JP2692350B2 - Mos型半導体素子 - Google Patents

Mos型半導体素子

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体基体の一面側に複数のMOS構造が形
成され、そのチャネル電流により基体の両面に設けられ
た主電極間に流れる電流を制御するMOS型半導体素子に
関する。
〔従来の技術〕
上述のようなMOS型半導体素子としては電力用縦型MOS
FETあるいは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGB
T)がある。第7図は電力用縦型MOSFETの構造を示し、
ドレイン接触層となるn+3層2の上に高抵抗のn-ドレイ
ン領域1が積層されている。ドレイン領域1の表面部に
は複数のp-チャネル拡散領域3が形成され、その中央に
は低抵抗のp+ウエル拡散領域4が設けられている。各チ
ャネル拡散領域3の表面部には一対のn+ソース領域5が
間隔を明けて形成されている。チャネル拡散領域3のド
レイン領域1とソース領域5にはさまれた表面層31にn
チャネルを形成するために、ゲート酸化膜61を介して、
例えば多結晶シリコンからなるゲート電極7が備えられ
ている。ゲート電極7と、例えばPSGからなる絶縁膜62
を介して個々のセルのp+ウエル拡散領域4およびソース
領域5に接触するソース電極8が設けられ、またドレイ
ン接触層2にはドレイン電極9が接触している。IGBTで
は、さらにn+層2の代わりに、あるいはその下にp層が
形成された構造を有する。
〔発明が解決しようとする課題〕
このようなMOS型半導体素子においては、n+ソース領
域5,p-チャネル拡散領域3およびn-ドレイン領域1から
なる寄生pnpバイポーラトランジスタが含まれており、p
-領域3とn-領域1との間のpn接合に過渡時に加わる逆
電圧によってアバランシェ電流がp-領域3に流れ込んだ
際、上記の寄生バイポーラトランジスタが動作すること
により破壊に至る問題があった。
このような破壊を防ぐために、p+ウエル拡散領域4の
拡散を深くして、この領域とn-ドレイン領域1の間に形
成されるダイオード部でアバランシェが発生しやすく
し、このダイオード部分に流れるでアバランシェ電流を
ふやすことにより、上記の寄生バイポーラトランジスタ
のベース領域となるp-チャネル拡散領域3に流れるアバ
ランシェ電流を減らす方法、あるいはp-チャネル拡散領
域3の抵抗を下げる方法により、寄生バイポーラトラン
ジスタを動作しにくくすることが行われていた。しか
し、p+ウエル拡散領域4の拡散を深くしてアバランシェ
耐量を向上させると、耐圧が低下する、オン抵抗が高く
なるなどの問題があり、また何れの方法においてもプロ
セス状態の影響を受けやすく、耐量についても限界があ
った。この問題は、IGBTでもまた導電型を逆にしたpチ
ャネルMOS型半導体素子でも同じであった。
本発明の目的は、上述の問題を解決して各MOS構造セ
ルに含まれる寄生バイポーラトランジスタが動作するの
を防いでアバランシェ耐量を向上させたMOS型半導体素
子を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記の問題を解決するために、本発明は、第一導電形
の半導体層の表面部に選択的に複数の第二導電形の第一
領域が、その第一領域の表面部に選択的に第一導電形の
第二領域が、また第一領域の中央部に第一領域より高不
純物濃度の第二導電形の第三領域がそれぞれ形成され、
第一領域の前記第一導電形の半導体層と第二領域とには
さまれた表面層上に絶縁膜を介してゲート電極が設けら
れ、第二領域と第三領域に共通に主電極の一つが接触す
るMOS型半導体素子において、前記半導体層に、その半
導体層表面における面積が第一領域以上で深さが第三領
域以上の高不純物濃度の第二導電形の第四領域が、また
その第四領域の表面部に選択的に第一導電形の第五領域
が形成され、その第五領域が前記主電極に接続されたも
のとする。更に第四領域は第三領域の3倍以上の拡散面
積とする。
〔作用〕
本発明では、第一領域よりも表面における面積が広
く、第三領域よりも深い第二導電形の第四領域とその表
面部に選択的に形成される第五領域により、一般のMOS
構造セルに存在する寄生バイポーラトランジスタよりも
容量の大きなバイポーラトランジスタを構成し、その第
五領域を主電極に接続することによって、アバランシェ
電流をこの容量の大きなバイポーラトランジスタに集中
させ、積極的にトランジスタ動作をさせて大電流をここ
で流し、他の寄生バイポーラトランジスタの動作を防
ぐ。
〔実施例〕
第1図は第一の参考例の低耐圧縦型MOSFETのMOS構造
部を示し、第2図と共通の部分には同一の符号が付され
ている。このMOSFETは、一般のセルの低抵抗のp+ウエル
拡散領域4形成の際に、30μm以下に微細化された一般
のセルの4倍以上の面積をもつp+拡散領域10を形成した
ものである。この領域10は、p-拡散領域3を有する一般
のセルの外周あるいはソース電極8のパット部近傍など
に配置することによってシリコン基板の面積の無効部分
を少なくする。p+拡散領域10は、面積が大きいため多量
に注入された不純物を拡散源としているから、一般のセ
ルのp+拡散領域4より深い。従って、過渡時に発生する
アバランシェ電流はn-ドレイン領域1とp+拡散領域10に
よって形成されるダイオード部分に流れ、一般のセルの
p+領域4あるいはp-領域3に流れ込みにくくなる。この
ため、n+ソース領域5,p-チャネル拡散領域3およびn-
レイン領域1からなる寄生トランジスタの動作が抑制さ
れ、破壊に至ることがない。なお、p+領域10にはソース
電極8が接触しており、流れ込んだアバランシェ電流は
ソース電極8へ流れる。
第2図に示す第二の参考例の中、高耐圧縦型MOSFETで
は、一般のセルのp+ウエル拡散領域4形成の際に、一般
のセルの1/2以下の面積をもつp+拡散領域11を形成した
ものである。このp+領域11は面積が小さいため、最深部
の曲率はp+領域4よりも大きくなって電界も強くなり、
このp+領域11を通じてソース電極8へアバランシェ電流
が流れることになる。
第3図に示す第三の参考例の縦型MOSFETでは、一般の
セルのp+ウエル拡散領域4形成の際、それらの間隔w1
りも広い間隔w2を介してp+拡散領域12を形成したもので
ある。w2はw1の1.5倍以上にする。こうすることによ
り、ドレイン領域1とp+領域12より形成されるpn接合か
らの空乏層は伸びにくくなり、アバランシェ電流がこの
ダイオード部に流れるようになる。その結果、上記の実
施例と同様耐量が向上する。
第4図に示す本発明の実施例の縦型MOSFETでは、一般
のセルのp+ウエル拡散領域4形成の際、その拡散面積の
3倍以上の拡散面積をもつp+拡散領域13を形成し、さら
にその中にn+ソース領域5形成の際に同様にゲート電極
のための多結晶シリコン層をマスクとしてn+領域14を形
成し、このn+領域14にソース電極8を接触させたもので
ある。n-ドレイン領域1,p+拡散領域13およびn+拡散領域
14よりなるnpnバイポーラトランジスタは、n-ドレイン
領域1,p+チャネル拡散領域3およびp+ウエル4ならびに
n+ソース領域5からなる寄生npnバイポーラトランジス
タよりも容量が大きいので、この容量の大きなバイポー
ラトランジスタのアバランシェ電流を流すと、p+領域13
へのアバランシェ電流の流入により伝導度変調が起こる
ため、上記の各実施例のダイオードの場合よりも大きい
アバランシェ電流をn+領域14に接触するソース電極8へ
流すことができ、耐量が一層向上する。
第5図に示す第四の参考例では、第1図に示したp+
域10のほかに、さらに大きなp+拡散領域15を形成してい
る。一般のセルの上に設けられるゲート電極71はn形の
多結晶シリコンからなり、その延長部にゲートパット部
72が設けられている。ゲートパット部72とシリコン基板
との間には厚いフィールド酸化膜63が存在するが、その
上にゲートパット部のn形多結晶シリコン層72に隣接し
てp形多結晶シリコン層73が設けられている。このp層
73はn層72ツエナとダイオードを形成しており、p+領域
15とソース電極8と同様にAlからなる電極81により接続
されている。第6図はこのMOS型素子の等価回路で、FET
51はn-ドレイン領域1とn-ソース領域5の間に形成され
る一般のセルからなるMOSFETに、ダイオード52はn-領域
1とp+領域10からなるダイオードに、ツエナダイオード
53はn-領域1とp+領域15からなるダイオードに、またツ
エナダイオード54はn形多結晶シリコン層72とp形多結
晶シリコン層73からなるダイオードにそれぞれ対応して
いる。そして端子Dはドレイン、端子Sはソース、端子
Gはゲートに対応している。このMOS型素子では、ダイ
オード53のアバランシェ電圧を越えない限り、通常はド
レインからゲート電極へは電流は流れず、素子を動作さ
せる際ゲート端子Gにかける正電圧は、多結晶シリコン
層中に形成されたダイオード54のツエナ電圧を印加電圧
より高くすることにより、ゲート電圧がそのまま印加さ
れるようになり動作に問題はない。そして、ダイオード
53の逆方向にアバランシェ電圧がかかり、ダイオード53
をアバランシェ電流の流れると、多結晶シリコン層内に
アバランシェ電流によって電圧降下が発生し、ゲート電
極に電圧が印加され、素子が動作し、ソース・ドレイン
間が導通し、大量の電流が流れ、消費され、他のセル部
での破壊を防ぎ耐量を向上させる。この際、53でのアバ
ランシェを他のセルよりも早く起こさせ、他セル部での
破壊を防ぐ方法として、p+領域15の拡散面積を第5図に
示したとおり第1図のp+領域10のように広くしたり、第
2図のp+領域11のように狭くしたり、あるいはp-チャネ
ル拡散領域3あるいはp+領域10との間隔を第3図のよう
に広くしたりすることが有効である。なお、ゲート端子
Gに過電圧が加わってダイオード54のツエナ電圧を越え
る場合は、ゲート端子Gとドレイン端子Dが短絡され、
ゲート酸化膜61が保護される。
以上の実施例は、IGBTでも同様に実施でき、また導電
形を逆にすればpチャネルMOS型半導体素子でも実施で
きることは明らかである。
〔発明の効果〕
本発明によれば、第一導電形の半導体層中に一般のMO
S型セルのための第二導電形の拡散領域と別に第二導電
形の拡散領域を設け、その領域中にさらに第一導電形の
領域を設けてバイポーラトランジスタを形成し、両主電
極間電圧の上昇の際、アバランシェ電流が一般のセル部
分よりもそのトランジスタに集中するようにすることに
より、一般のセルの破壊が防止されるのでアバランシェ
耐量の向上したMOS型半導体素子を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
第1図は第一の参考例のMOSFETの要部断面図、第2図は
第二の参考例のMOSFETの要部断面図、第3図は第三の参
考例のMOSFETの要部断面図、第4図は本発明の実施例の
MOSFETの要部断面図、第5図は第四の参考例のMOSFETの
要部断面図、第6図は第5図のMOSFET等価回路図、第7
図は従来の縦型MOSFETの要部断面図である。 1:n-ドレイン領域、3:p-チャネル拡散領域、4:p+ウエル
拡散領域、5:n+ソース領域、61:ゲート酸化膜、7:ゲー
ト電極、8:ソース電極、10,11,12,13,15:p+拡散領域、1
4:n+拡散領域、72:n形多結晶シリコン層、73:p形多結晶
シリコン層。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第一導電形の半導体層の表面部に選択的に
    複数の第二導電形の第一領域が、その第一領域の表面部
    に選択的に第一導電形の第二領域が、また第一領域の中
    央部に第一領域より高不純物濃度の第二導電形の第三領
    域がそれぞれ形成され、第一領域の前記第一導電形の半
    導体層と第二領域とにはさまれた表面層上に絶縁膜を介
    してゲート電極が設けられ、第二領域と第三領域に共通
    に主電極の一つが接触するものにおいて、前記半導体層
    にその半導体層表面における面積が第一領域以上で深さ
    が第三領域以上の高不純物濃度の第二導電形の第四領域
    が、またその第四領域の表面部に選択的に第一導電形の
    第五領域が形成され、その第五領域が前記主電極に接続
    されたことを特徴とするMOS型半導体素子。
  2. 【請求項2】請求項1記載のMOS型半導体素子におい
    て、第四領域は第三領域の3倍以上の拡散面積であるこ
    とを特徴とするMOS型半導体素子。
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