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JP2890725B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2890725B2
JP2890725B2 JP2194346A JP19434690A JP2890725B2 JP 2890725 B2 JP2890725 B2 JP 2890725B2 JP 2194346 A JP2194346 A JP 2194346A JP 19434690 A JP19434690 A JP 19434690A JP 2890725 B2 JP2890725 B2 JP 2890725B2
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JP
Japan
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switching element
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gate
well
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勝典 上野
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体基板に流れる主電流を基板表面に設
けられたMOS構造により制御する絶縁ゲートバイポーラ
トランジスタ(以下IGBTと記す)あるいは電力用MOSFET
のような電力用スイッチング素子の過電流保護回路を同
一半導体基板に内蔵した半導体装置に関する。
〔従来の技術〕
従来、電力用スイッチング素子としては、バイポーラ
トランジスタやMOSFETが知られていたが、これに加え
て、両者の特徴を備え、電圧駆動できるIGBTも多く世に
出るようになった。IGBTは、電圧駆動できる上、オン電
圧、すなわちオン状態での電圧降下が少なく、スイッチ
ング速度も比較的高速にできるという利点がある。その
一方で、構造上寄生サイリスタを内蔵しているため、ラ
ッチアップと呼ばれる電流制御不可能なモードが問題と
されていた。ラッチアップは、電流を多く流した時、寄
生サイリスタが動作するとして説明されている。第2図
はIGBTの構造と等価回路を模式的に示し、n−ベース層
11の一側にはnバッファ層12をはさんでp+コレクタ層13
が存在する。n−ベース層11の他側の表面部にはpウエ
ル14が形成され、さらにその表面部にn+をソース領域15
が形成されている。pウエル14のn+ソース領域15とn−
ベース層11にはさまれた部分にチャネルを形成するた
め、表面上に絶縁膜16を介してゲート17が備えられてい
る。そして、ソース領域15とpウエル14にはエミッタ電
極18が共通に接触している。この半導体基板には、図中
に記入されているように、p+コレクタ層13,n−ベース層
11およびpウエル14からなるPNPバイポーラトランジス
タ21のほかに、n+ソース領域15,pウエル14およびn−ベ
ース層11からなる寄生NPNバイポーラトランジスタ22が
構成され、この二つのトランジスタからなる寄生サイリ
スタが存在する。別に表面部および表面上に、n+ソース
領域15,pウエル14,n−ベース層11,絶縁膜16およびゲー
ト17でnチャネルMOSFET23が構成されており、トランジ
スタ21のベース電流を供給する。ラッチアップは、抵抗
Rに流れる電流が多いかあるいはRが大きい場合、NPN
トランジスタ22がオンすることが主な原因である。これ
を抑えるには、抵抗Rを小さくすることが重要で、その
ために構造上いろいろな工夫がなされている。その一つ
として、pウエル14の深さを深くすれば良い。しかしな
がら、MOSFET23のオン抵抗はpウエルの深さに比例する
ので、この対策では素子オンの電圧が上昇してしまう。
このほかの抵抗Rを小さくする方策あるいは他のラッチ
アップを防止する方策も、いずれも素子のオン電圧の上
昇を伴う場合がほとんどである。そこで、ラッチアップ
の防止を、素子のオン電圧と別に制御できることが重要
になってくる。その対策として、過電流が流れた時、ゲ
ート電圧を小さくして電流を小さくするようなフィード
バックをかける回路を内蔵することが考えられている。
第3図はその一例を等価回路を示す。すなわち、主IGBT
31のほかに電流センス用IGBT32を電流センス用抵抗R2
共にエミッタ端子Eとコレクタ端子Cの間に並列に接続
し、さらに主IGBT31のゲートとエミッタの間にゲート制
御MOSFET33を接続し、そのゲートを電流センス用IGBT32
のエミッタに接続する。簡単にこの回路の動作を説明す
ると、大きな電流が主IGBT31に流れる時、それに比例し
た電流Iが電流センス用IGBT32に流れる。このとき、電
流センス用抵抗R2によりゲート制御MOSFET33のゲート
に、 V=R2×I の電圧が印加され、この値がMOSFET33のしきい値電圧を
超えた時、MOSFET33に電流が流れて抵抗R1とMOSFET33に
よってゲート端子Gに印加されている電圧が分圧される
ようになる。このようにして、主にIGBT31のゲート電圧
が低下し、主IGBTの電流をしぼるように働く。
この回路は、主IGBTの外部に、とりつけることも可能
だが、その場合、コストが上昇してしまうという不利を
ともなう。そのため、IGBTと同一チップ上に、形成した
方が良い。第4図は、この過電流抑制回路を内蔵したチ
ップの構造の一部を示したもので、第2図,第3図と共
通の部分には同一の符号が付されている。主IGBTチップ
の周縁部にはそれと同一構造の電流センス用IGBT32およ
びゲート制御用MOSFET33が形成されている。ゲート制御
用MOSFET33は、基板表面部に形成されたn+ソース領域1
とそれを囲むpウエル3,n+ドレイン領域2とそれを囲む
pウエル4および表面上にゲート絶縁膜5を介して設け
られる多結晶シリコンゲート6よりなる。そして、ソー
ス領域1およびpウエル3に共通に接触するソース電極
71はエミッタ端子Eに、ドレイン領域2に接触するドレ
イン電極72は抵抗R1を介してゲート端子Gに接続され、
またゲート6は抵抗R2を介してエミッタ端子Eに接続さ
れていることは第3図におけると同様である。
〔発明が解決しようとする課題〕
第4図の構造は、従来のIGBTの製造工程においてパタ
ーンを変更するのみで形成することができるが、このと
き、最大の問題となるのはゲート制御用横形MOSFET33の
構造に関する寄生効果である。第4図の構造を従来のIG
BTの製造工程で形成する場合、横形MOSFET33のゲート6
は、主IGBT31および電極センス用IGBT3のゲート17と共
に、基板表面上にゲート絶縁膜を介して形成した多結晶
シリコン層をパターニングして形成する。横形MOSFET33
のpウエル3,4はそのあとで形成される。第5図は、横
形MOSFETの部分のみを拡大して示したもので、pウエル
3,4は、多結晶シリコンゲート6および酸化膜8をマス
クとしてのイオン注入および熱拡散によりIGBT部分のp
ウエル14と同時に形成する。ゲート6の直下にはイオン
が注入されないので、その直下の部分では両pウエル3,
4が熱拡散により横方向に延び、チャネル長に比較して
pウエル3,4の拡散深さが充分大きくないときは、連結
して図のようにくびれた形状になるか、あるいは連結し
ないで離れた二つのpウエルとなる。pウエル3,4が第
5図のような形状をとっている場合、主IGBT31がオフす
ると、nベース層11を満たしていたホールhの一部は、
ソース側のpウエル3を通ってソース電極71からエミッ
タ端子Eにぬけると共に、ドレイン側のpウエル4へも
入りこんでソース電極71にぬける。このとき、pウエル
3,4が浅ければ、抵抗34が両ウエル間に発生し、ドレイ
ン側のpウエルの電位が上昇するため、ドレイン領域2
からpウエル4へ電子eの注入が発生する。これは、n+
ドレイン領域2,pウエル4およびn−層11からなる寄生N
PNトランジスタを動作させることになり、一種のラッチ
アップであって、素子破壊を招く。さらにpウエル3,4
が浅くて連結しない場合は、静的な耐圧の劣化となる。
チャネル長に比較してpウエル3,4の拡散深さを充分大
きくすれば、このような横形MOSFETのラッチアップ、耐
圧劣化の問題を避けることができるが、同時にIGBT部の
pウエル14が深くなり、主IGBTのオン電圧が高くなって
しまう。この結果、やはりラッチアップの防止とオン電
圧とのトレードオフの関係が解消しないことになる。
このような問題は、第2図におけるp+層13のない縦形
MOSFETにおける寄生バイポーラトランジスタの動作によ
るラッチバックと呼ばれる現象についても同様である。
また、各部の導電型を交換したpチャネルIGBTあるいは
pチャネルMOSFETにおいても同様に存在する。
本発明の目的は、上述の問題を解決し、過電流保護回
路の横形MOSFETのウエル拡散深さを浅くても、寄生バイ
ポーラトランジスタの動作が起きることなく、オン電圧
上昇,耐圧劣化を招かないでIGBTあるいはMOSFETを過電
流より保護することのできる半導体装置を提供すること
にある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、電力用スイッチング素子の半導体基板の第
一導電型の層の表面部に形成された二つの第二導電型の
領域の表面部にそれぞれ選択的に第一導電型のソース領
域およびドレイン領域を形成し、そのソース領域および
ドレイン領域にはさまれた領域の表面上に絶縁膜を介し
てゲートを設けてなるスイッチング素子ゲート電圧制御
用横形MOSEFTを有する半導体装置において、二つの第二
導電型の領域を接続する両領域の表面に接触する配線あ
るいは横型MOSFETのゲートが上に存在しない表面部に選
択的に形成された第二導電型の抵抗領域にを有するもの
とする。
〔作用〕
ゲート電圧制御用の横型MOSFETと第一導電型のソース
領域およびドレイン領域をそれぞれ囲む第二導電型のウ
エル領域を低抵抗で接続することにより、電力用スイッ
チング素子のターンオフ時にウエル領域に電流が流れこ
んでも大きな電圧降下が発生せず、ドレイン領域とそれ
を囲むウエル領域の間に電位差が生じない。従って、第
一導電型のドレイン領域、第二導電型のウエル領域およ
び第一導電型の層よりなる寄生バイポーラトランジスタ
の寄生効果が発生しない。
〔実施例〕
以下、前出の各図と共通の部分には同一の符号を付し
た図を引用して本発明の実施例について説明する。第1
図(a),(b)に示す一実施例では、pウエル3およ
びn+ソース領域1の絶縁膜8の開口部81における露出面
に共通に接触する斜線を引いて示したAlよりなるソース
電極71が延長され、pウエル4の絶縁膜8の開口部83に
おける露出面に接触している。第1図(b)では、この
延長を線70で示している。
第6図(a),(b)に示す別の実施例では、横形MO
SFETのゲート6の端部の外側にもイオン注入を行い、p
ウエル3とpウエル4を連結するP領域9を形成してい
る。このp領域9の上にはゲート6が存在しないのでイ
オンが均一に注入され、拡散深さは一様であり、従って
pウエル3とpウエル4は低抵抗で接続されるが、さら
にこのp領域9の上にも第1図の実施例と同様にソース
電極71を延長させ、絶縁膜8の開口部84および83でp領
域9およびpウエル4に接触させることによりより低抵
抗にして、pウエル4とpウエル3の間に電位差が生じ
ないようにしたものである。
第7図はさらに別の実施例を示し、第1図あるいは第
6図の実施例よりさらにpウエルの抵抗を下げるため、
ソース電極71のpウエル3との接触部およびソース電極
71の延長部のpウエル4との接触部に高不純物濃度のp+
領域10を設けている。
以上の実施例は、主スイッチング素子がnチャネルIG
BTの場合であるが、半導体の導電型をp−n逆転したp
チャネルIGBTや電力用MOSFETについても全く同様に実施
できることは明白である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、電力用スイッチング素子の過電極保
護回路を構成する横形MOSFETをスイッチング素子と同一
半導体基板に内蔵させる場合に、横形MOSFETのソース側
ウエル領域とドレイン側ウエル領域の間に生ずる抵抗の
影響を両ウエル領域を低抵抗で接続することにより除去
することによって、横形MOSFETの寄生効果をウエルの拡
散深さを大きくしないで防止することができた。この結
果、横形MOSFETの寄生効果による素子破壊がなくなり、
オン電圧が低く耐圧劣化のおそれのないスイッチング素
子を含む半導体装置を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の半導体装置の横形MOSFETを
示し、そのうち(a)は平面図、(b)は(a)のA−
A線断面図、第2図はIGBTの構造と等価回路を示す模式
的断面図、第3図はIGBTの過電流保護回路図、第4図は
過電流保護回路内蔵IGBTの要部断面図、第5図は第4図
の横形MOSFETの断面図、第6図は本発明の別の実施例の
半導体装置の横形MOSFETを示し、そのうち(a)は平面
図、(b)は(a)のB−B線断面図、第7図は本発明
のさらに別の実施例の半導体装置の横形MOSFETの断面図
である。 1:ソース領域、2:ドレイン領域、3,4:pウエル、6:ゲー
ト、71:ソース電極、72:ドレイン電極、9:連結p領域。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電力用スイッチング素子の半導体基板の第
    一導電型の層の表面部に形成された二つの第二導電型の
    領域の一方に第一導電型のソース領域を形成し、他方に
    第一導電型のドレイン領域を形成し、そのソース領域お
    よびドレイン領域にはさまれた領域の表面上に絶縁膜を
    介してゲートを設けてなるスイッチング素子ゲート制御
    用横形MOSFETを有するものにおいて、二つの第二導電型
    の領域の両領域表面に接触し、該二つの第二導電型の領
    域を接続する配線を有することを特徴とする半導体装
    置。
  2. 【請求項2】電力用スイッチング素子の半導体基板の第
    一導電型の層の表面部に形成された二つの第二導電型の
    領域の一方に第一導電型のソース領域を形成し、他方に
    第一導電型のドレイン領域を形成し、そのソース領域お
    よびドレイン領域にはさまれた領域の表面上に絶縁膜を
    介してゲートを設けてなるスイッチング素子ゲート制御
    用横形MOSFETを有するものにおいて、半導体基板の横形
    MOSFETのゲートが上に存在しない表面部に選択的に形成
    され、かつ前記二つの第二導電型の領域の両領域を接続
    する第二導電型の低抵抗領域を有することを特徴とする
    半導体装置。
  3. 【請求項3】電力用スイッチング素子が絶縁ゲートバイ
    ポーラトランジスタであることを特徴とする請求項1あ
    るいは2記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】電力用スイッチング素子が縦形MOSFEETで
    あることを特徴とする請求項1あるいは2記載の半導体
    装置。
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JPS49119587A (ja) * 1973-03-14 1974-11-15
JPH01122169A (ja) * 1987-11-06 1989-05-15 Nippon Denso Co Ltd 電力用半導体装置

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