JPH0817849A - Mos型電力装置の製造方法 - Google Patents
Mos型電力装置の製造方法Info
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Abstract
電力装置を製造できるようにする。 【構成】 P型エピタキシャル層3の表面上に絶縁ゲー
ト層8を形成する。次いで、絶縁ゲート層8を選択的に
除去する。次いで、P型ドーパントをN型エピタキシャ
ル層3に選択的にイオン注入する。次いで、P型ドーパ
ントを、傾斜角度α1、α2でN型エピタキシャル層3
にそれぞれイオン注入する。基本セル1が方形面の場合
にはこの工程が4回行われる。次いで、多ドース量のN
型ドーパントを、多量ドープ部5にイオン注入して、絶
縁ゲート層8の端部にほぼ整列したソース領域7を形成
する。
Description
電力MOSFET及び絶縁ゲートバイポーラトランジス
タ(IGBT)のようなMOS技術による電力装置製造
方法に関するものである。
の分数値を各々に流すように並列に接続された複数の基
本機能ユニットで構成されている。
ネル装置に対してはP型)のいわゆる「本体領域」を具
える。この本体領域は、全ての機能ユニットに共通の逆
の導電型(N型)の少量ドープ半導体層内に形成されて
いる。前記逆の導電型(N型)の多量ドープソース領域
が本体領域の内側に設けられている。ソース領域と本体
領域それ自身の端部との間に設けられた本体領域の一部
は、肉薄酸化物層(いわゆるゲート酸化物)及びポリシ
リコン層(「ゲート層」)によって被覆され、基本機能
ユニットのチャネル領域を形成する。全ての基本機能ユ
ニットのソース領域は、電力装置のソース電極を構成す
る同一の金属層によって接触されている。代表的には、
本体領域は方形面を有し、電力装置を方形面基本セルの
二次元行列で構成する。
領域(しばしば「ディープ本体領域」と呼ばれる。)及
び横方向少量ドープチャネル領域を具える。ソース領域
は、その形状を環状とし、ディープ本体領域をほぼ囲ん
で前記横方向チャネル領域内に形成されている。
セルのディープ本体領域にも接触して、ソース領域、こ
のソース領域の下の本体領域の一部及び少量ドープ半導
体層でそれぞれ表されるエミッタ、ベース及びコレクタ
を有する寄生バイポーラ接合トランジスタ(BJT)
(Nチャネル電力装置の場合にはNPNトランジスタ)
のベース−エミッタ接合を短絡する。
場合にはP導電型の多量ドープ基板の全体に亘り第1
(例えばN)導電型の少量ドープ半導体層をエピタキシ
ャル成長させる。 −多ドース量のP型ドーパントをN型層の選択領域にマ
スクを用いてイオン注入し、かつ、これらドーパントを
拡散して基本セルのディープ本体領域を形成する。 −N型層の表面の全体に亘り肉薄酸化物層を熱的に成長
させる。 −肉薄酸化物層の全体に亘りポリシリコン層を堆積す
る。 −ポリシリコン層及びディープ本体領域を囲む肉薄酸化
物層を選択的にエッチング除去する。 −ポリシリコン及び酸化物層をマスクとして用いて低ド
ース量のP型ドーパントをイオン注入する。 −P型ドーパントを拡散して、肉薄酸化物層の下に延在
するチャネル領域を形成する。 −多ドース量のN型ドーパントをセルのディープ本体領
域及びチャネル領域にマスクを用いてイオン注入して、
環状ソース領域を形成する。
本体領域に対して低抵抗コンタクト領域を得るのに適切
となるようにする必要があり、それに対してチャネル領
域のドーピングレベルは、電力装置に対して所望の閾値
電圧に基づいて調整される。代表的には、イオン注入ド
ース量を、チャネル領域に対して1013〜1014原子/
cm2 の範囲内にし、かつ、ディープ本体領域に対して
1015原子/cm2 とする。基本セルの種々の領域にド
ーパントを導入するのに三つの別個のマスクが必要であ
る。ディープ本体領域に対するイオン注入マスク内に開
口された窓は、ポリシリコン層及び酸化物層をエッチン
グ除去することによって開口された窓よりも小さく、こ
のために、数回の熱処理工程中のディープ本体領域の横
方向拡散によりチャネル領域のドーピングプロファイル
が変更されるのを防止する。ソース領域は、ポリシリコ
ン層及び肉薄酸化物層内の窓の端部に自己整合的にイオ
ン注入するが、イオン注入マスクによってディープ本体
領域の中間部に未露出表面を更に設ける必要がある。
領域に十分に延在していることは明らかである。チャネ
ル領域は(600Ω/□の範囲の)比較的高いシート抵
抗を有するので、寄生バイポーラトランジスタのベース
−エミッタ接合の短絡は、ディープ本体領域からの横方
向の距離が増大するにしたがって有効でなくなる(実際
には、寄生トランジスタのエミッタ領域とベース領域と
の間に抵抗が導入され、これにより寄生トランジスタの
降伏電圧が低くなり、その結果電力装置の降伏電圧が低
くなる。)。したがって、ディープ本体領域がソース領
域の下にできるだけ延在するのが望ましい。製造の熱処
理工程中のディープ本体領域のドーパントの横方向の拡
散が原因で、チャネル領域中のドーピングプロファイル
が変更されるおそれがある。したがって、従来のMOS
型電力装置では、基本セルのチャネル領域に対するソー
ス領域の端部付近の領域は、寄生トランジスタがトリガ
オンするに対して臨界的である。
手順で行われる。 −電力MOSFETの場合にはN導電型又はIGBTの
場合にはP導電型の多量ドープ基板の全体に亘り第1例
えばN導電型の少量ドープの半導体層をエピタキシャル
成長させる。 −N型層の表面全体に亘り肉薄酸化物層を熱的に成長さ
せる。 −肉薄酸化物層の全体に亘りポリシリコン層を堆積す
る。 −ポリシリコン層及び肉薄酸化物層を選択的にエッチン
グ除去して、N型層表面の選択部分からこれらの層を除
去する。 −マスクとして作用するポリシリコン層及び肉薄酸化物
層を用いて、多ドース量のP型ドーパントを前記選択表
面部分にイオン注入する。この際、イオン注入エネルギ
ーを、前記表面から規定された距離にピークドーパント
濃度を配置するように十分高くする。 −ドーパントを上方向及び横方向に拡散させるのに十分
高温で熱拡散処理を行って、ポリシリコン層の端部及び
肉薄酸化物層に自己整合された多量ドープの本体領域の
一部と、肉薄酸化物層の下で横方向に延在する少量ドー
プチャネル領域とを形成する。 −多量ドープのN型ドーパントを選択的にイオン注入し
て、ポリシリコン層及び肉薄酸化物層端部に自己整合し
たソース領域を形成する。したがって、このソース領域
は多量ドープの本体領域部にほとんど含まれる。
少ないマスクが必要とされるだけでなく、多量ドープの
本体領域部内にほとんど完全に含まれるソース領域を得
ることができ、したがって寄生BJTのベース直列抵抗
があらゆるソース領域に沿って小さくなる。
ントを拡散させるのに必要な熱処理工程には少なくとも
一時間約1100℃の温度にする必要があるので(ドー
パントは上方向及び横方向に拡散する必要がある。)、
ゲート酸化物膜の厚さを350〜500Å未満にするこ
とができない。さらに、チャネル領域を形成するすなわ
ち拡散による方法が原因で、チャネル長が必然的に長く
なる(代表的には約1μm)。長いチャネルは、低導電
性したがって高い「オン」抵抗を意味する。また、チャ
ネルを形成するのに用いられる横方向拡散技術が原因
で、チャネル領域のドーパント濃度はチャネル沿いに減
少し、かつ、チャネル抵抗が増大する。
上記問題による悪影響がほとんど及ぼされない構造を得
るのに適したMOS型電力装置の製造工程を提供するこ
とである。
的を、熱処理を行わずに、MOS型電力装置を製造する
に当たり、 a)第1導電型の少量ドープ半導体材料層の表面上に導
電性の絶縁ゲート層を形成し、 b)前記半導体材料層表面の選択部分から前記絶縁ゲー
ト層を選択的に除去し、 c)イオン注入直後に第2導電型の第1ドーパントのあ
らゆる熱拡散工程を行うことなく、前記絶縁ゲート層の
端部にほぼ整列された多量ドープ領域を得るのに適切な
ドース量及びイオン注入エネルギーで、マスクとして作
用する前記絶縁ゲート層を用いて、前記第1ドーパント
を前記半導体材料層の前記選択部分に選択的にイオン注
入し、 d)イオン注入直後に第2導電型の第2ドーパントのあ
らゆる熱拡散工程を行うことなく、前記絶縁ゲート層の
下に延在する少量ドープチャネル領域を得るのに適切な
ドース量及びイオン注入エネルギーで、マスクとして作
用する前記絶縁ゲート層を用いて、前記半導体材料層表
面に直交する方向に対して規定された角度で傾斜した方
向に沿って前記第2ドーパントを選択的にイオン注入
し、 e)多ドース量の第1導電型の第3ドーパントを前記多
量ドープ領域にイオン注入して、前記絶縁ゲート層の端
部にほぼ整列したソース領域を形成することを特徴とす
るMOS型電力装置の製造方法によって達成することが
できる。
ィープ本体部及びチャネル部を、熱拡散処理を行うこと
なくイオン注入によって形成する。したがって基本機能
ユニットのチャネル領域の製造工程を、従来の工程に比
べて短くすることができる。イオン注入エネルギー及び
ドース量を調整することにより、ドーパントを実際に、
所望の位置に所望の濃度で配置する。したがってチャネ
ル領域の寸法を良好に制御することができる。
ト酸化物膜の厚さを現在の350〜500Åから100
〜200Åに減少させることができる。同じ理由で、接
合の深さが浅くなり、したがってより肉薄エピタキシャ
ル層を成長させるだけでよい。その結果、電力装置の
「オン」抵抗が低減する。
のマスク数を少なくすることができる。
細には電力MOSFETの断面図を示す。この電力MO
SFETは複数の基本機能ユニット1から構成され、こ
れら基本機能ユニット1はそれぞれ、多量ドープのN型
(“N+”)基板4の全体に亘り成長した少量ドープの
N型(“N−”)エピタキシャル層3内に形成されたP
型本体領域2を具える。基本機能ユニット1を例えば方
形面基本セルで表す。
の、多量ドープ(“P+”)部5と、第2の、基本セル
1のチャネル領域を形成する少量ドープ(“P−”)部
6とを具える。
内に形成されるとともに中央に孔を有する環状形態のN
+ソース領域7も具える。
ート層10を具える絶縁ゲート層8は、隣接する基本セ
ル1間に延在し、かつ、本体領域2のチャネル領域6の
表面を被覆する。本体領域の多量ドープ部5及びソース
領域7を両方とも、絶縁ゲート層8の端部にほぼ整列さ
せる。
(PVapox)のような絶縁層11によって被覆する。この
絶縁層11には、コンタクト窓12を、ソース領域7及
び本体領域2の多量ドープ部5上に開口して、重畳され
る金属層13がこれらソース領域7及び本体領域2の多
量ドープ部5に接触できるようにする。金属層13は同
様に全ての基本セルに接触し、かつ、電力MOSFET
のソース電極Sを形成する。ドレイン電極Dも、金属層
14によって基板4の底面を被覆することにより形成す
る。
量ドープ部5の内部にあるので、ソース領域7及び本体
領域2の下側部分によって表されるエミッタ及びベース
を有する寄生縦型BJTのベース直列抵抗は、ソース領
域の外縁部の付近でさえ無視できる。したがってこのよ
うな寄生BJTのベース/エミッタ接合は金属層13に
よって有効に短絡されて、このBJTがトリガオンされ
るのを防止する。その結果、電力MOSFETの降伏電
圧が減少しない。
基板4全体に亘る少量ドープN型層3のエピタキシャル
成長から始まる。
に成長させた)肉薄ゲート酸化物層9によって被覆す
る。このゲート酸化物層9を、100〜200Å程度に
薄くすることができる。次いで、ポリシリコンゲート層
10を、(例えば堆積により)ゲート酸化物層9の全体
に亘り形成する。これら二つの層9及び10は絶縁ゲー
ト層8を形成する(図2)。
10及びゲート酸化物層9)をN−層3の表面から選択
的に除去して、(本例では方形面の)複数の窓30を開
口する。この工程は、絶縁ゲート層8にホトレジスト2
0を被覆し、ホトレジスト材料に関するポリシリコン及
び二酸化物シリコンに対して非常に選択的なエッチャン
トの作用に対して露出すべき絶縁ゲート層表面の領域か
らホトレジストを除去することにより、それ自体既知の
方法で行われる(図3)。
トを、窓30を介してN−層3に選択的にイオン注入す
る。この際、絶縁ゲート層8はイオン注入されるドーパ
ントイオンに対するマスクとして作用する。したがっ
て、ドーパントの分布は、絶縁ゲート層8の端部に対し
て横方向に自己整合される。ドーパントのドース量及び
イオン注入エネルギーを、イオン注入後あらゆる熱拡散
工程なしで多量ドープ領域5を得ることができるように
選択する(図4)。適切なドーバントのドース量を10
14〜1015原子/cm2 とすることができる。イオン注
入エネルギーは、N−層3の表面から規定された距離に
ピーク濃度が配置されるようにする。
1の角度で傾斜したドーパントイオンビームにより、P
型ドーパントを、窓30を介してN−層30にイオン注
入する。これを、0°から約60°の範囲の傾斜角を許
容するイートン8200P(Eaton 8200 P)のような市販
されているイオン注入装置のうちの一つを用いて行うこ
とができる。本例では、35°〜60°の範囲、好適に
は45°の傾斜角が適切である。イオン注入マスクとし
て、絶縁ゲート層8を再び用いる。したがってドーパン
トイオンが、絶縁ゲート層8の端部の一方の付近にある
領域内の肉薄酸化物層9の下側にイオン注入される(図
5)。次いで、この工程を、逆方向においてドーパント
イオンビームを角度α2(例えば45°)傾斜して繰り
返し、絶縁ゲート層8の反対側の端部付近の領域内の肉
薄酸化物総9の下側にドーパントイオンを注入し(図
6)、この工程を、ドーパントが絶縁ゲート層8の全て
の端部の下側にイオン注入されるまで継続する。絶縁ゲ
ート層8が各多量ドープ領域5を囲む四つの端部を有す
る方形面の基本セルの場合、絶縁ゲート層8の四つの端
部の下にある多量ドープ領域5を囲む四つのP型チャネ
ル領域6を形成するためには、このようなイオン注入工
程が4回必要である。ドーパントのドース量及びイオン
注入エネルギーを、電力MOSFETの所望の閾値電圧
及び所望のチャネル長に基づいて選択する。適切なドー
ス量を例えば1012〜1013原子/cm 2 とし、適切な
イオン注入エネルギーを100〜200KeVとする。
チャネル領域6は、窓30のコーナを囲んで延在しな
い。
例えばイオンイオン注入によって多量ドープ領域5に選
択的に導入する。イオン注入マスクを絶縁ゲート層8に
よって局部的に設けるが、このイオン注入マスクは、金
属層に接触される領域5の中心部にイオン注入されるの
を防止するために、多量ドープ領域5の中央にホトレジ
スト島22も具える必要がある(図7)。N型ドーパン
トが絶縁ゲート層8内の窓30のコーナ付近にイオン注
入されるのを防止するとともに、ソース領域7がN−層
3に直接接触する(これによりソース−ドレイン短絡が
生じる。)のを回避する必要もある。これを、窓30の
四つのコーナをホトレジストで被覆することにより行う
ことができる。このようにして、絶縁ゲート層8に自己
整合され、かつ、多量ドープ領域5のほぼ内側に位置す
る環状ソース領域7が形成される。
施し、ドーパントを活性化させるとともに、ドーパント
のイオン注入によって生じる格子欠陥を局部的に除去す
る。このような処理工程は短時間加熱アニール(RTA) で
行われ、これによるも著しいドーパントの濃度分布が変
動しないようにする。したがって、基本セル1の種々の
領域のドーピングプロファイル及び寸法に悪影響が及ぼ
されない。
形成され、この絶縁層11が選択的に除去されて、基本
セルの全体に亘りコンタクト窓12が開口される。
領域7及び多量ドープ領域5に接触する金属層13で被
覆する。金属層14を、N+基板4の底面にも形成す
る。
優れた別の利点を有する。電力MOSFETの降伏電圧
がN+基板4とP+領域5との間のN−層3の部分の厚
さtに依存することは既知である。例えば、ドレインと
ソースとの間で60Vに耐える必要のある低電圧装置に
対しては、このような部分を少なくとも3.5μmの厚
さにする必要がある。従来の工程では、多量ドープ領域
5の深さdは4μm未満であるので、少なくとも7.5
μmの厚さのエピタキシャル層(t+d)が必要であ
る。本発明による工程では、高温で長時間の熱処理工程
を含まずに、より浅い深さの接合を得ることができる。
特に、本体領域2の多量ドープ部5とN−層3との間の
接合の深さdを、0.6μmまで減少させることができ
る。したがって、60Vの降伏電圧を保証するのに必要
なエピタキシャル層の全体の厚さt+dを4.1μmま
で減少させることができる。その結果、二つの隣接する
基本セルの本体領域2の間に設けられたエピタキシャル
層の部分によって表されたいわゆる「縦型JFET」の
長さを減少させることができる。一方では、これによ
り、電力MOSFETの「オン」抵抗を減少させること
ができる。また、隣接する基本セル1の間の距離を減少
させることにより、「オン」抵抗は従来のものとほぼ等
しいがより高密度の電力MOSFETを製造することが
できる。
の導電型であるIGBTの製造にも良好に適用すること
ができる。
た方形面基本セルの行列で構成されたMOS型電力装置
に限定されるものではなく、一方の寸法が他方の寸法よ
り長い細長細条の本体領域の複数の基本機能ユニットで
構成された高密度装置にも適用することができる。この
ような装置は係属中の欧州特許明細書第94830288.0号に
記載されている。この場合、絶縁ゲート層8内の窓30
を、二辺が他の二辺より長いほぼ矩形とする。チャネル
領域6が絶縁ゲート層8の長い端部の下に存在し、した
がって、チャネル領域を形成するには、四回の代わりに
二回の傾斜イオン注入工程のみが要求される。
型電力装置の断面図である。
る。
る。
る。
る。
る。
る。
Claims (10)
- 【請求項1】 熱処理を行わずにMOS型電力装置を製
造するに当たり、 a)第1導電型の少量ドープ半導体材料層(3)の表面
上に導電性の絶縁ゲート層(8)を形成し、 b)前記半導体材料層(3)表面の選択部分から前記絶
縁ゲート層(8)を選択的に除去し、 c)イオン注入直後に第2導電型の第1ドーパントのあ
らゆる熱拡散工程を行うことなく、前記絶縁ゲート層
(8)の端部にほぼ整列された多量ドープ領域(5)を
得るのに適切なドース量及びイオン注入エネルギーで、
マスクとして作用する前記絶縁ゲート層(8)を用い
て、前記第1ドーパントを前記半導体材料層(3)の前
記選択部分に選択的にイオン注入し、 d)イオン注入直後に第2導電型の第2ドーパントのあ
らゆる熱拡散工程を行うことなく、前記絶縁ゲート層
(8)の下に延在する少量ドープチャネル領域(6)を
得るのに適切なドース量及びイオン注入エネルギーで、
マスクとして作用する前記絶縁ゲート層(8)を用い
て、前記半導体材料層(3)の表面に直交する方向に対
して規定された角度(α1,α2)で傾斜した方向に沿
って前記第2ドーパントを選択的にイオン注入し、 e)多ドース量の第1導電型の第3ドーパントを前記多
量ドープ領域(5)にイオン注入して前記絶縁ゲート層
(8)の端部にほぼ整列されたソース領域(7)を形成
することを特徴とするMOS型電力装置の製造方法。 - 【請求項2】 前記規定された角度(α1,α2)を3
5°〜60°の範囲の角度とすることを特徴とする請求
項1記載のMOS型電力装置の製造方法。 - 【請求項3】 前記第2ドーパントを、約1012〜10
13原子/cm2 のドース量で、かつ、100〜200K
eVのエネルギーでイオン注入することを特徴とする請
求項2記載のMOS型電力装置の製造方法。 - 【請求項4】 請求項1記載のMOS型電力装置の製造
方法において、さらに、 f)前記絶縁ゲート層(8)及び前記半導体材料層
(3)表面の前記選択部分に絶縁材料層(11)を被覆
し、 g)前記半導体材料層(3)表面の前記選択部分上の前
記絶縁材料層(11)にコンタクト窓(12)を開口
し、 h)前記絶縁材料層(11)に導電材料層(13)を被
覆することを特徴とするMOS型電力装置の製造方法。 - 【請求項5】 前記絶縁ゲート層(8)は、前記半導体
材料層(3)の表面全体に亘り肉薄酸化物層(9)を成
長させ、かつ、この肉薄酸化物層に別の導電材料層(1
0)を被覆することによって形成することを特徴とする
請求項1記載のMOS型電力装置の製造方法。 - 【請求項6】 前記半導体材料層(3)を、多量ドープ
半導体材料基板(4)の全体に亘り成長させたエピタキ
シャル層とすることを特徴とする請求項1記載のMOS
型電力装置の製造方法。 - 【請求項7】 前記半導体材料基板(4)には第1導電
型を呈する不純物をドープし、前記電力装置を電力MO
SFETとすることを特徴とする請求項6記載のMOS
型電力装置の製造方法。 - 【請求項8】 前記半導体材料基板(4)には第2導電
型を呈する不純物をドープし、前記電力装置を電力IG
BTとすることを特徴とする請求項6記載のMOS型電
力装置の製造方法。 - 【請求項9】 前記第1導電型をN型とし、前記第2導
電型をP型とすることを特徴とする請求項1から8のう
ちのいずれか1項に記載のMOS型電力装置の製造方
法。 - 【請求項10】 前記第1導電型をP型とし、前記第2
導電型をN型とすることを特徴とする請求項1から8の
うちのいずれか1項に記載のMOS型電力装置の製造方
法。
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