(57)【要約】【課題】ゲート閾値が高く、かつ、チャネル抵抗が低い絶縁ゲート型スイッチング素子を提供する。【解決手段】  絶縁ゲート型スイッチング素子であって、第１導電型の第１領域と、前記第１領域に接する第２導電型のボディ領域と、前記ボディ領域によって前記第１領域から分離された第１導電型の第２領域と、前記第１領域、前記ボディ領域及び前記第２領域に接する絶縁膜と、絶縁膜を介して前記ボディ領域に対向するゲート電極を有する。前記ボディ領域が、第１ボディ領域と第２ボディ領域を有する。前記第１ボディ領域は、前記第２ボディ領域よりも大きい理論閾値Ｖｔｈを有する。【選択図】図１
2016054181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁ゲート型スイッチング素子であって、
第１導電型の第１領域と、
前記第１領域に接する第２導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域によって前記第１領域から分離された第１導電型の第２領域と、
前記第１領域、前記ボディ領域及び前記第２領域に接する絶縁膜と、
絶縁膜を介して前記ボディ領域に対向するゲート電極、
を有し、
前記ボディ領域が、第１ボディ領域と第２ボディ領域を有しており、
絶縁膜に接する領域において、前記第１ボディ領域が、前記第１領域に接しており、前記第２ボディ領域によって前記第２領域から分離されており、
絶縁膜に接する領域において、前記第２ボディ領域が、前記第２領域に接しており、前記第１ボディ領域によって前記第１領域から分離されており、
前記第１ボディ領域は、前記第２ボディ領域よりも大きい理論閾値Ｖｔｈを有しており、
Ｖｔｈ＝φＭＳ−ＱＢ／Ｃｏｘ＋２φＦＢであり、
φＭＳが、ゲート電極の仕事関数からボディ領域の仕事関数を減算した値であり、
Ｃｏｘが、ボディ領域とゲート電極の間の単位面積当たりの静電容量であり、
φＦＢ＝ｋＴｌｎ（ＮＡ／ｎｉ）であり、
ｋがボルツマン定数であり、
Ｔがボディ領域の温度であり、
ＮＡがボディ領域の不純物濃度であり、
ｎｉがボディ領域の材料の真性半導体のキャリア濃度であり、
ＱＢ＝ｑＮＡｘｄであり、
ｑは電子の電気素量であり、
ｘｄは、
【数１】
2016054181.tif 000004
の数式により得られ、
εは、ボディ領域の材料の誘電率である、
絶縁ゲート型スイッチング素子。
【請求項２】
絶縁ゲート型スイッチング素子であって、
第１導電型の第１領域と、
前記第１領域に接する第２導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域によって前記第１領域から分離された第１導電型の第２領域と、
前記第１領域、前記ボディ領域及び前記第２領域に接する絶縁膜と、
絶縁膜を介して前記ボディ領域に対向するゲート電極、
を有し、
前記ボディ領域が、第１ボディ領域と第２ボディ領域を有しており、
絶縁膜に接する領域において、前記第１ボディ領域が、前記第１領域に接しており、前記第２ボディ領域によって前記第２領域から分離されており、
絶縁膜に接する領域において、前記第２ボディ領域が、前記第２領域に接しており、前記第１ボディ領域によって前記第１領域から分離されており、
前記第１ボディ領域に接するゲート絶縁膜が、前記第２ボディ領域に接するゲート絶縁膜よりも厚い、
絶縁ゲート型スイッチング素子。
【請求項３】
前記第１領域がドレイン領域であり、
前記第２領域がソース領域である、
請求項２の絶縁ゲート型スイッチング素子。
【請求項４】
絶縁ゲート型スイッチング素子であって、
第１導電型の第１領域と、
前記第１領域に接する第２導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域によって前記第１領域から分離された第１導電型の第２領域と、
前記第１領域、前記ボディ領域及び前記第２領域に接する絶縁膜と、
絶縁膜を介して前記ボディ領域に対向するゲート電極、
を有し、
前記ボディ領域が、第１ボディ領域と第２ボディ領域を有しており、
絶縁膜に接する領域において、前記第１ボディ領域が、前記第１領域に接しており、前記第２ボディ領域によって前記第２領域から分離されており、
絶縁膜に接する領域において、前記第２ボディ領域が、前記第２領域に接しており、前記第１ボディ領域によって前記第１領域から分離されており、
前記第１ボディ領域に接するゲート絶縁膜の誘電率が、前記第２ボディ領域に接するゲート絶縁膜の誘電率よりも低い、
絶縁ゲート型スイッチング素子。
【請求項５】
絶縁ゲート型スイッチング素子であって、
第１導電型の第１領域と、
前記第１領域に接する第２導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域によって前記第１領域から分離された第１導電型の第２領域と、
前記第１領域、前記ボディ領域及び前記第２領域に接する絶縁膜と、
絶縁膜を介して前記ボディ領域に対向するゲート電極、
を有し、
前記ボディ領域が、第１ボディ領域と第２ボディ領域を有しており、
絶縁膜に接する領域において、前記第１ボディ領域が、前記第１領域に接しており、前記第２ボディ領域によって前記第２領域から分離されており、
絶縁膜に接する領域において、前記第２ボディ領域が、前記第２領域に接しており、前記第１ボディ領域によって前記第１領域から分離されており、
前記第１ボディ領域の第２導電型不純物の濃度が、前記第２ボディ領域の第２導電型不純物の濃度よりも高い、
絶縁ゲート型スイッチング素子。
【請求項６】
絶縁ゲート型スイッチング素子であって、
第１導電型の第１領域と、
前記第１領域に接する第２導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域によって前記第１領域から分離された第１導電型の第２領域と、
前記第１領域、前記ボディ領域及び前記第２領域に接する絶縁膜と、
絶縁膜を介して前記ボディ領域に対向するゲート電極、
を有し、
前記ボディ領域が、第１ボディ領域と第２ボディ領域を有しており、
絶縁膜に接する領域において、前記第１ボディ領域が、前記第１領域に接しており、前記第２ボディ領域によって前記第２領域から分離されており、
絶縁膜に接する領域において、前記第２ボディ領域が、前記第２領域に接しており、前記第１ボディ領域によって前記第１領域から分離されており、
前記第１ボディ領域に対向するゲート電極の仕事関数が、前記第２ボディ領域に対向するゲート電極の仕事関数よりも大きい、
絶縁ゲート型スイッチング素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の技術は、絶縁ゲート型スイッチング素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＭＯＳＦＥＴが開示されている。ゲート電極に閾値以上の電圧を印加することで、ボディ領域にチャネルが形成され、ＭＯＳＦＥＴがオンする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１５８７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ボディ領域、ゲート絶縁膜及びゲート電極の構造や材料によって、絶縁ゲート型スイッチング素子のゲート閾値を制御することができる。ボディ領域にチャネルが形成され難くすることで、ゲート閾値を高くすることができる。他方、ボディ領域にチャネルが形成され難くすると、チャネルの抵抗が上昇する。このため、従来は、ゲート閾値を高くすると、チャネル抵抗が上昇するという問題があった。したがって、本明細書では、ゲート閾値が高く、かつ、チャネル抵抗が低い絶縁ゲート型スイッチング素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する絶縁ゲート型スイッチング素子は、第１導電型の第１領域と、前記第１領域に接する第２導電型のボディ領域と、前記ボディ領域によって前記第１領域から分離された第１導電型の第２領域と、前記第１領域、前記ボディ領域及び前記第２領域に接する絶縁膜と、絶縁膜を介して前記ボディ領域に対向するゲート電極を有する。前記ボディ領域が、第１ボディ領域と第２ボディ領域を有しており、絶縁膜に接する領域において、前記第１ボディ領域が、前記第１領域に接しており、前記第２ボディ領域によって前記第２領域から分離されており、絶縁膜に接する領域において、前記第２ボディ領域が、前記第２領域に接しており、前記第１ボディ領域によって前記第１領域から分離されており、前記第１ボディ領域は、前記第２ボディ領域よりも大きい理論閾値Ｖｔｈを有しており、Ｖｔｈ＝φＭＳ−ＱＢ／Ｃｏｘ＋２φＦＢであり、φＭＳが、ボディ領域の仕事関数からゲート電極の仕事関数を減算した値であり、Ｃｏｘが、ボディ領域とゲート電極の間の単位面積当たりの静電容量であり、φＦＢ＝ｋＴｌｎ（ＮＡ／ｎｉ）であり、ｋがボルツマン定数であり、Ｔがボディ領域の温度であり、ＮＡがボディ領域の不純物濃度であり、ｎｉがボディ領域の材料の真性半導体のキャリア濃度であり、ＱＢ＝ｑＮＡｘｄであり、ｑが電子の電気素量であり、ｘｄは、
【数１】
2016054181.tif 000003
の数式により得られ、εは、ボディ領域の材料の誘電率である。
【０００６】
なお、第１導電型と第２導電型の何れか一方はｎ型であり、他方はｐ型である。
値φＭＳの単位はｅＶである。値φＭＳはボディ領域の材料とゲート電極の材料により定まる値である。これらの材料が第１ボディ領域と第２ボディ領域との間で同じであれば、第１ボディ領域と第２ボディ領域との間で値φＭＳは同じとなる。
温度Ｔの単位は、Ｋである。理論閾値Ｖｔｈの算出にあたっては、第１ボディ領域と第２ボディ領域の温度Ｔは等しいものとする。温度Ｔは、常温（例えば、２９８Ｋ）を示す固定値として、理論閾値Ｖｔｈを算出してもよい。
キャリア濃度ｎｉの単位は、ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。第１ボディ領域と第２ボディ領域の材料が同じであれば、第１ボディ領域と第２ボディ領域の間で値ｎｉは同じとなる。
不純物濃度ＮＡの単位は、ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。
誘電率εの単位は、Ｆ／ｍである。
値ｘｄは、第１ボディ領域と第２ボディ領域の材料が同じであれば、ボディ領域の不純物濃度ＮＡにより定まる値である。この場合、ＱＢは、ボディ領域の不純物濃度ＮＡにより定まる値である。
値φＦＢは、不純物濃度ＮＡと真性キャリア濃度ｎｉにより定まる値である。第１ボディ領域と第２ボディ領域の材料が同じであれば、値φＦＢはボディ領域の不純物濃度ＮＡにより定まる値である。
静電容量Ｃｏｘの単位は、Ｆ／ｍ2である。静電容量Ｃｏｘは、ゲート絶縁膜の厚みｄと誘電率εから、Ｃｏｘ＝ε／ｄの数式により定まる値である。
【０００７】
この絶縁ゲート型スイッチング素子では、ゲート電圧を第２ボディ領域の理論閾値と略一致する電位まで上昇させると、第２ボディ領域にチャネルが形成される。第１ボディ領域の理論閾値は第２ボディ領域の理論閾値よりも高いので、この段階では絶縁ゲート型スイッチング素子はオンしない。ゲート電圧をさらに上昇させ、ゲート電圧を第１ボディ領域の理論閾値と略一致する電位まで上昇させると、第１ボディ領域にチャネルが形成される。この段階で、第１領域と第２領域がチャネルで接続され、絶縁ゲート型スイッチング素子がオンする。したがって、この絶縁ゲート型スイッチング素子のゲート閾値は、高い第１ボディ領域の理論閾値に基づいて定まる。また、ゲート電圧が第１ボディ領域の理論閾値まで上昇すると、第２ボディ領域に形成されているチャネルの可動電子の量が増大する。このため、第２ボディ領域に形成されるチャネルの抵抗は低い。これによって、チャネルの抵抗を低減させることができる。このように、この絶縁ゲート型スイッチング素子の構造によれば、高いゲート閾値と低いチャネル抵抗を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１のＭＯＳＦＥＴ１０の縦断面図。
【図２】実施例２のＭＯＳＦＥＴ２００の縦断面図。
【図３】実施例３のＭＯＳＦＥＴ３００の縦断面図。
【図４】実施例４のＭＯＳＦＥＴ４００の縦断面図。
【図５】実施例５のＭＯＳＦＥＴ５００の縦断面図。
【図６】実施例６のＭＯＳＦＥＴ６００の縦断面図。
【図７】トレンチゲート型のＭＯＳＦＥＴの縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【０００９】
図１に示すＭＯＳＦＥＴ１０は、半導体基板１２を有している。半導体基板１２は、ＳｉＣにより構成されている。
【００１０】
半導体基板１２の上面には、複数のソース電極１４が形成されている。各ソース電極１４は、互いに離間して形成されている。各ソース電極１４は、半導体基板１２の上面に接触している。
【００１１】
半導体基板１２の上面には、ゲート絶縁膜１６が形成されている。ゲート絶縁膜１６は、２つのソース電極１４の間に形成されている。ソース電極１４は、半導体基板１２の上面に接している。ゲート絶縁膜１６は、ＳｉＯ2により構成されている。ゲート絶縁膜１６は、厚みが薄い薄膜部１６ａと厚みが厚い厚膜部１６ｂを有している。厚膜部１６ｂは、２つのソース電極１４の中間の位置に形成されている。薄膜部１６ａは、厚膜部１６ｂとソース電極１４の間に形成されている。
【００１２】
ゲート絶縁膜１６の上面には、ゲート電極１８が形成されている。ゲート電極１８は、ポリシリコンにより構成されている。ゲート電極１８は、各ソース電極１４から離間した位置に形成されている。ゲート電極１８は、厚膜部１６ｂの上面から薄膜部１６ａの上面に跨る範囲に形成されている。すなわち、ゲート電極１８は、厚膜部１６ｂの上面と、厚膜部１６ｂの両側の薄膜部１６ａの上面に接している。ゲート電極１８は、ゲート絶縁膜１６を介して、後述するソース領域３０、ソース側ボディ領域３２ａ、ドレイン側ボディ領域３２ｂ及びドリフト領域３４に対向している。
【００１３】
半導体基板１２の下面には、ドレイン電極２０が形成されている。ドレイン電極２０は、半導体基板１２の下面の略全域に接している。
【００１４】
半導体基板１２の内部には、複数のソース領域３０が形成されている。各ソース領域３０は、ｎ型の半導体領域である。各ソース領域３０は、半導体基板１２の上面に露出する範囲に形成されている。各ソース領域３０は、ソース電極１４の下部に形成されている。各ソース領域３０は、ソース電極１４に接続されている。ソース電極１４に隣接する位置のソース電極１４の表面は、ゲート絶縁膜１６に覆われている。
【００１５】
半導体基板１２の内部には、複数のボディ領域３２が形成されている。各ボディ領域３２は、ｐ型の半導体領域である。各ボディ領域３２は、ソース領域３０の下面及び側面に接するように形成されている。各ボディ領域３２は、ソース領域３０に隣接する位置で、半導体基板１２の上面に露出している。半導体基板１２の上面に露出しているボディ領域３２の各表面３３は、ゲート絶縁膜１６によって覆われている。各表面３３上には、厚膜部１６ｂと薄膜部１６ａが形成されている。各表面３３のうち、ソース領域３０に近い側の範囲は、薄膜部１６ａに覆われている。各表面３３のうち、ソース領域３０から遠い側の範囲は、厚膜部１６ｂに覆われている。すなわち、表面３３に露出する範囲のボディ領域３２のうち、ソース側ボディ領域３２ａが薄膜部１６ａに覆われており、ドレイン側ボディ領域３２ｂ（後述するドレイン領域３８に近い側のボディ領域３２）が厚膜部１６ｂに覆われている。
【００１６】
半導体基板１２の内部には、ドレイン領域３８が形成されている。ドレイン領域３８は、ｎ型の半導体領域である。ドレイン領域３８は、ドリフト領域３４と、コンタクト領域３６を有している。
【００１７】
ドリフト領域３４は、低濃度にｎ型不純物を有するｎ型の半導体領域である。ドリフト領域３４は、ボディ領域３２の下面及び側面に接するように形成されている。ドリフト領域３４は、２つのボディ領域３２の間の位置で、半導体基板１２の上面に露出している。半導体基板１２の上面に露出しているドリフト領域３４の表面は、ゲート絶縁膜１６の厚膜部１６ｂに覆われている。ドリフト領域３４は、各ボディ領域３２によって各ソース領域３０から分離されている。コンタクト領域３６は、高濃度にｎ型不純物を有するｎ型の半導体領域である。コンタクト領域３６は、ドリフト領域３４の下面に接するように形成されている。コンタクト領域３６は、半導体基板１２の下面に露出している。コンタクト領域３６は、ドレイン電極２０に接続されている。
【００１８】
上述した各ソース側ボディ領域３２ａは、ゲート絶縁膜１６に接する位置（すなわち、半導体基板１２の上面）において、ソース領域３０に接している。また、各ソース側ボディ領域３２ａは、ゲート絶縁膜１６に接する位置において、ドレイン側ボディ領域３２ｂによってドリフト領域３４から分離されている。各ドレイン側ボディ領域３２ｂは、ゲート絶縁膜１６に接する位置において、ドリフト領域３４に接している。また、各ドレイン側ボディ領域３２ｂは、ゲート絶縁膜１６に接する位置において、ソース側ボディ領域３２ａによってソース領域３０から分離されている。
【００１９】
次に、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈについて検討する。理論閾値Ｖｔｈは、各ボディ領域内にチャネルを形成するのに必要な最小限のゲート電圧である。上述したように、理論閾値Ｖｔｈは、Ｖｔｈ＝φＭＳ−ＱＢ／Ｃｏｘ＋２φＦＢの数式（但し、Ｃｏｘ＝ε／ｄ）により求めることができる。
【００２０】
実施例１では、ソース側ボディ領域３２ａの材料とドレイン側ボディ領域３２ｂの半導体材料が同じＳｉＣである。したがって、値ｎｉ（ボディ領域の材料の真性半導体のキャリア濃度）は、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの間で同じである。また、ソース側ボディ領域３２ａのｐ型不純物濃度ＮＡとドレイン側ボディ領域３２ｂのｐ型不純物濃度ＮＡが同じである。したがって、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂとの間で、値φＦＢは同じである。
【００２１】
また、ソース側ボディ領域３２ａ上のゲート絶縁膜（すなわち、薄膜部１６ａ）の材料とドレイン側ボディ領域３２ｂ上のゲート絶縁膜（すなわち、薄膜部１６ａ）の材料が同じＳｉＯ2である。このため、厚膜部１６ｂの誘電率εは、薄膜部１６ａの誘電率εと同じである。さらに、上記の通り、値ｎｉ及び値ＮＡが、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂとの間で同じである。したがって、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂとの間で、値ＱＢが同じである。
【００２２】
また、ソース側ボディ領域３２ａ上のゲート電極１８の材料とドレイン側ボディ領域３２ｂ上のゲート電極１８の材料が、同じポリシリコンである。したがって、これらは、同じ仕事関数を有する。また、上記の通り、ソース側ボディ領域３２ａの材料とドレイン側ボディ領域３２ｂの半導体材料が同じである。したがって、これらは同じ仕事関数を有する。このため、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂとの間で、値φＭＳは同じである。
【００２３】
また、ソース側ボディ領域３２ａ上のゲート絶縁膜（すなわち、薄膜部１６ａ）の厚みが、ドレイン側ボディ領域３２ｂ上のゲート絶縁膜（すなわち、厚膜部１６ｂ）の厚みよりも薄い。また、上記の通り、薄膜部１６ａの誘電率εが、厚膜部１６ｂの誘電率εと同じである。したがって、ソース側ボディ領域３２ａの値Ｃｏｘは、ドレイン側ボディ領域３２ｂの値Ｃｏｘよりも大きい。
【００２４】
このため、ソース側ボディ領域３２ａの理論閾値Ｖｔｈは、ドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈよりも小さい。
【００２５】
次に、ＭＯＳＦＥＴ１０の動作について説明する。ＭＯＳＦＥＴ１０の使用時には、ドレイン電極２０にソース電極１４よりも高い電位が印加される。ゲート電極１８の電位（以下、ゲート電位という）が低い場合には、ソース側ボディ領域３２ａ及びドレイン側ボディ領域３２ｂのいずれにもチャネルが形成されないので、ＭＯＳＦＥＴ１０はオフ状態となっている。ゲート電位をソース側ボディ領域３２ａの理論閾値Ｖｔｈと略一致する電位まで上昇させると、ゲート絶縁膜１６近傍のソース側ボディ領域３２ａにチャネルが形成される。但し、この段階では、ゲート電位がドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈよりも低いので、ドレイン側ボディ領域３２ｂにはチャネルは形成されない。このため、ＭＯＳＦＥＴ１０に電流は流れない。ゲート電位をさらに上昇させていくと、ソース側ボディ領域３２ａのチャネル幅が広くなる。このため、ゲート電位の上昇に伴って、ソース側ボディ領域３２ａのチャネルの抵抗が減少する。ゲート電位をドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈと略一致する電位まで上昇させると、ゲート絶縁膜１６近傍のドレイン側ボディ領域３２ｂにチャネルが形成される。ドレイン側ボディ領域３２ｂにチャネルが形成されると、ソース領域３０とドリフト領域３４がソース側ボディ領域３２ａのチャネルとドレイン側ボディ領域３２ｂのチャネルによって接続される。このため、電子が、ソース領域３０から、ソース側ボディ領域３２ａのチャネル、ドレイン側ボディ領域３２ｂのチャネル及びドリフト領域３４を介して、コンタクト領域３６に向かって流れる。すなわち、コンタクト領域３６からソース領域３０に向かって電流が流れる。これにより、ＭＯＳＦＥＴ１０がオンする。
【００２６】
以上に説明したように、ゲート電位がソース側ボディ領域３２ａの理論閾値よりも高いドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値と略一致する電位まで上昇したときに、ＭＯＳＦＥＴ１０がオンする。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ１０全体の閾値は、より高いドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値によって定まる。このように、ボディ領域３２内に理論閾値が高いドレイン側ボディ領域３２ｂを設けることで、ＭＯＳＦＥＴ１０の閾値を高くすることができる。また、上述したように、ＭＯＳＦＥＴ１０がオンした段階において、ソース側ボディ領域３２ａのチャネル抵抗が低くなっている。これによって、ＭＯＳＦＥＴ１０のチャネルの抵抗が低減される。このように、ボディ領域３２内に理論閾値が低いソース側ボディ領域３２ａを設けることで、ボディ領域３２全体の理論閾値が高い場合に比べて、チャネル抵抗を低減することができる。このように、実施例１のＭＯＳＦＥＴ１０によれば、高い閾値と低いチャネル抵抗を実現することができる。
【００２７】
また、ゲート電位を低下させてＭＯＳＦＥＴ１０をオフさせると、ボディ領域３２とドリフト領域３４の境界のｐｎ接合からドリフト領域３４内に空乏層が広がる。このため、ＭＯＳＦＥＴ１０をオフさせると、ボディ領域３２とドリフト領域３４の境界に電界のピークが形成される。ＭＯＳＦＥＴ１０では、厚膜部１６ｂがドレイン側ボディ領域３２ｂ上に形成されている。このため、ボディ領域３２とドリフト領域３４の境界に接する位置に厚膜部１６ｂが形成されている。このように、電界が集中しやすい位置に厚膜部１６ｂを設けることで、ゲート絶縁膜１６の電界に対する耐性を向上させることができる。
【００２８】
なお、上述した実施例１においては、ソース側ボディ領域３２ａ上のゲート絶縁膜１６が薄く、ドレイン側ボディ領域３２ｂ上のゲート絶縁膜１６が厚かった。しかしながら、ソース側ボディ領域３２ａ上のゲート絶縁膜１６を厚くし、ドレイン側ボディ領域３２ｂ上のゲート絶縁膜１６を薄くしてもよい。このような構成でも、高いゲート閾値と低いチャネル抵抗を実現することができる。但し、この場合には、電界が集中しやすいｐｎ接合の上部に薄いゲート絶縁膜１６が配置されるので、電界に対する耐性は低くなる。
【実施例２】
【００２９】
図２に示す実施例２のＭＯＳＦＥＴ２００は、ゲート絶縁膜１６の構成が実施例１のＭＯＳＦＥＴと異なり、その他の構成は実施例１のＭＯＳＦＥＴと等しい。実施例２のＭＯＳＦＥＴ２００では、ゲート絶縁膜１６の厚みが一定である。また、実施例２のＭＯＳＦＥＴ２００では、ゲート絶縁膜１６が、ＨｆＯ2により構成された絶縁膜１６ｃと、ＳｉＯ2により構成された絶縁膜１６ｄを有している。絶縁膜１６ｃ（すなわち、ＨｆＯ2）の比誘電率εｒは約３０であり、絶縁膜１６ｄ（すなわち、ＳｉＯ2）の比誘電率εｒは約３．９である。したがって、絶縁膜１６ｃの誘電率ε（＝εrε0、但し、ε0は真空の誘電率。）は、絶縁膜１６ｄの誘電率ε（＝εrε0）よりも大きい。絶縁膜１６ｃは実施例１の薄膜部１６ａに対応する範囲に形成されており、絶縁膜１６ｄは実施例１の厚膜部１６ｂに対応する範囲に形成されている。すなわち、絶縁膜１６ｃは、ソース側ボディ領域３２ａとソース領域３０の表面を覆っている。絶縁膜１６ｄは、ドレイン側ボディ領域３２ｂとドリフト領域３４の表面を覆っている。ゲート電極１８は、絶縁膜１６ｃの上面から絶縁膜１６ｄの上面に跨る範囲に形成されている。
【００３０】
次に、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈについて検討する。実施例１と同様の理由により、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの間で、φＭＳ及びφＦＢは同じである。
【００３１】
ソース側ボディ領域３２ａ上の絶縁膜１６ｃの厚みは、ドレイン側ボディ領域３２ｂ上の絶縁膜１６ｄの厚みと等しい。また、ソース側ボディ領域３２ａ上の絶縁膜１６ｃの誘電率εは、ドレイン側ボディ領域３２ｂ上の絶縁膜１６ｄの誘電率よりも高い。したがって、ソース側ボディ領域３２ａの値Ｃｏｘは、ドレイン側ボディ領域３２ｂの値Ｃｏｘよりも大きい。すなわち、ソース側ボディ領域３２ａの値ＱＢ／Ｃｏｘは、ドレイン側ボディ領域３２ｂの値ＱＢ／Ｃｏｘよりも小さい。
【００３２】
また、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの材料は同じである。このため、値ｎｉ及び値ＮＡは、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの間で同じである。したがって、値ＱＢは、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの間で同じである。
【００３３】
このため、値ＱＢ／Ｃｏｘが小さいソース側ボディ領域３２ａの理論閾値Ｖｔｈは、値ＱＢ／Ｃｏｘが大きいドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈよりも小さい。
【００３４】
ＭＯＳＦＥＴ２００でも、ボディ領域３２が、理論閾値Ｖｔｈが小さいソース側ボディ領域３２ａと理論閾値Ｖｔｈが大きいドレイン側ボディ領域３２ｂを有している。このため、ＭＯＳＦＥＴ２００は、ゲート閾値が高いとともに、チャネル抵抗が低い。
【００３５】
なお、上述した実施例２においては、ソース側ボディ領域３２ａ上の絶縁膜１６ｃの誘電率εが高く、ドレイン側ボディ領域３２ｂ上の絶縁膜１６ｄの誘電率εが低かった。しかしながら、ソース側ボディ領域３２ａ上のゲート絶縁膜１６の誘電率εを低くし、ドレイン側ボディ領域３２ｂ上のゲート絶縁膜１６の誘電率εを高くしてもよい。このような構成でも、高いゲート閾値と低いチャネル抵抗を実現することができる。
【実施例３】
【００３６】
図３に示す実施例３のＭＯＳＦＥＴ３００は、ゲート絶縁膜１６の構成が実施例１のＭＯＳＦＥＴと異なり、その他の構成は実施例１のＭＯＳＦＥＴと等しい。実施例３のＭＯＳＦＥＴ３００では、薄膜部１６ａがＳｉＯ2により構成されており、厚膜部１６ｂがＨｆＯ2により構成されている。
【００３７】
次に、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈについて検討する。実施例１と同様の理由により、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの間で、φＭＳ及びφＦＢは同じである。また、実施例２と同様の理由により、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの間で値ＱＢは同じである。
【００３８】
ソース側ボディ領域３２ａ上の薄膜部１６ａの厚みｄ１は、ドレイン側ボディ領域３２ｂ上の厚膜部１６ｂの厚みｄ２よりも薄い。他方、薄膜部１６ａ（すなわち、ＳｉＯ2）の誘電率ε１は、厚膜部１６ｂ（すなわち、ＨｆＯ2）の誘電率ε２よりも小さい。実施例３では、ソース側ボディ領域３２ａの値Ｃｏｘ（＝ε１／ｄ１）が、ドレイン側ボディ領域３２ｂの値Ｃｏｘ（＝ε２／ｄ２）よりも大きくなるように設定する。
【００３９】
このため、値Ｃｏｘが大きいソース側ボディ領域３２ａの理論閾値Ｖｔｈは、値Ｃｏｘが小さいドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈよりも小さい。
【００４０】
ＭＯＳＦＥＴ３００でも、ボディ領域３２が、理論閾値Ｖｔｈが小さいソース側ボディ領域３２ａと理論閾値Ｖｔｈが大きいドレイン側ボディ領域３２ｂを有している。このため、ＭＯＳＦＥＴ３００は、ゲート閾値が高いとともに、チャネル抵抗が低い。
【実施例４】
【００４１】
図４に示す実施例４のＭＯＳＦＥＴ４００は、ゲート絶縁膜１６とボディ領域３２の構成が実施例１のＭＯＳＦＥＴ１０と異なり、その他の構成は実施例１のＭＯＳＦＥＴ１０と等しい。実施例４のＭＯＳＦＥＴ４００では、ゲート絶縁膜１６の厚みが一定である。また、実施例４のＭＯＳＦＥＴ４００では、ソース側ボディ領域３２ａのｐ型不純物濃度が、ドレイン側ボディ領域３２ｂのｐ型不純物濃度よりも低い。
【００４２】
次に、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈについて検討する。
【００４３】
ゲート絶縁膜１６の厚みが一定であり、何れの位置でもゲート絶縁膜１６の材料が同じであるので、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの間で、Ｃｏｘは同じである。
【００４４】
ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの間でｐ型不純物濃度ＮＡが異なるので、値φＭＳ、値ＱＢ及び値φＦＢは、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの間で異なる。ボディ領域３２のｐ型不純物濃度ＮＡが小さいと、値φＭＳ、値ＱＢ及び値φＦＢのいずれもが、理論閾値Ｖｔｈを下げる方向に作用する。
【００４５】
したがって、ｐ型不純物濃度ＮＡが小さいソース側ボディ領域３２ａの理論閾値Ｖｔｈは、ｐ型不純物濃度ＮＡが大きいドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈよりも小さい。
【００４６】
ＭＯＳＦＥＴ４００でも、ボディ領域３２が、理論閾値Ｖｔｈが小さいソース側ボディ領域３２ａと理論閾値Ｖｔｈが大きいドレイン側ボディ領域３２ｂを有している。このため、ＭＯＳＦＥＴ４００は、ゲート閾値が高いとともに、チャネル抵抗が低い。
【００４７】
なお、上述した実施例４においては、ソース側ボディ領域３２ａのｐ型不純物濃度が、ドレイン側ボディ領域３２ｂのｐ型不純物濃度よりも低かった。しかしながら、ソース側ボディ領域３２ａのｐ型不純物濃度を、ドレイン側ボディ領域３２ｂのｐ型不純物濃度よりも高くしてもよい。このような構成でも、高いゲート閾値と低いチャネル抵抗を実現することができる。
【実施例５】
【００４８】
図５に示す実施例５のＭＯＳＦＥＴ５００は、ゲート絶縁膜１６とゲート電極１８の構成が実施例１のＭＯＳＦＥＴ１０と異なり、その他の構成は実施例１のＭＯＳＦＥＴ１０と等しい。実施例５のＭＯＳＦＥＴ５００では、ゲート絶縁膜１６の厚みが一定である。また、実施例５のＭＯＳＦＥＴ５００では、ゲート電極１８が、ＴｉＮによって構成された第１ゲート電極１８ａと、ｐ型のポリシリコンによって構成された第２ゲート電極１８ｂを有する。第２ゲート電極１８ｂは、ドレイン側ボディ領域３２ｂとドリフト領域３４の表面を覆っているゲート絶縁膜１６上に形成されている。すなわち、第２ゲート電極１８ｂは、半導体基板１２の上面にドレイン側ボディ領域３２ｂとドリフト領域３４が露出している範囲の上部に形成されている。第１ゲート電極１８ａは、ゲート絶縁膜１６の上面から第２ゲート電極１８ｂの上面に跨って形成されている。第１ゲート電極１８ａは、ソース側ボディ領域３２ａとソース領域３０の表面を覆っているゲート絶縁膜１６の上面に接している。すなわち、第１ゲート電極１８ａは、半導体基板１２の上面にソース側ボディ領域３２ａとソース領域３０が露出している範囲の上部において、ゲート絶縁膜１６と接している。
【００４９】
次に、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈについて検討する。実施例１と同様の理由により、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの間で、値φＦＢは同じである。ソース側ボディ領域３２ａ上のゲート絶縁膜１６の厚み及び材料が、ドレイン側ボディ領域３２ｂ上のゲート絶縁膜１６の厚み及び材料と同じである。したがって、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの間で、値ＱＢ及び値Ｃｏｘは同じである。
【００５０】
ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの材料及びｐ型不純物濃度が同じであるので、ソース側ボディ領域３２ａの仕事関数とドレイン側ボディ領域３２ｂの仕事関数は同じである。実施例５では、ソース側ボディ領域３２ａ及びドレイン側ボディ領域３２ｂはｐ型のＳｉＣにより構成されているので、ソース側ボディ領域３２ａ及びドレイン側ボディ領域３２ｂの仕事関数ＷＦ０は、約−５．７ｅＶである。これに対し、第１ゲート電極１８ａ（すなわち、ＴｉＮ）の仕事関数ＷＦ１は、約−４．７ｅＶである。第２ゲート電極１８ｂ（すなわち、ｐ型のポリシリコン）の仕事関数ＷＦ２は、約−４．５ｅＶである。すなわち、第１ゲート電極１８ａの仕事関数ＷＦ１は、第２ゲート電極１８ｂの仕事関数ＷＦ２よりも大きい（なお、本明細書では、仕事関数の絶対値が大きいことを、仕事関数が大きいという。）。値φＭＳは、ゲート電極１８の仕事関数からボディ領域３２の仕事関数を減算した値である。ソース側ボディ領域３２ａでは、φＭＳ＝ＷＦ１−ＷＦ０（＝１．０ｅＶ）である。ドレイン側ボディ領域３２ｂでは、φＭＳ＝ＷＦ２−ＷＦ０（＝１．２ｅＶ）である。すなわち、ソース側ボディ領域３２ａの値φＭＳは、ドレイン側ボディ領域３２ｂの値φＭＳよりも小さい。
【００５１】
したがって、ゲート電極１８の仕事関数ＷＦ１が大きいソース側ボディ領域３２ａの理論閾値Ｖｔｈは、ゲート電極１８の仕事関数ＷＦ２が小さいドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈよりも小さい。
【００５２】
ＭＯＳＦＥＴ５００でも、ボディ領域３２が、理論閾値Ｖｔｈが小さいソース側ボディ領域３２ａと理論閾値Ｖｔｈが大きいドレイン側ボディ領域３２ｂを有している。このため、ＭＯＳＦＥＴ５００は、ゲート閾値が高いとともに、チャネル抵抗が低い。
【００５３】
なお、上述した実施例５においては、ソース側ボディ領域３２ａの上部の第１ゲート電極１８ａの仕事関数が、ドレイン側ボディ領域３２ｂの上部の第２ゲート電極１８ｂの仕事関数よりも大きかった。しかしながら、ソース側ボディ領域３２ａの上部の第１ゲート電極１８ａの仕事関数を、ドレイン側ボディ領域３２ｂの上部の第２ゲート電極１８ｂの仕事関数の仕事関数よりも小さくしてもよい。このような構成でも、高いゲート閾値と低いチャネル抵抗を実現することができる。
【実施例６】
【００５４】
図６に示す実施例６のＭＯＳＦＥＴ６００は、ゲート絶縁膜１６とゲート電極１８の構成が実施例１のＭＯＳＦＥＴ１０と異なり、その他の構成は実施例１のＭＯＳＦＥＴ１０と等しい。実施例６のＭＯＳＦＥＴ６００では、ゲート絶縁膜１６の厚みが一定である。また、実施例６のＭＯＳＦＥＴ６００では、ゲート電極１８が、ｎ型のポリシリコンによって構成されている。ゲート電極１８は、低濃度にｎ型不純物がドープされた第１部分１８ｃと、第１部分１８ｃよりも高濃度にｎ型不純物がドープされた第２部分１８ｄを有する。第２部分１８ｄは、ドレイン側ボディ領域３２ｂとドリフト領域３４の表面を覆っているゲート絶縁膜１６上に形成されている。すなわち、第２部分１８ｄは、半導体基板１２の上面にドレイン側ボディ領域３２ｂとドリフト領域３４が露出している範囲の上部に形成されている。第１部分１８ｃは、ソース側ボディ領域３２ａとソース領域３０の表面を覆っているゲート絶縁膜１６上に形成されている。すなわち、第１部分１８ｃは、半導体基板１２の上面にソース側ボディ領域３２ａとソース領域３０が露出している範囲の上部に形成されている。
【００５５】
次に、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈについて検討する。実施例５と同様の理由により、ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの間で、値φＦＢ、値ＱＢ及び値Ｃｏｘは同じである。
【００５６】
ソース側ボディ領域３２ａとドレイン側ボディ領域３２ｂの材料及びｐ型不純物濃度が同じであるので、ソース側ボディ領域３２ａの仕事関数とドレイン側ボディ領域３２ｂの仕事関数は同じである。実施例６では、ソース側ボディ領域３２ａ及びドレイン側ボディ領域３２ｂがｐ型のＳｉＣにより構成されているので、ソース側ボディ領域３２ａ及びドレイン側ボディ領域３２ｂの仕事関数ＷＦ０は、約−５．７ｅＶである。これに対し、ゲート電極１８の第１部分１８ｃ（すなわち、低濃度のｎ型のポリシリコン）の仕事関数ＷＦ３は、約−３．８ｅＶである。また、ゲート電極１８の第２部分１８ｄ（すなわち、高濃度のｎ型ポリシリコン）の仕事関数ＷＦ４は、約−３．５ｅＶである。値φＭＳは、ゲート電極の仕事関数からボディ領域３２の仕事関数を減算した値である。ソース側ボディ領域３２ａでは、φＭＳ＝ＷＦ３−ＷＦ０（＝１．９ｅＶ）である。ドレイン側ボディ領域３２ｂでは、φＭＳ＝ＷＦ４−ＷＦ０（＝２．２ｅＶ）である。すなわち、ソース側ボディ領域３２ａの値φＭＳは、ドレイン側ボディ領域３２ｂの値φＭＳよりも小さい。
【００５７】
したがって、ゲート電極１８の仕事関数が大きいソース側ボディ領域３２ａの理論閾値Ｖｔｈは、ゲート電極１８の仕事関数が小さいドレイン側ボディ領域３２ｂの理論閾値Ｖｔｈよりも小さい。
【００５８】
ＭＯＳＦＥＴ６００でも、ボディ領域３２が、理論閾値Ｖｔｈが小さいソース側ボディ領域３２ａと理論閾値Ｖｔｈが大きいドレイン側ボディ領域３２ｂを有している。このため、ＭＯＳＦＥＴ６００は、ゲート閾値が高いとともに、チャネル抵抗が低い。
【００５９】
なお、上述した実施例６においては、ソース側ボディ領域３２ａの上部のゲート電極１８の第１部分１８ｃの仕事関数が、ドレイン側ボディ領域３２ｂの上部のゲート電極１８の第２部分１８ｄの仕事関数よりも大きかった。しかしながら、ソース側ボディ領域３２ａの上部のゲート電極１８の仕事関数を、ドレイン側ボディ領域３２ｂの上部のゲート電極１８の仕事関数よりも小さくしてもよい。このような構成でも、高いゲート閾値と低いチャネル抵抗を実現することができる。
【００６０】
なお、上述した実施例１〜６では、半導体基板１２上にゲート絶縁膜１６とゲート電極１８が形成されているプレーナ型のＭＯＳＦＥＴについて説明した。しかしながら、図７に示すように、トレンチ型のＭＯＳＦＥＴのボディ領域３２に、理論閾値Ｖｔｈが異なるボディ領域３２ａ、３２ｂを形成してもよい。なお、図７では、例として、ドレイン側ボディ領域３２ｂに接するゲート絶縁膜１６を厚膜部１６ｂとし、ソース側ボディ領域３２ａに接するゲート絶縁膜１６を薄膜部１６ａとした構成が示されている。トレンチ型のＭＯＳＦＥＴにおいても、図７の構成の他に、上述した実施例１〜６のようにさまざまな方法を用いて、理論閾値Ｖｔｈが異なるボディ領域３２ａ、３２ｂを形成することができる。
【００６１】
また、上述した実施例１〜６では、ソース側ボディ領域３２ａのチャネル長とドレイン側ボディ領域３２ｂのチャネル長が略１対１の比率となっていた。しかしながら、この比率は任意の比率に変更することができる。
【００６２】
また、上述した実施例１〜６では、ＭＯＳＦＥＴについて説明したが、ＩＧＢＴにおいて実施例１〜６の技術を採用してもよい。実施例１〜６において、コンタクト領域３６の代わりにｐ型のコレクタ領域を形成すると、ＩＧＢＴが得られる。
【００６３】
本明細書が開示する絶縁ゲート型スイッチング素子の構成について、以下に説明する。
【００６４】
本明細書が開示する第１の例の絶縁ゲート型半導体装置では、第１ボディ領域に接するゲート絶縁膜が、第２ボディ領域に接するゲート絶縁膜よりも厚い。このような構成によれば、第１ボディ領域の理論閾値を、第２ボディ領域の理論閾値よりも高くすることができる。この場合、第１領域がドレイン領域であり、第２領域がソース領域であってもよい。ドレイン領域とボディ領域の境界部には、高い電界が印加され易い。したがって、ドレイン領域側の第１ボディ領域に接するゲート絶縁膜を厚くすることで、ゲート絶縁膜の耐電圧特性を向上させることができる。
【００６５】
本明細書が開示する第２の例の絶縁ゲート型半導体装置では、第１ボディ領域に接するゲート絶縁膜の誘電率が、第２ボディ領域に接するゲート絶縁膜の誘電率よりも低い。このような構成によれば、第１ボディ領域の理論閾値を、第２ボディ領域の理論閾値よりも高くすることができる。
【００６６】
本明細書が開示する第３の例の絶縁ゲート型半導体装置では、第１ボディ領域の第２導電型不純物の濃度が、第２ボディ領域の第２導電型不純物の濃度よりも高い。このような構成によれば、第１ボディ領域の理論閾値を、第２ボディ領域の理論閾値よりも高くすることができる。
【００６７】
本明細書が開示する第４の例の絶縁ゲート型半導体装置では、第１ボディ領域に対向するゲート電極の仕事関数が、第２ボディ領域に対向するゲート電極の仕事関数よりも大きい。このような構成によれば、第１ボディ領域の理論閾値を、第２ボディ領域の理論閾値よりも高くすることができる。
【００６８】
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００６９】
１０：ＭＯＳＦＥＴ
１２：半導体基板
１４：ソース電極
１６：ゲート絶縁膜
１６ａ：薄膜部
１６ｂ：厚膜部
１８：ゲート電極
２０：ドレイン電極
３０：ソース領域
３２：ボディ領域
３２ａ：ソース側ボディ領域
３２ｂ：ドレイン側ボディ領域
３４：ドリフト領域
３６：コンタクト領域
３８：ドレイン領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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