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Die
Erfindung betrifft einen Leistungstransistor, der ein Halbleitervolumen
aufweist, in dem mehrere parallel geschaltete Transistorzellen,
eine lateral ausgerichtete, hochleitfähige Halbleiterschicht, die unterhalb
der Transistorzellen im Halbleitervolumen vergraben ist, und wenigstens
ein Anschluss, über den
die vergrabene Halbleiterschicht von der Oberseite des Leistungstransistors
her kontaktierbar ist, vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft weiterhin
einen Leistungstransistor mit einem Halbleitervolumen, in dem mehrere
parallel geschaltete, durch Trenches voneinander getrennte Transistorzellen,
eine lateral ausgerichtete, hochleitfähige Halbleiterschicht, die unterhalb
den Transistorzellen im Halbleitervolumen vergraben ist, und wenigstens
ein Anschluss, über den
die vergrabene Halbleiterschicht von der Oberseite des Leistungstransistors
her kontaktierbar ist, vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft ferner
ein Verfahren zur Herstellung derartiger Leistungstransistoren.
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In 1 ist ein Beispiel eines
Leistungstransistors gezeigt, in dem eine lateral ausgerichtete hochleitfähige Halbleiterschicht
unterhalb der Transistorzellen im Halbleitervolumen vergraben ist.
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Ein
Leistungstransistor 1 weist ein Halbleitervolumen 2 auf,
in dem eine p--dotierte Schicht 3,
eine n+-dotierte vergrabene Halbleiterschicht
(so genannte „Buried-Layer") 4, eine
n--dotierte Epitaxieschicht 5,
ein n+-dotiertes Sourcegebiet 6,
ein p-dotiertes Bodygebiet 7, n+-dotierte
Wannen 8 sowie p-dotierte Wannen 9 vorgesehen
sind. Weiterhin sind Gate elektroden 10 vorgesehen, über die
Stromflüsse
aus dem Sourcegebiet 6 in die Epitaxieschicht 5 hinein
erzeugbar sind.
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Die
n+-dotierten Wannen 8 dienen zur
Kontaktierung der n+-dotierten vergrabenen Halbleiterschicht 4,
während
die p-dotierten
Wannen 9 der Isolation der vergrabenen Halbleiterschicht 4 und
der Epitaxieschicht 5 gegenüber benachbarten Transistorzellen
(in 1 ist nur eine Transistorzelle
gezeigt) dienen.
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Der
in 1 gezeigte Aufbau
weist mehrere Nachteile auf: Zunächst
erfordert die Ausbildung der Wannen 8 und 9 ein
hohes Temperaturbudget, da diese sehr tief in das Halbleitervolumen 2 hineinreichen
müssen.
Dies zieht jedoch eine große
laterale Ausdehnung der Wannen 8, 9 nach sich,
womit die laterale Ausdehnung des Leistungstransistors 1 hoch ist.
Von Nachteil ist weiterhin, dass der Widerstand, den vertikale Stromflüsse innerhalb
der vergrabenen Halbleiterschicht 4 zu überwinden haben, einen nicht unbeträchtlichen
Anteil am Einschaltwiderstand des Leistungstransistors 1 darstellt
und zu einer Inhomogenität
der Potenzialverteilung im Durchbruch (Avalanche) führt, was
einer geringere Belastbarkeit des Leistungstransistors gleichzusetzen
ist. Von Nachteil ist ferner, dass bei Anliegen einer negativen
Drainspannung die vergrabene Halbleiterschicht 4 einen relativ
großen
Minoritätenstrom
in das Substrat (p--dotierte Schicht 3)
injiziert, der durch aufwändige Saugringkonstruktionen
(hier nicht gezeigt) abgeführt werden
muss, damit benachbarte Gebiete (Analog- oder Logikschaltungsteile)
in ihrer Funktionsweise nicht gestört werden.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, einen Leistungstransistor
bereitzustellen, mit dem die oben erwähnten Probleme vermieden werden
können.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe stellt die Erfindung Leistungstransistoren gemäß der Patentansprüche 1 und
12 bereit. Weiterhin stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines Leistungstransistors gemäß Patentanspruch 22 bereit.
Bevorzugte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens
finden sich in den Unteransprüchen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung weist ein Leistungstransistor ein Halbleitervolumen auf,
in dem:
- – mehrere
parallel geschaltete Transistorzellen,
- – eine
lateral ausgerichtete, hochleitfähige
Halbleiterschicht („Buried-Layer"), die unterhalb
der Transistorzellen im Halbleitervolumen vergraben ist, und
- – wenigstens
ein Anschluss, über
den die vergrabene Halbleiterschicht von der Oberseite des Leistungstransistors
her kontaktierbar ist, vorgesehen sind.
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Wenigstens
einer dieser Anschlüsse
ist innerhalb eines Trenchs, der sich von der Oberseite des Leistungstransistors
zur vergrabenen Halbleiterschicht hin erstreckt, ausgebildet.
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Das
Eintreiben von hochdotierten Wannen in das Halbleitervolumen kann
demnach entfallen; die hochdotierten Wannen werden durch Trenches
ersetzt, die teilweise mit leitfähigem
Material gefüllt sind.
Da die laterale Ausdehnung der Trenches wesentlich geringer ausfällt als
die der Wannen zum Anschluss bzw. zur Isolation der vergrabenen
Halbleiterschicht, kann der laterale Platzbedarf des Leistungstransistors
stark reduziert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Leistungstransistor als Trenchtransistor realisiert, wobei
in wenigstens einem (Zellenfeld-)Trench eine Gateelektrode zum Schalten
des Leistungstransistors, und in wenigstens einem (Zellenfeld )Trench
ein Anschluss der vergrabenen Halbleiterschicht vorgesehen ist.
Die (Zellenfeld-)Trenches werden demnach sowohl zur Aufnahme von
Gateelektroden als auch zur Ausbildung von Anschlüssen der
vergrabenen Halbleiterschicht eingesetzt. Da bei der Herstellung
von Trenchtransistoren ohnehin Trenches in das Halbleitervolumen
geätzt
werden müssen,
ist zur Ausbildung der Anschlüsse
kein eigener Prozessschritt notwendig, womit sich das Herstellungsverfahren
des Leistungstransistors vereinfacht.
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Die
Verteilung von Anschlüssen
und Gateelektroden auf die Trenches kann hierbei je nach Anforderung
unterschiedlich ausfallen. Beispielsweise können in den Trenches alternierend
Gateelektroden zum Schalten des Leistungstransistors und Anschlüsse zur
Kontaktierung der vergrabenen Halbleiterschicht ausgebildet sein.
Alternativ hierzu ist es möglich,
innerhalb eines Trenches sowohl einen Anschluss der vergrabenen
Halbleiterschicht als auch eine oder mehrere Gateelektroden vorzusehen.
Beispielsweise können
in einem Trench zwei Gateelektroden vorgesehen sein, zwischen denen
der Anschluss der vergrabenen Halbleiterschicht hindurch verläuft, wobei
der Anschluss gegenüber
den Gateelektroden elektrisch isoliert ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind in den Trenches, in denen Gateelektroden ausgebildet sind,
Feldelektroden vorgesehen.
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Die
Trenches sollten vorteilhafterweise in die vergrabene Halbleiterschicht
hineinreichen oder zumindest an diese angrenzen. Ferner können ein
oder mehrere Trenches mit einer hochleitfähigen Schicht ausgekleidete
Trenchböden
aufweisen.
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Die
vergrabene Halbleiterschicht kann durch einen Isolations-Ring aus Halbleitermaterial
umgeben oder in einer Isolations-Halbleiterschicht
eingebettet werden, wobei das Halbleitermaterial des Isolations-Rings
beziehungsweise der Isolations-Halbleiterschicht
gegenüber
dem Halbleitermaterial der vergrabenen Halbleiterschicht invers
dotiert ist. Der Isolations-Ring beziehungsweise die Isolations-Halbleiterschicht
dienen dazu, die vergrabene Halbleiterschicht bzw, die darüber angeordnete
(Epitaxie-)Halbleiterschicht von der Umgebung elektrisch zu isolieren.
Der Isolations-Ring bzw. der äußere Rand
der Isolations-Halbleiterschicht, in die die vergrabene Halbleiterschicht
eingebettet ist, stellt hierbei. vorzugsweise eine vertikale Verlängerung
eines Trenchrings dar, der sich von der Oberseite des Leistungstransistors
in die Tiefe des Halbleitervolumens hinein erstreckt. Da der Trenchring
eine nur sehr geringe laterale Ausdehnung aufweist, kann der laterale Platzbedarf
des Leistungstransistors weiter verringert werden. Der Begriff "vertikale Verlängerung" bedeutet nicht notwendigerweise,
dass der Trenchring den Isolations-Ring berührt bzw. in diesen eindringt, der
Trenchring kann bezüglich
des Isolations-Rings auch beabstandet sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist innerhalb des Trenchrings ein Anschluss zur Kontaktierung des
Isolations-Rings
bzw. des äußeren Randes der
Isolations-Halbleiterschicht von der Oberseite des Leistungstransistors
her ausgebildet. Damit können
auf effektive Art und Weise unerwünschte parasitäre laterale
Stromflüsse
unterbunden werden. Alternativ hierzu ist es möglich, innerhalb des Trenchrings
eine Feldelektrode auszubilden, die von dem Isolations-Ring bzw.
dem äußeren Rand
der Isolations-Halbleiterschicht isoliert ist. In beiden Fällen kann
der Trenchboden des Trenchrings mit einer hochleitfähigen Schicht
ausgekleidet sein, die als Rekombinationszentrum fungiert und unerwünschte parasitäre Querströme wirksam
unterdrückt.
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Die
Erfindung stellt weiterhin einen Leistungstransistor mit einem Halbleitervolumen
bereit, in dem:
- – mehrere parallel geschaltete,
durch Trenches voneinander getrennte Transistorzellen,
- – eine
lateral ausgerichtete, hochleitfähige
Halbleiterschicht, die unterhalb der Transistorzellen im Halbleitervolumen
vergraben ist, und
- – wenigstens
ein Anschluss, über
den die vergrabene Halbleiterschicht von der Oberseite des Leistungstransistors
her kontaktierbar ist,
vorgesehen sind.
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Die
Trenches ragen in die vergrabene Halbleiterschicht hinein, wobei
die Trenchböden
mit einer hochleitfähigen
Schicht ausgekleidet sind.
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Das
Auskleiden der Trenchböden
mit einer hochleitfähigen
Schicht (beispielsweise Metall) bewirkt, dass die Leitfähigkeit
der vergrabenen Halbleiterschicht (die die hochleitfähige Schicht
kontaktiert) in diesen Bereichen erhöht ist, womit der Strom, der in
der vergrabenen Halbleiterschicht in lateraler Richtung zu führen ist,
entlang der Trenchböden
einen geringeren Widerstand zu überwinden
hat. Auf diese Weise kann der Einschaltwiderstand des Leistungstransistors,
genauer gesagt der Anteil des Einschaltwiderstands, der durch die
vergrabene Halbleiterschicht verursacht wird, verringert werden.
Die hochleitfähige
Schicht stellt quasi einen niederohmigen Pfad dar, über den
Ladungsträger
in bestimmte Bereiche des Halbleiterkörpers geleitet werden können (beispielsweise
zu Anschlüssen
der vergrabenen Halbleiterschicht).
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Die
Trenches können
hierbei die unterschiedlichsten Funktion erfüllen. Beispielsweise kann wenigstens
ein Trench mit Ausnahme des Trenchbodens vollständig mit isolierendem Material
gefüllt sein.
Weiterhin ist es möglich,
in wenigstens einem Trench eine Gateelektrode zum Schalten des Leistungstransistors
vorzusehen. Ferner kann in wenigstens einem Trench eine Feldelektrode
vorgesehen sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist innerhalb wenigstens eines Trenchs, der sich von der Oberseite
des Leistungstransistors zur vergrabenen Halbleiterschicht hin erstreckt,
ein Anschluss zur Kontaktierung der vergrabenen Halbleiterschicht
von oben ausgebildet. Die hochleitfähigen Schichten, die die Trenchböden auskleiden,
sollten vorteilhafterweise mit diesen Anschlüssen in direkter elektrischer Verbindung
stehen, um ein möglichst
niederohmiges Abführen
des in der vergrabenen Halbleiterschicht fließenden Drainstroms nach oben über die
Anschlüsse
zu ermöglichen.
Die vergrabene Halbleiterschicht ist in einer bevorzugten Ausführungsform durch
einen Isolations-Ring aus Halbleitermaterial umgeben oder in eine
Isolations-Halbleiterschicht eingebettet, wobei das Halbleitermaterial
des Isolations-Rings bzw. der Isolations-Halbleiterschicht gegenüber dem
Halbleitermaterial der vergrabenen Halbleiterschicht invers dotiert
ist.
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Weiterhin
kann der Isolations-Ring bzw. der äußere Rand der Isolations-Halbleiterschicht,
in die die vergrabene Halbleiterschicht eingebettet ist, eine vertikale
Verlängerung
eines Trenchrings darstellen, der sich von der Oberseite des Leistungstransistors in
die Tiefe des Halbleitervolumens hinein erstreckt.
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Innerhalb
des Trenchrings kann ein Anschluss zur Kontaktierung des Isolations-Rings
bzw. des äußeren Randes
der Isola tions-Halbleiterschicht von der Oberseite des Leistungstransistors
ausgebildet sein.
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Der
Trenchboden des Trenchrings kann ebenfalls mit einer hochleitfähigen Schicht
ausgekleidet sein, um parasitäre
Stromflüsse
in lateraler Richtung zu unterdrücken.
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Wie
bereits erwähnt,
kann innerhalb des Trenchrings ein Anschluss zum Kontaktieren des
Isolations-Rings vorgesehen werden. Alternativ hierzu ist es möglich, innerhalb
des Trenchrings eine Feldelektrode vorzusehen, die von dem Isolations-Ring bzw. dem äußeren Rand
der Isolations-Halbleiterschicht isoliert ist.
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Die
Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Leistungstransistors
bereit, in dem die vergrabene Halbleiterschicht sowie der Isolations-Ring
bzw. die Isolations-Halbleiterschicht, in die die vergrabene Halbleiterschicht
eingebettet ist, hergestellt werden, indem:
- – mehrere
Trenches in einem Halbleitervolumen ausgebildet werden, und
- – die
Oberfläche
des Halbleitervolumens mit Dotierstoffen beaufschlagt wird, derart,
dass Dotierstoffe durch die Innenwände im unteren Bereich der
Trenches in das Halbleitervolumen eintreten.
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Das
Beaufschlagen der Halbleitervolumen-Oberflächen mit Dotierstoffen kann
hierbei auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen:
- a) Diffusionsprozesse, wobei die Dotierstoffe direkt aus der
Gasphase in das Halbleitervolumen eingebracht werden können, oder
aber auf die Halbleitervolumen-Oberfläche eine Schicht aufgebracht
wird, die die Dotierstoffe enthält,
und die anschließend
erwärmt
wird, sodass die Dotierstoffe aus der Schicht in das Halbleitervolumen
eintreten („Belegungsprozess"),
- b) Implantationsprozesse.
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Um
zu verhindern, dass die Dotierstoffe auch in die oberen Bereiche
des Halbleitervolumens eintreten, müssen die oberen Bereiche der
Trenchinnenwände
vor dem Einbringen der Dotierstoffe mit entsprechenden Diffusionsbarrieren
bzw. mit Seitenwandimplantations-Puffern versehen sein.
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Vor
Einbringen elektrischer Anschlüsse,
Gateelektroden bzw. isolierendem Material in die Trenches werden
diese demnach als „Zugangskanäle" zum Implantieren
der vergrabenen Halbleiterschicht sowie des Isolations-Rings/der
Isolations-Halbleiterschicht
herangezogen. Vorteilhafterweise sollten die Trenches möglichst
eng nebeneinander liegen, so dass die einzelnen Halbleiterzonen,
die sich um die Trenchböden
herum bilden, „zusammenwachsen".
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Isolations-Ring über
die Innenwände
des Ringtrenchs in das Halbleitervolumen eindiffundiert. Um ein
Einbetten der vergrabenen Halbleiterschicht in die Isolations-Halbleiterschicht
zu bewirken, wird zunächst
die Isolations-Halbleiterschicht über die Innenwände aller
Trenches in das Halbleitervolumen eindiffundiert, und anschließend die
vergrabene Halbleiterschicht über
die Innenwände
aller Trenches mit Ausnahme des Trenchrings in das Halbleitervolumen
eindiffundiert, derart, dass die Isolations-Halbleiterschicht eine
höhere
vertikale und/oder laterale Ausdehnung als entsprechende Ausdehnungen
der vergrabenen Halbleiterschicht aufweist. Die höhere vertikale
und/oder laterale Ausdehnung kann beispielsweise bewirkt werden,
indem die Ausbildung der Isolations-Halbleiterschicht bei einer
höheren
Implantationsenergie als die Ausbildung der vergrabenen Halbleiterschicht
erfolgt. Alternativ kann die Dauer eines Diffusionsprozesses zur
Ausbildung der Isolations-Halbleiterschicht länger gewählt werden als die Dauer eines
Diffusionsprozesses zur Ausbildung der vergrabenen Halbleiterschicht.
Das in diesem Abschnitt beschriebene Verfahren kann in analoger Art
und Weise auch auf Basis von Belegungsprozessen oder Implantationsprozessen
erfolgen.
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Alternativ
hierzu können
die Trenches in einem ersten Schritt bis zu einer ersten Tiefe geätzt werden,
die zur Ausbildung der vergrabenen Halbleiterschicht ausreicht und
anschließend über den
unteren Teil der Innenwände
der Trenches entsprechende Dotierstoffe in das Halbleitervolumen
eingebracht werden. Anschließend
werden die selben Trenches mittels eines weiteren Ätzprozesses
vertieft. Nun wird die Isolations-Halbleiterschicht ausgebildet, indem über den
unteren Teil der Innenwände
der vertieften Trenches entsprechende Dotierstoffe in das Halbleitervolumen
eingebracht werden. Die Ausbildung der vergrabenen Halbleiterschicht
sowie der Isolations-Halbleiterschicht erfolgt also auf Basis eines
mehrstufigen Trench-Ätzprozesses.
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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 eine
Querschnittsdarstellung eines Leistungstransistors gemäß dem Stand
der Technik.
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2 eine
Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungstransistors.
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3 eine
Querschnittsdarstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungstransistors.
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4 eine
Querschnittsdarstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungstransistors.
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5 eine
Querschnittsdarstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungstransistors.
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6 eine
Draufsicht der in 5 gezeigten Ausführungsform.
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7 eine
Querschnittsdarstellung einer fünften
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Leistungstransistors.
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8 eine
Querschnittsdarstellung einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungstransistors.
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9a bis 9c Draufsichten
auf Bauelemente, die durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erzeugt
werden können.
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In
den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche,
Bauteile bzw. Bauteilgruppen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Weiterhin
können
sämtliche
Ausführungsformen
invers dotiert sein, d. h. n-Gebiete und p-Gebiete können miteinander vertauscht
werden.
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In
der folgenden Beschreibung soll unter Bezugnahme auf 2 eine
erste Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Leistungstransistors
näher erläutert werden.
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2 zeigt
einen Leistungstransistor 20, in dessen Halbleitervolumen
zwei eine p--dotierte Schicht 3,
eine auf der Schicht 3 vorgesehene n+-dotierte
vergrabene Halbleiterschicht 4 sowie eine auf der vergrabenen
Halbleiterschicht 4 vorgesehene n--dotierte
Epitaxieschicht 5 ausgebildet sind. Weiterhin ist in einem
Randbereich 21 des Leistungstransistors 20 eine
p+-dotierte Halbleiterschicht 22 vorgesehen,
die als Isolations-Ring fungiert und vorzugsweise das gesamte Zellenfeld 23 umschließt.
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Die
Epitaxieschicht 5 ist mit Zellenfeldtrenches 24 durchzogen,
die bis in die vergrabene Halbleiterschicht 4 (Buried-Layer) hineinreichen.
Weiterhin ist ein Randtrench 25 vorgesehen, der in die Halbleiterschicht 22 hineinreicht.
Zwischen den Zellenfeldtrenches 24 sind p-dotierte Bodygebiete 7 sowie
n+-dotierte Sourcegebiete 6 vorgesehen.
In dieser Ausführungsform
ist in jedem zweiten Zellenfeldtrench 24 eine Gateelektrode 26 sowie
eine Feldelektrode 27 vorgesehen. Die Gateelektroden 26 bzw.
die Feldelektroden 27 sind durch eine Isolationsschicht, beispielsweise
ein Oxid 28, gegenüber
dem Halbleitervolumen 2 elektrisch isoliert, wobei die
Isolationsschicht 28 im Bereich der Gateelektrode 26 dünner, und
im Bereich der Feldelektrode 27 dicker ausgestaltet ist.
In den restlichen Zellenfeldtrenches 24 sind elektrische
Anschlüsse 29 (Gebiete
aus leitfähigem
Material) ausgebildet, die durch eine Isolationsschicht 30 gegenüber dem
Halbleitervolumen 2 elektrisch isoliert sind. Die Isolationsschichten 30 sind durchgehend
dick ausgestaltet, werden jedoch im Bereich des Trenchbodens von
den elektrischen Anschlüssen 29 durchstoßen, die über den
Trenchboden hinaus bis in die ver grabene Halbleiterschicht 4 hineinreichen.
Innerhalb des Randtrenchs 25 ist ebenfalls ein elektrischer
Anschluss 29 vorgesehen, der die Isolationsschicht 30 durchstößt und auf
diese Weise in direktem Kontakt mit der Halbleiterschicht 22 (dem
Isolations-Ring) steht.
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Durch
die elektrischen Anschlüsse 29 kann die
vergrabene Halbleiterschicht 4 auf einfache Art und Weise
kontaktiert werden, wobei die Anzahl der elektrischen Anschlüsse 29 in
Abhängigkeit
des Widerstands, den die lateralen Stromflüsse innerhalb der vergrabenen
Halbleiterschicht 4 zu überwinden haben,
gewählt
werden können.
Der laterale Platzbedarf der elektrischen Anschlüsse 29 ist sehr gering, da
die Zellenfeldtrenches 24, innerhalb derer die elektrischen
Anschlüsse 29 verlaufen,
sehr schmal ausgeführt
werden können.
Die für
die elektrischen Anschlüsse
notwendigen Zellenfeldtrenches 24 können zusammen mit den restlichen
Zellenfeldtrenches 24 in einem Prozessschritt hergestellt
werden, womit kein eigener Prozessschritt zur Herstellung der elektrischen
Anschlüsse 29 notwendig
ist.
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Zur
Verbesserung der Leitfähigkeit
der vergrabenen Halbleiterschicht können in den Trenchböden der
Zellenfeldtrenches 24 hochleitfähige Schichten vorgesehen werden.
Die hochleitfähigen
Schichten können
weiterhin an der Unterseite der elektrischen Anschlüsse 29 vorgesehen
werden. Dasselbe gilt analog für
den Trenchboden des Randtrenchs 25 bzw. der Unterseite
des darin vorgesehenen elektrischen Anschlusses 29, wobei
die hochleitfähige Schicht
in diesem Fall nicht zur Verbesserung der lateralen Leitfähigkeit,
sondern als Rekombinationszentrum für unerwünschte laterale Stromflüsse dient und
damit die Isolationsfunktion der Halbleiterschicht 22 verstärkt.
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In 3 ist
eine weitere bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Leistungstransistors
gezeigt. Ein Leistungstransistor 40 weist im Wesentlichen
den in 2 gezeigten Aufbau auf, wobei die Gateelektroden 26 und
die Feldelektroden 27 sowie die elektrischen Anschlüsse 29 nicht
in getrennten Trenches vorgesehen sind, sondern sich in jedem Zellenfeldtrench 24 zwei
Gateelektroden 26, zwei Feldelektroden 27 sowie
ein elektrischer Anschluss 29 befindet. Der elektrische
Anschluss 29 verläuft hierbei
zwischen den Gateelektroden/Feldelektroden 26/27 und
ist von diesen mittels einer Isolastionsschicht 41 elektrisch
isoliert.
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Innerhalb
des Randtrenchs 25 ist ebenfalls ein elektrischer Anschluss 29 vorgesehen,
der jedoch nicht zwischen zwei Gateelektroden 26 sondern lediglich
zwischen zwei Feldelektroden 27 hindurch verläuft. Auch
dieser elektrische Anschluss 29 ist durch eine Isolationsschicht 41 von
den Feldelektroden 27 elektrisch isoliert. Die elektrischen
Anschlüsse 29 stehen
mit der vergrabenen Halbleiterschicht 4 bzw. der Halbleiterschicht 22 in
direktem elektrischen Kontakt.
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In 4 ist
ein Leistungstransistor 50 gezeigt, in dessen Halbleitervolumen 2 mehrere
Transistorzellen 51 vorgesehen sind, die durch Zellenfeldtrenches 24 voneinander
getrennt sind. Die Zellenfeldtrenches 24 sowie der Randtrench 25 sind
in dieser Ausführungsform
bis auf den unteren Bereich vollständig mit isolierendem Material 52 aufgefüllt. Im unteren
Bereich der Zellenfeldtrenches 24 sowie des Randtrenchs 25,
genauer gesagt auf den jeweiligen Trenchböden (die sich innerhalb der
vergrabenen Halbleiterschicht 4 befinden), ist eine hochleitfähige Schicht 53,
beispielsweise ein Metall oder ein Silizid, vorgesehen, wobei in
dieser Ausführungsform
auf der hochleitfähigen
Schicht 53 eine Schicht aus Halbleitermaterial 54 aufgebracht
ist.
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Die
Schicht 54 aus Halbleitermaterial besteht aus Wolfram-Silizium, wobei anstelle
der Schicht 54 auch eine Silizidschicht bzw. eine andere
Schicht aus hochleitfähigem
Material vorgesehen werden kann.
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Die
hochleitfähigen
Schichten 53 dienen dazu, senkrecht zur Zeichenebene verlaufende
laterale Stromflüsse
innerhalb der vergrabenen Halbleiterschicht 4 niederohmig
zu einem elektrischen Anschluss (hier nicht gezeigt) zu führen, der
den Strom nach oben zur Oberfläche
des Halbleitervolumens 2 zurückführt. Auf diese Art und Weise
lässt sich
der Anteil des Einschaltwiderstands der vergrabenen Halbleiterschicht 4 spürbar verringern.
Der Zweck der hochleitfähigen
Schicht 53 innerhalb der Halbleiterschicht 22 ist,
horizontal verlaufende unerwünschte Querströme durch
Rekombination zu unterdrücken.
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In 5 ist
ein Leistungstransistor 60 gezeigt, dessen Aufbau dem Leistungstransistor 50 aus 4 ähnelt. Im
Leistungstransistor 60 sind die Gateelektroden innerhalb
der Zellenfeldtrenches 24 ausgebildet, wohingegen im Leistungstransistor 50 die
Gateelektroden 26 oberhalb des Halbleitervolumens 2 angeordnet
sind. Der Leistungstransistor 50 ist ein Leistungstransistor
mit lateralem Kanal, der Leistungstransistor 60 ein Leistungstransistor
mit vertikalem Kanal. Ein weiterer Unterschied ist, dass innerhalb
des Randtrenchs eine Feldelektrode 61 vorgesehen ist, die
durch das isolierende Material 52 vom Halbleitervolumen 2 elektrisch
isoliert wird.
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In 6 ist
eine Draufsicht auf den Leistungstransistor 60 gezeigt,
wobei der in 5 gezeigte Schnitt entlang der
Linie 62 in 6 gezeigt ist. Deutlich zu sehen
ist, dass durch die hochleitfähigen
Schichten 53, die in den Trenchböden der Zellenfeldtrenches 24 vorgesehen
sind, niederohmige Pfade realisiert werden, die die vergrabene Halbleiterschicht 4 durchziehen
und bis an einen elektrischen Kontakt 63 reichen, der die
in den hochleitfähigen Schichten 53 verlaufenden
elektrischen Ströme
sammelt und nach oben aus dem Leistungstransistor 60 herausführt. Auf
diese Art und Weise kann die laterale Leitfähigkeit der vergrabenen Halbleiterschicht 4 signifikant
verbessert werden.
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In 6 ist
weiterhin die Hallleiterschicht 22 (Isolations-Ring) zu sehen, die
die gesamte vergrabene Halbleiterschicht 4 umgibt, und
die ebenfalls mit einem durchgehenden Ring aus hochleitfähigem Material 53 durchsetzt
ist.
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Im
Folgenden soll unter Bezugnahme auf die 7 und 8 eine
bevorzugte Ausführungsform des
Herstellungsverfahrens der vergrabenen Halbleiterschicht 4 sowie
der Halbleiterschicht 22 aufgezeigt werden.
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Dazu
werden, wie aus 7 ersichtlich ist, in das Halbleitervolumen 2 zunächst Zellenfeldtrenches 24 sowie
der Randtrench 26 geätzt.
Anschließend wird
die Oberfläche 11 des
Halbleitervolumens 2 einem Diffusionsprozess oder Implantationsprozess unterworfen,
so dass Dotierstoffe in die Zellenfeldtrenches 24 sowie
in den Randtrench 25 (Rangtrench) eintreten und damit durch
den unteren Teil der Innenwände
der Zellenfeldtrenches 24 bzw. des Randtrenchs 25 in
das Halbleitervolumen 2 eintreten. Auf diese Art und Weise
können
einzelne Zonen 71 der vergrabenen Halbleiterschicht 4 erzeugt
werden, die nach Ausdiffusion miteinander verschmelzen und eine
zusammenhängende
vergrabene Halbleiterschicht 4 ausbilden. Hierzu ist es
vorteilhaft, wenn die Zellenfeldtrenches 24 nicht zu weit
voneinander beabstandet sind. Auf analoge Art und Weise wird eine Zone 72 der
Halbleiterschicht 22 um den unteren Bereich des Ringtrenchs 25 ausgebildet.
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In 7 ist
die Herstellung der in 5 gezeigten Ausführungsform
dargestellt. In dieser Ausführungsform
wird die vergrabene Halbleiterschicht 4 durch einen Ring
aus Halbleitermaterial (Halbleiterschicht 22) umschlossen.
Alternativ hierzu ist es möglich,
die vergrabene Halbleiterschicht 4 komplett in eine Schicht
aus isolierendem Halbleitermaterial einzubetten, wie in 8 gezeigt
ist. Um dies zu erreichen, werden sämtliche Zellenfeldtrenches
sowie der Randtrench 25 einem gemeinsamen Diffusionsprozess/Implantationsprozess
ausgesetzt, so dass die in 8 gezeigte
Isolations-Halbleiterschicht 73 erzeugt wird. Die Isolations-Halbleiterschicht 73 besteht
aus mehreren miteinander verschmolzenen Halbleiterzonen 72.
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Nun
werden lediglich die Zellenfeldtrenches 24 einem Diffusionsprozess
unterworfen, so dass eine vergrabene Halbleiterschicht 4 erzeugt
wird, die in der Isolations-Halbleiterschicht eingebettet ist. Die vergrabene
Halbleiterschicht 4 besteht aus mehreren Halbleiterzonen 71,
die miteinander verschmolzen sind. Die Ausbildung der Isolations-Halbleiterschicht 73 erfolgt
hierbei bei höheren
Implantationsenergien und/oder bei höheren Diffusionsprozess-Dauern, was
sicherstellt, dass die Eindringtiefe sowie die horizontale Ausdehnung
der Isolations-Halbleiterschicht 73 größer sind als bei der vergrabenen
Halbleiterzone 4.
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Ein
wesentlicher Vorteil des in 8 gezeigten
Leistungstransistors 80 ist, dass auf die Halbleiterschicht 3 verzichtet
werden kann, womit der Abscheideprozess einer Epitaxieschicht auf
einem Substrat entfallen kann.
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In 9a ist
eine Draufsicht auf einen Niedervolt-n-Kanal-MOS-Transistor 90 gezeigt,
der mittels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erzeugt
werden kann. Zu sehen ist ein Source-Gebiet 91, ein Drain-Gebiet 92,
ein Source-Anschluss 93, ein Drainanschluss 94 sowie
ein Gate 95. Weiterhin ist ein mit Dickoxid 98 ausgekleideter
Randtrench 96 vorgesehen, der die gesamte Anordnung umgibt,
und in den eine Feldelektrode 97 vorgesehen ist.
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In 9b ist
eine Draufsicht auf einen Hochvo1t-n-Kanal-MOS-Transistor 100 gezeigt,
dessen Aufbau mit Ausnahme der lateralen Ausdehnung dem Aufbau des
in 9a gezeigten Transistors 90 entspricht.
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In 9c ist
eine Draufsicht auf einen vertikalen npn-Transistor 110 gezeigt, der
ein Basisgebiet 111, ein Emittergebiet 112 sowie
ein Kollektorgebiet 113 aufweist, die durch entsprechende
Anschlüsse 114 bis 116 kontaktiert
werden. Die gesamte Anordnung ist von einem mit einer Feldelektorde 117 gefüllten Randtrench 118 umgeben,
wobei die Feldelektrode 117 durch Dickoxid 119 gegenüber dem
Rest der Anordnung elektrisch isoliert ist.
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In
der folgenden Beschreibung sollen weitere Aspekte der Erfindung
erläutert
werden.
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In
BCD-Technologien muss in der Tiefe eine hochdotierte n-Schicht und eine
hochdotierte p-Schicht eingebracht werden. Erstere dient als Kollektor
für den
vertikalen npn-Transistor, zur Unterdrückung des parasitären Substrat-pnp-Transistors
und (im Falle eines vertikalen DMOS) zum Abführen des Drainstroms. Letztere
dient zur lateralen Isolation der durch n-Epi und Buried Layer gebildeten
n-Wannen. Diese Wannen müssen
von der Oberfläche
her elektrisch angeschlossen werden.
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Bisher
wurden diese Wannen durch hochdotierte Wannen angeschlossen, die
nach Abscheidung der Epi von der Oberfläche durch Implantation oder Belegung
eingebracht wurden. Um tatsächlich
den Anschluss zu realisieren, müssen
die Wannen mit einem sehr hohen Temperaturbudget in die Tiefe eingetrieben
werden. Dadurch diffundieren sie jedoch auch lateral sehr weit aus.
Daher benötigt
diese Konstruktion sehr viel Siliziumfläche.
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Führt man
den DMOS als Feldplattentrenchtransistor aus, so besteht die Möglichkeit,
die vergrabenen Wannen über
einen in der Mitte des Trenches eingebauten hochleitäfhigen Kanal
anzuschließen. Dieser
Kanal muss lateral durch eine dicke Oxidschicht elektrisch isoliert
von Silizium und im Trenchboden leitfähig mit dem Silizium verbunden
sein. Dieser Kanal kann entweder elektrisch isoliert vom Gatepoly
in der Trenchmitte angebracht werden oder es wird in einem separaten
Trench das Gatepoly selbst zum Anschluss verwendet. In beiden Fällen muss nach
Ausformung der Trenchfeldplatte das Oxid im Trenchboden mit Hilfe
einer Spacerätzung
geöffnet werden,
um den elektrischen Kontakt zum Silizium herzustellen. Um sowohl
einen p-Kontakt als auch einen n-Kontakt herstellen zu können, kann
es zweckmäßig sein,
den Kontakt über
eine in den Trenchboden eingebaute Silizidschicht herzustellen.
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Da
die laterale Isolation des Anschlusses durch Oxid geschieht, benötigt so
ein Anschluss im Vergleich zu eindiffundierten Anschlusswannen sehr wenig
Fläche.
Damit ergibt sich die Möglichkeit,
die Drain des Feldplattentransistors lokal in jedem oder jedem zweiten
Trench anzuschließen
und damit einen in die Tiefe geklappten Lateraltransistor zu konstruieren.
Dieser gewissermaßen
vertikale LDMOS verbindet die Vorteile des Vertikaltransistors (nämlich niederohmige,
kom pakte Transistorzelle) mit denen des Lateraltransistors (keine
ohmschen Verluste durch eine laterale Stromführung in der Tiefe). Gleichzeitig
kann auch die p-Isolation über
den Leitungskanal im Trench angeschlossen werden. Auf diese Weise
kann man sehr effiziente Saugringe gegen Querströme konstruieren.
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Ein
wesentlicher Aspekt ist daher, einen Feldplattentrenchtransistor
in eine BCD-Technologie zu integrieren und den BL über einen
in den Feldplattentrench integrierten vertikal leitfähigen Kanal
anzuschließen.
Dadurch entsteht ein "in
die Tiefe geklappter" Lateraltransistor.
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Um
den Strom des DMOS von der in der Tiefe liegenden Drain wieder an
die Oberfläche
zu führen,
wurde bisher eine hochdotierte n-Schicht vor Abscheidung der Epitaxie,
die Buried-Layer,
implantiert. Der Schichtwiderstand der Buried-Layer hat einerseits
einen deutlichen Anteil am Einschaltwiderstand des DMOS. Andererseits
führt er
zu einer Inhomogenität
in der Potenzialverteilung im Avalanche, der die Robustheit des
DMOS einschränkt.
Außerdem
wird über
den Buried-Layer ein großer
Minoritätenstrom im
Substrat injiziert, wenn eine negative Drainspannung anliegt. Dieser
so genannte Querstrom muss durch aufwändige Saugringkonstruktionen
abgeführt werden,
damit er nicht in die Wannen der Analog- oder Logikschaltungsteile
fließt
und dort die Funktion der Schaltung stört.
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Führt man
den DMOS als Feldplattentrenchtransistor aus, statt als Tansistor
mit planarem Kanal, so kann man vor der Prozessierung der Feldplatte
in den Trenchboden eine hochleitfähige Schicht einbringen, die
leitend mit dem Silizium verbunden ist. Allgemeiner kann man auch
in einen planaren Transistor, der im Streifendesign ausgeführt ist,
einen Trench integrie ren, an dessen Boden die besagte hochleitfähige Schicht
eingebaut ist.
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Diese
Schicht dient einerseits dazu, den Drainstrom entlang der Trenchstreifen
besonders niederohmig abzuführen.
Andererseits bildet die Grenzfläche
der niederohmigen Schicht eine sehr effiziente Rekombinationsfläche. Auf
diese Weise wird der parasitäre
vertikale Substrat-pnp-Transistor unterdrückt. Wird außerdem die
laterale Isolation des DMOS mit einem solchen Trench ausgeführt, so
bildet die Grenzfläche
zum hochleitfähigen
Trenchboden eine Senke für
Minoritäten,
die einen großen
Teil des Querstroms unterdrückt.
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Die
Anwendung dieses Konzepts auf einen Feldplattentrenchtransistor
ist besonders vorteilhaft, da der Leitungskanal am Boden des Feldplattentrenches
keine Siliziumfläche
kostet.
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Ein
möglicher
Prozessablauf zur Herstellung eines derartigen Transistors ist wie
folgt:
- • Buried-Layer-Impantation
- • ISO-Implantation
(Ringtrench)
- • Epiabscheidung
- • Trenchätzung
- • Abscheidung
einer Wolframsilizid-Schicht im Trench
- • Verfüllung des
Trenches mit Polysilizium
- • Rückätzung des
Polysiliziums bis in eine definierte Tiefe
- • Entfernen
des Wolframsilizids
- • Ausbilden
der Feldplatte im Trench
- • Implantation
von planaren Wannen
- • Gateoxid-
und Polyprozess
-
Alternativ
kann die Prozessführung
auch so ausgestaltet werden:
- • Buried-Layer-Implantation
- • ISO-Implantation
(Randtrench)
- • Epiabscheidung
- • Trenchätzung
- • Feldplattenoxidation
- • Öffnung des
Trenchbodens mit einer Spacerätzung
- • Selektive
Abscheidung von Wolframsilizid im Trenchboden
- • Verfüllen des
Trenches mit Polysilizium
- • Rückätzung des
Polysiliziums
- • Aufoxidation
des Polystöpsels
- • Feldplattenstrukturierung über Lackstöpsel
- • Implantation
der planaren Wannen
- • Gateoxid-
und Polyprozess
-
Das
Konzept kann auch auf einen planaren Transistor in Streifendesign
angewandt werden. Dann allerdings verliert man durch das Einbringen der
Trenches Siliziumfläche.
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Bisher
wurde die hochdotierte n-Schicht (Buried Layer) und die hochdotierte
p-Schicht (ISO-Schicht) vor Abscheidung der Epitaxie implantiert.
Das Vorhandensein dieser beiden hochdotierten Schichten macht den
Epiprozess teuer und schwer zu kontrollieren.
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Führt man
den DMOS als Feldplattentrenchtransistor aus, statt als Transistor
mit planarem Kanal, so kann man vor der Prozessierung der Feldplatte
in den Trenchboden sowohl die Buried-Layer als auch die p-Isolation
implantieren. Dazu müssen
sowohl im DMOS als auch im Bereich der Analogschaltung die Trenches
dicht gezeichnet sein, d.h. einen geringen Abstand voneinander aufweisen.
Durch ein geeignet großes
Temperaturbudget diffundieren die einzelnen Profile zusammen und
bilden durchgehende Buried-Layer- und ISO-Schichten. Zwei Varianten sind
möglich:
- • Es
wird p--Grundmateril mit n-Epi verwendet.
Buried Layer und ISO werden nebeneinander gezeichnet. Das heißt z. B.
für einen
DMOS, dass die Buried Layer flächig
in die aktiven Trenches des DMOS-Zellenfeldes implantiert wird,
und dass die ISO-Schicht in einen geschlossenen Randtrench um das
DMOS-Zellenfeld herum implantiert wird.
- • Es
wird n+-Grundmaterial mit n-Epi verwendet, wobei
die n-Epi-Schicht
erheblich dicker ist als in einem herkömmlichen BCD-Prozess. Buried
Layer und ISO-Schicht werden flächig
in die Trenches einer Wanne implantiert. Die ISO-Schicht wird dabei
durch hochenergetische Implantation deutlich tiefer eingebracht
als die Buried Layer. Zusätzlich muss
die ISO-Schicht
in einen separat um die Wanne geführten Randtrench implantiert
werden. In einem Ausdiffusionsschritt mit großem Temeraturbudget diffundieren
die einzelnen Profile zusammen, so dass die Buried Layer und die
darüber
liegende n-Wanne vom Substrat elektrisch isoliert werden. Falls
nun eine negative Spannung an Drain anliegt, wird über den
vertikalen Buried-Layer-ISO-Schicht-Substrat-Bipolartransistor kein
Minoritäten-,
sondern ein Majoritätenstrom
ins Substrat injiziert, der von anderen Wannen nicht mehr eingesammelt
werden kann.
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Da
die Konstruktion die dichte Anordnung von Trenches erfordert, sollten
alle Analogbauelemente unter Verwendung des Trenches konstruiert werden.
Dabei kann jeweils ein umlaufender Trench als Bauelementabschluss
verwendet werden. Die zulässigen
Transistormaße
müssen
geeignet eingeschränkt
werden, um eine ausreichende Dichte von Trenches zu gewährleisten.
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Ein
wesentlicher Aspekt ist demnach, einen Feldplattentrenchtransistor
in eine BCD-Technologie zu integrieren und die vergrabenen Profile
der BDC-Technologie über
den Trenchboden zu implantieren und zusammenzudiffundieren.
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Der
Vollständigkeit
halber sei auf das Dokument "A
Low On-Resistance
Trench Lateral Power MOSFET in a 0,6 μm Smart Power Technology for 20-30
V Applications" von
N. Fujishima et al. verwiesen, in dem bereits offenbart ist, eine
vergrabene Halbleiterschicht mittels eines Trenches zu kontaktieren.
-
- 1
- Leistungstransistor
- 2
- Halbleitervolumen
- 3
- p--dotierte Halbleiterschicht
- 4
- p+-dotierte vergrabene Halbleiterschicht
- 5
- n--dotierte Epitaxieschicht
- 6
- n+-dotiertes Sourcegebiet
- 7
- p+-dotiertes Bodygebiet
- 8
- n+-dotierte Wanne
- 9
- p+-dotierte Wanne
- 10
- Gateelektrode
- 11
- Oberseite
des Halbleitervolumens
- 20
- Leistungstransistor
- 21
- Randbereich
- 22
- p+-dotierte Halbleiterschicht
- 23
- Zellenfeld
- 24
- Zellenfeldtrenches
- 25
- Rand-
bzw. Ringtrench
- 26
- Gateelektrode
- 27
- Feldelektrode
- 28
- Isolationsschicht
- 29
- elektrischer
Anschluss
- 30
- Isolationsschicht
- 40
- Leistungstransistor
- 41
- Isolationsschicht
- 50
- Leistungstransistor
- 51
- Transistorzelle
- 52
- isolierendes
Material
- 53
- hochleitfähige Schicht
- 54
- Halbleiterschicht
- 60
- Leistungstransistor
- 61
- Feldelektrode
- 62
- Linie
- 70
- Leistungstransistor
- 71
- Zone
- 72
- Zone
- 73
- Isolations-Halbleiterschicht
- 80
- Leistungstransistor
- 90
- n-Kanal-MOS-Transistor
- 91
- Sourcegebiet
- 92
- Draingebiet
- 93
- Sourceanschluss
- 94
- Drainanschluss
- 95
- Gate
- 96
- Randtrench
- 97
- Feldelektrode
- 98
- Dickoxid
- 100
- n-Kanal-MOS-Transistor
- 110
- npn-Transistor
- 111
- Basisgebiet
- 112
- Emittergebiet
- 113
- Kollektorgebiet
- 114
- Basisanschluss
- 115
- Emitteranschluss
- 116
- Kollektoranschluss
- 117
- Feldelektrode
- 118
- Randtrench
- 119
- Dickoxid