ウェル領域１３２は、エミッタ領域と共に、第１端子１１４が接続される。なお、第１ウェル領域１３２は、一例として、第１ウェル領域１３２よりも不純物濃度が低いｐ領域が隣接して形成されてもよい。
【００４６】
第２ウェル領域１４０は、基板２００の第１面側において第２絶縁膜２４０の下側に形成される。第２ウェル領域１４０は、第１ウェル領域１３２より基板２００の端部側において、第１ウェル領域１３２とは電気的に絶縁されて形成される。第２ウェル領域１４０は、一例として、導電性のｐ＋領域として形成される。第２ウェル領域１４０は、周囲を囲うｎ層領域２２０とｐｎ接合による空乏層を形成し、基板２００に加わる高電圧のノイズ等が第１ウェル領域１３２側に伝わることを低減させる。第３ウェル領域１５０は、基板２００の外周に形成され、第２端子１１６と接続される。
【００４７】
ｎ層領域２２０の第１面には、ランナ電極１３０と、電極部１５２と、エミッタ電極１７０と、第１絶縁膜２３０と、第２絶縁膜２４０と、半導体膜２５０と、ゲート電極２６０と、第３絶縁膜２７０と、が積層されて形成される。ランナ電極１３０は、ゲート端子１１２およびゲート電極２６０に接続される。ゲート電極２６０は、Ｘ方向に並ぶ２つの第１ウェル領域１３２の間に形成される。ゲート電極２６０は、ゲート端子１１２に接続される。なお、ゲート電極２６０およびｎ層領域２２０の間には、ゲート絶縁膜２６２が形成される。エミッタ電極１７０は、第１ウェル領域１３２と接して形成される。また、エミッタ電極１７０は、ゲート電極２６０の上方に形成される。
【００４８】
ランナ電極１３０、電極部１５２、およびエミッタ電極１７０は、一例として、基板２００の第１面側において、第３絶縁膜２７０が形成された後に積層され、当該第３絶縁膜２７０によって互いに電気的に絶縁される。第３絶縁膜２７０は、一例として、ホウ素燐シリカガラス（ＢＰＳＧ）である。
【００４９】
第１絶縁膜２３０は、基板２００の第１面側に形成される。第１絶縁膜２３０は、一例として、酸化によって形成される自然酸化膜である。第２絶縁膜２４０は、基板２００の第１面側において第１絶縁膜２３０に接して設けられる。第２絶縁膜２４０は、第１絶縁膜２３０よりも薄く形成される。第２絶縁膜２４０は、基板２００の第１面の選択された領域に形成される。第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０は、一例として、基板２００の第１面において、エミッタ電極１７０を囲うように形成される。第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０は、例えば、酸化膜を含む。第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０は、一例として、酸化シリコンを含む。
【００５０】
半導体膜２５０は、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０の上面に形成され、一端がランナ電極１３０に、他端が第３ウェル領域１５０に接続される。半導体膜２５０は、一例として、ポリシリコンで形成される。半導体膜２５０の一部は、ツェナーダイオード１２０が形成される。
【００５１】
即ち、ツェナーダイオード１２０は、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０の上側に形成される。ツェナーダイオード１２０は、第１部分３１０および第２部分３２０を有し、第１部分３１０は、第１絶縁膜２３０の上側に設けられ、基板２００の第１面側に接続される。第１部分３１０は、基板２００の第１面側における、第２端子１１６と導通する第３ウェル領域１５０に電極部１５２を介して接続される。即ち、ツェナーダイオード１２０は、デバイス３００の周縁部分において第１部分３１０が基板２００の第１面側に接続され、デバイス３００の中央部分に向かって延伸する。
【００５２】
第１部分３１０は、ツェナーダイオード１２０の第２部分３２０よりも、第１端子１１４が接続される第１ウェル領域１３２から遠くに設けられる。即ち、図５において、ツェナーダイオード１２０は、ランナ電極１３０から第３ウェル領域１５０の＋Ｘ方向に向けて、第２部分３２０、第１部分３１０の順に形成される。
【００５３】
ツェナーダイオード１２０の第２部分３２０は、第２絶縁膜２４０の上側に設けられ、ランナ電極１３０を介してゲート端子１１２に接続される。第２部分３２０は、一例として、ツェナーダイオード１２０が延伸する方向（即ち、Ｘ方向）において、第１部分３１０よりも短く形成される。したがって、第２部分３２０の耐圧は、第１部分３１０の耐圧と比較して小さくなる。
【００５４】
しかしながら、本実施形態に係る第２部分３２０の耐圧は、縦型半導体スイッチ１１０の切断時に第２端子１１６に印加される直流電圧と縦型半導体スイッチ１１０のしきい値電圧Ｖｔｈとの差よりも大きく形成される。なお、縦型半導体スイッチ１１０の切断時に第２端子１１６に印加される直流電圧は、一例として、電源４０が点火コイル３０を介して供給する定電圧Ｖｂである。したがって、この場合、第２部分３２０の耐圧Ｖｚｄは、Ｖｂ−Ｖｔｈ（一例として、１４−２＝１２Ｖ）より大きな値に形成される（Ｖｚｄ＞Ｖｂ−Ｖｔｈ）。
【００５５】
以上のように、本実施形態に係るデバイス３００は、第２絶縁膜２４０の上にも、予め定められた電圧値を超える耐圧を有するように、ツェナーダイオード１２０の一部（即ち、第２部分３２０）が形成される。これにより、本実施形態に係るデバイス３００は、第１端子１１４および第２端子１１６間に、コレクタ電位を正とした急峻な高電圧（正サージ）が加わって、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０の境界近辺が絶縁破壊されても、当該ツェナーダイオード１２０の一部（第２部分３２０）がゲート端子１１２側に接続された状態を保つ。
【００５６】
即ち、コレクタ電圧（即ち、低電圧Ｖｂ）は、ツェナーダイオード１２０の第２部分３２０を介してランナ電極１３０に供給される。したがって、制御信号発生部１０がゲート端子１１２に供給する電圧が略０Ｖであれば、縦型半導体スイッチ１１０の直流ゲート電圧ＶｇはＶｂ−Ｖｚｄとなり、Ｖｇ＝Ｖｂ−Ｖｚｄ＜Ｖｔｈとなる。したがって、縦型半導体スイッチ１１０の第１端子１１４の電圧が略０Ｖであれば、第１端子１１４および第２端子１１６間の電気的接続を遮断することができる。
【００５７】
以上のように、本実施形態に係るデバイス３００は、第１端子１１４および第２端子１１６間に正サージが加わって、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０の境界近辺が絶縁破壊されても、制御信号発生部１０のスイッチング制御信号に応じて、縦型半導体スイッチ１１０をオフ状態に切り換えることができる。したがって、デバイス３００は、縦型半導体スイッチ１１０が破壊されても、点火装置１０００の発熱を防止できるので、点火装置１０００を搭載する自動車の走行への影響を低減できる。
【００５８】
以上の本実施形態に係るデバイス３００は、第２絶縁膜２４０の上にもツェナーダイオード１２０の一部（即ち、第２部分３２０）を形成することを説明した。これに加えて、デバイス３００は、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０の境界における段差部分の極性が同一の極性に形成されてもよい。即ち、ツェナーダイオード１２０は、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０の境界部分において、第１部分３１０の端部と第２部分３２０の端部とが同じ導電型の半導体により形成されることが望ましい。図５は、当該境界部分の導電型が、ｎ型で形成された例を示す。
【００５９】
図６は、本実施形態に係るデバイス３００の断面の第２例を示す。図６は、図４に示すデバイス３００のＢ−Ｂ'断面図の一例である。なお、図６は、ＹＺ面と略平行な面によるデバイス３００の断面を示す。そして、図６に示す断面図は、Ｙ軸方向に延伸するゲート電極２６０の断面を示す。
【００６０】
ゲート電極２６０は、Ｙ方向の端部において、第２絶縁膜２４０の一部を覆うように形成される。そして、ランナ電極１３０は、当該ゲート電極２６０の上に接して形成される。これにより、ランナ電極１３０は、ゲート電極２６０およびゲート端子１１２を電気的に接続する。このように、ゲート電極２６０が第２絶縁膜２４０の一部の上を覆うように形成されるので、第２絶縁膜２４０は、ゲート電極２６０が段差によってヒビ、欠け、または割れ等が発生しない程度の厚さで形成される。第２絶縁膜２４０は、例えば、数百ｎｍ程度の厚さで形成される。
【００６１】
一方、第１絶縁膜２３０は、サージ等の入力に対しても耐えられる程度の耐圧を有する厚さに形成される。第１絶縁膜２３０は、例えば、数μｍ程度の厚さで形成される。このように、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０は、異なる厚さで形成されることになる。そこで、本実施形態のデバイス３００は、上述のように、異なる厚さの絶縁膜上に形成される半導体膜２５０において、ツェナーダイオード１２０をそれぞれの厚さの絶縁膜上に形成することで、厚さの境界で絶縁破壊が生じても、縦型半導体スイッチ１１０をオフ状態へと切り換え可能とする。このようなデバイス３００を製造するフローについて次に説明する。
【００６２】
図７は、本実施形態に係るデバイス３００の製造フローの一例を示す。デバイス３００は、図７に示すステップＳ７１０からＳ７６０を実行することにより形成される。まず、基板２００の第１面側に第１絶縁膜２３０を形成する（Ｓ７１０）。なお、基板２００は、一例として、ｐ型基板の第１面側の一部にｎ層領域２２０が形成され、第２面側の残りの一部がｐ＋層領域２１０となる基板である。第１絶縁膜２３０は、ｎ層領域２２０の第１面側を覆うように形成される。図８は、本実施形態に係る基板２００の第１面側に第１絶縁膜２３０を形成した段階の断面の一例を示す。
【００６３】
次に、第１絶縁膜２３０の一部を除去して、ｎ層領域２２０の一部を露出させ、露出したｎ層領域２２０に、第１ウェル領域１３２と、第２ウェル領域１４０と、第３ウェル領域１５０と、をそれぞれ形成する（Ｓ７２０）。ここで、第１ウェル領域１３２および第２ウェル領域１４０は、一例として、略同一の不純物を注入することで形成する。この場合、第１ウェル領域１３２および第２ウェル領域１４０は、略同一のプロセスにより形成されることが望ましい。図９は、本実施形態に係る基板２００の第１面側において、第１ウェル領域１３２、第２ウェル領域１４０、および第３ウェル領域１５０を形成した段階の断面の一例を示す。
【００６４】
次に、基板２００の第１面側において第１絶縁膜２３０よりも薄い第２絶縁膜２４０を、第１絶縁膜２３０に接して形成する（Ｓ７３０）。第２絶縁膜２４０は、基板２００の第１面を覆うように形成される。第２絶縁膜２４０は、例えば、第１絶縁膜２３０と同種または略同一の材料で形成される。この場合、第２絶縁膜２４０は、第１絶縁膜２３０の上にも形成されてよい。また、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０が略同一の材料で形成される場合、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０は、一例として、基板２００の第１面に一体となって形成される。図１０は、本実施形態に係る基板２００の第１面側に第２絶縁膜２４０を形成した段階の断面の一例を示す。
【００６５】
次に、第２絶縁膜２４０の一部を除去して、ｎ層領域２２０の一部を露出させ、露出したｎ層領域２２０に、ゲート絶縁膜２６２およびゲート電極２６０をそれぞれ形成する（Ｓ７４０）。これによって、縦型半導体スイッチ１１０の基本的な構成が形成される。即ち、基板２００の第１面側に設けられる第１端子１１４および基板２００の第２面側に設けられる第２端子１１６の間を電気的に接続または切断する縦型半導体スイッチ１１０が形成される。また、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０の上に、半導体膜２５０を形成する。図１１は、本実施形態に係る基板２００の第１面側において、ゲート絶縁膜２６２、ゲート電極２６０、および半導体膜２５０を形成した段階の断面の一例を示す。
【００６６】
次に、第１絶縁膜２３０および第２絶縁膜２４０の上側に形成され、第１絶縁膜２３０の上側に設けられた第１部分３１０が基板２００の第１面側に接続され、第２絶縁膜２４０の上側に設けられた第２部分３２０がゲート端子１１２側に接続されるツェナーダイオード１２０を形成する（Ｓ７５０）。ツェナーダイオード１２０は、例えば、半導体膜２５０のＸ方向において、ｐ型材料とｎ型材料とが交互に注入されることで形成される。図１２は、本実施形態に係る半導体膜２５０にツェナーダイオード１２０を形成した段階の断面の一例を示す。
【００６７】
次に、このようにして形成した基板２００の第１面側を覆うように、第３絶縁膜２７０を形成する。そして、基板２００の第１面側の電極が形成される領域の一部に形成された第３絶縁膜２７０を除去する。即ち、第３絶縁膜２７０の下に位置する材料を露出させた、コンタクトホールを形成する。
【００６８】
次に、当該コンタクトホールを含む領域に、電極を形成する（Ｓ７６０）。なお、形成する電極は、例えば、ランナ電極１３０、電極部１５２、およびエミッタ電極１７０を含む。また、基板２００の第２面側に、コレクタ電極を形成してもよい。また、ゲート端子１１２、第１端子１１４、および第２端子１１６をそれぞれ形成してもよい。
【００６９】
以上の製造フローにより、本実施形態に係るデバイス３００が形成される。図１３は、本実施形態に係るデバイス３００を形成した段階の断面の一例を示す。なお、電極を形成した後に、保護膜を形成してもよい。この場合、保護膜は、例えば、シリコンを含む絶縁膜である。
【００７０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００７１】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００７２】
１０  制御信号発生部、１２  抵抗、２０  点火プラグ、３０  点火コイル、３２  一次コイル、３４  二次コイル、４０  電源、１００  デバイス、１１０  縦型半導体スイッチ、１１２  ゲート端子、１１４  第１端子、１１６  第２端子、１２０  ツェナーダイオード、１３０  ランナ電極、１３２  第１ウェル領域、１４０  第２ウェル領域、１５０  第３ウェル領域、１５２  電極部、１６０  ゲートパッド部、１７０  エミッタ電極、２００  基板、２１０  ｐ＋層領域、２２０  ｎ層領域、２３０  第１絶縁膜、２４０  第２絶縁膜、２５０  半導体膜、２６０  ゲート電極、２６２  ゲート絶縁膜、２７０  第３絶縁膜、３００  デバイス、３１０  第１部分、３２０  第２部分、１０００  点火装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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