DE102015105632B4 - Halbleitervorrichtung mit einem transistor - Google Patents

Halbleitervorrichtung mit einem transistor Download PDF

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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung (1) umfasst einen Transistor (10) in einem Halbleiterkörper, der eine erste Hauptoberfläche hat. Der Transistor (10) umfasst einen Sourcebereich (201) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Drainbereich (205), einen Bodybereich (230) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der von dem ersten Leitfähigkeitstyp verschieden ist, eine Driftzone (260) und eine Gateelektrode (210), die in Gatetrenches (212) angeordnet ist, die sich in einer ersten Richtung parallel zu der ersten Hauptoberfläche erstrecken. Der Bodybereich (230) und die Driftzone (260) sind längs der ersten Richtung zwischen dem Sourcebereich (201) und dem Drainbereich (203) angeordnet. Der Bodybereich (230) umfasst erste Grate (220), die sich längs der ersten Richtung erstrecken, wobei die ersten Grate (220) zwischen benachbarten Gatetrenches (212) in dem Halbleiterkörper angeordnet sind. Der Bodybereich (230) umfasst weiterhin einen zweiten Grat (221). Eine Breite des zweiten Grates (221) ist größer als eine Breite der ersten Grate (220), wobei die Breiten in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung gemessen sind.

Description

  • HINTERGRUND
  • Leistungstransistoren, die gewöhnlich in Automobil- und Industrie-Elektroniken verwendet werden, sollten einen niedrigen Einschaltwiderstand (Ron·A) haben, während eine hohe Spannungssperrfähigkeit sichergestellt ist. Beispielsweise sollte ein MOS-(”Metall-Oxid-Halbleiter”-)Leistungstransistor in der Lage sein, abhängig von Anwendungserfordernissen Drain-Source-Spannungen Vds von einigen zehn bis einigen hundert oder tausenden Volt zu sperren. MOS-Leitungstransistoren leiten typischerweise sehr große Ströme, die bis zu einigen hundert Amperes bei typischen Gate-Source-Spannungen von etwa 2 bis 20 V betragen können.
  • Ein Konzept von Transistoren, die eine weiter verbesserte Ron·A-Eigenschaft haben, bezieht sich auf einen lateralen Leistungs-FinFET (”Feldeffekttransistoren mit einer Finne” bzw. Rippe). Laterale Leistungs-FinFETs verwenden ein voluminöseres Silizium zum Reduzieren von Ron, so dass Ron mit denjenigen eines vertikalen Trench- bzw. Graben-MOSFET vergleichbar ist. In Transistoren mit einer lateralen Feldplatte kann die Dotierungskonzentration der Driftzone aufgrund der Kompensationswirkung der Feldplatte erhöht werden.
  • Aus den Druckschriften US 2007/0108469 A1 , DE 10 2013 113 286 A1 und US 6452231 B1 sind Feldeffekttransistoren bekannt, die eine Gatestruktur in einem Graben aufweisen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung mit einem Transistor vorzusehen, die verbesserte Eigenschaften hat.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe durch den Gegenstand gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Transistor in einem Halbleiterkörper, der eine erste Hauptoberfläche hat. Der Transistor umfasst einen Sourcebereich eines ersten Leitfähigkeitstyps bzw. Leitungstyps, einen Drainbereich, einen Bodybereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der von dem ersten Leitfähigkeitstyp verschieden ist, eine Driftzone und eine Gateelektrode, die in Gatetrenches bzw. -gräben angeordnet ist, die sich in einer ersten Richtung parallel zu der ersten Hauptoberfläche erstrecken. Der Bodybereich und die Driftzone sind längs der ersten Richtung zwischen dem Sourcebereich und dem Drainbereich angeordnet. Der Bodybereich umfasst erste Grate bzw. Firste, die sich in der ersten Richtung erstrecken, wobei die ersten Grate zwischen benachbarten bzw. angrenzenden Gatetrenches in dem Halbleiterkörper angeordnet sind. Der Bodybereich umfasst weiterhin einen zweiten Grat, wobei eine Breite des zweiten Grates größer ist als eine Breite der ersten Grate und die Breiten in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung gemessen sind.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Halbleitervorrichtung eine Anordnung von Feldeffekttransistoren in einem Halbleiterkörper, der eine erste Hauptoberfläche hat. Die Anordnung von Feldeffekttransistoren umfasst einen Sourcebereich, einen Drainbereich, einen Bodybereich, eine Driftzone und eine Gateelektrode, die in ersten Gatetrenches bzw. -gräben angeordnet ist, die sich in der ersten Richtung parallel zu der ersten Hauptoberfläche erstrecken. Der Bodybereich und die Driftzone sind längs der ersten Richtung zwischen dem Sourcebereich und dem Drainbereich angeordnet. Die ersten Gatetrenches sind in einem ersten Abstand längs einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung parallel zu der ersten Hauptoberfläche angeordnet, Der Halbleiter umfasst einen zweiten Gatetrench, wobei ein zweiter Abstand zwischen dem zweiten Gatetrench und einem benachbarten Trench der ersten Gatetrenches größer als der erste Abstand ist.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die begleitenden Zeichnungen sind beigefügt, um ein weiteres Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung vorzusehen, und sie sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Prinzipien. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander. Gleiche Bezugszeichen geben entsprechend ähnliche Teile an.
  • 1A zeigt eine horizontale Schnittdarstellung eines Beispiels einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 1B zeigt eine Schnittdarstellung der Halbleitervorrichtung.
  • 1C zeigt eine weitere Schnittdarstellung der Halbleitervorrichtung.
  • 1D zeigt eine weitere Schnittdarstellung eines Teiles der Halbleitervorrichtung.
  • 2A zeigt eine horizontale Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 2B zeigt eine vertikale Schnittdarstellung der in 2A dargestellten Halbleitervorrichtung.
  • 3A zeigt eine horizontale Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 3B zeigt eine vertikale Schnittdarstellung der in 3A dargestellten Halbleitervorrichtung.
  • 4A zeigt eine horizontale Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 4B zeigt eine vertikale Schnittdarstellung der in 4A dargestellten Halbleitervorrichtung.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgestaltet werden kann. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie ”Oberseite”, ”Boden”, ”Vorderseite”, ”Hinterseite”, ”vorne”, ”hinten” usw. im Hinblick auf die Ausrichtung bzw. Orientierung der gerade beschriebenen Figuren verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der Erfindung in einer Anzahl von verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie für Zwecke der Darstellung verwendet und ist in keiner Weise begrenzend. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem durch die Patentansprüche definierten Bereich abzuweichen.
  • Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht begrenzend. Insbesondere können Elemente der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele mit Elementen von anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
  • Die hier verwendeten Begriffe ”haben”, ”enthalten”, ”umfassen”, ”aufweisen” und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, die das Vorhandensein der festgestellten Elemente oder Merkmale anzeigen, jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
  • Die in der Beschreibung verwendeten Begriffe ”gekoppelt” und/oder ”elektrisch gekoppelt” sollen nicht bedeuten, dass die Elemente direkt miteinander gekoppelt sein müssen – dazwischenliegende Elemente können zwischen den ”gekoppelten” oder ”elektrisch gekoppelten” Elementen angeordnet sein. Der Begriff ”elektrisch verbunden” soll eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den elektrisch miteinander verbundenen Elementen beschreiben.
  • Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf einen ”ersten” und einen ”zweiten” Leitfähigkeitstyp von Dotierstoffen, mit denen Halbleiterteile dotiert sind. Der erste Leitfähigkeitstyp kann ein p-Typ sein, und der zweite Leitfähigkeitstyp kann ein n-Typ sein oder umgekehrt. Wie allgemein bekannt ist, können abhängig von dem Dotierungstyp oder der Polarität der Source- und Drainbereiche Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFETs), wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), n-Kanal- oder p-Kanal-MOSFETs sein. Beispielsweise sind in einem n-Kanal-MOSFET der Source- und der Drainbereich mit n-Typ-Dotierstoffen dotiert. In einem p-Kanal-MOSFET sind der Source- und der Drainbereich mit p-Typ-Dotierstoffen dotiert. Wie klar zu verstehen ist, können im Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung die Dotierungstypen umgekehrt sein. Wenn ein spezifischer Strompfad beschrieben ist, indem eine Richtungssprache verwendet wird, soll diese Beschreibung lediglich so verstanden werden, dass der Pfad und nicht die Polarität des Stromflusses angegeben ist, d. h., ob der Strom von Source zu Drain oder umgekehrt fließt. Die Figuren können polaritätsempfindliche Komponenten, beispielsweise Dioden, umfassen. Wie klar zu verstehen ist, ist die spezifische Anordnung von diesen polaritätsempfindlichen Komponenten als ein Beispiel gegeben und kann invertiert bzw. umgekehrt werden, um die beschriebene Funktionalität zu erzielen, abhängig davon, ob der erste Leitfähigkeitstyp einen n-Typ oder einen p-Typ angibt.
  • Die Figuren und die Beschreibung veranschaulichen relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von ”–” oder ”+” nächst zu dem Dotierungstyp ”n” oder ”p”. Beispielsweise bedeutet ”n–” eine Dotierungskonzentration, die niedriger als die Dotierungskonzentration eines ”n”-Dotierungsbereiches ist, während ein ”n+”-Dotierungsbereich eine höhere Dotierungskonzentration hat als ein ”n”-Dotierungsbereich. Dotierungsbereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene ”n”-Dotierungsbereiche die gleichen oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben. In den Figuren und der Beschreibung sind für ein besseres Verständnis oft die dotierten Teile als ”p”- oder ”n”-dotiert bezeichnet. Wie klar zu verstehen ist, ist diese Bezeichnung keinesfalls als begrenzend anzusehen. Der Dotierungstyp kann beliebig sein, solange die beschriebene Funktionalität erzielt wird. Weiterhin können in allen Ausführungsbeispielen die Dotierungstypen umgekehrt sein.
  • Die Begriffe ”lateral” und ”horizontal”, wie diese in dieser Beschreibung verwendet sind, sollen eine Ausrichtung bzw. Orientierung parallel zu einer ersten Oberfläche eines Halbleitersubstrats oder eines Halbleiterkörpers beschreiben. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder einer Die bzw. eines Chips sein.
  • Der Begriff ”vertikal”, wie dieser in der vorliegenden Beschreibung verwendet ist, soll eine Orientierung beschreiben, die senkrecht zu der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats oder Halbleiterkörpers ist.
  • Die Begriffe ”Wafer”, ”Substrat”, ”Halbleitersubstrat” oder ”Halbleiterkörper”, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie Silizium, Silizium-auf-Isolator (SOI), Silizium-auf-Saphir (SOS), dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Schichten von Silizium, getragen durch eine Basishalbleiterunterlage, und andere Halbleiterstrukturen umfassen. Der Halbleiter braucht nicht auf Silizium zu beruhen. Der Halbleiter könnte ebenso Silizium-Germanium, Germanium oder Galliumarsenid sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) das Halbleitersubstratmaterial bilden.
  • 1A zeigt eine horizontale Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie im Folgenden erläutert werden wird, umfasst die Halbleitervorrichtung 1 einen Transistor 10 in einem Halbleiterkörper, der eine erste Hauptoberfläche hat. Der Transistor 10 umfasst einen Sourcebereich 201 eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Drainbereich 205, einen Bodybereich 230 eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der verschieden von dem ersten Leitfähigkeitstyp ist, und eine Driftzone 260. Der Transistor 10 umfasst weiter eine Gateelektrode 210, die in Gatetrenches 212 angeordnet ist. Die Gatetrenches 212 erstrecken sich in einer ersten Richtung (beispielsweise der x-Richtung) parallel zu der ersten Hauptoberfläche. Der Bodybereich 230 und die Driftzone 260 sind längs der ersten Richtung zwischen dem Sourcebereich 201 und dem Drainbereich 205 angeordnet. Der Bodybereich 230 umfasst erste Grate 220, die sich längs der ersten Richtung erstrecken. Die ersten Grate 220 sind zwischen benachbarten Gatetrenches 212 in dem Halbleitersubstrat angeordnet. Der Bodybereich umfasst weiterhin einen zweiten Grat 221. Eine Breite des zweiten Grates 221 ist größer als eine Breite der ersten Grate 220. Die Breiten sind in einer zweiten Richtung gemessen, die senkrecht zu der ersten Richtung ist, beispielsweise in der y-Richtung.
  • Die Gatetrenches 212 erstrecken sich längs des Bodybereiches 230 zu der Driftzone 260. Gemäß dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel kann eine kleine Überlappung zwischen der Gateelektrode und der Driftzone 260 vorliegen, wobei sich jedoch die Gatetrenches 212 nicht stark in die Driftzone 260 erstrecken werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1A ist der zweite Grat 221 zwischen benachbarten Gatetrenches 212 angeordnet, die unter verschiedenen Pitches bzw. Mitte-zu-Mitte Abständen angeordnet sind. Beispielsweise kann die Gateelektrode 210 auf jeder Seite des zweiten Grates 221 angeordnet sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein leitendes Material in wenigstens einem der Gatetrenches 212 benachbart zu dem zweiten Grat 221 mit einem Anschluss verbunden sein, der verschieden von dem Gateanschluss ist. Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein isolierendes Material in wenigstens einem der Trenches benachbart zu dem zweiten Grat 221 angeordnet sein.
  • 1B zeigt eine Schnittdarstellung der Halbleitervorrichtung zwischen I und I', wie dies auch in 1A veranschaulicht ist. Die Schnittdarstellung von 1B ist so gezeigt, dass sie durch einen zweiten Grat 221 schneidet. Wie weiter anhand von 1D veranschaulicht ist, strukturiert eine Vielzahl von Gatetrenches 221, deren jeder sich längs der ersten Richtung erstreckt, den Bodybereich 230 in Grate. Demgemäß sind in der Schnittdarstellung von 1B die Gatetrenches 212 vor oder hinter der Zeichenebene angeordnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Gateelektrode 210 in jedem der Gatetrenches 212 angeordnet sein, wobei ein Gatedielektrikum 211, wie Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, zwischen der Gateelektrode 210 und dem benachbarten Bodybereich 230 angeordnet ist. Gemäß weiteren Ausgestaltungen kann ein Material, das von einem leitenden Material verschieden ist, beispielsweise ein isolierendes Material in einigen Gatetrenches 212 angeordnet sein. Alternativ kann das leitende Material in einigen der Gatetrenches 212 mit einem Anschluss verbunden sein, der von dem Gateanschluss 213 verschieden ist.
  • Der Halbleiterkörper oder das Halbleitersubstrat 100 kann eine erste (Boden-)Schicht 130 eines ersten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise p-Typ) und eine epitaktisch aufgewachsene zweite Schicht 140 eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der von dem ersten Leitfähigkeitstyp verschieden ist, umfassen. Die zweite Schicht 140 ist über der ersten Schicht 130 gebildet.
  • Eine weitere vergrabene Schicht 135 des zweiten Leitfähigkeitstyps kann zwischen der ersten Schicht 130 des ersten Leitfähigkeitstyps und der zweiten Schicht 140 des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet sein. Die vergrabene Schicht 135 kann mit einer höheren Dotierungskonzentration als die zweite Schicht 140 des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert sein. Die Komponenten des Feldeffekttransistors 10 können in einer Wanne 150 des ersten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise des p-Typs, gebildet sein. Die Wanne 150 kann in der zweiten Schicht 140 des zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet sein. Die Driftzone 260 ist in der zweiten Schicht 140 des zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet. Wie in 1B veranschaulicht ist, umfasst der Transistor einen Sourcekontakt 202. Der Sourcekontakt 202 kann in einem leitenden Material ausgeführt sein, das in einem Sourcekontaktgraben 214 gebildet ist, der in der ersten Hauptoberfläche 110 des Halbleiterkörpers 100 ausgestaltet ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann in dem Bereich des zweiten Grates 221 das Halbleitermaterial des Bodybereiches 230 direkt neben dem Sourcekontakt 202 angeordnet sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann in dem Bereich des zweiten Grates 221 der Sourcebereich 201 zwischen dem Bodybereich 230 und dem Sourcekontakt 202 angeordnet sein. Beispielsweise kann sich, wie durch Strichlinien in 1B gezeigt, der Sourcebereich 201 vertikal in den Halbleiterkörper 100 erstrecken. Die Halbleitervorrichtung kann weiterhin eine dotierte Schicht 223 des zweiten Leitfähigkeitstyps unter dem Sourcekontakt 202 aufweisen.
  • Die Gateelektrode 210 ist in den Gatetrenches 212 angeordnet. Weiterhin ist ein Teil der Gateelektrode 210 über die Vielzahl von Gatetrenches geführt, um mit einem gemeinsam Gateanschluss 213 verbunden zu sein. Die Gateelektrode 210 ist von dem Bodybereich 230 mittels des Gatedielektrikums isoliert. Die Driftzone 260 ist zwischen dem Bodybereich 230 und dem Drainbereich 205 angeordnet. Der Drainkontakt 206 ist in einem Drainkontaktgraben 215 angeordnet, der in der ersten Hauptoberfläche 110 des Halbleitersubstrates gebildet ist. Der Drainkontakt koppelt elektrisch den Drainbereich 205 mit einem Drainanschluss 207. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Sourcekontaktgraben 214 angenähert bis zu der gleichen Tiefe oder bis zu einer kleineren Tiefe als die Gatetrenches 212. Der Drainkontaktgraben 215 kann sich bis zu einer Tiefe erstrecken, die angenähert gleich zu der Tiefe des Sourcekontaktgrabens 214 ist. Beispielsweise erstreckt sich der Sourcekontaktgraben 214 bis zu einer Tiefe, die wenigstens das 0,5-fache der Tiefe der Gatetrenches 212 ist.
  • Wenn der Transistor eingeschaltet wird, beispielsweise durch Anlegen einer geeigneten Spannung an die Gateelektrode 210, wird eine leitende Inversionsschicht 216 (leitender Kanal) an der Grenze zwischen dem Bodybereich 230 und der Gatedielektrikumschicht 211 gebildet. Demgemäß ist der Transistor in einem leitenden Zustand von dem Sourcebereich 201 zu dem Drainbereich 205. Im Falle eines Ausschaltens wird keine leitende Inversionsschicht gebildet, und der Transistor ist in einem nicht-leitenden Zustand.
  • 1C zeigt eine Schnittdarstellung der Halbleitervorrichtung zwischen III und III', wie dies auch in 1A angegeben ist. Die Schnittdarstellung von 1C ist so geführt, dass sie durch eine Gateelektrode 210 schneidet. Wie in 1C gezeigt ist, ist der Sourcebereich 201 zwischen dem Sourcekontaktgraben 214 und der Gateelektrode 210 angeordnet. Darüber hinaus ist die dotierte Schicht 223 des zweiten Leitfähigkeitstyps benachbart zu einer Bodenseite des Sourcekontaktgrabens 214 angeordnet. In der Schnittdarstellung von 1C sind der Bodybereich und der erste oder zweite Grat vor und hinter der Zeichenebene gelegen. Wie in 1A dargestellt ist, können sich der Sourcekontaktgraben 214 und der Drainkontaktgraben 215 längs der zweiten Richtung erstrecken.
  • 1D zeigt eine Schnittdarstellung zwischen II und II', wie diese auch in 1A veranschaulicht ist. Die Schnittdarstellung von 1C ist so geführt, dass sie eine Vielzahl von Gatetrenches 212 schneidet. Wie gezeigt ist, können getrennte Lamellen von Halbleitermaterial des Wannenteiles des zweiten Leitfähigkeitstyps 150 durch benachbarte Gatetrenches 212 strukturiert bzw. gemustert werden. Wie weiter veranschaulicht ist, sind die Gatetrenches 212 unter verschiedenen Pitches angeordnet, so dass der Bodybereich 230 in erste Grate 220 und wenigstens einen zweiten Grat 221 strukturiert wird. Eine Breite d der ersten Grate 220 ist kleiner als eine Breite b des zweiten Grates 221. Ein Gatedielektrikum 211 ist neben den Seitenwänden 220b und der oberen Oberfläche 220a von jedem der Grate angeordnet. Weiterhin ist ein leitendes Material in die Trenches 212 zwischen benachbarten ersten oder zweiten Graten gefüllt, um die Gateelektrode 210 zu bilden. Somit ist der Bodybereich 230 in die Gestalt des ersten Grates, der sich in der ersten Richtung erstreckt, oder in die Gestalt einer ersten Rippe bzw. einer Finne strukturiert bzw. gemustert. An einer Stelle oder Position, die längs der zweiten Richtung, beispielsweise der y-Achse, verschoben ist, hat der Bodybereich die Gestalt eines zweiten Grates, der sich in der ersten Richtung erstreckt, oder die Gestalt einer zweiten Rippe bzw. einer zweiten Finne.
  • Die Gateelektrode 210 kann neben Seitenwänden 220b und einer oberen Seite 220a der ersten Grate 220 angeordnet sein. Weiterhin kann die Gateelektrode 210 neben Seitenwänden 221b und einer oberen Seite 221a des zweiten Grates 221 angeordnet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfüllt die Breite d des ersten Grates 220 eine Beziehung d ≤ 2 × ld, wobei ld eine Länge einer Verarmungszone bezeichnet, die an der Zwischenfläche zwischen der Gatedielektrikumschicht 211 und dem Bodybereich 230 gebildet ist. Beispielsweise kann die Breite der Verarmungszone bestimmt werden zu:
    Figure DE102015105632B4_0002
    wobei εs die Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials (11,9·ε0 für Silizium), k die Boltzmann-Konstante (1,38066·10–23 J/K), T die Temperatur (beispielsweise 300 K), in den natürlichen Logarithmus, NA die Fremdstoffkonzentration in der Halbleiterschicht, ni die intrinsische Trägerkonzentration (1,45·1010 für Silizium bei 27°C), q die Elementarladung (1,6·10-19 C) bezeichnen.
  • Im Allgemeinen wird angenommen, dass in einem Transistor die Länge der Verarmungszone bei einer Gatespannung entsprechend der Schwellenspannung des Transistors der maximalen Breite der Verarmungszone entspricht. Beispielsweise beträgt die Breite der ersten Grate angenähert 20 bis 130 nm, beispielsweise 40 bis 120 nm längs der zweiten Richtung und parallel zu der ersten Hauptoberfläche 110 des Halbleiterkörpers 100.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel berühren leitende Inversionsschichten 216, die in den ersten Graten an entgegengesetzten Seitenwänden 220b eines ersten Grates gebildet sind, einander, wenn die Gateelektrode auf ein geeignetes Potential gesetzt ist, beispielsweise wenn eine Spannung entsprechend der Schwellenspannung an dem Gateanschluss liegt. Als eine Folge wird der Bodybereich 230 in dem ersten Grat vollständig verarmt. Ein solcher Transistor wird auch als ein ”vollständig verarmter” Transistor bezeichnet. In einem derartigen Transistor kann eine optimale Unterschwellenspannung erzielt werden, und Kurzkanaleffekte können wirksam unterdrückt werden, was in verbesserten Vorrichtungseigenschaften resultiert. Weiterhin können die leitenden Inversionskanäle 216, die an entgegengesetzten Seitenwänden 220b des zweiten Grates 221 gebildet sind, einander nicht berühren. Als ein Ergebnis kann der elektrische Kontakt zwischen der Driftzone 260 und dem Sourcekontakt 202 sowie der dotierten Schicht 223 des zweiten Leitfähigkeitstyps über den Bodybereich 230 verbessert sein. Beispielsweise kann die Breite des zweiten Grates größer sein als 100 nm, beispielsweise größer als angenähert 500 nm.
  • Die 2A und 2B zeigen eine horizontale Schnittdarstellung und eine vertikale Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Zahlreiche Komponenten der in 2A und 2B dargestellten Halbleitervorrichtung sind identisch zu entsprechenden Komponenten der anhand der 1A bis 1D beschriebenen Halbleitervorrichtung. Verschieden von dem Ausführungsbeispiel von 1A bis 1D ist die dotierte Schicht 223 des zweiten Leitfähigkeitstyps in Kontakt mit dem Sourcekontakt 202 und dem zweiten Grat 221 angeordnet. Beispielsweise ist, wie in 2A gezeigt ist, die dotierte Schicht 223 des zweiten Leitfähigkeitstyps an der ersten Hauptoberfläche 110 angeordnet, um elektrisch den Bodybereich 230 in dem zweiten Grat 221 mit dem Sourcekontakt 202 an der ersten Hauptoberfläche 110 zu verbinden. Wie weiterhin in 2B gezeigt ist, erstreckt sich die dotierte Schicht 223 des zweiten Leitfähigkeitstyps vertikal längs des Sourcekontaktes 202. Beispielsweise kann sich die dotierte Schicht 223 vertikal von der ersten Hauptoberfläche 110 längs des Sourcekontaktes 202 zu der Bodenseite des Sourcekontaktgrabens 214 erstrecken.
  • Gemäß hier beschriebenen Ausführungsbeispielen können aufgrund der spezifischen Struktur des Bodybereiches 230, der die ersten Grate 220 und einen zweiten Grat 221 aufweist, Löcher, die in der Driftzone 220, aufgrund von Stoßionisation erzeugt sein können wirksam über den Bodybereich 230 zu dem Sourcekontakt 202 geführt werden, wodurch ein parasitärer Bipolartransistor zerstört oder selbst unterdrückt werden kann. Insbesondere ist aufgrund der größeren Breite des zweiten Grates 221 der Bodybereich 230 innerhalb des zweiten Grates 221 daran gehindert, vollständig verarmt zu werden, so dass die Löcher wirksam aus dem Bodybereich 230 in den Bereich des zweiten Grates 221 entfernt werden können. Gemäß Ausführungsbeispielen kann der Sourcebereich 201 neben dem zweiten Grat 221 angeordnet sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Sourcekontakt 202 in direktem Kontakt mit dem zweiten Grat 221 sein. Weiterhin kann, wie in 2A und 2B veranschaulicht ist, die dotierte Schicht 223 des zweiten Leitfähigkeitstyps an einer Seitenwand des Sourcekontaktes 202 angeordnet sein, um elektrisch mit dem Bodybereich 230 in dem Bereich des zweiten Grates 221 längs einer großen vertikalen Ausdehnung verbunden zu sein. Als eine Folge können die Löcher wirksamer entfernt werden, was in einer besseren Unterdrückung des parasitären Bipolartransistors und in der Verhinderung von schädlichen Effekten, wie beispielsweise eines Rückschnappeffektes bzw. Snap-Back-Effektes, resultiert. Dies führt zu einem verbesserten sicheren Betriebsbereich (SOA), der einem Bereich in den I-V-Kennlinien entspricht, in welchem die Halbleitervorrichtung sicher betrieben werden kann.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1A, in welchem der Sourcebereich von dem Sourcekontakt 202 neben dem zweiten Grat 221 abwesend ist, kann die Bildung eines Transistors in diesem Gebiet verhindert werden. Als ein Ergebnis können die I-V-Kennlinien des Transistors weiter verbessert werden, und die Steilheit dieser Kennlinie kann aufrecht erhalten werden.
  • Die 3A und 3B zeigen Schnittdarstellungen einer Halbleitervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Verschieden von dem in 1A dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Ausführungsbeispiel von 3A eine Feldplatte 250. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 3A kann die Feldplatte in einem Feldplattentrench bzw. -graben 252 angeordnet sein, der in einer ersten Hauptoberfläche 110 der Halbleitervorrichtung angeordnet ist. Der Feldplattentrench 252 kann in der Driftzone 260 angeordnet sein. Beispielsweise kann sich der Feldplattentrench 252 bis zu dem Bodybereich 230 erstrecken. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann sich der Feldplattentrench 252 nicht bis zu dem Bodybereich 230 erstrecken. Ein leitendes Material kann in dem Feldplattentrench 252 angeordnet sein, um die Feldplatte 250 zu bilden. Die Feldplatte 250 kann von der Driftzone 260 durch eine Felddielektrikumschicht 251 isoliert sein. Eine Dicke der Felddielektrikumschicht 251 kann größer sein als eine Dicke der Gatedielektrikumschicht 211. Der Feldplattentrench 252 kann angeordnet sein, um mit dem zweiten Grat 221 ausgerichtet zu sein, der in dem Bodybereich 230 gebildet ist. Das heißt, der zweite Grat 221 und der Feldplattentrench 252 können längs der ersten Richtung (beispielsweise x-Richtung) angeordnet sein, so dass der Feldplattentrench nächst zu oder benachbart zu bzw. neben dem zweiten Grat 221 angeordnet sein kann.
  • 3B zeigt eine vertikale Schnittdarstellung der in 3A dargestellten Vorrichtung. Beispielsweise kann die Feldplatte 250 elektrisch mit einem Sourceanschluss 203 verbunden sein. Wie durch Strichlinien angezeigt ist, kann die Halbleitervorrichtung weiterhin einen Bodykontaktteil 225 aufweisen, der unter dem Bodybereich 230 angeordnet ist. Der Bodykontaktteil 225 verbessert weiter die elektrische Verbindung des Sourcekontaktes 202 mit der Driftzone 260 über den Bodybereich 230. Der Bodykontaktteil 225 ist elektrisch mit und physikalisch mit der dotierten Schicht 223 des zweiten Leitfähigkeitstyps verbunden. Die dotierte Schicht 223 des zweiten Leitfähigkeitstyps ist unter dem Sourcekontakt 202 angeordnet.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das in 3A und 3B gezeigte Ausführungsbeispiel einschließlich der Feldplatte modifiziert werden durch Ausgestalten der Zwischenfläche zwischen dem Bodybereich und dem Sourcekontakt 202 in einer Weise, wie dies in 2A und 2B sowie weiter in 1B dargestellt ist.
  • Aufgrund des Vorhandenseins einer Feldplatte kann ein p-Inversionskanal an einer Zwischenfläche zwischen der Feldielektrikumschicht 251 und der Driftzone 260 gebildet werden. Demgemäß können Löcher, die in der Driftzone 260 gebildet werden können, effektiver zu dem zweiten Grat 221 geleitet werden, so dass die Unterdrückung oder Verschlechterung eines parasitären Bipolartransistors weiter verbessert werden kann.
  • Die 4A und 4B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Transistors. Gemäß dem in 4A und 4B gezeigten Ausführungsbeispiel kann sich der Feldplattentrench 252 in den Bodybereich 230 erstrecken.
  • 4A zeigt eine horizontale Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung. Wie gezeigt ist, umfasst der Bodybereich 230 zwei Grate 221. Ein Gatetrench 212 ist auf einer Seite des zweiten Grates angeordnet, und der Feldplattentrench 252 ist auf der anderen Seite des zweiten Grates 221 angeordnet. Die Feldplatte 250 kann elektrisch mit dem Gateanschluss 213 gekoppelt sein. Eine Dicke der Feldielektrikumschicht 251 kann größer sein als eine Dicke der Gatedielektrikumschicht 211. Gemäß einem Beispiel kann die Dicke der Feldielektrikumschicht 251 variieren. Beispielsweise kann die Dicke größer sein zwischen der Feldplatte 250 und der benachbarten Driftzone 260 als zwischen der Feldplatte 250 und dem angrenzenden Bodybereich 230. Der Feldplattentrench 252 erstreckt sich von dem Bodybereich 230 zu der Driftzone 260. Wenn der Gateanschluss 213 auf ein geeignetes Potential gesetzt ist, kann ein leitender Inversionskanal für Löcher an der Zwischenfläche zwischen der Feldielektrikumschicht 251 und der Driftzone 260 gebildet werden. Als ein Ergebnis können Löcher wirksamer von der Driftzone 260 entfernt werden.
  • 4B zeigt eine vertikale Schnittdarstellung der Halbleitervorrichtung. Wie dargestellt ist, erstreckt sich die Feldplatte 250 lateral von dem Bodybereich 230 zu der Driftzone 260. Der Sourcebereich 201 kann in dem Bereich, in welchem die Feldplatte 250 angeordnet ist, abwesend sein.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 4A und 4B ist ein leitendes Material, das in dem Trench 252 neben bzw. benachbart zu dem zweiten Grat 221 angeordnet ist, elektrisch mit dem Gateanschluss 213 verbunden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das leitende Material elektrisch mit einem verschiedenen Anschluss, beispielsweise dem Sourceanschluss 203, verbunden sein. Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein isolierendes Material in dem Trench 252 in einem Bereich neben bzw. angrenzend an den Bodybereich 230 angeordnet sein, und ein leitendes Material kann in einem Bereich angrenzend an die Driftzone 260 angeordnet sein. Dieses leitende Material kann elektrisch mit einem Sourceanschluss 203 verbunden sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Feldplatten auch als planare Feldplatten ausgestaltet sein. Weiterhin können verschiedene Feld- bzw. einige Feldplatten in der Driftzone angeordnet werden. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Driftzone weiter modifiziert werden, beispielsweise durch einen pn-Superübergangsschichtstapel ausgestaltet werden.
  • Die Halbleitervorrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von einzelnen Transistoren 10, die parallel verbunden sein können. Die Struktur bzw. das Muster der einzelnen Transistoren 10 kann wiederholt und längs der ersten und der zweiten Richtungen gespiegelt werden. Im Allgemeinen kann eine Halbleitervorrichtung einen aktiven Teil und einen Randteil umfassen. Eine Vielzahl von einzelnen Transistoren kann den aktiven Teil ausgestalten. Weiterhin kann der Randabschlussteil Randabschlussvorrichtungen umfassen, die im Wesentlichen gestaltet sind, um elektrische Felder an dem Rand der Halbleitervorrichtung zu entfernen oder zu kompensieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Transistor eine Komponente des aktiven Teiles.
  • Gemäß einer weiteren Interpretation umfasst eine Halbleitervorrichtung 1 ein Array bzw. eine Anordnung von Feldeffekttransistoren 200 in einem Halbleiterkörper 100, der eine erste Hauptoberfläche 110 hat. Das Array bzw. die Anordnung von Feldeffekttransistoren 200 umfasst einen Sourcebereich 201, einen Drainbereich 205, einen Bodybereich 230, eine Driftzone 260 und eine Gateelektrode 210, die in ersten Gatetrenches 212 angeordnet ist, die sich in einer ersten Richtung parallel zu der ersten Hauptoberfläche 110 erstreckt. Der Bodybereich 230 und die Driftzone 260 sind längs der ersten Richtung zwischen dem Sourcebereich 201 und dem Drainbereich 205 angeordnet. Die ersten Gatetrenches 212 sind unter einem ersten Abstand d längs einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung parallel zu der ersten Hauptoberfläche 110 angeordnet. Der Halbleiter umfasst einen zweiten Gatetrench, wobei ein zweiter Abstand b zwischen dem zweiten Gatetrench und einem benachbarten Trench der erste Gatetrenches größer ist als der erste Abstand. Beispielsweise kann in dem Ausführungsbeispiel der 1A bis 3B der zweite Gatetrench beispielsweise der Gatetrench, der auf einer Seite des zweiten Grates 221 angeordnet ist, sein, und die ersten Gatetrenches sind auf der anderen Seite des zweiten Grates 221 angeordnet. In dem in 4A und 4B gezeigten Ausführungsbeispiel kann der zweite Gatetrench durch den Feldplattentrench 252 ausgestaltet sein, der sich von dem Bodybereich 230 zu der Driftzone 260 erstreckt.
  • Beispielsweise sind gemäß dieser Interpretation erste Teile 220 des Bodybereiches zwischen den ersten Gatetrenches angeordnet. Weiterhin kann ein zweiter Teil 221 des Bodybereiches 230 zwischen dem zweiten Gatetrench und einem benachbarten Trench der ersten Gatetrenches 212 angeordnet sein. Der zweite Teil 221 des Bodybereiches 230 kann direkt einen Sourcekontakt 202 kontaktieren.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Halbleitervorrichtung einen Wandler bzw. Umsetzer ausgestalten, beispielsweise einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Halbleitervorrichtung eine Komponente einer Stromversorgung sein, beispielsweise eines Schaltnetzteiles oder eines Motorantriebs.

Claims (20)

  1. Halbleitervorrichtung (1) mit einem Transistor (10) in einem Halbleiterkörper, der eine erste Hauptoberfläche hat, wobei der Transistor (10) aufweist: einen Sourcebereich (201) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Drainbereich (205), einen Bodybereich (230) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der verschieden vom ersten Leitfähigkeitstyp ist, eine Driftzone (260), und eine Gateelektrode (210), die in Gatetrenches (212) angeordnet ist, die sich in einer ersten Richtung parallel zu der ersten Hauptoberfläche erstrecken, wobei der Bodybereich (230) und die Driftzone (260) längs der ersten Richtung zwischen dem Sourcebereich (201) und dem Drainbereich (205) angeordnet sind, der Bodybereich (230) erste Grate (220) aufweist, die sich längs der ersten Richtung erstrecken und die ersten Grate (220) zwischen benachbarten Gatetrenches (212) in dem Halbleiterkörper angeordnet sind, wobei der Bodybereich (230) weiterhin eine zweiten Grat (221) aufweist, eine Breite des zweiten Grates (221) größer ist als eine Breite der ersten Grate (220) und die Breiten in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung gemessen sind.
  2. Halbleitervorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der eine Breite d der ersten Grate (220) eine Beziehung d ≤ 2 × ld erfüllt, wobei ld eine Länge einer Verarmungszone bezeichnet, die an einer Zwischenfläche zwischen dem ersten Grat und der Gateelektrode (210) gebildet ist und eine Breite b des zweiten Grates eine Beziehung erfüllt: b > 2 × ld.
  3. Halbleitervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend einen Sourcekontakt (202) in Kontakt mit dem Sourcebereich (201), wobei der zweite Grat (221) in Kontakt mit dem Sourcekontakt (202) ist.
  4. Halbleitervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der zweite Grat (221) zwischen benachbarten Gatetrenches (212) angeordnet ist.
  5. Halbleitervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend eine Feldplatte (250) benachbart zu der Driftzone (260).
  6. Halbleitervorrichtung (1) nach Anspruch 5, bei der die Feldplatte (250) in einem in der ersten Hauptoberfläche ausgebildeten Feldplattentrench (252) angeordnet ist.
  7. Halbleitervorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Feldplatte (250) elektrisch mit einem Sourceanschluss (203) verbunden ist.
  8. Halbleitervorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Feldplatte (250) elektrisch mit einem Gateanschluss (213) verbunden ist.
  9. Halbleitervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der ein Teil der Feldplatte (250) sich bis zu dem Bodybereich (230) erstreckt.
  10. Halbleitervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei der der zweite Grat (221) und die Feldplatte (250) längs der ersten Richtung angeordnet sind.
  11. Halbleitervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend eine Feldplatte (250), die in einem Feldplattentrench (252) in der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist und sich in der ersten Richtung erstreckt, wobei ein Teil des Feldplattentrenches (252) in dem Bodybereich (230) angeordnet ist und wobei der zweite Grat (221) zwischen einem der Gatetrenches (212) und dem Feldplattentrench (252) angeordnet ist.
  12. Halbleitervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, bei der der Sourcekontakt (202) in einem Sourcekontaktgraben (214) angeordnet ist, der in der ersten Hauptoberfläche (110) gebildet ist.
  13. Halbleitervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, weiterhin umfassend eine dotierte Schicht (223) des zweiten Leitfähigkeitstyps unterhalb des Sourcekontaktes (202).
  14. Halbleitervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, weiterhin umfassend eine dotierte Schicht (223) des zweiten Leitfähigkeitstyps in Kontakt mit dem Sourcekontakt (202) und dem zweiten Grat (221).
  15. Halbleitervorrichtung (1) nach Anspruch 14, bei der die dotierte Schicht (223) sich vertikal von der ersten Hauptoberfläche (110) längs des Sourcekontaktes (202) erstreckt.
  16. Halbleitervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Gateelektrode (210) benachbart zu einer oberen Seite (220a) und einer Seitenwand (220b) des ersten Grates (220) angeordnet ist.
  17. Halbleitervorrichtung (1) mit einer Anordnung von Feldeffekttransistoren (200) in einem Halbleiterkörper (100), der eine erste Hauptoberfläche (110) hat, wobei die Anordnung von Feldeffekttransistoren (200) umfasst: einen Sourcebereich (201), einen Drainbereich (205), einen Bodybereich (230), eine Driftzone (260), und eine Gateelektrode (210), die in ersten Gatetrenches (212) angeordnet ist, die sich in einer ersten Richtung parallel zu der ersten Hauptoberfläche (110) erstrecken, wobei der Bodybereich (230) und die Driftzone (260) längs der ersten Richtung zwischen dem Sourcebereich (201) und dem Drainbereich (205) angeordnet sind, wobei die ersten Gatetrenches (212) unter einem ersten Abstand längs der zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung parallel zu der ersten Hauptoberfläche (110) angeordnet sind, und wobei der Halbleiterkörper einen zweiten Gatetrench (212, 252) aufweist, und wobei ein zweiter Abstand zwischen dem zweiten Gatetrench (212, 252) und einem benachbarten ersten Gatetrench der ersten Gatetrenches (212) größer ist als der erste Abstand.
  18. Halbleitervorrichtung (1) nach Anspruch 17, bei der der zweite Gatetrench (212, 252) sich zu der Driftzone (260) erstreckt.
  19. Halbleitervorrichtung (1) nach Anspruch 17 oder 18, bei der erste Teile des Bodybereiches (230) zwischen den ersten Gatetrenches (212) angeordnet sind.
  20. Halbleitervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei der ein zweiter Teil des Bodybereiches (230) zwischen dem zweiten Gatetrench (212) und einem benachbarten Trench der ersten Gatetrenches (212) angeordnet ist.
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