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JP7618951B2 - Power semiconductor devices and electronic equipment - Google Patents
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Description

この出願は、“パワー半導体デバイス及び電子機器”と題されて2020年11月30日に中国国家知的所有権管理局に出願された中国特許出願第202011379684.2号に対する優先権を主張するものであり、それをその全体にてここに援用する。 This application claims priority to Chinese Patent Application No. 202011379684.2, entitled “Power Semiconductor Device and Electronic Device,” filed with the State Intellectual Property Administration of China on November 30, 2020, which is hereby incorporated by reference in its entirety.

この出願は、回路技術の分野に関し、特に、パワー半導体デバイス及び電子機器に関する。 This application relates to the field of circuit technology, and in particular to power semiconductor devices and electronic devices.

パワー集積回路及びデバイスの小型化に向けての技術開発に伴い、パワー集積回路のコアエレクトロニクスのうちの1つとして、パワー半導体デバイスもまた、高集積化、小型化、高性能化、及び低コスト化の開発要件を提示している。例えば、電子機器におけるバッテリ管理及び充電システムの保護回路のコアコンポーネントとして、パワー半導体デバイスは、バッテリ及び充電負荷の過放電、過充電、及び過電流から効果的に防止することができ、それにより出力短絡保護を実現し得る。 With the technological development toward miniaturization of power integrated circuits and devices, power semiconductor devices, as one of the core electronics of power integrated circuits, also present development requirements for high integration, miniaturization, high performance, and low cost. For example, as a core component of the protection circuit of the battery management and charging system in electronic equipment, the power semiconductor device can effectively prevent the battery and charging load from over-discharging, over-charging, and over-current, thereby realizing output short circuit protection.

バッテリ管理及び充電システムの保護回路におけるパワー半導体デバイスは、主に、シリコン材料で製造された金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)からなるスイッチデバイスである。加えて、バッテリ管理及び充電システムの保護回路に使用される電界効果トランジスタは、リチウム電池及び負荷回路に対して双方向保護を提供するために、双方向阻止機能及び双方向ターンオン機能を持つ必要がある。業界における一般的なソリューションは、同じ構造の2つのMOSFETを共通ドレインモードで対称的に直列接続して、共通ドレインパワー半導体デバイスを形成するものである。図1は、2つの縦型MOSFETが共通ドレインモードで直列に接続された半導体デバイスである。このパワー半導体デバイスの主要構造は、基板4と、基板4上に配置されたエピタキシャル層3とを含み、基板4はシリコン基板であり、エピタキシャル層3はシリコンエピタキシャル層である。各MOSFET構造は、エピタキシャル層3の表面上に配置されたゲート1及びソース2と、エピタキシャル層3に位置するチャネル(図示せず)とを含む。2つのMOSFETの共通ドレインとして基板の底面にバックメタルが配置される。各MOSFETに対応するドリフト領域(図示せず)がエピタキシャル層3に配置される。2つのソース2が、それぞれ、パワー半導体デバイスの入力端及び出力端として使用され、2つのゲート1が、それぞれ、入力端のMOSFET及び出力端のMOSFETをターンオン又はターンオフするように制御する。 The power semiconductor devices in the protection circuit of the battery management and charging system are mainly switch devices made of metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) fabricated with silicon materials. In addition, the field effect transistors used in the protection circuit of the battery management and charging system need to have bidirectional blocking and bidirectional turn-on functions to provide bidirectional protection for the lithium battery and the load circuit. A common solution in the industry is to symmetrically connect two MOSFETs of the same structure in series in common drain mode to form a common drain power semiconductor device. Figure 1 shows a semiconductor device in which two vertical MOSFETs are connected in series in common drain mode. The main structure of this power semiconductor device includes a substrate 4 and an epitaxial layer 3 disposed on the substrate 4, where the substrate 4 is a silicon substrate and the epitaxial layer 3 is a silicon epitaxial layer. Each MOSFET structure includes a gate 1 and a source 2 disposed on the surface of the epitaxial layer 3, and a channel (not shown) located in the epitaxial layer 3. A back metal is disposed on the bottom surface of the substrate as the common drain of the two MOSFETs. A drift region (not shown) corresponding to each MOSFET is disposed in the epitaxial layer 3. Two sources 2 are used as the input and output ends of the power semiconductor device, respectively, and two gates 1 control the input MOSFET and the output MOSFET to turn on or off, respectively.

ターンオフの場合、出力端(又は入力端)のMOSFETのゲートはハイレベルにあり、入力端(又は出力端)のMOSFETはターンオンするが、入力端(又は出力端)のMOSFETのゲートはローレベルにあり、入力端(又は出力端)のMOS構造がターンオフして、一方の(出力端の)MOSFETのソースから他方の(入力端の)MOSFETのソースへの双方向耐電圧阻止を実現する。ターンオンの場合、入力端のMOSFETのゲート及び出力端のMOSFETのゲートの両方がハイレベルにあり、入力端のMOSFET及び出力端のMOSFETの両方がターンオンする。図1に示す矢印によって指し示される電流の流れ方向において、電流は、一方のMOSFETのソース2からチャネル及びドリフト領域(エピタキシャル層3に位置するが図示せず)を通って基板4に流れ、そして、他方のMOSFETのドリフト領域及びチャネルを通ってソース2に流れる。 When turned off, the gate of the MOSFET at the output end (or input end) is at a high level, the MOSFET at the input end (or output end) is turned on, but the gate of the MOSFET at the input end (or output end) is at a low level, and the MOS structure at the input end (or output end) is turned off to realize bidirectional withstand voltage blocking from the source of one (output end) MOSFET to the source of the other (input end) MOSFET. When turned on, both the gate of the MOSFET at the input end and the gate of the MOSFET at the output end are at a high level, and both the MOSFET at the input end and the MOSFET at the output end are turned on. In the direction of current flow indicated by the arrows in FIG. 1, the current flows from the source 2 of one MOSFET through the channel and drift region (located in the epitaxial layer 3 but not shown) to the substrate 4, and then through the drift region and channel of the other MOSFET to the source 2.

上述のパワー半導体デバイスがターンオンするとき、電流は、エピタキシャル層3にあるドリフト領域を2回流れるとともに基板4を1回流れる。エピタキシャル層3にあるドリフト領域の抵抗及び基板4の基板抵抗は、パワー半導体デバイス全体のオン抵抗を増加させる。加えて、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタのプロセスサイズが継続的に縮小されるにつれて、全抵抗に対する抵抗ドリフト領域の抵抗と基板の抵抗の割合も増加する。さらに、例えばゲート1及びソース2などの構造がエピタキシャル層の表面上に配置されて水平方向に配置されるため、それがパワー半導体デバイスのチップ面積の無駄を生じさせ、デバイスの単位面積当たりの固有オン抵抗及び単位面積当たりのコストを更に増加させ、パワー半導体デバイスを小型化するのを困難にする。同じデバイス面積では、バッテリ管理及び充電システム保護回路の損失及び温度上昇が増大され、充電効率が低下する。 When the above-mentioned power semiconductor device is turned on, the current flows twice through the drift region in the epitaxial layer 3 and once through the substrate 4. The resistance of the drift region in the epitaxial layer 3 and the substrate resistance of the substrate 4 increase the on-resistance of the entire power semiconductor device. In addition, as the process size of the metal-oxide-semiconductor field-effect transistor is continuously reduced, the ratio of the resistance of the drift region and the resistance of the substrate to the total resistance also increases. Furthermore, since structures such as the gate 1 and source 2 are disposed on the surface of the epitaxial layer and arranged horizontally, it causes a waste of chip area of the power semiconductor device, which further increases the specific on-resistance per unit area and the cost per unit area of the device, and makes it difficult to miniaturize the power semiconductor device. With the same device area, the loss and temperature rise of the battery management and charging system protection circuitry are increased, and the charging efficiency is reduced.

この出願は、パワー半導体デバイスが小型化に向かって発展するように、デバイスの固有耐電圧要求を満たしながらパワー半導体デバイスの単位面積当たりの固有オン抵抗を改善するためのパワー半導体デバイス及び電子機器を提供する。 This application provides a power semiconductor device and electronic device for improving the specific on-resistance per unit area of a power semiconductor device while satisfying the device's specific withstand voltage requirements, so that power semiconductor devices can progress toward miniaturization.

第1の態様によれば、パワー半導体デバイスが提供される。当該パワー半導体デバイスは、第1ドーピング型のエピタキシャル層と、2つの共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタとを含み、第1ドーピング型のエピタキシャル層にトレンチが配置され、2つの共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタが、並列に背中合わせで対称的に接続されてセルを形成する。各共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタが、トレンチの深さ方向に沿って配置された第1の金属酸化膜半導体構造及び第2の金属酸化膜半導体構造を含み、第1の金属酸化膜半導体構造及び第2の金属酸化膜半導体構造は、ドレインを共通として直列に接続される。第1の金属酸化膜半導体構造は、第1ソース、第1チャネル、及び第1ゲートを含む。第1チャネルは第1ドーピング型のエピタキシャル層に配置され、第1ソースは第1チャネルに接続され、第1ソース及び第1チャネルはトレンチの同じ側に位置する。第1チャネルは、第1ドーピング型のエピタキシャル層に配置された第2ドーピング型の領域である。第1ゲートは、トレンチ内に配置され、ターンオンするよう第1チャネルを制御するように構成される。第2の金属酸化膜半導体構造は、第2ソース、第2チャネル、及び第2ゲートを含む。第2ソースはトレンチの底に位置し、該第2チャネルは、第1ドーピング型のエピタキシャル層に位置して第2チャネルに接続される。第2チャネルは、第1ドーピング型のエピタキシャル層に配置された第2ドーピング型の領域である。第2ゲートは、トレンチ内に配置され、ターンオンするよう第2チャネルを制御するように構成される。上述の構造が具体的に配置されるとき、第1チャネル及び第2チャネルは、トレンチの深さ方向に沿って間隔をあけて上下に配置され、第1チャネルと第2チャネルとの間の第1ドーピング型のエピタキシャル層の部分がドリフト領域であり、ドリフト領域及び第1チャネルは、トレンチの同じ側に位置し、第1チャネルと上下に配置される。第2ゲート及び第1ゲートは、トレンチの深さ方向に沿って間隔をあけて上下に配置される。第1ゲート及び第2ゲートが、それぞれ、第1チャネル及び第2チャネルをターンオンするように制御するとき、第1ソース、第1チャネル、第1チャネルと第2チャネルとの間の第1ドーピング型のエピタキシャル層の部分(ドリフト領域)、第2チャネル、及び第2ソースの配置方向に沿って又はその反対方向に沿って電流が流れる。また、2つの共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタが具体的に配置されるとき、2つの共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは第2ソースを共有し、2つの共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの2つの第1チャネルが、トレンチの両側に配置され、2つの第1ソースが、トレンチの両側に配置される。上述の技術的ソリューションでは、第1ゲート及び第2ゲートがトレンチの深さ方向に沿って上下に配置されることで、水平方向において各共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタによって占有されるサイズを減少させる。さらに、第1の金属酸化膜半導体構造及び第2の金属酸化膜半導体構造がドリフト領域を共有し、それによりドリフト領域の抵抗を低減させ、単位面積当たりのパワー半導体デバイスの固有オン抵抗を更に低減させる。 According to a first aspect, a power semiconductor device is provided. The power semiconductor device includes an epitaxial layer of a first doping type and two common drain metal oxide semiconductor field effect transistors, a trench is disposed in the epitaxial layer of the first doping type, and the two common drain metal oxide semiconductor field effect transistors are symmetrically connected back to back in parallel to form a cell. Each common drain metal oxide semiconductor field effect transistor includes a first metal oxide semiconductor structure and a second metal oxide semiconductor structure disposed along the depth direction of the trench, and the first metal oxide semiconductor structure and the second metal oxide semiconductor structure are connected in series with a common drain. The first metal oxide semiconductor structure includes a first source, a first channel, and a first gate. The first channel is disposed in the epitaxial layer of the first doping type, the first source is connected to the first channel, and the first source and the first channel are located on the same side of the trench. The first channel is a region of a second doping type disposed in the epitaxial layer of the first doping type. The first gate is disposed in the trench and is configured to control the first channel to turn on. The second metal oxide semiconductor structure includes a second source, a second channel, and a second gate. The second source is located at the bottom of the trench, and the second channel is located in the epitaxial layer of the first doping type and connected to the second channel. The second channel is a region of a second doping type disposed in the epitaxial layer of the first doping type. The second gate is disposed in the trench and is configured to control the second channel to turn on. When the above structure is specifically arranged, the first channel and the second channel are spaced apart from each other along the depth direction of the trench, and the portion of the epitaxial layer of the first doping type between the first channel and the second channel is a drift region, and the drift region and the first channel are located on the same side of the trench and are arranged above and below the first channel. The second gate and the first gate are spaced apart from each other along the depth direction of the trench. When the first gate and the second gate control the first channel and the second channel to turn on, respectively, a current flows along or in the opposite direction to the arrangement direction of the first source, the first channel, the part of the epitaxial layer of the first doping type between the first channel and the second channel (drift region), the second channel, and the second source. In addition, when the two common drain metal oxide semiconductor field effect transistors are specifically arranged, the two common drain metal oxide semiconductor field effect transistors share the second source, the two first channels of the two common drain metal oxide semiconductor field effect transistors are arranged on both sides of the trench, and the two first sources are arranged on both sides of the trench. In the above technical solution, the first gate and the second gate are arranged up and down along the depth direction of the trench, thereby reducing the size occupied by each common drain metal oxide semiconductor field effect transistor in the horizontal direction. In addition, the first metal oxide semiconductor structure and the second metal oxide semiconductor structure share the drift region, thereby reducing the resistance of the drift region and further reducing the specific on-resistance of the power semiconductor device per unit area.

特定の一実装ソリューションにおいて、各共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタが更に、第1チャネルを第1ゲートから絶縁する第1ゲート酸化物層と、第2チャネルを第2ゲートから絶縁する第2ゲート酸化物層とを含み、第1ゲート酸化物層の厚さと第2ゲート酸化物層の厚さは基本的に同じである。第1ゲート酸化物層及び第2ゲート酸化物層は、ゲートのリークを低減させるため、ゲートの耐電圧能力を向上させるため、及びゲートの駆動能力を向上させるために使用される。 In one particular implementation solution, each common drain metal oxide semiconductor field effect transistor further includes a first gate oxide layer insulating the first channel from the first gate and a second gate oxide layer insulating the second channel from the second gate, where the thickness of the first gate oxide layer and the thickness of the second gate oxide layer are essentially the same. The first gate oxide layer and the second gate oxide layer are used to reduce gate leakage, improve the voltage endurance capability of the gate, and improve the drive capability of the gate.

特定の一実装可能ソリューションにおいて、第1ゲート酸化物層及び第2ゲート酸化物層は、トレンチの側壁上に配置される。トレンチの側壁上に配置された第1ゲート酸化物層を用いて、トレンチの深さに沿って配置された第1ゲート構造が形成され、それによってパワー半導体デバイスの水平方向のサイズが縮小される。 In one particular possible solution, the first gate oxide layer and the second gate oxide layer are disposed on the sidewalls of the trench. The first gate oxide layer disposed on the sidewalls of the trench is used to form a first gate structure disposed along the depth of the trench, thereby reducing the horizontal size of the power semiconductor device.

特定の一実装可能ソリューションにおいて、トレンチは、第1ゲート、第2ゲート、及び第2ソースを包む充填層で充たされる。第1ゲート、第2ゲート、及び第2ソースが、充填層によって絶縁される。 In one particular possible solution, the trench is filled with a fill layer that encases the first gate, the second gate, and the second source. The first gate, the second gate, and the second source are insulated by the fill layer.

特定の一実装可能ソリューションにおいて、第2ソースは充填層の外側に露出され、充填層の外側に露出された第2ソースの部分が接続端として使用されて、外部回路への接続を容易にする。 In one particular possible solution, the second source is exposed outside the fill layer, and the portion of the second source exposed outside the fill layer is used as a connection end to facilitate connection to an external circuit.

特定の一実装可能ソリューションにおいて、第1ソース部分は第1ドーピング型のエピタキシャル層の外側に露出され、第1ドーピング型のエピタキシャル層の外側に露出された第1ソースの部分が接続端として使用されて、外部回路への接続を容易にする。 In one particular possible solution, the first source portion is exposed outside the epitaxial layer of the first doping type, and the portion of the first source exposed outside the epitaxial layer of the first doping type is used as a connection end to facilitate connection to an external circuit.

特定の一実装ソリューションにおいて、第1ドーピング型のエピタキシャル層に第1ソースコンタクト領域が配置され、該第1ソースコンタクト領域を介して第1チャネルが第1ソースに接続される。配置された第1ソースコンタクト領域を使用することにより、第1ソースと第1チャネルとの間の接触の効果が改善される。 In one particular implementation solution, a first source contact region is disposed on the epitaxial layer of the first doping type, and the first channel is connected to the first source via the first source contact region. By using the disposed first source contact region, the effect of the contact between the first source and the first channel is improved.

特定の一実装可能ソリューションにおいて、第1ソースコンタクト領域は、第1ドーピング型の高濃度ドープ領域と、第2ドーピング型の高濃度ドープ領域とを含む。 In one particular possible solution, the first source contact region includes a highly doped region of a first doping type and a highly doped region of a second doping type.

特定の一実装ソリューションにおいて、第1ドーピング型のエピタキシャル層に第2ソースコンタクト領域が配置され、該第2ソースコンタクト領域を介して第2チャネルが第2ソースに接続される。配置された第2ソースコンタクト領域を使用することにより、第2ソースと第2チャネルとの間の接触の効果が改善される。 In one particular implementation solution, a second source contact region is disposed on the epitaxial layer of the first doping type, and the second channel is connected to the second source via the second source contact region. By using the disposed second source contact region, the effect of the contact between the second source and the second channel is improved.

特定の一実装可能ソリューションにおいて、第2ソースコンタクト領域は、第1ドーピング型の高濃度ドープ領域と、第2ドーピング型の高濃度ドープ領域とを含む。 In one particular possible solution, the second source contact region includes a highly doped region of a first doping type and a highly doped region of a second doping type.

特定の一実装ソリューションにおいて、第2ソースコンタクト領域内の第2ドーピング型の高濃度ドープ領域は第2ソースのトレンチの底の下に位置し、第2ソースコンタクト領域内の第1ドーピング型の高濃度ドープ領域は第2ソースの片側に位置する。 In one particular implementation solution, the heavily doped region of the second doping type in the second source contact region is located below the bottom of the trench of the second source, and the heavily doped region of the first doping type in the second source contact region is located on one side of the second source.

特定の一実装可能ソリューションにおいて、共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタのサイズを小さくし、デバイスの配置密度を向上させるために、トレンチは直線状のトレンチであり、第1ゲート及び第2ゲートは、トレンチの深さ方向に沿って上下に配置される。 In one particular possible solution, to reduce the size of the common drain metal oxide semiconductor field effect transistor and improve the device density, the trench is a linear trench and the first and second gates are disposed one above the other along the depth of the trench.

特定の一実装可能ソリューションにおいて、第1ゲート及び第2ゲートは、トレンチの深さ方向に沿ってスタガード配置される。これは、第1ゲート酸化物層、第2ゲート酸化物層、第1ゲート、及び第2ゲートの配置を容易にする。 In one particular possible solution, the first gate and the second gate are staggered along the depth of the trench. This facilitates the placement of the first gate oxide layer, the second gate oxide layer, the first gate, and the second gate.

特定の一実装ソリューションにおいて、トレンチはT字形トレンチであり、第2ゲートはT字形トレンチの底に配置され、第1ゲートはT字形トレンチの段差面に配置される。これは、第1ゲート及び第2ゲートの配置を容易にする。 In one particular implementation solution, the trench is a T-trench, the second gate is located at the bottom of the T-trench, and the first gate is located at the step side of the T-trench. This facilitates the placement of the first and second gates.

第2の態様によれば、電子機器が提供される。当該電子機器は、バッテリと、該バッテリに接続された充電保護回路とを含み、充電保護回路は、上述のパワー半導体デバイスのうちのいずれかのパワー半導体デバイスを含む。上述の技術的ソリューションでは、ドリフト領域、第1ゲート、及び第2ゲートがトレンチの深さ方向に沿って上下に配置されることで、水平方向において各共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタによって占有されるサイズを減少させる。さらに、第1の金属酸化膜半導体構造及び第2の金属酸化膜半導体構造がドリフト領域を共有し、それによりドリフト領域の抵抗を低減させ、単位面積当たりのパワー半導体デバイスの固有オン抵抗を更に低減させる。 According to a second aspect, an electronic device is provided. The electronic device includes a battery and a charging protection circuit connected to the battery, and the charging protection circuit includes any one of the power semiconductor devices described above. In the above technical solution, the drift region, the first gate, and the second gate are arranged vertically along the depth direction of the trench, thereby reducing the size occupied by each common drain metal oxide semiconductor field effect transistor in the horizontal direction. Furthermore, the first metal oxide semiconductor structure and the second metal oxide semiconductor structure share the drift region, thereby reducing the resistance of the drift region and further reducing the specific on-resistance of the power semiconductor device per unit area.

従来技術におけるパワー半導体デバイスの構造の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a structure of a power semiconductor device in the prior art; この出願の一実施形態に従ったパワー半導体デバイスの適用シナリオの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an application scenario of a power semiconductor device according to an embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従ったパワー半導体デバイスの断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a power semiconductor device according to an embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従ったパワー半導体デバイスの上面図である。FIG. 2 is a top view of a power semiconductor device according to an embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従ったパワー半導体デバイスの電流の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a current of a power semiconductor device according to an embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従ったパワー半導体デバイスの適用シナリオの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an application scenario of a power semiconductor device according to an embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従ったパワー半導体デバイスのシミュレーション構造の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a simulation structure of a power semiconductor device according to an embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従った第2のMOS構造から第1のMOS構造へのブレイクダウン特性を示している。4 illustrates breakdown characteristics from a second MOS structure to a first MOS structure according to one embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従った第1のMOS構造から第2のMOS構造へのブレイクダウン特性を示している。2 illustrates breakdown characteristics from a first MOS structure to a second MOS structure according to one embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従った第2のMOS構造から第1のMOS構造への切替スイッチ特性を示している。4 illustrates a changeover switch characteristic from a second MOS structure to a first MOS structure according to one embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従った第1のMOS構造から第2のMOS構造への切替スイッチ特性を示している。2 illustrates a switching characteristic from a first MOS structure to a second MOS structure according to one embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従ったパワー半導体デバイスの断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a power semiconductor device according to an embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従ったパワー半導体デバイスの上面図である。FIG. 2 is a top view of a power semiconductor device according to an embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従ったパワー半導体デバイスの電流の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a current of a power semiconductor device according to an embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従ったパワー半導体デバイスのシミュレーション構造の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a simulation structure of a power semiconductor device according to an embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従った第2のMOS構造から第1のMOS構造へのブレイクダウン特性を示している。4 illustrates breakdown characteristics from a second MOS structure to a first MOS structure according to one embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従った第1のMOS構造から第2のMOS構造へのブレイクダウン特性を示している。2 illustrates breakdown characteristics from a first MOS structure to a second MOS structure according to one embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従った第2のMOS構造から第1のMOS構造への切替スイッチ特性を示している。4 illustrates a changeover switch characteristic from a second MOS structure to a first MOS structure according to one embodiment of the present application. この出願の一実施形態に従った第1のMOS構造から第2のMOS構造への切替スイッチ特性を示している。2 illustrates a switching characteristic from a first MOS structure to a second MOS structure according to one embodiment of the present application.

以下、添付の図面を参照して、さらに、この出願の実施形態を詳細に説明する。 The embodiments of this application will be described in further detail below with reference to the attached drawings.

この出願の実施形態で使用されるパワー半導体デバイスの理解を容易にするために、先ず、この出願の実施形態で提供されるパワー半導体デバイスの適用シナリオを説明する。この出願の実施形態で提供されるパワー半導体デバイスは、例えばスマートフォン、スマートウォッチ、又はタブレットコンピュータなどのポータブル電子機器のバッテリ管理及び充電保護システムに適用されることができ、あるいは、例えば保護電流変換システム及び電源ICなどの異なるシナリオに更に適用され得る。図2に示すバッテリ保護システムのシナリオにおいて、バッテリ5は、負荷6に電力を供給するように構成され、バッテリ5と負荷6との間に保護回路が配置される。保護回路は、パワー半導体デバイス7及び制御チップ8を含み、パワー半導体デバイス7は、直列に接続された2つのMOS構造9を含む。使用時、制御チップ8は、ターンオンするように2つのMOS構造9を制御するよう構成され得る。パワー半導体デバイス7は、バッテリを過放電、過充電、及び過電流(電流が設計範囲を超える)から効果的に防ぐことができる。しかしながら、従来技術におけるパワー半導体デバイスは、過度に大きいサイズ、及び比較的大きな単位面積当たりの固有オン抵抗を持つ。これに鑑み、この出願の実施形態は、パワー半導体デバイスの小型化を容易にするとともに、単位面積当たりの固有オン抵抗を改善すべく、パワー半導体デバイスの構造及びレイアウトを適切に改善するためのパワー半導体デバイスを提供する。以下、具体的な添付図面及び実施形態を参照して、当該パワー半導体デバイスを詳細に説明する。 In order to facilitate understanding of the power semiconductor device used in the embodiments of this application, the application scenario of the power semiconductor device provided in the embodiments of this application will be described first. The power semiconductor device provided in the embodiments of this application can be applied to a battery management and charging protection system of a portable electronic device such as a smartphone, a smart watch, or a tablet computer, or can be further applied to different scenarios such as a protection current conversion system and a power supply IC. In the battery protection system scenario shown in FIG. 2, a battery 5 is configured to supply power to a load 6, and a protection circuit is arranged between the battery 5 and the load 6. The protection circuit includes a power semiconductor device 7 and a control chip 8, and the power semiconductor device 7 includes two MOS structures 9 connected in series. In use, the control chip 8 can be configured to control the two MOS structures 9 to turn on. The power semiconductor device 7 can effectively prevent the battery from over-discharging, over-charging, and over-current (current exceeding the design range). However, the power semiconductor device in the prior art has an excessively large size and a relatively large specific on-resistance per unit area. In view of this, the embodiments of this application provide a power semiconductor device for appropriately improving the structure and layout of the power semiconductor device in order to facilitate miniaturization of the power semiconductor device and improve the specific on-resistance per unit area. The power semiconductor device will be described in detail below with reference to the attached drawings and embodiments.

この出願の実施形態で提供されるパワー半導体デバイスの理解を容易にするために、以下にて先ず、この出願に関連する用語を説明する。 To facilitate understanding of the power semiconductor device provided in the embodiments of this application, the following first explains the terms related to this application.

PN接合: 拡散を通じた異なるドーピングプロセスを用いることによって、同一の半導体基板(通常、シリコン又はゲルマニウム)にP型半導体とN型半導体が製造され、P型半導体とN型半導体との間の界面に空間電荷領域が形成される。空間電荷領域はPN接合(PN junction)として知られており、PN接合は一方向の導電性を持つ。 PN junction: P-type and N-type semiconductors are fabricated in the same semiconductor substrate (usually silicon or germanium) by using different doping processes through diffusion, and a space charge region is formed at the interface between the P-type and N-type semiconductors. The space charge region is known as a PN junction, and a PN junction is unidirectionally conductive.

チャネル: フィールドパワー半導体デバイス内のソース領域とドレイン領域との間の薄い半導体層。 Channel: The thin semiconductor layer between the source and drain regions in a field-powered semiconductor device.

ドリフト領域: ドリフト運動及び拡散の両方の影響下で非常に少量のキャリアのみが存在する、パワー半導体デバイス内の高抵抗領域。 Drift region: A highly resistive region within a power semiconductor device where only a very small number of carriers exist under the influence of both drift motion and diffusion.

エピタキシャル層: 基板上にエピタキシャル成長された半導体層。 Epitaxial layer: A semiconductor layer epitaxially grown on a substrate.

オン抵抗: 線形領域で動作しているパワー半導体デバイスの抵抗値。 On-resistance: The resistance value of a power semiconductor device operating in the linear region.

閾値電圧: 一般に、パワー半導体デバイスの伝達特性カーブにおいて、入力電圧に伴って出力電流が急峻に変わる変化領域の中点に対応する入力電圧を閾値電圧と称する。 Threshold voltage: Generally, the input voltage corresponding to the midpoint of the change region where the output current changes sharply with the input voltage in the transfer characteristic curve of a power semiconductor device is called the threshold voltage.

この出願のこの実施形態における第1ドーピング型及び第2ドーピング型は、それぞれ、P型及びN型である。例えば、パワー半導体デバイスが電子導通型である場合、第1ドーピング型はN型であり、第2ドーピング型はP型であり、あるいは、パワー半導体デバイスが正孔導通型である場合、第1ドーピング型はP型であり、第2ドーピング型はN型である。この出願の以下の例では、第1ドーピング型がN型であり、第2ドーピング型がP型である例を説明のために使用する。第1ドーピング型がP型であり、第2ドーピング型がN型である場合にも、この出願の実施形態の説明が適用可能である。 The first doping type and the second doping type in this embodiment of this application are P-type and N-type, respectively. For example, if the power semiconductor device is an electron conduction type, the first doping type is N-type and the second doping type is P-type, or if the power semiconductor device is a hole conduction type, the first doping type is P-type and the second doping type is N-type. In the following examples of this application, an example in which the first doping type is N-type and the second doping type is P-type is used for explanation. The description of the embodiment of this application is also applicable to the case in which the first doping type is P-type and the second doping type is N-type.

この出願の実施形態で提供されるパワー半導体デバイスの理解を容易にするために、横方向及び縦方向を定義する。縦方向は、パワー半導体デバイスの層構造の積層方向を指し、パワー半導体デバイスの厚さ方向としても参照され得る。横方向は、縦方向に対して垂直であって、パワー半導体デバイスにおける2つの共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの配置方向に平行な方向を指す。 To facilitate understanding of the power semiconductor device provided in the embodiments of this application, the horizontal and vertical directions are defined. The vertical direction refers to the stacking direction of the layer structure of the power semiconductor device, and may also be referred to as the thickness direction of the power semiconductor device. The horizontal direction refers to a direction perpendicular to the vertical direction and parallel to the arrangement direction of two common drain metal oxide semiconductor field effect transistors in the power semiconductor device.

図3は、パワー半導体デバイスの断面図である。当該パワー半導体デバイスは、少なくとも、基板11と、基板11上に配置されたエピタキシャル層12とを含み、基板11及びエピタキシャル層12は、パワー半導体デバイスが積層される2つの主要な層構造である。この出願のこの実施形態で提供されるパワー半導体デバイスは更に、従来から配置されている他の層構造(例えばパッシベーション層、相互接続メタル層、及びバックメタル層など)を含み得る。当該パワー半導体デバイスの構造を説明するのを容易にするため、この出願では他の層構造を省略する。 Figure 3 is a cross-sectional view of a power semiconductor device. The power semiconductor device includes at least a substrate 11 and an epitaxial layer 12 disposed on the substrate 11, where the substrate 11 and the epitaxial layer 12 are the two main layer structures on which the power semiconductor device is stacked. The power semiconductor device provided in this embodiment of the application may further include other layer structures (such as a passivation layer, an interconnect metal layer, and a back metal layer) that are conventionally disposed. To facilitate the description of the structure of the power semiconductor device, the other layer structures are omitted in this application.

基板11及びエピタキシャル層12は上下に配置され、基板11は第1ドーピング型の基板であり、エピタキシャル層12は第1ドーピング型のエピタキシャル層である。エピタキシャル層12にトレンチ31が配設され、トレンチ31の深さは縦方向(パワー半導体デバイスの厚さ方向)に延びる。基板11及びエピタキシャル層12はパワー半導体デバイスのデバイスボディを形成し、エピタキシャル層12はパワー半導体デバイスを担持するための主な機械的部分として用いられる。 The substrate 11 and the epitaxial layer 12 are arranged one above the other, the substrate 11 being a substrate of a first doping type, and the epitaxial layer 12 being an epitaxial layer of a first doping type. A trench 31 is disposed in the epitaxial layer 12, and the depth of the trench 31 extends vertically (in the thickness direction of the power semiconductor device). The substrate 11 and the epitaxial layer 12 form the device body of the power semiconductor device, and the epitaxial layer 12 is used as the main mechanical part for carrying the power semiconductor device.

機能分割によれば、この出願のこの実施形態で提供されるパワー半導体デバイスは、2つの共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(略して電界効果トランジスタ)を含む。説明を容易にするために、それら2つの共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを、それぞれ、第1の電界効果トランジスタ100及び第2の電界効果トランジスタ101と呼ぶ。一例において、第1の電界効果トランジスタ100及び第2の電界効果トランジスタ101が配置されるとき、第1の電界効果トランジスタ100及び第2の電界効果トランジスタ101は、トレンチ31の中心線に沿って対称に配置され、第1の電界効果トランジスタ100及び第2の電界効果トランジスタ101が並列に接続されて、パワー半導体デバイスの1セル(図3には示さず)構造を形成する。理解されるべきことには、図3は1セル構造のみを示しているが、この出願のこの実施形態で提供されるパワー半導体デバイスは複数のセルを含むことができ、それら複数のセルが周期的に配置され得る。この出願のこの実施形態では、説明のための例として1つのセルのみを用いる。 According to the functional division, the power semiconductor device provided in this embodiment of the application includes two common drain metal oxide semiconductor field effect transistors (field effect transistors for short). For ease of explanation, the two common drain metal oxide semiconductor field effect transistors are referred to as a first field effect transistor 100 and a second field effect transistor 101, respectively. In one example, when the first field effect transistor 100 and the second field effect transistor 101 are arranged, the first field effect transistor 100 and the second field effect transistor 101 are arranged symmetrically along the center line of the trench 31, and the first field effect transistor 100 and the second field effect transistor 101 are connected in parallel to form a one-cell (not shown in FIG. 3) structure of the power semiconductor device. It should be understood that although FIG. 3 shows only one cell structure, the power semiconductor device provided in this embodiment of the application can include multiple cells, and the multiple cells can be arranged periodically. In this embodiment of the application, only one cell is used as an example for explanation.

この出願のこの実施形態における第1の電界効果トランジスタ100及び第2の電界効果トランジスタ101は準対称構造のものである。従って、第1の電界効果トランジスタ100を説明のための例として用いる。 The first field effect transistor 100 and the second field effect transistor 101 in this embodiment of the present application have a quasi-symmetric structure. Therefore, the first field effect transistor 100 is used as an example for explanation.

図3を参照されたい。電界効果トランジスタ100は、第1の金属酸化膜半導体構造(1st Metal-Oxide-Semiconductor Structure,略して第1のMOS構造)及び第2の金属酸化膜半導体構造(2nd Metal-Oxide-Semiconductor Structure,略して第2のMOS構造)を含み、第1のMOS構造10と第2のMOS構造20とが直列に接続される。第1のMOS構造10及び第2のMOS構造20が配置されるとき、第1のMOS構造10及び第2のMOS構造20は上下に配置される。第1のMOS構造10と第2のMOS構造20との間に、第1ドーピング型のエピタキシャル層の部分が存在する。第1ドーピング型のエピタキシャル層の該部分は、ドリフト領域30として使用され、第1のMOS構造10及び第2のMOS構造20によって共有される。 Please refer to FIG. 3. The field effect transistor 100 includes a first metal-oxide-semiconductor structure (first MOS structure) and a second metal-oxide-semiconductor structure (second MOS structure), and the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20 are connected in series. When the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20 are arranged, the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20 are arranged one above the other. Between the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20, there is a portion of the epitaxial layer of the first doping type. The portion of the epitaxial layer of the first doping type is used as a drift region 30 and is shared by the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20.

第1のMOS構造10は、第1ゲート51、第1ソース61、及び第1チャネル21を含み、第1ゲート51は、第1のMOS構造10に接続された制御コンポーネントとして用いられ、制御チップに接続されるように構成される。第1ゲート51は、制御チップの制御下で、第1チャネル21をオン又はオフにするように制御するよう構成される。 The first MOS structure 10 includes a first gate 51, a first source 61, and a first channel 21, and the first gate 51 is used as a control component connected to the first MOS structure 10 and is configured to be connected to a control chip. The first gate 51 is configured to control the first channel 21 to be turned on or off under the control of the control chip.

第1のMOS構造10の第1ソース61は、第1のMOS構造10の接続端子として用いられ、金属材料又は金属ライクな材料(例えばTiN又はシリサイドなど)材料で製造され得る。配設する際、第1ソース61は、エピタキシャル層12の表面上に配置されてもよいし、エピタキシャル層12に部分的に又は完全に埋められてもよい。図3は、第1ソース61がエピタキシャル層12に完全に埋め込まれた構造の概略図に過ぎない。他の方式についてここで1つずつ説明することはしない。第1ソース61がエピタキシャル層12に完全に埋め込まれるとき、第1ソース61の表面はエピタキシャル層12の外側に露出され、該表面が、他のメタル層又は相互接続メタル(図3には図さず)に接続するために、第1ソース61の接続表面として用いられる。 The first source 61 of the first MOS structure 10 is used as a connection terminal of the first MOS structure 10 and can be made of a metal material or a metal-like material (such as TiN or silicide). When disposed, the first source 61 can be disposed on the surface of the epitaxial layer 12, or can be partially or completely buried in the epitaxial layer 12. FIG. 3 is only a schematic diagram of a structure in which the first source 61 is completely buried in the epitaxial layer 12. Other methods will not be described one by one here. When the first source 61 is completely buried in the epitaxial layer 12, the surface of the first source 61 is exposed outside the epitaxial layer 12, and the surface is used as the connection surface of the first source 61 to connect to other metal layers or interconnect metals (not shown in FIG. 3).

第1チャネル21はエピタキシャル層12に配置され、第1チャネル21及び第1ソース61がトレンチ31の同じ側に配置される。第1チャネル21はトレンチ31の側壁に近く、第1ソース61はトレンチ31の側壁から遠く離れている。 The first channel 21 is disposed in the epitaxial layer 12, and the first channel 21 and the first source 61 are disposed on the same side of the trench 31. The first channel 21 is close to the sidewall of the trench 31, and the first source 61 is far away from the sidewall of the trench 31.

第1チャネル21は第2ドーピング型の領域である。第1チャネル21が形成されるとき、トレンチ31の側壁上のエピタキシャル層12に第2ドーピング型のドープ領域が配置されて第1チャネル21を形成する。第1チャネル21は、トレンチ31の側壁に沿って縦方向に延び、ドリフト領域30に接する。第1チャネル21は第2ドーピング型の領域であり、ドリフト領域30は第1ドーピング型の領域であるので、ドリフト領域30と第1チャネル21とでPN接合を形成することができる。第1ゲート51に電圧が印加されないとき、又は第1ソース61に対して0の電圧若しくは負の電圧が第1ゲート51に印加されるとき、第1チャネル21とドリフト領域30との間のPN接合はオフとなり、それ故に、第1ソース61から第1チャネル21への及びひいてはドリフト領域30への導通チャネルが閉じられる。第1ゲート51によって印加される電圧の作用下で、トレンチ31の側壁に近い第1チャネル21の領域の部分が反転層を形成し、第2ドーピング導電型が第1ドーピング導電型に転換されることで、第1チャネル21からドリフト領域30への導通チャネルがオンとなり得る。この場合、第1ソース61、第1チャネル21、及びドリフト領域30がターンオンする。 The first channel 21 is a region of the second doping type. When the first channel 21 is formed, a doped region of the second doping type is disposed in the epitaxial layer 12 on the sidewall of the trench 31 to form the first channel 21. The first channel 21 extends vertically along the sidewall of the trench 31 and contacts the drift region 30. Since the first channel 21 is a region of the second doping type and the drift region 30 is a region of the first doping type, a PN junction can be formed between the drift region 30 and the first channel 21. When no voltage is applied to the first gate 51, or when a voltage of 0 or a negative voltage is applied to the first gate 51 with respect to the first source 61, the PN junction between the first channel 21 and the drift region 30 is turned off, and therefore the conduction channel from the first source 61 to the first channel 21 and thus to the drift region 30 is closed. Under the action of a voltage applied by the first gate 51, a portion of the region of the first channel 21 near the sidewall of the trench 31 may form an inversion layer and convert the second doping conductivity type to the first doping conductivity type, thereby turning on a conducting channel from the first channel 21 to the drift region 30. In this case, the first source 61, the first channel 21, and the drift region 30 are turned on.

第1ゲート51は、トレンチ31内に配置され、第1チャネル21に対向する。第1ゲート51に電圧が印加されるとき、第1チャネル21がターンオンするように制御され得る。 The first gate 51 is disposed in the trench 31 and faces the first channel 21. When a voltage is applied to the first gate 51, the first channel 21 can be controlled to turn on.

オプションの一ソリューションにおいて、第1のMOS構造10は更に、第1チャネル21を第1ゲート51から絶縁する第1ゲート酸化物層41を含む。第1ゲート酸化物層41は、トレンチ31の側壁上に配置され、第1ゲート51と第1チャネル21との間に位置する。配置された第1ゲート酸化物層41は、第1チャネル21と第1ゲート51との間でのリーク電流の増加を抑制し、ゲートの耐電圧能力を向上させる。 In one optional solution, the first MOS structure 10 further includes a first gate oxide layer 41 insulating the first channel 21 from the first gate 51. The first gate oxide layer 41 is disposed on the sidewalls of the trench 31 and is located between the first gate 51 and the first channel 21. The disposed first gate oxide layer 41 suppresses an increase in leakage current between the first channel 21 and the first gate 51 and improves the voltage resistance capability of the gate.

オプションの一ソリューションにおいて、エピタキシャル層12に更に第1ソースコンタクト領域(図示せず)が配設され、該第1ソースコンタクト領域を介して第1ソース61が第1チャネル21に接続される。第1ソースコンタクト領域は、第1ドーピング型の高濃度ドープ領域13と、第2ドーピング型の高濃度ドープ領域23とを含む。 In an optional solution, a first source contact region (not shown) is further arranged in the epitaxial layer 12, through which the first source 61 is connected to the first channel 21. The first source contact region includes a highly doped region 13 of a first doping type and a highly doped region 23 of a second doping type.

第1ドーピング型の高濃度ドープ領域13は、第1ソース61とトレンチ31との間に位置して、且つ第1ソース61と第1チャネル21との間に位置して、エピタキシャル層12に配置される。第1ドーピング型の高濃度ドープ領域13は、第1ソース61及び第1チャネル21の両方と接触して、第1ソース61、第1ドーピング型の高濃度ドープ領域13、第1チャネル21、及びドリフト領域30を含む導通チャネルを形成する。第1ドーピング型の高濃度ドープ領域13のドーピング濃度は、金属が半導体に接続されるときの抵抗を改善することができるように、一般に、他のドープ領域(例えば、エピタキシャル層12)のドーピング濃度よりも少なくとも1桁高い大きさである。第1ドーピング型の高濃度ドープ領域13が第1ソース61及び第1チャネル21の両方に接続されるとき、第1ドーピング型の高濃度ドープ領域13を使用することによって、第1ソース61とエピタキシャル層12との間のオーミックコンタクト抵抗が低減され得る。 The heavily doped region 13 of the first doping type is disposed in the epitaxial layer 12 between the first source 61 and the trench 31, and between the first source 61 and the first channel 21. The heavily doped region 13 of the first doping type is in contact with both the first source 61 and the first channel 21 to form a conductive channel including the first source 61, the heavily doped region 13 of the first doping type, the first channel 21, and the drift region 30. The doping concentration of the heavily doped region 13 of the first doping type is generally at least one order of magnitude higher than the doping concentration of other doped regions (e.g., the epitaxial layer 12) so as to improve the resistance when the metal is connected to the semiconductor. When the heavily doped region 13 of the first doping type is connected to both the first source 61 and the first channel 21, the ohmic contact resistance between the first source 61 and the epitaxial layer 12 can be reduced by using the heavily doped region 13 of the first doping type.

第2ドーピング型の高濃度ドープ領域23は、第1ソース61と第1チャネル21との間に位置して、且つトレンチ31とは接触せずに、エピタキシャル層12に置かれる。第2ドーピング型の高濃度ドープ領域23は、第1ソース61及び第1チャネル21の両方と接触する。第2ドーピング型の高ドープ領域23のドーピング濃度は、一般に、他のドープ領域(例えば、第1チャネル21)のドーピング濃度よりも少なくとも1桁高い大きさである。第2ドーピング型の高濃度ドープ領域23を使用することによって、第1ソース61と第1チャネル21との間の接触が改善され得る。 The heavily doped region 23 of the second doping type is located in the epitaxial layer 12 between the first source 61 and the first channel 21 and without contacting the trench 31. The heavily doped region 23 of the second doping type is in contact with both the first source 61 and the first channel 21. The doping concentration of the heavily doped region 23 of the second doping type is generally at least one order of magnitude higher than the doping concentration of the other doped region (e.g., the first channel 21). By using the heavily doped region 23 of the second doping type, the contact between the first source 61 and the first channel 21 can be improved.

第2のMOS構造20及び第1のMOS構造10が上下に配置される。第2のMOS構造20は、第2ゲート52、第2ソース62、及び第2チャネル22を含む。第2ゲート52は、第2のMOS構造20に接続された制御コンポーネントとして用いられ、第2チャネルを制御するように構成される。第2ゲート52は、制御チップの制御下で、第2チャネル22をオン又はオフにするように制御するよう構成される。 The second MOS structure 20 and the first MOS structure 10 are arranged one above the other. The second MOS structure 20 includes a second gate 52, a second source 62, and a second channel 22. The second gate 52 is used as a control component connected to the second MOS structure 20 and is configured to control the second channel 22. The second gate 52 is configured to control the second channel 22 to be turned on or off under the control of the control chip.

第2のMOS構造20の第2ソース62は、第2のMOS構造20の端子として用いられ、金属材料又は金属ライクな材料で製造され得る。第2ソース62が配設されるとき、第2ソース62は、トレンチ31内に配置され、トレンチ31の底に沿ってトレンチ31の外部まで延在し、エピタキシャル層12の表面に露出される。第2ソース62は、第2ソース62の接続表面としてエピタキシャル層12の表面まで延びる。 The second source 62 of the second MOS structure 20 is used as a terminal of the second MOS structure 20 and may be made of a metal material or a metal-like material. When the second source 62 is disposed, the second source 62 is disposed in the trench 31, extends along the bottom of the trench 31 to the outside of the trench 31, and is exposed to the surface of the epitaxial layer 12. The second source 62 extends to the surface of the epitaxial layer 12 as the connection surface of the second source 62.

第2チャネル22は第2ドーピング型の領域である。第2チャネル22が形成されるとき、トレンチ31の底の下のエピタキシャル層12に第2ドーピング型のドープ領域が配置されて、第2チャネル22を形成する。第2チャネル22は第2ドーピング型の領域であり、ドリフト領域30は第1ドーピング型の領域であるので、ドリフト領域30と第2チャネル22とでPN接合を形成することができる。第2ゲート52に電圧が印加されないとき、又は第2ソース62に対して0の電圧若しくは負の電圧が第2ゲート52に印加されるとき、第2チャネル22とドリフト領域30との間のPN接合はオフとなり、それ故に、第2ソース62から第2チャネル22、ドリフト領域30への導通チャネルが閉じられる。第2ゲート52によって印加される電圧の作用下で、トレンチ31の底及び側壁に近い第2チャネル22の領域の部分に反転層が形成され、第2ドーピング導電型が第1ドーピング導電型に転換されることで、第2ソース62から第2チャネル22、ドリフト領域30への導通チャネルがオンとなり得る。第1のMOS構造10における第1チャネル21がオンになる場合を参照するに、第1ゲート51が第1チャネル21をターンオンするように制御し、且つ第2ゲート52が第2チャネル22をターンオンするように制御するとき、第1ソース61、第1チャネル21、ドリフト領域30、第2チャネル22、及び第2ソース62を含む導通チャネルが形成される。 The second channel 22 is a region of the second doping type. When the second channel 22 is formed, a doped region of the second doping type is disposed in the epitaxial layer 12 below the bottom of the trench 31 to form the second channel 22. Since the second channel 22 is a region of the second doping type and the drift region 30 is a region of the first doping type, a PN junction can be formed between the drift region 30 and the second channel 22. When no voltage is applied to the second gate 52, or when a voltage of 0 or a negative voltage is applied to the second gate 52 with respect to the second source 62, the PN junction between the second channel 22 and the drift region 30 is turned off, and therefore the conduction channel from the second source 62 to the second channel 22 and the drift region 30 is closed. Under the action of the voltage applied by the second gate 52, an inversion layer is formed in the part of the region of the second channel 22 near the bottom and sidewalls of the trench 31, and the second doping conductivity type is converted to the first doping conductivity type, so that a conductive channel from the second source 62 to the second channel 22 and the drift region 30 can be turned on. Referring to the case where the first channel 21 in the first MOS structure 10 is turned on, when the first gate 51 controls the first channel 21 to be turned on and the second gate 52 controls the second channel 22 to be turned on, a conductive channel including the first source 61, the first channel 21, the drift region 30, the second channel 22, and the second source 62 is formed.

第2ゲート52は、トレンチ31内に配置され、第2チャネル22に対向する。第2ゲート52に電圧が印加されるとき、第2チャネル22がターンオンするように制御され得る。 The second gate 52 is disposed in the trench 31 and faces the second channel 22. When a voltage is applied to the second gate 52, the second channel 22 can be controlled to turn on.

オプションの一ソリューションにおいて、第2のMOS構造20は更に、第2チャネル22を第2ゲート52から絶縁する第2ゲート酸化物層43を含む。第2ゲート酸化物層43は、トレンチ31の側壁上及び底上に配置され、第2ゲート52と第2チャネル22との間に位置する。配置された第2ゲート酸化物層43は、第2チャネル22と第2ゲート52との間でのリーク電流の増加を抑制し、ゲートの耐電圧能力を向上させる。 In one optional solution, the second MOS structure 20 further includes a second gate oxide layer 43 that insulates the second channel 22 from the second gate 52. The second gate oxide layer 43 is disposed on the sidewalls and bottom of the trench 31 and is located between the second gate 52 and the second channel 22. The disposed second gate oxide layer 43 suppresses an increase in leakage current between the second channel 22 and the second gate 52 and improves the voltage resistance capability of the gate.

オプションの一ソリューションにおいて、エピタキシャル層12に更に第2ソースコンタクト領域(図示せず)が配設され、該第2ソースコンタクト領域を介して第2ソース62が第2チャネル22に接続される。第2ソースコンタクト領域は、第1ドーピング型の高濃度ドープ領域14と、第2ドーピング型の高濃度ドープ領域24とを含む。 In an optional solution, a second source contact region (not shown) is further disposed in the epitaxial layer 12, through which the second source 62 is connected to the second channel 22. The second source contact region includes a heavily doped region 14 of the first doping type and a heavily doped region 24 of the second doping type.

第1ドーピング型の高濃度ドープ領域14は、トレンチ31の底でエピタキシャル層12に配置され、第2ソース62の片側に位置する。第1ドーピング型の高濃度ドープ領域14は、第2ソース62及び第2チャネル22の両方と接触して、第2ソース62、第1ドーピング型の高濃度ドープ領域14、第2チャネル22、及びドリフト領域30を含む導通チャネルを形成する。第1ドーピング型の高濃度ドープ領域14のドーピング濃度は、金属が半導体に接続されるときの抵抗を改善することができるように、一般に、他のドープ領域(例えば、エピタキシャル層12)のドーピング濃度よりも少なくとも1桁高い大きさである。第1ドーピング型の高濃度ドープ領域14が第2ソース62及び第2チャネル22の両方に接続されるとき、第1ドーピング型の高濃度ドープ領域14を使用することによって、第2ソース62とエピタキシャル層12との間のオーミックコンタクト抵抗が低減され得る。 The heavily doped region 14 of the first doping type is disposed in the epitaxial layer 12 at the bottom of the trench 31 and is located on one side of the second source 62. The heavily doped region 14 of the first doping type contacts both the second source 62 and the second channel 22 to form a conductive channel including the second source 62, the heavily doped region 14 of the first doping type, the second channel 22, and the drift region 30. The doping concentration of the heavily doped region 14 of the first doping type is generally at least one order of magnitude higher than the doping concentration of other doped regions (e.g., the epitaxial layer 12) so that the resistance when a metal is connected to a semiconductor can be improved. When the heavily doped region 14 of the first doping type is connected to both the second source 62 and the second channel 22, the ohmic contact resistance between the second source 62 and the epitaxial layer 12 can be reduced by using the heavily doped region 14 of the first doping type.

第2ソースコンタクト領域の第2ドーピング型の高濃度ドープ領域24は、第2ソース62の底に配置され、第2ドーピング型の高濃度ドープ領域24は、第2ソース62及び第2チャネル22の両方と接触する。第2ドーピング型の高ドープ領域24のドーピング濃度は、一般に、他のドープ領域(例えば、第2チャネル22)のドーピング濃度よりも少なくとも1桁高い大きさである。第2ドーピング型の高濃度ドープ領域24を使用することによって、第2ソース62と第2チャネル22との間の接触が改善され得る。 The second source contact region's highly doped region 24 of the second doping type is disposed at the bottom of the second source 62, and the highly doped region 24 of the second doping type contacts both the second source 62 and the second channel 22. The doping concentration of the highly doped region 24 of the second doping type is generally at least one order of magnitude higher than the doping concentration of the other doped region (e.g., the second channel 22). By using the highly doped region 24 of the second doping type, the contact between the second source 62 and the second channel 22 can be improved.

オプションの一ソリューションにおいて、上述のコンポーネントを絶縁して保護するために、トレンチ31が、第1ゲート51、第2ゲート52、及び第2ソース62を包む充填層42で充たされる。理解されるべきことには、充填層42がある場合、第2ソース62は、別の回路への接続を容易にするために、充填層の外側に露出される。 In one optional solution, the trench 31 is filled with a fill layer 42 that encases the first gate 51, the second gate 52, and the second source 62 to insulate and protect the above-mentioned components. It should be understood that, if the fill layer 42 is present, the second source 62 is exposed outside the fill layer to facilitate connection to another circuit.

図3を参照するに、分かることには、第1のMOS構造10及び第2のMOS構造20が具体的に配置されるとき、第1のMOS構造10及び第2のMOS構造20が上下に配置され、それ故に、電界効果トランジスタの横方向サイズを小さくすることができる。加えて、第1ゲート51及び第2ゲート52がトレンチ31の深さ方向に沿って上限に配置され、それ故に、第1のMOS構造10及び第2のMOS構造20が、縦方向に配置されたドリフト領域30を共有することができる。さらに、ドリフト領域30が第1チャネル21と第2チャネル22との間に位置して、パワー半導体デバイスの横方向サイズを占有しないことで、パワー半導体デバイスのサイズが更に縮小され、デバイスの配置密度が向上される。 Referring to FIG. 3, it can be seen that when the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20 are specifically arranged, the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20 are arranged vertically, and therefore the lateral size of the field effect transistor can be reduced. In addition, the first gate 51 and the second gate 52 are arranged at the upper limit along the depth direction of the trench 31, and therefore the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20 can share the vertically arranged drift region 30. Furthermore, the drift region 30 is located between the first channel 21 and the second channel 22 and does not occupy the lateral size of the power semiconductor device, which further reduces the size of the power semiconductor device and improves the arrangement density of the device.

また、第2の電界効果トランジスタ101の構造は、第1の電界効果トランジスタ100の構造と同じである。これら2つの共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの2つの第1チャネルがトレンチの両側に配置され、2つの第1ソースがトレンチの両側に配置される。オプションの一ソリューションにおいて、配置するデバイスを小さくするために、第1の電界効果トランジスタ100及び第2の電界効果トランジスタ101は、一部のコンポーネントを共有する。図3に示すように、2つの電界効果トランジスタは第2ソース62を共有する。また、2つの電界効果トランジスタの第2チャネル22は互いに接続され得るが、2つの異なる第2ゲート52を用いることにより、対応して2つの電界効果トランジスタの第2チャネル22は別々に制御される。 The structure of the second field effect transistor 101 is the same as that of the first field effect transistor 100. The two first channels of these two common drain metal oxide semiconductor field effect transistors are disposed on both sides of the trench, and the two first sources are disposed on both sides of the trench. In an optional solution, the first field effect transistor 100 and the second field effect transistor 101 share some components in order to reduce the size of the device to be disposed. As shown in FIG. 3, the two field effect transistors share the second source 62. The second channels 22 of the two field effect transistors can be connected to each other, but the second channels 22 of the two field effect transistors are controlled separately by using two different second gates 52 correspondingly.

図4は、パワー半導体デバイスの上面図である。図3及び図4を参照するに、分かることには、当該パワー半導体デバイスの複数のコンポーネントが横方向に配置され、互いに隣接する第1の電界効果トランジスタ100及び第2の電界効果トランジスタ101は(トレンチの中心線に沿って)鏡面対称である。第1ソース61、第1ドーピング型の高濃度ドープ領域13、第1ゲート酸化物層41、充填層42、及び第2ソース62が、横方向に沿ってエピタキシャル層12の表面上に順に広がる。隣接する2つの電界効果トランジスタが鏡面対称となってセルを形成する。複数のセルが存在するとき、それら複数のセルが横方向に沿って周期的に繰り返し配置され得る。 Figure 4 is a top view of a power semiconductor device. With reference to Figures 3 and 4, it can be seen that the components of the power semiconductor device are arranged in a lateral direction, and the first field effect transistor 100 and the second field effect transistor 101 adjacent to each other are mirror symmetric (along the center line of the trench). The first source 61, the heavily doped region 13 of the first doping type, the first gate oxide layer 41, the filling layer 42, and the second source 62 extend in sequence on the surface of the epitaxial layer 12 along the lateral direction. Two adjacent field effect transistors are mirror symmetric to form a cell. When there are multiple cells, the multiple cells can be arranged periodically and repeatedly along the lateral direction.

図5は、この出願の実施形態に従ったパワー半導体デバイスの電流の概略図である。図5の参照符号については、図3における同じ符号を参照されたい。第1ゲート51及び第2ゲート52は、当該パワー半導体デバイスの制御ポートである。第1ソース61は当該パワー半導体デバイスの出力ポートであり、第2ソース62は当該パワー半導体デバイスの入力ポートである。第1ゲート51及び第2ゲート52に正電圧が印加されると、第1ソース61及び第2ソース62のレベルに対して第1ゲート51及び第2ゲート52のレベルが高くなり、第1チャネル21及び第2チャネル22の両方が開かれる。図5に破線矢印で示すように、第1経路に沿って電流が流れることができ、第1経路は、第1ソース61、第1チャネル21、第1チャネル21と第2チャネル22との間のドリフト領域、第2チャネル22、及び第2ソース62を順に通る経路を指す。あるいは、図5に実線の矢印で示すように、第2経路に沿って電流が流れ、第2経路は、第2ソース62、第2チャネル22、第1チャネル21と第2チャネル22との間のドリフト領域、第1チャネル21、及び第1ソース61を順に通る経路を指す。第1ゲート51に正電圧が印加されないとき、第1ゲート51のレベルは第1ソース61に対して低いレベルであり、第1チャネル21が閉じられ、あるいは、第2ゲート52に正電圧が印加されないとき、第2ゲート52のレベルは第1ソース61に対して低いレベルであり、第2チャネル22が閉じられる。 5 is a schematic diagram of a current of a power semiconductor device according to an embodiment of this application. For the reference symbols in FIG. 5, please refer to the same symbols in FIG. 3. The first gate 51 and the second gate 52 are the control ports of the power semiconductor device. The first source 61 is the output port of the power semiconductor device, and the second source 62 is the input port of the power semiconductor device. When a positive voltage is applied to the first gate 51 and the second gate 52, the levels of the first gate 51 and the second gate 52 become high relative to the levels of the first source 61 and the second source 62, and both the first channel 21 and the second channel 22 are opened. As shown by the dashed arrow in FIG. 5, a current can flow along a first path, which refers to a path that passes through the first source 61, the first channel 21, the drift region between the first channel 21 and the second channel 22, the second channel 22, and the second source 62 in order. Alternatively, as shown by the solid arrow in FIG. 5, the current flows along the second path, which refers to a path that passes through the second source 62, the second channel 22, the drift region between the first channel 21 and the second channel 22, the first channel 21, and the first source 61 in this order. When no positive voltage is applied to the first gate 51, the level of the first gate 51 is low relative to the first source 61, and the first channel 21 is closed, or when no positive voltage is applied to the second gate 52, the level of the second gate 52 is low relative to the first source 61, and the second channel 22 is closed.

上述の説明から分かることには、この出願のこの実施形態で提供されるパワー半導体デバイスでは、第1のMOS構造10及び第2のMOS構造20は、ドリフト領域を共有する構造であり、第2ドーピング型の2つの注入ボディ領域(第1チャネル21及び第2チャネル22)と第1ドーピング型の中間ドリフト領域とで、P-N-P共通カソードの背中合わせのダイオードを形成することができ、それ故に、第1のMOS構造10及び第2のMOS構造20は、共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを形成するとともに、双方向の耐電圧を実現することができる。この出願のこの実施形態で提供されるパワー半導体デバイスは、縦型ドリフト領域及び2つのゲートが上下に配置される構造設計を用いており、それにより、横方向において各電界効果トランジスタによって占有されるサイズが小さくなる。また、第1のMOS構造10及び第2のMOS構造20が縦型ドリフト領域を共有し、その結果、電流が流れるときに基板を通らない。従って、当該パワー半導体デバイスがオンになっているとき、当該パワー半導体デバイスは、基板抵抗を持たずに、より小さいチャネル抵抗を持ち、それにより当該パワー半導体デバイスの抵抗が低減される。 From the above description, it can be seen that in the power semiconductor device provided in this embodiment of the application, the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20 are structures that share a drift region, and the two implanted body regions (first channel 21 and second channel 22) of the second doping type and the intermediate drift region of the first doping type can form a P-N-P common cathode back-to-back diode, and therefore the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20 can form a common drain metal oxide semiconductor field effect transistor and realize a bidirectional withstand voltage. The power semiconductor device provided in this embodiment of the application uses a structural design in which the vertical drift region and two gates are arranged one above the other, thereby reducing the size occupied by each field effect transistor in the lateral direction. Also, the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20 share a vertical drift region, so that the current does not pass through the substrate when it flows. Therefore, when the power semiconductor device is turned on, it does not have a substrate resistance but has a smaller channel resistance, thereby reducing the resistance of the power semiconductor device.

図6は、この出願の実施形態に従ったパワー半導体デバイスの適用シナリオの概略図である。バッテリ200のカソードが、バッテリ管理及び充電保護回路を介して負荷300に接続される。この出願のこの実施形態で提供されるパワー半導体デバイスは、バッテリ300を保護するための構造として回路上に配置される。該回路内でパワー半導体デバイスの第1の電界効果トランジスタ100と第2の電界効果トランジスタ101とが並列に接続され、第1の電界効果トランジスタ100の第1のMOS構造10と第2のMOS構造20とが直列に接続される。第1のMOS構造10及び第2のMOS構造20の両方が、制御チップ400によって制御される。制御チップ400は、第1ゲート及び第2ゲートのレベルを制御して、第1のMOS構造10及び第2のMOS構造20をターンオン又はターンオフするように制御する。 Figure 6 is a schematic diagram of an application scenario of a power semiconductor device according to an embodiment of this application. The cathode of a battery 200 is connected to a load 300 through a battery management and charging protection circuit. The power semiconductor device provided in this embodiment of this application is arranged on a circuit as a structure for protecting the battery 300. In the circuit, the first field effect transistor 100 and the second field effect transistor 101 of the power semiconductor device are connected in parallel, and the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20 of the first field effect transistor 100 are connected in series. Both the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20 are controlled by a control chip 400. The control chip 400 controls the levels of the first gate and the second gate to control the first MOS structure 10 and the second MOS structure 20 to turn on or off.

また、この出願のこの実施形態で提供されるパワー半導体デバイスは、(図4に示したような)平面デバイス構造を使用し、WLCSP(Wafer Level Chip Scale Packaging,ウエハレベルチップスケールパッケージング)パッケージングを実現するために、第2のMOS構造20はLDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,横方向拡散金属酸化膜半導体)構造設計を用いてもよい。 The power semiconductor device provided in this embodiment of the application also uses a planar device structure (as shown in FIG. 4), and the second MOS structure 20 may use a Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor (LDMOS) structure design to achieve Wafer Level Chip Scale Packaging (WLCSP) packaging.

この出願のこの実施形態で提供されるパワー半導体デバイスの技術的効果を検証するために、この出願のこの実施形態で提供されるパワー半導体デバイスを、半導体TCAD(Technology Computer Aided Design,これは、半導体プロセスシミュレーション及びデバイスシミュレーションに用いられるツールである)を用いてシミュレーションする。 To verify the technical effect of the power semiconductor device provided in this embodiment of this application, the power semiconductor device provided in this embodiment of this application is simulated using semiconductor TCAD (Technology Computer Aided Design, which is a tool used for semiconductor process simulation and device simulation).

15Vの双方向阻止電圧を持つN型共通ドレイン電界効果トランジスタを用いてシミュレーションを行う例において、電界効果トランジスタの構造パラメータを表1及び図7に示す。単一の共通ドレイン効果トランジスタの横方向サイズ1は0.5μmであり、すなわち、パワー半導体デバイスのセルのサイズは1μmである。1.8e19cm-3の濃度及び1μmの厚さ2を持つN型基板上に、1.3e17cm-3のドーピング濃度及び3μmの厚さ3を持つN型エピタキシャル層が配設されて、パワー半導体デバイスのボディを形成する。電界効果トランジスタの該ボディの表面に、1μmの深さ12及び0.35μmのハーフ幅を持つトレンチが形成される。デバイスボディの表面に、P型イオン注入により、0.28μmのポテンシャルウェル深さ4及び0.16μmのポテンシャルウェル幅6を持つ第1のP型チャネル(第1チャネル)が形成され、注入量は1.35e13cm-3である。N型イオン注入及びエッチングプロセスを用いて、0.15μmの深さ8及び0.1μmの幅10を持つN型高濃度ドープ領域が形成され、P型イオン注入及びエッチングプロセスを用いて、0.15μmの深さ9及び0.1μmの幅11を持つP型高濃度ドープ領域が形成される。トレンチの底に、P型イオン注入により、0.45μmのポテンシャルウェル深さ5、約0.35μmのポテンシャルウェルのハーフ幅13、及び0.18μmのチャネル長7を持つ第2のP型チャネル(第2チャネル)が形成され、注入量は1.2e13cm-3及び6e13cm-3ある。250Åの厚さを持つゲート酸化物層(これは図7には記しておらず、G1/G2とトレンチの側壁との間に位置する)がトレンチの側壁上に配設され、0.35μmの深さ14及び0.18μmの幅16を持つ多結晶シリコン、並びに0.18μmの深さ15及び0.18μmの幅10を持つ多結晶シリコンが充填されて、それぞれ、ゲートG1(第1ゲート)及びゲートG2(第2ゲート)を形成する。ゲートG1とゲートG2は、0.3μmの厚さ17を持つ充填層を介して絶縁される。電力用電界効果トランジスタの閾値電圧、すなわち、当該パワー半導体デバイスの閾値電圧は、ゲート酸化物層の厚さ及びP型チャネルの濃度に依存する。電力用電界効果トランジスタのブレイクダウン電圧及びオン抵抗、すなわち、当該パワー半導体デバイスのブレイクダウン電圧及びオン抵抗は、例えばN型ドリフト領域の濃度、深さ、及び長さ、P型チャネル領域の濃度及び長さ、酸化物層の厚さ、並びにトレンチ深さなどのファクタによって決定される。

Figure 0007618951000001
In the example of simulating using an N-type common drain field effect transistor with a bidirectional blocking voltage of 15V, the structural parameters of the field effect transistor are shown in Table 1 and FIG. 7. The lateral size 1 of the single common drain effect transistor is 0.5 μm, that is, the size of the cell of the power semiconductor device is 1 μm. An N-type epitaxial layer with a doping concentration of 1.3e17 cm −3 and a thickness 3 of 3 μm is disposed on an N-type substrate with a concentration of 1.8e19 cm −3 and a thickness 2 of 1 μm to form the body of the power semiconductor device. A trench with a depth 12 of 1 μm and a half width of 0.35 μm is formed on the surface of the body of the field effect transistor. A first P-type channel (first channel) with a potential well depth 4 of 0.28 μm and a potential well width 6 of 0.16 μm is formed on the surface of the device body by P-type ion implantation, with an implantation dose of 1.35e13 cm −3 . An N-type heavily doped region is formed using an N-type ion implantation and etching process with a depth 8 of 0.15 μm and a width 10 of 0.1 μm, and a P-type heavily doped region is formed using a P-type ion implantation and etching process with a depth 9 of 0.15 μm and a width 11 of 0.1 μm. At the bottom of the trench, a second P-type channel (second channel) is formed by P-type ion implantation with a potential well depth 5 of 0.45 μm, a potential well half width 13 of about 0.35 μm, and a channel length 7 of 0.18 μm, with implant doses of 1.2e13 cm −3 and 6e13 cm −3 . A gate oxide layer having a thickness of 250 Å (not shown in FIG. 7, but located between G1/G2 and the sidewall of the trench) is disposed on the sidewall of the trench and filled with polysilicon having a depth 14 of 0.35 μm and a width 16 of 0.18 μm, and polysilicon having a depth 15 of 0.18 μm and a width 10 of 0.18 μm to form gate G1 (first gate) and gate G2 (second gate), respectively. Gate G1 and gate G2 are insulated via a filling layer having a thickness 17 of 0.3 μm. The threshold voltage of the power field effect transistor, i.e., the threshold voltage of the power semiconductor device, depends on the thickness of the gate oxide layer and the concentration of the P-type channel. The breakdown voltage and on-resistance of the power field effect transistor, i.e., the breakdown voltage and on-resistance of the power semiconductor device, are determined by factors such as the concentration, depth, and length of the N-type drift region, the concentration and length of the P-type channel region, the thickness of the oxide layer, and the trench depth.
Figure 0007618951000001

表1のパワー半導体デバイスについてシミュレーションを行い、シミュレーション結果を図8a及び図8bに示す。図8a及び図8bは、デバイスのブレイクダウン電圧特性のシミュレーションカーブ図である。第1ゲート及び第1ソース(ソースS1)の電位がローレベルにあるときに、第2ソース及び第2ゲートの電圧が0Vから徐々に上昇し、第2ソース(ソースS2)の電流が徐々に読み出される。第2ソースの電流が突然1μA/mmに変化するとき、対応する第2ソースの電圧が、第2のMOS構造のブレイクダウン電圧、すなわち、第2ソースから第1ソースへのブレイクダウン電圧である。図8aから分かることには、第2のMOS構造のブレイクダウン電圧は15Vである。同様に、第1のMOS構造のブレイクダウン電圧は、第1ソースから第2ソースへのブレイクダウン電圧である。図8bから分かることには、第1のMOS構造のブレイクダウン電圧は15Vである。 A simulation was performed for the power semiconductor device in Table 1, and the simulation results are shown in Figures 8a and 8b. Figures 8a and 8b are simulation curves of the breakdown voltage characteristics of the device. When the potentials of the first gate and the first source (source S1) are at a low level, the voltages of the second source and the second gate gradually increase from 0V, and the current of the second source (source S2) is gradually read out. When the current of the second source suddenly changes to 1 μA/mm, the corresponding voltage of the second source is the breakdown voltage of the second MOS structure, that is, the breakdown voltage from the second source to the first source. It can be seen from Figure 8a that the breakdown voltage of the second MOS structure is 15V. Similarly, the breakdown voltage of the first MOS structure is the breakdown voltage from the first source to the second source. It can be seen from Figure 8b that the breakdown voltage of the first MOS structure is 15V.

図9a及び図9bは、パワー半導体デバイスの切替スイッチ特性のシミュレーションカーブ図である。第1ソースの電位がローレベルにあり、且つ第2ソースが0.1Vの固定電圧に接続されるとき、第1ゲートの電流及び第2ゲートの電流が、それぞれ、0V及び0.1Vから徐々に上昇し、第2ソースの電流が徐々に読み出される。第2ソースの電流が突然1μA/mmまで上昇するときの対応する第1ゲートの電圧が、第1のMOS構造の閾値電圧である。図9aに示されるように、第1のMOS構造の閾値電圧のシミュレーション結果は0.8Vである。第1ソース電流が突然1μA/mmまで上昇するときの対応する第2ゲートの電圧が、第2のMOS構造の閾値電圧である。図9bに示されるように、第2のMOS構造の閾値電圧のシミュレーション結果は0.8Vである。 9a and 9b are simulation curves of the changeover switch characteristics of the power semiconductor device. When the potential of the first source is at a low level and the second source is connected to a fixed voltage of 0.1V, the current of the first gate and the current of the second gate gradually increase from 0V and 0.1V, respectively, and the current of the second source is gradually read out. The corresponding voltage of the first gate when the current of the second source suddenly increases to 1μA/mm is the threshold voltage of the first MOS structure. As shown in FIG. 9a, the simulation result of the threshold voltage of the first MOS structure is 0.8V. The corresponding voltage of the second gate when the first source current suddenly increases to 1μA/mm is the threshold voltage of the second MOS structure. As shown in FIG. 9b, the simulation result of the threshold voltage of the second MOS structure is 0.8V.

また、図9a及び図9bに示されるように、パワー半導体デバイスのゲート-ソースバイアス電圧が3.1Vであるとき、この出願の実施形態における共通ドレインパワー半導体デバイスの固有オン抵抗は、たったの約5mΩ・mmである。 Also, as shown in FIGS. 9a and 9b, when the gate-source bias voltage of the power semiconductor device is 3.1 V, the specific on-resistance of the common-drain power semiconductor device in the embodiment of this application is only about 5 mΩ·mm 2 .

上述の実験検証から分かることには、この出願の実施形態で提供されるパワー半導体デバイスにおいて、第1のMOS構造及び第2のMOS構造が縦型ドリフト領域を共有し、第1ゲート及び第2ゲートが上下に分布されると、デバイスのブレイクダウン特性は15Vを満たすことができ、単位面積当たりのオン抵抗はたったの5mΩ・mmである。一方で、業界で現在用いられている、2つのMOSFETが共通ドレインモードで背中合わせに直列接続されるパワー半導体デバイスにおいては、ブレイクダウン電圧が12Vであるとき、パワー半導体デバイスの単位面積当たりの固有オン抵抗は10.6mΩ・mmである(データソース: パナソニック製品データFCAB21490L - Gate resistor installed Dual N-channel MOSFET For lithium-ion secondary battery protection circuits,2016年)。従って、業界における既存のパワー半導体デバイスと比較して、この出願の実施形態で提供されるパワー半導体デバイスの単位面積当たりのオン抵抗が53%低減され得るとともに、ブレイクダウン電圧が15V又はそれより高くまで上昇され得る。 It can be seen from the above experimental verification that in the power semiconductor device provided in the embodiment of this application, when the first MOS structure and the second MOS structure share a vertical drift region and the first gate and the second gate are distributed up and down, the breakdown characteristic of the device can meet 15V, and the on-resistance per unit area is only 5mΩ· mm2 . Meanwhile, in a power semiconductor device currently used in the industry in which two MOSFETs are connected back to back in series in common drain mode, when the breakdown voltage is 12V, the specific on-resistance per unit area of the power semiconductor device is 10.6mΩ· mm2 (data source: Panasonic product data FCAB21490L - Gate resistor installed Dual N-channel MOSFET For lithium-ion secondary battery protection circuits, 2016). Therefore, compared with the existing power semiconductor devices in the industry, the on-resistance per unit area of the power semiconductor device provided in the embodiment of this application can be reduced by 53%, and the breakdown voltage can be increased to 15V or higher.

この出願の実施形態で提供されるパワー半導体デバイスの理解を容易にするために、以下、当該パワー半導体デバイスの製造プロセスを詳細に説明する。電界効果トランジスタの形成を一例として用いる。当該パワー半導体デバイスは、従来からのディスクリートトレンチMOS又は集積BCD(Bipolar CMOS DMOS,バイポーラ・相補型金属酸化膜半導体・二重拡散金属酸化膜半導体)プロセス技術に基づいて製造され得る。図3に示した構造を参照するに、具体的な製造方法は以下の通りである。 In order to facilitate understanding of the power semiconductor device provided in the embodiment of this application, the manufacturing process of the power semiconductor device will be described in detail below. The formation of a field effect transistor is used as an example. The power semiconductor device can be manufactured based on conventional discrete trench MOS or integrated BCD (Bipolar CMOS DMOS, bipolar complementary metal oxide semiconductor double diffused metal oxide semiconductor) process technology. With reference to the structure shown in FIG. 3, the specific manufacturing method is as follows:

N型基板11上に、特定のドーピング濃度を持つN型ドープエピタキシャル層12がエピタキシャル成長され、そして、エピタキシャル層12がエッチングされてトレンチ31を形成する。 An N-type doped epitaxial layer 12 having a specific doping concentration is epitaxially grown on an N-type substrate 11, and the epitaxial layer 12 is then etched to form a trench 31.

トレンチ31の底の下のエピタキシャル層12に、イオン注入によりP型ドープ領域が形成されて第2チャネル22を形成し、トレンチ31の上部の外側のエピタキシャル層12に、P型ドープ領域が形成されて第1チャネル21を形成する。 A P-type doped region is formed by ion implantation in the epitaxial layer 12 below the bottom of the trench 31 to form the second channel 22, and a P-type doped region is formed in the epitaxial layer 12 outside the top of the trench 31 to form the first channel 21.

熱酸化によりトレンチ31内にゲート酸化物層が形成され、該ゲート酸化物層がトレンチ31の底及び側壁を覆う。 Thermal oxidation forms a gate oxide layer in the trench 31, which covers the bottom and sidewalls of the trench 31.

トレンチが多結晶シリコンで充填され、エッチングプロセスを用いて第2ゲート52が形成される。第2ゲート52は、第2チャネル22がターンオンするように制御され得るように、第2チャネル22に対向する。また、ゲート酸化物層のうち、第2ゲート52を第2チャネル22から絶縁する部分が、第2ゲート酸化物層43である。 The trench is filled with polysilicon and an etching process is used to form the second gate 52. The second gate 52 faces the second channel 22 so that the second channel 22 can be controlled to turn on. The portion of the gate oxide layer that insulates the second gate 52 from the second channel 22 is the second gate oxide layer 43.

エピタキシャル層12に、イオン注入により、N型高濃度ドープ領域13及びN型高濃度ドープ領域14が形成される。化学気相成長によってトレンチ31内に充填層42が堆積され、CMP(化学機械研磨)プロセスを用いてトレンチ内のみに酸化物層42が埋められる。例えば、充填層42は酸化物層とし得る。 In the epitaxial layer 12, the N-type highly doped region 13 and the N-type highly doped region 14 are formed by ion implantation. A fill layer 42 is deposited in the trench 31 by chemical vapor deposition, and the oxide layer 42 is filled only in the trench using a CMP (chemical mechanical polishing) process. For example, the fill layer 42 can be an oxide layer.

充填層42の一部がエッチングによって除去され、エッチング後に残った充填層の表面が、第1ゲート51を担持するための表面である。充填層42がエッチングされるとき、ゲート酸化物層の一部もエッチング除去される。 A portion of the fill layer 42 is removed by etching, and the surface of the fill layer remaining after etching is the surface for supporting the first gate 51. When the fill layer 42 is etched, a portion of the gate oxide layer is also etched away.

熱酸化によりトレンチ31の側壁にゲート酸化物層が再生成され、該ゲート酸化物層が第1ゲート酸化物層41である。第1ゲート酸化物層41の厚さは第2ゲート酸化物層43の厚さと基本的に同じである。トレンチ31の側壁に付与されると、配置された第1ゲート酸化物層41は、第1ゲート51を第1チャネル21から絶縁するために使用され得る。 Thermal oxidation recreates a gate oxide layer on the sidewalls of the trench 31, which is the first gate oxide layer 41. The thickness of the first gate oxide layer 41 is essentially the same as the thickness of the second gate oxide layer 43. When applied to the sidewalls of the trench 31, the disposed first gate oxide layer 41 can be used to insulate the first gate 51 from the first channel 21.

エッチング後に残っている充填層に多結晶シリコンが堆積され、エッチングプロセスを用いて第1ゲート51が形成される。化学気相成長及びエッチングにより、充填層はトレンチ内に連続して堆積される。 Polycrystalline silicon is deposited on the fill layer remaining after etching, and an etching process is used to form the first gate 51. The fill layer is continuously deposited in the trench by chemical vapor deposition and etching.

トレンチ内のオーミックコンタクト領域の上の充填層がエッチングにより除去され、エピタキシャル層12の表面に、及びトレンチ31の底のオーミックコンタクト領域に、イオン注入により、P型高濃度ドープ領域23及びP型高濃度ドープ領域24が分離して形成される。最後に、メタルが堆積されて第1ソース61及び第2ソース62を形成する。 The fill layer above the ohmic contact region in the trench is removed by etching, and a separate P-type highly doped region 23 and a separate P-type highly doped region 24 are formed by ion implantation on the surface of the epitaxial layer 12 and in the ohmic contact region at the bottom of the trench 31. Finally, metal is deposited to form the first source 61 and the second source 62.

P型高濃度ドープ領域23は、イオン注入によってエピタキシャル層12の表面のオーミックコンタクト領域に形成され、最後にメタルが堆積されて第1ソース61を形成する。 The P-type highly doped region 23 is formed in the ohmic contact region on the surface of the epitaxial layer 12 by ion implantation, and finally metal is deposited to form the first source 61.

図10は、この出願の実施形態に従った他のパワー半導体デバイスの構造の概略図である。図10に示すパワー半導体デバイスの構造は、図3に示すパワー半導体デバイスの構造に類似しており、デバイスの内部構造の配置のみが異なる。 Figure 10 is a schematic diagram of another power semiconductor device structure according to an embodiment of this application. The structure of the power semiconductor device shown in Figure 10 is similar to the structure of the power semiconductor device shown in Figure 3, and differs only in the arrangement of the internal structure of the device.

図10の一部の参照符号については、図3における同じ参照符号を参照されたい。詳細をここで再び説明することはしない。図10に示すトレンチはT字形トレンチであり、該T字形トレンチは、第1トレンチ32及び第2トレンチ33を含む。第2ゲート52はT字形トレンチの底(第2トレンチ33の底)に配置され、第1ゲート51はT字形トレンチの段差面(第1トレンチ32の底)に配置される。 For some reference numbers in FIG. 10, please refer to the same reference numbers in FIG. 3. Details will not be described again here. The trench shown in FIG. 10 is a T-shaped trench, which includes a first trench 32 and a second trench 33. The second gate 52 is disposed at the bottom of the T-shaped trench (the bottom of the second trench 33), and the first gate 51 is disposed at the step surface of the T-shaped trench (the bottom of the first trench 32).

図10から分かることには、第1ゲート51及び第2ゲート52は、トレンチの深さ方向に沿ってスタガード配置されている。図3に示したパワー半導体デバイスと比較して、第1ゲート51は、第1トレンチ32の底に直接配置されることができ、その結果、配置する際の第1ゲート51の位置決めが容易になり、第1ゲート51を配置する精度が向上される。また、図10に示すトレンチが使用される場合、ゲート酸化物層が製造されるときに、第1ゲート51及び第2ゲート52を一度の多結晶シリコンエッチング処理によって同時に形成することができ、それにより製造プロセスを単純化し得る。 As can be seen from FIG. 10, the first gate 51 and the second gate 52 are staggered along the depth direction of the trench. Compared to the power semiconductor device shown in FIG. 3, the first gate 51 can be placed directly at the bottom of the first trench 32, which makes it easier to position the first gate 51 during placement and improves the accuracy of placing the first gate 51. In addition, when the trench shown in FIG. 10 is used, the first gate 51 and the second gate 52 can be formed simultaneously by a single polycrystalline silicon etching process when the gate oxide layer is manufactured, which can simplify the manufacturing process.

図11は、パワー半導体デバイスの上面図である。図10及び図11を参照するに、分かることには、当該パワー半導体デバイスの複数のコンポーネントが横方向に配置され、互いに隣接する第1の電界効果トランジスタ100及び第2の電界効果トランジスタ101は(トレンチの中心線に沿って)鏡面対称である。第1ソース61、第1ドーピング型の高濃度ドープ領域13、第1ゲート酸化物層41、充填層42、及び第2ソース62が、横方向に沿ってエピタキシャル層12の表面上に順に広がる。隣接する2つの電界効果トランジスタが鏡面対称となってセルを形成する。複数のセルが存在するとき、それら複数のセルが横方向に沿って周期的に繰り返し配置され得る。 11 is a top view of a power semiconductor device. Referring to FIG. 10 and FIG. 11, it can be seen that the components of the power semiconductor device are arranged in a lateral direction, and the first field effect transistor 100 and the second field effect transistor 101 adjacent to each other are mirror symmetric (along the center line of the trench). The first source 61, the heavily doped region 13 of the first doping type, the first gate oxide layer 41, the filling layer 42, and the second source 62 extend in sequence on the surface of the epitaxial layer 12 along the lateral direction. Two adjacent field effect transistors are mirror symmetric to form a cell. When there are multiple cells, the multiple cells can be arranged periodically and repeatedly along the lateral direction.

図12は、この出願の実施形態に従ったパワー半導体デバイスの電流の概略図である。第1ゲート51及び第2ゲート52は、当該パワー半導体デバイスの制御ポートである。第1ソース61は当該パワー半導体デバイスの入力ポートであり、第2ソース62は当該パワー半導体デバイスの出力ポートである。第1ゲート51及び第2ゲート52に電圧が印加されると、第1ソース61及び第2ソース62のレベルに対して第1ゲート51及び第2ゲート52のレベルが高くなり、第1チャネル21及び第2チャネル22の両方が開かれる。図5に破線矢印で示すように、第1経路に沿って電流が流れることができ、第1経路は、第1ソース61、第1チャネル21、第1チャネル21と第2チャネル22との間のドリフト領域、第2チャネル22、及び第2ソース62を順に通る経路を指す。あるいは、図5に実線の矢印で示すように、第2経路に沿って電流が流れ、第2経路は、第2ソース62、第2チャネル22、第1チャネル21と第2チャネル22との間のドリフト領域、第1チャネル21、及び第1ソース61を順に通る経路を指す。第1ゲート51に正電圧が印加されないとき、第1ゲート51のレベルは第1ソース61に対して低いレベルであり、第1チャネル21が閉じられ、あるいは、第2ゲート52に正電圧が印加されないとき、第2ゲート52のレベルは第1ソース61に対して低いレベルであり、第2チャネル22が閉じられる。 12 is a schematic diagram of a current in a power semiconductor device according to an embodiment of this application. The first gate 51 and the second gate 52 are the control ports of the power semiconductor device. The first source 61 is the input port of the power semiconductor device, and the second source 62 is the output port of the power semiconductor device. When a voltage is applied to the first gate 51 and the second gate 52, the levels of the first gate 51 and the second gate 52 become high relative to the levels of the first source 61 and the second source 62, and both the first channel 21 and the second channel 22 are opened. As shown by the dashed arrow in FIG. 5, a current can flow along a first path, which refers to a path that passes through the first source 61, the first channel 21, the drift region between the first channel 21 and the second channel 22, the second channel 22, and the second source 62 in order. Alternatively, as shown by the solid arrow in FIG. 5, the current flows along the second path, which refers to a path that passes through the second source 62, the second channel 22, the drift region between the first channel 21 and the second channel 22, the first channel 21, and the first source 61 in this order. When no positive voltage is applied to the first gate 51, the level of the first gate 51 is low relative to the first source 61, and the first channel 21 is closed, or when no positive voltage is applied to the second gate 52, the level of the second gate 52 is low relative to the first source 61, and the second channel 22 is closed.

本発明の技術的効果を検証するために、この出願のこの実施形態におけるデバイスの構造パラメータ及び性能パラメータを、半導体TCADを用いることによってシミュレーションする。電界効果トランジスタの構造パラメータを表2及び図13に示す。1.8e19cm-3の濃度を持つN型基板上に、1.3e17cm-3のドーピング濃度及び3μmの厚さを持つN型エピタキシャル層が配設されて、デバイスボディを形成する。該デバイスボディの表面に、0.6μmの深さ及び0.55μmの幅を持つ第1トレンチが形成される。第1トレンチの底を更にエッチングして、0.3μmの深さ及び0.35μmの幅を持つ第2トレンチを形成する。デバイスボディの表面に、P型イオン注入により、0.28μmのポテンシャルウェル深さ及び14μmのチャネル長を持つ第1のP型チャネル(第1チャネル)が形成され、注入量は1.35e13cm-3であり、N型イオン注入により、0.15μmの深さ及び0.1μmの幅を持つ第1ドーピング型の高濃度ドープ領域が形成され、P型イオン注入により、0.15μmの深さ及び0.1μmの幅を持つ第2ドーピング型の高濃度ドープ領域が形成される。第2トレンチの底に、P型イオン注入により、0.55μmのポテンシャルウェル深さ及び0.21μmのチャネル長を持つ第2のP型チャネル(第2チャネル)が形成される。第1トレンチ及び第2トレンチの中に、250Åの厚さを持つゲート酸化物層が配置される。0.4μmの深さ及び0.18μmの幅を持つ多結晶シリコン、並びに0.2μmの深さ及び0.18μmの幅を持つ多結晶シリコンが充填されて、それぞれ、第1ゲート(ゲートG1)及び第2ゲート(ゲートG2)を形成する。当該パワー半導体デバイスの閾値電圧は、ゲート酸化物層の厚さ及びP型ウェル領域の濃度に依存する。当該デバイスのブレイクダウン電圧及びオン抵抗は、例えばN型ドリフト領域の濃度、深さ、及び長さ、P型チャネル領域の濃度及び長さ、酸化物層の厚さ、並びにトレンチ深さなどのファクタによって決定される。

Figure 0007618951000002
In order to verify the technical effect of the present invention, the structural parameters and performance parameters of the device in this embodiment of this application are simulated by using semiconductor TCAD. The structural parameters of the field effect transistor are shown in Table 2 and Figure 13. An N-type epitaxial layer with a doping concentration of 1.3e17cm -3 and a thickness of 3μm is disposed on an N-type substrate with a doping concentration of 1.8e19cm -3 to form a device body. A first trench with a depth of 0.6μm and a width of 0.55μm is formed on the surface of the device body. The bottom of the first trench is further etched to form a second trench with a depth of 0.3μm and a width of 0.35μm. At the surface of the device body, a first P-type channel (first channel) is formed by P-type ion implantation with a potential well depth of 0.28 μm and a channel length of 14 μm, a heavily doped region of a first doping type with a depth of 0.15 μm and a width of 0.1 μm is formed by N-type ion implantation, and a heavily doped region of a second doping type with a depth of 0.15 μm and a width of 0.1 μm is formed by P-type ion implantation. At the bottom of the second trench, a second P-type channel (second channel) is formed by P-type ion implantation with a potential well depth of 0.55 μm and a channel length of 0.21 μm. A gate oxide layer having a thickness of 250 Å is disposed in the first trench and the second trench. Polysilicon with a depth of 0.4 μm and a width of 0.18 μm and polysilicon with a depth of 0.2 μm and a width of 0.18 μm are filled to form a first gate (gate G1) and a second gate (gate G2), respectively. The threshold voltage of the power semiconductor device depends on the thickness of the gate oxide layer and the concentration of the P-type well region. The breakdown voltage and on-resistance of the device are determined by factors such as the concentration, depth, and length of the N-type drift region, the concentration and length of the P-type channel region, the thickness of the oxide layer, and the trench depth.
Figure 0007618951000002

表2のパワー半導体デバイスについてシミュレーションを行い、シミュレーション結果を図14a及び図14bに示す。図14a及び図14bは、パワー半導体デバイスのブレイクダウン電圧のシミュレーションカーブ図である。第1ゲート及び第1ソース(ソースS1)の電位がローレベルにあるときに、第2ソース及び第2ゲートの電圧が0Vから徐々に上昇し、第2ソース(ソースS2)の電流が徐々に読み出される。第2ソースの電流が突然1μA/mmに変化するとき、対応する第2ソースの電圧が、第2のMOS構造のブレイクダウン電圧、すなわち、第2ソースから第1ソースへのブレイクダウン電圧である。図14aから分かることには、第2のMOS構造のブレイクダウン電圧は15Vである。同様に、第1のMOS構造のブレイクダウン電圧は、第1ソースから第2ソースへのブレイクダウン電圧である。図14bから分かることには、第1のMOS構造のブレイクダウン電圧は15Vである。 A simulation was performed for the power semiconductor device in Table 2, and the simulation results are shown in Figures 14a and 14b. Figures 14a and 14b are simulation curves of the breakdown voltage of the power semiconductor device. When the potentials of the first gate and the first source (source S1) are at a low level, the voltages of the second source and the second gate gradually increase from 0V, and the current of the second source (source S2) is gradually read out. When the current of the second source suddenly changes to 1 μA/mm, the corresponding voltage of the second source is the breakdown voltage of the second MOS structure, that is, the breakdown voltage from the second source to the first source. It can be seen from Figure 14a that the breakdown voltage of the second MOS structure is 15V. Similarly, the breakdown voltage of the first MOS structure is the breakdown voltage from the first source to the second source. It can be seen from Figure 14b that the breakdown voltage of the first MOS structure is 15V.

図15a及び図15bは、パワー半導体デバイスの切替スイッチ特性のシミュレーションカーブ図である。第1ソースの電位がローレベルにあり、且つ第2ソースが0.1Vの固定電圧に接続されるとき、第1ゲートの電流及び第2ゲートの電流が、それぞれ、0V及び0.1Vから徐々に上昇し、第2ソースの電流が徐々に読み出される。第2ソースの電流が突然1μA/mmまで上昇するときの対応する第1ゲートの電圧が、第1のMOS構造の閾値電圧である。図15aに示されるように、第1のMOS構造の閾値電圧のシミュレーション結果は0.9Vである。第2ソース電流が突然1μA/mmまで上昇するときの対応する第2ゲートの電圧が、第2のMOS構造の閾値電圧である。図15bに示されるように、第2のMOS構造の閾値電圧のシミュレーション結果は0.9Vである。 15a and 15b are simulation curves of the changeover switch characteristics of the power semiconductor device. When the potential of the first source is at a low level and the second source is connected to a fixed voltage of 0.1V, the current of the first gate and the current of the second gate gradually increase from 0V and 0.1V, respectively, and the current of the second source is gradually read out. The corresponding voltage of the first gate when the current of the second source suddenly increases to 1μA/mm is the threshold voltage of the first MOS structure. As shown in FIG. 15a, the simulation result of the threshold voltage of the first MOS structure is 0.9V. The corresponding voltage of the second gate when the second source current suddenly increases to 1μA/mm is the threshold voltage of the second MOS structure. As shown in FIG. 15b, the simulation result of the threshold voltage of the second MOS structure is 0.9V.

また、パワー半導体デバイスのブレイクダウン電圧が15Vであり、そのゲート-ソースバイアス電圧が3.1Vであるとき、この出願のこの実施形態における第1のMOS構造及び第2のMOS構造のどちらの固有オン抵抗も、たったの約7mΩ・mmである。 Also, when the breakdown voltage of the power semiconductor device is 15V and its gate-source bias voltage is 3.1V, the specific on-resistance of both the first MOS structure and the second MOS structure in this embodiment of this application is only about 7mΩ· mm2 .

上述の実験検証から分かることには、この出願のこの実施形態で提供されるパワー半導体デバイスにおいて、2つのMOS構造が縦型ドリフト領域を共有し、第1ゲート及び第2ゲートがスタガード方式でずらして分布され、横方向のトレンチが使用されると、単位面積当たりのオン抵抗は7mΩ・mmである。一方で、業界で現在用いられている、2つのMOS構造が背中合わせの共通ドレインモードで直列接続されるパワー半導体デバイスにおいては、ブレイクダウン電圧が12Vであるとき、パワー半導体デバイスの単位面積当たりの固有オン抵抗は10.6mΩ・mmである(データソース: パナソニック製品データFCAB21490L - Gate resistor installed Dual N-channel MOSFET For lithium-ion secondary battery protection circuits,2016年)。従って、業界における既存のパワー半導体デバイスと比較して、この出願の実施形態で提供されるパワー半導体デバイスの単位面積当たりのオン抵抗が33%低減され得るとともに、ブレイクダウン電圧が15V又はそれより高くまで上昇され得る。また、第1ゲート及び第2ゲートがスタガード方式で配置される。これは、製造プロセスを単純化して生産効率を向上させることができる。 It can be seen from the above experimental verification that in the power semiconductor device provided in this embodiment of the application, when two MOS structures share a vertical drift region, the first gate and the second gate are staggered and distributed, and a lateral trench is used, the on-resistance per unit area is 7 mΩ·mm 2. Meanwhile, in a power semiconductor device currently used in the industry in which two MOS structures are connected in series in a back-to-back common drain mode, when the breakdown voltage is 12 V, the specific on-resistance per unit area of the power semiconductor device is 10.6 mΩ·mm 2 (data source: Panasonic product data FCAB21490L - Gate resistor installed Dual N-channel MOSFET For lithium-ion secondary battery protection circuits, 2016). Therefore, compared with the existing power semiconductor devices in the industry, the on-resistance per unit area of the power semiconductor device provided in the embodiment of the application can be reduced by 33%, and the breakdown voltage can be increased to 15 V or higher. Also, the first gate and the second gate are arranged in a staggered manner. This can simplify the manufacturing process and improve production efficiency.

この出願の一実施形態は更に、例えばノートブックコンピュータ、携帯電話、ウェアラブル機器、又はタブレットコンピュータなどの電子機器を提供する。当該電子機器は、バッテリと、該バッテリに接続された出力回路とを含み、該出力回路は、上述のパワー半導体デバイスのうちのいずれかのパワー半導体デバイスを含む。上述の技術的ソリューションでは、水平方向において各共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタによって占有されるサイズを減少させるように、第1ゲート及び第2ゲートがトレンチの深さ方向に沿って上下に配置される。加えて、第1の金属酸化膜半導体構造及び第2の金属酸化膜半導体構造がドリフト領域を共有し、それによりドリフト領域の抵抗を低減させる。さらに、2つの同じ共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタが並列に背中合わせで対称的に接続されることで、パワー半導体デバイスの抵抗が、パワー半導体デバイスが単一の共通ドレイン金属酸化膜半導体を使用する場合の抵抗の半分になり、それによってパワー半導体デバイスの単位面積当たりの固有オン抵抗が低減される。 An embodiment of this application further provides an electronic device, such as a notebook computer, a mobile phone, a wearable device, or a tablet computer. The electronic device includes a battery and an output circuit connected to the battery, and the output circuit includes any one of the power semiconductor devices described above. In the above technical solution, the first gate and the second gate are arranged one above the other along the depth direction of the trench to reduce the size occupied by each common drain metal oxide semiconductor field effect transistor in the horizontal direction. In addition, the first metal oxide semiconductor structure and the second metal oxide semiconductor structure share a drift region, thereby reducing the resistance of the drift region. Furthermore, two identical common drain metal oxide semiconductor field effect transistors are symmetrically connected back to back in parallel, so that the resistance of the power semiconductor device is half that of when the power semiconductor device uses a single common drain metal oxide semiconductor, thereby reducing the specific on-resistance per unit area of the power semiconductor device.

明らかなことには、当業者は、この出願の精神及び範囲から逸脱することなく、この出願に対して様々な変更及び変形を為すことができる。この出願は、この出願の以下の請求項及びそれらと均等な技術によって定められる保護範囲に入る限り、この出願に対するそれらの変更及び変形に及ぶことを意図している。
Obviously, those skilled in the art can make various modifications and variations to this application without departing from the spirit and scope of this application, and this application intends to cover those modifications and variations to this application as long as they fall within the scope of protection defined by the following claims of this application and their equivalent technologies.

Claims (12)

パワー半導体デバイスであって、当該パワー半導体デバイスは、第1ドーピング型のエピタキシャル層と、2つの共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタとを有し、前記第1ドーピング型の前記エピタキシャル層に1つのトレンチが配置され、
各共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタが、前記トレンチの深さ方向に沿って配置された第1の金属酸化膜半導体構造及び第2の金属酸化膜半導体構造を有し、
前記第1の金属酸化膜半導体構造は、前記第1ドーピング型の前記エピタキシャル層に配置された第1チャネルと、該第1チャネルに接続された第1ソースとを有し、該第1ソース及び該第1チャネルは前記トレンチの同じ側に位置し、該第1ソースは該第1チャネルに接続され、該第1チャネルは、前記第1ドーピング型の前記エピタキシャル層に配置された第2ドーピング型の領域であり、
前記第1の金属酸化膜半導体構造は更に、前記トレンチ内に配置されて前記第1チャネルの導通を制御するように構成された第1ゲートを有し、
前記第2の金属酸化膜半導体構造は第2ソース及び第2チャネルを有し、該第2ソースは前記深さ方向に沿って前記トレンチ内を延在し且つ前記トレンチの底に位置し、該第2チャネルは、前記第1ドーピング型の前記エピタキシャル層に位置して該第2ソースに接続され、該第2チャネルは、前記第1ドーピング型の前記エピタキシャル層に配置された前記第2ドーピング型の領域であり、
前記第2の金属酸化膜半導体構造は更に、前記トレンチ内に配置されて前記第2チャネルの導通を制御するように構成された第2ゲートを有し、
前記第1チャネル及び前記第2チャネルは、前記トレンチの前記深さ方向に沿って間隔をあけて配置され、前記第2ゲート及び前記第1ゲートは、前記トレンチの前記深さ方向に沿って間隔をあけて配置され、
前記第1ゲート及び前記第2ゲートが、それぞれ、前記第1チャネル及び前記第2チャネルをターンオンするように制御するとき、前記第1ソース、前記第1チャネル、前記第1チャネルと前記第2チャネルとの間の前記第1ドーピング型の前記エピタキシャル層の部分、前記第2チャネル、及び前記第2ソースの配置方向に沿って又はその反対方向に沿って電流が流れ、
前記2つの共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは第2ソースを共有し、前記2つの共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの2つの第1チャネルが、前記トレンチの両側に配置され、2つの前記第1ソースが、前記トレンチの両側に配置される、
パワー半導体デバイス。
A power semiconductor device, the power semiconductor device comprising: an epitaxial layer of a first doping type; and two common drain metal oxide semiconductor field effect transistors, the epitaxial layer of the first doping type having a trench disposed therein;
Each common drain metal oxide semiconductor field effect transistor has a first metal oxide semiconductor structure and a second metal oxide semiconductor structure disposed along a depth direction of the trench;
the first metal oxide semiconductor structure having a first channel disposed in the epitaxial layer of the first doping type and a first source connected to the first channel, the first source and the first channel being located on the same side of the trench, the first source being connected to the first channel, the first channel being a region of a second doping type disposed in the epitaxial layer of the first doping type;
the first metal oxide semiconductor structure further comprising a first gate disposed in the trench and configured to control conduction of the first channel;
the second metal oxide semiconductor structure has a second source and a second channel, the second source extending within the trench along the depth direction and located at a bottom of the trench, the second channel located in the epitaxial layer of the first doping type and connected to the second source , the second channel being a region of the second doping type disposed in the epitaxial layer of the first doping type;
the second metal oxide semiconductor structure further comprising a second gate disposed in the trench and configured to control conduction of the second channel;
the first channel and the second channel are spaced apart along the depth direction of the trench, and the second gate and the first gate are spaced apart along the depth direction of the trench;
When the first gate and the second gate are controlled to turn on the first channel and the second channel, respectively, a current flows along or in a direction opposite to the direction in which the first source, the first channel, the portion of the epitaxial layer of the first doping type between the first channel and the second channel, the second channel, and the second source are arranged;
The two common drain metal oxide semiconductor field effect transistors share a second source, two first channels of the two common drain metal oxide semiconductor field effect transistors are disposed on both sides of the trench, and two of the first sources are disposed on both sides of the trench.
Power semiconductor devices.
各共通ドレイン金属酸化膜半導体電界効果トランジスタが更に、
前記第1チャネルを前記第1ゲートから絶縁する第1ゲート酸化物層と、
前記第2チャネルを前記第2ゲートから絶縁する第2ゲート酸化物層と、
を有する、請求項1に記載のパワー半導体デバイス。
Each common drain metal oxide semiconductor field effect transistor further comprises:
a first gate oxide layer insulating the first channel from the first gate;
a second gate oxide layer insulating the second channel from the second gate;
The power semiconductor device of claim 1 ,
前記第1ゲート酸化物層及び前記第2ゲート酸化物層は、前記トレンチの側壁上に配置される、請求項2に記載のパワー半導体デバイス。 The power semiconductor device of claim 2, wherein the first gate oxide layer and the second gate oxide layer are disposed on sidewalls of the trench. 前記トレンチは、前記第1ゲート、前記第2ゲート、及び前記第2ソースを包む充填層で充たされている、請求項3に記載のパワー半導体デバイス。 The power semiconductor device of claim 3, wherein the trench is filled with a fill layer that encases the first gate, the second gate, and the second source. 前記第1ドーピング型の前記エピタキシャル層に第1ソースコンタクト領域が配置され、該第1ソースコンタクト領域を介して前記第1チャネルが前記第1ソースに接続される、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のパワー半導体デバイス。 The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein a first source contact region is disposed in the epitaxial layer of the first doping type, and the first channel is connected to the first source via the first source contact region. 前記第1ソースコンタクト領域は、第1ドーピング型の高濃度ドープ領域と、第2ドーピング型の高濃度ドープ領域とを有する、請求項5に記載のパワー半導体デバイス。 The power semiconductor device of claim 5, wherein the first source contact region has a highly doped region of a first doping type and a highly doped region of a second doping type. 前記第1ドーピング型の前記エピタキシャル層に第2ソースコンタクト領域が配置され、該第2ソースコンタクト領域を介して前記第2チャネルが前記第2ソースに接続される、請求項1乃至6のいずれか一項に記載のパワー半導体デバイス。 The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein a second source contact region is disposed in the epitaxial layer of the first doping type, and the second channel is connected to the second source via the second source contact region. 前記第2ソースコンタクト領域は、第1ドーピング型の高濃度ドープ領域と、第2ドーピング型の高濃度ドープ領域とを有する、請求項7に記載のパワー半導体デバイス。 The power semiconductor device of claim 7, wherein the second source contact region has a heavily doped region of a first doping type and a heavily doped region of a second doping type. 前記トレンチは、直線状のトレンチであり、前記第1ゲート及び前記第2ゲートは、前記トレンチの前記深さ方向に沿って上下に配置されている、請求項1乃至8のいずれか一項に記載のパワー半導体デバイス。 The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, wherein the trench is a linear trench, and the first gate and the second gate are disposed one above the other along the depth direction of the trench. 前記第1ゲート及び前記第2ゲートは、前記トレンチの前記深さ方向に沿ってスタガード配置されている、請求項1乃至8のいずれか一項に記載のパワー半導体デバイス。 The power semiconductor device according to any one of claims 1 to 8, wherein the first gate and the second gate are staggered along the depth direction of the trench. 前記トレンチはT字形トレンチであり、前記第2ゲートは前記T字形トレンチの底に配置され、前記第1ゲートは前記T字形トレンチの段差面に配置されている、請求項10に記載のパワー半導体デバイス。 The power semiconductor device according to claim 10, wherein the trench is a T-shaped trench, the second gate is disposed at the bottom of the T-shaped trench, and the first gate is disposed at a step surface of the T-shaped trench. バッテリと該バッテリに接続された出力回路とを有する電子機器であって、前記出力回路は、請求項1乃至11のいずれか一項に記載のパワー半導体デバイスを有する、電子機器。 An electronic device having a battery and an output circuit connected to the battery, the output circuit having a power semiconductor device according to any one of claims 1 to 11.
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