DE102018107417B4 - Nadelzellengraben-MOSFET und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleiter-Die (100), der einen Halbleiterkörper (190) aufweist, der mit einem ersten Lastanschluss (101) und einem zweiten Lastanschluss (102) des Leistungshalbleiter-Dies (100) gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Lastanschlüssen (101, 102) zu leiten, und Folgendes umfasst:- eine Steuergrabenstruktur (110) zum Steuern des Laststroms, wobei sich die Steuergrabenstruktur (110) in vertikaler Richtung (Z) in den Halbleiterkörper (190) erstreckt und entsprechend einem horizontalen Gittermuster (115) mit mehreren Gitteröffnungen (116) angeordnet ist,- mehrere Leistungszellen (120), wobei jede Leistungszelle (120) in einem horizontalen Querschnitt zumindest teilweise in einer jeweiligen der mehreren Gitteröffnungen (116) angeordnet ist, wobei wenigstens eine der Leistungszellen (120) Folgendes umfasst:- einen Abschnitt einer Driftzone (191) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Abschnitt einer Kanalzone (192) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Abschnitt einer Source-Zone (193) des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Kanalzonenabschnitt (192) elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (101) verbunden ist und den Source-Zonenabschnitt (193) vom Driftzonenabschnitt (191) isoliert, und- einen Steuerabschnitt mit wenigstens einem Steuerelektrodenabschnitt (111) in der Steuergrabenstruktur (110),- einen säulenförmigen Feldplattengraben (130), der sich in vertikaler Richtung (Z) in den Halbleiterkörper (190) erstreckt und eine Feldplattenelektrode (131) aufweist, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (101) gekoppelt ist, wobei der säulenförmige Feldplattengraben (130) einen tiefen Abschnitt (136) unterhalb des Kanalzonenabschnitts (192) und einen proximalen Abschnitt (135) oberhalb des tiefen Abschnitts (136) aufweist, wobei der proximale Abschnitt (135) den Kanalzonenabschnitt (192) vertikal überlappt, wobei eine tiefe horizontale Breite (W2) des tiefen Abschnitts (136) wenigstens 110 % einer proximalen horizontalen Breite (W1) des proximalen Abschnitts (135) beträgt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Patentschrift betrifft Ausführungsformen eines Leistungshalbleiter-Dies und Ausführungsformen eines Verfahrens zur Verarbeitung eines Leistungshalbleiter-Dies. Diese Patentschrift betrifft insbesondere Ausführungsformen eines MOSFETs mit einer in einem Nadelzellengraben enthaltenen Feldplattenelektrode und entsprechende Ausführungsformen eines Verarbeitungsverfahrens.
  • HINTERGRUND
  • Viele Funktionen moderner Vorrichtungen in Automobil-, Endverbraucher- und Industrieanwendungen in der Art des Umwandelns elektrischer Energie und des Antreibens eines Elektromotors oder einer elektrischen Maschine beruhen auf Leistungshalbleitervorrichtungen.
  • Beispielsweise wurden Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT), MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) und Dioden, um einige zu nennen, für verschiedene Anwendungen verwendet, einschließlich Schalter in Stromversorgungen und Leistungswandlern, jedoch ohne Einschränkung auf diese.
  • Eine Leistungshalbleitervorrichtung umfasst gewöhnlich einen Halbleiterkörper, der dafür ausgelegt ist, einen Laststrom entlang einem Laststromweg zwischen zwei Lastanschlüssen der Vorrichtung zu leiten. Ein erster Lastanschluss, beispielsweise ein Source-Anschluss, kann an der Vorderseite des Dies angeordnet werden, und ein zweiter Lastanschluss, beispielsweise ein Drain-Anschluss, kann an der Rückseite des Dies angeordnet werden. Der Die kann in eine Baugruppe der Leistungshalbleitervorrichtung aufgenommen sein, wobei diese Baugruppe elektrische Verbindungen zu den Lastanschlüssen bereitstellen kann.
  • Ferner kann der Laststromweg durch eine Steuerelektrode, die häufig als Gate-Elektrode bezeichnet wird, gesteuert werden. Beispielsweise kann die Steuerelektrode nach dem Empfang eines entsprechenden Steuersignals beispielsweise von einer Treibereinheit den Leistungshalbleiter-Die entweder in einen leitenden Zustand oder einen Blockierzustand versetzen.
  • Zum Leiten des Laststroms kann der Leistungshalbleiter-Die eine oder mehrere Leistungszellen aufweisen, die in einem so genannten aktiven Gebiet der Leistungshalbleitervorrichtung angeordnet sein können. Beispielsweise sind innerhalb des aktiven Gebiets die eine oder die mehreren Leistungszellen elektrisch mit dem vorderseitigen Lastanschluss verbunden.
  • Das aktive Gebiet kann mit einem Streifenmuster versehen sein, bei dem sich die Leistungszellen streifenartig über das ganze aktive Gebiet oder erhebliche Teile davon erstrecken, oder das aktive Gebiet kann mit einem Zellen-/Gittermuster versehen sein, bei dem die Leistungszellen einen säulenförmigen Entwurf aufweisen (auch als „Nadelentwurf‟ bezeichnet) und innerhalb des aktiven Gebiets verteilt sind.
  • Die vorliegende Patentschrift betrifft den letztgenannten Fall, d. h. einen Die mit einem aktiven Gebiet, worin die Zellen entsprechend einem Gittermuster angeordnet sind. Beispielsweise können bei einem solchen Gittermuster Gate-Gräben Gitteröffnungen (beispielsweise Gitternetze) bilden und kann jede Gitteröffnung eine Leistungszelle räumlich begrenzen. Beispielsweise erstrecken sich die Gate-Gräben im aktiven Gebiet in Längsrichtung entlang linearen Linien, die einander senkrecht kreuzen. Ferner kann in jeder Gitteröffnung ein säulenförmger (beispielsweise Nadel-) Graben angeordnet sein, der eine säulenförmige (beispielsweise Nadel-) Grabenelektrode aufnimmt, die mit einem anderen elektrischen Potential als Gate-Elektroden in den Gate-Gräben verbunden ist.
  • Der Leistungshalbleiter-Die ist seitlich durch einen Die-Rand begrenzt, und zwischen dem Die-Rand und dem aktiven Gebiet ist gewöhnlich ein so genanntes Randabschlussgebiet angeordnet. In Bezug auf Leistungshalbleiter-Dies wird dieses Randabschlussgebiet auch als „Hochspannungsabschlussstruktur“ bezeichnet, und es kann dazu dienen, die Spannungsbehandlungsfähigkeit des Leistungshalbleiter-Dies zu unterstützen, beispielsweise durch Beeinflussen des Verlaufs des elektrischen Felds innerhalb des Leistungshalbleiter-Dies, beispielsweise um eine zuverlässige Blockierfähigkeit des Leistungshalbleiter-Dies zu gewährleisten.
  • Eine zuverlässige Blockierfähigkeit ist wünschenswert. Zu diesem Zweck kann eine jeweilige Feldplattenelektrode in einer oder mehreren der Leistungszellen angeordnet sein.
  • Andererseits kann für die Behandlung hoher Lastströme bei niedrigen Leitungsverlusten eine hohe Dichte von Leistungszellen innerhalb des aktiven Gebiets wünschenswert sein.
  • Die US 2017/0250256 A1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit nadelförmigen Feldplatten sowie einer Kanten und Knoten aufweisenden Gate-Struktur.
  • Die DE 10 2016 103 384 A beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit nadelförmigen Feldplattenstrukturen in einem Transistorzellengebiet und in einem inneren Abschlussgebiet.
  • DE 10 2015 110 737 A1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit einer direkt an einen Mesaabschnitt und eine Feldelektrode angrenzenden Kontaktstruktur.
  • KURZFASSUNG
  • Gemäß einigen hier beschriebenen Ausführungsformen wird zumindest für eine der Leistungszellen eines Nadelgraben-MOSFETs vorgeschlagen, die Feldplattenelektrode in einen säulenförmigen Feldplattengraben aufzunehmen, der einen schmalen oberen (proximalen) Abschnitt in der Nähe eines Kanalgebiets der Leistungszelle aufweist und dessen Breite entlang seiner Abmessung in vertikaler Richtung zunimmt, so dass er einen dickeren tiefen Abschnitt aufweist. Dadurch kann in den oberen Abschnitten des Halbleiterkörpers des Nadelgraben-MOSFETs (wo die Inversionskanäle zur Leitung des Laststroms induziert werden) ein kleiner Zellenabstand und daher eine hohe Gesamtleistungszellendichte erreicht werden. Gleichzeitig kann infolge der zunehmenden Breite des säulenförmigen Feldplattengrabens eine ausreichend große Feldplattenelektrode in den säulenförmigen Feldplattengraben aufgenommen werden, wodurch eine zuverlässige Blockierfähigkeit gewährleistet wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform hat ein Leistungshalbleiter-Die einen Halbleiterkörper, der mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss des Leistungshalbleiter-Dies gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Lastanschlüssen zu leiten. Der Die umfasst ferner Folgendes: eine Steuergrabenstruktur zum Steuern des Laststroms, wobei sich die Steuergrabenstruktur in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper erstreckt und entsprechend einem horizontalen Gittermuster mit mehreren Gitteröffnungen angeordnet ist, und mehrere Leistungszellen, wobei jede Leistungszelle in einem horizontalen Querschnitt zumindest teilweise in einer jeweiligen der mehreren Gitteröffnungen angeordnet ist. Wenigstens eine der Leistungszellen umfasst Folgendes: einen Abschnitt einer Driftzone eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Abschnitt einer Kanalzone eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Abschnitt einer Source-Zone des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Kanalzonenabschnitt elektrisch mit dem ersten Lastanschluss verbunden ist und den Source-Zonenabschnitt vom Driftzonenabschnitt isoliert, einen Steuerabschnitt mit wenigstens einem Steuerelektrodenabschnitt in der Steuergrabenstruktur, einen säulenförmigen Feldplattengraben, der sich in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper erstreckt und eine Feldplattenelektrode aufweist, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss gekoppelt ist, wobei der säulenförmige Feldplattengraben einen tiefen Abschnitt unterhalb des Kanalzonenabschnitts und einen proximalen Abschnitt oberhalb des tiefen Abschnitts aufweist, wobei der proximale Abschnitt den Kanalzonenabschnitt vertikal überlappt, wobei eine tiefe horizontale Breite des tiefen Abschnitts wenigstens 110 % einer proximalen horizontalen Breite des proximalen Abschnitts beträgt.
  • Gemäß anderen einer Ausführungsform hat ein Leistungshalbleiter-Die einen Halbleiterkörper, der mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss des Leistungshalbleiter-Dies gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Lastanschlüssen zu leiten. Der Die umfasst ferner Folgendes: eine Steuergrabenstruktur zum Steuern des Laststroms, wobei sich die Steuergrabenstruktur in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper erstreckt und entsprechend einem horizontalen Gittermuster mit mehreren Gitteröffnungen angeordnet ist, mehrere Leistungszellen, wobei jede Leistungszelle in einem horizontalen Querschnitt zumindest teilweise in einer jeweiligen der mehreren Gitteröffnungen angeordnet ist. Jede Leistungszelle umfasst Folgendes: einen Abschnitt einer Driftzone eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Abschnitt einer Kanalzone eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Abschnitt einer Source-Zone des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Kanalzonenabschnitt elektrisch mit dem ersten Lastanschluss verbunden ist und den Source-Zonenabschnitt vom Driftzonenabschnitt isoliert, einen Steuerabschnitt mit wenigstens einem Steuerelektrodenabschnitt in der Steuergrabenstruktur, einen säulenförmigen Feldplattengraben, der sich in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper erstreckt und eine Feldplattenelektrode aufweist, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss gekoppelt ist. Ein horizontaler Abstand zwischen zwei säulenförmigen Feldplattengräben zweier benachbarter der mehreren Leistungszellen nimmt in vertikaler Richtung um wenigstens 10 % ab.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verarbeitung eines Leistungshalbleiter-Dies vorgestellt. Der Leistungshalbleiter-Die hat einen Halbleiterkörper, der mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss des Leistungshalbleiter-Dies gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Lastanschlüssen zu leiten. Das Verfahren umfasst Folgendes: Bilden einer Steuergrabenstruktur zum Steuern des Laststroms, wobei sich die Steuergrabenstruktur in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper erstreckt und entsprechend einem horizontalen Gittermuster mit mehreren Gitteröffnungen angeordnet ist, Bilden mehrerer Leistungszellen, wobei jede Leistungszelle in einem horizontalen Querschnitt zumindest teilweise in einer jeweiligen der mehreren Gitteröffnungen angeordnet ist und Folgendes umfasst: einen Abschnitt einer Driftzone eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Abschnitt einer Kanalzone eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Abschnitt einer Source-Zone des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Kanalzonenabschnitt elektrisch mit dem ersten Lastanschluss verbunden ist und den Source-Zonenabschnitt vom Driftzonenabschnitt isoliert, und einen Steuerabschnitt mit wenigstens einem Steuerelektrodenabschnitt in der Steuergrabenstruktur. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden eines säulenförmigen Feldplattengrabens, der sich in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper erstreckt und eine Feldplattenelektrode aufweist, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss gekoppelt ist, in wenigstens einer der Leistungszellen, wobei der säulenförmige Feldplattengraben einen tiefen Abschnitt unterhalb des Kanalzonenabschnitts und einen proximalen Abschnitt oberhalb des tiefen Abschnitts aufweist, wobei der proximale Abschnitt den Kanalzonenabschnitt vertikal überlappt, wobei eine tiefe horizontale Breite des tiefen Abschnitts wenigstens 110 % einer proximalen horizontalen Breite des proximalen Abschnitts beträgt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verarbeitung eines Leistungshalbleiter-Dies vorgestellt. Der Leistungshalbleiter-Die hat einen Halbleiterkörper, der mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss des Leistungshalbleiter-Dies gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Lastanschlüssen zu leiten. Das Verfahren umfasst Folgendes: Bilden einer Steuergrabenstruktur zum Steuern des Laststroms, wobei sich die Steuergrabenstruktur in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper erstreckt und entsprechend einem horizontalen Gittermuster mit mehreren Gitteröffnungen angeordnet ist, Bilden mehrerer Leistungszellen, wobei jede Leistungszelle in einem horizontalen Querschnitt zumindest teilweise in einer jeweiligen der mehreren Gitteröffnungen angeordnet ist und Folgendes umfasst: einen Abschnitt einer Driftzone eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Abschnitt einer Kanalzone eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Abschnitt einer Source-Zone des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Kanalzonenabschnitt elektrisch mit dem ersten Lastanschluss verbunden ist und den Source-Zonenabschnitt vom Driftzonenabschnitt isoliert, und einen Steuerabschnitt mit wenigstens einem Steuerelektrodenabschnitt in der Steuergrabenstruktur. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden eines säulenförmigen Feldplattengrabens, der sich in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper erstreckt und eine Feldplattenelektrode aufweist, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss gekoppelt ist, in jeder Leistungszelle, wobei ein horizontaler Abstand zwischen zwei säulenförmigen Feldplattengräben zweier benachbarter der mehreren Leistungszellen in vertikaler Richtung um wenigstens 10 % abnimmt.
  • Fachleute werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und bei der Betrachtung der anliegenden Zeichnung zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die Teile in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, wobei der Nachdruck vielmehr auf das Erläutern von Grundgedanken der Erfindung gelegt wird. Überdies bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile. Es zeigen:
    • 1 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiter-Dies gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen,
    • 2 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiter-Dies gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen,
    • die 3A-C jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiter-Dies gemäß einigen Ausführungsformen und
    • die 4A-B jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiter-Dies gemäß einigen Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die anliegende Zeichnung Bezug genommen, die einen Teil hiervon bildet und worin zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen dargestellt sind, in denen die Erfindung verwirklicht werden kann.
  • Der in dieser Patentschrift verwendete Begriff „horizontal“ soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer horizontalen Fläche eines Halbleitersubstrats oder einer Halbleiterstruktur ist. Diese kann beispielsweise die Oberfläche eines Halbleiterwafers oder -dies oder -chips sein. Beispielsweise können sowohl die erste laterale X-Richtung als auch die zweite laterale Y-Richtung, die nachstehend erwähnt werden, horizontale Richtungen sein, wobei die erste laterale X-Richtung und die zweite laterale Y-Richtung senkrecht zueinander sein können.
  • Der in dieser Patentschrift verwendete Begriff „vertikal“ soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zur horizontalen Fläche angeordnet ist, d.h. parallel zur Normalenrichtung der Oberfläche des Halbleiterwafers. Beispielsweise kann die nachstehend erwähnte Erstreckungsrichtung Z eine Erstreckungsrichtung sein, die senkrecht sowohl zur ersten lateralen X-Richtung als auch zur zweiten lateralen Y-Richtung ist.
  • In Zusammenhang mit der vorliegenden Patentschrift sollen die Begriffe „in ohmschem Kontakt“, „in elektrischem Kontakt“, „in ohmscher Verbindung“ und „elektrisch verbunden“ beschreiben, dass es eine niederohmige elektrische Verbindung oder einen niederohmigen Stromweg zwischen zwei Gebieten, Sektoren, Zonen, Abschnitten oder Teilen der hier beschriebenen Vorrichtung gibt.
  • Ferner soll in Zusammenhang mit der vorliegenden Patentschrift der Begriff „in Kontakt“ beschreiben, dass es eine direkte physikalische Verbindung zwischen zwei Elementen der jeweiligen Halbleitervorrichtung gibt, wobei beispielsweise ein Übergang zwischen zwei in Kontakt miteinander stehenden Elementen kein weiteres Zwischenelement oder dergleichen einschließen kann, d. h. die beiden genannten Elemente können einander berühren.
  • Zusätzlich wird in Zusammenhang mit der vorliegenden Patentschrift der Begriff „elektrische Isolation“, falls nichts anderes erwähnt wird, in Zusammenhang mit seinem allgemein gültigen Verständnis verwendet und soll demgemäß beschreiben, dass zwei oder mehr Komponenten getrennt voneinander angeordnet sind und dass es keine ohmsche Verbindung gibt, die diese Komponenten verbindet. Komponenten, die elektrisch voneinander isoliert sind, können jedoch nichtsdestoweniger miteinander gekoppelt sein, beispielsweise mechanisch und/oder kapazitiv und/oder induktiv gekoppelt sein. Um ein Beispiel zu geben, können zwei Elektroden eines Kondensators voneinander elektrisch isoliert sein und gleichzeitig mechanisch und kapazitiv miteinander gekoppelt sein, beispielsweise durch eine Isolation, beispielsweise ein Dielektrikum.
  • In dieser Patentschrift wird n-dotiert als „erster Leitfähigkeitstyp“ bezeichnet, während p-dotiert als „zweiter Leitfähigkeitstyp“ bezeichnet wird. Alternativ können entgegengesetzte Dotierungsbeziehungen verwendet werden, so dass der erste Leitfähigkeitstyp p-dotiert sein kann und der zweite Leitfähigkeitstyp n-dotiert sein kann.
  • Spezifische in dieser Patentschrift beschriebene Ausführungsformen betreffen ohne Einschränkung einen Leistungshalbleiter-Die, beispielsweise einen Leistungshalbleiter-Die, der innerhalb eines Leistungswandlers oder einer Stromversorgung verwendet werden kann. Beispielsweise ist der hier beschriebene Leistungshalbleiter-Die dafür ausgelegt, innerhalb eines Leistungsgleichrichters oder innerhalb eines Leistungswechselrichters, beispielsweise innerhalb eines Synchron-Leistungsgleichrichters oder -Leistungswechselrichters, verwendet zu werden. Beispielsweise wird dieser Gleichrichter/Wechselrichter als Teil eines Motorantriebs verwendet. Dementsprechend kann ein solcher Die gemäß einer Ausführungsform dafür ausgelegt werden, einen Laststrom zu tragen, der einer Last zuzuführen ist und/oder durch eine Stromquelle bereitgestellt wird.
  • Dementsprechend soll der in dieser Patentschrift verwendete Begriff „Leistungshalbleiter-Die“ einen einzelnen Die mit hohen Spannungsblockier- und/oder hohen Stromführungsfähigkeiten beschreiben. Mit anderen Worten ist ein solcher Leistungshalbleiter-Die für einen hohen Strom, typischerweise im Amperebereich, beispielsweise bis zu 5 oder 300 Ampere, und/oder für Spannungen typischerweise oberhalb von 15 V, typischer bis zu 400 V und darüber, beispielsweise bis zu wenigstens 500 V oder mehr als 500 V, beispielsweise wenigstens 600 V. Ferner kann der hier beschriebene Leistungshalbleiter-Die für hohe Schaltfrequenzen, beispielsweise für eine Schaltfrequenz von wenigstens 100 kHz und bis zu 2 MHz, ausgelegt werden.
  • Beispielsweise kann der nachstehend beschriebene Leistungshalbleiter-Die ein Die sein, der dafür ausgelegt ist, als Leistungskomponente bei einer Nieder-, Mittel- und/oder Hochspannungsanwendung verwendet zu werden.
  • Ferner betrifft der Begriff „Leistungshalbleiter-Die“, wie er in dieser Patentschrift verwendet wird, nicht logische Halbleitervorrichtungen, die beispielsweise zum Speichern von Daten, zum Berechnen von Daten und/oder für andere auf Halbleitern beruhende Datenverarbeitungstypen verwendet werden.
  • Beispielsweise kann der Die eine oder mehrere aktive Leistungszellen in der Art einer monolithisch integrierten Transistorzelle, beispielsweise eine monolithisch integrierte MOSFET-Zelle und/oder Ableitungen davon, umfassen. Mehrere solcher Leistungszellen können im Die integriert werden.
  • Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen weist der Leistungshalbleiter-Die Leistungszellen auf, die vom säulenförmigen Typ/Nadeltyp sind. Beispielsweise sind die Leistungszellen nicht vom Streifentyp. Die Zellen vom säulenförmigen Typ/Nadeltyp können jeweils wenigstens einen säulenförmigen Graben, beispielsweise einen säulenförmigen Feldplattengraben, umfassen. Beispielsweise betragen bei einer solchen säulenförmigen Konfiguration/Nadelkonfiguration die lateralen Gesamtabmessungen jeder säulenförmigen Leistungszelle/Nadelleistungszelle entlang jeder von der ersten lateralen Richtung X und der zweiten lateralen Richtung Y nur einen Bruchteil der lateralen Gesamtabmessungen entlang der ersten lateralen Richtung X und der zweiten lateralen Richtung Y des Leistungshalbleiter-Dies. Beispielsweise beträgt die laterale Gesamtabmessung einer jeweiligen säulenförmigen Zelle/Nadelzelle weniger als 1 % oder sogar weniger als 0,05 % der Gesamtabmessung des Leistungshalbleiter-Dies entlang einer von der ersten lateralen Richtung X und der zweiten lateralen Richtung Y. Beispielsweise führt ein Die mit einer Seitenlänge von etwa 4 mm entlang der ersten lateralen Richtung X und einem typischen Zellenabstand von etwa 2 µm zu einer lateralen Gesamtabmessung einer jeweiligen säulenförmigen Zelle/Nadelzelle von etwa 2/4000 = 0,05 % der Gesamtabmessung des Dies entlang der ersten lateralen Richtung X. Ferner kann jede säulenförmige Zelle/Nadelzelle parallel zur XY-Ebene einen rechteckigen, beispielsweise einen quadratischen horizontalen Querschnitt, beispielsweise einen rechteckigen horizontalen Querschnitt mit abgerundeten Ecken, oder einen elliptischen horizontalen Querschnitt oder einen kreisförmigen horizontalen Querschnitt oder einen polygonalen, beispielsweise einen oktagonalen oder einen hexagonalen horizontalen Querschnitt aufweisen. Der Verlauf dieser Querschnitte kann durch ein Gittermuster der Steuergrabenstruktur definiert werden, wie anhand der Beschreibung der Zeichnung verständlicher werden wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform hat jede säulenförmige Leistungszelle/Nadelleistungszelle eine maximale laterale Abmessung und eine maximale vertikale Abmessung, wobei die maximale laterale Abmessung kleiner als 1/2, 1/3, 1/4 oder 1/5 der maximalen vertikalen Abmessung oder sogar noch kleiner als 1/6 der maximalen vertikalen Abmessung ist. Beispielsweise ist die maximale vertikale Abmessung durch die Gesamtabmessung des säulenförmigen Feldplattengrabens (wie nachstehend erwähnt) entlang der vertikalen Richtung der jeweiligen säulenförmigen Leistungszelle/Nadelleistungszelle definiert.
  • Nachfolgend betrifft der Begriff Leistungszelle eine säulenförmige Leistungszelle/Nadelleistungszelle, beispielsweise wie vorstehend beispielhaft definiert wurde.
  • Hier schließt der Begriff „Nadel“ Entwürfe ein, bei denen sich der Grabenboden verengt (in der Art einer Nadel), ist jedoch nicht darauf beschränkt, wobei der Begriff „Nadel“ vielmehr auch solche Entwürfe einschließt, bei denen der Grabenboden im Wesentlichen flach ist, beispielsweise sich horizontal erstreckt.
  • 1 zeigt schematisch und beispielhaft einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiter-Dies 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. 2 zeigt schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts des Leistungshalbleiter-Dies 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Nachfolgend wird sowohl auf 1 als auch auf 2 Bezug genommen.
  • Der Leistungshalbleiter-Die weist einen mit einem ersten Lastanschluss 101 und einem zweiten Lastanschluss 102 des Leistungshalbleiter-Dies 100 gekoppelten Halbleiterkörper 190 auf. Der Die 100 kann ein MOSFET sein, so dass der erste Lastanschluss 101 ein Source(Emitter)-Anschluss sein kann und der zweite Lastanschluss 102 ein Drain(Kollektor)-Anschluss sein kann.
  • Der erste Lastanschluss 101 kann an der Vorderseite des Dies 100 angeordnet sein, und der zweite Lastanschluss 102 kann an der Rückseite des Dies 100 angeordnet sein. Die Vorderseite des Dies 100 kann in der Nähe einer oberen Fläche 1900 des Halbleiterkörpers 190 liegen. Beispielsweise weist der erste Lastanschluss 101 eine Vorderseitenmetallisierung auf und weist der zweite Lastanschluss 102 eine Rückseitenmetallisierung auf.
  • Der Halbleiterkörper 190 ist dafür ausgelegt, einen Laststrom zwischen den Lastanschlüssen 101, 102, beispielsweise einen Laststrom von wenigstens 5 A, 10 A, wenigstens 50 A oder sogar mehr als 100 A, zu leiten.
  • Der Die 100 weist eine Steuergrabenstruktur 110 zum Steuern des Laststroms auf. Die Steuergrabenstruktur 110 erstreckt sich entlang der vertikalen Richtung Z in den Halbleiterkörper 190 und ist entsprechend einem horizontalen Gittermuster 115 mit mehreren Gitteröffnungen 116 angeordnet, wie in 1 dargestellt ist.
  • Die Steuergrabenstruktur 110 kann eine Steuerelektrode 111 umfassen, die elektrisch vom Halbleiterkörper 190 isoliert ist, beispielsweise durch einen Steuergrabenisolator 112. Die Steuerelektrode 111 kann mit einem Ausgang einer Treibereinheit (nicht dargestellt) gekoppelt sein und ansprechend auf ein über den Ausgang empfangenes Steuersignal den Die 100 entweder in den leitenden Zustand, während dessen der Laststrom zwischen den Lastanschlüssen 101 und 102 geleitet wird, oder in den blockierenden Zustand, während dessen eine positive Durchlassspannung zwischen den Lastanschlüssen 101 und 102 blockiert wird und der Fluss des Laststroms unterbunden ist, versetzen, wobei die positive Durchlassspannung vorhanden ist, wenn das elektrische Potential des zweiten Lastanschlusses 102 größer ist als das elektrische Potential des ersten Lastanschlusses 101.
  • Für die Leitung des Laststroms umfasst der Die 100 mehrere Leistungszellen 120. Beispielsweise sind diese Leistungszellen 120 innerhalb eines aktiven Gebiets 105 des Leistungshalbleiter-Dies 100 angeordnet. Ein Die-Rand 107 begrenzt den Die 100 seitlich, und ein Randabschlussgebiet 106 ist zwischen dem Die-Rand 107 und dem aktiven Gebiet 105 angeordnet. Beispielsweise ist das Randabschlussgebiet 106 nicht für die Leitung des Laststroms ausgelegt.
  • Die Steuergrabenstruktur 110 erstreckt sich entlang der vertikalen Richtung Z, beispielsweise über einen Abstand von wenigstens 500 nm, wenigstens 600 nm oder wenigstens 700 nm, hauptsächlich innerhalb des aktiven Gebiets 105 und daher in den Halbleiterkörper 190, wobei die Abmessung der Steuergrabenstruktur 110 entlang der vertikalen Richtung Z beispielsweise abhängig von der festgelegten maximalen Blockierspannung des Dies 100 gewählt werden kann.
  • Das Gittermuster 115 mit den mehreren Gitteröffnungen 116 definiert Teilgebiete innerhalb des aktiven Gebiets 105. Beispielsweise ist jede Gitteröffnung 116 einer der mehreren Leistungszellen 120 zugeordnet.
  • Die Gitteröffnungen 116 sind als einen rechteckigen horizontalen Umfang aufweisend dargestellt, wobei zu verstehen ist, dass die vorliegende Patentschrift nicht auf solche horizontale Umfänge beschränkt ist, wobei die Gitteröffnungen 116 gemäß einer anderen Ausführungsform beispielsweise einen kreisförmigen oder ellipsenförmigen Umfang oder einen rechteckigen Umfang mit abgerundeten Ecken aufweisen können. Es ist ferner zu verstehen, dass die Gitteröffnungen 116 nicht unbedingt vollständig vom jeweiligen Teil des Gittermusters 115 umgeben sein müssen. Beispielsweise kann es abhängig vom Entwurf der Steuergrabenstruktur 110 kleine Zwischenräume (nicht dargestellt) beispielsweise an Schnittpunkten zwischen einander schneidenden Streifen der Steuergrabenstruktur 110 geben.
  • Beispielsweise weist jede Gitteröffnung 116 eine maximale horizontale Abmessung von nicht mehr als einigen Mikrometern, beispielsweise nicht mehr als 5 µm oder nicht mehr als 2 µm, auf. Beispielsweise kann diese maximale horizontale Abmessung die Breite der jeweiligen Gitteröffnung 116 entlang der ersten lateralen Richtung X oder die Länge entlang der zweiten lateralen Richtung Y, je nach dem, welche größer ist, sein. Dementsprechend ist jede Leistungszelle 120 in einem horizontalen Querschnitt zumindest teilweise in einer jeweiligen der mehreren Gitteröffnungen 116 angeordnet.
  • Dementsprechend ist jede Leistungszelle 120 in einem horizontalen Querschnitt zumindest teilweise in einer jeweiligen der mehreren Gitteröffnungen 116 angeordnet.
  • 2 zeigt eine beispielhafte Konfiguration von vier benachbarten Gitteröffnungen 116, die jeweils einer Leistungszelle 120 zugeordnet sind.
  • Beispielsweise weisen alle Leistungszellen 120 die gleiche Konfiguration auf. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Leistungszellen 120 unterschiedliche Konfigurationen aufweisen, wobei es beispielsweise möglich ist, dass das aktive Gebiet 105 Leistungszellen eines ersten Typs und Leistungszellen eines zweiten Typs und optional sogar eine oder mehrere Zellen eines weiteren Typs, beispielsweise zusätzliche Zellen oder Blindzellen, aufweist. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf den Fall, in dem wenigstens die Leistungszellen 120 im Wesentlichen identisch ausgelegt sind, wobei, wie dargelegt, zu verstehen ist, dass dies nicht unbedingt der Fall sein muss. Vielmehr können sich die Leistungszellen 120 auch voneinander unterscheiden.
  • Jede Leistungszelle 120 umfasst einen Driftzonenabschnitt 191 des ersten Leitfähigkeitstyps, einen Kanalzonenabschnitt 192 des zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Source-Zonenabschnitt 193 des ersten Leitfähigkeitstyps. Der Kanalzonenabschnitt 193 isoliert den Source-Zonenabschnitt 192 vom Driftzonenabschnitt 191, wobei der Source-Zonenabschnitt 192 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 101 verbunden ist. Auch kann der Kanalzonenabschnitt 193 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 101 verbunden sein. Beispielsweise können zur Implementation der elektrischen Verbindung erste Kontaktstecker 1011 verwendet werden. Beispielsweise dringen diese Kontaktstecker 1011 in die erste Isolationsschicht 1012 (wobei die Eindringung in 2 nicht dargestellt ist) und die zweite Isolationsschicht 104 ein. Beispielsweise sind in jeder Leistungszelle 120 der Source-Zonenabschnitt 193 und der Kanalzonenabschnitt 192 in Kontakt mit dem jeweiligen ersten Kontaktstecker 1011 angeordnet.
  • Wie in den 3A-C klarer dargestellt ist, können sich die Source-Zone 193 und die Kanalzone 192 ineinander übergehend innerhalb des Halbleiterkörpers 190 erstrecken, beispielsweise in jede der Leistungszellen 120. Daher wurden in Bezug auf die jeweilige Leistungszelle 120 die Formulierungen „Source-Zonenabschnitt“ und „Kanalzonenabschnitt“ gewählt. Das Gleiche gilt für das Driftgebiet (den Driftabschnitt) 191.
  • Ein Übergang zwischen der Kanalzone 192 und der Driftzone 191 bildet einen pn-Übergang 194. Beispielsweise bildet die Driftzone 191 den Hauptabschnitt des Halbleiterkörpers 190 und erstreckt sich entlang der vertikalen Richtung Z, bis sie in Verbindung mit einem dotierten Kontaktgebiet 198 gelangt, das elektrisch mit dem zweiten Lastanschluss 102 verbunden ist. Das dotierte Kontaktgebiet 198 kann sich ineinander übergehend entlang den lateralen Richtungen X und Y erstrecken, so dass die homogene Halbleiterschicht gebildet wird, welche alle Leistungszellen 120 horizontal (d. h. entlang den lateralen Richtungen X und Y) überlappt. Beispielsweise umfasst das dotierte Kontaktgebiet 198 eine Feldstoppschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Driftgebiet 190, jedoch mit einer höheren Dotierungskonzentration, oder ist diese.
  • Jede Leistungszelle 120 umfasst ferner einen Steuerabschnitt mit wenigstens einem in der Steuergrabenstruktur 110 enthaltenen Steuerelektrodenabschnitt 111, wie bereits zuvor angegeben wurde. Die Steuerelektrodenabschnitte 111 sind jeweils elektrisch vom ersten Lastanschluss 101, vom zweiten Lastanschluss 102 und vom Halbleiterkörper 190 isoliert.
  • In Bezug auf die Komponenten Steuerelektrodenabschnitt 111, Source-Zonenabschnitt 193, Kanalzonenabschnitt 192 und Driftzonenabschnitt 191 entspricht die Hauptkonfiguration jeder Leistungszelle 120 der typischen MOSFET-Konfiguration, gemäß derer der Steuerelektrodenabschnitt 111 nach dem Empfang eines entsprechenden Einschalt-Steuersignals einen Inversionskanal innerhalb des Kanalzonenabschnitts 192 induzieren kann und nach dem Empfang eines entsprechenden Ausschalt-Steuersignals diesen Inversionskanal abtrennen kann. Das allgemeine Arbeitsprinzip wird nachstehend etwas detaillierter beschrieben, es ist Fachleuten jedoch an sich bekannt, und die hier beschriebenen Ausführungsformen weichen nicht von diesem allgemeinen Arbeitsprinzip ab.
  • Die Steuerelektrodenabschnitte 111 der Leistungszellen 120 können durch eine jeweilige monolithische Streifensteuerelektrode gebildet sein, wobei diese Streifenelektroden in den Streifen der Steuergrabenstruktur 110 enthalten sind, wie in 1 dargestellt ist. Daher ist auch zu verstehen, dass ein spezifischer Steuerelektrodenabschnitt 111 den zwei benachbarten Leistungszellen 120 zugeordnet sein kann, wie in 2 dargestellt ist. Mit anderen Worten kann jede Leistungszelle 120 beispielsweise durch vier Steuerelektrodenabschnitte 111 gesteuert werden, welche den Source-Zonenabschnitt 193 und den Kanalzonenabschnitt 192 der jeweiligen Leistungszelle 120 umgeben.
  • Die Steuerelektrodenabschnitte 111 können sowohl den Source-Zonenabschnitt 193 als auch den Kanalzonenabschnitt 192 vertikal überlappen. Mit anderen Worten können in jeder Leistungszelle 120 der wenigstens eine Steuerelektrodenabschnitt 111 und der Source-Zonenabschnitt 193 einen ersten gemeinsamen Erstreckungsbereich entlang der vertikalen Richtung Z, beispielsweise von 100 nm, aufweisen, und können der wenigstens eine Steuerelektrodenabschnitt 111 und der Kanalzonenabschnitt 192 einen zweiten gemeinsamen Erstreckungsbereich entlang der vertikalen Richtung Z, beispielsweise von 50 nm, aufweisen. Ferner kann sich der wenigstens eine Steuerelektrodenabschnitt 111 wenigstens so tief erstrecken wie der pn-Übergang 194.
  • Jede Leistungszelle 120 kann ferner einen säulenförmigen Feldplattengraben 130 umfassen, der sich entlang der vertikalen Richtung Z in den Halbleiterkörper 190 erstreckt und eine Feldplattenelektrode 131 aufweist, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 101 gekoppelt ist.
  • Beispielsweise sind die Feldplattenelektroden 131 elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 101 verbunden, beispielsweise derart, dass das elektrische Potential der Feldplattenelektroden 131 im Wesentlichen identisch mit dem elektrischen Potential des ersten Lastanschlusses 101 ist. Beispielsweise können zur Implementation der elektrischen Verbindung zweite Kontaktstecker 1015 verwendet werden, die sich vom ersten Lastanschluss 101 in die Feldplattengräben 130 herunter erstrecken, um die Feldplattenelektroden 131 zu kontaktieren. Zur Verbesserung des Kontakts können elektrisch leitende Haftförderer 1016 verwendet werden, wie dargestellt. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Feldplattenelektroden 131 durch einen ohmschen Widerstand elektrisch mit dem ersten Lastanschluss 101 gekoppelt werden.
  • In Bezug auf die Kontaktstecker 1011 und 1015 ist zu verstehen, dass es, wie in den 3A-C dargestellt ist, zusätzlich oder alternativ möglich ist, den ersten Lastanschluss 101 durch einen zusammengefügten Kontaktstecker 1017 elektrisch sowohl mit dem Source-Zonenabschnitt 193 als auch mit der Feldplattenelektrode 131 zu verbinden. Beispielsweise kann die elektrische Verbindung jeder Leistungszelle 120 mit dem ersten Lastanschluss 101 gemäß einer Ausführungsform durch einen jeweiligen einzelnen zusammengefügten Kontaktstecker 1017 hergestellt werden.
  • Im Gegensatz zum üblichen Namen „Feldplattenelektrode“ weisen die Feldplattenelektroden 131 typischerweise nicht die Form einer Platte, sondern vielmehr einer Säule/Nadel, auf, wie auch in den 1 und 2 dargestellt ist.
  • In jedem Feldplattengraben 130 kann ein Grabenisolator 132 bereitgestellt werden, der die jeweilige Feldplattenelektrode 131 vom Halbleiterkörper 190 isoliert.
  • Beispielsweise beträgt die vertikale Gesamtabmessung jedes säulenförmigen Feldplattengrabens 130 wenigstens das Zweifache der vertikalen Gesamtabmessung der Steuergrabenstruktur 110, wobei sich beispielsweise jeder säulenförmige Feldplattengraben 130 wenigstens drei Mal so weit entlang der vertikalen Richtung Z erstreckt als die Steuergrabenstruktur 110, wobei beispielsweise die obere Fläche 1900 des Halbleiterkörpers 190 als Referenz verwendet wird.
  • Es kann davon ausgegangen werden, dass die säulenförmigen Feldplattengräben 130 einen jeweiligen tiefen Abschnitt 136 unterhalb des Kanalzonenabschnitts 192 und einen proximalen Abschnitt 135 oberhalb des tiefen Abschnitts 136 umfassen.
  • Entlang der vertikalen Richtung Z kann der proximale Abschnitt 135 nahtlos in den tiefen Abschnitt 136 übergehen, wie in 2 dargestellt ist. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass die beiden Abschnitte 135 und 136 nicht durch eine Kopplungskomponente oder dergleichen miteinander gekoppelt sind, sondern dass beide Abschnitte 135 und 136 gemeinsam den jeweiligen säulenförmigen Feldplattengraben 130 bilden. Beispielsweise weist der säulenförmige Feldplattengraben 130 eine Gesamtabmessung entlang der vertikalen Richtung Z auf und weist der proximale Abschnitt 135 das obere Drittel dieser Gesamtabmessung auf, und der tiefe Abschnitt 136 weist die restlichen zwei Drittel dieser Gesamtabmessung auf. Es ist zu verstehen, dass im Gegensatz zur schematischen Darstellung in 2 der säulenförmige Feldplattengraben 130 nicht notwendigerweise durch den tiefen Abschnitt 136 einen Bodenabschnitt 137 aufweisen kann, der den säulenförmigen Feldplattengraben 130 entlang der vertikalen Richtung Z begrenzt (vergl. 3A-C und 4B).
  • Beispielsweise überlappt sich der proximale Abschnitt 135 vertikal mit dem Kanalzonenabschnitt 192. Gemäß einer Ausführungsform weisen der Kanalzonenabschnitt 192, der Steuerelektrodenabschnitt 111 und der proximale Abschnitt 135 einen gemeinsamen vertikalen Erstreckungsbereich, beispielsweise wenigstens 200 nm, auf. Der proximale Abschnitt 135 kann einen Abschnitt der Feldplattenelektrode 131 aufweisen, wie nachstehend detaillierter erklärt wird.
  • Der proximale Abschnitt 135 hat eine proximale horizontale Breite W1, und der tiefe Abschnitt 136 hat eine tiefe horizontale Breite W2, wobei zu verstehen ist, dass diese horizontalen Breiten W1 und W2 nicht notwendigerweise entlang der vertikalen Richtung Z konstant zu sein brauchen.
  • Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird vorgeschlagen, die Breite der säulenförmigen Feldplattengräben 130 zu vergrößern, wenn sie sich entlang der vertikalen Richtung Z erstrecken. Beispielsweise ist das Maximum der tiefen horizontalen Breite W2 stets größer als das Maximum der proximalen horizontalen Breite W1.
  • Beispielsweise beträgt die (maximale) tiefe horizontale Breite W2 des tiefen Abschnitts 136 wenigstens 110 % der (maximalen) proximalen horizontalen Breite W1 des proximalen Abschnitts 135.
  • Zusätzlich oder alternativ nimmt ein horizontaler Abstand zwischen zwei säulenförmigen Feldplattengräben 130 zweier benachbarter von den mehreren Leistungszellen 120 entlang der vertikalen Richtung Z (vergl. Abstände D1 und D2 in 1) ab, beispielsweise um wenigstens 10 %, wobei der horizontale Abstand zwischen den Grabenisolatoren 132 der benachbarten säulenförmigen Feldplattengräben 130, beispielsweise zwischen den Seitenwänden der benachbarten säulenförmigen Feldplattengräben 130, gemessen wird.
  • Beispielsweise kann der Abstand D1 zwischen zwei benachbarten proximalen Abschnitten 135 im Bereich von beispielsweise 500 bis 700 nm liegen und kann der Abstand D2 zwischen zwei benachbarten tiefen Abschnitten 136 im Bereich von beispielsweise 300 bis 500 nm liegen.
  • Nachfolgend werden mehrere Beispiele davon vorgestellt, wie eine solche Erhöhung der Breite des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 implementiert werden kann.
  • Beispielsweise ist zumindest in einem Teilabschnitt des proximalen Abschnitts 135 die Änderungsrate der proximalen Breite (d. h. dW1/dZ) in Bezug auf die vertikale Richtung Z entweder im Wesentlichen null oder sogar negativ. Beispielsweise kann der proximale Abschnitt 155 verhältnismäßig dünn sein und nimmt die proximale horizontale Breite W1 innerhalb des proximalen Abschnitts 135 nicht erheblich zu, sondern bleibt ziemlich konstant bzw. nimmt sogar ab (vergl. 4A). Wie vorstehend angegeben wurde, kann der proximale Abschnitt 135 das obere Drittel der Gesamtabmessung des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 entlang der vertikalen Richtung Z aufweisen. Der Teilabschnitt kann zumindest den Teil des proximalen Abschnitts 135 aufweisen, der die Steuergrabenstruktur 110 vertikal überlappt.
  • Beispielsweise beginnt die Erhöhung der horizontalen Breite an einem Schwellenniveau 1356. Beispielsweise nimmt die horizontale Breite des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 im Wesentlichen nicht zu, bis dieses Schwellenniveau 1356 erreicht wird, wie in 2 dargestellt ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform nimmt die Breite des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 auch (beispielsweise nur leicht) innerhalb des proximalen Abschnitts 135 zu, wie beispielsweise in 3 dargestellt ist.
  • Falls vorhanden, kann das Schwellenniveau 1356 innerhalb der tieferen Hälfte des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 angeordnet werden.
  • Die vertikale Gesamtabmessung des tiefen Abschnitts 136 kann wenigstens 10% der vertikalen Gesamtabmessung des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 ausmachen. Wie angegeben ist, kann dieser Anteil größer als 10 %, beispielsweise größer als 30 %, größer als 50 %, größer als 66,67 % (entsprechend zwei Dritteln) oder sogar größer als 90 % sein.
  • Ferner ist entlang der ganzen Gesamtabmessung in vertikaler Richtung Z des tiefen Abschnitts 136 oder zumindest einem Teil davon, beispielsweise einem wenigstens 50 % ausmachenden Teil, die Änderungsrate der tiefen horizontalen Breite (d. h. dW2/dZ) in Bezug auf die vertikale Richtung Z entweder null oder positiv. Daher ist auch eine schrittweise Erhöhung (nicht dargestellt) der horizontalen Breite des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 möglich, was beispielsweise ermöglicht, dass dW2/dZ im Wesentlichen null ist oder zumindest in einem Teilabschnitt innerhalb des tiefen Abschnitts 136 sogar negativ ist. Wie vorstehend dargelegt wurde und wie in jeder der 2 bis 4A dargestellt ist, geschieht die Erhöhung der horizontalen Breite typischerweise ziemlich allmählich, beispielsweise abhängig vom Prozess linear oder exponentiell.
  • Die Änderungsrate der proximalen horizontalen Breite dW1/dZ kann durch einen ersten Winkel α definiert werden (beispielsweise in Bezug auf die obere Fläche 1900 des Halbleiterkörpers 190), und die Änderungsrate der tiefen horizontalen Breite dW2/dZ kann durch einen zweiten Winkel β definiert werden (beispielsweise auch in Bezug auf die obere Fläche 1900 des Halbleiterkörpers 190).
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Winkel β größer als der erste Winkel α. Beispielsweise liegt der erste Winkel α im proximalen Abschnitt 135 innerhalb des Bereichs von 60° bis 100°. Im tiefen Abschnitt 136 kann der zweite Winkel β innerhalb des Bereichs von 91° bis 150° liegen. Ferner kann zumindest einer vom zweiten Winkel β und vom ersten Winkel α im Wesentlichen konstant sein. Der Übergang vom proximalen Abschnitt 135 zum distalen Abschnitt 136 (beispielsweise wo die Differenz zwischen den Winkeln β und α gebildet wird) kann an oder (allmählich) in der Nähe des Schwellenniveaus 1356 gebildet werden.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform können der zweite Winkel β und der erste Winkel α im Wesentlichen identisch sein (vergl. 3A), wobei beide beispielsweise wenigstens 92°, wenigstens 95° oder sogar mehr als 100° betragen.
  • Wie vorstehend angegeben wurde, braucht im Gegensatz zur schematischen Darstellung in 2 der säulenförmige Feldplattengraben 130 nicht unbedingt durch den tiefen Abschnitt 136 begrenzt zu sein, sondern der säulenförmige Feldplattengraben 130 kann den Bodenabschnitt 137 umfassen, der den säulenförmigen Feldplattengraben 130 entlang der vertikalen Richtung Z begrenzt (vergl. 3A-C und 4B). Die vertikale Gesamtabmessung des Bodenabschnitts 137 kann vom angewendeten Prozess abhängen, und die Breite des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 nimmt im Bodenabschnitt 137 (natürlich) ab.
  • Es ändert sich beispielsweise die horizontale Breite jedes säulenförmigen Feldplattengrabens 130, beispielsweise entsprechend einer konstanten Änderungsrate entlang der vertikalen Richtung Z über wenigstens 40 % der vertikalen Gesamtabmessung des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens 130 (vergl. 2), wobei dieser Anteil sogar größer als 40 %, beispielsweise größer als 70 %, sein kann oder sogar etwa 100 % betragen kann (vergl. 3A).
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform, wie beispielsweise in den 3B und 3C dargestellt ist, bleibt die horizontale Breite jedes säulenförmigen Feldplattengrabens 130 entlang der vertikalen Richtung über wenigstens 70 % der vertikalen Gesamtabmessung des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens 130 im Wesentlichen konstant.
  • Beispielsweise geschieht die Erhöhung der horizontalen Breite beispielsweise ausschließlich innerhalb des tiefsten Zehntels des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens.
  • Unter weiterem Bezug auf die 3B und 3C sei bemerkt, dass gemäß einer Ausführungsform eine Erhöhung der horizontalen Breite jedes säulenförmigen Feldplattengrabens 130 um wenigstens 10 % entlang höchstens 30 % der vertikalen Gesamtabmessung des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens 130 auftritt. Ferner können die höchstens 30 % der vertikalen Gesamtabmessung des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens 130 einen Abschnitt des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens 130 oder den tiefsten Teil davon bilden.
  • Wie angegeben, kann der tiefe Abschnitt 136 beispielsweise allein oder zusammen mit dem Bodenabschnitt 137 einen distalen Abschnitt bilden, der den säulenförmigen Feldplattengraben 130 entlang der vertikalen Richtung Z begrenzt. Beispielsweise umfasst der distale Abschnitt nicht mehr als 30 % der vertikalen Gesamtabmessung des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens 130, wo die Erhöhung der horizontalen Breite von wenigstens 10 % auftritt. Der beispielhaft erwähnte Wert von höchstens 30 % der vertikalen Gesamtabmessung des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens 130 kann auch gemäß anderen Ausführungsformen verschieden sein, beispielsweise abhängig vom angewendeten Prozess. Beispielsweise kann die Erhöhung der Breite auch (beispielsweise linear) entlang der vertikalen Gesamtabmessung des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens 130 (wobei in diesem Fall die „30-%-Begrenzung“ nicht gelten würde) oder gemäß einer anderen Ausführungsform ausschließlich im tiefen Abschnitt 136 auftreten.
  • Unabhängig davon, wie die Erhöhung der horizontalen Breite implementiert wird, beispielsweise unabhängig davon, wie die Winkel β und α gewählt werden, sollte gewährleistet werden, dass die (maximale) tiefe horizontale Breite W2 des tiefen Abschnitts 136 wenigstens 110 % oder wenigstens 120 % der (maximalen) proximalen horizontalen Breite W1 des proximalen Abschnitts 135 beträgt und/oder dieser horizontale Abstand zwischen zwei säulenförmigen Feldplattengräben 130 zweier benachbarter der mehreren Leistungszellen 120 um wenigstens 10 % oder wenigstens 20 % entlang der vertikalen Richtung Z abnimmt, wie vorstehend angegeben wurde. Gleichzeitig soll gewährleistet werden, dass der minimale Abstand D2 (vergl. 2 und 3A-C) zwischen zwei benachbarten säulenförmigen Feldplattengräben 130 größer als null ist, beispielsweise größer als 350 nm. Ferner kann es im Allgemeinen angemessen sein, die Erhöhung der horizontalen Breite des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 in einem ziemlich tiefen und kurzen Abschnitt des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 zu bewirken, um eine Verkleinerung des Bereichs zwischen zwei benachbarten säulenförmigen Feldplattengräben 130 (d. h. des Mesabereichs) zu minimieren und dadurch einen niedrigen Einschaltzustandswiderstand zu ermöglichen. Demgemäß bildet der tiefe Abschnitt (136) gemäß einer Ausführungsform und wie vorstehend beschrieben wurde, zumindest teilweise einen distalen Abschnitt, der den säulenförmigen Feldplattengraben (130) entlang der vertikalen Richtung (Z) begrenzt, wobei der distale Abschnitt gemäß einer Ausführungsform nicht mehr als 30 % der Gesamtabmessung des säulenförmigen Feldplattengrabens (130) ausmacht.
  • Die vorstehende Beschreibung betraf in erster Linie die Erhöhung der Breite des jeweiligen gesamten säulenförmigen Feldplattengrabens 130. Jeder säulenförmige Feldplattengraben 130 umfasst die Feldplatten-Grabenelektrode 131 und den Grabenisolator 132 bzw. besteht im Wesentlichen daraus. Beispielsweise nimmt zumindest eine von der horizontalen Breite der Feldplattenelektrode 131 (d. h. der Abstand zwischen ihren äußeren Seitenwänden) und der horizontalen Dicke des Feldisolators 132 (d. h. die Abstände zwischen den Seitenwänden des säulenförmigen Feldplattengrabens und den äußeren Seitenwänden der Feldplattenelektrode) entlang der vertikalen Richtung Z zu.
  • Wie anhand der folgenden Beschreibung verständlich wird, kann die Erhöhung der horizontalen Breite des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 entweder nur durch eine entsprechende Erhöhung der horizontalen Breite des Grabenisolators 132, nur eine entsprechende Erhöhung der horizontalen Breite der Feldplattenelektrode 131 oder durch eine entsprechende Erhöhung sowohl der horizontalen Breite des Grabenisolators 132 als auch der horizontalen Breite der Feldplattenelektrode 131 erreicht werden, wobei in Bezug auf alle Optionen die Erhöhung der horizontalen Breite des Grabenisolators 132 nicht unbedingt identisch mit der Erhöhung der horizontalen Breite der Feldplattenelektrode 131 zu sein braucht.
  • Im Allgemeinen kann sich die Feldplattenelektrode 131 sowohl in den proximalen Abschnitt 135 als auch in den tiefen Abschnitt 136 und, falls vorhanden, auch in den Bodenabschnitt 137 erstrecken.
  • Beispielsweise sei in Bezug auf die Ausführungsform aus den 2 und 3C bemerkt, dass die horizontale Breite der Feldplattenelektrode 131 entlang der vertikalen Richtung Z im Wesentlichen konstant sein kann. Beispielsweise nimmt gemäß diesen Ausführungsformen nur die horizontale Breite des Grabenisolators 132 entlang der vertikalen Richtung Z zu. Mit anderen Worten wird bei einem Beispiel die Erhöhung der horizontalen Breite des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 im Wesentlichen nur durch die Erhöhung der horizontalen Breite des Grabenisolators 132 bewirkt. Wie bereits zuvor erwähnt wurde, kann diese Erhöhung am Schwellenniveau 1356 beginnen, wie sowohl in 2 als auch in 3C dargestellt ist, und sich beispielsweise über höchstens 30 % der vertikalen Gesamtabmessung des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 erstrecken, wie in 3C klarer dargestellt ist.
  • In Bezug auf die Ausführungsform aus den 3A-B sei bemerkt, dass die horizontale Breite (d. h. die Dicke) des Grabenisolators 132 im Wesentlichen konstant bleiben kann, wobei die horizontale Breite der Feldplattenelektrode 131 entlang der vertikalen Richtung Z zunimmt. Beispielsweise hat die Feldplattenelektrode 131 in einem Abschnitt, der einen Teil des tiefen Abschnitts 136 des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 bildet, eine maximale horizontale Breite. Wie in Bezug auf die Breitenerhöhung des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 bereits allgemeiner erklärt wurde, kann die Breitenerhöhung der Feldplattenelektrode 131 entlang mehr als 50 % der Gesamtabmessung des säulenförmigen Feldplattengrabens 130, beispielsweise entlang mehr als 80 % der Gesamtabmessung, geschehen. Beispielsweise kann die horizontale Breite der Feldplattenelektrode 131 beispielsweise um wenigstens 10 % entlang ihrer gesamten Abmessung entlang der vertikalen Richtung Z zunehmen. Diese allmähliche Erhöhung entlang dem wesentlichen Teil des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 ist in 3A schematisch und beispielhaft dargestellt. Gemäß einer anderen Ausführungsform bleibt die horizontale Breite der Feldplattenelektrode 131 über wenigstens 70 % ihrer Gesamtabmessung entlang der vertikalen Richtung Z im Wesentlichen konstant, wobei die wenigstens 70 % den proximalen (d. h. oberen) Abschnitt der Feldplattenelektrode 131 bilden können. Daher kann die Breitenerhöhung gemäß einer Ausführungsform entlang höchstens 30 % (beispielsweise des tieferen Abschnitts) der Feldplattenelektrode 131 geschehen, wobei diese Ausführungsform in 3B schematisch und beispielhaft dargestellt ist.
  • Wie anhand des vorstehend Erwähnten klar geworden ist, kann die Erhöhung der horizontalen Breite des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 im tiefen Abschnitt 136 geschehen, beispielsweise so dass die tiefe horizontale Breite W2 (die größer als 110 % der proximalen horizontalen Breite W1 ist) innerhalb der tiefsten zwei Zehntel des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 vorhanden ist, wobei diese tiefsten zwei Zehntel auch den Bodenabschnitt 137 einschließen können. Beispielsweise kann durch Bewirken der horizontalen Breitenerhöhung des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 entweder durch Erhöhen der horizontalen Breiten sowohl der Feldplattenelektrode 131 als auch des Grabenisolators 132 oder durch Erhöhen nur einer dieser horizontalen Breiten die wirksame Dicke des Grabenisolators 132 im Bodenabschnitt 137, d. h. der Abstand zwischen dem Driftgebiet 191 und der Feldplattenelektrode 131, auch eingestellt werden. Auch kann der wirksame Bereich der Feldplattenelektrode 131, welcher dem zweiten Lastanschluss 102 gegenübersteht, entsprechend eingestellt werden, wobei beispielsweise eine Erhöhung der Breite der Feldplattenelektrode 131 eine Erhöhung des wirksamen Bereichs bewirken kann. Beispielsweise kann hierdurch die Gesamtausgangskapazität des Halbleiter-Dies 100 eingestellt werden.
  • Beispielsweise kann es in Bezug auf die Einstellung der Gesamtausgangskapazität angemessen sein, dass die Erhöhung der Breite des säulenförmigen Feldplattengrabens mit einer entsprechenden Erhöhung der Breite der Feldplatten-Grabenelektrode einhergeht, wie beispielsweise in 2 und in den Abschnitten (A) und (B) von 3 schematisch dargestellt ist. Daher kann gemäß einer Ausführungsform die Breitenerhöhung, wie mit Bezug auf den säulenförmigen Feldplattengraben 130 beschrieben, gleichermaßen für eine Erhöhung der Breite der Feldplattenelektrode 131 gelten. Beispielsweise kann eine tiefe horizontale Breite der Feldplattenelektrode 131 wenigstens 110 % einer proximalen horizontalen Breite der Feldplattenelektrode 131 im proximalen Abschnitt 135 betragen. Beispielsweise kann die Dicke des Grabenisolators 132 entlang der vertikalen Gesamtabmessung des säulenförmigen Feldplattengrabens 130 gemäß einer Ausführungsform im Wesentlichen konstant bleiben.
  • Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Feldplattenelektrode 131 einen Hohlraumabschnitt 1310 aufweisen. Beispielsweise kann dieser Hohlraumabschnitt 1310 während des Herstellungsprozesses entstehen, beispielsweise falls ein solcher Prozess so ausgelegt ist, dass eine Erhöhung der horizontalen Breite der Feldplattenelektrode 131 erreicht wird. Dies ist in den 3A-B beispielhaft und schematisch dargestellt.
  • Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich der Hohlraumabschnitt 1310 in den tiefen Abschnitt 136, jedoch nicht in den proximalen Abschnitt 135. Beispielsweise kann dadurch eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen dem ersten Lastanschluss 101 und der Feldplattenelektrode 131 erreicht werden.
  • Die Form des Hohlraumabschnitts 1310 kann mit der Art korrelieren, in der die Erhöhung der horizontalen Breite der Feldplattenelektrode 131 implementiert wird. Wie angegeben, entsteht der Hohlraumabschnitt 1310 typischerweise nicht, wobei dies natürlich nicht ausgeschlossen ist, falls keine Erhöhung der horizontalen Breite der Feldplattenelektrode 131 erwünscht ist (beispielsweise wie in den 2 und 3C dargestellt ist). Falls die Erhöhung der horizontalen Breite der Feldplattenelektrode 131 innerhalb einer verhältnismäßig kleinen Strecke entlang der vertikalen Richtung Z bewirkt wird, wie in 3B dargestellt ist, können die Gesamtabmessungen des Hohlraumabschnitts 1310 entlang der ersten lateralen Richtung X und der vertikalen Richtung Z innerhalb der gleichen Größenordnung liegen. Falls die Erhöhung der horizontalen Breite innerhalb einer verhältnismäßig langen Strecke entlang der vertikalen Richtung Z bewirkt wird, wie in 3A dargestellt ist, kann die Gesamtabmessung des Hohlraumabschnitts 1310 entlang der vertikalen Richtung Z erheblich größer sein als seine Gesamtabmessung entlang der ersten lateralen Richtung X.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der minimale Abstand entlang der vertikalen Richtung Z zwischen dem pn-Übergang 194 und dem Hohlraumabschnitt 1310 größer als null und beträgt beispielsweise wenigstens 400 nm, wenigstens 600 nm oder sogar mehr als 1000 nm.
  • Hier werden auch Ausführungsformen eines Verfahrens zur Verarbeitung eines Leistungshalbleiter-Dies vorgestellt. Der Leistungshalbleiter-Die hat einen Halbleiterkörper, der mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss des Leistungshalbleiter-Dies gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Lastanschlüssen zu leiten.
  • Das Verfahren umfasst Folgendes: Bilden einer Steuergrabenstruktur zum Steuern des Laststroms, wobei sich die Steuergrabenstruktur in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper erstreckt und entsprechend einem horizontalen Gittermuster mit mehreren Gitteröffnungen angeordnet ist, Bilden mehrerer Leistungszellen, wobei jede Leistungszelle in einem horizontalen Querschnitt zumindest teilweise in einer jeweiligen der mehreren Gitteröffnungen angeordnet ist und Folgendes umfasst: einen Abschnitt einer Driftzone eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Abschnitt einer Kanalzone eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Abschnitt einer Source-Zone des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Kanalzonenabschnitt elektrisch mit dem ersten Lastanschluss verbunden ist und den Source-Zonenabschnitt vom Driftzonenabschnitt isoliert, und einen Steuerabschnitt mit wenigstens einem Steuerelektrodenabschnitt in der Steuergrabenstruktur.
  • Das Verfahren kann das Bilden eines säulenförmigen Feldplattengrabens, der sich in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper erstreckt und eine Feldplattenelektrode aufweist, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss gekoppelt ist, in wenigstens einer der Leistungszellen umfassen, wobei der säulenförmige Feldplattengraben einen tiefen Abschnitt unterhalb des Kanalzonenabschnitts und einen proximalen Abschnitt oberhalb des tiefen Abschnitts aufweist, wobei der proximale Abschnitt den Kanalzonenabschnitt vertikal überlappt, wobei eine tiefe horizontale Breite des tiefen Abschnitts wenigstens 110 % einer proximalen horizontalen Breite des proximalen Abschnitts beträgt.
  • Zusätzlich oder alternativ kann beim Verfahren ferner in jeder Leistungszelle ein säulenförmiger Feldplattengraben gebildet werden, der sich in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper erstreckt und eine Feldplattenelektrode aufweist, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss gekoppelt ist, wobei ein horizontaler Abstand zwischen zwei säulenförmigen Feldplattengräben zweier benachbarter der mehreren Leistungszellen in vertikaler Richtung um wenigstens 10 % abnimmt.
  • Ausführungsformen eines vorstehend beschriebenen Verfahrens können den Ausführungsformen des Leistungshalbleiter-Dies 100 entsprechen, die mit Bezug auf die 1 bis 4B beschrieben wurden. Daher kann in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen der Verfahren vollständig auf das vorstehend Erwähnte Bezug genommen werden.
  • Insbesondere ist zu verstehen, dass die Sequenz des Ausführens der einzelnen Verfahrensschritte von Fachleuten geeignet gewählt werden kann. Beispielsweise wird gemäß einer Ausführungsform die Steuergrabenstruktur vor der Bildung der säulenförmigen Feldplattengräben gebildet. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die Steuergrabenstruktur nach der Bildung der säulenförmigen Feldplattengräben gebildet.
  • Allgemeiner ausgedrückt wurde vorstehend eine Ausführungsform eines Leistungshalbleiter-Dies 100 vorgestellt, der ein Halbleitersubstrat (beispielsweise einen Halbleiterkörper) mit Gate-Gräben (beispielsweise eine Steuergrabenstruktur 110), die sich in die vordere Fläche (beispielsweise die obere Fläche 1900) des Halbleitersubstrats erstrecken, aufweisen kann. Das Halbleitersubstrat kann einen beliebigen Typ eines Halbleitermaterials in der Art eines Einzelelement-Halbleiters (beispielsweise Si, Ge usw.), eines Silicium-auf-Isolators, eines binären Halbleiters (beispielsweise SiC, GaN, GaAs usw.), eines ternären Halbleiters usw. mit oder ohne einer oder mehreren Epitaxieschichten umfassen. Eine Gate-Elektrode (beispielsweise Steuerelektrodenabschnitte 111) und ein Gate-Dielektrikum (beispielsweise Grabenisolator 112) sind in jedem Gate-Graben angeordnet, wobei das Gate-Dielektrikum die entsprechende Gate-Elektrode vom Halbleitersubstrat trennt. Eine Feldplatte (beispielsweise die Feldplattenelektrode 131) kann in säulenförmigen Feldplattengräben 130 angeordnet sein, wobei jede Feldplatte durch ein Felddielektrikum (beispielsweise den Grabenisolator 132), der beispielsweise dicker als das Gate-Dielektrikum ist, vom Halbleitersubstrat und von der entsprechenden Gate-Elektrode getrennt ist. Alternativ oder zusätzlich können Feldplatten in Gräben angeordnet sein, die auch die Gate-Elektroden aufnehmen.
  • Ein erstes (Source/Emitter-) Gebiet (beispielsweise die Source-Zone 193) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp (beispielsweise n-Typ im Fall einer n-Kanal-Vorrichtung oder p-Typ im Fall einer p-Kanal-Vorrichtung) ist an der vorderen Fläche und angrenzend an jeden Gate-Graben im Halbleitersubstrat ausgebildet. Ein zweites (Body-) Gebiet (beispielsweise die Kanalzone 192) mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp (beispielsweise p-Typ im Fall einer n-Kanal-Vorrichtung oder n-Typ im Fall einer p-Kanal-Vorrichtung) ist unterhalb des Source/Emitter-Gebiets und angrenzend an jeden Gate-Graben im Halbleitersubstrat ausgebildet. Ein drittes (Drift-) Gebiet (beispielsweise die Driftzone 191) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp ist unterhalb des Body-Gebiets und angrenzend an jeden Gate-Graben im Halbleitersubstrat ausgebildet, beispielsweise als Teil einer Epitaxieschicht. Ein Drain/Kollektor-Gebiet (vergl. dotiertes Kontaktgebiet 198) des ersten Leitfähigkeitstyps ist an der rückseitigen Fläche des Halbleitersubstrats entgegengesetzt zur vorderen Fläche ausgebildet und stärker dotiert als das Driftgebiet. Ferner wäre, insbesondere falls ein anderes Material als Si verwendet wird, an Stelle eines npn-MOSFETs auch ein pnp-MOSFET vorstellbar.
  • Der dargestellte Halbleiter-Die kann ein vertikaler Leistungs-MOSFET sein, der eine Kanalzone aufweist, die sich in vertikaler Richtung Z entlang dem Gate-Dielektrikum (vergl. 112) im Body-Gebiet erstreckt (vergl. 192). Durch Anlegen einer ausreichenden Gate-Spannung an die Gate-Elektroden sammeln sich Minoritätsträger (Elektronen im Fall eines p-Body-Gebiets oder Löcher im Fall eines n-Body-Gebiets) entlang dem Gate-Dielektrikum im Kanalgebiet und wird zwischen dem Source/Emitter-Gebiet und dem Drain/Kollektor-Gebiet über das Drift- und das Kanalgebiet ein elektrisch leitender Weg vervollständigt.
  • Gemäß einigen hier beschriebenen Ausführungsformen wird zumindest für eine der Leistungszellen eines Nadelgraben-MOSFETs vorgeschlagen, die Feldplattenelektrode in einen säulenförmigen Feldplattengraben aufzunehmen, der einen schmalen oberen (proximalen) Abschnitt in der Nähe eines Kanalgebiets der Leistungszelle aufweist und dessen Breite entlang seiner Abmessung in vertikaler Richtung zunimmt, so dass er einen dickeren tiefen Abschnitt aufweist. Dadurch kann in den oberen Abschnitten des Halbleiterkörpers des Nadelgraben-MOSFETs (wo die Kanalgebiete zur Leitung des Laststroms induziert werden) ein kleiner Zellenabstand P und daher eine hohe Gesamtleistungszellendichte erreicht werden. Gleichzeitig kann infolge der zunehmenden Breite des säulenförmigen Feldplattengrabens eine ausreichend große Feldplattenelektrode in den säulenförmigen Feldplattengraben aufgenommen werden, wodurch eine zuverlässige Blockierfähigkeit gewährleistet wird.
  • Vorstehend wurden Ausführungsformen erklärt, die sich auf Leistungshalbleiter-Dies und entsprechende Verarbeitungsverfahren beziehen. Beispielsweise beruhen diese Halbleiter-Dies auf Silicium (Si). Dementsprechend kann ein monolithisches Halbleitergebiet oder eine monolithische Halbleiterschicht oder ein monolithischer Halbleiterabschnitt ein monokristallines Si-Gebiet oder eine monokristalline Si-Schicht sein. Gemäß anderen Ausführungsformen kann polykristallines oder amorphes Silicium verwendet werden.
  • Es ist jedoch zu verstehen, dass der Halbleiter-Die aus einem beliebigen Halbleitermaterial hergestellt werden kann, das für die Herstellung eines Halbleiter-Dies geeignet ist. Beispiele solcher Materialien umfassen ohne Einschränkung elementare Halbleitermaterialien, wie Silicium (Si) oder Germanium (Ge), Verbindungshalbleitermaterialien der Gruppe IV, wie Siliciumcarbid (SiC) oder Siliciumgermanium (SiGe), binäre, ternäre oder quaternäre III-V-Halbleitermaterialien, wie Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Indiumgalliumphosphid (InGaP), Aluminiumgalliumnitrid (AIGaN), Aluminiumindiumnitrid (AllnN), Indiumgalliumnitrid (InGaN), Aluminiumgalliumindiumnitrid (AIGalnN) oder Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP) und binäre oder ternäre II-VI-Halbleitermaterialien, wie Cadmiumtellurid (CdTe) und Quecksilbercadmiumtellurid (HgCdTe), um einige zu nennen. Die vorstehend erwähnten Halbleitermaterialien werden auch als Homoübergangs-Halbleitermaterialien bezeichnet. Wenn zwei verschiedene Halbleitermaterialien kombiniert werden, wird ein Heteroübergangs-Halbleitermaterial gebildet. Beispiele von Heteroübergangs-Halbleitermaterialien umfassen ohne Einschränkung Aluminiumgalliumnitrid (AIGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid (AIGalnN)-, Indiumgalliumnitrid (InGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGalnN)-, Indiumgalliumnitrid (InGaN)-Galliumnitrid (GaN)-, Aluminiumgalliumnitrid (AIGaN)-Galliumnitrid (GaN)-, Indiumgalliumnitrid (InGaN)-Aluminiumgalliumnitrid (AIGaN)-, Silicium-Siliciumcarbid (SixC1-x)- und Silicium-SiGe-Heteroübergangs-Halbleitermaterialien. Für Leistungshalbleitervorrichtungsanwendungen werden gegenwärtig hauptsächlich Si-, SiC-, GaAs- und GaN-Materialien verwendet.

Claims (20)

  1. Leistungshalbleiter-Die (100), der einen Halbleiterkörper (190) aufweist, der mit einem ersten Lastanschluss (101) und einem zweiten Lastanschluss (102) des Leistungshalbleiter-Dies (100) gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Lastanschlüssen (101, 102) zu leiten, und Folgendes umfasst: - eine Steuergrabenstruktur (110) zum Steuern des Laststroms, wobei sich die Steuergrabenstruktur (110) in vertikaler Richtung (Z) in den Halbleiterkörper (190) erstreckt und entsprechend einem horizontalen Gittermuster (115) mit mehreren Gitteröffnungen (116) angeordnet ist, - mehrere Leistungszellen (120), wobei jede Leistungszelle (120) in einem horizontalen Querschnitt zumindest teilweise in einer jeweiligen der mehreren Gitteröffnungen (116) angeordnet ist, wobei wenigstens eine der Leistungszellen (120) Folgendes umfasst: - einen Abschnitt einer Driftzone (191) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Abschnitt einer Kanalzone (192) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Abschnitt einer Source-Zone (193) des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Kanalzonenabschnitt (192) elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (101) verbunden ist und den Source-Zonenabschnitt (193) vom Driftzonenabschnitt (191) isoliert, und - einen Steuerabschnitt mit wenigstens einem Steuerelektrodenabschnitt (111) in der Steuergrabenstruktur (110), - einen säulenförmigen Feldplattengraben (130), der sich in vertikaler Richtung (Z) in den Halbleiterkörper (190) erstreckt und eine Feldplattenelektrode (131) aufweist, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (101) gekoppelt ist, wobei der säulenförmige Feldplattengraben (130) einen tiefen Abschnitt (136) unterhalb des Kanalzonenabschnitts (192) und einen proximalen Abschnitt (135) oberhalb des tiefen Abschnitts (136) aufweist, wobei der proximale Abschnitt (135) den Kanalzonenabschnitt (192) vertikal überlappt, wobei eine tiefe horizontale Breite (W2) des tiefen Abschnitts (136) wenigstens 110 % einer proximalen horizontalen Breite (W1) des proximalen Abschnitts (135) beträgt.
  2. Leistungshalbleiter-Die (100) nach Anspruch 1, wobei zumindest in einem Teilabschnitt des proximalen Abschnitts (135) die Änderungsrate der proximalen horizontalen Breite in Bezug auf die vertikale Richtung (Z) entweder null oder negativ ist.
  3. Leistungshalbleiter-Die (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vertikale Gesamtabmessung des tiefen Abschnitts (136) wenigstens 10 % der vertikalen Gesamtabmessung des säulenförmigen Feldplattengrabens (130) ausmacht.
  4. Leistungshalbleiter-Die (100) nach Anspruch 3, wobei die Änderungsrate der tiefen horizontalen Breite in Bezug auf die vertikale Richtung (Z) entweder null oder positiv ist.
  5. Leistungshalbleiter-Die (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Feldplattenelektrode (131) sowohl in den proximalen Abschnitt (135) als auch in den tiefen Abschnitt (136) erstreckt.
  6. Leistungshalbleiter-Die (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der säulenförmige Feldplattengraben (130) einen Grabenisolator (132) aufweist, der die Feldplattenelektrode (131) elektrisch vom Halbleiterkörper (190) isoliert.
  7. Leistungshalbleiter-Die (100) nach Anspruch 6, wobei wenigstens eine von der horizontalen Breite der Feldplattenelektrode (131) und der horizontalen Dicke des Grabensiolators (132) in vertikaler Richtung (Z) zunimmt.
  8. Leistungshalbleiter-Die (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feldplattenelektrode (131) in einem Abschnitt, der einen Teil des tiefen Abschnitts (136) des säulenförmigen Feldplattengrabens (130) bildet, eine maximale Breite aufweist.
  9. Leistungshalbleiter-Die (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feldplattenelektrode (131) einen Hohlraumabschnitt (1310) aufweist.
  10. Leistungshalbleiter-Die (100) nach Anspruch 9, wobei sich der Hohlraumabschnitt (1310) in den tiefen Abschnitt (136) erstreckt und sich nicht in den proximalen Abschnitt (135) erstreckt.
  11. Leistungshalbleiter-Die (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der tiefe Abschnitt (136) zumindest teilweise einen distalen Abschnitt bildet, der den säulenförmigen Feldplattengraben (130) in der vertikalen Richtung (Z) begrenzt, wobei der distale Abschnitt höchstens 30 % der Gesamtabmessung des säulenförmigen Feldplattengrabens (130) aufweist.
  12. Leistungshalbleiter-Die (100), der einen Halbleiterkörper (190) aufweist, der mit einem ersten Lastanschluss (101) und einem zweiten Lastanschluss (102) des Leistungshalbleiter-Dies (100) gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Lastanschlüssen (101, 102) zu leiten, und Folgendes umfasst: - eine Steuergrabenstruktur (110) zum Steuern des Laststroms, wobei sich die Steuergrabenstruktur (110) in vertikaler Richtung (Z) in den Halbleiterkörper (190) erstreckt und entsprechend einem horizontalen Gittermuster (115) mit mehreren Gitteröffnungen (116) angeordnet ist, - mehrere Leistungszellen (120), wobei jede Leistungszelle (120) in einem horizontalen Querschnitt zumindest teilweise in einer jeweiligen der mehreren Gitteröffnungen (116) angeordnet ist und Folgendes umfasst: - einen Abschnitt einer Driftzone (191) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Abschnitt einer Kanalzone (192) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Abschnitt einer Source-Zone (193) des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Kanalzonenabschnitt (192) elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (101) verbunden ist und den Source-Zonenabschnitt (193) vom Driftzonenabschnitt (191) isoliert, und - einen Steuerabschnitt mit wenigstens einem Steuerelektrodenabschnitt (111) in der Steuergrabenstruktur (110), - einen säulenförmigen Feldplattengraben (130), der sich in vertikaler Richtung (Z) in den Halbleiterkörper (190) erstreckt und eine Feldplattenelektrode (131) aufweist, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (101) gekoppelt ist, - wobei ein horizontaler Abstand zwischen zwei säulenförmigen Feldplattengräben (130) zweier benachbarter der mehreren Leistungszellen (120) in der vertikalen Richtung (Z) um wenigstens 10 % abnimmt.
  13. Leistungshalbleiter-Die (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die horizontale Breite jedes säulenförmigen Feldplattengrabens (130) entsprechend einer konstanten Änderungsrate in vertikaler Richtung Z über wenigstens 40 % der vertikalen Gesamtabmessung des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens (130) ändert.
  14. Leistungshalbleiter-Die (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die horizontale Breite jedes säulenförmigen Feldplattengrabens (130) über wenigstens 70 % der vertikalen Gesamtabmessung des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens (130) zunimmt.
  15. Leistungshalbleiter-Die (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, wobei die horizontale Breite jedes säulenförmigen Feldplattengrabens (130) in vertikaler Richtung über wenigstens 70 % der vertikalen Gesamtabmessung des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens (130) im Wesentlichen konstant bleibt.
  16. Leistungshalbleiter-Die (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Erhöhung von wenigstens 10 % der horizontalen Breite jedes säulenförmigen Feldplattengrabens (130) entlang höchstens 30 % der vertikalen Gesamtabmessung des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens (130) geschieht.
  17. Leistungshalbleiter-Die (100) nach Anspruch 16, wobei die höchstens 30 % der vertikalen Gesamtabmessung des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens (130) einen Teil des tiefsten Teils des jeweiligen säulenförmigen Feldplattengrabens (130) bilden.
  18. Leistungshalbleiter-Die (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Gitteröffnung (116) eine maximale horizontale Abmessung von höchstens 1 µm aufweist.
  19. Verfahren zur Verarbeitung eines Leistungshalbleiter-Dies (100), wobei der Leistungshalbleiter-Die (100) einen Halbleiterkörper (190) aufweist, der mit einem ersten Lastanschluss (101) und einem zweiten Lastanschluss (102) des Leistungshalbleiter-Dies (100) gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Lastanschlüssen (101, 102) zu leiten, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: - Bilden einer Steuergrabenstruktur (110) zum Steuern des Laststroms, wobei sich die Steuergrabenstruktur (110) in vertikaler Richtung (Z) in den Halbleiterkörper (190) erstreckt und entsprechend einem horizontalen Gittermuster (115) mit mehreren Gitteröffnungen (116) angeordnet ist, - Bilden mehrerer Leistungszellen (120), wobei jede Leistungszelle (120) in einem horizontalen Querschnitt zumindest teilweise in einer jeweiligen der mehreren Gitteröffnungen (116) angeordnet ist und Folgendes umfasst: - einen Abschnitt einer Driftzone (191) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Abschnitt einer Kanalzone (192) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Abschnitt einer Source-Zone (193) des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Kanalzonenabschnitt (192) elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (101) verbunden ist und den Source-Zonenabschnitt (193) vom Driftzonenabschnitt (191) isoliert, und - einen Steuerabschnitt mit wenigstens einem Steuerelektrodenabschnitt (111) in der Steuergrabenstruktur (110), wobei beim Verfahren in wenigstens einer der Leistungszellen (120) ein säulenförmiger Feldplattengraben (130) gebildet wird, der sich in vertikaler Richtung (Z) in den Halbleiterkörper (190) erstreckt und eine Feldplattenelektrode (131) aufweist, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (101) gekoppelt ist, wobei der säulenförmige Feldplattengraben (130) einen tiefen Abschnitt (136) unterhalb des Kanalzonenabschnitts (192) und einen proximalen Abschnitt (135) oberhalb des tiefen Abschnitts (136) aufweist, wobei der proximale Abschnitt (135) den Kanalzonenabschnitt (192) vertikal überlappt, wobei eine tiefe horizontale Breite (W2) des tiefen Abschnitts (136) wenigstens 110 % einer proximalen horizontalen Breite (W1) des proximalen Abschnitts (135) beträgt.
  20. Verfahren (200) zur Verarbeitung eines Leistungshalbleiter-Dies (100), wobei der Leistungshalbleiter-Die (100) einen Halbleiterkörper (190) aufweist, der mit einem ersten Lastanschluss (101) und einem zweiten Lastanschluss (102) des Leistungshalbleiter-Dies (100) gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Lastanschlüssen (101, 102) zu leiten, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: - Bilden einer Steuergrabenstruktur (110) zum Steuern des Laststroms, wobei sich die Steuergrabenstruktur (110) in vertikaler Richtung (Z) in den Halbleiterkörper (190) erstreckt und entsprechend einem horizontalen Gittermuster (115) mit mehreren Gitteröffnungen (116) angeordnet ist, - Bilden mehrerer Leistungszellen (120), wobei jede Leistungszelle (120) in einem horizontalen Querschnitt zumindest teilweise in einer jeweiligen der mehreren Gitteröffnungen (116) angeordnet ist und Folgendes umfasst: - einen Abschnitt einer Driftzone (191) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen Abschnitt einer Kanalzone (192) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einen Abschnitt einer Source-Zone (193) des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der Kanalzonenabschnitt (192) elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (101) verbunden ist und den Source-Zonenabschnitt (193) vom Driftzonenabschnitt (191) isoliert, und - einen Steuerabschnitt mit wenigstens einem Steuerelektrodenabschnitt (111) in der Steuergrabenstruktur (110), wobei beim Verfahren in jeder Leistungszelle (120) ein säulenförmiger Feldplattengraben (130) gebildet wird, der sich in vertikaler Richtung (Z) in den Halbleiterkörper (190) erstreckt und eine Feldplattenelektrode (131) aufweist, die elektrisch mit dem ersten Lastanschluss (101) gekoppelt ist, wobei ein horizontaler Abstand zwischen zwei säulenförmigen Feldplattengräben (130) zweier benachbarter der mehreren Leistungszellen (120) in vertikaler Richtung (Z) um wenigstens 10 % abnimmt.
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