DE102016114229B3 - Transistorbauelement mit einer zwei schichten umfassenden feldelektrodeund sein herstellverfahren - Google Patents

Transistorbauelement mit einer zwei schichten umfassenden feldelektrodeund sein herstellverfahren Download PDF

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Abstract

Beschrieben wird ein Transistorbauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines Transistorbauelements. Das Transistorbauelement umfasst: Ein Sourcegebiet, ein Bodygebiet und ein Driftgebiet, wobei das Bodygebiet zwischen dem Sourcegebiet und dem Driftgebiet angeordnet ist; eine zu dem Bodygebiet benachbarte und durch ein Gatedielektrikum dielektrisch gegenüber dem Bodygebiet isolierte Gateelektrode; und eine zu dem Driftgebiet benachbarte und durch ein Feldelektrodendielektrikum dielektrisch gegenüber dem Driftgebiet isolierte Feldelektrode. Die Feldelektrode umfasst wenigstens zwei Schichten aus unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien.

Description

  • Diese Beschreibung betrifft allgemein ein Transistorbauelement, insbesondere ein feldeffektgesteuertes Transistorbauelement mit einer Feldelektrode.
  • Feldeffektgesteuerte Transistorbauelemente mit isolierter Gateelektrode sind als elektronische Schalter in einer Vielzahl von verschiedenen elektronischen Anwendungen, wie beispielsweise Automobil-, Industrie-, Haushalts- oder Unterhaltungselektronikanwendungen, um nur einige wenige zu nennen, weit verbreitet. Diese Arten von Transistoren werden üblicherweise als Leistungs-MOS-(Metal Oxide Semiconductor)-Transistoren bezeichnet, obwohl die Gateelektrode (die durch das „M“ bezeichnet ist) nicht notwendigerweise ein Metall umfasst und das Gatedielektrikum (welches durch das „O“ bezeichnet ist) nicht notwendigerweise ein Oxid umfasst. MOS-Transistoren umfassen MOSFETs (Metal Oxide Field-Effect Transistors) und IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).
  • Eine spezielle Art von Leistungs-MOS-Transistor umfasst eine Gateelektrode, die einen Schaltzustand (Ein oder Aus) des Transistors steuert und eine zu einem Driftgebiet benachbarte und von dem Driftgebiet durch ein Feldelektrodendielektrikum dielektrisch isolierte Feldelektrode. Die Feldelektrode wird geladen, wenn der MOS-Transistor ausschaltet, und entladen, wenn der MOS-Transistor wieder einschaltet. Das Schaltverhalten, d. h., wie schnell der MOS-Transistor ausschaltet und einschaltet ist abhängig davon, wie schnell die Feldelektrode geladen und entladen wird.
  • Ein solches Transistorbauelement ist beispielsweise in der US 2011/0 136 309 A1 oder der DE 10 2015 112 434 A1 beschrieben. Bei dem Transistorbauelement gemäß der zuerst genannten US 2011/0 136 309 A1 kann die eine an ein Feldelektrodendielektrikum angrenzende Schicht aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise Polysilizium, und zur Reduktion des Widerstands der Feldelektrode ein in diese Schicht eingebettetes Gebiet aus einem Metall oder einem Silizid aufweisen.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin ein Transistorbauelement mit einem vorhersehbaren Schaltverhalten und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Transistorbauelements zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch ein Transistorbauelement nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 13 gelöst.
  • Beispiele werden unten anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, bestimmte Prinzipien zu veranschaulichen, so dass nur Aspekte, die zum Verständnis dieser Prinzipien notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.
  • 1 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Transistorbauelements gemäß einem Beispiel;
  • 2A und 2B zeigen eine Draufsicht bzw. eine vertikale Schnittansicht eines Transistorbauelements des in 1 gezeigten Typs;
  • 3 veranschaulicht schematisch eine Schicht eines leitenden Materials, wie beispielsweise Polysilizium;
  • 4A bis 4G veranschaulichen ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer Feldelektrode und eines Feldelektrodendielektrikums eines Transistorbauelements;
  • 5 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Transistorbauelements gemäß einem weiteren Beispiel;
  • 6 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Transistorbauelements gemäß einem weiteren Beispiel; und
  • 7 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Transistorbauelements gemäß noch einem weiteren Beispiel.
  • In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen zur Veranschaulichung spezielle Beispiele, wie die Erfindung umgesetzt werden kann. Selbstverständlich können die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Beispiele miteinander kombiniert werden, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist.
  • 1 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Abschnitts eines Transistorbauelements gemäß einem Beispiel. Das Transistorbauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einer ersten Oberfläche 101. 1 zeigt eine vertikale Schnittansicht des Halbleiterkörpers 100, d. h. 1 zeigt den Halbleiterkörper 100 in einer vertikalen Schnittebene, die senkrecht zu der ersten Oberfläche 101 ist. Gemäß einem Beispiel ist der Halbleiterkörper 100 ein monokristalliner Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper 100 kann ein herkömmliches Halbleitermaterial umfassen, wie beispielsweise Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC) oder ähnliches.
  • Das Transistorbauelement umfasst wenigstens eine Transistorzelle und kann mehrere Transistorzellen umfassen. In 1 sind mehrere dieser Transistorzellen gezeigt, wobei in 1 eine dieser Transistorzellen in gestrichelten Linien dargestellt ist und mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die wenigstens eine Transistorzelle 10 umfasst ein Sourcegebiet 13, ein Bodygebiet 12 und ein Driftgebiet 11, wobei das Bodygebiet 12 zwischen dem Sourcegebiet 13 und dem Driftgebiet 11 angeordnet ist und das Sourcegebiet 13 von dem Driftgebiet 11 trennt. Diese Gebiete, die auch als aktive Bauelementgebiete bezeichnet werden können, sind dotierte Halbleitergebiete in dem Halbleiterkörper 100. Eine Gateelektrode 21 ist benachbart zu dem Bodygebiet 12 und durch ein Gatedielektrikum 22 dielektrisch gegenüber dem Bodygebiet 12 isoliert. Außerdem umfasst die wenigstens eine Transistorzelle 10 eine zu dem Driftgebiet 11 benachbarte und durch ein Feldelektrodendielektrikum 32 dielektrisch gegenüber dem Driftgebiet 11 isolierte Feldelektrode 31.
  • Bezugnehmend auf 1 ist die Gateelektrode 21 elektrisch an einen Gateknoten G angeschlossen, der in 1 nur schematisch dargestellt ist, und das Sourcegebiet 13 und das Bodygebiet 12 sind jeweils an einen Sourceknoten S angeschlossen. Der Sourceknoten S und elektrische Verbindungen zwischen dem Sourceknoten S und dem Sourcegebiet 13 bzw. dem Bodygebiet 12 sind in 1 nur schematisch dargestellt. Außerdem kann das Transistorbauelement ein Draingebiet 14 umfassen, das an einen Drainknoten D angeschlossen ist. Das Draingebiet 14 ist derart angeordnet, dass das Driftgebiet 11 zwischen dem Bodygebiet 12 und dem Draingebiet 14 angeordnet ist. Die Feldelektrode 31 der wenigstens einen Transistorzelle 10 ist entweder an den Sourceknoten S oder den Gateknoten G angeschlossen. Diese Verbindung ist in 1 nur schematisch dargestellt.
  • Wenn das Transistorbauelement mehrere Transistorzellen umfasst, wie in 1 gezeigt ist, sind die einzelnen Transistorzellen dadurch parallel geschaltet, dass die Gateelektroden 21 der einzelnen Transistorzellen an den Gateknoten G angeschlossen sind und dass die Body- und Sourcegebiete 12, 13 der einzelnen Transistorzellen an den Sourceknoten S angeschlossen sind. Bezugnehmend auf 1 können sich zwei (benachbarte) Transistorzellen ein Sourcegebiet 13 und ein Bodygebiet 12 teilen und zwei (andere) benachbarte Transistorzellen können sich eine Gateelektrode 21 und eine Feldelektrode 31 teilen. Das Driftgebiet 11 und das Draingebiet 14 können sich die mehreren Transistorzellen 10 teilen.
  • Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Feldelektrode 31 und die Gateelektrode 21 der wenigstens einen Transistorzelle 10 in einem gemeinsamen Graben angeordnet, der nachfolgend als erster Graben bezeichnet wird. Dieser erste Graben erstreckt sich von der ersten Oberfläche 101 in einer vertikalen Richtung z in den Halbleiterkörper 100. Das Sourcegebiet 13, das Bodygebiet 12 und das Driftgebiet 11 sind in der vertikalen Richtung z aufeinanderfolgend angeordnet. In dem ersten Graben ist die Gateelektrode 21 näher an der ersten Oberfläche 101 als die Feldelektrode 31, so dass, von der ersten Oberfläche 101 aus gesehen, die Feldelektrode 31 unterhalb der Gateelektrode 21 angeordnet ist. In dem ersten Graben sind die Gateelektrode 21 und die Feldelektrode 31 durch eine Dielektrikumsschicht 33, die nachfolgend als Zwischendielektrikum bezeichnet wird, dielektrisch voneinander isoliert.
  • Eine Art, wie die Feldelektrode 31, die bei dem in 1 gezeigten Beispiel in dem ersten Graben unterhalb der Gateelektrode 21 vergraben ist, elektrisch an einen von dem Sourceknoten S und dem Gateknoten G angeschlossen werden kann, ist in den 2A und 2B veranschaulicht. 2A zeigt eine horizontale Schnittansicht eines Abschnitts eines Transistorbauelements des in 1 gezeigten Typs in einer horizontalen Schnittebene A-A, und 2B zeigt eine vertikale Schnittansicht des in 2A gezeigten Bauelements in einer Schnittebene B-B. Die horizontale Schnittebene A-A schneidet durch die Feldelektrode 31, und die vertikale Schnittebene B-B schneidet durch die Feldelektrode 31 und die Gateelektrode 21.
  • 2A zeigt eine Draufsicht auf zwei Gräben, die jeweils eine Gateelektrode 21 und ein zugehöriges Gatedielektrikum 22 und eine Feldelektrode 31 und ein zugehöriges Feldelektrodendielektrikum 32 umfassen, wobei die Feldelektrode 31 und das Feldelektrodendielektrikum 32 in 2A außerhalb der Darstellung sind. Bei diesem Beispiel sind die Gräben in einer horizontalen Richtung x des Halbleiterkörpers 100 langgestreckt. 2B zeigt eine vertikale Schnittansicht eines dieser Gräben und eines Abschnitts des Driftgebiets 11, das unterhalb des Grabens, d. h. unterhalb der Feldelektrode 31 und des Feldelektrodendielektrikums 32, angeordnet ist. Bezugnehmend auf die 2A und 2B ist die jeweilige Feldelektrode 31 an einem longitudinalen Ende jedes ersten Grabens elektrisch an eine Kontaktelektrode 41 angeschlossen. Diese Kontaktelektrode 41 ist an einem longitudinalen Ende des jeweiligen Grabens neben der Gateelektrode 21, die vor dem longitudinalen Ende des Grabens endet, angeordnet. Bezugnehmend auf 2B erstreckt sich die Kontaktelektrode 41 zu der ersten Oberfläche 101, wo sie kontaktiert werden kann, um elektrisch entweder an den Sourceknoten S oder den Gateknoten G angeschlossen zu werden. Die elektrische Verbindung zwischen der Kontaktelektrode 41 und einem von dem Sourceknoten S und dem Gateknoten G ist in 2B nur schematisch dargestellt. Die Kontaktelektrode 41 ist von der Gateelektrode 21 und von dem Halbleiterkörper 100 bzw. dem Driftgebiet 11 durch eine weitere Dielektrikumsschicht 42 dielektrisch isoliert.
  • Das Transistorbauelement kann eines von einem n-leitenden Transistorbauelement und einem p-leitenden Transistorbauelement sein. In einem n-leitenden Transistorbauelement sind das Sourcegebiet 13 und das Driftgebiet 11 n-dotierte Halbleitergebiete und das Bodygebiet 12 ist ein p-dotiertes Halbleitergebiet. In einem p-leitenden Transistorbauelement sind das Sourcegebiet 13 und das Driftgebiet 11 p-dotierte Halbleitergebiete und das Bodygebiet 12 ist ein n-dotiertes Halbleitergebiet. Das Transistorbauelement kann als ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) oder ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) realisiert sein. In einem MOSFET hat das Draingebiet 14 denselben Dotierungstyp wie das Driftgebiet 11, ist jedoch höher dotiert als das Driftgebiet. In einem IGBT hat das Draingebiet 14 (das auch als Kollektorgebiet bezeichnet werden kann) einen zu dem Dotierungstyp des Driftgebiets 11 komplementären Dotierungstyp. Außerdem kann das Transistorbauelement als Anreicherungsbauelement (selbstsperrendes Bauelement) oder als Verarmungsbauelement (selbstleitendes Bauelement) realisiert sein. Bei einem Anreichungsbauelement grenzt das Bodygebiet 12 an das Gatedielektrikum 22 an. Bei einem Verarmungsbauelement gibt es ein Kanalgebiet 15 desselben Dotierungstyps wie das Sourcegebiet 13 und das Driftgebiet 11. Dieses Kanalgebiet ist zwischen dem Gatedielektrikum 22 und dem Bodygebiet 12 angeordnet und erstreckt sich von dem Sourcegebiet 13 zu dem Driftgebiet 11. Das optionale Kanalgebiet 15 ist in 1 in gestrichelten Linien dargestellt. Gemäß einem Beispiel sind Dotierungskonzentrationen der einzelnen oben erläuterten Bauelementgebiete wie folgt: Sourcegebiet: zwischen 1E18 cm–3 und 1E21 cm–3; Bodygebiet: zwischen 1E16 cm–3 und 1E19 cm–3; Driftgebiet: zwischen 1E13 cm–3 und 1E18 cm–3; Draingebiet: zwischen 1E18 cm–3 und 1E21 cm–3; Kanalgebiet: zwischen 1E17 cm–3 und 1E19 cm–3.
  • Das Transistorbauelement schaltet abhängig von einer Ansteuerspannung (Gate-Source-Spannung) VGS, die zwischen dem Gateknoten G und dem Sourceknoten S anliegt, ein oder aus. Das Transistorbauelement ist im Ein-Zustand, wenn die Ansteuerspannung VGS derart ist, dass ein leitender Kanal entlang des Gatedielektrikums 22 zwischen dem Sourcegebiet 13 und dem Driftgebiet 11 vorhanden ist, und das Transistorbauelement ist im Aus-Zustand, wenn der leitende Kanal entlang des Gatedielektrikums 22 unterbrochen ist. Ein Anreichungsbauelement ist beispielsweise im Ein-Zustand, wenn die Ansteuerspannung VGS derart ist, dass ein Inversionskanal in dem Bodygebiet 12 entlang des Gatedielektrikums 22 vorhanden ist. Das Anreichungsbauelement ist im Aus-Zustand, wenn kein solcher Inversionskanal vorhanden ist. Ein Verarmungsbauelement ist im Aus-Zustand, wenn die Ansteuerspannung VGS derart ist, dass der leitende Kanal 15 verarmt (unterbrochen) ist, und ist im Ein-Zustand, wenn die Ansteuerspannung VGS diesen leitenden Kanal 15 nicht unterbricht.
  • Unabhängig davon, ob das Transistorbauelement ein Anreichungsbauelement oder ein Verarmungsbauelement ist, breitet sich eine Raumladungszone (Verarmungszone) in dem Driftgebiet 11 beginnend an dem pn-Übergang zwischen dem Driftgebiet 11 und dem Bodygebiet 12 immer dann aus, wenn das Transistorbauelement im Aus-Zustand ist und eine Laststreckenspannung (Drain-Source-Spannung) VDS zwischen dem Drainknoten D und dem Sourceknoten S angelegt wird, die den pn-Übergang rückwärts polt. Der pn-Übergang wird beispielsweise bei einem n-leitenden Transistorbauelement rückwärts gepolt, wenn die Drain-Source-Spannung VDS eine positive Spannung ist, d. h., wenn ein elektrisches Potential an den Drainknoten D höher ist als ein elektrisches Potential an dem Sourceknoten S. Das sich in dem Driftgebiet 11 ausbreitende Verarmungsgebiet ist mit der Ionisation von Dotierstoffatomen in dem Driftgebiet 11 und der Ionisation von Dotierstoffatomen in dem Bodygebiet 12 verbunden. Die ionisierten Dotierstoffatome haben eine positive Ladung, wenn das jeweilige Halbleitergebiet n-dotiert ist, und haben eine negative Ladung, wenn das jeweilige Halbleitergebiet p-dotiert ist. D. h., es gibt positive Dotierstoffladungen in dem Driftgebiet 11 und negative Dotierstoffladungen in dem Bodygebiet 12, wenn das Driftgebiet 11 n-dotiert ist bzw. das Bodygebiet 12 p-dotiert ist. Jedes ionisierte Dotierstoffatom in dem Driftgebiet 11 hat eine Gegenladung eines entgegengesetzten Typs. Bei dem Transistorbauelement des in 1 gezeigten Typs ist diese Gegenladung entweder ein ionisiertes Dotierstoffatom in dem Bodygebiet 12 oder ist eine entsprechende Ladung in der Feldelektrode 31. Dies ist nachfolgend erläutert.
  • Zum Zweck der Erläuterung sei angenommen, dass das Transistorbauelement ein n-leitendes Transistorbauelement ist und dass eine positive Drain-Source-Spannung VDS zwischen dem Drainknoten D und dem Sourceknoten S angelegt wird. Aufgrund dieser positiven Drain-Source-Spannung VDS nimmt das elektrische Potential in dem Driftgebiet 11 in Richtung des Draingebiets 14 zu. Die Feldelektrode 31 hat entweder das elektrische Potential des Sourceknotens S oder des Gateknotens G, abhängig davon, ob sie an den Sourceknoten oder den Gateknoten angeschlossen ist. Lediglich zum Zweck der Erläuterung sei angenommen, dass das elektrische Potential der Feldelektrode 31 gleich dem elektrischen Potential des Sourceknotens S ist. Damit ist das elektrische Potential der Feldelektrode 31 negativ gegenüber dem elektrischen Potential in dem Driftgebiet 11, so dass die Feldelektrode 31 negative Gegenladungen zu ionisierten Dotierstoffladungen in dem Driftgebiet 11 bereitstellt. Hierdurch kann das Driftgebiet 11 höher dotiert werden, ohne die Sperrspannungsfestigkeit des Transistorbauelements im Vergleich zu einem äquivalenten Transistorbauelement, das keine Feldelektrode 31 umfasst, zu reduzieren.
  • Obwohl das elektrische Potential der Feldelektrode 31 auf demselben Niveau gehalten wird, welches bei dem oben erläuterten Beispiel das elektrische Potential des Sourceknotens S ist, wird die Feldelektrode 31 geladen, wenn sich die Verarmungszone in dem Driftgebiet 11 ausbreitet, und die Feldelektrode 31 wird entladen, wenn das Transistorbauelement wieder einschaltet, so dass das Verarmungsgebiet verschwindet. Wie schnell das Transistorbauelement von Ein-Zustand in den Aus-Zustand, und umgekehrt, schaltet, ist abhängig davon, wie schnell die Feldelektrode 31 geladen wird, wenn das Transistorbauelement ausschaltet, und entladen wird, wenn das Transistorbauelement wieder einschaltet. Mit anderen Worten, sogar im Ein-Zustand des Transistorbauelements kann ein Verarmungsgebiet in dem Driftgebiet 11 vorhanden sein, solange die Feldelektrode 31 noch nicht (vollständig) entladen wurde. Dieses Verarmungsgebiet kann den elektrischen Widerstand des Driftgebiets 11 im Ein-Zustand erhöhen und kann dadurch die Leitungsverluste des Transistorbauelements erhöhen.
  • Wie schnell die Feldelektrode 31 geladen wird, wenn das Transistorbauelement ausschaltet, und wie schnell die Feldelektrode 31 entladen wird, wenn das Transistorbauelement einschaltet, ist abhängig von einem elektrischen Widerstand zwischen der Feldelektrode 31 und dem Source- bzw. dem Gateknoten S, G. Bei einer Bauelementtopologie, wie sie in 2 gezeigt ist, bei der die Feldelektrode 31 an ihrem longitudinalen Ende an die Kontaktelektrode 41 angeschlossen ist und an den Source- oder Gateknoten S, G über die Kontaktelektrode 41 angeschlossen ist, beeinflusst der elektrische Widerstand der Feldelektrode 31 selbst die Lade- und Entladegeschwindigkeit der Feldelektrode 31. Der Grund hierfür ist, dass solche Abschnitte der Feldelektrode 3, die von dem longitudinalen Ende beabstandet sind, über Abschnitte der Feldelektrode 31, die zwischen dem longitudinalen Ende und den beabstandeten Gebieten angeordnet sind, geladen oder entladen werden. Es kann Anwendungen, bei denen es wünschenswert ist, einen geringen elektrischen Widerstand zu haben, um hohe Schaltgeschwindigkeiten zu erreichen, oder Anwendungen, bei denen es wünschenswert ist, einen relativ hohen Widerstand zu haben, um parasitäre Schwingungen zu dämpfen, die im Zusammenhang mit dem Einschalten oder Ausschalten des Transistorbauelements auftreten können, geben. Nichtsdestotrotz ist es bei jeder dieser Anwendungen wünschenswert, den Widerstand der Feldelektrode 31 so genau wie möglich einzustellen, d. h., mit der kleinstmöglichen Streuung.
  • Bei einem herkömmlichen Transistorbauelement kann die Feldelektrode 31 aus einem hochdotierten Polysilizium bestehen. 3 veranschaulicht schematisch eine Schicht mit einer Höhe H, einer Breite W und einer Länge L eines hochdotierten Polysiliziums. Ein elektrischer Widerstand dieser Schicht zwischen einem ersten longitudinalen Ende E1 und einem zweiten longitudinalen Ende E2 ist abhängig von einer Dotierungskonzentration des hochdotierten Polysiliziums, der Länge L, der Breite W und der Höhe H. Wenn die Breite W und die Höhe H jeweils über einer bestimmten Schwelle, wie beispielsweise 100 Nanometer (nm) liegen, ist der elektrische Widerstand im Wesentlichen linear abhängig jeweils von der Höhe H und der Breite W. Wenn allerdings einer dieser Parameter kleiner ist als die Schwelle, können nicht-lineare Effekte auftreten. Wenn beispielsweise die Höhe W kleiner ist als die Schwelle, wie beispielsweise 100 Nanometer, können Variationen des elektrischen Widerstands auftreten, die nicht mehr linear abhängig sind von der Höhe W.
  • In einer Feldelektrode, wie beispielsweise der in 1 gezeigten Feldelektrode 31, können solche nicht-linearen Effekte des elektrischen Widerstands auftreten, wenn eine Breite w der Feldelektrode 31 kleiner wird als eine bestimmte Schwelle, wie beispielsweise 100 Nanometer. Dies kann auftreten, wenn der Graben, der die Feldelektrode umfasst, so hergestellt wird, dass er eine Breite aufweist, die kleiner ist als die Schwelle. Außerdem können Prozessvariationen bewirken, dass der Graben eine Breite besitzt, die kleiner ist als die Schwelle. D. h., eine gewünschte Breite des Grabens kann größer sein als die Schwelle, aber aufgrund von Variationen in dem den Graben herstellenden Prozess kann sich ein engerer Graben ergeben. Um die Größe des Transistorbauelements zu reduzieren, kann es allerdings wünschenswert sein, die Breite w der Feldelektrode 31 auf beispielsweise unter 100 Nanometer zu reduzieren. Eine solche Reduktion der Breite w kann mit einer Reduktion des Pitches p einhergehen. Der Pitch p ist der Abstand zwischen entsprechenden Strukturen in dem Transistorbauelement, wie beispielsweise ein Mittenabstand von zwei benachbarten ersten Gräben.
  • Um die oben erläuterten Probleme zu vermeiden und ein vorhersehbares Schaltverhalten des Transistorbauelements zu erreichen, umfasst die Feldelektrode 31 wenigstens zwei Schichten 311, 312 aus unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel umfasst die Feldelektrode 31 zwei Schichten, eine erste Schicht 311, die an das Feldelektrodendielektrikum 31 angrenzt, und eine zweite Schicht 312, die an die erste Schicht 311 angrenzt. Bezugnehmend auf die 2A und 2B erstrecken sich die zwei Schichten 311, 312 entlang der Längsrichtung der Feldelektrode 31. Gemäß einem Beispiel kann die Kontaktelektrode 41, wie die Feldelektrode 31, zwei Schichten (in 2A in gestrichelten Linien dargestellt) desselben Typs wie die zwei Schichten der Feldelektrode 31 umfassen.
  • Gemäß einem Beispiel umfasst die erste Schicht 311 ein erstes Material, das ausgewählt ist aus einem Metall, einem Metallnitrid und einem Metallsilizid. Gemäß einem Beispiel ist das Metall eines von Titan (Ti), Wolfram (W), Kobalt (Co) und Tantal (Ta). Gemäß einem Beispiel umfasst die zweite Schicht 312 Polyzilizium. Gemäß einem Beispiel ist eine Dicke d der ersten Schicht 311 zwischen 5 Nanometer und 50 Nanometer. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist eine Gesamtbreite w der Feldelektrode 31 gegeben durch das Zweifache der Dicke d der ersten Schicht 311 plus einer Dicke der zweiten Schicht 312.
  • Anders als Polysilizium zeigt eine Metall-, eine Metallnitrid- oder eine Metallsilizidschicht mit einer Dicke von weniger als 100 Nanometern keine nicht-linearen Widerstandseffekte, so dass ein elektrischer Widerstand der ersten Materialschicht 311 im Wesentlichen proportional ist zu der Dicke d, so dass der elektrische Widerstand der ersten Materialschicht 311 durch geeignetes Einstellen der Dicke d dieser ersten Materialschicht 311 eingestellt werden kann. Die Dicke einer solchen Metall-, Metallnitrid- oder Metallsilizidschicht kann sogar auf einige Nanometer oder sogar unter 1 Nanometer reduziert werden, ohne dass solche Nicht-Linearitäts-Effekte auftreten. Gemäß einem Beispiel wird die erste Materialschicht 311 so hergestellt, dass sie einen niedrigeren elektrischen Widerstand als die zweite Materialschicht 312 aufweist, so dass der elektrische Gesamtwiderstand durch die erste Materialschicht 311 bestimmt wird. In diesem Fall beeinflussen nicht-lineare Effekte des elektrischen Widerstands der zweiten Schicht 312, wenn solche auftreten, das Schaltverhalten des Transistorbauelements nicht negativ. Darüber hinaus kann, wie oben erläutert, die erste Materialschicht 311 unter Verwendung eines Abscheideprozesses hergestellt werden, bei dem die Dicke der ersten Materialschicht 311 genau gesteuert werden kann, so dass der durch die erste Materialschicht 311 bewirkte Widerstand genau eingestellt werden kann.
  • Die 4A bis 4G veranschaulichen ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer Feldelektrode 31 des in 1 gezeigten Typs. Die 4A bis 4G zeigen jeweils einen Abschnitt des Halbleiterkörpers 100, in dem eine Feldelektrode hergestellt werden soll, während des Herstellungsprozesses.
  • Bezugnehmend auf 4A umfasst das Verfahren das Herstellen eines ersten Grabens 110 in der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100. Das Herstellen des ersten Grabens kann einen Ätzprozess unter Verwendung einer Ätzmaske 201 (die in 4A in gestrichelten Linien dargestellt ist) derart umfassen, dass der Graben 110 in Gebieten der ersten Oberfläche 101 geätzt wird, die durch die Ätzmaske 201 freiliegen.
  • Bezugnehmend auf 4B umfasst das Verfahren außerdem das Herstellen einer Dielektrikumsschicht 32‘ an Seitenwänden und am Boden des ersten Grabens 110. Bei dem in 4B gezeigten Beispiel umfasst das Herstellen der Dielektrikumsschicht 32‘ auch das Herstellen der Dielektrikumsschicht 32‘ auf der ersten Oberfläche 101. Das Herstellen der Dielektrikumsschicht 32‘ kann wenigstens einen von einem Oxidations- und einem Abscheideprozess umfassen. Gemäß einem Beispiel umfasst die Dielektrikumsschicht 32‘ nur eine Art von Material, wie beispielsweise ein Oxid oder ein Nitrid. Gemäß einem weiteren Beispiel umfasst die Dielektrikumsschicht 32‘ einen Schichtstapel (nicht dargestellt) mit zwei oder mehr Schichten aus unterschiedlichen Materialien.
  • Bezugnehmend auf 4C umfasst das Verfahren außerdem das Herstellen einer Schicht 311‘ des ersten Materials, wobei diese Schicht 311‘ die erste Materialschicht 311 in der fertigen Feldelektrode bildet. Gemäß einem Beispiel umfasst das Herstellen der Schicht 311‘ das Abscheiden der Schicht 311‘ derart, dass sie die Dielektrikumsschicht 32‘ vollständig überdeckt. D. h., bei diesem Beispiel wird die Schicht 311 auf der Dielektrikumsschicht 32‘ oberhalb des Bodens und der Seitenwände der ersten Schicht und oberhalb der ersten Oberfläche 101 hergestellt. Das Herstellen der Schicht 311‘ kann einen ALD-(Atom Layer Deposition)-Prozess umfassen. Bei dieser Art von Prozess kann beispielsweise eine Dicke der Schicht 311‘ genau eingestellt werden.
  • Bezugnehmend auf 4D umfasst das Verfahren außerdem das Herstellen einer Schicht 312‘ des zweiten Materials, wobei diese Schicht 312‘ die zweite Materialschicht 312 in der fertigen Feldelektrode 31 bildet. Bezugnehmend auf 4D kann das Herstellen der Schicht 312‘ das Herstellen der Schicht 312‘ derart umfassen, dass diese die Schicht 311‘ vollständig überdeckt und einen Restgraben, der verbleibt, nachdem die Materialschicht 311‘ hergestellt wurde, vollständig füllt. Gemäß einem Beispiel umfasst das Herstellen der Schicht 312‘ das Abscheiden der Schicht 312‘.
  • Bezugnehmend auf 4E umfasst das Verfahren außerdem das Zurückätzen der Schichten 331‘ und 312‘, um die ersten und zweiten Schichten 311, 312 der Feldelektrode 31 herzustellen. Gemäß einem Beispiel umfasst das Zurückätzen der Schichten 311‘, 312‘ das Ätzen der Schichten 311‘, 312‘ unter Verwendung eines Ätzmittels derart, dass ein oberhalb der Feldelektrode 31 gebildeter Graben 112 eine gewünschte Größe hat. Die Schichten 311‘ und 312‘ können in einem Ätzprozess, wie beispielsweise einem Trockenätzprozess, gemeinsam geätzt werden. Gemäß einem weiteren Beispiel werden diese Schichten 311‘, 312‘ getrennt geätzt. Die zweite Schicht 312‘ kann in einem ersten Prozess geätzt werden und die erste Schicht 311‘ kann in einem zweiten Prozess geätzt werden. Beispielsweise ist der erste Prozess ein Trockenätzprozess und der zweite Prozess ist ein selektiver Nassätzprozess.
  • Bezugnehmend auf 4F umfasst das Verfahren außerdem das Ätzen der Dielektrikumsschicht 32‘ bis hinunter zu der Feldelektrode 31, um das Feldelektrodendielektrikum 32 herzustellen. Gemäß einem Beispiel umfasst die Dielektrikumsschicht 32‘ ein Oxid und ein Ätzmittel, das dazu verwendet wird, die Dielektrikumsschicht zu ätzen, umfasst Flusssäure (HF).
  • Bezugnehmend auf 4G umfasst das Verfahren außerdem das Herstellen der Zwischendielektrikumsschicht 33, die die Feldelektrode 31 von der Gateelektrode 22 trennt. Das Herstellen der Zwischendielektrikumsschicht 33 kann einen HDP-(High Density Plasma)-Abscheideprozess umfassen. Die Zwischendielektrikumsschicht 33 kann die selbe Art von Material wie die Dielektrikumsschicht 32‘ oder eine andere Art von Material umfassen. Gemäß einem Beispiel umfasst die Zwischendielektrikumsschicht 33 ein Oxid.
  • Außerdem umfasst das Verfahren das Herstellen des Gatedielektrikums 22 und der Gateelektrode 21 oberhalb der Zwischendielektrikumsschicht 33, um eine Topologie zu erhalten, wie sie in 1 gezeigt ist. Das Herstellen der Gatedielektrikumsschicht umfasst einen Oxidationsprozess und das Herstellen der Gateelektrode 31 kann einen Abscheideprozess umfassen, der einen Restgraben, der nach dem Herstellen des Gatedielektrikums 22 verbleibt, füllt. Der in den 4A bis 4G gezeigte Halbleiterkörper 100 kann eine Grunddotierung haben, die der Dotierung des Driftgebiets 11 des in 1 gezeigten Bauelements entspricht. Das Sourcegebiet 13 und das Bodygebiet 12 können durch Implantieren und/oder Diffundieren von Dotierstoffen über die erste Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 hergestellt werden. Das Draingebiet 14 kann durch Implantieren und/oder Diffundieren von Dotierstoffen über eine der ersten Oberfläche 101 gegenüberliegende zweite Oberfläche in den Halbleiterkörper 100 hergestellt werden. Alternativ umfasst der Halbleiterkörper ein Halbleitersubstrat mit einer Dotierung, die gleich einer gewünschten Dotierung des Draingebiets ist, und einer Epitaxieschicht auf dem Substrat mit einer Grunddotierung, die gleich einer gewünschten Dotierung des Driftgebiets 11 ist. In diesem Fall bildet das Substrat das Draingebiet 14 und in der Epitaxieschicht werden die Gate- und Feldelektroden 21, 31 und die jeweiligen Dielektrikumsschichten 22, 32, 33, die Sourcegebiete 13 und die Bodygebiete 12 hergestellt, und verbleibende Abschnitte der Epitaxieschicht bilden das Driftgebiet 11.
  • 5 zeigt eine vertikale Schnittansicht des Transistorbauelements gemäß einem weiteren Beispiel. Bei diesem Beispiel sind die Feldelektrode 31 und die Gateelektrode 21 nicht in demselben Graben angeordnet. Stattdessen ist die Gateelektrode 21 in einem zweiten Graben angeordnet, der in einer zweiten lateralen Richtung y zu dem ersten Graben mit der Feldelektrode 31 beabstandet ist.
  • Gemäß noch einem weiteren Beispiel, das in 6 gezeigt ist, sind die Feldelektrode 31 und die Gateelektrode 21 in demselben Graben angeordnet und die Gateelektrode 21 ist in dem ersten Graben elektrisch an die Feldelektrode 31 angeschlossen. In diesem Fall ist die Feldelektrode 31 über die Gateelektrode 21 elektrisch an den Gateknoten angeschlossen.
  • 7 zeigt eine Modifikation des in 6 gezeigten Transistorbauelements. Bei diesem Transistorbauelement sind die Gateelektrode 21 und die Feldelektrode 31 einer Transistorzelle in demselben Graben angeordnet. Die Feldelektrode 31 erstreckt sich an die erste Oberfläche 101, so dass es Abschnitte gibt, in denen die Gateelektrode 21 in einer lateralen Richtung zu der Feldelektrode 31 beabstandet ist. Die Gateelektrode 21 ist in diesen Abschnitten durch eine Dielektrikumsschicht 34 dielektrisch gegenüber der Feldelektrode 31 isoliert.

Claims (21)

  1. Transistorbauelement, das aufweist: ein Sourcegebiet (13), ein Bodygebiet (12) und ein Driftgebiet (11), wobei das Bodygebiet (12) zwischen dem Sourcegebiet (13) und dem Driftgebiet (11) angeordnet ist; eine zu dem Bodygebiet (12) benachbarte und durch ein Gatedielektrikum (22) dielektrisch gegenüber dem Bodygebiet (12) isolierte Gateelektrode (21); und eine zu dem Driftgebiet (11) benachbarte und durch ein Feldelektrodendielektrikum (32) dielektrisch gegenüber dem Driftgebiet (11) isolierte Feldelektrode (31), wobei die Feldelektrode (31) wenigstens zwei Schichten (311, 312) aus unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien umfasst, wobei die wenigstens zwei Schichten eine an das Feldelektrodendielektrikum (32) angrenzende erste Schicht (311) und eine an die erste Schicht (311) angrenzende zweite Schicht (312) aufweisen und wobei die erste Schicht (311) ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: einem Metall; einem Metallnitrid; und einem Metallsilizid.
  2. Transistorbauelement nach Anspruch 1, bei dem das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: Titan (Ti); Wolfram (W); Kobalt (Co); und Tantal (Ta).
  3. Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zweite Schicht (312) Polysilizium aufweist.
  4. Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Feldelektrode (31) und das Feldelektrodendielektrikum (32) in einem ersten Graben eines Halbleiterkörpers (100) angeordnet sind.
  5. Transistorbauelement nach Anspruch 4, bei dem die Gateelektrode (21) und das Gatedielektrikum (22) in dem ersten Graben angeordnet sind.
  6. Transistorbauelement nach Anspruch 4 bei dem die Gateelektrode (21) in dem ersten Graben dielektrisch gegenüber der Feldelektrode (31) isoliert ist.
  7. Transistorbauelement nach Anspruch 5, bei dem die Gateelektrode (21) in dem ersten Graben elektrisch an die Feldelektrode (31) angeschlossen ist.
  8. Transistorbauelement nach Anspruch 4, bei dem die Gateelektrode (21) und das Gatedielektrikum (22) in einem von dem ersten Graben beabstandeten zweiten Graben angeordnet sind.
  9. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 8, das weiterhin aufweist: einen dritten Graben, der an einem longitudinalen Ende des ersten Grabens an den ersten Graben angrenzt; und eine in dem dritten Graben angeordnete und elektrisch an die Feldelektrode angeschlossene Kontaktelektrode (41).
  10. Transistorbauelement nach Anspruch 9, wobei das Transistorbauelement mehrere Feldelektroden (31) aufweist, wobei jede der mehreren Feldelektroden an die Kontaktelektrode angeschlossen ist.
  11. Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Schicht (311) einen niedrigeren elektrischen Widerstand als die zweite Schicht (312) aufweist.
  12. Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Breite (w) der Feldelektrode (31) kleiner als 100 Nanometer ist.
  13. Verfahren, das aufweist: Herstellen eines Sourcegebiets (13), eines Bodygebiets (12) und eines Driftgebiets (11) in einem Halbleiterkörper (100) derart, dass das Bodygebiet (12) zwischen dem Sourcegebiet (13) und dem Driftgebiet (11) angeordnet ist; Herstellen einer zu dem Bodygebiet (12) benachbarten und durch ein Gatedielektrikum (22) dielektrisch gegenüber dem Bodygebiet (12) isolierten Gateelektrode (21); und Herstellen einer zu dem Driftgebiet (11) benachbarten und durch ein Feldelektrodendielektrikum (32) dielektrisch gegenüber dem Driftgebiet (11) isolierten Feldelektrode (31) derart, dass die Feldelektrode (31) wenigstens zwei Schichten (311, 312) aus unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien umfasst wobei die wenigstens zwei Schichten (311, 312) eine an das Feldelektrodendielektrikum (32) angrenzende erste Schicht (311) und eine an die erste Schicht (311) angrenzende zweite Schicht (312) aufweisen und wobei die erste Schicht ein erstes Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: einem Metall; einem Metallnitrid; und einem Metallsilizid.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Metall ausgewählt ist, aus der Gruppe, die besteht aus: Titan (Ti); Wolfram (W); Kobalt (Co); und Tantal (Ta).
  15. Verfahren Anspruch 13 oder 14, bei dem das Herstellen der Feldelektrode (31) und des Feldelektrodendielektrikums (32) aufweist: Herstellen eines ersten Grabens (110) in einer ersten Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100); Herstellen des Feldelektrodendielektrikums (32) an Seitenwänden und einem Boden des ersten Grabens (110); Herstellen ersten Schicht (311) auf dem Feldelektrodendielektrikum (32); und Herstellen zweiten Schicht (312) auf der ersten Schicht (311).
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Herstellen des Feldelektrodendielektrikums (32) das Herstellen einer Dielektrikumsschicht (32') an den Seitenwänden und dem Boden des ersten Grabens (110) und auf der ersten Oberfläche (101) derart, dass ein erster Restgraben verbleibt, aufweist, wobei das Herstellen der Feldelektrode (31) aufweist: Herstellen einer ersten Materialschicht (311') derart, dass sie die Dielektrikumsschicht (32') überdeckt und dass ein zweiter Restgraben verbleibt, und Herstellen einer zweiten Materialschicht (312') derart, dass sie den zweiten Restgraben füllt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Herstellen der Feldelektrode (31) weiterhin aufweist: Zurückätzen der ersten Materialschicht (311') und der zweiten Materialschicht (312') um einen dritten Restgraben (112) ausgehend von der ersten Oberfläche (101) und die erste Schicht (311) und die zweite Schicht (312) herzustellen.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Herstellen des Feldelektrodendielektrikums (32) weiterhin aufweist: Zurückätzen der Dielektrikumsschicht (32').
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, das weiterhin aufweist: Herstellen der Gateelektrode (21) und des Gateelektrodendielektrikums (22) in dem ersten Graben zwischen der Feldelektrode (32) und der ersten Oberfläche (101).
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem die erste Schicht (311) so hergestellt wird, dass sie einen niedrigeren elektrischen Widerstand als die zweite Schicht (312) aufweist.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem die Feldelektrode (31) so hergestellt wird, dass sie eine Breite (w) kleiner als 100 Nanometer aufweist.
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