DE102007004320A1 - Halbleiterbauelement mit vertikalen Strukturen von hohem Aspektverhältnis und Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven Struktur in einem Halbleiterkörper - Google Patents

Halbleiterbauelement mit vertikalen Strukturen von hohem Aspektverhältnis und Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven Struktur in einem Halbleiterkörper Download PDF

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Abstract

Beschrieben wird ein Halbleiterbauelement, das eine Driftzone (20), die zwischen einer ersten und einer zweiten Bauelementzone angeordnet ist, eine Driftsteuerzone (30), die in einer ersten Richtung benachbart zu der Driftzone (20) angeordnet ist, und eine Dielektrikumsschicht (50), die zwischen der Driftzone (20) und der Driftsteuerzone (30) angeordnet ist, aufweist, wobei die Driftzone (20) wenigstens abschnittsweise, ausgehend von dem Dieelektrikum, eine variierende Dotierung und/oder eine variierende Materialzusammensetzung aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit vertikalen Strukturen von hohem Aspektverhältnis, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Ein Beispiel für ein derartiges Halbleiterbauelement ist in der noch nicht veröffentlichten internationalen Anmeldung PCT/EP 2006/007450 der Anmelderin beschrieben. Bei einem solchen Bauelement, das beispielsweise als MOS-Transistor realisiert sein kann, ist eine Driftsteuerzone benachbart zu einer Driftzone angeordnet und durch eine Dielektrikumsschicht gegenüber der Driftzone dielektrisch isoliert. Die Driftsteuerzone dient bei diesem Bauelement zur Steuerung eines leitenden Kanals in der Driftzone, wenn das Bauelement leitend angesteuert ist.
  • Ein Problem bei MOS-Transistoren stellt der Betrieb des Bauelements bei auftretendem Lawinendurchbruch dar. Die elektrische Feldstärke im Bauelement steigt mit steigender Sperrspannung so weit an, bis bei einer kritischen Feldstärke – der Durchbruchfeldstärke – vorhandene freie Ladungsträger innerhalb der freien Weglänge zwischen zwei Stößen mit dem Kristallgitter so viel Energie aus dem elektrischen Feld aufnehmen, dass sie beim nächsten Stoß das getroffene Halbleiteratom ionisieren und ein Elektron-Loch-Paar und damit weitere freie Ladungsträger generieren, welche durch das elektrische Feld wieder beschleunigt werden. Diese lawinenartige Multiplikation von Ladungsträgern setzt besonders an Inhomogenitäten im Bauelement ein, weil dort Spitzen der elektrischen Feldstärke vorliegen, und begrenzt die maximal vom Bauelement gehaltene Sperrspannung nach oben. Im Folgenden wird diese maximal gehaltene Sperrspannung beim Einsatz der Lawi nenmultiplikation als Sperrfähigkeit bzw. Spannungsfestigkeit des Halbleiterbauelements bezeichnet. In entsprechender Weise können auch Teilbereiche des Halbleiterbauelements eines solche Sperrfähigkeit aufweisen.
  • Erfolgt eine derartige Lawinenmultiplikation in der Nähe eines Dielektrikums, beispielsweise dem die Driftzone und die Driftsteuerzone trennenden Dielektrikum oder einem Gatedielektrikum, das eine Gateelektrode dielektrisch gegenüber einer Bodyzone isoliert, so kann dieses Dielektrikum durch die bei der Lawinenmultiplikation generierten, schnellen Ladungsträger geschädigt werden.
  • Bei einem Bauelement mit einer Driftzone und einer Driftsteuerzone wird die Problematik eines nahe des Dielektrikums auftretenden Lawinendurchbrüche außerdem dadurch verstärkt, dass an der Grenzfläche zwischen der Driftzone und dem Dielektrikum Grenzflächenladungen vorhanden sind. Diese können in dem an das Dielektrikum angrenzenden Bereich der Driftzone eine Krümmung der Äquipotenzialflächen bewirken, so dass dort die Durchbruchspannung des Halbleitermaterials bei ansteigender Sperrspannung eher erreicht wird als in den weiter vom Dielektrikum 50 beabstandeten Abschnitten der Driftzone 20. Ein Lawinendurchbruch setzt dadurch unmittelbar am Dielektrikum ein.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Halbleiterbauelement bereitzustellen, bei dem eine Lawinenmultiplikation in unmittelbarer Nähe eines Dielektrikums vermieden wird, und ein Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven Struktur in einem Halbleiterkörper zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1, durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements gemäß Patentanspruch 17 gelöst.
  • Ein Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Driftzone, die zwischen einer ersten und einer zweiten Bauelementzone angeordnet ist, eine Driftsteuerzone die in einer ersten Richtung benachbart zu der Driftzone angeordnet ist, eine Dielektrikumsschicht, die zwischen der Driftzone und der Driftsteuerzone angeordnet ist, wobei die Driftzone wenigstens abschnittsweise ausgehend von dem Dielektrikum eine variierende Dotierung und/oder eine variierende Materialzusammensetzung aufweist.
  • Bei einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Verfahrensschritte vorgesehen:
    Bereitstellen eines Halbleiterkörpers mit einer ersten Seite, in den sich ausgehend von der ersten Seite ein Graben hinein erstreckt,
    konformes Abscheiden wenigstens einer Halbleiterschicht wenigstens an den Seitenwänden des Grabens, und
    Erzeugen einer Dielektrikumsschicht auf der Halbleiterschicht in einem nach dem Herstellen der Halbleiterschicht verbleibenden Graben.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt ein als MOS-Transistor ausgebildetes Bauelement mit einer Driftzone und einer Driftsteuerzone ausschnittsweise im Querschnitt.
  • 2 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Dotierungskonzentration und Durchbruchfeldstärke bei einem Halbleitermaterial.
  • 3 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Dotierungskonzentration und Spannungsbelastbarkeit bei für Halbleiterschichten unterschiedlicher Dicke.
  • 4 veranschaulicht ausschnittsweise ein Bauelement mit einer Driftzone und einer Driftsteuerzone.
  • 5 veranschaulicht den Einfluss von Grenzflächenladungen an einer Dielektrikumsschicht auf die Potentialverteilung einer benachbart zu dem Dielektrikum angeordneten Halbleiterschicht bei einer sich ausbreitenden Raumladungszone.
  • 6 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven Struktur in einem Halbleiterkörper anhand von Querschnittsdarstellungen des Halbleiterkörpers während verschiedener Verfahrensschritte.
  • 7 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung einer Bipolardiodenstruktur in einem Halbleiterkörper.
  • 8 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven Struktur in einem Halbleiterkörper anhand von Querschnittsdarstellungen des Halbleiterkörpers während verschiedener Verfahrensschritte.
  • 9 veranschaulicht Verfahrensschritte zum Herstellen einer Halbleiterschicht an Seitenwänden eines Grabens eines Halbleiterkörpers anhand von Querschnittsdarstellungen des Halbleiterkörpers während verschiedener Verfahrensschritte.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente mit gleicher Funktion.
  • 1 zeigt im Querschnitt einen Halbleiterkörper 1, in dem Bauelementzonen eines als MOS-Transistor ausgebildeten Halbleiterbauelements integriert sind. Der MOS-Transistor weist eine Driftzone 20 und eine in einer Richtung quer zu einer Stromflussrichtung angeordnete Driftsteuerzone 30, die durch eine Dielektrikumsschicht 50 dielektrisch gegenüber der Driftzone 20 isoliert ist, auf. Diese Dielektrikumsschicht wird nachfolgend als Driftsteuerzonendielektrikum 50 bezeichnet.
  • Der dargestellte MOS-Transistor ist zellenartig aufgebaut und umfasst eine Vielzahl gleichartiger Transistorzellen, die parallel geschaltet sind und die jeweils eine Driftzone 20, eine Sourcezone 40, eine Bodyzone 41, eine Drainzone 10, eine Gateelektrode 43 und ein Gatedielektrikum 44 aufweisen. Die Bodyzonen 41 sind hierbei zwischen den Driftzonen 20 und den Sourcezonen 40 angeordnet und bei einem selbstsperrenden Transistor komplementär zu den Sourcezonen 40 dotiert. Die Gateelektroden 43 sind jeweils benachbart zu den Bodyzonen 41 angeordnet, durch die Gatedielektrika 44 gegenüber den Bodyzonen 41 isoliert und dienen zur Steuerung eines leitenden Kanals in der jeweiligen Bodyzone 41 entlang des Gatedielektrikums 44 zwischen der Sourcezone 40 und der Driftzone 20. Die Drainzone 10 schließt sich an die Driftzonen 20 an und ist in dem dargestellten Beispiel allen Transistorzellen gemeinsam.
  • Die Sourcezonen 42 sind durch eine Sourceelektrode 72 kontaktiert, die die Sourcezonen 42 und die Bodyzonen 41 außerdem kurzschließt. Zum Anschluss an die Bodyzonen 41 sind optional hochdotierte Anschlusszonen 42 vorhanden.
  • Der dargestellte Transistor ist als selbstsperrender n-leitender MOS-Transistor realisiert. Die Sourcezonen 40, die Driftzonen 20 und die Drainzone 10 sind hierbei n-dotiert, die Bodyzonen 41 sind p-dotiert, wobei die Sourcezonen 41 und die Drainzone 10 niedriger dotiert sind als die Driftzonen 20, die bei sperrenden Bauelement zur Aufnahme einer anliegenden Sperrspannung dienen. Die Angabe des Dotierungstypen in 1 dient lediglich zum besseren Verständnis. Das Bau element kann selbstverständlich auch als p-leitender Transistor realisiert sein. Die in 1 angegebenen Dotierungstypen sind dann zu invertieren. Das nachfolgend erläuterte Konzept ist selbstverständlich auch auf IGBT anwendbar, bei denen die Drainzone komplementär zu der Driftzone dotiert ist.
  • Der MOS-Transistor gemäß 1 ist als vertikaler Transistor realisiert. Die Drainzone 10, die Driftzone 20, die Bodyzone 41 und die Sourcezone 40 sind hierbei in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers benachbart zueinander angeordnet. Eine Stromflussrichtung, d. h. die Richtung, in der Ladungsträger bei leitendem Bauelement durchfließen, entspricht hierbei der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers. Das nachfolgend erläuterte Erfindungskonzept ist allerdings nicht auf vertikale Bauelemente beschränkt sondern kann in entsprechender Weise auch auf laterale Bauelemente angewendet werden.
  • In einer ersten Richtung benachbart zu den Driftzonen 20 sind bei dem dargestellten Bauelement jeweils Driftsteuerzonen 30 angeordnet, die aus einem Halbleitermaterial bestehen und die jeweils durch ein Driftsteuerzonendielektrikum gegenüber den Driftzonen 20 isoliert sind. Die erste Richtung verläuft bei dem dargestellten Bauelement quer zu der Stromflussrichtung und entspricht der lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 1.
  • Die Driftsteuerzonen 30 sind elektrisch an die Drainzone 10 gekoppelt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Kopplung durch ein Gleichrichterelement in Form einer Diode 60 realisiert. Diese Diode ist in Halbleiterkörper 100 zwischen der Drainzone 10 und der Driftzone integriert, und weist zwei komplementär zueinander dotierte Halbleiterzonen auf, eine erste komplementär zu der Drainzone 10 dotierte Diodenzone 62, die sich an die Drainzone 10 anschließt und eine komplementär zu der ersten Diodenzone 62 dotierte zweite Diodenzone 61, die sich an die Driftsteuerzone 30 anschließt und die jeweils höher dotiert sind als die Driftsteuerzone 30. In nicht näher dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, die Drainzone 10 mittels einer Schottkydiode oder eines Tunneloxids an die Driftsteuerzone 30 zu koppeln. Durch eine solche Kopplung unter Verwendung eines Gleichrichterelements oder eines Tunneloxids wird erreicht, dass das elektrische Potential der Driftsteuerzone 30 betragsmäßig nicht unter das elektrische Potential der Drainzone 10 absinken kann.
  • Die Transistorzellen sind beispielsweise als sogenannte Streifenzellen realisiert und sind in einer Richtung senkrecht zu der dargestellten Zeichenebene langgestreckt ausgebildet. Die Transistorzellen können darüber hinaus auch polygonale Transistorzellen aufweisen. Die Driftzonen 20 besitzen in einer senkrecht zu der Zeichenebene verlaufenden Ebene dann einen polygonalen, beispielsweise einen quadratischen oder sechseckförmigen Querschnitt, und sind in dieser Ebene von der Driftsteuerzone 30 umgeben. Wahlweise kann auch die Driftsteuerzone aus Abschnitten mit polygonalem Querschnitt bestehen, die von der Driftzone umgeben sind.
  • Der dargestellte Transistor leitet bei Anlegen eines geeigneten Ansteuerpotentials an die Gateelektrode 43. In diesem Fall breitet sich ein Inversionskanal in der Bodyzone 41 entlang des Gatedielektrikums 44 zwischen der Sourcezone 40 und der Driftzone 20 aus. Die wenigstens auf Drainpotential liegende Driftsteuerzone 30 bewirkt in der benachbarten Driftzone 20 eine Akkumulation von Ladungsträgern unmittelbar entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 50. Im Ergebnis entsteht parallel zu diesem Dielektrikum 50 bzw. entlang dieses Dielektrikums 50 ein Akkumulationskanal 21. Die Driftsteuerzone 30, und damit der Akkumulationskanal, erstrecken sich in dem dargestellten Beispiel entlang der gesamten Driftzone 20. In nicht näher dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, die Driftsteuerzone 30 so zu realisieren, dass diese sich nur entlang eines Abschnitts, beispielsweise entlang eines sich an die Bodyzone 41 angrenzenden Abschnitts, der Driftzone 20 erstreckt.
  • Um eine gute Akkumulation von Ladungsträgern in der Driftzone 20 zur Ausbildung des Akkumulationskanals zu bewirken, ist es wünschenswert, das Dielektrikum 50 mit einer möglichst geringen Dicke herzustellen, damit das elektrische Feld der Driftsteuerzone 30 durch das Dielektrikum 50 nicht zu sehr abgeschwächt wird. Die Schichtdicke des Dielektrikums 50 ist im Idealfall gerade so gewählt, dass die erforderliche elektrische Isolation zwischen der Driftzone 20 und der Driftsteuerzone 30 sichergestellt ist. Die notwendige Schichtdicke des Dielektrikums 50 ist hierbei abhängig von der bei sperrendem Bauelement zwischen der Driftzone 20m und der Driftsteuerzone 30 anliegenden Spannung. Um diese Spannung möglichst gering zu halten, und damit ein möglichst dünnes Dielektrikum realisieren zu können, ist die Driftsteuerzone so realisiert dass sich bei sperrendem Bauelement eine Raumladungszone in der Driftsteuerzone 30 ausbreiten kann. Die Driftsteuerzone 30 besteht hierzu beispielsweise aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, dessen Dotierungskonzentration der Dotierungskonzentration der Driftzone 20 entsprechen kann.
  • Bei sperrendem Bauelement breitet sich in der Driftzone 20 ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der Bodyzone 41 und der Driftzone 20 eine Raumladungszone aus, durch welche das elektrische Potential in der Driftzone 20 bei einer positiven Drain-Source-Spannung in Richtung der Drainzone 10 zunimmt. Bedingt durch die sich im Sperrfall auch in der Driftsteuerzone 30 ausbreitende Raumladungszone folgt das elektrische Potential in der Driftsteuerzone 30 entlang des Dielektrikums 50 dem elektrischen Potential der Driftzone 20, wodurch ein Spannungsabfall über dem Dielektrikum 50 begrenzt ist. Der Spannungsverlauf in der Driftsteuerzone 30 wird insbesondere bestimmt durch die Dotierungskonzentration in der Driftsteuerzone 30, die der Dotierungskonzentration der Driftzone 20 entsprechen kann und die für Bauelemente mit Sperrspannungen bis etwa 600 V im Bereich von etwa 1014 cm–3 liegen kann. Für höhere Sperrspannungen bis 2000 V kann die Dotierungskonzentration auf die Hälfte reduziert werden. Um eine Beschädigung des Bauelements zu vermeiden, sollte die Dotierungskonzentration der Driftsteuerzone 30 so auf die Dotierungsverhältnisse in der Driftzone 20, die Spannungsfestigkeit des Driftsteuerzonendielektrikums 50 und die gewünschte Spannungsfestigkeit des Bauelements abgestimmt sein, dass bei einer maximal zulässigen Sperrspannung (d. h. Laststreckenspannung bei sperrend angesteuertem Bauelement) kein Avalanche-Durchbruch in der Driftsteuerzone 30 auftritt und dass sich eine Raumladungszone in der Driftsteuerzone 30 so weit in der Stromflussrichtung ausbreitet, dass das aus den Feldstärkekomponenten in der Stromflussrichtung und senkrecht zu der Stromflussrichtung gebildete elektrische Feld die Durchbruchsfeldstärke des für die Driftsteuerzone 30 verwendeten Halbleitermaterials nicht überschreitet. Die Dotierungsverhältnisse in der Driftsteuerzone 30 können insbesondere so gewählt werden, dass die Driftsteuerzone 30 in einer Richtung senkrecht zu der Stromflussrichtung bzw. senkrecht zu dem Driftsteuerzonendielektrikum 50 vollständig ausräumbar ist. Die Stromflussrichtung entspricht bei dem dargestellten Bauelement einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 1.
  • Die Ausbreitung der Raumladungszone in der Driftsteuerzone 30 wird "gesteuert" durch das elektrische Potential in der Driftzone 20. Zuvor in der Driftsteuerzone 30 vorhandene Ladungsträger werden hierbei in eine Speicherkapazität verschoben, die in dem Beispiel als interne Speicherkapazität realisiert ist und an einem der Drainzone 10 abgewandten Ende der Driftsteuerzone 30 eine komplementär zu der Driftsteuerzone 30 dotierte Halbleiterzone 31 aufweist, die durch einen Abschnitt des Dielektrikums 50 gegenüber der Bodyzone 41 bzw. deren Anschlusszone 42 isoliert ist. Die Speicherkapazität wird hierbei gebildet durch die auf Sourcepotential liegende Bodyzone 41 bzw. deren Anschlusszone 42, einen Abschnitt des Dielektrikums 50 und die Halbleiterzone 31. Alternativ oder zusätzlich kann eine externe Speicherkapazität 32 vorhanden sein, die zwischen die Driftsteuerzone 30 und die Sourcezone 40 geschaltet ist. Zwischen die Driftsteuerzone und die Sourcezone 40 kann außerdem ein Gleichrichterelement 33, beispielsweise eine Diode, geschaltet sein, die im wesentlichen zur Begrenzung einer Spannung über der Speicherkapazität dient.
  • Darüber hinaus kann die Driftsteuerzone 30 an eine Ladeschaltung angeschlossen sein, die dafür sorgt, dass die Driftsteuerzone 30 bei leitendem Bauelement ein elektrisches Potential aufweist, das höher ist als das elektrische Potential der Drainzone 10. Eine solche Ladeschaltung umfasst beispielsweise ein weiteres Gleichrichterelement 34, das die Driftsteuerzone 30 an die Gateelektrode 43 anschließt und über das die Driftsteuerzone 30 bei leitendem Bauelement auf das Gatepotential aufgeladen wird.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die in der Figur angegebenen gleichen Dotierungstypen der Driftzone 20 und der Driftsteuerzone 30 lediglich als Beispiel zu verstehen sind und dass insbesondere die Möglichkeit besteht, die Driftsteuerzone 30 und die Driftzone 20 komplementär zueinander zu dotieren die Driftsteuerzone als undotierte bzw. intrinsische Halbleiterzonen zu realisieren. Die Steuerung eines leitenden Kanals in der Driftzone 20 durch die Driftsteuerzone 30 ermöglicht sogar eine Dotierung der Driftzone 20 komplementär zu der Drainzone 10. Ein Raumladungszone breitet sich in der Driftzone 20 dann ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der Drainzone 10 und der Driftzone 20 aus.
  • Die Dicke des Driftsteuerzonendielektrikums 50 liegt zwischen einigen 10 und einigen 100 nm. Bei einer Spannungsdifferenz von 20 V zwischen dem Dielektrikum 50 und der Driftzone 20 beträgt die Schichtdicke bei Verwendung von Siliziumoxid (SiO2) als dielektrisches Material beispielsweise zwischen 30 nm und 200 nm.
  • Gleichzeitig muss sich das Dielektrikum 50 im Vergleich zu seiner Dicke sehr tief in den Halbleiterkörper 1 hinein erstrecken. Die erforderliche Tiefe hängt von der gewünschten Sperrspannungsfestigkeit des Bauelements und damit von den Abmessungen der Driftzone 20 in der vertikalen Richtung v ab. Die maximale Sperrspannung wird bei einer gegebenen Geometrie und gegebenen Dotierungsverhältnissen durch die elektrische Feldstärke bestimmt, bei der im Halbleitermaterial Lawinenmultiplikation einsetzt.
  • Bei einem Bauelement mit einer Sperrspannungsfestigkeit von 600 V beträgt die erforderliche Abmessung der Driftzone 20 in der Stromflussrichtung, d. h. in dem Beispiel in der vertikalen Richtung v, etwa 55 μm.
  • Erstreckt sich das Dielektrikum entlang der gesamten Driftzone 20 in Richtung der Drainzone 10 so ergibt sich bezogen auf die genannten Beispielwerte für das Dielektrikum 50 ein Aspektverhältnis, d. h. ein Verhältnis von Breite zu Tiefe, von 1:550 bis 1:1830.
  • Die Dotierungen der Driftzone 20 und der Driftsteuerzone 30 sind bei dem dargestellten Bauelement beispielsweise so gewählt, dass, das Produkt ND·Unenn aus Grunddotierung ND und Nenn-Sperrspannung Unenn kleiner ist als 1,8·1017 (V·Atome)/cm3, und insbesondere im Bereich von 0,6·1017 (V·Atome)/cm3 bis 1,0·1017 (V·Atome)/cm3 liegt.
  • Bei sperrendem Bauelement, d. h. bezogen auf das Bauelement gemäß 1 bei nicht ausgebildetem Inversionskanal und einer positiven Spannung zwischen Drain 10 und Source/Body 40, 41 breitet sich in der Driftzone 20 in bereits erläuterter Weise eine Raumladungszone aus. Erreicht eine elektrische Feldstärke bei sich ausbreitender Raumladungszone den Wert der kritischen Feldstärke Ekrit, so tritt ein Lawinendurchbruch auf.
  • Um zu vermeiden, dass ein solcher Lawinendurchbruch an dem Driftsteuerzonendielektrikum 50 auftritt, ist bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Dotierung der Driftzone 20 in der ersten Richtung ausgehend von dem Driftsteuerzonendielektrikum so zu variieren, dass die Spannungsbelastbarkeit der Driftzone 20 in einem sich an das Dielektrikum 50 anschließenden und sich von der Drainzone 10 bis an die Bodyzone 41 erstreckenden Abschnitt größer ist als in einem beabstandet zu dem Dielektrikum 50 angeordneten, sich von der Drainzone 10 bis an die Bodyzone 41 erstreckenden Abschnitt.
  • Man macht sich hierbei zu Nutze, dass die Spannungsfestigkeit bzw. Spannungsbelastbarkeit einer Halbleiterzone einer bestimmten Dicke, die sich an einen abrupten pn-Übergang anschließt, über deren Dotierung einstellbar ist. Dies wird nachfolgend anhand der 2 und 3 für eine n-dotierte Halbleiterzone aus Silizium erläutert, wobei 2 die kritische Feldstärke bzw. Durchbruchfeldstärke abhängig von der Dotierungskonzentration ND und 3 die Spannungsfestigkeit von Halbleiterzonen unterschiedlicher Dicke abhängig von der Dotierungskonzentration veranschaulicht.
  • Bezugnehmend auf 2 nimmt die Durchbruchfeldstärke mit steigender Dotierung zu, bzw. verringert sich mit abnehmender Dotierung. Bei einer vorgegebenen Dicke d der Halbleiterschicht weist die Durchbruchspannung in Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration ND hingegen ein Maximum auf und nimmt für Dotierungskonzentration, die größer sind und die kleiner sind als die das Maximum bestimmende Dotierungskonzentration ab. Besonders anschaulich wird dies in 3 anhand der Kurven für die dickeren Halbleiterzonen mit d = 40 ... 60 μm.
  • Die Ursache für dieses Verhalten liegt im Mechanismus für die Lawinenmultiplikation bzw. den Lawinendurchbruch begründet, bei dem ein Ladungsträger innerhalb seiner freien Weglänge zwischen zwei Wechselwirkungen mit dem Gitter, d. h. zwei Gitterstößen im elektrischen Feld soviel Energie aufnimmt, dass die Ionisationsenergie von Silizium erreicht bzw. überschritten wird. Der Ladungsträger besitzt damit ausreichend Energie, um beim nächsten Stoß mit einem Gitteratom dieses zu ionisieren. Für das neu gebildete Elektron-Loch-Paar gilt wiederum die Beschleunigung im elektrischen Feld, so dass es zum lawinenartigen Anwachsen des Sperrstroms kommt. Wird die Dotierung erhöht, so erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit dem Kristallgitter oder mit anderen Worten, die freie Weglänge zwischen zwei Gitterstößen sinkt. Somit nimmt die kritische Feldstärke mit steigender Dotierung zu. Auf der anderen Seite wird die Sperrspannung VBR über das Integral
    Figure 00130001
    berechnet, wobei der Abstand b–a die in der 3 angegebene aktive Dicke des Bauelements darstellt. Mit steigender Dotierung nimmt der Gradient des elektrischen Feldes zu, so dass die Feldstärke mit wachsendem Abstand zum pn-Übergang stärker zurückgeht und somit auch der Zuwachs zum Integral sinkt.
  • Ausgehend von sehr niedrigen Dotierungen steigt bei einer gegebenen Dicke des Bauelements die Sperrspannung damit zunächst an, was an der gestiegenen kritischen Feldstärke liegt, bei der die Lawinenmultiplikation einsetzt. Bei weiter ansteigender Dotierung nimmt die Sperrspannung dann wieder ab, da über den stärkeren Rückgang der Feldstärke gemäß der höheren Dotierung der Anteil der tieferliegenden Halbleiterbereiche zur Sperrspannung abnimmt.
  • Die erforderliche Variation des Dotierungsverlaufs in der Driftzone 20 zur Verringerung der Spannungsbelastbarkeit eines Abschnitts der Driftzone 20 beabstandet zu dem Dielektrikum 50 im Vergleich zu einem Abschnitt unmittelbar benachbart zu dem Dielektrikum 50 kann wie folgt ermittelt werden: Unter Berücksichtigung der gewünschten Spannungsfestigkeit des Bauelements werden zunächst die erforderliche Dicke d der Drift zone 20 und die Dotierungskonzentration, die nachfolgend als erste Dotierungskonzentration bezeichnet wird, ermittelt. Diese erste Dotierung kann als "Grunddotierung" der Driftzone 20 verwendet werden. Anschließend wird anhand von Kurvenverläufen, wie sie in 3 dargestellt sind, ermittelt, ob die erste Dotierungskonzentration betrachtet für ansteigende Konzentrationen vor oder nach dem Maximum der Spannungsfestigkeit liegt. Liegt der ermittelte Dotierungswert nach (vor) dem Maximum, so wird für den sich unmittelbar an das Dielektrikum 50 anschließenden Abschnitt der Driftsteuerzone eine zweite Dotierungskonzentration festgelegt, die kleiner (größer) als die erste Dotierungskonzentration ist, wodurch die Spannungsbelastbarkeit entlang des Dielektrikums gegenüber übrigen Bereichen der Driftzone 20 erhöht ist.
  • Bei Leistungsbauelementen mit 600 V Nennspannung liegt die Dicke der Driftzone 20 im Bereich von ca. 55 μm und die Dotierungskonzentration im Bereich von 1014 cm–3. Bei einem solchen Bauelement wird die Dotierungskonzentration der Driftzone 20 im Bereich des Dielektrikums 50 lokal abgesenkt.
  • Zur Einstellung einer lokal erhöhten Spannungsbelastbarkeit an dem Dielektrikum kann die Driftzone in zwei oder mehr Abschnitte bzw. Schichten unterteilt sein, die in Richtung des Dielektrikums benachbart angeordnet sind. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass der Abschnitt mit der höchsten Spannungsbelastbarkeit nicht notwendigerweise unmittelbar an dem Dielektrikum 50 angeordnet sein muss, sondern auch in geringem Abstand zu dem Dielektrikum liegen kann.
  • Die Driftzone 20 des in 1 dargestellten Bauelements weist in der ersten Richtung zwei Abschnitte auf, einen ersten Abschnitt 21, der die der erste Dotierung aufweist, und einen zwischen dem ersten Abschnitt und dem Dielektrikum angeordneten zweiten Abschnitt. Die Dotierungskonzentration des des zweiten Abschnitts 22 kann hierbei homogen sein, und der zweiten Dotierungskonzentration entsprechen. Die Dotierungs konzentration des zweiten Abschnitts 22 kann jedoch auch kontinuierlich oder stufenweise in Richtung des Dielektrikums 50 abnehmen (zunehmen).
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Spannungsbelastbarkeit des zweiten Abschnitts 22 ausgehend von dem ersten Abschnitt 21 zunehmen und nach Erreichen eines Maximums in Richtung des Dielektrikums 50 wieder abnehmen kann. Der Abschnitt der Driftzone 20 mit der höchsten Spannungsbelastbarkeit liegt dann nicht unmittelbar an dem Dielektrikum 50, sondern zwischen dem Abschnitt mit der dotierungsbedingt höchsten Spannungsbelastbarkeit und dem Dielektrikum ist ein schmaler Abschnitt, beispielsweise mit einer Breite zwischen einigen nm und einigen 100 nm vorhanden, der beispielsweise in Zusammensetzung und Dotierungskonzentration dem ersten Abschnitt 21 entsprechen kann. Der Abschnitt mit der höchsten Spannungsbelastbarkeit schützt in diesem Fall dennoch das Dielektrikum 50.
  • Um einen Spannungsdurchbruch an dem Dielektrikum 50 zu vermeiden, genügt es, wenn der zweite Abschnitt 22 der Driftzone abschnittsweise eine gegenüber dem ersten Abschnitt 21 verringerte (erhöhte) Dotierung aufweist. Bezugnehmend auf 4 kann die Dotierungskonzentration des zweiten Abschnitts 22 der Driftzone 20 in Stromflussrichtung variieren. So kann der zweite Abschnitt 22 beispielsweise in einem sich an die Bodyzone 41 anschließenden Abschnitt 221 eine niedrigere (höhere) Dotierung als in einem sich an die Drainzone anschließenden Abschnitt 222. Die Dotierung dieses weiteren, sich an die Drainzone anschließenden Abschnitts 222 kann beispielsweise der Dotierung des ersten Abschnitts 21 der Driftzone 20 entsprechen.
  • Zur Vermeidung eines Spannungsdurchbruchs am Dielektrikum 50 ist bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Materialzusammensetzung des Halbleitermaterials der Driftzone 20 in der ersten Richtung zu variieren. Man macht sich hierbei zu Nutze, dass die kritische Feldstärke bzw. Durchbruchfeldstärke eines zusammengesetzten Halbleitermaterials abhängig von dessen Zusammensetzung variieren kann.
  • Ein Beispiel für ein Halbleitermaterial mit einer von der Zusammensetzung abhängigen Durchbruchfeldstärke ist Silizium-Germanium (SiGe). Bei SiGe nimmt die Durchbruchfeldstärke mit zunehmenden Germaniumanteil ab. Bei einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, die Driftzone wenigstens abschnittsweise derart aus SiGe zu realisieren, dass der Ge-Anteil in Richtung des Dielektrikums 50 abnimmt. So kann bezugnehmend auf die 1 und 4 der erste Abschnitt 21 der Driftzone 20 beispielsweise aus SiGe mit einem ersten Ge-Anteil und der zweite Abschnitt aus SiGe mit einem zweiten geringeren Ge-Anteil oder reinem Silizium bestehen. Zusätzlich zu einer Variation der Zusammensetzung des Halbleitermaterials in der ersten Richtung kann dessen Dotierung variieren, um eine höhere Spannungsbelastbarkeit des an das Dielektrikum 50 angrenzenden zweiten Abschnitts 22 der Driftzone 20 zu erreichen.
  • Die Verwendung von SiGe in der Driftzone 20 entlang des Dielektrikums hat außerdem den Vorteil einer Verringerung des Einschaltwiderstandes, da SiGe im Vergleich zu Silizium (Si) eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit besitzt.
  • Bei einer weiteren Variante ist vorgesehen, den ersten Abschnitt 21 der Driftzone 20 aus Si und den zweiten Abschnitt 22 aus SiGe zu realisieren. Da SiGe bei gleicher Dotierung eine niedrigere Durchbruchfeldstärke aufweist wie Si, ist hierbei die Dotierungskonzentration von SiGe entsprechend niedriger zu wählen, um einen Spannungsdurchbruch in der zweiten Schicht zu vermeiden. Darüber hinaus kann der Ge-Anteil in dem SiGe-Abschnitt 22 in Richtung des Dielektrikums 50 abnehmen, um die Zone höchster Spannungsbelastbarkeit an dem Dielektrikum zu erreichen. Eine niedrigere Dotierung des SiGe im Vergleich zur Dotierung des Si ist im Hinblick auf den Einschaltwiderstand unkritisch, da dieser maßgeblich durch den Akkumulationskanal und weniger durch die Dotierung der Driftzone 20 bestimmt wird.
  • Die Spannungsbelastbarkeit des Driftzonenabschnitts 22 unmittelbar benachbart zu dem Dielektrikum 50 kann außer von der Dotierung und dessen Materialzusammensetzung auch durch (feste) Grenzflächenladungen an der Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum 50 und der Driftzone 20 und durch Ladungen in dem Dielektrikum beeinflusst werden. Dies wird nachfolgend anhand der 5A bis 5C erläutert, in denen für eine sich ausbreitende Raumladungszone in einer homogen dotierten Driftzone die Äquipotentiallinien (gestrichelt dargestellt) des Spannungsverlaufs dargestellt sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den Figuren lediglich die das Sperrverhalten des Bauelements bestimmenden Bauelementzonen, nämlich die Bodyzone 41, die Driftzone 20 und die Drainzone 10 dargestellt. Die übrigen Bauelementzonen, wie die Sourcezone, die Gateelektrode oder die Driftsteuerzone mit Driftsteuerzonendielektrikum sind nicht oder nicht vollständig dargestellt.
  • 5A zeigt die Äquipotentialverläufe für den Fall einer neutralen, d. h. keine Ladungen aufweisenden Grenzfläche. Die Potentialverteilung in der Driftzone 20 ist dadurch innerhalb einzelner jeweils senkrecht zu der Stromflussrichtung verlaufender Ebenen homogen.
  • Die 5B und 5C zeigen die Potentialverläufe für den Fall einer positiven Drain-Source-Spannung und positiver Grenzflächenladungen bzw. negativer. Diese Grenzflächenladungen führen zu einer inhomogenen Potentialverteilung innerhalb einzelner senkrecht zu der Stromflussrichtung bzw. parallel zu dem pn-Übergang verlaufenden Ebenen bzw. zu gekrümmten Verläufen der Äquipotentiallinien im Bereich des Dielektrikums 50. Im Bereich der Krümmungen der Äquipotentiallinien liegt eine höhere Feldstärkebelastung und dadurch ein höheres Risiko eines Spannungsdurchbruchs vor, sofern keine weiteren Maßnahmen ergriffen werden.
  • Eine solche Krümmung kann durch eine geeignete Wahl der Dotierungsverhältnisse vermieden werden, wie nachfolgend erläutert wird. Zu Zwecken der Erläuterung sei hierzu zunächst angenommen, dass die Driftzone 20 in eine Vielzahl senkrecht zu der Stromflussrichtung verlaufender Ebenen bzw. infinitesimal dünner Scheiben unterteilbar ist. Mit Q21 sei nachfolgend die Dotierstoffladung des ersten Abschnitts innerhalb einer solchen Ebene, mit Q22 die Dotierstoffladung des zweiten Abschnitts 22 und mit Q20,50 die innerhalb der Ebene liegende Grenzflächenladung bezeichnet.
  • Eine Krümmung der Äquipotentiallinien kann verhindert werden, wenn die Dotierungen des ersten und zweiten Abschnitts – unter der Nebenbedingung einer höheren Spannungsbelastbarkeit des zweiten Abschnitts 22 so gewählt sind, dass gilt: Q21 – Q22 ≈ Q20,50 (1)
  • Die Differenz zwischen der Ladung Q21 in dem ersten Abschnitt und der Ladung in dem zweiten Abschnitt sollte als wenigstens annähernd der Grenzflächenladung entsprechen. Die jeweiligen Ladungen sind hierbei selbstverständlich vorzeichenrichtig zu betrachten. Positive Grenzflächenladungen erfordern somit eine positive Differenz, und umgekehrt. Zur Kompensation der Grenzflächenladungen besteht insbesondere die Möglichkeit, den ersten und zweiten Abschnitt 21, 22 der Driftzone 20 komplementär zueinander zu dotieren. Wird bei einem n-leitenden Bauelement der zweite Abschnitt 22 der Driftzone 20 p-dotiert, so steuert die Driftsteuerzone 30 einen Inversionskanals anstelle eines Akkumulationskanals entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 50 und es ist möglich, Ladungen Q20,50 zu kompensieren, welche größer sind als die Ladung Q21.
  • Hierbei ist folgender Zusammenhang eingehalten werden, um einen Lawinendurchbruch in der Driftzone in einer Richtung senkrecht zu der Stromflussrichtung zu vermeiden:
    Figure 00190001
    wobei BDZ die Breite der Driftzone in radialer Richtung r, HDZ die Höhe der Driftzone in vertikaler Richtung v und QBR die „Durchbruchladung" angibt, welche bei ca. 2·1012Dotierstoffatome/cm2 liegt. Zu beachten ist, dass in (1) die Ladung der Dotierstoffatome in der Raumladungszone ebenfalls vorzeichenrichtig berücksichtigt werden müssen, d. h. die positive Raumladung von Donatoren und die negative Raumladung von Akzeptoren.
  • Bei einem zellenartig aufgebauten Bauelement entsprechend 1, ist für die Ermittlung der Beziehungen (1) und (2) nur jeweils der Anteil der Driftzone zu betrachten, der zu einer Halbzelle gehört. Bei dem Bauelement gemäß 1 umfasst eine Halbzelle in lateraler Richtung nur die halbe Driftzone, so dass entsprechend nur über die halbe Breite der Driftzone 20 zu integrieren ist. Die Abmessungen einer solchen Halbzelle sind in 1 strichpunktiert eingezeichnet und mit Z bezeichnet.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf MOS-Transistoren beschränkt ist, sondern auf beliebige Bauelemente mit einer Driftzone und einer Driftsteuerzone anwendbar ist, insbesondere auch auf Bipolardioden und Schottkydioden. Eine Bipolardiode erhält man beispielsweise, wenn man bei dem MOS-Transistor gemäß 1, der sich im Sperrfall wie eine Diode verhält, auf die Sourcezone und die Gateelektrode verzichtet. Eine Schottkydiode erhält man beispielsweise, wenn man bei dem Bauelement gemäß 1 auf die Sourcezone, die Bodyzone und die Gateelektrode verzichtet und für die dann die Driftzone kontaktierende Elektrode ein geeignetes, einen Schottkyübergang bildendes Material wählt.
  • Zur Realisierung der zuvor erläuterten Bauelemente ist die Herstellung einer kapazitiven Struktur in einem Halbleiterkörper erforderlich, die ein in einem Graben angeordnetes Dielektrikum mit einem hohen Aspektverhältnis aufweist. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen kapazitiven Struktur wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 6A bis 6E erläutert. Die Figuren zeigen einen Halbleiterkörper 1 im Querschnitt während verschiedener Phasen der Herstellung der kapazitiven Struktur.
  • Das Verfahren wird nachfolgend anhand eines Verfahrens zur Herstellung zur Herstellung einer kapazitiven Struktur für das in 1 dargestellte Bauelement erläutert, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das Verfahren beginnt bezugnehmend auf 1 mit der Bereitstellung eines Halbleiterkörpers 1, der zwei Halbleiterschichten, eine erste Halbleiterschicht 10 und eine auf die erste Halbleiterschicht 10 aufgebrachte zweite Halbleiterschicht 25 umfassen kann. Die erste Halbleiterschicht 10 ist beispielsweise ein Halbleitersubstrat, die zweite Halbleiterschicht beispielsweise eine auf das Substrat 10 aufgebrachte Epitaxieschicht.
  • In dem Halbleiterkörper 1 kann zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht 10, 25 eine Diodenstruktur mit komplementär zueinander dotierten Halbleiterzonen 61, 62 (gestrichelt dargestellt) angeordnet sein.
  • Die Integration einer solchen Diodenstruktur erfolgt bezugnehmend auf die 7A und 7B beispielsweise durch Implantation von Dotierstoffatomen in eine zunächst abgeschiedene Teilschicht 25' der Epitaxieschicht unter Verwendung einer strukturierten Maske. Zueinander komplementäre Dotierstoffe werden hierbei in unterschiedliche Tiefen implantiert. 7A zeigt die Bauelementstruktur nach Aufbringen der Maske, 7B zeigt die Struktur nach Durchführung der Implantation.
  • Nach dem Entfernen der Maske 101 wird die Epitaxieschicht 25 weiter aufgebaut, was im Ergebnis in 6A dargestellt ist.
  • Bezugnehmend auf 6B werden danach Gräben 26 hergestellt, die sich ausgehend von einer ersten Seite, die nachfolgend als Vorderseite bezeichnet wird, in einer vertikalen Richtung in den Halbleiterkörper 1 hinein erstrecken. Die Herstellung der Gräben kann beispielsweise unter Verwendung einer auf die Vorderseite 11 der Epitaxieschicht 25 aufgebrachten strukturierten Maske 102 mittels eines anisotropen Ätzprozesses erfolgen.
  • Die Breite eines Grabens 26 kann hierbei größer gewählt sein als die Breite des nachfolgend in dem Graben 26 herzustellenden Dielektrikums. Dies ist von Vorteil, weil sich breitere Gräben fertigungstechnisch einfacher realisieren lassen. Typische Aspektverhältnisse von Gräben die durch ein Ätzverfahren hergestellt werden, liegen im Bereich zwischen 10 und 40 und hängen auch von der absolut zu erzielenden Grabentiefe ab. Um beispielsweise einen 50 μm tiefen Graben 26 herzustellen, muss dieser etwa 1,25 μm bis 5 μm breit ausgeführt werden. Die gewünschte Dicke des Dielektrikums liegt dagegen beispielsweise zwischen 30 nm und 200 nm, insbesondere zwischen 50 nm und 140 nm.
  • Die Gräben 26 können sich in der vertikalen Richtung v bis zu der stark dotierten Halbleiterschicht, die die spätere Drainzone 10 bilden kann, oder sogar in diese Halbleiterschicht 10 hinein erstrecken. Grundsätzlich können die Böden der Gräben 26 jedoch auch von der späteren Drainzone 10 beabstandet sein.
  • Die Herstellung der Gräben 26 kann insbesondere derart erfolgen, dass sich die Dioden 60 in der lateralen Richtung r bis an die Seitenwände der Gräben 26 erstrecken.
  • Nach dem Ätzen der Gräben 26 können die Gräben 26, insbesondere deren Seitenwände, optional mittels einer Hochtemperatur-Wasserstofftemperung gereinigt und geglättet werden, was für ein monokristallines Aufbringen weiterer Epitaxieschichten von Vorteil ist.
  • Anschließend wird wenigstens eine Halbleiterschicht auf Seitenwände und Boden der Gräben 26 abgeschieden, wodurch die Gräben 26 teilweise unter Beibehaltung eines kleineren "Rest"-Grabens aufgefüllt werden, was im Ergebnis in 6C dargestellt ist. Die Herstellung dieser wenigstens einen Halbleiterschicht erfolgt beispielsweise durch eine epitaktische Abscheidung, um die Halbleiterschicht möglichst konform und möglichst einkristallin abzuscheiden.
  • Die "Rest"-Gräben werden anschließend mittels eines Dielektrikums 50 aufgefüllt, was im Ergebnis in 6D dargestellt ist. Hierzu wird beispielsweise eine Dielektrikumsschicht 50' ganzflächig abgeschieden, die mittels eines Planarisierungsprozesses anschließend von Bereichen oberhalb der Vorderseite 11 entfernt wird, was im Ergebnis in 6E dargestellt ist. Das Dielektrikum kann dabei aus einem Isolationsmaterial oder aber auch aus einer Schichtfolge verschiedener Isolationsmaterialien bestehen.
  • Zur Herstellung eines Bauelements gemäß 1 können sich an die erläuterten Verfahrensschritte zur Herstellung der kapazitiven Struktur übliche Verfahrensschritte zur Herstellung der Sourcezone 40, der Bodyzone 41 und der Gateelektrode 43 mit Gatedielektrikum 44 anschließen.
  • Das erläuterte Verfahren, bei dem zunächst Gräben 26 mit einer Breite hergestellt werden, die deutlich größer ist als die Breite der herzustellenden dünnen vertikalen Dielektrikumsschichten 50 ermöglicht auf einfache und effektive Weise die Herstellung solcher dünnen Dielektrikumsschichten 50 mit einem hohen Aspektverhältnis. Der jeweils an einer Seitenwand der Gräben 26 abgeschiedene Abschnitt der Halbleiterschicht 27 bildet bei dem späteren Bauelement einen sich an das Dielektrikum 50 anschließenden Abschnitt der Driftzone (20 in 1). Über die Abscheidebedingungen der Halbleiterschicht sind bei diesem Verfahren auf einfache Weise die Dotierungskonzentration und die Materialzusammensetzung des sich an das Dielektrikum 50 anschließenden Abschnitts der Driftzone 20 einstellbar. Die Dotierungskonzentration und/oder Materialzusammensetzung wird hierbei insbesondere so eingestellt, dass sie den zuvor erläuterten Anforderungen bezüglich einer höheren Spannungsbelastbarkeit der Driftzone 20 im Anschluss an das Dielektrikum genügen.
  • Bezugnehmend auf 6C können bei dem Verfahren insbesondere zwei oder mehr Halbleiterschichten 27A, 27B in den Gräben 26 vor Herstellen der Dielektrikumsschicht 50 hergestellt werden. Diese Halbleiterschichten 27A, 27b können gemeinsam den zweiten Abschnitt 22 der Driftzone 20 bilden. Darüber hinaus kann auch eine zuerst abgeschiedene Schicht 27A lediglich als Füllschicht dienen, die gleiche Eigenschaften wie die Epitaxieschicht 25 aufweist und die später einen Teil des ersten Abschnitts der Driftzone 20 bildet, während lediglich die danach abgeschiedene zweite Halbleiterschicht 27B den zweiten Abschnitt der Driftzone 22 bildet.
  • Das erläuterte Verfahren führt zu einer symmetrischen Struktur bezüglich der Dielektrikumsschicht, was bedeutet, dass bei dem fertigen Bauelement, das eine mittels des Verfahrens hergestellte kapazitive Struktur aufweist, außer der Driftzone 20 auch die Driftsteuerzone 30 eine in Richtung des Dielektrikums variierende Dotierung oder Materialzusammensetzung aufweist. An den grundsätzlichen die elektrischen Eigenschaften des Bauelements ändert dies allerdings nichts. Die Her stellung der Halbleiterschicht(en) 27, (27A, 27B) unter Verwendung von Prozessgasen wie z. B. Dichlorsilan oder Trichlorsilan, bevorzugt jedoch Trisilan (Si3H8) sowie durch geeignete Abscheidebedingungen, erfolgen. Eine gute Qualität der Epitaxieschichten 27A, 27B lässt sich vor allem dadurch erreichen, dass deren Abscheidung bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen im Bereich von 400°C bis 600°C erfolgt.
  • Durch Einstellung der Dicke der zuletzt abgeschiedenen Halbleiterschicht, hier die Halbleiterschicht 27B, kann die Breite eines verbleibenden Restgrabens 26 eingestellt werden. Diese Breite orientiert sich an der erforderlichen Breite des herzustellenden Dielektrikums.
  • Das die Rest-Gräben nach Herstellen der Halbleiterschicht 27 ganz oder teilweise auffüllende Dielektrikum 50 ist beispielsweise ein Oxid. Die Herstellung dieses Dielektrikums kann z. B. durch Abscheiden des Dielektrikums mittels eines CVD-Prozesses (CVD = Chemical Vapor Deposition = Chemische Gasphasenabscheidung) erfolgen.
  • Eine andere Möglichkeit zur Herstellung des Dielektrikums 50 besteht darin, das an der Oberfläche des Restgrabens 26 befindliche Halbleitermaterial thermisch zu oxidieren, bis an den Grabenseitenwänden eine Halbleiter-Oxidschicht mit einer gewünschten Dicke vorliegt. Bei einer geeignet gewählten Breite des Restgrabens 26 bzw. bei geeigneten Flankenwinkeln, d. h. Neigung der Grabenseitenwände, kann dieser durch eine thermische Oxidation sogar verschlossen und damit vollständig mit Oxid gefüllt werden.
  • Alternativ zu der in 6E dargestellten Anordnung können die Halbleiterschichten 27A, 27B auch so hergestellt werden, dass eine oder beider der Schichten nach dem Abscheiden teilweise zurückgeätzt werden, so dass diese unterhalb der Vorderseite 11 in dem Graben enden.
  • Ausgehend von der Anordnung gemäß 6E sowie den genannten alternativen Ausführungsformen können die in 2 dargestellten Sourcezonen 40, Bodyzonen 41, Gateelektroden 43 und Gate-Dielektrika 44 in an sich bekannter Weise hergestellt werden. Im Rahmen eines hierzu erforderlichen oder auch mittels eines separaten Temperschrittes werden die Diodenzonen 61, 62 der Dioden 60 insbesondere auch in der lateralen Richtung r so weit ausdiffundiert, dass sie die Halbleiterschichten 81, 82 lokal unterbrechen und sich bis zum Dielektrikum 50 erstrecken, so dass – wie aus 2 ersichtlich – die Ankopplung der herzustellenden Driftsteuerzonen 20 an die Drainzonen 10 lediglich über die Dioden 60 erfolgt.
  • Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven Struktur in einem Halbleiterkörper wird nachfolgend anhand der 8A bis 8C erläutert.
  • 8A zeigt im Querschnitt einen Halbleiterkörper 1 mit einem bereits hergestellten Graben 26, dessen Breite wesentlich größer ist als die Dicke einer herzustellenden Dielektrikumsschicht. Ein solcher breiter Graben 26 lässt sich ätztechnisch einfacher herstellen als ein schmaler Graben gleicher Tiefe.
  • Auf die Halbleiteranordnung mit dem Graben werden nachfolgend wenigstens drei Halbleiterschichten 28, 27A, 27B abgeschieden, was im Ergebnis in 8B dargestellt ist. Optional können die Grabenoberflächen mittels einer Hochtemperatur-Wasserstofftemperung oder dem Erzeugen und anschließenden Abätzen eines thermischen Oxids vor dem Abscheiden der Halbleiterschichten 28, 27A, 27B konditioniert werden. Eine zuerst abgeschiedene Schicht 28, dient hierbei als Füllschicht und kann bezüglich des verwendeten Materials und der Dotierungskonzentration der Epitaxieschicht 25 entsprechen. Diese Halbleiterschicht 28 bildet im Bereich der späteren Driftzone (20 in 1) dann einen Teil des ersten Abschnitts 21. Die beiden danach abgeschiedenen Halbleiterschichten 27A, 27B können bezüglich ihrer Funktion, ihres Materials und ihrer Dotierungskonzentration den Halbleiterschichten 27A, 27B gemäß 6C entsprechen. Wenigstens eine, nämlich die zuletzt abgeschiedene, dieser beiden Halbleiterschichten hierbei den zweiten Abschnitt der Driftzone 20.
  • Je nach zu fertigendem Bauelement soll der Graben 26 vor der Herstellung der zumindest teilweise darin angeordneten Dielektrikumsschicht eine bestimmte Zielbreite aufweisen. Diese Zielbreite lässt sich dadurch einstellen, dass die Dicken der Halbleiterschichten 28, 27A, 27B geeignet gewählt werden. Die Anpassung des Grabens an die Zielbreite erfolgt insbesondere durch die Füllschicht 28, wenn die beiden anderen Schichten 27A, 27B den zweiten Abschnitt 22 der späteren Driftzone bilden, der durch eine geeignete während der Abscheidung der Schichten 27A, 27B einstellbare Dotierung oder durch geeignete Materialwahl eine höhere Spannungsfestigkeit wie der erste Abschnitt aufweisen soll.
  • So besteht die zuletzt abgeschiedene Halbleiterschicht 27B beispielsweise aus reinem Silizium oder aus SixGe1-x, mit x > 0,7. Die unmittelbar vorher abgeschiedene Halbleiterschicht 27A besteht beispielsweise aus SiyGe1-y, mit y > 0,7 und y < x weist also einen höheren Ge-Anteil auf und besitzt dadurch eine niedrigere Spannungsfestigkeit. Die zuerst abgeschiedene Halbleiterschicht 28 besteht beispielsweise aus reinem Silizium oder SiGe und kann dieselbe Zusammensetzung wie die als vorletzte abgeschiedene Schicht 27A aufweisen.
  • Die zuletzt abgeschiedene Schicht 27B kann auch aus SixGe1-x, mit x > 0,7 und die unmittelbar vorher abgeschiedene Halbleiterschicht 27A kann aus SiyGe1-y, mit y > 0,7 und y > x bestehen. Diese Schicht 27A weist dann einen niedrigeren Ge-Anteil und – bei gleicher Dotierung – damit eine höhere Spannungsbelastbarkeit als die Schicht 27B auf. Der Bereich der späteren Driftzone 20 mit der höchsten Spannungsbelastbarkeit liegt dann beabstandet zu dem Dielektrikum 50 mit einem Abstand von beispielsweise einigen wenigen 10 nm bis einigen 100 nm. Die zuerst abgeschiedene Schicht 28 kann hierbei in Zusammensetzung und Dotierungskonzentration der zuletzt abgeschiedenen Schicht entsprechen.
  • Nach dem Abscheiden der Halbleiterschichten 28, 27A, 27B erfolgt ein thermischer Oxidationsschritt, was im Ergebnis in 8C dargestellt ist. Hierdurch wird zumindest das Halbleitermaterial der zuletzt abgeschiedenen Halbleiterschicht 27B wenigstens teilweise thermisch oxidiert.
  • Das sich bildende Halbleiteroxid benötigt mehr Volumen als das oxidierte Halbleitermaterial, so dass sich die Breite des vor der thermischen Oxidation vorliegenden Restgrabens 26 (8B) verringert. Die Breite des Restgrabens 26 und die Dauer des Oxidationsprozesses können hierbei so aufeinander abgestimmt werden, dass sich der Restgraben 26 durch die thermische Oxidation vollständig schließt, was im Ergebnis in 8C gezeigt ist. Zum Vergleich ist der ursprüngliche Verlauf des Restgrabens 26 gemäß 12 gestrichelt dargestellt. Das durch die thermische Oxidation entstehende Dielektrikum 50 weist somit eine Breite auf, die größer ist als die Breite des Restgrabens 26.
  • Die Breite des Restgrabens 26 vor der Oxidation kann beispielsweise im Bereich von 20 nm bis 70 nm liegen, die Breite bzw. Dicke des durch thermische Oxidation erzeugten Dielektrikums 50 liegt dann zwischen 30 nm und 100 nm.
  • Ist die zuletzt abgeschiedene Halbleiterschicht 27B eine reine Siliziumschicht, die auf eine SiGe-Schicht 27A aufgebracht wird, so wird infolge der im Vergleich zu Silizium größeren Kristallgitterkonstante von Silizium-Germanium die Halbleiterschicht 27B aus monokristallinem Silizium verspannt, was eine im Vergleich zu unverspanntem monokristallinem Silizium erhöhte Elektronenbeweglichkeit und einen verringerten elektrischen Widerstand in der Halbleiterschicht 27B und damit im Bereich der Zone der Ladungsträgerakkumulation bewirkt.
  • Anstelle von zwei oder drei Halbleiterschichten 83 können bei dem Halbleiterbauelement auch drei oder mehr Halbleiterschichten vorgesehen sein, die nacheinander beispielsweise konform und monokristallin vorderseitig auf eine Anordnung entsprechend 6E abgeschieden werden.
  • Das geschilderte Verfahren stellt hohe Anforderungen an die Toleranz der Grabenweite und der Neigung der Grabenseitenwände. Diese hängen insbesondere von der zur Grabenherstellung verwendeten Foto- und Hartmaskentechnik ab.
  • Für eine nominale Grabenbreite b0 = 1 μm kann man beispielsweise Schwankungen der Strukturgröße von ±40 nm aus der Fototechnik (bei Verwendung der i-line Fototechnik) sowie ±5% der Grabenbreite, d. h. ±50 nm, bedingt durch das Ätzverfahren, annehmen, so dass sich eine Gesamttoleranz von ±90 nm ergibt.
  • Um diesen Nachteil zu umgehen, wird – wie in 9A gezeigt – vorgeschlagen, zu einem definierten Zeitpunkt der Abscheidung der Halbleiterschicht 83 im oberen Bereich des Grabens 26 gezielt ein Überhang der Breite d von beispielsweise 100 nm je Grabenseite hergestellt, was durch die Wahl der Abscheidebedingungen, insbesondere Gasfluss, Gaszusammensetzung, und Temperatur bei CVD-Prozessen, beeinflusst werden kann. In seinem unteren Bereich weist der Graben 26 eine gegenüber der ursprünglichen Grabenbreite b0 reduzierte Breite b1 auf. Dies hat zur Folge, dass – wie aus 9B ersichtlich ist – die verbleibende Öffnung im oberen Bereich des Grabens 26 zuwächst, während sich unter der Verschlussstelle ein Lunker 27 bildet, dessen Breite b2 im unteren Bereich des vormaligen Grabens 26 eine Toleranz aufweist, die im Bereich der Schichtdickentoleranz der abgeschiedenen Halbleiter schicht 83 liegt. Bei den genannten Größenordnungen können solche Schichtdickentoleranzen kleiner als ±10 nm gehalten werden, was eine signifikante Verbesserung im Vergleich zu den vorher genannten ±90 nm beträgt.
  • Danach kann die Anordnung ausgehend von der Vorderseite 11 maskierungsfrei planarisiert und/oder soweit zurückgeätzt werden, dass der verbleibende Graben 26 eine im Rahmen der Schichtdickentoleranz der Halbleiterschicht 83 konstante und sehr genau definierte Breite b2 aufweist.
  • Dieser schmale Graben 26 kann nun mit einer oder mehreren weiteren dünnen Schichten ganz oder teilweise zugewachsen werden, wie dies bereits ausführlich erläutert wurde.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (24)

  1. Halbleiterbauelement, das aufweist: eine Driftzone (20), die zwischen einer ersten und einer zweiten Bauelementzone angeordnet ist, eine Driftsteuerzone (30) die in einer ersten Richtung benachbart zu der Driftzone (20) angeordnet ist, eine Dielektrikumsschicht (50), die zwischen der Driftzone (20) und der Driftsteuerzone (30) angeordnet ist, wobei die Driftzone (20) wenigstens abschnittsweise ausgehend von dem Dielektrikum eine variierende Dotierung und/oder eine variierende Materialzusammensetzung aufweist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Driftzone (20) wenigstens einen ersten Abschnitt (21) und einen in der ersten Richtung an den ersten Abschnitt (21) angrenzenden zweiten Abschnitt (22) aufweist, wobei die Dotierungskonzentration des zweiten Abschnitts so gewählt ist, dass er wenigstens abschnittsweise eine höhere Spannungsbelastbarkeit als der erste Abschnitt (21) aufweist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sich eine Dotierungskonzentration des zweiten Abschnitts in Richtung der Dielektrikumsschicht (50) kontinuierlich ändert.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, bei dem sich eine Dotierungskonzentration des zweiten Abschnitts in Richtung der Dielektrikumsschicht (50) kontinuierlich bis zum Erreichen eines Extremums ändert, wobei dieses Extremum beabstandet zu der Dielektrikumsschicht erreicht wird, und sich ausgehend von dem Extremum in Richtung der Dielektrikumsschicht (50) kontinuierlich ändert.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem der erste Abschnitt (21) eine erste Materialzusammensetzung und der zweite Abschnitt wenigstens eine zweite Materialzusammensetzung aufweist.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem der erste Abschnitt aus Silizium und der zweite Abschnitt aus Silizium-Germanium besteht.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, bei dem Germanium-Gehalt in dem zweiten Abschnitt in Richtung der Dielektrikumsschicht (50) abnimmt.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, bei dem der zweite Abschnitt eine unmittelbar an die Dielektrikumsschicht angrenzende Schicht aus Silizium aufweist.
  9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, bei dem der zweite Abschnitt beabstandet zu der Dielektrikumsschicht eine Schicht aus Silizium aufweist.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, bei dem der zweite Abschnitt eine erste Schicht aus SixGe1-x, mit 0,7 < x ≤ 1 und eine zwischen dieser ersten Schicht und der Dielektrikumsschicht (50) angeordnete Schicht aus Silizium oder SiyGe1-y mit 0,7 < y ≤ 1 und x < y aufweist.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, bei dem der zweite Abschnitt eine erste Schicht aus Silizium oder SixGe1-x, mit 0,7 < x ≤ 1 und eine zwischen dieser ersten Schicht und der Dielektrikumsschicht (50) angeordnete Schicht aus SiyGe1-y mit 0,7 < y ≤ 1 und x > y aufweist.
  12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem die Dicke der zweiten Schicht in der ersten Richtung zwischen 10 nm und 300 nm beträgt.
  13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, bei dem der erste Abschnitt aus Silizium-Germanium besteht.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Dielektrikumsschicht (50) eine Dicke von 30 nm bis 200 nm aufweist.
  15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem die Dielektrikumsschicht (50) eine Dicke von 50 nm bis 140 nm aufweist.
  16. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 15, bei dem der zweite Abschnitt (22) mit Dotierstoffatomen eines zu dem ersten Abschnitt komplementären Typs dotiert ist.
  17. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach einem der vorangehenden Ansprüche mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (1) mit einer ersten Seite (11), in den sich ausgehend von der ersten Seite (11) ein Graben (26) hinein erstreckt, konformes Abscheiden wenigstens einer Halbleiterschicht (27; 27, 28) wenigstens an den Seitenwänden des Grabens (26), und Erzeugen einer Dielektrikumsschicht (50) auf der Halbleiterschicht (27; 27, 28) in einem nach dem Herstellen der Halbleiterschicht (27; 27, 28) verbleibenden Graben.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Halbleiterschicht (27; 27, 28) so hergestellt wird, dass sie eine variierende Dotierung aufweist.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Halbleiterschicht (27; 27, 28) so hergestellt wird, dass sie eine variierende Materialzusammensetzung aufweist.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem die Halbleiterschicht (27; 27, 28) wenigstens teilweise aus Silizium-Germanium besteht.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem die Dielektrikumsschicht (50) durch ein thermische Oxidation hergestellt wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Graben (26) durch die thermische Oxidation geschlossen wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, bei dem eine Halbleiterschicht derart auf dem Halbleiterkörper (1) abgeschieden wird, dass der Graben (26) im Bereich der Vorderseite (11) infolge Zuwachsens durch die Halbleiterschicht verschlossen wird, so dass im Bereich des ursprünglichen Grabens (26) ein Lunker (27) verbleibt.
  24. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Lunker (27) durch vorderseitiges Rückätzen geöffnet wird.
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