JP2003218348A - 二重拡散型mosfetおよびこれを用いた半導体装置 - Google Patents

二重拡散型mosfetおよびこれを用いた半導体装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 L−DMOSFET本来の特性を損なうこと
なく、また素子面積の増大を招くことなく、高い静電破
壊耐量を得ることができるL−DMOSFETを提供す
る。 【解決手段】 半導体基板11上に形成されたN型半導
体層からなるドレイン領域13と、ドレイン領域13内
に形成されたP型半導体領域からなるボディ領域15
と、ボディ領域15内に形成されたN型ソース領域16
と、ボディ領域15表面に形成されたゲート電極21と
を含み、ドレイン領域13内に、N+型ドレインコンタ
クト領域18とP+型領域19とを同電位となるように
形成してなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、横型二重拡散型M
OSFETおよびこれを用いた半導体装置にか係り、特
に、静電破壊耐量が高く、オン抵抗の低い横型二重拡散
型MOSFETの構造に関する。
【0002】
【従来の技術】100ボルト以下の比較的低い電圧領域で
一般的に用いられる、ICやディスクリートのFETと
して、横型二重拡散MOSFET、いわゆるL−DMO
Sがある。これは通常の拡散工程で形成でき、縦形二重
拡散MOSFETと異なり、すべての端子がチップ上面
から取り出せることから、IC化に好適であり、特に低
いオン抵抗が求められる用途で、広く用いられている。
図5に従来の横型二重拡散MOSFETの斜視的断面図
を示す。この横型二重拡散MOSFET(以下、L−D
MOSFETと記す。)は、P型半導体基板101上
に、N+型埋込領域102を介して、N型半導体層をエ
ピタキシャル成長させることによりドレイン領域103
が形成されている。そして、ドレイン領域103に、N
型不純物を拡散することによりN+型ドレインコンタク
ト領域104が形成され、P型不純物を拡散することに
よりボディ領域105が形成されている。ボディ領域1
05の表面部には、ボディ領域105の外縁から一定の
間隙を隔ててN+型ソース領域106が形成され、さら
にN+型ソース領域106の内側にはP+型領域107
が形成されている。N+型ソース領域106とN+型ド
レインコンタクト領域104との間にはドリフトチャネ
ル領域が形成されている。そして、N+型ソース領域1
06の外縁部からドリフトチャネル領域の内縁部にかけ
ての表面部分を覆うようにしてゲート酸化膜を介してゲ
ート電極が設けられている。
【0003】この種のL−DMOSFETは、通常のM
OSFETと比較して高耐圧な割にオン抵抗(動作抵
抗)が低いため、数ボルト〜100ボルトまでの幅広い
電圧域でよく用いられ、とくに電源ICやモータドライ
バーなどに広く用いられている。
【0004】しかしながら、図6に等価回路図を示すよ
うに、L−DMOSFETには、寄生NPNトランジス
タ(ドレイン領域103とボディ領域105とN+型ソ
ース領域106とからなるNPN構造)が存在し、この
寄生NPNトランジスタが、本来の種々の正常動作を阻
む原因となることがある。
【0005】とくに、このL−DMOSFETをオープ
ンドレインで使用する場合、出力端子(ドレイン)に外
部より静電気が印加されると、この静電気は逃げ場が無
いため、すべてL−DMOSFET内部を電流が流れる
ことになる。このとき寄生NPNトランジスタが温度に
対して正帰還をかけるように動作するため、製造上のば
らつきにより出来た弱い部分に電流が集中することにな
り、容易にデバイスが破壊されてしまう。
【0006】この破壊耐量を向上させるために、寄生N
PNトランジスタの利得を下げたり、保護回路を付加し
たりすることが試みられている。しかし、寄生NPNト
ランジスタの利得を下げるとL−DMOSFETの特性
の悪化を招くことになり、保護回路を付加するとチップ
面積の増大を招くことになる。
【0007】一方、静電気に極めて強い素子として、図
7に示すような構造の絶縁ゲート型バイポーラトランジ
スタ(以下、IGBTと記す。)がよく知られている。
図7に示すようにIGBTは、図5に示したL−DMO
SFETのN+型ドレインコンタクト領域104を、P
+型ドレインコンタクト領域110に置き換えた構造に
なっている。
【0008】IGBTには、図8に示すように寄生サイ
リスタ(ドレイン領域103とボディ領域105とN+
型ソース領域106とからなるNPNトランジスタ、お
よびボディ領域105とドレイン領域103とP+型ド
レインコンタクト領域110とからなるPNPトランジ
スタ)が存在している。静電気のような過大な電流が流
れるとき、寄生サイリスタがオンし、極めて低い動作抵
抗で膨大な電流を処理することができるため、IGBT
は極めて高い静電破壊耐量を有する。
【0009】IGBTは、ドレイン領域(コレクタ)1
03にP型不純物を拡散させて形成したP+型ドレイン
コンタクト領域110からドレイン領域103に注入さ
れる正孔によりドレイン領域103の伝導度を変化させ
て抵抗成分を下げるため、ドリフト長(d)の比較的長
い100ボルト以上の高耐圧素子として使用されること
が多いが、逆にパンチスルーデバイスであるため、ドリ
フト長をあまり小さくすることができず、100ボルト
以下の比較的低圧の領域ではほとんど使用されない。と
くにICとして集積するにはL−DMOSFETに対し
てメリットが見出せないため、IGBTが使用されるこ
とはまず無い。
【0010】また、IGBTは、立ち上がり初期のVf
(順方向電圧)値のロスが大きいため、低電流域ではL
−DMOSFETよりもオン抵抗が高く、不利な場合が
多い。しかも大電流域では寄生サイリスタのラッチアッ
プが起こりやすいため、使用条件に注意が必要である。
さらに、小数キャリアが動作上介在することにより、L
−DMOSFETより周波数特性が悪いということも、
IGBTの大きな欠点として認識されている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のL−DMOSFETは、高耐圧化しやすく、かつ、オ
ン抵抗が低いという利点を有する反面、静電気破壊耐量
が低いという欠点を有していた。一方、IGBTは、静
電気破壊耐量が極めて高い反面、L−DMOSFETと
比較して高集積化に適さない、低電流域でオン抵抗が高
い、周波数特性が悪いというような種々の欠点を有して
いる。
【0012】本発明は前記実情に鑑みてなされたもの
で、L−DMOSFET本来の特性を損なうことなく、
また素子面積の増大を招くことなく、高い静電破壊耐量
を得ることができるL−DMOSFETおよびこれを用
いた半導体装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のL−DMOSFETは、半導体基板上に形
成されたN型半導体層からなるドレイン領域と、前記ド
レイン領域内に形成されたP型半導体領域からなるボデ
ィ領域と、前記ボディ領域内に形成されたN型ソース領
域と、前記ボディ領域表面にゲート絶縁膜を介して形成
されたゲート電極とを含み、前記ドレイン領域内に、ド
レイン領域表面に形成されたN+型ドレインコンタクト
領域、および前記N+型ドレインコンタクト領域と同電
位となるように電気的に接続されたP型領域とを具備し
てなることを特徴とする。
【0014】この構成によれば、ドレイン領域内に、N
+型ドレインコンタクト領域とP+型領域とを同電位す
ることで、L−DMOSFETにPNPトランジスタが
寄生することになり、このPNPトランジスタが、元々
存在している寄生NPNトランジスタとともに寄生サイ
リスタ構造を構成するようになる。
【0015】この構成によれば、N+型ドレインコンタ
クト領域とP+型領域とが互いに同電位となるので、通
常動作時に寄生サイリスタがターンオンしないようにす
ることができる。したがって、本発明のL−DMOSF
ETによれば、寄生NPNトランジスタの利得を下げる
必要がないため、L−DMOSFET本来の特性を損な
うことなく、また破壊耐量を向上させるために保護回路
等を設ける必要がないため、素子面積の増大を招くこと
なく、高い静電破壊耐量を得ることができる。
【0016】本発明によるL−DMOSFETにおい
て、前記N+型ドレインコンタクト領域にコンタクトす
るように形成されるドレイン電極は、前記P型領域表面
まで延在しており、前記N+型ドレインコンタクト領域
とP型領域とが電気的に接触するように構成される。こ
の構成によれば、このドレイン電極により前記N+型ド
レインコンタクト領域とP型領域とが電気的に接触せし
められ、電極のひきまわしのみで容易に同電位とするこ
とが可能となる。
【0017】望ましくは、前記N+型ドレインコンタク
ト領域は、くし歯状に形成されており、前記P型領域は
前記くし歯間の領域に形成されている。すなわち、前記
N+型ドレインコンタクト領域を前記N型ソース領域に
沿って等間隔に複数カ所切り欠き、その切り欠いた部分
に前記P+型領域を設けることが望ましい。さらに望ま
しくは、前記N+型ドレインコンタクト領域は、ゲート
側に歯が位置するように形成された、くし歯状をなすよ
うに形成する。この構成によれば、N+型ドレインコン
タクト領域内にP+型領域を設けて、容易にサイリスタ
を寄生させることができる。
【0018】前記P+型領域の前記ボディ領域側の端部
は、前記N+型ドレインコンタクト領域の前記ボディ領
域側の端部よりも前記ボディ領域から離間(セットバッ
ク)していることが望ましい。この構成によれば、従来
のL−DMOSFETと同じドリフト長でも十分高いパ
ンチスルー降伏耐圧を確保することができる。したがっ
て、素子面積の増大を招くことなく、従来のL−DMO
SFET特性を維持したまま、静電破壊耐圧を大幅に向
上させることができる。
【0019】前記P+型領域は、前記N+型ドレインコ
ンタクト領域に囲まれた領域に形成されてもよい。この
構成によれば、容易にサイリスタを寄生させることがで
きるとともに、P+型領域のボディ領域側の端部が、N
+型ドレインコンタクト領域のボディ領域側の端部より
もボディ領域から離間(セットバック)した状態になる
ため、従来のL−DMOSFETと同じドリフト長でも
十分高いパンチスルー降伏耐圧を確保することができ
る。したがって、素子面積の増大を招くことなく、従来
のL−DMOSFET特性を維持したまま、静電破壊耐
圧を大幅に向上させることができる。
【0020】前記P+型領域および前記N+型ドレイン
コンタクト領域は、前記ドレイン領域内に形成されたN
−バッファ層内に形成されていることが望ましい。この
構成によれば、パンチスルー耐圧をさらに向上させ、オ
ン抵抗をさらに低くすることができる。
【0021】また、本発明の半導体装置は、上記のよう
に構成された本発明のL−DMOSFETを他の素子と
共に集積してなる。すなわち、半導体基板と、前記半導
体基板表面に形成されたN型半導体領域からなるドレイ
ン領域と、前記ドレイン領域内に形成されたP型半導体
領域からなるボディ領域と、前記ボディ領域内に形成さ
れたN型ソース領域と、前記ボディ領域表面にゲート絶
縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記ドレイン領
域内に、ドレイン領域表面に形成されたN+型ドレイン
コンタクト領域、および前記N+型ドレインコンタクト
領域と同電位となるように電気的に接続されたP型領域
と、N+型ドレインコンタクト領域から前記P型領域表
面まで延在せしめられたドレイン電極と、前記N型ソー
ス領域にコンタクトするように形成されたソース電極と
を含むことを特徴とする。望ましくは、ソース電極は、
前記P型ボディ領域表面まで延在するように形成されて
いることを特徴とする。この構成によれば、他の素子と
共に集積されるL−DMOSFETのドリフト長やP+
型領域のセットバック長を変更することにより、そのL
−DMOSFETの降伏耐圧を容易に調整することがで
きるため、他の素子の耐圧に合わせた保護素子としてL
−DMOSFETを備えた半導体装置を得ることができ
る。
【0022】
【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明のL−DMOSFETについて説明する。
【0023】図1は本発明の実施の形態の一例を示すL
−DMOSFETの斜視的断面図である。このL−DM
OSFET10は、P型半導体基板11上に、N+型埋
込領域12を介して、N型半導体層をエピタキシャル成
長させることによりドレイン領域13が形成されてい
る。そして、そのドレイン領域13にN型不純物を拡散
することによりN−バッファ層14が形成され、P型不
純物を拡散することによりボディ領域15が形成されて
いる。
【0024】ボディ領域15の表面部には、ボディ領域
15の外縁から一定の間隙を隔ててN+型ソース領域1
6が形成され、さらにN+型ソース領域16の内側には
P+型領域17が形成されている。N−バッファ層14
内には、N+型ドレインコンタクト領域18とP+型領
域19とが互いに接触させて、N+型ソース領域16に
沿って交互に配置されている。N+型ソース領域16と
N−バッファ層14との間にはドリフトチャネル領域2
0が形成されている。
【0025】そして、N+型ソース領域16の外縁部か
らチャネル領域20の内縁部にかけての表面部分を覆う
ようにして、ゲート酸化膜を介してゲート電極21が設
けられている。N+型ドレインコンタクト領域18にコ
ンタクトするように形成されるドレイン電極22は、N
+型ドレインコンタクト領域18とP+型領域19とが
互いに同電位となるように形成されている。ソース電極
23は、N+型ソース領域16とP+型領域17の両方
にまたがって形成されている。
【0026】P+型領域19は、N+型ドレインコンタ
クト領域18をN型ソース領域に沿って等間隔に複数カ
所切り欠き、その切り欠かれた部分に設けられている。
そして、P+型領域19は、そのボディ領域15側の端
部が、N+型ドレインコンタクト領域18のボディ領域
15側の端部よりもボディ領域15から例えば1.0μ
m程セットバックされるようにレイアウトされている。
【0027】上記のように、ドレイン領域13内に、N
+型ドレインコンタクト領域18とP+型領域19とを
互いに接触させて形成することで、L−DMOSFET
10にPNPトランジスタが寄生することになり、この
PNPトランジスタが、元々存在している寄生NPNト
ランジスタとともに寄生サイリスタを構成するようにな
る。
【0028】したがって、このL−DMOSFET10
によれば、寄生NPNトランジスタの利得を下げる必要
がないため、L−DMOSFET本来の特性を損なうこ
となく、また破壊耐量を向上させるために保護回路等を
設ける必要がないため、素子面積の増大を招くことな
く、高い静電破壊耐量を得ることができる。
【0029】また、P+型領域19を、N+型ドレイン
コンタクト領域18よりもボディ領域15から離れる側
にセットバックさせてレイアウトしたことにより、ソー
ス−ドレイン間に広がる空乏層がドレイン側のP+型領
域19に達することにより起こるパンチスルー降伏の耐
圧を向上させることができる。
【0030】また、N+型ドレインコンタクト領域18
とP+型領域19とがN−バッファ層14で覆われた構
造としたことにより、ドレイン側に延びる空乏層が徐々
に抑制されるため、ドレイン側のP+型領域19に対す
るパンチスルー降伏耐圧を更に向上させることができ
る。その上、ドレイン側のN+型ドレインコンタクト領
域18をくし歯状をなすように、間欠的に切り欠いた構
造としたことによる導電能力の欠落を、N+型ドレイン
コンタクト領域18がN−バッファ層14で覆われた構
造により完全に補うことができる。
【0031】このL−DMOSFET10の等価回路を
図2に示す。図示するように、L−DMOSFET10
の寄生サイリスタを構成するPNPトランジスタはエミ
ッタとベースがショートされているため、通常は動作す
ることはない。したがって、このL−DMOSFET1
0は、オンしているときは、従来のL−DMOSFET
と何ら変わりなく動作することができ、大電流域でも寄
生サイリスタの存在を全く気にする必要はない。また、
同じ理由により、IGBTのような立ち上がり時のVf
損失もなく、低電流域でも低いオン抵抗を確保すること
ができる。
【0032】また、ドレイン電極22をN−バッファ層
14表面まで延在させた構造により、ドレイン側のP+
型領域19とドレイン領域13とが同一電位になるた
め、IGBTのようにP+型領域19からの正孔注入が
無い。したがって、このL−DMOSFET10は、ス
イッチングスピード(周波数特性)も従来のL−DMO
SFETと何ら変わらない。
【0033】しかし、このL−DMOSFET10は、
ひとたび静電気が印加されると、その大電圧により寄生
サイリスタのPNPトランジスタが無理やり降伏し、寄
生サイリスタが動作を開始するため、極めて低いオン抵
抗で非常に大きな電流を処理することができ、静電破壊
耐量が大幅に向上する。
【0034】この実施の形態を示したL−DMOSFE
T10の構成によれば、何ら新しい製造技術を用いるこ
となく、また従来のL−DMOSFETの特性を損なう
ことなく、静電破壊耐量を例えば人体モデルで従来1.
5kV程度であったものを、3〜10倍の4.5kV〜
15kVにまで大幅に向上させることができる。
【0035】図3は本発明の他の実施の形態を示すL−
DMOSFETの斜視的断面図である。この例では、ド
レイン側のN+型ドレインコンタクト領域18を等間隔
に所々切り欠いた構造とするのではなく、N+型ドレイ
ンコンタクト領域18を等間隔に所々くり抜いた構造と
し、そのくり抜いた部分にP+型領域19を埋め込むこ
とにより、N+型ドレインコンタクト領域18で囲まれ
た領域にP+型領域19を形成している。この図3の構
成によっても、図1に示した実施の形態のL−DMOS
FETと同様の効果を得ることができる。
【0036】図4は本発明にかかる半導体装置の構成例
を示す回路図である。この半導体装置25は、上記のよ
うに構成されたL−DMOSFET10を他の素子26
と共に集積してなる。この構成によれば、他の素子26
と共に集積されるL−DMOSFET10のドリフト長
dやP+型領域19のセットバック長を変更することに
より、L−DMOSFET10の降伏耐圧を簡単に調節
することができるため、L−DMOSFET10を他の
素子26の耐圧に合わせた保護素子として利用すること
ができる。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の二重拡散
MOSFETによれば、そのドレイン領域内に、N+型
ドレインコンタクト領域とP+型領域とを互いに同電位
となるように形成したことにより、寄生サイリスタを有
することになり、寄生NPNトランジスタの利得を下げ
る必要がないため、L−DMOSFET本来の特性を損
なうことなく、また破壊耐量を向上させるために保護回
路等を設ける必要がないため、素子面積の増大を招くこ
となく、高い静電破壊耐量を得ることができる。
【0038】また、本発明の半導体装置は、本発明の横
型二重拡散MOSFETを内部回路(又は内部素子)の
保護素子として用いることにより、高い静電破壊耐量を
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の一例を示す二重拡散MO
SFETの斜視的断面図である。
【図2】図1に示す二重拡散MOSFETの等価回路図
である。
【図3】本発明の別の実施の形態を示す二重拡散MOS
FETの斜視的断面図である。
【図4】本発明にかかる半導体装置の構成例を示す回路
図である。
【図5】従来の二重拡散MOSFETの斜視的断面図で
ある。
【図6】図5に示す従来の二重拡散MOSFETの等価
回路図である。
【図7】絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの斜視的
断面図である。
【図8】図7に示す絶縁ゲート型バイポーラトランジス
タの等価回路図である。
【符号の説明】
10 横型二重拡散MOSFET 11 P型半導体基板 12 N+型埋込領域 13 ドレイン領域(N型半導体層) 14 N−バッファ層 15 ボディ領域 16 N+型ソース領域 17 P+型領域 18 N+型ドレインコンタクト領域 19 P+型領域 22 ドレイン電極 23 ソース電極 25 半導体装置 26 素子

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に形成されたN型半導体層
    からなるドレイン領域と、前記ドレイン領域内に形成さ
    れたP型半導体領域からなるボディ領域と、前記ボディ
    領域内に形成されたN型ソース領域と、前記ボディ領域
    表面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを
    含み、 前記ドレイン領域内に、ドレイン領域表面に形成された
    N+型ドレインコンタクト領域、および前記N+型ドレ
    インコンタクト領域と同電位となるように電気的に接続
    されたP型領域とを具備してなることを特徴とする二重
    拡散型MOSFET。
  2. 【請求項2】 前記N+型ドレインコンタクト領域にコ
    ンタクトするように形成されるドレイン電極は、前記P
    型領域表面まで延在していることを特徴とする請求項1
    に記載の二重拡散型MOSFET。
  3. 【請求項3】 前記N+型ドレインコンタクト領域は、
    くし歯状に形成されており、前記P型領域は前記くし歯
    間の領域に形成されていることを特徴とする請求項1ま
    たは2に記載の二重拡散型MOSFET。
  4. 【請求項4】 前記N+型ドレインコンタクト領域は、
    ゲート側に歯が位置するように形成された、くし歯状を
    なすように形成されており、前記P型領域は前記くし歯
    間の領域に形成されていることを特徴とする請求項1ま
    たは2に記載の二重拡散型MOSFET。
  5. 【請求項5】 前記P型領域の前記ボディ領域側の端部
    は、前記N+型ドレインコンタクト領域の前記ボディ領
    域側の端部よりも前記ボディ領域から離間していること
    を特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の二重拡
    散型MOSFET。
  6. 【請求項6】 前記P型領域は、前記N+型ドレインコ
    ンタクト領域に囲まれた領域に形成されていることを特
    徴とする請求項1または2に記載の二重拡散型MOSF
    ET。
  7. 【請求項7】 前記P型領域および前記N+型ドレイン
    コンタクト領域は、前記ドレイン領域内に形成されたN
    バッファ層内に形成されていることを特徴とする請求項
    1乃至6のいずれかに記載の二重拡散型MOSFET。
  8. 【請求項8】半導体基板と、 前記半導体基板表面に形成されたN型半導体領域からな
    るドレイン領域と、 前記ドレイン領域内に形成されたP型半導体領域からな
    るボディ領域と、 前記ボディ領域内に形成されたN型ソース領域と、 前記ボディ領域表面にゲート絶縁膜を介して形成された
    ゲート電極と、 前記ドレイン領域内に、ドレイン領域表面に形成された
    N+型ドレインコンタクト領域、および前記N+型ドレ
    インコンタクト領域と同電位となるように電気的に接続
    されたP型領域と、 N+型ドレインコンタクト領域から前記P型領域表面ま
    で延在せしめられたドレイン電極と、 前記N型ソース領域にコンタクトするように形成された
    ソース電極とを含むことを特徴とする半導体装置。
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