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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
kapazitiven Struktur oder einer Varistorstruktur in einem Graben
eines Halbleiterkörpers, insbesondere einer benachbart
zu einer Driftstrecke eines vertikalen Halbleiterbauelements angeordneten
kapazitiven Struktur oder Varistorstruktur.
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Leistungshalbleiterbauelemente
mit einer Driftzone und einer benachbart zu der Driftzone angeordneten
und kapazitiv mit der Driftzone gekoppelten Feldelektrode sind grundsätzlich
bekannt und beispielsweise in
US
4,903,189 (Ngo),
US
4,941,026 (Temple),
US 6,555,873 B2 (Disney),
US 6,717,230 B2 (Kocon)
oder
US 6,853,033 B2 (Liang)
beschrieben.
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Das
Vorsehen einer gegenüber der Driftzone isolierten Feldelektrode,
die bei einem MOSFET beispielsweise auf dem Potential des Source-Anschlusses
liegt, ermöglicht bei gleicher Spannungsfestigkeit eine
höhere Dotierung der Driftzone und führt damit zu
einer Verringerung des Einschaltwiderstandes des Bauelements. Die
Feldelektrode stellt bei diesen Bauelementen eine Gegenladung zu
der in der Driftzone vorhandenen, aus einer Dotierung resultierenden
Ladung bereit. Ladungsträger in der Driftzone werden durch
diese Gegenladung kompensiert, so dass die Spannungsfestigkeit des
Bauelements trotz höherer Dotierung der Driftzone nicht
reduziert wird.
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Die
Driftzone eines Leistungsbauelements, die sich je nach Art des Bauelements
an einen pn-Übergang oder Schottky-Übergang anschließt, dient
in bekannter Weise zur Aufnahme einer über dem Bauelement
anliegenden Sperrspannung. Bei sperrend angesteuertem Leistungsbauelement nimmt
die über der Driftzone anliegende elektrische Spannung
ausgehend von die sem pn- oder Schottky-Übergang zu. Eine
die Feldelektrode gegenüber der Driftzone isolierende Dielektrikumsschicht
unterliegt bei sperrend angesteuertem Bauelement hierbei einer Spannungsbelastung,
die bei Vorhandensein nur einer Feldelektrode – abhängig
von der Spannungsfestigkeit des Bauelements – bis zu einigen hundert
Volt betragen kann.
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Um
die Spannungsbelastung des Dielektrikums zu reduzieren, ist es aus
der
DE 103 39 455
A1 , der
DE
103 39 488 A1 oder der
US
6,677,641 bekannt, mehrere Feldelektroden in der Richtung,
in der bei sperrendem Bauelement die Spannung in der Driftzone zunimmt,
hintereinander anzuordnen. Diese Feldelektroden werden auf unterschiedliche
elektrische Potentiale gelegt. Schwierig ist hierbei allerdings
die Erzeugung dieser unterschiedlichen Potentiale.
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Die
Erzeugung unterschiedlicher Potentiale kann vermieden werden, wenn
eine Feldelektrodenstruktur mit mehreren Feldelektroden vorgesehen sind,
die kapazitiv aneinander gekoppelt sind und von denen eine oder
mehrere an eine Elektrode für ein vorgegebenes Potential,
beispielsweise Source-Potential bei einem Leistungs-MOSFET, gekoppelt
ist. Eine derartige Struktur ist beispielsweise in der
DE 10 2004 007 197 A1 oder
der
DE 10 2004 044 619 beschrieben.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
einer kapazitiven Struktur mit mehreren kapazitiv gekoppelten Kapazitäten
oder einer Varistorstruktur in einem Halbleiterkörper zur
Verfügung zu stellen, das insbesondere die Realisierung
räumlich sehr kleiner Kapazitäten oder Varistoren
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder
11 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind zur Herstellung einer Kondensatorstruktur in einem
Graben eines Halbleiterkörpers die Verfahrensschritte vorgesehen:
- a) Herstellen einer Schicht mit Siliziumkörnern
an Seitenwänden des Grabens,
- b) Trennen einzelner Siliziumkörner,
- c) Herstellen einer Dielektrikumsschicht auf den Siliziumkörnern
und zwischen den getrennten Siliziumkörnern.
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Bei
einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer
Varistorstruktur in einem Graben eines Halbleiterkörpers
ist sind die Verfahrensschritte vorgesehen:
- i)
Herstellen einer Schicht mit Siliziumkörnern, die eine
Grunddotierung aufweisen, an Seitenwänden des Grabens,
- ii) Trennen einzelner Siliziumkörner,
- iii) Herstellen komplementär zu der Grunddotierung
der Siliziumkörner dotierter oberflächennaher
Bereiche in den Siliziumkörnern zumindest im Bereich von
Korngrenzen, an denen zwei benachbarte Siliziumkörner aneinander
grenzen.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren
näher erläutert. Die Figuren dienen lediglich
dazu, Ausführungsbeispiele der Erfindung zu erläutern,
die in den Figuren dargestellten Strukturen sind nicht notwendigerweise
maßstabsgerecht und nicht notwendigerweise skalierbar.
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1 veranschaulicht einzelne Verfahrensschritte
zur Herstellung einer Kondensatorstruktur in einem Gra ben eines
Halbleiterkörpers anhand eines Querschnitt durch einen
Halbleiterkörper.
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2 veranschaulicht eine Abwandlung des in 1 dargestellten Verfahrens.
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3 zeigt
im Querschnitt einen Leistungstransistor mit einer Driftstrecke
und einer benachbart zu der Driftstrecke angeordneten Kondensatorstruktur.
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4 zeigt
im Querschnitt eine Leistungsdiode mit einer Driftzone und einer
benachbart zu der Driftzone angeordneten Kondensatorstruktur.
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5 zeigt
eine Leistungs-Schottky-Diode mit einer Driftzone und einer benachbart
zu der Driftzone angeordneten Kondensatorstruktur.
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6 zeigt
im Querschnitt einen Halbleiterkörper mit einer in einem
Graben des Halbleiterkörpers angeordneten Varistorstruktur.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Bauelementstrukturen mit gleicher Bedeutung.
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1A zeigt
im Querschnitt einen Halbleiterkörper 100 nach
Durchführung erster Verfahrensschritte zur Herstellung
einer Kondensatorstruktur in einem Graben 103 des Halbleiterkörpers 100.
Der Halbleiterkörper besteht beispielsweise aus Silizium und
umfasst eine erste Seite 101, die nachfolgend als Vorderseite
bezeichnet wird, und eine der ersten Seite 101 gegenüberliegende
zweite Seite 102, die nachfolgend als Rückseite
bezeichnet wird. Der Graben 103 erstreckt sich in dem dargestellten
Beispiel ausgehend von der Vorderseite 101 in einer vertikalen
Richtung in den Halbleiterkörper 100 hinein. Dieser
Graben kann in einer Richtung senkrecht zu der in 1A dargestellten
Zeichenebene langgestreckt ausgebildet sein und kann beispielsweise
durch ein anisotropes Ätzverfahren unter Verwendung einer auf
die Vorderseite 101 aufgebrachten Ätzmaske (nicht
dargestellt) realisiert werden.
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1A zeigt
den Halbleiterkörper 100 nach Herstellen einer
Schicht mit Siliziumkörnern an Oberflächen des
Grabens 103. Diese Oberflächen sind in dem dargestellten
Beispiel Seitenwände des Grabens 103, die sich
in der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 erstrecken,
sowie eine Bodenfläche des Grabens 103, die sich
in einer horizontalen Richtung des Grabens erstreckt. Die Siliziumkörner
enthaltende Schicht 11' muss hierbei nicht notwendigerweise
an allen freiliegenden Oberflächen des Grabens 103 hergestellt
werden muss, sondern die Herstellung einer solchen Schicht an nur
einer der Oberflächen, beispielsweise der Bodenfläche,
oder an nur einem Abschnitt einer der Oberflächen ist ausreichend.
Diese Siliziumkörner aufweisende Schicht 11' ist
beispielsweise eine sogenannte HSG-Schicht (HSG = Hemispherical
Silicon Grain). zur Herstellung einer solchen HSG-Schicht wird beispielsweise amorphes
Silizium bei atmosphärischem Druck, d. h. im Bereich von
1 bar, und bei Temperaturen unter 550°C auf die zu beschichtende
Oberfläche abgeschieden. Nach der Abscheidung wird der
Druck auf unter 20 Torr reduziert und die Temperatur wird bis auf
die Kristallisationstemperatur von Silizium, beispielsweise auf
eine Temperatur im Bereich von 600°C bis 800°C
erhöht. Optional wird hierbei Silan (SiN4)
in eine die beschichtete Oberfläche umgebende Atmosphäre
eingebracht. Die Absenkung des Drucks und die Erhöhung
der Temperatur bis auf die Kristallisationstemperatur führt
zur Bildung einer Keimschicht aus kleinen kristallinen Körnern
an der Oberfläche der amorphen Siliziumschicht. An die Herstellung
dieser Keimschicht schließt sich eine Temperaturbehandlung
an, bei der die Behandlungstemperatur im Bereich der Kristallisationstemperatur liegt
und die zu einem Kristallwachstum ausgehend von den Kristallisationskeimen
führt. Der Temperaturschritt findet in einer inerten Umgebung,
beispielsweise einer Wasser stoffumgebung statt, wodurch eine Oxidation
der Siliziumschicht während des Temperaturprozesses verhindert
wird.
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Das
Kristallwachstum ist bedingt durch eine Oberflächendiffusion,
die zu einer Anlagerung von Siliziumatomen an den Kristallisationskeimen
und zu einer Verarmung an Siliziumatomen in der Umgebung der Kristallisationskeime
führt. Im Ergebnis entsteht eine unebene noppenartige Siliziumschicht,
deren Schichtdicke im Bereich der Siliziumkörner größer
ist als in die Siliziumkörner umgebenden Bereichen. Die
Größe der Siliziumkörner ist beispielsweise über
die Dauer des Temperaturprozesses einstellbar, die insbesondere
so kurz gewählt werden kann, dass ein Zusammenwachsen unmittelbar
benachbarter Siliziumkörner vermieden wird. Das Herstellen
solchen HSG-Schicht ist grundsätzlich bekannt und beispielsweise
in Graßl: "Chemical Wafer Deposition (CVD) für
zukünftige Technologien in einem Cluster-Tool", Shaker
Verlag, Aachen, 2002, Seiten 71 bis 74, beschrieben.
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1B zeigt
den Halbleiterkörper 100 nach Durchführung
weiterer Verfahrensschritte, bei denen einzelne Siliziumkörner
voneinander getrennt werden, um dadurch einen Anzahl separater,
d. h. vollständig voneinander getrennter, Siliziumkörner 11 an der
wenigstens einen beschichteten Oberfläche des Grabens 103 zu
erhalten. Die Trennung der einzelnen Siliziumkörner erfolgt
beispielsweise durch ein anisotropes Ätzverfahren, bei
dem ein Ätzangriff auf die Siliziumkörner enthaltende
Schicht (11' in 1A) in
einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Schicht 11' erfolgt.
Die Dauer dieses Ätzverfahrens ist hierbei so gewählt,
dass die Schicht 11' abschnittsweise vollständig
entfernt wird und zwar derart, dass eine Anzahl vollständig
voneinander getrennter Schichtabschnitte der ursprünglich
hergestellten Siliziumkörner enthaltenden Schicht 11' entstehen.
Durch das anisotrope Ätzverfahren wird diese Halbleiterschicht
gleichmäßig abgetragen, wobei die Schicht 11' in
den Bereichen geringerer Schichtdicke, d. h. zwischen zwei Siliziumkörnern,
vollstän dig entfernt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass
die in 1B mit dem Bezugszeichen 11 bezeichneten Halbleiterabschnitte
nicht notwendigerweise nur aus einem Siliziumkorn, d. h. einem Siliziumeinkristall
bestehen, sondern dass diese Abschnitte neben dem einzelnen Siliziumkörnern
auch die Sillziumkörner umgebendes amorphes Silizium enthalten
können. Diese nicht notwendigerweise einkristallinen Abschnitte 11 werden
nachfolgend als Siliziumkörner bezeichnet.
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1C zeigt
die Halbleiterstruktur nach Durchführung weiterer Verfahrensschritte,
bei denen eine Dielektrikumsschicht 21 auf die Siliziumkörner 11 und
auf freiliegende Oberflächen des Grabens 103 zwischen
den Siliziumkörnern 11 aufgebracht wird. Diese
Dielektrikumsschicht 21 wird beispielsweise in einem Ofen-
oder Einzelscheiben-Abscheideprozess isotrop abgeschieden und besteht
beispielsweise aus einem Oxid, wie z. B. TEOS (Tetraethylen-Oxisilan),
Aluminiumoxid (Al2O3)
oder Hafniumoxid (HfO2), oder aus einem
Nitrid, wie z. B. Siliziumnitrid (Si3N4).
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Alternativ
oder zusätzlich zu dem Aufbringen einer Dielektrikumsschicht
auf die Siliziumkörner 11 kann der Prozessatmosphäre
gegen Ende des Keimwachstums ein zur Herstellung einer dielektrischen, einer
leitfähigen oder einer semiisolierenden Schicht geeignetes
Gas zugegeben werden, wie z. B. Distickstoffoxid (N2O)
Silan (SiH4) oder Dichlorsilan (SiH2Cl2). Diese Beigabe
bewirkt die Herstellung von sehr gleichmäßigen
Körnern mit – je nach Zusatzstoff – leitfähigen,
isolierenden bzw. semi-isolierenden Korngrenzen. Durch die Beigabe
solcher Zusatzstoffe können insbesondere nichtstöchiometrische
Verbindungen aus Silizium und Sauerstoff erzeugt werden, insbesondere
auch "gelöster" Sauerstoff in Silizium. Ergebnis dieser
Beigabe ist eine noppenartige Siliziumschicht, deren Oberfläche
mit einer leitfähigen, einer elektrisch isolierenden oder
einer semi-isolierenden Schicht überdeckt ist. In den dünnen Bereichen
zwischen zwei Siliziumkörnern kann die abgeschiedene Schicht 11' dabei
vollstän dig aus der Silizium und den Zusatzstoff enthaltenden
Schicht bestehen. Bei Verwendung eines zur Bildung einer Dielektrikumsschicht
führenden Zusatzstoffs kann auf den Ätzprozess
dadurch gegebenenfalls verzichtet werden. Zur sicheren elektrischen
Trennung der einzelnen Siliziumkörner kann der Ätzprozess
dennoch durchgeführt werden.
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Auf
den Oberflächen des Grabens, auf die die Siliziumkörner
enthaltende Schicht (11' in 1A) aufgebracht
wird, kann vor dem Aufbringen dieser Schicht eine Dielektrikumsschicht 104 (gestrichelt
dargestellt) hergestellt werden. Diese Dielektrikumsschicht 104 ist
beispielsweise eine Oxidschicht, die durch Oxidation der Grabenoberfläche
oder durch Abscheiden einer Oxidschicht hergestellt werden kann.
Diese Dielektrikumsschicht 104 kann selbstverständlich
auch aus einem anderen geeigneten Material mit dielektrischen Eigenschaften,
wie z. B. Siliziumnitrid (Si3N4)
oder auch aus Materialien mit größerer Dielektrizitätskonstante,
wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3) oder Hafniumoxid (Hfo2)
oder weiteren sogenannten high-k-Materialien hergestellt werden.
Wenn eine solche Dielektrikumsschicht 104 auf den beschichteten
Oberflächen des Grabens vorhanden ist, entsteht bereits
mit Abscheiden der Dielektrikumsschicht 21 auf die Siliziumkörner 12 eine kapazitive
Struktur mit einer Anzahl dielektrisch gegeneinander und gegenüber
dem Halbleiterkörper 100 isolierter Kapazitäten.
Jede dieser Kapazitäten umfasst eines der Siliziumkörner 21 und
ein die Siliziumkörner umgebendes Dielektrikum 21, 104.
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Die
zuvor erläuterten Verfahrensschritte zur Herstellung einzelner
Kapazitäten an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 103 können – unter
der Annahme, dass nach Herstellung der Kapazitäten der
ursprüngliche Graben nicht bereits vollständig
aufgefüllt ist – wiederholt durchgeführt
werden, um einzelne voneinander getrennte Kapazitäten auf
der ersten Dielektrikumsschicht 21 herzustellen. Eine erste
Wiederholung dieser Verfahrensschritte wird nachfolgend anhand von 2 erläutert.
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2A zeigt
die Bauelementstruktur nach Herstellen einer Siliziumkörner
enthaltenden Schicht 12' auf der ersten Dielektrikumsschicht 21.
Diese Schicht 12' ist beispielsweise eine HSG-Schicht,
die anhand der bereits erläuterten Verfahrensschritte hergestellt
werden kann.
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2B zeigt
die Bauelementstruktur nach Trennen einzelner Siliziumkörner
der zuvor aufgebrachten Schicht 12'. Dieses Trennen der
einzelnen Siliziumkörner erfolgt beispielsweise durch ein
anisotropes Ätzverfahren.
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2C zeigt
die Bauelementstruktur nach Herstellen einer zweiten Dielektrikumsschicht 22 auf den
zweiten Siliziumkörnern 12 und zwischen diesen Siliziumkörnern 12.
Alternativ oder zusätzlich kann in bereits erläuterter
Weise bereits während des Keimwachstums eine Dielektrikumsschicht
auf den Siliziumkörnern hergestellt werden.
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Ergebnis
dieser weiteren anhand von 2 erläuterten
Verfahrensschritte sind eine Anzahl Kapazitäten, die jeweils
ein Siliziumkorn 12 aufweisen und die gegeneinander durch
die zweite Dielektrikumsschicht 22 und gegen die zuerst
hergestellten Kapazitäten dielektrisch durch die erste
Dielektrikumsschicht 21 isoliert sind.
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Die
Verfahrensschritte zur Herstellung der einzelnen Kapazitäten,
nämlich das Herstellen einer Schicht mit Siliziumkörnern,
das Trennen der einzelnen Siliziumkörner und das Herstellen
einer Dielektrikumsschicht auf den Siliziumkörnern und
zwischen den getrennten Siliziumkörnern können
abhängig von den Abmessungen des Grabens und den Abmessungen
der hergestellten Kapazitäten so oft wiederholt werden,
bis der Graben vollständig mit einer kapazitiven Struktur
aufgefüllt ist, die eine Vielzahl einzelner dielektrisch
gegeneinander isolierter Siliziumkörner enthält.
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Eine
Variante zur Trennung einzelner Siliziumkörner der Siliziumkörner
enthaltenden Schicht (11' in 1A) ist
im Ergebnis in 3 dargestellt. Bei diesem Verfahren
wird die Siliziumkörner enthaltende Schicht 11' durch
Anwenden eines Temperaturprozesses oxidiert. Die Dauer dieses Oxidationsprozesses
ist hierbei so gewählt, dass die Schicht 11' in
Bereichen zwischen zwei Siliziumkörnern, also in Bereichen
mit geringerer Schichtdicke, vollständig, d. h. bis zu
der darunter liegenden Dielektrikumsschicht 104 oder bis
zu der darunter liegenden Grabenoberfläche oxidiert wird.
Durch diesen Oxidationsprozess entstehen einzelne dielektrisch gegeneinander
isolierte Siliziumkörner 11, was im Ergebnis in 3 dargestellt
ist. Die durch diesen Oxidationsprozess hergestellte Oxidschicht
kann als Dielektrikumsschicht zur Trennung der Siliziumkörner 11 gegenüber
weiteren, während nachfolgender Verfahrensschritte hergestellter
Siliziumkörner verwendet werden. Die Trennung der Siliziumkörner 11 und
die Herstellung dieser Dielektrikumsschicht erfolgt bei diesem Verfahren
durch nur einen einzigen Verfahrensschritt, nämlich die
oberflächennahe Oxidation der die Siliziumkörner
enthaltenden Schicht 11'. Auch bei Anwendung dieses Verfahrens
zur Trennung der einzelnen Siliziumkörner kann bereits
während des Keimwachstums eine Dielektrikumsschicht durch
Zugabe eines geeigneten Gases zu der Prozessumgebung hergestellt
werden.
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Das
zuvor erläuterte Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven
Struktur in einem Graben eines Halbleiterkörpers eignet
sich insbesondere zur Herstellung einer sogenannten "Stacked-Capacitor"-Struktur,
die benachbart zu einer Driftzone eines Leistungshalbleiterbauelementes
angeordnet ist. Ein als MOS-Transistor ausgebildetes Leistungshalbleiterbauelement
mit einer nach dem zuvor erläuterten Verfahren hergestellten
kapazitiven Struktur ist ausschnittsweise in 4 dargestellt.
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Ein
Halbleiterkörper 100, in dem eine Transistorstruktur
und die kapazitive Struktur angeordnet sind, umfasst bei diesem
Bauelement zwei Halbleiterschichten 105, 106,
von denen eine erste Halbleiterschicht 105 höher
dotiert ist als eine zweite Halbleiterschicht 106. Die
erste Halbleiterschicht 105 ist beispielsweise ein Halbleitersubstrat,
die zweite Halbleiterschicht 106 ist beispielsweise eine
Epitaxieschicht, die epitaktisch auf das Halbleitersubstrat 105 aufgebracht
ist. Die höher dotierte erste Halbleiterschicht 105 bildet
bei dieser Bauelementanordnung eine Drainzone 31 des MOS-Transistors,
die durch eine Drainelektrode 37 kontaktiert ist. Diese Drainelektrode 37 bildet
einen Drainanschluss D des MOS-Transistors und ist auf die Rückseite 102 des Halbleiterkörpers
aufgebracht. Die zweite Halbleiterschicht 106 bildet abschnittsweise
eine Driftzone 32 des MOS-Transistors, die durch eine komplementär zu
der Driftzone 32 dotierte Bodyzone 33 von einer komplementär
zu der Bodyzone 33 dotierten Sourcezone 34 getrennt
ist. Zur Steuerung eines leitenden Kanals in der Bodyzone 33 zwischen
der Sourcezone 34 und der Driftzone 32 ist eine
Gateelektrode 34 vorhanden, die durch ein Gatedielektrikum 35 dielektrisch
gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert
ist.
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Der
in 4 ausschnittsweise dargestellte MOS-Transistor
ist als planarer Transistor realisiert, dessen Gateelektrode 34 oberhalb
der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers angeordnet
ist. Diese dargestellte Realisierungsmöglichkeit ist lediglich
als Beispiel zu verstehen. Es sei darauf hingewiesen, dass beliebige
weitere Transistorstrukturen, insbesondere Trenchstrukturen, bei
denen die Gateelektrode in einem Graben und in lateraler Richtung
des Halbleiterkörpers benachbart zu der Bodyzone angeordnet
ist, im Zusammenhang mit der kapazitiven Struktur verwendet werden
können.
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Der
Graben 103 mit der darin angeordneten kapazitiven Struktur
erstreckt sich in dem dargestellten Beispiel durch die zweite Halbleiterschicht 106 bis
an die erste Halbleiterschicht 105. In nicht näher dargestellter
Weise besteht auch die Möglichkeit, dass sich der Graben
mit der kapazitiven Struktur bis in die erste Halbleiterschicht 105 hineinerstreckt
oder in der zweiten Halbleiterschicht 106 noch oberhalb der
ersten Halbleiterschicht 105 endet. Die kapazitive Struktur
mit den Siliziumkörnern 11, 12 und die
Siliziumkörner gegeneinander isolierenden Dielektrikumsschichten 21, 22 ist
mittels einer Dielektrikumsschicht 104, die zu Beginn des
Herstellungsverfahrens der kapazitiven Struktur im Bereich der Grabenoberflächen
hergestellt wurde, dielektrisch gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert.
Die Dielektrikumsschicht kann insbesondere aus einem sogenannten high-k-Material
mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von größer
als 30 bestehen. Die kapazitive Struktur ist bei dem dargestellten
MOS-Transistor, der als vertikaler Transistor realisiert ist, in
einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 100 benachbart zu
der Driftzone 32 angeordnet.
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Die
kapazitive Struktur funktioniert bei dem dargestellten Bauelement
als kapazitiver Spannungsteiler, der parallel zu der Driftzone 32 geschaltet
ist. Während des Betriebs des Bauelements liegt über
diesem Spannungsteiler beispielsweise die zwischen Drain und Source
D, S des MOS-Transistors anliegende Laststreckenspannung an. Um
die kapazitive Struktur an einem der Drainzone 31 abgewandten
Ende an Sourcepotential anzuschließen, ist eine Anschlusselektrode 41 vorhanden,
die an die Sourceelektrode 36 angeschlossen werden kann,
was in 4 gestrichelt dargestellt ist. Alternativ besteht auch
die Möglichkeit, diese Anschlusselektrode 41 an
die Gateelektrode 34 anstelle der Sourceelektrode 36 anzuschließen.
Bei dieser Variante liegt über der kapazitiven Struktur
dann die Gate-Drain-Spannung des MOS-Transistors an.
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Die
dargestellte kapazitive Struktur bewirkt bei sperrend angesteuertem
Bauelement eine teilweise Kompensation der in der Driftzone 32 vorhandenen
Dotierstoffladung, wie nachfolgend anhand des in 4 dargestellten
MOS-Transistors erläutert wird. Dieser MOS-Transistor ist
als n-leitender MOSFET realisiert, dessen Drainzone 31,
Driftzone 32 und Sourcezone 34 n-dotiert sind
und dessen Bodyzone 33 p-dotiert ist. Dieser MOS-Transistor
sperrt bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen Drain und Source
D, S, wenn an der Gateelektrode 34 kein zur Ausbildung
eines Inversionskanals in der Bodyzone 33 geeignetes Ansteuerpotential
anliegt. Ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der Bodyzone 33 und
der Driftzone 32 bildet sich hierbei eine Raumladungszone
in der Driftzone 32 in Richtung der Drainzone 31 aus.
Das elektrische Potential in der Driftzone 32 nimmt dadurch
ausgehend von dem pn-Übergang in Richtung der Drainzone 31 zu.
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Bei
anliegender Sperrspannung stellen sich unterschiedliche elektrische
Potentiale der einzelnen Kapazitäten der in dem Graben 103 angeordneten kapazitiven
Struktur ein, wobei die elektrischen Potentiale dieser Kapazitäten
in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers in Richtung
der Drainzone 31 zunehmen. Bedingt durch die kapazitive
Kopplung einzelner Kapazitäten der in dem Graben angeordneten kapazitiven
Struktur an die Driftzone 32 bewirken diese Kapazitäten
im Sperrfall eine teilweise Kompensation der in der Driftzone 32 bei
sich ausbreitender Raumladungszone vorhandenen positiven Donatorrümpfe.
Die kapazitive Struktur im Graben bildet hierbei einen kapazitiven
Spannungsteiler, welcher das Potential der benachbarten Driftzone 32 im
Halbleiter maßgeblich beeinflusst und einen Verlauf des
elektrischen Potentials in der Driftzone 32 so einstellt,
dass in der Driftzone 31 ähnliche Werte für
das elektrische Potential vorhanden sind, wie auf gleicher vertikaler Höhe
in der kapazitiven Struktur im Graben. Diese Kompensation der in
der Driftzone 32 vorhandenen Dotierstoffladung ermöglicht
bei gleicher Dotierungskonzentration in der Driftzone 32 und
damit bei gleichem Einschaltwiderstand eine höhere Spannungsfestigkeit
des Bauelements bzw. ermöglicht bei einer gegebenen Spannungsfestigkeit
eine höhere Dotierung der Driftzone und damit einen geringeren
Einschaltwiderstand.
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Während
des Herstellungsverfahrens der in 4 dargestellten
kapazitiven Struktur kann nach Durchführen der anhand der 1 und 2 erläuterten Verfahrensschritte
ein Hohlraum verblieben, der mit einem elektrisch leitenden Material 42,
beispielsweise leitendem Polysilizium, verfüllt werden
kann, welches durch die Anschlusselektrode 41 kontaktiert
ist. Anstelle des elektrisch leitenden Materials 42 kann ein
solcher Hohlraum auch durch ein dielektrisches Material oder ein
semiisolierendes Material verfüllt werden. Selbstverständlich
besteht auch die Möglichkeit, einen solchen Hohlraum, der
beispielsweise so klein ist, dass er durch Herstellen einer HSG-Schicht
nicht mehr verfüllt werden kann, durch Herstellen einer
weiteren kapazitiven Struktur zu "Verfüllen". Eine solche
kapazitive Struktur kann beispielsweise durch abwechselndes Abscheiden
eines leitenden Materials, beispielsweise dotiertes Polysilizium,
und einer Dielektrikumsschicht hergestellt werden. Alternativ besteht
die Möglichkeit, jeweils nach Abscheiden eines elektrisch
leitenden Materials dieses elektrisch leitende Material oberflächennah
zu oxidieren, bevor eine weitere Schicht elektrisch leitenden Materials
in den Hohlraum eingebracht wird. Eine derart hergestellte weitere
kapazitive Struktur ist in 4 gestrichelt
dargestellt.
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Ein
mögliches Problem bei der Verwendung der zuvor erläuterten
kapazitiven Struktur können Leckströme durch die
einzelnen, die Siliziumkörner voneinander dielektrisch
isolierenden Dielektrikumsschichten sein. Bei fehlerfrei hergestellten
Dielektrikumsschichten mit einer Dicke von beispielsweise etwa 5...10
nm sind diese Leckströme sehr gering, da die Isolationswiderstände
geeigneter Dielektra (beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid,
Aluminiumoxid oder Hafniumoxid) sehr hoch sind. Wenn, beispielsweise
bedingt durch eine nicht gleichmäßige Dicke der
Dielektrikumsschichten, die Isolati onswiderstände der Dielektrikumsschichten
abschnittsweise geringer sind, können sich lokal größere
Leckströme einstellen, was bei einer länger anliegenden Sperrspannung
zu einer Akkumulation von Ladungsträgern in einzelnen Siliziumkörnern
und dadurch zu einem "Driften" der Potentiale führen kann.
Dies kann zu einer unerwünschten Potentialverteilung in
der kapazitiven Struktur führen, die wiederum zu einem
verschlechtertren Sperrverhalten des Bauelements führen
kann. Eine solche fehlerhafte Potentialverteilung kann außerdem
zu einer höheren Spannungsbelastung des die Driftzone 32 gegenüber
der kapazitiven Struktur isolierenden Dielektrikumsschicht 104 bzw. zu
einer höheren Spannungsbelastung der in der kapazitiven
Struktur vorhandenen Dielektrikumsschichten führen, was
im Extremfall zu einer Beschädigung des Bauelements führen
kann.
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen,
die die einzelnen Siliziumkörner voneinander trennenden
Dielektrikumsschichten der kapazitiven Struktur ganz oder teilweise
durch eine semileitende Schicht, wie beispielsweise semileitendes
Polysilizium (SIPOS) zu ersetzen. Die Leitfähigkeit solcher
semiisolierender Schichten kann über deren Abscheidebedingungen
und deren Dotierung eingestellt werden und ist so gewählt,
dass sie deutlich höher ist als bei reinen Isolatoren,
dass sie jedoch niedrig genug ist, um einen gewünschten
Leckstrom im Sperrbetrieb des Bauteils zu gewährleisten. Ein
solcher Leckstrom verhindert eine Ladungsträgerakkumulation
in einzelnen Kondensatoren der kapazitiven Struktur und damit ein
Driften des elektrischen Potentials. Die Leitfähigkeit
der semiisolierenden bzw. semileitenden Schicht sollte insbesondere so
eingestellt werden, dass die effektive Kapazität der kapazitiven
Struktur deutlich höher ist als die vertikale Kapazität
des benachbarten Siliziums, d. h. bezogen auf die Beispiele, höher
als die Kapazität der Driftzone 31 in vertikaler
Richtung des Halbleiterkörpers. Die Herstellung solcher
semileitender Schichten kann durch dieselben Verfahrensschritte
erfolgen, die zuvor für die Her stellung der Dielektrikumsschichten
erläutert wurden, d. h. durch Abscheiden nach Herstellen
der getrennten Siliziumkörner und/oder durch Herstellen
gegen Ende des Keimwachstums.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass eine solche semiisolierende Schicht
auch als Trennschicht zwischen der kapazitiven Struktur und der
Driftzone 31 geeignet ist.
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Die
Verwendung der zuvor erläuterten kapazitiven Struktur ist
auf beliebige Leistungsbauelemente mit einer eine Sperrspannung
aufnehmenden Driftzone anwendbar. Diese kapazitive Struktur eignet
sich insbesondere auch für einen IGBT, der sich von dem
in 4 dargestellten MOSFET dadurch unterscheidet,
dass dessen Drainzone 31 komplementär zu der Driftzone 32 dotiert
ist, was in 4 durch die Dotierungsangabe
in Klammern dargestellt ist. Die kapazitive Struktur eignet sich
auch zur Anwendung in einem p-Kanal-MOSFET, dessen Bauelementzonen
komplementär zu den in 4 dargestellten
Bauelementzonen dotiert sind.
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5 zeigt
ausschnittsweise im Querschnitt eine Leistungsdiode mit einer in
einem Halbleiterkörper 100 angeordneten Driftzone 52,
an die sich in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 100 eine bereits
zuvor erläuterte kapazitive Struktur anschließt.
Die Leistungsdiode weist im Bereich einer Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers eine komplementär zu der Driftzone 52 dotierte
Bauelementzone 53 auf, die in dem dargestellten Beispiel
p-dotiert ist und die eine Anodenzone der Leistungsdiode bildet. Diese
Bauelementzone ist durch eine Anschlusselektrode 54 kontaktiert,
die einen Anodenanschluss A der Leistungsdiode bildet. Diese Anschlusselektrode 54 und
eine die kapazitive Struktur kontaktierende Anschlusselektrode 41 können
insbesondere als gemeinsame Elektrodenschicht realisiert sein. An
die Driftzone 52 schließt sich in vertikaler Richtung
des Halbleiterkörpers an einer der Anodenzone 53 abgewandten
Seite eine Anschlusszone 51 des gleichen Leitungstyps wie
die Driftzone 52 an, die ei ne Kathodenzone bildet und die
durch eine Kathodenelektrode 55, die einen Kathodenanschluss
K bildet, kontaktiert ist. Diese Anschlusszone 51 ist beispielsweise durch
ein Halbleitersubstrat 105 realisiert, auf welches eine
Epitaxieschicht 106 aufgebracht ist, in der die Driftzone 52 und
die Anodenzone 53 realisiert sind. Die Anodenzone 53,
die Kathodenzone 51 und die Driftzone 52 der Leistungsdiode
werden auch als p-Emitter, n-Emitter und n-Basis bezeichnet.
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Die
dargestellte Leistungsdiode sperrt bei Anlegen einer positiven Spannung
zwischen der Kathode und der Anode K, A, wodurch sich ausgehend von
dem pn-Übergang zwischen dem p-Emitter 53 und
der n-Basis 52 eine Raumladungszone in Richtung des n-Emitters
ausbreitet. Das Verhalten der Leistungsdiode mit der benachbart
zu der n-Basis 52 angeordneten kapazitiven Struktur entspricht
im Sperrfall dem Verhalten des zuvor erläuterten MOS-Transistors
im Sperrfall, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet
werden kann.
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6 zeigt
ausschnittsweise im Querschnitt eine Leistungs-Schottky-Diode mit
einer benachbart zu einer Driftzone bzw. n-Basis 52 angeordneten
kapazitiven Struktur. Diese Schottky-Diode unterscheidet sich von
der zuvor erläuterten Leistungsdiode im Wesentlichen dadurch,
dass kein p-Emitter vorhanden ist, sondern dass die n-Basis 52 unmittelbar durch
eine Anschlusselektrode 56 kontaktiert ist, wobei diese
Anschlusselektrode 56 einen Schottky-Übergang
zu der n-Basis 52 bildet. Die Anschlusselektrode 56 besteht
hierbei aus einem für die Bildung eines solchen Schottky-Übergangs
geeigneten Materials.
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Das
zuvor erläuterte Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven
Struktur in einem Graben eines Halbleiterkörpers lässt
sich in nachfolgend erläuterter Weise für die
Herstellung einer in einem Graben angeordneten Varistorstruktur
abwandeln. Diese Varistorstruktur weist Bezug nehmend auf 7A eine
Anzahl in dem Graben angeordneter Siliziumkörner 60 auf,
die eine Grunddotierung eines ersten Leitungstyps aufweisen und
die in oberflächennahen Bereichen, zumindest in solchen
Bereichen, in denen benachbarte Siliziumkörner aneinandergrenzen,
eine komplementäre Dotierung besitzen. 7B zeigt vergrößert
ein solches Siliziumkorn 60, das einen grunddotierten Bereich 61 und
im oberflächennahen Bereich komplementär dotierte
Zonen 62 aufweist.
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Die
Herstellung einer solchen Varistorstruktur kann durch mehrmaliges
Herstellen einer Siliziumkörner enthaltenden Schicht und
anschließendes Trennen der Siliziumkörner unter
Verwendung der bereits erläuterten Verfahrensschritte erfolgen.
Zur Herstellung der einzelnen Siliziumkörner enthaltenden
Schichten sind die Abscheideparameter, insbesondere die Temperatur
und die verwendeten Prozessgase, beispielsweise so gewählt,
dass amorphe Schichten entstehen und dass kein epitaktisches, monokristallines
Silizium-Wachstum auf bereits abgeschiedenen Silizium-Körnern
einsetzt. So werden bei Temperaturen unterhalb etwa 600°C
amorphe Halbleiterschichten erzeugt, während oberhalb etwa 750°C
poly- oder monokristalline Schichten hergestellt werden können.
Die kristalline Struktur hängt dabei stark vom Druck im
Reaktor sowie der Gaszusammensetzung (z. B. Silan, Chlorsilane,
Wasserstoff, Chlorwasserstoff, Lachgas, Sauerstoff, Dotiergase wie
Phosphin, Arsin, Diboran) ab, besonders im Übergangsbereich
von 600°C...750°C. Nach Abschluss dieses Verfahrens
ist der Graben 103 mit einzelnen Siliziumkörnern
aufgefüllt. Zur Herstellung der oberflächennahen
komplementär dotierten Zonen 62 können
Dotierstoffatome, beispielsweise ausgehend von der Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers in die kornförmige Struktur
eindiffundiert werden. Als Dotierstoffmaterial eignet sich insbesondere
ein Dotierstoffmaterial, das entlang von Korngrenzen rasch, in monokristallinem
Silizium jedoch langsam diffundiert. Hierdurch wird erreicht, dass
das Dotierstoffmaterial rasch in vertikaler Richtung zwischen den
einzelnen Körner diffundiert, um dadurch deren oberflächennahe
Bereiche zu dotieren, eine vollständige Umdotierung ein zelner
Siliziumkörner wird hierdurch jedoch verhindert. Geeignete
Dotierstoffmaterialien für die Herstellung p-dotierter
oberflächennaher Bereiche sind beispielsweise Arsen, Antimon
(Sb), Bismut (Bi). Für die Herstellung n-dotierter oberflächennaher Bereiche
eignet sich beispielsweise Bor (B), Indium (In), Thallium (Tl).
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Eine
solche Varistorstruktur kann anstelle der zuvor erläuterten
kapazitiven Struktur benachbart zur Driftzone von Leistungsbauelementen
angeordnet werden. In nicht näher dargestellter Weise können
hierzu die in den 4 bis 6 dargestellten kapazitiven
Strukturen entsprechend durch die in 7A dargestellte
Varistorstruktur ersetzt werden. Die Varistorstruktur kann hierbei
durch eine Dielektrikumsschicht gegen die Driftzone isoliert sein,
und sich unmittelbar an die Drainzone bzw. n-Emitterzone anschließen.
Im Bereich der Vorderseite wird die Varistorstruktur entsprechend
der kapazitiven Struktur durch eine Anschlusselektrode angeschlossen.
Die Funktion der Varistorstruktur entspricht der Funktion der kapazitiven
Struktur bei sperrendem Bauelement. Bei anliegender Sperrspannung
nehmen die einzelnen Siliziumkörner der Varsitorstruktur
unterschiedliche elektrische Potentiale an, die in der Richtung,
in der bei sperrendem Bauelement das elektrische Potential in der
Driftzone zunimmt, ebenfalls zunehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4903189 [0002]
- - US 4941026 [0002]
- - US 6555873 B2 [0002]
- - US 6717230 B2 [0002]
- - US 6853033 B2 [0002]
- - DE 10339455 A1 [0005]
- - DE 10339488 A1 [0005]
- - US 6677641 [0005]
- - DE 102004007197 A1 [0006]
- - DE 102004044619 [0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - "Chemical
Wafer Deposition (CVD) für zukünftige Technologien
in einem Cluster-Tool", Shaker Verlag, Aachen, 2002, Seiten 71 bis
74 [0021]