DE19839970C2 - Randstruktur und Driftbereich für ein Halbleiterbauelement sowie Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Randstruktur und Driftbereich für ein Halbleiterbauelement sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Randstruktur und ei­ nen Driftbereich ("innerer Aufbau") für ein Halbleiterbau­ element mit einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps, in dem wenigstens eine aktive Zone des anderen, zum einen Lei­ tungstyp entgegengesetzten Leitungstyps vorgesehen ist, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Bekanntlich können bei Transistoren mit einer höher dotierten Driftstrecke auch höhere Blockierspannungen erreicht werden. Beispiele hierfür sind Junction-Trench-MOS-Feldeffekttransi­ storen und Transistoren mit in einem Halbleiterkörper des ei­ nen Leitungstyps vorgesehenen floatenden Gebieten des anderen Leitungstyps.
Junction-Trench-MOS-Feldeffekttransistoren, wie beispiels­ weise "CoolMOS"-Transistoren, können mit mehreren epitakti­ schen Abscheidungen von n-leitenden Halbleiterschichten und Implantationen von p-leitendem Dotierstoff mit anschließender Diffusion hergestellt werden, so daß p-leitende "Säulen" in den n-leitenden Halbleiterschichten entstehen. Dabei sollte die gesamte Dotierstoffmenge der p-leitenden Säulen etwa der gesamten Dotierstoffmenge der n-leitenden Halbleiterschichten entsprechen.
Aus DE 44 29 284 A1 ist ein Halbleiterbauelement mit zwei mo­ nolithisch integrierten Schaltelementen und einem vergrabenen strukturierten Steuergebiet bekannt. Das vergrabene Steuerge­ biet ist gitterförmig und hat Aussparungen unterhalb der ak­ tiven Zone eines der Schaltelemente und besteht aus p-dotier­ ten Bereichen in dem n-leitenden Substrat. Durch dieses Steu­ ergebiet sollen die Sperr- und Durchlaßeigenschaften bei mög­ lichst geringer Ansteuerleistung verbessert werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Randstruktur und einen Driftbereich für ein Halbleiterbauelement anzuge­ ben, so daß bei diesem die Gesamtmenge der Dotierungen der beiden Leitungstypen nicht genau gleich zu sein braucht und dieses sich durch eine hohe Avalanchefestigkeit auszeichnet; außerdem soll ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Randstruktur und eines solchen Driftbereiches für ein Halb­ leiterbauelement geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Randstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.
Wenn der eine Leitungstyp die n-Dotierung mit beispielsweise Phosphor und der andere Leitungstyp die p-Dotierung mit bei­ spielsweise Bor ist, so kann bei der erfindungsgemäßen Rand­ struktur bzw. bei dem erfindungsgemäßen Driftbereich die p- Dotierstoffmenge im Randbereich höher sein als die n-Dotier­ stoffmenge, da es nicht nachteilhaft ist, wenn einige oder alle floatenden p-Gebiete bei Sperrbelastung nicht vollstän­ dig ausgeräumt werden. Auch ermöglichen die floatenden Ge­ biete eine gleichmäßige Reduzierung der Feldstärke im Randbe­ reich, was sich mit einer zweidimensionalen Simulation leicht nachweisen läßt.
In einer auf dem Halbleiterkörper vorgesehenen Isolierschicht können - wie üblich - Feldplatten angeordnet sein, die je­ weils mit Gebieten der obersten Ebene elektrisch verbunden sind. Ebenso ist es möglich, im Oberflächenbereich des Halb­ leiterkörpers unterhalb der Feldplatten zusätzlich Schutz­ ringe des anderen Leitungstyps vorzusehen.
Die Verbindungszonen sind vorzugsweise schwächer dotiert als die Gebiete selbst, die über diese Verbindungszonen unterhalb der aktiven Zone des Halbleiterbauelements miteinander ver­ bunden sind.
Der Halbleiterkörper kann aus Silizium oder auch aus Silizi­ umcarbid (SiC) bestehen. Verbindungshalbleiter sind ebenfalls möglich.
Ein Verfahren zum Herstellen der Randstruktur bzw. des Drift­ bereiches zeichnet sich dadurch aus, daß einzelne Halbleiter­ schichten des einen Leitungstyps nacheinander epitaktisch auf ein Halbleitersubstrat des einen Leitungstyps aufgetragen werden, und daß weiterhin nach Auftragen jeder einzelnen Schicht im Bereich unterhalb der aktiven Zone in die jewei­ lige epitaktische Schicht und im Randbereich in jede zweite epitaktische Schicht oder jede dritte bzw. vierte epitakti­ sche Schicht Dotierstoff des anderen Leitungstyps durch Im­ plantation und/oder Diffusion eingebracht wird.
Eine andere Möglichkeit zum Herstellen der erfindungsgemäßen Randstruktur besteht darin, daß einzelne Halbleiterschichten des einen Leitungstyps nacheinander epitaktisch auf ein Halb­ leitersubstrat des einen Leitungstyps aufgetragen werden und daß nach Auftragen jeder Halbleiterschicht im Bereich unter­ halb der aktiven Zone ein V-förmiger Graben eingebracht wird, dessen Boden- und Kragenbereiche hoch und dessen Seitenwände schwach dotiert werden. Hierzu kann beispielsweise eine Schräg-Ionenimplantation angewandt werden. Nach Durchführung dieser Implantation wird eine weitere epitaktische Schicht abgeschieden, wobei so der Graben aufgefüllt wird. Dieses Vorgehen wird mehrmals wiederholt, bis die gewünschten elek­ trischen Verbindungszonen in den einzelnen epitaktischen Schichten zwischen den Gebieten des anderen Leitungstyps fer­ tiggestellt sind. Nach einer möglichen Diffusion fließen schließlich die Gebiete des anderen Leitungstyps und die schwach dotierten Verbindungszonen zwischen diesen Gebieten unterhalb der aktiven Zone des Halbleiterbauelements ausein­ ander, so daß eine Struktur entsteht, bei der unterhalb der aktiven Zone des Halbleiterbauelements hoch dotierte Gebiete des anderen Leitungstyps in verschiedenen Ebenen über schwach dotierte Verbindungszonen des anderen Leitungstyps miteinan­ der verbunden sind, während im Randbereich außerhalb des Be­ reiches unterhalb der aktiven Zone die Gebiete des anderen Leitungstyps floaten und nicht über Verbindungszonen in ver­ schiedenen Ebenen miteinander verbunden sind.
In die Gräben können noch Lebensdauer-Killer-Atome eingeführt werden, wodurch es möglich ist, beispielsweise kleine Spei­ cherladungen für Dioden zu erzielen.
Bei dem Halbleiterbauelement kann es sich um einen Junction- Trench-MOS-Feldeffekttransistor, eine Diode, einen IGBT (Bi­ polartransistor mit isoliertem Gate), einen SiC-Junction- Feldeffekttransistor usw. handeln.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Randstruktur und einen Driftbereich nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen MOS-Feldeffekttransistor,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Randstruktur und einen Driftbereich nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Hochvolt-MOS-Feldeffekt­ transistor,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Randstruktur und einen Driftbereich nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Hochvolt-Diode,
Fig. 4 einen Schnitt durch einen Driftbereich zur Erläute­ rung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens und
Fig. 5 einen Schnitt durch eine Randstruktur und einen Driftbereich nach einem Ausführungsbeispiel der Er­ findung für einen Siliziumcarbid-Junction-MOS- Feldeffekttransistor.
In den Figuren werden einander entsprechende Bauteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Silizium-Halbleitersubstrat 1 aus einem n+- leitenden Halbleiterbereich 3 und einem n-leitenden Halblei­ terbereich 4 und mit einer Drainelektrode 2 aus Metall, wie beispielsweise Aluminium, an der eine Drainspannung +UD an­ liegt. Auf dem Halbleitersubstrat 1 befinden sich verschie­ dene epitaktische Schichten 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, in die p- leitende Halbleitergebiete 12 eingebettet sind. Im Driftbe­ reich unterhalb von n+-leitenden Sourcezonen 13 und p-leiten­ den Kanalzonen 14 sind die p-leitenden Gebiete 12 vertikal zusammenhängend, während sie außerhalb dieser Bereiche floa­ tend gestaltet sind.
Bei der epitaktischen Abscheidung der einzelnen Schichten 5 bis 11 wird hierzu in der Weise vorgegangen, daß unterhalb der aktiven Zonen 13, 14 eine Ionenimplantation mit p-leiten­ dem Dotierstoff, beispielsweise Bor, in jeder Schichtoberflä­ che der einzelnen Schichten 5 bis 11 erfolgt, während im Randbereich eine solche Implantation lediglich beispielsweise in jeder vierten Schicht vorgenommen wird.
Im Randbereich kann die Gesamtmenge des p-leitenden Dotier­ stoffes größer sein als die Gesamtmenge des n-leitenden Do­ tierstoffes, da es nicht nachteilhaft ist, wenn einige oder alle p-leitenden "inselartigen" floatenden Gebiete 12 bei Sperrbelastung nicht vollständig ausgeräumt sind.
Die floatenden p-leitenden Gebiete 12 ermöglichen im Randbe­ reich eine gleichmäßige Reduzierung der Feldstärke, so daß die Avalanchefestigkeit beträchtlich erhöht wird.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind bei diesem MOS-Feldeffekt­ transistor noch Gateelektroden 15, an denen eine Gatespannung +UG anliegt, Sourcekontakte 16, die auf Masse liegen, Feld­ platten 17, die mit der Zone 14 bzw. der epitaktischen Schicht 11 verbunden und an Aluminium-Elektroden 18 ange­ schlossen sind, in bzw. auf einer Isolierschicht 19 aus bei­ spielsweise Siliziumdioxid vorgesehen. Die Elektroden 15 und Feldplatten 17 können beispielsweise aus dotiertem polykri­ stallinem Silizium bestehen.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Randstruktur für einen Hochvolt-MOS-Feldeffekttransi­ stor. Bei diesem Ausführungsbeispiel hängen im Bereich unter­ halb der aktiven Zonen 13, 14 die p-leitenden Gebiete 12 über p--leitende Verbindungszonen 20 vertikal miteinander zusammen und bilden so jeweils Gitter. Außerdem sind bei diesem Aus­ führungsbeispiel noch p-leitende Schutzringe 21 und durch Io­ nenimplantation eingebrachte, n-leitende Oberflächenzonen 22 vorhanden. Die Schutzringe 21 sind dabei jeweils mit zuge­ ordneten Feldplatten 17 verbunden. Ein mögliches Herstel­ lungsverfahren für die Struktur von Fig. 2 wird weiter unten näher anhand der Fig. 4 erläutert werden.
Fig. 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Randstruktur und einen Driftbereich für eine Hochvolt- Diode, wobei hier an der Elektrode 2 eine Spannung +UA an­ liegt und anstelle der aktiven Zonen 13, 14 eine p-leitende Zone 23 mit einem Anodenkontakt 24 für eine Anode A vorgese­ hen ist. Im übrigen entspricht dieses Ausführungsbeispiel der Randstruktur und dem Driftbereich von Fig. 2.
Aus Fig. 4 ist zu ersehen, wie die Driftbereiche der Ausfüh­ rungsbeispiele der Fig. 2 und 3 hergestellt werden können: in die etwa 10 bis 50 µm dicken epitaktischen Schichten 5 bzw. 6 wird jeweils nach Abscheidung der Schicht 5 bzw. 6 ein Graben 25 bzw. 26 durch Ätzen eingebracht, der danach mit Akzeptoren so implantiert wird, daß die Kragen- und Bodenbereiche 27 bzw. 28 hoch mit dem Akzeptor, beispielsweise Bor, dotiert sind, während die Seitenwandbereiche 29 nur schwach mit Bor dotiert sind. Hierzu kann eine Schrägimplantation angewandt werden und/oder der Graben 25 bzw. 26, wie in Fig. 4 gezeigt ist, V-förmig gestaltet werden. Nach der Implantation bei­ spielsweise im Graben 25 wird die zweite epitaktische Schicht 6 abgeschieden, wobei dieser Graben 25 mit dem n-leitenden Material gefüllt wird. Durch eine anschließende Diffusion bilden sich sodann aus diesen Kragen- bzw. Bodenbereichen 27 bzw. 28 die Gebiete 12, die über die Seitenwandbereiche 29 als schwach dotierte Verbindungszonen 20 miteinander verbun­ den sind. Die Gräben 25, 26 haben in ihrem Kragenbereich eine Breite von etwa 1 bis 2 µm. Selbstverständlich sind aber auch andere Werte möglich.
Für den Halbleiterkörper kann Silizium oder Siliziumcarbid verwendet werden. Ein speziell für Siliziumcarbid als Halb­ leiterkörper geeignetes Ausführungsbeispiel der Randstruktur und des Driftbereiches ist in Fig. 5 gezeigt. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel ist der Sourcekontakt S mit der n+-leitenden Zone 13 und der p+-leitenden Zone 14 verbunden, während eine p+-leitende Gateelektrode 15 in die epitaktische Schicht 8 eingebettet ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind un­ terhalb der aktiven Zonen 14 die p-leitenden Gebiete 12 durch schwach dotierte p--leitende Verbindungszonen 20 miteinander verbunden.
Bezugszeichenliste
1
Halbleitersubstrat
2
Drainelektrode
3
n+
-leitender Bereich
4
n-leitender Bereich
5
bis
11
epitaktische Schichten
12
p-leitendes Gebiet
13
Sourcezone
14
Kanalzone, aktive Zone
15
Gateelektrode
16
Sourcekontakt
17
Feldplatten
18
Feldplatten-Kontakte
19
Isolierschicht
20
Verbindungszone
21
p-leitender Schutzring
22
n-leitende Ionenimplantationszone
23
p-leitende Zone
24
Anodenkontakt
25
Trench
26
Trench
27
Kragenbereich
28
Bodenbereich
29
Seitenabschnitt
S Sourcekontakt
G Gatekontakt
D Drainkontakt

Claims (10)

1. Randstruktur und Driftbereich für ein Halbleiterbauele­ ment, mit einem Halbleiterkörper (3. . .11) des einen Leitungs­ typs,
  • - in dem wenigstens eine aktive Zone (14) des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps vorgese­ hen ist,
  • - wobei in den Halbleiterkörper (3. . .11) in wenigstens zwei voneinander verschiedenen Ebenen eine Vielzahl von Gebie­ ten (12) des anderen Leitungstyps eingebettet ist,
  • - wobei die Gebiete (12), die im wesentlichen im Bereich un­ terhalb der aktiven Zone (14) angeordnet sind, über ver­ schiedene Ebenen mittels Verbindungszonen (12; 20) zusam­ menhängen, und
  • - die Gebiete (12), die im wesentlichen nicht im Bereich un­ terhalb der aktiven Zone (14) angeordnet sind, floaten.
2. Randstruktur und Driftbereich nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer auf dem Halbleiterkörper (3 bis 11) vorgesehenen Isolierschicht (19) Feldplatten (17) angeordnet sind, die je­ weils mit Gebieten (12) der obersten Ebene elektrisch verbun­ den sind.
3. Randstruktur und Driftbereich nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers (3 bis 11) Schutzringe (21) des anderen Leitungstyps vorgesehen sind, die mit Feldplatten (17) verbunden sind.
4. Randstruktur und Driftbereich nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Randbereich die Dotierstoffmenge des anderen Leitung­ styps höher ist als die Dotierstoffmenge des einen Leitung­ styps.
5. Randstruktur und Driftbereich nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungszonen (20) schwacher dotiert sind als die Gebiete (12).
6. Randstruktur und Driftbereich nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (3 bis 11) aus Silizium oder Silizi­ umcarbid besteht.
7. Randstruktur und Driftbereich nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Gebiete (12) Lebensdauer-Killer-Atome eingeführt sind.
8. Verfahren zum Herstellen der Randstruktur und des Drift­ bereiches nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Halbleiterschichten (5 bis 11) nacheinander epi­ taktisch auf ein Halbleitersubstrat (1) des einen Lei­ tungstyps aufgetragen werden und daß nach Auftragen jeder einzelnen Schicht (5 bis 11) im Bereich unterhalb der aktiven Zone (14) in die jeweilige epitaktische Schicht und im son­ stigen Randbereich in jede zweite, dritte oder vierte epitak­ tische Schicht (5 bis 11) Dotierstoff des anderen Lei­ tungstyps durch Ionenimplantation und/oder Diffusion ein­ gebracht wird.
9. Verfahren zum Herstellen der Randstruktur und des Drift­ bereiches nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Halbleiterschichten (5 bis 11) des einen Lei­ tungstyps nacheinander epitaktisch auf ein Halbleitersubstrat (1) aufgetragen werden und daß nach Auftragen jeder Halblei­ terschicht (5 bis 11) im Bereich unterhalb der aktiven Zone (14) ein V-förmiger Graben (25, 26) in die jeweilige Halblei­ terschicht (5 bis 11) eingebracht wird, dessen Boden- und Kragenbereich (28 bzw. 27) hoch und dessen Seitenwände (29) schwach dotiert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung durch Schräg-Ionenimplantation vorgenommen wird.
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