JP5322169B2 - 炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタを用いたインバータ回路および論理ゲート回路 - Google Patents

炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタを用いたインバータ回路および論理ゲート回路 Download PDF

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Description

この発明は、炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタを用いて構成したインバータ回路および論理ゲート回路に関する。
炭化珪素(SiC)はシリコン(Si)と比較してバンドギャップが広い、破壊電界強度が大きい、電子の飽和ドリフト速度が大きいなど優れた物性を有する。したがって、SiCを出発材料として用いることにより、Siの限界を超えた高耐圧で低抵抗の電力用半導体素子が作製できる。またSiCにはSiと同様に熱酸化によって絶縁層を形成できるという特徴がある。これらのことから、SiC単結晶を素材料とした高耐圧で低オン抵抗の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(以下MISFET、典型的にはMOSFETとして知られている)が実現できると考えられ、数多くの研究開発が行われている。
また、SiCは過渡応答特性が優れていることも知られており、100kHzを超える高周波領域での利用も可能となる。Siでは実現できないような高周波・高パワー密度を持つパワーICの作製が可能となる。このような性能は、パワーICのみならず、高速動作を必要とする論理回路の実用化にも好適である。
上述のように、SiC MISFETはSi素子に比べて優れた特徴をもっているにもかかわらず、論理回路への応用に関しては報告例がきわめて少なく、実用化レベルにある技術もほとんど紹介されていない。図18は、従来より知られている論理回路の典型例の一つであるCMOSインバータ回路を示すもので、低い消費電力で高速動作を実行できることから、Siデバイスの分野では広く用いられている。
非特許文献1には、SiC MOSFETを用いたCMOSインバータ開発例が開示されている。n+型の基板上に形成したn型の4H−SiCエピタキシャル層にnチャネルMOSFETとpチャネルMOSFETを作製したもので、双方のデバイスのチャネル長は3μm、ゲート酸化膜の厚さが40nm、ソース、ドレイン領域厚さが300nmの寸法をもつ。SiC MISFETでは、Si MISFETよりオン抵抗を2桁下げることができるとされており、デバイス動作の高速化のためにはオン抵抗の低減が重要な要素となる。この点、非特許文献で扱われているSiC MOSデバイスのゲート長(またはチャネル長=ソース・ドレイン領域の間隔)は3μmと、さほど短くないのでかかるデバイスのオン抵抗低減に著しく貢献することは期待できない。
上記SiC CMOSインバータ用MOSFETにおいて、ゲート長(チャネル長)を3μm程度でしか作製できないのは、SiCプロセスでは自己整合技術を用いることが困難だからである。SiCプロセスでは、不純物のイオン注入後に行う活性化アニールの温度がSiプロセスに比べて高く(1600℃程度)、ゲート酸化膜がその高温処理に耐えられないので、ゲート酸化膜、ゲート電極をイオン注入による不純物領域形成後に別途のマスク合せで形成することになる(非自己整合)ためである。
"Development of A 4H−SiC CMOS Inverter"Mater.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.911,2006(Figure1、Figure4、Figure8)
前述の非特許文献に記載されているSiC CMOSインバータは、SiC MOSFETの論理回路への数少ない適用例であるが、Figure4に示されているNMOSFETの電界移動度とFigure8に示されるPMOSFETの電界移動度の比較からも、PMOSFETの移動度が圧倒的に低い。このことから、NOMSFETの移動度にPMOSFETの特性を近づけようとすると、デバイスサイズを極端に大きくせざるを得ず、実用に足る論理回路設計が行えないという問題があった。このような現象の発生はSiCの物性上必然・不可避であり、Siデバイスで常識的に採用されているCMOS構成のインバータの実用化はSiCでは困難である。したがって、SiCの特徴を生かして高速動作を実現するためには、PMOSFETを用いないで、どのように論理回路を構成するかの解明がひとつの課題となる。
高速動作を図る上での考慮すべき要素は、抵抗と寄生容量の低減であり、使用するSiC MISFETの構造も検討すべき課題である。
SiC MISFETは、Si MISFETよりオン抵抗を2桁下げることができるとされており、デバイス動作の高速化のためにはオン抵抗の低減が重要な要素となる。オン抵抗低減の端的なアプローチはゲート長(=チャネル長)を短くすることであるが、一般的には、短かいゲート長のMISFETを作製する場合、ゲート長のみならずゲート絶縁膜(酸化膜)ならびにソース、ドレイン領域の厚さも併せて縮小(スケールダウン)する必要がある。ゲート長が3μm、ゲート酸化膜の厚さが40nm、ソース、ドレイン領域厚さが300nmの寸法をもつSiC MISFETのゲート長を1μmにしようとすると、ゲート酸化膜を13nm、ソース、ドレイン領域厚さを100nmに縮小することになる。この結果、ゲート長が短くなる点ではオン抵抗は低減される一方で、オン抵抗を構成する他方の主要成分であるソース、ドレイン領域でのシート抵抗は13kΩ/□から20kΩ/□に増加してしまい、ゲート(チャネル)長短縮によるオン抵抗の低減効果が相殺されてしまうという問題があった。また、逆に、ソース、ドレイン領域をある程度の厚さを維持してゲート(チャネル)長を短くしていくと、シート抵抗成分は低くできても、短チャネル効果が発生しデバイスの閾値電圧(Vth)が不安定になるという問題に遭遇する恐れがあった。
また、SiC MISFETを作製しようとする場合、Si MISFET製造プロセスで一般に用いられている自己整合技術を用いることができないという制約は、短ゲート(チャネル)長MISFETの実現に不利であるばかりでなく、マスク合せ→電極パターニングの非自己整合製造工程のゆえに、出来上がったデバイスでのゲート電極とソース、ドレイン領域との重なり部分での寄生容量が発生するので、この低減も解決すべき課題となる。
本発明は、上記問題に鑑み、PMOSFETを用いずにSiC MISFETにより構成した論理回路を提供することを目的とする。
また、本発明は、オン抵抗の低いSiC MISFETを用いて構成した論理回路を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、寄生容量の低減を図ったSiC MISFETを用いて構成した論理回路を提供することを目的とするものである。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項1に記載のものは、ソース、ドレイン、ゲートを有するnチャネルエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(22)と、ソース、ドレイン、ゲートを有するnチャネルデプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(21)とを備え、前記エンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ゲートおよびソースにはそれぞれ入力信号(23)および第1の電源電位(25)が供給され、前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインには第2の電源電位(24)が供給され、前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ゲートと前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースとが電気的に接続され、前記エンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインと前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースとが電気的に接続され、その接続点から出力信号(26)が取り出されるように構成され、前記エンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタと前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタは炭化珪素材料を用いて構成されてなることを特徴とするインバータ回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項2に記載のものは、前記エンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくとも一方は、一主面を有する一導電型の炭化珪素半導体領域(2)を含む基板(1)と、前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)内に前記一主面に接しかつ互いに離間して形成された前記一導電型とは反対導電型のソース、ドレイン領域(3D、4D、3E、4E)と、前記離間して形成されたソース、ドレイン領域(3D、4D、3E、4E)の対向する端縁で挟まれた前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)の一主面側に形成され、前記ソース領域(4D、4E)に接する第1の側面と、前記ドレイン領域(3D、3E)に接する第2の側面と、前記一主面から所定の深さに位置し前記第1および第2の側面に連続し前記離間形成されたソース、ドレイン領域(3D、4D、3E、4E)を接続する底面とからなる凹部(5D、5E)と、前記ソース、ドレイン領域(3D、4D、3E,4E)が接する前記一主面の一部を覆い、前記凹部(5D、5E)の前記第1および第2の側面上および前記底面上に形成された絶縁膜(6D、6E)と、前記絶縁膜(6D、6E)上に形成されたゲート電極(7D、7E)と、前記ソース、ドレイン領域(3D、4D、3E、4E)の少なくとも一方に電気的に接続されたソースまたはドレイン電極(9、または10)とを有し、前記ソース、ドレイン領域(3D、4D、3E、4E)を接続する前記底面に隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域を構成してなるリセスゲート構造を有する炭化珪素電界効果トランジスタからなることを特徴とする請求項1記載のインバータ回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項3に記載のものは、前記エンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜(6E)上に形成されたゲート電極(7E)直下のソース、ドレイン領域(3E、4E)に前記一導電型の容量緩和領域(12E、12E)を形成してなることを特徴とする請求項2記載のインバータ回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項4に記載のものは、前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜(6D)上に形成されたゲート電極(7D)直下のドレイン領域(3D)に前記一導電型の容量緩和領域(12D)を形成してなることを特徴とする請求項2記載のインバータ回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項5に記載のものは、前記インバータ回路が同一の基板上に形成されてなることを特徴とする請求項1記載のインバータ回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項6に記載のものは、前記インバータ回路が炭化珪素を主成分とする半導体領域を含む基板上に形成されてなることを特徴とする請求項1記載のインバータ回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項7に記載のものは、一主面を有する一導電型の炭化珪素半導体領域(2)を含む基板(1)と、前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)内に前記一主面に接しかつ互いに離間して形成された前記一導電型とは反対導電型の第1のソース、ドレイン領域(4E、3E)と、前記離間して形成された第1のソース、ドレイン領域(4E、3E)の対向する端縁で挟まれた前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)の一主面側に形成され、前記第1のソース領域(4E)に接する第1の側面と、前記第1のドレイン領域(3E)に接する第2の側面と、前記一主面から所定の深さに位置し前記第1および第2の側面に連続し前記離間形成された第1のソース、ドレイン領域(4E、3E)を接続する第1の底面とからなる第1の凹部(5E)と、前記第1のソース、ドレイン領域(4E、3E)が接する前記一主面の一部を覆い、前記第1の凹部(5E)の前記第1および第2の側面上および前記第1の底面上に形成された第1の絶縁膜(6E)と、前記第1の絶縁膜(6E)上に形成された第1のゲート電極(7E)と、前記第1のソース、(4E)に電気的に接続された第1のソース電極(10)とを有し、前記第1のソース、ドレイン領域(4E、3E)を接続する前記第1の底面に隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域を構成してなるリセスゲート構造を有するエンハンスメント型絶縁ゲート炭化珪素電界効果トランジスタと、
前記一主面を有する一導電型の炭化珪素半導体領域(2)を含む基板(1)と、前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)内に前記一主面に接しかつ互いに離間して形成された前記一導電型とは反対導電型の第2のソース、ドレイン領域(4D、3D)と、前記離間して形成された第2のソース、ドレイン領域(4D、3D)の対向する端縁で挟まれた前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)の一主面側に形成され、前記第2のソース領域(4D)に接する第3の側面と、前記第2のドレイン領域(3D)に接する第4の側面と、前記一主面から所定の深さに位置し前記第3および第4の側面に連続し前記離間形成された第2のソース、ドレイン領域(4D、3D)を接続する第2の底面とからなる第2の凹部(5D)と、前記第2のソース、ドレイン領域(4D、3D)が接する前記一主面の一部を覆い、前記第2の凹部(5D)の前記第3および第4の側面上および前記第2の底面上に形成された第2の絶縁膜(6D)と、前記第2の絶縁膜(6D)上に形成された第2のゲート電極(7D)と、前記第2のドレイン領域(3D)に電気的に接続された第2のドレイン電極(9)とを有し、前記第2のソース、ドレイン領域(4D、3D)を接続する前記第2の底面に隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域を構成してなるリセスゲート構造を有するデプリーション型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタとを有し、
前記エンハンスメント型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記第1のゲート電極および前記第1のソース電極はそれぞれ入力信号および第1の電源電位に接続され、前記デプリーション型炭化珪素電界効果トランジスタの前記第2のドレイン電極は第2の電源電位に接続され、前記デプリーション型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記第2のゲート電極と前記第2のソース領域とは電気的に接続され、前記エンハンスメント型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記第1のドレイン領域と前記デプリーション型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記第2のソース領域とは電気的に接続され、その接続点(11)から出力信号が取り出されるように構成されてなることを特徴とするリセス構造を有する炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタインバータ回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項8に記載のものは、前記エンハンスメント型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくとも一方は、前記第1または第2の底面の両端近傍の部分は前記第1または第2のソース、ドレイン領域(4E、3E、4D,3D)の薄い領域(3a、3a)に接してなることを特徴とする請求項7記載のリセス構造を有する炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタインバータ回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項9に記載のものは、前記第1のソース、ドレイン領域(4E、3E)または第2のソース、ドレイン領域(4D、3D)は前記一主面から第1の所定の深さで形成され、前記第1または第2の底面は前記一主面から第2の所定の深さに位置するように形成され、前記エンハンスメント型炭化珪素電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型炭化珪素電界効果トランジスタの少なくとも一方は、前記第2の所定の深さが前記第1の所定の深さとほぼ等しいかそれより浅く選定され、前記第1または第2の底面の全長にわたり隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域を構成してなることを特徴とする請求項7記載のリセス構造を有する炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタインバータ回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項10に記載のものは、前記エンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜(6E)上に形成されたゲート電極(7E)直下のソース、ドレイン領域(3E、4E)に前記一導電型の容量緩和領域(12E、12E)を形成してなることを特徴とする請求項7記載のリセス構造を有する炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタインバータ回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項11に記載のものは、前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜(6D)上に形成されたゲート電極(7D)直下のドレイン領域(3D)に前記一導電型の容量緩和領域(12D)を形成してなることを特徴とする請求項7記載のリセス構造を有する炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタインバータ回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項12に記載のものは、前記エンハンスメント型炭化珪素電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型炭化珪素電界効果トランジスタにおいて形成されるチャネルはn型であることを特徴とする請求項7記載のリセス構造を有する炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタインバータ回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項13に記載のものは、ソース、ドレイン、ゲートを有する第1のnチャネルエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(22b)と、ソース、ドレイン、ゲートを有する第2のnチャネルエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(22)と、ソース、ドレイン、ゲートを有するnチャネルデプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(21)とを備え、前記第1のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインと前記第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースとが電気的に接続され、前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ゲートと前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースとが電気的に接続され、前記第1のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースは第1の電源電位(25)に接続され、前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインは第2の電源電位(24)に接続され、前記第1および第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタのそれぞれの前記ゲートは第1および第2の入力信号(23b、23)に接続され、前記第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインと前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースとが電気的に接続され、その接続点から出力信号(26)が取り出されるように構成され、前記エンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタと前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタは炭化珪素材料を用いて構成されてなることを特徴とするNAND論理ゲート回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項14に記載のものは、前記第1および第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくともひとつは、一主面を有する一導電型の炭化珪素半導体領域(2)を含む基板(1)と、前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)内に前記一主面に接しかつ互いに離間して形成された前記一導電型とは反対導電型のソース、ドレイン領域(4D、3D、4E、3E、4bE、3bE)と、前記離間して形成されたソース、ドレイン領域(4D、3D、4E、3E、4bE、3bE)の対向する端縁で挟まれた前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)の一主面側に形成され、前記ソース領域(4D、4E、4bE)に接する第1の側面と、前記ドレイン領域(3D、3E、3bE)に接する第2の側面と、前記一主面から所定の深さに位置し前記第1および第2の側面に連続し前記離間形成されたソース、ドレイン領域(4D、3D、4E、3E、4bE、3bE)を接続する底面とからなる凹部(5D、5E、5bE)と、前記ソース、ドレイン領域(4D、3D、4E、3E、4bE、3bE)が接する前記一主面の一部を覆い、前記凹部(5D、5E、5bE)の前記第1および第2の側面上および前記底面上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されたゲート電極(7D、7E、7bE)と、前記ソース、ドレイン領域(4D、3D、4E、3E、4bE、3bE)の少なくとも一方に電気的に接続されたソースまたはドレイン電極(9、または10)とを有し、前記ソース、ドレイン領域(4D、3D、4E、3E、4bE、3bE)を接続する前記底面に隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域を構成してなるリセスゲート構造を有する炭化珪素電界効果トランジスタからなることを特徴とする請求項13記載のNAND論理ゲート回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項15に記載のものは、前記第1または第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜上に形成されたゲート電極(7E、7bE)直下のソース、ドレイン領域(3E、4E、3bE、4bE)に前記一導電型の容量緩和領域(12E、12E、12bE,12bE)を形成してなることを特徴とする請求項14記載のNAND論理ゲート回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項16に記載のものは、前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜上に形成されたゲート電極(7D)直下のドレイン領域(3D)に前記一導電型の容量緩和領域(12D)を形成してなることを特徴とする請求項14記載のNAND論理ゲート回路。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項17に記載のものは、前記NAND論理ゲート回路が同一の基板上に形成されてなることを特徴とする請求項13記載のNAND論理ゲート回路。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項18に記載のものは、前記NAND論理ゲート回路が炭化珪素を主成分とする半導体領域を含む基板上に形成されてなることを特徴とする請求項13記載のNAND論理ゲート回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項19に記載のものは、前記第1および第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくともひとつは、前記底面の両端近傍の部分が前記ソース、ドレイン領域(3D,4D、3E、4E、3bE、4bE)の薄い領域(3a、3a)に接してなることを特徴とする請求項14記載のNAND論理ゲート回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項20に記載のものは、前記第ソース、ドレイン領域(3D,4D、3E、4E、3bE、4bE)は前記一主面から第1の所定の深さで形成され、前記底面は前記一主面から第2の所定の深さに位置するように形成され、前記第1および第2のエンハンスメント型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくともひとつは、前記第2の所定の深さが前記第1の所定の深さとほぼ等しいかそれより浅く選定され、前記底面の全長にわたり隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域を構成してなることを特徴とする請求項14記載のNAND論理ゲート回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項21に記載のものは、ソース、ドレイン、ゲートを有する第1のnチャネルエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(22b)と、ソース、ドレイン、ゲートを有する第2のnチャネルエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(22)と、ソース、ドレイン、ゲートを有するnチャネルデプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(21)とを備え、前記第1のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースと前記第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースとが電気的に接続され、その接続点は第1の電源電位(25)に接続され、前記第1のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインと前記第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインとが電気的に接続されるとともに前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ゲートおよびソースに電気的に接続され、それらの接続点から出力信号(26)が取り出されるように構成され、前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインは第2の電源電位(24)に接続され、前記第1および第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ゲートはそれぞれ第1および第2の入力信号(23b、23)に接続され、前記エンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタと前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタは炭化珪素材料を用いて構成されてなることを特徴とするNOR論理ゲート回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項22に記載のものは、前記第1および第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくともひとつは、一主面を有する一導電型の炭化珪素半導体領域を含む基板と、前記一導電型炭化珪素半導体領域内に前記一主面に接しかつ互いに離間して形成された前記一導電型とは反対導電型のソース、ドレイン領域と、前記離間して形成されたソース、ドレイン領域の対向する端縁で挟まれた前記一導電型炭化珪素半導体領域の一主面側に形成され、前記ソース領域に接する第1の側面と、前記ドレイン領域に接する第2の側面と、前記一主面から所定の深さに位置し前記第1および第2の側面に連続し前記離間形成されたソース、ドレイン領域を接続する底面とからなる凹部と、前記ソース、ドレイン領域が接する前記一主面の一部を覆い、前記凹部の前記第1および第2の側面上および前記底面上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ソース、ドレイン領域の少なくとも一方に電気的に接続されたソースまたはドレイン電極とを有し、前記ソース、ドレイン領域を接続する前記底面に隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域を構成してなるリセスゲート構造を有する炭化珪素電界効果トランジスタからなることを特徴とする請求項21記載のNOR論理ゲート回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項23に記載のものは、前記第1または第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜上に形成されたゲート電極直下のソース、ドレイン領域に前記一導電型の容量緩和領域を形成してなることを特徴とする請求項22記載のNOR論理ゲート回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項24に記載のものは
、前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜上に形成されたゲート電極直下のドレイン領域に前記一導電型の容量緩和領域を形成してなることを特徴とする請求項22記載のNOR論理ゲート回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項25に記載のものは、前記NOR論理ゲート回路が同一の基板上に形成されてなることを特徴とする請求項21記載のNOR論理ゲート回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項26に記載のものは、前記NOR論理ゲート回路が炭化珪素を主成分とする半導体領域を含む基板上に形成されてなることを特徴とする請求項21記載のNOR論理ゲート回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項27に記載のものは、前記第1および第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくともひとつは、前記底面の両端近傍の部分が前記ソース、ドレイン領域の薄い領域に接してなることを特徴とする請求項22記載のNOR論理ゲート回路である。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項28に記載のものは、前記第ソース、ドレイン領域は前記一主面から第1の所定の深さで形成され、前記底面は前記一主面から第2の所定の深さに位置するように形成され、前記第1および第2のエンハンスメント型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくともひとつは、前記第2の所定の深さが前記第1の所定の深さとほぼ等しいかそれより浅く選定され、前記底面の全長にわたり隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域を構成してなることを特徴とする請求項22記載のNOR論理ゲート回路である。
本発明のインバータ回路、NAND論理ゲート回路、NOR論理ゲート回路によれば、次のような効果を奏する。
すなわち、nチャネルSiC MISFETのみを用いて論理回路を構成したので、オン抵抗と寄生容量を小さくでき、CMOS構成の論理回路より高速動作を実現することができる。
また、リセスゲート構造を有するSiC MISFETの採用によりゲート電極に隣接するソース、ドレイン領域の厚さを選択的に薄く、もしくは実質ゼロにできることから短チャネル効果を抑制でき、短ゲート長(チャネル長)によるオン抵抗の低いSiC MISFETを得ることができるので論理回路の動作速度がさらに向上する。加えて、ゲート電極隣接部から離れたソース、ドレイン領域は厚さは薄くしなくてすむので、ソース、ドレイン領域のシート抵抗上昇の恐れもなくなるため、この点でもデバイスのオン抵抗を低減でき、高速動作に寄与する。
さらに、容量緩和領域の形成によりゲート電極に寄生する静電容量を低減できるので、論理回路の動作をより一層高速化できる。
本発明の実施の形態1が適用されたSiC MISFETを用いて構成されたインバータ回路デバイス示す、図2のA−A’に沿う断面図。 図1に示すインバータ回路デバイスを示す平面図。 図3は、図1および図2に示したインバータ回路デバイスを示す回路構成図。 図3で示したインバータ回路に寄生容量を付加した回路構成を示す図。 SiCで構成したCMOSインバータの回路構成を示す図。 本発明の実施の形態2が適用されたSiC MISFETを用いて構成されたインバータ回路デバイス示す断面図。 図6に示すインバータ回路デバイスの製造方法を示す工程図。 図6に示すインバータ回路デバイスの製造方法を示す工程図。 図6に示すインバータ回路デバイスの製造方法を示す工程図。 図6に示すインバータ回路デバイスの製造方法を示す工程図。 図6に示すインバータ回路デバイスの製造方法を示す工程図。 図6に示すインバータ回路デバイスの製造方法を示す工程図。 図6に示すインバータ回路デバイスの製造方法を示す工程図。 本発明の実施の形態4が適用されたSiC MISFETを用いて構成されたNAND論理ゲート回路構成を示す図。 本発明の実施の形態4が適用されたSiC MISFETを用いて構成されたNAND論理ゲート回路デバイス示す断面図。 本発明の実施の形態5が適用されたSiC MISFETを用いて構成されたNOR論理ゲート回路構成を示す図。 本発明の実施の形態3が適用されたSiC MISFETを用いて構成されたインバータ回路デバイスを示す断面図。 従来のCMOSインバータを示す回路構成を示す図。
以下に、本発明を実施するための形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明する全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、必要な場合以外の繰り返し説明は省略する。
[実施の形態1]
図1および図2は、実施の形態1にかかるSiC MISFETを用いて構成したインバータ回路デバイスの構造を示すもので、図1が拡大断面図、図2がその平面図である(図1は図2の一点鎖線に沿った断面図)。SiC基板1上にp型のSiC半導体領域2を形成した基体を準備し、SiC半導体領域2内にnチャネルエンハンスメント型SiC MISFET22とデプリーション型SiC MISFET21とを形成する。それぞれのSiC MISFETはSiC半導体領域2内にその一主面に隣接し、離間・対向するn+型のソース、ドレイン領域4D、3D(デプリーション型SiC MISFET形成用)および4E,3E(エンハンスメント型SiC MISFET形成用)を選択的に設ける。エンハンスメント型SiC MISFETのドレイン領域3Eとデプリーション型SiC MISFETのソース領域4Dは電気的に接続されるので一体の領域として形成してあるが、別個に形成してもよい。デプリーション型SiC MISFETのチャネル形成予定領域(ソース、ドレイン領域で挟まれた半導体領域2の表面領域)には予めn型の不純物がドーピングされている。この結果、エンハンスメント型SiC MISFETはノーマリーオフで動作し、デプリーションSiC MISFETはノーマリーオンで動作する。ここで、SiC基板1は、p型、n型あるいは半絶縁性のいずれかであって、結晶面は、(0001)Si面、または(000−1)C面とするか、あるいはその他の面方位であってもよい。また、p型半導体領域2は、デバイスを構成する領域が形成される活性層であり、例えば不純物濃度が5×1015/cm程度でドーピングされた10μmの厚さをもつエピタキシャル成長層からなる。ソース、ドレイン領域4D、3D、4E、3Eの不純物濃度は約1×1020/cmで、厚さは250nmである。ソース、ドレイン領域4D、3D、4E、3Eの離間距離(対向間隔)は1μmであり、この距離が、すなわちゲート長Lg(チャネル長)を規定する。
デプリーション型SiC MISFET21およびエンハンスメント型SiC MISFET22には、半導体領域2の一主面側に設けられた凹部5D、5Eと、それぞれの凹部を覆うゲート絶縁膜6D,6E上に形成されたゲート電極7D,7Eとからなるリセスゲート構造が存在する。すなわち、凹部5D、5Eは、ソース、ドレイン領域4D、3Dまたは4E、3Eの対向する端縁(半導体領域2の一主面上でのソース、ドレイン領域の終端)で挟まれた半導体領域2の一主面側に形成されており、ソース、ドレイン領域4D、3Dまたは4E、3Eに接する二つの側面と一主面から所定の深さに位置し二つの側面に連続し離間形成されたソース、ドレイン領域4D、3Dまたは4E、3Eを接続する底面から構成されている。この例では、凹部(リセス)は幅2μm、深さ150nmで形成することができる。
ゲート絶縁膜6D、6Eは、シリコン酸化膜を用いることができ、その厚さは例えば、13nmである。図1では、ゲート絶縁膜6D、6Eとして凹部(リセス)の底面と両側面上ならびにソース、ドレイン領域3D、4Dまたは3E,4Eの一部表面上にかけて一様な厚さのものを用いているが、これに限ることなく、例えば、ソース、ドレイン領域4D、3Dまたは4E、3Eの一部表面上のゲート絶縁膜を凹部内のそれより厚くしてもよい。これにより、ゲート電極とソース、ドレイン領域とのオーバラップによる容量の増加を抑制できる。
ゲート電極7D、7Eは、ポリシリコン材料を用いることができ、n型の不純物を1×1020/cm程度ドーピングしたものを利用する。
図1の構造では、凹部5D、5Eの両端部近傍直下のソース、ドレイン領域4D、3Dまたは4E、3Eの一部が薄い領域3a、3aとして存在している(図1では、薄い領域3aが各SiC MISFETにつき一箇所で符号表示してあるが、実際にはソース領域、ドレイン領域それぞれに同じ構造が存在する。図6、図15でも同様である。)。また、ソース、ドレイン電極9、10、11直下のソース、ドレイン領域4D、3Dまたは4E、3Eの部分は比較的厚く維持されている。この結果、かかるSiC MISFETでは、ゲート長(チャネル長)を短くしていっても短チャネル効果を抑制でき、オン抵抗の低減を可能とするという特徴をもつ。
絶縁膜8は、電極・配線形成用にSiC半導体領域2上に形成され、シリコンの酸化膜であってよい。基板1上の半導体領域2表面には、絶縁膜8の形成に先立ち、フィールド絶縁膜を形成しておくのが通常であるが、ここでは、図示を省略してある。
ソース、ドレイン電極9、10、11が絶縁膜8に形成したコンタクト開口を通してソース、ドレイン領域4D、3Dまたは4E、3Eに電気的に接続される。コンタクト開口は、図2に示すように四角形状でそのサイズは2μm角である。また、図2におけるコンタクト開口のピッチは4μmである。ゲート電極7D、7Eは、ソース、ドレイン電極9、10、11とは別個の層で構成されているが、実際には、ゲート電極7D、7Eは図2の平面図の上方に延伸し、そこで絶縁膜8に設けた別のコンタクト開口を通してソース、ドレイン電極と同じ材料のゲート引出し電極が形成される。
図3は、図1および図2に示したインバータ回路デバイスの回路構成図であって、エンハンスメント型SiC MISFET22のドレインとデプリーション型SiC MISFET21のソースとが電気的に接続され、その接続点は出力ノード26に接続され、デプリーション型SiC MISFET21のゲートとソースとが電気的に接続され、エンハンスメント型SiC MISFET22のソースは第1の電源電位25に接続され、デプリーション型SiC MISFET21のドレインは第2の電源電位24に接続され、エンハンスメント型SiC MISFET22のゲートは入力信号が入力される入力ノード23に接続されている。かかる回路構成は、エンハンスメント型のデバイスとデプリーション型のデバイスで構成されることからEDインバータとも呼ばれる。EDインバータはnチャネルのデバイス同士の組合せからなるので、単チャネルインバータである。エンハンスメント型のデバイスおよびデプリーション型のデバイスは、それぞれ通常スイッチングデバイス/トランジスタおよび負荷デバイス/トランジスタと呼ばれる。
次に、図4および図5を参照し、SiC材料を利用したSiC MOSFETにより構成した場合のEDインバータとCMOSインバータとの高速性比較について述べる。
図4は図3で示したEDインバータ回路にデバイスの構造上付加される寄生容量を書き加えたもので、27はデプリーション型SiC MOSFET21のゲート重なり(オーバラップ)容量、28はエンハンスメント型SiC MOSFET22のゲート重なり容量を示す。図5はSiCで構成したCMOSインバータ回路を示し、nチャネルエンハンメント型MOSFET(以下、nMOSFET)22Cとpチャネルエンハンスメント型MOSFET(以下、pMOSFET)21Cのゲート同士、ドレイン同士が電気的に接続され、前者の接続点は入力信号が供給される入力ノード23に接続され、後者の接続点は出力ノード26に接続され、nMOSFET22Cのソースは第1の電源電位25に接続され、pMOSFET21Cのソースは第2の電源電位24に接続されてなる。
ここで、27Cは、pMOSFET21Cのゲート重なり容量、28Cは、nMOSFET22Cのゲート重なり容量を示す。
まず、図5に示すCMOSインバータの固有遅延時間τpdC は 、下式によって近似される。
τpdC = R×C (1)
R= ( R + R ) / 2 (2)
C=CGp+CGn+CGpo+CGno+CDp+CDn (3)
ここで、
‥‥ pMOSFETのオン抵抗
‥‥ nMOSFETのオン抵抗
Gp ‥‥ pMOSFETのゲート容量
Gn ‥‥ nMOSFETのゲート容量
Gpo ‥‥pMOSFETのゲート重なり容量(27C)
Gno ‥‥nMOSFETのゲート重なり容量(28C)
CDp ‥‥ pMOSFETのドレイン寄生容量
CDp‥‥ nMOSFETのドレイン寄生容量
ただし、CGp、CGn、CDp、およびCDpは図示していない。
一方、EDインバータの固有遅延時間τpdED を決めるRおよびCは 、上記(2),(3)式でpMOSFETに関わる変数がnMOSFETのそれと同じ値になり、かつ、pMOSFETのゲート重なり容量(27C)に対応する部分の容量が半分になる(図4の回路においては、デプリーション型MOSFETのゲート重なり容量はゲートとドレイン間の27のみである)。
SiCを用いたMOSFETでは、非特許文献1に記載されているように正孔の移動度が電子のそれに比べて大変小さいために、R>>R である。また、SiCではソース、ドレイン領域をゲート電極に自己整合的に形成することが出来ないために、ゲート重なり容量の影響が甚大である。したがって、τpdC と τpdED の差が大きくなる。すなわち、SiCでは、CMOSインバータのほうがこれらの因子の影響を顕著に受けやすいので、τpdED< τpdCとなり、EDインバータの方がはるかに高速で動作する。
[実施の形態2]
図6は、実施の形態2にかかるインバータ(EDインバータ)回路デバイスを示す。このデバイスでは、図1に示したデバイス構造に加えて、エンハンスメント型SiC MISFET22において、半導体領域2の一主面上でゲート電極7Eと重なるソース、ドレイン領域4E、3Eの表面部分にp型のゲート容量緩和領域12E、12Eをソース、ドレイン領域の端縁に沿って形成している。これらの領域12E、12Eはそれぞれ、凹部(リセス)端から1μm程度横方向(半導体領域2の一主面と平行方向)に延在し、深さは約100nmである。不純物濃度は、1×1018/cm程度である。この場合のゲート電極とソース、ドレイン領域との重なりによるゲート・ソース間およびゲート・ドレイン間の静電容量は、ゲートゲート絶縁膜の容量とpn接合のビルトイン容量とが直列接続された合成容量で表わされるが、後者のほうが小さいので、合成容量は主として後者で決まり、ゲート電極重なり容量を低減でき、このような構造をもつSiC MISFETは、高速ロジック回路の構成素子として有益に機能するという特徴をもつ。
また、デプリーション型SiC MISFET21においては、ゲート電極直下のドレイン領域3Dの表面部分にp型のゲート容量緩和領域12Dをドレイン領域の端縁に沿って形成している。ゲート電極7Dとソース領域4Dとが電気的に直結されているので、ソース領域4Dの表面部分に容量緩和領域を形成する必要はない。ゲート容量緩和領域12Dを設ける狙いは上記と同様である。このSiC MISFETは図1の構造の利点に加え、ゲート電極の重なり容量の低減も実現できるので論理回路動作の一層の高速化が図れるので、最良の実施の形態である。
以下に、n型のソース、ドレイン領域の表面にp型の容量緩和領域設けたことによる効果を数値実例をもとに補足説明する。
ゲート電極とソースまたはドレイン電極間の容量CGS(ゲート・ソース間)、CGD(ゲート・ドレイン間)は下式(1)で表わされる(CGS、CGDいずれも同じなので、ここではCGSについて言及する)。
ここで、COXは、ゲート絶縁膜(酸化膜)を挟むゲート電極とゲート電極直下のp型容量緩和領域との間で構成されるMOS容量を示し、Cbiは、p型容量緩和領域と隣接するn型ソース領域(ソース電極含む)との間のpn接合で構成されるビルトイン容量を示す。式(1)中のCOX、Cbiはそれぞれ以下のように表わされる。
以下の数値の場合の実例を計算すると、
となり、この値は、容量緩和領域が存在しない場合の値(=804nF)と比較すると、極めて低い値であることが分かる。
以下に、図6に示したSiC MISFETを用いたEDインバータ回路デバイスを作製する方法について、図7〜図13を参照しながら説明する。
まず、図7に示すように、SiC基板1上にp型のSiC半導体領域2を形成したSiC基体を準備する。ここで、SiC基板1は、p型、n型あるいは半絶縁性のいずれかであって、結晶面は、(0001)Si面、または(000−1)C面とするか、あるいはその他の面方位であってもよい。また、p型のSiC半導体領域2は、デバイスを構成する領域が形成される活性層であり、例えば不純物濃度が5×1015/cm程度でドーピングされた10μmの厚さをもつエピタキシャル成長層からなる。
次いで、図8に示すように、SiC半導体領域2の一主面に接して、対向・離間するn+型のソース、ドレイン領域をSiC半導体領域2内に選択的に形成する。ここでは、エンハンスメント型SiC MISFETのドレイン領域3Eとデプリーション型SiC MISFETのソース領域4Dとを共通の領域として形成する(選択的に作成する領域は三つとなる)ものとして説明する。選択的に形成する手段としては、酸化膜などからなる絶縁膜を半導体領域2の一主面上に形成し、フォトリソグラフィ技術によりソース、ドレイン領域4E、3Eおよび4D,3Dの形成予定領域上においてその絶縁膜を開口させてマスク(図示せず)を形成し、その後、n型不純物として例えばP(リン)をイオン注入する方法を用いることができる。これらの領域の不純物濃度は約1×1020/cmで、厚さは250nmとすることができる。
その後、図9に示すように、半導体領域2の一主面に隣接し、エンハンスメント型SiC MISFET部においては、ソース、ドレイン領域4E、3Eに跨るようにp型の領域12Eを選択的に形成し、デプリーション型SiCMISFET部においては、ドレイン領域3DとSiC半導体領域2の境界部近傍に容量緩和領域12Dを形成する。選択的に形成する方法は、図8の工程で用いるのと同様であり、p型の不純物として例えばAl(アルミニウム)をイオン注入する。領域17の深さは約100nmで、不純物濃度は、約1×1018/cmとすることができる。
次いで、図10に示すように、ソース、ドレイン領域4Eおよび3E、4Dおよび3Dに跨るSiC半導体領域2を一主面から所定の深さまで選択的に除去して凹部(リセス)5D、5Eを形成する。ここでの選択的除去は、SiC半導体領域2の一主面上に形成した酸化膜などからなる絶縁膜に開口を形成したマスク(図示せず)を用いてドライエッチングで実行することができる。凹部(リセス)形成の結果、エンハンスメント型SiC MISFET部では、図9の工程で形成した単一のp型の領域12Eはソース領域4E、ドレイン領域3Eそれぞれに接する領域12E、12Eに分離されて容量緩和領域12E、12Eが構成され、凹部(リセス)の一方の側面はソース領域4Eとそれに接するp型の領域12Eとに接し、他方の側面はドレイン領域3Eとそれに接するp型の領域12Eに接し、凹部(リセス)底面はその両端部近傍でソース、ドレイン領域の一部3a、3a(図5参照)に接する構造が得られる。
次いで、デプリーション型SiC MISFET部の凹部(リセス) 5Dの底部に選択的にn型不純物として例えばP(リン)イオンを注入してしきい電圧を所定の値に制御する(図示せず)。デプリーション型SiC MISFETを作製するには、このほかにも、例えば、エピタキシャル層で構成されるp型SiC半導体領域2の不純物濃度を通常の5×1015/cmに代えて1×1015/cmに下げ、これによりp型SiC半導体領域2表面をデプリーション化させてもよい。この場合には、エンハンスメント型SiC MISFETを形成する部分(凹部(12E))に、4×1015/cm程度の濃度で不純物を追加注入する。
デプリーション型SiC MISFET部も、ソース領域4D表面部分に容量緩和領域が形成されていない点を除き、エンハンスメント型SiC MISFET部と同様である
この後で、基体を、例えば、1600℃で30分間アニール処理することで、注入されたn型不純物およびp型不純物を活性化させる。
図11の工程では、SiC半導体領域2の表面にシリコン酸化膜18を形成する。厚さは13nmとすることができる。
図12の工程では、まず、酸化膜18上にポリシリコン膜を形成し、フォトリソグラフィ技術でポリシリコン膜上に形成したマスク(図示せず)でパターニング(ポリシリコン膜の選択的除去)して、ポリシリコンからなるゲート電極7D、7Eを形成する。ポリシリコン膜には形成時に、または形成後にn型不純物を1×1020/cmの濃度でドーピングする。パターニングしたゲート電極7D、7Eをマスクとして下地の酸化膜18を選択的に除去し、ゲート酸化膜6D,6Eを画定する。
図13の工程では、SiC半導体領域2の表面上にシリコン酸化膜からなる絶縁膜8を形成し、ソース、ドレイン領域上に位置する部分に開口を形成する。
図13の工程で形成した酸化膜8の開口を通してソース、ドレイン領域に電気的に接続するソース、ドレイン電極9、10、11を形成し、デバイスが出来上がる(図6参照)。これらソース、ドレイン電極もマスクを用いた電極材料層のパターニングで形成される。ソース、ドレイン電極材料としては、Al(アルミニウム)とNi(ニッケル)を利用できる。これらの材料を蒸着後、1000℃程度の高温で処理することにより、酸化膜8の開口内のソース、ドレイン領域表面に低抵抗コンタクトをつくることができる。ソース、ドレイン電極の厚さは約1μmである。
図7〜図13に示すSiC MISFETを用いたEDインバータ回路デバイスの製造方法においては、容量緩和領域12D、12E、12Eを形成した場合を説明したが、例えば図1のように、これらの領域を設けない形でEDインバータ回路デバイスを作製する場合には、図9に示すp型の領域12D,12Eの形成工程を省略すればよい。
[実施の形態3]
図17は、実施の形態3にかかるSiC MISFETを用いたEDインバータ回路デバイスを示す。このデバイスでは、SiC半導体領域2の一主面を基準にして、凹部(リセス)14D,14Eの底面が位置する深さがソース、ドレイン領域4D、3D、4E、3Eの厚さとほぼ等しく選定されている。理想的には両者の深さ(厚さ)が同一であることが望ましいが、製造プロセス的には同一に合わせこむことが難しいので、凹部底面14D、14Eの深さをソース、ドレイン領域13、14の厚さよりごくわずかに小さくするように制御する。逆の関係になると、チャネル長が目標値より長くなってしまうからである。
この構造によれば、図1の3a、3aに相当するソース、ドレイン領域の一部の厚さをさらに薄く、ほぼゼロにできるので、短チャネル効果の抑制効果がさらに高くなるという特徴をもつ。
このデバイスではさらに、エンハンスメント型SiC MISFET部においては、SiC半導体領域2の一主面上でゲート電極7Eと重なるソース、ドレイン領域4E、3Eの表面部分に、デプリーション型SiC MISFET部においては、ゲート電極7Dと重なるドレイン両機3Dの表面部分に、p型の領域12E、12Dをそれぞれソース、ドレイン領域の端縁に沿って形成している。この場合も、実施の形態2と同様に、ゲート電極重なり容量を低減できる。
[実施の形態4]
図14および図15は、実施の形態4にかかる単チャネル(nチャネル)SiC MISFETを用いて構成されるNAND論理ゲート回路デバイスを示す。図14に示される回路構成図のように、このデバイスは、二つのエンハンスメント型SIC MISFET22、22bと、デプリーション型SiC MISFET21とからなり、図3に示すインバータ回路におけるエンハンスメント型SiC MISFET22に直列に同種のSiC MISFET22bを接続したものである。これらのSiC MISFET22、22bはゲーティングトランジスタと呼ばれ、入力ノード23、23bに入力される信号の相互関係に基づいて出力ノードに所定の論理出力信号を出力する(このデバイスの論理回路動作の詳細は本発明の主題ではないので説明を省略する)。
図15に示すデバイス構造は、エンハンスメント型SiC MISFET22b(ソース領域4bE、ドレイン領域3bE、凹部5bE、ゲート絶縁膜6bE、ゲート電局7bEおよび容量緩和領域12bE,12bEとから構成される)が追加されたことを除き、基本的には図6のEDインバータ回路デバイスと同様である。もちろん、p型の容量緩和領域12D、12E、12bEは、図1に示すデバイス構造のように、必要に応じ省略してもよい。
また、凹部を図17のように、ソース、ドレイン領域の深さと同程度の位置に形成するようにしてもよく、その場合にも容量緩和領域は省略してもよい。
[実施の形態5]
図16は、実施の形態5にかかる単チャネル(nチャネル)SiC MISFETを用いて構成されるNOR論理ゲート回路構成を示す。この回路構成の具体的なデバイス構造は、図1、図6、図15で説明したことと同様に得ることができる。
1 SiC基板
2 SiC半導体領域
4D、4E、4bE ソース領域
3a ソース、ドレイン領域の薄い領域
3D、3E、3bE ドレイン領域
5D、5E、5bE 凹部(リセス)
6D、6E、6bE ゲート絶縁膜
7D、7E、7bE ゲート電極
8 絶縁膜
9、10、11、13 ソース、ドレイン電極
12D、12E、12bE 容量緩和領域

Claims (16)

  1. 一主面を有する一導電型の炭化珪素半導体領域(2)を含む基板(1)と、前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)内に前記一主面に接しかつ互いに離間して形成された前記一導電型とは反対導電型の第1のソース、ドレイン領域(4E、3E)と、前記離間して形成された第1のソース、ドレイン領域(4E、3E)の対向する端縁で挟まれた前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)の一主面側に形成され、前記第1のソース領域(4E)に接する第1の側面と、前記第1のドレイン領域(3E)に接する第2の側面と、前記一主面から所定の深さに位置し前記第1および第2の側面に連続し前記離間形成された第1のソース、ドレイン領域(4E、3E)を接続する第1の底面とからなる第1の凹部(5E)と、前記第1のソース、ドレイン領域(4E、3E)が接する前記一主面の一部を覆い、前記第1の凹部(5E)の前記第1および第2の側面上および前記第1の底面上に形成された第1の絶縁膜(6E)と、前記第1の絶縁膜(6E)上に形成された第1のゲート電極(7E)と、前記第1のソース、(4E)に電気的に接続された第1のソース電極(10)とを有し、前記第1のソース、ドレイン領域(4E、3E)を接続する前記第1の底面に隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域を構成してなるリセスゲート構造を有するエンハンスメント型絶縁ゲート炭化珪素電界効果トランジスタ(22)と、
    前記一主面を有する一導電型の炭化珪素半導体領域(2)を含む基板(1)と、前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)内に前記一主面に接しかつ互いに離間して形成された前記一導電型とは反対導電型の第2のソース、ドレイン領域(4D、3D)と、前記離間して形成された第2のソース、ドレイン領域(4D、3D)の対向する端縁で挟まれた前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)の一主面側に形成され、前記第2のソース領域(4D)に接する第3の側面と、前記第2のドレイン領域(3D)に接する第4の側面と、前記一主面から所定の深さに位置し前記第3および第4の側面に連続し前記離間形成された第2のソース、ドレイン領域(4D、3D)を接続する第2の底面とからなる第2の凹部(5D)と、前記第2のソース、ドレイン領域(4D、3D)が接する前記一主面の一部を覆い、前記第2の凹部(5D)の前記第3および第4の側面上および前記第2の底面上に形成された第2の絶縁膜(6D)と、前記第2の絶縁膜(6D)上に形成された第2のゲート電極(7D)と、前記第2のドレイン領域(3D)に電気的に接続された第2のドレイン電極(9)とを有し、前記第2のソース、ドレイン領域(4D、3D)を接続する前記第2の底面に隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域を構成してなるリセスゲート構造を有するデプリーション型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタ(21)とを有し、
    前記エンハンスメント型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記第1のゲート電極および前記第1のソース電極はそれぞれ入力信号および第1の電源電位に接続され、前記デプリーション型炭化珪素電界効果トランジスタの前記第2のドレイン電極は第2の電源電位に接続され、前記デプリーション型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記第2のゲート電極と前記第2のソース領域とは電気的に接続され、前記エンハンスメント型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記第1のドレイン領域と前記デプリーション型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記第2のソース領域とは電気的に接続され、その接続点(11)から出力信号が取り出されるように構成されて、
    前記第1と第2の凹部はそれぞれ前記チャネル形成領域とn+型ドレイン領域およびソース領域に接するリセス構造を有する炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタインバータ回路1において、
    前記エンハンスメント型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくとも一方の凹部(5E,5D)予め形成された前記第1または第2のソース、ドレイン領域(4E、3E、4D,3D)に跨る様に形成され該凹部の底面の両端近傍の跨った部分は前記第1または第2のソース、ドレイン領域(4E、3E、4D,3D)の薄い領域(3a、3a)に接してなることを特徴とするリセス構造を有する炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタインバータ回路。
  2. 前記炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタインバータ回路おいて、
    前記第1のソース、ドレイン領域(4E、3E)または第2のソース、ドレイン領域(4D、3D)は前記一主面から第1の所定の深さで形成され、前記第1または第2の底面は前記一主面から第2の所定の深さに位置するように形成され、前記エンハンスメント型炭化珪素電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型炭化珪素電界効果トランジスタの少なくとも一方は、前記第2の所定の深さが前記第1の所定の深さと等しく選定され、前記第1または第2の底面の全長にわたり隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域を構成してなることを特徴とするリセス構造を有する請求項1に記載の炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタインバータ回路。
  3. 前記エンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜(6E)上に形成されたゲート電極(7E)直下のソース、ドレイン領域(3E、4E)に前記一導電型の容量緩和領域(12E、12E)を形成してなることを特徴とする請求項1乃至請求項2のいずれか1項に記載のリセス構造を有する炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタインバータ回路。
  4. 前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜(6D)上に形成されたゲート電極(7D)直下のドレイン領域(3D)に前記一導電型の容量緩和領域(12D)を形成してなることを特徴とする請求項1乃至請求項2のいずれか1項に記載のリセス構造を有する炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタインバータ回路。
  5. ソース、ドレイン、ゲートを有する第1のnチャネルエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(22b)と、ソース、ドレイン、ゲートを有する第2のnチャネルエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(22)と、ソース、ドレイン、ゲートを有するnチャネルデプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(21)とを備え、
    前記第1のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインと前記第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースとが電気的に接続され、前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ゲートと前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースとが電気的に接続され、前記第1のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースは第1の電源電位(25)に接続され、前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインは第2の電源電位(24)に接続され、前記第1および第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタのそれぞれの前記ゲートは第1および第2の入力信号(23b、23)に接続され、前記第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインと前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースとが電気的に接続され、その接続点から出力信号(26)が取り出されるように構成され、前記エンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタと前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタは炭化珪素材料を用いて構成されるNAND論理ゲート回路において、
    前記第1および第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくともひとつは、一主面を有する一導電型の炭化珪素半導体領域(2)を含む基板(1)と、前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)内に前記一主面に接しかつ互いに離間して形成された前記一導電型とは反対導電型のソース、ドレイン領域(4D、3D、4E、3E、4bE、3bE)と、前記離間して形成されたソース、ドレイン領域(4D、3D、4E、3E、4bE、3bE)の対向する端縁で挟まれた前記一導電型炭化珪素半導体領域(2)の一主面側に形成され、前記ソース領域(4D、4E、4bE)に接する第1の側面と、前記ドレイン領域(3D、3E、3bE)に接する第2の側面と、前記一主面から所定の深さに位置し前記第1および第2の側面に連続し前記離間形成されたソース、ドレイン領域(4D、3D、4E、3E、4bE、3bE)を接続する底面とからなる凹部(5D、5E、5bE)と、前記ソース、ドレイン領域(4D、3D、4E、3E、4bE、3bE)が接する前記一主面の一部を覆い、前記凹部(5D、5E、5bE)の前記第1および第2の側面上および前記底面上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されたゲート電極(7D、7E、7bE)と、前記ソース、ドレイン領域(4D、3D、4E、3E、4bE、3bE)の少なくとも一方に電気的に接続されたソースまたはドレイン電極(9、または10)とを有し、前記ソース、ドレイン領域(4D、3D、4E、3E、4bE、3bE)を接続する前記底面に隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域が構成されて、
    前記凹部は前記チャネル形成領域とn+型ドレイン領域およびソース領域に接するリセスゲート構造を有する炭化珪素電界効果トランジスタからなるNAND論理ゲート回路2において、
    前記第1および第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくともひとつの凹部(5E,5D、5bE)予め形成された前記第1または第2のソース、ドレイン領域(4E、3E、4D,3D、4bE、3bE)に跨る様に形成され該凹部の底面の両端近傍の跨った部分が前記ソース、ドレイン領域(3D,4D、3E、4E、3bE、4bE)の薄い領域(3a、3a)に接してなることを特徴とするNAND論理ゲート回路。
  6. 前記AND論理ゲート回路おいて、
    前記第ソース、ドレイン領域(3D,4D、3E、4E、3bE、4bE)は前記一主面から第1の所定の深さで形成され、前記底面は前記一主面から第2の所定の深さに位置するように形成され、前記第1および第2のエンハンスメント型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくともひとつは、前記第2の所定の深さが前記第1の所定の深さと等しく選定され、前記底面の全長にわたり隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域を構成してなることを特徴とする請求項5に記載のNAND論理ゲート回路。
  7. 前記第1または第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜上に形成されたゲート電極(7E、7bE)直下のソース、ドレイン領域(3E、4E、3bE、4bE)に前記一導電型の容量緩和領域(12E、12E、12bE,12bE)を形成してなることを特徴とする請求項5乃至請求項6のいずれか1項に記載のNAND論理ゲート回路。
  8. 前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜上に形成されたゲート電極(7D)直下のドレイン領域(3D)に前記一導電型の容量緩和領域(12D)を形成してなることを特徴とする請求項5乃至請求項6のいずれか1項に記載のNAND論理ゲート回路。
  9. 前記NAND論理ゲート回路が同一の基板上に形成されてなることを特徴とする請求項5乃至請求項6のいずれか1項に記載のNAND論理ゲート回路。
  10. 前記NAND論理ゲート回路が炭化珪素を主成分とする半導体領域を含む基板上に形成されてなることを特徴とする請求項5乃至請求項6のいずれか1項に記載のNAND論理ゲート回路。
  11. ソース、ドレイン、ゲートを有する第1のnチャネルエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(22b)と、ソース、ドレイン、ゲートを有する第2のnチャネルエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(22)と、ソース、ドレイン、ゲートを有するnチャネルデプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(21)とを備え、
    前記第1のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースと前記第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ソースとが電気的に接続され、その接続点は第1の電源電位(25)に接続され、前記第1のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインと前記第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインとが電気的に接続されるとともに前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ゲートおよびソースに電気的に接続され、それらの接続点から出力信号(26)が取り出されるように構成され、前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ドレインは第2の電源電位(24)に接続され、前記第1および第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタの前記ゲートはそれぞれ第1および第2の入力信号(23b、23)に接続され、前記エンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタと前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタは炭化珪素材料を用いて構成されるNOR論理ゲート回路において、
    前記第1および第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくともひとつは、一主面を有する一導電型の炭化珪素半導体領域を含む基板と、前記一導電型炭化珪素半導体領域内に前記一主面に接しかつ互いに離間して形成された前記一導電型とは反対導電型のソース、ドレイン領域と、前記離間して形成されたソース、ドレイン領域の対向する端縁で挟まれた前記一導電型炭化珪素半導体領域の一主面側に形成され、前記ソース領域に接する第1の側面と、前記ドレイン領域に接する第2の側面と、前記一主面から所定の深さに位置し前記第1および第2の側面に連続し前記離間形成されたソース、ドレイン領域を接続する底面とからなる凹部と、前記ソース、ドレイン領域が接する前記一主面の一部を覆い、前記凹部の前記第1および第2の側面上および前記底面上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ソース、ドレイン領域の少なくとも一方に電気的に接続されたソースまたはドレイン電極とを有し、前記ソース、ドレイン領域を接続する前記底面に隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域が構成されて、
    前記凹部は前記チャネル形成領域とn+型ドレイン領域およびソース領域に接するリセスゲート構造を有する炭化珪素電界効果トランジスタからなるNOR論理ゲート回路3において、
    前記第1および第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくともひとつの凹部予め形成された前記ソース、ドレイン領域に跨る様に形成され該凹部の底面の両端近傍の跨った部分が前記ソース、ドレイン領域の薄い領域に接してなることを特徴とするNOR論理ゲート回路。
  12. 前記OR論理ゲート回路おいて、
    前記第ソース、ドレイン領域は前記一主面から第1の所定の深さで形成され、前記底面は前記一主面から第2の所定の深さに位置するように形成され、前記第1および第2のエンハンスメント型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記デプリーション型炭化珪素絶縁ゲート電界効果トランジスタの少なくともひとつは、前記第2の所定の深さが前記第1の所定の深さと等しく選定され、前記底面の全長にわたり隣接する前記炭化珪素半導体領域部分でチャネル形成領域を構成してなることを特徴とする請求項11に記載のNOR論理ゲート回路。
  13. 前記第1または第2のエンハンスメント型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜上に形成されたゲート電極直下のソース、ドレイン領域に前記一導電型の容量緩和領域を形成してなることを特徴とする請求項11乃至請求項12のいずれか1項に記載のNOR論理ゲート回路。
  14. 前記デプリーション型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、前記一主面の一部を覆う絶縁膜上に形成されたゲート電極直下のドレイン領域に前記一導電型の容量緩和領域を形成してなることを特徴とする請求項11乃至請求項12のいずれか1項に記載のNOR論理ゲート回路。
  15. 前記NOR論理ゲート回路が同一の基板上に形成されてなることを特徴とする請求項11乃至請求項12のいずれか1項に記載のNOR論理ゲート回路。
  16. 前記NOR論理ゲート回路が炭化珪素を主成分とする半導体領域を含む基板上に形成されてなることを特徴とする請求項11乃至請求項12のいずれか1項に記載のNOR論理ゲート回路。
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