JPH0411780A - 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ - Google Patents

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ

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JPH0411780A
JPH0411780A JP2115578A JP11557890A JPH0411780A JP H0411780 A JPH0411780 A JP H0411780A JP 2115578 A JP2115578 A JP 2115578A JP 11557890 A JP11557890 A JP 11557890A JP H0411780 A JPH0411780 A JP H0411780A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は電力用スイッチング素子として用いられる絶縁
ゲート型バイポーラトランジスタに関するものである。
〔従来の技術〕
近年、電力用スイッチング素子として、絶縁ゲート型バ
イポーラトランジスタが報告されている。
この素子はパワーMO3FETと類似の構造を成してい
るが、ドレイン領域にソース層とは逆の導電型である半
導体層を設けることにより、高抵抗層のトレイン層に導
電率変調をおこさせてオン抵抗を下げ、パワーMOSF
ETでは不可能であった高耐圧と低オン抵抗の両立を可
能にしている。
第8図は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの模型
的な要部縦断面図を示したものであり、主要な構成部は
p゛型ドレイン層1.n−型ドレイン層2.ゲート酸化
膜3.ゲート電極4.P型ベース層5.n゛型ソース層
6.チャネル7、層間絶縁膜10.ソース電極14.ド
レイン電極15かるなっている。記号Sはソース、Gは
ゲート。
Dはドレインを表す。
ソース電極14に対し、ケート電極4に一定のしきい値
電圧以上の電圧を印加すると、ゲート電極4下のp型ベ
ース層5の表面が反転して電子のチャネル7を形成し、
このチャネル7を通って、n゛型ソース層6からn−型
ベース層2に電子が流入する。流入した電子はn−型ド
レイン層2の電位を下げ、ドレイン側のp″n−接合を
順バイアスする。この結果、p゛型ドレイン層1がらn
−型ドレイン層2に正孔が流入する。この正孔の注入に
よって、n−型ベース層2は導電率変調を受け、抵抗値
が大幅に下がり、大電流を流すことが可能となる。
第9図は、第8図の構造図に対応する電気的な等価回路
図を示したものであり、ソース抵抗R1゜ベース抵抗R
2,pnp)ランジスタQ+、npnトランジスタQ2
.MO3FETQ3からなっている。pnpトランジス
タQ1は第8図のp型ベース層5.n−型ドレイン層2
.p゛型ドレイン層1により形成され、npn )ラン
ジスタQ2は第8図のn゛型ソース層6.P型ベース層
5.  n型ドレイン層2により形成される。ソース抵
抗R1゜ベース抵抗R2は各々n゛型ソース層6.P型
ベース層5の抵抗である。前述の素子動作を第9図によ
り説明すると、ゲート電極4にしきい値電圧以上の電圧
を印加してMO3FETQ3がオン状態となると、矢印
20で示す経路に沿って電子電i1eが流れ、pnp 
)ランジスタQ、がオン状態となり、pnp )ランジ
スタQ、のコレクタ電流に相当する正孔電流!hが矢印
25で示す経路に沿って流れるものである。
しかしながら、この絶縁ゲート型バイポーラトランジス
タでは第9図から明らかなようにpnPトランジスタQ
、とnpn t−ランジスタQ2とから形成される寄生
サイリスタに起因するランチアップ現象を生じることが
一つの問題となっている。
すなわち素子を流れる電流密度が大きくなると、ソース
層の下の横方向抵抗による電圧降下が大きくなるために
、p型ベース層とn゛型ソース層との間の接合が順バイ
アスされてサイリスタ動作に入ってしまい、ゲート・ソ
ース間バイアスを零にしても半導体素子の電流をオフす
ることができなくなる。
これに対して種々の対策が試みられており、例えば特開
昭57−211773号公報に示されるものでは各セル
について第10図〜第12図のように構成している。
第10図はこの素子の平面図の一部である第11図のA
−A縦断面図であり、第12図は同様に第11図のB−
B縦断面図である。第10図〜第12図を参照してその
作用を説明する。
この素子構成においてゲート電極104にしきい値電圧
以上の電圧を印加し、p゛層101とp゛層105間を
導通状態にしたとき、高電流状態ではn゛層106.p
’層105.n層102.P”層101からなる寄生サ
イリスタを導通させ、この電流を消去することが不可能
となる。このランチアップ現象を阻止するため、ソース
領域であるn゛層106を抵抗性ソースアクセス領域1
06aを介してソース電極114に接続している。ソー
スアクセス領域106aはソース領域のn1層106と
同時に同様の方法でp゛層105内に形成されたn+型
領領域あり、その形状はソース領域のn゛層106から
横方向に伸びる突出部として第11図の如く櫛歯状に配
置される。これに対応して酸化膜110には、ソース電
極114がソースアクセス領域106aの端部のみと接
触するように、コンタクトホール111が櫛歯状に形成
されている。このように形成されたソースアクセス領域
106aの抵抗の大きさR1はn”ffel域の長さ対
幅の寸法比によって決められ、接合を導通させない様、
p゛層105の内部抵抗R2とpnpバイポーラトラン
ジスタの電流利得との積より大きい値に設定されている
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、近年、素子の高集積化が進むにつれて素
子の微細化が要求されており、上述の櫛歯状;こバター
ニングするものではラッチアップ現象を阻止することば
困難である。
これは、現状の半導体製造のパターン転写精度(〜1μ
m)を考えると、素子が微細化された場合、第11図に
示されたソースアクセス領域106aのパターンで所望
の充分に高い抵抗を得ることは困難であるからである。
すなわち、ソース電極114がソースアクセス領域10
6aの端部のみと接触するように、酸化膜110を第1
1図の如く櫛歯状にホトリソグラフィ工程においてパタ
ニングする際、アライメント精度が影響し、例えばソー
スアクセス領域106aに対して横方向にずれた場合、
第11図において左右2つあるソースアクセス領域10
6aの抵抗値R3に不釣合いが生じ、何れか一方の経路
においてラッチアップ現象を起こすことが考えられる。
なお、アライメント精度を考慮して左右の抵抗値に不釣
合いが生じてもラッチアップ現象を阻止することができ
るように、抵抗値を充分大きく設計しておくことも考え
られるが、このことはトランジスタの動作抵抗を高める
結果となり、本質的な改善策とは言い難い。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、素子が
微細化されても、ラッチアップ現象を防止するためのソ
ース抵抗を良好に得ることができるパターンに形成され
た絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを提供すること
を目的とする。
〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、本発明による絶縁ゲート型
バイポーラトランジスタは、 第1導電型の半導体基板と、 二の基板上に形成された第2導電型の半導体層と、 この半導体層表面の複数領域に、前記半導体層表面に接
合が終端すべく形成された第1導電型のベース層と、 この複数あるベース層の各々のベース層表面において、
該ベース層の2つの終端に沿って各々間隔を残してPN
接合部が終端するように形成されるとともに、所定のパ
ターン形状を有して形成された第2導電型のソース層と
、 前記半導体層と前記ソース層との間の前記へ一ス層表面
の2つの前記間隔を各hチャネル領域として、この各々
のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲ
ート電極と、 前記両チャネル領域間において、前記ソース層と接触す
る第1接触部と、前記ベース層と接触する第2接触部を
有するソース電極とを備え、前記ゲート電極への電圧印
加による前記チャネル領域の導通にて、前記第1接触部
を介して前記ソース電極から前記ソース層、前記チャネ
ル領域を経て前記半導体層へ至る第1キャリアの通路を
形成するとともに、前記半導体基板から前記半導体層、
前記ベース層を経て前記第2接触部を介して前記ソース
電極へ至る第2キャリアの通路を形成し、かつ、前記ソ
ース層の有する所定のパターン形状によって、前記第2
キャリアの流れにて前記ベース層と前記ソース層との間
に構成された前記PN接合が導通するのを阻止するよう
にした絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであって、
さらに、前記ソース層の有する所定のパターン形状は、
前記両チャネル領域に沿って伸びる各々のソース層領域
間を連結し、この連結する領域の有する長さの中心より
前記第1接触部へ向かって延在する形状であることを特
徴としている。
〔作用および効果〕
すなわち、第1接触部とチャネル領域間のソース層形状
により第1キャリアの通路の電気的抵抗値が規定され、
ソース層とベース層との間に構成されたPN接合の導通
が阻止される条件が満足される。従って、このPN接合
において順バイアスとなることが強制的に阻止されるた
めに、ラッチアップ現象を住し難くさせることができる
このとき、前記条件はソース層のパターン形状にて満足
されるため、最適なソース抵抗、すなわち第1キャリア
通路の電気的抵抗値が容易に設定できる。
さらに、このソース層のパターン形状は、2つあるチャ
ネル領域に沿って伸びる各々のソース層領域間を連結し
、この連結するM域の有する長さの中心より前記第1接
触部へ向かって延在する形状であるために、ホトリソグ
ラフィ工程におけるアライメント精度の影響により前記
第1接触部位置が多少ずれたとしても、上述の最適なソ
ース抵抗は少なくともこの2つあるチャネル領域に沿っ
て伸びる各々のソース層領域間を連結する領域により確
保することができる。
従って、本発明の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ
によれば、素子が微細化されても、ラッチアップ現象を
防止するためのソース抵抗を良好に得ることができると
いう優れた効果が奏せられる。
〔実施例〕
以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。
第1図〜第3図は、本発明第1実施例の絶縁ゲート型バ
イポーラトランジスタであり、第1図はその平面図、第
2図は第1図におけるA−A断面図、第3図は第1図に
おけるB−B断面図である。
なお、第8図、第9図と対応する部分には同一符号が付
しである。
以下、これを製造工程に従って説明する。
まず、半導体基板であるP゛型シリコン基板を用意し、
これにエピタキシャル成長により低不純物濃度で比抵抗
30〔Ω−1〕の半導体層であるn−型層を約100〔
μm〕形成する。これらのp゛型シリコン基板およびn
−型層により、各々p。
型ドレイン層1.n−型ドレイン層2が形成される0次
に、このn−型ドレイン層2の表面を酸化してゲート酸
化膜3を形成し、その上に約5000〔入]のポリシリ
コン膜によるゲート電極4を形成する。この後、ゲート
電極4をマスクとしてホロンを約3〔μm〕拡散してP
型ベース層5を形成する。
次いで、隣合うゲート電極4による窓の中央部を、第1
図に示すようにn゛梨型ソース層形成予定位置にT字型
に開口する形状にパターニングされた図示しないレジス
ト膜で覆い、このレジスト膜とゲート電極4をマスクと
してソース層6の形成のためのリンイオン注入を行い、
充分な熱処理を施してn“型ソース層6を形成する。そ
して、p型ベース層5とn4型ソースli6がゲート電
極4による共通のマスクにより位置決めされる、いわゆ
るDSA技術(Diffusion 5elf Ali
gnment )によりチャネル7が形成される。その
後、上記酸化膜をエツチングした後、CVDにより酸化
膜を堆積し、p型ベース層5およびn゛型ソース層6の
各々の領域50.60に開口する形状にエツチングする
ことにより所定パターンのコンタクトホ−ル11を有す
る眉間絶縁膜10が形成される。
さらにアルミ膜の1着、パターニングによりソース電極
14を形成する。このとき上述のコンタクトホール11
を介して、ソース電極14はp型ベース層5およびn′
″型ソース層6と各々領域50.60にて電気的接続さ
れる。最後に基板の裏面、すなわちp0型ドレイン層1
の背面に金属膜の蒸着によりドレイン電極15を形成し
て、本実施例の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタが
製造される。
ここで、−n゛型ソース層6の横方向抵抗(第1.2図
中のR1)は次式に基づいて設計されている。
R0≧に、R,・・・・・・・・・(1)なお、(1)
式において、R2はp型ベース層5の抵抗である。また
、Kは矢印20で示される電子の流れによる電子電流I
eと、矢印25で印される正孔の流れによる正孔電流1
hの比、すなわち電流比であり、以下に表されるもので
ある。
K = I h / I e           ・
” −−(2)このKはn−型ドレイン層2とp+型ド
レイン層■がつくるpn接合面における正孔の注入効率
とn−型ドレイン層2中における正孔の輸送効率で決定
され、竪型に形成されるpnp ’t−ランジスタQ、
の直流電流増幅率hFEに相当する。
二のようにn゛型ソース層6の横方向抵抗R1を設計す
ることにより、電子電流Ieの強さにかかわらず、寄生
的に構成されるnpnトランジスタQ2は順バイアスさ
れることがなくなり、p型ベース層5とn゛型ソース層
6との間の接合が順バイアスされることに起因したラッ
チアップ現象が防止されることになる。
そして、(1)式を満足するのに十分大きい値のソース
抵抗R,をシート抵抗値の小さいソース層で実現するた
めに、第1図、第2図に示す様にn゛型ソース層6を形
成している。すなわち、n゛型ソース層6とソース電極
14のコンタクト領域(以下ソースコンタクト部とする
)60からチャネル7までの通路長をT字状に曲げて長
くとり、一方、p型ベース層5とソース電極14のコン
タクト領域(以下ベースコンタクト部とする)50から
チャネル7までの通路長は短くした構造としである。こ
の結果、チャネル7とソースコンタクト部60の間はT
字状の幅の狭く長い拡散領域。
すなわちn′″型ソースN6の領域62で接続されるこ
とになり、その抵抗値であるソース抵抗R。
をより大きくすることができる。一方、ベースコンタク
ト部50は、第2図、第3図に示す様に、広く、チャネ
ル7の近くまで伸びており、ベース抵抗R2は小さいも
のとなっている。
従って、第1図図示の本実施例では、ソース領域6のパ
ターン設計により(1)式を満足する最適のソース抵抗
R1の値を与えることができ、さらにベース抵抗R2は
小さいので、矢印25で示す正孔電流がベース抵抗R2
を流れる時に生じる電圧降下は小さく押さえることがで
きる。すなわち、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ
のラッチアップ現象の発生を抑制するとともに、オン抵
抗を小さくすることができる。
さらに、第10図〜第12図に示すものでは、層間絶縁
膜110に形成されたコンタクトホール111のバター
ニングを行うためのホトリソグラフィ工程時に、そのア
ライメント精度により隣合う2つの電子電流経路におい
てそのコンタクト位置がずれ、それにより左右2つある
ソースアクセス領域106aの抵抗値R,に不釣合いが
生じ、何れか一方の経路においてランチアンプ現象を誘
発することがあるが、本実施例の如くT字状にn゛型ソ
ース層6の領域62を形成すれば、アライメント精度に
よりコンタクトホール11の開口位置か左右にずれても
、隣合う2つの電子電流経路20においてその通路長が
ずれることはなく、左右2つある電子電流経路20にお
いてn゛型ソース層6の抵抗値に不釣合いを生しること
はない。このように左右の抵抗値のずれは原理的に起こ
らないため抵抗値を最小値で設計できることとなり、素
子の集積度を高める上で有利となる。
なお、第1図において縦方向にずれる場合が考えられる
が、この場合T字状に形成しているn。
型ソース層6のT字の傘の部分で必要十分な抵抗値を確
保できるように、n゛型ソース層6の形状。
不純物濃度を設定するようにすれば、その影響は回避で
きる。
次に、本発明第2実施例について説明する。
第4図〜第6図は、本発明第2実施例の絶縁ゲート型バ
イポーラトランジスタであり、第4図はその平面図、第
5図は第4図におけるA−A断面図、第6図は第4図に
おけるB−B断面図である。
なお、上記第1実施例と対応する部分には同一符号が付
しである。
本実施例は、n゛型ソース層6のソースコンタクト部6
0およびチャネル7に沿ってP型ベース層5内を伸びて
いる領域61に、選択的に、n゛型ソース層6形成後に
再びn型不純物を高濃度に拡散したものである。
ソースコンタクト部60をさらに高不純物濃度とするこ
とにより、n゛型ソース層6とソース電極14とのコン
タクト抵抗を低減することができる。
また、チャネル7に沿ってP型ベース層5内を伸びてい
る領域61をさらに高不純物濃度とすること二こより、
n゛型ソース層6内を流れる電子電流の流れ20は、n
゛型ソース層6の1字領域62を流れた後、高濃度とさ
れた領域61に突入して領域61内をチャネル7に沿っ
て広く拡がることとなる。それにより、ゲート電極4に
沿って形成されるチャネル7全域が電子電流通路として
使用されることとなり、より多くの電子をn−型ベース
層2へ導くことができ、より大きな正孔電流を流すこと
ができ、また、動作抵抗を低減できる。
また、素子領域全域を有効に使用することができ、素子
の外形サイズを小さくでき、コストダウンが可能になる
さらに本実施例では、p型ベース層50ベースコンタク
ト部50においても、ソースコンタクト部60同様、P
型不純物を高濃度に拡散してさらに高不純物濃度とする
ことにより、p型ベース層5とソース電極14とのコン
タクト抵抗を低減させている。
なお、上述した第1.第2実施例ではn゛型ソース層6
の抵抗成分として使用するソースコンタクト部60から
チャネル7に沿って伸びている領域61までの領域62
を丁字形状とするものであったが、これに限るものでは
なく、チャネル7に沿って伸びている隣合う領域61を
連結し、この連結した領域の中心よりソースコンタクト
部60へ向かって延在する形状であればよく、例えば第
7図の本発明第3実施例に示すように、十字形状とする
ようにしてもよい。なお、このものは図において縦方向
に配置された各セルにおいて、アライメント精度の影響
によりソース電極14のコンタクトホール11開口位置
が縦方向にずれたとしても、隣合うセルにおいてその影
響を吸収しあうことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明第1実施例の絶縁ゲート型バイポーラト
ランジスタの平面図、 第2図は第1図に示すもののA−A断面図、第3図は第
1図に示すもののB−B断面図、第4図は本発明第2実
施例の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの平面図、 第5図は第2図に示すもののA−A断面図、第6図は第
2図に示すもののB−B断面図、第7図は本発明第3実
施例の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの平面図、 第8図は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの構造を
示す縦断面図、 第9図は第8図に示すものの等価回路図、第10図巳゛
よ従来の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの縦断面
図を示し、第11図に示すもののA−A断面図、 第11図は従来の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ
の平面図、 第12図は第11図に示すもののB−B断面図である。 ■・・・ρ゛型ドレイン層、2・・・n−型ドレイン層
。 3・・・ゲート酸化膜、4・・・ゲート電極、5・・・
p型ベース層、6・・・n°型ソース層、7・・・チャ
ネル領域。 IO・・・層間絶縁膜、11・・・コンタクトホール、
14・・・ソース電極、15・・・ドレイン電極、R+
 ・・・n“型ソース層6の抵抗値 R2・・・P型ベースN5の 抵抗値。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第1導電型の半導体基板と、 この基板上に形成された第2導電型の半導体層と、 この半導体層表面の複数領域に、前記半導体層表面に接
    合が終端すべく形成された第1導電型のベース層と、 この複数あるベース層の各々のベース層表面において、
    該ベース層の2つの終端に沿って各々間隔を残してPN
    接合部が終端するように形成されるとともに、所定のパ
    ターン形状を有して形成された第2導電型のソース層と
    、 前記半導体層と前記ソース層との間の前記ベース層表面
    の2つの前記間隔を各々チャネル領域として、この各々
    のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲ
    ート電極と、 前記両チャネル領域間において、前記ソース層と接触す
    る第1接触部と、前記ベース層と接触する第2接触部を
    有するソース電極とを備え、前記ゲート電極への電圧印
    加による前記チャネル領域の導通にて、前記第1接触部
    を介して前記ソース電極から前記ソース層、前記チャネ
    ル領域を経て前記半導体層へ至る第1キャリアの通路を
    形成するとともに、前記半導体基板から前記半導体層、
    前記ベース層を経て前記第2接触部を介して前記ソース
    電極へ至る第2キャリアの通路を形成し、かつ、前記ソ
    ース層の有する所定のパターン形状によって、前記第2
    キャリアの流れにて前記ベース層と前記ソース層との間
    に構成された前記PN接合が導通するのを阻止するよう
    にした絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであって、
    前記ソース層の有する所定のパターン形状は、前記両チ
    ャネル領域に沿って伸びる各々のソース層領域間を連結
    し、この連結する領域の有する長さの中心より前記第1
    接触部へ向かって延在する形状であることを特徴とする
    絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
  2. (2)前記ソース層の前記チャネル領域に沿って伸びる
    領域は、他のソース層領域に比して高不純物濃度に形成
    されていることを特徴とする請求項1記載の絶縁ゲート
    型バイポーラトランジスタ。
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