DE102005059035A1 - Isolationsgrabenstruktur für hohe Spannungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Isolationsgräben (Trenches) mit hohem Aspektverhältnis für trenchisolierte Smart Power Technologien in Silicon On Insulator (SOI)-Siliziumscheiben. Durch die besondere geometrische Gestaltung (Layout) der Kreuzungs- und Einmündungspunkte von Isolationsgräben für hohe Spannungen wird die Fehlerquote reduziert und der Fertigungsprozess vereinfacht.

Description

• Isolationsgräben in SOI-Siliziumscheiben werden verwendet um in integrierten Smart Power-Schaltkreisen unterschiedliche Bauelemente (z.B. Transistoren) oder ganze Gebiete mit unterschiedlichem Potential voneinander zu isolieren. Der Isolationsgraben kann dabei z.B. das zu isolierende Bauelement oder das zu isolierende Gebiet ringförmig umschließen; beschrieben z.B. in der Patentschrift US 5,734,192 oder auch in der US 6,394,638 B1 . Weiterhin ist in der Patentschrift US 5,283,461 eine Grabenstruktur beschrieben, bei der die zu isolierenden Bauelemente durch ein Netz von Isolationsgräben getrennt sind, wobei es, wie in 1 gezeigt ist, zu Kreuzungspunkten (1a) und T-förmigen Zusammentreffen bzw. Einmündungen (1b) der Isolationsgräben (10) kommt. Der Isolationsgraben (10) mit einer Weite (14) ist auf beiden Seiten durch die aktive Siliziumschicht (12) der Scheibe umgeben. An den Kreuzungs- und Einmündungspunkten entsteht eine diagonale Weite des Isolationsgrabens (16). Die diagonale Weite (16) am Kreuzungspunkt ist dabei wesentlich größer – Wurzel aus dem doppelten Quadrat der Weite (14) – als die Weite (14) des einzelnen gerade verlaufenden Isolationsgrabens.
• Den Aufbau des Isolationsgrabens (10) beschreibt z.B. US 6,524,928B1 , siehe 2. Ausgangsmaterial ist die SOI-Scheibe bestehend aus der Trägerscheibe, dem Substrat (20), der aktiven Siliziumschicht (12) und dem vergrabenen Oxid (22) das die Trägerscheibe (20) von der für aktive Bauelemente genutzten Siliziumschicht (12) isoliert. Auf die Seitenwände des geätzten Isolationsgrabens wird zunächst eine Isolationsschicht (24), z.B. ein Dielektrikum wie Siliziumdioxid, aufgebracht. Anschließend wird der Isolationsgraben mit einem Verfüllmaterial (26), z.B. Polysilizium, verfüllt und oberflächlich eingeebnet.
• Die Abscheidung der Verfüllschicht (26) zur Auffüllung des Isolationsgrabens erfolgt z.B. durch chemisch physikalische Abscheideverfahren (CVD- oder PVD-Prozesse). Da bei der Abscheidung der Verfüllschicht der Isolationsgraben von beiden Grabenseiten her bedeckt wird, ist theoretisch eine Schichtdicke von mindestens der Hälfte der Weite (14) nötig, um den geraden Isolationsgraben ohne Kreuzungspunkte zu verfüllen. Für eine komplette Verfüllung des gesamten Isolationsgrabensystems reicht dies aber nicht aus, weil zur kompletten Verfüllung auch der Kreuzungsbereich und damit die Weite (16) berücksichtigt werden muss. Die dazu erforderliche Schichtdicke beträgt also mindestens die Hälfte der Weite (16) und ist damit wesentlich größer als die Schichtdicke, die zur Verfüllung der Grabenweite (14) nötig wäre. Eine größere Schichtdicke bedeutet aber längere Prozesszeiten und damit eine größere Fehlerquote und höhere Prozesskosten.
• An 90°-Kreuzungs- und Einmündungsstellen der Isolationsgräben kommt es ferner zur Ausbildung von spitzen Kanten, die bei hohen zu isolierenden Spannungen elektrische Überschläge möglich machen.
• Es ist wünschenswert, ein Layout für die Isolationsgräben zu haben, welches die Kantenschärfe der Ecken an den Kreuzungs- und Einmündungsstellen der Isolationsgräben reduziert und eine angepaßte Grabenweite im Übergangsbereich der Gräben beinhaltet, um bereits mit möglichst gleichen geringen Schichtdicken, d.h. mit möglichst geringen Abscheidezeiten und damit mit geringen Fehlererscheinungen und Kosten, den Graben verfüllen zu können. Für einen stabilen Ätzprozess des Grabens ist jedoch andererseits ein gewisses Aspektverhältnis und damit bei gegebener Dicke der aktiven Siliziumschicht (12) eine bestimmte Weite des Grabens nötig. Damit kann die Forderung nach minimaler Weite nicht durch eine einfache Reduzierung der Weite (14) des Isolationsgrabens erfüllt werden.
• Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der Isolationswirkung der Isolationsgräben gegen hohe Spannungen und die Reduzierung der Weite der Isolationsgräben an den Kreuzungs- und Einmündungspunkten hin auf die vorgegebene Weite des geradlinigen Isolationsgrabens außerhalb dieser Punkte.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Layout des Isolationsgrabens anzugeben, das eine Verringerung der Kantenschärfe an den Ecken der Grabenwände beinhaltet und eine möglichst homogene Isolationsgrabenweite auch an Kreuzungs- und Einmündungspunkten vorsieht, um damit mit möglichst geringem Aufwand bei der Abscheidung der Verfüllschicht den Graben lückenlos verfüllen zu können.
• Gelöst wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
• Der Gegenstand des Anspruchs 1 weist die Vorteile auf, dass die Kantenschärfe an den spitzen Ecken der Grabenwände durch Abflachen der Ecken verringert wird, wobei sich die Isolationswirkung für höhere Spannungen verbessert und, dass eine schädliche Aufweitung der Isolationsgräben im Kreuzungspunkt verhindert wird.
• Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.
• Es zeigen
• 3 die Draufsicht einer 90°-Kreuzung von Isolationsgräben in schematischer Darstellung, wie sie der Erfindung entspricht, und
• 4 eine weitere Variante wie in 3 mit abgerundeten Ecken.
• Wie in 3 gezeigt, bleibt in der Mitte des Kreuzungspunktes eine Mitteninsel (18) mit einer Kantenlänge (32) stehen.
• Es wird eine mit ihren geraden Kanten gegenüber den geraden Seitenwänden der Isolationsgräben um 45°gedrehte Mitteninsel (18) verwendet. Die eigentlichen Isolationsgräben (10) haben am Kreuzungspunkt keine 90°-Ecken sondern eine Abschrägung mit 135°-Winkeln der aktiven Siliziumschicht (12). Dadurch entfällt die für Hochspannungsanwendungen kritische 90°-Ecke. Es liegt im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung, dass auch mit anderen als 90°-Winkeln zusammenlaufende oder sich schneidende Isolationsgräben möglich sind, welche mit einer in der Form entsprechend angepaßten Mitteninsel (18) kombiniert sind. Auch können abgerundete Ecken der gegeneinander zu isolierenden Bereiche mit einer konkave Rundungen aufweisenden Mitteninsel (18) benutzt werden, wie das in 4 dargestellt ist.
• Im gezeigten Beispiel wird die Weite (30) an die auszufüllende Weite (14) des Isolationsgrabens angepasst und es kommt so zur gleichmäßigen Auffüllung des Grabens im Kreuzungsbereich.

10

Isolationsgraben

12

aktive Siliziumschicht

14

Breite des einzelnen Isolationsgrabens

16

diagonale Breite des Isolationsgrabens im Schnittpunkt

18

Mitteninsel

20

Trägerscheibe/Substrat

22

vergrabenes Oxid

24

Isolationsschicht

26

Verfüllschicht

30

Breite des Isolationsgrabens zwischen aktiver Siliziumschicht (12) Mitteninsel (18)

32

Kantenlänge der Mitteninsel (18)

Claims (2)

1. SOI-Isolationsgrabenstruktur im Kreuzungs- und Einmündungsbereich von Isolationsgräben (Layout) von Halbleiterbauelementeanordnungen, welche Gebiete (12) mit Bauelementen hoher elektrischer Spannungen gegenüber Nachbargebieten durch die Isolationsgräben (14) elektrisch isolieren, dadurch gekennzeichnet, dass die spitzen Ecken der gegeneinander zu isolierenden Gebiete (12) im Kreuzungs- bzw. Einmündungsbereich abgeflacht sind und im Zentrum der Kreuzung, bzw. Einmündung der Isolationsgräben (14) eine Mitteninsel (18) aus gleichem Material wie im Gebiet (12) aber unbearbeitet vorgesehen ist, die in ihrer Form dem Konturenverlauf der abgeflachten Ecken so angepasst ist, dass eine Art Übergangsgraben von einem Isoliergarben zum anderen ausbildet ist, der annähernd die gleiche Breite (30) wie die Isolationsgräben (14) aufweist.
2. Isolationsgrabenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken der zu isolierenden Gebiete (12) im Kreuzungs- bzw. Einmündungsbereich abgerundet sind und die Mittelinsel (18) konvexe Flächenanteile, die den Rundungen gegenüber stehen aufweist, welche in Spitzen zusammenlaufen, die in die Mitte der Isoliergräben (14) zeigen.