JP2002514355A - 無ラッチアップ型パワーmos−バイポーラートランジスター - Google Patents
無ラッチアップ型パワーmos−バイポーラートランジスターInfo
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Abstract
Description
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.バルク単結晶n型炭化ケイ素基板上に形成され、n型ドリフト層およびp 型ベース層を有する、炭化ケイ素npnバイポーラートランジスター; p型ベース層内にある炭化ケイ素nMOSFETであって、間隔をおいたn型 ソース領域およびドレイン領域ならびにそれらの間のゲート領域を含み、かつバ イポーラートランジスターが導電状態にあるときnpnバイポーラートランジス ターにベース電流を供給するようにnpnバイポーラートランジスターに隣接し たnMOSFET;ならびに ソースとドレインの間を流れる電子電流をnpnトランジスターのp型ベース 層に注入するための正孔電流に変換する手段 を含むMOSバイポーラートランジスター。 2.変換手段がp型ベース層内にnMOSFETとnpnバイポーラートラン ジスターの間に炭化ケイ素トンネルダイオードを含み、これによりnMOSFE Tを通って流れる電子電流をnpnバイポーラートランジスターのベース層に注 入するための正孔電流に変換する、請求項1記載のMOSバイポーラートランジ スター。 3.トンネルダイオードが、n型伝導性ソース領域に隣接してp型ベース層よ り高いキャリヤー濃度を有するp型伝導性炭化ケイ素領域を含み、これによりソ ース領域とp型伝導領域の間に導電性p−nトンネル接合が得られる、請求項2 記載のMOSバイポーラートランジスター。 4.炭化ケイ素nMOSFETが、npnバイポーラートランジスターに隣接 したゲート溝を備えかつ変換手段に電子を供給するためのソース領域を備えたU MOSFETを含み、npnバイポーラートランジスターが垂直npnバイポー ラートランジスターを含む、請求項1〜3のいずれか1項記載のMOSバイポー ラートランジスター。 5.p型ベース層がn型ドリフト層上にメサを形成した、請求項1記載のMO Sバイポーラートランジスター。 6.メサの側壁がステップ部分を含み、変換手段が p型ベース層内のステップ部分にある、p型ベース層より高いキャリヤー濃度 を有するp型伝導性炭化ケイ素領域;および nMOSFETのn型ソース領域をp型伝導性炭化ケイ素領域に電気的に接続 するための導電性ストラップ を含む、請求項1記載のMOSバイポーラートランジスター。 7.メサが勾配付き側壁を備え、側壁の勾配が、電界クラウディングを少なく するための手段に伴う予め定めたドーピングプロフィルを備えている、請求項5 または6記載のMOSバイポーラートランジスター。 8.nMOSFETが蓄積モードnMOSFETである、請求項1〜7のいず れか1項記載のMOSバイポーラートランジスター。 9.さらに、nMOSFETの絶縁層に伴う電界クラウディングを少なくする ための手段を含む、請求項1〜8のいずれか1項記載のMOSバイポーラートラ ンジスター。 10.変換手段が p型ベース層内にある、p型ベース層より高いキャリヤー濃度を有するp型伝 導性炭化ケイ素領域;および nMOSFETのn型ソース領域をp型伝導性炭化ケイ素領域に電気的に接続 するための導電性ストラップ を含む、請求項1〜9のいずれか1項記載のMOSバイポーラートランジスター 。 11.MOSバイポーラートランジスターが複数のユニットセルを含み、これ により電気的に並列の複数のnpnバイポーラートランジスターが設けられた、 請求項1〜10のいずれか1項記載のMOSバイポーラートランジスター。 12.MOSバイポーラートランジスターが4H n型伝導性バルク単結晶炭 化ケイ素基板上に形成された、請求項1〜12のいずれか1項記載のMOSバイ ポーラートランジスター。 13.下記のものを含む、MOSバイポーラートランジスターのユニットセル : n型バルク単結晶炭化ケイ素基板; n型伝導性バルク単結晶炭化ケイ素基板に隣接したn型炭化ケイ素ドリフト層 であって、n型炭化ケイ素基板より低いキャリヤー濃度を有するn型ドリフト 層; n型炭化ケイ素ドリフト層上にあるp型炭化ケイ素ベース層; p型ベース層内にある炭化ケイ素の第1のn型領域; p型ベース層内にあり、ベース層および第1のn型領域を通って広がってドリ フト層に達したゲート溝であって、第1のn型領域の一部をゲート溝の側壁の一 部とするゲート溝; ゲート溝の底および側壁上にある絶縁層; ベース層内に、ゲート溝に隣接してそこから離れた位置にある、炭化ケイ素の 第2のn型伝導領域; 絶縁層上にあり、第1のn型領域の一部の上方に広がるゲート接点; ドリフト層の反対側の炭化ケイ素基板面上にあるコレクター接点; ベース層内に、第1のn型領域と第2のn型領域の間に配置された炭化ケイ素 のp型領域であつて、p型ベース層のキャリヤー濃度より高いキャリヤー濃度を 有し、第1のn型領域を通つて流れる電子をp型ベース層に注入するための正孔 に変換するように形成されたp型領域;ならびに 炭化ケイ素の第2のn型領域上にあるエミッター接点。 14.さらに、 ゲート溝の底のn型炭化ケイ素ドリフト領域にあり、p型ベース層のキャリヤ ー濃度より高いキャリヤー濃度を有する、炭化ケイ素のp型領域 を含む、請求項13記載のユニットセル。 15.p型領域が第1のn型領域とp−n接合を形成し、これによりトンネル ダイオードが設けられた、請求項13または14記載のユニットセル。 16.さらに、 p型領域と第1のn型領域との間を電気的に接続する、第1のn型領域とp型 領域の間の導電性ストラップ を含む、請求項13、14または15記載のユニットセル。 17.下記のものを含む、MOSバイポーラートランジスターのユニットセル : n型バルク単結晶炭化ケイ素基板; n型伝導性バルク単結晶炭化ケイ素基板に隣接したn型炭化ケイ素ドリフト層 であって、n型炭化ケイ素基板より低いキャリヤー濃度を有するn型ドリフト層 ; n型炭化ケイ素ドリフト層上に形成されたp型エピタキシャル炭化ケイ素ベー ス層; p型ベース層内に、n型炭化ケイ素ドリフト層と反対側の面に隣接して形成さ れた炭化ケイ素の第1のn型領域; p型エピタキシャル炭化ケイ素ベース層は、p型エピタキシャル炭化ケイ素ベ ース層を通ってn型ドリフト層にまで広がった側壁を有するメサとして形成され ている; n型ドリフト層上に、側壁に隣接して、それから離れた位置に形成された絶縁 層; ドリフト層内に、メサの側壁に隣接して形成された炭化ケイ素の第2のn型伝 導領域であって、ドリフト層より高いキャリヤー濃度を有する第2のn型伝導領 域; 絶縁層上にあり、第1のn型領域の一部の上方に広がるゲート接点; ドリフト層の反対側の炭化ケイ素基板面上にあるコレクター接点; ベース層内にある炭化ケイ素の第1のp型領域、および第2のn型領域に隣接 して形成されてn型ドリフト領域内および第2のn型伝導領域の下方、そしてゲ ート接点の下方へ広がる第2のp型領域;これらの第1および第2領域は電気的 に接続し、p型エピタキシャルベース層のキャリヤー濃度より高いキャリヤー濃 度を有し、第1のp型領域は第1のn型領域を通って流れる電子をp型ベース層 に注入するための正孔に変換するように形成されている; 側壁の底部に、第2のn型伝導領域を炭化ケイ素の第1のp型領域ど電気的に 接続するように形成された導電性ストラップ;ならびに 炭化ケイ素の第2のn型領域上にあるエミッター接点。 18.p型炭化ケイ素の第1および第2領域が、ベース層内にメサの側壁およ び第2のn型伝導領域に隣接して形成されてゲート接点の下方へ広がったp型炭 化ケイ素の連続領域を含む、請求項17記載のユニットセル。 19.側壁が約60°未満の勾配を有する、請求項17または18記載のユニ ットセル。 20.側壁の勾配は、ドリフト層内の予め定めた深さにp型イオンが打込まれ たとき炭化ケイ素の第2のp型領域か得られるように選択された、請求項17、 18または19記載のユニットセル。 21.側壁はメサの側壁にステップが得られるように2つの側壁を含み; 炭化ケイ素の第1および第2のp型領域は p型エピタキシャルベース層内にこのステップに隣接して形成された炭化ケ イ素の第1のp型領域;および n型ドリフト層内に第2のn型伝導領域に隣接して形成され、ゲート接点の 下方のn型ドリフト層内へ広がり、そしてp型ベース層へ広がった、炭化ケイ素 の第2のp型領域 を含む、請求項17、18、19または20記載のユニットセル。 22.第2のp型領域がドリフト層の表面に露出するように形成され、導電性 ストラップが第1のp型領域を第2のp型領域および第2のn型領域と接続した 、請求項21記載のユニットセル。 23.さらに、メサの側壁上にドリフト層とステップの間に形成されてステッ プ上へ広がった絶縁層を含み、導電性ストラップがこの絶縁層上に形成された、 請求項22記載のユニットセル。 24.第2のp型領域がゲート接点の下方へ約3〜約12μmの距離に広がっ た、請求項17〜23のいずれか1項記載のユニットセル。 25.第2のn型伝導領域がn型ドリフト層内へ約0.3〜約5μmの深さに まで形成された、請求項17〜24のいずれか1項記載のユニットセル。 26.p型ベース層が約0.3〜約5μmの厚さを有する、請求項13〜25 のいずれか1項記載のユニットセル。 27.n型ドリフト領域が約3〜約500μmの厚さを有する、請求項13〜 26のいずれか1項記載のユニットセル。 28.n型ドリフト領域が約1012〜約1017cm-3のキャリヤー濃度を有す る、請求項13〜27のいずれか1項記載のユニットセル。 29.p型ベース層が約1016〜約1018cm-3のキャリヤー濃度を有する、 請求項13〜28のいずれか1項記載のユニットセル。 30.請求項13〜29のいずれか1項記載の複数のユニットセルを含む、M OSゲートバイポーラートランジスター。 31.MOSバイポーラートランジスターの製造方法であって、 n型伝導性バルク単結晶炭化ケイ素基板上にn型炭化ケイ素ドリフト層を形成 し、このn型炭化ケイ素ドリフト層はn型炭化ケイ素基板より低いキャリヤー濃 度を有し; n型炭化ケイ素ドリフト層上にp型炭化ケイ素ベース層を形成し; p型ベース層内に炭化ケイ素の第1のn型領域を形成し; p型ベース層内に形成されてベース層および第1のn型領域を通ってドリフト 層内へ広がった第1ゲート溝を形成し、これによりこのn型領域の一部をゲート 溝の側壁の一部とし; ゲート溝の底部および側壁上に形成される絶縁層を形成し; ベース層内に、ゲート溝に隣接してそこから離れた位置に形成される炭化ケイ 素の第2n型伝導領域を形成し; 絶縁層上に形成されて第1のn型領域の一部の上方に広がるゲート接点を形成 し; ドリフト層の反対側の炭化ケイ素基板面上に形成されるコレクター接点を形成 し; ベース層内に、第1のn型領域と第2のn型領域の間に配置された炭化ケイ素 のp型領域であって、p型ベース層のキャリヤー濃度より高いキャリヤー濃度を 有し、第1のn型領域を通って流れる電子をp型ベース層に注入するための正孔 に変換するように形成されるp型領域を形成し;そして 炭化ケイ素の第2のn型領域上に形成されるエミッター接点を形成する ことを含む方法。 32.さらに、 ゲート溝の底のn型炭化ケイ素ドリフト領域に形成され、p型ベース層のキャ リヤー濃度より高いキャリヤー濃度を有する、炭化ケイ素のp型領域を形成する 工程を含む、請求項31記載の方法。 33.p型領域を形成する工程が、第1のn型領域とp−n接合を形成するp 型領域を形成してこれによりトンネルダイオードを設ける工程を含む、請求項3 1または32記載の方法。 34.さらに、 p型領域と第1のn型領域との間を電気的に接続するように第1のn型領域と p型領域の間に導電性ストラップを形成する 工程を含む、請求項31記載の方法。 35.さらに、複数の電気的に並列なMOSゲートバイポーラートランジスタ ーが得られるように、複数の請求項18記載のユニットセルを形成する工程を含 む、請求項31記載の方法。 36.n型伝導性バルク単結晶炭化ケイ素基板上にn型炭化ケイ素ドリフト層 を形成する工程が、基板およびこの基板内のドリフト層のキャリヤー濃度より高 いキャリヤー濃度の領域を設けるように炭化ケイ素基板にイオンを打込む工程を 含む、請求項31記載の方法。 37.MOSバイポーラートランジスターの製造方法であって、 n型伝導性バルク単結晶炭化ケイ素基板上にn型炭化ケイ素ドリフト層を形成 し; n型炭化ケイ素ドリフト層上にp型炭化ケイ素ベース層を形成し; ベース層に炭化ケイ素のn型領域が形成されるように第1マスクを通してイオ ンを打込み、これによりエミッター領域およびドレイン領域を設け; ソース領域に隣接して炭化ケイ素のp型領域が形成されるように第2マスクを 通してイオンを打込み; n型ソース領域の一部を通り、ベース層を通ってドリフト層にまでエッチング して、ゲート溝を設け; ベース層および溝の露出面上に絶縁層を形成し; 溝内およびベース層上に、ゲート接点が形成されるようにオーム接点を形成お よびパターン化し; 絶縁層の一部を取り除いて、ベース層内に形成されたエミッターを露出させ; 露出したエミッター領域上にエミッター接点を形成し;そして ドリフト層の反対側の炭化ケイ素基板面上に電源/エミッター接点を形成する ことを含む方法。 38.マスキング層を通して打込む工程の後、得られた構造体を約1500℃ より高い温度でアニーリングする工程を行う、請求項37記載の方法。 39.さらに、n型ドリフト層内に溝の底の下方に炭化ケイ素のp型領域を形 成する工程を含む、請求項37記載の方法。 40.さらに、 ベース層内に形成された、より高いキャリヤー濃度を有するn型ソース領域お よびp型領域の一部を露出させ; 露出したn型ソース領域およびp型領域の上に、n型ソース領域をp型領域に 電気的に接続するための導電性ストラップを形成する 工程を含む、請求項37記載の方法。 41.イオンを打込んでn型ソース領域およびエミッター領域を形成する工程 が、窒素およびリンよりなる群から選択されるイオンを打込む工程を含む、請求 項37記載の方法。 42.イオンを打込んでより高いキャリヤー濃度のp型領域を形成する工程が 、アルミニウム、ホウ素またはガリウムよりなる群から選択されるイオンを打込 むことを含む、請求項37記載の方法。 43.n型伝導性バルク単結晶炭化ケイ素基板上にn型炭化ケイ素ドリフト層を 形成する工程が、 n型炭化ケイ素基板を形成し;そして より高いキャリヤー濃度の領域が基板内に得られかつドリフト層が基板内に得 られるように、炭化ケイ素基板にイオンを打込む工程を含む、請求項37記載の 方法。
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