JP2005510880A - 縦型mosfetおよびその縦型mosfetを形成する方法 - Google Patents
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Abstract
縦型MOSFETは、複数の深いストライプ状トレンチによって分離された複数の半導体メサをその内部に有する半導体基板を含む。これらのストライプ状トレンチは、基板において平行に細長く第1の方向に延びる。複数の埋め込み絶縁ソース電極が、複数の深いストライプ状トレンチ内に形成される。また、複数の絶縁ゲート電極が提供され、その複数の絶縁ゲート電極は、複数の半導体メサにおいて平行に延び、複数の埋め込み絶縁ソース電極内に画定された浅いトレンチの内部へと延びる。表面ソース電極が、基板上に提供される。表面ソース電極は、それぞれの埋め込みソース電極の長手方向に沿った複数の箇所において、それぞれの埋め込みソース電極に電気的に接続され、これらの複数の接続は、有効ソース電極抵抗を減少させ、デバイスのスイッチング速度を向上させる。
Description
本発明は、半導体スイッチングデバイスに関し、より詳細には、高出力用途用スイッチングデバイスおよびそのデバイスを形成する方法に関する。
シリコンバイポーラトランジスタは、モーター駆動回路と家庭用電気器具制御装置とロボットと照明器具安定器とにおける高出力用途用デバイスとして選択されてきている。これは、40〜50A/cm2の範囲にある比較的大きな電流密度を取り扱い、500〜1000Vの範囲にある比較的大きな耐圧を保持するように、バイポーラトランジスタを設計することができるからである。
バイポーラトランジスタによって達成される魅力的な電力定格にもかかわらず、それらのバイポーラトランジスタがすべての高出力用途に適合するのを妨げるいくつかの根本的な欠点が存在する。第1に、バイポーラトランジスタは、動作モードを維持するために、典型的には、コレクタ電流の1/5〜1/10である比較的大きなベース電流を必要とする電流制御デバイスである。比較的により大きなベース電流が用途として期待される場合には、そのような用途は高速のターンオフも必要とする。大きなベース電流が要求されるために、ターンオンおよびターンオフを制御するためのベース駆動回路は、比較的複雑で高価なものとなる。また、バイポーラトランジスタは、誘導性電力回路用途において一般的に要求されるような大きな電流および高い電圧が同時にデバイスに印加された場合には、早期降伏を発生しやすい。さらにまた、高い温度においては、一般的に、1つのトランジスタだけに電流が分配されることが発生するので、バイポーラトランジスタを並列に動作させるのは比較的難しく、エミッタ安定化対策が必要となる。
シリコンパワーMOSFETが、このベース駆動問題を解決するために開発されてきている。パワーMOSFETにおいて、適切なゲートバイアスを印加すれば、ゲート電極は、ターンオンおよびターンオフを制御する。例えば、N型エンハンスメントモードMOSFETにおけるターンオンは、正のゲートバイアスを印加したことに応答して、伝導性N型反転層チャネルが(「チャネル領域」とも呼ばれる)P型ベース領域に形成されたときに発生する。反転層チャネルは、N型ソース領域とN型ドレイン領域とを電気的に接続し、それらの間において、多数キャリアの伝導を可能にする。
パワーMOSFETのゲート電極は、典型的には二酸化ケイ素である絶縁層を挿入することによって、ベース領域から分離される。ゲートは、ベース領域から絶縁されているので、MOSFETを導通状態に維持するために、あるいは、オン状態からオフ状態にまたはその逆にMOSFETをスイッチングするためには、たとえ必要であるにしても、ほんのわずかなゲート電流しか必要としない。ゲートは、MOSFETのベース領域とともにキャパシタを形成するので、スイッチング時にゲート電流は小さな値に保持される。したがって、スイッチング時には、充電電流および放電電流(「変位電流(displacement current)」)だけが必要とされる。絶縁ゲート電極に関連する高入力インピーダンスのために、最小限の電流が、ゲートに要求され、ゲート駆動回路を簡単に実施することができる。さらに、MOSFETにおける電流の伝導は、多数キャリアの輸送だけによって発生し、過剰少数キャリアの再結合および蓄積に関連する遅延がない。したがって、パワーMOSFETのスイッチング速度は、バイポーラトランジスタのスイッチング速度より数桁も速くすることができる。バイポーラトランジスタと異なって、パワーMOSFETは、「第2の降伏(second breakdown)」として知られている破壊的故障メカニズムを発生させることなく、大きな電流密度および高い電圧の印加に比較的長時間にわたり耐えるように、設計することができる。また、パワーMOSFETは、簡単に並列に接続することができる。なぜならば、パワーMOSFETを横切る順方向電圧降下は、温度の上昇とともに増加し、それによって、並列に接続されたデバイスにおいて均等に電流が分配されるのを助けるからである。
これらの望ましい特性を考慮して、パワーMOSFETの多くの変形が設計されてきている。広く普及している2つの例は、二重拡散MOSFETデバイス(double-diffuse MOSFET:DMOSFET)およびUMOSFETデバイスである。これらのおよびその他のパワーMOSFETが、引用することにより本明細書の一部をなすものとするB.J.BaligaによるPower Semiconductor Devices,PWS Publishing Co.(ISBN0−534−94098−6)(1995)という表題の教科書に説明されている。この教科書の第7章では、335−425頁にわたってパワーMOSFETを説明している。また、蓄積FETと、反転FETと、N+ドレイン領域内へと延びるトレンチゲート電極を有する拡張トレンチFETとを含むシリコンパワーMOSFETの例が、T.Syau,P.Venkatraman and B.J.BaligaによるComparison of Ultralow Specific On−Resistance UMOSFET Structures:The ACCUFET,EXTFET,INVFET,and Conventional UMOSFETs,IEEE Transactions on Electron Devices,巻41,第5号,5月(1994)という表題の論文に開示されている。Syauらによって説明されるように、最大25ボルトを保持することのできるデバイスの場合には、100〜250μΩcm2の範囲にある固有オン抵抗が実験的に証明されている。しかしながら、これらのデバイスの特性は、トレンチ底部におけるゲート酸化物の両端において順方向耐圧を保持しなければならないという事実によって制限される。
上述したSyauらの論文に記載された図1(d)の複製である図1は、従来のUMOSFET構造を示すものである。耐圧モードの動作において、このUMOSFETは、高い最大耐圧能力を得るために比較的低い濃度にドーピングされなければならないN型ドリフト層を横切る最大順方向耐圧を保持するが、低いドーピング濃度は、典型的には、オン状態直列抵抗を増加させる。高い耐圧および低いオン状態抵抗というこれらの競合する設計要件に基づいてパワーデバイスの基本的な性能指数が導き出され、それは、最大耐圧(blocking voltage:BV)に対する固有オン抵抗(Ron,sp)に関係するものである。B.J.Baligaの上述した教科書の373頁に説明されているように、N型シリコンドリフト領域の理想的な固有オン抵抗は、次式によって与えられる。
Ron,sp=5.93×10-9(BV)2.5 (1)
したがって、60ボルトの耐圧能力を備えたデバイスの場合には、理想的な固有オン抵抗は、170μΩcm2である。しかしながら、(例えば、NチャネルMOSFETにおけるP型ベース領域等の)さらなる抵抗がベース領域から加わるために、UMOSFETの固有オン抵抗は典型的にはずっとより大きなものとなることが報告されている。例えば、730μΩcm2の固有オン抵抗を有するUMOSFETが、H.ChangによるNumerical and Experimental Comparison of 60V Vertical Double−Diffused MOSFETs and MOSFETs With A Trench−Gate Structure,Solid−State Electronics,巻32,第3号,頁247−251(1989)という表題の論文に開示されている。しかしながら、このデバイスにおいては、高い順方向電圧に耐えるときにトレンチの下隅近傍における高い密度の電界を補償するために、ドリフト領域における理想よりも低い均一なドーピング濃度が必要とされている。米国特許第5,637,989号明細書と、米国特許第5,742,076号明細書と、米国特許第5,912,497号明細書とは、垂直方向に電流を伝導する能力を有する広く普及しているパワー半導体デバイスを開示しており、これらの明細書を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
Ron,sp=5.93×10-9(BV)2.5 (1)
したがって、60ボルトの耐圧能力を備えたデバイスの場合には、理想的な固有オン抵抗は、170μΩcm2である。しかしながら、(例えば、NチャネルMOSFETにおけるP型ベース領域等の)さらなる抵抗がベース領域から加わるために、UMOSFETの固有オン抵抗は典型的にはずっとより大きなものとなることが報告されている。例えば、730μΩcm2の固有オン抵抗を有するUMOSFETが、H.ChangによるNumerical and Experimental Comparison of 60V Vertical Double−Diffused MOSFETs and MOSFETs With A Trench−Gate Structure,Solid−State Electronics,巻32,第3号,頁247−251(1989)という表題の論文に開示されている。しかしながら、このデバイスにおいては、高い順方向電圧に耐えるときにトレンチの下隅近傍における高い密度の電界を補償するために、ドリフト領域における理想よりも低い均一なドーピング濃度が必要とされている。米国特許第5,637,989号明細書と、米国特許第5,742,076号明細書と、米国特許第5,912,497号明細書とは、垂直方向に電流を伝導する能力を有する広く普及しているパワー半導体デバイスを開示しており、これらの明細書を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
具体的には、Baligaに与えられた米国特許第5,637,898号明細書は、一般的には傾斜ドープト(graded-doped:GD)UMOSFETと呼ばれる好ましいシリコン電界効果トランジスタを開示している。米国特許第5,637,898号明細書に添付された図3の複製である図2に示されるように、集積パワー半導体デバイス電界効果トランジスタの単位セル100は、1μmの幅「Wc」を有してもよく、(例えば、N+等の)第1の伝導型基板からなる高濃度ドープトドレイン層114と、線形傾斜ドーピング濃度を内部に有する第1の伝導型のドリフト層112と、(例えば、P型等の)第2の伝導型の比較的薄いベース層116と、(例えば、N+等の)第1の伝導型の高濃度ドープトソース層118とを含みうる。ドリフト層112は、4μmの厚さを有するN型in−situドープト単結晶シリコン層を、100μmの厚さで(例えば、1×1019cm-3のように)
1×1018cm-3よりも高いドーピング濃度を内部に有するN型ドレイン層114上においてエピタキシャル成長させることによって形成されてもよい。また、ドリフト層112は、ドレイン層114とのN+/N接合において3×1017cm-3の最大濃度を備える線形傾斜ドーピング濃度を内部に有し、1×1016cm-3の最小濃度が、(すなわち、1μmの深さで)N+/N接合から3μm離れた位置から開始し、均一な濃度で上面まで続く。ベース層116は、ホウ素などのP型ドーパントを100keVのエネルギーおよび1×1014cm-2のドーズレベルでドリフト層112内に注入することによって形成されてもよい。そして、P型ドーパントは、ドリフト層112内に0.5μmの深さまで拡散させられてもよい。同様に、ヒ素のようなN型ドーパントが、50keVのエネルギーおよび1×1015cm-2のドーズレベルで注入されてもよい。そして、それらのN型ドーパントおよびP型ドーパントは、0.5μmおよび1.0μmの深さまでそれぞれ同時に拡散させられ、ドレイン層とドリフト層とベース層とソース層とを含む複合半導体基板を形成してもよい。
1×1018cm-3よりも高いドーピング濃度を内部に有するN型ドレイン層114上においてエピタキシャル成長させることによって形成されてもよい。また、ドリフト層112は、ドレイン層114とのN+/N接合において3×1017cm-3の最大濃度を備える線形傾斜ドーピング濃度を内部に有し、1×1016cm-3の最小濃度が、(すなわち、1μmの深さで)N+/N接合から3μm離れた位置から開始し、均一な濃度で上面まで続く。ベース層116は、ホウ素などのP型ドーパントを100keVのエネルギーおよび1×1014cm-2のドーズレベルでドリフト層112内に注入することによって形成されてもよい。そして、P型ドーパントは、ドリフト層112内に0.5μmの深さまで拡散させられてもよい。同様に、ヒ素のようなN型ドーパントが、50keVのエネルギーおよび1×1015cm-2のドーズレベルで注入されてもよい。そして、それらのN型ドーパントおよびP型ドーパントは、0.5μmおよび1.0μmの深さまでそれぞれ同時に拡散させられ、ドレイン層とドリフト層とベース層とソース層とを含む複合半導体基板を形成してもよい。
そして、第3の次元(図示せず)に延びる一対の向かい合った側壁120aおよび底面120bを有するストライプ状トレンチが、基板内に形成される。1μmの幅Wcを有する単位セル100の場合には、トレンチは、好ましくは、処理の最後において0.5μmの幅「Wt」を有するように形成される。ゲート絶縁領域124と(例えば、多結晶シリコン等の)導電性のあるゲート126とを備える絶縁ゲート電極が、トレンチ内に形成される。トレンチの底部において大きな電界が発生するのを抑制して、トレンチ側壁120aに沿ってほぼ均一な電位の傾きを提供するために、トレンチ底面120bおよびドリフト層112に隣接して延びるゲート絶縁領域124の部分は、約2000Åの厚さ「T1」を有してもよい。ベース層116およびソース層118に向かい合って延びるゲート絶縁領域124の部分は、デバイスのしきい値電圧を約2〜3ボルトに維持するために、約500Åの厚さ「T2」を有してもよい。15ボルトのゲートバイアスにおける単位セル100のシミュレーションによって、60ボルトの最大耐圧能力と、60ボルトのパワーUMOSFETの場合に170μΩcm2である理想固有オン抵抗よりも1/4だけ小さい40μΩcm2の固有オン抵抗(Rsp,on)とを有する縦型シリコン電界効果トランジスタを実現できることが確認されている。これらの優れた特性にもかかわらず、図2に示されるトランジスタは、ゲートからドレインへの総合キャパシタンス(CGD)が大きすぎる場合には、高周波性能指数(HFOM)が比較的小さいという欠点を有することがある。また、MOSFETの不適切なエッジ終端は、最大耐圧を達成するのを妨げる。
また、さらなる従来技術のMOSFETが、1988年12月12日に公開された特開昭63−296282号公報(Sony Corp)に開示されている。具体的には、特開昭63−296282号公報は、トレンチ内に形成された第1および第2のゲート電極を備え、それらの間にゲート絶縁膜を備えたMOSFETを開示している。Babaらに与えられた米国特許第5,578,508号明細書は、チャネルイオン注入時にイオンがトレンチ底面内に注入されるのを防止するイオン注入マスク層としてトレンチ内に埋め込まれた多結晶シリコン層を用いた縦型パワーMOSFETを開示している。また、Tsangらに与えられた米国特許第5,282,201号明細書は、凹部に形成されたゲート電極を有する縦型MOSFETを開示している。Templeに与えられた米国特許第4,941,026号明細書は、電圧保持領域のかなりの部分に隣接して配置された絶縁ゲート電極を含む縦型チャネル半導体デバイスを開示している。適切なバイアスに応答して、制御電極が、電圧保持領域内の電荷から発生する電界に結合し、それらの電荷に関連する電界の向きをゲート電極に向け、デバイスを流れる電流の方向に直交させる。
Baligaに与えられた米国特許第5,998,833号明細書および米国特許第6,388,286号明細書は、トレンチ型のゲート電極およびソース電極を備えたさらなる縦型MOSFETを開示している。例えば、米国特許第5,998,833号明細書の図3から得られた図3は、集積パワー半導体デバイスの単位セル200を示す。このデバイスは、(例えば、N+等の)第1の伝導型の高濃度ドープトドレイン層114と、線形傾斜ドーピング濃度を内部に有する第1の伝導型のドリフト層112と、(例えば、P型等の)第2の伝導型の比較的薄いベース層116と、(例えば、N+等の)第1の伝導型の高濃度ドープトソース層118とを含む。また、ソース電極128bおよびドレイン電極130が、第1および第2の面に提供される。ドリフト層112は、線形傾斜ドーピング濃度を内部に有してもよい。一対の向かい合った側壁120aおよび底面120bを有するストライプ状トレンチが、基板内に提供される。さらに、ゲート電極/ソース電極絶縁領域125と、(例えば、多結晶シリコン等の)ゲート電極127と、(例えば、多結晶シリコン等の)トレンチ型ソース電極128aとが、トレンチ内に形成される。
これらは、高速でスイッチングすることができ、高い最大耐圧能力および小さな固有オン抵抗を有するパワー半導体デバイスを開発することを試みているにもかかわらず、さらなる改善された電気的特性を有するパワーデバイスを開発することが依然として要求されている。
本発明の実施形態による縦型MOSFETは、第1の伝導型のドリフト領域を内部に有し、基板内において第1の方向に細長く延びる第1および第2のトレンチを有する半導体基板を含む。これらの第1および第2のトレンチはそれらの間に半導体メサを画定し、その半導体メサ内にはドリフト領域が延びる。第1および第2の埋め込み絶縁ソース電極が、第1および第2のトレンチの底面に隣接してそれぞれ延びる。また、所定の間隔を置いて配置された第1および第2の絶縁ゲート電極が提供される。これらのゲート電極は、それぞれのトレンチ内において細長く延びるのではなく、第2の方向に細長く延びてメサに重なる。また、それぞれのゲート電極は、第1の埋め込み絶縁ソース電極内のそれぞれの浅いトレンチ内へと延び、第2の埋め込み絶縁ソース電極内のそれぞれの浅いトレンチ内へと延びる。第1の方向と第2の方向とは、互いに直交していてもよい。
これらの好ましい縦型MOSFETを形成する方法は、第1の伝導型のドリフト領域をその内部に有する半導体基板内に第2の伝導型のベース領域を形成することを含んでもよく、ドリフト領域はそのベース領域とP−N接合を形成する。また、第1の伝導型のソース領域がベース領域内に形成される。また、半導体基板内においてベース領域に隣接して延びる第1の側壁を有する深いトレンチを画定するためのステップが実行される。この深いトレンチは、第1の電気的な絶縁層によってその内側を覆われる。そして、その内側を覆われた深いトレンチにはトレンチ型ソース電極が詰められる。そして、トレンチ型ソース電極は、複数の浅いトレンチを内部に画定するために、選択エッチングされ、それらの複数の浅いトレンチは、トレンチ型ソース電極の長手方向に沿って所定の間隔を置いて配置される。それぞれのこれらの浅いトレンチ内に、深いトレンチの第1の側壁上に延びる第1の電気的な絶縁層の第1の部分のそれぞれが露出する。そして、さらなるエッチングステップが、第1の電気的な絶縁層の露出した第1の部分を除去するために実行され、トレンチ型ソース電極の長手方向に沿った複数の箇所においてベース領域を露出させる。そして、熱酸化ステップが、浅いトレンチ内に露出したベース領域の部分に対して実行される。この熱酸化ステップは、ベース領域の露出した部分上にゲート酸化物層をその結果として形成する。そして、複数の絶縁ゲート電極が基板表面上に形成される。これらの絶縁ゲート電極のそれぞれは、1以上のメサ上において延び、複数のそれぞれのトレンチ型ソース電極内のそれぞれの浅いトレンチ内へと延びる。さらに、トレンチ型ソース電極とソース領域とベース領域とを互いに電気的に接続する表面ソース電極が提供される。
以下、本発明の好ましい実施形態が示される添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は、様々な形態で実施されてもよく、ここで説明される実施形態に限定するように構成されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本明細書が、より詳細で完全なものとなるように、また、この分野の当業者に本発明の範囲をより詳細に示唆するために提供される。図面において、層および領域の厚さは、わかりやすいように誇張されている。また、層が別の層または基板「上」に存在するように表現される場合には、その層は別の層または基板上に直接に存在してもよく、または、中間層が存在してもよいことがわかるはずである。さらに、「第1の伝導型」および「第2の伝導型」という用語は、N型またはP型などの2つの正反対の伝導型のものを意味するが、ここで説明されて図示されるそれぞれの実施形態は、それの相補的な実施形態も含む。すべての図面を通して、類似する符号は類似する構成要素を示す。
ここで、図4および図5A〜図5Hを参照すると、本発明の別の実施形態による好ましい縦型MOSFET500は、基板において第1の方向に平行に細長く延びる複数の深いストライプ状トレンチによって分離された複数の半導体メサ504aをその内部に有する半導体基板を含む。複数の埋め込み絶縁ソース電極516が、複数のストライプ状トレンチ内に提供される。また、複数の絶縁ゲート電極520が提供される。ゲート電極520は、複数の半導体メサ504aにおいて平行に延び、複数の埋め込み絶縁ソース電極516内に画定される浅いトレンチ内へと延びる。また、表面ソース電極524が提供される。表面ソース電極524は、半導体メサ504a上に延び、複数の埋め込み絶縁ソース電極516に電気的に接続される。絶縁ゲート電極520は、好ましくは、半導体メサ504aにおいて第1の方向と直交する第2の方向に細長く延びるストライプ状電極である。
図4に示される縦型MOSFET500を形成する好ましい方法が、図5A〜図5Hに示される。具体的には、図5A〜図5Hのそれぞれは、加工の中間ステージにおける本発明の実施形態による縦型MOSFETの半分に切断された単位セルの片方だけを右側斜視図および左側斜視図によって示す。図5Aに示されるように、(Nとして示される)第1の伝導型のドリフト領域504をその内部に有する半導体基板502が提供される。このドリフト領域504は、均一かまたは不均一なドーピング濃度分布を内部に有してもよい。様々なドーピング濃度分布を使用してもよい。半導体基板502は、向かい合った上面および下面を有してもよく、高濃度ドープトドレイン領域506(N+として示される)が、基板502の下面に隣接して提供されてもよい。この分野の当業者によく知られているように、ドレイン領域506の役割をなす高濃度ドープト半導体ウェーハ上面上においてin−situドープトドリフト領域504をエピタキシャル成長させることによって、半導体基板502を形成してもよい。
ここで、図5Bを参照すると、第1のマスク(図示せず)が、基板502の上面上に形成されてもよい。第1のマスクは、好ましくは、基板502の活性部分を画定する第1の開口をその内部に有するようにパターン化される。そして、第2の伝導型のベース領域ドーパントが、第1の開口を介して基板502内に注入される。ベース領域ドーパントが注入された後、注入されたベース領域ドーパントを部分的にドライブインするために、比較的短い時間によるアニーリングステップが実行されてもよい。あるいは、第1のマスクは、基板502の不活性部分を画定するようにパターン化されてもよく、基板502の不活性部分を熱酸化させ、基板502上にフィールド酸化膜絶縁領域を画定するためのステップが実行されてもよい。そして、基板502の活性部分を露出するために、第1のマスクを除去してもよい。そして、フィールド酸化膜絶縁領域をベース領域注入マスクとして使用してもよい。
そして、第2のマスク(図示せず)が、基板502の活性部分上に成膜されてもよい。複数の開口が第2のマスクにおいて画定され、それぞれの開口は基板502の活性部分上のそれぞれの領域を露出させ、それらの開口を介して、第1の伝導型のソース領域ドーパントが注入される。複数の開口は複数の長方形の開口から構成されてもよく、それぞれの開口の幅は基板502において第1の方向に延び、それぞれの開口の長さは基板502において第1の方向と直交する第2の方向に延びる。図5A〜図5Hにおいて、第1の方向は半分に切断された単位セルの図示される半体の前方から後方へ延びてもよく、第2の方向は半体の左側から右側へ延びてもよい。
そして、注入されたソース領域ドーパントおよびベース領域ドーパントを同時に基板502内の十分で最終的な深さにまでしっかりとドライブイン(drive-in)するために、さらなるアニーリングステップが実行されてもよい。このアニーリングステップの終わりには、複数のストライプ状ソース領域510がただ1つのベース領域508上において第2の方向に細長く平行に延びるであろう。結果として得られた縦型MOSFETにおける寄生バイポーラトランジスタ動作を抑制するために、それぞれのソース領域ストライプ510の第1の方向における幅は、約10ミクロン未満となるべきである。チャネル幅を最大にするために、第1の方向における隣接するソース領域510間の間隔「Wbc」は、約1ミクロン未満に設定されてもよい。
ここで、図5Cを参照すると、第3のマスク(図示せず)が、基板502の活性部分上に形成されてもよい。この第3のマスクは、所定の間隔を置いて配置された長方形の開口を備えてパターン化されてもよく、それらの開口は、第1の方向に細長く延びる。そして、基板502内に複数の深いストライプ状トレンチ513を画定するために、選択エッチングステップが第3のマスクを用いて実行されてもよく、一対の隣接する深いトレンチはそれらの間にドリフト領域メサ504aを画定し、そのドリフト領域メサ504a内にドリフト領域504が延びる。図示されるように、深いストライプ状トレンチ513およびドリフト領域メサ504aは、基板502において第1の方向に細長く延びる。そして、電気的なブランケット絶縁層514が、基板502上に一様な厚さで成膜される。図示されるように、電気的なブランケット絶縁層514は、それぞれのトレンチ513内に延び、それぞれのトレンチの側壁513aおよび底面513bの内側を覆う。この電気的な絶縁層514は、二酸化ケイ素またはその他の好ましい誘電体絶縁材料から構成されてもよい。そして、(例えば、N+多結晶シリコン等の)ブランケット伝導層が、基板502上およびトレンチ513内に一様な厚さで成膜されてもよい。そして、この伝導層は、トレンチ513に沿って第1の方向に細長く延びる複数のトレンチ型ソース電極516を画定するために、(例えば、エッチバックされることによって)平坦化される。これらのトレンチ型ソース電極516は、トレンチ513の内側を覆う電気的な絶縁層514によって基板502から電気的に絶縁され、その結果、埋め込まれた絶縁ソース電極が形成される。
ここで、図5Dを参照すると、それぞれのトレンチ513の長手方向に沿って所定の間隔を置いて配置されたいくつかの位置に複数の開口を提供するために、第4のマスク(図示せず)が成膜およびパターン化されてもよい。そして、それぞれの埋め込み絶縁ソース電極516内に複数の浅いトレンチ515を画定するために、第4のマスクをエッチングマスクとして使用して、さらなる選択エッチングステップが実行されてもよい。図示されるように、これらの浅いトレンチ515を画定することは、トレンチ513の側壁513aの内側を覆う電気的な絶縁層514の上部を露出させる。そして、電気的な絶縁層514の露出した上部を除去するために、さらなる選択エッチングステップが実行されてもよい。この選択エッチングステップは、トレンチ型ソース電極516をエッチングマスクとして使用し、結果として、露出した上部側壁513aに隣接して延びるソース領域510およびベース領域508の部分を露出させる。そして、図5Eに示されるように、(露出した側壁513aの位置において)露出したベース領域およびソース領域上にゲート酸化物層518aを画定し、それぞれの埋め込み絶縁ソース電極516内のそれぞれの浅いトレンチ515の底面および側壁に沿ったゲート−ソース絶縁層518bを画定するために、熱酸化ステップが実行されてもよい。典型的には単結晶シリコンを含む基板と、典型的には多結晶シリコンを含むトレンチ型ソース電極516とに関連する様々な材料特性によって、ゲート−ソース絶縁層518bは、ゲート酸化物層518aよりもかなり厚くなる場合がある。絶対にそうあるべきではないが、トレンチ型ソース電極516の材料特性は、トレンチ型ソース電極516が基板502よりも速い速度で熱酸化するように選択されてもよい。例えば、約40nm(400Å)の厚さを有するゲート酸化物層518aをもたらす熱酸化ステップは、約500nm(5000Å)の厚さを有するゲート−ソース絶縁層518bももたらす。
ここで、図5Fを参照すると、(例えば、ポリサイド等の)ブランケットゲート伝導層が、複数の平行なストライプ状ゲート電極520として成膜およびパターン化されてもよく、そのゲート電極520は、ドリフト領域メサ504aおよび深いトレンチ513において(第1の方向と直交するように示されている)第2の方向に細長く延びる。このパターン化ステップは、第5のマスク(図示せず)を用いて実行されてもよい。それぞれのストライプ状ゲート電極520は、複数のドリフト領域メサ504aにおいて第2の方向に延び、それぞれの複数のトレンチ型ソース電極516内のそれぞれの浅いトレンチ515内へと延びる。また、ゲート電極520は、ジグザグまたはその他のパターンとしてパターン化されてもよく、ゲート電極520の長手方向とトレンチ型ソース電極516の長手方向との間の鋭角は、約45°〜約90°の範囲に存在してもよい。
図5Gに示されるように、電気的なブランケット絶縁パッシベーション層522が、基板502上に成膜されてもよい。そして、ソース領域510、ベース領域508と、隣接する絶縁ゲート電極520の間に延びるトレンチ型ソース電極516とのそれぞれの部分を露出させるために、第6のマスク(図示せず)が選択エッチングステップ時に使用されてもよい。ここで、図5Hを参照すると、メタライゼーションのブランケット層が、基板上と、ソース領域508とベース領域510と埋め込み絶縁ソース電極516との露出した部分上とに一様な厚さで成膜されてもよい。そして、それぞれのソース領域508にオーミック接触し、第1の方向に沿った複数の箇所においてベース領域510および埋め込み絶縁ソース電極516にオーミック接触する表面ソース電極524を画定するために、メタライゼーションのブランケット層が、第7のマスク(図示せず)を用いてパターン化されてもよい。それぞれの埋め込み絶縁ソース電極と表面ソース電極524との間のこれらの複数の接点は、有効ソース電極抵抗を減少させ、スイッチング速度を改善する。なぜならば、この抵抗は、それぞれのゲート電極520とそれぞれの埋め込みソース電極516との間に存在するMOSキャパシタに関連する変位電流経路に存在するからである。
2次元数値シミュレーションが、図5Hに示される縦型MOSFETに対して実施される。各単位セルに対して、深いトレンチ513は5ミクロンの深さおよび1.8ミクロンの幅をそれぞれ有し、深いトレンチ513の側壁513aおよび底面513bの内側を覆う電気的な絶縁層514は350nm(3500Å)の厚さを有する。ドリフト領域504は6ミクロンの厚さを有する。それぞれの埋め込み絶縁ソース電極516内の浅いトレンチ515は0.5ミクロンの深さを有し、ゲート酸化物518aは40nm(400Å)の厚さを有する。ドリフト領域504における線形傾斜ドーピング分布は1.5×1020cm-4の勾配を有し、ドリフト領域メサ504aは1ミクロンの幅を有する。したがって、それぞれの単位セルに関連するセルピッチは2.8ミクロンである。ソース電極516およびゲート電極520は、多結晶シリコンおよびポリサイドからそれぞれ構成される。これらの特徴に基づいて、降伏電圧は85ボルトであることがシミュレーションされ、0.25ミリオームcm2の小さな固有オン状態抵抗(Rsp)が達成される。(Vg=10ボルトに対する)固有ゲート電荷Qtは4.93×10-7C/cm2であることがわかり、固有ミラーゲート電荷は8.6×10-8C/cm2であることがわかっている。これらの結果に対応する性能指数(Figure of Merit:FOM)は、8.3×109(すなわち、Rsp×Qt -1=8.3×109)である。これとは対照的に、図1に示される縦型MOSFETが、(埋め込み絶縁ソース電極がないが)同じパラメータを用いてシミュレーションされ、その結果、85ボルトの降伏電圧であり、1.2ミリオームcm2のずっとより大きな固有オン状態抵抗(Rsp)とが得られている。(Vg=10ボルトに対する)固有ゲート電荷Qtは3.0×10-7C/cm2であることがわかり、固有ミラーゲート電荷は1.0×10-8C/cm2であることがわかっている。これらの結果に対応する性能指数(FOM)は2.8×109であり、これは図5Hに示されるデバイスのFOMの約1/3である。
図面および明細書において、本発明の典型的な好ましい実施形態が説明され、特定の用語が使用されたが、それらの用語は、単に一般的に説明のためにのみ使用されたものであり、本発明を限定しようとするものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載される。
Claims (32)
- 第1の方向に平行に細長く延びる複数の深いストライプ状トレンチによって分離された複数の半導体メサをその内部に有する半導体基板と、
該複数のストライプ状トレンチ内に存在する複数の埋め込み絶縁ソース電極と、
前記複数の半導体メサを横切って平行に延び、該複数の埋め込み絶縁ソース電極内に画定された浅いトレンチ内へと延びる複数の絶縁ゲート電極と
を含んでなる縦型MOSFET。 - 前記複数の半導体メサのそれぞれが、ある深いストライプ状トレンチのそれぞれの対の向かい合う側壁に沿って縦型反転層チャネルを保持する少なくとも1つのベース領域を含む請求項1に記載の縦型MOSFET。
- 前記半導体基板上に延び、前記複数の埋め込み絶縁ソース電極に電気的に接続され、前記複数の半導体メサのそれぞれにおいて前記少なくとも1つのベース領域にオーミック接触する表面ソース電極をさらに含む請求項2に記載の縦型MOSFET。
- 前記表面ソース電極と前記ベース領域との間のオーミック接触が、前記複数の半導体メサの上面においてなされる請求項3に記載の縦型MOSFET。
- 前記複数の絶縁ゲート電極が、前記第1の方向と直交する第2の方向に前記半導体基板において細長く延びるストライプ状電極である請求項1に記載の縦型MOSFET。
- 第1の伝導型のドリフト領域をその内部に有する半導体基板と、
該半導体基板内において第1の方向に細長く延び、それらの間に半導体メサを画定する第1および第2のトレンチであって、前記ドリフト領域が該半導体メサ内へと延びるものである第1および第2のトレンチと、
それぞれが該第1のトレンチの底面および該第2のトレンチの底面に隣接して前記第1の方向に細長く延びる第1および第2の埋め込み絶縁ソース電極と、
そのそれぞれが、前記半導体メサにおいて第2の方向に細長く延び、前記第1および第2のトレンチの上部内へと延びる所定の間隔を置いて配置された第1および第2のゲート電極と
を含んでなる縦型MOSFET。 - 前記第1および第2のゲート電極が、前記第1のトレンチの上部に所定の間隔を置いて互いに並行に配置され、前記第1の埋め込み絶縁ソース電極が、前記第1のトレンチの隣接する底面から前記第1および第2のゲート電極間の空間内へと上方に延びる請求項6に記載の縦型MOSFET。
- 第1の伝導型の第1のソース領域と第2の伝導型の第1のベース領域とが、前記第1のトレンチの側壁から向かい合った前記第2のトレンチの側壁まで、前記半導体メサの幅全体にわたって横方向に延びる請求項7に記載の縦型MOSFET。
- 前記第1および第2のゲート電極間の空間内において、前記第1および第2の埋め込み絶縁ソース電極にオーミック接触する表面ソース電極をさらに含む請求項8に記載の縦型MOSFET。
- 前記第1のソース領域と前記第1のベース領域とが、前記第1および第2のゲート電極間の空間内に配置された前記半導体メサの表面まで延び、前記表面ソース電極が、前記半導体メサの表面において、前記第1のソース領域および前記第1のベース領域にオーミック接触する請求項9に記載の縦型MOSFET。
- 前記第1の方向と前記第2の方向とが互いに直交する請求項6に記載の縦型MOSFET。
- 第1の伝導型のドリフト領域をその内部に有する半導体基板と、
該半導体基板内において第1の方向に細長く延び、それらの間に第1の半導体メサを画定する第1および第2のトレンチであって、前記ドリフト領域が該第1の半導体メサ内へと延びるものである第1および第2のトレンチと、
前記半導体基板内において前記第1の方向に細長く延び、前記第2のトレンチと第3のトレンチとの間に延びる第2の半導体メサを画定する第3のトレンチと、
前記第1、第2、および、第3のトレンチの底面および側壁の内側をそれぞれ覆う第1、第2、および、第3の絶縁領域と、
前記第1、第2、および、第3のトレンチ内にそれぞれ細長く延びる第1、第2、および、第3の埋め込みソース電極と、
前記第1および第2の半導体メサにおいて前記第1の方向と直交する第2の方向に細長く延び、前記第2のトレンチ内へと延びる第1の絶縁ゲート電極と
を含んでなる縦型MOSFET。 - 前記第1の絶縁ゲート電極から所定の間隔を置いて配置され、前記第1および第2の半導体メサにおいて前記第2の方向に細長く延び、前記第2のトレンチ内へと延びる第2の絶縁ゲート電極をさらに含む請求項12に記載の縦型MOSFET。
- 所定の間隔を置いて配置された第1の伝導型の第1および第2のソース領域をさらに含み、前記第1および第2のソース領域は、前記第2の半導体メサ内に延び、前記第1および第2の絶縁ゲート電極とそれぞれ向かい合っている請求項13に記載の縦型MOSFET。
- 前記第1および第2の絶縁ゲート電極間の空間内に、前記第1および第2のソース領域にオーミック接触する表面ソース電極をさらに含む請求項14に記載の縦型MOSFET。
- 第2の伝導型のベース領域をさらに含み、前記ベース領域は、前記第2の半導体メサ内において前記第1の方向に細長く延び、前記第1および第2の絶縁ゲート電極間の空間内において前記表面ソース電極にオーミック接触する請求項15に記載の縦型MOSFET。
- 前記第1および第2のソース領域が、前記ベース領域内にそれぞれ延び、前記ベース領域とP−N接合をそれぞれ形成し、10ミクロン未満の長さを有するものである請求項16に記載の縦型MOSFET。
- 前記第1および第2のソース領域の向かい合った端部が、2ミクロン未満の間隔を置いて互いに配置された請求項17に記載の縦型MOSFET。
- 複数の半導体メサをその内部に有する半導体基板であって、該複数の半導体メサが、前記半導体基板において第1の方向に平行に細長く延びる複数の深いストライプ状トレンチによって分離され、前記複数の半導体メサのそれぞれは、少なくとも1つのベース領域および少なくとも1つのソース領域を有するものである半導体基板と、
前記複数の深いストライプ状トレンチ内へと延びる複数の埋め込み絶縁ソース電極であって、第1の該複数の埋め込み絶縁ソース電極が、第1の前記複数の深いストライプ状トレンチの長手方向に沿って所定の間隔をおいた位置に配置された複数の浅いトレンチを有するものである複数の埋め込み絶縁ソース電極と、
前記複数の半導体メサにおいて前記第1の方向に対してゼロではない角度をなす第2の方向に平行に延びる複数の絶縁ゲート電極であって、該複数の絶縁ゲート電極のそれぞれは、前記縦型MOSFETが順方向オン状態モードの動作としてバイアスされると、第1の前記複数の深いストライプ状トレンチに隣接して延びる第1の前記複数の半導体メサ内のそれぞれのベース領域に少なくとも1つのそれぞれの縦型反転層チャネルが形成されるのに足るほど深く、第1の前記複数の埋め込み絶縁ソース電極内のそれぞれの前記浅いトレンチ内へと延びている複数の絶縁ゲート電極と
を含んでなる縦型MOSFET。 - 前記複数の絶縁ゲート電極がジグザグな形状である請求項19に記載の縦型MOSFET。
- 前記ゼロでない角度が90°である請求項19に記載の縦型MOSFET。
- 前記複数の埋め込み絶縁ソース電極に電気的に接続され、第1の前記複数の半導体メサ内の前記ベース領域にオーミック接触する表面ソース電極をさらに含む請求項19に記載の縦型MOSFET。
- 複数の半導体メサをその内部に有する半導体基板であって、該複数の半導体メサが該半導体基板において第1の方向に平行に細長く延びる複数の深いストライプ状トレンチによって分離され、前記複数の半導体メサのそれぞれがドリフト領域と前記ドリフト領域上の遷移領域と前記遷移領域上のベース領域と前記ベース領域上のソース領域とを含むものである半導体基板と、
前記複数の深いストライプ状トレンチ内へと延びる複数の埋め込み絶縁ソース電極であって、第1の前記複数の埋め込み絶縁ソース電極は、第1の前記複数の深いストライプ状トレンチの長手方向に沿って所定の間隔をおいた位置に配置された複数の浅いトレンチをその内部に有するものである複数の埋め込み絶縁ソース電極と、
前記複数の半導体メサにおいて前記第1の方向に対してゼロではない角度をなす第2の方向に平行に延びる複数の絶縁ゲート電極であって、該複数の絶縁ゲート電極のそれぞれは、前記縦型MOSFETが順方向オン状態モードの動作としてバイアスされると、第1の前記複数の深いストライプ状トレンチに隣接して延びる第1の前記複数の半導体メサ内のそれぞれのベース領域に少なくとも1つのそれぞれの縦型反転層チャネルが形成されるのに足るほど深く、第1の前記複数の埋め込み絶縁ソース電極内のそれぞれの前記浅いトレンチ内に延びるものである複数の絶縁ゲート電極と
を含んでなる縦型MOSFET。 - ベース領域とP−N接合を形成する第1の伝導型のドリフト領域をその内部に有する半導体基板内に第2の伝導型の前記ベース領域を形成するステップと、
第1の伝導型のソース領域を前記ベース領域内に形成するステップと、
前記ベース領域に隣接して延びる第1の側壁を有する深いトレンチを前記半導体基板内に形成するステップと、
第1の電気的な絶縁層によって、前記深いトレンチの内側を覆うステップと、
該内側を覆われた深いトレンチにトレンチ型ソース電極を詰めるステップと、
浅いトレンチをその内部に画定し、前記深いトレンチの前記第1の側壁上へと延びる前記第1の電気的な絶縁層の第1の部分を露出させるために、前記トレンチ型ソース電極を選択エッチングするステップと、
前記深いトレンチの前記第1の側壁の上部を露出させ、前記ベース領域を露出させるために、前記第1の電気的な絶縁層の前記第1の部分を選択エッチングするステップと、
前記深いトレンチの前記第1の側壁の前記露出した上部上に延び、前記浅いトレンチの底面および側壁上に延びるゲート絶縁層によって、前記浅いトレンチの内側を覆うステップと、
前記半導体基板の表面上に延び、前記内側を覆われた浅いトレンチの内部へと延びるゲート電極を形成するステップと、
前記トレンチ型ソース電極と前記ソース領域と前記ベース領域とを互いに電気的に接続する表面ソース電極を形成するステップと
を含んでなる、縦型MOSFETを形成する方法。 - 前記表面ソース電極を形成するステップに先だって、
ブランケットパッシベーション層を前記半導体基板上に形成するステップと、
前記トレンチ型ソース電極と前記ソース領域と前記ベース領域とを露出させるコンタクトホールをその内部に画定するために、前記ブランケットパッシベーション層をパターン化するステップと
が実行される請求項24に記載の方法。 - 前記トレンチ型ソース電極が多結晶シリコンを含み、前記浅いトレンチの内側を覆う前記ステップが、前記第1の側壁の前記露出した上部を第1の速度で熱酸化し、前記浅いトレンチの前記底面および側壁を前記第1の速度よりも速い第2の速度で熱酸化することを含む請求項24に記載の方法。
- 前記熱酸化するステップが前記トレンチ型ソース電極の上面を熱酸化してその上に表面酸化物層を画定することを含み、前記表面ソース電極を形成するステップに先だって、前記ゲート電極に隣接して延びる表面酸化物層の部分を選択エッチングして、前記トレンチ型ソース電極の上面部分を露出させるステップが実行される請求項26に記載の方法。
- 前記浅いトレンチの内側を覆う前記ステップが、前記第1の側壁の前記露出した上部を第1の速度で熱酸化し、前記浅いトレンチの前記底面および側壁を前記第1の速度に少なくともほぼ等しい第2の速度で熱酸化することを含む請求項24に記載の方法。
- ドリフト領域と該ドリフト領域上の遷移領域と該遷移領域上のベース領域と該ベース領域上のソース領域とをその内部に有する半導体基板を形成するステップと、
該ベース領域と該遷移領域と該ドリフト領域とに隣接して延びる第1の側壁を有する深いトレンチを前記半導体基板内に形成するステップと、
トレンチ型ソース電極を該深いトレンチ内に形成するステップと、
前記第1の側壁に沿って延びる前記ベース領域および前記ソース領域を露出させる浅いトレンチを、前記トレンチ型ソース電極内に形成するステップと、
前記露出したベース領域上にゲート酸化物絶縁層を形成するステップと、
前記半導体基板の上面上に延び、前記浅いトレンチの内部へと延びるゲート電極を形成するステップと、
前記トレンチ型ソース電極と前記ソース領域と前記ベース領域とを互いに電気的に接続する表面ソース電極を形成するステップと
を含んでなる、縦型MOSFETを形成する方法。 - 前記表面ソース電極を形成するステップに先だって、
ブランケットパッシベーション層を前記半導体基板上に形成するステップと、
前記トレンチ型ソース電極と前記ソース領域と前記ベース領域とを露出させるコンタクトホールをその内部に画定するために、前記ブランケットパッシベーション層をパターン化するステップと
が実行される請求項28に記載の方法。 - 前記ゲート電極を形成するステップが前記トレンチ型ソース電極において前記深いトレンチの長手方向と直交する方向に延びる複数のストライプ状ゲート電極を形成することを含み、前記表面ソース電極が、前記複数のストライプ状ゲート電極間に延びる位置において、前記トレンチ型ソース電極と前記ソース領域と前記ベース領域とを電気的に接続している請求項29に記載の方法。
- 前記トレンチ型ソース電極が、第1の電気的な絶縁層によって前記第1の側壁から分離され、前記浅いトレンチを形成するステップが、前記トレンチ型ソース電極をエッチングマスクとして用いて、前記浅いトレンチによって露出する前記第1の電気的な絶縁層の部分を選択エッチングすることを含む請求項29に記載の方法。
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