JP2680788B2 - 集積化構造の能動クランプ装置 - Google Patents
集積化構造の能動クランプ装置Info
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- H01L27/0248—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection
- H01L27/0251—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices
- H01L27/0255—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices using diodes as protective elements
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電力ＭＯＳＦＥＴ，Ｉ
ＧＢＴ又は電力ＢＪＴのような電力半導体装置を過電圧
から保護する集積化構造の能動クランプ装置に関するも
のである。
ＧＢＴ又は電力ＢＪＴのような電力半導体装置を過電圧
から保護する集積化構造の能動クランプ装置に関するも
のである。
【０００２】ダイナミッククランプ回路は一般に、誘導
性負荷を駆動する電力半導体装置と共に用いられ、負荷
電流がスイッチ・オフされると発生される過電圧に対し
電力半導体装置を保護するものである。
性負荷を駆動する電力半導体装置と共に用いられ、負荷
電流がスイッチ・オフされると発生される過電圧に対し
電力半導体装置を保護するものである。
【０００３】ダイナミッククランプ回路は２種類の広い
範疇、すなわち能動クランプ回路及び受動クランプ回路
に分けられる。
範疇、すなわち能動クランプ回路及び受動クランプ回路
に分けられる。
【０００４】代表的な能動クランプ回路は、陽極によっ
て相互接続された２つのツェナーダイオードと、抵抗と
を有し、第１又は逆方向ツェナーダイオードの陰極は、
誘導性負荷も接続されている電力半導体装置の端子、例
えば電力ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子又は絶縁ゲートバ
イポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）或いは電力バイポー
ラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）のコレクタ端子に接続さ
れ、第２又は順方向ツェナーダイオードの陰極は、電力
半導体装置の駆動電極、すなわち電力ＭＯＳＦＥＴ又は
ＩＧＢＴのゲート電極或いは電力ＢＪＴのベース電極に
接続され、前記の抵抗は電力半導体装置の駆動電極と駆
動信号が供給される駆動端子との間に接続されている。
て相互接続された２つのツェナーダイオードと、抵抗と
を有し、第１又は逆方向ツェナーダイオードの陰極は、
誘導性負荷も接続されている電力半導体装置の端子、例
えば電力ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子又は絶縁ゲートバ
イポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）或いは電力バイポー
ラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）のコレクタ端子に接続さ
れ、第２又は順方向ツェナーダイオードの陰極は、電力
半導体装置の駆動電極、すなわち電力ＭＯＳＦＥＴ又は
ＩＧＢＴのゲート電極或いは電力ＢＪＴのベース電極に
接続され、前記の抵抗は電力半導体装置の駆動電極と駆
動信号が供給される駆動端子との間に接続されている。
【０００５】例えば電力ＭＯＳＦＥＴを参照するに、駆
動端子が低レベルに駆動されると、電力ＭＯＳＦＥＴが
ターン・オフし、負荷の誘導特性の為に、過電圧がドレ
イン端子に現われ、第１ツェナーダイオードのツェナー
電圧Ｖｚが電力ＭＯＳＦＥＴの降伏電圧よりも低いもの
とすると、ドレイン端子における電圧がＶｚを越えると
（より正確に言えば、ドレイン電圧がＶｚと第２ツェナ
ーダイオードをターン・オンさせのに必要な順方向電圧
との和を越えると）、第１ツェナーダイオードが降伏
し、電流が２つのツェナーダイオードと抵抗とを経て駆
動端子に流れることができ、この電流が抵抗の両端間に
電圧降下を生ぜしめ、従って電力ＭＯＳＦＥＴのゲート
端子における電圧を上昇させ、これにより電力ＭＯＳＦ
ＥＴを再びターン・オンさせ、従って、過電圧が制限さ
れる。駆動端子が高レベルに駆動された際に（すなわち
電力半導体装置がスイッチ・オンされた際に）、電流が
駆動端子からドレイン端子に流れるのを阻止するために
第２ツェナーダイオードが用いられており、従って全５
ボルトの信号を電力ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に供給し
うる。
動端子が低レベルに駆動されると、電力ＭＯＳＦＥＴが
ターン・オフし、負荷の誘導特性の為に、過電圧がドレ
イン端子に現われ、第１ツェナーダイオードのツェナー
電圧Ｖｚが電力ＭＯＳＦＥＴの降伏電圧よりも低いもの
とすると、ドレイン端子における電圧がＶｚを越えると
（より正確に言えば、ドレイン電圧がＶｚと第２ツェナ
ーダイオードをターン・オンさせのに必要な順方向電圧
との和を越えると）、第１ツェナーダイオードが降伏
し、電流が２つのツェナーダイオードと抵抗とを経て駆
動端子に流れることができ、この電流が抵抗の両端間に
電圧降下を生ぜしめ、従って電力ＭＯＳＦＥＴのゲート
端子における電圧を上昇させ、これにより電力ＭＯＳＦ
ＥＴを再びターン・オンさせ、従って、過電圧が制限さ
れる。駆動端子が高レベルに駆動された際に（すなわち
電力半導体装置がスイッチ・オンされた際に）、電流が
駆動端子からドレイン端子に流れるのを阻止するために
第２ツェナーダイオードが用いられており、従って全５
ボルトの信号を電力ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に供給し
うる。
【０００６】上述したようなクランプ回路は、電力半導
体装置と同じチップ内に集積化した場合に良好に機能す
る。すなわち、この場合、寄生インダクタンスやクラン
プ回路の動作時間が著しく減少する。
体装置と同じチップ内に集積化した場合に良好に機能す
る。すなわち、この場合、寄生インダクタンスやクラン
プ回路の動作時間が著しく減少する。
【０００７】
【従来の技術】電力ＭＯＳＦＥＴチップに集積化するの
に適した能動クランプ回路は既知であり、このような能
動クランプ回路は概念的に上述した回路と同じであり、
唯一の相違は単一の第１ツェナーダイオードの代わりに
直列に接続した複数の一連の第１ツェナーダイオードが
存在することにある。各第１ツェナーダイオードは、電
力ＭＯＳＦＥＴの種々の構成素子の深い本体領域と同時
に形成したＰ+ 半導体領域を以って構成した陽極領域
と、電力ＭＯＳＦＥＴのソース領域と同時に前記の陽極
領域内に形成したＮ+ 半導体領域を以って構成された陰
極領域とを有している。１つの第２ツェナーダイオード
は、金属層により電力半導体装置のゲート電極に接続さ
れた陰極領域と、複数の第１ダイオードのうちの隣接の
第１ダイオードの陽極領域に接続された陽極領域とを有
し、複数の第１ダイオードのうちの最後の第１ダイオー
ドの陰極領域が、Ｎ+ 基板上に成長され且つ電力半導体
装置の構成素子も得るＮ- エピタキシアル層（“ドリフ
ト層”とも称する）に対するＮ + 接点領域により電力Ｍ
ＯＳＦＥＴのドレインに接続されている。
に適した能動クランプ回路は既知であり、このような能
動クランプ回路は概念的に上述した回路と同じであり、
唯一の相違は単一の第１ツェナーダイオードの代わりに
直列に接続した複数の一連の第１ツェナーダイオードが
存在することにある。各第１ツェナーダイオードは、電
力ＭＯＳＦＥＴの種々の構成素子の深い本体領域と同時
に形成したＰ+ 半導体領域を以って構成した陽極領域
と、電力ＭＯＳＦＥＴのソース領域と同時に前記の陽極
領域内に形成したＮ+ 半導体領域を以って構成された陰
極領域とを有している。１つの第２ツェナーダイオード
は、金属層により電力半導体装置のゲート電極に接続さ
れた陰極領域と、複数の第１ダイオードのうちの隣接の
第１ダイオードの陽極領域に接続された陽極領域とを有
し、複数の第１ダイオードのうちの最後の第１ダイオー
ドの陰極領域が、Ｎ+ 基板上に成長され且つ電力半導体
装置の構成素子も得るＮ- エピタキシアル層（“ドリフ
ト層”とも称する）に対するＮ + 接点領域により電力Ｍ
ＯＳＦＥＴのドレインに接続されている。
【０００８】しかし、このような構造のものを電力半導
体装置に集積化すると、ツェナーダイオードのＮ+ 陰極
領域及びＰ+ 陽極領域を以って構成されるエミッタ及び
ベースとＮ- ドリフト層を以って構成されるコレクタと
を有する寄生バイポーラトランジスタが各ツェナーダイ
オードと関連して存在する為に、装置全体の降伏電圧が
電力半導体装置のみの降伏電圧よりも低くなる。電力半
導体装置がスイッチ・オフされると、ゲート及びソース
が同電位となり、一方、一連の第１ツェナーダイオード
のうちの最後のツェナーダイオードの陰極領域が電力Ｍ
ＯＳＦＥＴのドレイン電極と同電位となり、このような
状態では装置全体の降伏電圧が寄生トランジスタのコレ
クタ−エミッタ降伏電圧（ＢＶCEO ）に等しくなる。こ
れに対し、電力ＭＯＳＦＥＴのみの降服電圧は深い本体
領域とドリフト層との間の接合の降伏電圧（ＢＶCBO ）
によって与えられる。その理由は、電力ＭＯＳＦＥＴの
各構成素子においては、ソースと深い本体領域とが短絡
される為である。次式
体装置に集積化すると、ツェナーダイオードのＮ+ 陰極
領域及びＰ+ 陽極領域を以って構成されるエミッタ及び
ベースとＮ- ドリフト層を以って構成されるコレクタと
を有する寄生バイポーラトランジスタが各ツェナーダイ
オードと関連して存在する為に、装置全体の降伏電圧が
電力半導体装置のみの降伏電圧よりも低くなる。電力半
導体装置がスイッチ・オフされると、ゲート及びソース
が同電位となり、一方、一連の第１ツェナーダイオード
のうちの最後のツェナーダイオードの陰極領域が電力Ｍ
ＯＳＦＥＴのドレイン電極と同電位となり、このような
状態では装置全体の降伏電圧が寄生トランジスタのコレ
クタ−エミッタ降伏電圧（ＢＶCEO ）に等しくなる。こ
れに対し、電力ＭＯＳＦＥＴのみの降服電圧は深い本体
領域とドリフト層との間の接合の降伏電圧（ＢＶCBO ）
によって与えられる。その理由は、電力ＭＯＳＦＥＴの
各構成素子においては、ソースと深い本体領域とが短絡
される為である。次式
【数１】 が満足される為、チップの降伏電圧は電力ＭＯＳＦＥＴ
のみの降服電圧に比べて著しく減少する。
のみの降服電圧に比べて著しく減少する。
【０００９】この構造の他の欠点は、ツェナーダイオー
ドの陽極及び陰極の双方の領域が多量にドーピングされ
ている高ドープ半導体領域である為、各ダイオードの降
伏電圧が低くなり、これにより、一方では、比較的高い
クランプ電圧を達成する必要がある場合にある個数のダ
イオードを直列に接続する必要を生じ、他方では、電力
半導体装置をスイッチ・オンした際に、電力半導体装置
のゲート電極に接続されている陰極を有するツェナーダ
イオードを降伏せしめることなく電力半導体装置の駆動
端子に供給しうる駆動信号の最大電圧値を制限してしま
うということである。
ドの陽極及び陰極の双方の領域が多量にドーピングされ
ている高ドープ半導体領域である為、各ダイオードの降
伏電圧が低くなり、これにより、一方では、比較的高い
クランプ電圧を達成する必要がある場合にある個数のダ
イオードを直列に接続する必要を生じ、他方では、電力
半導体装置をスイッチ・オンした際に、電力半導体装置
のゲート電極に接続されている陰極を有するツェナーダ
イオードを降伏せしめることなく電力半導体装置の駆動
端子に供給しうる駆動信号の最大電圧値を制限してしま
うということである。
【００１０】特開平４−２９１７６７号公報には、直列
に接続したシリコン接合ダイオード及び多結晶シリコン
接合ダイオードを有する能動クランプ装置が開示されて
いる。多結晶シリコンダイオードは電力ＭＯＳＦＥＴの
ゲートに接続された陰極を有し、シリコンダイオードは
Ｎ- ドリフト層を経て電力ＭＯＳＦＥＴのドレインに接
続された陰極と、深いＰ+ 領域より成る陽極とを有し、
この深いＰ+ 領域は電力半導体装置の構成素子の深いＰ
+ 本体領域よりも深いものである。シリコンダイオード
の接合は構成素子の深い本体領域とドリフト層との間の
接合よりも深い為、シリコンダイオードの降伏電圧は電
力ＭＯＳＦＥＴの降伏電圧よりも低くなり、従ってクラ
ンプ作用が得られる。
に接続したシリコン接合ダイオード及び多結晶シリコン
接合ダイオードを有する能動クランプ装置が開示されて
いる。多結晶シリコンダイオードは電力ＭＯＳＦＥＴの
ゲートに接続された陰極を有し、シリコンダイオードは
Ｎ- ドリフト層を経て電力ＭＯＳＦＥＴのドレインに接
続された陰極と、深いＰ+ 領域より成る陽極とを有し、
この深いＰ+ 領域は電力半導体装置の構成素子の深いＰ
+ 本体領域よりも深いものである。シリコンダイオード
の接合は構成素子の深い本体領域とドリフト層との間の
接合よりも深い為、シリコンダイオードの降伏電圧は電
力ＭＯＳＦＥＴの降伏電圧よりも低くなり、従ってクラ
ンプ作用が得られる。
【００１１】この構造のものはその前に記載したものに
比べて２つの利点を有する。第１の利点はこのクランプ
装置が一層小型化される。その理由は、複数のダイオー
ドの列を有する必要がない為である。第２の利点は、多
結晶シリコンダイオードは絶縁性の酸化物層上に堆積し
た多結晶シリコン層内に形成される為、この多結晶シリ
コンダイオードがＮ- ドリフト層や電力ＭＯＳＦＥＴの
ドレインから電気的に分離され、従って寄生トランジス
タが形成されず、従って全降伏電圧が減少しないという
ことである。
比べて２つの利点を有する。第１の利点はこのクランプ
装置が一層小型化される。その理由は、複数のダイオー
ドの列を有する必要がない為である。第２の利点は、多
結晶シリコンダイオードは絶縁性の酸化物層上に堆積し
た多結晶シリコン層内に形成される為、この多結晶シリ
コンダイオードがＮ- ドリフト層や電力ＭＯＳＦＥＴの
ドレインから電気的に分離され、従って寄生トランジス
タが形成されず、従って全降伏電圧が減少しないという
ことである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この構造の場
合、シリコンダイオードの降伏電圧（すなわち能動クラ
ンプ装置のクランプ電圧）がこのダイオードの陽極領域
の下側のドリフト層の厚さに依存するという重大な欠点
がある。すなわち、ドリフト層は通常エピタキシアル層
である為、その固有抵抗や厚さがウェファ毎に又はウェ
ファの組毎に異なってしまい、従ってクランプ電圧の値
が変化してしまう。他の欠点は、シリコンダイオードの
深い陽極領域を得るのに長い拡散時間を必要とするとい
うことである。これによりＭＯＳＦＥＴのドレインのド
ーピング濃度分布を変えてしまう。
合、シリコンダイオードの降伏電圧（すなわち能動クラ
ンプ装置のクランプ電圧）がこのダイオードの陽極領域
の下側のドリフト層の厚さに依存するという重大な欠点
がある。すなわち、ドリフト層は通常エピタキシアル層
である為、その固有抵抗や厚さがウェファ毎に又はウェ
ファの組毎に異なってしまい、従ってクランプ電圧の値
が変化してしまう。他の欠点は、シリコンダイオードの
深い陽極領域を得るのに長い拡散時間を必要とするとい
うことである。これによりＭＯＳＦＥＴのドレインのド
ーピング濃度分布を変えてしまう。
【００１３】本発明の目的は、上述した欠点の無い集積
化構造の能動クランプ装置を提供せんとするにある。
化構造の能動クランプ装置を提供せんとするにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、電力半導体装
置を過電圧に対し保護する集積化構造の能動クランプ装
置であって、この能動クランプ装置は、第１導電型の低
ドープ層内に形成された少なくとも１つの第１ダイオー
ドと少なくとも１つの第２ダイオードとを有しており、
電力半導体装置もこの低ドープ層内に形成され、第１ダ
イオードは電力半導体装置の制御電極に接続された第１
電極と、第２ダイオードの第２電極に接続された第２電
極とを有し、前記の第２ダイオードの第１電極は電力半
導体装置の負荷駆動電極に接続されている当該集積化構
造のクランプ装置において、第２ダイオードの第２電極
は低ドープ層内に埋込まれた第２導電型の第１埋込領域
を以って構成され、第２ダイオードの第１電極は前記の
第１埋込領域を部分的に被覆するように半導体頂面から
低ドープ層内に延在する第１導電型の第１ドープ領域を
以って構成されていることを特徴とする。
置を過電圧に対し保護する集積化構造の能動クランプ装
置であって、この能動クランプ装置は、第１導電型の低
ドープ層内に形成された少なくとも１つの第１ダイオー
ドと少なくとも１つの第２ダイオードとを有しており、
電力半導体装置もこの低ドープ層内に形成され、第１ダ
イオードは電力半導体装置の制御電極に接続された第１
電極と、第２ダイオードの第２電極に接続された第２電
極とを有し、前記の第２ダイオードの第１電極は電力半
導体装置の負荷駆動電極に接続されている当該集積化構
造のクランプ装置において、第２ダイオードの第２電極
は低ドープ層内に埋込まれた第２導電型の第１埋込領域
を以って構成され、第２ダイオードの第１電極は前記の
第１埋込領域を部分的に被覆するように半導体頂面から
低ドープ層内に延在する第１導電型の第１ドープ領域を
以って構成されていることを特徴とする。
【００１５】本発明によれば、第２ダイオードが、低ド
ープ層の固有抵抗や厚さに依存せず、従って統計的な処
理上の変化に依存しない降伏電圧を有する。第２ダイオ
ードの降伏電圧は第１埋込領域及び第１ドープ領域にお
けるドーパント濃度と、これらの幾何学的寸法とに依存
するもので、これらは双方共正確に制御しうる。第２ダ
イオードの降伏電圧は能動クランプ装置のクランプ電圧
値を決定する為、クランプ電圧値は殆ど統計的な変化を
呈さず、再現性に優れたものとなる。
ープ層の固有抵抗や厚さに依存せず、従って統計的な処
理上の変化に依存しない降伏電圧を有する。第２ダイオ
ードの降伏電圧は第１埋込領域及び第１ドープ領域にお
けるドーパント濃度と、これらの幾何学的寸法とに依存
するもので、これらは双方共正確に制御しうる。第２ダ
イオードの降伏電圧は能動クランプ装置のクランプ電圧
値を決定する為、クランプ電圧値は殆ど統計的な変化を
呈さず、再現性に優れたものとなる。
【００１６】本発明の好適例では、第１ダイオードの第
２電極が低ドープ層内に埋込まれた第２導電型の第２埋
込領域を以って構成され、第１ダイオードの第１電極が
半導体頂面から前記の第２埋込領域まで延在する第１導
電型の第２ドープ領域を以って構成され、前記の第２ド
ープ領域は低ドープ層のドーパント濃度と第２埋込領域
のドーパント濃度との間のドーパント濃度を有し、これ
により、第２ドープ領域、第２埋込領域及び低ドープ層
を以ってそれぞれ構成されるエミッタ、ベース及びコレ
クタを有する寄生バイポーラトランジスタの利得を減少
させるようにする。
２電極が低ドープ層内に埋込まれた第２導電型の第２埋
込領域を以って構成され、第１ダイオードの第１電極が
半導体頂面から前記の第２埋込領域まで延在する第１導
電型の第２ドープ領域を以って構成され、前記の第２ド
ープ領域は低ドープ層のドーパント濃度と第２埋込領域
のドーパント濃度との間のドーパント濃度を有し、これ
により、第２ドープ領域、第２埋込領域及び低ドープ層
を以ってそれぞれ構成されるエミッタ、ベース及びコレ
クタを有する寄生バイポーラトランジスタの利得を減少
させるようにする。
【００１７】この好適例の能動クランプ装置は極めて小
型化され、その動作特性は寄生素子の存在によって劣化
されない。
型化され、その動作特性は寄生素子の存在によって劣化
されない。
【００１８】
【実施例】図１は本発明による集積化構造の能動クラン
プ装置を示し、この装置は以下の説明では電力ＭＯＳＦ
ＥＴチップ内に集積化されるものとする。この能動クラ
ンプ装置がＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジス
タ）又は電力ＢＪＴ（バイポーラ接合トランジスタ）内
に集積化される場合にも何の変更もない。
プ装置を示し、この装置は以下の説明では電力ＭＯＳＦ
ＥＴチップ内に集積化されるものとする。この能動クラ
ンプ装置がＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジス
タ）又は電力ＢＪＴ（バイポーラ接合トランジスタ）内
に集積化される場合にも何の変更もない。
【００１９】能動クランプ装置は、“ドリフト層”とも
称する低ドープＮ- エピタキシアル層１内に形成した２
つのシリコン接合ダイオードを有する。このエピタキシ
アル層１は、電力ＭＯＳＦＥＴのドレイン接点領域とな
る高ドープＮ+ 層２上に成長されている。
称する低ドープＮ- エピタキシアル層１内に形成した２
つのシリコン接合ダイオードを有する。このエピタキシ
アル層１は、電力ＭＯＳＦＥＴのドレイン接点領域とな
る高ドープＮ+ 層２上に成長されている。
【００２０】能動クランプ装置の第１ダイオードＤ１は
深い高ドープＰ+ 環状領域４により囲まれており、この
環状領域は電力半導体装置（図示せず）の構成素子に対
する深い本体領域と同時に形成される。この環状領域４
内には第１ダイオードＤ１の陽極領域を構成するＰ型埋
込領域５が形成され、このＰ型埋込領域５の縁部は環状
領域４に隣接している。この埋込領域５上にはＮ型領域
６が重畳され、このＮ型領域は半導体の頂面から延在し
ダイオードＤ１の陰極領域を構成している。Ｐ型埋込領
域５は高エネルギーのアクセプタイオン、例えば硼素イ
オンを注入することにより得る為、拡散後に得られるド
ーパント濃度分布は半導体頂面の下側の位置で最大とな
り、この半導体頂面でアクセプタイオン濃度を低ドープ
Ｎ- エピタキシアル層１におけるドナーイオン濃度と同
程度の大きさとする。実際には、約１５０ＫｅＶの注入
エネルギーで、ドーパント濃度ピークが半導体頂面より
も約０．４μm 下側に位置する。従って、次のイオン注
入及び拡散によって得られる陰極領域６のドーパント濃
度を陽極領域５のドーパント濃度に等しく或いはこれよ
りも低くにもすることができる。これにより、ダイオー
ドＤ１の陰極領域６を以って構成されるエミッタと、ダ
イオードＤ１の陽極領域５を以って構成されるベース
と、エピタキシアル層１を以って構成されるコレクタと
を有する寄生バイポーラトランジスタの利得を減少せし
めることができる。この寄生バイポーラトランジスタの
利得の減少が、この寄生バイポーラトランジスタのエミ
ッタ−コレクタ降伏の発生により電力ＭＯＳＦＥＴの降
伏電圧が減少するのを防止する。図２においてＮｄはダ
イオードＤ１の陰極領域６におけるドナー濃度分布を示
し、ＮａはダイオードＤ１の陽極領域５におけるアクセ
プタ濃度分布を示す。
深い高ドープＰ+ 環状領域４により囲まれており、この
環状領域は電力半導体装置（図示せず）の構成素子に対
する深い本体領域と同時に形成される。この環状領域４
内には第１ダイオードＤ１の陽極領域を構成するＰ型埋
込領域５が形成され、このＰ型埋込領域５の縁部は環状
領域４に隣接している。この埋込領域５上にはＮ型領域
６が重畳され、このＮ型領域は半導体の頂面から延在し
ダイオードＤ１の陰極領域を構成している。Ｐ型埋込領
域５は高エネルギーのアクセプタイオン、例えば硼素イ
オンを注入することにより得る為、拡散後に得られるド
ーパント濃度分布は半導体頂面の下側の位置で最大とな
り、この半導体頂面でアクセプタイオン濃度を低ドープ
Ｎ- エピタキシアル層１におけるドナーイオン濃度と同
程度の大きさとする。実際には、約１５０ＫｅＶの注入
エネルギーで、ドーパント濃度ピークが半導体頂面より
も約０．４μm 下側に位置する。従って、次のイオン注
入及び拡散によって得られる陰極領域６のドーパント濃
度を陽極領域５のドーパント濃度に等しく或いはこれよ
りも低くにもすることができる。これにより、ダイオー
ドＤ１の陰極領域６を以って構成されるエミッタと、ダ
イオードＤ１の陽極領域５を以って構成されるベース
と、エピタキシアル層１を以って構成されるコレクタと
を有する寄生バイポーラトランジスタの利得を減少せし
めることができる。この寄生バイポーラトランジスタの
利得の減少が、この寄生バイポーラトランジスタのエミ
ッタ−コレクタ降伏の発生により電力ＭＯＳＦＥＴの降
伏電圧が減少するのを防止する。図２においてＮｄはダ
イオードＤ１の陰極領域６におけるドナー濃度分布を示
し、ＮａはダイオードＤ１の陽極領域５におけるアクセ
プタ濃度分布を示す。
【００２１】能動クランプ装置の第２ダイオードＤ２
は、環状領域４や、電力ＭＯＳＦＥＴの構成素子の深い
本体領域と同時に形成した深いＰ+ 領域９を有する。こ
の深いＰ+ 領域９を、所望に応じ、この深いＰ+ 領域９
とＮ- ドリフト層１との間の接合の湾曲縁部で降伏が生
じるのを阻止するのに適した低ドープＰ- 環状領域１０
により囲む。ダイオードＤ２の陽極領域を構成するＰ型
埋込領域１１はその一つの縁部で環状領域１０に隣接し
ており且つダイオードＤ２の陰極領域を構成するＮ型領
域１２により部分的に被覆されており、Ｎ型領域１２は
その一つの縁部でＮ+ 領域１３に隣接している。Ｐ型埋
込領域１１はアクセプタイオンの高エネルギー注入によ
りダイオードＤ１の埋込領域５と同時に形成する。従っ
て、ドーパント濃度のピークは半導体頂面の下側に位置
する。
は、環状領域４や、電力ＭＯＳＦＥＴの構成素子の深い
本体領域と同時に形成した深いＰ+ 領域９を有する。こ
の深いＰ+ 領域９を、所望に応じ、この深いＰ+ 領域９
とＮ- ドリフト層１との間の接合の湾曲縁部で降伏が生
じるのを阻止するのに適した低ドープＰ- 環状領域１０
により囲む。ダイオードＤ２の陽極領域を構成するＰ型
埋込領域１１はその一つの縁部で環状領域１０に隣接し
ており且つダイオードＤ２の陰極領域を構成するＮ型領
域１２により部分的に被覆されており、Ｎ型領域１２は
その一つの縁部でＮ+ 領域１３に隣接している。Ｐ型埋
込領域１１はアクセプタイオンの高エネルギー注入によ
りダイオードＤ１の埋込領域５と同時に形成する。従っ
て、ドーパント濃度のピークは半導体頂面の下側に位置
する。
【００２２】半導体頂面は絶縁性の酸化物層１４により
被覆され、この酸化物層に、重畳される金属層を半導体
選択領域に接触させる接点領域をあける。この金属層は
相互接続ラインのパターンを形成する。第１相互接続ラ
イン７はＮ型領域６に接触し、このＮ型領域６を電力半
導体装置（図示せず）のゲート層Ｇに接続し、第２相互
接続ライン８は環状領域４に接触し、この環状領域を深
いＰ+ 領域９に接続し、このＰ+ 領域９をダイオードＤ
１の埋込領域５に電気接触させる。
被覆され、この酸化物層に、重畳される金属層を半導体
選択領域に接触させる接点領域をあける。この金属層は
相互接続ラインのパターンを形成する。第１相互接続ラ
イン７はＮ型領域６に接触し、このＮ型領域６を電力半
導体装置（図示せず）のゲート層Ｇに接続し、第２相互
接続ライン８は環状領域４に接触し、この環状領域を深
いＰ+ 領域９に接続し、このＰ+ 領域９をダイオードＤ
１の埋込領域５に電気接触させる。
【００２３】等電位線はＰ型埋込領域１１とＮ型領域１
２との間の界面に密集する為、ダイオードＤ２は横方向
に降伏し、この為にダイオードＤ２の降伏電圧はＮ- エ
ピタキシアル層１の厚さ及び固有抵抗に依存せず、従っ
て処理の変化に依存しなくなる。その代わり、ダイオー
ドＤ２の降伏電圧はＰ型埋込領域１１及びＮ型領域１２
のドーパント濃度及び寸法に依存する。しかし、これら
２つの領域のドーパント濃度及び寸法の双方共正確に制
御しうる為、クランプ電圧に対し極めて再現性のよい値
を有する能動クランプ装置を得ることができる。更に、
降伏領域が半導体頂面に位置しない為、降伏電圧は酸化
物層１４や酸化物−珪素界面に電荷が存在することによ
って影響を受けない。
２との間の界面に密集する為、ダイオードＤ２は横方向
に降伏し、この為にダイオードＤ２の降伏電圧はＮ- エ
ピタキシアル層１の厚さ及び固有抵抗に依存せず、従っ
て処理の変化に依存しなくなる。その代わり、ダイオー
ドＤ２の降伏電圧はＰ型埋込領域１１及びＮ型領域１２
のドーパント濃度及び寸法に依存する。しかし、これら
２つの領域のドーパント濃度及び寸法の双方共正確に制
御しうる為、クランプ電圧に対し極めて再現性のよい値
を有する能動クランプ装置を得ることができる。更に、
降伏領域が半導体頂面に位置しない為、降伏電圧は酸化
物層１４や酸化物−珪素界面に電荷が存在することによ
って影響を受けない。
【００２４】電力半導体装置を製造するのと共通の製造
処理を用いる為、本発明による能動クランプ装置を集積
化するには一方が比較的高いエネルギーの２回のイオン
注入工程と、２回の拡散工程とを追加するだけで足り
る。Ｐ型埋込領域５及び１１とＮ型領域６及び１２との
双方は、すべての高温度拡散工程を実行した後に得られ
る。
処理を用いる為、本発明による能動クランプ装置を集積
化するには一方が比較的高いエネルギーの２回のイオン
注入工程と、２回の拡散工程とを追加するだけで足り
る。Ｐ型埋込領域５及び１１とＮ型領域６及び１２との
双方は、すべての高温度拡散工程を実行した後に得られ
る。
【図１】本発明による集積化構造の能動クランプ装置を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図２】図１の構造を得るのに適したドーパント濃度分
布を示すグラフ線図である。
布を示すグラフ線図である。
１ Ｎ- エピタキシアル層（ドリフト層） ２ Ｎ+ 層 ４ Ｐ+ 環状領域 ５ Ｐ型埋込領域（陽極領域） ６ Ｎ型領域（陰極領域） ７ 第１相互接続ライン ８ 第２相互接続ライン ９ Ｐ+ 領域 １０ Ｐ- 環状領域 １１ Ｐ型埋込領域（陽極領域） １２ Ｎ型領域（陰極領域） １３ Ｎ+ 領域 １４ 酸化物層
Claims (10)
- 【請求項１】 電力半導体装置を過電圧に対し保護する
集積化構造の能動クランプ装置であって、この能動クラ
ンプ装置は、第１導電型の低ドープ層（１）内に形成さ
れた少なくとも１つの第１ダイオード（Ｄ１）と少なく
とも１つの第２ダイオード（Ｄ２）とを有しており、電
力半導体装置もこの低ドープ層内に形成され、第１ダイ
オード（Ｄ１）は電力半導体装置の制御電極（Ｇ）に接
続された第１電極と、第２ダイオード（Ｄ２）の第２電
極に接続された第２電極とを有し、前記の第２ダイオー
ド（Ｄ２）の第１電極は電力半導体装置の負荷駆動電極
（Ｄ）に接続されている当該集積化構造のクランプ装置
において、 第２ダイオードの第２電極は低ドープ層（１）内に埋込
まれた第２導電型の第１埋込領域（１１）を以って構成
され、第２ダイオードの第１電極は前記の第１埋込領域
（１１）を部分的に被覆するように半導体頂面から低ド
ープ層（１）内に延在する第１導電型の第１ドープ領域
（１２）を以って構成されていることを特徴とする集積
化構造の能動クランプ装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の集積化構造の能動クラ
ンプ装置において、前記の第１埋込領域（１１）は、第
２ダイオード（Ｄ２）の第２電極に対する接点領域を構
成する第２導電型の深い第１高ドープ領域（９）に隣接
していることを特徴とする集積化構造の能動クランプ装
置。 - 【請求項３】 請求項１に記載の集積化構造の能動クラ
ンプ装置において、前記の第１埋込領域（１１）は、第
２ダイオード（Ｄ２）の第２電極に対する接点領域を構
成する第２導電型の深い第１高ドープ領域（９）を囲む
第２導電型の低ドープ環状領域（１０）に隣接している
ことを特徴とする集積化構造の能動クランプ装置。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一項に記載の集
積化構造の能動クランプ装置において、第１ダイオード
の第２電極が低ドープ層（１）内に埋込まれた第２導電
型の第２埋込領域（５）を以って構成され、第１ダイオ
ードの第１電極が半導体頂面から前記の第２埋込領域
（５）まで延在する第１導電型の第２ドープ領域（６）
を以って構成され、前記の第２ドープ領域（６）は低ド
ープ層（１）のドーパント濃度と第２埋込領域（５）の
ドーパント濃度（Ｎａ）との間のドーパント濃度（Ｎ
ｄ）を有し、これにより、第２ドープ領域（６）、第２
埋込領域（５）及び低ドープ層（１）を以ってそれぞれ
構成されるエミッタ、ベース及びコレクタを有する寄生
バイポーラトランジスタの利得を減少させるようになっ
ていることを特徴とする集積化構造の能動クランプ装
置。 - 【請求項５】 請求項４に記載の集積化構造の能動クラ
ンプ装置において、前記の第２埋込領域（５）が、第１
ダイオード（Ｄ１）の第２電極に対する接点領域を構成
する第２導電型の深い高ドープ環状領域（４）により囲
まれ且つこの環状領域に隣接しており、この環状領域は
前記の第２ダイオード（Ｄ２）の第２電極に電気的に接
続されていることを特徴とする集積化構造の能動クラン
プ装置。 - 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか一項に記載の集
積化構造の能動クランプ装置において、電力半導体装置
が電力ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする集積化構造
の能動クランプ装置。 - 【請求項７】 請求項１〜５のいずれか一項に記載の集
積化構造の能動クランプ装置において、電力半導体装置
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
とする集積化構造の能動クランプ装置。 - 【請求項８】 請求項１〜５のいずれか一項に記載の集
積化構造の能動クランプ装置において、電力半導体装置
が電力バイポーラ接合ランジスタであることを特徴とす
る集積化構造の能動クランプ装置。 - 【請求項９】 請求項１〜８のいずれか一項に記載の集
積化構造の能動クランプ装置において、前記の第１導電
型の領域はドナー不純物がドーピングされた半導体領域
であり、前記の第２導電型の領域はアクセプタ不純物が
ドーピングされた半導体領域であることを特徴とする集
積化構造の能動クランプ装置。 - 【請求項１０】 請求項１〜８のいずれか一項に記載の
集積化構造の能動クランプ装置において、前記の第１導
電型の領域はアクセプタ不純物がドーピングされた半導
体領域であり、前記の第２導電型の領域はドナー不純物
がドーピングされた半導体領域であることを特徴とする
集積化構造の能動クランプ装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT93830497:9 | 1993-12-13 | ||
| EP93830497A EP0657933B1 (en) | 1993-12-13 | 1993-12-13 | Integrated structure active clamp for the protection of power semiconductor devices against overvoltages |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07202199A JPH07202199A (ja) | 1995-08-04 |
| JP2680788B2 true JP2680788B2 (ja) | 1997-11-19 |
Family
ID=8215274
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6307581A Expired - Fee Related JP2680788B2 (ja) | 1993-12-13 | 1994-12-12 | 集積化構造の能動クランプ装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5530271A (ja) |
| EP (1) | EP0657933B1 (ja) |
| JP (1) | JP2680788B2 (ja) |
| DE (1) | DE69328932T2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH098075A (ja) * | 1995-06-23 | 1997-01-10 | Toshiba Corp | 半導体装置 |
| US5789951A (en) * | 1997-01-31 | 1998-08-04 | Motorola, Inc. | Monolithic clamping circuit and method of preventing transistor avalanche breakdown |
| US6005438A (en) * | 1997-12-10 | 1999-12-21 | National Semiconductor Corporation | Output high voltage clamped circuit for low voltage differential swing applications in the case of overload |
| JP3911566B2 (ja) | 1998-01-27 | 2007-05-09 | 富士電機デバイステクノロジー株式会社 | Ｍｏｓ型半導体装置 |
| DE19919140B4 (de) | 1998-04-29 | 2011-03-31 | National Semiconductor Corp.(N.D.Ges.D.Staates Delaware), Santa Clara | Niederspannungs-Differenzsignaltreiber mit Vorverstärkerschaltung |
| US6111431A (en) * | 1998-05-14 | 2000-08-29 | National Semiconductor Corporation | LVDS driver for backplane applications |
| US6833590B2 (en) * | 2001-01-11 | 2004-12-21 | Renesas Technology Corp. | Semiconductor device |
| GB2413699B (en) * | 2004-04-29 | 2006-02-15 | Lite On Semiconductor Corp | Overvoltage protection device and manufacturing process for the same |
| JP4620387B2 (ja) * | 2004-06-15 | 2011-01-26 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | 半導体保護装置 |
| US7342420B2 (en) * | 2004-09-24 | 2008-03-11 | Integrated Device Technology, Inc. | Low power output driver |
| US7636005B2 (en) * | 2007-09-07 | 2009-12-22 | International Rectifier Corporation | Active clamp for semiconductor device |
| US8665007B2 (en) * | 2011-06-10 | 2014-03-04 | Cypress Semiconductor Corporation | Dynamic power clamp for RFID power control |
| US20130240894A1 (en) * | 2012-03-13 | 2013-09-19 | Hans Joachim Würfl | Overvoltage Protection Device for Compound Semiconductor Field Effect Transistors |
| US9379541B2 (en) | 2013-09-26 | 2016-06-28 | Globalfoundries Inc. | EOS protection circuit with FET-based trigger diodes |
| US9093568B1 (en) * | 2014-04-16 | 2015-07-28 | Infineon Technologies Ag | Semiconductor diode |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3806773A (en) * | 1971-07-17 | 1974-04-23 | Sony Corp | Field effect transistor having back-to-back diodes connected to the gate electrode and having a protective layer between the source and the diodes to prevent thyristor action |
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| US4736271A (en) * | 1987-06-23 | 1988-04-05 | Signetics Corporation | Protection device utilizing one or more subsurface diodes and associated method of manufacture |
| JPH0642557B2 (ja) * | 1987-12-14 | 1994-06-01 | 日本電気株式会社 | 静電保護ダイオードを有する半導体装置 |
| US5119162A (en) * | 1989-02-10 | 1992-06-02 | Texas Instruments Incorporated | Integrated power DMOS circuit with protection diode |
| JPH02230774A (ja) * | 1989-03-03 | 1990-09-13 | Fujitsu Ltd | 絶縁ゲート型半導体装置 |
| JPH0465878A (ja) * | 1990-07-06 | 1992-03-02 | Fuji Electric Co Ltd | 半導体装置 |
| JPH04291767A (ja) * | 1991-03-20 | 1992-10-15 | Fuji Electric Co Ltd | 伝導度変調型ｍｏｓｆｅｔ |
| EP0622849B1 (en) * | 1993-04-28 | 1999-09-22 | Co.Ri.M.Me. Consorzio Per La Ricerca Sulla Microelettronica Nel Mezzogiorno | A monolithic integrated structure of an electronic device having a predetermined unidirectional conduction threshold |
-
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- 1993-12-13 EP EP93830497A patent/EP0657933B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1993-12-13 DE DE69328932T patent/DE69328932T2/de not_active Expired - Fee Related
-
1994
- 1994-12-12 US US08/354,481 patent/US5530271A/en not_active Expired - Lifetime
- 1994-12-12 JP JP6307581A patent/JP2680788B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |