Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf MOSFET-Transistoren und noch allgemeiner auf DMOS-Transistoren mit einer Grabenstruktur.

DMOS (doppeldiffundierte MOS)-Transistoren sind eine Art von MOSFET (Metal On Semiconductor Field Effect Transistor), die die Diffusion zur Bildung der Transistorbereiche nutzen. DMOS-Transistoren werden typischerweise als Leistungs-Transistoren zur Lieferung von Hochspannungs-Schaltkreisen für integrierte Leistungsschaltkreisanwendungen eingesetzt. DMOS-Transistoren liefern einen höheren Strom pro Flächeneinheit, wenn niedrige Durchlassspannungen benötigt werden.

Ein typischer diskreter DMOS-Schaltkreis weist zwei oder mehr einzelne DMOS-Transistorzellen auf, die parallel gefertigt werden. Die einzelnen DMOS-Transistorzellen teilen sich einen gemeinsamen Drain-Kontakt (das Substrat), während ihre Source-Kontakte alle mit Metall kurzgeschlossen sind, und ihre Gate-Kontakte durch Polysilizium kurzgeschlossen sind. Somit verhält sich der diskrete DMOS-Schaltkreis, obwohl er aus einer Matrix kleinerer Transistoren aufgebaut ist, so, als wäre er ein einzelner großer Transistor. Für einen diskreten DMOS-Schaltkreis ist es wünschenswert, die Leitfähigkeit pro Flächeneinheit zu maximieren, wenn die Transistormatrix durch das Gate eingeschaltet wird.

Ein spezieller Typ von DMOS-Transistor ist ein sogenannter Graben-DMOS-Transistor, bei dem der Kanal vertikal gebildet ist, und das Gate in einem sich zwischen Source und Drain erstreckenden Graben gebildet ist. Der Graben, der mit einer dünnen Oxidschicht ausgekleidet und mit Polysilizium gefüllt ist, erlaubt einen weniger eingeengten Stromfluss und liefert dadurch geringere Werte für den spezifischen Durchlasswiderstand. Beispiele für Graben-DMOS-Transistoren sind in den U.S. Patenten Nr. 5,072,266, 5,541,425 und 5,866,931 offenbart.

Die Zelldichte in einem konventionellen DMOS-Schaltkreis ist auf etwa 100 M/in² begrenzt. Diese Dichte entspricht einem Abstand von etwa 2,0 Mikrometern zwischen benachbarten Gräben. Diese Begrenzung wird dadurch bewirkt, dass die seitlichen Abmessungen der Source-Bereiche der DMOS-Transistoren groß genug sein müssen, um eine geeignete Diffusion von n-Typ-Ladungsträgern zu erlauben.

Entsprechend wäre es wünschenswert, einen Graben-DMOS-Schaltkreis zu schaffen, bei dem die Dichte der Transistorzellen durch Reduzierung der seitlichen Abmessungen der Source-Bereiche erhöht wird.

Die US-A-5,877,527 offenbart einen DMOS-Transistor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die vorliegende Erfindung gemäß den Ansprüchen liefert eine Graben-DMOS-Transistorzelle, mit einem Substrat von einem ersten Leitungstyp und einem Körperbereich auf dem Substrat, der einen zweiten Leitungstyp aufweist. Wenigstens ein Graben erstreckt sich durch den Körperbereich und das Substrat. Eine Isolierschicht kleidet den Graben aus, und eine leitfähige Elektrode ist in den Graben eingebracht und liegt über der Isolierschicht. Ein Source-Bereich von dem ersten Leitungstyp befindet sich in dem Körperbereich benachbart zu dem Graben. Der Source-Bereich weist eine erste Schicht und eine über der ersten Schicht angeordnete zweite Schicht auf. Die erste Schicht hat eine niedrigere Dotierkonzentration von dem ersten Leitungstyp relativ zur Dotierkonzentration der zweiten Schicht.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung erstreckt sich wenigstens ein Teil der ersten Schicht des Source-Bereichs und im wesentlichen nichts von der zweiten Schicht in eine Tiefe unterhalb einem oberen Flächenniveau der leitfähigen Elektrode.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Körperbereich einen Kontaktbereich auf, der stärker dotiert ist als ein darunter liegender Teil des Körperbereichs. Der Kontaktbereich liefert einen elektrischen Kontakt mit dem darunter liegenden Körperbereich.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die erste Schicht mit Phosphor dotiert, und die zweite Schicht ist mit Arsen dotiert.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die erste Schicht in einer Konzentration zwischen etwa 5 × 10¹⁷ und 5 × 10¹⁸ cm^-3 dotiert, und die zweite Schicht ist in einer Konzentration zwischen etwa 4 × 10¹⁹ und 8,0 × 10¹⁹ cm^-3 dotiert.

1 zeigt eine Draufsicht, die eine einzelne Zelle eines konventionellen Graben-DMOS-Transistors darstellt.

2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der in 1 gezeigten DMOS-Transistorzelle entlang Linie A-A'.

3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Graben-DMOS-Transistors.

4(a)-4(f) stellen eine Folge von Prozessschritten zur Bildung eines Graben-DMOS-Transistors dar.

1 zeigt eine Draufsicht einer einzelnen konventionellen Graben-DMOS-Transistorzelle 50. Wie man im Querschnitt von 2 sehen kann, wird die Transistorzelle 50 aus zwei einzelnen DMOS-Transistoren 20 und 22 gebildet, die sich benachbart zueinander befinden. In dieser speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die Transistorzelle 50 im Querschnitt von rechtwinkliger Form. Die Transistoren 20 und 22 sind auf einem n⁺-Substrat 100 gebildet, auf dem eine leicht n-dotierte epitaxiale Schicht 104 aufgewachsen ist. Für jeden in der dotierten epitaxialen Schicht 104 gebildeten Transistor ist ein Körperbereich 116 von entgegensetzter Leitfähigkeit vorgesehen. Der Körperbereich 116 weist ein stark dotierten Kontaktbereich 116a auf, der einen elektrischen Kontakt mit dem darunter liegenden Körperbereich für die darüber liegende Metallisierungsschicht liefert. Eine n-dotierte epitaxiale Schicht 140, die über dem meisten des Körperbereichs 116 liegt (außer dem Kontaktbereich 116a), dient als Source. Jeder Transistor weist auch einen rechtwinklig geformten Graben 124 in den epitaxialen Schichten auf, welcher an der oberen Fläche der Struktur offen ist und den Umfang der Transistorzelle definiert. Eine Gate-Oxidschicht 130 kleidet die Seitenwände des Grabens 124 aus. Der Graben 124 ist mit Polysilizium aufgefüllt, d.h. polykristallinem Silizium. Eine Drain-Elektrode ist mit der hinteren Fläche des Halbleiter-Substrats 100 verbunden, eine Source-Elektrode ist mit den beiden Source-Bereichen 140 und dem Körperbereich 116 verbunden, und eine Gate-Elektrode ist mit dem Polysilizium verbunden, das den Graben 124 auffüllt.

Wie angegeben hat der in 1 und 2 gezeigte MOSFET sein Gate in einem vertikal ausgerichteten Graben positioniert. Diese Struktur wird oft als vertikaler Graben-DMOSFET bezeichnet. Sie ist "vertikal", da der Drain-Kontakt auf der hinteren oder unteren Seite des Substrats erscheint, und da der Kanalstromfluss von Source zu Drain in etwa vertikal ist. Dies minimiert den höheren Widerstand, der mit gebogenen oder gekrümmten Wegen oder mit der störenden Feldeffekt-Struktur verbunden ist. Die Vorrichtung ist auch doppeldiffundiert (angegeben durch den ersten Buchstaben "D"), da der Source-Bereich in das epitaxiale Material auf einem Teil des vorher diffundierten Körperbereichs vom umgekehrten Leitfähigkeitstyp diffundiert ist. Diese Struktur verwendet den Seitenwandbereich des Grabens für die Stromsteuerung durch das Gate und hat damit zugeordnet einen im wesentlichen vertikalen Stromfluss. Wie oben erwähnt ist diese Anordnung insbesondere für die Verwendung als Leistungs-Schalttransistor geeignet, wobei der durch einen gegebenen Silizium-Querbereich geführte Strom zu maximieren ist.

Es sollte angemerkt werden, dass für die Grundfunktion des Transistors die Transistorzelle 50 keine rechtwinklige Form haben muss, sondern allgemeiner eine Polygonform haben kann. Jedoch sind eine regelmäßige rechtwinklige Form und eine regelmäßige Hexagonalform am vorteilhaftesten für Layoutzwecke. Alternativ kann die Transistorzelle anstatt einer geschlossenen Zellengeometrie wie in den Figuren dargestellt eine offene oder Streifengeometrie aufweisen. Beispiele von diversen Transistorzellengeometrien sind in den oben erwähnten Druckschriften gezeigt.

Wie oben erwähnt ist die Zelldichte in einem konventionellen DMOS-Schaltkreis auf etwa 100 M/in² begrenzt. Diese Begrenzung entsteht aus folgendem Grund. Während des Herstellungsprozesses wird das den Graben ausfüllende Polysilizium 124 geätzt, um seine Dicke zu optimieren und den Teil der Gate-Oxidschicht 130 freizulegen, der sich über die Oberfläche des Körpers 116 erstreckt. Es ist jedoch schwierig, eine Polysilizium-Schicht 124 zu erhalten, die über ihre Oberfläche gleichförmig dick ist, da sowohl der Polysilizium-Abscheideprozess als auch der Ätzprozess schwer genau zu steuern sind. Als Ergebnis, wie in 2 gezeigt, ist Oberfläche der den Graben ausfüllenden Polysilizium-Schicht 124 typischereise unter dem Oberflächenniveau der benachbarten Source-Bereiche 140. Es ist jedoch wichtig, dass die Source-Bereiche 140 das den Graben ausfüllende Polysilizium 124 vertikal überlappen, um sicherzustellen, dass ein ständiger leitfähiger Weg von Source nach Drain besteht. Das heißt, der Source-Bereich 140 sollte sich bis zu einer Tiefe unterhalb des Oberflächenniveaus des Polysiliziums 124 erstrecken. Um sicherzustellen, dass eine derartige Überlappung vorliegt, muss die Tiefe der Source-Bereiche 140 größer sein, als es sonst der Fall wäre, falls die Oberfläche der Polysilizium-Schicht auf dem gleichen Niveau wie die Oberfläche der Source-Bereiche 140 wäre. Da die Dicke der Source-Bereiche 140 erhöht werden muss, vergrößern sich ihre seitlichen Abmessungen ebenso um einen entsprechenden Betrag. Diese Zunahme der seitlichen Abmessungen entsteht, weil die n-Nyp-Dotiermittel in alle Richtungen diffundieren, und wenn die Dotiermittel in eine größere Tiefe diffundieren, diffundieren sie auch einen größeren Weg in seitlicher Richtung. Entsprechend ist die Dichte der Transistorzellen, die auf einem einzelnen Substrat hergestellt werden können, durch die seitlichen Abmessungen der Source-Bereiche 140 begrenzt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können die seitlichen Abmessungen der Source-Bereiche durch Vorsehen eines Source-Bereichs reduziert werden, der aus zwei Teilen mit unterschiedlichen Dotiermittelkonzentrationen besteht. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die eine schwach n-dotierte epitaxiale Schicht 204 auf einem stark n-dotierten Substrat aufweist. Der Graben-DMOS-Transistor weist einen p-dotierten Körperbereich 216 mit dem Kontaktbereich 216a, n-dotierte Source-Bereiche 240 und einen mit Polysilizium aufgefüllten Graben 224 auf, der mit einer Gate-Oxidschicht 230 ausgekleidet ist. Die Drain-, Source- und Gate-Elektroden sind in konventioneller Weise vorgesehen.

Wie man in 3 sieht, bestehen die Source-Bereiche 240 aus einer schwach n-dotierten Schicht 241, über der eine stark n-dotierte Schicht 243 gebildet ist. Beispielsweise ist in einer Ausführungsform der Erfindung die schwach dotierte Schicht 241 in einer Konzentration von etwa 1 × 10¹⁸ cm^-3 dotiert, und die stärker dotierte Schicht 243 ist in einer Konzentration von etwa 5 × 10¹⁹ cm^-3 dotiert. Die schwach n-dotierte Schicht 241 dient dazu, das den Graben ausfüllende Polysilizium 224 vertikal zu überlappen, so dass der Kanal einen durchgehenden leitfähigen Weg bildet, während die stark n-dotierte Schicht 243 als primäre Schicht dient, in der die Diffusion stattfindet. Da die effektive Dicke des Source-Bereichs, in dem die Diffusion stattfindet, jetzt relativ zur Dicke des Source-Bereichs in einem konventionellen Graben-DMOS-Transistor wie dem in 2 gezeigten reduziert ist, können die seitlichen Abmessungen der Source-Bereiche um einen entsprechenden Betrag reduziert werden. Beispielsweise ist gezeigt worden, dass die vorliegende Erfindung den Abstand zwischen benachbarten Gräben auf etwa 1,3 Mikrometer reduzieren kann, was einer Zelldichte of etwa 200 M Zellen/in² entspricht.

Zunächst könnte geschlossen werden, dass der Durchlasswiderstand des erfindungsgemäßen Graben-DMOS-Transistors größer ist als der eines konventionellen Graben-DMOS-Transistors. Jedoch stellt sich heraus, dass dies nicht der Fall ist, da die gesamte schwach n-dotierte Source-Schicht 241 in einem Akkumulationsmodus arbeitet, wenn das Bauelement eingeschaltet ist.

Der in 3 gezeigte erfindungsgemäße DMOS-Bauelement kann in einer konventionellen Prozesstechnik hergestellt werden. Während im folgenden eine Prozesstechnik beschrieben wird, sollte angemerkt werden „ dass die Herstellung der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Technik beschränkt ist, welche lediglich als Beispiel vorgestellt wird.

4(a)-4(f) zeigen eine Reihe beispielhafter Schritte, die durchgeführt werden, um das in 2 gezeigte DMOS-Bauelement zu bilden. In 4(a) ist eine N-dotierte epitaxiale Schicht 404 auf einem konventionellen N⁺-dotierten Substrat 400 aufgewachsen. Die epitaxiale Schicht 404 ist typischerweise 5,5 Mikrometer dick bei einem 30 V-Bauelement. Danach wird der P-Körperbereich 416 in einem Implantations- und Diffusionsschritt gebildet. Da das P-Körper-Implantat gleichförmig über dem Substrat ist, wird keine Maske benötigt. Die P-Körperbereiche sind aus Bor, implantiert bei 40 bis 60 KeV mit einer Dosierung von etwa 5,5 × 10¹³/cm³.

In 4(b) ist eine Maskenschicht durch Bedecken der Oberfläche der epitaxialen Schicht 404 mit einer Oxidschicht gebildet, welche dann konventionell freigelegt und strukturiert wird, wodurch Maskierungsteile 420 überbleiben. Die Maskierungsteile 420 werden zur Definition der Position der Gräben benutzt. Die Gräben 424 werden durch die Maskenöffnungen mit reaktivem Ionenätzen bis zu einer Tiefe, die typischerweise im Bereich von 1,5 bis 2,5 Mikrometer liegt, trockengeätzt.

In 4(c) sind die Seitenwände jedes Grabens geglättet. Zunächst kann eine chemische Trockenätzung verwendet werden, um eine dünne Schicht von Oxid (typischerweise etwa 500-1000 Angström) von den Grabenseitenwänden zu entfernen, um Schäden durch den reaktiven Ionenätzungsprozess zu beseitigen. Danach wird eine Siliziumdioxid-Opferschicht 450 über den Gräben 424 und den Maskierungsteilen 420 aufgewachsen. Die Opferschicht 450 ebenso wie die Maskierungsteile 420 werden entweder durch eine Pufferoxidätzung oder eine HF-Ätzung entfernt, so dass die resultierenden Grabenseitenwände so eben wie möglich sind.

Wie in 4(d) gezeigt, wird dann die Gate-Oxidschicht 430 auf der gesamten Struktur abgeschieden, so dass sie die Grabenwände und die Oberfläche des p-Körpers 416 bedeckt. Die Gate-Oxidschicht 430 hat typischerweise eine Dicke im Bereich von 500-800 Angström. Danach werden die Gräben 424 mit Polysilizium 452 aufgefüllt, d.h. mit polykristallinem Silizium. Vor der Abscheidung wird das Polysilizium typischerweise mit Phosphorchlorid dotiert oder mit Arsen oder Phosphor implantiert, um seinen spezifischen elektrischen Widerstand zu reduzieren, typischerweise innerhalb des Bereichs von 20 Ohm/m. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Polysilizium in einem zweistufigen Prozess abgeschieden werden. In der ersten Stufe wird eine Schicht von undotiertem Polysilizium abgeschieden, um die Seitenwände der Gräben auszukleiden. Auf die undotierte Polysilizium-Schicht folgt die Abscheidung einer Schicht von dotiertem Polysilizium. Typischerweise ist die Dicke der dotierten Polysilizium-Schicht größer als die Dicke der undotierten Polysilizium-Schicht. Beispielsweise kann das Verhältnis der Dicke der dotierten Polysilizium-Schicht zu der der undotierten Polysilizium-Schicht 7:1 sein, bei einer Gesamtdicke von etwa 8.000 Angström. Die undotierte Polysilizium-Schicht wird vorzugsweise als Pufferschicht verwendet, die das Eindringen von Dotiermittelmaterial durch die Gate-Oxidschicht und in den p-Körper hemmt.

In 4(e) wird die Polysilizium-Schicht 452 geätzt, um ihre Dicke zu optimieren und den Teil der Gate-Oxidschicht 430 freizulegen, der sich über die Oberfläche des p-Körpers 416 erstreckt. Danach wird ein Fotolack-Maskierungsprozess angewendet, um eine strukturierte Maskierungsschicht 460 zu bilden. Die strukturierte Maskierungsschicht 460 definiert die Source-Bereiche 440. Die Source-Bereiche 440 werden dann durch zwei Implantationsschritte und einen Diffusionsschritt gebildet. Beispielsweise können die Source-Bereiche mit Phosphor bei 200 KeV mit einer Dosierung zwischen etwa 5 × 10¹⁷ und 1 × 10¹⁸ cm^-3 implantiert werden. Arsen kann dann bei 80 KeV mit einer Dosierung zwischen etwa 4 × 10¹⁹ und 8,0 × 10¹⁹ implantiert werden. Nach dem Implantieren wird der Phosphor in eine Tiefe von etwa 0,45 Mikrometer diffundiert. Das Arsen kann wegen seines kleinen Diffusionskoeffizienten und der kleinen Implantationsenergie in eine Tiefe von nur etwa 0,15 Mikrometer diffundiert werden. Somit weist der resultierende Source-Bereich eine schwach dotierte Schicht mit Phosphor auf, über der eine stärker dotierte Schicht mit Arsen abgeschieden wird. Schließlich wird die Maskierungsschicht 460 in konventioneller Weise entfernt, um die in 4(f) gezeigte Struktur zu bilden.

Der Graben-DMOS-Transistor wird in konventioneller Weise durch Bilden und Strukturieren einer BPSG-Schicht über der Struktur vervollständigt, um den Source- und Gate-Elektroden zugeordnete BPSG-Bereiche zu definieren. Ebenso wird eine Drain-Kontaktschicht auf der Bodenfläche des Substrats gebildet. Schließlich wird eine Padmaske verwendet, um Padkontakte zu definieren.

Obwohl diverse Ausführungsformen hier besonders dargestellt und beschrieben werden, wird man verstehen, dass Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung durch obige Lehre abgedeckt sind und innerhalb des Geltungsbereichs der beigefügten Ansprüche liegen, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, einen Graben-DMOS zu bilden, bei dem die Leitfähigkeiten der diversen Halbleiterbereiche gegenüber den hier beschriebenen umgekehrt sind.