JP2009290070A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:2)のターンオフ時のホール流入を抑制するPチャネルMOSトランジスタ(PQ)のゲート電極ノード(6)に対し、IGBTのオフ状態時においてゲート絶縁膜に印加される電圧を緩和する電圧緩和素子(1)を設ける。
【選択図】図1
Description
図1は、この発明の実施の形態1に従う半導体装置の電気的等価回路を示す図である。図1において、半導体装置は、PNPバイポーラトランジスタ(第1のバイポーラトランジスタ)BTと、このPNPバイポーラトランジスタBTのベース電流を制御するNチャネルMOSトランジスタ(第1の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)NQと、バイポーラトランジスタBTのターンオフ時キャリア注入を遮断するPチャネルMOSトランジスタ(第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)PQとを含む。
図4は、この発明の実施の形態2に従う半導体装置の電気的等価回路を示す図である。この図4に示す半導体装置は、図1に示す実施の形態1に従う半導体装置と以下の点で、その構成が異なる。すなわち、バイポーラトランジスタBTのベース電極ノード5とMOSトランジスタPQのゲート電極ノード6との間に、ツェナーダイオードZDiが逆方向に接続される。このツェナーダイオードZDiのアノードは、ダイオード素子DiのカソードおよびMOSトランジスタPQのゲート電極に接続され、そのカソードがベース電極ノード5に接続される。
以上のように、この発明の実施の形態2に従えば、バイポーラトランジスタのベース電極ノードとPチャネルMOSトランジスタのゲート電極ノードとの間に定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)を接続している。これにより、実施の形態1の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。すなわち、ターンオフ時のコレクタ電位とPチャネルMOSトランジスタのゲート電位の差が大きくなるのを抑制することができ、確実に、PチャネルMOSトランジスタの絶縁耐圧を保障することができ、また、パンチスルー電圧によるIGBT自体としての耐圧特性の劣化を抑制することができる。
図6は、この発明の実施の形態3に従う半導体装置の電気的等価回路を示す図である。この図6に示す半導体装置は、以下の点で、図4に示す実施の形態2の従う半導体装置とその構成が異なる。すなわち、ツェナーダイオード(定電圧ダイオード)ZDiが、コレクタ電極ノード3とPチャネルMOSトランジスタのゲート電極ノード6との間に接続される。この図6に示す半導体装置の他の構成は、図4に示す半導体装置の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。
図7は、この発明の実施の形態4に従う半導体装置の電気的等価回路を示す図である。この図7に示す半導体装置の構成は、以下の点で、図1に示す半導体装置の構成と異なる。すなわち、バイポーラトランジスタBTのベース電極ノード5とダイオード素子Diのカソード電極との間に、PNPバイポーラトランジスタ(第2のバイポーラトランジスタ)BBDが接続される。このPNPバイポーラトランジスタBBDは、そのベースおよびエミッタが相互接続されかつベース電極ノード5に接続され、コレクタがダイオード素子DiのカソードおよびPチャネルMOSトランジスタPQのゲート電極ノード6に接続される。このバイポーラトランジスタBBDは、ベースおよびエミッタが相互接続され、等価的に、コレクタをアノードとし、ベースおよびエミッタをカソードとするダイオードとして機能する。このゲート電位Vg2の低下時、逆バイアス電圧により、コレクタ−エミッタ間にパンチスルーを生じさせて、ゲート電位Vg2の低下を抑制する。
[実施の形態5]
図9は、この発明の実施の形態5に従う半導体装置の電気的等価回路を示す図である。この図9に示す半導体装置は、以下の点で、図7に示す半導体装置とその回路構成が異なる。すなわち、ダイオード接続されるPNPバイポーラトランジスタ(第2のバイポーラトランジスタ)BBD2が、ベース電極ノード5およびゲート電極ノード6の間ではなく、コレクタ電極ノード(第1の電極ノード)3とゲート電極ノード6の間に接続される。このPNPバイポーラトランジスタBBD2は、そのベースおよびエミッタがコレクタ電極ノード3に接続され、コレクタがゲート電極ノード6に接続される。
[変更例]
図10は、この発明の実施の形態5による半導体措置の変更例の電気的等価回路を示す図である。この図10に示す半導体装置は、図9に示す半導体装置と以下の点で、その回路構成が異なる。すなわち、PNPバイポーラトランジスタBBD2に代えて、NPNバイポーラトランジスタ(第2のバイポーラトランジスタ)BBD3が用いられる。このNPNバイポーラトランジスタBBD3は、そのベースおよびコレクタがゲート電極ノード6に接続され、そのエミッタがコレクタ電極ノード3に接続される。
図11は、この発明の実施の形態6に従う半導体装置の電気的等価回路を示す図である。この図11に示す半導体装置においては、電圧緩和素子1として、Pチャネル接合電界効果トランジスタ(JFET)JQ1が用いられる。この接合電界効果トランジスタJQ1のゲートがベース電極ノード5に接続され、ドレインおよびソース領域が、エミッタ電極ノード4およびゲート電極ノード6にそれぞれ接続される。接合電界効果トランジスタJFETにおいては、ソース領域およびドレイン領域は、対称に形成されるため、図11において、接合電界効果トランジスタJQ1のソースおよびドレインは、いずれのノードであっても良いが、電位の高いゲート電極ノード6に接続されるノードをソースノードとし、エミッタ電極ノード4に接続されるノードをドレインノードとして、以下説明する。
図13は、この発明の実施の形態6に従う半導体装置の変更例の断面構造を概略的に示す図である。この図13に示す半導体装置においては、以下の点で、図12に示す半導体装置とその構造が異なる。すなわち、P型半導体基板領域10表面に、互いに間をおいてN型半導体領域(第1および第2の半導体領域)12aおよび12eが配置される。これらのN型半導体領域12aおよび12eの間に、低濃度のP型半導体領域(第5の半導体領域)48が形成される。P型半導体領域48表面に、このP型半導体領域48に囲まれるようにP型不純物領域(第5の不純物領域)50が形成される。このP型不純物領域50は、電極層52を介してゲート電極層(第4の電極層)21に電気的に接続される。
図14は、この発明の実施の形態7に従う半導体装置の電気的等価回路を示す図である。この図14に示す半導体装置は、図11に示す実施の形態6に従う半導体装置と以下の点で、その構成が異なる。すなわち、PチャネルMOSトランジスタPQのゲート電極ノード6とエミッタ電極ノード4の間に、さらにダイオード素子Diが設けられる。このダイオード素子Diは、カソードがゲート電極ノード6に接続され、アノードがエミッタ電極ノード4に接続される。図14に示す半導体装置の他の構成は、図11に示す半導体装置の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。
なお、接合電界効果トランジスタJQ1の構成として、図13に示す構成が用いられてもよい。
図16は、この発明の実施の形態8に従う半導体装置の電気的等価回路を示す図である。この図16に示す半導体装置の構成においては、図4に示す実施の形態2に従う半導体装置のツェナーダイオード(ZDi)に代えて、抵抗素子Rが設けられる。この図16に示す半導体装置の他の構成は、図4に示す半導体装置の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。
図18は、この発明の実施の形態9に従う半導体装置の電気的等価回路を示す図である。この図18に示す半導体装置の構成は、図16に示す実施の形態8に従う半導体装置と、以下の点で、その構成が異なる。すなわち、抵抗素子Raが、ベース電極ノード5とゲート電極ノード6の間ではなく、ゲート電極ノード6とコレクタ電極ノード3の間に接続される。この図18に示す半導体装置の他の構成は、図16に示す半導体装置の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。
Claims (17)
- 第1の電極ノードに接続される第1の導通ノードと、第2の電極ノードに接続される第2の導通ノードと、第1のベースノードとを有する第1のバイポーラトランジスタ、
前記第2の電極ノードと前記第1のバイポーラトランジスタのベースノードとの間に接続され、制御信号に従って選択的に導通し、導通時、前記第2の電極ノードと前記バイポーラトランジスタのベースノードとを電気的に接続する第1導電型の第1の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、
ゲート電極と、前記第1の電極ノードに電気的に接続される第3の導通ノードと、前記第1のバイポーラトランジスタのベースノードに電気的に接続される第4の導通ノードとを有し、前記ゲート電極の電圧と前記第1の電極ノードの電圧とに従って選択的に導通し、導通時、前記第1の電極ノードと前記第1のバイポーラトランジスタのベースノードとを電気的に接続する第2導電型の第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、および
前記第2の電極ノードと前記第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極との間に接続され、前記バイポーラトランジスタの非導通時に前記第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜に印加される電圧を緩和する電圧緩和素子を備える、半導体装置。 - 前記電圧緩和素子は、PN接合を有するダイオード素子である、請求項1記載の半導体装置。
- 前記第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極と前記第1のバイポーラトランジスタのベースノードとの間に接続され、導通時、一定の電圧を前記ゲート電極と前記ベースノードとの間に生じさせる定電圧ダイオードをさらに備える、請求項2記載の半導体装置。
- 前記第1の電極ノードと前記第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極との間に接続され、導通時、一定の電圧を前記第1の電極ノードと前記ゲート電極との間に生じさせる定電圧ダイオードをさらに備える、請求項2記載の半導体装置。
- 前記第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極と前記第1のバイポーラトランジスタのベースノードとの間に接続され、導通時、前記ゲート電極と前記ベースノードとの間の電位差を低減する、ダイオード接続された第2のバイポーラトランジスタをさらに備える、請求項2記載の半導体装置。
- 前記第1の電極ノードと前記第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極との間に接続され、導通時、前記第1の電極ノードと前記ゲート電極との間の電位差を低減する、ダイオード接続された第2のバイポーラトランジスタをさらに備える、請求項2記載の半導体装置。
- 前記第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極に電気的に接続される第5の導通ノードと、前記第2の電極ノードに電気的に接続される第6の導通ノードと、前記第1のバイポーラトランジスタのベースノードに電気的に接続される制御電極を有する接合型電界効果トランジスタをさらに備える、請求項2記載の半導体装置。
- 前記第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極と前記ダイオード素子との間の接続ノードと前記第1のバイポーラトランジスタのベースノードとの間に接続される抵抗素子をさらに備える、請求項2記載の半導体装置。
- 前記第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極と前記第1の電極ノードとの間に接続される抵抗素子をさらに備える、請求項2記載の半導体装置。
- 前記電圧緩和素子は、前記第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極に電気的に接続される第5の導通ノードと、前記第2の電極ノードに電気的に接続される第6の導通ノードと、前記第1のバイポーラトランジスタのベースノードに電気的に接続される制御電極を有する接合電界効果トランジスタである、請求項1記載の半導体装置。
- 第1導電型の半導体基板領域、
前記半導体基板領域表面に形成される第2導電型の第1の半導体領域、
前記半導体基板領域表面に前記第1の半導体領域と離れて形成される第2導電型の第2の半導体領域、
前記第1の半導体領域に隣接して形成される第1導電型の第3の半導体領域、
前記第2の半導体領域上および前記第1の半導体領域内の一部の領域の表面上に形成される第1導電型の第4の半導体領域、
前記第4の半導体領域表面の一部の領域に形成される第2導電型の第1の不純物領域、
前記第4の半導体領域および前記第1の不純物領域電気的に接続するように形成される第1の電極層、
前記第1の不純物領域と前記第1の半導体領域の間の前記第4の半導体領域上および前記第1の半導体領域上の一部の領域上に第1の絶縁膜を介して形成される第2の電極層、
前記第1の半導体領域表面に前記第4の半導体領域と離れて、互いに間をおいて形成される第1導電型の第2および第3の不純物領域、
前記第1の半導体領域表面に前記第3の不純物領域と隣接して形成される第2導電型の第4の不純物領域、
前記第2の不純物領域に電気的に接続される第3の電極層、
前記第2および第3の不純物領域の間の前記第1の半導体領域表面上に第2の絶縁膜を介して形成される第4の電極層、
前記第3および第4の不純物領域に電気的に接続されるように形成される第5の電極層、および
前記第2の半導体領域表面に形成されるとともに前記第4の電極層に電気的に結合される第2導電型の第5の不純物領域を備える、半導体装置。 - 前記第1の半導体領域内に、前記第3および第4の不純物領域と離れて形成される第2導電型の第6の不純物領域と、
前記第6の不純物領域上に前記第6の不純物領域と接して形成されるとともに前記第4の電極層に電気的に結合される第1導電型の第7の不純物領域とをさらに備える、請求項11記載の半導体装置。 - 前記第1の半導体領域表面に前記第4の不純物領域に隣接して形成されかつ前記第5の電極層に電気的に接続される第1導電型の第6の不純物領域と、
前記第1の半導体領域表面に前記第6の不純物領域と間をおいて形成されるとともに前記第4の電極層に電気的に結合される第1導電型の第7の不純物領域をさらに備える、請求項11記載の半導体装置。 - 前記半導体基板領域表面に前記第1および第2の半導体領域の間にかつ離れて形成される第2導電型の第5の半導体領域と、
前記第1および第5の半導体領域各々の一部の領域および前記半導体基板領域表面に形成されるとともに前記第4の電極層に電気的に接続される第1導電型の第6の不純物領域をさらに備える、請求項11記載の半導体装置。 - 前記第1の半導体領域表面に形成されるとともに両端が、それぞれ、前記第4および第5の電極層に電気的に接続される第1導電型の第6の不純物領域をさらに備える、請求項11記載の半導体装置。
- 第1導電型の半導体基板領域、
前記半導体基板領域表面に互いに間をおいて形成される第2導電型の第1および第2のの半導体領域、
前記第1の半導体領域に接して形成される第1導電型の第3の半導体領域、
前記第3の半導体領域上および前記第1の半導体領域内の一部の領域の表面上に形成される第1導電型の第4の半導体領域、
前記第4の半導体領域の一部の領域の表面に形成される第2導電型の第1の不純物領域、
前記第4の半導体領域および第1の不純物領域に電気的に接続されるように形成される第1の電極層、
前記第1の不純物領域と前記第1の半導体領域の間の前記第4の半導体領域上および前記第1の半導体領域上に第1の絶縁膜を介して形成される第2の電極層、
前記第1の半導体領域表面に前記第4の半導体領域と離れて、かつ互いに間をおいて形成される第1導電型の第2および第3の不純物領域、
前記第2の不純物領域に電気的に接続されるように形成される第3の電極層、
前記第2および第3の不純物領域の間の前記第1の半導体領域表面上に第2の絶縁膜を介して形成される第4の電極層、
前記第1の半導体領域表面に前記第3の不純物領域と隣接して形成される第2導電型の第4の不純物領域、
前記第3および第4の不純物領域に電気的に接続されるように形成される第5の電極層、および
前記第3および第4の不純物領域から離れて配置され、かつ前記第1の半導体領域と前記第2の半導体領域の一部の領域の表面上に連続的に前記第1および第2の半導体領域の間の前記半導体基板領域上にわたって形成されるとともに前記第4の電極層に電気的に接続される第1導電型の第5の不純物領域を備える、半導体装置。 - 第1導電型の半導体基板領域、
前記半導体基板領域表面に互いに間をおいて形成される第2導電型の第1および第2のの半導体領域、
前記第1の半導体領域に接して形成される第1導電型の第3の半導体領域(13)、
前記第3の半導体領域上および前記第1の半導体領域内の一部の領域の表面上に形成される第1導電型の第4の半導体領域、
前記第4の半導体領域の一部の領域の表面に形成される第2導電型の第1の不純物領域、
前記第4の半導体領域および第1の不純物領域に電気的に接続されるように形成される第1の電極層、
前記第1の不純物領域と前記第1の半導体領域の間の前記第4の半導体領域上および前記第1の半導体領域上に第1の絶縁膜を介して形成される第2の電極層、
前記第1の半導体領域表面に前記第4の半導体領域と離れて、かつ互いに間をおいて形成される第1導電型の第2および第3の不純物領域、
前記第2の不純物領域に電気的に接続されるように形成される第3の電極層、
前記第2および第3の不純物領域の間の前記第1の半導体領域表面上に第2の絶縁膜を介して形成される第4の電極層、
前記第1の半導体領域表面に前記第3の不純物領域と隣接して形成される第2導電型の第4の不純物領域、
前記第3および第4の不純物領域に電気的に接続されるように形成される第5の電極層、
前記第1および第2の半導体領域の間に前記半導体基板領域と連結するように形成される第1導電型の第5の半導体領域、
前記第5の半導体領域表面に形成されるとともに前記第4の電極層に電気的に接続される第1導電型の5の不純物領域、および
前記半導体基板領域と前記第1の半導体領域の間および前記半導体基板領域と前記第2の半導体領域の間に互いに離れて形成される第2導電型の第1および第2の埋込半導体領域を備え、前記第5の半導体領域は、前記第1および第2の埋込半導体領域の間の領域を介して前記半導体基板領域に結合される、半導体装置。
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