JPH10209432A - 半導体デバイスの改良 - Google Patents
半導体デバイスの改良Info
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- JPH10209432A JPH10209432A JP10021415A JP2141598A JPH10209432A JP H10209432 A JPH10209432 A JP H10209432A JP 10021415 A JP10021415 A JP 10021415A JP 2141598 A JP2141598 A JP 2141598A JP H10209432 A JPH10209432 A JP H10209432A
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- gate electrode
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-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D12/00—Bipolar devices controlled by the field effect, e.g. insulated-gate bipolar transistors [IGBT]
- H10D12/411—Insulated-gate bipolar transistors [IGBT]
- H10D12/441—Vertical IGBTs
- H10D12/461—Vertical IGBTs having non-planar surfaces, e.g. having trenches, recesses or pillars in the surfaces of the emitter, base or collector regions
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D12/00—Bipolar devices controlled by the field effect, e.g. insulated-gate bipolar transistors [IGBT]
- H10D12/411—Insulated-gate bipolar transistors [IGBT]
- H10D12/441—Vertical IGBTs
- H10D12/461—Vertical IGBTs having non-planar surfaces, e.g. having trenches, recesses or pillars in the surfaces of the emitter, base or collector regions
- H10D12/481—Vertical IGBTs having non-planar surfaces, e.g. having trenches, recesses or pillars in the surfaces of the emitter, base or collector regions having gate structures on slanted surfaces, on vertical surfaces, or in grooves, e.g. trench gate IGBTs
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- Thyristors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】従来半導体デバイスの改良。
【解決手段】絶縁型ゲートバイポーラトランジスタにお
いて、シリコンのp領域にゲートを溝として設ける。動
作時に、p領域内の溝底部に反転層を作ることによって
形成された仮想エミッターをもつサイリスターモードで
動作する。デバイスは安全性が高く、ゲート信号を取り
去るとエミッターが潰れ、直ちにターン・オフする。溝
ゲートをp領域内に設けているため、ターン・オフ時の
高電圧に耐え、逆電界が溝ゲートに達することはない。
いて、シリコンのp領域にゲートを溝として設ける。動
作時に、p領域内の溝底部に反転層を作ることによって
形成された仮想エミッターをもつサイリスターモードで
動作する。デバイスは安全性が高く、ゲート信号を取り
去るとエミッターが潰れ、直ちにターン・オフする。溝
ゲートをp領域内に設けているため、ターン・オフ時の
高電圧に耐え、逆電界が溝ゲートに達することはない。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体デバイス、特
に溝堀り型デバイス(以下トレンチデバイスと呼ぶ)、
即ち半導体デバイスの主面、通常は平面下部の溝または
凹部の側壁や底壁などに少なくとも一つの電極を組み込
んだデバイスに関する。
に溝堀り型デバイス(以下トレンチデバイスと呼ぶ)、
即ち半導体デバイスの主面、通常は平面下部の溝または
凹部の側壁や底壁などに少なくとも一つの電極を組み込
んだデバイスに関する。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】トレンチの使用は、動
作電力レベルが高く、また動作電圧も高いIGBT(絶
縁型ゲートバイポーラトランジスタ)などに特に有利で
ある。このようなデバイスが使用できる電圧上限値の限
界はデバイスの降伏電圧によって定まるものである。動
作電力レベルが高く、また動作電圧レベルも高いデバイ
スにとっては、オン抵抗が低く、従ってターン・オフ信
号に直ちに、そして信頼性高く応答してターン・オフ
(即ちデバイスにおける電流停止)することが重要であ
る。しかし現状では、高電流・高電圧動作と、安全でし
かも信頼性の高い制御特性という両立しない条件を満足
するデバイスを製作することは困難である。すなわち、
本発明の目的は改良された半導体デバイスを提供するこ
とである。
作電力レベルが高く、また動作電圧も高いIGBT(絶
縁型ゲートバイポーラトランジスタ)などに特に有利で
ある。このようなデバイスが使用できる電圧上限値の限
界はデバイスの降伏電圧によって定まるものである。動
作電力レベルが高く、また動作電圧レベルも高いデバイ
スにとっては、オン抵抗が低く、従ってターン・オフ信
号に直ちに、そして信頼性高く応答してターン・オフ
(即ちデバイスにおける電流停止)することが重要であ
る。しかし現状では、高電流・高電圧動作と、安全でし
かも信頼性の高い制御特性という両立しない条件を満足
するデバイスを製作することは困難である。すなわち、
本発明の目的は改良された半導体デバイスを提供するこ
とである。
【0003】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は動作
領域の第1面から一つかそれ以上の溝(トレンチ)を延
設し、上記溝の壁領域に設けた、第1導電率形の第1半
導体領域に反転層を形成する電界効果ゲート電極によっ
て両端の電流が制御可能な少なくとも一つのpn接合を
配設し、上記第1面から離れている上記溝の少なくとも
底部分を上記第1半導体領域に設けるとともに、上記第
1領域と上記の第1導電率形であるアノードとの間に設
けた第2導電率形の第2半導体領域に上記第1領域を隣
接配設し、使用のさいに上記ゲート電極を動作させて、
上記反転層によって上記第1領域および上記第2領域へ
のキャリヤ注入を開始することによって、上記反転層が
存在している間、この反転層がサイリスターのエミッタ
ーとして作用するサイリスター作用を発生する半導体ト
レンチデバイスを提供するものである。
領域の第1面から一つかそれ以上の溝(トレンチ)を延
設し、上記溝の壁領域に設けた、第1導電率形の第1半
導体領域に反転層を形成する電界効果ゲート電極によっ
て両端の電流が制御可能な少なくとも一つのpn接合を
配設し、上記第1面から離れている上記溝の少なくとも
底部分を上記第1半導体領域に設けるとともに、上記第
1領域と上記の第1導電率形であるアノードとの間に設
けた第2導電率形の第2半導体領域に上記第1領域を隣
接配設し、使用のさいに上記ゲート電極を動作させて、
上記反転層によって上記第1領域および上記第2領域へ
のキャリヤ注入を開始することによって、上記反転層が
存在している間、この反転層がサイリスターのエミッタ
ーとして作用するサイリスター作用を発生する半導体ト
レンチデバイスを提供するものである。
【0004】また、本発明は動作領域の第1面から一つ
かそれ以上の溝(トレンチ)を延設し、上記溝の壁領域
に設けた、隣接第1p形領域に反転層を形成する電界効
果ゲート電極によって両端の電流が制御可能な少なくと
も一つのpn接合を配設し、上記第1面から離れている
上記溝の少なくとも底部分を上記第1p形領域に設ける
とともに、上記第1p形領域とアノード第2n形領域と
の間に設けたn形領域に上記第1p形領域を隣接配設
し、使用のさいに上記ゲート電極を動作させて、印加す
る電位に応じて上記ゲート電極に隣接して上記反転層を
形成することによって、上記第1p形領域および上記n
形領域に電子を注入し、上記反転層が存在している間、
この反転層がサイリスターのエミッターとして作用する
サイリスター作用を発生する半導体トレンチデバイスを
提供するものでもある。
かそれ以上の溝(トレンチ)を延設し、上記溝の壁領域
に設けた、隣接第1p形領域に反転層を形成する電界効
果ゲート電極によって両端の電流が制御可能な少なくと
も一つのpn接合を配設し、上記第1面から離れている
上記溝の少なくとも底部分を上記第1p形領域に設ける
とともに、上記第1p形領域とアノード第2n形領域と
の間に設けたn形領域に上記第1p形領域を隣接配設
し、使用のさいに上記ゲート電極を動作させて、印加す
る電位に応じて上記ゲート電極に隣接して上記反転層を
形成することによって、上記第1p形領域および上記n
形領域に電子を注入し、上記反転層が存在している間、
この反転層がサイリスターのエミッターとして作用する
サイリスター作用を発生する半導体トレンチデバイスを
提供するものでもある。
【0005】さらに、本発明は動作領域の第1面から一
つかそれ以上の溝(トレンチ)を延設し、上記溝の壁領
域に設けた、隣接第1p形領域に反転層を形成する電界
効果ゲート電極によって両端の電流が制御可能な少なく
とも一つのpn接合を配設し、上記第1面から離れてい
る上記溝の少なくとも底部分を上記第1p形領域に設け
るとともに、上記第1p形領域とアノード第2n形領域
との間に設けた第1n形領域に上記第1p形領域を隣接
配設し、使用のさいに上記ゲート電極を動作させて、印
加する電位に応じて上記ゲート電極に隣接して上記反転
層を形成することによって、上記反転層が上記ゲート電
極の電界効果によって維持されている間、あるいは間だ
け、上記第1p形領域および上記第1n形領域に電子を
注入し、上記アノード第2p形領域に電流を流す半導体
トレンチデバイスを提供するものでもある。
つかそれ以上の溝(トレンチ)を延設し、上記溝の壁領
域に設けた、隣接第1p形領域に反転層を形成する電界
効果ゲート電極によって両端の電流が制御可能な少なく
とも一つのpn接合を配設し、上記第1面から離れてい
る上記溝の少なくとも底部分を上記第1p形領域に設け
るとともに、上記第1p形領域とアノード第2n形領域
との間に設けた第1n形領域に上記第1p形領域を隣接
配設し、使用のさいに上記ゲート電極を動作させて、印
加する電位に応じて上記ゲート電極に隣接して上記反転
層を形成することによって、上記反転層が上記ゲート電
極の電界効果によって維持されている間、あるいは間だ
け、上記第1p形領域および上記第1n形領域に電子を
注入し、上記アノード第2p形領域に電流を流す半導体
トレンチデバイスを提供するものでもある。
【0006】本発明では、上記pn接合の一方の側を構
成するさらに別なn形領域によりデバイスのカソード部
分を形成するのが好ましい。また、このn形領域がn+
導電率形であるのが好ましい。さらに、上記第1n形領
域がn−導電率形であるのが好ましい。
成するさらに別なn形領域によりデバイスのカソード部
分を形成するのが好ましい。また、このn形領域がn+
導電率形であるのが好ましい。さらに、上記第1n形領
域がn−導電率形であるのが好ましい。
【0007】本発明の好適な実施態様では、溝はn+カ
ソード拡散層を通って上記の第1p形領域内部に達して
いる。ゲート電極に正電位を印加すると、溝の表面に直
接隣接する層として反転チャネルができる。そして、こ
のチャネルは第1p領域を越えて設けられた第1n形領
域(n−ベース領域と呼ぶ)に接続する。このようにし
て、カソード第2n形領域とn−ベース領域とを接合す
る電子の薄層によって電気路が作られる。電子がカソー
ドからn−ベースに注入される結果、アノード第2p形
領域から正孔がベースに注入される。このため、反転層
から電子がn−ベースに拡散し、反転層がサイリスター
と同様な機構のエミッターとして作用することになる。
適正な電位が溝ゲートに印加されている間だけこの反転
層が存在しているため、ゲート電極を外した場合に、反
転層が潰れ、アノード/カソード間の導電がなくなると
いう意味では、この反転層は仮想的なエミッターと考え
ることができる。
ソード拡散層を通って上記の第1p形領域内部に達して
いる。ゲート電極に正電位を印加すると、溝の表面に直
接隣接する層として反転チャネルができる。そして、こ
のチャネルは第1p領域を越えて設けられた第1n形領
域(n−ベース領域と呼ぶ)に接続する。このようにし
て、カソード第2n形領域とn−ベース領域とを接合す
る電子の薄層によって電気路が作られる。電子がカソー
ドからn−ベースに注入される結果、アノード第2p形
領域から正孔がベースに注入される。このため、反転層
から電子がn−ベースに拡散し、反転層がサイリスター
と同様な機構のエミッターとして作用することになる。
適正な電位が溝ゲートに印加されている間だけこの反転
層が存在しているため、ゲート電極を外した場合に、反
転層が潰れ、アノード/カソード間の導電がなくなると
いう意味では、この反転層は仮想的なエミッターと考え
ることができる。
【0008】溝がp領域内部に止まっているため、換言
すれば溝の底部がp領域を通ってn−ベース領域に達し
ていないため、デバイスのターン・オフ時、即ち非導通
時、溝の底部は存在する高電界から保護されることにな
る。400ボルトから5,000ボルト以上の電圧範囲
でデバイスを使用する場合、これは非常に重要である。
事実、本発明のデバイスは高い電圧での安全性および信
頼性が高い。
すれば溝の底部がp領域を通ってn−ベース領域に達し
ていないため、デバイスのターン・オフ時、即ち非導通
時、溝の底部は存在する高電界から保護されることにな
る。400ボルトから5,000ボルト以上の電圧範囲
でデバイスを使用する場合、これは非常に重要である。
事実、本発明のデバイスは高い電圧での安全性および信
頼性が高い。
【0009】
【発明の実施の形態】図1および図2はそれぞれ高電力
トレンチIGBT型半導体デバイスの要部を示す断面図
である。シリコン基体の第1面2にカソード電極1を設
けるとともに、その反対面、即ちその第2面4にアノー
ド電極3を設ける。例えば、n−導電率形のシリコンの
比較的薄い平坦なスライスからシリコン基体を形成し、
これに、導電率の異なる各種材質を導入して、電気的に
異なる一連の領域を形成する。あるいは、pアノード領
域によってシリコン基体を形成してもよい。この場合に
は、この領域に他の領域を成長または拡散により形成す
る。図示のように、デバイス全体は、n−領域5とアノ
ード電極3との間に比較的薄いn+半導体層6およびp
+半導体層7を有する。薄層6は好ましい層であるが、
選択的な層である。
トレンチIGBT型半導体デバイスの要部を示す断面図
である。シリコン基体の第1面2にカソード電極1を設
けるとともに、その反対面、即ちその第2面4にアノー
ド電極3を設ける。例えば、n−導電率形のシリコンの
比較的薄い平坦なスライスからシリコン基体を形成し、
これに、導電率の異なる各種材質を導入して、電気的に
異なる一連の領域を形成する。あるいは、pアノード領
域によってシリコン基体を形成してもよい。この場合に
は、この領域に他の領域を成長または拡散により形成す
る。図示のように、デバイス全体は、n−領域5とアノ
ード電極3との間に比較的薄いn+半導体層6およびp
+半導体層7を有する。薄層6は好ましい層であるが、
選択的な層である。
【0010】井戸状のp形半導体領域8を第1面2に隣
接して設け、溝9をそこに形成する。溝9はドーピング
したポリシリコンの領域であり、この領域はゲート電極
になり、これとp領域8との間に薄い外側酸化物層10
を設ける。
接して設け、溝9をそこに形成する。溝9はドーピング
したポリシリコンの領域であり、この領域はゲート電極
になり、これとp領域8との間に薄い外側酸化物層10
を設ける。
【0011】第1面2にn+半導体の小さいカソードn
形領域11を形成し、その一部を酸化物層10に接触さ
せ、一部をカソード電極1に接触させる。従って、領域
8と11との間に形成したpn接合の一端がカソード電
極によって短絡する。動作時、このカソード領域がデバ
イスのカソード部になる。
形領域11を形成し、その一部を酸化物層10に接触さ
せ、一部をカソード電極1に接触させる。従って、領域
8と11との間に形成したpn接合の一端がカソード電
極によって短絡する。動作時、このカソード領域がデバ
イスのカソード部になる。
【0012】図1において、さらに別なn+領域13を
溝9の反対側に形成する。これは、製作の点からみて有
利である。この領域を設ける場合、n−ベース領域5と
領域8との間にある接合上にあり、n+領域13まで延
長するさらに別なゲート電極領域14に対してさらに別
な接続が必要である。このゲート領域14については、
ゲート電極9に電気的に接続するとともに、半導体から
は酸化物層15によって分離する。表面2上に電界効果
酸化物16を設ける。
溝9の反対側に形成する。これは、製作の点からみて有
利である。この領域を設ける場合、n−ベース領域5と
領域8との間にある接合上にあり、n+領域13まで延
長するさらに別なゲート電極領域14に対してさらに別
な接続が必要である。このゲート領域14については、
ゲート電極9に電気的に接続するとともに、半導体から
は酸化物層15によって分離する。表面2上に電界効果
酸化物16を設ける。
【0013】図2において、n+領域13は省略しても
よい。この場合には、別なゲート電極領域14がゲート
電極9に対して電気的・物理的に連続化する。
よい。この場合には、別なゲート電極領域14がゲート
電極9に対して電気的・物理的に連続化する。
【0014】次に、デバイス動作について説明する。正
電位をゲート9および14に印加すると、反転チャネル
12がp領域8の隣接層に形成する。このため、n+カ
ソードが反転チャネルにより(図1の場合は浮動n+領
域13を介して)にn−領域5に接続する。このように
して、カソード11およびn−ベース5を接合する電子
の薄層によって形成される電気路が作られる。そして、
電子がカソードからn−ベースに注入する結果、正孔が
アノードp+領域7からn−ベース5に注入する。緩衝
層6がp+領域7からの正孔注入を抑えるため、デバイ
スのターン・オフ速度が高くなる。この層をオフ状態で
使用すると、突き抜け現象の発生を抑制することができ
る。溝9の下に設けた領域8を介して正孔が流れるた
め、p領域8の電位が高くなり、p領域8/n+反転層
12接合が順方向にバイアスする。この結果、反転層1
2から電子がn−ベースに拡散し、上記の別なゲート電
極14に隣接する長い経路を飛び越える。反転層の注入
モードが一旦確立されたなら、有効チャネル長さが大幅
に短くなり、サイリスター作用によりn−ベースの導電
率変調が強くなる。そして、n+反転層12/p領域8
/n−ベース5とp+アノード7との間にダイナミック
エミッターをもつサイリスターが形成する。この作用を
強めるために、p領域8の濃度は1015〜1016cm-3
程度で、溝9の底部とn−領域5との間の領域厚さは1
〜3μm程度である。また、溝9周囲の酸化物層10の
厚さはわずか500Åである。
電位をゲート9および14に印加すると、反転チャネル
12がp領域8の隣接層に形成する。このため、n+カ
ソードが反転チャネルにより(図1の場合は浮動n+領
域13を介して)にn−領域5に接続する。このように
して、カソード11およびn−ベース5を接合する電子
の薄層によって形成される電気路が作られる。そして、
電子がカソードからn−ベースに注入する結果、正孔が
アノードp+領域7からn−ベース5に注入する。緩衝
層6がp+領域7からの正孔注入を抑えるため、デバイ
スのターン・オフ速度が高くなる。この層をオフ状態で
使用すると、突き抜け現象の発生を抑制することができ
る。溝9の下に設けた領域8を介して正孔が流れるた
め、p領域8の電位が高くなり、p領域8/n+反転層
12接合が順方向にバイアスする。この結果、反転層1
2から電子がn−ベースに拡散し、上記の別なゲート電
極14に隣接する長い経路を飛び越える。反転層の注入
モードが一旦確立されたなら、有効チャネル長さが大幅
に短くなり、サイリスター作用によりn−ベースの導電
率変調が強くなる。そして、n+反転層12/p領域8
/n−ベース5とp+アノード7との間にダイナミック
エミッターをもつサイリスターが形成する。この作用を
強めるために、p領域8の濃度は1015〜1016cm-3
程度で、溝9の底部とn−領域5との間の領域厚さは1
〜3μm程度である。また、溝9周囲の酸化物層10の
厚さはわずか500Åである。
【0015】ターン・オフ時には、反転層が除かれるた
め、サイリスターエミッター12が潰れることになる。
さらに、このデバイスはIGBTと同様にターン・オフ
する。オン状態では、デバイスはサイリスターとトレン
チIGBTを組み合わせたものと考えることができる。
め、サイリスターエミッター12が潰れることになる。
さらに、このデバイスはIGBTと同様にターン・オフ
する。オン状態では、デバイスはサイリスターとトレン
チIGBTを組み合わせたものと考えることができる。
【0016】図3に、2つのチャネルとn+浮動エミッ
ターによる長い経路に電流が流れる場合の初期ターン・
オン状態からの遷移状態を示す。サイリスターが動作状
態にある、図4に示した反転層注入モードへの遷移が明
示されている。オフ状態では、最大降伏電圧において、
空乏領域が溝から十分離れているように溝を設計するこ
とができる。にもかかわらず、溝が空乏領域に接触する
場合でも、溝角部に発生する電界がp領域8/n−ベー
ス5接合における電界のピークよりもかなり低い限り、
降伏電圧は影響を受けないことを指摘しておくことは重
要である。
ターによる長い経路に電流が流れる場合の初期ターン・
オン状態からの遷移状態を示す。サイリスターが動作状
態にある、図4に示した反転層注入モードへの遷移が明
示されている。オフ状態では、最大降伏電圧において、
空乏領域が溝から十分離れているように溝を設計するこ
とができる。にもかかわらず、溝が空乏領域に接触する
場合でも、溝角部に発生する電界がp領域8/n−ベー
ス5接合における電界のピークよりもかなり低い限り、
降伏電圧は影響を受けないことを指摘しておくことは重
要である。
【0017】なお、図5から、n−ベース領域5とp領
域8との接合の上に溝形井戸の底部が存在することの重
要性を理解できるはずである。この図は、デバイス降伏
電圧におけるオフ(即ち、非導通)状態時の電位分布を
示す図である。p−領域内部における溝の保護性が良好
なため、その下にある接合の空乏領域が溝底部に達する
ことはない。従って、降伏電圧はこの接合によって決ま
り、溝の存在の影響を受けることはない。
域8との接合の上に溝形井戸の底部が存在することの重
要性を理解できるはずである。この図は、デバイス降伏
電圧におけるオフ(即ち、非導通)状態時の電位分布を
示す図である。p−領域内部における溝の保護性が良好
なため、その下にある接合の空乏領域が溝底部に達する
ことはない。従って、降伏電圧はこの接合によって決ま
り、溝の存在の影響を受けることはない。
【0018】p領域8の設計、そのドーピングの際の濃
度分布、およびp領域の底部と溝底部との距離はデバイ
ス動作における重要なパラメータである。即ち、p領域
と溝底部との距離が短ければ、降伏が早めに発生し、そ
して距離が大きければ、サイリスターのターン・オンを
犠牲にすることになる。
度分布、およびp領域の底部と溝底部との距離はデバイ
ス動作における重要なパラメータである。即ち、p領域
と溝底部との距離が短ければ、降伏が早めに発生し、そ
して距離が大きければ、サイリスターのターン・オンを
犠牲にすることになる。
【0019】図6に示す別な態様では、埋め込みp領域
20を使用する。製造時に、n−ベース領域21にp領
域20を選択的に埋め込んでから、n−ベース22の第
2部分をエピタキシャル成長させる。
20を使用する。製造時に、n−ベース領域21にp領
域20を選択的に埋め込んでから、n−ベース22の第
2部分をエピタキシャル成長させる。
【0020】溝底部がp+埋め込み層20に侵入してい
る。このp埋め込み層が存在しているため、オフ状態で
は、溝角部は高い電界から保護されることになる。図1
および2の構成と比較した場合、製作プロセスは複雑で
あるが、オフ状態では、高い電界に対してすぐれた保護
を得ることができる。というのは、p+埋め込み層20
のほうが、図1および2のp領域8の底部よりドーピン
グ度を高くできるからである。これによって、n+浮動
層13および図1の別なゲート領域14を設ける必要が
なくなる。
る。このp埋め込み層が存在しているため、オフ状態で
は、溝角部は高い電界から保護されることになる。図1
および2の構成と比較した場合、製作プロセスは複雑で
あるが、オフ状態では、高い電界に対してすぐれた保護
を得ることができる。というのは、p+埋め込み層20
のほうが、図1および2のp領域8の底部よりドーピン
グ度を高くできるからである。これによって、n+浮動
層13および図1の別なゲート領域14を設ける必要が
なくなる。
【0021】動作原理は図1および2と同様である。ゲ
ートに正電位を印加すると、カソートから蓄積チャネル
および反転チャネルを介してn−ベース22の上左側領
域に電子が注入される。p埋め込み層を介して短絡する
カソードに移動する正孔電流により、p埋め込み層の電
位が高くなり、反転層12/p埋め込み層20接合を順
方向にバイアスする。これは、反転層からの高レベルの
電子注入、従って上部n−ベースの強化された導電率変
調によって実現する。また、有効チャネル長さも短くな
る。
ートに正電位を印加すると、カソートから蓄積チャネル
および反転チャネルを介してn−ベース22の上左側領
域に電子が注入される。p埋め込み層を介して短絡する
カソードに移動する正孔電流により、p埋め込み層の電
位が高くなり、反転層12/p埋め込み層20接合を順
方向にバイアスする。これは、反転層からの高レベルの
電子注入、従って上部n−ベースの強化された導電率変
調によって実現する。また、有効チャネル長さも短くな
る。
【0022】実際には、図7に示すように、n−領域2
3を省略することができる。この場合には、上部p+拡
散層が埋め込みp領域20まで延長することになる。
3を省略することができる。この場合には、上部p+拡
散層が埋め込みp領域20まで延長することになる。
【0023】図8に、2つの反転層と共に溝9を使用す
る別な態様を示す。
る別な態様を示す。
【0024】溝両側にあるp領域30、31が溝角部を
被覆して、オフ状態においてこれらを高い電界から保護
する。ターン・オン時に、反転層がp領域の両者に形成
する。p領域間に設けたn−上部領域を通ってカソード
32、33から電子が注入される。蓄積層34、n−ベ
ース5およびp+アノード領域7の間に形成したPIN
ダイオードが動作し、その初期状態では、導通エリアお
よびn−ベースの上部における導電率変調プロセスがp
領域間のエリアに制限される。この領域における強化さ
れた導電率変調は順方向にバイアスされた蓄積層接合
(n+蓄積層34/n−ベース5接合)によるものであ
る。領域30、31の電位がそれぞれ反転層12a、1
2bの電位より高くなると、反転層12a/p領域30
接合および反転層12b/p領域31接合が順方向にバ
イアスされ、電子が直接反転層からp領域を介してn−
ベースに注入される。従って、導電率変調エリアがp領
域30、31上にかなり広がり、(PINダイオードの
一部としての)蓄積層エミッター34および(サイリス
ターの一部としての)反転層エミッター12aおよび1
2bの両者が動作状態になる。
被覆して、オフ状態においてこれらを高い電界から保護
する。ターン・オン時に、反転層がp領域の両者に形成
する。p領域間に設けたn−上部領域を通ってカソード
32、33から電子が注入される。蓄積層34、n−ベ
ース5およびp+アノード領域7の間に形成したPIN
ダイオードが動作し、その初期状態では、導通エリアお
よびn−ベースの上部における導電率変調プロセスがp
領域間のエリアに制限される。この領域における強化さ
れた導電率変調は順方向にバイアスされた蓄積層接合
(n+蓄積層34/n−ベース5接合)によるものであ
る。領域30、31の電位がそれぞれ反転層12a、1
2bの電位より高くなると、反転層12a/p領域30
接合および反転層12b/p領域31接合が順方向にバ
イアスされ、電子が直接反転層からp領域を介してn−
ベースに注入される。従って、導電率変調エリアがp領
域30、31上にかなり広がり、(PINダイオードの
一部としての)蓄積層エミッター34および(サイリス
ターの一部としての)反転層エミッター12aおよび1
2bの両者が動作状態になる。
【0025】ゲート電位を取り去ると、蓄積層および反
転層が潰れ、高速でかつ効率の高いターン・オフ機構が
実現する。なお、この構成の場合、ゲートの両側にカソ
ード端子があるため、チャネル密度は前の構成よりも高
くなる。
転層が潰れ、高速でかつ効率の高いターン・オフ機構が
実現する。なお、この構成の場合、ゲートの両側にカソ
ード端子があるため、チャネル密度は前の構成よりも高
くなる。
【0026】図9に示すデバイスは動作上は図8のデバ
イスと同じであるが、選択的なn−層40を設けて、p
領域を上下部分41および42に分離している点で異な
っている。
イスと同じであるが、選択的なn−層40を設けて、p
領域を上下部分41および42に分離している点で異な
っている。
【0027】実際の高電流デバイスには、複数の溝を平
行に設けることができる。
行に設けることができる。
【0028】図10に、共通なp領域53および横方向
ゲート14、15に複数の溝50、51、52を設けた
構成例を示す。
ゲート14、15に複数の溝50、51、52を設けた
構成例を示す。
【0029】この構成の場合、チャネル密度が高くなる
が、(左側からみて)第2の溝、第3の溝などが導通に
十分に関与しない。換言すれば、第2以降の溝に関係す
る反転層接合の順方向バイアスが十分ではない。
が、(左側からみて)第2の溝、第3の溝などが導通に
十分に関与しない。換言すれば、第2以降の溝に関係す
る反転層接合の順方向バイアスが十分ではない。
【0030】2重ゲートデバイスを図11に示す。この
デバイスの場合、制御が強化され、また安全な動作エリ
アが広くなるが、信号をゲートに加える駆動回路が複雑
になる。この構成はDMOSゲート(G1)および溝堀
り型ゲート(G2)と呼ばれる2つのMOSFETゲー
トと、関連するMOSFET素子56、57からなる。
G1およびG2の両方に正電位を加えると、デバイスが
ターン・オンする。G1およびG2が動作状態になる
と、デバイスが前に説明したデバイスと同様なモードで
動作する。G1が連続的にスイッチ・オフすると(G1
への電位が短い正の矩形パルスの場合)、デバイスが反
転層注入モードにスイッチする。このモードでは、反転
層12が溝ゲートとともに形成するエミッターをもつサ
イリスターが十分に動作することになる。(G1が既に
オフである状態で)G2の正電位を取り去ると、デバイ
スがターン・オフする。直ちに反転層エミッターがなく
なり、ターン・オフ状態がそのまま続き、電荷がカソー
ドの短い端子まで広がるとともに、アノード側ではキャ
リヤの再結合速度が比較的低くなる。
デバイスの場合、制御が強化され、また安全な動作エリ
アが広くなるが、信号をゲートに加える駆動回路が複雑
になる。この構成はDMOSゲート(G1)および溝堀
り型ゲート(G2)と呼ばれる2つのMOSFETゲー
トと、関連するMOSFET素子56、57からなる。
G1およびG2の両方に正電位を加えると、デバイスが
ターン・オンする。G1およびG2が動作状態になる
と、デバイスが前に説明したデバイスと同様なモードで
動作する。G1が連続的にスイッチ・オフすると(G1
への電位が短い正の矩形パルスの場合)、デバイスが反
転層注入モードにスイッチする。このモードでは、反転
層12が溝ゲートとともに形成するエミッターをもつサ
イリスターが十分に動作することになる。(G1が既に
オフである状態で)G2の正電位を取り去ると、デバイ
スがターン・オフする。直ちに反転層エミッターがなく
なり、ターン・オフ状態がそのまま続き、電荷がカソー
ドの短い端子まで広がるとともに、アノード側ではキャ
リヤの再結合速度が比較的低くなる。
【0031】図12に、ラテラルデバイスと呼ばれる本
発明のデバイスを示す。この構成の別な例を図13およ
び図14に示す。デバイス本体は薄く、所望に応じて、
絶縁基体に形成できる。
発明のデバイスを示す。この構成の別な例を図13およ
び図14に示す。デバイス本体は薄く、所望に応じて、
絶縁基体に形成できる。
【0032】図12において、デバイスをp−基体60
に形成する。p−基体60上にn−エピタキシャル層6
1を成長させる。n−エピタキシャル層61にp井戸を
形成し、カソード64をp−基体60に接続する。p領
域62にゲート溝9を設ける。前の場合と同様に、カソ
ード電極64によって電気的に短絡したpn接合をもつ
定位化n+領域63にカソード接続する。シリコン基体
のカソードと同じ主面にp+アノード65を設ける。こ
れが、ラテラルデバイスと呼ぶ所以である。オフ状態で
の突き抜け現象から保護するために、またターン・オフ
速度を高くするために、n緩衝層68を設けるのが望ま
しい。
に形成する。p−基体60上にn−エピタキシャル層6
1を成長させる。n−エピタキシャル層61にp井戸を
形成し、カソード64をp−基体60に接続する。p領
域62にゲート溝9を設ける。前の場合と同様に、カソ
ード電極64によって電気的に短絡したpn接合をもつ
定位化n+領域63にカソード接続する。シリコン基体
のカソードと同じ主面にp+アノード65を設ける。こ
れが、ラテラルデバイスと呼ぶ所以である。オフ状態で
の突き抜け現象から保護するために、またターン・オフ
速度を高くするために、n緩衝層68を設けるのが望ま
しい。
【0033】n+埋め込み層66(図13に図示)を使
用して、チャネル/p−基体60間の経路を狭くし、反
転層12が形成するエミッターをもつサイリスターを容
易にトリガーできるようにする。
用して、チャネル/p−基体60間の経路を狭くし、反
転層12が形成するエミッターをもつサイリスターを容
易にトリガーできるようにする。
【0034】図14に、SOI技術において知られてい
るように、シリコン基体71上に形成した、この場合は
酸化物からなる絶縁層70を示す。サファイア基板シリ
コン(SOS)などの別な絶縁層分離(DI)技術も使
用可能である。この構成の場合、p−基体に電流が流れ
ないことが利点であり、反転層サイリスターをより有効
にトリガーできる(カソード側の正孔電流の流れを酸化
物層と溝ゲートとの間に制限できる)。また、不要な電
荷が基体に蓄積することも防止できる。
るように、シリコン基体71上に形成した、この場合は
酸化物からなる絶縁層70を示す。サファイア基板シリ
コン(SOS)などの別な絶縁層分離(DI)技術も使
用可能である。この構成の場合、p−基体に電流が流れ
ないことが利点であり、反転層サイリスターをより有効
にトリガーできる(カソード側の正孔電流の流れを酸化
物層と溝ゲートとの間に制限できる)。また、不要な電
荷が基体に蓄積することも防止できる。
【0035】ラテラルデバイスの動作原理は図1および
図2の場合と同じである。一旦アノード接合をターン・
オンすると、狭いp経路67を通って溝ゲートの下を流
れる正孔電流が反転層/pベース接合を順方向にバイア
スするため、サイリスター(n+反転層12/pベース
62/n−ベース61/p+アノード65)が始動す
る。また、反転層エミッター/pベース接合における拡
散および再結合によりキャリヤ濃度が高くなるため、カ
ソード側のn−ベースにおける電圧降下がかなり小さく
なる。この効果は、n−ベース電圧降下が全体の電圧降
下の主原因である寿命の短いデバイスにとっては重要で
ある。
図2の場合と同じである。一旦アノード接合をターン・
オンすると、狭いp経路67を通って溝ゲートの下を流
れる正孔電流が反転層/pベース接合を順方向にバイア
スするため、サイリスター(n+反転層12/pベース
62/n−ベース61/p+アノード65)が始動す
る。また、反転層エミッター/pベース接合における拡
散および再結合によりキャリヤ濃度が高くなるため、カ
ソード側のn−ベースにおける電圧降下がかなり小さく
なる。この効果は、n−ベース電圧降下が全体の電圧降
下の主原因である寿命の短いデバイスにとっては重要で
ある。
【0036】また、反転層において正孔と電子が再結合
するため、カソード端子に達する正孔電流が少なくな
る。この結果、ラッチアップ効果が減少し、順方向にバ
イアスされる安全な動作エリアが広くなる。また、溝ゲ
ートの使用を理由とする静的ラッチアップおよび動的ラ
ッチアップに対する不活性性が高くなる。
するため、カソード端子に達する正孔電流が少なくな
る。この結果、ラッチアップ効果が減少し、順方向にバ
イアスされる安全な動作エリアが広くなる。また、溝ゲ
ートの使用を理由とする静的ラッチアップおよび動的ラ
ッチアップに対する不活性性が高くなる。
【0037】前の場合と同様に、比較的高度にドーピン
グしたp領域内部に溝本体を設けるので、ブロッキング
モードにおける高い電界から保護できる。図12、13
および14に示した構成では、多数の溝を一つのデバイ
スに設けることができるが、これらが相互に離れている
と、底角部における高い電界が重大な問題になる。とこ
ろが、このようなデバイスに反転層注入という考えを適
用し、p領域内部に溝本体を設けると、この問題はほと
んど解決できる。
グしたp領域内部に溝本体を設けるので、ブロッキング
モードにおける高い電界から保護できる。図12、13
および14に示した構成では、多数の溝を一つのデバイ
スに設けることができるが、これらが相互に離れている
と、底角部における高い電界が重大な問題になる。とこ
ろが、このようなデバイスに反転層注入という考えを適
用し、p領域内部に溝本体を設けると、この問題はほと
んど解決できる。
【0038】同様な構成(即ち、p領域内部に溝本体を
設ける構成など)に基づけば、溝ゲート幅を広くして
も、降伏性能に影響はないどころではなく、オン状態特
性が向上する。デバイス端子は三つに過ぎず、従ってゲ
ート制御が容易になり、ラッチアップ効果が減少し、安
全な動作エリアが広くなり、カソード側の幾何学的キャ
リヤ分布がサイリスターのそれに近くなる。
設ける構成など)に基づけば、溝ゲート幅を広くして
も、降伏性能に影響はないどころではなく、オン状態特
性が向上する。デバイス端子は三つに過ぎず、従ってゲ
ート制御が容易になり、ラッチアップ効果が減少し、安
全な動作エリアが広くなり、カソード側の幾何学的キャ
リヤ分布がサイリスターのそれに近くなる。
【0039】図14に示したデバイスをシュミレーショ
ンしたところ、図15に示す結果が得られた。溝ゲート
の領域の反転層注入モードにおける電流ラインを図示し
てある。
ンしたところ、図15に示す結果が得られた。溝ゲート
の領域の反転層注入モードにおける電流ラインを図示し
てある。
【0040】基体に過剰な電荷が蓄積しないSOI技術
を使用しているため、デバイスのターン・オフ速度が非
常に高い。
を使用しているため、デバイスのターン・オフ速度が非
常に高い。
【0041】ラテラル構成の別な例を図16、17およ
び18に示す。これらの構成例では、アノードにさらに
n+表面領域72を設けて、これとp+アノードとの間
に形成するpn接合をアノード電極によって電気的に短
絡する。これによってアノード側の注入が減少するた
め、オン状態電圧降下が大きくなる。ところが、ターン
・オフ時にはアノード注入効率が低くなり、また電子電
荷が蓄積するため、ターン・オフ速度が非常に速くな
る。
び18に示す。これらの構成例では、アノードにさらに
n+表面領域72を設けて、これとp+アノードとの間
に形成するpn接合をアノード電極によって電気的に短
絡する。これによってアノード側の注入が減少するた
め、オン状態電圧降下が大きくなる。ところが、ターン
・オフ時にはアノード注入効率が低くなり、また電子電
荷が蓄積するため、ターン・オフ速度が非常に速くな
る。
【図1】本発明実施態様の断面図である。
【図2】本発明実施態様の断面図である。
【図3】これら実施態様の動作を説明する説明図であ
る。
る。
【図4】これら実施態様の動作を説明する説明図であ
る。
る。
【図5】これら実施態様の動作を説明する説明図であ
る。
る。
【図6】別な実施態様を示す図である。
【図7】別な実施態様を示す図である。
【図8】別な実施態様を示す図である。
【図9】別な実施態様を示す図である。
【図10】別な実施態様を示す図である。
【図11】別な実施態様を示す図である。
【図12】本発明のラテラルデバイスを示す図である。
【図13】本発明のラテラルデバイスを示す図である。
【図14】本発明のラテラルデバイスを示す図である。
【図15】上記に関する説明図である。
【図16】本発明のラテラルデバイスの別な実施態様を
示す図である。
示す図である。
【図17】本発明のラテラルデバイスの別な実施態様を
示す図である。
示す図である。
【図18】本発明のラテラルデバイスの別な実施態様を
示す図である。
示す図である。
1 カソード電極 2 第1面 3 アノード電極 4 第2面 5 n−領域 6、7 薄層 8 p形半導体領域 9 溝 10 酸化物層 11 n形領域 12 反転層 13 n+領域 14 ゲート電極領域 15 酸化物層 16 電界効果酸化物層 20 埋め込みp領域 21 n−ベース領域 22 n−ベース 30、31 p領域 32、33 カソード 34 蓄積層エミッター 40 n−層 41、42 上下部分 50、51、52 溝 53 p領域 G1 DMOSゲート G2 溝ゲート 56、57 MOSFET素子 60 p−基体 61 n−エピタキシャル層 62 p−井戸 63 n+領域 64 カソード電極 65 p+アノード 66 n+埋め込み層 68 n緩衝層 70 絶縁層 71 シリコン基体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フローリン ウドレイ イギリス,シービー3 オージェイジー ケイムブリッジ,ガートン カレッジ,オ ーチャード ロッジ(番地なし)
Claims (16)
- 【請求項1】 動作領域の第1面から一つかそれ以上の
溝を延設し、上記溝の壁領域に設けた、第1導電率形の
第1半導体領域に反転層を形成する電界効果ゲート電極
によって両端の電流が制御可能な少なくとも一つのpn
接合を配設し、上記第1面から離れている上記溝の少な
くとも底部分を上記第1半導体領域に設けるとともに、
上記第1領域と上記の第1導電率形であるアノードとの
間に設けた第2導電率形の第2半導体領域に上記第1領
域を隣接配設し、使用のさいに上記ゲート電極を動作さ
せて、上記反転層によって上記第1領域および上記第2
領域へのキャリヤ注入を開始することによって、上記反
転層が存在している間、この反転層がサイリスターのエ
ミッターとして作用するサイリスター作用を発生する半
導体トレンチデバイス。 - 【請求項2】 動作領域の第1面から一つかそれ以上の
溝を延設し、上記溝の壁領域に設けた、隣接第1p形領
域に反転層を形成する電界効果ゲート電極によって両端
の電流が制御可能な少なくとも一つのpn接合を配設
し、上記第1面から離れている上記溝の少なくとも底部
分を上記第1p形領域に設けるとともに、上記第1p形
領域とアノード第2n形領域との間に設けたn形領域に
上記第1p形領域を隣接配設し、使用のさいに上記ゲー
ト電極を動作させて、印加する電位に応じて上記ゲート
電極に隣接して上記反転層を形成することによって、上
記第1p形領域および上記n形領域に電子を注入し、上
記反転層が存在している間、この反転層がサイリスター
のエミッターとして作用するサイリスター作用を発生す
る半導体トレンチデバイス。 - 【請求項3】 動作領域の第1面から一つかそれ以上の
溝を延設し、上記溝の壁領域に設けた、隣接第1p形領
域に反転層を形成する電界効果ゲート電極によって両端
の電流が制御可能な少なくとも一つのpn接合を配設
し、上記第1面から離れている上記溝の少なくとも底部
分を上記第1p形領域に設けるとともに、上記第1p形
領域とアノード第2n形領域との間に設けた第1n形領
域に上記第1p形領域を隣接配設し、使用のさいに上記
ゲート電極を動作させて、印加する電位に応じて上記ゲ
ート電極に隣接して上記反転層を形成することによっ
て、上記反転層が上記ゲート電極の電界効果によって維
持されている間、あるいは間だけ、上記第1p形領域お
よび上記第1n形領域に電子を注入し、上記アノード第
2p形領域に電流を流す半導体トレンチデバイス. - 【請求項4】 上記第1p形領域が、カソード電極によ
って第1p形領域に短絡したカソード第2n形領域を有
する請求項3のデバイス。 - 【請求項5】 さらに別な電界効果ゲート電極素子を設
けて、ゲート電位の制御の下に連続的な反転チャネルを
形成し、デバイスの電流ターン・オン時に、このチャネ
ルを上記カソード第2n形領域から上記n形領域まで延
長する請求項4のデバイス。 - 【請求項6】 上記の別なゲート電極を上記第1面に位
置決めした請求項5のデバイス。 - 【請求項7】 上記の別なゲート電極素子を上記の第1
電界効果ゲート電極に電気的かつ物理的に連続化した請
求項5または6のデバイス。 - 【請求項8】 上記の別なゲート電極を上記の第1電界
効果ゲート電極から物理的に分離した請求項5または6
のデバイス。 - 【請求項9】 上記p形領域を埋設し、この領域と上記
n形領域との界面を上記第1面の下にした請求項4のデ
バイス。 - 【請求項10】 上記溝の横断面形状が実質的に矩形
で、この溝の、上記第1面から離れている2つの底角部
を上記p形領域に設けた請求項4のデバイス。 - 【請求項11】 上記n形領域が上記溝の底壁領域に当
接し、この底領域両側にある上記溝の壁部分をp形領域
に設けた請求項4のデバイス。 - 【請求項12】 上記壁部分が上記溝それぞれの底角部
になる請求項11のデバイス。 - 【請求項13】 上記第1ゲート電極および上記の別な
ゲート電極を電気的に分離することによって、それぞれ
に個々のゲート信号を加えるようにした請求項8のデバ
イス。 - 【請求項14】 上記アノードを上記第1面に設けるこ
とによって、アノード/カソード間においてデバイスに
電流を横方向に流す請求項4のデバイス。 - 【請求項15】 上記p形領域および上記n形領域を共
通の絶縁面に形成した請求項14のデバイス。 - 【請求項16】 上記n形物質がn−導電率形である請
求項4のデバイス。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB9701210.8 | 1997-01-21 | ||
| GB9701210A GB2321337B (en) | 1997-01-21 | 1997-01-21 | Improvements in or relating to semiconductor devices |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10209432A true JPH10209432A (ja) | 1998-08-07 |
Family
ID=10806357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10021415A Pending JPH10209432A (ja) | 1997-01-21 | 1998-01-19 | 半導体デバイスの改良 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6091107A (ja) |
| EP (1) | EP0854518A1 (ja) |
| JP (1) | JPH10209432A (ja) |
| GB (1) | GB2321337B (ja) |
Cited By (5)
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| JP3764343B2 (ja) * | 2001-02-28 | 2006-04-05 | 株式会社東芝 | 半導体装置の製造方法 |
| JP2006344759A (ja) * | 2005-06-08 | 2006-12-21 | Sharp Corp | トレンチ型mosfet及びその製造方法 |
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| CN102169893B (zh) * | 2011-03-10 | 2012-12-05 | 杭州电子科技大学 | 一种具有p埋层的横向沟道soi ligbt器件单元 |
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