JPH1093023A - Semiconductor device - Google Patents
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- JPH1093023A JPH1093023A JP8247788A JP24778896A JPH1093023A JP H1093023 A JPH1093023 A JP H1093023A JP 8247788 A JP8247788 A JP 8247788A JP 24778896 A JP24778896 A JP 24778896A JP H1093023 A JPH1093023 A JP H1093023A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】スイッチトキャパシタ方式のDC−DCコンバ
ータの小型化を図る。
【解決手段】複数のトレンチキャパシタ、これらを直接
または並列に接続するための複数の横型MOSFETを
シリコン酸化膜2上に設けられたSOI層3に形成し、
これら素子領域の分離をシリコン酸化膜4で充填された
トレンチにより行う。
(57) [Problem] To reduce the size of a switched capacitor type DC-DC converter. A plurality of trench capacitors and a plurality of lateral MOSFETs for connecting them directly or in parallel are formed in an SOI layer provided on a silicon oxide film.
These element regions are separated by trenches filled with the silicon oxide film 4.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、複数のキャパシタ
を条件に応じてスイッチング素子により直接または並列
に接続する構造を有する半導体装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having a structure in which a plurality of capacitors are connected directly or in parallel by switching elements according to conditions.
【0002】[0002]
【従来の技術】図8に、従来のスイッチトキャパシタ方
式による100V以上の高電圧を扱うDC−DCコンバ
ータの等価回路を示す。ここでは、150Vを1/5の
30Vに変換する場合を例にとって説明する。2. Description of the Related Art FIG. 8 shows an equivalent circuit of a DC-DC converter which handles a high voltage of 100 V or more by a conventional switched capacitor method. Here, a case where 150 V is converted to 1/5 of 30 V will be described as an example.
【0003】このDC−DCコンバータは、容量が同じ
5個のキャパシタ911 〜915 と、これらキャパシタ
911 〜914 を直列に接続するためのスイッチ921
〜925 と、キャパシタ911 〜915 を並列に接続す
るためのスイッチ931 〜938 と、キャパシタ911
〜915 を150Vの電源94に接続するためのスイッ
チ951 ,952 とから構成されている。[0003] The DC-DC converter, the capacity and the same five capacitors 91 1-91 5, switches 92 1 to connect the capacitors 91 1-91 4 in series
And -92 5, the switch 93 1 to 93 8 for connecting the capacitor 91 1-91 5 in parallel, the capacitor 91 1
And a to 91 5 switch 95 1 to connect to a power source 94 of 150V and 95 2.
【0004】上記の如く構成されたDC−DCコンバー
タによれば、スイッチ921 〜925 、スイッチ95
1 ,952 を閉じ、スイッチ931 〜938 を開いて、
キャパシタ911 〜914 を直列に接続して150Vの
電源94で充電した後、スイッチ921 〜925 、スイ
ッチ951 ,952 を開き、スイッチ931 〜938 を
閉じて、キャパシタ911 〜914 を並列に接続するこ
とにより、150Vの1/5の30Vの出力電圧Vout
が得られる。[0004] According to the DC-DC converter configured as described above, the switch 92 1 to 92 5, the switch 95
1, close the 95 2, open the switch 93 1-93 8,
After charging the power 94 of 150V to connect the capacitor 91 1-91 4 in series, the switch 92 1 to 92 5, opens the switch 95 1, 95 2, closing switch 93 1-93 8, capacitor 91 1 to 91 by 4 connected in parallel, the 150V of 1/5 30 V output voltage V out of the
Is obtained.
【0005】しかし、この種のDC−DCコンバータに
は以下のような問題がある。今、30Vの出力電圧V
out で10mAの出力電流を取ることを考え、1MHz
のスイッチングを行なうことを仮定すると、キャパシタ
911 〜914 に必要な容量は3.3nFという大きな
値となる。However, this type of DC-DC converter has the following problems. Now, the output voltage V of 30V
Consider taking 10mA output current at out , 1MHz
Assuming that for switching, capacity necessary for the capacitor 91 1-91 4 becomes high as 3.3 nF.
【0006】従来、キャパシタ911 〜914 のキャパ
シタ絶縁膜にはシリコン酸化膜が用いられているので、
上記の如きの大容量を得るには0.1cm2 程度の大き
な面積(キャパシタ領域)が必要となる。したがって、
従来のスイッチトキャパシタ方式による100V以上の
高電圧を扱うDC−DCコンバータの1チップ化は困難
であった。Conventionally, since the capacitor insulating film of the capacitor 91 1-91 4 silicon oxide film is used,
In order to obtain such a large capacity, a large area (capacitor region) of about 0.1 cm 2 is required. Therefore,
It has been difficult to integrate a DC-DC converter that handles a high voltage of 100 V or more into a single chip using a conventional switched capacitor method.
【0007】また、スイッチ921 〜925 ,931 〜
938 ,951 ,952 の分離は、従来、pn接合分離
により行なわれていたので、スイッチ領域の面積が大き
くなり、これも1チップ化を困難にする原因となってい
た。[0007] In addition, switch 92 1-92 5, 93 1 ~
93 8, 95 1, 95 2 of the separation, conventionally, because it was performed by pn junction isolation, the area of the switch region is increased, which also has been a cause of difficulty in one chip.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のス
イッチトキャパシタ方式の高電圧DC−DCコンバータ
は、大容量を得るために大きなキャパシタ領域が必要な
り、1チップ化が困難であった。また、スイッチの分離
がpn接合分離により行なわれていたので、スイッチ領
域の面積が大きくなり、これによっても1チップ化が困
難となっていた。As described above, the conventional switched-capacitor high-voltage DC-DC converter requires a large capacitor area to obtain a large capacity, and it has been difficult to integrate it into one chip. Further, since the switch is separated by the pn junction separation, the area of the switch region becomes large, which also makes it difficult to make one chip.
【0009】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、微細化に有効な、複数
のキャパシタを条件に応じて直接または並列に接続する
構造を有する半導体装置を提供することにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a semiconductor device having a structure effective for miniaturization, in which a plurality of capacitors are connected directly or in parallel according to conditions. Is to provide.
【0010】[0010]
[概要]上記目的を達成するために、本発明に係る半導
体装置(請求項1)は、絶縁膜上に設けられ、この絶縁
膜に達する素子分離溝により、複数のキャパシタ領域お
よび複数のスイッチ領域に分離された半導体層と、前記
素子分離溝を埋め込む素子分離絶縁膜と、前記複数のキ
ャパシタ領域の各々に形成された溝型キャパシタと、前
記複数のスイッチ領域の各々に形成され、かつ前記複数
の溝型キャパシタを条件に応じて直列または並列に接続
するスイッチング手段とを備えたことを特徴とする。[Summary] In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention (claim 1) is provided on an insulating film, and a plurality of capacitor regions and a plurality of switch regions are formed by element isolation grooves reaching the insulating film. A plurality of semiconductor layers, a device isolation insulating film filling the device isolation trenches, a trench capacitor formed in each of the plurality of capacitor regions, and the plurality of switch regions formed in each of the plurality of switch regions. Switching means for connecting the groove type capacitors in series or in parallel according to conditions.
【0011】また、本発明の他の半導体装置(請求項
2)は、上記半導体装置(請求項1)において、前記溝
型キャパシタが複数の溝を有し、その平面パターンはス
トライプパターンをそのストライプ方向と垂直な方向に
繰り返したパターンであることを特徴とする。According to another semiconductor device of the present invention (claim 2), in the above-mentioned semiconductor device (claim 1), the groove type capacitor has a plurality of grooves, and the planar pattern is a stripe pattern. It is a pattern repeated in a direction perpendicular to the direction.
【0012】また、本発明の他の半導体装置(請求項
3)は、上記半導体装置(請求項1)において、前記絶
縁膜がシリコン酸化膜、前記溝型キャパシタのキャパシ
タ絶縁膜はシリコン窒化膜よりも誘電率が高い絶縁膜で
あることを特徴とする。In another semiconductor device according to the present invention (claim 3), in the semiconductor device (claim 1), the insulating film is a silicon oxide film, and the capacitor insulating film of the trench type capacitor is a silicon nitride film. Is also an insulating film having a high dielectric constant.
【0013】また、本発明の他の半導体装置(請求項
4)は、上記半導体装置(請求項1)において、前記溝
型キャパシタの一方のキャパシタ電極が、導電層により
形成されていることを特徴とする。Further, another semiconductor device of the present invention (claim 4) is characterized in that, in the above-mentioned semiconductor device (claim 1), one capacitor electrode of the groove type capacitor is formed of a conductive layer. And
【0014】ここで、導電層とは、半導体層に形成した
拡散層ではなく、Al層等の金属層のように、もともと
バンドギャップの小さい導電性の高い層を意味してい
る。また、本発明の他の半導体装置(請求項5)は、上
記半導体装置(請求項1)において、前記スイッチング
手段が横型MOSFETにより構成されることを特徴と
する。Here, the conductive layer means not a diffusion layer formed in the semiconductor layer but a layer having a small band gap and high conductivity, such as a metal layer such as an Al layer. Further, another semiconductor device of the present invention (claim 5) is characterized in that, in the above-mentioned semiconductor device (claim 1), the switching means is constituted by a lateral MOSFET.
【0015】また、本発明の他の半導体装置(請求項
6)は、上記半導体装置(請求項5)において、前記横
型MOSFETのドレイン層下の半導体層の厚みをl
(cm)、前記ドレイン層下の半導体層の不純物濃度を
NA (cm-3)、前記半導体層の誘電率をε(F/c
m)、前記横型MOSFETのドレイン・ソース間に印
加される電圧をVSD、素電荷をqとした場合に、{(2
εs ・VSD)/(q・NA )}1/2 <lの条件を満たす
ことを特徴とする。According to another semiconductor device of the present invention (claim 6), in the above-mentioned semiconductor device (claim 5), the thickness of the semiconductor layer below the drain layer of the lateral MOSFET is l.
(Cm), the impurity concentration of the semiconductor layer below the drain layer is N A (cm −3 ), and the dielectric constant of the semiconductor layer is ε (F / c).
m), when the voltage applied between the drain and the source of the lateral MOSFET is V SD and the elementary charge is q, {(2
and wherein ε s · V SD) / ( q · N A)} 1/2 < satisfies: l.
【0016】また、本発明の他の半導体装置(請求項
7)は、上記半導体装置(請求項1)において、前記ス
イッチング手段が、前記複数の溝型キャパシタを電源に
接続する場合に前記複数の溝型キャパシタを直列に接続
し、前記複数の溝型キャパシタを電源から切り離す場合
に前記複数の溝型キャパシタを並列に接続することを特
徴とする。In another semiconductor device of the present invention (claim 7), in the semiconductor device (claim 1), when the switching means connects the plurality of grooved capacitors to a power supply, The groove-type capacitors are connected in series, and when disconnecting the plurality of groove-type capacitors from a power supply, the plurality of groove-type capacitors are connected in parallel.
【0017】ここで、上記2つの本発明(請求項2,
3)も適用すると良い。 [作用]本発明(請求項1)によれば、素子が形成され
る基板として、絶縁膜上に形成された半導体層を用い、
各素子(溝型キャパシタ、横型MOSFET)領域の分
離を、半導体層に形成され、素子分離絶縁膜が埋め込ま
れた素子分離離溝により行なっているので、従来のpn
接合分離の場合に比べて、容易に微細化を行なえるよう
になる。Here, the above two inventions (Claim 2,
3) should also be applied. According to the present invention (claim 1), a semiconductor layer formed on an insulating film is used as a substrate on which an element is formed,
Since each element (groove type capacitor, lateral MOSFET) region is isolated by an element isolation groove formed in a semiconductor layer and embedded with an element isolation insulating film, a conventional pn is used.
Miniaturization can be performed more easily than in the case of junction separation.
【0018】また、本発明(請求項2)の如きの平面パ
ターンは、溝型キャパシタの容量の増加に有効なパター
ンであるので、キャパシタ領域の面積を特別に大きくし
無くても、大きな容量が得られるようになるので、容易
に微細化を行なえるようになる。Further, since the planar pattern according to the present invention (claim 2) is a pattern effective for increasing the capacitance of the trench type capacitor, a large capacitance can be obtained without particularly increasing the area of the capacitor region. As a result, miniaturization can be easily performed.
【0019】また、本発明(請求項3)によれば、半導
体層下部の絶縁膜と溝型キャパシタのキャパシタ絶縁が
ともにシリコン酸化膜である従来構造に比べて、キャパ
シタの容量を大きくできるようになる。Further, according to the present invention (claim 3), the capacitance of the capacitor can be increased as compared with the conventional structure in which the insulating film below the semiconductor layer and the capacitor insulation of the trench type capacitor are both silicon oxide films. Become.
【0020】また、本発明(請求項4)によれば、キャ
パシタ電極の両方が半導体で形成されている場合に比べ
て、抵抗を小さくできる。また、本発明(請求項5)で
は、通常用いる電源電圧は多くの場合200V以下であ
ることを考え、スイッチングスピードの観点から横型M
OSFETを用いている。すなわち、この場合、耐圧と
スイッチングスピードの両方を満足することが可能とな
る。Further, according to the present invention (claim 4), the resistance can be reduced as compared with the case where both of the capacitor electrodes are formed of a semiconductor. Further, in the present invention (claim 5), considering that the power supply voltage normally used is 200 V or less in many cases, the horizontal M
OSFET is used. That is, in this case, both the breakdown voltage and the switching speed can be satisfied.
【0021】また、本発明(請求項6)によれば、濃度
と膜厚が最適化され、埋め込み半導体層を用いなくても
必要な耐圧を確保できるようになる。したがって、埋め
込み半導体層が不要になり、コストの削減を図れるよう
になる。言い換えれば、コストの上昇を招かずに、耐圧
の改善を図ることができる。Further, according to the present invention (claim 6), the concentration and the film thickness are optimized, and the required breakdown voltage can be secured without using a buried semiconductor layer. Therefore, a buried semiconductor layer becomes unnecessary, and the cost can be reduced. In other words, it is possible to improve the withstand voltage without increasing the cost.
【0022】また、本発明(請求項7)によれば、上記
発明(請求項1)の作用効果により1チップ化に有効な
スイッチトキャパシタ方式のDC−DCコンバータを実
現できるようになる。Further, according to the present invention (claim 7), it is possible to realize a switched capacitor type DC-DC converter which is effective for one chip by the operation and effect of the above invention (claim 1).
【0023】[0023]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。本
実施形態では、以下に説明する溝型(トレンチ)キャパ
シタおよび横型MOSFET(スイッチ)を用いて図8
に示したスイッチトキャパシタ方式のDC−DCコンバ
ータを実現する。これら素子は以下に説明するように微
細化に適しているので、高電圧のDC−DCコンバータ
の1チップ化が可能となる。Embodiments of the present invention (hereinafter, referred to as embodiments) will be described below with reference to the drawings. In the present embodiment, a groove type (trench) capacitor and a lateral type MOSFET (switch) described below are used in FIG.
The DC-DC converter of the switched capacitor type shown in FIG. Since these elements are suitable for miniaturization as described below, a high-voltage DC-DC converter can be made into one chip.
【0024】図1は、本発明の一実施形態に係るスイッ
チトキャパシタ方式のDC−DCコンバータに用いるキ
ャパシタの素子構造を示す断面図である。ただし、図1
には簡略化して二つのキャパシタしか示していない。各
キャパシタは二つのトレンチキャパシタにより構成され
ている。FIG. 1 is a sectional view showing an element structure of a capacitor used in a switched capacitor type DC-DC converter according to an embodiment of the present invention. However, FIG.
Shows only two capacitors in a simplified manner. Each capacitor is composed of two trench capacitors.
【0025】これを製造工程に従い説明すると、まず、
接着法(張合わせ法)を用いて、シリコン基板1、シリ
コン酸化膜2およびSOI層3からなる接着SOI基板
を作成する。SOI層3の厚さは7μmである。This will be described according to the manufacturing process.
Using a bonding method (lamination method), a bonded SOI substrate including the silicon substrate 1, the silicon oxide film 2, and the SOI layer 3 is formed. The thickness of SOI layer 3 is 7 μm.
【0026】ここで、シリコン酸化膜2は、できるだけ
厚いほうが好ましい。具体的には、シリコン酸化膜2の
膜厚は、1μm以上であることが好ましい。これは素子
分離されたSOI層3とシリコン基板1により形成され
る寄生キャパシタの容量を小さくするためである。Here, the silicon oxide film 2 is preferably as thick as possible. Specifically, the thickness of the silicon oxide film 2 is preferably 1 μm or more. This is for reducing the capacitance of the parasitic capacitor formed by the SOI layer 3 and the silicon substrate 1 from which the element is separated.
【0027】次にSOI層3にシリコン酸化膜2に達す
る素子分離のためのトレンチを形成した後、このトレン
チをシリコン酸化膜4で充填することにより、素子分離
を行なう。各キャパシタはシリコン酸化膜2,4により
互いに分離されるため、寄生素子の発生を招かずにキャ
パシタを直列接続、並列接続できるようになる。Next, after a trench for element isolation reaching the silicon oxide film 2 is formed in the SOI layer 3, the trench is filled with the silicon oxide film 4 to perform element isolation. Since the capacitors are separated from each other by the silicon oxide films 2 and 4, the capacitors can be connected in series and in parallel without generating a parasitic element.
【0028】次にSOI層3にボロンを高濃度に拡散さ
せて、SOI層3の導電型を高濃度のp型にした後、S
OI層3に深さ5μmのトレンチキャパシタのトレンチ
を形成する。Next, boron is diffused into the SOI layer 3 at a high concentration to make the conductivity type of the SOI layer 3 a p-type with a high concentration.
A 5 μm deep trench of a trench capacitor is formed in the OI layer 3.
【0029】ここでは、素子分離のためのトレンチを形
成した後にトレンチキャパシタのトレンチを形成した
が、素子分離のためのトレンチを形成するときにトレン
チキャパシタのトレンチを同時に形成しても良い。この
場合、トレンチキャパシタのトレンチもシリコン酸化膜
2に達する。Here, the trench of the trench capacitor is formed after forming the trench for element isolation. However, the trench of the trench capacitor may be formed simultaneously when the trench for element isolation is formed. In this case, the trench of the trench capacitor also reaches the silicon oxide film 2.
【0030】次に全面に厚さ2μmのシリコン窒化膜
(不図示)をラピッドサーマルアニール(RTA)法を
用いて形成した後、上記シリコン窒化膜上に厚さ20n
mのTa2 O3 膜5(Ta2 O3 はシリコンよりも誘電
率が30倍高い)をCVD法を用いて形成する。Next, a silicon nitride film (not shown) having a thickness of 2 μm is formed on the entire surface by a rapid thermal annealing (RTA) method, and then a silicon nitride film having a thickness of 20 nm is formed on the silicon nitride film.
An m 2 Ta 2 O 3 film 5 (Ta 2 O 3 has a dielectric constant 30 times higher than silicon) is formed by CVD.
【0031】すなわち、本実施形態では、全体としては
誘電率がシリコン窒化膜よりも高い積層構造のキャパシ
タ絶縁膜を用いる。これにより、SOI基板を構成する
絶縁膜とキャパシタ絶縁膜がともに同じ絶縁膜、つま
り、シリコン酸化膜である従来構造に比べて容量の大き
なキャパシタを実現できる。したがって、キャパシタ領
域を大きくしなくても、大きな容量を確保できるように
なる。言い換えれば、同じ容量ならば、従来よりも小さ
なキャパシタで済む。That is, in this embodiment, a capacitor insulating film having a laminated structure having a higher dielectric constant than the silicon nitride film as a whole is used. As a result, a capacitor having a larger capacity than the conventional structure in which the insulating film and the capacitor insulating film constituting the SOI substrate are the same insulating film, that is, a silicon oxide film can be realized. Therefore, a large capacity can be secured without increasing the capacitor area. In other words, if the capacity is the same, a capacitor smaller than the conventional one is sufficient.
【0032】なお、キャパシタ絶縁膜の一部としてTa
2 O3 膜5を用いたが、その代わりにBSTO膜を用い
ても良い。また、高耐圧が要求されない場合には、キャ
パシタ絶縁膜として、図2に示すように、薄い熱酸化シ
リコン膜(SiO2 膜)5aとシリコン窒化膜(Si3
N4 膜)5bとの積層膜を用いても同様な効果が得られ
る。さらに、図3に示すように、熱酸化シリコン膜5a
とシリコン窒化膜5bと熱酸化シリコン膜5aとの積層
膜を用いても良い。この場合、シリコン酸化膜2の膜厚
は1μm以上であることが好ましい。Note that Ta is used as a part of the capacitor insulating film.
Although the 2 O 3 film 5 was used, a BSTO film may be used instead. When a high withstand voltage is not required, as shown in FIG. 2, a thin thermally oxidized silicon film (SiO 2 film) 5a and a silicon nitride film (Si 3
The same effect can be obtained by using a laminated film with the N 4 film) 5b. Further, as shown in FIG. 3, the thermally oxidized silicon film 5a
A stacked film of a silicon nitride film 5b and a thermally oxidized silicon film 5a may be used. In this case, the silicon oxide film 2 preferably has a thickness of 1 μm or more.
【0033】次にアニール処理を行なった後、Ta2 O
3 膜5上に厚さ100nmのTiN膜6をスパッタ法に
より形成してトレンチを埋め込む。最後に、不要な部分
のシリコン窒化膜、Ta2 O3 膜5およびTiN膜6を
エッチング除去してキャパシタが完成する。Next, after performing an annealing process, Ta 2 O
3 A TiN film 6 having a thickness of 100 nm is formed on the film 5 by a sputtering method to fill the trench. Finally, unnecessary portions of the silicon nitride film, Ta 2 O 3 film 5 and TiN film 6 are removed by etching to complete the capacitor.
【0034】ここで、面積を大きくせずに、キャパシタ
の容量を効果的に大きくするためには、トレンチキャパ
シタの平面パターンが重要となる。容量を効果的に大き
くするには、例えば、図4に示すように、トレンチ10
の平面形状をストライプ状し、このようなストライプ状
のトレンチ10を5行2列に配列形成し、かつトレンチ
10の長手方向と列方向とを一致させる。Here, in order to effectively increase the capacitance of the capacitor without increasing the area, the planar pattern of the trench capacitor is important. In order to effectively increase the capacitance, for example, as shown in FIG.
Is formed in a stripe shape, and such a stripe-shaped trench 10 is formed in an array of 5 rows and 2 columns, and the longitudinal direction and the column direction of the trench 10 are made to coincide with each other.
【0035】トレンチ10の長手方向(ストライプ方
向)の長さは10〜100μm程度が好ましく、トレン
チ10の長手方向に垂直な方向(幅方向)の長さは7μ
m程度が好ましい。The length of the trench 10 in the longitudinal direction (stripe direction) is preferably about 10 to 100 μm, and the length in the direction (width direction) perpendicular to the longitudinal direction of the trench 10 is 7 μm.
m is preferable.
【0036】また、SOI層3はキャパシタ電極として
用いるため、その抵抗を下げるためにボロンがドープさ
れているが、より抵抗を下げるには、図4に示すような
平面パターンのAl配線11をSOI層3に設けると良
い。Since the SOI layer 3 is used as a capacitor electrode, boron is doped to reduce its resistance. However, to further reduce the resistance, the Al wiring 11 having a plane pattern as shown in FIG. It is preferable to provide the layer 3.
【0037】このような平面パターンのトレンチ10お
よびAl配線11を用いることにより、高周波で動作す
る容量の大きいキャパシタをその面積を特別に大きくす
ること無く、実現できるようになる。By using the trenches 10 and the Al wirings 11 having such a plane pattern, a capacitor having a large capacity that operates at a high frequency can be realized without particularly increasing the area.
【0038】図5は、本発明の一実施形態に係るスイッ
チトキャパシタ方式のDC−DCコンバータに用いるス
イッチとしての横型MOSFETの素子構造を示す断面
図である。FIG. 5 is a sectional view showing the element structure of a lateral MOSFET as a switch used in a switched capacitor type DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
【0039】キャパシタを並列接続した状態においてス
イッチに求められる耐圧はスイッチトキャパシタの出力
電圧(低電圧)であるが、キャパシタを直列接続した状
態においてスイッチに求められる耐圧は高電圧となる。
高耐圧素子は低耐圧素子に比べて高価である。The withstand voltage required for the switch when the capacitors are connected in parallel is the output voltage (low voltage) of the switched capacitor, but the withstand voltage required for the switches when the capacitors are connected in series is high.
High breakdown voltage elements are more expensive than low breakdown voltage elements.
【0040】そこで、本実施形態では、1個のスイッチ
として、2個の低耐圧の横型MOSFETを直列接続し
たものを用い、このような横型MOSFETをキャパシ
タと同じ接着SOI基板に形成するようにしている。な
お、SOI層3にはボロン等のp型不純物がドープさ
れ、その導電型はp型となっている。Therefore, in the present embodiment, a switch in which two low-voltage lateral MOSFETs are connected in series is used as one switch, and such a lateral MOSFET is formed on the same bonded SOI substrate as the capacitor. I have. The SOI layer 3 is doped with a p-type impurity such as boron, and has a p-type conductivity.
【0041】SOI層3の表面にはp型ベース層21が
選択的に形成されており、このp型ベース層21の表面
には高不純物濃度のn型ソース層22が選択的に形成さ
れている。このn型ソース層22およびp型ベース層2
1にはこれらの双方にコンタクトするソース電極23が
設けられている。A p-type base layer 21 is selectively formed on the surface of SOI layer 3, and an n-type source layer 22 having a high impurity concentration is selectively formed on the surface of p-type base layer 21. I have. The n-type source layer 22 and the p-type base layer 2
1 is provided with a source electrode 23 that contacts both of them.
【0042】また、SOI層3の表面にはn型リサーフ
層24が選択的に形成されており、このn型リサーフ層
24の表面には高不純物濃度のn型ドレイン層25が選
択的に形成されている。このn型ドレイン層25にはド
レイン電極26が設けられてる。An n-type RESURF layer 24 is selectively formed on the surface of the SOI layer 3, and an n-type drain layer 25 having a high impurity concentration is selectively formed on the surface of the n-type RESURF layer 24. Have been. A drain electrode 26 is provided on the n-type drain layer 25.
【0043】そして、n型ソース層22とn型リサーフ
層24とで挟まれたp型ベース層21上には図示しない
ゲート絶縁膜を介してゲート電極25が設けられてい
る。ここで、ソース電位およびドレイン電位の両方が基
板電位より高くなり、n型ドレイン層25の下部に形成
される空乏層27がシリコン酸化膜2に達すると、オン
電圧が高くなり、オン抵抗が高くなる。A gate electrode 25 is provided on the p-type base layer 21 sandwiched between the n-type source layer 22 and the n-type RESURF layer 24 via a gate insulating film (not shown). Here, when both the source potential and the drain potential become higher than the substrate potential and the depletion layer 27 formed below the n-type drain layer 25 reaches the silicon oxide film 2, the on-voltage increases, and the on-resistance increases. Become.
【0044】このようなオン抵抗の上昇は、ソース電
位、ドレイン電位の双方が基板電位(接地電位)とは異
なり、素子の耐圧を越える高電位となる本素子にとって
は好ましくはない。すなわち、素子がオンしたときのオ
ン抵抗は小さくなければならない。Such an increase in on-resistance is not preferable for the present element in which both the source potential and the drain potential are different from the substrate potential (ground potential) and have a high potential exceeding the withstand voltage of the element. That is, the on-resistance when the element is turned on must be small.
【0045】空乏層27がシリコン酸化膜2に達するこ
とによるオン抵抗の上昇は、SOI層3の不純物濃度や
厚みを最適化することにより防止できる。この最適化
は、例えば、空乏層27の厚みが、n型ドレイン層25
下のp型のSOI層3の厚みl(cm)より小さくなけ
ればならないという条件から求められる。すなわち、こ
の最適化は、次式を満足するように、SOI層3の厚み
l(cm)、SOI層3の不純物濃度NA (cm-3)を
設定する。An increase in on-resistance due to the depletion layer 27 reaching the silicon oxide film 2 can be prevented by optimizing the impurity concentration and thickness of the SOI layer 3. This optimization is performed, for example, when the thickness of the depletion layer 27 is
It is determined from the condition that the thickness must be smaller than the thickness 1 (cm) of the lower p-type SOI layer 3. That is, in this optimization, the thickness l (cm) of the SOI layer 3 and the impurity concentration N A (cm −3 ) of the SOI layer 3 are set so as to satisfy the following expression.
【0046】 {(2εs ・VSD)/(q・NA )}1/2 <l 上式において、εs はシリコンの誘電率(=1.05×
10-12 F/cm)、qは素電荷(=1.6×10-19
C)、VSDはソース・ドレイン間に印加される電圧
(V)である。{(2ε s · V SD ) / (q · N A )} 1/2 <l In the above equation, ε s is the dielectric constant of silicon (= 1.05 ×
10 −12 F / cm), q is the elementary charge (= 1.6 × 10 −19)
C) and V SD are voltages (V) applied between the source and the drain.
【0047】耐圧を高くするためには、通常、埋込み半
導体層を設ける必要があり、これはコストを高くする原
因となる。しかし、上記の如きの最適化により、コスト
を高くすることなく、耐圧を高くすることが可能とな
る。In order to increase the breakdown voltage, it is usually necessary to provide a buried semiconductor layer, which causes an increase in cost. However, the above-described optimization makes it possible to increase the breakdown voltage without increasing the cost.
【0048】また、電源の直接つながるスイッチ、例え
ば、図8のスイッチトキャパシタであれば、スイッチ9
51 ,952 は高電圧に耐える必要がある。この場合
も、SOI層3の不純物濃度と厚みを最適化し、n型ド
レイン層25に電源電圧が印加されてもオン抵抗が十分
に低くなるようにすれば、素子の耐圧はn型リサーフ層
24の長さを短くすれば確保できる。すなわち、素子構
造は同じままで、n型リサーフ層24の寸法を変えるだ
けで、必要な耐圧を確保できる。したがって、横型MO
SFETの領域(スイッチ領域)の面積を大きくせずに
済む。A switch directly connected to a power supply, for example, a switch 9 in the case of a switched capacitor shown in FIG.
5 1, 95 2 need to withstand high voltages. Also in this case, if the impurity concentration and the thickness of the SOI layer 3 are optimized and the on-resistance is sufficiently reduced even when the power supply voltage is applied to the n-type drain layer 25, the withstand voltage of the element can be reduced. Can be secured by reducing the length of. That is, the required breakdown voltage can be ensured only by changing the dimensions of the n-type RESURF layer 24 while keeping the element structure the same. Therefore, horizontal MO
The area of the SFET region (switch region) does not need to be increased.
【0049】トレンチキャパシタと横型MOSFETと
の接続は、例えば、図6に示すように、ドレイン電極2
6をTiNで形成してキャパシタ電極(TiN膜6)と
一体形成すれば良い。The connection between the trench capacitor and the lateral MOSFET is made, for example, as shown in FIG.
6 may be formed of TiN and formed integrally with the capacitor electrode (TiN film 6).
【0050】図7は、本発明の他の実施形態に係るスイ
ッチトキャパシタ方式のDC−DCコンバータに用いる
スイッチとしての横型MOSFETの素子構造を示す断
面図である。なお、図5と対応する部分には図5と同一
符号を付してあり、詳細な説明は省略する。キャパシタ
は先の実施形態と同じトレンチキャパシタを用いる。FIG. 7 is a sectional view showing an element structure of a lateral MOSFET as a switch used in a switched capacitor type DC-DC converter according to another embodiment of the present invention. Parts corresponding to those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals as in FIG. 5, and detailed description is omitted. As the capacitor, the same trench capacitor as in the previous embodiment is used.
【0051】本実施形態が先の実施形態と異なる点は、
p型ベース層を用いずに、p型ウェル31内に素子構造
を形成したことにある。すなわち、先の実施形態の素子
構造は一般にはDMOSプロセスにより形成することに
なるが、本実形態の素子構造はプロセス的により容易な
CMOSプロセスにより形成できる。This embodiment is different from the previous embodiment in that
The device structure is formed in the p-type well 31 without using the p-type base layer. That is, the device structure of the above embodiment is generally formed by a DMOS process, but the device structure of the present embodiment can be formed by a CMOS process which is easier in terms of process.
【0052】素子耐圧が10V程度以下で済むnチャネ
ル型横型MOSFETであれば、本実施形態のようにp
型ベース層を形成しない横型MOSFETを用いること
ができる。この場合、例えば、nチャネル型横型MOS
FETの耐圧が5Vで、150Vから5Vに変換するの
であれば、1個のスイッチとして30個のnチャネル型
横型MOSFETを直列接続したものを用いて150V
の耐圧を確保する。In the case of an n-channel type lateral MOSFET which requires an element breakdown voltage of about 10 V or less, as shown in this embodiment,
A lateral MOSFET without a mold base layer can be used. In this case, for example, an n-channel type lateral MOS
If the withstand voltage of the FET is 5 V and the voltage is to be converted from 150 V to 5 V, a single switch in which 30 n-channel lateral MOSFETs are connected in series to 150 V is used.
Ensure the pressure resistance of
【0053】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではない。例えば、上記実施例では、複数のトレン
チキャパシタを条件に応じて横型MOSFETにより直
接または並列に接続する構造を有する半導体装置とし
て、DC−DCコンバータの場合について説明したが、
本発明は他の半導体装置にも適用できる。例えば、横型
MOSFETの代わりに、横型IGBTを用いても良
い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施できる。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, a DC-DC converter has been described as a semiconductor device having a structure in which a plurality of trench capacitors are connected directly or in parallel by a lateral MOSFET according to conditions.
The present invention can be applied to other semiconductor devices. For example, a lateral IGBT may be used instead of the lateral MOSFET. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
【0054】[0054]
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、複
数のキャパシタを条件に応じてスイッチング素子により
直接または並列に接続する構造を絶縁膜上に設けられた
半導体層に形成し、さらにキャパシタとして溝型キャパ
シタ、スイッチング素子として横型MOSFETを使用
し、これらの素子領域の分離を素子分離離溝により行な
っているので、その微細化を容易に行なえるようにな
る。As described above in detail, according to the present invention, a structure in which a plurality of capacitors are connected directly or in parallel by switching elements according to conditions is formed in a semiconductor layer provided on an insulating film. Since a trench type capacitor is used as a capacitor and a lateral MOSFET is used as a switching element, and these element regions are separated by element separation / separation grooves, miniaturization can be easily performed.
【図1】本発明の一実施形態に係るスイッチトキャパシ
タ方式のDC−DCコンバータに用いるキャパシタの断
面図FIG. 1 is a sectional view of a capacitor used in a switched capacitor type DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
【図2】図1のトレンチキャパシタの変形例を示す断面
図FIG. 2 is a sectional view showing a modification of the trench capacitor of FIG. 1;
【図3】図1のトレンチキャパシタの他の変形例を示す
断面図FIG. 3 is a sectional view showing another modification of the trench capacitor of FIG. 1;
【図4】図1のトレンチキャパシタの平面パターンを示
す平面図FIG. 4 is a plan view showing a plane pattern of the trench capacitor of FIG. 1;
【図5】本発明の一実施形態に係るスイッチトキャパシ
タ方式のDC−DCコンバータに用いるスイッチとして
の横型MOSFETの素子構造を示す断面図FIG. 5 is a sectional view showing an element structure of a lateral MOSFET as a switch used in a switched capacitor type DC-DC converter according to an embodiment of the present invention.
【図6】図1のトレンチキャパシタと図5の横型MOS
FETとの接続方法を示す断面図FIG. 6 shows the trench capacitor of FIG. 1 and the lateral MOS of FIG.
Sectional view showing connection method with FET
【図7】本発明の他の実施形態に係るスイッチトキャパ
シタ方式のDC−DCコンバータに用いるスイッチとし
ての横型MOSFETの素子構造を示す断面図FIG. 7 is a sectional view showing an element structure of a lateral MOSFET as a switch used in a switched capacitor type DC-DC converter according to another embodiment of the present invention.
【図8】従来のスイッチトキャパシタ方式の高電圧DC
−DCコンバータの等価回路FIG. 8 is a conventional switched capacitor type high voltage DC.
-DC converter equivalent circuit
1…シリコン基板 2…シリコン酸化膜 3…SOI層 4…シリコン酸化膜 5…Ta2 O3 膜 6…TiN膜 10…トレンチ 11…Al配線 21…p型ベース層 22…n型ソース層 23…ソース電極 24…n型リサーフ層 25…n型ドレイン層 26…ドレイン電極 27…空乏層 31…p型ウェル1 ... silicon substrate 2 ... silicon oxide film 3 ... SOI layer 4 ... silicon oxide film 5 ... Ta 2 O 3 film 6 ... TiN film 10 ... trench 11 ... Al wiring 21 ... p-type base layer 22 ... n-type source layer 23 ... Source electrode 24 ... n-type RESURF layer 25 ... n-type drain layer 26 ... drain electrode 27 ... depletion layer 31 ... p-type well
Claims (7)
素子分離溝により、複数のキャパシタ領域および複数の
スイッチ領域に分離された半導体層と、 前記素子分離溝を埋め込む素子分離絶縁膜と、 前記複数のキャパシタ領域の各々に形成された溝型キャ
パシタと、 前記複数のスイッチ領域の各々に形成され、かつ前記複
数の溝型キャパシタを条件に応じて直列または並列に接
続するスイッチング手段とを具備してなることを特徴と
する半導体装置。A semiconductor layer provided on the insulating film and separated into a plurality of capacitor regions and a plurality of switch regions by an element isolation groove reaching the insulating film; and an element isolation insulating film filling the element isolation groove. A groove-type capacitor formed in each of the plurality of capacitor regions; and switching means formed in each of the plurality of switch regions and connecting the plurality of groove-type capacitors in series or in parallel according to conditions. A semiconductor device, comprising:
の平面パターンはストライプパターンをそのストライプ
方向と垂直な方向に繰り返したパターンであることを特
徴とする請求項1に記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said groove type capacitor has a plurality of grooves, and a planar pattern thereof is a pattern in which a stripe pattern is repeated in a direction perpendicular to the stripe direction. .
ャパシタのキャパシタ絶縁膜はシリコン窒化膜よりも誘
電率が高い絶縁膜であることを特徴とする請求項1に記
載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said insulating film is a silicon oxide film, and said capacitor insulating film of said trench type capacitor is an insulating film having a higher dielectric constant than a silicon nitride film.
極は、導電層により形成されていることを特徴とする請
求項1に記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein one of the capacitor electrodes of the trench capacitor is formed of a conductive layer.
により構成されることを特徴とする請求項1に記載の半
導体装置。5. The switching device according to claim 1, wherein said switching means is a lateral MOSFET.
The semiconductor device according to claim 1, wherein:
導体層の厚みをl(cm)、 前記半導体層の不純物濃度をNA (cm-3)、 前記半導体層の誘電率をε(F/cm)、 前記横型MOSFETのドレイン・ソース間に印加され
る電圧をVSD、 素電荷をq(C)とした場合に、 {(2εs ・VSD)/(q・NA )}1/2 <lの条件を
満たすことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。6. The semiconductor device according to claim 6, wherein the thickness of the semiconductor layer below the drain layer of the lateral MOSFET is 1 (cm), the impurity concentration of the semiconductor layer is N A (cm −3 ), and the dielectric constant of the semiconductor layer is ε (F / cm). ), the voltage V SD is applied between the drain and the source of the lateral MOSFET, the elementary charge when the q (C), {(2ε s · V SD) / (q · N a)} 1/2 The semiconductor device according to claim 5, wherein a condition of <l is satisfied.
キャパシタを電源に接続する場合に前記複数の溝型キャ
パシタを直列に接続し、前記複数の溝型キャパシタを電
源から切り離す場合に前記複数の溝型キャパシタを並列
に接続することを特徴とする請求項1に記載の半導体装
置。7. The switching means connects the plurality of grooved capacitors in series when connecting the plurality of grooved capacitors to a power supply, and connects the plurality of grooved capacitors when disconnecting the plurality of grooved capacitors from a power supply. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the groove type capacitors are connected in parallel.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8247788A JPH1093023A (en) | 1996-09-19 | 1996-09-19 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8247788A JPH1093023A (en) | 1996-09-19 | 1996-09-19 | Semiconductor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1093023A true JPH1093023A (en) | 1998-04-10 |
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Family Applications (1)
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1093023A (en) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006020491A (en) * | 2004-06-01 | 2006-01-19 | Seiko Instruments Inc | Electronic device having a booster circuit |
| JP2006261416A (en) * | 2005-03-17 | 2006-09-28 | Denso Corp | Semiconductor capacitor |
| US20080108202A1 (en) * | 2000-09-14 | 2008-05-08 | Vishay-Siliconix | Precision high-frequency capacitor formed on semiconductor substrate |
| JP2009124052A (en) * | 2007-11-16 | 2009-06-04 | Denso Corp | Dc-dc converter |
| US7888959B2 (en) | 2007-09-19 | 2011-02-15 | International Business Machines Corporation | Apparatus and method for hardening latches in SOI CMOS devices |
| JP2012518861A (en) * | 2009-02-25 | 2012-08-16 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | On-chip voltage conversion apparatus and system for integrated circuits |
| US8890256B2 (en) | 2009-03-20 | 2014-11-18 | International Business Machines Corporation | Structure for heavy ion tolerant device, method of manufacturing the same and structure thereof |
| JP2017092080A (en) * | 2015-11-02 | 2017-05-25 | 富士通株式会社 | Capacitance element and method for manufacturing the capacitance element |
| JP2018201006A (en) * | 2017-05-29 | 2018-12-20 | サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド. | Capacitor and mounting substrate |
-
1996
- 1996-09-19 JP JP8247788A patent/JPH1093023A/en active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080108202A1 (en) * | 2000-09-14 | 2008-05-08 | Vishay-Siliconix | Precision high-frequency capacitor formed on semiconductor substrate |
| US9136060B2 (en) * | 2000-09-14 | 2015-09-15 | Vishay-Siliconix | Precision high-frequency capacitor formed on semiconductor substrate |
| JP2006020491A (en) * | 2004-06-01 | 2006-01-19 | Seiko Instruments Inc | Electronic device having a booster circuit |
| JP2006261416A (en) * | 2005-03-17 | 2006-09-28 | Denso Corp | Semiconductor capacitor |
| US7888959B2 (en) | 2007-09-19 | 2011-02-15 | International Business Machines Corporation | Apparatus and method for hardening latches in SOI CMOS devices |
| JP2009124052A (en) * | 2007-11-16 | 2009-06-04 | Denso Corp | Dc-dc converter |
| JP2012518861A (en) * | 2009-02-25 | 2012-08-16 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | On-chip voltage conversion apparatus and system for integrated circuits |
| US8890256B2 (en) | 2009-03-20 | 2014-11-18 | International Business Machines Corporation | Structure for heavy ion tolerant device, method of manufacturing the same and structure thereof |
| JP2017092080A (en) * | 2015-11-02 | 2017-05-25 | 富士通株式会社 | Capacitance element and method for manufacturing the capacitance element |
| JP2018201006A (en) * | 2017-05-29 | 2018-12-20 | サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド. | Capacitor and mounting substrate |
| JP2022066346A (en) * | 2017-05-29 | 2022-04-28 | サムソン エレクトロ-メカニックス カンパニーリミテッド. | Capacitors and mounting boards |
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