JPS60177675A - 絶縁ゲ−ト半導体装置 - Google Patents

絶縁ゲ−ト半導体装置

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JPS60177675A
JPS60177675A JP59032342A JP3234284A JPS60177675A JP S60177675 A JPS60177675 A JP S60177675A JP 59032342 A JP59032342 A JP 59032342A JP 3234284 A JP3234284 A JP 3234284A JP S60177675 A JPS60177675 A JP S60177675A
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JP
Japan
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conductivity type
drain
semiconductor device
diffusion layer
layer
Prior art date
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Pending
Application number
JP59032342A
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English (en)
Inventor
Tetsuo Iijima
哲郎 飯島
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • 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
    • HELECTRICITY
    • 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
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1095Body region, i.e. base region, of DMOS transistors or IGBTs

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  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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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】 〔技術分野〕 本発明は毛−夕制御回路に使用するパワー用絶縁ゲート
電界効果トランジスタ(MOSFET)における破壊防
止技術に関する。
〔背景技術〕
モータ制御(駆動制御)回路の周波数増加に伴い、従来
のバイポーラトランジスタに代ってパワーMOS F 
E Tが使用されるようになった。このパワーMO8F
ETによるモータ制御回路は第1図に示すように縦続接
続された対のMOSFETを複数対並列に接続し、交替
にオンオフ動作するように構成したものである。
このような複数のMOSFETを有するモータ制御回路
において、モータの起動停止時にMOSFETに内蔵す
るダイオードの一部が破壊される現象の生じることが発
明者の実験によりあきらかとされた。パワーMO8FE
Tの内部ダイオードの破壊はソース・チャネル部及びド
レインにより構成される寄生npn(Nチャネルの場合
)バイポーラトランジスタ動作が局部的にセルに集中す
るために生じることによるものである。
すなわち、第1図に示されるMO8FETQI 。
Q2.Q、・・・においてゲー)G、、G、をオンさせ
ると回生電流IPはQ3の内部ダイオードD。
を順方向に流れる。次いでQlのゲートG、を0NIC
するとQ3の内部ダイオードD3の逆バイアスとなるた
め、第2図に示すようにリカバリ電流Trrが回復する
まで過電流IDrがダイオードD3に流れる。またこの
際に回路のLによって誘導起電力が発生し、Trrが回
復するまでにスパイク電圧Vpがダイオードに印加され
降伏に至る場合がある。
Trrが回復するまでの間にダイオードD3にかかる負
担は太き(過電流よりrによって破壊する場合と、ID
r−Vpによるパワーで破壊する場合とがあり、保護回
路対策と同時に素子自身のダイオード破壊耐量の向上が
要請されている。
このようなセルへの局部的電流の集中を防止するためこ
れまで下記の対策が本発明者により考えられている。
(1)セルの配置を均一化すること。しかし、この方法
では等価回路上各セルをすべて均一に配列することはレ
イアウト上から不可能である。
〔発明の目的〕
本発明は上記した問題を解決するためのものであって前
記の両者相反の関係を定量的に明らかにし、破壊耐量の
向上とオン抵抗増大の抑制のできるパワーMO8半導体
装置を提供することにある。
〔発明の概要〕
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば下記のとおりである。
すなわち、縦形nチャネルMO8FETにおいて、チャ
ネル部を含むp型層直下の高比抵抗n−型ドレイン領域
をバラスト抵抗として、このn−型ドレイン領域の比抵
抗はMOSFETの耐圧特性とのパラメータによって適
合する比抵抗値を選ぶとともに上記p型層直下のn−型
ドレイン層の厚さは上記比抵抗値とのパラメータにより
示される非破壊領域の下限値を選ぶことにより、破壊耐
量が向上でき、しかもオン抵抗を増大することなく、前
記目的が達成できる。
〔実施例〕
第3図は本発明の一実施例を示すものであって、縦形パ
ワーnチャネルMO8FETの要部縦断面図である。】
はn−型シリコン基体(i層)でnチャネルMO8FE
Tのドレイン領域となる部分で、下面(裏面側)に高濃
度ドナ拡散によるn++層2が形成され、その表面に銀
等の金属膜3がドレイン電極(Dlとして形成される。
4は上記基体1の上面に部分的にアクセプタ拡散により
形成されたp型頭域でその表面の一部4aはチャネル部
となる。
5はp型頭域の表面の一部に高濃度ドナ拡散により形成
されたn+型領領域ソース・コンタクト部となる。
6はゲート絶縁膜で薄いシリコン酸化膜(S t Ot
膜)からなり、その上にポリシリコン層等からなるゲー
ト電極7Dが設けられ、さらにその上を絶縁膜、例えば
CVD(気相化学堆積)によるシリコン酸化膜8で覆っ
である。
9はアルミニウムを蒸着してなるソース電極(81で、
n++ソース領域4に低抵抗接触するとともにp型頭域
に短絡接触し絶縁膜9を介してゲートの上を越えて他の
n++ソース領域5に低抵抗接触する。上記ゲート電極
Gへの電圧印加によってゲート直下のp型領域表面(チ
ャネル部)4aを流れるソース−ドレイン電流IDSは
制御される。
このようなnチャネルパワーMO8FETにおいて、所
要とする破壊耐量に対してドレインとなるn−型シリコ
ン基体の比抵抗及びドレインバラスト抵抗となるn一層
(又はi層)の厚さは下記のようにして決定される。
第4図は本発明者によっ実験データの結果よりパワーn
チャネルMO8FETにおけるドレイン耐圧とn−型層
(基体)の比抵抗との関係を示す曲線図である。
例えば500Vの耐圧を得るためには上記曲線によって
n−型ドレイン層の比抵抗をめドープされる不純物濃度
を決定する。
第5図は基体の比抵抗とi層(p型層直下のn−型層)
の厚さとの関係を示し、本発明者の実験により、ダイオ
ード破壊耐量に大きく保っていることが明らかになった
すなわち、第5図に示される曲線によって分けられる2
つの領域のうち工は非破壊領域、■は破壊領域となる。
したがって、第4図でめられた比抵抗におけるn−型基
体の厚さを第5図の非破壊領域Iの中から選ぶ。
一方、パワーnチャネルMO8FETにおいてはオン抵
抗はn−型基体の厚さに比例して大きくなるから、オン
抵抗特性を向上するためにはn・7型層体をできるだけ
薄くすることがのぞましい。
したがって、n−型層の厚さは第5図における非破壊領
域Iと破壊領域■の境界ラインより上限近くの厚さを用
いることになる。
第6図は第3図で示したパワーnチャネルMO8FET
の動作時において、リカバリー電流IDHの経路を同図
の等価回路で示すものである。
この場合、IDRは次の4つの径路が考えられる。すな
わち、(al Cg dよりRgを経てD−+Sに流れ
るidd、(b1MO8がNしてD−+8に流れるic
h、(clpnダイオードのTrr が回復するまでK
Rbを通してD−+Sに流れるids、(di寄生バイ
ポーラトランジスタがオンしてD−+Sへ流れるicが
ある。(at〜(dlまでにバラストとして働く抵抗成
分のうちRnはすべての経路に渡り有効である。
第7図は内部ダイオードのiD、vds 波形を示し、
これを3つの領域t、、 tt* tIfに分解してそ
の動作を説明すると、Rd >Rbであるから電流it
l はソースル+層ドレインn一層によるダイオードと
Rdで決まる値が流れる。ダイオードは順方向にバイア
スされるため、ソースp 層とドレインn一層に形成さ
れる空乏層は狭くなっており、pn接合静電気容量cj
は非常に大きくなっている。ソース・ドレイン電流の流
れる方向によってダイオードにおけるホールの動作を説
明すると、ソース側が(+1、ドレイン側が(−1に印
加される場合、第8図に示すように(1)i層(n一層
)中にホール(hlが蓄積し、(2)ホールの分布はe
rrorfunc、で近似するからi層の厚さdiを十
分にとれば1個のMO8FETセル中に電流が集中する
ことがなく破壊を防止できる。
ここで電位が逆転し、第9図に示すようにソース側が(
−)、ドレイン側が(+)になった場合、(1)空乏層
のホールが矢印のように逆流(を外部)し、(2)空乏
層外のホールが逆流(拡散)する。i層を厚くすること
で拡散逆流のホール量を多くし、リカバリーをソフトに
することにより破壊耐量を上げることができる。
〔効果] 以上実施例で述べた本発明によれば下記のように効果が
得られる。
(1)n−基体の厚さを少なくとも非破壊領域内で選ぶ
ことKよりMOSFETの破壊耐量を大幅に向上するこ
とができる。在来のパワーMO8FETではかかる考慮
がなされないため0.2 Aで破壊したが、本発明によ
るパワーnチャネルMO8FETでは30A以上でも非
破壊であることが明かとなった。
(2) 非破壊領域の下限をとることにより、必要以上
オン抵抗特性を損うことなく、破壊耐量の向上を達成で
きるようになった。
(3)上記(1)、(2)によりモータ制御、インバー
タ等の回路に使用されるパワーMO8FETの品質向上
、信頼性向上に大きく寄与できる。
〔利用分野〕
本発明はモータ制御、インバータ用のパワーMOS’F
 E T一般に利用することができる。
本発明はまた、高速ダイオードのツクトリカバリ−に応
用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はパワーMO8FETを用いたモータ制御回路に
おける局部的電流集の形態を示す回路図である。 第2図はMO8FETKおける回生電流波形を示す波形
図である。 第3図は本発明の一実施例を示すものであって、パワー
〇チャネルMO8FETの要部拡大断面図である。 第4図は本発明者の実験データに基(MOSFETの耐
圧と比抵抗の関係を示す曲線図である。 第5図は同じくi層厚と比抵抗の関係を示す曲線図であ
る。 第6図は第3図に示したMOSFETにおけるノースド
レイン電流13路を示す等価回路図である。 第7図はソース・ドレイン電流電圧の波形図である。 第8図及び第9図はMO8FET内部ダイオードにおけ
るホールの動作を説明するための断面図である。 1・・・n−型シリコン基体(i層)、2・・・n 型
層、3・・・金属膜(ドレイン電極D)、4・・・p型
領域、4a・・・チャネル部、5・・・n+型領領域ソ
ース・コンタクト部)、6・・・ゲート絶縁膜、7・・
・ポリシリコンゲート電極(a、8・・・シリコン酸化
膜、9・・・アル゛ミニウム・ソース電極+S)。 第 1 図 第 2 図 Irと 第 3 図 ( 第 4 図 第 5 図 第 6 図 第 7 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、第1導電型半導体基体をドレインとして、この基板
    の一主面の一部に第2導電型拡散層が形成され、この第
    2導電型拡散層の表面の一部に第1導電型高濃度拡散層
    がソースとして形成され、ソースの形成されない第2導
    電型拡散層の表面に絶縁膜を介してゲート電極が形成さ
    れ、このゲート電極への電圧印加によってゲート下の第
    2導電型拡散層表面チャネル部のソース・ドレイン電流
    を制御するように構成された縦形絶縁ゲート半導体装置
    であって、第2導電型拡散層直下の第1導電型高比抵抗
    半導体基体部分をドレインバラスト抵抗とし、その厚さ
    は上記絶縁ゲート半導体装置の耐圧特性、電流特性を規
    定するパラメータによって決定されることを特徴とする
    絶縁ゲート半導体装置。。 2、 ドレインバラスト抵抗として使用される第1導電
    型半導体基体の比抵抗は上記絶縁ゲート半導体装置の耐
    圧特性とのパラメータによって示される最も適合する比
    抵抗値を選ぶとともに、上記第2導電型拡散層直下の第
    1導電型半導体基体の厚さは上記比抵抗値とのパラメー
    タにより示される非破壊領域の下限値を選ぶ特許請求の
    範囲第1項に記載の絶縁′ケート半導体装置。
JP59032342A 1984-02-24 1984-02-24 絶縁ゲ−ト半導体装置 Pending JPS60177675A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6457757A (en) * 1987-08-28 1989-03-06 Nec Corp Vertical insulated-gate field-effect transistor
US4967245A (en) * 1988-03-14 1990-10-30 Siliconix Incorporated Trench power MOSFET device
US5221850A (en) * 1991-03-20 1993-06-22 Fuji Electric Co., Ltd. Conductivity-modulating mosfet
JPH08102540A (ja) * 1995-09-25 1996-04-16 Toshiba Corp 導電変調型mosfet

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US5221850A (en) * 1991-03-20 1993-06-22 Fuji Electric Co., Ltd. Conductivity-modulating mosfet
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