JP2010505270A - 窪んだフィールドプレートを備えたパワーmosfet - Google Patents

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Abstract

トレンチMOSFETは、ゲートトレンチに隣接する窪んだフィールドプレート(RFP)トレンチを包含する。RFPトレンチは、RFPトレンチの壁に沿った誘電体層によってダイから絶縁されたRFP電極を包含する。ゲートトレンチは底に厚い酸化物層を有し、ゲートトレンチおよびRFPのトレンチは同じ処理ステップで好ましくは形成され、実質的に同じ深さである。MOSFETが、第3の四分円で(ソース/ボディ−ドレイン接合部が順方向にバイアスされて)に動作するとき、RFP電極およびゲート電極の組合わされた効果は、少数キャリア拡散電流および逆回復電荷を著しく減少させる。RFP電極はまた窪んだフィールドプレートとして機能し、MOSFETのソース/ボディ−ドレイン接合が逆バイアスされるとチャネル領域の電界を減じる。

Description

関連出願の相互参照
この出願は、2006年9月27日に出願された仮出願番号第60/847,551号の優先権を主張し、これは引用によってその全体が本願明細書に援用される。
発明の背景
パワーMOSFETは、多くの電子用途でスイッチ素子として広く用いられている。電導電力損を最小限にするために、パワーMOSFETが低い特性オン抵抗(low specific
on-resistance)を有することが望ましい。それは、MOSFETのオン抵抗(Ron)にMOSFETの活性なダイ領域(A)を乗じた積(Ron*A)として規定される。図1のMOSFET10の概略的断面図に示されたようなトレンチ型MOSFETは、その高い充填密度、すなわち単位面積あたりのセル数に起因して、低い特性オン抵抗を与える。セル密度が増加するにつれて、ゲート−ソースキャパシタンス(Cgs)、ゲート−ドレインキャパシタンス(Cgd)、およびドレイン−ソースキャパシタンス(Cds)などの関連付けられたキャパシタンスも増加する。モバイル製品に用いられる同期バック(synchronous buck)dc−dcコンバータなどの多くのスイッチング用途において、1MHzに近いスイッチング周波数で動作するために12〜30Vの範囲の破壊電圧を備えたMOSFETが必要とされる。したがって、これらのキャパシタンスによって引起されるスイッチングまたは動的な電力損を最小限にすることが望ましい。これらのキャパシタンスの大きさは、ゲート電荷(Qg)、ゲート−ドレイン電荷(Qgd)および出力電荷(Qoss)に正比例する。さらに、これらの装置が第3のクアドラント(quadrant)において動作するとき、すなわちドレイン−ボディ接合部が順方向にバイアスされる場合、少数キャリア注入の結果として電荷が格納され、この蓄積電荷が装置のスイッチング速度の遅延を引起す。したがって、MOSFETスイッチの逆回復電荷(Qrr)が低いことが重要である。
図2に示されるように、サップ(Sapp)に対する米国特許番号第6,710,403号は、Ron、CgsおよびCgdのレベルを低下させるために、活性なトレンチ24の両側にポリシリコンで充填された2つのより深いトレンチ22を備えたデュアルトレンチのパワーMOSFETを提案する。しかしながら、MOSFET20は逆回復電荷Qrrを低下させず、2つの異なる深さを有するトレンチの製造を必要とする。さらに、MOSFET20では、深いトレンチおよび浅いトレンチは自己整合されておらず、それはメサ幅において、そのため破壊電圧においても変動を引起す。
CPU電圧調整器モジュール(VRM)などの新しい用途に迫られてスイッチング速度要件が1MHz以上にまで増加しているので、パワーMOSFETはますます十分な効率性能および電力損で動作することができなくなっている。したがって、パワーMOSトランジスタが低い特性オン抵抗(Ron*A)を有することに加えて、低いゲート電荷QgおよびQgd、低い出力電荷Qoss、および低い逆回復電荷Qrrを有することに対して明瞭な需要がある。
発明の概略
この発明によるMOSFETは半導体ダイに形成され、自己整合されたゲートトレンチおよび窪んだフィールドプレート(RFP)トレンチを含み、両方のトレンチはダイの表
面から延在してその間にメサを形成する。ゲートトレンチは、ゲートトレンチの底で厚いセクションを有する第1の誘電体層によってダイから分離されたゲート電極を含み、RFPトレンチと実質的に同じ深さまで延在する。RFPトレンチは、第2の誘電体層によってダイから分離されるRFP電極を包含している。MOSFETはさらに、MOSFETのいくつかのエリアでRFP電極トレンチに隣接し、ダイの表面およびゲートトレンチの側壁に隣接した第1の導電型のソース領域と、ゲートトレンチの側壁およびソース領域に隣接した第1の導電型とは反対の第2の導電型のボディ領域とを含む。MOSFETのいくつかのエリアでは、p+ボディコンタクト領域はPボディに横方向に隣接して配置されることができる。RFP電極は独立してバイアスされてもよく、またはソース電位でバイアスされてもよい。1つの実施例においては、ゲートトレンチおよびRFPトレンチのそれぞれの深さは実質的に同じである。
この発明はさらに、MOSFETを製造する方法を含む。この方法は、半導体ダイを与えるステップと、ゲートトレンチおよび窪んだフィールドプレート(RFP)トレンチを形成するためにダイをエッチングするステップとを含み、ゲートトレンチおよびRFPトレンチはダイの表面から延在して実質的に等しい深さであり、さらに、ゲートトレンチの底に絶縁層を形成するステップと、絶縁層の上にゲートトレンチの側壁にゲート誘電体層を形成するステップと、RFPトレンチの壁に沿って第2の誘電体層を形成するステップと、ゲート電極を形成するためにゲートトレンチに導電材料を導入するステップと、RFP電極を形成するためにRFPトレンチに導電材料を導入するステップと、メサにおいてゲートトレンチの側壁に隣接してボディ領域を形成するために第1の導電型とは反対の第2の導電型のドーパントを注入するステップと、メサにおいてダイの表面に隣接してソース領域を形成するために第1の導電型のドーパントを注入するステップと、ソース領域に接するダイの表面にソースコンタクト層を堆積させるステップとを含む。
従来のトレンチ型MOSFETの断面図である。 公知のデュアルトレンチMOSFETの断面図である。 窪んだフィールドプレート(RFP)電極が独立してバイアスされた、この発明による窪んだフィールドプレート(RFP)を有するMOSFETの断面図である。 RFP電極がソースと同じ電位でバイアスされた、この発明による窪んだフィールドプレート(RFP)を有するMOSFETの断面図である。 図3Aに示されるMOSFETの上面図である。 図4Aの断面4B−4Bで得られた、図3Aに示されるMOSFETの断面図である。 RFP電極がソース領域に接している、代替実施例の断面図である。 図4Aの断面4B−4Bに対応する断面で得られた、図5AのMOSFETの断面図である。 図3Aに示されるMOSFETを製造するプロセスを示す図である。 図3Aに示されるMOSFETを製造するプロセスを示す図である。 図3Aに示されるMOSFETを製造するプロセスを示す図である。 図3Aに示されるMOSFETを製造するプロセスを示す図である。 図3Aに示されるMOSFETを製造するプロセスを示す図である。 図3Aに示されるMOSFETを製造するプロセスを示す図である。 図3Aに示されるMOSFETを製造するプロセスを示す図である。 図3Aに示されるMOSFETを製造するプロセスを示す図である。 図6A−6Hに示されるプロセスの部分の代替バージョンを示す図である。 図6A−6Hに示されるプロセスの部分の代替バージョンを示す図である。 ゲートトレンチの上の絶縁層がソース領域の部分と重なり、ソースコンタクト層がRFP電極と接触する、この発明によるMOSFETの断面図である。 ゲートトレンチの上の絶縁層がソース領域の部分と重なり、ソースコンタクト層がRFP電極と接触する、この発明によるMOSFETの断面図である。 ボディコンタクト領域がソース領域に隣接して横方向に形成される、図8Aおよび図8BのMOSFETに類似のMOSFETの断面図である。 ボディコンタクト領域がソース領域よりも下のレベルまで延在する、図9のMOSFETに類似のMOSFETの断面図である。 RFP電極が窪み、ボディコンタクト領域がボディ領域に隣接して横方向に形成される、この発明によるMOSFETの断面図である。 ボディコンタクト領域がボディ領域よりも下のレベルまで延在する、図11のMOSFETに類似のMOSFETの断面図である。 金属プラグがRFPトレンチの上部に形成される、図12のMOSFETに類似のMOSFETの断面図である。 図10に示されるMOSFETを製造するプロセスを示す。 図10に示されるMOSFETを製造するプロセスを示す。 図10に示されるMOSFETを製造するプロセスを示す。 図10に示されるMOSFETを製造するプロセスを示す。 図10に示されるMOSFETを製造するプロセスを示す。 図10に示されるMOSFETを製造するプロセスを示す。 図10に示されるMOSFETを製造するプロセスを示す。 図10に示されるMOSFETを製造するプロセスを示す。 図14A−図14Hに示されるプロセスの変形例を示す。 図14A−図14Hに示されるプロセスの変形例を示す。 MOSFETの破壊電圧を制限するために深いp型領域を包含している、この発明によるMOSFETの断面図である。 MOSFETの破壊電圧を制限するために深いp型領域を包含している、この発明によるMOSFETの断面図である。 RFPトレンチが底の厚い酸化物層を包含している、この発明によるMOSFETの断面図である。 ゲートトレンチおよび/またはRFPトレンチに段付き酸化物層を包含しているMOSFETの断面図である。 ゲートトレンチおよび/またはRFPトレンチに段付き酸化物層を包含しているMOSFETの断面図である。 ゲートトレンチおよび/またはRFPトレンチに段付き酸化物層を包含しているMOSFETの断面図である。 ゲートトレンチがRFPトレンチより深いMOSFETの断面図である。 この発明による疑似垂直のMOSFETの断面図である。
発明の詳細な説明
この発明によるnチャネルMOSFET30の基本セルが図3Aに示される。MOSFET30は、高ドープされたn+基板38上に成長するn型エピタキシャル層36を含む半導体ダイに形成される。MOSFET30は、n型エピタキシャル層36において、ゲートトレンチ34の両側に位置する窪んだフィールドプレート(RFP)トレンチ32Aおよび32Bを含む。図2に示されるMOSFET20のトレンチと異なり、ゲートトレンチ34の底の厚い酸化物は、RFPトレンチ32Aおよび32Bと実質的に同じ深さまで延在する。さらに、RFPトレンチ32Aおよび32Bならびにゲートトレンチ34は好ましくは同じ処理ステップで形成され、したがって自己整合しており(すなわち、RF
Pトレンチ32Aおよび32Bは、処理および整合の変動にかかわらず、ゲートトレンチ34から等しく間隔を置かれる)、RFPトレンチ32Aおよび32Bならびにゲートトレンチ34は深さが等しいか、または実質的に等しい(たとえば、RFPトレンチ32Aおよび32Bのそれぞれの深さはゲートトレンチ32の深さの+/−10%内であり、または好ましくは+/−5%以内である)。トレンチ間のメサはn+ソース領域37およびpボディ領域39を包含し、pボディ領域39の下には、エピタキシャル層36のn型ドレイン−ドリフト領域41がある。ドレイン−ドリフト領域41は、RFPトレンチ32Aおよび32Bとゲートトレンチ34との間に領域41Aを含む。ドレイン−ドリフト領域41およびn+基板38は、ともにMOSFET30のドレイン43を形成する。
図2に示される先行技術のMOSFET20では、ボディ−ドレイン接合部が逆バイアスされると電界強度が減じられ、したがって、主としてゲートトレンチ24より下のドリフト領域における2つの深いトレンチ22間の空乏領域の広がりに起因して、破壊電圧が増大する。MOSFET30では、同じ条件下で電界がさらに減じられる。なぜならば、ゲートトレンチ34の厚い酸化物とRFPトレンチ32Aおよび32Bとの間に位置するドレイン−ドリフト領域41のうちより狭い領域41Aに最初は空乏層が限定されるからである。さらに、先行技術のMOSFET20のトレンチ22がゲートトレンチ24より深いのでトレンチ22の底の電界はより高く、これがトレンチ22の酸化物層の厚さの下限となる。この制限は、MOSFET20のチャネルの電界を減じる際にトレンチ22の効率を劣化させる。
図3Aを再び参照すると、トレンチ32Aおよび32Bの壁が二酸化ケイ素(SiO2)などの絶縁材の層33に内張りされ、トレンチ32Aおよび32BはRFP電極35を包含し、その各々は、n型またはp型のドープしたポリシリコンなどの導電材料の層を含む。酸化物層33は、MOSFET30の破壊電圧を超過する破壊電圧を有するのが好ましい。ゲートトレンチ34は、p−ボディ領域39とエピタキシャル層36のドレイン−ドリフト領域41との間のpn接合のレベルまで、絶縁材の層40で満たされる。絶縁層40上にはゲート電極42がある。ゲート電極42はn型ドープしたポリシリコンから作られ得、ゲート誘電体層44によってエピタキシャル層36から分離されている。チャンネル領域45(鎖線によって表される)はゲート誘電体層44に隣接するp−ボディ領域39内にある。絶縁層40の厚さは、ゲート電極42およびドレイン−ドリフト領域41の重なりを最小限にするように好ましくは設定される。重なるソースコンタクト層46はn+ソース領域37に接し、ドレインコンタクト層31はn+基板38に接する。コンタクト層46および31は典型的には金属でできているが、別の導電材料からも形成することができる。
RFPトレンチ32Aおよび32BのRFP電極35は、エピタキシャル層36の表面36Aの下でゲート電極42の底よりもさらに深いレベルまで延在する。RFP電極35は独立してバイアスされてもよく、または図3Bに示されるように、図面外でn+ソース領域37に接続されてもよい。
いくつかの実施例では、RFPトレンチ32Aおよび32Bとゲートトレンチ34との間の領域のドレイン−ドリフト領域41のドーピング濃度(たとえば5×1015から1.5×1016cm-3)は、ゲートトレンチ34より下の領域のドレイン−ドリフト領域41のドーピング濃度(たとえば2×1016から3×1016cm-3)よりも低い。この構造は、ボディ領域39とドレイン−ドリフト領域41の間のPN接合部が領域41Aの限定された空乏電荷に起因して逆バイアスされる場合、RFPトレンチ32Aおよび32Bとゲートトレンチ34との間のドレイン−ドリフト領域41の領域の空乏の広がりを向上させる。これは、たとえば、エピタキシャル層36が形成されている間にエピタキシャル層36のドーピングを変えることによりさらに向上することができる。これはさらにチャネル
長がさらに短くなる結果ともなり、そのため、より低いRon、より低いゲート−ソースキャパシタンス(cgs)、およびより低いゲート−ドレインキャパシタンス(Cgd)を与える。
図3Aおよび図3Bに示される実施例には、n+ソース領域37がゲートトレンチ34とRFPトレンチ32Aおよび32Bとの間に延在する。代替的に、図4Aの上面図および図4Bの断面図に示されるMOSFET50はMOSFET30に類似しているが、n+ソース領域37は選択された領域においてp+ボディコンタクト領域52によって置換され、スナップバックまたは第2破壊特性を回避する。図4Aでは、断面3A−3Aにおける図は図3Aに示される断面図と同一であり、断面4B−4Bにおける図は図4Bに示される。
従来のN−チャネルMOSFETが第3の四分円で動作するとき、そのドレインはそのソース−ボディ電極に対して負にバイアスされ、拡散電流は結果として少数キャリア注入および高いQrrを生じる。MOSFET30および50において、n+ソース領域37がゲートトレンチ34とRFPトレンチ32Aおよび32Bと間のメサにわたって全体に延在するので、RFP電極35は、従来の構造におけるゲート電極によって与えられるものに加えて、ドレインからソースまで多数キャリヤチャネル電流経路を与える。RFP電極とゲート電極との組み合わされた効果は、結果として、従来の構造よりも少数キャリア拡散電流および逆回復電荷Qrrを著しく減じる。換言すれば、第3の四分円動作では、RFP電極は、ゲート−ドレインキャパシタンス(Cgd)およびゲート−ソースキャパシタンス(Cgs)が追加されるペナルティーのない、追加的なゲートの役割をする。
RFP電極35はまた、窪んだフィールドプレートとして機能して、MOSFET30および50が逆バイアスされる場合にはチャネル領域45の電界を減じる。この効果は、パンチスルー破壊の懸念なくより短いチャネル長の使用を可能にし、これはまた、結果としてより低い特性オン抵抗(Ron*A)およびより低いゲート電荷(Qg)を生じる。MOSFET20と異なり、pボディ領域39よりも下のドリフト領域41Aは、厚いゲート底酸化物とRFP電極との間に限定され、したがって、より有効に空乏化される。したがって、同じ逆バイアスボディ−ドレイン接合条件についてより深い空乏層が結果として生じ、より短いチャネルを用いることができ、結果的により低オン抵抗となる。さらに、ゲート−ドレインキャパシタンス(Cgd)は与えられたドレイン−ソース電圧Vdsにおいてより速く低下するので、より低いゲート−ドレイン電荷Qgdおよびより良いRon−Qgdトレードオフが実現される。換言すれば、RFP電極35の効果と、ゲートトレンチ34がpボディ領域39およびドレイン−ドリフト領域41の間の接合部まで絶縁層40で満たされていることとの効果が組合わさった効果として、MOSFET30および50がオフ状態にある間にドレイン−ソース電圧Vdsが増加するので、トレンチ32A、32Bと34との間のドレイン−ドリフト領域36のエリアのより高速の空乏化が助けられる。したがって、ゲート−ドレインキャパシタンス(Cgd)が低く、Vdsの増加に伴うその低下率が速いために、結果としてゲート−ドレイン電荷(Qgd)がより低くなる。さらに、pボディ領域39のドーピングは、同じ破壊電圧またはパンチスルー電圧においてより低いしきい電圧を得るよう調整することができる。pボディ領域39が完全に空乏化されるようにpボディ領域39のドーピングをさらに調整することができ、これは著しくゲート電荷Qgを減じる。
図3Aおよび図3Bに示されるMOSFET30において、RFP電極35は絶縁層48によってソースコンタクト層46から分離される。代替的に、図5Aおよび図5Bに示されるMOSFET60には絶縁層48はなく、RFPトレンチ64Aおよび64BのRFP電極62は上向きに延在してソースコンタクト層46と電気的に接触する。図5Aは図4Aの断面3A−3Aに対応する断面で得られた図である。図5Bは図4Aの断面4B
−4Bに対応する断面で得られた図である。
図3AのMOSFET30を製造する例示的なプロセスは図6A−図6Hに示される。図6Aに示されるように、出発材料は、たとえば燐またはヒ素でドープされ得る、高ドープされたn+基板38である。n型エピタキシャル層36がn+基板38の上に成長する。薄い酸化物層72がn型エピタキシャル層36の上に成長し、窒化ケイ素層74が酸化物層72の上に堆積する。たとえば酸化物層72は200−300Aの厚さであり得、窒化ケイ素層74は1000Aの厚さであり得る。
図6Bに示されるように、フォトレジストマスク(示されない)が用いられて開口部76を伴って窒化ケイ素層74および酸化物層72がパターニングされる。
図6Cに示されるように、エピタキシャル層36が開口部76を通してエッチングされ、RFPトレンチ32Aおよび32Bならびにゲートトレンチ34を形成する。トレンチ32A、32Bおよび34が例示にすぎないことが理解される。典型的には多数のトレンチが形成される。たとえば300Aの厚さの薄い熱酸化物層(示されない)が、トレンチ32A、32Bおよび34の壁に成長し、次いでトレンチ32A、32Bおよび34が、LTOもしくはTEOSまたは高密度プラズマ(HDP)酸化物などの堆積した二酸化ケイ素の層78で満たされる。結果として生じる構造は図6Cに示される。
酸化物層78は、ドライプラズマエッチングまたは化学機械研磨(CMP)技術を用いて、窒化ケイ素層74の上面と同じレベルか僅かに下回るレベルまでエッチバックされる。図6Dに示されるように、フォトレジストマスク層80が堆積され、RFPトレンチ32Aおよび32Bの上に開口部82を形成するようパターニングされ、次いで、RFPトレンチ32Aおよび32Bにおける酸化物層78が、ウェットエッチングもしくはドライプラズマエッチングまたはウェットエッチングおよびドライエッチングの組合せによって、開口部82を通って完全にまたは部分的にエッチングされて、図6Dに示される構造を生じる。
フォトレジストマスク層80が取除かれ、ゲートトレンチに残った酸化物層78の部分がウェットエッチングによって部分的にエッチングされる。その後、窒化ケイ素層74を取除くためのエッチングと、酸化物層72およびRFPトレンチ32A、32Bの壁に残った酸化物を取除くためのウェット酸化物エッチングが続いて行なわれる。結果として生じる構造は、図6Eに示される。
次いで、図6Fに示されるように、熱プロセスが行われてRFPトレンチ32Aおよび32Bの壁に酸化物層33を形成し、酸化物層78の残りの部分の上のゲートトレンチ34の壁にゲート誘電体層44が形成される(それはゲートトレンチ34の底に絶縁層40を形成する)。このプロセスはまた、エピタキシャル層36の上面に酸化物層80を形成する。これらの酸化物層は、たとえば200Aから1000Aの範囲の厚さを有することができる。次いでポリシリコン層82が堆積され、次にたとえば燐などのn型ドーパントで注入することによりドープされ、続いてプラズマドライエッチングまたはCMP技術によって酸化物層80の表面のレベルまで、またはその下のレベルまでエッチバックされる。いくつかのマスキングおよび注入ステップが実行され、ホウ素などのp型ドーパントを用いてpボディ領域39およびp+ボディコンタクト領域52が形成され、ヒ素もしくは燐などのn型ドーパントまたはその組合せを用いてn+ソース領域37が形成される。深いp層(示されない)もまた、このステップまたはこれより前のプロセスで注入されてもよい。
図6Gに示されるように、ポリシリコン層82はエッチバックされ、酸化物層は堆積さ
れてその後RFP電極35を残してエッチングされ、ゲート電極42は酸化物層84によって覆われる。
ソースコンタクト層46はフォトレジストマスク(示されない)によって堆積され、規定される。n+基板38の裏側は薄くなってドレイン金属層31が堆積され、結果として図3Aおよび図6Hに示されるMOSFET30を生じる。
代替的方法では、図6Dに示されたステップの後に、RFPトレンチ32Aおよび32Bならびにゲートトレンチ34に残った酸化物層78の部分がエッチングされ、このステップは図7Aおよび図7Bに示される。図7Aに示されるように、酸化物層72および窒化物層74は依然適所にあり、酸化物層33および44は、RFPトレンチ32A/32Bおよびゲートトレンチ34の壁に熱によりそれぞれ成長する。ポリシリコン層85が堆積し、ポリシリコン層85の表面が窒化物層74の表面と並ぶかまたはそれよりも下のレベルであるように、エッチングまたはCMPにより部分的に取除かれる。結果として生じる構造は、図7Aに示される。
ポリシリコン層85は(たとえば約0.1μmだけ)エッチングされ、酸化物層87が堆積し、酸化物層87の表面が窒化物層74と並ぶかまたはそれよりも下のレベルであるようにエッチバックされる。窒化物層74はエッチングにより取除かれ、任意に酸化物層72が取除かれて犠牲酸化物層(示されない)が再成長してもよい。Pボディ領域39およびn+ソース領域37が注入される。次いで、図7Bに示される構造を残して、n+ソース領域37の上の領域から酸化物層87が取除かれる。次いで、ソースコンタクト層(示されない)が酸化物層87およびn+ソース領域37の上に堆積される。
上述のMOSFETの多数の変形例がこの発明の範囲内にある。図8Aに示されるMOSFET70では、ゲート電極42の上の絶縁層92がエピタキシャル層36の表面36Aの上に延在してn+ソース領域37を部分的に覆う一方で、RFP電極35は表面36Aの下に窪んだままである。RFP電極35がソース電位でバイアスされるように、ソースコンタクト層94はRFP電極35と接触する。図8Bは、図4Aに示される断面4B−4Bと同様の断面で得られるMOSFET70の別の図であり、n+ソース領域がp+ボディコンタクト領域52に置き換えられている。
図9に示されるMOSFET80は、p+ボディコンタクト領域96がエピタキシャル層36の表面36Aにおいてn+ソース領域98に隣接して形成され、ソースコンタクト層94を介してソース−ボディ短絡を与えることを除けば、MOSFET70に類似する。MOSFET80では、ソース−ボディ短絡を与えるために、図4Aに示されるようにp+ボディコンタクト領域52でn+ソース領域を中断することは必要ではない。図10に示されるMOSFET90は、p+ボディコンタクト領域99がn+ソース領域の底より下のレベルまで延在して、ソースコンタクト層94との接触のためにRFPトレンチ32Aおよび32Bの壁に沿ってより大きな表面を与えることを除けば、MOSFET80に似ている。
図11に示されるMOSFET100では、p+ボディコンタクト領域104がn+ソース領域37よりも下でpボディ領域106に隣接して形成される。RFPトレンチ102Aおよび102Bでは、RFP電極112および酸化物層110は、ソースコンタクト層108がp+ボディコンタクト領域104に接触することを可能にするのに十分に窪み、それによってソース−ボディ短絡を与える。ゲートトレンチ34では、絶縁層92はエピタキシャル層36の表面36Aの上に延在し、n+ソース領域37を部分的に覆う。MOSFET100はセル密度をより高く、またそのために特性オン抵抗をよく低くすることができる。図12に示されるMOSFET110は、p+ボディコンタクト領域114
がp−ボディ領域106の底よりも下のレベルまで延在することを除けば、MOSFET100に類似する。図13に示されるMOSFET120は、RFPトレンチ118Aおよび118Bがたとえばタングステンを含む金属プラグ116を包含し、これがソース領域37およびp+ボディコンタクト領域114の両方に接して、ソース領域37とp+ボディコンタクト領域114との間に極めて低抵抗の電導経路を与えることを除けば、MOSFET110に類似している。
図14A−図14Hは、図10に示されるMOSFET90を製造するプロセスを示す。このプロセスは、n型エピタキシャル層36がn+基板38の上に成長することから始まる。図14Aに示されるように、酸化物層120(たとえば0.5μmの厚さ)およびフォトレジストトレンチマスク層122がエピタキシャル層36の上面の上に堆積される。マスク層122はパターニングされて開口部を形成し、酸化物層120およびエピタキシャル層36は開口部を通してエッチングされて、RFPトレンチ32Aおよび32Bならびにゲートトレンチ34を形成する。マスク層122および酸化物層120は取除かれ、犠牲酸化物層およびパッド酸化物層(示されない)が成長する。
図14Bに示されるように、酸化物層124がトレンチ32A、32Bおよび34に堆積される。酸化物層124は好ましくは高密度プラズマ酸化物などの高品質な酸化物である。活性なマスク(示されない)が堆積され、ダイの活性な領域の上に開口部を伴ってパターニングされ、図14Cに示されるように、酸化物層124がトレンチ32A、32Bおよび34へと下向きにエッチングされる。活性なマスクは、任意のフィールド終端酸化物(field termination oxide)(示されない)または酸化物層124がダイの終端領域でエッチングされるのを妨げる。
フォトレジスト底酸化物(photoresist bottom oxide)(BOX)マスク層126が堆積され、RFPトレンチ32Aおよび32Bの上に開口部を伴ってパターニングされ、酸化物層124はRFPトレンチ32Aおよび32Bから取除かれて、(絶縁層40になる)酸化物層124の残りがゲートトレンチ34の底に残される。結果として生じる構造は図14Dに示される。
図に14Eに示されるように、BOXマスク層126は取除かれ、酸化物層128が成長して、結果としてRFPトレンチ32Aおよび32Bの壁に酸化物層33を形成し、絶縁層40の上のゲートトレンチ34の壁に酸化物層44を形成する。ポリシリコン層130が(たとえば7000Aの厚さに)堆積され、マスク層(示されない)が堆積されてパターニングされ、ポリシリコン層130は、CMPおよび/またはドライエッチプロセスを用いてトレンチ32A、32Bおよび34にエッチバックされ、それによりゲートトレンチ34にゲート電極42を形成し、RFPトレンチ32Aおよび32BにRFP電極35を形成する。p型ドーパントが注入されてpボディ領域39を形成する(たとえば5×1012cm-2の量のホウ素および100keVのエネルギ)。たとえば迅速な熱アニール( rapidthermal anneal)(RTA)プロセスが1025°Cの温度で30秒間実行されて、結果としてpボディ領域39について0.5μmの接合部深さを生じ得る。
図14Fに示されるように、フォトレジストソースマスク層132が堆積され、パターニングされて開口部を形成し、n型ドーパントが注入されてゲートトレンチ34に隣接したエピタキシャル層36の表面でn+ソース領域98を形成する。たとえば2×1015cm-2の量のヒ素が80keVのエネルギで注入されて、n+ソース領域98に0.2μmの接合部深さおよび0.25−0.3μmのチャネル長(L)を与えることができる。
ソースマスク層132が取除かれ、図14Gに示されるように、レベル間誘電体(ILD)層136、たとえば低温酸化物(LTO)および燐化ホウケイ酸(borophosphosilic
ate)ガラス(BPSG)が0.5−1.5μmの厚さに堆積する。次いでILD層136の密度が高められ得る。
図14Hに示されるように、コンタクトマスク層(示されない)が堆積され、RFPトレンチ32Aおよび32Bの上に開口部を伴ってパターニングされて、ILD層136およびRFP電極35の部分がコンタクトマスク層の開口部を通してドライエッチングまたはウェットエッチングされる。リフロープロセスがILD層136に実行されてもよい。p型ドーパントが注入され、p+ボディコンタクト領域99を形成する。たとえば、1×1015cm-2から4×1015cm-2の量のホウ素が20−60keVのエネルギで注入され、p+ボディコンタクト領域99に0.4μmの接合部深さを生成する。次いで、ソースコンタクト層94がRFP電極35に接して堆積され、結果としてMOSFET90を生じる。任意に、ソースコンタクト層94が堆積される前に、RFPトレンチ32Aおよび32Bの上部に、RFP電極35に接して、タングステンプラグが形成されてもよい。
プロセスの変形で、図15Aに示されるように、ポリシリコン層130がコンタクトマスク層の開口部を通してRFPトレンチ32Aおよび32Bに対して下向きにエッチングされ、RFP電極112を形成する。次いで、ホウ素などのp型ドーパントが角度をつけて注入され、p+ボディコンタクト領域114を形成する。これはn+ソース領域37よりも下に位置し、pボディ領域106の底よりも深くエピタキシャル層36に延在する。図15Bに示されるように、ソースコンタクト層94が堆積される前に、たとえばタングステンを含む金属プラグ116がRFPトレンチ32Aおよび32Bの上部に形成されてもよい。金属プラグ116の存在を除けば、MOSFET130は、図12に示されるMOSFET110に類似している。
多数の他の実施例がこの発明の広い範囲内で可能である。いくつかの実施例では、より深いp領域がMOSFETの選択された領域に形成されて、RFPトレンチまたは装置における他の点の破壊電圧よりも低い、予め定められた値にその破壊電圧を固定する。図16Aに示されるように、MOSFET150では、深いp+領域152が、RFPトレンチ32Aおよび32Bとトレンチゲート34との間のエリアの外に位置する。図16Bに示されるように、MOSFET160では、深いp+領域162が、RFPトレンチ32Aおよび32Bの各々の両側に位置する。P+領域152および162は、pボディ領域39よりも深くエピタキシャル層36に延在し、RFPトレンチ32Aおよび32Bならびにトレンチゲート34と同じくらい深くてもよい。図16Aおよび図16Bは、n+ソース領域がない断面で得られる図であることに注意するべきである。
別の実施例では、RFPトレンチを内張りする絶縁層はトレンチの側面でよりもトレンチの底でより厚い。図17に示されるように、MOSFET170では、RFPトレンチ32Aおよび32Bの壁を内張りする絶縁層172はトレンチの底に部分172Bを含み、この部分はトレンチの側壁に沿った部分172Aよりも厚い。
他の実施例では、エピタキシャル層36のNエピタキシャルドレイン−ドリフト領域41のドーピングは不均一である(図3Aを参照)。たとえば、ドレイン−ドリフト領域41のドーピングは不均一で、ドレイン−ドリフト領域41の領域41Aにおけるドーピング濃度が領域41Aよりも下のドレイン−ドリフト領域41の部分におけるドーピング濃度を下回るように、エピタキシャル層36における深さが増大するにつれてドーピング濃度も増大する。
この新規な構造の他の変形例は、ゲートトレンチおよび/またはRFPトレンチを内張りする段付き酸化物を含む。図18Aに示されるように、MOSFET180では、ゲートトレンチ34におけるゲート酸化膜層182は、pボディ領域39に隣接しているトレ
ンチ34の側壁に、厚さd1のより薄い部分182Bを含み、かつ厚さd2のより厚い部分182Aをトレンチ34の低い方の側壁および底に沿って含む。厚さd2はトレンチ34の幅Wの半分未満であり、その結果、ゲート酸化膜層182は「鍵穴」形状を形成する。MOSFET180では、より薄い部分182Bおよびより厚い部分182Aがpボディ領域39とドレイン−ドリフト領域41との間の接合部に隣接する位置で連結される。
同様に、図18Bに示されるように、MOSFET190では、RFPトレンチ32Aおよび32Bの各々の酸化物層192は、トレンチ32Aおよび32Bの上部側壁に厚さd3のより薄い部分192Bを含み、トレンチ32Aおよび32Bの下部側壁および底に沿って厚さd4のより厚い部分192Aを含む。厚さd4はトレンチ32Aおよび32Bの幅Wの半分未満であり、その結果、酸化物層192は「鍵穴」形状を形成する。
図18Cに示されるように、MOSFET200では、ゲートトレンチ34は(上述のような)ゲート酸化膜層182を包含し、RFPトレンチ32Aおよび32Bは(上述のような)酸化物層192を包含している。
図19に示されるように、MOSFET210では、ゲートトレンチ214はRFPトレンチ212Aおよび212Bよりも深く、RFPトレンチ212Aおよび212Bでの電界を減じる一方、ゲート電極216はRFP電極215よりも浅い。たとえば、ゲートトレンチ214は、ゲートトレンチ216の底の絶縁層40の厚さに起因して、エピタキシャル層36においてRFPトレンチ212Aおよび212Bの底よりも深いレベルまで延在し、RFP電極215はゲート電極216よりも深いレベルまで延在する。
この発明の原理は、垂直のMOSFETと同様に疑似垂直のMOSFETにも適用可能である。図20は疑似垂直のMOSFET220の断面図である。MOSFET220は、ゲートトレンチ224、RFPトレンチ222Aおよび222B、n+ソース領域226、ならびにpボディ領域228を含む。p型基板236とnエピタキシャル層234との間のインターフェースにおいてn埋込層230が形成される。N埋込層230は、n+シンカ領域232を介してnエピタキシャル層234の上面から接触される。RFPトレンチ222Aおよび222BのRFP電極235はソースコンタクト層238に接触される。MOSFET220がオンにされると、電流が、n+ソース領域226からpボディ領域228を通ってn埋込層230へ、そしてn+シンカ領域232を介してnエピタキシャル層234の表面にまで戻って流れる。
上述の実施例は例示にすぎず、限定するものではない。この発明の大原則に従う多くの付加的、代替的な実施例が、上記の説明から当業者にとって明らかになる。たとえば、この発明に従う装置は、「ストライプ」および「セル式」レイアウトを含むさまざまなレイアウトで製造され得る。上述の実施例は概してnチャネルMOSFETであったが、この発明の原理は、pチャネルMOSFETにも等しく適用可能である。上述の実施例は基板上に成長されたエピタキシャル層を含むが、いくつかの実施例では、エピタキシャル層は省略されてもよい。上記の実施例のさまざまな組み合せを実現することができ、それらはこの開示の範囲内に含まれることにさらに注意されるべきである。

Claims (25)

  1. 半導体ダイに形成されるMOSFETであって、
    ダイの表面から延在するゲートトレンチを含み、ゲートトレンチはゲート電極を含み、ゲート電極は第1の誘電体層によってダイから分離され、第1の誘電体層は、ゲートトレンチの底に第1の部分を含み、ゲートトレンチの側壁に第2の部分を含み、第1の部分は第2の部分より厚く、さらに
    ダイの表面から延在する第1の窪んだフィールドプレート(RFP)トレンチを含み、第1のRFPトレンチは第1のRFP電極を包含し、第1のRFP電極は第2の誘電体層によってダイから分離され、さらに
    ダイの表面から延在する第2のRFPトレンチを含み、第2のRFP電極は第2のRFP電極を包含し、第2のRFPトレンチは第3の誘電体層によってダイから分離され、ゲートトレンチは第1および第2のRFPトレンチの間に位置し、
    ゲートトレンチと第1のRFPトレンチとの間のダイのメサと、
    メサにおけるダイの表面およびゲートトレンチの側壁に隣接した第1の導電型のソース領域と、
    ゲートトレンチの側壁およびソース領域に隣接した第1の導電型とは反対の第2の導電型のボディ領域と、
    ボディ領域に隣接した第1の導電型のドレイン−ドリフト領域とを含み、
    第1および第2のRFP電極のそれぞれの底は、ゲート電極の底よりも深いレベルまでダイの表面の下に位置し、第1および第2のRFPトレンチの各々の深さはゲートトレンチの深さと実質的に等しい、MOSFET。
  2. 第1および第2のRFPトレンチの各々の深さはゲートトレンチの深さの+/−10%以内である、請求項1に記載のMOSFET。
  3. 第1および第2のRFPトレンチの各々の深さはゲートトレンチの深さの+/−5%以内である、請求項1に記載のMOSFET。
  4. 第1および第2のRFP電極はソース領域に電気的に接続される、請求項1に記載のMOSFET。
  5. ダイの表面に重なるソースコンタクト層を含み、ソースコンタクト層は導電材料を含んで第1および第2のRFP電極およびソース領域に接している、請求項4に記載のMOSFET。
  6. ゲートトレンチは第1および第2のRFPトレンチから等距離である、請求項1に記載のMOSFET。
  7. 第1のRFPトレンチとゲートトレンチとの間のエリアのドレイン−ドリフト領域のドーピング濃度は、ゲートトレンチの下のエリアのドレイン−ドリフト領域のドーピング濃度未満である、請求項1に記載のMOSFET。
  8. 第1および第2のRFP電極は第1の導電型のドーパントでドープされたポリシリコンを含む、請求項1に記載のMOSFET。
  9. 第1および第2のRFP電極は第2の導電型のドーパントでドープされたポリシリコンを含む、請求項1に記載のMOSFET。
  10. ソースコンタクト層はタングステンプラグを含み、タングステンプラグはRFP電極に
    接している、請求項1に記載のMOSFET。
  11. ダイの表面から延在する第2の導電型の電圧固定領域をさらに含み、電圧固定領域の深さはボディ領域の底とRFPトレンチの底との間のレベルである、請求項1に記載のMOSFET。
  12. 半導体ダイに形成されるMOSFETであって、
    ダイの表面から延在するゲートトレンチを含み、ゲートトレンチはゲート電極を含み、ゲート電極は第1の誘電体層によってダイから分離され、第1の誘電体層はゲートトレンチの底に第1の部分を含み、ゲートトレンチの側壁に第2の部分を含み、第1の部分は第2の部分より厚く、さらに
    ダイの表面から延在する窪んだフィールドプレート(RFP)トレンチを含み、RFPトレンチはRFP電極を包含し、RFP電極は第2の誘電体層によってダイから分離され、RFP電極の底はゲート電極の底よりもより深いレベルでダイの表面の下に位置し、RFP電極はゲート電極から電気的に分離され、さらに
    ゲートトレンチとRFPトレンチとの間のダイのメサと、
    メサにおけるダイの表面に隣接した第1の導電型のソース領域とを含み、ソース領域はRFPトレンチの側壁とゲートトレンチの側壁と間のメサにわたって延在し、さらに
    メサにおいて第1の導電型とは反対の第2の導電型のボディ領域を含み、ボディ領域はソース領域に隣接してRFPトレンチの側壁とゲートトレンチの側壁との間のメサにわたって延在し、さらに
    ボディ領域に隣接した第1の導電型のドレイン−ドリフト領域を含む、MOSFET。
  13. ボディ領域はRFPトレンチの側壁に隣接するボディコンタクト領域を含み、ボディコンタクト領域は第2の導電型のドーパントでドープされており、ボディ領域の残りの部分のドーピング濃度よりもドーピング濃度が高く、MOSFETはさらにソースコンタクト層を含み、ソースコンタクト層は導電材料を含み、RFP電極の上面はダイの表面よりも下のレベルまで窪み、その結果ソースコンタクト層はソース領域およびボディコンタクト領域に接している、請求項12に記載のMOSFET。
  14. ソースコンタクト層はタングステンプラグを含み、タングステンプラグはボディコンタクト領域に接している、請求項13に記載のMOSFET。
  15. ボディコンタクト領域はボディ領域の残りの部分の底よりもより深いレベルまでダイの表面の下に延在する、請求項13に記載のMOSFET。
  16. RFPトレンチの深さはゲートトレンチの深さに実質的に等しい、請求項12に記載のMOSFET。
  17. ダイの表面から延在する第2のRFPトレンチを含み、第2のRFPトレンチは第2のRFP電極を包含し、第2のRFP電極は第3の誘電体層によってダイから分離され、第2のRFP電極の底はゲート電極の底よりもより深いレベルでダイの表面の下に位置し、
    ゲートトレンチと第2のRFPトレンチとの間のダイの第2のメサと、
    第2のメサにおけるダイの表面に隣接した第1の導電型の第2のソース領域とを含み、第2のソース領域は第2のRFPトレンチの側壁とゲートトレンチの第2の側壁と間の第2のメサにわたって延在し、さらに
    メサにおいて第2の導電型の第2のボディ領域を含み、第2のボディ領域は第2のソース領域に隣接してRFPトレンチの側壁とゲートトレンチの第2の側壁との間の第2のメサにわたって延在する、請求項12に記載のMOSFET。
  18. RFPトレンチおよび第2のRFPトレンチの各々の深さはゲートトレンチの深さに実質的に等しい、請求項17に記載のMOSFET。
  19. 半導体ダイに形成されるMOSFETであって、
    ダイの表面から延在するゲートトレンチを含み、ゲートトレンチはゲート電極を含み、ゲート電極は第1の誘電体層によってダイから分離され、第1の誘電体層はゲートトレンチの底に第1の部分を含み、ゲートトレンチの側壁に第2の部分を含み、第1の部分は第2の部分より厚く、さらに
    ダイの表面から延在する第1の窪んだフィールドプレート(RFP)トレンチを含み、第1のRFPトレンチは第1のRFP電極を包含し、第1のRFP電極は第2の誘電体層によってダイから分離され、さらに
    ダイの表面から延在する第2のRFPトレンチを含み、第2のRFPトレンチは第2のRFP電極を包含し、第2のRFP電極は第3の誘電体層によってダイから分離され、ゲートトレンチは第1および第2のRFPトレンチの間に位置し、さらに
    ゲートトレンチと第1のRFPトレンチとの間のダイのメサと、
    メサにおけるダイの表面およびゲートトレンチの側壁に隣接した第1の導電型のソース領域と、
    ゲートトレンチの側壁およびソース領域に隣接した第1の導電型とは反対の第2の導電型のボディ領域と、
    ボディ領域に隣接した第1の導電型のドレイン−ドリフト領域とを含み、
    第1および第2のRFP電極のそれぞれの底はゲート電極の底よりもより深いレベルでダイの表面の下に位置し、第1および第2のRFPトレンチの各々の深さはゲートトレンチの深さの50%より多く80%未満の範囲である、MOSFET。
  20. MOSFETを製造する方法であって、
    半導体ダイを与えるステップと、
    ゲートトレンチおよび窪んだフィールドプレート(RFP)トレンチを形成するためにダイをエッチングするステップとを含み、ゲートトレンチおよびRFPトレンチはダイの表面から延在して実質的に等しい深さであり、さらに
    ゲートトレンチの底に絶縁層を形成するステップと、
    絶縁層の上のゲートトレンチの側壁にゲート誘電体層を形成するステップと、
    RFPトレンチの壁に沿って第2の誘電体層を形成するステップと、
    ゲート電極を形成するためにゲートトレンチに導電材料を導入するステップと、
    RFP電極を形成するためにRFPトレンチに導電材料を導入するステップと、
    ボディ領域を形成するためにゲートトレンチの側壁に隣接するメサにおいて第1の導電型のドーパントを注入するステップと、
    ソース領域を形成するためにダイの表面に隣接するメサにおいて第1の導電型とは反対の第2の導電型のドーパントを注入するステップと、
    ソース領域に接するダイの表面にソースコンタクト層を堆積させるステップとを含み、ソースコンタクト層は導電材料を含む、方法。
  21. ソースコンタクト層がゲート電極に接しないようにゲート電極の上に第3の誘電体層を形成するステップを含む、請求項20に記載の方法。
  22. ソースコンタクト層を堆積させるステップはソースコンタクト層がRFP電極に接することを引起す、請求項21に記載の方法。
  23. ボディ領域およびRFPトレンチの側壁に隣接するボディコンタクト領域を形成するために第1の導電型のドーパントを注入するステップを含み、方法はさらに、ソースコンタクト層を堆積させるステップが、ソースコンタクト層がボディコンタクト領域に接するこ
    とを引起すように、RFP電極をRFPトレンチにエッチングするステップを含む、請求項22に記載の方法。
  24. ダイの表面にマスク層を形成するステップと、
    3つの開口部を形成するためにマスク層をパターニングするステップとを含み、第1の開口部はRFPトレンチが形成されるべき場所に位置し、第2の開口部はゲートトレンチが位置するべき場所に位置し、第3の開口部は第2のRFPトレンチが位置するべき場所に位置し、第2の開口部は第1および第3の開口部の間に位置してこれらから等距離であり、さらに
    ダイをエッチングするステップは、RFPトレンチ、ゲートトレンチおよび第2のRFPトレンチを形成するために、それぞれ第1、第2および第3の開口部を通ってダイをエッチングするステップを含み、ゲートトレンチはRFPおよび第2のRFPトレンチの間に位置してこれらから等距離である、請求項20に記載の方法。
  25. ダイをエッチングするステップは、ゲートトレンチおよびRFPトレンチのそれぞれの深さが+/−10%以内の許容誤差を有するようにする、請求項24に記載の方法。
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