DE10005772B4

DE10005772B4 - Trench-MOSFET

Info

Publication number: DE10005772B4
Application number: DE10005772A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Werner; Jenö Dr. Tihanyi
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2020-02-11
Also published as: DE10005772A1

Abstract

Trench-MOSFET mit einer auf einem Halbleiterkörper (1, 3) des einen Leitungstyps vorgesehenen Halbleiterschicht (4) des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps, einem von einer Oberfläche der Halbleiterschicht (4) aus in diese bis zum Halbleiterkörper (1, 3) eingebrachten Trench (5), einer im Trench (5) vorgesehenen und vom Halbleiterkörper (1, 3) und der Halbleiterschicht (4) durch eine Isolierschicht (6) getrennten Gateelektrode (G) und einer an der einen Oberfläche in der Halbleiterschicht (4) vorgesehenen und an den Trench (5) angrenzenden Source-Zone (7) des einen Leitungstyps,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Halbleiterkörper (1, 3) im Bereich des der einen Oberfläche gegenüberliegenden Endes des Trenches (5) wenigstens ein Gebiet (10) des anderen Leitungstyps vorgesehen ist und dass
der Halbleiterkörper (1, 3) in seinem an die Halbleiterschicht (4) des anderen Leitungstyps angrenzenden Bereich eine hochdotierte Halbleiterschicht (11) des einen Leitungstyps aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Trench-MOSFET mit einer auf einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps vorgesehenen Halbleiterschicht des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps, einem von einer Oberfläche der Halbleiterschicht aus in diese bis zum Halbleiterkörper eingebrachten Trench, einer im Trench vorgesehenen und vom Halbleiterkörper und der Halbleiterschicht durch eine Isolierschicht getrennten Gateelektrode und einer an der einen Oberfläche in der Halbleiterschicht vorgesehenen und an den Trench angrenzenden Source-Zone des einen Leitungstyps.
Leistungshalbleiterbauelemente, wie beispielsweise Leistungs-Trench-MOSFETs, werden gewöhnlich so ausgelegt, daß sie in der Lage sind, mit möglichst kleinen Verlusten hohe Ströme zu leiten. Dabei sollen diese Leistungshalbleiterbauelemente einfach herstellbar sein.
Im einzelnen müssen bei der Gestaltung von Leistungshalbleiterbauelementen im wesentlichen die folgenden beiden Randbedingungen eingehalten werden:

– Das Leistungshalbleiterbauelement muß bei den meisten Anwendungen hohe Spannungen sperren können.
– In durch MOS-Effekt gesteuerten Leistungshalbleiterbauelementen muß verhindert werden, daß es während eines Schaltvorganges in einem solchen Leistungshalbleiterbauelement zu einer Avalanche-Generation in der Nähe der den Isolator des MOS-Leistungshalbleiterbauelementes bildenden Oxidschicht kommt, da durch eine solche Avalanche-Generation gelieferte heiße Ladungsträger in die Isolierschicht injiziert werden, wodurch die Einsatzspannung des Leistungshalbleiterbauelementes verschoben wird.

Ein gut leitender und auch einfach herstellbarer Leistungs-MOSFET als Beispiel eines Leistungshalbleiterbauelementes ist in 3 gezeigt: Es handelt sich hier um einen sogenannten Trench-MOSFET, bei dem auf einem n⁺-leitenden Siliziumsubstrat 1, auf dem eine Drainelektrode (D) 2 aus beispielsweise Aluminium vorgesehen ist, auf der der Drainelektrode 2 gegenüberliegenden Oberfläche eine n-leitende Siliziumschicht 3 und eine p-leitende Siliziumschicht 4 epitaktisch abgeschieden sind. In die p-leitende Siliziumschicht 4 sind Gräben oder Trenches 5 eingebracht, die mit einer Isolierschicht 6 aus beispielsweise Siliziumdioxid ausgekleidet sind und in denen sich n- oder p-dotiertes polykristallines Silizium 12 als Gate-Elektroden G befindet. Neben den Trenches 5 sind n⁺-leitende Source-Zonen 7 vorgesehen, die mit einer Source-Elektrode (S) 8 aus Aluminium kontaktiert sind.
Ein solcher Leistungs-Trench-MOSFET hat somit einen pn-Übergang 9 zwischen den beiden stromführenden Elektroden 2 und 8 (D bzw. S), welcher in der Lage ist, die Sperrspannung aufzunehmen, und welcher den Ort der Avalanche-Generation im Innern der so aufgebauten Halbleiteranordnung festlegt. Die n-leitende Siliziumschicht 3 ist relativ niedrig dotiert und als Driftstrecke ausgeführt, während die p-leitende Siliziumschicht 4 eine höhere Dotierungskonzentration aufweist und die einzelnen Zellen des Leistungs-Trench-MOSFETs enthält, welche an die der Source-Elektrode 8 benachbarte Oberfläche dieser Halbleiteranordnung angrenzen.
Es sei angemerkt, daß hier und auch im folgenden die angegebenen Leitungstypen, also "n" und "p", jeweils ohne weiteres umgekehrt werden können. Als bevorzugtes Beispiel ist aber ein n-Kanal-Trench-MOSFET beschrieben.
Bei dem herkömmlichen Trench-MOSFET, der in 3 gezeigt ist, treten im Betrieb an den Enden der Trenches 5 hohe elektrische Feldstärken auf, was in 3 durch Pfeile E an gedeutet ist. Diese hohen elektrischen Feldstärken wirken sich nachteilhaft auf den Trench-MOSFET aus.

Im einzelnen ist in der DE 198 30 332 A1 ein vertikales Halbleiterbauelement beschrieben, bei dem Gateelektroden auf einer planaren Oberfläche eines n-leitenden Halbleiterkörpers vorgesehen sind, in den p-leitende Gebiete eingelagert sind, welche für eine homogene Verteilung des Stromes sorgen und eine Reduktion des Einschaltwiderstandes bewirken. Damit soll ein vertikales Halbleiterbauelement geschaffen werden, das sich durch eine deutliche Reduktion des elektrischen Oberflächenfeldes bei gleichzeitiger Verbesserung der lateralen Stromverteilung und der Widerstands- bzw. Durchlasscharakteristik auszeichnet.

Weiterhin beschreibt die DE 44 29 284 A1 ein Halbleiterbauelement mit zwei monolithisch integrierten Schaltelementen und einem vergrabenen strukturierten Steuergebiet. In einem Ausführungsbeispiel ist dabei eine Trenchstruktur vorgesehen, bei der am unteren Ende eines Grabens ein n⁺-dotiertes Gebiet vorgesehen ist, das den gleichen Leitungstyp wie eine Sourcezone hat und im übrigen an ein n⁺-leitendes Substrat angrenzt, in das p-leitende Gebiete eingelagert sind. Damit soll ein einfach herstellbares Halbleiterbauelement angegeben werden, das sowohl gute Sperreigenschaften als auch Durchlasseigenschaften aufweist und das eine möglichst geringe Ansteuerleistung benötigt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Trench-MOSFET anzugeben, bei dem an den Trenchenden das Auftreten von hohen elektrischen Feldstärken zuverlässig vermieden wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Trench-MOSFET der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Halbleiterkörper im Bereich des der einen Oberfläche gegenüberliegenden Endes des Trenches wenigstens ein Gebiet des anderen Leitungstyps vorgesehen ist und dass der Halbleiterkörper in seinem an die Halbleiterschicht des anderen Leitungstyps angrenzenden Bereich eine hochdotierte Halbleiterschicht des einen Leitungstyps aufweist. Diese hochdotierte Halbleiterschicht des einen Leitungstyps wirkt dann als Source-Zone eines Junction-FETs, dessen Gate-Elektroden durch die Gebiete des anderen Leitungstyps am Ende des Trenches gebildet werden. Das wenigstens eine Gebiet des anderen Leitungstyps kann an den Trench angrenzen, so daß das Trenchende in das Gebiet des anderen Leitungstyps eingebettet ist. Es ist aber auch möglich, daß das wenigstens eine Gebiet des anderen Leitungstyps vom Ende des Trenches beabstandet und gegebenenfalls floatend ist.

Ist das wenigstens eine Gebiet des anderen Leitungstyps an den Trench angrenzend, so kann es ebenfalls floatend sein oder auch auf einem festen Potential von beispielsweise 0 V liegen.

Durch das Einführen der hochdotierten, vorzugsweise nicht angeschlossenen, floatenden Gebiete des anderen Leitungstyps im Bereich des Endes des Trenches in die Driftstrecke werden die Sperrspannung des pn-Überganges sowie der Ort der Avalanche-Generation festgelegt. Die Abstände zwischen solchen Gebieten am Ende der Trenches dürfen allerdings nicht zu groß sein, da sonst der Junction-FET keine Wirkung entfaltet. Durch die Gebiete des anderen Leitungstyps werden insbesondere die hohen elektrischen Feldstärken abgebaut, die sonst am Ende der Trenches auftreten. Der Ort der Avalanche-Generation wird nämlich von der Kante am Ende der Trenches in das Innere des Halbleitersubstrates verlegt, so daß ohne weiteres die geforderten hohen Sperrspannungen ohne deren Reduktion durch hohe elektrische Feldstärken am Trenchende garantiert werden können.

Die bereits erwähnte hochdotierte Halbleiterschicht des einen Leitungstyps, die zwischen dem Halbleiterkörper aus dem Sili ziumsubstrat und der Halbleiterschicht des anderen Leitungstyps angeordnet ist, bewirkt eine Verminderung des Einschaltwiderstandes Ron und stellt somit eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Trench-MOSFETs dar.

Der erfindungsgemäße Trench-MOSFET kann in üblicher Weise einfach hergestellt werden: auf ein hochdotiertes Siliziumsubstrat des einen Leitungstyps werden nacheinander epitaktisch eine Siliziumschicht des einen Leitungstyps, eine hochdotierte Siliziumschicht des einen Leitungstyps und eine Siliziumschicht des anderen Leitungstyps aufgebracht. Anschließend werden Trenches durch Ätzen von der Oberfläche der Siliziumschicht des anderen Leitungstyps aus eingebracht. Die hochdotierten Gebiete des anderen Leitungstyps werden sodann durch Implantation von beispielsweise Bor in den Böden der Trenches und nachfolgende Diffusion erstellt, wobei diese Implantation in "selbstjustierter" Weise über die Trenches erfolgt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Trench-MOSFETs nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Trench-MOSFETs nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
3 eine schematische Schnittdarstellung eines herkömmlichen Trench-MOSFETs.
Die 3 ist bereits eingangs erläutert worden. In den 1 und 2 werden entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in 3 versehen und nicht mehr näher erläutert.
Wie bereits eingangs bemerkt wurde, können die jeweils angegebenen Leitungstypen umgekehrt werden. Auch kann anstelle von Silizium ein anderes geeignetes Halbleitermaterial verwendet werden.
Der Trench-MOSFET des Ausführungsbeispiels von 1 unterscheidet sich von dem bestehenden Trench-MOSFET von 3 insbesondere durch hochdotierte p⁺-leitende Gebiete 10, die im Bereich des Endes der Trenches 5 so vorgesehen sind, daß diese Enden in die Gebiete 10 eingebettet sind.
Die Gebiete 10 können aber auch vom Ende der Trenches 5 beabstandet und floatend sein, wie dies im Ausführungsbeispiel von 2 gezeigt ist.
Außerdem kann noch eine n⁺-leitende Siliziumschicht 11 zwischen der n-leitenden Siliziumschicht 10 und der p-leitenden Siliziumschicht 4 vorgesehen werden, wobei speziell die p-leitende Siliziumschicht 4 entsprechend schmaler gestaltet wird. Diese Schicht 11 kann auch bei dem Ausführungsbeispiel von 2 vorgesehen werden, obwohl sie lediglich im Ausführungsbeispiel von 1 gezeigt ist. Die n⁺-leitende Siliziumschicht 11 bildet die Source-Zone eines Junction-FETs JFET, dessen Gates die p⁺-leitenden Gebiete 10 sind: diese Gebiete 10 schnüren den Strompfad für den Elektronenstrom I zwischen den Source-Zonen 7 und dem n⁺-leitenden Siliziumsubstrat 1 ein, wie dies durch Strichlinien in 1 angedeutet ist.
Die Gebiete 10 können also floaten oder aber auch auf ein festes Potential, wie beispielsweise 0 V, durch eine Verbindung in einer in 1 (oder auch 2) nicht dargestellten Ebene geschaltet sein.
Durch das Einführen der hochdotierten p⁺-leitenden Gebiete 10 in die durch die Siliziumschicht 3 gebildete Driftstrecke werden die Sperrspannung des pn-Überganges 9 sowie der Ort der Avalanche-Generation festgelegt. Wie speziell aus 1 zu ersehen ist, dürfen die Abstände zwischen den Gebieten 10 nicht zu groß sein, damit der Junction-Feldeffekttransistor JFET seine Wirkung entfaltet.
Durch diese Gebiete 10 wird der Ort der Avalanche-Generation von dem Ende der Trenches 5 in das Innere des Halbleiterkörpers aus dem Siliziumsubstrat 1 und der Siliziumschicht 3 verlegt. Damit werden die unerwünschten Effekte einer hohen Feldstärke im Bereich der Ende der Trenches 5 zuverlässig vermieden.
Die n⁺-leitende Siliziumschicht 11, die als Source für den Junction-Feldeffekttransistor JFET dient, bewirkt durch ihre hohe Dotierung eine Verringerung des Einschaltwiderstandes Ron des Trench-MOSFETs.

1: Siliziumsubstrat
2: Drainelektrode
3: n-leitende Siliziumschicht
4: p-leitende Siliziumschicht
5: Trench
6: Isolierschicht aus Siliziumdioxid
7: Source-Zone
8: Sourceelektrode
9: pn-Übergang
10: p⁺-leitendes Gebiet
11: n⁺-leitende Schicht
12: polykristallines Silizium
G: Gate
S: Source
D: Drain

Claims

Trench-MOSFET mit einer auf einem Halbleiterkörper (1, 3) des einen Leitungstyps vorgesehenen Halbleiterschicht (4) des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps, einem von einer Oberfläche der Halbleiterschicht (4) aus in diese bis zum Halbleiterkörper (1, 3) eingebrachten Trench (5), einer im Trench (5) vorgesehenen und vom Halbleiterkörper (1, 3) und der Halbleiterschicht (4) durch eine Isolierschicht (6) getrennten Gateelektrode (G) und einer an der einen Oberfläche in der Halbleiterschicht (4) vorgesehenen und an den Trench (5) angrenzenden Source-Zone (7) des einen Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, dass im Halbleiterkörper (1, 3) im Bereich des der einen Oberfläche gegenüberliegenden Endes des Trenches (5) wenigstens ein Gebiet (10) des anderen Leitungstyps vorgesehen ist und dass der Halbleiterkörper (1, 3) in seinem an die Halbleiterschicht (4) des anderen Leitungstyps angrenzenden Bereich eine hochdotierte Halbleiterschicht (11) des einen Leitungstyps aufweist.
Trench-MOSFET nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gebiet (10) des anderen Leitungstyps an den Trench (5) angrenzt, sodass das Trenchende in das Gebiet (10) des anderen Leitungstyps eingebettet ist (1).
Trench-MOSFET nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gebiet (10) des anderen Leitungstyps vom Ende des Trenches (5) beabstandet ist (2).
Trench-MOSFET nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gebiet (10) des anderen Leitungstyps floatend ist.
Trench-MOSFET nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gebiet (10) des anderen Leitungstyps auf festem Potenzial liegt.
Trench-MOSFET nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Potenzial ein Null-Potenzial ist.
Trench-MOSFET nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht (4) des anderen Leitungstyps durch Epitaxie hergestellt ist.
Trench-MOSFET nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die hochdotierte Halbleiterschicht (11) des einen Leitungstyps durch Epitaxie hergestellt ist.