JPS6323664B2 - - Google Patents

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JPS6323664B2
JPS6323664B2 JP52118380A JP11838077A JPS6323664B2 JP S6323664 B2 JPS6323664 B2 JP S6323664B2 JP 52118380 A JP52118380 A JP 52118380A JP 11838077 A JP11838077 A JP 11838077A JP S6323664 B2 JPS6323664 B2 JP S6323664B2
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Japan
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drain
semiconductor region
gate
source
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JP52118380A
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JPS5451784A (en
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Junichi Nishizawa
Tadahiro Oomi
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Publication of JPS6323664B2 publication Critical patent/JPS6323664B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D64/00Electrodes of devices having potential barriers
    • H10D64/20Electrodes characterised by their shapes, relative sizes or dispositions 
    • H10D64/27Electrodes not carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched, e.g. gates
    • H10D64/311Gate electrodes for field-effect devices
    • H10D64/411Gate electrodes for field-effect devices for FETs
    • H10D64/511Gate electrodes for field-effect devices for FETs for IGFETs
    • H10D64/512Disposition of the gate electrodes, e.g. buried gates
    • H10D64/513Disposition of the gate electrodes, e.g. buried gates within recesses in the substrate, e.g. trench gates, groove gates or buried gates

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  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ゲート容量を十分少なくかつ導通時
の抵抗が小さくて不飽和型電流電圧特性を示す絶
縁ゲート型静電誘導トランジスタの新規な構造に
関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a novel structure of an insulated gate electrostatic induction transistor that has a sufficiently small gate capacitance, a low resistance during conduction, and exhibits unsaturated current-voltage characteristics.

従来の電界効果トランジスタは、接合型、
MOS型のいずれにおいても、ドレイン電流がド
レイン電圧の増加に対して次第に飽和する飽和型
の電流・電圧特性を示している。
Traditional field effect transistors are junction type,
All MOS types exhibit saturated current-voltage characteristics in which the drain current gradually saturates as the drain voltage increases.

一方、ドレイン電流がドレイン電圧の増加とと
もに増加しつづける静電誘導電界効果トランジス
タ(以下SITと称す)が本願発明者の一人により
特公昭52−6076号「電界効果トランジスタ」、特
公昭52−17720号「電界効果トランジスタ」にお
いて提案された。
On the other hand, a static induction field effect transistor (hereinafter referred to as SIT) in which the drain current continues to increase as the drain voltage increases, was proposed by one of the inventors of the present invention in Japanese Patent Publication No. 52-6076 "Field Effect Transistor" and Japanese Patent Publication No. 52-17720. It was proposed in "Field Effect Transistor".

SITは大電力、高耐圧、大電流、低歪、低雑
音、低消費電力、高速度動作等いずれの面におい
ても優れており、その温度特性をも含めて、従来
のバイポーラトランジスタ及び電界効果トランジ
スタにくらべて、優れた面の極めて多いトランジ
スタである。個別素子として、又集積回路用素子
としてその優秀さはすでに実証され、各方面に新
たな応用分野を切り開いている。高入力インピー
ダンスであるため駆動に要する電力が小さく、か
つ次段と直結できることから集積度を高くでき、
不飽和型電流・電圧特性を示し、変換コンダクタ
ンスが大きく出力インピーダンスが小さいことか
ら、フアン・アウト(fan out)数を多く取れる
等集積回路に極めて適している。
SIT is superior in terms of high power, high withstand voltage, large current, low distortion, low noise, low power consumption, and high speed operation, and is superior to conventional bipolar transistors and field effect transistors, including its temperature characteristics. This is a transistor that has many advantages over other transistors. Its excellence has already been demonstrated both as an individual element and as an element for integrated circuits, and it is opening up new fields of application in various fields. Due to its high input impedance, the power required for driving is small, and it can be directly connected to the next stage, allowing for high integration.
It exhibits unsaturated current/voltage characteristics, large conversion conductance, and small output impedance, making it extremely suitable for integrated circuits that can accommodate a large number of fan outs.

エンハンスモード(Eモード)あるいはエンハ
ンスモードとデイプレツシヨンモード(Dモー
ド)で動作するMOS、MIS静電誘導トランジス
タの基本的構造は、本願発明者が特公昭58−
56270号「絶縁ゲート型静電誘導電界効果トラン
ジスタ及び集積回路装置」及び特公昭61−37799
号「半導体集積回路」、特公昭60−44833号「絶縁
ゲート型静電誘導トランジスタ」においてすでに
明らかにしている。
The basic structure of MOS and MIS static induction transistors that operate in enhancement mode (E mode) or enhancement mode and depletion mode (D mode) was developed by the inventor of the present invention in Japanese Patent Publication No. 58-
No. 56270 “Insulated gate electrostatic induction field effect transistor and integrated circuit device” and Special Publication No. 1987-37799
No. ``Semiconductor Integrated Circuits'' and Japanese Patent Publication No. 60-44833 ``Insulated Gate Type Static Induction Transistor''.

MOS、MIS SITなどの不飽和型電流電圧特性
を示す絶縁ゲート型トランジスタにおいてゲート
容量を減少させるためには、当然のことながら、
チヤンネル上に存在するゲート電極の面積を小さ
くするか、ゲート電極下の絶縁層の厚さを厚くす
るかのいずれかである。絶縁膜を厚くすると反転
層を作つてチヤンネルを導通状態にするに必要な
ゲートの印加電圧(閾値電圧)が高くなるし、ゲ
ート電圧の多くが、絶縁膜に加わつて効率が悪く
動作特性上望ましいことではない。残る方法は、
ゲート電極を小さくすることだけである。ゲート
容量を充分に小さくした構造例の断面図をnチヤ
ンネル型のもので第1図に示す。
Naturally, in order to reduce the gate capacitance of insulated gate transistors such as MOS and MIS SIT that exhibit unsaturated current-voltage characteristics,
Either the area of the gate electrode existing on the channel is reduced, or the thickness of the insulating layer under the gate electrode is increased. If the insulating film is made thicker, the voltage applied to the gate (threshold voltage) necessary to create an inversion layer and make the channel conductive increases, and much of the gate voltage is applied to the insulating film, which is undesirable in terms of operating characteristics. That's not the point. The remaining method is
All that is required is to make the gate electrode smaller. FIG. 1 shows a cross-sectional view of an n-channel type structure with a sufficiently small gate capacitance.

n+ドレイン領域54,64,74側に挿入さ
れる高抵抗領域53′,63′,73′はチヤンネ
ルとなる反対導電型領域52,62,72との拡
散電位差により殆んど空乏層となるように不純物
密度とその長さは選定される。チヤンネルとなる
領域上のSiO2、Si3N4、Al2O3等もしくはこれら
を組み合せた絶縁層55,65,75は薄く設定
され、ゲート電極56,66,76が設けられて
いる。絶縁層厚さは、100Åから数1000Åである。
第1図c,eにおいて、ドレイン領域とp領域基
板の間も主動作領域で空乏層となるように距離が
設定されている。ソース前面の反対導電型領域の
作る電位障壁高さは絶縁層を介したゲート電圧と
ドレイン電圧とにより制御される。チヤンネル領
域の長さと不純物密度は、ドレイン電圧の増加に
つれて空乏層領域がチヤンネル領域にも延びてソ
ース前面の電位障壁を引き下げるように働くよう
になされている。すなわち、n+p接合で作られる
電子に対する電位障壁をドレイン電圧により制御
できるように空乏層がドレイン側からソース側に
延びるようになされている。極端な場合には、ド
レイン側からの空乏層が完全にソース領域に到達
して、ソース前面の電位障壁が殆んど無くなる場
合もある。チヤンネル領域の不純物密度にドレイ
ンに向うにつれて密度が低くなるような分布を持
たせることも、電位障壁のある固有ゲート位置を
ソース前面に近付けて、ソースから固有ゲートま
での直列抵抗を充分減少させて電流の立ち上りを
顕著にさせる。
The high resistance regions 53', 63', 73' inserted on the side of the n + drain regions 54, 64, 74 almost become depletion layers due to the difference in diffusion potential with the opposite conductivity type regions 52, 62, 72 which become channels. The impurity density and its length are selected as follows. The insulating layers 55, 65, 75 made of SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 or a combination thereof on the channel region are set thin, and gate electrodes 56 , 66 , 76 are provided. The thickness of the insulating layer is from 100 Å to several 1000 Å.
In FIGS. 1c and 1e, the distance is set so that the drain region and the p-region substrate also form a depletion layer in the main operating region. The height of the potential barrier created by the opposite conductivity type region in front of the source is controlled by the gate voltage and drain voltage via the insulating layer. The length and impurity density of the channel region are such that as the drain voltage increases, the depletion layer region extends into the channel region and acts to lower the potential barrier in front of the source. That is, the depletion layer extends from the drain side to the source side so that the potential barrier to electrons created at the n + p junction can be controlled by the drain voltage. In extreme cases, the depletion layer from the drain side may completely reach the source region, and the potential barrier in front of the source may almost disappear. It is also possible to create a distribution in the impurity density in the channel region such that the density decreases toward the drain, or to move the specific gate position where the potential barrier is closer to the front of the source to sufficiently reduce the series resistance from the source to the specific gate. Makes the rise of the current noticeable.

第1図に示された構造のMOS、MIS SITなど
の不飽和型電流電圧特性を示す絶縁ゲート型トラ
ンジスタは、ドレイン電圧に対するドレイン電流
の立ち上りが早く起る特徴を有している。ゲート
電極が所要のチヤンネルの上だけに設けられてい
て面積が小さいためゲート・基板間容量、ゲー
ト・ドレイン間容量が極端に小さくなり、高速度
動作するに極めて適している。また、ゲート容量
が非常に小さくなるため駆動に要する電力が小さ
くなり、同一駆動能力を持つインバータや論理ゲ
ート、クロツクパルス発生器などから取れるフア
ン・アウト数が多くなる。また、ゲート電極下の
絶縁層を薄くするか、または誘電率を大きくする
などしてゲート電極に加わる電圧がほとんどチヤ
ンネル部の半導体に加わるようにすれば、ソース
からドレイン側に注入されるキヤリア量のゲート
電圧による制御は、バイポーラトランジスタに近
くなり、チヤンネル部の電位障壁を通り越えたキ
ヤリアのドレインまでの流れ方はバイポーラトラ
ンジスタとまつたく同じであるから、第1図の
MOS、MIS SITなどの不飽和型電流電圧特性を
示す絶縁ゲート型トランジスタの変換コンダクタ
ンスはバイポーラトランジスタの値に近く、極め
て大きな値とすることができ、かつ出力インピー
ダンスが小さいからフアン・アウト数を多くする
ことができる。しかしながら、従来のMOS、
MIS SITにおいてはチヤンネル領域がゲートの
近傍だけに限定されていないために(第1図中5
2,62,72等の領域)、ソースからチヤンネ
ルに注入されるキヤリアの一部がゲート電圧によ
つて制御されずに、変換コンダクタンス(Gm=
2ID/2VG)の極大化が計られていない。
Insulated gate transistors exhibiting unsaturated current-voltage characteristics, such as MOS and MIS SIT having the structure shown in FIG. 1, have a characteristic that the drain current rises quickly with respect to the drain voltage. Since the gate electrode is provided only on the required channel and the area is small, the capacitance between the gate and the substrate and the capacitance between the gate and the drain are extremely small, making it extremely suitable for high-speed operation. Furthermore, since the gate capacitance becomes very small, the power required for driving becomes small, and the number of fan-outs that can be obtained from an inverter, logic gate, clock pulse generator, etc. having the same driving capability increases. In addition, if the voltage applied to the gate electrode is applied mostly to the semiconductor in the channel area by thinning the insulating layer under the gate electrode or increasing its dielectric constant, the amount of carriers injected from the source to the drain side can be reduced. The control by the gate voltage is similar to that of a bipolar transistor, and the flow of carriers passing through the potential barrier in the channel section to the drain is exactly the same as that of a bipolar transistor.
The conversion conductance of insulated gate transistors, such as MOS and MIS SIT, which exhibit unsaturated current-voltage characteristics, is close to that of bipolar transistors and can be made to an extremely large value, and their output impedance is small, allowing for a large number of fan-outs. can do. However, traditional MOS,
In MIS SIT, the channel region is not limited to the vicinity of the gate (5 in Figure 1).
2, 62, 72, etc.), some of the carriers injected from the source into the channel are not controlled by the gate voltage, and the conversion conductance (Gm =
2I D /2V G ) is not maximized.

すなわち、キヤリアがゲートの近傍だけでな
く、ソース領域の底部等からもチヤンネル領域に
注入され、これらのキヤリアは、ゲート電圧によ
つて制御されないために、Gmの低下がおこつて
いるのである。
That is, carriers are injected into the channel region not only from the vicinity of the gate but also from the bottom of the source region, etc., and these carriers are not controlled by the gate voltage, resulting in a decrease in Gm.

本発明の目的は、上記の欠点を補いゲート容
量、ドレイン容量が小さく変換コンダクタンスの
大きい不飽和型電流−電圧特性を示す絶縁ゲート
型トランジスタの新規な構造を提供することにあ
る。
An object of the present invention is to provide a novel structure of an insulated gate transistor that compensates for the above-mentioned drawbacks and exhibits unsaturated current-voltage characteristics with small gate capacitance and drain capacitance and large conversion conductance.

まず、第2図に示すような金属113−絶縁層
112−半導体111から成るMOS構造の電位、
電界分布について簡単に述べる。絶縁層の厚さ
l2、誘電率ε2、半導体の不純物密度ND、誘電率ε1
とする。空間座標xを絶縁層・半導体の境界から
半導体に向けてとる。拡散電位も含めて、金属・
半導体間に加わる逆バイアス(半導体111がn
形であるこの例では負電圧)をVaとし、絶縁層
に加わる電圧V0、電界E0、半導体内の電界E
(x)、電位V(x)、空乏層幅Wとすると、それぞ
れの値は、昭和52年7月10日(株)工業調査会より発
行された「半導体研究(13巻)」4章「タンネツ
ト」第93頁乃至第95頁で明らかにしたように、 で与えられる。ただし、 Wa2=2ε1Va/NDe、−eは単位電荷である。
First, the potential of the MOS structure consisting of metal 113 - insulating layer 112 - semiconductor 111 as shown in FIG.
Let's briefly discuss electric field distribution. insulation layer thickness
l 2 , dielectric constant ε 2 , semiconductor impurity density N D , dielectric constant ε 1
shall be. The spatial coordinate x is taken from the boundary between the insulating layer and the semiconductor toward the semiconductor. Metals, including diffusion potential.
Reverse bias applied between semiconductors (semiconductor 111 is n
(negative voltage in this example) is V a , the voltage applied to the insulating layer V 0 , the electric field E 0 , and the electric field E in the semiconductor
(x), potential V(x), and depletion layer width W, the respective values are shown in Chapter 4 of "Semiconductor Research (Volume 13)" published by Kogyo Research Association Co., Ltd. on July 10, 1978. As clarified on pages 93 to 95 of “Tannet”, is given by However, Wa 2 =2ε 1 V a / ND e, -e is a unit charge.

絶縁層厚さをたとえば500ÅのSiO2膜とする
と。ND1×1015cm-3以下であれば、1V以上の
Vaに対して80%以上の電圧が半導体に印加され、
半導体内の電位分布を制御する。当然のことなが
ら、NDが小さいほど半導体部に加わる電圧の割
合は増加し、より内部の電位まで制御されるよう
になる。絶縁層厚さをたとえば500ÅのSiO2とす
ると、Va=1Vとしたときの空乏層は、ND=1×
1013cm-3、1×1014cm-3、1×1015cm-3に対して、
それぞれ11μm、3.5μm、1μm程度の深さまで到
達する。
Let's say that the insulating layer is a SiO 2 film with a thickness of 500 Å. N D 1×10 15 cm -3 or less, 1V or more
A voltage of 80% or more with respect to Va is applied to the semiconductor,
Controls the potential distribution within a semiconductor. Naturally, the smaller N D is, the higher the proportion of voltage applied to the semiconductor portion is, and the more internal potential can be controlled. For example, if the thickness of the insulating layer is 500 Å SiO 2 , the depletion layer when Va = 1V is N D = 1×
For 10 13 cm -3 , 1×10 14 cm -3 , 1×10 15 cm -3 ,
They reach depths of approximately 11 μm, 3.5 μm, and 1 μm, respectively.

もちろん、ゲートに加える逆バイアスが大きく
なつて半導体表面に反転層が生じて、ホールが存
在するようになれば、空乏層幅Wは前述した式の
値より小さくなる。表面からの空乏層が及ばない
ところの電流はゲートでは制御できないから、変
換コンダクタンスGmを大きくするためには、電
流の流れるところが、ゲートからの空乏層の及ぶ
範囲に限定されなければならない。すなわち、チ
ヤンネル領域をゲート電圧の及ぶ範囲の厚さにし
なければならない。例えば、上記の説明で明らか
な如くチヤンネル領域の不純物密度がND=1×
1013cm-3、1×1014cm-3、1×1015cm-3に対して、
少なくともチヤンネル領域のソース近傍の厚さを
11μm、3.5μm、1μmより薄くした方がGmを大
きくできるということである。これを実現するた
めには、ソースからのキヤリアに対しての障壁の
高さをゲート近傍のみ低くして、そこをチヤンネ
ル領域とすることである。すなわち、ソースを
n+領域とすると、n+p-接合における障壁高さの
方が、n+p接合の障壁高さより低くなるので、ゲ
ートの下のみn+p-接合とし、ソースの下部はn+p
とすればよい。こうすると、n+p-接合とn+p接合
が並列に配置されているのでキヤリアはn+p-
合の方に多く流れるようになる。そしてこのp-
領域のチヤンネル領域の厚さは、先に述べた厚さ
にすれば、ソースからの注入キヤリアをゲート電
圧により効率よく制御ができ、Gmを大きくする
ことが可能なのである。このようにGmを大きく
すべく構成したMOS−SITの具体例をnチヤン
ネルの場合を例にとつて、第3図により説明す
る。
Of course, if the reverse bias applied to the gate becomes large and an inversion layer is generated on the semiconductor surface and holes are present, the depletion layer width W becomes smaller than the value of the above-mentioned formula. Since the gate cannot control the current beyond the reach of the depletion layer from the surface, in order to increase the conversion conductance Gm, the current flow must be limited to the range from the gate to the depletion layer. That is, the thickness of the channel region must be within the range covered by the gate voltage. For example, as is clear from the above explanation, the impurity density in the channel region is N D =1×
For 10 13 cm -3 , 1×10 14 cm -3 , 1×10 15 cm -3 ,
At least the thickness near the source in the channel region
This means that Gm can be increased by making it thinner than 11 μm, 3.5 μm, or 1 μm. In order to achieve this, the height of the barrier against carriers from the source is lowered only in the vicinity of the gate, and that area is used as a channel region. That is, the source
If it is an n + region, the barrier height at the n + p - junction is lower than that at the n + p junction, so only the n + p - junction is formed under the gate, and the region below the source is n + p.
And it is sufficient. In this case, since the n + p -junction and the n + p junction are arranged in parallel, more carriers will flow toward the n + p - junction. And this p -
If the thickness of the channel region of the region is set to the thickness described above, carriers injected from the source can be efficiently controlled by the gate voltage, and Gm can be increased. A specific example of a MOS-SIT configured to increase Gm in this way will be explained using FIG. 3, taking an n-channel case as an example.

n+領域121,123はソース、ドレイン領
域、p-領域122はチヤンネルとなる領域、p
領域125は基板、121′,123′はソース・
ドレインの電極、124はゲート電極である。1
26は絶縁層であり、ゲート電極の下は薄くなさ
れている。各領域の不純物密度は、それぞれ12
1,123:1017〜1021cm-3、122:1013〜1016
cm-3、125:1015〜1018cm-3程度である。MOS
SITなどの不飽和型電流電圧特性を示す絶縁ゲー
ト型トランジスタは、ソース領域の多数キヤリア
が直接ドレイン側空乏層に注入されるデバイスで
あるから、ソース領域の密度は高い程望ましい。
ゲート電極の下の絶縁層厚さは薄くなされてお
り、100Åから数1000Åの範囲の所望の値に設定
される。領域122の不純物密度は、所定のドレ
イン電圧を印加すると容易にドレイン側から空乏
層が延びてソース近傍もしくはソース領域内に到
達し、ソース近傍のn+p接合により生じる電位障
壁を制御するような値に選定されている。この電
位障壁がゲートにより制御されることは前述した
通りである。ドレイン電圧の増加により電位障壁
高さは引き下げられるから、ソース側からドレイ
ン側にこの引き下げられた障壁を越えて注入され
る電子の量は増加する。障壁を越える電子の量
は、ほぼ指数関数的に支配されるから、低電流に
おいては、電流はゲート電圧に対しても、ドレイ
ン電圧に対しても指数関数則に従つて増加する。
ドレイン電流が大きくなるとソースから電位障壁
までの直列抵抗による負帰還作用が顕著になつ
て、電流電圧特性は指数関数則からずれる。もち
ろん、ドレイン側空乏層における空間電荷効果
も、非常に大きなドレイン電流になれば効いてく
る。ゲートの正電圧を深くして、表面に反転層が
生じるほどになると、抵抗的に流れる電流もドレ
イン電流に含まれてくる。第3図aは、ソース・
ドレインがp-領域中に作られた例である。集積
度が上がつて、隣り合う絶縁ゲート型トランジス
タのソースやドレインの間でパンチングスルーも
しくはパンチスルー電流が流れることを防ぐため
の構造が第3図bである。チヤンネル部とドレイ
ンのまわりが高抵抗p-領域になつている。ドレ
インのまわりがp-領域になつているのは、ドレ
インの容量を減少させるためである。基板は、ソ
ースと同電位に保たれて使われる場合が多い。そ
うすると、第3図a,bの場合、電子は基板から
はなれた表面近傍にだけ限定されて流れるように
なる。表面伝導の場合、移動度も小さく抵抗も大
きくなり易い。ソース側から注入された電子は、
表面からは離れて拡がつて流れた方が、移動度も
大きく抵抗も小さくなり易い、そのことを実現し
た例が第3図cである。すなわち、ドレイン側に
行くに従つて、p-領域が広くなりかつp領域1
25はドレイン領域に接していない構造になつて
いる。こうした構造では、抵抗が小さくなるだけ
ではなく、ドレイン容量も減少して高速度動作が
一層顕著になる。しかしながら第3図a〜cの例
における従来のMOS−SITにおいては、ソース
が高不純物密度のp領域に接しているのでソース
容量が大きい欠点があつた。
n + regions 121 and 123 are source and drain regions, p - region 122 is a channel region, p
Region 125 is the substrate, 121' and 123' are the source.
The drain electrode 124 is a gate electrode. 1
Reference numeral 26 denotes an insulating layer, which is made thin under the gate electrode. The impurity density of each region is 12
1,123:10 17 ~10 21 cm -3 , 122:10 13 ~10 16
cm -3 , 125: about 10 15 to 10 18 cm -3 . M.O.S.
Insulated gate transistors exhibiting unsaturated current-voltage characteristics such as SIT are devices in which majority carriers in the source region are directly injected into the drain-side depletion layer, so the higher the density of the source region, the better.
The thickness of the insulating layer under the gate electrode is made thin and is set to a desired value in the range of 100 Å to several thousand Å. The impurity density in the region 122 is such that when a predetermined drain voltage is applied, a depletion layer easily extends from the drain side and reaches the vicinity of the source or inside the source region, controlling the potential barrier caused by the n + p junction near the source. The value has been selected. As described above, this potential barrier is controlled by the gate. Since the potential barrier height is lowered by increasing the drain voltage, the amount of electrons injected from the source side to the drain side across this lowered barrier increases. Since the amount of electrons crossing the barrier is governed approximately exponentially, at low currents the current increases according to an exponential law with respect to both the gate voltage and the drain voltage.
As the drain current increases, the negative feedback effect due to the series resistance from the source to the potential barrier becomes significant, and the current-voltage characteristics deviate from the exponential law. Of course, the space charge effect in the drain-side depletion layer also comes into play when the drain current becomes very large. When the positive voltage on the gate is made deep enough to form an inversion layer on the surface, the current flowing resistively will also be included in the drain current. Figure 3a shows the source
This is an example where the drain is made in the p -region . FIG. 3b shows a structure for preventing punch-through or punch-through current from flowing between the sources and drains of adjacent insulated gate transistors as the degree of integration increases. There is a high resistance p - region around the channel and drain. The reason why the drain is surrounded by a p - region is to reduce the drain capacitance. The substrate is often kept at the same potential as the source. Then, in the cases shown in FIGS. 3a and 3b, electrons flow only in the vicinity of the surface away from the substrate. In the case of surface conduction, mobility is low and resistance tends to be high. Electrons injected from the source side are
If the flow spreads away from the surface, the mobility will be higher and the resistance will be lower. An example of achieving this is shown in Figure 3c. That is, as you go towards the drain side, the p - region becomes wider and the p region 1
25 has a structure in which it is not in contact with the drain region. In such a structure, not only resistance is reduced, but drain capacitance is also reduced, making high-speed operation even more pronounced. However, the conventional MOS-SIT shown in the examples shown in FIGS. 3a to 3c had the disadvantage that the source capacitance was large because the source was in contact with the p-region having a high impurity density.

また、隣り合うSITのソースやドレイン間のパ
ンチングスルー電流が流れやすい欠点があつた。
本発明の目的は従来のMOS−SITの前述したよ
うな欠点を克服するためにさらに改良した構造を
提供するものである。
Another drawback was that punching-through current easily flows between the sources and drains of adjacent SITs.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a further improved structure to overcome the above-mentioned drawbacks of conventional MOS-SIT.

以下本発明の絶縁ゲート型静電誘導トランジス
タについて詳細に説明する。
The insulated gate static induction transistor of the present invention will be explained in detail below.

第4図に本発明の絶縁ゲート型静電誘導トラン
ジスタの具体例の断面図を示す。n+領域121,
123はソース、ドレイン領域、p領域122は
チヤンネルとなる領域、p領域122′はp領域
122よりは不純物密度は高いが、p+基板12
5′よりは不純物密度が低い領域、n-領域12
2″はドレイン側に挿入された高抵抗層である。
121′,124,123′はそれぞれソース電
極、ゲート電極、ドレイン電極で、126は絶縁
層で、ゲート電極の下は薄くなされている。各領
域の不純物密度は、それぞれ、121,123:
1017〜1021cm-3、122:1014〜1016cm-3、12
2′:1015〜1018cm-3、122″:1012〜1015cm-3
125′:1017〜1020cm-3程度である。第4図の例
はソース領域121が高不純物密度のp-領域1
25′に直接接触せず、125′よりは低不純物密
度のp領域122′と接しているためにソース容
量も第3図a〜cに示した従来のMOS−SITに
比して小さくなつている。ドレイン側とドレイン
と同導電型の高抵抗領域すなわち補助ドレイン領
域が設けられていて、ドレイン容量は小さく、ソ
ース側から注入された電子は、n-領域の上にゲ
ート電極が設けられていないから、表面から相当
離れた所まで拡がつて流れるようになる。チヤン
ネルとなるp領域はソース近傍にのみ設けられ、
第3図a〜cのものにくらべれば不純物密度は高
くなされている。ドレインに電圧が印加される
と、p領域に空乏層が延びてソース近傍もしくは
ソース領域内に到達するようになされている。こ
の構造のものは、抵抗が小さくて電流が流れ易
く、かつドレイン容量、ゲート容量が小さいの
で、変換コンダクタンスの大きいこととあいまつ
て高速度動作に適している。第3図のソース近傍
のキヤリアが流れる深さは、ゲート電圧の影響
が、及ぶ範囲になされていることはもちろんであ
る。注入されたキヤリアを表面から離れた所を伝
導させるべくゲート電極がソース近傍にだけ設け
られているから、ドレイン領域に近い側ではゲー
ト電極により表面電位が引き下げられてその部分
をキヤリアが流れるということがなくなり、結晶
内部にキヤリアが拡がつて流れる。隣り合うSIT
のソースやドレイン間にパンチングスルーもしく
はパンチスルー電流は比較的高不純物密度のp領
域122′の効果により非常に小さくなつている。
FIG. 4 shows a sectional view of a specific example of the insulated gate type static induction transistor of the present invention. n + area 121,
123 is a source and drain region, p region 122 is a region that becomes a channel, p region 122' has a higher impurity density than p region 122, but p + substrate 12
A region with lower impurity density than 5', n - region 12
2'' is a high resistance layer inserted on the drain side.
Reference numerals 121', 124, and 123' are a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode, respectively. Reference numeral 126 is an insulating layer, which is formed thinly below the gate electrode. The impurity density of each region is 121 and 123, respectively:
10 17 ~ 10 21 cm -3 , 122: 10 14 ~ 10 16 cm -3 , 12
2': 10 15 ~ 10 18 cm -3 , 122'': 10 12 ~ 10 15 cm -3 ,
125': about 10 17 to 10 20 cm -3 . In the example of FIG. 4, the source region 121 is a p - region 1 with high impurity density.
Since it is not in direct contact with 25' and is in contact with p-region 122', which has a lower impurity density than 125', the source capacitance is also smaller than in the conventional MOS-SIT shown in Figures 3a to 3c. There is. A high-resistance region of the same conductivity type as the drain, that is, an auxiliary drain region, is provided on the drain side, and the drain capacitance is small, and electrons injected from the source side can be absorbed because there is no gate electrode above the n - region. , it spreads and flows quite far from the surface. The p-region that becomes the channel is provided only near the source,
The impurity density is higher than those in FIGS. 3a to 3c. When a voltage is applied to the drain, a depletion layer extends in the p region and reaches the vicinity of the source or into the source region. This structure has a small resistance, allows current to flow easily, and has a small drain capacitance and gate capacitance, which, together with a large conversion conductance, makes it suitable for high-speed operation. Needless to say, the depth at which carriers flow near the source in FIG. 3 is set within the range that is affected by the gate voltage. Since the gate electrode is provided only near the source in order to conduct the injected carriers away from the surface, the surface potential is lowered by the gate electrode on the side near the drain region, and carriers flow through that part. disappears, and the carrier expands and flows inside the crystal. Adjacent SITs
The punch-through or punch-through current between the source and drain of the transistor is extremely small due to the effect of the relatively high impurity density p region 122'.

本発明のMOS、MIS SITなどの不飽和型電流
電圧特性を示す絶縁ゲート型トランジスタで反転
層が生じる方向にゲート電圧を印加したときに、
キヤリアの注入は表面でもつとも激しく起るが、
チヤンネルが比較的高抵抗領域で作られているか
ら、注入されるキヤリアの空間電荷効果により実
質的にチヤンネル幅が拡がり、広い面積に亘り、
有効にキヤリアが注入される。
When a gate voltage is applied in the direction in which an inversion layer is generated in an insulated gate transistor exhibiting unsaturated current-voltage characteristics such as MOS or MIS SIT of the present invention,
Although carrier injection occurs violently even on the surface,
Since the channel is made of a relatively high resistance region, the space charge effect of the injected carriers substantially widens the channel width, covering a large area.
Carrier is effectively injected.

本発明のMOS、MIS SITなどの不飽和型電流
電圧特性を示す絶縁ゲート型トランジスタが、集
積回路(ロジツクやメモリ)に応用できること
は、たとえば、特公昭60−44833号「絶縁ゲート
型静電誘導トランジスタ」に述べられている通り
である。NORゲート・NANDゲート、相補型回
路等すべて構成できる。構成時の回路構成はそれ
らに述べられている。
The fact that the insulated gate transistors of the present invention, such as MOS and MIS SIT, exhibiting unsaturated current-voltage characteristics can be applied to integrated circuits (logic and memory) is described in Japanese Patent Publication No. 60-44833, "Insulated Gate Static Induction As stated in "Transistor". NOR gates, NAND gates, complementary circuits, etc. can all be configured. The circuit configuration at the time of construction is described therein.

たとえば、相補型回路については、特公昭60−
44833号の第7図、相補型構成のスタテイツク
RAMは同第14図に示されている。同じく、
NANDゲートの例が第8図b、第9図b、NOR
ゲートの例が第8図a及び第9図bに示されてい
る。いずれの回路構成においても、ゲート容量が
小さく、変換コンダクタンスが大きく、かつ導通
時の出力インピーダンスが小さくなされた、本発
明の絶縁ゲート型トランジスタの特長が充分生か
されて、きわめて高速度の動作が行えることにな
る。
For example, regarding complementary circuits,
Figure 7 of No. 44833, Statistic of complementary configuration
The RAM is shown in FIG. Similarly,
Examples of NAND gates are Figure 8b, Figure 9b, NOR
Examples of gates are shown in Figures 8a and 9b. In either circuit configuration, the characteristics of the insulated gate transistor of the present invention, which has a small gate capacitance, a large conversion conductance, and a small output impedance when conducting, are fully utilized, allowing extremely high-speed operation. It turns out.

本発明のMOS、MIS SITなどの不飽和型電流
電圧特性を示す絶縁ゲート型トランジスタの構造
は、第4図に示した実施例に限られるものではな
い。導電型をまつたく反転したものでもよいし、
pp-境界の形状もこうしたものに限らない。要す
るに、ソースからドレインに至るチヤンネル中
に、主動作状態で電位障壁がソース直前もしくは
近傍に生じていて、その電位障壁高さが、ゲート
電圧、ドレイン電圧によつて有効に制御され、極
端な場合には殆んど無くなるような構造なら如何
なるものでもよいのである。たとえば、半導体基
板にV字型やU字型の切り込み領域を設けた表面
に沿つて、構成してもよいのである。このように
V字型やU字型に切り込まれた領域に沿つてゲー
トが設けられる場合には、ソース領域及びドレイ
ン領域は、第3図や第4図のように半導体基板の
同一主表面に設けることはできない。どちらか一
方の領域は、反対側主表面に設けるか、あるいは
基板中の埋込み領域として形成される。第4図に
おいてチヤンネルを構成するp-領域122の不
純物密度がドレインからソースに向うに従つて高
くなるように構成しているので、ソース直前もし
くは近傍に電位障壁を作りしかも、そのピークが
鋭くできて有効である。p+領域125′の不純物
密度もドレインからソースに向うに従つて高くな
るように構成すればさらにその効果は大きくな
る。
The structure of an insulated gate transistor exhibiting unsaturated current-voltage characteristics such as MOS or MIS SIT according to the present invention is not limited to the embodiment shown in FIG. 4. The conductivity type may be reversed, or
The shape of the pp - boundary is not limited to these shapes either. In short, in the channel from the source to the drain, a potential barrier occurs in front of or near the source in the main operating state, and the height of the potential barrier is effectively controlled by the gate voltage and drain voltage. Any structure that causes almost no damage to the surface may be used. For example, it may be constructed along the surface of a semiconductor substrate provided with a V-shaped or U-shaped cut region. When a gate is provided along a region cut into a V-shape or a U-shape in this way, the source region and drain region are formed on the same main surface of the semiconductor substrate as shown in FIGS. 3 and 4. cannot be set in Either region is provided on the opposite main surface or is formed as a buried region in the substrate. In FIG. 4, the impurity density of the p - region 122 constituting the channel is configured to increase from the drain to the source, so a potential barrier is created in front of or near the source, and its peak becomes sharp. It is valid. If the impurity density of the p + region 125' is configured to increase from the drain to the source, the effect will be further enhanced.

以上述べたMOS、MIS SITなどの不飽和型電
流電圧特性を示す絶縁ゲート型トランジスタは、
全てこれまで公知の結晶技術、拡散技術、イオン
打ち込み技術、微細加工技術、選択拡散、選択エ
ツチング、選択成長、選択酸化等により製造する
ことができる。
The insulated gate transistors that exhibit unsaturated current-voltage characteristics, such as MOS and MIS SIT mentioned above, are
All of these can be manufactured by conventionally known crystal techniques, diffusion techniques, ion implantation techniques, microfabrication techniques, selective diffusion, selective etching, selective growth, selective oxidation, and the like.

本発明のMOS、MIS SITなどの不飽和型電流
電圧特性を示す絶縁ゲート型トランジスタは、ソ
ース近傍のチヤンネルとなるべき領域に主動作状
態で電位障壁(固有ゲート)が生じる構造になさ
れており、固有ゲートからドレインまでは高抵抗
領域になつていて空乏層化しており、キヤリアは
ドリフト走行する。チヤンネル部は、ゲートによ
る電位制御が有効に効果を持つような寸法と不純
物密度になされている。特に本発明では、チヤン
ネル領域とソース領域の下部にチヤンネル領域と
同導電型で、かつ、チヤンネル領域の不純物密度
より高い周辺領域を設けたことにより、従来の
MOS−SITに比べて、更にGmを大きくした。
又、少なくともチヤンネル領域の一部において、
ゲートに印加されるゲート電圧によつてチヤンネ
ル領域の厚さ方向が空乏化される如く、不純物密
度、寸法を製作することによつてもGmが大きく
なる。このように構成することにより、ゲート容
量を充分小さくでき、又ソース・基板間容量およ
びドレイン・基板間容量を充分小さくできる上
に、小さなドレイン電圧で充分大きな電流が立ち
上がり変換コンダクタンスを大きくでき、かつ出
力インピーダンスが小さいから、極めて低電力か
つ高速度で動作する。さらに、ソースから注入さ
れた電子は表面から離れたバルク中を走行するの
で移動度が大きくきわめて高速で動作する。また
集積化した場合は隣り合うトランジスタのソース
やドレイン間でのパンチスルー電流も小さい。そ
の製造もそれほど複雑でないこととあいまつて、
論理回路、記憶装置に応用された時、極めて顕著
な性能向上をもたらし、その工業的価値は非常に
大きい。
Insulated gate transistors such as MOS and MIS SIT of the present invention exhibiting unsaturated current-voltage characteristics have a structure in which a potential barrier (specific gate) occurs in the region near the source that should become a channel in the main operating state. The region from the intrinsic gate to the drain is a high resistance region and a depletion layer, and the carrier drifts. The channel portion has dimensions and impurity density such that potential control by the gate is effective. In particular, in the present invention, a peripheral region is provided below the channel region and the source region, which has the same conductivity type as the channel region and has a higher impurity density than the channel region.
Gm was further increased compared to MOS-SIT.
Furthermore, at least in a part of the channel region,
Gm can also be increased by adjusting the impurity density and dimensions so that the channel region is depleted in the thickness direction by the gate voltage applied to the gate. With this configuration, the gate capacitance can be made sufficiently small, the source-to-substrate capacitance and the drain-to-substrate capacitance can be made sufficiently small, a sufficiently large current can be generated with a small drain voltage, and the conversion conductance can be increased. Due to its low output impedance, it operates at extremely low power and high speed. Furthermore, since the electrons injected from the source travel in the bulk away from the surface, they have high mobility and operate at extremely high speeds. Furthermore, when integrated, the punch-through current between the sources and drains of adjacent transistors is also small. Coupled with the fact that its manufacturing is not too complicated,
When applied to logic circuits and storage devices, it brings about extremely significant performance improvements, and its industrial value is extremely large.

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

第1図a乃至eは、従来のMOS、MIS SITの
一例の断面図、第2図はMIS構造を示す図、第3
図a,b,cは従来の絶縁ゲート型トランジスタ
の例、第4図は本発明の絶縁ゲート型トランジス
タの実施例である。
Figures 1a to 1e are cross-sectional views of examples of conventional MOS and MIS SITs, Figure 2 is a diagram showing the MIS structure, and Figure 3 is a cross-sectional view of an example of a conventional MOS and MIS SIT.
Figures a, b, and c show examples of conventional insulated gate transistors, and FIG. 4 shows an embodiment of the insulated gate transistor of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 第1導電型高不純密度の半導体基板125′
と、前記半導体基板の上部の一部に形成された第
2導電型低不純物密度の第1の半導体領域12
2″と、前記半導体基板の上部に、前記第1の半
導体領域の周囲を囲うように形成された前記基板
よりも低不純物密度の第1導電型の第2の半導体
領域122′と、前記第1の半導体領域の上部の
一部に形成された第2導電型高不純物密度の第3
の半導体領域123と、前記第2の半導体領域の
上部の一部に形成された第2導電型高不純物密度
の第4の半導体領域121と、前記第4の半導体
領域の周辺の上部を囲うように形成された前記第
2の半導体領域よりも低不純物密度の第1導電型
の第5の半導体領域122と、前記第5の半導体
領域の表面の一部に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上部に形成されたゲート電極
124と、前記第4の半導体領域の上部に形成さ
れたソース電極121′と、前記第3の半導体領
域の上部に形成されたドレイン電極123′とで
構成され、前記第4の半導体領域をソース領域、
前記第3の半導体領域をドレイン領域、前記第5
の半導体領域のドレイン領域に対向する部分をチ
ヤンネル領域とし、前記チヤンネル領域のソース
領域近傍に形成される電位障壁の高さを前記ゲー
ト電極に印加されるゲート電圧と、前記ドレイン
電極に印加されるドレイン電圧の両方によつて制
御し、指数関数則で示される不飽和電流−電圧特
性を示すことを特徴とした絶縁ゲート型トランジ
スタ。 2 前記チヤンネル領域の不純物密度をドレイン
領域側からソース領域に向うにしたがつて高くな
るようにしたことを特徴とする前記特許請求の範
囲第1項記載の絶縁ゲート型トランジスタ。
[Claims] 1. First conductivity type high impurity density semiconductor substrate 125'
and a second conductivity type low impurity density first semiconductor region 12 formed in a part of the upper part of the semiconductor substrate.
2'', a second semiconductor region 122' of a first conductivity type having a lower impurity density than the substrate and formed on the top of the semiconductor substrate so as to surround the first semiconductor region; A third semiconductor region of a second conductivity type with a high impurity density is formed in a part of the upper part of the first semiconductor region.
a second conductivity type high impurity density fourth semiconductor region 121 formed in a part of the upper part of the second semiconductor region; a fifth semiconductor region 122 of a first conductivity type having a lower impurity density than the second semiconductor region formed in the second semiconductor region; and a gate insulating film formed on a part of the surface of the fifth semiconductor region;
A gate electrode 124 formed on the top of the gate insulating film, a source electrode 121' formed on the top of the fourth semiconductor region, and a drain electrode 123' formed on the top of the third semiconductor region. the fourth semiconductor region is a source region;
The third semiconductor region is a drain region, and the fifth semiconductor region is a drain region.
The portion of the semiconductor region facing the drain region is defined as a channel region, and the height of the potential barrier formed near the source region of the channel region is determined by the gate voltage applied to the gate electrode and the voltage applied to the drain electrode. An insulated gate transistor characterized by being controlled by both drain voltage and exhibiting unsaturated current-voltage characteristics shown by an exponential law. 2. The insulated gate transistor according to claim 1, wherein the impurity density of the channel region increases from the drain region toward the source region.
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