JPH07183507A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH07183507A
JPH07183507A JP32363493A JP32363493A JPH07183507A JP H07183507 A JPH07183507 A JP H07183507A JP 32363493 A JP32363493 A JP 32363493A JP 32363493 A JP32363493 A JP 32363493A JP H07183507 A JPH07183507 A JP H07183507A
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region
electrode
potential
channel
collector
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JP32363493A
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Yoshinori Murakami
善則 村上
Teruyoshi Mihara
輝儀 三原
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To provide a normally OFF type semiconductor device having excellent controllability, low ON-resistance, less variation in characteristics by hot carrier, and a high switching speed. CONSTITUTION:An emitter region 3 is provided on the surface of a collector region 2 which is a substrate, and a U-shaped fixed insulating electrode 6 is arranged in such a manner that a part of the collector region 2 and the emitter region 3 are pinched. The above-mentioned fixed insulating electrode 6 is maintained at the same potential as the emitter region 3, and it is formed with the material which forms a depletion layer on the adjacent collector region 2. The emitter region 3 and the collector region 2 are arranged in such a manner that they are electrically interrupted by the depletion region. Also, an injection region 8, which is brought into contact with the collector region 2 and the fixed insulating electrode 6 and does not come into contact with the injection region 8, is provided, and the end part 8 of the injection region is interposed between the insulating film at the tip part of the fixed insulating electrode and the collector region.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、バイポーラ型でノーマ
リ・オフ型の縦型パワー素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bipolar type normally-off type vertical power device.

【0002】[0002]

【従来の技術】本発明に関連した従来技術として、まず
雑誌IEEEエレクトロン・デバイス・レターズに掲載
されたトレンチ・j−MOSトランジスタ(“Character
isticsof Trench j-MOS Power Transistors" BERNARD
A. MacIVER. STEPHEN J. VALERI,KAILASH C. JAIN, JAM
ES C. ERSKINE, REBECCA ROSSEN, IEEE ELECTRON DEVIC
ELETTERS, VOL.10, NO.8, p.380-382, AUGUST 1989)を
紹介する。図18〜図20は、上記文献に記載されてい
た素子構造を示す図であり、図18は素子の表面構造
図、図19および図20は、それぞれ図18中の線分A
−A′ないし線分B−B′で切り出し、それぞれの矢印
の方向に見た断面図である。はじめに構造を説明する。
半導体はシリコンである。図中、番号81は基板である
n+型ドレイン領域、82はn型のチャネル領域、83
はn+型ソース領域である。84は絶縁膜、85は導電
性多結晶シリコンからなるゲート電極、86は層間絶縁
膜である。以下、84、85、86を併せて「絶縁ゲー
ト」87と呼ぶことにする。絶縁ゲート87は基板の表
面から側壁を垂直に掘り込まれた溝の内部に形成されて
おり、底部はドレイン領域81に達している。88はp
型領域で、チャネル領域中に形成され、絶縁ゲート87
の近くに設けられている。93はソース電極である金属
で、ソース領域83とオーミックコンタクトしている。
95はゲート電極85にオーミックコンタクトする電極
金属で、以下「MOSゲート」と呼ぶ。98はp型領域
88とオーミックコンタクトする電極金属で、以下「接
合ゲート」と呼ぶことにする。91はドレイン電極であ
り、ドレイン領域81とオーミックコンタクトする金属
である。ドレイン電極91は上記の文献には明示されて
いなかったが、理解を容易にするために付加した。上記
の文献に示された素子では、チャネル領域82の比抵抗
は0.98Ω−cmで、これは不純物濃度にして約5×
1015cm3に相当する。図20中に示すチャネル長L
は6μm、チャネル厚みaは3μm、絶縁ゲート自身の
厚みbは2μmである。
2. Description of the Related Art As a prior art related to the present invention, first, a trench j-MOS transistor ("Character" published in IEEE Electron Device Letters magazine is published.
isticsof Trench j-MOS Power Transistors "BERNARD
A. MacIVER. STEPHEN J. VALERI, KAILASH C. JAIN, JAM
ES C. ERSKINE, REBECCA ROSSEN, IEEE ELECTRON DEVIC
ELETTERS, VOL.10, NO.8, p.380-382, AUGUST 1989) are introduced. 18 to 20 are views showing the element structure described in the above document, FIG. 18 is a surface structure diagram of the element, and FIGS. 19 and 20 are line segments A in FIG. 18, respectively.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line A-B 'or line segment B-B' and viewed in the direction of the respective arrows. First, the structure will be described.
The semiconductor is silicon. In the figure, reference numeral 81 is an n + type drain region which is a substrate, 82 is an n type channel region, and 83
Is an n + type source region. Reference numeral 84 is an insulating film, 85 is a gate electrode made of conductive polycrystalline silicon, and 86 is an interlayer insulating film. Hereinafter, 84, 85 and 86 will be collectively referred to as “insulated gate” 87. The insulated gate 87 is formed inside a groove in which a sidewall is dug vertically from the surface of the substrate, and the bottom reaches the drain region 81. 88 is p
An insulating gate 87 formed in the channel region in the mold region.
It is provided near the. Reference numeral 93 is a metal which is a source electrode and is in ohmic contact with the source region 83.
Reference numeral 95 denotes an electrode metal which makes ohmic contact with the gate electrode 85, and is hereinafter referred to as "MOS gate". Reference numeral 98 is an electrode metal which makes ohmic contact with the p-type region 88, and will be referred to as a "junction gate" hereinafter. Reference numeral 91 denotes a drain electrode, which is a metal that makes ohmic contact with the drain region 81. The drain electrode 91 was not specified in the above document, but was added for easy understanding. In the device shown in the above-mentioned document, the resistivity of the channel region 82 is 0.98 Ω-cm, which is about 5 × in terms of impurity concentration.
This corresponds to 10 15 cm 3 . Channel length L shown in FIG.
Is 6 μm, the channel thickness a is 3 μm, and the thickness b of the insulated gate itself is 2 μm.

【0003】次に、この素子の動作を説明する。ドレイ
ン電極91には正の電位が印加され、ソース電極93は
接地(0V)される。この素子はMOSゲートと接合ゲ
ートという2つの制御電極をもつ四端子素子である。ま
た、両者を接続して三端子素子として使用することもで
きる。三端子素子として駆動した場合の電流・電圧特性
を上記の文献から引用して図21に示す。図21には両
ゲート電位を−16〜0Vまで、2V刻みで印加した時
の特性曲線を示している。素子はノーマリ・オン型であ
り、ゲートの負電位が強いほど主電流は抑制される。ま
た、四端子素子としての電流・電圧特性を、同じく前記
文献から引用して図22に示す。これはMOSゲートの
電位を固定し、接合ゲートの電位を変化させた場合の図
である。同図にはMOSゲートに+16Vを印加した場
合と、−16Vを印加した場合を同時に示している。M
OSゲートに正電位を印加した場合、非常に低いオン抵
抗を示す。これは、図20の絶縁ゲート膜界面に誘起さ
れた蓄積層が、n+型ドレイン領域81とn+型ソース領
域83をつなぐ導電路となるからである。この時、接合
ゲートの電位は、電流・電圧特性に顕著な影響は及ぼさ
ない。MOSゲートに負電位を印加した場合、電流・電
圧特性は接合ゲートに与える電位によって変化する。図
22には接合ゲートに−3.5〜0Vまで、0.5V刻み
で印加した時の特性曲線を示している。この特性曲線は
通常の長チャネルJFETの場合と同様に、線形領域と
飽和領域とをもつ5極管特性である。この状態における
動作機構を簡単に説明する。まず接合ゲートが0Vであ
る場合、特性曲線の線形領域、すなわちドレイン電位が
低い領域においては、MOSゲートに負電位を印加した
時点で絶縁ゲート87近傍のチャネル領域82には空乏
層が形成され、そこで発生した正孔によってゲート絶縁
膜界面には反転層が形成される。反転層の存在はゲート
電極からの電界を遮蔽する。そのために空乏層の広がり
具合はJFETの場合と異なり、一定の範囲にとどま
る。その値は、前述の文献におけるデータから換算する
と片側約0.4μmで、チャネル領域には差し引き2μ
m程度の中性領域が残る。主電流はチャネル内に残った
中性領域を流れる。そしてドレイン電位が高くなるとチ
ャネル領域は通常の長チャネルJFETと同様ピンチオ
フ状態となり、電流値は飽和する。次に接合ゲートに負
電位、すなわち逆バイアスを印加してゆくと、p型領域
88からの空乏層が、p型領域88に近接する絶縁ゲー
トに到達する。すると絶縁膜界面の反転層の正孔の一部
がp型領域88へと流れ、絶縁膜界面の電位は接合ゲー
トの電位に影響されるようになる。これによってチャネ
ル領域の空乏領域は広がり、チャネル領域内の導電路は
狭まって主電流が減少する。上記の文献によれば、この
素子構造の主な利点は、四端子素子として使用したと
き、(1)オン抵抗が低い、(2)接合ゲートによる相
互コンダクタンスが高い、(3)ブロッキング・ゲイン
が高い、(4)スイッチング速度が速い、(5)三端子
素子としても動作する、などである。
Next, the operation of this element will be described. A positive potential is applied to the drain electrode 91, and the source electrode 93 is grounded (0V). This device is a four-terminal device having two control electrodes, a MOS gate and a junction gate. Further, both can be connected and used as a three-terminal element. The current-voltage characteristics when driven as a three-terminal element are shown in FIG. FIG. 21 shows a characteristic curve when both gate potentials are applied in steps of 2V from -16 to 0V. The element is a normally-on type, and the stronger the negative potential of the gate, the more the main current is suppressed. The current-voltage characteristics of the four-terminal element are also shown in FIG. This is a diagram when the potential of the MOS gate is fixed and the potential of the junction gate is changed. In the figure, the case where + 16V is applied to the MOS gate and the case where -16V is applied are shown at the same time. M
When a positive potential is applied to the OS gate, it shows a very low on-resistance. This is because the storage layer induced at the interface of the insulated gate film in FIG. 20 serves as a conductive path connecting the n + type drain region 81 and the n + type source region 83. At this time, the potential of the junction gate does not significantly affect the current / voltage characteristics. When a negative potential is applied to the MOS gate, the current / voltage characteristics change depending on the potential applied to the junction gate. FIG. 22 shows characteristic curves when the voltage is applied to the junction gate in the range of −3.5 to 0 V in 0.5 V steps. This characteristic curve is a pentode characteristic having a linear region and a saturation region, as in the case of a normal long channel JFET. The operating mechanism in this state will be briefly described. First, when the junction gate is 0 V, in the linear region of the characteristic curve, that is, in the region where the drain potential is low, a depletion layer is formed in the channel region 82 near the insulated gate 87 when a negative potential is applied to the MOS gate, The holes generated there form an inversion layer at the interface of the gate insulating film. The presence of the inversion layer shields the electric field from the gate electrode. Therefore, the extent of expansion of the depletion layer is different from that of the JFET and remains within a certain range. The value is about 0.4 μm on one side when converted from the data in the above-mentioned literature, and 2 μ is deducted from the channel region.
A neutral area of about m remains. The main current flows through the remaining neutral region in the channel. Then, when the drain potential becomes high, the channel region is in a pinch-off state like a normal long channel JFET, and the current value is saturated. Next, when a negative potential, that is, a reverse bias is applied to the junction gate, the depletion layer from the p-type region 88 reaches the insulated gate close to the p-type region 88. Then, some of the holes in the inversion layer at the insulating film interface flow into the p-type region 88, and the potential at the insulating film interface is affected by the potential at the junction gate. This widens the depletion region in the channel region, narrows the conductive path in the channel region, and reduces the main current. According to the above documents, the main advantages of this device structure are (1) low on-resistance, (2) high mutual conductance due to junction gate, and (3) blocking gain when used as a four-terminal device. High, (4) fast switching speed, (5) it also operates as a three-terminal element, etc.

【0004】しかし、この素子には以下のような限界が
ある。まず、この素子構造は高耐圧化に適していない。
先にも述べたように、この素子構造のオン抵抗が低い理
由は、絶縁ゲートがn+型のソース領域とn+型の基板の
両方に接しており、両者をゲート絶縁膜に沿って形成さ
れる蓄積層で連絡するためである。文献における素子の
設計耐圧は60Vであったが、この構造をより耐圧の高
い素子に拡張しようとすると、絶縁ゲートがn+ドレイ
ン領域に接しているこの構造は不可能になる。次に、こ
の素子は本質的に四端子素子であり、必然的に駆動方法
が煩雑になることを免れない。もちろん上述したごと
く、接合ゲートとMOSゲートをつなぎ合わせて三端子
素子として使うこともできるが、図21、図22を比較
して見ればわかるように三端子モードでは、利点である
低いオン抵抗を得られない。また、この素子はノーマリ
・オン特性であり、制御信号を与えないときに主電流が
流れてしまう。よって、この素子を使う装置は別途電流
遮断装置を設けるなど、安全性を確保するために注意を
払わなければならない。さらに、大電流容量のチップを
実現しようとする場合、同一平面上から三つの電極を引
き出すためには、多層配線技術を使うなど、電極構造を
複雑にしなければならない。もしくは図18を拡張し
て、絶縁ゲートのストライプ構造の長さをほぼチップの
一辺の長さまで延長しなければならない。その場合、反
転層中を流れる正孔の速度に制限され、スイッチング時
間が長くなる。
However, this element has the following limitations. First, this device structure is not suitable for high breakdown voltage.
As described above, the reason for the low on-resistance of this device structure is that the insulated gate is in contact with both the n + type source region and the n + type substrate, and both are formed along the gate insulating film. This is for contacting the storage layer. The design withstand voltage of the device in the literature was 60 V, but if this structure is extended to a device with a higher withstand voltage, this structure in which the insulated gate is in contact with the n + drain region becomes impossible. Next, this element is essentially a four-terminal element, and the driving method inevitably becomes complicated. Of course, as described above, the junction gate and the MOS gate can be connected together and used as a three-terminal element, but as can be seen by comparing FIGS. I can't get it. Further, this element has a normally-on characteristic, and a main current flows when a control signal is not applied. Therefore, in order to ensure safety, a device using this element has to be provided with a separate current interruption device, etc. Further, in order to realize a chip with a large current capacity, in order to draw out three electrodes from the same plane, it is necessary to complicate the electrode structure, such as using a multilayer wiring technique. Alternatively, FIG. 18 should be expanded to extend the length of the insulated gate stripe structure to approximately the length of one side of the chip. In that case, the switching time is lengthened by the speed of holes flowing in the inversion layer.

【0005】次に、第2の従来例として、公開特許公報
(特開昭57−172765号「静電誘導サイリス
タ」)に開示されたものを紹介する。図23に前記公開
公報を参照して素子の断面図を示す。図23にはこの構
造がU字型絶縁ゲートを応用した素子であることを理解
しやすくするために、前記公開公報に記載されていた構
造の3単位分を図示している。まず構造を説明する。図
中、番号61はp+型アノード領域、62はn-型ベース
領域、63はn+型カソード領域、68はp+型のゲート
領域である。64は絶縁膜であり、前記n-型ベース領
域62、n+型カソード領域63、p+型ゲート領域68
に接している。71はアノード電極、73はカソード電
極で、それぞれp+型アノード領域61、n+型カソード
領域63とオーミックコンタクトしている。65はゲー
ト電極で、p+型ゲート領域68とオーミックコンタク
トしていると共に絶縁膜64とも接している。すなわ
ち、この素子構造は「表面から掘り込まれた溝の中に絶
縁ゲートが形成され、さらにその溝の底部においてゲー
ト電極65がp+型ゲート領域68とつながってい
る」、という構造をなしている。またn-型ベース領域
62のうち、隣合う絶縁ゲートに挾まれた領域を「チャ
ネル領域」と呼ぶことにする。
Next, as a second conventional example, the one disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 57-172765 (“Static induction thyristor”) will be introduced. FIG. 23 shows a cross-sectional view of the device with reference to the publication. In order to make it easy to understand that this structure is an element to which a U-shaped insulated gate is applied, FIG. 23 shows three units of the structure described in the above publication. First, the structure will be described. In the figure, reference numeral 61 is a p + type anode region, 62 is an n− type base region, 63 is an n + type cathode region, and 68 is a p + type gate region. Reference numeral 64 denotes an insulating film, which is the n − -type base region 62, the n + -type cathode region 63, and the p + -type gate region 68.
Touches. Reference numeral 71 is an anode electrode, and 73 is a cathode electrode, which are in ohmic contact with the p + type anode region 61 and the n + type cathode region 63, respectively. Reference numeral 65 denotes a gate electrode, which is in ohmic contact with the p + type gate region 68 and is also in contact with the insulating film 64. That is, this device structure has a structure in which an insulated gate is formed in a groove dug in from the surface, and the gate electrode 65 is connected to the p + type gate region 68 at the bottom of the groove. There is. Further, of the n − type base region 62, the region sandwiched between the adjacent insulated gates will be referred to as a “channel region”.

【0006】次に動作を説明する。カソード電極73は
接地(0Vに)され、アノード電極71には正の電位が
印加される。素子のオフ状態は、ゲート電極65に負電
位を印加し、カソード領域前面のチャネル領域に空乏層
を形成することによって保たれる。すなわち、この素子
も第1の従来例と同様、ノーマリ・オン特性の素子であ
る。素子をオン状態に転ずるには、ゲート電極65に正
の電位を印加する。すると、ベース領域中の空乏層は消
失して電流路が開くとともに、絶縁ゲートの界面には電
子による蓄積層が瞬時に形成され、カソード領域前面の
ポテンシャルを下げ、素子のターン・オンを促進する。
この効果を得るためには、絶縁ゲートと主電流経路との
距離はキャリアの拡散長以内であることが望ましい。ま
た、この蓄積層は導電率が高いので、ゲート電流が素早
く流れるという利点もあり、ターン・オン時間は、この
機構を持たない静電誘導サイリスタより速くなる。ひと
たび、ターン・オンすれば、ゲート電位を解除してもオ
ン状態は持続する。また、ターン・オフはゲート電極に
負電位を印加し、ベース領域62内の少数キャリアを吸
い出し、再びベース領域内に空乏層を形成することで達
成する。この素子の利点は、通常の静電誘導サイリスタ
に接合ゲートと連動した絶縁ゲートを付加したことによ
り、(1)ターン・オン時には絶縁ゲート界面に蓄積層
が形成されることでターン・オン時間が短くなる、
(2)ターン・オフ時には絶縁膜近傍に空乏層が形成さ
れて電流をピンチオフしやすくなるのでターン・オフ時
間も短くなる、などである。しかし、上記の素子構造に
は以下のような困難な点がある。まず、第1にノーマリ
・オン型デバイスであること。第2に、基本的にサイリ
スタなので制御電極に積極的に遮断信号を与えなけれ
ば、素子をオフできない。さらに第3に図23の構造で
は溝の中にゲート絶縁膜を形成し、さらにその底部にp
+型ゲート領域とのコンタクト穴を形成しなければなら
ない。素子に充分なブロッキング・ゲインを持たせるた
めには、絶縁ゲートを形成する溝の深さは数μm必要で
あるが、溝の幅を図23に示すよりも遥かに広く取った
としても、このような凹凸の底部にコンタクト穴を形成
することは難しい。特に電流容量を増やすために、パタ
ーンを微細化しようとすると、平凡なフォト・エッチン
グ技術では困難になってくる。
Next, the operation will be described. The cathode electrode 73 is grounded (at 0 V), and a positive potential is applied to the anode electrode 71. The OFF state of the device is maintained by applying a negative potential to the gate electrode 65 and forming a depletion layer in the channel region in front of the cathode region. That is, this element is also an element having a normally-on characteristic, like the first conventional example. To turn the element on, a positive potential is applied to the gate electrode 65. Then, the depletion layer in the base region disappears and the current path opens, and at the same time, an electron accumulation layer is formed at the interface of the insulated gate, lowering the potential in front of the cathode region and promoting turn-on of the device. .
In order to obtain this effect, it is desirable that the distance between the insulated gate and the main current path is within the diffusion length of carriers. Further, since the storage layer has high conductivity, there is also an advantage that the gate current flows quickly, and the turn-on time becomes faster than that of the static induction thyristor which does not have this mechanism. Once turned on, the on state continues even if the gate potential is released. The turn-off is achieved by applying a negative potential to the gate electrode, sucking out minority carriers in the base region 62, and forming a depletion layer again in the base region. The advantage of this device is that by adding an insulated gate that works in conjunction with the junction gate to a normal electrostatic induction thyristor, (1) the turn-on time is formed because an accumulation layer is formed at the insulated gate interface at turn-on. Get shorter,
(2) At the time of turn-off, a depletion layer is formed in the vicinity of the insulating film to easily pinch off the current, so that the turn-off time is shortened. However, the above device structure has the following difficulties. First, it must be a normally-on type device. Secondly, since it is basically a thyristor, the element cannot be turned off unless the cutoff signal is positively given to the control electrode. Thirdly, in the structure of FIG. 23, a gate insulating film is formed in the groove, and p is formed on the bottom of the gate insulating film.
A contact hole with the + type gate region must be formed. In order to provide the device with a sufficient blocking gain, the depth of the groove forming the insulated gate is required to be several μm, but even if the width of the groove is made much wider than that shown in FIG. It is difficult to form a contact hole on the bottom of such unevenness. In particular, when it is attempted to miniaturize the pattern in order to increase the current capacity, it becomes difficult with ordinary photo-etching technology.

【0007】最後に第3の従来例として、U字型IGB
Tを紹介する。これは、例えばIEEEトランザクショ
ン・オン・エレクトロン・デバイセズ(“500-V n-Chan
nelInsulated-Gate Bipolar Transistor with a Trench
Gate Strucuture", H. R.CHANG, B. JAYANT. BALIGA,
IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES. VOL.36,NO.9,
SEPTEMBER 1989)に記載されている。図24は上記従
来例の断面構造図である。まず構造を説明する。図中、
40はp+型コレクタ領域、41はn型ドリフト領域、
42はp型ベース領域、43はn+型エミッタ領域、4
8はp+型のコンタクト領域である。また、44は絶縁
膜、45は導電性多結晶半導体からなるゲート電極、4
6は層間絶縁膜である。以下、これら44、45、46
を併せて「絶縁ゲート」47と呼ぶことにする。絶縁ゲ
ート47は基板の表面から側壁を垂直に掘り込まれた溝
の内部に形成されており、底部はn型ドリフト領域41
に達している。50はコレクタ電極となる金属膜で、p
+コレクタ領域40とオーミックコンタクトしている。
53はエミッタ電極となる金属膜で、n+型エミッタ領
域43ならびにp+型コンタクト領域48とオーミック
コンタクトしている。なお図24中で、絶縁ゲート近傍
に破線で示した領域chはチャネルである。
Finally, as a third conventional example, a U-shaped IGB
Introduce T. This is for example the IEEE Transaction on Electron Devices (“500-V n-Chan
nelInsulated-Gate Bipolar Transistor with a Trench
Gate Strucuture ", HRCHANG, B. JAYANT. BALIGA,
IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES.VOL.36, NO.9,
SEPTEMBER 1989). FIG. 24 is a sectional structural view of the above-mentioned conventional example. First, the structure will be described. In the figure,
40 is a p + type collector region, 41 is an n type drift region,
42 is a p-type base region, 43 is an n + type emitter region, 4
Reference numeral 8 is a p + type contact region. Further, 44 is an insulating film, 45 is a gate electrode made of a conductive polycrystalline semiconductor, 4
Reference numeral 6 is an interlayer insulating film. Below, these 44, 45, 46
Will be collectively referred to as “insulated gate” 47. The insulated gate 47 is formed inside a groove in which a side wall is dug vertically from the surface of the substrate, and the bottom portion is an n-type drift region 41.
Has reached. Reference numeral 50 denotes a metal film which will be a collector electrode, and p
+ Ohmic contact with the collector region 40.
Reference numeral 53 is a metal film which serves as an emitter electrode and is in ohmic contact with the n + type emitter region 43 and the p + type contact region 48. In FIG. 24, a region ch shown by a broken line near the insulated gate is a channel.

【0008】次に動作を説明する。エミッタ電極53は
接地(0Vに)され、コレクタ電極50には正の電位が
印加される。この素子構造はノーマリ・オフ構造で、ゲ
ート電極が0Vの状態ではチャネルが閉じていて主電流
は流れない。素子をオン状態に転ずるには、ゲート電極
に然るべき正の電位を印加して、絶縁ゲート界面に伝導
電子による反転層を形成してチャネルchを開き、n+
型エミッタ領域43からnドリフト領域41へ電子を流
す。すると、p+型コレクタ領域40からもn型ドリフ
ト領域41へ正孔が注入される。そして、耐圧を保持す
るために不純物濃度を低くつくられていたn型ドリフト
領域41は伝導度変調され、低い抵抗で主電流が流れる
ようになる。ドリフト領域42に注入された正孔はドリ
フト領域内で対消滅するか、もしくはp型ベース領域か
らp+型コンタクト領域を通ってエミッタ電極へと流れ
る。素子をオフ状態に転ずるにはゲート電位を0Vにす
ればよい。するとチャネルchが閉じ、電子電流の供給
が止まるのでp+型コレクタ領域からの正孔の注入も止
み、電流は流れなくなる。この素子の利点は、(1)ノ
ーマリ・オフ特性をもち、前述の二つの従来例よりは取
扱い上の安全性を確保できる、(2)基本的な駆動に負
電源を必要としない、(3)電圧制御型デバイスであ
り、入力インピーダンスが高い、(4)電流容量を増や
すためのパターンの微細化を阻む構造的要因がない、な
どである。しかし、この素子にも以下のような限界があ
る。まず、図24を見ると、この構造は、p+型コレク
タ領域40、n-型ドリフト領域41、p型ベース領域
42、n+型エミッタ領域43により、pnpnサイリ
スタを寄生素子として持つ。すなわち通常はゲート電位
の変化に連動して主電流量が変化するが、急激なコレク
タ電位の変化や正孔の過剰供給が発生すると、この寄生
サイリスタが作動して、ゲート電極は制御能力を失う可
能性がある。また、この素子構造は主電流経路に順バイ
アスのpn接合を有するので、コレクタ電位が0.7V
以下では電流が流れない。すなわち、低オン抵抗化に原
理的な限界を持っている。このことは、前記図23に示
した第2の従来例の構造においても同様である。
Next, the operation will be described. The emitter electrode 53 is grounded (0V), and a positive potential is applied to the collector electrode 50. This device structure is a normally-off structure, and when the gate electrode is at 0 V, the channel is closed and no main current flows. In order to turn on the device, an appropriate positive potential is applied to the gate electrode to form an inversion layer by conduction electrons at the insulated gate interface to open the channel ch, and n +
Electrons flow from the type emitter region 43 to the n drift region 41. Then, holes are also injected from the p + type collector region 40 to the n type drift region 41. Then, the n-type drift region 41, which has been made to have a low impurity concentration in order to maintain the breakdown voltage, is conductivity-modulated, and the main current flows with a low resistance. The holes injected into the drift region 42 annihilate in the drift region, or flow from the p-type base region to the emitter electrode through the p + -type contact region. The gate potential may be set to 0 V to turn the element to the off state. Then, the channel ch is closed and the supply of electron current is stopped, so that the injection of holes from the p + type collector region is stopped and the current stops flowing. The advantage of this element is (1) it has a normally-off characteristic, and can be more safe in handling than the above-mentioned two conventional examples, and (2) does not require a negative power supply for basic driving. ) It is a voltage control type device and has a high input impedance, and (4) there is no structural factor that prevents the miniaturization of the pattern for increasing the current capacity. However, this element also has the following limitations. First, referring to FIG. 24, this structure has a pnpn thyristor as a parasitic element by the p + type collector region 40, the n − type drift region 41, the p type base region 42, and the n + type emitter region 43. That is, the amount of main current usually changes in conjunction with a change in gate potential, but when a sudden change in collector potential or excessive supply of holes occurs, this parasitic thyristor operates and the gate electrode loses controllability. there is a possibility. In addition, since this device structure has a forward biased pn junction in the main current path, the collector potential is 0.7V.
No current flows below. That is, there is a theoretical limit to lowering the on-resistance. This also applies to the structure of the second conventional example shown in FIG.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】上記のように、第1の
従来例では、極めて低いオン抵抗が得られるが、チップ
を大容量化・高耐圧化できないという欠点を持ってい
る。またノーマリ・オン型であって取扱に注意を要する
という問題もある。また、第2の従来例では、高耐圧化
には問題ないが、大容量化するための微細化に適さない
構造であり、かつ素子の構造上、低オン抵抗化に限界が
あると共に、ノーマリ・オン型であって取扱に注意を要
するという問題がある。また、第3の従来例では、電圧
制御型であり、ノーマリ・オフ特性を持つという利点を
有するが、素子の構造上、低オン抵抗化に限界があると
共に、寄生素子の存在によって電流制御能力を失うおそ
れがある、という問題を有している。上記のごとき従来
技術の問題を解決するため、本出願人は、ノーマリ・オ
フ型で、制御性に優れ、オン抵抗の低い新規なトランジ
スタを開発し、既に出願(特願平5−33419号)し
ている。
As described above, in the first conventional example, an extremely low on-resistance can be obtained, but there is a drawback in that the capacity and the withstand voltage of the chip cannot be increased. There is also a problem that it is a normally-on type and requires careful handling. In the second conventional example, there is no problem in increasing the breakdown voltage, but the structure is not suitable for miniaturization in order to increase the capacity, and there is a limit in reducing the on-resistance due to the structure of the device, and normally -There is a problem that it is an on type and requires careful handling. In addition, the third conventional example has the advantage of being a voltage control type and having normally-off characteristics, but there is a limit to the reduction of the on-resistance due to the structure of the element, and the current control capability due to the presence of the parasitic element. There is a risk of losing. In order to solve the problems of the prior art as described above, the present applicant has developed a novel transistor of normally-off type, which has excellent controllability and low on-resistance, and has already filed an application (Japanese Patent Application No. 5-33419). is doing.

【0010】本発明は、上記の本出願人による先行技術
をさらに改良し、ノーマリ・オフ型で、制御性に優れ、
オン抵抗が低く、ホットキャリアによる特性の変動や劣
化が少なく、かつスイッチング速度の速い半導体装置を
提供することを目的とする。
The present invention is a further improvement of the above-mentioned prior art by the present applicant, is a normally-off type, and has excellent controllability.
It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a low on-resistance, little variation or deterioration of characteristics due to hot carriers, and a high switching speed.

【0011】[0011]

【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、基板であるコレクタ領域(例え
ばn型)の表面に同じ導電型のエミッタ領域を設け、さ
らに例えばU字型をした固定絶縁電極を、同じ導電型の
エミッタ領域を挾み込むように配置する。この固定絶縁
電極間がチャネル領域となる。この固定絶縁電極はエミ
ッタ電極と同電位に保たれていて、かつ隣接するコレク
タ領域ならびにチャネル領域に空乏層を形成するような
性質を有する材料、例えばp型多結晶半導体からなるも
のである。さらに、コレクタ領域と固定絶縁電極の絶縁
膜とに接し、エミッタ領域には接しない反対導電型のイ
ンジェクション領域を設けた。すなわち、デバイスの遮
断時は、固定絶縁電極のつくる空乏層によってチャネル
領域内に多数キャリア(ここでは伝導電子)に対するポ
テンシャル障壁が形成され、エミッタ領域とコレクタ領
域とは電気的に遮断される。また導通時には、外部から
インジェクション領域に適当な所定の電圧を印加し、イ
ンジェクション領域が接している固定絶縁電極の絶縁膜
界面に少数キャリア(ここでは正孔)を導入して反転層
を形成させることで、固定絶縁電極のp型多結晶半導体
からn型のチャネル領域への電界を遮蔽して空乏層を後
退させることで、多数キャリアに対するポテンシャル障
壁を取り払ってチャネルを開く。さらにはインジェクシ
ョン領域からコレクタ領域へ正孔を注入することで、コ
レクタ領域の伝導度を向上させるものである。さらに、
このインジェクション領域は、上記固定絶縁電極の先端
部の絶縁膜とコレクタ領域との界面まで伸びており、固
定絶縁電極の先端部すなわち溝の底面近傍部分を囲むよ
うに形成されている。なお、この伸びた部分は、図1ま
たは図2に示すように、固定絶縁電極の幅よりもはみ出
していても良いし、或いは図10に示すように固定絶縁
電極の幅に収まるように形成してもよい。また、上記イ
ンジェクション領域とオーミックコンタクトする制御電
極が設けられ、この制御電極を介してインジェクション
領域に電圧を印加する。なお、上記のコレクタ領域は、
例えば後記図1におけるコレクタ領域2に相当し、同じ
くエミッタ領域はエミッタ領域3に、固定絶縁電極は固
定絶縁電極6に、インジェクション領域はp型のインジ
ェクション領域8に、インジェクション領域のうち固定
絶縁電極の先端部まで伸びた部分はインジェクション領
域8′に相当する。また制御電極は図5のゲート電極1
8(図1では端子Gのみを表示)に相当する。
In order to achieve the above object, the present invention has a structure as described in the claims. That is, an emitter region of the same conductivity type is provided on the surface of a collector region (for example, n type) which is a substrate, and a fixed insulating electrode having, for example, a U shape is arranged so as to sandwich the emitter region of the same conductivity type. . A channel region is formed between the fixed insulated electrodes. The fixed insulating electrode is kept at the same potential as the emitter electrode, and is made of a material having a property of forming a depletion layer in the adjacent collector region and channel region, for example, a p-type polycrystalline semiconductor. Furthermore, an injection region of the opposite conductivity type is provided, which is in contact with the collector region and the insulating film of the fixed insulated electrode and is not in contact with the emitter region. That is, when the device is cut off, the depletion layer formed by the fixed insulating electrode forms a potential barrier for majority carriers (conduction electrons here) in the channel region, and the emitter region and the collector region are electrically cut off. When conducting, apply an appropriate predetermined voltage to the injection region from the outside and introduce minority carriers (here holes) into the insulating film interface of the fixed insulating electrode in contact with the injection region to form the inversion layer. Then, the electric field from the p-type polycrystalline semiconductor of the fixed insulating electrode to the n-type channel region is shielded to recede the depletion layer, thereby removing the potential barrier for majority carriers and opening the channel. Furthermore, by injecting holes from the injection region to the collector region, the conductivity of the collector region is improved. further,
The injection region extends to the interface between the insulating film at the tip of the fixed insulating electrode and the collector region, and is formed so as to surround the tip of the fixed insulating electrode, that is, the portion near the bottom surface of the groove. The extended portion may extend beyond the width of the fixed insulated electrode as shown in FIG. 1 or 2, or may be formed so as to fit within the width of the fixed insulated electrode as shown in FIG. May be. Further, a control electrode which makes ohmic contact with the injection region is provided, and a voltage is applied to the injection region via the control electrode. The collector area is
For example, the emitter region corresponds to the emitter region 3, the fixed insulating electrode corresponds to the fixed insulating electrode 6, the injection region corresponds to the p-type injection region 8, and the fixed insulating electrode of the injection region corresponds to the collector region 2 in FIG. The portion extending to the tip corresponds to the injection area 8 '. The control electrode is the gate electrode 1 in FIG.
8 (only the terminal G is shown in FIG. 1).

【0012】[0012]

【作用】エミッタ電位に固定されている固定絶縁電極の
周辺のチャネル領域には、固定絶縁電極材料との仕事関
数差によって空乏層が形成され、これによってチャネル
領域は空乏化されてエミッタ領域とコレクタ領域とは電
気的に遮断されている。また、固定絶縁電極はコレクタ
電位が上昇しても、コレクタ電界でチャネルが開かない
ような構造となっている。すなわち素子構造は初めから
遮断状態である。しかし、コレクタ領域内の空乏層から
励起される少数キャリアは、絶縁膜界面に溜って、その
ままではチャネル領域の空乏層を後退させて主電流がリ
ークしてしまうが、チャネル領域とは反対導電型のイン
ジェクション領域が絶縁膜界面と接し、さらにインジェ
クション領域は制御電極ともオーミックコンタクトして
いるので、制御電極が接地状態の時には、絶縁膜界面の
少数キャリアはインジェクション領域を介して制御電極
に流れ出ることで、絶縁膜界面の電位は上昇せず、素子
は遮断状態を保つ。一方、制御電極に正電位を印加する
と、逆に少数キャリアが絶縁膜界面に流れ込んで界面の
電位を上昇させ、空乏層が後退してチャネル中央部に中
性領域が現われて電流が流れる。さらに注入電位が所定
値以上になると、インジェクション領域とチャネル領域
によるpn接合が順バイアスされ、少数キャリアがチャ
ネル領域ならびにコレクタ領域に注入されて伝導度変調
されるために、主電流は低いオン抵抗で流れることにな
る。この時、絶縁膜界面は導電路としてチャネル領域全
体に少数キャリア電流を運ぶ働きをする。ターン・オフ
するためには、制御電極の電位を接地もしくは逆電位に
する。本発明においては、素子構造が微細であり、チャ
ネル領域の電位が直接に制御電極電位と連動する機構に
なっていることから、単体バイポーラトランジスタより
も大きなhFEを期待することができる。そしてオン抵抗
が低く、少ないベース電流で多くの主電流を制御するこ
とができる。また、インジェクション領域が固定絶縁電
極の先端部の絶縁膜とコレクタ領域との界面まで伸びて
おり、固定絶縁電極の先端部を囲むように形成されてい
るため、固定絶縁電極の先端部の絶縁膜が直接にコレク
タ領域と接しないので、絶縁膜をホットキャリアから保
護することが出来、ホットキャリアによる特性の変動や
劣化が小さくなる。また、少数キャリアの供給・排除が
速やかになるので、スイッチング速度が速くなり、かつ
チャネルの遮蔽効果が大きくなるので、チャネル長を短
くすることが出来る。
In the channel region around the fixed insulated electrode fixed to the emitter potential, a depletion layer is formed due to the work function difference with the material of the fixed insulated electrode, whereby the channel region is depleted and the emitter region and the collector region are collected. It is electrically isolated from the area. Further, the fixed insulating electrode has a structure in which the channel is not opened by the collector electric field even if the collector potential rises. That is, the element structure is in the cutoff state from the beginning. However, the minority carriers excited from the depletion layer in the collector region accumulate at the interface of the insulating film and recede the depletion layer in the channel region to leak the main current. Since the injection region of the contact layer is in contact with the insulating film interface, and the injection region is also in ohmic contact with the control electrode, when the control electrode is grounded, minority carriers at the insulating film interface flow out to the control electrode through the injection region. , The potential of the interface of the insulating film does not rise, and the element keeps the cutoff state. On the other hand, when a positive potential is applied to the control electrode, conversely, minority carriers flow into the interface of the insulating film to raise the potential of the interface, the depletion layer recedes, a neutral region appears in the center of the channel, and a current flows. Further, when the injection potential exceeds a predetermined value, the pn junction formed by the injection region and the channel region is forward-biased, the minority carriers are injected into the channel region and the collector region, and the conductivity is modulated, so that the main current has a low on-resistance. It will flow. At this time, the interface of the insulating film functions as a conductive path to carry a minority carrier current to the entire channel region. In order to turn off, the potential of the control electrode is set to ground or reverse potential. In the present invention, since the device structure is minute and the potential of the channel region directly interlocks with the control electrode potential, a larger h FE can be expected than a single bipolar transistor. Further, the on resistance is low, and a large amount of main current can be controlled with a small base current. Further, since the injection region extends to the interface between the insulating film at the tip of the fixed insulated electrode and the collector region and is formed so as to surround the tip of the fixed insulated electrode, the insulating film at the tip of the fixed insulated electrode is formed. Does not come into direct contact with the collector region, the insulating film can be protected from hot carriers, and fluctuations and deterioration of characteristics due to hot carriers are reduced. In addition, since the minority carriers are quickly supplied and removed, the switching speed is increased and the channel shielding effect is increased, so that the channel length can be shortened.

【0013】[0013]

【実施例】以下、本発明を実施例によって詳細に説明す
る。図1〜図5は、本発明の第1の実施例である。図1
は素子の基本構造を説明するための斜視図、図2は図1
の前面と同じ部分を示す断面図、図3は素子の表面図
で、この図3と上記の図1においては表面の電極(金属
膜)を除いた様子を示している。すなわち、図3は図2
中の線分A−A′を含んで紙面に垂直に切った断面を示
す。逆に図2は図3中の線分A−A′を通って紙面に垂
直な平面で切った断面図である。また、図4は図3中の
線分B−B′を通って紙面に垂直な平面で切った断面図
であり、図2の場合と同様に、図4における線分B−
B′で切った断面図が図3に相当する。また、図5は図
3のD−D′断面図である。なお、この実施例では半導
体をシリコンとして説明する。次に、素子の構造を説明
する。まず図1〜図5中において、1は基板であるn+
型基板領域、2はn型コレクタ領域、3はn+型エミッ
タ領域である。また、4はMOS型電極であり、高濃度
のp型多結晶半導体からなり、かつ後述するエミッタ電
極とオーミックコンタクトしていて、電位が固定されて
いる。また、5はMOS型電極4とコレクタ領域2とを
絶縁する絶縁膜である。この4と5を併せて「固定絶縁
電極」6と呼ぶことにする。この固定絶縁電極6は、素
子表面から側壁が垂直に掘られた溝の中に形成されてい
る。n型コレクタ領域2のうち、この固定絶縁電極6に
挾まれた領域を「チャネル領域」7と呼ぶことにする。
このチャネル領域7は、絶縁膜5を介して隣接するMO
S型電極4が高濃度のp型半導体であるため、仕事関数
差によって形成された空乏層によって、チャネル領域に
は伝導電子に対するポテンシャル障壁が形成されてい
て、エミッタ領域3とコレクタ領域2とは、このままで
は電気的に遮断された状態となっている。また、11は
コレクタ電極であり、n+型基板領域1とオーミックコ
ンタクトしている。13はエミッタ電極であり、エミッ
タ領域3とMOS型電極4にオーミックコンタクトして
いる。すなわち、MOS型電極4の電位はエミッタ電極
13の電位に固定されている。また図中、Hをチャネル
厚み、Lをチャネル長と呼ぶ。また、8はp型のインジ
ェクション領域であり、8′はインジェクション領域8
のうちの固定絶縁電極6の先端部を包み込んで接する部
分である。この8′は図1に示すように固定絶縁電極6
の幅からはみ出していてもよいし、或いは図10に示す
ようにはみ出してなくてもよい。また、18はインジェ
クション領域8にオーミックコンタクトする制御電極で
あり、以後「ゲート電極」と呼ぶ。また、図3に示すよ
うに、この実施例では固定絶縁電極6はストライプ状を
なしており、その両端はインジェクション領域8に接し
ている。このように固定絶縁電極6とインジェクション
領域8に囲まれたチャネル領域7は、ひとつの単位セル
を形成しており、図2にはこのセル4単位分が示されて
いる。なお、「チャネルの状態によって電流を遮断、も
しくは電流量を制御しうる」という条件を満たしていれ
ば、単位セルを構成する固定絶縁電極の形状、エミッタ
領域の形状などは任意である。また、チャネルの形状は
折れ曲がっていたり、湾曲していたり、枝を持っていて
もよい。また、図4において、破線は固定絶縁電極6の
存在を示し、9は層間絶縁膜である。また、図5にはp
型のインジェクション領域8と8′との関係を示してい
る。なお、本実施例においては、断面図における固定絶
縁電極6の絶縁膜5の角部、および表面図における絶縁
膜5の角部は角張って描いてあるが、これらは模式図で
あり、実際には丸みを帯びていてもよい。電界集中を抑
制するためにこれら角部に丸みを持たせることは、広く
一般に採用されていることである。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples. 1 to 5 show a first embodiment of the present invention. Figure 1
1 is a perspective view for explaining the basic structure of the element, and FIG. 2 is FIG.
3 is a cross-sectional view showing the same portion as the front surface of FIG. 3, and FIG. 3 is a front view of the device. In FIG. 3 and FIG. 1 described above, the electrode (metal film) on the surface is removed. That is, FIG. 3 corresponds to FIG.
A cross section taken along a line perpendicular to the paper surface including the line segment A-A 'is shown. On the contrary, FIG. 2 is a sectional view taken along a plane perpendicular to the plane of the drawing through the line segment AA ′ in FIG. 4 is a sectional view taken along a plane perpendicular to the plane of the drawing through the line segment BB ′ in FIG. 3, and like the case of FIG. 2, the line segment B- in FIG.
A sectional view taken along the line B'corresponds to FIG. Further, FIG. 5 is a sectional view taken along line DD ′ of FIG. In this embodiment, the semiconductor will be described as silicon. Next, the structure of the device will be described. First, in FIGS. 1 to 5, 1 is a substrate n +
The type substrate region, 2 is an n-type collector region, and 3 is an n + type emitter region. Reference numeral 4 denotes a MOS electrode, which is made of a high-concentration p-type polycrystalline semiconductor and is in ohmic contact with an emitter electrode, which will be described later, and has a fixed potential. Reference numeral 5 is an insulating film that insulates the MOS type electrode 4 from the collector region 2. These 4 and 5 are collectively referred to as "fixed insulated electrode" 6. The fixed insulating electrode 6 is formed in a groove whose side wall is dug vertically from the element surface. A region of the n-type collector region 2 sandwiched by the fixed insulating electrodes 6 will be referred to as a “channel region” 7.
The channel region 7 is adjacent to the MO via the insulating film 5.
Since the S-type electrode 4 is a high-concentration p-type semiconductor, the depletion layer formed by the work function difference forms a potential barrier for conduction electrons in the channel region, and the emitter region 3 and the collector region 2 are separated from each other. In this state, it is electrically cut off. Further, 11 is a collector electrode, which is in ohmic contact with the n + type substrate region 1. An emitter electrode 13 is in ohmic contact with the emitter region 3 and the MOS electrode 4. That is, the potential of the MOS electrode 4 is fixed to the potential of the emitter electrode 13. In the figure, H is called a channel thickness and L is called a channel length. Further, 8 is a p-type injection area, and 8'is an injection area 8
It is a portion that wraps and contacts the tip portion of the fixed insulated electrode 6 among them. This 8'is a fixed insulated electrode 6 as shown in FIG.
10 may extend beyond the width of, or may not extend as shown in FIG. Reference numeral 18 denotes a control electrode which makes ohmic contact with the injection region 8 and is hereinafter referred to as a "gate electrode". Further, as shown in FIG. 3, in this embodiment, the fixed insulating electrode 6 has a stripe shape, and both ends thereof are in contact with the injection region 8. In this way, the channel region 7 surrounded by the fixed insulating electrode 6 and the injection region 8 forms one unit cell, and FIG. 2 shows four units of this cell. Note that the shape of the fixed insulating electrode, the shape of the emitter region, and the like that form the unit cell are arbitrary as long as the condition that "the current can be interrupted or the current amount can be controlled depending on the channel state" is satisfied. Also, the shape of the channels may be bent, curved, or have branches. Further, in FIG. 4, the broken line indicates the existence of the fixed insulating electrode 6, and 9 indicates the interlayer insulating film. Also, in FIG.
The relationship between the mold injection areas 8 and 8'is shown. In the present embodiment, the corners of the insulating film 5 of the fixed insulating electrode 6 in the cross-sectional view and the corners of the insulating film 5 in the front view are illustrated as being square, but these are schematic diagrams and are actually shown. May be rounded. It is widely adopted that the corners are rounded in order to suppress the electric field concentration.

【0014】次に、動作を説明する。この素子において
は、エミッタ電極13は接地(0V)、コレクタ電極1
1には正の電位を印加して用いる。まず、遮断状態につ
いて説明する。ゲート電極18が接地状態の時、素子は
遮断状態である。先にも述べたように、MOS型電極4
が高濃度のp型半導体から出来ており、かつエミッタ電
極電位に固定されていることから、固定絶縁電極6の周
辺には空乏層が形成され、チャネル領域7は空乏化され
てエミッタ領域3とコレクタ領域2は電気的に遮断され
ている構造になっている。通常、このようなMOSダイ
オード的な構造では、逆バイアスを印加してもコレクタ
領域中の空乏層で発生したキャリアが絶縁膜5界面に溜
って反転層を形成し、空乏層は広がらずに絶縁膜5界面
の電位が上昇する。しかし、この構造ではその絶縁膜5
が、接地されたp型のインジェクション領域8および
8′に接しているので、空乏層で発生したキャリアは絶
縁膜5界面に到達するが、すぐにインジェクション領域
8、8′を通って素子の外に排除される。すなわち、絶
縁膜5界面の電位は上昇せずに固定されていて、空乏層
は逆バイアス電圧にしたがって広がる。
Next, the operation will be described. In this device, the emitter electrode 13 is grounded (0 V) and the collector electrode 1
1 is used by applying a positive potential. First, the cutoff state will be described. When the gate electrode 18 is grounded, the device is in a cutoff state. As described above, the MOS type electrode 4
Is made of a high-concentration p-type semiconductor and is fixed to the emitter electrode potential, a depletion layer is formed around the fixed insulating electrode 6, and the channel region 7 is depleted to form the emitter region 3. The collector region 2 has a structure in which it is electrically cut off. Usually, in such a MOS diode-like structure, even if a reverse bias is applied, carriers generated in the depletion layer in the collector region accumulate at the interface of the insulating film 5 to form an inversion layer, and the depletion layer does not spread and is insulated. The potential at the membrane 5 interface increases. However, in this structure, the insulating film 5
However, since they are in contact with the grounded p-type injection regions 8 and 8 ′, the carriers generated in the depletion layer reach the interface of the insulating film 5, but immediately pass through the injection regions 8 and 8 ′ to the outside of the device. Be eliminated by. That is, the potential at the interface of the insulating film 5 is fixed without rising, and the depletion layer spreads in accordance with the reverse bias voltage.

【0015】このデバイスがノーマリ・オフ構造を持つ
ためにチャネルの構造が満たさなければならない条件が
2つある。まず、その1つはチャネル厚みと不純物濃度
との関係である。図6は図2中のチャネル領域の中央付
近である線分C−C′に沿ったチャネル領域のポテンシ
ャル分布を計算した図である。図6の縦軸はフェルミ準
位を基準としたエネルギーバンドの中心のポテンシャル
である。以下、「フェルミ準位を基準としたエネルギー
バンドの中心のポテンシャル」を単に「ポテンシャル」
と呼ぶことにする。ここでは、MOS型電極4のビルド
インポテンシャルを0.6eVとし、絶縁膜5は二酸化
珪素で、厚さは100nmとして計算した。また、両端
の破線は、絶縁膜中の電位分布を示す補助線である。ま
た、中央部の一点鎖線はチャネル領域7の半導体の中性
状態におけるポテンシャルの位置である。図6におい
て、インジェクション領域8の電位Vjが0Vの状態で
は、チャネルの全域はポテンシャルが正であり、チャネ
ル領域7には伝導電子は存在しない。この条件を満たす
ために、チャネル領域7の不純物濃度ND、チャネル厚
みH、絶縁膜厚toxは次の式を満たさなければならな
い。まず、MOS型電極4の持つビルドインポテンシャ
ルをP、チャネル領域の半導体と絶縁膜5との界面のポ
テンシャルをQとすると、絶縁膜中の電界強度Eoxは一
定であり、下記(数1)式で示される。
In order for this device to have a normally-off structure, there are two conditions that the structure of the channel must meet. First, one of them is the relationship between the channel thickness and the impurity concentration. FIG. 6 is a diagram in which the potential distribution of the channel region along the line segment CC ′ near the center of the channel region in FIG. 2 is calculated. The vertical axis in FIG. 6 is the potential at the center of the energy band with reference to the Fermi level. Below, the "potential at the center of the energy band based on the Fermi level" is simply referred to as "potential".
I will call it. Here, the build-in potential of the MOS electrode 4 was set to 0.6 eV, the insulating film 5 was made of silicon dioxide, and the thickness was 100 nm. The broken lines at both ends are auxiliary lines showing the potential distribution in the insulating film. The dashed line in the center is the potential position of the semiconductor in the channel region 7 in the neutral state. In FIG. 6, when the potential V j of the injection region 8 is 0 V, the potential is positive in the entire region of the channel, and conduction electrons do not exist in the channel region 7. In order to satisfy this condition, the impurity concentration N D of the channel region 7, the channel thickness H, and the insulating film thickness tox must satisfy the following expressions. First, assuming that the build-in potential of the MOS electrode 4 is P and the potential of the interface between the semiconductor in the channel region and the insulating film 5 is Q, the electric field strength E ox in the insulating film is constant, and Indicated by.

【0016】[0016]

【数1】 [Equation 1]

【0017】一方、チャネル領域7は遮断状態では全域
が空乏化しているので、その電位分布Vchは下記(数
2)式のような2次曲線でほぼ近似することが出来る。
On the other hand, since the entire channel region 7 is depleted in the cutoff state, its potential distribution V ch can be approximated by a quadratic curve as shown in the following (Equation 2).

【0018】[0018]

【数2】 [Equation 2]

【0019】ただし、上記(数2)式において、qは単
位電荷、εsiはチャネル領域の半導体の誘電率、xはチ
ャネルのC−C′断面の中央、すなわち図6の横軸の中
央から絶縁膜方向に測った距離、Rはポテンシャルの最
低点である。また、チャネル領域7と絶縁膜5との界面
のポテンシャルQは、下記(数3)式で示される。
In the above equation (2), however, q is a unit charge, ε si is the dielectric constant of the semiconductor in the channel region, x is the center of the C-C ′ cross section of the channel, that is, the center of the horizontal axis of FIG. The distance R measured in the direction of the insulating film is the lowest point of the potential. The potential Q at the interface between the channel region 7 and the insulating film 5 is expressed by the following (Equation 3).

【0020】[0020]

【数3】 [Equation 3]

【0021】また、この点における電界Esiは、下記
(数4)式で示される。
Further, the electric field E si at this point is expressed by the following equation (4).

【0022】[0022]

【数4】 [Equation 4]

【0023】さらに、界面では電束が一致していなけれ
ばならないから、下記(数5)式を満足しなければなら
ない。 εoxox=εsisi …(数5) MOS型電極4のビルドインポテンシャルを0.6e
V、チャネル領域7のポテンシャルの最小値Rを、制御
信号のノイズなどで簡単にチャネルが開かないように
0.3eVとし、前記の(数1)式〜(数5)式を満足
するようなチャネル領域7の不純物濃度ND、絶縁膜厚
ox、チャネル厚みHの関係を示したものが図7であ
る。なお、図7では、絶縁膜厚toxが50nmの場合と
100nmの場合の曲線を示してあるが、各線の左下の
領域がこのデバイスの満たすべき条件となる。例えば、
上記2つの絶縁膜厚の何れの場合でも、不純物濃度ND
=1×1014/cm3、チャネル厚みH=2μmは適当
な条件である。
Further, since the electric fluxes must match at the interface, the following equation (5) must be satisfied. ε ox E ox = ε si E E si (Equation 5) The build-in potential of the MOS type electrode 4 is 0.6e.
V, the minimum value R of the potential of the channel region 7 is set to 0.3 eV so that the channel is not easily opened due to noise of the control signal, and the above equations (1) to (5) are satisfied. FIG. 7 shows the relationship among the impurity concentration N D of the channel region 7, the insulating film thickness t ox , and the channel thickness H. Note that FIG. 7 shows curves when the insulating film thickness tox is 50 nm and 100 nm, but the lower left region of each line is a condition to be satisfied by this device. For example,
In either case of the above two insulating film thicknesses, the impurity concentration N D
= 1 × 10 14 / cm 3 and channel thickness H = 2 μm are suitable conditions.

【0024】次に、デバイスがノーマリ・オフ特性を持
つための2つの目の条件として、チャネル厚みHとチャ
ネル長Lが満たさなければならない条件がある。図8
は、チャネル領域7のポテンシャル分布を数値計算した
結果である。ベースとなる平面は、図2のチャネル領域
7のエミッタ界面側からチャネル中央部を眺めたもので
あり、縦軸はポテンシャルを示している。図8において
は、等ポテンシャル線を示しているが、図の手前にある
エミッタ領域(図示せず)の影響によってチャネル領域
7のポテンシャルが引き下げられている様子が判る。ま
た、側面は絶縁膜との界面であり、図の奥の面は図2の
線分C−C′に一致していて、そこにおけるポテンシャ
ル分布はエミッタ領域3の影響を受けておらず、図6の
j=0の曲線と同等のものとなっている。図7の条件
を満足する何点かの設定で同様の数値計算を行なった結
果、チャネル領域7のエミッタ端部におけるポテンシャ
ル低下の影響は、チャネル長方向にほぼチャネル厚みの
1〜1.5倍のところまでに止まることが判った。一
方、チャネル領域7のコレクタ領域2に面している部分
において、コレクタ電界によってチャネルポテンシャル
が引き下げられる影響もほぼこれと同様であるとして、
チャネルがノーマリ・オフ特性、すなわちコレクタ電界
が上昇してもその影響でチャネルが開かないための条件
は、(チャネル長L)/(チャネル厚みH)の比が2〜
3以上であることになる。例えば、チャネルの不純物濃
度が1×1014/cm3、すなわち比抵抗が約40Ω−
cmであり、絶縁膜厚が100nm以下である場合、チ
ャネル厚みHを2μmとすれば、チャネル長は6μmあ
れば十分である。例としてチャネル厚みHを2μmとす
れば、エミッタ領域3の存在によってチャネル領域7内
の電界が歪められる効果はチャネル長方向におよそ2μ
mである。また、固定絶縁電極6の先端部を包むインジ
ェション領域8′が図10に示すように固定絶縁電極6
の幅よりはみ出していない場合には、コレクタ電界がチ
ャネル領域7内の電界を歪める効果はやはりチャネル長
方向に2μm程度である。しかし、インジェション領域
8′が図1に示すように固定絶縁電極6の幅よりはみ出
している場合には、隣合うインジェクション領域8′の
間の距離が例えば1μmとなっていれば、コレクタ電界
がチャネル領域7に影響する距離もおよそ1μmで済
む。したがって、余裕を見込んでも図10の場合でチャ
ネル長は6μm、図1の場合なら4μmあれば、どんな
にコレクタ電界が強くなってもチャネルは開かない。こ
の条件においてはチャネル領域7を完全に空乏化しうる
ように、チャネル領域7の比抵抗は10Ω−cm以上必
要である。上記のように、インジェション領域8′を設
けることによってチャネル遮蔽効果が大きくなり、チャ
ネル長を短くすることが出来る。コレクタ電界が強まる
と、空乏層から僅かであるが正孔が発生する。この正孔
はチャネル付近に到達して絶縁膜5界面を反転層となっ
てインジェクション領域8に流れるか、もしくはインジ
ェクション領域8′に入って速やかにゲート電極へと流
れる。さらに、インジェクション領域8′は、固定絶縁
電極6の先端部を覆っているので、ホットキャリアから
絶縁膜5を保護するという作用もある。そのため、ホッ
トキャリアによる特性の変動、劣化が少ない。またイン
ジェクション領域8′の濃度は、絶縁膜5の界面付近で
最も濃くなっており、縮退に近いほど濃い方がよい。
Next, as the second condition for the device to have the normally-off characteristic, there is a condition that the channel thickness H and the channel length L must be satisfied. Figure 8
Is the result of numerical calculation of the potential distribution of the channel region 7. The plane serving as the base is a view of the center of the channel from the emitter interface side of the channel region 7 in FIG. 2, and the vertical axis represents the potential. Although the equipotential lines are shown in FIG. 8, it can be seen that the potential of the channel region 7 is lowered by the influence of the emitter region (not shown) in the front of the drawing. The side surface is the interface with the insulating film, and the back surface in the figure coincides with the line segment CC ′ in FIG. 2, and the potential distribution there is not affected by the emitter region 3, 6 is equivalent to the curve of V j = 0. As a result of performing the same numerical calculation with some settings satisfying the conditions of FIG. 7, the influence of the potential decrease at the emitter end of the channel region 7 is about 1 to 1.5 times the channel thickness in the channel length direction. It turned out to stop by that point. On the other hand, in the portion of the channel region 7 facing the collector region 2, the effect of lowering the channel potential by the collector electric field is almost the same,
The channel normally-off characteristic, that is, the condition that the channel does not open due to its influence even if the collector electric field rises is that the ratio of (channel length L) / (channel thickness H) is 2 to
It will be 3 or more. For example, the impurity concentration of the channel is 1 × 10 14 / cm 3 , that is, the specific resistance is about 40Ω−.
cm, and when the insulating film thickness is 100 nm or less, a channel length of 6 μm is sufficient when the channel thickness H is 2 μm. As an example, if the channel thickness H is 2 μm, the effect of distorting the electric field in the channel region 7 due to the presence of the emitter region 3 is about 2 μm in the channel length direction.
m. Also, as shown in FIG. 10, the fixed insulation electrode 6 has an injection region 8'that encloses the tip of the fixed insulation electrode 6.
In the case where it does not extend beyond the width of, the effect of the collector electric field distorting the electric field in the channel region 7 is still about 2 μm in the channel length direction. However, when the injection region 8'is out of the width of the fixed insulated electrode 6 as shown in FIG. 1, if the distance between the adjacent injection regions 8'is, for example, 1 μm, the collector electric field is The distance that affects the channel region 7 is about 1 μm. Therefore, even if a margin is taken into consideration, if the channel length is 6 μm in the case of FIG. 10 and 4 μm in the case of FIG. 1, the channel will not open no matter how strong the collector electric field becomes. Under this condition, the specific resistance of the channel region 7 must be 10 Ω-cm or more so that the channel region 7 can be completely depleted. As described above, by providing the injection region 8 ', the channel shielding effect is enhanced and the channel length can be shortened. When the collector electric field is increased, a slight amount of holes are generated from the depletion layer. The holes reach the vicinity of the channel and flow into the injection region 8 as an inversion layer at the interface of the insulating film 5, or enter the injection region 8'and quickly flow to the gate electrode. Furthermore, since the injection region 8'covers the tip of the fixed insulating electrode 6, it also has the function of protecting the insulating film 5 from hot carriers. Therefore, there is little variation or deterioration of characteristics due to hot carriers. The concentration of the injection region 8 ′ is the highest near the interface of the insulating film 5, and the closer it is to degeneracy, the better the concentration.

【0025】次に、遮断状態から導通状態に転ずる機構
について説明する。前記図6に示したチャネル領域のポ
テンシャル分布図において、ゲート電位VGが0V、す
なわち遮断状態では、チャネルの全域はポテンシャルが
正であり、チャネル領域7に伝導電子は存在しない。ゲ
ート電極18にわずかに正電位(VG=0.3eV)を
印加すると、チャネルの中央付近のポテンシャルは0e
V以下になり、伝導電子が存在しうるようになる。この
ようにゲート電位を上げることでチャネル領域7のポテ
ンシャルが下がるのは、遮断状態の時とは逆に、電位の
高いp型のインジェクション領域8から絶縁膜5界面の
反転層に正孔が流れ込んで、チャネル領域7に対するM
OS型電極4からの電界を遮蔽するからである。このよ
うにゲート電極18に正電位を印加すると空乏層が後退
し、チャネル中央部に中性領域が現われて電流が流れ
る。さらにゲート電位が0.5eV以上になると、ポテ
ンシャルもこの一点鎖線より低くなって、チャネル領域
7内のバンドの形状は平坦になってゆく。これはn型コ
レクタ領域2とインジェクション領域8との間の接合が
順バイアス状態になり、コレクタ領域全域が高水準注入
状態になるためである。このとき、正孔は直接にインジ
ェクション領域8を伝って絶縁膜5界面からもコレクタ
領域へ供給される。このとき、インジェクション領域
8′は正孔を速やかにチャネルへ供給する機能を果たし
ている。この条件において、絶縁膜5界面とインジェク
ション領域8′は極めて伝導度の高い導電路として正孔
電流は運ぶ働きをする。この段階になるとコレクタ電流
の制御はゲートの電位よりは電流に注目した方が理解し
やすい。すなわち、コレクタ領域2に注入される正孔電
流によってコレクタ領域2の導電率が制御され、主電流
が制御される。また導通状態において、チャネル領域7
への正孔の供給は、固定絶縁電極6の界面からのものが
支配的でインジョクション領域8、8′から直接にチャ
ネル領域7へ供給される量の少ない方がチャネル領域7
の導電率の不均一性がなくてよい。そのために、エミッ
タ領域3とインジェクション領域8との間の距離(図3
のD)は、チャネル厚みH以上であることが望ましい。
Next, a mechanism for changing from the disconnected state to the conductive state will be described. In the potential distribution diagram of the channel region shown in FIG. 6, when the gate potential VG is 0 V, that is, in the cutoff state, the potential is positive in the entire region of the channel, and conduction electrons do not exist in the channel region 7. When a slightly positive potential (VG = 0.3eV) is applied to the gate electrode 18, the potential near the center of the channel is 0e.
It becomes V or less, and conduction electrons can exist. In this way, the potential of the channel region 7 is lowered by increasing the gate potential, contrary to the case of the blocking state, holes flow into the inversion layer at the interface of the insulating film 5 from the p-type injection region 8 having a high potential. And M for the channel region 7
This is because the electric field from the OS type electrode 4 is shielded. When a positive potential is applied to the gate electrode 18 in this way, the depletion layer recedes, a neutral region appears at the center of the channel, and a current flows. Further, when the gate potential becomes 0.5 eV or more, the potential becomes lower than the one-dot chain line, and the shape of the band in the channel region 7 becomes flat. This is because the junction between the n-type collector region 2 and the injection region 8 is in the forward bias state, and the entire collector region is in the high level injection state. At this time, the holes directly propagate through the injection region 8 and are also supplied from the interface of the insulating film 5 to the collector region. At this time, the injection region 8'has a function of promptly supplying holes to the channel. Under this condition, the interface between the insulating film 5 and the injection region 8'acts as a conductive path having a very high conductivity and carries the hole current. At this stage, it is easier to understand the collector current control by paying attention to the current rather than the gate potential. That is, the conductivity of the collector region 2 is controlled by the hole current injected into the collector region 2, and the main current is controlled. In the conductive state, the channel region 7
The supply of holes to the channel region 7 is predominantly from the interface of the fixed insulating electrode 6, and the amount of holes directly supplied from the injection regions 8 and 8'to the channel region 7 is smaller.
There is no need for non-uniformity of conductivity. For that purpose, the distance between the emitter region 3 and the injection region 8 (see FIG.
It is desirable that D) of is not less than the channel thickness H.

【0026】次に、導通状態から遮断状態に転ずる機構
を説明する。ターン・オフするためには、ゲート電位を
接地(0Vに)、もしくは負電位にする。するとコレク
タ領域2およびチャネル領域7に大量に存在していた正
孔は消滅するか、もしくはインジェクション領域8、
8′を通って排除され、再びチャネル領域7が空乏層で
満たされるようになる。ここで固定絶縁電極6の底部に
あるインジェクション領域8′は、余分なキャリアを速
やかに排除する機能を果たしている。このターンオフの
機構はバイポーラトランジスタと同様である。
Next, a mechanism for changing from the conductive state to the cutoff state will be described. To turn off, the gate potential is grounded (to 0V) or a negative potential. Then, a large amount of holes existing in the collector region 2 and the channel region 7 disappear, or the injection region 8,
The channel region 7 is filled with the depletion layer again by being eliminated through 8 '. Here, the injection region 8'at the bottom of the fixed insulated electrode 6 has a function of promptly removing excess carriers. This turn-off mechanism is similar to that of a bipolar transistor.

【0027】上記のように、インジェクション領域8′
は正孔を速やかにチャネルへ供給する機能や余分なキャ
リアを速やかに排除する機能を有しているので、インジ
ェクション領域8′を設けることによってスイッチング
速度が速くなる。なお、図4では、インジェクション領
域8の深さが固定絶縁電極6より深く描かれている。こ
のような構造の方がゲート電極18に負電位を印加して
ターンオフを速く行なうことができる。しかし、インジ
ェクション領域8の深さが固定絶縁電極6よりそれほど
大きくなくてもデバイスとしては機能する。
As described above, the injection area 8 '
Has a function of promptly supplying holes to the channel and a function of promptly removing excess carriers, the provision of the injection region 8'accelerates the switching speed. In FIG. 4, the depth of the injection region 8 is drawn deeper than that of the fixed insulated electrode 6. With such a structure, a negative potential can be applied to the gate electrode 18 and turn-off can be performed faster. However, even if the depth of the injection region 8 is not so large as that of the fixed insulating electrode 6, it functions as a device.

【0028】次に、図9は、本実施例の素子の電圧・電
流特性曲線を示す特性図である。図9に示すように、電
圧・電流曲線は原点から直線的に立ち上がる。これは単
体バイポーラトランジスタの特性に類似している。しか
し、図1の構造にはバイポーラトランジスタのようなベ
ース領域が存在しないので、電流・電圧特性に飽和特性
が存在しない。よって電流曲線はコレクタ電圧が低い条
件でも、ゲート電流によって変動する。電流量がコレク
タ電位の上昇と共に飽和するのは、コレクタ電位が高く
なると殆ど正孔がチャネル領域7のみに存在し、コレク
タ領域2には空乏層が広がって電子電流がピンチオフ状
態になるためである。また、注入した正孔電流によって
コレクタ電流が決まることから、バイポーラトランジス
タと同様のhFE(直流電流増幅率)を定義することがで
きる。この素子では、素子構造が微細であり、チャネル
領域7の電位が直接ゲート電位と連動する機構になって
いることから、単体バイポーラトランジスタよりも大き
なhFEを期待することができる。
Next, FIG. 9 is a characteristic diagram showing a voltage / current characteristic curve of the device of this embodiment. As shown in FIG. 9, the voltage / current curve rises linearly from the origin. This is similar to the characteristics of a single bipolar transistor. However, since there is no base region like the bipolar transistor in the structure of FIG. 1, there is no saturation characteristic in the current / voltage characteristic. Therefore, the current curve fluctuates depending on the gate current even when the collector voltage is low. The reason why the amount of current saturates as the collector potential rises is that when the collector potential rises, most of the holes exist only in the channel region 7, the depletion layer spreads in the collector region 2, and the electron current is in a pinch-off state. . Further, since the collector current is determined by the injected hole current, h FE (DC current amplification factor) similar to that of the bipolar transistor can be defined. In this element, since the element structure is fine and the potential of the channel region 7 directly interlocks with the gate potential, a larger h FE than that of a single bipolar transistor can be expected.

【0029】次に、図1の構造の製造方法を説明する。
図11〜図16は本実施例の製造工程の一実施例を示す
斜視図である。まず、図11に示すように、基板である
n+型領域1の表面に、エピタキシャル成長によってn
型コレクタ領域2を形成する。さらにその表面にエミッ
タ領域3となるn+型領域と、インジェクション領域8
となるp型領域を形成する。次に、図12に示すよう
に、表面にマスク材100を形成し、固定絶縁電極用の
溝を形成するためのパターンを形成する。これを異方性
ドライエッチングによってエッチングし、図13に示す
ように、側壁がほぼ垂直な溝を掘る。次に、図14に示
すように、溝の内壁を酸化して絶縁膜5を形成し、イン
ジェクション領域8′用のイオン注入を施す。そしてM
OS型電極4となる高濃度のp型ポリシリコン4′を堆
積させる。次に、図15に示すように、溝の中にのみp
型ポリシリコンが残るようにエッチングする。次に、図
16に示すように、マスク材100を除去し、層間絶縁
膜と電極を形成することにより、図1の構造を形成する
ことが出来る。なお、図16では素子動作を理解しやす
くするために、電極端子EおよびGを模式的に描いてい
る。なお、ゲート電位が遮断状態のとき、コレクタ電界
によってチャネルが開かないという条件を満たすなら
ば、MOS型電極4はエミッタ電極3と同じ金属によっ
て形成しても構わない。また、図14の工程において、
イオン注入するまえに、図17に示すように、窒化珪素
膜などによるサイドウォール101を形成しておくと、
イオン注入した不純物が拡散したとき、インジェクショ
ン領域8′の大きさが固定絶縁電極6の幅よりはみ出さ
ないように形成することができる。このようにすれば図
10の構造を形成することが出来る。なお、以上の説明
では、基板はすべてn型半導体として説明したが、全て
の不純物のタイプが逆であっても、この構造は機能す
る。
Next, a method of manufacturing the structure shown in FIG. 1 will be described.
11 to 16 are perspective views showing an embodiment of the manufacturing process of this embodiment. First, as shown in FIG. 11, the surface of the n + -type region 1, which is the substrate, is n-grown by epitaxial growth.
A mold collector region 2 is formed. Further, on the surface thereof, an n + type region which becomes the emitter region 3 and an injection region 8 are formed.
Forming a p-type region. Next, as shown in FIG. 12, a mask material 100 is formed on the surface, and a pattern for forming a groove for a fixed insulated electrode is formed. This is etched by anisotropic dry etching to form a groove whose side wall is almost vertical as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 14, the inner wall of the groove is oxidized to form the insulating film 5, and ion implantation for the injection region 8'is performed. And M
A high-concentration p-type polysilicon 4'which will become the OS-type electrode 4 is deposited. Next, as shown in FIG. 15, p only in the groove
Etch to leave mold polysilicon. Next, as shown in FIG. 16, the mask material 100 is removed and an interlayer insulating film and an electrode are formed, whereby the structure of FIG. 1 can be formed. Note that in FIG. 16, the electrode terminals E and G are schematically drawn in order to facilitate understanding of the device operation. The MOS electrode 4 may be made of the same metal as the emitter electrode 3 as long as the condition that the channel is not opened by the collector electric field when the gate potential is in the cutoff state is satisfied. In addition, in the process of FIG.
Before the ion implantation, as shown in FIG. 17, if the side wall 101 is formed of a silicon nitride film or the like,
The injection region 8 ′ can be formed so that the size of the injection region 8 ′ does not extend beyond the width of the fixed insulating electrode 6 when the ion-implanted impurities are diffused. In this way, the structure of FIG. 10 can be formed. In the above description, the substrate has been described as an n-type semiconductor, but this structure will work even if all the impurity types are reversed.

【0030】次に、本発明と従来例との相違についてま
とめて説明する。まず、本発明と第1の従来例(図18
〜図20)との違いであるが、第1の従来例では、絶縁
電極(MOSゲート95)の電位は可変であり、絶縁電
極電位を正にすることで絶縁膜界面に電子の蓄積層を形
成して低いチャネル抵抗を実現するなどのように、絶縁
電極を制御電極として用いている。一方、本発明では、
絶縁電極(固定絶縁電極6)はエミッタ電位に固定され
ており、基本的に制御電極ではない。この点が決定的に
異なっている。また、第1の従来例では、ノーマリ・オ
ン型デバイスであり、主電流を遮断するためには、積極
的に接合ゲート98ならびにMOSゲート95に負電位
を印加しなければならなかった。しかし、本発明の装置
はノーマリ・オフ型デバイスであり、それ以外では有り
得ない。したがってオフ状態を保つためには、ゲート電
極18は、エミッタ領域3と同電位、すなわち接地電位
で構わない。また、本発明においては、インジェクショ
ン領域8が絶縁膜5の界面に接していることが必須であ
り、これによって絶縁膜5界面の電位をゲート電極18
の電位によって積極的にコントロールする。これに対し
て第1の従来例における接合ゲート98は、デバイスの
オン状態には何ら寄与していない。第1の従来例の文献
に記載されている限りでは、p型領域88は絶縁膜84
と離れており、たとえ接合ゲート98の電位を正にして
も、それによって絶縁膜界面の状況を制御することは出
来ない。そして本発明のデバイスのオン状態は、インジ
ェクション領域からの少数キャリアを供給することによ
ってチャネルを開き、またコレクタ領域ならびにチャネ
ル領域の伝導度を変調する。これに対して第1の従来例
においては、たとえ接合ゲート98に正電位を与え、少
数キャリアの注入を行なっても、モノポーラの主電流を
低オン抵抗で流すために不純物を濃く含んだチャネル領
域82の伝導度には、殆ど影響を与えることが出来な
い。このように第1の従来例がモノポーラデバイスであ
るのに対し、本発明がバイポーラデバイスである点も明
確に異なっている。また、本発明では、絶縁膜5とn+
領域1とは離れているので、素子の高耐圧化が可能であ
る。
Next, the difference between the present invention and the conventional example will be summarized. First, the present invention and the first conventional example (see FIG. 18).
20), the potential of the insulating electrode (MOS gate 95) is variable in the first conventional example, and by making the potential of the insulating electrode positive, an electron storage layer is formed at the interface of the insulating film. An insulating electrode is used as a control electrode so as to realize a low channel resistance by being formed. On the other hand, in the present invention,
The insulating electrode (fixed insulating electrode 6) is fixed to the emitter potential and is basically not a control electrode. This is a crucial difference. In addition, the first conventional example is a normally-on type device, and in order to cut off the main current, it is necessary to positively apply a negative potential to the junction gate 98 and the MOS gate 95. However, the device of the present invention is a normally-off type device, and cannot be used otherwise. Therefore, in order to maintain the off state, the gate electrode 18 may have the same potential as the emitter region 3, that is, the ground potential. Further, in the present invention, it is essential that the injection region 8 is in contact with the interface of the insulating film 5, whereby the potential of the interface of the insulating film 5 is changed to the gate electrode 18.
It is actively controlled by the potential of. On the other hand, the junction gate 98 in the first conventional example does not contribute to the ON state of the device. As far as it is described in the literature of the first conventional example, the p-type region 88 is the insulating film 84.
Therefore, even if the potential of the junction gate 98 is positive, the condition of the insulating film interface cannot be controlled. The on-state of the device of the invention then opens the channel by supplying minority carriers from the injection region and modulates the conductivity of the collector region as well as the channel region. On the other hand, in the first conventional example, even if a positive potential is applied to the junction gate 98 and minority carriers are injected, the channel region containing a large amount of impurities is used in order to allow the main current of the monopolar to flow with a low ON resistance. The conductivity of 82 can be hardly affected. As described above, the first conventional example is a monopolar device, whereas the present invention is a bipolar device. In the present invention, the insulating film 5 and n +
Since it is separated from the region 1, it is possible to increase the breakdown voltage of the device.

【0031】次に、第2の従来例(図23)との相違を
説明する。第2の従来例では、p型領域が絶縁電極の底
部に位置していることは同じである。しかし、第2の従
来例ではp型領域と絶縁電極とが接続されているのに対
し、本発明では両者はコンタクトしておらず、絶縁電極
電位は固定電位であり、p型のインジェクション領域の
みが制御電極として働くところが明白に異なっている。
本発明ではこのように絶縁電極の底部にコンタクト穴を
設ける必要もないので、パターン微細化に関して従来例
のような制限はない。また、この第2の従来例では主電
流路にpn接合を持っていたので、主電流端子間電圧が
およそ0.7V以上にならなければ満足な電流は流れな
い。しかし、本発明にはそのようなpn接合がないの
で、図9の電流・電圧特性の原点付近では、特性曲線が
直線的に立ち上がる。
Next, the difference from the second conventional example (FIG. 23) will be described. In the second conventional example, it is the same that the p-type region is located at the bottom of the insulating electrode. However, in the second conventional example, the p-type region and the insulating electrode are connected to each other, but in the present invention, they are not in contact with each other, the insulating electrode potential is a fixed potential, and only the p-type injection region is provided. Is clearly different in that it acts as a control electrode.
In the present invention, since it is not necessary to provide a contact hole at the bottom of the insulated electrode as described above, there is no limitation in pattern miniaturization as in the conventional example. Further, in the second conventional example, since the main current path has a pn junction, a satisfactory current does not flow unless the voltage between the main current terminals becomes approximately 0.7 V or higher. However, since the present invention does not have such a pn junction, the characteristic curve rises linearly near the origin of the current / voltage characteristic in FIG.

【0032】次に、第3の従来例(図24)との相違を
説明する。第3の従来例においては、絶縁電極(ゲート
電極45)が電位可変な制御電極であり、接合領域(p
型ベース領域42)の電位が固定されているのに対し、
本発明では、逆に、接合領域(インジェクション領域
8)が電位可変の制御電極であり、絶縁電極(MOS型
電極4)の電位が固定されていることが明確に異なる。
さらに、第3の従来例では、主電流経路が絶縁膜界面の
電子による反転層であるのに対し、本発明では、チャネ
ル中央部もしくはチャネル全域である点が異なる。ま
た、第3の従来例では、その伝導度変調機構が前記第2
の従来例と同様であり、本発明とは明確に異なってい
る。上記のように、第2、第3の従来例では、主電流経
路にpn接合を有しているため、主電流端子間の電圧が
ほぼ0.7V以上にならなければ、満足な電流が流れな
いという特性が有る。しかし、本発明のデバイスでは、
そのようなpn接合がないので、さらに低い電圧でも十
分な電流を流すことが出来る。
Next, differences from the third conventional example (FIG. 24) will be described. In the third conventional example, the insulated electrode (gate electrode 45) is a control electrode whose potential is variable, and the junction region (p
While the electric potential of the mold base region 42) is fixed,
In the present invention, conversely, the junction region (injection region 8) is a control electrode whose potential is variable, and the potential of the insulating electrode (MOS electrode 4) is fixed, which is clearly different.
Further, in the third conventional example, the main current path is the inversion layer by electrons at the interface of the insulating film, but the present invention is different in that it is in the central portion of the channel or the entire channel. Also, in the third conventional example, the conductivity modulation mechanism is the second one.
It is the same as the conventional example and is clearly different from the present invention. As described above, in the second and third conventional examples, since the main current path has the pn junction, a satisfactory current will flow unless the voltage between the main current terminals becomes approximately 0.7 V or more. There is a characteristic that it does not exist. However, with the device of the present invention,
Since there is no such pn junction, a sufficient current can flow even at a lower voltage.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
以下に示したような効果が得られる。
As described above, in the present invention,
The following effects can be obtained.

【0034】(1)ノーマリ・オフ特性をもつ。 (2)電流制御型の三端子素子である。 (3)オン抵抗が低い。 (4)少ない制御電流で大きな主電流を制御できる。 (5)微細化(大容量化)・高耐圧化に適した構造であ
る。 (6)寄生素子を持たない。 (7)従来のLSI製造技術のみで実現が可能である。 (8)ホットキャリアによる特性の変動、劣化が少な
い。 (9)スイッチング速度が速い。
(1) It has a normally-off characteristic. (2) It is a current control type three-terminal element. (3) Low on-resistance. (4) A large main current can be controlled with a small control current. (5) This structure is suitable for miniaturization (large capacity) and high breakdown voltage. (6) It has no parasitic element. (7) It can be realized only by the conventional LSI manufacturing technology. (8) Little change and deterioration in characteristics due to hot carriers. (9) The switching speed is fast.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例の斜視図。FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施例の断面図。FIG. 2 is a sectional view of the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施例における表面構造を示す
断面図。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the surface structure in the first embodiment of the present invention.

【図4】図3のB−B′断面図。FIG. 4 is a sectional view taken along line BB ′ of FIG.

【図5】図3のD−D′断面図。5 is a cross-sectional view taken along the line DD ′ of FIG.

【図6】第1の実施例におけるチャネル領域のポテンシ
ャル分布図。
FIG. 6 is a potential distribution diagram of a channel region in the first embodiment.

【図7】チャネル領域の不純物濃度、絶縁膜厚およびチ
ャネル厚みの関係を示す図。
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between an impurity concentration of a channel region, an insulating film thickness, and a channel thickness.

【図8】チャネル領域のポテンシャル分布図。FIG. 8 is a potential distribution diagram of a channel region.

【図9】第1の実施例における電圧・電流特性曲線を示
す特性図。
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a voltage / current characteristic curve in the first embodiment.

【図10】本発明の他の構造を示す一実施例の断面図。FIG. 10 is a sectional view of an embodiment showing another structure of the present invention.

【図11】本発明の第1の実施例の製造工程の一部を示
す斜視図。
FIG. 11 is a perspective view showing a part of the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第1の実施例の製造工程の他の一部
を示す斜視図。
FIG. 12 is a perspective view showing another part of the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第1の実施例の製造工程の他の一部
を示す斜視図。
FIG. 13 is a perspective view showing another part of the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.

【図14】本発明の第1の実施例の製造工程の他の一部
を示す斜視図。
FIG. 14 is a perspective view showing another part of the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.

【図15】本発明の第1の実施例の製造工程の他の一部
を示す斜視図。
FIG. 15 is a perspective view showing another part of the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.

【図16】本発明の第1の実施例の製造工程の他の一部
を示す斜視図。
FIG. 16 is a perspective view showing another part of the manufacturing process of the first embodiment of the present invention.

【図17】図10の構造を形成する場合の製造工程の一
部を示す断面図。
FIG. 17 is a sectional view showing a part of the manufacturing process for forming the structure of FIG.

【図18】第1の従来例の平面図。FIG. 18 is a plan view of a first conventional example.

【図19】第1の従来例の断面図。FIG. 19 is a sectional view of a first conventional example.

【図20】第1の従来例の他の断面図。FIG. 20 is another cross-sectional view of the first conventional example.

【図21】第1の従来例を三端子素子として動作させた
場合の電流電圧特性図。
FIG. 21 is a current-voltage characteristic diagram when the first conventional example is operated as a three-terminal element.

【図22】第1の従来例を四端子素子として動作させた
場合の電流電圧特性図。
FIG. 22 is a current-voltage characteristic diagram when the first conventional example is operated as a four-terminal element.

【図23】第2の従来例の断面図。FIG. 23 is a sectional view of a second conventional example.

【図24】第3の従来例の断面図。FIG. 24 is a sectional view of a third conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…基板領域 8、8′…インジェクショ
ン領域 2…コレクタ領域 9…層間絶縁膜 3…エミッタ領域 11…コレクタ電極 4…MOS型電極 13…エミッタ電極 5…絶縁膜 18…ゲート電極 6…固定絶縁電極 100…マスク材 7…チャネル領域 101…サイドウォール
1 ... Substrate region 8, 8 '... Injection region 2 ... Collector region 9 ... Interlayer insulating film 3 ... Emitter region 11 ... Collector electrode 4 ... MOS type electrode 13 ... Emitter electrode 5 ... Insulating film 18 ... Gate electrode 6 ... Fixed insulating electrode 100 ... Mask material 7 ... Channel region 101 ... Sidewall

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】コレクタ領域である一導電型の半導体基体
の一主面に接して、同一導電型の島状のエミッタ領域を
1個または複数個有し、 前記主面に、前記エミッタ領域を挟んで、溝を1個また
は複数個有し、 前記溝の内部には絶縁膜によって前記コレクタ領域と絶
縁され、かつ、前記エミッタ領域と同電位に保たれた固
定絶縁電極を有し、 前記固定絶縁電極は、前記絶縁膜を介して隣接する前記
コレクタ領域に空乏領域を形成するような性質を有する
導電性材料から成り、 前記固定絶縁電極を取り囲む前記絶縁膜ならびに前記コ
レクタ領域に接して、 前記エミッタ領域には接しない、反対導電型のインジェ
クション領域を有し、 前記エミッタ領域に隣接する前記コレクタ領域の一部で
あって、前記固定絶縁電極によって挾み込まれ、前記イ
ンジェクション領域の電位が前記エミッタ領域の電位と
同電位に保たれている状態では、前記空乏領域の形成す
るポテンシャル障壁によって前記エミッタ領域と前記コ
レクタ領域とを電気的に遮断状態とするチャネル領域を
有し、 かつ、前記インジェクション領域は、前記固定絶縁電極
の先端部すなわち前記溝の底面近傍部分における絶縁膜
と前記コレクタ領域との界面にも介在し、 さらに、前記インジェクション領域とオーミックコンタ
クトする制御電極を有する、 ことを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor substrate of one conductivity type, which is a collector region, is in contact with one main surface thereof, and has one or a plurality of island-shaped emitter regions of the same conductivity type, and the main surface is provided with the emitter region. There is one or a plurality of grooves sandwiching the groove, and inside the groove, there is a fixed insulating electrode insulated from the collector region by an insulating film and kept at the same potential as the emitter region. The insulating electrode is made of a conductive material having a property of forming a depletion region in the collector region adjacent to the collector region through the insulating film, and is in contact with the insulating film surrounding the fixed insulating electrode and the collector region, An injection region of opposite conductivity type that is not in contact with the emitter region, is a part of the collector region adjacent to the emitter region, and is sandwiched by the fixed insulated electrode; In the state where the potential of the injection region is kept at the same potential as the potential of the emitter region, the channel region that electrically cuts off the emitter region and the collector region by the potential barrier formed by the depletion region is formed. And a control electrode which has the injection region and also intervenes at the interface between the insulating film and the collector region at the tip of the fixed insulating electrode, that is, in the vicinity of the bottom surface of the groove, and which makes ohmic contact with the injection region. A semiconductor device comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003517725A (en) * 1999-08-10 2003-05-27 イノベイティブ・テクノロジー・ライセンシング・エルエルシー Unipolar field-effect transistor
JP2003224277A (en) * 2002-01-31 2003-08-08 Denso Corp Silicon carbide semiconductor device and its manufacturing method
JP2008277324A (en) * 2007-04-25 2008-11-13 Denso Corp Semiconductor device having vertical mosfet

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003517725A (en) * 1999-08-10 2003-05-27 イノベイティブ・テクノロジー・ライセンシング・エルエルシー Unipolar field-effect transistor
JP2003224277A (en) * 2002-01-31 2003-08-08 Denso Corp Silicon carbide semiconductor device and its manufacturing method
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