JPH0324791B2 - - Google Patents

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JPH0324791B2
JPH0324791B2 JP57208293A JP20829382A JPH0324791B2 JP H0324791 B2 JPH0324791 B2 JP H0324791B2 JP 57208293 A JP57208293 A JP 57208293A JP 20829382 A JP20829382 A JP 20829382A JP H0324791 B2 JPH0324791 B2 JP H0324791B2
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、ブレークダウンによる素子破壊を
防止するための改良を施したMOSトランジスタ
に関する。
近年、電力用MOSトランジスタの出現によつ
て、第１図に示す如く、電力負荷２のスイツチン
グ素子としてMOSトランジスタ１が利用される
ようになり、例えば車両においても、各種車載電
力負荷のスイツチングに適用することが提案され
ている。
従来のMOSトランジスタとしては、例えば第
２図に示すような構造のものが良く知られてい
る。1981年発行。Field−Effect and Bipolar
Power Transistor Physics同図に示すMOSトラ
ンジスタは、いわゆる縦型MOSトランジスタで
ある。この素子は、基本的に、ドレイン電極３が
接合される下面側のN+型低比抵抗領域４および
表面側のＮ型高比抵抗領域５からなる半導体基板
６と、この基板６の表面側から上記高比抵抗領域
５内に所定間隔をおいて複数形成された該基板６
と反対導電形のＰ型ウエル領域７と、このＰ型ウ
エル領域７内に形成されたN+型ソース領域８と、
このN+型ソース領域８と実質的なドレイン領域
となる基板６の上記高比抵抗領域５の双方にまた
がつた状態で基板６およびウエル領域７の表面に
絶縁膜であるゲート酸化膜９を介して形成された
ゲート電極１０を有する。また、ゲート電極１０
の引き出し部分を除く上面部分がPSG膜１２で
被覆されていて、また、ソース電極１１はＰ型ウ
エル領域７中に形成されたP+型コンタクト領域
１３とも接合している。
この種のMOSトランジスタでは、比較的高
圧・大電流のスイツチングを行なう必要性から素
子の耐圧について充分な配慮が必要であるととも
に、特に、電力負荷２がモータやソレノイド等の
誘導性の負荷である場合には、負荷電流を遮断し
た際に高電圧のサージが発生するため、このサー
ジで素子が破壊されないように充分なサージ耐性
を持たす必要がある。
周知のように、MOSトランジスタではその構
造上ソースＳとドレインＤ間に寄生ツエナダイオ
ードが存在する。第１図のツエナダイオード３が
これを示している。この寄生ツエナダイオード３
は、第２図において、Ｐ型ウエル領域７とＮ型ド
レイン領域５とPN接合によつて構成されるもの
である。
そして、ドレイン・ソース間に電圧（上記PN
接合に対する逆方向電圧）が印加されると、ドレ
イン領域５とウエル領域７の接合面からそれぞれ
に空乏層が発生する。第２図ではこの空乏層の領
域を点線１４で示している。この空乏層１４は、
ドレイン・ソース間の電圧を大きくするにつれて
広がつて行く。
ここで重要なのは、第２図に示した従来の
MOSトランジスタにあつては、Ｎ型の高比抵抗
ドレイン領域５の部分に広がつて行く空乏層１４
がN+型の低比抵抗ドレイン領域４に達する以前
に、Ｎ型高比抵抗ドレイン領域５とウエル領域７
の接合部にアバランシエ降伏が生じることと、こ
の状態で生じるアバランシエ降伏の電流が局部的
に集中し易いという点である。そのため、サージ
電圧等によつてアバランシエ降伏が起こると、ド
レイン・ソース間に流れる降伏電流が比較的少な
くても、その電流が素子内で局部的に集中してい
るため、電流による発熱が集中して素子が破壊さ
れることとなる。
この現象について詳述すると、第２図の点線で
示すように空乏層１４の広がりがある程度まで小
さい状態にては、Ｎ型高比抵抗ドレイン領域５に
おける空乏層１４には、隣合う２つのウエル領域
７，７に対応する谷間ａが生じており、空乏層１
４にかかる電界が矢印ｂで示すように、空乏層１
４の谷間ａとウエル領域７のコーナー部を結ぶ部
分に最も集中し易い。このように空乏層１４にか
かる電界に局部集中が生じていると、アバランシ
エ降伏を起こしたときの電流はその部分に集中し
て流れ、電流集中による発熱で素子を破壊してし
まう原因になる。
更に換言して説明すると、PN接合に逆方向電
圧VRを印加したときの接合面からの空乏層の広
がり幅Ｗは、 で表わされることが知られている。ここでεは半
導体の比誘電率、ε0は真空の誘電率、ｑは電子の
電荷、NiはＰ側あるいはＮ側の不純物濃度であ
る。
また、このPN接合の耐圧は、周知のようにＰ
領域およびＮ領域のいずれか比抵抗の高い側（不
純物濃度の低い側）の比抵抗（不純物濃度）で決
まる。低い側の不純物濃度をNiとすると、その
PN接合がアバランシエ降伏を起こす電圧BVは、
おおよそ不純物濃度Niに反比例することが知ら
れている。
第２図に示した従来一般の縦型のMOSトラン
ジスタでは、Ｐ型ウエル領域７の不純物濃度はＮ
型の高比抵抗ドレイン領域５の不純物濃度より高
く、このPN接合の耐圧（アバランシエ降伏が生
ずる電圧）はＮ型高比抵抗ドレイン領域５の不純
物濃度で支配されている。典型的な具体例をあげ
ると、Ｐ型ウエル領域７の表面の不純物濃度が
1018／cm3、Ｎ型高比抵抗ドレイン領域５の表面の
不純物濃度が1014〜1015／cm3程度である。このた
め、空乏層がＮ型高比抵抗ドレイン領域５内を広
がつていく過程でPN接合のアバランシエ降伏が
生じ、そのときに、先に説明したようにウエル領
域７のコーナー部に空乏層の電界集中が起こり、
降伏電流の集中が起き易かつたのである。
この発明は上述した従来の問題点に鑑みなされ
たものであり、その目的は、サージ等によりブレ
ークダウンを生じても、ブレークダウン電流が素
子内において集中せず、比較的広い部分を均一に
流れ、素子の熱破壊が生じ難いようにした、すな
わちサージ耐量を大きくとれるようにした縦型の
MOSトランジスタを提供することにある。
上記の目的を達成するために、この発明は、側
面を低不純物濃度の第１導電型の第１のドレイン
領域で囲まれた第２導電型のウエル領域と、 上記ウエル領域の底部に接して形成され、かつ
該底部の耐圧が上記ウエル領域の側部の耐圧より
低くなるように、上記第１のドレイン領域の不純
物濃度より高い不純物濃度に設定されている第１
導電型の第２のドレイン領域と、 上記ウエル領域表面内部に形成された第１導電
型のソース領域と、 上記ソース領域とチヤネルの形成されるウエル
領域とを電気的に接続するソース電極と、 上記ソース領域と上記ウエル領域と上記第１の
ドレイン領域にまたがつて絶縁層を介して形成さ
れたゲート電極と、 を有することを特徴とする。
以下、この発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。
第３図はこの発明の第１の実施例を示す。この
実施例によるMOSトランジスタの基本的構成は
第２図に示した従来のものと同じであるので、同
一部分に同一符号を付し、基本構成についての説
明は省略する。
尚、本実施例ではN+低比抵抗領域４が第１の
ドレイン領域を構成し、また、Ｎ型高比抵抗領域
５が第２のドレイン領域を構成している。
第３図のこの発明に係るMOSトランジスタの
特徴とするところは、Ｐ型ウエル領域７の底部が
基板６のN+型低比抵抗領域４に接するように形
成されている点である。これにより、ドレイン・
ソース間に寄生するツエナダイオードが、Ｐ型ウ
エル領域７と基板６のN+型低比抵抗ドレイン領
域４とのPN+接合面によつて構成されている。
具体的数値をあげて一例を説明すると、半導体
基板６は、比抵抗が0.01Ωcmの低比抵抗ドレイン
領域４の上面側に、同じくＮ型で比抵抗が2.5Ω
cmと高い高比抵抗ドレイン領域５が厚さ5μmに形
成されている。また、その高比抵抗ドレイン領域
５中にチヤンネルの形成されるＰ型のウエル領域
７が表面不純物濃度1018／cm3程度に形成されてい
る。
特にここで重要なのは、Ｐ型ウエル領域７が基
板６のN+型低比抵抗ドレイン領域４に到達する
ように形成されていることである。つまり、ウエ
ル領域７の底部が低比抵抗ドレイン領域４に接し
て設けられている。
そして、Ｐ型領域７とN+型領域４との接合面
は平面となり、その接合面積はウエル領域７の底
面のほぼ全面にわたる広い面積となる。特に、Ｐ
領域７とN+領域４との接合面には、第２図の従
来のものにおけるＰ領域７とＮ領域５との接合面
が含んでいるウエル領域７のコーナー部分のよう
な角部が存在しない。
従つて、第３図のこの発明に係るMOSトラン
ジスタにあつては、ドレイン・ソース間の上記寄
生ツエナダイオードの耐圧は、Ｐ型ウエル領域７
の不純物濃度（比抵抗）によつて支配され、第２
図の従来のもののように高比抵抗ドレイン領域５
によつて耐圧が支配される場合より大きくするこ
とができる。ただし、この実施例のMOSトラン
ジスタは上記のように耐圧を高くできる点のみを
特徴とするものではなく、この発明による作用効
果は次の点にある。
つまり、この実施例のMOSトランジスタにあ
つては、Ｐ型ウエル領域７の底部がN+型低比抵
抗ドレイン領域４に接していて、両者の接合面が
広い面積で平面となつていることから、第３図の
矢印Ｃで示すように、ここに生ずる空乏層の電界
分布は接合部全域にわたつてほぼ均一となり、従
来のような電界集中が生じない。従つて、この
PN+接合面にアバランシエ降伏が生じても、そ
の降伏電流はPN+接合面の全域にわつてほぼ均
一に流れ、従来のような電流集中が生じない。そ
のために、ドレイン・ソース間に相当大きな降伏
電流が流れても、その電流が素子内部で均一に流
れるため、従来のような電流集中による発熱で素
子が破壊されてしまうことが起き難くなり、充分
なサージ耐量を得ることができる。
なお、この実施例のMOSトランジスタにあつ
ては、上記PN+接合の耐圧は、Ｐ型ウエル領域
７の不純物濃度プロフアイルを適宜にコントロー
ルすることにより任意に設定可能である。具体的
には、ウエル領域７を拡散形成するときの表面不
純物濃度、拡散時間を任意にコントロールするこ
とにより所望する耐圧を実現することができる。
第４図はこの発明の第２の実施例を示す。この
実施例の特徴とする点は、Ｐ型ウエル領域７の底
部に高濃度のP+型埋込層７０を設置し、このP+
埋込層７０を介してN+型低比抵抗ドレイン領域
４に接するように構成した例である。
この場合、ドレイン・ソース間の寄生ツエナダ
イオードは埋込層７０とドレイン領域４との
P+N+接合となるため、接合面全域にわたるより
均一なアバランシエ降伏が起き易くなる。また、
低濃度のPN接合では接合の湾曲部での電界集中
が問題になるが、この実施例のように高濃度の
PN接合では余り影響しなくなるので、埋込層７
０のコーナー部の曲率もほとんど問題にならな
い。この実施例では、P+N+接合の耐圧が低くな
るので、特に低電圧の誘導性負荷のスイツチング
用MOSトランジスタに好適である。しかも、埋
込層７０とドレイン領域４とのP+N+接合でアバ
ランシエ降伏が起きた場合、ドレイン領域４から
流れ込む電流は、埋込層７０の抵抗が低いことか
ら周囲に拡散することなく大部分ソース領域８へ
流れ込む。
従つて、N+ドレイン領域４、ウエル領域（チ
ヤンネル領域）７およびソース領域８からなる
NPNバイポーラ寄生トランジスタが存在したと
しても、そのベースへ流れ込む電流は極めて少
く、このため従来この種のMOSトランジスタで
問題となつたところの寄生トランジスタがオンす
ることによる２次降伏を有効に抑制することがで
き、つまりアバランシエ降伏により大電流が流れ
たとしても、前記２次降伏によるMOSトランジ
スタの破壊を確実に防止することができる。
第５図はこの発明の第３実施例を示す。この実
施例の特徴とする点は、Ｐ型ウエル領域７の底部
に接するN+低比抵抗ドレイン領域４が、基板６
の下面の全面に形成されているのではなくて、Ｐ
型ウエル領域７の底部直下にその底部に接する状
態で埋込まれている点である。この実施例におい
ても、上記寄生ツエナダイオードがＰ型ウエル領
域７とN+型低比抵抗ドレイン領域４とのPN+接
合からなり、上述した第１実施例と同様な作用効
果を奏するものである。
また、従来例およびこの発明の実施例ともにＮ
チヤンネル型のものについて説明したが、この発
明はＰチヤンネル型のMOSトランジスタにも同
様に適用できることは勿論である。
また、この発明は図示した構造の縦型MOSト
ランジスタにのみ適用されるわけではなく、他の
構造、例えば同じ縦型のMOSトランジスタにも
上記と同様にして適用することができる。
以上詳細に説明したように、この発明に係る
MOSトランジスタにあつては、ドレイン・ソー
ス間にサージ等による高電圧がかかり、降伏を生
じても、素子内における降伏電流は局部的に集中
することなく広い範囲にわたつてほぼ均一に流
れ、降伏電流による素子の熱破壊が起こり難くな
り、充分なサージ耐量を実現することができる。
従つて、誘導性負荷をスイツチングする素子とし
て好適となり、素子保護のためのツエナダイオー
ドを特別に外付けする必要がなくなる等の効果を
奏する。
【図面の簡単な説明】
第１図はMOSトランジスタを用いたスイツチ
ング回路図、第２図は従来のMOSトランジスタ
の構造を示す素子断面図、第３図は本発明に係る
MOSトランジスタの第１実施例を示す素子断面
図、第４図は同じく第２実施例を示す素子断面
図、第５図は同じく第３実施例を示す素子断面図
である。 ３……ドレイン電極、４……低比抵抗ドレイン
領域、５……高比抵抗ドレイン領域、６……半導
体基板、７……ウエル領域、７０……P+型埋込
層、８……ソース領域、９……絶縁膜、１０……
ゲート電極、１２……ソース電極。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 側面を低不純物濃度の第１導電型の第１のド
    レイン領域で囲まれた第２導電型のウエル領域
    と、 上記ウエル領域の底部に接して形成され、かつ
    該底部の耐圧が上記ウエル領域の側部の耐圧より
    低くなるように、上記第１のドレイン領域の不純
    物濃度より高い不純物濃度に設定されている第１
    導電型の第２のドレイン領域と、 上記ウエル領域表面内部に形成された第１導電
    型のソース領域と、 上記ソース領域とチヤネルの形成されるウエル
    領域とを電気的に接続するソース電極と、 上記ソース領域と上記ウエル領域と上記第１の
    ドレイン領域にまたがつて絶縁層を介して形成さ
    れたゲート電極と、 を有することを特徴とする縦型MOSトランジス
    タ。
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