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Die
Erfindung betrifft einen Transistor, insbesondere einen Trenchtransistor.
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Leistungs-Transistoren
müssen
hohe Ströme
verarbeiten, was häufig
zu einer starken Erwärmung
des Transistors führt.
Um Überhitzungen
des Transistors vorzubeugen, werden in derartige Transistoren häufig Temperatursensoren
integriert. Die Temperatursensoren können beispielsweise in ein Zellenfeld
des Transistors integriert werden, oder aber in unmittelbarer Umgebung
des Zellenfelds ausgebildet sein, wobei der Temperatursensor gegenüber dem
Zellenfeld durch eine Isolationsstruktur elektrisch isoliert ist.
Die Isolationsstruktur besteht im Allgemeinen aus einem Randabschluss
des Zellenfelds sowie einem Randabschluss des Temperatursensors.
Da beide Randabschlüsse
unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, ist der Abstand des Temperatursensors
zu den Transistorzellen des Zellenfelds relativ groß. Der dadurch
entstehende Temperaturgradient zwischen dem Temperatursensor und
den Transistorzellen führt
zu Verfälschungen
in der Temperaturmessung. Von Nachteil ist weiterhin, dass der Temperatursensor
die im Zellenfeld vorherrschende Temperatur mit einer deutlichen
Zeitverzögerung
registriert.
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Die
vorangehend beschriebene Problematik sei im Folgenden unter Bezugnahme
auf 7 näher erläutert.
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7 zeigt einen Ausschnitt
eines Trenchtransistors 1 (DMOS-Transistor), in dem ein
Randbereich 2 eines Zellenfelds sowie ein Temperatursensor 3 zu
sehen sind. Das Zellenfeld weist mehrere aktive Transistorzellen 4 auf,
wobei sich an die aktiven Transistorzellen 4 eine inaktive
Randzelle 5 sowie ein Randabschluss 6 anschließen. Die
aktiven Transis torzellen 4 weisen ein n+-dotiertes
Sourcegebiet 7, ein p+-dotiertes Bodygebiet 8,
sowie ein n-dotiertes Driftgebiet 9 auf. Jede aktive Transistorzelle 4 wird des
Weiteren durch Gräben
("Trenches") 10 begrenzt,
wobei in jedem der Trenches wenigstens eine Elektrode 11 vorgesehen
ist, die durch eine Isolationsschicht 12 gegenüber dem
Halbleitergebiet, das an den Trench 10 angrenzt, elektrisch
isoliert ist. Die Elektrode 11 dient als Gate, um einen
Kanal von dem Sourcegebiet 7 in das Driftgebiet 9 durch
das Bodygebiet 8 hindurch zu induzieren. Oberhalb der Trenches 10 sind
Isolationsschichten 13 vorgesehen. Eine Source-Metallisierungsschicht 14 schließt das Zellenfeld
nach oben hin ab. In der inaktiven Randzelle 5 ist kein
Sourcegebiet ausgebildet. Der Randabschluss 6 besteht im
Wesentlichen aus einem Trench 15, in den eine Elektrode 16,
die nach oben aus dem Trench 15 herausgezogen ist, eingebettet
ist. Weiterhin ist ein n+-dotiertes Gebiet 17 vorgesehen,
um parasitäre
Ströme
zwischen dem Randbereich 2 und dem Temperatursensor 3 zu
unterdrücken.
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Der
Temperatursensor 3 weist ein als Wannengebiet ausgebildetes,
p-dotiertes Basisgebiet 18 sowie einen Basisanschluss 19 und
einen Emitteranschluss 20 auf. Zwischen dem Basisgebiet 18 und dem
Basisanschluss 19 ist ein p+-dotiertes
Gebiet 21, und zwischen dem Emitteranschluss 20 und
dem Basisgebiet 18 ein n+-dotiertes
Gebiet 22 vorgesehen. Die mit Bezugszeichen 23 gekennzeichnete
Feldelektrode ist optional und gehört zum Randabschluss des Temperatursensors 3.
Die mit Bezugszeichen 24 und 25 gekennzeichneten
Schichten stellen Isolationsschichten dar. In 7 ist das Ersatzschaltbild des Temperatursensors 3 (ein
Transistor, dessen Sperrstrom ein Maß für die am Temperatursensor 3 vorherrschenden
Temperatur ist) eingezeichnet.
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Die
laterale Ausdehnung des Randbereichs 2, insbesondere die
Ausdehnungen der inaktiven Randzelle 5 sowie des Randabschlusses 6 hat
einen nicht zu vernachlässigenden
Effekt auf die durch den Temperatursensor 3 gemessenen
Temperatur. Die aktiven Zellen des Trenchtransistors 1 (d.h.
die "Wärmequellen") sind vom temperaturempfindlichen
Bereich des Temperatursensors 3 in etwa 40 bis 100 μm weit beabstandet;
der in 7 eingezeichnete
Abstand D1 beträgt
ca. die 6-fache Schrittweite ("Pitch") zwischen aktiven
Zellen 4 des Zellenfelds.
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Eine
erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist damit, einen Trenchtransistor
anzugeben, dessen Zellenfeld-Temperatur möglichst unverfälscht gemessen
werden kann.
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Wenn
mehrere voneinander unabhängige Halbleiterfunktionselemente,
beispielsweise NMOS- bzw. PMOS-Transistoren nebeneinander angeordnet werden
sollen, so ist es notwendig, die Halbleiterfunktionselemente elektrisch
gegeneinander zu isolieren (Selbstisolation), um störende Einflüsse der Halbleiterfunktionselemente
aufeinander zu vermeiden. Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf 14 bekannte
Isolationsstrukturen zur Selbstisolation eines NMOS-Transistors
bzw. eines PMOS-Transistors näher
erläutert.
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Im
oberen Teil von 14 ist ein (schematisch vereinfachter)
Randabschluss eines NMOS-Transistors gezeigt. In einem Substrat 30 sind eine
retrograd dotierte p-Wanne 31 sowie eine homogen dotierte
p-Wanne 32 vorgesehen. Auf dem Substrat 30 sind
eine erste und eine zweite Isolationsschicht 33, 34 angeordnet,
zwischen denen ein p+-dotiertes Gebiet 35 ausgebildet
ist. Das p+-dotierte Gebiet 35 ist
mit einer Feldplatte 36, die auf der zweiten Isolationsschicht 34 angeordnet
ist, elektrisch verbunden. Weiterhin ist oberhalb eines Teils der
retrograd dotierten p-Wanne 31 ein Gate 37 vorgesehen.
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Im
unteren Teil von 14 ist ein (schematisch vereinfachter)
Randbereich eines PMOS-Transistors gezeigt. In einem Substrat 40 sind
eine retrograd dotierte p-Wanne 41, eine homogen dotierte p-Wanne 42,
eine homogen dotierte n-Wanne 43 sowie eine Isolationswanne 44 ausgebildet.
Auf dem Substrat 40 sind eine erste und eine zweite Isolationsschicht 45, 46 ausgebildet,
zwischen denen ein p+-dotiertes Gebiet 47 vorgesehen
ist. Das p+-dotierte Gebiet 47 ist
mit einer Feldplatte 48, die auf der zweiten Isolationsschicht 46 vorgesehen
ist, elektrisch verbunden. Oberhalb eines Teils der n-Wanne 43 ist ein
Gate 49 vorgesehen.
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Die
in 14 gezeigten Randstrukturen benötigen viel
Platz, um eine gewünschte
Spannungsfestigkeit sowie das Durchgreifen eines elektrischen Felds
in nicht erwünschte
Regionen ("Punch-Effekt") und das Ausbilden
von parasitären
Kanälen,
insbesondere von PMOS-Kanälen
zwischen zwei benachbarten Wannen zu verhindern.
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Eine
weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist deshalb, ein
Transistorbauteil anzugeben, das mehrere nebeneinander angeordnete
Funktionselemente aufweist, die selbst bei einer erhöhten Integrationsdichte
immer noch ausreichend gegeneinander isoliert werden können.
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Zur
Lösung
der oben genannten Aufgaben stellt die Erfindung einen Transistor
gemäß Patentanspruch
1 bereit. Weiterhin stellt die Erfindung ein Transistorbauteil gemäß Patentanspruch
14 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des
Erfindungsgedankens finden sich in den jeweiligen Unteransprüchen.
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Der
erfindungsgemäße Transistor
weist ein Zellenfeld mit mehreren Transistorzellen, einen Temperatursensor,
der in das Zellenfeld integriert ist bzw. an das Zellenfeld angrenzt,
und eine Isolationsstruktur, die den Temperatursensor gegenüber dem
Zellenfeld elektrisch isoliert, auf. Die Isolationsstruktur weist
einen Trennungstrench, der zwischen dem Zellenfeld und dem Temperatursensor
angeordnet ist, auf. Der Abstand zwischen dem Temperatursensor und
der dem Temperatursensor nächstgelegenen
aktiven Transistorzelle wird so gewählt, dass dieser ungefähr der Schrittweite
("Pitch") zwischen aktiven Transistorzellen
innerhalb des Zellenfelds entspricht.
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Eine
der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis ist, dass eine Isolationsstruktur,
die im Wesentlichen auf der Verwendung von Trennungstrenches beruht,
eine ausreichende Isolation des Temperatursensors gegenüber dem
Zellenfeld sicherstellt. Die laterale Ausdehnung der Isolationsstruktur
kann demnach auf die laterale Ausdehnung verringert werden, die
durch den Trennungstrench selbst gegeben ist. Untersuchungen haben
gezeigt, dass ein Abstand zwischen dem Temperatursensor und der
dem Temperatursensor nächstgelegenen
aktiven Transistorzelle von einem "Pitch" (der Breite einer aktiven Zelle, d.h.
der Breite eines Zellenfeldtrenches und eines zwischen zwei Zellenfeldtrenches
angeordneten Mesagebiets) ausreichend ist.
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Vorzugsweise
sind die Innenwände
eines dem Trennungstrench nächstgelegenen
Zellenfeldtrenchs sowie die Innenwände des Trennungstrenchs mit
Isolationsschichten ausgekleidet. Weiterhin ist es vorteilhaft,
innerhalb des Trennungstrenchs sowie innerhalb des dem Trennungstrench
nächstgelegenen
Zellenfeldtrenchs wenigstens eine Elektrode (Gateelektrode bzw.
Feldplatte) vorzusehen, die durch die Isolationsschichten gegenüber dem
Halbleitergebiet, das an die Trenches angrenzt, elektrisch isoliert
ist.
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Um
eine ausreichende elektrische Isolation sicherzustellen, sollten
wenigstens zwei in horizontaler Richtung aufeinander folgende Isolationsschichten,
die innerhalb des Trennungstrenchs oder des nächstgelegenen Zellenfeldtrenchs
ausgebildet sind, über
die gesamte vertikale Ausdehnung des Trenchs verdickt ausgestaltet
sein. So können
beispielsweise die zwei aufeinander folgenden, verdickten Isolationsschichten
beide innerhalb des Trennungstrenchs ausgebildet sein. Alternativ
können
innerhalb des Trennungstrenchs und des nächstgelegenen Zellenfeldtrenchs
jeweils eine der verdickten Isolationsschicht ausgebildet sein.
Die verdickten Isolationsschichten gewährleisten Potenzial- und Feldstärken, die
eine Beeinflussung der Funktionsweise der Transistorzellen des Zellenfelds
durch den Temperatursensor ausschließen bzw. ausreichend mildern.
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Ein
zwischen dem Trennungstrench und dem nächstgelegenen Zellenfeldtrench
befindliches Mesagebiet kann aktiviert oder deaktiviert ausgestaltet
sein, je nachdem, welche Potenziale bzw. elektrische Felder innerhalb
der Isolationsstruktur erzeugt werden sollen; Das Mesagebiet kann
aktive/inaktive Zellen aufweisen.
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Vorzugsweise
sind die Transistorzellen als DMOS(Double Diffused MOS)-Transistorzellen
ausgestaltet, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise
können
die Transistorzellen auch in Form von MOS- beziehungsweise Bipolarelementen
ausgestaltet werden.
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Der
Temperatursensor ist vorzugsweise als Transistor ausgestaltet, kann
jedoch auch in Form einer Diode oder eines Widerstands realisiert
sein. Ist der Temperatursensor als Transistor ausgestaltet, so kann
beispielsweise dessen Sperrstrom als Maß für die vorherrschende Temperatur
dienen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind in dem Trennungstrench eine oder mehrere (voneinander isolierte)
Elektroden vorgesehen. Die Potenziale, auf denen die voneinander
isolierten Elektroden liegen, können
unterschiedlich sein, so dass in den Trennungstrenches in lateraler
und/oder in vertikaler Richtung variierende Potenziale vorherrschen,
je nachdem, ob die voneinander isolierten Elekroden über- und/oder nebeneinander
angeordnet sind. Bevorzugte Potenzialwerte sind beispielsweise Sourcepotenzial,
Gatepotenzial oder (Drainpotenzial/2) beziehungsweise (Substratpotenzial/2),
also diejenigen Potenziale, die am Transistor ohnehin verfügbar sind.
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Wenn
der Temperatursensor durch zwei Trennungstrenches eingeschlossen
wird, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn der Temperatursensor
nach beiden Seiten hin an Zellenfelder angrenzt, so kann ein Abstand
zwischen den beiden Trennungstrenches gleich, aber auch kleiner
oder größer als
die Schrittweite zwischen aktiven Transistorzellen innerhalb des
Zellenfelds sein. Durch geeignete Wahl dieses Abstands kann der
Potenziallinienverlauf am Temperatursensor gezielt eingestellt werden.
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Der
Transistor ist vorzugsweise als Trenchtransistor ausgestaltet, kann
aber auch anderweitig realisiert sein.
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Erfindungsgemäß wird demnach
die laterale Ausdehnung der Isolationsstruktur verkürzt, womit sich
zwischen den Transistorzellen des Zellenfelds und dem Temperatursensor
ein nur sehr geringer Temperaturgradient ausbildet, was eine genauere Temperaturmessung
ermöglicht.
Weiterhin wird aufgrund dieses geringen Abstands eine nur sehr geringe
zeitliche Verzögerung
zwischen einer Temperaturänderung
innerhalb des Zellenfelds und deren Detektierung entstehen. Die
Empfindlichkeit des Temperatursensors ist somit wesentlich erhöht. Die
durch die Verkleinerung der Isolationsstruktur gewonnene Fläche kann
beispielsweise zur Vergrößerung des Zellenfelds
und damit zur Leistungssteigerung des Transistors genutzt werden.
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Die
Erfindung stellt weiterhin ein Transistorbauteil bereit, das einen
Halbleiterkörper
aufweist, in bzw. auf dem mehrere nebeneinander angeordnete Transistoren
(Funktionselemente) ausgebildet sind. Die Transistoren sind mittels
Isolations strukturen gegeneinander elektrisch isoliert, wobei jede
Isolationsstruktur einen Trennungstrench aufweist.
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Durch
den Trennungstrench wird eine ausreichende Isolation der nebeneinander
liegenden Transistoren gewährleistet.
Hierzu ist es notwendig, dass der Trennungstrench ausreichend tief
(beispielsweise tiefer als Eindringtiefen zu isolierender dotierter
Wannengebiete in das Substrat) ausgestaltet ist.
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Die
Trennungstrenches bilden in einer bevorzugten Ausführungsform
die Randabschlüsse
dotierter Wannengebiete, die in Randbereichen der Transistoren ausgebildet
sind. Das heißt,
die Wannengebiete grenzen jeweils direkt an einen Trennungstrench
an. Alternativ können
die Trennungstrenches von den dotierten Wannengebieten beabstandet sein,
das heißt
die Trennungstrenches können
zwischen dotierten Wannengebieten, die jeweils in Randbereichen
der Transistoren ausgebildet sind, von den dotierten Wannengebieten
beabstandet vorgesehen werden.
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Die
Transistoren sind vorzugsweise als n-Kanal-MOS- bzw. p-Kanal-MOS-Transistoren
ausgestaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Vorzugsweise
ist innerhalb der Trennungstrenches jeweils eine Elektrode vorgesehen,
deren Potenzial vorzugsweise auf Substratpotenzial (Vbb) liegt.
Dadurch ist es möglich,
parasitäre
Kanäle
(beispielsweise PMOS-Kanäle)
zwischen benachbarten Wannengebieten, die jeweils unterschiedlichen
Transistoren zugeordnet sind, zu unterbinden. Da das Potenzial der
Wannengebiete beliebig sein kann, sollte, um Oxiddurchbrüche zu vermeiden,
die Elektrode im Trennungstrench von verdickten Isolationsschichten umgeben
sein.
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Das
Transistorbauteil ist vorzugsweise als Trenchtransistor ausgestaltet.
In diesem Fall wird der Trennungstrench vor zugsweise zusammen mit
Zellenfeldtrenches in einem Prozessschritt hergestellt. Dies hält den Herstellungsaufwand
der Isolationsstruktur gering, da die Zellenfeldtrenches sowieso hergestellt
werden müssen
und der Trennungstrench üblicherweise
hinsichtlich Form und Ausmaßen
zum Zellentrench identisch oder ähnlich
ausgestaltet ist.
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Erfindungsgemäß können Ausdiffusionsbereiche
der Wannengebiete sowie sich bildende Raumladungszonen durch den
Trennungstrench begrenzt werden. Weiterhin kann die laterale Ausdehnung
des Transistorbauteils verringert werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden
Figuren in beispielsweiser Ausführungsform
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform eine
erfindungsgemäßen Transistors,
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2 bevorzugte
Ausgestaltungen eines Übergangsbereichs
zwischen einem Temperatursensor und einem Zellenfeld in einem erfindungsgemäßen Transistor,
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3 Potenzialverläufe für die in 2 gezeigten
Ausführungsformen,
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4 elektrische
Feldverläufe
für die
in 2 gezeigten Ausführungsformen,
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5 eine
Draufsicht auf einen Teil einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Transistors,
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6 Bereiche
der in 5 gezeigten Ausführungsform in Querschnittsdarstellung,
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7 einen
Trenchtransistor mit Temperatursensor gemäß dem Stand der Technik,
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8 eine
erste und eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Transistorbauteils,
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9 Dotierungskonzentrationen
für die
in 8 gezeigten Ausführungsformen,
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10 Potenzialverläufe für die in 8 gezeigten
Ausführungsformen,
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11 Verläufe elektrischer
Felder für
die in 8 gezeigten Ausführungsformen,
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12 Flusslinienverläufe für die in 8 gezeigten
Ausführungsformen,
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13 Drain-Stromverläufe für die in 8 gezeigten
Ausführungsformen,
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14 Transistorbauteile
gemäß dem Stand der
Technik.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Trenchtransistors
in Querschnittsdarstellung. In einem Substrat 60 sind mehrere
Zellenfeldtrenches 61 vorgesehen, wobei in den zwischen
den Zellenfeldtrenches 61 liegenden Halbleitergebieten
(Mesagebieten) Sourcegebiete 62, Bodygebiete 63 sowie
Driftgebiete 64 vorgesehen sind. In den Zellenfeldtrenches 61 sind
Elektroden 65 vorgesehen, die als Gateelektroden und/oder Feldplatten
dienen. Innerhalb des Zellenfeldes, das durch die Zellenfeldtrenches 61 und
die dazwischen liegenden Mesagebiete ausgebildet wird, ist ein Temperatursensor 66 ausgebildet,
der in dieser Ausführungsform
aus einem Bipolartransistor besteht. Der Bipolartran sistor ist in
Form eines Sourcegebiets 67, eines Bodygebiets 68 sowie
eines Driftgebiets 69 innerhalb eines Mesagebiets ausgebildet,
das von zwei Trennungstrenches 70 begrenzt wird. Innerhalb der
Trennungstrenches sind als Feldplatten fungierende Elektroden 71 vorgesehen,
die, ebenso wie die Elektroden innerhalb der Zellenfeldtrenches
jeweils mittels einer Isolationsschicht 72 gegenüber dem Halbleitergebiet,
das an die Trenches angrenzt, elektrisch isoliert sind. Der Temperatursensor 66 kann auch
anderweitig realisiert sein, beispielsweise als Diode oder dergleichen.
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Wie 1 zu
entnehmen ist, ist ein temperaturempfindlicher Bereich 73 des
Temperatursensors 66 von einer ersten aktiven Zelle 74 des
Zellenfelds lediglich um ein Pitch 75 beabstandet. Damit
ist eine weitgehend unverfälschte
Temperaturmessung möglich.
Der in 1 gezeigte Trenchtransistor ist als DMOS-Transistor
ausgestaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern
lässt sich
vielmehr auf unterschiedlichste Arten von Transistoren anwenden.
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Im
linken Teil von 2 ist der mit Bezugsziffer 76 gekennzeichnete
Ausschnitt aus 1 vergrößert dargestellt. In diesem
Ausschnitt sind zwei in horizontaler Richtung aufeinander folgende
Isolationsschichten, nämlich
die Isolationsschicht 77 sowie die Isolationsschicht 78 über die
gesamte vertikale Ausdehnung der entsprechenden Trenches 70, 61 verdickt
ausgestaltet. Im Gegensatz hierzu sind eine Isolationsschicht 79 sowie
eine Isolationsschicht 80 nur teilweise verdickt, im oberen
Bereich des entsprechenden Trenchs jedoch verdünnt ausgestaltet. Ein zwischen
dem Trennungstrench 70 sowie dem Zellenfeldtrench 61 ausgebildetes
Mesagebiet 81 ist deaktiviert, das heißt es sind keine Sourcegebiete bzw.
Bodygebiete innerhalb des Mesagebiets 81 vorgesehen.
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Im
rechten Teil von 2 ist eine alternative Ausführungsform
eines Übergangsbereichs
zwischen dem Temperatursensor 66 und der ersten aktiven
Zelle 74 des Zellenfelds gezeigt. In dieser Ausführungsform
sind ebenfalls zwei in horizontaler Richtung aufeinander folgende
Isolationsschichten, nämlich
die Isolationsschichten 82 und 83 über die gesamte
vertikale Ausdehnung des Trennungstrenchs 70 verdickt ausgebildet.
Der Unterschied zu der vorangehenden Ausführungsform ist, dass hier beide
verdickte Isolationsschichten innerhalb des Trennungstrenchs 70 vorgesehen
sind, wohingegen in der vorangehenden Ausführungsform eine verdickte Isolationsschicht
innerhalb des Trennungstrenchs 70, und die andere verdickte
Isolationsschicht innerhalb des Zellenfeldtrenchs 61 vorgesehen
ist. Die unterschiedliche Ausgestaltung der Isolationsschichten bedingt
auch eine unterschiedliche Elektrodenform: so ist in der ersten
Ausführungsform
eine achsensymmetrische Elektrodenform gewählt, und in der zweiten Ausführungsform
eine Kombination aus einer Elektrode 84 mit homogener Dicke
sowie einer Elektrode 85, die teilweise verdickt ist, gewählt.
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Ein
weiterer Unterschied ist, dass in der zweiten Ausführungsform
das Mesagebiet 81 aktiviert ist, das heißt dass
innerhalb des Mesagebiets 81 dotierte Gebiete 86, 87 vorgesehen
sind, die mittels eines Kontakts 88 elektrisch kontaktiert
werden. Die Weite des Mesagebiets 81 wird je nach Bedarf variiert,
um einen gewünschten
Potenziallinienverlauf zu erhalten. Es hat sich herausgestellt,
dass zwei aufeinander folgende verdickte Isolationsschichten (insbesondere
Feldoxidschichten) sowie die Verwendung zweier teilweise verdünnter Isolationsschichten (insbesondere
Gateoxidschichten) in ihrer Kombination besonders vorteilhafte Potenziallinienverläufe ergeben.
Verdünnte
Isolationsschichten haben den Vorteil, dass eine bessere Wärmeleitung
zwischen dem Zellenfeld und dem Temperatursensor besteht, womit
eine weitgehend unverfälschte
Temperaturmessung ermöglicht
wird. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass sich leicht Feldüberhöhungen in
der Nähe der
verdünnten
Bereiche der Isolationsschicht ergeben.
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Dieser
Nachteil kann durch die Verwendung von verdickten Isolationsschichten
wieder ausgeglichen werden. In der Summe ist somit, wie oben beschrieben,
eine Kombination aus zwei verdickten und zwei teilweise verdünnten Isolationsschichten
mit entsprechenden Elektroden besonders vorteilhaft.
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In
den 3 und 4 sind jeweils Potenzialverläufe bzw.
Verläufe
des elektrischen Felds für die
in 2 gezeigten Ausführungsformen simuliert. Dabei
wurde das Potenzial der Elektroden 65 bzw. 85 innerhalb
des Zellenfeldtrenchs 61 auf 0 V gesetzt. Das Potenzial
des (nicht gezeigten) Drainanschlusses wurde auf 90 V gesetzt. In
der ersten Ausführungsform
in 2 wurde der Trennungstrench sowie der Temperatursensor
auf das Potenzial (Drainanschlusspotenzial –5 V) gelegt, so wie dies üblicherweise
bei einem über
eine Zenerdiode am Drainanschluss angeschlossenen Temperatursensor
der Fall ist. In der zweiten Ausführungsform in 2 wurde der
Temperatursensor auf das Potenzial (Drainanschlusspotenzial –5 V) gelegt,
und die Elektrode 84 im Trennungstrench 70 wurde
auf das halbe Potenzial des Drainanschlusspotenzials gelegt.
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Die
Verläufe
des elektrischen Felds, die sich aus den Potenziallinienverläufen aus 3 ergeben, sind
in 4 dargestellt. Sowohl in der ersten als auch in
der zweiten Ausführungsform
liegen die Maxima des elektrischen Feldes jeweils am Boden des aktiven
Zellenfeldtrenches 61. Die Durchbruchspannung beträgt ca. 60
V.
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Wie
bereits erwähnt
wurde, können
die Trennungstrenches 70 komplett mit Dickoxid oder mit Dünnoxid ausgekleidet
sein, wobei an einer Seite eines Trennungstrenchs 70 auch
eine Isolationsschicht vorgesehen sein kann, die eine Kombination
aus Dickoxid und Dünnoxid
ist, wobei der Übergang
von Dickoxid zu Dünnoxid
entlang der Trenchseitenwand jeweils in beliebiger Höhe stattfinden
kann. Die Elektroden 71 bzw. 84 im Trennungstrench 70 bestehen vorzugsweise
aus Polysilizium, können
jedoch prinzipiell auch aus einem anderen leitfähigen Material gebildet sein
und können
prinzipiell auf beliebigem Potenzial liegen. Vorzugsweise wird bei
DMOS-Transistoren das Potenzial der Elektroden 71, 84 auf
ein um eine Zenerspannung verringertes Drainanschlusspotenzial oder
auf die Hälfte
des Drainanschlusspotenzials gelegt, jedoch ist es auch möglich, das
Potenzial auf Gatepotenzial oder Sourcepotenzial zu setzen. Ferner
ist es möglich,
innerhalb eines Trennungstrenchs mehrere Elektroden zu verwenden
und diese auf unterschiedliche Potenziale zu legen.
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Erfindungsgemäß können demnach
durch Variation der "Trennungstrenchparameter" (Variation der Form
der Isolationsschichten (Oxidschichten) sowie Variation der Potenziale
der Elektroden innerhalb des Trennungstrenchs) je nach Bedarf individuelle Potenzialverhältnisse
zwischen dem Zellenfeld des Trenchtransistors und dem Temperatursensor
eingestellt werden, so dass verfrühte Durchbrüche verhindert werden können.
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Im
Folgenden soll unter Bezugnahme auf die 5 und 6 eine
bevorzugte Kontaktierungsausführungsform
des erfindungsgemäßen Trenchtransistors
näher erläutert werden. 5 zeigt
ein erstes Zellenfeld 90 sowie ein zweites Zellenfeld 91, wobei
zwischen den Zellenfeldern 90, 91 zwei Trennungstrenches 701 und 702 angeordnet
sind, zwischen denen ein Transistorelement vorgesehen ist, wobei
die Kombination aus Trennungstrenches 701 , 702 und dazwischen liegendem Transistorelement
als Temperatursensor 66 angesehen werden kann.
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Die
Kontaktierung der Elektroden 65 der Zellenfeldtrenches 61 innerhalb
der Zellenfelder 90, 91 erfolgt über Kontaktlöcher 92.
Die Kontaktierung des Mesagebiets des Temperatursensors 66 erfolgt über ein
Kontaktloch 93, und die Kontaktierung der Elektroden 71 innerhalb
der Trennungstrenches 701 , 702 er folgt über Kontaktlöcher 94.
Die Kontaktlöcher 93 und 94 werden
durch einen Metallisierungsbereich 95 kontaktiert, die
Kontaktlöcher 92 durch
einen Metallisierungsbereich 96 kontaktiert. Weiterhin
ist ein Zellenfeld-Metallisierungsbereich 97 vorgesehen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn dem Temperatursensor benachbarte aktive
Zellen ein gegenüber
dem Rest der aktiven Zellen erhöhtes
Verhältnis: (Kanalweite/Kanallänge) besitzen.
Ein derartig erhöhtes
Verhältnis
bewirkt eine erhöhte
Stromdichte und damit eine erhöhte
Temperatur in der Nachbarschaft des Temperatursensors, womit durch
den Temperatursensor der heißeste
Bereich des Zellenfeldes ausgewertet wird.
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In 8 sind
zwei bevorzugte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Transistorbauteils gezeigt.
Im linken Teil von 8 ist eine erste Ausführungsform
eines Transistorbauteils gezeigt, das wenigstens zwei nebeneinander
angeordnete Transistoren aufweist (es ist nur der links von dem
Trennungstrench 50 gelegene Transistor gezeigt). Die Transistoren
sind durch einen Trennungstrench 50 voneinander getrennt,
wobei die Innenwände
des Trennungstrenchs 50 mit einer Isolationsschicht 51 ausgekleidet
sind. In dem Trennungstrench 50 ist weiterhin eine Elektrode 52 ausgebildet,
die von der Isolierschicht 51 umschlossen wird. Innerhalb
der Elektrode 52 ist eine Schicht 54 aus Füllmaterial
vorgesehen. Das Potenzial der Elektrode 52 liegt auf Substratpotenzial.
Vergleicht man den in 8 gezeigten NMOS-Transistor
mit dem in 14 gezeigten NMOS-Transistor,
so ist ersichtlich, dass die Abmessungen der Isolationsstruktur
in 8 wesentlich geringer ausfallen. Weiterhin kann
auf die Ausbildung der p-Wanne 32 und der Feldplatte 36 verzichtet
werden, da deren Isolationsfunktion nun durch den Trennungstrench 50 übernommen
wird.
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Analog
hierzu ist im rechten Teil von 8 ein Transistorbauteil
gezeigt, das wenigstens zwei PMOS-Transistoren enthält, die
nebeneinander angeordnet sind und durch einen Trennungstrench 50 voneinander
getrennt sind. Hier ist ebenso wie im linken Teil von 8 nur
einer der PMOS-Transistoren (NMOS-Transistoren) gezeigt. Auch hier
können
die lateralen Abmessungen des Transistorbauteils wesentlich verringert
werden. Weiterhin kann auf das Ausbilden der p-Wanne 42 verzichtet
werden. Ebenso kann die Feldplatte 48 weggelassen werden.
In dieser Ausführungsform
sollte die n-Wanne 43 nicht unmittelbar an den Trennungstrench 50 angrenzen, da
durch die auf dem Potenzial Vbb liegende Trenchelektrode 52 ein
n-Kanal zum Substrat 40 hin ermöglichen werden würde. Dies
wird dadurch verhindert, indem am Trennungstrench 50 ein
(optional auch retrograd) dotiertes p-Gebiet 41 angrenzt.
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Bis
auf die aufgezählten
Unterschiede entsprechen die Aufbauten aus 8 denen
aus 14. Der pn-Übergang
zwischen der p-Wanne 31 und dem Substrat 30 ist
mit der Bezugsziffer 55 gekennzeichnet, der pn-Übergang
zwischen der Isolationswanne 44 und dem Substrat 40 ist
mit der Bezugsziffer 56 gekennzeichnet.
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In
den 9 bis 12 sind jeweils Simulationen
für ein
Transistorbauteil gezeigt, das zwei durch einen Trennungstrench 50 voneinander
getrennte Transistoren aufweist, wobei der linke Teil der Figuren
ein Transistorbauteil mit zwei NMOS-Transistoren, und der rechte Teil der
Figuren ein Transistorbauteil mit zwei PMOS-Transistoren dargestellt. Die
aktiven Transistorbereiche sind in beiden Bildern nicht gezeigt.
Im ersten Fall bewirkt der Trennungstrench eine Isolation zwischen
zwei retrograd dotierten p-Wannen, im zweiten Fall wird eine Isolation
zwischen zwei Isolationswannen ausgebildet. Die Trenchtiefe sollte
so gewählt
werden, dass die beiden Transistoren gerade noch voneinander getrennt werden.
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In 9 sind
die Netto-Dotierungskonzentrationen, die den Computersimulationen
zugrunde liegen, gezeigt.
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In 10 sind
entsprechende Potenzialverläufe
für den
Durchbruchsfall gezeigt. In Abweichung zu reellen Einsatzbedingungen
wurden jeweils die an den Trennungstrench 50 von links
angrenzende Wanne (erster Transistor), die Elektrode 52 sowie das
Substrat 30, 40 auf ein Potenzial von 0 V gelegt, und
die von rechts an den Trennungstrench 50 angrenzende Wanne
(zweiter Transistor) negativ bis zum Durchbruch simuliert. Beide
Randabschlüsse erreichen
die erforderliche Spannungsfestigkeit. Es zeigt sich, dass sich
die Raumladungszone nur wenig um den Trennungstrench 50 herum
in Richtung der auf dem Potenzial Vbb liegenden Wanne ausdehnt. Daher
ist es möglich,
alleine durch die Verwendung eines derartigen Standardtrenches ein
Durchgreifen des elektrischen Felds zwischen den Wannen (Punchen)
zu verhindern. Raumladungszonengrenzen sind mit den Bezugsziffern 57 und 58 gekennzeichnet.
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Wie
aus 11 ersichtlich ist, wird die maximale elektrische
Feldstärke
bei beiden Ausführungsformen
direkt an der Wand des Trennungstrenchs 50 erreicht. Dabei
ist die Felderhöhung
an den Schnittstellen zwischen der retrograd dotierten Wanne 31 und
dem Trennungstrench 50 höher als an den Schnittstellen
zwischen der schwächer
dotierten Isowanne 44 und dem Trennungstrench 50.
Die Durchbrüche
erfolgen nicht homogen über
die Böden
der Wannengebiete, sondern lokal am Trennungstrench 50.
Innerhalb der Isolationsschicht 51 bleibt die maximal erreichte
Feldstärke
unterhalb von 2 MV/cm (im Diagramm nicht gezeigt).
-
Aus
der in 12 gezeigten Darstellung der Flusslinien
kann entnommen werden, dass der Strom im Durchbruch von der Schnittstelle
Kontakt-Substrat 53 ("Wannenanschluss") entlang der Seitenkante des
Trennungstrenchs 50 zum Substrat 30, 40 fließt.
-
In 13 ist
der Wannenstrom (der Strom, der durch die Schnittstelle Kontakt-Substrat 53 fließt) gegenüber der
an dieser Schnittstelle anliegenden Spannung ("Wannenspannung") aufgetragen. Dabei ist ersichtlich,
dass vor dem Durchbruch kein erhöhter
Leckstrom auftritt. Die Durchbruchspannung für das Transistorbauteil mit
den NMOS(n-Kanal-MOS(Metall-Oxid-Halbleiter))-Transistoren
liegt bei –66,8
V, die Durchbruchsspannung des Transistorbauteils mit den PMOS(p-Kanal-MOS)-Transistoren bei –65,9 V.
Dies ist für
Transistorbauteile der 60 V-Spannungsklasse ausreichend.
-
Der
vorangehend beschriebene Trennungstrench lässt sich zur Isolierung bzw.
Terminierung beliebiger Halbleiterbauelemente verwenden. Die Erfindung
ist demnach nicht auf das alleinige Trennen von n-Kanal- und p-Kanal-MOS-Transistoren
beschränkt, beispielsweise
ist auch das Trennen von Wannengebieten eines Bipolartransistors
erfasst.
-
- 1
- Trenchtransistor
- 2
- Randbereich
des Zellenfelds
- 3
- Temperatursensor
- 4
- aktive
Transistorzellen
- 5
- inaktive
Randzelle
- 6
- Randabschluss
- 7
- Sourcegebiet
- 8
- Bodygebiet
- 9
- Driftgebiet
- 10
- Trench
- 11
- Elektrode
- 12,
13
- Isolationsschicht
- 14
- Source-Metallisierungsschicht
- 15
- Trench
- 16
- Elektrode
- 17
- n+-dotiertes Gebiet
- 18
- Basisgebiet
- 19
- Basisanschluss
- 20
- Emitteranschluss
- 21
- p+-dotiertes Gebiet
- 22
- n+-dotiertes Gebiet
- 23
- Feldelektrode
- 24
- Isolationsschicht
- 25
- Isolationsschicht
- 30
- Substrat
- 31
- p-Wanne
- 32
- p-Wanne
- 33
- erste
Isolationsschicht
- 34
- zweite
Isolationsschicht
- 35
- p+-dotiertes Gebiet
- 36
- Feldplatte
- 37
- Gate
- 40
- Substrat
- 41
- p-Wanne
- 42
- p-Wanne
- 43
- n-Wanne
- 44
- Isolationswanne
- 45
- erste
Isolationsschicht
- 46
- zweite
Isolationsschicht
- 47
- p+-dotiertes Gebiet
- 48
- Feldplatte
- 49
- Gate
- 50
- Trennungstrench
- 51
- Isolierschicht
- 52
- Elektrode
- 53
- Schnittstelle
- 54
- Füllmaterialschicht
- 55
- pn-Übergang
- 56
- pn-Übergang
- 57
- Raumladungszonengrenze
- 58
- Raumladungszonengrenze
- 60
- Substrat
- 61
- Zellenfeldtrench
- 62
- Sourcegebiet
- 63
- Bodygebiet
- 64
- Driftgebiet
- 65
- Elektrode
- 66
- Temperatursensor
- 67
- Sourcegebiet
- 68
- Bodygebiet
- 69
- Driftgebiet
- 70
- Trennungstrench
- 71
- Elektrode
- 72
- Isolationsschicht
- 73
- temperaturempfindlicher
Bereich
- 74
- erste
aktive Zelle
- 75
- Pitch
- 76
- Ausschnitt
- 77 – 80
- Isolationsschicht
- 81
- Mesagebiet
- 82,
83
- Isolationsschicht
- 84,
85
- Elektrode
- 86,
87
- Source-,
Bodygebiet
- 88
- Kontakt
- 90
- erstes
Zellenfeld
- 91
- zweites
Zellenfeld
- 92 – 94
- Kontaktloch
- 95,
96, 97
- Metallisierungsgebiet
- D1
- Abstand