JP3279092B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、バイポーラ型でノーマ
リ・オフ型の縦型パワー素子からなる半導体装置に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device comprising a bipolar type normally-off type vertical power element.
【0002】[0002]
【従来の技術】本発明に関連した従来技術として、まず
雑誌IEEEエレクトロン・デバイス・レターズに掲載
されたトレンチ・j−MOSトランジスタ(“Characte
risticsof Trench j-MOS Power Transistors”BERNARD
A.MacIVER.STEPHEN J.VALERI,KAILASH C.JAIN,JAMES C.
ERSKINE,REBECCA ROSSEN,IEEE ELECTRON DEVICE LETTER
S,VOL.10,NO.8,p.380-382,AUGUST 1989)を紹介する。2. Description of the Related Art As a prior art related to the present invention, first, a trench j-MOS transistor ("Charactee") published in a magazine IEEE Electron Device Letters, Inc.
risticsof Trench j-MOS Power Transistors ”BERNARD
A.MacIVER.STEPHEN J.VALERI, KAILASH C.JAIN, JAMES C.
ERSKINE, REBECCA ROSSEN, IEEE ELECTRON DEVICE LETTER
S, VOL.10, NO.8, p.380-382, AUGUST 1989)
【0003】図16〜図18は、上記文献に記載されて
いた素子構造を示す図であり、図16は素子の表面構造
図、図17および図18は、それぞれ図16中の線分A
−A’ないし線分B−B’で切り出し、それぞれの矢印
の方向に見た断面図である。FIGS. 16 to 18 are views showing an element structure described in the above-mentioned document. FIG. 16 is a surface structure diagram of the element, and FIGS. 17 and 18 are line segments A in FIG.
It is sectional drawing cut out by -A 'or line segment BB', and seen in the direction of each arrow.
【0004】はじめに構造を説明する。半導体はシリコ
ンである。図中、符号81は基板であるn+ 型ドレイン
領域、82はn型のチャネル領域、83はn+ 型ソース
領域である。84は絶縁膜、85は導電性多結晶シリコ
ンからなるゲート電極、86は層間絶縁膜である。以
下、84,85,86を併せて「絶縁ゲート」87と呼
ぶことにする。絶縁ゲート87は基板の表面から側壁を
垂直に掘り込まれた溝の内部に形成されており、底部は
ドレイン領域81に達している。88はp型領域で、チ
ャネル領域中に形成され、絶縁ゲート87の近くに設け
られている。93はソース電極である金属で、ソース領
域83とオーミックコンタクトしている。95はゲート
電極85にオーミックコンタクトする電極金属で、以下
「MOSゲート」と呼ぶ。98はp型領域88とオーミ
ックコンタクトする電極金属で、以下「接合ゲート」と
呼ぶことにする。91はドレイン電極であり、ドレイン
領域81とオーミックコンタクトする金属である。ドレ
イン電極91は上記の文献には明示されていなかった
が、理解を容易にするために付加した。上記の文献に示
された素子では、チャネル領域82の比抵抗は0.98
Ω−cmで、これは不純物濃度にして約5×1015cm3 に
相当する。図18中に示すチャネル長Lは6μm、チャ
ネル厚みaは3μm、絶縁ゲート自身の厚みbは2μm
である。First, the structure will be described. The semiconductor is silicon. In the figure, reference numeral 81 denotes an n + -type drain region serving as a substrate, 82 denotes an n-type channel region, and 83 denotes an n + -type source region. 84 is an insulating film, 85 is a gate electrode made of conductive polycrystalline silicon, and 86 is an interlayer insulating film. Hereinafter, 84, 85, and 86 are collectively referred to as “insulated gate” 87. The insulated gate 87 is formed inside a groove which is vertically dug in the side wall from the surface of the substrate, and the bottom reaches the drain region 81. Reference numeral 88 denotes a p-type region, which is formed in the channel region and provided near the insulated gate 87. Reference numeral 93 denotes a metal serving as a source electrode, which is in ohmic contact with the source region 83. An electrode metal 95 is in ohmic contact with the gate electrode 85, and is hereinafter referred to as a "MOS gate". Reference numeral 98 denotes an electrode metal that makes ohmic contact with the p-type region 88, and is hereinafter referred to as a “junction gate”. Reference numeral 91 denotes a drain electrode, which is a metal that makes ohmic contact with the drain region 81. Although the drain electrode 91 was not specified in the above-mentioned document, it was added for easy understanding. In the device described in the above document, the specific resistance of the channel region 82 is 0.98
Ω-cm, which corresponds to an impurity concentration of about 5 × 10 15 cm 3 . The channel length L shown in FIG. 18 is 6 μm, the channel thickness a is 3 μm, and the thickness b of the insulated gate itself is 2 μm
It is.
【0005】次に、この素子の動作を説明する。ドレイ
ン電極91には正の電位が印加され、ソース電極93は
接地(0V)される。この素子はMOSゲート95と接
合ゲート98という2つの制御電極をもつ四端子素子で
ある。また、両者を接続して三端子素子として使用する
こともできる。三端子素子として駆動した場合の電流・
電圧特性を上記の文献から引用して図19に示す。図1
9には両ゲート電位を−16〜0Vまで、2V刻みで印
加した時の特性曲線を示している。素子はノーマリ・オ
ン型であり、ゲートの負電位が強いほど主電流は抑制さ
れる。Next, the operation of this device will be described. A positive potential is applied to the drain electrode 91, and the source electrode 93 is grounded (0 V). This device is a four-terminal device having two control electrodes, a MOS gate 95 and a junction gate 98. Also, both can be connected and used as a three-terminal element. Current when driven as a three-terminal element
Voltage characteristics are shown in FIG. 19, cited from the above document. FIG.
FIG. 9 shows a characteristic curve when both gate potentials are applied from −16 to 0 V in increments of 2 V. The element is a normally-on type, and the higher the negative potential of the gate, the more the main current is suppressed.
【0006】また、四端子素子としての電流・電圧特性
を、同じく前記文献から引用して図20に示す。これは
MOSゲートの電位を固定し、接合ゲートの電位を変化
させた場合の図である。同図にはMOSゲートに+16
Vを印加した場合と、−16Vを印加した場合を同時に
示している。FIG. 20 shows the current / voltage characteristics of a four-terminal element, similarly cited from the above-mentioned document. This is a diagram when the potential of the MOS gate is fixed and the potential of the junction gate is changed. In the figure, +16 is added to the MOS gate.
The case where V is applied and the case where -16 V is applied are shown at the same time.
【0007】MOSゲート95に正電位を印加した場
合、非常に低いオン抵抗を示す。これは、図18の絶縁
ゲート膜界面に誘起された蓄積層が、n+ 型ドレイン領
域81とn+ 型ソース領域83をつなぐ導電路となるか
らである。この時、接合ゲート98の電位は、電流・電
圧特性に顕著な影響は及ぼさない。When a positive potential is applied to the MOS gate 95, it exhibits a very low on-resistance. This is because the accumulation layer induced at the insulated gate film interface in FIG. 18 becomes a conductive path connecting the n + -type drain region 81 and the n + -type source region 83. At this time, the potential of the junction gate 98 does not significantly affect the current-voltage characteristics.
【0008】MOSゲート95に負電位を印加した場
合、電流・電圧特性は接合ゲート98に与える電位によ
って変化する。図20には接合ゲート98に−3.5〜
0Vまで、0.5V刻みで印加した時の特性曲線を示し
ている。この状態における動作機構を簡単に説明する。
まず接合ゲート98が0Vである場合、特性曲線の線形
領域、すなわちドレイン電位が低い領域においては、M
OSゲート95に負電位を印加した時点で絶縁ゲート8
7近傍のチャネル領域82には空乏層が形成され、そこ
で発生した正孔によってゲート絶縁膜界面には反転層が
形成される。反転層の存在はゲート電極85からの電界
を遮蔽する。そのために空乏層の広がり具合はJFET
の場合と異なり、一定の範囲にとどまる。その値は、前
述の文献におけるデータから換算すると片側約0.4μ
mで、チャネル領域には差し引き2μm程度の中性領域
が残る。主電流はチャネル内に残った中性領域を流れ
る。そしてドレイン電位が高くなるとチャネル領域は通
常の長チャネルJFETと同様ピンチオフ状態となり、
電流値は飽和する。When a negative potential is applied to the MOS gate 95, the current / voltage characteristics change depending on the potential applied to the junction gate 98. In FIG. 20, -3.5 to-
It shows a characteristic curve when voltage is applied to 0 V in 0.5 V steps. The operation mechanism in this state will be briefly described.
First, when the junction gate 98 is at 0V, in a linear region of the characteristic curve, that is, in a region where the drain potential is low, M
When a negative potential is applied to the OS gate 95, the insulating gate 8
A depletion layer is formed in the channel region 82 near 7, and an inversion layer is formed at the gate insulating film interface by holes generated there. The presence of the inversion layer shields the electric field from the gate electrode 85. Therefore, the extent of the depletion layer is JFET
Unlike the case, it stays in a certain range. When converted from the data in the above-mentioned literature, the value is about 0.4μ on one side.
m, a neutral region of about 2 μm remains in the channel region. The main current flows through the neutral region remaining in the channel. When the drain potential increases, the channel region becomes in a pinch-off state as in the case of a normal long channel JFET.
The current value saturates.
【0009】次に接合ゲート98に負電位、すなわち逆
バイアスを印加してゆくと、p型領域88からの空乏層
が、p型領域88に近接する絶縁ゲート87に到達す
る。すると絶縁膜界面の反転層の正孔の一部がp型領域
88へと流れ、絶縁膜界面の電位は接合ゲート98の電
位に影響されるようになる。これによってチャネル領域
の空乏領域は広がり、チャネル領域内の導電路は狭まっ
て主電流が減少する。Next, when a negative potential, that is, a reverse bias is applied to the junction gate 98, the depletion layer from the p-type region 88 reaches the insulating gate 87 close to the p-type region 88. Then, a part of the holes in the inversion layer at the interface of the insulating film flows to the p-type region 88, and the potential at the interface of the insulating film is affected by the potential of the junction gate 98. As a result, the depletion region of the channel region expands, the conductive path in the channel region narrows, and the main current decreases.
【0010】上記の文献によれば、この素子構造の主な
利点は、四端子素子として使用したとき、(1)オン抵
抗が低い、(2)接合ゲートによる相互コンダクタンス
が高い、(3)ブロッキング・ゲインが高い、(4)ス
イッチング速度が速い、(5)三端子素子としても動作
する、などである。According to the above documents, the main advantages of this device structure are that, when used as a four-terminal device, (1) low on-resistance, (2) high transconductance due to a junction gate, and (3) blocking. High gain, (4) fast switching speed, (5) operation as a three-terminal element, and the like.
【0011】しかし、この素子には以下のような限界が
ある。However, this device has the following limitations.
【0012】まず、この素子構造は高耐圧化に適してい
ない。先にも述べたように、この素子構造のオン抵抗が
低い理由は、絶縁ゲートがn+ 型のソース領域とn+ 型
の基板の両方に接しており、両者をゲート絶縁膜に沿っ
て形成される蓄積層で連絡するためである。文献におけ
る素子の設計耐圧は60Vであったが、この構造をより
耐圧の高い素子に拡張しようとすると、絶縁ゲートがn
+ ドレイン領域に接しているこの構造は不可能になる。First, this element structure is not suitable for increasing the breakdown voltage. As mentioned earlier, the reason the on-resistance of the device structure low, the insulated gate is in contact with both of the substrate in the source region and the n + -type n + -type, along both the gate insulating film formation The purpose is to communicate with the accumulation layer. The design withstand voltage of the device in the literature was 60 V. However, if this structure is to be extended to a device with a higher withstand voltage, the insulating gate becomes n.
+ This structure in contact with the drain region becomes impossible.
【0013】次に、この素子は本質的に四端子素子であ
り、必然的に駆動方法が煩雑になることを免れない。も
ちろん上述したごとく、接合ゲートとMOSゲートをつ
なぎ合わせて三端子素子として使うこともできるが、図
19、図20を比較して見ればわかるように三端子モー
ドでは、利点である低いオン抵抗を得られない。Next, this element is essentially a four-terminal element, and the driving method is inevitably complicated. Of course, as described above, the junction gate and the MOS gate can be connected and used as a three-terminal element. However, as can be seen by comparing FIGS. 19 and 20, in the three-terminal mode, the low on-resistance, which is an advantage, is reduced. I can't get it.
【0014】さらに、この素子はノーマリ・オン特性で
あり、制御信号を与えないときに主電流が流れてしま
う。よって、この素子を使う装置は別途電流遮断装置を
設けるなど、安全性を確保するために注意を払わなけれ
ばならない。Further, this element has a normally-on characteristic, and a main current flows when no control signal is given. Therefore, in a device using this element, care must be taken to ensure safety, such as by providing a separate current interrupt device.
【0015】次に、第2の従来例として、公開特許公報
(特開昭57−172765号「静電誘導サイリス
タ」)に開示されたものを紹介する。Next, as a second conventional example, the one disclosed in a patent publication (Japanese Patent Laid-Open No. 57-172765, "Electrostatic induction thyristor") will be introduced.
【0016】図21に前記公開公報を参照して素子の断
面図を示す。図21にはこの構造がU字型絶縁ゲートを
応用した素子であることを理解しやすくするために、前
記公開公報に記載されていた構造の3単位分を図示して
いる。FIG. 21 is a cross-sectional view of the device with reference to the above publication. FIG. 21 illustrates three units of the structure described in the above-mentioned publication to facilitate understanding that this structure is a device to which a U-shaped insulated gate is applied.
【0017】まず構造を説明する。図中、符号61はp
+ 型アノード領域、62はn- 型ベース領域、63はn
+ 型カソード領域、68はp+ 型のゲート領域である。
64は絶縁膜であり、前記n- 型ベース領域62、n+
型カソード領域63、p+ 型ゲート領域68に接してい
る。71はアノード電極、73はカソード電極で、それ
ぞれp+ 型アノード領域61、n+ 型カソード領域63
とオーミックコンタクトしている。65はゲート電極
で、p+ 型ゲート領域68とオーミックコンタクトして
いると共に絶縁膜64とも接している。すなわち、この
素子構造は「表面から掘り込まれた溝の中に絶縁ゲート
が形成され、さらにその溝の底部においてゲート電極6
5がp+ 型ゲート領域68とつながっている」、という
構造をなしている。またn- 型ベース領域62のうち、
隣合う絶縁ゲートに挟まれた領域を「チャネル領域」と
呼ぶことにする。First, the structure will be described. In the figure, reference numeral 61 indicates p
+ Type anode region, 62 is n − type base region, 63 is n
A + cathode region 68 is ap + gate region.
Reference numeral 64 denotes an insulating film, and the n − -type base region 62, n +
The cathode region 63 is in contact with the p + gate region 68. Reference numeral 71 denotes an anode electrode, and 73 denotes a cathode electrode. The p + -type anode region 61 and the n + -type cathode region 63 respectively.
Ohmic contact with A gate electrode 65 is in ohmic contact with the p + -type gate region 68 and also in contact with the insulating film 64. That is, this element structure is such that "an insulating gate is formed in a trench dug from the surface, and a gate electrode 6 is formed at the bottom of the trench.
5 is connected to the p + -type gate region 68 ”. Further, in the n − -type base region 62,
A region sandwiched between adjacent insulating gates is referred to as a “channel region”.
【0018】次に動作を説明する。カソード電極73は
接地(0Vに)され、アノード電極71には正の電位が
印加される。素子のオフ状態は、ゲート電極65に負電
位を印加し、カソード領域63前面のチャネル領域に空
乏層を形成することによって保たれる。すなわち、この
素子も第1の従来例と同様、ノーマリ・オン特性の素子
である。Next, the operation will be described. The cathode electrode 73 is grounded (to 0 V), and a positive potential is applied to the anode electrode 71. The off state of the element is maintained by applying a negative potential to the gate electrode 65 and forming a depletion layer in the channel region in front of the cathode region 63. That is, similarly to the first conventional example, this element is a normally-on element.
【0019】素子をオン状態に転ずるには、ゲート電極
65に正の電位を印加する。すると、ベース領域中の空
乏層は消失して電流路が開くとともに、絶縁ゲートの界
面には電子による蓄積層が瞬時に形成され、カソード領
域前面のポテンシャルを下げ、素子のターン・オンを促
進する。この効果を得るためには、絶縁ゲートと主電流
経路との距離はキャリアの拡散長以内であることが望ま
しい。また、この蓄積層は導電率が高いので、ゲート電
流が素早く流れるという利点もあり、ターン・オン時間
は、この機構を持たない静電誘導サイリスタより速くな
る。To turn the element on, a positive potential is applied to the gate electrode 65. Then, the depletion layer in the base region disappears and the current path opens, and an accumulation layer of electrons is instantaneously formed at the interface of the insulated gate, lowering the potential in front of the cathode region and promoting the turn-on of the device. . To obtain this effect, it is desirable that the distance between the insulated gate and the main current path be within the diffusion length of the carriers. In addition, since the storage layer has a high conductivity, there is an advantage that a gate current flows quickly, and the turn-on time is shorter than that of an electrostatic induction thyristor without this mechanism.
【0020】ひとたび、ターン・オンすれば、ゲート電
位を解除してもオン状態は持続する。また、ターン・オ
フはゲート電極に負電位を印加し、ベース領域62内の
少数キャリアを吸い出し、再びベース領域内に空乏層を
形成することで達成する。Once turned on, the on state is maintained even if the gate potential is released. The turn-off is achieved by applying a negative potential to the gate electrode, extracting minority carriers in the base region 62, and forming a depletion layer in the base region again.
【0021】この素子の利点は、通常の静電誘導サイリ
スタに接合ゲートと連動した絶縁ゲートを付加したこと
により、(1)ターン・オン時には絶縁ゲート界面に蓄
積層が形成されることでターン・オン時間が短くなる、
(2)ターン・オフ時には絶縁膜近傍の空乏層が形成さ
れて電流をピンチオフしやすくなるのでターン・オフ時
間も短くなる、などである。The advantages of this device are that an ordinary static induction thyristor is provided with an insulating gate in conjunction with a junction gate. On time is shortened,
(2) At the time of turn-off, a depletion layer near the insulating film is formed to easily pinch off the current, so that the turn-off time is shortened.
【0022】しかし、上記の素子構造には以下のような
困難な点がある。まず、第1にノーマリ・オン型デバイ
スであること。第2に、基本的にサイリスタなので制御
電極に積極的に遮断信号を与えなれば、素子をオフでき
ない。さらに第3に図21の構造では溝の中にゲート絶
縁膜を形成し、さらにその底部にp+ 型ゲート領域との
コンタクト穴を形成しなければならない。素子に充分な
ブロッキング・ゲインを持たせるためには、絶縁ゲート
を形成する溝の深さは数μm必要であるが、溝の幅を図
21に示すよりも遥かに広く取ったとしても、このよう
な凹凸の底部にコンタクト穴を形成することは難しい。
特に電流容量を増やすために、パターンを微細化しよう
とすると、平凡なフォト・エッチング技術では困難にな
ってくる。However, the above element structure has the following difficult points. First, a normally-on type device. Secondly, since it is basically a thyristor, the element cannot be turned off unless a shut-off signal is actively given to the control electrode. Third, in the structure of FIG. 21, a gate insulating film must be formed in the trench, and a contact hole with the p + -type gate region must be formed at the bottom. In order to allow the device to have a sufficient blocking gain, the depth of the groove forming the insulated gate is required to be several μm. However, even if the width of the groove is much larger than that shown in FIG. It is difficult to form a contact hole at the bottom of such irregularities.
In particular, when trying to reduce the size of a pattern in order to increase the current capacity, it becomes difficult with a trivial photo-etching technique.
【0023】[0023]
【発明が解決しようとする課題】上記のように、第1の
従来例では、極めて低いオン抵抗が得られるが、チップ
を大容量化、高耐圧化できないという問題がある。ま
た、第2の従来例では、高耐圧化には問題ないが、大容
量化するための微細化に適さない構造であるし、素子の
構造上、低オン抵抗化にも限界があるという問題があ
る。As described above, in the first conventional example, an extremely low on-resistance can be obtained, but there is a problem that the capacity and the breakdown voltage of the chip cannot be increased. In the second conventional example, there is no problem in increasing the withstand voltage, but the structure is not suitable for miniaturization for increasing the capacity, and there is a limit in reducing the on-resistance due to the structure of the element. There is.
【0024】本発明は、このような従来の問題に着目し
てなされたもので、ノーマリ・オフ型で、制御性に優
れ、オン抵抗が低く、スイッチング速度を向上させるこ
とができるとともに動作の信頼性を向上させることがで
き、さらに微細化、高耐圧化に適した構造を有する半導
体装置を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of such conventional problems, and is of a normally-off type, has excellent controllability, has low on-resistance, can improve switching speed, and has high reliability in operation. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having improved structure and having a structure suitable for miniaturization and high breakdown voltage.
【0025】[0025]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1記載の発明は、ドレイン領域である一導電
型の半導体基体の一主面に臨んで互いに平行に配置され
た複数の第1の溝と、前記複数の第1の溝の長手方向略
中央部にて、該各第1の溝と直交して配置された第2の
溝と、を有し、前記主面に臨んで前記第1の溝と第2の
溝に3方を囲まれた領域に一導電型のソース領域を有
し、前記第1の溝と第2の溝の内部には絶縁膜によって
前記ドレイン領域と絶縁され、かつ前記ソース領域とは
同電位に保たれる固定電位絶縁領域を有し、前記固定電
位絶縁電極は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ような性質を有する導電性材
料からなり、前記第1の溝の長手方向の両端部にそれぞ
れ配置され、前記ソース領域には接しないで、かつ前記
ドレイン領域ならびに各前記絶縁膜に接する反対導電型
のインジェクタ領域を有し、前記ソース領域に隣接する
前記ドレイン領域の一部であって、前記固定電位絶縁電
極に挟まれ、前記インジェクタ領域の電位が前記ソース
領域の電位と同電位に保たれている状態では、前記空乏
領域の形成するポテンシャル障壁によって前記ソース領
域と前記ドレイン領域間を電気的に遮断状態とするチャ
ネル領域を有することを要旨とする。In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 is directed to a plurality of one-type semiconductor substrates which are drain regions and are arranged in parallel with each other facing one main surface of the semiconductor substrate. A first groove, and a substantially longitudinal direction of the plurality of first grooves ;
In a central portion, a second groove arranged orthogonal to each of the first grooves
And a source region of one conductivity type in a region facing the main surface and surrounded by the first groove and the second groove on three sides. Has a fixed potential insulating region that is insulated from the drain region by an insulating film and is kept at the same potential as the source region inside the trench, and the fixed potential insulating electrode is adjacent via the insulating film. The first groove is made of a conductive material having a property of forming a depletion region in the drain region.
Arranged, not having contact with the source region, having an opposite conductivity type injector region in contact with the drain region and each of the insulating films, a part of the drain region adjacent to the source region, In a state where the potential of the injector region is kept at the same potential as the potential of the source region between the fixed potential insulating electrodes, the potential barrier formed by the depletion region electrically connects the source region and the drain region. It is a gist of the present invention to have a channel region which is in a state of being cut off.
【0026】請求項2記載の発明は、上記請求項1記載
の半導体装置において、チャネル長、すなわち前記溝の
側壁に沿って前記チャネル領域と前記ソース領域の界面
から前記溝の底部までの距離が、チャネル厚み、すなわ
ち前記チャネル領域において対面する前記第1の溝の側
壁間の距離の、2倍以上であることを要旨とする。According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor device of the first aspect, the channel length, that is, the distance from the interface between the channel region and the source region to the bottom of the groove along the side wall of the groove. , The thickness of the channel, that is, the distance between the side walls of the first groove facing each other in the channel region is twice or more.
【0027】請求項3記載の発明は、上記請求項1又は
2記載の半導体装置において、前記ソース領域が、前記
第2の溝の側面から前記第1の溝に沿って前記チャネル
厚み、もしくはそれ以下の位置までに存在することを要
旨とする。According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first or second aspect, the source region has a thickness from the side surface of the second groove along the first groove or the channel thickness. The point is that it exists up to the following positions.
【0028】請求項4記載の発明は、上記請求項1,2
又は3記載の半導体装置において、前記半導体基体の前
記ソース領域が存在する一主面に対向する他主面に反対
導電型のアノード領域を有することを要旨とする。The invention according to claim 4 is the invention according to claims 1 and 2.
In the semiconductor device according to the third aspect, the semiconductor substrate may include an anode region of an opposite conductivity type on another main surface of the semiconductor substrate opposite to the one main surface where the source region exists.
【0029】[0029]
【作用】請求項1記載の発明においては、ソース電位に
固定されている固定電位絶縁電極の周辺のチャネル領域
には、固定電位絶縁電極材料との仕事関数差によって空
乏層が形成され、これによってチャネル領域は空乏化さ
れてソース領域とドレイン領域との間が電気的に遮断さ
れる。また、固定電位絶縁電極はドレイン電位が上昇し
ても、ドレイン電界でチャネルが開かないような構造と
なっている。すなわち素子構造は初めから遮断状態であ
る。しかし、ドレイン領域内の空乏層から励起される少
数キャリアは、絶縁膜界面に溜って、そのままではチャ
ネル領域の空乏層を後退させて主電流がリークしてしま
うが、チャネル領域とは反対導電型のインジェクタ領域
が絶縁膜界面と接し、さらにインジェクタ領域に任意の
電位を与えるための外部電極(以下“注入電極”と呼
ぶ)ともオーミックコンタクトしているので、注入電極
が接地状態の時には、絶縁膜界面の少数キャリアは注入
電極に流れ出ることで、絶縁膜界面の電位は上昇せず、
素子は遮断状態を保つ。一方、注入電極に正電位を印加
すると、逆に少数キャリアが絶縁膜界面に流れ込んで界
面の電位を上昇させ、空乏層が後退してチャネル中央部
に中性領域が現われて電流が流れる。さらに注入電位が
所定値以上になると、インジェクタ領域とチャネル領域
によるpn接合が順バイアスされ、少数キャリアがチャ
ネル領域ならびにドレイン領域に注入されて伝導度変調
されるために、主電流は低いオン抵抗で流れることにな
る。この時、絶縁膜界面は導電路としてチャネル領域全
体に少数キャリア電流を選ぶ働きをする。さらに、第1
の溝と第2の溝に3方を囲まれた領域にソース領域を小
さく設定することにより、インジェクタ領域とソース領
域の間隔が拡がるため、インジェクタ領域からソース領
域に注入される正孔が低減され、hFEが向上する。そし
て、ターンオフするためには、注入電極の電位を接地も
しくは逆電位にする。このとき、チャネル領域、すなわ
ちソース領域近傍のドレイン領域には、固定絶縁領域材
料との仕事関数差によって空乏層が形成され、これによ
って、チャネル領域は空乏化されてソース領域とドレイ
ン領域とは電気的に遮断される。この際、ソース領域前
面の3方を固定絶縁領域で囲むことによって、チャネル
領域の空乏化が速く行われる。本発明においては、素子
構造が微細であり、チャネル領域の電位が直接に注入電
極電位と連動する機構になっていて、さらに、ソース領
域が小さいためにインジェクタ領域からソース領域に正
孔が注入される割合が小さくなることから、単体バイポ
ーラトランジスタよりも大きなhFEを得ることが可能と
なる。そしてオン抵抗が低く、少ない制御電流で多くの
主電流を制御することができる。さらに、固定電位絶縁
電極でソース領域、すなわちチャネル領域を3方から囲
んでいる構造をしているため、ターンオフ時のチャネル
の空乏化が速くなされるため、主電流の遮断が速い。そ
して、固定電位絶縁電極が1つに連結されているため
に、動作の信頼性を増すことができる。According to the first aspect of the present invention, a depletion layer is formed in the channel region around the fixed potential insulating electrode fixed at the source potential due to a work function difference from the material of the fixed potential insulating electrode. The channel region is depleted, and the source region and the drain region are electrically disconnected. Further, the fixed potential insulating electrode has a structure in which the channel is not opened by the drain electric field even when the drain potential increases. That is, the element structure is in the cutoff state from the beginning. However, minority carriers excited from the depletion layer in the drain region accumulate at the interface of the insulating film, and if left alone, the depletion layer in the channel region recedes and the main current leaks. Is in ohmic contact with the external electrode (hereinafter referred to as “injection electrode”) for applying an arbitrary potential to the injector region, so that when the injection electrode is grounded, the As the minority carriers at the interface flow out to the injection electrode, the potential at the insulating film interface does not rise,
The element keeps the cutoff state. On the other hand, when a positive potential is applied to the injection electrode, conversely, minority carriers flow into the interface of the insulating film to increase the potential at the interface, the depletion layer recedes, a neutral region appears at the center of the channel, and current flows. Further, when the injection potential becomes equal to or higher than a predetermined value, the pn junction formed by the injector region and the channel region is forward-biased, and minority carriers are injected into the channel region and the drain region to conduct conductivity modulation. Will flow. At this time, the interface of the insulating film functions as a conductive path to select a minority carrier current in the entire channel region. Furthermore, the first
Since the distance between the injector region and the source region is widened by setting the source region small in a region surrounded by the three grooves of the second groove and the second groove, holes injected from the injector region into the source region are reduced. , HFE is improved. Then, in order to turn off, the potential of the injection electrode is set to the ground or the opposite potential. At this time, a depletion layer is formed in the channel region, that is, in the drain region near the source region due to a work function difference from the material of the fixed insulating region, whereby the channel region is depleted and the source region and the drain region are electrically connected. Is shut off. At this time, the depletion of the channel region is performed quickly by surrounding the three sides on the front surface of the source region with the fixed insulating region. In the present invention, the element structure is fine, and the potential of the channel region is directly linked to the potential of the injection electrode. Further, since the source region is small, holes are injected from the injector region to the source region. since the rate is reduced that, it is possible than single bipolar transistor obtaining large h FE. Further, the on-resistance is low, and a large amount of main current can be controlled with a small control current. Furthermore, since the source region, that is, the channel region is surrounded from three sides by the fixed potential insulating electrode, the channel is depleted at the time of turn-off, and the main current is cut off quickly. In addition, since the fixed potential insulating electrodes are connected to one, the reliability of operation can be increased.
【0030】請求項2記載の発明において、チャネル領
域のソース端部におけるポテンシャル低下の影響はチャ
ネル長方向にほぼチャネル厚みの1〜1.5倍のところ
までに止まる。一方、チャネル領域のドレイン領域に面
している部分において、ドレイン電界によってチャネル
領域のポテンシャルが引き下げられる影響も上記とほぼ
同様でチャネル方向にチャネル厚みの1〜1.5倍のと
ころまでに止まる。したがって、チャネル長をチャネル
厚みの少なくとも2倍以上とすることによりノーマリ・
オフ構造が実現される。According to the second aspect of the present invention, the effect of the potential drop at the source end of the channel region is limited to about 1 to 1.5 times the channel thickness in the channel length direction. On the other hand, in the portion of the channel region facing the drain region, the effect that the potential of the channel region is reduced by the drain electric field is substantially the same as described above, and stops at 1 to 1.5 times the channel thickness in the channel direction. Therefore, by setting the channel length to be at least twice the channel thickness or more, normally
An off structure is realized.
【0031】請求項3記載の発明において、ターンオフ
する際は、注入電極の電位が接地もしくは逆電位にされ
る。このとき、平行に向かい合った固定電位絶縁電極か
ら伸びる空乏層が重なり合う前に、固定電位絶縁電極で
3方から囲まれたチャネル領域の部分で空乏化が速く実
現される。したがって、ソース領域を、この3方から囲
まれた領域に形成し、かつその大きさをチャネル厚み、
もしくはそれ以下に形成することにより、迅速なターン
オフが実現される。According to the third aspect of the present invention, when the semiconductor device is turned off, the potential of the injection electrode is set to the ground or the opposite potential. At this time, before the depletion layers extending from the fixed potential insulating electrodes facing each other in parallel overlap each other, depletion is quickly realized in the portion of the channel region surrounded by the fixed potential insulating electrodes from three sides. Therefore, the source region is formed in a region surrounded by these three sides, and its size is determined by the channel thickness,
Or, by forming it less than that, quick turn-off is realized.
【0032】請求項4記載の発明においては、半導体基
体の他主面に反対導電型のアノード領域を形成すること
により、主電流が流れる領域においてアノード領域の導
電型と同一の反対導電型領域が1つ少ない構造で、通常
の静電誘導サイリスタと同様の動作をする半導体装置を
実現することが可能となる。According to the fourth aspect of the present invention, by forming an anode region of the opposite conductivity type on the other main surface of the semiconductor substrate, an opposite conductivity type region having the same conductivity type as the anode region is formed in the region where the main current flows. With one less structure, it is possible to realize a semiconductor device that operates in the same manner as a normal electrostatic induction thyristor.
【0033】[0033]
【実施例】以下、本発明を実施例によって詳細に説明す
る。The present invention will be described below in detail with reference to examples.
【0034】図1〜図4は、本発明の第1の実施例であ
る。図1は素子の基本構造を説明するための斜視図、図
2は図1の前面と同じ部分を示す断面図、図3は素子の
表面図で、この図3と上記の図1においては表面の電極
(金属膜)を除いた様子を示している。すなわち、図3
は図2中の線分A−A’を含んで紙面に垂直に切った断
面を示す。逆に図2は図3中の線分A−A’を通って紙
面に垂直な平面で切った断面図である。また、図4は図
3中の線分B−B’を通って紙面に垂直な平面で切った
断面図であり、図2の場合と同様に、図4における線分
B−B’で切った断面図が図3に相当する。なお、この
実施例では半導体をシリコンとして説明する。FIGS. 1 to 4 show a first embodiment of the present invention. 1 is a perspective view for explaining the basic structure of the device, FIG. 2 is a cross-sectional view showing the same part as the front surface of FIG. 1, and FIG. 3 is a surface view of the device. 2 except for the electrode (metal film). That is, FIG.
Indicates a section cut along a line AA ′ in FIG. 2 and perpendicular to the paper surface. Conversely, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the plane of FIG. 3 through line AA ′. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the plane of FIG. 3 through a line BB ′ in FIG. 3, and is cut along a line BB ′ in FIG. FIG. In this embodiment, the semiconductor will be described as silicon.
【0035】次に、素子の構造を説明する。まず図1〜
図4中において、1は基板であるn+ 型基板領域、2は
n型ドレイン領域、3はn+ 型ソース領域である。ま
た、4はMOS型電極であり、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、5はM
OS型電極4とドレイン領域2とを絶縁する絶縁膜であ
る。この4と5を併せて「固定絶縁電極」6と呼ぶこと
にする。この固定絶縁電極6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2のうち、この固定絶縁電極6に挟まれた領域を「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MOS型電極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。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MOS型電極4にオーミ
ックコンタクトしている。すなわち、MOS型電極4の
電位はソース電極13の電位に固定されている。また図
中、Hをチャネル厚み、Lをチャネル長と呼ぶ。Next, the structure of the element will be described. First, Figure 1
In FIG. 4, reference numeral 1 denotes an n + -type substrate region as a substrate, 2 denotes an n-type drain region, and 3 denotes an n + -type source region. Reference numeral 4 denotes a MOS-type electrode, which is made of a high-concentration p-type polycrystalline semiconductor, has an ohmic contact with a source electrode described later, and has a fixed potential. Also, 5 is M
This is an insulating film that insulates the OS type electrode 4 from the drain region 2. These 4 and 5 are collectively referred to as “fixed insulated electrodes” 6. The fixed insulating electrode 6 is formed in a groove whose side wall is dug vertically from the element surface. A region of the n-type drain region 2 sandwiched between the fixed insulating electrodes 6 is referred to as a “channel region” 7. This channel region 7
Since the MOS type electrode 4 adjacent via the insulating film 5 is a high concentration p-type semiconductor, a potential barrier for conduction electrons is formed in the channel region by the depletion layer formed by the work function difference. The source region 3 and the drain region 2 are electrically disconnected from the beginning. Reference numeral 11 denotes a drain electrode, which is in ohmic contact with the n + type substrate region 1. Reference numeral 13 denotes a source electrode, which is in ohmic contact with the source region 3 and the MOS electrode 4. That is, the potential of the MOS electrode 4 is fixed to the potential of the source electrode 13. In the figure, H is called a channel thickness and L is called a channel length.
【0036】次に、図3において、この実施例では固定
絶縁電極6は、その複数のストライプ状の溝と交差する
同様の形状の溝(第2の溝)で連結され、一体化されて
いる。そして、半導体表面において連結したソース電極
13に接していて、固定絶縁電極の3方から囲まれるよ
うな凹部部分にn+ 型ソース領域3が形成されている。
また、固定絶縁電極6の凸部はp+ 型領域(インジェク
タ領域)8に接している。このように固定絶縁電極6と
p+ 型領域8に囲まれたチャネル領域7は、一つの単位
セルを形成しており、図3にはこのセル8単位分が示さ
れている。図4において、符号18はp+ 型領域8とオ
ーミックコンタクトした電極であり、ドレイン領域2へ
少数キャリアを供給する。これを「注入電極」と呼ぶこ
とにする。図中の破線は固定絶縁電極6の存在を示す。
また、15は層間絶縁膜である。Next, in FIG. 3, in this embodiment, the fixed insulating electrodes 6 are connected and integrated by grooves (second grooves) of the same shape crossing the plurality of stripe-shaped grooves. . The n + -type source region 3 is formed in a concave portion that is in contact with the connected source electrode 13 on the semiconductor surface and is surrounded by the fixed insulating electrode from three sides.
The convex portion of the fixed insulating electrode 6 is in contact with the p + type region (injector region) 8. Thus, the channel region 7 surrounded by the fixed insulating electrode 6 and the p + type region 8 forms one unit cell, and FIG. 3 shows eight units of the cell. In FIG. 4, reference numeral 18 denotes an electrode in ohmic contact with the p + -type region 8 and supplies minority carriers to the drain region 2. This is called an "injection electrode". The broken line in the figure indicates the presence of the fixed insulating electrode 6.
Reference numeral 15 denotes an interlayer insulating film.
【0037】なお、本願の図面においては、断面図にお
ける固定絶縁電極の絶縁膜の角部および表面図における
絶縁膜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。In the drawings of the present application, the corners of the insulating film of the fixed insulating electrode in the cross-sectional view and the corners of the insulating film in the surface view are depicted as being angular, but these are schematic diagrams and actually It may be rounded. That is,
Making these corners round in order to suppress the electric field concentration is widely adopted.
【0038】次に、動作を説明する。Next, the operation will be described.
【0039】この素子では、ソース電極13は接地(0
V)、ドレイン電極11には正の電位を印加する。In this device, the source electrode 13 is grounded (0
V), a positive potential is applied to the drain electrode 11.
【0040】まず、遮断状態について説明する。First, the cutoff state will be described.
【0041】注入電極18が接地状態の時、素子は遮断
状態である。先にも述べたように、MOS型電極4が高
濃度のp型半導体からできていて、かつソース電極電位
に固定されていることから、固定絶縁電極6の周辺には
空乏層が形成され、チャネル領域7は空乏化されてソー
ス領域3とドレイン領域2は電気的に遮断されている構
造になっている。When the injection electrode 18 is in the ground state, the device is in the cutoff state. As described above, since the MOS-type electrode 4 is made of a high-concentration p-type semiconductor and is fixed at the source electrode potential, a depletion layer is formed around the fixed insulating electrode 6, The channel region 7 is depleted so that the source region 3 and the drain region 2 are electrically isolated.
【0042】通常、このようなMOSダイオード的な構
造では、空乏層を広げるべく電圧を印加してもドレイン
領域中の空乏層で発生したキャリアが絶縁膜界面に溜っ
て反転層を形成し、空乏層は広がらずに絶縁膜界面の電
位が上昇する。しかし、この構造ではその絶縁膜5が、
接地されたp+ 型領域8に接しているので、空乏層で発
生したキャリアは絶縁膜5の界面に到達するが、すぐに
p+ 型領域8を通って素子の外に排除される。すなわ
ち、絶縁膜界面の電位は上昇せずに固定されていて、空
乏層はドレイン電位にしたがって広がる。Normally, in such a structure like a MOS diode, even if a voltage is applied to expand the depletion layer, carriers generated in the depletion layer in the drain region accumulate at the interface of the insulating film to form an inversion layer, and depletion occurs. The potential at the interface of the insulating film rises without the layer spreading. However, in this structure, the insulating film 5
Since it is in contact with the grounded p + type region 8, carriers generated in the depletion layer reach the interface of the insulating film 5, but are immediately removed from the element through the p + type region 8. That is, the potential at the interface of the insulating film is fixed without increasing, and the depletion layer spreads according to the drain potential.
【0043】このデバイスがノーマリ・オフ構造を持つ
ためにチャネルの構造が満たさなければならない条件が
2つある。まず、その1つはチャネル厚みと不純物濃度
との関係ある。図5は図2中のチャネル領域7の中央付
近である線分C−C’に沿ったチャネル領域7のポテン
シャル分布を計算した図である。図5の縦軸はフェルミ
準位を基準としたエネルギーバンドの中心のポテンシャ
ルである。以下、「フェルミ準位を基準としたエネルギ
ーバンドの中心のポテンシャル」を単に「ポテンシャ
ル」と呼ぶことにする。ここでは、MOS型電極4のビ
ルドインポテンシャルを0.6eVとし、絶縁膜は二酸
化珪素で、厚さは100nmとして計算した。また、両
端の破線は、絶縁膜中の電位分布を示す補助線である。
また、中央部の一点鎖線はチャネル領域7の半導体の中
性状態におけるポテンシャルの位置である。There are two conditions that the structure of the channel must satisfy in order for this device to have a normally-off structure. First, there is a relationship between the channel thickness and the impurity concentration. FIG. 5 is a diagram showing a calculated potential distribution of the channel region 7 along a line CC ′ near the center of the channel region 7 in FIG. The vertical axis in FIG. 5 is the potential at the center of the energy band based on the Fermi level. Hereinafter, the “potential at the center of the energy band based on the Fermi level” is simply referred to as “potential”. Here, the calculation was performed on the assumption that the build-in potential of the MOS electrode 4 was 0.6 eV, the insulating film was silicon dioxide, and the thickness was 100 nm. The broken lines at both ends are auxiliary lines indicating the potential distribution in the insulating film.
The dashed line at the center indicates the potential position of the semiconductor in the channel region 7 in the neutral state.
【0044】図5において、注入電極電位Vj が0Vの
状態では、チャネルの全域はポテンシャルが正であり、
チャネル領域7には伝導電子は存在しない。この条件を
満たすために、チャネル領域7の不純物濃度ND 、チャ
ネル厚みH、絶縁膜厚toxは次の式を満たさなければな
らない。In FIG. 5, when the injection electrode potential V j is 0 V, the potential of the entire channel is positive.
No conduction electrons exist in the channel region 7. To satisfy this condition, the impurity concentration N D , the channel thickness H, and the insulating film thickness t ox of the channel region 7 must satisfy the following expressions.
【0045】まず、MOS型電極4の持つビルドインポ
テンシャルをP、チャネル領域7の半導体の絶縁膜との
界面のポテンシャルをQとすると、絶縁膜中の電界強度
Eoxは一定であり、下記(数1)式で示される。First, assuming that the build-in potential of the MOS type electrode 4 is P and the potential of the interface between the channel region 7 and the semiconductor insulating film is Q, the electric field strength E ox in the insulating film is constant. It is shown by the expression 1).
【0046】[0046]
【数1】 一方、チャネル領域7は遮断状態では全域が空乏化して
いるので、その電位分布Vchは下記(数2)式のような
2次曲線でほぼ近似することができる。(Equation 1) On the other hand, since the entire region of the channel region 7 is depleted in the cutoff state, the potential distribution V ch can be approximately approximated by a quadratic curve as shown in the following equation (2).
【0047】[0047]
【数2】 ただし、上記(数2)式において、qは単位電荷、εsi
はチャネル領域の半導体の誘電率、xはチャネルのC−
C’断面の中央、すなわち図5の横軸の中央から絶縁膜
方向に測った距離、Rはポテンシャルの最低点である。(Equation 2) Here, in the above equation (2), q is a unit charge, ε si
Is the dielectric constant of the semiconductor in the channel region, and x is the C-
The distance R measured in the direction of the insulating film from the center of the C ′ section, that is, the center of the horizontal axis in FIG. 5, is the lowest point of the potential.
【0048】また、チャネル領域7と絶縁膜の界面のポ
テンシャルQは、下記(数3)式で示される。The potential Q at the interface between the channel region 7 and the insulating film is expressed by the following equation (3).
【0049】[0049]
【数3】 また、この点における電界Esiは、下記(数4)式で示
される。(Equation 3) The electric field E si at this point is expressed by the following (Equation 4).
【0050】[0050]
【数4】 さらに、界面では電束が一致していなければならないか
ら、下記(数5)式を満足しなければならない。(Equation 4) Furthermore, since the electric flux must be the same at the interface, the following equation (5) must be satisfied.
【0051】 εoxEox=εsiEsi …(数5) MOS型電極4のビルドインポテンシャルを0.6e
V、チャネル領域7のポテンシャルの最小値Rを、制御
信号のノイズなどで簡単にチャネルが開かないように
0.3eVとし、前記の(数1)式〜(数5)式を満足
するようなチャネル領域7の不純物濃度ND 、絶縁膜厚
tox、チャネル厚みHの関係を示したものが図6であ
る。なお、図6では、絶縁膜厚toxが50nmの場合と
100nmの場合の曲線を示してあるが、各線の左下の
領域がこのデバイスの満たすべき条件となる。例えば、
上記2つの絶縁膜厚の何れの場合でも、不純物濃度ND
=1×1014/cm3 、チャネル厚みH=2μmは適当な
条件である。Ε ox E ox = ε si E si (Equation 5) The build-in potential of the MOS electrode 4 is 0.6 e
V, the minimum value R of the potential of the channel region 7 is set to 0.3 eV so that the channel is not easily opened due to noise of the control signal or the like, and satisfying the above-mentioned equations (1) to (5). FIG. 6 shows a relationship between the impurity concentration N D of the channel region 7, the insulating film thickness t ox , and the channel thickness H. FIG. 6 shows curves when the insulating film thickness t ox is 50 nm and when the insulating film thickness is 100 nm. The lower left region of each line is a condition to be satisfied by this device. For example,
In either case of the above two insulating film thicknesses, the impurity concentration N D
= 1 × 10 14 / cm 3 and channel thickness H = 2 μm are suitable conditions.
【0052】次に、デバイスがノーマリ・オフ特性を持
つための2つ目の条件として、チャネル厚みHとチャネ
ル長Lが満たさなければならない条件がある。図7は、
チャネル領域のポテンシャル分布を数値計算した結果で
ある。ベースとなる平面は、図2のチャネル領域7のソ
ース界面側からチャネル中央部を眺めたものであり、縦
軸はポテンシャルを示している。図7においては、等ポ
テンシャル線を示しているが、図の手前にあるソース領
域(図示せず)の影響によってチャネル領域のポテンシ
ャルが引き下げられている様子が判る。また、側面は絶
縁膜との界面であり、図の奥の面は図2の線分C−C’
に一致していて、そこにおけるポテンシャル分布はソー
ス領域の影響を受けておらず、図5のVj =0の曲線と
同等のものとなっている。図6の条件を満足する何点か
の設定で同様の数値計算を行った結果、チャネル領域7
のソース端部におけるポテンシャル低下の影響は、チャ
ネル長方向にほぼチャネル厚みの1〜1.5倍のところ
までに止まることが判った。一方、チャネル領域7のド
レイン領域に面している部分において、ドレイン電界に
よってチャネルポテンシャルが引き下げられる影響もほ
ぼこれと同様であるとして、チャネルがノーマリ・オフ
特性、すなわちドレイン電界が上昇してもその影響でチ
ャネルが開かないための条件は、(チャネル長L)/
(チャネル厚みH)の比が2〜3以上であることにな
る。Next, as a second condition for the device to have normally-off characteristics, there is a condition that the channel thickness H and the channel length L must be satisfied. FIG.
It is the result of numerical calculation of the potential distribution in the channel region. The base plane is a view of the central part of the channel from the source interface side of the channel region 7 in FIG. 2, and the vertical axis indicates the potential. Although FIG. 7 shows equipotential lines, it can be seen that the potential of the channel region is reduced due to the influence of the source region (not shown) in the foreground. The side surface is the interface with the insulating film, and the back surface in the figure is the line CC ′ in FIG.
And the potential distribution there is not affected by the source region, and is equivalent to the curve of V j = 0 in FIG. As a result of performing similar numerical calculations with several settings satisfying the conditions of FIG.
It has been found that the effect of the potential drop at the source end portion of FIG. 4A is limited to about 1 to 1.5 times the channel thickness in the channel length direction. On the other hand, in the portion of the channel region 7 facing the drain region, the effect that the channel potential is lowered by the drain electric field is almost the same. The condition that the channel does not open due to the effect is (channel length L) /
The ratio of (channel thickness H) is 2 to 3 or more.
【0053】例えば、チャネルの不純物濃度が1×10
14/cm3 、すなわち比抵抗が約40Ω−cmであり、絶縁
膜厚が100nm以下である場合、チャネル厚みHを2
μmとすれば、チャネル長は6μmあれば十分である。For example, if the impurity concentration of the channel is 1 × 10
14 / cm 3 , that is, when the specific resistance is about 40 Ω-cm and the insulating film thickness is 100 nm or less, the channel thickness H is 2
In the case of μm, a channel length of 6 μm is sufficient.
【0054】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。Next, a mechanism for switching from the cutoff state to the conduction state will be described.
【0055】前記の図5において、注入電極電位Vj =
0Vの時は、チャネル領域7のC−C’断面全域のポテ
ンシャルが正であり、チャネル領域7は遮断状態であ
る。注入電極電位Vj が上昇して0.3Vまでになる
と、チャネル領域7の中央部にポテンシャルの負の領域
ができ、伝導電子が流れ得る状態となる。このように注
入電極18の電位を上げるとチャネル領域7のポテンシ
ャルが低下する理由は、注入電極18にオーミックコン
タクトしたp+ 型領域8の電位が上昇することで、p+
型領域8が接している絶縁膜5の界面に少数キャリアが
供給され、これが固定絶縁電極6のMOS型電極4から
チャネル領域7への電界を遮蔽するために、チャネル領
域7の空乏層が後退するためである。In FIG. 5, the injection electrode potential V j =
When the voltage is 0 V, the potential of the entire region of the CC ′ section of the channel region 7 is positive, and the channel region 7 is in a cutoff state. The injection electrode potential V j becomes to 0.3V rises, the central portion of the channel region 7 can negative region of potential, a state where the conduction electrons can flow. The reason why the potential of the channel region 7 Increasing the potential of the injector electrode 18 is reduced so that, by the potential of the injector electrode 18 and ohmic contact p + -type region 8 is increased, p +
Minority carriers are supplied to the interface of the insulating film 5 where the mold region 8 is in contact, and this shields the electric field from the MOS type electrode 4 of the fixed insulating electrode 6 to the channel region 7, so that the depletion layer of the channel region 7 recedes. To do that.
【0056】さらに注入電位が0.5eV以上になる
と、ポテンシャルもこの一点鎖線より低くなって、チャ
ネル領域7内のバンドの形状は平坦になってゆく。これ
はn型ドレイン領域2とp+ 型領域8との間の接合が順
バイアス状態になり、ドレイン領域全域が高水準注入状
態になるためである。このとき、正孔は直接にp+ 型領
域8から注入されるほか、絶縁膜5の界面からもドレイ
ン領域2へ供給される。すなわち、この条件において絶
縁膜界面は伝導度の高い導電路として正孔電流を運ぶ働
きをする。この段階になると、ドレイン電流の制御は注
入電極電位よりは注入電流に注目した方が理解しやす
い。すなわち、ドレイン領域2に注入される正孔電流量
によってドレイン領域2の導電率が制御され、ドレイン
電流量が制御される。Further, when the injection potential becomes 0.5 eV or more, the potential becomes lower than the one-dot chain line, and the band shape in the channel region 7 becomes flat. This is because the junction between the n-type drain region 2 and the p + -type region 8 is in a forward bias state, and the entire drain region is in a high level implantation state. At this time, holes are directly injected from the p + -type region 8 and also supplied to the drain region 2 from the interface of the insulating film 5. That is, under this condition, the interface of the insulating film functions as a conductive path having high conductivity to carry hole current. At this stage, it is easier to understand the control of the drain current by focusing on the injection current than on the injection electrode potential. That is, the conductivity of the drain region 2 is controlled by the amount of hole current injected into the drain region 2, and the amount of drain current is controlled.
【0057】次に、導通状態から遮断状態に転ずる機構
を説明する。Next, a mechanism for changing from the conduction state to the interruption state will be described.
【0058】ターン・オフするためには、注入電極18
の電位を接地(0Vに)、もしくは負電位にする。する
とドレイン領域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p+ 型領域8を通し
て素子外に排除され、再びチャネル領域が空乏層で満た
されるようになる。この機構は、例えば静電誘導サイリ
スタのターン・オフ機構と同様である。このとき、チャ
ネル領域7は固定絶縁領域に3方から囲まれるという構
造をとっているため、空乏層が3方から伸びてチャネル
を遮断する。さらに、デバイスに有効なチャネル領域7
を3方から固定絶縁電極で囲うという構成をとっている
ため、電流の遮断は促進される。図8は、図2中の線分
C−C’を含む平面でスライスした断面図で、さらにイ
ンジェクタ電位が正電位から0Vに近づくにつれて空乏
層端が移動し、チャネルが閉じてゆく様子を示してい
る。図中の曲線は数値計算によって得た空乏層端を示
し、数値計算の条件は前述の図5ならびに図6と同じも
のを使った。ただし、この図において空乏層端とは、チ
ャネル領域7の中性状態における多数キャリアの密度の
半分になるラインとした。この図を見ると、向かい合っ
た固定絶縁電極から伸びる空乏層が重なり合う前に、3
方を囲まれたチャネル領域7においては空乏化が実現し
ている様子がわかる。よって、ソース領域3をこの領域
に形成し、その大きさをチャネル厚みHもしくはそれ以
下に形成することにより、迅速な電流遮断を実現するこ
とが期待できる。In order to turn off, the injection electrode 18
Is grounded (to 0 V) or negative potential. Then, a large amount of holes existing in the drain region 2 and the channel region 7 disappear or are eliminated outside the device through the p + -type region 8, and the channel region is filled with the depletion layer again. This mechanism is similar to, for example, the turn-off mechanism of an electrostatic induction thyristor. At this time, since the channel region 7 has a structure surrounded by the fixed insulating region from three sides, the depletion layer extends from the three sides to cut off the channel. In addition, a channel region 7 effective for the device
Is surrounded by the fixed insulating electrodes from three sides, so that the interruption of the current is promoted. FIG. 8 is a cross-sectional view taken along a plane including a line CC ′ in FIG. 2, showing a state in which the end of the depletion layer moves as the injector potential approaches 0 V from the positive potential, and the channel closes. ing. The curve in the figure shows the edge of the depletion layer obtained by the numerical calculation, and the conditions of the numerical calculation were the same as those in FIG. 5 and FIG. However, in this figure, the end of the depletion layer is a line that is half the density of majority carriers in the neutral state of the channel region 7. Referring to this figure, before the depletion layers extending from the opposed fixed insulating electrodes overlap each other, 3
It can be seen that depletion is realized in the channel region 7 surrounded by the other. Therefore, by forming the source region 3 in this region and forming the size thereof to be equal to or less than the channel thickness H, it is expected that rapid current interruption can be realized.
【0059】このデバイスの電流電圧特性は、ほぼ単体
バイポーラトランジスタの特性に類似して5極管特性と
なる。ドレイン電流は、注入電極からの電流があれば低
いドレイン電位でも十分な電流が流れる。ドレイン電位
が大きくなると、固定絶縁電極からドレイン領域へ伸び
た空乏層により、電流はピンチオフされて電流値は飽和
する。The current-voltage characteristic of this device has a pentode characteristic almost similar to that of a single bipolar transistor. As for the drain current, if there is a current from the injection electrode, a sufficient current flows even at a low drain potential. When the drain potential increases, the current is pinched off by the depletion layer extending from the fixed insulating electrode to the drain region, and the current value is saturated.
【0060】また注入した正孔電流によってドレイン電
流が決まることから、バイポーラトランジスタと同様の
hFE(直流電流増幅率)を定義することができる。この
素子では、素子構造が微細であり、チャネル領域の電位
が直接注入電極電位と連動する機構となっていることか
ら、単体バイポーラトランジスタよりも大きなhFEを期
待することができる。さらに、上記のように、小さく設
定することにより、インジェクタ領域から注入される正
孔がソース領域に到達する割合が減少するため、hFEが
向上することがさらに期待できる。Since the drain current is determined by the injected hole current, h FE (direct current gain) similar to that of the bipolar transistor can be defined. In this element, the element structure is fine, since the potential of the channel region is a mechanism that works with direct injection electrode potential can than single bipolar transistor expect large h FE. Further, as described above, by setting small, the proportion of the holes injected from the injector region reaches the source region is reduced, further it can be expected that the h FE is improved.
【0061】次に、図9〜図14は、図1〜図4に示し
た第1の実施例の製造方法の一例を示す斜視図である。Next, FIGS. 9 to 14 are perspective views showing an example of the manufacturing method of the first embodiment shown in FIGS.
【0062】まず、図9のように、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がエピタキシャル
成長によって形成されている。さらにその表面にソース
領域3となるn+ 型領域と、注入領域8となるp+ 型領
域を形成する。First, as shown in FIG.
An n-type drain region 2 is formed on the surface of a + -type substrate by epitaxial growth. Further formed with n + -type region serving as a source region 3 on the surface thereof, a p + -type region serving as injection region 8.
【0063】次に、図10のように、表面にマスク材1
00を形成し、固定絶縁電極用の溝を形成するためのパ
ターンを形成する。これを異方性ドライエッチングによ
ってエッチングし、図11のような側壁がほぼ垂直な溝
を掘る。溝の深さは、溝同志の間隔の2〜3倍またはそ
れ以上とする。Next, as shown in FIG.
Then, a pattern for forming a groove for the fixed insulating electrode is formed. This is etched by anisotropic dry etching to dig a groove whose side wall is almost vertical as shown in FIG. The depth of the groove is two to three times or more than the interval between the grooves.
【0064】溝の断面形状、すなわち固定絶縁電極の形
状は、図2或いは図11などには側壁をほぼ垂直にした
U字型の形状を例示しているが、先に示したノーマリ・
オフのためのチャネルの条件を満たしていれば、断面形
状は樽型、くさび型、菱形などをしていてもよい。ま
た、溝も垂直でなく斜めに掘込まれたものでも構わない
し、可能であれば固定絶縁電極は完全に基板の中に埋設
されたものでもよい。The cross-sectional shape of the groove, that is, the shape of the fixed insulating electrode is shown in FIG. 2 or FIG. 11 as an example of a U-shape in which the side wall is substantially vertical.
As long as the condition of the channel for turning off is satisfied, the sectional shape may be a barrel shape, a wedge shape, a diamond shape, or the like. Also, the groove may be dug obliquely, not vertically, and if possible, the fixed insulating electrode may be completely buried in the substrate.
【0065】また、表面パターンもチャネルの遮断条件
を満たしていれば、必ずしもチャネルの厚みが至るとこ
ろ均一でなくてもよいし、溝の幅も均一である必要はな
い。Further, as long as the surface pattern also satisfies the channel cutoff condition, the thickness of the channel does not necessarily have to be uniform everywhere, and the width of the groove does not need to be uniform.
【0066】次に、図12のように、溝の内壁を酸化し
て絶縁膜5を形成し、MOS型電極4となる高濃度のp
型ポリシリコンを堆積させる。Next, as shown in FIG. 12, the insulating film 5 is formed by oxidizing the inner wall of the groove, and the high-concentration p
Deposit polysilicon.
【0067】次に、図13のように、溝の中にのみp型
ポリシリコンが残るようにエッチングする。Next, as shown in FIG. 13, etching is performed so that p-type polysilicon remains only in the trench.
【0068】次に、図14のように、マスク材100を
除去し、層間絶縁膜と電極を形成して図1〜図4の構造
を得る。Next, as shown in FIG. 14, the mask material 100 is removed, and an interlayer insulating film and an electrode are formed to obtain the structure shown in FIGS.
【0069】なお、注入電極電位が遮断状態のときドレ
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、固定絶縁電極6はソース電極13と同じ金属
によって形成しても構わない。The fixed insulating electrode 6 may be formed of the same metal as the source electrode 13 if the condition that the channel is not opened by the drain electric field when the injection electrode potential is in the cutoff state is satisfied.
【0070】次に、図15は本発明の第2の実施例を示
す断面図である。FIG. 15 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention.
【0071】この実施例では前記図1に対応する斜視図
で、基板としてn+ 型の代わりにp+ 型領域9を用い、
静電誘導サイリスタ型のデバイスとしたものである。動
作は、通常の静電誘導サイリスタと同様である。ソース
電極は接地され、ドレイン電極11には正電位が印加さ
れる。遮断状態は、MOS型電極4を接地しておくこと
で維持される。ターンオンは、注入電極に正電位を印加
することで達成でき、一度ターンオンすれば、インジェ
クタ信号を解除してもオン状態を維持する。ターンオフ
はMOS型電極4に負電位を印加して、チャネル領域の
過剰な少数キャリアを排除すればよい。この構造を用い
ることによって、通常のサイリスタに比べ、主電流が流
れる領域においてp領域が1つ少ない構造で同様の動作
が得られる。In this embodiment, a p + type region 9 is used as a substrate instead of an n + type in a perspective view corresponding to FIG.
This is an electrostatic induction thyristor type device. The operation is similar to that of a normal electrostatic induction thyristor. The source electrode is grounded, and a positive potential is applied to the drain electrode 11. The cutoff state is maintained by grounding the MOS electrode 4. Turn-on can be achieved by applying a positive potential to the injection electrode. Once turned on, the on-state is maintained even when the injector signal is released. The turn-off may be performed by applying a negative potential to the MOS-type electrode 4 to eliminate excess minority carriers in the channel region. By using this structure, a similar operation can be obtained with a structure in which there is one less p region in the region where the main current flows as compared with a normal thyristor.
【0072】次に、上述の各実施例と従来例との相違に
ついてまとめて説明する。Next, differences between the above embodiments and the conventional example will be described together.
【0073】まず、各実施例と第1の従来例(図16〜
19)との違いであるが、第1の従来例では、絶縁電極
(MOSゲート95)の電位は可変であり、絶縁電極電
位を正にすることで絶縁膜界面に電子の蓄積層を形成し
て低いチャネル抵抗を実現するなどのように、絶縁電極
を制御電極として用いている。一方、各実施例では、絶
縁電極(固定絶縁電極6)はソース電位に固定されてお
り、基本的に制御電極ではない。この点が決定的に異な
っている。First, each embodiment and the first conventional example (FIGS.
19), in the first conventional example, the potential of the insulating electrode (MOS gate 95) is variable. By making the potential of the insulating electrode positive, an electron accumulation layer is formed at the interface of the insulating film. Insulating electrodes are used as control electrodes to achieve low channel resistance. On the other hand, in each embodiment, the insulating electrode (fixed insulating electrode 6) is fixed at the source potential, and is not basically a control electrode. This is crucially different.
【0074】また、第1の従来例では、ノーマリ・オン
型デバイスであり、主電流を遮断するためには、積極的
に接合ゲート98ならびにMOSゲート95に負電位を
印加しなければならなかった。しかし、各実施例の装置
はノーマリ・オフ型デバイスであり、それ以外では有り
得ない。したがってオフ状態を保つためには、注入制御
用の電極18は、ソース領域3と同電位、すなわち接地
電位で構わない。In the first conventional example, the device is a normally-on type device. In order to cut off the main current, a negative potential must be positively applied to the junction gate 98 and the MOS gate 95. . However, the apparatus of each embodiment is a normally-off type device, and cannot be otherwise. Therefore, in order to maintain the off state, the injection control electrode 18 may have the same potential as the source region 3, that is, the ground potential.
【0075】また、各実施例においては、インジェクタ
領域8が絶縁膜5の界面に接していることが必須であ
り、これによって絶縁膜5界面の電位を注入制御用の電
極18の電位によって積極的にコントロールする。これ
に対して第1の従来例における接合ゲート98は、デバ
イスのオン状態には何ら寄与していない。第1の従来例
の文献に記載されている限りでは、p型領域88は絶縁
膜84と離れており、たとえ接合ゲート98の電位を正
にしても、それによって絶縁膜界面の状況を制御するこ
とはできない。In each embodiment, it is essential that the injector region 8 is in contact with the interface of the insulating film 5, whereby the potential of the interface of the insulating film 5 is positively controlled by the potential of the injection control electrode 18. To control. On the other hand, the junction gate 98 in the first conventional example does not contribute to the ON state of the device at all. As far as described in the document of the first conventional example, the p-type region 88 is separated from the insulating film 84, so that even if the potential of the junction gate 98 is made positive, the state of the interface of the insulating film is thereby controlled. It is not possible.
【0076】そして各実施例のデバイスのオン状態は、
インジェクタ領域からの少数キャリアを供給することに
よってチャネルを開き、またドレイン領域ならびにチャ
ネル領域の伝導度を変調する。これに対して第1の従来
例においては、たとえ接合ゲート98に正電位を与え、
少数キャリアの注入を行っても、モノポーラの主電流を
低オン抵抗で流すために不純物を濃く含んだチャネル領
域82の伝導度には、殆ど影響を与えることができな
い。このように第1の従来例がモノポーラデバイスであ
るのに対し、各実施例がバイポーラデバイスである点も
明確に異なっている。The ON state of the device of each embodiment is as follows.
The channel is opened by supplying minority carriers from the injector region and modulates the conductivity of the drain region as well as the channel region. On the other hand, in the first conventional example, even if a positive potential is applied to the junction gate 98,
Even if minority carriers are injected, the conductivity of the channel region 82 containing impurities is hardly affected because the main current of the monopolar flows at a low on-resistance. Thus, while the first conventional example is a monopolar device, each embodiment is clearly different in that it is a bipolar device.
【0077】次に、第2の従来例(図21)との相違を
説明する。Next, differences from the second conventional example (FIG. 21) will be described.
【0078】第2の従来例では、制御電極であるp型領
域(p+ ゲート領域68)は絶縁電極(ゲート電極6
5)の存在する溝の底部に有り、かつ、その底部で絶縁
電極とオーミックコンタクトしている。この第2の従来
例も、前記第1の従来例と同様に、絶縁電極の電位が可
変であることが各実施例と本質的に異なっている。さら
にp型領域の位置が異なり、絶縁電極の電位と連動して
いる点も異なる。勿論、表面構造以外に、第2の従来例
においてはp+ 型アノード領域61からn- 型ベース領
域62へ注入される少数キャリアによって高抵抗のn-
型ベース領域62の伝導度を変調して低オン抵抗を実現
しているのに対し、各実施例では陰極側(ソース側)の
表面にある主電流経路とは別のp型領域8から少数キャ
リアを注入して高抵抗のドレイン領域1を伝導度変調し
ている点も明確に異なっている。In the second conventional example, the p-type region (p + gate region 68) serving as a control electrode is an insulating electrode (gate electrode 6).
It is located at the bottom of the groove where 5) is located, and at the bottom, is in ohmic contact with the insulating electrode. The second conventional example is essentially different from the first embodiment in that the potential of the insulating electrode is variable, as in the first conventional example. Further, the position of the p-type region is different, and this is also different in that it is linked to the potential of the insulating electrode. Of course, in addition to surface structure, in the second conventional example from the p + -type anode region 61 n - high resistance by minority carriers are injected into the mold base region 62 n -
While the conductivity of the mold base region 62 is modulated to realize a low on-resistance, in each embodiment, a small number of p-type regions 8 different from the main current path on the surface on the cathode side (source side) are provided. The point that the carrier is injected to modulate the conductivity of the high-resistance drain region 1 is also clearly different.
【0079】また、上記のように、第2の従来例では、
主電流経路にpn接合を有しているため、主電流端弛緩
の電圧がほぼ0.7V以上にならなければ、満足な電流
が流れないという特性がある。しかし、第1の実施例に
示すデバイスは、そのようなpn接合がないので、さら
に低い電圧でも十分な電流を流すことができる。As described above, in the second conventional example,
Since the main current path has a pn junction, there is a characteristic that a satisfactory current does not flow unless the voltage of relaxation of the main current end becomes approximately 0.7 V or more. However, since the device shown in the first embodiment does not have such a pn junction, a sufficient current can flow even at a lower voltage.
【0080】[0080]
【発明の効果】以上説明したように、請求項1記載の発
明によれば、ドレイン領域である一導電型の半導体基体
の一主面に臨んで互いに平行に配置された複数の第1の
溝を有し、前記複数の第1の溝と交差する第2の溝を有
し、前記主面に臨んで前記第1の溝と第2の溝に3方を
囲まれた領域に一導電型のソース領域を有し、前記第1
の溝と第2の溝の内部には絶縁膜によって前記ドレイン
領域と絶縁され、かつ前記ソース領域とは同電位に保た
れる固定電位絶縁電極を有し、前記固定電位絶縁電極は
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
域を形成するような性質を有する導電性材料からなり、
前記ソース領域には接しないで、かつ前記ドレイン領域
ならびに各前記絶縁膜に接する反対導電型のインジェク
タ領域を有し、前記ソース領域に隣接する前記ドレイン
領域の一部であって前記固定電位絶縁電極に挟まれ、前
記インジェクタ領域の電位が前記ソース領域の電位と同
電位に保たれている状態では前記空乏領域の形成するポ
テンシャル障壁によって前記ソース領域と前記ドレイン
領域間を電気的に遮断状態とするチャネル領域を有する
構成としたため、寄生素子を持たず、インジェクタ領域
から注入される少ない制御電流で多くの主電流を制御す
ることができる電流制御型の三端子素子で制御性に優
れ、インジェクタ領域から注入される少数キャリアでド
レイン領域が伝導度変調されるのでオン抵抗を低くする
ことができ、固定電位絶縁電極でソース領域すなわチャ
ネル領域を3方から囲んでいるのでターンオフ時のチャ
ネルの空乏化が速くなってスイッチング速度を向上させ
ることができ、また固定電位絶縁電極が1つに連結され
ているので動作の信頼性を向上させることができ、さら
に微細化、高耐圧化を実現することができる。As described above, according to the first aspect of the present invention, the plurality of first trenches arranged in parallel with each other facing one main surface of the one conductivity type semiconductor substrate which is the drain region. And a second groove that intersects the plurality of first grooves. One conductivity type is provided in a region facing the main surface and surrounded by the first groove and the second groove on three sides. Having a source region of
A fixed potential insulating electrode insulated from the drain region by an insulating film and kept at the same potential as the source region inside the groove and the second groove, wherein the fixed potential insulating electrode is Made of a conductive material having a property of forming a depletion region in the drain region adjacent through the
The fixed potential insulating electrode is a part of the drain region adjacent to the source region, the injector region having an opposite conductivity type injector region not in contact with the source region and in contact with the drain region and each of the insulating films. Between the source region and the drain region by a potential barrier formed by the depletion region when the potential of the injector region is maintained at the same potential as the potential of the source region. Because it has a configuration with a channel region, it has no parasitic elements and is a current control type three-terminal device that can control a large amount of main current with a small control current injected from the injector region, and has excellent controllability. Since the conductivity of the drain region is modulated by the injected minority carriers, the on-resistance can be reduced, and the fixed voltage can be reduced. Since the source region, i.e., the channel region, is surrounded from three sides by the insulating electrode, the depletion of the channel at the time of turn-off can be accelerated to improve the switching speed, and the fixed potential insulating electrode is connected to one. Therefore, the reliability of operation can be improved, and further miniaturization and high breakdown voltage can be realized.
【0081】請求項2記載の発明によれば、チャネル
長、すなわち前記溝の側壁に沿って前記チャネル領域と
前記ソース領域の界面から前記溝の底部までの距離を、
チャネル厚み、すなわち前記チャネル領域において対面
する前記第1の溝の側壁間の距離の、2倍以上としたた
め、上記請求項1記載の発明の効果に加えて、さらにノ
ーマリ・オフ構造を確実に実現することができる。According to the second aspect of the present invention, the channel length, that is, the distance from the interface between the channel region and the source region to the bottom of the groove along the side wall of the groove is determined by:
Since the thickness of the channel, that is, the distance between the side walls of the first groove facing each other in the channel region, is twice or more, in addition to the effect of the invention described in claim 1, a normally-off structure is more reliably realized. can do.
【0082】請求項3記載の発明によれば、前記ソース
領域が、前記第2の溝の側面から前記第1の溝に沿って
前記チャネル厚み、もしくはそれ以下の位置までに存在
するようにしたため、上記請求項1記載の発明の効果に
加えて、さらに、ソース領域が固定電位絶縁電極で3方
から囲まれた領域に小さく形成されて一層迅速なターン
オフを実現することができる。さらに、ソース領域が小
さくなることによって、インジェクタ領域からソース領
域に正孔が注入される割合が小さくなることから、hFE
が向上する。According to the third aspect of the present invention, the source region exists from the side surface of the second groove to the position at or below the channel thickness along the first groove. In addition to the effect of the first aspect of the present invention, the source region is formed small in a region surrounded from three sides by the fixed potential insulating electrode, so that more rapid turn-off can be realized. Furthermore, by the source region is reduced, since the rate at which holes are injected from the injector region to the source region is reduced, h FE
Is improved.
【0083】請求項4記載の発明によれば、前記半導体
基体の前記ソース領域が存在する一主面に対向する他主
面に反対導電型のアノード領域を有する構成としたた
め、主電流が流れる領域においてアノード領域の導電型
と同一の反対導電型領域が1つ少ない構造で、通常の静
電誘導サイリスタと同様の動作をする半導体装置を実現
することができる。According to the fourth aspect of the present invention, since the semiconductor substrate has an anode region of the opposite conductivity type on the other main surface opposite to the one main surface where the source region exists, the region where the main current flows is provided. In this case, a semiconductor device that operates in the same manner as a normal static induction thyristor can be realized with a structure in which there is one less conductive region of the same conductivity type as the anode region.
【図1】本発明の第1の実施例の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第1の実施例の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第1の実施例における表面構造を示す
断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a surface structure according to the first embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第1の実施例の他の角度から見た断面
図である。FIG. 4 is a sectional view seen from another angle of the first embodiment of the present invention.
【図5】第1の実施例におけるチャネル領域のポテンシ
ャル分布図である。FIG. 5 is a potential distribution diagram of a channel region in the first embodiment.
【図6】第1の実施例におけるチャネル領域の不純物濃
度、絶縁膜厚およびチャネル厚みの関係を示す図であ
る。FIG. 6 is a diagram showing a relationship among an impurity concentration of a channel region, an insulating film thickness, and a channel thickness in the first embodiment.
【図7】第1の実施例におけるチャネル領域のポテンシ
ャル分布を立体的に示す図である。FIG. 7 is a diagram three-dimensionally showing a potential distribution of a channel region in the first embodiment.
【図8】第1の実施例においてチャネル領域におけるイ
ンジェクタ電位と空乏層端の位置を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing an injector potential and a position of a depletion layer end in a channel region in the first embodiment.
【図9】本発明の第1の実施例の製造工程の一部を示す
断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
【図10】本発明の第1の実施例の製造工程の他の一部
を示す断面図である。FIG. 10 is a sectional view showing another part of the manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
【図11】本発明の第1の実施例の製造工程の他の一部
を示す断面図である。FIG. 11 is a sectional view showing another part of the manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
【図12】本発明の第1の実施例の製造工程の他の一部
を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing another part of the manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
【図13】本発明の第1の実施例の製造工程の他の一部
を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing another part of the manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
【図14】本発明の第1の実施例の製造工程の他の一部
を示す断面図である。FIG. 14 is a sectional view showing another part of the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.
【図15】本発明の第2の実施例の断面図である。FIG. 15 is a sectional view of a second embodiment of the present invention.
【図16】第1の従来例の平面図である。FIG. 16 is a plan view of a first conventional example.
【図17】第1の従来例の断面図である。FIG. 17 is a sectional view of a first conventional example.
【図18】第1の従来例の他の断面図である。FIG. 18 is another sectional view of the first conventional example.
【図19】第1の従来例を三端子素子として動作させた
場合の電流電圧特性図である。FIG. 19 is a current-voltage characteristic diagram when the first conventional example is operated as a three-terminal element.
【図20】第1の従来例を四端子素子として動作させた
場合の電流電圧特性図である。FIG. 20 is a current-voltage characteristic diagram when the first conventional example is operated as a four-terminal element.
【図21】第2の従来例の断面図である。FIG. 21 is a sectional view of a second conventional example.
1 基板領域 2 ドレイン領域 3 ソース領域 4 MOS型電極 5 絶縁膜 6 固定絶縁電極 7 チャネル領域 8 p+ 型領域(インジェクタ領域) 11 ドレイン電極 13 ソース電極 18 注入電極Reference Signs List 1 substrate region 2 drain region 3 source region 4 MOS type electrode 5 insulating film 6 fixed insulating electrode 7 channel region 8 p + type region (injector region) 11 drain electrode 13 source electrode 18 injection electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−252408(JP,A) 特開 平7−335868(JP,A) 特開 平7−202182(JP,A) 特開 平8−46192(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 H01L 29/80 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (56) References JP-A-6-252408 (JP, A) JP-A-7-335868 (JP, A) JP-A-7-202182 (JP, A) JP-A-8-208 46192 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 29/78 H01L 29/80
Claims (4)
体の一主面に臨んで互いに平行に配置された複数の第1
の溝と、 前記複数の第1の溝の長手方向略中央部にて、該各第1
の溝と直交して配置された第2の溝と、を有し、 前記主面に臨んで前記第1の溝と第2の溝に3方を囲ま
れた領域に一導電型のソース領域を有し、 前記第1の溝と第2の溝の内部には絶縁膜によって前記
ドレイン領域と絶縁され、かつ前記ソース領域とは同電
位に保たれる固定電位絶縁領域を有し、 前記固定電位絶縁電極は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ような性質を有す
る導電性材料からなり、前記第1の溝の長手方向の両端部にそれぞれ配置され、
前記ソース領域には接しないで、かつ前記ドレイン領域
ならびに各前記絶縁膜に接する反対導電型のインジェク
タ領域を有し、 前記ソース領域に隣接する前記ドレイン領域の一部であ
って、前記固定電位絶縁電極に挟まれ、前記インジェク
タ領域の電位が前記ソース領域の電位と同電位に保たれ
ている状態では、前記空乏領域の形成するポテンシャル
障壁によって前記ソース領域と前記ドレイン領域間を電
気的に遮断状態とするチャネル領域を有する ことを特徴とする半導体装置。2. A semiconductor device comprising: a plurality of first conductive members arranged in parallel with each other and facing one main surface of a semiconductor substrate of one conductivity type serving as a drain region;
And grooves at substantially longitudinal central portion of the plurality of first grooves, each of said first
And a second groove disposed orthogonal to the groove of the first conductivity type. A source region of one conductivity type is formed in a region facing the main surface and surrounded by the first groove and the second groove on three sides. A fixed potential insulating region insulated from the drain region by an insulating film and kept at the same potential as the source region inside the first groove and the second groove; The potential insulating electrode is made of a conductive material having a property of forming a depletion region in the drain region adjacent via the insulating film, and is disposed at both ends in the longitudinal direction of the first groove, respectively.
A part of the drain region adjacent to the source region, the injector region having an opposite conductivity type injector region not in contact with the source region and in contact with the drain region and each of the insulating films; In a state where the potential of the injector region is kept at the same potential as the potential of the source region between the electrodes, the potential barrier formed by the depletion region electrically disconnects the source region and the drain region. A semiconductor device having a channel region described as follows.
って前記チャネル領域と前記ソース領域の界面から前記
溝の底部までの距離が、チャネル厚み、すなわち前記チ
ャネル領域において対面する前記第1の溝の側壁間の距
離の、2倍以上であることを特徴とする請求項1記載の
半導体装置。2. The channel length, ie, the distance from the interface between the channel region and the source region to the bottom of the groove along the side wall of the groove, is the channel thickness, ie, the first groove facing the channel region. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the distance between the side walls is twice or more.
から前記第1の溝に沿って前記チャネル厚み、もしくは
それ以下の位置までに存在することを特徴とする請求項
1又は2記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the source region extends from a side surface of the second groove to a position at or below the channel thickness along the first groove. Semiconductor device.
する一主面に対向する他主面に反対導電型のアノード領
域を有することを特徴とする請求項1,2又は3記載の
半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate has an anode region of an opposite conductivity type on another main surface opposite to the one main surface where the source region exists.
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JPH0883907A JPH0883907A (en) | 1996-03-26 |
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-
1994
- 1994-09-14 JP JP22060394A patent/JP3279092B2/en not_active Expired - Lifetime
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