DE10224201B4 - Halbleiterbauelement mit Durchbruchstrompfad und Herstellungsverfahren desselben - Google Patents

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Abstract

Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist:
– einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten Anschlusszone (12, 14) und einer zweiten Anschlusszone (30) eines ersten Leitungstyps (n),
– eine zwischen der ersten und zweiten Anschluszone (12, 14, 30) angeordnete Kanalzone (20) eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps (p),
– wenigstens einen sich in den Halbleiterkörper (100) hinein erstreckenden Graben (60), der von der zweiten Anschlusszone (30) durch die Kanalzone (20), bis in die erste Anschlusszone (12, 14) reicht,
– eine in dem Graben (60) angeordnete Steuerelektrode (40), die benachbart zu der Kanalzone (20) und isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper (100) angeordnet ist,
– einen zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone (12, 14, 30) und parallel zur Kanalzone (20) geschalteten Durchbruchstrompfad, der wenigstens einen pn-Übergang aufweist und der dazu ausgebildet ist, bei Erreichen einer zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone (12, 14, 30) anliegenden...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements.
  • Ein solches Bauelement ist beispielsweise aus der EP 0 746 030 A2 bekannt. Dieses Dokument beschreibt einen Leistungs-MOSFET mit einer Vielzahl gleichartig aufgebauter Transistorzellen und einer Durchbruchstruktur. Das bekannte Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper mit einer im Bereich der Rückseite des Halbleiterkörpers angeordneten Drain-Zone, mit im Bereich der Vorderseite des Halbleiterkörpers angeordneten Source-Zonen, einer sich an die Drain-Zone anschließenden Driftzone und zwischen der Driftzone und den Source-Zonen angeordneten Kanalzonen/Body-Zonen. Die Drain-Zone, die Driftzone und Source-Zonen sind bei einem n-leitenden MOSFET n-dotiert, wobei die Kanalzonen-p-dotiert sind. Das Halbleiterbauelement weist eine Vielzahl von Gräben auf, in denen jeweils Gate-Elektroden angeordnet sind, die gegenüber dem Halbleiterkörper isoliert sind und die sich jeweils benachbart zu den Kanalzonen von den Source-Zonen bis in die Driftzone erstrecken.
  • Zusätzlich zu der aus der EP 0 746 030 A2 bekannten Durchbruchstruktur enthält der Feldeffekttransistor in US 6 049 108 A eine weitere Diode zum Ladungsträgerabbau in der Driftzone bei Polung in Rückwärtsrichtung.
  • Bei dem in US 4 683 643 A beschriebenen Transistor ist isoliert von der Gate-Elektrode im Graben eine zweite leitende Schicht zur Kontaktierung der Drain-Zone von der Bauelementoberfläche vorhanden.
  • Darüber hinaus ist es zur Vermeidung parasitärer Bipolareffekte aus dem Bauelement der US 5 895 951 A bekannt, Gräben als Dotierbarrieren zwischen MOSFET-Transistoren einzusetzen.
  • Die Durchbruchstruktur ist bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement dadurch gebildet, dass eine p-dotierte Zone vorgesehen ist, die sich ausgehend von der Vorderseite des Halbleiterkörpers bis unterhalb der Gräben erstreckt, so dass bei einem n-leitenden MOSFET zwischen dieser p-dotierten Zone und der Driftzone bzw. der Drain-Zone eine Diode gebildet ist, wobei die Anode dieser Diode durch die p-dotierte Zone gebildet und mit den Source-Zonen des MOSFET kurzgeschlossen ist.
  • Ziel bei der Entwicklung derartiger Leistungs-MOSFET ist es, einen niedrigen spezifischen Einschaltwiderstand bei einer hohen Durchbruchsfestigkeit (Avalanche-Festigkeit) zu erzielen. In der Regel wird ein niedriger spezifischer Einschaltwiderstand mit einer etwas geringeren Durchbruchfestigkeit erkauft, wohingegen Bauelemente mit einer guten Durchbruchsfestigkeit in der Regel schlechtere spezifische Einschaltwiderstände aufweisen.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement, zur Verfügung zu stellen, welches hinsichtlich der Abstimmung des spezifischen Einschaltwiderstandes auf die Durchbruchsfestigkeit optimiert ist, und ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung zu stellen.
  • Dieses Ziel wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 6 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 umfasst einen Halbleiterkörper mit einer ersten Anschlusszone und einer zweiten Anschlusszone eines ersten Leitungstyps, einer zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone angeordneten Kanalzone eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps und wenigstens einen sich in den Halbleiterkörper hinein erstreckenden Graben, der von der zweiten Anschlusszone durch die Kanalzone bis in die erste Anschlusszone reicht, wobei in dem Graben eine Steuerelektrode angeordnet ist, die benachbart zu der Kanalzone und isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper ausgebildet ist. Zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone verläuft ein Durchbruchstrom Pfad, der wenigstens einen pn-Übergang aufweist und der bei Erreichen einer zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone anliegenden Durchbruchspannung leitet, wobei der Durchbruch strompfad erfindungsgemäß wenigstens teilweise in dem Graben verläuft.
  • Durch das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist ein MOSFET mit Durchbruchstrompfad realisiert, wobei die erste und zweite Anschlusszone die Drain-Zone bzw. Source-Zone und die Kanalzone die Kanalzone bzw. Body-Zone des MOSFET bilden. Die Steuerelektrode bildet die Gate-Elektrode des MOSFET. Der MOSFET ist ein n-leitender MOSFET, wenn die Drain-Zone sowie eine sich gegebenenfalls an die Drain-Zone anschließende Driftzone und die Source-Zone n-leitend sind und die Bodyzone p-leitend ist.
  • Die Realisierung des Durchbruchstrompfades wenigstens teilweise in dem Graben ermöglicht zum einen eine platzsparende Realisierung des MOSFETS mit Durchbruchstrompfad und bewirkt zum anderen, dass der Durchbruchstrompfad nicht in Kanalnähe verläuft. Der Kanal bildet sich bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement in der Kanalzone entlang des Grabens bei Anlegen eines geeigneten Potentials an die Gate-Elektrode aus. Dieser leitende Kanal ist bei einem in dem Graben ausgebildeten Durchbruchstrompfad durch eine die Gate-Elektrode gegenüber dem Halbleiterkörper isolierende Isolationsschicht und die Gate-Elektrode selbst von dem Durchbruchstrompfad getrennt. Durch diese Trennung von Durchbruchstrompfad und Kanal wird verhindert, dass eine Ladungsträgerinjektion in den Kanalbereich und in die Gate-Isolationsschicht, die üblicherweise aus einem Oxid besteht, erfolgt, wodurch die Einsatzspannung des MOSFETS verschoben würde und die Gefahr des Einschaltens eines parasitären Bipolartransistors bestünde, was zu einer Zerstörung des Bauelements führen könnte.
  • Der Durchbruchstrompfad teilweise in dem Graben wird bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements dadurch realisiert, dass in dem Graben eine Elektrode angeordnet ist, die mit der Source-Zone elektrisch leitend verbunden ist, die gegenüber der Steuerelektrode elektrisch isoliert ist und die sich am Boden des Kontaktloches an den Halbleiterkörper anschließt, wobei der Halbleiterkörper in diesem Anschlussbereich eine dotierte Zone des zweiten Leitungstyps aufweist. Die in dem Graben ausgebildete und mittels einer Isolationsschicht gegenüber der Steuerelektrode isolierte Elektrode besteht vorzugsweise aus einem Metall oder einem Polysilizium. Diese Elektrode kontaktiert die unterhalb des Grabens ausgebildete Zone des zweiten Leitungstyps, die in der Drain-Zone bzw. Driftzone ausgebildet ist. Diese Zone des zweiten Leitungstyps bildet zu der Driftzone bzw. Drain-Zone des MOSFET einen pn-Übergang, der Bestandteil der Durchbruchstruktur ist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, den pn-Übergang der Durchbruchstruktur in dem Graben auszubilden. Hierzu ist im unteren Bereich des Grabens eine sich an die erste Anschlusszone, d. h. die Drain-Zone bzw. Driftzone, anschließende Materialzone vorgesehen, die vom selben Leitungstyp wie die erste Anschlusszone, bzw. Source-Zone, ist und die gegenüber der Steuerelektrode mittels einer Isolationsschicht isoliert ist. An diese Materialzone schließt sich eine Anschlusselektrode eines zu dieser Materialzone komplementären Leitungstyps an, die elektrisch leitend mit der zweiten Anschlusszone verbunden ist. Zwischen dieser Anschlusselektrode und der Materialzone, die komplementär dotiert sind, ist der pn-Übergang der Durchbruchstruktur gebildet.
  • Die Anschlusselektrode und die zwischen dieser Anschlusselektrode und der ersten Anschlusszone in dem Graben ausgebildete Materialzone bestehen vorzugsweise aus Polysilizium.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt
  • 1 einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in perspektivischer Darstellung,
  • 2 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
  • 3 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement gemäß 1 während verschiedener Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung des Halbleiterbauelements,
  • 4 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines weiteren Halbleiterbauelements,
  • 5 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des weiteren Halbleiterbauelements.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in perspektivischer Darstellung. Das dargestellte Halbleiterbauelement realisiert einen n-leitenden Graben-MOSFET mit einer teilweise in dem Graben oder den Gräben angeordneten Durchbruchstruktur. Die erfindungsgemäße Struktur ist selbstverständlich auch auf p-leitende MOSFET anwendbar, wobei die im folgenden erläuterten Dotierungen dann zu vertauschen sind.
  • Das dargestellte Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einer n-dotierten ersten Anschlusszone 12, 14. Diese erste Anschlusszone ist im Bereich der Rückseite des Halbleiterkörpers 100 stärker n-dotiert und bildet dort die Drain-Zone des MOSFET, während sich an die stärker dotierte Drain-Zone 14 eine schwächer n-dotierte Driftzone 12 anschließt. Der Halbleiterkörper 100 umfasst weiterhin eine p-dotierte Kanalzone oder Body-Zone 20, die sich an die Driftzone 12 anschließt und die zwischen der Driftzone 12 und einer im Bereich der Vorderseite ausgebildeten stark n-dotierten zweiten Anschlusszone 30 ausgebildet ist. Die zweite Anschlusszone 30 bildet die Source-Zone des MOSFET.
  • Ausgehend von einer Vorderseite 101 erstrecken sich mehrere Gräben 60, von denen in 1 zwei dargestellt sind, durch die Source-Zone 30, die Body-Zone 20 bis in die Driftzone 12 des Halbleiterkörpers.
  • Im Bereich der Seitenwände der Gräben 60 sind jeweils Steuerelektroden 40, die zusammengeschaltet die Gate-Elektrode des MOSFET bilden, angeordnet. Diese Gate-Elektroden 40 sind durch eine Gate-Isolationsschicht 50 gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert und verlaufen in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers von der Source-Zone 30 entlang der Body-Zone 20 bis zu der Driftzone 12, um bei Anlegen eines geeigneten Ansteuerpotentials einen elektrisch leitenden Kanal in der Body-Zone 20 entlang der Seitenwand des Grabens zwischen der Source-Zone 30 und der Driftzone 12 zu bewirken.
  • Das Halbleiterbauelement umfasst eine Vielzahl gleichartiger Transistorstrukturen, sogenannter Zellen mit Source-Zonen 30, Body-Zonen 20 und Gate-Elektroden 40, wobei allen Zellen in dem Ausführungsbeispiel eine Driftzone 12 und eine Drain-Zone 14 gemeinsam ist. Die Source-Zonen 30 aller Zellen sind dabei elektrisch leitend miteinander verbunden, um eine gemeinsame Source-Zone zu bilden, und die Gate-Elektroden 40 aller Zellen sind elektrisch leitend miteinander verbunden, um eine gemeinsame Gate-Elektrode zu bilden.
  • Das in 1 dargestellte Halbleiterbauelement umfasst eine Durchbruchstruktur mit einer Elektrode 80, die in dem Graben 60 ausgebildet ist und die mittels einer weiteren Isolationsschicht 70 gegenüber der Gate-Elektrode 40 isoliert ist. Diese Elektrode 80 erstreckt sich in vertikaler Richtung über die gesamte Länge des Grabens und berührt am Boden des Grabens 60 den Halbleiterkörper 100 im Bereich der Driftzone 12. In diesem Kontaktbereich zwischen der Elektrode 80 und der Driftzone 12 ist eine p-dotierte Zone 90 vorgesehen, die durch die Elektrode 80 kontaktiert ist und die die Elektrode in diesem Bereich vollständig überdeckt. Die p-dotierte Zone 90 und die Driftzone 12 bzw. die Drain-Zone 14 bilden eine Diode, deren Schaltsymbol in 1 eingezeichnet ist, und die bei dem dargestellten n-leitenden MOSFET in Source-Drain-Richtung in Durchlassrichtung bzw. in Drain-Source-Richtung in Sperrrichtung gepolt ist. Die Durchbruchspannung dieser Diode in Drain-Source-Richtung kann über die Dotierung der p-dotierten Zone 90 eingestellt werden.
  • Die in dem Graben 60 angeordnete Elektrode 80 ist mit der Source-Zone 30 kurzgeschlossen. Dazu schließt sich die Elektrode 80 im oberen Bereich des Grabens unmittelbar an den Seitenwänden des Grabens 60 an die Source-Zone 30 an. Die Elektrode 80, die vorzugsweise aus einem Metall oder Polysilizium, insbesondere n-dotiertem oder p-dotiertem Polysilizium besteht, dient damit gleichzeitig als Anschlusskontakt für die Source-Zone 30, so dass zur Kontaktierung der Source-Zonen 30 unmittelbar diese Elektrode 80 oberhalb des Grabens 60 kontaktiert werden kann, wodurch auf Kontaktanschlüsse oberhalb der zwischen den Gräben angeordneten Halbleiterbereichen, den sogenannten Mesa-Bereichen, verzichtet werden kann.
  • Das Halbleiterbauelement umfasst weiterhin stark p-dotierte Body-Anschlussbereiche 22, die sich, wie dies aus der perspektivischen Darstellung in 1 deutlich wird, ausgehend von der Body-Zone 20 zwischen Abschnitten der stark dotierten Source-Zone 30 bis an die Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers erstrecken und im oberen Bereich des Grabens 60 die Elektrode 80 kontaktieren, so dass die Elektrode 80 über die Anschlussbereiche 22 die p-dotierte Body-Zone 20 und die n-dotierte Source-Zone 30 kurzschließt, um in hinlänglich bekannter Weise parasitäre Bipolareffekte zu vermeiden. Auf separate Kontakte in dem zwischen den Gräben ausgebildeten Halbleiterbereich, dem sogenannten Mesa-Bereich, zum Kurzschließen der Source-Zone 30 und der Body-Zone 20 kann bei dem Halbleiterbauelement verzichtet werden.
  • Zum Anschließen der Body-Zone 20 an die Elektrode 80 zur Erzielung des Kurzschlusses genügen schmale p-dotierte Zonen 22, so dass der hierfür erforderliche Platzbedarf im Mesa- Gebiet gering ist. Die durch Kurzschließen der Source-Zone 30 und der Body-Zone 20 entstehende Body-Diode zwischen Source 30 und Drain 14 ist entsprechend der Diode der Durchbruchstruktur gepolt.
  • Die Durchbruchspannung der Durchbruchstruktur ist so eingestellt, dass sie kleiner als die der Body-Diode ist. Bei Anlegen einer positiven Spannung in Source-Drain-Richtung fließt der Großteil des Stromes dann über die in Durchlassrichtung gepolte Diode der Durchbruchstruktur, so dass der Querschnitt der stark p-dotierten Zonen 22 über welche die Body-Zone 20 und die Source-Zone 30 kurzgeschlossen sind, gering und deshalb platzsparend realisierbar sein kann. Die Abmessungen dieses Siliziumbereiches zwischen den Gräben 60 können gegenüber herkömmlichen Halbleiterbauelementen dadurch verringert werden, was zur Verringerung des spezifischen Einschaltwiderstandes des Halbleiterbauelements beiträgt.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement funktioniert bei Anliegen einer positiven Drain-Source-Spannung und bei Anliegen eines gegenüber Source-Potential positiven Gate-Potentials wie ein herkömmlicher MOSFET, dessen Schaltsymbol in 1 eingezeichnet ist. Überschreitet die Drain-Source-Spannung bei sperrendem MOSFET die Durchbruchspannung der durch die p-dotierte Zone 90 und Driftzone 12 gebildeten Diode, so fließt ein Durchbruchstrom von einem an die Drain-Zone 14 angeschlossenen Drain-Anschluss über die Driftzone 12, die p-dotierte Anodenzone 90 und die Elektrode 80 zu einem an die Elektrode 80 angeschlossenen Source-Anschluss. Diese Durchbruchstruktur funktioniert bei Anlegen einer Spannung in Rückwärtsrichtung, d. h. einer in Source-Drain-Richtung positiven Spannung, wie die Body-Diode und übernimmt den Großteil des dann fließenden Stromes, sodass der Anschlusskontakt für die Body-Zone 20 klein und platzsparend ausgebildet sein kann.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, welches sich von dem in 1 dargestellten dadurch unterscheidet, dass der pn-Übergang der Durchbruchstruktur in dem Graben 60 angeordnet ist. Hierzu sind in dem Graben zwei Halbleiterbereiche 81, 82 ausgebildet, die entsprechend der Elektrode 80 in 1 mittels einer Isolationsschicht 70 gegenüber der Gate-Elektrode 40 isoliert sind. Ein im unteren Bereich des Grabens angeordneter Halbleiterbereich 82 ist in dem Ausführungsbeispiel n-dotiert und kontaktiert die Driftzone 12, während ein oberhalb des Halbleiterbereichs 82 angeordneter Halbleiterbereich 81 p-dotiert ist und im oberen Bereich des Grabens die Source-Zone 30 kontaktiert.
  • Der Halbleiterbereich 81 kontaktiert entsprechend der Elektrode 80 in 1 über eine Body-Anschlusszone 22 auch die Body-Zone 20. Zum Kurzschließen der Source-Zone 30 mit den p-dotierten Zonen 22 und damit der Body-Zone 20 ist bei dem Halbleiterbauelement vorzugsweise eine auf dem Halbleiterkörper angeordnete Elektrode 85 vorgesehen, die in 2 gestrichelt eingezeichnet ist.
  • Die Halbleiterbereiche 81, 82 bestehen vorzugsweise aus Polysilizium, wobei zwischen diesen beiden Halbleiterbereichen ein pn-Übergang realisiert ist, der in Source-Drain-Richtung in Durchlassrichtung und in Drain-Source-Richtung in Sperrrichtung gepolt ist. Überschreitet die Drain-Source-Spannung bei sperrendem MOSFET die Durchbruchspannung dieses pn-Übergangs, so fließt ein Durchbruchstrom über den an die Drain-Zone 14 angeschlossenen Drain-Anschluss, die Driftzone 12, den n-dotierten Halbleiterbereich 82 und den p-dotierten Halbleiterbereich 81 an den Source-Anschluss S, den Halbleiterbereich 81 und die Source-Zone 30 kurzschließt.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements gemäß 1 wird nachfolgend anhand von 3 näher erläutert.
  • 3a zeigt einen Halbleiterkörper 100, der eine stark n-dotierte Zone 12, die spätere Drain-Zone, im Bereich der Rückseite, eine sich an die Drain-Zone 12 anschließende schwächer n-dotierte Driftzone 14, eine sich an die Driftzone 14 anschließende p-dotierte Zone 20, die spätere Body-Zone, sowie eine sich an die Body-Zone 20 anschließende stark n-dotierte Zone, die spätere Source-Zone 30, aufweist, nach ersten Verfahrensschritten, bei denen Gräben 60 ausgehend von der Vorderseite in den Halbleiterkörper 100 eingebracht wurden und bei denen eine Isolationsschicht 50', die spätere Gate-Isolationsschicht auf den Halbleiterkörper 100 und in die Gräben 60 eingebracht wurde. Eine Struktur gemäß 3a ist mittels herkömmlicher Halbleitertechnologieverfahren in hinlänglich bekannter Weise herstellbar, so dass auf eine detaillierte Erläuterung hier verzichtet werden kann.
  • 3b zeigt die Struktur gemäß 3a nach weiteren Verfahrensschritten, bei welchen Gate-Elektroden 40 an den Seitenwänden der Graben hergestellt wurden. Diese Gate-Elektroden bestehen beispielsweise aus Polysilizium und können beispielsweise mittels eines sogenannten Polyspacer-Prozesses hergestellt werden. Hierzu wird eine Polysiliziumschicht 40, die in 3b gestrichelt dargestellt ist, mit wenigstens annäherungsweise gleichmäßiger Dicke auf die gesamte Anordnung abgeschieden und anschließend beispielsweise mittels eines anisotropen Ätzverfahrens so lange zurückgeätzt bis die Polysiliziumschicht am Boden des Kontaktloches 60 und von der Vorderseite des Halbleiterkörpers, sowie teilweise von den Seitenwänden im oberen Bereich des Grabens entfernt ist.
  • In den nächsten Verfahrensschritten, deren Ergebnis in 3c dargestellt ist, werden Isolationsschichten 70 auf freiliegenden Bereichen der Gate-Elektroden 60 erzeugt. Hierzu wird entweder eine Isolationsschicht 70 auf die Gate-Elektroden 40 abgeschieden oder die Gate-Elektroden 40 werden einem Oxidationsprozess unterworfen, so dass auf den Gate-Elektroden 40 eine Schicht aus einem Halbleiteroxid entsteht. Anschließend wird die Isolationsschicht 50 von der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 sowie im Bodenbereich des Grabens 60 entfernt. Dies kann beispielsweise durch eine anisotrope Ätzung erfolgen, bei der die Isolierschicht 70 nur wenig gedünnt wird.
  • 3d zeigt das Halbleiterbauelement nach dem Herstellen der p-dotierten Zonen 90 in der Driftzone 12. Diese p-dotierten Zonen 12 werden beispielsweise mittels eines Implantationsprozesses und vorzugsweise eines auf den Implantationsprozess folgenden Diffusions- oder Ausheilprozesses hergestellt. Die Herstellung dieser p-dotierten Zonen kann bereits unmittelbar nach dem in 3b dargestellten Verfahrensschritt erfolgen, bei dem die Gate-Elektroden 40 hergestellt werden. In diesem Fall wird am Boden des Grabens durch die dort noch vorhandene Isolationsschicht 50 in den Halbleiterkörper implantiert.
  • Anschließend werden die Gräben mit einem Elektrodenmaterial, beispielsweise einem Metall oder Polysilizium, zur Herstellung der Elektroden 80 aufgefüllt, wie dies in 3e im Ergebnis dargestellt ist, um so zu dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement zu gelangen.
  • Besteht die Elektrode aus einem Metall oder einem n-dotierten Silizium, so wird vorteilhafterweise vor dem Herstellen der Elektrode beispielsweise ein Silizid auf die freiliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers zumindest im Bereich der p-dotierten Zone aufgebracht, um einen guten ohmschen Kontakt zwischen der Elektrode 80 und der p-dotierten Zone 90 zu erhalten, um an diesem Übergang das Entstehen eines pn-Übergangs oder eines Schottky-Kontakts zu verhindern.
  • Besteht die Elektrode aus einem p-dotierten Polysilizium, so kann auf eine solche Silizidschicht im Übergangsbereich zwi schen der Elektrode 80 und der p-dotierten Zone 12 verzichtet werden. In diesem Fall kann im oberen Bereich des Grabens an den Seitenwänden vor dem Herstellen der Elektrode 80 eine Materialschicht, beispielsweise ein Silizid, auf die Source-Zone aufgebracht werden, um einen pn-Übergang zwischen der Elektrode 80 und der Source-Zone zu verhindern. Bei Vorsehen einer die gesamte Anordnung überdeckenden Anschlusselektrode 85, die in 2 gestrichelt dargestellt ist und die beispielsweise aus einem Metall besteht und die die Elektrode 80 und die Source-Zone kurzschließt, kann auf eine solche Silizidschicht verzichtet werden.
  • Die Kontaktierung der Gate-Elektroden von außen kann bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement wie bei herkömmlichen Graben-Transistoren erfolgen, so dass auf eine detaillierte Darstellung hier verzichtet wird.
  • 4 zeigt ein weiteres Halbleiterbauelement, durch welches ein MOSFET mit einer Durchbruchstruktur bei, hoher Spannungsfestigkeit und niedrigem spezifischem Einschaltwiderstand realisiert ist.
  • Das Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einer im Bereich einer Rückseite 102 des Halbleiterkörpers 100 angeordneten stark n-dotierten Drain-Zone 12, einer sich an die Drain-Zone 12 anschließenden Driftzone 14, einer sich an die Driftzone 14 anschließenden p-dotierten Body-Zone 20, sowie einer sich an die Body-Zone 20 anschließenden, im Bereich einer Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers ausgebildeten stark n-dotierten Source-Zone 30. Die Body-Zone 20 und die Source-Zone 30 sind zwischen zwei in lateraler Richtung beabstandet zueinander angeordneten Gräben 61, 62 ausgebildet, die sich ausgehend von der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 in vertikaler Richtung. entlang der Source-Zone 20 und der Body-Zone 20 bis in die Driftzone 14 erstrecken. In diesen Gräben 61, 62 sind jeweils Gate-Elektroden 42 aus gebildet, die mittels Gate-Isolationsschichten 52 gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert sind.
  • Die Gräben 61, 62 mit den Gate-Elektroden 42, sowie die zwischen den Gräben angeordneten Source-Zonen 30 und Body-Zonen 20 mit der Driftzone 14 und der Drain-Zone 12 bilden eine MOSFET-Struktur, wobei das Schaltsymbol dieses MOSFET in 4 eingezeichnet ist.
  • Das Halbleiterbauelement umfasst weiterhin wenigstens einen weiteren Graben 60, der in lateraler Richtung beabstandet zu dem ersten Graben 61 angeordnet ist, wobei dieser Graben 60 Bestandteil einer weiteren Transistorstruktur mit einer Source-Zone 30 und einer Body-Zone 20 sein kann.
  • Der Abstand dieses weiteren Grabens 60 zu dem ersten Graben 61 in lateraler Richtung ist geringer als der Abstand des ersten und zweiten Grabens 61, 62 der Transistorstruktur, wobei zwischen den beiden enger beabstandeten Gräben 60, 61 eine Durchbruchstruktur angeordnet ist. Diese Durchbruchstruktur umfasst in dem Ausführungsbeispiel eine p-dotierte Halbleiterzone 83, die unterhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers ausgebildet ist und die sich an die Driftzone 14 anschließt. Zwischen dieser Halbleiterzone 83 und der Driftzone 14 ist ein pn-Übergang gebildet. Die p-dotierte Zone 83 ist mit der Source-Zone 30 kurzgeschlossen, wie dies in 4 schematisch dargestellt ist.
  • Die Gräben 60, 61, 62 erstrecken sich in dem Ausführungsbeispiel in vertikaler Richtung bis weit unterhalb der p-dotierten Zone 20 um so die zwischen den enger benachbarten Gräben 60, 61 angeordnete Durchbruchstruktur von dem in der Body-Zone 20 bei angesteuerter Elektrode 42 ausgebildeten Kanal abzuschirmen.
  • Die Ausdehnung der p-dotierten Zone 83 in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers kann variieren, um dadurch die Durch bruchspannung der in Source-Drain-Richtung in Durchlassrichtung bzw. in Drain-Source-Richtung in Sperrrichtung betriebenen Diode, deren Schaltsymbol in den 4 und 5 schematisch eingezeichnet ist, zu variieren. Dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 befindet sich der pn-Übergang etwa auf halber Höhe der Gräben 60, 61 unterhalb der Gate-Elektrode 42, während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 der pn-Übergang knapp oberhalb der Grabenenden und auch unterhalb der Gate-Elektrode 42 liegt. Die Driftzone 12 kann bei diesem Ausführungsbeispiel im Anschluss an die p-dotierte Zone 83 der Durchbruchstruktur stärker dotiert sein als in den übrigen Bereichen der Driftzone 12.
  • Wesentlich ist auch bei diesem Bauelement, dass die Durchbruchspannung der Durchbruchstruktur geringer ist als die Durchbruchstruktur der Body-Diode, so dass ein Spannungsdurchbruch immer zuerst an der für größere Ströme ausgelegten Durchbruchstruktur auftritt. Die Durchbruchspannung ist dabei über den Abstand der p-dotierten Zone 83 zu der stark n-dotierten Drain-Zone 12 einstellbar, wobei die Durchbruchspannung mit kleiner werdendem Abstand abnimmt.

Claims (12)

  1. Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: – einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten Anschlusszone (12, 14) und einer zweiten Anschlusszone (30) eines ersten Leitungstyps (n), – eine zwischen der ersten und zweiten Anschluszone (12, 14, 30) angeordnete Kanalzone (20) eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps (p), – wenigstens einen sich in den Halbleiterkörper (100) hinein erstreckenden Graben (60), der von der zweiten Anschlusszone (30) durch die Kanalzone (20), bis in die erste Anschlusszone (12, 14) reicht, – eine in dem Graben (60) angeordnete Steuerelektrode (40), die benachbart zu der Kanalzone (20) und isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper (100) angeordnet ist, – einen zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone (12, 14, 30) und parallel zur Kanalzone (20) geschalteten Durchbruchstrompfad, der wenigstens einen pn-Übergang aufweist und der dazu ausgebildet ist, bei Erreichen einer zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone (12, 14, 30) anliegenden Durchbruchspannung zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruchstrompfad wenigstens teilweise in dem Graben (60) verläuft.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem in dem Graben (60) eine Elektrode (80) angeordnet ist, die mit der zweiten Anschlusszone (30) elektrisch leitend verbunden ist, gegenüber der Steuerelektrode (40) elektrisch isoliert ist und am Boden des Grabens (60) den Halbleiterkörper (100) kon taktiert, wobei der Halbleiterkörper in diesem Anschlussbereich eine dotierte Zone (90) des zweiten Leitungstyps (p) aufweist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, bei dem die Anschlusselektrode (80) aus einem Metall oder einem Polysilizium besteht.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem in dem Graben (60) eine Anschlusselektrode (81) des zweiten Leitungstyps (p) angeordnet ist, die mit der zweiten Anschlusszone (30) elektrisch verbunden ist und die gegenüber der Steuerelektrode (40) elektrisch isoliert ist, wobei sich zwischen dieser Anschlusselektrode (81) und dem Halbleiterkörper (100) eine Zone (82) des ersten Leitungstyps im Graben (60) befindet, die gegenüber der Steuerelektrode (40) elektrisch isoliert ist.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, bei dem die Anschlusselektrode (81) und die zwischen der Anschlusselektrode (81) und dem Halbleiterkörper angeordnete Zone (82) jeweils aus Polysilizium bestehen.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: – Bereitstellen eines Halbleiterkörpers mit einer ersten Anschlusszone (12, 14) und einer zweiten Anschlusszone (30) eines ersten Leitungstyps (n) und einer zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone (12, 14, 30) angeordneten Kanalzone (20) eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps (p), – Herstellen wenigstens eines sich in den Halbleiterkörper (100) ausgehend von einer Vorderseite (101) hinein erstreckenden Grabens (60), der von der zweiten Anschlusszone (30) durch die Kanalzone (20) bis in die erste Anschlusszone (12, 14) reicht, – Herstellen wenigstens einer in dem Graben (60) angeordneten Steuerelektrode (40), die benachbart zu der Kanalzone (20) und isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper (100) angeordnet ist, – Herstellen einer zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone (12, 14, 30) angeordneten Durchbruchstruktur, die dazu ausgebildet ist bei Erreichen einer zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone (12, 14, 30) anliegenden Durchbruchspannung zu leiten, wobei die Durchbruchstruktur wenigstens einen pn-Übergang aufweist und wenigstens teilweise in dem Graben (60) verläuft.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei der die Herstellung der Steuerelektrode (40) folgende Verfahrensschritte umfasst: – Aufbringen einer Isolationsschicht (50') auf den Halbleiterkörper (100) und in den wenigstens einen Graben (60), – Abscheiden einer Elektrodenschicht (40') auf die Isolationsschicht (50'), – Entfernen der Elektrodenschicht (40') oberhalb der Vorderseite (101) des Halbleiterkörpers (100), am Boden des wenigstens einen Grabens (60) und teilweise im oberen Bereich der Grabenseitenwände benachbart zu der zweiten Anschlusszone (30).
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem auf freiliegende Oberflächen der Steuerelektrode (40) in dem wenigstens einen Graben (60) eine Isolationsschicht (70) vor dem Herstellen der Durchbruchstruktur aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem nach dem Herstellen der Steuerelektrode (40) eine Zone (90) des zweiten Leitungstyps (p) unterhalb des wenigstens einen Grabens (60) erzeugt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem nach dem Herstellen der Steuerelektrode (40) und der Isolationsschicht (70) eine Silizidschicht auf freiliegende Bereiche des Halbleiterkörpers am Boden des wenigstens, einen Grabens aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der wenigstens eine Graben (60) mit einem Elektrodenmaterial (80) aufgefüllt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem nach dem Herstellen der Steuerelektrode (40) und der Isolationsschicht (70) der wenigstens eine Graben (60) mit einem ersten Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps teilweise gefüllt wird, das die erste Anschlusszone (12; 14) am Boden des Halbleiterkörpers (100) kontaktiert und bei dem der Graben (60) anschließend mit einem Halbleitermaterial des zweiten Leitungstyps aufgefüllt wird.
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