(57)【要約】【課題】  デバイスの降伏電圧を実質的に低下させることなしにそのようなデバイスの耐久性を改善すること。【解決手段】  超接合デバイス内のＰ型パイロンは、電荷均衡を修正するためにその頂部で濃度が高く、その結果、電圧遮断動作中にＰ型領域の頂部が完全に空乏化せず、一方、Ｐ型パイロンの残りの部分は、周囲のＮ型本体領域と電荷均衡にある。次いで、なだれ電流をパイロンの頂部でＰ型本体（Ｎ型チャネルデバイスの場合）チャネル領域の中央部に逸らし、ソースの下のＲｂ’から離し、パイロンの頂部の濃度が高いことによる降伏電圧の犠牲が非常に小さい状態で耐久性（Ｒｂ’を介したなだれ電流による寄生バイポーラトランジスタのターンオン）を高めることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超接合半導体デバイスにおいて、第１の導電型の半導体本体領域は、平行な上面と底面とを有し、他方の導電型の複数の離隔されたパイロンは、前記本体領域の厚さの少なくとも一部分を介して延び、それぞれのＭＯＳゲート構造は、前記パイロンのそれぞれの上方で、前記パイロンのそれぞれに接して位置決めされたチャネル領域内に配置されたソース領域を含み、前記パイロンの主要な長さは、それらを囲む前記本体領域と電荷均衡にある前記底面に最も近接する端部から延び、前記パイロンの頂部にある前記パイロンのそれぞれの残りの長さは、前記主要な長さの濃度より高い濃度を有し、それにより、なだれ電流が、前記パイロンの頂部の中央に向かって、前記チャネル内で前記ソース下方のＲｂ’領域から離されて、少なくとも部分的に向けて送られることを特徴とする超接合半導体デバイス。
【請求項２】
前記残りの長さ内の前記電荷は、前記パイロンの前記主要な長さ内の前記電荷より最大約２０％大きいことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記パイロンの前記残りの長さは、前記パイロンの長さの約２５％未満であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記パイロンの前記残りの長さは、前記パイロンの長さの約２５％未満であることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
超接合デバイス用のＮ型本体内のＰ型半導体パイロンは、その頂部で濃度が高く、周囲のＮ型本体の濃度より大きく、かつ均衡を崩し、前記パイロンの長さの残りの部分は、周囲のＮ型本体と電荷均衡にあることを特徴とするＰ型半導体パイロン。
【請求項６】
前記残りの長さ内の前記電荷は、前記主要な長さ内の前記電荷より最大約２０％大きいことを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記パイロンの前記残りの長さは、前記パイロンの長さの約２５％未満であることを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
【請求項８】
前記パイロンの前記残りの長さは、前記パイロンの長さの約２５％未満であることを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
【請求項９】
一方の導電型の半導体ウェハ本体を備え、前記ウェハの底部に主要な電極を有する、改善されたなだれ能力を有する超接合デバイスであって、他方の導電型の複数の同一な離隔されたパイロンは、前記ウェハの厚さの少なくとも一部分を介して延び、前記パイロンの少なくとも下部は、前記ウェハ本体と電荷均衡にあり、前記パイロンの頂部の一部分は、前記下部の電荷より大きい電荷を有することを特徴とする超接合デバイス。
【請求項１０】
前記パイロンの前記頂部内の電荷は、前記下部の電荷より少なくとも約１５〜２０％大きいことを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記頂部の前記一部分の長さは、前記パイロンの全長の約２５％未満であることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記頂部の前記一部分の長さは、前記パイロンの全長の約２５％未満であることを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記パイロンのそれぞれの頂部に配置されたＭＯＳゲート構造をさらに含み、前記ＭＯＳゲート構造は、前記反対の導電型のチャネル領域を備え、そのそれぞれのパイロンを跨いで延び、かつ重なり合い、前記一方の導電性のそれぞれのソース領域は、各チャネル領域のそれぞれ中に延び、前記チャネル内に、また、前記パイロン頂部の外周縁部から除去される前記ソース下方にＲｂ’領域を画定し、ゲート構造は、前記ウェハの頂部で前記ソースとチャネル領域の間でそれぞれの反転可能なチャネル領域を跨いで延び、ソース電極は、前記ウェハの頂部を覆って、前記ソースおよびチャネル領域のそれぞれと接して延びることを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記パイロンの前記頂部内の電荷は、前記下部の電荷より少なくとも約１５〜２０％大きいことを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記頂部の前記一部分の長さは、前記パイロンの全長の約２５％未満であることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記頂部の前記一部分の長さは、前記パイロンの全長の約２５％未満であることを特徴とする請求項１４に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超接合半導体デバイスに関し、より詳細には、デバイスの降伏電圧を実質的に低下させることなしにそのようなデバイスの耐久性を改善することに関する。
【背景技術】
【０００２】
一方の導電型の複数の離隔された平行の柱(column)またはパイロン(pylon)が、他方の導電型のウェハの厚さの一部分または全部を介して延びる超接合デバイスが周知である。パイロンは、Ｎ型チャネルデバイスについてＰ型であり、これが本明細書で使用される例である。次いで、パイロンは、ターンオンされるとウェハのＮ型本体を介して垂直電流を可能にするＭＯＳゲート構造で頂部が覆われる。パイロンの合計電荷量は、周囲のＮ型本体の合計電荷量に整合し、その結果、逆バイアスでは、Ｐ型パイロンおよびＮ型本体が完全に空乏化し、ウェハの厚さ全体にわたって電圧を遮断する。
【０００３】
逆バイアス下で、なだれ電流がそのようなデバイス内を流れる可能性があることが知られている。このなだれ電流は、チャネル領域内に、また、ＭＯＳゲート構造のソース領域（デバイスのＲｂ１領域）の下を、次いで、ソース金属に流れる。なだれ電流の水平部分、したがってソース−Ｐ型本体接合を跨ぐ電圧降下が十分高い場合には、ＭＯＳ構造内の寄生トランジスタをターンオンすることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
なだれ電流の水平部分は、Ｐ型パイロン内の電荷を増やし、Ｐ型領域の均衡を崩し（電荷均衡なし）、したがって、デバイスがなだれ電流ターンオンしやすくないようにすることによって減少させることができる。しかし、パイロン濃度（pylon concentration）が高まると、逆バイアス中にＰ型パイロンが完全に空乏化しないため、降伏電圧が低下する。
【０００５】
したがって、デバイスの耐久性（なだれエネルギー）と降伏電圧の間の設計の兼ね合いは複雑である。
【０００６】
換言すれば、高い降伏電圧と高いなだれエネルギーを共に達成することは、超接合タイプのデバイスを設計する際にクリティカルな技法である。超接合デバイスは、完全な電荷均衡条件と共に動作するとき、高い逆バイアス電圧をサポートすることができる。しかし、Ｒｂ１を介した大量の水平なだれ電流は、ＭＯＳＦＥＴデバイス内のバイポーラ構造を容易にトリガすることになる。一方、パイロン内のＰ電荷がより高く不均衡な状態でデバイスが動作するとき、なだれエネルギーは通常高いが、降伏電圧は低い。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、各パイロンの頂部の小部分だけ、電荷が多く、したがってそれを囲む反対に荷電された領域に比べて電荷不均衡である。
【０００８】
本発明によるデバイスは、降伏電圧となだれエネルギーの好ましい兼ね合いを生み出す。パイロンの頂部だけがその下部に比べてより高いドーズ注入を受けたとき、デバイスは、依然として高い降伏電圧に耐えることができる。デバイスがなだれを起こしたとき、なだれ電流は、デバイスの下部で均一であり、デバイスの頂部近くを流れるとき各パイロンに向かって収束を開始する。これにより、なだれ電流がＲｂ１領域から離されて保たれ、その結果、デバイスは、はるかに高いなだれエネルギーを保持することができる。
【０００９】
好ましい実施形態では、各パイロンの頂部の２５％で電荷が多く、各パイロンの残りの部分は、それを囲む領域に比べて電荷が均衡している。また、好ましくは、各パイロンの頂部の電荷増大量は、その本体の残りの部分の電荷増大量より約１５〜２０％大きい。その結果、好ましい実施形態は、降伏電圧となだれエネルギーの好ましい組合せを示す。本明細書で述べられている値は、デバイスの耐久性やデバイスの降伏電圧定格など、デバイスの様々な特性間の所望の兼ね合いを得るために修正することができることを理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１および２は、述べることになる本発明に従って修正された周知の構造の超接合ＭＯＳＦＥＴデバイスの小部分を示す。
【００１１】
このデバイスは、高ドープ（Ｎ＋＋）シリコンとして示されている主基板部分１１を有するシリコンウェハ１０（ウェハという用語は、チップまたはダイと交換可能に使用される）の形で形成されている。（図１および２は、Ｎ型チャネルデバイスを示す。導電型はすべて、逆にしてＰ型チャネルデバイスをなすことができる。）
【００１２】
超接合の概念は、ウェハ１０の上面に向かって垂直上向きに延びる複数の離隔されたＰ型「パイロン」２０、２１、２２の使用を含む。従来、これらのパイロンは、基板１１の上方で、周囲のシリコンのＮ型本体２３（通常、エピタキシャル堆積層）内の合計電荷量にその合計電荷量が等しいようなＰ型濃度を有する。このようにして、逆バイアス中に、Ｐ型パイロンおよびＮ型本体は、完全に空乏化して電圧を遮断する。しかし、領域２３内のＮ型濃度は、デバイスがターンオンしたとき抵抗がはるかに低くなるように、従来型ＭＯＳＦＥＴに使用される濃度より高くすることができる。
【００１３】
ＭＯＳゲート構造もまた、通常の形で設けられ、環状領域とすることができるＮ＋ソース領域３３、３４、３５をそれぞれ受けるＰ−チャネル領域３０、３１、３２として示されている。それぞれゲート４０、４１および４２より下方にあるチャネル３０、３１および３２内のＰ−領域は、なだれ電流が流れることができるＲｂ’領域である。
【００１４】
ゲート酸化物４０は、ソース領域とそれぞれのチャネル領域との間の反転可能なチャネル領域上に重なり、ポリシリコンゲート電極４１は、ゲート酸化物４０上に重なる。ＬＴＯなど絶縁層４２は、上に重なるソース電極４３からゲート４１のポリシリコンゲートセグメントを絶縁する。ドレイン接点５０は、ウェハ１０の底部に接続される。
【００１５】
パイロン２０、２１および２２は、どのような所望の方法で作製することもできる。１つの従来型工程は、Ｎ型層６０〜６５の連続エピタキシャル堆積を含み、各層の形成に続いて位置合わせされたＰ型を拡散し、最終的なパイロンを形成する。層の数とその厚さおよび濃度は周知である。典型的には、高電圧デバイスの場合、必要とされる長さを得るために６層が使用されることになる。
【００１６】
本発明によれば、パイロンのそれぞれの頂部（および最上層６５内の拡散）は、各拡散が濃度Ｐ１を有する柱の残りの部分の濃度より大きい濃度Ｐ２を有し、Ｐ１＜Ｐ２である。
【００１７】
濃度が高いパイロン部分の長さは、パイロン全長の約２５％未満（図の実施形態では約１６％）であることが好ましいことに留意されたい。さらに、濃度Ｐ２は、Ｐ１より約１５〜２０％大きいことが好ましい。
【００１８】
図３はパイロン２０を示し、パイロンまたはＰ型柱２０の高ドープ部分がデバイス動作を改善する様子を示す。
【００１９】
したがって、高い降伏電圧と高いなだれエネルギーを共に達成することが、超接合タイプのデバイスのクリティカルな設計の目的である。超接合は、完全な電荷均衡条件で動作するとき、電極４３と電極５０（図１）の間で高い逆バイアス電圧をサポートすることができる。しかし、Ｒｂ１を介した大きいなだれ電流は、ＭＯＳＦＥＴデバイス区間内のバイポーラ構造を容易にトリガすることになる。一方、パイロン内のＰ電荷がより高い状態でデバイスが動作するとき、なだれエネルギーは通常高いが、降伏電圧は低い。
【００２０】
本発明は、降伏電圧となだれエネルギーの兼ね合いを改善する。Ｐ型パイロン２０の頂部だけが（Ｐ型柱の下部のドーズ注入より）高いドーズ注入Ｐ２を受けたとき、デバイスは、依然として比較的高い降伏電圧に耐えることができる。しかし、デバイスがなだれを起こしたとき、図３で矢印によって示すように、なだれ電流は、デバイスの下部で均一であるが、デバイスの頂部近くのＰ型柱に向かって収束を開始する。これにより、ソース３３の下のＲｂ’領域からなだれ電流が離されて保たれ、その結果、デバイスは、はるかに高いなだれエネルギーを処理することができる。
【００２１】
以上、本発明について、その特定の実施形態に関係して述べたが、多数の他の変形形態および修正形態ならびに他の使用が当業者には明らかになるであろう。したがって、本発明は、本明細書の特定の開示によって限定されないことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の特徴を含む超接合ウェハの断面図である。
【図２】図１の切断線２−２をわたって取られた図１の断面図である。
【図３】図１および２の単一のパイロンについて本発明の動作を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０  シリコンウェハ
１１  主基板部分
２０、２１、２２  Ｐ型パイロン
２３  Ｎ型本体
３０、３１、３２  Ｐ−チャネル領域
３３、３４、３５  Ｎ＋ソース領域
４０  ゲート酸化物
４１  ポリシリコンゲート電極
４２  絶縁層
４３  ソース電極
５０  ドレイン接点
６０〜６５  Ｎ型層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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