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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltung
mit einer auf einem Halbleitersubstrat des einen Leitfähigkeitstyps vorgesehenen
Halbleiterschicht des anderen Leitfähigkeitstyps und mit wenigstens
zwei elektrisch voneinander isolierten Schaltungsteilen, in denen
wenigstens ein Graben-MOSFET vorgesehen ist, dessen Gate aus einem
bis zum Halbleitersubstrat reichenden Gate-Graben besteht, der eine
von der Halbleiterschicht und von dem Halbleitersubstrat durch eine
Isolatorschicht getrennte Füllung
aus mit Dotierstoff des anderen Leitfähigkeitstyps hochdotiertem
polykristallinem Silizium hat.
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In
integrierten Schaltungen sind bekanntlich die einzelnen Schaltungsteile
in der einen oder anderen Weise elektrisch voneinander isoliert,
damit gegenseitige Störeinflüsse soweit
als möglich
vermieden werden. Üblicherweise
werden hierbei insbesondere die sogenannte dielektrische Isolation,
bei der zwischen voneinander zu trennenden Schaltungsteilen ein
Dielektrikum, insbesondere Siliziumdioxid, verwendet wird, und die
sogenannte Junction-Isolation, bei der ein in Sperrichtung betriebener
pn-Übergang
zwischen zu trennenden Schaltungsteilen liegt, eingesetzt.
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Mit
der immer weiter zunehmenden Steigerung der Integrationsdichte sollte
die Fläche,
die für die
Isolation von Schaltungsteilen voneinander benötigt wird, möglichst
klein gehalten werden. Unter diesem Gesichtspunkt ist die dielektrische
Isolation gegenüber
der Junction-Isolation vorzuziehen, da sie nur relativ wenig Platz
beansprucht. Sie ist aber aufwendig, was darauf zurückzuführen ist,
dass zum einseitigen oder beidseitigen Einbringen einer Isolationswand
aus beispielsweise Siliziumdioxid in eine Halbleiterscheibe wenigstens
ein gesonderter Maskierschritt mit nachfolgender Oxidation notwendig
ist.
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Gegenüber der
dielektrischen Isolation ist eine Junction-Isolation an sich einfacher zu erstellen, da
der entsprechende pn-Übergang
zusammen mit der Herstellung ohnehin in den einzelnen Schaltungsteilen
benötigter
pn-Übergänge gebildet
werden kann. Für
eine sichere Isolation benötigt
aber speziell bei integrierten Halbleiterschaltungen für Hochspannungen
(Hochspannungs-ICs) die Junction-Isolation besonders viel Platz.
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Schliesslich
gibt es auch die sogenannte Selbstisolation, bei der um einzelne
Schaltungsteile beispielsweise Gräben gelegt sind, so dass diese Schaltungsteile
jeweils einzeln voneinander isoliert sind. Auch dieses Vorgehen
ist zumindest hinsichtlich der für
das Eindringen der Gräben
notwendigen zusätzlichen
Verfahrensschritte relativ aufwendig.
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Niederohmige
MOSFETs mit einem in einem Graben (Trench) angeordneten Gate sind
bekanntlich einfach realisierbar: Nach der Grabenätzung wird im
Graben die Gate-Isolierschicht, die vorzugsweise aus Siliziumdioxid
besteht, auf den Wänden
des Grabens aufgetragen, und sodann wird das Innere des Grabens
mit dotiertem polykristallinen Silizium gefüllt, das die Gateelektrode
bildet. Die Grabenätzung, das
Oxidieren der Wände
des Grabens und die Auffüllung
mit polykristallinem Silizium können
dabei jeweils zusammen mit der Erstellung anderer Strukturen der
integrierten Halbleiterschaltung vorgenommen werden, so dass gegebenenfalls
für die
Bildung der Gateelektrode eines solchen niederohmigen MOSFETs keine
zusätzlichen
Verfahrensschritte erforderlich sind.
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Im
Einzelnen ist aus der
US
5,557,135 A eine integrierte Halbleiterschaltung bekannt,
bei der Isolationen aus Isoliergräben bestehen, die eine Füllung aus
dotiertem polykristallinem Silizium haben. Eine ähnliche Isolation ist auch
in der
US 4,369,565
A beschrieben.
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Weiterhin
ist aus der
GB 2314206
A eine integrierte Halbleiterschaltung bekannt, bei der
aktive Gräben
gleich wie zum Feldabschluss vorgesehene Gräben aufgebaut sind. Das heißt, diese
Feldabschluss-Gräben
weisen ebenfalls eine Polysilizium-Füllung wie die aktiven Gräben auf
und sind gleich breit und gleich tief wie diese. Die Feldabschluss-Gräben grenzen
aber nicht an das Halbleitersubstrat an und sind über ihre
gesamte Länge
von einem Bereich des gleichen Leitungstyps umgeben.
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Aus
der
EP 0 702 411 A2 ist
eine integrierte Halbleiterschaltung bekannt, bei der IGBT-Gräben mit
einem gleich wie diese strukturierten und zusammen mit diesem hergestellten
Dummy-Graben versehen sind.
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In
der Entgegenhaltung
DE
44 37 581 A1 ist eine Festwertspeicherzellenanordnung beschrieben, bei
der ein Graben-MOS-Feldeffekttransistor
von einem Lateral-MOS-Transistor durch Grabenisolation getrennt
ist. Diese Grabenisolationen sind teilweise zusammen mit einem Graben-MOS-Feldeffekttransistor
ausgeführt,
wobei die Grabenisolationen und der Graben-MOS-Feldeffekttransistor unterschiedlich
ausgebildet sind.
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Weiterhin
zeigt die
US 5,665,996
A unterhalb einer Siliziumnitrid-Passivierung zwei Gräben, die
mit polykristallinem Silicium gefüllt sind, wobei dieses polykristalline
Silicium auf der Oberseite des Halbleiterkörpers eine gemeinsame Verbindung
hat und dort an einen Kontakt angeschlossen ist. MOSFET-Gräben sind ähnlich strukturiert
wie die beiden Gräben unterhalb
der Siliciumnitrid-Passivierung. Diese MOSFET-Gräben sind aber breiter als die
Gräben unterhalb
der Siliciumnitrid-Passivierung.
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Die
US 5,648,670 A zeigt
eine integrierte Halbleiterschaltung, bei der Gräben ebenfalls hinsichtlich
Breite und Füllung
deutlich voneinander verschieden sind. Auch ist nicht ersichtlich,
dass einer dieser beiden Gräben
als Isolier-Graben wirken soll. Denn an jedem Grabenrand befinden
sich pn-Übergänge, so
daß die
jeweiligen Füllungen
offenbar als Gates dienen.
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Schließlich ist
in der 5,142,640 A ein Isoliergraben eines Trench-Feldeffekttransistors
gezeigt, der offenbar die gleich Breite und die gleiche Tiefe wie
die Gate-Gräben
diese Feldeffekttransistors hat. Der Isoliergraben ist mit dielektrischem
Material, nämlich
Siliziumdioxid, gefüllt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Halbleiterschaltung
zu schaffen, deren einzelne Schaltungsteile durch eine wenig Platz beanspruchende
und einfach herstellbare Isolation voneinander getrennt sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
integrierte Halbleiterschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Anstelle
der an sich üblichen
Isolationen mittels eines Dielektrikums, eines pn-Überganges (Junction)
oder eines Grabens wird bei der vorliegenden Erfindung also zur
Isolation die Struktur eines wesentlichen Bauteiles eines MOSFETs,
nämlich dessen
Gate herangezogen. Dieses kann, wie bereits erwähnt wurde, auf einfache Weise
hergestellt werden, so dass die Isolation keine zusätzlichen
Verfahrensschritte erfordert, wenn ohnehin niederohmige MOSFETs
der genannten Art in der integrierten Halbleiterschaltung enthalten
sind.
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Die
bei der erfindungsgemässen
integrierten Halbleiterschaltung vorgesehene Isolation besteht also
aus den Gatestrukturen von MOSFETs. Diese Isolation kann entsprechende
MOSFETs mit solchen Gatestrukturen umschliessen, braucht dies aber nicht
zu tun. Vielmehr können
in der integrierten Halbleiterschaltung mit der angegebenen Isolation von
dieser auch andere Bauelemente, wie beispielsweise Dioden, Zener-Dioden
und Kapazitäten,
umgeben werden.
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Die
polykristallinen Siliziumfüllungen
der Isolier-Gräben
können
ohne weiteres elektrisch miteinander verbunden werden, so dass die
Isolationen auf gleichem Potential, vorzugsweise dem negativsten Potential
der integrierten Halbleiterschaltung liegen, wenn die einzelnen
Bauelemente in eine n-leitende Halbleiterschicht
eingebettet sind.
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Das
Verfahren zum Herstellen der integrierten Halbleiterschaltung ist
besonders einfach, da für die
Erstellung des Gate-Grabens mit der Gate-Isolierschicht und der
Siliziumfüllung
keine gesonderten Verfahrensschritte benötigt werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemässe
integrierte Halbleiterschaltung, und
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2 eine
Draufsicht auf eine integrierte Halbleiterschaltung mit der in 1 dargestellten Isolierung.
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1 zeigt
einen Schnitt durch eine integrierte Halbleiterschaltung gemäss der vorliegenden Erfindung
mit einem Leistungs-MOSFET 1, einem n-Kanal-MOSFET 2 und
einem p-Kanal-MOSFET 3. Diese
MOSFETs 1 bis 3 sind in einem p<–>-leitenden Silizium-Halbleitersubstrat 4 mit
einer darauf vorgesehenen n-leitenden Silizium-Halbleiterschicht 5 vorgesehen.
Für den
Leistungs-MOSFET 1 sind in der Halbleiterschicht 5 n<+>-leitende Drainzonen 6 sowie
n<+>-leitende Sourcezonen 7 vorgesehen,
die jeweils mit einem Drainanschluss D bzw. einem Sourceanschluss
S verbunden sind.
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Ahnliche
n<+>-leitende Drainzonen 6 und eine
n<+>-leitende Sourcezone 7 weist
auch der n-Kanal-MOSFET 2 auf.
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Die
Gateelektroden dieser MOSFETs 1, 2 bestehen aus
Gate-Gräben 8,
in denen jeweils eine Isolatorschicht 9 aus Siliziumdioxid
und eine Füllung 10 aus
n<+>-leitendem polykristallinem
Silizium vorgesehen sind. Diese Füllungen 10 sind für die jeweiligen
MOSFETs 1 bzw. 2 mit einem nicht gezeigten Gateanschluss
verbunden.
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Der
MOSFET 3 enthält
eine p<+>-leitende Drainzone 11,
eine p<+>-leitende Sourcezone 12, eine
Anschlusszone 13 für
die Halbleiterschicht 5 und eine Gateelektrode 14.
Die Anschlüsse
hierfür
sind in der 1 zur Vereinfachung der Darstellung
jedoch nicht gezeigt.
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Die
MOSFETs 1 bis 3 sind jeweils voneinander durch
einen sie umgebenden Isolier-Graben 15 getrennt, der wie
die Gate-Gräben 10 eine
Isolierschicht 9 aus Siliziumdioxid und eine n<+>-leitende polykristalline
Siliziumfüllung 10 hat.
Die Füllung 10 reicht
dabei bis in den Bereich über
dem Graben und ist erst dort mit einem Anschluss kontaktiert, wie
dies schematisch in der 1 ganz links gezeigt ist. Die einzelnen
polykristallinen Siliziumfüllungen 10 der Isolier-Gräben 15 sind
miteinander verbunden und vorzugsweise auf das negativste Potential
der integrierten Halbleiterschaltung gelegt. Im vorliegenden Beispiel
sind sie so geerdet.
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Wesentlich
an der vorliegenden Erfindung ist, dass die Isolier-Gräben 15 die
gleiche Struktur wie die Gate-Gräben 8 der
einzelnen MOSFETs haben und so ohne weiteres zusammen mit diesen
hergestellt werden können.
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2 veranschaulicht,
wie bei der erfindungsgemässen
integrierten Halbleiterschaltung beispielsweise Leistungs-MOSFETs
in einem Bereich 16, n-Kanal-MOSFETs in einem Bereich 17 und p-Kanal-MOSFETs
in einem Bereich 18 angeordnet werden können, wobei diese Bereiche 16, 17 und 18 jeweils
durch einen Isolier-Graben 15 umgeben sind.
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In
diesen Bereichen 16, 17 und 18 können auch
andere Bauelemente enthalten sein, wie beispielsweise Dioden mit
einem n-leitenden
und einem p<+>-leitenden Gebiet,
Zener-Dioden mit einem n<+>-leitenden Gebiet und
einem p<+>-leitenden Gebiet und
Kapazitäten.
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Die
Herstellung der erfindungsgemässen
integrierten Halbleiterschaltung ist sehr einfach: Ausgehend von
dem Silizium- Halbleitersubstrat 4 wird auf
diesem zunächst
epitaktisch die n-leitende Silizium-Halbleiterschicht 5 abgeschieden.
Nach einem ersten Maskierschritt werden die einzelnen Gräben 8, 15 geätzt und
mit den Isolierschichten 9 aus Siliziumdioxid sowie mit
dem polykristallinen Silizium 10 aufgefüllt. Mittels einer zweiten
Maske wird sodann das polykristalline Silizium abgeätzt, worauf
sich ein Oxidationsschritt anschliesst, um ein dickes Siliziumdioxid
jeweils in den oberen Teilen der Gräben 8 bzw. 15 (in 1 nicht
bei dem ganz links gezeigten Graben) zu erzeugen. Es schliesst sich
sodann ein dritter Maskierschritt an, mit dem Gateoxid-Gebiete für den p-Kanal-MOSFET 3 erzeugt
werden. Nach einer weiteren Abscheidung von polykristallinem Silizium
und dessen Strukturierung mittels einer vierten Maske zur Bildung
der jeweiligen elektrischen Anschlüsse erfolgt auf der Oberfläche der
so behandelten Halbleitervorrichtung eine Zwischenoxid-Abscheidung,
an die sich eine Kontaktlochätzung
und eine Implantation der n<+>-leitenden Zonen 6, 7 über eine
fünfte Maske
anschliesst. Schliesslich wird eine Metallisierung aufgebracht,
die mittels einer sechsten Maske strukturiert wird.
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Werden
noch mehr Photomasken eingesetzt, so kann gegebenenfalls anstelle
des p-Kanal-MOSFETs 3 in dessen Bereich 18 (vgl. 2) auch
ein n-Kanal-Lateraltransistor in einer p-leitenden Wanne ausgebildet
werden.