特開 2016-129218 材料の横方向に勾配のあるドーピング

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-129218(P2016-129218A)

(43)【公開日】2016年7月14日

(54)【発明の名称】材料の横方向に勾配のあるドーピング

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/266 20060101AFI20160617BHJP

   H01L 29/06 20060101ALI20160617BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20160617BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20160617BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20160617BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/265 M

   H01L29/06 301F

   H01L29/06 301D

   H01L29/78 301W

   H01L21/265 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

【全頁数】42

(21)【出願番号】特願2015-224998(P2015-224998)

(22)【出願日】2015年11月17日

(31)【優先権主張番号】62/084,520

(32)【優先日】2014年11月25日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】14/685,243

(32)【優先日】2015年4月13日

(33)【優先権主張国】US

(71)【出願人】

【識別番号】501315784

【氏名又は名称】パワー・インテグレーションズ・インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100100181

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 正博

(72)【発明者】

【氏名】ウェイン ビー グラボウスキ

(72)【発明者】

【氏名】クオ‐チャン ヤン

(72)【発明者】

【氏名】カマル ラージ ヴァラダラジャン

(72)【発明者】

【氏名】スジット バネルジー

(72)【発明者】

【氏名】ヴィジェイ パーササラサイ

(57)【要約】      （修正有）

【課題】半導体などの材料の横方向に勾配のあるドーピング方法を提供する。
【解決手段】横方向に変化のある大きさと、横方向に変化のある形状と、横方向に変化のある間隔との少なくとも１つをもつ表面要素として表面の複数の区画部分を材料の表面上に画定することを含む。表面要素下の材料の複数の部分が、要素領域あたり単一量のドーパント材料でドープされる。表面要素下の材料内におけるドーパント材料は、表面要素下の材料内におけるドーパント材料の横方向の勾配を提供するように広がる。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

横方向に変化のある大きさと、横方向に変化のある形状と、横方向に変化のある間隔と、のうちの少なくとも１つをもつ表面要素として、表面の複数の区画部分を材料の表面上に画定すること、
要素領域あたり単一量のドーパント材料で、前記表面要素下の前記材料の複数の部分にドーピングすること、及び、
前記表面下の前記材料内で前記ドーパント材料を広げて前記表面下の前記材料内におけるドーパント材料の横方向の勾配を提供すること、
を含む方法。

【請求項2】

前記表面の前記複数の区画部分を画定することが、複数の表面の縞、または、複数の表面のマトリックスセル、の少なくとも１つを画定することを含む、
請求項１の方法。

【請求項3】

前記複数の表面の縞、または、前記複数の表面のマトリックスセル、のうちの前記少なくとも１つは、イオンビーム注入マスクまたは拡散マスクの１つにおける開口を含み、及び、前記材料の前記複数の部分の前記ドーピングは、前記開口を通して前記ドーパント材料を注入することと、または拡散することとの１つを含む、
請求項２の方法。

【請求項4】

前記開口が、前記表面要素を画定し、前記表面要素上へのドーパントビームまたはイオンビームの前記１つが、前記ドーパント材料を前記材料の前記表面に浸透させて前記ドーパント材料を注入し、及び、前記イオンビーム注入マスクまたは前記拡散マスクの前記１つが、前記ドーパントビームまたは前記イオンビームの前記１つをふるいにかける、
請求項３の方法。

【請求項5】

前記材料が、半導体材料を含む、
請求項１の方法。

【請求項6】

前記半導体材料が、ｐ型半導体材料またはｎ型半導体材料の１つを含む、
請求項５の方法。

【請求項7】

前記ドーパント材料が、ｐ型ドーパント材料またはｎ型ドーパント材料の１つを含む、
請求項５の方法。

【請求項8】

前記半導体材料が、半導体装置に含まれる、
請求項５の方法。

【請求項9】

前記半導体装置が、抵抗器、ＢＪＴ、ＪＦＥＴ、またはＭＯＳＦＥＴの１つである、
請求項８の方法。

【請求項10】

ドーパント材料の量が、前記半導体装置の横方向チャネルに沿って変化している、
請求項９の方法。

【請求項11】

前記表面要素下の前記材料の前記複数の部分の前記ドーピングが、前記半導体装置の複数のドープされた領域を形成する、
請求項１０の方法。

【請求項12】

前記横方向チャネルにおける前記複数のドープされた領域の各々における前記ドーパント材料の量は、前記複数のドープされた領域の前記１つにおける局所的なドーパント濃度により画定される、
請求項１１の方法。

【請求項13】

前記横方向チャネルにおける前記複数のドープされた領域が、前記半導体装置のソース電極とドレイン電極との間に形成される、
請求項１２の方法。

【請求項14】

前記半導体装置の前記ドレイン電極の最も近くにおける局所的なドーパント濃度が、前記半導体装置の前記ソース電極の最も近くにおける局所的なドーパント濃度より大きい、
請求項１３の方法。

【請求項15】

前記半導体装置の前記ドレイン電極の最も近くにおける前記局所的なドーパント濃度が、一様な濃度の領域を形成し、及び、前記半導体装置の前記ソース電極の最も近くにおける前記局所的なドーパント濃度が、前記ソース電極に向かうドーパントの放射状の勾配により、前記ドレイン電極の最も近くにおける前記局所的なドーパント濃度に比べて低い、
請求項１４の方法。

【請求項16】

前記半導体装置が、高電圧スイッチング装置であり、前記半導体装置の前記ドレイン電極の最も近くにおける前記局所的なドーパント濃度が、約２５％であり、及び、前記ソース電極の最も近くにおける前記局所的なドーパント濃度が、約５％である、
請求項１５の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の参照
本出願は、２０１４年１１月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／０８４，５２０号の利益を主張する。

【背景技術】

【0002】

本開示は、概して、半導体などの材料の横方向に勾配のあるドーピングに関する。

【0003】

材料には、それらに所望の性質を与える不純物がドープされ得る。例えば、結晶格子における電荷担体（すなわち、電子または正孔）の数を増やす不純物を導入することにより、真性の単結晶シリコンの導電率が高められ得る。この場合、電子の数を増やす不純物が、ｎ型ドーパントと呼ばれるのに対し、正孔の数を増やす不純物は、ｐ型ドーパントと呼ばれる。

【0004】

横方向に変化する技術を使用して材料に不純物を導入することが、多くの場合、便利であり、この横方向に変化する技術では、より大きな表面における選択された部分に侵入した不純物（または他の化学種）により、より大きなバルクの選択された領域が、選択的にドープされる。より大きな表面における選択された部分のすぐ下の領域では、ドーパント濃度が比較的大きくなるのに対し、選択された部分から横方向に離れた領域では、ドーパント濃度が比較的小さいか、または、ゼロにもなる。ドーパントが表面に侵入する技術の例は、拡散及び注入を含む。このような技術では、より大きな表面における選択された部分は、例えば、マスキング技術、ビーム集束、並びに／またはこれら及び他の技術の組み合わせを使用して、画定され得る。

【0005】

これらの技術は、幅広く利用されているにもかかわらず、材料の横方向に勾配のあるドーピングによって所望の性質を達成することについては、問題を残したままである。例えば、マスクの開口を通して材料表面に侵入するドーパントは、開口から離れるように、材料内の縦方向及び横方向の両方に拡散（従って縦方向及び横方向の両方のドーピング勾配を生成）し得、これらの勾配は、ドーパント／材料の組み合わせの物理的性質により制約される。特定の横方向のドーピング勾配を達成することにおいて、設計者の可能性が損なわれる。

【0006】

ドーパント／材料の組み合わせの物理的性質に制約されない、横方向のドーピング勾配を達成する能力の向上による利益を享受することとなる装置の一種は、半導体装置（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、ＪＦＥＴ、ＩＧＦＥＴ、抵抗器、など）である。例えば、高電圧スイッチング装置の多くでは、オン抵抗（Ｒ_ｄｓｏｎ）及び絶縁破壊電圧（Ｖ_ＢＶ）が、多くの場合、設計要求と競合する。例えば、ドリフト領域の長さの減少に伴って、オン抵抗（Ｒ_ｄｓｏｎ）及び絶縁破壊電圧（Ｖ_ＢＶ）の両方が、概ね減少する。ある必要性に応じてスイッチング装置を最適化することは、他の必要性において不利益をもたらす。

【0007】

従来、複数のチャネルが存在するにもかかわらず絶縁破壊電圧を改善するため、オフ状態において複数の導電チャネルを空乏状態にする埋め込み層が使用されてきた。さらに、縦型装置では、Ｖ_ＢＶを過度に損なわずにＲ_ｄｓｏｎを改善するため、ドリフト領域において縦方向に勾配のあるドーピングが使用されてきた。

【発明の概要】

【0008】

材料の横方向に勾配のあるドーピングの新しい工程が説明されている。この工程は、ドーパント／材料の組み合わせの物理的性質によって制約されない横方向のドーピング勾配を達成するため、種々の材料（例えば、半導体を含む）と共に使用され得る。多くの場合に有益であるが、高電圧スイッチング装置の場合、このような横方向のドーピング勾配を使用して、絶縁破壊電圧とオン抵抗との競合する設計要求の調和をとることにより、より質の高い横型装置が生成され得る。実際、いくつかの事例において、新しい工程は、単一のマスキング及び不純物導入ステップを使用して、種々の横方向のドーパント勾配を有する構造及び装置（トランジスタ、抵抗器など）を（単一のウエハに）形成するために使用され得る。

【0009】

以下の図を参照しながら、本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態が説明され、図において、別段の指定がない限り、異なる図の中の同様の参照番号は、同様の部分を示す。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、横方向に勾配のあるドーピング濃度が存在する、例示的な横型スイッチング装置（縦断面）の概略図である。

【図2A】図２Ａは表面からの縦方向距離に対するドーパント濃度の変化を示すグラフであり、その表面を通してドーパントが拡散される。

【図2B】図２Ｂは、ドーパント／材料の組み合わせの物理的性質によって制約されない例示的な横方向のドーピング勾配の場合の、横方向距離（すなわち、ソースとドレインとの間）に対する横方向のドーピング分布の概略的な例である。ドーピング濃度は、立方センチメートル（１／ｃｍ^３）あたりで表され、距離は、マイクロメートル（μｍ）で表される。ドーパント／材料の組み合わせの物理的性質により制約される、横方向のドーピング勾配を有する装置のドーピングも描かれている。

【図3A】図３Ａは、略長方形の縞状の開口をもつ例示的なドーピングマスクの概略図である。ドレイン付近でドーパント濃度がより大きくなるように、ドレインに向かって略長方形の縞の幅が増加する（Ｗ５＞Ｗ４＞Ｗ３＞Ｗ２＞Ｗ１）。

【図3B】図３Ｂは、略台形の縞をもつ、他の実施形態の例示的なドーピングマスクの概略図である。本実施形態において、各開口の幅は、ソース側でのＷ１からドレインでのＷ５まで連続的に増加する。

【図4A】図４Ａは、ドーパントの拡散（または注入）に対して露出された同じ幅のマスク開口をもつ半導体ブロックの、例示的な縦断面である。

【図4B】図４Ｂは、マスク下の領域に広がり、すべての隣接したマスク開口からのドーパント濃度の重ね合わせ効果をもたらし得る、図４Ａのマスク開口を通して拡散されたドーパントの、例示的なグラフ／曲線である。

【図4C】図４Ｃは、２つの異なる幅をもつドーピングマスクの縞を使用して形成される、例示的な一様なドーピング分布形状のグラフである。

【図4D】図４Ｄは、ピッチの異なるドーピングマスクの縞を使用して形成される、例示的な横方向に勾配のあるドーピング分布形状のグラフである。

【図5A】図５Ａは、ドレイン電圧降下に対するドレイン伝導電流のＶ−Ｉグラフである。ドリフト領域にドーパントの勾配のある分布をもつ装置／トランジスタの、オン状態（オン抵抗Ｒ_ｄｓｏｎを示す）における特性ボルト−アンペア（Ｖ−Ｉ）グラフが、一様なドーパント分布をもつ大きさの類似したトランジスタと比較される。

【図5B】図５Ｂは、ソースからドレインまでの距離に対する横方向電界分布の概略図である。

【図6】図６は、中間調形成技術に基づく、例示的なマトリックスセルの概略図である。

【図7A】図７Ａは、例示的なマトリックスセルのグループの概略図である。

【図7B】図７Ｂは、図６の中間調形成マスク例を使用した、ドリフト領域に勾配のあるドーピングの例示的な概観を示す。これは、ドレインからソースまでのドーピング勾配を示す。

【図8】図８は、一様な濃度の領域（ドレイン付近）に加えて放射状に線形の勾配をもつ、中間調形成技術を使用して形成される、横方向に勾配のあるドーピングがなされたドレイン−チップセルの、横方向の二次元の図の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図面中の複数の図にわたって、対応する参照符号が、対応する構成要素を示す。当業者は、図中の要素が、簡潔かつ明確であるように描かれていること、及び、必ずしも一定の縮尺で描かれていないことを理解するだろう。例えば、本発明の様々な実施形態をより理解しやすくするため、図中のいくつかの要素の寸法が、他の要素より誇張されている場合がある。さらに、本発明に係るこれらの様々な実施形態の図が見づらくならないように、市販に適した実施形態で有用または必要な、一般的だがよく理解されている要素は、多くの場合、描かれていない。

【0012】

以下の説明では、本発明を十分に理解できるように、多くの具体的な詳細事項が記載されている。しかし、本発明を実施する際に、具体的な詳細事項が使用される必要はないことが、当業者には明らかであろう。他の例では、本発明が理解しにくくならないように、よく知られた材料または方法は、詳細には説明されていない。

【0013】

本明細書中での、「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「例（ｏｎｅ ｅｘａｍｐｌｅ）」または「例（ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ）」についての言及は、実施形態または例に関連して説明されている特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書中の様々な場所における、「一実施形態において（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一実施形態において（ｉｎ ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「例（ｏｎｅ ｅｘａｍｐｌｅ）」または「例（ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ）」という語句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態または例を参照しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１以上の実施形態または例において、任意の適切な組み合わせ及び／または部分的組み合せで組み合わされてもよい。特定の特徴、構造または特性は、説明されている機能を提供する集積回路、電子回路、結合論理回路、または他の適切な構成要素に含まれていてもよい。加えて、本明細書と共に提供される図が、当業者への説明を目的としていること、及び、図面が、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではないことが理解される。

【0014】

本出願では、材料の横方向に勾配のあるドーピングについて、様々な技術が説明されている。横方向のドーピング勾配は、ドーパント／材料の組み合わせの物理的性質によって制約されない。これは、多くの状況で有用である。例えば、高電圧スイッチング装置において、ドリフト領域でドーパント濃度が二次元で（横方向に）空間的に変化している横型装置が、形成され得る。ドリフト領域におけるドーパント濃度の横方向の特徴的な変化は、高電圧装置の絶縁破壊電圧とオン抵抗率との間のトレードオフの調和をとるために使用され得る。

【0015】

横方向の一次元または二次元のいずれかにおいて横方向に勾配のあるドーピングの様々な実施態様が、説明されている。いくつかの実施態様において、様々な所定の開口幅及びピッチをもつ縞が適用される。縞は、開口の段階的なステップ変化がある長方形、または、開口幅が連続的に変化している台形のいずれかであってもよい。縞は、ドーピングが横方向に勾配をもつようにする。

【0016】

他の実施態様において、ドーピング工程は、写真ピクセルシェーディングで使用されるのと同様の中間調形成工程を使用する。これらの実施態様は、ドーパント濃度勾配の微細な分布及び制御を可能にする。

【0017】

ドリフト領域ドーピングの特徴的な変化は、高電圧装置（例えば、ＭＯＳトランジスタ、ＢＪＴ、ＪＦＥＴ、抵抗器、及び／または他の装置）の絶縁破壊電圧及びオン抵抗率を調整するために使用されてもよい。横方向に勾配のあるドーピングは、高電圧装置を形成する既存の処理手順と両立でき、単一または複数のマスキング及びドーパント導入ステップにより実現され得る。

【0018】

図１は、横方向に勾配のあるドーピング濃度が内部に存在する、例示的な横型スイッチング装置の縦断面の概略図である。図示された実施態様において、横型スイッチング装置は、横型ＭＯＳＦＥＴ１００であり、横型ＭＯＳＦＥＴ１００において、拡散されたドーパントの濃度がドリフト領域内でソースからドレインに向けて横方向に増加する。横型ＭＯＳＦＥＴ１００は、基板１５０の上方に画定されたソース１１０、ゲート１２０、及びドレイン１３０を含む。ゲート１２０は、ソース１１０とドレイン１２０との間の電流の伝導を制御する。ＭＯＳＦＥＴ１００において、ソース１１０とドレイン１３０との間の伝導経路は、第１の部分と第２の部分との両方を含む。第１の部分は、「ＩＧＦＥＴチャネル」または「ＭＯＳＦＥＴチャネル」と呼ばれ得、ゲート１２０及び介在するゲート酸化物１２４の下方に配設される。第２の部分は、「ドリフト領域」または「ＪＦＥＴチャネル」と呼ばれ得、図示された実施態様において、Ｎウェル１６０内で横方向に延在した２つのＮ型領域（１６１及び１６２）によって形成される。特に、第１の横方向に延在したＮ型領域１６１は、表面に隣接した第１の横方向に延在したＰ型ドープ領域（すなわち、Ｐ型表面領域１４０）と、Ｎウェル１６０内に埋め込まれた第２の横方向に延在したＰ型ドープ領域（すなわち、Ｐ型埋め込み領域１４５）との間に配設される。第２の横方向に延在したＮ型領域１６２は、領域１４５と基板１５０のＰ型ドープ部との間に配設される。領域１４０、１４５、及び基板１５０は、特定のバイアス電圧条件の下で、一緒になって、Ｎ型領域１６１及び１６２を空乏状態にすることとなる。

【0019】

図示されたＭＯＳＦＥＴ１００において、ソース１１０は、ソース１１０付近の電界の大きさを低減させるソースフィールドプレート１１２に接続されている。図示されたＭＯＳＦＥＴ１００において、ゲート１２０は、比較的、ソース１１０の近くに配設されており、ゲートフィールドプレート１２２に接続されている。ドレイン１３０は、表面の層１１５によってソース１１０から横方向に隔離されている。図示されたＭＯＳＦＥＴ１００において、ドレイン１３０は、ドレインフィールドプレート１３５に接続されている。

【0020】

動作中、ＭＯＳＦＥＴ１００がオフ状態のとき、ドレイン１３０とソース１１０との間に高電圧が印加され得る。これに伴う電界は、ドレイン１３０、ソース１１０、及びゲート１２０付近で比較的大きい。最も一般的には、ドレイン端子は、高電圧ノードに接続され、ドレイン１３０の近くで最大の電界が観測される。この高電界値は、部分放電及び局所的な絶縁破壊に関する弱点をもたらす。場合によっては、これは、ドレイン１３０とソース１１０との間で大きな絶縁破壊（完全な破壊）を引き起こし得る。

【0021】

ドリフト領域内の横方向に変化のあるドーパント濃度は、電界を作り変えて、より一様な電界分布を提供するために使用され得る。横方向に勾配のあるドーピング濃度は、単独で使用されるか、または、例えば、電極フィールドプレートまたは埋め込みフィールドプレートを含んだ、電界を成形するのに使用される他の技術と組み合わせて使用され得る。図２Ａのグラフに示されるように、断面ＢＢ’１０８におけるＮウェル内の横方向ドーピング濃度は、断面ＡＡ’１０５におけるＮウェルの横方向ドーピング濃度とは異なり得る。一例において断面ＢＢ’１０８におけるドレインの近くの横方向ドーピング濃度は、断面１０５におけるソース側の横方向ドーピング濃度より大きいものとなり得る。従って、ドリフト領域におけるこのような横方向に変化のあるドーパント分布は、ドリフト領域のドーパント分布が一様な装置と比べて、絶縁破壊電圧を高くすること、及び、装置のオン抵抗を下げることにより、性能を向上させることとなる。

【0022】

図２Ａは、表面（この表面を通してドーパントが拡散された）からの縦方向距離に対するドーパント濃度の変化を示すグラフ２００である。グラフ２００は、横軸２１０及び縦軸２２０を含む。横軸２１０に沿った位置は、装置の表面から下方に向かう縦方向距離（すなわち、深さ）を示す。横軸２１０に沿った位置は、ラベルｄ１、ｄ２、ｄ３、…で区切られる。縦軸２２０に沿った位置は、１立方センチメートルあたりのドーピング濃度（１／ｃｍ^３）を示す。縦軸２２０に沿った濃度は、ラベルｃ１、ｃ２、ｃ３、…で区切られる。ＭＯＳＦＥＴ１００（図１）などの実施態様において、位置２１１は、Ｎウェル１６０の上面を表し、Ｎウェル１６０の深さ（すなわち、図１のＤ_{Ｎｗｅｌｌ}１６４）は、一例において、約１０μｍである。

【0023】

曲線ＡＡ’２０５及びＢＢ’２０８は、２つの異なる断面における、表面からの深さの関数としての拡散されたドーパント濃度を表す。第１のものは、切断線ＡＡ’（図１）に沿って得られ、ソース１１０により近い。第２のものは、切断線ＢＢ’（図２）に沿って得られ、ドレイン１３０により近い。グラフＡＡ’２０５及びＢＢ’２０８は、縦方向において、ドーパント濃度の非直線状の減少を示す。ドレイン１３０により近いＢＢ’に沿ったドーパント濃度は、ソース１１０により近いＡＡ’に沿ったドーパント濃度より大きい。

【0024】

図２Ｂは、例示的な装置における、横方向距離（すなわち、ソースとドレインとの間）に対するドーピング分布の例示的なグラフ２６０である、そのうちの１つは、ドーパント／材料の組み合わせの物理的性質によって制約されない、横方向に勾配のあるドーピング勾配を含む。グラフ２６０は、横軸２３０及び縦軸２４０を含む。横軸２３０に沿った位置は、装置のソースとドレインとの間の横方向距離を示す。横軸２４０に沿った位置は、ラベルＬ１、Ｌ２、Ｌ３、…で区切られる。縦軸２４０に沿った位置は、１立方センチメートルあたりのドーピング濃度（１／ｃｍ^３）を示す。縦軸２４０に沿った濃度は、ラベルＣ１、Ｃ２、Ｃ３、…で区切られる。例示的な１立方センチメートルあたりのドーピング濃度の数値が、縦軸２４０に沿って含まれている。ＭＯＳＦＥＴ１００（図１）などの実施態様において、ゼロ位置２３１は、Ｎウェルのソース側を表す（すなわち、図１のゲート１２０直下）。図示された実施態様において、Ｎウェルに沿った横方向距離（例えば、図１の長さＬ_{Ｎｗｅｌｌ} １６５）は、約６５μｍである。

【0025】

グラフ２６０は、実線の曲線２５０Ｂ及び一点鎖線のグラフ２５０Ａを含む。実線の曲線２５０Ｂは、ドリフト領域において横方向に勾配のあるドーパント濃度をもつ装置の、横方向距離に対するドーピング濃度を表す。一点鎖線のグラフ２５０Ａは、ドリフト領域においてドーパントの略一様な横方向濃度をもつ装置の、横方向距離に対するドーピング濃度を表す。曲線２５０Ａ及び２５０Ｂの両方において、それぞれの装置のソース側付近の両方で、ドーパント濃度が、ドレインに向かって、ほぼゼロから比較的大きい一様なレベル（２５２Ａまたは２５２Ｂ）まで急激に増加する。ソースからの横位置Ｌ_ｋ２３２では、曲線２５０Ａ、２５０Ｂで、ドーパント濃度の分布の傾向が異なる。ドリフト領域において略一様なドーパント濃度をもつ例示的な装置（すなわち、一点鎖線の曲線２５０Ａで示される装置）において、ドーパント濃度は、位置Ｌ_ｋ２３２とドレインとの間のどの横位置でも、ドリフト領域に沿って略一定のまま留まる。

【0026】

ドリフト領域において横方向に勾配のあるドーパント濃度をもつ例示的な装置（すなわち、実線の曲線２５０Ｂで示される装置）において、Ｎウェルのソース側付近の平らな横ばいのレベル２５２Ｂ（すなわち、Ｌ_ｋ２３２の左）は、同じ位置で、略一様なドーパント濃度をもつ装置のドーパント濃度より小さい。しかし、位置Ｌ_ｋ２３２のソース側において、装置内のドーパント濃度は、ソースからの距離に応じて増加する。所望の装置特性を達成するため、単位長さあたりの特定の増加量及びドーパント濃度が選択され得る。ソースからの位置Ｌｘ２３３（「交点２５５」と呼ばれる）において、横方向に勾配のあるドーパント濃度をもつ装置のドーパント濃度は、略一様なドーパント濃度をもつ装置のドーパント濃度より大きい。横方向に勾配のあるドーパント濃度をもつ装置のドーパント濃度は、ドレイン端２３８で最大レベル２５８に達する。

【0027】

このようなドリフト領域における積分されたドーパント濃度は、装置の性能と絶縁破壊電圧とを規定する重要なパラメータである。２５０Ａ及び２５０Ｂで示される２つの例示的な装置の性能の意味のある比較のため、それらのドリフト領域における積分されたドーパント濃度は、同じでなければならない。言い換えると、装置の性能の意味のある比較のため、２つのグラフ２５０Ａ及び２５０Ｂの下の面積は、同じでなければならない。

【0028】

図３Ａ及び３Ｂは、例えば、注入または拡散工程を使用した、横方向に勾配のあるドーパント濃度のために使用され得る、２つのドーピングマスクの概略図である。

【0029】

図３Ａは、略長方形の縞状の開口をもつ例示的なドーピングマスクの概略図である。略長方形の縞の横幅は、ソース付近で比較的小さくてもよく、及び、ドレイン付近で比較的大きくてもよい。このようなマスクが注入または拡散工程で使用される場合、各断面における単位面積あたりのドーパントの拡散は、次第に増加し、ドレイン付近のドーパント濃度は、ソース付近より大きい。いくつかの実施態様において縞状の開口の間のピッチ（すなわち、Ｗ３２０）は、一様に保たれてもよい。一例において、マスク領域３１０は、それぞれ、幅Ｗ１ ３２１、Ｗ２ ３２２、Ｗ３ ３２３、Ｗ４ ３２４及びＷ５ ３２５の、略長方形の縞状の開口３１１、３１２、３１３、３１４及び３１５を有する。ドレイン３０５により近い各縞の幅は、ソース３０１により近い各縞の幅より大きい（すなわち、Ｗ５＞Ｗ４＞Ｗ３＞Ｗ２＞Ｗ１）。より幅の広い縞は、ドーパントがより大きな表面領域に侵入すること、及び、下方にある材料のより大きな表面領域にドープすることを可能にする。この領域が、このような直接的なドーピングが発生しない表面領域（すなわち、マスクされた表面領域）と合わせて考慮されると、面積あたりのドーパント濃度が、ドリフト領域にわたって段階的に増加するように見える。いくつかの実施態様において、縞状の開口のピッチＷ３２０が、一定に維持され得、ステップは、ステップの寸法が一様な階段に近似し得る。他の実施態様において、ドリフト領域において横方向に勾配のあるドーパント分布は、等幅だが不定ピッチで間隔をおいた略長方形の縞状の開口により達成され得る。

【0030】

図３Ｂは、略台形の縞をもつ例示的なドーピングマスクの概略図である。本実施形態において、各開口の幅は、ソースにより近い位置よりも、ドレインにより近い位置でより大きい。図示された実施態様において、マスク領域３５０のマスク開口３６０Ａ及び３６０Ｂは、同一の略台形の形状及び寸法をもつ。ソース側の幅の各々（すなわち、Ｗ１ ３６１Ａ／Ｂ、Ｗ２ ３６２Ａ／Ｂ、Ｗ３ ３６３Ａ／Ｂ）は、隣接するドレイン側の幅（すなわち、Ｗ４ ３６４Ａ／Ｂ、Ｗ５ ３６５Ａ／Ｂ）より狭い。

【0031】

図４Ａ及び図４Ｂのグラフは、拡散マスク４１０の開口４１２を通り、スクリーン酸化物４２０を通り抜けた、例示的な横方向のドーパントの拡散、及び、ドーパントの拡散を受けた後の様々な時点における、表面下の横方向の層内で分布したドーパント濃度の広がり（混合）を示す。図４Ａに、拡散マスク４１０の、同じ幅ｗ４１６をもつマスク開口４１５が示されているが、マスク開口４１５は、例えば、図３Ａまたは図３Ｂに示したように異なる幅であってもよい。ドーパントへの曝露４１２を伴う表面領域（幅「ｗ」４１６と想定される）を通して、ドーパント粒子は、横層１ ４２５と表示された横層に伝達されて広がる。図２Ａに示すように、表面からより深い層においてドーパント濃度が弱まる（減少）ことを考慮すると、マスク（表面）下の各導電横層において、ドーパント濃度の分布グラフの概形は、同じ形状に保たれることが理解される。

【0032】

グラフ図４Ｂは、時間及び環境条件（例えば、温度及び半導体化学種の構造／材料）に基づいてドーパントの横方向の拡散を近似することにより、ドーパントの拡散の概念を示す。示されるように、半導体内の様々な横方向における、ドーパントの拡散／浸透及びドーパント原子の横方向の広がりは、次のパラメータを考慮して決定され得る：
λ＝２√Ｄ・ｔ （式１）
式中、「Ｄ」は、拡散係数（一定）であり、「ｔ」は、ドーパントがシリコン基板内に到達（浸透）した後の時間である。パラメータ「λ」は、ガウス曲線上でドーパント濃度がそのピーク値の１／ｅ倍まで減少する、ドーパントの拡散源からの仮想的な横方向距離を表す。各化学種の拡散係数Ｄは、炉または熱チャンバで拡散工程が実行されるときの温度の関数である。

【0033】

横方向におけるドーパント粒子の流束Ｊは、勾配として規定される：
Ｊ＝−Ｄ・∂Ｃ／∂ｘ （式２）
式中、「Ｄ」は、拡散係数であり、「Ｃ」は、横方向の単位長さあたりのドーパント原子の数を表す、本開示の他のグラフで説明されるものと同じドーパントの横方向濃度であり、「ｘ」は、表面における拡散源からの横方向距離である。

【0034】

時間に対する粒子束の変化率は、フィックの第２法則により発散として定義される：
∂Ｃ／∂ｔ＝Ｄ・∂^２Ｃ／∂ｘ^２ （式３）
ドーパント濃度のグラフにおいて表面で一定の濃度Ｎ_０を維持し得る無限のドーパントの拡散源は、相補誤差関数により導かれる：
Ｃ（ｘ，ｔ）＝Ｃ_０・ｅｒｆｃ［ｘ／２√Ｄ・ｔ］＝Ｃ_０・ｅｒｆｃ［ｘ／λ］ （式４）
誤差関数ｅｒｆ（ｘ）は、次式で示される：
ｅｒｆ（ｘ）＝２／√π∫ｅｘｐ（−ｘ^２）・ｄｘ （式５）
及び、相補誤差関数は、次式で定義される：
ｅｒｆｃ（ｘ）＝［１−ｅｒｆ（ｘ）］ （式６）
その一方で、有限なドーパントの拡散源の場合、表面濃度Ｃ_０は、時間の経過に伴って変化する：
Ｃ_０（ｔ）＝Ｑ／√πＤ・ｔ （式７）
式中、「Ｑ」は、源の総ドーパント量である。
ドーパント濃度のグラフは、ガウスプロファイルにより導かれる：
Ｃ（ｘ，ｔ）＝Ｃ_０（ｔ）・ｅｘｐ［−（ｘ／２√Ｄ・ｔ）^２］＝Ｃ_０（ｔ）・ｅｘｐ［−（ｘ／λ）^２］ （式８）

【0035】

拡散マスク４１０の各拡散マスク開口４１５（幅ｗ４１６をもつ）に関する図４Ｂに示すグラフには、半導体（例えば、シリコン）基板内にドーパントの浸透がなされた後の各時間「ｔ」における、有限な拡散源に対する横方向分布グラフがある。言い換えると、図４Ｂは、マスク開口４１５の中央（ｏ_１、ｏ_２またはｏ_３ ４３２）からの距離に関する例示的なガウスグラフを示す。縦軸４４０は、基板（例えば、シリコン）内へのドーパントの到達後の各時間と、マスク開口４１５の中央からの各距離ｘと、に関するドーパント濃度を表す。第１の矩形グラフ４４２は、λ＝０となる、時間ｔ_１＝０におけるものである。第２のグラフ４４４は、パラメータλ＝２√（Ｄ・ｔ_２）＝ｗ／２と表される、時間ｔ２におけるものである。同様に、第３のグラフ４４６は、パラメータλ＝２√（Ｄ・ｔ_３）＝２ｗと表される、時間ｔ_３におけるものである。

【0036】

高温工程（例えば、炉内または熱チャンバ内）におけるドーパントの拡散は、工程をより速め、ドーパントの浸透深さをより深くし得る。有限なドーパントの拡散源の場合、かつ、拡散またはドーパント源への曝露が有限時間である場合、拡散マスク開口間のドーパント濃度の周期的な変化は、隣接するマスク開口間のピッチ長に応じて決まる。この工程が、縞の幅が０．８μｍである場合における点線グラフで示された図４Ｃのグラフ４６５Ｂにおけるドーパント濃度の分布の周期的な変化を、縞の幅が０．５μｍである場合における実線グラフで示されたグラフ４６５Ａの滑らかなドーパント濃度と比較して、説明する。他の条件が依然同じである場合、マスク開口の微細な分布が、より滑らかなドーパント濃度の分布をもたらし得る。

【0037】

図４Ｃは、２つの異なる幅をもつドーピングマスクの縞を使用して形成される例示的な一様なドーピング分布形状のグラフである。グラフは、縦方向のｙ軸４６０及び横方向のｘ軸４５０を含む。縦方向のｙ軸４６０は、ドーパント濃度を表す。横方向のｘ軸４５０は、ソースからのマスクの縞の横方向距離を表す。図示された実施態様では、例示のみを目的として、ｘ軸４５０に沿った位置Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５及びＬ６が、０〜１００μｍの対応する数値と関連付けられる。同様に、縦軸４６０に沿った値ｃ１、ｃ２、ｃ３、…は、例示のみを目的として、１立方センチメートルあたりのドーパント濃度の数値０．０Ｅ００〜２．０Ｅ＋１５と関連付けられる。

【0038】

図４Ｃのグラフは、実線の曲線４６５Ａ及び点線の曲線４６５Ｂを含む。実線の曲線４６５Ａは、０．５μｍ幅の、拡散マスクの縞状の開口の場合における、ソースからの横方向距離の関数としてのドーパント濃度を表す。点線の曲線４３０Ｂは、０．８μｍ幅の、マスクの縞状の開口の場合における、ソースからの横方向距離の関数としてのドーパント濃度を表す。曲線４６５Ａ、４６５Ｂの両方で、縞間のピッチ値が、一定である。

【0039】

実線の曲線４６５Ａは、ソース端付近で急峻な立ち上がりを示し、ドレイン端までドリフト領域に沿って比較的滑らかなドーパント濃度形状を示す。ドーパント濃度は、ドレイン端付近で減少する。対称的に、点線の曲線４６５Ｂは、ドリフト領域に沿ってドーパント濃度の顕著な変動を示す。しかし、ドリフト領域全体のドーパント濃度は、曲線４３０Ａ、４６５Ｂにおいて同じである。

【0040】

図４Ｄは、２つの異なる幅をもつドーピングマスクの縞を使用して形成される、例示的な横方向に勾配のあるドーピング分布形状のグラフである。グラフは、縦方向のｙ軸４８０及び横方向のｘ軸４７０を含む。縦方向のｙ軸４８０は、ドーパント濃度を表す。横方向のｘ軸４７０は、ソースからの、マスクの縞の横方向距離を表す。図示された実施態様において、ｘ軸４７０に沿った位置Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５及びＬ６は、例示のみを目的として、対応する数値０〜１００μｍと関連付けられる。同様に、縦軸４６０に沿った値ｃ１、ｃ２、ｃ３、…は、「１単位あたりの」ドーパント濃度の正規化された無次元値と関連付けられる。１単位あたりの値を求めるため、その位置における実際のドーパント濃度が、ドリフト領域全体の平均ドーパント濃度で除算される。例示のみを目的として、１単位あたり０〜１．６という１単位あたりの数値が含まれる。

【0041】

図４Ｄのグラフは、実線の曲線４８５Ａ及び点線の曲線４８５Ｂを含む。実線の曲線４８５Ａは、マスクの縞状の開口間のピッチ幅が３μｍである場合における、ソースからの横方向距離の関数としてのドーパント濃度を表す。点線の曲線４８５Ｂは、マスクの縞状の開口間のピッチ幅が５μｍである場合における、ソースからの横方向距離の関数としてのドーパント濃度を表す。

【0042】

実線の曲線４８５Ａは、ドリフト領域の大部分において、ソース端付近での比較的低い１単位あたりの値から、比較的大きい１単位あたりの値まで、非直線状だが、ほぼ連続的な立ち上がりを示す。しかし、ソース付近で、実線の曲線４８５Ａは、比較的低い１単位あたりの値に戻る。対称的に、点線の曲線４８５Ｂは、ドリフト領域に沿ったドーパント濃度形状において顕著な変動を示す。しかし、両方の曲線４８５Ａ、４８５Ｂで、ドリフト領域全体の平均ドーパント濃度は、同じである。

【0043】

図５Ａは、ドリフト領域に勾配のあるドーパント濃度を含むトランジスタと、ドリフト領域に一様なドーパント分布をもつ大きさの類似したトランジスタとの両方の場合の、オン状態における、ドレイン電圧降下に対するドレイン伝導電流のＶ−Ｉ（ボルト−アンペア）グラフである。このＶ−Ｉグラフは、ドレイン電流が装置を通るときの、装置のオン抵抗に起因した、ドレインの順方向電圧降下を示す。

【0044】

図５Ａのグラフは、横方向のｘ軸５１０及び縦方向のｙ軸５２０を含む。横方向のｘ軸５１０は、オン状態中のドレイン電圧を表す。図示された範囲において、ドレイン電圧は、ゼロ５０１〜Ｖ_Ｄ１０の範囲である。図示された実施態様において、ｘ軸５１０に沿った位置Ｖ_Ｄ１、Ｖ_Ｄ２、…及びＶ_Ｄ１０は、例示のみを目的として、対応する数値０〜１０Ｖと関連付けられる。縦方向のｙ軸５２０は、マイクロメートルあたりのアンペア（Ａ／μｍ）という単位で、特定のドレイン電流を表す。図示された実施態様において、縦方向のｙ軸５２０に沿った位置Ｉ_Ｄ１、Ｉ_Ｄ２、…、Ｉ_Ｄ７は、例示のみを目的として、対応する数値０．０Ｅ＋００〜６．０Ｅ＋−０５Ａ／μｍと関連付けられる。

【0045】

図５Ａのグラフは、さらに、曲線５３０Ａ、５３０Ｂ、及び５４５の集合を含む。曲線５３０Ａは、オン状態中の、ドリフト領域に沿って一様なドーパント濃度をもつ装置のボルト−アンペア（Ｖ−Ｉ）特性を表す。曲線５３０Ｂは、ドリフト領域において横方向に勾配のあるドーパント濃度をもつ装置のボルト−アンペア（Ｖ−Ｉ）特性を表す。装置は、同じ大きさである。

【0046】

示されるように、ｘ軸に沿った順方向電圧降下の各値について、横方向に勾配のあるドーパント濃度（５３０Ｂ）をもつ装置を通る伝導電流は、一様なドーパント濃度（５３０Ａ）をもつ装置を通る伝導電流より大きな値をもつ。言い換えると、ドレイン電流値の全範囲について、横方向に勾配のあるドーピング（５３０Ｂ）がなされた装置の順方向電圧降下は、一様なドーパント濃度（５３０Ａ）をもつ装置の順方向電圧降下未満である。これは、より小さなオン抵抗と、横方向に勾配のあるドーパント濃度をもつ装置の性能向上とをもたらす。

【0047】

図５Ａでは、横方向に勾配のあるドーパント濃度をもつ装置における伝導電流の増加が、点線５４５で図示される。伝導電流のパーセントでの増加が、右側の点線の縦軸５４０に示されている。装置の伝導電流の増加は、装置のオン抵抗（Ｒ_ｄｓＯＮ）の改善の結果としてもたらされる。軸５１０に沿ったドレインの順方向電圧降下の例示的な数値について、伝導電流において約１３．５％という最大の増加が観測され得る。伝導電流のこの増加は、ドリフト領域に一様なドーパント濃度をもつ、大きさの類似した装置と比べて、勾配のあるドーパント濃度をもつ装置のオン抵抗の８８％の減少に対応する。

【0048】

図５Ｂは、ソースからドレインまでの距離に対する横方向電界分布の概略図である。このグラフは、ドリフト領域に一様なドーパント分布をもつ装置に比べて、ドリフト領域において横方向に勾配のあるドーパント濃度をもつ装置が、ソースとドレインとの間の横方向電界（Ｖ／ｃｍ）のより一様な分布をもたらすことを示す。

【0049】

図５Ｂは、横方向のｘ軸５５０及び縦方向のｙ軸５６０を含む。横方向のｘ軸５５０は、ゼロ距離５５１にあるソースからドレイン端５５８に向かう横方向距離を表す。図示された実施態様において、横方向のｘ軸５５０に沿った位置Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、…Ｌ７は、マイクロメートル（μｍ）で表された対応する数値と関連付けられ、約８０マイクロメートルというドレインからソースまでの全長Ｌ_ＤＳを示す。この長さ及び具体的な数値は、例示のみを目的としている。この点で、ドリフト領域の長さは、装置の定格を定め、一例において、約６０〜７０μｍであり得る。ゼロ距離５５１は、ソース端を表し、ドレイン端は、右側の線５５８により示される。

【0050】

縦方向のｙ軸５６０は、横方向電界を表す。図示された実施態様において、縦方向のｙ軸５６０に沿った位置Ｅ１、Ｅ２、…Ｅ５は、例示のみを目的として、センチメートルあたりのボルト（Ｖ／ｃｍ）で表された電界の例示的な数値と関連付けられる。

【0051】

図５Ｂのグラフは、実線の曲線５８０及び一点破線の曲線５７０を含む。実線グラフ５８０は、ドリフト領域において勾配のあるドーパント濃度をもつ装置の場合の、ソースとドレインとの間の電界の横方向分布を示す。一点破線グラフ５７０は、ドリフト領域において一様なドーパント濃度をもつ装置の場合の、ソースとドレインとの間の電界の横方向分布を示す。両方の曲線５７０、５８０において、ソース付近（すなわち、ゼロ位置５５１付近）の電界は、比較的小さい。ゲート端付近５５３で、電界が、それぞれの局大値５７１、５８１まで立ち上がる。しかし、ソースからさらに遠ざかり、ゲートを越えてドレインに向かって（すなわち、ドリフト領域に沿って）、一様なドーパント濃度をもつ装置（一点破線グラフ５７０）は、複数のピーク及び谷（例えば、５７２、５７３、及び５７４）を示すのに対し、横方向に勾配のあるドーパント濃度をもつ装置（実線グラフ５８０）は、比較的より一様な電界をもつ。横方向に勾配のあるドーパント濃度をもつ装置が、依然、ドリフト領域の電界形状にいくつかの局所変動（例えば、５８２、５８３、及び５８４）を示し得るとはいえ、電界分布は、目立ったピークを示さない。比較的平坦な電界分布は、オフ状態でドレインに高電圧が印加されたときの、局所的な絶縁破壊の危険性を低減する。

【0052】

横方向に勾配のあるドーパント濃度をもつ装置の場合の曲線５８０と、ドレイン付近において一様なドーパント濃度をもつ装置の場合の曲線５７０との比較も、ドレイン付近における高ドーパント濃度パターンが局所電界を低減し得ること、を裏付ける。これは、示されるように、ドレイン端５５８での、より小さく、従って、より安全な電界の低下をもたらす。

【0053】

後述のように、拡散ドーピングマスクの製造における、中間調形成技術の例示的な使用が、図６〜８に示される。中間調形成の例は、拡散ドーピングマスク上の様々な異なるマトリックスパターンを使用した拡散マスク開口の非常に微細な有限要素の利点を提供する。この例示的な処理工程は、ドリフト領域において一様なドーパント分布と勾配のあるドーパント分布とのいずれかに使用され得るマスク開口構成を提供する。例えば、一例において、横方向に変化のある大きさと、横方向に変化のある形状と、横方向に変化のある間隔との少なくとも１つを有する表面要素として、表面の複数の区画部分が材料の表面に画定される。これにより、表面要素の下の材料の複数の部分が、要素領域あたり単一量のドーパント材料でドープされ得る、そして、ドーパント材料は、ドープされた後、表面下の材料内に広がり、表面下の材料に、ドーパント材料の横方向の勾配を提供し得る。表面の複数の区画部分が、複数の表面の縞または複数の表面のマトリックスセルの少なくとも１つに適用され得ることが理解される。複数の表面の縞または表面のマトリックスセルは、表面の複数の区画部分にわたって配設された、イオンビーム注入マスクまたは拡散マスクの開口により画定され得る。材料の複数の部分のドーピングは、ドーパントビームまたはイオンビームを使用して開口を通してドーパント材料を注入または拡散させて、材料内にドーパントを浸透及び注入させることにより実現され得る。従って、開口が表面要素を画定し、その表面要素上へのドーパントビームまたはイオンビームの１つが材料の表面を貫いてドーパント材料を注入することにより、イオンビーム注入マスクまたは拡散マスクが、ドーパントビームまたはイオンビームをふるいにかける。

【0054】

従って、高い性能を提供するように設計された装置において、本発明の教示に従って中間調形成技術を使用して提供される、ドリフト領域における勾配のあるドーパント濃度は、ドリフト領域において滑らかに混合されたドーパント分布の勾配を提供するのに役立ち得る。一例において、説明された中間調形成技術で使用される微細なマスク開口を提供するように生成されるマトリックスパターンは、コンピュータソフトウェアを使用してデジタル的に提供される。

【0055】

説明のため、図６は、本発明の教示による中間調形成技術に従って配設された、例示的なマトリックスセルの概略図である。図示された例において、中間調形成は、表面の比較的小さな区画部分が単一の「色調」（すなわち、単色または一定の濃淡）を帯びて、複数の色調をもつ比較的大きな像、または、連続的な色調をも擬態する技術である。区画部分は、略正方形であるが、点、三角形、及び／または他の幾何学的形状が使用されてもよい。区画部分の大きさと、区画部分の形状と、区画部分の間隔との１以上を横方向に変化させることにより、区画された単一の色調の部分が、複数の色調または連続的な色調をもつより大きな領域に見えるので、横方向の勾配の効果が形成される。

【0056】

本明細書に記載される「中間調形成」ドーピングでは、表面の区画部分は、例えば、注入、拡散、または他のマスク及び／若しくはビーム集束における比較的小さな開口により画定され得る。単一のドーパントの「色調」（または単位面積あたりのドーパント材料の量）は、その部分の表面に侵入して、下方の材料内に直接ドープする。図４Ａ〜４Ｂで説明されるように、隣接したマスク開口で直接ドープされる部分から、ドーパントの拡散の、いくらかの横方向の混合または重ね合わせが起こることとなり、各位置のドーパント濃度は、すべての隣接したマスク開口からのドーパントの拡散の重ね合わせ効果であることが理解される。ドーピングマスクのマトリックスパターンの最適設計により、装置のドリフト領域における一様な、または所望のドーパント濃度の勾配をもたらすように、ドーパント濃度が制御され得る。横方向の連続的なまたは非連続的な勾配の効果が得られるように、直接ドープされる部分を提供するマスク開口の大きさ、形状または間隔が、横方向に変化してもよい。

【0057】

横方向の勾配の効果は、比較的大きな領域にわたり発生し、複数のドープされた部分を含むので、本明細書で提供されるドーパント濃度は、隣接したマスク開口からのドーパント濃度の重ね合わせ効果を含んでおり、各重ね合わせ領域にわたって効果的に平均化され、または混合されている。従って、連続的または非連続的な横方向の勾配の効果は、ドープされた部分と、それらの部分からのドーパントの横方向の拡散との両方の大きさに比べて、比較的大きな領域にわたり発生する。これらの領域は、必然的に複数のドープされた部分を含む。言い換えると、所与の領域において、個々のドープされた部分の粒度は、無視される。その代わり、複数のドーパント部分を含む領域にわたる、ドーパント濃度の重ね合わせ効果が提供される。

【0058】

一般的に、連続的または非連続的に横方向に勾配のある領域におけるドープされた部分の間隔は、おおよそドープされた部分自体の大きさとなる。例えば、以下でさらに説明するように、周辺領域にわたって重ね合わせされたドーパント濃度６．２５％は、一様な正方形にドープされた部分を使用して達成され得、この一様な正方形にドープされた部分は、それらの最も隣接したものから、その正方形にドープされた部分の辺の長さの約４倍の距離だけ離れている。ドーパント濃度２５％は、一様な正方形にドープされた部分を使用して達成され得、この一様な正方形にドープされた部分は、それらの最も隣接したものから、その正方形にドープされた部分の辺の長さの約２倍の距離だけ離れている。もちろん、例えば、様々な配置及び一様さでドープされた部分に対して、領域平均化されたドーパント濃度とドープされた部分の間隔との同様の関係を計算することが可能である。

【0059】

これらのパーセント表記のドーパント濃度（及び、本明細書に記載される、事実上すべてのパーセント表記のドーパント濃度）は、近似にすぎないことに留意されたい。この点で、上方に位置する表面に侵入する材料により直接ドープされた領域は、正確に計算され得るが、このようなドーパントは、一般的に、直接ドープされた領域からある程度、横方向に離れる方向に拡散することとなる。このような横方向の拡散の程度及び効果は、ドーパント及び基板材料の性質、処理条件、及び時間を含むいくつかのパラメータの関数である。そのため、以下に説明されるパーセント表記のドーパント濃度は、横方向の拡散を説明するものではなく、近似にすぎない。

【0060】

図６では、例示的ないくつかの考え得るドーパント濃度の区画が、２ｘ２または３ｘ３セルのマトリックスにより図示される。黒セルは、拡散、注入、及び／またはビーム集束によりドーパントが基材の表面を貫き得る、ドープされる領域を表す。従って、いくつかの実施態様において、マトリックスは、拡散マスクまたは注入マスク上の領域に対応し得る。一例において、ドリフト領域に沿ったドーパント濃度の様々な変化は、ドーパントを表面中に拡散するための選択的な開口セルをもつマトリックスマスクにより生成され得る。例えば、１０以上のこのようなマトリックス、例えば、１００以上のこのようなマトリックス、または何千ものこのようなマトリックスをもつ拡散及び注入マスクが、形成され得る。

【0061】

２ｘ２マトリックス６１０は、１つの開口セル６１２をもち、マトリックスの領域にわたって局所的な２５％のドーパント濃度を形成するために使用され得る。２ｘ２マトリックス６２５における２つの開口セル６２７は、マトリックスの領域にわたって局所的な５０％のドーパント濃度を形成するために使用され得る。２ｘ２マトリックス６３０における３つの開口セル６３２は、マトリックスの領域にわたって局所的な７５％のドーパント濃度を形成するために使用され得る。

【0062】

３ｘ３マトリックス６３５は、１つの開口セル６３７をもち、３ｘ３マトリックス６４０は、２つの開口セル６４２をもち、３ｘ３マトリックス６４５は、３つの開口セル６４７をもち、３ｘ３マトリックス６５０、６５５は、それぞれ、４つの開口セル６５２または６５７をもち、３ｘ３マトリックス６６０は、５つの開口セル６６２をもち、３ｘ３マトリックス６６５は、６つの開口セル６６７をもち、３ｘ３マトリックス６７０は、７つの開口セル６７２をもち、及び３ｘ３マトリックス６７５は、８つの開口セル６７７をもつ。これらのマトリックスは、それらのそれぞれのマトリックスの領域にわたって、１１．１％、２２．２％、３３．３％、４４．４％、５５．５％、６６．６％、７７．７％、及び８８．８％といった局所的なドーパント濃度を形成するために使用され得る。

【0063】

より大きな大きさマトリックス、及び／または、より複雑なマトリックス構造を使用することにより、ドーパント濃度の変形例における、別の種々のドーパント濃度及び微細なステップが達成され得る。さらに、多数のこのようなマトリックスが、表面上で互いに隣接して配設された場合、ドリフト領域または他の基板において、複数の色調をもつ、または、さらには連続的な色調を近似した大きな領域が形成され得る。

【0064】

図７Ａは、中間調形成技術に従って配設されたマトリックスセルの例示的なグループ７１０、７２０、７３０、７４０の概略図である。図７Ａのグループ７１０、７２０、７３０、７４０の各々が、排他的に、同じ局所的なドーパント濃度をもつ複数のマトリックスセルを含む。従って、グループ７１０、７２０、７３０、７４０の各々が、グループの複数の要素マトリックスの領域にわたるドーパント濃度と同じだけの、グループに覆われた領域にわたって平均化されたドーパント濃度をもつ。図示された実施態様において、グループの複数の要素マトリックスの領域にわたるドーパント濃度は、約６％から２５％までの範囲である。様々なマトリックスを使用して他のドーパント濃度が達成され得るので、これが必ずしもあてはまるわけではない。

【0065】

図示された実施態様において、各グループのマトリックスセルは、同一であり、同様に配設される。これが必ずしもあてはまるわけではない。例えば、図６のマトリックス６５０及び６５５などの、例えば、回転された同一のマトリックス、または、同一の局所的に平均化されたドーパント濃度をもつ異なるマトリックスが、１つのグループに含まれ得、結果として得られるグループは、依然、グループにより覆われる領域にわたって同じドーパント濃度をもつこととなる。

【0066】

図７Ａでは、マトリックスグループ７１０は、単一の開口セルをもつ３６個の同一の４ｘ４のマトリックスを含む。その結果、マトリックスグループ７１０とその要素である４ｘ４のマトリックスとの両方が、１／１６＝６．２５％というドーパント濃度をもつ。マトリックスグループ７２０は、各々が２つの開口セルをもつ同一の４ｘ４のマトリックスを含む。その結果、マトリックスグループ７４０とその要素である４ｘ４のマトリックスとの両方が、１／８＝１２．５％というドーパント濃度をもつ。マトリックスグループ７３０は、各々が２つの開口セルをもつ同一の２ｘ３のマトリックスを含む。その結果、マトリックスグループ７３０とその要素である２ｘ３のマトリックスとの両方が、１／６＝１６．６％というドーパント濃度をもつ。マトリックスグループ７４０は、各々が単一の開口セルをもつ同一の２ｘ２のマトリックスを含む。その結果、マトリックスグループ７６０とその要素である２ｘ２のマトリックスとの両方が、１／４＝２５％というドーパント濃度をもつ。

【0067】

図７Ｂに示すように、これらの例示的なマトリックスグループは、例えば、勾配のあるドーパント濃度をもつ横型装置のドリフト領域構造で使用され得る。一例において、図７Ａの勾配のあるドーピング分布形状は、ＭＯＳＦＥＴ装置に使用され得、そのＭＯＳＦＥＴ装置において、元のＰ型埋め込み領域及びドリフト領域の特徴は、中間調勾配に置き換えられる。本例において、ドレイン領域７６７は、一様な２５％という中間調濃度をもつ。しかし、ドリフト領域内では、ドレインの周りにおいて、中間調パターンが、直線状の勾配で放射状に、ソース領域７６２の位置に対応する放射状距離における、５％まで減少する。このソース位置の放射状距離を超えたドリフト領域では、ドーピング濃度の勾配が、中間調パターンの濃度５％で一定に保たれる。一定の濃度５％であるこの延在領域は、ドレイン先端部における電界の緩和をもたらし、他のパッド／端子へのドレインの簡単な接続を提供し得る。

【0068】

図７Ｂの概略図は、一次元において、すなわち、ページの左側と右側との間で、横方向に勾配のあるドーパント密度をもつ、例示的な中間調形成された基板を示す。特に、基板は、チャネルで分離された、それぞれのソース領域（７５２、７６２または７７２）及びドレイン領域（７５７、７６７または７７７）と、横方向に勾配のあるドーパント濃度をもつドリフト領域（７５３〜７５５、７６６または７７６）と、を各々が含む半導体装置７５０、７６０及び７７０の部分である。

【0069】

第１の例示的な装置７５０では、チャネル及びドリフト領域（７５３〜７５５）が、４つの異なる中間調領域７５３、７５４、７５５、７５７を含む。各領域７５３、７５４、７５５、７５７が、同じ配向とされた同一のマトリックスのグループを含む。個々の領域７５３、７５４、７５５，７５７の各々の中での局所的なドーパント濃度は、一様であるが、ドリフト領域全体における装置のドーパント濃度は、横方向に勾配のあるままである。言い換えると、各領域７５３、７５４、７５５、７５７内の一様な局所的な平均ドーパント濃度にもかかわらず、ドーパント濃度は、より大きな寸法規模（例えば、ソース領域とドレイン領域との間隔の寸法規模）で横方向に勾配がある。

【0070】

図示された実施態様において、領域７５３は、３つのうちでソース領域に最も近く、最も小さな局所的なドーパント濃度をもつ。例えば、領域７５３は、その全体が図７Ａのマトリックスグループ７１０により覆われ得、約６％という局所的なドーパント濃度をもつ。領域７５４は、領域７５３のドレイン側に配設され、領域７５３より大きな局所的なドーパント濃度をもつ。例えば、領域７５４は、図７Ａのマトリックスグループ７２０により、その全体が覆われ得、１２．５％という局所的なドーパント濃度をもつ。領域７５５は、領域７５４のドレイン側に配設され、領域７５４より大きな局所的なドーパント濃度をもつ。例えば、領域７５５は、その全体が図７Ａのマトリックスグループ７３０により覆われ得、１６．６％という局所的なドーパント濃度をもつ。

【0071】

領域７５７は、領域７５５のドレイン側に配設され、領域７５５より大きな局所的なドーパント濃度をもつ。例えば、領域７５７は、その全体が図７Ａのマトリックスグループ７４０により覆われ得、２５％という局所的なドーパント濃度をもつ。一般的に、領域７５７は、領域７５３、７５４、７５５より広い領域をもつこととなる。領域７５７の、より広い領域及び比較的大きな局所的なドーパント濃度が、ドレイン付近に、比較的小さな電界を提供する。

【0072】

第２の例示的な装置７６０において、チャネル及びドリフト領域は、中間調領域７６６及び７６７を含む。領域７６６は、様々な配向の様々な異なるマトリックスを含む。領域７６６内で、ソース領域７６２により近いマトリックスは、より小さな局所的なドーパント濃度をもつ。ドレイン領域により近いマトリックスは、より大きな局所的なドーパント濃度をもつ。マトリックスは、チャネルの中央付近に配設され、ドリフト領域は、中程度のドーパント濃度をもつ。個々のマトリックスは、ほぼ連続的な勾配を近似した横方向の勾配を達成するように配設される。従って、領域７６６は、理想的に連続的な横方向の勾配を使用して計算された図５Ａ〜５Ｂの、ドーパント濃度の理想的な連続的な様相をほぼ達成している。

【0073】

領域７６７は、領域７６６のドレイン側に配設され、領域７６６より大きな局所的なドーパント濃度をもつ。例えば、領域７６７は、その全体が図７Ａのマトリックスグループ７４０により覆われ得、２５％のドーパント濃度をもつ。

【0074】

第３の例示的な装置７７０において、チャネル及びドリフト領域７７６は、様々な中間調領域７７６を含む。個々の領域の各々における局所的なドーパント濃度は、一様であるが、装置のドリフト領域におけるドーパント濃度は、横方向に勾配のあるままである。

【0075】

局所的な区域（すなわち、７５３／７５４／７５５／７５７または７６６／７６７）の幅をより小さくした装置のドリフト領域では、局所的な平均ドーパント濃度が横方向に勾配をもつ寸法規模は、より小さくなり、図５Ａ〜５Ｂの理想的な連続的な様相に、より近く近似されることとなる。

【0076】

図８は、２つの横の次元、すなわち、ページの左側と右側との間、及びページ上部と底部との間において、横方向に勾配のあるドーパント濃度をもつ、例示的な装置８００の中間調形成された基板の概略図である。２つの横の次元におけるこのような横方向の勾配は、例えば、横型半導体装置のドレイン先端領域で必要とされる。図示された基板は、半導体装置８００のチャネル及びドリフト領域８１２、８１４、８１６である。チャネル及びドリフト領域は、それぞれのソース側８１６からドレイン側８１２まで延在する。

【0077】

図８の例において、チャネル及びドリフト領域における、横方向に勾配のあるドーパント濃度またはドーピング勾配８１４／８１５は、同じ配向とされた同一のマトリックスの複数のグループにより達成される。同一のマトリックスのグループが、必ずしも同じ大きさというわけではなく、各グループが、必ずしも同じ表面領域を占めるわけではない。その代わり、一様でない形状をもつ同一のマトリックスのグループが、所望の横方向の勾配を達成するように配設され得る。

【0078】

チャネル及びドリフト領域内には、同じ配向とされた同一のマトリックスの別個の領域があってもよい。しかし、チャネル及びドリフト領域は、様々な配向の様々な異なるマトリックスをさらに含んでいてもよい。個々のマトリックスは、装置のドリフト領域にわたる、ほぼ連続的な勾配を近似した横方向の勾配を達成するように配設される。

【0079】

例示された本発明の実施形態の上記の説明は、要約で説明されている事項を含め、網羅的であることも、本発明を開示されている形態そのものに限定することも意図していない。本発明の特定の実施形態及び例は、本明細書で例示を目的として説明されているが、本発明の範囲内で当業者が認識することとなる様々な変形が可能である。

【0080】

前述の詳細な説明を考慮して、本発明にこれらの変更がなされ得る。後述の請求項で使用される用語は、本発明を明細書に開示されている特定の実施形態に限定するように解釈されてはならない。むしろ、本発明の範囲は、後述の請求項により完全に定義されるべきであり、確立された請求項の解釈の原則に従って解釈されなければならない。

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図1】

【図8】

【外国語明細書】

Description
LATERALLY-GRADED DOPING OF MATERIALS

REFERENCE TO
RELATED APPLICATION
[0001] This application claims the benefit of U.S. Provisional Application No. 62/084,520, filed November 25, 2014.
BACKGROUND INFORMATION
Field of the Disclosure
[0002] The present disclosure relates generally to laterally-graded doping of materials, such as semiconductors.
Background
[0003] Materials can be doped with impurities to imbue them with desired properties. For example, the electrical conductivity of intrinsic single crystal silicon can be increased by introducing impurities that increase the number of charge carriers (i.e., electrons or holes) in the crystal lattice. In this case, impurities that increase the number of electrons are referred to as n-type dopants whereas impurities that increase the number of holes are referred to as p-type dopants.
[0004] It is often convenient to introduce impurities into materials using laterally-resolved techniques in which a selected region of a larger bulk is selectively doped by impurities (or other species) that have traversed a selected portion of a larger surface. The dopant concentration will be relatively higher in the regions immediately beneath the selected portion of the larger surface whereas the dopant concentration will be relatively lower or even zero in regions that are laterally removed from the selected portion. Examples of techniques in which dopants traverse a surface include diffusion and implantation. In such techniques, the selected portion of the larger surface can be defined using, e.g., masking techniques, beam focusing, and/or combinations of these and other techniques.
[0005] Despite the widespread adoption of these techniques, it remains problematic to laterally-grade the doping of materials to achieve desired properties. For example, although a dopant that traverses a material surface through an opening in a mask may diffuse both vertically and laterally away from the opening into the material (thus producing both a vertical and lateral doping gradients), these gradients are constrained by the physical properties of the dopant/material system. The ability of designers to achieve a particular lateral doping gradient is impaired.
[0006] One class of devices that would benefit from an improved ability to achieve lateral doping gradients that are not constrained by the physical properties of the dopant/material system is semiconductor devices (e.g., power MOSFETs, BJTs, JFETs, IGFETs, resistors, etc.). For instance, in many high voltage switching devices, on-resistance (R_dson) and breakdown voltage (V_BV) are often competing design considerations. For example, both on-resistance (R_dson) and breakdown voltage (V_BV) generally decrease with decreasing length of the drift region. Optimizing a switching device for one necessarily impairs the other.
[0007] In the past, buried layers that deplete multiple conduction channels in the off-state have been used to improve the breakdown voltage despite the presence of multiple channels. Also, in vertical devices, vertically-graded doping in the drift region has been used to improve R_dson without unduly impairing V_BV.
SUMMARY
[0008] A new process for laterally-graded doping of materials is described. This process can be used with a variety of materials (including, e.g., semiconductors) to achieve lateral doping gradients that are not constrained by the physical properties of the dopant/material system. Although advantageous in many contexts, in the context of high voltage switching devices, higher quality lateral devices can be produced by balancing the competing design considerations of breakdown voltage and on-state resistance using such lateral doping gradients. Indeed, in some instances, the new process can be used to create--on a single wafer--structures and devices (transistors, resistors, etc.) having a variety of lateral dopant gradients using a single masking and impurity introduction step.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0009] Non-limiting and non-exhaustive embodiments of the present invention are described with reference to the following figures, wherein like reference numerals refer to like parts throughout the various views unless otherwise specified.
FIG. 1 is a schematic representation of an example of a lateral switching device (vertical cross section) in which a laterally graded doping concentration is present.
FIG. 2A is a graph illustrating the variation of dopant concentration versus vertical distance from the surface through which it has been diffused.
FIG. 2B is a schematic example of lateral doping distribution versus lateral distance (i.e., between source and drain) for an example lateral doping gradient that is not constrained by the physical properties of the dopant/material system. The doping concentration is expressed per cubic centimeter, 1/cm³, and distance is expressed in micrometers, μm. Also illustrated is the doping of a device that has a lateral doping gradient that is constrained by the physical properties of the dopant/material system.
FIG. 3A is a schematic illustration of an example of a doping mask with generally rectangular stripe openings. The width of the generally rectangular shape stripe increases (W5>W4>W3>W2>W1) towards the drain to allow higher dopant concentration around the drain.
FIG. 3B is a schematic illustration of another embodiment example of doping mask with generally trapezoidal stripes. In this embodiment, the width of each opening continuously increases from W1 at the source side to W5 at the drain.
FIG. 4A is an example of vertical cross section of semiconductor block with the mask openings of same width exposed to dopant diffusion (or implantation).
FIG. 4B is an example graph/curves of dopant diffused through the mask openings of FIG. 4A that may expand to the area under the mask and generate a superimpose effect of dopant concentration from all adjacent mask openings.
FIG. 4C is a graph of an example uniform doping profile formed using doping mask stripes having two different widths.
FIG. 4D is a graph for an example laterally-graded doping profile formed using doping mask stripes having different pitches.
FIG. 5A is a V-I graph of drain conduction current versus the drain voltage drop. The characteristic Volt-Ampere, V-I graph in the on-state (that presents the on-resistance, R_dson) of a device/transistor with graded distribution of dopant in the drift region is compared with a similarly-sized transistor with a uniform dopant distribution.
FIG. 5B is a schematic illustration of the lateral electric field distribution versus the distance from source to drain.
FIG. 6 is a schematic illustration of example matrix cells in accordance with a halftoning technique.
FIG. 7A is a schematic illustration of example groups of matrix cells.
FIG. 7B presents an example profile of Drift region graded doping utilizing the sample halftone masks in FIG. 6. It shows the doping gradient from drain to source.
FIG. 8 is a schematic illustration of a lateral two-dimensional view of a drain-tip cell with laterally-graded doping formed using a halftone technique with a radial-linear gradient in combination with uniform concentration regions (around the drain).
[0010] Corresponding reference characters indicate corresponding components throughout the several views of the drawings. Skilled artisans will appreciate that elements in the figures are illustrated for simplicity and clarity and have not necessarily been drawn to scale. For example, the dimensions of some of the elements in the figures may be exaggerated relative to other elements to help to improve understanding of various embodiments of the present invention. Also, common but well-understood elements that are useful or necessary in a commercially feasible embodiment are often not depicted in order to facilitate a less obstructed view of these various embodiments of the present invention.
DETAILED DESCRIPTION
[0011] In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention. It will be apparent, however, to one having ordinary skill in the art that the specific detail need not be employed to practice the present invention. In other instances, well-known materials or methods have not been described in detail in order to avoid obscuring the present invention.
[0012] Reference throughout this specification to "one embodiment", "an embodiment", "one example" or "an example" means that a particular feature, structure or characteristic described in connection with the embodiment or example is included in at least one embodiment of the present invention. Thus, appearances of the phrases "in one embodiment", "in an embodiment", "one example" or "an example" in various places throughout this specification are not necessarily all referring to the same embodiment or example. Furthermore, the particular features, structures or characteristics may be combined in any suitable combinations and/or subcombinations in one or more embodiments or examples. Particular features, structures or characteristics may be included in an integrated circuit, an electronic circuit, a combinational logic circuit, or other suitable components that provide the described functionality. In addition, it is appreciated that the figures provided herewith are for explanation purposes to persons ordinarily skilled in the art and that the drawings are not necessarily drawn to scale.
[0013] In this application, different techniques are described for laterally-graded doping of materials. The lateral doping gradients are not constrained by the physical properties of the dopant/material system. This is useful in many contexts. For example, in high voltage switching devices, lateral devices in which the concentration of dopant in drift region varies spatially in two dimensions (laterally) can be formed. The lateral special variation of the dopant concentration in drift region can be used to balance the trade-offs between breakdown voltage and specific on-resistance of the high voltage device.
[0014] Different implementations for laterally-graded doping in either one or two lateral dimensions are described. In some implementations, stripes with different predefined widths of openings and pitches are applied. The stripes may either be rectangular shape with gradual step change of the openings or trapezoidal with a continuous change of the opening width. The stripes allow the doping to be laterally graded.
[0015] In other implementations, a doping process uses a halftoning process similar to that used in photo pixel shading. These implementations allow a finer distribution and control of the dopant concentration gradient.
[0016] The special variation of the drift region doping may be used to tailor the breakdown voltage and specific on-resistance of high voltage devices (e.g., MOS transistors, BJTs, JFETs, resistors, and/or other devices). The laterally-graded doping is compatible with existing process flows to create high voltage devices and can be implemented by a single or multiple masking and dopant-introduction steps.
[0017] FIG. 1 is a schematic representation of a vertical cross-section of an example lateral switching device in which a laterally graded doping concentration is present. In the illustrated implementation, the lateral switching device is a lateral MOSFET 100 in which the concentration of the diffused dopant increases laterally from source toward the drain in a drift region. Lateral MOSFET 100 includes a source 110, a gate 120, and a drain 130 that are defined above a substrate 150. Gate 120 controls the conduction of current between source 110 and drain 120. In MOSFET 100, the conduction path between source 110 and drain 130 includes both a first portion and a second portion. The first portion can be referred to as an "IGFET channel" or a "MOSFET channel" and is disposed beneath gate 120 and an intervening gate oxide 124. The second portion can be referred to as a "drift region" or a "JFET channel" and, in the illustrated implementation, is formed by two laterally-extending N-regions (161 and 162) within N-well 160. In particular, the first laterally extending N-region 161 is disposed between a first laterally extending P-doped region (i.e., P-surface region140) adjacent to the surface and a second laterally extending P-doped region (i.e., P-buried region 145) that is buried within N-well 160. The second laterally extending N-region 162 is disposed between region 145 and a P-doped portion of substrate 150. Regions 140, 145, and substrate 150 will together deplete N-regions 161 and 162 under certain bias conditions.
[0018] In the illustrated MOSFET 100, source 110 is coupled to a source field plate112 that reduces the magnitude of the electric field in vicinity of source 110. In the illustrated MOSFET 100, gate 120 is disposed relatively close to source 110 and is coupled to a gate field plate 122. Drain 130 is laterally isolated from source 110 by a layer 115 on the surface. In the illustrated MOSFET 100, drain 130 is coupled to a drain field plate 135.
[0019] During operation, a high voltage can be applied between drain 130 and source 110 when MOSFET 100 is in the off state. The accompanying electric field is relatively high in the vicinity of drain 130, source 110, and gate 120. Most commonly, the drain terminal is coupled to a high voltage node and the maximum electric field is found in the neighborhood of drain 130. This high electric field value generates a weak point for partial electrical discharge and local breakdown. In some cases, this may result in a major breakdown (full collapse) between drain 130 and source 110.
[0020] A laterally-varying dopant concentration within the drift region can be used to reshape the electric field and provide a more uniform field distribution. A laterally-graded doping concentration can be used in isolation or in combination with other techniques used to shape electric fields, including, e.g., electrode field plates or buried field plates. As shown on graph of FIG. 2A the lateral doping concentration in N-well at cross section BB’ 108 could differ from the N-well lateral doping concentration at cross section AA’ 105. In one example the lateral doping concentration at the neighborhood of drain, cross section BB’ 108, may be higher than the lateral doping concentration at source side, cross section AA’ 105. Such a laterally varying dopant distribution in the drift region would thus improve performance by increasing the breakdown voltage and reducing the on resistance of the device relative to a device having a uniform dopant distribution in the drift region.
[0021] FIG. 2A is a graph 200 illustrating the variation of dopant concentration versus vertical distance from the surface through which the dopant has been diffused. Graph 200 includes a horizontal axis 210 and a vertical axis 220. Position along horizontal axis 210 indicates vertical distance (i.e., depth) from the surface of a device downward. Positions along horizontal axis 210 are demarcated by labels d1, d2, d3, … Position along vertical axis 220 indicates the doping concentration per cubic centimeter (1/cm³). Concentrations along vertical axis 220 are demarcated by labels c1, c2, c3, … In implementations such as MOSFET 100 (FIG. 1), position 211 represents the top surface of N-well 160 and the depth of N-well 160 (i.e., D_Nwell 164 in FIG. 1) can in one example be around 10 μm.
[0022] Curves AA’ 205 and BB’ 208 represent the diffused dopant concentration as a function of depth from surface for two different cross sections. The first is taken along the cutline AA’ (FIG. 1) and is closer to source 110. The second is taken along the cutline BB’ (FIG. 2) and is closer to drain 130. Graphs AA’ 205 and BB’ 208 show a non-linear drop of the dopant concentration in the vertical direction. The dopant concentration along BB’ closer to drain 130 is higher than the dopant concentration along AA’ closer to source 110.
[0023] FIG. 2B is an example graph 260 of doping distribution versus lateral distance (i.e., between source and drain) for example devices, one of which includes a laterally-graded doping gradient that is not constrained by the physical properties of the dopant/material system. Graph 260 includes a horizontal axis 230 and a vertical axis 240. Position along horizontal axis 230 indicates lateral distance between the source and the drain of a device. Positions along horizontal axis 240 are demarcated by labels L1, L2, L3, … Position along vertical axis 240 indicates the doping concentration per cubic centimeter (1/cm³). Concentrations along vertical axis 240 are demarcated by labels C1, C2, C3, … Example numerical values of doping concentration per cubic centimeter are included along the vertical axis 240. In implementations such as MOSFET 100 (FIG. 1), zero position 231 represents the represents the source side of the N-well (i.e., directly beneath gate 120 FIG. 1). In the illustrated implementation, the lateral distance along the N-well (e.g., L_Nwell length 165 in FIG. 1) is around 65 μm.
[0024] Graph 260 includes a solid line curve 250B and a broken line-dot graph 250A. Solid line curve 250B represents the doping concentration versus lateral distance for a device that includes a laterally-graded dopant concentration in the drift region. Broken line-dot graph 250A represents the doping concentration versus lateral distance for a device that includes a generally uniform lateral concentration of dopant in drift region. For both curves 250A and 250B near the source side of the respective device, the dopant concentration sharply increases from nearly zero to a relatively higher uniform level (252A or 252B) moving toward the drain. At a lateral position L_k 232 from the source, the distribution trend of dopant concentration differs in curves 250A, 250B. For the example device with a generally uniform dopant concentration in drift region (i.e., the device represented by broken line-dot curve 250A), the dopant concentration remains generally unchanged along the drift region at any lateral position between the position L_k 232 and the drain.
[0025] For the example device with a laterally-graded dopant concentration in the drift region (i.e., the device represented by solid curve 250B), a flat plateau level 252B in the vicinity of the source side of the N-well (i.e., to the left of L_k 232) is lower than the dopant concentration of the device with a generally uniform dopant concentration in the same locations. However, on the source side of position L_k 232, the dopant concentration in the device increases with distance from the source. The particular increase per unit length and dopant concentrations can be chosen to achieve desired device characteristics. At a position Lx 233 from the source (a so-called "cross point 255"), the dopant concentration of the device with a laterally-graded dopant concentration is above the dopant concentration of the device with the generally uniform dopant concentration. The dopant concentration of the device with a laterally-graded dopant concentration reaches a maximum level 258 at drain edge 238.
[0026] The integrated concentration of dopant in such a drift region is an important parameter in defining performance and breakdown voltage of device. For the sake of a meaningful comparison of the performance of the two example devices represented by 250A and 250B, the integrated dopant concentration in their drift regions should be the same. In other words, the area under the two graphs 250A and 250B should be the same for a meaningful comparison of the performance of the devices.
[0027] FIGs. 3A and 3B are schematic representations of two doping masks that can be used to laterally-grade dopant concentration using, e.g., an implantation or diffusion process.
[0028] FIG. 3A is a schematic illustration of an example of a doping mask with generally rectangular stripe openings. The lateral width of the generally rectangular stripes may be relatively smaller in the vicinity of the source and relatively larger in the vicinity of the drain. When such a mask is used in an implantation or diffusion process, the dopant diffusion per unit area in each section increases in steps with dopant concentration around the drain being higher than around the source. In some implementations, the pitch between the stripe openings (i.e., W 320) may be kept uniform. In one example, the mask coverage 310 has generally rectangular stripe openings 311, 312, 313, 314 and 315 with widths W1 321, W2 322, W3 323, W4 324 and W5 325, respectively. The width of each stripe closer to drain 305 is larger than the width of each stripe closer to source 301 (i.e., W5 > W4 > W3 > W2 > W1). Wider stripes allow dopant to traverse a larger surface area and dope a larger surface area of the underlying material. When this area is considered in conjunction with the surface area where such direct doping does not occur (i.e., the masked surface area), the dopant concentration per area appears to increase in a step-wise fashion across the drift region. In some implementations, the pitch of the stripe openings W 320 can be kept constant and the steps can approximate a staircase with uniform step size. In other implementations, a laterally-graded dopant distribution in the drift region can be achieved with generally rectangular stripe openings of equal width but spaced at a variable pitch.
[0029] FIG. 3B is a schematic illustration of an example of a doping mask with generally trapezoidal stripes. In this embodiment, the width of each opening is larger at positions closer to the drain than at positions closer to the source. In the illustrated implementation, mask openings 360A and 360B in the mask coverage 350 have identical generally trapezoidal shapes and dimensions. Each of source side widths (i.e., W1 361A/B, W2 362A/B, W3 363A/B) is narrower than an adjacent drain side width (i.e., W4 364A/B, W5 365A/B).
[0030] FIG. 4A and the graphs in FIG. 4B show an example of lateral dopant diffusion through the diffusion mask 410 openings 412, passing through the screen oxide 420, and expansion (blending) of distributed dopant concentration in the lateral layer beneath the surface in different times after exposure to the dopant diffusion. In FIG 4A the mask openings 415 in the diffusion mask 410 are shown with the same width w 416; however, the mask openings 415 may be of different width as was for example illustrated in FIG. 3A or FIG. 3B. The dopant particles through the surface area with dopant exposure 412 (assumed a width of "w" 416) are transferred and expanded to a lateral layer presented as lateral layer 1 425. It is appreciated that in each conducting lateral layer beneath the mask (surface) the general distribution graph of dopant concentration remains of the same shape, considering that in deeper layers from the surface the dopant concentration weakens (drops) as shown in FIG. 2A.
[0031] The graphs in FIG. 4B illustrate concept of dopant diffusion by approximating the dopant lateral diffusion based on time and environmental conditions (e.g., temperature and structure/material of the semiconductor species). As shown, the dopant diffusion/penetration and lateral expansion of the dopant atoms in different lateral directions inside the semiconductor can be defined with respect to a parameter:
λ = 2√D.t (Equation 1)
where "D" is a Diffusion Coefficient (Constant) and "t" is time after dopant arrives (penetrates) in silicon substrate. The parameter "λ" represents a virtual lateral distance from source of dopant diffusion that the dopant concentration on a Gaussian curve drops to 1/e times of its peak value. The Diffusion Coefficient D for each species is a function of temperature when diffusion processing takes place in an oven or thermal chamber.
[0032] The flux J of the dopant particles in lateral direction is defined as a gradient:
J = -D.∂C/∂x (Equation 2)
where "D" is a Diffusion Coefficient, "C" is the same dopant lateral concentration as discussed in other graphs of this disclosure that represents the number of dopant atoms per unit of lateral length, and "x" is the lateral distance from source of diffusion on the surface.
[0033] The rate of change in particle flux in time is defined by the Fick’s second law as a divergence:
∂C/∂t = D.∂²C/∂x² (Equation 3)
A non-limited source of dopant diffusion that could keep a constant concentration N₀ on the surface the graph of dopant concentration is introduced by an error complementary function:
C(x,t) = C₀.erfc[x/2√D.t] = C₀.erfc[x/ λ] (Equation 4)
The error function, erf(x), is represented by:
erf (x) = 2/√π∫exp(-x²).dx (Equation 5)
and the complementary error function is defined by:
erfc(x) = [1-erf(x)] (Equation 6)
On the other hand for a limited source of dopant diffusion, the surface concentration C₀ changes with time:
C₀ (t) = Q/√πD.t (Equation 7)
where "Q" is the total dopant dose of the source. The graph of the dopant concentration is introduced by a Gaussian profile:
C(x,t) = C₀ (t).exp[-(x/2√D.t)²] = C₀(t).exp[-(x/λ)²] (Equation 8)
[0034] In the graphs illustrated in FIG. 4B for each diffusion mask opening 415 (with width w 416) in the diffusion mask 410, there is a lateral distribution graph, which for a limited source of diffusion at each time "t" after there is dopant penetration in the semiconductor (e.g., silicon) substrate. In other words, FIG. 4B shows an example Gaussian graph with respect to distance from a center (o₁, o₂ or o₃, 432) of the mask opening 415. The vertical axis 440 represents the dopant concentration at each time after dopant arrival in the substrate (e.g., silicon), and each distance x from a center of the mask opening 415. The first rectangular graph 442 is for time t₁=0 that results in λ=0. The second graph 444 is for a time t₂ that presents a parameter λ = 2√(D.t₂) = w/2. Similarly, the third graph 446 is for a time t₃ that presents a parameter λ = 2√(D.t₃) = 2w.
[0035] The dopant diffusion in an elevated temperature process (e.g., in an oven or in a thermal chamber) could make the process faster and with a deeper depth of dopant penetration. For a limited source of dopant diffusion and for a limited finite time of diffusion, or exposure to the dopant source, the periodic variations of the dopant concentration between the diffusion mask openings depends on the pitch distance between the adjacent mask openings. This process explains the periodic variations in distribution of the dopant concentration in graph 465B of FIG. 4C, as indicated with a dashed graph for the 0.8μm stripe width, in comparison to the smooth dopant concentration of graph 465A, as indicated with a solid graph for the 0.5μm stripe width. The finer distribution of the mask openings may result in smoother distribution of the dopant concentration when other conditions remain the same.
[0036] FIG. 4C is a graph of an example uniform doping profile formed using doping mask stripes having two different widths. The graph includes a vertical y-axis 460 and a horizontal x-axis 450. The vertical y-axis 460 represents dopant concentration. The horizontal x-axis 450 represents the lateral distance of mask stripes from the source. In the illustrated implementation, the points L1, L2, L3, L4, L5 and L6 along x-axis 450 are associated with corresponding numerical values between 0 and 100μm for purposes of illustration only. Similarly, the values c1, c2, c3, . . . along vertical axis 460 are associated with numerical values of the dopant concentrations between 0.0E00 and 2.0E+15 per cubic centimeter for purposes of illustration only.
[0037] The graph of FIG. 4C includes a solid line curve 465A and dashed line curve 465B. Solid line curve 465A represents dopant concentration as a function of lateral distance from the source for 0.5μm-wide diffusion mask stripe openings. Dashed line curve 430B represents dopant concentration as a function of lateral distance from the source for 0.8μm-wide mask stripe openings. For both curves 465A, 465B, the pitch value between the stripes is uniform.
[0038] Solid line curve 465A shows a sharp rise in the vicinity of the source edge and a relatively smooth dopant concentration profile along the drift region until the drain edge. The dopant concentration drops in the vicinity of the drain edge. In contrast, dashed curve 465B shows noticeable fluctuations in the dopant concentration along the drift region. However, the of dopant concentration for entire drift region is the same in curve 430A, 465B.
[0039] FIG. 4D is a graph of an example laterally-graded doping profile formed using doping mask stripes having two different widths. The graph includes a vertical y-axis 480 and a horizontal x-axis 470. The vertical y-axis 480 represents dopant concentration. The horizontal x-axis 470 represents the lateral distance of mask stripes from the source. In the illustrated implementation, the points L1, L2, L3, L4, L5 and L6 along x-axis 470 are associated with corresponding numerical values between 0 and 100μm for purposes of illustration only. Similarly, the values c1, c2, c3, . . . along vertical axis 460 are associated with normalized dimensionless values of dopant concentration "per unit." To arrive at per unit values, the actual dopant concentration at a location is divided by the average dopant concentration of the entire drift region. The numerical per unit values of between 0 and 1.6 per unit are included for purposes of illustration only.
[0040] The graph of FIG. 4D includes a solid line curve 485A and dashed line curve 485B. Solid line curve 485A represents dopant concentration as a function of lateral distance from the source for 3μm of pitch width between mask stripe openings. Dashed line curve 485B represents dopant concentration as a function of lateral distance from the source for 5μm of pitch width between mask stripe openings.
[0041] Solid line curve 485A shows a non-linear but nearly continuous rise from relatively low per unit values in the vicinity of the source edge to relatively higher per unit values for the majority of the drift region. However, in the vicinity of the source, solid line curve 485A returns to the relatively low per unit values. In contrast, dashed curve 485B shows noticeable fluctuations in the dopant concentration profile along the drift region. However, the average dopant concentration in the entire drift region is the same for both curves 485A, 485B.
[0042] FIG. 5A is a V-I (Volt-Ampere) graph of drain conduction current versus the drain voltage drop in the on-state for both a transistor that includes a graded dopant concentration in the drift region and a similarly-sized transistor with a uniform dopant distribution in the drift region. Such V-I graphs illustrate the drain forward voltage drop due to the device on-resistance when the drain current passes through the device.
[0043] The graph in FIG. 5A includes a horizontal x-axis 510 and a vertical y-axis 520. The horizontal x-axis 510 represents the drain voltage while in the on-state. In the illustrated range, drain voltage ranges between zero 501 and V_D10. In the illustrated implementation, the points V_D1, V_D2, … and V_D10 along x-axis 510 are associated with corresponding numerical values between 0 and 10V for purposes of illustration only. The vertical y-axis 520 represents the specific drain current in units of amperes per micrometer (A/μm). In the illustrated implementation, the points I_D1, I_D2,…,I_D7 along vertical y-axis 520 are associated with corresponding numerical values between 0.0E+00 to 6.0E+-05 A/μm for purposes of illustration only.
[0044] The graph in FIG. 5A also includes a collection of curves 530A, 530B, and 545. Curve 530A represents the volt-Ampere (V-I) characteristics of a device with uniform dopant concentration along the drift region while in the on-state. Curve 530B represents the volt-Ampere (V-I) characteristics of a device with a laterally-graded dopant concentration in drift region. The devices are of a similar size.
[0045] As shown, for each value of the forward voltage drop along the x-axis, the conduction current through the device with a laterally-graded dopant concentration (530B) has a higher value than the conduction current through the device with a uniform dopant concentration (530A). In other words, for the entire range of drain current values, the forward voltage drop of the device with the laterally-graded doping (530B) is less than the forward voltage drop of the device with a uniform dopant concentration (530A). This translates into a lower on-resistance and an improved performance of the device with the laterally-graded dopant concentration.
[0046] In FIG. 5A, the increase in conduction current for the device with a laterally-graded dopant concentration is illustrated by the dashed line 545. The percentage increase in the conduction current is shown on the dashed vertical axis 540 on the right. The increased conduction current of the device results from the improved on-resistance (R_dsON) of the device. For the example numerical values of drain forward voltage drop along axis 510, a maximum increase in conduction current of around 13.5% can be observed. This increase in conduction current corresponds to a decrease in on-resistance of 88% of the device with the graded dopant concentration relative to a similarly-sized device with a uniform dopant concentration in the drift region.
[0047] FIG. 5B is a schematic illustration of the lateral electric field distribution versus the distance from source to drain. This graph illustrates that a device with a laterally-graded dopant concentration in the drift region provides a more uniform distribution of lateral electric field (V/cm) between the source and the drain relative to a device with a uniform dopant distribution in the drift region.
[0048] In FIG. 5B includes a horizontal x-axis 550 and a vertical y-axis 560. The horizontal x-axis 550 represents the lateral distance from a source at zero distance 551 in the direction of a drain edge 558. In the illustrated implementation, the points L1, L2, L3, . . . L7 along horizontal x-axis 550 are associated with corresponding numerical values given in micrometers, μm, that show a total drain to source length L_DS of approximately 80 micrometers. This length and the particular numerical values are for purposes of illustration only. In this regard, the length of drift region defines the device rating and in one example could be around 60-70 μm. The zero distance 551 presents the source edge and the drain edge is presented by the right hand side line 558.
[0049] The vertical y-axis 560 represents the lateral electric field. In the illustrated implementation, the points E1, E2, . . . E5 along vertical y-axis 560 are associated with example numerical values of electric field given in Volt per centimeter (V/cm) for purposes of illustration only.
[0050] The graph in FIG. 5B includes a solid line curve 580 and a dash-dot curve 570. Solid line graph 580 shows the lateral distribution of electric field between source and drain for a device with a graded dopant concentration in the drift region. Dash-dot graph of 570 shows the lateral distribution of electric field between source and drain for a device with a uniform concentration of dopant in the drift region. For both curves 570, 580, in the vicinity of the source (i.e., in the vicinity of zero position 551), the electric field is relatively low. In the vicinity of a gate edge at 553, the electric field rises to a respective local maximum 571, 581. However, further from the source and past the gate towards the drain (i.e., along the drift region), the device that has a uniform dopant concentration (dash-dot graph 570) shows multiple peaks and valleys (e.g., 572, 573, and 574) whereas the device with a laterally-graded dopant concentration (solid graph 580) has a relatively more uniform electric field. Even though the device with a laterally-graded dopant concentration may still show some local fluctuations of the electric field profile in the drift region (e.g., 582, 583, and 584), the electric field distribution shows no dominant peaks. The rather flat electric field distribution reduces the risk of local breakdowns when a high voltage is applied to the drain in the off-state.
[0051] A comparison of curve 580 for the device with a laterally-graded dopant concentration with curve 570 for the device with uniform dopant concentration in the vicinity of the drain also confirms that the high dopant concentration pattern around the drain can reduce the local electric field. This results in a smaller and hence safer drop of electric field at the drain edge 558, as shown.
[0052] As will be discussed, an example utilizing a halftoning technique for the production of a diffusion doping mask is illustrated in FIGs. 6-8. The halftoning example provides an advantage of very fine finite elements of diffusion mask openings that utilize a variety of different matrix patterns on the diffusion doping mask. This example process provides the mask opening arrangements that could be utilized for either a uniform or a graded dopant distribution in the drift region. For instance, in one example, a plurality of discrete portions of a surface as surface elements having at least one of a laterally-varying size, a laterally-varying shape, and a laterally-varying spacing is defined on a surface of a material. A plurality of portions of the material beneath the surface elements may then be doped with a single quantity of dopant material per element area. The dopant materials may then expand within the material beneath the surface after being doped to provide a lateral gradient of dopant material in the material beneath the surface. It is appreciated that the plurality of discrete portions of the surface may apply to at least one of a plurality of surface stripes or plurality of surface matrix cells. The plurality of surface stripes or surface matrix cells may be defined with openings in an ion beam implantation mask or diffusion mask disposed over the plurality of discrete portions of the surface. The doping of the plurality of portions of the material may be realized by implanting or diffusing the dopant material through the openings with a dopant beam or an ion beam to penetrate and implant the dopant into the material. The openings therefore define the surface elements onto which said one of a dopant beam or an ion beam to penetrate the surface of the material and implant the dopant material such that the ion beam implantation mask or the diffusion mask screen the dopant beam or the ion beam.
[0053] Thus, for devices that are designed to provide advanced performance, the graded dopant concentration in the drift region provided with a halftoning technique in accordance with the teachings of the present invention may help provide a smooth blended gradient of dopant distribution in drift region. In one example, the matrix pattern that is generated to provide the fine mask openings utilized in the discussed halftoning technique is provided digitally with computer software.
[0054] To illustrate, FIG. 6 is a schematic illustration of example matrix cells arranged in accordance with a halftoning technique in accordance with the teachings of the present invention. In the depicted example, halftoning is a technique in which relatively small discrete portions of a surface are imbued with a single "tone" (i.e., a single color or a single shade) to simulate a relatively larger image that has a multiple tones or even a continuous tone. The discrete portions are generally squares, but dots, triangles, and/or other geometric shapes can also be used. By laterally varying one or more of the size of the discrete portions, the shape of the discrete portions, and the spacing between the discrete portions, a lateral gradient effect is created as the discrete, single tone portions appear as larger regions having multiple tones or a continuous tone.
[0055] In the "halftoning" doping described herein, discrete portions of a surface can be defined, e.g., by relatively small openings in an implantation, diffusion, or other mask and/or beam focusing. A single dopant "tone" - or quantity of dopant material per unit area - traverses the surface of the portions to directly dope in the underlying material. It is appreciated that, as described in FIGs. 4A-4B, there will be some lateral blending or superimposing of dopant diffusion out of the directly-doped portions for the adjacent mask openings and the dopant concentration at each point is the superimposed effect of the dopant diffusion from all adjacent mask openings. By an optimum design of the doping mask matrix pattern, the dopant concentration could be controlled for a uniform or a desired gradient of dopant concentration in the drift region of device. The size, shape or the spacing of the mask openings, which provide directly-doped portions, could be varied laterally so that a lateral continuous or non-continuous gradient effect is created.
[0056] Because the lateral gradient effects occur over relatively large areas and include multiple doped portions, the dopant concentrations provided herein included superimposed effects of dopant concentrations from adjacent mask openings, and are effectively averaged or blended over each superimposed areas. Continuous or non-continuous lateral gradient effects thus occur over relatively large areas relative to the size of both the doped portions and the lateral diffusion of dopant out of those portions. These areas necessarily include multiple doped portions. In other words, the granularity of individual doped portions is ignored for a given area. Instead, the superimposed effect of dopant concentration over an area that includes multiple dopant portions is provided.
[0057] In general, the spacing between doped portions in a continuous or non-continuous laterally-graded area will be on the order of the size of the doped portions themselves. For example, as described further below, a 6.25% dopant concentration that is superimposed over a surrounding area can be achieved with uniform, square-doped portions that are separated from their nearest neighbor by a distance that is about four times the length of the sides of the square doped portions. A 25% dopant concentration can be achieved with uniform, square-doped portions that are separated from their nearest neighbor by a distance that is about twice the length of the sides of the square doped portions. It is of course possible to calculate similar relationships between area-averaged dopant concentration and the spacing between doped portions for, e.g., doped portions of different geometries and uniformities.
[0058] It is noted that these percentage dopant concentrations - and indeed all percentage dopant concentrations described herein - are approximate only. In this regard, although the area that is directly doped by material traversing an overlying surface can be calculated precisely, such dopant will generally diffuse to some extent laterally away from the directly-doped area. The extent and impact of such lateral diffusion is a function of several parameters, including the nature of the dopant and substrate materials, processing conditions, and time. Accordingly, the percentage dopant concentrations described hereinafter do not account for lateral diffusion and are approximate only.
[0059] In FIG. 6, examples of some possible fractions of dopant concentration are illustrated by matrices of 2x2 or 3x3 cells. The black cells represent the doped areas where dopant can cross a surface of the substrate by diffusion, implantation, and/or beam focusing. The matrices can thus in some implementations correspond to areas on diffusion masks or implantation masks. In one example, different variation of dopant concentration along the drift region can be generated by a matrix mask with selective open cells to diffuse the dopant into the surface. For example, diffusion and implantation masks having ten or more such matrices, e.g., 100 or more such matrices, or thousands of such matrices can be created.
[0060] A 2x2 matrix 610 has one open cell 612 and may be used to create a local 25% dopant concentration over the area of the matrix. The two open cells 627 in the 2x2 matrix 625 can be used to create a local 50% dopant concentration over the area of the matrix. Three open cells 632 of the 2x2 matrix 630 can be used to create a local dopant concentration of 75% over the area of the matrix.
[0061] The 3x3 matrix 635 has one open cell 637, 3x3 matrix 640 has two open cells 642, 3x3 matrix 645 has three open cells 647, 3x3 matrices 650, 655 each have four open cells 652 or 657, 3x3 matrix 660 has five open cells 662, 3x3 matrix 665 has six open cells 667, 3x3 matrix 670 has seven open cells 672, and 3x3 matrix 675 has eight open cells 677. These matrices can be used to create local dopant concentrations of 11.1%, 22.2%, 33.3%, 44.4%, 55.5%, 66.6%, 77.7%, and 88.8% over the area of their respective matrices.
[0062] By utilizing larger sized matrices and/or more complicated matrix structures, additional varieties of dopant concentration and finer steps in the dopant concentration variation can be achieved. Further, when large numbers of such matrices are arranged adjacent one another on a surface, large regions having multiple tones or even approximating a continuous tone can be formed in a drift region or other substrate.
[0063] FIG. 7A is a schematic illustration of example groups 710, 720, 730, 740 of matrix cells that are arranged in accordance with a halftoning technique. Each group 710, 720, 730, 740 in FIG. 7A exclusively includes matrix cells having the same local dopant concentration. Thus, each group 710, 720, 730, 740 has the same dopant concentration averaged over the area covered by the group as dopant concentration over the area of the group’s constituent matrices. In the illustrated implementations, the dopant concentration over the area of the group’s constituent matrices ranges from around 6% to 25%. This is not necessarily the case as other dopant concentrations can be achieved with different matrices.
[0064] In the illustrated implementation, the matrix cells in each group are identical and arranged identically. This is not necessarily the case. For example, identical matrices that are rotated, or different matrices having identical locally averaged dopant concentrations, such as for example matrices 650 and 655 of FIG. 6, can be included in a group and the resultant group will still have the same dopant concentration over the area covered by the group.
[0065] In FIG. 7A, matrix group 710 includes 36 identical 4x4 matrices having a single open cell. As a result, both matrix group 710 and its constituent 4x4 matrices have a dopant concentration of 1/16= 6.25%. Matrix group 720 includes identical 4x4 matrices each having two open cells. As a result, both matrix group 740 and its constituent 4x4 matrices have a dopant concentration of 1/8= 12.5%. Matrix group 730 includes identical 2x3 matrices each having two open cells. As a result, both matrix group 730 and its constituent 2x3 matrices have a dopant concentration of 1/6= 16.6%. Matrix group 740 includes identical 2x2 matrices each having a single open cell. As a result, both matrix group 760 and its constituent 2x2 matrices have a dopant concentration of 1/4 = 25%.
[0066] These example matrix groups can be used, e.g., in the drift region structure of a lateral device with graded dopant concentration as depicted in FIG. 7B. In one example, the graded doping profile of FIG. 7A can be used for a MOSFET device in which the original PBURIED and Drift region features are replaced by a halftone gradient. In the example, the drain region 767 has a uniform 25% halftone concentration. However, within the drift region, surrounding the drain, the halftone pattern decreases radially in a linear gradient down to 5% at a radius distance corresponding to the source area 762 location. In the drift region beyond this radial distance of source location the gradient of doping concentration remains uniform at 5% concentration of halftone pattern. This extended area of 5% uniform concentration allows relaxation of the electric field at the drain tip and may provide an easy connection of drain to the other pads/terminals.
[0067] Schematic in FIG. 7B illustrates example halftoned substrates having dopant densities that are laterally-graded in a single dimension, i.e., between the left and right hand side of the page. In particular, the substrates are portions of semiconductor devices 750, 760 and 770 that each includes a respective source area (752, 762 or 772) and drain area (757, 767 or 777) separated by a channel and drift-region (753-755, 766 or 776) that has a laterally-graded dopant concentration.
[0068] In first example device 750 the channel and drift-region (753-755) include four different half-toned regions 753, 754, 755, 757. Each region 753, 754, 755, 757 includes a group of identical matrices having the same orientation. The local dopant concentration within each individual region 753, 754, 755,757 is uniform although the dopant concentration of the device in the entire drift region remains laterally graded. In other words, the dopant concentration is laterally graded on a larger dimensional scale (e.g., the dimensional scale of the separation between the source area and the drain area) notwithstanding the uniform local average dopant concentration within each region 753, 754, 755, 757.
[0069] In the illustrated implementation, region 753 is closest of three to the source area and has the lowest local dopant concentration. For example, region 753 can be covered in its entirety by matrix group 710 of FIG. 7A, and have a local dopant concentration of around 6%. Region 754 is disposed on the drain-side of region 753 and has a higher local dopant concentration than region 753. For example, region 754 can be covered in its entirety by matrix group 720 of FIG. 7A, and have a local dopant concentration of 12.5%. Region 755 is disposed on the drain-side of region 754 and has a higher local dopant concentration than region 754. For example, region 755 can be covered in its entirety by matrix group 730 of FIG. 7A, and have a local dopant concentration of 16.6%.
[0070] Region 757 is disposed on the drain-side of region 755 and has a higher local dopant concentration than region 755. For example, region 757 can be covered in its entirety by matrix group 740 of FIG. 7A, and have a local dopant concentration of 25%. In general, region 757 will have a larger area than regions 753, 754, 755. The larger area and relatively higher local dopant concentration of region 757 provides a relatively lower electric field around the drain.
[0071] In the second example device 760, the channel and drift-region includes halftoned regions 766 and 767. Region 766 includes a variety of different matrices in different orientations. Within region 766, matrices that are closer to source area 762 have lower local dopant concentrations. Matrices that are closer to the drain area have higher local dopant concentrations. Matrices that are disposed close to the middle of channel and drift-region have intermediate dopant concentrations. Individual matrices are disposed to achieve a lateral gradient that approximates a nearly continuous gradient. Region 766 thus comes closer to achieving the idealized continuous behavior of dopant concentration in FIGs. 5A-5B, which were calculated using ideally continuous lateral gradients.
[0072] Region 767 is disposed on the drain-side of region 766 and has a higher local dopant concentration than region 766. For example, region 767 can be covered in its entirety by matrix group 740 of FIG. 7A, and have a dopant concentration of 25%.
[0073] In the third example device 770, the channel and drift-region 776 includes different halftoned regions 776. The local dopant concentration within each individual region is uniform although the dopant concentration in drift region of the device remains laterally graded.
[0074] In the drift region of device by making the widths of regional sections (i.e., 753/754/755/757 or 766/767) smaller, the dimensional scale over which the local average dopant concentration is laterally graded is smaller and it results in a closer approximation of the idealized continuous behavior of FIGs. 5A-5B.
[0075] FIG. 8 is a schematic illustration of example device 800 halftoned substrates having dopant concentrations that are laterally-graded in two lateral dimensions, i.e., between the left and right hand side of the page and between the top and the bottom of the page. Such lateral grading in two lateral dimensions is needed, e.g., in the drain fingertip region of a lateral semiconductor device. The illustrated substrates are channel and drift-regions 812, 814, 816 of semiconductor device 800. Channel and drift-regions extend from a respective source side 816 to a drain side 812.
[0076] In examples of FIG. 8, a laterally-graded dopant concentration or a doping gradient 814/815 in the channel and drift-region is achieved with multiple groups of identical matrices having the same orientation. The groups of identical matrices are not necessarily the same size, nor does each group necessarily occupy the same surface area. Instead, non-uniformly-shaped groups of identical matrices can be arranged to achieve desired lateral gradient.
[0077] Within channel and drift-region there may be discrete regions of identical matrices that have the same orientation. However, the channel and drift-region may also include a variety of different matrices in different orientations. Individual matrices are disposed to achieve a lateral gradient that approximates a nearly continuous gradient over the drift region of device.
[0078] The above description of illustrated embodiments of the invention, including what is described in the Abstract, is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise forms disclosed. While specific embodiments of, and examples for, the invention are described herein for illustrative purposes, various modifications are possible within the scope of the invention, as those skilled in the relevant art will recognize.
[0079] These modifications can be made to the invention in light of the above detailed description. The terms used in the following claims should not be construed to limit the invention to the specific embodiments disclosed in the specification. Rather, the scope of the invention is to be determined entirely by the following claims, which are to be construed in accordance with established doctrines of claim interpretation.

What is claimed is:
1. A method comprising:
defining, on a surface of a material, a plurality of discrete portions of a surface as surface elements having at least one of a laterally-varying size, a laterally-varying shape, and a laterally-varying spacing;
doping a plurality of portions of the material beneath the surface elements with a single quantity of dopant material per element area; and
expanding the dopant material within the material beneath the surface to provide a lateral gradient of dopant material in the material beneath the surface.

2. The method of claim 1 wherein said defining the plurality of discrete portions of the surface comprises defining at least one of a plurality of surface stripes or a plurality of surface matrix cells.

3. The method of claim 2 wherein said at least one of the plurality of surface stripes or the plurality of surface matrix cells comprise openings in one of an ion beam implantation mask or a diffusion mask, and wherein said doping of the plurality of portions of the material comprises one of implanting or diffusing the dopant material through the openings.

4. The method of claim 3 wherein said openings define the surface elements onto which said one of a dopant beam or an ion beam to penetrate the surface of the material and implant the dopant material, and wherein said one of the ion beam implantation mask or the diffusion mask screen said one of the dopant beam or the ion beam.

5. The method of claim 1 wherein the material comprises a semiconductor material.

6. The method of claim 5 wherein the semiconductor material comprises one of p type semiconductor material or n type semiconductor material.

7. The method of claim 5 wherein the dopant material comprises one of p type dopant material or n type dopant material.

8. The method of claim 5 wherein the semiconductor material is included in a semiconductor device.

9. The method of claim 8 wherein the semiconductor device is one of a resistor, a BJT, a JFET, or a MOSFET.

10. The method of claim 9 wherein a quantity of dopant material varies along a lateral channel of the semiconductor device.

11. The method of claim 10 wherein said doping the plurality of portions of the material beneath the surface elements form a plurality of doped regions of the semiconductor device.

12. The method of claim 11 wherein a quantity of the dopant material in each one of the plurality of doped regions in the lateral channel is defined by a local dopant concentration in said one of the plurality of doped regions.

13. The method of claim 12 wherein the plurality of doped regions in the lateral channel is formed between a source electrode and a drain electrode of the semiconductor device.

14. The method of claim 13 wherein a local dopant concentration proximate to the drain electrode of the semiconductor device is greater than a local dopant concentration proximate to the source electrode of the semiconductor device.

15. The method of claim 14 wherein the local dopant concentration proximate to the drain electrode of the semiconductor device forms a uniform concentration region, and wherein the local dopant concentration proximate to the source electrode of the semiconductor device is reduced with respect to the local dopant concentration proximate to the drain electrode by a radial gradient of dopant towards the source electrode.

16. The method of claim 15 wherein the semiconductor device is a high voltage switching device, wherein the local dopant concentration proximate to the drain electrode of the semiconductor device is around 25%, and wherein the local dopant concentration proximate to the source electrode is around 5%.

ABSTRACT OF THE DISCLOSURE
A method includes defining, on a surface of a material, a plurality of discrete portions of a surface as surface elements having at least one of a laterally-varying size, a laterally-varying shape, and a laterally-varying spacing. A plurality of portions of the material beneath the surface elements are doped with a single quantity of dopant material per element area. The dopant material within the material beneath the surface elements expands to provide a lateral gradient of dopant material in the material beneath the surface elements.