JP2003152178A - 高スイッチングスピードのための横方向パワーmosfet - Google Patents
高スイッチングスピードのための横方向パワーmosfetInfo
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Abstract
導レベルで高速なスイッチングを達成する高電圧パワー
トランジスタ構造を提供すること。 【解決手段】 絶縁したゲートがコンタクトを介して複
数の場所でゲート電極に接続されるようなゲート構造を
有する、横方向パワー酸化金属半導体電界効果トランジ
スタ(MOSFET)が提供される。ソース電極は、第
1及び第2セグメントを含む。第1セグメントは、ドレ
イン電極とゲート電極との間に挿入されて、フィールド
プレートとして機能する。
Description
いて製作される半導体デバイスに関する。本発明は、特
に、改善されたゲートデザインを有する高電圧の電界効
果トランジスタ(field effect transistor)に関す
る。
酸化金属半導体電界効果トランジスター(MOSFE
T)である。MOSFETは、ソース領域と、ドレイン
領域と、これらソース領域とドレイン領域との間に延び
るチャネル領域と、このチャネル領域の上に設けられる
ゲート領域と、を含む電界効果デバイスである。ゲート
領域は、薄い酸化物層(oxide layer)の上に付与され
かつこの酸化物層によってチャネル領域から分離される
伝導性のゲート構造を含む。
が、例えば200ボルトより大きな高電圧回路アプリケ
ーションにおいて幅広く用いられる。パワーアプリケー
ションとしての従来の横方向MOSFETは、例えば、
米国特許第5,869,875号、第5,821,144
号、第5,760,440号及び第4,748,936号を
含む。これらデバイスのそれぞれは、中間領域によって
分離されたソース領域及びドレイン領域を有する。ゲー
ト構造は、デバイスの酸化金属半導体(MOS)チャネ
ル上の薄い酸化物層の上に付与される。オン状態(on s
tate)では、伝導チャネルをソース領域とドレイン領域
との間に形成させるようにするためにゲート領域に電圧
が印加され、これにより、デバイス間に電流を流すこと
ができる。オフ状態(off state)では、ゲート領域に
対する電圧は、基層に伝導チャネルが形成されない程度
に十分に低いので、電流は生じない。この状態では、高
電圧がドレイン領域とソース領域との間で維持される。
は、引き延ばした(elongated)、すなわちそれ自体の
幅よりずっと長く、かつ、インターディジタルなソース
領域およびドレイン領域を用いてデザインされる。この
ようなデバイス構造は、本出願の譲受人に譲渡された米
国特許第6,084,277号に開示されている。この'
277号特許は、大きな安全動作領域(SOA)性能レ
ベルと、スイッチングノイズを抑圧するための適度なゲ
ートスピード(gate speed)を有する高電流性能とを提
供する、改善されたゲートデザインを有する横方向パワ
ーMOSFET又はトランジスタを教示している。これ
は、パワーMOSFETのフィンガ(finger)の長さに
沿った多結晶シリコンゲート構造と平行に金属ゲート電
極を付与することにより達成される。ゲート電極の金属
とゲート構造の多結晶シリコンとは、ゲート構造に沿っ
て間隔をおいた複数の金属コンタクトを用いて接続され
る。一実施の形態では、'277号特許は、パワーMO
SFETのフィンガに沿ったゲート電極とゲート構造と
の間の多数の場所にコンタクトを配置して、高スイッチ
ングスピードのために、フィンガの長さに沿ったゲート
信号の伝達を改善している。
て教示される横方向パワートランジスタ構造に関連する
1つの欠点は、ゲート電極とドレイン電極との位置が近
いことに起因して、ゲート−ドレイン容量が高いことで
ある。ドレイン電極は、ドレインのフィールドプレート
の役割を担い、ゲート電極及び/又はソース電極は、こ
れらのデバイスの降伏電圧を改善するためのソースのフ
ィールドプレートの役割を担う。したがって、これらの
電極の大きさ及び間隔は、降伏電圧の必要条件によって
大きく決定付けられる。例えば、'277号特許は、オ
フ状態におけるソースとドレインとの間に700ボルト
を維持しうるデバイスの一例を教示している。したがっ
て、このデバイスは、ドレインの金属ラインと、ゲート
又はソースの金属ラインとの間に、比較的に大きな間隔
を含んでいる。
のためにデザインされているような場合には、ドレイン
電極とゲート電極との間にこれらをより近づけるような
間隔を設けると、ゲート−ドレイン容量が高くなってし
まう結果となる。降伏電圧として例えば200ボルトを
有するようにデザインされたMOSFETは、ドレイン
電極とゲート電極との間に5μm未満の間隔を有するで
あろう。これらの電極が一般に非常に長い(例えば30
0−400nm)ので、ドレイン電極と、ゲート又はソ
ース電極との間の容量は、非常に大きくなりうる。この
大きな容量によって、トランジスタの高スピードなスイ
ッチング性能が低下する。ゲート−ドレインの容量が高
いことは、この容量がトランジスタのゲインによって増
幅されることから、特に問題となる。
つ、高い電流伝導レベルで高速なスイッチングを達成す
る高電圧パワートランジスタ構造が必要とされている。
このようなデバイスは、全体のデバイスサイズ又はセル
のピッチ[cell pitch](すなわちシリコンの「フット
プリント(footprint)」)を増加させることなく、ド
レイン−ゲート容量を最小化すべきである。
ジスタは、パワーMOSFETにおける引き伸ばした
(elongated)ソース領域とドレイン領域とを分離する
チャネル領域の上に付与した絶縁したゲートに接続され
た金属のゲート電極を含む。一実施の形態では、ゲート
は多結晶シリコンを含み、ゲート電極は多結晶シリコン
を含み、ゲート電極は、引き伸ばされたソース領域の一
側と隣り合う絶縁したゲートの部分における両端に配置
された金属コンタクト(バイアともいわれる)を用いて
多結晶シリコンに接続される。ソース電極は、2つのセ
グメント、すなわち、デバイスがオン状態(on state)
である際に流れる電流の大部分を伝達する幅の広いセグ
メントと、ドレイン電極とゲート電極との間に挿入され
てデバイスのドレイン−ゲート容量を著しく低減する幅
の狭いセグメントと、を含む。
添付図面における各図に示す。
ドレイン容量を低減させた、高電圧横方向パワーMOS
FETについて、説明する。以下の説明において、本発
明の完全な理解に資するために、材料のタイプ、寸法、
構造的特徴等のような特定の具体例を示す。半導体分野
における当業者は、本発明はこれら多くの具体例がなく
とも実施されうる、ということを理解しうる。本発明が
不明瞭となることを防止するために、周知の要素、技術
および処理工程については、詳細には説明しない。
に係るインターディジタルな(interdigitated)横方向
パワーMOSFETの位相幾何学的な図面である。図1
Aは、本デバイスの上方部分を示す図面であり、図1B
は、本デバイスの中央部分を示す図面であり、図1C
は、同一のトランジスタデバイスの下方部分を示す。こ
れら図面のそれぞれは、ドレイン、ゲート及びソース電
極、多結晶ゲート構造の位置、並びに、選択された数の
コンタクトすなわちバイア(vias)の配置、についての
計算機援用設計(CAD)レイアウトを示している。ド
レイン及びソースコンタクトは示されておらず、また、
下に位置する基層拡散領域(substrate diffusion regi
ons)は、明確化のために図1A−図1Cからは省略さ
れている、ということを理解されたい(以下の説明中、
図1A−図1Cを図2とともに参照すべきである。ここ
で、図2は、より包括的な理解のための、線A−A'か
らみた上記トランジスタの側面図である)。
ーディジタルな横方向パワーデバイスの上方部分のレイ
アウトを示す。図1Aの電界効果トランジスタは、半導
体基層に付与されかつソース電極21にコンタクトによ
って接続されたN型ソース領域44(図1には示されて
いない)を含む。ソース電極21は、ソース電極セグメ
ント21A及び21Bを含む。ソース領域44は、2つ
のドレイン領域42の間の半導体基層に挿入されてお
り、これらドレイン領域42のそれぞれは、コンタクト
によってドレイン電極22に接続されている(図2参
照)。
及び21Bの両方は、ドレイン電極セグメント22Aと
22Bとの間に配置されている。図1Cは、トランジス
タの底部(bottom)において1つの金属に合併している
セグメント22A及び22Bを示す。図1A−図1Cの
デバイスレイアウト構造は、本実施の形態における完全
なトランジスタの一部分のみしか示していない、という
ことを理解されたい。完全なデバイスは、上記各図に示
したインターディジタルなソース/ドレイン/ゲート構
造を繰り返したパターンを含む。ドレイン及びソース構
造は、それら自体の幅より著しく長いので、ドレイン及
びソース「フィンガ(finger)」といわれることが多
い、ということを理解されたい。
料28が、図1A−図1Cにおいて点線により描かれて
いる。ゲート自体は、ソースのフィンガの長さを延ばし
ているチャネル領域49の上に付与された2つの平行な
メンバ(member)28A及び28Bを含む。図1Cは、
メンバ28Aがメンバ28Bと合併しているソース領域
におけるファーエンド(far end)すなわちフィンガチ
ップ(fingertip)の周りを包む多結晶シリコンのゲー
ト28を示す。多くのメンバ28A及び28Bは、図1
Bに示すように、トランジスタの中央部分において接続
されている。
多結晶シリコン材料が、ソース電極21の下に延びてお
り、複数のコンタクト30によって金属のライン29に
接続している。金属のライン29は、トランジスタを駆
動するために用いられる制御又はスイッチング回路に接
続している。
のゲートメンバ28A及び28Bは、ゲートの誘電体層
48によって、下に位置する半導体材料から絶縁されて
いる。誘電体層は二酸化ケイ素を含みうるが、窒化ケイ
素のようなその他の絶縁材料をも用いることができる。
メンバ28A及び28Bのそれぞれの一部が、フィール
ドプレート目的のためのより厚いフィールド酸化物層4
1の上に延びている。多結晶シリコンのゲートメンバ2
8A及び28Bのそれぞれは、図2の断面図からわかる
ように、ゲートを上に位置する金属のゲート及びソース
電極から絶縁する中間層誘電体40によって覆われてい
る。
ソースフィンガのベースと隣り合う多結晶シリコンのゲ
ートの一端をコンタクト31に接触させている。ここで
図示した実施の形態では、ゲート電極は、ゲートメンバ
28Aの一端から、ソースの領域におけるフィンガチッ
プと隣り合う他端にまで、縦方向に延びている。図1C
は、ゲートメンバ28Aの他端に1組のコンタクト34
を介して接続されているゲート電極25を示す。ゲート
電極25は、ソースのフィンガチップと隣り合って終わ
っており、ゲートメンバ28Bの上には延びていない、
ということに注意されたい。このゲートメンバ28B
は、ソース領域44の対向する面に並んで延びている。
ト電極25を接続することによって、高スイッチングス
ピード性能を改善すべく、印加したゲート信号が各フィ
ンガの長さに沿って効果的に分配される。ソース、ドレ
イン及びゲートのフィンガの長さに依存して、1つ以上
のさらなるコンタクトを、フィンガの両端の間の絶縁し
たゲートにおける中間点又は中間領域に配置することが
できる。例えば、図1Bは、ゲートメンバ28Aの2つ
の端の間のほぼ中間にある中間点においてゲート電極2
5をゲートメンバ28Aに接続する選択的に設けられる
さらなるコンタクト33を示す。ゲートメンバ28Bを
コンタクト33に近接させてゲートメンバ28Aに接続
することにより、メンバ28Bに沿ってゲート信号を分
配する際に同一の効果を得ることもできる。
に、ゲート電極25の幅は、十分にコンタクト33を囲
むようにコンタクト33よりわずかに広くされている。
ソース電極とゲート電極との間のデザインルール(desi
gn rule)の分離を維持するために、ソース電極セグメ
ント21Bは、対応する寸法だけわずかに狭くされる。
ここで、さらなるコンタクト33の配置の便宜を図るた
めには、ソース電極セグメント21A(又はドレイン電
極22A及び22B)の幅を変更する必要はない、とい
うことに注意されたい。
完全に囲まれている。ソース電極における幅が広い方の
電流伝達(current-carrying)部分は、図1A−図1C
においてソース電極セグメント21Bとして示されてい
る。セグメント21Bは、大多数のソース電流を、ソー
スのフィンガにおける上方端に配置されたソースボンド
パッド(図示せず)に伝達する。ソース電極セグメント
21Bはまた、ゲートメンバ28Bに重なる横方向に延
びた部分を含む。この横方向に延びた部分は、ゲート電
極25に対向するフィンガの側に配置され、フィールド
プレートとして機能する。主なソース電極セグメント2
1Bは、実質的に基層のソース領域44の上に付与さ
れ、かつ、このソース領域44に接触している。
図1A−図1Cにおいてソース電極セグメント21Aと
して示されている。ソース電極セグメント21Aは、ゲ
ート電極25とドレイン電極22Aとの間に挿入されて
いる。図1A−図1Cの実施の形態では、ソース電極セ
グメント21Aは、下に位置するソースの拡散のための
コンタクトを有しておらず、ソース電流をほとんど伝達
しない。このセグメント21Aは、ソースのフィールド
プレートとして機能し、また、トランジスタのドレイン
−ゲート容量を低減する。別の実施の形態において、ソ
ース電極セグメント21Aは、ソースの拡散領域に対す
るコンタクトを含むことができ、及び/又は、著しい量
のソース電流を伝達することができる、ということを理
解されたい。
それぞれは金属の単一層を含むものとして図1及び図2
に示されているが、別の実施の形態では、上記電極のそ
れぞれ又はすべてについて、多数のレベルの伝導体材料
を用いることができる。
フィンガチップ領域の周りを包み、かつ、ソース電極セ
グメント21Bに接続された、ソース電極セグメント2
1Aを示す。ソースのフィンガのこの端におけるセグメ
ント21Aと21Bとの間の接続は選択的なものである
ことを理解されたい。すなわち、これら2つのセグメン
トはこの点で接続する必要はない。しかしながら、ソー
ス電極セグメント21Aは、デバイスが動作している間
においてセグメント21A及び21Bの両方が実質的に
同電位であるように、レイアウトにおけるいくつかの点
においてセグメント21Bに接続されるべきである。こ
れは、ソースセグメント21Aが、ゲート電極25とド
レイン電極22との間に挿入されたソースのフィールド
プレートとしての役割を担うという目的に一致する。
Cの横方向パワートランジスタの断面図を示す。この図
面は、ドレイン電極22Aが中間層誘電体40を通過し
て下方に延びてN+ドレイン領域42に接触する様子を
示す。ドレイン電極22Aはまた、ソース電極セグメン
ト21Aの方向に向かって中間層誘電体40の上を横方
向に延びるフィールドプレート部分を含む。ここで図示
した実施の形態では、ドレイン電極22Aとソース電極
セグメント21Aとの間の距離は、ゲート電極25とソ
ース電極セグメント21Aとの間の距離(例えば3μ
m)と同一である。この同一の距離が、ゲート電極25
をソース電極セグメント21Bから分離している。この
セグメント21Bは、基層の表面へと下方に延びて、N
型のソース領域44及びP+拡散領域45に接触する。
この間隔は、例示した200Vの降伏電圧を有する横方
向パワートランジスタのための最小デザインルールに一
致する。
付与される。このN井戸領域51自体は、P基層60に
形成された深い拡散(deep diffusion)である。ソース
拡散領域44は、基層60のN井戸51に隣接して形成
されたP井戸50に付与される。チャネル領域49がN
井戸領域51の境界とソース領域44の境界との間で定
められる。多結晶シリコンのゲートメンバ28A及び2
8Bは、チャネル領域49の上の薄いゲート酸化物(ox
ide)の上に形成される。ここで、ゲートメンバ28A
及び28Bのそれぞれはこれらより厚いフィールド酸化
物層41の上に伸びるフィールドプレートを含む、とい
うことに注意されたい。N+ドレイン領域42とチャネ
ル49との間の領域は、一般にデバイスの延長されたド
レイン領域といわれる。
れた様々な領域についての上述した詳細は、示した実施
の形態に特有のものであり、本発明に不可欠とされるも
のではない、ということを理解されたい。別言すれば、
金属の電極及びゲートメンバのレイアウト構造を、本デ
バイスの様々にドープされた半導体領域を有するトラン
ジスタにおいても利用することができる。
ターディジタルな横方向パワーMOSFETの位相幾何
学的な図面である。
ターディジタルな横方向パワーMOSFETの位相幾何
学的な図面である。
ターディジタルな横方向パワーMOSFETの位相幾何
学的な図面である。
A'からみた断側面図である。
Claims (30)
- 【請求項1】 チャネル領域によって分離される引き伸
ばされたソース領域及びドレイン領域と、 前記チャネル領域の上に付与される絶縁したゲートと、 前記ドレイン領域に接続されるドレイン電極と、 前記絶縁したゲートの第1及び第2コンタクト領域のそ
れぞれに配置される第1及び第2コンタクトを介して、
前記絶縁したゲートに接続されるゲート電極と、を備
え、 前記第1及び第2コンタクト領域は、コンタクトのない
領域によって分離されており、 さらに、前記ソース領域に接続され、第1及び第2セグ
メントを含む、ソース電極を備え、 前記第1セグメントは、前記ドレイン電極と前記ゲート
電極との間に挿入されている、ことを特徴とする電界効
果トランジスタ。 - 【請求項2】 前記ソース電極の前記第2セグメント
は、実質的に前記ソース領域の上に付与される請求項1
に記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項3】 前記ドレイン電極は、実質的に前記ドレ
イン領域の上に付与される請求項2に記載の電界効果ト
ランジスタ。 - 【請求項4】 前記ソース電極及び前記ドレイン電極の
それぞれは、フィールドプレート部分を含む請求項3に
記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項5】 前記第1及び第2セグメントは、前記ゲ
ート電極の両側に付与される請求項1に記載の電界効果
トランジスタ。 - 【請求項6】 前記第1及び第2セグメントは前記ゲー
ト電極を囲む請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項7】 前記第2セグメントは、前記第1セグメ
ントより幅が広い請求項1に記載の電界効果トランジス
タ。 - 【請求項8】 前記ソース領域及び前記ドレイン領域
は、インターディジタルである請求項1に記載の電界効
果トランジスタ。 - 【請求項9】 前記絶縁したゲートは、第1端と、該第
1端に対向する第2端を有し、 前記第1コンタクト領域は前記第1端に配置され、前記
第2コンタクト領域は前記第2端に配置される、請求項
1に記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項10】 前記絶縁したゲートは、第1端と、該
第1端に対向する第2端を有し、 前記第1コンタクト領域は前記第1端に配置され、前記
第2コンタクト領域は、前記第1端と前記第2端との間
の中間点に配置され、 前記ゲート電極は、前記絶縁したゲートの第3コンタク
ト領域に配置される第3コンタクトを介して前記絶縁し
たゲートにさらに接続され、 前記第3コンタクト領域は前記第2端に配置される、請
求項1に記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項11】 チャネル領域によって分離される引き
伸ばされたソース領域及びドレイン領域と、 前記チャネル領域の上に付与され、第1端領域と該第1
端領域に対向する第2端領域とを有する、絶縁したゲー
トと、 前記ドレイン領域に接続されるドレイン電極と、 前記絶縁したゲートの前記第1端領域及び第2端領域の
それぞれに配置される第1及び第2コンタクトを介して
前記絶縁したゲートに接続されるゲート電極と、 前記ソース領域に接続され、第1及び第2セグメントを
含む、ソース電極と、を備え、 前記第1セグメントは、前記ドレイン電極と前記ゲート
電極との間に挿入される、ことを特徴とする横方向電界
効果トランジスタ。 - 【請求項12】 前記ソース電極の前記第2セグメント
は、実質的に前記ソース領域の上に付与される請求項1
1に記載の横方向電界効果トランジスタ。 - 【請求項13】 前記ドレイン電極は、実質的に前記ド
レイン領域の上に付与される請求項12に記載の横方向
電界効果トランジスタ。 - 【請求項14】 前記ソース電極及び前記ドレイン電極
のそれぞれは、フィールドプレート部分を含む請求項1
1に記載の横方向電界効果トランジスタ。 - 【請求項15】 前記第1及び第2セグメントは、前記
ゲート電極の両側に付与される請求項11に記載の横方
向電界効果トランジスタ。 - 【請求項16】 前記第1及び第2セグメントは、前記
ゲート電極を囲む請求項11に記載の横方向電界効果ト
ランジスタ。 - 【請求項17】 前記第2セグメントは、前記第1セグ
メントより幅が広い請求項11に記載の横方向電界効果
トランジスタ。 - 【請求項18】 前記ソース領域及び前記ドレイン領域
はインターディジタルである請求項11に記載の横方向
電界効果トランジスタ。 - 【請求項19】 前記ソース電極の前記第1セグメント
は、前記ゲート電極と前記ドレイン電極とから等距離だ
け隔てられる請求項11に記載の横方向電界効果トラン
ジスタ。 - 【請求項20】 前記絶縁したゲートは、前記第1端領
域と前記第2端領域との間の中間領域を有し、 前記ゲート電極は、前記中間領域に配置される第3コン
タクトを介して前記絶縁したゲートにさらに接続される
請求項11に記載の横方向電界効果トランジスタ。 - 【請求項21】 1組のドレイン領域の間においてイン
ターディジタルとされた引き伸ばされたソース領域であ
って、チャネル領域によって前記1組のドレイン領域か
ら分離され、第1端及び第2端を有するソース領域と、 前記チャネル領域の上に付与された絶縁したゲートであ
って、前記引き伸ばされたソース領域の一側に沿って、
隣接する前記第1端から隣接する前記第2端に延びる第
1部分と、前記引き伸ばされたソース領域の逆側に沿っ
て、隣接する前記第1端から隣接する前記第2端に延び
る第2部分と、を有する、絶縁したゲートと、 前記ドレイン領域に接続されるドレイン電極と、 前記絶縁したゲートの前記第1部分の両端に配置される
第1及び第2コンタクトを介して、前記絶縁したゲート
に接続されるゲート電極と、 前記引き伸ばされたソース領域に接続され、第1及び第
2の引き伸ばされたセグメントを含む、ソース電極と、
を備え、 前記第1の引き伸ばされたセグメントは、前記ドレイン
電極と前記ゲート電極との間に挿入される、ことを特徴
とする横方向パワーMOSFET。 - 【請求項22】 前記ソース電極の前記第2セグメント
は、実質的に前記ソース領域の上に付与される請求項2
1に記載の横方向パワーMOSFET。 - 【請求項23】 前記ドレイン電極は、実質的に前記ド
レイン領域の上に付与される請求項21に記載の横方向
パワーMOSFET。 - 【請求項24】 前記ソース電極及び前記ドレイン電極
のそれぞれは、フィールドプレート部分を含む請求項2
1に記載の横方向パワーMOSFET。 - 【請求項25】 前記第1及び第2の引き伸ばされたセ
グメントは、前記ゲート電極の両側に付与される請求項
21に記載の横方向パワーMOSFET。 - 【請求項26】 前記第1及び第2の引き伸ばされたセ
グメントは、前記ゲート電極を囲む請求項21に記載の
横方向パワーMOSFET。 - 【請求項27】 前記第2の引き伸ばされたセグメント
は、前記第1の引き伸ばされたセグメントより幅が広い
請求項21に記載の横方向パワーMOSFET。 - 【請求項28】 前記1組のドレイン領域のそれぞれ
は、引き伸ばされている請求項21に記載の横方向パワ
ーMOSFET。 - 【請求項29】 前記ソース電極の前記第1セグメント
は、前記ゲート電極と前記ドレイン電極とから等距離だ
け隔てられる請求項21に記載の横方向パワーMOSF
ET。 - 【請求項30】 前記絶縁したゲートの前記第1部分
は、両端の間に中間領域を有しており、 前記ゲート電極は、前記中間領域に配置される第3コン
タクトを介して前記絶縁したゲートにさらに接続され
る、請求項21に記載の横方向パワーMOSFET。
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