JPH11195788A - Trench-gate type power mosfet having protective diode - Google Patents

Trench-gate type power mosfet having protective diode

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JPH11195788A
JPH11195788A JP10303657A JP30365798A JPH11195788A JP H11195788 A JPH11195788 A JP H11195788A JP 10303657 A JP10303657 A JP 10303657A JP 30365798 A JP30365798 A JP 30365798A JP H11195788 A JPH11195788 A JP H11195788A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the occurrence of breakdown at a trench-bottom part, to avoid damage of an MOSFET and to improve on-resisting characteristics by forming a second conducting type protecting diffusing part in a chip, and forming a first-conducting type P-N junction part in an epitaxial layer or in a substrate. SOLUTION: In a neighboring cell 37, a deep P<+> diffusing part 38 for protection is formed. In the diffusing part 38, a P-N junction part 39 is formed together with an N-epitaxial layer 14. A metal layer 36 is in contact with the protecting diffusing part 38. Thus, the P-N-junction part 39 functions as a diode, which is connected in parallel with the channel of a cell 35. The protective diffusing part 38 limits the electric field strength and the formation of the carrier, which is generated in the vicinity of the corner part of a trench 32 as a result. Thus, requirement for a deep central diffusing part at the SFET cell 35 is eliminated. When the deep central diffusing part is not used, the dimension of the MOSFET cell 35 is substantially decreased, and the cell density of a MOSFET 30 is strikingly increased.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はパワーFETに関連
し、詳細にはゲートがシリコンの表面上に形成されたト
レンチ内に配置されるMOSFETに関連する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power FET, and more particularly, to a MOSFET in which a gate is disposed in a trench formed on a surface of silicon.

【0002】なお本特許出願は、1995年6月2日出
願の米国特許第08/459,555号の一部継続出願
である1997年10月31日出願の米国特許(弁理士
明細書番号第M−3278−4P)の一部継続出願であ
る。本特許出願は、1997年6月30日出願の米国特
許第08/884,826号及び1995年4月26日
出願の第08/429,414号、並びに1997年1
0月7日登録された第5,674,766号に関連す
る。各先行出願の特許を参照して全体を本出願の一部と
している。
[0002] This patent application is a U.S. patent filed on October 31, 1997, which is a continuation-in-part of U.S. Patent No. 08 / 459,555 filed on June 2, 1995 (Patent Attorney Patent No. M-3278-4P). No. 08 / 844,826 filed on Jun. 30, 1997 and No. 08 / 429,414 filed on Apr. 26, 1995;
Related to No. 5,674,766, registered on 07/07. The entirety of this application is incorporated herein by reference to the patents of each prior application.

【0003】[0003]

【従来の技術】トレンチゲート形MOSFETはMOS
FETの1つであり、ゲートが、シリコンの表面に形成
され、かつ内部に延在するトレンチ内に配置されるもの
である。ゲートは、格子状の幾何学的なパターンに形成
され、それがMOSFETの個々のセルを画定し、その
パターンは通常閉じた多角形(正方形、六角形等)の形
をなすか、或いは一連の互いに入り込んだ縞或いは長方
形の形状をなす。電流は、トレンチの側面に隣接して形
成される垂直なチャネル内を流れる。トレンチは導電性
ゲート材料、典型的にはドープドポリシリコンで満たさ
れ、通常二酸化シリコンからなる誘電体層によりシリコ
ンから絶縁されている。
2. Description of the Related Art Trench gate type MOSFETs are MOS
One of the FETs, in which a gate is formed in a trench formed in a surface of silicon and extending inward. The gates are formed in a grid-like geometric pattern, which defines the individual cells of the MOSFET, which pattern is usually in the form of a closed polygon (square, hexagon, etc.) or a series of It is in the form of stripes or rectangles that are interdigitated. The current flows in a vertical channel formed adjacent to the side of the trench. The trench is filled with a conductive gate material, typically doped polysilicon, and is isolated from silicon by a dielectric layer, usually made of silicon dioxide.

【0004】パワーMOSFETに関する2つの重要な
特性は、ブレークダウン電圧、すなわちオフ条件時に電
流を導通し始める電圧、並びにオン抵抗、すなわちオン
条件時に電流を流す抵抗である。MOSFETのオン抵
抗は一般に、セル密度に比例して変化するが、これは単
位面積当たりのセル数が多いほど、全「ゲート幅」(各
セルの外周)も大きくなり、そこを通って電流が流れる
ためである。MOSFETのブレークダウン電圧は主
に、ドーピング濃度及び各MOSFETセル内のソー
ス、ボディ、並びにドレイン領域の配置に依存する。
[0004] Two important characteristics of power MOSFETs are the breakdown voltage, the voltage at which current begins to conduct during off-conditions, and the on-resistance, ie, the resistance that conducts current during on-conditions. Generally, the on-resistance of a MOSFET changes in proportion to the cell density. The larger the number of cells per unit area, the larger the total “gate width” (periphery of each cell). Because it flows. The breakdown voltage of a MOSFET mainly depends on the doping concentration and the arrangement of the source, body and drain regions in each MOSFET cell.

【0005】MOSFETは一般に、重くドープしたシ
リコン基板上の成長させたシリコンの軽くドープしたエ
ピタキシャル層内に形成される。ゲートトレンチは通常
エピタキシャル層内に延在し、方形であることが多く、
角により画定される平坦な底面を備えている。この形状
は、MOSFETがターンオフされるとき、電界がゲー
トトレンチの角部付近で最大値に達するという問題を生
み出している。これによりアバランシェブレークダウン
及び衝撃イオン化が引き起こされ、さらに結果としてキ
ャリアを発生することにもなる。シリコンとゲート酸化
物との境界の平均自由行程内でキャリアが発生すると、
キャリアはその境界を通過するだけの十分に高いエネル
ギーを有し、ゲート酸化物内に注入されることがある。
シリコン/二酸化シリコンエネルギー障壁を乗り越える
ことができるキャリアは、しばしば「ホットキャリア」
と呼ばれる。ホットキャリア注入は、ゲート酸化物層に
極限的な損傷を与え、閾値電圧、相互コンダクタンス或
いはオン抵抗において変化を引き起こし、それによりM
OSFETを損傷、或いは破壊してしまう。
[0005] MOSFETs are typically formed in lightly doped epitaxial layers of silicon grown on a heavily doped silicon substrate. Gate trenches usually extend into the epitaxial layer and are often square,
It has a flat bottom surface defined by corners. This shape creates the problem that the electric field reaches a maximum near the corner of the gate trench when the MOSFET is turned off. This causes avalanche breakdown and impact ionization, and also results in the generation of carriers. When carriers are generated within the mean free path at the boundary between silicon and the gate oxide,
Carriers have energy high enough to cross their boundaries and may be injected into the gate oxide.
Carriers that can overcome the silicon / silicon dioxide energy barrier are often "hot carriers"
Called. Hot carrier injection can cause extreme damage to the gate oxide layer and cause a change in threshold voltage, transconductance or on-resistance, thereby reducing M
The OSFET may be damaged or destroyed.

【0006】米国特許第5,072,266号は、トレ
ンチの底面下に延在する深い中央ボディ拡散部をMOS
FETセル内の形成することにより、ゲート付近におけ
る電圧ブレークダウンを抑制する技術を開示する。この
深い中央拡散部は、ブレークダウンが、ゲートから離れ
た、ホットキャリアがゲート酸化物に達しない位置にあ
るバルクシリコン内で生じるように電界を形成する。米
国特許第5,072,266号に基づくMOSFETの
断面図が図1に示され、トレンチゲート11、N+ソー
ス領域12、N+基板(ドレイン)13、N−エピタキ
シャル層14並びに深い中央P+拡散部15を含むMO
SFETセル10が示される。P+拡散部15の最も下
の部分はゲート11の底面より下にあることに注意され
たい。
US Pat. No. 5,072,266 discloses a deep central body diffusion that extends below the bottom of a trench using a MOS.
Disclosed is a technique for suppressing voltage breakdown near a gate by forming it in an FET cell. This deep central diffusion creates an electric field such that breakdown occurs in the bulk silicon away from the gate, where hot carriers do not reach the gate oxide. A cross-sectional view of a MOSFET according to U.S. Pat. No. 5,072,266 is shown in FIG. 1, including a trench gate 11, an N + source region 12, an N + substrate (drain) 13, an N-epitaxial layer 14, and a deep central P + diffusion 15. MO including
An SFET cell 10 is shown. Note that the lowermost portion of P + diffusion 15 is below the bottom of gate 11.

【0007】深いP+拡散部のドーピングは、破線によ
り示され、参照番号17を付されたチャネル領域内のP
−ボディ16のドーピングより高い。結果として、ゲー
トトレンチ間の距離Ysはある最小値以上に保持されな
ければならない。そうしないと、深いP+ドーパントが
チャネル17内に拡散し、デバイスの閾値電圧Vtnを
上昇させてしまうことになる。Ysの値は、ゲートの厚
さと共に、セル密度を確定し、MOSFETのオン抵抗
を決定するための役割を果たす。
The doping of the deep P + diffusion is indicated by the dashed line, and the P
Higher than the doping of the body 16; As a result, the distance Ys between the gate trenches must be kept above a certain minimum value. Otherwise, deep P + dopants will diffuse into channel 17 and increase the threshold voltage Vtn of the device. The value of Ys, together with the gate thickness, determines the cell density and plays a role in determining the MOSFET on-resistance.

【0008】さらに深いP+拡散部はN−エピタキシャ
ル層14内の電流の広がりを制限する。図20及び21
はそれぞれ、平坦な底面のP−ボディ領域を有する従来
のMOSFETと、深いP+拡散部を有するMOSFE
Tの電流ラインのシミュレーションを示す。図21の電
流ラインは、概ね45〜47°(95%の電流ラインで
測定された)の広がり角(エピタキシャル電流の一様性
を記載するために用いられる解析的近似)に制限され、
その結果、図20に記載されるデバイス比べて、N−エ
ピタキシャル領域は最適ではない状態で利用され、かつ
固有オン抵抗はより高くなる。従来のデバイスは電流広
がり角が大きく、73〜78°の範囲にあり、式x=
(YCELL−YG)2tanθ(ただしθは電流広がり
角、YCELLはMOSFETセルの全幅、YGはゲートト
レンチ間距離である)により推定されるかなり浅い深さ
で一様な伝導を達成する。この関係が図22に示され
る。深いP+領域の存在により、N−エピタキシャル領
域内で一様な伝導が達成される深さが、0.5ミクロン
から1.6ミクロンまで増加するということがわかって
いる。
The deeper P + diffusion limits the spread of current in N-epitaxial layer 14. Figures 20 and 21
Represent a conventional MOSFET having a flat bottom P- body region and a MOSFET having a deep P + diffusion, respectively.
3 shows a simulation of a T current line. 21 is limited to a divergence angle (analytical approximation used to describe the uniformity of the epitaxial current) of approximately 45-47 ° (measured at 95% current line),
As a result, the N-epitaxial region is utilized in a less than optimal state and has a higher specific on-resistance than the device described in FIG. Conventional devices have a large current spread angle, in the range of 73-78 °, and the equation x =
Achieve uniform conduction at a fairly shallow depth estimated by (Y CELL −Y G ) 2 tan θ, where θ is the current spread angle, Y CELL is the full width of the MOSFET cell, and Y G is the distance between gate trenches. . This relationship is shown in FIG. It has been found that the presence of the deep P + region increases the depth at which uniform conduction is achieved in the N-epitaxial region from 0.5 microns to 1.6 microns.

【0009】極端に低電圧、低オン抵抗のパワーMOS
FETを作るために、デバイスの寸法が一般に小さくさ
れる。詳細には、セル密度が大きくなり、エピタキシャ
ル層は、ゲートトレンチが重くドープされた基板内に延
在する場所に来るまで、薄くされる。そのようなMOS
FETが図2AのMOSFET20として示される。
Power MOS with extremely low voltage and low on-resistance
To make FETs, device dimensions are typically reduced. Specifically, the cell density is increased and the epitaxial layer is thinned until the gate trench is where it extends into the heavily doped substrate. Such a MOS
The FET is shown as MOSFET 20 in FIG. 2A.

【0010】これは全く新しい一式の設計基準を作り出
す。図2Aを参照すると、ゲートトレンチ21の角部2
1CはN+基板13に包囲されるため、この場所におけ
る電界はゲート酸化物層間で完全に降下する。シリコン
内のホットキャリアの形成は低減されるが、ゲート酸化
物層上の高電界が、なおもデバイスを劣化或いは損傷さ
せるようになる。1つの条件では、ゲートが、ソース及
びボディと概ね同じポテンシャルにバイアスされるとき
(すなわちデバイスがターンオフするとき)、かなり心
配されるのが、トレンチ底面でのゲート酸化物層がデバ
イス間にかかる全電圧に耐えなければならないというこ
とである。それは図1の実施例と比較すると、この電位
差の一部を吸収するためのエピタキシャル層が存在しな
いことによる。
This creates a whole new set of design criteria. Referring to FIG. 2A, a corner 2 of the gate trench 21 is formed.
Since 1C is surrounded by N + substrate 13, the electric field at this location falls completely between the gate oxide layers. Although the formation of hot carriers in the silicon is reduced, the high electric field on the gate oxide layer still causes the device to degrade or damage. In one condition, when the gate is biased to approximately the same potential as the source and body (i.e., when the device turns off), it is quite worrisome that the gate oxide layer at the bottom of the trench will have no That means you have to withstand the voltage. This is because there is no epitaxial layer for absorbing a part of this potential difference as compared with the embodiment of FIG.

【0011】MOSFET20に対する等価回路が図2
Bに示される。ダイオードDDBはN−エピタキシャル層
14とP−ボディ領域22との間のPN接合を表わし、
コンデンサCGDはゲート酸化物層21A間のキャパシタ
を表わす。
FIG. 2 shows an equivalent circuit for the MOSFET 20.
B. Diode D DB represents the PN junction between N-epitaxial layer 14 and P-body region 22,
Capacitor C GD represents a capacitor between gate oxide layers 21A.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】トレンチ底部における
ブレークダウンの発生を防ぎ、MOSFETの損傷を避
けると共に、オン抵抗特性が改善されたトレンチゲート
形MOSFETを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a trench gate type MOSFET in which the occurrence of breakdown at the bottom of the trench is prevented, the MOSFET is not damaged, and the on-resistance characteristic is improved.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明のトレンチゲート
形MOSFETは、基板のみ、或いは上層をなすエピタ
キシャル層を堆積された基板からなる半導体チップ内に
形成される。MOSFETのゲートはチップの表面から
下方に延在するトレンチ内に形成される。MOSFET
は、第1の導電型のソース領域と、第2の導電型のボデ
ィ領域と、第1の導電型のドレイン領域とを備え、それ
らがトレンチの側壁に沿って垂直に配列される。ゲート
トレンチはエピタキシャル層内に延在することもあり、
エピタキシャル層を通り基板内に達することもある。
SUMMARY OF THE INVENTION The trench gate type MOSFET of the present invention is formed in a semiconductor chip consisting of a substrate alone or a substrate on which an overlying epitaxial layer is deposited. The gate of the MOSFET is formed in a trench extending downward from the surface of the chip. MOSFET
Comprises a first conductivity type source region, a second conductivity type body region, and a first conductivity type drain region, which are vertically arranged along the sidewall of the trench. The gate trench may extend into the epitaxial layer,
It may reach the inside of the substrate through the epitaxial layer.

【0014】MOSFETはゲートトレンチにより画定
される複数のセルとして形成される。そのセルは任意の
形状からなることができる。例えば、セルは、正方形や
六角形、或いは一連の平行な縞或いは長方形の形をなす
ことができる。本発明に従って、第2の導電型の保護拡
散部がチップ内に作られ、それがエピタキシャル層或い
は基板内に第1の導電型のPN接合部を形成する。この
PN接合部はダイオードとして機能する。金属層は、ダ
イオードがMOSFETセルのチャネルに並列に接続さ
れるように、保護拡散部(すなわちダイオードの端子)
をMOSFETセルのソース領域に連結する。
The MOSFET is formed as a plurality of cells defined by gate trenches. The cells can be of any shape. For example, the cells can be square or hexagonal, or a series of parallel stripes or rectangles. In accordance with the present invention, a protective diffusion of the second conductivity type is created in the chip, which forms a PN junction of the first conductivity type in the epitaxial layer or substrate. This PN junction functions as a diode. The metal layer is a protective diffusion (ie, the terminal of the diode) such that the diode is connected in parallel to the channel of the MOSFET cell
To the source region of the MOSFET cell.

【0015】ある好適な実施例では、保護拡散部はMO
SFETを横切る選択されたパターン内の一定のセル内
に形成される。
In a preferred embodiment, the protective diffusion is a MO
Formed in certain cells in a selected pattern across the SFET.

【0016】第2の導電型の保護拡散部は、ゲート酸化
物間の、さらにはトレンチの角部での電界の強さを減少
させ、かつトレンチ付近でのホットキャリアの形成を制
限するように動作する。特定の実施例では、トレンチは
エピタキシャル層内に延在する。アバランシェブレーク
ダウンは、アバランシェ領域がゲートトレンチから空間
的に分離されている限り、多くのメカニズム(リーチス
ルー(reachthrough)、曲率半径等)により誘発される
ことがある。またダイオードは電圧クランプとしても動
作し、それによりゲート酸化物層間にかかる電圧を制限
する。特定の実施例においては、トレンチは基板内に延
在し、ゲート酸化物はMOSFET間の全電圧降下に耐
えなければならない。
The protective diffusion of the second conductivity type reduces the strength of the electric field between the gate oxides, and even at the corners of the trench, and limits the formation of hot carriers near the trench. Operate. In certain embodiments, the trench extends into the epitaxial layer. Avalanche breakdown can be triggered by a number of mechanisms (reachthrough, radius of curvature, etc.) as long as the avalanche region is spatially separated from the gate trench. The diode also operates as a voltage clamp, thereby limiting the voltage across the gate oxide layer. In certain embodiments, the trench extends into the substrate and the gate oxide must withstand the full voltage drop between the MOSFETs.

【0017】ある好適な実施例では、保護拡散部(「ダ
イオードセル」)を含む1つのセルは、選択された数の
アクティブMOSFETセル(「アクティブセル」)に
対して、MOSFETに渡ってあるパターンを繰返しな
がら設けられる。アクティブセル当たりのダイオードセ
ルの数は、MOSFETの設計基準により決定される。
一般に、例えば、より多くのブレークダウンを被るもの
と予想されるMOSFETセルは、より多くの割合のダ
イオードセルを必要とする。
In one preferred embodiment, one cell including a protective diffusion ("diode cell") is provided for a selected number of active MOSFET cells ("active cells") in a pattern across the MOSFETs. Is repeatedly provided. The number of diode cells per active cell is determined by MOSFET design criteria.
In general, for example, MOSFET cells that are expected to undergo more breakdown require a higher percentage of diode cells.

【0018】またダイオードセルの存在により、MOS
FETがボディダイオード順方向伝導を用いて動作する
とき、ドレイン−ボディ間ダイオード電流の多くの部分
が流れることになる。そのような動作(N−チャネルデ
バイスの第3象限動作と呼ばれる)は、インダクタ或い
はモータが、プッシュプルで、すなわち一対のブリッジ
配列のMOSFETにより駆動されるとき通常生じる。
アクティブセル内の高いダイオード電流は、少数電荷蓄
積(charge storage)をもたらし、それがダイオードタ
ーンオフ(強制ダイオード逆回復)を劣化させ、高い逆
電圧がもう一度デバイス間に加えられたときに、寄生ソ
ース−ボディ−ドレインアクティブセルNPNバイポー
ラトランジスタのスナップバック(snapback)を誘発す
ることがある。
In addition, the presence of the diode cell allows the MOS
When an FET operates using body diode forward conduction, a large portion of the drain-body diode current will flow. Such operation (referred to as the third quadrant operation of an N-channel device) usually occurs when the inductor or motor is driven by push-pull, ie, a pair of bridged MOSFETs.
The high diode current in the active cell results in minor charge storage, which degrades diode turn-off (forced diode reverse recovery) and, when a high reverse voltage is applied again between the devices, the parasitic source- Body-drain active cells may trigger snapback of the NPN bipolar transistor.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】本発明の第1の実施例が図3に示
される。トレンチゲート形MOSFET30は、N+基
板13の上側表面上に成長するエピタキシャル層14内
に形成される。ゲート31は、トレンチ32内に形成さ
れ、酸化物層31Aにより半導体材料から分離される。
MOSFET30のセル35は、P−ボディ領域33、
浅いP+コンタクト領域33A、並びにN+ソース領域
34も備える。金属層36は、P−ボディ領域33とN
+ソース領域34とに接触し、その間を短絡させる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention is shown in FIG. Trench gate MOSFET 30 is formed in epitaxial layer 14 that grows on the upper surface of N + substrate 13. Gate 31 is formed in trench 32 and is separated from the semiconductor material by oxide layer 31A.
The cell 35 of the MOSFET 30 includes a P-body region 33,
A shallow P + contact region 33A and an N + source region 34 are also provided. The metal layer 36 includes the P- body region 33 and the N-
+ Source region 34, and short-circuits between them.

【0020】N+基板13は、MOSFET30のドレ
インとして機能し、その底面から接触される。別法で
は、N+基板の代わりに埋め込まれたN+層をドレイン
として用いることができ、ドレインは、例えば、N+シ
ンカー領域と上側コンタクトを用いて、構造体の上側か
ら接触されることができる。
The N + substrate 13 functions as a drain of the MOSFET 30 and is contacted from the bottom thereof. Alternatively, a buried N + layer can be used as the drain instead of the N + substrate, and the drain can be contacted from above the structure using, for example, an N + sinker region and an upper contact.

【0021】隣接するセル37では、保護用の深いP+
拡散部38が形成される。拡散部38は、N−エピタキ
シャル層14と共にPN接合部39を形成する。金属層
36が保護拡散部38に接触しており、これによりPN
接合部39は、セル35のチャネルと並列に接続される
ダイオードを表わす。
In the adjacent cell 37, a deep P + for protection is used.
The diffusion part 38 is formed. Diffusion portion 38 forms PN junction 39 with N-epitaxial layer 14. The metal layer 36 is in contact with the protective diffusion 38 so that the PN
Junction 39 represents a diode connected in parallel with the channel of cell 35.

【0022】保護拡散部38は電界の強さ及びその結果
トレンチ32の角部付近に生じるキャリア形成を制限
し、これによりMOSFETセル35における深い中央
拡散部の必要性を排除する。深いP+中央拡散部を用い
ない場合、MOSFETセル35の寸法は実質的に低減
され、MOSFET30のセル密度は著しく増加する。
例えば、N+ソース領域34の各側面の幅は約1.0μ
mに低減され、金属層36とP−ボディ33に対するP
+コンタクト領域との間のコンタクトの幅は約1.0μ
mに低減され、そのためトレンチ31間の全幅はおよそ
3.5μmにすることができる。実際には、トレンチ3
1間の全幅は、5.0μmに設定される。これは、深い
中央拡散部(図1参照)を含むMOSFETセルに対す
る約8.0μmの最小幅と対照的である。
The protective diffusion 38 limits the strength of the electric field and the resulting carrier formation near the corners of the trench 32, thereby eliminating the need for a deep central diffusion in the MOSFET cell 35. Without the deep P + central diffusion, the size of MOSFET cell 35 is substantially reduced and the cell density of MOSFET 30 is significantly increased.
For example, the width of each side surface of the N + source region 34 is about 1.0 μm.
m and the P for the metal layer 36 and the P-body 33
+1.0 μm width of contact between contact region
m, so that the overall width between trenches 31 can be approximately 3.5 μm. Actually, trench 3
The total width between 1 is set to 5.0 μm. This is in contrast to a minimum width of about 8.0 μm for MOSFET cells that include a deep central diffusion (see FIG. 1).

【0023】図4Aは図2Aに示されるセルと同様のM
OSFETセル41を含むMOSFET40を示す。す
なわち、トレンチ43はN−エピタキシャル層14を通
りN+基板13内に延在しており、セル41は深い中央
P+拡散部を含まない。隣接するセル42では、保護用
P+拡散部44が形成され、拡散部44の下側接合部が
N+基板13の上側表面に達している。
FIG. 4A shows an M cell similar to the cell shown in FIG. 2A.
1 shows a MOSFET 40 including an OSFET cell 41. That is, trench 43 extends through N− epitaxial layer 14 into N + substrate 13 and cell 41 does not include a deep central P + diffusion. In the adjacent cell 42, a protective P + diffusion 44 is formed, and the lower junction of the diffusion 44 reaches the upper surface of the N + substrate 13.

【0024】図4BはMOSFET40に対する等価回
路図を示す。トレンチ43の角部がN+基板13内に位
置し、重くドープされたN+基板13が強い電界に耐え
られないため、トレンチの角部における電界の問題はほ
とんど無視できる。代わりに、ゲート45とN+基板1
3との間の電界の強さ、すなわちゲート酸化物層45A
間にかかる電界の強さが重大な要因となる。この位置
は、図4BのコンデンサCGDにより表わされる。P−ボ
ディ領域22とN−エピタキシャル層14との間のPN
接合部は、ダイオードDDBにより表わされ、P+拡散部
44とN+基板13との間のPN接合部はダイオードD
P+/N+により表わされる。ここで示されるように、ダイ
オードDDB及びダイオードDP+/N+のいずれもMOSF
ETセル41のチャネルと並列に接続される。
FIG. 4B shows an equivalent circuit diagram for MOSFET 40. Since the corners of the trench 43 are located within the N + substrate 13 and the heavily doped N + substrate 13 cannot withstand a strong electric field, the problem of the electric field at the corners of the trench is almost negligible. Instead, the gate 45 and the N + substrate 1
3, ie the gate oxide layer 45A
The strength of the intervening electric field is a significant factor. This position is represented by the capacitor CGD in FIG. 4B. PN between P-body region 22 and N-epitaxial layer 14
The junction is represented by diode D DB and the PN junction between P + diffusion 44 and N + substrate 13 is diode D DB.
Represented by P + / N + . As shown here, both diode D DB and diode D P + / N +
It is connected in parallel with the channel of the ET cell 41.

【0025】図5は、図1に示される従来のMOSFE
T10の平面図を示す。保護用の深いP+領域15は各
正方形セルの中央に示され、N+ソース領域12及びゲ
ート11に包囲される。図5に4つの完全なセルが示さ
れる。
FIG. 5 shows a conventional MOSFE shown in FIG.
The top view of T10 is shown. A protective deep P + region 15 is shown at the center of each square cell and is surrounded by an N + source region 12 and a gate 11. FIG. 5 shows four complete cells.

【0026】図6は、図3に示されるMOSFET30
の平面図を示す。図4Aに示されるMOSFET40の
平面図も、同様に示されることであろう。各セルの中央
部の保護P+領域は削除されているので、セルの寸法は
低減されている。P+拡散部を含むセル(しばしば「ダ
イオードセル」と呼ばれる)も示される。図6では、8
個のアクティブMOSFETセル毎に1つのダイオード
セルが存在する(全9セル)。
FIG. 6 shows the MOSFET 30 shown in FIG.
FIG. A plan view of the MOSFET 40 shown in FIG. 4A will be similarly shown. Since the protective P + region at the center of each cell has been eliminated, the dimensions of the cell have been reduced. A cell containing a P + diffusion (often called a "diode cell") is also shown. In FIG. 6, 8
There is one diode cell for every active MOSFET cell (a total of 9 cells).

【0027】図7は、図6に示される3つのセルの詳細
な平面図を示す(2つのアクティブMOSFETセルと
1つのダイオードセル)。図7では、Ysはトレンチの
断面幅を表わす(ゲート幅Wと混同してはならない)。
前記nセル毎に1つのダイオードセルが存在するものと
仮定すると、以下の式によりnセルの全面積が与えられ
る。
FIG. 7 shows a detailed plan view of the three cells shown in FIG. 6 (two active MOSFET cells and one diode cell). In FIG. 7, Ys represents the cross-sectional width of the trench (not to be confused with the gate width W).
Assuming that there is one diode cell for every n cells, the following equation gives the total area of n cells:

【0028】[0028]

【数1】A=(YG+YS2+(n−1)(YG+YS2
=n(YG+YS2
A = (Y G + Y S ) 2 + (n−1) (Y G + Y S ) 2
= N (Y G + Y S ) 2

【0029】これらのセルのn−1がアクティブMOS
FETセルであるから、n個のセル内の全ゲート幅Wは
以下に等しい。
The n-1 of these cells is an active MOS
Since it is an FET cell, the total gate width W in n cells is equal to:

【0030】[0030]

【数2】W=4YS(n−1)## EQU2 ## W = 4Y S (n-1)

【0031】従って、面積対幅比A/W(ゲート幅Wが
如何に効率的に面積A内に収容されるを示す良度指数)
は以下に等しい。
Therefore, the area-to-width ratio A / W (a goodness index indicating how efficiently the gate width W is accommodated in the area A)
Is equal to

【0032】[0032]

【数3】A/W=(YG+YS2 A / W = (Y G + Y S ) 2

【0033】こうしてダイオードセルを含むMOSFE
Tに対する比A/Wは、ダイオードセルがない従来のM
OSFETに比べて、ファクタn(n−1)により増加
する。この「損失(penalty)」ファクタは、ダイオー
ドセルが電流を流さないという事実から生じており、n
が増加するに従って1に近づく。その損失は、デバイス
のセル密度を増加させることにより得られる全ゲート幅
(それ故電流容量)が増加することにより相殺される。
一般的に、nはMOSFETがブレークダウンすると予
想される頻度により決定される。より頻繁にブレークダ
ウンすると予想されるデバイスは、一般により低いnの
値を必要とする、すなわち全セル数に対してより多くの
ダイオードセル数がなければならないであろう。他にセ
ルが1個の非アクティブセル(すなわちダイオードセ
ル)しかない極端な場合には、N=2であり、n/n−
1=2になり、この構造体の効率上の利得は、幾分制限
される。一方、例えば、全21セルの1つのみがダイオ
ードセルであるなら、n=21であり、n/n−1=2
1/20となり、そのダイオードによる損失は実質的に
ないことが示される。
Thus, the MOSFE including the diode cell
The ratio A / W to T is equal to the conventional M without diode cells.
It is increased by a factor n (n-1) compared to the OSFET. This "penalty" factor results from the fact that the diode cell does not conduct current,
Approaches 1 as increases. The losses are offset by an increase in the total gate width (and thus the current carrying capacity) obtained by increasing the cell density of the device.
In general, n is determined by the frequency with which the MOSFET is expected to break down. Devices that are expected to break down more frequently will generally require lower values of n, i.e., there will be more diode cells to total cells. In the extreme case, where the other cell has only one inactive cell (i.e., a diode cell), N = 2 and n / n-
1 = 2, the efficiency gain of this structure is somewhat limited. On the other hand, for example, if only one of all 21 cells is a diode cell, n = 21 and n / n-1 = 2
1/20, indicating that there is substantially no loss due to the diode.

【0034】上記のように、米国特許第5,072,2
66号により開示されるような深いP+領域の存在は、
エピタキシャル領域内の電流の広がりを制限し、それに
よりオン抵抗を増加する。図23は、固有オン抵抗(R
DSA)を、深いP+拡散部を有するMOSFET(曲線
170)及び分布したダイオードセルを有するMOSF
ET(曲線172)におけるセル密度の関数として示す
グラフである。そこに示されるように、深いP+拡散部
を有するMOSFETの固有オン抵抗は、ある最小値に
達するが、その後電流が密集し、P+ボディドーパント
がチャネル内に侵入することにより閾値電圧の上昇を招
く結果増加する。分布したダイオードセルを有するMO
SFETでは、電流の広がりが改善され、さらにその改
善がセル密度の増加と共に顕著になるため、オン抵抗の
著しい改善が達成される。図23のグラフでは、アクテ
ィブ平底セルのオン抵抗は、単に広がり角を増加した結
果として、35mΩ−cm2まで31%を改善する(図
23の12Mcells/in2時参照)。さらに32
Mcells/in2にセル密度を増加することによ
り、主により低いA/Wファクタからチャネル抵抗が改
善される結果として、28%の改善が達成させる。正味
の効果は、これらの改善値を乗算して、12Mcell
s/in2時の前のものと比較して、30−VNチャネ
ルトレンチゲートMOSFETに対するダイ抵抗におい
て、およそ51%の低減である。図24は、固有RDS
の変化を、2つのデバイスに対するゲートバイアスの関
数として示す。20−Vゲート定格を有するデバイスの
場合、閾値電圧は、10−及び4.5−Vゲートバイア
ス時の定格動作と一貫するように2.9Vに保持され
た。
As mentioned above, US Pat. No. 5,072,2
The existence of a deep P + region as disclosed by US Pat.
Limit the spread of current in the epitaxial region, thereby increasing the on-resistance. FIG. 23 shows the specific on-resistance (R
DS A) is replaced by a MOSFET with a deep P + diffusion (curve 170) and a MOSF with distributed diode cells.
FIG. 7 is a graph showing the ET (curve 172) as a function of cell density. As shown therein, the specific on-resistance of a MOSFET with a deep P + diffusion reaches a certain minimum value, but then the current condenses and the threshold voltage rises due to the penetration of the P + body dopant into the channel. The result increases. MO with distributed diode cells
In the SFET, the current spread is improved, and the improvement becomes more significant with an increase in the cell density, so that a significant improvement in the on-resistance is achieved. In the graph of FIG. 23, the on-resistance of the active flat bottom cell improves 31% to 35 mΩ-cm 2 simply as a result of increasing the spreading angle (see 12 Mcells / in 2 in FIG. 23). Further 32
Increasing the cell density to Mcells / in 2 achieves a 28% improvement primarily as a result of the improved channel resistance from a lower A / W factor. The net effect is to multiply these improvements by 12Mcell
Compared to the previous one o'clock s / in 2, the die resistance to 30-VN-channel trench-gate MOSFET, a reduction of approximately 51%. FIG. 24 shows the specific R DS A
Is shown as a function of gate bias for the two devices. For devices with a 20-V gate rating, the threshold voltage was held at 2.9V to be consistent with the rated operation at 10- and 4.5-V gate bias.

【0035】1−of−NクランプMOSFETのアバ
ランシェ能力が、非クランプ誘導スイッチング(UI
S)シミュレーションを用いて解析された。デバイス
は、16アクティブMOSFETセル毎に1つのダイオ
ードセルを備えていた。図25は、スイッチング前の通
常の伝導中に線形領域において動作するデバイスの電流
ラインを示し、図26はデバイスが誘導的にスイッチン
グされた後の電流ラインを示す。そこに示されるよう
に、アバランシェブレークダウンはダイオードセル内で
生じ、全ての電流を誘導し、「オフ」状態のアクティブ
MOSFETセルでは、衝撃イオン化、プレアバランシ
ェ或いは高ゲート酸化物電界は測定されなかった。
The avalanche capability of the 1-of-N clamp MOSFET is based on unclamped inductive switching (UI
S) Analyzed using simulation. The device had one diode cell for every 16 active MOSFET cells. FIG. 25 shows the current lines of the device operating in the linear region during normal conduction before switching, and FIG. 26 shows the current lines after the device has been inductively switched. As shown therein, avalanche breakdown occurred in the diode cell and induced all current, and no impact ionization, pre-avalanche or high gate oxide field was measured in the active MOSFET cell in the "off" state. .

【0036】[0036]

【実施例1】テストは非クランプ誘導スイッチング(U
IS)テスタ(AOT ILT−200 Induct
ive Load Tester)を用いて10−Aの
定格動作するSO−8サイズMOSFETを用いて行わ
れた。図27は、測定されたUIS電流がMOSFET
の定格動作電流の7倍を超え、電流密度が950A/c
2以上に達したということ示す。36Vの公称ブレー
クダウン(図28参照)から46VまでUIS中にアバ
ランシェブレークダウン電圧における増加が、MOSF
ETの損傷もなく観測された。
EXAMPLE 1 The test was performed using unclamped inductive switching (U
IS) Tester (AOT ILT-200 Induct)
The test was performed using an SO-8 size MOSFET operating at a rated current of 10-A using an I.L. FIG. 27 shows that the measured UIS current is MOSFET
Exceeds 7 times the rated operating current of 950 A / c
indicating that reaches m 2 or more. The increase in avalanche breakdown voltage during the UIS from 36 V nominal breakdown (see FIG. 28) to 46 V
No ET damage was observed.

【0037】[0037]

【実施例2】32Mcells/in2技術を用いると
き、D2PAKタイプパッケージ用のサイズの0.57
4cm×0.427cmMOSFETが設計、製作及び
アセンブリされた。1,075,620個のアクティブ
MOSFETセルを用いるこのデバイスは、ULSIク
ラスの製作技術を達成した最初のパワーMOSFETで
あった(>100万トランジスタ)。図28に示される
ように、測定されたダイは、4.0Vのゲートバイアス
で140Aを超える飽和電流、並びに300A(テスタ
の制限)を超えて線形のままである5Vでのドレイン電
流を示した。ゲート電荷はVgs=10Vで195nC
で測定され、図29に示されるように、対応するパッケ
ージ化された全体のオン抵抗は、3.1mΩであった。
1.1mΩの測定されたパッケージ抵抗を引いた後、結
果的に2.0mΩより小さくなるダイ抵抗は、我々の知
る限り今まで報告されている最も低い値である。しかし
ながら、より小さなダイにおけるオン抵抗のシミュレー
ション及び測定(図29の丸を参照)は、MOSFET
の上面金属内の広がり抵抗は、0.5mΩ程度の抵抗付
加の原因となることがあることを示唆する。こうして、
パッケージ化することは一般に、パッケージ化される製
品の全抵抗の33%の割合を占める。0.25mΩcm
2のみの固有オン抵抗を用いると、32Mcells/
in2MOSFETは、今まで製作された任意の30−
VパワーMOSFETの中で我々の知る限りでは最も低
い固有オン抵抗を有し、他の同様のデバイスのUIS、
信頼性並びに面積スケーリング制限に影響されない。
Example 2 When using 32 Mcells / in 2 technology, the size of 0.57 for D 2 PAK type package
A 4 cm × 0.427 cm MOSFET was designed, fabricated and assembled. This device, using 1,075,620 active MOSFET cells, was the first power MOSFET to achieve ULSI class fabrication techniques (> 1 million transistors). As shown in FIG. 28, the measured die showed a saturation current above 140 A with a gate bias of 4.0 V, as well as a drain current at 5 V that remained linear above 300 A (tester limit). . Gate charge is 195 nC at Vgs = 10 V
And the corresponding packaged overall on-resistance was 3.1 mΩ, as shown in FIG.
After subtracting the measured package resistance of 1.1 mΩ, the die resistance that results in less than 2.0 mΩ is the lowest value we have ever reported to date. However, the simulation and measurement of the on-resistance in the smaller die (see circles in FIG. 29) requires the MOSFET
This suggests that the spreading resistance in the upper surface metal may cause an additional resistance of about 0.5 mΩ. Thus,
Packaging typically accounts for 33% of the total resistance of the packaged product. 0.25mΩcm
Using only two specific on-resistances, 32 Mcells /
The in 2 MOSFET can be any of the 30-
Among the V power MOSFETs, we have the lowest specific on-resistance to our knowledge, the UIS of other similar devices,
Unaffected by reliability and area scaling limitations.

【0038】[0038]

【実施例3】特別な問題が、低ゲートバイアスで動作さ
せる場合の1−of−n設計をスケーリングする際に現
れる。ゲート酸化物が厚いとき、20V或いはそれ以上
の定格ゲート酸化物ブレークダウン電圧を有するMOS
FET(ここでは規格化されたゲート酸化物厚η=10
0%、すなわち1を有するものとして定義される)に関
しては、PN接合部電界におけるトレンチゲートの影響
は、最小である。図30に示されるように、上で参照し
たBuluceaの特許に開示されるような深いP+拡
散部、或いはここに開示するような分布したダイオード
からの電圧クランピングを用いない場合の、P−チャネ
ルデバイスのMEDICIシミュレーションはPN接合
部で生じるアバランシェブレークダウンを示す。しかし
ながら低電圧動作時のMOSFETを最適化するため
に、ゲート酸化物層はスケールダウン(すなわち薄く)
され、低閾値電圧(チャネルパンチスルーを起こさな
い)を達成し、かつ高チャネル相互コンダクタンスを達
成しなければならない。薄いゲート酸化物の場合、例え
ば図31に示されるようにη=35%の場合、フィール
ドプレート誘導(FPI)アバランシェブレークダウン
が、PN接合部と一致しないゲート電極に隣接する位置
で発生し、それによりデバイスのブレークダウン電圧が
下がり、ゲート酸化物はホットキャリア発生の危険性に
晒される。上で参照したBuluceaの特許に従った
深い拡散部を有するMOSFETの場合、深い拡散部に
関連する空乏領域によりゲートが静電的に遮蔽される結
果として、ダイオードクランプセルはFPI(図32参
照)に対して低感度になる。平底ボディ領域を有するM
OSFETを保護するために、1−of−Nダイオード
のブレークダウン電圧は、FPIブレークダウンが発生
する電圧より概ね低く設定される(図32参照)。FP
I問題を克服することにより、より高いセル密度を十分
に利用して、エピタキシャル領域の利用を改善し、チャ
ネル抵抗を減少させることができる(それは低ゲートバ
イアス時に全オン抵抗を抑制する)。
Embodiment 3 A special problem appears when scaling a 1-of-n design when operating with low gate bias. MOS with rated gate oxide breakdown voltage of 20V or more when gate oxide is thick
FET (here, standardized gate oxide thickness η = 10
(Defined as having 0% or 1), the effect of the trench gate on the PN junction field is minimal. As shown in FIG. 30, the P-channel without deep P + diffusion as disclosed in the above-referenced Bulucea patent, or without voltage clamping from distributed diodes as disclosed herein. MEDICI simulation of the device shows avalanche breakdown occurring at the PN junction. However, to optimize the MOSFET for low voltage operation, the gate oxide layer is scaled down (ie, thin).
To achieve a low threshold voltage (without channel punch-through) and a high channel transconductance. For a thin gate oxide, for example, for η = 35% as shown in FIG. 31, field plate induced (FPI) avalanche breakdown occurs at locations adjacent to the gate electrode that do not coincide with the PN junction, and This reduces the breakdown voltage of the device and exposes the gate oxide to the risk of hot carrier generation. In the case of a MOSFET having a deep diffusion according to the above-referenced Bulucea patent, the diode clamp cell has an FPI (see FIG. 32) as a result of the gate being electrostatically shielded by the depletion region associated with the deep diffusion. Low sensitivity to M with flat bottom body region
To protect the OSFET, the breakdown voltage of the 1-of-N diode is set substantially lower than the voltage at which FPI breakdown occurs (see FIG. 32). FP
By overcoming the I problem, higher cell densities can be fully utilized to improve epitaxial region utilization and reduce channel resistance (which reduces total on-resistance at low gate bias).

【0039】P−チャネルMOSFETが、ここに記載
される1−of−N原理に従って製作された。MOSF
ETのドレインは、既知の技術により、20V動作用に
設計された。セル密度は32Mcells/in2に設
定され、ゲート酸化物はη=60%まで薄くされ、閾値
電圧は1.3Vに設定された。2.5Vのみのゲートバ
イアスで50A以上を誘導する10−A定格SO−8サ
イズパッケージ用のダイが用いられた。図33はデバイ
スのI−V特性を示す。図34に示されるように、測定
した固有オン抵抗は2.5Vのゲートバイアスで850
μΩ−cm2であり、2.7Vのゲートバイアスで75
0μΩ−cm2であった。我々の知る限りでは、低ゲー
トバイアス(<3V)動作時のP−チャネルMOSFE
Tに対して今まで報告されたオン抵抗としては最も小さ
いものである。4.5Vのゲートバイアスで測定された
オン抵抗は、わずか526μΩ−cm2であった。SO
−8パッケージのオン抵抗は11mΩであり、我々が知
る限りでは、4.5Vのゲートバイアス時にP−チャネ
ルデバイスに対して今までに報告されたオン抵抗として
は最も低いものである。
A P-channel MOSFET was fabricated according to the 1-of-N principle described herein. MOSF
The drain of the ET was designed for 20V operation by known techniques. The cell density was set at 32 Mcells / in 2 , the gate oxide was thinned to η = 60%, and the threshold voltage was set at 1.3V. A die for a 10-A rated SO-8 size package that induced 50A or more with a gate bias of only 2.5V was used. FIG. 33 shows the IV characteristics of the device. As shown in FIG. 34, the measured specific on-resistance was 850 at a gate bias of 2.5V.
μΩ-cm 2 and 75 at 2.7V gate bias.
It was 0 μΩ-cm 2 . To our knowledge, the P-channel MOSFE at low gate bias (<3V) operation
This is the smallest on-resistance reported so far for T. The ON resistance measured at a gate bias of 4.5 V was only 526 μΩ-cm 2 . SO
The on-resistance of the -8 package is 11 mΩ, which, to our knowledge, is the lowest on-resistance reported so far for a P-channel device at a gate bias of 4.5V.

【0040】結論として、垂直なトレンチFETにおい
て非アクティブな深いP+セルを規則的に分布させて有
することは、トレンチゲートの角部或いはその付近での
キャリア発生率及び電界を制限する電圧クランピング機
構をもたらす。電気的な過大負荷の存在時に、デバイス
の信頼性及び残存性は、それによりオン抵抗或いはセル
密度を制限することなく改善される。深いP+領域はト
レンチ端部に延在する必要はなく、所望ならセルの構成
より小さく作ることもできる。トレンチがN+基板に重
なり合うなら、深いP+領域はトレンチ下に延在する必
要はなく、その場合にはPINダイオードが、深いP+
領域とN+基板との間に形成されることもできる(図1
1参照)。(図11のダイオードD2のような)PIN
ダイオードのブレークダウン電圧を、中間領域、すなわ
ち「固有」領域のドーピング濃度及び幅の関数として示
すグラフは、S.M.Sze「Physics of
Semiconductor Devices」第2版
(John Wiley& Sons,1981,p.
105,Fig.32)により与えられており、参照し
て一部としている。
In conclusion, having a regular distribution of inactive deep P + cells in a vertical trench FET requires a voltage clamping mechanism that limits the carrier generation rate and electric field at or near the corners of the trench gate. Bring. In the presence of electrical overload, device reliability and survivability are thereby improved without limiting on-resistance or cell density. The deep P + regions need not extend to the trench edges and can be made smaller than the cell configuration if desired. If the trench overlaps the N + substrate, the deep P + region need not extend below the trench, in which case the PIN diode will
It can also be formed between the region and the N + substrate (FIG. 1)
1). PIN (such as diode D2 in FIG. 11)
A graph showing the breakdown voltage of the diode as a function of the doping concentration and the width of the intermediate or “inherent” region is shown in S.K. M. Sze "Physics of
Semiconductor Devices, "Second Edition (John Wiley & Sons, 1981, p.
105, FIG. 32), and is incorporated herein by reference.

【0041】本発明の「one−of−n」技術を用い
ると、MOSFETセルの寸法は、著しく低減され、そ
れにより面積及びボディコンタクトの品質を犠牲にする
ことなく12Mcells/in2から32Mcell
s/in2(5cells/cm2)にセル密度を増加さ
せることができる。パラメータ「n」は、2(1セルお
きに)から64或いはそれ以上のような大きな数まで変
化させることができる。従ってMOSFETがアバラン
シェブレークダウンに耐えるための能力は、ファクタn
/n−1により表わされる全くの平底のセルに比べてオ
ン抵抗における損失はあるものの、設計により制御する
ことができる。多くの例においては、この損失ファクタ
は、理想的な平底デバイスの数%以内に調整されること
ができる。
Using the "one-of-n" technique of the present invention, the size of the MOSFET cell is significantly reduced, thereby reducing the area and body contact quality from 12 Mcells / in 2 to 32 Mcell.
The cell density can be increased to s / in 2 (5 cells / cm 2 ). The parameter "n" can vary from 2 (every other cell) to a large number such as 64 or more. Therefore, the ability of a MOSFET to withstand avalanche breakdown depends on the factor n
Although there is a loss in on-resistance compared to a completely flat bottom cell represented by / n-1, it can be controlled by design. In many instances, this loss factor can be adjusted to within a few percent of an ideal flat bottom device.

【0042】図8は、セルが縞状をなす別のMOSFE
Tセルの平面図を示す。MOSFET80では、セル8
1、82、83並びに84は、アクティブMOSFET
セルであり、セル85は、保護用P+拡散部を含むダイ
オードセルである。各セル81−84は、P+コンタク
ト領域87及びN+ソース領域88を備える。コンタク
トホール89が、図8に2つ示されており、金属層(図
示せず)と、MOSFETセル81−84のP+領域8
7及びN+ソース領域88、並びにダイオードセル85
のP+領域86とのコンタクト部を設けるために用いら
れる。コンタクトホール89は、セル81−85に渡っ
て種々のパターンに配列されることができる。ゲート9
1を接触するためのコンタクトホール90も示されてい
る。
FIG. 8 shows another MOSFE in which the cells are striped.
FIG. 2 shows a plan view of a T cell. In the MOSFET 80, the cell 8
1, 82, 83 and 84 are active MOSFETs
The cell 85 is a diode cell including a protective P + diffusion. Each cell 81-84 includes a P + contact region 87 and an N + source region 88. 8 show two contact holes 89, a metal layer (not shown) and P + regions 8 of MOSFET cells 81-84.
7 and N + source regions 88 and diode cells 85
Is used to provide a contact portion with the P + region 86 of FIG. The contact holes 89 can be arranged in various patterns over the cells 81-85. Gate 9
1 is also shown.

【0043】P+ダイオードセルの別の使用目的は、ゲ
ートとN+基板との間の過剰な電界による過大負荷から
ゲート酸化物層を保護するようにドレイン電圧をクラン
プすることである。この状況は、特にトレンチが基板内
に延在し、かつそのためトレンチの底部におけるゲート
酸化物層が、ゲートと基板間の全電位差に晒される実施
例において引き起こされる。二酸化シリコンは、約8M
V/cmに等しい電圧に耐えることができる。安全率5
0%を用いて、製造時には一般に、XOX・4MV/cm
(ただしXOXはcmで表わすゲート酸化物の厚さであ
る)を、ゲート酸化物層間に印加される最大電圧とみな
す。従って、保護用P+拡散部により形成されるダイオ
ードのブレークダウン電圧は、XOX・4MV/cmを超
えないようにすべきである。例えば、400オングスト
ロームの厚さを有する酸化物層を用いる場合、酸化物層
は約32Vで破壊されるが、信頼できる動作のために
は、最大電圧を16Vに制限すべきである。
Another use of the P + diode cell is to clamp the drain voltage to protect the gate oxide layer from overloading due to excessive electric fields between the gate and the N + substrate. This situation is caused in particular in embodiments in which the trench extends into the substrate and so the gate oxide layer at the bottom of the trench is exposed to the full potential difference between the gate and the substrate. About 8M silicon dioxide
It can withstand a voltage equal to V / cm. Safety factor 5
Using 0%, X OX · 4 MV / cm is generally used during manufacture.
(Where X OX is the thickness of the gate oxide in cm) is considered the maximum voltage applied between the gate oxide layers. Therefore, the breakdown voltage of the diode formed by the protective P + diffusion should not exceed X OX · 4 MV / cm. For example, if an oxide layer having a thickness of 400 angstroms is used, the oxide layer will break down at about 32V, but for reliable operation the maximum voltage should be limited to 16V.

【0044】図9−11は本発明に従ったいくつかの別
の実施例の断面図を示す。図9はMOSFET92を示
し、その中ではトレンチがN+基板内に延在している。
N−エピタキシャル層の薄い層は、MOSFETセル9
3内に残されるが、ダイオードセル94では、保護用P
+拡散部がN+基板13の上面に達している。図10に
示されるMOSFET100では、MOSFETセル1
01内のP−ボディ領域がN+基板13の上面にまで延
在し、エピタキシャル層のN−ドープド領域は残されて
いない。図11に示されるMOSFET110は、エピ
タキシャル層14の薄い部分、ドープドP−或いはN−
が、MOSFETセル111及びMOSFETセル11
2のそれぞれに残されている。
FIGS. 9-11 show cross-sectional views of several alternative embodiments according to the present invention. FIG. 9 shows a MOSFET 92 in which a trench extends into the N + substrate.
The thin layer of the N-epitaxial layer is
3, the diode cell 94 has a protective P
The + diffusion portion reaches the upper surface of the N + substrate 13. In the MOSFET 100 shown in FIG.
The P- body region in 01 extends to the upper surface of the N + substrate 13, leaving no N-doped region of the epitaxial layer. The MOSFET 110 shown in FIG. 11 has a thin portion of the epitaxial layer 14, doped P- or N-.
Are the MOSFET cell 111 and the MOSFET cell 11
2 are left in each.

【0045】図9−11では、ダイオードD1はMOS
FETセル内のPN接合部を表わし、ダイオードD2は
保護用ダイオードセル内のPN接合部を表わし、キャパ
シタC1はゲート及びN+基板に当接されるゲート酸化
物層を表わす。3つの全ての場合に、関係BVD2<50
%・BVC1が保持されなければならない。ただし、BV
D2はダイオードD2のブレークダウン電圧であり、BV
C1はキャパシタC1のブレークダウン電圧である。ま
た、ダイオードD2のブレークダウン電圧は、各場合と
もダイオードD1のブレークダウン電圧より小さい。
In FIG. 9-11, the diode D1 is a MOS.
Diode D2 represents the PN junction in the protective diode cell, and capacitor C1 represents the gate oxide layer abutted on the gate and N + substrate. In all three cases, the relation BV D2 <50
% · BV C1 must be maintained. However, BV
D2 is a breakdown voltage of the diode D2 and BV
C1 is a breakdown voltage of the capacitor C1. The breakdown voltage of the diode D2 is lower than the breakdown voltage of the diode D1 in each case.

【0046】MOSFET120が、図12に示されて
おり、図2Aに示される従来のMOSFETと同じよう
に表わされる。ダイオードD1は、浅いP+コンタクト
領域、P−ボディ並びにN+基板の結合により各MOS
FETセルの中央に形成されるPINダイオードを表わ
す。MOSFET120では、PINダイオードD1の
ブレークダウン電圧は、キャパシタC1のブレークダウ
ン電圧の50%より低くく設定されており、キャパシタ
のブレークダウン電圧は、ゲート酸化物層の厚さをcm
単位で表わした場合に8MV/cmを基準として計算さ
れる。結果として、MOSFET120では、もしブレ
ークダウンが起こる場合でも、個々のセルの中央の領域
で、かつゲート酸化物を損傷しない電圧で起こるであろ
う。
A MOSFET 120 is shown in FIG. 12 and is represented similarly to the conventional MOSFET shown in FIG. 2A. The diode D1 is connected to each MOS by the connection of the shallow P + contact region, P- body and N +
2 represents a PIN diode formed in the center of a FET cell. In MOSFET 120, the breakdown voltage of PIN diode D1 is set to be less than 50% of the breakdown voltage of capacitor C1, and the breakdown voltage of the capacitor reduces the thickness of the gate oxide layer by cm.
It is calculated based on 8 MV / cm when expressed in units. As a result, in MOSFET 120, if breakdown does occur, it will occur in the central region of the individual cell and at a voltage that does not damage the gate oxide.

【0047】さらに別の実施例が図13及び14に示さ
れており、図13は、図14の平面図に示されるXII
IA−XIIIAの断面で見た断面図である。MOSF
ET130は、セル121及び、深いP+領域132を
含む幅広セル131を備える。深いP+領域132は、
セル121のゲート酸化物層に対する保護機能を有する
一方で、それ自体がアクティブMOSFETセルとして
機能し、N+ソース領域133を有している。こうし
て、セル131はMOSFETの全セル密度を減少させ
るが、セル131が保護機能のみを実行し、電流を流さ
ない場合よりは、オン抵抗に関する損失は少なくなる。
図12のMOSFET120の場合のように、セル12
1は一般に、保護用の深いP+領域が各セルに含まれて
いる場合よりは小さくなる。
A further alternative embodiment is shown in FIGS. 13 and 14, which shows the XII shown in the plan view of FIG.
It is sectional drawing seen in the cross section of IA-XIIIA. MOSF
The ET 130 includes a cell 121 and a wide cell 131 including a deep P + region 132. The deep P + region 132
While having the function of protecting the gate oxide layer of the cell 121, it itself functions as an active MOSFET cell and has an N + source region 133. Thus, although cell 131 reduces the overall cell density of the MOSFET, the loss associated with on-resistance is less than if cell 131 only performed a protection function and did not conduct current.
As in the case of the MOSFET 120 of FIG.
1 will generally be smaller than if each cell contains a deep P + region for protection.

【0048】本発明に従ってMOSFETを製作するた
めには多数の方法があるが、図15−19は図3に示さ
れるMOSFET30を製作する場合の典型的な方法を
示す。
While there are many ways to fabricate a MOSFET in accordance with the present invention, FIGS. 15-19 illustrate a typical method for fabricating MOSFET 30 shown in FIG.

【0049】図15においては、出発点は従来のN+基
板13であり、既知の方法を用いてN−エピタキシャル
層14を上面に成長させている。
In FIG. 15, the starting point is the conventional N + substrate 13, and the N- epitaxial layer 14 is grown on the upper surface by using a known method.

【0050】厚い酸化物層140が、成長、マスク並び
にエッチングされ、薄い酸化物層141は、深いP+領
域38が形成される予定の基板の上面に成長する。その
後1×1014から7×1015cm-2のドーズ量及び60
−100keVのエネルギーで薄い酸化物層141を通
して深いP+領域38が注入される。結果的な構造が図
15に示される。その酸化物層140及び141は除去
される。
A thick oxide layer 140 is grown, masked and etched, and a thin oxide layer 141 is grown on top of the substrate where the deep P + region 38 is to be formed. Thereafter, a dose of 1 × 10 14 to 7 × 10 15 cm -2 and 60
A deep P + region 38 is implanted through the thin oxide layer 141 with an energy of -100 keV. The resulting structure is shown in FIG. The oxide layers 140 and 141 are removed.

【0051】その方法の1つの変形例では、厚い酸化物
層142が成長し、その後深いP+領域38上を除いて
フォトマスク処理により除去され、薄い酸化物層143
が成長する。薄い酸化物層143はマスクされ、図16
に示されるように、トレンチが形成される予定の構造体
部分から除去される。そのトレンチがマスクされ、反応
性イオンエッチング或いはプラズマドライエッチングの
既知の技術を用いてエッチングされる。そのトレンチは
酸化され、ゲート酸化物層31Aが形成され、ポリシリ
コンが、トレンチの上面から溢れるまでトレンチ内に堆
積される。その後ポリシリコンは、5×1013から5×
1015cm-2のドーズ量及び60keVのエネルギーで
POCl3予備堆積或いはイオン注入により燐をドープ
され、20−70Ω/□のシート抵抗が与えられる。P
−チャネルデバイスの場合、ポリシリコンはイオン注入
を用いて、概ね40−120Ω/□のシート抵抗になる
までほう素をドープされる。その後ポリシリコンは、マ
スクが保護する場所を除いて、トレンチの表面が平坦に
戻るまでエッチングされ、その結果概ね金属層と接触す
ることができる。
In one variation of the method, a thick oxide layer 142 is grown and then removed by photomasking except on the deep P + regions 38 and a thin oxide layer 143 is formed.
Grows. The thin oxide layer 143 is masked, and FIG.
Is removed from the portion of the structure where the trench is to be formed. The trench is masked and etched using known techniques of reactive ion etching or plasma dry etching. The trench is oxidized to form a gate oxide layer 31A and polysilicon is deposited in the trench until it overflows the top surface of the trench. Then the polysilicon is 5 × 10 13 to 5 ×
Phosphorus is doped by POCl 3 pre-deposition or ion implantation at a dose of 10 15 cm -2 and an energy of 60 keV to give a sheet resistance of 20-70 Ω / □. P
-For channel devices, the polysilicon is doped with boron using ion implantation to a sheet resistance of approximately 40-120 ohms / square. The polysilicon is then etched until the surface of the trench returns flat, except where the mask protects, so that it can generally contact the metal layer.

【0052】その後P−ボディ33が薄い酸化物層14
3を通して注入される(例えば、1×1013から4×1
14cm-2のドーズ量及び40−100keVのエネル
ギーでほう素が注入される)。同様の方法が、ドーパン
トが燐である点は異なるが、P−チャネルデバイスを製
作する際に用いられる。結果的な構造体は図17に示さ
れる。
After that, the P-body 33 is thinned
3 (eg, 1 × 10 13 to 4 × 1
Boron is implanted with a dose of 0 14 cm -2 and an energy of 40-100 keV). A similar method is used in fabricating P-channel devices, except that the dopant is phosphorus. The resulting structure is shown in FIG.

【0053】その後N+ソース領域がマスクされ、5×
1014から1×1016cm-2のドーズ量及び20−10
0keVのエネルギーで砒素イオン注入(或いはP−チ
ャネルデバイスの場合にはほう素注入)される。結果的
な構造体が図18に示される。
After that, the N + source region is masked and 5 ×
A dose of 10 14 to 1 × 10 16 cm -2 and 20-10
Arsenic ion implantation (or boron implantation in the case of a P-channel device) is performed at an energy of 0 keV. The resulting structure is shown in FIG.

【0054】N+ソース領域38の形成に引き続いて、
新しいマスクが形成され、P−ボディと接触させるため
に用いられる浅いP+領域33Aが、1×1013から5
×1014cm-2のドーズ量及び20−80keVのエネ
ルギーでイオン注入により導入される。別法では、図1
9に示されるように、浅いP+領域33Aは、N+ソー
ス領域/P+コンタクト領域及び深いP+領域用のコン
タクトホールを形成する際に用いられた同じマスクを通
してP−型ドーパントを注入することにより形成され
る。この技術を用いて、数種類のP−型ドーパントがN
+ソース領域34内に注入されるが、P−型ドーパント
のレベルは、N−型イオンをN+ソース領域に十分に集
中させるほどのレベルではない。
Following the formation of the N + source region 38,
The new mask is formed, a shallow P + region 33A used to contact the P- body, from 1 × 10 13 5
It is introduced by ion implantation at a dose of × 10 14 cm -2 and an energy of 20-80 keV. Alternatively, FIG.
As shown in FIG. 9, a shallow P + region 33A is formed by implanting a P-type dopant through the same mask used in forming the contact holes for the N + source / P + contact region and the deep P + region. You. Using this technique, several P-type dopants are
Although implanted in the + source region 34, the level of the P- type dopant is not sufficient to concentrate the N- type ions in the N + source region.

【0055】薄い酸化物層を熱的に成長させる。その後
BPSGが基板の表面上に堆積される。BPSGは、滑
らかに流動し、さらにダイの表面形状を平坦化するため
に、およそ850℃から950℃に瞬時に加熱される。
コンタクトホールは酸化物及びBPSG層内でエッチン
グされ、金属層36が堆積され、コンタクトホールを介
してソース及びボディ領域と深いP+領域とのコンタク
トを形成する。これにより、図3に示されるMOSFE
T30が生成される。
A thin oxide layer is grown thermally. Thereafter, BPSG is deposited on the surface of the substrate. The BPSG flows instantaneously from approximately 850 ° C. to 950 ° C. to flow smoothly and further flatten the surface of the die.
The contact hole is etched in the oxide and BPSG layers and a metal layer 36 is deposited, forming a contact between the source and body regions and the deep P + region through the contact hole. Thereby, the MOSFE shown in FIG.
T30 is generated.

【0056】その後ダイはSiN或いはBPSGを用い
てパッシベーションされ、ボンディングを容易にするた
めにパッドマスク窓がエッチングされる。
The die is then passivated using SiN or BPSG and the pad mask window is etched to facilitate bonding.

【0057】一連のシミュレーション及び実験が行わ
れ、種々の市販可能な製品を製造するパラメータの範囲
を決定した。それらは、20−V及び30−V定格ドレ
イン電位、12−V及び20−V定格ゲート電位、並び
にN−チャネル及びP−チャネルデバイスである。「1
−of−N」ダイオードセルが、MOSFETセルの前
にブレークダウンするようになるデバイスを作るパラメ
ータの範囲を特定することが望まれた。2つのアプロー
チが用いられた。1つは(i)中間層の厚さにより主に
決定されたブレークダウン電圧を有するPIN型ダイオ
ードを使用することを伴う「リーチスルー」アプロー
チ、もう1つは(ii)2層のサブレイヤを含むエピタ
キシャル層が、サブレイヤの下側に重畳するダイオード
セル内の深い拡散部と共に用いられる「ステップep
i」アプローチである。
A series of simulations and experiments were performed to determine the range of parameters for producing various commercially available products. They are 20-V and 30-V rated drain potentials, 12-V and 20-V rated gate potentials, and N-channel and P-channel devices. "1
It was desired to specify a range of parameters that would make the device an "-of-N" diode cell that would break down before the MOSFET cell. Two approaches were used. One involves (i) a "reach-through" approach involving the use of a PIN-type diode with a breakdown voltage mainly determined by the thickness of the intermediate layer, and the other involves (ii) two sub-layers An epitaxial layer is used with a deep diffusion in the diode cell that overlays the underside of the sublayer.
i "approach.

【0058】試験の最初のセットは、MOSFETセル
270及びダイオードセル272を含む、図35に示さ
れるタイプの「リーチスルー」構造体を取り扱った。ダ
イオードセルは、エピタキシャル層の表面下3μmに延
在する深いP+拡散部274を含む。図35はN−チャ
ネルデバイスを示す。P−チャネルデバイスは同一の全
体構造を有しているが、導電型が反対になるであろう試
験の結果は図36に示されており、縦軸はブレークダウ
ン電圧であり、横軸は2から6μmの範囲にあり、エピ
タキシャル層の「平坦」部分(Xepi(flat))
である、すなわちN−エピタキシャル層とN+基板との
間の遷移領域において増加し始める前の、N−型ドーパ
ントの濃度において比較的一定である部分である。この
遷移領域は、図35における斜線領域276により示さ
れる。
The first set of tests addressed a "reach-through" structure of the type shown in FIG. 35, including a MOSFET cell 270 and a diode cell 272. The diode cell includes a deep P + diffusion 274 extending 3 μm below the surface of the epitaxial layer. FIG. 35 shows an N-channel device. The results of a test in which the P-channel device has the same overall structure but the conductivity type will be reversed is shown in FIG. 36, where the vertical axis is the breakdown voltage and the horizontal axis is 2 "Flat" portion of the epitaxial layer (Xepi (flat))
I.e., the portion that is relatively constant in the concentration of the N-type dopant before beginning to increase in the transition region between the N- epitaxial layer and the N + substrate. This transition region is indicated by a hatched region 276 in FIG.

【0059】図36は20−Vドレイン、12−Vゲー
ト並びにN−チャネルデバイスに関連する試験データを
示す。第1の組の曲線280、282並びに284は、
N−エピタキシャル層のドーパント濃度がそれぞれ1.
0×1016cm-3、2.0×1016cm-3、3.0×1
16cm-3であるときの、デバイスのブレークダウン電
圧を示す。ゲート酸化物層の厚さは300オングストロ
ームであり、ターゲットドレイン定格は20Vである。
Xepi(flat)が3μm厚より小さい場合、ブレ
ークダウンはダイオードセル272内で生じ、Xepi
(flat))と共に増加する。Xepi(flat)
がおよそ4μm厚より厚いときは、ブレークダウンはM
OSFET270内で発生し、従ってブレークダウン電
圧はXepi(flat)には依存しなくなる。
FIG. 36 shows test data associated with a 20-V drain, a 12-V gate, and an N-channel device. The first set of curves 280, 282 and 284
The dopant concentration of the N-epitaxial layer is 1.
0 × 10 16 cm −3 , 2.0 × 10 16 cm −3 , 3.0 × 1
It shows the breakdown voltage of the device when it is 0 16 cm -3 . The thickness of the gate oxide layer is 300 Å and the target drain rating is 20V.
If Xepi (flat) is less than 3 μm thick, breakdown will occur in diode cell 272 and Xepi (flat)
(Flat)). Xepi (flat)
Is greater than approximately 4 μm thick, the breakdown is M
Occurs in OSFET 270, so the breakdown voltage is no longer dependent on Xepi (flat).

【0060】図36における曲線286及び288は、
それぞれ2.0×1016cm-3、3.0×1016cm-3
のN−エピタキシャル濃度でのMOSFETセル270
とダイオードセル272との間のブレークダウン電圧間
の差を示す。MOSFETセルとダイオードセルとの間
のブレークダウン電圧の差が概ね5Vまで許容できると
仮定すると、2.0×1016cm-3のN−epi濃度及
び3μmのXepi(flat)が、満足のいくデバイ
スをもたらすことになろう。他の状況では、図36に示
される範囲内のパラメータを有する他のデバイスが、満
足のいく結果をもたらすことになろう。
The curves 286 and 288 in FIG.
2.0 × 10 16 cm -3 and 3.0 × 10 16 cm -3 respectively
MOSFET cell 270 at N-epitaxial concentration
5 shows the difference between the breakdown voltage between the diode cell 272 and the diode cell 272. Assuming that the difference in breakdown voltage between the MOSFET cell and the diode cell is acceptable up to approximately 5 V, an N-epi concentration of 2.0 × 10 16 cm −3 and a Xepi (flat) of 3 μm are satisfactory. Will bring the device. In other situations, other devices with parameters within the ranges shown in FIG. 36 will give satisfactory results.

【0061】図37は、500オングストロームのゲー
ト酸化物層厚を有する「リーチスルー」30−Vドレイ
ン、20−Vゲート並びにN−チャネルデバイスの場合
の同様の組の曲線を示す。曲線290、292並びに2
94は、N−epiの濃度がそれぞれ5.0×1015
-3、1.0×1016cm-3、2.0×1016cm-3
あるときのデバイスのブレークダウン電圧を示す。曲線
296、298、299は、N−エピタキシャルの濃度
がそれぞれ5.0×1015cm-3、1.0×1016cm
-3、2.0×1016cm-3であるときのMOSFETセ
ル270及びダイオードセル272のブレークダウン電
圧間の差を示す。
FIG. 37 shows a similar set of curves for "reach-through" 30-V drain, 20-V gate and N-channel devices with a gate oxide layer thickness of 500 Angstroms. Curves 290, 292 and 2
94 indicates that the concentration of N-epi was 5.0 × 10 15 c
The breakdown voltage of the device at m -3 , 1.0 × 10 16 cm -3 and 2.0 × 10 16 cm -3 is shown. Curves 296, 298, and 299 show that the N-epitaxial concentration is 5.0 × 10 15 cm −3 and 1.0 × 10 16 cm, respectively.
3 shows the difference between the breakdown voltage of MOSFET cell 270 and diode cell 272 at 2.0 × 10 16 cm −3 .

【0062】図36及び37の曲線は、シミュレーショ
ンにより作成された。データ点(四角形、三角形、ダイ
ヤ形等)は実際の実験結果を表わす。
The curves in FIGS. 36 and 37 were created by simulation. Data points (squares, triangles, diamonds, etc.) represent actual experimental results.

【0063】図39は図38に示されるデバイスから得
られた実験結果を示しており、図38は「ステップ化」
されたN−epi層を含む、すなわち異なる濃度のN−
型ドーパントを有するサブレイヤN−epi1及びN−
epi2を含み、これは1997年10月7日出願の米
国特許第5,674,766号に記載されている。これ
は20−Vドレイン、12−Vゲートの「ステップep
iデバイス」である。上側サブレイヤN−epi2は
3.5ミクロン厚(Xepi2)であるが、他の実施例
では、N−epi2は、2μm〜5μmの範囲にある。
MOSFETセル300内のトレンチ及びP−ボディ領
域は、上側サブレイヤN−epi2内にのみ延在する
が、ダイオードセル302内の深いP+拡散部はN−e
pi2を通り、下側サブレイヤN−epi1内に延在す
る。P−チャネルデバイスでは、導電型は反対になるで
あろう。図39では、横軸は下側サブレイヤN−epi
1のドーパント濃度を表わしており、1.0×1016
-3から1.0×1018cm-3まで変化する。曲線31
0、312並びに314は、上側サブレイヤN−epi
2のドーパント濃度がそれぞれ5.0×1015cm-3
1.0×1016cm-3、1.5×1016cm-3であると
きのデバイスのブレークダウン電圧を示す。破線31
6、318並びに319は、サブレイヤN−epi1が
それぞれ5.0×1015cm-3、1.0×1016
-3、1.5×1016cm-3のドーパント濃度を有する
ときのMOSFETセル300とダイオードセル302
のブレークダウン電圧間の差を示す。これらの実施例で
は、サブレイヤN−epi1は、MOSFETセル30
0とダイオードセル302のブレークダウン電圧がサブ
レイヤN−epi1の厚さに依存しない程十分に厚くす
る。
FIG. 39 shows the experimental results obtained from the device shown in FIG. 38, and FIG.
N-epi layers, ie different concentrations of N-
-Layers N-epi1 and N-
epi2, which is described in U.S. Patent No. 5,674,766, filed October 7, 1997. This is the "step ep" of the 20-V drain and the 12-V gate.
i-device ". The upper sub-layer N-epi2 is 3.5 microns thick (Xepi2), but in other embodiments, N-epi2 is in the range of 2 m to 5 m.
The trench and P-body region in MOSFET cell 300 extends only in upper sublayer N-epi2, while the deep P + diffusion in diode cell 302 is Ne-e.
It passes through pi2 and extends into the lower sub-layer N-epi1. For P-channel devices, the conductivity types will be opposite. In FIG. 39, the horizontal axis is the lower sublayer N-epi
1.0 × 10 16 c
It varies from m −3 to 1.0 × 10 18 cm −3 . Curve 31
0, 312 and 314 are the upper sub-layer N-epi
2 has a dopant concentration of 5.0 × 10 15 cm −3 ,
The breakdown voltage of the device at 1.0 × 10 16 cm −3 and 1.5 × 10 16 cm −3 is shown. Broken line 31
6, 318 and 319, the sub-layer N-epi1 has 5.0 × 10 15 cm −3 and 1.0 × 10 16 c, respectively.
m −3 , MOSFET cell 300 and diode cell 302 when having a dopant concentration of 1.5 × 10 16 cm −3
3 shows the difference between the breakdown voltages. In these embodiments, the sub-layer N-epi1
0 and the breakdown voltage of the diode cell 302 are made sufficiently thick so as not to depend on the thickness of the sublayer N-epi1.

【0064】図40は、ダイオードセル内のブレークダ
ウン電圧(横軸)を、下側サブレイヤN−epi1の抵
抗率(左側縦軸)及びドーパント濃度(右側縦軸)の関
数として示すグラフである。
FIG. 40 is a graph showing the breakdown voltage (horizontal axis) in a diode cell as a function of the resistivity (vertical axis on the left) and the dopant concentration (vertical axis on the right) of the lower sublayer N-epi1.

【0065】図41、42並びに43は30−Vドレイ
ン、20−Vゲートを有するステップepi形N−チャ
ネルデバイスに対する同様のデータを示す。図41で
は、曲線330は、MOSFETセルのブレークダウン
電圧を示し、曲線332はダイオードセルのブレークダ
ウン電圧を示し、そして曲線334はMOSFETセル
及びダイオードセルにおけるブレークダウン電圧間の差
を示す。下側epiサブレイヤに対するドーパント濃度
は4×1016cm-3であり、上側サブレイヤは3.5μ
m厚であった。横軸は上側epiサブレイヤのドーパン
ト濃度を表わしており、5.0×1015cm-3〜2.5
×1016cm-3の範囲にある。この範囲は3.0×10
16cm-3まで拡張することができ、2.0×1016cm
-3が好適な濃度である。
FIGS. 41, 42 and 43 show similar data for a step epi N-channel device having a 30-V drain and a 20-V gate. In FIG. 41, curve 330 shows the breakdown voltage of the MOSFET cell, curve 332 shows the breakdown voltage of the diode cell, and curve 334 shows the difference between the breakdown voltage in the MOSFET cell and the diode cell. The dopant concentration for the lower epi sublayer is 4 × 10 16 cm −3 and the upper sublayer is 3.5 μm.
m thickness. The horizontal axis represents the dopant concentration of the upper epi sublayer, from 5.0 × 10 15 cm −3 to 2.5.
It is in the range of × 10 16 cm -3 . This range is 3.0 × 10
Expandable to 16 cm -3 , 2.0 × 10 16 cm
-3 is a preferred concentration.

【0066】図42及び43は、異なる形態において同
様のデバイスに対するデータを示す。図42では、曲線
340は、MOSFETセルに対するブレークダウン電
圧を示し、曲線342はダイオードセルに対するブレー
クダウン電圧を示し、曲線344は2つの値間の差を示
す。上側及び下側epiサブレイヤに対するドーパント
濃度は、それぞれ1.0×1016cm-3及び4.0×1
16cm-3であった。横軸は上側サブレイヤの厚さを表
わし、2μm〜5μmの範囲にあり、公的には3μmで
ある。図43では、曲線350はMOSFETセルに対
するブレークダウン電圧を示し、曲線352はダイオー
ドセルに対するブレークダウン電圧を示し、曲線354
は2つの値間の差を示す。上側epiサブレイヤのドー
パント濃度及び厚さは、それぞれ1.0×1016cm-3
及び3.5μmであった。横軸は下側epiサブレイヤ
のドーパント濃度を表わし、1.0×1016cm-3
5.0×1016cm-3の範囲にあり、好適には4.0×
1016cm-3である。
FIGS. 42 and 43 show data for similar devices in different forms. In FIG. 42, curve 340 shows the breakdown voltage for the MOSFET cell, curve 342 shows the breakdown voltage for the diode cell, and curve 344 shows the difference between the two values. The dopant concentrations for the upper and lower epi sublayers were 1.0 × 10 16 cm −3 and 4.0 × 1, respectively.
0 16 cm -3 . The horizontal axis represents the thickness of the upper sublayer, which is in the range of 2 μm to 5 μm, and is publicly 3 μm. In FIG. 43, curve 350 shows the breakdown voltage for the MOSFET cell, curve 352 shows the breakdown voltage for the diode cell, and curve 354.
Indicates the difference between the two values. The dopant concentration and thickness of the upper epi sublayer are 1.0 × 10 16 cm −3 , respectively.
And 3.5 μm. The horizontal axis represents the dopant concentration of the lower epi sublayer, and is 1.0 × 10 16 cm −3 or less .
5.0 × 10 16 cm −3 , preferably 4.0 × 10 16 cm −3.
10 16 cm -3 .

【0067】図44は、30−Vドレイン、20−Vゲ
ートP−チャネルデバイスに対する同様のデータを示て
おり、そのデバイスは「リーチスルー」アプローチを利
用している。曲線360、362並びに364は、P−
epi層の厚さが4μmから8μmまで変化したときの
ダイオードセルのブレークダウン電圧を示し、それぞれ
5.0×1015cm-3、1.0×1016cm-3、2.0
×1016cm-3のP−epi濃度を表わす。曲線36
6、368並びに369はそれぞれ同じレベルのP−e
pi濃度におけるMOSFETセルとダイオードセルの
ブレークダウン電圧間の差を示す。
FIG. 44 shows similar data for a 30-V drain, 20-V gate P-channel device, which utilizes a "reach-through" approach. Curves 360, 362 and 364 are P-
It shows the breakdown voltage of the diode cell when the thickness of the epi layer changes from 4 μm to 8 μm, and is 5.0 × 10 15 cm −3 , 1.0 × 10 16 cm −3 , 2.0, respectively.
Indicates a P-epi concentration of × 10 16 cm −3 . Curve 36
6, 368 and 369 are the same level of Pe
4 shows the difference between the breakdown voltage of a MOSFET cell and a diode cell at pi concentration.

【0068】図45及び46は、P−チャネル20−V
ドレイン、12−Vゲートデバイスに対するデータを示
しており、そのデバイスは「リーチスルー」アプローチ
を用いていた。いずれの図においても、ブレークダウン
電圧は、P−epi層厚の関数として描かれている。曲
線370及び380は、5.0×1015cm-3のP−e
piドーパント濃度におけるダイオードブレークダウン
電圧を示し、曲線372及び382は、1.0×1016
cm-3のP−epiドーパント濃度におけるダイオード
ブレークダウン電圧を示し、曲線374及び384は、
2.0×1016cm-3のP−epiドーパント濃度にお
けるダイオードブレークダウン電圧を示す。曲線376
及び386は5.0×1015cm-3のP−epiドーパ
ント濃度におけるダイオードセルとMOSFETセルと
の間のブレークダウン電圧における差を示し、曲線37
8及び388は1.0×1016cm-3のP−epiドー
パント濃度におけるダイオードセルとMOSFETセル
との間のブレークダウン電圧における差を示し、曲線3
79及び389は2.0×1016cm-3のP−epiド
ーパント濃度におけるダイオードセルとMOSFETセ
ルとの間のブレークダウン電圧における差を示す。
FIGS. 45 and 46 illustrate the P-channel 20-V
Shown is data for a drain, 12-V gate device, which used a "reach-through" approach. In both figures, the breakdown voltage is plotted as a function of the P-epi layer thickness. Curves 370 and 380 show a Pe of 5.0 × 10 15 cm −3.
The diode breakdown voltage at pi dopant concentration is shown, curves 372 and 382 are 1.0 × 10 16
The diode breakdown voltage at a P-epi dopant concentration of cm -3 is shown, and curves 374 and 384 show
4 shows the diode breakdown voltage at a P-epi dopant concentration of 2.0 × 10 16 cm −3 . Curve 376
And 386 show the difference in breakdown voltage between the diode cell and the MOSFET cell at a P-epi dopant concentration of 5.0 × 10 15 cm −3 , curve 37
8 and 388 show the difference in breakdown voltage between the diode cell and the MOSFET cell at a P-epi dopant concentration of 1.0 × 10 16 cm −3 , curve 3
79 and 389 show the difference in breakdown voltage between the diode cell and the MOSFET cell at a P-epi dopant concentration of 2.0 × 10 16 cm −3 .

【0069】P−チャネル20−Vドレインデバイスで
は、MOSFETセルの前にダイオードセルをブレーク
ダウンさせるようにするのがやや難しい。より薄いゲー
ト酸化物を用いる場合、上述のように、FPIブレーク
ダウンが、PN接合ブレークダウン前に発生する傾向が
ある。こうして、ダイオードセル内の拡散部を形成する
ために用いられる注入のドーズ量を増加するか、或いは
ダイオード拡散部の深さを増加するために特別なドライ
ブイン過程を用いるかのいずれかを行うことが必要な場
合がある。図45は、1.0×1015cm-2の「標準的
な」注入ドーズ量の結果を示しているが、1−3時間、
1050−1100℃で2回のドライブインを用いてい
る。図46は、4.0×1015cm-2の注入ドーズ量の
結果を示しているが、1−3時間、1050−1100
℃で2回のドライブインを用いている。
With a P-channel 20-V drain device, it is somewhat difficult to break down the diode cells before the MOSFET cells. With thinner gate oxides, as described above, FPI breakdown tends to occur before PN junction breakdown. Thus, either increasing the dose of the implant used to form the diffusion in the diode cell, or using a special drive-in process to increase the depth of the diode diffusion May be required. FIG. 45 shows the result of a “standard” implant dose of 1.0 × 10 15 cm −2 , but for 1-3 hours,
Two drive-ins at 1050-1100 ° C are used. FIG. 46 shows the result of an implantation dose of 4.0 × 10 15 cm −2 , but for 1-3 hours, 1050-1100
Two drive-ins at C are used.

【0070】図47は、およそ3μm深さのN−型ダイ
オード拡散部に対するブレークダウン電圧を、6つの異
なる注入ドーズ量、1.0×1015cm-2(曲線39
0)、2.0×1015cm-2(曲線391)、3.0×
1015cm-2(曲線392)、4.0×1015cm
-2(曲線393)、5.0×1015cm-2(曲線39
4)、6.0×1015cm-2(曲線395)の場合に、
P−epi層の厚さの関数として示す。
FIG. 47 shows the breakdown voltage for an approximately 3 μm deep N-type diode diffusion at six different implant doses, 1.0 × 10 15 cm −2 (curve 39).
0), 2.0 × 10 15 cm −2 (curve 391), 3.0 ×
10 15 cm -2 (curve 392), 4.0 × 10 15 cm
-2 (curve 393), 5.0 × 10 15 cm -2 (curve 39
4) In the case of 6.0 × 10 15 cm −2 (curve 395),
Shown as a function of P-epi layer thickness.

【0071】図48は、およそ3μm深さのN−型ダイ
オード拡散部に対するブレークダウン電圧を、7つの異
なるP−epi層厚、9.0μm(曲線400)、8.
75μm(曲線401)、8.5μm(曲線402)、
8.25μm(曲線403)、8.0μm(曲線40
4)、7.75μm(曲線405)、7.5μm(曲線
406)の場合に、注入ドーズ量の関数として示す。
FIG. 48 shows the breakdown voltage for an approximately 3 μm deep N-type diode diffusion at seven different P-epi layer thicknesses, 9.0 μm (curve 400), and 8.
75 μm (curve 401), 8.5 μm (curve 402),
8.25 μm (curve 403), 8.0 μm (curve 40)
4), 7.75 μm (curve 405), and 7.5 μm (curve 406) as a function of implant dose.

【0072】上記実施例は、例示しているにすぎず、制
限をするものではない。本発明の広範な原理に従った多
数の別の実施例は、当業者には明らかであろう。
The above embodiments are merely illustrative and not limiting. Numerous alternative embodiments according to the broad principles of the present invention will be apparent to those skilled in the art.

【0073】[0073]

【発明の効果】上記のように、本発明によるダイオード
セルを形成することにより、トレンチ底部におけるブレ
ークダウンの発生を防ぎ、MOSFETの損傷を避ける
と共に、オン抵抗特性が改善されたトレンチゲート形M
OSFETを提供することができる。
As described above, the formation of the diode cell according to the present invention prevents the occurrence of breakdown at the bottom of the trench, avoids damage to the MOSFET, and improves the trench gate type M with improved on-resistance characteristics.
An OSFET can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 トレンチの角部における電界を減少させるた
めに深い中央拡散部を有する従来のトレンチゲート形M
OSFETの断面図である。
FIG. 1 shows a conventional trench gate type M having a deep central diffusion to reduce the electric field at the corners of the trench.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an OSFET.

【図2】A及びBからなり、Aは深い中央拡散部がな
く、トレンチが基板内に延在する、従来のトレンチゲー
ト形MOSFETの断面図であり、BはAのMOSFE
Tに対する等価回路図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventional trench-gate MOSFET consisting of A and B, without A having a deep central diffusion and having a trench extending into the substrate;
It is an equivalent circuit diagram with respect to T.

【図3】隣接MOSFETセル内に保護拡散部を有する
本発明の第1の実施例の断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention having a protective diffusion in an adjacent MOSFET cell.

【図4】A及びBよりなり、Aは隣接MOSFETセル
内に保護拡散部を有し、トレンチが基板内に延在する、
本発明の第2の実施例の断面図であり、BはAのMOS
FETに対する等価回路図である。
FIG. 4 comprises A and B, wherein A has a protective diffusion in an adjacent MOSFET cell and a trench extends into the substrate;
FIG. 6 is a cross-sectional view of a second embodiment of the present invention, wherein B is a MOS of A;
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram for the FET.

【図5】従来のMOSFETセルの平面図である。FIG. 5 is a plan view of a conventional MOSFET cell.

【図6】本発明による正方形セル形MOSFETの平面
図である。
FIG. 6 is a plan view of a square cell type MOSFET according to the present invention.

【図7】図6の正方形セル形MOSFETの詳細な平面
図である。
FIG. 7 is a detailed plan view of the square cell type MOSFET of FIG. 6;

【図8】本発明による縞形MOSFETの平面図であ
る。
FIG. 8 is a plan view of a striped MOSFET according to the present invention.

【図9】本発明による第2の実施例の別の断面図であ
る。
FIG. 9 is another sectional view of the second embodiment according to the present invention.

【図10】本発明による第3の実施例の断面図である。FIG. 10 is a sectional view of a third embodiment according to the present invention.

【図11】本発明による第4の実施例の断面図である。FIG. 11 is a sectional view of a fourth embodiment according to the present invention.

【図12】本発明による第5の実施例の断面図である。FIG. 12 is a sectional view of a fifth embodiment according to the present invention.

【図13】幅広保護セルを有する第6の実施例の断面図
である。
FIG. 13 is a sectional view of a sixth embodiment having a wide protection cell.

【図14】図13に示す第6の実施例の平面図である。FIG. 14 is a plan view of the sixth embodiment shown in FIG.

【図15】図3に示されるMOSFETを製作する工程
の各過程を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing each step of a step of manufacturing the MOSFET shown in FIG. 3;

【図16】図3に示されるMOSFETを製作する工程
の各過程を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing each step of a step of manufacturing the MOSFET shown in FIG. 3;

【図17】図3に示されるMOSFETを製作する工程
の各過程を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing each step of a step of manufacturing the MOSFET shown in FIG. 3;

【図18】図3に示されるMOSFETを製作する工程
の各過程を示す図である。
FIG. 18 is a diagram illustrating each step of a process of manufacturing the MOSFET illustrated in FIG. 3;

【図19】図3に示されるMOSFETを製作する工程
の各過程を示す図である。
FIG. 19 is a diagram showing each step of a step of manufacturing the MOSFET shown in FIG. 3;

【図20】米国特許第5,072,266号に開示され
るような、平底形ボディ領域を有するMOSFET及び
深い中央ボディ拡散部を有するMOSFETにおける電
流ラインのシミュレーションを示す図である。
FIG. 20 shows a simulation of current lines in a MOSFET having a flat bottom body region and a MOSFET having a deep central body diffusion as disclosed in US Pat. No. 5,072,266.

【図21】米国特許第5,072,266号に開示され
るような、平底形ボディ領域を有するMOSFET及び
深い中央ボディ拡散部を有するMOSFETにおける電
流ラインのシミュレーションを示す図である。
FIG. 21 shows a simulation of current lines in a MOSFET having a flat bottom body region and a MOSFET having a deep central body diffusion, as disclosed in US Pat. No. 5,072,266.

【図22】一様な伝導が達成される、電流広がり角とエ
ピタキシャル層内の深さとの幾何学的関係を示すMOS
FETの図である。
FIG. 22 shows a MOS showing the geometric relationship between current spreading angle and depth in the epitaxial layer where uniform conduction is achieved.
It is a figure of FET.

【図23】深い中央拡散部を有するMOSFETと分布
したダイオードセルを有するMOSFETにおける固有
オン抵抗をセル密度の関数として示すグラフである。
FIG. 23 is a graph showing the specific on-resistance as a function of cell density for a MOSFET with a deep central diffusion and a MOSFET with distributed diode cells.

【図24】それぞれ12Mcells/in2及び32
Mcells/in2のセル密度を有するMOSFET
に対する固有オン抵抗の変動をゲートバイアスの関数と
して示すグラフである。
FIG. 24: 12 Mcells / in 2 and 32, respectively.
MOSFET having a cell density of Mcells / in 2
6 is a graph showing the variation of the specific on-resistance as a function of the gate bias with respect to FIG.

【図25】通常の伝導中に線形の領域内において動作す
るMOSFETセルを有し、アバランシェブレークダウ
ンを被るMOSFETにおける電流ラインのシミュレー
ションを示す図である。
FIG. 25 shows a simulation of the current lines in a MOSFET having MOSFET cells operating in the linear region during normal conduction and undergoing avalanche breakdown.

【図26】通常の伝導中に線形の領域内において動作す
るダイオードセルを有し、アバランシェブレークダウン
を被るMOSFETにおける電流ラインのシミュレーシ
ョンを示す図である。
FIG. 26 shows a simulation of a current line in a MOSFET having a diode cell operating in a linear region during normal conduction and undergoing avalanche breakdown.

【図27】MOSFET内の非クランプ誘導スイッチン
グ電流及びドレイン電圧を示すグラフである。
FIG. 27 is a graph showing unclamped inductive switching current and drain voltage in a MOSFET.

【図28】MOSFETの測定されたI−V特性及びブ
レークダウン特性を示す図である。
FIG. 28 is a diagram showing measured IV characteristics and breakdown characteristics of a MOSFET.

【図29】パッケージ化されたMOSFETの種々の構
成要素のオン抵抗をゲートバイアスの関数として示す図
である。
FIG. 29 illustrates the on-resistance of various components of a packaged MOSFET as a function of gate bias.

【図30】比較的厚いゲート酸化物層を有する平底形M
OSFETにおけるアバランシェブレークダウンの位置
を示すシミュレーションである。
FIG. 30: Flat bottom M with relatively thick gate oxide layer
6 is a simulation illustrating a position of avalanche breakdown in an OSFET.

【図31】比較的薄いゲート酸化物層を有する平底形M
OSFETにおけるアバランシェブレークダウンの位置
を示すシミュレーションである。
FIG. 31: Flat bottom M with relatively thin gate oxide layer
6 is a simulation illustrating a position of avalanche breakdown in an OSFET.

【図32】深い中央ボディ拡散部を有するMOSFET
の場合のブレークダウン電圧を規格化されたゲート酸化
物厚の関数として示すグラフである。MOSFETは平
底形のボディ領域を有し、また本発明による分布したダ
イオードセルを有する。
FIG. 32: MOSFET with deep central body diffusion
4 is a graph showing the breakdown voltage as a function of the normalized gate oxide thickness for the case of FIG. The MOSFET has a flat-bottomed body region and has distributed diode cells according to the invention.

【図33】MOSFETのI−V特性を示すグラフであ
る。
FIG. 33 is a graph showing IV characteristics of a MOSFET.

【図34】12Mcells/in2及び32Mcel
ls/in2のセル密度を有する薄い(12−Vゲート
定格)及び厚い(20−Vゲート定格)の酸化物のMO
SFETの場合の固有オン抵抗をゲートバイアスの関数
として示すグラフである。
FIG. 34: 12Mcells / in 2 and 32Mcell
MO of thin (12-V gate rated) and thick (20-V gate rated) oxides with cell density of ls / in 2
5 is a graph showing the specific on-resistance for an SFET as a function of gate bias.

【図35】MOSFETセル及びダイオードセルを含
む、「リーチスルー」タイプMOSFET構造体の断面
図である。
FIG. 35 is a cross-sectional view of a “reach-through” type MOSFET structure including a MOSFET cell and a diode cell.

【図36】「リーチスルー」アプローチを用いる20−
Vドレイン、12−VゲートNチャネルMOSFETに
おいて、ブレークダウン電圧をエピタキシャル層厚の関
数として示すグラフである。
FIG. 36. 20- Using a “reach-through” approach
5 is a graph showing breakdown voltage as a function of epitaxial layer thickness for a V-drain, 12-V gate N-channel MOSFET.

【図37】「リーチスルー」アプローチを用いる30−
Vドレイン、20−VゲートNチャネルMOSFETに
おいて、ブレークダウン電圧をエピタキシャル層厚の関
数として示すグラフである。
FIG. 37. 30- Using “reach-through” approach
5 is a graph showing breakdown voltage as a function of epitaxial layer thickness for a V-drain, 20-V gate N-channel MOSFET.

【図38】MOSFETセル及びダイオードセルを含
む、「ステップ形epi」タイプMOSFET構造体の
断面図である。
FIG. 38 is a cross-sectional view of a “step-type epi” type MOSFET structure including a MOSFET cell and a diode cell.

【図39】「ステップ形epi」アプローチを用いる2
0−Vドレイン、12−VゲートNチャネルMOSFE
Tにおいて、ブレークダウン電圧を下側epiサブレイ
ヤのドーパント濃度の関数として示すグラフである。
FIG. 39. Using a “stepped epi” approach 2
0-V drain, 12-V gate N-channel MOSFE
FIG. 7 is a graph showing the breakdown voltage as a function of dopant concentration in the lower epi sublayer at T. FIG.

【図40】ダイオードセル(水平方向軸)内のブレーク
ダウン電圧を下側epiサブレイヤの抵抗率及びドーパ
ント濃度の関数として示すグラフである。
FIG. 40 is a graph showing the breakdown voltage in a diode cell (horizontal axis) as a function of the resistivity and dopant concentration of the lower epi sublayer.

【図41】「ステップ形epi」アプローチを用いる3
0−Vドレイン、20−VゲートNチャネルMOSFE
Tの場合の種々のデータを示すグラフである。
FIG. 41. Using a “stepped epi” approach 3
0-V drain, 20-V gate N-channel MOSFE
9 is a graph showing various data in the case of T.

【図42】「ステップ形epi」アプローチを用いる3
0−Vドレイン、20−VゲートNチャネルMOSFE
Tの場合の種々のデータを示すグラフである。
FIG. 42. 3 using “stepped epi” approach
0-V drain, 20-V gate N-channel MOSFE
9 is a graph showing various data in the case of T.

【図43】「ステップ形epi」アプローチを用いる3
0−Vドレイン、20−VゲートNチャネルMOSFE
Tの場合の種々のデータを示すグラフである。
FIG. 43. Using the “stepped epi” approach 3
0-V drain, 20-V gate N-channel MOSFE
9 is a graph showing various data in the case of T.

【図44】「リーチスルー」アプローチを用いる30−
Vドレイン、20−VゲートPチャネルデバイスの場合
の種々のデータを示すグラフである。
FIG. 44. 30- Using “reach-through” approach
5 is a graph showing various data for a V-drain, 20-V gate P-channel device.

【図45】ダイオードセルのブレークダウン電圧、並び
にダイオード及びMOSFETに対するブレークダウン
電圧間の差を、ダイオード拡散に対して異なる注入ドー
ズ量及びドライブイン時間の場合のepi濃度の関数と
して示すグラフである。
FIG. 45 is a graph showing the breakdown voltage of a diode cell, and the difference between the breakdown voltage for a diode and a MOSFET, as a function of epi concentration for different implantation doses and drive-in times for diode diffusion.

【図46】ダイオードセルのブレークダウン電圧、並び
にダイオード及びMOSFETに対するブレークダウン
電圧間の差を、ダイオード拡散に対して異なる注入ドー
ズ量及びドライブイン時間の場合のepi濃度の関数と
して示すグラフである。
FIG. 46 is a graph illustrating the breakdown voltage of a diode cell, and the difference between the breakdown voltage for a diode and a MOSFET, as a function of epi concentration for different implant doses and drive-in times for diode diffusion.

【図47】N型ダイオード拡散の場合のブレークダウン
電圧を、6つの異なる注入ドーズ量の場合のP−epi
層の厚さの関数として示すグラフである。
FIG. 47 shows the breakdown voltage for N-type diode diffusion, P-epi for six different implant doses.
4 is a graph showing as a function of layer thickness.

【図48】N型ダイオード拡散の場合のブレークダウン
電圧を、7つの異なるP−epi層の厚さの場合の注入
ドーズ量の関数として示すグラフである。
FIG. 48 is a graph showing the breakdown voltage for N-type diode diffusion as a function of implant dose for seven different P-epi layer thicknesses.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 MOSFETセル 11 トレンチゲート 12 N+ソース領域 13 N+基板 14 N−エピタキシャル層 15 深いP+拡散部 16 P−ボディ 17 チャネル 20 MOSFETセル 21 ゲートトレンチ 21A ゲート酸化物層 21C ゲートトレンチ角部 22 P−ボディ領域 30 トレンチゲート形MOSFET 31 ゲート 31A ゲート酸化物層 32 トレンチ 33 P−ボディ領域 33A P+コンタクト領域 34 N+ソース領域 35 MOSFETセル 36 金属層 37 隣接MOSFETセル 38 拡散部 39 PN接合部 40 MOSFET 41 MOSFETセル 42 隣接セル 43 トレンチ 44 保護用P+拡散部 45 ゲート 45A ゲート酸化物層 80 MOSFET 81 アクティブMOSFETセル 82 アクティブMOSFETセル 83 アクティブMOSFETセル 84 アクティブMOSFETセル 85 ダイオードセル 86 P+領域 87 P+コンタクト領域 88 N+ソース領域 89 コンタクトホール 90 コンタクトホール 91 ゲート 92 MOSFET 93 MOSFETセル 100 MOSFET 101 MOSFETセル 110 MOSFET 111 MOSFETセル 112 MOSFETセル 120 MOSFET 121 セル 130 MOSFET 131 セル 132 深いP+領域 133 N+ソース領域 140 厚い酸化物層 141 薄い酸化物層 142 厚い酸化物層 143 薄い酸化物層 170 深いP+拡散部を有するMOSFETの曲線 172 分布したダイオードセルを有するMOSFET
の曲線 270 MOSFETセル 272 ダイオードセル 274 深いP+拡散部 276 斜線領域 280〜299 曲線 300 MOSFETセル 302 ダイオードセル 310〜314 曲線 316〜319 破線 330〜406 曲線
REFERENCE SIGNS LIST 10 MOSFET cell 11 trench gate 12 N + source region 13 N + substrate 14 N− epitaxial layer 15 deep P + diffusion 16 P− body 17 channel 20 MOSFET cell 21 gate trench 21 A gate oxide layer 21 C gate trench corner 22 P-body region Reference Signs List 30 trench gate type MOSFET 31 gate 31A gate oxide layer 32 trench 33 P-body region 33A P + contact region 34 N + source region 35 MOSFET cell 36 metal layer 37 adjacent MOSFET cell 38 diffusion unit 39 PN junction 40 MOSFET 41 MOSFET cell 42 Adjacent cell 43 Trench 44 Protective P + diffusion 45 Gate 45A Gate oxide layer 80 MOSFET 81 Active MOSFET cell 82 Active M SFET cell 83 Active MOSFET cell 84 Active MOSFET cell 85 Diode cell 86 P + region 87 P + Contact region 88 N + Source region 89 Contact hole 90 Contact hole 91 Gate 92 MOSFET 93 MOSFET cell 100 MOSFET 101 MOSFET cell 110 MOSFET 111 MOSFET cell 112 MOSFET cell Reference Signs List 120 MOSFET 121 cell 130 MOSFET 131 cell 132 Deep P + region 133 N + source region 140 Thick oxide layer 141 Thin oxide layer 142 Thick oxide layer 143 Thin oxide layer 170 Curve of MOSFET with deep P + diffusion 172 Distributed diode MOSFET with cells
Curve 270 MOSFET cell 272 Diode cell 274 Deep P + diffusion 276 Shaded area 280-299 Curve 300 MOSFET cell 302 Diode cell 310-314 Curve 316-319 Broken line 330-406 Curve

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード・ケイ・ウィリアムズ アメリカ合衆国カリフォルニア州95014・ クーペルティーノ・ノーウィッチアベニュ ー 10292 (72)発明者 モハメッド・エヌ・ダーウィッシュ アメリカ合衆国カリフォルニア州95070・ サラトガ・アバディーンコート 12891 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Richard Kay Williams, Inventor 95014, Coopertino Norwich Avenue, California 10292 Coat 12891

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 トレンチゲート形パワーMOSFET
であって、 半導体材料と、 前記半導体材料の表面内に形成されるトレンチ内に配置
されるゲートと、 第2の導電型の保護用拡散部とを有し、 前記トレンチは複数のMOSFETセルを画定し、また
前記各MOSFETは第1の導電型のソース領域と、前
記ソース領域に隣接する前記第2の導電型のボディ領域
とを有し、前記ソース領域と前記ボディ領域は前記トレ
ンチの側面に当接し、 また前記保護用拡散部はダイオードを形成するように前
記第1の導電型の領域に隣接し、前記ダイオードが前記
各MOSFETセルのチャネル領域に並列に接続される
ことを特徴とするトレンチゲート形パワーMOSFE
T。
1. A trench gate type power MOSFET
A semiconductor material; a gate disposed in a trench formed in a surface of the semiconductor material; and a protection diffusion of a second conductivity type, wherein the trench stores a plurality of MOSFET cells. And each of the MOSFETs has a source region of a first conductivity type and a body region of the second conductivity type adjacent to the source region, wherein the source region and the body region are defined by side surfaces of the trench. Wherein the protective diffusion portion is adjacent to the first conductivity type region so as to form a diode, and the diode is connected in parallel to a channel region of each MOSFET cell. Trench gate type power MOSFET
T.
【請求項2】 前記トレンチがダイオードセルを画定
し、前記保護用拡散部が前記ダイオードセル内に配置さ
れることを特徴とする請求項1に記載のMOSFET。
2. The MOSFET of claim 1 wherein said trench defines a diode cell and said protective diffusion is located within said diode cell.
【請求項3】 前記半導体材料が基板と、前記基板の
表面上に形成されるエピタキシャル層とを有することを
特徴とする請求項2に記載のMOSFET。
3. The MOSFET according to claim 2, wherein the semiconductor material has a substrate and an epitaxial layer formed on a surface of the substrate.
【請求項4】 前記トレンチの底部が前記エピタキシ
ャル層内に配置され、前記基板と前記エピタキシャル層
との境界面から分離されることを特徴とする請求項3に
記載のMOSFET。
4. The MOSFET of claim 3, wherein a bottom of the trench is located in the epitaxial layer and is separated from an interface between the substrate and the epitaxial layer.
【請求項5】 前記保護用拡散部の底部が前記エピタ
キシャル層内に配置され、前記基板と前記エピタキシャ
ル層との境界面から分離されることを特徴とする請求項
4に記載のMOSFET。
5. The MOSFET according to claim 4, wherein a bottom portion of the protection diffusion portion is disposed in the epitaxial layer and is separated from an interface between the substrate and the epitaxial layer.
【請求項6】 前記保護用拡散部が前記各MOSFE
Tセルの前記ソース領域に短絡されることを特徴とする
請求項5に記載のMOSFET。
6. The protection diffusion unit according to claim 1, wherein
The MOSFET according to claim 5, wherein the MOSFET is short-circuited to the source region of a T cell.
【請求項7】 複数の前記ダイオードセルを有し、前
記ダイオードセルが前記ゲートにより形成される格子内
に規則的な間隔で配置されることを特徴とする請求項2
に記載のMOSFET。
7. The semiconductor device according to claim 2, further comprising a plurality of said diode cells, wherein said diode cells are arranged at regular intervals in a lattice formed by said gate.
2. The MOSFET according to 1.
【請求項8】 1ダイオードセル当たり所定の数の前
記MOSFETセルが存在することを特徴とする請求項
7に記載のMOSFET。
8. The MOSFET of claim 7, wherein there is a predetermined number of said MOSFET cells per diode cell.
【請求項9】 前記トレンチの底部が前記基板内に配
置されることを特徴とする請求項3に記載のMOSFE
T。
9. The MOSFE of claim 3, wherein a bottom of the trench is located in the substrate.
T.
【請求項10】 前記保護用拡散部の底部が前記基板と
前記エピタキシャル層との境界面に配置されることを特
徴とする請求項9に記載のMOSFET。
10. The MOSFET according to claim 9, wherein a bottom portion of the protection diffusion portion is disposed at an interface between the substrate and the epitaxial layer.
【請求項11】 前記エピタキシャル層内の前記第1の
導電型の領域が、前記ボディ領域を、前記MOSFET
セル内の前記基板から分離することを特徴とする請求項
9に記載のMOSFET。
11. The first conductivity type region in the epitaxial layer defines the body region as the MOSFET.
The MOSFET of claim 9, wherein the MOSFET is isolated from the substrate in a cell.
【請求項12】 前記トレンチが正方形セルの格子を形
成することを特徴とする請求項2に記載のMOSFE
T。
12. The MOSFE of claim 2, wherein said trenches form a grid of square cells.
T.
【請求項13】 前記トレンチが縞状のセルの格子を形
成することを特徴とする請求項2に記載のMOSFE
T。
13. The MOSFE of claim 2, wherein said trenches form a grid of striped cells.
T.
【請求項14】 前記ゲートがゲート酸化物層により前
記基板材料から分離され、また前記ダイオードが、前記
酸化物層に損傷を与える電圧よりも低いブレークダウン
電圧を有することを特徴とする請求項9に記載のMOS
FET。
14. The method of claim 9, wherein the gate is separated from the substrate material by a gate oxide layer, and the diode has a breakdown voltage lower than a voltage that damages the oxide layer. MOS described in
FET.
【請求項15】 前記エピタキシャル層内の前記第1の
導電型の領域が、前記保護用拡散部を、前記ダイオード
セルの前記基板から分離することを特徴とする請求項1
1に記載のMOSFET。
15. The device of claim 1, wherein the first conductivity type region in the epitaxial layer separates the protective diffusion from the substrate of the diode cell.
2. The MOSFET according to 1.
【請求項16】 トレンチゲート形パワーMOSFET
であって、 基板と前記基板の表面上に形成されるエピタキシャル層
とを有する半導体材料と、 トレンチ内に形成され、酸化物層により前記半導体材料
から分離されるゲートとを有し、 前記トレンチはエピタキシャル層の表面内に形成され、
かつ前記基板内に延在し、また前記トレンチは複数のM
OSFETセルを画定し、前記各MOSFETセルは第
1の導電型のソース領域と前記ソース領域に隣接する第
2の導電型のボディ領域とを有し、前記ソース領域及び
前記ボディ領域は前記トレンチの側面に当接し、 また前記ボディ領域は前記第1の導電型のドレイン領域
に隣接し、前記ボディ領域と前記ドレイン領域との間の
PN接合部がダイオードを形成し、また前記ダイオード
が、前記酸化物層に損傷を与える電圧より低いブレーク
ダウン電圧を有することを特徴とするトレンチゲート形
パワーMOSFET。
16. A trench gate type power MOSFET.
A semiconductor material having a substrate and an epitaxial layer formed on a surface of the substrate, and a gate formed in the trench and separated from the semiconductor material by an oxide layer, wherein the trench is Formed in the surface of the epitaxial layer,
And extending into the substrate, and the trench includes a plurality of M
An OSFET cell is defined, wherein each of the MOSFET cells has a source region of a first conductivity type and a body region of a second conductivity type adjacent to the source region, wherein the source region and the body region are of the trench. A body region adjacent to the first conductivity type drain region; a PN junction between the body region and the drain region forming a diode; A trench gate type power MOSFET having a breakdown voltage lower than a voltage that damages an object layer.
【請求項17】 前記ボディ領域が、前記各MOSFE
Tセルの前記ソース領域に短絡されることを特徴とする
請求項16に記載のMOSFET。
17. The semiconductor device according to claim 17, wherein the body region is provided with each of the MOSFETs.
17. The MOSFET of claim 16, wherein the MOSFET is shorted to the source region of a T cell.
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