DE10060428B4

DE10060428B4 - Mittels Feldeffekt steuerbares in beide Richtungen sperrendes Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10060428B4
Application number: DE10060428A
Authority: DE
Inventors: Jenö Tihanyi
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2020-12-06
Also published as: US20020093049A1; US6686625B2; DE10060428A1

Abstract

Mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist:
– einen Halbleiterkörper (1) mit einer ersten und zweiten Anschlusszone (20, 30) eines ersten Leitungstyps (n) und einer zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone (20, 30) ausgebildeten Kanalzone (40) eines zweiten Leitungstyps (p),
– eine benachbart zu der Kanalzone (40) isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper (1) angeordnete Steuerelektrode (50A, 50B, 50C),
– eine in der Kanalzone (40) und der zweiten Anschlusszone (30) ausgebildete Rekombinationszone (80A, 80B, 80C), die in einem Graben (82A, 82B, 82C) angeordnet ist, der vollständig oder teilweise mit einem die Rekombination von Ladungsträgern des ersten und zweiten Leitungstyps fördernden Material aufgefüllt ist.

Description

Mittels Feldeffekt steuerbares in beide Richtungen sperrendes Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Mittels Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelemente, beispielsweise MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor), sind zum Schalten von Strömen, bzw. zum Anlegen von Spannungen an Lasten, hinlänglich bekannt. Derartige Bauelemente weisen einen Halbleiterkörper mit ersten und zweiten dotierten Anschlusszonen und einer komplementär zu den ersten und zweiten Anschlusszonen dotierten Kanalzone, die zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone ausgebildet ist, auf. Isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper ist dabei eine Steuerelektrode ausgebildet, die sich benachbart zu der Kanalzone zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone erstreckt. Bei MOSFET bilden die ersten und zweiten Anschlusszonen Source- und Drain-Zonen des Bauelements. Die Kanalzone wird auch als Body-Bereich des Bauelements bezeichnet.

Abhängig davon, ob die Source- und Drain-Zonen an einer Seite des Halbleiterkörpers oder an gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers kontaktiert sind, unterscheidet man MOSFET in lateraler Bauweise oder MOSFET in vertikaler Bauweise. In Stengl/Tihanyi: "Leistungs-MOS-FET-Praxis", Pflaum Verlag München, 1992, Seite 36 Bild 2.2.1B, ist ein vertikaler MOS-FET beschrieben, bei welchem eine stark n-dotierte Drain-Zone, eine p-dotierte Kanalzone und eine stark n-dotierte Source-Zone übereinander angeordnet sind. Zwischen der stark n-dotierten Drain-Zone und der Kanalzone ist des weiteren eine schwächer n-dotierte Driftzone ausgebildet. Die Source-Zone und die Drain-Zone sind an gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers kontaktiert und mehrere Gate-Elektroden erstrecken sich in Gräben des Halbleiterkörpers von der Source-Zone durch die Kanalzone bis in die Driftzone, wobei die Gate-Elektroden durch Schichten eines Isolationsmaterials gegenüber dem Halbleiterkörper isoliert sind. In Bild 2.1, auf Seite 29 der genannten Veröffentlichung ist ein MOSFET in lateraler Bauweise beschrieben, bei welchem stark n-dotierte Wannen beabstandet in dem Halbleiterkörper angeordnet sind, die als Source-Zone und Drain-Zone des Bauelements dienen. Isoliert durch eine Oxidschicht ist auf dem Halbleiterkörper eine Gate-Elektrode angeordnet, die sich in lateraler Richtung von der Source-Zone bis an die Drain-Zone erstreckt.

Durch die Abfolge der in den beschriebenen Bauelementen vorhandenen unterschiedlich dotierten Zonen, nämlich einer Source-Zone und einer Drain-Zone desselben Leitungstyps und einer komplementär zu der Source-Zone und der Drain-Zone dotierten Kanalzone ist bei derartigen Elementen stets ein parasitärer Bipolartransistor vorhanden, wobei dessen Basis durch die Kanalzone und wobei dessen Emitter/Kollektor durch die Source-Zone/Drain-Zone gebildet sind. Um Auswirkungen dieses parasitären Bipolartransistors auf die Spannungsfestigkeit des Bauelements zu verhindern, ist es üblich, die Source-Zone und die Kanalzone kurzzuschließen, wie dies auch den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen von MOSFET nach dem Stand der Technik zu entnehmen ist.

Würden die Source-Zone und die Kanalzone nicht kurzgeschlossen, könnten sich während des Betriebs, d.h. bei Anlegen eines Ansteuerpotentials an die Gate-Elektrode und bei Anlegen einer Flussspannung zwischen der Drain-Zone und der Source-Zone, Ladungsträger in der Kanalzone ansammeln, die den parasitären Bipolartransistor aktivieren würden, woraus eine erhebliche Reduktion der Spannungsfestigkeit des MOSFET resultiert. Die Spannungsfestigkeit eines derartigen MOSFET in Drain-Source-Richtung beträgt etwa nur noch 1/3 der Spannungsfestigkeit eines MOSFET mit kurzgeschlossener Kanal- und Source-Zone, bei dem der Kurzschluss bewirkt, dass sich die Source-Zone und die Kanalzone stets auf dem selben Potential befinden, so dass sich keine Ladungsträger in der Kanalzone ansammeln können.

Das Kurzschließen der Source-Zone mit der Kanalzone hat allerdings den Nachteil, dass das Bauelement nur noch in einer Richtung, der Drain-Source-Richtung, die üblicherweise als Vorwärtsrichtung bezeichnet ist, sperren kann, während er bei Anlegen einer Flussspannung in Source-Drain-Richtung (Rückwärtsrichtung) wie eine Diode leitet.

Bei vielen Anwendungen ist es jedoch wünschenswert, ein mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement einzusetzen, das in beide Richtungen sperren kann, wenn kein Ansteuerpotential anliegt. Bei den herkömmlichen MOSFET mit Kurzschluss zwischen Source-Zone und Kanalzone kann dies nur durch aufwendige zusätzliche Schaltungsmaßnahmen erreicht werden.

In der EP 0 656 661 B1 ist vorgeschlagen, den Kurzschluss durch eine leitende Verbindung mit einem Widerstand zu ersetzen, um den Spannungsabfall über dem Bauteil bei Anlegen einer Spannung in Rückwärtsrichtung zu erhöhen.

In der nachveröffentlichten DE 199 58 694 A1 ist ein MOSFET ohne Kurzschluss zwischen Source-Zone und Kanalzone beschrieben, in dessen Kanalzone ein Rekombinationsbereich aus einem die Rekombination von Ladungsträgern fördernden Material angeordnet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen, das in beiden Richtungen sperrt und das mit bekannten Mitteln einfach zu realisieren ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Halbleiterbauelementes ist mit dem Patentanspruch 13 gegeben.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper mit einer ersten und zweiten Anschlusszone eines ersten Leitungstyps und einer zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone ausgebildeten Kanalzone eines zweiten Leitungstyps auf. Benachbart zu der Kanalzone ist isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper eine Steuerelektrode angeordnet. Des weiteren ist in der Kanalzone und der zweiten Anschlusszone eine Rekombinationszone ausgebildet, die ein die Rekombination von Ladungsträgern des ersten und zweiten Leitungstyps förderndes Material aufweist.

Ein Kurzschluss zwischen einer der beiden Anschlusszonen und der Kanalzone ist bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement nicht vorhanden. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement sperrt damit in beiden Richtungen. Die Rekombinationszone in der Kanalzone verhindert, dass ein parasitärer Bipolartransistor, der durch die Abfolge der ersten Anschlusszone des ersten Leitungstyps, der zweiten Anschlusszone des zweiten Leitungstyps und der zweiten Anschlusszone des ersten Leitungstyps gebildet ist, aktiviert wird. Die Rekombinationszone bewirkt nämlich, dass Ladungsträger des zweiten Leitungstyp, die in die Kanalzone injiziert werden an der Oberfläche der Rekombinationszone mit Ladungsträgern des ersten Leitungstyps rekombinieren, wodurch eine Anhäufung von Ladungsträgern des zweiten Leitungstyps in der Kanalzone verhindert wird.

Die Rekombinationszone besteht vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere aus Platin, oder einem Nitrid.

Vorzugsweise sind die erste Anschlusszone, die Kanalzone und die zweite Anschlusszone in dem Halbleiterkörper übereinander angeordnet. Die Steuerelektrode ist bei dieser Ausführungsform in einem Graben des Halbleiterkörpers ausgebildet, der sich ausgehend von einer Oberfläche des Halbleiterkörpers durch die zweite Anschlusszone und die Kanalzone bis in die erste Anschlusszone erstreckt.

Zwischen der ersten Anschlusszone und der Kanalzone kann weiterhin eine schwächer als die erste Anschlusszone dotierte Driftzone des ersten Leitungstyps ausgebildet sein, wobei sich die Steuerelektrode bei dieser Ausführungsform nur bis in diese Driftzone erstreckt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Rekombinationszone in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers ausgehend von der Oberfläche des Halbleiterkörpers durch die zweite Anschlusszone bis in die Kanalzone erstreckt. Die Rekombinationszone ist dabei in einem sich in den Halbleiterkörper hinein erstreckenden Graben angeordnet, wobei dieser Graben vollständig mit Rekombinationsmaterial aufgefüllt sein kann oder wobei nur die dem Halbleiterkörper zugewandten Seitenflächen des Grabens mit Rekombinationsmaterial bedeckt sind und der Graben im übrigen mit einem weiteren Material beispielsweise einem Isolationsmaterial aufgefüllt ist sind. Die Rekombinationszone kann nach oben mit einer Oberfläche des Halbleiterkörpers abschließen oder sie kann unterhalb der Oberfläche des Halbleiterkörpers in dem Graben enden.

Die zweite Anschlusszone weist vorzugsweise einen ersten dotierten Bereich und einen zweiten dotierten Bereich auf, wobei der zweite dotierte Bereich stärker als der erste dotierte Bereich dotiert und beabstandet zu der Rekombinationszone angeordnet ist. Zwischen dem zweiten dotierten Bereich und der Rekombinationszone ist dabei ein Teil des schwächer dotierten ersten Bereichs ausgebildet. Der zweite stärker dotierte Bereich ist vorzugsweise im Anschluss an die Isolationsschicht der Steuerelektrode ausgebildet und mittels einer Anschlusselektrode kontaktiert.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist des weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines mittels Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements, bei dem zunächst ein Halbleiterkörper mit einer ersten Anschlusszone eines ersten Leitungstyps, einer zweiten Anschlusszone des ersten Leitungstyps und einer zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone ausgebil deten Kanalzone eines zweiten Leitungstyps bereitgestellt wird, wobei die ersten Anschlusszone, die Kanalzone und die zweite Anschlusszone übereinander in dem Halbleiterkörper angeordnet sind. Nachfolgend wird isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper eine Steuerelektrode hergestellt, die sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers in den Halbleiterkörper hinein erstreckt. Des weiteren wird eine Rekombinationszone hergestellt, die sich in vertikaler des Halbleiterkörpers durch die zweite Anschlusszone bis in die Kanalzone erstreckt.

Der bereitgestellte Halbleiterkörper kann zusätzlich eine schwächer als die erste Anschlusszone dotierte Driftzone des ersten Leitungstyps aufweisen, die zwischen der ersten Anschlusszone und der Kanalzone ausgebildet ist. Ist eine derartige Driftzone vorhanden, so wird die Steuerelektrode so hergestellt, dass sie sich von der ersten Anschlusszone durch die Kanalzone bis in die Driftzone erstreckt.

Zur Herstellung der Steuerelektrode wird ein Graben in dem Halbleiterkörper erzeugt, wobei anschließend eine Isolationsschicht auf freiliegende Bereiche des Halbleiterkörpers in den Graben aufgebracht wird. Danach wird ein Elektrodenmaterial in den Graben eingebracht und anschließend mit einer Isolationsschicht abgedeckt.

Zur Herstellung der Rekombinationszone wird ebenfalls ein Graben in dem Halbleiterkörper erzeugt. Dieser Graben wird gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem die Rekombination von Ladungsträgern des ersten und zweiten Leitungstyps fördernden Materials aufgefüllt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der Rekombinationszone ist vorgesehen, den Graben nicht vollständig mit Rekombinationsmaterial aufzufüllen sondern nur freiliegende Flächen des Halbleiterkörpers in dem Graben mit Rekombinationsmaterial zu bedecken. Der Graben kann dann im übrigen mit einem anderen Material, beispielsweise einem Isolationsmaterial aufgefüllt werden.

Um die Rekombinationszone in dem Graben nach oben hin zu isolieren wird vorzugsweise eine Isolationsschicht auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht, die den Graben und an den Graben anschließende Bereiche der zweiten Anschlusszone überdeckt. Diese Isolationsschicht dient auch als Maske für einen nächsten Verfahrensschritt, bei dem eine stark dotierte Zone in der zweiten Anschlusszone erzeugt wird, wobei diese stark dotierte Zone als Anschluss für eine Elektrode dient.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt:
1: ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in Seitenansicht im Querschnitt (1A) und ein elektrisches Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements (1B),
2: ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement während verschiedener Verfahrensschritte in Seitenansicht im Querschnitt,
3: perspektivische Darstellung eines Ausschnitts des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bereiche mit gleicher Bedeutung.
Das erfindungsgemäße mittels Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelement wird nachfolgend anhand eines n-leitenden MOS-FET erläutert. Bereiche des ersten Leitungstyps sind im fol genden n-dotierte Bereiche und Bereiche des zweiten Leitungstyps sind im folgenden p-dotierte Bereiche.
1A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines als MOS-FET ausgebildeten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Seitenansicht im Querschnitt.
Das erfindungsgemäße Bauelement weist einen Halbleiterkörper 1 mit einer stark n-dotierten ersten Anschlusszone 20 als Drain-Zone, einer n-dotierten zweiten Anschlusszone 30 als Source-Zone und einer zwischen der Drain-Zone 20 und der Source-Zone 30 ausgebildeten p-dotierten Kanalzone 40 auf. Die Drain-Zone 20, die Kanalzone 40 und die Source-Zone 30 sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1A übereinanderliegend in dem Halbleiterkörper 1 angeordnet. Zwischen der Drain-Zone 20 und der Kanalzone 40 ist in dem Ausführungsbeispiel außerdem eine n-dotierte Driftzone 22 angeordnet, die schwächer als die Drain-Zone 20 dotiert ist.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement gemäß 1A weist weiterhin mehrere Steuerelektroden 50A, 50B, 50C als Gate-Elektroden auf, die durch Isolationsschichten 60A, 60B, 60C gegenüber dem Halbleiterkörper 1 isoliert sind und die sich jeweils in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper 1 hinein erstrecken und dabei von der Source-Zone 30, durch die Kanalzone 40 bis zu der Driftzone 22 reichen. Diese Gate-Elektroden 50A, 50B, 50C sind in einer nicht näher dargestellten Weise miteinander verbunden, um gemeinsam angesteuert zu werden. Bei Anlegen eines Ansteuerpotentials an die Gate-Elektroden 50A, 50B, 50C bildet sich entlang der Gate-Elektroden 50A, 50B, 50C in der Kanalzone 40 ein leitender Kanal aus, welcher bei Anlegen einer Spannung zwischen der Drain-Zone 20 und der Source-Zone 30 einen Ladungsfluss zwischen der Drain-Zone 20 und der Source-Zone 30 ermöglicht. Die Stromfestigkeit des Bauelements steigt dabei mit der Anzahl der Gate-Elektroden, entlang derer sich leitende Kanäle ausbilden können. Vorteilhafterweise sind daher wie in 1A dargestellt ist, mehrere Gate-Elektroden 50A, 50B, 50C vorhanden. Ein ordnungsgemäßes Funktionieren des Bauelements ist jedoch bereits bei einem Bauelement gewährleistet, welches nur eine einzige der in 1A dargestellten Gate-Elektroden aufweist.
Die Gate-Elektroden 50A, 50B, 50C sind senkrecht zur Zeichenebene gemäß 1A vorzugsweise als langgestreckte Elemente ausgebildet, wie aus der perspektivischen Darstellung eines Ausschnitts des Halbleiterkörpers in 3 ersichtlich ist.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist weiterhin eine Rekombinationszone 80A, 80B, 80C auf, die in der Kanalzone 40 und der Source-Zone 30 ausgebildet ist. Bei dem Hableiterbauelement gemäß 1A sind drei unterschiedliche Ausführungsformen derartiger Rekombinationszonen 80A, 80B, 80C dargestellt, die in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 1 beabstandet zu den Gate-Elektroden 50A, 50B, 50C in Gräben 82A, 82B, 82C des Halbleiterkörpers 1 angeordnet sind.
Die Rekombinationszonen 80A, 80B, 80C weisen ein Material auf, welches die Rekombination von p-Ladungsträgern und n-Ladungsträger in der Kanalzone 40 fördert. Ein derartiges Material ist beispielsweise ein Metall, insbesondere Platin.
Bei der Rekombinationszone 80A sind Seitenflächen des Grabens 82, die dem Halbleiterkörper 1 zugewandt sind, mit einer Schicht aus Rekombinationsmaterial bedeckt. Der übrige Graben ist bei der Rekombinationszone 80A mit einem weiteren Material 802A, beispielsweise einem Isolationsmaterial aufgefüllt.
Bei der Rekombinationszone 80B ist der Graben 82B vollständig mit einem Rekombinationsmaterial aufgefüllt und bei der Rekombinationszone 80C ist der Graben 82C teilweise mit einem Rekombinationsmaterial aufgefüllt, wobei die Rekombinationszone 82C in der Source-Zone 30 unterhalb einer Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 1 endet und wobei der Graben 82C ober halb der Rekombinationszone 82C mit einer Isolationsschicht bedeckt ist.
Die aufgefüllten Gräben 82A, 82B, 82C sind von Isolationsschichten 90A, 90B, 90C bedeckt. Die Isolationsschichten 90A, 90B, 90C überdecken die Rekombinationszonen 80A, 80B, 80C und Teile der Source-Zone 30. Bereiche der Source-Zone 30, die nicht durch die Isolationsschichten 90A, 90B, 90C bedeckt sind, sind mittels einer Source-Elektrode 36 kontaktiert.
Die Source-Zone 30 weist einen ersten dotierten Bereich 32 und einen stärker als den ersten dotierten Bereich 32 dotierten zweiten Bereich 34A, 34B, 34C auf, wobei die stärker dotierten zweiten Bereiche 34A, 34B, 34C beabstandet zu der Rekombinationszone 80A, 80B, 80C angeordnet und durch eine auf dem Halbleiterkörper 1 aufgebrachte Source-Elektrode 36 kontaktiert sind. Zwischen der Source-Elektrode 36 und dem zweiten Bereich 32 besteht in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1A kein Kontakt.
Zur Kontaktierung der Drain-Zone 20 ist auf eine der Oberfläche 11 gegenüberliegende Fläche 12 des Halbleiterkörpers 1 eine Drain-Elektrode 24, beispielsweise eine Metallschicht aufgebracht.
1B zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des Halbleiterbauelements gemäß der 1A. Dieses Ersatzschaltbild weist einen idealen MOSFET M auf, dessen Drain-Anschluss D bei dem Bauelement gemäß 1A durch die Drain-Elektrode 4, dessen Source-Elektrode S durch die Source-Elektrode 36 in 1A und dessen Gate-Elektrode G durch die Gate-Elektroden 50A, 50B, 50C in 1A gebildet ist. Ein Bulk-Anschluss des idealen MOSFET M wird durch die Kanalzone 40 in 1A gebildet. Zwischen dem Bulk B und dem Drain D ist eine erste Diode D1 ausgebildet, die durch den pn-Übergang zwischen der Kanalzone 40 und der Driftzone 22 in der 1A gebildet ist. Eine zweite Diode D2 zwischen dem Bulk B und dem Source-Anschluss S ist durch den Schottky-Kontakt zwischen der p-dotierten Kanalzone 40 und der aus Metall bestehenden Rekombinationszone 80A, 80B, 80C in 1A gebildet. Zwischen der Schottky-Diode D2 und dem Source-Anschluss S weist das Ersatzschaltbild einen Widerstand R auf, der durch den Metall-Halbleiter-Übergang zwischen der Rekombinationszone 80A, 80B, 80C und der Source-Zone 32, 34A, 34B, 34C gebildet ist.
Durch die Abfolge der n-dotierten Drain-Zone 20 mit der Driftzone 22, der p-dotierten Kanalzone 40 und der n-dotierten Source-Zone 30 ist in dem Halbleiterbauelement des weiteren ein parasitärer npn-Bipolartransistor gebildet, der gestrichelt in dem Ersatzschaltbild gemäß 1B eingezeichnet ist.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements gemäß 1 wird nachfolgend erläutert.
Bei Anlegen eines positiven Ansteuerpotentials an die Gate-Elektroden 50A, 50B, 50C bildet sich in der Kanalzone 40 entlang der Isolationsschichten 60A, 60B, 60C ein n-leitender Kanal zwischen der Source-Zone 30 und der Driftzone 22 ein n-leitender Kanal aus. Bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen der Drain-Elektrode 24 und der Source-Elektrode 36 kommt es dabei zu einem Ladungsfluss von der Drain-Zone 22, durch die Driftzone 22 und den leitenden Kanal in der Kanalzone 40 in die Source-Zone 30 und umgekehrt.
Wird die Gate-Elektrode 50A, 50B, 50C nicht durch Anlegen eines positiven Ansteuerpotentials angesteuert, so ist kein leitender Kanal in der Kanalzone 40 vorhanden und das Halbleiterbauelement sperrt aufgrund des dann in Sperrrichtung gepolten pn-Übergangs zwischen der Driftzone 22 und der Kanalzone 40.
Bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen der Source-Elektrode S und der Drain-Elektrode D sperrt das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ebenfalls, wenn kein Ansteuerpotential an die Gate-Elektrode 50A, 50B, 50C angelegt ist. In diesem Fall ist der pn-Übergang zwischen der Kanalzone 40 und der Driftzone 22 zwar in Flussrichtung gepolt, der Schottky-Übergang zwischen der Rekombinationszone 80A, 80B, 80C und der p-dotierten Kanalzone 40 ist in diesem Fall allerdings in Sperrrichtung gepolt, so dass keine Ladungsträgerfluss von dem stark dotierten ersten Bereich 34, dem schwächer dotierten Bereich 32 und die Rekombinationszone 80A, 80B, 80C in die Kanalzone 40 erfolgen kann.
Die Rekombinationszone 80A, 80B, 80C verhindert zudem, dass bei nicht angesteuerter Gate-Elektrode 50A, 50B, 50C der durch Abfolge der Drain-Zone 20, der Driftzone 22, der Kanalzone 40 und der Source-Zone 30 gebildete parasitäre Bipolartransistor bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen der Drain-Elektrode D und der Source-Elektrode S angesteuert wird. In diesem Fall werden p-Ladungsträger in die Kanalzone 40 injiziert. Diese p-Ladungsträger rekombinieren an der Oberfläche der metallischen Rekombinationszone 80A, 80B, 80C sehr schnell mit den dort vorhandenen n-Ladungsträgern (Elektronen) wodurch das Potential in der Kanalzone 40 durch die injizierten p-Ladungsträger nicht ausreichend ansteigen kann, um dem parasitären Bipolartransistor zu aktivieren.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement sperrt damit sowohl bei Anlegen einer Flussspannung in Vorwärtsrichtung, d.h. Drain-Source-Richtung als auch bei Anlegen einer Flussspannung in Rückwärtsrichtung, d.h. in Source-Drain-Richtung. Die maximale Sperrspannung in Vorwärtsrichtung entspricht dabei im wesentlichen der Sperrspannung, die auch bei MOSFET nach dem Stand der Technik mit einem Kurzschluss zwischen Source-Zone und Kanalzone erreicht wird. Die Sperrspannung in Rückwärtsrichtung ist geringer als in Vorwärtsrichtung und wird durch die Sperrfähigkeit des Schottky-Übergangs zwischen den Rekombinationszonen 80A, 80B, 50C und der Kanalzone 40 bestimmt. Vorzugsweise sind die Rekombinationszonen 80A, 80B, 80C wenigstens teilweise von einer p-dotierten Zone 42 umgeben, die stärker als die übrige Kanalzone 40 dotiert ist, wie bei der Rekombinationszone 80B in 1A dargestellt ist.
Die Dotierung der stärker dotierten zweiten Bereiche 34A, 34B, 34C der Source-Zone 30 beträgt vorzugsweise mehr als 10¹⁹ cm^–3. die Dotierung des zweiten Bereichs 32 vorzugsweise etwa 10¹⁵ cm^–3. Die Dotierung der Kanalzone 40 außerhalb des stärker dotierten Bereichs 42 beträgt vorzugsweise 10¹⁶ cm^–3 und die Dotierung der Driftzone etwa 10¹⁵ cm^–3 oder weniger.
Die Dicke der Driftzone 22 in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers beträgt vorzugsweise mehr als 5 μm, die Dicke der Kanalzone 40 zwischen 2 und 5 μm und die Dicke der Source-Zone 30 etwa 2 μm. Der Abstand zwischen der Isolationsschicht 60A, 60B, 60C und der Rekombinationszone 80A, 80B, 80C beträgt etwa zwischen 1 und 2 μm, die Breite der Rekombinationszonen 80A, 80B, 80C in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 1 etwa 1 bis 2 μm. Die Dicke der Isolationsschichten zu der Kanalzone 40 hin beträgt vorzugsweise weniger als 0,1 μm.
Anhand der 2A bis 2J wird im folgenden ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements erläutert.
In einem ersten Verfahrensschritt, dessen Ergebnis in 2A dargestellt ist, wird ein Halbleiterkörper 1 zur Verfügung gestellt, der eine n-dotierte erste Anschlusszone 20 zur Bildung einer späteren Drain-Zone, eine zweite n-dotierte Anschlusszone 30 zur Bildung einer späteren Source-Zone und eine zwischen der ersten Anschlusszone 20 und der zweiten Anschlusszone ausgebildete Kanalzone 40 aufweist. Zwischen der Kanalzone 40 und der ersten Anschlusszone 20 ist in dem Ausführungsbeispiel des weiteren eine Driftzone 22 ausgebildet, die schwächer als die erste Anschlusszone 20 dotiert ist. Der in 2A dargestellte Halbleiterkörper ist mittels üblicher in der Halbleitertechnologie bekannter Verfahren herstellbar.
In einem nächsten Verfahrensschritt, dessen Ergebnis in 2B dargestellt ist, werden ausgehend von einer Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 1 Gräben 52A, 52B, 52C in den Halbleiterkörper 1 eingebracht, die sich ausgehend von der Oberfläche 11 durch die zweite Anschlusszone 30, die Kanalzone 40 bis in die Driftzone 22 erstrecken. Die Gräben 52A, 52B, 52C, in denen spätere Gate-Elektroden ausgebildete werden, können beispielsweise mittels eines Ionenätzverfahrens in bekannter Weise hergestellt werden. 2C zeigt den Halbleiterkörper nach einem nächsten Verfahrensschritt bei welchem eine Isolationsschicht 60 auf dem Halbleiterkörper 1 abgeschieden wurde. Die Isolationsschicht 60 überdeckt in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2B sowohl die Oberfläche 11 als auch in den Gräben 52A, 52B, 52C freiliegende Bereiche des Halbleiterkörpers 1. Die Isolationsschicht 60 besteht beispielsweise aus einem Halbleiteroxid und wird vorzugsweise mittels eines Temperaturverfahrens hergestellt, bei welchem die Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 oxidiert wird.
2D zeigt den Halbleiterkörper nach einem nächsten Verfahrensschritt, bei welchem Elektrodenmaterial 50A, 50B, 50C in die Gräben 52A, 52B, 52C eingebracht wurde. Dieses Elektrodenmaterial ist beispielsweise ein stark dotiertes n-leitendes oder p-leitendes Halbleitermaterial, welches mittels bekannter Verfahren in den Gräben abgeschieden wird.
2E zeigt den Halbleiterkörper 1 nach nächsten Verfahrensschritten, bei welchen eine Isolationsschicht auf nach oben freiliegende Bereiche der Elektroden 50A, 50B, 50C aufgebracht und das übrige Isolationsmaterial von der Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 1 entfernt wird. Ergebnis dieses Verfahrensschrittes sind Elektroden 50A, 50B, 50C, die sowohl zum Halbleiterkörper 1 als auch nach oben hin von einer Isolationsschicht 60A, 60B, 60C umgeben sind. Die Isolationsschicht 60A, 60B, 60C, die oberhalb der Elektroden 50A, 50B, 50C aufgebracht ist, besteht vorzugsweise ebenfalls aus einem Halbleiteroxid und ist mittels eines Temperaturverfahrens herstellbar.
In einem nächsten Verfahrensschritt dessen Ergebnis in 2F dargestellt ist, werden weitere Gräben 82A, 82B, 82C ausgehend von der Oberfläche 11 in den Halbleiterkörper 1 eingebracht, wobei sich diese Gräben 82A, 82B, 82C in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 1 bis in die Kanalzone 40 erstrecken.
In einem nächsten Verfahrensschritt wird ein die Rekombination von p-Ladungsträgern und n-Ladungsträgern förderndes Material, beispielsweise ein Metall, in die Gräben 82A, 82B, 82C eingebracht. Dazu wird gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens der Graben 82B vollständig mit dem Rekombinationsmaterial aufgefüllt, wie die mittels eines derartigen Verfahrens hergestellte Rekombinationszone 80B zeigt. Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren sieht vor, nur die dem Halbleiterkörper 1 zugewandten Flächen des Grabens 82A mit einem Rekombinationsmaterial 801A zu bedecken und den Graben mit einem anderen Material, beispielsweise einem Isolationsmaterial 802A aufzufüllen, wie die Rekombinationszone 80A zeigt, die mittels eines solchen Verfahrens hergestellt ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, den Graben 82C nur teilweise mit einem Rekombinationsmaterial 80C aufzufüllen und den dann noch verbleibenden Abschnitt des Grabens 82C oberhalb des Rekombinationsmaterials mit einem weiteren Material, beispielsweise einem Isolationsmaterial 92C aufzufüllen, wie die Rekombinationszone 80C zeigt, die mittels eines solchen Verfahrens hergestellt ist.
In einem nächsten Verfahrensschritt, dessen Ergebnis in 2H dargestellt ist, werden die Isolationsschichten 90A, 90B, 90C mittels bekannter Verfahren oberhalb der Rekombinationszonen 80A, 80B, 80C auf der Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 1 hergestellt, wobei diese Isolationszonen 90A, 90B, 90C auch die zweiten Anschlusszonen 30 teilweise überdecken. Diese Isolationsschichten werden beispielsweise durch Abscheiden einer Schicht aus Isolationsmaterial auf die Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 1 und nachfolgendes teilweise Entfernen dieser Schicht mittels eines Ätzverfahrens in Verbindung mit einer Fotolithographietechnik hergestellt.
Diese Isolationsschichten 90A, 90B, 90C isolieren die Rekombinationszonen gegenüber einer später hergestellten Source-Elektrode und dienen in einem nachfolgenden Verfahrensschritt, dessen Ergebnis in 2J dargestellt ist, als Maske für die Herstellung stark n-dotierter Bereiche 34A, 34B, 34C in der zweiten Anschlusszone 30. Diese Bereiche 34A, 34B, 34C sind mittels bekannter Diffusionsverfahren oder Implantationsverfahren herstellbar, bei denen n-Ladungsträger in freiliegende Bereiche des Halbleiterkörpers 1 eindotiert werden.
In nächsten Verfahrensschritten wird eine Elektrode 36 auf die Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht und eine zweite Elektrode 34 wird auf eine der Oberfläche 11 gegenüberliegende Fläche 12 des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht, um zu dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements gemäß 1A zu gelangen.
Um die Gate-Elektroden 50A, 50B, 50C gemeinsam ansteuern zu können ist vorzugsweise ein weiterer nicht dargestellter Graben in dem Halbleiterkörper ausgebildet, welcher senkrecht zu den Gräben der Gate-Elektroden verläuft, um die Gate-Elektroden zu verbinden.

1: Halbleiterkörper
11, 12: Oberflächen des Halbleiterkörpers
20: Drain-Zone
22: Driftzone
30: Source-Zone
32: erster Bereich der Source-Zone
34A, 34B, 34C: zweiter Bereich der Source-Zone
40: Kanalzone
50A, 50B, 50C: Gate-Elektrode
52A, 52B, 52C: Graben
60A, 60B, 60C: Isolationsschicht
80A, 80B, 80C: Rekombinationszone
82A, 82B, 82C: Graben
90A, 90B, 90C: Isolationsschicht
92C: isolierende Zwischenschicht
801A: Schicht aus Rekombinationsmaterial
802A: Füllschicht
B: Bulk-Anschluss
BT: Bipolartransistor
D: Drain-Anschluss
D1: Diode
D2: Schottkey-Diode
G: Gate-Anschluss
M: MOSFET
R: Widerstand
S: Source-Anschluss

Claims

Mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: – einen Halbleiterkörper (1) mit einer ersten und zweiten Anschlusszone (20, 30) eines ersten Leitungstyps (n) und einer zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone (20, 30) ausgebildeten Kanalzone (40) eines zweiten Leitungstyps (p), – eine benachbart zu der Kanalzone (40) isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper (1) angeordnete Steuerelektrode (50A, 50B, 50C), – eine in der Kanalzone (40) und der zweiten Anschlusszone (30) ausgebildete Rekombinationszone (80A, 80B, 80C), die in einem Graben (82A, 82B, 82C) angeordnet ist, der vollständig oder teilweise mit einem die Rekombination von Ladungsträgern des ersten und zweiten Leitungstyps fördernden Material aufgefüllt ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Rekombinationszone (80A, 80B, 80C) ein Metall, insbesondere Platin aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Anschlusszone (20), die Kanalzone (40) und die zweite Anschlusszone (30) übereinander angeordnet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine schwächer als die erste Anschlusszone (20) dotierte Driftzone (22) des ersten Leitungstyps (n) zwischen der ersten Anschlusszone (20) und der Kanalzone (40) ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem sich die Steuerelektrode (50A, 50B, 50C) wenigs tens annäherungsweise in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper (1) hinein erstreckt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Rekombinationszone (80A) in einem Graben (82A) des Halbleiterkörpers (1) ausgebildet ist, dessen dem Halbleiterkörper (1) zugewandte Flächen mit dem Rekombinationsmaterial bedeckt sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Rekombinationszone (80C) in einem Graben (82C) des Halbleiterkörpers (1) ausgebildet ist, der mit dem Rekombinationsmaterial aufgefüllt ist, wobei die Rekombinationszone (80C) unterhalb einer Oberfläche (11) des Halbleiterkörpers (1) endet.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zweite Anschlusszone (30) einen dotierten ersten Bereich (34A, 34B, 34C) und einen zweiten dotierten Bereich (32), der schwächer als der erste Bereich (34A, 34B, 34C) dotiert ist, aufweist, wobei der erste Bereich (34A, 34B, 34C) beabstandet zu der Rekombinationszone (80A, 80B, 80C) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, bei dem der zweite Bereich (32) zwischen dem ersten Bereich (34A, 34B, 34C) und der Kanalzone (40) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine erste Elektrode (24) vorgesehen ist, die an die erste Anschlusszone (20) angeschlossen ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Anschlüsse, bei dem eine zweite Elektrode (36) vorgesehen ist, die an die zweite Anschlusszone (30) angeschlossen ist und die mittels einer Isolationsschicht (90A, 90B, 90C) gegenüber der Rekombinationszone isoliert ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem die zweite Elektrode (36) ausschließlich an die ersten Bereiche (34) der zweiten Anschlusszone (30) angeschlossen ist.
Verfahren zur Herstellung eines mittels Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements, das folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (1) mit einer ersten Anschlusszone (20) eines ersten Leitungstyps (n), einer zweiten Anschlusszone (30) des ersten Leitungstyps und einer zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone (20, 30) ausgebildeten Kanalzone (40) eines zweiten Leitungstyps (p), wobei die erste Anschlusszone (20), die Kanalzone (40) und die zweite Anschlusszone (30) übereinander angeordnet sind, – Herstellen einer isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper (1) ausgebildeten Steuerelektrode (50A, 50B, 50C), die sich ausgehend von einer Oberfläche (11) des Halbleiterkörpers (1) in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper (1) hinein erstreckt, – Herstellen einer Rekombinationszone (80A, 80B, 80C), die sich ausgehend von einer Oberfläche (11) des Halbleiterkörpers (1) durch die zweite Anschlusszone (30) bis in die Kanalzone erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Halbleiterkörper (1) zwischen der ersten Anschlusszone (20) und der Kanalzone (40) eine Driftzone (22) des ersten Leitungstyps aufweist, die schwächer als die zweite Anschlusszone (20) dotiert ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Herstellen der Steuerelektrode (50A, 50B, 50C) folgende Verfahrensschritte umfasst: – Erzeugen eines Grabens (52A, 52B, 52C) in dem Halbleiterkörper (1), der sich ausgehend von der Oberfläche (11) durch die zweite Anschlusszone (30) und die Kanalzone (40) bis an die erste Anschlusszone (20) erstreckt, – Aufbringen einer Isolationsschicht (60A, 60B, 60C) auf Seitenwände des Grabens (50A, 50B, 50C), – Auffüllen des Grabens (52A, 52B, 52C) mit einer Schicht aus Elektrodenmaterial, – Aufbringen einer Isolationsschicht oberhalb des Elektrodenmaterials in dem Graben (52A, 52B, 52C).
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem die Herstellung der Rekombinationszone (80A, 80B, 80C) folgende Verfahrensschritte umfasst: – Herstellen eines Grabens (82A, 82B, 82C) in dem Halbleiterkörper, der sich ausgehend von der Oberfläche (11) durch die zweite Anschlusszone (30) bis in die Kanalzone (40) erstreckt, – Auffüllen des Grabens (82A, 82B, 82C) mit einem Rekombinationsmaterial, – Aufbringen einer Isolationsschicht (90A, 90B, 90C) oberhalb des Rekombinationsmaterials.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem die Herstellung der Rekombinationszone (80A, 80B, 80C) folgende Verfahrensschritte umfasst: – Herstellen eines Grabens (82A) in dem Halbleiterkörper, der sich ausgehend von der Oberfläche (11) durch die zweite Anschlusszone (30) bis in die Kanalzone (40) erstreckt, – Bedecken der dem Halbleiterkörper (1) zugewandten Seitenflächen des Grabens (82A) mit einem Rekombinationsmaterial (801A), – Auffüllen des Grabens mit einem weiteren Material (802A), – Aufbringen einer Isolationsschicht (90A, 90B, 90C) oberhalb des Rekombinationsmaterials (801A).
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Isolationsschicht (90A, 90B, 90C) auf der Oberfläche (11) des Halbleiterkörpers (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem in den neben der Isolationsschicht (90A, 90B, 90C) freiliegenden Bereichen des Halbleiterkörpers (1) stark dotierte Bereiche (34A, 34B, 34C) erzeugt werden.