DE102005041322B4 - Trench transistor structure with field electrode assembly and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Trenchtransistorstruktur mit – in einen Halbleiterkörper (2) von einer Oberfläche (3) aus reichenden und voneinander durch ein Mesagebiet (5) beabstandeten Trenches (4) eines Transistorfeldes (1); – einer im Mesagebiet (5) zur Aufnahme einer Sperrspannung ausgebildeten Driftzone (8) von einem ersten Leitfähigkeitstyp; – einem oberhalb der Driftzone (8) ausgebildeten Bodygebiet (6) von einem zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp mit an die Trenches (4) angrenzenden Sourcegebieten (7) vom ersten Leitfähigkeitstyp; – einem unterhalb der Driftzone (8) ausgebildeten Draingebiet (9) vom ersten Leitfähigkeitstyp; – einer in den Trenches (4) ausgebildeten und vom Mesagebiet (5) durch eine Gateisolationsstruktur (11) beabstandeten Gateelektrode (10) zur Steuerung der Leitfähigkeit von zwischen den Sourcegebieten (7) und der Driftzone (8) und an die Trenches (4) angrenzenden Kanalgebieten (12); – einer in den Trenches (4) angeordneten Feldelektrodenanordnung (13) mit wenigstens einer durch eine Isolationsstruktur (15) vom Mesagebiet (5) und der Gateelektrode (10) beabstandeten und elektrisch leitfähigen Feldelektrode (14a, 14b, 14c), – die Feldelektrodenanordnung (13) mit einer Halbleiterzonenanordnung (17), die aus wenigstens einer an die Oberfläche (3) reichenden Halbleiterzone (18a, 18b, 18c) vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet ist und außerhalb des Transistorfeldes (1) in einem an die Driftzone (8) angrenzenden Halbleiterbereich (16) vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, elektrisch verbunden ist, und zwischen einer Halbleiterzone (18a, 18b, 18c) der Halbleiterzonenanordnung (17) und entweder einer in Richtung zum Transistorfeld (1) benachbarten Halbleiterzone (18a, 18b, 18c) der Halbleiterzonenanordnung (17) oder dem Bodygebiet (6) des Transistorfeldes (1) eine an die Oberfläche (3) des Halbleiterkörpers (2) reichende Hilfszone (19) vom zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist; – eine Dotierstoffkonzentration der Hilfszone (19) kleiner ist verglichen mit der Dotierstoffkonzentration der Halbleiterzonen (18a, 18b, 18c).Trench transistor structure with - in a semiconductor body (2) from a surface (3) and extending from each other by a Mesagebiet (5) spaced trenches (4) of a transistor array (1); - A formed in Mesagebiet (5) for receiving a reverse voltage drift zone (8) of a first conductivity type; A body region (6) formed above the drift zone (8) of a second conductivity type opposite to the first conductivity type with source regions (7) of the first conductivity type adjoining the trenches (4); - A formed below the drift zone (8) drain region (9) of the first conductivity type; - a gate electrode (10) formed in the trenches (4) and spaced from the mesa region (5) by a gate insulation structure (11) for controlling the conductivity of between the source regions (7) and the drift zone (8) and to the trenches (4) adjacent channel areas (12); - a field electrode arrangement (13) arranged in the trenches (4) with at least one electrically conductive field electrode (14a, 14b, 14c) spaced apart by an insulation structure (15) from the mesa region (5) and the gate electrode (10), - the field electrode arrangement ( 13) comprising a semiconductor zone arrangement (17) which is formed from at least one semiconductor zone (18a, 18b, 18c) of the second conductivity type reaching the surface (3) and outside of the transistor array (1) in a semiconductor region adjoining the drift zone (8) (16) of the first conductivity type, is electrically connected, and between a semiconductor zone (18a, 18b, 18c) of the semiconductor zone arrangement (17) and either one in the direction of the transistor array (1) adjacent semiconductor zone (18a, 18b, 18c) of the semiconductor zone arrangement (17) or the body region (6) of the transistor array (1) to the surface (3) of the semiconductor body (2) reaching auxiliary zone (19) from the second Leitf Ability type is formed; A dopant concentration of the auxiliary zone (19) is smaller compared to the dopant concentration of the semiconductor zones (18a, 18b, 18c).
Description
Die Erfindung betrifft eine Trenchtransistorstruktur mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to a trench transistor structure having the features of the preamble of claim 1 and to a method for the production thereof.
Die Entwicklung von Trenchtransistoren wie MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistoren) wird von der Minimierung des flächenspezifischen Widerstands Ron·A wesentlich getrieben.The development of trench transistors such as MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors) is driven by the minimization of the surface specific resistance R on · A essential.
Bei einer MOS Trenchtransistorstruktur definieren durch Mesagebiete beabstandete Trenches ein Zellenfeld von Trenchtransistoren. Bei den Trenchtransistoren ist üblicherweise ein Sourcegebiet in ein Bodygebiet vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp eingebettet, wobei das Bodygebiet oberhalb eines Draingebiets und Driftgebiets des Trenchtransistors ausgebildet ist. Zur Steuerung der Leitfähigkeit in einem an den Trench im Bodygebiet angrenzenden Kanalbereich dient eine gegenüber Halbleitergebieten im Trench isoliert ausgebildete Gateelektrode.In a MOS trench transistor structure, trenches spaced by mesa regions define a cell array of trench transistors. In the trench transistors, a source region is usually embedded in a body region of the opposite conductivity type, wherein the body region is formed above a drain region and drift region of the trench transistor. For controlling the conductivity in a channel region adjoining the trench in the body region, a gate electrode which is insulated in relation to semiconductor regions in the trench serves.
Maßgeblich für die Spannungsfestigkeit eines Trenchtransistors, d. h. der maximal zwischen Source und Drain anlegbaren Spannung vor Auftreten eines Spannungsdurchbruchs, sind insbesondere eine Dotierstoffkonzentration sowie eine vertikale Ausdehnung des Driftgebiets. Das Driftgebiet nimmt bei derartigen Bauelementen im sperrenden Zustand, d. h. dem in Sperrrichtung gepolten Übergang zwischen Body- und Driftgebiet, den Großteil der zwischen Source und Drain anliegenden Sperrspannung auf. Eine Erniedrigung der Dotierstoffkonzentration im Driftgebiet begünstigt einerseits die Spannungsfestigkeit, führt jedoch andererseits aufgrund der sich hieraus ergebenden geringeren Leitfähigkeit zu einer Vergrößerung des flächenspezifischen Einschaltwiderstands.Decisive for the dielectric strength of a trench transistor, d. H. the maximum voltage that can be applied between source and drain before the occurrence of voltage breakdown is, in particular, a dopant concentration and a vertical extent of the drift region. The drift region in such devices in the blocking state, d. H. the reverse-biased junction between the body and drift regions, the majority of the blocking voltage applied between source and drain. A lowering of the dopant concentration in the drift region on the one hand favors the dielectric strength, but on the other hand leads to an increase in the surface-specific on-resistance due to the resulting lower conductivity.
Das Vorsehen einer isoliert im Trench gegenüber dem Driftgebiet angeordneten Feldelektrode, die auf einem definierten Potenzial liegt, ruft eine Kompensation von Ladungsträgern in dem Driftgebiet hervor. Aufgrund dieser Kompensationswirkung ergibt sich die Möglichkeit, das Driftgebiet des Trenchtransistors gegenüber Trenchtransistoren ohne eine derartige Feldelektrode bei gleich bleibender Spannungsfestigkeit in seiner Dotierstoffkonzentration zu erhöhen, was wiederum zu einer Verringerung des Einschaltwiderstands führt.The provision of a field electrode which is insulated in the trench from the drift region and which is at a defined potential causes a compensation of charge carriers in the drift region. Because of this compensation effect, it is possible to increase the drift region of the trench transistor compared to trench transistors without such a field electrode with constant dielectric strength in its dopant concentration, which in turn leads to a reduction of the on-resistance.
Bekannt sind Feldplatten-Trenchtransistorstrukturen, die zur Reduzierung der Dicke eines Sperrspannung aufnehmenden Feldoxids im Trench mehrere Feldplatten übereinander legen, welche auf unterschiedlichen Potenzialen gehalten werden.Field plate trench transistor structures are known which superimpose a plurality of field plates one on top of the other in order to reduce the thickness of a blocking voltage-absorbing field oxide in the trench, which are held at different potentials.
So schlägt
Ebenso wurde vorgeschlagen, die Potenziale der Feldplatten von einem Spannungsteiler, etwa als Zenerdiodenkette mit einem Serienwiderstand realisiert, abzugreifen. Ein derartiges Konzept bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass beim Hochfahren einer Sperrspannung ein gleichmäßiger Spannungsabfall über den einzelnen Zenerdioden verursacht wird. Da sich jedoch die Raumladungszone sukzessive vom Bodygebiet aus in die Driftzone hinein ausbreitet, wäre es jedoch wünschenswert, die Feldplatten stufenweise nacheinander auf ein entsprechendes Potenzial zu legen.It has also been proposed to tap the potentials of the field plates from a voltage divider, such as a Zener diode chain with a series resistance. However, such a concept has the disadvantage that when a reverse voltage is raised, a uniform voltage drop across the individual Zener diodes is caused. However, since the space charge zone propagates successively from the body region into the drift zone, it would be desirable to place the field plates in succession at a corresponding potential.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Trenchtransistorstruktur mit Feldplattenanordnung anzugeben, welche Potenziale für die Feldplatten zur Verfügung stellt und auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist.The invention has for its object to provide a trench transistor structure with field plate arrangement, which provides potentials for the field plates available and can be produced in a simple and cost-effective manner.
Die Aufgabe wird durch eine Trenchtransistorstruktur mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zu deren Herstellung ist in Anspruch 12 definiert. Bevorzugte Weiterentwicklungen der Erfindung können den abhängigen Patentansprüchen entnommen werden und werden in der weiteren Beschreibung erläutert.The object is achieved by a trench transistor structure having the features of independent claim 1. A process for their preparation is defined in
Erfindungsgemäß wird eine Trenchtransistorstruktur angegeben mit in einen Halbleiterkörper von einer Oberfläche aus reichenden und voneinander durch ein Mesagebiet beabstandeten Trenches eines Transistorfeldes, einer im Mesagebiet zur Aufnahme einer Sperrspannung ausgebildeten Driftzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp, einem oberhalb der Driftzone ausgebildeten Bodygebiet von einem zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp mit an die Trenches angrenzenden Sourcegebieten vom ersten Leitfähigkeitstyp, einem unterhalb der Driftzone ausgebildeten Draingebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp, einer in den Trenches ausgebildeten und vom Mesagebiet durch eine Gateisolationsstruktur beabstandeten Gateelektrode zur Steuerung der Leitfähigkeit von zwischen den Sourcegebieten und der Driftzone ausgebildeten und an die Trenches angrenzenden Kanalgebieten sowie einer in den Trenches angeordneten Feldelektrodenanordnung mit wenigstens einer durch eine Isolationsstruktur vom Mesagebiet und der Gateelektrode beabstandeten und elektrisch leitfähigen Feldelektrode, wobei die Feldelektrodenanordnung mit einer Halbleiterzonenanordnung, die aus wenigstens einer an die Oberfläche reichenden Halbleiterzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet ist und außerhalb des Transistorfeldes in einem an die Driftzone angrenzenden Halbleiterbereich vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, elektrisch verbunden ist.According to the invention, a trench transistor structure is provided with trenches of a transistor field reaching into a semiconductor body from a surface and spaced from each other by a mesa region, a drift zone of a first conductivity type formed in the mesa region for receiving a reverse voltage, a body region formed above the drift zone of a first conductivity type second conductivity type having first conductivity type source regions adjacent the trenches, a first conductivity type drain region formed below the drift region, a gate electrode formed in the trenches and spaced from the mesa region by a gate isolation structure to control conductivity of the source regions and the drift region Trenches adjacent channel areas and arranged in the trenches field electrode arrangement with at least one by an Isolatio The field electrode arrangement is formed with a semiconductor zone arrangement which is formed from at least one second conductivity type semiconductor zone reaching the surface and outside the transistor field in a first conductivity type semiconductor region adjoining the drift zone. electrically connected.
Dem weiter oben definierten Transistorfeld ist ein Randabschluss der Trenchtransistorstruktur nicht zugeordnet. Der Halbleiterkörper kann beispielsweise aus einem Halbleiterwafer, insbesondere einem Siliziumwafer, bestehen, und etwa eine aufgebrachte Epitaxieschicht aufweisen. Im Falle eines Siliziumwafers mit aufgebrachter Epitaxieschicht ragen die Trenches von der Oberfläche aus in die Epitaxieschicht hinein. Die Anordnung von Trenches und Mesagebieten kann beispielsweise streifenförmig sein, so dass das Transistorfeld aus Streifen aufgebaut ist. Alternativ hierzu sind jedoch weitere Geometrien der Anordnung von Trenches und Mesagebieten möglich. Eine elektrische Verbindung zwischen der Halbleiterzonenanordnung, d. h. der wenigstens einen an die Oberfläche reichenden Halbleiterzone, mit der wenigstens einen Feldelektrode der Feldelektrodenanordnung kann beispielsweise über eine Metallisierungsebene erfolgen, wobei die wenigstens eine Feldelektrode beispielsweise in einem zur Halbleiterzonenanordnung benachbarten Bereich über die Oberfläche kontaktiert werden und damit mit der Metallisierungsebene leitend verbunden werden kann. Der außerhalb des Transistorfeldes an das Driftgebiet angrenzende Halbleiterbereich ist vom selben Leitungstyp wie die Driftzone, insbesondere können diese Bereiche durch dieselbe Halbleiterschicht ausgebildet sein. Somit koppelt das Potenzial im angrenzenden Halbleiterbereich an eine zwischen den Sourcegebieten und dem Draingebiet anliegende Spannung.The transistor field defined above is not assigned an edge termination of the trench transistor structure. The semiconductor body may, for example, consist of a semiconductor wafer, in particular a silicon wafer, and may have an applied epitaxial layer, for example. In the case of a silicon wafer with applied epitaxial layer, the trenches protrude from the surface into the epitaxial layer. The arrangement of trenches and Mesagebieten may for example be strip-shaped, so that the transistor array is constructed of stripes. Alternatively, however, further geometries of the arrangement of trenches and Mesagebieten are possible. An electrical connection between the semiconductor zone arrangement, i. H. the at least one semiconductor zone reaching the surface, with which at least one field electrode of the field electrode arrangement can be effected, for example, via a metallization plane, wherein the at least one field electrode can be contacted via the surface in a region adjacent to the semiconductor zone arrangement and thus conductively connected to the metallization plane. The semiconductor region adjacent to the drift region outside the transistor field is of the same conductivity type as the drift zone; in particular, these regions can be formed by the same semiconductor layer. Thus, the potential in the adjacent semiconductor region couples to a voltage applied between the source regions and the drain region.
Der erste Leitfähigkeitstyp kann n-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp kann p-Typ sein. Ebenso denkbar ist, den ersten Leitfähigkeitstyp als p-Typ und den zweiten Leitfähigkeitstyp als n-Typ auszubilden.The first conductivity type may be n-type and the second conductivity type may be p-type. It is also conceivable to form the first conductivity type as p-type and the second conductivity type as n-type.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Feldelektrodenanordnung eine Mehrzahl von vertikal untereinander angeordneten und durch die Isolationsstruktur voneinander beabstandeten Feldelektroden auf, die Halbleiterzonenanordnung weist eine der Mehrzahl der Feldelektroden entsprechende Mehrzahl von zueinander benachbarten und vom Transistorfeld verschieden beabstandeten Halbleiterzonen vom zweiten Leitungstyp auf, wobei die Halbleiterzonen mit zunehmendem lateralen Abstand vom Transistorfeld jeweils mit einer zunehmend tiefer im Halbleiterkörper angeordneten Feldelektrode verbunden sind.In an advantageous embodiment, the field electrode arrangement has a plurality of vertically arranged below each other and spaced apart by the insulation structure field electrodes, the semiconductor zone array has a plurality of the plurality of field electrodes corresponding plurality of adjacent to each other and the transistor array differently spaced semiconductor zones of the second conductivity type, wherein the semiconductor zones with increasing lateral distance from the transistor field are each connected to an increasingly deeper arranged in the semiconductor body field electrode.
Da die Halbleiterzonen vom zweiten Leitungstyp im angrenzenden Halbleiterbereich vom ersten Leitungstyp liegen und an kein äußeres Potenzial angeschlossen sind, sind diese floatend ausgebildet. Ein Einfrieren des Potenzials einer Halbleiterzone wird dadurch erreicht, dass bei Erhöhen einer Sperrspannung zwischen Drain und Source im Transistorfeld der angrenzende Halbleiterbereich lateral von der Driftzone aus an frei beweglichen Ladungsträgern wie Elektronen und Löchern ausgeräumt wird und die so entstehende Raumladungszone beim Auftreffen auf die Halbleiterzone deren Potenzial und damit das Potenzial der mit der Halbleiterzone verbundenen Feldelektrode fixiert. Da eine tiefer liegende Feldelektrode mit jeweils einer weiter vom Transistorfeld beabstandeten Halbleiterzone leitend verbunden ist, führt ein sukzessiver Anstieg einer Sperrspannung zwischen Drain und Source zunächst zum Fixieren des Potenzials einer obersten Feldelektrode, sobald die Raumladungszone die zum Transistorfeld nächst benachbarte Halbleiterzone erreicht. Dehnt sich die Raumladungszone durch weiteres Erhöhen der Sperrspannung weiter aus und erreicht diese die der Halbleiterzone nach außen hin nächst benachbarte Halbleiterzone, so wird die unterhalb der obersten Feldelektrode liegende Feldelektrode in ihrem Potenzial fixiert. Somit liegt das Potenzial der obersten Feldelektrode dem Potenzial der Sourcegebiete des Trenchtransistors am Nächsten und das Potenzial der untersten Feldelektrode ist dem Potenzial des Drains des Transistorfeldes am Nächsten. Da sich hierdurch ein Spannungsabfall zwischen den Feldelektroden und dem lateral angrenzenden Bereich der Driftzone verringert, ermöglicht dies eine Reduzierung der Dicke der Isolationsstruktur, beispielsweise eines Feldoxids von angemessener Dicke.Since the semiconductor regions of the second conductivity type in the adjacent semiconductor region of lie first conductivity type and are not connected to any external potential, they are designed floating. A freezing of the potential of a semiconductor zone is achieved in that when increasing a blocking voltage between the drain and source in the transistor field of the adjacent semiconductor region is laterally cleared from the drift region of freely movable charge carriers such as electrons and holes and the resulting space charge zone when hitting the semiconductor zone Potential and thus the potential of the connected to the semiconductor zone field electrode fixed. Since a lower-lying field electrode is conductively connected to a respective semiconductor zone further apart from the transistor array, a successive increase of a blocking voltage between drain and source initially fixes the potential of an uppermost field electrode as soon as the space charge zone reaches the next adjacent semiconductor zone to the transistor array. If the space charge zone expands further by further increasing the blocking voltage and if it reaches the semiconductor zone next to the semiconductor zone closest to the outside, the field electrode located below the uppermost field electrode is fixed in its potential. Thus, the potential of the uppermost field electrode is closest to the potential of the source regions of the trench transistor, and the potential of the lowermost field electrode is closest to the potential of the drain of the transistor array. As this reduces a voltage drop between the field electrodes and the laterally adjacent region of the drift zone, this allows a reduction in the thickness of the isolation structure, for example a field oxide of appropriate thickness.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen einer Halbleiterzone und entweder einer in Richtung zum Transistorfeld benachbarten Halbleiterzone oder dem Bodygebiet des Transistorfeldes eine an die Oberfläche des Halbleiterkörpers reichende Hilfszone vom zweiten Leitungstyp ausgebildet und eine Dotierstoffkonzentration der Hilfszone ist kleiner verglichen mit der Dotierstoffkonzentration der Halbleiterzonen. Bei Anlegen einer Sperrspannung zwischen Drain und Source werden diese Hilfszonen vom Transistorfeld aus nach außen hin sukzessive ausgeräumt, d. h. an frei beweglichen Ladungsträgern verarmt, so dass diese im Sperrbetrieb keine leitende Verbindung zwischen den Halbleiterzonen bzw. zwischen der dem Transistorfeld nächst benachbarten Halbleiterzone und dem Bodygebiet bereitstellen. Im Gegensatz hierzu führen diese Hilfszonen beim Wiedereinschalten der Trenchtransistorstruktur zum Entladen der Feldplatten, da sie in diesem Betriebszustand der Trenchtransistorstruktur nicht an frei beweglichen Ladungsträgern verarmt sind und somit die floatenden Halbleiterzonen leitend mit den Sourcegebieten verbinden.In an advantageous embodiment, an auxiliary zone of the second conductivity type extending to the surface of the semiconductor body is formed between a semiconductor zone and either a semiconductor zone adjacent to the transistor array or the body region of the transistor array and a dopant concentration of the auxiliary zone is smaller compared to the dopant concentration of the semiconductor zones. When a blocking voltage between drain and source is applied, these auxiliary zones are successively cleared outward from the transistor field, ie. H. depleted at freely movable charge carriers, so that they provide in the blocking mode no conductive connection between the semiconductor zones or between the transistor field next adjacent semiconductor zone and the body region. In contrast, when the trench transistor structure is switched on again, these auxiliary zones lead to the field plates being discharged since, in this operating state of the trench transistor structure, they are not depleted on freely movable charge carriers and thus conductively connect the floating semiconductor zones to the source regions.
Erfindungsgemäß bildet eine näher zum Transistorfeld angeordnete Halbleiterzone von zwei benachbarten Halbleiterzonen ein Drain und die andere der zwei benachbarten Halbleiterzonen eine Source eines Hilfstransistors mit einer Kanalleitfähigkeit vom zweiten Leitungstyp aus, wobei eine Gateelektrode des Hilfstransistors mit dem Drain verbunden ist und eine dem Transistorfeld nächst benachbarte Halbleiterzone eine Source eines zusätzlichen Hilfstransistors ist, dessen Drain im Transistorfeld ausgebildet ist und dessen Drain-Potenzial durch das Potenzial des Bodygebiets im Transistorfeld festgelegt ist. Somit stellt die dem Transistorfeld nächst benachbarte Halbleiterzone einerseits die Source eines Hilfstransistors dar, dessen Drain das Bodygebiet im Transistorfeld bildet, andererseits stellt diese Halbleiterzone auch das Drain eines Transistors dar, dessen Source durch die vom Transistorfeld aus nach außen hin nächst benachbarte Halbleiterzone darstellt. Ebenso stellt diese nach außen hin nächst benachbarte Halbleiterzone bei Vorliegen noch weiter außen liegender Halbleiterzonen wieder das Drain eines zusätzlichen Hilfstransistors dar. Somit handelt es sich um eine Hintereinanderschaltung von Hilfstransistoren, wobei die Halbleiterzonen sowohl als Source eines weiter nach innen ausgebildeten Hilfstransistors als auch als Drain eines weiter nach außen ausgebildeten Hilfstransistors wirken. Wird eine Sperrspannung an den Trenchtransistor angelegt, so entsteht im Bereich der Hilfstransistoren eine Raumladungszone im angrenzende Halbleiterbereich. Eine derartige Raumladungszone führt zu einem Substratsteuereffekt und damit zu einer wesentlichen Erhöhung der Einsatzspannung der Hilfstransistoren. Sobald die Potenzialdifferenz zwischen Drain und Source eines dieser Hilfstransistoren, d. h. zwischen benachbarten Halbleiterzonen, die Einsatzspannung des Hilfstransistors erreicht, fließt ein Umladestrom zur mit der Source des entsprechenden Hilfstransistors verbundenen Feldelektrode. Somit werden die vom Transistorfeld nach außen hintereinander angeordneten Halbleiterzonen auf sich aus der sukzessiven Aufsummierung der Einsatzspannungen ergebenden Potenziale festgehalten. Das Potenzial der zum Transistorfeld nächst benachbarten Halbleiterzone bei Sperrbetrieb ist somit um eine Einsatzspannung vom Source-Potenzial im Zellenfeld entfernt. Eine zum Transistorfeld übernächst benachbarte Halbleiterzone liegt somit im Sperrbetrieb um zwei Einsatzspannungen vom Source-Potenzial im Transistorfeld entfernt.According to the invention, a semiconductor zone arranged closer to the transistor field forms a drain of two adjacent semiconductor zones and the other of the two adjacent semiconductor zones a source of an auxiliary transistor having a second conductivity type channel conductivity, wherein a gate electrode of the auxiliary transistor is connected to the drain and a semiconductor zone next to the transistor field is a source of an additional auxiliary transistor whose drain is formed in the transistor array and whose drain potential is determined by the potential of the body region in the transistor array. Thus, the transistor zone next adjacent semiconductor zone on the one hand, the source of an auxiliary transistor whose drain forms the body region in the transistor field, on the other hand, this semiconductor zone also represents the drain of a transistor, the source of which is by the transistor field from outwardly nearest adjacent semiconductor zone. In the same way, this semiconductor zone, which is nearest to the outside, represents the drain of an additional auxiliary transistor in the presence of further outward semiconductor zones. Thus, it is a series connection of auxiliary transistors, wherein the semiconductor zones both as a source of a further inwardly formed auxiliary transistor and as a drain a further outwardly formed auxiliary transistor act. If a blocking voltage is applied to the trench transistor, a space charge zone in the adjacent semiconductor region arises in the region of the auxiliary transistors. Such a space charge zone leads to a substrate control effect and thus to a substantial increase in the threshold voltage of the auxiliary transistors. Once the potential difference between the drain and source of one of these auxiliary transistors, i. H. between adjacent semiconductor zones, reaches the threshold voltage of the auxiliary transistor, a recharging current flows to the field electrode connected to the source of the corresponding auxiliary transistor. Thus, the semiconductor zones arranged one behind the other from the transistor array are retained on their own from the successive accumulation of the threshold voltages. The potential of the transistor zone next adjacent semiconductor zone in blocking mode is thus removed by a threshold voltage from the source potential in the cell array. An adjacent to the transistor field adjacent semiconductor zone is thus in the blocking mode by two threshold voltages away from the source potential in the transistor field.
Vorzugsweise sind die Hilfstransistoren als planare Transistoren oder als Trenchtransistoren ausgebildet. Bei der Ausbildung der Hilfstransistoren als Trenchtransistoren wird das Kanalgebiet beispielsweise im angrenzenden Halbleiterbereich im Bereich der Seitenwände der Trenches ausgebildet.The auxiliary transistors are preferably designed as planar transistors or as trench transistors. In the formation of the auxiliary transistors as trench transistors, the channel region is formed, for example, in the adjacent semiconductor region in the region of the side walls of the trenches.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist ein zwischen der Source- und dem Drain des Hilfstransistors liegender Kanalbereich vom ersten Leitfähigkeitstyp eine höhere Dotierstoffkonzentration auf als der an die Driftzone angrenzende Halbleiterbereich. Hierbei wird die Dotierstoffkonzentration im Kanalbereich beispielsweise durch Ionenimplantation zur Vergrößerung der Einsatzspannung erhöht. In an advantageous embodiment, a channel region of the first conductivity type lying between the source and the drain of the auxiliary transistor has a higher dopant concentration than the semiconductor region adjoining the drift zone. In this case, the dopant concentration in the channel region is increased, for example, by ion implantation to increase the threshold voltage.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Feldelektrodenanordnung mit einer weiteren Halbleiterzonenanordnung mit wenigstens einer im an die Driftzone angrenzenden Halbleiterbereich ausgebildeten weiteren Halbleiterzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp leitend verbunden. Hierbei ist es möglich, dass die Halbleiterzonenanordnung sowie die weitere Halbleiterzonenanordnung gemeinsam ausgebildet werden und im an die Driftzone angrenzenden Halbleiterbereich fließend ineinander übergehen.In a further advantageous embodiment, the field electrode arrangement is conductively connected to a further semiconductor zone arrangement having at least one further semiconductor zone of the second conductivity type formed in the semiconductor region adjacent to the drift zone. In this case, it is possible for the semiconductor zone arrangement as well as the further semiconductor zone arrangement to be formed together and to merge into one another in the semiconductor region adjoining the drift zone.
In vorteilhafter Weise weist die weitere Halbleiterzonenanordnung eine der Mehrzahl der Feldelektroden entsprechende Mehrzahl von zueinander benachbarten und vom Transistorfeld verschieden beabstandeten weiteren Halbleiterzonen auf, wobei die weiteren Halbleiterzonen mit zunehmendem lateralem Abstand vom Transistorfeld jeweils mit einer zunehmend tiefer liegenden Feldelektrode leitend verbunden sind. Somit ist eine Feldelektrode sowohl mit einer einen Hilfstransistor ausbildenden Halbleiterzone als auch mit einer weiteren Halbleiterzone verbunden. Die weitere Halbleiterzonenanordnung dient insbesondere zum Entladen der Feldplatten beim Wiedereinschalten der Trenchtransistorstruktur. Die jeweils mit einer selben Feldelektrode verbundene Halbleiterzone und weitere Halbleiterzone können miteinander überlappen, so dass die entsprechende Halbleiterzone und die weitere Halbleiterzone eine gemeinsame Halbleiterzone ausbilden, d. h. diese können beispielsweise unmittelbar angrenzend zueinander ausgebildet sein.In an advantageous manner, the further semiconductor zone arrangement has a plurality of further semiconductor zones which are adjacent to each other and are differently spaced from the transistor array, the further semiconductor zones being conductively connected to an increasingly lower field electrode with increasing lateral distance from the transistor field. Thus, a field electrode is connected to both an auxiliary transistor forming semiconductor zone and to another semiconductor zone. The further semiconductor zone arrangement serves, in particular, for discharging the field plates when the trench transistor structure is switched on again. The semiconductor zone and further semiconductor zone connected in each case to a same field electrode may overlap one another such that the corresponding semiconductor zone and the further semiconductor zone form a common semiconductor zone, ie. H. these may be formed, for example, immediately adjacent to each other.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen einer der weiteren Halbleiterzonen und entweder einer in Richtung zum Transistorfeld benachbarten weiteren Halbleiterzone oder dem Bodygebiet des Transistorfeldes eine an die Oberfläche des Halbleiterkörpers reichende weitere Hilfszone vom zweiten Leitfähigkeitstyp ausgebildet und eine Dotierstoffkonzentration der zweiten Hilfszone ist kleiner verglichen mit der Dotierstoffkonzentration der weiteren Halbleiterzone. Bei Anlegen einer Sperrspannung zwischen Drain und Source werden diese weiteren Hilfszonen vom Transistorfeld aus nach außen hin sukzessive ausgeräumt, d. h. an frei beweglichen Ladungsträgern verarmt, so dass diese im Sperrbetrieb keine leitende Verbindung zwischen den weiteren Halbleiterzonen bzw. zwischen der dem Transistorfeld nächst benachbarten weiteren Halbleiterzone und dem Bodygebiet bereitstellen. Im Gegensatz hierzu führen diese Hilfszonen beim Wiedereinschalten der Trenchtransistorstruktur zum Entladen der Feldplatten, da sie in diesem Betriebszustand der Trenchtransistorstruktur nicht an frei beweglichen Ladungsträgern verarmt sind und somit die floatenden Halbleiterzonen leitend mit den Sourcegebieten verbinden.In a further advantageous embodiment, a further auxiliary zone of the second conductivity type extending to the surface of the semiconductor body is formed between one of the further semiconductor zones and either another semiconductor zone adjacent to the transistor array or the body region of the transistor array, and a dopant concentration of the second auxiliary zone is smaller compared to FIG Dopant concentration of the other semiconductor zone. When a blocking voltage is applied between drain and source, these further auxiliary zones are successively cleared outwards from the transistor field, ie. H. depleted at freely movable charge carriers, so that they provide in blocking operation no conductive connection between the other semiconductor zones or between the transistor field next adjacent further semiconductor zone and the body region. In contrast, when the trench transistor structure is switched on again, these auxiliary zones lead to the field plates being discharged since, in this operating state of the trench transistor structure, they are not depleted on freely movable charge carriers and thus conductively connect the floating semiconductor zones to the source regions.
In vorteilhafter Weise ist eine näher zum Transistorfeld angeordnete weitere Halbleiterzone von zwei benachbarten weiteren Halbleiterzonen eine Source und die andere der zwei weiteren Halbleiterzonen ein Drain eines weiteren Hilfstransistors mit einer Kanalleitfähigkeit vom zweiten Leitungstyp, wobei eine Gateelektrode des weiteren Hilfstransistors mit dem Drain verbunden ist und eine dem Transistorfeld nächst benachbarte weitere Halbleiterzone das Drain eines zusätzlichen weiteren Hilfstransistors bildet, dessen Source im Transistorfeld ausgebildet ist und dessen Source-Potenzial durch das Potenzial des Bodygebiets im Transistorfeld festgelegt ist. Diese weiteren Hilfstransistoren zeigen bei eingeschaltetem Trenchtransistor eine niedrigere Einsatzspannung als die durch die Halbleiterzonen definierten Hilfstransistoren aufgrund des entfallenden Substratsteuereffekts. Somit eignen sich die weiteren Hilfstransistoren zum Entladen der Feldelektroden beim Wiedereinschalten der Trenchtransistorstruktur und verhindern, dass die Feldelektroden beim Wiedereinschalten der Trenchtransistorstruktur auf negatives Potenzial geführt werden.Advantageously, a further semiconductor zone arranged closer to the transistor array is a source of two adjacent further semiconductor zones, and the other of the two further semiconductor zones is a drain of a further auxiliary transistor having a second conductivity type channel conductivity, wherein a gate electrode of the further auxiliary transistor is connected to the drain and one the transistor field next adjacent further semiconductor zone forms the drain of an additional additional auxiliary transistor whose source is formed in the transistor field and whose source potential is determined by the potential of the body region in the transistor field. These additional auxiliary transistors show a lower threshold voltage when the trench transistor is switched on than the auxiliary transistors defined by the semiconductor zones due to the attributable substrate control effect. Thus, the further auxiliary transistors are suitable for discharging the field electrodes when the trench transistor structure is switched on again and prevent the field electrodes from being led to negative potential when the trench transistor structure is switched on again.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform bildet der an die Driftzone angrenzende Halbleiterbereich einen Randabschluss des Transistorfeldes. Somit dehnt sich die Raumladungszone bei Anlegen einer Sperrspannung zwischen dem Draingebiet und den Sourcegebieten in den Randabschluss hinein aus.In an advantageous embodiment, the semiconductor region adjoining the drift zone forms an edge termination of the transistor field. Thus, upon application of a reverse voltage between the drain region and the source regions, the space charge zone expands into the edge termination.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Halbleiterzonen und/oder die weiteren Halbleiterzonen in weiteren Mesagebieten angeordnet, wobei die Breite der weiteren Mesagebiete im Wesentlichen der Breite der Mesagebiete im Transistorfeld entspricht. Diese Ausführungsform ist insbesondere von Vorteil, falls eine Dotierstoffkonzentration in der Driftzone gleich oder kleiner ist als die Dotierstoffkonzentration im angrenzenden Halbleiterbereich.In an advantageous embodiment, the semiconductor zones and / or the further semiconductor zones are arranged in further mesa regions, wherein the width of the further mesa regions essentially corresponds to the width of the mesa regions in the transistor field. This embodiment is particularly advantageous if a dopant concentration in the drift zone is equal to or less than the dopant concentration in the adjacent semiconductor region.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Feldelektrodenanordnung einer Trenchtransistorstruktur weist die Schritte auf: Bereitstellen des Halbleitersubstrats mit den darin ausgebildeten Trenches und einer an die Trenches angrenzenden Isolationsstruktur sowie die weiteren Schritte Auffüllen der Trenches mit einem leitfähigen Material, Aufbringen einer Ätzmaske, die vom Transistorfeld aus in den an die Driftzone angrenzenden Halbleiterbereich reichende Teile der Trenches bedeckt und die im Transistorfeld liegenden Teile der Trenches freilegt, Ausbilden einer Feldelektrode durch Rückätzen eines Teils des leitfähigen Materials in den im Transistorfeld ausgebildeten Teilen der Trenches sowie Ausbilden einer Isolationsstruktur auf der Feldelektrode. Diesen weiteren Schritten nachfolgend kann ein optionales Ausbilden einer oder mehrerer weiterer Feldplatten durch sukzessives Wiederholen der weiteren Schritte erfolgen, wonach ein Fertigstellen des Transistorfeldes einschließlich Ausbilden der Halbleiterzonenanordnung im angrenzenden Halbleiterbereich sowie Verbinden der Halbleiterzonen jeweils mit einer Feldelektrode erfolgt. Somit sind die Feldelektroden jeweils an die Oberfläche des Halbleiterkörpers im angrenzenden Halbleiterbereich geführt, von wo aus sie beispielsweise über Kontaktlöcher mit einer Metallisierungsebene und von hier aus mit den Halbleiterzonen als auch den weiteren Halbleiterzonen verbunden werden können. Ebenso ist es möglich, beispielsweise die oberste Feldelektrode, d. h. die der Gateelektrode nächst benachbarte Feldelektrode, auf Source-Potenzial zu legen. Das Fertigstellen des Transistorfeldes kann unter anderem Ausbilden der Gateelektrode, von dotierten Gebieten wie den Sourcegebieten oder dem Bodygebiet, optionalen Kanalimplantationen zur Einstellung der Schwellspannung, Zwischenoxiden als auch Metallisierungsebenen einschließen.A method according to the invention for producing a field electrode arrangement of a trench transistor structure comprises the steps of providing the semiconductor substrate with the trenches formed therein and an insulation structure adjoining the trenches and the further steps filling the trenches with a conductive material, applying an etching mask which extends from the transistor array into adjacent to the drift zone Covering semiconductor region reaching portions of the trenches and exposing lying in the transistor field portions of the trenches, forming a field electrode by back etching a portion of the conductive material in the transistor field formed in the parts of the trenches and forming an insulating structure on the field electrode. Subsequent to these further steps, an optional formation of one or more further field plates can be carried out by successively repeating the further steps, after which a completion of the transistor field including formation of the semiconductor zone arrangement in the adjacent semiconductor region as well as connection of the semiconductor zones takes place respectively with a field electrode. Thus, the field electrodes are each guided to the surface of the semiconductor body in the adjacent semiconductor region, from where they can be connected for example via contact holes with a metallization and from here to the semiconductor zones and the other semiconductor zones. It is likewise possible, for example, for the top field electrode, ie the field electrode next to the gate electrode, to be set to source potential. The termination of the transistor array may include, but is not limited to, forming the gate electrode, doped regions such as the source regions or the body region, optional channel implantations for adjusting the threshold voltage, intermediate oxides, as well as metallization levels.
Vorteilhaft ist es, die Isolationsstruktur als thermisches Oxid auszubilden.It is advantageous to form the insulation structure as a thermal oxide.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird als leitfähiges Material Polysilizium verwendet. Die Leitfähigkeit des Polysiliziums lässt sich auf einfache Weise etwa durch Zusatz von Dotierstoffen vom p- oder n-Leitfähigkeitstyp, etwa Bor oder Phosphor, einstellen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass neben Polysilizium sich eine Vielzahl weiterer leitfähiger Materialien, etwa dotierte Halbleiterschichten oder auch metallische Schichten eignen können. Die Auswahl eines geeigneten leitfähigen Materials wird im Wesentlichen durch die Prozessintegration bestimmt.In a preferred embodiment, polysilicon is used as the conductive material. The conductivity of the polysilicon can be adjusted in a simple manner, for example, by adding dopants of the p or n conductivity type, for example boron or phosphorus. It should be noted, however, that in addition to polysilicon, a large number of other conductive materials, such as doped semiconductor layers or even metallic layers may be suitable. The selection of a suitable conductive material is essentially determined by the process integration.
In vorteilhafter Weise wird die Ätzmaske als strukturierter Fotolack ausgebildet. Hierzu wird beispielsweise zunächst Fotolack ganzflächig aufgetragen und danach lithographisch strukturiert, so dass der Fotolack im Transistorfeld entfernt ist und die Feldelektrode im an die Driftzone angrenzenden Halbleiterbereich trotz Rückätzung im Transistorfeld weiterhin bis an die Oberfläche reicht.Advantageously, the etching mask is formed as a structured photoresist. For this purpose, for example, first photoresist is applied over the entire surface and then lithographically structured, so that the photoresist in the transistor field is removed and the field electrode in the adjacent to the drift region semiconductor region despite etching back in the transistor field continues to reach the surface.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail in exemplary embodiments with reference to figures.
In
Um eine Abstufung in der Leitfähigkeit verschiedener Halbleiterzonen in den Figuren zum Ausdruck zu bringen, wird n+ zur Kennzeichnung einer Halbleiterzone vom n-Leitungstyp mit großer Leitfähigkeit, n zur Kennzeichnung einer Halbleiterzone vom n-Leitungstyp mit moderater Leitfähigkeit und n– zur Kennzeichnung einer Halbleiterzone vom n-Leitfähigkeitstyp mit geringer Leitfähigkeit verwendet. Die Attribute große, moderate und geringe Leitfähigkeit sind relativ zueinander zu interpretieren.In order to indicate a gradation in conductivity of various semiconductor regions in the figures, n + is used to designate a n-type semiconductor region of high conductivity, n denotes a n-type semiconductor region of moderate conductivity, and n - denotes a semiconductor region used of the n-conductivity type with low conductivity. The attributes large, moderate and low conductivity are to be interpreted relative to each other.
Unterhalb des Bodygebietes
Innerhalb der Trenches
In
Zwischen den benachbarten Halbleiterzonen als auch zwischen der ersten Halbleiterzone
Wird die Trenchtransistorstruktur vom Sperrbetrieb aus wieder eingeschaltet, so stellen die Hilfszonen
In
In
In
In
Bei Anlegen und Vergrößern einer Sperrspannung zwischen den Sourcegebieten und dem Draingebiet im Transistorfeld dehnt sich die Raumladungszone lateral vom Transistorfeld
In
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