DE10122362B4 - Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement - Google Patents

Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement Download PDF

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Abstract

Halbleiterbauelement, das in einem Halbleiterkörper (1) angeordnet und durch Feldeffekt steuerbar ist,
mit mindestens einer Sourcezone (6) und mit mindestens einer Drainzone (4a, 4b) vom jeweils ersten Leitungstyp,
mit mindestens einer jeweils zwischen Sourcezone (6) und Drainzone (4a, 4b) angeordneten Bodyzone (5) vom zweiten Leitungstyp,
mit mindestens einer Gateelektrode (8), über die bei Anlegen eines Gate-Potenzials (VG) an die Gateelektrode (8) eine stromführende Kanalzone (10) in der Bodyzone (5) ausbildbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bodyzone (5) erste Dotierstoffe und zweite Dotierstoffe (16) des zweiten Leitungstyps aufweist, wobei die ersten Dotierstoffe bei Raumtemperatur vollständig ionisiert sind und die zweiten Dotierstoffe (16) bei Raumtemperatur nur zum Teil ionisiert sind und deren Ionisationsgrad mit steigender Temperatur zunimmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein in einem Halbleiterkörper angeordnetes, durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, also ein Halbleiterbauelement, mit mindestens einer Sourcezone und mit mindestens einer Drainzone vom jeweils ersten Leitungstyp, mit mindestens einer jeweils zwischen Sourcezone und Drainzone angeordneten Bodyzone vom zweiten Leitungstyp, und mit mindestens einer Gateelektrode, über die bei Anlegen eines Gate-Potenzials an die Gateelektrode eine stromführende Kanalzone in der Bodyzone ausbildbar ist.
  • Ein solches Halbleiterbauelement kann beliebig ausgebildet sein, d.h. es kann sich hier um einen MOS-Transistor, IGBT und dergleichen handeln. Der Aufbau und die Funktionsweise solcher Halbleiterbauelemente ist beispielsweise aus Stengl, Tihanyi, "Leistungs-MOSFET-Praxis", Pflaum-Verlag München, 1992, bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung dieser Halbleiterbauelemente verzichtet werden kann. Im folgenden soll als Beispiel eines gattungsgemäßen Halbleiterbauelementes von einem durch Feldeffekt gesteuerten MOS-Transistor – auch kurz MOSFET genannt – ausgegangen werden, ohne jedoch die Erfindung auf dieses Halbleiterbauelement zu beschränken.
  • Weitere gattungsgemäße mittels Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelemente sind der US 5,465,000 und der US 5,930,630 zu entnehmen, die jeweils vertikale MOSFET beschreiben.
  • Bei allen heute erhältlichen Halbleiterbauelementen mit sperrender Funktionalität, wie z.B. bei einem MOSFET, ist deren Einsatzspannung weitgehend eine statische Bauelementeigenschaft. Für die Einsatzspannung UT gilt nach A. Möschwitzer, "Grundlagen der Halbleiter- und Mikroelektronik", Band 1, Carl Hanser Verlag, München, 1992, insbesondere dort Gleichung 5.20:
    Figure 00030001
  • Hier ist mit VF das Dotierungspotenzial, mit UFB die Flachbandspannung, mit dox die Dicke des Gateoxids, mit NA die Akzeptordichte und mit USB die Spannung zwischen Source und Substrat bezeichnet. εox und εH bezeichnen die Permittivität des Gateoxids bzw. des Halbleiters und q die Elementarladung. UFB ist im stark n-dotierten Silizium etwa –1V.
  • Die Einsatzspannung UT eines in einem Silizium-Halbleiterkörper integrierten MOSFETs ist bei Raumtemperatur also im wesentlichen von Dotierungskonzentration in der Kanalzone sowie von der Gateoxiddicke abhängig. Bei einem MOSFET wird daher je nach Applikation die Einsatzspannung UT beispielsweise durch Verringerung der Oxiddicke dox oder einer definierten Kanalimplantation geeignet eingestellt. So liegt bei einem Drainstrom von 1mA bei Leistungs-MOSFETs beispielsweise die Einsatzspannung UT zwischen 2V und 5V bei Standard-Leistungs-MOSFETs und bei 1,5V bis 2,5V bei sogenannten Logik-Level-MOSFETs.
  • Ist die Einsatzspannung UT bei einem MOSFET einmal festgelegt, so schwankt sie lediglich im Rahmen ihrer Temperaturabhängigkeit. Die Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung UT nach Gleichung (1) ergibt sich im wesentlichen aus der Temperaturabhängigkeit des Dotierungspotenzials VF, für welches gilt:
    Figure 00030002
    wobei für die thermische Spannung gilt:
    Figure 00030003
  • Mit ni ist hier die Eigenleitdichte, mit T die Temperatur und mit k die Boltzmannkonstante bezeichnet.
  • Nach A. Möschwitzer ist die Temperaturänderung der thermischen Spannung bei einem Enhancement-MOSFET dUth/dT ≈ –1mV/K (4)und bei einem Depletion-MOSFET dUth/dT ≈ 2–3mV/K. (5)
  • Diesen Zusammenhängen kommt bei der Entwicklung heutiger MOSFETs, insbesondere aber bei heutigen Leistungs-MOSFETs, eine zunehmende Bedeutung zu. Allerdings sind bei der MOSFET-Entwicklung zwei mitunter gegenläufige Trends erkennbar:
    Bei früheren MOSFETs waren die durch den Einschaltwiderstand RDSon hervorgerufenen, statischen Leistungsverluste vorherrschend. Mit der Einführung einer neuen Generation an Leistungshalbleiterbauelementen, die nach dem Prinzip der Ladungsträgerkompensation arbeiten, konnte der Einschaltwiderstand RDSon jedoch drastisch reduziert werden. Derartige Kompensationsbauelemente weisen in der Driftzone Ladungsträger beiden Leitfähigkeitstyps auf, die sich bei Anlegen einer Sperrspannung gegenseitig ausräumen und die somit eine hohe Sperrspannung gewährleisten. Dadurch bedingt kann die Driftzone eine vergleichsweise hohe Dotierungskonzentration aufweisen, wodurch der Einschaltwiderstand RDSon bei Anlegen einer Flussspannung minimiert wird.
  • Durch diese Reduzierung des Einschaltwiderstandes RDSon gehen neben den statischen Verlusten – bedingt durch den Einschaltwiderstand RDSon – zunehmend auch dynamische Schaltverluste, die aus der Ansteuerung des MOSFETs resultieren, mit in die Gesamtbilanz der Leistungsverluste mit ein. Der prozentuale Anteil der dynamischen Verluste, der bislang gegenüber den statischen Verlusten vernachlässigt werden konnten, wird also weiter zunehmen und kann daher in Zukunft auch nicht mehr vernachlässigt werden.
  • Auf der anderen Seite geht der Trend zu MOSFETs, die mit einem immer geringeren Gatepotenzial ansteuerbar sind. Dies hat den Vorteil, dass bei der Fertigung die MOSFET-Treiber mittels heute allgemein verwendeter und gut beherrschter CMOS-Prozesse herstellbar sind. Diese CMOS-Fertigungsprozesse sind auf ein Treiberpotenzial von etwa 5V ausgelegt. Dadurch lassen sich Gatetreiber mit sehr kleinen Strukturen bereitstellen, was insbesondere aus Gründen der Chipflächenoptimierung und somit aus Kostengründen besonders vorteilhaft ist. Für die Ansteuerung der Gateanschlüsse eines MOSFETs stehen daher allerdings relativ geringe Ansteuerpotenziale zur Verfügung. Um den MOSFET definiert einschalten zu können, muss also auch die Einsatzspannung UT des MOSFETs – beispielsweise über eine Reduzierung der Dotierungskonzentration in der Kanalzone oder einer Verringerung der Gateoxiddicke – entsprechend klein eingestellt sein.
  • Bei der Auslegung der Einsatzspannung UT eines MOSFET ist jedoch auf folgendes zu achten:
    Die Veränderung der Einsatzspannung UT mit steigender Temperatur entsprechend den Gleichungen (4), (5) führt dazu, dass die Einsatzspannung UT bei Raumtemperatur einen Spannungsvorhalt aufweisen muss, der der temperaturbedingten Abnahme der Einsatzspannung in dem gewünschten Temperaturbereich gerecht wird. Damit liegt zwar die Einsatzspannung UT bei hohen Temperaturen in dem vorgegebenen Spannungsbereich, jedoch könnte es bedingt durch die Reduzierung der Treiberleistung der Ansteuerschaltung gegebenenfalls Probleme beim Einschalten eines MOSFETs bei Raumtemperatur geben, da das verringerte Ansteuerpotenzial unter Umständen nicht zum Einschalten ausreicht. Um auch dies zu vermeiden bleibt häufig nichts anderes übrig, als die Treiberleistung ausreichend groß auszu legen, was jedoch bezüglich der Kosten der Ansteuerschaltung nicht vorteilhaft ist.
  • Ein weiteres Problem ergibt sich beim Ausschalten eines MOSFETs. Bei einer hohen Temperatur, bei der eine vergleichsweise geringe Einsatzspannung UT vorhanden ist, wird der Schalter unter Umständen nicht mehr sicher ausgeschaltet.
  • Insbesondere für Halbleiterbauelemente, die für einen sehr großen Temperaturbereich ausgelegt werden sollen, muss also zu Lasten der elektrischen Eigenschaften ein Kompromiss zwischen Schaltverlusten und Miniaturisierung der Schaltelemente gefunden werden.
  • Es besteht somit der Bedarf, ein Halbleiterbauelement bereitzustellen, welches hinsichtlich seiner Einsatzspannung beiden oben genannten Trends gerecht wird, ohne den genannten Kompromiss zu Lasten der elektrischen Eigenschaften eingehen zu müssen.
  • Neben der weitestgehend fest vorgegebenen Einsatzspannung, die unerwünschterweise von der Temperatur abhängt, sind auch die Kanallänge und die Kanalweite bei einem MOSFET durch das Design des MOSFETs fest vorgegeben. Ein Halbleiterbauelement, bei dem die Kanallänge und/oder die Kanalweite und/oder die Einsatzspannung nachträglich variierbar ist, ist bislang nicht bekannt.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement mit der vorstehend genannten Funktionalität auszustatten. Ferner soll bei einem solchen Halbleiterbauelement die Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung definiert verringert werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Demgemäss ist ein gattungsgemäßes Halbleiterbauelement vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bodyzone erste Dotierstoffe und zweite Dotierstoffe des zweiten Leitungstyps aufweist, wobei die ersten Dotierstoffe bei Raumtemperatur vollständig ionisiert sind und die zweiten Dotierstoffe bei Raumtemperatur nur zum Teil ionisiert sind und deren Ionisationsgrad mit steigender Temperatur zunimmt.
  • In völliger Abkehr zu bisherigen Lösungsansätzen besteht der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung vor allem darin, den bislang gültigen, allgemeinen Zusammenhang für Halbleiterbauelemente, gemäß dem die Einsatzspannung bei einem steuerbaren Halbleiterbauelement mit steigender Temperatur sinkt, zu durchbrechen. Erfindungsgemäß wird dabei die Eigenschaft eines dotierten Bereiches innerhalb der Bodyzone, insbesondere innerhalb der Kanalzone, so abgeändert, dass die Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung beseitigt bzw. zumindest weitestgehend verringert wird.
  • Erfindungsgemäß werden additiv zur oder anstelle der Hintergrunddotierung der Bodyzone bzw. der Kanalzone zusätzliche Dotierelemente gleicher Polarität eingebracht. Unter Hintergrunddotierung ist diejenige Dotierung zu verstehen, die "normal" dotierende Dotierstoffe aufweist, deren Energieniveau in der Größenordnung der thermischen Anregungsenergie liegt, die also bei Raumtemperatur vollständig ionisiert sind. Solche Elemente sind im Falle einer p-dotierten Bodyzone z. B. Bor oder Aluminium und im Falle einer n-dotierten Bodyzone z. B. Arsen oder Phosphor.
  • Das Energieniveau der zusätzlichen Dotierelemente weist hingegen einen relativ großen Abstand zu dem entsprechendem Valenzband bzw. Leitungsband auf. Es wird hier die Eigenschaft ausgenutzt, dass für solche Dotierelemente nur ein Bruchteil der Ladungsträger bei Raumtemperatur in das jeweilige Leitungsband angeregt, d.h. ionisiert ist und dass dieser Bruchteil sehr stark von der Temperatur abhängt. Dieser physikali sche Mechanismus ist als unvollständige Ionisation bekannt. Es werden also Dotierelemente bereitgestellt, die unter "normalen" Bedingungen, d.h. bei Raumtemperatur des Halbleiterbauelementes, nur zum Teil ionisiert sind. Der Abstand des Dotierstoffniveaus dieser Elemente von der jeweiligen Bandkante legt dabei den Ionisationsgrad sowie die thermische Generationsrate fest. Derartige Elemente werden nachfolgend auch als Elemente mit unvollständiger Ionisation oder unvollständig ionisierte Elemente bezeichnet. Mit steigender Temperatur steigt deren Ionisationsgrad, d. h. es wird eine zunehmende Anzahl an freien Ladungsträger freigesetzt. Die temperaturbedingte Abnahme der Einsatzspannung, die durch die Konzentration der im Bereich der Kanalzone vorgesehenen elektrisch wirksamen, aktiven Dotieratome bestimmt wird, kann durch die unvollständig ionisierten Elemente teilweise oder exakt kompensiert werden.
  • Für die Einstellbarkeit der Einsatzspannung reicht es aus, wenn die unvollständig ionisierten Dotierstoffe lediglich in der Kanalzone angeordnet sind, also dort, wo sich der durch Ladungsinversion hervorgerufene stromführende Kanal ausbildet. Bei zunehmender Temperatur ist ein höherer Anteil der unvollständig ionisierten Dotierelemente ionisiert, was einer Erhöhung der Einsatzspannung gleichkommt.
  • Nach dem Einschalten des Halbleiterbauelementes kommt ein weiterer Effekt hinzu: Beim Einschalten des Halbleiterbauelementes bildet sich unter Einwirkung des elektrischen Feldes im Randbereich der Bodyzone bzw. der Kanalzone eine Raumladungszone aus. Das elektrische Feld in der Raumladungszone sorgt dafür, das die unvollständig ionisierten Dotierstoffe dort allmählich vollständig ionisiert und die freien Ladungsträger abgesaugt werden, so dass nach einer gewissen Zeit sämtliche unvollständig ionisierten Dotierstoffe in der Raumladungszone ionisiert und abgesaugt sind. Dadurch steigt auch bei gleichbleibender Temperatur, zum Beispiel bei Raumtempe ratur, die Einsatzspannung unter Einwirkung des elektrischen Feldes an.
  • Da es zur Modulierung der Einsatzspannung darauf ankommt, dass die unvollständig ionisierten Dotierstoffe im Bereich der stromführenden Kanalzone eingebracht sind, weisen in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Bodyzonen Bereiche auf, die ausschließlich die Hintergrunddotierung enthalten. Diese Bereiche werden beispielsweise durch sämtliche Bereiche der Bodyzone außerhalb der Kanalzone gebildet.
  • In einer typischen und sehr einfach herstellbaren Ausgestaltung weisen die Bodyzone und/oder die Kanalzone jeweils Bereiche mit der Hintergrunddotierung und zugleich auch unvollständig ionisierte Dotierstoffe auf.
  • In einer speziellen Ausführung sind innerhalb der Bodyzone und/oder der Kanalzone Bereiche vorgesehen, in die ausschließlich Dotierstoffe mit unvollständiger Ionisation eingebracht sind. Es wäre auch denkbar, dass die gesamte Bodyzone bzw. die gesamte Kanalzone unvollständig ionisierte Dotierstoffe aufweist.
  • Der Dotierstoff mit unvollständiger Ionisation und vorteilhafterweise auch der Dotierstoff der Hintergrunddotierung ist in einer sehr einfachen Ausgestaltung weitestgehend gleichmäßig innerhalb der Bodyzonen verteilt. Es wird so gewährleistet, dass die unvollständig ionisierten Ionen eben auch im Bereich der Kanalzone angeordnet sind. Dadurch wird ein einfacherer Prozess zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes bereitgestellt, bei dem in Kauf genommen wird, dass die unvollständig ionisierten Dotierstoffe auch in den Bodybereichen außerhalb der Kanalzone, in denen sie eigentlich nicht benötigt werden, eingebracht werden. Es kann hier aber auf einen eigens für die Kanaldotierung vorgesehenen Dotierprozess verzichtet werden, indem die Dotierstoffe unter Zuhilfenahme desselben Dotierprozesses zur Herstellung der Bodyzone eben dort eingebracht werden.
  • Neben den oben beschriebenen Effekten der Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung sowie der Änderung der Einsatzspannung bei angelegtem elektrischen Feld, d. h. bei angelegter Gatespannung, kann in einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung auch die Kanallänge und/oder die Kanalweite moduliert werden.
  • Dazu weist die Bodyzone im Bereich der Kanalzone vorteilhafterweise einen ersten und einen zweiten Kanalzonenbereich auf. Der erste Kanalzonenbereich weist eine typische Dotierungskonzentration, beispielsweise die Hintergrunddotierung, auf. Der zweite Kanalzonenbereich weist Dotierstoffe mit unvollständiger Ionisation auf, so dass bei Raumtemperatur eine geringere Dotierungskonzentration elektrisch aktiver Dotierstoffe vorhanden ist als im ersten Kanalzonenbereich. Der zweite Kanalzonenbereich weist somit im Vergleich zum ersten Kanalzonenbereich einen niedrigeren differentiellen Kanalwiderstand auf.
  • Bei der Modulation der Kanalweite sind beispielsweise die ersten und zweiten Kanalzonenbereiche parallel nebeneinander und jeweils zwischen der Drainzone und der Sourcezone angeordnet. Im Falle von hexagonalen Zellen können beispielsweise drei erste und drei zweite Kanalzonenbereiche vorgesehen sein, die propellerartig um die Sourcezone angeordnet sind. Die effektive Kanalweite ergibt sich dann zunächst aus den Bereichen mit der niedrigsten Dotierungskonzentration, also aus den ersten Kanalzonenbereichen. Mit zunehmendem elektrischen Feld dringt die Raumladungszone stärker in den zweiten Kanalzonenbereich ein, wodurch die noch nicht ionisierten Dotierstoffe dort mit der Zeit vollständig ionisiert werden. Je nach gewählten Dotierungskonzentration bzw. je nach den Dotierungsverhältnissen in den ersten und zweiten Kanalzonenbe reichen ergibt sich dann eine Vergrößerung oder eine Verringerung der Kanalweite.
  • Im Falle der Modulation der Kanallänge sind beispielsweise die ersten und zweiten Kanalzonenbereiche ebenfalls parallel nebeneinander, wobei die Kanalzone sich jeweils aus ersten und zweiten Bereichen ergibt. Im Falle von hexagonalen oder runden Zellen können die beiden Kanalzonenbereiche jeweils kreisringförmig um dies jeweiligen Sourcezonen angeordnet sein. Die effektive Kanallänge ergibt sich wiederum aus den Bereichen mit der niedrigsten Dotierungskonzentration, also aus den ersten Kanalzonenbereichen. Mit zunehmendem elektrischen Feld dringt die Raumladungszone stärker in den zweiten Kanalzonenbereich ein, wodurch die noch nicht ionisierten Dotierstoffe dort mit der Zeit vollständig ionisiert werden. Die Kanallänge vergrößert sich somit.
  • Auf diese Weise lässt sich bei geeigneter Anordnung der beiden Kanalzonenbereiche in sehr vorteilhafter Weise eine Modulierung der effektiven Kanallänge und/oder der effektiven Kanalweite erreichen. Es lassen sich hier zusätzliche vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten erdenken: Beispielsweise könnte durch einen Palladiumring, der um eine normal dotierte Kanalzone angeordnet ist, eine Kanalverlängerung erzielt werden, was insbesondere im Kurzschlussfall einen besseren Schutz für das Halbleiterbauelement bietet.
  • Als n-dotierendes Element mit unvollständiger Ionisation eignet sich vor allem Selen, als p-dotierendes Element vor allem Palladium. Diese Elemente weisen bei Raumtemperatur einen Ionisationsgrad von etwa 10–20% auf. Jedoch sei die Erfindung nicht auf diese Elemente beschränkt. Vielmehr könnten an Stelle dieser Elemente auch andere unvollständig ionisierte Elemente verwendet werden. Zum Beispiel könnte als n-dotierendes Element auch Wismut, Titan, Tantal, etc. verwendet werden. Alternativ könnte als p-dotierendes Element auch Indium, Thallium, etc. verwendet werden.
  • Das Halbleiterbauelement weist typischerweise ein Zellenfeld mit einer Vielzahl von Zellen auf, wobei in jeder Zelle mindestens einen Einzeltransistor angeordnet ist. Diese Einzeltransistoren, die über ihre Laststrecken parallel geschaltet und über eine gemeinsame Ansteuerung steuerbar sind, definieren einen aktiven Bereich. Im aktiven Bereich des Zellenfeldes ist ein erster Bereich vorhanden, in dem die Dotierungskonzentration der unvollständig ionisierten Elemente niedriger ist als in den übrigen Bereichen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass nicht alle Zellen des Zellenfeldes gleichzeitig eingeschaltet werden, sondern ein Teil der Zellen schaltet bedingt durch die effektiv geringere Dotierungskonzentration früher ein. In einer alternativen Ausgestaltung könnten beispielsweise Zellen mit einer hohen und Zellen mit einer niedrigeren Einsatzspannung mehr oder weniger gleichmäßig im gleichen Zellenfeld verteilt werden. Dadurch könnte die Strom-Spannungs-Kennlinie eine abgerundetere Schaltflanke aufweisen, was insbesondere auch hinsichtlich einer verbesserten EMV-Verträglichkeit von Vorteil ist.
  • Vorteilhafterweise weisen die Zellen des Zellenfeldes ein hexagonales Layout auf, welches in der Oberfläche die dichteste Packung aufweist. Jedoch wäre auch jedes andere Layout, welches beispielsweise runde, ovale, quadratische, dreieckige, rechteckige, streifenförmige oder mäanderförmige Zellen aufweist, denkbar.
  • Der Halbleiterkörper besteht vorteilhafterweise aus kristallinem Silizium. Jedoch ist die Erfindung selbstverständlich auch bei anderen Halbleitermaterialien, wie z. B. Siliziumkarbid, Galliumarsenid, Germanium, etc., anwendbar.
  • Die Erfindung eignet sich für alle Halbleiterbauelemente, bei denen zum Zwecke der Modulierung der Einsatzspannung bzw. der Kanallänge und/oder der Kanalweite Elemente mit unvollständiger Ionisation eingebracht werden. Die Erfindung eignet sich also insbesondere im Kanalbereich von Leistungshalbleiterbauelementen, wie z. B. MOSFETs – insbesondere Leistungs-MOSFETs oder als Kompensationsbauelement ausgebildete MOSFETs –, bei denen sich die Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung am gravierendsten auf deren Funktionsweise auswirkt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 in einem Teilschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET, der Mittel zur Einsatzspannungsmodulation aufweist;
  • 2 die Abhängigkeit der Einsatzspannung UT in Abhängigkeit von der Temperatur bei einem MOSFET nach dem Stand der Technik (a) und einem erfindungsgemäßen MOSFET nach 1 unmittelbar beim Einschalten (b);
  • 3 das Gatepotenzial in Abhängigkeit von der Zeit für Ein-/Ausschaltvorgänge bei einem MOSFET nach dem Stand der Technik (a) und einem erfindungsgemäßen MOSFET (b) nach 1;
  • 4 in einem Teilschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET, der Mittel zur Kanallängenmodulation aufweist;
  • 5 in einem Teilschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET, der Mittel zur Kanalweitenmodulation aufweist;
  • 5a zeigt Aufsicht auf ein Detail des Ausführungsbeispiels nach 5
  • 6 in einem Teilschnitt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET, der hier als Kompensationsbauelement ausgebildet ist;
  • 7 in einem Teilschnitt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen IGBTs.
  • In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente – sofern nichts anderes angegeben ist – mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt in einem Teilschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen MOSFET. Der MOSFET ist hier als n-Kanal Leistung-D-MOSFET ausgebildet.
  • In 1 ist mit 1 ein Halbleiterkörper – beispielsweise eine einkristalline Siliziumscheibe – bezeichnet. Der Halbleiterkörper 1 weist eine erste Oberfläche 2, die sogenannte Scheibenvorderseite, und eine zweite Oberfläche 3, die sogenannte Scheibenrückseite, auf. Der Halbleiterkörper 1 weist eine an beide Oberflächen 2, 3 angrenzende, n-dotierte Zonen 4a, 4b auf. Die Zonen 4a, 4b enthalten eine schwach n-dotierte Innenzone 4a, die an die erste Oberfläche 2 angrenzt und die als Driftstrecke des Leistungs-MOSFETs dient. Ferner enthalten die Zonen 4a, 4b eine an die Innenzone 4a angrenzende, stark n-dotierte Drainzone 4b, die an der zweiten Oberfläche 3 über eine großflächig auf die Oberfläche 3 aufgebrachte Drain-Metallisierung 12 mit dem Drainanschluss D verbunden ist.
  • An der entgegengesetzten Oberfläche 2 sind mehrere p-dotierte Bodyzonen 5 wannenförmig in die Innenzone 4a eingebettet. In jeweils eine Bodyzone 5 sind eine oder mehrere stark n-dotierte Sourcezonen 6 eingebettet. Die Bodyzonen 5 und Sourcezonen 6 können in bekannter Art und Weise durch Ionenimplantation oder Diffusion in den Halbleiterkörper 1 eingebracht werden. Die Bodyzonen 5 sind an der Oberfläche 2 von einander durch eine Zwischenzone 7, die Bestandteil der Innenzone 4a ist, beabstandet. Oberhalb der Zwischenzonen 7 ist jeweils eine Gateelektrode 8 vorgesehen, die lateral verlaufend bis oberhalb der Sourcezonen 6 reicht. Die Gateelektroden 8 sind gegen die Oberfläche 2 über ein dünnes Gateoxid 9 isoliert. Die Bereiche der Bodyzone 5, die unterhalb der Gateelektroden 8 angeordnet sind, definieren somit eine Kanalzone 10, in der sich bei Anlegen eines Gatepotenzials an den Gateanschluss G ein durch Ladungsinversion hervorgerufener, stromführender Kanal ausbilden kann. Ferner ist eine Source-Metallisierung 11 vorgesehen, die die Sourcezonen 6 und Bodyzonen 5 über einen Nebenschluss, der hier als Kontaktlochkontaktierung ausgebildet ist, elektrisch kontaktiert. Die Source-Metallisierung 11 ist gegen die Gateelektrode 8 über ein Schutz-Oxid 13 beabstandet. Die Source-Metallisierung 11 ist an der Scheibenvorderseite 2 mit einem Sourceanschluss S, die Gateelektrode 8 mit einem Gateanschluss G verbunden.
  • Die Gateelektroden 8 bestehen typischerweise aus Polysilizium, jedoch können sie auch aus einem anderen Material, beispielsweise aus Metall oder Silizid, bestehen, wenngleich diese Materialien herstellungstechnisch und aufgrund deren physikalischen und elektrischen Eigenschaften nicht so vorteilhaft sind wie hochdotiertes Polysilizium. Gleichsam kann für das Gateoxid 9 und Schutz-Oxid 13 statt Siliziumdioxid (SiO2) auch jedes andere isolierende Material, beispielsweise Siliziumnitrid (Si3N4), Verwendung finden, jedoch ist thermisch hergestelltes Siliziumdioxid insbesondere bei Verwendung als Gateoxid 9 qualitativ am hochwertigsten und deshalb vorzuziehen. Als Source-Metallisierung 11 und Drain-Metallisierung 12 wird typischerweise Aluminium verwendet, jedoch könnte hier auch jedes andere hochleitfähige Material, das einen guten Kontakt zu dem Halbleiterkörper gewährleistet, verwendet werden.
  • Im Layout des Halbleiterkörpers 1 bezeichnen die mit Gateelektroden 8 sowie mit Bodyzonen 5 und Sourcezonen 6 bedeck ten Bereiche das aus einer Vielzahl von Zellen bestehende Zellenfeld eines MOSFETs, wobei in 1 ausschnittsweise nur drei Zellen dargestellt sind. Jeweils eine Zelle beinhaltet einen Einzeltransistor. Die Parallelschaltung der Laststrecken der Vielzahl von Einzeltransistoren ergibt den Leistungs-MOSFET.
  • Die Bodyzonen 5 weisen eine p-Hintergrunddotierung auf. Erfindungsgemäß weisen die Bodyzonen 5 im Bereich der Kanalzonen 10 neben der p-Hintergrunddotierung auch unvollständig ionisierte p-dotierende Dotierstoffe 16 (Kreuze) auf. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die unvollständig ionisierten Elemente 16 zusätzlich auch in den übrigen Bereichen der Bodyzone 5 angeordnet. Diese Ausgestaltung ist insbesondere aus herstellungstechnischen Gründen vorteilhaft, da hier die unvollständig ionisierten Dotierstoffe 16 und die Dotierstoffe der Hintergrunddotierung unter Verwendung desselben lateral strukturierten Dotierungsprozesses in den Halbleiterkörper 1 eingebracht werden können. Da die Elemente mit unvollständiger Ionisation typischerweise einen relativ hohen Diffusionskoeffizienten aufweisen, bietet es sich hier an, einen zweistufigen Dotierungsprozess heranzuziehen. In der ersten Stufe wird dabei zunächst der normal dotierende Dotierstoff, zum Beispiel Bor, über die strukturierte Gateelektrode implantiert und nachfolgend teilweise in den Halbleiterkörper eindiffundiert. In der zweiten Stufe wird anschließend der Dotierstoff mit unvollständiger Ionisation implantiert und gegebenenfalls kurz eindiffundiert. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Wesentlich ist, dass die unvollständig ionisierten Dotierstoffe 16 lediglich in dem Bereich der Bodyzone 5 eingebracht sind, der für die Einsatzspannung des MOSFETs wirksam ist. Dies ist in aller Regel der unmittelbare oberflächennahe Bereich der Kanalzone 10, in dem sich nämlich die Ladungsinversion zuerst ausbildet.
  • Bei einem n-Kanal-MOSFET, bei dem die Bodyzone 5 p-dotiert ist, wird also in der Bodyzone 5 ein üblicherweise verwendetes p-dotierendes Element wie Bor oder Aluminium als Hintergrunddotierung enthalten, während als p-dotierendes Element mit unvollständiger Ionisation 16 vorzugsweise Palladium verwendet wird.
  • Nachfolgend wird der erfindungsgemäße Mechanismus anhand der 2 und 3 näher beschrieben, wobei ein Halbleiterbauelement entsprechend 1 zugrunde gelegt ist:
    2 zeigt die Einsatzspannung UT in Abhängigkeit von der Temperatur T bei einem MOSFET nach dem Stand der Technik (a) und einem erfindungsgemäßen MOSFET nach 1 unmittelbar beim Einschalten (b). Es zeigt sich, dass bei einem MOSFET nach dem Stand der Technik (Kurve (a)), bei dem die Bor-Hintergrunddotierung für die Höhe der Einsatzspannung UT relevant ist, sich eine im wesentlichen linear abnehmende Kurve (a) der Einsatzspannung UT ergibt. Bei einem erfindungsgemäßen MOSFET weist das Bodygebiet 5 im Bereich der Kanalzone 10 neben der Bor-Hintergrunddotierung zusätzlich auch eine Palladium-Dotierung, also einen Dotierstoff mit unvollständiger Ionisation 16, auf (Kurve (b)) Die Einsatzspannung UT ist hier also gegeben durch die Bor-Hintergrunddotierung sowie die elektrisch aktive, d. h. ionisierte Palladium-Dotierung.
  • Kurve (b) weist gegenüber der Kurve (a) mit zunehmender Temperatur T eine (betragsmäßig) geringere Steigung auf. Ursache hierfür ist die Tatsache, dass bei hoher Temperatur T der Ionisationsgrad von Palladium und damit derjenige Palladiumanteil, der zur elektrisch aktiven Gesamtkonzentration in der Kanalzone 10 beiträgt, größer ist. Bei sehr hohen Temperaturen T sind nahezu alle Palladiumatome ionisiert und die elektrisch aktive Gesamtkonzentration ergibt sich aus der Summe der Bor- und Palladium-Dotierungen in der Kanalzone 10.
  • Die Steigung der Kurve lässt sich durch geeignete Wahl der Dotierelemente mit unvollständiger Ionisation einstellen. Strebt man beispielsweise an, bei 25°C und 125°C die gleiche Einsatzspannung UT zu erreichen, ergibt sich am Beispiel einer Bor (B) und Palladium (Pd) dotierten Schicht, folgende Beziehungen für die Konzentrationsverhältnisse: Nakt (25°C) = Nakt (125°C) (6) Nakt,ges (T) = Nakt,B (T) + Nakt,Pd (T) (7) Nakt,B (T) ≅ Nakt,B ≅ Ndot,B (8) Nakt,Pd (T) ≅ Ndot,Pd exp(–ΔEPd/kT) (9)
  • Dabei ist mit Ndot die dotierte Gesamtkonzentration und mit Nakt die elektrisch aktive Dotierungskonzentration bezeichnet, wobei die Gleichungen jeweils für eine Temperatur im Betriebstemperaturbereich eines Halbleiterbauelementes gelten. ΔEPd bezeichnet den Bandabstand von Palladium zur Vallenzbandkante, der bei Palladium 340meV beträgt. kT ist das thermische Potential, welches bei 25°C etwa 25meV und bei 125°C etwa 37meV beträgt.
  • Bei geeigneter Variation der Dotierungsverhältnisse, beispielsweise indem der Anteil der Palladiumatome gegenüber dem Anteil der Boratome vergrößert wird, könnte gegebenenfalls sogar eine Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung UT erzielt werden, die bei zunehmender Temperatur keine Temperaturabhängigkeit zeigt, d. h. hier wäre UT = const. Es wäre sogar ein Kurve denkbar, bei der die Einsatzspannung UT – innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs – mit zunehmender Temperatur steigt (in 2 nicht dargestellt). Dies könnte beispielsweise dadurch erreicht werden, dass in der Kanalzone 10 ausschließlich unvollständig ionisierte Dotierstoffe 16 verwendet werden.
  • Dieser anhand von 2 beschriebene Effekt eröffnet die Möglichkeit, die Kanaleigenschaften eines MOSFETs in verschiedenster Weise zu variieren. Der Anteil der unvollständig ionisierten Atome ist temperaturabhängig. Bei tiefen Temperaturen ist nur ein kleiner Teil ionisiert und damit elektrisch aktiv, während bei höheren Temperaturen der Aktivierungsanteil entsprechend exp(–Eakt/kT) steigt, wobei Eakt die Energielücke des Dotierstoffes zur Leitungsbandkante ist und T die Temperatur in Kelvin bezeichnet. Auf diese Weise lässt sich die Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung UT(T) zumindest teilweise kompensieren.
  • Während der Schaltvorgänge verändert sich mit der zwischen Sourcezone 6 und Drainzone 4b anliegenden Drain-Source-Spannung auch die Weite der Raumladungszone in der p-dotierten Bodyzone 5 und in der Kanalzone 10. Insbesondere im Kurzschlussbetrieb tritt durch den Felddurchgriff eine dynamische Verkürzung der Kanallänge ein. Innerhalb der Raumladungszone werden zeitverzögert die gegebenenfalls dort vorhandenen Elemente mit unvollständiger Ionisation vollständig ionisiert.
  • Mittels des letztgenannten Effektes lässt sich vorteilhafterweise das Ein- und Ausschaltverhalten bei einem MOSFET günstig modifizieren. Dies sei anhand von 3 dargestellt. 3 zeigt das zeitabhängige Gatepotenzial VG für Ein-/Ausschaltvorgänge bei einem MOSFET nach dem Stand der Technik (a) und bei einem erfindungsgemäßen MOSFET (b).
  • Bei einem Einschaltvorgang (I) steigt das Gatepotenzial VG zunächst entsprechend der Gatekapazität bis zum Erreichen des Millerplateaus 17 an. Dort bleibt das Gatepotenzial VG solange konstant, bis die Gatekapazität des MOSFETs vollständig aufgeladen ist. Für den eigentlichen Einschaltvorgang ist nun das Gatepotenzial VG ab dem Millerplateau 17 relevant, wobei dieses Potenzial von dem MOSFET-Treiber bereitgestellt werden muss. Das effektive Einschaltpotenzial ΔVG = VG2 – VG1 ist also das Potenzial VG2, welches vom Treiber bereitgestellt wird, abzüglich dem Potenzial VG1, welches dem Millerplateau 17 entspricht. Der Ausschaltvorgang (II) erfolgt umgekehrt zu diesem Vorgang. Bei einem MOSFET nach dem Stand der Technik (3(a)) wird das Gatepotenzial beim Einschalten des MOSFETs also in gleicher Weise aufgeladen (I) wie es beim Ausschaltvorgang (II) entladen wird.
  • Demgegenüber unterscheiden sich die Auflade- und Entladekurven bei einem erfindungsgemäßen MOSFET, bei dem in der Kanalzone 10 Palladiumatome eingebracht wurden (siehe 3(b)). Es lassen sich dadurch MOSFETs konzipieren, die beim Einschalten eine kleine Einsatzspannung (niedriges Millerplateau 17) und beim Ausschalten eine große Einsatzspannung (hohes Millerplateau 17) aufweisen. Ist das Millerplateau 17 niedrig (VG1'), dann steht ein großes effektives Potenzial ΔVG' zur Verfügung. Beim Ausschalten ist dies umgekehrt, dass heißt hier steht bei einem hohen Potenzial (VG1'') des Millerplateaus 17 entsprechend auch ein großes effektives Potenzial ΔVG'' zum Ausschalten zur Verfügung. In Phase II sind die Palladiumatome in der Raumladungszone unterhalb der Kanalzone 10 komplett ionisiert, d. h. die Einsatzspannung UT ist gestiegen und damit auch das Millerplateau 17. Beim Ausschalten ist die verbleibende Treiberspannung aber das Potenzial des Millerplateaus 17. Wenn nun beim Ausschalten (II) das Potenzial VG1'' des Millerplateaus 17 höher liegt, ist das treibende Potenzial auch größer und folglich der Ausschaltvorgang (II) vorteilhafterweise schneller.
  • 4 zeigt in einem Teilschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET, der Mittel zur Kanallängenmodulation aufweist.
  • Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in 1 weist die Bodyzone 5 in 4 zwei unterschiedliche Bereiche 5a, 5b gleicher Polarität auf. In dem ersten Bereich 5a der Bodyzone 5 sind ausschließlich Dotierstoffe der Hintergrunddotie rung, zum Beispiel Boratome, vorgesehen. In einem zweiten Bereich 5b der Bodyzone 5 sind hingegen lediglich Dotierstoffe mit unvollständiger Ionisation, beispielsweise Palladiumatome, vorgesehen. Es sei angenommen, dass die Dotierungskonzentration von Bor und Palladium in den jeweiligen Bereichen 5a, 5b gleich groß ist.
  • Im vorliegenden Fall sind beide Bereiche 5a, 5b wannenförmig ausgebildet, wobei der erste Bereich 5a vom zweiten Bereich 5b umhüllt ist. Die beiden Bereiche 5a, 5b treten zumindest an einer Stelle, die von der Gateelektrode 8 überdeckt ist, an die Oberfläche 2 des Halbleiterkörpers 1, so dass dort eine zusammenhängende Kanalzone 10 definiert ist. Die zusammenhängende Kanalzone 10 besteht also aus Teilen des ersten und aus Teilen des zweiten Bereichs 5a, 5b, das heißt sie weist einen ersten Kanalzonenbereich 10a auf, der – bei Raumtemperatur und im ausgeschalteten Zustand – ausschließlich vollständig ionisierte Dotierstoffe aufweist und einen zweiten Kanalzonenbereich 10b, der ausschließlich unvollständig ionisierte Dotierstoffe 16 aufweist.
  • Wird nun ein Gatepotenzial an den Gateanschluss G und eine Drain-Source-Spannung an die Anschlüsse D, S gelegt, dann bildet sich ein durch Ladungsinversion hervorgerufener stromführender Kanal in der Kanalzone 10 aus. Da im zweiten Kanalzonenbereich 10b die elektrisch aktive Dotierungskonzentration aufgrund des geringeren Ionisationsgrades geringer ist als im ersten Kanalzonenbereich 10a, weist der erste Kanalzonenbereich 10a unmittelbar nach dem Einschalten einen größeren Kanalwiderstand auf.
  • Die Bodyzone 5 in 4 lässt sich natürlich auch in geeigneter Weise verändern, dass heißt die Bereiche 5a, 5b müssen nicht notwendigerweise dieselben Dotierungskonzentration aufweisen. Ferner können in dem ersten Bereich 5a auch Palladiumatome und/oder in dem zweiten Bereich 5b auch Boratome vorgesehen sein. Herstellungstechnisch besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste Bereich 5a sowohl Bor als auch Palladium aufweist. Die zweiten Bereiche 5b können dann – aufgrund des höheren Diffusionskoeffizienten von Palladium – durch Ausdiffusion von Palladium aus dem ersten Bereich 5a erzeugt werden.
  • 5 zeigt in einem Teilschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET, der Mittel zur Kanalweitenmodulation aufweist.
  • Entsprechend dem Ausführungsbeispiel in 4 weist die Bodyzone 5 in 5 ebenfalls zwei unterschiedliche Bereiche 5c, 5d gleicher Polarität, jedoch mit unterschiedlichen Dotierstoffen auf. In dem ersten und zweiten Bereich 5c, 5d ist eine generelle Bor-Hintergrunddotierung vorgesehen, während im zweiten Bereich 5d zusätzlich eine Palladiumdotierung vorgesehen ist.
  • Jedoch sind unterhalb der Gateelektroden 8 entweder erste Bereiche 5c oder zweite Bereiche 5d vorgesehen, so dass dort entweder erste oder zweite Kanalzonenbereiche 10c, 10d angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der MOSFET im Layout hexagonale Zellen aufweist, dass heißt die Bodyzonen 5 weisen im Layout eine hexagonale Form auf (5a). Die ersten und zweiten Bereiche 5c, 5d sind abwechselnd zueinander angeordnet und bilden innerhalb der Bodyzonen 5 vorteilhafterweise ein dreiflügeliges Muster. Wie oben bei der Kanallängenmodulation ausgeführt, wird hier die Palladiumdotierung in den zweiten Bodyzonenbereichen 5c bzw. in den zweiten Kanalzonenbereichen 10d, zeitlich verzögert aktiv. Dadurch verringert sich die effektive Kanalweite des MOSFETs.
  • Bei entsprechender Dimensionierung der MOSFETs entsprechend den 4 und 5 sowie bei geeigneter Wahl der Dotierungskonzentrationen in den Bodyzonenbereichen 5a–5d bzw. in den Kanalzonenbereichen 10a–10d lässt sich auch eine Verringe rung der effektiven Kanalweite bzw. der effektiven Kanallänge erzielen.
  • 6 zeigt in einem Teilschnitt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in 1 ist in 5 der Leistungs-MOSFET als Kompensationsbauelement ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die Innenzone 4a als Kompensationsschicht 20 ausgebildet. Die Kompensationsschicht 20 weist p-dotierte Ausräumzonen 21 und n-dotierte Komplementärausräumzonen 22 auf. Der Aufbau und die Funktionsweise solcher Kompensationsbauelemente ist vielfach, so dass nachfolgend auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann. Bezüglich weiterer Ausführungsbeispiele wird auch auf die US 5,216,275 , US 4,754,310 , WO 97/29518, DE 43 09 764 C2 und DE 198 40 032 C1 verwiesen, deren Gegenstände vollinhaltlich in die vorliegende Patentanmeldung mit einbezogen werden.
  • In 6 sind die Ausräumzonen 21 und Komplementärausräumzonen 22 der Kompensationsschicht 20 nicht an die rückseitige Drainzone 4b angeschlossen, dass heißt zwischen den Zonen 21, 22 ist noch eine schwach n-dotierte Draftzone 23 angeordnet. Die Zonen 21, 22 sind somit in der Kompensationsschicht 20 mehr oder weniger floatend ausgebildet. Jedoch sei darauf hingewiesen, dass diese Zonen 21, 22 selbstverständlich auch an die Drainzone 4b angeschlossen sein können. Darüber hinaus sind die Zonen 21, 22 auf das Raster des Zellenfeldes justiert, jedoch wäre auch eine nicht zellenfeldjustierte Anordnung dieser Zonen 21, 22 denkbar.
  • 7 zeigt in einem Teilschnitt ein fünftes Ausführungsbeispiel, bei dem das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement als n-Kanal IGBT ausgebildet ist. Im Unterschied zu einem herkömmlichen Leistungs-MOSFET entsprechend 1 weist der IGBT zwischen der n-dotierten Drainzone 4b und der Scheiben rückseite 3 noch eine p-dotierte Anodenzone 23, die von einer Anodenelektrode 24 kontaktiert ist, auf.
  • Die Erfindung sei nicht ausschließlich auf die Ausführungsbeispiele gemäß der 1, 4 bis 7 beschränkt. Vielmehr können dort beispielsweise durch Austauschen der Leitfähigkeitstypen n gegen p und umgekehrt sowie durch Variation der Dotierungskonzentrationen eine Vielzahl neuer Bauelementvarianten angegeben werden.
  • In den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurden jeweils vertikal ausgebildete Halbleiterbauelemente beschrieben. Jedoch sei die Erfindung nicht auf vertikale Halbleiterbauelemente beschränkt, sondern ließe sich bei entsprechender Anpassung der Strukturen auch auf laterale Halbleiterbauelemente anwenden. Ferner wurde die Erfindung anhand von MOSFETs mit Zellenstruktur beschrieben, jedoch ist sie bei diskreten Halbleiterbauelementen gleichermaßen anwendbar.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch das Einbringen von dotierenden Elementen mit unvollständiger Ionisation in gleich dotierte Bodyzonen bzw. Kanalzonen in völliger Abkehr von bekannten Halbleiterbauelementen ein neues Bauelement angegeben werden kann, bei dem die Einsatzspannung eine geringe Temperaturabhängigkeit zeigt.
  • Die vorliegende Erfindung wurde anhand der vorstehenden Beschreibung so dargelegt, um das Prinzip der Erfindung und dessen praktische Anwendung bestmöglichst zu erklären, jedoch lässt sich die vorliegende Erfindung im Rahmen des fachmännischen Handelns und Wissens in geeigneter Weise abwandeln.
    •
    • 1
    Halbleiterkörper
    2
    erste Oberfläche, Scheibenvorderseite
    3
    zweite Oberfläche, Scheibenrückseite
    4a
    Innenzone
    4b
    Drainzone
    5
    Bodyzone
    5a–5d
    Bodyzonenbereiche
    6
    Sourcezone
    7
    Zwischenzone
    8
    Gateelektrode
    9
    Dielektrikum, Gateoxid
    10
    Kanalzone
    10a–10d
    Kanalzonenbereiche
    11
    Sourceelektrode, Source-Metallisierung
    12
    Drainelektrode, Drain-Metallisierung
    13
    Schutzoxid
    16
    unvollständig ionisierte Dotierstoffe (Kreuze)
    17
    Millerplateau
    18
    pn-Übergang
    20
    Kompensationszone
    21
    Ausräumzonen
    22
    Komplementärausräumzonen
    23
    Anodenzone
    24
    Anodenelektrode
    25
    Driftzone
    I
    Einschaltvorgang
    II
    Ausschaltvorgang
    D
    Drainanschluss
    G
    Gateanschluss
    S
    Sourceanschluss
    VG
    Gatepotenzial
    VG1,VG1',VG1''
    Gatepotenzial auf dem Millerplateau
    VG2
    Treiberpotenzial
    ΔVG,ΔVG',ΔVG''
    Einsatzspannungspotenzial
    UT
    Einsatzspannung
    t
    Zeit
    T
    Temperatur

Claims (18)

  1. Halbleiterbauelement, das in einem Halbleiterkörper (1) angeordnet und durch Feldeffekt steuerbar ist, mit mindestens einer Sourcezone (6) und mit mindestens einer Drainzone (4a, 4b) vom jeweils ersten Leitungstyp, mit mindestens einer jeweils zwischen Sourcezone (6) und Drainzone (4a, 4b) angeordneten Bodyzone (5) vom zweiten Leitungstyp, mit mindestens einer Gateelektrode (8), über die bei Anlegen eines Gate-Potenzials (VG) an die Gateelektrode (8) eine stromführende Kanalzone (10) in der Bodyzone (5) ausbildbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodyzone (5) erste Dotierstoffe und zweite Dotierstoffe (16) des zweiten Leitungstyps aufweist, wobei die ersten Dotierstoffe bei Raumtemperatur vollständig ionisiert sind und die zweiten Dotierstoffe (16) bei Raumtemperatur nur zum Teil ionisiert sind und deren Ionisationsgrad mit steigender Temperatur zunimmt.
  2. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Dotierstoffe (16) zumindest in der stromführenden Kanalzone (10) der Bodyzone (5) vorgesehen sind.
  3. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Bodyzonen (5) ein erster Bereich (5a, 5c) vorgesehen ist, der ausschließlich erste Dotierstoffe aufweist.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Bodyzonen (5) ein zweiter Bereich (5) vorgesehen ist, der sowohl erste als auch zweite Dotierstoffe (16) aufweist.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodyzone (5) und/oder die Kanalzone (10) ausschließlich Dotierstoffe (16) mit unvollständiger Ionisation aufweisen.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und die zweiten Dotierstoffe (16) weitestgehend gleichmäßig innerhalb der Bodyzonen (5) verteilt sind.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalzone (10) einen ersten Kanalzonenbereich (10a, 10c) und einen zweiten Kanalzonenbereich (10b, 10d) aufweist, wobei der erste Kanalzonenbereich (10a, 10c) bei Raumtemperatur eine höhere Dotierungskonzentration elektrisch aktiver Dotierstoffe aufweist als der zweite Kanalzonenbereich (10b, 10d) und wobei der zweite Kanalzonenbereich (10b, 10d) zweite Dotierstoffe (16) aufweist.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kanalzonenbereiche (10a, 10b) in Richtung der Kanallänge bzw. in Stromflussrichtung nebeneinander und aneinander angrenzend angeordnet sind.
  9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kanalzonenbereiche (10c, 10d) in Richtung der Kanalweite bzw. senkrecht zur Stromflussrichtung nebeneinander und aneinander angrenzend angeordnet sind.
  10. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Randbereich der Bodyzone (5) und/oder der Kanalzone (10), in den die Raumladungszone bei angelegter Spannung eindringt, die Gesamtzahl der ionisierten zweiten Dotierstoffe (16) mit zunehmendem elektrischen Feld zunimmt.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodyzone (5) eine p-Dotierung aufweist und dass der zweite Dotierstoff (16) Palladium ist.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodyzone (5) eine n-Dotierung aufweist und dass der zweite Dotierstoff (16) Selen ist.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement aus einer Vielzahl in Zellen eines Zellenfeldes angeordneter Einzeltransistoren bestehen, die über ihre Laststrecken parallel geschaltet sind, die über eine gemeinsame Ansteuerung (G) steuerbar sind und die somit einen aktiven Bereich definieren, wobei innerhalb des Zellenfeldes Bodyzonen (5) vorhanden sind, in denen die Dotierungskonzentration der zweiten Dotierstoffe (16) höher ist als in anderen Bodyzonen (5) des Zellenfeldes.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement einen aktiven, zum Stromfluss beitragenden Bereich und einen Randbereich aufweist, über den bei Anlegen einer Spannung an das Halbleiterbauelement die Feldlinien definiert aus dem Halbleiterkörper (1) geführt werden, wobei die Dotierungskonzentration der zweiten Dotierstoffe (16) im Randbereich geringer ist als im aktiven Bereich.
  15. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration der zweiten Dotierstoffe (16) in den Zellen im Randbereich des Zellenfeldes niedriger ist.
  16. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen des Zellenfeldes ein hexagonales Layout aufweisen.
  17. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) kristallines Silizium enthält.
  18. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement als MOSFET – insbesondere als Leistungs-MOSFET – oder als IGBT ausgebildet ist.
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