TW200304702A - Transistor arrangement with a structure for making electrical contact with electrodes of a trench transistor cell - Google Patents

Transistor arrangement with a structure for making electrical contact with electrodes of a trench transistor cell Download PDF

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Franz Hirler
Ralf Henninger
Martin Poelzl
Walter Rieger
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Description

200304702 五、發明說明（l) 發明之領域 槽中之=月:二於 丹化电日日體胞兀電極之電接觸結構。 ；仏/丹 如M0S功率電晶體的電晶體排列，係藉由 衣置用於控制高電流強度（上至十安培）之 :控制電壓之 的負載電路中電晶體排列的介電強度可達數U，在轉換 晶體排列之轉換次數通常係於數微秒之間。百揭特’且該電 目河M〇S功率電晶體係如溝槽M0S功率電晶體。 率電晶體一般包含一半導體 且 —溝槽M0S功 一個排列於至少一活性胞二=個溝槽電晶體 第二圖中所示’正常關^通道溝 :別習知的溝槽電晶體胞元3。在此 率電晶體1之 =汲極區223係形成於該半導體基質中。再—者重n;雜(n++- ς成23。配置一較弱的n摻雜漂移區224，其係自—蟲晶在^及所極 ^ 〇 fΓη++ # ^ ^ ^ 區形成該溝槽電晶體皰元3 : 厂$運區203且該n++摻擴散| 擴散區中，其溝槽壁^3著之=極區213 °提供-溝槽9於該 内部與周圍的半導體基質6電：：化物1 4，其可將該溝槽的 成閘極電極1 0之導體多晶矽充填。、此外，该溝槽9係以形 在該溝槽9之上，閘極今厘' 金屬化係於該基質表面7上緊鄰閘極電 Μ 第6頁 200304702 五、發明說明（2) 極1 0之邊緣區。在該基質表面7進行源極金屬化2丨，且與該 源極區2/1 3與通道區2 0 3電性連接。該源極金屬化2丨與該閘極 金屬化係藉由一中間氧化物層與彼此電性絕緣且與該半導體 基質6電性絕緣。與該半導體基質6上該基質表面7對面之基 質後側8上’有一汲極金屬化22緊鄰該半導體基質6之該汲極 區 2 2 3。
在無電壓狀態，該導體源極區213係藉由該p_摻雜通道 區203與該汲極區223電性絕緣。若該閘極電極1〇係正電位偏 壓，則^邛分載體，此範例為電子，係累積於該通道區2 〇 3 中’ 接相鄰於該閘極氧化物丨4。當該閘極電極丨〇之正偏壓 上升時，一η-傳導通道5形成原始？_傳導通道區2〇3 (反轉）。 當該源極區與該汲極區間的電流強度增加時，該半導體 本體的溫度增加且該通道區中電荷載體的移動降低。此效應 係指，槽電晶體胞元可用簡單的方式並聯電連接。此範例… 中，若在活化態中，初始較高的電流流經並聯電連接的溝样 電晶體胞7〇之一，則在此溝槽電晶體胞元中的溫度較高。^ 度增加的原因，該通道中電荷載體移動降低，且該溝槽: 體胞凡因而需要較高的阻抗。因此，該電流係分佈於: 的並聯溝槽電晶體胞元之間。 Λ m /皿 在溝槽M0S電力電晶體的半導體基質中，一般溝槽 體胞兀係沿著一延伸溝槽，或係以多邊形的溝槽而定義。曰曰 上所述之方式中，可能複數個溝槽之配置係彼此相接，以 成一活化的胞元陣列，溝槽旁的該閘極電極亦可經由橋 ‘
200304702 五、發明說明（3) 槽彼此連接 藉由一溝槽M0S電力電晶體轉換之最 並聯相連之該溝槽電晶體胞元的汲極〜阿電^強度，係由 定。最小的轉換時間與最大的運作頻Λ、$電阻（RPS⑽〉）所決| (RG)、閘極電荷QG與電容(Ciss)之閘極係數入電阻 該輸入電阻基本上係由該溝槽中該n疋。 定至小範圍，藉由該溝槽M0S電力電晶髀f 。一^極之電阻所決 溝槽中之該閘S電極間的連接線之電曰曰阻。今一閘極么端與該 ^曾加該閘極-源極電容(CGS)與該閘極—汲極；容(電二:： 如第一圖中所不之溝槽電晶體胞元之配置， 極1 0與該汲極終端之該漂移區224之間且 ^閘極電 ::漂移區224與該，㈣極10係對立於該氧二由4 在Turkes等人提出的肋98/〇29 25專利說明書中， 一M0S電力電晶體’其具有閘極電極配置於該基質表面上，路 其中該轉換次數與轉換降低係藉由減少閘極—汲 達到。在此範例中，電傳導連接至該咖電力電 源極終端之場電極，係配置於該閘極電極旁。該場電極庇 該自該漂移區閘極電極之電荷，且降低該閘極電極與該 之漂移區的區域。
降低該閘極-源極電容Cgd的另一觀念，係如美國專利 5, 283’ 201 (Tsang等人）中所揭示。在此範例中，在溝栌電曰 體胞元中，其電導體基質中具有閘極電極配置於一溝^中BB 第8頁 200304702
輔助電極係配置於該閘極電極之 以該閘極電極材質所製之 下，且係與後者絕緣。 源極：；c而言，=M〇S電力電晶體係強調要更降低該閘極― 】，：：：’以改善功能且增加M0S電力電晶體的應用範 圍 例如用於更高的運作頻率。 構可：U!!之目的係提供一電晶體配置，其具有-結 胞元：二;固；ί:曰胃胞70之一溝槽中所酉己置的-溝槽電晶體 配置，;ϊΐ二 電性接觸，其中相較於習知的電晶體 " ^電日日體配置之閘極-汲極電容C彳έ ^ _ 可保‘留其功能。 不冤合CGD係較低的，且同時 根據本發明申請專利範 到此一目的。而根據本發明K1 專員之電晶體配置可達 晶體配置之其他優點。 π專利乾圍之依附項，可得電 根據本發明之電晶體配置形式，其 至少一閘極終端，一源極終端與—二山 至少-活化的胞元陣列於一半導體二終鈿， 一邊緣區域緊鄰該活化的胞元陣列：貝中， =、-溝槽於該活化的胞元陣列之 至y —溝槽電晶體胞元、;儿 X + ν體基貝中， 至少兩電極基質，其係^ 溝槽， 槽延伸，以及 ^ '…置於该溝槽内，且沿著該溝 至 該 至 溝槽係自該邊緣區心：肢基冑 , 4花出，以及 >'一電極基質係電性 導連接至該邊緣區域中金屬化
200304702 五、發明說明（5) 之一 根據本發明之此一電晶體配置形 胞元之溝槽中至少兩緊鄰或上下相鄰之f溝槽電晶體 體配置之終端金屬化，其優點在於節省空至該電 便。因此’可保持該電晶體配置 ：：上的方 功能。 J内谷（晶片區域）之 根據本發明之該電晶體配置較 獅s電力電晶體。在此範例中，係配2具有~電極之-溝 並聯電連接至個別胞元陣列。在置 價甲母乾例之場電極係配置於 匕兀之屏 該溝槽M〇S電力電曰_ | h ^ s 電極之侧或之下。 端，以及一間極金曰曰Λ連Vy原極 =屬化連接至該源極終 電傳導連接至該較上之電極 二终端，該閘極金屬化係 本發明之每一 ^ t 構（閘極電極）。 式與配置以二t低y金屬化與閑極電極間之電連接方 可大幅改善該；=== 場電極)與場金屬化之間， 方式與配置。 土貝之基貝表面上源極與閘極金屬化的 因此，該源極会屬& 4 列之上，且至少产切而ά ^至乂部分配置於該活化的胞元陣 因此，首間r屬化環繞。 有非常低的阻抗…凡陣列中之源極區的接觸連接具 數微米厚度之源及金屬化該源極金屬化的圖案化。具有 的’因為例如再渴式餘刻^案化對於生產技術而言是複雜 該源極金屬化厚度之程度過程中，該源極金屬化被切除至
200304702 五、發明說明（6) 例如在上下相鄰之閘極或揚Φ 4 電性連接ΐ藉由同的方式電應之金屬t間的 C1 ^ ^ ^例如藉由在該溝槽中所個 別梃供之自該金屬化至该電極結構平面穿孔之裝置。此配置 之優點料該溝槽與平面穿孔之大小使得該平面穿孔可 地相對於該溝槽而定位。 另車父佳的方式中，β閘極結構與該閘極電極胞還相同 的材質，且在製造技術上有相同的處理步驟。在此範例中， =極電極之材：沉積之後’在該材質被回蝕至少在該該 之抗則要…閑極電極，需要該問極結構 辨ί另—有利的方式中’根據本發明之溝槽M0S電力電商 U有一場=於該基質表面之上，其分給該場電極盘 段：段地延伸’例如在該溝槽之上該邊緣區域中屬且具；： 面牙孔，其係直接電傳導連接該閘極金屬 =電極。此可在該問極電極之該沉積的材質=二亥 肩除閘極結構之光罩。 再者，該場電極之沉積材質所製之該 可於單-可控制之回蝕步驟中實行。 僧中的场包極 而後，首先自該場多晶矽出現之該場結構係 ?该場多晶矽被回蝕。未被覆蓋之場氧化物，苗；、番而 二ί ί二库其Ϊ在該場多晶矽回姓過程中被偵測：：μ ’ t 時“貞：的信號。剩餘的物程ΐ 』圮度屋纟冑充兩度，可使該場電極填充該溝槽。在此
200304702 五、發明說明（7) 方式中’ s亥填充兩度可被調敕一 其係於稍後該半導體基質中二 k ，示移區接合處， 尸+代及一丄办 土貝中所形成。在此配置的範例中，兮 = 平面電性連接，相對地，在第-“製i 該琢夕日日矽於该基質表面之 衣& 接之區域中。在該活化& & _ A而後被後盍於用於接觸連 在此r心ί 胞7"陣列中，該場電極再被回敍。 :據化的蝕刻程序之信號無法簡單地產生。 極係縮短的，因此嗲、、羞"/ f溝槽中5亥邊緣區中該場電 雷托甘γ _巧方式係電連接至該胞元陣列之嗲η托 =if電傳導連接至遠離該胞元陣列之-閑極全；Γ :该场電極係電傳導連接至位於該胞元陣列上之—場ϋ 在較佳實施例中，該基質表 面係以絕緣層，達到彼此雷二構與該基質表 且俜H ^ 緣且與該半導體基質電絕缘， 層平面上。因此優點為該間極與 = 面結構，且為非關鍵的場條件。 再你為千 槿卜較佳之方式為該閘極結構係至少配置…… 構上之橫切面上，該閘極結構係藉由一中 亥％結 %緣。此一配置方式造成非中 ^而電性 位與該閘極結構間的該場結構係自該閘極結構= 附力二另電2:實：：；傳=ΐ:之電晶體配置具有-、、鲕，兵係電傳導連接至該場金屬化，且其中可 第12頁 200304702 五、發明說明（8)
Si Ϊ 該源極、閘極與汲極電位旁之該電晶體配置， $、蓋二二’虽可更有效地控制。此外，該場金屬化係連接至 “溝槽刪電〜力電晶體可控制此-電位之電流部分。 化相實施例中，該場金屬化係與該源極金屬 接至該源極金屬化。藉由控制該場電極之電 位與a玄源極電位，# p f ^ 制。 3亥场電極可用非常簡單的方式而被有效控 ί上所述，本發明已如溝槽電晶體胞元之實施例中所 ί田發Ϊ可延伸至具汲極上結構之1GBT。再者，本發明可 心於正#開與正常關之ρ-通道與η-通道電晶體胞元。 ίΐΓΐ更詳細說明可參照所提供之圖示，其中相同之符號 係指相同之元件。 發明之詳細說明 第一圖a係一溝槽M0S電力電晶體的 中，-活化的胞元陣列2係與一邊緣區域4相連丄二 兀陣列2具有複數個溝槽電晶體胞元3沿著並聯溝槽9配置。 該溝槽9係延長至該邊緣區域4，在此範例中配置於該溝 槽9中的電極結構首先藉由橫向溝槽91而彼此電傳導連接。 在該溝槽9與該橫向溝槽91之間的電連接，以一已知的方式 避免乂叉’且T結構的處理過程較不具決定性。 在該邊緣區域4中，該溝槽9具有第一開口切面212，立 中製造該較上的電極結構（閘極電極）於該溝槽9中，且其/中 §亥杈下的電極結構（場電極）填充該溝槽9至一基質表面而不 需絕緣層。
200304702 五、發明說明（9) 再者’在該邊緣區域4中該溝槽9具有第二開口 202，其中該閘極電極1〇在每一中係 不需絕緣層。 /基貝表面上而 場電極’在此範例中係如源極結構2 11， 的傳導半導體材質製造，如同嗲意之莖 其係以相同 士曰雷托甘〆 如问該，冓槽9之第一開口切面212的 :::雷;;糸：連接至該場電極。在此範例中，該源極結構 係自該傳導半導體材質之單一沉積層產生，例如 利用回餘的方式。 =結構2(31延伸於該第二開口切面202上。該個別的 =電極係電傳導連接至該閘極結獅！。該閘極結構2〇1與 邊閘極電極亦自該傳導半導體材質之單一沉積層產生，例如 利用回蝕的方式。該閘極結構2〇1係更延伸至該源極結構2ΐι 之上，該閘極結構201與該源極結構211係藉由一絕緣層〗6而 彼此電性絕緣。一中間氧化物層丨6係在該閘極結構2〇丨曰之切 面中。 乂#配置上述該閘極結構201之切面係為閘極金屬化2〇，其 係藉由平面穿孔3 1透過該中間氧化物層丨6而電傳導連接至該 閘極結構2 〇 1。 一場金屬化，如同此範例中源極金屬化2丨，係於該活化 的胞元陣列2之區域中與該邊緣區域4的切面中。該源^金屬 化2 1係經由該活化的胞源陣列2中平面穿孔33而連接至該溝 槽電晶體胞元3之源極區。在該邊緣區域4中，該源極金屬化 21係經由平面穿孔32而電傳導連接至該源極結構21ι。 第一圖b中詳細說明沿著第一圖a中溝槽M0S電力電晶體
第14頁 200304702
A -B的橫切面。
一與第一圖a相較，第一圖b說明一場氧化物層15，其係將 一半導體基質6自配置於該基質表面7上之該結構2〇1、211電 性、、’巴、、彖。再者，第一圖b說明該源極結構2 11、該源極結構 211上之該閘極結構2〇1以及該絕緣層丨5、丨6之該金屬化2〇、 2 1之垂直配置。在此範例中，該絕緣層丨5、丨6之絕緣，特別 係為非常簡化之方法。所以，每一絕緣層丨5、丨6可被包埋為 多層系統。交接處的該絕緣層丨5、丨6係端視於該製造方式， 如沉積式或氧化方式。同樣地，該閘極與該場電極丨〇、丨丨且 該％結構2 0 1、2 11可用矽化物或金屬強化，或是可完全由矽 化物或金屬或其他高傳導物質組成。 第^圖a係第二實施例之平面圖，用以說明一溝槽M〇s電力電 相#乂於第一圖中所示之實施例，該閘極結構2 〇 1係被配 裏，β源極結構2 11之旁。個別源極結構2 i i之相互抵銷配置 造成^源極結構211區域中該閘極結構2〇ι之網狀物。在溝槽 ;、力電曰曰體運作^呈中，該間極結構之網狀物造成該閘 棰結構2 0 1中均勻的電位分布。 第一圖b係根據第二圖&中本發明第二實施例之溝槽 電力電晶體之C-D橫切面的詳细說明。 因；，該閑極結構201與該源極結_係相連配置於-半導 艨f質6之基質表面7之上，因而產生該場結構201、211與該 金屬化2 0、2 1之平面的型熊。
第15頁
200304702 圖式簡單說明 第一圖係說明第一實施例之溝槽M0S電力電晶體且說明沿著^ A-B的橫切面之一平面概示圖。 第二圖係說明一溝槽電晶體胞元之橫切面之一概示圖。 第三圖係說明第二實施例之溝槽M0S電力晶體且說明沿著C-D 之橫切面之一概示圖。 元件符號說明 1 電 晶 體 配 置 2 活 化 胞 元 陣 列 3 (溝槽） 電 晶體胞元 4 邊 緣 區 域 5 通 道 6 半 導 體 基 質 7 基 質 表 面 8 基 質 後 側 9 溝 槽 10 閘 極 電 極 11 場 電 極 12 絕 緣層 13 場 電 極 上 絕緣層 14 閘 極 氧 化 物 15 場 氧 化 物 層（F0X) 16 中 間 氧 化 物 層 20 閘 極 金 屬 化 21 源 極 金 屬 化 22 汲 極 金 屬 化 23 半 導 體 本 體 31 平 面 穿 孔 32 平 面 穿 孔 33 平 面 穿 孔 91 橫 向 溝槽 201 閘 極 結 構 20^ ί第 _ 一 切 面 203 通 道 區 21 C 1場 金 屬 化 211 源 極 結 構（場結構） 2Π ί第 一 切 面 213 二 區 22 3汲 極 區 224 :漂 移 區 %
第16頁

Claims (1)

  1. 200304702 六、申請專利範圍 1 · 一種電晶體排列，其包含： 至少一閘極終端，一源極終端與一汲極終端， 至少一活化胞元陣列（2 )形成於一半導體基質（6 )中， 一邊緣區域（4 )與該活化的胞元陣列（2 )相連， 至夕、溝槽（9 )於該半導體基質之該活化胞元陣列（6 ) 中， 至少一溝槽電晶體胞元（3)，其係沿著該至少一溝槽（9) 而形成， s 至少兩電極結構（10，；1丨），其係被配置於該溝槽（9)
    中’ ’且沿著該溝槽（9 )延伸， 至少一金屬化（20，21)配置於該半導體基質（6)之一某 質表面（7)之上， 1 ，以及 導連接至該邊緣 該溝槽（9 )係被導出至該邊緣區域（4 )中 至少該兩電極結構（1 0， 1 1 )之一係電傳 區域（4)中該金屬化（20，21)之一。 2·如=專利範圍第1項之電晶體排列，其中 ⑼至中少一其V雷與：第二電極結構(1 °，11)係配置於該溝:
    ” 極結構係相鄰且/或上下配置，且姑士垂 絕緣且與該半導騁A所r 、 彼此電 (10，11)係各自電=首U邑緣，以及該電極結構 2 。 電丨生傳今連接至一對應之金屬化（2 0， 3 ·如申請專利範圍第J 項或第2項之電晶體排列 其中該電
    第17頁 200304702 六、申請專利範圍 晶體配置係如一溝槽M0S電力電晶體，其具有至少_ 金屬化（2 0 )，其係電性傳導連接至該閘極終端，一閘^極 屬化（2 1 )’其係電性傳導連接至該源極終端，以及、、"金 金屬化（2 2 )，其係電性傳導連接至該汲極終端，該^ j極 極金屬化係與該第一金屬化（2 0 )相同，且黾少抑\弟 閘 土 乂 冲分環辑 該源極金屬化，其係配置於該胞元陣列之 上。 、几； 4 ·如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之電晶體排列 其中在個別的胞元陣列（2 )中，提供複數個溝槽電晶體’ 元U)至複數個溝槽（6)中，以及在每一溝槽（6)中^ 一電極結構係如閘極結構（1 〇 )且該第二電極結構係如3曰。 極（11 )，該場電極（1 1 )係配置於該閘極電極（丨〇 ) 之下野電 5·如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之電晶體 其中 j ， 一個別胞元陣列（2 )之複數個溝槽電晶體胞元（3 )之兮 極電極（1 〇 )係藉由橫向溝槽（g 1 )而達到彼此電傳導連 至少一部分的場金屬化（21 0)係配置於該溝槽（9)之 j ’ 切面（212)上之該邊緣區域（4)中，以及 一 該場金屬化（2 1 0 )係藉由至少一平面穿孔（3 2 )，而電 導連接至該溝槽（9 )中的該場電極（11 )。 ” 6 ·如申請專利範圍第5項之電晶體排列，其中 至少一部分的場金屬化（2 〇 )係配置於該溝槽（9 )之第 200304702 六、申請專利範圍 切面（202)上之該邊緣區域（4)中，且藉由至少一平面穿孔 (31)，而電傳導連接至該溝槽（9)中的該閘極電極（1〇)。 7.如申請專利範圍第5項之電晶體排列，豆中 上1閘極電極（10)係自該基質表面（7)上第二切面（2〇2)中 5玄邊緣區域（4)導出，且在該基質表面向（7)上形成一閘 極結構（201)，以及 ❿风网 一部分的閘極金屬化（2〇)係排列於該閘極結構 而區，切面中’且藉由複數個平面穿孔㈤ 而電‘性傳導連接至該閘極結構（2〇1)。 8其=申請專利範圍第！項至第4項中任—項之電晶體排列’ 邊= 系自該基質表面⑺上第-切面(2⑴ 二以Τ 且在該基質表面⑺上形成-場結構 (2=f Λ部/的閑極金屬化（20)係排列於該閉極結構 )上邊緣區域（4)切面中，且藉由複數個平面 而電性傳導連接至該閘極結構（2 0 1 )。 9.如申請專利範圍第8項之電晶體排列，其中 至少一部分的閘極金屬化（2〇)係排於嗲 二切面(202)上之該邊緣區域⑷中:9)之第 孔（31)而電性傳導連接至該溝槽（9)中的該間極電#面穿 第19頁 200304702
    (10)。 第8項之電晶體排列，t中 :閘極電極〇〇)係自該基質表j :中 該邊緣區域（4)導出，以及在兮（）上弟二切面（202 )中 結構（201)， 在基貝表面（7)上形成一閘 (20^上一之部Λ"?極金屬化（2〇)係排列於該閘極結構 (31)而雷域（4)切面中，且藉由複數個平面穿 (31)而電性傳導連接至該閘極結構（2〇ι)。 < n· f申請專利範圍第10項之電晶體排列，其中 一忒閘極結構（2 〇 1 )與該場結構（2丨1 )係獨佔地形成於一 共同平面上，該閘極結構（2 〇丨）至少部分環繞該場結構 (211)。 1 2 ·如申請專利範圍第1 〇項之電晶體排列，其中 該場結構（2 1 1 )至少切面被該閘極結構（2 〇 1 )覆蓋第二 層。 1 3·如申請專利範圍第1項至第丨2項中任一項之電晶體排 列，其中 該電晶體排列具有一場終端，其係電性傳導連接至 場金屬化（2 1 0 )。 “
    第20頁 200304702 六、申請專利範圍 1 4.如申請專利範圍第1項至第1 2項中任一項之電晶體排 列，其中 該場金屬化（2 1 0 )係與該源極金屬化（2 1)相同。 1 5.如申請專利範圍第1項至第1 4項中任一項之電晶體排 列，其中 該閘極電極（10)與該閘極結構（201)係自同一層產生 1 6.如申請專利範圍第1項至第1 5項中任一項之電晶體排 列η其中 該場電極（11)與該場結構（211)係自同一層產生。 鲁
    第21頁
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