JP3673334B2 - Semiconductor diode - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、小さな順方向電圧降下をもち、スイッチング動作の速い半導体ダイオードに関するものであり、特にMOSFET構造を用い、自己バイアスにより2端子動作を可能にしたものである。
【従来の技術】
【0002】
VLSI回路の動作電圧低減化が進む状況において、スイッチング電源などに使用される出力ダイオードの順方向電圧降下をより小さくし、低損失化を図ろうとする要求が生じている。現状においては、この要求を満たすダイオードとして、ショットキーバリヤダイオード、あるいはMOSFETを用いた同期形整流ダイオードが挙げられる。
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、ショットキバリヤダイオードにおいては、順方向電圧降下の低減化のために電位障壁を小さくすると、逆方向リーク電流が増加し、また電位障壁の大きさは金属材料で決定されてしまうという問題がある。
【0004】
また、MOSFETを用いて3端子動作によりダイオード化を図った同期形整流ダイオードは、ショットキバリヤダイオードに比べて、オン電圧がかなり小さくできるが、整流のための同期用制御ゲート信号が必要となり、ゲート回路の損失が増大するという問題がある。
【0005】
【発明の目的】
したがって本発明は、ゲート信号を必要とせずに、自己バイアスによりMOSFET構造を導通させて、2端子動作が可能であり、かつ順方向電圧降下の小さなMOS型のダイオードを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の請求項1にかかる発明においては、MOSゲートに自己バイアスが印加されるように、以下の手段を用いている。従来のパワーMOSFET構造に採用されている半導体領域Bと半導体領域Dの短絡構造、つまりボディ短絡構造を用いずに、第2の電極E2とMOSゲートGの短絡電極を採用している。
【0007】
前記課題を解決するため、請求項2にかかる発明においては、請求項1の発明の構造に加えて、金属半導体合金層Fと半導体領域S2 により形成されるショットキバリヤ領域MS を並列接続となるよう構成しており、請求項1の素子のオン電圧が増大した際に、ショットキバリヤダイオードが導通して、低オン電圧を維持する。
【0008】
さらに、前記課題を解決するため、請求項3にかかる発明は、請求項2の発明の構造のショットキバリヤ領域に代えて、PN接合となる接合J4 を並列接続となるよう構成しており、半導体領域S2 に少数キャリヤを注入し、大電流下でも低オン電圧を実現できるようにしている。
【0010】
さらに、請求項4の発明では、請求項1ないし請求項3のいずれかの発明において第2の電極E2及びゲート電極Gを同一金属で一体化構造にしている。
【0011】
さらに、ダイオードの低オン電圧化を実現するために、請求項5又は請求項6の発明は、請求項1ないし請求項3の発明にかかる半導体ダイオードの更なる低オン電圧化を実現するため、MOSゲートのしきい値電圧の低減化を図ったものである。以下に、請求項5又は請求項6の発明における低オン電圧化手段について述べる。
【0012】
請求項5の発明では、MOSゲート構造のゲート酸化膜内に固定電荷を導入することにより、しきい値電圧が低下する効果を用いている。
【0013】
また、請求項6の発明では、シリコン(Si)結晶面の(111)面上にMOSゲートを形成することで、界面準位が増大することにより、しきい値電圧が低下する効果を用いている。
【0016】
請求項5又は請求項6の発明を、請求項1ないし請求項3の発明のMOS形ダイオードに応用することにより、更なる低オン電圧化が実現できる。
【0017】
【発明の特徴および動作原理】
以下に、各請求項にかかる発明の詳細な特徴と動作について説明する。
(請求項1にかかる発明の特徴および動作原理)
請求項1の特徴点は、図1に示すように、従来のパワーMOSFET構造に採用されている半導体領域Bと半導体領域Dの短絡構造を用いないで、第2の電極E2 とMOSゲート電極Gを短絡している点にある。また、MOSゲートのしきい値電圧を低減している点も特徴である。
【0018】
次に、この半導体素子の動作原理について説明する。図1において、第1の電極E1 および第2の電極E2 間に加える電圧が、接合J3 を逆バイアスする極性である場合を考察する。この状態においては、半導体領域Bと半導体領域Dは短絡していないので、印加電圧のほとんどは、これらの領域のつくる接合J3 の逆バイアス電圧として費やされる。したがって、この接合J3 と並列接続構成にあるMOSゲート電極Gとゲート直下の半導体領域B表面間にも、電圧が印加されることになる。この印加電圧が小さな間は、MOSゲート直下の半導体領域Bは空乏化しているが、印加電圧がMOSゲートのしきい値電圧以上になると、ゲート直下の半導体領域B表面に反転層が形成される。その結果、半導体領域S1 の多数キャリヤがS2 を通過し、上記反転層を経由して、逆バイアスの接合J3 に排出され、導通状態となる。この請求項における半導体素子においては、MOSゲートのしきい値電圧を低減化させることにより、かなり小さなオン電圧で導通状態にすることができる。
【0019】
なお、しきい値電圧の低減化手段としては、ゲート酸化膜を薄く形成したり、また、酸化膜半導体界面の不純物密度を低下させる方法がある。さらに、酸化膜半導体界面に半導体領域Bと逆の伝導形のイオンを注入しても良い。このイオン注入は、しきい値電圧の調整のために、一般的に行われるものであり、酸化膜半導体界面に注入イオンのピーク密度が生じるようにしている。
【0020】
次に、上述の極性とは反対方向の電圧を印加した場合の動作について考察する。この場合においては、印加電圧のほとんどは、接合J2 の逆バイアス電圧として費やされることになり、接合J3 は順バイアス接合でほんのわずかな電圧しか印加されないことになる。その結果、接合J3 と並列接続構成にあるMOSゲートとゲート直下の半導体領域B間にも、電圧はあまり印加されないので、MOSゲート直下の半導体領域B表面には、電気的な変化が生じないことになる。したがって、この極性の場合は、逆バイアスの接合J2 で印加電圧が費やされるだけで、非導通状態となる。
【0021】
以上のように、請求項1の発明の素子においては、第1の電極E1 と第2の電極E2 の端子間に整流作用を有することになる。しかも、従来の同期整流とは異なり、自己バイアスがMOSゲートに加わるようにしているので、ゲート信号が不要となり、2端子動作が可能となる。さらに、しきい値電圧の低減化により、低オン電圧特性が期待でき、多数キャリヤデバイスであるので、高速スイッチングも達成できる。
【0022】
(請求項2にかかる発明の特徴および動作原理)
請求項2にかかる発明の特徴点は、図2に示すように、請求項1の構造に加えて、金属半導体合金層Fと半導体領域S2 より形成されるショットキバリヤ領域MS が並列接続となるように構成し、かつMOSゲート構造を半導体領域Dと金属半導体合金層Fに及ぶように形成している点にある。さらに、しきい値電圧の低減化を行った上で、請求項1と同様に、第2の電極E2 、第3の電極E3 およびMOSゲート電極Gを短絡してあり、2端子動作を可能にしている。次に、この半導体素子の動作原理について説明する。
【0023】
図2において、請求項1の発明にかかる素子と同様に、第1の電極E1 および第2の電極E2 間に加える電圧の極性が、接合J3 が逆バイアス電圧となる場合を考察する。この場合は、前述の通り、順方向導通状態となり、ショットキバリヤ領域MS も順方向となる。印加電圧をゲート直下の半導体領域B表面に反転層が形成されぐらいまで増加させると、半導体領域S1 の多数キャリヤがS2 を通過して、反転層を経由し、逆バイアス接合J3 に排出され、電流が導通していく。この状態においては、MOSゲート直下の半導体領域S2 表面には蓄積層が形成されており、MOSゲート直下のショットキバリヤ領域MS においても、蓄積層の存在により、トンネル効果などにより、リーク的に多少の電流が流れることになる。さらに印加電圧を大きくすると、MOSゲート直下以外のショットキバリヤも導通するようになり、導通領域が拡大するのでオン抵抗を小さいままに維持することができる。
【0024】
上記の電圧極性と逆向きの電圧を印加した場合は、請求項1の発明と同様に、MOSゲート直下の半導体領域B表面には、電気的な変化が生じることはなく、かつショットキバリヤも逆方向動作となり、非導通状態となる。また、半導体領域S2 表面上のMOSゲートは、フィールドプレート構造も兼ねるので、ショットキバリヤの接合端の電界を緩和し、耐圧を増大させるように働く。
【0025】
以上のように、請求項2の発明の素子においても、第1の電極E1 と第2の電極E2 の端子間に整流作用を有することになり、自己バイアスがMOSゲートに加わるようにしているので、2端子動作が可能となる。さらに、しきい値電圧の低減化により、低オン電圧特性が期待でき、多数キャリヤデバイスであるので、高速スイッチングも達成できる。
【0026】
(請求項3にかかる発明の特徴および動作原理)
請求項3の特徴点は、図3に示すように、請求項2の発明におけるショットキバリヤ領域MS に代えて、通常のPN接合となる接合J4 を並列接続となるように形成した点にある。さらに、前記の請求項1および2の発明と同様に、第2の電極E2 、第3の電極E3 およびMOSゲート電極Gを短絡してある点も特徴となり、2端子動作を可能にしている。次に、この半導体素子の動作原理について説明する。
【0027】
図3において、請求項1の発明の場合と同様に、第1の電極E1 および第2の電極E2 間に加える電圧が、接合J3 を逆バイアスする極性である場合を考察する。この場合は前述の通り順方向導通状態となり、半導体領域Iと半導体領域S2 により形成される接合J4 も順方向となる。印加電圧が接合J4 の導通開始電圧よりも小さい場合の素子の挙動に関しては、図1の構造の素子とまったく同様となり、導通電流は主にMOSゲート直下の半導体領域Bの表面に形成される反転層を通過し、これに半導体領域S2 の表面における蓄積層と半導体領域Iとで形成される接合によるトンネル電流が加わる。
【0028】
印加電圧が接合J4 の導通開始電圧以上になると、この接合J4 より少数キャリヤが領域S2 に注入されて、この半導体領域S2 に導電率変調効果を生じさせ、通常のPN接合の順方向電圧程度で動作する。さらに、接合J4 より注入された少数キャリヤは、半導体領域Bにも到達しこの半導体領域に蓄積するので、半導体領域Bと半導体領域S2 の作る接合J2 を順バイアス化させるように働く。したがって、この作用は、半導体領域S2 の多数キャリヤを領域Bへ注入させ、かつ領域Dに到達させるように働くので、それぞれエミッタを半導体領域S2 、ベースを半導体領域B、コレクタを半導体領域Dとする寄生バイポーラトランジスタを動作させることになり、より導通領域が拡大し、大電流下においても低オン抵抗特性が期待できる。
【0029】
しかしながら、上記の動作においては、接合J4 から少数キャリヤが注入されるので、順方向から逆方向にスイッチングする場合の逆回復時間の増大が懸念される。請求項3の発明においては、この効果を抑制する目的で、MOSゲート構造を接合J4 を形成する半導体領域Iまで及ぶように形成し、逆回復状態のデバイスに逆電圧が印加される状態において、MOSゲート直下の半導体領域S2 に反転層が形成されるようにしている。この作用により、逆回復状態で順方向状態に注入されて半導体領域Bに蓄積しているキャリヤを、MOSゲート直下の半導体領域S2 の反転層を経由させて半導体領域Iから引き出すことで、逆回復時間の増大を抑制している。
【0030】
さらに、本発明のダイオードに逆電圧が印加された場合、MOSゲート直下の半導体領域S2 に形成される反転層は、半導体領域Dと半導体領域B間を短絡するように動作するので、前述の寄生バイポーラトランジスタの逆方向リーク電流を減少させる効果をもつ。したがって、本発明によれば、逆方向リーク電流の小さな半導体ダイオードを提供できる。
【0031】
以上のように、請求項3の発明においては、請求項1と同様に、2端子動作が可能であり、さらに少数キャリヤ注入により、大電流下において低オン抵抗化を図ったものである。
【0033】
(請求項4にかかる発明の特徴及び原理)
請求項1ないし請求項3における発明のダイオードの動作においては、請求項4の発明によって第2の電極E2及びゲート電極Gを同一金属で一体化構造とすることが可能であり、製作の容易さとデバイスの集積化密度の向上が実現できる。
【0034】
次に請求項5又は請求項6にかかる発明の特徴及び原理について述べるが、これらの手段はそれぞれ異なるが目的は同じであり、MOSゲートのしきい電圧の低減化にある。
【0035】
(請求項5にかかる発明の特徴及び原理)
請求項5の発明は、MOSゲートのしきい値電圧を低減化させるために、ゲート酸化膜内に固定電荷の導入を行うものである。この作用により、ゲート直下の半導体領域にはキャリヤが誘起されて、反転層が容易に形成し、しきい値電圧の低減化が図れる。一般的に採用されているイオン注入によるしきい値電圧の調整方法は、酸化膜半導体界面のドーピングを変化させて行うものであり、注入イオンのピーク密度が酸化膜半導体界面に生じるようにしている。したがって、酸化膜を通して、半導体界面まで達するように深く、かつ比較的高いドーズ量のイオンが注入されるため、ゲート酸化膜の損傷が大きくなる問題がある。
【0036】
本発明によるゲート酸化膜内への固定電荷の導入は、同様にイオン注入法を用いるが、ゲート酸化膜内に主として固定電荷を形成して、しきい値電圧を低減化するものであり、浅くかつ低ドーズ量のイオン注入を行うものである。したがって、酸化膜半導体界面へのドーピングはほとんどなく、酸化膜の損傷が抑制できる。また、本発明によるゲート酸化膜内の固定電荷の導入によるしきい値電圧の電圧シフト分は、酸化膜内の固定電荷量にほぼ比例するので、しきい値電圧の制御が容易となる。
【0037】
(請求項6にかかる発明の特徴及び原理)
請求項6の発明は、請求項5の発明の目的と同様に、MOSゲートのしきい値電圧を低減化にあり、その手段としてMOSゲート構造をシリコン結晶面の(111)面上に形成するものである。
【0038】
シリコンの(100)面に比べて、(111)面上においては、界面準位密度が1桁大きな1011cm-2程度になっており、この効果によりしきい値電圧は低下する。
【0039】
(MOSゲート材料としてポリシリコンゲートを用いる実施例の特徴)
この実施例は、MOSゲート材料としてポリシリコンゲートを用い、ポリシリコンゲート内の不純物密度を増大させることにより、ポリシリコンゲートとMOSゲート直下の半導体との仕事関数差が大きくなり、結果的にしきい値電圧の低減化が図れる。
【0040】
この実施例によるポリシリコンの高不純物密度化は、プロセスの途中に行っても良いが、拡散プロセス終了後にイオン注入と低温アニールにより、主としてポリシリコン部分を再ドーピングする方法で行える。したがって、ポリシリコン部分のみにイオン注入が可能となり、ゲート酸化膜にはまったく損傷を与えない特徴をもつ。さらに、拡散プロセス終了後にしきい値電圧の再調整が簡易に行える特徴もある。
【0041】
(MOSゲート材料として金属を用いる実施例の特徴)
この実施例は、MOSゲート材料として金属を用い、MOSゲートにおける金属と半導体との仕事関数差が大きくなるような金属材料を用いることにより、しきい値電圧の低減化を図るものである。
【0042】
以上、請求項5又は請求項6の発明を請求項1ないし請求項3における発明のダイオードに適用することにより、ダイオードを構成するMOSゲートのしきい値電圧が低減されて、更なる低オン電圧化が実現できる。
【0043】
【実施例】
以下に、各請求項の発明についての具体的な実施例について述べる。
【0044】
(請求項1の発明に対応する実施例)
図4は、MOSFET構造を用いたダイオードをシリコンの縦形構造で実現した請求項1の発明の一実施例を示す断面構造図である。この図においては、図1における第1の伝導形の半導体領域S1 ,半導体領域S2 および半導体領域Dが、それぞれN伝導形の半導体領域NS + 、半導体領域NS および半導体領域ND + に相当している。また、図1における第2の伝導形の半導体領域である半導体領域Bは、P伝導形の半導体領域PB に相当している。なお、図1の第1の電極E1 は、図4のカソード電極Kに相当しており、図1の第2の電極E2 およびMOSゲート電極Gに関しては、図4において一体構造のアノード電極Aとしている。ただし、図4の実施例においては、セルフアラインプロセスを用いて実施した場合であり、アノード電極Aとゲート酸化膜SiO2の間に、ポリシリコン層Poly-Si が形成されている。
【0045】
次にこの実施例のMOSFET構造を用いたダイオードの製作について説明する。本発明のデバイスにおいては、逆耐圧に応じて、製作に用いるシリコン基板の不純物密度を選択する必要があるが、この実施例においては、低耐圧で低オン抵抗を実現する場合の製作を例にとり説明する。
【0046】
製作にあたっては、N/N+ のエピタキシャル成長基板を用いる。この基板の抵抗率は、0.015Ωcm以下で、厚みは約500μmであり、エピタキシャル成長層に関しては、約0.5Ωcm程度で、厚みは約3μm程度である。
【0047】
製作プロセスは、先ずスチーム酸化により、厚み1μmのフィールド酸化膜を形成し、デバイスの活性領域を形成するために、選択的にフォトリソグラフィ技術により熱酸化膜をエッチングする。続いて、ゲート酸化膜形成のために、ドライ酸化により、膜厚約200Å程度のゲート酸化膜SiO2を形成し、CVDによりポリシリコン層Poly-Si を膜厚約1μm程度形成する。
【0048】
次に、通常の縦形MOSFETと同様に、ポリシリコンおよびゲート酸化膜を選択的に窓開けし、セルフアラインプロセスにより、半導体領域PB および半導体領域ND を形成する。この場合、半導体領域PB の表面密度は約3×1018/cm3 、拡散深さは約2μm程度であり、半導体領域ND の表面密度は約1020/cm3 、拡散深さは約1μm程度である。本実施例のプロセスにおいては、MOSゲートのしきい値電圧を低減する手段として、ゲート酸化膜を200Å程度に比較的薄く形成すると共に、酸化膜半導体界面の不純物密度を1017cm-3程度に低下させている。また、一般的に行われるイオン注入によるしきい値電圧の低減化手段により、酸化膜半導体界面に領域PB とは逆伝導形のリンイオンを注入する。さらにしきい値を低下させるためには,ゲート酸化膜を100Å程度に薄くし,かつ酸化膜半導体界面の不純物密度を1017cm-3以下にすることが望まれる。
【0049】
さらに、注入イオンを活性化し損傷を回復させるため、950℃のアニール処理を行った上で、両面に金属を蒸着し電極を形成することにより、図4に示す請求項1の半導体ダイオードが実現する。
【0050】
次に、この半導体素子の動作について説明する。図4において、カソード電極に対しアノード電極に正電圧が印加された場合は、接合J3 が逆バイアス電圧となり、この接合J3 と並列接続構成にあるMOSゲートにも実効的なゲート電圧が印加されることになる。この印加電圧が小さな間は、MOSゲート直下の半導体領域Bは空乏化しているが、印加電圧がMOSゲートのしきい値電圧以上になると、反転層が形成される。その結果、半導体領域NS + の多数キャリヤが領域NS を通過し、上記反転層を経由して、逆バイアス接合J3 から排出され、半導体領域ND に達して導通状態となる。この実施例の半導体素子においては、MOSゲートGのしきい値電圧を低減化させることにより、かなり小さな電圧で導通状態にすることが可能となる。
【0051】
次に、上述の極性とは反対方向の電圧を印加した場合は、印加電圧のほとんどは、接合J2 の逆バイアス電圧として費やされることになり、接合J3 はほんのわずかな順バイアス電圧しか印加されないことになる。その結果、接合J3と並列接続構成にあるMOSゲートには、電圧があまり印加されないので、MOSゲート直下の半導体領域B表面には、電気的な変化を生じないことになる。したがって、この極性の場合は、逆バイアスの接合J2 で印加電圧が費やされるだけであり、この半導体ダイオードは非導通状態となる。
【0052】
以上述べたように、図4に示す実施例のデバイスにおいては、アノード電極とカソード電極間に整流作用を有することになる。しかも、従来の同期整流とは異なり、自己バイアスがMOSゲートに加わるようにしているので、ゲート信号が不要となり、アノード電極Aおよびカソード電極Kを用いる2端子動作が可能となる。さらに、しきい値電圧の低減化により、低オン電圧特性が期待でき、多数キャリヤデバイスであるので、高速スイッチングも達成できる。なお、後で図8に関する説明箇所で詳述するが、この実施例のデバイスの周縁部では電極を半導体領域PB にオーミックコンタクトさせ、PN接合ダイオード部を形成しても良い。このPN接合ダイオード部の作用により導通領域が拡大し、大電流下においてもオン抵抗特性の低減が期待できる。
【0053】
上記実施例は、図5に示すようなトレンチ構造のデバイスにも応用可能であり、リアクティブイオンエッチングを行うことで容易に実現できる。図5の各半導体領域および、動作機構は図4と同様となる。
【0054】
(請求項2の発明に対応する実施例)
次に請求項2の発明について説明する。図6は、MOSFET構造を用いたダイオードをシリコンの縦形構造で実施した請求項2の発明の実施例を示す断面構造図である。この図においては、図2における第1の伝導形の半導体領域S1 ,半導体領域S2 および半導体領域Dが、それぞれN伝導形の半導体領域NS + 、半導体領域NS および半導体領域ND + に相当している。また、図2における第2の伝導形の半導体領域BはP伝導形の半導体領域PB に相当し、金属半導体合金層Fおよびショットキバリヤ領域MS に関しては図6においても同一となっている。なお、図2の第1の電極E1 は、図6のカソード電極Kに相当しており、図2の第2の電極E2 、第3の電極E3 およびMOSゲート電極Gに関しては、図5において一体構造のアノード電極Aとしている。図6においても、図4の実施例と同様に、セルフアラインプロセスを用いて実施した場合であり、アノード電極とゲート酸化膜SiO2の間に、ポリシリコン層Poly-Si が形成されている。
【0055】
次にこの実施例のMOSFET構造を用いたダイオードの製作について説明する。本実施例においても、製作に用いる基板とセルフアラインプロセスにより半導体領域PB および半導体領域ND を形成し、その後のMOSゲートのしきい値電圧低減化のために行うイオン注入プロセス及びそのアニール処理までは、請求項1にかかる実施例の場合と同様となる。本実施例においては、次のショットキバリヤ領域MS 形成のための、スルーホールのプロセスが追加される。続いて、金属を蒸着し金属材料に応じて適当な温度で熱処理することにより、シリコン界面内に金属半導体合金層Fに相当するシリサイド層を形成して、ショットキバリヤ領域MS を形成する。また、この行程で各電極も同時に形成され、図2の第2の電極E2 、第3の電極E3 およびMOSゲート電極Gは、本実施例においては、短絡されて一体構造のアノード電極Aとなる。
【0056】
次に、この半導体素子の動作原理について説明する。図6において、請求項1の発明と同様に、第1の電極E1 および第2の電極E2 間に加える電圧の極性が、接合J3 が逆バイアス電圧となる順方向導通状態を考える。この状態においては、ショットキバリヤ領域MS も順方向となる。印加電圧をゲート直下の半導体領域PB 表面に反転層が形成されぐらいまで増加させると、半導体領域NS + の多数キャリヤが半導体領域NS を通過し、反転層を経由して、逆バイアスの接合J3 に排出され、導通状態となる。この状態においては、MOSゲート直下の半導体領域NS 表面には蓄積層が形成されており、MOSゲート直下のショットキバリヤ領域MS においても、蓄積層の存在により、トンネル効果などにより、リーク的に多少の電流が流れている。さらに反転層を通流する電流の密度が増加してその電圧降下が増大することにより、印加電圧が大きくなると、MOSゲート直下以外のショットキバリヤも導通するようになり、反転層と共に導通領域を形成するので低オン抵抗を維持できる。
【0057】
上記の電圧極性と逆向きの電圧を印加した場合は、MOSゲート直下の半導体領域PB表面には、電気的な変化が生じることはなく、かつショットキバリヤも逆方向動作となり、非導通状態となる。また、半導体領域NS 表面上のMOSゲートは、フィールドプレート構造も兼ねるので、ショットキバリヤの接合端の電界を緩和し、耐圧を増大させるように働く。
【0058】
以上のように、本発明の請求項2の発明を示す図6の実施例においても、アノードAとカソードK端子間に整流作用を有し、2端子動作が可能であり、低オン電圧特性で高速スイッチングも達成できる。請求項2の発明においても、同様にトレンチ構造のデバイスも実現可能であり、その構造を図7に示す。動作は図6の構造のデバイスと同様であるので、説明を省略する。
【0059】
(請求項3の発明に対応する実施例)
図8は、MOSFET構造を用いたダイオードをシリコンの縦形構造で実現した請求項3にかかる発明の一実施例を示す断面構造図である。この図においては、図3における第1の伝導形の半導体領域S1 ,半導体領域S2 および半導体領域Dが、それぞれN伝導形の半導体領域NS + 、半導体領域NS および半導体領域ND + に相当している。また、図3における第2の伝導形の半導体領域Bおよび半導体領域Iは、それぞれP伝導形の半導体領域PB および半導体領域PI に相当している。なお、図3の第1の電極E1 は、図8のカソード電極Kに相当しており、図3の第2の電極E2 、第3の電極E3 およびMOSゲート電極Gに関しては、図8において一体構造のアノード電極Aとしている。図8においても、セルフアラインプロセスを用いて実施した場合であり、アノード電極とゲート酸化膜SiO2の間に、ポリシリコン層Poly-Si が形成されている。
【0060】
次にこの実施例のMOSFET構造を用いたダイオードの製作について説明する。本デバイスにおいては、高耐圧ダイオードに好適であるので、高耐圧デバイスの実施例の場合について説明する。
【0061】
製作にあたっては、N/N+ のエピタキシャル成長基板を用いる。この基板の抵抗率は、0.015Ωcm以下で、厚みは約500μmであり、エピタキシャル成長層に関しては、抵抗率は数Ωcm程度で、厚みは数10μm程度である。
【0062】
製作プロセスは、先ずスチーム酸化により酸化膜を形成し、領域PI を選択的に形成するため、フォトリソグラフィ技術により熱酸化膜をエッチングする。これに続くプロセスは、請求項1の発明と同様となるが、半導体領域PB の拡散深さは、高耐圧化のために、耐圧に応じて深さを調整し、数μm程度に形成する必要がある。さらに、高電圧が印加する素子の逆方向において、ゲート酸化膜に高電圧が印加されないように、半導体領域PB と半導体領域PI の間隔を調整する必要が生じる。また、デバイスの末端の接合においては、フィールドプレート構造およびガードリング構造などの高耐圧化対策を施す必要がある。
【0063】
その他のプロセスは、請求項1の発明とほぼ同様であり、電極形成後、図8に示す請求項3における実施例が実現できる。図8の実施例においても、図3の第2の電極E2 、第3の電極E3 およびMOSゲート電極Gに関しては、一体構造のアノード電極Aとしている。次に、この半導体ダイオードの動作について説明する。
【0064】
図8において、カソード電極に対しアノード電極に正の極性で、かつ印加電圧の大きさが接合J4 の導通開始電圧よりも小さい場合の素子の挙動に関しては、前述の請求項1の図4の実施例と全く同様となり、導通電流は主にMOSゲート直下の半導体領域PB の表面に形成される反転層を通過し、これに半導体領域NS の表面に形成された蓄積層と半導体領域PI の作る接合によるトンネル電流が加わる。その反転層を通流する電流の密度の大幅な増加などによる電圧降下の増大で、印加電圧が接合J4 の導通開始電圧以上になると、この接合J4 より少数キャリヤの正孔が半導体領域NS に注入されて、この半導体領域に導電率変調効果を生じさせる。さらに、接合J4 より注入された正孔は、半導体領域PB にも到達しこの半導体領域に蓄積するので、半導体領域PB と半導体領域NS の作る接合J2 を順バイアス化させるように働く。
【0065】
したがって、この作用は、半導体領域NS の多数キャリヤを半導体領域PB へ注入させ、かつ半導体領域ND + に到達させるように働くので、それぞれエミッタを半導体領域NS 、ベースを半導体領域PB 、コレクタを半導体領域ND + とする寄生NPNトランジスタを動作させることになり、より導通領域が拡大し、大電流下においてもオン抵抗特性の低減が期待できる。
【0066】
また、前述した通り順方向から逆方向にスイッチングする場合の逆回復時間の増大を抑制する目的で、MOSゲート構造は接合J4 を形成する半導体領域PI まで及ぶように形成され、逆回復状態でデバイスに逆電圧が印加される状態において、MOSゲート直下の半導体領域NS にP形反転層が形成されるようにしている。この作用により、逆回復状態で順方向状態に注入されて半導体領域PB に蓄積しているキャリヤを、MOSゲート直下のP形反転層を経由させて半導体領域PI から引き出すことで、逆回復時間の増大を抑制できる。
【0067】
さらに、本発明のダイオードに逆電圧が印加される場合に形成されるMOSゲート直下の半導体領域NS 表面のP形反転層は、前述の寄生NPNトランジスタの半導体領域ND + と半導体領域PB で構成される接合を短絡するように動作して、キャリアの注入を阻止するので、逆方向リーク電流を低減化する作用もある。
【0068】
逆方向の高電圧印加状態においては、接合J2 およびJ4 からのびる空乏層がゲート酸化膜に高電圧が印加されないように振る舞うことになる。以上のように、図8に示した実施例の素子においては、前述の実施例と同様に、アノード電極Aおよびカソード電極Kを用いる2端子動作でかつ低オン電圧特性を有する整流作用が期待でき、PN接合からの半導体領域NS への正孔注入より、高電流状態においても低オン電圧が期待できる。上記の実施例は、図9および図10の様な実施例のトレンチ構造のデバイスにも応用可能であり、リアクティブイオンエッチングを行うことで容易に実現できる。図9および図10の各半導体領域および動作機構は、図8と同様となるので、説明を省略する。
【0069】
以上の実施例におけるダイオード構造は、いずれも縦形構造の場合について述べているが、図11に示すように、集積回路などに容易に応用可能な横形デバイスも実現できる。この横形ダイオード構造においては、半導体領域Dも半導体領域S1 も半導体基板領域Bの一部分を挟んで半導体基板領域Bの一方の面側に存在し、第1の電極E1 、第2の電極E2 及びMOSゲート電極Gも半導体基板の一方の面側に存在する。
【0070】
図12、図13及び図14は、それぞれ請求項1ないし請求項3における発明の2重拡散MOSFET構造を用いたダイオードを、シリコンの横形構造で実現した実施例であり、それぞれ縦形構造で実施した図4、図6及び図8の横形化に相当する。これらの原理及び特徴については、それぞれの縦形構造のものとまったく同様であるので、説明は省略する。なお、図12ないし図14の実施例においては、それぞれ図4、図6及び図8で用いた記号と同一の記号については相当する部材を示す。さらに、図12ないし図14の実施例は、それぞれ図5、図7及び図9の実施例と同様に、トレンチゲート構造の採用も可能である。
【0071】
次に、図15により本発明を横型MOSFET構造に適用した一例について述べる。同図は、通常の横形MOSFET構造を用いたダイオードをシリコンで実現した断面構造図である。この図においては、図11における半導体基板領域Bが半導体領域PB 、これとは逆の伝導形の半導体領域S1 及び半導体領域Dが、それぞれ半導体領域NS 及び半導体領域ND に相当している。この実施例においてはNB + を基板領域とするP/N+ エピタキシャル成長基板を用いているが、P基板及びN基板上に拡散させたPウエル層上に形成しても良い。
【0072】
図11の電極E1 は図15のカソード電極Kに相当し、図11の電極E2 及びMOSゲート電極Gに関しては、図15においても一体構造のアノード電極Aとしている。また、このMOSゲートはポリシリコンゲートとなっている。
【0073】
この実施例のMOSFET構造を用いたダイオードの製作について説明する。最初の工程として、基板を熱酸化し、フィールド酸化膜を形成する。次に、フォトリソグラフィにより、ゲート酸化部に相当するフィールド酸化膜を除去し、ドライ酸化により数100Å程度のゲート酸化膜を形成する。続いて、低圧CVDによりポリシリコンを堆積する。さらに、セルフアラインプロセスにより、MOSFETのソース及びドレイン領域に相当する領域のポリシリコン及びゲート酸化膜を除去し、イオン注入プロセス及びアニール拡散によりN形領域を形成する。次に、プラズマCVDにより酸化膜を堆積し、さらに、ポリシリコンゲートとアノード電極のみが短絡されるように、フォトリソグラフィにより、堆積させた酸化膜を選択エッチングする。次に、電極を形成することにより、図15の実施例が実現される。図15の実施例の半導体ダイオードにおいては、2重拡散することなく、一度の拡散工程でデバイスが実現できるのが特徴である。この半導体ダイオードの動作原理は、請求項1に含まれる図4に示した実施例と同様であるので、説明を省略する。
【0074】
以上の各請求項1ないし請求項3の発明に関しては、請求項4の発明による第2電極E2 とゲート電極Gとの一体化構造を適用した実施例となっている。
【0075】
次に請求項5又は請求項6の発明に対応する実施例について述べる。前述のとおり、請求項5又は請求項6の発明の目的は、請求項1ないし請求項3の発明による半導体ダイオードの更なる低オン電圧化を実現するため、MOSゲートのしきい値電圧の低減化を図ったものである。これらの発明については、請求項1ないし請求項3の発明のいずれにもそれぞれ適用できる。
【0076】
(請求項5の発明に対応する実施例)
請求項5の発明によるMOSゲートのしきい値電圧の低減化方法は、ゲート酸化膜内に固定電荷の導入を行うものである。この作用により、ゲート直下の半導体領域にはキャリヤが誘起されて、反転層が容易に形成され、しきい値電圧の低減化が図れる。この具体的な方法としては、制御性の点からイオン注入法が好適である。
【0077】
次に、請求項5の発明に対応する一実施例について説明する。この請求項5の発明は、請求項1ないし請求項3の発明のいずれにも適用させることができるが、この実施例においては、請求項1の発明に適用する場合について説明する。
【0078】
固定電荷導入前のプロセスは、請求項1の発明と同様に、ポリシリコン及びゲート酸化膜を選択的に窓開けし、次にセルファラインプロセスにより半導体領域PB 及び半導体領域ND を形成し、さらにコンタクトホール形成まで行う。
【0079】
請求項1の発明においては、ゲート直下にキャリヤを電子とする反転層を形成するので、しきい値電圧の低減化には固定電荷として正電荷が必要となり、本実施例においては、正電荷の例としてリンイオン(P+ )を導入する場合について説明する。さらに、容易にゲート酸化膜内に固定電荷が形成できるように、ポリシリコンゲート層の厚みを約0.3μm程度と比較的薄く形成した場合を例にとり説明する。なお、他のプロセス条件については、実施例1と同様になる。この構造にリンイオンを注入する場合は、酸化膜のイオン注入よる損傷を避け、かつ酸化膜半導体界面へのドーピングを抑制するため、主としてポリシリコンと酸化膜領域にイオンが停止するように注入する。しかも、しきい値電圧の低減化の可能なイオン注入条件(加速電圧、ドーズ量)で行う必要がある。
【0080】
したがって、本実施例においては、ポリシリコン及びゲート酸化膜領域におけるガウス分布で表現されるリンイオンの注入分布において、そのピーク密度NPEAKを与える位置がポリシリコンの表面から約0.1μmであり、その密度が約2×1020cm-3となるように、加速電圧EA を80keV、ドーズ量STを2×1015cm-2程度となるように設定する。このイオン注入条件においては、そのピーク密度はポリシリコン内に存在し、かつ酸化膜内のリンイオンのドーズ量は約1011cm-2程度と比較的小さくなるので、酸化膜の劣化が抑制できる。また、酸化膜半導体界面のイオン注入密度は、半導体領域PB の不純物密度よりも一桁程度低くなるので、ドーピング効果は小さい。さらに、このイオン注入条件によるしきい値電圧の電圧シフト分は、ゲート酸化膜内のイオン量でほぼ決定され、結果的にしきい値電圧は0.1V程度が期待できる。
【0081】
しきい値電圧低減化のためのイオン注入後、比較的低温の950℃程度で約30分間熱処理することにより、イオンの拡散を抑制しながら、注入イオンの活性化とイオン注入による酸化膜の損傷の回復を行う。このプロセスに続いて、電極形成を行えば、請求項5の発明を適用した非常にオン電圧の低いダイオードが実現できる。
【0082】
本実施例においては、主として酸化膜内に固定電荷を導入するしきい値電圧の低減化の方法について述べたが、勿論、一般的に行われている酸化膜半導体界面に注入イオンのピーク密度が生じるように行うイオン注入法と併用しても良い。また、本実施例においては、ポリシリコンの厚みを0.3μm及び酸化膜を0.05μmの場合について示したが、勿論、これらの厚みを変えても、さらにポリシリコンを除去し酸化膜に直接イオン注入を行っても、最適なイオン注入条件を適宜選択すことにより実現可能となる。
【0083】
なお、本実施例においては、正電荷の例としてリンイオンの場合について説明したが、他の正イオンを用いても良い。ただし、デバイスの信頼性の点から、しきい値電圧の変動を少なくするために、質量が大きくかつ拡散係数の小さなイオンが望ましい。なお、上記実施例のダイオードにおける各領域の伝導形を逆にしたデバイスも実現できるが、その場合は、しきい値電圧の低減化のために必要な固定電荷は負電荷となる。
【0084】
(請求項6の発明に対応する実施例)
請求項6の発明によるMOSゲートのしきい値電圧の低減化方法は、MOSゲート構造を界面準位の大きいシリコン結晶表面の(111)面に形成することであり、界面準位密度が大きいほど、しきい値電圧が低下する効果を用いる。シリコンの(100)面の界面準位密度は5×1010cm-2程度であり、(111)面においては、1桁大きい5×1011cm-2程度となる。
【0085】
本請求項6の発明の実施に当たっては、MOSゲート構造を形成する結晶面が(111)面になるように、基板の結晶面を指定することが重要となり、請求項1ないし請求項3のいずれの発明に対しても応用可能となる。本発明における実施例を示す図4のように、基板表面にMOSゲート構造を形成する場合には、基板表面は(111)面となる。また、本発明における実施例を示す図5のトレンチゲートのような基板表面に対して垂直な面を(111)面として、MOSゲート構造を形成する場合は、基板表面は(110)面になるように指定する必要がある。
【0086】
請求項1の実施例における図4のデバイスのプロセスを(100)面及び(111)面に行った場合に関して、それぞれしきい値電圧の理論値を比較すると、(100)面においては約0.65V、(111)面においては0.23Vとなり、しきい値電圧の低減化には(111)面が有効となる。
【0087】
本実施例においては、MOSゲートを(111)面に形成したが、勿論(100)面に形成し、薄いゲート酸化膜などの手段の採用によって、他のしきい値電圧の低減化対策を施しても良い。
【0088】
(MOSゲートのゲート電極材料としてポリシリコンを用いる実施例)
このMOSゲートのしきい値電圧の低減化方法は、MOSゲートのゲート電極材料としてポリシリコンを用いる場合であり、ポリシリコン内の不純物密度を増大させることにより、ポリシリコンゲートと半導体との仕事関数差を大きくして、しきい値電圧の低下を図るものである。この発明も請求項1ないし請求項3のいずれの発明に対しても適用可能である。
【0089】
最初に、請求項1の発明の実施例における図4のダイオードにこの実施例を適用した場合について述べる。このポリシリコンの高不純物密度化は、拡散プロセスと同時に行っても良いが、耐圧及びチャネル抵抗などの特性に悪影響を与えないために、不純物プロファイルを変化させないように、拡散プロセス終了後にイオン注入と低温アニールにより行う方が望ましい。また、先行モニタを前記プロセスに投入して、しきい値電圧を評価し、再度このプロセスを用いることにより、しきい電圧の再調整も可能となる。
【0090】
本実施例においても、デバイス製作に用いる基板、及びポリシリコンを用いたセルフアラインプロセスによる半導体領域PB 及びND 形成のプロセスまでは、図4に示されたダイオードの実施例と同様となる。ただし、ポリシリコン層全体にわたって不純物密度を一様にするため、ポリシリコン層の厚みは比較的薄い方が望ましい。したがって、本実施例においては、この厚みを0.5μm程度とする。
【0091】
次に、しきい値電圧の低減化のためのプロセスについて説明する。請求項1の発明にかかる図4の実施例においては、ポリシリコンゲートとMOSゲート直下の半導体領域PB の仕事関数差を大きくするためには、ポリシリコンゲート内にN形の不純物を導入する必要がある。本実施例においては、その不純物としてリンをイオン注入で導入する。ここで、ドーズ量はデバイス内部のプロファイルに応じて、ポリシリコン内の平均密度が1020cm-3から1021cm-3程度になるように設定し、かつ加速電圧を100keV程度とする。
【0092】
この条件では、注入イオンのピーク密度を与える射影飛程は0.13μm程度で、分布の広がりを与える射影分散は0.06μm程度となるので、ポリシリコンの表面から0.2μm程度のところまでリンイオンが注入されることになる。したがって、ゲート酸化膜には注入イオンが到達せず、酸化膜の損傷はほとんど無い。
【0093】
次に、ポリシリコン全体の不純物密度を一様にするため、950°C程度の温度でアニール拡散を行う。このプロセスにより、請求項1の実施例にかかる図4のダイオードにおける半導体領域ND + の深さは前述のとおり、1μm程度と深くなっており、チャネルが形成される領域には及ぶことがないので、チャネル抵抗や耐圧などの特性に悪影響を与えない。
【0094】
次に、請求項1の実施例にかかる図4のダイオードにおける不純物プロファイル及びゲート酸化膜の膜厚が200Åのデバイスを例にとり、ポリシリコン内部の平均不純物密度を変化させた場合のしきい値電圧の理論値を比較する。ただし、この場合はMOSゲートを(111)面に形成する場合を想定し、界面準位密度を5×1011cm-2と仮定している。計算結果は、ポリシリコンの平均不純物密度が1020cm-3のしきい値電圧の理論値は、0.203V程度となり、ポリシリコンの平均不純物密度が1021cm-3においては、0.143V程度となる。したがって、ポリシリコンの平均不純物密度が高い程、しきい値電圧を低減できる。
【0095】
この実施例は、請求項2又は請求項3の発明のいずれにも応用可能であるが、請求項2及び請求項3のように、シリコン表面にショットキバリヤ及びP形拡散層が露出する場合は、これらの形成される領域をあらかじめ酸化膜などにより、マスクした上でイオン注入を行う必要がある。
【0096】
本実施例においては、リンを用いているが、N形であれば他の不純物でも良い。Nチャネルを形成する場合について述べたが、Pチャネルでも勿論良く、この場合にはポリシリコンゲートの伝導形もP形にする必要がある。
【0097】
(MOSゲートの電極材料として金属を用いる実施例)
このMOSゲートのしきい値電圧の低減化の方法は、MOSゲートの電極材料として金属を用いる場合であり、金属と半導体との仕事関数差が大きくなるような金属材料を選択して、しきい値電圧の低下を図るものである。この発明も請求項1ないし請求項3のいずれの発明に対しても適用可能であり、最終段階の電極形成プロセスで実施すれば良い。
【0098】
この方法の重要な点は、反転層の導電形に合わせて、MOSゲートの金属の仕事関数の大小を決定するということである。
【0099】
MOSゲート直下の半導体領域がP形でN形反転層を形成する場合は、金属の仕事関数が小さな金属、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)及びアルミニウム(Al)などを選択することにより、半導体との仕事関数差が大きくなり、しきい値電圧の低減が可能となる。逆に、MOSゲート直下の半導体領域がN形でP形反転層を形成する場合は、金属の仕事関数が大きな金属、例えば、プラチナ(Pt)、パラジウム(Pd)及びニッケル(Ni)などを選択する必要がある。金属材料としては、上記以外にも多数存在するが、上記の金属のように、化学的に安定な金属が望ましい。これら金属の形成には、通常のスパッタリング装置、あるいは電子ビーム蒸着装置などが用いられる。
【0100】
この実施例を、請求項2の発明にかかる実施例を示す図6及び図7のダイオードに応用する場合は、電極としてMOSゲート、オーミック電極及びショットキバリヤ金属を兼ねた一つの電極材料で実現できることは言うまでもない。
【0101】
以上のように、請求項5又は請求項6の発明は、いずれもMOSゲートのしきい値電圧を低減化するものであり、これらを請求項1ないし請求項3の発明のダイオードに適用することにより、順方向導通開始電圧を0Vに限りなく近づけることができ、理想ダイオードに近い特性が期待できる。
【0102】
以上、各請求項の発明について言及したが、これらの各実施例を組み合わせた構成からなるデバイスも実現可能であり、各実施例のデバイスの導電形を逆にしたデバイスも同様にして容易に実現できる。
【0103】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、従来の半導体ダイオードに比べて順方向電圧降下の小さいMOSFET構造を用いた2端子形の高速動作可能な半導体ダイオードを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1の発明におけるMOSFET構造を用いた2端子形の半導体ダイオードの基本的説明を行うための図面である。
【図2】請求項2の発明におけるMOSFET構造とショットキバリヤの並列構成の2端子形の半導体ダイオードの基本的説明を行うための図面である。
【図3】請求項3の発明におけるMOSFET構造とPN接合の並列構成の2端子形の半導体ダイオードの基本的説明を行うための図面である。
【図4】請求項1の発明におけるMOSFET構造を用いた2端子形の半導体ダイオードの一実施例を示す図面である。
【図5】請求項1の発明におけるMOSFET構造を用いた2端子形の半導体ダイオードにおけるトレンチ構造の一実施例を示す図面である。
【図6】請求項2の発明におけるMOSFET構造とショットキバリヤの並列構成の2端子形の半導体ダイオードの一実施例を示す図面である。
【図7】請求項2の発明におけるMOSFET構造とショットキバリヤの並列構成の2端子形の半導体ダイオードにおけるトレンチ構造の一実施例を示す図面である。
【図8】請求項3の発明におけるMOSFET構造とPN接合の並列構成の2端子形の半導体ダイオードの一実施例を示す図面である。
【図9】請求項3の発明におけるMOSFET構造とPN接合の並列構成の2端子形の半導体ダイオードにおけるトレンチ構造の一実施例を示す図面である。
【図10】請求項3の発明におけるMOSFET構造とPN接合の並列構成の2端子形の半導体ダイオードにおけるトレンチ構造の他の一実施例を示す図面である。
【図11】横型MOSFET構造を用いた2端子形の半導体ダイオードの基本的説明を行うための図面である。
【図12】請求項1の発明におけるMOSFET構造を用いた2端子形の半導体ダイオードの横形構造への一実施例を示す図面である。
【図13】請求項2の発明におけるMOSFET構造とショットキバリヤの並列構成の2端子形の半導体ダイオードの横形構造への一実施例を示す図面である。
【図14】請求項3の発明におけるMOSFET構造とPN接合の並列構成の2端子形の半導体ダイオードの横形構造への一実施例を示す図面である。
【図15】横型MOSFET構造を用いた2端子形の半導体ダイオードの一例を示す図面である。
【符号の説明】
S1 ,S2 ,D・・・第1の伝導形の半導体領域
(図4以降においては、順に、NS + ,NS ,ND + に相当)
B,I・・・第1の伝導形とは逆の第2の伝導形の半導体領域
(図4以降においては、順にPB ,PI に相当)
F・・・金属半導体合金層(図6以降は、シリサイド層)
MS ・・・ショットキバリヤ領域
E1 ・・・半導体領域S1 に設けた電極
E2 ・・・半導体領域Dに設けた電極
A・・・アノード電極
K・・・カソード電極
G・・・MOSゲートの電極
NB + ・・・P/N+ エピタキシャル成長基板の基板領域[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor diode having a small forward voltage drop and a fast switching operation. In particular, the present invention uses a MOSFET structure and enables two-terminal operation by self-bias.
[Prior art]
[0002]
In a situation where the operating voltage of the VLSI circuit is being reduced, there is a demand for further reducing the forward voltage drop of an output diode used for a switching power supply or the like and reducing the loss. Under the present circumstances, a Schottky barrier diode or a synchronous rectifier diode using a MOSFET can be cited as a diode that satisfies this requirement.
[Problems to be solved by the invention]
[0003]
However, in the Schottky barrier diode, if the potential barrier is reduced to reduce the forward voltage drop, the reverse leakage current increases, and the size of the potential barrier is determined by the metal material. .
[0004]
In addition, a synchronous rectifier diode that is made into a diode by three-terminal operation using a MOSFET can have a considerably lower on-voltage than a Schottky barrier diode, but requires a control gate signal for synchronization for rectification. There is a problem that the loss of the circuit increases.
[0005]
OBJECT OF THE INVENTION
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a MOS type diode which can conduct a two-terminal operation by making a MOSFET structure conductive by self-bias without requiring a gate signal and has a small forward voltage drop. .
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the invention according to
[0007]
In order to solve the above problems, in the invention according to
[0008]
Furthermore, in order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 3 is a junction J that becomes a PN junction instead of the Schottky barrier region of the structure of the invention of claim 2.FourAre connected in parallel, and the semiconductor region S2Minority carriers are injected into the substrate so that a low on-state voltage can be realized even under a large current.
[0010]
And claims4In the invention ofIn the invention of any one of
[0011]
Furthermore, in order to realize a low on-voltage of the diode,OrClaim6According to the present invention, the threshold voltage of the MOS gate is reduced in order to further reduce the on-voltage of the semiconductor diode according to the first to third aspects of the invention. In the following, claim 5OrClaim6The on-voltage reduction means in the invention will be described.
[0012]
Claim5In this invention, the effect of lowering the threshold voltage by introducing a fixed charge into the gate oxide film of the MOS gate structure is used.
[0013]
Claims6In this invention, by forming a MOS gate on the (111) plane of the silicon (Si) crystal plane, the effect of decreasing the threshold voltage by increasing the interface state is used.
[0016]
Claim 5OrClaim6By applying the present invention to the MOS diode according to the first to third aspects of the present invention, a further lower on-voltage can be realized.
[0017]
Features and principles of operation of the invention
Hereinafter, detailed features and operations of the invention according to the claims will be described.
(Characteristics and Principle of Operation of Claim 1)
The feature of
[0018]
Next, the operation principle of this semiconductor element will be described. In FIG. 1, the first electrode E1And the second electrode E2The voltage applied between them is junction JThreeConsider the case where the polarity is reverse biased. In this state, since the semiconductor region B and the semiconductor region D are not short-circuited, most of the applied voltage is applied to the junction J formed by these regions.ThreeIs spent as a reverse bias voltage. Therefore, this junction JThreeA voltage is also applied between the MOS gate electrode G in a parallel connection configuration and the surface of the semiconductor region B immediately below the gate. While the applied voltage is small, the semiconductor region B immediately below the MOS gate is depleted. However, when the applied voltage is equal to or higher than the threshold voltage of the MOS gate, an inversion layer is formed on the surface of the semiconductor region B immediately below the gate. . As a result, the semiconductor region S1Majority carrier is S2Through the inversion layer and reverse junction JThreeAre discharged and become conductive. In the semiconductor device according to this claim, by reducing the threshold voltage of the MOS gate, the semiconductor device can be rendered conductive with a considerably small on-voltage.
[0019]
As a means for reducing the threshold voltage, there is a method of forming a thin gate oxide film or reducing the impurity density at the oxide film semiconductor interface. Further, ions having a conductivity type opposite to that of the semiconductor region B may be implanted into the oxide semiconductor interface. This ion implantation is generally performed for adjusting the threshold voltage, and a peak density of implanted ions is generated at the oxide semiconductor interface.
[0020]
Next, the operation when a voltage in the direction opposite to the above polarity is applied will be considered. In this case, most of the applied voltage is the junction J2The reverse bias voltage of the junction JThreeOnly a small voltage is applied at the forward bias junction. As a result, JThreeSince no voltage is applied so much between the MOS gate in the parallel connection configuration and the semiconductor region B immediately below the gate, no electrical change occurs on the surface of the semiconductor region B immediately below the MOS gate. Thus, for this polarity, the reverse-biased junction J2In this case, only the applied voltage is consumed, and a non-conductive state is obtained.
[0021]
As described above, in the element of the first aspect of the invention, the first electrode E1And second electrode E2Will have a rectifying action between the two terminals. In addition, unlike the conventional synchronous rectification, a self-bias is applied to the MOS gate, so that a gate signal is not required and a two-terminal operation is possible. Further, a low on-voltage characteristic can be expected by reducing the threshold voltage, and since it is a majority carrier device, high-speed switching can also be achieved.
[0022]
(Characteristics and operating principle of the invention according to claim 2)
The feature of the invention according to
[0023]
In FIG. 2, the first electrode E as in the element according to the invention of
[0024]
When a voltage opposite in polarity to the above voltage polarity is applied, as in the first aspect of the invention, no electrical change occurs on the surface of the semiconductor region B immediately below the MOS gate, and the Schottky barrier is also reversed. Directional operation is performed, and a non-conduction state is established. Further, the semiconductor region S2Since the MOS gate on the surface also serves as a field plate structure, it works to alleviate the electric field at the junction end of the Schottky barrier and increase the breakdown voltage.
[0025]
As described above, also in the element of the invention of
[0026]
(Characteristics and operating principle of the invention according to claim 3)
As shown in FIG. 3, the feature point of claim 3 is a Schottky barrier region M in the invention of claim 2.SInstead of J, it becomes a normal PN junctionFourIs formed in parallel connection. Further, as in the first and second aspects of the invention, the second electrode E2, Third electrode EThreeAnother feature is that the MOS gate electrode G is short-circuited, enabling two-terminal operation. Next, the operation principle of this semiconductor element will be described.
[0027]
In FIG. 3, as in the case of the invention of
[0028]
Applied voltage is junction JFourWhen this voltage exceeds the conduction start voltage, the junction JFourLesser carriers are in region S2This semiconductor region S is injected into2This produces a conductivity modulation effect, and operates at a forward voltage of a normal PN junction. Furthermore, JFourThe minority carriers injected more reach the semiconductor region B and accumulate in this semiconductor region, so that the semiconductor regions B and S2J made by2Works to be forward-biased. Therefore, this effect is achieved by the semiconductor region S2The majority carriers are injected into the region B and reach the region D, so that the emitters are respectively connected to the semiconductor region S.2The parasitic bipolar transistor having the semiconductor region B as the base and the semiconductor region D as the collector is operated, the conduction region is further expanded, and low on-resistance characteristics can be expected even under a large current.
[0029]
However, in the above operation, the joint JFourMinority carriers are injected from, so there is a concern about an increase in reverse recovery time when switching from the forward direction to the reverse direction. In the invention of claim 3, in order to suppress this effect, the MOS gate structure is bonded to the junction J.FourIn the state where the reverse voltage is applied to the device in the reverse recovery state, the semiconductor region S immediately below the MOS gate is formed.2An inversion layer is formed. By this action, carriers injected in the forward direction in the reverse recovery state and accumulated in the semiconductor region B are transferred to the semiconductor region S immediately below the MOS gate.2By pulling out from the semiconductor region I through the inversion layer, an increase in reverse recovery time is suppressed.
[0030]
Further, when a reverse voltage is applied to the diode of the present invention, the semiconductor region S directly under the MOS gate2The inversion layer formed in (1) operates so as to short-circuit between the semiconductor region D and the semiconductor region B, and thus has the effect of reducing the reverse leakage current of the parasitic bipolar transistor described above. Therefore, according to the present invention, a semiconductor diode with a small reverse leakage current can be provided.
[0031]
As described above, according to the third aspect of the present invention, as in the first aspect, the two-terminal operation is possible, and the on-resistance is reduced under a large current by injecting minority carriers.
[0033]
(Claims4Features and principles of the invention)
[0034]
Next, claim 5OrClaim6Although the features and principles of the invention according to the present invention will be described, these means are different, but the object is the same, and the threshold voltage of the MOS gate is reduced.
[0035]
(Claims5Features and principles of the invention)
Claim5In this invention, in order to reduce the threshold voltage of the MOS gate, a fixed charge is introduced into the gate oxide film. By this action, carriers are induced in the semiconductor region directly under the gate, an inversion layer is easily formed, and the threshold voltage can be reduced. In general, the threshold voltage adjustment method by ion implantation is performed by changing the doping at the oxide semiconductor interface, and the peak density of the implanted ions is generated at the oxide semiconductor interface. . Accordingly, a deep and relatively high dose of ions is implanted through the oxide film so as to reach the semiconductor interface, and there is a problem that damage to the gate oxide film is increased.
[0036]
The introduction of the fixed charge into the gate oxide film according to the present invention similarly uses the ion implantation method. However, the fixed charge is mainly formed in the gate oxide film to reduce the threshold voltage, and is shallow. In addition, low dose ion implantation is performed. Therefore, there is almost no doping at the oxide semiconductor interface, and damage to the oxide film can be suppressed. Further, the threshold voltage voltage shift due to the introduction of the fixed charge in the gate oxide film according to the present invention is almost proportional to the fixed charge amount in the oxide film, so that the threshold voltage can be easily controlled.
[0037]
(Claims6Features and principles of the invention)
Claim6The invention of claim5Similar to the object of the present invention, the threshold voltage of the MOS gate is reduced, and as a means therefor, the MOS gate structure is formed on the (111) plane of the silicon crystal plane.
[0038]
Compared to the (100) plane of silicon, the interface state density is 10 orders of magnitude greater on the (111) plane.11cm-2The threshold voltage is lowered by this effect.
[0039]
(Characteristics of embodiment using polysilicon gate as MOS gate material)
This example isPolysilicon gate as MOS gate materialUseIncreasing the impurity density in the polysilicon gateByAs a result, the work function difference between the polysilicon gate and the semiconductor directly under the MOS gate increases, and as a result, the threshold voltage can be reduced.
[0040]
This exampleAlthough the impurity density of the polysilicon may be increased during the process, it can be performed mainly by re-doping the polysilicon portion by ion implantation and low-temperature annealing after the end of the diffusion process. Therefore, ion implantation is possible only in the polysilicon portion, and the gate oxide film is not damaged at all. Further, there is a feature that the threshold voltage can be easily readjusted after the diffusion process is completed.
[0041]
(Characteristics of embodiment using metal as MOS gate material)
This example isMetal as MOS gate materialUseThe threshold voltage is reduced by using a metal material that increases the work function difference between the metal and the semiconductor in the MOS gate.
[0042]
Thus, claim 5OrClaim6The invention of
[0043]
【Example】
Specific embodiments of the invention of each claim will be described below.
[0044]
(Embodiment corresponding to the invention of claim 1)
FIG. 4 is a sectional structural view showing an embodiment of the invention of
[0045]
Next, fabrication of a diode using the MOSFET structure of this embodiment will be described. In the device of the present invention, it is necessary to select the impurity density of the silicon substrate used for fabrication in accordance with the reverse breakdown voltage. In this embodiment, the case of realizing low on-resistance with low breakdown voltage is taken as an example. explain.
[0046]
In production, N / N+The epitaxial growth substrate is used. The resistivity of the substrate is 0.015 Ωcm or less and the thickness is about 500 μm. The epitaxial growth layer is about 0.5 Ωcm and the thickness is about 3 μm.
[0047]
In the manufacturing process, a field oxide film having a thickness of 1 μm is first formed by steam oxidation, and the thermal oxide film is selectively etched by photolithography to form an active region of the device. Subsequently, a gate oxide film SiO having a thickness of about 200 mm is formed by dry oxidation for forming a gate oxide film.2Then, a polysilicon layer Poly-Si is formed to a thickness of about 1 μm by CVD.
[0048]
Next, similarly to a normal vertical MOSFET, polysilicon and a gate oxide film are selectively opened, and a semiconductor region P is formed by a self-alignment process.BAnd semiconductor region NDForm. In this case, the semiconductor region PBSurface density of about 3 × 1018/ CmThreeThe diffusion depth is about 2 μm and the semiconductor region NDSurface density of about 1020/ CmThreeThe diffusion depth is about 1 μm. In the process of the present embodiment, as a means for reducing the threshold voltage of the MOS gate, the gate oxide film is formed as thin as about 200 mm, and the impurity density at the oxide film semiconductor interface is set to 10.17cm-3It is lowered to the extent. Further, the region P is formed on the oxide semiconductor interface by means of a means for reducing the threshold voltage by ion implantation that is generally performed.BAnd reverse conductivity type phosphorus ions are implanted. In order to further reduce the threshold value, the gate oxide film is thinned to about 100 mm and the impurity density at the oxide film semiconductor interface is set to 10.17cm-3The following is desired.
[0049]
Further, in order to activate the implanted ions and recover the damage, the semiconductor diode according to
[0050]
Next, the operation of this semiconductor element will be described. In FIG. 4, when a positive voltage is applied to the anode electrode with respect to the cathode electrode,ThreeBecomes the reverse bias voltage.ThreeThus, an effective gate voltage is also applied to the MOS gate in a parallel connection configuration. While this applied voltage is small, the semiconductor region B immediately below the MOS gate is depleted, but when the applied voltage is equal to or higher than the threshold voltage of the MOS gate, an inversion layer is formed. As a result, the semiconductor region NS +Majority carriers in region NSAnd the reverse bias junction J through the inversion layer.ThreeDischarged from the semiconductor region NDReaches the conductive state. In the semiconductor device of this embodiment, by reducing the threshold voltage of the MOS gate G, it becomes possible to make it conductive with a considerably small voltage.
[0051]
Next, when a voltage in the direction opposite to the above polarity is applied, most of the applied voltage is the junction J2The reverse bias voltage of the junction JThreeOnly a slight forward bias voltage is applied. As a result, JThreeSince no voltage is applied to the MOS gate in a parallel connection configuration, no electrical change occurs on the surface of the semiconductor region B immediately below the MOS gate. Thus, for this polarity, the reverse-biased junction J2Only the applied voltage is consumed, and this semiconductor diode becomes non-conductive.
[0052]
As described above, the device of the embodiment shown in FIG. 4 has a rectifying action between the anode electrode and the cathode electrode. In addition, unlike the conventional synchronous rectification, a self-bias is applied to the MOS gate, so that no gate signal is required, and a two-terminal operation using the anode electrode A and the cathode electrode K is possible. Further, a low on-voltage characteristic can be expected by reducing the threshold voltage, and since it is a majority carrier device, high-speed switching can also be achieved. As will be described later in detail with reference to FIG. 8, the electrode is formed on the semiconductor region P at the periphery of the device of this embodiment.BThe PN junction diode portion may be formed by ohmic contact. The conduction region is expanded by the action of the PN junction diode, and a reduction in on-resistance characteristics can be expected even under a large current.
[0053]
The above embodiment can be applied to a device having a trench structure as shown in FIG. 5 and can be easily realized by performing reactive ion etching. Each semiconductor region in FIG. 5 and the operation mechanism are the same as those in FIG.
[0054]
(Embodiment corresponding to invention of Claim 2)
Next, the invention of
[0055]
Next, fabrication of a diode using the MOSFET structure of this embodiment will be described. Also in this embodiment, the semiconductor region P is formed by a substrate used for manufacturing and a self-alignment process.BAnd semiconductor region NDThe ion implantation process performed for reducing the threshold voltage of the MOS gate and the annealing process thereof are the same as those in the first embodiment. In this embodiment, the following Schottky barrier region MSA through-hole process is added for formation. Subsequently, a metal is deposited and heat-treated at an appropriate temperature according to the metal material, thereby forming a silicide layer corresponding to the metal semiconductor alloy layer F in the silicon interface, and the Schottky barrier region MSForm. Also, in this process, each electrode is formed at the same time, and the second electrode E in FIG.2, Third electrode EThreeIn this embodiment, the MOS gate electrode G and the MOS gate electrode G are short-circuited to become an anode electrode A having an integral structure.
[0056]
Next, the operation principle of this semiconductor element will be described. In FIG. 6, as in the first aspect of the invention, the first electrode E1And the second electrode E2The polarity of the voltage applied between them isThreeConsider a forward conduction state in which becomes a reverse bias voltage. In this state, the Schottky barrier region MSIs also forward. The applied voltage is applied to the semiconductor region P directly under the gate.BWhen the inversion layer is formed on the surface, the semiconductor region NS +Majority carriers in the semiconductor region NSThrough the inversion layer and reverse junction JThreeAre discharged and become conductive. In this state, the semiconductor region N directly under the MOS gateSAn accumulation layer is formed on the surface, and a Schottky barrier region M directly under the MOS gate.SIn FIG. 5, a certain amount of current flows due to the tunnel effect due to the presence of the accumulation layer. In addition, the density of current flowing through the inversion layer increases and the voltage drop increases, so when the applied voltage increases, Schottky barriers other than those directly under the MOS gate also conduct, forming a conduction region with the inversion layer. Therefore, low on-resistance can be maintained.
[0057]
When a voltage opposite to the above voltage polarity is applied, the semiconductor region P immediately below the MOS gate is applied.BThere is no electrical change on the surface, and the Schottky barrier also operates in the reverse direction, resulting in a non-conductive state. Also, the semiconductor region NSSince the MOS gate on the surface also serves as a field plate structure, it works to alleviate the electric field at the junction end of the Schottky barrier and increase the breakdown voltage.
[0058]
As described above, the embodiment of FIG. 6 showing the invention of
[0059]
(Embodiment corresponding to invention of Claim 3)
FIG. 8 is a sectional structural view showing an embodiment of the invention according to claim 3 in which a diode using a MOSFET structure is realized by a vertical structure of silicon. In this figure, the semiconductor region S of the first conductivity type in FIG.1, Semiconductor region S2And the semiconductor region D are respectively N-conducting semiconductor regions NS +, Semiconductor region NSAnd semiconductor region ND +It corresponds to. Further, the second conductivity type semiconductor region B and the semiconductor region I in FIG.BAnd semiconductor region PIIt corresponds to. Note that the first electrode E in FIG.1Corresponds to the cathode electrode K of FIG. 8, and the second electrode E of FIG.2, Third electrode EThreeAs for the MOS gate electrode G, the anode electrode A is integrally formed in FIG. FIG. 8 also shows a case where the self-alignment process is used, and the anode electrode and the gate oxide film SiO.2In between, a polysilicon layer Poly-Si is formed.
[0060]
Next, fabrication of a diode using the MOSFET structure of this embodiment will be described. Since this device is suitable for a high voltage diode, the case of an embodiment of a high voltage device will be described.
[0061]
In production, N / N+The epitaxial growth substrate is used. The resistivity of the substrate is 0.015 Ωcm or less and the thickness is about 500 μm. For the epitaxial growth layer, the resistivity is about several Ωcm and the thickness is about several tens of μm.
[0062]
In the manufacturing process, an oxide film is first formed by steam oxidation, and the region P is formed.IIn order to selectively form the film, the thermal oxide film is etched by photolithography. The subsequent process is the same as that of the first aspect of the invention.BIn order to increase the withstand voltage, it is necessary to adjust the depth according to the withstand voltage to form a diffusion depth of about several μm. Furthermore, in the reverse direction of the element to which the high voltage is applied, the semiconductor region P is prevented so that the high voltage is not applied to the gate oxide film.BAnd semiconductor region PIIt is necessary to adjust the interval. In addition, it is necessary to take measures for increasing the breakdown voltage such as a field plate structure and a guard ring structure in joining the ends of the device.
[0063]
The other processes are almost the same as those of the invention of
[0064]
In FIG. 8, the anode electrode has a positive polarity with respect to the cathode electrode, and the magnitude of the applied voltage is the junction JFourThe behavior of the element when it is smaller than the conduction start voltage is exactly the same as that of the embodiment of FIG. 4 of the above-mentioned
[0065]
Therefore, this action is caused by the semiconductor region NSMajority carriers in the semiconductor region PBAnd the semiconductor region ND +So that each emitter is connected to the semiconductor region N.S, Base the semiconductor region PB, Collector the semiconductor region ND +As a result, the conduction region is further expanded, and a reduction in on-resistance characteristics can be expected even under a large current.
[0066]
In addition, as described above, the MOS gate structure has a junction J for the purpose of suppressing an increase in reverse recovery time when switching from the forward direction to the reverse direction.FourSemiconductor region P formingIIn a state where a reverse voltage is applied to the device in a reverse recovery state, the semiconductor region N immediately below the MOS gate is formed.SA P-type inversion layer is formed on the substrate. By this action, the semiconductor region P is injected into the forward direction in the reverse recovery state.BThe carriers accumulated in the semiconductor region P are routed through the P-type inversion layer immediately below the MOS gate.IBy pulling out from, the increase in reverse recovery time can be suppressed.
[0067]
Further, the semiconductor region N immediately below the MOS gate formed when a reverse voltage is applied to the diode of the present invention.SThe P-type inversion layer on the surface is the semiconductor region N of the parasitic NPN transistor described above.D +And semiconductor region PBSince the carrier is prevented from being injected by operating so as to short-circuit the junction constituted by, there is also an effect of reducing the reverse leakage current.
[0068]
In the high voltage application state in the reverse direction,2And JFourThe depletion layer extending from the gate behaves so that a high voltage is not applied to the gate oxide film. As described above, the element of the embodiment shown in FIG. 8 can be expected to have a rectifying action with a two-terminal operation using the anode electrode A and the cathode electrode K and a low on-voltage characteristic, as in the previous embodiment. , Semiconductor region N from PN junctionSA low on-state voltage can be expected even in a high current state from the hole injection into. The above embodiment can also be applied to the trench structure device of the embodiment as shown in FIGS. 9 and 10, and can be easily realized by performing reactive ion etching. Each semiconductor region and the operation mechanism in FIGS. 9 and 10 are the same as those in FIG.
[0069]
Although the diode structures in the above embodiments are all described in the case of the vertical structure, as shown in FIG. 11, a lateral device that can be easily applied to an integrated circuit or the like can be realized. In this lateral diode structure, the semiconductor region D is also the semiconductor region S.1Is also present on one surface side of the semiconductor substrate region B across a part of the semiconductor substrate region B, and the first electrode E1, Second electrode E2The MOS gate electrode G is also present on one side of the semiconductor substrate.
[0070]
FIGS. 12, 13 and 14 are embodiments in which the diode using the double diffusion MOSFET structure of the invention of
[0071]
Next, an example in which the present invention is applied to a lateral MOSFET structure will be described with reference to FIG.This figure is a cross-sectional structure diagram in which a diode using a normal lateral MOSFET structure is realized with silicon. In this figure, the semiconductor substrate region B in FIG.B, Semiconductor region S of the opposite conductivity type1And the semiconductor region D are respectively connected to the semiconductor region N.SAnd semiconductor region NDIt corresponds to. In this embodiment, NB +P / N with substrate area+Although an epitaxial growth substrate is used, it may be formed on a P well layer diffused on a P substrate and an N substrate.
[0072]
Electrode E in FIG.1Corresponds to the cathode electrode K in FIG. 15, and the electrode E in FIG.2As for the MOS gate electrode G, the anode electrode A having an integral structure is also used in FIG. The MOS gate is a polysilicon gate.
[0073]
The manufacture of a diode using the MOSFET structure of this embodiment will be described. As a first step, the substrate is thermally oxidized to form a field oxide film. Next, the field oxide film corresponding to the gate oxide portion is removed by photolithography, and a gate oxide film of about several hundreds of inches is formed by dry oxidation. Subsequently, polysilicon is deposited by low pressure CVD. Further, the polysilicon and gate oxide film in regions corresponding to the source and drain regions of the MOSFET are removed by a self-alignment process, and an N-type region is formed by an ion implantation process and annealing diffusion. Next, an oxide film is deposited by plasma CVD, and the deposited oxide film is selectively etched by photolithography so that only the polysilicon gate and the anode electrode are short-circuited. Next, the embodiment of FIG. 15 is realized by forming electrodes. The semiconductor diode of the embodiment of FIG. 15 is characterized in that the device can be realized by a single diffusion process without double diffusion. The principle of operation of this semiconductor diode is the same as that of the embodiment shown in FIG.
[0074]
Each of the
[0075]
Next, claim 5OrClaim6An embodiment corresponding to the invention will be described. As mentioned above, claim 5OrClaim6The object of the present invention is as follows.3In order to further reduce the on-voltage of the semiconductor diode according to the present invention, the threshold voltage of the MOS gate is reduced. For these inventions,
[0076]
(Claims5Example corresponding to the invention of
Claim5The method of reducing the threshold voltage of the MOS gate according to the invention is to introduce fixed charges into the gate oxide film. By this action, carriers are induced in the semiconductor region directly under the gate, an inversion layer is easily formed, and the threshold voltage can be reduced. As this specific method, an ion implantation method is preferable from the viewpoint of controllability.
[0077]
Next, the claim5An embodiment corresponding to the invention will be described. This claimOf 5The invention is as follows.3The present invention can be applied to any of the inventions, but in this embodiment, a case where the invention is applied to the invention of
[0078]
As in the invention of
[0079]
According to the first aspect of the present invention, since an inversion layer having electrons as carriers is formed immediately below the gate, a positive charge is required as a fixed charge in order to reduce the threshold voltage. For example, phosphorus ion (P+) Will be described. Further, an example will be described in which the polysilicon gate layer is formed as thin as about 0.3 μm so that a fixed charge can be easily formed in the gate oxide film. Other process conditions are the same as those in the first embodiment. When phosphorus ions are implanted into this structure, in order to avoid damage due to ion implantation of the oxide film and to suppress doping at the oxide semiconductor interface, implantation is mainly performed so that ions stop in the polysilicon and oxide film regions. In addition, it is necessary to carry out under ion implantation conditions (acceleration voltage and dose) that can reduce the threshold voltage.
[0080]
Therefore, in this embodiment, in the implantation distribution of phosphorus ions expressed by the Gaussian distribution in the polysilicon and the gate oxide film region, the position where the peak density NPEAK is given is about 0.1 μm from the surface of the polysilicon. Is about 2 × 1020cm-3So that the acceleration voltage EA80 keV,
[0081]
After ion implantation for reducing the threshold voltage, heat treatment is performed at a relatively low temperature of about 950 ° C. for about 30 minutes, thereby suppressing ion diffusion and activating the implanted ions and damaging the oxide film due to the ion implantation. Do recovery. If an electrode is formed following this process, a diode having a very low on-voltage to which the invention of claim 5 is applied can be realized.
[0082]
In this embodiment, the method of reducing the threshold voltage mainly for introducing a fixed charge into the oxide film has been described. Of course, the peak density of implanted ions at the interface of the oxide film semiconductor is generally performed. You may use together with the ion implantation method performed so that it may occur. In this embodiment, the case where the thickness of the polysilicon is 0.3 μm and the thickness of the oxide film is 0.05 μm is shown. Of course, even if these thicknesses are changed, the polysilicon is further removed and directly applied to the oxide film. Even if ion implantation is performed, it can be realized by appropriately selecting optimum ion implantation conditions.
[0083]
In this embodiment, the case of phosphorus ions has been described as an example of positive charges, but other positive ions may be used. However, from the viewpoint of device reliability, ions having a large mass and a small diffusion coefficient are desirable in order to reduce fluctuations in threshold voltage. Note that a device in which the conductivity type of each region in the diode of the above embodiment is reversed can be realized. In this case, however, the fixed charge necessary for reducing the threshold voltage is a negative charge.
[0084]
(Claims6Example corresponding to the invention of
Claim6The method of reducing the threshold voltage of the MOS gate according to the present invention is to form the MOS gate structure on the (111) plane of the silicon crystal surface having a large interface state, and the threshold value increases as the interface state density increases. The effect of lowering the value voltage is used. The interface state density of the (100) plane of silicon is 5 × 10Tencm-2In the (111) plane, 5 × 10 that is one digit larger11cm-2It will be about.
[0085]
This claim6In practicing the present invention, it is important to specify the crystal plane of the substrate so that the crystal plane forming the MOS gate structure is the (111) plane.3The present invention can be applied to any of these inventions. As shown in FIG. 4 showing an embodiment of the present invention, when a MOS gate structure is formed on the substrate surface, the substrate surface is a (111) plane. Further, when the MOS gate structure is formed with the (111) plane being the surface perpendicular to the substrate surface, such as the trench gate of FIG. 5 showing the embodiment of the present invention, the substrate surface is the (110) plane. It is necessary to specify as follows.
[0086]
When the process of the device of FIG. 4 in the embodiment of
[0087]
In this embodiment, the MOS gate is formed on the (111) plane. Of course, the MOS gate is formed on the (100) plane, and other measures for reducing the threshold voltage are taken by employing means such as a thin gate oxide film. May be.
[0088]
(Use polysilicon as gate electrode material for MOS gateExample)
thisThe method for reducing the threshold voltage of the MOS gate is the case where polysilicon is used as the gate electrode material of the MOS gate, and the work function difference between the polysilicon gate and the semiconductor is increased by increasing the impurity density in the polysilicon. To increase the threshold voltage. This invention also claims 1 to3It can be applied to any of the inventions.
[0089]
First, the diode of FIG.This exampleThe case where is applied will be described.thisThe impurity density of polysilicon may be increased at the same time as the diffusion process. However, in order not to adversely affect the characteristics such as breakdown voltage and channel resistance, ion implantation and low temperature are performed after the diffusion process so as not to change the impurity profile. It is preferable to perform the annealing. In addition, the threshold voltage can be readjusted by introducing a preceding monitor into the process, evaluating the threshold voltage, and using this process again.
[0090]
Also in this embodiment, the substrate used for device fabrication and the semiconductor region P by self-alignment process using polysilicon.BAnd NDThe process up to the formation is the same as the diode embodiment shown in FIG. However, it is desirable that the thickness of the polysilicon layer is relatively thin in order to make the impurity density uniform throughout the polysilicon layer. Therefore, in this embodiment, this thickness is set to about 0.5 μm.
[0091]
Next, a process for reducing the threshold voltage will be described. In the embodiment of FIG. 4 according to the invention of
[0092]
Under this condition, the projection range that gives the peak density of the implanted ions is about 0.13 μm, and the projection dispersion that gives the spread of the distribution is about 0.06 μm, so that the phosphorus ions extend from the surface of the polysilicon to about 0.2 μm. Will be injected. Therefore, the implanted ions do not reach the gate oxide film, and the oxide film is hardly damaged.
[0093]
Next, annealing diffusion is performed at a temperature of about 950 ° C. in order to make the impurity density of the entire polysilicon uniform. By this process, the semiconductor region N in the diode of FIG.D +As described above, the depth of the channel is as deep as about 1 μm and does not reach the region where the channel is formed. Therefore, there is no adverse effect on characteristics such as channel resistance and breakdown voltage.
[0094]
Next, the threshold voltage when the average impurity density in the polysilicon is changed is taken for an example of a device having an impurity profile and a gate oxide film thickness of 200 mm in the diode of FIG. 4 according to the embodiment of
[0095]
This exampleClaim 2OrClaim3However, when the Schottky barrier and the P-type diffusion layer are exposed on the silicon surface as in
[0096]
In this embodiment, phosphorus is used, but other impurities may be used as long as they are N-type. The case where the N channel is formed has been described, but the P channel may of course be used. In this case, the polysilicon gate needs to have a P type.
[0097]
(Use metal as electrode material for MOS gateExample)
thisThe method of reducing the threshold voltage of the MOS gate is a case where a metal is used as the electrode material of the MOS gate. A metal material that increases the work function difference between the metal and the semiconductor is selected, and This is intended to reduce the voltage. The present invention is also applicable to any one of the first to third aspects of the invention, and may be carried out in the final electrode formation process.
[0098]
The important point of this method is that the magnitude of the metal work function of the MOS gate is determined in accordance with the conductivity type of the inversion layer.
[0099]
When the semiconductor region immediately below the MOS gate is P-type and an N-type inversion layer is formed, by selecting a metal having a small metal work function, such as titanium (Ti), chromium (Cr), and aluminum (Al). The work function difference with the semiconductor becomes large, and the threshold voltage can be reduced. Conversely, when the semiconductor region directly under the MOS gate is N-type and a P-type inversion layer is formed, a metal having a large metal work function, such as platinum (Pt), palladium (Pd), or nickel (Ni), is selected. There is a need to. There are many metal materials other than those described above, but chemically stable metals such as the above metals are desirable. For forming these metals, an ordinary sputtering apparatus or an electron beam evaporation apparatus is used.
[0100]
This exampleIs applied to the diode of FIG. 6 and FIG. 7 showing the embodiment according to the invention of
[0101]
As described above, claim 5OrClaim6In any of the inventions, the threshold voltage of the MOS gate is reduced.3By applying the present invention to the diode of the invention, the forward conduction start voltage can be made as close as possible to 0 V, and characteristics close to an ideal diode can be expected.
[0102]
As mentioned above, although the invention of each claim was mentioned, it is also possible to realize a device having a configuration in which each of the embodiments is combined, and a device in which the conductivity type of each device is reversed is easily realized in the same manner. it can.
[0103]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a two-terminal semiconductor diode capable of high-speed operation using a MOSFET structure having a smaller forward voltage drop than that of a conventional semiconductor diode can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view for explaining a basic structure of a two-terminal type semiconductor diode using a MOSFET structure according to the first aspect of the present invention;
FIG. 2 is a view for explaining a basic structure of a two-terminal semiconductor diode having a parallel structure of a MOSFET structure and a Schottky barrier according to the second aspect of the present invention;
FIG. 3 is a view for explaining a basic structure of a two-terminal semiconductor diode having a parallel structure of a MOSFET structure and a PN junction in the invention of claim 3;
FIG. 4 is a drawing showing an embodiment of a two-terminal semiconductor diode using a MOSFET structure according to the invention of
FIG. 5 is a drawing showing an embodiment of a trench structure in a two-terminal semiconductor diode using a MOSFET structure according to the invention of
6 is a drawing showing an embodiment of a two-terminal semiconductor diode having a parallel structure of a MOSFET structure and a Schottky barrier according to the invention of
7 is a drawing showing an embodiment of a trench structure in a two-terminal semiconductor diode having a parallel structure of a MOSFET structure and a Schottky barrier according to the invention of
FIG. 8 is a drawing showing an embodiment of a two-terminal semiconductor diode having a parallel structure of a MOSFET structure and a PN junction according to the invention of claim 3;
9 is a drawing showing an embodiment of a trench structure in a two-terminal semiconductor diode having a parallel structure of a MOSFET structure and a PN junction according to the invention of claim 3. FIG.
FIG. 10 is a drawing showing another embodiment of a trench structure in a two-terminal semiconductor diode having a parallel structure of a MOSFET structure and a PN junction according to the invention of claim 3;
FIG. 11Horizontal typeIt is drawing for performing the basic description of the two-terminal type semiconductor diode using a MOSFET structure.
12 is a drawing showing an embodiment of a lateral structure of a two-terminal semiconductor diode using a MOSFET structure according to the invention of
FIG. 13 is a view showing an embodiment of a lateral structure of a two-terminal semiconductor diode having a parallel structure of a MOSFET structure and a Schottky barrier according to the invention of
FIG. 14 is a drawing showing an embodiment of a lateral structure of a two-terminal semiconductor diode having a parallel structure of a MOSFET structure and a PN junction according to the invention of claim 3;
FIG. 15Horizontal typeOf a two-terminal semiconductor diode using a MOSFET structureOne caseIt is drawing which shows.
[Explanation of symbols]
S1, S2, D: Semiconductor region of first conductivity type
(From FIG. 4 onward, in order, NS +, NS, ND +Equivalent to
B, I ... Semiconductor region of the second conductivity type opposite to the first conductivity type
(In FIG. 4 and subsequent figures,B, PIEquivalent to
F: Metal semiconductor alloy layer (silicide layer from FIG. 6)
MS... Schottky barrier area
E1... Semiconductor region S1Electrode provided on
E2... Electrodes provided in semiconductor region D
A ... Anode electrode
K ... Cathode electrode
G ... MOS gate electrode
NB + ... P / N+Substrate region of epitaxial growth substrate
Claims (6)
前記第1の半導体領域(S 1 )の他方の主面側との間に第1の接合(J 1 )を形成する第1の伝導形の第2の半導体領域(S 2 )と、
一方の主面側が前記第2の半導体領域(S 2 )と第2の接合(J 2 )を形成する第1の伝導形とは逆の第2の伝導形の第3の半導体領域(B)と、
一方の主面側が前記第3の半導体領域(B)と第3の接合(J 3 )を形成し、かつ他方の主面側に第2の電極(E 2 )が形成された第1の伝導形で高不純物密度の第4の半導体領域(D)と、
前記第4の半導体領域(D)と前記第3の半導体領域(B)と前記第2の半導体領域(S 2 )とに及ぶように形成されたMOSゲート構造とを備えている2重拡散MOSFET型構造の半導体ダイオードであって、
前記第4の半導体領域(D)と前記第3の半導体領域(B)とは短絡されない構造になっており、
前記第2の電極(E 2 )と前記MOSゲート構造のゲート電極(G)とが短絡され、かつ前記第3の半導体領域(B)は前記第2の電極(E 2 )と前記ゲート電極(G)のいずれにも接続されない構造になっており、
前記第3の半導体領域(B)と前記第4の半導体領域(D)とを短絡せず、かつ前記第2の電極(E 2 )と前記MOSゲート構造のゲート電極(G)とを短絡したことによって、前記第2の接合(J 2 )を順バイアスする極性の電圧が印加されるときに自己バイアスがMOSゲートに加わり、かつ前記第1の電極(E 1 )と前記第2の電極(E 2 )間の端子特性が整流特性となることを特徴とする半導体ダイオード。A first semiconductor region (S 1 ) having a first conductivity type and a high impurity density in which a first electrode (E 1 ) is formed on one main surface side;
The other and main surface side of the first conductivity type in the second semiconductor region forming a first junction (J 1) (S 2) between said first semiconductor region (S 1),
One main surface side is the second semiconductor region (S 2) and the second joining the first of the second conductivity type opposite to that of the conductivity type third semiconductor region forming the (J 2) (B) When,
Forming one main surface side is the third semiconductor region (B) and the third junction (J 3), and a first conduction second electrode on the other main surface side (E 2) is formed A fourth semiconductor region (D) having a high impurity density in the form;
A double diffusion MOSFET comprising a MOS gate structure formed to cover the fourth semiconductor region (D), the third semiconductor region (B), and the second semiconductor region (S 2 ) A semiconductor diode having a mold structure,
The fourth semiconductor region (D) and the third semiconductor region (B) are not short-circuited,
The second electrode (E 2) and the gate electrode of the MOS gate structure (G) is short-circuited, and the third semiconductor region (B) is the second electrode (E 2) and the gate electrode ( G) is not connected to any of the above,
The third semiconductor region (B) and the fourth semiconductor region (D) are not short-circuited, and the second electrode (E 2 ) and the gate electrode (G) of the MOS gate structure are short-circuited. it allows the self-bias when the second junction (J 2) a polarity voltage of the forward bias is applied is applied to the MOS gate, and the first electrode (E 1) and the second electrode ( A semiconductor diode characterized in that a terminal characteristic between E 2 ) is a rectifying characteristic.
第3の電極(E 3 )が一方の主面側に形成され、かつ他方の主面側と前記第2の半導体領域(S 2 )の他方の主面側との間にショットキバリヤ領域(M S )を形成する金属半導体合金層(F)を備え、
前記MOSゲートは、前記金属半導体合金層(F)に及ぶように形成され、
前記第3の電極(E 3 )は、前記第2の電極(E 2 )と前記ゲート電極(G)とに短絡されることを特徴とする半導体ダイオード。In claim 1,
A third electrode (E 3 ) is formed on one main surface side, and a Schottky barrier region (M ) between the other main surface side and the other main surface side of the second semiconductor region (S 2 ). S ) comprising a metal semiconductor alloy layer (F) forming
Said MOS gate is formed to span the said metal semiconductor alloy layer (F),
The third electrode (E 3), the second electrode (E 2) and the gate electrode (G) and the semiconductor diode, characterized in that it is short-circuited to.
前記第3の電極(E 3 )が一方の主面側に形成され、かつ他方の主面側と前記第2の半導体領域(S 2 )の他方の主面側との間に第4の接合(J4)を形成する第2の伝導形で高不純物密度の第5の半導体領域(I)を備え、
前記MOSゲートは、前記第5の半導体領域(I)に及ぶように形成され、
前記第3の電極(E 3 )は、前記第2の電極(E 2 )と前記ゲート電極(G)とに短絡されることを特徴とする半導体ダイオード。In claim 1,
The third electrode (E 3) is formed on one main surface side, and a fourth junction between the other main surface side of the other main surface side to the second semiconductor region (S 2) A fifth semiconductor region (I) of the second conductivity type and forming a high impurity density forming (J4) ;
The MOS gate is formed to extend to the fifth semiconductor region (I) ,
The third electrode (E 3), the second electrode (E 2) and the gate electrode (G) and the semiconductor diode, characterized in that it is short-circuited to.
前記第2の電極(E 2 )と前記ゲート電極(G)とを同一金属で一体化構造にしたことを特徴とする半導体ダイオード。In any one of Claims 1 thru | or 3,
The second electrode (E 2) and the gate electrode (G) and the semiconductor diode, characterized in that the integrated structure with the same metal.
上記MOSゲートのゲート酸化膜内に固定電荷を導入することにより、しきい値電圧の低減化を図ることを特徴とする半導体ダイオード。In any one of Claims 1 thru | or 3,
A semiconductor diode characterized in that the threshold voltage is reduced by introducing a fixed charge into the gate oxide film of the MOS gate.
上記MOSゲートをシリコン(Si)結晶面の(111)面上に形成することにより、しきい値電圧の低減化を図ることを特徴とする半導体ダイオード。In any one of Claims 1 thru | or 5,
A threshold voltage is reduced by forming the MOS gate on a (111) plane of a silicon (Si) crystal plane.
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