DE102013213007A1 - Semiconductor device, trench field effect transistor, method for producing a trench field effect transistor and method for producing a semiconductor device - Google Patents
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Abstract
In Ausgestaltungen von Halbleiterbauelementen werden Dotierstoffreservoirs in ein Substrat (300) eingebracht und durch nachfolgende thermisch induzierte Diffusion in einem zu dotierenden Gebiet (200) verteilt. Form und/oder Ort eines nach der Diffusion dotierten Gebietes und damit beispielsweise der Ort des Avalanche-Durchbruchs eines Trench-FET lassen sich kontrollieren, wenn das Substrat (300) eine Begrenzungsstruktur (100) umfasst, die mindestens zwei parallele, in das Substrat (300) eingebettete Begrenzungsschichten (110, 120) umfasst, die eine wesentlich geringere Dotierstoffdiffusivität aufweisen als das Substrat (300), wobei zumindest ein Teil des dotierten Gebiets (200) zwischen den parallelen Begrenzungsschichten (110, 120) angeordnet ist und an diese angrenzt.In embodiments of semiconductor devices, dopant reservoirs are introduced into a substrate (300) and distributed by subsequent thermally induced diffusion in a region (200) to be doped. The shape and / or location of a region doped after the diffusion and thus, for example, the location of the avalanche breakdown of a trench FET can be controlled if the substrate (300) comprises a delimiting structure (100) which is at least two parallel, into the substrate ( 300) includes embedded confinement layers (110, 120) having a substantially lower dopant diffusivity than the substrate (300), wherein at least a portion of the doped region (200) is disposed between and adjacent to the parallel confinement layers (110, 120).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement und einen Trench-Feldeffekttransistor sowie Verfahren zur deren Herstellung.The present invention relates to a semiconductor device and a trench field effect transistor and to methods for their production.
Stand der TechnikState of the art
Halbleiterbauelemente zum Beispiel Leistungstransistoren kommen heutzutage in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz. Ein Beispiel für Leistungstransistoren sind sogenannte Trench-Feldeffekttransistoren, kurz Trench-FETs. Trench-FETs umfassen einen auch als Trench bezeichneten Graben, in dem das Gate des Trench-FET, das sogenannte Trench-Gate, angeordnet ist. Der Kanal von Trench-FETs verläuft in vertikaler Richtung entlang dieses Trench-Gates. Trench-FETs können als sogenannte Feldplatten-Trench-FETs ausgebildet sein, die zusätzlich zum Trench-Gate eine oder mehrere Trench-Feldplatten umfassen, die im Graben unterhalb des Trench-Gate angeordnet sind. Dabei sind die Trench-Feldplatten meist vertikal, also parallel zum Graben angeordnet.Semiconductor devices, for example, power transistors are used today in a variety of applications. An example of power transistors are so-called trench field effect transistors, in short trench FETs. Trench FETs include a trench, also called a trench, in which the gate of the trench FET, the so-called trench gate, is arranged. The channel of trench FETs runs in a vertical direction along this trench gate. Trench FETs may be formed as so-called field plate trench FETs which, in addition to the trench gate, comprise one or more trench field plates disposed in the trench below the trench gate. The trench field plates are usually vertical, ie arranged parallel to the trench.
Beim Abschalten von Trench-FETs, insbesondere von Feldplatten-Trench-FETs, und anderen ähnlichen in Halbleitern realisierten elektrischen oder elektronischen Bauelementen können diese selbig in den Zustand des sogenannten Avalanche-Durchbruchs übergehen, einem lawinenartigen Durchbruch von Ladungsträgern am Ort bzw. an Orten höchster Feldstärke. Der Ort beziehungsweise die Orte des Durchbruchs liegen jeweils am unteren Ende des Grabens oder in Bereichen, welche sich seitlich des Grabens befinden. Ob ein Avalanche-Durchbruch erfolgt, hängt von der Induktivität im sogenannten Kommutierkreis und den resultierenden Feldstärkespitzen ab.When shutting off trench FETs, in particular field-plate trench FETs, and other similar electrical or electronic components realized in semiconductors, they can transition into the state of so-called avalanche breakdown, an avalanche-like breakthrough of charge carriers in place or in places highest field strength. The location or locations of the breakthrough lie respectively at the lower end of the trench or in areas which are located laterally of the trench. Whether an avalanche breakdown occurs depends on the inductance in the so-called commutation circuit and the resulting field strength peaks.
Bei einem Avalanche-Durchbruch kann die räumliche Nähe der Gate- oder Feldoxide zum Maximum der Stoßionisation beziehungsweise zu den bei dieser Stoßionisation generierten Löchern zu einer Schädigung beziehungsweise zu einer Einlagerung der genannten Ladungsträger in die Gate- oder Feldoxide kommen. Die Einlagerung der Ladungsträger in die Oxide wird auch als „charge trapping” bezeichnet. Bei häufig wiederkehrenden Durchbruchsereignissen können diese eine Degradation der Sperrspannung des Transistors bewirken und schließlich zu einem Ausfall des Bauelements führen. Für Anwendungen, in denen wiederholte Durchbruchsereignisse auftreten, sind daher Bauelemente von Vorteil, bei denen entsprechende Ladungsträger nicht in direkter Nähe zu den Oxiden generiert werden.In the case of an avalanche breakthrough, the spatial proximity of the gate or field oxides to the maximum of the impact ionization or to the holes generated during this impact ionization can lead to damage or to an incorporation of the mentioned charge carriers into the gate or field oxides. The incorporation of the charge carriers into the oxides is also referred to as "charge trapping". For frequently recurring breakthrough events, these can cause a degradation of the reverse voltage of the transistor and eventually lead to a failure of the device. For applications in which repeated breakdown events occur, therefore, components are advantageous in which corresponding charge carriers are not generated in the immediate vicinity of the oxides.
Zur Kontrolle des Ortes, an dem entsprechende Ladungsträger generiert werden, kann nach Stand der Technik ein entsprechend dotiertes Dotierstoffreservoir im Substrat unterhalb des Grabens angeordnet werden, aus welchem Dotierstoff in mindestens einem nachfolgenden thermischen Verfahrenschritt heraus diffundiert, sodass ein entsprechend dotiertes Gebiet im Substrat entsteht.In order to control the location at which corresponding charge carriers are generated, according to the prior art a correspondingly doped dopant reservoir can be arranged in the substrate below the trench, from which dopant diffuses out in at least one subsequent thermal process step, so that a correspondingly doped region is formed in the substrate.
Auch in anderen Ausgestaltungen von Halbleiterbauelementen werden Dotierstoffreservoirs in ein Substrat eingebracht und durch nachfolgende thermisch induzierte Diffusion in einem zu dotierenden Gebiet verteilt.In other embodiments of semiconductor components, dopant reservoirs are introduced into a substrate and distributed by subsequent thermally induced diffusion in a region to be doped.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass sich Form und/oder Ort des nach der Diffusion dotierten Gebietes und damit beispielsweise der Ort des Avalanche-Durchbruchs noch besser kontrollieren lässt, wenn das Substrat eine Begrenzungsstruktur umfasst, die mindestens zwei parallele, in das Substrat eingebettete Begrenzungsschichten umfasst, die eine wesentlich geringere Dotierstoffdiffusivität aufweisen als das Substrat, wobei zumindest ein Teil des dotierten Gebiets zwischen den parallelen Begrenzungsschichten angeordnet ist und an diese angrenzt.The inventors of the present invention have found that the shape and / or location of the diffusion-doped region, and thus, for example, the location of the avalanche breakdown, can be controlled even better if the substrate comprises a boundary structure which is at least two parallel, into the substrate comprises embedded confinement layers having a substantially lower dopant diffusivity than the substrate, wherein at least a portion of the doped region is disposed between and adjacent to the parallel confinement layers.
Erfindungsgemäß wird deshalb ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Dabei umfasst das Halbleiterbauelement ein Substrat mit einem dotierten Gebiet, wobei das dotierte Gebiet teilweise an eine in das Substrat eingebettete Begrenzungsstruktur grenzt und ansonsten von einem Umgebungsgebiet im Substrat umgeben wird, welches entgegengesetzt oder undotiert ist. Dabei weist die Begrenzungsstruktur eine wesentlich geringere Dotierstoffdiffusivität auf als das Substrat und umfasst mindestens zwei parallele, in das Substrat eingebettete Begrenzungsschichten. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des dotierten Gebiets zwischen den parallelen Begrenzungsschichten angeordnet ist und in einer Richtung parallel zu einer Normalen der parallelen Begrenzungsschichten an diese angrenzt.Therefore, a semiconductor device according to claim 1 is proposed according to the invention. In this case, the semiconductor component comprises a substrate having a doped region, wherein the doped region partly adjoins a limiting structure embedded in the substrate and is otherwise surrounded by a surrounding region in the substrate which is opposite or undoped. In this case, the limiting structure has a substantially lower dopant diffusivity than the substrate and comprises at least two parallel boundary layers embedded in the substrate. The semiconductor device according to the invention is characterized in that at least a part of the doped region is arranged between the parallel boundary layers and adjoins them in a direction parallel to a normal of the parallel boundary layers.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Trench-Feldeffekttransistor nach Anspruch 5 vorgestellt. Dabei ist ein Graben des Trench-Feldeffekttransistors so in einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement angeordnet, dass das dotierte Gebiet direkt unterhalb des Grabens liegt, wobei die Begrenzungsstruktur an ein Gateoxid des Feldeffekttransistors angrenzt.According to the invention, a trench field effect transistor according to claim 5 is further presented. In this case, a trench of the trench field effect transistor is arranged in a semiconductor component according to the invention such that the doped region lies directly below the trench, the limiting structure being adjacent to a gate oxide of the field effect transistor.
Erfindungsgemäß wird auch ein Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 mit erfindungsgemäßen Trench-Feldeffekttransistoren vorgestellt. Dabei ist zwischen je zwei benachbarten erfindungsgemäßen Trench-Feldeffekttransistoren mindestens ein weiterer Trench-Feldeffekttransistor angeordnet, der kein dotiertes Gebiet direkt unterhalb des Grabens aufweist.According to the invention, a semiconductor component according to claim 6 with inventive trench field effect transistors is presented. In this case, between each two adjacent trench field effect transistors according to the invention at least one arranged further trench field effect transistor having no doped region directly below the trench.
Die Begrenzungsstruktur begrenzt das dotierte Gebiet, sodass der Durchlasswiderstand durch das dotierte Gebiet nur geringfügig erhöht wird. Insbesondere ermöglicht die Begrenzungsstruktur, dass das dotierte Gebiet mittels thermisch induzierter Dotierstoffdiffusion aus einem Dotierstoffreservoir heraus mit der besagten Begrenzung erzeugt wird.The confinement structure confines the doped region so that the on-resistance through the doped region is only slightly increased. In particular, the confinement structure allows the doped region to be generated by means of thermally induced dopant diffusion out of a dopant reservoir with said boundary.
In einer Ausführungsform kann die Begrenzungsstruktur weiterhin ein in das Substrat eingebettetes und die parallelen Begrenzungsschichten verbindendes Begrenzungselement umfassen, wobei der Teil des dotierten Gebiets in einer weiteren, zu der Normalen senkrechten Richtung an das verbindende Begrenzungselement grenzt. Das verbindende Begrenzungselement kann eine horizontale Begrenzungsschicht sein oder eine U-Form oder eine V-Form haben.In an embodiment, the delimiting structure may further comprise a delimiting element embedded in the substrate and connecting the parallel delimiting layers, wherein the part of the doped region is adjacent to the connecting delimiting element in another direction perpendicular to the normal. The connecting boundary element may be a horizontal boundary layer or have a U-shape or a V-shape.
Dies begrenzt das dotierte Gebiet in der weiteren Richtung und begrenzt so die Durchlasswiderstandserhöhung.This limits the doped region in the wider direction, thus limiting the on-resistance increase.
Ein Rest des dotierten Gebiets kann in der weiteren Richtung an den Teil und zumindest an Enden der parallelen Begrenzungsschichten angrenzen.A remainder of the doped region may adjoin the part and at least ends of the parallel confinement layers in the further direction.
Dann kann das Dotierstoffreservoir vollständig zwischen den parallelen Begrenzungsschichten gebildet werden. Thermisch induzierte Dotierstoffdiffusion bewirkt dann, dass sich das dotierte Gebiet mit einem Teil zwischen den parallelen Begrenzungsschichten und außerhalb der Begrenzungsstruktur angeordnetem Rest bildet.Then, the dopant reservoir can be completely formed between the parallel boundary layers. Thermally induced dopant diffusion then causes the doped region to form with a portion between the parallel confinement layers and remainder located outside the confinement structure.
An ersten Enden der zwei parallelen Begrenzungsschichten kann jeweils ein weiteres Begrenzungselement angeordnet sein, welches sich entlang der Normalen von der jeweils anderen parallelen Begrenzungsschicht weg erstreckt, wobei der Rest des dotierten Gebiets in der weiteren Richtung auch an die weiteren Begrenzungselemente angrenzt.At each of the first ends of the two parallel boundary layers, a further boundary element may be arranged, which extends away from the other parallel boundary layer along the normal, the rest of the doped area also being adjacent to the further boundary elements in the further direction.
Dies bewirkt eine besonders vorteilhafte Form des dotierten Gebiets.This causes a particularly advantageous form of the doped region.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren nach Anspruch 7 zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes und ein Verfahren nach Anspruch 10 zur Herstellung eines Trench-Feldeffekttransistors zur Verfügung gestellt.According to the invention, a method according to claim 7 for producing a semiconductor component and a method according to claim 10 for producing a trench field effect transistor are further provided.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes umfasst den Schritt Bildung einer Begrenzungsstruktur zumindest an Wänden eines Grabens in einem Substrat, wobei die Begrenzungsstruktur eine wesentlich geringere Dotierstoffdiffusivität aufweist als das Substrat. Weiterhin umfasst die Begrenzungsstruktur zumindest zwei parallele Begrenzungsschichten an Wänden des Grabens. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes umfasst weiterhin die Schritte Anordnen eines dotierten Dotierstoffreservoirs im Graben zwischen den parallelen Begrenzungsschichten, und Ausführen mindestens eines nachfolgenden thermischen Verfahrensschritts, der eine Diffusion von Dotierstoff aus dem Dotierstoffreservoir bewirkt, sodass ein dotiertes Gebiet entsteht, wobei zumindest ein Teil des dotierten Gebiets an die Begrenzungsstruktur lateral angrenzt.The method proposed according to the invention for producing a semiconductor component comprises the step of forming a delimiting structure at least on walls of a trench in a substrate, wherein the limiting structure has a substantially lower dopant diffusivity than the substrate. Furthermore, the delimiting structure comprises at least two parallel boundary layers on walls of the trench. The method proposed according to the invention for producing a semiconductor component further comprises the steps of arranging a doped dopant reservoir in the trench between the parallel confinement layers, and performing at least one subsequent thermal process step causing diffusion of dopant from the dopant reservoir to form a doped region, wherein at least one Part of the doped region laterally adjacent to the limiting structure.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann die Begrenzungsstruktur ein Oxid sein, das auch an einem Boden des Grabens gebildet wird. Dann kann das Verfahren weiterhin den folgenden Verfahrensschritt umfassen: Anordnen eines entgegengesetzt dotierten Materials auf dem dotierten Dotierstoffreservoir, sodass der Graben gefüllt ist.In one embodiment of the method, the boundary structure may be an oxide that is also formed at a bottom of the trench. Then, the method may further comprise the following method step: placing an oppositely doped material on the doped dopant reservoir so that the trench is filled.
Weiterhin kann auch die Oberfläche des Substrats oxidiert werden. Dann kann das Anordnen des dotierten Dotierstoffreservoirs im oxidierten Graben folgende Schritte umfassen: Abscheiden einer dotierten Schicht, die den oxidierten Graben füllt und die oxidierte Substratoberfläche bedeckt; Verringerung der dotierten Schicht und des Oxids durch Abschleifen oder Ätzen und Rückätzen des Substrats und der dotierten Schicht zur Bildung des Dotierstoffreservoirs.Furthermore, the surface of the substrate can also be oxidized. Then, disposing the doped dopant reservoir in the oxidized trench may include the steps of: depositing a doped layer that fills the oxidized trench and covers the oxidized substrate surface; Reducing the doped layer and the oxide by abrading or etching and back etching the substrate and the doped layer to form the dopant reservoir.
Insbesondere kann das Anordnen des dotierten Dotierstoffreservoirs im oxidierten Graben weitere Schritte umfassen, die vor dem Anordnen des entgegengesetzt dotierten Materials im oxidierten Graben auf dem Dotierstoffreservoir ausgeführt werden. Diese weiteren Schritte sind Abscheiden einer dotierten Schicht, die den oxidierten Graben füllt und die oxidierte Substratoberfläche bedeckt und Verringern der dotierten Schicht durch selektives Rückätzen zur Bildung des Dotierstoffreservoirs. Dabei umfasst dann das Anordnen des entgegengesetzt dotierten Materials im oxidierten Graben die Schritte: Abscheiden einer entgegengesetzt dotierten Schicht, die den oxidierten Graben füllt und die oxidierte Substratoberfläche bedeckt, Rückätzen der entgegengesetzt dotierten Schicht und selektives Ätzen des Oxids.In particular, placing the doped dopant reservoir in the oxidized trench may include further steps performed prior to placing the oppositely doped material in the oxidized trench on the dopant reservoir. These further steps are depositing a doped layer which fills the oxidized trench and covers the oxidized substrate surface and reducing the doped layer by selective back etching to form the dopant reservoir. Here, then, placing the oppositely doped material in the oxidized trench includes the steps of depositing an oppositely doped layer that fills the oxidized trench and covers the oxidized substrate surface, back etching the oppositely doped layer, and selectively etching the oxide.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung eines Trench-Feldeffekttransistors umfasst folgende Verfahrensschritte: Anordnen eines zumindest teilweise dotierten Dotierstoffreservoirs in einem Graben in einem Substrat, wobei Wände des Grabens je mit einer vertikalen Spacerschicht bedeckt sind, Bilden einer im Wesentlichen horizontalen Isolationsschicht auf dem Dotierstoffreservoir durch Oxidation des Dotierstoffreservoirs und Ausführen mindestens eines nachfolgenden thermischen Verfahrensschritts, der eine Diffusion von Dotierstoff aus dem Dotierstoffreservoir bewirkt, sodass ein dotiertes Gebiet entsteht, wobei zumindest ein Teil des dotierten Gebiets an die Begrenzungsstruktur lateral an die vertikalen Spacerschichten und vertikal an die horizontale Isolationsschicht angrenzt.The method proposed according to the invention for producing a trench field effect transistor comprises the following method steps: arranging an at least partially doped dopant reservoir in a trench in a substrate, wherein walls of the trench are each provided with a vertical Spacer layer are covered, forming a substantially horizontal insulating layer on the dopant reservoir by oxidation of the dopant reservoir and performing at least one subsequent thermal process step, which causes a diffusion of dopant from the dopant reservoir, so that a doped region is formed, wherein at least a portion of the doped region of the Boundary structure laterally adjacent to the vertical spacer layers and vertically to the horizontal insulation layer.
In Ausführungsformen des Verfahrens ist das Dotierstoffreservoir eine selektiv-epitaktisch aufgetragene Schicht oder ein Polysilizium.In embodiments of the method, the dopant reservoir is a selectively epitaxially deposited layer or polysilicon.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Das dotierte Gebiet
In
In
Nachdem Gräben
Anschließend wird n-dotiertes Material abgeschieden, sodass die Gräben
Nachfolgende Prozessschritte mit thermischem Budget führen dann zu einer Diffusion des Dotierstoffs aus dem Dotierstoffreservoir
Nachdem Gräben
Im zweiten beispielhaften Herstellungsprozess wird nun das p-dotierte Material
Anschließend wird n-dotiertes Material abgeschieden, sodass die Gräben
Anschließend wird erneut n-dotiertes Material abgeschieden, sodass die Begrenzungsstruktur
Nachfolgende Prozessschritte mit thermischem Budget führen dann wie im ersten Ausführungsbeispiel eines Herstellungsprozesses zu einer Diffusion des Dotierstoffs aus dem Dotierstoffreservoir
Das Öffnen des Spacers
Die schräge Implantation bewirkt ein Schädigen des Substrats oder ein Einbringen von Sauerstoff, welches an der Substratoberfläche
Die beispielhaften Herstellungsschritte aus den
Wenn der Graben
Anschließend kann beispielsweise eine Oxidation der Substratoberfläche
Bei Bauelementen, die mehrere Trench-FET umfassen, kann es ausreichend sein, wenn jeder zweite Trench-FET ein p-dotiertes Gebiet
Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Strukturierung entlang einer Längsrichtung des Grabens erfolgen. Dies kann beispielsweise über eine nur abschnittsweise geöffnete Lackmaske über dem Graben erreicht werden. Dann wird das Oxid am Grabenboden
Wird nun eine Schicht auf dem Grabenboden
Um ein Halbleiterbauelement, beispielsweise einen Trench-FET, in einem auch als Halbleitermaterial bezeichneten Substrat herzustellen, kann beispielsweise ein Graben innerhalb des Halbleitermaterials gebildet werden, der anschließend ganzflächiges mit einer auch als Spacer bezeichneten Isolatorschicht, beispielsweise einem Oxid auskleidet wird. Dann kann eine Begrenzungsstruktur in einem unteren Bereich des Halbleiterbauelementes gebildet werden. Dabei ist die Begrenzungsstruktur dazu ausgebildet, eine Diffusion von Dotierstoff lateral zu beschränken oder ganz zu verhindern. Schließlich kann in die Begrenzungsstruktur mindestens ein Dotierstoff eingebracht werden.In order to produce a semiconductor component, for example a trench FET, in a substrate which is also referred to as a semiconductor material, a trench may, for example, be formed within the semiconductor material, which is subsequently lined over the whole area with an insulator layer, for example an oxide, which is also referred to as a spacer. Then, a limiting structure may be formed in a lower portion of the semiconductor device. In this case, the limiting structure is designed to limit diffusion of dopant laterally or to completely prevent it. Finally, at least one dopant can be introduced into the limiting structure.
Die Begrenzungsstruktur kann insbesondere gebildet werden, indem am Grabenboden eine Öffnung in der Isolatorschicht erzeugt wird. Der Dotierstoff kann beispielsweise eingebracht werden, indem der mindestens eine Dotierstoff selektiv in die Öffnung in der Isolatorschicht auf den Grabenboden aufgetragen wird. Insbesondere kann das Auftragen selektiv-epitaktisch erfolgen. Die Öffnung im Spacer kann unter Zuhilfenahme einer strukturierten Fotolackmaske erfolgen, mit deren Hilfe die Isolatorschicht geätzt wird.In particular, the delimiting structure can be formed by creating an opening in the insulator layer at the trench bottom. The dopant may, for example, be introduced by selectively applying the at least one dopant into the opening in the insulator layer on the trench bottom. In particular, the application can be carried out selectively epitaxially. The opening in the spacer can take place with the aid of a structured photoresist mask with the aid of which the insulator layer is etched.
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| DE102013213007.4A DE102013213007B4 (en) | 2013-07-03 | 2013-07-03 | Semiconductor device, trench field effect transistor, method for producing a trench field effect transistor and method for producing a semiconductor device |
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