JP2015204388A - switching element - Google Patents
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本発明は、スイッチング素子に関する。 The present invention relates to a switching element.
引用文献1には、横型のMOSFETが開示されている。このMOSFETでは、ドレイン領域近傍のn型エピタキシャル層の表面に、LOCOS酸化膜が形成されている。 Cited Document 1 discloses a lateral MOSFET. In this MOSFET, a LOCOS oxide film is formed on the surface of the n-type epitaxial layer near the drain region.
引用文献1のMOSFETでは、ドレイン領域近傍のLOCOS酸化膜の下側のエピタキシャル層内で高電界が発生する。このため、高電界により加速されたキャリア(いわゆるホットキャリア)がゲート酸化膜に注入され、スイッチング素子の特性が劣化する。したがって、本明細書ではホットキャリアの問題が生じ難いスイッチング素子を提供する。 In the MOSFET of the cited document 1, a high electric field is generated in the epitaxial layer below the LOCOS oxide film near the drain region. For this reason, carriers accelerated by a high electric field (so-called hot carriers) are injected into the gate oxide film, and the characteristics of the switching element deteriorate. Therefore, the present specification provides a switching element in which the problem of hot carriers hardly occurs.
本発明のスイッチング素子は、半導体層の上面に露出している第1導電型のドレイン領域と、前記上面に露出しており、前記ドレイン領域と接しており、前記ドレイン領域よりも第1導電型不純物濃度が低い第1導電型のドリフト領域と、前記上面に露出しており、前記ドリフト領域と接しており、前記ドリフト領域によって前記ドレイン領域から分離されている第2導電型のボディ領域と、前記上面に露出しており、前記ボディ領域と接しており、前記ボディ領域によって前記ドリフト領域から分離されている第1導電型のソース領域と、前記ボディ領域が露出している前記上面に形成されている第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成されているゲート電極と、前記ドリフト領域が露出している前記上面に形成されている第2絶縁膜と、前記ドレイン領域の下側に形成されており、前記ドリフト領域によって前記ドレイン領域から分離されている第2導電型のフローティング領域を有する。 The switching element of the present invention includes a drain region of a first conductivity type exposed on an upper surface of a semiconductor layer, an exposed surface of the upper surface, is in contact with the drain region, and has a first conductivity type higher than the drain region. A first conductivity type drift region having a low impurity concentration; a second conductivity type body region exposed on the upper surface; in contact with the drift region; and separated from the drain region by the drift region; A source region of a first conductivity type that is exposed on the upper surface, is in contact with the body region, and is separated from the drift region by the body region, and is formed on the upper surface where the body region is exposed. A first insulating film, a gate electrode formed on the first insulating film, a second insulating film formed on the upper surface from which the drift region is exposed, Serial is formed on the lower side of the drain region, having a floating region of a second conductivity type which is separated from the drain region by the drift region.
このスイッチング素子では、ドレイン領域の下側に、フローティング領域が形成されている。このため、スイッチング素子の動作時に、フローティング領域からドリフト領域内に空乏層が広がる。これによって、ドレイン領域とフローティング領域の間の領域に沿って等電位線が伸びるように電位が分布する。このように電位が分布すると、第2絶縁膜の下のドリフト領域における電界が緩和され、ホットキャリアの発生が抑制される。さらに、第2絶縁膜の下のドリフト領域における電界の向きが半導体層の上面から遠ざかる方向に向くため、絶縁膜にホットキャリアが注入され難い。このため、このスイッチング素子は、特性が劣化し難い。 In this switching element, a floating region is formed below the drain region. For this reason, a depletion layer spreads from the floating region to the drift region during the operation of the switching element. As a result, the potential is distributed so that equipotential lines extend along the region between the drain region and the floating region. When the potential is thus distributed, the electric field in the drift region under the second insulating film is relaxed, and the generation of hot carriers is suppressed. Furthermore, since the direction of the electric field in the drift region under the second insulating film is directed away from the upper surface of the semiconductor layer, hot carriers are not easily injected into the insulating film. For this reason, the characteristics of this switching element are unlikely to deteriorate.
図1に示すMOSFET10は、SOI基板12を有する。SOI基板12は、基板層14と、埋め込み絶縁膜16と、活性層18を有している。基板層14と活性層18は、Siにより構成されている。基板層14と活性層18は、埋め込み絶縁膜16によって互いに分離されている。活性層18には、ドレイン領域20、ドリフト領域22、フローティング領域24、ボディ領域26、ソース領域28及びボディコンタクト領域30が形成されている。
A
ドレイン領域20は、n型であり、活性層18の上面18aに露出している。ドレイン領域20のn型不純物濃度は高い。ドレイン領域20は、活性層18の上面18aに形成されたドレイン電極40に対してオーミック接続により接続されている。
The
ドリフト領域22は、n型であり、ドレイン領域20の周囲にウェル状に形成されている。ドリフト領域22は、ドレイン領域20に接している。ドリフト領域22のn型不純物濃度は、ドレイン領域20のn型不純物濃度よりも低い。ドリフト領域22は、ドレイン領域20とソース領域28の間に位置する上面18aのうち、ドレイン領域20と接する範囲において上面18aに露出している。
The
フローティング領域24は、p型であり、ドレイン領域20の下方に形成されている。フローティング領域24は、SOI基板12を平面視したときにドレイン領域20と重なる位置に形成されている。フローティング領域24は、ドリフト領域22に接している。フローティング領域24とドレイン領域20の間には、ドリフト領域22が介在している。フローティング領域24は、ドリフト領域22によってドレイン領域20から分離されている。フローティング領域24の周囲全体は、ドリフト領域22に囲まれている。このため、フローティング領域24は、ドリフト領域22にのみ接しており、その他の半導体領域には接していない。
The
ボディコンタクト領域30は、p型であり、活性層18の上面18aに露出している。ボディコンタクト領域30のp型不純物濃度は高い。ボディコンタクト領域30は、活性層18の上面18aに形成されたソース電極44に対してオーミック接続により接続されている。
The
ソース領域28は、n型であり、活性層18の上面18aに露出している。ソース領域28は、ボディコンタクト領域30に対してドレイン領域20側の位置に形成されている。ソース領域28は、ボディコンタクト領域30に接している。ソース領域28のn型不純物濃度は、ドレイン領域20のn型不純物濃度と同程度に高い。ソース領域28は、ソース電極44に対してオーミック接続により接続されている。
The
ボディ領域26は、p型であり、ソース領域28及びボディコンタクト領域30の周囲にウェル状に形成されている。ボディ領域26は、ソース領域28及びボディコンタクト領域30に接している。また、ボディ領域26は、ドリフト領域22に接している。ボディ領域26のp型不純物濃度は、ボディコンタクト領域30のp型不純物濃度よりも低い。ボディ領域26は、ソース領域28とドリフト領域22の間に位置する上面18aに露出している。
The
活性層18の上面18aには、ゲート絶縁膜46、LOCOS絶縁膜48及びゲート電極42が形成されている。
A
ゲート絶縁膜46は、ソース領域28とドリフト領域22の間に位置する上面18aの全体を覆っている。また、ゲート絶縁膜46は、ドリフト領域22が露出している範囲の上面18aの一部も覆っている。
The
LOCOS絶縁膜48は、ゲート絶縁膜46よりも厚く形成されている。LOCOS絶縁膜48は、ゲート絶縁膜46とドレイン領域20の間に位置する上面18aの全体を覆っている。すなわち、LOCOS絶縁膜48は、ドリフト領域22が露出している範囲の上面18aに形成されている。ゲート絶縁膜46とLOCOS絶縁膜48は繋がっている。ゲート絶縁膜46とLOCOS絶縁膜48によって、ソース領域28とドレイン領域20の間の上面18aの全体が覆われている。
The LOCOS
ゲート電極42は、ゲート絶縁膜46上に形成されており、活性層18から絶縁されている。また、ゲート電極42の一部は、LOCOS絶縁膜48上にも形成されている。ゲート電極42は、ソース領域28の上部からドリフト領域22の上部に跨って延びており、ゲート絶縁膜46を介してボディ領域26に対向している。
The
MOSFET10には、ソース電極44とドレイン電極40の間に、ドレイン電極40側がプラスとなる電圧が印加される。ゲート電極42に閾値以上の電圧を印加すると、ゲート電極42と対向する範囲(すなわち、ソース領域28とドリフト領域22の間のボディ領域26の上面18a近傍の領域)がn型に反転してチャネルが形成される。このため、ドレイン電極40から、ドレイン領域20、ドリフト領域22、チャネル及びソース領域28を通って、ソース電極44に電流が流れる。すなわち、MOSFET10がオンする。ゲート電極42の電圧を閾値以下に低下させると、チャネルが消失し、MOSFETがオフする。
The
次に、MOSFETの動作時におけるドリフト領域内の電位分布について、従来のMOSFETと本実施形態のMOSFET10を比較しながら説明する。図2は、従来のMOSFETの図1に対応する縦断面図を示している。説明のため、図2では、MOSFETの各部に図1と同じ参照番号を付している。図2のMOSFETは、フローティング領域24を有していない点でのみ図1のMOSFET10と異なる。図2のMOSFETのその他の構成は、図1のMOSFETと等しい。
Next, the potential distribution in the drift region during the operation of the MOSFET will be described by comparing the conventional MOSFET with the
従来のMOSFETの動作時には、ゲート電極42とドレイン電極40の間の電位差のため、ドレイン領域20近傍のLOCOS絶縁膜48の下側のドリフト領域22内で高い電界が発生する。すなわち、従来のMOSFETでは、図2に点線で示すように、等電位線が上下方向に互いに略平行に伸びるように電位が分布する。このため、ドリフト領域22内の電界によってキャリアが矢印90に示すように横方向に加速される。したがって、キャリアは、LOCOS絶縁膜48の近傍を通ってチャネルに向かって流れる。ドリフト領域22内で過度に加速されたキャリア(ホットキャリア)は、矢印90で示すようにゲート絶縁膜46に注入され、これによってMOSFETの特性が劣化する。
During the operation of the conventional MOSFET, a high electric field is generated in the
これに対し、本実施形態のMOSFET10では、図1に示すように、ドレイン領域20の下側にp型のフローティング領域24が形成されている。フローティング領域24の周囲のドリフト領域22には、フローティング領域24から空乏層が広がる。これによって、図1の点線に示すように、ドレイン領域20の近傍において、等電位線がドレイン領域20とフローティング領域24の間のドリフト領域22に沿って伸びるように電位が分布する。その結果、ドリフト領域22の中のドレイン領域20の近傍の領域50(図1参照)において、等電位線の間隔が広くなり、電界が緩和される。このため、本実施形態のMOSFETでは、ホットキャリアが発生し難い。また、領域50においては、電界の向きが斜め下方向となる。このため、ドリフト領域22内では、矢印92に示すように、従来のMOSFET(図2の矢印90参照)に比べてキャリアが深い位置を流れる。したがって、ホットキャリアが発生した場合でも、ホットキャリアがゲート絶縁膜46にトラップされ難い。したがって、本実施形態のMOSFET10では、ゲート絶縁膜46へのホットキャリアの注入によるMOSFETの特性の劣化が生じ難い。
On the other hand, in the
なお、図3は、フローティング領域24の深さ方向の位置Y(図1参照)と、ホットキャリアの進行方向の角度θ(図1参照)の関係をシミュレーションにより測定した結果を示している。図3に示すように、位置Yを0.4μm以上とすると、角度θがより顕著に大きくなり、ホットキャリアがより深い位置を流れることが分かる。したがって、位置Yを0.4μm以上とすると、ホットキャリアによるMOSFETの特性の劣化をより効果的に抑制することができる。 FIG. 3 shows a result of measuring the relationship between the position Y in the depth direction of the floating region 24 (see FIG. 1) and the angle θ (see FIG. 1) in the traveling direction of the hot carrier by simulation. As shown in FIG. 3, when the position Y is 0.4 μm or more, it can be seen that the angle θ is more remarkably increased and the hot carriers flow through deeper positions. Therefore, when the position Y is 0.4 μm or more, the deterioration of the MOSFET characteristics due to hot carriers can be more effectively suppressed.
なお、上記の実施形態では、ドレイン領域20の下側に1つのフローティング領域24が形成されていた。しかしながら、図4に示すように、ドレイン領域20の下側に複数のフローティング領域24が形成されていてもよい。図4では、各フローティング領域24が、ドリフト領域22によって互いに分離されている。このような構成によれば、図4に示すように等電位線がより横方向に伸びやすくなるため、ホットキャリアによるMOSFETの特性の劣化をより効果的に抑制することができる。
In the above embodiment, one floating
なお、上記の実施形態ではnチャネル型のスイッチング素子について説明したが、pチャネル型のスイッチング素子に上記の技術を採用してもよい。 In the above-described embodiment, the n-channel type switching element has been described. However, the above-described technique may be employed for the p-channel type switching element.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
10:MOSFET
12:SOI基板
14:基板層
16:埋め込み絶縁膜
18:活性層
18a:上面
20:ドレイン領域
22:ドリフト領域
24:フローティング領域
26:ボディ領域
28:ソース領域
30:ボディコンタクト領域
40:ドレイン電極
42:ゲート電極
44:ソース電極
46:ゲート絶縁膜
48:LOCOS絶縁膜
10: MOSFET
12: SOI substrate 14: substrate layer 16: buried insulating film 18:
Claims (1)
前記上面に露出しており、前記ドレイン領域と接しており、前記ドレイン領域よりも第1導電型不純物濃度が低い第1導電型のドリフト領域と、
前記上面に露出しており、前記ドリフト領域と接しており、前記ドリフト領域によって前記ドレイン領域から分離されている第2導電型のボディ領域と、
前記上面に露出しており、前記ボディ領域と接しており、前記ボディ領域によって前記ドリフト領域から分離されている第1導電型のソース領域と、
前記ボディ領域が露出している前記上面に形成されている第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成されているゲート電極と、
前記ドリフト領域が露出している前記上面に形成されている第2絶縁膜と、
前記ドレイン領域の下側に形成されており、前記ドリフト領域によって前記ドレイン領域から分離されている第2導電型のフローティング領域、
を有するスイッチング素子。 A drain region of a first conductivity type exposed on the upper surface of the semiconductor layer;
A first conductivity type drift region exposed on the top surface, in contact with the drain region, and having a first conductivity type impurity concentration lower than that of the drain region;
A body region of a second conductivity type exposed on the upper surface, in contact with the drift region, and separated from the drain region by the drift region;
A source region of a first conductivity type exposed on the upper surface, in contact with the body region, and separated from the drift region by the body region;
A first insulating film formed on the upper surface where the body region is exposed;
A gate electrode formed on the first insulating film;
A second insulating film formed on the upper surface where the drift region is exposed;
A floating region of a second conductivity type formed below the drain region and separated from the drain region by the drift region;
A switching element.
Priority Applications (1)
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JP2014083287A JP2015204388A (en) | 2014-04-15 | 2014-04-15 | switching element |
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2014
- 2014-04-15 JP JP2014083287A patent/JP2015204388A/en active Pending
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