JP2003536241A - ドレイン電極への低抵抗パスが上面に配設されたトレンチdmosトランジスタ構造 - Google Patents

ドレイン電極への低抵抗パスが上面に配設されたトレンチdmosトランジスタ構造

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Abstract

(57)【要約】 ゲートトレンチ(18)を備える半導体。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 関連出願の記載 本出願は、1999年3月1日に出願された米国特許仮出願第60/122,
762号の利益を主張するものである。
【0002】 発明の分野 本発明は、一般的にはMOSFETトランジスタ、特に、トレンチ構造を有す
るDMOSトランジスタに関するものである。
【0003】 背景技術 DMOS(Double diffused MOS:二重拡散金属酸化物半導体)トランジ
スタは、トランジスタ領域を形成するため、同じ開口部に連続した二つの拡散ス
テップを適用したMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor:金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)の一形態である。 D
MOSトランジスタは、一般的に、パワー集積回路に使用され、高圧高電流デバ
イスのパワートランジスタとして用いられる。DMOSトランジスタは、順方向
の低い電圧降下が要求される場合に、単位面積当り高い電流を供給する。
【0004】 一般的な離散DMOS回路は、並列に形成された二つ以上のDMOSトランジ
スタセルを備えている。それぞれのDMOSトランジスタセルはドレイン電極(
基板)を共有し、これらDMOSトランジスタセルのソースは全て金属によって
短絡され、また、これらDMOSトランジスタセルのゲートは全てポリシリコン
によって短絡されている。従って、離散DMOS回路は比較的小さなトランジス
タのマトリックスで構成されているが、あたかも単一の大きなトランジスタのよ
うに働く。離散DMOS回路の場合、トランジスタのマトリックスがゲートによ
ってオン状態にされたとき、単位面積当たりの導電率を最大にすることが望まし
い。
【0005】 特殊な構成であるDMOSトランジスタとして、いわゆるトレンチを備えるト
レンチDMOSトランジスタがあり、チャンネルは垂直に形成され、ゲートはソ
ースとドレインとの間にまで達するトレンチに形成される。薄い酸化物層で覆わ
れ、ポリシリコンで充填されたトレンチは、規制することなく電流を流すことが
でき、したがってオン抵抗の値を低くすることができる。トレンチDMOSトラ
ンジスタの例は、米国特許第5,072,266号、同第5,541,425号
及び同第5,866,931号明細書に開示されている。
【0006】 FIG.1は、従来の低電圧トレンチDMOSトランジスタの横断面を示す図
である。FIG.1に示すように、トレンチDMOSトランジスタ10は、高濃
度にドーピング処理された基板11を有し、基板11上には、基板11より低濃
度にドーピング処理されたエピタキシャル層12が形成されている。基板11の
底部には金属層13が形成され、基板11と電極14が電気的に接続されている
。当業者には明らかなように、DMOSトランジスタは、ソース領域16a、1
6b、16c、16d及びボディ領域15a、15bを備えている。エピタキシ
ャル領域すなわちエピタキシャル層12はドレインとして機能する。FIG.1
に示す例では、基板11はN型ドーパントによって比較的高濃度にドーピング処
理され、エピタキシャル層12はN型ドーパントによって比較的低濃度にドーピ
ング処理され、ソース領域16a、16b、16c、16dはN型ドーパントに
よって比較的高濃度にドーピング処理され、またボディ領域15a、15bはP
型ドーパントによって比較的高濃度にドーピング処理されている。また、トレン
チDMOSトランジスタ10のトレンチには、ドーピング処理された多結晶シリ
コンより成るゲート電極18形成され、ゲート電極18を有するトレンチの底部
及び壁部に形成されたゲート絶縁層17によって他の領域から電気的に絶縁され
ている。トレンチは、高濃度にドーピング処理された基板11内にまで達し、低
濃度にドーピング処理されたエピタキシャル層12を介するキャリアの流れによ
って生じるすべての抵抗を低減する。しかし、この構造は、トランジスタのドレ
イン−ソース降伏電圧を制限する。電極14すなわちドレイン電極14は基板1
1の底部に接続され、ソース電極22はソース領域16及びボディ領域15に接
続され、またゲート電極19はトレンチを充填するポリシリコン18に接続され
ている。
【0007】 FIG.2は、米国特許第4,893,160号に開示されているトレンチD
MOSトランジスタの他の具体例の横断面を示す図である。FIG.2に示すよ
うに、トレンチDMOSデバイス30は、金属より成る基板電極13と、基板1
1と、エピタキシャル領域12と、ボディ領域15a、15bと、ソース領域1
6a、16b、16c、16dを備えている。FIG.1に示すデバイスと比較
すると、トレンチ36の下方両側及び底部付近のエピタキシャル領域12に、あ
るいはトレンチ36の底部付近のエピタキシャル領域12にN+領域39が付加
されている。このような構造のもとでは、トレンチの底部付近の高濃度にドーピ
ング処理された領域にキャリアを流すことによってデバイスの性能を改善し、局
部抵抗を低減する。
【0008】 トレンチDMOSデバイスをさらに改良することが望ましい。例えば、オン抵
抗が低く比較的単純な構造でしかも安く製造できるトレンチDMOSデバイスが
要求される。
【0009】 発明の概要 本発明によれば、半導体デバイスは、第1の導電型のドーパントによって第1
の濃度にドーピング処理された半導体材料の第1の領域を備えている。上記第1
の領域内に形成されたゲートトレンチは、両側部及び底部を有する。上記第1の
領域内に形成されたドレインアクセストレンチは、両側部及び底部を有する。上
記第1の領域より高いドーパント濃度を有する上記第1の導電型の半導体材料の
第2の領域が上記第1の領域内の上記ゲートトレンチの上記底部及び上記ドレイ
ンアクセストレンチの上記底部に亘って隣接して配設されている。上記ゲートト
レンチ内にはゲート電極が形成されている。ゲート絶縁材料の層は、上記第1、
第2の領域から上記ゲート電極を絶縁する。上記第1の領域より高いドーパント
濃度を有する上記第1の導電型の半導体材料のドレイン領域が上記ドレインアク
セストレンチ内に配設されている。ソース領域が上記半導体材料の第1の領域の
表面に形成されている。上記第1の導電型と異なる第2の導電型のボディ領域が
上記第1の領域内の上記ソース領域の真下に形成されている。
【0010】 発明の詳細な説明 FIG.3は、本発明に係るトレンチDMOSトランジスタ100の一実施形
態の横断面を示す図である。この構造によって得られるの一つの重要な利点は、
この構造が自己絶縁されるので、別々の構成部品においてだけでなく、集積回路
においても使用できることにある。FIG.3に示すように、トレンチDMOS
トランジスタ100は、基板25、高濃度にドーピング処理された埋込層11及
びこの埋込層11より低濃度にドーピング処理されたエピタキシャル層12を備
えている。基板25はN型又はP型であるが、トレンチDMOSトランジスタ1
00が集積回路に組み込まれるときにはP型基板が好ましい。トレンチDMOS
トランジスタ100は、また、ソース領域16a、16b及びボディ領域15a
、15bを備えている。当業者には明らかなように、一般的には、ボディ領域は
、比較的深くて高濃度にドーピング処理された領域及び比較的浅くて低濃度にド
ーピング処理された領域を備えている。FIG.3に示す実施の形態では、埋込
層11はN型ドーパントによって比較的高濃度にドーピング処理され、エピタキ
シャル層12はN型ドーパントによって比較的低濃度にドーピング処理され、ソ
ース領域16a、16bはN型ドーパントによって比較的高濃度にドーピング処
理され、またボディ領域15a、15bは、P型ドーパントによって比較的高濃
度にドーピング処理されている部分と比較的低濃度にドーピング処理されている
部分とを備えている。トレンチ内に形成されている多結晶シリコンゲート電極1
8は、ゲート電極18を収容しているトレンチの底部及び両側部に形成されてい
るゲート絶縁層17によって他の領域から電気的に絶縁されている。トレンチは
、高濃度にドーピング処理された埋込層11内にまで達している。FIG.1及
びFIG.2に示す従来の構造と異なって、このデバイスでは、ドレインは構造
体の底部ではなく、上部に配設されている。具体的には、ドレインアクセス領域
26は、デバイスの上部から高濃度にドーピング処理された埋込層11にまで達
している。ドレインアクセス領域26は、高濃度にドーピング処理され、、埋込
層11と同じ導電性型である。ドレインアクセス領域26は、高濃度にドーピン
グ処理された埋込層11からドレイン電極14にまで達する低抵抗パスを構成し
ている。さらに、FIG.1及びFIG.2に示すデバイスと同様に、ソース電
極22は、ソース領域16及びボディ領域15に接続され、また、ゲート電極1
9は、トレンチを充填するポリシリコン18に接続されている。
【0011】 FIG.3に示すデバイス構造における問題点の一つには、形成するのに本質
的に費用のかかるエピタキシャル層すなわちエピタキシャル埋込層11の堆積を
必要とするので、トレンチDMOSトランジスタ100を製造するにあたって比
較的高価となるということがある。多数のDMOSトランジスタを備えた集積回
路としてFIG.4に示す本発明の他の実施形態では、デバイスの製作を相当に
単純化するためにエピタキシャル埋込層11は構成されていない。FIG.4に
示すように、トレンチDMOSトランジスタ100は、デバイスを形成する基板
25を備えている。上述した構造と同様に、FIG.4に示すDMOSトランジ
スタは、ソース領域16a、16b、16c、16d及びボディ領域15a、1
5bを備えている。FIG.4に示す実施の形態では、基板25は、N型ドーパ
ントによってドーピング処理されているが(N型の代りにP型ドーパントを用い
ることもできる。)ソース領域16a、16b、16c、16dはN型ドーパン
トによって比較的高濃度にドーピング処理され、またボディ領域15a、15b
はP型ドーパントによって比較的高濃度にドーピング処理されている。多結晶シ
リコンゲート電極18a、18b、18cは、それぞれゲートトレンチ内に形成
されている。ゲート電極18a、18b、18cは、それぞれのゲートトレンチ
の底部及び両側部に形成されたゲート絶縁層17a、17b、17cによって他
の領域から電気的に絶縁されている。また、ドレインアクセス領域26a、26
b、26cを確定する付加的なトレンチがデバイスの上部からのびている。
【0012】 ドレインに対する低抵抗パスは、ゲートトレンチ及びドレインアクセストレン
チの下方両側部及び底部付近に、あるいはゲートトレンチ及びドレインアクセス
トレンチの底部付近のみに高濃度にドーピング処理された領域を付加的に設ける
ことによって形成される。高濃度にドーピング処理された領域は横方向で結合し
て、各ゲートトレンチの底部から組合さったドレインアクセストレンチまでのび
る連続した高濃度にドーピング処理された領域39を形成している。ドレインア
クセス領域26は、高濃度にドーピング処理された領域39と同じ導電性型のド
ーパントによって高濃度にドーピング処理されている。ドレインアクセス領域2
6は、高濃度にドーピング処理された領域39からデバイスの上部に配設された
ドレイン電極14への低抵抗パスを形成している。
【0013】 FIG.5に示すように、高濃度にドーピング処理された領域39は、ポリシ
リコンを充填する前にゲートトレンチ及びドレインアクセストレンチを介して亜
リンなどを拡散させることによって形成される。ゲート及びドレインアクセスト
レンチは、トレンチとドレイン電極の間に連続した低抵抗パスを形成するように
、拡散するドーパントが互いに確実に結合するように十分に近接させる。
【0014】 上述したように、FIG.4に示す構造は、FIG.3に示す層11のような
高濃度にドーピング処理されたエピタキシャル埋込層の必要性を除去する。
【0015】 FIG.3及びFIG.4に示す本発明のDMOSデバイスは、従来の製造技
術を用いて、堆積及びエッチングステップを変更することによって製造される。
例えば、FIG.4のデバイスの製作は、拡散ステップでボディ領域15a、1
5b及びソース領域16a乃至16dを形成し、エッチングステップでゲート及
びドレインアクセストレンチを形成することから始められる。このようなステッ
プに関する更なる詳細については、例えば、上述の米国特許第4,893,16
0号明細書に開示されている。次に、二酸化珪素層のような絶縁層17は、トレ
ンチ内で成長され、続いてインプランテーション(注入)のような技術を用いて
トレンチの底部に拡散物質、例えば亜リンなどが導入される。そして拡散物質は
拡散され、連続した高濃度にドーピング処理された領域39を形成する。FIG
.5aにはこの製造段階の終了時の構成を示している。
【0016】 次に、FIG.5bに示すように、ゲートトレンチ及びドレインアクセストレ
ンチにポリシリコンを充填する。当業者には明らかなように、ポリシリコンは、
トレンチの深さが同じ場合、広いトレンチよりも狭いトレンチの方が速く充填さ
れる。従って、本発明の実施の形態の図面に示すように、ドレインアクセストレ
ンチの幅をゲートトレンチの幅より大きくしておくことが望ましい。このような
構成にすることにより、FIG.5bに示すように、ゲートトレンチがポリシリ
コンで充填されたとき、ドレインアクセストレンチは単に部分的に充填された状
態になる。ゲートトレンチがポリシリコンで充填された後、ドレインアクセスト
レンチ内のポリシリコンは等方性エッチング処理で除去される。さらに、ドレイ
ンアクセストレンチに形成されているシリコン酸化層を除去するために引き続き
エッチング処理が行われる。次に、FIG.5dに示すように、ドレインアクセ
ストレンチはN型のドーピング処理されたポリシリコンで充填され、ドレインア
クセス領域26を形成する。
【0017】 FIG.6乃至FIG.8には、本発明係る多数ののDMOSトランジスタを
配列した様々なの表面幾何学的構造の平面図を示す。これらの構造体は、ドレイ
ンアクセスセル40及びトランジスタセル50を備える。ドレインアクセスセル
40は、低抵抗パスで相互に接続されているドレインアクセストレンチ及び隣接
したゲートトレンチを表している。トランジスタセル50は、ゲートトレンチ、
ソース領域及びボディ領域を含む従来のDMOSトランジスタ構造で確定された
構造を示している。これらの又は他の幾何学的構造が使用されるが、FIG.6
に示す八角形構成は、トランジスタセル及びドレインアクセスセルの占める相対
面積を互いに独立して調整でき、それにより最少のデバイスオン抵抗を達成する
ことができるので、特に有益である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 FIG.1は、従来のDMOSトランジスタの横断面図である。
【図2】 FIG.2は、従来のDMOSトランジスタの横断面図である。
【図3】 FIG.3は、本発明に係るDMOSトランジスタの一実施例の横断面図であ
る。
【図4】 FIG.4は、本発明に係るDMOSトランジスタの他の実施例の横断面図で
ある。
【図5】 FIG.5aは、FIG.4に示すDMOSトランジスタを形成する一連のプ
ロセスステップの一ステップを示す図である。
【図6】 FIG.5bは、FIG.4に示すDMOSトランジスタを形成する一連のプ
ロセスステップの一ステップを示す図である。
【図7】 FIG.5cは、FIG.4に示すDMOSトランジスタを形成する一連のプ
ロセスステップの一ステップを示す図である。
【図8】 FIG.5dは、FIG.4に示すDMOSトランジスタを形成する一連のプ
ロセスステップの一ステップを示す図である。
【図9】 FIG.6は、本発明に係るDMOSトランジスタを多数配列した様々な幾何
学的配置を示す平面図である。
【図10】 FIG.7は、本発明に係るDMOSトランジスタを多数配列した様々な幾何
学的配置を示す平面図である。
【図11】 FIG.8は、本発明に係るDMOSトランジスタを多数配列した様々な幾何
学的配置を示す平面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ, BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,C R,CU,CZ,DE,DK,DM,EE,ES,FI ,GB,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID, IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR,K Z,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MA ,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ, PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,S K,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG ,UZ,VN,YU,ZA,ZW Fターム(参考) 4M104 AA01 BB01 BB02 BB13 FF01 FF02 FF04 GG09 GG18 5F140 AA10 AA25 AA30 AB01 AB04 AC21 BB02 BB04 BB06 BB13 BE03 BF01 BF03 BF04 BF43 BH02 BH04 BH05 BH25 BH30 BJ01 BJ04 BK13 BK26 CD02

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の導電型のドーパントによって第1の濃度にドーピング処理された半導体
    材料の第1の領域と、 上記第1の領域内に形成され、両側部及び底部を有するゲートトレンチと、 上記第1の領域内に形成され、両側部及び底部を有するドレインアクセストレ
    ンチと、 上記第1の領域内の上記ゲートトレンチの上記底部及び上記ドレインアクセス
    トレンチの上記底部に亘って隣接して配設され、上記第1の領域より高いドーパ
    ント濃度を有する上記第1の導電型の半導体材料の第2の領域と、 上記ゲートトレンチ内のゲート電極と、 上記第1、第2の領域から上記ゲート電極を絶縁するゲート絶縁材料の層と、 上記ドレインアクセストレンチ内に配設され、上記第1の領域より高いドーパ
    ント濃度を有する上記第1の導電型の半導体材料のドレイン領域と、 上記半導体材料の第1の領域の表面に形成されたソース領域と、 上記第1の領域内の上記ソース領域の真下に形成され、上記第1の導電型と異
    なる第2の導電型のボディ領域と を有することを特徴とする半導体デバイス。
  2. 【請求項2】 上記ゲート電極が導電性材料から形成されていることを特徴とする請求の範囲
    第1項記載の半導体デバイス。
  3. 【請求項3】 上記導電性材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、多結晶シリコン、耐熱
    金属、及び多結晶シリコンと耐熱金属の組合わせの材料群から選択されることを
    特徴とする請求の範囲第2項記載の半導体デバイス。
  4. 【請求項4】 上記ゲート絶縁材料の層が上記ゲートトレンチの上記両側部及び底部に沿って
    配設されていることを特徴とする請求の範囲第3項記載の半導体デバイス。
  5. 【請求項5】 さらに半導体基板を備え、この半導体基板上に上記第1の領域が配設されてい
    ることを特徴とする請求の範囲第1項記載の半導体デバイス。
  6. 【請求項6】 上記半導体基板が上記第1の導電型にドーピング処理されていることを特徴と
    する請求の範囲第5項記載の半導体デバイス。
  7. 【請求項7】 上記第1の領域が半導体基板であることを特徴とする請求の範囲第1項記載の
    半導体デバイス。
  8. 【請求項8】 上記第2の領域が上記ゲートトレンチ及び上記ドレインアクセストレンチの真
    下に形成され、これらのトレンチの底部の上方に亘っていることを特徴とする請
    求の範囲第1項記載の半導体デバイス。
  9. 【請求項9】 上記ドレインアクセストレンチの幅が上記ゲートトレンチの幅より広いことを
    特徴とする請求の範囲第1項記載の半導体デバイス。
  10. 【請求項10】 第1の導電型のドーパントによって第1の濃度にドーピング処理され、ドレイ
    ン領域として機能する半導体材料の第1の領域を形成するステップと、 上記第1の領域内に、両側部及び底部を有するゲートトレンチをエッチングす
    るステップと、 上記第1の領域内に、両側部及び底部を有するドレインアクセストレンチをエ
    ッチングするステップと、 上記半導体材料の第1の領域の表面に、ソース領域を形成するステップと、 上記第1の領域内の上記ソース領域の真下に、上記第1の導電型と異なる第2
    の導電型のボディ領域を形成するステップと、 上記ゲートトレンチを覆う絶縁材料を堆積するステップと、 上記第1の領域内の上記ゲートトレンチの上記底部及び上記ドレインアクセス
    トレンチの上記底部に亘って隣接して配設され、上記第1の領域より高いドーパ
    ント濃度を有する上記第1の導電型の半導体材料の第2の領域を形成するステッ
    プと、 上記ゲートトレンチ内にゲート電極を堆積するステップと、 上記ドレインアクセストレンチに、上記第1の領域より高いドーパント濃度を
    有する上記第1の導電型の半導体材料を充填するステップと を有することを特徴とする半導体デバイスの製造法。
  11. 【請求項11】 上記半導体材料の第2の領域を形成するステップは、ゲートトレンチ及びドレ
    インアクセストレンチにおいて第1の導電型のドーパント材料を拡散するステッ
    プを有することを特徴とする請求の範囲第10項記載の半導体デバイスの製造法
  12. 【請求項12】 上記拡散ステップは、第1の導電型の半導体材料の連続したパスを形成するよ
    うに、ゲートトレンチ及びドレインアクセストレンチにおいて拡散する材料のオ
    ーバーラップを十分保証できることを特徴とする請求の範囲第10項記載の半導
    体デバイスの製造法。
  13. 【請求項13】 上記ゲート電極が導電性材料から形成されていることを特徴とする請求の範囲
    第10項記載の半導体デバイスの製造法。
  14. 【請求項14】 上記導電性材料が、アルミニウム、アルミニウム合金、多結晶シリコン、耐熱
    金属、及び多結晶シリコンと耐熱金属の組合わせの材料群から選択されることを
    特徴とする請求の範囲第13項記載の半導体デバイスの製造法。
  15. 【請求項15】 上記ゲート絶縁材料が上記ゲートトレンチの上記両側部及び底部に沿って配設
    されていることを特徴とする請求の範囲第10項記載の半導体デバイスの製造法
  16. 【請求項16】 上記部分が半導体基板を含み、この半導体基板上に上記第1の領域が配設され
    ていることを特徴とする請求の範囲第10項記載の半導体デバイスの製造法。
  17. 【請求項17】 上記半導体基板が上記第1の導電型にドーピング処理されていることを特徴と
    する請求の範囲第16項記載の半導体デバイスの製造法。
  18. 【請求項18】 上記第2の領域が上記ゲートトレンチ及び上記ドレインアクセストレンチの真
    下に形成され、これらのトレンチの底部の上方に亘っていることを特徴とする請
    求の範囲第10項記載の半導体デバイスの製造法。
  19. 【請求項19】 上記ドレインアクセストレンチの幅が上記ゲートトレンチの幅より広いことを
    特徴とする請求の範囲第10項記載の半導体デバイスの製造法。
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