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Die
Erfindung betrifft ein durch Feldeffekt steuerbares Halbeiterbauelement,
insbesondere eines MOSFETs, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Bauelements.
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Ein
wesentlicher Aspekt bei der Entwicklung von durch Feldeffekt steuerbaren
Halbleiterbauelementen besteht darin, deren Schaltverluste zu minimieren.
Bei MOSFETs beispielsweise lässt
sich dies durch eine Verringerung der Gate-Drain-Ladung erreichen.
Damit einhergehend reduziert sich zum einen die Verlustleistung,
zum anderen können
steilere Schaltflanken erreicht werden. In der Folge lassen sich
auch höhere
Schaltfrequenzen erreichen, wodurch DC/DC-Konverter mit höherer Effizienz
betrieben werden können.
Außerdem
ist bei einem solchen Halbleiterbauelemente eine Minimierung des
Einschaltwiderstands wünschenswert,
da hierdurch auch die Chipfläche
reduziert werden kann, was wiederum eine Verringerung der Chipkosten
bedeutet.
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Zur
Realisierung kleiner Einschaltwiderstände sind insbesondere Bauelemente
mit Feldplatten bekannt, die in Gräben des Halbleiterbauelements angeordnet
sind.
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Für die Realisierung
kleiner Einschaltwiderstände
ist insbesondere die Verwendung von in Gräben angeordneten Feldplatten
bekannt, welche sowohl planare Gate-Elektroden als auch vertikale Trench-Gate-Elektroden
aufweisen können.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines MOSFETs gemäß dem Stand
der Technik mit planaren Gate-Elektroden 23a, 23b.
Der MOSFET umfasst einen Halbleiterkörper 1, in dem zwei
Source-Elektroden 13a, 13b voneinander
beabstandet angeordnet sind.
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Die
Source-Elektroden 13a, 13b sind mittels eine Dielektrikums 15 gegenüber dem
Halbleiterkörper 1 elektrisch
isoliert.
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Zwischen
den Source-Elektroden 13a, 13b weist der MOSFET
an der Vorderseite 1a eine p-Wanne 29 auf, in
die zwei stark n-dotierte
Wannen 24 eingebettet sind. Die p-dotierte Zone 29 stellt
die Body-Zone, die stark n-dotierten Zonen 24 die Source-Zonen
des MOSFETs dar.
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Durch
die Anordnung der Source-Elektroden 13a, 13b in
Gräben
werden im Sperrfall die Ladungsträger in dem zwischen ihnen befindlichen
Halbleitergebiet in lateraler Richtung r ausgeräumt, was eine Anhebung der
Dotierung dieses Gebiets und damit eine Reduzierung des Einschaltwiderstandes
des Bauelements im Vergleich zu herkömmlichen MOSFETs mit gleicher
Sperrspannungsfähigkeit
ermöglicht.
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Bei
einer anderen in 2 gezeigten Ausführungsform
eines MOSFETs ist die Gate-Elektrode 23a als vertikale
Trench-Gate-Elektrode
ausgebildet, die in einem vertikalen Graben angeordnet ist und sich
bis auf Höhe
der Drain-Zone 12 erstreckt. Bei diesem MOSFET sorgt die
Trench-Gate-Elektrode 23a im Sperrfall des Bauelements
für ein
Ausräumen der
Ladungsträger.
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Beide
MOSFETs gemäß den 1, 2 weisen
jedoch einen sehr großen Überlappbereich von
Gate-Elektrode 23a, 23b und Drift-Zone 11 und damit
eine hohe Gate-Drain-Ladung verbunden mit den eingangs geschilderten
Nachteilen auf.
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3 zeigt
einen MOSFET gemäß dem Stand
der Technik mit zweiteiligen Feldplatten 13a mit 23a und 13b mit 23b,
die paarweise in einem gemeinsamen Graben angeordnet und durch ein
Dielektrikum 15 gegenüber
dem Halbleiterkörper 1 sowie
voneinander elektrisch isoliert sind. Die vorderseitigen Teile 23a, 23b liegen
auf Gate-Potenzial, die rückseitigen
Teile 13a, 13b auf Source-Potenzial. Um eine minimale
Gate-Drain- Ladung
zu realisieren, ist die Position der Unterkante der Gate-Elektroden 23a, 23b so
gewählt,
dass sie in etwa auf Höhe
des pn-Übergangs
zwischen der Body-Zone 29 und der Drift-Zone 11 liegt.
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Grundsätzlich wäre es möglich, die Gate-Drain-Ladung über die
relative Lage der Unterkanten der Abschnitte 23a, 23b und
des pn-Übergangs
zwischen der Body-Zone 29 und der Drift-Zone 11 zu
minimieren. Dies ist jedoch fertigungstechnisch aufwändig, da
speziell das Ätzen
der tiefen Gräben
für die
zweiteiligen Feldplatten 13a mit 23a und 13b mit 23b mit
relativ hohen Schwankungen verbunden ist. Dieses Problem kann durch
eine Änderung
der Form der Gräben,
in denen die Feldplatten 13a mit 23a und 13b mit 23b angeordnet
sind, verringert werden.
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Weiterhin
ist das Dielektrikum 15 im Bereich der die Gate-Elektroden 23a, 23b bildenden
Abschnitte der Feldplatten 13a mit 23a und 13b mit 23b dünner gewählt als
im Bereich der auf Source-Potenzial liegenden Source-Elektroden 13a, 13b.
Da dieser Übergangsbereich
zwischen den unterschiedlich dicken Abschnitten des Dielektrikums 15 zu
einer Felderhöhung
führt,
muss er durch den pn-Übergang zwischen
der Body-Zone 29 und der Drift-Zone 11 abgeschirmt
werden und ist daher bezüglich
seiner Lage nicht frei wählbar,
ohne gleichzeitig die Durchbruchspannung einzuschränken. Die
Lage des Übergangsbereichs
zwischen den unterschiedlich dicken Abschnitten des Dielektrikums
ist jedoch mit einem Rückätzprozess
bei der Herstellung der Gräben
für die
Source-Elektroden 13a, 13b verbunden. Wegen der
verhältnismäßig großen Tiefe
dieser Gräben
ist es prozesstechnisch jedoch aufwändig, die Lage des Übergangsbereiches
präzise
einzustellen.
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Eine
Schwachstelle dieser Anordnung stellen außerdem die zwischen den Gate-Elektroden 23a, 23b einerseits
und den Source-Elektroden 13a, 13b andererseits
angeordneten Abschnitte 15d des Dielektrikums 15 dar.
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Diese
Abschnitte 15d werden auf den üblicherweise aus Polysilizium
bestehenden Source-Elektroden 13a, 13b erzeugt.
Die Langzeitbeständigkeit
solcher auf Polysilizium erzeugter Dielektrika, in der Regel Halbleiteroxide,
ist derzeit noch unbekannt, weshalb die Abschnitte 15d vorsorglich
dicker gewählt
werden als in sonst unter gleichen Bedingungen auf monokristallinem
Silizium gewachsenen Dielektrika, was jedoch den Herstellungsprozess
verkompliziert.
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Aus
der
US 6,710,403 B2 ist
ein MOSFET bekannt, wie er in
4 gezeigt
ist. In dem MOSFET sind in lateraler Richtung abwechselnd aufeinanderfolgend
Gate-Elektroden
23a,
23b,
23c und Source-Elektroden
13a,
13b angeordnet.
Die Gate-Elektroden
23a und die Source-Elektroden
13a,
13b sind jeweils
in unterschiedlich tiefen Gräben
angeordnet und erstrecken sich parallel zur vertikalen Richtung
v des Bauelements verschieden tief bis in die Driftzone
11.
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Mit
dieser Anordnung lässt
sich zum einen die Eingangskapazität verringern, zum anderen ermöglicht die
Ausgestaltung der Source-Elektroden 13a, 13b eine
höhere
Durchbruchspannung und damit einen verringerten Einschaltwiderstand.
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Nachteilig
ist allerdings, dass zur Herstellung der Source-Elektroden 13a, 13b und
der Gate-Elektroden 23a unterschiedlich tiefe Gräben geätzt werden
müssen,
welche üblicher
Weise zwei separate Maskierungsschritte mit Fotolack erfordert.
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Außerdem benötigen die
beiden in lateraler Richtung r nebeneinander liegenden p-Kontaktzonen 28 und
Source-Zonen 24 zu ihrer Herstellung üblicher Weise einen oder zwei
separate Maskierungsschritte mit Fotolack.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein durch Feldeffekt
steuerbares Halbleiterbauelement, das eine geringe Gate-Drain-Ladung aufweist
und das einfach zu ferti gen ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 sowie durch
ein Verfahren gemäß Patentanspruch
6 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Das
erfindungsgemäße, durch
Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper, der
eine Body-Zone und eine Kontaktzone jeweils von einem ersten Leitungstyp
aufweist, sowie eine Source-Zone von einem zum ersten Leitungstyp
komplementären
zweiten Leitungstyp. Dabei ist die Kontaktzone stärker dotiert
als die Body-Zone. Die Source-Zone
ist in vertikaler Richtung des Bauelementes zumindest abschnittweise
zwischen dessen Vorderseite und der Kontaktzone angeordnet. Außerdem ist
eine Source-Metallisierung vorgesehen, die einen in einem Graben
des Halbleiterkörpers
angeordneten Abschnitt aufweist, den zumindest die Source-Zone und
die Kontaktzone, optional auch die Body-Zone kontaktieren.
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Der
Kontaktbereich zwischen der Source-Zone und dem Abschnitt der Source-Metallisierung
erstreckt sich in der lateralen Richtung des Bauelementes höchstens
so weit in Richtung dieses Abschnitts der Source-Metallisierung
wie der zwischen der Source-Zone und der Body-Zone ausgebildete pn-Übergang.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Source-Zone und die Kontaktzone in einer vertikalen
Richtung des Halbleiterkörpers
voneinander beabstandet.
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Optional
erstreckt sich ein Abschnitt der Source-Metallisierung in einen
Graben des Halbleiterkörpers
hinein, wobei die Source-Metallisierung die Source-Zone nur im Bereich
der Seitenwand des Grabens kontaktiert.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements
wird zunächst
ein Halbleiterkörper bereitgestellt,
der eine erste Halbleiterzone aufweist und in dem eine erste Elektrode
und eine zweite Elektrode vorzugsweise in einer lateralen Richtung beabstandet
voneinander angeordnet sind. Zwischen der ersten Elektrode und der
ersten Halbleiterzone sowie zwischen der zweiten Elektrode und der
ersten Halbleiterzone ist jeweils ein Abschnitt einer ersten Dielektrikumsschicht
angeordnet.
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Der
Halbleiterkörper
wird ausgehend von einer Vorderseite derart zurückgeätzt, dass Abschnitte der ersten
Dielektrikumsschicht die erste Halbleiterzone vorderseitig überragen.
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Nun
wird oberhalb der ersten Halbleiterzone vorderseitig eine zweite
Dielektrikumsschicht vorzugsweise konform abgeschieden und danach
durch Rückätzen, beispielsweise
mittels einer anisotropen Plasmaätzung,
nahezu vollständig
wieder entfernt. Allerdings bleiben nach dem Rückätzen im Bereich der die erste
Halbleiterzone überragenden
Abschnitte des ersten Dielektrikums aufgrund von Abschattungseffekten
Reste der ersten Dielektrikumsschicht zurück, welche sowohl an die erste
Halbleiterzone als auch an die den Halbleiterkörper überragenden Abschnitte des
ersten Dielektrikums angrenzen. Ansonsten liegt die erste Halbleiterzone
an der Vorderseite des Halbleiterkörpers zwischen der ersten Elektrode
und der zweiten Elektrode abschnittweise frei.
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Danach
wird ein von den freiliegenden Abschnitten der ersten Halbleiterzone
ausgehender Graben erzeugt, der sich in den Halbleiterkörper, insbesondere
in die erste Halbleiterzone hinein erstreckt.
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Zur
Erzeugung des Grabens werden neben anderen auf vorderseitig angeordneten
Dielektrikumsschichten die zurückgebliebenen
Abschnitte der ersten Dielektrikumsschicht als Maske verwen det,
so dass sich eine aufwändig
herzustellende und später
wieder zu entfernende Fotomaske erübrigt. Die Herstellung des
Grabens erfolgt vorzugsweise mittels einer anisotropen und gegenüber den
zurückgebliebenen
Abschnitten der zweiten Dielektrikumsschicht selektiven Ätztechnik.
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Die
Herstellung eines Grabens mit Hilfe dieser aus der ersten Dielektrikumsschicht
gebildeten Maske ist jedoch wesentlich weniger aufwändig und außerdem präziser als
ein mittels herkömmlicher
Fototechnik hergestellter Graben, da es sich hier um einen selbstjustierenden
Prozess handelt, bei dem keine Toleranzen berücksichtigt werden müssen, so dass
sich sowohl die Breite des für
die Aufnahme der Gate-Elektrode vorgesehenen Grabens als auch der Abstand
zwischen in lateraler Richtung benachbarten Gate-Elektroden je nach
Spannungsklasse des Bauelements um mindestens 15% gegenüber dem Bauelement
gemäß 4 verringern
lässt.
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Auf
der Oberfläche
dieses Grabens wird nun eine dritte Dielektrikumsschicht erzeugt,
die später das
Gate-Dielektrikum des Halbleiterbauelements bildet. Zur Herstellung
der Steuerelektrode wird der mit der dritten Dielektrikumsschicht
versehene Graben mit einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise
Polysilizium, gefüllt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Body-Zone von einem ersten Leitungstyp durch vorderseitige
strukturierte Implantation von Dotierstoffen in die erste Halbleiterzone
und nachfolgende Ausdiffussion dieser Dotierstoffe hergestellt.
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Dabei
erfolgt die strukturierte Implantation der Dotierstoffe unter Verwendung
einer Maske, die zumindest teilweise in dem fertigen Bauelement
verbleibt.
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Weiterhin
wird eine bevorzugt an der Vorderseite des Halbleiterkörpers angeordnete
Source-Zone von einem zum ersten Lei tungstyp komplementären zweiten
Leitungstyp durch vorderseitige strukturierte Implantation von Dotierstoffen
in die zuvor erzeugte Bodyzone hergestellt.
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Dabei
erfolgt die strukturierte Implantation der Dotierstoffe unter Verwendung
einer Maske, die zumindest teilweise in dem fertigen Bauelement
verbleibt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements
wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 einen
Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines MOSFETs mit flächigen Gate-Elektroden
sowie mit voneinander beabstandeten Source-Elektroden, die sich
in den Halbleiterkörper
des Halbleiterbauelements hinein erstrecken,
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2 einen
Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines MOSFETs, bei dem die
Gate-Elektrode in einem Graben ausgebildet ist und sich bis auf Höhe der Drain-Zone
erstreckt,
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3 einen
Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines MOSFETS, der voneinander
beabstandete, zweiteilige Feldelektroden aufweist, von denen jeweils
der obere Teil eine Gate-Elektrode und der untere Teil eine Source-Elektrode
darstellt,
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4 einen
Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines MOSFETs, bei dem Gate-Elektroden und
Source-Elektroden
in lateraler Richtung abwechselnd aufeinander folgend und in unterschiedlich
tiefen Gräben
angeordnet sind,
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5 einen
Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen MOSFETs,
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6-29 verschiedene
Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines MOSFETs gemäß 5, jeweils
als Vertikalschnitt in derselben Schnittebene, und
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30 einen
Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäßen MOSFET mit einem Zellenbereich und
einen an den Zellbereich lateraler Richtung angrenzenden Randbereich.
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In
den Figuren bezeichnen – sofern
nicht anders angegeben – gleiche
Bezugszeichen gleiche Elemente mit gleicher Funktion. Aus Gründen der Darstellbarkeit
sind die Figuren nicht maßstäblich.
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5 zeigt
einen Abschnitt eines Halbleiterbauelements, das mit einem anhand
der 6 bis 29 erläuterten Verfahren hergestellt
werden kann.
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Bei
dem steuerbaren Halbleiterbauelement gemäß 5 handelt
es sich um einen MOSFET, der einen Halbleiterkörper 1 aufweist, in
dem in einer vertikalen Richtung v aufeinanderfolgend eine stark n-dotierte
Drain-Zone 12, eine schwach n-dotierte Drift-Zone 11, eine
p-dotierte Body-Zone 29 sowie eine stark n-dotierte Source-Zone 24 angeordnet sind.
Der Halbleiterkörper 1 kann
aus jedem beliebigen Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium, bestehen.
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Der
MOSFET weist eine Source-Elektrode 13a auf, die tief in
die n-dotierte Zone 11 hineinreicht und von dieser durch
eine Siliziumdioxidschicht 15 elektrisch isoliert ist.
Auf ihrer der Drain-Zone 12 abgewandten Seite kontaktiert
die Source-Elektrode 13a eine
Source-Metallisierung 30, die ihrerseits die Source-Zone 24,
eine stärker
als die Body-Zone 29 dotier te Kontaktzone 28 und
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung auch die Body-Zone 29 selbst kontaktiert.
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Die
Source-Zone 24 ist in der vertikalen Richtung v des Bauelements
zumindest abschnittweise zwischen der Vorderseite des Halbleiterkörpers 1 und
der Kontaktzone 28 angeordnet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Source-Zone 24 und die Kontaktzone 28 in einer
vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 1 voneinander
beabstandet.
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Weiterhin
weist der MOSFET eine Gate-Elektrode 23a auf, die mittels
eines Gate-Oxids 22 gegenüber der Source-Metallisierung 30,
der Source-Zone 24, der Body-Zone 29 und der schwach n-dotierten
Zone 11 elektrisch isoliert ist.
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Zwischen
der Source-Zone 24 und der Body-Zone 29 ist ein
pn-Übergang
ausgebildet, wobei sich der zwischen dem pn-Übergang und der Vorderseite
des Halbleiterkörpers 1 angeordnete
Abschnitt der Source-Zone 24 nicht weiter in Richtung der Source-Metallisierung 30 erstreckt
wie der pn-Übergang.
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Ein
Abschnitt 30a der Source-Metallisierung 30 erstreckt
sich in einen Graben des Halbleiterkörpers 1 hinein, wobei
die Source-Metallisierung 30 die Source-Zone 24 nur
im Bereich der Seitenwand des Grabens kontaktiert.
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Die
Source-Zone 24 und die Kontaktzone 28, optional
auch die Body-Zone 29, kontaktieren die Source-Metallisierung 30 in
deren Abschnitt 30a.
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Der
Kontaktbereich zwischen der Source-Zone 24 und dem Abschnitt 30a der
Source-Metallisierung 30 erstreckt sich in der lateralen
Richtung r des Bauelementes höchstens
so weit in Richtung des Abschnitts 30a wie der zwischen
der Source-Zone 24 und
der Body-Zone 29 ausgebildete pn-Übergang.
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Auf
die Oberseite des Bauelements ist eine Oxidschicht 18 aufgebracht,
die im Bereich der Source-Metallisierung 30 ausgespart
ist. An der Rückseite des
Bauelements ist noch eine Drain-Metallisierung 40 vorgesehen,
die die Drain-Zone 12 kontaktiert.
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Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines solchen Bauelements unter Bezugnahme auf die 6 bis 29 näher erläutert.
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Wie
aus 6 ersichtlich ist, wird zunächst ein stark n-dotiertes Halbleitersubstrat 12,
beispielsweise aus Silizium, bereitgestellt. Danach wird auf eine
Vorderseite 1a des Substrats 12 eine schwach n-dotierte
Epitaxieschicht 11 aufgebracht, was im Ergebnis in 7 gezeigt
ist.
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Das
Bezugszeichen 1a bezeichnet in den 6 bis 29 die
Vorderseite des Halbleiterbauelements in seiner jeweiligen Herstellungsphase. Gleichwohl
wird der Ausdruck "Vorderseite" auch in Bezug auf
bestimmte Elemente, insbesondere Halbleiterzonen und Dielektrika
des Bauelements angewandt. Die Vorderseite eines dieser Elemente
ist dabei die Seite des Elementes, die der Vorderseite des Halbleiterbauelementes
in dessen jeweiliger Herstellungsphase zugewandt ist.
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Wie
aus 8 ersichtlich ist, wird auf die Vorderseite 1a der
Anordnung gemäß 7 eine Hartmaske 31 aufgebracht.
Bei der Hartmaske 31 kann es sich beispielsweise um eine
chemische Niederdruckabscheidung (LPCVD = Low Pressure Chemical
Vapor Deposition), um eine thermische Maske oder um eine beliebige
anderweitig abgeschiedene Oxidschicht handeln. Möglich sind z.B. auch eine Nitrid-
und/oder eine Poly-Silizium-Schicht
oder auch ein Mehrschichtsysteme aus den diesen Stoffen.
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Auf
diese Hartmaske 31 wiederum wird vorderseitig eine Fotolackschicht 32 aufgebracht
und in bekannter Weise strukturiert, was im Ergebnis in 9 gezeigt
ist.
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Die
strukturierte Fotolackschicht 32 dient dazu, die Hartmaskenschicht 31 unterhalb
der Öffnungen
der Fotolackschicht 32, beispielsweise mittels anisotroper
Plasmaätzung,
zu öffnen.
Danach wird die strukturierte Fotolackschicht 32 entfernt,
so dass auf der Vorderseite 11a der Epitaxieschicht 11 eine entsprechend
der Fotolackschicht 32 strukturierte Hartmaske 31 vorliegt.
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Unter
Verwendung dieser strukturierten Hartmaskenschicht 31 werden
im Halbleiterkörper 1 vorzugsweise
mittels anisotropen reaktivem Ionenätzen RIE (RIE = Reactive Ion
Etching) Gräben 14 erzeugt, die
sich im Wesentlichen senkrecht zur Vorderseite 1a wenigstens
bis in die Epitaxieschicht 11 und optional auch bis in
das Substrat 12 hinein erstrecken, was im Ergebnis in 10 gezeigt
ist.
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11 zeigt
die Anordnung nach dem Entfernen der strukturierten Hartmaskenschicht 31.
Ausgehend von dieser Anordnung wird der Halbleiterkörper 1 – vorliegend
ausschließlich
im Bereich der ersten Halbleiterzone 11 – vorderseitig
mit einer Oxidschicht 15 versehen, die vorzugsweise durch
thermische Oxidation des Materials des Halbleiterkörpers 1 erzeugt
wird, was im Ergebnis in 12 gezeigt
ist. Alternativ oder zusätzlich
zu einer Oxidation des Halbleiterkörpers 1 kann die Oxidschicht 15 auch
auf dem Halbleiterkörper 1 abgeschieden
werden. Anstelle einer einfachen Oxidschicht 15 kann beispielsweise
auch eine Oxidschicht gefolgt von einer weiteren Isolatorschicht,
beispielsweise einer Nitridschicht, oder ein Schichtsystem mit mehr
als einer Oxidschicht 15 und/oder mehr als einer weiteren
Isolatorschicht vorgesehen werden.
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Entscheidend
ist, dass die Oxidschicht 15 zumindest im Bereich der Gräben 14 gebildet
wird. Bei dem vorliegenden Aus führungsbeispiel
ist die Oxidschicht 15 als geschlossene und zusammenhängende Schicht
ausgebildet.
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Nach
der Herstellung der Oxidschicht 15 wird auf der Anordnung
vorderseitig eine Schicht 13 aus Polysilizium abgeschieden,
die sich in die Gräben 14 gemäß 12 hinein
erstreckt und deren Abschnitte 13a, 13b die Source-Elektroden
des herzustellenden Bauelements gemäß 5 bilden. 13 zeigt
die Anordnung nach der Abscheidung der Polysiliziumschicht 13.
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Da
für das
herzustellende Bauelement nur die Abschnitte 13a, 13b der
Polysiliziumschicht 13 sowie Abschnitte 15a, 15b der
Oxidschicht 15, die die Abschnitte 13a, 13b gegenüber der
Epitaxieschicht 11 isolieren, relevant sind, werden die
irrelevanten Abschnitte der Polysiliziumschicht 13 und
der Oxidschicht 15 durch vorderseitiges Rückätzen und
Planarisieren der Anordnung entfernt, so dass die Epitaxieschicht 11 an
ihrer Vorderseite 11a abschnittsweise frei liegt.
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Falls
auf der Oxidschicht 15 eine weitere optionale Isolatorschicht,
beispielsweise die o.g. Nitridschicht, vorgesehen ist, so ist diese
zumindest in den Gräben 14 zwischen
der Oxidschicht 15 und der Polysiliziumschicht 13 angeordnet.
Außerdem
ist zwischen der Polysiliziumschicht 13 und der weiteren Isolatorschicht
vorzugsweise noch eine zusätzliche Oxidschicht
vorgesehen, sofern es sich bei der weiteren Isolatorschicht nicht
bereits um eine Oxidschicht handelt.
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Beim
Rückätzen werden
die Abschnitte 13a, 13b der Polysiliziumschicht 13 bis
unter das Niveau der Vorderseite 11a der Epitaxieschicht 11 zurückgeätzt, so
dass das Bauelement oberhalb der Abschnitte 13a, 13b angeordnete
Gräben 14 aufweist.
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Nach
dem Rückätzen und
Planarisieren der Polysiliziumschicht 13 und der Oxidschicht 15 werden
vorderseitig eine geschlos sene Oxidschicht 16 und eine
geschlossene Nitridschicht 17 abgeschieden.
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Auf
die Nitridschicht 17 wiederum wird eine Fotolackschicht 33 aufgebracht
und derart strukturiert, dass sie oberhalb der von der Polysiliziumschicht 13 verbliebenen
Abschnitte 13a, 13b sowie im Randbereich 1b des
Bauelements Öffnungen
aufweist, während
die zwischen benachbarten Abschnitten 13a, 13b angeordneten
Abschnitte der Epitaxieschicht 11 und der Oxidschicht 15 abgedeckt
werden. Unter Verwendung dieser derart strukturierten Fotolackschicht 33 wird
nun die Nitridschicht 17 z.B. mittels einer anisotropen
Plasmaätzung
oder mittels einer naßchemischen Ätzung strukturiert,
während die
Oxidschicht 16 im Wesentlichen unverändert bleibt, was im Ergebnis
in 14 gezeigt ist.
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Anschließend wird
das Halbleitermaterial an der Vorderseite vorzugsweise thermisch
oxidiert, so dass in den Randbereichen 1b des Bauelements
sowie im oberen Bereich der Gräben 14 eine
Oxidschicht 18a entsteht. Allerdings ist die Oxidschicht 18a oberhalb
der von der Nitridschicht 17 verbliebenen Abschnitte 17a ausgespart,
da diese verhindern, dass zur thermischen Oxidation erforderlicher
Sauerstoff mit dem Halbleitermaterial in Kontakt kommt. 15 zeigt
die Anordnung nach Herstellung der thermischen Oxidschicht 18a.
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Danach
wird die Nitridschicht 17 vorzugsweise vollständig entfernt.
Jetzt werden für
die Herstellung der Body-Zone 29 gemäß 5 p-dotierende Dotierstoffe 19 vorderseitig
in die Epitaxieschicht 11 implantiert. Die Oxidschichten 18a und 15a, 15b wirken
dabei als Maske, so dass die Dotierstoffe 19 nur im Bereich
zwischen den Abschnitten 13a, 13b in die Epitaxieschicht 11 eindringen
können.
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Bei
der Implantation der Dotierstoffe 19 wirkt der unterhalb
der verbliebenen Abschnitte 17a der Nitridschicht 17 angeordnete
Abschnitt der Oxidschicht 16 als Streuoxid, durch das eine
Gitterführung
(Channeling) während
der Implantation vermieden wird, so dass ein homogenes Implantationsgebiet
entsteht. 16 zeigt das Bauelement nach
der Implantation der Dotierstoffe 19.
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Nach
der Implantation werden die freiliegenden Abschnitte der Streuoxidschicht 16 durch
vorderseitiges Ätzen
der Anordnung entfernt, so dass die Epitaxieschicht 11 oberhalb
des Implantationsgebietes freiliegt. Dabei wird auch die Oxidschicht 18a in ihrer
Dicke wenigstens um die Dicke der Streuoxidschicht 16 reduziert,
was im Ergebnis in 17 gezeigt ist.
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Durch
das Entfernen der Streuoxidschicht 16 oberhalb des Implantationsgebiets
liegt die Epitaxieschicht 11 abschnittweise frei und kann
dort selektiv gegenüber
den Oxidschichten 18a und 15 zurückgeätzt werden,
so dass vorderseitige Abschnitte 15c der Oxidschicht 15 die
Epitaxieschicht 11 überragen, was
im Ergebnis in 18 gezeigt ist.
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Auf
die Anordnung gemäß 18 wird
vorderseitig eine Oxidschicht aufgebracht und danach ätztechnisch,
z. B. durch anisotrope und gegenüber der
Epitaxieschicht selektiven Plasmaätzung, entfernt. Bei dieser
Oxidschicht kann es sich beispielsweise um eine TEOS-Oxidschicht
(TEOS = Tetraethyl-Orthosilikat,
Si(OC2H5)4) handeln. Alternativ dazu kann diese Oxidschicht auch
durch eine vorderseitige thermische Oxidation des Halbleiterkörpers erzeugt
werden. Durch Abschattungseffekte, die von den die Epitaxieschicht 11 vorderseitig überragenden Abschnitten 15c der
Oxidschicht 15 herrühren,
verbleiben nach dem Rückätzen der
TEOS-Schicht Abschnitte 20a der TEOS-Schicht, die sowohl
an die Abschnitte 15c der Oxidschicht 15 als auch
an die Epitaxieschicht 11 angrenzen. Die Lage der von der TEOS-Schicht
verbliebenen Abschnitte 20a ist aus 19 ersichtlich.
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Die
Abschnitte 20a bilden zusammen mit der Oxidschicht 18a sowie
mit den Abschnitten 15c der Oxidschicht 15 eine
Maske für
einen nachfolgenden Ätzschicht,
bei dem mittels selektiver Ätzung
der Epitaxieschicht 11 gegenüber den Abschnitten 18a, 15c und 20a zwischen
benachbarten Abschnitten 13a, 13b in der Epitaxieschicht 11 ein
Graben 21 erzeugt wird.
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In
diesem Graben 21 werden später das Gate-Oxid und die Gate-Elektrode hergestellt.
Aus 20, die die Anordnung nach Herstellung des Grabens 21 zeigt,
ist ersichtlich, dass unterhalb der Abschnitte 20a der
TEOS-Oxidschicht Abschnitte der Epitaxieschicht 11 verbleiben,
in denen sich Dotierstoffe 19 zur Herstellung der Bodyzone 29 gemäß 5 befinden.
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Um
zu vermeiden, dass bei dem fertigen Bauelement an scharfen Kanten
des Grabens 21 Feldspitzen auftreten, können diese optional verrundet
werden. Hierzu wird das Bauelement in einem ROX-Prozess (ROX = Rundungsoxidation)
vorderseitig oxidiert und die erzeugte Oxidschicht ätztechnisch
wieder entfernt.
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Unabhängig davon,
ob ein derartiger Verrundungsprozess vorgesehen ist, wird in dem
Graben 21 eine Gate-Oxidschicht 22 erzeugt. Die
Herstellung der Gate-Oxidschicht 22 erfolgt vorzugsweise
durch thermische Oxidation der Epitaxieschicht 11 im Bereich
der Oberfläche
des Grabens 21. Anstelle oder zusätzlich zu einer thermischen
Oxidation der Epitaxieschicht 11 kann auch eine Oxidschicht,
z. B. aus Siliziumdioxid, und/oder ein nitridiertes Oxid und/oder
ein metallisches Oxid auf der Vorderseite 1a abgeschieden
werden.
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Das
thermische Budget zu Herstellung einer durch thermische Oxidation
hergestellten Oxidschicht 22 kann außerdem dazu verwendet werden, die
Dotierstoffe 19 gemäß 20 auszutreiben,
so dass die in 21 dargestellte, p-dotierte
Body-Zone 29 entsteht. Alternativ oder zusätzlich dazu
kann das Austreiben der Dotierstoffe 19 bereits im Rahmen
einer ther mischen Oxidation bei der Herstellung der Spacer-Schicht 20a gemäß 20 erfolgen.
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Nach
der Herstellung der Gate-Oxidschicht 22 wird auf die Anordnung
vorderseitig eine Polysiliziumschicht 23 aufgebracht, die
sich in den Graben 21 hinein erstreckt und das Gate-Oxid 22 kontaktiert. Der
in dem Graben 21 befindliche Abschnitt 23a der Polysiliziumschicht 23 bildet
die Gate-Elektrode 23a des herzustellenden MOSFETs gemäß 5.
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Danach
wird die Polysiliziumschicht 23 selektiv gegenüber den
Oxidschichten 18a, 15 und 20a derart
zurückgeätzt, dass
so dass ihr Abschnitt 23a im Graben 21 zurückbleibt. 22 zeigt
das Bauelement nach dem Abscheiden der Polysiliziumschicht 23 und 23 nach
der Rückätzung dieser
Polysiliziumschicht 23.
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Auf
der Vorderseite 1a der Anordnung gemäß 24 wird
eine dünne
Streuschicht, beispielsweise eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht,
abgeschieden. Alternativ oder zusätzlich kann die Streuschicht
auch durch thermische Oxidation zumindest der Body-Zonen 29 erzeugt
werden. Durch die Streuschicht hindurch erfolgt die Implantation
zur Herstellung der Source-Zonen 24.
Die Oxidschichten 18a und 15 sind wesentlich dicker
gewählt
als die Streuoxidschicht und können
daher als Maske für
die Implantation zur Herstellung der Source-Zonen 24 verwendet
werden. Die Oxidschichten 18a und 15 sind so dick
gewählt,
dass sie bei der Implantation von den Dotierstoffen zur Herstellung
der Source-Zonen 24 nicht durchdrungen werden. Aus 25 ist
ersichtlich, dass die Source-Zonen 23 vorderseitig bis an
die Oberfläche
des Halbleiterbauelements reichen.
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Wie
in 26 gezeigt ist, werden danach auf die Vorderseite 1a gemäß 25 eine
Schicht 18b aus undotiertem Silikatglas (USG) sowie eine
Schicht 18c, beispielsweise aus Bor-Phosphor-Silikat-Glas (BPSG) oder aus
Phosphor-Silikat-Glas (PSG), aufgebracht. Anschließend wird
die Anordnung vorderseitig planarisiert und die USG-Schicht 18b und
die BPSG- bzw. (PSG-)Schicht 18c mittels
eines thermischen Schrittes verdichtet und miteinander verbunden,
was im Ergebnis in 26 gezeigt ist. Das Planarisieren
und der thermische Schritt können
dabei in beliebiger Reihenfolge aufgeführt werden.
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Auf
diese Anordnung wird vorderseitig eine Fotolackschicht 34 aufgebracht
und oberhalb der Abschnitte 13a, 13b sowie oberhalb
zumindest eines Abschnitts der Source-Zone 24 und oberhalb
zumindest eines Abschnitts der Body-Zone 29 geöffnet. Die derart
strukturierte Fotolackschicht 34 wird als Maske zur ätztechnischen
Herstellung von Gräben 27 verwendet.
Als Ätzverfahren
hierzu eignet sich beispielsweise anisotrope und gegenüber der
Fotolackschicht 34 selektive Plasmaätzung. Ebenso könnte die Ätzung auch
zunächst
mittels einer isotropen Plasmaätzung
gefolgt von einer anisotropen Plasmaätzung erfolgen. Abschließend kann
noch eine optionale nasschemische Ätzung zur Verrundung von Kanten
vorgenommen werden.
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Die
Gräben 27 erstrecken
sich dabei bis zu den Abschnitten 13a, 13b sowie
bis zu den Body-Zonen 29 und den Source-Zonen 24,
wobei die Body-Zonen 29 und die Source-Zonen 24 jeweils
bis an die Seitenwand eines der Gräben 27 heranreichen, so
dass die Gräben 27 und
die Body-Zonen 29 jeweils eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen,
was aus 27 ersichtlich ist.
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Ausgehend
von der Anordnung gemäß 27 wird
die strukturierte Fotolackschicht 34 entfernt. Danach wird
auf die Vorderseite eine Streuoxidschicht aufgebracht und die Dotierstoffe
zur Herstellung der p-Kontaktzonen 28 in die Body-Zone 29 implantiert.
Die Implantation erfolgt dabei über
die gemeinsamen Grenzflächen,
d.h. über
die Seitenwände und/oder über die
Böden der
Gräben 27.
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Bei
der Implantation wirken die BPSG-Schicht 18c, die USG-Schicht 18b sowie
die Oxidschichten 18a und 15a, 15b als
Maske, so dass die zur Herstellung der p-Kontaktzonen 28 verwendeten
Dotierstoffe nur in die Body-Zonen 29 und die Source-Zonen 24,
jedoch nicht in die anderen Abschnitte der Epitaxieschicht 11 eindringen
können.
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Die
Implantation der Dotierstoffe zur Herstellung der p-Kontaktzonen 28 kann
dabei parallel oder auch unter einem vorgegebenen Winkel zur vertikalen
Richtung v erfolgen. Insbesondere können die Dotierstoffe derart
implantiert werden, dass die p-Kontaktzone 28 des fertigen
Bauelements – wie
in 5 gezeigt – von
der Source-Zone 24 beabstandet ist, als auch derart, dass
sie – wie
in 29 gezeigt, unmittelbar an die Source-Zone 24 angrenzt.
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Nach
der Implantation der Dotierstoffe zur Herstellung der p-Kontaktzonen 28 wird
die Streuoxidschicht wieder entfernt und die Dotierstoffe zur Herstellung
der p-Kontaktzonen 28 mittels eines RTP-Schrittes (RTP
= rapid thermal processing) aktiviert, indem das Bauelement kurzzeitig
auf eine vorgegebene Temperatur gebracht wird. 28 zeigt die
Anordnung nach der Herstellung der p-Kontaktzonen 28.
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Darauf
folgend wird auf das Bauelement vorderseitig eine Metallisierungsschicht 30 aufgebracht, die
sich in die Gräben 27 gemäß 28 hinein
erstreckt und die die Abschnitte 13a, 13b sowie
die Source-Zonen 24 und die p-Kontaktzonen 28 kontaktiert,
was im Ergebnis in 29 gezeigt ist. Soweit erforderlich
kann die Source-Metallisierung 30 nach ihrer Herstellung
noch strukturiert werden.
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30 zeigt
einen Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäßen MOSFET, der einen Zellbereich 51 und
einen den Zellbereich 51 in lateraler Richtung umgebenden
Randbereich 52 aufweist. Im Zellbereich 51 sind
die Body-Zonen 29 mittels Kontaktzonen 29 an die
Source-Metallisierung 30 angeschlossen.
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Die
Erfindung wurde vorangehend anhand der in den 5 bis 30 gezeigten
Bauelemente und Verfahrensschritte beispielhaft erläutert. In
entsprechender Weise können
jedoch nicht nur auf MOSFETs sondern auch auf andere durch Feldeffekt steuerbare
Halbleiterbauelemente derartige Strukturen oder Teilstrukturen aufweisen.
Insbesondere können
einzelne Schritte oder Schrittfolgen des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung bestimmter Komponenten des herzustellenden Bauelementes
auf die Herstellung den bestimmten Komponenten entsprechenden Komponenten
anderer Bauelemente eingesetzt werden.
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Außerdem bezieht
sich die Erfindung nicht nur auf die Dotierungen der aufgezeigten
Bauelemente, sondern auch auf komplementäre Bauelemente, bei denen anstelle
von p-Dotierungen n-Dotierungen
und anstelle von n-Dotierungen p-Dotierungen vorgesehen sind.
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- 1
- Halbleiterkörper
- 1a
- Vorderseite
des Halbleiterbauelements
- 1b
- Rand
des Halbleiterbauelements
- 11
- Epitaxieschicht
- 11a
- Vorderseite
der Epitaxieschicht
- 12
- Substrat
(Drain-Zone)
- 13
- Polysilizium
- 13a
- Source-Elektrode
(Feldelektrode)
- 13b
- Source-Elektrode
(Feldelektrode)
- 14
- Graben
- 15
- Erste
Dielektrikumsschicht, Oxidschicht
- 15a
- Abschnitt
der ersten dielektrischen Schicht
- 16
- Streuoxid
- 17
- Nitridschicht
- 17
- Abschnitt
der Nitridschicht
- 18
- Dielektrikumsschicht,
Oxidschicht
- 18a
- Teilschicht
der Dielektrikumsschicht 18
- 18b
- Teilschicht
der Dielektrikumsschicht 18 (USG)
- 18c
- Teilschicht
der Dielektrikumsschicht 18 (BPSG)
- 19
- Dotierstoff
- 20
- Zweite
Dielektrikumsschicht, Oxidschicht
- 20a
- Abschnitt
der zweiten Dielektrikumsschicht
- 21
- Graben
- 22
- Dritte
Dielektrikumsschicht, Gate-Oxid
- 23
- Polysilizium
- 23a
- Steuerelektrode
(Gate-Elektrode)
- 23b
- Steuerelektrode
(Gate-Elektrode)
- 23c
- Steuerelektrode
(Gate-Elektrode)
- 24
- Source-Zone
- 27
- Kontaktloch
- 28
- p-Kontakt
- 29
- Bodyzone
(ausdiffundierte Dotierstoffe)
- 30
- Source-Metallisierung
- 30a
- Abschnitt
der Source-Metallisierung
- 31
- Hartmaske
- 32
- Fotolack
- 33
- Fotolack
- 34
- Fotolack
- 40
- Drain-Metallisierung
- 51
- Zellbereich
- 52
- Randbereich
- r
- laterale
Richtung
- v
- vertikalen
Richtung