DE10341592A1 - Leistungstransistor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leistungstransistor, bei dem die Unterkante der Gate-Elektrode (62) gegenüber zur Feldelektrode (63) einen von der Horizontalen abweichenden Verlauf hat.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungstransistor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie ist ein Zusatz zum Hauptpatent ... (Patentanmeldung 102 34 996.7-33).
  • Im Hauptpatent ist eine Trench-Transistorzelle in einem Halbleiterkörper beschrieben, in welchem jeweils aufeinander folgend und im Wesentlichen horizontal geschichtet eine Drainzone, eine Driftzone, eine Kanalzone (auch Bodyzone genannt) und eine Source-Zone ausgebildet sind. Außerdem ist im Halbleiterkörper ein Graben vorhanden, der bis im Wesentlichen zu einer Bodyhöhe, die einem Übergang zwischen der Driftzone und der Kanalzone im Halbleiterkörper gegenüberliegt, mit einer ersten dielektrischen Schicht und zwischen der Bodyhöhe und der Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einem Gateoxid ausgekleidet ist. Im Graben sind eine im Wesentlichen vom Grabenboden bis zur Oberkante der ersten dielektrischen Schicht reichende Feldelektrode, zwischen etwa der Bodyhöhe und der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine Gate-Elektrode und zwischen der Gate-Elektrode und der Feldelektrode eine dielektrische Schicht angeordnet. Diese dielektrische Schicht ist an jeder Stelle zwischen der Feldelektrode und der Gate-Elektrode mindestens so dick wie die dünnste Stelle des Gateoxids. Diese letzte Bedingung muss aber bei dem vorliegenden Zusatz nicht erfüllt sein.
  • Im Hauptpatent ist die in üblichen Trench-Leistungstransistoren vorhandene einheitliche Gate-Elektrode so in eine Feldelektrode im unteren Bereich des Grabens und die eigentliche Gate-Elektrode im oberen Bereich des Grabens etwa zwischen der Bodyhöhe und der Oberfläche des Halbleiterkörpers unterteilt. Die Feldelektrode kann dabei auf Sourcepotential oder auch einem anderen definierten Potential liegen (vgl. hierzu auch US 5 283 201 ). Durch diese Unterteilung in eine Feldelektrode und eine Gate-Elektrode lässt sich die Gate-Drain-Kapazität der Trench-Transistorzelle reduzieren. Dies gilt insbesondere dann, wenn dafür gesorgt wird, dass zwischen der Gate-Elektrode und der Drainzone ein nur kleiner Überlappungsbereich vorliegt.
  • Neben einer kleinen Gate-Drain-Kapazität wird für Leistungstransistoren bevorzugt auch ein niedriger Einschaltwiderstand gefordert. Dies gilt beispielsweise dann, wenn solche Leistungstransistoren in Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlern eingesetzt werden sollen. Für die Erzielung eines solchen niedrigen Einschaltwiderstandes kann an sich auf das Feldplattenprinzip zurückgegriffen werden (vgl. hierzu US 5 973 360 ).
  • Bei der im Hauptpatent beschriebenen Trench-Transistorzelle sollte die Lage der Unterkante der Gate-Elektrode möglichst genau mit der Lage des pn-Überganges übereinstimmen, der zwischen der Driftzone und der Kanalzone in einer auf einem Halbleitersubstrat vorgesehenen epitaktischen Schicht vorhanden ist. Die epitaktische Schicht und das Halbleitersubstrat bilden dabei den Halbleiterkörper. Bei einer zu tiefen Lage der Unterkante der Gate-Elektrode wird nämlich die Überlappung zwischen Gate-Elektrode und Drainzone groß, was die Gate-Drain-Kapazität untolerierbar anwachsen lässt. Ist dagegen die Lage der Unterkante der Gate-Elektrode zu hoch, ist also die Kanalzone zu flach ausgebildet, so ist die Inversion im unteren Bereich der Kanalzone reduziert und der Einschaltwiderstand erhöht. In Extremfällen wird sogar ein Kanal dann überhaupt nicht mehr geformt. Dies bedeutet insgesamt, dass bei ungenauer Anpassung der Unterkante der Gate-Elektrode an die Lage des pn-Überganges zwischen Driftzone und Kanalzone entweder die Gate-Drain-Kapazität mit zunehmender Überlappung anwächst, oder dass die Kanalbildung bei zu flacher Gestaltung der Kanalzone behindert ist.
  • Für schnelle Schaltvorgänge ist es weiterhin wichtig, die Feldelektrode möglichst niederohmig an das Sourcepotential oder ein anderes definiertes Potential anzubinden. Dies bedingt eine sehr hohe Leitfähigkeit, die für die Feldelektrode vorliegen muss, um der Länge der streifen- oder netzförmigen Trenches Rechnung zu tragen. Mit anderen Worten, für die Feldelektroden sollte bevorzugt ein besonders hoch dotiertes polykristallines Silizium eingesetzt werden.
  • Schließlich sollte bei Trench-Transistorzellen das Verhältnis zwischen der Gate-Drain-Kapazität und der Gate-Source-Kapazität in speziellen Fällen nicht zu groß sein. Dies gilt beispielsweise bei einem Synchronisier-Feldeffekttransistor in einem Buck-Konverter, da in einem solchen das Gate kapazitiv eingeschaltet werden kann, wenn der Steuer-Feldeffekttransistor des Buck-Konverters abgeschaltet wird.
    •
  • Ausgehend von der im Hauptpatent beschriebenen Trench-Transistorzelle liegt somit der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Leistungstransistor anzugeben, bei dem eine niedrige Gate-Drain-Kapazität auch bei einer weniger genauen Anpassung der Unterkante der Gate-Elektrode an den pn-Übergang zwischen Driftzone und Kanalzone gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Leistungstransistor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Unterkante der Gate-Elektrode mindestens bereichsweise einen von der Horizontalen abweichenden Verlauf hat.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Leistungstransistor erstreckt sich also die Unterkante der Gate-Elektrode nicht waagrecht über ihre gesamte Länge; vielmehr hat diese Unterkante zumindest teilweise einen von der Horizontalen abweichenden Verlauf. Dies kann in der Weise geschehen, dass die Unterkante an ihrem Rand abgeschrägt ist, also von ihrer Mitte aus einen abgeschrägten Verlauf zeigt.
  • Liegt bei dem erfindungsgemäßen Leistungstransistor die Unterkante der Gate-Elektrode in Bezug auf den pn-Übergang zwischen Driftzone und Kanalzone zu tief, so reduziert die durch die Abschrägung gegebene größere Schichtdicke der dielektrischen Schicht, also vorzugsweise das dickere Siliziumdioxid, im unteren Bereich der Gate-Elektrode die Gate-Drain-Kapazität. Ist umgekehrt die Unterkante der Gate-Elektrode in Bezug auf den pn-Übergang zu hoch angeordnet und liegt eine zum pn-Übergang hin abfallende Dotierung der Kanalzone vor, so dass eine zum pn-Übergang hin abnehmende Einsatzspannung auftritt, so reicht die größere Schichtdicke der dielektrischen Schicht noch aus, um bei der niedrigen Dotierungskonzentration im unteren Bereich der Kanalzone noch einen Kanal auszubilden, sofern der unterste Teil der Gate-Elektrode nicht vollständig in den Bereich der Kanalzone eintaucht.
  • Simulationen haben gezeigt, dass bei einer Abschrägung der Unterkante der Gate-Elektrode der Einschaltwiderstand erst bei einer geringeren Eintauchtiefe über die Ebene des pn-Überganges hinaus ansteigt. Dabei ist bereits eine Abschrägung von 15° im Vergleich zu den üblichen 90° an der Kante der Gate-Elektrode ausreichend. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Leistungstransistors liegt darin, dass seine Durchbruchspannung höher ist, weil durch Eckeneffekte bedingte Reduzierungen dieser Durchbruchspannung durch den flacheren Winkel abgemildert werden.
  • Um die Leitfähigkeit der Feldelektrode zu erhöhen, ist es vorteilhaft, deren Querschnittsfläche in ihrer Längserstreckung zu vergrößern, indem für die Gate-Elektrode eine Einbuchtung, also eine sogenannte "Hufeisenform" vorgesehen wird. Eine derartige Gestaltung hat außerdem den Vorteil, dass die Gate-Source-Kapazität der Gate-Elektrode bei auf Sourcepotential liegender Feldelektrode größer wird, wodurch sich das Verhältnis der Gate-Drain-Kapazität zur Gate-Source-Kapazität günstiger gestaltet. Eine solche Einbuchtung kann auch mit Abschrägungen kombiniert werden. Auch können mehrere Einbuchtungen vorgesehen sein.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungstransistors,
  • 2 und 3 Schnittdarstellungen durch zwei Varianten des Ausführungsbeispiels von 1 und
  • 4 eine Schnittdarstellung durch einen bestehenden Leistungstransistor gemäß einer Trench-Transistorzelle des Hauptpatents.
  • 4 zeigt die Transistorzelle des Hauptpatentes mit einem Halbleiterkörper 7 aus einem n+-leitenden Halbleitersubstrat 10 und einer epitaktischen Schicht mit einer n-leitenden Driftzone 21 und einer p-leitenden Kanal- bzw. Bodyzone 22, in welche eine n+-leitende Sourcezone 23 eingebracht ist.
  • Es sei angemerkt, dass die angegebenen Leitungstypen jeweils auch ohne weiteres umgekehrt werden können. Anstelle eines n+-leitenden Halbleitersubstrats 10 liegt dann ein p+-leitendes Halbleitersubstrat mit einer p-leitenden Driftzone und einer n-leitenden Body- bzw. Kanalzone sowie einer p-leitenden Sourcezone vor. Für den Halbleiterkörper 7 wird in bevorzugter Weise Silizium verwendet. Jedoch können auch andere Halbleitermaterialien, wie insbesondere Siliziumcarbid und Verbindungshalbleiter usw. eingesetzt werden.
  • 4 zeigt weiterhin Gräben- bzw. Trenches 6 mit einer Gate-Elektrode 62 und einer Feldelektrode 63, die jeweils beide aus dotiertem polykristallinen Silizium bestehen können. Diese Elektroden 62, 63 sind durch Isolierschichten 32, 33 und 322 isoliert, wobei die Isolierschicht 32 dicker als die Isolierschicht 33 ist und auch die Isolierschicht 322 vorzugsweise eine größere Schichtdicke als die Isolierschicht 33 aufweist.
  • Für die Isolierschichten werden in vorteilhafter Weise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid verwendet.
  • Die Isolierschicht 33 bildet so ein "Gateoxid" für die Gate-Elektrode 62, während die Isolierschicht 32 die dielektrische Schicht für die Feldelektrode 63 darstellt.
  • 4 zeigt schließlich noch eine Drain-Anschlussmetallisierung 52 für eine Drainelektrode D, eine Source-Anschlussmetallisierung 53 für eine Sourceelektrode S, eine Isolierschicht 323 aus beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid zwischen der Gate-Elektrode 62 und der Source-Anschlussmetallisierung 53 und eine "Bodyhöhe" 72, in welcher der pn-Übergang, gemessen vom unteren Rand des Trenches 6, zwischen der Driftzone 21 und der Kanal- bzw. Bodyzone 22 verläuft.
  • Anhand der 1 bis 3 werden nun verschiedene Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Leistungstransistors erläutert, wobei in diesen Figuren für einander entsprechende Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden wie in 4.
  • Der erfindungsgemäße Leistungstransistor gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1 unterscheidet sich von dem bestehenden Leistungstransistor nach 4 dadurch, dass die Unterkante der Gate-Elektrode 62 einen wenigstens bereichsweise von der Horizontalen abweichenden Verlauf hat. Im Ausführungsbeispiel von 1 ist diese Unterkante abgeschrägt, wie dies im Vergleich zu dem bestehenden Verlauf (vgl. die rechte Hälfte von 1), der in Strichlinien angedeutet ist, deutlich zu ersehen ist. Mit anderen Worten, die Unterkante ist zumindest teilweise vom mittleren "Mesabereich" zwischen zwei Gräben 6 aus weg abfallend gestaltet. Kommt nun die Gate-Elektrode 62 zu tief zu liegen, so reduziert die dickere Isolierschicht 33 im unteren Bereich der Gate-Elektrode 62 die Gate-Drain-Kapazität. Ist umgekehrt die Unterkante der Gate-Elektrode 62 zu hoch und liegt eine zum pn-Übergang zwischen den Zonen 21, 22 hin abfallende Dotierung der Kanalzone 22 vor, besteht damit also eine zu diesem pn-Übergang hin abnehmende Einsatzspannung, so reicht die größere Schichtdicke der Isolierschicht 33 noch aus, um bei der niedrigeren Dotierung der Kanalzone 22 im unteren Bereich der Kanalzone 22 einen Kanal auszubilden, solange der unterste Teil der Gate-Elektrode nicht vollständig von der Kanalzone 22 umgeben ist bzw. in diese eintaucht.
  • Die 2 und 3 zeigen noch weitere Varianten des erfindungsgemäßen Leistungstransistors jeweils in Schnittdarstellungen, die ähnlich zu der Darstellung von 1 sind.
  • Dabei ist in 2 ein Leistungstransistor dargestellt, bei dem die Unterkante der Gate-Elektrode 62 eine "hufeisenförmige" Gestaltung hat, also eine Form annimmt, bei der am Rand zwei Zacken vorstehen, während die Mitte eine Einbuchtung hat, in welche die Feldelektrode 63 weit bis über den pn-Übergang zwischen den Zonen 21 und 22 hinaus eintaucht. Ebenso stehen die "Zacken" der Gate-Elektrode 63 über diesen pn-Übergang hinaus nach unten vor.
  • In 3 ist schließlich eine Variante gezeigt, bei der neben der "hufeisenförmigen" Gestaltung der Unterkante der Gate-Elektrode 63 noch eine Abschrägung von deren Außenkanten vorgesehen ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel überragen die unteren Zacken der Gate-Elektrode 62 bzw. die obere Kante der Feld-Elektrode 63 die Ebene des pn-Überganges zwischen den jeweiligen Zonen 21, 22, so dass diese Ebene durch die unteren Zacken 6 bzw. die obere Kante jeweils geschnitten oder durchstoßen wird.
    •
    • 6
    Graben, Trench
    7
    Halbleiterkörper
    10
    Halbleitersubstrat
    20
    Oberfläche des Halbleiterkörpers
    21
    Driftzone
    22
    Kanalzone
    23
    Sourcezone
    32
    Isolierschicht
    33
    Isolierschicht
    322
    Isolierschicht
    323
    Isolierschicht
    52
    Drain-Anschlussmetallisierung
    53
    Source-Anschlussmetallisierung
    62
    Gate-Elektrode
    63
    Feldelektrode
    72
    Bodyhöhe

Claims (8)

  1. Leistungstransistor aus wenigstens einer Trench-Transistorzelle in einem Halbleiterkörper (7), wobei: – im Halbleiterkörper (7) jeweils aufeinander folgend und im Wesentlichen horizontal geschichtet eine Drainzone (10), eine Driftzone (21), eine Kanalzone (22) und eine Source-Zone (23) ausgebildet sind, – im Halbleiterkörper (7) ein Graben (6) vorgesehen ist, – der Graben (6) bis im Wesentlichen zu einer Bodyhöhe (72), die einem pn-Übergang zwischen der Driftzone (21) und der Kanalzone (22) im Halbleiterkörper (7) gegenüberliegt, mit einer ersten dielektrischen Schicht (32) und zwischen der Bodyzone (72) und der Halbleiterkörperoberfläche (20) mit einem Gateoxid (33) ausgekleidet ist, und – im Graben (6) eine im Wesentlichen vom Grabenboden bis zur Oberkante der ersten dielektrischen Schicht (32) reichende Feldelektrode (63), zwischen etwa der Bodyhöhe (72) und der Halbleiterkörperoberfläche (20) eine Gate-Elektrode (62) und zwischen der Gate-Elektrode (62) und der Feldelektrode (63) eine zweite dielektrische Schicht (322) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Unterkante der Gate-Elektrode (62) mindestens bereichsweise einen von der Horizontalen abweichenden Verlauf hat.
  2. Leistungstransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterkante der Gate-Elektrode (62) mindestens bereichsweise einen zur Halbleiterkörperoberfläche (20) schrägen Verlauf hat.
  3. Leistungstransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf zwischen zwei Gräben (6) schräg abfallend ist.
  4. Leistungstransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Unterkante der Gate-Elektrode wenigstens eine Ausbuchtung aufweist.
  5. Leistungstransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldelektrode (63) die Gate-Elektrode (62) überlappt.
  6. Leistungstransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldelektrode (63) und/oder die Gate-Elektrode (62) die Ebene des pn-Überganges zwischen der Driftzone (21) und der Kanalzone (22) schneiden bzw. durchstoßen.
  7. Leistungstransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldelektrode (63) auf festem Potential liegt.
  8. Leistungstransistor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldelektrode (63) auf Sourcepotential liegt.
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