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Dokumentenidentifikation DE10014660A1 11.10.2001
Titel Halbleiteranordnung
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Werner, Wolfgang, 81545 München, DE;
Hirler, Franz, 84424 Isen, DE
Vertreter Patentanwälte MÜLLER & HOFFMANN, 81667 München
DE-Anmeldedatum 24.03.2000
DE-Aktenzeichen 10014660
Offenlegungstag 11.10.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2001
IPC-Hauptklasse H01L 21/764
IPC-Nebenklasse H01L 29/06   H01L 29/78   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, bei der Elektroden (6) durch einen gasgefüllten oder evakuierten Hohlraum (7) isoliert sind.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit wenigstens zwei starren Elektroden, die elektrisch voneinander durch eine Isoliereinrichtung aus mindestens einer Isolier- bzw. Halteschicht und/oder einem pn-Übergang getrennt sind, und insbesondere eine Halbleiteranordnung mit einer zur Reduzierung des Einschaltwiderstandes der Halbleiteranordnung zwischen Bodygebieten eingeführten Trenchelektrode, die elektrisch mit einer aktiven Zone der Halbleiteranordnung verbunden und von einer Driftstrecke der Halbleiteranordnung durch die Isoliereinrichtung getrennt ist.

Unter "starren" Elektroden sollen solche Elektroden verstanden werden, wie sie üblicherweise in Halbleiteranordnungen verwendet werden und beispielsweise aus Metall, polykristallinem Silizium, usw. bestehen. Membranelektroden, wie sie in Druckaufnehmern oder auch Tintenstrahldruckern eingesetzt werden, sind dagegen keine starren Elektroden.

Unter Halbleiter sind alle üblichen halbleitenden Materialien, wie Silizium, Siliziumcarbid, AIIIBV usw. zu verstehen.

Bekanntlich gibt es Veröffentlichungen zu Hochvolt-DMOS-Transistoren für Spannungen über 200 V, bei denen durch Einführung einer Trench- bzw. Grabenelektrode zwischen Bodygebieten der Einschaltwiderstand um einen Faktor 2 . . . 3 reduziert ist. Durch die Trenchelektrode zwischen den Bodygebieten des Zellenfeldes von DMOS-Transistoren wird der bei großen Durchbruchspannungen über 200 V dominierende Epitaxieanteil am Widerstand der eine DMOS-Zelle bildenden DMOS-Transistoren entscheidend reduziert, so daß die angegebene Verringerung des Einschaltwiderstandes erreicht werden kann.

In einer solchen DMOS-Zelle ist das durch die Trenchelektroden zwischen den Bodygebieten gebildete Trenchsystem so aufgebaut, daß die Trenchelektroden mit Gate oder gegebenenfalls auch Source der DMOS-Transistoren verbunden und von der Driftstrecke dieser DMOS-Transistoren durch eine Isoliereinrichtung getrennt sind. Die Driftstrecke besteht gewöhnlich aus einer n-leitenden epitaktischen Siliziumschicht, in welche Trenches zwischen den Bodygebieten der Transistoren eingebracht sind. Diese Trenches sind mit Elektroden aus beispielsweise n+-leitendem polykristallinem Silizium in ihrem Kern und einem dieses polykristalline Silizium umgebenden Isoliereinrichtung aus beispielsweise Siliziumdioxid gefüllt. Für dieses Siliziumdioxid sind für auf etwa 600 V ausgelegte Transistoren Schichtdicken in der Größenordnung von 5 bis 10 µm erforderlich, was aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium und Siliziumdioxid zu Kristallfehlern führen kann.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß bei dieser eine weitere Erhöhung der Dotierung der Driftstrecke bei gleichbleibender Spannungsfestigkeit möglich ist und durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgerufene Probleme vermieden werden können, wobei diese Halbleiteranordnung mit geringem Aufwand herstellbar sein soll.

Diese Aufgabe wird bei einer Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Isoliereinrichtung zusätzlich wenigstens einen Hohlraum enthält. Der Hohlraum kann dabei beispielsweise mit Wasserstoff gasgefüllt oder aber auch evakuiert sein. Selbstverständlich sind auch andere Gasfüllungen möglich.

Die vorliegende Erfindung beschreitet damit einen vom bisherigen Stand der Technik vollkommen abweichenden Weg: anstelle von Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid als üblicher Isoliereinrichtung wird ein gasgefüllter oder evakuierter Hohlraum verwendet, welcher die Trenchelektrode umgibt. Ein solcher Hohlraum weist gegenüber üblichen Isolatoren ganz entscheidende und wesentliche Vorteile auf:

  • a) Die relative Dielektrizitätskonstante eines Hohlraumes (ε = 1) ist wesentlich niedriger als die relative Dielektrizitätskonstante von beispielsweise Siliziumdioxid (ε = 4). Dadurch ist das Verhältnis der Dielektrizitätskonstante von Silizium (ε = 12) zur Dielektrizitätskonstante des Hohlraumes um einen Faktor 4 größer als das Verhältnis der Dielektrizitätskonstante von Silizium zur Dielektrizitätskonstante von Siliziumdioxid. Aufgrund dieses wesentlich größeren Verhältnisses der Dielektrizitätskonstanten von Silizium und dem Hohlraum läßt sich in der Halbleiteranordnung, wie beispielsweise einem Hochvolt- DMOS-Transistor für Spannungen über 200 V, eine idealerweise nahezu konstante Feldstärke in der Driftstrecke aufbauen. Infolge dieser konstanten Feldstärke kann die Länge der Driftstrecke reduziert werden. Die verringerte Länge der Driftstrecke und die durch die Trenchelektrode erzielte Ladungs-Kompensationswirkung führen zu einer erheblichen Verminderung des Einschaltwiderstandes Ron.
  • b) Die Problematik von durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium und Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid bedingten Kristallfehlern wird vollständig vermieden.
  • c) Mittels der üblichen Möglichkeiten der Oberflächen-Mikromechanik lassen sich Hohlraum-Trenchstrukturen mit einer durch einen Hohlraum isolierten Trenchelektrode relativ einfach und ohne großen Aufwand realisieren.

Ein Hohlraum nutzt, wie noch weiter unten näher erläutert werden wird, in vorteilhafter Weise das Paschengesetz aus: nach diesem nimmt die Durchbruchspannung mit kleiner werdenden Abmessungen des Hohlraumes wieder zu, da bei diesen Abständen keine Stoßionisation mehr eintreten kann. So werden für Abmessungen in der Größenordnung von 1 µm Durchbruchspannungen von etwa 6 kV erreicht.

Die mechanische Festigkeit der Trenchelektrode in einem Hohlraum ist vollkommen unproblematisch: ein Balken aus polykristallinem Silizium mit einer Länge von beispielsweise 30 µm und einer Querschnittsfläche von 1 × 1 µm2 weist eine Resonanzfrequenz von etwa 1,5 MHz auf. Diese Frequenz liegt deutlich über der Frequenz von Schaltnetzteilen, die bis zu 100 kHz betragen kann. Eine Durchbiegung eines solchen Balkens um 1 µm erfordert am Ende des Balkens eine Biegekraft von etwa 1,5 µN. Die dabei auftretende Zugspannung beträgt aber lediglich etwa 10% der Bruchspannung des Balkens. Die resultierende elektrische Anziehungskraft zwischen der Trenchelektrode und dem diese über den Hohlraum umgebenden Halbleitergebiet, insbesondere einer n-leitenden epitaktischen Schicht, ist aufgrund des symmetrischen Aufbaues, bei dem das Halbleitergebiet die Trenchelektrode über deren gesamten Umfang umgibt, praktisch gleich Null. Erst bei beispielsweise durch Unsymmetrien im geometrischen Aufbau bedingten Spannungsdifferenzen von etwa 100 V zwischen der einen Seite und der anderen Seite der Trenchelektrode würde eine vergleichbare Kraft von 1,3 µN auftreten. Ein solcher unsymmetrischer Aufbau liegt aber in der Praxis nicht vor.

Zur Absättigung von Grenzflächenzuständen kann der Hohlraum an seinen Wänden mit einer dünnen Siliziumdioxidschicht ganz oder teilweise belegt sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Verlauf der Durchschlagsspannung UD (kV) in Abhängigkeit von der Abmessung rD (m) eines Hohlraumes,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine DMOS-Transistorzelle als einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Randabschluß einer Zellenanordnung, und

Fig. 4 einen Schnitt durch einen MOS-Transistor als einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt den Verlauf der Durchschlagsspannung UD eines Hohlraumes in Abhängigkeit von dessen Durchmesser rD bei einem Luftdruck p = 105 Pa. Wie aus der dargestellten Kurve für die Durchschlagsfeldstärke ED zu ersehen ist, nimmt die Durchbruchspannung UD unterhalb von Abmessungen von etwa 10 µm wieder zu und liegt bei Abmessungen von etwa 1 µm in der Größenordnung von 6 kV. Diese durch unterhalb von etwa 10 µm nicht mehr auftretende Stoßionisation bedingte Zunahme der Durchbruchspannung wird durch das bereits erwähnte Paschengesetz beschrieben.

Die vorliegende Erfindung nutzt nun in vorteilhafter Weise das Paschengesetz aus: als Isoliereinrichtung von Trenchelektroden wird ein Hohlraum verwendet. Eine solche Trenchelektrode bewirkt in dem sie umgebenden Halbleiterkörper eine Ladungskompensation, so daß in diesem die Dotierung höher gemacht werden kann, was wiederum zu einer Verringerung des Einschaltwiderstandes führt. Bei Bedarf können dabei selbstverständlich auch mehrere solche Hohlräume zur Anwendung gelangen.

Fig. 2 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einen schematischen Schnitt durch eine DMOS-Transistorzelle.

Auf einem n+-leitenden Siliziumsubstrat 1, das mit einer Drainelektrode D verbunden ist, befindet sich eine n- -leitende epitaktische Siliziumschicht 2, in welche eine p-leitende Bodyzone 3 und eine n+-leitende Sourcezone 4 eingebracht sind. Die Sourcezone 4 und die Bodyzone 3 sind mit einer Sourceelektrode S kontaktiert, während in einem nicht gezeigten Isolator oberhalb der Bodyzone 3 eine Gateelektrode G vorgesehen ist.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Bereich der Bodyzone 3 ein Trench 5 mit einer Trenchelektrode 6 angeordnet, welche mit der Sourceelektrode S verbunden ist. Die Trenchelektrode 6 ist von einem Hohlraum 7 als einer Isoliereinrichtung umgeben.

Zur Absättigung von Grenzflächenzuständen können die Wände des Hohlraumes 7 noch ganz oder teilweise mit einer dünnen Siliziumschicht 14 belegt sein.

Die Trenches 5 mit der Trenchelektrode 6 und dem Hohlraum 7 können auch außerhalb der Bodyzone 3 zwischen einzelnen Bodyzonen angeordnet sein.

Die Trenchelektroden 6 sind hier durch den pn-Übergang zwischen der Bodyzone 3 und der Siliziumschicht 2 elektrisch von letzterer getrennt.

Fig. 3 zeigt einen Randabschluß für eine erfindungsgemäße Halbleiteranordnung. Mit einem solchen Randabschluß läßt sich beispielsweise ein 600 V-Transistor mit hoher Dotierung der epitaktischen Schicht realisieren. Bei einer am linken Rand von Fig. 3 dargestellten Transistorzelle a, die lediglich die Bodyzone 3 hat, handelt es sich um eine inaktive Randzelle.

Als Randabschluß sind Trenches 5 eingebracht, in welchen die Trenchelektroden 6, durch einen Hohlraum 7 isoliert, gelegen sind. Da das polykristalline Silizium der Trenchelektroden 6 vorzugsweise mit dem Silizium der epitaktischen Schicht 2 in Kontakt steht, muß für den Randabschluß eine Auflagefläche des polykristallinen Siliziums durch einen pn-Übergang 8 isoliert werden. Das heißt, es wird ein p-leitendes Gebiet 9 im oberen Bereich des Trenches 5 des Randabschlusses angebracht.

Um ein Punchen durch ein Anstoßen der Raumladungszone an dem im mesaförmigen Gebiet der epitaktischen Siliziumschicht 2 angrenzenden "Balken" der Trenchelektrode aus polykristallinem Silizium zu verhindern, kann dieser "Balken" durch ein n+-dotiertes Gebiet 10 abgeschirmt werden. Die Durchbruchspannung des so gebildeten lateralen pn-Überganges 8 und damit die Spannung zwischen zwei benachbarten Trenches 5 kann über den Abstand zwischen dem p-leitenden Gebiet 9 und dem n+-leitenden Gebiet 10 eingestellt werden. Das n+-leitende Gebiet 10 kann auch in einem sich über dem ganzen mesaförmigen Bereich der n-leitenden Siliziumschicht 2 erstreckenden p-leitenden Gebiet eingebettet sein.

Durch die Reihenschaltung mehrerer pn-Dioden (vgl. den pn- Übergang 8) in den benachbarten mesaförmigen Gebieten wird so ein Spannungsteiler mit sehr kleinem Leckstrom realisiert, der für eine definierte Spannung an den "Balken" der Trenchelektroden aus polykristallinem Silizium in den Trenches 5 sorgt.

Es kann also eine Vielzahl einzelner Abschlußzellen b vorgesehen werden.

Die Breite der mesaförmigen Gebiete der epitaktischen Siliziumschicht 2 kann zum Chiprand hin zunehmen. Zunächst sollte die Breite aber ähnlich zu der Breite der Zellen selbst sein.

Gegebenenfalls ist es möglich, zwischen zwei Trenchelektroden des Randabschlusses ein definiertes Potential mittels eines externen Spannungsteilers zwischen Source S und Drain D zu legen. Ein solcher Spannungsteiler kann durch hochohmige Widerstände oder Zenerdioden realisiert werden. Diese hochohmigen Widerstände oder Zenerdioden können im polykristallinen Silizium der Halbleiteranordnung selbst realisiert werden.

Fig. 3 zeigt zusätzlich noch eine Feldoxidschicht 11, eine Borphosphorsilikatglasschicht 12 und Aluminium-Metallisierungen 13 für die Sourceelektrode S und die Trenchelektroden 6.

Fig. 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen MOS-Transistor mit einer n+-leitenden Sourcezone 4 und einer n+-leitenden Drainzone 15, die in einem p-leitenden Halbleitergebiet 16 liegen. Eine Gateelektrode G liegt an ihrem Umfang auf einer Siliziumdioxidschicht 17 als Isolier- und Halteschicht auf und ist durch einen Hohlraum 7, der evakuiert oder mit Gas gefüllt sein kann, vom Halbleitergebiet 16 getrennt. Auf dem Halbleitergebiet 16 kann sich noch eine dünne Siliziumdioxidschicht 14 zur Absättigung von Grenzflächenzuständen befinden. Außerdem ist noch eine Borphosphorsilikatglasschicht 12 gezeigt, in die die Gateelektrode G eingebettet ist.

Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung wurde oben anhand einer DMOS-Transistorzelle erläutert. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf eine DMOS-Transistorzelle beschränkt, sondern kann in vorteilhafter Weise auch auf andere Halbleiterbauelemente angewandt werden. Beispiele hierfür sind allgemein Gatedielektrika, Metallisolierungsdielektrika und sonstige Isolationen in MOS-Transistoren, IGBT-Zellen, Dioden usw.

Die in den obigen Ausführungsbeispielen angegebenen Leitungstypen können selbstverständlich jeweils auch umgekehrt werden. In diesem Fall ist also das Siliziumsubstrat 1 p+ -leitend, während das Bodygebiet 3 n-leitend ist. Bezugszeichenliste 1 n+-leitendes Siliziumsubstrat

2 n-leitende Siliziumschicht

3 Bodygebiet

4 Sourcezone

5 Trench

6 Trenchelektrode

7 Hohlraum

8 pn-Übergang

9 p-leitendes Gebiet

10 n+-leitendes Gebiet

11 Feldoxidschicht

12 Borphosphorsilikatglasschicht

13 Aluminium-Metallisierung

14 Siliziumdioxidschicht

15 Drainzone

16 p-leitendes Halbleitergebiet.

17 Siliziumdioxidschicht

a inaktive Randzelle

b Abschlußzelle


Anspruch[de]
  1. 1. Halbleiteranordnung mit wenigstens zwei starren Elektroden (6), die elektrisch voneinander durch eine Isoliereinrichtung aus mindestens einer Isolier- bzw. Halteschicht und/oder einem pn-Übergang getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliereinrichtung zusätzlich wenigstens einen Hohlraum (7) enthält.
  2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden (6) eine zur Reduzierung des Einschaltwiderstandes der Halbleiteranordnung zwischen Bodygebieten (3) eingeführte Trenchelektrode (6) ist, die elektrisch mit einer aktiven Zone (4) der Halbleiteranordnung verbunden und von einer Driftstrecke der Halbleiteranordnung durch den Hohlraum (7) getrennt ist.
  3. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Randabschluß die Trenchelektrode (6) mit ihrer Auflagefläche durch einen pn-Übergang (8) isoliert ist.
  4. 4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Randabschluß die Trenchelektrode (6) durch ein hochdotiertes Gebiet (10) des gleichen Leitungstyps wie die Driftstrecke abgeschirmt ist.
  5. 5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Randabschluß der Abstand zwischen Trenchelektroden (6) zum Rand hin größer wird.
  6. 6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenchelektroden (6) zwischen benachbarten Bodygebieten (3) liegen.
  7. 7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenchelektroden durch Bodygebiete (3) geführt sind.
  8. 8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Randabschluß eine Vielzahl von durch einen Hohlraum (7) isolierten Trenchelektroden (6) vorgesehen ist.
  9. 9. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (7) gasgefüllt oder evakuiert ist.
  10. 10. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (6) aus polykristallinem Silizium besteht.
  11. 11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (7) mit Wasserstoff gefüllt ist.
  12. 12. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (7) an seinen Wänden wenigstens teilweise mit einer dünnen Siliziumdioxidschicht (14) versehen ist.






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