JPH067595B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH067595B2
JPH067595B2 JP57228185A JP22818582A JPH067595B2 JP H067595 B2 JPH067595 B2 JP H067595B2 JP 57228185 A JP57228185 A JP 57228185A JP 22818582 A JP22818582 A JP 22818582A JP H067595 B2 JPH067595 B2 JP H067595B2
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JP
Japan
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diffusion layer
region
conductivity type
substrate
insulating film
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JP57228185A
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祐一 加藤
昌明 神谷
芳和 小島
小次郎 田中
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Seiko Instruments Inc
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Seiko Instruments Inc
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D12/00Bipolar devices controlled by the field effect, e.g. insulated-gate bipolar transistors [IGBT]
    • H10D12/211Gated diodes

Description

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

〔産業上の利用分野〕 本発明は、構造の簡単な金属−絶縁物−半導体型電界効
果型トランジスタ(MISFET)に関する。 〔従来技術〕 従来のMISFETは、第1図に示すごとく半導体基板
1の表面に基板の導電型と異なる導電型の2つの拡散層
ソース8、ドレイン9が設けられ、ゲート電極4の電位
により、絶縁膜3を介して基板1の表面に反転層10を
形成させ、ソース8とドレイン9との間に電流を流すも
のであつた。よつてソース8、ドレイン9と2つの確信
層が必要であつた。 〔発明の目的〕 本発明は、従来のMISFETに比して基板導電型と異
なる導電型の拡散層が一つですみ、回路の高集積化を可
能とするものである。 〔実施例による発明の構成および作用〕 実施例1. 次に、本発明を図面に基づいて詳細に説明する本発明基
本構造である第1の実施例を第2図に示す。1は半導体
基板であり、この表面部分に基板有導電型と異なる導電
型の拡散層2が設けられており、これら2つの領域の表
面上に絶縁膜3、さらにその上にゲート電極4が設けら
れている。 次に動作原理を説明する。 第3図は、第2図におけるA−A′線に沿つたポテンシ
ャル図である。ゲート電極4に基板1に対し電圧VGを
印加し、基板表面に空乏層1′を形成させ、しかもこの
空乏層の電界が非常に強く、電子のツエナー降伏(矢印
)を可能にさせるようにする。ツエナー降伏により
空乏層1′に発生したキャリア(以下ツエターキヤリア
と称す)は、拡散層2の電位VDに引かれて第2図の矢
印Bのごとく基板表面の空乏層1′から拡散層2に流れ
込む。 以上のように本発明による半導体装置は、MISFET
動作をただ1つの拡散層のみで可能にする。 実施例2. しかしながら、比較的に小さな電極4の電圧VGでツエ
ナー降伏を起こさせるような空乏層1′の強電界を得る
ためには、基板濃度を高くし絶縁膜3の単位面積当りの
静電容量を大きくすることが必要である。それを実現し
た第2の実施例の断面図を第4図で示す。第4図におい
て、絶縁膜3はできるだけ薄くし、表面濃度を高くする
ためにゲート電極4の下の基板表面に基板導電型と同じ
同電型で、基板よりも濃度の高い拡散層2に隣接するよ
うに形成する。絶縁膜3として二酸化ケイ素を選んだ実
際の素子においては、二酸化ケイ素の膜厚70Å、拡散
層5の濃度5×1018/cm-3で、電極4の電圧VG=
5Vで動作可能である。 実施例3. 第4図に示す第2の実施例で絶縁線3は薄ければ薄いほ
どよいが、あまり薄すぎると不都合が生じる。それは、
ゲート電極4と拡散層2との間にトンネル電流が流れて
しまうことである。 第5図は、この欠点を克服するためになされた第3の実
施例の断面図である。拡散層2,5は互いにある距離を
おいて離れており、これらの間のある点C点から拡散層
5までの領域上の絶縁膜3よりも、C点から拡散層2ま
での領域上の絶縁膜3′の方を厚くすることによりゲー
ト電極4と拡散層2との間のトンネル電流を防ぐことが
できる。さらに、例えば絶縁膜3として比較的誘電率の
高い窒素膜を選び、絶縁膜3′は障壁が高く電流の流れ
にくい二酸化ケイ素膜を選べば、2つの絶縁膜の膜厚に
冗長性を持たせることができる。 実施例4. ゲート電極と拡散層2との絶縁性を保つためのもう一つ
の方法は、ゲート電極4と拡散層2とをある距離l
け離すことである。 第6図は、上記方法による第4の実施例の断面図であ
る。この場合lは、基板1と拡散層2とにより生じる
空乏層6の幅Wよりも小さくする必要がある。l=W
の場合、ゲート電極4の下の基板表面の空乏1′内でツ
エナー降伏により発生したツエナーキヤリアは空乏層6
を径て拡散層2に流れ込めるが、W<lでは空乏層
1′内のツエナーキヤリアは閉じこめられ空乏層1′外
に流出できないからである。 実施例5. 上記第4の実施例の場合でも、表面電界を強くするため
に拡散層5を設けた構造が考えられる。この構造を示す
第5の実施例の断面図を第7図に示す。この場合、拡散
2と5は隣接していてもかまわない。絶縁膜3は本実施
例においてもできるだけ薄い方がよい。絶縁膜3の材料
は、全実施例において二酸化ケイ素、誘電率の高い窒化
ケイ素、アルミナ等が考えられる。 実施例6. 次に、本発明によるMISFETの第6実施例の平面図
を第8図に示す。一般にMISFETでは電流はソース
からドレインへの一方向のみ流れるが本発明によるMI
SFETでは領域100で示す基板もしくは基板と同一
導電型の拡散層の表面近傍でツエナー降伏により発生し
たツエナーキヤリアが拡散層2へ流れ込めればよいの
で、基板と異なる導電型の拡散層2が領域100で示す
基板もしくは拡散層の周囲を取り囲む構造が効率的であ
る。 第8図は、四角形であるが、取り囲む構造であればその
他の多角形、円形でもかまわない。 次に、本発明によるMISFETの静特性を第9図に示
す。第9図において横軸、縦軸は、基板1と拡散層2間
のそれぞれ電圧VD、電流IDであり、ゲート電極4の
電圧VGをパラメータとしてとつてある。第9図は、第
4図に示す第2の実施例を用いた場合の実験結果であ
る。基板1はP型で拡散層5の濃度は6×101-8c
m-3,絶縁膜3は二酸化ケイ素で100Å、さらにゲー
ト電極4の幅は200μmの試料に対するものである。 拡散層5の濃度をさらに高くし、絶縁膜3をもつと薄く
すれば、5V程度のゲート電圧で1uA以上の電流を得
ることが可能である。 第9図に示すように、本発明によるMISFETの静特
性は、一般のMISFETの静特性と同様である。それ
ゆえ、スイツチング素子、論理回路用素子等の素子とし
て使用できる。 実施例7. 第10図は、本発明によるMISFETを用いたC−M
OSインバータ回路の第7の実施例である。1はN型基
板であり、ここにP型のウエルタを形成する。2,2′
はそれぞれN型、P型の拡散層、また5,5′はそ
れぞれP型、N型の拡散層で互いに短絡されており、外
部端子V outに接続されている。2つの素子には、絶縁
膜3を介してゲート電極4,4′が設けられており、こ
れらは互いに短絡され端子Vinに接続されている。また
2′の電位はVssに固定され、2つの電位はVssより
高いVooに固定されている。いまVinをVDDにする
と拡散層2′の表面近傍のみ強電界が発生し、ツエナー
降伏により電子が発生して拡散層5′に流れ込む。この
ため5′の電位VoutはVssに等しくなる。逆にVinを
Vssにすると拡散層2の表面近傍にのみ強電界が発生
し、拡散層2′,5間にのみ電流が流れるため、Vout
はVDDに等しくなる。 以上はインバータ動作を行つていることを示す。 〔発明の効果〕 以上、本発明によるMISFETは、従来のMISFE
Tのソースに相当する拡散層がないにもかかわらず、従
来とほぼ同様の動作をすることから、小面積ですみ、今
後高集積化を目指す半導体集積回路において従来のMI
SFETにとり変る重要な素小となる。
[Field of Industrial Application] The present invention relates to a metal-insulator-semiconductor field effect transistor (MISFET) having a simple structure. [Prior Art] In a conventional MISFET, two diffusion layer sources 8 and drains 9 of a conductivity type different from the conductivity type of the substrate are provided on the surface of a semiconductor substrate 1 as shown in FIG. The inversion layer 10 was formed on the surface of the substrate 1 via the insulating film 3, and a current was passed between the source 8 and the drain 9. Therefore, a source 8 and a drain 9 and two belief layers are required. [Object of the Invention] The present invention requires only one diffusion layer of a conductivity type different from the substrate conductivity type as compared with the conventional MISFET, and enables high integration of a circuit. [Structure and Operation of the Invention According to the Embodiment] Embodiment 1. Next, FIG. 2 shows a first embodiment, which is a basic structure of the present invention, for explaining the present invention in detail with reference to the drawings. Reference numeral 1 denotes a semiconductor substrate, a surface of which is provided with a diffusion layer 2 having a conductivity type different from that of the substrate, an insulating film 3 is provided on the surfaces of these two regions, and a gate electrode 4 is provided thereon. Has been. Next, the operation principle will be described. FIG. 3 is a potential diagram along the line AA ′ in FIG. A voltage VG is applied to the gate electrode 4 with respect to the substrate 1 to form a depletion layer 1 ′ on the substrate surface, and the electric field of this depletion layer is very strong so that Zener breakdown of electrons (arrow e ) is possible. To Carriers generated in the depletion layer 1 ′ due to Zener breakdown (hereinafter referred to as zwitter carriers) are attracted to the potential VD of the diffusion layer 2 and flow into the diffusion layer 2 from the depletion layer 1 ′ on the substrate surface as indicated by arrow B in FIG. . As described above, the semiconductor device according to the present invention is
Allows operation with only one diffusion layer. Example 2. However, in order to obtain a strong electric field of the depletion layer 1 ′ that causes Zener breakdown with a relatively small voltage VG of the electrode 4, the substrate concentration is increased and the electrostatic capacitance per unit area of the insulating film 3 is increased. It is necessary to. A cross-sectional view of a second embodiment realizing this is shown in FIG. In FIG. 4, the insulating film 3 is made as thin as possible, and adjacent to the diffusion layer 2 having the same conductivity type as the substrate conductivity type and the concentration higher than that of the substrate on the substrate surface below the gate electrode 4 in order to increase the surface concentration. To be formed. In an actual device in which silicon dioxide is selected as the insulating film 3, the film thickness of silicon dioxide is 70Å, the concentration of the diffusion layer 5 is 5 × 10 18 / cm −3 , and the voltage VG of the electrode 4 is VG =
It can operate at 5V. Example 3. In the second embodiment shown in FIG. 4, the thinner the insulated wire 3 is, the better, but if it is too thin, a problem occurs. that is,
That is, a tunnel current flows between the gate electrode 4 and the diffusion layer 2. FIG. 5 is a sectional view of a third embodiment made to overcome this drawback. The diffusion layers 2 and 5 are separated from each other at a certain distance, and are located on the region from the point C to the diffusion layer 2 rather than on the insulating film 3 on the region from a certain point C to the diffusion layer 5 between them. By making the insulating film 3 ′ thicker, a tunnel current between the gate electrode 4 and the diffusion layer 2 can be prevented. Further, for example, if a nitrogen film having a relatively high dielectric constant is selected as the insulating film 3 and a silicon dioxide film having a high barrier and having a small current flow is selected as the insulating film 3 ', the two insulating films have redundancy. be able to. Example 4. Another method for maintaining the insulation between the gate electrode and the diffusion layer 2 is to separate the gate electrode 4 and the diffusion layer 2 by a certain distance l 1 . FIG. 6 is a sectional view of the fourth embodiment by the above method. In this case, l 1 needs to be smaller than the width W of the depletion layer 6 generated by the substrate 1 and the diffusion layer 2. l 1 = W
In the case of, the Zener carrier generated by Zener breakdown in the depletion 1'of the substrate surface under the gate electrode 4 is the depletion layer 6
That Nagarekome the diffusion layer 2 of Te diameter but, W <depletion in l 1 1 'Tsuenakiyaria in the depletion layer 1 trapped' because can not flow out. Example 5. Also in the case of the fourth embodiment, a structure in which the diffusion layer 5 is provided in order to strengthen the surface electric field can be considered. A sectional view of the fifth embodiment showing this structure is shown in FIG. In this case, the diffusions 2 and 5 may be adjacent to each other. The insulating film 3 is preferably as thin as possible also in this embodiment. The material of the insulating film 3 may be silicon dioxide, silicon nitride having a high dielectric constant, alumina, or the like in all the examples. Example 6. Next, FIG. 8 shows a plan view of a sixth embodiment of the MISFET according to the present invention. Generally, in the MISFET, the current flows from the source to the drain only in one direction.
In the SFET, the Zener carrier generated by Zener breakdown near the surface of the substrate shown in the region 100 or the diffusion layer of the same conductivity type as the substrate may flow into the diffusion layer 2, so that the diffusion layer 2 of the conductivity type different from that of the substrate A structure shown at 100 surrounding the substrate or diffusion layer is efficient. Although FIG. 8 shows a quadrangle, other polygons or circles may be used as long as it has a surrounding structure. Next, the static characteristics of the MISFET according to the present invention are shown in FIG. In FIG. 9, the horizontal axis and the vertical axis represent the voltage VD and the current ID between the substrate 1 and the diffusion layer 2, respectively, and the voltage VG of the gate electrode 4 is used as a parameter. FIG. 9 shows the experimental results when the second embodiment shown in FIG. 4 was used. The substrate 1 is P-type and the concentration of the diffusion layer 5 is 6 × 10 1-8 c
m -3 , the insulating film 3 is 100 Å of silicon dioxide, and the width of the gate electrode 4 is for a sample of 200 μm. If the concentration of the diffusion layer 5 is further increased and the diffusion layer 5 is thinned with the insulating film 3, it is possible to obtain a current of 1 uA or more at a gate voltage of about 5V. As shown in FIG. 9, the static characteristics of the MISFET according to the present invention are similar to those of general MISFETs. Therefore, it can be used as an element such as a switching element and a logic circuit element. Example 7. FIG. 10 is a CM using the MISFET according to the present invention.
It is a seventh embodiment of the OS inverter circuit. Reference numeral 1 is an N-type substrate on which a P-type welter is formed. 2,2 '
Are N + type diffusion layers and P + type diffusion layers, and 5 and 5 ′ are P type diffusion layers and N type diffusion layers, respectively, which are short-circuited to each other and connected to the external terminal V out. The two elements are provided with gate electrodes 4 and 4'through an insulating film 3, which are short-circuited to each other and connected to a terminal Vin. The potential of 2'is fixed to Vss and the two potentials are fixed to Voo higher than Vss. Now, when Vin is set to V DD , a strong electric field is generated only near the surface of the diffusion layer 2 ', and electrons are generated by Zener breakdown and flow into the diffusion layer 5'. Therefore, the potential Vout of 5'becomes equal to Vss. Conversely, when Vin is set to Vss, a strong electric field is generated only near the surface of the diffusion layer 2 and a current flows only between the diffusion layers 2'and 5, so that Vout
Will be equal to V DD . The above shows that the inverter is operating. [Advantages of the Invention] As described above, the MISFET according to the present invention is
Despite the fact that there is no diffusion layer corresponding to the source of T, it operates almost the same as the conventional one, so a small area is required and the conventional MI is used in the semiconductor integrated circuit aiming at high integration in the future.
It is an important element that replaces SFET.

【図面の簡単の説明】[Brief description of drawings]

第1図は従来のMISFETの断面図、第2図は本発明
による第1の実施例のMISFETの断面図、第3図
は、第2図に示すMISFETの原理を示すポテンシヤ
ル図、第4図は本発明による第2の実施例の断面図、第
5図は本発明による第3の実施例の断面図、第6図は本
発明による第4の実施例の断面図、第7図は本発明によ
る第5の実施例の断面図、第8図は本発明による第6の
実施例の平面図、第9図は第4図に示すMISFETの
静特性を示す図、第10図は本発明の第7の実施例であ
るMISFETを用いたCMOSインバータの断面図で
ある。 1……半導体基板 1′……半導体基板の空乏層 2,2′……基板、ウエルと異導電型の拡散層 3,3′……絶縁膜 4……ゲート電極 5,5……基板、ウエルと同導電型の拡散層 6……基板および拡散層2による空乏層 7……ウエル 8……ソース 9……ドレイン 10……チヤネル。
FIG. 1 is a sectional view of a conventional MISFET, FIG. 2 is a sectional view of a MISFET of a first embodiment according to the present invention, FIG. 3 is a potential diagram showing the principle of the MISFET shown in FIG. 2, and FIG. Is a sectional view of the second embodiment of the present invention, FIG. 5 is a sectional view of the third embodiment of the present invention, FIG. 6 is a sectional view of the fourth embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 8 is a sectional view of a fifth embodiment of the invention, FIG. 8 is a plan view of a sixth embodiment of the invention, FIG. 9 is a view showing static characteristics of the MISFET shown in FIG. 4, and FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view of a CMOS inverter using a MISFET according to the seventh embodiment of the above. 1 ... Semiconductor substrate 1 '... Depletion layer of semiconductor substrate 2, 2' ... Substrate, well and diffusion layer of different conductivity type 3, 3 '... Insulating film 4 ... Gate electrode 5, 5 ... Substrate, Diffusion layer of the same conductivity type as the well 6 ... Depletion layer due to the substrate and the diffusion layer 7 ... Well 8 ... Source 9 ... Drain 10 ... Channel.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 小次郎 東京都江東区亀戸6丁目31番1号 株式会 社第二精工舎内 (56)参考文献 特開 昭50−27483(JP,A) 特開 昭50−30486(JP,A) 徳山 巍 著「エレクトロニクス技術全 書[3]MOSデバイス」(第2版), (昭50−6−10)工業調査会,P.299− P.316 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kojiro Tanaka 6-31-1, Kameido, Koto-ku, Tokyo Inside the Second Seikosha Co., Ltd. (56) References Japanese Patent Laid-Open No. 50-27483 (JP, A) Kai 50-30486 (JP, A) Tokuyama Shiba, "Electronics Technology Complete Book [3] MOS Devices" (2nd edition), (Showa 50-6-10) Industrial Research Committee, p. 299-P. 316

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1導電型の半導体から成る第1の領域
と、前記第1の領域と隣接あるいは離れて設けられた第
2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域の表面上
にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とからな
り、前記第1の領域と前記第2の領域との間に流れる電
流を前記ゲート電極に印加するゲート電圧によって制御
する電界効果型トランジスタにおいて、前記電流の主成
分が前記ゲート電圧によって形成される前記第1の領域
表面の空乏層内部の価電子帯と伝導帯との間に流れるツ
ェナーキャリアであることを特徴とする半導体装置。
1. A first region made of a semiconductor of a first conductivity type, a second region provided adjacent to or separated from the first region, a first region and a second region. A field effect type device comprising a gate electrode provided on the surface via a gate insulating film, and controlling a current flowing between the first region and the second region by a gate voltage applied to the gate electrode. In the transistor, the main component of the current is a zener carrier that flows between a valence band and a conduction band inside a depletion layer on the surface of the first region formed by the gate voltage.
【請求項2】前記第1の領域は、第1誘電型の第1の拡
散層内に設けられた、前記第1の拡散層よりも濃度の高
い第1導電型の第2の拡散層であることを特徴とする特
許請求の範囲第1項記載の半導体装置。
2. The first region is a second diffusion layer of a first conductivity type, which is provided in the first diffusion layer of a first dielectric type and has a higher concentration than that of the first diffusion layer. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is present.
【請求項3】前記第2の領域は、前記第1導電型と異な
る第2導電型の第3の拡散層であることを特徴とする特
許請求の範囲第2項記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the second region is a third diffusion layer of a second conductivity type different from the first conductivity type.
JP57228185A 1982-12-23 1982-12-23 Semiconductor device Expired - Lifetime JPH067595B2 (en)

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JPS59115563A JPS59115563A (en) 1984-07-04
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5611227B2 (en) * 1973-07-10 1981-03-12
JPS5030486A (en) * 1973-07-17 1975-03-26

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
徳山巍著「エレクトロニクス技術全書[3MOSデバイス」(第2版),(昭50−6−10)工業調査会,P.299−P.316

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JPS59115563A (en) 1984-07-04

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