DE10127885A1 - Trench-Leistungshalbleiterbauelement - Google Patents

Trench-Leistungshalbleiterbauelement

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Trench-Leistungshalbleiterbauelement mit einer Randzelle (RZ), bei dem ein Randtrench (5) wenigstens auf seiner Außenseitenwand (11) mit einer dickeren Isolierschicht (13) als die Isolierschicht (7) von Trenches (4) des Zellenfeldes (Z) versehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Trench-(Graben-)Leis­ tungshalbleiterbauelement mit einem Zellenfeld und einem dieses umgebenden Randabschluss aus wenigstens einem Rand­ trench, der mit einer Isolierschicht ausgekleidet und im Üb­ rigen mit eine Feldplatte bildendem leitendem Material ge­ füllt ist.
Bei der Entwicklung von Trench-Leistungshalbleiterbauelemen­ ten, wie beispielsweise DMOS-Leistungstransistoren, muss dem Randabschluss besondere Beachtung beigemessen werden. Denn infolge der im Rand eines Leistungshalbleiterbauelementes zwangsläufig auftretenden Krümmungen der Äquipotentiallinien liegen dort höhere elektrische Feldstärken vor, so dass die Spannungsfestigkeit des Randabschlusses höher sein muss als die Spannungsfestigkeit der eigentlichen Zellen des Leis­ tungshalbleiterbauelementes. Außerdem ist aus Kostengründen darauf zu achten, dass der Randabschluss einen möglichst ge­ ringen Flächenanteil im Vergleich zum Zellenfeld des Leis­ tungshalbleiterbauelementes einnimmt, da der Randabschluss als solcher nicht wie das Zellenfeld zum aktiven Teil des Bauelementes gehört.
Für Leistungshalbleiterbauelemente wird also ein Randab­ schluss angestrebt, der bei möglichst geringem Flächenauf­ wand eine Spannungsfestigkeit hat, welche deutlich über der Spannungsfestigkeit des eigentlichen Zellenfeldes liegt.
An der Erfüllung dieser Forderung wird seit vielen Jahren intensiv gearbeitet, und aus der Vielzahl von hierzu beste­ henden Veröffentlichungen sollen speziell im Hinblick auf Trench-Leistungstransistoren die folgenden Publikationen herausgegriffen werden:
In DE 199 35 442 C1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Trench-MOS-Leistungstransistors beschrieben, bei dem Tren­ ches im Zellenfeld mit polykristallinem Silizium als Feld­ platte versehen sind, während Trenches im Randabschluss mit einer Feldoxidschicht aus Siliziumdioxid ausgekleidet wer­ den. Dabei wird die Feldoxidschicht auch auf die Oberfläche des den Leistungstransistor bildenden Halbleiterkörpers im Zellenfeld herausgezogen, wodurch die Implantation zur Er­ zeugung von Sourcezone und Bodybereich maskiert wird.
Aus der älteren Anmeldung PCT/EP 00/8459 (10483) ist ein Leis­ tungshalbleiterbauelement mit Trenches im aktiven Zellenfeld bekannt, wobei diese Trenches an ihren Seitenwänden mit Iso­ lierschichten mit unterschiedlicher Schichtdicke versehen sind, um so die Rückwirkungskapazität zu reduzieren. Auf Probleme des Randabschlusses wird dabei nicht näher einge­ gangen.
Weiterhin ist aus US 5 763 915 eine DMOS-Leistungstransis­ toranordnung bekannt, bei der für den Randabschluss Trenches eingesetzt werden, welche eine im Vergleich zu den Trenches des aktiven Zellenfeldes größere Breite haben und zudem in einem vom Abstand zwischen den Trenches des Zellenfeldes an­ deren Abstand untereinander bzw. zum äußersten Trench des Zellenfeldes vorgesehen sind. Die Trenches des Zellenfeldes und des Randabschlusses sind mit polykristallinem Silizium gefüllt.
Schließlich ist in US 4 941 026 ein Leistungshalbleiterbau­ element beschrieben, bei dem Trenches mit Isolierschichten ausgekleidet sind, die in einem oberen Bereich jedes Tren­ ches eine geringere Schichtdicke als in einem unteren Be­ reich hiervon haben.
Auf den so mit zwei verschiedenen Schichtdicken versehenen Isolierschichten sind schichtförmige Elektroden aufgetragen.
Zu Trench-Leistungstransistoren mit Feldplatten in den Tren­ ches des Zellenfeldes und des Randabschlusses sind spezielle Publikationen zur Lösung der mit dem Randabschluss verbunde­ nen Problematik bisher nicht bekannt geworden.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Trench- Leistungshalbleiterbauelement, insbesondere einen Trench- Leistungstransistor, anzugeben, das bzw. der sich durch ei­ nen flächensparenden Aufbau auszeichnet und dabei einen ein­ fach gestalteten Randabschluss mit hoher Spannungsfestigkeit erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei einem Trench-Leistungshalbleiterbau­ element der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Isolierschicht des Randtrenches wenigstens auf der dem Zellenfeld entgegengesetzten Außenseitenwand des Randtrenches dicker gestaltet ist als eine Isolierschicht in Trenches des Zellenfeldes.
In bevorzugter Weise wird bei diesem Trench-Leistungshalb­ leiterbauelement die Randzelle aus dem Randtrench noch durch einen "regulären" Trench des Zellenfeldes, nämlich den äu­ ßersten Trench des Zellenfeldes, und das zwischen dem Randtrench und diesem äußersten Trench gelegene Halbleiter­ gebiet aus beispielsweise Silizium ergänzt.
Die dicker gestaltete Isolierschicht auf der Außenseitenwand des Randtrenches befindet sich nur im Randtrench und reicht auf der Innenseite zum Zellenfeld hin nicht bis auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers. Damit entfallen Maskierun­ gen durch diese dicker gestaltete Isolierschicht bei den Im­ plantationen von Sourcezone und Bodygebiet, so dass laterale Profilverformungen für die Sourcezone und das Bodygebiet und durch diese Verformungen bedingte Durchschläge ("Punch") des Trench-Leistungshalbleiterbauelementes vermieden werden.
Die Innenseitenwand des Randtrenches kann auf verschiedene Arten gestaltet sein: so ist es möglich, für die Innensei­ tenwand des Randtrenches die gleiche Isolierschicht mit der gleichen Dicke wie die Isolierschicht in den Trenches des Zellenfeldes vorzusehen. Weiterhin kann die Innenseitenwand des Randtrenches in gleicher Weise gestaltet sein wie die Außenseitenwand. In diesem Fall erstreckt sich die dicker ausgeführte Isolierschicht also sowohl über die Außenseiten­ wand als auch über die Innenseitenwand, wobei aber darauf zu achten ist, dass diese dicker gestaltete Isolierschicht (Dickoxid) sich nicht auf der Halbleiteroberfläche zwischen der Randzelle und dem Zellenfeld befindet.
Weiterhin ist es möglich, die dicke Isolierschicht auf ver­ schiedenen Höhen der Innenseitenwand enden zu lassen und dann ab der jeweiligen Höhe eine dünnere Isolierschicht (Ga­ teoxid) vorzusehen.
In allen obigen Varianten ist der Randtrench im Übrigen mit leitendem Material, insbesondere polykristallinem Silizium, gefüllt, so dass jeweils ein Feldplatten-Randtrench vor­ liegt, wobei die Ausdehnung der Feldplatte von dem Übergang vom Dickoxid zum Gateoxid abhängt.
Zum Gesamtrand gehört in der Regel auch ein drainseitiger Abschluss, der eine Feldplatte bevorzugt auf Drainpotential enthält, mit dem Zweck eines Channelstoppers (Kanalstopper), um im Falle einer Drain-Source-Verpolung die Bildung eines Kanals zwischen Drain und Source zu unterbrechen (vgl. DE 199 35 442 C1).
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Trench-Leistungshalbleiterbauelements,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch die Randzelle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch einen Randtrench nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch einen Randtrench nach einem vierten Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung, und
Fig. 5 eine Schnittdarstellung durch einen Randtrench nach einem fünften Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Trench-Leis­ tungstransistor mit einem Zellenfeld Z, einer Randzelle RZ aus einem letzten Trench 4 des Zellenfeldes Z und einem ers­ ten Randtrench 5 und mit weiteren Randtreches RT, von denen ein Randtrench 6 dargestellt ist. Auf die weiteren Randtren­ ches RT kann gegebenenfalls verzichtet werden. Es ist aber auch möglich, nur einen weiteren Randtrench RT, nämlich den Randtrench 6, vorzusehen.
Im Zellenfeld Z und in der Randzelle RZ befindet sich ein Trench-Leistungstransistor aus einem aus Silizium oder einem anderen geeigneten Halbleitermaterial, wie beispielsweise SiC, AIIIBV und so weiter bestehenden Halbleiterkörper 1, der beispielsweise n-leitend ist, einem p-dotierten Bodygebiet 2 und einer n-dotierten Sourcezone 3.
Der Trench 4 ist in seinem oberen Bereich mit einer dünneren Isolierschicht 7 aus Siliziumdioxid (Gateoxid bzw. GOX) und in seinem unteren Berecih mit einer dickeren Isolierschicht 13 aus Siliziumdioxid (Feldoxid bzw. FOX) ausgekleidet. Die­ se Isolierschicht 7 ist teilweise auch auf der dem Trench 4 benachbarten Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 im Zellen­ feld Z angeordnet. Im Inneren des Trenches 4 sowie des Tren­ ches 5 und auch des Trenches 6 befindet sich leitendes Mate­ rial, wie insbesondere polykristallines Silizium 8 bzw. 9. Gegebenenfalls können anstelle von polykristallinem Silizium auch Silizide verwendet werden.
Das polykristalline Silizium 8 bildet Gateelektroden in den Trenches 4 und 5, während das polykristalline Silizium 9 speziell im Trench 6 eine Feldplatte darstellt, die mit ei­ ner Gatemetallisierung 15 für einen Gateanschluss G auf ei­ ner Isolierschicht 14 aus Borphosphorsilikatglas (BPSG) ver­ bunden ist. Weiterhin sind noch eine Sourcemetallisierung 10 für einen Sourceanschluss S und auf der diesem Sourcean­ schluss S gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkör­ pers 1 ein Drainanschluss D vorgesehen. Die Metallisierungen 10 und 15 können beispielsweise aus Aluminium bestehen.
Es sei noch angemerkt, dass das polykristalline Silizium 8 der Trenches 4 und 5 durch leitende Verbindungen vor oder hinter der Zeichenebene an den Gateanschluss G beziehungs­ weise die Gatemetallisierung 15 angeschlossen ist.
Erfindungsgemäß ist der am äußeren Rand der Randzelle RZ ge­ legene Trench 5 mit der dickeren Isolierschicht 13 (FOX) zu­ mindest auf seiner Außenseitenwand 11 versehen. Diese dicke­ re Isolierschicht kann sich bis zu einem Rand R (vgl. Fig. 2) des Trench-Leistungshalbleiterbauelementes erstrecken. Sie reicht aber nicht über eine Innenseitenwand 12 des Tren­ ches 5 hinaus. Vielmehr ist dort auf der Oberfläche der Sourcezone 3 die dünnere Isolierschicht 7 vorgesehen.
Die Randzelle RZ besteht also aus dem letzten Trench 4 des Zellenfeldes Z, der den gleichen Aufbau wie die übrigen, nicht gezeigten Trenches des Zellenfeldes Z hat und mit Gateoxid GOX (oben) beziehungsweise Feldoxid FOX (unten) ausgekleidet sowie mit polykristallinem Silizium 8 gefüllt ist, und aus dem Trench 5, der wenigstens auf seiner Außen­ seitenwand 11 mit dem dickeren Feldoxid FOX versehen und ebenfalls mit polykristallinem Silizium 8 gefüllt ist. Das polykristalline Silizium 8 des Trenches 5 kann mit dem poly­ kristallinen Silizium des weiteren Trenches 6 zusammenhängen oder aber auch von diesem getrennt sein. Weiterhin ist es möglich, auch mehrere Randtrenches entsprechend dem Trench 6 und/oder mehrere reguläre Trenches entsprechend dem Trench 5 für die Randzelle RZ vorzusehen. Das Zellenfeld Z kann aus einer Vielzahl von Trench-Leistungstransistoren der darge­ stellten Art bestehen. Diese Leistungstransistoren sind dann parallel zueinander geschaltet.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist lediglich eine Rand­ zelle RZ dargestellt, während die Ausführungsbeispiele der Fig. 3 bis 5 nur den Randtrench entsprechend dem Trench 5 veranschaulichen. Im Übrigen sind die Ausführungsbeispiele der Fig. 2 bis 5 in ähnlicher Weise aufgebaut wie das Aus­ führungsbeispiel von Fig. 1.
Obwohl Fig. 1 einen Vertikalaufbau des Trench-Leistungstran­ sistors zeigt, ist selbstverständlich auch eine Lateralan­ ordnung möglich, bei welcher der Drainanschluss D auf der gleichen Oberfläche wie der Gateanschluss G und der Source­ anschluss S vorgesehen ist.
Fig. 2 zeigt eine Randzelle RZ mit einem regulären Trench 4, der wie die übrigen Trenches des Zellenfeldes durchgehend mit der dünnen Isolierschicht 7 (Gateoxid) versehen ist, während der Randtrench 5 hier auf seiner Außenseitenwand 11 mit der dicken Isolierschicht 13 (Feldoxid) und auf seiner Innenseitenwand 12 mit der dünnen Isolierschicht 7 (Feld­ oxid) versehen und im Übrigen mit polykristallinem Silizium 8 gefüllt ist. Das Feldoxid reicht im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ungefähr bis zum Boden des Trenches 5.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen verschiedene Gestaltungsmöglichkei­ ten für den Randtrench 5: das die dickere Isolierschicht 13 bildende Feldoxid kann etwa bis zur Hälfte der Innenseiten­ wand 12 (vgl. Fig. 3) reichen oder höher oder tiefer enden (vgl. Fig. 4). Ebenso ist es möglich, das die dickere Iso­ lierschicht 13 darstellende Feldoxid bis zum Ende der Innen­ seitenwand 12 zu führen (vgl. Fig. 5). Mit anderen Worten, die durch das polykristalline Silizium 8 gebildete Feldplat­ te kann an einer höheren oder niedrigeren Position im Trench 5 im Vergleich zu dem Trench 4 des Zellenfeldes Z liegen und sich direkt bis zur obersten Kante des Trenches, wie in Fig. 5 dargestellt, ausdehnen.
Das Feldoxid hat eine Schichtdicke, die ungefähr wenigstens 20% über der Schichtdicke des Gateoxids liegt und von 0,1 bis 2,0 µm reicht, während das Gateoxid Schichtdicken von 0,05 bis 0,1 µm aufweist.
Bezugszeichenliste
1
Halbleiterkörper
2
Bodygebiet
3
Sourcezone
4
Trench im Zellenfeld
5
Randtrench
6
weiterer Randtrench
7
dünnere Isolierschicht (Gateoxid)
8
polykristallines Silizium
9
polykristallines Silizium (Gateanschluss)
10
Sourcemetallisierung
11
Außenseitenwand
12
Innenseitenwand
13
dickere Isolierschicht (Feld- bzw. Dickoxid)
14
Isolierschicht (BPSG)
15
Gatemetallisierung
Z Zellenfeld
RZ Randzelle
RT Randtrenches
R Rand
D Drain
G Gate
S Source

Claims (10)

1. Trench-Leistungshalbleiterbauelement mit einem Zellenfeld (Z) und einer dieses umgebenden Randzelle (RZ) aus wenig­ stens einem Randtrench (5), der mit einer Isolierschicht (13) ausgekleidet und im Übrigen mit eine Feldplatte bilden­ dem leitendem Material (8) gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (13) des Randtrenches (5) wenigstens auf der dem Zellenfeld (Z) entgegengesetzten Außenseiten­ wand (11) des Randtrenches (5) dicker gestaltet ist als eine Isolierschicht (7) im Trench (4) des Zellenfeldes (Z).
2. Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Randzelle (RZ) einen zusätzlichen Trench (4) um­ fasst, der mit einer im Vergleich zur Isolierschicht (13) der Außenseitenwand (11) des Randtrenches (5) dünneren Iso­ lierschicht (7) ausgekleidet und im Übrigen mit dem leiten­ den Material (8) gefüllt ist.
3. Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Innenseitenwand (12) des Randtrenches (5) we­ nigstens teilweise mit der dickeren Isolierschicht (13) ver­ sehen ist.
4. Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Innenseitenwand (12) des Randtrenches (5) mit der dickeren Isolierschicht (13) versehen ist.
5. Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Material polykristallines Silizium (8) ist.
6. Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Material des Randtrenches (5) und eines weiteren Randtrenches (6) zusammenhängend ausgeführt ist.
7. Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dickere Isolierschicht (13) ein Feld- beziehungs­ weise Dickoxid ist.
8. Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach einem der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dünnere Isolierschicht (7) ein Gateoxid ist.
9. Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dickere Isolierschicht (13) um wenigstens 20% di­ cker ist als die dünnere Isolierschicht (7).
10. Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach einem der An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Trench-Leistungstransistor ist.
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