JP5118270B2 - 埋め込みゲートを有するmosゲート装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関するものであり、特に、MOSゲート装置とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
トレンチゲート構造を有するMOSトランジスタはプラナトランジスタに比して、高電流、低電圧スイッチングに適用が可能な点が重要な利点である。後者の構成では、高電流にて圧縮が生じ、このような状態で動作するように意図したトランジスタの設計に実質的に制約が生じることがある。
【0003】
DMOS装置のトレンチゲートは、通常、ソースからドレインへと延在し、サイドウオールを有するトレンチとフロアを具える。このトレンチとフロアは各々熱成長した二酸化シリコン層に沿って並んでいる。この整列したトレンチは、ドープしたポリシリコンで満たされているこのトレンチゲート構造は圧縮電流を少なくし、その結果、固有オン抵抗値を下げる。さらに、トレンチゲートでは、ソースの底部からトレンチの縦のサイドウオールに沿ってドレインの下側へトランジスタ本体を横切って延在するMOSチャンネル内において、セルピッチを小さくすることができる。これによって、チャンネル密度が高くなり、オン抵抗へのチャンネルの寄与が減少する。トレンチ型DMOSトランジスタの構造と性能は、ソリッドステートエレクトロニクス、1991、Vol.34、No.5、pp493−507に掲載されているブルシア及びロッセン(Bulucea and Rossen)の文献、“高電流(100Aレンジ)スイッチング用トレンチDMOSトランジスタテクノロジ”(Trench DMOS Transistor Technology for High-Current (100A Range) Switching)において、議論されている。DMOS装置のこのユーティリティの他にも、トレンチゲートは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBTs)、MOS制御サイリスタ(MCTs)、他のMOSゲート装置においても有利に作用する。
【0004】
図1は、従来のトレンチMOSゲート装置100の構成を示す断面図である。
図1には一つのMOSFETが示されているだけであるが、現在工業用に使用されている装置は、通常、様々なセルラ状またはストライプ状のレイアウトで配置されたMOSFETsアレイとして構成されている。
【0005】
装置100は、ドープされた基板101(N+)を具え、その上にドープされたエピタキシャル層102を成長させている。エピタキシャル層102は、ドレイン領域103と、重くドープされた(P+)本体領域104と、P型ウエル105とを具える。エピタキシャル層102内で本体領域に隣接して、重くドープされた(N+)ソース領域106が設けられている。このソース領域は誘電性のゲートトレンチ107で互いに隔離されており、このトレンチゲートはサイドウオール108とフロア109を有する。ゲートトレンチ107は実質的にゲート半導体材料110で満たされている。ソース領域106とゲート半導体材料110は、装置100が機能するためには電気的に絶縁されていなければならないので、誘電層111で被覆されている。コンタクト開口112を介して金属113は本体領域104およびソース領域106に接続されている。
【0006】
コンタクト開口112は誘電層111内に設けられている。この誘電層は、通常、従来のマスク/エッチング技術で作った酸化物の蒸着層である。装置100のサイズは、絶縁に必要な誘電層の最小厚さ(ソース領域106とゲートトレンチ107間の横方向の距離)と、マスク/エッチング工程の許容誤差に依存する。誘電層111の厚さは最小限必要とされる電圧絶縁のみならず、装置のスイッチング速度とスイッチングロスに影響するソース−ゲート容量を最小にする必要性にも依存する。スイッチングロスは容量に直接比例する一方で、誘電層の厚さに反比例する。従って、従来の装置100においては誘電層111の最小厚さは、通常、約0.5−0.8μmである。
【0007】
上述したとおり、誘電層111に最小限必要な厚さの限界は装置100の最小サイズによる。サイズを小さくして半導体装置の効率を改善する開発が望まれている。本発明はこれらの利益を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、トレンチMOSゲート装置において、ドープされたモノクリスタル半導体材料を具える基体と、前記基体上に配置されたドープされた上側層であって、上側表面を有し、この上側表面に第1の極性を有する重くドープされた複数の本体領域を具える上側層を具え、前記本体領域が前記上側層内のドレイン領域の上に横たわっており、前記上側層がさらに、前記上側表面に、第2の極性を有し、前記上側層内において前記上側表面から選択された深さまで延在する重くドープされた複数のソース領域と、前記ソース領域の内の一つを次のソース領域から分離するゲートトレンチを具え、前記トレンチが前記上側層の上側表面から前記ドレイン領域へ延在しており、前記トレンチが誘電材料層を具えるフロアとサイドウオールを有し、前記トレンチが前記上側層の上側表面の実質的に下にある選択されたレベルまで導電ゲート材料で満たされているとともに、前記ゲート材料の上に横たわる誘電材料でできた絶縁層で満たされており、前記トレンチ内の横たわっている誘電材料層が、前記上側層の上側表面とほぼ共通の平面をなす上側表面を有し、前記基体はモノクリスタルシリコンを具え、前記上側層はエピタキシャル層を具えることを特徴とする。
【0009】
本発明はまた、トレンチMOSゲート装置の製造方法に関し、この方法は:
(a)半導体基体上に、上側表面と下に横たわるドレイン領域を具えるドープされた上側層を形成する工程と、
(b)前記上側層内に第1の極性を有し、前記ドレイン領域の上に横たわるウエル領域を形成する工程と、
(c)前記上側層の上側表面上にゲートトレンチマスクを形成する工程と、
(d)前記上側層の上側表面から前記ウエル領域を介して前記ドレイン領域へ延在する複数のゲートトレンチを形成する工程と、
(e)前記ゲートトレンチの各々に前記誘電材料でできたサイドウオールとフロアを形成する工程と、
(f)前記ゲートトレンチの各々を前記上側層の上側表面の実質的に下に位置する選択されたレベルまで導電ゲート材料で満たす工程と、
(g)前記上側層の上側表面から前記トレンチマスクを除去する工程と、
(h)前記上側層の上側表面上と前記ゲートトレンチ内に、前記ゲート材料の上に横たわっており前記トレンチを実質的に満たす誘電材料でできた絶縁層を形成する工程と、
(i)前記上側層の上側表面から前記誘電層を除去し、前記トレンチ内に前記誘電層が残し、前記上側層の上側表面とほぼ共通の平面をなす上側表面を有するように前記トレンチを実質的に満たすようにする工程と、
(j)前記本体領域内に、第2の極性を有し、前記上側層の上側表面から選択された深さまで延在する重くドープされた複数のソース領域を形成する工程と、
(k)前記上側層の上側表面に、第1の極性を有する重くドープされた複数の本体領域を形成して、当該本体領域が前記上側層のドレイン領域上に横たわるようにする工程と、
(l)前前記上側層の上側表面上に、記本体領域及びソース領域とメタルコンタクトと形成する工程と、を具え、
(m)前記基体が好ましくはモノクリスタルシリコンを具え前記上側層がエピタキシャル層を具えることを特徴とする。
【0010】
本発明はドープされた上側層を具えるモノクリスタル半導体基体の上に形成されたトレンチMOSゲート装置に関する。このドープされた上側層は、その上側表面に、第1の極性を有し、ウエル領域とドレイン領域の上に横たわる複数の重くドープされた本体領域を具えている。この上側層はさらに、その上側表面に、前記本体領域の極性と反対の第2の極性を有し、複前記上側層内の選択された深さまで延在する複数の重くドープされたソース領域を具える。
【0011】
ゲートトレンチは前記上側層の上側表面から前記ウエル領域を介して前記ドレイン領域まで延在しており、一のソース領域を次のソース領域から分離している。トレンチは誘電材料層を具えるフロアとサイドウオールを有し、このトレンチを選択されたレベルまで埋めている導電ゲート材料と、前記ゲート材料の上に横たわり前記トレンチをほぼ埋めている誘電材料でできた絶縁層を含む。従って、このトレンチ内の誘電材料でできた上に横たわる層の上側表面は前記上側層の上側表面とほぼ共通の平面をなす。
【0012】
本発明は、高密度で、自己整合トレンチMOSゲート装置を形成する方法に関する。上側表面と下に横たわるドレイン領域を有するドープされた上側層が基体上に形成されており、第1の極性を有するウエル領域が前記ドレイン領域の上の上側領域内に形成されている。ゲートトレンチマスクが前記上側層の上側表面上に形成され、前記上側表面から前記ウエル領域を介して前記ドレイン領域まで延在している複数のゲートトレンチが前記上側層内でエッチングされる。
【0013】
それぞれが電材料を具え、選択されたレベルまで導電ゲート材料で満たされているサイドウオールとフロアが各ゲートトレンチ内に形成されている。トレンチマスクが除去され、誘電材料でできた絶縁層が前記上側層の上側表面上と、ゲートトレンチ内に形成される。ここで、絶縁層はゲート材料の上に横たわってトレンチをほぼ埋めている。この誘電層が前記上側層の上側表面から除去される。トレンチ内に残っている誘電層は上側層の上側表面とほぼ共通の平面をなす上側面を有する。
【0014】
第1の極性を有する複数の重くドープされた本体領域が前記上側層の上側表面に形成される。この上側表面の上にソースマスクが形成され、第2の極性を有し、前記上側層内に選択された深さまで延在する重くドープされた複数のソース領域がこの本体領域に形成される。ソースマスクの除去に次いで、前記本体領域とソース領域のメタルコンタクトが前記上側層の上側表面の上に形成される。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施形態をより詳細に説明する。
ゲート−ソース間の誘電絶縁用に必要な表面領域をなくすことによって、トレンチMOSゲート装置では、装置のサイズを実質的に小さくすることが可能となった。この誘電層内にコンタクト開口を形成するマスク工程もなくなる。従って、ゲートトレンチは自己整合される。
【0016】
図2に改良型トレンチMOSゲート装置200を示す。装置200はドープされたN+基体201を具える。この基体の上にはエピタキシャルドープ上側層202が蒸着されている。エピタキシャル層202はドレイン領域203と、重くドープされたP+本体領域204と、P−ウエル領域205を含む。エピタキシャル層203内で本体領域204に重くドープされたN+ソース領域206が隣接しており、このソース領域は誘電体のサイドウオール208とフロア209を有するゲートトレンチ207で互いに隔てられている。トレンチ207内に選択されたレベル211まで満たされているゲート材料210と、上に横たわっている誘電層212が含まれている。ゲート材料210の選択されたレベル211はN+ソース領域206の選択された深さ216と実質的に共通の平面をなす。これによってソース領域206とゲート材料210間にオーバーラップが生じる。ゲート誘電層212の表面213はエピタキシャル層202の表面214と実質的に共通の平面をなす。蒸着された金属層215により、コンタクト開口を形成するためのマスク工程を行うことなく、本体領域204とソース領域206にコンタクトをとることが可能である。
【0017】
ゲート材料210はゲートトレンチ207内に凹んで形成されておりゲートを絶縁するのに十分な厚さの誘電層212を含み得るので、N+ソース領域206を形成するための拡散は、ゲート材料210のオーバーラップを確実にするためには十分に深くなくてはならない。装置200において、ソース領域206はN型の極性を有し、また本体領域204はP型の極性を有すると記載されているが、これらの領域の極性は図2に示されている極性と逆にしてもよい。
【0018】
図3(a)〜(d)は装置200を製造する工程を示す図である。図3(a)に示すように、ドープされた半導体基体201の上に、ドレイン領域203を含むドープされた上側層202が形成される。基体201はモノクリスタルシリコンとすることができる。上側層202はエピタキシャル成長させたシリコンか、あるいは、低電圧装置(ca12V)用であれば、基体201の重くドープされた部分を用いても良い。上側層表面214にドーピングし、層202内にPウエル領域205を形成する。ゲートトレンチを規定するようにパターン形成されたトレンチマスクTMを表面214上に形成し、P型ウエル領域205を介してドレイン領域203まで延在するゲートトレンチ207を層202内でエッチングする。トレンチの誘電体サイドウオール208及びフロア209とがゲートトレンチ207内に形成される、これらは好ましくは蒸着させるか又は成長させた2酸化シリコンを具える。次いで、トレンチ207を、例えば金属、シリサイド、ドープされたポリシリコンなどの導電ゲート材料210で、選択された深さ211まで埋める。
【0019】
図3(b)を参照すると、トレンチマスクTMを除去した後に、トレンチ207内ゲート材料の上、および表面214の上に絶縁誘導層212を形成することによってトレンチ207のフィリングが完成する。誘導層212には2酸化シリコンを使用することができる。平坦化誘電エッチングを行って、トレンチ207から誘電材料212を除去することなしに表面214を再度露出させる。トレンチ207内の誘電層212の表面213はこれによって層202の上側表面214と実質的に共通の平面をなす。しかしながら、ソースコンタクトを良くし、装置のオン抵抗特性を改善するためには表面214の少し下まで表面213をエッチングするのが良い。
【0020】
また、図3(b)に示すように、N+ソース領域206はイオン注入と拡散により層202内に選択された深さ216まで形成される。この深さは誘電材料210の選択されたレベル211とほぼ共通の平面をなし、これによってゲート材料210とソース領域206との間にオーバーラップが生じる。
【0021】
図3(b)を参照すると、表面214上に本体マスクMが形成されており、層202をさらにドーピングすることによってP+本体領域204が形成される。ボディマスクMを除去し、次いで、メタル215を蒸着して本体領域204とソース領域206にコンタクトをとり、図3(d)に示すように、装置200の形成が完了する。メタル(図示せず)を基体の裏側に蒸着してドレイン領域203にコンタクトを取るようにすることもできる。上述の製造シーケンスにおいては、ソース領域206を本体領域204より先に形成しているが、この順序はこれに限定されるものではない。また、上述のマスキング工程は目的に応じて変化させることができる。
【0022】
本発明の装置のゲートトレンチ207はオープンセルストライプトポロジイ(open-cell stripe topology)あるいはクローズドセルセルラトポロジイ(closed-cell cellular topology)を有していても良い。さらに、クローズドセルセルラトポロジイにおいては、トレンチは四角形あるいはより好ましくは6角形としても良い。装置200は、図2に示されているように、パワーMOSFETであるが、本発明は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、MOS制御サイリスタ(MCT)、圧縮電解効果トランジスタ(ACCUFET)などの他のMOSゲート装置の構造にも適用することができる。
【0023】
図4(a)、(b)及び図5は、本発明の他の実施形態を示す図である。装置300はドープされたN+基体301を具え、この基体の上にドープされた上側層302が配置されている。上側層302はドレイン領域303とP型ウェル305を具える。図4(a)に示すように、P+本体領域304は層302内に形成されており、ゲートトレンチ307によって互いに分離されている。同様に、図4(b)に示すように、イオン注入と拡散によって上側層302内の選択された深さ316まで形成されたN+ソース領域306も、ゲートトレンチ307によって分離されている。各ゲートトレンチ307は誘電サイドウオール308とフロア309とを具えており、選択されたレベル311まで満たされた導電ゲート材料310と、上に横たわる誘電層312を含む。ゲート誘電層312の表面313は上側層302の表面314とほぼ共通の平面をなす。金属層315が表面314の上に蒸着されており、本体領域304とソース領域306のコンタクトをとる。
【0024】
図5に示すとおり、装置300はP+本体領域304とN+ソース領域306が交互に配置された複数のアレイ317を含む。各アレイ317はゲートトレンチ307に隣接して配置されており、ゲートトレンチ307によって次のアレイ317から分離されている。また、図5に示すように、ゲートトレンチ307の横に配置されているアレイ317の縦寸法において、ソース領域306がより広い部分を具え、ボディ領域304はより狭い領域を具える。
【0025】
装置300を形成するに際して、表面314を再度露出させるための誘電層312の平坦化に次いで、ドーピングによってP+本体領域が上側層302内に形成される。トレンチ307を横切って配置されるノンクリティカルソースマスク(図示せず)が表面314の上に形成され、ソース領域306がイオン注入と拡散によって形成される。ゲートトレンチ307で分離されたアレイ317内における本体領域304とソース領域306の配置は、図4(a)、(b)及び図5の装置300に示すように、装置の小型化をさらに進める。
【0026】
改良型トレンチMOSゲート装置は、上にドープされた層を配置したモノクリスタル半導体基体を具える。この上側層は、その上側表面上に重くドープされた第1の極性を有し、ドレイン領域の上に横たわる複数の本体領域を具える。上側層は、その上側表面に、前記本体領域の極性と逆の第2の極性をなす重くドープされた複数のソース領域をさらに含む。ゲートトレンチは前記上側層の上側表面からドレイン領域まで延在しており、一のソース領域を次のソース領域から分離している。トレンチは誘電材料でできた層を具えるフロアおよびサイドウオールを有し、選択されたレベルまで導電ゲート材料が満たされた、前記ゲート材料の上に横たわりトレンチを実質的に満たしている誘電材料でできた絶縁層を含む。従って、トレンチ内の誘電材料でできた上に横たわる層の上側表面は、上側層の上側表面と共通の平面をなす。改良型MOSゲート装置を形成する方法は、ゲートトレンチが選択されたレベルまで導電ゲート材料で満たされている装置を提供する。このゲート材料の上には、前記装置の上側層の上側表面とほぼ共通の平面をなす上側表面を有する絶縁誘電層が形成されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、従来のトレンチ型MOSゲート装置の構成を示す断面図である。
【図2】図2は、本発明の第1実施形態にかかるトレンチ型MOSゲート装置の構成を示す断面図である。
【図3】図3は、図2に示す装置の製造工程を示す断面図である。
【図4】図4は、本発明の第2実施例にかかるトレンチ型MOSゲート装置の構成を示す断面図である。
【図5】図5は、図4に示す装置の平面図である。
【符号の説明】
200、300 改良型トレンチMOSゲート装置
201、301 N+基体
202、302 エピタキシャルドープ上側層
203、303 ドレイン領域
204、304 P+本体領域
205、305 P−ウエル領域
206、306 N+ソース領域
207、307 ゲートトレンチ
208、308 サイドウオール
209、309 フロア
210、310 ゲート材料
211、311 レベル
212、312 誘電層
213、313 表面
214、314 上側表面
215、315 金属層
216、316 深さ
Claims (18)
- 改良型トレンチMOSゲート装置であって、
第1の極性の不純物が高濃度にドープされた基体と、
前記基体上のエピタキシャル層とを具え、
前記エピタキシャル層には、
第1の極性の不純物が高濃度にドープされたソース領域であって、その表面をソース表面として、当該ソース表面を有するソース領域と、
前記ソース領域の下方であって前記基体上に配置された、第1の極性の不純物が低濃度にドープされた領域と、
前記ソース領域を貫くゲートトレンチであって、当該ゲートトレンチの両側部に隣接する前記ソース領域に、縦方向の縁を規定するゲートトレンチとが設けられ、
前記ゲートトレンチが、誘電材料に少なくとも部分的に覆われており、その下部が部分的に導電ゲート材料で埋められる一方、その上部が、前記ソース表面の下方に位置する誘電表面まで誘電材料で部分的に埋められて、それにより、前記ソース領域の前記縦方向の縁の一部が、誘電材料が無い状態のままとされ、
前記装置が、さらに、
前記誘電表面と隣接し且つ前記誘電表面の上方に延在する、前記ソース領域の前記縦方向の縁と、前記ソース表面とに接触する金属層を具えることを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、
前記エピタキシャル層が、前記ソース領域と、前記第1の極性の不純物が低濃度にドープされた領域との間に配置された、第2の極性のウエル領域をさらに具えることを特徴とする装置。 - 請求項2に記載の装置において、
前記ウエル領域が、第2の極性の不純物が高濃度にドープされた本体領域を含むことを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、
前記ゲートトレンチが、
フロアおよびサイドウオールと、
前記フロア上にあり、前記ソース領域の深さの少なくとも近傍の位置へと前記サイドウオールに沿って上方に延びる第1誘電層と、
部分的に前記トレンチを埋めて、絶縁された前記フロアから前記ソース領域の深さ近傍の高さまで延在している導電ゲート材料とを具えることを特徴とする装置。 - 請求項4に記載の装置において、
前記導電ゲート材料を覆う誘電層が、前記トレンチの表面に向けて延び、且つ前記トレンチの表面の下方の位置で終了して、前記トレンチに隣接する前記ソース領域の縁の一部を誘電材料の無い状態のままとすることを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、
複数の本体領域、複数のソース領域および複数のゲートトレンチを有するアレイをさらに具えて、ゲートトレンチに隣接して交互に配置された本体領域およびソース領域を含み、1つの前記アレイがもう1つの前記アレイから前記ゲートトレンチにより離れていることを特徴とする装置。 - 請求項6に記載の装置において、
前記本体領域およびソース領域が交互に配置されたアレイが、前記ゲートトレンチに沿った縦方向の寸法を有し、前記ソース領域が前記縦方向の寸法においてより大きく、前記本体領域が前記縦方向の寸法においてより小さいことを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、
前記トレンチにおける前記ゲート材料の選択されたレベルが、前記エピタキシャル層の前記ソース領域の選択された深さと実質的に共通の平面をなしていることを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、
前記ゲートトレンチの前記サイドウオール、前記フロアおよび前記絶縁層を形成する誘電材料が二酸化シリコンを具えることを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、
前記ゲートトレンチ内の前記導電ゲート材料が、金属、シリサイド及びドープされたポリシリコンからなる群から選択されることを特徴とする装置。 - 請求項2または3に記載の装置において、
前記第1の極性の不純物がP型であり、前記第2の極性の不純物がN型であることを特徴とする装置。 - 請求項2または3に記載の装置において、
前記第1の極性の不純物がN型であり、前記第2の極性の不純物がP型であることを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、
オープンセルストライプトポロジイを有する複数のゲートトレンチを具えることを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、
クローズドセルセルラトポロジイを有する複数のゲートトレンチを具えることを特徴とする装置。 - 請求項14に記載の装置において、
前記クローズドセルセルラトポロジイにおけるセルが、4角形または6角形の形状を有することを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、
当該装置がパワーMOSFETであることを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、
当該装置が絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、
当該装置がMOS制御サイリスタであることを特徴とする装置。
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