-
Die
Erfindung betrifft einen vertikalen Leistungstransistor mit einer
auf einer Oberfläche
eines Halbleiterbereichs mit einer Dotierung eines ersten Leitungstyps
aufgebrachten Bodyzone mit einer Dotierung eines zum ersten Leitungstyp
entgegengesetzten zweiten Leitungstyps, einer auf einer Oberfläche der
Bodyzone aufgebrachten Sourcezone vom ersten Leitungstyp, mindestens
einem durch die Sourcezone und die Bodyzone eingebrachten und bis
in den Halbleiterbereich hineinragenden und eine Gateelektrode enthaltenden
Gategraben, sowie einer unterhalb des Halbleiterbereichs angeordneten Drain-Schicht.
-
Ein
wesentliches Ziel bei der Entwicklung von Leistungstransistoren
ist es, für
diese einen niedrigen Einschaltwiderstand Ron auf einer möglichst kleinen
Chipfläche
A bei gleichzeitig hoher Drain-Source-Durchbruchsspannung, also
großer Spannungsfestigkeit,
zu erzielen. Ein Leistungstransistor, der sich durch sehr kleine
Werte eines spezifischen Einschaltwiderstandes, der definiert ist
als das Produkt aus dem Einschaltwiderstand Ron und der Chipfläche A, auszeichnet,
ist ein DMOS-Transistor (DMOS = double diffused MOS). Bei DMOS-Leistungstransistoren
besteht ein Drainbereich aus einer hoch dotierten Drain-Schicht
eines Leitungstyps auf der ein schwächer dotierter Halbleiterbereich
angeordnet ist. Dieser Halbleiterbereich stellt eine Driftzone für Ladungsträger dar,
deren Driftgeschwindigkeit zwischen Bodyzone und Drainschicht eine
vertikale Richtung aufweist, also senkrecht zu einer Oberfläche eines
Siliziumhalbleiterkörpers
des Leistungstransistors verläuft.
Eine Länge
der Driftzone, die über
eine Dicke einer auf einem Silizium-Halbleitersubstrat aufge wachsenen
epitaktischen Schicht, die den Halbleiterbereich bildet, eingestellt
wird, sowie eine Dotierungskonzentration in der Driftzone legen den
spezifischen Einschaltwiderstand, sowie die Drain-Source-Durchbruchsspannung,
also die Spannungsfestigkeit des DMOS-Transistors fest.
-
Ein
weiteres wichtiges Ziel bei der Herstellung von Leistungstransistoren
ist die Minimierung von Schaltverlusten. Für die Reduzierung der Schaltverluste
werden üblicherweise
die geometrischen Abmessungen des Leistungstransistors so optimiert, dass
eine bei einem Schaltvorgang wirksame und den Schaltvorgang maßgeblich
verzögernde Gate-Drain-Kapazität minimiert
wird. Eine neue, beschriebene Möglichkeit
die Gate-Drain-Kapazität zu minimieren,
ist die Einführung
einer Abschirmelektrode, die ein Drainpotential abschirmt, vorzugsweise auf
Sourcepotential liegt und von einer Isolationsschicht umgeben ist.
-
In
der
1 ist ein Querschnitt
durch einen DMOS-Leistungstransistor
1 mit
Abschirmelektroden, wie er in der
EP 1 162 665 A2 beschrieben ist, schematisch
dargestellt. Über
einer n-dotierten Drain-Schicht
4 befindet sich ein schwächer n-dotierter
Halbleiterbereich
6 auf dem eine p-dotierte Bodyzone
3 aufgebracht
ist. Auf der Bodyzone
3 sind Sourcezonen
2 ausgebildet.
Gateelektrode
5 und Abschirmelektrode
8 sind in
einem Graben, der bis in den Halbleiterbereich
6 hineinragt
angeordnet. Der Graben ist von einer ersten Isolationsschicht
13 ausgekleidet.
Die erste Isolationsschicht
13 isoliert die Abschirmelektrode
8 von
der Gateelektrode
5. Auf der Gateelektrode
8 ist
eine zweite Isolationsschicht
16 vorgesehen. Ein Source-Kontakt
S und ein Drain-Kontakt D sind durch Metallschichten
19 hergestellt,
die sowohl auf der Drainschicht
4, als auch auf den Sourcezonen
2 aufgebracht sind.
Ein Gatekontakt G ist durch eine gesonderte Elektrode ausgeführt.
-
Eine
weitere Variante zur Anordnung einer Abschirmelektrode ist ebenfalls
beschrieben.
-
Diese
Variante ist in der 2 schematisch dargestellt. Über einem
Halbleiterbereich 6 befindet sich eine Bodyzone 3 und
auf der Bodyzone eine Sourcezone 2. Eine Gateelektrode 5 ist
in einem bis in den Halbleitebereich 6 hineinragenden und
mit einer ersten Isolationsschicht 13 ausgekleideten Graben
untergebracht. Eine Abschirmelektrode 8 befindet sich in
einem gesonderten tiefen Graben zwischen zwei Gateelektroden 5 und
ist von einer Isolationsschicht 13 umgeben. Über der
Abschirmelektrode 8 befindet sich ein durch einen Pfropf
aus Polysilizium hergestellter Kontakt 10 zu Body- und
Sourcezone 3,2 der im Graben von einer Titansilizidschicht 23 umgeben
ist. Der Pfropf aus Polysilizium wird durch eine Metallschicht 19 kontaktiert.
Die Gateelektroden 5 werden durch eine zweite Isolationsschicht 16 von
der Metallschicht 19 isoliert.
-
In
der
US 521 62 75 wird
ein vertikaler Leistungstransistor beschrieben bei dem die gewünschte Feldabschirmung
und daher die gewünschten
reduzierten Schaltverluste durch eine epitaktisch auf den Halbleiterbereich
aufgebrachte Composit-Buffer-(CB)-
Schicht realisiert wird. Es wird eine bis zur CB- Schicht reichende
Gateelektrode in einem Gategraben verwendet. Unterhalb der Bodyzone
sind die Abschirmschichten angeordnet.
-
In
der
DE 198 54 915
C2 ist der Aufbau eines vertikalen MOS-Feldeffekttransistors mit in den Halbleiterbereich
implantierter Bodyzone und planar aufgebrachter Gateelektrode beschrieben,
bei welchem als Hilfselektroden bezeichnete abgedeckte Abschirmelektroden
unterhalb der Bodyzone angeordnet sind.
-
Das
Verfahren zur Herstellung des in der 1 beschriebenen
Leistungstransistors, bei dem die Abschirmelektrode und die Gateelektrode
im selben Graben untergebracht sind, ist mit prozess-technischen
Schwierigkeiten verbunden.
-
Das
Verfahren zur Herstellung des in der 2 beschriebenen
Leistungstransistors ist wegen der speziellen Kontaktierung der
Body- und der Sourcezone prozess-technisch sehr aufwändig.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Leistungstransistor
mit reduzierten Schaltverlusten und ein einfaches Verfahren zu dessen
Herstellung zur Verfügung
zu stellen.
-
Diese
Aufgabe wird mit einem Leistungstransistor der eingangs genannten
Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale
gelöst.
Ein die Aufgabe lösendes
Verfahren ist im Patentanspruch 6 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen
ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
-
Ein
die Aufgabe erfüllender
vertikaler Leistungstransistor, bei dem auf einer Oberfläche eines Halbleiterbereichs
mit einer Dotierung eines ersten Leitungstyps eine Bodyzone mit
einer Dotierung eines zum ersten Leitungstyp entgegengesetzten zweiten
Leitungstyps aufgebracht ist. Auf einer Oberfläche der Bodyzone ist eine Sourcezone
des ersten Leitungstyps angeordnet. In die Sourcezone und die Bodyzone
ist ein bis in den Halbleiterbereich hineinragender Gategraben eingebracht,
in dem eine Gateelektrode angeordnet ist. Unterhalb des Halbleiterbereichs
ist eine Drainschicht vorgesehen.
-
Erfindungsgemäß ist im
Halbleiterbereich eine Abschirmelektrode unterhalb der Bodyzone
angeordnet und von der Bodyzone abgedeckt.
-
Die
erfindungsgemäße Anordnung
der Abschirmelektrode unterhalb der Bodyzone hat den Vorteil, dass
das über
der Abschirmelektrode liegende Gebiet in einfacher Weise als Body- und als Source-Kontakt
verwendet werden kann. Dadurch wird für eine Kontaktierung ein geringerer
technischer Aufwand als für
die in der 2 beschriebene
Kontaktierung benötigt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Leistungstransistor
in seinen Abmessungen in einfacher Weise weiter reduziert werden
kann. Die vergrabene Abschirmelektrode schirmt ein Drainpotential
ab, wodurch Ladungsträger
in lateraler Richtung ausgeräumt
werden. Dadurch kann die Dotierung des Halbleiterbereichs bei gleichbleibender Durchbruchsspannung angehoben
werden. Durch eine Anhebung der Dotierung geht eine Reduzierung des
spezifischen Widerstandes einher. Bei gleichem Einschaltwiderstand
Ron des Chips können
somit die Fläche
reduziert und die Kapazitäten
verringert werden. Durch die Abschirmung des Drainpotentials verringern
sich zusätzlich
eine Gate-Drain-Kapazität und
damit Verluste während
eines Übergangs
von einem leitenden in einen sperrenden bzw. vom sperrenden in den
leitenden Zustand des Leistungstransistors. Gleichzeitig ist eine
bessere Spannungsfestigkeit als bei dem in der 1 in der Einleitung beschriebenen Leistungstransistor
zu erwarten, da die beim Spannungsdurchbruch entstandenen Löcher effektiv
aus der Bodyzone abgeleitet werden.
-
Bei
dem Leistungstransistor ist die Bodyzone in einer Weiterbildung
der Erfindung als eine epitaktische Schicht ausgebildet.
-
Der
Vorteil die Bodyzone durch einen Epitaxieschritt aufzubringen besteht
darin, dass ein optimales Bodyprofil und eine definierte Leitungskanallänge eingestellt
werden können.
-
In
der Leistungstransistoranordnung ist in einer anderen Weiterbildung
der Erfindung ein Kontaktloch für
die elektrische Kontaktierung der Bodyzone oberhalb der Abschirmelektrode
angeordnet. Das Kontaktloch erstreckt sich von einer Substratoberfläche aus
bis in die Bodyzone.
-
Durch
diese Anordnung des Kontaktloches liegen der Body- und der Sourceanschluss
in vorteilhafter Weise platzsparend über der vergrabenen Abschirmelektrode
und können
mit konventionellen Technologien ausgeführt werden.
-
Vorteilhafterweise
ist am Boden des Kontaktloches in der Bodyzone ein hoch dotierter
Bereich vom zweiten Leitungstyp vorgesehen.
-
Durch
den hochdotierten Bereich wird eine verbesserte Kontaktierung der
Bodyzone erreicht.
-
Der
erste Leitungstyp ist in bevorzugter Weise ein n-Leitungstyp.
-
Der
erfindungsgemäße Leistungstransistor, der
in bevorzugter Weise als ein n-Kanal Leistungstransistor ausgeführt ist,
bleibt jedoch nicht auf diesen Typ beschränkt. Der Leistungstransistor
ist auch als ein p-Kanal- oder als ein IGBT (Isolated Gate Bipolar
Transistor)- Leistungstransistor ausführbar.
-
In
bevorzugter Weise ist die Abschirmelektrode in einem Abschirmgraben
angeordnet.
-
Im
Halbleiterbereich ist ein Abschirmgraben vorgesehen, in dem eine
Isolationsschicht und die Abschirmelektrode eingebracht sind.
-
Bei
dem Verfahren zur Herstellung eines vertikalen Leistungstransistors
mit einer geringen Gate-Drain-Kapazität und hoher Durchbruchsspannung
wird in einem auf einer Drainschicht angeordneten Halbleiterbereich
eines ersten Leitungstyps ein Abschirmgraben eingebracht. Der Abschirmgraben wird
mit einer ersten Isolationsschicht ausgekleidet und mit einem Elektrodenmaterial
für eine
Abschirmelektrode aufgefüllt.
Erfindungsgemäß wird nach dem
Auffüllen
des Abschirmgrabens mit dem Elektrodenmaterial auf einer abschnittsweise
durch das Elektrodenmaterial und den Halbleiterbereich gebildeten
Pro zessfläche,
eine eine Bodyzone bildende obere epitaktische Schicht von einem
dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten zweiten Leitungstyp aufgebracht.
Oberhalb der Bodyzone werden Sourcezonen des ersten Leitungstyps
vorgesehen. In einem sich bis in den Halbleiterbereich erstreckenden Gategraben
werden Gateelektroden vorgesehen.
-
Bei
diesem Verfahren lässt
sich die Ausbildung der Abschirmelektroden in vorteilhafter Weise in
den bestehenden Prozessablauf integrieren. Ein zusätzlicher
Vorteil ergibt sich aus einer Selbstjustierung einer Lage der Abschirmelektrode
bezüglich
eines pn-Überganges.
-
Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die Bodyzone nach dem Einbringen
der Abschirmgräben durch
einen Epitaxieschritt aufgebracht wird und dadurch eine Dicke der
Bodyzone und damit eine Kanallänge
eingestellt werden können.
Zusätzlich
werden dabei die Abschirmgräben
in einfacher Weise durch die Bodyzone abgedeckt.
-
In
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Halbleiterbereich
unterhalb der Prozessfläche
an äußere Seitenwände des Abschirmgrabens
angrenzende Abschnitte des zweiten Leitungstyps vorgesehen.
-
Der
Halbleiterbereich wird als epitaktische Schicht vorgesehen.
-
Durch
das Aufbringen des Halbleiterbereichs als epitaktische Schicht läßt sich
ein, gegenüber
Implantation eines Halbleitersubstrats mit einem Dotierstoff und
anschließender
Ausdiffusion, deutlich verbessertes Dotierprofil herstellen.
-
Zur
Herstellung eines elektrischen Kontaktes zur Bodyzone wird auf eine
die Bodyzone abdeckende und den Gategraben auskleidende zweite Isolationsschicht
eine dritte Isolationsschicht aufgebracht. Über der Abschirmelektrode durch
die zweite, die dritte Isolationsschicht und die Sourcezone wird
ein in der Bodyzone endendes Kontaktloch eingebracht. Danach wird
unterhalb des Kontaktloches erfindungsgemäß ein hoch dotierter Bereich
vom zweiten Leitungstyp durch Implantation vorgesehen. Die zweite
und die dritte Isolationsschicht werden bis auf einen Bereich oberhalb
der Gateelektrode zurückgeätzt. Anschließend wird
eine das Kontaktloch ausfüllende
und die dritte Isolationsschicht abdeckende Metallschicht auf die
Sourcezonen aufgebracht.
-
Vorteilhaft
an dieser Vorgehensweise ist die vergleichsweise einfache und platzsparende
Kontaktierung der Bodyzone, die oberhalb der Abschirmelektrode erfolgt.
Der hochdotierte Bereich am Boden des Kontaktloches vermittelt einen
verbesserten Kontakt zur Metallschicht, die durch das Kontaktloch sowohl
die Bodyzone, als auch die Sourcezone kontaktiert.
-
Als
Elektrodenmaterial für
die Abschirmelektrode wird beispielsweise dotiertes Polysilizium
vorgesehen, wobei das Polysilizium dieselbe Dotierung wie die Bodyzone
aufweist.
-
In
vorteilhafter Weise wird eine Länge
eines zwischen Sourcezone und Halbleiterbereich ausgebildeten Leitungskanals
durch eine Dicke der die Bodyzone bildenden oberen epitaktischen
Schicht eingestellt.
-
Vorteilhaft
an dieser Vorgehensweise ist, dass in einfacher Weise durch einen
zweiten Epitaxieschritt ein optimales Profil der Bodyzone und eine genau
definierte Leitungskanallänge
eingestellt werden können.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 Einen schematischen Querschnitt durch
eine erste Variante einer dem Stand der Technik entsprechenden Leistungstransistoranordnung,
-
2 einen schematischen Querschnitt durch
eine zweite Variante einer dem Stand der Technik entsprechenden
Leistungstransistoranordnung,
-
3A – 3J schematische
Querschnitte einer erfindungsgemäßen Leistungstransistoranordnung
nach einem ersten Ausführungsbeispiel
in unterschiedlichen Stadien der Prozessierung.
-
Die 1 und 2 sind eingangs beschrieben worden.
-
Zur
Herstellung einer erfindungsgemäßen Leistungstransistoranordnung
mit einer geringen Gate-Drain-Kapazität und einer hohen Durchbruchsspannung
werden in einen auf einer Drainschicht 4 angeordneten Halbleiterbereich 6 eines
ersten Leitungstyps Abschirmgräben 12 eingebracht.
-
In
der 3A sind zwei in
den Halbleiterbereich 6 eingebrachte Abschirmgräben 12 dargestellt. Der
Halbleiterbereich 6 wird in diesem Ausführungsbeispiel aus einer n-dotierten
unteren epitaktischen Schicht 20, die auf einer n-dotierten
Drainschicht 4 angeordnet ist, gebildet.
-
Der
Abschirmgraben 12 wird mit einer ersten Isolationsschicht 13,
die beispielsweise durch eine Oxidation entstanden ist, ausgekleidet
und mit einem Elektrodenmaterial 21 für eine Abschirmelektrode 8 aufgefüllt. In
diesem Beispiel ist das E lektrodenmaterial 21 dotiertes
Polysilizium, wobei das Polysilizium die gleiche Dotierung aufweist
wie eine in einem folgenden Prozessschritt aufgebrachte Bodyzone 3.
-
Der 3B sind die erste Isolationsschicht 13 und
das durch einen Abscheideprozess abgelagerte Elektrodenmaterial 21 zu
entnehmen.
-
Überschüssiges Material
wird durch einen Planarisierungsschritt entfernt. Dieser kann beispielsweise
ein CMP (Chemical-Mechanical-Polishing)-Schritt sein.
-
Dargestellt
ist in der 3C das Elektrodenmaterial 21 für die Abschirmelektrode 8 und
die erste Isolationsschicht 13, die nach dem Planarisierungsschritt
nur noch die Abschirmgräben 12 auskleiden.
-
Anschließend werden
im Halbleiterbereich 6 an eine Prozessfläche 22,
die abschnittsweise durch das Elektrodenmaterial 21 und
den Halbleiterbereich 6 gebildet wird, und äußere Seitenwände des
Abschirmgrabens 12 angrenzenden Abschnitte 14 des zweiten
Leitungstyps eingebracht. Die in diesem Ausführungsbeispiel p-dotierten
Abschnitte 14 werden durch Implantation eingebracht.
-
Die
Abschnitte 14 und die Prozessfläche 22 sind in der 3D dargestellt.
-
Nach
dem Einbringen der dotierten Abschnitte 14 wird auf der
Prozessfläche 22 eine
eine Bodyzone 3 bildende obere epitaktische Schicht 9 von
einem dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten zweiten Leitungstyp
aufgebracht. Da die Bodyzone 3 nach dem Einbringen der
Abschirmgräben 12 durch einen
Epitaxieschritt aufgebracht wird, können eine Dicke der Bodyzone 3 und
damit eine Kanallänge eingestellt
werden. Außerdem
werden die Abschirmgräben 12 in
einfacher Weise durch die Bodyzone 3 abgedeckt.
-
In
diesem Beispiel ist der erste Leitungstyp der n-Leitungstyp. Die Bodyzone 3 weist
also den p-Leitungstyp auf.
-
Der 3E ist die Bodyzone 3,
die aus der oberen epitaktischen Schicht 9 gebildet wird
entnehmbar.
-
In
die Bodyzone 3 wird zwischen die beiden Abschirmgräben 12 ein
Gategraben 15 eingebracht, der bis in den Halbleiterbereich 6 hineinragt.
Auf der Bodyzone 3 wird eine zweite beispielsweise aus
einer Oxidation hervorgegangene Isolationsschicht 16, die
den Gategraben 15 auskleidet, vorgesehen.
-
Der
Gategraben 15 mit der Isolationsschicht 16 ist
in der 3F dargestellt.
-
Anschließend wird
in den Gategraben 15 eine Gateelektrode 5, durch
Abscheidung eines Polysiliziums und anschließendem Zurückätzen von überflüssigem Material eingebracht.
Unterhalb der zweiten Isolationsschicht 16 und auf der
Gateelektrode 5 wird eine Sourcezone 2, beispielsweise
durch Implantation vorgesehen.
-
Die 3G zeigt die Gateelektrode 5 und
die unterhalb der zweiten Isolationsschicht 16 angeordnete
Sourcezone 2.
-
Auf
die zweite Isolationsschicht 16 und auf die Gateelektrode 5 wird
eine dritte Isolationsschicht 17 aufgebracht. Oberhalb
der Abschirmelektroden 8 werden in die dritte Isolationsschicht 17 und
in die Sourcezone 2, bis in die Bodyzone 3 reichende
Kontaktlöcher 18 eingebracht.
Am Boden des Kontakt loches erfolgt eine Dotierung mit einem Dotierstoff
für eine
p-Dotierung. Dadurch entsteht ein hoch dotierter Bereich 11,
der sich bei einer Kontaktierung positiv auswirkt.
-
Der 3H sind die dritte Isolationsschicht 17 und
die Kontaktlöcher 18,
an deren Boden sich der hoch dotierte Bereich 11 befindet,
entnehmbar.
-
Anschließend wird
die Isolationsschicht 17 bis auf einen Bereich oberhalb
der Gateelektrode 5 beispielsweise mittels eines nasschemischen Ätzprozesses
entfernt.
-
Der
Rest der Isolationsschicht 17 über der Gateelektrode 5 ist
in der 3I dargestellt.
-
Dann
wird eine Metallschicht 19 aufgebracht. Durch diese Metallschicht 19 erfolgt
die Kontaktierung von Bodyzone und Sourcezone in einer platzsparenden
und prozess-technischen einfachen Art und Weise.
-
Die
Leistungstransistoranordnung 1 mit der Metallschicht 19 ist
der 3J entnehmbar.
-
- 1
- Transistoranordnung
- 2
- Sourcezone
- 3
- Bodyzone
- 4
- Drain-Schicht
- 5
- Gateelektrode
- 6
- Halbleiterbereich
- 7
- Oberflächenbereich
- 8
- Abschirmelektrode
- 9
- epitaktische
Schicht
- 10
- Kontakt
- 11
- hoch
dotierter Bereich
- 12
- Abschirmgraben
- 13
- erste
Isolationsschicht
- 14
- Abschnitte
- 15
- Gategraben
- 16
- zweite
Isolationsschicht
- 17
- dritte
Isolationsschicht
- 18
- Kontaktloch
- 19
- Metallschicht
- 21
- Elektrodenmaterial
- 22
- Prozessfläche
- 23
- Titan-Silizidschicht
- S
- Source-Kontakt
- G
- Gate-Kontakt
- D
- Drain-Kontakt