JPS59215767A - オン抵抗の低い絶縁ゲ−ト半導体デバイス - Google Patents

オン抵抗の低い絶縁ゲ−ト半導体デバイス

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JPS59215767A
JPS59215767A JP59063452A JP6345284A JPS59215767A JP S59215767 A JPS59215767 A JP S59215767A JP 59063452 A JP59063452 A JP 59063452A JP 6345284 A JP6345284 A JP 6345284A JP S59215767 A JPS59215767 A JP S59215767A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景と概 本発明は絶縁ゲート半導体デバイスに関するものであり
、更に詳しくはオン抵抗の小さな絶縁ゲート半導体デバ
イスに関するものである。
絶縁ゲート半導体デバイスの長所は高インピーダンスの
ゲートを自することであり、そのためゲート駆動回路に
対する要求条件が最小限にし得る。
従来技術による絶縁ゲート半導体デバイスとしては絶縁
ゲート電界効果トランジスタ(I G F E T’ 
)があり、その1つの種類が金属・酸化物・半導体電界
効果トランジスタ(MO8FET’)である。
IGFETはゲートを駆動するようにバイアスしない限
り電流が流れない通常オフ型に1−ることもできる。こ
のような通常オフ型のデバイスの半導体材料の本体は、
相次いで隣接した、高濃度にドーピングされたNl電型
くすなわらrN” J )ソース領域、中程度にドーピ
ングされたP導電型(すなわち「P」)ベース領域、中
程度乃至低濃度にドーピングされたN導電型(ツなわら
「N」)ドリフト領域、ならびに高濃度にドーピングさ
れ/j N導電型(すなわちIN+J )トレイン領域
を含む。ソース電極およびドレイン電極がソース領域お
よびドレイン領域にそれぞれ取り付けられ、デバイスに
負荷電流を流すために外部回路に接続するのに使用され
る。
従来のI FGETにおいては、Nドリフト領域のドー
ピング濃度は中程度乃至低濃度、たとえば1立方センチ
メートル当り約1014ドーパント原子より低い濃度に
選定されているので、デバイスは順方向阻止状態では導
通することなくソース電極とドレイン電極との間の大き
な電圧を支持することができる。しかし、Nドリフト領
域の尋電率が低いと、IGFETのオン抵抗すなわち順
方向導通状態における抵抗が大きくなるという望ましく
ない結果が生じる。これにより、デバイスの電流定格が
厳しく制限される。
したがって本発明の1つの目的は大きな順方向阻止電圧
を支持づることができ、しかもオン抵抗の小さい絶縁ゲ
ート半導体デバイスを提供することである。
本発明のもう1つの目的は通常オフ特性を示し、オン抵
抗の小さな絶縁ゲート半導体デバイスを提供することで
ある。
本発明の更にもう1つの目的は寸法達小さく、オン抵抗
が小さな絶縁ゲート半導体デバイスを提供することであ
る。
簡略に述べると、本発明の一実施態様に従って提供され
る絶縁ゲート半導体デバイスはI GFETを含み、こ
れはN+ソース領域、Pベース領域、Nドリフト領域、
ならびにN十ドレイン領域を順次隣接した構成で有する
。ソース電極およびドレイン電極がN+ソース領域およ
びN+ドレイン領域にそれぞれ取りNけられ、デバイス
の通電用の主電極を構成している。半導体デバイスには
更に、Nドリフト領域に接してそれとの間でPN接合を
形成する1〕キヤリA7注入領域、ならびにこのPキャ
リヤ注入領域に接続されたバイアス手段も含まれている
。バイアス手段は半導体デバイスのオン状態の際に作用
して、Pキャリヤ注入領域から上記1) N接合を横断
してNドリフト領域に正孔(少数電流キャリヤ)を注入
させるのに充分な電圧により該PN接合を順方向バイア
スする。ドリフト領域の正孔数の増加によってドリフト
領域の電子数も同様に増加するので、ドリフト領域した
がって半導体デバイスのオン抵抗は数桁小さくなる。
本発明を構成すると考えられる要件は特許請求の範囲に
記載されているが、図面を参照しての以下の説明により
本発明が一層良く理解されよう。
実施例の説明 第1図は本発明に従った半導体デバイス10の単一のセ
ル即ち反復構造を示したものである。デバイス10の各
セルは互に類似しているので、以下図示したセルについ
てだけ説明する。
半導体デバイス10にはたとえばシリコンよりなる半導
体本体12が含まれている。半導体デバイス10はIG
FET20を含み、このIGFET20にはN+ドレイ
ン領域22、Nドリフト領域24、Pベース領域°26
、ならびにチャンネル領域28即ちIGFET20の順
方向導通の際に導通領域即ち導通チャンネルがその中に
17在り−る領域が順次、隣接した構成で含まれている
。IGFET20にはN+ソース領域30も含まれてお
り、これはチャンネル領域28とPベース領域26の両
方に接している。IGFET20には更に、ゲート電極
14、ソース電極16、およびドレイン電極18も含ま
れている。ソース電極16はPベース領域26とN+ソ
ース領域30の両方に接しており、デバイス10のソー
ス電極としての役目を果す。ドレイン電極18はN+ド
レイン領域22に接しており、デバイス10のドレイン
電極としての役目を果す。1 G’ F E T 20
のチャンネル領域28は好ましくはI〕導電型半導体材
料で構成され、このためデバイス10は通常オフ特性を
示す。ゲート電極14は好ましくは半導体ウェーハすな
わち本体12の酸化物である絶縁膜32によってチャン
ネル領域28から絶縁分離されている。当業者には明ら
かなように、ゲート電極14に(ソース電極16に対し
て)充分な大ぎさの正バイアスを印加することによって
チャンネル領域28の中に電子の反転層(即ち導電領域
)が誘起され、このためソース電極16からN+ソー、
ス領域30、チャンネル領域28を介してNドリフト領
域24に至る電子電流径路33が完成する。
当業者には明らかなようにIGFET20がらN+ソー
ス領域30を除いてもよい。その場合には、チャンネル
領域28をNドリフト領域24がらソース電極16まで
ずっと伸びるように変形しなければならない。これを行
なうためには、ゲート電極14がその変形したチャンネ
ル領域28全体の上にあるようにゲート電極14を変形
しなければならない。
IGFET20は更にチャンネル領域28をN導電型半
導体材料で作ることによって変更できる。
この場合、IGFET20は通常オンのデバイスとじ一
〇知られているものになる。即ち、このように変更され
たIGFET20を用いたデバイス10をターンオフす
るためには、ゲート電極14に駆動バイアス電圧(具体
的にはソース電極16に対して負電圧)を印加すること
が必要になる。この電圧の印加によりチャンネル領域2
8がら電子がなくなり、電子に対して非導通となる。
半導体デバイス1oにはPキャリヤ注入領域34も含ま
れており、これはIGFET20のNドリフト領tJA
24に接して、それとの間にPN接合36を形成してい
る。本発明の1つの目的に従って、俊で詳述するバイア
ス手段38が設番ブられ、これはデバイス1oが「オン
」状態にあるとき即ち導通しているときPN接合36を
(シリコンのデバイスの場合は少なくとも)0.6ボル
トより大きい電圧で順方向バイアスする。これにより正
孔電流径路39で示したように、Pキャリヤ注入領域3
4は正孔をjG F E T 20のNドリフト領域2
4に注入する。その結果、電子電流径路33に生じるド
リフト領域24中の電子数が増加し、Nドリフト領域2
4のオン抵抗が著しく低下り゛る。
Nドリフト領域24の正孔数が増加するにつれてその領
域の電子数が増加するという事実は、半導体領域の中の
高電界を避けるため半導体領域で正孔と電子がほぼ均衡
しなければならないという準中性の原理に従っている。
PN接合36を順方向バイアスするには1.バイアス手
段38を使うことが好ましい。このバイアス手段38に
は、たとえばP導電型のチャンネル領域40、ならびに
二酸化シリコン等の絶縁膜44によってチャンネル領域
4oがら絶縁分離されたゲート電極42が含まれる。ゲ
ート電極42を図に略示したようにI G’F E T
ゲート電極14とA−ム接続して、単一の制御信号で半
導体デバイス10を動作させ得るようにできる。しかし
、こうするためにはチャンネル領域4oと(IGFET
 20の)チャンネル領域28が同じ導電型の半導体材
料で作られていなければならない。チャンネル領域40
がP導電型の半導体材料で作られている場合、ゲート電
極42に(ソース電極16に対して)充分な大きさの正
バイアスを印加Jることによってチャンネル領域40に
反転層(即ら導電領域)が誘起される。逆にチャンネル
領域40がN導電型の半導体材料で作られている場合は
、チャンネル領域40から電子をなくして電子を通さな
いようにするにはゲート電極42に充分な大きさの負バ
イアスが必要とされる。
バイアス手段38を完成するため、Pキャリヤ注入領域
34に接しているがソース電極16から電気的に絶縁さ
れている短絡電極46が設りられ、短絡電極46とチャ
ンネル領域40との間にN+領域48が電気的に挿入さ
れている。P型チ【lンネル領域40を反転させるのに
充分な正電圧でゲート電極42をバイアスすると、電子
に飼する電流径路50tfi短絡電極46からN+領域
48、チャンネル領域40内の反転層を通ってNドリフ
ト領域24まで伸びる。代りの構成としてN十領域48
を除いた場合は、チャンネル領域40をNドリフト領域
24から短絡電極46までずっと(Illびるように変
形しなければならない。そのためにtまゲート電極42
を変形し−C1変形されたチャンネル領域40の全体の
上にのるようにすれ(よよ0゜チャンネル領域28およ
び40がそれぞれP導電型の半導体材料で構成された半
導体デバイス10の導電状態での動作においてtよ、ゲ
ート電極14および42に(ソース電極16に対して)
印力口された充分な大きさの正バイアスによって1.チ
ャンネル領域28および40の中に反転層(即ち導電領
域)が誘起される。ドレイン電極18に(ソース電極1
6に対して)正の電圧を印加すると、ソース電極16か
らN+ソース領域30および反転チャンネル領域28を
通ってNドリフト領域24に至る電流径路33に電子電
流の流れが誘起される。同時に、短絡電極46からN+
領域48、反転チャンネル領域40、Nドリフト領l@
24、ならびにN+ドレイン領[22を通;てドレイン
電極18に至る電流径路50に電子電流の流れh(誘起
される。しかし、ドレイン電極18の電圧が(シリコン
のデバイスの場合少くとも)約0.6ボルトを超えるこ
とにより短絡電極46の電位をほぼこの電圧だけ上昇さ
せるまでは、電子電流径路50の電子電流のレベルは無
視できる。電極46の電位がこのように上昇すると、P
N接合36が順方向バイアスされて、正孔電流径路39
のようにPキャリヤ注入領域34からNドリフト領域2
4に正孔が注入される。電流径路39の正孔および電流
径路50の電子は、短絡電極46とPキャリヤ注入領域
34との間の界面49における正孔電子対の発生によっ
て与えられる。その結果、電子電流径路50の電流レベ
ルは正孔電流径路′39の電流レベルと同じ速度で上昇
する。
正孔電流径路39の電流の流れによってNドリフト領域
24の正孔数が上昇すると、領[24の電子数が上昇し
、Nドリフト領域24の抵抗が著しく低下する。領域2
4の電子電流に対する抵抗は電子電流径路33が通るデ
バイス10の図示した他のどの領域よりもかなり高いの
が普通なので領域24のオン抵抗が低下すると半導体デ
バイス10のオン抵抗も同様に低下する。定量的には、
本発明に従った200ボルトのデバイス100オン抵抗
は本発明を採用しない200ボルトのIGFETの約1
/10になると予想され、本発明を採用したi ooo
ボルトのデバイス10のオン抵抗は本発明を採用しない
IGFETの約1/100になると予想される。
半導体デバイス10はIGFETの従来の製造法をほん
の少し変更するだけで製造すること、ができる。これは
IGFET20を含む第1図の右半分が構造的にデバイ
ス10の図示した六半分に類似していることから理解で
きる。違っているのは短絡電極46がソース電極16か
ら電気的に絶縁されているということだけである。即ち
、もし短絡電極46をソース電極16に相互接続すれば
従来のIGFETとなる。したがって、本発明のデバイ
ス10は従来のIGFET製造プロセスを変形1−るだ
けで製造することができる。゛そしてこの変形とは単に
、短絡電極46のような、P導電型領域に接するウェー
ハ12の上面の1つ置きのすべての金属被覆をソース電
極のようなソース電極被覆と相互接続しないことだ(プ
である。
バイアス手段38のかわりの構成を第2図に示しである
。第2図に示すように、P+領1iiX47が設けられ
、N+領域48とPキャリ〜7注入領域34の両方に接
している。P+領域47j5よびN″領域48のドーピ
ング濃度は充分に高いので、P+領域47とN+領域4
8との間に存在づるPN接合45はトンネル接合を構成
する。このトンネル接合は領域47と48との間のオー
ム性短絡即ちオーム性接続として働く。並置された領域
47と34は導電型が類似しており、したがってオーム
接続されているので、トンネル接合45の存在により第
1図の短絡電極46のような領域48と34との間の短
絡電極が不要になることがわかる。希望する場合には、
P+領域47をもつと大きくしてPキャリヤ注入領域3
40図示した部分の右半分全体を占めるようにしてもよ
い。これは、たとえば、IGFET20のゲート電極1
4(第1図)がPキャリヤ注入領域34の右半分の上方
に重なっている場合に、グー1〜電極14のバイアス電
圧により比較的軽濃度にドーピングされた領域34の中
に望ましくない反転層が誘起されるのを防止するために
望ましい。
半導体デバイス10の顕著な特徴は特に寸法がコンパク
トであるということである。本発明の他の実施例として
、このようにコンパクトな寸法ではないが、オン抵抗が
小さく、高インピーダンスのゲートを持つという長所が
得られ、希望に、より通常オフ動作にできるものが考え
られる。このような実施例の1つを第3図に示しである
第3図には半導体デバイス100の単一のセルを示しで
ある。第3図の参照番号が第1図と類似のものは類似の
部分を示している。デバイス100には第1図のIGF
ET20と同一のIGFET20’が含まれている。P
キャリヤ注入領域34′は第1図のデバイス10のPキ
ャリV注入領域34と同様に働くが、パイ・アス手段3
8′でバイアスされる。このバイアス手段38′はPキ
ャリヤ注入領域34′ とは分離したP領域102を含
んでいるという点でデバイス10のバイアス手段38と
異なっている。このためバイアス手段38′の短絡電極
46′をPキャリA7注入領域34′にオーム接続する
ことが必要になる。これはたとえば領域34′に接する
電極104ならびに短絡電極46′と電極104との間
の導電接続部106で行なわれる。
半導体デバイス100は前述の第1図の半導体デバイス
10と本質的に同じように動作し、公知のIGFET製
造法を使って製造することができる。
半導体デバイス100は容易に変形して本発明の他の実
施例を得ることができる。たとえばバイアス手段38′
のかわりに全く別個の半導体デバイスに(図示しない)
変形したバイアス手段を設け、これをPキャリヤ注入領
域34′に導通接続する。
以上、オン抵抗が低く、通常オフ特性を示すように容易
に製造できる絶縁ゲート半導体デバイスについて説明し
てきた。デバイスの特に好ましい実施例ではコンパクト
な寸法になり、しかも従来のIGFET製造法を少し変
形づるだけで製造することができる。
本発明のいくつかの好ましい特徴だけを図面によって説
明してきたが、当業者が多くの変形や置換を行ない得る
ことは明らかである。たとえば、相補的なデバイスを作
ることもできる。この場合、N導電型の半導体材料のか
わりに1〕導電型の半導体材料を使い、P導電型の半導
体材料のかね、りにN導電型の半導体材料を使う。更に
、前述のゲート電極は図面に略示した金属被覆ではなく
高濃度にドーピングしたポリシリコン等の耐火性相別で
作ることもできる。更に、図示したデバイスは拡散領域
を持つ金属・酸化物・半導体(0MO8)であるが、エ
ツチングによるrVJ字形溝を持つ金属・酸化物半導体
(VMO3)を作ることもできる。したがって、特許請
求の範囲は本発明の真の精神の範囲内に入るこのような
りべての変形と置換を包含する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による半導体デバイスの一部分の概略断
面図である。第2図は第1図のバイアス手段38の変形
を詳しく示す断面図である。第1図は本発明の別の実施
例の半導体デバイスの一部分の概略断面図である。 (主な符号の説明) 10.100・・・半導体デバイス、 14.14’ ・・・ゲート電極、 16.16’ ・・・ソース電極、 18.18’ ・・・ドレイン電極、 20.20’ ・・・IGFET。 22.22’ ・・・ドレイン領域、 24.24’ ・・・ドリフト領域、 26.26’ ・・・ベース領域、 28.28’・・・チャンネル領域、 34.34’ ・・・キャリヤ注入領域、36.36’
 ・・・PN接合、 38.38’ ・・・バイアス手段、 40.40’ ・・・チャンネル領域、42.42’ 
 ・・・ゲート電極、 45・・・PN接合、 46.46’・・・短絡電極。 特許出願人

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)オン抵抗の低い絶縁ゲート半導体デバイスに於い
    て、a)順次に構成されたドレイン領域、ドリフト領域
    、ベース領域および第1のチャンネル領域を含み、ベー
    ス領域が一導電型であり、ドレインおよびドリフト領域
    が反対導電型であり、そして更に、上記ドレイン領域に
    取り(=Iけられたドレイン電極、少なくとも上記ベー
    ス領域に取り付けられたソース電極、および上記第1の
    チャンネル領域から絶縁分離されていて、印加゛された
    バイアス電圧に応じて上記第1のチャンネル領域の導電
    状態を定めるように働く第1のゲート電極を含む絶縁ゲ
    ート電界効果トランジスタ、b)上記ドリフト領域に接
    してそれとの間でPN接合を形成する一導電型キャリャ
    注入領域、ならびにC)上記キャリヤ注入領域に接続さ
    れたバイアス手段であっ−C1半導体デバイスのAン状
    態の間、上記PN接合を順方向バイアスして上記キャリ
    ヤ注入領域から上記PN接合を横切って上記ドリフト領
    域内にキ17リヤを注入させることにより上記ドリフト
    領域したがって半導体デバイスのオン抵抗を低下させる
    ように働くバイアス手段を有することを特徴とするオン
    抵抗の低い絶縁ゲート半導体デバイス。 (2、特許請求の範囲第(1)項記載の絶縁ゲート半導
    体デバイスに於いて、上記バイアス手段が、上記キャリ
    ヤ注入領域に接しているが上記ソース電極から電気的に
    絶縁されている短絡電極、上記キャリヤ注入領域に接し
    ていて、上記第1のチャンネル領域が導電状態にあると
    きに上記ドリフト領域から上記短絡電極へ伸びる反対導
    電型の電流径路を完成する第2のチャンネル領域、なら
    びに上記第2のチャンネル領域から絶縁分離されていて
    、印加されたバイアスに応じて上記第2のチャンネル領
    域の導電状態を定めるように働く第2のゲート電極で構
    成されている°、絶縁ゲート半導体デバイス。 (3)特許請求の範囲第(2)項記載の絶縁ゲート半導
    体デバイスに於いて、上記バイアス手段が更に反対導電
    型の領域を含み、この反対導電型の領域は上記キャリヤ
    注入領域に接していると共に、上記第2のチャンネル領
    域と上記短絡電極との間に電気的に挿入されていて上記
    ドリフト領域から上記短絡電極に至る上記電流径路の中
    に含まれている、絶縁ゲート半導体デバイス。 (4)特許請求の範囲第(1)項記載の絶縁ゲート半導
    体デバイスに於いて、上記第1のチャンネル領域および
    上記第2のチャンネル領域がそれぞれ一導電型の半導体
    材料で構成さ1れており、これにより、半導体デバイス
    が通常オフ特性を示すようにした、絶縁ゲート半導体デ
    バイス。 (5)特許請求の範囲第(2)項記載の絶縁ゲート半導
    体デバイスに於いて、上記第1のゲート電極と上記第2
    のゲート電極が一緒にオーム接続されていて、単一の制
    御信号により半導体デバイスを動作させるようにした、
    絶縁ゲート半導体デバイス。 (6)特許請求の範囲第(1)項記載の絶縁ゲート半導
    体デバイスに於いて、上記バイアス手段が、上記キャリ
    ヤ注入領域に接する一導電型の第1の高濃度にドーピン
    グされた領域、ならびに上記キャリヤ注入領域と上記第
    1の高濃度にドーピングされた領域の両方に接しl〔反
    対導電型の第2の高濃度にドーピングされた領域を有し
    、上記第1および第2の高濃度にドーピングされた領域
    が共に、両者間にトンネル接合を形成するのに充分な′
    a度にドーピングされており、上記バイアス手段が更に
    、上記キャリヤ注入領域に接していて、当該第2のチャ
    ンネル領域が導電状態にあるとき上記ドリフト領域から
    上記第2の高濃度にドーピングされた領域へ伸びる反対
    導電型の電流径路を完成する第2のチャンネル領域、な
    らびに上記第2のチャンネル領域から絶縁分離されてい
    て、印加されたバイアス電圧に応じ−C上記第2のチャ
    ンネル領域の導電状態を定めるように働く第2のゲート
    電極とを有している、絶縁ゲート半導体デバイス。 (7)特許請求の範囲第(6〉項記載の絶縁ゲート半導
    体デバイスに於いて、上記第1のチャンネル領域および
    上記第2のチャンネル領域がそれぞれ一導電型の半導体
    材料で構成されており、これにより半導体デバイスが通
    常オフ特性を示すようにした、絶縁ゲート半導体デバイ
    ス。 (8)特許請求の範囲第(6)項記載の絶縁ゲート半導
    体デバイスに於いて、上記第1のゲート電極と上記第2
    のゲート電極が一緒にオーム接続されていて、単一の制
    御信号により半導体デバイスを動作させるようにした、
    絶縁ゲート半導体デバイス。 (9)特許請求の範囲第(1)項記載の絶縁ゲート半導
    体デバイスに於いて、上記バイアス手段が、上記ドリフ
    ト領域に接する一導電型の別の領域、上記別の領域に接
    していて、上記ギヤリヤ注入領域にオーム接続されてい
    るが上記ソース電極から電気的に絶縁されている短絡電
    極、上記別の領域に接していて、当該第2のチャンネル
    領域が59電状態にあるとき上記ドリフト領域から上記
    短絡電極へ伸びる反対導電型の電流径路を完成する第2
    のチャンネル領域、ならびに上記第2のチャンネル領域
    から絶縁分離されていて、印加されたバイアス電圧に応
    じて上記第2のチャンネル領域の導電状態を定めるよう
    に働く第2のゲート電極で構成されている、絶縁ゲート
    半導体デバイス。 (10)特許請求の範囲第(9)項記載の絶縁ゲート半
    導体デバイスに於いて、上記第1のチャンネル領域およ
    び上記第2のチャンネル領域がそれぞれ一導電型の半導
    体材料で構成されており、これにより、半導体デバイス
    が通常オフ特性を有するようにした、絶縁ゲート半導体
    デバイス。 (11)特許請求の範囲第(9)項記載の絶縁ゲート半
    導体デバイスに於いて、上記第1のゲート電極と上記第
    2のゲート電極が一緒にオーム接続されていて、単一の
    制御信号により半導体デバイスを動作させるようにした
    、絶縁グー1−半導体デバイス。 (’+ 2、特許請求の範囲第(1)項記載の絶縁ゲー
    ト半導体デバイスに於いて°、半導体デバイスがシリコ
    ンで構成されている、絶縁ゲート半導体デバイス。 (13)特許請求の範囲第(11)項記載の絶縁ゲート
    半導体デバイスに於いて、上記絶縁ゲート電界効果トラ
    ンジスタの上記ベース領域がPi導電型半導体材料で構
    成され、上記絶縁ゲート電界効果トランジスタの上記ド
    リフト領域および上記トレイン領域がN導電型の半導体
    材料で構成されている、絶縁ゲート半導体デバイス。
JP59063452A 1983-04-04 1984-04-02 オン抵抗の低い絶縁ゲ−ト半導体デバイス Granted JPS59215767A (ja)

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