(57)【要約】【課題】  チャンネル領域が短く、より均一なドーププロファイルを有し、一般に、比較的短い「方形」チャンネルを得る。【解決手段】  従来の短チャンネルデバイスに比べて比較的低いピーク濃度のドーパントと、実質的に均一な濃度のドーパントを有する短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴ。
2005524976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスであって、
少なくとも１つのゲート絶縁層を備えるゲート構造体と、
ソース領域と、
前記ソース領域および前記ゲート絶縁層に隣接するチャンネル領域と、
ある長さを有する前記チャンネル領域に隣接するドリフト領域とを備え、
前記チャンネル領域が、前記ソース領域付近におけるピーク濃度から、前記ドリフト領域付近における中間濃度まで、第１の変化率で延在し、前記中間濃度から、前記ドリフト領域における最小濃度まで、第２の変化率で延在するドーパント濃度プロファイルを有し、前記第１変化率が、前記第２変化率より実質的に小さくて、前記チャンネル領域の前記濃度プロファイルが、方形の角部と類似する半導体デバイス。
【請求項２】
前記チャンネルの長さが、約０．３〜１．０μｍである、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記チャンネル領域が、実質的に均一にドープされる、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
前記ピーク濃度および前記中間濃度が、実質的に等しい、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項５】
前記ゲート構造が、半導体基板上に支持された半導体材料のエピタキシャル層内に形成された対向側壁を有するトレンチであり、前記側壁の各々が、少なくとも前記ゲート酸化物層で裏打ちされている、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項６】
前記チャンネル領域が、ベース領域内にあり、前記ベース領域の導電性が、前記ドリフト領域のそれと反対である、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項７】
ソースコンタクトと、前記ベース領域と同じ導電性タイプの高導電領域とをさらに備え、前記高導電領域が、前記ベース領域内に形成され、前記ソースコンタクトが、前記ソース領域および前記高導電領域とオーム接触している、請求項６に記載の半導体デバイス。
【請求項８】
前記ソースコンタクトが凹部内に延在し、前記高導電領域が凹部の底に位置し、前記ソース領域が前記凹部の側壁に位置している、請求項７に記載の半導体デバイス。
【請求項９】
短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴの閾値電圧を低下させる方法であって、
第１導電性タイプの第１の用量のドーパントを、第２導電性タイプの第１の半導体材料層内に第１の深さまでインプラントするステップと、
前記第１用量のドーパントを拡散ドライブでドライブして、ベース領域を形成するステップと、
前記第１導電性タイプの第２用量のドーパントを、前記ベース領域内に、前記第１の深さより下の第２の深さまでインプラントするステップと、
前記第２用量のドーパントをドライブして、前記ベース領域内に実質的に均一なドーパント濃度プロファイルを得るステップとを含む方法。
【請求項１０】
前記第１用量のドーパントを、前記第２用量のドーパントより低いエネルギーでインプラントする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１用量が、前記第２用量より多い、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記ベース領域が、約０．８〜約１．５μｍの深さである、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００２年５月３日に出願された米国特許仮出願第６０／３７８，１８９号「Ｓｈｏｒｔ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｐｏｗｅｒ  ＭＯＳＦＥＴ Ｗｉｔｈ  Ｌｏｗ  Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｖｏｌｔａｇｅ」（低閾値電圧を有する短チャンネルトレンチパワーＭＯＳＦＥＴ）に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、半導体デバイス、詳細にはＭＯＳゲートデバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
図１を参照すると、一般にトレンチＭＯＳＦＥＴと呼ばれる公知のＭＯＳゲートデバイスは、ダイ８の基板１４上に形成されたエピタキシャル層１２に形成された複数のトレンチ１０を備えている。トレンチ１０の垂直側壁は、通常、ＳｉＯ2から成るゲート絶縁層１６で裏打ちされる。各トレンチの底部は、通常、ゲート絶縁材料と同じ材料である絶縁層をも備えている。各トレンチ１０には、ドープポリシリコンなどのゲート電極材料１８が、少なくとも部分的に充填される。
【０００４】
従来のトレンチＭＯＳＦＥＴは、エピタキシャル層１２内に形成されたベース領域２０をさらに備えている。ベース領域２０は、基板１４の極性、およびエピタキシャル層１２の他の部分の極性と反対の極性のドーパントをドープされる。たとえば、図１に示すデバイスでは、ベース領域２０は、Ｐタイプのドーパントを含み、エピタキシャル層１２および基板１４は、Ｎタイプのドーパントを含む。従来のＭＯＳＦＥＴも、ベース領域２０の上に形成されたソース領域２２を含む。
【０００５】
各トレンチ１０は、ベース領域２０の下の深さまで延在し、ベース領域２０の全長を横断する。一定の最小電圧をゲート導体材料１８に印加した後（閾値電圧）、ゲート絶縁層１６に隣接するベース領域２０の部分は、チャンネル領域の形態に転化され、このチャンネル領域は、チャンネル領域に隣接するソース領域２２が、ベース領域２０の下にあるエピタキシャル層１２の部分（ドリフト領域）に電気的に接続することを可能にする。
【０００６】
従来のトレンチＭＯＳＦＥＴは、ソース領域２２にオーム接続されたソースコンタクト２４と、ベース領域２０内に形成された高導電領域２６とを備えている。ソースコンタクト２４は、絶縁プラグ２８により、各トレンチ内の導電ゲート材料１８から絶縁される。図１に示すような従来のトレンチＭＯＳＦＥＴは、ドレインコンタクト３０も備えている。
【０００７】
トレンチＭＯＳＦＥＴのソースコンタクト２４と、ドレインコンタクト３０との間の抵抗であるトレンチＭＯＳＦＥＴのオン抵抗（Ｒｄｓｏｎ）は、ベース領域２０の厚さに対応するチャンネル領域の長さに応じて増加する。
【０００８】
チャンネル抵抗を低下させるため、より短いチャンネルが望ましい。チャンネルの長さが減少すると、トレンチの深さも減少する。しかし、比較的短いチャンネルを有するデバイスは、ドレインソース間（Ｉｄｓｓ）から漏れる傾向がある。絶縁破壊に耐える能力を有するデバイスの場合、所望のドレインソース間絶縁破壊電圧定格を支持するのに十分な電荷が、ベース領域２０になければならない。したがって、比較的短いチャンネルを有するデバイスの場合、ベース領域におけるドーパントのピーク濃度は比較的高い。
【０００９】
チャンネル内のピーク濃度が比較的高い場合、閾値電圧が比較的高くなる原因になり、特に低ゲートドライブ条件におけるチャンネル抵抗が増加するため、望ましくない。つまり、従来の短チャンネルデバイスの場合、閾値電圧（Ｖｔｈ）が高くなるように、チャンネルのピーク濃度を高くしなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴは、ドーパントのピーク濃度が比較的低く、ドーパント濃度プロファイルが従来の短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴに比べてより狭く、より均一であるチャンネル領域を含む。したがって、本発明による短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴは、閾値電圧が、絶縁破壊電圧定格が同じである従来の短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴより低く、オン抵抗が、電圧定格が同じである従来のトレンチＭＯＳＦＥＴより低い。
【００１１】
閾値電圧が低いと、特に低ゲートドライブ条件におけるＲｄｓｏｎが低くなる。チャンネル領域におけるピーク濃度が比較的低い場合、閾値電圧を過度に高レベルまで上昇させることなく、比較的厚いゲートドライブを使用することができる。比較的厚い酸化物は、ゲートの完全性を改善し、ゲート電荷を低下させる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴは、従来の短チャンネル過程に類似するチャンネルインプラントおよびドライブにより製造されるが、チャンネルインプラント用量は比較的少なく、またはチャンネルドライブ熱予算は減少し、１つまたは複数の追加の高エネルギー、低用量のインプラント、次に拡散ドライブを使用して、チャンネル領域におけるドーパント濃度をより均一にする。結果として得られるチャンネル領域は短く、より均一なドーププロファイルを有し、一般に、比較的短い「方形」チャンネルである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図２を参照すると、従来のトレンチＭＯＳＦＥＴ（たとえば、チャンネルの長さ＝１．０〜１．５μｍ）に関する図１の線「ａ」に沿ったドーパント濃度プロファイルは、第１の点線３２により示され、短チャンネル（たとえば、チャンネルの長さ＝０．３〜１．０μｍ）を有する従来のトレンチＭＯＳＦＥＴに関する図１の線「ａ」に沿ったドーパント濃度プロファイルは、第２の点線３４により示され、図１の線「ａ」に沿った本発明によるトレンチＭＯＳＦＥＴに関するドーパント濃度プロファイルは、線３６により示されている。
【００１４】
図２に示すドーパント濃度プロファイルは、同じ絶縁破壊電圧定格のトレンチＭＯＳＦＥＴに関するものである。図２に示すように、短チャンネルを有する従来のトレンチＭＯＳＦＥＴのチャンネル領域におけるドーパントのピーク濃度３８は、従来のトレンチＭＯＳＦＥＴのチャンネル領域におけるドーパントのピーク濃度４０よりも高い。
【００１５】
従来、短チャンネルデバイスのドーパントの比較的高いピーク濃度は、比較的長チャンネルを有する従来のトレンチＭＯＳＦＥＴと同じ絶縁破壊電圧に耐えるために必要であった。チャンネル領域のドーパント濃度が比較的高い場合の欠点は、閾値電圧の増加、およびチャンネル領域の抵抗の増加であり、これらの増加はデバイスのＲｄｓｏｎ全体を増加させる。
【００１６】
図２を参照すると、本発明によるトレンチＭＯＳＦＥＴは、従来のトレンチＭＯＳＦＥＴと実質的に同じピークドーパント濃度４０を有するが、短チャンネルを有する従来のトレンチＭＯＳＦＥＴと実質的に同じチャンネル長、および耐絶縁破壊能力を有することができる。
【００１７】
すなわち、本発明によるデバイスは、そのチャンネル領域において、比較的低いピークドーパント濃度を有するが、従来の短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴと実質的に同じ絶縁破壊定格を達成することができる。本発明によるトレンチＭＯＳＦＥＴにおけるドーパントの比較的低いピーク濃度は、閾値電圧を低下させて、先行技術の短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴの欠点を克服し、同時に、チャンネルが比較的短いため、従来のトレンチＭＯＳＦＥＴに比べて、低いオン抵抗を示す。
【００１８】
本発明によるトレンチＭＯＳＦＥＴは、従来の短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴと同じ絶縁破壊電圧定格を有することができる。それは、本発明によるトレンチＭＯＳＦＥＴのチャンネル領域におけるドーパント濃度が、先行技術の短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴに比べて、はるかに低い割合で低下するからである。
【００１９】
特に、図２に示すように、ピークドーパント濃度４０と、ドリフト領域付近（ベース領域が、ドリフト領域と共にＰＮジャンクションを形成するチャンネル領域の端部付近）にある領域との間のドーパント濃度プロファイル全体の傾斜は、先行技術による短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴ内の同じ領域に関するドーパント濃度全体の傾斜に比べて実質的に浅い。
【００２０】
全体の浅い傾斜は、本発明によるトレンチＭＯＳＦＥＴのチャンネル領域における比較的均一なドーパント濃度の示度である。つまり、本発明によるトレンチＭＯＳＦＥＴチャンネル領域の大部分のドーパント濃度は、チャンネル領域におけるピークドーパント濃度と実質的に同じである。
【００２１】
本発明のトレンチＭＯＳＦＥＴのチャンネル領域におけるドーパント濃度は、ドリフト領域付近において、急速に変化することに注目するべきである。ドーパント濃度の急速な変化は、図２に示されている。図２では、チャンネル領域のドーパント濃度プロファイルは、ドリフト領域に近接するほぼ垂直な傾斜でドリフト領域に接近する。
【００２２】
ある領域のドーパントのタイプが、別のタイプのドーパントに急激に変化する理想的なＰＮジャンクションと違って、実際的なＰＮジャンクションでは、ある領域における主要な極性のドーパントの濃度が、徐々に変化して最小値に達し、反対の極性のドーパント濃度が優勢になる領域が存在する。
【００２３】
本発明のチャンネル領域のドーパント濃度のほぼ垂直な傾斜は、チャンネル領域におけるドーパントの濃度が、急速に低下して最小値に達することを示す。その後、ソース領域のドーパント濃度に対向するドーパント濃度は、均一なドーパント濃度に達するまで増加する。ドーパント濃度の優位性の変化が生じる位置は、実際的なＰＮジャンクションにおけるジャンクション領域と考えることができる。
【００２４】
ドーパント濃度が、実際的なＰＮジャンクションにおいて急激に変化するのではなく、徐々に変化するのは、処理時、特にインプラント、および拡散時におけるＰ領域とＮ領域との間のドーパントの相互拡散によるところが大きい。ドーパントの相互拡散が生じる領域は、相互拡散領域４２として示してある。
【００２５】
図２で分かるように、本発明によるチャンネル領域のドーパント濃度は、ジャンクション４１に達するまで、相互拡散領域において急速に低下する。その結果、本発明によるトレンチＭＯＳＦＥＴのチャンネル領域の濃度プロファイルは、方形の角部に類似する。これとは対照的に、先行技術による短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴのチャンネル領域におけるドーパント濃度は、ジャンクション４１に達するまで、実質的に同じ割合でそのピーク濃度３８から変化する。
【００２６】
図３〜図５は、本発明によるデバイスを形成する過程の結果を示す。図３を参照すると、先ず、従来のチャンネルインプラントおよびドライブが行われ、図３に示すドーパント濃度プロファイルが生じる。次に、追加の高エネルギー、低用量インプラントステップを行なって、図４に点線２１で示すチャンネル領域の選択部分のドーパント濃度を変化させる。インプラントステップは、たとえば適切なマスキングおよびインプラントステップにより実施することができる。
【００２７】
次に、インプラントは、拡散ドライブで拡散し、図５に示すドーパント濃度プロファイルが得られる。
【００２８】
図６〜図９を参照すると、短チャンネルトレンチＭＯＳＦＥＴの過程は、次のとおりである。
【００２９】
先ず図６を参照すると、フィールド酸化膜４４は、ダイ８のエピタキシャル層１２の上に成長する。フォトリソグラフィを使用して、フィールド酸化膜４４にウィンドウ４６を開き、デバイスの活性領域が形成されるエピタキシャル層上の領域を露出させる。その後、ウィンドウ４６をマスクとして使用し、約２０ＫｅＶ〜１２０ＫｅＶにおいて、３Ｅ１３〜２Ｅ１４イオン／ｃｍ2の用量でホウ素原子をインプラントすることにより、カウンタードープ領域４８をエピタキシャル層１２に形成する。
【００３０】
次に、図７を参照すると、カウンタードープ領域におけるインプラントは、拡散ドライブ中で、約３０〜２４０分間にわたって約１０５０℃〜１１２５℃でドライブされて、０．８〜１．５μｍの深さまで、ベース領域２０を形成する。この段階におけるダイチャンネル領域の結果として得られる濃度プロファイルを、図３に示す。短チャンネルデバイスを形成するには、ベース領域の深さは、約０．３〜１．０μｍ厚のチャンネル領域を可能にするように調節することができる。
【００３１】
次に、図８を参照すると、深いインプラント領域５０は、約３００ＫｅＶ〜１ＭｅＶにおいて、５Ｅ１１〜１Ｅ１３イオン／ｃｍ2の用量で、ホウ素原子をインプラントすることにより、ベース領域に形成される。この段階で得られるチャンネル領域の濃度プロファイルを、図４に示す。
【００３２】
次に、図９を参照すると、ベース領域２のドーパントと反対の導電性のソースドーパントをインプラントして、ベース領域２０にソースインプラント領域５２を形成する。その後、深いインプラント領域５０およびソースインプラント領域５２のドーパントは、拡散ドライブでドライブされ、図１０に示す構造が得られる。この段階で得られるチャンネル領域の濃度プロファイルを図５に示す。
【００３３】
その後、従来の技術を用いて、図１に示すデバイスのその他の要素を形成し、本発明によるデバイスを得る。
【００３４】
本発明について、その特定の実施態様をあげて説明して来たが、その他多数の変形および変更、並びにその他の用途は、当業者にとっては明白である。したがって、本発明は、この明細書の特定の開示事項により制限されるのではなく、添付の請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】先行技術によるトレンチＭＯＳＦＥＴの活性領域の小部分の断面である。
【図２】従来のトレンチＭＯＳＦＥＴ、短チャンネルを有する従来のトレンチＭＯＳＦＥＴ、および本発明によるトレンチＭＯＳＦＥＴの点線［ａ］（チャンネル領域）に沿って切ったドーププロファイルを示す。
【図３】最初のチャンネルインプラントおよびドライブステップ後の図１の線「ａ」を横断するドーププロファイルを示す。
【図４】追加の高エネルギー、低用量ホウ素インプラントおよび活性後の線「ａ」を横断するドーププロファイルを示す。
【図５】ソースインプラント、および拡散ドライブ後の線「ａ」を横断するドーププロファイルを示す。
【図６】本発明によるデバイスの製造における関連ステップを示す。
【図７】本発明によるデバイスの製造における関連ステップを示す。
【図８】本発明によるデバイスの製造における関連ステップを示す。
【図９】本発明によるデバイスの製造における関連ステップを示す。
【図１０】本発明によるデバイスの製造における関連ステップを示す。
【符号の説明】
【００３６】
２  ベース領域
８  ダイ、導電ゲート材料
１０  トレンチ
１２  エピタキシャル層
１４  基板
１６  ゲート絶縁層
１８  ゲート導体材料、ゲート電極材料
２０  ベース領域
２１  点線
２２  ソース領域
２４  ソースコンタクト
２６  高導電領域
２８  絶縁プラグ
３０  ドレインコンタクト
３２  第１の点線
３４  第２の点線
３６  ドーパント濃度プロファイルの線
３８  ピーク濃度
４０  ピークドーパント濃度、ピーク濃度
４１  ジャンクション
４２  相互拡散領域
４４  フィールド酸化膜
４６  ウィンドウ
４８  カウンタードープ領域
５０  インプラント領域
５２  ソースインプラント領域
【図１】
2005524976.tif 000003
【図２】
2005524976.tif 000004
【図３】
2005524976.tif 000005
【図４】
2005524976.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2005524976.tif 000009
【図８】
2005524976.tif 000010
【図９】
2005524976.tif 000011
【図１０】
2005524976.tif 000012
【国際調査報告】
2005524976.tif 000013
2005524976.tif 000014
2005524976.tif 000015
2005524976.tif 000016