JP4912841B2 - Field effect transistor and its application device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電界効果型トランジスタに係わり、特に低オン抵抗でかつ出力容量の小さな電界効果型トランジスタ及びその応用装置に関する。 The present invention relates to a field effect transistor, and more particularly to a field effect transistor having a low on-resistance and a small output capacity, and an application device thereof.
図1乃至図3は、従来の低オン抵抗横型電界効果型トランジスタ(以下では、電界効果型トランジスタをMOSFETと略称する。)であるマルチリサーフMOSFET、または、スーパージャンクション構造とよばれるMOSFETの構造を示す図であり、図1はその立体斜視図、図2はその平面図、図3(a)、(b)、(c)はそれぞれ図2の線分A−A′、B−B′、C−C′に沿って素子を切断した断面図である。 1 to 3 show a structure of a multi-resurf MOSFET, which is a conventional low on-resistance lateral field effect transistor (hereinafter referred to as a MOSFET), or a MOSFET called a super junction structure. 1 is a three-dimensional perspective view thereof, FIG. 2 is a plan view thereof, and FIGS. 3A, 3B, and 3C are line segments AA ′ and BB ′ of FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of the device taken along the line CC ′.
これらの図に示されるように、p型半導体基板201の表面にはp型ベース層204が選択的に形成されており、このp型べース層204の表面には高濃度のn型ソース層205及び高濃度のp型コンタクト層206が選択的に形成されている。また、p型半導体基板201の表面にはp型ベース層204と離間してn型ドレイン層209が形成されている。n型ソース層205及びp型コンタクト層206上にはソース電極210が形成され、n型ドレイン層209上にはドレイン電極211が形成されている。p型半導体基板201の下面には基板電極212が設けられ、ソース電極210と同電位に設定されている。
As shown in these drawings, a p-
p型べース層204とn型ドレイン層209との間には、ドリフト層として、これらを結ぶ方向にストライプ状のn型半導体層202及びp型半導体層203が交互に配置形成されている。すなわち、これらのn型半導体層202及びp型半導体層203は、p型ベース層204とn型ドレイン層209とを結ぶ方向と概略垂直方向に交互に配列されている。また、n型ソース層205とn型半導体層202及びp型半導体層203との間のp型べース層204の表面にはゲート酸化膜207を介してゲート電極208が形成されている。
Between the p-
この種のMOSFETの特徴は、上述したようにドリフト層としてn型半導体層202及びP型半導体層203がストライプ状に形成されてお互いに交互に配置されている(マルチリサーフ構造、スーパージャンクション構造。)ことである。このため、ドリフト層が空乏化しやすく、ドリフト層のドーズ量の濃度を高くできるため、オン抵抗を低減できるという特徴がある。
As described above, this type of MOSFET is characterized in that the n-
しかしながら、上述した従来の低オン抵抗MOSFETの構成では、ドリフト層のn型半導体層202には電子が流れるがp型半導体層203には流れないので、n型半導体層202の有効断面積の比率が減った分をスーパージャンクション構造でn型半導体層202の濃度を増加させて抵抗を下げて補っても、素子全体の低オン抵抗化には十分な効果が期待出来ないという欠点があった。
However, in the configuration of the conventional low on-resistance MOSFET described above, electrons flow in the drift layer n-
上述した横型MOSFETの他に縦型のMOSFETに対して、上記したマルチリサーフ構造(スーパージャンクション構造)を適用したMOSFETも従来から知られている。しかしかかる構造においても、素子耐圧数百ボルト以下の設計では、前述の横型素子と同じ欠点が生じるため、比較的低耐圧のMOSFETの特性改善には、従来のマルチリサーフ構造または、スーパージャンクション構造の効果はあまり期待出来なかった。 In addition to the lateral MOSFET described above, a MOSFET in which the above-described multi-resurf structure (super junction structure) is applied to a vertical MOSFET is also known. However, even in such a structure, the design with a device withstand voltage of several hundred volts or less has the same drawback as the above-mentioned lateral device. Therefore, the conventional multi-resurf structure or the super junction structure can be used to improve the characteristics of a relatively low withstand voltage MOSFET. The effect of was not expected very much.
したがって本発明は、上記実状を鑑みてなされたものであり、比較的低耐圧(数十V〜100V程度)の素子耐圧の設計でも低オン抵抗化を図りかつ低い出力容量も実現できる電界効果型トランジスタ及びその応用装置を提供することを目的とするものである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and is a field effect type that can achieve low on-resistance and realize low output capacity even in the design of an element withstand voltage of relatively low withstand voltage (several tens to 100 V). An object of the present invention is to provide a transistor and an application device thereof.
本発明の一実施形態による電界効果型トランジスタは、絶縁基板表面に設けられた第1導電型ベース層と、
前記第1導電型べース層に一部が接合するように第1導電型べース層表面に設けられた第2導電型ソース層と、
前記第2導電型ソース層および前記第1導電型ベース層に一部が接合するように前記第1導電型べース層表面に形成された高濃度の第1導電型コンタクト層と、
前記第1導電型ベース層に対して前記第2導電型ソース層と反対側に離れ、前記絶縁基板表面に設けられた第2導電型ドレイン層と、
前記第1導電型べース層と前記第2導電型ドレイン層とで挾まれた領域の前記絶縁基板上に設けられたドリフト層と、
前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ソース層および前記ドリフト層の上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
を備え、
前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ソース層、前記第2導電型ドレイン層および前記ドリフト層は、前記絶縁基板表面に接触していることを特徴とするものである。
A field effect transistor according to an embodiment of the present invention includes a first conductivity type base layer provided on a surface of an insulating substrate,
A second conductivity type source layer provided on the surface of the first conductivity type base layer so as to be partially joined to the first conductivity type base layer;
A first conductivity type contact layer of the high density part to the second conductivity type source layer and the first conductivity type base layer formed on said first conductivity type base layer surface to be joined,
A second conductivity type drain layer provided on a surface of the insulating substrate, separated from the first conductivity type base layer on a side opposite to the second conductivity type source layer;
A drift layer provided on the insulating substrate in a region sandwiched between the first conductivity type base layer and the second conductivity type drain layer;
A gate electrode formed on the first conductivity type base layer, the second conductivity type source layer, and the drift layer via a gate insulating film;
With
The first conductivity type base layer , the second conductivity type source layer, the second conductivity type drain layer, and the drift layer are in contact with the surface of the insulating substrate.
また、本発明の一実施形態による電界効果型トランジスタは、A field effect transistor according to an embodiment of the present invention includes:
絶縁基板表面に設けられた第1導電型ベース層と、 A first conductivity type base layer provided on the surface of the insulating substrate;
前記第1導電型べース層に一部が接合するように前記絶縁基板表面に設けられた第2導電型ソース層と、A second conductivity type source layer provided on the surface of the insulating substrate so as to be partially bonded to the first conductivity type base layer;
前記第2導電型ソース層および前記第1導電型ベース層に一部が接合するように前記絶縁基板表面に形成された高濃度の第1導電型コンタクト層と、A high-concentration first conductivity type contact layer formed on the surface of the insulating substrate so as to be partially bonded to the second conductivity type source layer and the first conductivity type base layer;
前記第1導電型ベース層に対して前記第2導電型ソース層と反対側に離れ、前記絶縁基板表面に設けられた第2導電型ドレイン層と、A second conductivity type drain layer provided on a surface of the insulating substrate, separated from the first conductivity type base layer on a side opposite to the second conductivity type source layer;
前記第1導電型べース層と前記第2導電型ドレイン層とで挾まれた領域の前記絶縁基板上に設けられたドリフト層と、A drift layer provided on the insulating substrate in a region sandwiched between the first conductivity type base layer and the second conductivity type drain layer;
前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ソース層および前記ドリフトの上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、A gate electrode formed on the first conductivity type base layer, the second conductivity type source layer and the drift via a gate insulating film;
を備え、With
前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ソース層、前記第2導電型ドレイン層、前記ドリフト層および前記第1導電型コンタクト層は、前記絶縁基板表面に接触していることを特徴とするものである。The first conductivity type base layer, the second conductivity type source layer, the second conductivity type drain layer, the drift layer, and the first conductivity type contact layer are in contact with the surface of the insulating substrate. To do.
本発明の一実施形態による電界効果型トランジスタは、絶縁基板表面に設けられた第1導電型ベース層と、A field effect transistor according to an embodiment of the present invention includes a first conductivity type base layer provided on a surface of an insulating substrate,
前記第1導電型べース層の表面に選択的に形成された第2導電型ソース層と、A second conductivity type source layer selectively formed on the surface of the first conductivity type base layer;
前記第1導電型ベース層とは離れた前記絶縁基板上に形成された第2導電型ドレイン層と、A second conductivity type drain layer formed on the insulating substrate apart from the first conductivity type base layer;
前記第1導電型べ一ス層と第2導電型ドレイン層とで挾まれた領域の前記絶縁基板上に形成されたドリフト層と、A drift layer formed on the insulating substrate in a region sandwiched between the first conductivity type base layer and the second conductivity type drain layer;
前記ベース層の上下の表面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を備え、A gate electrode formed on the upper and lower surfaces of the base layer via a gate insulating film,
前記ドリフト層は前記べース層より高い抵抗を有し、前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ドレイン層および前記ドリフト層は、前記絶縁基板表面に接触しており、前記ゲート電極は、前記第1導電型ベース層および前記ドリフト層の上方および下方に設けられていることを特徴とするものである。The drift layer has a higher resistance than the base layer, and the first conductive type base layer, the second conductive type drain layer, and the drift layer are in contact with the surface of the insulating substrate, and the gate electrode Is provided above and below the first conductivity type base layer and the drift layer.
本発明の一実施形態による電界効果型トランジスタは、絶縁基板表面に設けられた第1導電型ベース層と、A field effect transistor according to an embodiment of the present invention includes a first conductivity type base layer provided on a surface of an insulating substrate,
前記第1導電型べース層の表面に選択的に形成された第2導電型ソース層と、A second conductivity type source layer selectively formed on the surface of the first conductivity type base layer;
前記第1導電型ベース層とは離れた前記絶縁基板上に形成された第2導電型ドレイン層と、A second conductivity type drain layer formed on the insulating substrate apart from the first conductivity type base layer;
前記第1導電型べ一ス層と第2導電型ドレイン層とで挾まれた領域の前記絶縁基板上に形成された第1導電型のドリフト半導体層と、A first conductivity type drift semiconductor layer formed on the insulating substrate in a region sandwiched between the first conductivity type base layer and a second conductivity type drain layer;
前記第1導電型べ一ス層と第2導電型ドレイン層とで挾まれた領域の前記絶縁基板上に形成された第2導電型のドリフト半導体層と、A drift semiconductor layer of a second conductivity type formed on the insulating substrate in a region sandwiched between the first conductivity type base layer and the second conductivity type drain layer;
前記ベース層表面に、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極、と、を備え、A gate electrode formed on the surface of the base layer via a gate insulating film, and
前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ドレイン層および前記ドリフト層は、前記絶縁基板表面に接触しており、前記ゲート電極は、前記第1導電型ベース層および前記ドリフト層の上方および下方に設けられていることを特徴とするものである。The first conductivity type base layer, the second conductivity type drain layer, and the drift layer are in contact with the surface of the insulating substrate, and the gate electrode is located above the first conductivity type base layer and the drift layer and It is provided below.
以上説明したように、本発明によれば、素子耐圧を犠牲にせず、低オン抵抗で、かつ低い出力容量を有する構造のMOSFETを提供することが可能である。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a MOSFET having a structure with low on-resistance and low output capacitance without sacrificing device breakdown voltage.
また、本発明のMOSFETをフォトリレーとして使用することにより、高い周波数の信号を確実にオン・オフ可能なフォトリレーが得られる。 Further, by using the MOSFET of the present invention as a photorelay, a photorelay capable of reliably turning on / off a high frequency signal can be obtained.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図4乃至図7は、本発明の第1の実施形態である、横型電界効果型トランジスタ(以下では、電界効果型トランジスタをMOSFETと略称する。)の構造を示す図であ。図4、図5はその立体斜視図、図6はその平面図、図7(a)乃至(d)はそれぞれ図2の線分A−A′、B−B′、C−C′、D−D′に沿って素子を切断して示す断面図である。なお、図4は図5の装置の一部を除去して示す斜視図である。この横型MOSFETは、いわゆるマルチリサーフMOSFETあるいはスーパージャンクションMOSFETと呼ばれる型のMOSFETである。
(First embodiment)
4 to 7 are diagrams showing the structure of a lateral field effect transistor (hereinafter, field effect transistor is abbreviated as MOSFET) according to the first embodiment of the present invention. 4 and 5 are three-dimensional perspective views, FIG. 6 is a plan view thereof, and FIGS. 7A to 7D are line segments AA ′, BB ′, CC ′ and D in FIG. It is sectional drawing which cut | disconnects and shows an element along -D '. 4 is a perspective view in which a part of the apparatus of FIG. 5 is removed. This lateral MOSFET is a type of MOSFET called a so-called multi-resurf MOSFET or super junction MOSFET.
図示のように、基板1はp型(またはn型)のシリコン半導体2とその表面に積層形成された埋め込み酸化膜3から構成されている。埋め込み酸化膜3の上面には、p型べース層4が選択的に形成されている。このp型べース層4の表面には高濃度のn型ソース層5及び高濃度のp型コンタクト層6が選択的に形成されている。また、半導体基板1の埋め込み酸化膜3表面にはp型べース層4と離間してn型ドレイン層7が形成されている。n型ソース層5及びp型コンタクト層6上にはソース電極8が形成されている。n型ドレイン層7上にはコンタクト層9を介してドレイン電極10が形成されている。p型半導体基板1の底面には基板電極11が設けられており、ソース電極8と同電位に設定されている。
As shown in the figure, the
p型ベース層4とn型ドレイン層7との間には、これらを結ぶ方向にストライプ状のn型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13が形成されている。これらのn型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13は、p型ベース層4とn型ドレイン層7とを結ぶ方向と概略垂直方向に交互に形成されている。ここで、前記p型ドリフト半導体層13のドーズ量は1.0×1011〜6.0×1013cm−2の範囲にある。また、前記n型ドリフト半導体層12と前記p型ドリフト半導体層13の繰り返しピッチは0.01μm〜5μmの間にある。そして前記n型ドリフト半導体層12または前記p型ドリフト半導体層13の不純物ドーズ量をΦ、ストイライプ幅をWとするとき、これらの間に
Φ×W≦1×108(cm−1)
なる関係を有する。
Between the p-
Φ × W ≦ 1 × 10 8 (cm −1 )
Have the relationship
次に、図4に示すように、n型ソース層4、n型ドリフト半導体層12、p型ドリフト半導体層13およびn型ドレイン層7からなる活性層の表面にはゲート酸化膜14を介してゲート電極15が形成されている。ゲート酸化膜14は、n型ドリフト半導体層12およびp型ドリフト半導体層13の表面であって、n型ドレイン層7側端部とn型ドレイン層7の表面において、その膜厚が16で示すように大きくなっている。この段差部をゲート電極15が覆っている。
Next, as shown in FIG. 4, the surface of the active layer composed of the n-
本実施形態の横型MOSFETにおいて特徴的な部分は、n型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13が、ゲート酸化膜に接する位置に形成されていること、または、ゲート酸化膜がドリフト層上少なくとも半分以上、あるいは全体を覆っているか、ドリフト層上全体に加え、ドレイン層上の一部を覆っていることである。そしてn型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13は、オフ時の空乏層の伸びを改善するように設計されている。また、同時に、ゲート電圧0V時の熱平衡状態におけるゲートとドレイン間の容量を小さくするように設計されている。
A characteristic part of the lateral MOSFET of the present embodiment is that the n-type
例えば、埋め込み酸化膜3の厚さを3μm、この酸化膜上に形成される活性層の厚さを1μm以下(例えば0.1μmm)とすることにより、低出力容量と小さなオン抵抗のまま,高い素子耐圧を実現することが可能である。ここで活性層は、p型ベース層4、n型ドレイン層7、これらの間に形成されるn型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13からなっている。また、ドレイン側のゲート酸化膜を2〜10倍の厚さに設計することにより、より高耐圧の素子を実現することが可能である。
For example, by setting the thickness of the buried
本実施形態の横型MOSFETの特徴は、上述したようにドリフト層としてストライプ状のn型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13が交互に並設されているので、ゲート近傍が空乏化しやすく、また、ゲート部分での空乏層の伸びを最適化することが可能である。したがって、素子の高耐圧化、ゲートとドレイン層間の容量の低容量化が可能である。
As described above, the lateral MOSFET according to the present embodiment is characterized in that the stripe n-type
図8乃至図14は、図4乃至図7に示した本発明の横型MOSFETの変形例を示す斜視図および側断面図である。これらの図において、図4乃至図7に示した本発明の横型MOSFETの構造と同一部分には同一の符号を付して説明は省略し、以下では相違する部分について説明する。図8に示す横型MOSFETにおいては、n型ソース層5および高濃度のp型コンタクト層6は埋め込み酸化膜3上に、p型ベース層を介することなく直接形成されている。また、n型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13はそれぞれくし型に形成されている。
8 to 14 are a perspective view and a side sectional view showing a modification of the lateral MOSFET of the present invention shown in FIGS. In these drawings, the same parts as those in the structure of the lateral MOSFET of the present invention shown in FIGS. 4 to 7 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. Hereinafter, different parts will be described. In the lateral MOSFET shown in FIG. 8, the n-
図9に示す横型MOSFETにおいては、n型ソース層5および高濃度のp型コンタクト層6、n型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13の構造は図5に示した横型MOSFETと同じである。しかし、ゲート電極15、15´がn型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13の上下に設けられている点が異なっている。
In the lateral MOSFET shown in FIG. 9, the structure of the n-
図10は図9に示す横型MOSFETの変形例を示す斜視図である。図9に示す横型MOSFETとの相違点は、ゲート電極15、15´がp型ベース層4の上下に設けられており、これらはn型ドレイン層7に対してオフセットを提供し、それによって、高抵抗のドリフト半導体層がp型ベース層4およびn型ドレイン層7の間に形成される。高抵抗のドリフト半導体層は、p型、n型あるいはSJ型でもよい。
FIG. 10 is a perspective view showing a modification of the lateral MOSFET shown in FIG. The difference from the lateral MOSFET shown in FIG. 9 is that
図11に示す横型MOSFETにおいては、n型ドリフト半導体層12´及びp型ドリフト半導体層13´がストライプ状ではなく、台形である。これによって、p型ドリフト半導体層の不純物濃度はドレイン側よりソース側において実質的に高くなるように設定されている。また、n型ドリフト半導体層の不純物濃度はソース側よりドレイン側において実質的に高くなるように設定されている。
In the lateral MOSFET shown in FIG. 11, the n-type
図12に示す横型MOSFETにおいては、図4に示すようなn型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13からなるスーパージャンクション構造に代えて、P/P−/Nジャンクションが形成されている。
In the lateral MOSFET shown in FIG. 12, a P / P − / N junction is formed instead of the super junction structure including the n-type
図13は横型MOSFETのチップ構造を示す断面図である。同図において、埋め込み酸化膜3の厚さは約3μmであり、この上に形成されるn型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13からなるスーパージャンクション層または高抵抗P型半導体層4の厚さは約0.1μmである。このスーパージャンクション層上には、膜厚が約0.1μmの酸化膜14を介してゲート電極15が形成されている。SiSOI層の厚さとほぼ同じかそれよりも厚いゲート酸化膜を形成することで、高耐圧と低出力容量を同時に実現できる。
FIG. 13 is a sectional view showing a chip structure of a lateral MOSFET. In the figure, the thickness of the buried
図14は、以上説明した本発明の横型MOSFETの構造を概念的に示す図である。 FIG. 14 is a diagram conceptually showing the structure of the lateral MOSFET of the present invention described above.
(第2の実施形態)
図15乃至図18は、本発明の第2の実施形態である、横型MOSFETの構造を示す図である。図15はその立体斜視図、図16はその平面図、図17、図18はそれぞれ図16の線分A−A´、B−B´に沿って素子を切断して示す断面図である。
(Second Embodiment)
15 to 18 are views showing the structure of a lateral MOSFET according to the second embodiment of the present invention. FIG. 15 is a three-dimensional perspective view, FIG. 16 is a plan view thereof, and FIGS. 17 and 18 are cross-sectional views taken along lines AA ′ and BB ′ of FIG.
この実施形態では、p型ベース層4、n型ドレイン層7、これらの間に形成されるn型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13からなる活性層がSOI絶縁基板1上に、ピラー状に形成されている。そして、このピラー状活性層の両側がゲート電極15で挟まれた構造となっている。そして、このゲート電極15に挟まれた活性層中にスーパージャンクション構造のn型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13が交互に積層形成されている。これらの図においては、図4乃至図6と同一の部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。
In this embodiment, an active layer comprising a p-
なお、図19は、上記第2の実施形態の変形例を示す断面図である。この断面図は図17に対応している。図17に示す縦型MOSFETのゲート酸化膜14は、ソース電極8およびドレイン電極10間で一定の膜厚を有しているが、図18に示す縦型MOSFETのゲート酸化膜14は、図5の場合と同様に、ドレイン電極10の近傍で厚くなっている点が異なっている。図においては、図17と同一の部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a modification of the second embodiment. This sectional view corresponds to FIG. Although the
(第3の実施形態)
図20乃至図23は、本発明の第3の実施形態に係わる縦型トレンチゲートMOSFETの構造を示す立体斜視図である。
(Third embodiment)
20 to 23 are three-dimensional perspective views showing the structure of the vertical trench gate MOSFET according to the third embodiment of the present invention.
図21は図20に示す縦型MOSFETを縦方向に切断してその半分を示す斜視図である。これらの図から明らかなように、この実施形態においては、図15に示す縦型MOSFETに対して、ゲート電極がトレンチ構造であること、そしてn型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13が縦方向に延長され水平方向に配列されている点が異なっている。
FIG. 21 is a perspective view showing a half of the vertical MOSFET shown in FIG. 20 cut in the vertical direction. As is apparent from these drawings, in this embodiment, the gate electrode has a trench structure and the n-type
また、図22は図21の変形例を示す図である。同図に示すように、n型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13は縦方向に延長されているが、それらが2個のゲート電極15、15´の一方から他方に向かって交互に積層されている点で異なっている。
FIG. 22 is a view showing a modification of FIG. As shown in the figure, the n-type
さらに、図23に示す縦型MOSFETは、同じく図20に示す縦型トレンチゲートMOSFETの変形例を示す図で、ゲート酸化膜14の一部が、図15と同様に、大きな膜厚を有している。
Further, the vertical MOSFET shown in FIG. 23 is a view showing a modification of the vertical trench gate MOSFET shown in FIG. 20, and a part of the
これらの図面には図15乃至図18と同一部分には同一符号を付して示し詳細な説明は省略する。 In these drawings, the same parts as those in FIGS. 15 to 18 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
図24乃至図28は、図20乃至図23に示した縦型トレンチゲートMOSFETの変形例である。 24 to 28 are modifications of the vertical trench gate MOSFET shown in FIGS.
図24に示す縦型トレンチゲートMOSFETにおいては、図21に示したFETに対して、n型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13が2個のゲート電極15、15´の幅よりも大きく、電極間の領域から下方に延長されている。この構造により、電極間の容量を減らすことができる。
In the vertical trench gate MOSFET shown in FIG. 24, the n-type
図25に示す縦型トレンチゲートMOSFETにおいては、これを縦方向に切断してその半分を示す斜視図25に示すように、n型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13が縦方向に延長されている。しかし、それらは2個のゲート電極15、15´の長手方向に向かって交互に積層配列されている点で、図24の縦型トレンチゲートMOSFETとは異なっている。なお、この構造においては、n型ドリフト半導体層12及びp型ドリフト半導体層13が、それらの長手方向がトレンチゲート電極15、15´の長手方向に対して直交するように積層されている。しかし、必ずしも直行する方向ではなく、任意の角度、例えば、60度としてもよい。これによって、図24に示すFETの場合のように、トレンチゲート電極の製造の際における位置合わせを要しないため、製造が容易になる。
In the vertical trench gate MOSFET shown in FIG. 25, the n-type
図27は、図26と同様に、縦型トレンチゲートMOSFETを縦方向に切断してその半分を示す斜視図である。この構造においては、スーパージャンクション構造は採用していないが、p型高抵抗半導体層13´がトレンチゲート15の深さ方向の領域を越えて、下方に深く延長されている。
FIG. 27 is a perspective view showing a half of the vertical trench gate MOSFET cut in the vertical direction, similarly to FIG. In this structure, the super junction structure is not employed, but the p-type high
図28は、図27と同様に、縦型トレンチゲートMOSFETを縦方向に切断してその半分を示す斜視図である。この構造においては、トレンチゲート15の深さ方向の上端が、n型ソース領域4より下がっている点において、図25のFETと異なっている。この構造により、ソース・ゲート電極間の容量を減らすことができると共に、ソース電極のコンタクト性を向上できる。
FIG. 28 is a perspective view showing a half of a vertical trench gate MOSFET cut in the vertical direction, similarly to FIG. This structure is different from the FET of FIG. 25 in that the upper end of the
(第4の実施形態)
図29乃至図37は、本発明の第4の実施形態を説明するための図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 29 to FIG. 37 are diagrams for explaining the fourth embodiment of the present invention.
本発明の第4の実施形態に係わる横型MOSFETは、図29の平面図に示されるように、同一基板上に互いに直列接続された2個の横型MOSFET21、22を含んでいる。これらのMOSFET21、22は中心線B−B´に関して左右対称形であるため、対応する部分には´を付した対応番号により表示している。半導体基板2の表面のほぼ中央部には、中心線B−B´の両側にほぼ正方形のアルミパッドからなるドレイン電極10、10´が形成されている。半導体基板2の表面の上部には、中心線B−B´の両側に同じくほぼ正方形のアルミパッドからなるソース電極8、8´が形成されている。ソース電極8、8´の間には、同じくほぼ正方形あるいは円形のアルミパッドからなるゲート電極23が形成されている。
The lateral MOSFET according to the fourth embodiment of the present invention includes two
図30は図29に示す横型MOSFETを構成する半導体基板2の表面領域の構成を示す平面図である。半導体基板2の表面領域には、図29に示したドレイン電極10、10´を含むほぼ長方形の領域内に、ドレイン領域7、7´が形成されている。ドレイン領域7、7´の周囲には、ソース領域5が形成されている。なお、ソース領域5は、図29に示した半導体基板2上のゲート電極15部分には形成されていない。ゲート電極15が形成されている半導体基板2の表面部分には、互いに分離されたポリシリコンゲート電極パッド部15−1、15−1´が形成されている。このポリシリコンゲート電極パッド部15−1、15−1´間の分離は、例えば、P++高濃度不純物層あるいは絶縁層を介在させることにより行う。ポリシリコンゲート電極パッド部15−1、15−1´が互いに分離形成されている理由は、図29の平面図に示される、互いに直列接続された2個の横型MOSFET21、22がゲート電極23にバイアス電圧が印加されない状態において、導通することを防止するためである。この理由についてはさらに後述する。
FIG. 30 is a plan view showing the configuration of the surface region of the
半導体基板2の表面領域に形成されたソース領域5とドレイン領域7、7´との境界領域24、24´は、図31に示すように、ストライプ状に形成されている。これらの境界領域24、24´は、図29に示したドレイン電極10、10´の上下の部分において、境界領域24、24´の長さを大きくするために蛇行している。さらに、これらの境界領域24、24´の表面には、図31に示すように、ソースとドレインとの境界領域24、24´より狭い幅を有するストライプ状のポリシリコンゲート電極15が配線されている。各境界領域24、24´上のゲート電極15、15´は、蛇行部分の各頂点において、共通ゲート電極15−2、15−2´に接続される。これらの共通ゲート電極15−2、15−2´はそれぞれ、互いに分離形成されたポリシリコンゲート電極パッド部15−1、15−1´に接続されている。
The
図32は、図30に示した各半導体表面領域の表面に形成されるアルミ配線パターンを示す平面図である。図30に示したソース領域5の表面には、半導体基板2の周辺部及び中心線に沿って延長されたソース電極配線25がアルミ層により形成されている。ソース電極配線25の上端には図30に示すように、ソース電極パッド8、8´が形成されている。図30に示したドレイン領域7、7´のほぼ中央には、ドレイン電極パッド10、10´が形成されている。そして、図30に示した互いに分離されたポリシリコンゲート電極パッド部15−1、15−1´の表面には、これらに共通に接続されるゲート電極パッド23が形成されている。
32 is a plan view showing an aluminum wiring pattern formed on the surface of each semiconductor surface region shown in FIG. On the surface of the
図33は、図29に示した横型MOSFETの境界領域24を横切る直線A−A´部分の構造を示す図で、(a)は直線A−A´断面図、(b)はその近傍の平面図である。同図(a)に示すように、この横型MOSFETは、シリコン半導体基板2の上に酸化シリコンからなる酸化膜3が形成されている。酸化膜3の上には左右両側にソース領域5及びドレイン領域7が形成されている。また、酸化膜3上のソース領域5及びドレイン領域7の間には、p型ベース層4、スーパージャンクションドリフト層(以下、SJ型ドリフト層という。)16が形成されている。
FIGS. 33A and 33B are diagrams showing the structure of a straight line AA ′ portion that crosses the
これらのソース領域5、p型ベース層4、SJ型ドリフト層16およびドレイン領域7上にはゲート酸化膜14が形成されている。ゲート酸化膜14は、ソース領域5及びドレイン領域7の一部に重なるように形成されている。ソース領域5及びドレイン領域7のゲート酸化膜14に覆われない部分には、ドレイン電極パッド10およびソース電極配線25が形成されている。
A
このゲート酸化膜14の表面部分には、ポリシリコンゲート電極15が形成されている。ポリシリコンゲート電極15は、ゲート酸化膜14の幅よりも狭い幅を有し、ドレイン領域7との間にオフセットを形成するように、ソース領域5側に偏移して配置されている。ここで、オフセットの幅は、SJ型ドリフト層16の幅とほぼ一致している。
A
図33(b)は、同図(a)のゲート酸化膜14およびポリシリコンゲート電極15を一部剥離して示した平面図である。ソース領域5は、この図に示されるように、その両側にP+コンタクト層6が配置されている。すなわち、ソース領域5とP+コンタクト層6が境界領域24の長手方向に沿って交互に配列されている。また、SJ型ドリフト層16は、同図(b)の平面図に示されるように、n型ドリフト層12およびp型ドリフト層13により構成されている。すなわち、n型ドリフト層12およびp型ドリフト層13が、境界領域24の長手方向に沿って交互に配列されている。
FIG. 33B is a plan view showing the
このような構造の横型MOSFETにおける各部の寸法例は次のとおりである。酸化膜3上に形成される、ソース領域5、p型ベース層4、SJ型ドリフト層16およびドレイン領域7からなるSOI層の厚さTsiは0.1μm、ゲート酸化膜14の厚さTgateは、0.14〜0.21μm、シリコン半導体基板2の上に形成される酸化膜3の厚さTboxは3.0μm、ゲートポリシリコンパターンの幅は1.1〜1.3μm、そしてオフセット長は0.6〜2.5μmである。この横型MOSFETの構造上の特徴は、第1に、SOI層の厚さTsiが超薄膜であること、第2に、ゲート酸化膜14の厚さTgateがSOI層の厚さTsiに対して少なくも1/2以上と、厚く形成されていること、第3に、酸化膜3の厚さTboxが十分に厚いことである。第1の特長により、ドレイン領域7のバイアス電圧が0Vであっても、熱平衡状態におけるビルトインポテンシャルによって、SJ型ドリフト層16が空乏化されることである。また、第2の特長により、このMOSFETは、より高いゲート電圧で駆動される。例えば、ソース/ドレイン間電圧(Vdss)を20〜40Vとしたとき、ゲート電圧(Vg)はソース/ドレイン間電圧(Vdss)より高い30〜60Vで駆動される。また、第3の特長により、ドレインあるいはソース領域の基板容量を小さくすることができる。
Examples of dimensions of each part in the lateral MOSFET having such a structure are as follows. The thickness Tsi of the SOI layer made of the
このような構造の横型MOSFETにおいては、前述した他の実施形態のMOSFETと同様に、空乏化したSJ型ドリフト層16の効果により、出力容量(Cout)を低減し、ソース領域5およびドレイン領域7間のオン抵抗(Ron)を低減できる。また、この実施形態の横型MOSFETにおいては、ポリシリコンゲート電極15とドレイン領域7との間のオフセットにより、ゲート/ドレイン間容量(Cgd)を低減するとともに、ソース/ドレイン間耐圧(Vdss)をより大きくすることができる。この実施形態のMOSFETは、さらに、高いゲート電圧で駆動されるため、オフセット構造に起因するオン抵抗の増大を緩和するという効果がある。すなわち、一般に、オフセット構造のMOSFETにおいては、そのオン状態においては、ゲート電圧によって形成されるチャンネル層がオフセットの存在によりドレイン電極につながらないため、オン抵抗(Ron)が高くなる傾向がある。しかし、この実施形態のMOSFETにおいては、高いゲート電圧を印加することにより、SJ型ドリフト層16にも反転層 (又は蓄積層)が形成され、電子が蓄積されるため、あたかもソース領域5およびドレイン領域7間がチャンネル層で連結された場合に等しい、低オン抵抗(Ron)が得られることが確認された。そしてこのような効果 (Coutを同じにした場合のVdssとRonの改善の度合い) は、ゲート酸化膜14の厚さTgateがより厚く、ゲート電圧(Vg)がより高くなるにしたがってより大きくなることが確認された。この点についてはさらに後述する。
In the lateral MOSFET having such a structure, the output capacitance (Cout) is reduced by the effect of the depleted SJ
図34は図33に示した横型MOSFETの変形例を示す平面図で、同図(a)は図29の直線A−A´断面図、(b)はその近傍の平面図である。この横型MOSFETにおいては、図33に示したSJ型ドリフト層16の代わりに、P−型あるいはN−型ドリフト層18が用いられている。その他の構造は図34に示した横型MOSFETの構造と同じであるため、同一の部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
34 is a plan view showing a modification of the lateral MOSFET shown in FIG. 33. FIG. 34A is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 29, and FIG. 34B is a plan view of the vicinity thereof. In this lateral MOSFET, a P− type or N−
このような構造の横型MOSFETにおける各部の寸法例を表1に示す。
すなわち、酸化膜3上に形成される、ソース領域5、p型ベース層4、高抵抗ドリフト層16およびドレイン領域7からなるSOI層の厚さTsiは0.1μm、ゲート酸化膜14の厚さTgateは、0.14〜0.21μm、シリコン半導体基板2の上に形成される酸化膜3の厚さTboxは3.0μm、ゲート電極の幅は1.1〜1.3μm、そしてオフセット長は0.6〜2.5μmである。この横型MOSFETの構造上の特徴は、第1に、SOI層の厚さTsiが超薄膜であること、第2に、ゲート酸化膜14の厚さTgateがSOI層の厚さTsiに対して少なくも1/2以上と、厚く形成されていること、第3に、酸化膜3の厚さTboxが十分に厚いことである。第1の特長により、ドレイン領域7のバイアス電圧が0Vであっても、熱平衡状態におけるビルトインポテンシャルによって、高抵抗ドリフト層16が空乏化される。また、第2の特長により、このMOSFETは、より高いゲート電圧で駆動される。例えば、ソース/ドレイン間電圧(Vdss)を20〜40Vとしたとき、ゲート電圧(Vg)はソース/ドレイン間電圧(Vdss)より高い30〜60Vで駆動される。また、第3の特長により、ドレインあるいはソース領域の基板容量を小さくすることができる。
That is, the thickness Tsi of the SOI layer made of the
このような構造の横型MOSFETにおいては、前述した他の実施形態のMOSFETと同様に、空乏化した高抵抗ドリフト層16の効果により、出力容量(Cout)を低減し、ソース領域5およびドレイン領域7間のオン抵抗(Ron)を低減できる。また、この実施形態の横型MOSFETにおいては、ポリシリコンゲート電極15とドレイン領域7との間のオフセットにより、ゲート/ドレイン間容量(Cgd)を低減するとともに、ソース/ドレイン間耐圧(Vdss)をより大きくすることができる。この実施形態のMOSFETは、さらに、高いゲート電圧で駆動されるため、オフセット構造に起因するオン抵抗の増大を緩和するという効果がある。すなわち、一般に、オフセット構造のMOSFETにおいては、そのオン状態においては、ゲート電圧によって形成されるチャンネル層がオフセットの存在によりドレイン電極につながらないため、オン抵抗(Ron)が高くなる傾向がある。しかし、この実施形態のMOSFETにおいては、高いゲート電圧を印加することにより、高抵抗ドリフト層16にも反転層(または、蓄積層)が形成され、電子が蓄積されるため、あたかもソース領域5およびドレイン領域7間がチャンネル層で連結された場合に等しい、低オン抵抗(Ron)が得られることが確認された。そしてこのような効果(Coutを同一にした時のVdssとRonの改善効果)は、ゲート酸化膜14の厚さTgateがより厚く、ゲート電圧(Vg)がより高くなるにしたがってより大きくなることが確認された。
In the lateral MOSFET having such a structure, the output capacitance (Cout) is reduced by the effect of the depleted high
次に、ポリシリコンゲート電極パッド部15−1、15−1´が、少なくとも1個所で、互いに分離形成されている理由について述べる。この理由は、前述したように、互いに直列接続された2個の横型MOSFET21、22(図28)がゲート電極23にバイアス電圧が印加されない状態において、導通することを防止するためである。すなわち、上述したSOI層の厚さTsiが超薄膜である横型MOSFETの製造に際しては、通常、ポリシリコン配線形成後にSOI素子の拡散層を不純物のインプラなどにより導入する。このため、ポリシリコン配線に対向した部分のSOI層は、基板濃度のまま残されてしまう。この基板濃度のまま残されたSOI部分は、超薄膜素子の場合、横方向の拡散で埋めることも難しい。図29に示すような2個のMOSFETをソースとゲートを共通にしてドレインとドレインに電圧を加えて使用する場合、片方のMOSFETのドレインからゲートポリシリコン配線に対向したSOI層内に生じるSi基板チャネルを通って、もう一方のMOSFETのドレインに電気的につながる回路が開いてしまう。この回路の抵抗は、使用する基板の抵抗にもよるが、素子の阻止状態では、ここに流れる電流がたとえ僅かでも、信頼性上問題になる。したがって、ゲートポリシリコン配線に対向したSOI層内に生まれる前記回路を、閉じる構造が必要である。
Next, the reason why the polysilicon gate electrode pad portions 15-1 and 15-1 ′ are separated from each other at least at one location will be described. This is because, as described above, the two
ゲートポリシリコン配線に対向したSOI層内にP+層や絶縁溝を設ける為には、ゲートポリシリコン配線をその部分で一旦切断する必要がある。または、ゲートポリシリコン配線を形成する場所に、ゲートポリシリコン配線を形成する前に、素子分離用の高濃度P+層や絶縁溝を形成しておく方法がある。前者は、従来のプロセスで容易に対応出きるというメリットがある。後者の方法も、製造プロセスの工程は増えるが、可能である。 In order to provide a P + layer and an insulating groove in the SOI layer facing the gate polysilicon wiring, it is necessary to once cut the gate polysilicon wiring at that portion. Alternatively, there is a method of forming a high-concentration P + layer or an insulating groove for element isolation before forming the gate polysilicon wiring at a place where the gate polysilicon wiring is formed. The former has an advantage that it can be easily handled by a conventional process. The latter method is also possible although the number of manufacturing process steps is increased.
図35は図29に示す横型MOSFETの応用装置であるフォトリレー回路の構成を示す回路図である。このフォトリレー回路は、LED発光素子31、このLED発光素子31からの光を受光して電圧を発生するフォトダイオードアレー32、このフォトダイオードアレー32の出力電圧により駆動されるMOSFET回路33およびMOSFET回路33のゲート電極/ソース電極間に接続されるMOSゲート放電回路34から構成されている。
FIG. 35 is a circuit diagram showing a configuration of a photorelay circuit which is an applied device of the lateral MOSFET shown in FIG. This photorelay circuit includes an LED light-emitting
LED発光素子31はその入力端子31−1、31−2間に印加される数Vのスイッチング入力電圧により発光する。フォトダイオードアレー32 は、それぞれ0.5〜0.6V の起電力を発生するフォトダイオードが数10個直列に接続され、その両端間には30〜60Vの直流電圧を発生する。入力端子31−1、31−2は、2個のMOSFET35−1、35−2が接続されている。MOSFET回路33は、図29に示した横型MOSFETである。MOSFET回路33のゲート電極/ソース電極間に接続されるMOSゲート放電回路34は、MOSFET回路33がオンからオフ状態に切り替えられるとき、ゲート電極/ソース電極間に充電されている電荷を迅速に放電するための回路である。そしてMOSFET回路33の出力端子33−1、33−2は、フォトリレー回路のスイッチング端子である。
The LED
次にこのフォトリレー回路の動作を説明する。LED発光素子31の入力端子31−1、31−2間にスイッチング入力電圧が印加されると、LED発光素子31が発光する。この光はフォトダイオードアレー32に受光され、フォトダイオードアレー32の両端子間には高い直流電圧が発生する。この直流電圧はMOSFET回路33に含まれる2個のMOSFET35−1、35−2のゲート電極/ソース電極間に印加される。これによって、直列接続された2個のMOSFET35−1、35−2はオフ状態からオン状態に切り替えられる。これによって、MOSFET回路33の出力端子33−1、33−2間は導通状態になる。
Next, the operation of this photorelay circuit will be described. When a switching input voltage is applied between the input terminals 31-1 and 31-2 of the LED
LED発光素子31の入力端子31−1、31−2間に印加されスイッチング入力電圧がゼロになると、LED発光素子31は発光を停止する。これによって、フォトダイオードアレー32の両端子間に発生していた直流電圧も消滅する。このため、2個のMOSFET35−1、35−2はオン状態からオフ状態に切り替えられる。このとき、2個のMOSFET35−1、35−2のゲート電極/ソース電極間に充電されている電化は、MOSゲート放電回路34により放電される。この状態においては、MOSFET回路33の出力端子33−1、33−2間は非導通状態になる。
When the switching input voltage applied between the input terminals 31-1 and 31-2 of the LED
このようなフォトリレー回路に用いられるスイッチング用の横型MOSFETは、低い出力容量(Cout)と低いオン抵抗(Ron)を同時に実現することができた。すなわち、フォトリレー回路の高周波伝送特性を現すフィギャ・オブ・メリット(FOM)は、出力容量(Cout)とオン抵抗(Ron)との積で表されるが、上述したフォトリレー回路においては、ソース/ドレイン間電圧(Vds)が26.5Vで1.87pFΩ、また、Vdsが43Vで4pFΩのFOMがそれぞれ達成できた。従来の実用に供されているフォトリレー回路のFOMはVdsが40Vで高々10pFΩであった。 The lateral MOSFET for switching used in such a photorelay circuit can simultaneously realize a low output capacitance (Cout) and a low on-resistance (Ron). That is, the figure of merit (FOM) representing the high-frequency transmission characteristics of the photorelay circuit is represented by the product of the output capacitance (Cout) and the on-resistance (Ron). An FOM of 1.87 pF.OMEGA. Was achieved when the voltage / drain voltage (Vds) was 26.5 V, and 4 pF.OMEGA. The FOM of a conventional photorelay circuit used for practical use has a Vds of 40 V and a maximum of 10 pFΩ.
表2は、上記フォトリレー回路に用いられるスイッチング用の横型MOSFETの動作特性を示すデータである。
この表においてサンプルAおよびBは20V系の素子であり、サンプルCは40V系の素子である。また、サンプルConventionalは従来製品である。また、同表において、Voff、IoffおよびCoffはそれぞれ横型MOSFETのオフ状態におけるドレイン・ソース間の電圧、電流および容量である。また、Ion、Ronはそれぞれ横型MOSFETのオン状態におけるドレイン・ソース間の電流および抵抗である。そして、VdsおよびVgは、それぞれ横型MOSFETのドレイン・ソース間に印加される電圧およびゲート電圧である。 In this table, samples A and B are 20V elements, and sample C is a 40V element. Sample Conventional is a conventional product. In the table, Voff, Ioff, and Coff are the drain-source voltage, current, and capacitance in the off state of the lateral MOSFET, respectively. Ion and Ron are the drain-source current and resistance in the on state of the lateral MOSFET, respectively. Vds and Vg are a voltage and a gate voltage applied between the drain and source of the lateral MOSFET, respectively.
また、このフォトリレー回路においては、MOSFET回路33に含まれる2個のMOSFET35−1、35−2を駆動するためのゲート電圧として、高電圧を用いているが、このゲート電圧はフォトダイオードアレー32により発生しており、フォトリレー回路の外部から供給する必要はない。すなわち、フォトダイオードアレー32とMOSゲート放電回路34は、1チップのICとして1パッケージに収納できるため、フォトリレー回路への外部からの入力電圧は、数Vのスイッチング入力電圧でよいため、通常の低電圧のIC回路として利用することができる。
In this photorelay circuit, a high voltage is used as a gate voltage for driving the two MOSFETs 35-1 and 35-2 included in the
図36は図29に示す横型MOSFET(20V系)のゲート駆動電圧と素子の特性との関係を説明するためのグラフである。 FIG. 36 is a graph for explaining the relationship between the gate drive voltage of the lateral MOSFET (20 V system) shown in FIG. 29 and the element characteristics.
図36では、ゲート酸化膜厚さに比例したオン状態のゲート駆動電圧(例えば、ゲート酸化膜0.1μmあたりゲート電圧30Vでの駆動が可能)を横軸に、縦軸はRonで素子耐圧(Vdss)を割った値(Vdss/Ron)をプロットしたものである。同図における各プロットNO.90、NO.91およびNO92はゲート酸化膜厚さが異なり、その他の素子パラメータは同一である3個のMOSFETサンプルの比較である。同図から、Coutが同じであれば、Vdss/Ronの値は大きい方が良いため、ゲート酸化膜を厚くし、駆動ゲート電圧を高くすることで、素子特性の改善が可能であることがわかる。なお、表3には図35に示される各サンプルのデータが示されている。この図からも分かるようにゲート駆動電圧(V)は素子耐圧(Vdss)以上に設計することにより、素子特性の改善を図ることができる。その改善の度合いは、素子耐圧の1、5倍、2倍、4倍になるほど高くなる。
この横型MOSFETの特徴の一つは、前述したように、SJ型ドリフト層16がビルトインポテンシャルによって、空乏化されることである。このための条件は、次の式で表される。
One of the features of this lateral MOSFET is that, as described above, the SJ
W<{2εS・Vbi・(Np+Nn)/qNpNn}0.5
W=Lp+Ln
ここで、
W : SJパターンのピッチ
Ln:n型ドリフト層12(図32(b))
Lp:p型ドリフト層13の幅(図32(b))
εS:Si半導体の誘電率
Vbi:スーパージャンクション及びPNジャンクション間のビルトインポテンシャル
q :素子電荷
以上説明した第4の実施形態においては、2個の横型MOSFET21、22はゲート電極23の部分において、これに接続されるポリシリコンゲート電極15−1、15−1´間を分離した。しかし、2個の横型MOSFET21、22間の分離は、ゲート電極23の部分のみではなく、例えば、2個の横型MOSFET21、22のそれぞれの周囲を、P++高濃度不純物層あるいは絶縁層により囲むことによって分離してもよい。
W <{2εS · Vbi · (Np + Nn) / qNpNn} 0.5
W = Lp + Ln
here,
W: SJ pattern pitch Ln: n-type drift layer 12 (FIG. 32B)
Lp: width of the p-type drift layer 13 (FIG. 32B)
εS: Dielectric constant of Si semiconductor Vbi: Built-in potential between super junction and PN junction q: Element charge In the fourth embodiment described above, the two
以上説明した種々の実施形態では、SOI層としてp型半導体層を用いたが、この半導体層はn型若しくはノンドープの半導体層でも構わない。また、基板としてSOI基板を用いたが、p型半導体基板でも良いことは勿論である。SOI基板の場合は、ドレインとソース(基板)容量を低減することが可能な為、SOI構造を採用していない場合に比べてより低容量化が可能である。 In the various embodiments described above, the p-type semiconductor layer is used as the SOI layer, but this semiconductor layer may be an n-type or non-doped semiconductor layer. Further, although the SOI substrate is used as the substrate, it is needless to say that a p-type semiconductor substrate may be used. In the case of an SOI substrate, since the drain and source (substrate) capacitance can be reduced, the capacitance can be further reduced as compared with the case where the SOI structure is not adopted.
さらにまた、p型とn型の導電型を入れ替えても良く、IGBTやプレーナゲート型、トレンチゲート型素子等のMOSゲートを有するその他の様々な半導体素子においても、電極間の素子内部の容量を低減しながら電界集中部分の電界緩和を効果的に図る場合に本発明は有効である。 Furthermore, the p-type and n-type conductivity types may be interchanged, and in various other semiconductor elements having MOS gates such as IGBT, planar gate type, and trench gate type elements, the capacitance inside the element between the electrodes is increased. The present invention is effective in effectively reducing the electric field at the electric field concentration portion while reducing the electric field.
また、ゲート酸化膜厚さ、ゲート駆動電圧と素子耐圧間の最適設計、さらにSOI構造、超薄膜SOI構造等、本発明に含まれる構造に関しては、全てを考慮し、最適化されることが望ましいが、全ての構造を満たさなくとも、其々の構造の採用によって素子の特性改善が可能である。 In addition, it is desirable that the structure included in the present invention, such as the gate oxide film thickness, the optimum design between the gate driving voltage and the device breakdown voltage, and the structure included in the present invention, such as the SOI structure and the ultrathin film SOI structure, be optimized in consideration of all of them. However, even if not all of the structures are satisfied, the characteristics of the element can be improved by adopting each structure.
1…基板
2…n型のシリコン半導体
3…埋め込み酸化膜
4…p型ベース層
5…n型ソース層
6…p型コンタクト層
7…n型ドレイン層
8、8´…ソース電極
9…コンタクト層
10、10´…ドレイン電極
11…基板電極
12…n型ドリフト半導体層
13…p型ドリフト半導体層
13´…p型高抵抗半導体層
14…ゲート酸化膜
15…ゲート電極
15−1、15−1´…ポリシリコンゲート電極パッド部
16…スーパージャンクションドリフト層
18…N−型ドリフト層
21、22…横型MOSFET
23…ゲート電極
24、24´…境界領域
25…ソース電極配線
31…LED発光素子
31−1、31−2…入力端子
32…フォトダイオードアレー
33−1、33−2…出力端子
34…MOSゲート放電回路
35−1、35−2…MOSFET
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記第1導電型べース層に一部が接合するように第1導電型べース層表面に設けられた第2導電型ソース層と、
前記第2導電型ソース層および前記第1導電型ベース層に一部が接合するように前記第1導電型べース層表面に形成された高濃度の第1導電型コンタクト層と、
前記第1導電型ベース層に対して前記第2導電型ソース層と反対側に離れ、前記絶縁基板表面に設けられた第2導電型ドレイン層と、
前記第1導電型べース層と前記第2導電型ドレイン層とで挾まれた領域の前記絶縁基板上に設けられたドリフト層と、
前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ソース層および前記ドリフト層の上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
を備え、
前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ソース層、前記第2導電型ドレイン層および前記ドリフト層は、前記絶縁基板表面に接触していることを特徴とする電界効果型トランジスタ。 A first conductivity type base layer provided on the surface of the insulating substrate;
A second conductivity type source layer provided on the surface of the first conductivity type base layer so as to be partially joined to the first conductivity type base layer;
A first conductivity type contact layer of the high density part to the second conductivity type source layer and the first conductivity type base layer formed on said first conductivity type base layer surface to be joined,
A second conductivity type drain layer provided on a surface of the insulating substrate, separated from the first conductivity type base layer on a side opposite to the second conductivity type source layer;
A drift layer provided on the insulating substrate in a region sandwiched between the first conductivity type base layer and the second conductivity type drain layer;
A gate electrode formed on the first conductivity type base layer, the second conductivity type source layer, and the drift layer via a gate insulating film;
With
The field effect transistor according to claim 1, wherein the first conductivity type base layer, the second conductivity type source layer, the second conductivity type drain layer, and the drift layer are in contact with the surface of the insulating substrate.
一端が前記第1導電型ベース層に接合するとともに他端が前記第2導電型ドレイン層方向に延長形成された第1導電型のドリフト半導体層と、
一端が前記第1導電型ベース層に接合するとともに他端が前記第2導電型ドレイン層に接合するように延長形成され、前記第1導電型のドリフト半導体層に併設形成された第2導電型のドリフト半導体層と、からなるスーパージャンクション型ドリフト層であることを特徴とする請求項1に記載の電界効果型トランジスタ。 The drift layer is
A first conductivity type drift semiconductor layer having one end joined to the first conductivity type base layer and the other end extended in the direction of the second conductivity type drain layer;
The second conductivity type is formed so that one end is joined to the first conductivity type base layer and the other end is joined to the second conductivity type drain layer, and is formed side by side with the first conductivity type drift semiconductor layer. 2. The field effect transistor according to claim 1, wherein the field effect transistor is a super junction type drift layer.
前記ストライプ状の第1導電型および第2導電型の抵抗層は、それらの長手方向が前記第1導電型ベース層から前記第2導電型ドレイン層に向かう方向に対して交差する方向に配置されると共に、互いにほぼ平行に交互に配列されていることを特徴とする請求項1に記載の電界効果型トランジスタ。 The drift layer includes a stripe-shaped first conductivity type low resistance layer and a second conductivity type resistance layer provided on the surface of the insulating substrate between the first conductivity type base layer and the second conductivity type drain layer. ,
The stripe-shaped first conductivity type and second conductivity type resistance layers are arranged in a direction in which the longitudinal direction intersects the direction from the first conductivity type base layer toward the second conductivity type drain layer. The field effect transistors according to claim 1, wherein the field effect transistors are alternately arranged substantially parallel to each other.
前記第1導電型べース層に一部が接合するように前記絶縁基板表面に設けられた第2導電型ソース層と、
前記第2導電型ソース層および前記第1導電型ベース層に一部が接合するように前記絶縁基板表面に形成された高濃度の第1導電型コンタクト層と、
前記第1導電型ベース層に対して前記第2導電型ソース層と反対側に離れ、前記絶縁基板表面に設けられた第2導電型ドレイン層と、
前記第1導電型べース層と前記第2導電型ドレイン層とで挾まれた領域の前記絶縁基板上に設けられたドリフト層と、
前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ソース層および前記ドリフトの上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
を備え、
前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ソース層、前記第2導電型ドレイン層、前記ドリフト層および前記第1導電型コンタクト層は、前記絶縁基板表面に接触していることを特徴とする電界効果型トランジスタ。 A first conductivity type base layer provided on the surface of the insulating substrate;
A second conductivity type source layer provided on the surface of the insulating substrate so as to be partially bonded to the first conductivity type base layer;
A high-concentration first conductivity type contact layer formed on the surface of the insulating substrate so as to be partially bonded to the second conductivity type source layer and the first conductivity type base layer;
A second conductivity type drain layer provided on a surface of the insulating substrate, separated from the first conductivity type base layer on a side opposite to the second conductivity type source layer;
A drift layer provided on the insulating substrate in a region sandwiched between the first conductivity type base layer and the second conductivity type drain layer;
A gate electrode formed on the first conductivity type base layer, the second conductivity type source layer and the drift via a gate insulating film;
With
The first conductivity type base layer , the second conductivity type source layer, the second conductivity type drain layer, the drift layer, and the first conductivity type contact layer are in contact with the surface of the insulating substrate. Field effect transistor.
前記第1導電型べース層の表面に選択的に形成された第2導電型ソース層と、A second conductivity type source layer selectively formed on the surface of the first conductivity type base layer;
前記第1導電型ベース層とは離れた前記絶縁基板上に形成された第2導電型ドレイン層と、A second conductivity type drain layer formed on the insulating substrate apart from the first conductivity type base layer;
前記第1導電型べ一ス層と第2導電型ドレイン層とで挾まれた領域の前記絶縁基板上に形成されたドリフト層と、A drift layer formed on the insulating substrate in a region sandwiched between the first conductivity type base layer and the second conductivity type drain layer;
前記ベース層の上下の表面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を備え、A gate electrode formed on the upper and lower surfaces of the base layer via a gate insulating film,
前記ドリフト層は前記べース層より高い抵抗を有し、前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ドレイン層および前記ドリフト層は、前記絶縁基板表面に接触しており、前記ゲート電極は、前記第1導電型ベース層および前記ドリフト層の上方および下方に設けられていることを特徴とする電界効果型トランジスタ。The drift layer has a higher resistance than the base layer, and the first conductive type base layer, the second conductive type drain layer, and the drift layer are in contact with the surface of the insulating substrate, and the gate electrode Are provided above and below the first conductivity type base layer and the drift layer, respectively.
前記第1導電型べース層の表面に選択的に形成された第2導電型ソース層と、A second conductivity type source layer selectively formed on the surface of the first conductivity type base layer;
前記第1導電型ベース層とは離れた前記絶縁基板上に形成された第2導電型ドレイン層と、A second conductivity type drain layer formed on the insulating substrate apart from the first conductivity type base layer;
前記第1導電型べ一ス層と第2導電型ドレイン層とで挾まれた領域の前記絶縁基板上に形成された第1導電型のドリフト半導体層と、A first conductivity type drift semiconductor layer formed on the insulating substrate in a region sandwiched between the first conductivity type base layer and a second conductivity type drain layer;
前記第1導電型べ一ス層と第2導電型ドレイン層とで挾まれた領域の前記絶縁基板上に形成された第2導電型のドリフト半導体層と、A drift semiconductor layer of a second conductivity type formed on the insulating substrate in a region sandwiched between the first conductivity type base layer and the second conductivity type drain layer;
前記ベース層表面に、ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極、と、を備え、A gate electrode formed on the surface of the base layer via a gate insulating film, and
前記第1導電型ベース層、前記第2導電型ドレイン層および前記ドリフト層は、前記絶縁基板表面に接触しており、前記ゲート電極は、前記第1導電型ベース層および前記ドリフト層の上方および下方に設けられていることを特徴とする電界効果型トランジスタ。The first conductivity type base layer, the second conductivity type drain layer, and the drift layer are in contact with the surface of the insulating substrate, and the gate electrode is located above the first conductivity type base layer and the drift layer and A field-effect transistor characterized by being provided below.
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