JP2009521804A - ドレインおよび/またはソース変形注入物を有するjfet - Google Patents

ドレインおよび/またはソース変形注入物を有するjfet Download PDF

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Abstract

本発明は、製作中に追加の注入物を受け取るJFETを提供する。この注入物は、JFETのドレイン領域をそのソース領域の方へ延ばし、かつ/またはそのソース領域をそのドレイン領域の方へ延ばす。注入物は、ドレイン/チャネル(および/またはソース/チャネル)接合部で所与のドレイン電圧および/またはソース電圧に対して普通なら生じるはずの電界の大きさを低減させ、それによって電界に関連するゲート電流および降伏の問題の重大度を軽減する。JFETのゲート層は、各注入物に対して、ゲート層の横方向の境界とドレイン領域および/またはソース領域との間にそれぞれ間隙を設ける幅を有するように寸法設定され、各注入物がそれぞれの間隙内に注入されることが好ましい。
【選択図】図2

Description

関連出願
本出願は、2005年12月22日出願のWilsonらの米国特許仮出願60/753645の利益を主張する。
本発明は、一般に電界効果トランジスタ(FET)に関し、より詳細には、接合型電界効果トランジスタ(JFET)に関する。
接合型電界効果トランジスタ(JFET)は、電子スイッチおよび電圧制御抵抗などの多くの適用分野で見られる。従来のJFETの構造を図1に示す。このP型JFETは、N型底部ゲート層10と、N型層10に凹設されたP+ソース領域14およびP+ドレイン領域16と、ソース領域とドレイン領域の間のN層の表面に凹設されたP型層18と、ソース領域とドレイン領域の間のP型層18の表面に凹設されたN型上部ゲート層20とを含む。ソース領域およびドレイン領域ならびにゲート層に接点が設けられて、デバイスのソース(S)、ドレイン(D)、およびゲート(G)端子を提供する。層18は、Pチャネルとして働き、ソース領域とドレイン領域の間に電流路を提供する。
ゲート端子Gに電圧が印加されていないのであれば、ソース端子とドレイン端子の間に電圧が印加されると、電流は容易に流れる。電流の流れは、ゲート端子Gとソース端子Sの間に電圧(Vgs)を印加することによって変調される。Vgsの極性は、ゲートとチャネルの間のp−n接合部に逆バイアスをかけるような極性である。これにより、チャネル内に延びる空乏領域を生成する。空乏領域の幅はVgsとともに変動し、逆バイアスの増大が空乏領域を広げる働きをし、それによってチャネルをピンチオフし、かつデバイスのドレイン電流を低減させる。このように、Vgs電圧は、チャネルの導電率を制御する。
JFETの1つの固有の欠点は、そのゲート電流がゼロではないことである。JFETのドレイン端子に印加される電圧により、そのドレイン/Pチャネル接合部に電界が生じる。この電界により、接合部で衝撃イオン化が発生して、キャリアを生成し、キャリアがゲート内へ押し流され、それによってゲート電流が生成され、このゲート電流は、ドレイン電圧の上昇とともに、許容できない高いレベルまで増大する可能性がある。
ドレイン/チャネル(またはソース/チャネル)接合部の電界により、デバイスの降伏電圧特性が乏しくなる可能性もある。電界が限界レベルに到達すると、衝撃イオン化電流は本質的に非常に高くなり、その結果ドレイン電流が、ドレイン電圧とはほとんど関わりなく増大する。この限界レベルがデバイスの降伏電圧を規定し、デバイスの降伏電圧は、一部のJFETに対して許容できない低さになる可能性がある。
本発明は、製作中に追加の注入物を受け取るJFETを提供する。この注入物は、JFETのドレイン領域をそのソース領域の方へ延ばし、かつ/またはそのソース領域をそのドレイン領域の方へ延ばす。この注入物は、ドレイン/チャネル(および/またはソース/チャネル)接合部で所与のドレイン電圧および/またはソース電圧に対して普通なら生じるはずの電界の大きさを低減させる働きをし、それによって電界に関連するゲート電流および降伏の問題の重大度を軽減する。
本発明によるJFETは、P型またはN型とすることができる。P型JFETは、N型底部ゲート層と、N層の表面に凹設されたP型ソース領域およびP型ドレイン領域と、ソース領域とドレイン領域の間のN層の表面に凹設されたP型層と、ソース領域とドレイン領域の間のP層の表面に凹設されたN型上部ゲート層とを含む。この構造により、上部ゲート層の直下に位置する、ソース領域とドレイン領域の間のPチャネルを提供する。
本発明によるP型JFETはまた、P型注入物を含み、このP型注入物は、注入物がドレイン領域に接触しかつそれをソース領域の方へ延ばし、ならびに/またはソース領域に接触しかつそれをドレイン領域の方へ延ばすように配置される。注入物は、ドレイン/チャネル(および/またはソース/チャネル)接合部で所与のドレイン(および/またはソース)電圧に対して普通なら生じるはずの電界の大きさを低減させるように構成され、それによってデバイスのゲート電流および降伏特性を改善する。
本JFETのゲート層は、各注入物に対して、ゲート層の横方向の境界とドレイン領域および/またはソース領域との間にそれぞれ間隙を提供する幅を有するように寸法設定され、各注入物がそれぞれの間隙内に注入されることが好ましい。注入物の深さは、チャネルの深さ以上とするべきである。
本発明の上記および他の特徴、態様、および利点は、以下の図面、説明、および特許請求の範囲を参照すれば、よりよく理解されるであろう。
本発明によるJFETを図2に示す。P型JFETを示すが、本発明は、N型JFETにも同様に適用できる。
図2に示す例示的な実施形態では、JFETは、N型底部ゲート層100から形成され、P+ソース領域104およびP+ドレイン領域106が、N型層100の表面に凹設され、かつ互いから離隔されている。P型層108が、ソース領域とドレイン領域の間のN型層100の表面に凹設され、N型上部ゲート層110が、ソース領域とドレイン領域の間のP型層108の表面に凹設される。P型層108は、上部ゲート層110の直下に位置し、P型チャネルとして働き、そこを通ってソース領域とドレイン領域の間に電流が流れる。ソース端子(「S」)およびドレイン端子(「D」)が、それぞれソース領域およびドレイン領域に接続され、ゲート端子(「G」)が、N型上部ゲート層110とN型底部ゲート層100の両方に接続する。従来のJFETと同様に、ゲート端子に電位を印加して、ゲートとチャネルの間のp−n接合部に逆バイアスがかかると、チャネル内に延びる空乏領域が生成される。空乏領域の幅は、JFETのゲート−ソース電圧Vgsとともに変動し、逆バイアスの増大が空乏領域を広げる働きをし、それによってチャネルをピンチオフし、かつデバイスのドレイン電流を低減させる。
前述のように、ドレイン端子および/またはソース端子に電圧が印加されると、JFETのドレイン/チャネル接合部および/またはソース/チャネル接合部に電界が発生する。これらの電界により、接合部で衝撃イオン化が発生して、キャリアを生成し、キャリアがゲート内へ押し流され、それによってゲート電流が生成され、このゲート電流は、印加される電圧の上昇とともに、許容できない高いレベルまで増大する可能性がある。
本発明は、1つまたは複数の注入物を使用することによりこの問題を軽減する。この注入物は、ドレイン領域に隣接して、ソース領域に隣接して、またはドレイン領域とソース領域の両方に隣接して配置することができる。図2の例示的なP型JFETでは、P型注入物112は、この注入物がドレイン領域106に接触しかつそれをソース領域104の方へ延ばすように実行される。注入物112の存在は、ドレイン領域106とP型チャネル108の接合部で所与のドレイン電圧に対して普通なら生じるはずの電界の大きさを低減させるように作用し、それによって電界に起因する衝撃イオン化および結果として生じるゲート電流を低減させる。
このように電界の大きさを低減させることは、JFETの降伏電圧特性を改善する働きもする。最も高い電界は、Pチャネル108とドレイン領域106の接合部で生じるので、この接合部での電界の大きさを低減させるのに最大の影響を与えるように、注入物112の深さは、チャネル108の深さ以上であることが好ましい。ゲート領域、チャネル領域、およびドレイン領域のドーピング濃度、ならびにドレイン領域の形状/プロファイルを含む他の要因もまた、デバイスの降伏電圧特性に影響を及ぼすことに留意されたい。
上部ゲート層は、上部ゲート層のうちのドレイン領域に最も近い横方向の境界とドレイン領域との間(ならびに/または上部ゲート層のうちのソース領域に最も近い横方向の境界とソース領域との間)に間隙を空ける幅を有するように寸法設定され、この間隙内に注入物が配置されることが好ましい。このように実行することによって、注入物の有効性が高められる。
この技術を図3に示す。上部ゲート層110のうちのドレイン領域106に最も近い横方向の境界120は、ドレインから引き戻されて、間隙122を生成する。注入物112が、間隙122内で実行される。本発明による注入物を実行するだけでも降伏性能の多少の改善が得られるが、最善の結果は、図3に示すように、間隙を生成し、次いでこの間隙内で注入物を実行することによって得られる。適切な間隙幅は、約1〜3μmであり、そのような間隙内の注入物は通常、ドレイン(またはソース)領域の幅を約1μm延ばす働きをするはずである。
前述のように、本発明による注入物を使用して、ドレイン領域をソース領域の方へ延ばし、ソース領域をドレイン領域の方へ延ばし、またはその両方を行うことができる。注入物は、最も高い電圧を示す領域を延ばすように使用することが最も有利である。ソース領域が延ばされる例示的な一実施形態を図4に示す。ここでは、P型注入物130が、ソース領域104に接触しかつそれをドレイン領域106の方へ延ばすように実行される。注入物130の存在は、ソース領域104とP型チャネル108の接合部で所与のソース電圧に対して普通なら生じるはずの電界の大きさを低減させるように作用し、それによって電界に起因する衝撃イオン化および結果として生じるゲート電流を低減させる。図3に関して前述のように、上部ゲート層110のうちのソース領域104に最も近い横方向の境界132は、引き戻されて間隙134を設け、間隙134内に注入物130が配置されることが好ましい。
注入物はまた、ドレイン領域とソース領域の両方を延ばすように実行することもできる。これを図5に示す。ここでは、上部ゲート層110の幅は、その横方向の境界144とソース領域との間、および横方向の境界146とドレイン領域との間に、それぞれ間隙140および142を設けるように寸法設定される。この構成は、ドレイン/チャネル接合部とソース/チャネル接合部の両方で、それぞれ所与のドレイン電圧およびソース電圧に対する電界を低減させ、それによって両接合部での衝撃イオン化、および電界に起因し結果として生じるゲート電流を低減させる。
P型JFETを図2〜5に示してきたが、本発明は、N型JFETにも同様に適用できる。本発明によるN型JFETの1つの可能な実施形態を図6に示す。ここでは、JFETは、P型底部ゲート層150から形成され、N+ソース領域154およびN+ドレイン領域156が、P型層150の表面に凹設される。N型層158が、ソース領域とドレイン領域の間のP型層150の表面に凹設され、P型上部ゲート層160が、ソース領域とドレイン領域の間のN型層158の表面に凹設される。N型層158は、上部ゲート層160の直下に位置し、N型チャネルとして働き、そこを通ってソース領域とドレイン領域の間に電流が流れる。上部ゲート層160のうちのドレイン領域156に最も近い横方向の境界162は、ドレインから引き戻されて、間隙164を生成する。N型注入物166が間隙164内で実行され、その結果N型注入物166は、ドレイン領域156に接触しかつそれをソース領域154の方へ延ばす。前述のように、有効性を最大にするために、注入物166の深さは、チャネル158の深さ以上であることが好ましい。
注入物のドーピングレベルは、電界、したがってゲート電流に影響を及ぼし、最適化されたドーピングレベルにより、電界の大きさをより低減させる。P型注入物に適したドーパントには、ホウ素(B11またはBF)、アルミニウム、またはインジウムが含まれ、N型注入物に適したドーパントには、リン、ヒ素、またはアンチモンが含まれる。
本明細書に記載の注入物を有するJFETは、IC加工技術に精通した当業者には周知の手段で製作することができ、この注入物は、1つの追加のマスキングステップおよび1つの追加の注入ステップの実行を必要とする。
この注入物を実行する別の可能性は、ベース注入物に必要なドーピングレベルを使用して、スーパーベータバイポーラトランジスタを製作するのに使用されるベース注入物と組み合わせることである。ここでは、本発明による注入物のための間隙を空けるためにマスクが使用されるはずであり、次いで、ベース注入物と本発明の注入物がどちらも、単一のステップで実行されるはずである。
ベース注入物と本発明の注入物がどちらも単一のステップで実行されるICの1つの可能な実施形態を図7に示す。前述のように、JFET 170がN型底部ゲート層172で形成され、ソース領域173およびドレイン領域174が層172に凹設され、P型チャネル層175がソース領域とドレイン領域の間の層172に凹設され、上部ゲート層176がソースとドレインの間の層175に凹設される。本発明によれば、前述のように、ドレイン領域174をソース領域173の方へ延ばすP型注入物177も設けられる。
NPNスーパーベータトランジスタ182が同じ基板上に製作され、P型ベース領域184がN型層172に注入され、N+エミッタ領域186がベース領域184に凹設され、N+コレクタ領域188がN型層172に凹設される。JFETのP型注入物177とスーパーベータのベース領域はどちらもP型注入物であるので、どちらも、同じ注入ステップで形成することができる。
JFETとスーパーベータトランジスタの製作を組み合わせることは得策であるが、スーパーベータトランジスタに必要なドーピングレベルとは異なるドーピングレベルで本発明による注入物を実行する方が、より良好なゲート電流および降伏電圧特性を与える可能性があることに留意されたい。
本明細書に記載の本発明の実施形態は例示的であり、また、実質的に同等の結果を実現する多数の修正形態、変形形態、および再構成を容易に考えることができ、そのすべては、添付の特許請求の範囲で規定される本発明の精神および範囲内に含まれるものである。
周知のJFETの断面図である。 本発明によるP型JFETの1つの可能な実施形態の断面図である。 本発明によるP型JFETの別の可能な実施形態の断面図である。 本発明によるP型JFETの別の可能な実施形態の断面図である。 本発明によるP型JFETの別の可能な実施形態の断面図である。 本発明によるN型JFETの1つの可能な実施形態の断面図である。 本発明によるP型JFETおよびNPNスーパーベータバイポーラトランジスタの1つの可能な実施形態の断面図である。

Claims (20)

  1. 接合型電界効果トランジスタ(JFET)であって、
    第1の極性を有するようにドープされた底部ゲート層と、
    前記底部ゲート層の上部表面に凹設された、前記底部ゲート層の極性と逆の第2の極性を有するようにドープされたソース領域と、
    前記底部ゲート層の上部表面に凹設され、かつ前記ソース領域から離隔された、前記第2の極性のドレイン領域と、
    前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記底部ゲート層の上部表面に凹設された、前記第2の極性のチャネル層と、
    前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記チャネル層の上部表面に凹設された、前記第1の極性の上部ゲート層と、
    前記第2の極性の注入物であって、前記ドレイン領域および/または前記ソース領域に接触し、かつそれらをそれぞれ前記ソース領域および/または前記ドレイン領域の方へ延ばすように注入され、その結果、前記ドレイン領域および/または前記ソース領域と前記チャネル層との接合部でそれぞれ所与のドレイン電圧および/またはソース電圧に対して普通なら生じるはずの電界の大きさを低減させる注入物とを含むJFET。
  2. 前記上部ゲート層が、前記注入物それぞれに対し、上部ゲート層の横方向の境界と前記ドレイン領域および/または前記ソース領域の間にそれぞれ間隙を設ける幅を有するように寸法設定され、前記注入物がそれぞれ、前記間隙のうちの対応する間隙内に注入される、請求項1に記載のJFET。
  3. 前記JFETが、前記注入物の深さが前記チャネル層の深さ以上になるように構成された、請求項1に記載のJFET。
  4. 前記上部ゲート層が、前記上部ゲート層のうちの前記ドレイン領域に最も近い横方向の境界と前記ドレイン領域との間に間隙を空ける幅を有するように寸法設定され、また前記注入物が、前記ドレイン領域に接触しかつそれを前記ソース領域の方へ延ばすように前記間隙内に注入され、その結果前記注入物が、前記ドレインと前記チャネル層との接合部で所与のドレイン電圧に対して普通なら生じるはずの電界の大きさを低減させる、請求項1に記載のJFET。
  5. 前記上部ゲート層が、前記上部ゲート層のうちの前記ソース領域に最も近い横方向の境界と前記ソース領域との間に間隙を空ける幅を有するように寸法設定され、また前記注入物が、前記ソース領域に接触しかつそれを前記ドレイン領域の方へ延ばすように前記間隙内に注入され、その結果前記注入物が、前記ソースと前記チャネル層との接合部で所与のソース電圧に対して普通なら生じるはずの電界の大きさを低減させる、請求項1に記載のJFET。
  6. 前記上部ゲート層が、前記上部ゲート層のうちの前記ソース領域に最も近い横方向の境界と前記ソース領域との間に第1の間隙、および前記上部ゲート層のうちの前記ドレイン領域に最も近い横方向の境界と前記ドレイン領域との間に第2の間隙を空ける幅を有するように寸法設定され、前記注入物のうちの第1および第2の注入物は、前記第1の注入物が、前記ソース領域に接触しかつそれを前記ドレイン領域の方へ延ばすように、また前記第2の注入物が、前記ドレイン領域に接触しかつそれを前記ソース領域の方へ延ばすように、それぞれ前記第1および第2の間隙内に注入され、その結果前記注入物が、前記ドレインと前記チャネル層との接合部で所与のドレイン電圧に対して普通なら発生するはずの電界の大きさ、および前記ソースと前記チャネル層との接合部で所与のソース電圧に対して普通なら発生するはずの電界の大きさを低減させる、請求項1に記載のJFET。
  7. 所与のドーピングレベルを有するベース注入物を含む、前記底部ゲート層上に製作された少なくとも1つのスーパーベータバイポーラトランジスタをさらに含み、
    前記第2の極性の前記注入物が、前記ベース注入物と同じドーピングレベルを有し、それによって、前記ベース注入物および前記第2の極性の前記注入物を単一の注入ステップで実行できるようにする、請求項1に記載のJFET。
  8. 前記JFETがP型JFETであり、前記P型JFETにおいて、
    前記底部ゲート層がN型層であり、
    前記ソース領域および前記ドレイン領域がP+領域であり、
    前記上部ゲート層がN型層であり、
    前記チャネル層がP型層であり、また
    前記注入物がP型注入物である、請求項1に記載のJFET。
  9. 前記P型注入物が、ホウ素、アルミニウム、またはインジウムを含む、請求項8に記載のJFET。
  10. 前記JFETがN型JFETであり、前記N型JFETにおいて、
    前記底部ゲート層がP型層であり、
    前記ソース領域および前記ドレイン領域がN+領域であり、
    前記上部ゲート層がP型層であり、
    前記チャネル層がN型層であり、また
    前記注入物がN型注入物である、請求項1に記載のJFET。
  11. 前記N型注入物が、リン、ヒ素、またはアンチモンを含む、請求項10に記載のJFET。
  12. 前記注入物がそれぞれ、前記ドレイン領域および/または前記ソース領域を、それぞれ前記ソース領域および/または前記ドレイン領域の方へ約1μm延ばす、請求項1に記載のJFET。
  13. P型接合型電界効果トランジスタ(JFET)であって、
    N型底部ゲート層と、
    前記N型層の上部表面に凹設されたP+ソース領域と、
    前記N型層の上部表面に凹設され、かつ前記ソース領域から離隔されたP+ドレイン領域と、
    前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記N型層の上部表面に凹設されたP型チャネル層と、
    前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記P型チャネル層の上部表面に凹設され、かつ前記上部ゲート層のうちの前記ドレイン領域に最も近い横方向の境界と前記ドレイン領域との間に間隙を空ける幅を有するように寸法設定されたN型上部ゲート層と、
    P型注入物であって、前記ドレイン領域に接触しかつそれを前記ソース領域の方へ延ばし、また前記P型チャネル層の深さ以上の深さを有するように前記間隙内に注入され、その結果、前記ドレインと前記P型チャネルとの接合部で所与のドレイン電圧に対して普通なら生じるはずの電界の大きさを低減させるP型注入物とを含むJFET。
  14. N型接合型電界効果トランジスタ(JFET)であって、
    P型底部ゲート層と、
    前記P型層の上部表面に凹設されたN+ソース領域と、
    前記P型層の上部表面に凹設され、かつ前記ソース領域から離隔されたN+ドレイン領域と、
    前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記P型層の上部表面に凹設されたN型チャネル層と、
    前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記N型チャネル層の上部表面に凹設され、かつ前記上部ゲート層のうちの前記ドレイン領域に最も近い横方向の境界と前記ドレイン領域との間に間隙を空ける幅を有するように寸法設定されたP型上部ゲート層と、
    N型注入物であって、前記ドレイン領域に接触しかつそれを前記ソース領域の方へ延ばし、また前記N型チャネル層の深さ以上の深さを有するように前記間隙内に注入され、その結果、前記ドレインと前記N型チャネル層との接合部で所与のドレイン電圧に対して普通なら生じるはずの電界の大きさを低減させるN型注入物とを含むJFET。
  15. 接合型電界効果トランジスタ(JFET)を製作する方法であって、
    第1の極性を有するようにドープされた底部ゲート層を設けるステップと、
    前記底部ゲート層の上部表面に凹設された、前記底部ゲート層の極性と逆の第2の極性を有するようにドープされたソース領域を生成するステップと、
    前記底部ゲート層の上部表面に凹設され、かつ前記ソース領域から離隔された、前記第2の極性のドレイン領域を生成するステップと、
    前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記底部ゲート層の上部表面に凹設された、前記第2の極性のチャネル層を生成するステップと、
    前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記チャネル層の上部表面に凹設された、前記第1の極性の上部ゲート層を設けるステップと、
    前記第2の極性の領域を注入するステップであって、前記注入された領域が、前記ドレイン領域および/または前記ソース領域に接触し、かつそれらをそれぞれ前記ソース領域および/または前記ドレイン領域の方へ延ばし、その結果前記注入された領域が、前記ドレイン領域および/または前記ソース領域と前記チャネル層との接合部で、それぞれ所与のドレイン電圧および/またはソース電圧に対して普通なら生じる電界の大きさを低減させるステップとを含む方法。
  16. 前記注入物それぞれに対して、上部ゲート層の横方向の境界と前記ドレイン領域および/または前記ソース領域との間にそれぞれ間隙を設ける幅を有するように前記上部ゲート層を寸法設定するステップをさらに含み、前記注入物がそれぞれ、前記間隙のうちの対応する間隙内に注入される、請求項15に記載の方法。
  17. 前記注入物の深さが、前記チャネル層の深さ以上である、請求項15に記載の方法。
  18. 前記底部ゲート層上に少なくとも1つのスーパーベータバイポーラトランジスタを製作するステップと、
    前記スーパーベータトランジスタのベースおよび前記第2の極性の前記注入物を単一の注入ステップで注入するステップと
    をさらに含む、請求項15に記載の方法。
  19. 前記JFETがP型JFETであり、前記P型JFETにおいて、
    前記底部ゲート層がN型層であり、
    前記ソース領域および前記ドレイン領域がP+領域であり、
    前記上部ゲート層がN型層であり、
    前記チャネル層がP型層であり、また
    前記注入物がP型注入物である、請求項15に記載の方法。
  20. 前記JFETがN型JFETであり、前記N型JFETにおいて、
    前記底部ゲート層がP型層であり、
    前記ソース領域および前記ドレイン領域がN+領域であり、
    前記上部ゲート層がP型層であり、
    前記チャネル層がN型層であり、また
    前記注入物がN型注入物である、請求項15に記載の方法。
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