JP2005522052A - Field effect transistor with lateral depletion structure - Google Patents
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Abstract
電界効果トランジスタ・デバイス及び電界効果トランジスタ・デバイスを製造する方法を開示する。この電界効果トランジスタ・デバイスは、半導体基板の主表面から半導体基板内に所定の深さで延びるストライプ・トレンチを含む。該ストライプ・トレンチは半導体基盤に対して形成された界面においてPN接合を形成するための第2の導電型の半導体材料を含む。Field effect transistor devices and methods of manufacturing field effect transistor devices are disclosed. The field effect transistor device includes a stripe trench extending from the main surface of the semiconductor substrate into the semiconductor substrate at a predetermined depth. The stripe trench includes a semiconductor material of a second conductivity type for forming a PN junction at an interface formed with respect to the semiconductor substrate.
Description
(発明の分野)
本発明の実施例は、MOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)デバイスなどの電界効果トランジスタ及び電界効果トランジスタを製造する方法に関連する。
(Field of Invention)
Embodiments of the present invention relate to field effect transistors, such as MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) devices, and methods of manufacturing field effect transistors.
(発明の背景)
パワーMOSFETデバイスはよく知られており、多くの用途において用いられる。典型的な用途としては、自動車用電子機器、携帯用電子機器、電源装置、及び電気通信がある。パワーMOSFETデバイスのある重要な電気的特性は、そのドレイン・ソース間オン抵抗(RDS(on))であり、これはドレイン電流が遭遇する総抵抗であると定義される。RDS(on)はMOSFETデバイスがオン状態の間に消費される電力の量に比例する。垂直形パワーMOSFETデバイスにおいては、この総抵抗は反転チャネル抵抗(「チャネル抵抗」)、初めの基板抵抗、エピタキシャル部分の抵抗、及び他の抵抗などのいくつかの抵抗性の構成要素から構成される。エピタキシャル部分は典型的には層の形であり、「エピタキシャル層」と呼ばれ得る。RDS(on)は1つ又は複数のこれらMOSFETデバイスの構成要素の抵抗を低減させることによって低減され得る。
(Background of the Invention)
Power MOSFET devices are well known and are used in many applications. Typical applications include automotive electronic devices, portable electronic devices, power supplies, and telecommunications. One important electrical characteristic of a power MOSFET device is its drain-source on-resistance (R DS (on) ), which is defined as the total resistance that the drain current encounters. R DS (on) is proportional to the amount of power consumed while the MOSFET device is on. In a vertical power MOSFET device, this total resistance is comprised of several resistive components such as an inverted channel resistance ("channel resistance"), initial substrate resistance, epitaxial portion resistance, and other resistances. . The epitaxial portion is typically in the form of a layer and may be referred to as an “epitaxial layer”. R DS (on) can be reduced by reducing the resistance of one or more of these MOSFET device components.
RDS(on)を低減させることが望ましい。例えば、MOSFETデバイスのRDS(on)を低減させると消費電力が低減し、無駄な熱放散も削減される。MOSFETデバイスのRDS(on)の低減は、デバイスの最大降伏電圧(BVDSS)などの他のMOSFETの特性に悪影響を及ぼすことなく生じることが好ましい。この最大降伏電圧では、MOSFET内の逆バイアスのエピタキシャル/ウェル・ダイオードが破壊されて、その結果、ソースとドレインとの間に著しくかつ制御不能な電流の流れが発生する。 It is desirable to reduce RDS (on) . For example, reducing RDS (on) of a MOSFET device reduces power consumption and wasteful heat dissipation. The reduction in R DS (on) of a MOSFET device preferably occurs without adversely affecting other MOSFET characteristics such as the device's maximum breakdown voltage (BV DSS ). At this maximum breakdown voltage, the reverse-biased epitaxial / well diode in the MOSFET is destroyed, resulting in a significant and uncontrollable current flow between the source and drain.
また、RDS(on)を増大させることなくMOSFETデバイスの降伏電圧を最大化することが望ましい。MOSFETデバイスの降伏電圧は、例えば、エピタキシャルの抵抗率を増大させること、又はエピタキシャル層の厚さを増大させることによって低減され得る。しかし、エピタキシャル層の厚さ又はエピタキシャル層の抵抗率を増大させれば、RDS(on)を望ましくなく増大させることになる。 It is also desirable to maximize the breakdown voltage of the MOSFET device without increasing RDS (on) . The breakdown voltage of a MOSFET device can be reduced, for example, by increasing the resistivity of the epitaxial or by increasing the thickness of the epitaxial layer. However, increasing the thickness of the epitaxial layer or the resistivity of the epitaxial layer will undesirably increase RDS (on) .
MOSFETデバイスに高い降伏電圧及び低いRDS(on)を供することが望ましいと思われる。本発明の実施例はこの問題及び他の問題に取り組むものである。 It would be desirable to provide a MOSFET device with a high breakdown voltage and a low R DS (on) . Embodiments of the present invention address this and other issues.
(発明の概要)
本発明の実施例はMOSFETデバイス及びその製造方法に向けられたものである。このMOSFETデバイスは低いRDS(on)及び高い降伏電圧を有する。例えば、当該技術の現在の状態に関し、本発明の実施例においては、従来の200V N−チャネル−トレンチMOSFETに比して、典型的な200V N−チャネル・トレンチMOSFETのRDS(on)は高い降伏電圧を維持しながら80%低減され得る。
(Summary of Invention)
Embodiments of the present invention are directed to MOSFET devices and methods of manufacturing the same. This MOSFET device has a low R DS (on) and a high breakdown voltage. For example, with respect to the current state of the art, in an embodiment of the invention, a typical 200V N-channel trench MOSFET has a higher R DS (on) than a conventional 200V N-channel trench MOSFET. It can be reduced by 80% while maintaining the breakdown voltage.
本発明の一実施例は、主表面及びドレイン領域を有する第1の導電型の半導体基板と、該半導体基板内に形成された第2の導電型のウェル領域と、該ウェル領域内に形成された第1の導電型のソース領域と、該ソース領域に隣接して形成されたトレンチ・ゲート電極と、前記主表面から前記半導体基板に所定の深さで延びるストライプ・トレンチとから構成された電界効果トランジスタ・デバイスに向けられたものである。このストライプ・トレンチは半導体基板に対して形成された界面においてPN接合を形成する第2の導電型の半導体材料を含む。 According to an embodiment of the present invention, a first conductivity type semiconductor substrate having a main surface and a drain region, a second conductivity type well region formed in the semiconductor substrate, and a well region are formed. An electric field composed of a first conductivity type source region, a trench gate electrode formed adjacent to the source region, and a stripe trench extending from the main surface to the semiconductor substrate at a predetermined depth. It is aimed at effect transistor devices. The stripe trench includes a semiconductor material of a second conductivity type that forms a PN junction at the interface formed with respect to the semiconductor substrate.
本発明の別の実施例は、主表面及びドレイン領域を含む第1の導電型の半導体基板内に、第2の導電型のウェル領域を形成する工程と、該ウェル領域内に第1の導電型のソース領域を形成する工程と、該ソース領域に隣接するトレンチ・ゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板主表面から前記半導体基板に向かって所定の深さで延びるストライプ・トレンチを形成する工程と、該ストライプ・トレンチ内に第2の導電型の半導体材料をデポジットする工程とを含む電界効果トランジスタ・デバイスを形成する方法に向けられたものである。 Another embodiment of the present invention includes a step of forming a second conductivity type well region in a first conductivity type semiconductor substrate including a main surface and a drain region, and a first conductivity type in the well region. Forming a mold source region, forming a trench gate electrode adjacent to the source region, and forming a stripe trench extending from the main surface of the semiconductor substrate toward the semiconductor substrate at a predetermined depth. The present invention is directed to a method of forming a field effect transistor device including a step and a step of depositing a semiconductor material of a second conductivity type in the stripe trench.
本発明のさらに別の実施例は、a)主表面及びドレイン領域を含む第1の導電型の半導体基板内に第2の導電型のウェル領域を形成する工程と、b)該ウェル領域内に第1の導電型のソース領域を形成する工程と、c)該ソース領域に隣接するゲート電極を形成する工程と、d)前記半導体基板主表面から前記半導体基板に向かって所定の深さで延びるストライプ・トレンチを形成する工程と、e)該ストライプ・トレンチ内に第2の導電型の半導体材料をデポジットする工程とを含み、工程a)、b)、及びc)のうち少なくとも1つが工程e)の後に行われる電界効果トランジスタを形成する方法に向けられたものである。 Still another embodiment of the present invention includes: a) forming a second conductivity type well region in a first conductivity type semiconductor substrate including a main surface and a drain region; and b) in the well region. Forming a first conductivity type source region; c) forming a gate electrode adjacent to the source region; and d) extending from the semiconductor substrate main surface toward the semiconductor substrate at a predetermined depth. Forming a stripe trench; and e) depositing a second conductivity type semiconductor material in the stripe trench, wherein at least one of steps a), b), and c) is step e. ) Is directed to a method of forming a field effect transistor performed after.
本発明のこれら及び他の実施例は添付図面に関して以下により詳細に記載される。 These and other embodiments of the invention are described in more detail below with respect to the accompanying drawings.
(特定の実施例の説明)
本発明者はMOSFET内のエピタキシャル層がMOSFET電圧破壊定格を増大させるRDS(on)の次第に重要な構成要素となることを知った。コンピュータ・シミュレーションは、例えば、30V N−チャネル・トレンチMOSFETデバイスの場合、エピタキシャル層の抵抗は総固有RDS(on)の約30%以上であることを示している。別の実施例では、200V N−チャネル・トレンチMOSFETデバイスの場合、エピタキシャル層の抵抗は総固有RDS(on)の75〜90%である。したがって、特により高電圧の用途の場合、エピタキシャル層の抵抗を低減させること、故に対応するMOSFETデバイスのRDS(on)を低減させることが望ましい。RDS(on)の低減はMOSFETデバイスの降伏電圧特性を低下させることなく生じることが好ましい。
(Description of specific examples)
The inventor has found that the epitaxial layer in the MOSFET becomes an increasingly important component of R DS (on) which increases the MOSFET voltage breakdown rating. Computer simulation shows that, for example, for a 30V N-channel trench MOSFET device, the resistance of the epitaxial layer is about 30% or more of the total intrinsic RDS (on) . In another example, for a 200V N-channel trench MOSFET device, the resistance of the epitaxial layer is 75-90% of the total intrinsic R DS (on) . Therefore, it is desirable to reduce the resistance of the epitaxial layer, and hence the RDS (on) of the corresponding MOSFET device, especially for higher voltage applications. The reduction of R DS (on) preferably occurs without degrading the breakdown voltage characteristics of the MOSFET device.
本発明の実施例を例示するために、多数の参照番号で示した例を示す。本願明細書において、降伏電圧、RDS(on)等の参照番号で示した実施例は、単に例示目的で提供されていることが理解されるべきである。本出願におけるこれら及び他の番号又は値は、使用される半導体製造工程に応じて、かつ、特に、半導体処理の今後の進歩と共に著しく又は僅かに変動し得る。 In order to illustrate the embodiments of the present invention, an example with a number of reference numbers is shown. In the present specification, it should be understood that the embodiments indicated by reference numbers such as breakdown voltage, RDS (on), etc. are provided for illustrative purposes only. These and other numbers or values in this application may vary significantly or slightly depending on the semiconductor manufacturing process used and in particular with future advances in semiconductor processing.
通常の動作状態下では、トレンチ又はプレーナMOSFET(二重拡散形金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)の最大降伏電圧(BVDSS)は、エピタキシャル層と該エピタキシャル層と反対の導電型のウェル領域との間の界面において空乏領域を形成することによって得られる。この空乏領域は接合部にわたって逆バイアス電圧を印加することによって形成される。降伏電圧では、逆バイアス電圧が印加されたエピタキシャル層/ウェル・ダイオードが崩壊し、著しい電流が流れ始める。電流はソースとドレインとの間をアバランシェ倍増プロセスによって流れる一方で、ゲート及びソースは共に短絡する。 Under normal operating conditions, the maximum breakdown voltage (BV DSS ) of a trench or planar MOSFET (double diffused metal oxide semiconductor field effect transistor) is It is obtained by forming a depletion region at the interface between. This depletion region is formed by applying a reverse bias voltage across the junction. At the breakdown voltage, the epitaxial layer / well diode to which the reverse bias voltage is applied collapses and significant current begins to flow. Current flows between the source and drain by an avalanche doubling process, while the gate and source are shorted together.
図1(a)〜図1(f)に関して従来のトレンチMOSFETデバイスにおける空乏領域の形成を記載し得る。これらの図は従来の垂直形トレンチMOSFETデバイスの略断面図を示している。各断面は半導体基板29の主表面にある複数のゲート構造45を示している。半導体基板29はN−エピタキシャル層32及びドレイン領域31を含んでいる。図1(a)では、N+ソース領域、P−ウェル、及びP+本体領域が示されている。水平の空乏効果を明確に説明するために、N+ソース領域及びP+本体領域は図1(b)〜1(f)、2(a)〜2(f)、及び3(a)〜3(f)には示されていない。
The formation of a depletion region in a conventional trench MOSFET device can be described with respect to FIGS. 1 (a) -1 (f). These figures show a schematic cross-sectional view of a conventional vertical trench MOSFET device. Each cross section shows a plurality of
この実施例では、N−エピタキシャル層32は約5.0Ω・cmの抵抗率を有し、エピタキシャル層のドーパント濃度Nd(epi)は約1×1015/cm−3である。N−エピタキシャル層32の厚さは約20μである。このデバイスはまた、約16.5μのエピタキシャル層の「有効」厚さ(時に「有効エピタキシャル層」と呼ばれる)を有している。このエピタキシャル層の「有効」厚さは、N+ドレイン領域31及び半導体基板29内のドープ領域(例えば、P−ウェル)などの領域の形成から任意の上方拡散を考慮した後のエピタキシャル層の厚さである。例えば、有効エピタキシャル層厚さは、P+本体又はP−ウェルの底部とN+基板31からのN−エピタキシャル層32内の任意の上方に拡散されたドナーの終端部との間の距離に実質的に等しいものであり得る。このデバイスの有効エピタキシャル層はまた、デバイスのドリフト領域を含んでよい。
In this embodiment, the N-
また、図1(a)〜図1(f)の各々は、異なる逆バイアス電圧が印加されたときに確立される最大電界(「Emax」)を示している。図示したように、逆バイアス電圧が上昇するにしたがって、Emaxもまた上昇する。Emaxが所定のドーパント濃度に対する臨界電界を超過すると、アバランシェ降伏が発生する。このため、Emaxはこの臨界電界より低いことが好ましい。 Each of FIGS. 1A to 1F shows a maximum electric field (“E max ”) established when a different reverse bias voltage is applied. As shown, as the reverse bias voltage increases, E max also increases. Avalanche breakdown occurs when E max exceeds the critical electric field for a given dopant concentration. For this reason, it is preferable that Emax is lower than this critical electric field.
図1(a)〜図1(f)は、0V、10V、50V、100V、200V、及び250Vと増大する逆バイアス電圧が従来のトレンチMOSFETデバイスに印加されたときに、空乏領域50がどのように拡大するかをそれぞれ示している。図示したように、より大きな逆バイアス電圧が印加されるにしたがって、空乏領域50はP−ウェル/エピタキシャル層界面からN+ドレイン領域31の方向に「垂直に」広がる。この空乏領域の垂直方向の成長によって、より低いRDS(on)とより高いBVDSSとの間のトレード・オフが従来のトレンチMOSFETデバイス内に置かれる。
1 (a) -1 (f) show how the
本発明は改良されたMOSFETデバイスを提供するものであり、このデバイスにおいては、より高い逆バイアス電圧が印加されるにしたがって、空乏領域はまず「水平に」広がる。本発明の実施例では、多数の付加的な(かつ、好適には深い)トレンチが半導体基板内に形成される。水平に広がる空乏領域の形成を含むストライプを形成するために、最終的にこれらの深いトレンチが用いられる。このストライプはエピタキシャル層とは反対の型の導電性の材料を含む。例えば、ストライプはP型材料(例えば、P、P+、又はP−シリコン)を含んでよく、エピタキシャル層はN型材料を含んでよい。個々のストライプは隣接するゲート間に存在してよく、半導体基板の主表面からエピタキシャル層に向かって延びてよい。また、このストライプは任意の適切な距離だけエピタキシャル層に延び得る。例えば、いくつかの実施例では、ストライプはエピタキシャル層/ウェル領域の界面までずっと延びている。ストライプが存在することで、臨界電界を超過することなくより低い抵抗のエピタキシャル層を使用することが可能となる。以下により詳細に記載するように、RDS(on)は降伏電圧などの他のMOSFETデバイスの特性に悪影響を及ぼすことなく低減され得る。 The present invention provides an improved MOSFET device in which the depletion region first extends “horizontally” as a higher reverse bias voltage is applied. In embodiments of the present invention, a number of additional (and preferably deep) trenches are formed in the semiconductor substrate. These deep trenches are ultimately used to form stripes that include the formation of horizontally extending depletion regions. The stripe includes a conductive material of the type opposite to the epitaxial layer. For example, the stripe may include a P-type material (eg, P, P +, or P-silicon) and the epitaxial layer may include an N-type material. Individual stripes may exist between adjacent gates and may extend from the main surface of the semiconductor substrate toward the epitaxial layer. The stripe can also extend to the epitaxial layer by any suitable distance. For example, in some embodiments, the stripe extends all the way to the epitaxial layer / well region interface. The presence of stripes allows the use of lower resistance epitaxial layers without exceeding the critical electric field. As described in more detail below, R DS (on) can be reduced without adversely affecting the characteristics of other MOSFET devices, such as breakdown voltage.
図2(a)〜図2(f)は本発明の一実施例を示している。これらの図はより大きな逆バイアス電圧が印加されるにしたがって、空乏領域がどのように広がるかを示している。図2(a)〜2(f)に示した実施例に印加された電圧は0V、1V、2V、10V、200V、及び250Vである。図1(a)〜図1(f)に示した従来のトレンチMOSFETデバイスと同様に、図2(a)〜図2(f)の断面の各々は複数のトレンチ・ゲート構造45及びN−エピタキシャル層32を含んでいる。N−エピタキシャル層32は半導体基板29に存在する。
2 (a) to 2 (f) show an embodiment of the present invention. These figures show how the depletion region expands as a larger reverse bias voltage is applied. The voltages applied to the embodiments shown in FIGS. 2 (a) -2 (f) are 0V, 1V, 2V, 10V, 200V, and 250V. Similar to the conventional trench MOSFET device shown in FIGS. 1 (a) -1 (f), each of the cross-sections of FIGS. 2 (a) -2 (f) includes a plurality of
しかし、図2(a)〜図2(f)では、N−エピタキシャル層32と反対の導電型のストライプ35(例えば、Pストライプ)を形成する複数のトレンチは、隣接するゲート構造45間にそれぞれ配置されている。この実施例では、ストライプ35はP型材料を含んでいる。図2(a)〜図2(c)に示すように、より大きな逆バイアス電圧が印加されるにしたがって、空乏領域50はストライプ35の両側から離れて、まず「水平に」広がる。空乏領域32が隣接するストライプ35の側面から広がるにしたがって、隣接するストライプ35間の領域は電荷担体が急速に消費される。隣接するストライプ35間の領域は電荷担体が急速に消費された後、空乏領域50はストライプ35の端部からN+ドレイン領域31に向かう方向に垂直に広がる。本実施例のエピタキシャル層32は、消費がまず「垂直」方向(例えば、図1(a)〜図1(f)に示したように)に生じる場合場合に比して一層急速に電荷担体が消費される。図2(c)(逆バイアス電圧=2V)及び図1(e)(逆バイアス電圧=200V)に示すように、空乏領域50は著しく低い印加電圧(200Vに比して2V)のエリアにおいて類似している。
However, in FIGS. 2A to 2F, a plurality of trenches that form stripes 35 (for example, P stripes) opposite to the N-
図3(a)〜図3(f)は、本発明の別の実施例の別のMOSFETデバイスの断面を示している。これらの図では、同様の構成要素は先の同様の参照番号を用いて示されている。しかし、先の図に記載したMOSFETデバイスとは異なり、図3(a)〜図3(f)に示したMOSFETデバイス内のエピタキシャル層50は、約0.6Ω・cmの抵抗率、約1×1016/cm−3のドーパント濃度(Nd)、約16μの厚さ、及び約12.5μのエピタキシャル層の有効厚さを有している。
3 (a) -3 (f) show cross-sections of another MOSFET device of another embodiment of the present invention. In these figures, similar components are indicated using similar reference numbers above. However, unlike the MOSFET device described in the previous figure, the
図3(a)〜図3(f)は空乏領域50が0V、10V、50V、100V、200V、及び250Vの逆バイアス電圧においてどのように変化するかを示している。図2(a)〜図2(f)に示したMOSFETデバイスの実施例と同様に、より高い逆バイアス電圧が印加されるのにしたがって、空乏領域50はまず「水平に」広がる。また、この実施例では、これら印加された各々の逆バイアス電圧の最大電界(Emax)は、上記のドーパント濃度に対するアバランシェ降伏の臨界電界を超えない。したがって、より薄く、かつより低い抵抗率を用いながら、より高い降伏電圧(例えば、250V)を得ることができる。有利には、より薄く、かつより低い抵抗率のエピタキシャル層により、結果としてより低い抵抗率のエピタキシャル層、故に低減されたRDS(on)の値が得られる。ストライプ35内の寸法及びドーピング・レベルはストライプの総電荷量とエピタキシャル層の空乏領域50の総電荷量とのバランスを取るように調節される。
FIGS. 3A to 3F show how the
上記のように、MOSFETデバイスの降伏電圧比率が上昇するにしたがって、総固有RDS(on)の著しく増大する構成要素となる。例えば、図4は異なる降伏電圧比率を有する多数のN−チャネルMOSFETデバイスのいくつかの構成要素を示す棒グラフである。グラフ(a)は500Aにおける制御N−チャネル30VのMOSFETデバイスのRDS(on)を示す。グラフ(b)〜(f)は降伏電圧がそれぞれ60、80、100、150、及び200Vである従来のトレンチN−チャネルMOSFETデバイスを示す。図4から明らかなように、降伏電圧が上昇するにしたがって、エピタキシャル層の抵抗はRDS(on)により大きな影響を及ぼす。例えば、従来の200V N−チャネルMOSFETデバイスの例では、エピタキシャル層の抵抗は総固有RDS(on)の90%超を構成する。対照的に、30V N−チャネルMOSFETデバイスの例では、エピタキシャル層の抵抗はRDS(on)に著しく低い影響を及ぼす。
As described above, as the breakdown voltage ratio of a MOSFET device increases, it becomes a component that significantly increases the total intrinsic R DS (on) . For example, FIG. 4 is a bar graph showing some components of a number of N-channel MOSFET devices having different breakdown voltage ratios. Graph (a) shows the RDS (on) of the control N-
本発明の実施例では、エピタキシャル層の抵抗はエピタキシャル層にトレンチ・ストライプを組み込むことによって低減され得る。これは同様の降伏電圧比率を有する同様の従来のMOSFETデバイスに比してRDS(on)を低減させる。例えば、図4のグラフ(g)は本発明の典型的な実施例のトレンチMOSFETに提供された改善を示している。示したように、エピタキシャル層の抵抗はMOSFETデバイス内に反対の導電型のエピタキシャル層を有するトレンチ・ストライプを用いた場合に、著しく低減され得る。グラフ(g)に示したように、200V N−チャネル・トレンチMOSFETデバイスの総固有RDS(on)は1.4mΩ・cm2より小さい。対照的に、反対の導電型のストライプのない従来の200VのN−チャネル・トレンチMOSFETの場合、総固有RDS(on)は約7.5mΩ・cm2である。したがって、これらの本発明の典型的実施例は、従来のトレンチMOSFETデバイスに比して5倍を超えるRDS(on)の低減を示し得る。 In embodiments of the present invention, the resistance of the epitaxial layer can be reduced by incorporating trench stripes in the epitaxial layer. This reduces R DS (on) compared to similar conventional MOSFET devices with similar breakdown voltage ratios. For example, graph (g) of FIG. 4 shows the improvement provided for the trench MOSFET of an exemplary embodiment of the present invention. As shown, the resistance of the epitaxial layer can be significantly reduced when using a trench stripe with an epitaxial layer of the opposite conductivity type in the MOSFET device. As shown in graph (g), the total intrinsic R DS (on) of the 200V N-channel trench MOSFET device is less than 1.4 mΩ · cm 2 . In contrast, for a conventional 200V N-channel trench MOSFET without stripes of opposite conductivity type, the total intrinsic R DS (on) is about 7.5 mΩ · cm 2 . Thus, these exemplary embodiments of the present invention may exhibit a RDS (on) reduction of more than 5 times compared to conventional trench MOSFET devices.
図5〜図11は本発明の実施例のMOSFETデバイスの逆バイアス印加時のIV曲線のグラフを示している。 5 to 11 show graphs of IV curves when a reverse bias is applied to the MOSFET device according to the embodiment of the present invention.
図5は従来のトレンチMOSFETデバイス及び本発明の一実施例のMOSFETデバイスの逆バイアス印加時のIV曲線を示すグラフである。図5はP−ストライプのない2つのMOSFETデバイスのIV曲線500、502を示している。第1の曲線500は0.8mΩ・cmのエピタキシャル層の抵抗率及び15μのエピタキシャル層の厚さを有するMOSFETデバイスのものである。第2の曲線502は4.6mΩ・cmのエピタキシャル層の抵抗率及び19.5μのエピタキシャル層の厚さを有するMOSFETデバイスのものである。予想されるように、より薄いエピタキシャル層及びより高い抵抗率を有するMOSFETデバイスは、より高い降伏電圧を有する。
FIG. 5 is a graph showing IV curves when a reverse bias is applied to a conventional trench MOSFET device and a MOSFET device according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 shows IV curves 500, 502 for two MOSFET devices without P-stripe. The
本発明の一実施例のIV曲線504も図5に示した。この典型的な実施例は約0.8Ω・cmのエピタキシャル層の抵抗、約15μのエピタキシャル層の厚さ、及び約12μの深さのP−ストライプを有している。IV曲線504が示すように、このデバイスの実施例ではエピタキシャル層が比較的薄く、エピタキシャル層の抵抗率は比較的低い(故に、RDS(on)は低い)。また、このデバイスの実施例は降伏電圧が220Vに達する。この降伏電圧は、より厚く、より抵抗性のあるエピタキシャル層を有する従来のMOSFETデバイスの降伏電圧に匹敵する。 An IV curve 504 of one embodiment of the present invention is also shown in FIG. This exemplary embodiment has an epitaxial layer resistance of about 0.8 Ω · cm, an epitaxial layer thickness of about 15 μm, and a P-stripe of about 12 μ depth. As the IV curve 504 shows, in this device embodiment, the epitaxial layer is relatively thin and the resistivity of the epitaxial layer is relatively low (hence RDS (on) is low). This device embodiment also has a breakdown voltage of 220V. This breakdown voltage is comparable to that of conventional MOSFET devices having thicker, more resistive epitaxial layers.
図6は本発明の実施例のMOSFETデバイスの逆バイアス印加時のIV曲線を示している。この曲線はP−ストライプの深さの変動がBVDSSに及ぼす影響を示している。これらのデバイスでは、エピタキシャル層は約0.8Ω・cmの抵抗及び約13μの厚さを有する。P−ストライプの幅は約1.0μである。P−ストライプのドーパント濃度は約2.2×1016/cm−3である。P−ストライプの深さは約8、10、及び12μにおいて変動した。これら変動のIV曲線はP−ストライプの深さが増大するにしたがって、降伏電圧が上昇することを示している。 FIG. 6 shows an IV curve when a reverse bias is applied to the MOSFET device of the embodiment of the present invention. This curve shows the effect of P-stripe depth variation on BV DSS . In these devices, the epitaxial layer has a resistance of about 0.8 Ω · cm and a thickness of about 13μ. The width of the P-stripe is about 1.0 μm. The dopant concentration of the P-stripe is about 2.2 × 10 16 / cm −3 . The depth of the P-stripes varied at about 8, 10, and 12μ. These variation IV curves show that the breakdown voltage increases as the depth of the P-stripe increases.
図7は本発明の実施例のMOSFETデバイスの逆バイアス印加時のIV曲線を示している。この曲線はP−ストライプの幅の変動がBVDSSに及ぼす影響を示している。この例では、デバイスは約0.8Ω・cmのエピタキシャル層の抵抗及び約13μの厚さを有する。P−ストライプの深さは約10μであり、P−ストライプのドーパント濃度は約2.2×1016/cm−3である。約0.8、1.0、及び1.2μの幅を有するP−ストライプのIV曲線が示されている。このIV曲線はP−ストライプの幅が1μに等しい場合に降伏電圧はより高くなることを示している。 FIG. 7 shows an IV curve when a reverse bias is applied to the MOSFET device according to the embodiment of the present invention. This curve shows the effect of P-stripe width variation on BV DSS . In this example, the device has an epitaxial layer resistance of about 0.8 Ω · cm and a thickness of about 13μ. The depth of the P-stripe is about 10 μm, and the dopant concentration of the P-stripe is about 2.2 × 10 16 / cm −3 . P-striped IV curves with widths of about 0.8, 1.0, and 1.2 microns are shown. This IV curve shows that the breakdown voltage is higher when the width of the P-stripe is equal to 1μ.
本発明の実施例はトレンチ及びプレーナMOSFET技術に応用され得る。しかし、トレンチMOSFETデバイスは、それらがプレーナMOSFETに比してより小さな空間を有利に占める場合に好ましい。いずれの場合でも、デバイスの降伏電圧はいくつかの実施例において約100〜約400ボルトであってよい。説明のために、本発明のMOSFETデバイスの製造方法をトレンチ・ゲート工程に関して以下に記載する。 Embodiments of the present invention can be applied to trench and planar MOSFET technology. However, trench MOSFET devices are preferred when they advantageously occupy less space than planar MOSFETs. In any case, the breakdown voltage of the device may be about 100 to about 400 volts in some embodiments. For purposes of explanation, a method for fabricating a MOSFET device of the present invention is described below with respect to a trench gate process.
本発明の一実施例のパワー・トレンチMOSFETデバイスの詳細な図を図8(d)に示した。このパワー・トレンチMOSFETデバイスはドレイン領域31及び該ドレイン領域に隣接するN−エピタキシャル領域32有する半導体基板29を備える。半導体基板29はSi、GaAs等を含む任意の適切な半導体材料を含み得る。MOSFETデバイスのドリフト領域は半導体基板29のエピタキシャル領域32内に存在し得る。複数のゲート構造45が半導体基板29の主表面28に隣接しており、各ゲート構造45はゲート電極43及び該ゲート電極43上の誘電体層44を含んでいる。複数のN+ソース領域36が半導体基板29内に形成されている。各N+ソース領域36はゲート構造45の1つに隣接し、複数のP−ウェル領域34内に形成されており、このP−ウェル領域もまた半導体基板29内に形成されている。各P−ウェル領域34はゲート構造45の1つに隣接して配置されている。ソース領域36の接点41が半導体基板29の主表面28上に存在している。この接点41はアルミニウムなどの金属を含み得る。明確化のために、MOSFETデバイス内に存在し得る他の構成要素(例えば、不活性化層)は図8(d)には示され得ない。
A detailed view of a power trench MOSFET device according to one embodiment of the present invention is shown in FIG. The power trench MOSFET device comprises a
図8(d)では、トレンチP−ストライプ35が半導体基板29内に存在している。ゲート構造45がゲート構造45のアレイを形成するときに、複数のP−ストライプ35が隣接するゲート構造45間にそれぞれ配置され得る。図8(d)に示したP−ストライプ35は、隣接するゲート構造45間に配置される。図示したように、図に示したP−ストライプ35は略垂直で、半導体基板29の向きに対して略垂直になっている。P−ストライプ35がゲート構造45を越えて延びており、N−エピタキシャル部分32の大半を貫通し得る。この実施例のN−エピタキシャル部分32はP−ストライプ35の底部及び側面を囲繞している。P−ストライプ35の両側面及びその下方のドーパント濃度はこの実施例において類似し得る。好適には、P−ストライプ35は略平行の側壁及び略平面の底部を有する。側壁が略平行である場合、薄いP−ストライプ35が隣接するゲート構造45間に存在し得る。したがって、ゲート45間の間隔は結果的にはサイズが低減されたMOSFETアレイに最小化され得る。本発明の典型的な実施例では、ゲート構造45(又はゲート電極)の間隔は約10μより小さくてよい(例えば、約4〜6μの間)。P−ストライプ35の幅は2又は3μより小さくてよい(例えば、約1〜2μ)。
In FIG. 8D, the trench P-
本発明の実施例のストライプ・トレンチは半導体基板内のエピタキシャル部分とは反対のドーピング材料で充填されるか、又は裏打ちされる。このタイプの一実施例を図8(e)に示し、以下により詳細に示した。ストライプがエピタキシャル部分と反対の導電型の材料で裏打ちされると、このストライプは内部誘電体部分及びエピタキシャル部分と反対の導電型の外部半導体層を含み得る。例えば、内部誘電体部分が酸化シリコンを又は空気を含み得る一方で、外部半導体層はP又はN型のエピタキシャル・シリコンを含み得る。 The stripe trenches of embodiments of the present invention are filled or lined with a doping material opposite to the epitaxial portion in the semiconductor substrate. One example of this type is shown in FIG. 8 (e) and is described in more detail below. When the stripe is lined with a material of the opposite conductivity type to the epitaxial portion, the stripe may include an inner dielectric portion and an outer semiconductor layer of the opposite conductivity type to the epitaxial portion. For example, the inner dielectric portion may include silicon oxide or air, while the outer semiconductor layer may include P or N type epitaxial silicon.
また、ドープされたストライプの存在は形成されるデバイスの耐久性を改善するためのヘビー・ボディとして使用されてよい。例えば、エピタキシャル層におけるP型ヘビー・ボディの存在と同様、エピタキシャル層を貫通するP−ストライプの存在はデバイスの電圧変動を安定化させ、これによりデバイスの信頼性が向上すると考えられている。 Also, the presence of doped stripes may be used as a heavy body to improve the durability of the formed device. For example, like the presence of a P-type heavy body in the epitaxial layer, the presence of P-stripe penetrating the epitaxial layer is believed to stabilize device voltage fluctuations, thereby improving device reliability.
本発明のパワー・トレンチMOSFETデバイスを形成する適切な方法が図8(a)〜8(d)に関して記載され得る。 A suitable method of forming the power trench MOSFET device of the present invention may be described with respect to FIGS. 8 (a) -8 (d).
図8(a)を参照すると、半導体基板29を含む構造が提供されている。半導体基板29はN+ドレイン領域31及びN−エピタキシャル部分32を含み得る。ゲート・トレンチ30が半導体基板29の主表面28に隣接して形成されている。これらゲート・トレンチ30は、例えば、当該技術においては周知である異方性エッチング法を用いて形成されてよい。ゲート・トレンチ30が形成された後、ゲート構造45が当該技術においては周知である方法を用いてゲート・トレンチ30内に形成される。各ゲート構造45は誘電体層44及びゲート電極43を含む。ゲート電極43はポリシリコンを含んでよく、誘電体層44は酸化シリコンを含んでよい。
Referring to FIG. 8A, a structure including a
また、ソース領域、ウェル領域、及び他の構造が、ゲート構造45を形成する前又は後に半導体基板29内に形成され得る。図8(b)を参照すると、P−ウェル領域34が半導体基板29内に形成されており、次に、N+ソース領域36が半導体基板29内に形成されている。従来のイオン注入又は拡散工程を用いてこれらの領域が形成されてよい。この実施例では、これらのドープされた領域はゲート構造45を形成した後に形成される。
Also, source regions, well regions, and other structures can be formed in the
ウェル領域、ゲート領域、ソース領域、及びヘビー・ボディの形成に関するさらなる詳細が、Brian Sze−KI Mo,Duc Chau,Steven Sapp,Izak Bencuya、及びDean Edward Probstによる「電界効果トランジスタ及び同製造方法(Field Effect Transistor and Method of Its Manufacture)」と題された米国特許出願第08/970,221号に記載されている。この出願は本発明の譲受人と同じ譲受人に授受されており、あらゆる目的のためにその出願が全体として本願明細書に参照によって組み入れられている。 Further details regarding the formation of the well region, gate region, source region, and heavy body can be found in Brian Sze-KI Mo, Duc Chau, Steven Sapp, Izak Benculia, and Dean Edward Probst, “Field Effect Transistors and Manufacturing Methods (Field In US patent application Ser. No. 08 / 970,221 entitled “Effect Transistor and Methods of Its Manufacture”. This application is assigned to the same assignee as the present assignee and is incorporated herein by reference in its entirety for all purposes.
好適な実施例では、ソース領域、ウェル領域、及び/又はゲート構造が形成された後に、1つ又は複数のストライプ・トレンチ30が半導体基板29内に形成される。例えば、P−ウェル領域34、N+ソース領域36、及びゲート構造45が形成された後に、図8(c)に示したストライプ・トレンチ30が、例えば、異方性エッチング工程を用いて形成され得る。形成されたストライプ・トレンチ30は半導体基板29の主表面28から延びる。ストライプ・トレンチ30はゲート構造45を任意の適切な距離を越えてエピタキシャル部分32とドレイン領域31との間の界面まで延び得る。好適には、ストライプ・トレンチ30(及びそこに配設されたストライプ材料も)はN−エピタキシャル部分32の厚さの半分とエピタキシャル部分32の全厚みとの間にある深さで終端する。例えば、ストライプ・トレンチ30はエピタキシャル部分32とドレイン領域31との間の界面まで延び得る。
In the preferred embodiment, one or
ストライプ・トレンチ30が形成された後、図8(d)に示すように、ストライプ35がストライプ・トレンチ30内に形成される。ストライプ35は第2の導電型の材料を含んでいる。本発明の実施例では、第2の導電型の材料はエピタキシャルP型シリコン(例えば、P、P+、P−シリコン)などのエピタキシャル材料である。ストライプ・トレンチ30は選択的エピタキシャル成長(SEG)工程などの任意の適切な方法を用いて充填されてよい。例えば、トレンチ30はその場で発生するドーピングを用いてエピタキシャル・シリコンで充填されてよい。
After the
第2の導電型の材料がストライプ・トレンチ30を図8(d)に示したように完全に充填し得るか、又は図8(e)に示したようにストライプ・トレンチ35を裏打ちし得る。図8(e)において、同様の参照番号は図8(d)場合と同様の構成要素を表している。しかし、この実施例では、ストライプ35はP−層35(a)及び内部誘電体材料35(b)を含んでいる。まずP−層35(a)が形成されたストライプ・トレンチ内に形成され得、次に、誘電体材料35(b)がデポジットされてP−層35(a)によって形成された囲いを充填し得る。代替的には、内部誘電体材料はP−層35(a)を酸化させることによって形成されてよい。誘電体層35(b)は酸化シリコン又は空気などの材料を含んでよい。
The material of the second conductivity type can completely fill the
ドープされたエピタキシャルの材料のストライプをトレンチに形成するために使用されてよい他の材料が、Gordon MadsenとJoelle Sharpによる「選択成長エピタキシーを用いてトレンチMOSFETを製造する方法(Method of Manufacturing A Trench MOSFET Using Selective Growth Epitaxy)」と題された米国特許出願第09/586,720号に記載されている。この出願は本発明の譲受人と同じ譲受人に授受されており、あらゆる目的のためにその出願が全体として本願明細書に参照によって組み入れられている。 Other materials that may be used to form stripes of doped epitaxial material in the trench are described by Gordon Madsen and Joele Sharp, “Method of Manufacturing A Trench MOSFET Using Selective Growth Epitaxy. US patent application Ser. No. 09 / 586,720 entitled “Usine Selective Growth Epitaxy”. This application is assigned to the same assignee as the present assignee and is incorporated herein by reference in its entirety for all purposes.
上記のように、第2の導電型のストライプ・トレンチ30及びストライプ35は、ソース領域36、ゲート構造45、及びウェル領域34のうち少なくとも1つが形成された後に形成されるのが好ましい。これらデバイス要素を形成した後にストライプ35を形成することによって、ストライプ35はゲート構造45又はP−ウェル領域34を形成するのに用いられる高温処理に曝されない。例えば、P−ウェル領域を形成するのに用いられる高温処理(例えば、イオン注入高温ドライブ)は、高温状態(例えば、1100度を超えて)で1〜3時間も続き得る。他方で、半導体基板29内にP−ストライプ35を形成することは、予め形成されたゲート構造45、P−ウェル領域34、又はN+ソース領域36に悪影響を及ぼさない。P−ストライプ35を形成する前にこれらデバイス要素を形成すれば、高温の処理工程が長引くことに起因して、エピタキシャル層内のP−ストライプ35が拡散し、その形状が失われる可能性が低減される。この状態が起これば、P−ストライプ35の幅がP−ストライプ35の下方で均一になり得ず、形成されたデバイスの有効性を低減させ得る。例えば、側方に広がった−ストライプ35からのドーパントはMOSFETデバイスのチャネル領域に向かって拡散し、これによってMOSFETデバイスの閾値電圧特性に影響を及ぼす可能性がある。さらには、P−ストライプの幅がより広くなれば、結果としてゲート構造45の間隔がより大きくなり得るので、対応するゲート構造45のアレイの寸法が増大する。
As described above, the
P−ストライプ35が形成された後、付加的な材料の層がデポジットされてよい。さらなる層は金属接触層41及び不活化層(図示せず)を含んでよい。これらの付加的な層は当該技術において知られている任意の適切な方法を用いて形成されてよい。
After the P-
多数の特定の実施例を図示し、記載しているが、本発明の実施例はそれらに限定されるものではない。例えば、本発明の実施例をN型半導体、P−ストライプ等に関して記載した。本発明はそれらに限定されるものではなく、また図示し、記載した構造のドーピング極性は反転し得ることが理解される。また、P−ストライプが詳細に示されているが、本発明の実施例において用いられたストライプはP又はN型であってよいことが理解される。また、ストライプ又は他のデバイス要素はアクセプタ濃度又はドナー濃度(例えば、+、++、−、−−等)を有してよい。 While many specific embodiments have been illustrated and described, embodiments of the present invention are not limited thereto. For example, embodiments of the present invention have been described for N-type semiconductors, P-stripes, and the like. It will be understood that the invention is not limited thereto and that the doping polarity of the structures shown and described can be reversed. Also, although P-stripe is shown in detail, it is understood that the stripe used in the embodiments of the present invention may be P or N type. Also, stripes or other device elements may have an acceptor concentration or a donor concentration (eg, +, ++, −, −−, etc.).
本願明細書において採用した用語及び表現は、限定の用語としてではなく説明の用語として用いられており、そのような用語及び表現が図示し記載した特徴の同等物又はそれらの部分を除外することを意図したものではなく、種々の変形が主張された本発明の範囲内において可能であることが理解される。さらに、本発明の任意の実施例の任意の1つ又は複数の特徴が、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の任意の他の実施例の任意の1つ又は複数の他の特徴と組み合わされてよい。 The terms and expressions employed herein are used as descriptive terms and not as limiting terms, and such terms and expressions are intended to exclude equivalents or portions of the features shown and described. It will be understood that various modifications are possible without departing from the scope of the claimed invention. Furthermore, any one or more features of any embodiment of the present invention may include any one or more other features of any other embodiment of the present invention without departing from the scope of the present invention. May be combined.
Claims (26)
主表面及びドレイン領域を有する第1の導電型の半導体基板と、
前記半導体基板内に形成された第2の導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域内に形成された前記第1の導電型のソース領域と、
前記ソース領域内に近接して形成されたトレンチ・ゲート電極と、
前記半導体の主表面から前記半導体基板内に所定の深さで延びるストライプ・トレンチであり、前記ストライプ・トレンチは、前記半導体基盤に対して形成された接合面においてPN接合を形成するための前記第2の導電型の半導体材料を含んだストライプ・トレンチとから構成される電界効果トランジスタ・デバイス。 A field effect transistor device comprising:
A first conductivity type semiconductor substrate having a main surface and a drain region;
A second conductivity type well region formed in the semiconductor substrate;
A source region of the first conductivity type formed in the well region;
A trench gate electrode formed close to the source region;
A stripe trench extending from the main surface of the semiconductor to the semiconductor substrate at a predetermined depth; A field effect transistor device comprising a stripe trench containing a semiconductor material of two conductivity types.
第1の導電型の半導体基板内に第2の導電型のウェル領域を形成する工程であり、前記半導体基板は主表面及びドレイン領域を有している工程と、
前記ウェル領域内に前記第1の導電型のソース領域を形成する工程と、
前記ソース領域に近接してトレンチ・ゲート電極を形成する工程と、
前記半導体の主表面から半前記導体基板内に所定の深さで延びるストライプ・トレンチを形成する工程と、
前記ストライプ・トレンチ内に前記第2の導電型の半導体材料をデポジットする工程とを含む電界効果トランジスタ・デバイスを製造する方法。 A method of manufacturing a field effect transistor device comprising:
Forming a second conductivity type well region in a first conductivity type semiconductor substrate, the semiconductor substrate having a main surface and a drain region;
Forming a source region of the first conductivity type in the well region;
Forming a trench gate electrode proximate to the source region;
Forming a stripe trench extending from the main surface of the semiconductor to a half depth in the conductor substrate;
Depositing the second conductivity type semiconductor material into the stripe trench.
a)主表面及びドレイン領域を有する第1の導電型の半導体基板内に、第2の導電型のウェル領域を形成する工程と、
b)前記ウェル領域内に前記第1の導電型のソース領域を形成する工程と、
c)前記ソース領域に近接してゲート電極を形成する工程と、
d)前記半導体の主表面から半前記導体基板内に所定の深さで延びるストライプ・トレンチを形成する工程と、
e)前記ストライプ・トレンチ内に前記第2の導電型の半導体材料をデポジットする工程とを含み、
工程a)、b)、及びc)のうち少なくとも1つが工程e)の後に行われる電界効果トランジスタ・デバイスを形成する方法。 A method of manufacturing a field effect transistor device comprising:
a) forming a second conductivity type well region in a first conductivity type semiconductor substrate having a main surface and a drain region;
b) forming a source region of the first conductivity type in the well region;
c) forming a gate electrode adjacent to the source region;
d) forming a stripe trench extending from the main surface of the semiconductor halfway into the conductor substrate at a predetermined depth;
e) depositing the semiconductor material of the second conductivity type in the stripe trench;
A method of forming a field effect transistor device, wherein at least one of steps a), b), and c) is performed after step e).
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