JP2985352B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2985352B2
JP2985352B2 JP3082788A JP8278891A JP2985352B2 JP 2985352 B2 JP2985352 B2 JP 2985352B2 JP 3082788 A JP3082788 A JP 3082788A JP 8278891 A JP8278891 A JP 8278891A JP 2985352 B2 JP2985352 B2 JP 2985352B2
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典行 高尾
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Nippon Electric Co Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/7801DMOS transistors, i.e. MISFETs with a channel accommodating body or base region adjoining a drain drift region
    • H01L29/7802Vertical DMOS transistors, i.e. VDMOS transistors

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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関し、特に
絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート保護に関す
る。
【0002】
【従来の技術】半導体装置とは受動,能動の回路素子が
一つの基板上又は、基板内に分離不能の状態で微細加工
されて形成された装置である。
【0003】特に絶縁ゲート電界効果トランジスタ(以
下IGFETと記す)とは一導電型の半導体基板の上に
薄いゲート絶縁膜を有し、その上にゲート電極となる金
属層又は、多結晶シリコン層などの導電層を有し、ゲー
ト電極と一導電型の半導体基板との間に電圧を印加する
ことにより、一導電型の半導体基板表面に反転層を誘起
させて、電流のスイッチングを行なう半導体装置であ
る。
【0004】従来のIGFETは低消費電力という特徴
を有し、バイポーラトランジスタにかわってスイッチン
グ素子として広く用いられている。特に500mA以上
の大電流のスイッチング素子としては電圧駆動のため駆
動電力を下げることが可能、多数キャリアで動作するた
め少数キャリアの蓄積がなく高速化が可能、バイポーラ
トランジスタのように2次降伏がなく安定動作領域が広
いなど多くの特徴を有し、広く用いられているが、一
方、IGFETはその薄いゲート絶縁膜のために、静電
気に弱いという欠点がある。
【0005】図8(a),(b)は従来のIGFETの
第1の例を示す等価回路図及び入力端子に静電気を印加
したときのゲート絶縁膜の電圧波形図である。
【0006】図8(a)に示すように、人体などの等価
容量Cexから素子のゲート端子Gに印加された静電圧は
ゲート配線、ゲート電極などの抵抗Rg 及びインダクタ
ンスLg を通ってゲート絶縁膜のキャパシタンスCg
印加される。この特、インダクタンスLg ,キャパシタ
ンスCg のためにゲート絶縁膜に生ずる電圧Vg は図8
(b)に示すように、オーバーシュートを生じ、ゲート
絶縁膜は容易に破壊される。このオーバーシュートを防
ぐために、ゲート入力抵抗を追加することが行なわれて
いる。
【0007】図9(a),(b)は従来のIGFETの
第2の例を示す等価回路図及びゲート絶縁膜に生ずる電
圧波形図である。
【0008】図9(a)に示すように、ゲート入力抵抗
G を挿入することにより、図9(b)に示すように、
オーバーシュートはおさえられ、ゲート絶縁膜の破壊が
抑えられる。改善の度合はゲート入力抵抗RG が大きい
ほど大きくなる。ところが、ゲート入力抵抗を追加する
とゲートのキャパシタンスCg の充放電に時間がかかる
ようになりスイッチング動作が遅くなる。図10に示す
ように、絶縁膜に生ずる電圧Vg に対してゲート入力抵
抗RG を追加したときのドレイン電流が流れ出すまでに
大きな遅れが生じ、また、スイッチングオフ時の遅れ時
間t(off) を生ずる。
【0009】このように、IGFETのゲート保護とし
て入力抵抗RG を挿入した場合はスイッチング速度との
両立をはかることが困難であった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のIGF
ETは、スイッチング素子として使用した時、ゲート入
力抵抗RG によりゲートのキャパシタンスCg の充放電
に時間がかかり、スイッチング速度が低下するという問
題点があった。また充分なゲート保護効果を出すために
はゲート入力抵抗RG は充分大きくする必要があり、ス
イッチング速度と両立させるのが問題であった。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
半導体基板上に形成した絶縁ゲート電界効果トランジス
タと、前記半導体基板上に形成して前記絶縁ゲート電界
効果トランジスタのゲート電極に接続した電界効果トラ
ンジスタのオン動作方向を互に逆向きにして並列接続し
てなる可変抵抗素子を備えている。
【0012】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。
【0013】図1は本発明の第1の実施例を示す等価回
路図である。
【0014】図1に示すように、IGFETQ3のゲー
ト電極とゲート端子Gとの間にゲート配線などの寄生イ
ンダクタンスLg 及び、寄生抵抗Rg を介して二つの接
合型電界効果トランジスタ(以下JFETと記す)Q
1,Q2を並列接続した可変抵抗素子が接続されてい
る。このJFETQ1,Q2は同じNチャネルタイプ
で、各々のゲートはソースに接続され、JFETQ1の
ドレインとJFETQ2のソース及びゲートが保護すべ
きIGFETQ3のゲート電極に接続され、JFETQ
1のゲート及びソースとJFETQ2のドレインは入力
端子Gに接続されている。二つのダイオードDi1,D
i2は寄生ダイオードであり、JFETQ1のゲートと
IGFETQ3のドレインDの間にDi1が寄生してお
り、JFETQ2のゲートとIGFETQ3のドレイン
Dの間にDi2が寄生している。
【0015】図2は並列接続されたJFETQ1,Q2
のドレイン・ソース間の電圧対電流特性を示す図であ
る。
【0016】図2に示すように、ドレイン電流I
D(JFET) が約200mAまでは、約3Ωであり、スイッ
チング速度はほとんど影響がない。次に、静電気がゲー
ト端子Gに印加されると、保護回路のない従来のIGF
ETでは大きなオーバーシュートが生じるが本実施例で
はJFETQ1,Q2の定電流特性により等価的に、数
KΩ〜数100KΩの抵抗と同等の効果を有しオーバー
シュートをおさえてゲート絶縁膜の破壊を防止する。
【0017】図3(a),(b)は本発明の保護回路特
性を示す図である。
【0018】図3(a),(b)に示すように、V
D(JFET) =10Vのときの飽和電流IP をパラメータに
したゲート絶縁膜破壊に要する入力端子の印加電圧及び
IGFETのスイッチング遅れ時間はRG =100Ωと
した時に比べて、共に改善されている。
【0019】図4は本発明の第1の実施例を示す半導体
チップの模式的断面図である。
【0020】図4に示すように、N型シリコン基板1を
ドレイン領域とする縦型MOSFETと同じ基板上にJ
FETQ1,Q2を形成したものである。N型シリコン
基板1に設けたP型ウェル2,2aと、P型ウェル2,
2aの夫々にN型のチャネル領域3,3aとN型チャネ
ル領域3,3a内に設けたJFETQ1,Q2のN+
ドレイン4,4a及びN+ 型ソース領域5,5aと、N
+ 型ソース領域に隣接して設けたP型ゲート領域6,6
aとを有し、JFETQ2のP型ウェル2a,チャネル
領域3a,N+ 型ソース領域5a,ゲート領域5aと、
JFETQ1,P型ウェル2,チャネル領域3,N+
ソース領域5,ゲート領域6の夫々は各々ポリシリコン
配線7a,7で接続され、ゲート端子Gに印加された電
圧はゲート端子Gに接続されたJFETQ2のN+ 型ド
レイン領域4aとJFETQ1のN+ 型ソース領域5に
供給される。IGFETQ3のゲート電極8にはJFE
TQ2のソース領域5aとJFETQ1のドレイン領域
4が接続される。なお可変抵抗としては図5(a)に示
すように、PチャネルJFETを二つ並列に接続しても
良く、また、図5(b)に示すように、PチャネルJF
ETとNチャネルJFETを並列に接続してもよい。保
護されるIGFETとしてはIGBTやMOSサイリス
タでもよい。又、可変抵抗素子として三つ以上のFET
を並列に接続して動作抵抗を下げてもよい。
【0021】図6は本発明の第2の実施例を示す等価回
路図、図7は本発明の第2の実施例を示す半導体チップ
の模式的断面図である。
【0022】図6及び図7に示すように、保護用の可変
抵抗としてデプリージョン型IGFETを使用したもの
である。N型シリコン基板1をドレインとするIGFE
TQ3と同じ基板上にP型ウェル2,2aを形成しデプ
リージョン型IGFET(以下DFETと記す)Q4,
Q5のN+ 型ドレイン領域4,4a及びN+ 型ソース領
域5,5a並びにゲート電極9,9aを形成する。各々
のP型ウェル2,2aとN+ 型ソース領域5,5aはゲ
ート電極9,9aで接続する。ゲート端子Gからの印加
電圧はDFETQ5のドレイン領域4aとDFETQ4
のソース領域5に印加する。本体のIGFETQ3のゲ
ート電極8にはDFETQ5のソース領域5aとDFE
TQ4のドレイン領域4に接続する。
【0023】この例ではJFETのときのチャネル領域
が不要であり、本体のIGFETの製造プロセスとの整
合性がよく、工程が簡単になる。またPNPNのサイリ
スタ構造をさけることができ、ラッチアップのような寄
生効果を防ぐことができる。
【0024】また、PチャネルのDFET2つ以上の並
列接続あるいはPチャネルとNチャネルのDFETの2
つ以上の並列接続を可変抵抗素子として用いてもよい。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、IGFE
Tのゲート保護として、従来の固定抵抗にかわって、小
電流動作時には低い抵抗値を示し、大電流動作時には高
い抵抗値を持つ可変抵抗素子を有し、制御電圧をその可
変抵抗素子を通してゲート電極に印加するのでスイッチ
ング速度を低下させることなく大きなゲート破壊最大電
圧を有するという効果を有する。
【0026】また、可変抵抗として電界効果トランジス
タを使用することにより本体のIGFETの製造プロセ
スを利用して可変抵抗を同一基板に作り込むことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す等価回路図であ
る。
【図2】本発明の第1の実施例の並列接続されたJFE
Tのドレイン・ソース間の電圧対電流特性を示す図であ
る。
【図3】本発明の第1の実施例の保護回路特性を示す図
である。
【図4】本発明の第1の実施例を示す半導体チップの模
式的断面図である。
【図5】本発明の第1の実施例のJFETの接続方法を
示す回路図である。
【図6】本発明の第2の実施例を示す等価回路図であ
る。
【図7】本発明の第2の実施例を示す半導体チップの模
式的断面図である。
【図8】従来のIGFETの第1の例を示す等価回路図
及び電圧波形図である。
【図9】従来のIGFETの第2の例を示す等価回路図
及び電圧波形図である。
【図10】従来のIGFETのスイッチング特性を示す
波形図である。
【符号の説明】
1 N型シリコン基板 2,2a P型ウェル 3 N型チャネル領域 4,4a N+ 型ドレイン領域 5,5a N+ 型ソース領域 6,6a P型ゲート領域 7,7a ポリシリコン配線 8 ゲート電極 Q1,Q2 JFET Q3 IGFET Q4,Q5 DFET

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に形成した絶縁ゲート電界
    効果トランジスタと、前記半導体基板上に形成して前記
    絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極に接続し
    た電界効果トランジスタのオン動作方向を互に逆向きに
    して並列接続してなる可変抵抗素子を備えたことを特徴
    とする半導体装置。
JP3082788A 1991-04-16 1991-04-16 半導体装置 Expired - Lifetime JP2985352B2 (ja)

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FR2742933B1 (fr) 1995-12-20 1998-03-13 Sgs Thomson Microelectronics Composant statique et monolithique limiteur de courant et disjoncteur
JP3488054B2 (ja) 1997-09-12 2004-01-19 Necエレクトロニクス株式会社 液晶駆動用装置
US8102002B2 (en) * 2008-12-16 2012-01-24 Analog Devices, Inc. System and method for isolated NMOS-based ESD clamp cell

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