JPS6239069A - 電界効果型半導体装置 - Google Patents

電界効果型半導体装置

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JPS6239069A
JPS6239069A JP17964385A JP17964385A JPS6239069A JP S6239069 A JPS6239069 A JP S6239069A JP 17964385 A JP17964385 A JP 17964385A JP 17964385 A JP17964385 A JP 17964385A JP S6239069 A JPS6239069 A JP S6239069A
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type semiconductor
semiconductor region
power
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JP17964385A
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Hiroshi Yamaguchi
博史 山口
Ikunori Takada
高田 育紀
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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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] この発明は電界効果型半導体装置に関し、特に破壊耐量
を改善した電界効果型半導体装置に関するものである。
[従来の技術〕 従来、この種の半導体装置として第3図に示すものがあ
った。第3図は、従来のパワーMo5t界効果トランジ
スタ(以下、電界効果トランジスタをFETと記す)の
断面図である。初めにこの装置の構成について説明する
。ドレイン電極8表面に半導体基板である第1導電形a
11度ドレイン領[1bが形成されており、この制酸表
面に第1導電形低濃度ドレイン領域1aが形成されてい
る。
第1導電形低濃度ドレイン領域1aの表面に第2導電形
半導体領域2が間隔を隔てて復r11個形成されており
、各第2導電形半導体iJI域2内に第1導電形ソース
領域3が中央部を開けて形成されている。各第2導電形
半導体領域2は凸部21を有しており、7はチャンネル
形成II域である。各第1導電形ソース領域3表面の一
部およびソース領域3の中央部の第2導電形半導体領1
2表面にソース電極6が形成されている。また、各第2
導電形半導体鋼域2間の第1導電形低濃度ドレイン領域
1a表面、第1導電形低濃度ドレイン領mlaと各第1
導電形ソース領Vt3間の各第2導電形半導体領域2表
面、および各第1導電形ソース領域3表面の一部に絶縁
lll14が形成されている。この絶縁膜4の内部にゲ
ート電極5が形成されており、絶縁膜4表面に上述のソ
ース電極6が延びている。
パワーMO3FETは、このような基本ユニットが多数
並列接続された構造をしている。
次にこの装置の動作について説明する。ドレイン1!橿
8とソース電極6間にドレイン電圧を印加した状態でゲ
ート電極5とソース電極6間にゲート電圧を印加すると
、チャンネル形成領域7にチャンネルが形成され、ドレ
イン電極8とソース電極6間にドレイン1!橿が流れる
。このとき、ゲート1!145とソース電極6間に印加
するゲート電圧を制御することによって、ドレイン電極
8とソース電極6間を流れるドレイン電流を制御するこ
とができる。ソース電極6による、第2導電形半導体領
域2とソースta域3の短絡は、チャンネル形成領域7
の電位を固定さすために不可欠である。
パワーM OS F E Tは、少数キャリアの注入、
蓄積が基本的には問題にならないため高速動作が可能で
あるという利点がある反面、バイポーラ(以下、SIP
と記す)トランジスタ、サイリスタでは少数キャリアに
よる伝導度変調により高抵抗領域のON抵抗が下がると
いう機構がないため、ON抵抗がBIP素子に比べて大
きい。このため、パワーMO8FETでは活性部の周辺
長の増大と、高抵抗領域である第1導電形低llaドレ
イン領域1aの薄層化が1!流容jail大のために懸
案となっている。第1導電形低濃度ドレインII域1a
は、半導体素子の耐圧特性が許1限り薄くするのが効果
的な設計といえる。それにもかかわらず、凸部21が存
在づるのは次の理由による。
第4図は、パワーMO8FETの出力特性を示す図であ
る。第21電形半導体領域2に凸部21がない場合、降
伏電流が流れるとパワーMO3FETはil′g8に破
壊する傾向がある。以下にこの破壊モードの説明を行な
う。第5A図は、凸部21がない場合のパワーMO8F
ETの基本構成単位の断面図であり、第5B図は、この
部分の等価回路を示す図である。ソース−ドレイン間に
印加した電圧を増大させていき、第1導電形低濃度ドレ
イン領域1aと第2s電形半導体領域2の降伏電圧値に
違すると、第5八図中に矢印で示した降伏電流が流れる
。第1導電形ソース領域3の両端では、第5B図に示す
ように実質的にBIPトランジスタが寄生している構造
となっている。このため、第1導電形ソース領域3の下
に流れ込む電流Jcは、抵抗Raを経てソース電極6か
ら流れ出るのであるが、以下の1式の条件を満すとこの
寄生トランジスタが導通する状態が出現する。
0.6V<Jc*Ra   −(1) この現象は、パワーMO3FETのごく一部の領域でま
ず起こるし、導通した後も安定な状態はとり得す、ブロ
ッキング発振状態に入る。このような状況で半導体素子
は短時間で破壊する。
このモードの破壊は、第2導電形半導体領域2に凸部2
1を形成すれば、降伏は第2導電形半導体鋼域2の中央
のみで起こるようになり、第1導電形ソース領域3下の
降伏電流を小さくすることと、第1導電形ソース領域3
下の抵抗Raが小さくなることから著しく改善できる。
このように、従来の構造においてもソース−ドレイン間
の降伏現象(一般にいう半導体素子の一時降伏現象)に
は対処できている。
′rLR明が解決しようとする問題点]一般にパワーM
O8F E Tは、BIPトランジスタで深刻な問題と
なる2次破壊現象がないと言われているが、この発明の
対象にしている縦形のパワーMO8FETには、寄生ト
ランジスタがあるため2次破*m象が起きるという問題
点があった。この現象は、高電圧、高速スイッチング動
作で起きやすいのであるが、通常のスイッチング・レギ
ュレータのように、半導体素子に印加される電圧と電流
の位相がずれている場合には問題にならない。すなわら
、半導体素子に電流が流れたまま高電圧が印加される動
作モードで初めて起きる現象である。
たとえば、第6図に示すインバータ回路で高速スイッチ
ングを行なうと、この2次破壊現象はたやすく発生Jる
。この回路で負荷(L)50に流れる電流を制御するた
めには、対角線上に配置されたパワーMO3FET40
a 、40d (7)対アルイハt<’)−MOS F
 E T 40h 、 4 Qc (7)対を任意の割
合でON、OFFすることによって可能である。負荷(
L)50を流れる電流は連続するから、パワーMO8F
ET40a 、40dの対をOFFにしてd3いて、パ
ワーMO3FET40b 。
400の対をON、OFFさす場合、パワーM 03F
ET40b 、40cがOFFのとぎ、負荷(し)50
を流れる電流はパワー〜10SFET=IQa、40(
!のそれぞれと逆並列に接続されている還流ダイオード
41a、41bを通って’!源に戻ることになる。この
3!l流ダイオードは高速用のものが必要なので、パワ
ーMO8F E Tチップとは別の素子が接続されてい
るのであるが、第5B図に示゛ケように、パワーMO3
FETの内部には、ダイオード領域が内蔵されているt
lI造となっている。このため、還流ダイオードを流れ
るべき還流電流の一部は、パワーMO8FETチップ中
を流れることになる。この状態に続いて、○FF状態の
パワーMO3FET40b 、40cにON信号を入力
した時点以降の(a)、(d)側の還流ダイイード41
a 、41dの電圧Vd波形と、パワfvl OS F
 E丁4Qb 、40Cに流れる電流in波形の例を第
7図に示す。(特にパワーM OS FETのスイッチ
ング・スピードを′@御しなかった場合)パワーMOS
FET40i1.400がONすると、(a)、(6)
側の還流ダイオード41a、41Jのリカバリー電流が
ほぼa線的に増大していく。この上昇率は、電#I電圧
Vccと配線のインダクタンスし。の比VCc / L
o ’C決ま〕ている。リカバリーしていない1濶)よ
、還流ダイオード41a、41dはごく低いインピーダ
ンスの値をとり、パワーMO3FET40b 、40c
 が電TA電圧を保持jノでいる。すなわら、パワーM
O3FET40b 、40Cは電源電圧が印加されたま
ま大′Ri流が流れる状態にさらされる(この状態は、
一般に短絡状態と呼はれている)。(a)。
(d)!Itの素子には、リカバリー期間の途中から急
峻に電圧が加わり始め、リカバリー電流の減衰時に過大
なピーク値をとる。このような短絡状態は、特に高周波
動作で還流ダイオードのりカバリ−特性が悪い場合著し
いパワー・ロスをもたらしパワーMO3FETの破壊の
原因となることがある。このモードの破壊は、典型とし
ては発熱による温度上昇が主な要因であり、2次破壊1
象ではない。
パワーM OS F E Tで問題となる2次破壊は、
上述(7)(a)、<(l側のパワーMO8FETで起
こる。(a)、(d)側のパワーMO8FETが破壊す
るための必要条件は、次のちのである。
(1) 還流′NIW&がパワーMO8FETに流れる
ことくパワーMO8FETに直列にダイオードを結線し
、還流電流が専ら還流ダイオードにのみ流れるようにす
ると破壊は起こらない)。
(2) 還流電流のりカバリ一時間が、還流ダイオード
よりもパワーM OS F E Tの方が長いこと(還
流ダイオードに高速用でなく通常型を使用すれば破壊は
起きない)。
(3) リカバリー動作時に加わる電圧の立ち上がりが
急峻であること(スナバをつけ電圧の立ち上がりを抑え
ると破壊は起きない)。
これらは、すべてB I P l−ラ〉ジスタをインバ
ータに使用した場合に問題となる2次破壊現象と基本的
に同一である。このモードの2次破壊現象は、次のよう
に説明し得る。還流時にわずかでもパワーM OS F
 E Tに電流が流れ、引続きりカバリ一時に急峻な電
圧が印加されるまでの間に、パワーM OS F’ E
 T内の接合がリカバリーされきれない場合を考える。
このとき、高抵抗領域である第1s電形低濃度トレイン
鎮域1aに残留している少数キンリアは、電圧が印加さ
1すると同時に電界によりjail速dれソース側の第
2導電形半導体領域2に杉勤してい<、g電圧の立ち上
がりが極め−C急峻・な場合には、残留しc″いる少数
キャリアがすべて第2導電形半導体敏域2に到達するま
でに、電界による少数キャリアのなだれ増倍現*、S無
視できなくなり得る。第2導電形半S体頃域2に移動す
る少数キャリアは、第1導電形ソース隔域3の両端部に
形成されている寄生トランジスタにとってベースIRが
供給されていることに相当する。
すなわち、少数キャリアのなだれ増倍現象が1式で示す
条件を満せば、奇生トランジスタは導通する。、寄生ト
ランジスタが導通ずると、第1導電形低濃度ドレイン争
域1・aに祈たlzキャリアが供給されるわけで、この
キャリアが、なだれ増倍用やにより再び寄生トランジス
タのベース領域に注入されるという正帰還ループが成立
し得る。この正帰還ループの存立条件は、基本的に高抵
抗領域である第1導電形低濃度ドレイン箇域1a中の電
界強度、奇生トランジスタのエミッタ・ベース間の抵抗
Ra値と′?i流電流増幅率り、=咄に依存1[ろ。
すなわち、電界強度が強(、抵抗Raと直流′i5流増
幅$ i、 、 、が大きいと、この正帰還は簡単(:
起こり(qる。一旦正帰還状態に入ると、電源電圧が下
がり電界強度が小さくならない限りこのW4Nの導通は
止まることはない。この状況Glt、半導体素子の局所
領域に高電圧が印加されたまま大電流密度動作をしてい
るわけで、素子は早晩発熱による温度上置が直接の原因
となって破i大することになる。結局、このような現象
を低減するのに第2導電形半導体領域2の凸部21は次
の点L゛効果的である。
(1) なだれ増倍現象の発生部を奇生トランジスタ動
作が起こりやプい場所より速ざ←ノる。
(2) 抵抗Raを小さくする。
しかしながら、この凸81S21は患彰−も及ぼし得る
。寄生トランジスタのなだれ増倍現象を抑えるためには
凸部21を深くすればよいが、その場合、なだれ増倍現
象の発生部を奇生トランジスタ動作が起こりやすい場所
より遠ざけるという効果は小さくなる。また、凸部2〕
を深くすると、凸部21の占める幅が広くなり基本」4
−ットの面積が減少プ゛る。
BIPトランジスタの場合は、そわそもパワーMO8F
ETはどの高周波動作をさせないという楽な点があるが
、エミッタ・ベース間に逆バイアスを十分印加tにとに
より、トランジスタに流れる還流時の電流を遮断してこ
のモードの2次破壊から逃れることができる。しかしな
がら、パワーMO3F E Tには、8JP)−ランジ
スタのように積揄的に還流時の電流を遮断する機能はな
い。
このため、従来の縦形パワーMO8F E Tには、汎
用電力用素子としては重大な欠陥があると占わざるを得
ない。パワーMO8F E Tの電圧定格は、通常静的
なドレイ゛ン・ソース間の電圧Vossが使用されるか
、寄生トランジスタを含むことにより上記のような動作
を行なうことから、トランジスタが静的な電圧特性であ
るνcE*T’なく、動特性であるVc E O(S 
IJ 5)に相当覆るような動的な特性で規定されるべ
きであり、その場合現在のパワーMO3F E Tの電
圧定格よりも大幅に低いものとなる。
このJt[は上記のような問題点を解消するためになさ
れたちの(,2次破壊耐噛を改善した電界効果型半導体
@hを得ることを目すとする。
L問題点を解決舊るための手&] この発明に係る電界効果型半導体’amは、縦方向に主
電流の経路を有する電界効果型半導体装置にあ゛いて、
第1導電形半導体基根表面に、電界効果により機能づる
頭載〈以下、FET領域と記す)の第2導電形半導体領
域と隔てて別の第2導電形半導体領域を形成し、上記基
板と別の第2導電形半導体領域とにより、FETLXA
域と明確に区別されるダイオード領域を形成し、FET
領域の荷電体の寿命をダイオード領域の荷電体の寿命よ
り短くしたものである。
[作用コ この発明においては、ダイオード領域をFET領域と隔
てて形成し、FET領域の荷電体の寿命をダイオード領
域の荷電体の寿命より短くしたので、FET領域の寄生
1ヘランジスタの![流電流増幅率hFEは小さくなり
、寄生トランジスタは導通しにくくなる。また、FET
領域に流れる還流電流はダイオード領域にも別れて流れ
、このときダイオード領域を流れる還流電流はFET領
域を流れる還流電流より多くなり、FET領域の寄生ト
ランジスタ近辺を流れる還流電流は小さくなる。
[実施例] 前述の説明から、パワーMO3FETの2次破壊64m
を改善するためには、 (a )  奇生トランジスタに印加される電界強度を
小さくする。
(b)  寄生トランジスタの直流電流増幅率hFEを
小さくする。
(C)  寄生トランジスタのエミッタ・ベース間の抵
抗Raを小さくする。
(d )  還流時に、寄生トランジスタ近辺を流れる
電流を小さくする。
ことが効果があることがわかる。また、(e)  ダイ
オード領域に流れる電流は、寄生トランジスタから離れ
て2次破壊と関係しなくてもパワー・ロス源となるので
小さいことが望ましい。
この発明は、(j))、(d)の効果を第1の目的とす
るものであるが、(e)の効果も併せ持つものである。
以下、この発明の実施例を図について説明する。
なお、以下の実施例の説明において、第3図〜第7図の
説明と重襖する部分については適宜その説明を省略する
第1図は、この発明の一実施例であるパワーMO3FE
Tの断面図である。この装置の構成は以下の点を除いて
第3図の構成と同じである。すなわち、第1導電形低濃
度ドレイン領域18表面に、新たに別の第2導電形半導
体fa域9がMOS F ET領領域第2導電形半導体
領域2と隔てて形成されており、第1導電形低濃度ドレ
イン領m1aと第2導電形半導体領域9とは、MO3F
ET鎗域と明確に区別されるダイオード領域を形成して
いる。ライフ・タイム・キラーとして金がM OS F
ET領域の第2導電形半導体領域2に関して高温度で選
択的に拡散されており、第2導電形半導体領域2および
第1導電形低濃度ドレイン領域1aに高濃度金拡散領域
11が形成されている。同様に、金がダイオード領域の
第2導電形半導体領域9に関して低温度で上記拡散工程
と別の工程で選択的に拡散されており、第2導電形半導
体領域9および第1導電形低濃度ドレイン領域1aに低
濃度金拡散tf[410が形成されている。また、MO
8FET領域への金の拡散温度はダイオード領域への金
の拡散温度より高いため、高濃度金鉱@領1ii211
は低濃度金拡散領iIi!10よりも第1導電形低′a
度ドレイン領域1aに深く形成されている。
これによって、MO3FET領域の荷電体の寿命をダイ
オード領域の荷電体の寿命より短くυj御している。こ
のように、MO8FETf[と隔ててダイオード領域を
形成することによって、MO8FET領域に流れる還流
電流はダイオード領域にも分かれて流れる。また、MO
3FET領域の第2導電形半導体領域2に金を拡散する
ことによって、MO3FETtl域の奇生トランジスタ
の直流電流増幅率h「εは小さくなり、この寄生トラン
ジスタが導通しにくくなる。また、MO3FET領域の
荷電体の寿命をダイオード領域の荷電体の寿命より短く
制御しているので、MO3FET領域の内蔵ダイオード
の還流時のりカバリ−はダイオード領域より速<、MO
3FET領域の寄生トランジスタのベース電流となる少
数キャリアはダイオード領域に多く流れ、すなわら、ダ
イオード領域を流れる還流電流はMO8FET領域を流
れる還流電流より多くなり、M OS F E T領域
の奇生トランジスタ近辺を流れる速流′55流は小さく
なる。このようにして、櫂形パワーM OS F E 
Tの2次破晒耐量を改膓することができる。
第2図は、この発明の池の実施例であるパワーMO8F
ETの断面図である。MO8FET領域の第2導電形半
導体領域2に関して、プラズマエッチ、イオン注入ある
いは電子ビーム照射などの処理が選択的に旌されており
、第2導電形半導体鎮域2および第1導電形低濃度ドレ
イン領域1aに高密度半導体結晶欠陥領域13が形成さ
れている。同様に、ダイオード領域の第2導電形半導体
領域9に関して、プラズマエッチなどの処理が上記処理
工程と別工程で選択的に施されでおり、第2導電形半導
体領域9および第1導電形低濃度ドレイン領域1aに低
密度半導体結晶欠陥領域12が形成されている。また、
高密度半導体結晶欠陥領域13は低密度半導体結晶欠陥
領域12より第1導電形低濃度ドレイン領*1aに深く
形成されている。MO3FET!li域の第2導電形半
導体領域2に関して隔りプラズマエッチ等による処理時
間をダイオード領域の第2導電形半導体領域9に関して
施すプラズマエッチなどによる処理時間よりも長くする
ことによって、〜10SFET領域に再結合中心密度の
高い高密度半導体結晶欠陥領域13を、グ・fオード領
域に再結合中心9度の低い低密度半導体結晶欠陥領域1
2を形成することができる。このようにして、上述の第
2導電形半導体領1Ilt2.9への金の拡散の場合と
同様に、M 03FET順誠の荷電体の寿命をダイオー
ド領域の荷電体の寿命より9.n < 19制御するこ
とができ、上記実施例と同様の効果を得ることができる
なお、上記実施例では、パワーMO3FETについての
説明を専ら行なってきたが、パワーMO3FETの低抵
抗領域である第1導電形高濃度ドレイン領域1bにあた
る部分の導電性を反対にしたm 3Sを有する絶縁ゲー
ト・トランジスタと言われている素子の最大の問題であ
るサイリスタ動作も、パワーMOS F E Tの寄生
トランジスタにあたる部分の動作を制御することが鍵で
あることから、二の発明がそのまま有効な効果を上げる
ことは明らかである。
し発明の効果] 以上のようにこの発明によれば、2a方向に主電流の経
路を有する電界効果型半導体装置において、第1導電形
半導体基板表面に、FET1l域の第2導電形半導体領
域と隔てて別の第2導電形半導体罎域を形IRL/、上
記31板と別の第2導電形半導体領域とにより、FET
1l域と明確に区別されるダイオード領域を形成し、F
ET領域の荷電体の寿命をダイオード領域の荷電体の寿
命より短くしたので、2次破17%耐聞を改善した電界
効果型半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の一実施例であるパワーMO8FE
Tの断面図である。 第2図は、この発明の他の実施例であるパワーMO8F
ETの断面図である。 第3図は、従来のパワーMO3FETの断面図である。 第4図は、従来のパワーMO3FETの出力特性を示す
図である。 第5A図は、MOS F E T領域の第2導電形半導
体領域に凸部がない場合のパワーM OS F E ’
rの基本構成単位の断面図であり、第5B図は、第5A
図の等価回路を示す図である。 第6図は、パワーMOFETを使ったインバータ回路図
である。 第7図は、第6図における還流ダイオードの電圧■d波
形とパワーMO3FETに流れる電流■霞波形を示す図
である。 図において、1aは第1導電形低濃度ドレインlli域
、1bは第1導電形高濃度ドレイン領域、2゜9は第2
導電形半導体領域、3は第1導電形ソース領域、4は絶
縁膜、5はゲート電極、6はソース電極、7はチャンネ
ル形成領域、8はドレイン電極、10は低濃度金拡散領
域、11は高濃度金拡散領域、12は低密度半導体結晶
欠陥領域、13は高密度半導体結晶欠陥領域、21は凸
部である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第1導電形半導体基板と、 前記基板表面に形成される第2導電形半導体領域と、 前記第2導電形半導体領域内のその表面に中央部をあけ
    て形成される第1導電形半導体領域と、前記基板と前記
    第1導電形半導体領域間の前記第2導電形半導体領域表
    面に形成される絶縁膜と、前記絶縁膜表面に形成される
    ゲート電極とを備え、 縦方向に主電流の経路を有する電界効果型半導体装置に
    おいて、 前記基板表面に前記第2導電形半導体領域と隔てて形成
    される別の第2導電形半導体領域を備え、前記基板と前
    記別の第2導電形半導体領域とにより、電界効果により
    機能する領域と明確に区別されるダイオード領域を形成
    し、 前記電界効果により機能する領域の荷電体の寿命を前記
    ダイオード領域の荷電体の寿命より短くした電界効果型
    半導体装置。
  2. (2)前記第2導電形半導体領域に関して高濃度に金を
    拡散し、 前記別の第2導電形半導体領域に関して低濃度に金を拡
    散する特許請求の範囲第1項記載の電界効果型半導体装
    置。
  3. (3)前記第2導電形半導体領域に関して高密度に結晶
    欠陥を形成し、 前記別の第2導電形半導体領域に関して低密度に結晶欠
    陥を形成する特許請求の範囲第1項記載の電界効果型半
    導体装置。
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