JPH0794730A - Semiconductor device with overvoltage protective function - Google Patents

Semiconductor device with overvoltage protective function

Info

Publication number
JPH0794730A
JPH0794730A JP23807893A JP23807893A JPH0794730A JP H0794730 A JPH0794730 A JP H0794730A JP 23807893 A JP23807893 A JP 23807893A JP 23807893 A JP23807893 A JP 23807893A JP H0794730 A JPH0794730 A JP H0794730A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
base layer
semiconductor device
collector
conductivity type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP23807893A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshiteru Shimizu
喜輝 清水
Yasuki Nakano
安紀 中野
Yasuhiko Kono
恭彦 河野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP23807893A priority Critical patent/JPH0794730A/en
Publication of JPH0794730A publication Critical patent/JPH0794730A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PURPOSE:To provide overvoltage protection with good repeatability, by forming a second p-type base layer near to a main element with a smaller quantity of impurity than a main p-type base layer so that punch-through breaks out only in the region of the second base layer. CONSTITUTION:Since a p-type layer 8 has an impurity density smaller than the other p-type layers, a depletion layer is diffused easily in the p-type layer 8. When an applied voltage rises up to a voltage level that is determined on the basis of the amount of impurity, the depletion layer reaches an electrode 15, and thereby a punch-through state breaks out. A current begins to flow through pn-junction between the p-type layer 8 and a drift layer 4. In this state, the potential of the electrode 15 rises and the potential of a gate electrode 11 also rises through a diode 13. As a result, an inversion layer is formed in the surface of the p-type base layer under the gate electrode 11, and main IGBT is put in an ON state. Then, the energy by an overvoltage overvoltage is consumed by the whole element, and thereby the element is protected with safety.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、過電圧保護機能内蔵型
半導体装置に係り、特に、半導体装置の降伏電圧を超え
る順方向の過電圧が印加された場合に安全にターンオン
することにより、半導体装置を過電圧に対して保護する
ことのできる過電圧保護機能内蔵型半導体装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having a built-in overvoltage protection function and, more particularly, to a semiconductor device which is safely turned on when a forward overvoltage exceeding the breakdown voltage of the semiconductor device is applied. The present invention relates to a semiconductor device with a built-in overvoltage protection function that can protect against overvoltage.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、IGBT等のスイッチング素子
は、素子に定格電圧以上の過電圧が印加された場合に、
過電圧による素子の破壊を防止するため、保護回路が設
けられて構成されている。しかし、この種の保護回路を
持つスイッチング素子は、過電圧の時間的変化が速い場
合に、保護回路が過電圧を検知してから動作するまでの
時間遅れが問題となり、保護動作が間にあわずに素子が
破壊されてしまうことがあるという問題点を有してい
る。
2. Description of the Related Art Generally, a switching element such as an IGBT, when an overvoltage higher than a rated voltage is applied to the element,
A protection circuit is provided to prevent damage to the device due to overvoltage. However, with a switching element having this type of protection circuit, when the overvoltage changes rapidly with time, there is a problem with the time delay between the detection of the overvoltage and the operation of the protection circuit, and the protection operation does not occur in time. It has a problem that it may be destroyed.

【0003】このため、保護機能を素子の内部に内蔵さ
せた過電圧保護内蔵型半導体装置が要望されており、こ
れを実現することのできる従来技術として、例えば、特
開平4−291767号公報等に記載された技術が知ら
れている。
Therefore, there is a demand for a semiconductor device with a built-in overvoltage protection in which a protection function is built in the element, and as a conventional technique capable of realizing this, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-291767, etc. The techniques described are known.

【0004】図7は従来技術による過電圧保護機能内蔵
型半導体装置の構造を示す断面図である。図7におい
て、1は半導体基体、2はコレクタ層、3はコレクタバ
ッファ層、4はドリフト層、5はベース層、9はアノー
ド電極、10はカソード電極、11はポリシリコン・ゲ
ート電極、12、14は絶縁膜、13はポリシリコン・
ダイオード、15は付設電極、16は電極配線、25は
付設領域である。
FIG. 7 is a sectional view showing the structure of a semiconductor device with a built-in overvoltage protection function according to the prior art. In FIG. 7, 1 is a semiconductor substrate, 2 is a collector layer, 3 is a collector buffer layer, 4 is a drift layer, 5 is a base layer, 9 is an anode electrode, 10 is a cathode electrode, 11 is a polysilicon gate electrode, 12, 14 is an insulating film, 13 is polysilicon
A diode, 15 is an attached electrode, 16 is an electrode wiring, and 25 is an attached region.

【0005】図示従来技術は、IGBTに過電圧保護機
能を内蔵させた例であり、IGBT本体は、p+コレク
タ層2、n+コレクタバッファ層3、n~ ドリフト層4
よりなる半導体基体1のn~ドリフト層4内にp+ベース
層5を形成して構成されている。そして、図示従来技術
は、主IGBTのベース層5に隣接してp型半導体付設
領域25を設けて構成されている。また、付設領域25
のコレクタ層2側におけるn型ドリフト層4の幅は、前
記ベース層5のコレクタ層2側におけるドリフト層の幅
よりも狭く設定され、前記付設領域25に接触する付設
電極15とゲート電極11との間に付設電極15側にp
型層、ゲート電極11側にn型層を有するダイオード1
3が接続されている。
The illustrated prior art is an example in which an IGBT has a built-in overvoltage protection function, and the IGBT body has a p + collector layer 2, an n + collector buffer layer 3, and an n ~ drift layer 4.
The p + base layer 5 is formed in the n to drift layer 4 of the semiconductor substrate 1 made of. Further, the illustrated prior art is configured by providing a p-type semiconductor attachment region 25 adjacent to the base layer 5 of the main IGBT. In addition, the attached area 25
The width of the n-type drift layer 4 on the side of the collector layer 2 is set narrower than the width of the drift layer on the side of the collector layer 2 of the base layer 5, and the additional electrode 15 and the gate electrode 11 contacting the additional region 25 are formed. P on the side of the attached electrode 15 between
Type layer, diode 1 having n-type layer on the side of gate electrode 11
3 is connected.

【0006】このダイオード13は、ゲート電極11の
電位がアノード電極9の電位に対して正にバイアスされ
た状態において、ゲートへの電位を有効に印加させるた
めのものである。すなわち、ゲート電位がアノード電位
に対して正の場合、n+バッファ層3とp+コレクタ層2
とにより形成される接合が逆バイアス接合となるが、通
常この接合は素子端面において耐圧を確保できない。ダ
イオード13は、このような場合における素子の耐圧を
確保するものである。
The diode 13 is for effectively applying the potential to the gate when the potential of the gate electrode 11 is positively biased with respect to the potential of the anode electrode 9. That is, when the gate potential is positive with respect to the anode potential, the n + buffer layer 3 and the p + collector layer 2
The junction formed by and becomes a reverse bias junction, but normally this junction cannot secure the breakdown voltage at the element end face. The diode 13 ensures the breakdown voltage of the element in such a case.

【0007】前述した構造を有する従来技術は、p+ 付
設領域25とその下部の半導体基体によって形成される
pnpトランジスタ24のn型ドリフト層の幅、すなわ
ち、オープンベース層幅がIGBT本体のpnpトラン
ジスタのオープンベース幅より狭いため、pnpトラン
ジスタ24がパンチスルーし易い構造を有しており、こ
のpnpトランジスタ24がIGBT本体より低電圧で
降伏する。
According to the prior art having the above-mentioned structure, the width of the n-type drift layer of the pnp transistor 24 formed by the p + -attached region 25 and the semiconductor substrate thereunder, that is, the width of the open base layer is the pnp transistor of the IGBT body. Since it is narrower than the open base width, the pnp transistor 24 has a structure in which it easily punches through, and the pnp transistor 24 breaks down at a lower voltage than the IGBT body.

【0008】このように、前述した従来技術は、付設領
域25のpnpトランジスタ24のコレクタ、エミッタ
間降伏電圧BVCEO'がIGBT本体領域のpnpトラン
ジスタ部の降伏電圧BVCEOより低いため、付設領域の
pnpトランジスタが、まず降伏し、その降伏電流がダ
イオード13を通って、IGBT本体のゲートエミッタ
間の容量を充電する。そして、このゲートエミッタ間の
電圧がMOSFETのしきい値に達するとIGBTはオ
ン状態になる。IGBTがオン状態になると半導体素子
内の電流は、アバランシェ降伏状態におけるよりも均一
に素子全体で吸収されるため、従来技術によるIGBT
は、大きなエネルギーを吸収することができ、また、過
電圧を比較的低い電圧としてクランプすることができ
る。
As described above, according to the above-mentioned conventional technique, since the breakdown voltage BV CEO ' between the collector and the emitter of the pnp transistor 24 in the attachment region 25 is lower than the breakdown voltage BV CEO of the pnp transistor portion in the IGBT body region, The pnp transistor breaks down first, and its breakdown current passes through the diode 13 to charge the gate-emitter capacitance of the IGBT body. When the voltage between the gate and the emitter reaches the threshold value of the MOSFET, the IGBT is turned on. When the IGBT is turned on, the current in the semiconductor device is absorbed more uniformly in the whole device than in the avalanche breakdown state, so that the IGBT according to the prior art does not.
Can absorb large amounts of energy and can clamp the overvoltage as a relatively low voltage.

【0009】前述した従来技術は、付設領域25のpn
pトランジスタのベース幅を本体のIGBT領域のベー
ス幅よりも薄くするために、p+ 付設領域25の深さを
本体のIGBTのベース層5よりも深くする必要があ
る。そして、図示素子の動作電圧は、付設領域25のベ
ース幅により決定されるが、この動作電圧をある目標範
囲に入れるためには、このベース幅を精密に制御する必
要がある。このためには、p+ 付設領域25の深さをμ
mオーダで精密に制御する必要がある。
In the above-mentioned conventional technique, the pn of the attachment area 25 is
In order to make the base width of the p-transistor thinner than the base width of the IGBT region of the main body, it is necessary to make the depth of the p + attachment region 25 deeper than the base layer 5 of the IGBT of the main body. The operating voltage of the element shown in the figure is determined by the base width of the attachment region 25, but in order to bring this operating voltage within a certain target range, it is necessary to precisely control this base width. To this end, the depth of the p + attachment region 25 is set to μ
It is necessary to precisely control on the order of m.

【0010】しかし、p+ 付設領域25の深さを再現性
よくコントロールすることは困難であり、また、一般
に、pnpトランジスタの耐圧BVCEOは次式によりト
ランジスタの電流増幅率に依存する。
However, it is difficult to control the depth of the p + attachment region 25 with good reproducibility, and generally, the breakdown voltage BV CEO of the pnp transistor depends on the current amplification factor of the transistor according to the following equation.

【0011】[0011]

【数1】 [Equation 1]

【0012】ここで、BVCBOはベース・コレクタ間耐
圧、α0は電流増幅率、nは定数である。
Here, BV CBO is a base-collector breakdown voltage, α 0 is a current amplification factor, and n is a constant.

【0013】そして、電流増幅率α0は、ベース中のキ
ャリア・ライフタイムに依存し、キャリア・ライフタイ
ムは、シリコン結晶仕様、半導体装置の製造プロセスの
熱処理条件等により変動する。
The current amplification factor α 0 depends on the carrier lifetime in the base, and the carrier lifetime varies depending on the silicon crystal specifications, the heat treatment conditions of the semiconductor device manufacturing process, and the like.

【0014】前述の点から過電圧保護機能内蔵のスイッ
チング素子においては、過電圧印加時の動作電圧を精度
よく、かつ、再現性よくコントロールすることが要求さ
れているが、従来、これらを実現することは困難であっ
た。
From the above-mentioned point, in the switching element having the built-in overvoltage protection function, it is required to control the operating voltage when the overvoltage is applied with high accuracy and reproducibility. It was difficult.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術は、
p+ 付設領域25の深さを再現性よくコントロールする
ことが困難であるため、過電圧印加時の動作電圧を精度
よく、かつ、再現性よくコントロールすることができな
いという問題点を有している。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention
Since it is difficult to control the depth of the p + attachment region 25 with good reproducibility, there is a problem that the operating voltage at the time of overvoltage application cannot be controlled with high precision and reproducibility.

【0016】本発明の目的は、前述した従来技術の問題
点を解決し、動作電圧の制御が容易で、製造プロセス上
の変動要因が少なく、かつ、再現性の良い過電圧保護を
行うことができる過電圧保護機能内蔵型半導体装置を提
供することにある。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, to easily control the operating voltage, to reduce fluctuation factors in the manufacturing process, and to perform reproducible overvoltage protection. An object is to provide a semiconductor device with a built-in overvoltage protection function.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明によれば前記目的
は、本体素子の近傍に本体素子のpベース層よりも、低
不純物濃度、厳密には不純物総量の小さい第2のpベー
ス層を設け、この領域でいわゆるパンチスルー動作を生
じさせるようにすることにより達成される。
According to the present invention, the above object is to provide a second p base layer having a lower impurity concentration, strictly speaking, a smaller total amount of impurities than the p base layer of the body element in the vicinity of the body element. This is achieved by providing a so-called punch-through operation in this area.

【0018】この第2のpベース層の形成は、イオン打
ち込み法を用いることにより、過電圧保護の動作電圧を
精密に制御することが可能となる。
The second p base layer is formed by using an ion implantation method, whereby the operating voltage for overvoltage protection can be precisely controlled.

【0019】[0019]

【作用】本発明による過電圧保護機能を内蔵した半導本
体装置は、ライフタイムの影響が小さいエミッタ層のパ
ンチスルー動作を利用しているため、プロセス上の変動
による動作電圧の変化が少なく、また、不純物層の形成
にイオン打ち込み法を用いているので、パンチスルー電
圧を高精度にかつ再現性よく制御することができる。
The semiconductor main body device with the built-in overvoltage protection function according to the present invention uses the punch-through operation of the emitter layer, which is less affected by the lifetime, and therefore the change in the operating voltage due to process variations is small. Since the ion implantation method is used for forming the impurity layer, the punch-through voltage can be controlled with high accuracy and reproducibility.

【0020】[0020]

【実施例】以下、本発明による過電圧保護機能内蔵型半
導体装置の実用例を図面により詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A practical example of a semiconductor device with a built-in overvoltage protection function according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【0021】図1は本発明の第1の実施例の構造を説明
する図であり、図1(a)はその断面図、図1(b)は
順方向の電圧が印加された場合の空乏層の広がりを示す
図、図2は本発明の第1の実施例における印加電圧と空
乏層内電荷量との関係を説明する図である。図1におい
て、6はn型エミッタ層、7はp型層、8は低濃度p型
層であり、他の符号は図7の場合と同一である。図示実
施例は、本発明を絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ
(IGBT)に適用した例を示している。
FIG. 1 is a diagram for explaining the structure of the first embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a sectional view thereof, and FIG. 1 (b) is a depletion when a forward voltage is applied. FIG. 2 is a diagram showing the spread of layers, and FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between the applied voltage and the amount of charges in the depletion layer in the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 6 is an n-type emitter layer, 7 is a p-type layer, 8 is a low-concentration p-type layer, and other reference numerals are the same as those in FIG. The illustrated embodiment shows an example in which the present invention is applied to an insulated gate bipolar transistor (IGBT).

【0022】本発明の第1の実施例による半導体装置
は、図1(a)に示すように、p形コレクタ層2、n+
バッファ層3、バッファ層3よりも高比抵抗を有するn
~ドリフト層4により構成される半導体基体1の一方の
主表面に、IGBTのチャネル層を形成する第1のベー
ス層としてのpベース層5、n形ソース層6、パンチス
ルーダイオードを形成する低不純物濃度の第2のベース
層としてのp~ 形層8、このp形層8に隣接しpベース
層5と同一の不純物分布をもちp型層8の周辺部の耐圧
を確保するためのp形層7形成して構成されている。ま
た、半導体基体1の他方の主表面すなわちアノード側に
はアノード電極9が設けられ、半導体基体1の一方の主
表面すなわちカソード側には、カソード電極10が設け
られると共に、絶縁膜12を介してポリシリコン・ゲー
ト電極11、該ゲート電極11と同じポリシリコンによ
り形成されるダイオード13が設けられている。そし
て、パンチスルーダイオードを形成する低不純物濃度の
p~ 形層8とゲート電極11とが、ダイオード13、電
極15及び電極配線16により接続されている。
In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1A, a p-type collector layer 2 and n + are formed.
The buffer layer 3 and n having a higher specific resistance than the buffer layer 3.
A p base layer 5 as a first base layer for forming a channel layer of an IGBT, an n-type source layer 6, and a punch-through diode are formed on one main surface of the semiconductor substrate 1 constituted by the drift layer 4. A p-type layer 8 serving as a second base layer having an impurity concentration, and a p-type layer 8 adjacent to the p-type layer 8 and having the same impurity distribution as the p base layer 5 for ensuring a withstand voltage in the peripheral portion of the p-type layer 8. The shaping layer 7 is formed and configured. An anode electrode 9 is provided on the other main surface of the semiconductor substrate 1, that is, on the anode side, and a cathode electrode 10 is provided on one main surface of the semiconductor substrate 1, that is, on the cathode side. A polysilicon gate electrode 11 and a diode 13 formed of the same polysilicon as the gate electrode 11 are provided. The low impurity concentration p-type layer 8 forming the punch-through diode and the gate electrode 11 are connected by the diode 13, the electrode 15 and the electrode wiring 16.

【0023】次に、前述のような構造を有する本発明の
第1の実施例の動作を、図1(b)を参照して説明す
る。
Next, the operation of the first embodiment of the present invention having the above structure will be described with reference to FIG.

【0024】本発明の第1の実施例によるIGBTのア
ノード、カソード間に順方向の電圧が印加された場合、
すなわち、アノード側に正、カソードに側に負の電圧電
圧が印加された場合、図1(b)に示すように、カソー
ド電極10に接続されているpベース層5とn~ ドリフ
ト層4とにより形成されるpn接合には空乏層20が広
がる。この場合、IGBT素子の定格電圧で、空乏層2
0は、p層7、p~ 層8にまで到達し、カソード表面領
域が所謂ピンチオフの状態となっている。これにより、
IGBT素子は、p~ 層8の領域近傍で阻止状態を維持
することができる。
When a forward voltage is applied between the anode and cathode of the IGBT according to the first embodiment of the present invention,
That is, when a positive voltage is applied to the anode side and a negative voltage is applied to the cathode side, as shown in FIG. 1B, the p base layer 5 and the n ~ drift layer 4 connected to the cathode electrode 10 are connected. The depletion layer 20 spreads in the pn junction formed by. In this case, at the rated voltage of the IGBT element, the depletion layer 2
0 reaches the p-layer 7 and the p-layer 8 and the cathode surface region is in a so-called pinch-off state. This allows
The IGBT element can maintain the blocking state in the vicinity of the region of p ~ layer 8.

【0025】前述において、p~ 層8は、他のp層に比
較して低不純物濃度であるため、空乏層が広がり易くな
っている。従って、印加電圧がさらに高くなり、この印
加電圧がp~ 層8の不純物総量によって決まるある或る
電圧になると、空乏層20は、電極15に到達して、所
謂パンチスルー状態となる。そして、p~ 層8とn~ド
リフト層4とからなるpn接合は、もはや阻止状態を維
持することができなくなり電流が流れ始める。この状態
になると電極15の電位は上昇し、ダイオード13を介
して接続されたゲート電極11の電位が高くなる。この
結果、ゲート電極11の下のpベース層表面に反転層が
形成され、IGBTはオン状態となる。
In the above description, since the p ~ layer 8 has a lower impurity concentration than the other p layers, the depletion layer easily spreads. Therefore, when the applied voltage becomes higher and the applied voltage reaches a certain voltage determined by the total amount of impurities in the p ~ layer 8, the depletion layer 20 reaches the electrode 15 and is in a so-called punch-through state. Then, the pn junction composed of the p ~ layer 8 and the n ~ drift layer 4 can no longer maintain the blocking state, and a current starts to flow. In this state, the potential of the electrode 15 rises and the potential of the gate electrode 11 connected via the diode 13 rises. As a result, an inversion layer is formed on the surface of the p base layer below the gate electrode 11, and the IGBT is turned on.

【0026】このように、本発明の第1の実施例は、I
GBT本体ががオン状態となることにより、過電圧によ
るエネルギーを素子全体で消費することになり、素子を
安全に保護することができる。
As described above, the first embodiment of the present invention is
When the GBT body is turned on, energy due to overvoltage is consumed by the entire element, and the element can be protected safely.

【0027】前述のような保護動作で重要なことは、p
~ 層8のパンチスルー電圧であり、このパンチスルー電
圧が、電極15とアノード電極9の間に、p~ 層8、n
~ ドリフト層4、n+ バッファ層3、p+ コレクタ層2
により形成されたpnpトランジスタの構造により決定
されることである。
What is important in the protection operation as described above is p
Is the punch-through voltage of the layer 8, and this punch-through voltage is between the electrode 15 and the anode electrode p.
~ Drift layer 4, n + buffer layer 3, p + collector layer 2
Is determined by the structure of the pnp transistor formed by.

【0028】一般に、トランジスタの耐圧は、ベース、
コレクタ間を逆バイアスした場合の耐圧であるBVCBO
と、エミッタ、コレクタ間を逆バイアスした場合の耐圧
であるBVCEO とに分けられ、トランジスタの増幅作用
により、BVCBO>BVCEOの関係がある。また、エミッ
タ、コレクタ間を逆バイアスした場合の方が漏れ電流が
大きいという問題がある。これらの問題は、p+ コレク
タ層2の注入効率を小さくすることである程度改善する
ことができる。すなわち、p+ コレクタ層2の注入効率
を小さくすることにより、BVCEOをBVCBOに近ずける
こができ、また、漏れ電流も小さくすることができる。
Generally, the breakdown voltage of a transistor is
Withstand voltage BV CBO when reverse bias is applied between collectors
And BV CEO , which is the withstand voltage when the emitter and collector are reverse biased, and there is a relation of BV CBO > BV CEO due to the amplifying action of the transistor. Further, there is a problem that the leakage current is larger when the emitter and the collector are reversely biased. These problems can be improved to some extent by reducing the injection efficiency of the p + collector layer 2. That is, by reducing the injection efficiency of the p + collector layer 2, BV CEO can be made closer to BV CBO , and the leakage current can also be reduced.

【0029】なお、前述した本発明の第1の実施例は、
カソード側のパターンを示さずにその断面形状によって
のみ説明したが、本発明は、ゲート電極11をストライ
プ状のパターンにしたり、あるいは、本体素子の基本セ
ルを円形等とすることができる。
The above-mentioned first embodiment of the present invention is as follows.
Although the pattern on the cathode side is not shown and only the cross-sectional shape is described, the present invention can make the gate electrode 11 a stripe pattern, or make the basic cell of the main body element circular or the like.

【0030】図2には前述した本発明の第1の実施例に
おけるIGBTに対する印加電圧と空乏層電荷量との関
係を示しており、図に示す関係より目標の保護電圧を得
るためにどの程度の電荷量、すなわち、不純物総量にす
れば良いかが判る。不純物総量のコントロールは、イオ
ン打ち込み法を利用することにより比較的、容易に実現
することができる。イオン打込み法によれば、打込まれ
たイオンの単位面積当りの総量であるドーズ量NDSは、
イオンビームの電流Ii を測定することにより、次の
(2)式により容易に知ることができる。
FIG. 2 shows the relationship between the voltage applied to the IGBT and the amount of charge in the depletion layer in the first embodiment of the present invention described above, and to what extent the target protection voltage can be obtained from the relationship shown in the figure. The amount of electric charges, that is, the total amount of impurities, can be understood. The total amount of impurities can be controlled relatively easily by using the ion implantation method. According to the ion implantation method, the dose amount N DS which is the total amount of implanted ions per unit area is
By measuring the current I i of the ion beam, it can be easily found by the following equation (2).

【0031】NDS=Iit/q (2) ここで、Ii はイオン電流〔A/cm2〕、tは打込み時
間〔秒〕、qは電子の電荷量〔クーロン〕である。
N DS = I i t / q (2) where I i is the ion current [A / cm 2 ], t is the implantation time [seconds], and q is the electron charge [coulomb].

【0032】図3は本発明の第2の実施例の構造を説明
する図であり、図3(a)は図3(b)のAA’断面
図、図3(b)は本発明の第2の実施例のカソード側の
パターンを示す平面図であり、図の符号は図1の場合と
同一である。
FIG. 3 is a diagram for explaining the structure of the second embodiment of the present invention. FIG. 3 (a) is a sectional view taken along the line AA 'of FIG. 3 (b), and FIG. 3 (b) is the first embodiment of the present invention. It is a top view which shows the pattern by the side of the cathode of Example 2 and the code | symbol of a figure is the same as the case of FIG.

【0033】図示本発明の第2の実施例は、パンチスル
ー動作する低不純物濃度のp~ 層8と周辺耐圧を確保す
るためのp層7とを、IGBTのセル間に複数個配置し
て構成したものである。
In the illustrated second embodiment of the present invention, a plurality of low impurity concentration p ~ layers 8 for punch-through operation and ap layer 7 for ensuring the peripheral breakdown voltage are arranged between the cells of the IGBT. It is composed.

【0034】この本発明の第2の実施例は、前述のよう
にp~ 層8とp層7とをユニットとして、多数並置して
いるので、p~ 層8の一部にピンホール等の欠陥が生じ
た場合にも、高不純物濃度のp層7からの空乏層のピン
チオフ効果により、耐圧低下を防止することができる。
図3(b)に示すパターン例は、ゲート電極11がスト
ライプ状をなしているパターンの場合であり、過電圧保
護領域近傍を拡大して示している。
In the second embodiment of the present invention, as described above, since a large number of p ~ layers 8 and p layers 7 are arranged side by side, a part of the p ~ layers 8 may be pinholes or the like. Even when a defect occurs, the breakdown voltage can be prevented from decreasing due to the pinch-off effect of the depletion layer from the high impurity concentration p layer 7.
The pattern example shown in FIG. 3B is a case where the gate electrode 11 has a stripe shape, and the vicinity of the overvoltage protection region is enlarged and shown.

【0035】本発明の第2の実施例において、この過電
圧保護領域で検知された過電圧はIGBTのゲート電極
11へ与えられ、IGBTはターンオンする。これによ
り、過電圧によるエネルギーは素子全体で消費され、素
子自体で保護機能を持たせることができる。
In the second embodiment of the present invention, the overvoltage detected in this overvoltage protection region is applied to the gate electrode 11 of the IGBT, and the IGBT is turned on. As a result, the energy due to the overvoltage is consumed in the entire element, and the element itself can have a protective function.

【0036】なお、図示実施例は、ゲート電極11がス
トライプ状のパターンとなっているとして説明したが、
本発明は、このパターンに限定されるものではなく、例
えば、本体素子の基本セルを円形等としてもよく、保護
領域を円形とすることにより各セルを高密度に配置する
ことができる。
In the illustrated embodiment, the gate electrode 11 is described as having a stripe pattern, but
The present invention is not limited to this pattern. For example, the basic cells of the main body element may be circular or the like, and the cells can be arranged at high density by making the protective region circular.

【0037】図4は本発明の第3の実施例の構造を説明
する図であり、図4(a)は図4(b)のAA’断面
図、図4(b)は本発明の第3の実施例のカソード側の
パターンを示す平面図である。図の符号は図1の場合と
同一である。
FIG. 4 is a view for explaining the structure of the third embodiment of the present invention. FIG. 4 (a) is a sectional view taken along the line AA 'of FIG. 4 (b), and FIG. 4 (b) is the same as the present invention. It is a top view showing the pattern by the side of the cathode of the 3rd example. The reference numerals in the figure are the same as those in FIG.

【0038】図示本発明の第3の実施例は、前述した本
発明の第1の実施例において、保護領域となるp~ 層8
及び高濃度p層7の領域に相対する位置のp+ コレクタ
層2を無くして、この部分をn+ バッファ層3として半
導体基体の表面に露出させ、コレクタ短絡構造に形成し
たものである。なお、この例では、p~ 層8及び高濃度
p層7が図5(b)に示すように円形に形成されてい
る。
The third embodiment of the present invention shown in the drawing is the same as the first embodiment of the present invention described above, except that the p-layer 8 serving as the protective region is formed.
Also, the p + collector layer 2 at the position opposite to the region of the high-concentration p layer 7 is eliminated, and this portion is exposed as an n + buffer layer 3 on the surface of the semiconductor substrate to form a collector short-circuit structure. In this example, the p ~ layer 8 and the high-concentration p layer 7 are formed in a circular shape as shown in Fig. 5 (b).

【0039】図示実施例は、コレクタ短絡構造を備える
ことにより、pnp構造のトランジスタ作用の効果が無
くなるため、漏れ電流の低減及びパンチスルーの特性を
シャープにし、いわゆるハードな特性にすることができ
る。
Since the illustrated embodiment has the collector short-circuit structure, the effect of the transistor function of the pnp structure is eliminated, so that the leakage current can be reduced and the punch-through characteristics can be made sharp, so-called hard characteristics.

【0040】図5は本発明の第4の実施例の構造を説明
する断面図であり、図5において、17はp層、18、
19はp~ 層であり、他の符号は図1の場合と同一であ
る。
FIG. 5 is a sectional view for explaining the structure of the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 5, 17 is a p layer, 18,
Reference numeral 19 is a p ~ layer, and other reference numerals are the same as those in FIG.

【0041】本発明の第4の実施例は、プレーナ構造に
より比較的高い耐圧を得ることができるようにしたもの
であり、図5に示すように、低不純物濃度の深いp~ 層
18、浅いp~ 層19を組合せて構成したものである。
この場合、p~ 層18は、p層17よりも低不純物濃度
であるが、深さを深く形成されており、不純物総量とし
てはp層17よりも多くなっているため、過電圧印加時
には必ずp層17がパンチスルーを起こすことになる。
The fourth embodiment of the present invention is such that a relatively high breakdown voltage can be obtained by the planar structure. As shown in FIG. 5, a deep p ~ layer 18 with a low impurity concentration and a shallow p-layer 18 are provided. It is configured by combining the p ~ layers 19.
In this case, the p to layer 18 has an impurity concentration lower than that of the p layer 17, but the depth is formed deeper, and the total amount of impurities is larger than that of the p layer 17. Layer 17 will punch through.

【0042】また、図示本発明の第4の実施例は、過電
圧保護領域であるp層17に相対するp+ コレクタ層2
を欠如した構造としている。このため、図4により説明
した場合と同様に、保護領域におけるpnpトランジス
タ作用の効果をなくすことができ、これにより、漏れ電
流の低減を図り、過電圧動作時の電流の立上りを急峻に
することができる。
The fourth embodiment of the present invention shown in the drawing is a p + collector layer 2 facing the p layer 17 which is an overvoltage protection region.
Has a lacking structure. Therefore, as in the case described with reference to FIG. 4, the effect of the pnp transistor action in the protection region can be eliminated, whereby leakage current can be reduced and the rise of current during overvoltage operation can be made steep. it can.

【0043】前述した第1〜第4の実施例は、いずれも
本発明をnチャネル型IGBTに適用したものとして説
明したが、本発明は、導電型を反対にしたpチャネル型
素子に対しても同様に適用することができ、また、IG
BTに限らずMOSFET、バイポーラトランジスタ等
のスイッチング素子全般に対して適用することができ
る。
Although the above-described first to fourth embodiments have been described as those in which the present invention is applied to the n-channel type IGBT, the present invention is applied to the p-channel type element having the opposite conductivity type. Can be applied as well, and also IG
Not limited to BT, the present invention can be applied to all switching elements such as MOSFET and bipolar transistor.

【0044】図6は前述した本発明の実施例による過電
圧保護機能内蔵型半導体装置である過電圧保護機能内蔵
IGBTの応用例を示す回路図である。図示応用例は、
本発明の実施例によるIGBTを自動車のイグナイタ回
路に適用した例である。図6において、30は本発明の
実施例によるIGBT素子、31はIGBT本体、32
は素子に内蔵されたパンチスルー素子、33はポリシリ
コン・ダイオード、34はゲート抵抗、35はゲート回
路の入力抵抗、36はノイズ吸収抵抗、37はイグニッ
ション・コイル、38は点火プラグ、39はバッテリで
ある。
FIG. 6 is a circuit diagram showing an application example of an IGBT having a built-in overvoltage protection function, which is a semiconductor device having a built-in overvoltage protection function according to the above-described embodiment of the present invention. The illustrated application example is
It is an example in which the IGBT according to the embodiment of the present invention is applied to an igniter circuit of an automobile. In FIG. 6, 30 is an IGBT element according to the embodiment of the present invention, 31 is an IGBT main body, 32
Is a punch through element built in the element, 33 is a polysilicon diode, 34 is a gate resistance, 35 is an input resistance of a gate circuit, 36 is a noise absorption resistance, 37 is an ignition coil, 38 is an ignition plug, 39 is a battery Is.

【0045】図示イグナイタ回路は、入力電圧Vinを0
Vに低減して、IGBT本体31をオフに制御したと
き、イグニッションコイル37の一次側コイルの電流I
out がが流れ続けようとして、イグニッションコイル3
7のインダクタンスLによりLdi/dtとして発生する出
力電圧をイグニッションコイル37の二次側に誘導して
点火プラグ38に与えるものである。
The illustrated igniter circuit sets the input voltage Vin to 0
When it is reduced to V and the IGBT body 31 is controlled to be turned off, the current I of the primary coil of the ignition coil 37 is reduced.
Ignition coil 3 trying to keep out flowing
The output voltage generated as Ldi / dt by the inductance L of 7 is induced to the secondary side of the ignition coil 37 and given to the ignition plug 38.

【0046】前述の動作時、Ldi/dtとして発生する出
力電圧が、本発明の実施例によるIGBT素子30の保
護電圧を超えると、パンチスルー素子32がパンチスル
ーを起こし、ダイオード33、ゲート・アース間の抵抗
を通じて電流が流れ、ゲートが順バイアスされ、これに
より、IGBT31が動作して誘導負荷のエネルギーを
消費する。
In the above operation, when the output voltage generated as Ldi / dt exceeds the protection voltage of the IGBT element 30 according to the embodiment of the present invention, the punch through element 32 causes punch through, and the diode 33 and the gate ground. A current flows through the resistance between them, and the gate is forward biased, whereby the IGBT 31 operates and consumes the energy of the inductive load.

【0047】これにより、前述したイグナイタ回路は、
パンチスルー素子32の降伏電圧をIGBT本体31の
降伏電圧よりも充分低い値に設定した本発明の実施例に
よる半導体装置を使用することにより、安全動作範囲で
誘導負荷をオフすることが可能となる。
As a result, the igniter circuit described above is
By using the semiconductor device according to the embodiment of the present invention in which the breakdown voltage of the punch-through element 32 is set to a value sufficiently lower than the breakdown voltage of the IGBT main body 31, it is possible to turn off the inductive load within the safe operation range. .

【0048】[0048]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、そ
の動作電圧の温度依存性が小さく、かつ、動作電圧の制
御が容易で再現性の良い過電圧保護機能を内蔵した半導
体装置を得ることができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor device having a small temperature dependence of its operating voltage, easy control of the operating voltage, and a reproducible overvoltage protection function. You can

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例の構造を説明する図であ
る。
FIG. 1 is a diagram illustrating a structure of a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施例における印加電圧と空乏
層内電荷量との関係を説明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between an applied voltage and a charge amount in a depletion layer in the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2の実施例の構造を説明する図であ
る。
FIG. 3 is a diagram illustrating a structure of a second exemplary embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第3の実施例の構造を説明する図であ
る。
FIG. 4 is a diagram illustrating a structure of a third exemplary embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第4の実施例の構造を説明する断面図
である。
FIG. 5 is a sectional view illustrating the structure of the fourth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の応用例を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing an application example of the present invention.

【図7】従来技術による過電圧保護機能内蔵型半導体装
置の構造を示す断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device with a built-in overvoltage protection function according to the prior art.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体基体 2 コレクタ層 3 コレクタバッファ層 4 ドリフト層 5 ベース層 6 エミッタ層 7 p型不純物層 8 p型低濃度層 9 アノード電極 10 カソード電極 11 ポリシリコン・ゲート電極 12、14 絶縁膜 13 ポリシリコン・ダイオード 15 電極 16 電極配線 17 p型不純物層 18、19 p~ 型不純物層 20 空乏層 25 付設領域 1 semiconductor substrate 2 collector layer 3 collector buffer layer 4 drift layer 5 base layer 6 emitter layer 7 p-type impurity layer 8 p-type low-concentration layer 9 anode electrode 10 cathode electrode 11 polysilicon gate electrode 12, 14 insulating film 13 polysilicon -Diode 15 electrode 16 electrode wiring 17 p-type impurity layer 18, 19 p-type impurity layer 20 depletion layer 25 attachment region

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一対の主表面を有する半導体基体の一方
の主表面に隣接する一方導電型のコレクタ層、該コレク
タ層に隣接する他方導電型のコレクタバッファ層、該コ
レクタバッファ層及び前記半導体基体の他方の主表面に
隣接し前記コレクタバッファ層よりも高比抵抗を有する
他方導電型のドリフト層、該ドリフト層に隣接し他方の
主表面より選択的に形成された一方導電型の第1のベー
ス層、該ベース層内に選択的に形成された他方導電型の
エミッタ層を備え、かつ、前記第1のベース層のドリフ
ト層とエミッタ層とに挟まれた部分をチャネル領域とす
るために該領域上に絶縁膜を介するゲート電極を備えた
半導体装置において、前記ドリフト層内に前記第1のベ
ース層とは分離して他方の主表面より、前記第1のベー
ス層よりもその不純物総量が少ない一方導電型の第2の
ベース層を設け、過電圧印加時に、この部分でパンチス
ルー動作を生じさせることにより半導体装置をオン動作
させて自己保護を行うことを特徴とする過電圧保護機能
内蔵型半導体装置。
1. A one conductivity type collector layer adjacent to one main surface of a semiconductor substrate having a pair of main surfaces, another conductivity type collector buffer layer adjacent to the collector layer, the collector buffer layer and the semiconductor substrate. The other conductivity type drift layer adjacent to the other main surface of the one having a higher specific resistance than the collector buffer layer, and the one conductivity type first layer adjacent to the drift layer and selectively formed from the other main surface. A base layer and an emitter layer of the other conductivity type selectively formed in the base layer, and a portion of the first base layer sandwiched between the drift layer and the emitter layer serves as a channel region In a semiconductor device having a gate electrode with an insulating film interposed on the region, in the drift layer, the impurity is separated from the first base layer and is more impure than the other main surface is than the first base layer. An overvoltage protection function characterized in that a second base layer of a conductive type having a small total amount of material is provided, and a punchthrough operation is caused at this portion when an overvoltage is applied to turn on the semiconductor device to perform self-protection. Built-in semiconductor device.
【請求項2】 一対の主表面を有する半導体基体の一方
の主表面に隣接する一方導電型のコレクタ層、該コレク
タ層に隣接する他方導電型のコレクタバッファ層、該コ
レクタバッファ層及び前記半導体基体の他方の主表面に
隣接し前記コレクタバッファ層よりも高比抵抗を有する
他方導電型のドリフト層、該ドリフト層に隣接し他方の
主表面より選択的に形成された一方導電型の第1のベー
ス層、該ベース層内に選択的に形成された他方導電型の
エミッタ層を備え、かつ、前記第1のベース層のドリフ
ト層とエミッタ層とに挟まれた部分をチャネル領域とす
るために該領域上に絶縁膜を介するゲート電極を備えた
半導体装置において、前記ドリフト層内に前記第1のベ
ース層とは分離して他方の主表面より、前記第1のベー
ス層よりもその不純物総量が少ない一方導電型の第2の
ベース層を持ち、該第2のベース層上に設けられた電極
と前記ゲート電極とがダイオードを介して接続されてい
ることを特徴とする過電圧保護機能内蔵型半導体装置。
2. A semiconductor substrate having a pair of main surfaces, a collector layer of one conductivity type adjacent to one main surface of the semiconductor substrate, a collector buffer layer of the other conductivity type adjacent to the collector layer, the collector buffer layer, and the semiconductor substrate. The other conductivity type drift layer adjacent to the other main surface of the one having a higher specific resistance than the collector buffer layer, and the one conductivity type first layer adjacent to the drift layer and selectively formed from the other main surface. A base layer and an emitter layer of the other conductivity type selectively formed in the base layer, and a portion of the first base layer sandwiched between the drift layer and the emitter layer serves as a channel region In a semiconductor device having a gate electrode with an insulating film interposed on the region, in the drift layer, the impurity is separated from the first base layer and is more impure than the other main surface is than the first base layer. An overvoltage protection function, characterized in that it has a second conductive-type second base layer having a small total amount of materials, and an electrode provided on the second base layer and the gate electrode are connected via a diode. Built-in semiconductor device.
【請求項3】 前記第2のベース層の周囲に前記第1の
ベース層5と同一の不純物分布を持つ一方導電型の半導
体層を有することを特徴とする請求項1または2記載の
過電圧保護機能内蔵型半導体装置。
3. The overvoltage protection according to claim 1, wherein a semiconductor layer of one conductivity type having the same impurity distribution as that of the first base layer 5 is provided around the second base layer. Function-embedded semiconductor device.
【請求項4】 前記第2のベース層が複数個備えられる
ことを特徴とする請求項1、2または3記載の過電圧保
護機能内蔵型半導体装置。
4. The semiconductor device with a built-in overvoltage protection function according to claim 1, 2 or 3, wherein a plurality of the second base layers are provided.
【請求項5】 前記第2のベース層は、不純物のイオン
打ち込みにより形成されることを特徴とする請求項1な
いし4のうち1記載の過電圧保護機能内蔵型半導体装
置。
5. The semiconductor device with a built-in overvoltage protection function according to claim 1, wherein the second base layer is formed by ion implantation of impurities.
【請求項6】 前記第2ベース層のアノード側への投影
領域におけるコレクタ層を欠如させたことを特徴とする
請求項1ないし5のうち1記載の過電圧保護機能内蔵型
半導体装置。
6. The semiconductor device with a built-in overvoltage protection function according to claim 1, wherein the collector layer is absent in the projection region of the second base layer toward the anode side.
【請求項7】 前記第2ベース層のアノード側への投影
領域におけるコレクタ層を欠如させ、この領域において
前記コレクタバッファ層を半導体基体の一方の主表面に
露出させたことを特徴とする請求項1ないし5のうち1
記載の過電圧保護機能内蔵型半導体装置。
7. The collector layer is absent in a region projected to the anode side of the second base layer, and the collector buffer layer is exposed to one main surface of the semiconductor substrate in this region. 1 out of 5
A semiconductor device with a built-in overvoltage protection function as described above.
JP23807893A 1993-09-24 1993-09-24 Semiconductor device with overvoltage protective function Pending JPH0794730A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23807893A JPH0794730A (en) 1993-09-24 1993-09-24 Semiconductor device with overvoltage protective function

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23807893A JPH0794730A (en) 1993-09-24 1993-09-24 Semiconductor device with overvoltage protective function

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0794730A true JPH0794730A (en) 1995-04-07

Family

ID=17024834

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP23807893A Pending JPH0794730A (en) 1993-09-24 1993-09-24 Semiconductor device with overvoltage protective function

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0794730A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8072241B2 (en) 2007-09-05 2011-12-06 Denso Corporation Semiconductor device having diode-built-in IGBT and semiconductor device having diode-built-in DMOS
CN112054019A (en) * 2019-06-07 2020-12-08 三菱电机株式会社 Semiconductor device with a plurality of semiconductor chips
EP3979330A1 (en) * 2020-09-30 2022-04-06 Infineon Technologies AG Silicon carbide device with transistor cell and clamp regions in a well region

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8072241B2 (en) 2007-09-05 2011-12-06 Denso Corporation Semiconductor device having diode-built-in IGBT and semiconductor device having diode-built-in DMOS
US8451023B2 (en) 2007-09-05 2013-05-28 Denso Corporation Semiconductor device having diode-built-in IGBT and semiconductor device having diode-built-in DMOS
US8988105B2 (en) 2007-09-05 2015-03-24 Denso Corporation Semiconductor device having diode-built-in IGBT and semiconductor device having diode-built-in DMOS
US9184158B2 (en) 2007-09-05 2015-11-10 Denso Corporation Semiconductor device having diode-built-in IGBT and semiconductor device having diode-built-in DMOS
CN112054019A (en) * 2019-06-07 2020-12-08 三菱电机株式会社 Semiconductor device with a plurality of semiconductor chips
EP3979330A1 (en) * 2020-09-30 2022-04-06 Infineon Technologies AG Silicon carbide device with transistor cell and clamp regions in a well region

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2333839B1 (en) Insulated gate bipolar transistor and method of making the same
US4837606A (en) Vertical MOSFET with reduced bipolar effects
US5973359A (en) MOS type semiconductor device
US7470952B2 (en) Power IGBT with increased robustness
US6803627B2 (en) Reverse-blocking power semiconductor component having a region short-circuited to a drain-side part of a body zone
US5969400A (en) High withstand voltage semiconductor device
US10211057B2 (en) Transistor component with reduced short-circuit current
US8044458B2 (en) Semiconductor device including a vertical gate zone, and method for producing the same
US7932583B2 (en) Reduced free-charge carrier lifetime device
JP3111576B2 (en) Semiconductor device
US20150014742A1 (en) Semiconductor device and production method for semiconductor device
JP3180831B2 (en) Insulated gate control semiconductor device
GB2154794A (en) Vertical mosfet
US6147381A (en) Field effect-controllable semiconductor component
US4975751A (en) High breakdown active device structure with low series resistance
US5091336A (en) Method of making a high breakdown active device structure with low series resistance
JP4431761B2 (en) MOS type semiconductor device
JP2009111304A (en) Overvoltage protective function built-in mos semiconductor apparatus and method of manufacturing the same
JP2003338624A (en) Semiconductor device
US9647100B2 (en) Semiconductor device with auxiliary structure including deep level dopants
JP3522887B2 (en) High voltage semiconductor device
JPH0794730A (en) Semiconductor device with overvoltage protective function
JPH09293856A (en) Insulation gate bipolar transistor provided with built-in current detecting part
US5731605A (en) Turn-off power semiconductor component with a particular ballast resistor structure
JP3216315B2 (en) Insulated gate bipolar transistor