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Die
Erfindung betrifft einen Trenchtransistor.
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Leistungstransistoren
werden in der Regel so konzipiert, dass sie einen möglichst
geringen spezifischen Einschaltwiderstand Ron·A (Ron = Einschaltwiderstand; A = aktive Chipfläche) aufweisen.
Weiterhin sollten die Leistungstransistoren gute Durchbruchseigenschaften
("Avalanchefestigkeit") besitzen.
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Die
Durchbruchseigenschaften eines Leistungstransistors sind stark von
den Ausgestaltungen der Randkonstruktionen des Leistungstransistors
abhängig.
Deshalb werden Leistungstransistoren oder IGBT(Insulated Gate Bipolar
Transistor)-Transistoren,
mit aufwändigen
Randkonstruktionen versehen. Die Randkonstruktionen dienen in erster
Linie dazu, elektrische Feldstärken
in einem Bereich zwischen einem aktiven Gebiet (Zellenfeld) und
einer Sägekante
des Leistungstransistors auf gewünschte
Werte einzustellen. Um einen verfrühten Durchbruch im Sperrzustand
des Leistungstransistors zu vermeiden, dürfen die elektrischen Feldstärken innerhalb der
Randkonstruktionen die im aktiven Gebiet (Zellenfeld) auftretenden
Feldstärken-Maximalwerte nicht überschreiten.
Dazu wird versucht, Äquipotenziallinien
so aus dem Inneren des Leistungstransistors bzw. aus dem Inneren
der Randkonstruktion an die Oberfläche des Leistungstransistors
zu führen, dass übermäßig starke
Potenzialgradienten vermieden werden. Das definierte Nachaußen-Führen der Äquipotenziallinien
wird als "Äquipotenziallinien-Management" bezeichnet. So sollten
beispielsweise starke Krümmungen
und hohe Äquipotenziallinien-Dichten vermieden
werden, da in diesem Fall leicht Avalanche-Durchbrüche in Halbleitergebieten bzw.
dielektrische Durch brüche
in Isolations- und Passivierungsschichten auftreten können. Die
Randkonstruktionen haben ferner die Aufgabe, den Leistungstransistor
gegenüber
unerwünschten
Ladungsströmen
und chemischen Einflüssen
abzuschirmen, die lokale Erhöhungen
der elektrischen Feldstärke und
damit eine Erniedrigung der maximalen Sperrspannung bewirken können.
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Es
ist bekannt, zur Kompensation derartiger Störeinflüsse p- und n-dotierte Gebiete, die sich bei anliegender
Sperrspannung gegenseitig ausräumen, vorzusehen,
womit es möglich
wird, bei gleich bleibender Durchbruchspannung höhere Dotierungen der Driftzonen
vorzunehmen und damit einen niedrigeren Einschaltwiderstand zu erzielen.
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Weiterhin
ist aus der Druckschrift
DE
100 14 660 C2 eine Randkonstruktion mit mehreren Trenches,
die jeweils mit Elektroden unterschiedlichen Potenzials versehen
sind, bekannt. Die Potenziale, auf dem die Elektroden in den Trenches
liegen, werden dabei über
entsprechende Abgriffe der Potenziale benachbarter n- und p-dotierten
Siliziumgebieten erzeugt.
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Nachteilig
an den oben beschriebenen Randkonstruktionen ist, dass sie einen
relativ hohen Flächenbedarf
haben. So benötigen
beispielsweise Metallleiterbahnen, die zur Kontaktierung der Elektroden
der Trenches in den Randkonstruktionen dienen, eine Streifenbreite
von ungefähr
25 μm, was eine
Miniaturisierung der Randkonstruktionen erschwert.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, einen Trenchtransistor
anzugeben, der eine gleichermaßen
Platz sparende wie effektive Randkonstruktion aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Trenchtransistor gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Ferner stellt die Er findung ein Verfahren zur Herstellung einer
Randstruktur in einem Trenchtransistor gemäß Patentanspruch 19 bereit.
Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens
finden sich in den Unteransprüchen.
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Der
erfindungsgemäße Trenchtransistor weist
ein Zellenfeld, in dem mehrere Zellenfeldtrenches vorgesehen sind,
und wenigstens einen Randtrench, der an das Zellenfeld angrenzt
beziehungsweise das Zellenfeld umgibt, auf. Die Summe der Breiten
aller Mesagebiete, die zwischen dem letzten Zellenfeldtrench und
dem ersten Randtrench sowie zwischen verschiedenen Randtrenches
ausgebildet sind, und die im Sperrzustand wenigstens teilweise ausgeräumt werden,
liegt in einem Bereich, der sich vom 0-fachen bis zum 0,7-fachen
der Mesabreite zwischen zwei benachbarten aktiven Zellenfeldtrenches
erstreckt.
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Die
Breite eines Mesagebiets wird zu der oben erwähnten Summe also nur dann hinzugerechnet,
wenn das Mesagebiet im Sperrzustand auch tatsächlich ausgeräumt wird
(bzw. wenigstens teilweise ausgeräumt wird), d.h. wenn sich dort
eine Raumladungszone ausbildet.
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Das
erfindungsgemäße Konzept
lässt sich insbesondere
auf Feldplattentrench-Transistoren anwenden, bei denen die Dotierung
der zwischen den Zellenfeldtrenches vorgesehenen Driftgebiete so hoch
ist, dass die Überschwemmungsladung
in den Driftgebieten im Sperrzustand nicht mehr komplett vertikal
ausgeräumt
werden kann.
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Der
letzte Zellenfeldtrench kann aktiviert oder deaktiviert sein. Unter "Mesagebiet" wird das Halbleitergebiet
zwischen zwei benachbarten Trenches verstanden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
die Summe der Breiten aller ausgeräumten Mesagebiete, die zwischen
dem letzten Zellenfeldtrench und dem ersten Randtrench sowie zwischen
den Randtrenches ausgebildet sind, das 0,5-fache der Mesabreite
zwischen zwei benachbarten aktiven Zellenfeldtrenches. Wenn daher
im erfindungsgemäßen Trenchtransistor
zwei Randtrenches, die nebeneinander vorgesehen sind, ausgebildet
sind, so beträgt in
dieser Ausführungsform
der Abstand zwischen dem letzten Zellenfeldtrench und dem ersten
Randtrench und der Abstand zwischen den Randtrenches das 0,25-fache
des Abstands zwischen zwei benachbarten aktiven Zellenfeldtrenches.
Analog hierzu beträgt
bei drei benachbarten Randtrenches der Abstand das 0,17-fache des
Abstands zwischen zwei benachbarten aktiven Zellenfeldtrenches.
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Die
Anzahl der Randtrenches ist prinzipiell beliebig und richtet sich
nach Stärke
der abzubauenden Spannung.
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In
der Regel ist bei Trenchtransistoren in jedem Zellenfeldtrench eine
Gateelektrode und (optional) eine darunter angeordnete Feldelektrode
ausgebildet. Die Elektroden tragen im Sperrzustand maßgeblich
zum Ausräumen
von Ladungsträgern,
die in den Mesagebieten vorhanden sind, bei. Eine der Erfindung
zugrunde liegende Erkenntnis ist, dass dieser Effekt auch innerhalb
der Mesagebiete, die außerhalb
des Zellenfelds liegen, genutzt werden kann (und damit verbesserte
Durchbruchseigenschaften erzielt werden können), solange die Summe der
Breiten aller von Ladungsträgern
ausgeräumten
Mesagebiete, die außerhalb
des Zellenfelds liegen, d.h. die zwischen dem letzten Zellenfeldtrench
und dem ersten Randtrench sowie zwischen den Randtrenches ausgebildet
sind, in einem Bereich liegen, der sich vom 0-fachen bis zum 0,7-fachen
der Mesabreite zwischen zwei benachbarten aktiven Zellenfeldtrenches
erstreckt. Grund hierfür
ist, dass die "Ausräumstärke" nur zum Ausräumen eines
Mesagebiets zwischen den Randtrenches ausreicht, dessen Größe maximal
dem 0,7-fachen der Größe eines
Mesagebiets zwischen zwei aktiven Zellenfeldtrenches entspricht.
Eine optimale Ausräumung
kann gewährleistet
werden, wenn die Summe der Breiten der ausgeräumten Mesagebiete außerhalb
des Zellenfelds das 0,5-fache der Mesabreite zwischen zwei benachbarten
aktiven Zellenfeldtrenches nicht überschreitet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist zumindest innerhalb des Randtrenches, der dem Zellenfeld am
nächsten
liegt, eine Elektrode vorgesehen. Alternativ hierzu können in
mehreren bzw. allen Randtrenches Elektroden vorgesehen sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens einer der Randtrenches ausschließlich mit isolierendem Material
gefüllt.
Alternativ hierzu können
mehrere bzw. alle Randtrenches mit isolierendem Material gefüllt sein.
Hierbei ist es nicht notwendig, den Trench vollständig mit
isolierendem Material aufzufüllen,
vielmehr können
innerhalb der Randtrenches Hohlräume
verbleiben.
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Wenn
in den Randtrenches Elektroden ausgebildet sind, so können die
Elektroden auf festen Potenzialwerten liegen und/oder als floatende
Elektroden ausgestaltet sein. Die Potenzialwerte werden hierbei
so gewählt,
dass gewünschte
Potenziallinienverläufe
erzielt werden. Beispielsweise können
die Elektroden in den Randtrenches auf Sourcepotenzial, Gatepotenzial,
Drainpotenzial/2 bzw. Substratpotenzial/2 gelegt werden. Auch ist
es möglich,
Elektroden innerhalb eines Randtrenches in unterschiedliche voneinander
isolierte Bereiche aufzuteilen und diese Bereiche dann auf unterschiedliche
Potenziale zu legen.
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Vorzugsweise
weist der Trenchtransistor eine obere und eine untere Driftzone
auf, wobei die untere Driftzone vom selben Dotiertyp wie die obere Driftzone
ist und unmittelbar an diese angrenzt. Vorzugsweise ist die obere
Driftzone etwas stärker
dotiert als die untere Driftzone. Die obere Driftzone ist wenigstens
teilweise zwischen den Zellenfeldtrenches/Randtrenches ausgebildet,
und die untere Driftzone wenigstens teilweise unterhalb der Zellenfeldtrenches/Randtrenches
ausgebildet. Die so entstandene "Verdickung" der Driftzone dient
zur Aufnahme zusätzlicher
Sperrspannung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens eines der Mesagebiete, die zwischen dem letzten Zellenfeldtrench
und dem ersten Randtrench und zwischen den Randtrenches ausgebildet sind,
ganz oder teilweise durch ein isolierendes Material "ersetzt", das heißt zwei
benachbarte Trenches sind miteinander "verschmolzen". Hierbei können die Breiten/Tiefen der
Trenches, die miteinander verschmolzen sind, durchaus unterschiedlich
ausfallen. Vorzugsweise sind der äußerste Randtrench bzw. die beiden äußersten
Randtrenches breiter und tiefer als die restlichen Randtrenches
ausgestaltet.
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Der äußerste Randtrench
bzw. die beiden äußersten
Randtrenches erreichen in einer bevorzugten Ausführungsform in etwa bis zum
unteren Ende der unteren Driftzone hinab.
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Die
laterale Ausdehnung des äußersten Randtrenches
kann bis zum Rand (Sägekante)
des Trenchtransistors reichen, wobei in diesem Fall der äußerste Randtrench
nur teilweise mit isolierendem Material verfüllt zu sein braucht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Mesabreite eines Mesagebiets definiert als der Mittelwert
aus wenigstens zwei horizontalen Beabstandungen zwischen den Trenches,
die an das Mesagebiet angrenzen, wobei die horizontalen Beabstandungen
an unterschiedlichen vertikalen Positionen gemessen werden. Beispielsweise
können
die vertikalen Positionen, an denen die horizontalen Beabstandungen
gemessen werden, 20% und 80% der Trenchtiefe der Randtrenches betragen.
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Wie
bereits erwähnt,
ist der erfindungsgemäße Trenchtransistor
vorteilhafterweise als Feldplatten-Trenchtransistor realisiert,
bei dem die Dotierung der zwischen den Zellenfeldtrenches vorgesehenen Driftgebiete
so hoch ist, dass die Überschwemmungsladung
in den Driftgebieten im Sperrzustand nicht mehr komplett vertikal
ausgeräumt
werden kann. Dabei sind die Isolationsschichten, die die in den
Zellenfeldtrenches vorgesehenen Gateelektroden gegenüber dem
Halbleiterkörper
isolieren, im unteren Bereich der Zellenfeldtrenches vorzugsweise verdickt
ausgestaltet.
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Um
Mesagebiete zwischen den Randtrenches durch isolierendes Material
zu ersetzen, stellt die Erfindung folgendes Verfahren zur Herstellung
einer Randstruktur in einem Trenchtransistor bereit: Zunächst werden
Randtrenches in einem Halbleiterkörper ausgebildet. Dann werden
die zwischen den Randtrenches beziehungsweise zwischen Zellenfeldtrench/Randtrench
befindlichen Mesagebiete mittels eines thermischen Oxidationsprozesses
aufoxidiert. Alternativ hierzu werden Isolationsschichten auf die
Innenwände
der Zellenfeldtrenches/Randtrenches abgeschieden. Die Summe der
Breiten aller Mesagebiete (24, 25), die zwischen
dem letzten Zellenfeldtrench (2) und dem ersten Randtrench
(21) sowie zwischen verschiedenen Randtrenches (21, 22) ausgebildet
sind, und die im Sperrzustand ausgeräumt werden, liegt in einem
Bereich, der sich vom 0-fachen bis zum 0,7-fachen der Mesabreite
zwischen zwei benachbarten aktiven Zellenfeldtrenches erstreckt.
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Um
einen erfindungsgemäßen Trenchtransistor
herzustellen, kann von bereits bestehenden Trenchtransistor-Architekturen
ausgegangen werden: wenn beispielsweise ein bis 200 V Sperrspannung
ausgelegter Trenchtransistor bereitgestellt werden soll, kann die
Architektur eines Trenchtransistors, der auf 100 V Sperrspannung
ausgelegt ist, als "Basiselement" verwendet werden.
Die Basiszelle ist lediglich um eine zusätzliche Driftzone, die unterhalb der
bereits existierenden Driftzone angeordnet wird, zu erweitern, ferner
muss eine zusätzliche
Randstruktur zu der bereits existierenden Randstruktur des Basiselements
hinzugefügt
werden. Hierbei wird die zusätzliche
Driftzone, beispielsweise eine niedrig dotierte Epitaxieschicht,
so dick ausgelegt, dass die zusätzlich
anfallende Sperrspannung durch diese Schicht aufgenommen werden
kann. Die zusätzliche Randstruktur
sollte wenigstens einen mit Oxid gefüllten Randtrench beinhalten,
wobei Trenchtiefen und Trenchbreiten sowie die Anzahl der mit Oxid
gefüllten Randtrenches
beliebig gewählt
werden können.
Das Zusammenwirken der Randstruktur des Basiselements und der zusätzlichen
Randstruktur muss die volle Sperrspannung des Trenchtransistors
abbauen können.
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Herstellungstechnisch
vorteilhaft sind Trenchbreiten, die in etwa der doppelten Dicke
der in den aktiven Zellenfeldtrenches vorgesehenen verdickten Isolationsschicht
(Feldoxidschicht) entsprechen. In diesem Fall wären die Trenchtiefen innerhalb
der Randstruktur in etwa 10 bis 30% geringer, verglichen zu denen
der aktiven Zellenfeldtrenches. Soll die Trenchtiefe der Randtrenches
gleich oder tiefer sein als die Trenchtiefen der aktiven Zellenfeldtrenches, so
kann zum Oxid im Trench auch Polysilizium hinzukommen. Im Falle
deutlich größerer Trenchtiefen
ist die Trenchweite im Layout zu vergrößern und die Trenchätzung entsprechend
anzupassen, so dass breiter gelayoutete Trenches stets deutlich
tiefer geätzt
werden im Vergleich zu normal breiten Zellenfeldtrenches.
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Der
erfindungsgemäße Trenchtransistor
hat gegenüber
bekannten Trenchtransistoren den Vorteil, dass der Platzbedarf der
Randstrukturen wesentlich geringer ist. Weiterhin sind derartige
Randstrukturen leicht in Standard-Herstellungsprozesse integrierbar.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in
beispielsweiser Ausführungsform
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Potenzialverläufe sowie
Verläufe
des elektrischen Felds in einem Randbereich eines herkömmlichen
Trenchtransistors,
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2a Potenzialverläufe sowie Verläufe des elektrischen
Felds in einem Randbereich eines herkömmlichen Trenchtransistors,
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2b Potenzialverläufe sowie Verläufe des elektrischen
Felds in einem Randbereich einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2c Potenzialverläufe sowie Verläufe des elektrischen
Felds im Randbereich einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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2d Potenzialverläufe sowie Verläufe des elektrischen
Felds in einem Randbereich einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
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3a Dotierkonzentrationen in einem Randbereich
einer vierten Ausführungsform
der Erfindung,
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3b Dotierkonzentrationen in einem Randbereich
einer fünften
Ausführungsform
der Erfindung,
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4a einen Randbereich eines herkömmlichen
Trenchtransistors,
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4b einen Randbereich einer sechsten Ausführungsform
der Erfindung,
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4c einen Randbereich einer siebten Ausführungsform
der Erfindung,
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5a Potenzialverläufe für den in 4a gezeigten
Randbereich,
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5b Potenzialverläufe für die in 4b gezeigte
Ausführungsform,
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5c Potenzialverläufe für die in 4c gezeigte
Ausführungsform,
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6a Verläufe des elektrischen Felds
für den
in 4a gezeigten Trenchtransistor,
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6b Verläufe des elektrischen Felds
für die
in 4b gezeigte Ausführungsform,
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6c Verläufe des elektrischen Felds
für die
in 4c gezeigte Ausführungsform,
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7a einen Randbereich einer achten Ausführungsform
der Erfindung,
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7b einen Randbereich einer neunten Ausführungsform
der Erfindung,
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8a Potenzialverläufe für die in 7a gezeigte
Ausführungsform,
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8b Potenzialverläufe für die in 7b gezeigte
Ausführungsform,
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9a Verläufe des elektrischen Felds
für die
in 7a gezeigte Ausführungsform,
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9b Verläufe des elektrischen Felds
für die
in 7b gezeigte Ausführungsform,
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10 einen
Randbereich einer zehnten Ausführungsform
der Erfindung.
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In
den Zeichnungen sind einander entsprechende Teile bzw. Bereiche
mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Sämtliche Ausführungsformen können invers
dotiert sein, das heißt
n- bzw. p-Gebiete können
miteinander vertauscht werden.
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In 1 ist
ein Teil eines Randbereichs eines Trenchtransistors gemäß dem Stand
der Technik gezeigt. Zu sehen sind ein Halbleiterkörper 1,
in dem ein Zellenfeldtrench 2 (der letzte Zellenfeldtrench
des Zellenfelds) ausgebildet ist. Innerhalb des Zellenfeldtrenches 2 ist
eine Elektrode 3 ausgebildet, die gegenüber dem Halbleiterkörper 1 durch
eine Isolationsschicht 4 elektrisch isoliert ist. Die Isolationsschicht 4 weist
verdickte Bereiche auf, insbesondere im Be reich von Seitenwänden des
Zellenfeldtrenches 2, die von dem Zellenfeld des Trenchtransistors
(das sich am linken Bildrand befindet) abgewandt sind. Teile der
Oberfläche
des Halbleiterkörpers 1 sind
von einer Isolationsschicht 6 bedeckt. Unmittelbar links neben
dem (aktiven) Zellenfeldtrench 2 befindet sich das erste
aktive Mesagebiet des Zellenfelds, gefolgt von einem weitern Zellenfeldtrench
(nicht gezeigt).
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Der
in 1 gezeigte Trenchtransistor weist eine Driftzone 5 auf,
die eine Sperrspannung von ungefähr
200 V aufnehmen kann. Die Driftzone 5 besteht hierbei aus
einer oberen Driftzone 51 und einer unteren
Driftzone 52 , die aneinander angrenzen,
wobei die Dotierung der unteren Driftzone 52 etwas
geringer ist als die Dotierung der oberen Driftzone 51 . In der Computersimulation ist deutlich
zu erkennen, dass bereits bei einer Sperrspannung von 145 V ein Durchbruch
an der vom Zellenfeld abgewandten Außenseite des Zellenfeldtrenches 2 erfolgt
(insbesondere an der Position x = 2,9; y = 4,0). Die in 1 gezeigte
Randkonstruktion ist demnach nicht geeignet, Sperrspannungen von
200 V abzubauen.
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In
den Figuren zeigt die x-Richtung von links nach rechts, und die
y-Richtung von oben nach unten.
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Anders
gestaltet sich die Situation, wenn, wie in 2b bis
d gezeigt, zusätzliche
Randtrenches in dem Halbleiterkörper 1 ausgebildet
werden. So sind beispielsweise in einer ersten Ausführungsform 20 der
Erfindung neben dem Zellenfeldtrench 2 zwei Randtrenches 21, 22 vorgesehen,
die ausschließlich mit
isolierendem Material 23, beispielsweise einem Oxid, aufgefüllt sind.
Die Randtrenches 21, 22 weisen die gleiche Tiefe
wie die des Zellenfeldtrenches 2 auf, wobei die Breite
der Randtrenches 21, 22 etwas kleiner als die
des Zellenfeldtrenches 2 ausfällt. Zwischen dem Zellenfeldtrench 2 und
dem Randtrench 21 sowie zwischen dem Randtrench 21 und dem
Randtrench 22 ist jeweils ein Mesagebiet 24 bzw. 25 ausgebildet.
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Die
in 2c gezeigte zweite Ausführungsform 30 unterscheidet
sich von der ersten Ausführungsform 20 dadurch,
dass die beiden Randtrenches 31, 32, die neben
dem Zellenfeldtrench 2 angeordnet sind, tiefer als der
Zellenfeldtrench 2 sind. Ansonsten entspricht der Aufbau
dem der ersten Ausführungsform 20.
Die in 2d gezeigte dritte Ausführungsform 40 weist
anstelle von zwei zusätzlichen Randtrenches,
wie in 2b und c gezeigt, einen einzelnen
Randtrench 41 auf, der mit isolierendem Material 23 gefüllt ist
und der breiter und tiefer als der Zellenfeldtrench 2 ausgestaltet
ist.
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Die
Computersimulation lässt
deutlich erkennen, dass in allen drei Ausführungsformen 20 bis 40 bessere
Durchbruchseigenschaften vorliegen als bei dem Trenchtransistor,
der in den 1 sowie 2a gezeigt
ist. So beträgt
die Durchbruchspannung in der ersten Ausführungsform 165 V, wobei der
Durchbruch an der Position (x = 2,9; y = 5,1) erfolgt. Die Durchbruchspannung
in der zweiten Ausführungsform 30 beträgt 213 V,
wobei der Durchbruch an der Position (x = 0,65; y = 5,3) erfolgt.
Die Durchbruchspannung in der dritten Ausführungsform 40 beträgt 208 V,
der Durchbruch erfolgt hier an der Position (x = 0,65; y = 5,3).
In den Computersimulationen repräsentieren
die durchgezogenen Linien Äquipotenziallinien
in Abständen
von 10 V, die Verteilungen des elektrischen Felds sind in unterschiedlichen
Schattierungen/Farbstufen wiedergegeben. Wenn, wie in 2c sowie 2d gezeigt,
die Randtrenches 31, 32 bzw. 41 tiefer
als der Zellenfeldtrench 2 ausgestaltet werden sollen,
können
zusätzliche
Layoutmaßnahmen
ergriffen werden, beispielsweise die Randtrenches mittels einer
Extramaske geätzt
bzw. mit isolierendem Material verfüllt werden.
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In 3a ist eine vierte Ausführungsform 50 des
erfindungsgemäßen Trenchtransistors
gezeigt. Diese Ausführungsform ähnelt der
zweiten Ausführungsform 30,
jedoch mit dem Unterschied, dass in den Randtrenches 51, 52 jeweils
eine Elektrode 53, 54 vorgesehen ist, wobei die
Elektroden 53, 54 als floatende (frei bewegliches
Potenzial) Elektroden ausgestaltet sind. Die in 3b gezeigte
fünfte
Ausführungsform 60 unterscheidet
sich von der vierten Ausführungsform 50 dadurch,
dass die Elektroden 53, 54 jeweils auf einen der
Potenzialwerte gelegt werden, die in den Mesagebieten 24, 25 zwischen dem
Zellenfeldtrench 2 und den Randtrenches 51 und 52 ausgebildet
sind. Dazu ist die Elektrode 53 mit dem Mesagebiet 24,
und die Elektrode 54 mit dem Mesagebiet 25 elektrisch
verbunden. Die Elektrode 53 nimmt somit den Potenzialwert,
der innerhalb des Mesagebiets 24 vorherrscht, die Elektrode 54 den Potenzialwert,
der innerhalb des Mesagebiets 25 vorherrscht, an.
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In
den 3a und 3b sind
die Dotierkonzentrationen innerhalb des Halbleiterkörpers 1 angegeben.
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In
allen Ausführungsformen
(erste Ausführungsform 20 bis
fünfte
Ausführungsform 60)
sind die Breiten der ausgeräumten
Mesagebiete 23, 24 so ausgelegt, dass die Summe
dieser Breiten kleiner bzw. gleich der 0,7-fachen Breite (oder 0,5-fachen Breite) zwischen
zwei aktiven Zellenfeldtrenches ist. Das Material der Elektroden 53, 54 ist
beispielsweise Polysilizium, das isolierende Material 23 bzw.
das Material der Isolationsschichten 4, 6 vorzugsweise ein
Oxid.
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In
den 4 bis 10 sind Ausführungsformen von Trenchtransistor-Randkonstruktionen
gezeigt, die Sperrspannungen von mehr als 200 V abbauen sollen.
In diesen Ausführungsformen
wird die Dicke der Driftzone 5 so gewählt, dass die Driftzone eine
Sperrspannung von ca. 250 V aufnehmen kann.
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In 4a ist ein Randabschluss eines bekannten
Trenchtransistors gezeigt. In 4b ist
eine sechste Ausführungsform 70 der
Erfindung gezeigt, in der der letzte Zellenfeldtrench 2 mit
dem Randtrench 91 "verschmolzen" ist. Genauer gesagt
ist der rechte Teil der Isolationsschicht 4 des Zellenfeldtrenches 2 mit
dem isolierenden Material 23, das den Randtrench 91 auffüllt, verschmolzen.
Links vom Zellenfeldtrench 2 befindet sich das erste aktive
Mesagebiet 7 des Zellenfeldes. Die in 4c gezeigte siebte
Ausführungsform 80 veranschaulicht,
dass die Breite bzw. die Tiefe des Randtrenches 91 beliebig variiert
werden kann.
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Die
zu der sechsten bzw. siebten Ausführungsform 70, 80 korrespondierenden
Potenzialverläufe
bzw. Verläufe
der elektrischen Feldstärken
sind in 5 bzw. 6 dargestellt.
Aus den Computersimulationen lässt
sich entnehmen, dass der Durchbruch bei dem in 4a gezeigten
Trenchtransistor bei einer Durchbruchspannung von 149 V bei der
Position (x = 3,0; y = 4,0), bei der sechsten Ausführungsform
70 bei einer Durchbruchspannung von 234 V an einer Position (x =
0,65; y = 5,3) und bei der siebten Ausführungsform 80 bei
einer Durchbruchspannung von 253 V bei einer Position (x = 0, 65;
y = 5,3) erfolgt.
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Die
in 7a gezeigte achte Ausführungsform 90 weist
einen Zellenfeldtrench 2',
einen letzten Zellenfeldtrench 2 sowie einen ersten Randtrench 71 auf.
Der letzte Zellenfeldtrench lässt
sich unter anderem so definieren, dass dieser wenigs tens an ein
Mesagebiet angrenzt, dass so breit wie ein "normales" Zellenfeld-Mesagebiet ist. In dem letzten
Zellenfeldtrench 2 ist eine floatende Elektrode 74 vorgesehen, der
erste Randtrench 71 ist hingegen ohne Elektrode ausgestaltet
und vollständig
mit isolierendem Material 23 verfüllt. Das isolierende Material 23,
das die floatende Elektrode 74 innerhalb des letzten Zellenfeldtrenchs 2 umgibt,
ist mit dem isolierenden Material 23 des ersten Randtrenches 71 "verschmolzen". Die "Breite" eines Mesagebiets 72 zwischen
dem letzten Zellenfeldtrench und dem ersten Randtrench 71 beträgt also
0. Der erste Randtrench 71 ist breiter und tiefer als der
letzte Zellenfeldtrench 2 ausgestaltet. Vorzugsweise reicht
der erste Randtrench 71 bis zum unteren Ende der Driftzone 5 in
den Halbleiterkörper 1 hinein.
Der Zellenfeldtrench 2' ist
aktiv. Links neben dem Zellenfeldtrench 2' befindet sich das erste aktive
Mesagebiet 7 des Zellenfelds. Die Breite eines Mesagebiets 73 zwischen
dem Zellenfeldtrench 2' und
dem letzten Zellenfeldtrench 2 ist gleich der Breite eines
Mesagebiets zwischen zwei aktiven Zellenfeldtrenches. Das deaktivierte
Mesagebiet 73 wird beidseitig von Dickoxid eingefasst.
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Der
erste Randtrench 71 ist in bevorzugten Ausführungsformen
drei- bis fünfmal
so breit wie aktive Zellenfeldtrenches.
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Die
Trenches 2', 2 und 71 können prinzipiell zusammen
mit den Zellenfeldtrenches in einem Prozessschritt hergestellt werden
oder aber mittels eigener Prozessschritte, wobei zu berücksichtigen
ist, dass bei üblichen
Trenchätzprozessen
die Trenchtiefe abhängig
von der Trenchbreite ist. Der erste Randtrench 71 kann
beispielsweise mit einem Oxid und alternativ auch (zumindest teilweise)
mit floatendem Polysilizium, Phosphorsiliziumglas, Borphosphorsiliziumglas,
einem Zwischenoxid, Nitrid, Imid oder anderen Materialien, die im Herstellungsprozess
abgeschieden und nicht mehr entfernt werden, gefüllt sein. Dies gilt analog
auch für
die Randtrenches der anderen Ausführungsformen. Zusätzlich kann
innerhalb des ersten Randtrenches 71 ein Hohlraum ausgebildet
sein.
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Die
in 7b gezeigte neunte Ausführungsform 100 unterscheidet
sich von der achten Ausführungsform 90 lediglich
dadurch, dass der letzte Zellenfeldtrench 2 etwas tiefer
ausgestaltet ist.
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In
den 8 und 9 sind Potenzialverläufe bzw.
Verläufe
des elektrischen Felds für
die in 7 gezeigten Ausführungsformen im Sperrfall dargestellt.
Hierbei erfolgt der Durchbruch in der achten Ausführungsform 90 bei
einer Durchbruchspannung von 266 V an der Position (x = 6,1; y =
6,0) sowie bei einer Durchbruchspannung von 274 V an der Position
(x = 0,65; y = 5,3). In der neunten Ausführungsform 100 erfolgt
der Durchbruch bei einer Durchbruchspannung von 264 V an der Position
(x = 4,5; y = 5,8) und bei einer Durchbruchspannung von 283 V an
der Position (x = 0,65; y = 5,3). Aus den Computersimulationen ist
hiermit ersichtlich, dass bei Verwendung eines sehr breiten und
sehr tiefen Randtrenches (erster Randtrench 71) stets ein
Durchbruch innerhalb des letzten Zellenfeldtrenchs 2 erfolgt.
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Die
Ausmaße
der Trenches 2', 2 und 71 können variiert
werden, insbesondere kann der zweite Randtrench 72 noch
breiter und tiefer als dargestellt ausgebildet werden.
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Die äußersten
Randtrenches (in diesen Ausführungsformen
die Randtrenches 72 bzw. 91) können auch wie in 10 gezeigt
ausgestaltet sein. In dieser Ausführungsform ist der Randtrench
extrem breit ausgestaltet, so dass dieser die gesamte Breite bis
zur Sägekante
(d.h. eines Sägerahmens
bis zum nächsten
Chip hin) einnimmt. In der in 10 gezeigten
Ausführungsform
ist ein Teil des senkrecht verlaufenden isolierenden Materials 23 des äußersten
Randtrenches mit dem isolierenden Material 4 des letzten
Zellenfeldtrenches 2 verschmolzen. In 10 sind
weitere Zellenfeldtrenches 2 zu sehen, wobei hier der mittlere
und der letzte Zellenfeldtrench inaktiv sind. Die sehr breite Ausgestaltung
des letzten Randtrenches (in den Sägerahmen hinein bzw. bis zum
nächstbenachbarten
Chip) bewirkt, dass die Potenziallinien nicht mehr nach oben, sondern
nur mit äußerst geringer
Krümmung
seitwärts
aus dem Trenchtransistor herausgeführt werden, da im montierten
Zustand des Chips die gegenüberliegende Seite
des äußersten
Randtrenches nicht mehr vorhanden ist. Diese Struktur ähnelt einer
bekannten Struktur, die in beschrieben ist.
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In
allen beschriebenen Ausführungsformen können an
die Randkonstruktion angrenzende Zellenfeldtrenches (beispielsweise
zehn Zellenfeldtrenches) deaktiviert werden, wobei die Isolationsschichten,
die in diesen Zellenfeldtrenches vorgesehen sind, durchgehend verdickt
ausgestaltet werden können
(siehe 10). Die an die Randkonstruktion
angrenzenden Zellenfeldtrenches können ferner eine zur Randkonstruktion
hin zunehmende Breite/Tiefe bzw. abnehmende Breite/Tiefe aufweisen,
womit die Potenziallinien im Randbereich des Trenchtransistors äußerst genau
eingestellt werden können.
-
Das
Verschmelzen von zwei Randtrenches kann wie folgt erfolgen: zunächst werden
die Randtrenches mittels gängiger
Verfahren in den Halbleiterkörper
eingebracht. Dann werden die Mesagebiete zwischen den zu verschmelzenden
Randtrenches mittels eines thermischen Oxidationsprozesses in ein isolierendes
Material (Oxid) umgewandelt. Anschließend können in verbleibende Hohlräume innerhalb der
Trenches Elektroden bzw.
-
Füllmaterial
eingebracht werden. Die Breite des zu oxidierenden Mesagebiets zwischen
zwei zu verschmelzenden Randtrenches beträgt beispielsweise 200 bis 400
nm. Die folgenden Schritte zur Fertigstellung der Randkonstruktion
sind dem Fachmann bekannt.
-
Ein
wesentlicher Aspekt der in den 7 bis 10 beschriebenen
Ausführungsformen
ist damit, eine Randstruktur bereitzustellen, die gegeben ist durch
eine Verschmelzung von wenigstens einem Randtrench mit dem letzten
Zellenfeldtrench und/oder mit weiteren Randtrenches.
-
- 1
- Halbleiterkörper
- 2,
2'
- Zellenfeldtrench
- 3
- Elektrode
- 4
- Isolationsschicht
- 5
- Driftzone
- 51
- obere
Driftzone
- 52
- untere
Driftzone
- 6
- Isolationsschicht
- 7
- Mesagebiet
- 20
- erste
Ausführungsform
- 21
- Randtrench
- 22
- Randtrench
- 23
- isolierendes
Material
- 24
- Mesagebiet
- 25
- Mesagebiet
- 30
- zweite
Ausführungsform
- 31
- Randtrench
- 32
- Randtrench
- 40
- dritte
Ausführungsform
- 41
- Randtrench
- 50
- vierte
Ausführungsform
- 51
- Randtrench
- 52
- Randtrench
- 53
- Elektrode
- 54
- Elektrode
- 60
- fünfte Ausführungsform
- 70
- sechste
Ausführungsform
- 71
- Randtrench
- 72
- Mesagebiet
- 73
- Mesagebiet
- 74
- Elektrode
- 80
- siebte
Ausführungsform
- 90
- achte
Ausführungsform
- 91
- Randtrench
- 100
- neunte
Ausführungsform