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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイポーラ型の縦型パワー素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
本発明の背景となる従来技術として本出願人が出願した特開平6−252408号公開特許公報を引用する。図8並びに図9は前記公報から引用した半導体装置の構造図である。なお、図中番号および部位の名称などは説明のため適宜変更して記載する。図8は基本構造を説明する斜視図、図9は図8の側面と同じ断面図である。図9は図8に示した基本構造の2単位分を示している。
【0003】
上記の図中番号51はn型の基板領域、52はn型のドレイン領域、53はn型のソース領域、54はMOS型電極、55は絶縁膜である。MOS型電極54は高濃度のp型ポリシリコンよりなる。61はドレイン電極で、基板領域51とオーミックコンタクトしている。63はソース電極で、ソース領域53およびMOS型電極54とオーミックコンタクトしている。すなわち、MOS型電極54はソース電位に固定されている。よって、このMOS型電極54と絶縁膜55を合わせて「固定電位絶縁電極」56と呼ぶ。この固定電位絶縁電極の断面構造は例えば「U」の字のように側壁がほぼ垂直な溝の中に形成されている。さらに固定電位絶縁電極56の間に挟まれたドレイン領域52をチャネル領域57と呼ぶ。
【0004】
さらに、絶縁膜55に接してソース領域53とは離れたところに、p型のゲート領域58が存在する。図9中、68はこのゲート領域58とオーミックコンタクトする電極で「ゲート電極」と呼ぶ。なお、60は層間絶縁膜である。
また、図中の「破線」は図8との関係から分かるように紙面の奥行き方向にある固定電位絶縁電極56の存在を示したものである。
【0005】
この素子は、例えばソース電極63を接地(0Vに)し、ドレイン電極61は負荷を介してしかるべき正の電位を与えて使用する。ゲート電極68が接地され、もしくは負電位が印加されているとき、固定電位絶縁電極56の周囲にはMOS型電極54のビルトイン電位に伴う空乏層が形成されており、チャネル領域57にはこの空乏領域によって伝導電子に対する充分なポテンシャル障壁が形成されるため、素子は遮断状態となる。また、ゲート電極68に正電位を印加すると、p型のゲート領域58の電位は上昇し、絶縁膜55の界面に正孔が流れ込んで反転層が形成される。反転層はp型であるMOS型電極54からチャネル領域57への電気力線を遮蔽するので、前記空乏領域は縮小もしくは消滅してチャネルが開き、導通状態となる。さらに、ゲート電極68に印加する電位を高くすると、ゲート領域58と周辺のn型領域からなるpn接合が順バイアス状態となり、正孔は直接ドレイン領域52ならびにチャネル領域57へと注入される。これらn型領域は、耐圧もしくはチャネルの遮断性を保つために不純物濃度が低く作られているので、正孔が大量に注入されると伝導度が向上し、ソース領域53から放出された電子は高い伝導度で基板領域51へと移動する。すなわち、n型領域は高水準注入状態となり、ドレイン電流は低い抵抗で流れる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前記の素子を導通状態から遮断状態へとスイッチ動作させるためには、ゲート電極68の電位を正電位から負(もしくは接地)電位に転じることになるが、特にゲート電極68に印加される負電位の大きさは、ソース電極63を接地してゲート電極68に負電位を印加したときにゲート/ソース間でアバランシェ降伏が起こるゲート電位(以下、これを「ゲート/ソース間逆バイアス耐圧」と呼ぶ)に制限されるため、「ゲート/ソース間逆バイアス耐圧」はできるかぎり大きいほうがよい。
この従来の構造では、ゲート電極68とソース電極63の間に逆バイアスを印加した場合、ソース電極63に固定された固定電位絶縁電極56がゲート領域58と接する構造をしているため、固定電位絶縁電極56とゲート領域58が接している絶縁膜55近傍において電気力線が密になっており、逆バイアス電圧の大きさが小さくても絶縁膜55近傍における電界が臨界電界に達すると、そこでアバランシェ降伏が生じる。すなわち、この従来の構造では「ゲート/ソース間逆バイアス耐圧」の向上に限界があった。
【0007】
本発明は上記のような問題点に着目し、「ゲート/ソース間逆バイアス耐圧」の高い半導体装置を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては特許請求の範囲に記載するような構成をとる。すなわち、請求項1に記載の発明においては、ドレイン領域である一導電型(たとえばn型)の半導体基体の一主面に接して同一導電型(ここではn型)のソース領域を有し、前記主面に接して前記ソース領域を挟み込むように配置された第一の溝を有する。前記ソース領域を挟み込むためには一般に2つの溝が必要だが、コの字型の一個の溝で挟んでもよい。
【0009】
前記第一の溝の内部には第一の絶縁膜によって前記ドレイン領域と絶縁され、かつ、前記ソース領域と同電位に保たれた固定電位絶縁電極を有し、この前記固定電位絶縁電極は、前記第一の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仕事関数の導電性材料(たとえばp型ポリシリコン)から成る。そして、前記ソース領域に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よって挟み込まれたチャネル領域を有する。さらに、前記主面に臨んで、前記ソース領域には接しない、反対導電型(たとえばp型)のゲート領域を有する。さらに、前記ドレイン領域と前記ソース領域が遮断された状態において、前記第一の溝の端部における前記ドレイン領域からの電界の集中を緩和すべく、前記主面に臨んで、前記ゲート領域に接して、前記第一の溝ならびに前記ソース領域に接しない、第二の溝を有し、前記第二の溝の内部には、第二の絶縁膜によって前記ドレイン領域ならびに前記ゲート領域と電気的に絶縁された第一の電(フローティング構造の電極)を有する構成とする。なお、上記の構成は、例えば後記図1〜図4に対応する。
【0010】
このような構成による作用について説明する。前記ゲート領域と前記ソース領域の間が逆バイアス状態となり、かつアバランシエ降伏が起こる電圧近傍の電圧を印加すると、前記第一のフローティング電極の電位は、(1)前記第一のフローティング電極と前記ゲート領域との間の静電容量および(2)前記第一のフローティング電極と前記固定電位絶縁電極との間の静電容量および(3)前記第一のフローティング電極と前記ドレイン領域に接した前記第二の絶縁膜界面との間の静電容量と、(4)前記ドレイン領域に接した前記第二の絶縁膜界面の電位および(5)前記ソース領域の電位および(6)前記ゲート領域の電位の関係から自ずと決まり、前記第一のフローティング電極は前記ゲート領域の電位と前記ソース領域の電位の間の電位となる。すると、前記ゲート領域と前記ソース領域の間において電気力線が密になる部分は、(a)前記ゲート領域と接する前記第一のフローティング電極の前記第二の絶縁膜と、(b)前記第一のフローティング電極と前記固定電位絶縁電極が対面する第二の絶縁膜と(c)第一の絶縁膜と(d)それに挟まれた前記ドレイン領域である。すなわち、前記ゲート領域と前記ソース領域間の電気力線が密になる部分が複数となるため、前記ゲート領域と前記ソース領域の間の耐圧が向上する。
さらに、ターンオフ時には前記第一のフローティング電極の前記第二の絶縁膜界面に強い反転層ができ少数キャリアの移動度が向上するため、スイッチング速度が向上する。
【0011】
また、請求項2に記載の発明においては、請求項1の構成において、前記遮断状態において、前記第一の溝の端部並びに前記第二の溝の端部に前記ドレイン領域からの電界の集中を緩和すべく、前記主面に臨んで、前記第一の溝ならび前記第二の溝ならびに前記ソース領域ならびに前記ゲート領域に接しない、第三の溝を有し、前記第三の溝の内部には、第三の絶縁膜によって前記ドレイン領域と絶縁された第二の電(フローティング構造の電極)を有する構成とする。なお、この構成は、例えば後記図5に対応する。
【0012】
このような構成による作用について説明する。前記ゲート領域と前記ソース領域の間が逆バイアス状態となり、かつアバランシェ降伏が起こる電圧近傍の電圧を印加すると、前記第一のフローティング電極の電位並びに前記第二のフローティング電極の電位は、(7)前記第一のフローティング電極と前記ゲート領域との間の静電容量および(8)前記第一のフローティング電極と前記第二のフローティング電極との間の静電容量および(9)前記第二のフローティング電極と前記固定電位絶縁電極との間の静電容量および(10)前記第一のフローティング電極と前記ドレイン領域に接した前記第二の絶縁膜界面との間の静電容量および(11)前記第二のフローティング電極と前記ドレイン領域に接した前記第三の絶縁膜界面との間の静電容量の関係と、(12)前記ドレイン領域に接した前記第二の絶縁膜界面の電位および(13)前記ドレイン領域に接した前記第三の絶縁膜界面の電位および(14)前記ソース領域の電位および(15)前記ゲート領域の電位の関係から自ずと決まる電位となり、本構成では前記第一のフローティング電極の電位が、前記ゲート領域の電位と前記第二のフローティング電極の電位の間の電位となり、前記第二のフローティング電極の電位が前記第一のフローティング電極の電位と前記ソース領域の電位の間の電位となる。すると、前記ソース領域と前記ゲート領域の間において、電気力線が密になる部分が(e)前記ゲート領域と接する前記第一のフローティング電極の前記第二の絶縁膜と、(f)前記第一のフローティング電極と前記固定電位絶縁電極が対面する第二の絶縁膜と(g)第一の絶縁膜と(h)それに挟まれた前記ドレイン領域と、(i)前記第二のフローティング電極と前記第一のフローティング電極が対面する第三の絶縁膜と(j)第二の絶縁膜と(k)それに挟まれた前記ドレイン領域と、(l)前記第二のフローティング電極と前記固定電位絶縁電極が対面する第二の絶縁膜と(m)第一の絶縁膜と(n)それに挟まれた前記ドレイン領域となり、電気力線が密となる部分がさらに増えるため、前記ゲート領域と前記ソース領域の間の耐圧がさらに向上する。
【0013】
また、請求項3に記載の発明においては、請求項2のように第一の電極と第二の電極という二つのフローティング構造の電極を有する構成において、第一の電極が前記ゲート領域と接続されている構成とする。なお、この構成は、例えば後記図6に対応する。
【0014】
このような構成による作用について説明する。第一の電極の電位はゲート領域の電位と同電位となり、前記第一の電極と前記第二の電極が対面している形状と、前記第二の電極と前記固定電位絶縁電極が対面している形状とが等しいため、前記第一の電極と前記第二の電極との間の静電容量と前記第二の電極と前記固定電位絶縁電極との間の静電容量が等しい。すなわち、前記第二の電極と前記第一の電極が対面する領域の電気力線の分布と、前記第一の電極と前記固定電位絶縁電極が対面する領域の電気力線の分布が等しくなり、耐圧が向上する。
【0015】
また、請求項4に記載の発明においては、請求項1乃至請求項4の構成において、請求項1における前記第一の溝および前記第二の溝、または請求項2または請求項3における前記第一の溝および前記第二の溝および前記第三の溝のうち、前記主面方向から見て溝の縦長方向で隣り合った溝同士が溝の縦長方向で一直線上に並ばないように配置された構造、すなわち、近傍にある二つの溝の端部同士が対面しておらず、それぞれ、前記ドレイン領域と対面するように配置された構成とする。なお、この構成は、例えば後記図7に対応する。
【0016】
このような構成による作用について説明する。この構造では、前記固定電位絶縁電極と前記第一のフローティング電極と前記第二のフローティング電極のうち近傍にある2つの電極の対面する面積が大きくなるので、該電極間の容量が大きくなり、第一のフローティング電極の電位がドレイン電位に影響されず、より安定になる。
【0017】
【発明の効果】
請求項1の構成では、「ゲート/ソース間逆バイアス耐圧」が向上する。さらにターンオフ速度が向上する。
請求項2の構成では、「ゲート/ソース間逆バイアス耐圧」が請求項1よりもさらに向上する。
請求項3の構成では、「ゲート/ソース間逆バイアス耐圧」が請求項2よりもさらに向上する。
請求項4の構成では、前記第一のフローティング電極並びに前記第二のフローティング電極の電位が前記ドレイン領域の電位に影響されにくくなり、信頼性が向上する。
【0018】
【発明の実施の形態】
(第一の実施の形態)
図1〜図4は、本発明の第一の実施の形態を示す図である。これは前記請求項1に対応する。図1は素子の基本構造を説明する斜視図、図2は図1の前面と同じ部分を示す断面図、図3は図1の表面と同じ部分を示す表面図、図4は図1の側面と同じ断面図である。図3の表面図中の線分A−Aに沿って紙面に垂直に切った断面図が図2であり、同じく線分B−Bに沿って切った断面図が図4である。なお、図3と図4は、ともに図1に示した基本構造の2単位分を示している。また、上記図1と図3においては、説明のため表面の電極である金属膜(ソース電極13とゲート電極18)ならびに表面保護膜(層間絶縁膜60)を除去した様子を描いている。なお、この実施の形態では半導体をシリコンとして説明する。
【0019】
初めに素子構造を説明する。まず図1〜図4中において、番号1はn型の基板領域、2はn型のドレイン領域、3はn型のソース領域、4は第一のMOS型電極、5は第一の絶縁膜である。第一のMOS型電極4は高濃度のp型ポリシリコンよりなる。11はドレイン電極で、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、ソース領域3および第一のMOS型電極4とオーミックコンタクトしている。すなわち、第一のMOS型電極4はソース電位に固定されている。よって、この第一のMOS型電極4と第一の絶縁膜5を合わせて「固定電位絶縁電極」6と呼ぶことにする。この固定電位絶縁電極6の断面構造は図2に示すように例えば「U」の字のように側壁がほぼ垂直な溝の中に形成されている。また図中、ソース領域3は第一の絶縁膜5に接しているように描いているが、ソース領域3が固定電位絶縁電極6に挟み込まれるように配置されていれば接していなくてもよい。さらに図2において固定電位絶縁電極6の間に挟まれたドレイン領域2をチャネル領域7と呼ぶ。ここまでは前記の従来例と同等の構成である。
【0020】
さらに本発明では、図1ならびに図4に示すように、ソース領域3から離れたところに、p型のゲート領域8が存在する。図4中、18はこのゲート領域8とオーミックコンタクトする電極で「ゲート電極」と呼ぶ。そして、図1ならびに図3に示すように、ゲート領域8と接してソース領域3並びに固定電位絶縁電極6とは接しないような第二のMOS型電極14と、それをドレイン領域2と絶縁するための第二の絶縁膜15とによって形成された第一のフローティング電極16を有する。この第一のフローティング電極16は層間絶縁膜10によって表面も絶縁されている。
【0021】
また、第一のフローティング電極16の断面構造は固定電位絶縁電極6と同様に、「U」の字のように側壁がほぼ垂直な溝の中に形成されている。第二のMOS型電極14は第一のMOS型電極4と同じ導電性材料、すなわち例えば高濃度のp型ポリシリコンでもよい。また、第二の絶縁膜15も第一の絶縁膜5と同じものでもよい。また、図4中の「破線」は図1との関係から分かるように、紙面の奥行き方向にある固定電位絶縁電極6および第一のフローティング電極16の存在を示したものである。また、図1並びに図4には、固定電位絶縁電極6並びに第一のフローティング電極16の端部が直角になるように描かれているが、端部の形状は多角形状でも曲面形状でも構わない。
【0022】
上記第一のフローティング電極16の電位はその周辺の電位分布並びにその周辺との静電容量の大きさによって決まる。すなわち、例えばゲート領域8に接した第二の絶縁膜15界面の電位をV1、固定電位絶縁電極6の電位をV2、ドレイン領域2に接してかつドレイン電極11に対面している第二の絶縁膜15界面の電位をV3、第一のフローティング電極16とゲート領域8に接した第二の絶縁膜15界面との間の静電容量をC1、第一のフローティング電極16と固定電位絶縁電極6との間の静電容量をC2、ドレイン電界が影響を及ぼす第一のフローティング電極16とドレイン領域2に接した第二の絶縁膜15界面との間の静電容量をC3とすると、第一のフローティング電極16の電位をVは、
C1×(V−V1)+C2×(V−V2)+C3×(V−V3)=0…(数1)
の関係式を満たすべき電位となる。
【0023】
次に、動作を説明する。
この素子は、例えばソース電極13は接地(0V)され、ドレイン電極11は負荷を介してしかるべき正の電位を印加して使用する。まず、ゲート電極18が負の電位を印加されているとき、素子は遮断状態にある。以下、図2を使って説明すると、固定電位絶縁電極6の周囲には第一のMOS型電極4のビルトイン電位に伴う空乏層が形成されているが、チャネル領域7内で対向する2つの固定電位絶縁電極6間の距離(以下、これを「チャネル厚みH」と呼ぶことにする)が充分狭ければ、チャネル領域7にはこの空乏領域によって伝導電子に対する充分なポテンシャル障壁が形成される。例えば第一の絶縁膜5の厚さを100nm以下、チャネル領域7の不純物濃度を1×1014cm ̄以下、前記「チャネル厚みH」を2μm以下に設定すれば、ソース領域3の伝導電子がチャネル領域7を通ってドレイン領域2側へ移動することを阻む充分なポテンシャル障壁を形成することができる。また、ドレイン領域2からの電界の影響によってポテンシャル障壁が低下することのないように、ソース領域3から固定電位絶縁電極6の底部までの距離(以下、これを「チャネル長L」と呼ぶことにする)は、チャネル厚みHの2〜3倍以上に設定されている。
【0024】
本実施の形態ではさらに、ゲート電極18とソース電極13の間に逆バイアスを印加したときにゲート/ソース間でアバランシェ降伏が起こる電圧(これを、「ゲート/ソース間逆バイアス耐圧」とよぶ)を従来の構造に比べて向上させるために、ゲート電極18とソース電極13の間に「ゲート/ソース間逆バイアス耐圧」に近い大きさの電圧が印加された条件において、ドレイン電位の大きさにかかわらず、少なくとも第一のフローティング電極16の電位がゲート電位とソース電位の間の電位となるように設定する。すなわち、ソース電極13が接地された条件では、第一のフローティング電極16の電位が正電位にならないように、ドレイン電界が影響を及ぼす、第一のフローティング電極16とドレイン領域2に接した第二の絶縁膜15界面との間の静電容量C3を設定する。
【0025】
ところで、本実施の形態においてはドレイン領域2が高抵抗に作られており、遮断状態においてはドレイン領域2に広がる空乏層に電位分布が生じるため、ドレイン領域2に接し、かつドレイン電極11に対面している第二の絶縁膜15界面の電位V3はドレイン電極11に印加された電位に比べ小さい。例えば、第二の絶縁膜15が酸化膜で形成されているとし、その誘電率をεOX、第二の絶縁膜15に広がる電界をEOX、第一のフローティング電極16界面のドレイン領域2の誘電率をεSI、第一のフローティング電極16界面のドレイン領域2に広がる電界をESIとすると、電束連続の式から下記(数2)式が成り立つ。
【0026】
εOX×EOX=εSI×ESI …(数2)
例えばドレイン領域2の不純物濃度を1×1014cm ̄とし、ゲート領域8並びにソース領域3を接地し、ドレイン電極11に所定の電圧を印加して、ドレイン領域2とゲート領域8の接合面でアバランシェ降伏が起こる場合、そのアバランシェ降伏が生じる部分の電界強度はおよそ2.4×10V/cmとなる。このとき、例えば第一のフローティング電極16の深さが前記アバランシェ降伏が生じた部分と同等の深さとした場合、上記(数2)式の第一のフローティング電極16界面のドレイン領域2に広がる電界ESIはおよそアバランシェ電界2.4×10V/cmと等しくなることから、第二の絶縁膜15に広がる電界EOXは、およそ、7.4×10V/cmと算出できる。さらに、前記第二の絶縁膜15の厚さが例えば1000Åであり、第二のMOS型電極14の電位が0Vであるとすると、第一のフローティング電極16界面のドレイン領域2の電位は高々7.4V程度となる。
【0027】
このことから、例えばゲート領域8に接した第二の絶縁膜15界面の電位V1を約−5V、接地された固定電位絶縁電極6の電位V2を約0V、ドレイン領域に接してかつドレイン電極11に対面した第二の絶縁膜15界面の電位V3を約8Vとすると、前記(数1)式から
(C1+C2+C3)×V=8×C3−5×C1
となる。すなわち、ゲート領域8に接した第二の絶縁膜15界面の電位V1を約−5Vとした場合においては、静電容量C1は少なくとも静電容量C3の1.6倍以上あれば第一のフローティング電極16の電位は負電位となり、ゲート電位とソース電位の間の電位となる。すなわち、固定電位絶縁電極6が接地されている条件では、
C1>(C3×V3)/V1
を満たすC1とC3となるよう設計すればよい。
【0028】
第一のフローティング電極16の構造を最適設計することによって、各領域との静電容量の比を変えるのは容易である。例えば、第一のフローティング電極16の第二の絶縁膜15が側壁並びに底面において膜厚が均一であれば、第一のフローティング電極16とゲート領域8に接した第二の絶縁膜15界面との間の静電容量C1と、ドレイン電界が影響を及ぼす第一のフローティング電極16とドレイン領域2に接した第二の絶縁膜15界面との間の静電容量C3との大きさの比は、ドレイン領域2に接した第一のフローティング電極16の底面の面積と、ゲート領域8に接している第一のフローティング電極16の表面積の大きさとの比とほぼ同等となる。上記のように、ゲート/ソース間に逆バイアス電圧が印加された条件において、第一のフローティング電極16の電位がゲート電位とソース電位の間の電位となる条件では、ゲート領域8とソース領域3の間の電気力線は、ゲート領域8と第一のフローティング電極16間の電位差に起因する電気力線と、第一のフローティング電極16とソース領域に接続された固定電位絶縁電極6の電位差に起因する電気力線とに大きく分けられる。前者については、ゲート領域8と第一のフローティング電極16が接している第二の絶縁膜15の電気力線が密になる。後者については、第一のフローティング電極16と固定電位絶縁電極6が対面する領域のうち、第二の絶縁膜15と第一の絶縁膜5とそれら2つの絶縁膜に挟まれたドレイン領域2の電気力線が密になる。このように、本実施の形態では、ゲート/ソース間に逆バイアスを印加しても、電気力線が密になる部分が一部分に集中せずに複数存在する。すなわち、電気力線の密になる領域のうちどの部分かが臨界電界に達するまでゲート/ソース間に逆バイアス電圧を印加することができるため、「ゲート/ソース間逆バイアス耐圧」の高い素子が得られる。
【0029】
次に導通状態であるが、ゲート電極18の電位すなわちp型ゲート領域8の電位として、たとえば+0.5Vの正電位を印加すると、正孔は上記とは逆にp型ゲート領域8から、第一の絶縁膜5の界面へと流れ込んで反転層を形成し、ポテンシャル障壁を作っている第一のMOS型電極4からチャネル領域7への電気力線を遮蔽し、チャネル領域7中の伝導電子に対するポテンシャル障壁を低下させる。このとき、第一のフローティング電極16は必ず正電位となっているため、第二の絶縁膜15界面のポテンシャル障壁は消失しており、従来の構造における動作と何ら変わりはない。すなわち、ドレイン領域2とソース領域3は導通状態となる。さらに、ゲート電極18の電位を上げていくと、p型ゲート領域8と周辺のn型領域からなるpn接合が順バイアスされ、正孔は直接ドレイン領域2ならびにチャネル領域7へと注入される。すると、素子耐圧を保つために不純物濃度を薄く、高抵抗に作られていたこれらn型の領域は伝導度が高められ、電流は低い抵抗で流れるようになる。
【0030】
次に、ターンオフについて説明する。導通状態にある素子をターンオフさせるために、ゲート電極18に負電位を印加すると、ドレイン領域2やチャネル領域7にあった過剰な正孔はp型ゲート領域8へと流れ込み始める。やがてチャネル領域7内の過剰な正孔はなくなり、電子に対するポテンシャル障壁が復活する。このとき、遮断状態と同様に第一のフローティング電極16の電位Vは、負電位となる。すなわち、第一のフローティング電極16の第二の絶縁膜15界面に強い反転層ができて少数キャリアの移動度が向上するため、スイッチング速度は向上する。
【0031】
(第二の実施の形態)
図5は第二の実施の形態を示す図である。これは前記図3に対応する素子の表面図であり、図中番号の同じものは同じ要素を示す。図5に示すように、固定電位絶縁電極6と第一のフローティング電極16の間に第二のフローティング電極26が存在する。この第二のフローティング電極26は第三のMOS型電極24と第三の絶縁膜25からなり、前記固定電位絶縁電極6や第一のフローティング電極16と基本的に同様の構造を有しているが、図5では表面形状がT字型をした場合を例示している。
【0032】
ゲート領域8とソース領域3の間が逆バイアス状態となるように、ソース電極13は接地とし、ゲート電極18に負電位を印加すると、第一のフローティング電極16の電位並びに前記第二のフローティング電極26の電位は、ゲート領域8に接した第二の絶縁膜15界面の電位と、固定電位絶縁電極6の電位と、ドレイン領域2に接した第二の絶縁膜15界面の電位と、ドレイン領域2に接した第三の絶縁膜25界面の電位と、第一のフローティング電極16とゲート領域8との間の静電容量と、第一のフローティング電極16と第二のフローティング電極26との間の静電容量と、第二のフローティング電極26と固定電位絶縁電極6との間の静電容量と、ドレイン領域2に接してかつドレイン電極11と対面している第二の絶縁膜15の静電容量と、ドレイン電極11と対面している第三の絶縁膜25の静電容量と、の関係から自ずと決まる電位となる。そして、第一のフローティング電極と第二のフローティング電極のそれぞれの電位が、
ソース電位<第二のフローティング電極26の電位<第一のフローティング電極16の電位<ゲート電位の関係を満たすように、少なくとも第一のフローティング電極16とゲート領域8の間の静電容量がドレイン領域2に接してかつドレイン電極11と対面している第二の絶縁膜15の静電容量より大きく、かつ、第二のフローティング電極26と第一のフローティング電極16との間の静電容量が、ドレイン電極11と対面している第三の絶縁膜25の静電容量よりも大きい構造をしている。
【0033】
このことによって、ゲート領域8とソース領域3間の電気力線が密になる部分は、ゲート領域8と接する第一のフローティング電極16の第二の絶縁膜15と、第二のフローティング電極26と第一のフローティング電極16が対面する第三の絶縁膜25と第二の絶縁膜15とそれに挟まれたドレイン領域2と、第一のフローティング電極16と固定電位絶縁電極6が対面する第二の絶縁膜15と第一の絶縁膜5とそれに挟まれたドレイン領域2となる。すなわち、前記第一の実施の形態よりも、ゲート領域8とソース領域3間の電気力線が密になる箇所がさらに増えるため、「ゲート/ソース間逆バイアス耐圧」はさらに向上する。
【0034】
ところで、図5においては、第二のフローティング電極26の形状がT字の形をしているが、こうすることによって第一のフローティング電極と第二のフローティング電極の間の静電容量を大きくする効果がある。
【0035】
次に、図6は第三の実施の形態を示す図である。これは前記図5に対応する素子の表面図であり、図中番号の同じものは同じ要素を示す。図6においては、第一のフローティング電極16がゲート電極18(図6では表示せず、ゲート領域8の上に存在)に接続されており、第一のフローティング電極16の電位はゲート電位と同電位になる。
【0036】
このような構造にすると、第二の実施の形態と同様に、ゲート領域8とソース領域3の間が逆バイアス状態となるようにソース電極13は接地とし、ゲート電極18に負電位を印加すると、ゲート/ソース間の電気力線が密になる部分は、第二のフローティング電極26と第一のフローティング電極16が対面する第三の絶縁膜25と第二の絶縁膜15とそれに挟まれたドレイン領域2と、第一のフローティング電極16と固定電位絶縁電極6が対面する第二の絶縁膜15と第一の絶縁膜5とそれに挟まれたドレイン領域2となる。このとき、第二のフローティング電極26と第一のフローティング電極16が対面する領域並びに、第一のフローティング電極16と固定電位絶縁電極6が対面する領域の形状が同じ場合、それぞれの静電容量が等しくなる。すなわち、第二のフローティング電極26と第一のフローティング電極16が対面する領域の電界分布と、第一のフローティング電極16と固定電位絶縁電極6が対面する領域の電界分布はほとんど等しいため、「ゲート/ソース間逆バイアス耐圧」はさらに向上する。
【0037】
次に、図7は第四の実施の形態を示す図である。これは、前記図6に対応する素子の表面図であり、図中番号の同じものは同じ要素を示す。この第四の実施の形態では、第一の実施の形態に対して、第一のフローティング電極16が固定電位絶縁電極6と同一直線上に配置されておらず、チャネル領域7と対面している構造である。
【0038】
このような構造にすると、第一のフローティング電極16と固定電位絶縁電極6の対面する面積を最大で√2倍に増やすことができるため、第一のフローティング電極16と固定電位絶縁電極6との間の静電容量を最大で√2倍に大きくすることができる。このことによって、第一のフローティング電極の電位がドレイン電位に影響されず、より安定になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施の形態の斜視図。
【図2】本発明の第一の実施の形態の断面図。
【図3】本発明の第一の実施の形態における表面構造を示す断面図。
【図4】本発明の第一の実施の形態の他の角度から見た断面図。
【図5】本発明の第二の実施の形態の表面図。
【図6】本発明の第三の実施の形態の表面図。
【図7】本発明の第四の実施の形態の表面図。
【図8】本発明の従来例の斜視図。
【図9】本発明の従来例の断面図。
【符号の説明】
1…基板領域 2…ドレイン領域
3…ソース領域 4…第一のMOS型電極
5…第一の絶縁膜 6…固定電位絶縁電極
7…チャネル領域 8…ゲート領域
10…層間絶縁膜 11…ドレイン電極
13…ソース電極 14…第二のMOS型電極
15…第二の絶縁膜 16…第一のフローティング電極
18…ゲート電極 24…第三のMOS型電極
25…第三の絶縁膜 26…第二のフローティング電極
51…n型の基板領域 52…n型のドレイン領域
53…n型のソース領域 54…MOS型電極
55…絶縁膜 56…固定電位絶縁電極
57…チャネル領域 58…p型ゲート領域
60…層間絶縁膜 61…ドレイン電極
63…ソース電極 68…ゲート電極
H…チャネル厚み L…チャネル長
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a bipolar vertical power element.
[0002]
[Prior art]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-252408 filed by the present applicant is cited as a prior art as the background of the present invention. 8 and 9 are structural diagrams of the semiconductor device cited from the above publication. It should be noted that the numbers and the names of parts in the drawings are appropriately changed and described for explanation. FIG. 8 is a perspective view illustrating the basic structure, and FIG. 9 is a sectional view of the same side as FIG. FIG. 9 shows two units of the basic structure shown in FIG.
[0003]
The number 51 in the above figure is n + Substrate region, 52 is an n-type drain region, 53 is n-type + A source region, 54 is a MOS electrode, and 55 is an insulating film. The MOS type electrode 54 has a high concentration of p + Molded polysilicon. Reference numeral 61 denotes a drain electrode, which is in ohmic contact with the substrate region 51. A source electrode 63 is in ohmic contact with the source region 53 and the MOS electrode 54. That is, the MOS electrode 54 is fixed at the source potential. Therefore, the MOS electrode 54 and the insulating film 55 are collectively referred to as a “fixed potential insulating electrode” 56. The cross-sectional structure of the fixed potential insulating electrode has a side wall formed in a substantially vertical groove like a letter "U", for example. Further, the drain region 52 sandwiched between the fixed potential insulating electrodes 56 is called a channel region 57.
[0004]
Further, a p-type gate region 58 exists in contact with the insulating film 55 and away from the source region 53. In FIG. 9, reference numeral 68 denotes an electrode in ohmic contact with the gate region 58, which is called a "gate electrode". Reference numeral 60 denotes an interlayer insulating film.
The "dashed line" in the figure indicates the presence of the fixed potential insulating electrode 56 in the depth direction of the paper as can be seen from the relationship with FIG.
[0005]
In this element, for example, the source electrode 63 is grounded (to 0 V), and the drain electrode 61 is used by giving an appropriate positive potential via a load. When the gate electrode 68 is grounded or a negative potential is applied, a depletion layer associated with the built-in potential of the MOS electrode 54 is formed around the fixed potential insulating electrode 56, and the depletion layer is formed in the channel region 57. Since the region forms a sufficient potential barrier for conduction electrons, the device is in a cutoff state. When a positive potential is applied to the gate electrode 68, the potential of the p-type gate region 58 rises, holes flow into the interface of the insulating film 55, and an inversion layer is formed. The inversion layer is p + Since the lines of electric force from the MOS-type electrode 54 to the channel region 57 are shielded, the depletion region shrinks or disappears, the channel is opened, and the channel is opened. Further, when the potential applied to the gate electrode 68 is increased, the pn junction composed of the gate region 58 and the surrounding n-type region is in a forward bias state, and holes are directly injected into the drain region 52 and the channel region 57. Since these n-type regions are formed with a low impurity concentration in order to maintain the breakdown voltage or the blocking property of the channel, the conductivity is improved when a large amount of holes are injected, and the electrons emitted from the source region 53 It moves to the substrate region 51 with high conductivity. That is, the n-type region is in a high level injection state, and the drain current flows with a low resistance.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In order to switch the device from the conductive state to the cutoff state, the potential of the gate electrode 68 is changed from a positive potential to a negative (or ground) potential. In particular, the negative potential applied to the gate electrode 68 Is the gate potential at which avalanche breakdown occurs between the gate and the source when the source electrode 63 is grounded and a negative potential is applied to the gate electrode 68 (hereinafter, this is referred to as “gate / source reverse bias withstand voltage”). ), The “gate / source reverse bias withstand voltage” should be as large as possible.
In this conventional structure, when a reverse bias is applied between the gate electrode 68 and the source electrode 63, the fixed potential insulating electrode 56 fixed to the source electrode 63 is in contact with the gate region 58. The lines of electric force are dense near the insulating film 55 where the insulating electrode 56 and the gate region 58 are in contact, and when the electric field near the insulating film 55 reaches a critical electric field even if the magnitude of the reverse bias voltage is small, Avalanche surrender occurs. That is, in this conventional structure, there is a limit in improving the "gate / source reverse bias withstand voltage".
[0007]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high "gate / source reverse bias withstand voltage" by focusing on the above problems.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention has a configuration as described in the claims. That is, according to the first aspect of the present invention, the semiconductor device has a source region of the same conductivity type (here, n type) in contact with one main surface of a semiconductor substrate of one conductivity type (for example, n type) which is a drain region, A first groove disposed in contact with the main surface and sandwiching the source region; Generally, two grooves are required to sandwich the source region, but they may be sandwiched by a single U-shaped groove.
[0009]
Inside the first groove, there is a fixed potential insulating electrode that is insulated from the drain region by a first insulating film and that is kept at the same potential as the source region. It is made of a conductive material (for example, p-type polysilicon) having a work function such that a depletion region is formed in the drain region adjacent via the first insulating film. And a channel region that is part of the drain region that is in contact with the source region and that is sandwiched between the fixed potential insulating electrodes. Furthermore, the semiconductor device has a gate region of the opposite conductivity type (for example, p-type) facing the main surface and not in contact with the source region. Further, in a state where the drain region and the source region are cut off, in order to reduce concentration of an electric field from the drain region at the end of the first groove, the drain region and the source region are in contact with the gate region facing the main surface. A second groove not in contact with the first groove and the source region, and inside the second groove, the drain region and the gate region are formed by a second insulating film. Electrically Insulated first No electricity very (Floating structure electrode) It has composition which has. Note that the above configuration corresponds to, for example, FIGS.
[0010]
The operation of such a configuration will be described. When a voltage near the voltage at which avalanche breakdown occurs is applied between the gate region and the source region in a reverse bias state, the potential of the first floating electrode becomes (1) the potential of the first floating electrode and the gate. And (2) the capacitance between the first floating electrode and the fixed potential insulating electrode, and (3) the capacitance between the first floating electrode and the drain region. (4) the potential of the second insulating film interface in contact with the drain region, (5) the potential of the source region, and (6) the potential of the gate region. The first floating electrode has a potential between the potential of the gate region and the potential of the source region. Then, portions where the lines of electric force become dense between the gate region and the source region are: (a) the second insulating film of the first floating electrode in contact with the gate region; and (b) the second insulating film. One floating electrode, a second insulating film facing the fixed potential insulating electrode, (c) a first insulating film, and (d) the drain region sandwiched therebetween. That is, since there are a plurality of portions where the lines of electric force are dense between the gate region and the source region, the breakdown voltage between the gate region and the source region is improved.
Further, at the time of turn-off, a strong inversion layer is formed at the interface of the first floating electrode with the second insulating film, and the mobility of minority carriers is improved, so that the switching speed is improved.
[0011]
According to the second aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect, in the cutoff state, concentration of an electric field from the drain region at an end of the first groove and an end of the second groove. A third groove facing the main surface and not in contact with the first groove and the second groove and the source region and the gate region; A second insulating film insulated from the drain region by a third insulating film. No electricity very (Floating structure electrode) It has composition which has. This configuration corresponds to, for example, FIG. 5 described later.
[0012]
The operation of such a configuration will be described. When a reverse bias state is applied between the gate region and the source region and a voltage near a voltage at which avalanche breakdown occurs is applied, the potential of the first floating electrode and the potential of the second floating electrode become (7) (8) capacitance between the first floating electrode and the second floating electrode and (9) capacitance between the first floating electrode and the gate region and (9) capacitance between the first floating electrode and the second floating electrode. (10) the capacitance between the electrode and the fixed potential insulating electrode, and (10) the capacitance between the first floating electrode and the interface of the second insulating film in contact with the drain region. (12) the capacitance relationship between the second floating electrode and the interface of the third insulating film in contact with the drain region; (13) the potential of the third insulating film interface in contact with the drain region, (14) the potential of the source region, and (15) the potential of the gate region. In this configuration, the potential of the first floating electrode is a potential between the potential of the gate region and the potential of the second floating electrode, and the potential of the second floating electrode is the first potential. Of the floating electrode and the potential of the source region. Then, between the source region and the gate region, a portion where the lines of electric force are dense is (e) the second insulating film of the first floating electrode in contact with the gate region, and (f) the second insulating film. One floating electrode, a second insulating film facing the fixed potential insulating electrode, (g) a first insulating film, (h) the drain region interposed therebetween, and (i) the second floating electrode. A third insulating film facing the first floating electrode, (j) a second insulating film, (k) the drain region sandwiched between the third insulating film, and (l) the second floating electrode and the fixed potential insulation. The second insulating film facing the electrode, (m) the first insulating film, and (n) the drain region sandwiched therebetween, and the portion where electric lines of force are denser further increases, so that the gate region and the source Resistance between areas There is further improved.
[0013]
According to the third aspect of the present invention, Has two floating structure electrodes, a first electrode and a second electrode In the configuration, First electrode Is connected to the gate region. This configuration corresponds to, for example, FIG. 6 described later.
[0014]
The operation of such a configuration will be described. first No electricity The potential of the pole becomes the same as the potential of the gate region, No electricity Pole and said second No electricity The shape of the poles facing each other and the second No electricity Since the pole and the shape of the fixed potential insulating electrode facing each other are equal, the first No electricity Pole and said second No electricity The capacitance between the pole and the second No electricity The capacitance between the pole and the fixed potential insulating electrode is equal. That is, the second No electricity Poles and said first No electricity Distribution of electric lines of force in the region where the pole faces, No electricity The distribution of lines of electric force in the region where the pole and the fixed potential insulating electrode face each other is equalized, and the withstand voltage is improved.
[0015]
Also, in the invention according to claim 4, in the configuration of claims 1 to 4, Of the first groove and the second groove in claim 1, or the first groove, the second groove, and the third groove in claim 2 or claim 3, from the main surface direction. A structure in which grooves adjacent to each other in the longitudinal direction of the groove are arranged so that they are not aligned on the straight line in the longitudinal direction of the groove That is, the configuration is such that the ends of the two adjacent grooves do not face each other, but are arranged so as to face the drain region, respectively. This configuration corresponds to, for example, FIG. 7 described later.
[0016]
The operation of such a configuration will be described. In this structure, the facing area of the two electrodes in the vicinity of the fixed potential insulating electrode, the first floating electrode, and the second floating electrode increases, so that the capacitance between the electrodes increases. The potential of one floating electrode is not affected by the drain potential and becomes more stable.
[0017]
【The invention's effect】
According to the configuration of the first aspect, the “gate / source reverse bias withstand voltage” is improved. Further, the turn-off speed is improved.
In the configuration of claim 2, the "gate / source reverse bias withstand voltage" is further improved as compared with claim 1.
According to the configuration of the third aspect, the “gate / source reverse bias withstand voltage” is further improved as compared with the second aspect.
According to the configuration of the fourth aspect, the potentials of the first floating electrode and the second floating electrode are less likely to be affected by the potential of the drain region, and the reliability is improved.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First embodiment)
1 to 4 are views showing a first embodiment of the present invention. This corresponds to claim 1. 1 is a perspective view illustrating the basic structure of the device, FIG. 2 is a cross-sectional view showing the same portion as the front surface of FIG. 1, FIG. 3 is a surface view showing the same portion as the front surface of FIG. 1, and FIG. It is the same sectional view as. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a line AA in the front view of FIG. 3 and perpendicular to the paper surface, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along a line BB in the same manner. 3 and 4 both show two units of the basic structure shown in FIG. FIGS. 1 and 3 show a state in which the metal film (the source electrode 13 and the gate electrode 18) and the surface protection film (the interlayer insulating film 60), which are the electrodes on the surface, are removed for explanation. In this embodiment, a semiconductor is described as silicon.
[0019]
First, the element structure will be described. First, in FIG. 1 to FIG. + Substrate area of the mold, 2 is n Type drain region, 3 is n + The source region 4 is a first MOS type electrode, and the first insulating film 5 is. The first MOS type electrode 4 has a high concentration of p + Molded polysilicon. Reference numeral 11 denotes a drain electrode, which is in ohmic contact with the substrate region 1. Reference numeral 13 denotes a source electrode, which is in ohmic contact with the source region 3 and the first MOS type electrode 4. That is, the first MOS electrode 4 is fixed at the source potential. Therefore, the first MOS type electrode 4 and the first insulating film 5 are collectively referred to as “fixed potential insulating electrode” 6. As shown in FIG. 2, the cross-sectional structure of the fixed potential insulating electrode 6 is such that, for example, a side wall is formed in a substantially vertical groove like a letter "U". Although the source region 3 is drawn in contact with the first insulating film 5 in the drawing, the source region 3 may not be in contact if the source region 3 is arranged so as to be sandwiched between the fixed potential insulating electrodes 6. . Further, in FIG. 2, the drain region 2 sandwiched between the fixed potential insulating electrodes 6 is called a channel region 7. The configuration up to here is the same as that of the above-described conventional example.
[0020]
Further, in the present invention, as shown in FIGS. 1 and 4, a p-type gate region 8 exists at a position away from the source region 3. In FIG. 4, reference numeral 18 denotes an electrode in ohmic contact with the gate region 8 and is called a “gate electrode”. Then, as shown in FIGS. 1 and 3, a second MOS-type electrode 14 which is in contact with the gate region 8 but not with the source region 3 and the fixed potential insulating electrode 6 is insulated from the drain region 2. The first floating electrode 16 formed by the second insulating film 15 for forming the first floating electrode 16. The surface of the first floating electrode 16 is also insulated by the interlayer insulating film 10.
[0021]
The cross-sectional structure of the first floating electrode 16 is similar to that of the fixed potential insulating electrode 6, and the side wall is formed in a substantially vertical groove like a letter "U". The second MOS type electrode 14 is made of the same conductive material as the first MOS type electrode 4, that is, for example, a high-concentration p-type. + Type polysilicon may be used. Further, the second insulating film 15 may be the same as the first insulating film 5. Also, the “dashed line” in FIG. 4 indicates the presence of the fixed potential insulating electrode 6 and the first floating electrode 16 in the depth direction of the paper as can be seen from the relationship with FIG. 1 and 4, the ends of the fixed potential insulating electrode 6 and the first floating electrode 16 are drawn at right angles, but the shape of the end may be polygonal or curved. .
[0022]
The potential of the first floating electrode 16 is determined by the potential distribution around the first floating electrode 16 and the magnitude of the capacitance with the periphery. That is, for example, the potential of the interface of the second insulating film 15 in contact with the gate region 8 is V1, the potential of the fixed potential insulating electrode 6 is V2, and the second insulating film in contact with the drain region 2 and facing the drain electrode 11. The potential at the interface of the film 15 is V3, the capacitance between the first floating electrode 16 and the interface of the second insulating film 15 in contact with the gate region 8 is C1, the first floating electrode 16 and the fixed potential insulating electrode 6 When the capacitance between the first floating electrode 16 and the interface of the second insulating film 15 in contact with the drain region 2 is C3, the capacitance between the first floating electrode 16 and the drain field 2 is C3. Is the potential of the floating electrode 16 of
C1 × (V−V1) + C2 × (V−V2) + C3 × (V−V3) = 0 (Equation 1)
Is a potential to satisfy the relational expression.
[0023]
Next, the operation will be described.
In this element, for example, the source electrode 13 is grounded (0 V), and the drain electrode 11 is used by applying an appropriate positive potential via a load. First, when a negative potential is applied to the gate electrode 18, the element is in a cutoff state. Referring to FIG. 2, a depletion layer is formed around the fixed potential insulating electrode 6 due to the built-in potential of the first MOS type electrode 4. If the distance between the potential insulating electrodes 6 (hereinafter referred to as “channel thickness H”) is sufficiently small, a sufficient potential barrier for conduction electrons is formed in the channel region 7 by the depletion region. For example, the thickness of the first insulating film 5 is 100 nm or less, and the impurity concentration of the channel region 7 is 1 × 10 14 cm ̄ 3 Hereinafter, if the “channel thickness H” is set to 2 μm or less, it is possible to form a sufficient potential barrier for preventing conduction electrons in the source region 3 from moving to the drain region 2 through the channel region 7. The distance from the source region 3 to the bottom of the fixed potential insulating electrode 6 (hereinafter referred to as “channel length L”) so that the potential barrier does not decrease due to the influence of the electric field from the drain region 2. Is set to be 2 to 3 times or more of the channel thickness H.
[0024]
In the present embodiment, further, a voltage at which avalanche breakdown occurs between the gate and the source when a reverse bias is applied between the gate electrode 18 and the source electrode 13 (this is referred to as “gate / source reverse bias withstand voltage”) In order to improve the drain potential as compared with the conventional structure, under the condition that a voltage close to the “gate / source reverse bias withstand voltage” is applied between the gate electrode 18 and the source electrode 13, Regardless, at least the potential of the first floating electrode 16 is set to be between the gate potential and the source potential. That is, under the condition that the source electrode 13 is grounded, the drain electric field affects the first floating electrode 16 so that the potential of the first floating electrode 16 does not become a positive potential. The capacitance C3 between the insulating film 15 and the interface is set.
[0025]
By the way, in the present embodiment, the drain region 2 is made to have high resistance, and in the cut-off state, a potential distribution is generated in the depletion layer extending to the drain region 2. The potential V3 at the interface of the second insulating film 15 is smaller than the potential applied to the drain electrode 11. For example, suppose that the second insulating film 15 is formed of an oxide film, and its dielectric constant is ε. OX , The electric field spreading to the second insulating film 15 is represented by E OX And the dielectric constant of the drain region 2 at the interface of the first floating electrode 16 is ε SI The electric field spreading to the drain region 2 at the interface of the first floating electrode 16 is represented by E SI Then, the following equation (Equation 2) is established from the electric flux continuity equation.
[0026]
ε OX × E OX = Ε SI × E SI ... (Equation 2)
For example, if the impurity concentration of the drain region 2 is 1 × 10 14 cm ̄ 3 When the gate region 8 and the source region 3 are grounded and a predetermined voltage is applied to the drain electrode 11 and avalanche breakdown occurs at the junction surface between the drain region 2 and the gate region 8, the electric field at the portion where the avalanche breakdown occurs The strength is about 2.4 × 10 5 V / cm. At this time, for example, when the depth of the first floating electrode 16 is set to be equal to the depth at which the avalanche breakdown has occurred, the electric field spreading to the drain region 2 at the interface of the first floating electrode 16 in the equation (2) E SI Is about 2.4 × 10 avalanche electric field 5 V / cm, the electric field E spread over the second insulating film 15 OX Is approximately 7.4 × 10 5 V / cm. Further, assuming that the thickness of the second insulating film 15 is, for example, 1000 ° and the potential of the second MOS type electrode 14 is 0 V, the potential of the drain region 2 at the interface of the first floating electrode 16 is at most 7 It becomes about 4V.
[0027]
From this, for example, the potential V1 at the interface of the second insulating film 15 in contact with the gate region 8 is about -5 V, the potential V2 of the fixed potential insulating electrode 6 grounded is about 0 V, and the drain electrode 11 Assuming that the potential V3 at the interface of the second insulating film 15 facing the surface is about 8 V, from the equation (1)
(C1 + C2 + C3) × V = 8 × C3-5 × C1
It becomes. That is, in the case where the potential V1 at the interface of the second insulating film 15 in contact with the gate region 8 is set to about −5 V, the first floating is performed if the capacitance C1 is at least 1.6 times the capacitance C3 or more. The potential of the electrode 16 becomes a negative potential and becomes a potential between the gate potential and the source potential. That is, under the condition that the fixed potential insulating electrode 6 is grounded,
C1> (C3 × V3) / V1
What is necessary is just to design so that it may become C1 and C3 which satisfy | fill.
[0028]
By optimally designing the structure of the first floating electrode 16, it is easy to change the ratio of the capacitance to each region. For example, if the thickness of the second insulating film 15 of the first floating electrode 16 is uniform on the side wall and the bottom surface, the first floating electrode 16 and the interface of the second insulating film 15 in contact with the gate region 8 can be formed. The ratio between the capacitance C1 between the first floating electrode 16 and the capacitance C3 between the interface of the second insulating film 15 in contact with the drain region 2 and the magnitude of the capacitance C3 between the first floating electrode 16 and the drain region 2 is given by The ratio of the area of the bottom surface of the first floating electrode 16 in contact with the drain region 2 to the surface area of the first floating electrode 16 in contact with the gate region 8 is substantially equal. As described above, under the condition that the reverse bias voltage is applied between the gate and the source, under the condition that the potential of the first floating electrode 16 becomes a potential between the gate potential and the source potential, the gate region 8 and the source region 3 Between the electric field lines caused by the potential difference between the gate region 8 and the first floating electrode 16 and the electric potential lines between the fixed potential insulating electrode 6 connected to the first floating electrode 16 and the source region. It can be broadly divided into the lines of electric force caused. In the former case, the lines of electric force of the second insulating film 15 where the gate region 8 and the first floating electrode 16 are in contact with each other become dense. Regarding the latter, of the region where the first floating electrode 16 and the fixed potential insulating electrode 6 face each other, the second insulating film 15, the first insulating film 5, and the drain region 2 sandwiched between the two insulating films are formed. The lines of electric force become dense. As described above, in this embodiment, even when a reverse bias is applied between the gate and the source, there are a plurality of portions where the lines of electric force are dense without being concentrated on a part. That is, since a reverse bias voltage can be applied between the gate and the source until some portion of the region where the electric flux lines are dense reaches the critical electric field, an element having a high “gate / source reverse bias withstand voltage” can be used. can get.
[0029]
Next, in the conductive state, when a positive potential of, for example, +0.5 V is applied as the potential of the gate electrode 18, that is, the potential of the p-type gate region 8, holes are conveyed from the p-type gate region 8 to the The inversion layer is formed by flowing into the interface of the one insulating film 5 to block the lines of electric force from the first MOS type electrode 4 forming the potential barrier to the channel region 7, and the conduction electrons in the channel region 7 are blocked. Lower the potential barrier to At this time, since the first floating electrode 16 is always at a positive potential, the potential barrier at the interface of the second insulating film 15 has disappeared, and there is no difference from the operation in the conventional structure. That is, the drain region 2 and the source region 3 are brought into conduction. When the potential of the gate electrode 18 is further increased, the pn junction formed by the p-type gate region 8 and the surrounding n-type region is forward-biased, and holes are directly injected into the drain region 2 and the channel region 7. Then, the n-type region, which has been formed to have a low impurity concentration and a high resistance in order to maintain the withstand voltage of the element, has an increased conductivity, and a current flows with a low resistance.
[0030]
Next, turn-off will be described. When a negative potential is applied to the gate electrode 18 to turn off the conductive element, excess holes in the drain region 2 and the channel region 7 begin to flow into the p-type gate region 8. Eventually, the excess holes in the channel region 7 disappear, and the potential barrier for electrons is restored. At this time, the potential V of the first floating electrode 16 becomes a negative potential as in the cutoff state. That is, since a strong inversion layer is formed at the interface between the first floating electrode 16 and the second insulating film 15 and the mobility of minority carriers is improved, the switching speed is improved.
[0031]
(Second embodiment)
FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment. This is a front view of the element corresponding to FIG. 3, and the same numbers in the figure indicate the same elements. As shown in FIG. 5, a second floating electrode 26 exists between the fixed potential insulating electrode 6 and the first floating electrode 16. The second floating electrode 26 includes a third MOS type electrode 24 and a third insulating film 25, and has basically the same structure as the fixed potential insulating electrode 6 and the first floating electrode 16. However, FIG. 5 illustrates a case where the surface shape is T-shaped.
[0032]
When the source electrode 13 is grounded and a negative potential is applied to the gate electrode 18 so that the gate region 8 and the source region 3 are in a reverse bias state, the potential of the first floating electrode 16 and the second floating electrode The potential of 26 is the potential of the interface of the second insulating film 15 in contact with the gate region 8, the potential of the fixed potential insulating electrode 6, the potential of the interface of the second insulating film 15 in contact with the drain region 2, and the potential of the drain region. 2, the potential at the interface of the third insulating film 25 in contact with the second floating electrode 16, the capacitance between the first floating electrode 16 and the gate region 8, and the potential between the first floating electrode 16 and the second floating electrode 26. , The capacitance between the second floating electrode 26 and the fixed potential insulating electrode 6, and the second insulating film 15 in contact with the drain region 2 and facing the drain electrode 11. Capacitance and the capacitance of the third insulating film 25 that faces the drain electrode 11, a naturally determined potential from the relationship. Then, each potential of the first floating electrode and the second floating electrode is
At least the capacitance between the first floating electrode 16 and the gate region 8 is set to the drain region so that the relationship of source potential <potential of the second floating electrode 26 <potential of the first floating electrode 16 <gate potential is satisfied. 2 and larger than the capacitance of the second insulating film 15 facing the drain electrode 11, and the capacitance between the second floating electrode 26 and the first floating electrode 16 is The third insulating film 25 facing the drain electrode 11 has a structure larger than the capacitance of the third insulating film 25.
[0033]
As a result, the portion where the lines of electric force between the gate region 8 and the source region 3 become denser is the portion where the second insulating film 15 of the first floating electrode 16 in contact with the gate region 8 and the second floating electrode 26 The third insulating film 25 facing the first floating electrode 16, the second insulating film 15, and the drain region 2 interposed therebetween, and the second insulating film facing the first floating electrode 16 and the fixed potential insulating electrode 6. The insulating film 15 and the first insulating film 5 and the drain region 2 interposed therebetween are formed. That is, the number of places where the lines of electric force are denser between the gate region 8 and the source region 3 is further increased as compared with the first embodiment, so that the “gate / source reverse bias breakdown voltage” is further improved.
[0034]
By the way, in FIG. 5, the shape of the second floating electrode 26 is T-shaped, but by doing so, the capacitance between the first floating electrode and the second floating electrode is increased. effective.
[0035]
Next, FIG. 6 is a diagram showing a third embodiment. This is a front view of the device corresponding to FIG. 5, and the same reference numerals in the drawing indicate the same elements. In FIG. 6, the first floating electrode 16 is connected to the gate electrode 18 (not shown in FIG. 6, but present above the gate region 8), and the potential of the first floating electrode 16 is the same as the gate potential. Potential.
[0036]
With this structure, the source electrode 13 is grounded and a negative potential is applied to the gate electrode 18 so that the gate region 8 and the source region 3 are in a reverse bias state, as in the second embodiment. The portion where the lines of electric force between the gate and the source are dense is sandwiched between the third insulating film 25 and the second insulating film 15 where the second floating electrode 26 and the first floating electrode 16 face each other. The drain region 2, the first floating electrode 16, and the fixed potential insulating electrode 6 face the second insulating film 15, the first insulating film 5, and the drain region 2 sandwiched therebetween. At this time, when the shape of the region where the second floating electrode 26 and the first floating electrode 16 face and the shape of the region where the first floating electrode 16 and the fixed potential insulating electrode 6 face are the same, the respective capacitances are Become equal. That is, the electric field distribution in the region where the second floating electrode 26 and the first floating electrode 16 face each other is almost equal to the electric field distribution in the region where the first floating electrode 16 and the fixed potential insulating electrode 6 face each other. / Reverse bias withstand voltage between sources ”is further improved.
[0037]
Next, FIG. 7 is a diagram showing a fourth embodiment. This is a surface view of the device corresponding to FIG. 6, and the same reference numerals in the drawing indicate the same elements. In the fourth embodiment, the first floating electrode 16 is not arranged on the same straight line as the fixed potential insulating electrode 6 and faces the channel region 7 with respect to the first embodiment. Structure.
[0038]
With such a structure, the facing area between the first floating electrode 16 and the fixed potential insulating electrode 6 can be increased up to √2 times at the maximum. The capacitance between them can be increased up to √2 times at the maximum. This makes the potential of the first floating electrode more stable without being affected by the drain potential.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a surface structure according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view of the first embodiment of the present invention viewed from another angle.
FIG. 5 is a front view of the second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a front view of a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a front view of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view of a conventional example of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view of a conventional example of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: substrate area 2: drain area
3. Source region 4. First MOS type electrode
5: First insulating film 6: Fixed potential insulating electrode
7 channel region 8 gate region
10 interlayer insulating film 11 drain electrode
13: source electrode 14: second MOS type electrode
15: second insulating film 16: first floating electrode
18 ... gate electrode 24 ... third MOS type electrode
25 ... third insulating film 26 ... second floating electrode
51 ... n + Substrate region 52... N-type drain region
53 ... n + Type source region 54 ... MOS type electrode
55: insulating film 56: fixed potential insulating electrode
57: channel region 58: p-type gate region
60: interlayer insulating film 61: drain electrode
63: Source electrode 68: Gate electrode
H: Channel thickness L: Channel length

Claims (4)

ドレイン領域である一導電型の半導体基体の一主面に接して同一導電型のソース領域を有し、
前記主面に接して前記ソース領域を挟み込むように配置された第一の溝を有し、
前記第一の溝の内部には第一の絶縁膜によって前記ドレイン領域と絶縁され、かつ、前記ソース領域と同電位に保たれた固定電位絶縁電極を有し、
前記固定電位絶縁電極は、前記第一の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仕事関数の導電性材料から成り、
前記ソース領域に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よって挟み込まれたチャネル領域を有し、
前記主面に臨んで、前記ソース領域には接しない、反対導電型のゲート領域を有し、
さらに、前記ドレイン領域と前記ソース領域が遮断された状態において、前記第一の溝の端部における前記ドレイン領域からの電界の集中を緩和すべく、前記主面に臨んで、前記ゲート領域に接して、前記第一の溝ならびに前記ソース領域に接しない、第二の溝を有し、前記第二の溝の内部には、第二の絶縁膜によって前記ドレイン領域ならびに前記ゲート領域と電気的に絶縁された第一の電極を有する、
ことを特徴とする半導体装置。
Having a source region of the same conductivity type in contact with one main surface of a semiconductor substrate of one conductivity type which is a drain region,
Having a first groove arranged in contact with the main surface to sandwich the source region,
Inside the first groove, a fixed potential insulating electrode that is insulated from the drain region by a first insulating film and that is kept at the same potential as the source region,
The fixed potential insulating electrode is made of a conductive material having a work function such as forming a depletion region in the drain region adjacent to the drain region via the first insulating film,
A part of the drain region in contact with the source region, having a channel region sandwiched by the fixed potential insulating electrode,
Facing the main surface, not having contact with the source region, having a gate region of the opposite conductivity type,
Further, in a state where the drain region and the source region are cut off, in order to reduce concentration of an electric field from the drain region at an end of the first groove, the drain region and the source region are in contact with the gate region facing the main surface. A second groove that is not in contact with the first groove and the source region, and is electrically connected to the drain region and the gate region by a second insulating film inside the second groove. having a first electrodes that are insulated,
A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
前記遮断状態において、前記第一の溝の端部並びに前記第二の溝の端部に前記ドレイン領域からの電界の集中を緩和すべく、前記主面に臨んで、前記第一の溝ならび前記第二の溝ならびに前記ソース領域ならびに前記ゲート領域に接しない、第三の溝を有し、前記第三の溝の内部には、第三の絶縁膜によって前記ドレイン領域と電気的に絶縁された第二の電極を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
In the cutoff state, in order to reduce the concentration of the electric field from the drain region at the end of the first groove and the end of the second groove, facing the main surface, the first groove and the A third groove that does not contact the second groove and the source region and the gate region, and is electrically insulated from the drain region by a third insulating film inside the third groove; having a second electrodes,
The semiconductor device according to claim 1, wherein:
ドレイン領域である一導電型の半導体基体の一主面に接して同一導電型のソース領域を有し、
前記主面に接して前記ソース領域を挟み込むように配置された第一の溝を有し、
前記第一の溝の内部には第一の絶縁膜によって前記ドレイン領域と絶縁され、かつ、前記ソース領域と同電位に保たれた固定電位絶縁電極を有し、
前記固定電位絶縁電極は、前記第一の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仕事関数の導電性材料から成り、
前記ソース領域に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よって挟み込まれたチャネル領域を有し、
前記主面に臨んで、前記ソース領域には接しない、反対導電型のゲート領域を有し、
さらに、前記ドレイン領域と前記ソース領域が遮断された状態において、前記第一の溝の端部における前記ドレイン領域からの電界の集中を緩和すべく、前記主面に臨んで、前記ゲート領域に接して、前記第一の溝ならびに前記ソース領域に接しない、第二の溝を有し、前記第二の溝の内部には、第二の絶縁膜によって前記ドレイン領域ならびに前記ゲート領域と電気的に絶縁された第一の電極を有し、
前記遮断状態において、前記第一の溝の端部並びに前記第二の溝の端部に前記ドレイン領域からの電界の集中を緩和すべく、前記主面に臨んで、前記第一の溝ならび前記第二の溝ならびに前記ソース領域ならびに前記ゲート領域に接しない、第三の溝を有し、前記第三の溝の内部には、第三の絶縁膜によって前記ドレイン領域と電気的に絶縁された第二の電極を有し、
かつ、前記第一の電極が前記ゲート領域と接続されていることを特徴とする半導体装置。
Having a source region of the same conductivity type in contact with one main surface of a semiconductor substrate of one conductivity type which is a drain region,
Having a first groove arranged in contact with the main surface to sandwich the source region,
Inside the first groove, a fixed potential insulating electrode that is insulated from the drain region by a first insulating film and that is kept at the same potential as the source region,
The fixed potential insulating electrode is made of a conductive material having a work function such as forming a depletion region in the drain region adjacent to the drain region via the first insulating film,
A part of the drain region in contact with the source region, having a channel region sandwiched by the fixed potential insulating electrode,
Facing the main surface, not having contact with the source region, having a gate region of the opposite conductivity type,
Further, in a state where the drain region and the source region are cut off, in order to reduce concentration of an electric field from the drain region at an end of the first groove, the drain region and the source region are in contact with the gate region facing the main surface. A second groove that is not in contact with the first groove and the source region, and is electrically connected to the drain region and the gate region by a second insulating film inside the second groove. Having an insulated first electrode;
In the cutoff state, in order to reduce the concentration of the electric field from the drain region at the end of the first groove and the end of the second groove, facing the main surface, the first groove and the A third groove that does not contact the second groove and the source region and the gate region, and is electrically insulated from the drain region by a third insulating film inside the third groove; Having a second electrode,
And semi-conductor device you characterized in that said first electrode is connected to the gate region.
請求項1における前記第一の溝および前記第二の溝、または請求項2または請求項3に おける前記第一の溝および前記第二の溝および前記第三の溝のうち、前記主面方向から見て溝の縦長方向で隣り合った溝同士が溝の縦長方向で一直線上に並ばないように配置された、ことを特徴とする半導体装置。Among the first grooves and the second grooves or the first grooves definitive to claim 2 or claim 3 and wherein the second groove and the third groove, in claim 1, wherein the main surface direction A semiconductor device, wherein grooves adjacent to each other in the longitudinal direction of the groove as viewed from above are arranged so as not to be aligned on a straight line in the longitudinal direction of the groove .
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