JP2004282007A - 耐久性を高めるためにパイロンの頂部に電荷が付加された超接合デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】 デバイスの降伏電圧を実質的に低下させることなしにそのようなデバイスの耐久性を改善すること。
【解決手段】 超接合デバイス内のP型パイロンは、電荷均衡を修正するためにその頂部で濃度が高く、その結果、電圧遮断動作中にP型領域の頂部が完全に空乏化せず、一方、P型パイロンの残りの部分は、周囲のN型本体領域と電荷均衡にある。次いで、なだれ電流をパイロンの頂部でP型本体(N型チャネルデバイスの場合)チャネル領域の中央部に逸らし、ソースの下のRb’から離し、パイロンの頂部の濃度が高いことによる降伏電圧の犠牲が非常に小さい状態で耐久性(Rb’を介したなだれ電流による寄生バイポーラトランジスタのターンオン)を高めることができる。
【選択図】 図1
【解決手段】 超接合デバイス内のP型パイロンは、電荷均衡を修正するためにその頂部で濃度が高く、その結果、電圧遮断動作中にP型領域の頂部が完全に空乏化せず、一方、P型パイロンの残りの部分は、周囲のN型本体領域と電荷均衡にある。次いで、なだれ電流をパイロンの頂部でP型本体(N型チャネルデバイスの場合)チャネル領域の中央部に逸らし、ソースの下のRb’から離し、パイロンの頂部の濃度が高いことによる降伏電圧の犠牲が非常に小さい状態で耐久性(Rb’を介したなだれ電流による寄生バイポーラトランジスタのターンオン)を高めることができる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、超接合半導体デバイスに関し、より詳細には、デバイスの降伏電圧を実質的に低下させることなしにそのようなデバイスの耐久性を改善することに関する。
一方の導電型の複数の離隔された平行の柱(column)またはパイロン(pylon)が、他方の導電型のウェハの厚さの一部分または全部を介して延びる超接合デバイスが周知である。パイロンは、N型チャネルデバイスについてP型であり、これが本明細書で使用される例である。次いで、パイロンは、ターンオンされるとウェハのN型本体を介して垂直電流を可能にするMOSゲート構造で頂部が覆われる。パイロンの合計電荷量は、周囲のN型本体の合計電荷量に整合し、その結果、逆バイアスでは、P型パイロンおよびN型本体が完全に空乏化し、ウェハの厚さ全体にわたって電圧を遮断する。
逆バイアス下で、なだれ電流がそのようなデバイス内を流れる可能性があることが知られている。このなだれ電流は、チャネル領域内に、また、MOSゲート構造のソース領域(デバイスのRb 1領域)の下を、次いで、ソース金属に流れる。なだれ電流の水平部分、したがってソース−P型本体接合を跨ぐ電圧降下が十分高い場合には、MOS構造内の寄生トランジスタをターンオンすることができる。
なだれ電流の水平部分は、P型パイロン内の電荷を増やし、P型領域の均衡を崩し(電荷均衡なし)、したがって、デバイスがなだれ電流ターンオンしやすくないようにすることによって減少させることができる。しかし、パイロン濃度(pylon concentration)が高まると、逆バイアス中にP型パイロンが完全に空乏化しないため、降伏電圧が低下する。
したがって、デバイスの耐久性(なだれエネルギー)と降伏電圧の間の設計の兼ね合いは複雑である。
換言すれば、高い降伏電圧と高いなだれエネルギーを共に達成することは、超接合タイプのデバイスを設計する際にクリティカルな技法である。超接合デバイスは、完全な電荷均衡条件と共に動作するとき、高い逆バイアス電圧をサポートすることができる。しかし、Rb 1を介した大量の水平なだれ電流は、MOSFETデバイス内のバイポーラ構造を容易にトリガすることになる。一方、パイロン内のP電荷がより高く不均衡な状態でデバイスが動作するとき、なだれエネルギーは通常高いが、降伏電圧は低い。
本発明によれば、各パイロンの頂部の小部分だけ、電荷が多く、したがってそれを囲む反対に荷電された領域に比べて電荷不均衡である。
本発明によるデバイスは、降伏電圧となだれエネルギーの好ましい兼ね合いを生み出す。パイロンの頂部だけがその下部に比べてより高いドーズ注入を受けたとき、デバイスは、依然として高い降伏電圧に耐えることができる。デバイスがなだれを起こしたとき、なだれ電流は、デバイスの下部で均一であり、デバイスの頂部近くを流れるとき各パイロンに向かって収束を開始する。これにより、なだれ電流がRb 1領域から離されて保たれ、その結果、デバイスは、はるかに高いなだれエネルギーを保持することができる。
好ましい実施形態では、各パイロンの頂部の25%で電荷が多く、各パイロンの残りの部分は、それを囲む領域に比べて電荷が均衡している。また、好ましくは、各パイロンの頂部の電荷増大量は、その本体の残りの部分の電荷増大量より約15〜20%大きい。その結果、好ましい実施形態は、降伏電圧となだれエネルギーの好ましい組合せを示す。本明細書で述べられている値は、デバイスの耐久性やデバイスの降伏電圧定格など、デバイスの様々な特性間の所望の兼ね合いを得るために修正することができることを理解されたい。
図1および2は、述べることになる本発明に従って修正された周知の構造の超接合MOSFETデバイスの小部分を示す。
このデバイスは、高ドープ(N++)シリコンとして示されている主基板部分11を有するシリコンウェハ10(ウェハという用語は、チップまたはダイと交換可能に使用される)の形で形成されている。(図1および2は、N型チャネルデバイスを示す。導電型はすべて、逆にしてP型チャネルデバイスをなすことができる。)
超接合の概念は、ウェハ10の上面に向かって垂直上向きに延びる複数の離隔されたP型「パイロン」20、21、22の使用を含む。従来、これらのパイロンは、基板11の上方で、周囲のシリコンのN型本体23(通常、エピタキシャル堆積層)内の合計電荷量にその合計電荷量が等しいようなP型濃度を有する。このようにして、逆バイアス中に、P型パイロンおよびN型本体は、完全に空乏化して電圧を遮断する。しかし、領域23内のN型濃度は、デバイスがターンオンしたとき抵抗がはるかに低くなるように、従来型MOSFETに使用される濃度より高くすることができる。
MOSゲート構造もまた、通常の形で設けられ、環状領域とすることができるN+ソース領域33、34、35をそれぞれ受けるP−チャネル領域30、31、32として示されている。それぞれゲート40、41および42より下方にあるチャネル30、31および32内のP−領域は、なだれ電流が流れることができるRb’領域である。
ゲート酸化物40は、ソース領域とそれぞれのチャネル領域との間の反転可能なチャネル領域上に重なり、ポリシリコンゲート電極41は、ゲート酸化物40上に重なる。LTOなど絶縁層42は、上に重なるソース電極43からゲート41のポリシリコンゲートセグメントを絶縁する。ドレイン接点50は、ウェハ10の底部に接続される。
パイロン20、21および22は、どのような所望の方法で作製することもできる。1つの従来型工程は、N型層60〜65の連続エピタキシャル堆積を含み、各層の形成に続いて位置合わせされたP型を拡散し、最終的なパイロンを形成する。層の数とその厚さおよび濃度は周知である。典型的には、高電圧デバイスの場合、必要とされる長さを得るために6層が使用されることになる。
本発明によれば、パイロンのそれぞれの頂部(および最上層65内の拡散)は、各拡散が濃度P1を有する柱の残りの部分の濃度より大きい濃度P2を有し、P1<P2である。
濃度が高いパイロン部分の長さは、パイロン全長の約25%未満(図の実施形態では約16%)であることが好ましいことに留意されたい。さらに、濃度P2は、P1より約15〜20%大きいことが好ましい。
図3はパイロン20を示し、パイロンまたはP型柱20の高ドープ部分がデバイス動作を改善する様子を示す。
したがって、高い降伏電圧と高いなだれエネルギーを共に達成することが、超接合タイプのデバイスのクリティカルな設計の目的である。超接合は、完全な電荷均衡条件で動作するとき、電極43と電極50(図1)の間で高い逆バイアス電圧をサポートすることができる。しかし、Rb 1を介した大きいなだれ電流は、MOSFETデバイス区間内のバイポーラ構造を容易にトリガすることになる。一方、パイロン内のP電荷がより高い状態でデバイスが動作するとき、なだれエネルギーは通常高いが、降伏電圧は低い。
本発明は、降伏電圧となだれエネルギーの兼ね合いを改善する。P型パイロン20の頂部だけが(P型柱の下部のドーズ注入より)高いドーズ注入P2を受けたとき、デバイスは、依然として比較的高い降伏電圧に耐えることができる。しかし、デバイスがなだれを起こしたとき、図3で矢印によって示すように、なだれ電流は、デバイスの下部で均一であるが、デバイスの頂部近くのP型柱に向かって収束を開始する。これにより、ソース33の下のRb’領域からなだれ電流が離されて保たれ、その結果、デバイスは、はるかに高いなだれエネルギーを処理することができる。
以上、本発明について、その特定の実施形態に関係して述べたが、多数の他の変形形態および修正形態ならびに他の使用が当業者には明らかになるであろう。したがって、本発明は、本明細書の特定の開示によって限定されないことが好ましい。
10 シリコンウェハ
11 主基板部分
20、21、22 P型パイロン
23 N型本体
30、31、32 P−チャネル領域
33、34、35 N+ソース領域
40 ゲート酸化物
41 ポリシリコンゲート電極
42 絶縁層
43 ソース電極
50 ドレイン接点
60〜65 N型層
11 主基板部分
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41 ポリシリコンゲート電極
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60〜65 N型層
Claims (16)
- 超接合半導体デバイスにおいて、第1の導電型の半導体本体領域は、平行な上面と底面とを有し、他方の導電型の複数の離隔されたパイロンは、前記本体領域の厚さの少なくとも一部分を介して延び、それぞれのMOSゲート構造は、前記パイロンのそれぞれの上方で、前記パイロンのそれぞれに接して位置決めされたチャネル領域内に配置されたソース領域を含み、前記パイロンの主要な長さは、それらを囲む前記本体領域と電荷均衡にある前記底面に最も近接する端部から延び、前記パイロンの頂部にある前記パイロンのそれぞれの残りの長さは、前記主要な長さの濃度より高い濃度を有し、それにより、なだれ電流が、前記パイロンの頂部の中央に向かって、前記チャネル内で前記ソース下方のRb’領域から離されて、少なくとも部分的に向けて送られることを特徴とする超接合半導体デバイス。
- 前記残りの長さ内の前記電荷は、前記パイロンの前記主要な長さ内の前記電荷より最大約20%大きいことを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記パイロンの前記残りの長さは、前記パイロンの長さの約25%未満であることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記パイロンの前記残りの長さは、前記パイロンの長さの約25%未満であることを特徴とする請求項2に記載のデバイス。
- 超接合デバイス用のN型本体内のP型半導体パイロンは、その頂部で濃度が高く、周囲のN型本体の濃度より大きく、かつ均衡を崩し、前記パイロンの長さの残りの部分は、周囲のN型本体と電荷均衡にあることを特徴とするP型半導体パイロン。
- 前記残りの長さ内の前記電荷は、前記主要な長さ内の前記電荷より最大約20%大きいことを特徴とする請求項5に記載のデバイス。
- 前記パイロンの前記残りの長さは、前記パイロンの長さの約25%未満であることを特徴とする請求項5に記載のデバイス。
- 前記パイロンの前記残りの長さは、前記パイロンの長さの約25%未満であることを特徴とする請求項6に記載のデバイス。
- 一方の導電型の半導体ウェハ本体を備え、前記ウェハの底部に主要な電極を有する、改善されたなだれ能力を有する超接合デバイスであって、他方の導電型の複数の同一な離隔されたパイロンは、前記ウェハの厚さの少なくとも一部分を介して延び、前記パイロンの少なくとも下部は、前記ウェハ本体と電荷均衡にあり、前記パイロンの頂部の一部分は、前記下部の電荷より大きい電荷を有することを特徴とする超接合デバイス。
- 前記パイロンの前記頂部内の電荷は、前記下部の電荷より少なくとも約15〜20%大きいことを特徴とする請求項9に記載のデバイス。
- 前記頂部の前記一部分の長さは、前記パイロンの全長の約25%未満であることを特徴とする請求項9に記載のデバイス。
- 前記頂部の前記一部分の長さは、前記パイロンの全長の約25%未満であることを特徴とする請求項10に記載のデバイス。
- 前記パイロンのそれぞれの頂部に配置されたMOSゲート構造をさらに含み、前記MOSゲート構造は、前記反対の導電型のチャネル領域を備え、そのそれぞれのパイロンを跨いで延び、かつ重なり合い、前記一方の導電性のそれぞれのソース領域は、各チャネル領域のそれぞれ中に延び、前記チャネル内に、また、前記パイロン頂部の外周縁部から除去される前記ソース下方にRb’領域を画定し、ゲート構造は、前記ウェハの頂部で前記ソースとチャネル領域の間でそれぞれの反転可能なチャネル領域を跨いで延び、ソース電極は、前記ウェハの頂部を覆って、前記ソースおよびチャネル領域のそれぞれと接して延びることを特徴とする請求項9に記載のデバイス。
- 前記パイロンの前記頂部内の電荷は、前記下部の電荷より少なくとも約15〜20%大きいことを特徴とする請求項13に記載のデバイス。
- 前記頂部の前記一部分の長さは、前記パイロンの全長の約25%未満であることを特徴とする請求項13に記載のデバイス。
- 前記頂部の前記一部分の長さは、前記パイロンの全長の約25%未満であることを特徴とする請求項14に記載のデバイス。
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