JP2003209250A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インジェクタ領域がイオン注入の拡散により
湾曲構造になり、基板表面と底部でチャネル領域および
ドレイン領域までの距離に差が出る。これにより正孔の
引き抜き効率がドレイン領域深部で落ちるため、ターン
オフ遅延時間(tstg）を遅らせる原因となっていた。 【解決手段】 中央に拡散源を設け、そこからの拡散に
よりインジェクタ領域を形成することで、側壁が基板表
面に対してほぼ垂直なインジェクタ領域を実現する。こ
れにより特に底部での正孔の引き抜き効率が向上し、更
に固定電位絶縁電極（背骨）までの距離を狭め、インジ
ェクタ領域自身の幅も細くできるので、ターンオフ遅延
時間(tstg)が短縮し、ｈＦＳは向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｕ字型絶縁ゲート
を利用した縦型パワー素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ノーマリ・オフ型で、制御性に優
れ、オン抵抗の低いトランジスタとして例えば特開平０
６−２５２４０８号公報に示す構造が知られている。

【０００３】図９から１０を参照して、以下にその構造
の一例を示す。図９（Ａ）は素子の斜視図であり、図９
（Ｂ）は平面図である。図９（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図を
図１０（Ａ）に、Ｙ−Ｙ線断面図を図１０（Ｂ）に示
す。

【０００４】先ず、図９（Ａ）に図示したように、５１
は基板であり、５２はｎ−型ドレイン領域、５３はｎ＋
型ソース領域である。また、５４は固定電位絶縁電極で
あり、高濃度のｐ＋型多結晶半導体からなり、かつ後述
するソース電極とオーミックコンタクトしていて、電位
が固定されている。また、５５は固定電位絶縁電極５４
とドレイン領域５２とを絶縁する絶縁膜である。この固
定電位絶縁電極５４と絶縁膜５５とは、素子表面から側
壁が垂直に掘られた溝の中に形成されている。ｎ−型ド
レイン領域５２のうち、この固定電位絶縁電極５４に挾
まれた領域をチャネル領域５７と呼ぶことにする。この
チャネル領域５７は、絶縁膜５５を介して隣接する固定
電位絶縁電極５４が高濃度のｐ＋型半導体であるため、
仕事関数差によって形成された空乏層によって、チャネ
ル領域には伝導電子に対するポテンシャル障壁が形成さ
れていて、ソース領域５３とドレイン領域５２とは初め
から電気的に遮断された状態となっている。

【０００５】次に、図９（Ｂ）において、固定電位絶縁
電極５４はストライプ状をしており、その両端はｐ型の
インジェクタ領域５８に接している。固定電位絶縁電極
５４とｐ型領域５８に囲まれたチャネル領域５７は、ひ
とつの単位セルを形成している。なお、チャネルの状態
によって電流を遮断、もしくは電流量を制御し得るとい
う条件を満たしていれば、単位セルを構成する固定電位
絶縁電極５４の形状、ソース領域５３の形状などは任意
である。

【０００６】図１０（Ａ）に示す、Ｈをチャネル厚み、
Ｌをチャネル長と呼ぶ。すなわち、チャネル厚みＨと
は、チャネル領域において対向する絶縁膜５５間の間隔
であり、チャネル長とは、溝の側壁に沿って、固定電位
絶縁電極５４の表面から底面までの距離をいう。また、
６１はドレイン電極であり、ｎ＋型基板領域５１とオー
ミックコンタクトしている。６３はソース電極であり、
ソース領域５３と固定電位絶縁電極５４にオーミックコ
ンタクトしている。すなわち、固定電位絶縁電極５４の
電位はソース電極６３の電位に固定されている。

【０００７】次に、図１０（Ｂ）において、インジェク
タ領域５８は基板に不純物を注入し熱拡散により形成し
た拡散領域で、図の如く基板表面では幅が広く、底部が
狭い湾曲構造となっている。６８はｐ型領域５８とオー
ミックコンタクトした電極であり、ここからドレイン領
域５２へ少数キャリア（正孔）を供給する。これを注入
電極６８と呼ぶことにする。なお、図中の破線は固定電
位絶縁電極５４の存在を示す。なお、図面においては、
断面図および表面図における絶縁膜５５の角部は角張っ
て描いてあるが、これらは模式図であり、実際には丸み
を帯びていてもよい。すなわち、電界集中を抑制するた
めにこれら角部に丸みを持たせることは、広く一般に採
用されていることである。

【０００８】上述の半導体素子の動作原理について、詳
細は後述するが、以下に簡単に説明する。この半導体素
子の構造においては、ソース領域５３の電位に固定され
ている固定電位絶縁電極５４周辺のチャネル領域５７に
は、絶縁膜５５に隔てられた電極の材料との仕事関数差
によって空乏層が形成され、この空乏層によるポテンシ
ャル障壁により、ソース領域５３とドレイン領域５２と
は電気的に遮断されている。

【０００９】また、例えばドレイン領域５２がｎ型の場
合、ソース領域５３に０Ｖが、ドレイン領域５２に接続
するドレイン電極６１には正電位が印加されて、かつ素
子が遮断状態にあると、ドレイン領域５２内には空乏層
が形成される。この空乏層からは少数キャリア（ここで
は正孔）が励起されるが、ｐ型のインジェクタ領域５８
が絶縁膜５５界面と接しているので、インジェクタ領域
５８の電位がソース領域５３の電極と同じ（０Ｖ）であ
るときには、絶縁膜５５界面の少数キャリアはインジェ
クタ領域５８を介して流れ去り、絶縁膜５５界面の電位
は上昇せず、素子は遮断状態を保つ。

【００１０】一方、インジェクタ領域５８に正電位を印
加すると、逆に少数キャリアが絶縁膜５５界面に流れ込
んで固定電位絶縁電極５４からチャネル領域５７への電
界の一部もしくは全てを遮蔽する。これによって絶縁膜
５５とチャネル領域５７内の空乏層は後退してチャネル
領域５７の中央部には中性領域が現われて、主電流が流
れるようになる。

【００１１】素子をターンオフするためには、注入電極
６８の電位を接地もしくは逆電位にする。すると、チャ
ネル領域５７ならびにドレイン領域５２内の過剰な少数
キャリアはインジェクタ領域５８を介して素子外に流れ
去り、チャネル内のポテンシャル障壁が復活し、主電流
は遮断される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来構造におい
ては、インジェクタ領域５８を、基板に不純物をイオン
注入し、熱拡散することによって形成している。このた
め、インジェクタ領域５８の側壁は、図１０（Ｂ）に示
すごとく湾曲した形状となり、このインジェクタ領域５
８の形状により以下の問題点があった。

【００１３】第１に、ターンオフ時の正孔の引き抜きが
弱く、スイッチング特性が劣化する問題があった。従来
構造では、インジェクタ領域側壁は湾曲しており、基板
表面部分と底部でチャネル領域またはドレイン領域まで
の距離に差が出る。つまり、１つのインジェクタ領域に
おいて、ドレイン領域深部での正孔引き抜き効率が低下
するため、スイッチング特性が劣化するものである。

【００１４】第２に、ドレイン領域深部での引き抜き効
率を上げるため、インジェクタ領域を深く形成すると、
ｈＦＳが低下する問題がある。湾曲構造であっても、イ
ンジェクタ領域を深く設ければ、ドレイン領域深部の正
孔の引き抜き効率が向上する。しかし、インジェクタ領
域を深く形成するためには、イオン注入量を増やし、熱
拡散の時間を多く取る必要があるため、必然的にサイド
拡散効果によりインジェクタ領域の幅が広がることにな
る。

【００１５】ここで、オン時に、ソース領域から出てい
く電子電流にはドレイン領域に到達して主電流（ＩＤ）
となるものと、インジェクタ領域に飛び込んで多数存在
する正孔と再結合してゲート電流（ＩＧ）となるものが
ある。インジェクタ領域の幅が広いほど電子がインジェ
クタ領域に飛び込む確率は高く、オン時のゲート電流
（ＩＧ）が大きくなる。つまり、電流増幅率ｈＦＳ（＝
ＩＤ／ＩＧ）は、ゲート電流（ＩＧ）が大きくなるほど
低下するので、インジェクタ領域幅が大きいとｈＦＳの
劣化を引き起こす要因となるのである。

【００１６】つまり、スイッチング特性を向上するため
には、ドレイン領域深部の正孔引き抜き効率を向上させ
る必要があり、そのためにはインジェクタ領域を深く形
成することが効果的である。しかし、インジェクタ領域
を深く形成すると、横拡散によりインジェクタ領域の幅
も広くなるので、ｈＦＳが劣化するという相反する大き
な問題があった。

【００１７】第３に、逆バイアス時の安全動作領域（Ｒ
ＢＳＯＡ）が狭くなってしまう問題があった。これは、
ターンオフの初期は、遮断過渡期であるため電子電流が
流れており、この電子がドレイン領域に広がった空乏層
内を走ることで正孔が発生してしまう。つまり、正孔は
インジェクタ領域から引き抜かれるが、同時にドレイン
領域に正孔が発生している。このとき、インジェクタ領
域から正孔を引き抜くペースよりドレイン領域内で正孔
が発生するペースが速い場合、過剰な正孔はチャネル内
に飛び込み、チャネルの遮断を阻止してしまう。つま
り、この素子のドレイン−ソース端に電荷がたまらず、
上昇しかけたドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳＸ）はあ
る一定の値でクランプしてしまうためである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した課題
に鑑み成されたもので、ドレイン領域となる一導電型の
半導体基体の一主面に設けられ、等間隔をなして互いに
平行に複数配置された第1の溝と、前記第１の溝に挟ま
れた前記主面に設けられた一導電型のソース領域と、前
記第１の溝の内壁に設けられた絶縁膜と、前記第１の溝
に埋設され、前記ソース領域と同電位に保たれ、且つ前
記絶縁膜を介して隣接する前記ドレイン領域に空乏領域
を形成する性質を有する導電性材料からなる固定電位絶
縁電極と、前記ソース領域と離間され、且つ各前記絶縁
膜に接する前記ドレイン領域に一定の間隔を置いて複数
設けられた逆導電型のインジェクタ領域と、前記固定電
位絶縁電極に挟まれ、前記ソース領域に隣接する前記ド
レイン領域に形成されるチャネル領域とを具備し、前記
インジェクタ領域は中心部に第２の溝を有し、該第２の
溝には逆導電型不純物を含む導電性材料が埋設され、前
記インジェクタ領域を前記第２の溝の周辺に第２の溝の
形状に沿って設けることにより解決するものである。

【００１９】また、前記インジェクタ領域の側壁は前記
基板表面に対してほぼ垂直に設けられることを特徴とす
る特徴とするものである。

【００２０】また、前記インジェクタ領域側壁から前記
各固定電位絶縁電極までの距離は、前記インジェクタ領
域表面と該インジェクタ領域底部においてほぼ等しい距
離となることを特徴とするものである。

【００２１】また、前記インジェクタ領域は、前記第１
の溝の底部よりも深く設けられることを特徴とするもの
である。

【００２２】また、前記インジェクタ領域の幅は、該イ
ンジェクタ領域の深さとは独立した任意の値に設けるこ
とを特徴とするものである。

【００２３】また、前記インジェクタ領域は、前記固定
電位絶縁電極を挟んで互いに隣接する複数の前記チャネ
ル領域に接し、かつ、前記インジェクタ領域は、これと
接続する注入電極を有することを特徴とするものであ
る。

【００２４】つまり、インジェクタ領域の側壁を基板表
面に対して垂直に形成することで、ドレイン領域深部に
至るまで、正孔の引き抜き効率を向上させ、且つインジ
ェクタ領域の幅を細線化することで、スイッチング特性
とｈＦＳの向上とを実現するものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図１から
図８を参照して、詳細にその構造の一例を示す。

【００２６】図１を用いて素子の基本構造を説明する。
図1（Ａ）は斜視図であり、図１（Ｂ）は素子の表面図
である。尚、この図において表面の電極（金属膜）を除
いている。

【００２７】ｎ＋型半導体基板１にｎ−型ドレイン領域
２を設け、その一主面に、等間隔をなして互いに平行に
複数の第1の溝を配置する。

【００２８】第1の溝は、素子表面から側壁がほぼ垂直
に掘られ、内壁に絶縁膜５が設けられる。更に、その溝
には、絶縁膜５を介して隣接するドレイン領域２に空乏
領域を形成する性質を有する高濃度のｐ＋型多結晶半導
体、具体的にはポリシリコンからなる固定電位絶縁電極
４が埋設される。

【００２９】また、ｎ＋型ソース領域３が、固定電位絶
縁電極４に挟まれた主面に設けられ、固定電位絶縁電極
４は、後述するソース電極とオーミックコンタクトして
いて、ソース領域４と同電位に保たれる。

【００３０】ｐ＋型インジェクタ領域８は、ソース領域
３と離間され、且つ絶縁膜５に接するドレイン領域２に
一定の間隔を置いて複数設けられる。インジェクタ領域
８は中心部に第２の溝２０を有し、第２の溝２０には逆
導電型不純物を含む導電性材料、具体的にはポリシリコ
ンが埋設される。インジェクタ領域８はこの溝２０の周
辺に溝２０の形状に沿って設けられる。

【００３１】ｎ−型ドレイン領域２のうち、この固定電
位絶縁電極４に挾まれた領域をチャネル領域７と呼ぶこ
とにする。このチャネル領域７は、絶縁膜５を介して隣
接する固定電位絶縁電極４が高濃度のｐ＋型半導体であ
るため、仕事関数差によって形成された空乏層によっ
て、チャネル領域には伝導電子に対するポテンシャル障
壁が形成されていて、ソース領域３とドレイン領域２と
は初めから電気的に遮断された状態となっている。

【００３２】図１（B）には、素子の表面図を示す。本
発明の構造によれば、固定電位絶縁電極４は櫛歯形状を
しており、Ｙ軸方向の固定電位絶縁電極４（以下軸部分
と称する）を中心として左右のＸ軸方向に櫛歯が延在し
ている。櫛歯の両端はｐ型の拡散領域であるインジェク
タ領域８に接している。つまり、固定電位絶縁電極４の
軸部分は隣接する２つのインジェクタ領域８から等距離
にあり、軸部分の両側に所望の距離で離間してソース領
域３を設ける。また、図に示すように、インジェクタ領
域８の幅（Ｘ方向）をａとし、固定電位絶縁電極４の軸
からインジェクタ領域８側壁までの距離をｂとする。

【００３３】図２には素子の断面図を示す。図２（Ａ）
は、図１（B）のＡ−Ａ線における断面図であり、図２
（Ｂ）は図１（Ｂ）のＢ−Ｂ線の断面図である。

【００３４】図２（Ａ）を参照して、固定電位絶縁電極
４に囲まれた領域がチャネル領域７であり、Ｈをチャネ
ル厚み、Ｌをチャネル長と呼ぶ。すなわち、チャネル厚
みＨとは、チャネル領域において対向する絶縁膜５間の
間隔であり、チャネル長とは、溝の側壁に沿って、固定
電位絶縁電極４の表面から底面までの距離をいう。ま
た、１１はドレイン電極であり、ｎ＋型基板領域１とオ
ーミックコンタクトしている。１３はソース電極であ
り、ソース領域３と固定電位絶縁電極４にオーミックコ
ンタクトしている。すなわち、固定電位絶縁電極４の電
位はソース電極１３の電位に固定されている。

【００３５】図２（Ｂ）を参照して、インジェクタ領域
８は、中心に拡散源用の溝２０を有し、ｐ型不純物を含
むポリシリコンを埋設して拡散源２１とする。この拡散
源２１から不純物を拡散することで溝２０の周囲に、溝
２０とほぼ同形状で、波線で示す固定電位絶縁電極４よ
りも深く、インジェクタ領域８を設ける。インジェクタ
領域８の側壁は基板表面とほぼ垂直に設けられ、表面お
よび底部での幅（ａ）がほぼ等しい形状となり断面形状
ではほぼ矩形となる。

【００３６】また、本発明の実施の形態では、具体的に
は、ａ＝５μｍ、ｂ＝５〜１０μｍとする。しかし、拡
散源２１埋設用の溝２０は、フォトエッチングの限界ま
で細線化が可能であり、拡散源２１からの所望の時間で
拡散して形成されるインジェクタ領域８の幅ａは、フォ
トエッチングや拡散源となるポリシリコンの埋め込みが
充分に行える範囲であれば、インジェクタ領域深さとは
独立して任意の細い値に設定できる。また、インジェク
タ領域８の深さは耐圧を考慮して１０μｍ程度とする。

【００３７】このように固定電位絶縁電極４とインジェ
クタ領域８に囲まれたチャネル領域７は、ひとつの単位
セルを形成している。なお、チャネルの状態によって電
流を遮断、もしくは電流量を制御し得るという条件を満
たしていれば、単位セルを構成する固定電位絶縁電極４
の形状、ソース領域３の形状などは任意である。

【００３８】図２（Ｂ）において、１８はインジェクタ
領域８とオーミックコンタクトした電極であり、ここか
らドレイン領域２へ少数キャリア（ここでは正孔）を供
給する。これを注入電極と呼ぶことにする。なお、図中
の破線は固定電位絶縁電極４の存在を示す。なお、図面
においては、断面図および表面図における絶縁膜５の角
部は角張って描いてあるが、これらは模式図であり、実
際には丸みを帯びていてもよい。すなわち、電界集中を
抑制するためにこれら角部に丸みを持たせることは、広
く一般に採用されていることである。

【００３９】本発明の構造における動作原理を説明す
る。ソース領域３の電位に固定されている固定電位絶縁
電極４周辺のチャネル領域７には、絶縁膜５に隔てられ
た電極の材料との仕事関数差によって空乏層が形成さ
れ、この空乏層によるポテンシャル障壁により、ソース
領域３とドレイン領域２とは電気的に遮断されている。
すなわち、本発明の素子構造は、初めから遮断状態とな
っている。

【００４０】この素子は、ソース電極１３を接地（０Ｖ
に）し、ドレイン電極１１には正の電位を印加して使用
する。まず、遮断状態について説明する。注入電極１８
が接地状態のとき、素子は遮断状態である。先にも述べ
たように、チャネル領域７がｎ-型であり、固定電位絶
縁電極４がｐ型不純物を高濃度に含む半導体から出来て
いて、かつこれがソース電極電位に固定されていること
から、固定電位絶縁電極４周辺にはビルトイン空乏層が
形成され、チャネル領域７を埋め尽くしている。この空
乏層による電子に対するポテンシャル障壁によりソース
領域３とドレイン領域２は電気的に遮断されている。

【００４１】通常、このようなＭＯＳダイオード的な構
造では、ドレイン領域２中の空乏層で発生した少数キャ
リア（ここでは正孔）が絶縁膜５の界面に溜って反転層
を形成し、固定電位絶縁電極４からチャネル領域７へ向
かう電界を遮蔽するために空乏層は後退してしまう。す
なわち、そのままではチャネル領域７は電流の遮断状態
を保てないが、本発明の構造では絶縁膜５がｐ型のイン
ジェクタ領域８に接していて、さらにこれ注入電極１８
を通して接地されていれば、絶縁膜５の界面に到達した
正孔は、インジェクタ領域８を通って素子の外に排除さ
れる。すなわち、本構造においては絶縁膜界面の電位は
上昇せず、チャネルの遮断性はドレイン領域２の空乏層
の状況によらず保たれる。

【００４２】また、注入電極１８が開放状態であると
き、上記のように空乏層中で発生した正孔は絶縁膜５の
界面に溜ってしまう。例えば、一般的なｎｐｎバイポー
ラトランジスタにおいて、ベース電極が開放状態であれ
ば同様に正孔がｐ型ベース領域に溜って、ソース領域前
面のポテンシャルは低下し、主電流が漏れてしまう。し
かも、バイポーラトランジスタにおいては、その電流経
路はベース電流が積極的に与えられた正常な導通状態と
異なって局所的であり、よって局所的に発熱して、場合
によっては素子の破壊に至る（二次降伏現象）。しか
し、本発明の構造においては、絶縁膜５界面に形成され
る反転層は導電率が高く、正孔は局所的に溜ることな
く、チャネル領域７全域にゆきわたる。よって、このよ
うな状況でチャネルの電流が漏れるにしても、ひとつの
チャネル領域７に関わるソース領域３の全域にわたって
電流が流れ、上記のような局所的な発熱は生じにくい。

【００４３】さらに、インジェクタ領域８は、固定電位
絶縁電極４の底部よりも深い位置まで存在するので、ド
レイン電界が強まったとき、真っ先に降伏するのは、固
定電位絶縁電極４の何処かではなく、ｐ型のインジェク
タ領域８の底部である。ｐ型インジェクタ領域８は図２
に示すように、複数のチャネルに接しており、降伏によ
ってインジェクタ領域８に過剰な正孔が溜った場合、そ
れは即座に複数のチャネルに振り分けられ、比較的広い
範囲にわたってチャネルが開く。

【００４４】次に、遮断状態から導通状態に転じる機構
について説明する。なお、以下の説明は、基本的にはド
レイン電極と正電圧源との間に抵抗負荷を介在させた構
成を想定して説明する。注入電極１８電位Ｖj＝０Ｖ、
すなわち遮断状態では、チャネル領域７には全域のポテ
ンシャルが正である断面が存在し、伝導電子はソース領
域３とドレイン領域２の間を行き来することは出来な
い。

【００４５】一方、注入電極１８電位がわずかに正電位
になると、チャネル領域７の中央付近のポテンシャルは
０ｅＶ以下になり、そこに伝導電子が存在するようにな
る。すなわち少数キャリアが絶縁膜５界面に流れ込ん
で、固定電位絶縁電極４からチャネル領域７への電界の
一部もしくは全てを遮蔽する。これによってチャネル領
域７内の空乏層は後退してチャネル領域７の中央部には
中性領域が現われてチャネルが開き、ソース領域３から
ドレイン領域２へ伝導電子が移動し、主電流が流れる。

【００４６】このように注入電極１８の電位を上げるこ
とでチャネル領域７のポテンシャルが低下するのは、遮
断状態の時の機構とは逆に、電位の高いｐ型インジェク
タ領域８から絶縁膜５界面に正孔が流れ込み、反転層を
形成し絶縁膜５界面の電位を上昇させるからである。つ
まり、正孔は、トレンチ側壁面を通路として瞬時に行き
渡り、固定電位絶縁電極４からチャネル領域７へのビル
トイン電界を遮蔽するので、これによりチャネル領域７
内の空乏層は後退し、チャネルが開くのである。さらに
インジェクタ領域８の電位が所定値以上になると、イン
ジェクタ領域８とチャネル領域７ならびにドレイン領域
２の形成するｐｎ接合が順バイアスされ、少数キャリア
がチャネル領域７ならびにドレイン領域２に直接注入さ
れる。チャネル領域７ならびにドレイン領域２に正孔が
多く分布することで電子も多く分布し、伝導度変調が起
こるため、主電流は低いオン抵抗で流れるようになる。

【００４７】このとき、本発明の構造によれば、インジ
ェクタ領域８の側壁が底部に至るまで基板表面に対して
ほぼ垂直に設けられている。これにより、インジェクタ
領域８からチャネル領域７ならびにドレイン領域２へ注
入される正孔の速度は、従来の湾曲構造の場合と比較す
ると、特に底部で速くなり、インジェクタ領域８表面の
注入速度と同等となる。このようにインジェクタ領域８
から注入される正孔の速度がその表面と底部で同等にな
れば、ドレイン領域２に素早く正孔を分布させ、伝導度
変調状態に移行できる。つまり、ターンオン時間が短縮
し、スイッチング特性が向上することになる。

【００４８】ここで、デバイスの安全動作領域について
述べる。本発明のような素子構造においては、ソース領
域３の前面にある電子に対するポテンシャル障壁は、イ
ンジェクタ領域８の電位が上昇し、絶縁膜５界面に正孔
が流れ込んだ途端にチャネル領域７全域に渡って消失
し、さらに絶縁膜５界面は良好な導電路として働く。つ
まり、伝導電子はほぼソース領域３の全域から放出さ
れ、電流集中は起きず、よって広い順バイアス時安全動
作領域を持つことができる。

【００４９】次に、導通状態から遮断状態に転ずる機構
を説明する。ターン・オフするためには、注入電極１８
の電位を接地（０Ｖ）、もしくは負電位にする。すると
伝導度変調によりドレイン領域２およびチャネル領域７
に大量に存在していた正孔は消滅するか、もしくはイン
ジェクタ領域８を通して素子外に排除され、再びチャネ
ル領域７が空乏層で満たされ、耐圧を維持し、主電流は
止まる。

【００５０】このとき、本発明の構造によれば、インジ
ェクタ領域８から正孔の引き抜き率が増えるので、ター
ンオフ時間の短縮に大きく寄与できる。すなわち、イン
ジェクタ領域８は表面からその底部に至るまで、基板表
面に対してほぼ垂直に設けられており、チャネル領域７
およびドレイン領域２から１つのインジェクタ領域８ま
での距離がその表面部分と底部でほぼ等しい距離とな
る。つまり、ドレイン領域深部での正孔の引き抜き効率
が向上するため、ターンオフの時間が速くなる。

【００５１】さらに、このデバイスのドレイン電極と正
電圧源との間に誘導負荷を接続したような構成におい
て、オン状態から電流を遮断すべく注入電極１８の電位
を接地（０Ｖ）、もしくは負電位にしたときの動作を説
明する。負荷の種類にかかわらず、導通時におけるデバ
イスの状態は同じで、上記のごとくドレイン電極電位は
低く、チャネル領域７ならびにドレイン領域２は高注入
水準状態となっていて、主電流の成分である電子流はソ
ース領域３からドレイン領域２へと流れている。注入電
極の電位が変化すると、これに連動してインジェクタ領
域８の電位が下がる。すると、ドレイン領域２もしくは
チャネル領域８を満たしている過剰少数キャリア（正
孔）のうち、インジェクタ領域８に近い領域の正孔か
ら、順次インジェクタ領域８に引かれて排除される。や
がてチャネル領域７の正孔濃度にも影響が及んで低くな
り、インジェクタ領域８近傍から空乏層が伸びてゆく。
この影響がソース領域３前面に達すると、デバイスのオ
ン抵抗が高くなりだして、電流値は減少しようとする。
しかし、誘導負荷の場合、誘導負荷が電流値を保持しよ
うとする性質を持っているので、オン抵抗の上昇を相殺
するようにドレイン電極１１電位が上昇しはじめる。よ
って、ドレイン領域２には主電流が流れながら空乏層が
形成され、デバイスは高い電流値を保持しながら主端子
（ソース−ドレイン）間の電圧（ＶＤＳＸ）は上昇す
る。そして最終的にチャネル領域７のうち、電流が流れ
うる領域は、２つのインジェクタ領域８から当距離にあ
る点付近のみとなる。電流路が狭まっても電流値はほぼ
一定に保たれることから、この時点での電流密度は非常
に高くなりながら、ＶＤＳＸは上昇する。

【００５２】ここで、逆バイアス時安全動作領域（ＲＢ
ＳＯＡ）について説明する。ターンオフは、ドレイン領
域２の正孔をインジェクタ領域８から引き抜くことから
始まるが、ターンオフ初期は遮断過渡期であり、電子電
流が流れている。この電子がドレイン領域２に広がった
空乏層内を走ることにより、新たに正孔の対発生が起こ
る。このとき、素子は遮断状態であるので、正孔はイン
ジェクタ領域８に引き抜かれているが、発生する正孔の
ペースが引き抜かれる正孔よりも多くなると、過剰な正
孔はチャネルに飛び込み、チャネルの遮断を阻止してし
まう。つまり、素子のソース−ドレイン端に電荷がたま
らず、上昇しかけたソース−ドレイン間の電圧（ＶＤＳ
Ｘ）は一定の値でクランプしてしまい、確実に電流を遮
断できないことになる。このような現象が起こらず、安
全に電流を遮断できる電圧電流特性図上の領域を、逆バ
イアス時安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）という。

【００５３】ここで、本発明の構造によれば、従来のイ
ンジェクタ領域８の構造と比較して、その底部が広くな
っているため、特に底部での正孔の引き抜き効率が向上
し、発生した正孔を素早く回収できるため、正孔のチャ
ネルへの飛び込みを抑制し、これにより逆バイアス時安
全動作領域（ＲＢＳＯＡ）を広げるのに大変効果的であ
る。

【００５４】また、中心に埋め込まれた拡散源からの拡
散でインジェクタ領域８が形成されるので、耐圧や、正
孔の引き抜き効率を考慮した十分な深さのインジェクタ
領域が横拡散を押さえて形成できる。具体的には、例え
ば幅５μｍで深さ１０μｍのインジェクタ領域８が可能
となるので、インジェクタ領域幅ａが細くでき、ｈＦＳ
が向上する。

【００５５】図３にインジェクタ領域の幅ａとｈＦＳの
関係を示す。この図は、インジェクタ領域の幅ａが１０
μｍの場合と２２μｍの場合の、ドレイン電流（ＩＤ）
とｈＦＳの関係を示したものである。インジェクタ領域
の幅が狭ければ、オン時のゲート電流（ＩＧ）が小さく
なり、ｈＦＳが向上することは前にも述べたが、この図
からも、インジェクタ領域の幅が小さいほうがｈＦＳは
高くなることが明らかである。

【００５６】更に、図４（Ａ）にはターンオフ遅延時間
(tstg)とインジェクタ領域８側壁から固定電位絶縁電極
４の軸部分までの距離ｂの関係を示し、図４（Ｂ）には
フォール時間(tf)と距離ｂの関係を示す。この図は距離
ｂが、ＣＡＤ上の寸法で１２．４μｍ、１８．４μｍ、
３０．４μｍの場合の、ターンオフ遅延時間（tstg）お
よびフォール時間（tf）とゲート電流（ＩＧ）の関係で
ある。

【００５７】概略的には、ドレイン領域２からの正孔の
引き抜き効率は、ターンオフ遅延時間(tstg)に影響し、
チャネル領域７からの正孔の引き抜き効率はフォール時
間（tf）に影響する。図４によれば、ターンオフ遅延時
間(tstg)およびフォール時間(tf)の短縮にはいずれも、
インジェクタ領域８側壁から固定電位絶縁電極４の軸部
分までの距離ｂが狭いほうが良いことが判る。従来の構
造では、インジェクタ領域を深く設けることで横拡散が
大きくなり、結果的に距離ｂが狭くなる構造であった。
しかし、図３の如く、インジェクタ領域の横拡散（幅）
が大きければｈＦＳの劣化を引き起こすことになる。一
方、本発明の構造では、細線化したインジェクタ領域８
の形成位置を最適な距離ｂで設ければよく、ドレイン領
域からの引き抜き効率が向上するので、ｈＦＳの向上
と、ターンオフ遅延時間(tstg)の短縮によるスイッチン
グ特性の向上を兼ね備えた素子が実現できる。

【００５８】さらに、例えば従来と同等の距離ｂを確保
すれば良い場合、インジェクタ領域の幅ａが狭くなる
分、チップサイズが大幅にシュリンクできる利点も有す
る。

【００５９】次に、図５〜図８は、本発明の製造工程を
示す、斜視図である。

【００６０】まず、基板領域１であるｎ+型基板の表面
にｎ-型ドレイン領域２をエピタキシャル成長によって
形成し、さらにその表面にソース領域３となるｎ+領域
と、インジェクタ領域８となるｐ型領域とを形成する
（図５）。

【００６１】まず、拡散源２１を形成する。すなわち、
所定の位置に拡散源用の溝を形成するためのパターンを
形成し、異方性ドライエッチングによりエッチングし、
側壁が基板表面に対してほぼ垂直な溝２０を設ける。そ
の後、ボロンなどのｐ型不純物が導入されたポリシリコ
ンを全面に堆積し、エッチバックにより溝２０に埋設さ
れた拡散源２１を形成する。この場合ノンドープのポリ
シリコンを全面に堆積後、不純物を導入してエッチバッ
クしてもよいし、不純物を含むポリシリコン２１を堆積
後、エッチバックして溝２０に埋設して拡散源２１とし
てもよい。

【００６２】その後、熱処理を施して、拡散源２１から
不純物をドレイン領域２に拡散してインジェクタ領域８
を形成する。拡散源２１もインジェクタ領域８として活
用でき、少ない熱処理時間でインジェクタ領域８が形成
できる。また、溝２０に埋設した拡散源２１からの拡散
で形成できるので、インジェクタ領域８の側壁を基板表
面に対してほぼ垂直に形成でき、インジェクタ領域８の
幅ａも、その深さとは独立した所定の細線化された幅で
形成できる。

【００６３】従来は、基板に不純物を注入して熱拡散し
て形成しており、インジェクタ領域をなるべく深く形成
しようとするほど横拡散も多くなり、インジェクタ領域
８の幅が広くなってしまっていた。しかし、本発明によ
れば横拡散を考慮しなくてもよいので、細くて深いイン
ジェクタ領域８が形成でき、尚かつ側壁もほぼ垂直に形
成できる。また、インジェクタ領域８の位置は後に形成
する固定電位絶縁電極の軸部分から所望のスイッチング
特性が得られる距離ｂで離間して設ける。これにより、
ｈＦＳの向上とスイッチング特性の向上を兼ね備えた素
子が実現できる。

【００６４】本発明によれば、溝２０の深さは固定電位
絶縁電極４より深く、更に耐圧を考慮して１０μｍ程度
に設けるが、横拡散を考慮する必要がないので、耐圧に
応じた深さで設ければよい。

【００６５】次に、表面にマスク材１００を形成し、固
定電位絶縁電極用の溝を形成するためのパターンを形成
する。なお、マスク材１００は、例えば下から２０ｎｍ
程度のシリコン酸化膜と、シリコン窒化膜と、５００ｎ
ｍ程度のＰＳＧとの３層膜などである。次に、異方性ド
ライエッチングによってエッチングし、側壁がほぼ垂直
な溝を掘る。溝の深さは、溝同士の間隔の３倍程度とす
る（図６）。次に、マスク材１００中の一番上層のＰＳ
Ｇ膜を除去し、溝の内壁を酸化して絶縁膜５を形成す
る。なお、マスク材１００中のシリコン窒化膜は、この
酸化の際に表面領域の酸化を防ぐ役目をしている。さら
に固定電位絶縁電極４となるｐ型不純物を高濃度に含む
ポリシリコンを堆積させる（図７）。次に、ポリシリコ
ンが、溝の中のみに残るようにエッチングして、固定電
位絶縁電極４を形成する。次に、マスク材１００の残り
の部分を除去し（図８）、層間絶縁膜と電極類を形成す
ることにより、図１の構造を得る。なお、注入電極電位
が遮断状態とのきにドレイン電界によってチャネルが開
かないという条件を満たすならば、固定電位絶縁電極４
の材料をソース電極と同じ金属によって形成しても構わ
ない。上記の如く、本発明の素子構造は、通常のＬＳＩ
製造技術で実現可能である。上記の異方性ドライエッチ
によって側壁がほぼ垂直な溝を形成する技術は、例えば
ＤＲＡＭの構造の一部であるトレンチ・キャパシタなど
で採用されている技術である。さらに、本構造において
溝を微細に形成すれば、溝の深さすなわちチャネル長を
短くすることができ、素子の特性を向上させることが出
来る。また、素子耐圧は、ドレイン領域の不純物濃度を
低い値に設定した場合、実質的なドレイン領域の厚さ、
すなわち図１においてｎ+型基板領域から溝の底部まで
の距離に依存しているだけで、素子構造上は如何なる耐
圧にも素子を設計できる。

【００６６】さらに、通常の半導体素子では、寄生素子
を持つものもある。例えばｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴ
は、ｎｐｎバイポーラトランジスタを、ＩＧＢＴはｐｎ
ｐｎ型サイリスタを構造上、内包していて、これが素子
の安全動作領域に少なからず影響を与えているが、本発
明の素子構造は、例えば図１に見るごとく、基本的には
ｎ−ｎ−ｎ構造であり、素子の動作に影響を与えうるよ
うな寄生を素子を内包していない。

【００６７】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、次のような効果が得られる。

【００６８】第１に、インジェクタ領域中心部の拡散源
からの不純物拡散によりインジェクタ領域を形成するた
め、インジェクタ領域の幅は、従来と比べて大幅に細線
化が可能となる。具体的には、従来２６μｍ程度あった
ものが、５μｍまで縮小でき、ｈＦＳの向上に寄与す
る。また、拡散源を深く設けることで、耐圧を考慮した
所定の深さでありながら横拡散を押さえたインジェクタ
領域となる。

【００６９】つまり、サイド拡散の影響を受けずにイン
ジェクタ領域を形成できるので、インジェクタ領域の幅
は、フォトエッチングや拡散源となるポリシリコンの埋
め込みが充分に行える範囲であれば、インジェクタ領域
深さとは独立して任意の細い値に設定できる利点を有す
る。

【００７０】第２に、スイッチング特性の向上と、ｈＦ
Ｓの向上を兼ね備えた半導体装置が得られる。これは、
ターンオフ特性が良好となる所定の距離ｂとｈＦＳの向
上に有効な細いインジェクタ領域の幅ａを実現できるた
めである。従来では例えば、インジェクタ領域を深く設
けることによる横拡散のために、結果的にインジェクタ
領域から固定電位絶縁電極までの距離ｂが短くなり、タ
ーンオフ遅延時間(tstg)の短縮によってスイッチング特
性に関しては良好な特性が得られるが、インジェクタ領
域の幅ａも大きくなるため、ｈＦＳを劣化させる原因と
なっていた。しかし、本発明によれば、ターンオフ遅延
時間(tstg)の短縮によるスイッチング特性の向上と、ｈ
ＦＳの向上とを兼ね備えた素子が実現できる。

【００７１】第３に、インジェクタ領域の側壁が底部に
至るまで基板表面に対してほぼ垂直に設けられている。
これにより、インジェクタ領域からチャネル領域ならび
にドレイン領域へ注入される正孔の速度は、従来の湾曲
構造の場合と比較すると、特に底部で速くなる（インジ
ェクタ領域表面の注入速度と同等となる）。インジェク
タ領域から注入される正孔の速度がその表面と底部で同
等になれば、ドレイン領域が伝導度変調状態に移行する
時間が速くなり、ターンオン時間が短縮し、スイッチン
グ特性が向上する利点を有する。

【００７２】第４に、ドレイン領域からの引き抜き効率
が向上し、ターンオフ遅延時間( tstg)の短縮に大きく
寄与できる。すなわち、インジェクタ領域はその底部に
至るまで、基板表面に対してほぼ垂直に設けられてお
り、チャネル領域およびドレイン領域から１つのインジ
ェクタ領域までの距離がその表面部分と底部でほぼ等し
い距離となる。つまり、ドレイン領域深部の正孔引き抜
き効率が向上するため、ターンオフ遅延時間(tstg)も速
くなり、スイッチング特性が向上する。

【００７３】第５に、従来のインジェクタ領域の構造と
比較して、その底部が広くなっているため、特に底部で
の正孔の引き抜き効率が向上し、発生した正孔を素早く
回収できるため、正孔のチャネルへの飛び込みを抑制
し、これにより逆バイアス時安全動作領域（ＲＢＳＯ
Ａ）を広げるのに大変効果的である。

【００７４】第６に、例えば従来の距離ｂを保持した場
合、チップサイズが大幅にシュリンクする。具体的には
インジェクタ領域の幅が２６μｍから５μｍまで縮小で
きるので、セル長さで約４４％の縮小となり、特性の向
上と、チップシュリンクを兼ね備えた半導体装置を実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を説明するための（Ａ）斜視図および
（Ｂ）平面図である。

【図２】本発明を説明するための断面図である。

【図３】本発明を説明するための特性図である。

【図４】本発明を説明するための特性図である。

【図５】本発明を説明するための斜視図である。

【図６】本発明を説明するための斜視図である。

【図７】本発明を説明するための斜視図である。

【図８】本発明を説明するための斜視図である。

【図９】従来の技術を説明するための（Ａ）斜視図およ
び（Ｂ）平面図である。

【図１０】従来の技術を説明するための断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/336 Ｈ０１Ｌ 29/78 ６５８Ａ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ドレイン領域となる一導電型の半導体基
   体の一主面に設けられ、等間隔をなして互いに平行に複
   数配置された第1の溝と、 前記第１の溝に挟まれた前記主面に設けられた一導電型
   のソース領域と、 前記第１の溝の内壁に設けられた絶縁膜と、 前記第１の溝に埋設され、前記ソース領域と同電位に保
   たれ、且つ前記絶縁膜を介して隣接する前記ドレイン領
   域に空乏領域を形成する性質を有する導電性材料からな
   る固定電位絶縁電極と、 前記ソース領域と離間され、且つ各前記絶縁膜に接する
   前記ドレイン領域に一定の間隔を置いて複数設けられた
   逆導電型のインジェクタ領域と、 前記固定電位絶縁電極に挟まれ、前記ソース領域に隣接
   する前記ドレイン領域に形成されるチャネル領域とを具
   備し、 前記インジェクタ領域は中心部に第２の溝を有し、該第
   ２の溝には逆導電型不純物を含む導電性材料が埋設さ
   れ、前記インジェクタ領域を前記第２の溝の周辺に第２
   の溝の形状に沿って設けることを特徴とする半導体装
   置。
2. 【請求項２】 前記インジェクタ領域の側壁は前記基板
   表面に対してほぼ垂直に設けられることを特徴とする特
   徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 前記インジェクタ領域は、前記第１の溝
   の底部よりも深く設けられることを特徴とする請求項１
   に記載の半導体装置。
4. 【請求項４】前記インジェクタ領域の幅は、該インジェ
   クタ領域の深さとは独立した任意の値に設けることを特
   徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 【請求項５】前記インジェクタ領域は、前記固定電位絶
   縁電極を挟んで互いに隣接する複数の前記チャネル領域
   に接し、かつ、前記インジェクタ領域は、これと接続す
   る注入電極を有することを特徴とする請求項１に記載の
   半導体装置。