DE10125268C1

DE10125268C1 - Vertikaler MOS-Transistor mit einer Druchbruchstruktur und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10125268C1
Application number: DE10125268A
Authority: DE
Inventors: Frank Pfirsch
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2002-08-29
Anticipated expiration: 2021-05-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer Transistorstruktur (60) und einer Durchbruchsstruktur (50), wobei durch die Transistorstruktur ein Trench-Transistor realisiert ist. Die Durchbruchsstruktur (60) ist derart ausgebildet, dass bei Anlegen einer Spannung zwischen Drain und Source (D, S) der Transistorstruktur (60) ein Spannungsdurchbruch der Durchbruchsstruktur (50) vor einem Spannungsdurchbruch der Transistorstruktur (60) stattfindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Trench- oder Graben- Transistor.

Derartige Trench-Transistoren weisen eine in einem Graben an geordnete Steuerelektrode auf, die sich ausgehend von einer Vorderseite in vertikaler Richtung in einen Halbleiterkörper hinein erstreckt und die mittels einer Isolationsschicht ge genüber dem Halbleiterkörper isoliert ist. In dem Halbleiter körper sind benachbart zu Seitenwänden der Steuerelektrode Zonen eines ersten Leitungstyps (n- oder p-dotiert) ausgebil det, die Drain- und Source-Zonen des Transistors bilden. Zwi schen den Drain- und Source-Zonen ist eine komplementär zu den Source- und Drain-Zonen dotierte Body-Zone (p- oder n- dotiert) ausgebildet, wobei sich bei Anlegen eines Ansteuer potentials ein leitender Kanal in der Body-Zone zwischen der Source-Zone und der Drain-Zone in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers ausbildet.

Ein solcher als n-leitender MOS-Transistor ausgebildeter Trench-Transistor und ein Verfahren zu dessen Herstellung ist beispielsweise in der US 5,034,785 beschrieben.

Durch die Abfolge der Source-Zone, der zu der Source- und der Drain-Zone komplementären Body-Zone und der Drain-Zone ist bei derartigen Transistoren stets auch ein parasitärer Bipo lartransistor vorhanden, dessen Basis durch die Body-Zone und dessen Kollektor/Emitter durch die Drain-/Source-Gebiete ge bildet ist. Um eine Reduzierung der Spannungsfestigkeit des MOS-Transistors durch das Vorhandensein des parasitären Bipo lartransistors zu vermeiden ist es hinlänglich bekannt und auch in der US 5,034,785 beschrieben, die Source- und Body- Zone des MOS-Transistors, bzw. die Basis und den Emitter des parasitären Bipolartransistors kurzzuschließen.

Probleme durch den parasitären Bipolartransistor können al lerdings bei großen Strömen auftreten, die einen so großen Spannungsabfall in der Body-Zone des MOS-Transistors, bzw. der Basis des parasitäre Bipolartransistors hervorrufen, dass der parasitären Bipolartransistor angesteuert wird, wie dies beispielsweise in der US 4,345,265 für einen DMOS-Transistor mit planarer Gate-Elektrode erläutert ist. Wird der parasitä re Bipolartransistor angesteuert, so kommt es zu einer weite ren Stromverstärkung, die zu einer Zerstörung des Bauteils führen kann.

Zur Vermeidung dieses Problems ist es aus der US 5,034,785 bekannt, eine Diode parallel zu der Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors vorzusehen, die durchbricht, bevor der para sitäre Bipolartransistor einschaltet. Diese Diode ist durch tiefimplantierte Zonen, die an eine Source-Elektrode ange schlossen sind, die sich von der Vorderseite des Halbleiterkörpers bis in die Drain-Zone erstrecken und die zwischen den Zellen des Transistors angeordnet sind, realisiert.

Eine ähnliche Anordnung mit tiefimplantierten Zonen zwischen den Gate-Elektroden ist aus der US 5,072,266 bekannt. Bei An legen einer ausreichend hohen Sperrspannung fließt bei der bekannten Anordnung der Strom von der Drain-Zone über die tiefimplantierten Zonen an die Source-Elektrode. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass das Vorsehen der tiefimplan tierten Zonen zum einen zusätzliche Diffusionsschritte wäh rend des Herstellungsverfahrens erfordert und dass die tief implantierten Zonen zudem erheblich die Zellengröße und somit die maximal mögliche Zellendichte beeinflussen.

Die EP 0 746 030 A2 beschreibt einen vertikalen Trench- Transistor mit einer Vielzahl gleichartig aufgebauter Tran sistorzellen und mit "Durchbruchszellen", die in regelmäßigen Abständen zwischen den Transistorzellen angeordnet sind, wo bei die Durchbruchszellen jeweils ein tiefdiffundiertes Ge biet aufweisen, das einen Raum zwischen zwei Gate-Elektroden ausfüllt und das sich in vertikaler Richtung des Halbleiter körpers bis über die Gate-Elektroden hinaus in die Drain-Zone erstreckt. Auch bei dieser bekannten Transistoransordnung er fordert das Vorsehen der tiefdiffundierten Zonen zusätzliche Diffusionsschritte.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleiteranord nung mit einem vertikalen Transistor mit einer Durchbruchstruktur, der die oben genannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements zur Verfügung zu stellen.

Dieses Ziel wird durch eine Halbleiteranordnung gemäß den Merkmale des Anspruchs 1 und den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist einen Halb leiterkörper auf, der eine erste Halbleiterzone im Bereich einer Rückseite des Halbleiterkörpers und eine sich an die erste Halbleiterzone anschließende Halbleiterzone eines zwei ten Leitungstyps im Bereich einer Vorderseite des Halbleiter körpers und wenigstens eine in der zweiten Halbleiterzone ausgebildete dritte Halbleiterzone des ersten Leistungstyps aufweist. In dem Halbleiterkörper sind wenigstens zwei Steu erelektroden ausgebildet, die mittels Isolationsschichten ge genüber dem Halbleiterkörper isoliert sind und die sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers ausgehend von der Vorderseite des Halbleiterkörpers durch die zweite Halbleiter zone bis in die erste Halbleiterzone erstrecken.

Zur Bildung einer Transistorstruktur ist benachbart zu we nigstens einer Seitenfläche wenigstens einer der Elektroden eine Abfolge der ersten Halbleiterzone, der zweiten Halblei terzone und der dritten Halbleiterzone vorhanden. Die erste Halbleiterzone bildet dabei die Drain-Zone des Halbleiterbau elements, die zweite Halbleiterzone bildet die Body-Zone und die dritte Halbleiterzone bildet Source-Zone, wobei sich bei Anlegen eines Ansteuerpotentials an die Steuerelektrode ein leitender Kanal in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers zwischen der Source-Zone und der Drain-Zone ausbildet. Die Drain-Zone und die Source-Zone sind jeweils durch Anschluss elektroden kontaktiert.

Weiterhin ist zur Bildung einer Durchbruchsstruktur benach bart zu wenigstens einer Seitenfläche wenigstens einer der Elektroden eine Abfolge der ersten Halbleiterzone und der zweiten Halbleiterzone vorhanden, wobei die zweite Halblei terzone in diesem Bereich bis an die Vorderseite des Halblei terkörpers reicht. Die Durchbruchstruktur ist derart ausge bildet, dass bei Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterzone ein Spannungsdurchbruch im Be reich der Durchbruchstruktur vor einem Spannungsdurchbruch im Bereich der Transistorstruktur auftritt. Dies wird bei einer Ausführungsform der Erfindung dadurch gewährleistet, dass zwei einander zugewandte Seitenflächen von Elektroden, die jeweils Bestandteil einer Durchbruchstruktur sind, in latera ler Richtung des Halbleiterkörpers einen größeren Abstand zu einander aufweisen als zwei einander zugewandte Seitenflächen von Elektroden die jeweils Bestandteil einer Transistorstruk tur sind. Der größere Abstand der Elektroden einer Durch bruchstruktur bewirkt, dass bei Anlegen einer Spannung zwi schen der ersten und zweiten Halbleiterzone zwischen den E lektroden der Durchbruchstruktur abschnittsweise größere Feldstärken als zwischen den Elektroden der Transistorstruk tur auftreten.

Dies lässt sich anhand des Verlaufes der Äquipotentialllinien erläutern. Liegen die Steuerelektroden auf einem festen Po tential, so nähern sich Äquipotentiallinien in den dem brei teren Bereich zwischen den Elektroden der Durchbruchstruktur weiter der Vorderseite des Halbleiterkörpers als in dem schmäleren Bereich zwischen den Elektroden der Transistor struktur an, was in diesen Bereichen zu einer stärkeren Krüm mung der Äquipotentiallinien und somit zu einer größeren Feldstärke führt.

Ein ähnlicher Effekt wird bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erzielt, bei der die Elektroden im Bereich der Durchbruchstruktur säulenförmig, in Draufsicht insbesondere quadratisch, kreisförmig oder hexagonal ausgebildet sind, während die Elektroden im Bereich der Transistorstruktur plattenförmig ausgebildet sind. Die Äquipotentiallinien sind im Bereich der säulenförmigen Elektroden einer stärkeren Krümmung als im Bereich der plattenförmigen Elektroden unter worfen, weswegen ein Durchbruch im Bereich der Durchbruchstruktur bei einer geringeren Spannung als im Bereich der Transistorstruktur auftritt.

Der Spannungsdurchbruch im Bereich der Durchbruchstruktur verhindert, dass im Bereich der Transistorstruktur eine so hohe Spannung auftreten kann, dass der parasitäre Bipo lartransistor einschaltet und eine Beschädigung des Halblei terbauelements auftreten kann. Im Bereich der Durchbruch struktur ist auf das Vorsehen einer dritten Halbleiterzone verzichtet, um dort die Bildung eines parasitären Bipo lartransistors zu vermeiden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorge sehen, dass die zweite Halbleiterzone im Bereich der Durch bruchstruktur eine geringere Dicke aufweist als im Bereich der Transistorstruktur. Auch dies führt dazu, dass die Äqui potentiallinien bei Anlegen einer Spannung zwischen der ers ten und zweiten Halbleiterzone im Bereich der Durchbruchstruktur einer größeren Krümmung unterworfen sind, was zu ei nem Spannungsdurchbruch in diesem Bereich bei kleineren Span nungen als im Bereich der Transistorstruktur führt.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement sind keine aufwendig herzustellenden tiefdiffundierten Gebiete erforder lich. Eine Durchbruchstruktur, bei welcher zum Schutz einer Transistorstruktur ein Spannungsdurchbruch auftritt, bevor ein parasitärer Bipolartransistor der Transistorstruktur wirksam wird, wird bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbau element durch die geometrische Anordnung und/oder Ausbildung von Steuerelektroden bzw. durch die Dimensionierung der zwei ten Halbleiterzone realisiert.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Isolationsschicht im Bereich der ersten Halbleiterzone dicker als im Bereich der zweiten und dritten Halbleiterzone ist. Dies verhindert eine Beschädigung der die Steuerelektro den umgebenden Isolationsschicht bei hohen Spannungen, die insbesondere an den unteren Kanten der Elektroden in der ers ten Halbleiterzone, bzw. der Drain-Zone auftreten.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Halbleiterzone und die wenigstens eine dritte Halbleiterzone - die Source-Zone des Feldeffekttransistors - gemeinsam durch eine zweite Elektrode kontaktiert sind.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die zweite Halb leiterzone im Bereich einer Durchbruchstruktur durch eine se parate dritte Elektrode kontaktiert ist. Diese dritte Elekt rode kann insbesondere an die Steuerelektrode angeschlossen werden und kann somit zur sogenannten aktiven Zenerung des Feldeffekttransistors verwendet werden. Die aktive Zenerung ist grundsätzlich in Stengl/Tihanyi: "Leistungs-MOS-FET- Praxis", Pflaum Verlag, München, 1992, beschrieben. Wird zwi schen Anlegen eines Potentials an die erste Anschlusselektro de bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement eine Spannung zwischen der ersten Anschlusselektrode und der dritten Elektrode erreicht, bei der die Durchbruchstruktur durch bricht, so wird über die Durchbruchstruktur die Steuerelekt rode des Feldeffekttransistors angesteuert, um den Feldef fekttransistor leitend anzusteuern und so einem weiteren Spannungsanstieg entgegenzuwirken.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei spielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in Sei tenansicht im Querschnitt (Fig. 1a) und in Drauf sicht im Querschnitt (Fig. 1b),

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in Sei tenansicht im Querschnitt, bei welchem die Dicke einer Isolationsschicht um die Steuerelektroden va riiert,

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in Sei tenansicht im Querschnitt, bei welchem Transistor strukturen und Durchbruchstrukturen mittels unter schiedlicher Anschlusskontakte kontaktiert sind,

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in Sei tenansicht im Querschnitt (Fig. 4a) und in Drauf sicht im Querschnitt (Fig. 4b) mit säulenförmigen Steuerelektroden im Bereich der Durchbruchstruktur,

Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in Sei tenansicht im Querschnitt mit einer im Bereich ei ner Steuerelektrode der Durchbruchstruktur dünneren zweiten Halbleiterzone,

Fig. 6 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in Sei tenansicht im Querschnitt mit einer dickeren Isolationsschicht um eine Steuerelektrode der Durch bruchstruktur,

Fig. 7 ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in Sei tenansicht im Querschnitt während unterschiedlicher Schritte eines Herstellungsverfahrens.

In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile und Bereiche mit gleicher Bedeutung.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines n- leitenden Trench-Feldeffekttransistors mit Durchbruchstruktur erläutert. Die Erfindung ist selbstverständlich auch auf p- leitende Transistoren anwendbar, wobei dann die im folgenden n-leitenden Bereiche durch p-leitende Bereiche und die im folgenden p-leitenden Bereiche durch n-leitende Bereiche er setzt werden müssen.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen Halbleiterbauelements, wobei das Bauelement in Fig. 1a in Seitenansicht im Querschnitt und in Fig. 1b im Querschnitt durch die in Fig. 1a eingezeichnete Schnittebene A-A' dargestellt ist.

Durch dieses Halbleiterbauelement ist ein Trench- Feldeffekttransistor realisiert, zu dessen Drain-Source- Strecke D-S eine zwischen Drain D und Source S in Sperrspan nung gepolte Diode parallel geschaltet ist. Wie im weiteren erläutert werden wird, ist der Trench-Feldeffekttransistor bei dem Bauelement gemäß Fig. 1 durch die mit dem Bezugszei chen 60 gekennzeichneten Transistorstrukturen und die Diode ist in Fig. 1 durch die mit dem Bezugszeichen 50 gekenn zeichneten Durchbruchstrukturen realisiert.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist einen Halb leiterkörper 100 mit einer n-dotierten ersten Halbleiterzone, die sich in dem Ausführungsbeispiel aus einer stark n- dotierten Halbleiterzone 12 im Bereich einer Rückseite 102 des Halbleiterkörpers 100 und einer darüber liegenden schwä cher n-dotierten Halbleiterzone 14 zusammensetzt, und einer über der Halbleiterzone 14 angeordneten p-dotierten Zone 16 im Bereich einer Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers auf. Die stark n-dotierte Zone 12 resultiert beispielsweise aus einem stark dotierten Halbleitersubstrat, auf welches bei spielsweise mittels eines Epitaxieverfahrens eine schwächer n-dotierte Zone aufgebracht wird, die im Bereich der Vorder seite 101 des Halbleiterkörpers zur Bildung der zweiten Halb leiterzone 16 p-dotiert wird. Zur Kontaktierung der stark n- dotierten Zone 12 ist auf die Rückseite 102 des Halbleiter körpers eine Kontaktschicht 42, beispielsweise ein Metall aufgebracht. Das Halbleiterbauelement weist weiterhin Steuer elektroden 32A, 32B auf, die sich ausgehend von der Vorder seite 101 des Halbleiterkörpers 100 in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers bis in die schwächer n-dotierte Zone 14 der ersten Halbleiterzone erstrecken. Diese Steuerelektroden 32A, 32B sind mittels Isolationsschichten, insbesondere mit tels Oxidschichten gegenüber dem Halbleiterkörper 100 iso liert. Die Steuerelektroden 32A, 32B sind in nicht näher dargestellter Weise elektrisch miteinander verbunden und liegen so wenigstens annäherungsweise auf demselben Potential. Zur Bildung von Transistorzellen sind in der zweiten Halbleiterzone 16 benachbart zu Steuerelektroden 32A, 32B n-dotierte dritte Halbleiterzonen 18 vorgesehen, die in dem Ausführungsbeispiel im Bereich der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet sind.

Diese dritten Halbleiterzonen 18 bilden die Source-Zone des Trench-Feldeffekttransistors, die p-dotierte Zone 16 zwischen den Source-Zonen 18 und der schwächer n-dotierten Zone 14 bildet die Body-Zone, die stark n-dotierte Zone 12 bildet die Drain-Zone und die schwächer n-dotierte Zone 14 zwischen der Drain-Zone 12 und der Body-Zone 16 bildet die Drift-Zone des Feldeffekttransistors. Bei Anlegen eines Ansteuerpotentials an die Steuerelektroden 32A, 32B bildet sich in der Body-Zone 16 zwischen den Source-Zonen 18 und Drift-Zone 14 entlang der Isolationsschichten 34A, 34B ein leitender Kanal aus, der bei Anlegen einer Spannung zwischen der Drain-Zone 12 und der Source-Zone 18 einen Stromfluss ermöglicht. Zur Kontaktierung der Source-Zone 18 ist auf der Vorderseite 101 des Halblei terkörpers 100 eine Kontaktschicht 40 aufgebracht, die mit tels Isolationsschichten 20 gegenüber den Steuerelektroden 32A, 32B isoliert ist. Die Kontaktschicht 40 schließt außer dem im Bereich der Transistorstrukturen 60 die Source-Zone 18 und die Body-Zone 16 kurz.

Die parallel zu dem Feldeffekttransistor geschaltete Durch bruchsdiode wird bei dem Halbleiterbauelement gemäß Fig. 1a durch eine Durchbruchstruktur 50 realisiert, die zwei Steuer elektroden 32B umfasst, die gegenüber dem Halbleiterkörper 100 mittels einer Isolationsschicht 34B isoliert sind. Bei Anlegen einer Sperrspannung zwischen den Anschlüssen 42, 40, die gleichzeitig den Drain-Anschluss bzw. den Source- Anschluss des Feldeffekttransistors darstellen, erfolgt ein Spannungsdurchbruch bei Erhöhen dieser Sperrspannung im Be reich der Durchbruchstruktur zwischen den beiden Steuerelekt roden 32B noch bevor ein derartiger Spannungsdurchbruch in nerhalb der Transistorstruktur 60 stattfindet. Dies wird bei dem Bauelement gemäß Fig. 1a dadurch erreicht, dass der Ab stand a zwischen den beiden Steuerelektroden 32B, die Teil der Durchbruchstruktur 50 sind, größer ist als ein Abstand b zwischen Steuerelektroden die Bestandteil einer Transistor struktur 60 sind, wobei bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a die Steuerelektroden 32B sowohl Bestandteil der Durch bruchstruktur 50 als auch Bestandteil der Transistorstruktur 60 sind, denn benachbart zu Seitenflächen 322, die den Steu erelektroden 32A zugewandt sind, sind Source-Zonen 18 ausge bildet. Im Bereich der Durchbruchstruktur 50, also benachbart zu sich gegenüberliegenden Seitenflächen 321 der Steuerelekt roden 32B sind keine n-dotierten Zonen in der p-dotierten Zo ne 16 vorgesehen, so dass im Bereich der Durchbruchstruktur 50 anders als im Bereich der Transistorstruktur 60 kein para sitärer Bipolartransistor durch die Abfolge von n-dotierten Source-Zonen 18, p-dotierten Zonen 16 und n-dotierten Zonen 14, 12 gebildet ist.

Das Auftreten eines Spannungsdurchbruchs im Bereich der Durchbruchstruktur 50 vor einem Spannungsdurchbruch im Be reich der Transistorstruktur 60 lässt sich anhand des Verlau fes einer in Fig. 1a gestrichelt eingezeichneten Äquipoten tiallinie P erläutern, die aus dem Anliegen einer Spannung zwischen der Drain-Elektrode D, 42 und der Source-Elektrode S, 40 resultiert, wenn an den Steuerelektroden 32A, 32B kein Ansteuerpotential anliegt, wenn sich diese Steuerelektroden 32A, 32B insbesondere auf dem Potential der Source-Elektrode S, 40 befinden.

Durch den größeren Abstand a der Steuerelektroden 32B im Be reich der Durchbruchstruktur 50 nähert sich die Äquipotenti allinie im Bereich dieser Durchbruchstruktur 50 weiter der p- dotierten Zone 16 an und unterliegt im Bereich einer Unter kante des Grabens, in dem die Steuerelektrode 32B realisiert ist, somit einer stärkeren Krümmung. Die Krümmung der Äquipo tentiallinien ist ein Indiz für die Feldstärke, die somit im Bereich der Durchbruchstruktur 50 größer als im Bereich der Transistorstruktur 60 ist, so dass es im Bereich der Unter kante des Grabens der Durchbruchstruktur 50 zu einem Span nungsdurchbruch kommt, bevor es im Bereich der Transistor struktur 60 zu einem Spannungsdurchbruch kommt. Die Durch bruchsspannung der Durchbruchsstruktur 50 ist somit kleiner als die Durchbruchsspannung der Transistorstruktur 60, wo durch ein kontrollierter Spannungsdurchbruch im Bereich der Durchbruchsstruktur möglich ist.

Das Nichtvorhandensein von n-dotierten Zonen in der p- dotierten Zone 16 im Bereich der Durchbruchstruktur 50 ver hindert, dass bei einem Spannungsdurchbruch ein parasitärer Bipolartransistor angesteuert wird, was zu einer Zerstörung des Halbleiterbauelements führen könnte.

Die Durchbruchstruktur 50 mit dem pn-Übergang bildet eine zwischen dem Drain-Anschluss D und dem Source-Anschluss S in Sperrrichtung gepolte Diode, wobei der Drain-Anschluss D gleichzeitig den Kathoden-Anschluss K und der Source- Anschluss S gleichzeitig den Anoden-Anschluss A dieser Diode bildet.

Bei Anlegen einer Sperrspannung zwischen dem Drain-Anschluss D und dem Source-Anschluss S unterliegen die Unterkanten der Isolationsschichten um die Steuerelektroden 32A, 32B bei nicht angesteuertem Feldeffekttransistor einer erheblichen Spannungsbelastung. Um eine Zerstörung dieser Isolations schichten durch im Avalance-Betrieb injizierte heiße Ladungs träger zu verhindern, ist bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass Steuerelektro den 36A, 36B im Bereich ihrer Unterkanten, insbesondere im Bereich innerhalb der schwächer dotierten Halbleiterzone 14 von einer dickeren Isolationsschicht 37A, 37B als innerhalb der Bodyzone 16 umgeben sind.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Halbleiterbauelements, das sich von den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen dadurch unterscheidet, dass die Source-Zonen 18, bzw. die Body-Zonen 16 benachbart zu den Source-Zonen 18 durch eine erste Kon taktelektrode 40B und dass die Halbleiterzone 16 im Bereich der Durchbruchstruktur 50 durch eine zweite Kontaktelektrode 40A kontaktiert ist. Die erste Elektrode 40B bildet dabei die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors und die zweite E lektrode 40A bildet den Anodenanschluss der Durchbruchsdiode.

Diese Ausführungsform ermöglicht es, die Anode der Durch bruchsdiode beispielsweise an die Steuerelektroden 32A, 32B anzuschließen, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist.

Tritt bei dieser Ausführungsform ein Spannungsdurchbruch im Bereich der Durchbruchstruktur 50 auf, so wird der Trench- Feldeffekttransistor angesteuert, um auf diese Weise die über seiner Drain-Source-Strecke anliegende Spannung zu begrenzen. Das Ersatzschaltbild dieses Halbleiterbauelements, bei wel chem die zweite Anschlusselektrode 40A an die Steuerelektro den 32A, 32B angeschlossen ist, ist ebenfalls in Fig. 3 dar gestellt.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen Halbleiterbauelements, bei welchem die Durch bruchstruktur 50 durch eine spezielle geometrische Ausgestal tung von Steuerelektroden 32C realisiert ist.

Während Steuerelektroden 34A im Bereich der Transistorstruk tur 60, wie auch bei den Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 1 bis 3, plattenförmig, d. h. senkrecht zur Zeichenebe ne gemäß Fig. 4a langgestreckt ausgebildet sind, sind Elekt roden 32C bei der Ausführung nach Fig. 4 im Bereich der Durchbruchstruktur 50 säulenförmig ausgebildet, wie insbeson dere der Fig. 4B zu entnehmen ist, die einen Querschnitt durch die Querschnittsebene B-B' gemäß Fig. 4a zeigt. Der Querschnitt dieser säulenförmigen Elektroden 32C ist bei dem Beispiel gemäß Fig. 4 quadratisch, es kann jedoch ebenso ein runder, hexagonaler oder ein anderer ähnlicher Querschnitt vorgesehen werden. Benachbart zu diesen Steuerelektroden 32C, die Bestandteil der Durchbruchstruktur 50 sind, sind keine n- dotierten Zonen innerhalb der zweiten Halbleiterzone 16 vor gesehen, um so die Bildung eines parasitären Bipolartran sistors zu vermeiden.

Zwischen den plattenförmigen Steuerelektroden 34a sind beabstandet zueinander mehrere säulenförmige Steuerelektroden 32C vorgesehen, wobei bei Anlegen einer Sperrspannung zwi schen der Drain-Elektrode 42 und der Source-Elektrode 40 im Bereich der säulenförmigen Steuerelektroden 32C eine höhere Feldstärke als im Bereich der plattenförmigen Steuerelektroden 34a der Transistorstruktur 60 resultiert, so dass ein Spannungsdurchbruch der Durchbruchstruktur 50 vor einem Span nungsdurchbruch der Transistorstruktur 60 auftritt. Der Ab stand der säulenförmigen Steuerelektroden 32C zu den platten förmigen Steuerelektroden 34A kann in etwa dem Abstand zwi schen den plattenförmigen Steuerelektroden 34A betragen.

Außerdem sind die Steuerelektroden 32C der Durchbruchsstruk tur 50 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 an die Sour ce-Elektrode 40 angeschlossen, während die Steuerelektroden der Transistorstruktur 60 durch Isolationsschichten 20 gegen über der Source-Elektrode 40 isoliert sind und in nicht näher dargestellter Weise an einen Anschluss zur Zuführung geeigne ter Ansteuerpotentiale zum leitenden und sperrenden Ansteuern der Transistorstruktur angeschlossen sind.

Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement, bei welchem die Dicke der p-dotierten zweiten Halbleiterzone 16 in einem Bereich 16A um eine Steuerelektrode 32B reduziert ist. D. h., die p-dotierte Zone 16 erstreckt sich in dem Be reich 16A ausgehend von der Vorderseite 101 des Halbleiter körpers weniger weit in vertikaler Richtung in den Halblei terkörper 100 hinein als in den übrigen Bereichen, insbeson dere in den Bereichen der Transistorstrukturen 60. Die Steu erelektroden 32B mit dem umgebenden dünneren Bereich 16A der zweiten Halbleiterzone 16 bildet die Durchbruchstruktur 50. Im Bereich 16A mit der dünneren p-dotierten zweiten Halblei terzone sind keine n-dotierten Zonen vorgesehen, um die Bil dung eines parasitären Bipolartransistors zu vermeiden.

Bei Anlegen einer Sperrspannung zwischen der Drain-Elektrode 42 und der Source-Elektrode 40 entsteht bei nicht angesteuer ten Steuerelektroden 32A, 32B im Bereich der Steuerelektrode 32B wegen der sich dort weiter in Richtung der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 erstreckenden n-dotierten Zone 14 bzw. wegen der sich dort weniger in den Halbleiterkörper hinein erstreckenden p-dotierten Zone 16 eine höhere Feldstärke als benachbart zu den anderen Steuerelektroden 34A, so dass im Bereich der Steuerelektrode 32B ein Spannungsdurch bruch erfolgt noch bevor ein Spannungsdurchbruch an den übri gen Steuerelektroden 34A in den Transistorstrukturen statt findet.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen Halbleiterbauelements, welches sich von dem in Fig. 5 dargestellten dadurch unterscheidet, dass eine dicke re Isolationsschicht 34D um die Steuerelektrode 32B vorgese hen ist.

Die Verschaltung der Steuerelektroden untereinander ist in den Fig. 4 bis 6 nicht explizit dargestellt. Hierbei be steht die Möglichkeit, die Steuerelektroden der Durchbruchs strukturen und die Steuerelektroden der Transistorstrukturen gemeinsam zu verschalten, die Elektroden der Durchbruchs strukturen liegen dann auf demselben Potential wie die Steu erelektroden der Transistorstrukturen, das das Leiten oder Sperren des Transistors bestimmt. Des weiteren besteht die Möglichkeit, die Elektroden der Durchbruchstrukturen an das Potential der Source-Elektrode zu legen, wie dies beispiels weise für die Elektrode 32C in Fig. 4a dargestellt ist, und die Steuerelektroden der Transistorstrukturen gemeinsam an das für den Betrieb der Transistoren geeignete, sich je nach gewünschtem Schaltzustand ändernde Ansteuerpotential zu le gen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halb leiterbauelements wird nachfolgend anhand von Fig. 7 erläu tert.

Fig. 7a zeigt in Seitenansicht im Querschnitt ein stark n- dotiertes Halbleitersubstrat 12, auf welches in nächsten Ver fahrensschritten, deren Ergebnis in Fig. 7b dargestellt ist, eine schwächer n-dotierte Epitaxieschicht 15 aufgebracht wird. In dieser Epitaxieschicht 15 wird anschließend, wie in Fig. 7c dargestellt ist, eine p-dotierte Zone 16, beispiels weise mittels eines Diffusionsverfahrens hergestellt. Die p- dotierte Zone bildet die Body-Zone, das stark n-dotierte Sub strat 12 und der schwächer n-dotierte Bereich 14 der Epita xieschicht bilden zusammen die Drain- bzw. Drift-Zone des späteren Halbleiterbauelements. Anschließend werden, wie in Fig. 7d dargestellt ist, mittels hinlänglich bekannter Ver fahrensschritte n-dotierte Zone 18, die späteren Source- Zonen, ausgehend von einer Vorderseite 101 des durch die Halbleiterschichten 12, 14 und 16 gebildeten Halbleiterkör pers 100 erzeugt. Zur Bildung der Steuerelektroden werden an schließend, wie in Fig. 7e dargestellt ist, Gräben ausgehend von der Vorderseite 101 in den Halbleiterkörper 100 einge bracht, die sich bis in die schwächer n-dotierte Zone 15 erstrecken. Der gegenseitige Abstand und auch die geometri sche Ausbildung dieser Gräben ist dabei so gewählt, dass ei nes der Halbleiterbauelemente gemäß den Fig. 1 bis 6 er halten wird. Die Herstellung der Source-Zonen 18 erfolgt der art, dass nur in den Bereichen der Transistorstruktur und nicht in den Bereichen der Durchbruchstruktur Source-Zonen 18 hergestellt werden.

Um für ein Halbleiterbauelement gemäß der Fig. 5 oder 6 einen Bereich 16A mit einer dünneren p-dotierten Zone zu er zeugen, kann bereichsweise eine n-Diffusion in die p-dotierte Zone 16 erfolgen.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement wird eine Durchbruchstruktur durch die geometrische Anordnung bzw. die geometrische Ausgestaltung von Steuerelektroden realisiert. Im Bereich dieser Steuerelektroden der Durchbruchstruktur sind keine n-dotierten Bereiche in der p-dotierten Zone im Bereich der Vorderseite des Halbleiterkörpers vorgesehen, um die Bildung eines parasitären Bipolartransistors zu vermei den. Auf die Herstellung eines tiefdiffundierten Gebietes zur Bildung einer Durchbruchstruktur kann bei dem erfindungsgemä ßen Halbleiterbauelement verzichtet werden.

Bezugszeichenliste

S Source-Anschluss
D Drain-Anschluss
G Gate-Anschluss
K Katode
A Anode

100

Halbleiterkörper

12

,

14

erste Halbleiterzone

16

zweite Halbleiterzone

18

dritte Halbleiterzone

32

A,

32

B,

32

C Steuerelektroden

34

A,

34

B,

34

C,

34

D Isolationsschichten

20

Isolationsschicht

321

,

322

Seitenflächen
n n-dotierter Bereich
p p-dotierter Bereich

101

Vorderseite des Halbleiterkörpers

102

Rückseite des Halbleiterkörpers

40

,

42

Kontaktschicht

50

Durchbruchstruktur

60

Transistorstruktur

Claims

1. Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist:

- einen Halbleiterkörper (100), der eine erste Halbleiterzone (12, 14) eines ersten Leitungstyps (n) im Bereich einer Rück seite (102) des Halbleiterkörpers (100) und eine sich an die erste Halbleiterzone (12, 14) anschließende zweite Halblei terzone (16) eines zweiten Leitungstyps (p) im Bereich einer Vorderseite (101) des Halbleiterkörpers (100) und wenigstens eine in der zweiten Halbleiterzone (16) ausgebildete dritte Halbleiterzone (18) des ersten Leistungstyps (n) aufweist,
- wenigstens zwei Elektroden (32A, 32B, 32C, 32D), die mit tels Isolationsschichten (34A, 34B, 34C, 34D) gegenüber dem Halbleiterkörper (100) isoliert sind und die sich in vertika ler Richtung des Halbleiterkörpers (100) ausgehend von der Vorderseite (101) bis in die erste Halbleiterzone (14) erstrecken,
- benachbart zu wenigstens einer Seitenfläche (322) wenigs tens einer der Elektroden (32A, 32B) ist zur Bildung einer Transistorstruktur (60) eine Abfolge der ersten Halbleiterzo ne (14), der zweiten Halbleiterzone (16) und der dritten Halbleiterzone (18) vorhanden,
- benachbart zu wenigstens einer Seitenfläche (321) wenigs tens einer der Elektroden (32B, 32C, 32D) ist zur Bildung ei ner Durchbruchstruktur (50) eine Abfolge der ersten Halblei terzone (14) und der zweiten Halbleiterzone (16) vorhanden.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem zwei einan der zugewandte Seitenflächen (321) von Elektroden (32B), die jeweils Bestandteil einer Durchbruchstruktur (50) sind, in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers (100) einen größeren Abstand (a) zueinander aufweisen als zwei einander zugewandte Seitenflächen (322) von Elektroden (32B, 34B) die jeweils Bestandteil einer Transistorstruktur (60) sind.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem Steuerelekt roden (32C), deren Seitenflächen Bestandteil einer Durch bruchstruktur (50) sind, säulenförmig ausgebildet sind.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem Steuerelekt roden (32A, 32B), deren Seitenflächen Bestandteil einer Tran sistorstruktur (60) sind, plattenförmig ausgebildet sind.

5. Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist:

- einen Halbleiterkörper (100), der eine erste Halbleiterzone (12, 14) eines ersten Leitungstyps (n) im Bereich einer Rück seite (102) des Halbleiterkörpers (100) und eine sich an die erste Halbleiterzone (12, 14) anschließende zweite Halblei terzone (16) eines zweiten Leitungstyps (p) im Bereich einer Vorderseite (101) des Halbleiterkörpers (100) und wenigstens eine in der zweiten Halbleiterzone (16) ausgebildete dritte Halbleiterzone (18) des ersten Leistungstyps (n) aufweist,
- wenigstens zwei Elektroden (32A, 32B, 32C, 32D), die mit tels Isolationsschichten (34A, 34B, 34C, 34D) gegenüber dem Halbleiterkörper (100) isoliert sind und die sich in vertika ler Richtung des Halbleiterkörpers (100) ausgehend von der Vorderseite (101) bis in die erste Halbleiterzone (14) erstrecken,
- benachbart zu wenigstens einer Seitenfläche (322) wenigs tens einer der Elektroden (32A, 32B) ist zur Bildung einer Transistorstruktur (60) eine Abfolge der ersten Halbleiterzo ne (14), der zweiten Halbleiterzone (16) und der dritten Halbleiterzone (18) vorhanden,
- benachbart zu wenigstens einer Seitenfläche (321) wenigs tens einer der Elektroden (32B, 32C, 32D) ist zur Bildung einer Durchbruchstruktur (50) eine Abfolge der ersten Halblei terzone (14) und der zweiten Halbleiterzone (16) vorhanden, wobei die Dicke der zweiten Halbleiterzone (16) benachbart zu einer Steuerelektrode (32B) einer Durchbruchstruktur (50) ge ringer als die Dicke der zweiten Halbleiterzone (16) benach bart zu einer Steuerelektrode (32A) einer Transistorstruktur (60) ist.

6. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem die Isolationsschicht (37B) im Bereich der ers ten Halbleiterzone (14) dicker als im Bereich der zweiten (16, 18) und dritten Halbleiterzone ist.

7. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem die erste Halbleiterzone (12, 14) eine stärker dotierte Zone (12), die an der Rückseite (102) durch eine erste Anschlusselektrode (42) kontaktiert ist, und eine schwächer dotierte Zone (14) im Anschluss an die stärker do tierte Zone (12) aufweist.

8. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem die zweite Halbleiterzone (16) und die wenigs tens eine dritte Halbleiterzone (18) durch eine zweite Elekt rode (40) kontaktiert sind.

9. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem die zweite Halbleiterzone (16) im Bereich einer Durchbruchstruktur (50) durch eine dritte Elektrode (40A) kontaktiert ist.

10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, bei dem die dritte Elektrode (40A) an die Steuerelektroden (32A, 32B, 32C, 32D) angeschlossen ist.

11. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei dem die Durchbruchspannung der Durchbruchsstruktur (50) kleiner als die Durchbruchsspannung der Transistorstruk tur (60) ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

- Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (100), der übereinan derliegend eine erste Halbleiterzone (12, 14) eines ersten Leitungstyps (n) im Bereich einer Rückseite (102) des Halb leiterkörpers (100) und eine zweite Halbleiterzone (16) eines zweiten Leitungstyps (p) im Bereich einer Vorderseite (101) des Halbleiterkörpers (100) aufweist,
- Herstellen wenigstens einer dritten Halbleiterzone (18) des ersten Leistungstyps (n) ausgehend von der Vorderseite (101) in der zweiten Halbleiterzone (16),
- Herstellen von wenigstens zwei Steuerelektroden (32A, 32B, 32C, 32D), die sich ausgehend von der Vorderseite (101) des Halbleiterkörpers bis in die erste Halbleiterzone (14) erstrecken und die jeweils mittels einer Isolationsschicht (34A, 34B, 34C, 34D) gegenüber dem Halbleiterkörper (100) i soliert sind, wobei zur Herstellung einer Transistorstruktur (60) benachbart zu wenigstens einer Seitenfläche (322) einer der Steuerelektroden (32A) eine Abfolge der ersten Halblei terzone (14), der zweiten Halbleiterzone (16) und der dritten Halbleiterzone (18) gebildet ist und wobei zur Herstellung einer Durchbruchstruktur (50) benachbart zu wenigstens einer Seitenfläche (321) einer der Steuerelektroden (32B) eine Ab folge der ersten Halbleiterzone (14) und der zweiten Halblei terzone (16) gebildet ist und die zweite Halbleiterzone (16) dort bis an die Vorderseite (101) reicht, die geometrische Anordnung und/oder Ausgestaltung der Elektroden (32B, 32C) einer Durchbruchstruktur (50) so gewählt ist, dass bei Anle gen einer Spannung zwischen der ersten und zweiten Halblei terzone (12, 14, 16) ein Spannungsdurchbruch der Durchbruchstruktur (50) vor einem Spannungsdurchbruch der Transistor struktur (60) auftritt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Herstellung der Elektroden (32A, 32B, 32C, 32D) folgende Verfahrensschritte umfasst:

- Erzeugen von Gräben in dem Halbleiterkörper (100),
- Abscheiden einer Isolationsschicht (34A, 34B, 34C, 34D) in den Gräben,
- Auffüllen der Gräben mit Elektrodenmaterial.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem im Bereich der ersten Halbleiterzone (14) eine dickere Isolationsschicht als in den übrigen Bereichen in den Gräben abgeschieden wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Elektroden (32C) der Durchbruchstruktur in Draufsicht einen rechteckförmigen, vorzugsweise quadratischen Querschnitt auf weisen.