JP2001156288A - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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Abstract
の間の空乏層のためにコレクタ電極側から注入される少
数キャリア(正孔)が流れる電流路が狭くなり、抵抗
(JFET抵抗)成分が大きくなってしまう。 【解決手段】 IGBT100のn型低濃度ドリフト領
域6にゲート絶縁膜12を介して隣接するゲート電極1
4の第1部位30と、p型ボディ領域8にゲート絶縁膜
12を介して隣接するゲート電極14の第2部位32と
は、その仕事関数が異なっている。したがって、IGB
T100の導通時に、n型低濃度ドリフト領域6表面に
蓄積される多数キャリアの量が多くなる。そのため、n
型低濃度ドリフト領域6とp型ボディ領域8との接合部
の空乏層が、n型低濃度ドリフト領域6側へ延びるのを
抑えることが可能であるので、JFET抵抗を減らすこ
とができる。
Description
た半導体装置に関する。
ide SemiconductorField Ef
fect Transistor)やIGBT(Ins
ulated Gate Bipolar Trans
istor)等のゲート電極を備えた半導体装置は、高
速スイッチング特性を備えているため様々な分野に広く
用いられている。特にIGBTは、MOSFETの高速
スイッチング特性とバイポーラトランジスタの高出力特
性を兼ね備えており、パワーエレクトロニクスの分野で
多く用いられている。
8に従来のIGBT500の断面図が示されている。
リフト層4が選択的に形成されている。このn型高濃度
ドリフト層4には、n型低濃度ドリフト領域6が選択的
に形成されている。このn型低濃度ドリフト領域6表面
には、p型ボディ領域8が形成されている。このp型ボ
ディ領域8の表面にはn型エミッタ領域10が形成され
ている。そして、ゲート絶縁膜12を介して、n型低濃
度ドリフト領域6上及びp型ボディ領域8上にゲート電
極84が形成されている。一方、n型エミッタ領域10
に接触するようにエミッタ電極16が形成され、p型高
濃度半導体基板2の裏面側には、コレクタ電極18が形
成される。
通りである。IGBT500を導通させるとき(導通
時)には、ゲート電極84にエミッタ電極16に対して
正の電圧(正のバイアス電圧)が印加される。ゲート電
極84に正のバイアス電圧が印加されると、p型ボディ
領域8の表面にn型チャネルが形成され、n型エミッタ
領域10からn型低濃度ドリフト領域6及びn型高濃度
ドリフト層4へ多数キャリアが注入される。n型低濃度
ドリフト領域6及びn型高濃度ドリフト層4へ多数キャ
リアが注入されると、p型高濃度半導体基板2側から、
少数キャリアがn型高濃度ドリフト層4及びn型低濃度
ドリフト領域6へ注入され、エミッタ電極16とコレク
タ電極18との間に電流が流れる。
(非導通時)には、ゲート電極84にエミッタ電極16
に対して負の電圧(負のバイアス電圧)が印加される。
これにより、前述したn型チャネルが消失し、エミッタ
電極16とコレクタ電極18との間に電流が流れなくな
る。
ネルギーバンド図が、図9に示されている。図9(a)
及び図9(b)には、p型ボディ領域8表面、ゲート絶
縁膜12及びゲート電極84のエネルギーバンド図が示
されている。また、図9(c)及び(d)には、n型低
濃度ドリフト領域6表面及びゲート電極84のエネルギ
ーバンド図が示されている。
材料の仕事関数、EFはフェルミ準位、VACは真空準
位、Ecは伝導帯下端、Evは価電子帯上端を示してい
る。
では、図9(a)に示されているように、ゲート絶縁膜
を介して、ゲート電極とp型ボディ領域とのフェルミ準
位が等しくなるように平衡が保たれている。
図9(b)に示されているように、ゲート電極側のフェ
ルミ準位が下がり、p型ボディ領域側では、p型ボディ
領域とゲート絶縁膜との界面で伝導体下端が曲がり、少
数キャリア(電子)が蓄積される。
では、図9(c)に示されているように、絶縁膜を介し
て、ゲート電極とn型低濃度ドリフト領域とのフェルミ
準位が等しくなるように平衡が保たれている。
(d)に示されているように、ゲート電極側のフェルミ
準位が下がり、n型低濃度ドリフト領域側では、n型低
濃度ドリフト領域とゲート絶縁膜との界面で伝導体下端
が曲がり、多数キャリア(電子)が蓄積される。
00の導通時には、ゲート電極84に正のバイアス電圧
が印加されるため、p型ボディ領域8とn型低濃度ドリ
フト領域6との間の空乏層が濃度の低いn型低濃度ドリ
フト領域6側へ延びる。この空乏層のために、n型エミ
ッタ領域10側から注入される多数キャリア(電子)が
流れる電流路が狭くなり、n型低濃度ドリフト領域6及
びn型高濃度ドリフト層4における抵抗(ジャンクショ
ンFET抵抗、JFET抵抗)成分が大きくなってしま
う。
ボディ領域8の拡散深さを浅くするとIGBT500が
ラッチアップを起こしやすくなり、破壊耐量が低下する
という問題があった。
れたものであり、破壊耐量が大きく、低損失な半導体装
置を提供することを目的とする。
基板内に形成された第1の第1導電型不純物拡散領域
と、前記第1の第1導電型不純物拡散領域表面に形成さ
れた第2導電型不純物拡散領域と、前記第2導電型不純
物拡散領域表面に形成された第2の第1導電型不純物拡
散領域と、ゲート絶縁膜を介して、少なくとも前記第1
の第1導電型不純物拡散領域と前記第2導電型不純物拡
散領域に隣接するゲート電極と、を備え、前記ゲート電
極の前記第1の第1導電型不純物拡散領域に隣接する第
1部位の材料が有する第1部位仕事関数と、前記ゲート
電極の前記第2導電型不純物拡散領域に隣接する第2部
位の材料が有する第2部位仕事関数とが各々異なってい
ることを特徴とする。
型不純物拡散領域にゲート絶縁膜を介して隣接するゲー
ト電極の第1部位と、第2導電型不純物拡散領域にゲー
ト絶縁膜を介して隣接するゲート電極の第2部位との仕
事関数が異なっている。第1部位の仕事関数と第2部位
の仕事関数を適宜設定することで、半導体装置の導通時
に、第1の第1導電型不純物拡散領域のゲート電極に隣
接する部位に蓄積される多数キャリア量が多くなる。そ
のため、第1の第1導電型不純物拡散領域と第2導電型
不純物拡散領域との接合部の空乏層の第1の第1導電型
不純物拡散領域側への延びが抑えられ、JFET抵抗を
減らすことができる。また、第1の第1導電型不純物拡
散領域のゲート電極に隣接する部位に蓄積される多数キ
ャリア量が多くなり、第1の第1導電型不純物拡散領域
に注入される少数キャリア量が増えるため、第1の第1
導電型不純物拡散領域自体の抵抗を減らすことができ
る。したがって、低損失な半導体装置を提供することが
可能である。
導電型不純物拡散領域から第2導電型不純物拡散領域を
介して前記第1の第1導電型不純物拡散領域に達するよ
うに形成された溝を更に備え、前記ゲート電極は、前記
ゲート絶縁膜を介して前記溝内壁に形成されていること
が好適である。
がn型であり、前記第2導電型がp型であるとき、第1
部位仕事関数を第2部位仕事関数より小さくすることが
好適である。
がp型であり、前記第2導電型がn型であるとき、第1
部位仕事関数を第2部位仕事関数より大きくすることが
好適である。
実施形態という)を、図面に従って説明する。尚、各図
を通じて、同じ部材には同一の符号が付されている。
IGBT100が示されている。図1(a)には、IG
BT100の平面図が示されており、図1(b)には、
図1(a)におけるAA線での断面図が示されている。
p型高濃度半導体基板2上にn型高濃度ドリフト層4が
選択的に形成されている。このn型高濃度ドリフト層4
の表面には、n型低濃度ドリフト領域6が選択的に形成
されている。このn型低濃度ドリフト領域6表面には、
p型ボディ領域8が形成されている。このp型ボディ領
域8の表面にはn型エミッタ領域10が形成されてい
る。そして、ゲート絶縁膜12を介して、少なくともn
型低濃度ドリフト領域6及びp型ボディ領域8に隣接す
るようにポリシリコンを材料とするゲート電極14が形
成されている。一方、n型エミッタ領域10に接触する
ようにエミッタ電極16が形成される。エミッタ電極1
6は、層間絶縁膜17によって、ゲート電極14と電気
的に絶縁されている。p型高濃度半導体基板2の裏面側
には、コレクタ電極18が形成される。ゲート電極14
は、コンタクト20を介してゲート用アルミ電極24に
接続されている。また、エミッタ電極16は、コンタク
ト22を介してエミッタ用アルミ電極26に接続されて
いる。
域6に隣接する第1部位30と、p型ボディ領域8に隣
接する第2部位32とを備えている。この第1部位30
と第2部位32はポリシリコンを材料としているが、各
々不純物濃度が異なっているので、各々仕事関数も異な
っている。
仕事関数との関係が示されている。横軸が不純物濃度を
示し、縦軸が仕事関数を示している。ポリシリコン中に
ヒ素やリン等の不純物を注入し、ポリシリコンをn型に
した場合(図2中のn型ポリシリコンの場合)、ポリシ
リコン中の不純物濃度を高くすると仕事関数が小さくな
る。ポリシリコン中にホウ素等の不純物を注入し、ポリ
シリコンをp型にした場合(図2中のp型ポリシリコン
の場合)、ポリシリコン中の不純物濃度を高くすると仕
事関数が小さくなる。
極14の第1部位30のポリシリコン中の不純物濃度
と、第2部位32のポリシリコン中の不純物濃度とを、
異ならせることによって、第1部位30のポリシリコン
と第2部位32のポリシリコンとの仕事関数を変えるこ
とができる。
位30のポリシリコンのみに不純物としてヒ素を注入
し、第1部位30のポリシリコンをn型の導電型にし、
第1部位30の仕事関数を第2部位32の仕事関数より
小さくしている。尚、第2部位32に不純物としてホウ
素を注入することで、第2部位の仕事関数をより大きく
し、第1部位30と第2部位32の仕事関数差を大きく
してもよい。
2部位32の仕事関数より小さくすることで、IGBT
100の導通時にn型低濃度ドリフト領域6に蓄積され
る多数キャリア(電子)の量を増やすことができる。
ーバンドの様子を説明することで、n型低濃度ドリフト
領域6に蓄積される多数キャリア(電子)の量が増える
原理を説明する。
ト電極14の第2部位32でのエネルギーバンド図が示
されている。図3において、qФMはゲート電極14の
第2部位32の材料の仕事関数、EFはフェルミ準位、
VACは真空準位、Ecは伝導帯下端、Evは価電子帯
上端を示している。
では、図3(a)に示されているように、ゲート絶縁膜
を介して、ゲート電極の第2部位とp型ボディ領域との
フェルミ準位が等しくなるように平衡が保たれている。
図3(b)に示されているように、ゲート電極側のフェ
ルミ準位が下がり、p型ボディ領域側では、p型ボディ
領域とゲート絶縁膜との界面で伝導体下端Ecが曲が
り、電子が蓄積される。
の第1部位の材料の仕事関数が第2部位の材料の仕事関
数より小さい場合のn型低濃度ドリフト領域6表面及び
ゲート電極の第1部位のエネルギーバンド図が示されて
いる。ここで、qФ’Mを第1部位30の材料の仕事関
数とする。
0)では、図4(a)に示されているように、ゲート絶
縁膜を介して、ゲート電極とn型低濃度ドリフト領域と
のフェルミ準位が等しくなるように平衡が保たれてい
る。しかし、ゲート電極の第1部位の材料の仕事関数が
第2部位の材料の仕事関数と同じ場合(図9(c))と
比較すると、伝導帯下端Ecが大きく曲がっている。
4(b)に示されているように、ゲート電極側のフェル
ミ準位が上がり、n型低濃度ドリフト領域側では、n型
低濃度ドリフト領域とゲート絶縁膜との界面で伝導帯下
端Ecが曲がり、多数キャリア(電子)が蓄積される。
この伝導帯下端Ecの曲がりは、ゲート電極の第1部位
の材料の仕事関数が第2部位の材料の仕事関数と同じ場
合(図9(d))と比較すると大きくなり、より多くの
キャリア(電子)を蓄積することができる。
ト電極14の第1部位30の材料の仕事関数と、ゲート
電極14の第2部位32の材料の仕事関数とが異なって
おり、第1部位30の材料の仕事関数のほうが、第2部
位32の仕事関数より小さい。したがって、n型低濃度
ドリフト領域6表面のエネルギーバンドの曲がりが大き
くなり、n型低濃度ドリフト領域6表面に蓄積される多
数キャリア(電子)の量を増やすことができる。したが
って、p型ボディ領域8とn型低濃度ドリフト領域6と
の接合部の空乏層がn型低濃度ドリフト領域6側に延び
るのを抑えることができ、JFET抵抗を下げることが
できる。また、表面に多数キャリア(電子)が多くなる
ので、コレクタ電極から少数キャリア(正孔)が多く注
入され、見かけ上、n型低濃度ドリフト領域6の抵抗を
下げることができる。
て、溝(トレンチ)を備えたIGBT200が示されて
いる。図5(a)には、IGBT200の平面図が示さ
れており、図5(b)には、図5(a)におけるBB線
での断面図が示されている。このIGBT200は、n
型エミッタ領域10からp型ボディ領域8を介してn型
低濃度ドリフト領域6へ達するトレンチ50を備えてい
る。このトレンチ50内に、ゲート電極14が形成され
ている。このゲート電極14は、n型低濃度ドリフト領
域6に隣接する第1部位30と、p型ボディ領域8に隣
接する第2部位32とを備えている。この第1部位30
と第2部位32はポリシリコンを材料としているが、各
々不純物濃度が異なっているため、各々仕事関数が異な
っている。このように、ゲート電極14の第1部位30
のポリシリコン中の不純物濃度と第2部位32のポリシ
リコン中の不純物濃度とを異ならせることによって、第
1部位30のポリシリコンと第2部位32のポリシリコ
ンとの仕事関数を変えることができる。このとき、第1
部位30の材料の仕事関数を第2部位32の材料の仕事
関数より小さくすると、導通時にn型低濃度ドリフト領
域6に蓄積される多数キャリア(電子)の量を増やし、
n型低濃度ドリフト領域6の抵抗を減らすことができ
る。
14内部にポリシリコンより抵抗値が小さい別の金属を
材料とし、抵抗率が低い異種金属層をCVD法等を用い
て形成するのも好適である。図6には、ゲート電極14
内に異種金属層60を備えたIGBT300の断面図が
示されている。異種金属層60は抵抗値が小さいため、
ゲート入力抵抗を下げることができる。
てn型をp型の導電型に、p型をn型の導電型にしても
よい。図7には、図1において導電型を逆にしたIGB
T400の断面図が示されている。n型高濃度半導体基
板102上にp型高濃度ドリフト層104が選択的に形
成されている。このp型高濃度ドリフト層104には、
p型低濃度ドリフト領域106が選択的に形成されてい
る。このp型低濃度ドリフト領域106の表面には、n
型ボディ領域108が形成されている。このn型ボディ
領域108の表面にはp型エミッタ領域110が形成さ
れている。そして、ゲート絶縁膜112を介して、p型
低濃度ドリフト領域106及びn型ボディ領域108に
隣接するようにポリシリコンを材料とするゲート電極1
14が形成されている。一方、p型エミッタ領域110
に接触するようにエミッタ電極116が形成され、n型
高濃度半導体基板102の裏面側には、コレクタ電極1
18が形成される。
領域106に隣接する第1部位130と、n型ボディ領
域108に隣接する第2部位132とを備えている。こ
の第1部位130及び第2部位132はポリシリコンを
材料としているが、各々不純物濃度が異なっており、各
々仕事関数も異なっている。このとき、第1部位130
の仕事関数を第2部位132の仕事関数より大きく設定
することが好適である。
の仕事関数よりゲート電極114の第2部位132の材
料の仕事関数が大きいため、p型低濃度ドリフト領域1
06の伝導体下端が大きく曲がり、多数キャリア(正
孔)を多く蓄積することができる。そのため、n型ボデ
ィ領域108とp型低濃度ドリフト領域106との接合
部の空乏層がp型低濃度ドリフト領域106側に延びる
のを抑えることができ、JFET抵抗を下げることがで
きる。また、表面に多数キャリア(正孔)が多くなるの
で、コレクタ電極118から少数キャリア(電子)が多
く注入され、見かけ上、p型低濃度ドリフト領域106
の抵抗を下げることができる。
Tを例示したが、IGBTに限定したものではなく、M
OSFET等のゲート電極と2つの同一導電型の不純物
拡散領域と、その2つの領域に挟まれた1つの他の導電
型の不純物拡散領域とを備えた電解効果トランジスタ等
に適用することが可能である。
純物拡散領域にゲート絶縁膜を介して隣接するゲート電
極の第1部位と、第2導電型不純物拡散領域にゲート絶
縁膜を介して隣接するゲート電極の第2部位との仕事関
数を適宜設定することができる。したがって、半導体装
置の導通時に、第1の第1導電型不純物拡散領域のゲー
ト電極の隣接する部位に蓄積される多数キャリア量が多
くなる。そのため、第1の第1導電型不純物拡散領域と
第2導電型不純物拡散領域との接合部の空乏層の第1の
第1導電型不純物拡散領域側への延びが抑えられ、JF
ET抵抗を減らすことができる。また、第1の第1導電
型不純物拡散領域のゲート電極の隣接する部位に蓄積さ
れる多数キャリア量が多くなり、第1の第1導電型不純
物拡散領域に注入される少数キャリア量が増えるため、
第1の第1導電型不純物拡散領域自体の抵抗を減らすこ
とができる。したがって、低損失な半導体装置を提供す
ることが可能である。
係が現れた図である。
とゲート電極14の第2部位におけるエネルギーバンド
が示された図である。
とゲート電極14の第2部位におけるエネルギーバンド
が示された図である。
る。
る。
された図である。
低濃度ドリフト領域表面及びゲート電極におけるエネル
ギーバンドが示された図である。
域、8 p型ボディ領域、12,112 ゲート絶縁
膜、14,84,114 ゲート電極、30,130
第1部位、32,132 第2部位、100,200,
300,400500 IGBT、102 n型高濃度
半導体基板、106 p型低濃度ドリフト領域、108
n型ボディ領域。
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体基板内に形成された第1の第1導
電型不純物拡散領域と、 前記第1の第1導電型不純物拡散領域表面に形成された
第2導電型不純物拡散領域と、 前記第2導電型不純物拡散領域表面に形成された第2の
第1導電型不純物拡散領域と、 ゲート絶縁膜を介して、少なくとも前記第1の第1導電
型不純物拡散領域と前記第2導電型不純物拡散領域に隣
接するゲート電極と、を備え、 前記ゲート電極の前記第1の第1導電型不純物拡散領域
に隣接する第1部位の材料が有する第1部位仕事関数
と、前記ゲート電極の前記第2導電型不純物拡散領域に
隣接する第2部位の材料が有する第2部位仕事関数とが
各々異なっていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の半導体装置であって、 前記半導体装置は、前記第2の第1導電型不純物拡散領
域から第2導電型不純物拡散領域を介して前記第1の第
1導電型不純物拡散領域に達するように形成された溝を
更に備え、 前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜を介して前記溝内
壁に形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項3】 請求項1又は2に記載の半導体装置であ
って、 前記第1導電型がn型であり、前記第2導電型がp型で
あるとき、第1部位仕事関数を第2部位仕事関数より小
さくすることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項4】 請求項1又は2に記載の半導体装置であ
って、 前記第1導電型がp型であり、前記第2導電型がn型で
あるとき、第1部位仕事関数を第2部位仕事関数より大
きくすることを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP33395899A JP4635286B2 (ja) | 1999-11-25 | 1999-11-25 | 半導体装置 |
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