DE102004026233A1 - Trenchtransistor - Google Patents
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Abstract
Ein Trenchtransistor (1') weist ein Zellenfeld (15), das mehrere Zellenfeldtrenches (3) und mehrere zwischen den Zellenfeldtrenches (3) angeordnete Mesagebiete (4) aufweist, und ein Halbleiter-Funktionselement, das in einem der Mesagebiete ausgebildet ist, auf. In dem Mesagebiet (4), in dem das Halbleiter-Funktionselement (17) ausgebildet ist, ist eine Stromfluss-Führungsstruktur (12) vorgesehen, die wenigstens teilweise unterhalb des Halbleiter-Funktionselementes (17) ausgebildet und so ausgestaltet ist, dass vertikal ausgerichtete Stromflüsse aus dem Halbleiter-Funktionselement (17) heraus bzw. in das Halbleiter-Funktionselement (17) hinein erschwert und horizontal ausgerichtete Stromflüsse durch das Halbleiter-Funktionselement (17) hindurch begünstigt werden.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Trenchtransistor.
- Leistungs-Halbleiterbauteile werden in zunehmendem Maße mit Sensoren versehen, die beispielsweise die Temperatur oder die Stromstärke an bestimmten Punkten innerhalb der Bauteile messen. Durch Auswertung der Sensordaten können Überlastungen der Bauteile frühzeitig erkannt und geeignete Maßnahmen zur Verhinderung irreversibler Schäden eingeleitet werden.
- Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der derartige Sensoren möglichst effektiv in einen Trenchtransistor integriert werden können.
- Zur Lösung der Aufgabe stellt die Erfindung einen Trenchtransistor gemäß dem Patentanspruch 1 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.
- Der erfindungsgemäße Trenchtransistor weist ein Zellenfeld auf, in dem mehrere Zellenfeldtrenches und mehrere zwischen den Zellenfeldtrenches angeordnete Mesagebiete vorgesehen sind. Ferner weist der Trenchtransistor ein als Sensor dienendes Halbleiter-Funktionselement, das in einem der Mesagebiete ausgebildet ist, auf. Der Trenchtransistor ist so ausgestaltet, dass im Betriebszustand desselben vertikal ausgerichtete Stromflüsse, die (wenigstens einige der) Mesagebiete durchsetzen, und horizontal ausgerichtete Stromflüsse, die das Halbleiter-Funktionselement durchsetzen, erzeugbar sind. In dem Mesagebiet, in dem das Halbleiter-Funktionselement ausgebildet ist, ist eine Stromfluss-Führungsstruktur vorge sehen, die wenigstens teilweise unterhalb des Halbleiter-Funktionselements ausgebildet und so ausgestaltet ist, dass vertikal ausgerichtete Stromflüsse aus dem Halbleiter-Funktionselement heraus bzw. in das Halbleiter-Funktionselement hinein erschwert und horizontal ausgerichtete Stromflüsse durch das Halbleiter-Funktionselement hindurch begünstigt werden.
- Die Stromfluss-Führungsstruktur ermöglicht es, parasitäre Stromflüsse zwischen dem Halbleiter-Funktionselement und einem Drainanschlussgebiet des Trenchtransistors zu unterdrücken. Auf diese Art und Weise können die horizontal ausgerichteten Stromflüsse, die das Halbleiter-Funktionselement durchsetzen und die ein Maß für den zu messenden Parameter, beispielsweise die Temperatur, darstellen, unverfälscht ermittelt werden, womit die Genauigkeit der Parametermessung verbessert werden kann.
- Das Halbleiter-Funktionselement ist vorzugsweise ein Transistor, kann jedoch auch ein beliebiges anderes Halbleiter-Funktionselement, beispielsweise eine Diode oder ein Widerstand, sein.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiter-Funktionselement ein MOS-Transistor, der ein Sourcegebiet von einem ersten Dotiertyp, ein Bodygebiet von einem zweiten Dotiertyp und ein Draingebiet von dem ersten Dotiertyp aufweist. Das Sourcegebiet und das Draingebiet sind horizontal voneinander beabstandet und durch das Bodygebiet miteinander verbunden. In dieser Ausführungsform dient wenigstens eine der Elektroden, die innerhalb der dem Halbleiter-Funktionselement benachbarten Zellenfeldtrenches vorgesehen sind, als Gateelektrode, um einen Kanal im Bodygebiet des MOS-Transistors zu induzieren.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Halbleiter-Funktionselement als Bipolar-Transistor realisiert, der ein Emittergebiet von einem ersten Dotiertyp, ein Basisgebiet von einem zweiten Dotiertyp und ein Kollektorgebiet von dem ersten Dotiertyp aufweist. Das Emittergebiet ist vom Kollektorgebiet horizontal beabstandet, ferner sind das Sourcegebiet und das Draingebiet miteinander durch das Basisgebiet verbunden.
- Die Stromfluss-Führungsstruktur kann beispielsweise eine hochdotierte Halbleiterschicht sein. Wenn das Halbleiter-Funktionselement als Transistor ausgebildet ist, wäre als Dotiertyp der Halbleiterschicht der zweite Dotiertyp zu wählen. Ferner sollte die Halbleiterschicht direkt an das Bodygebiet/Basisgebiet angrenzen. Jedoch ist es auch möglich, die Halbleiterschicht von dem Bodygebiet/Basisgebiet beabstandet innerhalb des Mesagebiets zu vergraben.
- Die Stromfluss-Führungsstruktur sollte vorzugsweise die gesamte Querschnittsfläche des Mesagebiets unterhalb des Halbleiter-Funktionselements bedecken, um eine möglichst gute Unterdrückung parasitärer Stromflüsse zu ermöglichen. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, es sind beispielsweise auch Halbleiterschichten mit Aussparungen denkbar.
- Das Halbleiter-Funktionselement kann an einer beliebigen Stelle innerhalb des Zellenfelds angeordnet werden. Beispielsweise ist es möglich, das Halbleiter-Funktionselement zwischen zwei aktiven Zellenfeldtrenches anzuordnen. Alternativ hierzu ist es möglich, das Halbleiter-Funktionselement zwischen deaktivierten Zellenfeldtrenches am Rand des Zellenfelds anzuordnen. Die Positionierung des Halbleiter-Funktionselements innerhalb des Trenchtransistors hängt stark davon ab, welcher Parameter gemessen werden soll. So wäre das Halbleiter-Funktionselement vorteilhafterweise mitten im Zellenfeld zu positionieren, wenn die Temperatur des Zellenfelds möglichst genau gemessen werden soll.
- Das Halbleiter-Funktionselement kann vollständig mit Trenches umschlossen sein. Beispielsweise kann das Halbleiter-Funktionselement seitlich durch die Zellenfeldtrenches begrenzt werden, wobei die Zellenfeldtrenches vor und hinter dem Halbleiter-Funktionselement durch zusätzliche Quertrenches miteinander verbunden sind, so dass ein geschlossener Trenchring um das Halbleiter-Funktionselement herum entsteht.
- Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft auf "Dense-Trench-Transistoren" anwenden, das heißt auf Trenchtransistoren, deren Trenches sehr nahe beieinander liegen (d. h. dessen Mesagebiet-Breiten gering sind). In einer bevorzugten Ausführungsform dient das Halbleiter-Funktionselement als Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Zellenfelds. Weitere Anwendungsmöglichkeiten wären Stromstärkesensoren, Spannungssensoren und dergleichen.
- Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 einen Ausschnitt eines Zellenfelds eines herkömmlichen Trenchtransistors, -
2 einen Ausschnitt eines Zellenfelds einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trenchtransistors, -
3 erste mögliche Kontaktierungsausführungen von Halbleiter-Funktionselementen des erfindungsgemäßen Trenchtransistors, -
4 zweite mögliche Kontaktierungsausführungen von Halbleiter-Funktionselementen des erfindungsgemäßen Trenchtransistors. - In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Weiterhin können sämtliche Ausführungsformen invers dotiert sein, das heißt p- und n-dotierte Gebiete können miteinander vertauscht werden.
- In
1 ist ein Ausschnitt eines Zellenfelds eines Trenchtransistors1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt: in einem Halbleiterkörper2 sind mehrere Zellenfeldtrenches3 ausgebildet, wobei zwischen jeweils zwei Zellenfeldtrenches3 ein Mesagebiet4 angeordnet ist. In jedem Mesagebiet4 sind mehrere n+-dotierte Sourcegebiete5 und ein p-dotiertes Bodygebiet6 vorgesehen, wobei die Sourcegebiete5 durch p+-dotierte Gebiete7 , die jeweils mit dem Bodygebiet6 verbunden sind, voneinander getrennt sind. In jedem der Zellenfeldtrenches3 ist eine Elektrode8 vorgesehen, die durch eine Isolationsschicht9 von dem Mesagebiet4 getrennt ist. Unterhalb des Bodygebiets6 befindet sich ein n-dotiertes Driftgebiet10 , unter dem sich wiederum ein n+-dotiertes Drainanschlussgebiet11 befindet. Oberhalb der Zellenfeldtrenches3 sowie der Mesagebiete4 befindet sich eine Source-Metallisierungsschicht (nicht gezeigt), unterhalb des Drainanschlussgebiets11 befindet sich eine Drainmetallisierungsschicht (nicht gezeigt). - Im Betriebszustand des Trenchtransistors
1 können durch die Elektroden8 Kanäle im Bodygebiet6 erzeugt werden, so dass vertikal ausgerichtete Stromflüsse zwischen den Sourcegebieten5 und dem Drainanschlussgebiet11 erfolgen. - Ziel der Erfindung ist, wie bereits erwähnt, mit möglichst geringem Aufwand in die in
1 gezeigte Struktur Halbleiter-Funktionselemente zu integrieren, die durch horizontal ausgerichtete Stromflüsse durchsetzt werden. In2 ist ein Trenchtransistor1' gezeigt, der diese Vorgaben erfüllt. Der wesentliche Unterschied zu dem in1 gezeigten Aufbau ist, dass unterhalb des Bodygebiets6 eine Stromfluss-Führungsstruktur12 vorgesehen ist, die in dieser Ausführungsform eine p+-dotierte Schicht ist, die die gesamte Querschnittsfläche des Mesagebiets4 abdeckt. Weiterhin weisen die Sourcegebiete, die in1 mit Bezugsziffer5 gekennzeichnet sind, hier eine andere Funktion auf. So fungiert das erste Sourcegebiet als Emitter13 , und das zweite Sourcegebiet als Kollektor14 . Der Emitter13 sowie der Kollektor14 werden über nicht gezeigte Anschlüsse kontaktiert und bilden zusammen mit dem Bodygebiet6 und dem p+-dotierten Gebiet7 einen Transistor aus, in dem ein horizontal ausgerichteter Stromfluss erzeugbar ist (der Stromfluss verläuft von dem Emitter13 in das Bodygebiet6 und von dem Bodygebiet6 in den Kollektor14 ). Der horizontal ausgerichtete Stromfluss dient hierbei als Messstrom, um die Temperatur innerhalb des Mesagebiets4 zu erfassen (der Widerstand, den der horizontal ausgerichtete Stromfluss zu überwinden hat, ist abhängig von der Temperatur im Mesagebiet4 ). - Die Stromfluss-Führungseinrichtung
12 verhindert, dass parasitäre Stromflüsse zwischen dem Emitter13 und dem Drainanschlussgebiet11 auftreten bzw. schwächt diesen Effekt deutlich ab. Der Emitter13 sowie der Kollektor14 können sehr breit ausgestaltet werden, das heißt eine große Querschnittsfläche des Mesagebiets4 abdecken. Ebenso ist es möglich, das p+-Gebiet so auszugestalten, dass dieses eine große Querschnittsfläche des Mesagebiets4 abgedeckt. Auf diese Art und Weise lässt sich die Länge der Strecke, die der horizontal ausgerichtete Stromfluss durch das Halbleiter-Funktionselement hindurch zu überwinden hat, individuell einstellen. - Wenn das in
2 gezeigte laterale Halbleiter-Funktionselement als MOS-Transistor ausgestaltet ist, wird im Durchlasszustand ein Kanal im Bodygebiet6 durch die Elektrode8 im angrenzenden Zellenfeldtrench3 induziert. In diesem Fall muss für das p+-dotierte Gebiet7 , das das Bodygebiet6 kontaktiert, kein eigener Anschluss vorgesehen werden. Wenn das Halbleiter-Funktionselement jedoch als Bipolartransistor ausgestaltet ist, so benötigt das p+-dotierte Gebiet7 einen eigenen Anschluss (Basisanschluss), der die Funktion des Halbleiter-Funktionselements ersetzt. - In
3 ist eine Draufsicht einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trenchtransistors gezeigt. Zu sehen sind ein Zellenfeld15 , in dem mehrere Zellenfeldtrenches3 und Mesagebiete4 vorgesehen sind. Die aktiven Zellenfeldtrenches sind mit einer Sourcemetallisierungsschicht16 überdeckt, wobei ein Halbleiter-Funktionselement (ein Transistor)17 zwischen zwei deaktivierten Zellenfeldtrenches18 am Rand des Zellenfelds15 ausgebildet ist. Das Halbleiter-Funktionselement17 kann im Falle eines MOS-Transistors durch die Kontakte19 (Emitter) und20 (Kollektor) kontaktiert werden, weiterhin werden über Kontakte21 die Elektroden8 der deaktivierten Zellenfeldtrenches18 kontaktiert. Im Falle eines Bipolartransistors können die Kontakte21 entfallen, jedoch ist zusätzlich ein Kontakt22 zur Kontaktierung des Basisgebiets des Bipolartransistors notwendig. Der in3 gezeigte Aufbau hat den Vorteil, dass das Halbleiter-Funktionselement relativ problemlos in den Trenchtransistor integriert werden kann. Nachteilig hieran ist jedoch, dass bei Verwendung des Halbleiter-Funktionselements als Temperatursensor ein relativ großer Abstand zwischen diesem und den aktiven Zellenfeldtrenches3 , in deren Umgebung die zu messende Wärme erzeugt wird, besteht. Damit können Fehler in der Temperaturmessung auftreten. - Derartige Nachteile können mit Anordnungen, die in
4 gezeigt sind, vermieden werden. In4 sind drei verschiedene Kontaktierungsmöglichkeiten für MOS-Transistor-Halbleiter-Funktionselemente (Gateanschlüsse für den MOS-Transistor nicht gezeigt) gezeigt. In einer ersten Ausführungsform werden sowohl der Emitterkontakt als auch der Kollektorkontakt durch Anschlüsse, die durch die Sourcemetallisierungsschicht16 nach oben aus dem Trenchtransistor1' herausgeführt (Fall A) werden, kontaktiert. In einer zweiten Ausführungsform (Fall B) befinden sich die Emitter- bzw. Kollektoranschlüsse außerhalb der Sourcemetallisierungsschicht16 . In einer dritten Ausführungsform (Fall C) befindet sich der Emitteranschluss außerhalb der Sourcemetallisierungsschicht16 , der Kollektoranschluss ist jedoch mit der Sourcemetallisierungsschicht16 verbunden. Im Falle eines Bipolar-Transistors muss zwischen dem Emitterkontakt und dem Kollektorkontakt jeweils ein Basiskontakt vorgesehen werden (nicht gezeigt). - Aus der vorangehenden Beschreibung ist deutlich geworden, dass mit Hilfe eines n-Kanal-MOS-Transistors Trenchtransistoren auf einfache Art und Weise mit Zusatzfunktionen versehen werden können. Die Erfindung lässt sich insbesondere auf Trenchtransistoren mit geringem Trenchabstand, d. h. mit geringer Mesagebietbreite anwenden, da in diesen Transistoren die Durchbrüche vorwiegend im Bereich der Trenchböden auftreten und damit das Vorsehen der Stromfluss-Führungsstruktur (insbesondere im Falle einer hochdotierten Halbleiterschicht) auf die Durchbruchspannung kaum einen Einfluss hat. Anders gestaltet sich die Situation bei Trenchtransistoren, deren Mesagebietbreiten größer als die Trenchbreiten sind, da in diesem Fall der Durchbruch vorwiegend an einem Übergang zwischen dem Bodygebiet und dem darunter angeordneten Driftgebiet auftritt. Eine Erhöhung der Dotierkonzentration in diesem Bereich würde die Durchbruchspannung absenken.
- Die vertikale Position der Stromfluss-Führungsstruktur ist vorzugsweise auf Höhe des unteren Teils des Gateoxids (des verdünnten Teils der Isolationsschicht) vorgesehen, kann aber auch auf Höhe des oberen Bereichs des Dickoxids (des verdickten Teils der Isolationsschicht) vorgesehen werden oder in einem Bereich, der beide der zuvor genannten Bereiche gleichzeitig erfasst.
- Um die Stromfluss-Führungsstruktur in das Mesagebiet des Trenchtransistors zu integrieren, muss der Standardprozess zum Herstellen des Trenchtransistors nur unwesentlich erweitert werden. In der Regel sollte eine zusätzliche Abschattungsmaske ausreichend sein, um diese Struktur herzustellen, so dass einerseits die vertikalen MOS-Zellen und andererseits die laterale MOS-Zelle (Halbleiterfunktionselement) hinsichtlich des Body-/Basisgebiets optimal ausgestaltet sind, womit die Eigenschaften beider Transistortypen optimiert werden.
-
- 1, 1'
- Trenchtransistor
- 2
- Halbleiterkörper
- 3
- Zellenfeldtrench
- 4
- Mesagebiet
- 5
- Sourcegebiet
- 6
- Bodygebiet
- 7
- P+-Gebiet
- 8
- Elektrode
- 9
- Isolationsschicht
- 10
- Driftgebiet
- 11
- Drainanschlussgebiet
- 12
- Stromfluss-Führungseinrichtung
- 13
- Emitter
- 14
- Kollektor
- 15
- Zellenfeld
- 16
- Source-Metallisierungsschicht
- 17
- Halbleiter-Funktionselement
- 18
- Zellenfeldtrench
- 19 bis 22
- Kontakt
Claims (12)
- Trenchtransistor (
1' ), mit: – einem Zellenfeld (15 ), das mehrere Zellenfeldtrenches (3 ) und mehrere zwischen den Zellenfeldtrenches (3 ) angeordnete Mesagebiete (4 ) aufweist, und – einem Halbleiter-Funktionselement, das in einem der Mesagebiete ausgebildet ist, wobei im Betriebszustand des Trenchtransistors (1' ) vertikal ausgerichtete Stromflüsse, die die Mesagebiete (4 ) durchsetzen, und horizontal ausgerichtete Stromflüsse, die das Halbleiter-Funktionselement durchsetzen, erzeugbar sind, wobei in dem Mesagebiet (4 ), in dem das Halbleiter-Funktionselement ausgebildet ist, eine Stromfluss-Führungsstruktur (12 ) vorgesehen ist, die wenigstens teilweise unterhalb des Halbleiter-Funktionselements ausgebildet und so ausgestaltet ist, dass vertikal ausgerichtete Stromflüsse aus dem Halbleiter-Funktionselement heraus beziehungsweise in das Halbleiter-Funktionselement hinein erschwert und horizontal ausgerichtete Stromflusse durch das Halbleiter-Funktionselement hindurch begünstigt werden. - Trenchtransistor (
1' ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Funktionselement ein Transistor ist. - Trenchtransistor (
1' ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Funktionselement ein MOS-Transistor ist, der ein Sourcegebiet (13 ) vom einem ersten Dotiertyp, ein Bodygebiet (6 ,7 ) von einem zweiten Dotiertyp und ein Draingebiet (14 ) von dem ersten Dotiertyp aufweist, wobei das Source- und das Draingebiet (13 ,14 ) horizontal voneinander beabstandet sind und durch das Bodygebiet (6 ,7 ) miteinander verbunden sind. - Trenchtransistor (
1' ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode (8 ), die innerhalb eines dem Halbleiter-Funktionselement benachbarten Zellenfeldtrenchs (3 ) vorgesehen ist, als Gateelektrode dient, um einen Kanal im Bodygebiet (6 ) des MOS-Transistors zu induzieren. - Trenchtransistor (
1' ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Funktionselement ein Bipolar-Transistor ist, der ein Sourcegebiet (13 ) vom einem ersten Dotiertyp, ein Basisgebiet (6 ,7 ) von einem zweiten Dotiertyp und ein Draingebiet (14 ) von dem ersten Dotiertyp aufweist, wobei das Source- und das Draingebiet (13 ,14 ) horizontal voneinander beabstandet sind und durch das Basisgebiet miteinander verbunden sind. - Trenchtransistor (
1' ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromfluss-Führungsstruktur (12 ) eine hoch dotierte Halbleiterschicht ist. - Trenchtransistor (
1' ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht vom zweiten Dotiertyp ist und direkt an das Bodygebiet/Basisgebiet (6) angrenzt. - Trenchtransistor (
1' ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Funktionselement zwischen aktiven Zellenfeldtrenches angeordnet ist. - Trenchtransistor (
1' ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Funktionselement zwischen deaktivierten Zellenfeldtrenches am Rand des Zellenfelds angeordnet ist. - Trenchtransistor (
1' ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Funktionselement vollständig mit Trenches umschlossen ist. - Trenchtransistor (
1' ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenchtransistor ein Dense-Trench-Transistor ist. - Trenchtransistor (
1' ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Funktionselement als Temperatursensor dient.
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