JP2004214353A - Vertical type insulated gate field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタに関し、特に、保護用ダイオードを同一チップ上に備えた電力用の縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術】
コイルを負荷とするモーター・アクチュエーターやリレーなどに使われる電力用縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(以下パワーMOSFETと記す)は、コイル負荷でオフする際に発生するコイルの逆起電力サージを吸収することができる保護用ダイオードとともに用いられるのが一般的である。この保護用ダイオードとして、双方向ツェナーダイオードをゲート・ソース間及びドレイン・ゲート間にそれぞれ挿入してパワーMOSFET本体と同一チップ上に集積してなることを特徴とするパワーMOSFETがある(例えば、特許文献1を参照。)。以下、特許文献1を参考にして、ドレイン・ゲート間の双方向ツェナーダイオードを拡散層で形成した従来のパワーMOSFETについて、図4および図5を参照して説明する。尚、パワーMOSFETは、チップのセル部にトランジスタ機能を有する多数の並列接続されたユニットセルが通常配置されているが、本明細書での説明に用いる図面では、便宜上、1セル分のみを図示している。
【0003】
N−ドレイン領域1がN+ドレイン領域2上に形成されている。パワーMOSFET本体として、N−ドレイン領域1中にPベース領域5,Pベース領域5中にN+ソース領域6が形成されているとともに,N+ソース領域6とN−ドレイン領域1間のPベース領域5上にゲート絶縁膜8を介してポリシリコンからなるゲート電極9が形成されている。図5に示されるDiはPベース領域5とN−ドレイン領域1間の接合ダイオード、TrはPベース領域5,N+ソース領域6,N−ドレイン領域1をそれぞれベース,エミッタ,コレクタとする寄生トランジスタ、RBは寄生ベース抵抗である。ゲート・ソース間には、双方向ツェナーダイオードZGS(N型ポリシリコン膜10−1,P+型ポリシリコン膜11,N型ポリシリコン膜10−2からなる)を接続している。ドレイン・ゲート間にはN−ドレイン領域1中に形成したN+拡散層12,P型拡散層3,N+型拡散層4からなる双方向ツェナーダイオードZDGを接続している。ツェナーダイオードZGSは本体のゲートポリシリコンに連続して形成している。ツェナーダイオードZDGはN−ドレイン領域1中にイオン注入と、押込で形成している。降伏電圧をFET本体の降伏電圧より下げるためドレイン領域1と同一導電型でドレイン領域1よりやや高濃度のN+拡散層12を形成しておき、この中にツェナーダイオードを形成している。
【0004】
上記構成のパワーMOSFETの動作を図6および図7を参照して説明する。ゲート電圧VGSが上昇してパワーMOSFETがオンすると、ドレイン電流IDSが上昇し、ドレイン電圧VDSはVDS(on)となる。toffで入力電圧は下がりパワーMOSFETのドレイン電圧VDSは急上昇しはじめるがBVZGS+BVZDGを越えた瞬間にパワーMOSFETのドレイン電圧VDSの上昇を抑えるようにゲート電圧が印加される。つまり、小電力のツェナーダイオードZDGでも本体のパワーMOSFETの増幅作用を使って充分大きな放電電流を流すことができる。
尚、ツェナーダイオードZDGの降伏電圧BVZDGは以下の条件を満たすように設計される。
BVZDG<LVCER−BVZGS,
LVCER……寄生トランジスタのラッチバック電圧、
BVZGS……ツェナーダイオードZGSの降伏電圧、
また、BVZGSは以下の条件を満たすように設計される。
VGS(on)<BVZGS<VGS(max),
VGS(on)……パワーMOSFETがオンする時のゲート電圧、
VGS(max)……ゲート破壊電圧
【0005】
【特許文献1】
特開平3−038881号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のパワーMOSFETでは、寄生トランジスタのラッチバックを防止するためのドレイン・ゲート間に挿入される拡散層タイプの双方向ツェナーダイオードZDGの降伏電圧BVZDGをパワーMOSFET本体の降伏電圧BVDSより下げるため、双方向ツェナーダイオードZDG は、N−ドレイン領域1よりやや高濃度のN+拡散層12にツェナーダイオードが形成されて構成されている。そのため、パワーMOSFETの製造工程において、このN+拡散層12を形成する工程が必要であり工程数が増加するという問題がある。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、双方向ツェナーダイオードZDG のチップに占める面積を増加させないで、従来より製造工程を低減した縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタを提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタは、低濃度一導電型ドレイン領域、ドレイン領域に形成された複数の他導電型ベース領域、および各ベース領域に形成された高濃度一導電型ソース領域を有する縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタ本体と、トランジスタ本体と同一チップに拡散層で形成され、トランジスタ本体のドレイン・ゲート間に接続された保護用の双方向ツェナーダイオードとを有する縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記双方向ツェナーダイオードが、前記ドレイン領域と、ドレイン領域に前記ベース領域と同時に各ベース領域より小面積で形成された少なくとも1つの他導電型拡散層と、他導電型拡散層に前記ソース領域と同時に形成された高濃度一導電型拡散層とを有することを特徴とする。
また、上記縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記他導電型拡散層が、前記トランジスタ本体と同一チップに形成された第1抵抗を介して前記ゲートに接続されているとともに、前記他導電型拡散層と第1抵抗との接続点に前記トランジスタ本体と同一チップに形成された第2抵抗が接続された、または外付けの第2抵抗が接続されることを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に基づき一実施例のNチャネル型パワーMOSFETについて図1および図2を参照して説明する。N−ドレイン領域21がN+ドレイン領域22上に形成されている。N−ドレイン領域21中にPベース領域25およびPベース領域25中にN+ソース領域26が形成されて、パワーMOSFET本体を構成している。また、N−ドレイン領域21中にPベース領域25と同時にPベース領域25よりパターン面積が小さいP型拡散層23、およびP型拡散層23中にN+ソース領域26と同時にN+型拡散層24が形成されて、ドレイン・ゲート間に接続される双方向ツェナーダイオードZDGを、N−ドレイン領域21,P型拡散層23,N+型拡散層24により構成している。このとき、ツェナーダイオードZDGの降伏電圧は、P型拡散層23のパターン面積をPベース領域25より小さくしているため、FET本体の降伏電圧より下げられる。さらに、N−ドレイン領域21中のゲートパッド(図示せず)が形成されている直下位置にPウェル27が形成されている。そして、N+ソース領域26とN−ドレイン領域21間のPベース領域25上、およびN+型拡散層24とN−ドレイン領域21間のP型拡散層23上にゲート絶縁膜28を介してポリシリコンからなるゲート電極29が形成されている。ゲート・ソース間には、双方向ツェナーダイオードZGS(N型ポリシリコン膜30−1,P+型ポリシリコン膜31,N型ポリシリコン膜30−2からなる)を接続している。
【0009】
本実施例のパワーMOSFETは、上記構成に加えて、さらに以下の構成を有している。N+型拡散層24とN型ポリシリコン膜30−2との接続点とゲート電極29間に拡散層またはポリシリコン膜からなる内蔵の第1抵抗32(拡散層またはポリシリコン膜としては図示せず)を接続している。そして、N+型拡散層24とN型ポリシリコン膜30−2との接続点とゲートパッド(図示せず)間に拡散層またはポリシリコン膜からなる内蔵の第2抵抗33(拡散層またはポリシリコン膜としては図示せず)を接続している。尚、第2抵抗33は、外付け抵抗としてもよい。
【0010】
第2抵抗33の抵抗値R2は、ツェナーダイオードZDGのP型拡散層23のパターン面積をPベース領域25の面積より小さくしても、サージ吸収ができるように適正値に設定される。すなわち、上記構成のパワーMOSFETにおいて、第2抵抗33の抵抗値R2を適正値に設定することにより、ドレイン側からのL負荷逆起電力が印加された場合、ツェナーダイオードZDGがFET本体の降伏電圧より低い降伏電圧BVZDGでブレークダウンし、そのときの電流により第2抵抗33にFET本体の閾値電圧以上の電圧が発生し、その電圧がFET本体のゲートに印加され、FET本体がオンし、L負荷逆起電力を吸収する。例えば、FET本体の閾値電圧が2Vで、ツェナーダイオードZDGの電流容量を1μAとした場合、第2抵抗33の抵抗値R2は、2MΩとなる。
【0011】
上記構成により、第2抵抗R2の抵抗値を適正値に設定し、P型拡散層23のパターン面積をPベース領域25より小さくすることにより、図3に、チップ40上の平面パターン例として、セル部(FET本体)41およびゲートパッド部42とともに、ツェナーダイオードZDGと、ゲートパッド部42とツェナーダイオードZDG間にポリシリコン膜で形成された第2抵抗R2とを示すように、チップ面積を従来より増加させずにパワーMOSFETを製造できる。また、ツェナーダイオードZDGを構成するP型拡散層23およびN+型拡散層24をFET本体のPベース領域25およびN+ソース領域26と同時に形成しているので、従来より少ない工程でパワーMOSFETを製造できる。
【0012】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明はドレイン・ゲート間の双方向ツェナーダイオードを、高濃度一導電型ドレイン領域と、ドレイン領域にベース領域と同時に各ベース領域より小面積で形成された少なくとも1つの他導電型拡散層と、他導電型拡散層にソース領域と同時に形成された高濃度一導電型拡散層とで構成したので、従来よりチップ面積を増加させずに縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタを従来より少ない工程で製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のパワーMOSFETの主要部断面図。
【図2】図1のパワーMOSFETの等価回路図。
【図3】図1のパワーMOSFETの概略平面図。
【図4】従来のパワーMOSFETの主要部断面図。
【図5】図4のパワーMOSFETの等価回路図。
【図6】図4のパワーMOSFETのコイル負荷駆動時の等価回路図。
【図7】図4のパワーMOSFETのコイル負荷駆動時のタイミングチャート。
【符号の説明】
21 N−ドレイン領域
22 N+ドレイン領域
23 P型拡散層
24 N+型拡散層
25 Pベース領域
26 N+ソース領域
27 Pウェル
28 ゲート絶縁膜
29 ゲート電極
30 第1抵抗
31 第2抵抗[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a vertical insulated gate field effect transistor, and more particularly to a power vertical insulated gate field effect transistor having a protection diode on the same chip.
[0002]
[Prior art]
Power vertical insulated gate field effect transistors (hereinafter referred to as power MOSFETs) used in motors, actuators, relays, etc. that use a coil as a load absorb the back electromotive force surge of the coil that occurs when the coil load turns off. It is commonly used with protective diodes that can be used. As this protection diode, there is a power MOSFET characterized in that a bidirectional Zener diode is inserted between a gate and a source and between a drain and a gate, respectively, and integrated on the same chip as the power MOSFET body (for example, see Patent Reference 1). A conventional power MOSFET in which a bidirectional Zener diode between a drain and a gate is formed by a diffusion layer will be described below with reference to
[0003]
N − drain region 1 is formed on N + drain
[0004]
The operation of the power MOSFET having the above configuration will be described with reference to FIGS. When the gate voltage V GS rises and the power MOSFET turns on, the drain current I DS rises, and the drain voltage V DS becomes V DS (on) . drain voltage V DS of the input voltage drops power MOSFET in the toff is begin to soaring gate voltage so as to suppress the rise of the drain voltage V DS of the power MOSFET at the moment beyond the BV ZGS + BV ZDG is applied. That is, a sufficiently large discharge current can flow even with the small power Zener diode ZDG by using the amplifying action of the power MOSFET of the main body.
Note that the breakdown voltage BV ZDG of the Zener diode Z DG is designed to satisfy the following conditions.
BV ZDG <LV CER −BV ZGS ,
LV CER ... Latchback voltage of parasitic transistor,
BV ZGS ... breakdown voltage of Zener diode Z GS ,
The BV ZGS is designed to satisfy the following conditions.
V GS (on) <BV ZGS <V GS (max) ,
V GS (on) : gate voltage when the power MOSFET is turned on,
V GS (max) …… Gate breakdown voltage
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-038881
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional power MOSFET described above, the breakdown voltage BV ZDG of the diffusion layer type bidirectional Zener diode Z DG inserted between the drain and the gate for preventing the latch-back of the parasitic transistor is reduced by the breakdown voltage BV DS of the power MOSFET body. In order to further lower the impedance, the bidirectional Zener diode ZDG is configured by forming a Zener diode in the N + diffusion layer 12 having a slightly higher concentration than the N − drain region 1. Therefore, in the manufacturing process of the power MOSFET, a step of forming the N + diffusion layer 12 is required, and there is a problem that the number of steps is increased.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a vertical insulated gate field effect transistor in which the number of manufacturing steps is reduced without increasing the area of the chip of the bidirectional Zener diode ZDG. To provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The vertical insulated gate field effect transistor of the present invention includes a low-concentration one-conductivity-type drain region, a plurality of other-conductivity-type base regions formed in the drain region, and a high-concentration one-conductivity-type source region formed in each base region. A vertical insulated gate field effect transistor having a vertical insulated gate field effect transistor body and a bidirectional Zener diode for protection formed between a drain and a gate of the transistor body and formed on the same chip as the transistor body In the transistor, the bidirectional Zener diode includes the drain region, at least one other conductivity type diffusion layer formed in the drain region with a smaller area than each base region at the same time as the base region, and the other conductivity type diffusion layer A high concentration one conductivity type diffusion layer formed simultaneously with the source region.
In the vertical insulated gate field effect transistor, the other conductivity type diffusion layer is connected to the gate via a first resistor formed on the same chip as the transistor body, and the other conductivity type diffusion layer is A second resistor formed on the same chip as the transistor body is connected to a connection point between the layer and the first resistor, or an external second resistor is connected.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An N-channel power MOSFET according to one embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. An N − drain region 21 is formed on the N + drain region 22. A P
[0009]
The power MOSFET of this embodiment has the following configuration in addition to the above configuration. Between the connection point between the N +
[0010]
Resistance R 2 of the
[0011]
With the above configuration, the resistance value of the second resistor R2 is set to an appropriate value, and the pattern area of the P-
[0012]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the bidirectional Zener diode between the drain and the gate is provided with a high-concentration one-conductivity-type drain region and at least one other drain region formed at the same time as the base region with a smaller area than each base region. A vertical-type insulated-gate field-effect transistor is used without increasing the chip area, as it is composed of a conductive-type diffusion layer and a high-concentration one-conductivity-type diffusion layer formed simultaneously with the source region in the other-type diffusion layer. Can be manufactured with fewer steps.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a main part of a power MOSFET according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the power MOSFET of FIG.
FIG. 3 is a schematic plan view of the power MOSFET of FIG. 1;
FIG. 4 is a sectional view of a main part of a conventional power MOSFET.
5 is an equivalent circuit diagram of the power MOSFET of FIG.
6 is an equivalent circuit diagram when the power MOSFET of FIG. 4 is driven by a coil load.
FIG. 7 is a timing chart when the power MOSFET of FIG. 4 is driven by a coil load.
[Explanation of symbols]
Reference numeral 21 N - drain region 22 N + drain region 23 P-type diffusion layer 24 N + -type diffusion layer 25 P base region 26 N + source region 27 P well 28
Claims (2)
前記双方向ツェナーダイオードが、前記ドレイン領域と、ドレイン領域に前記ベース領域と同時に各ベース領域より小面積で形成された少なくとも1つの他導電型拡散層と、他導電型拡散層に前記ソース領域と同時に形成された高濃度一導電型拡散層とを有することを特徴とする縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタ。A vertical insulated gate field effect transistor body having a low concentration one conductivity type drain region, a plurality of other conductivity type base regions formed in the drain region, and a high concentration one conductivity type source region formed in each base region, and a transistor A vertical insulated gate field effect transistor having a protective bidirectional Zener diode connected between the drain and the gate of the transistor body, which is formed of a diffusion layer on the same chip as the body,
The bidirectional Zener diode includes: a drain region; at least one other conductivity type diffusion layer formed in the drain region with a smaller area than each base region at the same time as the base region; and a source region in the other conductivity type diffusion layer. A vertical insulated gate field effect transistor having a high concentration one conductivity type diffusion layer formed at the same time.
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