JP2008505480A - Trench type MOSFET with clamp diode in deep position - Google Patents
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Abstract
【課題】トレンチゲート型MOSFETにおいて、オン抵抗を過度に高めずアバランシェ電流をクランプし、フィールドプレート誘導(FPI)衝撃イオン化を最小化する。
【解決手段】トレンチゲート型MOSFETに、エピタキシャル層842と逆導電型でゲート844より浅いボディ領域843と、ボディ領域より深く高濃度にドープされ、トレンチより浅いクランプ領域853とを設ける。ツェナPN接合部は、ドレイン−ソース電圧をトレンチ近傍のボディPN接合部のFPI降伏電圧より低くクランプするが、トレンチより浅く最大DS間電圧の過度の低下は生じない。この構造の製造では連続注入法を用いることで接合部深さとドーパント濃度を正確に制御できるが、ゲートバス形成前の注入または形成後のゲートバスを通しての注入で形成してもよい。
【選択図】図13AIn a trench gate type MOSFET, an avalanche current is clamped without excessively increasing an on-resistance, and field plate induction (FPI) impact ionization is minimized.
A trench gate type MOSFET is provided with a body region 843 having a conductivity opposite to that of an epitaxial layer 842 and shallower than a gate 844, and a clamp region 853 deeper than the body region and heavily doped and shallower than the trench. The Zener PN junction clamps the drain-source voltage below the FPI breakdown voltage of the body PN junction near the trench, but is shallower than the trench and does not cause an excessive decrease in the maximum DS voltage. In the manufacture of this structure, the junction depth and the dopant concentration can be accurately controlled by using the continuous implantation method, but it may be formed by implantation before forming the gate bus or implantation through the gate bus after the formation.
[Selection] Figure 13A
Description
バーチカルトレンチ内ゲート型パワーMOSFETは、そのオフ状態電圧遮断能力、高いセル密度、高い電流容量、及びその固有の低いオン抵抗のために、他のすべての形態の低電圧パワーMOSFETを急速に取って代わった。従来技術の断面図である図1Aに示されたトレンチ内ゲート型MOSFET100は、薄いゲート酸化層104で内側を覆われ内部にポリシリコンゲート105が埋め込まれる、エッチングで形成されたトレンチのアレイを有する。デバイス全体は、高濃度ドーピング基板101の上に成長された、同じ導電型のエピタキシャル層102に形成される。トレンチゲート型MOSFET100のドレインとして機能するエピタキシャル層102は、オフ状態ブレークダウン電圧とオン状態導電特性との間の最適なトレードオフを調節するべく、その厚さとドーパント濃度を調節されている。
Vertical intra-trench gate power MOSFETs rapidly take over all other forms of low voltage power MOSFETs due to their off-state voltage blocking capability, high cell density, high current capacity, and their inherent low on-resistance. Replaced. 1A, which is a cross-sectional view of the prior art, has an array of trenches formed by etching, covered with a thin
MOSFET100は、トレンチゲート型DMOSデバイスと呼ばれることも多く、ここで「D」は二重拡散(即ち一方が他方の内側に形成される2回の連続した拡散処理)によるデバイスのチャネル領域の形成にちなんで付けられたダブル(Double)の頭文字である。二重拡散部の深いほうである、ボディ領域103は、エピタキシャル層102と異なる導電型を有し、MOSFET100のボディ−ドレイン接合を形成する。浅いほうの領域106(領域106A、106B、106C、106D等を含む)は、その内部に含まれるMOSFET100のソースとしての役目を果たす異なる導電型のボディ領域108と接合部を形成する。従って、このMOSFETのチャネル領域は、ボディ領域103内に埋め込まれたゲート105の側面に沿って垂直に設けられる。
図面においては、ソース領域106(高濃度であることをあらわすためにN+なる符号が付されている)はN型、ボディ領域103(符号PBが付されている)はP型であり、エピタキシャル層106(符号Nepiが付されている)はN型である。N型ソース及びドレインを有するMOSFETはNチャネルデバイスと称する。MOSFET100の製造プロセスは、1個から並列に接続された最大数百万個のトランジスタを一体に形成することができるが、各トランジスタはすべてNチャネルデバイスの改変形態である。或いは、基板、エピタキシャル層、及びソースはP型に(そしてボディ領域はN型に)形成して、全てPチャネルデバイスの並列アレイを形成してもよい。正味の結果は、図1Bに模式的に示されているような、数百万のデバイスが集積されているにもかかわらずソース、ドレイン、及びゲートの3つの端子しか有していないデバイスとなる。従来のCMOS集積回路の場合と異なり、トレンチ型MOSFETデバイスのNチャネル型とPチャネル型を1個のシリコンに統合する方法は現在は存在しない。
In the drawing, the source region 106 (labeled N + to indicate high concentration) is N-type, and the body region 103 (labeled PB) is P-type. Reference numeral 106 (labeled by Nepi) is an N type. A MOSFET having an N-type source and drain is referred to as an N-channel device. The manufacturing process of
ICで使用される従来の表面のMOSFETと全く異なり、DMOSデバイスの重要な特徴は、そのチャネル長が、そのポリシリコンゲートのフォトリソグラフィ上の寸法ではなくソース−ボディとボディ−ドレインの深さの差によって決定される点である。トレンチ内ゲートMOSFETのゲートとチャネルは、ダイの表面に垂直な向きであることから、電流はシリコンのバルク内を垂直方向に流れて、ウエハの裏側に抜ける。従って、そのようなデバイスはバーチカルコンダクションデバイスと称する。厚い金属109(一般的には少量の銅及びシリコンを含むアルミニウム)を用いることで、ソース領域106への接続を容易にするとともに、ボディ領域103とソース領域106とを、浅いP+コンタクト領域107(領域107A、107B等を含む)を介して短絡させるている。ボディ領域103への電気的接続は、適切な閾値電圧のためにボディ領域103にバイアスをかけ、寄生バイポーラ接合トランジスタを抑制するために必要である。この寄生トランジスタの存在と意義については後に詳述する。ドレインへの電気的接続は、通常は、ウエハの薄肉化の後に(即ちウエハ製造工程の終了後に)形成されたチタン、ニッケル及び銀のサンドウィッチ構造により基板101の裏面を通して促進される。
Quite unlike conventional surface MOSFETs used in ICs, an important feature of DMOS devices is that their channel length depends on the source-body and body-drain depths, not the photolithography dimensions of their polysilicon gates. This is the point determined by the difference. Since the gate and channel of the in-trench gate MOSFET are oriented perpendicular to the surface of the die, current flows vertically through the bulk of silicon and escapes to the back side of the wafer. Such devices are therefore referred to as vertical conduction devices. By using a thick metal 109 (generally, aluminum containing a small amount of copper and silicon), the connection to the source region 106 is facilitated, and the
MOSFET100を形成するために拡散プロセスを使用する場合、ソース領域106の濃度はボディ領域103よりも高濃度であることが必要であり、ボディ領域103はエピタキシャル102よりさらに高濃度にドープされる。ボディ領域の濃度がエピタキシャル102よりも高いことから、逆バイアスでの動作中にMOSFET100において拡がる空乏領域の大部分はボディ領域103ではなく低濃度にドープされたエピタキシャルドレイン102に生ずる。従って、短いチャネル長を有するMOSFET100は、ソース領域106への空乏領域の「パンチスルー」のリスクなしで、大きい逆バイアス電圧をサポートできる。一般的なチャネル長は、30Vまたは100V定格のデバイスにおいてすら1.5ミクロン以下である。従来型の表面MOSFETでは、0.5ミクロンのチャネル長は約5V乃至10Vしかサポートできない。
When using a diffusion process to form the
米国特許第6413822号(Williamsら)に記載のような最近の発明では、二重拡散でなく、実質的に拡散が不要である全てを注入で行う方法が用いられている。注入状態維持型(as-implanted)(即ちドーパントプロフィールが拡散によって再分散されない)DMOS接合部で得られる短いチャネル長は、二重拡散を用いる場合と類似しているが、注入のみのドーパントプロフィールは、ドーズ量及びエネルギーを変えた連続した注入部を含み得、従って拡散された接合部のガウス分布にもとづくドーパントプロフィール特性に従う必要がない点が異なっている。そのようなデバイスはDMOSと称されているが、ここでいう”D”は二重接合部(ドレイン内のボディ内のソース)を示しており、二重拡散プロセスを意味する”D”ではない。 Recent inventions, such as those described in US Pat. No. 6,413,822 (Williams et al.), Use a method that does not double diffusion, but does all that is substantially unnecessary by injection. The short channel length obtained in an as-implanted (ie, dopant profile is not redispersed by diffusion) DMOS junction is similar to that using double diffusion, but the implant-only dopant profile is The difference is that it can include continuous implants with varying doses and energies, and therefore does not have to follow dopant profile characteristics based on the Gaussian distribution of the diffused junction. Such a device is referred to as a DMOS, where “D” refers to a double junction (source in the body in the drain) and not “D”, which means a double diffusion process. .
ここで図1Bを再度参照すると、トレンチ型DMOS120の等価回路は、理想化されたMOSFET121及びゲート付きダイオード122を含んでいる。ダイオード122は、ボディ領域103とドレイン領域102によって形成されたボディ−ドレインPN接合部を表している。ゲート105がドレイン102に重なっており、薄いゲート酸下層104のみが2つの要素を分割していることから、ゲートは、この接合部に対するポリシリコンゲート105のフィールドプレート効果を表している。薄いゲート酸化層104は、そのオフ状態において隣接するボディ領域103との間での空乏層を共有できなくなることから保護されているが、ゲート105の存在は、トレンチDMOS120のブレークダウン電圧定格とアバランシェプロセスの生ずる位置の両方に関して接合部アバランシェに悪影響を及ぼし得る。
Referring again to FIG. 1B, the equivalent circuit of the
この原理は図1Cに示されており、この図ではトレンチ型MOSFET130が、フィールドプレートで誘導されるブレークダウンの原理を例示するためにソース領域を除いて示してある。ボディ103とエピタキシャルドレイン102の間の接合部に逆バイアスVDSを印加することによって、トレンチゲート105の近傍に位置する衝撃イオン化の輪郭線131によって示されるようにキャリアが増加する。イオン化率は、トレンチゲート105が存在しない場合と比較して非常に高くなり、また異なった形状となる。図1Dに示す、ゲート付きダイオードのブレークダウンBVDSSとゲート酸化層の厚さとの関係のグラフは、酸化層の厚さが逆バイアスされたPN接合のアバランシェ値に影響を及ぼし得ることを示している。図に示す例の場合は、ゲート−ソース電圧VGSが0であるとき、即ちゲート105がP型ボディに結び付けられている場合、厚いゲート酸化層が、グラフの領域140によって示すような酸化層の厚さによる影響を回避させている。しかし、酸化層がより薄い場合には、ブレークダウンはグラフの領域141によって明示されているように、酸化層の厚さに正比例して低下する。符号で示すように、領域141におけるアバランシェ値の低下は、フィールドプレートに誘導された(FPI)ブレークダウン効果によるものである。
This principle is illustrated in FIG. 1C, where a
FPIブレークダウンを示す別の方法は、図1Eに示す接合ブレークダウンとゲートバイアスとの関係を示すグラフとして示されている。この形態ではボディの大部分のキャリア濃度を蓄積するようにソースがバイアスされている場合の、負のゲートバイアスがデバイスのブレークダウン電圧を悪化させ得る。図に示すように、接合部ブレークダウン142は、トレンチゲートのフィールドプレート効果の存在によって低下される。或る負のゲートバイアス、一般的にはソース電圧を超えるいくつかの電圧(即ちVGS≦0)から始めて、曲線143はFPIブレークダウンの発生を示している。このFPIブレークダウンの発生によって、通常はゲート電圧に比例してBVDが低下する。たとえそうであっても、曲線143のデバイスは、ゲート−ソース間電圧VGSが0であるときに、そのブレークダウンが最大電圧にとどまっていることから、最小限のFPI効果しか示していない。異なるデバイスの曲線144はより強いFPI効果を示しており、ゲート−ソース間電圧VGSが0である場合でもブレークダウンの低下を示している。この曲線144はトレンチゲートが、ボディ領域内部のかなり深くまで侵入しているか、曲線143のデバイスよりかなり薄い酸化層を備えている場合の例を表している。明確にわかるように、FPIブレークダウンの悪影響は、薄い酸化層のデバイスの場合により支配的になる。薄い酸化層のデバイスは、一般的に電池で駆動される用途の低電圧デバイスの動作のために用いられており、従ってFPI関連の問題により大きい影響を受ける。
Another way to show FPI breakdown is shown as a graph showing the relationship between junction breakdown and gate bias shown in FIG. 1E. In this configuration, a negative gate bias can exacerbate the breakdown voltage of the device when the source is biased to accumulate most of the carrier concentration in the body. As shown, the
ゲートのブレークダウンに対する影響を減らす1つの方法は、Buluceaらに付与された”Trench DMOS Power Transistor With Field-Shaping Body Profile And Three-Dimensional Geometry”なる名称の米国特許第5072266号に記載のような、ボディ領域と同じ導電型の深い接合部を用いてトレンチの底部を静電シールドする方法である。図2Aはトレンチゲート155の底部より深く拡散した深いボディ領域153を有するトレンチ型MOSFET150の一部を示す。深いボディ領域153はボディ領域156と同じ電位を有するが、一般的にはより高いドーパント濃度を有する。領域153及び156はともに高濃度ドーピングコンタクト領域157の表面で結合される。
One way to reduce the impact on gate breakdown is as described in US Pat. No. 5,072,266, entitled "Trench DMOS Power Transistor With Field-Shaping Body Profile And Three-Dimensional Geometry", granted to Bulucea et al. In this method, the bottom of the trench is electrostatically shielded using a deep junction having the same conductivity type as that of the body region. FIG. 2A shows a portion of a
トレンチ型MOSFET150の電気的特性は、図2Bに概略が示されており、この図ではMOSFET171がゲート付きダイオード172を備えている。しかし、図1Bのフラットな底部のボディ領域を有するデバイス120の場合のようにMOSFET171のゲートにゲート付きダイオード172のゲートが直接接続されている場合と異なり、図2Aのデバイス150は、デバイス150の実際のゲートとFIPゲート付きダイオード効果を表すゲートとの間のJFET173接続した構成によって最もよく説明できる効果を示す。十分な逆バイアスがかけられている場合、隣接する深いボディ領域153から広がる空乏領域は一体的に併合して、接合部電圧からフィールドプレート効果をピンチオフ即ち切り離すことになる(図2Cの斜線部参照)。そしてこのFPI効果が大きく低減させられて、高いブレークダウンが保存される。
The electrical characteristics of the
図2Bには、深いボディ領域153と高濃度にドープされた基板151との間に形成されたPIN接合を現すツェナダイオード174が付加されているのが示されている。大電流アバランシェの場合には、図2Dに示すように、大部分の電流が、ボディ領域156を通すのではなく高濃度ドーピング領域153を通して流れる。深い領域153は、(イオン化輪郭線によって示すような)そのブレークダウン電圧の低下や(ボディ領域156より高濃度にドープされることによる)直列抵抗の低下のために、アバランシェ時により多くの電流を流す接合部を形成する。ツェナダイオード174のブレークダウンは、ゲート付きダイオード172よりも低くなる。これは、ダイオードがアノードを形成する領域153が浅いボディ156より基板151に近い位置にあり、これによってそのPINブレークダウン電圧が低下するからである。従って、このブレークダウンはボディ接合部ブレークダウンより低い電圧で発生するので、深いボディ領域153は最大ドレイン電圧をより低い値にクランプするとともに、その電圧をフィールドプレート誘導ブレークダウンが発生する点まで高めないことによって、第2の程度の保護を追加する。FPIブレークダウンを回避することは有益である。なぜなら、そのFPIブレークダウンが、バルクシリコンのアバランシェブレークダウンより、もともと信頼性の低い半導体の境界面及び表面に関与するからである。「ツェナ」という用語は、ツェナブレークダウンメカニズム(トンネル現象の一種)を表しているのではなく、単にダイオードの電圧クランプ作用を表していることに注意されたい。
FIG. 2B shows the addition of a
深いボディ153は、トレンチ型MOSFET150のアバランシェにおける耐性を大幅に改善し得るが、それとともにトレンチ型MOSFET150のオン状態での性能に対して問題となる限界をも与える。例えば図2Eは、オン状態における電流の流れを示しており、電流は、上側のソース158からゲート酸下層153に沿ってボディ領域156Aの内部を垂直に流れ、次にトレンチの底部を通過した後にエピタキシャル層152のなかに拡がる。
The
電流の拡がりは断面全体が電流によって完全には利用されていないことを示している。従って、このデバイスは、その理論上の最低オン抵抗で動作していないことになる。さらに電流の拡がる角度(約45度以上にはならない)は、深いボディ領域153の横方向拡散の侵入によりさらに小さい角度に抑えられる。実際、深いボディ領域153の直下にあるエピタキシャル層部分177A及び177Bは全く電流を流しておらず、高い抵抗値の一因となっている。
The current spread indicates that the entire cross section is not fully utilized by the current. Thus, the device is not operating at its theoretical minimum on-resistance. Further, the angle at which the current spreads (not more than about 45 degrees) is suppressed to a smaller angle by the penetration of the lateral diffusion of the
各トレンチゲート155を外囲する深いボディダイオードによりオン抵抗の上昇は、セルサイズが小さくなるにつれ(即ちセル密度が高くなるにつれ)より大きな問題となる。例えば、図2Fにおいて、セル密度が上昇すると、理想的には並列のトランジスタ数を増加させて所定の面積のデバイスの全体の抵抗値を下げるはずである。デバイスの類似していない領域どうしの比較を避けるために、オン抵抗RDSは多くの場合面積Aによって標準化され、単位がオン抵抗×面積(例えばmΩcm2)である、固有オン抵抗値RDSAとして知られる性能指数によって表記される。領域I(セル密度が約12Mセル/平方インチ未満)では、セル密度が上昇すると、固有オン抵抗値が予測されるとおりに低下する。それよりセル密度が高い領域IIでは、エピタキシャル層における電流の拡がりを規制する深いボディの影響によってセル当たりのオン抵抗値の上昇が起こり、これが同じ面積により多くの平行な導電性セルを有することによって得られる利益を相殺してしまう。電流の拡がりの制限は一定の固有オン抵抗値を生じ、従ってセル密度の上昇による抵抗値の低下が達成できない。領域III(例えばセル密度が24Mセル/平方インチ以上)では、オン抵抗値は急激に上昇し始める。これは、深いボディの高い濃度がチャネル濃度に悪影響を及ぼし始めることによってデバイスの閾値電圧を高める場合に生ずる効果である。
The increase in on-resistance due to the deep body diode surrounding each
図2Gは、トレンチゲート型MOSFET180のクローズドセルアレイ(この場合は正方形)の平面図であって、トレンチ領域181に充填されたポリシリコン及びトレンチ間のメサ領域(台地形状領域)182が示されており、深いボディ領域183は各メサ領域182の内部に配置されている。深いボディ領域183とトレンチ領域181との間隔が接近しすぎると、上述のように深いボディ領域183の高濃度がチャネルの濃度に悪影響を及ぼす。この効果は、深いボディ領域183が大きすぎる場合、またはセルのピッチを小さくして深いボディ領域183を合わせて縮小しなかった場合に生じ得る。深いボディ領域183は、少なくともトレンチの底部を通過して拡散される最小のサイズを有していなければならない。深いボディ領域183がその深さより小さくなると、拡散効果の不足を示し始める(この場合表面全体に沿った表面の濃度が横方向及び垂直方向の拡散の両方によって影響を受ける)。拡散不足の影響は、深いボディの接合深さが他の領域における場合より浅くなり、かつトレンチの底部より低い位置まで達しなくなり、深いボディ領域の存在から得られる利益が失われることである。
FIG. 2G is a plan view of a closed cell array (in this case, a square) of the trench
W. Grabowskim、R. Williams、M. Darwishに付与された”Trench-Gated Power MOSFET with Protective Diode”なる名称の米国特許第6140678号に記載された別の方法では、深いボディ領域を各メサ領域に導入せず、代わりにデバイスのメサ領域の一部(一般的には全アクティブデバイスセルの1/16)に限定する。図3Aでは、デバイスの断面図に、高濃度ドープ基板201の上のエピタキシャル層202に形成されたゲート酸下層204及び埋め込まれたトレンチポリシリコン205を備えたトレンチのアレイが示されている。ボディ拡散領域(集合的に203)は、トレンチの間のアクティブチャネル部分203A、203B、203C、203E、及び203Fを含む各メサ領域に形成される。ボディ領域203Dは、ソース領域が存在しないが、2つの隣接するトレンチ間全体に延在し得る幅ydP+を有する深いボディ領域209(図に示すNチャネルの例ではdP+なる符号が付されている)を備えている、ダイオードオンリーセルに形成される。
Another method described in US Pat. No. 6,140,678 entitled “Trench-Gated Power MOSFET with Protective Diode” granted to W. Grabowskim, R. Williams, M. Darwish uses a deep body region for each mesa region. Instead, it is instead limited to a portion of the device's mesa area (typically 1/16 of all active device cells). In FIG. 3A, a cross-sectional view of the device shows an array of trenches with a
デバイス200は図2Aのデバイス150に類似しているが、デバイス200の動作は、図3Bに等価回路図として概略が示されているように実質的に異なっている。図3Bにおいて、MOSFET220とそれに並列なツェナダイオード222とが異なる面積を有している。各面積は、ダイオードは”1/A”という符号で表され、MOSFETは”(n−1)/A”という符号で表されている。これらの符号は、アクティブ領域A(n個のセルを含む)において1個のセルがダイオードセルを構成し、他の(nー1)個のセルがアクティブトランジスタを有していることを表している。アクティブトランジスタは、トレンチゲート電極によりゲート制御される、一体的なボディ−ドレインPN接合ダイオード221も含んでいる。図2Aのデバイス150におけるゲート付きダイオードのブレークダウンを最小にする深いボディ領域の電荷共有効果(JFET効果)の利益は、1/n設計では失われてしまう。なぜなら深いボディ領域が各セルの内部や近傍に存在しないからである。電荷共有効果がないと、デバイスの保護は完全に、まばらではあるが均等に所定間隔で設けられたツェナダイオードのみに依存することになる。電荷共有効果がないので、ダイオード222のツェナブレークダウン電圧は、ゲートダイオード221のブレークダウン電圧より低くなり、これがある程度の保護を与えることに注意されたい。
”n”セルデバイスでは、n個のセルあたり1個のセル(1/nセル)が、保護用ツェナダイオードクランプ222を有し、残りのセルがアクティブデバイスを有する。そのレイアウトは、図3Cのクローズドセルアレイ垂直トレンチゲート型MOSFETの平面図に最もわかりやすく示されている。このような設計では、トレンチゲートアレイ231が、反復される16個のセルのアレイを含み、うち15個のセルがアクティブデバイス234を有し、残りの1個のダイオードセル232が深いボディ233を有する。全アレイは所定の間隔で反復して配置される。
In an “n” cell device, one cell per n cells (1 / n cell) has a protective
原理上は、深いボディ開口233によって形成されるダイオードクランプ222が、デバイスに印加される最大電圧を制限する。ツェナダイオードのコンタクト及び接合部領域は、損傷を受けずにアバランシェ電流を流すことができる十分な面積でなければならない。しかし実際上は、深いボディ領域の寸法ydp+は、メサ領域232より概ね小さくなければならないが、深い接合部の横方向の拡散は隣接するアクティブセルの上に進んで、それら導電能力を損なう。
In principle, the
図3Dは、1/n設計のアバランシェ時の動作、即ちシリコンアバランシェ点において高電圧と強電界を維持しながら電流が流れる様子を示している。適切な動作時には、深いボディ領域209がデバイスでの最強電界を維持し、イオン化輪郭線がブレークダウンを示し、その結果生じる電流はトレンチゲート酸化層204から離れた深いボディ拡散領域の底部において発生する。トレンチゲートの近傍(トレンチの近傍のボディ203Cの下側)におけるイオン化を低いレベルに維持するため、深いボディダイオード209からエピタキシャル層202Aへのアバランシェブレークダウンは、トレンチゲートによってゲートの作用を受けるボディ203Cからエピタキシャル層202へのブレークダウンより実質的に低くなければならない。
FIG. 3D shows an operation during 1 / n design avalanche, that is, a state in which a current flows while maintaining a high voltage and a strong electric field at a silicon avalanche point. In proper operation, the
この原理は、図3Eのグラフに示されており、この図では構成要素のダイオードブレークダウン電圧BVが、ゲート酸下層の厚さXoxの関数として示されている。平坦なボディ接合部のブレークダウンBV(PB)は、ゲート酸下層が、線243が示しているフィールドプレート誘導ブレークダウンを誘導するのに十分な薄さに達するまで、線242が示すアバランシェ電圧を有する。線240が示す深いボディツェナダイオードクランプのアバランシェブレークダウン電圧BVZは、トレンチゲートの近傍でブレークダウンが生じないように、意図的にボディダイオードのブレークダウン電圧(線242)より低くなるように設計されている。FPIブレークダウン電圧がツェナ電圧より低くならないような製造上の変更を許容するために、電圧の余裕は4V乃至10Vもたせるのが望ましい。
This principle is illustrated in the graph of FIG. 3E, where the component diode breakdown voltage BV is shown as a function of the gate oxide underlayer thickness Xox. The flat body junction breakdown BV (PB) reduces the avalanche voltage indicated by
FPIブレークダウンが線240のツェナ電圧BVZより低くなると、デバイスは保護されなくなる。この問題は、エピタキシャル層におけるエピタキシャルドーパント濃度が高い場合及びゲート酸下層がより薄い場合に生ずる。つまり低い電圧のトレンチデバイスをオン抵抗を可能な限り小さくするべく最適化するのに必要な条件の場合に生ずる。この効果は図3Fのグラフによって例示されている。図3Fは、エピタキシャル濃度が高濃度の場合に、PN接合部のアバランシェブレークダウンからFPIブレークダウン251への移行が、エピタキシャル濃度に左右されることを示している。ツェナ電圧BVZは、領域253において濃度依存性がほとんどなく、またツェナダイオードはPINリーチスルーアバランシェ状態にある。即ちアバランシェにおける空乏領域がエピタキシャル層を完全に空乏化している状態(より具体的には正味のエピタキシャル層が深いボディ接合部の底部と高濃度ドープ基板の上部の間にしか存在しない状態)にある。ドーパント濃度がより高濃度になると、エピタキシャル層はもはや空乏化せず、ダイオードは領域254の古典的なPNドーピング依存性を示すようになる。しかし、それが起こる前に、ボディ接合部のFPIブレークダウンがBVZより低い電圧まで下がり、デバイスがもはや保護されなくなる。
When the FPI breakdown falls below the zener voltage BV Z on
結論として、1/nクランプ方式は、低電圧デバイスにおいて、そのクランプ能力及びFPIブレークダウンの対する保護を与える能力が制限されてしまう。例えば、薄いゲート酸下層を有する30定格のMOSFETを保護するために、ツェナは34Vでブレークダウンするように設計しなければならず。ゲート付きボディダイオードは、40V以上でブレークダウンする非常に低濃度のエピタキシャルドーピングを使用しなければならない。要するに、40VのMOSFETは、30Vでしか安全な動作させる使用ができない。余分の10Vのアバランシェ保護帯は、そのデバイスが30デバイスではなく40Vデバイスのオン抵抗を有することを意味している。この方法は、図2Aのデバイス150ほど酷くはないものの、依然として望ましいオン抵抗より高いオン抵抗となる。
In conclusion, the 1 / n clamping scheme has limited clamping capability and ability to provide protection against FPI breakdown in low voltage devices. For example, to protect a 30 rated MOSFET with a thin gate oxide underlayer, the Zener must be designed to break down at 34V. A gated body diode must use a very low concentration of epitaxial doping that breaks down above 40V. In short, a 40V MOSFET can only be used to operate safely at 30V. The extra 10V avalanche protection band means that the device has an on-resistance of 40V devices instead of 30 devices. Although this method is not as severe as the
FPIブレークダウンの問題の影響を低減する方法が、Williamsらに付与された米国特許第6291298号に記載されている。図4Aに示すように、断面で示されたトレンチゲート型垂直パワーMOSFET300は、埋め込まれたポリシリコンゲート304A−304C(集合的にゲート304と称する)及び薄い側壁ゲート酸下層310A−310C(集合的に側壁ゲート酸下層310と称する)を備えたトレンチゲートを有し、かつ各トレンチの底部に位置する厚い酸化領域303A−303C(集合的に厚い底部酸下層303と称する)を備えている。厚い底部酸下層(TBOX)は、通常の厚さが2kÅ程度であり、ボディ領域305A−305D(集合的にボディ305と称する)によって形成された接合部に対するトレンチゲートの影響を大幅に低減し、フィールドプレート誘導衝撃イオン化を低減して、トレンチ底部におけるキャリア注入による劣化から酸化層を保護し、かつドレイン−ゲートの重なり部分におけるキャパシタンスを低下させる。側壁ゲート酸下層310が、厚さのボディ305からエピタキシャル層302へのPN接合ブレークダウンに及ぼす影響は、とりわけゲートポリシリコン304のボディがボディ305より少し先までしか重なっていない場合には、TBOX領域303が存在することにより著しく低減される。ボディ領域を形成する最適な方法は、高エネルギーイオン注入と熱拡散による再分散のない注入状態維持型(as-implanted)ドーパントプロフィールを用いた方法であることが分かっている。
A method for reducing the impact of the FPI breakdown problem is described in US Pat. No. 6,291,298 to Williams et al. As shown in FIG. 4A, the trench-gate
図に示すデバイスは金属311に短絡されたソース領域306A−306Dを有する一様なセルを備えており、かつ(図4Aの特定の断面には示されていない)デバイスの3次元的な突出部分において金属311が接続している、ボディ領域305へのコンタクト部を備えている。各トレンチは、上側誘電体308A−308Cによってソース金属から絶縁されている。デバイス300の概略等価回路図が図4Bに示されており、ここではMOSFET320にボディ−ドレイン接合部321に並列に接続されている。ツェナダイオードクランプは存在せず、実質的にフィールドプレート誘導ブレークダウンメカニズムも存在していない。
The device shown comprises a uniform cell with
図4Cは、電圧クランプを必要としない継続するアバランシェにおける厚い底部酸化層の利点を示す図である。トレンチデバイスをアバランシェ状態にバイアスすると(図4Cにおいてはゲート付きダイオードとして単純化した形態で示されている)、イオン化輪郭線が示すように、アバランシェがTBOX領域303Bに対向するトレンチ底部において発生し、ボディ領域305Cを越えた薄いゲート酸化層310Bの重複部分の近傍では発生しない。この構造では、ボディ領域305B及び反対の導電型のエピタキシャル層302によって形成された接合部とゲート電極304Bとが近接しているにもかかわらず、最小限のホットキャリアしか薄い側壁ゲート酸下層310Bには注入されない。そのようなデバイスのホットキャリアの信頼性は、トレンチを裏打ちする全体に薄い酸化層を備えたクランプされていないデバイスより大幅に改善される。さらに、そのようなデバイスのブレークダウンはゲート酸下層304Bの厚さに左右される度合いが最小限で済む。しかし、アバランシェ時の横方向の電流がボディ領域305(図4Cのボディ領域305C)内で発生し得ることに注意されたい。この横方向の電流は、純粋な垂直方向の電流と比べて望ましいものではなく、後述するように重要な問題である。
FIG. 4C illustrates the advantage of a thick bottom oxide layer in a continuous avalanche that does not require a voltage clamp. When the trench device is biased to an avalanche state (shown in simplified form as a gated diode in FIG. 4C), an avalanche occurs at the bottom of the trench opposite the
図5Aは、従来型の、一様なゲート酸下層を備えたトレンチゲート型ダイオード340(または類似のトレンチゲート型MOSFET)におけるホットキャリアトラッピング及び酸化層劣化の現象を示す図である。ゲート電極346の存在が、ボディ343A、343Bとエピタキシャル層342との間の逆バイアス接合におけるFPIキャリア生成を誘導する。領域350における電界を局所的に強化するトレンチの湾曲効果を含めて、電子対が衝撃イオン化によって生成される。アバランシェ電圧より低い電圧においてすら、これらのキャリアは逆バイアスされた接合部の局所的な高い電界によって加速されて、電子はウエハの裏側のコンタクトに向かって集められ、正孔は負にバイアスされたゲート電極に向かって加速される。正孔が十分なエネルギーを得ている場合には、正孔は酸化シリコン界面のエネルギー障壁を乗り越えて自ら酸化層345のなかに入り込み、薄いゲート酸下層345を次第に荷電して劣化させることがある。
FIG. 5A is a diagram illustrating the phenomenon of hot carrier trapping and oxide layer degradation in a conventional trench gated diode 340 (or similar trench gated MOSFET) with a uniform gate oxide underlayer. The presence of the
これに対して、図5Bに示すTBOX領域361を有するトレンチゲート型デバイス360は、主として領域367における衝撃イオン化で誘導されたホットキャリア生成を示し、これが実質的にデバイスの信頼性に影響を与えない厚い酸化層361へのホット正孔注入をもたらす。薄い側壁ゲート酸下層362の近傍における領域368でのホットキャリアの生成のみが、デバイス360の導電特性及び長期的な信頼性を損ない得る。この不具合は統計的なプロセスであり統計的な現象であることから、領域368の断面積を小さくすると電荷注入は最小となり、最悪の場合でも非常に時間をかけた劣化しか起こらない。注入をそのような低いレベルとすることによって、20年以上の動作の信頼性の確保と製品寿命を達成できる。従って、厚い底部酸下層361はホットキャリアによって誘導される劣化を防止するが、厚い底部酸下層361は、大電流のアバランシェ条件で生じ得る二重注入効果を完全には防止しない。
In contrast, the trench
この二重注入効果は図6Aに示されている。この図では薄いゲートを備えたトレンチゲート型垂直パワーMOSFET380が、以前に示したゲート付きダイオード構造(ゲート385、薄いゲート酸下層384、ボディ領域383A、383B、及び高濃度ドープされたボディコンタクト領域386A、386Bを含む)を備えるのみならず、反対の導電型のソース領域387A、387B(N+領域として示されている)をも備える。電流のラインによって図示されているように、衝撃イオン化からのプレアバランシェ電流は、N型エピタキシャル層382における電子と、ボディ領域383B内を横方向に流れて、ボディコンタクトP+領域383Bに流れ込む、P型ボディ領域における正孔とを含む。ボディ領域383Bがそのような動作中に比較的空乏化されていないと仮定すると、P型ボディ領域383Bにおける正孔の流れはキャリア伝導の大部分を構成する。図6Bに示すように、P型材料における正孔の伝導は、寄生抵抗rbに関連する電圧降下と、ソース−ボディ接地電位(0V)より高い電圧VB(y)へのボディ領域383Cの電圧の上昇とを示す。従って、ゲート付きダイオード391はFPIイオン化電流を生成し、これによってボディ電圧のバイアスが除去される。電圧VB(y)がN+ソース387Cの電位より0.6V(即ち順バイアスダイオード電圧)以上高くなった場合には、N+ソース387Cが薄いP型ボディ領域383C内に電子を注入し始める。これらの注入された電子は、エミッタとしてのN+ソース領域387C、ベースとしてのP型ボディ383C、及びコレクタとしてのN型エピタキシャル層382を有する寄生NPNバイポーラトランジスタのコレクタ電流を高め、このために二重注入と呼ばれている。この電子の流れは、ゲート電流と平行に流れるが、これが正帰還を与えることになって、特に高温化において電位暴走状態が生ずる。NPN寄生トランジスタの正帰還は、温度が高くなるにつれて悪化して、局所的な過熱、ホットスポット、及び局所的な電流密度の増加によるデバイスの焼け付きを引き起こす。
This double injection effect is illustrated in FIG. 6A. In this figure, a trench gated
二重注入の問題に対する解決としては、抵抗rbを小さく維持するべくN+ソース領域387Cの長さを短くし、かつボディ領域383Cの濃度をできる限り高濃度にする(所定の目標閾値電圧及びゲート酸下層厚さの条件の下で)ことである。この良好なソース−ボディ短絡の原理は、図6Cに概略等価回路図として示されている。この図では、MOSFET400が、ドレイン−ボディPNダイオード401(アバランシェにおけるFPI効果を有し得る)、寄生NPNトランジスタ403、及び大きさrbの寄生ベース抵抗402を有するソース−ボディ短絡コンタクトを有する。この短絡が完全で理想的であれば、抵抗rbはゼロとなり、NPNトランジスタ403はオン状態にならず、N+ソースからの電子注入を回避し、従って図5Dの電流IDとドレイン−ソース電圧VDSとの関係に示される電圧スナップバックを生ずる危険を回避できる。
As a solution to the double injection problem, the length of the N +
ボディ領域の全長さに沿ったP+ボディコンタクトに接触する十分な余裕がない狭いメサを有するトレンチゲート型パワーMOSFETでは特に、抵抗rbを小さくすることが困難である。図6E及び図6Fに断面を示すデバイス500では、P+コンタクト505Aへの抵抗rbが、特にN+ソース504Aの下のP型ボディ503内を流れる電流に対して無視できないものとなり得る。ソースはP+コンタクト505Aに接触する余裕を与えるために中断された形態にされなければならず、このことによって、ソースの周囲の大きさ(オン抵抗の低さ)と、ボディコンタクトP+(抵抗rbの低さ及びスナップバックの改善)との間に望ましくないトレードオフの関係が生ずる。
It is particularly difficult to reduce the resistance rb in a trench gate type power MOSFET having a narrow mesa that does not have sufficient margin to contact the P + body contact along the entire length of the body region. In the
従って、要約すると、二重注入は、トレンチゲート型パワーMOSFETのオフ状態での遮断特性を、フィールドプレート誘導(FPI)衝撃イオン化とFPIアバランシェ電流から生ずる電圧よりさらに低い電圧まで低下させ得る。さらに電圧クランプがないと、高いアバランシェ電流を(ボディ領域における横方向の電流を回避するために)トレンチエッジから離れるようにシャント(迂回)して、二重注入で誘導されるスナップバックを抑制することは困難である。図2Aのデバイス150で実現されているような深いボディ領域を用いる方法や、図3Aのデバイス200で実現されているような分散された(1/n型)ダイオードクランプは、二重注入を抑制するが、デバイスのオン抵抗を高めてしまう。この高いオン抵抗は、デバイス150のセル密度が厳しい限界をもたらし、このため各セルに深いボディを設ける必要がでてくる。分散されたクランプでの抵抗の上昇も無視できないものであり、FPIブレークダウンを避けるために少なくとも10Vの設計上の猶予(これはオン抵抗の20−40%の上昇をもたらし得る)が必要となる一方で、FPI衝撃イオン化電流を完全に除去することは依然としてできない。
Thus, in summary, double implantation can reduce the off-state cutoff characteristics of a trench gated power MOSFET to a voltage even lower than that resulting from field plate induced (FPI) impact ionization and FPI avalanche current. Without further voltage clamping, the high avalanche current is shunted away from the trench edge (to avoid lateral current in the body region) to suppress snapback induced by double injection. It is difficult. A method using a deep body region as realized in the
図7のデバイス550の断面図に示すように、1/nクランプ法を用いているが、同時に浅い高濃度ドープボディ554または浅いツェナ電圧クランプを用いている場合には、デバイス550を十分に保護することができない。トレンチゲート556A、556Bがダイオード接合部のクランプより深いため、そこが初めにブレークダウンするからである。一例として、デバイスの製造における非対象性によって、領域558及び559のようなトレンチの両側ではなく一方の側においてアバランシェが起こりやすくなり、局所的な高いイオン化電流を原因とする二重注入が起こりやすくなる。
As shown in the cross-sectional view of the
厚い底部酸下層によって、FPI衝撃イオン化電流が低減し、アバランシェの発生が高まし、かつデバイスのブレークダウン電圧が高くなるが、厚い底部酸下層自体は、特にそのデバイスが高電流ブレークダウン動作に入るように駆動されている場合(誘導性の負荷を備えた電源回路の用途で一般的な条件)には、二重注入の発生の防止を保証するものではない。 A thick bottom acid underlayer reduces the FPI impact ionization current, increases avalanche generation, and increases the breakdown voltage of the device, but the thick bottom acid underlayer itself, in particular, causes the device to enter high current breakdown operation. When driven in such a manner (a general condition in the use of a power supply circuit having an inductive load), it is not guaranteed to prevent the occurrence of double injection.
トレンチゲート型パワーMOSFETにおけるスナップバックを避けるべく電圧をクランプする(かつアバランシェ電流を迂回させる)ために利用できる方法は、高いオン抵抗をもたらし、薄いゲートのフィールドプレート誘導(FPI)効果からの衝撃イオン化を低減するために利用可能な方法は二重注入及びスナップバックを防止することがほとんどできない。必要とされているのは、オン状態に抵抗を過度に高めることなく、アバランシェ電流をクランプまたは迂回させられ、かつ(薄いゲート酸下層でも)FPI衝撃イオン化を回避(少なくとも最小化)できるデバイスである。 A method available to clamp the voltage (and bypass the avalanche current) to avoid snapback in trench gated power MOSFETs results in high on-resistance and impact ionization from thin gate field plate inductive (FPI) effects The methods available to reduce the seldom prevent double injection and snapback. What is needed is a device that can clamp or bypass avalanche current and avoid (at least minimize) FPI impact ionization (even under a thin gate acid underlayer) without excessively increasing resistance to the on state. .
本発明の一態様によれば、トレンチゲート型MOSFETが、
同じ導電型の基板の上のエピタキシャル層と、
厚い底部酸下層、側壁ゲート酸下、及び導電性ゲートを含むトレンチと、
前記ゲートより浅い反対の導電型のボディ領域と、
前記ボディ領域よりも高濃度にドープされ、かつ深いが、前記トレンチより浅い、ツェナクランプ領域とを有する。ツェナ接合部は、前記トレンチの近傍のボディ接合部のFPIブレークダウンより低くドレイン−ソース電圧をクランプするが、前記トレンチよりも浅いツェナ接合部は、最大ドレイン−ソース電圧の過度な低下を回避する。
According to one aspect of the present invention, a trench gate type MOSFET is
An epitaxial layer on a substrate of the same conductivity type;
A trench including a thick bottom acid underlayer, under a sidewall gate acid, and a conductive gate;
A body region of opposite conductivity type shallower than the gate;
A zener clamp region that is more heavily doped than the body region and deep but shallower than the trench. The Zener junction clamps the drain-source voltage below the FPI breakdown of the body junction near the trench, but the Zener junction shallower than the trench avoids excessive reduction of the maximum drain-source voltage. .
本発明の或る特定の実施形態は、前記基板のトレンチ内にゲート構造を有する半導体デバイスである。トレンチのそれぞれにおいて、ゲート構造は、前記トレンチの側壁部では第1の厚さで前記トレンチの底部では第2の厚さの二酸化シリコンのような絶縁性材料によって外囲された導電性(例えばポリシリコンまたはシリサイド)ゲートを含む。前記第1の厚さは、前記ゲート酸下層の厚さであり、前記第2厚さは前記第1の厚さよりも厚い底部酸下層の厚さである。第2の導電型の第1の領域(例えばボディ領域)は、トレンチの少なくとも1つに隣接し、基板内に第1の深さまで延在している。第2の導電型の第2の領域(例えばツェナクランプ領域)は、前記第1領域に電気的に接触し、前記第1の深さより深くかつ前記トレンチより浅い第2の深さまで延在している。この導電性ゲートは、通常第1の深さより深く、かつ第2の深さより浅い深さまで延在している。 One particular embodiment of the invention is a semiconductor device having a gate structure in a trench in the substrate. In each of the trenches, the gate structure is electrically conductive (eg, poly-silicone) surrounded by an insulating material such as silicon dioxide having a first thickness on the sidewalls of the trench and a second thickness on the bottom of the trench. Silicon or silicide) gate. The first thickness is the thickness of the gate acid underlayer, and the second thickness is the thickness of the bottom acid underlayer that is thicker than the first thickness. A first region of second conductivity type (eg, a body region) is adjacent to at least one of the trenches and extends into the substrate to a first depth. A second region of the second conductivity type (eg, a Zener clamp region) is in electrical contact with the first region and extends to a second depth deeper than the first depth and shallower than the trench. Yes. This conductive gate usually extends to a depth deeper than the first depth and shallower than the second depth.
第1の導電型の第3の領域(例えばソース領域)は、ボディ領域の上に位置し、かつ前記ゲート及びゲート酸下層に隣接しており、前記導電性ゲート上の電圧が、前記第3の領域から前記第1の領域を通して前記基板の下側の部分まで流れる電流を制御する。この電流は、一般的には、前記第3の領域から前記第1の領域を通り、さらにエピタキシャル層を通して高濃度にドープされた半導体基板に流れる。 A third region of the first conductivity type (eg, a source region) is located on the body region and is adjacent to the gate and the gate oxide layer, and the voltage on the conductive gate is the third region. The current flowing from the first region to the lower portion of the substrate is controlled. This current generally flows from the third region through the first region and through the epitaxial layer to the highly doped semiconductor substrate.
基板の構造は、デバイスの特性を制御するべく変更することができる。通常、前記基板は、第1の半導体層(例えばエピタキシャル層)と、第1の半導体層の下に位置し、第1の半導体層より高濃度にドープされた半導体基板と、前記第1半導体層内に設けられたトレンチとを有する。前記第1の層には、第1導電型のドーパント濃度が、層内で深くなるにつれて高濃度になるような連続的な濃度勾配を与えることができる。また異なる打ち込み深さとドーパント濃度を有する一連の注入よって、深くなるにつれてエピタキシャル層と同じ導電型のドーパント濃度が増加する形にすることができる。或いは、基板が、第1の半導体層と、その上の前記第1の半導体層より低濃度にドープされた第2の半導体層と有していてもよい。この形態では、第1の領域即ちボディ領域が、第2の半導体層と接合部を形成し、第2の領域即ちツェナクランプ領域は前記第1の半導体層と接合部を形成する。 The structure of the substrate can be altered to control device characteristics. Typically, the substrate is a first semiconductor layer (for example, an epitaxial layer), a semiconductor substrate that is located below the first semiconductor layer and is doped at a higher concentration than the first semiconductor layer, and the first semiconductor layer And a trench provided therein. The first layer can be provided with a continuous concentration gradient in which the dopant concentration of the first conductivity type becomes higher as the dopant concentration becomes deeper in the layer. Also, a series of implantations having different implantation depths and dopant concentrations can increase the dopant concentration of the same conductivity type as the epitaxial layer as the depth increases. Alternatively, the substrate may have a first semiconductor layer and a second semiconductor layer doped thereon at a lower concentration than the first semiconductor layer. In this embodiment, the first region or body region forms a junction with the second semiconductor layer, and the second region or Zener clamp region forms a junction with the first semiconductor layer.
ツェナクランプ領域は、深さの異なる連続した注入部を有するか、或いは所望の深さまでの拡散によって設けられる。しかし通常は、ツェナクランプの注入状態維持型の(as-implanted)構造で、優れた接合部プロフィール及びプロセス再現性が得られる。或る形態では、ツェナクランプ領域は、選択されたいくつかの位置において隣接するトレンチ間の距離を完全に埋めるように延在しており、さらにトレンチ間にある隣接するメサの組まで延在し得る。或いは、ツェナクランプ領域が選択されたアクティブトランジスタセルに含められてもよい。 The zener clamp region has continuous implants with different depths or is provided by diffusion to a desired depth. Usually, however, the Zener clamp as-implanted structure provides excellent joint profile and process repeatability. In one form, the Zener clamp region extends to completely fill the distance between adjacent trenches at selected locations, and further extends to a set of adjacent mesas between the trenches. obtain. Alternatively, a Zener clamp region may be included in the selected active transistor cell.
トレンチのゲート構造に電気的に接続されたゲート構造は、ボディ領域及び/またはツェナクランプの少なくとも一部を含む基板の部分の上に位置し得る。より詳しくは、ボディ及び/またはクランプ領域は、ゲートバスを形成する前に形成されるか、或いはゲートバスの形成後にゲートバスを通しての注入によって形成され得る。 A gate structure electrically connected to the gate structure of the trench may be located on a portion of the substrate that includes at least a portion of the body region and / or the Zener clamp. More particularly, the body and / or clamp region may be formed before forming the gate bus, or may be formed by implantation through the gate bus after forming the gate bus.
本発明の別の特定の実施形態はトレンチゲート型MOSFETのような半導体デバイスの製造プロセスである。このプロセスは、
(a)第1の導電型の基板に複数のトレンチを形成する過程と、
(b)前記トレンチの底部に厚い酸化層を被着する過程と、
(c)前記トレンチの側壁上にゲート酸下層を形成する過程と、
(d)前記トレンチに導電性材料を充填する過程と、
(e)トレンチ間の1以上のメサ(台地形状領域)に対応する領域において前記基板に第2の導電型のボディ領域を形成する過程であって、前記ボディ領域が第1の深さを有する、該過程と、
(f)前記トレンチの間の1以上のメサに対応する領域における、前記第2の導電型のクランプ領域を形成する過程であって、前記クランプ領域は、前記第1の深さより深くかつ前記トレンチより浅い第2の深さを有する、該過程と、
(g)前記ボディ領域の上に前記第1の導電型のアクティブ領域を形成する過程と、
(h)前記導電性材料、前記アクティブ領域、及び前記基板への電気的接続部を設ける過程とを有する。別のプロセスフローでは、(a)過程乃至(d)過程が、(e)過程及び(f)過程の前または後に行われる。
Another specific embodiment of the present invention is a process for manufacturing a semiconductor device such as a trench gate type MOSFET. This process
(A) forming a plurality of trenches in a first conductivity type substrate;
(B) depositing a thick oxide layer on the bottom of the trench;
(C) forming a gate acid underlayer on the trench sidewall;
(D) filling the trench with a conductive material;
(E) A process of forming a second conductivity type body region on the substrate in a region corresponding to one or more mesas (mountain shape regions) between the trenches, wherein the body region has a first depth. The process,
(F) forming a clamp region of the second conductivity type in a region corresponding to one or more mesas between the trenches, wherein the clamp region is deeper than the first depth and the trench The process having a shallower second depth; and
(G) forming an active region of the first conductivity type on the body region;
(H) providing an electrical connection to the conductive material, the active region, and the substrate. In another process flow, the steps (a) to (d) are performed before or after the steps (e) and (f).
このプロセスは、ゲートバスを形成するための別のプロセスフローを用いることができる。或るプロセスフローでは、導電性材料をパターニングして前記基板の上に位置するゲートバスを形成する。そのゲートバスを通して第2の導電型のドーパントを注入することによって、ボディ及び/またはクランプ領域を形成し得る。或いは、前記基板の表面から(例えばエッチバックまたはCMPプロセスによって)導電性材料を除去し、次いで前記ボディ領域及びクランプ領域を形成した後にゲートバスを形成する。以下に図面を参照して本発明を説明するが、異なる図面において類似した要素または同一の要素には同じ符号を付してある。 This process can use another process flow to form the gate bus. In one process flow, a conductive material is patterned to form a gate bus located on the substrate. The body and / or clamp region may be formed by implanting a dopant of the second conductivity type through the gate bus. Alternatively, the conductive material is removed from the surface of the substrate (eg, by an etch back or CMP process), and then the body region and clamp region are formed before forming the gate bus. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention will be described below with reference to the drawings. In different drawings, similar or identical elements are given the same reference numerals.
図8は、本発明の一実施形態による、トレンチゲート型MOSFETデバイス570の断面図である。デバイス570は埋め込まれたポリシリコンゲート576を備えたトレンチのアレイと、同じ導電型の高濃度ドーピング基板571の上に位置するエピタキシャル層572に形成された厚い底部酸化層577A、577B、577Cを有する。トレンチ間のシリコンのメサ領域(台地形状領域)では、エピタキシャル層572とは異なる導電型の不純物を拡散または注入したボディ573(具体的にはボディ573A−573D)が、埋め込まれたポリシリコンゲート576の底部の深さよりわずかに浅い深さを有している。ボディ573は、イオン注入後の熱拡散によってドーパントの再分散が全く生じないか僅かにしか生じないような任意のドーパントプロフィール(箱形状またはガウス曲線形状のプロフィールを含む)を形成するエネルギーとドーズ量を変えて行うイオンの連続注入を利用して形成され得る。これらの注入状態維持型(as-implanted)プロフィールは、低サーマルバジェット及び低温度プロセスに一致するプロフィールである。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a trench gated
トレンチ間のシリコンメサには多数のアクティブトランジスタセルまたはストライプが形成される。図8において、各アクティブセルはボディ領域573A、573B、または573D及びソース領域574A、574B、または574Cを有する。ボディ領域573A−573Dへのコンタクトは、三次元的に形成、即ち図8の断面には示されていないZ軸方向に形成される。
A number of active transistor cells or stripes are formed in the silicon mesa between the trenches. In FIG. 8, each active cell has a
図8において、アクティブソース領域574A、574B、及び574Cには「N+」なる符号が付され、エピタキシャル層572には「Nepi」なる符号が符号が付されてN型のドーピング領域であることが示されている。またボディ領域573には「PB」なる符号が付されて、ボディがP型ドーピング領域であることが示されている。導電型を逆にすることによって、Pチャネルデバイスを形成することができる。
In FIG. 8, the
ボディ領域573Cを含むメサでは、ボディ領域573Cと同じ導電型のドーパントを含むより高濃度にドープされた領域578及び/または深い接合部が形成され、局所的なツェナダイオードクランプとして作用する。領域578とエピタキシャル層572との間の接合部に形成されたツェナダイオードは、ボディ573とエピタキシャル層572との間の接合部と比較して低い電圧でアバランシェブレークダウンするように設計されており、従って領域578によって形成されたツェナダイオードがデバイス570のソース−ドレイン電圧をクランプする。トレンチゲート付きボディ接合部のFPIブレークダウンより低い電圧へのクランプを達成するために、ツェナ注入領域578(ここではPZなる符合を付してある)は埋め込まれたポリシリコンゲート576の底部より深い深さを有するべきであるが、ブレークダウンの低下を避けるために接合部はトレンチの底部より浅い位置にあるべきである。従ってツェナ注入領域578は、ポリシリコンゲート576よりは深いがトレンチよりは浅い深さであるべきであり、この方法は厚い底部酸化層577A、577B、及び577Cが存在する場合にのみ可能である。従って浅い電圧クランプと厚い底部酸化層とを組み合せることによって、いずれか一方の要素自体では達成し得ない特別に有利な効果が得られる。
In the mesa that includes the
デバイス570を完成させるために、各トレンチは上側酸化層580A、580B、580Cで覆われて、埋め込まれたゲート576が厚いアルミ・銅・シリコンのソースメタリゼーションに短絡するのが防止される。さらにTiNまたはシリサイドのバリア層581を用いて、金属582、ソース領域574A、574B、及び574C、及びボディ−コンタクト領域575(これらの要素はすべて、図8の断面図には示されていないが、Z軸方向においてさまざまに改変した形態で設けることができる。)の間の接続を容易にする。
To complete the
図8のデバイス570の等価回路図が図9Aに示されている。図9Aでは、MOSFET600が固有のボディ−ドレインダイオード601及びツェナダイオードクランプ602を有する。ボディ−ドレインダイオード601は、(ゲート576が図8におけるボディ573とエピタキシャル層572の間の接合部の僅かに超えた部分にしか重なっていないために)FPI劣化がないか、僅かにしかないブレークダウンBVjを有する。ツェナダイオード602のブレークダウンBVzは、そのためだけの注入及び拡散によって、または連続注入されたエピタキシャル層によってプログラムされ、厚い底部酸化層がゲート酸下層をホットキャリアによる劣化からシールドするためにボディ−エピタキシャル接合部より僅かに低い電圧であればよい。
An equivalent circuit diagram of the
この原理は、BVDSSとドーパント濃度Nepiとの関係を示す図9Bのグラフに示されている。ボディ−エピタキシャル接合部は2つのブレークダウンメカニズムを示す。一つは線分610によって示される大きさBVj(Pbody)の接合部アバランシェであり、もう一つはエピタキシャル濃度が非常に高濃度で、ゲート酸下層が非常に薄く、かつ統計的なプロセスのばらつきがトレンチゲートウェルをボディ接合部を超えるところまで達するようにしている(即ちオーバーエッチングされている)場合にのみ生ずる、線分611で示されたFPIアバランシェBVFPIである。エピタキシャルドーピング、ゲート酸下層厚さ、及びトレンチの深さの名目上の条件の下では、TBOXが形成されたデバイスの場合にはFPIメカニズムは全く発生し得ない。何れの場合にも、標準的なトレンチゲート型MOSFETと比較したとき、TBOXを充填されたトレンチゲートを用いるとFPIブレークダウンの開始が非常に高い電圧での発生となる。この電圧の改善は、場合によっては10Vにも及ぶ。
This principle is illustrated in the graph of FIG. 9B showing the relationship between BV DSS and dopant concentration Nepi. The body-epitaxial junction exhibits two breakdown mechanisms. One is a junction avalanche of size BV j (Pbody) indicated by
また、図9Bは、ツェナダイオードクランプの設計が、線612で示されたブレークダウン値BVZを有することも示しており、このブレークダウン値はほとんどの条件の下でボディ接合部のブレークダウンBVj(Pbody)よりも低い。ボディ領域より深くかつ/またはドーパント濃度が高い注入されたツェナアノードを有していることから、そのツェナダイオードクランプは、符号613の点(FPI効果がブレークダウン電圧をボディ接合部のブレークダウンより低い値にまで下げる点)までの実質的にあらゆるエピタキシャル濃度についてボディ接合部ブレークダウン電圧より低いブレークダウン電圧を有することになる。FPIブレークダウンの発生は(仮に生ずるならば)非常に高い電圧で生ずることになり、またBVZは本来BVj(Pbody)より低く両者はエピタキシャル濃度の変化に対して平行線を描くことから、ブレークダウン電圧間の電圧保護帯は最小限、即ち数V程度となり得る。
FIG. 9B also shows that the Zener diode clamp design has a breakdown value BV Z indicated by
従って、FPIブレークダウンが生じないようにする非常に低い電圧へのクランプを保証するために電圧余裕の大きい設計が採用しているいくつかの従来型のトレンチゲート型MOSFETとは異なり、この新しいデバイスのツェナクランプされたTBOXトレンチ型MOSFETは、この条件を自然に維持する。TBOX付きゲートを用いてFPI条件を実質的に除去することによって、ツェナとボディ接合部のブレークダウン電圧の両方が、エピタキシャル濃度の変化につれて実質的に平行線を描くことになり、これにより高いエピタキシャル濃度及び小さい保護電圧帯の使用が可能となる。従って、本発明の一態様によって形成されたトレンチゲート型MOSFETは、従来型のトレンチゲート型MOSFETより、低いオン抵抗を示すとともに、薄いゲートのデバイスで問題となるフィールドプレート誘導ブレークダウンによって生ずる性能や信頼性の低下を回避することができる。 Thus, unlike some conventional trench gate MOSFETs that employ a high voltage margin design to ensure a clamp to a very low voltage that prevents FPI breakdown, this new device The zener clamped TBOX trench MOSFET maintains this condition naturally. By substantially eliminating the FPI condition using a gate with a TBOX, both the Zener and body junction breakdown voltages will draw substantially parallel lines as the epitaxial concentration changes, which results in higher epitaxial It is possible to use a concentration and a small protection voltage band. Therefore, the trench gate type MOSFET formed according to one aspect of the present invention exhibits lower on-resistance than the conventional trench gate type MOSFET, and the performance caused by field plate induced breakdown, which is a problem in a thin gate device. A decrease in reliability can be avoided.
得られるオン抵抗の改善の大きさは、任意の電圧のデバイスについてエピタキシャルドーピングの濃度の高さに比例する。任意の電圧のデバイスにこの原理を適用することができるが、電圧オーバースペック設計の影響は、(各電圧値のデバイスが非常に競争的な市場に入れられている)低い電圧のデバイスにおいて一層無視できない問題となる。50V未満のデバイスでは、この新設計及びプロセスを用いることによる改善度は、電圧に概ね比例する。例えば、本発明のよって形成された薄いゲートの30Vデバイスは、名目上のブレークダウンが33V(この電圧で依然としてFPIブレークダウンは回避できる)として設計されている。これに対して、いくつかの従来型のデバイスにおいてFPIブレークダウンを防止するには、概ね43Vを目標とした、より低濃度のエピタキシャルドーピングが必要となる。33Vのエピタキシャル層と43Vのエピタキシャル層とを比較すると、オン抵抗についての改善度は概ね33/44、即ち約25%の低下である。この比較における両デバイスは信頼性を確保するために33Vにクランプされていることから、従来型のデバイスは、その低濃度にドーピングされたエピタキシャル層とそれに比例した高いオン抵抗にもかかわらず、30V定格のMOSFETとしてしか販売できない。 The magnitude of the on-resistance improvement obtained is proportional to the high concentration of epitaxial doping for any voltage device. Although this principle can be applied to any voltage device, the impact of voltage overspec design is even more negligible in low voltage devices (each voltage value device is in a very competitive market) It becomes a problem that can not be. For devices below 50V, the improvement using this new design and process is roughly proportional to voltage. For example, a thin gate 30V device formed in accordance with the present invention is designed with a nominal breakdown of 33V (this voltage still avoids FPI breakdown). In contrast, to prevent FPI breakdown in some conventional devices, a lower concentration of epitaxial doping, which is targeted at approximately 43V, is required. When comparing the 33V epitaxial layer and the 43V epitaxial layer, the improvement in on-resistance is approximately 33/44, or a decrease of about 25%. Since both devices in this comparison are clamped to 33V to ensure reliability, the conventional device is 30V despite its low doped epitaxial layer and proportionally high on-resistance. It can only be sold as a rated MOSFET.
図9Cは、ソース領域が存在しない断面図として示されている、この設計による電圧クランプされたTBOXトレンチゲート型MOSFETのバイアスのかけかた及び動作を示す図である。デバイス620は高濃度にドープされた基板621の上に成長させられたエピタキシャル層622を有する(この例では両要素をN型としている)。エピタキシャル層622におけるトレンチは、ポリシリコンゲート電極627、薄いゲート酸化層の側壁626、及び厚い底部酸下層(TBOX)領域625を含む。トレンチに隣接する2つのメサ領域は、(PB)P型ボディ623A、623Bと、高濃度にドープされたP+コンタクト領域628A、628Bとをそれぞれ有し、メサ領域の一方はボディ領域623A及び623Bより高濃度で、かつボディ領域623A及び623Bと同じかそれより深い深さを有し、好ましくはトレンチの底部及びTBOX酸化層625の最も深い部分より浅いPZツェナダイオードアノード領域624を含む。
FIG. 9C shows the biasing and operation of a voltage clamped TBOX trench gated MOSFET according to this design, shown as a cross-sectional view without the source region.
図9Cに示すように、外部電源がデバイス620をそのオフ状態にバイアスすると、PZ領域624とN型エピタキシャル層622の接合部、特にトレンチ近傍に沿った領域に沿って最も強くなる電界が生ずる。点630における衝撃イオン化は、それが生ずる場合には、薄い側壁酸下層626から離れた位置にある厚い酸化層625のなかにホットキャリアを注入する。ボディ623Aとエピタキシャル層622とのPN接合部の薄い側壁ゲート酸下層626に隣接する領域のイオン化率は、数桁分の大きさだけ低下し、従って本発明のこの実施形態により形成された電圧クランプされたTBOXゲート構造によって保護されていることが分かる。
As shown in FIG. 9C, when an external power
従って、本発明の好ましい実施形態は、あらゆるゲート酸下層の厚さに対してツェナダイオードクランプのブレークダウンがボディ接合部より低くなるように設計された、ボディよりも深いがトレンチの底部よりも浅いツェナクランプ注入部(PZ領域)及び厚いボディ酸化トレンチゲートを備えた、トレンチゲート型MOSFETである。 Accordingly, preferred embodiments of the present invention are designed so that the breakdown of the Zener diode clamp is lower than the body junction for any gate oxide underlayer thickness, deeper than the body but shallower than the bottom of the trench. A trench gate type MOSFET having a Zener clamp implant (PZ region) and a thick body oxide trench gate.
図8を再度参照すると、N+ソース領域574A、574B、574Cが、ボディ領域573A、573B、573Dを含むメサ領域にのみに存在し、PZツェナノード578が一体化されたボディ領域573Cには存在しないことに注意されたい。代わりに、ボディ領域575にはP+コンタクト注入部575のみが形成されている。従って、(本発明の他の望ましい実施形態と同様に)P型ツェナ注入領域578は、局所的にソース(N+)注入部574が存在せずP+ボディコンタクト領域575が接触しているメサ領域(またストライプ型のメサ領域の局所的な部分)にのみ形成されるべきである。同一のメサまは近傍に、N+ソース574とPZ領域578との組み合わせが存在するのを避けることによって、デバイス570のツェナクランプ領域578(アバランシェが発生するように強制されている領域)は、寄生バイポーラNPIトランジスタのエミッタとなるN+領域が存在しないことから、前述の二重注入、寄生NPNトランジスタがオン状態になること、及びスナップバックブレークダウンの問題のリスクを負わずに済む。
Referring to FIG. 8 again, the N +
図10A及び図10Bは、異なるPZ条件についての電圧クランプされたTBOXトレンチゲート型MOSFETの設計の二つの改変形態650及び690を示す。図10Aでは、PZツェナ領域654がボディ653Bより僅かに浅い。ブレークダウンがツェナ注入部654によって生ずることを保証するために、ツェナ領域654のドーパント濃度はボディ領域653Bのドーパント濃度より少なくとも40%以上高くなければならず、そうでなければクランプによる利益が得られない。そのような構造は、TZツェナ領域654に隣接する薄いゲート656におけるいくらかのホットキャリア注入に依然として影響を受けるが、ツェナ注入領域654が、P+コンタクト領域670が存在する所でのみ形成されることから、ホットキャリアによる害はアクティブセル、ひいてはMOSFETの特性に影響を及ぼさない。同様に、PZツェナ領域654の上にN+領域659Aまたは659Bが存在しない場合には、アバランシェを起こしている領域において二重注入やスナップバックは発生し得ない。
10A and 10B show two
図10Bにおいて、デバイス690のツェナ領域694は、厚い底部酸下層695A、695Bの底部より深く注入(または拡散)される。この設計は、深いツェナ領域694がオン抵抗を下げることなくデバイス690のブレークダウン電圧を低下させることから、図8の好ましい実施形態よりオン抵抗の点で劣る。デバイス690のブレークダウンの低下は、(エピタキシャル層692がオフ状態において完全に空乏化される場所である)PZツェナ領域694の底部とN+基板691の上部との間でのリーチスルー(PIN)ブレークダウンによるものである。
In FIG. 10B, zener region 694 of
デバイス690の構造は、図3Aのデバイス200に類似しているが、デバイス690の動作は実質的に異なる。従来型のデバイス200では、薄いゲート酸下層204がフィールドプレートに誘導された電界の増強、イオン化、及びブレークダウンの低下をもたらす。(全ての動作及びプロセス条件の下で)ツェナクランプダイオードのブレークダウン電圧を可能な限り小さいFPIブレークダウンより低い電圧に下げることのみによって、デバイス200のFPIブレークダウンを回避することができる。たとえこれを達成しても、いくらかのホットキャリアが依然としてゲート205の近傍において生ずる。デバイス200に印加される最大電圧、即ちそのブレークダウン電圧は、ゲート205の近傍のイオン化状態をも設定するが、このイオン化状態は依然としてゲート酸下層の厚さに左右される。
The structure of
図10Bのデバイス690では、TBOX695A及び695Bが、たとえアバランシェの間でもゲート697A、697Bの近傍でFPIで発生する電流を実質的に除去する。従って、FPIイオン化とツェナクランプ電圧とは完全に切り離される。そのようなデバイスでは、ツェナがゲートの近傍における領域が電界を受ける十分前に大部分のアバランシェエネルギーを吸収するために、そのデバイスをフィールドプレート誘導故障モードに強制することは実質的に不可能になる。従って、デバイス690は図8のデバイス670より低いブレークダウンを有するとともに、デバイス690はそのより深いPZツェナクランプ694からの非常に低い抵抗の電圧クランプを与える。また、図3Aのデバイス200のドーピングプロフィールは、その製造プロセスの産物としてガウス分布を描くことになる。リーチスルークランプダイオードの場合、箱形状のドーピングプロフィールが、深い拡散された接合部のばらつきの大きい連続的濃度勾配のプロフィールよりより再現性の高いブレークダウンを作りだす。ドーパントの再分散を生じない低いサーマルバジェットプロセスを用いて、PZツェナ領域694の注入状態維持型ドーパントプロフィールは、任意の形状の接合部を作り出す連続注入を用いて形成できる。その濃度プロフィールを形作ることによって、特により深い接合部により低いドーズ量を注入して例えば3つの異なる濃度を有する階段状の箱型形状のプロフィールを形成することによって、PZツェナ領域694の最も深い部分からのブレークダウン電圧における損失が最小化され得る。
In
(図10A、図8、及び図10Bのデバイスの断面図に示されているように)PZツェナ領域の深さを変えることによって、TBOXトレンチゲート型MOSFETのブレークダウン電圧クランプにおける保護帯、即ちエピタキシャル−ボディブレークダウン電圧710とエピタキシャル−ツェナブレークダウン電圧711との差であるΔBVは、パラメータ的に変更することができる。図10Cのグラフに示すように、ΔBVとデバイスの挙動との関係は、ボディ、トレンチ、及びツェナ領域の相対的な深さに応じて3つの場合に分けることができる。
By changing the depth of the PZ Zener region (as shown in the device cross-sectional views of FIGS. 10A, 8 and 10B), the protection band, or epitaxial, in the breakdown voltage clamp of the TBOX trench gated MOSFET The ΔBV, which is the difference between the
第1の場合は、図10Aにデバイスによって示されており、ツェナ領域654の深さがボディ653より浅く、ブレークダウン電圧の低下はダイオードに拡がる両側の空乏領域がないことによってのみ生ずる。従って、クランプが、その高いドーピング(即ちそれによる低い直列抵抗)によって他の領域から離れたところにアバランシェ電流をそらすように作用するとともに、電圧クランプΔBVの大きさは小さくなる。
The first case is illustrated by the device in FIG. 10A, where the
第2の場合は、本発明の好ましい実施形態(図8の断面図を参照)が、ボディ573より深く、トレンチ及び厚い底部酸下層577の底部より浅いツェナ接合部574を有する。ツェナクランプと厚い底部酸化層とを組み合わせることにより、この第2の場合には、中程度の電圧クランプΔBVが、MOSFETに対する優れた保護を提供する。そのようなものとして、ツェナ接合部578は電圧をクランプし、TBOX577はFPIブレークダウンの低下に対する保護を与え、これによりボディダイオード573が、特に(ボディ573と側壁ゲート酸下層579が接触する)ゲート576の近傍において、ブレークダウン電圧をツェナブレークダウン電圧より高く維持している。
In the second case, the preferred embodiment of the present invention (see the cross-sectional view of FIG. 8) has a zener junction 574 that is deeper than the body 573 and shallower than the bottom of the trench and the thick bottom acid underlayer 577. By combining a Zener clamp and a thick bottom oxide layer, in this second case, a moderate voltage clamp ΔBV provides excellent protection for the MOSFET. As such,
第1の場合及び第2の場合における接合部アバランシェブレークダウンのメカニズムは、標準的なPN接合(1次元で近似では、PN接合部が、ボディ−エピタキシャル接合部にピークを有する三角形の電界を示す)のそれであり、主として(ツェナ領域及びエピタキシャル材料の両方の)ドーピング濃度に左右されるが、名目的な製造上の相違に対応するエピタキシャル層の厚さのばらつきには有意な影響を受けない。 The junction avalanche breakdown mechanism in the first and second cases is the standard PN junction (in one-dimensional approximation, the PN junction exhibits a triangular electric field with a peak at the body-epitaxial junction. ), Which depends mainly on the doping concentration (both the Zener region and the epitaxial material), but is not significantly affected by variations in the thickness of the epitaxial layer corresponding to nominal manufacturing differences.
第3の場合は、(図10Bのデバイス690に示すように)ツェナ領域の深さが、トレンチのボディ接合部と底部の両方より深い場合であって、これはより優れたクランプ効果を提供するが、ブレークダウンの低下及び/またはオン抵抗の上昇のトレードオフの関係が生ずる。深いツェナクランプ694は、アバランシェの間に低インピーダンスのクランプとして作用することから、事実上全てのアバランシェ電流はアクティブセル693A及び693Bから離れた位置に逸らされる。これがアバランシェ電圧を低下させることは、即ちデバイス690が所定のオン抵抗に対してより低い電圧定格を有すること、またはデバイス690が、より厚く及び/またはより低濃度にドーピングされたエピタキシャル層を用いて目標値を変更しなければならないこと(即ちデバイスのオン抵抗が高くなること)を意味している。
The third case is when the zener region depth is deeper than both the body junction and bottom of the trench (as shown in
第3の条件においては、電圧の差ΔBVが大きくなるのみならず、(第1及び第2の場合と比較して)ツェナダイオードの物理的なアバランシェのメカニズムも異なってくる。(エピタキシャル層ができる限り薄くかつ目標のブレークダウン電圧の条件を満たすような)最適なエピタキシャル層の厚さに対して、ツェナ領域の底部とN+基板の上部との間の「正味の」エピタキシャル層は、第3の場合においては、アバランシェ状態に達する前に完全に空乏化されることになる(即ち、電界を加えられることによってエピタキシャル領域における全ての自由キャリアが一掃される)。そのようなダイオードは、エピタキシャル層の完全な空乏状態が基板にまで達することを反映して「リーチスルー」ブレークダウンで動作する、と称される。エピタキシャル層が完全に空乏化されることから、エピタキシャル層の濃度はデバイスにほとんど影響を与えず、エピタキシャル領域はオフ状態において電気的に誘導された真正半導体層(intrinsic layer)のように振舞う。そのようなダイオード(PINダイオードと呼ばれる)のブレークダウン電圧は、真正半導体の正味のエピタキシャル層(即ちPINダイオードの「I」の部分)の厚さのみによって左右され、エピタキシャル層のドーピング濃度には左右されない。従って、第3の場合には、所定のオン抵抗に対するブレークダウン電圧が低下し、エピタキシャル層の厚さのばらつきにより大きい影響を受けるようになる。 Under the third condition, not only the voltage difference ΔBV is increased, but also the physical avalanche mechanism of the Zener diode is different (as compared to the first and second cases). A “net” epitaxial layer between the bottom of the zener region and the top of the N + substrate for an optimal epitaxial layer thickness (such that the epitaxial layer is as thin as possible and meets the target breakdown voltage requirements) In the third case, it will be completely depleted before reaching the avalanche state (ie, applying an electric field will sweep all free carriers in the epitaxial region). Such a diode is said to operate with a “reach-through” breakdown reflecting that the fully depleted state of the epitaxial layer reaches the substrate. Since the epitaxial layer is completely depleted, the concentration of the epitaxial layer has little effect on the device, and the epitaxial region behaves like an electrically induced intrinsic semiconductor layer in the off state. The breakdown voltage of such a diode (referred to as a PIN diode) depends only on the thickness of the net epitaxial layer of the true semiconductor (ie, the “I” portion of the PIN diode) and depends on the doping concentration of the epitaxial layer. Not. Therefore, in the third case, the breakdown voltage with respect to a predetermined on-resistance is lowered, and is greatly affected by the variation in the thickness of the epitaxial layer.
ここで、図10Cを再度参照すると、デバイスの名目上の設計は、プロセス条件における予測されるばらつきを許容するように選択されるべきである。このようなツェナクランプされたTBOXトレンチゲート型垂直MOSFETにおける最大のばらつきは、エピタキシャルステップとトレンチエッチング加工ステップにおいて、特にボディとツェナ接合部の深さに対するトレンチに埋め込まれたポリシリコンゲートの底部の相対的深さに関して生ずる。しかし、低サーマルバジェットプロセスを用いると、注入状態維持型のツェナ領域及びボディ連続注入の再現性は非常に高いものとなり、トレンチの深さが制御すべき第1の変数となる。 Referring now again to FIG. 10C, the nominal design of the device should be selected to allow for expected variations in process conditions. The largest variation in such zener-clamped TBOX trench gate vertical MOSFETs is relative to the bottom of the polysilicon gate embedded in the trench, particularly in the body and zener junction depth, in the epitaxial and trench etch steps. Occurs with respect to the depth of the image. However, when the low thermal budget process is used, the reproducibility of the implantation state maintaining type zener region and the continuous body implantation becomes very high, and the trench depth becomes the first variable to be controlled.
本発明の好ましい実施形態では、目標条件712が、第2の場合の条件に名目上収まるように選択されて、従ってプロセスのばらつきの影響によって、浅いツェナを用いる第1の場合(与える保護が小さく、FPIイオン化電流関連の問題が大きい)や、深いツェナの第3の場合(デバイスのオン抵抗やブレークダウン特性が劣る)に製造条件が統計的に入るのを避けるようにする。3kÅの厚い底部酸化層を設け、高エネルギーの連続注入を使用し、かつドライシリコントレンチエッチングを行うことによって、デバイスの製造を第2の場合に維持することは、今日のプロセシング装置を用いることで可能である。そのようなものとして、低いオン抵抗、高いブレークダウン電圧、そして良好なアバランシェエネルギー吸収能力を備えた、最高の信頼性を有する薄いゲート酸化層を備えたトレンチゲート型MOSFETを、本発明によるデバイスとして実現可能である。
In the preferred embodiment of the present invention, the
図11は、図8に示すデバイスに類似した電圧クランプされたTBOXトレンチゲート型MOSFET740の三次元切欠図である。デバイス740は、セル状またはストライブ状のトレンチゲートのアレイを備えたおり、各トレンチゲートは、埋め込まれたポリシリコンゲート745と、ゲート酸化層側壁744、及びN+基板741の上側に形成されたN型エピタキシャル層742に形成された厚い底部酸化層TBOX743を含む。上側金属部やシリコンの表面上の表面コンタクトマスクまたは誘電体形状部は図11には示されていない。
FIG. 11 is a three-dimensional cutaway view of a voltage clamped TBOX
P型ボディ領域746(746A、746B、746C)は、埋め込まれたトレンチゲート745の底部より浅い深さを有するエピタキシャル層742の内部に形成される。ボディ領域746は、一様に形成されるか、マスクされてアクティブなMOSFETチャネル領域に局所化されるかいずれかの形で形成され得る。N+ソース領域747(747A−747D)は、ボディ領域746より浅い接合部深さを有して、ボディ領域746の内部に形成され、トレンチゲート及び埋め込まれたポリシリコン745の周囲に沿って配置されている。N+領域747がブロックされるシリコン表面の部分は、浅いP+領域748(748A、748B)を備えており、これによってその下層をなすP型ボディ領域746との電気的接触を容易にしている。
P-type body region 746 (746 A, 746 B, 746 C) is formed inside
ツェナ領域750は、デバイス740のアバランシェ特性及びブレークダウン電圧を制御するために設けられる。PZツェナ領域750は、エッチングされたシリコントレンチより浅く(従ってTBOX743の底部より浅く)、かつ埋め込まれたゲート745の底部よりも深い深さを有し、トレンチゲート間のシリコンメサ領域の部分に配置される。理想的には、PZツェナ領域750は、下側のN+ソース領域747に重ならないか僅かにしか重ならないように、浅いP+領域748の下側または上側に重なる形で配置される。
ボディコンタクト領域748及びPZツェナ領域750は均一に分散配置され得、トレンチゲート及びN+ソースストライプ領域に対して直交する向きのストライプ形状を有し得る。
The body contact region 748 and the
ツェナクランプの形成工程は、そのトレンチMOSFETの製造シーケンスが厚い底部酸化層及び深いツェナクランプ領域を組み込むものである限り、いかなるシーケンスにも加えることができる。 The zener clamp formation process can be applied to any sequence as long as the trench MOSFET fabrication sequence incorporates a thick bottom oxide layer and a deep zener clamp region.
図12Aにおいて、断面が示されたトレンチゲート構造760は、ツェナクランプを導入する前に形成されたものである。図に示すように、トレンチゲート型MOSFETの製造における中間のステップにおいて、デバイス760は、N+基板761と、N型エピタキシャル層762と、厚い底部酸化層763A、763B、薄い側壁ゲート酸化層764、埋め込まれたポリシリコンゲート765A、765B、及び薄い上部酸化層769を含むエッチングされたトレンチとを含む。
In FIG. 12A, the
ゲートポリシリコン765及びTBOX763を包入するシリコントレンチの深さxtrenchは、最も浅くて0.5μm深くて3.0μmであり、1.0μm−1.8μmのトレンチが製造及び再現性の制御が容易である。浅すぎるトレンチは短いチャネルの効果(パンチスルーブレークダウン等)のリスクを負いやすく、深すぎるトレンチはそのトレンチの先端部において高電界(デバイスの信頼性に悪影響を及ぼす)を示したり、ポリシリコンでトレンチを充填するのが困難になる。TBOXの厚さは、(側壁酸化層のエッチバックステップの後の)最終厚さで1kÅ−5kÅの範囲であり得るが、3kÅ程度が望ましい。ポリシリコンゲート電極765の底部は、トレンチの深さとTBOXの差によって決定されるが、この差は関係式xgate = xtrench - xTBOXであらわされ、一般的には0.5μm−1.5μmの範囲である。側壁ゲート酸化層764の厚さは、50Å−1200Åの範囲であり、150Å−500Åがより一般的である。
The depth xtrench of the silicon trench that encloses the gate polysilicon 765 and the TBOX 763 is the shallowest, 0.5 μm deep, and 3.0 μm, and a 1.0 μm-1.8 μm trench is easy to manufacture and control of reproducibility It is. A trench that is too shallow is prone to the risk of short channel effects (such as punch-through breakdown), and a trench that is too deep may exhibit a high electric field (which adversely affects device reliability) at the tip of the trench, It becomes difficult to fill the trench. The thickness of the TBOX can range from 1k to 5k in final thickness (after the sidewall oxide etch back step), but is preferably about 3k. The bottom of the polysilicon gate electrode 765 is determined by the difference between the trench depth and TBOX, and this difference is expressed by the relational expression xgate = xtrench−xTBOX, generally in the range of 0.5 μm−1.5 μm. is there. The thickness of the sidewall
深いツェナアノード領域767のイオン注入は、従来通りのイオン注入を1回、80−120keVで行い、次にドライブイン拡散(900℃乃至1150℃で30分乃至10時間)を、好ましくは異なるエネルギーとドーズ量で連続して複数のイオン注入を行う連続注入によって行う。最も深い注入は、3MeVもの高いエネルギーで行われる(1.3MeVが注入の最大エネルギーとしてより一般的である)。注入ドーズ量は、一般的には1E12cm−2−5E14cm−2の範囲である(7E12cm−2−5E13cm−2が好ましい)。前に述べたように、領域767の深さは、ゲート深さxgateより僅かに浅い深さから、トレンチの深さxtrenchより1μm以上深さまでさまざまであり得るが、前述したようにゲート深さxgateより深く、かつトレンチの深さxtrenchより浅い深さが好ましい。フォトレジスト768は、最も深いイオン注入をブロックするのに十分な厚さでなければならず、3μm−4μmの厚さであり得る。フォトレジスト768は、隣りのデバイスメサへの注入を防止するために、典型的にはウエハの表面に対して85゜−90゜の角度で傾斜した側壁面を有していなければならない。約200Å−700Åの厚さを有する薄い上側酸化層769は、シリコンメサ領域の汚染や注入チャネリングを防止するための、注入前酸化層(pre-implant oxide)として用いられる。
The deep
図12Bにおいて、デバイス780の表面は200Å−3000Åの厚さ(好ましくは500Å−1500Åの厚さ)を有する窒化シリコン層787と、その下の厚さ100Å−1000Å(好ましくは300Å程度)の下側酸化層786とを含む。その表面に窒化シリコンを備えたデバイスは、(例えば、Williamsらに付与された米国特許第6413822号に記載のような)スーパー自己整合プロセスに適合する。
In FIG. 12B, the surface of the
図12Cは、最も深い注入が最も大きいドーズ量を有し、最も浅い注入が最も小さいドーズ量を有する、連続注入ツェナ電圧クランプの濃度プロフィールの一例を示す。濃度と深さとの関係を示すグラフは、図12Cでは横軸となる深さxtrenchのトレンチ800の断面を参照したものである。トレンチ800は、深さxgateのポリシリコンゲート803と、トレンチ800の底部に延在するTBOX804とを備える。図に示された連続注入部は、注入部801A、801B、801C、及び801Dの4つの連続した注入部を含む。注入部801Dは最も深い注入部で、深さXj(PZ)のところで反対の導電型のエピタキシャル層802とPN接合部を形成する。図に示すように、PZツェナクランプの深さは、ゲート深さxgateより深くトレンチ深さxtrenchより浅いのが好ましい。
FIG. 12C shows an example of a concentration profile for a continuous injection Zener voltage clamp where the deepest implant has the highest dose and the shallowest implant has the lowest dose. The graph showing the relationship between the concentration and the depth refers to the cross section of the
PZツェナ注入801A−801Dは、同一のドーズ量か、図12Cに示す場合のように深くなるにつれてドーズ量が増加してゆく形態であり得るが、任意の濃度プロフィールが可能である。例えば、PZ連続注入プロフィールは、250keVで5E13cm−2の注入部801Aと、500keVで7E13cm−2の注入部801Bと、900keVで9E13cm−2の注入部801Cと、1.2MeVで1.2E14cm−2の注入部801Dとからなり得る。この注入シーケンスは、図12Cに示すように深くなるにつれて次第に濃度が上昇するドーピングプロフィールを作りだす。ここで各注入に、一定間隔で間隔をおく必要はないことに注意されたい。
The
図12Dでは、高濃度にドープされた浅いP+領域821が、ツェナクランプアノード領域に接触するように導入される。図12Dでは、深さXj(P+)のP+領域821がP型連続注入822と併合して、ツェナクランプを完成させている。低エネルギー高ドーズ量(高ビーム電流)イオン注入機を用いて浅いP+領域を注入することによって、連続注入において高濃度注入を行う必要がなくなる。浅い高ドーズ量の注入と深い低ドーズ量とを2台の異なる機械に分けて行うことによって、高額のMeVレベルの能力のある(即ち高エネルギーの)イオン注入機を用いた時間のかかる高ドーズ量イオン注入を不要とすることにより、製造コストを最小にする。P+領域821は、PZツェナ領域が存在しないP型ボディ領域に接触する、デバイスの他の位置においても使用され得る。
In FIG. 12D, a heavily doped shallow P +
P型ボディ領域824は連続注入部も含み得るが、それは低エネルギーで行われることに注意されたい。深さxgateの埋め込まれたポリシリコンゲート825及び厚い底部酸化層826を備えた、トレンチ深さxtrenchのトレンチの断面図820と比較すると、図12Dには、P型ボディ領域の深さが、同じデバイスのアクティブなチャネル形成を容易にするためにゲート深さxgateより浅いものである必要のある深さXj(PB)であることが示されている。
Note that the P-type body region 824 can also include a continuous implant, but that is done at low energy. Compared to a trench
別の可能なPZツェナ領域のプロフィールが図12Eに示されており、この図ではPZツェナ領域が1つの深い注入部821を構成し、浅いPZイオン注入部は存在していない。この場合には、ツェナ領域が、注入部831A、831B、831C、及び831Dを含む連続注入部を通して上側の浅いP+(図示せず)に接触している。前の例のように、同じデバイスのアクティブセルにおけるMOSFETの動作は、ボディドーパントプロフィールがゲート深さxgateより浅い深さXj(PB)を有することを要請する。注入部832のPZツェナ領域注入部プロフィールは、クランプダイオードの電気的接続を保証するべくPBボディ注入部プロフィール831の上に重なっていなければならない。図12Eのデバイスは製造が容易であるが、図12Dのデバイスより高い直列抵抗を示し、従ってクランプのロバスト性が低くなり、従ってアバランシェエネルギー吸収能力も低くなる。
Another possible PZ Zener region profile is shown in FIG. 12E, where the PZ Zener region constitutes one
上述の例においては、ポリシリコンゲートコンタクトに対しては特に説明していなかった。具体的には、図13Aのデバイス840では、埋め込まれたポリシリコンゲート844は、金属ゲートバス852及びゲートボンディングパッド(図示せず)への電気的接触を容易にするために、ポリシリコン領域845によって表面まで延ばされなければならない。問題となるのはシーケンスの1つである。ポリシリコン845及びシリサイドコンタクト領域851Bはウエハの表面上に延在しているので、ポリシリコン845の存在は、深いツェナクランプ注入部(ひいてはあらゆるP型領域)をポリシリコンゲートバス845の下のシリコン領域へ導入するのを妨げたり、防止することさえし得る。
In the above example, the polysilicon gate contact is not particularly described. Specifically, in the
電気的には、ポリシリコンゲートバス845の下にP型材料がないことが、重要な問題を孕むことになる。このゲートは接地され(即ちソース電位に結び付けられ)、かつエピタキシャルドレインは全ドレイン電位にバイアスされうことから、シールドされていないポリシリコンゲートバスの下側のシリコン(即ち、下にP領域のないポリシリコン)及び酸化層が強い電界を受けることになり、シリコンでのアバランシェを受けたり、誘電体の劣化が生じ得ることになる。 Electrically, the lack of P-type material under the polysilicon gate bus 845 is a significant problem. Since this gate is grounded (ie tied to the source potential) and the epitaxial drain is biased to the full drain potential, the silicon underneath the unshielded polysilicon gate bus (ie no P region underneath) (Polysilicon) and the oxide layer are subjected to a strong electric field, and may be subject to avalanche in silicon and deterioration of the dielectric.
この問題に対する3つの解決法が可能である。即ち、トレンチゲートを形成する前にゲートバス領域にP領域を形成する方法、ゲートコンタクトポリシリコンを通して注入を行う方法、及びゲートポリシリコンを2つの被着部分に分割し、一方に埋め込まれたゲートを形成し、他方に接続を容易にするトレンチの外に延出している表面ポリシリコン845を形成する方法である。 Three solutions to this problem are possible. That is, a method of forming a P region in a gate bus region before forming a trench gate, a method of implanting through a gate contact polysilicon, and a gate embedded in one of two deposited portions by dividing the gate polysilicon. And forming the surface polysilicon 845 extending outside the trench to facilitate connection.
これらの3つの選択肢のうち、早い時期の(トレンチ前の)注入の不都合な点は、それがプロセスの全体のサーマルバジェットを受けることになる点である。高温プロセスの悪影響は、(特に比較的高温の犠牲酸下及びゲート酸化サイクルを原因とする)ドーパントの拡散と、トレンチエッチングを原因とするドーパントの分離及びドーパントの消失である。この両方の効果によって、望ましくない拡散がPZ濃度を低下させ、傾斜角の小さいPZクランプドーパントプロフィールが作られるため、プロセスのこのステップにおいてPZツェナクランプを一体的に設けることが困難になる。従って、ゲートバスのシールドの問題はトレンチの前にP型注入を組み込むことによって解消され得るが、そのような初期段階での注入をツェナクランプとして用いることは困難である。 Of these three options, the disadvantage of early (pre-trench) implants is that they are subject to the overall thermal budget of the process. The adverse effects of the high temperature process are dopant diffusion (especially due to relatively high temperature sacrificial acid and gate oxidation cycles) and dopant separation and dopant disappearance due to trench etching. Both of these effects make it difficult to provide a PZ Zener Clamp together in this step of the process because undesirable diffusion reduces the PZ concentration and creates a low tilt angle PZ Clamp dopant profile. Thus, the gate bus shielding problem can be overcome by incorporating a P-type implant in front of the trench, but it is difficult to use such an early stage implant as a zener clamp.
第2の選択肢は、ポリシリコンゲートバスを通してPZ領域を注入する方法である。この方法の不都合な点は、ツェナダイオードドーピングプロフィール及び接合部深さがポリシリコンの厚さに大きく左右されてしまう(即ちよく制御されていない化学的機械的エッチバックプロセスにより劇的な変化が生じてしまう)点である。製造に際してよく制御された接合部深さを有するツェナドーピングプロフィールを作り出すのは、表面のポリシリコン層を通して注入を行う限り、うまく制御できないプロセスの変数が数多く存在するため困難である。 The second option is to implant the PZ region through a polysilicon gate bus. The disadvantage of this method is that the Zener diode doping profile and junction depth are highly dependent on the thickness of the polysilicon (i.e. drastic changes caused by poorly controlled chemical mechanical etchback processes). It is a point. Creating a Zener doping profile with well-controlled junction depth during fabrication is difficult because there are many process variables that cannot be controlled well as long as the implant is through the surface polysilicon layer.
好ましいシーケンスは、ポリシリコンゲートとゲートバス形成を、二つの被着ステップに分割し、埋め込まれたポリシリコンゲートの被着及びエッチバックの後で、かつ表面ポリシリコンの被着の前にPZ領域を注入することによって、プロセスの後の段階でPZアノードを注入する方法である。図13Aは、P型ツェナ注入853A及び853Bのイオン注入の前に被着されてエッチバック(平坦化)された、埋め込まれたゲート844A−844Fを含む断面840を示す図である。P型ボディ領域843A−843Gも、製造シーケンスのこの時点で注入することができる。ボディ843とツェナ領域853の両注入部は、拡散された接合部を用いて、好ましくは高エネルギー連続注入を用いて形成することができる。第2のポリシリコン層845は、ポリシリコン層845がPBボディ領域843D、843Eの上及びPZツェナ領域853A及び853Bの上に重なっていることからも明らかなように、P型ボディ及びツェナ注入部の後に形成される。
A preferred sequence is to divide the polysilicon gate and gate bus formation into two deposition steps, the PZ region after the deposition and etchback of the buried polysilicon gate and before the deposition of the surface polysilicon. By injecting the PZ anode at a later stage in the process. FIG. 13A illustrates a
図13Bのデバイス900においては、薄い酸化層908と窒化シリコン909(領域909A、909B、909Cを含む)を含むサンドウィッチ型ハードマスクによって確定されたトレンチに、比較的よく制御された窒化シリコン層909を通してイオン注入を行って、PZツェナアノード領域904A及び904Bを形成し得る。PZツェナ領域は、第1のポリシリコン907(907A及び907Bを含む)を被着してエッチバックした後に、PZツェナ注入を受ける位置を制限するための厚いフォトレジストマスク910を用いて注入される。図に示す例では、PZツェナ注入部が、PBボディ領域905A及び905B(ボディ領域905Cを除く)に対応するメサ領域に形成されている。フォトレジスト910の断面形状は、(ボディ領域905Cの含むメサのような)保護されたメサへの無視できない注入の侵入を防止するために、急な傾斜を有する垂直なものでなければならない。
In
ボディ領域905(905A、905B、及び905Cを含む)の注入も、埋め込まれたポリシリコンゲートの形成の後で、PZツェナ注入の前または後に行うのが好ましい。その後、図13Cに示すような第2のポリシリコンゲートコンタクトまたはゲートバス領域912を被着し、フォトリソグラフィ、マスク、及びエッチングによってパターン形成する。第2のポリシリコン912は、PBボディ領域905及びPZツェナ領域904の後に形成されることから、注入された領域は表面ポリシリコン912の下に位置し得る。これによってP領域は、ゲートバス912を、エピタキシャル層902のドレイン電位から静電シールドする。
Implantation of the body region 905 (including 905A, 905B, and 905C) is also preferably performed after the formation of the buried polysilicon gate and before or after the PZ Zener implantation. Thereafter, a second polysilicon gate contact or
デバイスが、上側ポリシリコンバス形成後のイオン注入を用いて製造された場合には、ボディ843及びツェナ853の深さは表面の形状によって変化し、表面のポリシリコン層があるか否かに応じて浅くなったり、完全にブロックされたりするということに注意されたい。 When the device is manufactured using ion implantation after the formation of the upper polysilicon bus, the depth of the body 843 and the Zener 853 varies depending on the shape of the surface, depending on whether there is a polysilicon layer on the surface. Note that it becomes shallower and completely blocked.
本発明の一実施形態によるトレンチゲート型MOSFETの製造のための可能な製造フローの一つは、図14Aに概略が示されている。図14Aのプロセスは、基板の準備と、エピタキシャル層におけるトレンチをエッチングする最初のステップ920を含む。次にステップ922では、トレンチにおける厚い底部酸化層の形成(TBOX形成)、トレンチの側壁におけるゲート酸化層(GOX)形成、及び第1のポリシリコン層「ポリ1」の形成を行う。PB及びPZ注入はこの時点で行うことができる。
One possible manufacturing flow for the manufacture of trench gate MOSFETs according to one embodiment of the present invention is outlined in FIG. 14A. The process of FIG. 14A includes substrate preparation and an
2つの可能なプロセスの組み合せが得られる。ポリ1がシリコンの上に残るとともにPBボディ及びPZツェナ領域が注入される場合には、ステップ926において第2のポリシリコン層の形成の必要がなくなり、処理はステップ924か直接ステップ928でのN+及びP+領域の形成に進む。或いは、第1のポリシリコン層「ポリ1」がPBボディ及びPZツェナ注入が行われる前にエッチバックされる場合には、ステップ926で、N+及びP+注入を行う前に第2のポリシリコン層「ポリ2」を被着しパターン形成する。最後にステップ928でコンタクト及び金属を形成して製造が終了する。
A combination of two possible processes is obtained. If
図14Bに示す別のプロセスでは、エピタキシャル及びフィールド酸化層形成ステップ920に続けて、全てのドーパントの注入プロセス(例えばPZ、PB,N+、P+注入)934を行い、その後にステップ936においてトレンチをエッチングする。トレンチゲートは、ステップ936においてトレンチエッチング、TBOX形成、及びゲート酸化を行い、ステップ938で1回のポリシリコン被着とマスクを用いたエッチバックを行い、次にコンタクト及び金属層プロセス940を行うことによって形成される。
In another process shown in FIG. 14B, the epitaxial and field
図15A乃至図15Eは、本発明によるツェナクランプされたTBOXトレンチゲート型デバイス950の製造のために用いられる一体型プロセスフローの一例を示す。このプロセスは、図15Aに示すように、結晶方向<100>で1乃至3mΩcm2のN+基板から開始され、そのデバイスのドレイン電圧定格に従って、所定範囲の抵抗率及び厚さを有するN型シリコン層952のエピタキシャル成長が行われる(エピタキシャル層の厚さと抵抗率の目標値は以下の表1を参照されたい)。
15A-15E illustrate an example of an integrated process flow used for the fabrication of a Zener clamped TBOX trench
エピタキシャル成長が終了した後、シリコン材料を、850℃乃至1100℃の温度で10分乃至2時間、好ましくは900℃乃至1000℃の温度で300分かけて酸化する。得られる酸化層953は、目標厚さ100Å乃至1000Åを有するが、好ましくは約300Å乃至500Åの厚さを有する。次にCVDを用いて、窒化シリコン層954を、800Å乃至5000Åの厚さまで被着する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて窒化シリコン層954をパターニングして、トレンチエッチング領域を露出させた後に、プラズマ法またはRIE法を用いてドライエッチングを行い、窒化シリコン層954、酸化層953、及び最後にシリコンエピタキシャル層952の露出された部分を除去する。エッチング窓を確定するために用いられるフォトレジストは、一般的にはトレンチ955を形成するシリコンエッチングステップの前に除去される。トレンチ955は、前述したように1.5μm乃至数μmの範囲の深さを有し得る。
After the epitaxial growth is completed, the silicon material is oxidized at a temperature of 850 ° C. to 1100 ° C. for 10 minutes to 2 hours, preferably at a temperature of 900 ° C. to 1000 ° C. for 300 minutes. The resulting
図15Bの構造を形成するために、トレンチを、900℃乃至1100℃で30分乃至5時間、好ましくは950℃乃至1000℃で30分かけて酸化し、エッチングによる損傷を取り除く。次に、トレンチ955内の酸化層をフッ化水素酸またはBOE(buffered oxide etch)を行うことによって除去し、二酸化シリコンの第2の層(図示せず)、いわゆる「ライニング酸化層」を、(以前に説明したように)犠牲酸化層成長と類似した熱条件を用いて数100Åの厚さまで成長させる。次に、高圧プラズマCVDを用いて厚い底部酸下層を被着して、方向性デポジション法(Williamsらに付与された米国特許第6291298号に記載)を用いて厚さ1kÅ乃至5kÅ、好ましくは2kÅ乃至3kÅの厚い底部酸下層を形成する。厚い酸化層は、領域956Aや956Cのようなシリコンメサの上にも形成する。トレンチ955の側壁上への被着は最小限となる。短時間フッ化水素に浸漬した後、側壁上に被着された酸化層956は、ライニング酸化層の側壁部分に沿って除去される。前に説明した犠牲酸化プロセスに類似した条件を用いてゲート酸下層957をトレンチの側壁上に成長させる。ゲート酸下層957の最終的な厚さは、デバイスの最大ゲート電圧定格VGS(max)によって決まってくる。一般的に、ゲートの最大連続動作電圧は、ゲート電界(VGS(max)/XOXとして定義される)が4MV/cmを超えない大きさであるべきである(但し、5MV/cmの電界をゲートに安全に印加できる200Åより薄い酸化層の場合を除く)。例えば、300Åゲートは12Vの最大動作電圧をサポートでき、500Åゲート酸下層は、20V定格ゲートを備えたデバイスの製造に使用できる。
To form the structure of FIG. 15B, the trench is oxidized at 900 ° C. to 1100 ° C. for 30 minutes to 5 hours, preferably 950 ° C. to 1000 ° C. for 30 minutes to remove etch damage. Next, the oxide layer in the
ゲート酸化の後、CVD技術を用いてポリシリコン層958をトレンチの深さと概ね等しい厚さまで被着し、その後平坦化のためのエッチバックまたはCMP加工を行う。ポリシリコン958は現場でドーピングしてもよいし、或いは、イオン注入と950℃乃至1000℃で1時間の拡散を行った後にドーパントをトレンチポリシリコン層958内に打ち込んでもよい。一般的には、NチャネルMOSFETの場合にはリンを用いる(また、Pチャネルデバイスの場合にはホウ素を用いるが、ある種のPチャネルMOSFETでは、信頼性を向上させる目的で、リンをドープしたポリシリコン、または少量のリンが存在するホウ素をドープしたポリシリコンを用いることもある。)。ポリシリコン958の最終的なエッチバックを行った後に、主としてポリシリコンゲート958の上部をシールするために、厚さ100Å乃至300Åの薄い酸化層959を900℃乃至950℃で30分乃至1時間かけて熱成長させる。
After gate oxidation, a
図15Cでは、スピンオンやCVD技術を用いて、例えばガラス960、二酸化シリコン、TEOS、またはBPSGを被着し、次に平坦化エッチバックやCMP加工によって窒化シリコン層954の表面上に存在する全てのガラスを除去する。このステップの間、ガラス960の部分及び表面のTBOX956A及び956B領域の全体は除去される。
In FIG. 15C, for example,
また、図15Cにおいて、前述したように、好ましくはホウ素の連続注入によってPZツェナ領域961及びPBボディ領域962A及び962Bを形成する。このステップでは、ゲートバス領域(図示せず)の上の酸化層が清浄化され、第2ポリシリコン層が1kÅ乃至6kÅ、好ましくは3kÅの厚さまで被着される。このポリシリコン層をマスクし、エッチバックしてゲートバス領域(図示せず)を形成する。
In FIG. 15C, as described above, the
図15Dの構造を形成するために、プラズマエッチングによって、トレンチに埋め込まれたポリシリコンゲート958の上からガラス960を除去することなく窒化シリコン層954を除去する。次にN+領域964を選択的にマスクし、アクティブメサ領域内に注入を行う。N+注入領域965はリンを含み得るが、好ましくは80−120keVで5E15cm−2乃至8E15cm−2のヒ素イオン注入を利用する。P+注入領域964は、マスクかブランケット層を設けて60−100keVで2E15cm−2乃至4E15cm−2のホウ素を注入することによって形成し得る。
To form the structure of FIG. 15D, the
ソース注入の後に、20秒間のRTA(高速熱アニーリング)または950℃で10分間の熱アニーリングを行い得る。或いは、続くガラスリフローステップによってインプラントアニーリングを行っても良い。 The source injection can be followed by 20 seconds of RTA (rapid thermal annealing) or 10 minutes of thermal annealing at 950 ° C. Alternatively, implant annealing may be performed by a subsequent glass reflow step.
ソース及びボディコンタクト注入を行った後、薄い酸化層953を除去して、シリコンメサを露出することができる。或いは、ガラスBPSGやスピンオングラス(SOG)を被着して、コンタクトマスクでマスクし、シリコンメサ領域を露出することもできる。図15Eに示すように、短時間、一般的には900℃で15分の熱アニーリングによってコンタクトマスクした後、ガラス962を面取りすることができる。このガラスの面取りの利点は、金属空隙や段差被覆性の問題を防止できる点である。金属形成は、薄いチタン/TiNバリア金属995から始めて、次に一般的には3μmの厚さの厚いアルミニウム−銅またはアルミニウム−銅−シリコン996をスパッタリングする。その後金属995及び996をマスクした上でドライエッチングしてソース金属からゲートバスを分離する。
After the source and body contact implants, the
図15Eに示す得れられた構造950は、埋め込まれたトレンチゲートを有し、厚い底部酸化層956Bとツェナクランプ961及びボディ962を備えた、完成した電圧クランプされたTBOXトレンチゲート型MOSFETの一形態である。そのようなプロセスでは、ゲート958は、ツェナクランプ961とボディ962の接合部より前に形成される。
The resulting
図16A及び図16Bに示す別のプロセスフローでは、ドーピング領域をはじめに形成し、次にトレンチを形成する。この別法では、デバイス980が、連続的なマスキング、イオン注入、及び連続イオン注入によって、N+基板981の上のN型エピタキシャル層982に形成された、PZツェナクランプ982、PBボディ領域938、N+ソース984、及びP+領域985を備える。選択に応じて、高温拡散を用いてボディ983及びツェナ982領域に打ち込みを行ってもよい。このプロセスフローにおける注入ドーズ量は、図15Eのデバイスの製造で使用された前述のエネルギー及びドーズ量条件に類似したものである。
In another process flow shown in FIGS. 16A and 16B, a doping region is formed first, followed by a trench. In this alternative, the
図16Aに示す構造を作り出すために、次にシリコントレンチエッチングを用いてトレンチゲートを形成し、次いで犠牲酸化層を形成し、ライニング酸下層を形成し、TBOX990A及び990Bを被着し、ゲート酸下層991を形成し、ポリシリコン再充填部の堆積とエッチバックを行って、ゲート992A及び992Bを形成する。ツェナクランプ982はトレンチゲート992Aとは自己整合されず、従ってトレンチゲートの両側に延在し得ることに注意されたい。
In order to create the structure shown in FIG. 16A, a trench gate is then formed using silicon trench etching, then a sacrificial oxide layer is formed, a lining acid underlayer is formed, TBOX990A and 990B are deposited, and a gate acid underlayer is formed. 991 is formed, and a polysilicon refill portion is deposited and etched back to
何れかのプロセスフロー(即ち、ドーピング前のトレンチ形成か、ドーピング後にトレンチ形成)を用いて、デバイスの全アバランシェ電流を取り扱うべくツェナダイオードクランプのサイズを調節することができる。図17では、ツェナダイオードが、ツェナ領域1004A−1004Cを有し、ダイオードはいくつかのトレンチゲート1003A、1003B、及び1003Cにわたって延在する。ツェナ領域1004A−1004Cが位置するメサ領域へのコンタクトは、浅いP+領域1008A、1008B、及び1008Cを有し、好ましくは前記ツェナダイオード領域の内部またはそれに実質的に重なる形に存在するN+ソース領域1009を有さない。
Either process flow (ie, trench formation before doping or trench formation after doping) can be used to adjust the size of the Zener diode clamp to handle the total avalanche current of the device. In FIG. 17, Zener diodes have
図18A、図18B、及び図18Cは、TBOXトレンチゲート型MOSFETの種々のツェナダイオードクランプの設計を示す。図18Aでは、ツェナクランプ1035及びP+領域1039Bが非アクティブな(ダイオードのみの)セル或いはメサ領域に位置しており、アクティブトランジスタは、ソース領域1038B、1038Cへの接触コンタクトを形成する浅いP+1039Aを含み得る。
18A, 18B, and 18C show various zener diode clamp designs for TBOX trench gate MOSFETs. In FIG. 18A, Zener clamp 1035 and P +
ソース−ボディ短絡を供えたデバイスの他の実施形態として、図18Bには、幅の広いメサのデバイスにおいて、PZツェナクランプ1055と結合された表面P+領域1061が、アクティブセルの中央部分内に一体化され得ることが示されている。従来のクランプされたデバイスと異なり、PZツェナクランプ1055はゲートポリシリコンの下に延在するが、好ましくはトレンチ及びそのTBOX部分1053の下には延在しない。
As another embodiment of a device with a source-body short circuit, FIG. 18B shows that in a wide mesa device, a surface P +
本発明の別の実施形態では、図18Cのツェナクランプが、(図18Bに示すようなP型列を形成するための連続注入を用いることなく)一回の注入で深いPZ注入されたクランプ領域1079を備え得る。しかし、そのようなデバイスは、(図18Aのデバイスのように)表面から接合部の底部まで高濃度の領域を含むP型ツェナを組み込んだデバイスより、ブレークダウンにおけるより高いインピーダンスを示す。 In another embodiment of the present invention, the Zener clamp of FIG. 18C is a deep PZ implanted clamp region with a single implant (without using a continuous implant to form a P-type array as shown in FIG. 18B). 1079 may be provided. However, such devices exhibit higher impedance at breakdown than devices incorporating a P-type Zener that includes a high concentration region from the surface to the bottom of the junction (as in the device of FIG. 18A).
図19A及び図19Bは、本発明の別の実施形態によるツェナクランプ構造を示す。図19Aのダイオード1090では、PZツェナアノード領域1093が、エピタキシャル層1092内に拡散されている。一回の浅い高濃度注入の後、1050℃ないし1150℃で3時間乃至10時間の高温ドライブイン拡散を用いて、P型ツェナアノード領域をその目標深さまで打ち込む。NチャネルMOSFETの場合には、ツェナ注入は、80keVで5E14cm−2乃至5E15cm−2のドーズ量のホウ素である。Pチャネルデバイスの場合には、ツェナ注入は、同程度ののドーズ量だか僅かに高いエネルギー(概ね100keV乃至120keV)のホウ素である。前に説明したように、拡散された接合部は、概ねガウス曲線状のドーパントプロフィールを示して深くなるほど濃度が下がり、これは再現性の高い電圧クランプを形成するために好ましいドーパントプロフィールではない。さらに、接合部の幅は、トレンチゲートに規制されていない場合には、それが縦方向に拡散するのと同様に横方向に広がる。拡散された接合部の幅は、横方向の拡散が各方向ごとに深さの約80%程度にまでなることから、PZダイオードをフォトリソグラフィで確定するために用いられるマスク開口の幅yの三倍になり得る。
19A and 19B show a Zener clamp structure according to another embodiment of the present invention. In the
これに対して、図19Bに示す連続PZアノード注入されたダイオード1100は、異なるドーズ量とエネルギーの注入部1104A−1104Dを重ね合わせて結合することによって形成された概ね垂直な列方向に延在する構造のP型材料を有する。この複合ツェナ構造1104の深さは、ドーパント注入1104Aのエネルギーによって決まる。PZ列の幅は、注入の横方向のばらつき(跳ね返り)のために、マスクの幅yよりわずかに広くなる。拡散された接合部とは異なり、注入された領域の幅は、(横方向のばらつきが注入エネルギーに比例して大きくなるので)深くなるほど広くなる。マスク材料1103は、厚いフォトレジスト、二酸化シリコン、窒化シリコン、または他の誘電体であり得、最大エネルギーでの注入が、マスクで保護された領域を通してエピタキシャル層1102に侵入するのをブロックできる程度に十分な厚さに選択されなければならない。
In contrast, the continuous PZ anode-injected
トレンチがPZ注入部の側面の一方または両方に当接する場合には、注入部の横方向のばらつきは、(トレンチが薄すぎない限り)トレンチによって規制される。 If the trench abuts one or both of the side surfaces of the PZ implant, the lateral variation of the implant is regulated by the trench (unless the trench is too thin).
図20A乃至図20Hは、本発明の実施形態によるエピタキシャル層の種々の例を示す。それぞれの場合において、エピタキシャル層の目的は、PZツェナクランプの電圧クランプ能力を犠牲にすることなく薄いゲート酸下層近傍のイオン化電流を最小化することにある。図20Aでは、断面1120が、N+基板1121Aの上に形成された厚さxepiの一様にドープされたエピタキシャル層1122Aを含んでいる。対応するドーパントプロフィールは図20Bに示されている。
20A-20H illustrate various examples of epitaxial layers according to embodiments of the present invention. In each case, the purpose of the epitaxial layer is to minimize the ionization current near the thin gate oxide underlayer without sacrificing the voltage clamping capability of the PZ Zener clamp. In FIG. 20A, a
図20Cでは、断面1130が、高濃度にドープされたN+基板1131Aと、N+基板1131Aの上に形成された第1のN型エピタキシャル層1132Aと、エピタキシャル層1132Aの上に位置する第2のN型エピタキシャル層1133Aとを有する。図20Dは、階段状のエピタキシャル層が、底部エピタキシャル層1132Aのドーパントプロフィール1132Bによって示されたドーパント濃度Nepiより低い濃度Nepi2を有する上側エピタキシャル層1133A(厚さxepi2)のドーパントプロフィールを示している。上側エピタキシャル層1133の濃度Nepi2は、底部エピタキシャル層1132Aの濃度より5%乃至40R低い濃度であり得るが、好ましくは濃度Nepi2は、底部エピタキシャル層1132Aの濃度より15%乃至25%低い濃度範囲にあるべきである。底部エピタキシャル層の厚さは、ブレークダウン時にツェナ電圧クランプ上に広がる空乏層をサポートするためだけに必要な厚さがあればよい
In FIG. 20C, a
図20Eは、連続的な濃度勾配を有するエピタキシャル層1152Aを示しており、これは図20Fの濃度グラフに示すように、基板1151Aの近傍で濃度が最大で、表面に向かって連続的に濃度が低下している。そのようなエピタキシャル層1152Aは、一定濃度のエピタキシャル層より成長させるのがより難しく、その濃度プロフィールにおいて段階を示さない(これは再現性をコントロールするのが難しい)。
FIG. 20E shows an
連続的な濃度勾配を有するエピタキシャル層を合成する新規な方法は、ドーズ量とエネルギーを変えた複数回イオン注入1172A、1173A,及び1174Aを用いることによるもので、図20Gに構造の断面1170が、図20Hに得られる濃度プロフィール1172B、1173B、及び1174Bが示されている。この構造は、一様な濃度の低濃度ドープされたエピタキシャル層Nepi 1175Aを、N+基板1171Aの上に成長させ、次いで深い高エネルギー注入1172A(符号NW1)、浅い中エネルギー注入1173A(符号NW2)、さらに低エネルギーの注入1174A(符号NW3)を連続して行うことにより形成されている。最も低エネルギーの注入は表面に広げても、或いは表面下に注入して、エピタキシャル層1175Aの部分を補償しないでおいてもよい。
A novel method for synthesizing an epitaxial layer having a continuous concentration gradient is by using
段階的または連続的な濃度勾配のエピタキシとツェナクランプされたTBOXトレンチゲート型デバイスを組み合せることの利点は、PZツェナクランプの電圧クランプ能力を犠牲にすることなく、薄いゲート酸下層近傍のイオン化電流を更に最小化することができることにある。図21Aは、デバイス1180内部のトレンチゲートに対する階段状エピタキシャル層1182、1183の相対的深さを示す。上側エピタキシャル層1183は、埋め込まれたポリシリコンゲート1187の底部より深くなる(従ってゲート酸下層側壁1188の近傍のホットキャリアレベルが低くなる)ように選択された厚さxei2を有する。さらに、上側エピタキシャル層1183ではなく第1のエピタキシャル層1182がクランプダイオードのブレークダウンを決定するように、PZアノード領域1185の底部は第1のエピタキシャル層1182の上に重なっているべきである。
The advantage of combining stepwise or continuous concentration gradient epitaxy and a Zener clamped TBOX trench gate device is that the ionization current near the thin gate oxide sublayer without sacrificing the voltage clamping capability of the PZ Zener clamp. Can be further minimized. FIG. 21A shows the relative depth of the stepped epitaxial layers 1182, 1183 relative to the trench gate inside the
一例として、1.7μmのトレンチを有し、0.3μmの厚さのTBOX層を備えたトレンチ型MOSFETを考えてみる。そのようなデバイスでは、埋め込まれたポリシリコンゲート1185の底部が深さ1.4μmにある。従って、第1と第2のエピタキシャル層の移行部は1.4μmと1.8μmの間にあるが、(デバイスの薄いゲート酸化層側壁1188から十分に離れた位置とするために)1.6μmより深いのが好ましい。
As an example, consider a trench MOSFET with a 1.7 μm trench and a 0.3 μm thick TBOX layer. In such a device, the bottom of the buried polysilicon gate 1185 is 1.4 μm deep. Thus, the transition between the first and second epitaxial layers is between 1.4 μm and 1.8 μm, but 1.6 μm (to be far enough away from the thin
図21Bは、図21Aのデバイス1180の切断面A−A’で切った、アクティブMOSFETチャネルを通してのドーパントプロフィールを示す断面図である。このドーパントプロフィールでは、プロフィール1184Bを有する埋め込まれたPBボディ領域1184Aが、上側エピタキシャル層1183より浅く、従って接合部深さ(PB)が上側エピタキシャル層1183Aの深さXepi2より浅い。
FIG. 21B is a cross-sectional view showing the dopant profile through the active MOSFET channel, taken at section A-A ′ of the
PBボディ領域1184Aがより高濃度にドープされた底部エピタキシャル層1182A内に延在していないことから、(ゲート近傍における)エピタキシャルドレインでのイオン化率は、デバイスが一様にドープされたエピタキシャル層を用いて製造されている場合より低くなる。
Since the
図21Cは、デバイス1180の切断面B−B’に沿って切断した、PZツェナクランプアノード1185Aを通してのドーパントプロフィール1185B及び1181Bを示す断面図である。ドーピングプロフィール1185Bには、注入されたPZアノード領域1185Aが上側エピタキシャル層1183Aより深く、底部エピタキシャル層1182Aより下まで延在していることが示されている。また、PZ領域アノード1185Aはエピタキシャル層の全厚さより浅いので、上側エピタキシャル層1183Aの深さXepi2は、ツェナダイオード接合部の深さXj(PZ)より浅く、さらにXj(PZ)はエピタキシャル層の全厚さ(Xepi1+Xepi2)より浅い。
FIG. 21C is a cross-sectional view showing
底部エピタキシャル層1182Aの厚さXepi1は、デバイスの定格ブレークダウン電圧BVDSSを維持しなければならず、リーチスルーブレークダウン限界に達する直前に維持するのが理想である。リーチスルー限界は、PZアノード1185AとN+基板1181Aの上側との間のエピタキシャル領域の厚さである正味のエピタキシャル厚さに左右される。PZアノード領域1185Aが底部エピタキシャル層1182Aに重なっていることから、ツェナの正味のエピタキシャル厚さは、エピタキシャル層の全厚さ(Xepi1+Xepi2)から、PZアノード領域1185Aの接合部深さXj(PZ)を差し引いた厚さである。従って、深さ及び厚さは次の式1を満たすのが好ましい。
The thickness Xepi1 of the
ここで、上側エピタキシャル層1183Aのドーピングが、底部層1182Aのドーピングより低いと仮定すると、式1は、ボディ−エピタキシャル層接合部ブレークダウン電圧BVbodyは、ツェナブレークダウン電圧BVZより高くなければならないことを確認するものである。
Here, the doping of the
埋め込まれたポリシリコントレンチゲート1187の底部の深さをxpolyとし、さらにトレンチの底部の深さ(即ちTBOX領域1186)をxtrenchとすると、以下のことを決定することができる。即ち、ポリシリコンゲート1187は、ボディ1184Aより深くなければならず、さらに好ましい実施形態では、より低濃度にドープされた上側エピタキシャル層1183Aの厚さより浅い深さで、従って以下の式2を満たすものであるべきである。
If the depth of the bottom of the buried
トレンチポリゲート基準と上述の階段状エピタキシャル接合部のブレークダウン基準とを組み合せると、階段状のエピタキシャル層を備えるツェナクランプされたTBOXトレンチゲート型MOSFETを改善するための一般規則が、次の式3として得られる。 Combining the trench polygate criteria with the step-wise epitaxial junction breakdown criteria described above, the general rule for improving a Zener-clamped TBOX trench-gate MOSFET with a step-like epitaxial layer is: 3 is obtained.
要するに、ボディはポリシリコンゲートより浅くなければならず、ポリシリコンゲートは、全エピタキシャル層の厚さより薄い低濃度にドープされたエピタキシャル層より浅い深さであるべきである。 In short, the body must be shallower than the polysilicon gate, and the polysilicon gate should be at a depth shallower than the lightly doped epitaxial layer that is thinner than the thickness of the entire epitaxial layer.
好ましい実施形態では、PZツェナクランプ接合部の深さも、トレンチの底部より浅い深さであり、従って次の式4を満たす。 In the preferred embodiment, the depth of the PZ Zener clamp junction is also shallower than the bottom of the trench, and therefore satisfies Equation 4 below.
このような基準は、トレンチがゲートより実質的に深い、即ち厚い底部酸下層が存在する場合にのみ満たされ得る。 Such criteria can only be met if the trench is substantially deeper than the gate, i.e. there is a thick bottom acid layer.
上述の本発明によるデバイス及びそれらの製造において用いられるあらゆるプロセス(例えば図15A乃至図15Eや図16A乃至図16Bに示されたもの)は、Nチャネルデバイスを例にとっているが、ここに開示する方法はPチャネルデバイスにも等しく適用できることに注意されたい。当業者は、リンやヒ素をホウ素に置き換え(或いは逆の置き換えを行って)、かつ異なるドーパントの種やイオン注入時の電荷質量比を許容できるように適宜注入エネルギーを調節して、Pチャネルデバイスを形成することができる。さらに、上述のプロセスの例示は、用いられるプロセスフローをここに開示されたものに限定しようとする趣旨ではない。多くの場合、得られる構造や電圧クランプされたTBOXトレンチゲート型MOSFETの利点を基本的に変更することなく、処理シーケンスの順番を並べ変えることができる。 The above-described devices according to the present invention and any processes used in their manufacture (eg, those shown in FIGS. 15A-15E and FIGS. 16A-16B) take N-channel devices as examples, but the methods disclosed herein. Note that is equally applicable to P-channel devices. A person skilled in the art will replace phosphorus or arsenic with boron (or vice versa) and adjust the implantation energy as appropriate to allow for different dopant species and charge-to-mass ratios during ion implantation. Can be formed. Furthermore, the above process illustrations are not intended to limit the process flow used to that disclosed herein. In many cases, the sequence of the processing sequence can be reordered without fundamentally changing the resulting structure or the advantages of the voltage clamped TBOX trench gate MOSFET.
Claims (25)
前記基板における複数のトレンチ内のゲート構造であって、各トレンチにおけるゲート構造が、当該トレンチの側壁部において第1の厚さを有し、当該トレンチの底部において前記第1の厚さより厚い第2の厚さを有する絶縁材によって外囲された導電性ゲートを含む、該ゲート構造と、
前記トレンチの少なくとも1つに隣接し、前記基板の第1の深さまで延在するとともに、前記トレンチに隣接するチャネル領域を含む、第2導電型の第1領域と、
前記第1領域と電気的に接触し、前記第1の深さよりも深く前記トレンチよりも浅い第2の厚さまで延在する前記第2導電型の第2領域と、
前記第1の領域の上に位置する前記第1導電型の第3領域であって、前記導電性ゲートの電圧が、前記第3領域から前記第1領域を通って前記基板の下層をなす部分へ流れる電流を制御する、該第3領域とを含むことを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type substrate;
A gate structure in a plurality of trenches in the substrate, wherein the gate structure in each trench has a first thickness at a sidewall portion of the trench and a second thickness greater than the first thickness at a bottom portion of the trench. A gate structure including a conductive gate surrounded by an insulating material having a thickness of:
A first region of a second conductivity type adjacent to at least one of the trenches, extending to a first depth of the substrate and including a channel region adjacent to the trench;
A second region of the second conductivity type in electrical contact with the first region and extending to a second thickness deeper than the first depth and shallower than the trench;
A third region of the first conductivity type located on the first region, wherein a voltage of the conductive gate forms a lower layer of the substrate from the third region through the first region And a third region for controlling a current flowing to the semiconductor device.
前記第2領域が、前記第1半導体層と接合部を形成することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。 The first region forms a junction with the second semiconductor layer;
The semiconductor device according to claim 4, wherein the second region forms a junction with the first semiconductor layer.
前記第2領域は、第2の一対のトレンチ間にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The first region and the third region are in a first mesa (a plateau-shaped region) between a first pair of trenches,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second region is between a second pair of trenches.
前記基板の表面にあり、前記第1トレンチに隣接する前記第3領域と、
前記基板の表面にあり、前記第2トレンチに隣接する前記第1導電型の第4領域と、
前記基板の表面にあり、前記第3領域と前記第4領域との間の前記第2導電型の第5領域と、
前記第3領域および前記第4領域の下層をなす第1領域と、
前記第3領域の下層をなし、前記第1トレンチおよび前記第2トレンチから離れた位置にある前記第2領域とを含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The mesa between the first trench and the second trench (the plateau shape region)
The third region on the surface of the substrate and adjacent to the first trench;
A fourth region of the first conductivity type on the surface of the substrate and adjacent to the second trench;
A fifth region of the second conductivity type located on the surface of the substrate and between the third region and the fourth region;
A first region forming a lower layer of the third region and the fourth region;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device includes the second region which forms a lower layer of the third region and is located away from the first trench and the second trench.
(a)第1導電型の基板に複数のトレンチを形成する過程と、
(b)前記トレンチの底部に厚い酸化層を被着する過程と、
(c)前記トレンチの側壁上にゲート酸下層を形成する過程と、
(d)前記トレンチに導電性材料を充填する過程と、
(e)トレンチ間の1以上のメサ(台地形状領域)に対応する領域において前記基板に第2導電型のボディ領域を形成する過程であって、前記ボディ領域が第1の深さを有する、該過程と、
(f)前記トレンチの間の1以上のメサに対応する領域における、前記第2導電型のクランプ領域を形成する過程であって、前記クランプ領域は、前記第1の深さより深くかつ前記トレンチより浅い第2の深さを有する、該過程と、
(g)前記ボディ領域の上に前記第1導電型のアクティブ領域を形成する過程と、
(h)前記導電性材料、前記アクティブ領域、及び前記基板への電気的接続部を設ける過程とを有することを特徴とする方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
(A) forming a plurality of trenches in a first conductivity type substrate;
(B) depositing a thick oxide layer on the bottom of the trench;
(C) forming a gate acid underlayer on the trench sidewall;
(D) filling the trench with a conductive material;
(E) forming a second conductivity type body region on the substrate in a region corresponding to one or more mesas (mountain shape region) between the trenches, wherein the body region has a first depth; The process,
(F) forming the second conductivity type clamp region in a region corresponding to one or more mesas between the trenches, wherein the clamp region is deeper than the first depth and more than the trench; The process having a shallow second depth; and
(G) forming an active region of the first conductivity type on the body region;
(H) providing an electrical connection to the conductive material, the active region, and the substrate.
前記導電材に接触し、前記基板の一部の上に位置するゲートバスを形成する過程とをさらに含み、
前記ボディ領域を形成する過程及び前記クランプ領域を形成する過程が、前記基板の表面から前記導電材を除去した後で、かつ前記ゲートバスを形成する前に行われることを特徴とする請求項18に記載の方法。 Removing the conductive material from the surface of the substrate;
Forming a gate bus in contact with the conductive material and located on a portion of the substrate;
19. The step of forming the body region and the step of forming the clamp region are performed after removing the conductive material from the surface of the substrate and before forming the gate bus. The method described in 1.
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