DE10229146A1

DE10229146A1 - Laterales Superjunction-Halbleiterbauteil

Info

Publication number: DE10229146A1
Application number: DE10229146A
Authority: DE
Inventors: Daniel M Kinzer; Srikant Sridevan
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2003-01-09
Also published as: US6787872B2; US20020195627A1; JP2003115588A; JP4669191B2

Abstract

Ein lateral leitendes Superjunction-Halbleiterbauteil weist eine Vielzahl von mit Abstand voneinander angeordneten vertikalen Gräben (20-23) in einer Grenzschichten aufnehmenden Schicht aus P·-·-Silizium auf. Eine N·-·-Diffusion kleidet die Wände des Grabens aus und die Konzentration und Dichte der N·-·-Diffusion und der P·-·-Strukturen sind so ausgebildet, daß sie bei Sperrspannungsbetrieb vollständig verarmen. Eine MOS-Gatestruktur ist an einem Ende der Gräben angeschlossen und ein Drainbereich ist an deren anderem Ende angeschlossen. Eine weitere N·-·-Schicht oder eine Isolieroxidschicht kann zwischen einem P·-·-Substrat und der die P·-·-Grenzschicht aufnehmenden Schicht eingefügt sein.

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauteile und bezieht sich insbesondere auf ein neuartiges mit lateraler Leitung arbeitendes Superjunction-MOSFET-Bauteil.

Hintergrund der Erfindung

MOSFET-Superjunction-Bauteile sind gut bekannt und sind in den US-Patenten 4754310 und 5216275 sowie in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Simulated Superior Performance of Semiconductor Superjunction Devices" von Fujihara und Miyaska in the Proceedings of 1998 International Symposium on Semiconductor Devices & ICs, Seiten 423 bis 426 beschrieben. Derartige Superjunction-Bauteile erfordern tiefe Gräben oder aufeinanderfolgend abgeschiedene und diffundierte P- und N-Epitaxial-Siliziumschichten. Weiterhin sind die Betriebseigenschaften von bekannten Superjunction-Bauteilen nicht optimiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein lateral leitendes Superjunction- Halbleiterbauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, das optimiert ist und flachere Gräben erfordert.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung wird ein leicht leitendes P^---Substrat bereitgestellt, und eine N^--Epitaxialschicht und nachfolgend eine P^--Epitaxialschicht werden auf dem P^---Substrat aufgewachsen. In lateraler Richtung langgestreckte und mit Abstand voneinander angeordnete Gräben werden von der Oberseite des P^--Epitaxialbereiches aus ausgebildet und erstrecken sich nach unten und geringfügig in das N^--Substrat. Die Gräben definieren P^--Mesastrukturen zwischen sich. Eine N^--Diffusionsauskleidung wird dann in die Wände und den Boden der Gräben eindiffundiert. Die Gräben werden dann mit Siliziumdioxid-Isoliermaterial gefüllt. Die N^--Diffusionsauskleidung weist eine Resurf-Konzentration von 1E12 Ionen pro cm² über den vollen freiliegenden N^--Grabenbereich auf. Die P^--Säulen weisen eine Konzentration von 2E12 Ionen/cm² auf.
Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die P^--Epitaxialschicht auf einem SOI- (Silizium auf Isolator-) Substrat gebildet werden.
Die neuartige Struktur der Erfindung ergibt eine Anzahl von Vorteilen gegenüber bekannten Bauteilen:

1. Es ist ein flacherer Graben erforderlich, um das Bauteil herzustellen. So kann ein Graben mit einer Tiefe von 15 Mikrometern anstelle eines bekannten Grabens mit einer Tiefe von 35 Mikrometern für ein 600-Volt-Bauteil verwendet werden.
2. Es kann eine dichtere Struktur hergestellt werden, wobei eine Teilung von einem Mikrometer verwendet wird. Weil die Teilung proportional zum Einschaltwiderstand R_DSON ist, ist die Verringerung der Teilung sehr wünschenswert.
3. Weil das Bauteil ein Bauteil mit lateraler Leitung ist, hat es eine verringerte Gate-Ladung Q_g, was für viele Anwendungen wesentlich ist.
4. Die neuartige Struktur der Erfindung eignet sich als solche für die Integration von mehrfachen Bauteilen in einem gemeinsamen Halbleiterplättchen, und es kann beispielsweise eine Brückenschaltung in ein einziges Halbleiterplättchen integriert werden.
5. Das Bauteil kann als spannungsseitiger Schalter wirken, wenn die N^---Schicht so ausgelegt ist, daß sie die Speisespannung zwischen Source und Substrat verträgt. Hochspannungsseitige Bauteile, niederspannungsseitige Bauteile und Steuerschaltungen können dann in das gleiche Silizium integriert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen kleinen Abschnitt des aktiven Bereiches einer Halbleiterscheibe nach dem Ätzen der Gräben in der Halbleiterscheibe in einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Querschnitt des Bereiches nach Fig. 1 nach der Bildung einer N^--Implantation in den Grabenwänden und dem Boden.
Fig. 3 ist ein Querschnitt nach Fig. 2, nachdem die Nuten mit Oxid gefüllt wurden.
Fig. 4 ist ein Querschnitt ähnlich dem nach Fig. 3 nach der Abscheidung von Oxid über der gesamten oberen Oberfläche des aktiven Bereiches sowie ein Querschnitt nach Fig. 5 entlang der Schnittlinie 4-4 in Fig. 5.
Fig. 5 ist ein Querschnitt der Fig. 4 entlang der Schnittlinie 5-5 in Fig. 4.
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf die Halbleiterscheibe nach den Fig. 4 und 5, wobei die Hauptelektrode für eine Vielzahl von Bauteilen gezeigt ist, die in ein gemeinsames Halbleiterplättchen integriert sind.
Fig. 7 und Fig. 8 sind ähnlich zu den Fig. 4 bzw. 5.
Fig. 9 und 10 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die die Zwischen-Epitaxialschicht vom N^--Typ nach den Fig. 7 und 8 beseitigt.
Fig. 11 und 12 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Oxid-Isolierschicht anstelle der Epitaxialschicht vom N^--Typ nach den Fig. 7 und 8 verwendet wird.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Zunächst wird auf die Fig. 1 Bezug genommen, in der ein kleiner Abschnitt des aktiven Bereiches einer Halbleiterscheibe 10 aus Silizium gezeigt ist, die gemäß der Erfindung zu verarbeiten ist. Die Halbleiterscheibe 10 kann einen sehr leicht dotierten P^---Hauptkörper 11 aus einem Schmelzzonen-Material haben. Eine sehr leicht dotierte Epitaxialschicht aus N^---Silizium 12 wird auf die Schicht 11 aufgewachsen. Ein P^--Bereich 13 wird als nächstes epitaxial über dem N^---Bereich 12 aufgewachsen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung und für ein 600-Volt-Bauteil kann der P^--Bereich 11 eine Konzentration von ungefähr 2E14 von Fremdatomen irgendeines gewünschten P-Typs haben. Der N^---Bereich 12 kann eine Konzentration haben, die einer Dosis von 1E12 einer geeigneten Fremdatom-Spezies entspricht, wodurch eine Resurf-Dosis gebildet wird. Der P^--Bereich 13 weist eine Konzentration entsprechend einer doppelten Resurf-Dosis von 2E12 aus Fremdatomen eines geeigneten P-Typs auf.
Wie dies weiterhin in Fig. 1 gezeigt ist, wird eine Vielzahl von parallelen, in Lateralrichtung langgestreckten Gräben 20-23 durch den P^--Bereich 13 und in die Oberseite des N-Bereiches 12 hinein gebildet. Die Gräben können irgendeine Länge in Abhängigkeit von der gewünschten Durchbruchspannung des Bauteils haben, und für ein 600-Volt-Bauteil können sie ungefähr 40 Mikrometer lang sein. Die Mesa-Breite, d. h. der Abstand zwischen Gräben, kann ungefähr 1,0 Mikrometer betragen, und die Gräben können ungefähr 5 Mikrometer tief und ungefähr 0,5 Mikrometer breit sein. Die Gräben erstrecken sich vorzugsweise in den N^--Bereich 12 über ungefähr 0,15 Mikrometer. Um die erwünschte Resurf-Dosis für die die vorstehend genannten Abmessungen aufweisende Mesa-Struktur zu erzielen, sollte eine P^--Konzentration von 2E16 Ionen/cm³ verwendet werden.
Nach der Ausbildung der Gräben 20-23 empfangen gemäß Fig. 2 die Wände der Gräben eine N^--Diffusion 30, die eine Resurf-Diffusion mit einer äquivalenten Dosis von 1E12/cm² entlang der Böden der Gräben hervorruft. Damit die Struktur einwandfrei arbeitet, sollte die Tiefe der P^--Diffusion 30 und die Tiefe des Grabens nahe beieinanderliegen, und unterhalb des Grabens sollte die P-Konzentration auf ein Ausmaß abfallen, das erforderlich ist, um 600 Volt (die BV-Spannung) in dem Hauptkörper zu unterstützen, was ungefähr 2E14 Ionen/cm³ ist. Eine Möglichkeit, dies zu erzielen, besteht darin, die Konzentration der P-Abscheidung in den Mesa- Bereichen durch Diffusion von den Seitenwänden aus zu kontrollieren. Die Dotierung könnte auch durch Diffusion von einem dotierten Film oder durch Bombardieren mit einem dotierten Plasma erzielt werden.
Wie dies als nächsten in Fig. 3 gezeigt ist, füllt ein geeignetes Dielektrikum, beispielsweise Siliziumdioxid 35, die Gräben durch thermisches Aufwachsen oder durch Abscheidung.
Wie dies als nächstes in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, wird eine MOS- Gatestruktur gebildet (in irgendeiner gewünschten Folge), und die Source- und Drain-Elektroden werden ebenfalls gebildet. Im einzelnen kann die MOS- Gatestruktur einen üblichen P^--Bereich 40 einschließen, der eine N⁺-Source 41 enthält. Weiterhin kann eine P⁺-Diffusion unter dem Sourcebereich liegen. Der Mittelbereich der Source-Basis-Struktur erhält eine flache Ätzung, die später von der Source-Elektrode 43 gefüllt wird. Ein übliches Gateoxid 44 bedeckt den lateralen invertierbaren Kanal zwischen der Source 41 und dem leicht dotierten Teil der Basisbereiche 40, und eine leitende Polysilizium-Gate-Elektrode 50 liegt über dem Gateoxid. Eine Isolierschicht 51, beispielsweise aus Niedrigtemperaturoxid, isoliert die Gate-Elektrode 50 von dem Source-Metall 43.
Wie die als nächstes in Fig. 5 gezeigt ist, erstreckt sich ein N⁺-Senkenbereich 60 von der Oberseite des P^--Bereichs 13 zu der N^--Diffusion 30 und dem N^--Bereich 12. Die Oberseite von Bereichen von Mesa-Strukturen 13 nimmt ein Feldoxid 61 (Fig. 4 und 5) auf, das eine durchgehende Öffnung zur Aufnahme eines Drainkontaktes 62 aufweist, der mit dem N⁺-Senkenbereich 60 in Kontakt steht.
Fig. 6 zeigt eine Topologie, die für die Struktur nach den Fig. 4 und 5 verwendet werden kann, wobei eine Vielzahl von getrennten, sich jedoch wiederholenden Elementen gebildet werden, wobei jeweils benachbarte Source- und Drainbereiche S₁ bis S₄ und D₁, D₂ die gleichen Strukturen aufweisen, wie sie in Fig. 4 und 5 gezeigt sind. Die Sourcebereiche S₁ bis S₄ können für getrennte integrierte Bauteile bestimmt sein, oder sie können alternativ miteinander verbunden sein, und in ähnlicher Weise können die Drainbereiche D₁, D₂ getrennt voneinander sein oder miteinander verbunden sein. Die Gate-Elektroden G₁ bis G₄ können ebenfalls benachbart zu den jeweiligen Sourcebereichen S₁ bis S₄ angeordnet, und sie sind mit ihren jeweiligen Gate-Elektroden, wie z. B. der Gate-Elektrode 50 verbunden.
Die Betriebsweise des Bauteils nach den Fig. 4 und 5 ist wie folgt: in der Sperrbetriebsweise und wenn die Source 43 und das Gate 50 gegenüber dem Substrat 12 geerdet sind und eine hohe relative Vorspannung an die Drain- Elektrode 62 angelegt ist, wird die Spannung in der lateralen Richtung vollständig in der Grabenstruktur abgefangen, und die P^--Bereiche 13 und die N^--Diffusionen 30 werden vollständig verarmt, was eine nahezu gleichförmige elektrische Feldverteilung entlang der Grabenlänge ermöglicht. Der Verarmungsbereich erstreckt sich nach unten in den N^---Bereich 12.
In dem Leitungsbetriebszustand und bei Anlegen einer Vorspannung an die Gate- Elektrode 50 und Erden der Source 43 gegenüber dem Substrat wird ein Kanal vom N-Typ zwischen den Sourcebereichen 41 und der Basis 40 gebildet. Das Anlegen einer Vorspannung an den Drainbereich 60 bewirkt das Fließen eines Stromes in dem Bauteil durch die nicht verarmten P^-- und N^--Bereiche 13 und 30.
Als nächstes wird auf die Fig. 7-11 Bezug genommen. Die neuartige Struktur nach den Fig. 4 und 5 ist in den Fig. 7 und 8 wiederholt, so daß sie leicht mit den beiden zusätzlichen Ausführungsformen nach den Fig. 9, 10 bzw. Fig. 11 und 12 verglichen werden kann. Die gleichen Bezugsziffern werden zur Identifikation gleicher Bauteile verwendet.
In den Fig. 9 und 10 ist eine verglichen mit der nach den Fig. 4, 5, 7 und 8 vereinfachte Anordnung gezeigt, bei der der N^---Bereich 12 nach den Fig. 7 und 8 fortgelassen ist. Somit sind die Source 41 und das Substrat 11 kurzgeschlossen, so daß das Bauteil keine Spannungsfestigkeit aufweist (was dessen Verwendung als spannungsseitiger Schalter verhindert). Das Bauteil nach den Fig. 9 und 10 widersteht jedoch einer Spannung zwischen dem Drainbereich 60 und der Source- Elektrode aufgrund des Resurf-Prinzips.
Als nächstes wird auf die Fig. 11 und 12 Bezug genommen. Hier wird eine Oxid- Isolierschicht 70 anstelle des N^---Bereiches 12 verwendet, und der aktive Bereich ist auf der Oberfläche der Schicht 70 gebildet. Somit kann das Bauteil im Gegensatz zu den Fig. 7 und 8 als spannungsseitiger Schalter verwendet werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, sind viele andere Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ersichtlich. Es wird daher bevorzugt, daß die Erfindung nicht durch die spezielle vorliegende Offenbarung sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche begrenzt ist.

Claims

1. Lateral leitendes Superjunction-Halbleiterbauteil mit:
einer monokristallinen Halbleiterscheibe, die ein Substrat (11) von einem Leitungstyp aufweist;
einer epitaxial abgeschiedenen, Gräben (20-23) aufnehmenden Schicht (13) des einen Leitungstyps, die oberhalb des Substrates angeordnet ist und eine obere Oberfläche aufweist;
einer Vielzahl von mit Abstand voneinander angeordneten, sich lateral erstreckenden Gräben (20-23), die in der die Gräben aufnehmenden Schicht gebildet ist;
einer Diffusion des anderen der Leitungstypen, die sich in die Wände der Gräben erstreckt und eine vorgegebene Tiefe und eine vorgegebene Konzentration aufweist;
wobei die Gräben zwischen sich Mesa-Strukturen mit einer vorgegebenen Breite und einer vorgegebenen Konzentration bilden;
einem Drainbereich (60) des anderen Leitungstyps, der sich in die die Gräben aufnehmende Schicht erstreckt und an einem Ende der Mesa-Strukturen angeordnet ist;
einer MOS-Gatestruktur, die einen Sourcebereich (41), einen Basisbereich (40) und eine Gate-Elektrode (50) einschließt, die am anderen Ende der Mesa- Strukturen angeordnet sind;
wobei die Dicke und Konzentration der Mesa-Strukturen und der Diffusionen so ausgewählt ist, daß eine vollständige Verarmung unter Sperrspannungsbedingungen hervorgerufen wird.

2. Bauteil nach Anspruch 1, das weiterhin Source-, Drain- und Gatekontakte einschließt, die auf der oberen Oberfläche angeordnet und mit dem Sourcebereich, der Gate-Elektrode bzw. den Drainbereichen verbunden ist.

3. Bauteil nach Anspruch 1, das einen weiteren Bereich des anderen Leitungstyps einschließt, der zwischen dem Substrat und der die Gräben aufnehmenden Schicht eingefügt ist, wobei der weitere Bereich leichter dotiert ist, als die Diffusion, und wobei sich die Diffusion in den weiteren Bereich entlang der Böden der Gräben erstreckt.

4. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem sich die Diffusion in das Substrat an den Böden der Gräben erstreckt.

5. Bauteil nach Anspruch 1, das weiterhin eine Isolierschicht (70) einschließt, die zwischen dem Substrat (11) und der die Gräben aufnehmenden Schicht eingefügt ist, wobei die obere Oberfläche der Isolierschicht koplanar mit den Böden der Gräben ist.

6. Bauteil nach Anspruch 1-5, das weiterhin ein dielektrisches Füllmaterial in jedem der Gräben einschließt.

7. Bauteil nach Anspruch 6, bei dem das Substrat ein Material aus einem leicht dotierten P-Typ ist, und bei dem die Diffusion und die Mesa-Strukturen Resurf- Konzentrationen haben.