JP3186405B2 - 横型mosfet - Google Patents

横型mosfet

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JP3186405B2 JP03623494A JP3623494A JP3186405B2 JP 3186405 B2 JP3186405 B2 JP 3186405B2 JP 03623494 A JP03623494 A JP 03623494A JP 3623494 A JP3623494 A JP 3623494A JP 3186405 B2 JP3186405 B2 JP 3186405B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば電源用1チップ
パワーICに集積される高耐圧の横型MOSFETに関
する。
【0002】
【従来の技術】スイッチング電源回路等の誘導負荷を駆
動しているような回路において、高耐圧MOSFETが
使用されている。この高耐圧MOSFETには、遮断
時、誘導負荷の逆起電力により高電圧が印加されるが、
従来、MOSFETの耐圧は、この電圧値より高いもの
が要求されていた。耐圧とオン抵抗はトレードオフの関
係があるため、耐圧を高めるとオン抵抗は上がらざるを
得ない。これより、チップサイズは大きくなり、コスト
アップにつながっていた。これに対し、近年、アバラン
シェ耐量保証という概念が登場した。低オン抵抗化を図
るために素子の耐圧マージンを低めに設定し、素子耐圧
以上の電圧が生じても、このエネルギーを高耐圧MOS
FETで吸収させることにより、破壊を防ごうというも
のである。この耐量は、100μHの誘導負荷接続時に
オン状態からオフ状態への移行の際に破壊せずに遮断で
きるオン電流値で表せる。
【0003】パワーICにおいては、主電極をすべて同
一基板表面上に形成できる横型パワーMOSFETは、
低電圧制御回路と同一半導体基板に集積することが容易
である利点を有する。図2は、横型NチャネルMOSF
ETを示す。図において、p - シリコン基板1の表面層
にNウエル2が形成されている。Nウエル2の内部には
第一pベース領域3およびこの領域3につながる特願平
4−309920号明細書に記載された第二pベース領
域4が形成され、第一pベース領域3には、さらにn+
ソース領域5と深いp+ 領域31が形成され、pベース
領域3のn+ 領域5とNウエル2の露出部にはさまれた
部分をチャネル形成領域として、その上にゲート酸化膜
6を介してゲート電極7が設けられている。第二pベー
ス領域4の右側にはnドレイン領域8が形成され、その
一部分の表面からの不純物拡散によりp形のDPウエル
9がp基板1側に形成されている。さらに、p- 基板と
の接続のためにp+ ピックアップ領域10が形成されて
いる。表面上には、ゲート電極7と絶縁膜16で絶縁さ
れ、n+ ソース領域5およびp+ 領域31に共通に接触
するソース電極11、n+ ドレイン領域8と接触するド
レイン電極12、p + ピックアップ領域10に接触する
基板電極13が設けられている。DPウエル9は、ドレ
イン電極12に印加される高電圧に対する耐圧の経時変
化を防ぐためのブレークダウンダイオード20をn+
レイン領域8との間に形成する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】図2の横型Nチャネル
MOSFETでp形基板1とnドレイン領域8との間の
アバランシェブレークダウンがブレークダウンダイオー
ド20付近で生じると、そこで電子・正孔対が大量に発
生する。このとき、電子はnドレイン領域8からドレイ
ン電極12に吸い込まれる。
【0005】これに対して正孔には二つの径路が考えら
れる。一つはp- 基板1から素子周囲に形成された基板
ピックアップ領域10を介して基板電極13へ流れる経
路21である。もう一つは基板1からpベース領域3を
介してソース電極11へ流れる経路22である。図3に
この等価回路を示す。ドレイン電極12とソース電極1
1の間には主MOSFET23と並列にNウエル2、p
ベース領域3、n+ ソース領域5からなる寄生NPNト
ランジスタ24が接続され、このトランジスタ24のベ
ース電流は、径路21の抵抗R1 と径路22の抵抗R2
の比率により変化する。従来の構造では、径路21の抵
抗R1 が大きくなるため、寄生NPNトランジスタ24
のベース電流が大きくなる。よって、この寄生トランジ
スタ24の動作とそれによる電流集中、発熱によって素
子は破壊する。横型トランジスタの信頼性には大きく分
類して次の三つの破壊要因が関係している。
【0006】(1)寄生トランジスタの動作による発熱 (2)純粋なアバランシェブレークダウンによる発熱 (3)デバイス内部の抵抗成分による発熱 アバランシェ耐量は、誘導負荷時、素子の遮断可能な電
流値で評価するため、上記3要素全てを含んでいる。
【0007】本発明の目的は、最も破壊に至りやすい寄
生トランジスタの動作による発熱とデバイス内部抵抗成
分による発熱を防止してアバランシェ耐量を向上させた
横型MOSFETを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、第一導電形の半導体基板の一面側の表
面層に第二導電形のウエル領域が形成され、そのウエル
領域の表面層の一端に近い側に第一導電形のベース領
域、他端に近い側に第二導電形のドレイン領域が形成さ
れ、ベース領域の表面層に選択的に第二導電形のソース
領域が形成され、ソース領域からベース領域とウエル領
域の表面露出部にわたる表面上にゲート絶縁膜を介して
ゲート電極が設けられ、ドレイン領域にドレイン電極、
ソース領域およびベース領域に共通にソース電極がそれ
ぞれ接触し、ソース電極の反ドレイン電極側で基板露出
部に基板電極が接触する横型MOSFETにおいて、
導体基板の他面側に電極を備え、前記ドレイン領域−前
記基板電極間より低抵抗であって、前記ドレイン領域か
ら前記他面側の電極への電流通路を有するものとする。
低抵抗の電流通路が、半導体基板の他面にオーム性接触
する電極層であっても、半導体層の他面とショットキー
接合を形成する電極層であってもよい。あるいは、半導
体基板の他面側の表面層に形成された第二導電形の高不
純物濃度層であることも有効である。半導体基板の厚さ
が350μm以下であることも有効である。あるいは、
半導体基板の他面側に接触する電極層が設けられ、基板
の抵抗率が200Ωcm以上で厚さが、ドレイン領域と
半導体基板との間のPN接合に要求される逆耐圧に対応
する電圧の印加時にパンチスルーを生ずるように設定さ
れたことが有効である。
【0009】
【作用】半導体基板の他面側に低抵抗の電流通路が形成
されることにより、ドレイン電極と基板電極の間の抵抗
が小さくなって、寄生トランジスタの動作を防ぎ、前記
抵抗による消費エネルギーが減少してアバランシェ耐量
が向上する。その電流通路として設けられる基板の他面
に接触する電極を基板とショットキー接触させることに
より、アバランシェ電流発生時にその電極から基板へ少
数キャリアを注入することができ、基板の伝導度を変調
させるので、さらにアバランシェ耐量が向上する。ある
いはドレイン領域と基板との間に素子耐圧に対応する逆
バイアスが印加されたとき、空乏層が基板他面の電極に
達してパンチスルーを起こせば、空乏層内は非常に低抵
抗なので、ドレイン電極と基板電極の間の抵抗はほとん
どなくなり、アバランシェ耐量が大幅に向上する。
【0010】
【実施例】以下、図2を含めて共通の部分に同一の符号
を付した図を引用して本発明の実施例について説明す
る。図1に示した本発明の第一の実施例のNチャネル横
型MOSFETでは、比抵抗140Ωcm程度、厚さ
(d) 500μm程度のp形FZ法シリコン基板1の表
面層に、表面不純物濃度2×1016cm-3程度のNウエ
ル2と表面不純物濃度2×1017cm-3程度のnドレイ
ン領域8と表面不純物濃度8×1015cm-3程度のDP
ウエル9とが形成され、Nウエル2内に一対のn+ ソー
ス領域5、表面不純物濃度6×1017cm-3程度の第一
pベース領域3および第二pベース領域4が形成され、
+ ソース領域5、pベース領域3の表面にゲート酸化
膜6を介してゲート電極7を有する。そして、p- 基板
1の裏面に電極14が形成され、基板とオーム性接触し
ている。この裏面電極14の電位はGNDとする。図4
にこの等価回路を示し、裏面電極14によりアバランシ
ェ電流が基板裏面へ流れる電流径路25が形成される。
電流径路の抵抗R3 は、R1 、R2 に比べ小さな値とな
る。
【0011】このデバイス構造により、径路25がアバ
ランシェ電流の主経路となり、R1に流れる電流は大幅
に減少するため、寄生NPNトランジスタ24のベース
電流(正孔電流) は減少し、寄生トランジスタ24は動
作しなくなる。また、デバイス内部の抵抗成分R1 、R
2 、R3 で消費するエネルギーも小さくなり、アバラン
シェ耐量は増加する。本デバイスの素子耐圧は約700
V、単位面積当たりのオン抵抗は0.55Ωcm2 程度で
あるが、アバランシェ耐量を保証しない場合、耐圧マー
ジンとしてさらに200V程度の耐圧アップが要求され
る。耐圧と単位面積当たりのオン抵抗はソース・ドレイ
ン間ブレークダウン電圧の2.4〜2.7に比例するため、
オン抵抗は約45%低減できたといえる。つまり、要求
オン抵抗当たりに要する素子面積を約45%小さくで
き、1ウエーハ当たりの理論とれ数も約1.9倍になる。
また、素子面積の縮小により、良品率も上昇する。
【0012】第二の実施例の横型NチャネルMOSFE
Tでは、裏面電極14を作成する前に基板1の裏面をバ
ックラップして基板厚さを350μm以下、例えば30
0μmに薄くした。これによりさらにR3 が減少し、ア
バランシェ耐量が増加する。図5に示した第三の実施例
では、p- 基板1に裏面電極15をショットキー接触さ
せた。この時裏面電極電位はGNDとする。
【0013】ここで、高電圧HV のドレイン電極12へ
の印加によるブレークダウン時に発生した正孔電流は裏
面電極15へ吸い込まれるが、この時裏面電極15から
-基板1へ微小な電子電流 (少数キャリア) 26が注
入される。これより、p- 基板1は伝導度変調し、低抵
抗状態になる。すなわち、R3 は第一実施例に比べてさ
らに減少し、よってアバランシェ耐量も増加する。ここ
で、裏面電極15からp- 基板1へ注入される電子電流
は極めて微小であるため、同一半導体基板中の他領域、
例えば制御回路部などへは影響しない。
【0014】第四の実施例では、第二の実施例と同様に
図5の構造で基板1の裏面をバックラップし、基板厚さ
を300μmにしてアバランシェ耐量を増加させた。図
6に示す第五の実施例の横型NチャネルMOSFETで
は、p- 基板1の裏面にn+ 層16を形成し、その表面
に裏面電極14を接触させる。これにより、n+ 層16
をエミッタ、p- 基板1とDPウエル9をベース、nド
レイン領域8をコレクタとする寄生NPNトランジスタ
がつくられる。この寄生トランジスタは、定常状態では
エミッタであるn+ 層16とベースであるp- 基板1は
ともにGND電位であり、ベースへのキャリアの注入は
生じないため遮断している。異常時に、MOSFETの
ドレインに高電圧VH が印加されると、ブレークダウン
ダイオード20でアバランシェ電流が生じ、基板1へ正
孔の注入が起こる。これが前記寄生トランジスタのベー
ス電流となり、伝導度変調が起こり、R3 の値はさらに
大幅に減少し、アバランシェ耐量は増加する。
【0015】第六の実施例では、図6の構造の基板1の
裏面をバックラップして基板厚さdを300μmにして
アバランシェ耐量を向上させる。なお、第五、第六の実
施例で裏面電極14を省略してよい。図7に示す第七の
実施例では、p- 基板1の比抵抗を400Ωcm程度、
厚さdを150μm程度に設定した。逆バイアス印加
時、n領域8とDPウエル9の間のブレークダウンダイ
オード9から空乏層は広がり、約900VのVH を印加
した時点で空乏層端面27は裏面電極14へ到達する。
この時ドレイン電極12と裏面電極14の間には電流が
流れ、電圧はクランプされる。この現象はパンチスルー
現象といわれ、この場合素子耐圧はこのパンチスルー電
圧で決定する。この時、空乏層内は非常に低抵抗なの
で、R3 はほとんど0Ωとなる。よって、アバランシェ
耐量は大幅に増加する。
【0016】なお、本発明は、第二pベース領域4ある
いはDPウエル9の形成されない横型MOSFETにも
実施できることは明白である。
【0017】
【発明の効果】本発明によれば、横型MOSFETのド
レイン領域と基板の間に形成されるダイオードが逆バイ
アスによってアバランシェブレークダウンしたときに流
れてアハランシェ電流の低抵抗の径路を基板裏面に形成
することにより、寄生トランジスタのベース電流が減少
して破壊しにくくなり、アバランシェ耐量が向上する。
従って、素子耐圧を低く設定できるため、低オン抵抗化
が促進される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一、第二の実施例の横型MOSFE
Tの断面図
【図2】従来の横型MOSFETの断面図
【図3】図2のMOSFETの等価回路図
【図4】本発明の実施例のMOSFETの等価回路図
【図5】本発明の第三、第四の実施例の横型MOSFE
Tの断面図
【図6】本発明の第五、第六の実施例の横型MOSFE
Tの断面図
【図7】本発明の第七の実施例の横型MOSFETの断
面図
【符号の説明】
1 p- シリコン基板 2 Nウエル 3 第一pベース領域 4 第二pベース領域 5 n+ ソース領域 6 ゲート酸化膜 7 ゲート電極 8 nドレイン領域 9 DPウエル 11 ソース電極 12 ドレイン電極 13 基板電極 14 裏面電極 15 ショットキー接触電極 16 n+ 層 27 空乏層端面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第一導電形の半導体基板の一面側の表面層
    に第二導電形のウエル領域が形成され、そのウエル領域
    の表面層の一端に近い側に第一導電形のベース領域、他
    端に近い側に第二導電形のドレイン領域が形成され、ベ
    ース領域の表面層に選択的に第二導電形のソース領域が
    形成され、ソース領域からベース領域とウエル領域の表
    面露出部にわたる表面上にゲート絶縁膜を介してゲート
    電極が設けられ、ドレイン領域にドレイン電極、ソース
    領域およびベース領域に共通にソース電極がそれぞれ接
    触し、ソース電極の反ドレイン電極側で基板露出部に基
    板電極が接触するものにおいて、半導体基板の他面側に
    電極を備え、前記ドレイン領域−前記基板電極間より低
    抵抗であって、前記ドレイン領域から前記他面側の電極
    への電流通路を有することを特徴とする横型MOSFE
    T。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の横型MOSFETにおい
    て、前記ドレイン領域との間にブレークダウンダイオー
    ドを形成する第1導電型のウエル領域を備え、該第1導
    電型ウエル領域と前記他面側電極との間を前記低抵抗の
    電流通路とすることを特徴とする横横型MOSFET。
  3. 【請求項3】請求項1または請求項2に記載の横型MO
    SFETにおいて、前記他面側電極は半導体基板の他面
    にオーム性接触する電極層であることを特徴とする横型
    MOSFET。
  4. 【請求項4】請求項1または請求項2に記載の横型MO
    SFETにおいて、前記他面側電極は半導体基板の他面
    とショットキー接合を形成する電極層であることを特徴
    とする横型MOSFET。
  5. 【請求項5】請求項1または請求項2に記載の横型MO
    SFETにおいて、前記他面側電極は半導体基板の他面
    側の表面層に形成された第二導電形の高不純物濃度層を
    介して形成される電極層であることを特徴とする横型M
    OSFET。
  6. 【請求項6】請求項1ないし請求項5のいずれかに記載
    の横型MOSFETにおいて、前記半導体基板の厚さが
    350μm以下であることを特徴とする横型MOSFE
    T。
  7. 【請求項7】請求項3または請求項4に記載の横型MO
    SFETにおいて、前記半導体基板の抵抗率が200Ω
    cm以上で厚さが、前記ドレイン領域と前記半導体基板
    との間のPN接合に要求される逆耐圧に対応する電圧の
    印加時にパンチスルーを生ずるように設定されたことを
    特徴とする横型MOSFET。
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