JP2011035410A - Trench-gate power mosfet equipped with protecting diode - Google Patents
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Abstract
【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。
【解決手段】パワーMOSFETは複数のMOSFETセルを画定するトレンチゲートを備える。各MOSFET内のチャネル領域に並列に接続されるダイオードを形成するように、保護拡散部が、好ましくは非アクティブセル内に生成される。保護拡散部は衝撃イオン化及びその結果生じるゲートトレンチの角部付近におけるキャリアの発生を防ぎ、ゲート酸化物層の損傷を防ぐ。さらに、ダイオードはブレークダウン電圧を有するように設計され、ブレークダウン電圧がゲート酸化物層を横切る電界の強さを制限することができる。深い中央拡散部を削除することによりセル密度が増加し、かつMOSFETのオン抵抗を改善することができる。
【選択図】図3To provide a trench gate type MOSFET that prevents breakdown at the bottom of a trench, avoids damage to the MOSFET, and has improved on-resistance characteristics.
The power MOSFET includes a trench gate that defines a plurality of MOSFET cells. A protective diffusion is preferably created in the inactive cell to form a diode connected in parallel to the channel region in each MOSFET. The protective diffusion prevents impact ionization and the resulting generation of carriers near the corner of the gate trench and prevents damage to the gate oxide layer. In addition, the diode is designed to have a breakdown voltage, which can limit the strength of the electric field across the gate oxide layer. By eliminating the deep central diffusion, the cell density can be increased and the on-resistance of the MOSFET can be improved.
[Selection] Figure 3
Description
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。 The present invention relates to power FETs, and in particular to MOSFETs whose gates are placed in trenches formed on the surface of silicon.
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10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。 This patent application is a US patent filed on Oct. 31, 1997, which is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 08 / 459,555 filed on June 2, 1995 (patent attorney specification number M-3278). -4P). This patent application includes US patent application Ser. No. 08 / 884,826, filed Jun. 30, 1997 and 08 / 429,414, filed Apr. 26, 1995, and registered on Oct. 7, 1997. Related to 5,674,766. The entirety of each prior application is referred to and made a part of this application.
トレンチゲート形MOSFETはMOSFET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。 The trench gate type MOSFET is one of the MOSFETs, and the gate is formed in a trench formed on the surface of silicon and extending inward. The gates are formed in a grid-like geometric pattern, which defines the individual cells of the MOSFET, and the pattern usually takes the form of a closed polygon (square, hexagon, etc.) or a series of It is in the shape of a striped or rectangular shape that penetrates each other. Current flows in a vertical channel formed adjacent to the sides of the trench. The trench is filled with a conductive gate material, typically doped polysilicon, and is insulated from the silicon by a dielectric layer usually made of silicon dioxide.
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。 Two important characteristics with respect to power MOSFETs are the breakdown voltage, ie, the voltage at which current begins to conduct during an off condition, and the on resistance, ie, the resistance that conducts current during an on condition. The on-resistance of a MOSFET generally changes in proportion to the cell density, and this means that as the number of cells per unit area increases, the total “gate width” (periphery of each cell) increases and the current passes through it. This is because it flows. The breakdown voltage of the MOSFET mainly depends on the doping concentration and the arrangement of the source, body and drain regions in each MOSFET cell.
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MOSFETを損傷、或いは破壊してしまう。 MOSFETs are generally formed in a lightly doped epitaxial layer of grown silicon on a heavily doped silicon substrate. The gate trench typically extends into the epitaxial layer, is often square, and has a flat bottom defined by corners. This shape creates the problem that when the MOSFET is turned off, the electric field reaches a maximum near the corner of the gate trench. This causes avalanche breakdown and impact ionization, resulting in the generation of carriers. When carriers are generated within the mean free path of the silicon / gate oxide boundary, the carriers have sufficiently high energy to pass through the boundary and may be injected into the gate oxide. Carriers that can overcome the silicon / silicon dioxide energy barrier are often referred to as “hot carriers”. Hot carrier injection can cause extreme damage to the gate oxide layer, causing changes in threshold voltage, transconductance or on-resistance, thereby damaging or destroying the MOSFET.
米国特許第5,072,266号(特許文献1)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MOSFET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(特許文献1)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MOSFET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。
U.S. Pat. No. 5,072,266 (Patent Document 1) discloses a technique for suppressing voltage breakdown in the vicinity of a gate by forming a deep central body diffusion portion extending under a bottom surface of a trench in a MOSFET cell. Disclose. This deep central diffusion creates an electric field so that breakdown occurs in the bulk silicon away from the gate and where hot carriers do not reach the gate oxide. A cross-sectional view of a MOSFET based on US Pat. No. 5,072,266 is shown in FIG. 1, showing a
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 higher than the doping of the P-
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MOSFET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 current spread in the N−
極端に低電圧、低オン抵抗のパワーMOSFET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MOSFETが図2AのMOSFET20として示される。
To make extremely low voltage, low on-resistance power MOSFETs, device dimensions are generally 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 MOSFET is shown as
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21C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, the
MOSFET20に対する等価回路が図2B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。
An equivalent circuit for
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。 An object of the present invention is to provide a trench gate type MOSFET that prevents breakdown at the bottom of the trench, avoids damage to the MOSFET, and has improved on-resistance characteristics.
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。 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 upper epitaxial layer is deposited. The gate of the MOSFET is formed in a trench that extends downward from the surface of the chip. The MOSFET includes a source region of a first conductivity type, a body region of a second conductivity type, and a drain region of the first conductivity type, which are vertically arranged along the sidewall of the trench. The gate trench may extend into the epitaxial layer and may pass through the epitaxial layer into the substrate.
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 the gate trench. The cell 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 second conductivity type protective diffusion is created in the chip, which forms the first conductivity type PN junction in the epitaxial layer or substrate. This PN junction functions as a diode. The metal layer couples the protective diffusion (ie, the diode terminal) to the source region of the MOSFET cell so that the diode is connected in parallel to the channel of the MOSFET cell.
ある好適な実施例では、保護拡散部はMOSFET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 one preferred embodiment, the protective diffusion is formed in certain cells in a selected pattern across the MOSFET.
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 operates to reduce the strength of the electric field between the gate oxides and at the corners of the trench and limit hot carrier formation near the trench. In certain embodiments, the trench extends into the epitaxial layer. Avalanche breakdown can be induced by many mechanisms (reachthrough, radius of curvature, etc.) as long as the avalanche region is spatially separated from the gate trench. The diode also acts 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 across the MOSFET.
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 containing a protective diffusion (“diode cell”) repeats a pattern across the MOSFET for a selected number of active MOSFET cells (“active cells”). 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 suffer more breakdown require a higher percentage of diode cells.
またダイオードセルの存在により、MOSFET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。 Also, due to the presence of the diode cell, a large portion of the drain-body diode current flows when the MOSFET operates using body diode forward conduction. Such an 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 charge storage, which degrades diode turn-off (forced diode reverse recovery), and when a high reverse voltage is applied again between the devices, parasitic source − May cause snapback of the body-drain active cell NPN bipolar transistor.
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MOSFETを提供することができる。 As described above, by forming the diode cell according to the present invention, it is possible to provide a trench gate type MOSFET that prevents breakdown at the bottom of the trench, avoids damage to the MOSFET, and has improved on-resistance characteristics. .
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。
A first embodiment of the present invention is shown in FIG. The trench
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 +
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
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1.0μm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1.0μm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31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
図4Aは図2Aに示されるセルと同様のMOSFET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 a
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13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DP+/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MOSFET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 the
図5は、図1に示される従来のMOSFET10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 plan view of the
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 is a plan view of the
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.
(数1)
A=(YG+YS)2+(n−1)(YG+YS)2=n(YG+YS)2
(Equation 1)
A = (Y G + Y S ) 2 + (n-1) (Y G + Y S) 2 = n (Y G + Y S) 2
これらのセルのn−1がアクティブMOSFET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。 Since n-1 of these cells is an active MOSFET cell, the total gate width W in the n cells is equal to:
(数2)
W=4YS(n−1)
(Equation 2)
W = 4Y S (n−1)
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。 Accordingly, the area to width ratio A / W (a goodness index indicating how efficiently the gate width W is accommodated within the area A) is equal to:
(数3)
A/W=(YG+YS)2
(Equation 3)
A / W = (Y G + Y S ) 2
こうしてダイオードセルを含むMOSFETに対する比A/Wは、ダイオードセルがない従来のMOSFET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=21/20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 ratio A / W to the MOSFET including the diode cell is increased by a factor n (n-1) as compared with the conventional MOSFET having no diode cell. This “penalty” factor stems from the fact that the diode cell does not conduct current and approaches 1 as n increases. The loss is offset by an increase in the total gate width (and hence current 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 n values, i.e., more diode cells than the total number of cells. In the extreme case where there is only one other inactive cell (ie, a diode cell), N = 2 and n / n-1 = 2, and the efficiency gain of this structure is Limited by minutes. On the other hand, for example, if only one of all 21 cells is a diode cell, n = 21 and n / n-1 = 21/20, indicating that there is virtually no loss due to that diode.
上記のように、米国特許第5,072,266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(RDSA)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MOSFET(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MOSFET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32Mcells/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、12Mcells/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RDSA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 noted above, the presence of a deep P + region as disclosed by US Pat. No. 5,072,266 limits the current spread in the epitaxial region, thereby increasing the on-resistance. FIG. 23 is a graph showing specific on-resistance (R DS A) as a function of cell density in a MOSFET with a deep P + diffusion (curve 170) and a MOSFET with distributed diode cells (curve 172). As shown therein, the intrinsic on-resistance of a MOSFET having a deep P + diffusion reaches a certain minimum value, but then the current is concentrated and the threshold voltage is increased by the P + body dopant entering the channel. The result increases. In MOSFETs with distributed diode cells, current spreading is improved, and the improvement becomes more significant with increasing cell density, thus achieving a significant improvement in on-resistance. In the graph of FIG. 23, the on-resistance of the active flat bottom cell improves 31% to 35 mΩ-cm 2 as a result of simply increasing the divergence angle (see 12 Mcells / in 2 in FIG. 23). Further increasing the cell density to 32 Mcells / in 2 achieves an improvement of 28%, mainly as a result of improved channel resistance from a lower A / W factor. The net effect is an approximate 51% reduction in die resistance for the 30-VN channel trench gate MOSFET compared to the previous one at 12 Mcells / in 2 when multiplied by these improvements. FIG. 24 shows the change in intrinsic R DS A as a function of gate bias for the two devices. For devices with a 20-V gate rating, the threshold voltage was held at 2.9 V to be consistent with the rated operation at 10- and 4.5-V gate bias.
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(UIS)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 was analyzed using unclamped inductive switching (UIS) simulation. The device had one diode cell for every 16 active MOSFET cells. FIG. 25 shows the current line of the device operating in the linear region during normal conduction before switching, and FIG. 26 shows the current line after the device has been inductively switched. As shown there, avalanche breakdown occurs in the diode cell and induces all current, and no impact ionization, pre-avalanche or high gate oxide field was measured in the active MOSFET cell in the “off” state. .
テストは非クランプ誘導スイッチング(UIS)テスタ(AOT ILT−200 Inductive 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/cm2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、MOSFETの損傷もなく観測された。 The test was performed using an SO-8 size MOSFET operating at a 10-A rating using an unclamped inductive switching (UIS) tester (AOT ILT-200 Inductive Load Tester). FIG. 27 shows that the measured UIS current exceeded 7 times the rated operating current of the MOSFET and the current density reached 950 A / cm 2 or higher. An increase in avalanche breakdown voltage was observed during the UIS from 36V nominal breakdown (see FIG. 28) to 46V without any MOSFET damage.
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0.574cm×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。0.25mΩcm2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。 When using 32 Mcells / in 2 technology, a 0.574 cm × 0.427 cm MOSFET sized for a D 2 PAK type package was designed, fabricated and assembled. This device using 1,075,620 active MOSFET cells was the first power MOSFET to achieve ULSI class fabrication technology (> 1 million transistors). As shown in FIG. 28, the measured die showed a saturation current in excess of 140 A with a gate bias of 4.0 V, as well as a drain current at 5 V that remained linear beyond 300 A (tester limit). . The gate charge was measured at 195 nC with 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 resulting die resistance of less than 2.0 mΩ is the lowest value reported to date to our knowledge. However, simulation and measurement of on-resistance in smaller dies (see circle in FIG. 29) suggests that spreading resistance in the top metal of the MOSFET can cause resistance additions on the order of 0.5 mΩ. . Thus, packaging generally accounts for 33% of the total resistance of the product being packaged. With a specific on-resistance of only 0.25 mΩcm 2 , the 32 Mcells / in 2 MOSFET has the lowest specific on-resistance to our knowledge of any 30-V power MOSFET ever fabricated, It is not affected by the UIS, reliability, and area scaling limitations of similar devices.
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MOSFET(ここでは規格化されたゲート酸化物厚η=100%、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MOSFET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)。FPI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)。 A special problem appears when scaling a 1-of-n design when operating at low gate bias. For a MOSFET having a rated gate oxide breakdown voltage of 20 V or higher when the gate oxide is thick (defined here as having a normalized gate oxide thickness η = 100%, ie 1) The effect of the trench gate on the PN junction field is minimal. As shown in FIG. 30, the P-channel without voltage clamping from a deep P + diffusion as disclosed in the above referenced Bulucea patent or from a distributed diode as disclosed herein The MEDICI simulation of the device shows the avalanche breakdown that occurs at the PN junction. However, to optimize the MOSFET during low voltage operation, the gate oxide layer is scaled down (ie thinned) to achieve a low threshold voltage (no channel punch-through) and high channel transconductance. There must be. In the case of thin gate oxide, for example η = 35% as shown in FIG. 31, field plate induced (FPI) avalanche breakdown occurs at a location adjacent to the gate electrode that does not coincide with the PN junction, This lowers 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 is FPI (see FIG. 32) as a result of the gate being electrostatically shielded by the depletion region associated with the deep diffusion. Low sensitivity. In order to protect a MOSFET having a flat bottom body region, the breakdown voltage of the 1-of-N diode is set substantially lower than the voltage at which FPI breakdown occurs (see FIG. 32). By overcoming the FPI problem, the higher cell density can be fully utilized to improve the utilization of the epitaxial region and reduce the channel resistance (which suppresses the total on-resistance at low gate bias).
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。MOSFET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850μΩ−cm2であり、2.7Vのゲートバイアスで750μΩ−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MOSFET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。 P-channel MOSFETs were fabricated according to the 1-of-N principle described herein. The drain of the MOSFET was designed for 20V operation by known techniques. The cell density was set to 32 Mcells / in 2 , the gate oxide was thinned to η = 60%, and the threshold voltage was set to 1.3V. A die for a 10-A rated SO-8 size package that induces 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, specific on resistance measured is 850μΩ-cm 2 at a gate bias of 2.5V, it was 750μΩ-cm 2 at a gate bias of 2.7V. To our knowledge, this is the lowest reported on-resistance for P-channel MOSFETs at low gate bias (<3V) operation. The on-resistance measured with a gate bias of 4.5V was only 526 μΩ-cm 2 . The on-resistance of the SO-8 package is 11 mΩ, to the best of our knowledge, the lowest on-resistance reported so far for P-channel devices with a gate bias of 4.5V.
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11参照)。(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 provides a voltage clamping mechanism that limits the carrier generation rate and electric field at or near the corners of the trench gate. In the presence of electrical overload, device reliability and survivability are thereby improved without limiting on-resistance or cell density. The deep P + region need not extend to the end of the trench 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 a PIN diode may be formed between the deep P + region and the N + substrate (see FIG. 11). ). A graph showing the breakdown voltage of a PIN diode (such as diode D2 in FIG. 11) as a function of the doping concentration and width of the intermediate, or “inherent” region is M.M. Sze “Physics of Semiconductor Devices” 2nd edition (John Wiley & Sons, 1981, p. 105, FIG. 32), which is incorporated by reference.
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32Mcells/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" technology of the present invention, the size of the MOSFET cell is significantly reduced, thereby reducing 12 to 32 Mcells / in 2 (5 cells) without sacrificing area and body contact quality. / Cm 2 ), the cell density can be increased. The parameter “n” can vary from 2 (every other cell) to a large number such as 64 or more. Thus, the ability of the MOSFET to withstand avalanche breakdown can be controlled by design, albeit with a loss in on-resistance compared to a completely flat bottom cell represented by the factor n / n-1. In many instances, this loss factor can be adjusted within a few percent of an ideal flat bottom device.
図8は、セルが縞状をなす別のMOSFETセルの平面図を示す。MOSFET80では、セル81、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87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91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 a plan view of another MOSFET cell in which the cells are striped. In the
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8MV/cmに等しい電圧に耐えることができる。安全率50%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 overload due to excessive electric field between the gate and the N + substrate. This situation is particularly caused in embodiments where the trench extends into the substrate and therefore the gate oxide layer at the bottom of the trench is exposed to the entire potential difference between the gate and the substrate. Silicon dioxide can withstand a voltage equal to about 8 MV / cm. With a safety factor of 50%, X OX · 4 MV / cm (where X OX is the gate oxide thickness in cm) is generally considered as the maximum voltage applied between the gate oxide layers during manufacture. Therefore, the breakdown voltage of the diode formed by the protective P + diffusion should not exceed X OX · 4 MV / cm. For example, when using an oxide layer having a thickness of 400 Angstroms, the oxide layer is destroyed at about 32V, but the maximum voltage should be limited to 16V for reliable operation.
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93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101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112のそれぞれに残されている。
Figures 9-11 show cross-sectional views of several alternative embodiments according to the present invention. FIG. 9 shows a
図9−11では、ダイオードD1はMOSFET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、BVD2はダイオードD2のブレークダウン電圧であり、BVC1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。 9-11, diode D1 represents the PN junction in the MOSFET cell, diode D2 represents the PN junction in the protective diode cell, and capacitor C1 is the gate oxide layer abutting the gate and N + substrate. Represents. In all three cases, the relationship BV D2 <50% · BV C1 must be maintained. However, BV D2 is the breakdown voltage of the diode D2, and BV C1 is the breakdown voltage of the capacitor C1. Further, the breakdown voltage of the diode D2 is smaller than the breakdown voltage of the diode D1 in each case.
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MOSFET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。
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XIIIA−XIIIAの断面で見た断面図である。MOSFET130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121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。
Yet another embodiment is shown in FIGS. 13 and 14, which is a cross-sectional view taken along the line XIIIA-XIIIA shown in the plan view of FIG. The MOSFET 130 includes a
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 according to the present invention, FIGS. 15-19 illustrate a typical method for fabricating the
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 a conventional N +
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
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 +
その後P−ボディ33が薄い酸化物層143を通して注入される(例えば、1×1013から4×1014cm−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。
A P-
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20−100keV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。 The N + source region is then masked and arsenic ion implantation (or boron implantation for P-channel devices) with a dose of 5 × 10 14 to 1 × 10 16 cm −2 and energy of 20-100 keV. The resulting structure is shown in FIG.
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19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。
Subsequent to the formation of the N +
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MOSFET30が生成される。
A thin oxide layer is thermally grown. BPSG is then deposited on the surface of the substrate. The BPSG flows instantaneously from approximately 850 ° C. to 950 ° C. in order to flow smoothly and to flatten the die surface shape. Contact holes are etched in the oxide and BPSG layers and a metal layer 36 is deposited to form contact between the source and body regions and the deep P + region through the contact holes. Thereby,
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.
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epi」アプローチである。 A series of simulations and experiments were performed to determine the range of parameters that produced 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. It was desired to specify the range of parameters that make the device that the “1-of-N” diode cell would break down before the MOSFET cell. Two approaches were used. One (i) a “reach-through” approach involving the use of a PIN-type diode with a breakdown voltage determined primarily by the thickness of the intermediate layer, and (ii) includes two sub-layers A “step epi” approach where the epitaxial layer is used with a deep diffusion in the diode cell that overlays the underside of the sublayer.
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
The first set of tests dealt with a “reach-through” structure of the type shown in FIG. 35, including
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 results of the test are shown in FIG. 36, where the vertical axis is the breakdown voltage, the horizontal axis is in the range of 2 to 6 μm and is the “flat” portion (Xepi (flat)) of the epitaxial layer, ie N The portion that is relatively constant in the concentration of the N-type dopant before it begins to increase in the transition region between the epitaxial layer and the N + substrate. This transition area is indicated by the hatched
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、3.0×1016cm−3であるときの、デバイスのブレークダウン電圧を示す。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MOSFET270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 20-V drain, 12-V gate, and N-channel devices. The first set of
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。
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294は、N−epi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 a “reach-through” 30-V drain, 20-V gate and N-channel device with a gate oxide layer thickness of 500 Å.
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.
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epi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−epi2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−epi1のドーパント濃度を表わしており、1.0×1016cm−3から1.0×1018cm−3まで変化する。曲線310、312並びに314は、上側サブレイヤN−epi2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316、318並びに319は、サブレイヤN−epi1がそれぞれ5.0×1015cm−3、1.0×1016cm−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300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, which is a sub-layer N-epi1 that includes “stepped” N-epi layers, ie, has different concentrations of N-type dopants. And N-epi2, which are described in US Pat. No. 5,674,766, filed Oct. 7, 1997. This is a “step epi device” with a 20-V drain and a 12-V gate. The upper sublayer N-epi2 is 3.5 microns thick (Xepi2), but in other embodiments N-epi2 is in the range of 2 μm to 5 μm. The trench and P-body region in
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 breakdown voltage (horizontal axis) in the diode cell as a function of resistivity (left vertical axis) and dopant concentration (right vertical axis) of the lower sublayer N-epi1.
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3.5μm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3.0×1016cm−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。
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,
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4.0×1016cm−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。
Figures 42 and 43 show data for similar devices in different forms. In FIG. 42, curve 340 shows the breakdown voltage for the MOSFET cell,
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366、368並びに369はそれぞれ同じレベルのP−epi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.
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−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372及び382は、1.0×1016cm−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378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379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。
45 and 46 show data for a P-channel 20-V drain, 12-V gate device, which used a “reach-through” approach. In both figures, breakdown voltage is depicted as a function of P-epi layer thickness. Curves 370 and 380 show the diode breakdown voltage at a P-epi dopant concentration of 5.0 × 10 15 cm −3 , and curves 372 and 382 indicate a P-epi dopant concentration of 1.0 × 10 16 cm −3. And the
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。 In P-channel 20-V drain devices, it is somewhat difficult to break down the diode cell before the MOSFET cell. When using thinner gate oxides, as noted above, FPI breakdown tends to occur before PN junction breakdown. Thus, either increasing the dose of implantation 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 necessary. FIG. 45 shows the result of a “standard” implantation dose of 1.0 × 10 15 cm −2 , but using two drive-ins at 1050-1100 ° C. for 1-3 hours. FIG. 46 shows the result of an implantation dose of 4.0 × 10 15 cm −2 , using two drive-ins at 1050-1100 ° C. for 1-3 hours.
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390)、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394)、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 N-type diode diffusion of approximately 3 μm depth with six different implantation doses, 1.0 × 10 15 cm −2 (curve 390), 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 394), 6. In the case of 0 × 10 15 cm −2 (curve 395), it is shown as a function of the thickness of the P-epi layer.
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404)、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 N-type diode diffusions approximately 3 μm deep with seven different P-epi layer thicknesses: 9.0 μm (curve 400), 8.75 μm (curve 401), 8.5 μm ( Curves 402), 8.25 μm (curve 403), 8.0 μm (curve 404), 7.75 μm (curve 405), and 7.5 μm (curve 406) are shown as a function of implantation dose.
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 examples are merely illustrative and not limiting. Numerous alternative embodiments in accordance with the broad principles of the present invention will be apparent to those skilled in the art.
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
10
31
41 MOSFET cell 42
81
93
101
111
121 cell 130 MOSFET
131
Claims (2)
基板と、
第1の導電型のエピタキシャル層と、
前記基板と前記エピタキシャル層との間の遷移領域とを有する半導体材料であって、前記エピタキシャル層は、厚さ方向に沿って一定のドーパント濃度を有し、前記遷移領域は、前記エピタキシャル層から前記基板に向かって増加するドーパント濃度を有する、該半導体材料を有し、
前記エピタキシャル層は、
トレンチ内に形成され、酸化物層により前記エピタキシャル層から分離されるゲートであって、前記トレンチはエピタキシャル層の表面からその内部に形成され、また前記トレンチは複数のMOSFETセルを画定し、前記MOSFETセルのそれぞれは前記第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する、該ゲートと、
前記エピタキシャル層の内部に形成された前記第2の導電型の深い拡散部とを含み、
前記深い拡散部と、前記遷移領域の上でかつ前記深い拡散部の下に位置する前記エピタキシャル層の部分との間のPN接合部が、前記エピタキシャル層内部のダイオードを形成し、
前記PN接合部は、前記ソース領域及び前記ボディ領域が当接する前記トレンチの側面とは反対側の側面で前記トレンチに当接することを特徴とするトレンチゲート形パワーMOSFET。 A trench gate type power MOSFET,
A substrate,
An epitaxial layer of a first conductivity type;
A semiconductor material having a transition region between the substrate and the epitaxial layer, wherein the epitaxial layer has a constant dopant concentration along a thickness direction, the transition region from the epitaxial layer to the Having the semiconductor material with a dopant concentration increasing toward the substrate;
The epitaxial layer is
A gate formed in the trench and separated from the epitaxial layer by an oxide layer, wherein the trench is formed in and from the surface of the epitaxial layer, and the trench defines a plurality of MOSFET cells; Each of the cells has a source region of the first conductivity type and a body region of a second conductivity type adjacent to the source region, and the source region and the body region are in contact with a side surface of the trench, The gate,
A deep diffusion portion of the second conductivity type formed inside the epitaxial layer,
A PN junction between the deep diffusion and the portion of the epitaxial layer located above the transition region and below the deep diffusion forms a diode inside the epitaxial layer;
The trench gate type power MOSFET, wherein the PN junction is in contact with the trench on a side surface opposite to the side surface of the trench with which the source region and the body region are in contact.
基板と、
前記基板の上に形成される第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位置し、第1導電型で、かつ前記第1エピタキシャル層とドーパント濃度の異なる第2エピタキシャル層とを含む半導体材料を有し、
前記第2エピタキシャル層は、
トレンチ内に形成され、酸化物層により前記第2エピタキシャル層から分離されるゲートであって、前記トレンチは前記第2エピタキシャル層の表面からその内部に形成され、また前記トレンチは複数のMOSFETセルを画定し、前記MOSFETセルのそれぞれは前記第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する、該ゲートと、
前記第2エピタキシャル層を貫通して前記第1エピタキシャル層の内部に延在する、前記第2の導電型の深い拡散部とを含み、
前記深い拡散部と、それに接する前記第1エピタキシャル層及び第2エピタキシャル層の各部分との間のPN接合部がダイオードを形成し、
前記PN接合部は、前記ソース領域及び前記ボディ領域が当接する前記トレンチの側面とは反対側の異なる面で前記トレンチに当接することを特徴とするトレンチゲート形パワーMOSFET。 A trench gate type power MOSFET,
A substrate,
A first conductivity type first epitaxial layer formed on the substrate;
A semiconductor material positioned on the first epitaxial layer and having a first conductivity type and including a second epitaxial layer having a different dopant concentration from the first epitaxial layer;
The second epitaxial layer is
A gate formed in the trench and separated from the second epitaxial layer by an oxide layer, wherein the trench is formed therein from the surface of the second epitaxial layer, and the trench includes a plurality of MOSFET cells. Each of the MOSFET cells has a source region of the 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 side surfaces of the trench. And the body region is adjacent to the drain region of the first conductivity type, and the gate,
A deep diffusion portion of the second conductivity type extending through the second epitaxial layer and extending into the first epitaxial layer;
A PN junction between the deep diffusion part and each part of the first epitaxial layer and the second epitaxial layer in contact with the deep diffusion part forms a diode,
The trench gate type power MOSFET, wherein the PN junction is in contact with the trench on a different surface opposite to the side of the trench with which the source region and the body region are in contact.
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