FR2487128A1 - POWER TRANSISTOR COMPRISING AN IMPROVED ELECTRODE CONFIGURATION - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE LA TECHNOLOGIE DES SEMI-CONDUCTEURS. UN TRANSISTOR DE PUISSANCE A STRUCTURE MESA DANS LEQUEL LA SOURCE 16, LE CANAL 14 ET LE DRAIN 10, 12 SONT FABRIQUES DANS LA STRUCTURE MESA AVEC CONFIGURATION VERTICALE, COMPORTE UNE PLAQUE DE CHAMP 26 A LA SURFACE DE LA STRUCTURE MESA AINSI QUE DANS LA REGION EN RETRAIT QUI ENTOURE CETTE STRUCTURE. EN OUTRE, UN ANNEAU DE LIMITATION DES CHARGES 30 EST PLACE DANS LA REGION EN RETRAIT, EN ETANT SITUE A UNE CERTAINE DISTANCE DE LA PLAQUE DE CHAMP, ET EN CONTACT AVEC LA REGION DE DRAIN DU TRANSISTOR. APPLICATION A LA FABRICATION DES TRANSISTORS DE PUISSANCE.THE INVENTION CONCERNS SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY. A MESA STRUCTURED POWER TRANSISTOR IN WHICH SOURCE 16, CHANNEL 14 AND DRAIN 10, 12 ARE MADE IN THE MESA STRUCTURE WITH VERTICAL CONFIGURATION, HAS A FIELD PLATE 26 AT THE SURFACE OF THE MESA STRUCTURE AS WELL AS IN THE REGION WITHDRAWAL THAT SURROUND THIS STRUCTURE. IN ADDITION, A LOAD LIMITATION RING 30 IS PLACED IN THE RETREAT REGION, LOCATED A DISTANCE FROM THE FIELD PLATE, AND IN CONTACT WITH THE TRANSISTOR DRAIN REGION. APPLICATION TO THE MANUFACTURE OF POWER TRANSISTORS.
Description
2487 1282487 128
La présente invention concerne de façon générale les dispositifs semiconducteurs et leur technologie et elle The present invention relates generally to semiconductor devices and their technology and
porte plus particulièrement sur les transistors de puissance. more particularly relates to power transistors.
Les transistors à effet de champ à structure plane, en particulier les transistors à effet de champ du type métal-oxyde-silicium (MOS), sont utilisés dans les réseaux à haut niveau d'intégration et dans les dispositifs de puissance discrets. Ces dispositifs présentent cependant une limitation pour les applications de puissance, qui réside dans l'aire élevée qu'ils nécessitent. L'utilisation de structures à gorges, alignées verticalement, a conduit à un perfectionnement des transistors de puissance. Grâce à la gorge en V, formée par- attaque préférentielle de la matière semiconductrice, le transistor à effet de champ Planar structure field effect transistors, particularly metal-oxide-silicon (MOS) field effect transistors, are used in high integration level networks and in discrete power devices. These devices, however, have a limitation for power applications, which lies in the high area they require. The use of vertically aligned grooved structures has led to an improvement of the power transistors. Thanks to the V-groove formed by preferential attack of the semiconductor material, the field effect transistor
peut être construit verticalement, au lieu de l'être laté- can be built vertically, instead of being
ralement, ce qui conduit à une plus courte longueur de canal et à une plus faible résistance entre la source et This leads to a shorter channel length and lower resistance between source and
le drain, à l'état conducteur.the drain, in the conductive state.
Le brevet U.S. 4 219 835 décrit un transistor de puissance à effet de champ à gorges en V de structure U.S. Patent 4,219,835 discloses a structure V-shaped power field effect transistor.
mésa. Dans cette structure, une couche isolante est dispo- mesa. In this structure, an insulating layer is provided
sée sur une surface du dispositif et sur les parois laté- on a surface of the device and on the side walls
rales de la structure mésa, avec une couche de métal sur la couche isolante pour former une électrode de champ ou of the mesa structure, with a layer of metal on the insulating layer to form a field electrode or
une plaque de champ desource. Cette structure mésa origi- a source field plate. This mesa structure originates
nale, dans laquelle la plaque de champ de source recouvre les jonctions PN de la structure mésa, offre une tension de claquage améliorée, avec une résistance de canal ayant nale, in which the source field plate covers the PN junctions of the mesa structure, provides an improved breakdown voltage, with a channel resistance having
de façon correspondante une valeur faible. correspondingly a low value.
L'invention a pour but de réaliser un transistor The object of the invention is to produce a transistor
de puissance de type mésa perfectionné. of improved mesa-type power.
L'invention a également pour but de réaliser un transistor à effet de champ à gorges en V et une structure Another object of the invention is to provide a V-groove field effect transistor and a structure
mésa ayant une configuration d'électrodes perfectionnée. mesa having an improved electrode configuration.
L'invention a également pour but d'offrir un procédé de réalisation de la configuration d'électrodes Another object of the invention is to provide a method for producing the electrode configuration
d'un transistor de puissance permettant d'obtenir une ten- of a power transistor making it possible to obtain a voltage
sion de claquage plus élevée avec une résistance de canal higher breakdown voltage with channel resistance
plus faible.weaker.
En résumé, conformément à l'invention, un disposi- In summary, in accordance with the invention, a device
tif de puissance tel qu'une diode ou un transistor est formé dans un corps semiconducteur comprenant une structure mésa définie sur une surface principale du corps. Les régions actives du dispositif de puissance sont définies dans la structure mésa et une matière isolante est placée à la surface supérieure de la structure mésa et s'étend jusqu'à la surface principale du corps semiconducteur. Une première matière conductrice traverse la matière isolante pour venir en contact avec le corps semiconducteur et entoure la structure mésa, ce qui établit un anneau de limitation des A power transistor such as a diode or transistor is formed in a semiconductor body having a mesa structure defined on a major surface of the body. The active regions of the power device are defined in the mesa structure and an insulating material is placed on the upper surface of the mesa structure and extends to the main surface of the semiconductor body. A first conductive material passes through the insulating material to contact the semiconductor body and surrounds the mesa structure, thereby establishing a ring limiting
charges à la surface du dispositif et maintient la stabi- charges on the surface of the device and maintains the stability
lité de la tension de claquage du dispositif de puissance. the breakdown voltage of the power device.
Dans un mode de réalisation préféré, le disposi- In a preferred embodiment, the device
tif de puissance est un transistor à effet de champ de type vertical à gorges dans lequel les régions de source et de canal sont formées dans la structure mésa, tandis que le substrat forme le drain. L'anneau de limitation des charges vient en contact avec le substrat et la région de drain pour s'opposerà l'accumulation de charges à la surface du substrat. Il peut exister une électrode de champ en contact électrique avec les régions de source et The power tif is a grooved vertical type field effect transistor in which the source and channel regions are formed in the mesa structure while the substrate forms the drain. The charge-limiting ring contacts the substrate and the drain region to resist the accumulation of charges on the surface of the substrate. There may be a field electrode in electrical contact with the source regions and
de canal.of channel.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de The invention will be better understood when reading
la description qui va suivre d'un mode de réalisations the following description of an embodiment
donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la given by way of non-limiting example. Following the
description se réfère aux dessins annexés sur lesquels description refers to the accompanying drawings in which
La figure 1 est une coupe d'un transistor à effet de champ à gorges conforme à un mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est une vue de dessus du transistor à effet de champ de la figure 1; La figure 3 est une coupe du transistor de la figure 1 et elle montre les lignes équipotentielles dans le dispositif; et Les figures 4A-4I sont des coupes qui illustrent Figure 1 is a section of a grooved field effect transistor according to an embodiment of the invention; FIG. 2 is a view from above of the field effect transistor of FIG. 1; Figure 3 is a sectional view of the transistor of Figure 1 and shows the equipotential lines in the device; and Figures 4A-4I are cross-sections illustrating
les étapes de fabrication du dispositif de la figure 1. the manufacturing steps of the device of FIG.
On va maintenant considérer les dessins sur lesquels la figure 1 est une coupe d'un transistor de We will now consider the drawings in which Figure 1 is a section of a transistor of
puissance correspondant à un mode de réalisation de l'inven- power corresponding to an embodiment of the invention
tion et la figure 2 est une vue de dessus du dispositif. On notera que les figures ne sont destinées qu'à illustrer l'invention et ne sont pas dessinées à l'échelle. Dans ce mode de réalisation, le transistor de puissance consiste en un transistor à effet de champ du type mésa, à gorges, similaire à la structure décrite dans le brevet U.S. 4 219 835. Le dispositif comprend un substrat 10 de type N+ et une couche épitaxiale 12, de type N. Une région 14 de type P, formée par implantation ionique ou par croissance épitaxiale dopée, est établie sur la région 12, de type N et une région 16 de type N+ fortement dopée, est établie sur la région 14 de type P. La région 16 de and Figure 2 is a top view of the device. It should be noted that the figures are only intended to illustrate the invention and are not drawn to scale. In this embodiment, the power transistor consists of a grooved mesa type field effect transistor, similar to the structure described in US Pat. No. 4,219,835. The device comprises an N + type substrate and a layer. N-type epitaxial region 12. A P-type region 14, formed by ion implantation or doped epitaxial growth, is established on the N-type region 12 and a heavily doped N + type region 16 is established on the N-type region. P. The region 16 of
type N+ peut être formée par diffusion sélective d'impure- N + type can be formed by selective diffusion of impure-
tés dans la région 14 de type P, comme on le décrira ci-après de façon plus détaillée, ou bien on peut employer in the P-type region 14, as will be described in more detail below, or
d'autres techniques classiques pour former cette région. other classical techniques to form this region.
Une gorge désignée globalement par la référence 18 est formée dans la structure et traverse la région 16 de type N+ et la région 14 de type P, pour pénétrer dans la région 12 de type N_. De l'oxyde de silicium 20 est formé à la surface de la gorge 18 et une matière conductrice 22, A groove generally designated 18 is formed in the structure and passes through the N + type region 16 and the P type region 14 to enter the N-type region 12. Silicon oxide 20 is formed on the surface of the groove 18 and a conductive material 22,
comme par exemple de l'aluminium ou du silicium polycris- such as aluminum or polycrystalline silicon
tallin dopé, est formée sur l'oxyde de silicium 20 et forme l'électrode de grille du transistor à effet de champ. La région 16 fait fonction de source, les régions et 12 font fonction de drain et la région 14 de type P, entre la source et le drain, constitue la région de The doped tallin is formed on the silicon oxide 20 and forms the gate electrode of the field effect transistor. Region 16 acts as a source, regions and 12 act as a drain, and P-type region 14, between the source and the drain, constitutes the region of
canal qui est commandée par l'électrode de grille 22. channel which is controlled by the gate electrode 22.
De l'oxyde de silicium 24 est formé sur les côtés de la structure mésa tandis qu'un motif conducteur 26,destiné à l'établissement de contacts électriques, est Silicon oxide 24 is formed on the sides of the mesa structure while a conductive pattern 26, for making electrical contacts, is
formé sur l'oxyde de silicium et établit un contact ohmi- formed on silicon oxide and made an ohm contact
que avec la région de source 16 et la région de canal 14, that with the source region 16 and the channel region 14,
comme il est représenté. La partie de la matière conduc- as he is represented. The part of the conductive
trice 26 qui descend sur le côté de la structure mésa forme trice 26 that goes down to the side of the mesa shape structure
une plaque de champ de source.a source field plate.
Pour la commutation de tensions et de courants élevés, une telle structure de transistor à effet de champ For switching high voltages and currents, such a field effect transistor structure
offre de préférence une faible résistance à l'état conduc- preferably offers low resistance to the conductive
teur, une vitesse de commutation élevée et une tension de claquage élevée. On obtient la-résistance faible par la structure verticale. Cependant, l'obtention d'une tension de claquage élevée a un effet défavorable sur la résistance a high switching speed and a high breakdown voltage. The weak resistance is obtained by the vertical structure. However, obtaining a high breakdown voltage has an adverse effect on the resistance
du transistor à l'état conducteur. from the transistor to the conductive state.
L'invention offre une technique de réalisation de la configuration d'électrodes qui est destinée à augmenter la tension de claquage et à limiter l'étalement des charges en surface, assurant ainsi la stabilité et la fiabilité du The invention provides a technique for producing the electrode configuration which is intended to increase the breakdown voltage and to limit the spreading of the surface charges, thus ensuring the stability and reliability of the
dispositif. Comme il est représenté dans le mode de réalisa- device. As it is represented in the mode of
tion des figures i et 2, une couche conductrice 30 est of FIGS. 1 and 2, a conductive layer 30 is
placée sur la structure et cette couche entoure le transis- placed on the structure and this layer surrounds the
tor à gorgeset vient en contact avec la région de drain en 32. Ainsi, l'anneau 30 est porté à une tension égale à la tension de drain, ce qui empêche l'accumulation de charges dans l'oxyde de silicium qui recouvre la structure. Une tor to gorgeset comes into contact with the drain region at 32. Thus, the ring 30 is brought to a voltage equal to the drain voltage, which prevents the accumulation of charges in the silicon oxide that covers the structure . A
couche d'oxyde de silicium 34 recouvre le dispositif. silicon oxide layer 34 covers the device.
-La figure 3 est une coupe de la structure, simi- FIG. 3 is a section of the structure, similar to FIG.
laire à la figure 1, et montre dles lignes équipotentielles Figure 1, and shows equipotential lines
36 dans la région de drain-substrat pendant le fonctionne- 36 in the drain-substrate region during operation
ment du dispositif. Grâce à la structure mésa et à la con- the device. Thanks to the mesa structure and the
figuration d'électrodes, des lignes équipotentielles ont figuration of electrodes, equipotential lines have
une forme régulière et relativement rectiligne, sans chan- a regular and relatively rectilinear shape, without
gements brusques au voisinage de la frontière entre le sudden changes in the vicinity of the border between the
substrat et l'oxyde de silicium. Les lignes équipotentiel- substrate and silicon oxide. Equipotential lines
les s'étendent à l'intérieur de l'oxyde de silicium entre la plaque de champ 26 et l'anneau de limitation de charges they extend inside the silicon oxide between the field plate 26 and the load limiting ring
, comme il est représenté.as he is represented.
Le dispositif représenté sur la figure i peut être fabriqué facilement au moyen des techniques classiques de fabrication des dispositifs semiconducteurs, comme The device shown in FIG. 1 can be easily manufactured using conventional semiconductor device manufacturing techniques, such as
celles décrites dans le brevet U.S. 4 219 835. Les repré- those described in U.S. Patent 4,219,835.
sentations en coupe des figures 4A-4I montrent les étapes FIGS. 4A-4I show the steps
de fabrication du dispositif. On notera que cette descrip- manufacturing device. It should be noted that this description
tion ne montre qu'un exemple d'une succession d'étapes de fabrication du dispositif et qu'on pourrait employer tion shows only one example of a succession of manufacturing steps of the device and that could be used
d'autres processus classiques dans le cadre de l'invention. other conventional processes within the scope of the invention.
La figure 4A montre le substrat 40 de type N+ (0,007-0,05 ohm.cm par exemple). La figure 4B montre la couche épitaxiale 42 de type N (5-8 ohm. cm par exemple) qu'on fait croître sur le substrat 40, et la figure 4C montre la région 44 de type P qu'on forme sur la couche épitaxiale 42 de type N par implantation ionique (1013 ions/cm3 par exemple), à travers la couche d'oxyde 43. Selon une variante, on peut faire croître une couche épitaxiale de type P sur la couche épitaxiale 42 de type N. La-figure 4D montre une fenêtre de diffusion 47 qui est formée par attaque à travers la couche 43 et une région 48 de type N+ (1019atomes/cm3 par exemple) qui est formée par diffusion d'une impureté à travers la fenêtre 47. Ensuite, comme le montre la figure 4E, on forme une nouvelle couche d'oxyde de silicium 50, par croissance thermique à la surface de la région 48; et on forme la FIG. 4A shows the N + type substrate 40 (0.007-0.05 ohm.cm for example). Figure 4B shows the N-type epitaxial layer 42 (5-8 ohm cm, for example) grown on the substrate 40, and Figure 4C shows the P-type region 44 formed on the epitaxial layer. N-type 42 by ion implantation (1013 ions / cm3 for example), through the oxide layer 43. According to one variant, a P-type epitaxial layer can be grown on the N-type epitaxial layer 42. FIG. 4D shows a diffusion window 47 which is formed by etching through the layer 43 and an N + type region 48 (1019atoms / cm3 for example) which is formed by diffusion of an impurity through the window 47. Then, as as shown in FIG. 4E, a new layer of silicon oxide 50 is formed by thermal growth on the surface of region 48; and we form the
fenêtre 52 et les fenêtres 54 dans l'oxyde de silicium. window 52 and windows 54 in silicon oxide.
Comme le montre la figure 4F, on applique ensuite un agent d'attaque sélectif au corps semiconducteur, à travers les fenêtres 52 et 54, et les gorges 56, 58 et 60 sont formées par une attaque qui traverse la région P pour venir en As shown in FIG. 4F, a selective etching agent is then applied to the semiconductor body through the windows 52 and 54, and the grooves 56, 58 and 60 are formed by an attack which passes through the P region to come into operation.
contact avec la couche épitaxiale 42 de type N_. contact with the N-type epitaxial layer 42.
Comme le montre la figure 4G, on forme une couche mince d'oxyde 62 à la surface des gorges 56, 58 et 60. On forme ensuite du silicium polycristallin dopé 66 sur l'oxyde de silicium et on enlève sélectivement le silicium polycristallin, sauf sur l'oxyde de grille. Comme le montre la figure 4H, on effectue un dépôt supplémentaire d'oxyde de silicium. On grave des ouvertures à travers l'oxyde de silicium pour mettre à nu les régions de source As shown in FIG. 4G, a thin layer of oxide 62 is formed on the surface of grooves 56, 58 and 60. Polycrystalline silicon 66 is then formed on the silicon oxide and the polycrystalline silicon is selectively removed unless on the gate oxide. As shown in FIG. 4H, an additional deposition of silicon oxide is carried out. Apertures are etched through silicon oxide to expose source regions
48 et de canal 44 et la couche épitaxiale 42 de type N_. 48 and channel 44 and the N-type epitaxial layer 42.
On applique ensuite sur la couche d'oxyde de silicium une matière conductrice telle par exemple que de l'aluminium, et on l'attaque sélectivement pour former la plaque de champ de source 68, en contact avec les régions de source et de canal, et l'anneau de limitation de charges 70, en contact avec la couche 42. Enfin, comme le montre la figure A conductive material, such as aluminum, is then applied to the silicon oxide layer and selectively etched to form the source field plate 68 in contact with the source and channel regions. and the load limiting ring 70, in contact with the layer 42. Finally, as shown in FIG.
4I, on forme sur la surface du dispositif une couche d'iso- 4I, an insulation layer is formed on the surface of the device.
lation plus épaisse, 74, consistant par exemple en oxyde de a thicker fraction, 74, consisting for example of
silicium déposé en phase vapeur.silicon deposited in the vapor phase.
En utilisant l'anneau de limitation de charges 70, présentant des parties en retrait, en combinaison avec la plaque de champ de source 68 dans les régions en retrait 56 et 60 entourant la structure du transistor, on obtient une configuration d'électrodes pour le dispositif qui permet de réaliser une commutation à tension plus élevée et à courant plus élevé. On notera que le mode de réalisation décrit ne constitue qu'un exemple et ne doit pas être considéré comme limitatif. Par exemple, on peut employer d'autres diodes et By using the charge limiting ring 70, having recessed portions, in combination with the source field plate 68 in the recessed regions 56 and 60 surrounding the transistor structure, an electrode configuration is obtained for the device that allows switching at higher voltage and higher current. Note that the described embodiment is only one example and should not be considered as limiting. For example, other diodes and
transistors de puissance du type mésa, comprenant des dispo- power transistors of the mesa type, including arrangements
sitifs bipolaires et des dispositifs DMOS de type vertical. bipolar devices and vertical-type DMOS devices.
L'anneau de limitation de charges 70 peut être placé directement sur la matière semiconductrice, sans l'oxyde de The charge limiting ring 70 can be placed directly on the semiconductor material, without the oxide of
silicium sous-jacent. Le choix d'une configuration particu- underlying silicon. The choice of a particular configuration
lière de dispositif peut être déterminé par la compatibilité avec le processus de fabrication utilisé pour réaliser la device can be determined by the compatibility with the manufacturing process used to achieve the
structure de transistor.transistor structure.
Il va de soi que de nombreuses modifications It goes without saying that many modifications
peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté,- can be made to the device described and shown, -
sans sortir du cadre de l'invention. without departing from the scope of the invention.
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Patent Citations (2)
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IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, vol. ED-25, no 10, octobre 1978, NEW YORK (US) * |
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