DE10057611C2 - Laterales Halbleiterbauelement - Google Patents

Laterales Halbleiterbauelement

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, wie beispiels­ weise aus der Druckschrift JP 08340101 A bekannt.
Ein derartiges Halbleiterbauelement ist beispielsweise ein nach dem Stand der Technik bekannter IGBT (Insulated Gate Bi­ polar Transistor), wie er in Fig. 1 in seitlicher Ansicht im Querschnitt dargestellt ist. Dieser IGBT weist einen Halblei­ terkörper 11 eines ersten Leitungstyps - in dem Beispiel des n-Leitungstyps - auf, in dem eine erste n-dotierte Source- Zone 20 ausgebildet, ist die von einer p-dotierten Kanalzone 40 umgeben ist. Die Source-Zone 20 ist mittels einer Source- Elektrode S kontaktierbar. Isoliert gegenüber dem Halbleiter­ körper 11 ist oberhalb der Kanalzone 40 eine Gate-Elektrode vorgesehen, wobei zur Isolation eine Isolationsschicht zwi­ schen der Gate-Elektrode und dem Halbleiterkörper 11 ausge­ bildet ist. In lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 11 beabstandet zu der Source-Zone 20, bzw. der Kanalzone 40, ist eine p-dotierte Drain-Zone 130 in den Halbleiterkörper einge­ bracht, die mittels einer Drain-Elektrode 132 kontaktiert ist.
Bei Anlegen einer positiven Ansteuerspannung zwischen der Ga­ te-Elektrode 150 und der Source-Elektrode 122 bildet sich in der Kanalzone 140 unterhalb der Gate-Elektrode 150 ein lei­ tender Kanal zwischen der Source-Zone 20 und einer zwischen der Kanalzone 140 und der Drain-Zone 130 in dem Halbleiter­ körper 11 gebildeten n-dotierten Driftzone aus. Bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen der Drain-Elektrode 132 und der Source-Elektrode 122 werden dabei zum einen Elektronen als Majoritätsladungsträger in die Driftzone injiziert und bewegen sich in Richtung der Drain-Zone. Zum anderen werden von der Drain-Zone Löcher als Minoritätsladungsträger in die Driftzone injiziert und bewegen sich in Richtung der Source- Zone 20.
Eine Integration weiterer Bauelemente in dem Halbleiterkör­ per, beispielsweise einer Ansteuerschaltung des IGBT in CMOS- Technologie, ist bei dem bekannten Bauelement bislang nicht möglich, da die in die Driftzone injizierten Löcher sich in dem Halbleiterkörper weiter ausbreiten und damit die Funktion der anderen Bauelemente beeinträchtigen würden.
Aus der JP 08340101 A ist ein lateraler IGBT bekannt, bei dem unterhalb der Driftzone eine mit Protonen bestrahlte Schicht vorhanden ist, die als "Lebensdauerkiller" für Minoritätsla­ dungsträger in der Driftzone dient.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbau­ element, insbesondere einen IGBT in lateraler Bauweise zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Integration weiterer Bau­ elemente in dem Halbleiterkörper möglich ist, ohne dass deren Funktion beeinträchtigt ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist eine in einem Halbleiterkörper ausgebildete erste Anschlusszone eines ers­ ten Leitungstyps und eine zweite Anschlusszone eines zweiten Leitungsytps auf, die in lateraler Richtung des Halbleiter­ körpers beabstandet zu der ersten Anschlusszone in dem Halb­ leiterkörpers ausgebildet ist. Im Anschluss an die zweite An­ schlusszone ist eine Driftzone des ersten Leitungstyps ausge­ bildet, wobei zwischen der Driftzone und der ersten An­ schlusszone eine Kanalzone des zweiten Leitungstyps ausgebil­ det ist, und wobei eine isoliert gegenüber dem Halbleiterkör­ per benachbart zu der Kanalzone ausgebildete Steuerelektrode zur Steuerung eines leitenden Kanals in der Kanalzone vorgesehen ist. In vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers beabstandet zu der Driftzone ist bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement des weiteren eine Rekombinationszone im Bereich einer Rückseite des Halbleiterkörpers ausgebildet.
An der Rekombinationszone, die beispielsweise aus einem Me­ tall oder einem Silizid besteht, können Ladungsträger des zweiten Leitungstyps (üblicherweise Löcher), die sich unter­ halb der Driftzone fortbewegen, mit Ladungsträgern des ersten Leitungstyps (üblicherweise Elektronen) rekombinieren. Die Ausbreitung der Ladungsträger des zweiten Leitungstyps in dem Halbleiterkörper zu anderen Bereichen als der ersten An­ schlusszone kann dadurch verhindert oder zumindest weitgehend reduziert werden. Dies ermöglicht die Integration weiterer Halbleiterbauelemente in dem Halbleiterkörper, wobei deren Funktion nicht durch Ladungsträger des zweiten Leitungstyps aus der zweiten Anschlusszone gestört wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rekombinationszone sich über die gesamte Rückseite des Halbleiterkörpers erstreckt. Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass sich die Rekombinationszone nur über einen Teil der Rückseite des Halbleiterkörpers erstreckt.
Gegenstand der Erfindung ist des weiteren eine Halbleiteran­ ordnung mit einem Halbleiterbauelement der beschriebenen Art, das eine Rekombinationszone im Bereich einer Rückseite des Halbleiterkörpers aufweist, wobei in dem Halbleiterkörper weitere Halbleiterbauelemente, beispielsweise CMOS- Transistoren realisiert sind.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei­ spielen anhand von Figuren näher erläutert: In den Figuren zeigt
Fig. 1: einen IGBT nach dem Stand der Technik,
Fig. 2: ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement gemäß einer ersten Ausführungsform in Seitenansicht im Querschnitt,
Fig. 3: ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement gemäß einer zweiten Ausführungsform in Seitenansicht im Querschnitt.
In den Figuren bezeichnen, gleiche Bezugszeichen gleiche Tei­ le mit gleicher Bedeutung.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement und dessen Funktion wird nachfolgend anhand eines IGBT erläutert. Halbleiterzonen des ersten Leitungstyps sind im folgenden n-dotierte Zonen und Halbleiterzonen des zweiten Leitungstyps sind im folgen­ den p-dotierte Zonen.
Das in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Bauelement weist eine erste n-dotierte Anschlusszone 20 als Source-Zone auf, die im Bereich einer Vorderseite 11 eines n-dotierten Halb­ leiterkörpers 1 in den Halbleiterkörper 1 eingebracht ist. Die Source-Zone 20 ist in dem Ausführungsbeispiel wanneartig ausgebildet und von einer ebenfalls wannenartig ausgebildeten p-dotierten Kanalzone 40 umgeben. In lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 1 beabstandet zu der Source-Zone 20 ist ei­ ne p-dotierte zweite Anschlusszone als Drain-Zone 30 im Be­ reich der Vorderseite 11 in den Halbleiterkörper 1 einge­ bracht. Die Source-Zone 20 ist mittels einer Source-Elektrode 22 an der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 kontaktier­ bar, wobei die Source-Elektrode 22 die Source-Zone 20 und die Kanalzone 40 kurzschließt. Die Drain-Zone 30 ist an der Vor­ derseite 11 des Halbleiterkörpers 1 mittels einer Drain- Elektrode 22 kontaktierbar. Ein Bereich 10 des Halbleiterkör­ pers 1 zwischen der Kanalzone 40 und der Drain-Zone 30 bildet die sogenannte Drift-Zone (oder Drift-Strecke) des IGBT.
Auf der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 ist des weite­ ren eine Gate-Elektrode 50 ausgebildet, welche mittels einer Isolationsschicht 52 gegenüber dem Halbleiterkörper 1 iso­ liert ist. Die Gate-Elektrode 50 ist oberhalb der Kanalzone 40 angeordnet und erstreckt sich in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 1 von der Source-Zone 20 bis an die Drift- Zone 10.
Erfindungsgemäß ist bei dem in Fig. 2 dargestellten IGBT eine Rekombinationszone 60 in vertikaler Richtung des Halbleiter­ körpers 1 beabstandet zu der Drift-Zone 10 im Bereich einer Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1 ausgebildet. Diese Re­ kombinationszone 60 besteht beispielsweise aus einer Metall­ schicht, welche auf die Rückseite des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht ist. Bei Verwendung von Silizium als Halbleiter­ material besteht die Möglichkeit, die Rekombinationszone 60 auch als Silizidschicht auszubilden, wobei bei anderen Halb­ leitermaterialien das Silizid durch eine entsprechende Halb­ leiterverbindung zu ersetzen ist. Des weiteren besteht die Möglichkeit, die Rekombinationszone als nicht vollständig rekristallisierte p/n-Zone auszubilden. Eine derartige Zone kann durch Ionenimplantation eines p-Dotierstoffs in die Rückseite des Halbleiterkörpers erfolgen, wobei im Anschluss an die Ionenimplantation keine vollständige Rekristallisation des Halbleitermaterials stattfindet.
Die Eigenschaft der Rekombinationszone 60 ist es, ausreichend n-Ladungsträger zur Verfügung zu stellen, mit denen p- Ladungsträger, die aus der Drain-Zone 30 in den unterhalb der Drift-Zone 10 liegenden Bereich des Halbleiterkörpers 1 inji­ ziert werden, rekombinieren können.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen IGBT wird nachfol­ gend anhand des Ausführungsbeispiels in Fig. 2 erläutert. Bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen der Gate-Elektrode 50 und der Source-Elektrode 22 bildet sich ein leitender Ka­ nal in der Kanalzone 40 unterhalb der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 zwischen der Source-Zone 20 und der Drift-Zone 10 aus. Bei Anlegen einer positiven Spannung zwi­ schen der Drain-Elektrode 32 und der Source-Elektrode 22 kommt es bei angesteuerter Gate-Elektrode zu einem Ladungs­ trägeraustausch zwischen der Source-Zone und der Drain-Zone 30, das heißt Elektronen bewegen sich von der Source-Zone 20 durch die Kanalzone 40 und die Driftzone 10 zu der Drain-Zone 30 und Löcher, die von der Drain-Zone 30 in die Drift-Zone 10 injiziert werden, bewegen sich durch die Kanalzone 40 zu der Source-Zone 20. Die Rekombinationszone 60 bewirkt, dass ein Teil der Löcher, die aus der Drain-Zone 30 in die Drift-Zone 10 injiziert werden, sich in vertikaler Richtung des Halblei­ terkörpers 1 zu der Rekombinationszone 60 bewegen und dort mit Elektronen rekombinieren. Die Rekombinationszone 60 verhindert auf diese Weise, dass sich Löcher aus der Drain- Zone 30 zu anderen Bereichen in dem Halbleiterkörper 1 als zu der Source-Zone 20 ausbreiten. Dies ermöglicht die Integrati­ on weiterer Halbleiterbauelemente in demselben Halbleiter­ körper 1, wobei deren Funktion wegen der vorhandenen Rekombinationszone 60 nicht durch Löcher gestört werden kann, welches sich unkontrolliert in dem Halbleiterkörper 1 ausbreiten.
Die Wirkung der Rekombinationszone 60 kann auch auf Schal­ tungsebene erläutert werden. Die p-dotierte Kanalzone 40, die n-dotierte Drift-Zone 10 und die p-dotierte Drain-Zone 30 bilden nämlich einen parasitären PNP-Biopolartransistor in dem IGBT. Die Basis des parasitären Bipolartransistors wird dabei durch die n-dotierte Drift-Zone 10 gebildet. Die Rekom­ binationszone 60, welche einen Teil der in die Basis 10 des parasitären PNP-Bipolartransistors injizierten Löcher auf­ nimmt, reduziert durch die Aufnahme dieser Ladungsträger die Stromverstärkung dieses parasitären Bipolartransistors und verhindert auf diese Weise, das unkontrolliert Löcher aus der Drain-Zone 30 injiziert werden, welche sich in dem Halblei­ terkörper ausbreiten würden. Die Wirkung der Rekombinations­ zone 60 ist dabei um so größer, je geringer der Abstand zwi­ schen der Rekombinationszone 60 und der Drift-Strecke 10 ist.
Zur Veranschaulichung weiterer Bauelemente, welche mit dem erfindungsgemäßen IGBT in einem Halbleiterkörper 1 realisiert werden können, zeigt Fig. 2 einen CMOS-Inverter, der einen n- Kanal-Transistor und einen p-Kanal-Transistor aufweist. Der n-Kanal-Transistor weist eine n-dotierte Source-Zone 210 und eine n-dotierte Drain-Zone 211 mit einer dazwischen liegenden p-dotierten Kanalzone 212 auf. Zur Ansteuerung dieses Tran­ sistors ist eine Gate-Elektrode 214 auf der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers vorgesehen, welche mittels einer Isolationsschicht 213 gegenüber den Halbleiterkörper 1 isoliert ist. Der p-Kanal-Transistor weist eine p-dotierte Source-Zone 220, eine p-dotierte Drain-Zone 221 und eine auf der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 ausgebildete Gate- Elektrode 224 auf, wobei die Gate-Elektrode 224 mittels einer Isolationsschicht 223 gegenüber dem Halbleiterkörper 1 isoliert ist. In nicht näher dargestellter Weise sind die beiden Gate-Elektroden 214, 224 an einem gemeinsamen Steueranschluss angeschlossen und die Drain-Zone 211 die n- Kanal-Transistors und die Source-Zone 220 des p-Kanal- Transistor sind ebenfalls miteinander verbunden. An den Source-Anschluss 210 des n-Kanal-Transistors kann ein erstes Ansteuerpotential U1 und an die Drain-Zone 221 des p-Kanal- Transistors kann ein zweites Ansteuerpotential U2 angelegt werden. Um ein ordnungsgemäßes Funktionieren der dargestellten Halbleiterschaltungsanordnung zu gewährleisten sollte das zweite Ansteuerpotential U2 vorzugsweise größer als das erste Ansteuerpotential U1 sein, außerdem sollte die zwischen der Drain-Elektrode 32 und der Source-Elektrode 22 angelegte Spannung größer als die beiden Ansteuerpotentiale sein. Selbstverständlich können neben dem dargestellten CMOS- Inverter beliebige weitere Halbleiterbauelemente, wie zum Beispiel Kapazitäten, Widerstände oder Dioden in dem Halbleiterkörper 1 realisiert sein.
Zur Steigerung der Spannungsfestigkeit des dargestellten IGBT können weiterhin Feldplatten oder andere geeignete Randab­ schlüsse in bekannter Weise realisiert sein.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen als IGBT ausgebildeten Halbleiterbauelements, welches sich von dem in Fig. 2 dargestellten dadurch unter­ scheidet, dass die Rekombinationszone 60 sich nicht über die gesamte Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1 erstreckt son­ dern lediglich in einem Bereich der Rückseite des Halbleiter­ körpers 12 unterhalb der Drift-Zone ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste
1
Halbleiterkörper
10
Drift-Zone
11
Vorderseite des Halbleiterkörpers
12
Rückseite des Halbleiterkörpers
20
Source-Zone
22
Source-Elektrode
30
Drain-Zone
32
Drain-Elektrode
40
Kanalzone
50
Gate-Elektrode
53
Isolationsschicht
60
Rekombinationszone
200
CMOS-Inverter
210
Source-Zone
211
Drain-Zone
212
Kanalzone
213
Isolationsschicht
214
Gate-Elektrode
220
Source-Zone
221
Drain-Zone
223
Isoaltionsschicht
224
Gate-Elektrode
n n-dotierte Zone
p p-dotierte Zone

Claims (5)

1. Halbleiterbauelement das folgende Merkmale aufweist:
eine erste in einem Halbleiterkörper (1) ausgebildete An­ schlusszone (20) eines ersten Leitungstyps (n),
eine zweite Anschlusszone (30) eines zweiten Leitungsytps (p), die in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers (1) beabstandet zu der ersten Anschlusszone (20) in dem ausgebil­ det ist,
eine im Anschluss an die zweite Anschlusszone (30) ausge­ bildete Driftzone (10) des ersten Leitungstyps (n),
eine zwischen der Driftzone (10) und der ersten Anschluss­ zone (20) ausgebildete Kanalzone (40) des zweiten Leitungs­ typs,
eine isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper (1) benachbart zu der Kanalzone (40) ausgebildete Steuerelektrode (50),
eine Rekombinationszone (60), die in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers (1) beanstandet zu der Driftzone (10) im Bereich einer Rückseite (12) des Halbleiterkörpers (1) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rekombinationszone (60) eine auf die Rückseite (102) des Halbleiterkörpers (1) aufgebrachte Metallschicht ist.
2. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, bei dem die Rekombinationszone (60) sich über die gesam­ te Rückseite (102) des Halbleiterkörpers erstreckt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 bei dem die Rekombi­ nationszone (60) sich über einen Teil der Rückseite (102) des Halbleiterkörpers erstreckt.
4. Halbleiterbauelement das folgende Merkmale aufweist:
eine erste in einem Halbleiterkörper (1) ausgebildete An­ schlusszone (20) eines ersten Leitungstyps (n),
eine zweite Anschlusszone (30) eines zweiten Leitungsytps (p), die in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers (1) beabstandet zu der ersten Anschlusszone (20) in dem ausgebil­ det ist,
eine im Anschluss an die zweite Anschlusszone (30) ausge­ bildete Driftzone (10) des ersten Leitungstyps (n),
eine zwischen der Driftzone (10) und der ersten Anschluss­ zone (20) ausgebildete Kanalzone (40) des zweiten Leitungs­ typs,
eine isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper (1) benachbart 6d der Kanalzone (40) ausgebildete Steuerelektrode (50),
eine Rekombinationszone (60), die in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers (1) beanstandet zu der Driftzone (10) im Bereich einer Rückseite (12) des Halbleiterkörpers (1) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationszone (60) eine Silizidschicht oder eine nicht vollständig rekristallisierte p/n-Zone ist.
5. Halbleiterschaltungsanordnung mit einem Halbleiterbauele­ ment nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der weitere Halbleiterbauelemente (200) in dem Halbleiterkörper (1) aus­ gebildet sind.
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