專利名稱：半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的半導(dǎo)體器件是具備低ON電阻，低電壓驅(qū)動(dòng)以及沖擊電流保護(hù)功能的主要由電壓驅(qū)動(dòng)構(gòu)成的元件。
背景技術(shù)：
在以往的半導(dǎo)體器件中，作為常斷型、控制性出色而且開關(guān)時(shí)的導(dǎo)通電阻低的晶體管，例如已知在特開平06-252408號公報(bào)中公開的構(gòu)造。
圖6(A)是示出以往的半導(dǎo)體元件的構(gòu)造的斜視圖，圖6(B)是示出以往的半導(dǎo)體元件的構(gòu)造的平面圖。如圖6(A)所示，在N+型半導(dǎo)體襯底51上淀積N-型的外延層52。在該外延層52上，距離表面隔開相等間隔相互平行地形成多個(gè)槽57。而且，襯底51用作為漏極取出區(qū)，外延層52主要用作為漏極區(qū)53。另外，從外延層52表面幾乎垂直地挖掘槽57的側(cè)壁，在其側(cè)壁上形成絕緣膜56。進(jìn)而，在槽57中，淀積注入了P型雜質(zhì)的例如多晶硅。而且，槽57內(nèi)的多晶硅在外延層52的表面，例如經(jīng)過鋁(Al)與源極區(qū)54電連接。這樣，槽57內(nèi)的P型多晶硅用作與源極電極S等電位的固定電位絕緣電極55。另一方面，位于多個(gè)槽57之間的外延層52用作為溝道區(qū)58。
如圖6(A)以及圖6(B)所示，柵極區(qū)59與源極區(qū)54隔開，而且，隔開一定的間隔在與絕緣膜56連接的外延層52上設(shè)置多個(gè)。而且，如圖6(B)所示，固定電位絕緣電極55做成梳齒形，以Y軸方向的固定電位絕緣電極55(以下稱為軸部分)為中心，在左右的X軸方向延伸梳齒。即，柵極區(qū)59與固定電位絕緣電極55的梳齒的兩個(gè)端部的一部分重疊形成區(qū)，而且在該區(qū)域中形成為使得與絕緣膜56搭接。
其次，參照圖7說明以往的半導(dǎo)體元件的剖面構(gòu)造以及動(dòng)作。圖7(A)是圖6(B)的X-X線方向中的剖面圖，圖7(B)是圖6(B)的Y-Y線方向中的剖面圖。
如圖7(A)所示，在外延層52的表面區(qū)域中，包圍槽57的區(qū)域是溝道區(qū)58，箭頭H為溝道厚度，箭頭L為溝道長度。另外，在用作為漏極取出區(qū)的N+型的襯底51的背面，例如歐姆接觸Al層60，經(jīng)過該Al層60形成漏電極D。另一方面，在外延層52的表面Al層61與源極區(qū)54和固定電位絕緣電極55歐姆接觸，固定電位絕緣電極55的電位固定為源極電極S的電位。
如圖7(B)所示，在包含柵極區(qū)59的上表面的外延層52的表面上淀積氧化硅膜62。而且，在柵極區(qū)59上，經(jīng)過設(shè)置在氧化硅膜62中的通孔，形成例如由Al構(gòu)成的柵極電極G。另外，圖中的虛線示出固定電位絕緣電極55。
其次，說明以往的半導(dǎo)體元件的動(dòng)作原理。
首先，說明半導(dǎo)體元件的OFF狀態(tài)。如上所述，半導(dǎo)體元件的電流路徑由作為漏極取出區(qū)的N+型的襯底51，由N-型的外延層52構(gòu)成的漏極區(qū)53，在外延層52表面區(qū)域中位于多個(gè)槽57之間的N-型的溝道區(qū)58以及形成在N-型的溝道區(qū)58的表面的源極區(qū)54構(gòu)成。即，所有的區(qū)域由N型區(qū)構(gòu)成，乍一看，如果在漏電極D上加入正電壓，在使源極電極S接地的狀態(tài)下進(jìn)行動(dòng)作，則不能夠成為OFF狀態(tài)。
然而，如上所述，由源極區(qū)54以及溝道區(qū)58構(gòu)成的N型區(qū)和作為固定電位絕緣電極55的P型區(qū)經(jīng)過Al層61連接，成為等電位。因此，在固定電位絕緣電極55周圍的溝道區(qū)58中，根據(jù)P+型的多晶硅與N-型的外延層52的功函數(shù)差，擴(kuò)展耗盡層使得包圍固定電位絕緣電極55。即，通過調(diào)整形成固定電位絕緣電極55的槽57之間的寬度，即，溝道寬度H，能夠由耗盡層從兩側(cè)的固定電位絕緣電極55完全埋入溝道區(qū)58。由該耗盡層完全埋入了的溝道區(qū)58成為偽P型區(qū)。
根據(jù)該構(gòu)造，形成具有N-型的漏極區(qū)53、N+型的源極區(qū)54以及作為偽P型區(qū)的溝道區(qū)58的PN結(jié)分離構(gòu)造。即，以往的半導(dǎo)體元件通過在溝道區(qū)58中形成偽P型區(qū)，從最初成為遮斷狀態(tài)(OFF狀態(tài))。
其次，說明半導(dǎo)體元件從OFF時(shí)向ON時(shí)轉(zhuǎn)移的狀態(tài)。首先，在柵極電極G上從接地狀態(tài)加入正的電壓。這時(shí)，從柵極區(qū)59導(dǎo)入自由載流子(空穴)，而如上所述，自由載流子(空穴)被電離受主牽引，流入絕緣膜56的界面。而且，通過在溝道區(qū)58的絕緣膜56的界面充填自由載流子(空穴)，僅由P+型的多晶硅區(qū)內(nèi)的電離受主和自由載流子(空穴)構(gòu)成對，形成電場。從而，從最遠(yuǎn)離溝道區(qū)58中的絕緣膜56的區(qū)域，即，從溝道區(qū)58的中央?yún)^(qū)開始，出現(xiàn)中性區(qū)，使得存在自由載流子(電子)。其結(jié)果，衰退溝道區(qū)58的耗盡層，從中央?yún)^(qū)域開辟溝道，自由載流子(電子)從源極區(qū)54向漏極區(qū)53移動(dòng)，流動(dòng)主電流。
即，自由載流子(空穴)以槽57的壁面作為路徑，瞬時(shí)通過，從固定電位絕緣電極55向溝道區(qū)58擴(kuò)展的耗盡層后退，開辟溝道。進(jìn)而，如果在柵極電極G上加入預(yù)定值以上的電壓，則柵極區(qū)59和溝道區(qū)58以及漏極區(qū)53生成的PN結(jié)成為正向偏置。而且，自由載流子(空穴)直接注入到溝道區(qū)58以及漏極區(qū)53中。其結(jié)果，在溝道區(qū)58以及漏極區(qū)53中通過大量分布自由載流子(空穴)，引起導(dǎo)電性調(diào)制，主電流在低導(dǎo)通電阻下流動(dòng)。
最后，說明半導(dǎo)體元件從ON時(shí)向OFF時(shí)轉(zhuǎn)移的狀態(tài)。為了把半導(dǎo)體元件關(guān)斷，使柵極電極G的電位成為接地狀態(tài)(0V)，或者成為負(fù)電位。于是，通過導(dǎo)電性調(diào)制，漏極區(qū)53以及溝道區(qū)58中大量存在的自由載流子(空穴)或者消失，或者通過柵極區(qū)59排出到元件以外。于是，再次用耗盡層充滿溝道區(qū)58，再次成為偽P型區(qū)，維持耐壓，阻止主電流。
如上述那樣，在以往的半導(dǎo)體器件中，通過使自由載流子(空穴)從柵極區(qū)59流入以及流出，使以往的半導(dǎo)體器件動(dòng)作，是電流驅(qū)動(dòng)型的半導(dǎo)體器件。但是，在電流驅(qū)動(dòng)型的半導(dǎo)體器件的情況下，由于驅(qū)動(dòng)電路中的功耗等是困難的問題而難以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此在當(dāng)前的半導(dǎo)體市場上，可以得到MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)等電壓驅(qū)動(dòng)型的半導(dǎo)體器件。因此，以往的半導(dǎo)體器件雖然具有低電壓驅(qū)動(dòng)，低ON電阻等的優(yōu)點(diǎn)，但是由于是電流驅(qū)動(dòng)，因此存在著難以滿足顧客要求這樣的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是鑒于上述問題而達(dá)成的，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，特征在于具備設(shè)置在構(gòu)成漏極區(qū)的一種導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基體的一個(gè)主面上，而且隔開等間隔相互平行配置的多個(gè)槽；由在上述槽的內(nèi)壁具有絕緣膜，而且把上述槽內(nèi)進(jìn)行充填的反導(dǎo)電型的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的可變電位絕緣電極；位于上述一個(gè)主表面的上述槽之間的一種導(dǎo)電型的源極區(qū)；在上述半導(dǎo)體基體上與上述源極區(qū)隔開，而且與各個(gè)上述絕緣膜的至少一部分鄰接那樣設(shè)置的反導(dǎo)電型的柵極區(qū)；在上述半導(dǎo)體基體上位于上述槽之間，而且至少位于上述源極區(qū)的下部的溝道區(qū)，上述柵極區(qū)與上述可變電位絕緣電極保持等電位，而且，根據(jù)加入在與上述柵極區(qū)連接的柵極電極上的電壓進(jìn)行ON動(dòng)作或者OFF動(dòng)作。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，特征在于，理想的是上述ON動(dòng)作在上述柵極電極上加入正電壓，而且在與形成在上述可變電位絕緣電極周圍的上述絕緣膜鄰接的上述溝道中形成一種導(dǎo)電型的通道。
進(jìn)而，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，特征在于，理想的是加入在上述可變電位絕緣電極上的電壓根據(jù)上述柵極區(qū)與上述漏極區(qū)的正向電壓控制最大電壓。
進(jìn)而，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，特征在于，理想的是上述一種導(dǎo)電型的通道是高濃度的一種導(dǎo)電型區(qū)，在上述ON動(dòng)作時(shí)的上述溝道區(qū)中至少具有一種導(dǎo)電型的2種不同的濃度區(qū)。


圖1是用于說明本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的(A)斜視圖，(B)平面圖。
圖2是用于說明本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的(A)剖面圖，(B)剖面圖，(C)剖面圖。
圖3是用于說明本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的(A)能帶圖，(B)OFF時(shí)的溝道區(qū)。
圖4是用于說明本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的電壓-電流特性圖。
圖5是用于說明圖4所示的特性圖的(A)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，(B)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
圖6是用于說明以往的半導(dǎo)體器件的(A)斜視圖，(B)平面圖。
圖7是用于說明以往的半導(dǎo)體器件的(A)剖面圖，(B)剖面圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照圖1～圖5詳細(xì)地說明本發(fā)明的半導(dǎo)體器件。
圖1(A)是示出本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的構(gòu)造的斜視圖，圖1(B)是示出本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的構(gòu)造的俯視圖。如圖1(A)所示，在N+型的半導(dǎo)體襯底1上淀積N-型的外延層2。在該外延層2上，距離表面相等間隔相互平行地形成多個(gè)槽7。而且，襯底1用作為漏極取出區(qū)，外延層2主要用作為漏極區(qū)3。另外，槽7從外延層2的表面幾乎垂直地挖掘側(cè)壁，在其內(nèi)壁上形成絕緣膜6。進(jìn)而，在槽7中淀積注入了P型雜質(zhì)的例如多晶硅。詳細(xì)情況在后面敘述，槽7內(nèi)的多晶硅在外延層2的表面，例如經(jīng)過鋁(Al)與柵極區(qū)9電連接。于是，槽7內(nèi)的P型多晶硅用作為根據(jù)柵極電極G電壓變化的可變電位絕緣電極5。另一方面，位于多個(gè)槽7之間的外延層2用作為溝道區(qū)8。而且，在溝道區(qū)8的表面形成由N+型的擴(kuò)散區(qū)構(gòu)成源極區(qū)4。另外，本實(shí)施形態(tài)中的襯底1和外延層2構(gòu)成了半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體基體。
另外，如圖1(A)以及圖1(B)所示，柵極區(qū)9與源極區(qū)4隔開，而且在與絕緣膜6連接的外延層2上隔開預(yù)定的間隔設(shè)置多個(gè)。而且，如圖1(B)所示，可變電位絕緣電極5做成梳齒形，以Y軸方向的可變電位絕緣電極5(以下稱為軸部分)為中心，梳齒沿著左右的X軸方向延伸。即，在本實(shí)施形態(tài)中，柵極區(qū)9與可變電位絕緣電極5的梳齒的兩個(gè)端部的一部分重疊形成區(qū)，而且在該區(qū)域形成為使得與絕緣膜6鄰接。換言之，可變電位絕緣電極5的軸部分位于距相鄰接的2個(gè)柵極區(qū)9等距離的位置，在軸部分的兩側(cè)，以所希望的距離隔開設(shè)置源極區(qū)4。
其次，以圖2為參考，說明本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的剖面構(gòu)造及其動(dòng)作。圖2(A)是圖1(B)的A-A線方向中的剖面圖，圖2(B)是圖1(B)的B-B線方向中的剖面圖，圖2(C)是圖1(B)的C-C線方向中的剖面圖。
如圖2(A)所示，在外延層2的表面區(qū)中，由槽7包圍的區(qū)域是溝道區(qū)8，箭頭H表示溝道厚度，箭頭L表示溝道長度。即，所謂溝道厚度H是在溝道區(qū)8中相對的槽7之間的間隔，所謂溝道長度L是沿著槽7的側(cè)壁，從源極區(qū)4的底面到可變電位絕緣電極5的底面的距離。另外，在用作為漏極取出區(qū)的N+型的襯底1的背面，例如歐姆接觸Al層10，經(jīng)過該Al層10形成漏極電極D。另一方面，在外延層2的表面形成作為絕緣層的氧化硅膜12。而且，經(jīng)過設(shè)置在該氧化硅膜12上的通孔13，Al層11歐姆接觸源極區(qū)4。另外，由于用形成在溝道區(qū)8中的通道能夠遮斷電流，或者能夠控制電流量，因此只要滿足該條件，則構(gòu)成單位單元的可變電位絕緣電極5的形狀、源極區(qū)4的形狀就是任意的。另外，雖然后面詳細(xì)敘述，但是作為在權(quán)利要求的范圍內(nèi)所記載的通道在本實(shí)施形態(tài)中是形成在溝道區(qū)8中的主電流的路徑。
如圖2(B)所示，包含柵極區(qū)9的上表面，在外延層2的表面上淀積氧化硅膜12。而且，在柵極區(qū)9中也在氧化硅膜12上形成Al層15，經(jīng)過設(shè)置在氧化硅膜12上通孔14形成柵極電極G。另外，圖中的虛線示出可變電位絕緣電極5。而且，如圖所示，雖然棱角地描繪出剖面圖以及平面圖中的絕緣膜6的角，但這些是模式圖，實(shí)際上也可以帶點(diǎn)圓形。即，為了抑制電場集中，一般廣泛地采用使這些角具有圓形。
如圖2(C)所示，包括柵極區(qū)9的上表面在外延層2的表面上淀積氧化硅膜12。而且，在該剖面中的氧化硅膜12中存在形成于柵極區(qū)9上的通孔14以及形成于可變電位絕緣電極5上的通孔16。即，如圖1(B)所示，沿著Y軸方向延伸形成著柵極區(qū)9，同樣，Al層15也與柵極區(qū)9平行地形成。而且，Al層15經(jīng)過通孔14、16歐姆接觸可變電位絕緣電極5以及柵極區(qū)9，與可變電位絕緣電極5以及柵極區(qū)9保持等電位。
在本實(shí)施形態(tài)中，如從圖2(A)～圖2(C)說明的那樣，在外延層2的表面，形成經(jīng)過氧化硅膜12與源極區(qū)4幾乎平行地配置的Al層11以及與漏極區(qū)9幾乎平行地配置的Al層15。另外，詳細(xì)情況在后面的動(dòng)作原理中敘述，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，經(jīng)過了Al層10的漏極端子，經(jīng)過了Al層11的源極端子以及經(jīng)過了Al層15的柵極端子構(gòu)成為外部端子。而且，在半導(dǎo)體器件的外部，通過在源極端子，柵極端子以及漏極端子上加入電壓，完成半導(dǎo)體器件的ON動(dòng)作以及OFF動(dòng)作。
其次，說明本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的動(dòng)作原理。
首先，說明半導(dǎo)體元件的OFF狀態(tài)。如上所述，半導(dǎo)體元件的電流路徑由作為漏極取出區(qū)的N+型的襯底1，由N-型的外延層2構(gòu)成的漏極區(qū)3，在外延層2的表面區(qū)域位于多個(gè)槽7之間的N-型的溝道區(qū)8以及N+型的源極區(qū)4構(gòu)成。即，全部區(qū)域由N型區(qū)構(gòu)成。乍一看，如果在漏極電極D上加入正的電壓，使源極電極S接地的狀態(tài)下進(jìn)行動(dòng)作，不能夠達(dá)到OFF狀態(tài)。
但是，如上所述，由源極區(qū)4以及溝道區(qū)8構(gòu)成的N型區(qū)和作為可變電位絕緣電極5的P型區(qū)在OFF狀態(tài)下使柵極電極G成為接地狀態(tài)，與源極電極S實(shí)質(zhì)上是等電位，或者使柵極電極G對于源極電極S成為負(fù)電位。因此，在可變電位絕緣電極5周邊的溝道區(qū)8中，根據(jù)P+型的多晶硅和N-型的外延層2的功函數(shù)差，擴(kuò)展耗盡層使得包圍可變電位絕緣電極5。即，通過調(diào)整形成可變電位絕緣電極5的槽7之間的寬度，即，溝道寬度H，使得由從兩側(cè)的可變電位絕緣電極5延伸的耗盡層完全埋入溝道區(qū)8。詳細(xì)情況在后面敘述，而由該耗盡層完成埋入的溝道區(qū)8成為偽P型區(qū)。
根據(jù)該構(gòu)造，用作為偽P型區(qū)的溝道區(qū)8把N-型的漏極區(qū)3和N+型的源極區(qū)4形成PN結(jié)分離構(gòu)造。即，本發(fā)明的半導(dǎo)體元件通過在溝道區(qū)8形成偽P型區(qū)，從最初成為遮斷狀態(tài)(OFF狀態(tài))。另外，半導(dǎo)體元件在OFF時(shí)在漏極電極D上加入正的電壓，使源極電極S以及柵極電極G接地。這時(shí)，通過從作為偽P型區(qū)的溝道區(qū)8與作為P型區(qū)的漏極區(qū)3的界面，加入反偏置，沿著垂直于紙面的方向形成耗盡層。而且，該耗盡層的形成狀態(tài)左右半導(dǎo)體元件的耐壓特性。
以下，參照圖3，說明本發(fā)明的偽P型區(qū)。圖3(A)示出OFF時(shí)的溝道區(qū)8中的能帶圖，圖3(B)模式地示出OFF時(shí)形成在溝道區(qū)8中的耗盡層。作為可變電位絕緣電極5的P+型多晶硅和作為溝道區(qū)8的N-型的外延層2區(qū)經(jīng)過絕緣膜6相對。而且，使柵極電極G成為接地狀態(tài)，使源極電極S實(shí)質(zhì)上成為等電位，另外，使柵極電極G對于源極電極S成為負(fù)電位。這樣，在槽7的周邊部分中，根據(jù)兩者的功函數(shù)差形成耗盡層，進(jìn)而由在耗盡層內(nèi)極少地存在的少數(shù)自由載流子(空穴)構(gòu)成P型區(qū)。
具體地講，如果經(jīng)過Al層11，P+型的多晶硅區(qū)與N-型的外延層2區(qū)成為等電位，則形成如圖3(B)所示的能帶圖。首先，在P+型的多晶硅區(qū)中，在絕緣膜6的界面通過負(fù)的傾斜形成價(jià)電子帶，對于自由載流子(空穴)，絕緣膜6的界面示出勢能較高。即，P+型的多晶硅區(qū)的自由載流子(空穴)不能夠存在于絕緣膜6的界面，而沿著從絕緣膜6脫離的方向逃逸。其結(jié)果，在P+型的多晶硅區(qū)的絕緣膜6的界面成為殘留由電離受主構(gòu)成的負(fù)電荷的狀態(tài)。而且，在P+型的多晶硅區(qū)的絕緣膜6的界面存在由電離受主構(gòu)成的負(fù)電荷。這樣，在N-型的外延層2區(qū)中，需要與由該電離構(gòu)成的負(fù)電荷成對的電離施主構(gòu)成的正電荷。因此，溝道區(qū)8從絕緣膜6的界面逐漸形成耗盡層。
但是，由于溝道區(qū)8的雜質(zhì)濃度是1.0×1014(/cm3)左右，厚度是1μm左右，因此由從包圍溝道區(qū)8那樣形成的可變電位絕緣電極5擴(kuò)展出來的耗盡層完全占有。實(shí)際上，溝道區(qū)8只是生成耗盡層并不能夠確保與電離受主相平衡的正電荷，因此在溝道區(qū)8內(nèi)還存在少數(shù)的自由電荷(空穴)。這樣，如圖所示，P+型的多晶硅區(qū)內(nèi)的電離受主與N-型的外延層2內(nèi)的自由載流子(空穴)或者電離施主成對，形成電場。其結(jié)果，從絕緣膜6的界面形成的耗盡層成為P型區(qū)，用該耗盡層充滿了的溝道區(qū)8成為P型的區(qū)域。
其次，說明半導(dǎo)體元件從OFF時(shí)向ON時(shí)轉(zhuǎn)移的狀態(tài)。首先，經(jīng)過柵極端子在柵極電極G上從接地狀態(tài)加入正的電壓。這時(shí)，如圖2(C)所示，Al層15經(jīng)過通孔14、16歐姆接觸可變電位絕緣電極5以及柵極區(qū)9。從而，在可變電位絕緣電極5上經(jīng)過柵極電極G加入電壓。而且，在作為偽P型區(qū)的溝道區(qū)8中，把絕緣膜6用作為絕緣層，在與可變電位絕緣電極5鄰接的溝道區(qū)8中形成通道。這樣，漏極區(qū)3和源極區(qū)4經(jīng)過溝道區(qū)8的通道導(dǎo)通，自由載流子(電子)從源極區(qū)4向漏極區(qū)3流動(dòng)，流過主電流。
這里，說明形成通道的溝道區(qū)8。如上述那樣，在OFF時(shí)，經(jīng)過柵極端子使柵極電極G接地或者在柵極電極G上加入負(fù)電位，由此溝道區(qū)8成為偽P型區(qū)。而且，為了使半導(dǎo)體器件進(jìn)行ON動(dòng)作，在柵極電極G上加入正的電壓。這時(shí)，通過在柵極電極G上加入正的電壓，與N-型的外延層區(qū)2的電位相比較，P+型的多晶硅區(qū)的電位成為正電位的狀態(tài)。因此，在半導(dǎo)體元件的ON時(shí)，在與作為偽P型區(qū)的溝道區(qū)8的絕緣膜6鄰接的面上形成N型的通道，經(jīng)過該通道自由載流子(電子)從源極區(qū)4向漏極區(qū)3移動(dòng)，流過主電流。這時(shí)，在溝道區(qū)8上至少形成2個(gè)濃度不同的N型區(qū)，由于上述的通道存在高濃度的電子，電阻低，因此認(rèn)為主電流經(jīng)過導(dǎo)電通路流動(dòng)。
而且，在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，與上述ON時(shí)的動(dòng)作一起，在柵極電極G上從接地狀態(tài)加入正的電壓，進(jìn)而，通過在柵極電極G上加入預(yù)定值以上的電壓，從柵極區(qū)9導(dǎo)入自由載流子(空穴)。即，由柵極區(qū)9和漏極區(qū)3形成的PN結(jié)成為正向偏置。而且，自由載流子(空穴)直接注入到漏極區(qū)3，通過在漏極區(qū)3中大量分布自由載流子(空穴)引起導(dǎo)電性調(diào)制，主電流以低ON電阻流動(dòng)。詳細(xì)情況在后面敘述，而通過該ON時(shí)的動(dòng)作，在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，雖然主要是電壓驅(qū)動(dòng)，但是也可以說是兼有電流驅(qū)動(dòng)功能的元件。
最后，說明半導(dǎo)體元件從ON時(shí)向OFF時(shí)轉(zhuǎn)移的狀態(tài)。為了關(guān)斷半導(dǎo)體元件，使柵極電極G的電位成為接地狀(0V)或者負(fù)電位。這時(shí)，與一般的MOSFET相同，清除形成在溝道區(qū)8中的通道，再次根據(jù)漏極區(qū)3和作為偽P型區(qū)的溝道區(qū)8產(chǎn)生的PN結(jié)分離構(gòu)造，成為遮斷狀態(tài)(OFF狀態(tài))。另一方面，清除在漏極區(qū)3中由于導(dǎo)電性調(diào)制而大量存在的自由載流子(空穴)，或者通過柵極區(qū)9排放到元件以外。
在本發(fā)明中，通過具有上述的構(gòu)造，能夠得到低電壓驅(qū)動(dòng)的效果，ON時(shí)的電阻是低電阻的效果，以及通過柵極區(qū)與源極區(qū)之間形成PN結(jié)具有沖擊電流保護(hù)功能的效果。
第1，說明本發(fā)明的低電壓驅(qū)動(dòng)的效果。如上述那樣，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件通過把溝道區(qū)8作為偽P型區(qū)，形成PN結(jié)分離構(gòu)造，從最初開始成為遮斷狀態(tài)(OFF狀態(tài))。但是，如在以往的技術(shù)中也說明過的那樣，在作為偽P型區(qū)的溝道區(qū)8中，在ON動(dòng)作時(shí)，通過經(jīng)由柵極端子，在柵極電極上加入正電位返回到N型區(qū)。這樣，在剛剛進(jìn)行了ON動(dòng)作以后的溝道區(qū)8中，在偽P型區(qū)中形成N型的通道，以后，在成為N型區(qū)的溝道區(qū)8中形成高濃度的N型的通道。而且，漏極區(qū)3和源極區(qū)4經(jīng)過溝道區(qū)8的通道導(dǎo)通，自由載流子(電子)從源極區(qū)4向漏極區(qū)3移動(dòng)，流過主電流。
具體地講，圖4是電壓-電流特性圖，示出用本發(fā)明的實(shí)線所示的導(dǎo)電性調(diào)制型MOSFET，用點(diǎn)劃線所示的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)以及用雙點(diǎn)劃線所示的MOSFET。而且，IGBT以及MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)型的半導(dǎo)體元件，作為本發(fā)明的導(dǎo)電性調(diào)制型MOSFET是主要為電壓驅(qū)動(dòng)型，但也具有電流驅(qū)動(dòng)型特性的半導(dǎo)體元件。例如，如圖所示，在以往的電壓驅(qū)動(dòng)型的半導(dǎo)體元件的情況下，具有使用目的、用途的問題，但是以作為點(diǎn)劃線與雙點(diǎn)劃線的交點(diǎn)的電壓為基準(zhǔn)。在柵-源之間的電壓為0到該交點(diǎn)所示的電壓內(nèi)利用了MOSFET，在用該交點(diǎn)表示的電壓以上時(shí)利用了IGBT。
但是，作為本發(fā)明的導(dǎo)電性調(diào)制型MOSFET圖示了主要是電壓驅(qū)動(dòng)型，而且是低電壓驅(qū)動(dòng)。在第2效果中將詳細(xì)地進(jìn)行說明，由于在ON時(shí)是極低的電阻，還兼有電流驅(qū)動(dòng)型的特性，因此能夠在低電壓下得到大電流。例如，如果與具有同等程度能力特性的MOSFET相比較，MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓是10V左右，而本發(fā)明的導(dǎo)電性調(diào)制型MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓是1V左右。即，在本發(fā)明中，通過使溝道區(qū)8向偽P型區(qū)或者N型區(qū)變化，能夠?qū)崿F(xiàn)作為低電壓驅(qū)動(dòng)這樣的效果。
第2，說明本發(fā)明的ON時(shí)的電阻是低電阻的效果。如圖2(B)所示，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，在剛剛完成OFF時(shí)以及ON時(shí)，在與作為偽P型區(qū)的溝道區(qū)8的絕緣膜6鄰接的面上形成通道，通過使源極區(qū)4與漏極區(qū)3導(dǎo)通，完成ON時(shí)的動(dòng)作。而且，經(jīng)過通道，自由載流子(電子)從源極區(qū)4向漏極區(qū)3移動(dòng)發(fā)生主電流。這時(shí)，在一般的槽柵極型的MOSFET中是由于位于槽區(qū)下部分的漏極區(qū)，即，漂移區(qū)中的寄生電阻使ON時(shí)的電阻不能夠降低到一定值以下的構(gòu)造。
而在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，如上述那樣，通過在柵極電極G上加入預(yù)定值以上的電壓，從柵極區(qū)9導(dǎo)入自由載流子(空穴)。而且，由柵極區(qū)9和漏極區(qū)3形成的PN結(jié)成為正向偏置，自由載流子(空穴)直接注入到漏極區(qū)3。這樣，通過在作為漂移區(qū)的漏極區(qū)3中大量分布自由載流子(空穴)引起導(dǎo)電性調(diào)制，使得主電流以低導(dǎo)通電阻流動(dòng)。
具體地講，圖5(A)是求在圖4中用實(shí)線表示導(dǎo)電性調(diào)制型MOSFET的電壓-電流特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖5(B)是求在圖4中用雙點(diǎn)劃線表示的MOSFET的電壓-電流特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如圖5(A)所示，在導(dǎo)電性調(diào)制型MOSFET中，當(dāng)流過1.0A的電流時(shí)具有大約137mV的ON電壓。因此，導(dǎo)電性調(diào)制型MOSFET中的ON動(dòng)作時(shí)的電阻值是0.137Ω左右。另一方面，如圖5(B)所示，在MOSFET中，當(dāng)流過1.0A的電流時(shí)具有大約8.09V的ON電壓。因此，MOSFET中ON動(dòng)作時(shí)的電阻值是8.09Ω左右。從該試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以知道本發(fā)明的導(dǎo)電性調(diào)制型MOSFET的ON時(shí)的電阻是低電阻。
即，在本發(fā)明中，雖然與通常的MOSFET同樣發(fā)生形成在溝道區(qū)8的通路中的ON時(shí)的寄生電阻，但是能夠?qū)崿F(xiàn)盡量減少由寄生電阻引起的漂移區(qū)中的寄生電阻。其結(jié)果，在本發(fā)明中，雖然主要是電壓驅(qū)動(dòng)，但是通過兼有電流驅(qū)動(dòng)的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)ON時(shí)的電阻是低電阻的效果。
第3，說明本發(fā)明的在柵極區(qū)與源極區(qū)之間通過形成PN結(jié)具有沖擊電流保護(hù)功能的效果。首先，如通常的MOSFET那樣，在電壓驅(qū)動(dòng)型的半導(dǎo)體元件中，根據(jù)加入在柵-源之間的電壓調(diào)整主電流。而且，由于在柵-源之間加入多余的電壓，存在發(fā)生沖擊電流破壞半導(dǎo)體器件的問題。因此，在通常的MOSFET等半導(dǎo)體元件中，通過兼用熔斷絲等保護(hù)電路，處理沖擊電流。
而在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，如上所述，經(jīng)過Al層15歐姆接觸可變電位絕緣電極5以及柵極區(qū)9，根據(jù)加入在柵極電極G上的電壓，可變電位絕緣電極5的電壓變動(dòng)。如圖2(C)所示，在用柵極區(qū)9與漏極區(qū)3形成的PN結(jié)區(qū)和經(jīng)過絕緣膜6可變電位絕緣電極5與柵極區(qū)9相對的區(qū)域構(gòu)成并聯(lián)電路。即，直到某個(gè)一定值為止，通過在柵極電極G上加入電壓，在可變電位絕緣電極5上加入電壓，而在PN結(jié)中的正向偏置值以上時(shí)不加入該值以上的電壓。
具體地講，如圖5(A)所示，可知本發(fā)明的導(dǎo)電性調(diào)制型MOSFET與主電流的大小無關(guān)，即使加入某個(gè)一定值以上的驅(qū)動(dòng)電壓，所流過的主電流的大小也能夠以一定值設(shè)定上限。
這樣，在可變電位絕緣電極5上不加入一定電壓以上的電壓，在形成于溝道區(qū)8的通道寬度方面也加入一定的限制。其結(jié)果，經(jīng)過通道流過源極區(qū)4和漏極區(qū)3的主電流不會(huì)流過一定的電流容量以上。而且，在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，不兼用熔斷絲等保護(hù)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊電流保護(hù)功能。
另外，通過絕緣膜6的膜厚等也能夠調(diào)整主電流，能夠根據(jù)所需要的用途通過任意設(shè)計(jì)變更進(jìn)行處理。另外，在本實(shí)施形態(tài)中，以一種導(dǎo)電型為N型，反導(dǎo)電型為P型進(jìn)行了說明，而反之，把一種導(dǎo)電型作為P型，把反導(dǎo)電型作為N型也能夠得到同樣的效果。除此以外，在不脫離本發(fā)明的宗旨范圍內(nèi)，能夠進(jìn)行各種變更。
如以上所述，第1，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，通過經(jīng)由柵極端子在柵極電極上加入正電壓或者負(fù)電壓(或者接地動(dòng)態(tài))，完成半導(dǎo)體器件的ON動(dòng)作或者OFF動(dòng)作。而且，通過使柵極電極成為接地狀態(tài)，或者成為負(fù)電位，使N型的溝道區(qū)成為偽P型區(qū)，完成OFF動(dòng)作。另一方面，通過在柵極電極上加入正電壓，使溝道區(qū)從偽P型區(qū)返回到N型區(qū)。即，在本發(fā)明中，雖然溝道區(qū)在剛剛完成OFF時(shí)以及ON時(shí)以后是偽P型區(qū)，但隨后成為N型區(qū)。這樣，形成N-型區(qū)的溝道區(qū)的高濃度的N型的通道，使源極區(qū)與漏極區(qū)導(dǎo)通。其結(jié)果，在本發(fā)明中，由于能夠以低電壓在溝道區(qū)中形成通道，因此能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)。
第2，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，由于可變電位絕緣電極以及柵極區(qū)歐姆接觸同一個(gè)Al層，因此根據(jù)加入在柵極電極上的電壓，可變電位絕緣電極的電壓變動(dòng)。而且，通過在與覆蓋可變電位絕緣電極周圍的絕緣膜相鄰接的溝道區(qū)形成通道，使源極區(qū)與漏極區(qū)導(dǎo)通，進(jìn)行ON動(dòng)作。這時(shí)，從柵極區(qū)把自由載流子(空穴)注入到作為漂移區(qū)的漏極區(qū)，具有在漏極區(qū)中引起導(dǎo)電性調(diào)制的特征。這樣，在本發(fā)明中，由于能夠大幅度地抑制漏極區(qū)中的寄生電阻，因此作為半導(dǎo)體元件總體也能夠?qū)崿F(xiàn)ON時(shí)的低電阻動(dòng)作。
第3，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，具有與加入在柵極電極上的電壓不同，在可變電位絕緣電極上不加入一定值以上的電壓的特征。即，由柵極區(qū)與漏極區(qū)形成的PN結(jié)區(qū)和經(jīng)過絕緣膜可變電位絕緣電極部分與柵極據(jù)相對的區(qū)域構(gòu)成并聯(lián)電路。而且，成為根據(jù)該P(yáng)N結(jié)中的正向偏置控制加入在可變電位絕緣電極上的電壓，在可變電位絕緣電極上不加入PN結(jié)的正向偏置以上電壓的構(gòu)造。這樣，在可變電位絕緣電極上不加入一定電壓以上的電壓，在構(gòu)成于溝道區(qū)中的通道寬度方面也加入一定的限制。其結(jié)果，經(jīng)過通道沿著源極區(qū)和漏極區(qū)流過的主電流不會(huì)流過一定的電流容量以上。而且，在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，不兼用熔斷絲等保護(hù)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊電流保護(hù)功能。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，具備設(shè)置在構(gòu)成漏極區(qū)的一種導(dǎo)電型半導(dǎo)體基體的一個(gè)主面上，而且隔開等間隔相互平行配置的多個(gè)槽；由在上述槽的內(nèi)壁具有絕緣膜，而且把上述槽內(nèi)進(jìn)行充填的反導(dǎo)電型的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的可變電位絕緣電極；位于上述一個(gè)主表面的上述槽之間的一種導(dǎo)電型的源極區(qū)；在上述半導(dǎo)體基體上與上述源極區(qū)隔開，而且與各個(gè)上述絕緣膜的至少一部分鄰接那樣設(shè)置的反導(dǎo)電型的柵極區(qū)；在上述半導(dǎo)體基體上位于上述槽之間，而且至少位于上述源極區(qū)的下部的溝道區(qū)，上述柵極區(qū)與上述可變電位絕緣電極保持等電位，而且，根據(jù)加入在與上述柵極區(qū)連接的柵極電極上的電壓進(jìn)行ON動(dòng)作或者OFF動(dòng)作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，特征在于上述OFF動(dòng)作通過把上述柵極電極對于上述源極電極取為等電位或者負(fù)電位，把上述一種導(dǎo)電型的溝道區(qū)虛擬地作為反導(dǎo)電型區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，特征在于上述ON動(dòng)作在上述柵極電極上加入正電壓，而且在與形成在上述可變電位絕緣電極周圍的上述絕緣膜鄰接的上述溝道中形成一種導(dǎo)電型的通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，特征在于上述一種導(dǎo)電型的通道是高濃度的一種導(dǎo)電型區(qū)，在上述ON動(dòng)作時(shí)的上述溝道區(qū)中至少具有一種導(dǎo)電型的2種不同的濃度區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，特征在于加入在上述可變電位絕緣電極上的電壓根據(jù)上述柵極區(qū)與上述漏極區(qū)的正向電壓控制最大電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，特征在于上述漏極區(qū)進(jìn)行導(dǎo)電性調(diào)制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，特征在于上述柵極區(qū)與上述可變電位絕緣電極在上述一個(gè)主表面上通過金屬材料連接。
全文摘要
在以往的半導(dǎo)體器件中，由于是電流驅(qū)動(dòng)型的半導(dǎo)體元件因此具有驅(qū)動(dòng)電路中的功耗，另外，在半導(dǎo)體市場上，具有對于電流驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的需求的問題，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，具有經(jīng)過Al層15把可變電位絕緣電極5與柵極區(qū)9保持為等電位，主要用作為電壓驅(qū)動(dòng)型的半導(dǎo)體元件的特征，即，通過在可變電位絕緣電極5中經(jīng)過柵極電極G使電壓可變，在溝道區(qū)8中形成通道進(jìn)行ON動(dòng)作，而且，在半導(dǎo)體器件外部通過進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，使柵極電極G的電位成為正電位、負(fù)電位(或者接地狀態(tài))，把溝道區(qū)8做成偽P型區(qū)或者N型區(qū)，實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)。
文檔編號H01L29/739GK1469487SQ0314257
公開日2004年1月21日 申請日期2003年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月14日
發(fā)明者岡田哲也, 吉村充弘, 吉田哲哉, 哉, 弘, 田哲也 申請人:三洋電機(jī)株式會(huì)社