DE10127885B4

DE10127885B4 - Trench-Leistungshalbleiterbauelement

Info

Publication number: DE10127885B4
Application number: DE10127885A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Zundel; Franz Dr. Hirler; Joost Larik; Ralf Dr. Henninger; Manfred Kotek
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2021-06-09
Also published as: US20020185680A1; DE10127885A1; US6833584B2

Abstract

Trench-Leistungshalbleiterbauelement mit einem Zellenfeld (Z) und einer dieses umgebenden Randzelle (RZ) aus wenigstens einem Randtrench (5), der an eine Sourcezone (3) angrenzt, mit einer Isolierschicht (13) ausgekleidet und im Übrigen mit eine Feldplatte bildendem leitendem Material (8) gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (13) des Randtrenches (5) wenigstens auf der dem Zellenfeld (Z) entgegengesetzten Außenseitenwand (11) des Randtrenches (5) dicker gestaltet ist als eine Isolierschicht (7) in einem Trench (4) des Zellenfeldes (Z).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Trench-(Graben-)Leistungshalbleiterbauelement mit einem Zellenfeld und einer dieses umgebenden Randzelle (Randabschluss) aus wenigstens einem Randtrench, der an eine Sourcezone angrenzt, mit einer Isolierschicht ausgekleidet und im Übrigen mit eine Feldplatte bildendem leitendem Material gefüllt ist.
Bei der Entwicklung von Trench-Leistungshalbleiterbauelementen, wie beispielsweise DMOS-Leistungstransistoren, muss der Randzelle, dem sogenannten Randabschluss, besondere Beachtung beigemessen werden. Denn infolge der im Rand eines Leistungshalbleiterbauelementes zwangsläufig auftretenden Krümmungen der Äquipotentiallinien liegen dort höhere elektrische Feldstärken vor, so dass die Spannungsfestigkeit des Randabschlusses höher sein muss als die Spannungsfestigkeit der eigentlichen Zellen des Leistungshalbleiterbauelementes. Außerdem ist aus Kostengründen darauf zu achten, dass der Randabschluss einen möglichst geringen Flächenanteil im Vergleich zum Zellenfeld des Leistungshalbleiterbauelementes einnimmt, da der Randabschluss als solcher nicht wie das Zellenfeld zum aktiven Teil des Bauelementes gehört.
Für Leistungshalbleiterbauelemente wird also ein Randabschluss angestrebt, der bei möglichst geringem Flächenaufwand eine Spannungsfestigkeit hat, welche deutlich über der Spannungsfestigkeit des eigentlichen Zellenfeldes liegt.
An der Erfüllung dieser Forderung wird seit vielen Jahren intensiv gearbeitet, und aus der Vielzahl von hierzu bestehenden Veröffentlichungen sollen speziell im Hinblick auf Trench-Leistungstransistoren die folgenden Publikationen herausgegriffen werden:
In DE 199 35 442 C1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Trench-MOS-Leistungstransistors beschrieben, bei dem Trenches im Zellenfeld mit polykristallinem Silizium als Feldplatte versehen sind, während Trenches im Randabschluss mit einer Feldoxidschicht aus Siliziumdioxid ausgekleidet werden. Dabei wird die Feldoxidschicht auch auf die Oberfläche des den Leistungstransistor bildenden Halbleiterkörpers im Zellenfeld herausgezogen, wodurch die Implantation zur Erzeugung von Sourcezone und Bodybereich maskiert wird. Bei diesem bekannten Trench-MOS-Leistungstransistor hat der letzte Trench, der noch an eine Sourcezone oder ein Bodygebiet angrenzt, also ein sogenannter Randtrench des Zellenfeldes, eine Isolierschicht, die gleich dick ist wie die Isolierschichten der Trenches des Zellenfeldes.
Aus der älteren Anmeldung WO 02/19434 A1 ist ein Leistungshalbleiterbauelement mit Trenches im aktiven Zellenfeld bekannt, wobei diese Trenches an ihren Seitenwänden mit Isolierschichten mit unterschiedlicher Schichtdicke versehen sind, um so die Rückwirkungskapazität zu reduzieren. Auf Probleme des Randabschlusses wird dabei nicht näher eingegangen.
Weiterhin ist aus US 5,763,915 A eine DMOS-Leistungstransistoranordnung bekannt, bei der für den Randabschluss Trenches eingesetzt werden, welche eine im Vergleich zu den Trenches des aktiven Zellenfeldes größere Breite haben und zudem in einem vom Abstand zwischen den Trenches des Zellenfeldes anderen Abstand untereinander bzw. zum äußersten Trench des Zellenfeldes vorgesehen sind. Die Trenches des Zellenfeldes und des Randabschlusses sind mit polykristallinem Silizium gefüllt.
Schließlich ist in der US 4,941,026 A ein Leistungshalbleiterbauelement beschrieben, bei dem Trenches mit Isolierschichten ausgekleidet sind, die in einem oberen Bereich jedes Trenches eine geringere Schichtdicke als in einem unteren Bereich hiervon haben.
Auf den so mit zwei verschiedenen Schichtdicken versehenen Isolierschichten sind schichtförmige Elektroden aufgetragen.
Zu Trench-Leistungstransistoren mit Feldplatten in den Trenches des Zellenfeldes und des Randabschlusses sind spezielle Publikationen zur Lösung der mit dem Randabschluss verbundenen Problematik bisher nicht bekannt geworden.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Trench-Leistungshalbleiterbauelement, insbesondere einen Trench-Leistungstransistor, anzugeben, das bzw. der sich durch einen flächensparenden Aufbau auszeichnet und dabei einen einfach gestalteten Randabschluss mit hoher Spannungsfestigkeit erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei einem Trench-Leistungshalbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Isolierschicht des Randtrenches wenigstens auf der dem Zellenfeld entgegengesetzten Außenseitenwand des Randtrenches dicker gestaltet ist als eine Isolierschicht in einem Trench des Zellenfeldes.
In bevorzugter Weise wird bei diesem Trench-Leistungshalbleiterbauelement die Randzelle aus dem Randtrench noch durch einen ”regulären” Trench des Zellenfeldes, nämlich den äußersten Trench des Zellenfeldes, und das zwischen dem Randtrench und diesem äußersten Trench gelegene Halbleitergebiet aus beispielsweise Silizium ergänzt.
Die dicker gestaltete Isolierschicht auf der Außenseitenwand des Randtrenches befindet sich nur im Randtrench und reicht auf der Innenseite zum Zellenfeld hin nicht bis auf die Ober fläche des Halbleiterkörpers. Damit entfallen Maskierungen durch diese dicker gestaltete Isolierschicht bei den Implantationen von Sourcezone und Bodygebiet, so dass laterale Profilverformungen für die Sourcezone und das Bodygebiet und durch diese Verformungen bedingte Durchschläge (”Punches”) des Trench-Leistungshalbleiterbauelementes vermieden werden.
Die Innenseitenwand des Randtrenches kann auf verschiedene Arten gestaltet sein: so ist es möglich, für die Innenseitenwand des Randtrenches die gleiche Isolierschicht mit der gleichen Dicke wie die Isolierschicht in den Trenches des Zellenfeldes vorzusehen. Weiterhin kann die Innenseitenwand des Randtrenches in gleicher Weise gestaltet sein wie die Außenseitenwand. In diesem Fall erstreckt sich die dicker ausgeführte Isolierschicht also sowohl über die Außenseitenwand als auch über die Innenseitenwand, wobei aber darauf zu achten ist, dass diese dicker gestaltete Isolierschicht (Dickoxid) sich nicht auf der Halbleiteroberfläche zwischen der Randzelle und dem Zellenfeld befindet.
Weiterhin ist es möglich, die dicke Isolierschicht auf verschiedenen Höhen der Innenseitenwand enden zu lassen und dann ab der jeweiligen Höhe eine dünnere Isolierschicht (Gateoxid) vorzusehen.
In allen obigen Varianten ist der Randtrench im Übrigen mit leitendem Material, insbesondere polykristallinem Silizium, gefüllt, so dass jeweils ein Feldplatten-Randtrench vorliegt, wobei die Ausdehnung der Feldplatte von dem Übergang vom Dickoxid zum Gateoxid abhängt.
Zum Gesamtrand gehört in der Regel auch ein drainseitiger Abschluss, der eine Feldplatte bevorzugt auf Drainpotential enthält, mit dem Zweck eines Channelstoppers (Kanalstopper), um im Falle einer Drain-Source-Verpolung die Bildung eines Kanals zwischen Drain und Source zu unterbrechen (vgl. DE 199 35 442 C1 ).
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Trench-Leistungshalbleiterbauelements,
2 eine Schnittdarstellung durch die Randzelle nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
3 eine Schnittdarstellung durch einen Randtrench nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
4 eine Schnittdarstellung durch einen Randtrench nach einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
5 eine Schnittdarstellung durch einen Randtrench nach einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Trench-Leistungstransistor mit einem Zellenfeld Z, einer Randzelle RZ aus einem letzten Trench 4 des Zellenfeldes Z und einem ersten Randtrench 5 und mit weiteren Randtreches RT, von denen ein Randtrench 6 dargestellt ist. Auf die weiteren Randtrenches RT kann gegebenenfalls verzichtet werden. Es ist aber auch möglich, nur einen weiteren Randtrench RT, nämlich den Randtrench 6, vorzusehen.
Im Zellenfeld Z und in der Randzelle RZ befindet sich ein Trench-Leistungstransistor aus einem aus Silizium oder einem anderen geeigneten Halbleitermaterial, wie beispielsweise SiC, A_IIIB_V und so weiter bestehenden Halbleiterkörper 1, der beispielsweise n-leitend ist, einem p-dotierten Bodygebiet 2 und einer n-dotierten Sourcezone 3.
Der Trench 4 ist in seinem oberen Bereich mit einer dünneren Isolierschicht 7 aus Siliziumdioxid (Gateoxid bzw. GOX) und in seinem unteren Bereich mit einer dickeren Isolierschicht 13 aus Siliziumdioxid (Feldoxid bzw. FOX) ausgekleidet. Diese Isolierschicht 7 ist teilweise auch auf der dem Trench 4 benachbarten Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 im Zellenfeld Z angeordnet. Im Inneren des Trenches 4 sowie des Trenches 5 und auch des Trenches 6 befindet sich leitendes Material, wie insbesondere polykristallines Silizium 8 bzw. 9. Gegebenenfalls können anstelle von polykristallinem Silizium auch Silizide verwendet werden.
Das polykristalline Silizium 8 bildet Gateelektroden in den Trenches 4 und 5, während das polykristalline Silizium 9 speziell im Trench 6 eine Feldplatte darstellt, die mit einer Gatemetallisierung 15 für einen Gateanschluss G auf einer Isolierschicht 14 aus Borphosphorsilikatglas (BPSG) verbunden ist. Weiterhin sind noch eine Sourcemetallisierung 10 für einen Sourceanschluss S und auf der diesem Sourceanschluss S gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 ein Drainanschluss D vorgesehen. Die Metallisierungen 10 und 15 können beispielsweise aus Aluminium bestehen.
Es sei noch angemerkt, dass das polykristalline Silizium 8 der Trenches 4 und 5 durch leitende Verbindungen vor oder hinter der Zeichenebene an den Gateanschluss G beziehungsweise die Gatemetallisierung 15 angeschlossen ist.
Erfindungsgemäß ist der am äußeren Rand der Randzelle RZ gelegene Trench 5 mit der dickeren Isolierschicht 13 (FOX) zumindest auf seiner Außenseitenwand 11 versehen. Diese dickere Isolierschicht kann sich bis zu einem Rand R (vgl. 2) des Trench-Leistungshalbleiterbauelementes erstrecken. Sie reicht aber nicht über eine Innenseitenwand 12 des Trenches 5 hinaus. Vielmehr ist dort auf der Oberfläche der Sourcezone 3 die dünnere Isolierschicht 7 vorgesehen.
Die Randzelle RZ besteht also aus dem letzten Trench 4 des Zellenfeldes Z, der den gleichen Aufbau wie die übrigen, nicht gezeigten Trenches des Zellenfeldes Z hat und mit Gateoxid GOX (oben) beziehungsweise Feldoxid FOX (unten) ausgekleidet sowie mit polykristallinem Silizium 8 gefüllt ist, und aus dem Trench 5, der wenigstens auf seiner Außenseitenwand 11 mit dem dickeren Feldoxid FOX versehen und ebenfalls mit polykristallinem Silizium 8 gefüllt ist. Das polykristalline Silizium 8 des Trenches 5 kann mit dem polykristallinen Silizium des weiteren Trenches 6 zusammenhängen oder aber auch von diesem getrennt sein. Weiterhin ist es möglich, auch mehrere Randtrenches entsprechend dem Trench 6 und/oder mehrere reguläre Trenches entsprechend dem Trench 5 für die Randzelle RZ vorzusehen. Das Zellenfeld Z kann aus einer Vielzahl von Trench-Leistungstransistoren der dargestellten Art bestehen. Diese Leistungstransistoren sind dann parallel zueinander geschaltet.
Im Ausführungsbeispiel von 2 ist lediglich eine Randzelle RZ dargestellt, während die Ausführungsbeispiele der 3 bis 5 nur den Randtrench entsprechend dem Trench 5 veranschaulichen. Im Übrigen sind die Ausführungsbeispiele der 2 bis 5 in ähnlicher Weise aufgebaut wie das Ausführungsbeispiel von 1.
Obwohl 1 einen Vertikalaufbau des Trench-Leistungstransistors zeigt, ist selbstverständlich auch eine Lateralanordnung möglich, bei welcher der Drainanschluss D auf der gleichen Oberfläche wie der Gateanschluss G und der Sourceanschluss S vorgesehen ist.
2 zeigt eine Randzelle RZ mit einem regulären Trench 4, der wie die übrigen Trenches des Zellenfeldes durchgehend mit der dünnen Isolierschicht 7 (Gateoxid) versehen ist, während der Randtrench 5 hier auf seiner Außenseitenwand 11 mit der dicken Isolierschicht 13 (Feldoxid) und auf seiner Innenseitenwand 12 mit der dünnen Isolierschicht 7 (Feldoxid) versehen und im Übrigen mit polykristallinem Silizium 8 gefüllt ist. Das Feldoxid reicht im Ausführungsbeispiel von 2 ungefähr bis zum Boden des Trenches 5.
Die 3 bis 5 zeigen verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten für den Randtrench 5: das die dickere Isolierschicht 13 bildende Feldoxid kann etwa bis zur Hälfte der Innenseitenwand 12 (vgl. 3) reichen oder höher oder tiefer enden (vgl. 4). Ebenso ist es möglich, das die dickere Isolierschicht 13 darstellende Feldoxid bis zum Ende der Innenseitenwand 12 zu führen (vgl. 5). Mit anderen Worten, die durch das polykristalline Silizium 8 gebildete Feldplatte kann an einer höheren oder niedrigeren Position im Trench 5 im Vergleich zu dem Trench 4 des Zellenfeldes Z liegen und sich direkt bis zur obersten Kante des Trenches, wie in 5 dargestellt, ausdehnen.
Das Feldoxid hat eine Schichtdicke, die ungefähr wenigstens 20% über der Schichtdicke des Gateoxids liegt und von 0,1 bis 2,0 μm reicht, während das Gateoxid Schichtdicken von 0,05 bis 0,1 μm aufweist.

Claims

Trench-Leistungshalbleiterbauelement mit einem Zellenfeld (Z) und einer dieses umgebenden Randzelle (RZ) aus wenigstens einem Randtrench (5), der an eine Sourcezone (3) angrenzt, mit einer Isolierschicht (13) ausgekleidet und im Übrigen mit eine Feldplatte bildendem leitendem Material (8) gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (13) des Randtrenches (5) wenigstens auf der dem Zellenfeld (Z) entgegengesetzten Außenseitenwand (11) des Randtrenches (5) dicker gestaltet ist als eine Isolierschicht (7) in einem Trench (4) des Zellenfeldes (Z).
Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Randzelle (RZ) einen zusätzlichen Trench (4) umfasst, der mit einer im Vergleich zur Isolierschicht (13) der Außenseitenwand (11) des Randtrenches (5) dünneren Isolierschicht (7) ausgekleidet und im Übrigen mit dem leitenden Material (8) gefüllt ist.
Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Innenseitenwand (12) des Randtrenches (5) wenigstens teilweise mit der dickeren Isolierschicht (13) versehen ist.
Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Innenseitenwand (12) des Randtrenches (5) mit der dickeren Isolierschicht (13) versehen ist.
Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Material polykristallines Silizium (8) ist.
Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Material des Randtrenches (5) und eines weiteren Randtrenches (6) zusammenhängend ausgeführt ist.
Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dicker gestaltete Isolierschicht (13) ein Feld- beziehungsweise Dickoxid ist.
Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dünner gestaltete Isolierschicht (7) ein Gateoxid ist.
Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dicker gestaltete Isolierschicht (13) um wenigstens 20% dicker ist als die dünner gestaltete Isolierschicht (7).
Trench-Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Trench-Leistungstransistor ist.