DE102004051348A1 - Superjunction Vorrichtung mit verbesserter Robustheit - Google Patents

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Abstract

Eine verbesserte Superjunction Halbleitervorrichtung beinhaltet ein geladenes ausgeglichenes Pylon in einer Körperregion, wo ein Top des Pylons groß ist, um leichtes Ladungsungleichgewicht hervorzurufen. Eine MOSgated Struktur ist über dem Top des Pylons ausgebildet und ausgestaltet, um Strom durch das Pylon zu leiten. Durch die Erhöhung eines Ausmaßes des Tops des Pylons ist die resultierende Vorrichtung weniger empfänglich bezüglich Variationen der Herstellungstoleranzen, um eine gute Durchschlagsspannung zu erhalten und eine verbesserte Vorrichtungsrobustheit.

Description

  • Verwandte Anwendungen
  • Die vorliegende Anwendung basiert auf und zieht den Nutzen aus US Provisional Application N. 60/512,174, eingereicht am 21. Oktober 2003, mit dem Titel 'Superjunction Device with Improved Ruggedness', deren Priorität hiermit beansprucht wird.
  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Superjunction oder Sperrschicht Vorrichtungen und einen Prozess für deren Herstellung, und besonders auf die Erhöhung der Robustheit von Superjunction Vorrichtungen, und die Erhöhung der Prozessfenstertoleranzen für solche Vorrichtungen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Superjunction Vorrichtungen besitzen den Vorteil von signifikant reduziertem Rdson für die gleiche hohe Durchschlagspannung (BV) eines konventionellen MOSFET. Die Superjunction besteht aus einem Multilayer, zum Beispiel einer sechs-lagigen Sequenz von Implantat und Epitaxy, um regelmäßig angeordnete P-Säulen zu formen, welche benutzt wird, um die Ladung in der N-Typ (leitend) Drift Region epi, welche die Säulen aufnimmt, im Gleichgewicht zu halten. Die gleiche Maske wird auf den sechs Schichten wiederholend benutzt, um die P-Säulen zu erzeugen.
  • Das Ladungsgleichgewicht ist mit einem kleinen Prozessfenster kritisch. Überschreiten dieses Fensters auf der P-Typ Seite (das heißt, eine überhöhte P Ladung in den P Säulen) führt dazu, dass die BV unter die Spezifikation fällt. Überschreiten dieses Fensters auf der N-Typ Seite führt zu hoher BV, kann aber zu Robustheitsverringerung führen.
  • Vorrichtungsrobustheit kann durch strukturelle Modifikationen, die den Strom zwingen, eher durch die P-Säule zu fließen als außerhalb, verbessert werden. Solche Strukturen sind in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung Serial No. US 60/417,212, eingereicht am 8. Oktober 2002 gezeigt und dem Anmelder der vorliegenden Erfindung zugeordnet, und welche hiermit als Referenz einbezogen wird. In diesem Fall hatte nur der höchste Teil der P Säulen eine höhere und unausgeglichene P Konzentration (Ladung) als der Rest der Säulen, welche eine ausgeglichene Konzentration gegenüber den umliegenden N-Typ Körper haben. Dies hatte zur Folge, dass in dem Top der Säulen Lawinenstrom von unter dem MOSFET Source Bereich (die Rb' Region) und zu der Achse der Säule abgelenkt wurde.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung schlägt eine andere Modifikation vor. Anstelle der Verwendung des gleichen Aufbaus für alle Schichten, wird der Aufbau der höchsten Schicht mit einem etwas größeren Merkmal (Durchmesser) und auf diese Weise erhöhtem Volumen und P Ladung, lediglich in dem aktiven Bereich modifiziert, so dass die BV von den Zellen des aktiven Bereichs selektiv reduziert wird und auch, so dass der Strom in oder in Richtung der Achsen der P Säule fließt, somit die Robustheit verbessernd. Die unteren fünf Schichten und die Anschlüsse können dann für maximale BV optimiert werden. Die Verwendung des separaten oberen oder sechsten Schichtaufbaus erlaubt die Durchführung von hohen Anschluss-BV, relativ niedrigerem BV des aktiven Bereichs und Stromfluss in der P-Säule. Die Verbindung dieser drei Faktoren verbessert die Robustheit und erhöht die Prozessfenstertoleranz, da es die Abhängigkeit von der EAS auf die Vorrichtungs-BV reduziert. Es sei erwähnt, dass jede Zahl von Schichten verwendet werden kann, während eine sechs-lagige Ausführung gewählt wurde, um die Erfindung darzustellen.
    •
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Querschnitt von einem kleinen Teil des aktiven Bereichs einer Superjunction Vorrichtung, welche die vorliegende Erfindung verwendet.
  • 2 ist ein Querschnitt von 1 entlang Schnittlinie 2-2 in 1.
  • 3 zeigt den Arbeitsgang des Formens eines ausgeweiteten Volumen P-Bereichs am Top der P-Säulen entsprechend der Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Bezugnehmend auf 1 bis 3 wird ein Silizium Wafer (oftmals als Die oder Chip bezeichnet) aus einem N+ Wafer 10 geformt, der eine Serie von Epitaxialschichten N6 bis N1' die fortlaufend geformt sind, erhält. Nach der Formierung von jeder Schicht wird eine Implantierung und Diffusion ausgeführt, um P Regionen (entsprechend P6 bis P1) auszubilden. Im Stand der Technik sind die Implantierung und die Diffusion von identischer Größe und Konzentration und welche im Ladungsgleichgewicht zu der umgebenden Ladung der Schichten N6 bis N1 entsprechend sind, die jeweils von derselben Konzentration sind.
  • Jede der P Regionen P6 bis P1 sind gegenseitig ausgerichtet, um eine kontinuierliche Spalte, Pfeiler oder „Pylon" zu bilden.
  • Dann wird eine MOSgated Struktur oben auf jeder Säule geformt, in 1 als P Kanalregion 20, 21 und 22 gezeigt, welche gewöhnlich entsprechende N+ Source Regionen 24, 25 und 26 aufnehmen. Über den Inversionsbereichen jeder entsprechender Kanalregion 20, 21 und 26 wird ein Gate Oxyd 27 abgelegt und ein leitendes Polysilikon Gate 28 wird über jeden der Gate Oxyd Regionen 27 geformt. Über den Gates 28 wird eine LTO Isolationsschicht 29 ausgebildet und über der Schicht 29 wird eine Source Elektrode 30 ausgebildet und kontaktiert jede der Sourcen 24, 25, 26 und den inneren Kanal der Regionen 20, 21 und 22. Man beachte, dass die Kanalregionen 20, 21 und 22 mehreckige Zellen oder Streifen seien können; und die Spalten P6 bis P1 weisen entsprechend kreisförmige oder streifenförmige Umrisse auf. Eine Drainelektrode 40 ist am Boden der N+ Region 10 angebracht.
  • Gemäß der Erfindung weisen die obersten (oder oberen) P Regionen P1 einen größeren Durchmesser als die darunter liegenden Regionen P2 bis P6 auf, so dass das Top der Säulen eine größere P Ladung hat als die der umgebenden N1 Schicht. Die oberste Säule kann einen gegenüber den unteren Säulen erhöhten Durchmesser von nur wenigen Prozent aufweisen.
  • Als Beispiel, wenn die Elemente P2 bis P6 der unteren Säule einen Durchmesser nach der Diffusion von 5 μm haben, hat, um den Vorteil der Erfindung zu erhalten, die obere P Region P1 möglicherweise einen Durchmesser von 5,1 μm (2 % größer).
  • 3 zeigt die Implantierung und Diffusion der oberen P Region P1. Daher wird die Schicht N1 über der Schicht N2 und seiner P Region P2 abgelegt. Dann wird über der Schicht N1 eine Maske 50 mit einem Fenster 51, 52 ausgerichtet und an der Mitte der Region P2 ausgebildet. Dann wird eine Bor- oder eine andere P Spezies Implantierung und eine Diffusion durchgeführt, um den vergrößerten Durchmesser der P1 Regionen, ausgerichtet auf die Spitzen der P Säulen, auszuformen. Jedoch sind die Fensterdurchmesser für die Fenster 51 und 52, die den vergrößerten Durchmesser der obersten Region P1 bilden, größer als die Implantierungsfenster in der Maske für die Regionen P2 bis P6. Der Diffusionsprozess wird abwechselnd über eine längere Zeitperiode durchgeführt, um vergrößerte Regionen P1 auszubilden..
  • Während die Fenster 51 und 52 kreisförmig sind (2) können für die Fenster 51 und 52 andere Formen, wie beispielsweise gestreckte Streifen, Rechtecke, Ovale oder Kreise mit vorstehenden Fingern und dergleichen verwendet werden, um größere P Volumen an der Spitze von jeder Säule zu produzieren. Zusätzlich müssen nicht auf jeder Säule über der Region P2 die Regionen P1 gebildet werden. Einige Säulen können eine P1 Region enthalten, die genauso groß ist wie die Region P2 oder andere Regionen in den P Säulen. Diese Säulen können über die Halbleitervorrichtung verstreut werden, um eine bestimmte Charakteristik für die Vorrichtung zu erhalten.
  • Während die obige Beschreibung identische Durchmesser (oder Breiten) für die P Regionen P2 bis P6 betrachtet, können sie ferner abnehmend oder herabstufend im Durchmesser von einem größeren Durchmesser für die Regionen P2 zu einem kleineren Durchmesser für die Regionen P6 sein. Außerdem kann eine Anzahl von oberen P Regionen zu einigen Ausmaßen vergrößert werden und im Ladungsungleichgewicht mit dem umgebenden N Typ Material sein. Beispielsweise können die zwei oder drei obersten P Regionen im Vergleich zu den unteren P Regionen vergrößert sein und in einem Ladungsungleichgewicht mit dem umgebenden N Typ Material sein.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Relation zu speziellen Ausführungsbeispielen davon beschrieben worden ist, sind dem Fachmann viele andere Variationen und Modifikationen und andere Gebräuche offenbart. Daher wird bevorzugt, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die spezielle Offenbarung hierin beschränkt ist.

Claims (11)

  1. Eine Superjunction Vorrichtung, umfassend: eine Halbleiterkörperregion, aufweisend einen ersten Leitfähigkeitstyp; eine Mehrzahl von beabstandeten Pylons, aufweisend einen anderen Leitfähigkeitstyp, die sich entlang eines Abschnitts einer Dicke der Körperregion erstrecken; einen oder mehrere Pylons, aufweisend eine MOSgate Struktur mit einer Source Region, die in einer Kanalregion offen liegend darüber positioniert ist und in Kontakt mit einem oder mehreren entsprechenden Pylons ist; wobei ein Hauptbereich von jedem der Pylons in einem Ladungsgleichgewicht mit der Körperregion ist, die sie umgibt; und wobei ein Anteil des Pylons nahe der MOSgate Struktur eine Dimension aufweist, die größer als die eines Rests des Pylons ist, wobei der obere Abschnitt des Pylons aus dem Ladungsgleichgewicht mit der umgebenden Bodyregion ist.
  2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Pylon eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist.
  3. Die Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der obere Abschnitt einen größeren Durchmesser als der Restanteil aufweist.
  4. Die Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der obere Abschnitt eine um 2 % größere Dimension aufweist als der Restanteil des Pylons.
  5. Ein P-Typ Halbleiterpylon in einem N-Typ Körper für eine Superjunction Vorrichtung, umfassend: ein an einem oberen Ende eines P-Typ Pylons erhöhtes Ausmaß, um eine Konzentrations-Overbalance des umgebenden N-Typ Körpers auszubilden; und einen Rest einer Länge eines Pylons, der im Ladungsgleichgewicht mit dem umgebenden N-Typ Körper ist.
  6. Die Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Ausmaß des Pylons in der Nähe seines oberen Endes ungefähr 2 % größer als das des Rests des Pylons ist.
  7. Eine Superjunction Vorrichtung, mit einer verbesserten Lawinenfähigkeit, umfassend: einen Halbleiter-Wafer-Körper eines Leitfähigkeitstyps und eine Hauptelektrode am Boden des Wafer; eine Vielzahl von beabstandeten Pylons des anderen Leitfähigkeitstyp, die sich durch zumindest einen Teil einer Dicke des Wafers erstrecken; wobei die unteren Teile des Pylons im Ladungsgleichgewicht mit dem Wafer-Körper sind; und wobei ein Teil eines oberen Bereichs des Pylons eine größere Ausdehnung aufweist, als die unteren Bereiche, wobei der obere Bereich in einem Ladungsungleichgewicht mit dem Wafer-Körper ist.
  8. Die Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Ausdehnung des oberen Bereichs des Pylons näherungsweise 2 % größer als die der unteren Bereiche des Pylons ist.
  9. Die Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner umfassend: eine MOSgate-Struktur, die an einem Top von jedem Pylon angeordnet ist; wobei die MOSgate-Struktur eine Kanalregion des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist, die sich darüber erstreckt und ein entsprechendes Pylon überlappt; eine entsprechende Source Region des einen Leitfähigkeitstyps, die sich in jede Kanalregion erstreckt; eine Gate-Struktur, die sich über entsprechende invertierbare Kanalregionen zwischen Source und Kanalregionen an dem Top des Wafers erstreckt; und eine Source-Elektrode, sich über ein Top des Wafers erstreckt und in Kontakt mit jeder der Source und Kanalregionen ist.
  10. Ein Verfahren zur Formung einer Superjunction Vorrichtung, umfassend: Bereitstellen eines Substrats, das einen Leitfähigkeitstyp aufweist; Beschichten (overlaying) des Substrats mit einem Halbleitermaterial, das denselben Leitfähigkeitstyp aufweist; Diffundieren eines Halbleitermaterials des anderen Leitfähigkeitstyps in die darüber liegende Schicht; Bilden einer anderen Schicht über der darüber liegenden Schicht, den einen Leitfähigkeitstyp aufweisend; Diffundieren eines Halbleitermaterials des anderen Leitfähigkeitstyps in die eine weitere Schicht, um eine Implantierung auszubilden, die ein größeres Ausmaß als das der ersten Implantierung aufweist.
  11. Das Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: Ausformen einer MOSgated Struktur oberhalb der obersten Diffusion und aufweisend eine Source und Kanalregion; und Ausformen eines Source Kontakts über der Source Region; Ausformen einer Gate Elektrode über der Kanalregion.
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