JP3387563B2 - 電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
電界効果トランジスタ及びその製造方法Info
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Description
に関し、特に、基板の主面に低濃度に不純物をドープさ
れたエピタキシャル層を備え、その基板内の溝にトラン
ジスタのゲートが配置された電力用電界効果トランジス
タに関する。
Sトランジスタ)は、電界効果トランジスタの一種とし
て公知である。図1に示す典型的なDMOSトランジス
タは、N+にドープされた基板10、基板10の上に形
成されたN−にドープされたエピタキシャル層14、P
にドープされたボディ領域16、及びN+にドープされ
たソース領域を有する。ゲート電極22は、V字型、U
字型、または図1に示すような截頭のV字型の溝24に
形成された導電性の多結晶シリコンからなる。ソース電
極26はボディ領域16とソース領域20とを接続し、
ドレイン電極30は基板10の裏側に形成されている。
Xで表されたチャネル長は、ゲート電極22に隣接する
Pボディ領域16の長さである。図1の構造は単なる例
示であって、よく知られた他の形のデバイスでは、溝2
4は完全にゲート電極22によって満たされていて、従
って平らな表面が形成されていてもよい。
ルを狭くすることが重要である。そのような装置のチャ
ネル領域は、Pボディ拡散領域であるので、低いチャネ
ル抵抗を得るためには、この領域が短くなければならな
い。また、溝がPボディ領域の深さよりもわずかに深く
延在することも重要である。
とによって、ブレイクダウン電圧が低下するということ
が知られている。即ちこの装置が高い電圧で動作してい
るとき、エッチングされた溝の内側の鋭い隅に局部的な
電界が発生することによって、高電圧での信頼性が失わ
れる。
溝(グローブとも呼ばれる)の底部の隅に発生すると、
装置が容易にブレイクダウンすることになる。このブレ
イクダウンによって、ゲート酸化膜が損傷を受け、装置
そのものにも修復不可能な損傷を与えることがある。こ
の点を改善し、ソースドレイン間のオン抵抗(RDSO
N)を増加させずに、ブレイクダウン電圧を高めること
が望まれる。
用MOSトランジスタに於いて、ソースドレイン間のオ
ン抵抗を増加させずに、ブレイクダウン電圧を高めるこ
とである。
トランジスタであって、その主面から延在する溝を画定
する第1導電型の基板と、前記溝内に形成された導電性
のゲート電極と、前記溝の側壁に隣接し、かつ前記主面
に延在する、前記基板内に形成された前記第1導電型の
ソース領域と、前記溝の下方部分を除く前記側壁に隣接
して前記基板内に形成された第2導電型のボディ領域と
を有し、前記基板が、前記基板の下側層の不純物濃度よ
りも低い不純物濃度であって、かつ前記主面から前記溝
の深さよりも深く延在する前記第1導電型の第1層と、
前記第1層の不純物濃度よりも高く、かつ前記基板の前
記下側層の不純物濃度よりも低い不純物濃度であると共
に、前記溝の底部よりも深い前記基板の部分に延在する
前記第1導電型の第2層とを有し、前記下側層が、前記
トランジスタのドレイン領域であることを特徴とする電
界効果トランジスタ、及び電界効果トランジスタの製造
方法であって、主面を有する第1導電型の基板を提供す
る過程と、前記主面の上に、前記基板よりも低い不純物
濃度を有する第1エピタキシャル層を成長させる過程
と、前記第1エピタキシャル層の上に、前記第1エピタ
キシャル層よりも低い不純物濃度の第2エピタキシャル
層を成長させる過程と、前記第2エピタキシャル層内
に、前記第2エピタキシャル層の主面まで延在し、かつ
前記第1エピタキシャル層内の少なくとも一部に延出す
る第2導電型のボディ領域を形成する過程と、前記ボデ
ィ領域内に前記ボディ領域の主面まで延在する前記第2
導電型のソース領域を形成する過程と、前記第2エピタ
キシャル層の前記主面から、前記ソース領域及び前記ボ
ディ領域を通って延在し、かつ前記第1エピタキシャル
層内には延出しない溝を形成する過程と、前記溝の少な
くとも一部を導電性のゲート電極材料で満たす過程とを
有することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方
法とを提供することによって達成される。
のエピタキシャル領域が、従来のエピタキシャル層の上
部部分に形成される。上側のエピタキシャル層は、溝の
底部より僅かに深く延在し、かつ下側のエピタキシャル
層よりも僅かに低濃度にドープされている。従って、低
濃度にドープされた上側のエピタキシャル層によって、
溝の底部の付近の電界が弱められ、そして装置が高い電
圧で動作している間に、溝のゲート酸化膜でブレイクダ
ウンが起きることを防ぐことができる。トランジスタが
ターンオンすると、電流はチャネルを通って溝の表面を
流れ、即ち、電流はPボディ領域に隣接する溝の側面に
沿って、溝表面の下方部分に向かって流れ、そして溝の
底部の表面から広がり、ドリフト領域(第2のエピタキ
シャル層)及びドレイン領域(基板)へ向かって流れ
る。
ル層の上方部分には、ソースドレイン間のオン抵抗を増
加させる効果はほとんどない。一方、溝の底部の下に延
在する上側エピタキシャル層の部分は、オン抵抗を増加
させる。しかしながら、上側エピタキシャル層のこの部
分は非常に薄いので、オン抵抗はそれほど増加しない。
従ってブレイクダウン電圧の増加とオン抵抗の増加との
トレードオフは好ましいものになっている。本発明に基
づく構造は、コストの増加または追加のマスキング工程
なしに改良されたエピタキシャル成長工程によって形成
され、かつ従来の半導体製造装置を用いることによって
十分に制御することができる。
を表している。図2の左側及び右側部分に表されている
ように、セル型の電力用トランジスタの構造と同様に、
同一の構造が繰り返し配置されているので、多数のトラ
ンジスタが大電力スイッチング用として並列に接続され
て提供される。ほとんどのDMOSトランジスタは、大
電力スイッチング用として用いられるが、本発明では、
その用途を大電力スイッチング用に限定しない。
度にドープされたN+基板40と、N型にドープされた
エピタキシャル層42とを有し、その不純物濃度は印加
される電圧の値によって決定される。N+基板40の不
純物(リンまたは砒素)濃度は、6×1018から1×1
020イオン/cm2である。N型エピタキシャル層42の
不純物(リンまたは砒素)濃度は、エピタキシャル層4
2の面抵抗が約0.5から1.5Ω・cmとなるような値
になっている。(この実施例は、Nチャネルトランジス
タであるが、Pチャネルトランジスタの場合、各部分の
導電型は本実施例とは相異なる導電型となる。)エピタ
キシャル層42の厚さは、用途によって異なり、約3か
ら8μmである。
度にドープされた第2(上側)エピタキシャル層46が
形成されていて、このエピタキシャル層46は、その面
抵抗が約1.0から2.0Ω・cmとなるように、砒素が
ドープされたN型である。従って、上側エピタキシャル
層46の面抵抗は、下側エピタキシャル層42の面抵抗
の約2倍であり、一方、上側エピタキシャル層46の不
純物濃度は、下側エピタキシャル層42の約半分となっ
ている。エピタキシャル層46の厚さは、約2から3μ
mである。上側エピタキシャル層46内には、P型にド
ープされたボディ領域50が形成されている。P型にド
ープされたボディ領域50は、浅いPチャネル領域51
と深いP+領域53とを有する。浅いPチャネル領域5
1は、およそ2×1013から1×1014イオン/cm2の
濃度に不純物をドープされており、一方深いP+領域5
3は5×1014から1×1016イオン/cm2の濃度に不
純物をドープされている。エピタキシャル層の46の中
には更に、再び砒素またはリンを用いて約6×1014か
ら1×1016イオン/cm2の濃度に不純物をドープされ
たN+ソース領域52が形成されいる。N+ソース領域
52の厚さは、約0.3から0.5μmである。Pボデ
ィ領域50は(図2に示すように)、下側エピタキシャ
ル層42内に約0.5から1.5μm延出している。
56が形成され、次にU字型の溝54に、多結晶シリコ
ン60が満たされる。不純物として塩化リンをドープさ
れた多結晶シリコン60の面抵抗は、約20から40Ω
/cm2である。
が形成され、その上に、通常のアルミニウム金属層68
が形成され、このアルミニウム金属層68が、ソース領
域52とボディ領域50とに接触する。図2の右側部分
及び左側部分にそれぞれ示された、更なるゲート構造及
びソース領域70、72及び78、80は、隣接する同
様なトランジスタセルの一部である。基板40はドレイ
ン領域として働き、かつ基板40の裏側(図示されてい
ない)に形成された金属化処理によって接続される。
図2に示された構造では、Pボディ領域50は、溝54
よりも深く延在する。しかしながら、Pボディ領域は、
溝54の底部に隣接する部分までは延在せず溝54の底
部から隔てられて配置されている。図2では、溝は通常
U字型であり、ほぼ垂直な壁を備えている。
有するトランジスタにも適用できる。
不純物濃度の変化が減少し、従って、電界強度が局部的
に減少する。溝54の底部に隣接する低濃度にドープさ
れた上側エピタキシャル層46によって、電界強度が局
部的に減少する。ある実施例では、溝54は約1.5μ
mの深さを有し、溝54の底部と下側エピタキシャル層
42の上側面との間は、約0.5μmの距離“d”だけ
離れている。この距離dによって、溝の隅での低電圧で
のブレイクダウンが防止される。深い位置にあるP+ボ
ディ領域が、下側エピタキシャル層42内に延出してい
るので、PN接合部でのブレークダウンによって、ウォ
ークアウト現象(walk-out phenomena)が回避される。
図2に示された構造は、60Vよりも高い電圧で用いら
れるトランジスタを例示したものである。
d及び図4aから図4cに示されている。図3aには、
従来通りのN+にドープされた基板40が示されてい
る。次に、図3bに示すように約0.5から1.5Ω・
cmの面抵抗を有するようにドープされたN型の第1エピ
タキシャル層42が従来通り成長させられる。次に図3
cに示すように、第2エピタキシャル層46が第1エピ
タキシャル層42の上に形成され、この第2エピタキシ
ャル層46は、約1.0から2.0Ω・cmの面抵抗を有
するように、第1エピタキシャル層よりも低濃度にドー
プされている。3つの領域40、42、及び46の全て
は、砒素またはリンをドープされているが、砒素をドー
プされるのがより好ましい。2つのエピタキシャル層4
2、及び46は、約3から8μm、及び2から3μmの
厚さを各々有する。
程によって、60keVのエネルギーで、2×1013か
ら1×1014イオン/cm2のホウ素を注入することによ
って、領域50内に浅いPボディ領域が形成される。続
いてこの浅いPボディ領域は、約1.0から2.0μm
の深さまで拡散(ドライブイン)される。次に、領域5
0内の深いPボディ領域が、60keVのエネルギー
で、5×104から1×106イオン/cm2のホウ素を注
入することによって、トランジスタの中心部分に形成さ
れる。続いてこの深いPボディ領域は、約2.0から
3.5μmの深さまで拡散される。
領域50内に深いPボディ領域を形成することもでき
る。その結果、面抵抗は約20から100Ω/cm2とな
る。
80keVのエネルギーで、6×1015から1×1016
イオン/cm2の砒素またはリンを注入することによっ
て、N+領域52が従来通りに形成される。続いてこの
N+領域52は、約0.3から0.5μmの深さまで拡
散される。(隣接するトランジスタのN+ソース領域7
2、及び80もまた同様に形成される。)
が従来通り反応性イオンエッチングによって、ソース領
域52の中心部分を通過し、ボディ領域50内に深さ約
1.0から2.0μmまで形成される。
て、厚さ約500から1000ÅのSiO2膜56をそ
の内側面に形成される(図4c)。その内側面にSiO
2膜56が形成された溝54は、次に従来通りに多結晶
シリコン60を満たされ、その多結晶シリコン60は、
次に塩化リンをドープされて、約20から40Ω/cm2
の面抵抗を有する。次に(図示されていない)絶縁層
(即ちBPSG)が、従来通りに堆積されそしてパター
ン形成されて、ゲート電極を絶縁する。次に(図示され
ていない)アルミニウム金属層が、絶縁層の上に形成さ
れ、ボディ領域とソース領域とを電気的に接続する。
た後にN+ソース領域52を拡散することによって、チ
ャネル長に関しては、図2に示す装置の最終的な構成が
得られることが理解される。
である基板上の2つの上側層を形成するのであれば、こ
れまで説明されてきた以外の方法及び材料によって、図
2の構造が形成されてもよい。この構造は、これまで説
明された二重のエピタキシャル層を成長させることによ
って、もっとも容易に得られた構造であるが、しかしそ
のような構造を形成するための他の方法は、当業者には
明らかである。
及び平面化の後に形成されてもよく、または、(2)上
側エピタキシャル層46が、エピタキシャル層42内に
ホウ素を注入することによって形成されてもよく、また
は、(3)例えばガリウム砒素のような他の半導体物質
がシリコン内に用いられてもよい。
限を意図するものではない。これまでの説明及び請求項
の技術的視点を逸脱することなしに、種々の変形、変更
が可能なことは、当業者には明らかである。
ドレイン間のオン抵抗を増加させずに、ブレイクダウン
電圧の高い電力用MOSトランジスタが得られる。
ジスタを示す図である。
示す図である。
過程を示す図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 電界効果トランジスタであって、ドレイン領域である第1導電型の基板(40)と、 前記基板の上に形成され、かつ前記基板の不純物濃度よ
りも低い不純物濃度を有する前記第1導電型の第1層
(42)と、 前記第1層の上に形成され、かつ前記第1層の不純物濃
度よりも低い不純物濃度を有する前記第1導電型の第2
層(46)と、 前記第2層(46)内のみに画定され、かつ前記第2層
の上側表面から前記第1層(42)に向かって延在する
溝(54)と、 前記溝内に形成された導電性のゲート電極と、 前記第2層内に形成され、かつ前記溝の側壁に隣接して
前記第2層の上側表面に延在する第1導電型のソース領
域(52)と、 前記溝の下方部分を除く前記側壁に隣接して第2層内に
形成された第2導電型のボディ領域(50)とを有する
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 - 【請求項2】 前記溝が、U字型の断面を有すること
を特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項3】 前記第2層が、前記溝の前記下方部分
の0.5μm下に延在することを特徴とする請求項1に
記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項4】 前記第2層が、前記第1層の不純物濃
度の50%の不純物濃度を有することを特徴とする請求
項1に記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項5】 前記ボディ領域が、前記溝の前記側壁
から隔てられて前記第2層の上側表面に延在することを
特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項6】 前記第1層及び前記第2層がエピタキ
シャル層からなることを特徴とする請求項1に記載の電
界効果トランジスタ。 - 【請求項7】 電界効果トランジスタであって、 ドレイン領域である第1導電型の基板と、 前記基板上に形成され、かつ前記基板の不純物濃度より
も低い不純物濃度を有する第1導電型の第1エピタキシ
ャル層と、 前記第1エピタキシャル層の上に形成され、かつ前記第
1エピタキシャル層の不純物濃度の50%の不純物濃度
を有する前記第1導電型の第2エピタキシャル層と、 前記第2エピタキシャル層内のみに画定され、かつ前記
第1エピタキシャル層から0.5μm上方に延在すると
共に、導電性のゲート電極によつて少なくとも部分的に
満たされている溝と、 前記第2エピタキシャル層内に形成され、かつ前記溝の
前記側壁に隣接して前記第2エピタキシャル層の上側表
面に沿って延在する前記第1導電型のソース領域と、 前記第2エピタキシャル層の前記上側表面から下方に向
かって、かつ少なくとも前記第1エピタキシャル層の上
部部分に延出すると共に、前記溝の前記下方部分から隔
てられて配置された第2導電型のボディ領域とを有する
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 - 【請求項8】 電界効果トランジスタの製造方法であ
って、第1導電型の基板を提供する過程と、 前記基板の上側表面上に、前記基板よりも低い不純物濃
度を有する第1エピタキシャル層を成長させる過程と、 前記第1エピタキシャル層の上に、前記第1エピタキシ
ャル層よりも低い不純物濃度の第2エピタキシャル層を
成長させる過程と、 前記第2エピタキシャル層内に、前記第2エピタキシャ
ル層の上側表面まで延在し、かつ前記第1エピタキシャ
ル層内の少なくとも一部に延出する第2導電型のボディ
領域を形成する過程と、 前記ボディ領域内に前記ボディ領域の上側表面まで延在
する前記第2導電型のソース領域を形成する過程と、 前記第2エピタキシャル層の前記上側表面から、前記ソ
ース領域及び前記ボディ領域を通って延在し、かつ前記
第1エピタキシャル層内には延出しない溝を形成する過
程と、 前記溝の少なくとも一部を導電性のゲート電極材料で満
たす過程とを有することを特徴とする電界効果トランジ
スタの製造方法。 - 【請求項9】 前記溝が、前記第1エピタキシャル層
内に0.5μm延出し、前記第2エピタキシャル層の不
純物濃度が、前記第1エピタキシャル層の50%である
ことを特徴とする請求項8に記載の製造方法。 - 【請求項10】 前記第1層及び前記第2層が各々8
μm未満の厚さを有することを特徴とする請求項1に記
載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項11】 電界効果トランジスタであって、 ドレイン領域である第1導電型の基板と、 前記基板の上に形成され、かつ前記基板の不純物濃度よ
りも低い不純物濃度を有する前記第1導電型の第1層
と、 前記第1層の上に形成され、かつ前記第1層の不純物濃
度よりも低い不純物濃度を有する前記第1導電型の第2
層と、 前記第2層内に画定され、かつ前記第1層から予め決め
られた距離内に延在すると共に、少なくとも一部が導電
性のゲート電極で満たされる溝と、 前記第2層内に形成され、かつ前記溝の前記側壁に隣接
して前記第2層の上側表面に延在する第1導電型のソー
ス領域と、 前記第2層の上側表面から下方に延在し、かつ少なくと
も前記第1層の上部部分に延出すると共に、前記溝の下
方部分から間隔を置いて配置された第2導電型のボディ
領域とを有することを特徴とする電界効果トランジス
タ。 - 【請求項12】 前記第1層及び前記第2層がエピタ
キシャル層からなることを特徴とする請求項11に記載
の電界効果トランジスタ。
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