JPH11330453A - 横形絶縁ゲート型トランジスタ - Google Patents

横形絶縁ゲート型トランジスタ

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JPH11330453A
JPH11330453A JP13527198A JP13527198A JPH11330453A JP H11330453 A JPH11330453 A JP H11330453A JP 13527198 A JP13527198 A JP 13527198A JP 13527198 A JP13527198 A JP 13527198A JP H11330453 A JPH11330453 A JP H11330453A
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electrode
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drain
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JP13527198A
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Naoto Kato
直人 加藤
Etsushi Toyoda
悦嗣 豊田
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Denso Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】寄生トランジスタの動作を抑制し、破壊耐量を
向上させることができる横形絶縁ゲート型トランジスタ
を提供する。 【解決手段】n型半導体基板1の一表面にp型ベース領
域2とn型ドレイン領域3が形成され、p型ベース領域
2中にはn型ソース領域4が形成されている。ゲート絶
縁膜5を介してゲート電極6が形成されている。ソース
電極10がコンタクトホール9を通してベース領域2と
ソース領域4に接している。ドレイン電極12がコンタ
クトホール11にてドレイン領域3と接している。ソー
ス電極10のコンタクトホール9とドレイン電極12の
コンタクトホール11との間の領域以外の領域にソース
領域4が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、横形MOSFE
Tや横形IGBT等の横形絶縁ゲート型トランジスタに
関するものである。
【0002】
【従来の技術】1〜3アンペア以下の電流をスイッチン
グする半導体素子として、横方向に電流を流し制御する
横形MOSFETや横形IGBTが用いられている。こ
の種の横形絶縁ゲート型トランジスタは、他のスイッチ
ング素子や制御回路部との一体化を図ることができると
ともに、実装面においても半導体基板の表面上にすべて
の電極が取り出せワイヤボンド実装やフリップチップ実
装を行うことができる。
【0003】図8には、横形MOSFETの一例を示
す。n型半導体基板50の一表面にp型ベース領域51
と高濃度のn型ドレイン領域52が形成され、p型ベー
ス領域51中にはn型ソース領域53が形成されてい
る。また、ゲート絶縁膜54を介してゲート電極55が
配置されるとともに、ベース領域51およびソース領域
53と接するソース電極56が配置され、さらに、ドレ
イン領域52と接するドレイン電極57が配置されてい
る。
【0004】そして、図9に示すように、ゲート電極5
5の印加電圧でドレイン電極57からソース電極56に
流れる電流を制御できる。以上のような構造において、
図8に示すように、ベース領域51と半導体基板50で
形成されるpn接合の耐圧以上のサージ電圧がドレイン
電極57とソース電極56との間に印加されると、素子
はブレークダウンする。その際のブレークダウン電流
は、ドレイン電極57から半導体基板50を通りベース
領域51へ流れ込み、ソース領域53の下部を通ってソ
ース電極56へ抜ける。
【0005】この時、図10に示すように、ブレークダ
ウン電流は内在する寄生トランジスタTr1のベース・
エミッタ間をバイアスするように流れる。このベース・
エミッタ間電圧が所定の値を超えると、寄生トランジス
タTr1が動作する。
【0006】一般にこのような寄生トランジスタ動作は
局部的に発生し易く、一度動作すると電流の局部集中を
引き起こし素子の破壊に至る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明の目
的は、寄生トランジスタの動作を抑制し、破壊耐量を向
上させることができる横形絶縁ゲート型トランジスタを
提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の横形絶
縁ゲート型トランジスタは、例えば図1に示す如く、ソ
ース電極のコンタクト部とドレイン電極のコンタクト部
との間の領域以外の領域にソース領域を配置したことを
特徴としている。
【0009】このような構成を採用すると、ゲート電圧
の調整にてトランジスタがオンすると、電流が、ドレイ
ン電極からドレイン領域、基板、ゲート電極に対向する
ベース領域におけるチャネル形成部を経由してソース電
極に流れる。
【0010】一方、第1導電型の半導体基板と第2導電
型のベース領域との界面におけるpn接合にて素子(ダ
イオード)が形成され、ソース・ドレイン間にサージ電
圧が加わると、素子がブレークダウンする。すると、ド
レイン領域から半導体基板、ベース領域、ソース電極に
サージ電流が流れる。
【0011】このとき、ソース電極のコンタクト部とド
レイン電極のコンタクト部との間の領域にはソース領域
が存在しないので、ブレークダウン電流はソース領域の
下部を流れない。そのため、寄生トランジスタの動作は
抑制され、破壊耐量は向上する。
【0012】より具体的な構成として、請求項2に記載
のように、前記ドレイン電極のコンタクト部とゲート電
極の間にソース電極のコンタクト部を位置させる。ある
いは、請求項3に記載のように、前記ドレイン領域に対
するソース電極のコンタクト部と、前記ゲート電極に対
向するベース領域におけるチャネル形成部との位置関係
として、前記チャネル形成部よりソース電極のコンタク
ト部を前記ドレイン領域に接近させる。
【0013】また、請求項1のMOSFETに代わり、
請求項4のIGBTに適用しても同様のことが云える。
即ち、例えば図7に示す如く、エミッタ電極のコンタク
ト部とコレクタ電極のコンタクト部との間の領域にはエ
ミッタ領域が存在しないので、ブレークダウン電流(お
よびトランジスタのオン時の電流)はエミッタ領域の下
部を流れない。そのため、寄生トランジスタの動作(ラ
ッチアップ動作を含む)は抑制され、破壊耐量(ラッチ
アップ耐量を含む)は向上する。
【0014】より具体的な構成として、請求項5に記載
のように、前記コレクタ電極のコンタクト部とゲート電
極の間にエミッタ電極のコンタクト部を位置させる。あ
るいは、請求項6に記載のように、前記コレクタ領域に
対するエミッタ電極のコンタクト部と、前記ゲート電極
に対向するベース領域におけるチャネル形成部との位置
関係として、前記チャネル形成部よりエミッタ電極のコ
ンタクト部を前記コレクタ領域に接近させる。
【0015】また、請求項7に記載のように、請求項1
〜6のいずれか1項に記載の半導体基板内においてトラ
ンジスタ駆動のための回路素子を具備したものとする
と、実用上好ましいものとなる。
【0016】
【発明の実施の形態】(第1の実施の形態)以下、この
発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
【0017】図1には、本実施形態における横形MOS
FETの断面図を示す。図2には、ソース電極とドレイ
ン電極の無い状態での横形MOSFETの平面および断
面図である。
【0018】図1に示すように、n型半導体基板1の一
表面(上面)での表層部に、p型ベース領域2と高濃度
のn型ドレイン領域3とが離間した状態で形成され、p
型ベース領域2での表層部にn型ソース領域4が形成さ
れている。p型ベース領域2の一部領域およびn型ソー
ス領域4の一部領域の上にゲート絶縁膜5を介してゲー
ト電極6が配置されている。ゲート電極6は絶縁膜7に
て覆われている。
【0019】n型半導体基板1の上には絶縁膜8が配置
され、その上にソース電極10が配置され、ソース電極
10はコンタクトホール9を通してp型ベース領域2の
一部領域およびn型ソース領域4の一部領域と接してい
る。また、絶縁膜8の上にドレイン電極12が配置さ
れ、ドレイン電極12はコンタクトホール11にてn型
ドレイン領域3と接している。
【0020】ここで、本例の横形MOSFETにおいて
は、ドレインコンタクトホール11とゲート電極6の間
に、ソースコンタクトホール9が位置している。より詳
しくは、図2に示すように、n型半導体基板1の表層部
において図2の左側にp型ベース領域2が、右側にn型
ドレイン領域3が形成され、p型ベース領域2とn型ド
レイン領域3とは平行に延設され、p型ベース領域2内
にn型ソース領域4が延設されている。また、n型ソー
ス領域4での左側部およびソース領域4の左側のベース
領域2の上にゲート電極6が延設されている。さらに、
n型ソース領域4での右側部およびソース領域4の右側
のベース領域2の上に帯状のソースコンタクトホール9
が延設されている。また、n型ドレイン領域3の上に帯
状のドレインコンタクトホール11が延設されている。
【0021】このようにして、ソースコンタクトホール
9とドレインコンタクトホール11との間の領域Z2以
外の領域にソース領域4が配置されている。また、ドレ
イン領域3に対するソースコンタクトホール9と、ゲー
ト電極6の下方でのベース領域2におけるチャネル形成
部Z1との位置関係として、チャネル形成部Z1よりソ
ースコンタクトホール9をドレイン領域3に接近させて
いる。即ち、ドレイン領域3とチャネル形成部Z1の距
離dchannel と、ドレイン領域3とソースコンタクトホ
ール9の距離dsourceとの関係において、dchannel
sourceとなっている。
【0022】また、前述のn型半導体基板1内において
トランジスタ駆動のための回路素子(図示略)が具備さ
れ、いわゆるモノリシックICとなっている。この回路
素子により、MOSFETの駆動が行われる。つまり、
スイッチング用MOSFETのゲート端子にゲート駆動
回路が接続され、ゲート駆動回路によるゲート電位の制
御によりMOSFETをオンしてMOSFETに直列接
続された負荷を通電することができるようになってい
る。
【0023】次に、このように構成した横形MOSFE
Tの作用を説明する。まず、ゲート電圧の制御によるト
ランジスタ・オン時の動作を説明する。ゲート電極6に
印加される電圧により、横形MOSFETがオンする
と、図3に示すように、ドレイン電極12からソース電
極10に流れる電流を制御できる。このトランジスタ・
オン時の電流経路をL1で示す。電流は、ドレインコン
タクトホール11からp型ベース領域2の下部を通り、
更にチャネル形成部を経由してソースコンタクトホール
9へ抜ける。
【0024】一方、ドレイン電極12とソース電極10
との間にサージ電圧が加わると、図4に示すように、n
型半導体基板1とp型ベース領域2との界面には素子
(ダイオード)が形成され、この素子のブレークダウン
により電流(サージ電流)がドレイン電極12からソー
ス電極10に流れる。このブレークダウン時の電流経路
をLbreak で示す。つまり、電流は、ドレインコンタク
トホール11からn型ドレイン領域3→n型半導体基板
1の表層部→p型ベース領域2の表層部→ソースコンタ
クトホール9→ソース電極10に流れる。
【0025】このように、p型ベース領域2を通ってソ
ースコンタクトホール9へ抜ける。このとき、ブレーク
ダウン電流はn型ソース領域4の下部を流れない。その
ため、寄生トランジスタの動作は抑制され、破壊耐量は
向上する。
【0026】なお、この構造においては、図3に示すよ
うに、通常の素子動作時の通電電流はドレインコンタク
トホール11からp型ベース領域2の下部を通ってソー
スコンタクトホール9へ抜ける。そのため、図9に示す
従来構造より電流経路長が長くなる。しかしながら、半
導体基板1の厚み方向を有効に活用して、導通面積を向
上させることができる。つまり、図9の従来構造におい
ては電流の導通箇所は基板50の表層部に限られていた
が、本例では、図3に示すように、半導体基板1を流れ
る際は半導体基板1の厚み方向を有効に活用でき、導通
面積を向上させることができる。従って、n型ドレイン
領域3とp型ベース領域2の距離を短く設計できる低耐
圧素子では、従来構造に比べオン抵抗は不利となるが、
n型ドレイン領域3とp型ベース領域2の距離を長くす
る必要のある高耐圧素子では逆にオン抵抗は有利とな
る。
【0027】このように本実施形態は、下記の特徴を有
する。 (イ)ソース電極10のコンタクト部(9)とドレイン
電極12のコンタクト部(11)との間の領域Z2以外
の領域にソース領域4を配置した。よって、ゲート電圧
の調整にてトランジスタがオンすると、電流が、ドレイ
ン電極12からドレイン領域3、基板1、ゲート電極6
の下方でのベース領域2におけるチャネル形成部Z1を
経由してソース電極10に流れる。
【0028】一方、n型の半導体基板1とp型のベース
領域2との界面におけるpn接合にて素子が形成され、
ソース・ドレイン間にサージ電圧が加わると、素子がブ
レークダウンする。すると、ドレイン領域3から半導体
基板1、ベース領域2、ソース電極10にサージ電流が
流れるが、ソース電極10のコンタクト部(9)とドレ
イン電極12のコンタクト部(11)との間の領域Z2
にはソース領域4が存在しないので、ブレークダウン電
流はソース領域4の下部を流れない。そのため、寄生ト
ランジスタの動作は抑制され、破壊耐量は向上する。
【0029】より具体的な構成として、(ロ)ドレイン
電極12のコンタクト部(11)とゲート電極6の間に
ソース電極10のコンタクト部(9)を位置させた。 (ハ)ドレイン領域3に対するソース電極10のコンタ
クト部(9)と、ゲート電極6に対向するベース領域2
におけるチャネル形成部Z1との位置関係として、チャ
ネル形成部Z1よりソース電極10のコンタクト部
(9)をドレイン領域3に接近させた。よって、ソース
・ドレイン間にサージ電圧が加わったときに、チャネル
形成部Z1よりもソース電極10のコンタクト部(9)
の方がドレイン領域3に接近しているので、ブレークダ
ウン電流はドレイン領域3から最短のソース電極10の
コンタクト部(9)に向かって流れ、ブレークダウン電
流がソース領域4の下部を流れない。そのため、寄生ト
ランジスタの動作は抑制され、破壊耐量は向上する。
【0030】本実施形態の応用例を、図5に示す。図5
は図2に代わるものである。図5に示すように、n型半
導体基板1の表層部において図5の左側にp型ベース領
域22が四角形状に形成され、その右側にn型ドレイン
領域3が延設されている。また、p型ベース領域22内
にn型ソース領域23がコ字状に形成され、コ字状のソ
ース領域23の開口部がドレイン領域3を向いている。
さらに、n型ソース領域23での右側部およびソース領
域23の右側のベース領域22の上に四角形状のソース
コンタクトホール21が形成されている。また、ゲート
電極20はドレインコンタクトホール11とソースコン
タクトホール21の間にも存在する。しかしながら、ソ
ース領域23はコンタクトホール11とコンタクトホー
ル21の間の領域Z2には存在しない。 (第2の実施の形態)次に、第2の実施の形態を、第1
の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【0031】本実施の形態においては、図6に示すよう
に、トレンチゲート構造のMOSFETに適用してい
る。n型半導体基板1における一表面での表層部にp型
ベース領域2とn+ 型ドレイン領域3とが離間した状態
で形成され、p型ベース領域2での表層部にn型ソース
領域4が形成されている。また、n型半導体基板1にお
ける一表面にはトレンチ30が形成され、トレンチ30
はn型ソース領域4およびp型ベース領域2を貫通して
いる。このトレンチ30の内壁にはゲート絶縁膜31が
形成され、その内側にはゲート電極32が配置されてい
る。このようにして、p型ベース領域2の一部領域およ
びn型ソース領域4の一部領域に対しゲート絶縁膜31
を介してゲート電極32が配置されている。また、コン
タクトホール9にてソース電極10がp型ベース領域2
の一部領域およびn型ソース領域4の一部領域と接して
いる。さらに、コンタクトホール11を通してドレイン
電極12がn+ 型ドレイン領域3と接している。
【0032】ここで、ソースコンタクトホール9とドレ
インコンタクトホール11との間の領域以外の領域にソ
ース領域4が配置されている。そして、ゲート電圧の調
整にてトランジスタがオンすると、電流が、ドレイン電
極12からドレイン領域3、基板1、ベース領域2にお
けるチャネル形成部を経由してソース電極10に流れ
る。
【0033】一方、基板1とベース領域2との界面にお
けるpn接合にて素子(ダイオード)が形成され、ソー
ス・ドレイン間にサージ電圧が加わると、素子がブレー
クダウンする。すると、ドレイン領域3から基板1、ベ
ース領域2、ソース電極10にサージ電流が流れる。こ
のとき、ソースコンタクトホール9とドレインコンタク
トホール11との間の領域にはソース領域4が存在しな
いので、ブレークダウン電流はソース領域4の下部を流
れない。そのため、寄生トランジスタの動作は抑制さ
れ、破壊耐量は向上する。
【0034】また、図3と図6を比較してみると明らか
なように、トレンチゲート構造を採用することにより、
電流経路L1をより短くすることができる。 (第3の実施の形態)次に、第3の実施の形態を、第1
の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【0035】第1の実施の形態ではMOSFETの例で
説明したが、本実施の形態においては、図7に示すよう
に、IGBTに適用している。つまり、図1でのn+
領域3を、図7のようにp型領域40とした以外、構造
的には第1の実施の形態と同じである。
【0036】より詳しくは、n型半導体基板1における
一表面での表層部にp型ベース領域2とp型コレクタ領
域40とが離間した状態で形成され、p型ベース領域2
での表層部にn型エミッタ領域41が形成されている。
また、p型ベース領域2の一部領域およびn型エミッタ
領域41の一部領域の上にゲート絶縁膜5を介してゲー
ト電極6が配置されている。さらに、コンタクトホール
42にてエミッタ電極43がp型ベース領域2の一部領
域およびn型エミッタ領域41の一部領域と接してい
る。また、コンタクトホール44を通してコレクタ電極
45がp型コレクタ領域40と接している。
【0037】ここで、エミッタコンタクトホール42と
コレクタコンタクトホール44との間の領域以外の領域
にエミッタ領域41が配置されている。また、コレクタ
領域40に対するエミッタコンタクトホール42と、ゲ
ート電極6の下方でのベース領域2におけるチャネル形
成部との位置関係として、チャネル形成部よりエミッタ
コンタクトホール42をコレクタ領域40に接近させて
いる。
【0038】そして、ゲート電極6の印加電圧でコレク
タ電極45からエミッタ電極43に流れる電流を制御で
きる。IGBTでは、MOSFETの例で示した寄生ト
ランジスタの動作は素子のラッチアップを引き起こし、
サージ印加時だけでなく通常動作においても起こり得
る。これは、通常動作時において、常にp型ベース領域
2とn型半導体基板1とp型コレクタ領域40で形成さ
れるpnpトランジスタによる正孔電流が存在するから
である。
【0039】図7においては、正孔電流はエミッタ領域
41の下部を流れることなくエミッタ電極43に至るた
め、ラッチアップ耐量を向上させることができる。ま
た、正孔電流の経路長は従来構造と同等に設計でき、電
子電流の経路長が長くなることによるデメリットよりも
半導体基板1を流れる際の導通面積拡大の効果がより顕
著に発揮できる。
【0040】このように本実施の形態は、下記の特徴を
有する。 (イ)エミッタ電極43のコンタクト部(42)とコレ
クタ電極45のコンタクト部(44)との間の領域以外
の領域にエミッタ領域41を配置した。よって、エミッ
タ電極43のコンタクト部とコレクタ電極45のコンタ
クト部との間の領域にはエミッタ領域41が存在しない
ので、ブレークダウン電流およびオン電流はエミッタ領
域41の下部を流れない。そのため、ラッチアップ動作
を含む寄生トランジスタの動作は抑制され、破壊耐量は
向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施の形態における横形MOSFET
の断面図。
【図2】 ソース電極とドレイン電極の無い状態での横
形MOSFETの平面および断面図。
【図3】 作用を説明するための横形MOSFETの断
面図。
【図4】 作用を説明するための横形MOSFETの断
面図。
【図5】 第1の実施の形態の応用例における横形MO
SFETの平面および断面図。
【図6】 第2の実施の形態におけるトレンチゲート型
MOSFETの断面図。
【図7】 第3の実施の形態における横形IGBTの断
面図。
【図8】 従来技術を説明するための横形MOSFET
の断面図。
【図9】 作用を説明するための横形MOSFETの断
面図。
【図10】 作用を説明するための横形MOSFETの
断面図。
【符号の説明】
1…n型半導体基板、2…p型ベース領域、3…n型ド
レイン領域、4…n型ソース領域、5…ゲート絶縁膜、
6…ゲート電極、9…コンタクトホール、10…ソース
電極、11…コンタクトホール、12…ドレイン電極、
31…ゲート絶縁膜、32…ゲート電極、40…p型コ
レクタ領域、41…n型エミッタ領域、42…コンタク
トホール、43…エミッタ電極、44コンタクトホー
ル、45…コレクタ電極。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型の半導体基板における一表面
    での表層部に、第2導電型のベース領域と第1導電型の
    ドレイン領域とが離間した状態で形成されるとともに、
    前記ベース領域での表層部に第1導電型のソース領域が
    形成され、さらに、前記ベース領域の一部領域およびソ
    ース領域の一部領域に対しゲート絶縁膜を介してゲート
    電極が配置されるとともに、前記ベース領域の一部領域
    およびソース領域の一部領域と接するソース電極が設け
    られた横形絶縁ゲート型トランジスタにおいて、 前記ソース電極のコンタクト部とドレイン電極のコンタ
    クト部との間の領域以外の領域に前記ソース領域を配置
    したことを特徴とする横形絶縁ゲート型トランジスタ。
  2. 【請求項2】 前記ドレイン電極のコンタクト部とゲー
    ト電極の間にソース電極のコンタクト部が位置する請求
    項1に記載の横形絶縁ゲート型トランジスタ。
  3. 【請求項3】 前記ドレイン領域に対するソース電極の
    コンタクト部と、前記ゲート電極に対向するベース領域
    におけるチャネル形成部との位置関係として、前記チャ
    ネル形成部よりソース電極のコンタクト部を前記ドレイ
    ン領域に接近させた請求項1に記載の横形絶縁ゲート型
    トランジスタ。
  4. 【請求項4】 第1導電型の半導体基板における一表面
    での表層部に、第2導電型のベース領域と第2導電型の
    コレクタ領域とが離間した状態で形成されるとともに、
    前記ベース領域での表層部に第1導電型のエミッタ領域
    が形成され、さらに、前記ベース領域の一部領域および
    エミッタ領域の一部領域に対しゲート絶縁膜を介してゲ
    ート電極が配置され、前記ベース領域の一部領域および
    エミッタ領域の一部領域と接するエミッタ電極を設けた
    横形絶縁ゲート型トランジスタにおいて、 前記エミッタ電極のコンタクト部とコレクタ電極のコン
    タクト部との間の領域以外の領域に前記エミッタ領域を
    配置したことを特徴とする横形絶縁ゲート型トランジス
    タ。
  5. 【請求項5】 前記コレクタ電極のコンタクト部とゲー
    ト電極の間にエミッタ電極のコンタクト部が位置する請
    求項4に記載の横形絶縁ゲート型トランジスタ。
  6. 【請求項6】 前記コレクタ領域に対するエミッタ電極
    のコンタクト部と、前記ゲート電極に対向するベース領
    域におけるチャネル形成部との位置関係として、前記チ
    ャネル形成部よりエミッタ電極のコンタクト部を前記コ
    レクタ領域に接近させた請求項4に記載の横形絶縁ゲー
    ト型トランジスタ。
  7. 【請求項7】 前記半導体基板内においてトランジスタ
    駆動のための回路素子を具備した請求項1〜6のいずれ
    か1項に記載の横形絶縁ゲート型トランジスタ。
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