JP4860858B2 - 低いオン抵抗を有する高電圧パワーmosfet - Google Patents
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Description
関連出願
本出願は、1999年6月3日に出願された米国仮特許出願、発明の名称「比較的オン抵抗が低い高電圧MOSゲート構造(A High Voltage MOS-Gated Structure with a Relatively Low On-Resistance)」に関連する。
【0002】
【技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特に、パワーMOSFETデバイスに関するものである。
【0003】
【背景技術】
パワーMOSFETデバイスは、自動車の電気系統、電源のような用途、及び電力管理用途に採用されている。このようなデバイスは、オフ状態においては高電圧を維持し、オフ状態においては低電圧及び高飽和電流密度を生じなければならない。
【0004】
図1は、N−チャネルパワーMOSFETの一般的な構造を示している。N+シリコン基板2上に形成されたN−エピタキシャルシリコン層(以下、単にエピタキシャル層ともいう。)1は、デバイスの2つのMOSFETセル用のp−ボディ領域5a、6aと、N+ソース領域7、8とを備えている。また、p−ボディ領域5、6は、深いp−ボディ領域5b、6bを備えている。N + ソース領域(以下、単にソース領域ともいう。)7、8とp − ボディ領域(以下、単にボディ領域ともいう。)5、6を接続するために、ソース/ボディ電極12が、エピタキシャル層1の特定の表面部分に亘って延びている。両セル用のN型ドレインは、N − にドーピングされたエピタキシャル層1の一部が図1に示す半導体表面に延びることによって、形成される。N+ シリコン基板(以下、単に基板ともいう。)2の底面には、ドレイン電極(図示していない)が設けられている。酸化物層と、ポリシリコン層とからなる絶縁ゲート電極18は、ボディ領域5、6のチャネル部分及びドレイン部分上に設けられている。
【0005】
図1に示す従来のMOSFETのオン抵抗は、主に、エピタキシャル層1のドリフト領域の抵抗によって決定される。次に、ドリフト領域の抵抗は、エピタキシャル層1のドーピング濃度及び層の厚さによって決定される。しかしながら、デバイスの降伏電圧を高くするためには、エピタキシャル層1のドーピング濃度を下げ、その一方で層の厚さを増加させなければならない。図2中の曲線20は、従来のMOSFETの降伏電圧の関数としての単位面積当たりのオン抵抗を示している。曲線20に示すように、デバイスの降伏電圧を高くするにつれて、オン抵抗も急速に大きくなる。MOSFETをより高い電圧、特に数百ボルトよりも高い電圧で動作させる場合、抵抗のこのような急速な増大によって問題が生じる。
【0006】
図3は、高い電圧で動作させても、低いオン抵抗で動作するように設計されたMOSFETを示している。このMOSFETは、1998年の国際電子デバイス会議の会報(Proceedings of the IEDM)の文献No.26.2、p.683に開示されている。このMOSFETは、ボディ領域5、6の下からデバイスのドリフト領域内に延びるp型ドーピング領域40、42を備えている点を除いて、図2に示す従来のMOSFETと類似している。p型ドーピング領域40、42は、従来のMOSFETのような垂直方向だけでなく、同様に水平方向にも逆電圧を生じる。その結果、このデバイスは、従来のデバイスにおいてエピタキシャル層1の厚さを薄くし、ドリフト領域のドーピング濃度を高くしたものと同様の逆電圧を達成することができる。図2中の曲線25は、図3に示すMOSFETの単位面積当たりのオン抵抗を、降伏電圧の関数として示している。曲線25に示すように、高い動作電圧におけるこのデバイスのオン抵抗は、図1に示すデバイスと比較して大幅に小さく、基本的には、降伏電圧に線形的に増加する。
【0007】
図3に示す構造は、複数回のエピタキシャル成長工程を含む処理手順で製造することができ、各エピタキシャル成長工程の後に、適切なドーパントを導入する。不都合なことに、エピタキシャル成長工程の実行は、コストが高く、したがって、この構造の製造するのに高いコストがかかってしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
したがって、より安いコストで製造できるように、蒸着工程の回数を最少限に抑えた、図3に示すMOSFET構造を製造する方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に基づくパワーMOSFET形成方法によって形成されるパワーMOSFETは、第1の伝導型の基板を備える。また、第1の伝導型のエピタキシャル層が基板上に成長されている。第1及び第2のボディ領域がエピタキシャル層内に配置され、両ボディ領域間にドリフト領域が画定されている。第1及び第2のボディ領域は、第2の伝導型を有する。第1の伝導型の第1及び第2のソース領域が、第1及び第2のボディ領域内にそれぞれ配置されている。エピタキシャル層のドリフト領域内の第1及び第2のボディ領域の下に、複数のトレンチが設けられている。トレンチは、第1及び第2のボディ領域から基板の方向に延びており、第2の伝導型のドーパントを含む材料で充填されている。ドーパントは、トレンチから、エピタキシャル層のトレンチに隣接した部分に拡散され、これにより、垂直方向においてと同様に水平方向においても増加する逆電圧を発生する、p型ドーピング領域が形成される。
【0012】
本発明の他の実施の形態によれば、トレンチを充填する材料は、例えば二酸化ケイ素のような誘電体である。
【0014】
本発明に基づくパワーMOSFETを形成する方法を提供する。この方法は、第1の伝導型の基板を準備し、この基板上にエピタキシャル層を成長することから始まる。このエピタキシャル層は第1の伝導型のものである。エピタキシャル層内に第1及び第2のボディ領域が形成されることで、両ボディ領域間にドリフト領域が画定される。このボディ領域は第2の伝導型のものである。第1及び第2のボディ領域内に、それぞれ第1の伝導型の第1及び第2のソース領域が形成される。エピタキシャル層のドリフト領域内に複数のトレンチが形成される。トレンチは、第2の伝導型のドーパントを含む材料で充填される。トレンチは、第1及び第2のボディ領域から基板に延びている。ドーパントの少なくとも一部が、トレンチから、このトレンチ付近にあるエピタキシャルの部分内に拡散される。トレンチを充填する材料は、ポリシリコンと誘電体とを含み、ポリシリコンを高温で再結晶化して、単結晶シリコンを形成する。トレンチを充填する工程では、トレンチを、まず、ドーピングされたポリシリコンで部分的に充填し、次に、誘電体を堆積させて、トレンチを完全に充填する。
【0015】
本発明に基づいて、図3に示すp型ドーピング領域(以下、単にp型領域ともいう。)40、42は、まずp型領域40、42を配置する位置を中心として位置決めされた1対のトレンチをエッチングすることによって、形成される。トレンチは、その後、ドーパントを豊富に含む材料で充填される。材料内のドーパントは、トレンチから、デバイスのドリフト領域を形成する隣接したエピタキシャル層内に拡散される。得られるエピタキシャル層のドーピングされた部分は、p型領域を形成する。トレンチを充填している材料は、トレンチの外に拡散されなかったドーパントと共に、最終的なデバイスに残る。したがって、この材料は、デバイスの特性に悪影響を及ぼさないように、選択しなければならない。トレンチを充填する材料として用いることができる例示的な材料には、ポリシリコン、あるいは誘電体、例えば二酸化ケイ素がある。
【0016】
図4〜図6は、エピタキシャルシリコン層(以下、単にエピタキシャル層ともいう。)1に形成されたトレンチ44、46を充填するために用いることができる幾つかの異なる材料の組合せを示している。図面を明確にするために、図4〜図6では、トレンチ44、46と、エピタキシャル層1と、基板2とを示しているが、図4〜図6は、p−ボディ領域(以下、単にボディ領域ともいう。)と、ソース領域とを含むパワーMOSFET構造の上部は示していない。
【0017】
図4では、トレンチ44、46を、ドーピングされた誘電体、例えばホウ素がドーピングされた二酸化ケイ素で充填している。トレンチ44、46を充填した後、ホウ素を、隣接したエピタキシャル層1内に拡散して、p型領域40、42を形成する。トレンチ44、46を充填している、ホウ素がドーピングされた二酸化ケイ素は、最終的なMOSFETデバイスに残る。
【0018】
図5では、トレンチ44、46を、ホウ素がドーピングされた多結晶シリコン、すなわちポリシリコンによって、少なくとも部分的に充填している。トレンチ44、46を充填した後、ホウ素を、隣接したエピタキシャル層1内に拡散して、p型領域40、42を形成する。トレンチ44、46を充填している、ホウ素がドーピングされたポリシリコンは、最終的なMOSFETデバイスに残る。あるいは、二酸化ケイ素を形成する拡散工程を実行した後に、ポリシリコンを、全て又は部分的に酸化させてもよい。したがって、最終的なMOSFETデバイスに残るトレンチ44、46は、誘電体、すなわち二酸化ケイ素と、あらゆる残りのポリシリコンとで充填されている。他の実施の形態では、トレンチ44、46内の、ホウ素がドーピングされたポリシリコンを全て高温で再結晶化して、単結晶シリコンを形成する。この場合、最終的なMOSFETデバイスに残るトレンチ44、46は、単結晶シリコン、あるいは二酸化ケイ素又は他の誘電体と結合した単結晶シリコンで充填されている。
【0019】
図6では、トレンチ44、46を、まず、ドーピングされたポリシリコンで部分的に充填し、次に、誘電体を堆積させて、トレンチ44、46を完全に充填している。トレンチ44、46を完全に充填した後、ホウ素を、隣接したエピタキシャル層1内に拡散して、p型領域40、42を形成する。トレンチ44、46を充填している、ホウ素がドーピングされたポリシリコン及び誘電体は、最終的なMOSFETデバイスに残る。場合によっては、ホウ素がドーピングされたポリシリコンを高温で再結晶化して、単結晶シリコンを形成する。したがって、最終的なMOSFETデバイスに残るトレンチ44、46は、単結晶シリコンと誘電体の両方によって充填されている。
【0020】
図7は、本発明に基づいて構成されたパワーMOSFETを示している。このMOSFETは、基板2と、エピタキシャル層1と、p−ボディ領域5a、6aと、深いp−ボディ領域5b、6bと、ソース領域7、8と、p型領域40、42とを備え、p型領域40、42にはトレンチ44、46がそれぞれ設けている。また、図7に示すように、MOSFETは、ゲート電極と、ソース/ボディ電極とを備え、ゲート電極は、酸化物層48と、ポリシリコン層49とを有し、ソース/ボディ電極は、金属被覆層50を有している。
【0021】
図7に示す本発明に係るパワーMOSFETは、あらゆる従来の加工技術を用いて、製造することができる。例えば、以下に示す一連の例示的な工程を実行して、図7のパワーMOSFETを形成することができる。
【0022】
まず、エピタキシャル層1の表面を酸化物層で覆うことによって、酸化物マスク層を形成し、そして、これを従来の方法で露光及びパターン化して、トレンチ44、46の位置を画定するマスク部を残す。トレンチ44、46を、マスク開口を介して、反応性イオンエッチングで、通常は10〜40ミクロンの深さまでドライエッチングする。トレンチ44、46の側壁を平坦化してもよい。まず、反応性イオンエッチング工程で生じた損傷を取り除くために、ドライ化学エッチングを使って、トレンチ側壁から酸化物の薄膜(通常は約500〜1000Å)を除去する。次に、トレンチ44、46及びマスク部上に犠牲二酸化ケイ素層を成長させる。バッファ酸化物エッチング又はHFエッチングのいずれかによって犠牲二酸化ケイ素層及びマスク部を除去し、得られるトレンチ側壁を可能な限り平坦化する。
【0023】
トレンチ44、46を、上述した材料、例えばポリシリコン、二酸化ケイ素又はこれらの組合せのいずれかで充填する。堆積中、ポリシリコン又は酸化物をドーパント、例えばホウ素でドーピングする。後続の拡散工程を実行して、ドーパントをトレンチ44、46から周囲のエピタキシャル層1内に拡散する。トレンチ44、46に残る材料がポリシリコンの場合、ポリシリコンは、酸化又は再結晶化することができる。
【0024】
次に、従来のN + にドーピングされた基板2上に、N− にドーピングされたエピタキシャル層1を成長させる。通常、エピタキシャル層1の厚さは、抵抗率が15〜60ohm・cmの400〜800Vデバイスでは15〜50ミクロンである。次に、活性領域マスク及び多結晶シリコンの層を堆積し、ドーピングし、酸化した後に、ゲート酸化膜を成長させる。採用する場合、深いp−ボディ領域5b、6bを、従来のマスク、イオン注入、拡散工程を用いて、形成する。深いp−ボディ領域5b、6bのドーズ量は、通常、約1×1014〜5×1015/cm2である。次に、p−ボディ領域5a、6aを、従来のマスク、イオン注入、拡散工程によって形成する。p−ボディ領域5a、6aにホウ素を40〜60KeVで注入して、ドーズ量を約1×1013〜5×1014/cm2 とする。
【0025】
次に、フォトレジストマスク工程を用いて、ソース領域7、8を画定するパターン化されたマスク層を形成する。そして、注入及び拡散工程によって、ソース領域7、8を形成する。例えば、ソース領域7、8にヒ素を80KeVで注入して、通常、2×1015〜1.2×1016 /cm2 の濃度とすることができる。注入の後、ヒ素を約0.5〜2.0ミクロンの深さまで拡散する。
【0026】
深いp−ボディ領域5b、6bの深さは、約2.5〜5ミクロンであり、一方、p − ボディ領域5a、6aの深さは、約1〜3ミクロンである。最後に、従来の方法でマスク層を除去して、図7に示す構造を形成する。
【0027】
DMOSトランジスタは、酸化物層を形成及びパターン化してコンタクト開口を形成する従来方法で完成することができる。また、金属被覆層50を堆積及びマスク化して、ソース/ボディ電極及びゲート電極を画定する。また、パッドマスクを用いて、パッドコンタクトを画定する。最後に、基板2の底面上にドレインコンタクト層(図示せず)を形成する。
【0028】
なお、上述した工程では、p−ボディ領域5a、6a及び深いp−ボディ領域5b、6bを形成する前に、トレンチ44、46を形成しているが、本発明は、残るドーピング領域の一部又は全部を形成する前に又はその後に、トレンチを形成する工程を含むものである。さらに、パワーMOSFETを製造する特定の処理手順を説明したが、本発明の範囲に入るこれ以外の処理手順を用いることもできる。
【0029】
本発明に基づいて構成されたパワーMOSFETデバイスは、従来技術で構成された従来のデバイスと比較して、幾つかの利点を有する。例えば、p型領域の垂直方向のドーパント勾配は、殆どゼロである。水平方向のドーパント勾配は、導入するドーパントの量と、拡散工程で用いる熱サイクルの回数及び継続時間とを変えることによって、正確に制御することができる。さらにまた、デバイスの降伏電圧とオン抵抗の両方を最適化するように、導入するドーパント量と横方向のドーパント勾配とを変えることができる。
【0030】
図7に示す本発明の実施の形態では、p型のトレンチ44、46は、ボディ領域5、6の下に形成されている。なお、p型のトレンチの全てが、それに関連したボディ領域を有する必要があるというわけではなく、特にダイの周辺部、あるいはパッド又は相互接続を含む領域は、不要である。
【0031】
以上、様々な実施の形態を図示し、詳細に説明したが、本発明の精神及び意図した範囲から逸脱することなく、本発明を、上述した教示に基づいて変更及び修正することができ、これらの変更及び修正は、請求の範囲に含まれることは言うまでもない。例えば、様々な半導体領域の伝導性がここで説明したものと逆であるパワーMOSFETを、本発明に基づいて提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のパワーMOSFET構造を示す断面図である。
【図2】 従来のパワーMOSFETと、本発明に基づいて構成されたパワーMOSFETとの単位面積当たりのオン抵抗を、降伏電圧の関数として示すグラフである。
【図3】 図1に示す構造と同じ電圧で、より低い単位面積当たりのオン抵抗で動作するように設計されたMOSFET構造を示す断面図である。
【図4】 本発明に基づいて構成されたパワーMOSFETの実施の形態の一部を示す断面図である。
【図5】 本発明に基づいて構成されたパワーMOSFETの実施の形態の一部を示す断面図である。
【図6】 本発明に基づいて構成されたパワーMOSFETの実施の形態の一部を示す断面図である。
【図7】 本発明に基づいて構成された完全なパワーMOSFETを示す断面図である。
Claims (6)
- パワーMOSFETを形成するパワーMOSFET形成方法において、
第1の伝導型の基板を準備する工程と、
上記基板上に第1の伝導型のエピタキシャル層を成長させる工程と、
上記エピタキシャル層内に、それらの間にドリフト領域を画定する第2の伝導型の第1及び第2のボディ領域を形成する工程と、
上記第1及び第2のボディ領域内に、第1の伝導型の第1及び第2のソース領域をそれぞれ形成する工程と、
上記エピタキシャル層の上記ドリフト領域内であって、上記第1及び第2のボディ領域から上記基板の方向に延びる複数のトレンチを形成する工程と、
上記トレンチを、第2の伝導型のドーパントを含む材料で充填する工程と、
上記ドーパントの少なくとも一部を、上記トレンチから、上記エピタキシャル層の該トレンチに隣接した部分に拡散させる工程と、
上記トレンチを充填する材料は、ポリシリコンと誘電体とを含み、該ポリシリコンを高温で再結晶化して、単結晶シリコンを形成する工程とを有し、
上記トレンチを充填する工程では、上記トレンチを、まず、ドーピングされたポリシリコンで部分的に充填し、次に、誘電体を堆積させて、該トレンチを完全に充填することを特徴とするパワーMOSFET形成方法。 - 上記誘電体は、二酸化ケイ素であることを特徴とする請求項1記載のパワーMOSFET形成方法。
- 上記ドーパントは、ホウ素であることを特徴とする請求項1記載のパワーMOSFET形成方法。
- 上記第1及び第2のボディ領域は、深いボディ領域を有することを特徴とする請求項1記載のパワーMOSFET形成方法。
- 上記トレンチは、少なくとも1つのトレンチを画定するマスク層を設け、該マスク層によって画定された該トレンチをエッチングすることによって、形成されることを特徴とする請求項1記載のパワーMOSFET形成方法。
- 上記第1及び第2のボディ領域は、上記基板内にドーパントを注入し、拡散することによって、形成されることを特徴とする請求項1記載のパワーMOSFET形成方法。
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