Beschreibung Halbleiteranordnung mit Graben zur Trennung von dotierten Ge- bieten Eines der häufigen Probleme bei der Herstellung von Halblei- terbauelementen ist die effektive Trennung von dotierten Ge- bieten im Halbleitersubstrat. Diese Problematik tritt insbe- sondere dann auf, wenn in einem Halbleiterbauelement dotierte Gebiete vorkommen, die relativ weit eindiffundiert sind. Bei- spiele dafür sind CMOS-Wannen in integrierten Schaltkreisen oder ringförmige Dotierungsgebiete, die in Leistungstransi- storen oder IGBT's das Zellenfeld umgeben und den im Randbe- reich fließenden Strom abführen sollen. In vielen Fällen sol- len diese Gebiete von anderen Dotierungsgebieten räumlich und elektrisch getrennt sein.

Eine Möglichkeit, dotierte Gebiete elektrisch und räumlich zu trennen, bestünde darin, sie mit so großem Abstand zu implan- tieren, daß sie bei den nachfolgenden Diffusionsprozessen nicht ineinanderdiffundieren, sondern einen hinreichend gro- ßen Abstand behalten. Der Abstand der Implantationen muß da- bei um die Summe der Weiten der Ausdiffusion der Dotierungs- gebiete größer sein als der am Ende des Herstellungsprozesses gewünschte Abstand. Bei tiefen Diffusionsgebieten ergeben sich daher unerwünscht große Strukturen.

In US 5,525,821 wird eine Methode beschrieben, bei der zu- nächst Diffusionsgebiete erzeugt werden, und diese anschlie- ßend durch tiefe Grabenstrukturen voneinander getrennt wer- den. Durch diese Methode können zwar Strukturen mit geringer lateraler Ausdehnung hergestellt werden. Allerdings besteht der Nachteil, daß die Tiefe der Graben mindestens die Tiefe der Diffusionsgebiete erreichen muß. Folge sind somit aufwen- digere Strukturierungsschritte und andererseits Einschränkun- gen, wenn vorgesehen werden soll, gleichzeitig mit den Graben zur Trennung der Diffusionsgebiete auch Graben herzustellen,

die beispielsweise für Grabentransistoren genutzt werden sol- len. Nachdem die Tiefe der Graben bereits durch die Diffusi- onsgebiete vorgegeben ist, bleiben keine ausreichenden Struk- turierungsfreiheiten mehr für eine Optimierung der Graben- transistoren.

Eine Trennung von Diffusionsgebieten durch Gräben, die auch eine geringere Tiefe aufweisen dürfen als die Diffusionsge- biete, ist aus US 5,430,324 oder GB 2 314 206 bekannt. Hier besteht allerdings wiederum die Problematik, daß zunächst ei- ne Implantation von Dotierungsgebieten in ausreichend großem Abstand erfolgen muß. Andernfalls besteht die Gefahr, daß durch die geringe Tiefe der Graben keine ausreichende räumli- che und elektrische Trennung der dotierten Gebiete gewährlei- stet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Mög- lichkeit zur effektiven Trennung von dotierten Gebieten durch Graben in einem Halbleitersubstrat bereitzustellen, die mög- lichst kleine Strukturgrößen und möglichst große Freiheiten bei der Gestaltung der Graben erlaubt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des vorliegenden Anspruchs 1. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen An- ordnung ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 14.

Wie bereits beschrieben kann die Notwendigkeit zur Trennung von dotierten Gebieten in unterschiedlichen Bereichen einer Halbleiteranordnung auftreten. So kann es notwendig sein, do- tierte Gebiete beispielsweise im aktiven Bereich einer Halb- leiteranordnung, also in demjenigen Bereich, in dem die Tran- sistoren angeordnet sind, zu trennen. Ebenso kann der Fall auftreten, daß dotierte Gebiete im Bereich der Randstrukturen der Halbleiteranordnung, also zwischen der Transistoranord- nung und dem Substratrand, voneinander getrennt werden müs- sen. In einem solchen Bereich können beispielsweise dotierte Gebiete zwischen der Transistoranordnung und dem Substratrand

vorgesehen sein, die sich von der Oberfläche des Substrats in das Substrat erstrecken und die Transistoranordnung als Ring umgeben. Die Transistoranordnung selbst kann dabei aus einer beliebigen Anzahl und Art von Transistoren bestehen. Insbe- sondere können dabei Transistoren Verwendung finden, die als Feldeffekt-Transistoren ausgebildet sind und mindestens zwei in das Substrat eingebettete dotierte Gebiete sowie minde- stens eine Gate-Elektrode aufweisen. Grundsätzlich können je- doch auch beispielsweise Bipolar-Transistoren vorgesehen sein.

Zu einer effektiven Trennung der dotierten Gebiete werden nun mindestens je zwei benachbarte, isolierende Grabengebiete vorgesehen, die zwischen den dotierten Gebieten angeordnet sind und sich von der Oberfläche des Substrats aus in das Substrat erstrecken. Somit befindet sich erfindungsgemäß zwi- schen zwei dotierten Gebieten nicht nur ein einzelner Graben, der unter Umständen für eine effektive Trennung nicht aus- reicht, sondern es werden zwei oder mehrere Graben zwischen den dotierten Gebieten angeordnet. Damit kann erreicht wer- den, daß auch mit Graben geringerer Tiefe, die kleiner ist als die Tiefe der dotierten Gebiete, noch eine sehr gute elektrische und räumliche Trennung der dotierten Gebiete er- zielt werden kann. Die Tiefe der Graben kann dabei an die Ge- gebenheiten beispielsweise zur Erzeugung von Trenchtransisto- ren angepaßt werden.

Wie beschrieben bietet die vorliegende Erfindung relativ gro- ße Freiheiten bei der Gestaltung der Tiefe der Graben zur Trennung der dotierten Gebiete. So können diese Graben eine Tiefe aufweisen, die geringer ist als die Tiefe der dotierten Gebiete. Natürlich können auch Graben vorgesehen werden, de- ren Tiefe der Tiefe der dotierten Gebiete entspricht oder de- ren Tiefe größer ist als die Tiefe der dotierten Gebiete.

Die Graben können mit unterschiedlichen Materialien gefüllt sein. So kann beispielsweise vorgesehen werden, daß jedes

Grabengebiet oder zumindest ein Teil der Grabengebiete mit einer Isolationsschicht gefüllt ist bzw. durch eine Isolati- onsschicht gebildet wird. Alternativ kann jedoch auch vorge- sehen sein, daß im Grabengebiet eine leitende Schicht vorhan- den ist, die von einer Isolationsschicht umgeben ist. Es muß lediglich gewährleistet sein, daß eine ausreichende Isolation der dotierten Gebiete gegeneinander erzielt werden kann. So- mit können für die Isolationsschicht bzw. die leitende Schicht im Grabengebiet auch unterschiedliche Materialien ge- wählt werden, die an die jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden können. So kann als Isolationsschicht beispielsweise eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht vorgesehen werden, als leitende Schicht beispielsweise eine Polysiliziumschicht.

Werden Grabengebiete vorgesehen, die eine leitende Schicht beinhalten, so kann eine leitende Verbindung der einzelnen Grabengebiete untereinander vorgesehen werden. Man erzielt damit, daß die untereinander verbundenen Grabengebiete auf einem einheitlichen Potential gehalten werden können. Dabei kann zur Erzielung eines genau definierten Potentials vorge- sehen werden, daß einzelne oder alle der Graben, die eine leitende Schicht aufweisen, mit einer der Elektroden der Transistoranordnung verbunden werden, beispielsweise mit ei- ner Gateelektrode oder einer Katodenelektrode. So kann bei- spielsweise vorgesehen werden, daß zumindest die innersten Grabengebiete, die der Transistoranordnung am nächsten ange- ordnet sind, mit einer Gateelektrode oder einer Katodenelek- trode leitend verbunden sind.

Die dotierten Gebiete können sowohl als floatende Gebiete ausgebildet sein, als auch auf einem definierten Potential durch eine leitende Verbindung, beispielsweise mit einer Elektrode der Transistoranordnung, gehalten werden. Bevorzugt wird vorgesehen, daß zumindest das innerste dotierte Gebiet, das an die Transistoranordnung angrenzt, als floatendes Ge- biet ausgebildet ist, also nicht auf einem definierten Poten- tial gehalten wird. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn

im Bereich der Transistoranordnung eine möglichst gute Trä- gerüberschwemmung gewünscht ist, wie dies bei Trench-IGBT's der Fall ist.

Andererseits wird bevorzugt vorgesehen, daß zumindest das äu- ßerste dotierte Gebiet, das dem Substratrand am nächsten liegt, mit einer Elektrode der Transistoranordnung, insbeson- dere mit einer Katodenelektrode, leitend verbunden ist. Da- durch kann erreicht werden, daß Löcher aus dem Randbereich bei Schaltvorgängen effektiver abgeführt werden können und so das Schaltverhalten der Halbleiteranordnung optimiert werden kann.

Es wurde beschrieben, daß die erfindungsgemäße Idee für eine Anordnung verwendet werden kann, die zwischen dem aktiven Be- reich einer Halbleiteranordnung, also der Transistoranordnung und dem Substratrand angeordnet sein kann. Es kann dabei wei- ter vorgesehen werden, daß zwischen der erfindungsgemäßen An- ordnung und dem eigentlichen Substratrand noch weitere Rand- strukturen vorgesehen werden. So können in diesem Bereich beispielsweise noch Feldplatten oder Feldringe sowie ein Ka- nalstopper vorgesehen werden. Es ist auch möglich, eine Kom- bination dieser einzelnen Randstrukturelemente vorzusehen. So können beispielsweise mehrere Feldplatten und Feldringe vor- gesehen sein, wobei jeweils ein Feldring mit einer Feldplatte verbunden ist. Diese Kombination aus Feldplatte mit Feldring kann zu der jeweils benachbarten Kombination aus Feldplatte und Feldring ebenfalls in unterschiedlicher Weise angeordnet sein. So kann vorgesehen sein, daß keinerlei Überlappung die- ser Anordnungen untereinander vorgesehen ist. Eine solche An- ordnung ohne jegliche Überlappung kann beispielsweise im Au- ßenbereich der Randstruktur, also in der Nähe des Substra- trandes, vorgesehen werden. Andererseits kann auch eine Über- lappung der Feldplatte der einen Kombination aus Feldplatte und Feldring mit dem Feldring der nächsten Kombination aus Feldplatte und Feldring in Form einer Kaskodenschaltung vor- gesehen sein. Eine solche Anordnung wird bevorzugt für denje-

nigen Bereich der Randstruktur vorgeschlagen, der der Transi- storanordnung am nächsten liegt. Die Feldplatten oder die Feldringe der Randstruktur können durch eine leitende Verbin- dung zu einer Elektrode der Transistoranordnung auf einem de- finierten Potential gehalten werden.

Auch für den Kanalstopper, der in der Regel unmittelbar am Substratrand angeordnet ist, können unterschiedliche Ausge- staltungsformen realisiert werden. So kann beispielsweise der Kanalstopper allein aus einer dotierten Schicht bestehen, die den selben Leitungstyp aufweist wie das Substrat oder den entgegengesetzten Leitungstyp, und die am Rand des Substrats angeordnet ist. Der Kanalstopper kann jedoch auch durch eine Kombination einer solchen Schicht mit einer Feldplatte gebil- det werden, die beide leitend miteinander verbunden sind. In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen werden, daß die dotierte Schicht des Kanalstoppers von einer weiteren Schicht entgegengesetzten Leitungstyps umgeben ist. Damit wird die Wirkung der dotierten Schicht als Kanalstopper redu- ziert und die eigentliche Wirkung des Kanalstoppers weitge- hend auf die Feldplatte beschränkt.

Im folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrie- ben, das die Herstellung einer Halbleiteranordnung erlaubt, die mindestens zwei baulich und elektrisch voneinander ge- trennte dotierte Gebiete aufweist. Hierbei wird zunächst ein Dotierstoff im Bereich der zu erzeugenden Gebiete in ein Halbleitersubstrat eingebracht. Das Einbringen des Dotierma- terials in das Halbleitersubstrat kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, wobei alle bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik Anwendung finden können. Es kann beispielsweise vorgesehen werden, daß der Dotierstoff mittels einer Implan- tation in das Halbleitersubstrat eingebracht wird, wobei die Implantation durch ein Streuoxid auf der Oberfläche des Sub- strats erfolgt. Nach der Einbringung des Dotierstoffes kann ein erster Diffusionsschritt vorgesehen sein, der zu einer Ausdiffusion des Dotierstoffes in eine Tiefe führt, die ge-

ringer ist als die gewünschte Tiefe der späteren fertigen do- tierten Gebiete. Der erste Diffusionsschritt kann jedoch auch entfallen, so daß lediglich in einem ersten Schritt eine ge- eignete Implantation erfolgt.

Der Abstand, in dem diese Gebiete in das Substrat eingebracht werden, sollte dabei etwas größer gewählt werden als der ge- wünschte Abstand der komplett ausgebildeten späteren Gebiete.

Der Abstand muß jedoch nicht größer gewählt werden, als die Summe aus dem später gewünschten Strukturabstand und-im Falle eines ersten Diffusionsschrittes-der doppelten Weite der Ausdiffusion im ersten Diffusionsschritt.

Im Anschluß an den die Einbringung des Dotierstoffes erfolgt die Erzeugung je eines Grabens an derjenigen Grenze jedes der dotierten Gebiete, die dem jeweils anderen Gebiet zugewandt ist. Der Graben muß dabei lediglich eine Tiefe aufweisen, die größer ist als die Tiefe der Gebiete nach der Einbringung des Dotierstoffes und gegebenenfalls nach einer anschließenden ersten Ausdiffusion. Die Tiefe des Grabens kann jedoch gerin- ger gewählt werden als die Tiefe der späteren dotierten Ge- biete. Ist nun beispielsweise die Tiefe der Graben durch ei- nen entsprechenden Strukturierungsschritt zur gleichzeitigen Herstellung von Grabentransistoren vorgegeben, so kann die Einbringung des Dotierstoffes und gegebenenfalls ein erster Ausdiffusionsschritt an diese Vorgaben angepaßt werden, damit die Einbringung des Dotierstoffes und eine eventuelle erste Ausdiffusion nicht die Tiefe der Graben überschreitet.

Nach der Herstellung der Graben erfolgt eine zweite Ausdiffu- sion des Dotierstoffes in die gewünschte Tiefe, die in der Regel größer sein wird als die Tiefe der Graben. Da jedoch mindestens zwei Graben zwischen jeweils zwei dotierten Gebie- ten erzeugt wurden, besteht trotz einer Ausdiffusion in eine größere Tiefe als die Tiefe der Graben nicht die Gefahr, daß die dotierten Gebiete durch die Ausdiffusion ineinander über-

gehen oder eine ausreichende räumliche Trennung nicht mehr gewährleistet ist.

Die gebildeten Graben können anschließend durch eine isolie- rende Schicht aufgefüllt werden. Diese kann vollständig aus Isolationsmaterial wie einem Oxid oder einem Nitrid bestehen oder sie kann als Mehrschichtstruktur ausgebildet werden, wo- bei zunächst der Graben mit einer isolierenden Schicht ausge- kleidet wird und dann mit einer weiteren Schicht, beispiels- weise aus leitendem Material, gefüllt wird. So kann bei- spielsweise zur Bildung der isolierenden Schicht eine Isola- tionsschicht auf den Innenseiten der Graben und auf der Ober- fläche des Substrats erzeugt werden, beispielsweise durch ei- ne Oxidation des Halbleitersubstrats zur Bildung von Siliziu- moxid, worauf der Graben anschließend mit einer leitenden Schicht aufgefüllt wird, beispielsweise mit Polysilizium.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis 7 sowie der nachfolgenden Be- schreibung erläutert.

Es zeigen : Figur 1 : Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung mit einem Trench-IGBT sowie einer Randstruktur.

Figur 2 : Alternative Ausführungsform der Randstruktur gemäß Figur 1.

Figuren 3 bis 7 : Verfahrensschritte zur Herstellung zweier dotierter Gebiete, die durch zwei isolierende Gra- bengebiete voneinander getrennt werden.

Figur 1 zeigt eine Halbleiteranordnung, bei der als Teil ei- ner Transistoranordnung 2 ein IGBT mit zwei grabenförmigen Gate-Elektroden 5,6 dargestellt ist, wobei ein p-Bodygebiet 4 und n+-Sourcegebiete 3 in ein n-Substrat 1 eingebettet

sind. In dem Substrat 1 ist weiterhin eine Anodenschicht 22 vom Leitungstyp p vorgesehen, auf die eine Rückseitenmetalli- sierung 21 aufgebracht ist. Weiterhin erstrecken sich zwei dotierte Gebiete vom Typ p 7 und 8 in das Substrat 1. Diese beiden Gebiete sind durch zwei Graben 10 und 11 voneinander getrennt. Jeder der Graben 10,11 ist mit einer Isolations- schicht 14 ausgekleidet, wobei hierfür die selbe Schicht ver- wendet wurde, die auch die Gateoxidschicht der Gate- Elektroden 5,6 bildet. Weiterhin sind die Graben 10,11 mit einer leitenden Schicht 12 und 13 gefüllt, die durch die sel- be Schicht gebildet wird, wie die leitende Schicht der Gate- Elektroden. Die Graben 10 und 11 können somit gleichzeitig in einem Strukturierungsschritt mit den Gate-Elektroden 5,6 er- zeugt werden. Die Isolationsschicht 14 kann dabei als Oxid- schicht vorgesehen sein, die leitenden Schichten 12,13 als Polysiliziumschichten.

Das dotierte Gebiet 7, das an die Gate-Elektrode 6 des IGBT angrenzt, ist als floatendes Gebiet vorgesehen. Damit kann beim Betrieb des IGBT eine verbesserte Trägerüberschwemmung gewährleistet werden. Das zweite dotierte Gebiet 8 dagegen ist leitend mit den Source-Gebieten 3 verbunden. Dieses Ge- biet wird somit auf Source-Potential gehalten.

Zwischen den dotierten Gebieten 7,8 und dem Substratrand 9 ist eine Randstruktur vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 durch Feldplatten sowie einen Kanalstopper ge- bildet wird. Hierzu ist beispielhaft eine Feldplatte 15 dar- gestellt, die in eine Oxidschicht eingebettet ist und über dem Substrat 1 angeordnet ist. Die Feldplatte 15 ist entweder mit einer Source-Elektrode 3 oder einer Gate-Elektrode 5,6 leitend verbunden. Der Kanalstopper 16 wird gebildet durch eine dotierte Schicht 19, die entweder vom Leitungstyp n oder vom Leitungstyp p sein kann, und die direkt am Substratrand 9 angeordnet ist. Diese dotierte Schicht ist leitend mit einer Feldplatte 18 verbunden, die ebenfalls in eine Oxidschicht eingebettet und über dem Substrat 1 angeordnet ist.

Eine alternative Ausführungsform der Randstruktur ist in Fi- gur 2 dargestellt. Hier sind mehrere Feldplatten 15 darge- stellt, die jeweils mit einem Feldring 17 verbunden sind, der als dotiertes Gebiet in das Substrat 1 eingebettet ist. In denjenigen Bereich der Randstruktur, der an die dotierten Ge- biete 7,8 angrenzt, ist vorgesehen, daß die Feldplatten 15 den jeweils angrenzenden Feldring 17 in Form einer Kaskode überlappen.

Im Gegensatz dazu ist im Bereich der Randstruktur, die im Be- reich des Substratrandes 9 angeordnet ist, vorgesehen, daß keinerlei Überlappung der Feldplatten mit angrenzenden Feld- platten oder Feldringen vorgesehen ist.

Der Kanalstopper 16 wird wiederum durch eine Feldplatte 18 und ein dotiertes Gebiet 19 gebildet, die untereinander lei- tend verbunden sind. Allerdings ist nunmehr das dotierte Ge- biet 19, das beispielsweise eine Dotierung vom Typ n auf- weist, von einer weiteren Schicht mit entgegengesetztem Lei- tungstyp umgeben, also in diesem Fall von einer Schicht vom Typ p. Die Wirkung des Kanalstoppers wird damit weitgehend auf die Wirkung der Feldplatte 18 beschränkt.

In den Beispielen nach Figur 1 und 2 sind jeweils zwei do- tierte Gebiete 7,8 dargestellt, die durch zwei Graben 10,11 getrennt sind, wobei die Graben untereinander und mit einer Gate-Elektrode 6 leitend verbunden sind. Es können jedoch auch mehr als nur zwei dotierte Gebiete 7,8 vorgesehen sein, ebenso können auch mehr als nur zwei Graben 10,11 vorgesehen sein. Die Randstrukturen der Figuren 1 und 2 wurden nur bei- spielhaft dargestellt, es kann auch eine größere Anzahl von Feldplatten 15 und Feldringen 17 Anwendung finden, als in den Figuren 1 und 2 dargestellt wurde.

Figuren 3 bis 7 zeigen schematisch die Herstellungsschritte von zwei dotierten Gebieten 7,8, die durch zwei Graben 10, 11 voneinander getrennt sind. Hierzu erfolgt in einem ersten

Schritt eine Implantation durch ein Streuoxid 23 in ein Sub- strat 1, wobei der übrige Bereich des Substrats durch eine Maske 24 abgedeckt ist. In einem ersten Diffusionsschritt wird ein Diffusionsgebiet 25 erzeugt, wobei die Tiefe dieses Gebietes 25 geringer ist als die gewünschte Tiefe des späte- ren, fertig ausdiffundierten Gebietes 8. Das Streuoxid 23 wird von der Substratoberfläche entfernt und es erfolgt die Strukturierung eines Grabens 11 in das Substrat, wobei dieser Graben 11 eine größere Tiefe aufweist als das Diffusionsge- biet 25, jedoch eine geringere Tiefe als das spätere, fertig ausdiffundierte Gebiet 8.

In einem zweiten Diffusionsschritt erfolgt die Ausdiffusion des Dotiermaterials bis in die gewünschte Tiefe des fertig ausdiffundierten Gebietes 8. Diese Tiefe kann dabei, wie in Figur 6 dargestellt, größer sein als die Tiefe des Grabens 11. Schließlich erfolgt die Bildung einer Isolationsschicht 14 auf der Substratoberfläche und den Innenwänden des Grabens 11, sowie das Auffüllen des Grabens mit einer leitenden Schicht 13. Grundsätzlich kann dieses Auffüllen des Grabens auch vor dem zweiten Diffusionsschritt zur endgültigen Bil- dung des Gebietes 8 erfolgen.

Die Bildung des zweiten dotierten Gebietes 7 sowie des zwei- ten Grabens 10 erfolgt parallel zur Bildung des Gebietes 8 sowie des Grabens 11. In den Figuren 3 bis 6 wurde aus Grün- den der Einfachheit lediglich die Bildung des Gebietes 8 so- wie des Grabens 11 dargestellt. Figur 7 zeigt die fertige An- ordnung aus den beiden dotierten Gebieten 7 und 8, die durch zwei Graben 10 und 11 voneinander getrennt sind. Beide Graben sind mit einer leitenden Schicht 12,13 gefüllt, die in einem gemeinsamen Schritt beispielsweise durch Abscheidung von Po- lysilizium erzeugt werden kann, wobei die leitende Schicht 12,13 von einer Isolationsschicht 14 umgeben ist, die eben- falls in einem gemeinsamen Schritt beispielsweise durch Oxi- dation des Substrats erzeugt werden kann.