(57)【要約】      （修正有）【課題】パワー半導体デバイス構造と、高電圧トランジスタを製造するためのプロセスを提供する。【解決手段】エピタキシャル層１３はバッファ層１１にて分離され、バッファ層１１まで垂直方向に一定であるドーピング濃度を有する。間隔を空けて配置された１対のトレンチは、エピタキシャル層１３において、当該エピタキシャル層１３の上面から下方の少なくともバッファ層１２にまで形成される。誘電材料が、トレンチにおいて第１および第２の側壁部分の上に形成される。ソース／コレクタおよびボディ領域１４はエピタキシャル層１３の上部に形成される。ボディ領域１４は、ボディ領域１４からバッファ層１２にまで延在するエピタキシャル層１３のドリフト領域から柱のソース／コレクタ領域を分離している。ボディ領域１４に隣接し、ボディ領域１４から絶縁されたトレンチの各々において絶縁ゲート部材１７が形成される。【選択図】図１
2010147477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワートランジスタデバイスを製造する方法であって、
第１の導電型のバッファ層を、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の基板上に形成するステップを含み、前記バッファ層は、上面、第１の厚さおよび第１のドーピング濃度を有し、前記方法はさらに、
前記バッファ層の上に前記第１の導電型のエピタキシャル層を形成するステップを含み、前記エピタキシャル層は、上面、および、前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さを有し、前記方法はさらに、
前記エピタキシャル層において、前記エピタキシャル層を含む柱を規定する、間隔を空けて配置された１対のトレンチを形成するステップを含み、前記柱は、第１および第２の側壁部分ならびに第１の横方向の幅を有し、前記トレンチは、前記エピタキシャル層の上面から下方に垂直方向に延在して、前記バッファ層の上面を越えて延在する底部にまで達し、前記トレンチは第２の横方向の幅を有し、前記方法はさらに、
前記第１および第２の側壁部分の各々を、少なくともボディ領域の下から下方向の前記底部まで覆う誘電材料を前記トレンチに形成するステップと、
第２の導電型のボディ領域を前記柱に形成するステップと、
第１の導電型の第１の領域を前記柱に形成するステップとを含み、前記第１の領域は、前記第１の導電型であり、前記上面に配置され、前記ボディ領域は、前記ボディ領域から前記バッファ層にまで延在するドリフト領域から前記柱の前記第１の領域を分離しており、前記方法はさらに、
前記上面において、または、前記上面付近において前記トレンチの各々にゲート部材を形成するステップを含み、前記ゲート部材は前記ボディ領域に隣接して配置され、前記ボディ領域から絶縁されている、方法。
【請求項２】
前記基板はエミッタを含み、前記第１の領域はバイポーラトランジスタのコレクタを含み、前記第１の領域はまたソースを含み、前記ドリフト領域は、電界効果トランジスタの拡張ドレイン領域を含み、前記ゲート部材に電位を印加することにより、前記パワートランジスタデバイスがオン状態であるときに前記エミッタと前記コレクタとの間において入力される順方向導通を制御する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記エピタキシャル層の第２の厚さが前記バッファ層の第１の厚さよりも約３〜５倍厚い、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の横方向の幅は前記第２の横方向の幅と実質的に等しい、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記エピタキシャル層は、前記上面から実質的に垂直方向に一定である第２のドーピング濃度を有し、前記第２のドーピング濃度は実質的に前記第１のドーピング濃度未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記誘電材料は酸化物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記トレンチの底部は、垂直方向に延在して前記基板にまで達する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１のドーピング濃度は、前記パワートランジスタデバイスがオフ状態であるとき
に前記基板へのパンチスルーを防ぐように、第２のドーピング濃度と比べて十分に高く、前記基板は、前記第１の領域に対して少なくとも６００Ｖの電位である、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
パワートランジスタデバイスを製造する方法であって、
第１の導電型の半導体材料を、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の基板上に形成するステップを含み、前記半導体材料は、エピタキシャル層およびバッファ層を含み、前記バッファ層は、前記エピタキシャル層を前記基板から分離し、前記エピタキシャル層は、上面および第１の厚さを有し、前記方法はさらに、
前記エピタキシャル層において、前記半導体材料からなる柱を規定する、間隔を空けて配置された１対のトレンチを形成するステップを含み、前記柱は、第１および第２の側壁部分ならびに第１の横方向の幅を有し、前記トレンチは、前記エピタキシャル層の上面から下方に垂直方向に延在して少なくとも前記バッファ層にまで達し、前記トレンチは第２の横方向の幅を有し、前記方法はさらに、
前記第１および第２の側壁部分の各々を覆う誘電材料を前記トレンチに形成するステップと、
前記第２の導電型のボディ領域を前記柱に形成するステップと、
前記第１の導電型の第１の領域を前記柱に形成するステップとを含み、前記第１の領域は、前記第１の導電型であり、前記上面に配置され、前記ボディ領域は、前記ボディ領域から前記バッファ層にまで延在する前記エピタキシャル層のドリフト領域から前記柱の前記第１の領域を分離しており、前記方法はさらに、
前記上面において、または、前記上面付近において前記トレンチの各々にゲート部材を形成するステップを含み、前記ゲート部材は、前記ボディ領域に隣接して配置され、前記ボディ領域から絶縁されている、方法。
【請求項１１】
前記エピタキシャル層は、前記バッファ層まで下方に垂直方向に実質的に一定である第１のドーピング濃度を有し、前記バッファ層は、前記エピタキシャル層の第１のドーピング濃度よりも少なくとも１桁大きい第２のドーピング濃度を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ゲート部材を形成するステップは、
マスキング層において、第１および第２のトレンチ上にそれぞれ配置された第１および第２の開口部を形成するステップを含み、前記マスキング層は、前記柱を覆う部分を前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に備え、前記部分は、前記柱の上面と重なる前記第１および第２の側壁部分の各端縁を越えた距離だけ重なっており、前記ゲート部材を形成するステップはさらに、
前記第１および第２の開口部をそれぞれ通る前記トレンチにおいて前記誘電材料を異方的にエッチングして、第１および第２のゲートトレンチを作成するステップと、
前記第１および第２のゲートトレンチにおける第１および第２の誘電体領域を等方的にエッチングして、前記第１および第２の側壁部分の各々のうち、前記上面から前記ボディ領域の底部まで延在する区域から誘電材料を除去するステップとを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記区域上にわたってゲート酸化物を形成するステップと、
前記第１および第２のトレンチの各々において前記ゲート部材を形成するステップとを含み、前記ゲート部材は、前記ゲート酸化物によって前記区域から絶縁されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記誘電材料だけが、前記ドリフト領域に隣接したトレンチに存在している、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記誘電材料は酸化物を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記エピタキシャル層の第１の厚さは、前記バッファ層の第２の厚さよりも約３〜５倍厚い、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の横方向の幅は、前記第２の横方向の幅と実質的に等しい、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１および第２の横方向の幅は各々、約２μｍである、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
前記トレンチは垂直方向に延在して前記基板にまで達する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
少なくとも４ミルの厚さを有するシリコンウェハ上にパワートランジスタデバイスを製造する方法であって、
前記シリコンウェハの基板上にバッファ層を形成するステップを含み、前記バッファ層は、第１の厚さを有し、第１の導電型であり、前記基板は前記第１の導電型とは逆の第２の導電型であり、前記方法はさらに、
前記バッファ層上に前記第１の導電型のエピタキシャル層を形成するステップを含み、前記エピタキシャル層は、前記第１の厚さよりも少なくとも３倍厚い第２の厚さを有し、前記エピタキシャル層は、全体にわたって実質的に一定のドーピング濃度を有し、前記バッファ層は、前記エピタキシャル層の実質的に一定のドーピング濃度よりも少なくとも１桁大きいドーピング濃度を有し、前記方法はさらに、
トレンチを前記シリコンウェハに垂直方向にエッチングするステップを含み、前記トレンチは、前記エピタキシャル層の上面から下方に延在して少なくとも前記バッファ層にまで達し、前記トレンチは複数の柱を規定し、各々の柱は、第１および第２の側壁ならびに第１の横方向の幅を有し、前記第２の厚さと前記第１の横方向の幅との比は少なくとも１０：１であり、各々の縦型トレンチは第２の横方向の幅を有し、前記方法はさらに、
前記トレンチを、前記第１および第２の側壁を覆う誘電材料で充填するステップと、
前記柱において前記第２の導電型のボディ領域を形成するステップとを含み、前記ボディ領域は、前記第１の側壁と前記第２の側壁との間において前記柱の第１の横方向の幅にわたって延在し、前記ボディ領域は前記バッファ層から前記ボディ領域を分離するドリフト領域を規定し、前記方法はさらに、
前記柱において前記第１の導電型の第１の領域を形成するステップを含み、前記ボディ領域は前記ドリフト領域から前記第１の領域を分離し、前記方法はさらに、
前記トレンチにおける前記誘電材料をエッチングして、ゲートトレンチを形成するステップと、
前記ゲートトレンチの各々において絶縁ゲート部材を形成するステップとを含み、前記絶縁ゲート部材は、前記ボディ領域に隣接して配置され、前記ボディ領域から絶縁される、方法。
【請求項２２】
前記第１の領域はソースを含み、前記絶縁ゲート部材はゲートを含み、前記ドリフト領域は、前記パワートランジスタデバイスの電界効果トランジスタの拡張ドレイン領域を含み、前記第１の領域はまた、前記パワートランジスタデバイスのバイポーラトランジスタのコレクタを含み、前記基板は、前記パワートランジスタデバイスのバイポーラトランジスタのエミッタを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記トレンチは垂直方向に延在して前記基板にまで達する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第２の横方向の幅は約２μｍである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の横方向の幅は約２μｍである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記誘電材料だけが、前記ドリフト領域に隣接したトレンチに存在している、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は、パワー半導体デバイス構造、および高電圧トランジスタを製造するためのプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
高電圧の電界効果トランジスタ（ＨＶＦＥＴ）および他のさまざまな高電圧パワー半導体デバイスは、半導体技術において周知である。多くのＨＶＦＥＴが採用しているデバイス構造は、当該デバイスが「オフ」状態であるときに印加された高電圧（たとえば、数百ボルト）をサポートまたは阻止する低ドープ拡張ドレイン領域を備える。高抵抗エピタキシャル層があるために、高電圧（たとえば５００〜７００Ｖ以上）で動作する通常のＭＯＳＦＥＴパワーデバイスが有する「オン」状態のドレイン・ソース抵抗（ＲDS(on)）は、典型的には、特に高ドレイン電流では大きくなる。たとえば、従来のパワーＭＯＳＦＥＴにおいては、典型的には、トランジスタが有するオン状態抵抗全体のうち９５％が、ドリフトゾーンとも称される低ドープの拡張ドレイン領域によって引起こされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
導通損失の問題に取組むために、さまざまな代替的設計構造が提案されてきた。たとえば、縦型の薄いシリコン（ＶＴＳ）ＭＯＳＦＥＴの場合、導通損失を低下させるには、近接する厚い酸化物に埋込まれたフィールドプレートによって空乏化される薄いシリコン層において、傾斜したドーピングプロファイルが用いられる。しかしながら、ＶＴＳ構造についての問題として、比較的大きな出力容量（Ｃｏｓｓ）がある。これは、（ソース端子に結合された）大きなフィールドプレートが（ドレイン端子に結合された）シリコン柱に重なることによってもたらされるものである。この比較的大きな出力容量により、デバイスの高周波スイッチング性能が制限されてしまう。従来のＶＴＳ  ＭＯＳＦＥＴ構造についての別の欠点は、ドリフト領域を垂直方向に通る直線的に傾斜したドーピングプロファイルが必要とされる点であり、これは、大抵の場合、制御するのが困難で、製造に費用がかかってしまう。
【０００４】
ＣｏｏｌＭＯＳTM概念として公知である別の方策の場合、導通損失はＮ−およびＰ−表面電界緩和（ＲＥＳＵＲＦ（reduced surface field））層を交互にすることによって低減される。ＣｏｏｌＭＯＳTMデバイスにおいては、電気伝導性は多数キャリアによってのみもたらされる。すなわち、バイポーラの電流（少数キャリア）は寄与しない。ＣｏｏｌＭＯＳTMの高電圧パワーＭＯＳＦＥＴ設計が大型のトレンチフィールドプレート構造を有していないために、比較的低いＣｏｓｓからも利点が得られる。それにもかかわらず、いくつかの応用例においては、ＣｏｏｌＭＯＳTM設計では、依然として容認できないほど高い導電性損失をこうむる。
【０００５】
絶縁ゲートバイポーラトランジスタまたはＩＧＢＴは、少数キャリアパワー半導体デバイスであり、単一のデバイス構造においてバイポーラパワースイッチングトランジスタと組合されてＦＥＴ制御入力により比較的低い導通損失を達成する。しかしながら、ＩＧＢＴ設計の主要な欠点は、エピタキシャルドリフト領域に少数キャリアが蓄積することによって起こる特徴的な「テール電流」のせいで、スイッチング周波数が典型的には６０ＫＨｚ以下に制限されることである。言い方を換えれば、より高い周波数（１００ＫＨｚ以上）で不十分なスイッチング性能によって引起されるスイッチング損失は解決されないままである。ＩＧＢＴ設計のスイッチング速度の向上を目指した試みには、極薄のウェハ（〜
７５μｍ以下）の非パンチスルー構造の使用が含まれる。しかし、極薄ウェハの処理には大幅なコストの追加が伴い、製造処理がさらに複雑になる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この開示は、以下の詳細な説明および添付の図面からより十分に理解されるであろうが、本発明を図示される具体的な実施例に限定するものではなく、説明および理解だけを目的としたものとみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】深いトレンチ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）構造を示す例示的な側断面図である。
【図２】別の深いトレンチ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）構造を示す例示的な側断面図である。
【図３Ａ】Ｐ＋基板上にＮ−ドープエピタキシャル層を形成する最初の工程後の製造プロセスにおける深いトレンチＩＧＢＴ構造を示す例示的な側断面図である。
【図３Ｂ】縦型の深いトレンチエッチング後における図３Ａの例示的なデバイス構造を示す図である。
【図３Ｃ】深い縦型トレンチを充填する誘電体領域の形成後における図３Ｂの例示的なデバイス構造を示す図である。
【図３Ｄ】シリコン基板の上面をマスキングし、次いで第１の誘電体エッチングを行った後における図３Ｃの例示的なデバイス構造を示す図である。
【図３Ｅ】ゲートトレンチを形成する第２の誘電体エッチング後における図３Ｄの例示的なデバイス構造を示す図である。
【図３Ｆ】ゲートトレンチにおけるトレンチゲート構造の形成後における図３Ｅの例示的なデバイス構造を示す図である。
【図３Ｇ】ソース（コレクタ）およびボディ領域の形成後における図３Ｆの例示的なデバイス構造を示す図である。
【図４】図１に示されるような例示的な深いトレンチＩＧＢＴデバイス構造のためのエピタキシャル層ドーピングプロファイル対正規化距離についてのプロットを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
詳細な説明
以下の説明においては、この発明の完全な理解を助けるために、材料の種類、寸法、構造特徴、処理工程などの具体的な詳細を述べる。しかしながら、当業者であれば、これらの具体的な詳細がなくてもこの発明が実施可能であることを認識するだろう。図中の要素が具象的なものであり、明瞭にするために縮尺通りには描かれていないことも理解されるはずである。
【０００９】
図１は、深いトレンチＩＧＢＴ  １０の例示的な側断面図を示しており、深いトレンチＩＧＢＴ  １０は、Ｐ＋ドープシリコン基板１１の上方に形成されたＮ型シリコンの、分離された複数の拡張ドレイン領域１３を含む構造を有する。図１の例においては、拡張ドレイン領域１３は、高濃度ドープＮ＋バッファ層１２によってＰ＋基板１１から分離される。一実施例においては、拡張ドレイン領域１３は、Ｎ＋バッファ層１２からシリコンウェハの上面まで延在するエピタキシャル層の一部をなす。基板１１を高濃度にドープすることにより、完成したデバイスにおいて基板１１の底に位置するドレイン電極にまで流れる電流に対する抵抗が最小限にされる。
【００１０】
深いトレンチＩＧＢＴ  １０はまたＰ−ボディ領域１４を含む。各々のＰ−ボディ領域１４の上方にあるウェハのエピタキシャル層の上面において、一対のＮ＋ドープソース領
域１５ａおよび１５ｂがＰ型領域１６によって横方向に分離される。図から分かるように、各Ｐ−ボディ領域１４は、拡張ドレイン領域１３のうち対応する領域の真上に配置されており、当該対応する領域をＮ＋ソース領域１５ａおよび１５ｂならびにＰ型領域１６から垂直に分離している。図１のデバイス構造はさらに、（たとえば、ポリシリコンで構成される）ゲート１７を有するトレンチゲート構造と、ゲート１７を、隣接する側壁Ｐ−ボディ領域１４から絶縁するゲート絶縁層２８とを含む。ゲート絶縁層２８は熱成長した二酸化珪素または別の適切な誘電絶縁材料を含んでいてもよい。製造完了したデバイスにおいては、ゲート１７に適切な電位を印加することにより、Ｐ−ボディ領域１４の垂直な側壁部分に沿って導電性チャネルが形成される。このため、電流が半導体材料を通って垂直に流れ得る。すなわち、Ｐ＋基板１１から上昇してバッファ層１２および拡張ドレイン領域１３を通り、垂直に形成された導電性チャネルを通って、ソース領域１５が配置されているシリコンウェハの上面まで流れ得る。
【００１１】
別の実施例においては、（図１に図示のとおり）半導体柱の横方向の幅にわたってＮ＋ソース領域１５ａと１５ｂとの間にＰ＋領域１６を配置する代りに、各柱の横方向の長さ（すなわち、例示した図のページの内外）にわたって各柱の上部にＮ＋ソース領域１５およびＰ＋領域を交互に形成してもよい。言い換えれば、図１に示されるような所与の断面図は、断面をどこで取るかに応じて、柱１７の横方向の幅全体にわたって延在するＮ＋ソース領域１５またはＰ＋領域１６を有することとなる。このような実施例においては、各々のＮ＋ソース領域１５は、（柱の横方向の長さに沿って）両側がＰ＋領域１６に隣接している。同様に、各々のＰ＋領域１６は、（柱の横方向の長さに沿って）両側がＮ＋ソース領域１５に隣接している。
【００１２】
当業者であれば、Ｐ＋基板１１が縦型のＰＮＰバイポーラ接合トランジスタのＰ＋エミッタ層としても機能することを認識するだろう。基本的な用語で表現すれば、深いトレンチＩＧＢＴ  １０が備える半導体デバイスは、上述のトレンチゲートＭＯＳＦＥＴ構造によって制御される交互になったＰＮＰＮ導電型（Ｐ＋基板１１・Ｎ＋バッファ層１２およびＮ−拡張ドレイン領域１３・Ｐ−ボディ領域１４・Ｎ＋ソース領域１５）からなる４つの層を備える。当業者であれば、Ｎ＋バッファ層１２を含めることにより、ドリフト領域１３に形成されたオフ状態空乏層が高電圧阻止中にＰ＋エミッタ（基板）層１１に達するのが有利に防止されることをさらに認識するだろう。
【００１３】
拡張ドレイン領域１３、Ｐ−ボディ領域１４、ソース領域１５ａおよび１５ｂ、ならびにＰ＋領域１６は、図１の例示的なデバイス構造にシリコン材料からなるメサまたは柱（これらの用語はともに本願においては同義的に用いられる）を集合的に含む。図３Ａ〜図３Ｆに関連付けて以下に説明するように、柱は、各々の柱またはメサの両側にある半導体材料の領域を選択的に除去することによって形成される縦型トレンチによって規定される。各柱の高さおよび幅、ならびに隣接する縦型トレンチ間の間隔は、デバイスの降伏電圧要件によって決定されてもよい。さまざまな実施例においては、柱は、約３０μｍ〜１２０μｍ厚の範囲の垂直高さ（厚さ）を有する。たとえば、寸法がほぼ１ｍｍ×１ｍｍのダイ上に形成された深いトレンチＩＧＢＴが有する柱は、約６０〜６５μｍの垂直厚さを備え、Ｎ−拡張ドレイン領域１３は、垂直厚さが全体で約５０μｍであり、Ｎ＋バッファ層１２は、垂直厚さが全体で約１０〜１５μｍであり得る。さらなる一例として、約２ｍｍ〜４ｍｍのダイ上に形成されたトランジスタ構造は、各々の側部に、約３０μｍの厚さをもつ柱構造を有し得る。いくつかの実施例においては、各柱の横方向の幅は、非常に高い降伏電圧（たとえば、６００〜８００Ｖ）を達成するために、可能な限り確実に狭くなるよう（たとえば、約０．４μｍ〜０．８μｍの幅）に製造される。
【００１４】
さらに別の代替的な実施例においては、Ｎ＋バッファ層をデバイス構造から省いてもよい。しかしながら、Ｎ＋バッファ層１２を省くということは、所要の阻止電圧をサポート
するためにＮ−拡張ドレイン領域１３の垂直厚さ（柱の高さ）を実質的に増やす（たとえば、１００〜１２０μｍ）必要があるかもしれないことを意味していることに留意する。
【００１５】
（Ｎ−拡張ドレイン領域１３を含む）隣接する対の柱は、深いトレンチ誘電体領域１９によって横方向に分離された状態で示されている。誘電体領域１９は二酸化珪素、窒化珪素または他の好適な誘電材料を含んでいてもよい。深いトレンチの形成後、誘電体領域１９は、熱成長および化学気相成長を含むさまざまな周知の方法を用いて形成され得る。図１の例においては、誘電体領域１９の各々は、ゲート１７のすぐ下から下方に延在してＮ＋バッファ層１２にまで達する。言い換えれば、図示される実施例においては、誘電体領域１９は、ドリフト領域１３の垂直方向の厚さ全体を通って実質的に垂直に延在する。
【００１６】
図２に示される実施例においては、誘電体領域１９は、Ｎ＋バッファ領域１２を通って垂直に延在してＰ＋基板１１にまで達する。
【００１７】
一実施例においては、隣接したドリフト領域１３の側壁を分離する各誘電体領域１９の横方向の幅は、約２μｍである。具体的な実施例においては、各ドリフト領域および各誘電体領域の横方向の幅は、１：１の幅比で、２μｍに等しくなる。代替的な実施例は、０．２〜６．０の範囲の幅比（ドリフト領域対誘電体領域）で製造されてもよい。
【００１８】
当業者であれば、順方向（オン状態）導通の間に、バイポーラデバイスのＰ＋エミッタ層１１からドリフト領域１３に少数キャリア（正孔）を注入することによってＮ−ドリフト領域１３の抵抗が著しく低減されることを理解するだろう。これらの注入された少数キャリアは、典型的には、深いトレンチＩＧＢＴをオンやオフに切換えるときにドリフト領域１３に出入りする（再結合する）のに時間を要する。図１および図２に示される例示的なデバイス構造においては、少数キャリアの再結合（「ライフタイム・キリング（lifetime killing）」とも称される）は、誘電体（たとえば酸化物）領域１９とのＮ−ドリフト領域１３の界面によって形成される大きな側壁領域に沿って作り出される多数の界面トラップを介して達成される。たとえば、デバイスがオン状態（順方向導通）からオフ状態（阻止電圧）に切換えられると、Ｎ−ドリフト領域１３の側壁区域に沿った界面トラップは、ドリフト領域１３から少数キャリアを速やかに一掃するのを有効に支援し、これにより、デバイスの高速切換え性能を向上させる。
【００１９】
深いトレンチＩＧＢＴデバイス構造が誘電体領域１９内に導電性のフィールドプレートを含んでいないので、すなわち、トレンチが酸化物または他の何らかの好適な誘電体で完全に充填されているので、Ｎ−ドリフト領域１３のドーピングプロファイルが実質的に一定になり得ると認識されるはずである。
【００２０】
図３Ａ〜図３Ｇの各々は、例示的な製造プロセスにおけるさまざまな段階で得られる例示的な深いトレンチＩＧＢＴ構造を示す側断面図である。これらの図によって示されるこの製造プロセスは、図１のデバイスだけではなく、図２に示される深いトレンチＩＧＢＴデバイス構造をも形成するのに用いられてもよい。まず、図３Ａには、Ｐ＋シリコン基板１１の上にＮ−ドープ層１２および１３を形成する最初の工程後の製造プロセスにおける深いトレンチＩＧＢＴ構造の例示的な側断面図が示される。一実施例においては、Ｎ＋バッファ層１２は、約１０〜１５μｍの範囲の垂直厚さを有する。Ｎ＋層１１を高濃度にドープすることにより、完成したデバイスにおいて基板の底に位置するドレイン（エミッタ）電極を通って流れる電流に対する抵抗が最小限にされる。Ｎ＋バッファ層１２を高濃度にドープすることによっても、逆バイアス電圧阻止中におけるＰ＋基板１１へのパンチスルーが防止される。層１２は、その層の形成中にドープされてもよい。Ｎ−エピタキシャル層１３も、その層の形成中にドープされてもよい。
【００２１】
図４は、図１に示されるような例示的な深いトレンチＩＧＢＴデバイス構造のためのエピタキシャル層ドーピングプロファイル対正規化距離についてのプロットを示す。図から分かるように、Ｎ型エピタキシャル層のドーピングプロファイル濃度は、約１×１０15ｃｍ-3の比較的低濃度で実質的に平坦になっている。約５４μｍの垂直深さでＮ＋バッファ層が始まっており、ここでは、ドーピングプロファイル濃度が、約２×１０17ｃｍ-3の濃度へと急激に増大（段階的に増大）している。
【００２２】
層１２および１３が形成された後、半導体ウェハの上面が適切にマスクされ、次いで、深い縦型トレンチ２２がＮ−エピタキシャル層１３にエッチングされる。図３Ｂは、深いトレンチ２２によって分離されたＮ−ドープ半導体材料からなるシリコン柱またはメサを形成する縦型トレンチエッチング後の製造プロセスにおける深いトレンチＩＧＢＴの例示的な側断面図を示す。各々の柱の高さおよび幅、ならびに隣接する縦型トレンチ２２間の間隔は、デバイスの降伏電圧要件によって決定され得る。上述のとおり、エピタキシャル材料１３のこれらの分離された柱は、最終的には、最終深さのトレンチＩＧＢＴデバイス構造を有するドリフト領域またはＮ型拡張ドレインを形成する。
【００２３】
さまざまな実施例においては、各々の柱が（ページの内外への）直交する方向にかなりの横方向距離にわたって延在し得ることが理解されるはずである。いくつかの実施例においては、各柱によって形成されたＮ型ドリフト領域の横方向の幅は、非常に高い降伏電圧（たとえば、６００〜８００Ｖ）を達成するために、可能な限り確実に狭くなるよう製造される。
【００２４】
さらに、図１の例は、分離された３つのＮ−ドリフト領域を含む半導体材料からなる３本の柱または列を備えた断面を示しているが、このデバイス構造が、完成したデバイスの半導体ダイの上で両横方向に何度も繰り返され得るかまたは再現され得ることが理解されるはずである。他の実施例は、任意には、付加的なまたはより少数の半導体領域を含んでいてもよい。たとえば、いくつかの代替的な実施例は、上部から底部までの間で変化するドーピングプロファイルを有するドリフト領域を備えていてもよい。他の実施例では、分離された柱（たとえばＮ−ドリフト領域）を形成する半導体材料の横方向の幅が複数回にわたって急激に（すなわち、段階的に）変動し得る。たとえば、ドリフト領域１３は、シリコンウェハの上面付近でより広く、また、Ｎ＋バッファ層１２に最も近いところでより広くなるよう製造されてもよい。
【００２５】
図３Ｃは、トレンチ２２を誘電材料（たとえば酸化物）で充填し、これにより誘電体領域１９を形成した後における図３Ｂの例示的なデバイス構造を示す。誘電材料は、エピタキシャル層柱の各々の側壁を覆い、トレンチ２２の各々を完全に充填している。誘電体層は好ましくは二酸化珪素を含んでいるが、窒化珪素または他の好適な誘電材料が用いられてもよい。誘電体領域１９は、熱成長および化学気相成長を含むさまざまな周知の方法を用いて形成されてもよい。領域１９の形成後、シリコン基板の上面は、化学機械研磨などの従来技術を利用して平坦化されてもよい。
【００２６】
図３Ｄは、シリコン基板の上面をマスキングした後の図３Ｃの例示的なデバイス構造を示す。この例においては、マスキング層２５はフォトレジストの層からなり、酸化物領域１９上で中心に位置決めされた開口部２４が設けられている。なお、マスキング層２５のうち、エピタキシャル領域１３の各柱の真上にある部分は、柱の側壁部分の端縁を越えてわずかな距離だけ延在するかまたは重なることに留意されたい。これにより、酸化物領域１９の第１および第２の側壁部分を覆う側壁酸化物の薄い層を残す効果が得られる。すなわち、各々のＮ−エピ柱１３に最も近い各開口部２４の端縁は、側壁とは重ならず、むしろ、開口部２４は、各開口部２４の最も近接する端縁が、対応する柱の側壁からわずかな距離だけ離れるように意図的にオフセットにされる。一実施例においては、重なり合う距
離は約０．２μｍ〜０．５μｍである。
【００２７】
ゲートトレンチ２６は、開口部２４のすぐ下の区域における領域１９の誘電材料を除去する第１の誘電体エッチングによって形成される。一実施例においては、第１の誘電体エッチングは実質的に異方性のプラズマエッチングである。第１の誘電体エッチングは、所望または目標の深さ、一実施例においては約３μｍの深さ、にまで施される。たとえば、プラズマエッチングのためにC4F8/CO/Ar/O2ガスの混合物を使用してもよい。なお、第１のエッチングがもつ異方性により、ゲートトレンチに実質的に垂直な側壁プロファイルがもたらされるが、これは、各柱１３の側壁にまでは延在または貫通しないことに留意されたい。別の言い方をすれば、マスキング層２５は、開口部２４を通る異方性エッチングがＮ−エピ柱１３の側壁に侵食しないような距離だけ重ねられる。むしろ、酸化物領域１９を含む誘電材料の一部は、第１の誘電体エッチング後でも依然として柱１３の側壁区域を覆ったままとなる。
【００２８】
図３Ｅは、ゲートトレンチにおけるＮ−エピ柱１３の側壁を覆う酸化物の除去後における図３Ｄの例示的なデバイス構造を示す。第２の誘電体エッチングは、Ｎ−エピ柱の側壁上の残りの酸化物を完全に除去するよう、マスキング層２５の開口部２４を通じて行われてもよい。一実施例においては、第２の誘電体エッチングは、本来は実質的に等方性である（たとえば、バッファードフッ酸を用いる）ウェットエッチングである。結果として、１対のゲートトレンチ開口部２７が設けられて、柱またはメサの側壁に沿ってエピタキシャルシリコン材料を露出させる。
【００２９】
図示される実施例においては、第２の誘電体エッチングは極めて選択的であり、これは、シリコンをエッチングする場合よりもはるかに高速で誘電材料をエッチングすることを意味する。このプロセスを用いると、各側壁のシリコン表面は損傷を受けることがなく、このため、引続き、高品質のゲート酸化物を側壁表面に成長させることができる。加えて、第２の誘電体エッチングが実質的に等方性であるため、ゲートトレンチは、垂直方向および横方向のどちらにも同様の速さでエッチングされる。しかしながら、第２の誘電体エッチングを用いて、シリコンメサの側壁上に残っている１０分の数ミクロンの二酸化珪素を除去するので、トレンチゲート開口部２７のアスペクト比に対する全体的な影響は比較的些細なものとなる。一実施例においては、各ゲートトレンチ開口部２７の横方向の幅は約１．５μｍであり、最終深さは約３．５μｍとなる。
【００３０】
図３Ｆは、マスキング層２５を除去し、Ｎ−エピ柱１３の露出した側壁部分を覆う高品質で薄い（たとえば、〜５００Å）ゲート酸化物層２８を形成し、次いでゲートトレンチを充填した後の図３Ｅの例示的なデバイス構造を示す。一実施例においては、ゲート酸化物層２８は熱成長して、１００〜１０００Åの範囲の厚さになる。マスキング層２５を除去してからゲート酸化物２８を形成する。各ゲートトレンチの残りの部分は、完成した深いトレンチＩＧＢＴデバイス構造においてゲート部材１７を形成するドープポリシリコンまたは別の好適な材料で充填される。一実施例においては、各々のゲート部材１７は、横方向の幅が約１．５μｍで、深さが約３．５μｍとなる。
【００３１】
マスキング層は、マスクのミスアライメント誤差が起こる最悪の場合でも、各々のＮ−エピ柱１３の側壁に対して結果として得られるマスキング層２５の重なりによって、対向する柱の側壁のいずれかに沿ったシリコン材料へのプラズマエッチングの侵食が依然として防止されるほど十分に長い距離だけ重ねられなければならないことを、当業者であれば認識するだろう。同様に、マスキング層２５は、マスクのミスアライメントが起こる最悪の場合でも、側壁１９のいずれかに残っている酸化物が適度な第２の誘電体エッチングによっても除去できないほどに長く重ねられるべきではない。
【００３２】
図３Ｇは、各々のＮ−ドリフト領域１３の上部付近にＮ＋ソース（コレクタ）領域１５ａおよび１５ｂならびにＰ−ボディ領域１４を形成した後における図３Ｆの例示的なデバイス構造を示す。ソース領域１５およびＰ−ボディ領域１４は各々、通常の堆積、拡散および／または注入処理技術を用いて形成されてもよい。Ｎ＋ソース領域１５の形成後、トランジスタデバイスは、（明瞭にするために図示されない）従来の製造方法を用いてデバイスのそれぞれの領域／材料に電気的に接続するソース（コレクタ）、ドレイン（エミッタ）、およびＭＯＳＦＥＴゲート電極を形成することによって完成させてもよい。
【００３３】
特定のデバイスタイプに関連付けて上述の実施例を説明してきたが、当業者であれば、多数の変形例および代替例が十分にこの発明の範囲内に収まることを認識するだろう。たとえば、さまざまな深いトレンチＩＧＢＴを説明してきたが、図示される方法、レイアウトおよび構造は、ショットキー（Schottky）、ダイオード、ＭＯＳおよびバイポーラの構造を含む他の構造およびデバイスタイプに等しく適用可能である。したがって、明細書および図面は、限定的なものとしてではなく、例示的なものとみなされるべきである。
【符号の説明】
【００３４】
１０  深いトレンチＩＧＢＴ、１１  Ｐ＋基板、１２  Ｎ＋バッファ層、１３  拡張ドレイン領域、１４  Ｐ−ボディ領域、１５ａ、１５ｂ  Ｎ＋ソース領域、１６  Ｐ＋領域、１７  ゲート。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図４】
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