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JP2000349092A - 選択的エピタキシャル成長により形成したトレンチ壁を備えたトレンチゲート装置及びその形成方法 - Google Patents

選択的エピタキシャル成長により形成したトレンチ壁を備えたトレンチゲート装置及びその形成方法

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JP2000349092A
JP2000349092A JP2000152488A JP2000152488A JP2000349092A JP 2000349092 A JP2000349092 A JP 2000349092A JP 2000152488 A JP2000152488 A JP 2000152488A JP 2000152488 A JP2000152488 A JP 2000152488A JP 2000349092 A JP2000349092 A JP 2000349092A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】側壁の平滑性を向上することにより、効率及び
パワーハンドリング性を向上させたトレンチゲートパワ
ー装置を提供すること。 【解決手段】トレンチゲートパワー装置は、基板と、そ
の上に設けられたエピタキシャル層と、ソース領域とボ
ディ領域とを含むウエル領域と、トレンチゲートと、ド
レイン領域とを含んでなる。選択的に成長させたエピタ
キシャル材料を含んでなる側壁を備えたゲートトレンチ
をさらに含んでなる。ゲートトレンチの高さ及び幅寸法
に実質的に相当する厚さ及び幅寸法を有する誘電体層
を、基板の上層上に形成する。エピタキシャル材料から
なる層を、基板の上層上及び誘電体層上に成長させ、前
記エピタキシャル材料を平坦化して前記誘電体層の上面
と実質的に同一平面とする。その後、前記誘電体層を除
去して、選択的に成長させたエピタキシャル材料を含ん
でなるゲートトレンチ側壁を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関
し、特に選択的エピタキシャル成長により形成したトレ
ンチ壁を備えたトレンチゲート装置及び前記装置の製造
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
ンジスタには、高電流、低電圧切替用途に用いられるプ
レーナトランジスタに対して顕著な利点がある。DMO
Sトレンチゲートは、典型的にはソースからドレインに
延び、各々熱成長二酸化シリコンからなる層をライニン
グした側壁とフロアとを備えたトレンチを含む。ライニ
ングを施したトレンチには、ドープトポリシリコンが充
填されている。トレンチゲートの構造上、収斂電流が少
なくなり、その結果、比オン抵抗が低くなる。さらに、
トレンチゲートにより、トランジスタのボディを介して
ソースの底からトレンチの垂直側壁に沿って下のドレイ
ンに延びているMOSチャネルにおけるセルピッチを減
少できる。チャネル密度を増加させると、チャネルのオ
ン抵抗への影響が減少する。トレンチDMOSトランジ
スタの構造及び性能は、Bulucea及びRosse
n、「Trench DMOS Transistor
Technology for High−Curr
ent (100A Range) Switchin
g(高電流(100Aレンジ)切替用トレンチDMOS
トランジスタ技術)」、Solid−State El
ectronics、第34巻、No.5,第493〜
507頁(1991)で検討されている。
【0003】DMOSパワー装置の有用性に加えて、ト
レンチゲートは、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)及び他
のトレンチゲート装置にも有利に用いられている。典型
的な半導体装置は、MOSFET構造を、現在工業界で
使用されている種々のセルラー又はストライプ状レイア
ウトで配置して含んでいる。
【0004】MOSFETのトレンチゲートは、トレン
チを基板にプラズマエッチングして形成し、トレンチに
誘電体材料をライニングしてから導電材料で実質的に充
填することにより形成される。装置寸法の減少が必要と
されるにつれて、装置のしきい値電圧と信頼性への影響
の面からエッチング形成したトレンチの側壁の表面粗さ
の重要性が増す。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、側壁の平滑性を向上することにより、効率及び
パワーハンドリング性を向上させたトレンチゲートパワ
ー装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、基板
と、前記基板の上層上に設けられたエピタキシャル成長
させた材料からなる層と、ソース領域とボディ領域を含
むウエル領域と、トレンチゲートと、ドレイン領域とを
含んでなるトレンチゲートパワー装置であって、選択的
に成長させたエピタキシャル材料を含んでなる側壁を有
するゲートトレンチをさらに含んでなることを特徴とす
る、トレンチゲートパワー装置が提供される。本発明
は、基板と、前記基板の上層に設けられたエピタキシャ
ル層と、ソース領域とボディ領域を含むウエル領域と、
トレンチゲートと、ドレイン領域とを含んでなり、選択
的に成長させたエピタキシャル材料を含んでなる側壁を
有するゲートトレンチをさらに含んでなる、トレンチゲ
ートパワー装置に関する。
【0007】また、本発明によれば、基板の上層上に、
上表面を有し且つゲートトレンチの高さ及び幅寸法に実
質的に相当する厚さ及び幅寸法を有する誘電体層を形成
する工程を含んでなる、トレンチゲートパワー装置の形
成方法であって、前記基板の上層及び前記誘電体層上に
エピタキシャル材料からなる層を成長させ、前記エピタ
キシャル材料を平坦化して前記誘電体層の上面と実質的
に同一平面とし、前記誘電体層を除去して選択的に成長
させたエピタキシャル材料を含んでなるゲートトレンチ
側壁を形成し、前記ゲートトレンチに誘電体材料をライ
ニングし、前記ライニングを施したトレンチに導電材料
を実質的に充填してトレンチゲートを形成し、前記平坦
化エピタキシャル材料にウエル領域とボディ領域とソー
ス領域とを形成することを特徴とする、方法が提供され
る。本発明のトレンチゲートパワー装置の形成方法によ
れば、基板の上層上に、上表面を有し且つゲートトレン
チの高さ及び幅寸法に実質的に相当する厚さ及び幅寸法
を有する誘電体層を形成する。前記基板の上層及び前記
誘電体層上にエピタキシャル材料からなる層を成長さ
せ、前記エピタキシャル材料を平坦化して前記誘電体層
の上面と実質的に同一平面とする。その後、前記誘電体
層を除去して選択的に成長させたエピタキシャル材料を
含んでなるゲートトレンチ側壁を形成する。本発明の方
法は、前記トレンチに誘電体材料をライニングし、前記
ライニングを施したトレンチに導電材料を実質的に充填
してトレンチゲートを形成し、前記平坦化エピタキシャ
ル材料にウエル領域とボディ領域とソース領域とを形成
することをさらに含んでなる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明を、添付図面を例と
して参照しながら説明する。
【0009】図1〜図6は、Nドープト単結晶シリコン
であることができる半導体基板101上に本発明のトレ
ンチゲート装置100を形成する方法を示した概略図で
ある。基板101は、上層101aを有する。この上層
101aは、基板101自体の一部分でもよく、又は好
ましくは、破壊電圧に耐えるに十分な厚さのN型又はP
型のエピタキシャル層であってもよい。誘電材料からな
る層を、基板上層101a上に成長又は堆積させ、マス
クし、エッチングして図1に示すような厚さ及び幅寸法
がそれぞれ102t及び102wである誘電体層102
を形成する。典型的には、複数の誘電体層102を、基
板101の表面に形成する。P型として示されているエ
ピタキシャル材料からなる層103を、図2に示すよう
に、層101a及び層102上に成長させる。図面に示
した基板101、誘電体層102、エピタキシャル層1
03の寸法及び他の特徴は、正確な縮尺ではなく、明瞭
に示すために変形されていることは、言うまでもない。
【0010】図3に示すように、層103を平坦化して
層103pとする。誘電体層102に隣接する層103
pの厚さは、実質的に102tに等しいが、誘電体層1
02から離れた領域104ではより薄くなる。化学的エ
ッチング法により層102を除去することにより、図4
に示すように、側壁106を有するゲートトレンチ10
5が形成される。層102の化学エッチングは、例え
ば、フッ化水素酸等の酸性薬剤を使用したバッファード
オキシドエッチ(BOE)法により実施できる。トレン
チ105は、それぞれ誘電体層102の寸法102t及
び102wに実質的に相当する高さ及び幅寸法105h
及び105wを有する。
【0011】ゲートトレンチ105に、二酸化シリコン
でよい誘電材料107でライニングし、ドープトポリシ
リコン等の導電材料108を実質的に充填することによ
り、図5に示すようなトレンチゲート109を形成す
る。必要に応じて、トレンチ105を誘電材料107で
ライニングする前に、表面清浄化工程を用いてもよい。
トレンチライニングプロセスにより、エピタキシャル層
103pがトレンチ105のコーナー周囲に横方向及び
縦方向に拡散して、トレンチコーナーに関連する信頼性
の問題を軽減される。
【0012】図6に示すように、打ち込み及び熱活性化
/拡散をおこなってN+ソース領域110及びP+ボデ
ィ領域111を形成することにより、装置100の加工
を完了する。エピタキシャル層103pの下部は、Pウ
エル領域112としての役割を果たし、基板101の下
部には、ドレイン領域113が設けられる。インターレ
ベル誘電体層114を、ソース領域110及びゲートト
レンチ109上に形成し、ソース領域110及びボディ
領域111とそれぞれ電気接触する金属層115を、エ
ピタキシャル層103p上及びインターレベル誘電体層
114上に堆積させる。また、金属層(図示してない)
を、基板101の下面に堆積させてドレイン領域113
と接触させる。
【0013】有利なことに、形成方法により、ゲートト
レンチ側壁106は、プラズマエッチングによりゲート
トレンチ105を形成した場合よりも平滑となる。ま
た、上記したように、エピタキシャル層の平坦化によ
り、平坦化層103pのより薄い領域104が生じるの
で、装置100のボディ領域111が凹部となり、これ
により、接触面積を増加させ且つアンクランプ誘導切替
(UIS)性を向上できるであろう。
【0014】インターレベル誘電体の形成に対するソー
ス領域及びボディ領域形成の順序は、最終的な装置機能
及びレイアウトに影響することなく変更できる。ウエル
領域を、選択的に成長させたP型エピタキシャル層内に
形成する。均一にドープされたウエルにより、オン抵抗
とショートチャネル効果との間のバランスが良好とな
る。しかしながら、ウエルは、N型エピタキシャル層を
選択的に成長させた後、P型ドーパントをイオン注入及
び拡散させてドーピングすることによっても形成でき
る。本発明では、Nチャネルシリコン基板を用いたもの
として示されているが、他の装置並びに他のドーパント
及び他の半導体材料、例えば、シリコン−ゲルマニウム
にも適用できる。記載の装置は、パワーMOSFETで
あるが、本発明は、全てのトレンチゲート装置、例え
ば、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)に適用できる。
【0015】トレンチゲートパワー装置は、基板と、基
板の上層上に設けられたエピタキシャル層と、ソース領
域とボディ領域とを含むウエル領域と、トレンチゲート
と、ドレイン領域とを含んでなる。選択的に成長させた
エピタキシャル材料を含んでなる側壁を備えたゲートト
レンチをさらに含んでなることを特徴としている。向上
したトレンチゲートパワー装置の形成方法では、上表面
を有するとともにゲートトレンチの高さ及び幅寸法に実
質的に相当する厚さ及び幅寸法を有する誘電体層を、基
板の上層上に形成する。エピタキシャル材料からなる層
を、基板の上層上及び誘電体層上に成長させ、前記エピ
タキシャル材料を平坦化して前記誘電体層の上面と実質
的に同一平面とする。その後、前記誘電体層を除去し
て、選択的に成長させたエピタキシャル材料を含んでな
るゲートトレンチ側壁を形成する。本方法は、前記トレ
ンチに誘電体材料をライニングし、前記ライニングを施
したトレンチに導電材料を実質的に充填してトレンチゲ
ートを形成し、前記平坦化エピタキシャル材料にウエル
領域とボディ領域とソース領域とを形成することをさら
に含んでなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体装置の形成方法を示す。
【図2】半導体装置の形成方法を示す。
【図3】半導体装置の形成方法を示す。
【図4】半導体装置の形成方法を示す。
【図5】半導体装置の形成方法を示す。
【図6】半導体装置の形成方法を示す。
【符号の説明】
100 トレンチゲート装置 101 半導体基板 101a 基板の上層 102 誘電体層 102t 誘電体層の厚さ 102w 誘電体層の幅 103 エピタキシャル材料層 103p 誘電体層に隣接する層 104 誘電体から離れた領域 105 ゲートトレンチ 105h ゲートトレンチの高さ 105w ゲートトレンチの幅 106 側壁 107 誘電材料 109 トレンチゲート 110 ソース領域 111 ボディ領域 112 ウエル領域 113 ドレイン領域 114 インターレベル誘電体層 115 金属層
フロントページの続き (72)発明者 ジュン ゼン アメリカ合衆国、ペンシルベニア州 18707、マウンテントップ、カタルパ ア ベニュー 150 (72)発明者 クリストファー ココン アメリカ合衆国、ペンシルベニア州 18705、プレインズ、グレイス ドライブ 16

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板と、前記基板の上層上に設けられたエ
    ピタキシャル成長させた材料からなる層と、ソース領域
    とボディ領域を含むウエル領域と、トレンチゲートと、
    ドレイン領域とを含んでなるトレンチゲートパワー装置
    であって、 選択的に成長させたエピタキシャル材料を含んでなる側
    壁を有するゲートトレンチをさらに含んでなることを特
    徴とする、トレンチゲートパワー装置。
  2. 【請求項2】前記基板が第一伝導型であり、前記上層上
    の前記エピタキシャル成長材料が第二逆伝導型であっ
    て、前記第一伝導型がNであり、前記第二伝導型がPで
    あり、前記基板と、前記上層上の前記エピタキシャル成
    長材料とが、両方とも第一伝導型であり、前記基板の前
    記上層が前記基板内に含まれていることを特徴とする、
    請求項1に記載の装置。
  3. 【請求項3】前記基板の前記上層がエピタキシャル材料
    を含んでなり、前記ウエル領域と前記ソース領域と前記
    ボディ領域とが前記エピタキシャル材料からなる層に含
    まれており、前記ウエル領域と前記エピタキシャル材料
    からなる層とが逆の伝導型であり、前記基板と前記エピ
    タキシャル材料からなる層とがシリコンを含んでなるこ
    とを特徴とする、請求項1に記載の装置。
  4. 【請求項4】前記ドレイン領域が前記基板の下部に配置
    されており、インターレベル誘電体層が前記トレンチゲ
    ート及び前記ソース領域上に位置し、金属層が前記イン
    ターレベル誘電体層上に位置し、前記金属層が前記ソー
    ス領域及びボディ領域と電気接触していることを特徴と
    する、請求項1に記載の装置。
  5. 【請求項5】前記装置が複数のゲートトレンチを含んで
    なり、前記複数のゲートトレンチがオープンセルストラ
    イプトポロジーを有するか、前記複数のゲートトレンチ
    がクローズドセルセルラートポロジーを有することを特
    徴とする、請求項1に記載の装置。
  6. 【請求項6】基板の上層上に、上表面を有し且つゲート
    トレンチの高さ及び幅寸法に実質的に相当する厚さ及び
    幅寸法を有する誘電体層を形成する工程を含んでなるト
    レンチゲートパワー装置の形成方法であって、 前記基板の上層及び前記誘電体層上にエピタキシャル材
    料からなる層を成長させ、前記エピタキシャル材料を平
    坦化して前記誘電体層の上面と実質的に同一平面とし、
    前記誘電体層を除去して選択的に成長させたエピタキシ
    ャル材料を含んでなるゲートトレンチ側壁を形成し、前
    記ゲートトレンチに誘電体材料をライニングし、前記ラ
    イニングを施したトレンチに導電材料を実質的に充填し
    てトレンチゲートを形成し、前記平坦化エピタキシャル
    材料にウエル領域とボディ領域とソース領域とを形成す
    ることを特徴とする、方法。
  7. 【請求項7】前記トレンチゲート及び前記ソース領域上
    にインターレベル誘電体層を形成し、前記インターレベ
    ル誘電体層上に金属層を形成し、前記金属層が前記ソー
    ス領域及び前記ボディ領域と電気接触しており、前記基
    板が第一伝導型であり、前記上層上の前記エピタキシャ
    ル成長材料が第二逆伝導型であって、前記第一伝導型が
    Nであり、前記第二伝導型がPであることを特徴とす
    る、請求項6に記載の方法。
  8. 【請求項8】前記基板と、前記上層上の前記エピタキシ
    ャル成長材料とが、両方とも第一伝導型であり、前記基
    板の前記上層が前記基板内に含まれており、前記基板の
    前記上層がエピタキシャル材料を含んでなることを特徴
    とする、請求項6に記載の方法。
  9. 【請求項9】前記エピタキシャル材料からなる層に前記
    ウエル領域と前記ソース領域と前記ボディ領域とを形成
    し、前記ウエル領域と前記エピタキシャル材料からなる
    層とが逆の伝導型であり、前記基板と前記エピタキシャ
    ル材料からなる層とがシリコンを含んでなり、前記誘電
    体材料が二酸化シリコンを含んでなり、前記ゲートトレ
    ンチにおける前記導電材料がドープトポリシリコンを含
    んでなることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
  10. 【請求項10】前記誘電体層の除去を、化学エッチング
    法により実施することを特徴とする、請求項6に記載の
    方法。
  11. 【請求項11】複数のゲートトレンチを形成し、前記複
    数のゲートトレンチがオープンセルストライプトポロジ
    ーを有するか、前記複数のゲートトレンチがクローズド
    セルセルラートポロジーを有することを特徴とする、請
    求項6に記載の方法。
JP2000152488A 1999-05-25 2000-05-24 選択的エピタキシャル成長により形成したトレンチ壁を備えたトレンチゲート装置 Expired - Lifetime JP4733247B2 (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/318,334 US6373098B1 (en) 1999-05-25 1999-05-25 Trench-gated device having trench walls formed by selective epitaxial growth and process for forming device
US09/318334 1999-05-25

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US (1) US6373098B1 (ja)
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JP (1) JP4733247B2 (ja)
KR (1) KR100656239B1 (ja)

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