JP6937326B2 - 短チャネルトレンチ型パワーmosfet - Google Patents
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Description
本発明は、短チャネルトレンチ型パワーMOSFETおよびその製造方法に関する。
US2011/018004A1は、大きな阻止電圧を有する半導体装置を開示している。この半導体装置は、炭化ケイ素トレンチ型MOSFETを用いて、pボディ濃度が低い狭い領域とpボディ濃度が高い広い領域の両方を処理することによって形成される。ゲート絶縁層上には、ドーピングレベルが低く、厚さが50nmであるチャネル領域が形成されている。
本発明の目的は、短チャネル効果を回避しながら、低いサブスレッショルドスロープおよび低いオン状態抵抗を有する電力用半導体装置を提供することである。
図面に使用されている参照符号およびその意味は、符号の説明にまとめられている。一般的に、本明細書の全体において、類似の要素は、同様の参照符号を有する。記載された実施形態は、例示であり、本発明の範囲を限定しない。
Claims (14)
- 電力用半導体装置であって、
第1導電型を有するドリフト層と、
前記ドリフト層上に設けられ、前記第1導電型とは異なる第2導電型を有するベース層とを備え、前記ベース層は、前記ドリフト層と第1のp−n接合を形成し、
前記ベース層上に設けられ、前記第1導電型を有するソース層を備え、前記ベース層は、前記ソース層と第2のp−n接合を形成し、
前記第2導電型を有し、前記ソース層から前記ドリフト層まで延在するチャネル領域を備え、前記チャネル領域は、前記ソース層と第3のp−n接合を形成し且つ前記ドリフト層と第4のp−n接合を形成し、
前記チャネル領域の導電率を制御するためのトレンチゲート構造を備え、前記トレンチゲート構造は、導電性のゲート電極と、前記チャネル領域から前記ゲート電極を電気的に絶縁するためのゲート絶縁層とを含み、
前記チャネル領域内の全ての位置における第1局所ドーピング濃度が1×1017cm−3未満であり、前記チャネル領域の第1局所ドーピング濃度の平均値が4×1016cm−3未満であり、
前記ベース層において、当該ベース層内の全ての位置における第2局所ドーピング濃度が、少なくとも1×1017cm−3であり、
前記チャネル領域と前記ベース層とは、互いに直接接触しており、
を特徴とし、
式中、LCHは、チャネル長であり、前記チャネル長LCHは、前記チャネル領域と前記ゲート絶縁層との間の界面に沿って、前記第3のp−n接合から前記第4のp−n接合までの最短経路の長さとして定義され、εCHは、前記チャネル領域の誘電率であり、εGIは、前記ゲート絶縁層の誘電率であり、tCHは、前記ゲート絶縁層と前記チャネル領域との間の界面に垂直な方向における前記チャネル領域の厚さであり、tGIは、前記ゲート絶縁層と前記チャネル領域との間の界面に垂直な方向における前記ゲート絶縁層の厚さであり、
前記チャネル領域の厚さtCHは、1nm〜10nmの範囲にある、電力用半導体装置。 - 前記チャネル領域の厚さtCHは、2nm〜5nmの範囲にある、請求項1に記載の電力用半導体装置。
- 前記チャネル長LCHは、0.6μm未満、または0.5μm未満、または0.4μm未満、または0.3μm未満である、請求項1または請求項2に記載の電力用半導体装置。
- 前記チャネル領域の前記第1局所ドーピング濃度の平均値は、2×1016cm−3未満である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
- 前記ベース層の前記第2局所ドーピング濃度の平均値は、少なくとも5×1017cm−3、または少なくとも1×1018cm−3、または少なくとも5×1018cm−3である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
- 前記ベース層の深さが、前記チャネル領域の深さよりも大きい、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
- ベース電極領域が、前記ベース層を進入して前記ベース層へのトレンチコンタクトを形成する、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
- 前記チャネル領域と前記ベース層との間の界面における局所ドーピング濃度の勾配は、少なくとも1016cm−3/nmである、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力用半導体装置。
- 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の前記電力用半導体装置を製造するための方法であって、当該方法は、以下のステップ、すなわち、
半導体ウエハを用意するステップを含み、前記半導体ウエハは、前記半導体ウエハの第1主面から前記半導体ウエハの第2主面に向かって順番に、前記第1導電型を有する第1半導体層、前記第2導電型を有する第2半導体層、および前記第1導電型を有する第3半導体層を含み、前記第1半導体層は、前記電力用半導体装置において前記ソース層を形成し、前記第3半導体層は、前記電力用半導体装置において前記ドリフト層を形成し、
前記半導体ウエハの前記第1主面上に第1マスクパターンを形成するステップと、
前記第1マスクパターンの側壁に第1側壁スペーサを形成するステップと、
前記第1半導体層および前記第2半導体層をエッチングすることによって、前記第1半導体層および前記第2半導体層にトレンチを形成するステップとを含み、前記第1マスクパターンおよび前記第1側壁スペーサは、エッチングマスクとして使用され、
前記トレンチを形成した後、前記第1マスクパターンを選択的にエッチングすることによって、前記第1マスクパターンの下方の前記半導体ウエハを露出させるステップと、
前記第1側壁スペーサを少なくともドーピングマスクの一部として使用して、前記第2導電型を有する第1不純物を前記半導体ウエハに選択的に注入することによって、前記第2半導体層に前記ベース層および前記チャネル領域を形成するステップと、
前記第1側壁スペーサを含む前記ドーピングマスクを除去するステップと、
前記トレンチの側壁および底部上に絶縁層を形成することによって、前記ゲート絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層上に導電層を形成することによって、導電性の前記ゲート電極を形成するステップと、
前記第1マスクパターンを選択的にエッチングした後、前記第1側壁スペーサの側壁上に第2側壁スペーサを形成するステップとを含み、前記第2側壁スペーサは、前記第1不純物を選択的に注入するステップにおいて、前記ドーピングマスクの一部として使用される、方法。 - 前記方法は、前記トレンチの底部に第2マスクパターンを形成するステップを含み、
前記第2マスクパターンは、前記第1不純物を選択的に注入するステップにおいて、前記ドーピングマスクの一部として使用され、
前記第2マスクパターンは、前記トレンチの側壁上に前記ゲート絶縁層を形成するステップの前に除去される、請求項9に記載の方法。 - 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の前記電力用半導体装置を製造するための方法であって、当該方法は、以下のステップ、すなわち、
半導体ウエハを用意するステップを含み、前記半導体ウエハは、前記半導体ウエハの第1主面から前記半導体ウエハの第2主面に向かって順番に、前記第1導電型を有する第1半導体層、前記第2導電型を有する第2半導体層、および前記第1導電型を有する第3半導体層を含み、前記第1半導体層は、前記電力用半導体装置において前記ソース層を形成し、前記第3半導体層は、前記電力用半導体装置において前記ドリフト層を形成し、
前記半導体ウエハの前記第1主面に第1マスクパターンを形成するステップを含み、前記第1マスクパターンは、第1開口を有し、
前記第1マスクパターンを第1ドーピングマスクとして使用して、前記第1開口を通って前記第2導電型を有する第1不純物を前記半導体ウエハに選択的に注入することによって、前記第2半導体層に前記ベース層および前記チャネル領域を形成するステップと、
前記第1マスクパターンの一部を除去することによって、前記第1マスクパターンの前記第1開口を拡大するステップと、
残された前記第1マスクパターンの拡大された前記第1開口に第2マスクパターンを形成するステップと、
残された前記第1マスクパターンを選択的にエッチングすることによって、残された前記第1マスクパターンの下方の前記半導体ウエハを露出させるステップと、
前記第1半導体層および前記第2半導体層をエッチングすることによって、前記第1半導体層および前記第2半導体層に第1トレンチを形成するステップとを含み、前記第2マスクパターンは、エッチングマスクとして使用され、
前記第2マスクパターンを除去するステップと、
前記第1トレンチの側壁および底部上に絶縁層を形成することによって、前記ゲート絶縁層を形成するステップと、
前記絶縁層上に導電層を形成することによって、導電性の前記ゲート電極を形成するステップとを含む、方法。 - 前記半導体ウエハの前記第1主面に前記第1マスクパターンを形成するステップは、
第2開口を含む第1マスク部を形成するステップと、
少なくとも前記第2開口の側壁上に第2マスク部を形成することによって、前記第1マスク部および前記第2マスク部を含む前記第1マスクパターンを形成するステップとを含み、
前記第1マスクパターンの一部を除去することによって、前記第1マスクパターンの前記第1開口を拡大するステップは、前記第2マスク部を選択的にエッチングすることによって行われる、請求項11に記載の方法。 - 前記方法は、前記第1不純物を選択的に注入するステップの前に、第2トレンチを形成するステップを含み、
前記第1マスクパターンは、前記第2トレンチを形成するステップにおいて、エッチングマスクとして使用される、請求項11または請求項12に記載の方法。 - 前記方法は、前記第1トレンチの底部を介して前記第2導電型を有する第2不純物を前記半導体ウエハに選択的に注入するステップを含み、
前記第2マスクパターンは、第2ドーピングマスクとして使用される、請求項11から請求項13のいずれか1項に記載の方法。
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