DE10132136C1

DE10132136C1 - Halbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur sowie zugehöriges Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE10132136C1
Application number: DE10132136A
Authority: DE
Inventors: Hans Weber; Armin Willmeroth; Dirk Ahlers; Gerald Deboy
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: US6667514B2; US20030011039A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur sowie dazugehörige Herstellungsverfahren, wobei Orte (DB2) mit maximaler lokaler Feldstärke (E¶max¶) in einem Kompensationsrandbereich (RB) einer Ladungskompensationsstruktur liegen. Auf diese Weise kann ein elektrischer Parameter z. B. der Einschaltwiderstand des Kompensationsbauelementes maßgeblich verbessert werden ohne die weiteren Parameter z. B. Durchbruchspannung und Robustheit gegenüber TRAPATT-Schwingungen zu beeinflussen oder zu verschlechtern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbau element mit Ladungskompensationsstruktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein zugehöri ges Herstellungsverfahren und insbesondere auf ein Kompensa tionsbauelement, welches verbesserte Eigenschaften in dem Pa rameterzusammenspiel (Durchbruchspannung - Einschaltwider stand - Robustheit gegenüber TRAPATT-Schwingungen) aufweist. Ein derartiges Bauelement ist aus der DE 199 50 579 A1 bekannt.

Zu Halbleiterbauelementen mit Ladungskompensationssttukturen gibt es verschiedene theoretische Untersuchungen (US 4754310 und US 5216275), in denen auch spezielle Verbesserungen des Einschaltwiderstandes und der Robustheit hinsichtlich Lawi nendurchbruchs und Kurzschluss im Hochstromfall bei hoher Source-Drain-Spannung angestrebt werden.

Das Kompensationsprinzip von Halbleiterbauelementen mit La dungskompensationsstruktur beruht im Wesentlichen auf einer gegenseitigen Kompensation von Ladungen in n- und p-dotierten Gebieten in der Driftregion eines Transistors. Die Gebiete sind dabei räumlich so angeordnet, dass das Wegintegral über die Dotierung entlang beispielsweise einer vertikal zum pn- Übergang verlaufenden Linie jeweils unterhalb der material spezifischen Durchbruchsladung bleibt (Silizium: ca. 3 × 10¹² cm^-2). Beispielsweise können in einem Vertikaltransistor, wie er in der Leistungselektronik üblich ist, paarweise p- und n- Säulen oder Platten bzw. Kompensationsgebiete angeordnet sein.

Durch die weitgehende Kompensation der p- und n-Dotierungen lässt sich bei Kompensationsbauelementen die Dotierung des stromführenden Bereiches deutlich erhöhen, woraus trotz des Verlustes an stromführender Fläche ein deutlicher Gewinn an Einschaltwiderstand resultiert. Die Sperrfähigkeit des Tran sistors hängt dabei im Wesentlichen von der Differenz der beiden effektiven Dotierungen ab. Da aus Gründen der Redukti on des Einschaltwiderstandes eine um mindestens eine Größen ordnung höhere Dotierung des stromführenden Gebietes er wünscht ist, erfordert die Beherrschung der Sperrspannung ei ne kontrollierte Einstellung des Kompensationsgrades, der für Werte im Bereich < ± 10% definierbar ist. Bei einem höheren Gewinn an Einschaltwiderstand wird der genannte Bereich noch kleiner. Der Kompensationsgrad ist dabei definierbar durch:

2.(p-Dotierung - n-Dotierung)/(p-Dotierung + n-Dotierung)

oder durch

2.Ladungsdifferenz/Ladung der Dotierungsgebiete.

Aus der Druckschrift DE 199 50 579 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit Kompensations struktur bekannt, wobei in einem erste Kompensationsgebiete realisierenden Trägersubstrat Gräben mittels eines anisotro pen Ätzverfahrens ausgebildet und zur Realisierung von zwei ten Kompensationsgebieten mit einem Halbleitermaterial vom zum Trägersubstrat entgegengesetzten Leitungstyp aufgefüllt werden.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Teilschnittansicht eines wei teren herkömmlichen Kompensationsbauelementes mit Dotierwel ligkeit.

Gemäß Fig. 1 befindet sich auf einem Trägersubstrat bzw. in einer zweiten Zone 1, welche vorzugsweise n⁺-dotiert ist, ei ne Vielzahl von Halbleiterschichten, welche gemeinsam erste Kompensationsgebiete 2 eines ersten Leitungstyps (z. B. n) ausbilden. Die Ladungskompensationsstruktur des Kompensati onsbauelementes besteht hierbei aus einer Vielzahl von nicht dargestellten Kompensationszonen zum Ausbilden eines säulen förmigen zweiten Kompensationsgebietes 3, welches über eine pn-bildende Zone 7 bzw. eine dazugehörige Zone 7' vom zweiten Leitungstyp (p⁺, p⁺⁺) und eine erste Zone 6 vom ersten Lei tungstyp (n⁺) an eine Source-Elektrode bzw. erste Elektroden schicht S angeschaltet ist. Eine Drain-Elektrode D ist hier bei mit der zweiten Zone 1 verbunden. Eine an der Oberfläche ausgebildete Steuerschicht bzw. Gate-Elektrode G realisiert somit gemeinsam mit der Source- und Drain-Elektrode einen ei gentlich wirkenden Feldeffekttransistor. Zur Isolierung der Gate-Elektrode G ist gemäß Fig. 1 eine erste Isolations schicht Is1 bzw. Gateoxidschicht auf dem Halbleitermaterial und eine zweite Isolationsschicht bzw. ein Zwischenoxid Is2 zur Source-Elektrode hin ausgebildet.

Bei Kompensationsbauelementen werden in der Ladungskompensa tionsstruktur unter dem eigentlichen Feldeffekttransistor p- und n-Gebiete derart nebeneinander angeordnet bzw. ineinander verschachtelt, dass sich im Sperrfall ihre Ladungen gegensei tig ausräumen können und dass im durchgeschalteten Zustand ein nicht-unterbrochener niederohmiger Leitungspfad von der Source-Elektrode S zu einer Drain-Elektrode bzw. der zweiten Elektrodenschicht D, die mit der zweiten Zone 1 in Verbindung steht, gegeben ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird an dieser Stelle auf die Beschreibung von Halbleiterbauelementen mit Ladungskompensationsstruktur beispielsweise in der Druck schrift DE 198 40 032 verwiesen.

Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht zur Veran schaulichung eines Herstellungsschrittes des Kompensations bauelementes gemäß Fig. 1, wobei gleiche Bezugszeichen glei che oder entsprechende Schichten bzw. Elemente bezeichnen.

Gemäß Fig. 2 sind auf einem n⁺-dotierten Trägersubstrat bzw. der zweiten Zone 1 eine erste Halbleiterschicht E1 und eine zweite Halbleiterschicht E2 zur Ausbildung der ersten Kompen sationsgebiete 2 bereits epitaktisch abgeschieden, wobei sich an den Grenzflächen zwischen der ersten und der zweiten Halb leiterschicht E1 und E2 bereits Kompensationszonen 4 befin den. Zur Realisierung der in Fig. 1 dargestellten Ladungs kompensationsstruktur wird demzufolge zunächst ein Trägersub strat 1 bereitgestellt und anschließend eine Vielzahl von Halbleiterschichten E1 bis Ex beispielsweise epitaktisch ausgebildet, wobei unter Verwendung einer jeweiligen Maske 5 eine Vielzahl von Kompensationszonen 4 an der Oberfläche der jeweiligen Epischichten ausgebildet werden.

Vorzugsweise wird das zu strukturierende Volumen zunächst homogen mit einer Ladungssorte, beispielsweise mit Donatoren dotiert (Hintergrunddotierung). Anschließend wird die Maske 5 beispielsweise als Fotolack aufgebracht und derart struktu riert, dass sich an geeigneten Stellen Öffnungen ergeben. An den Stellen der Öffnungen werden nunmehr beispielsweise mit tels Ionenimplantation oder herkömmlicher Dotierung aus der Gas-/Feststoffphase beispielsweise Akzeptoren in die zweite Halbleiterschicht E2 eingebracht, wodurch sich zunächst rela tiv eng begrenzte Kompensationszonen 4 an der Oberfläche ergeben. Ein Teil dieser Dotierstoffkonzentration wird hier bei nicht elektrisch aktiv, da er von der Hintergrunddotie rung intrinsisch kompensiert wird. Dieser Teil muss demzufol ge zur Erzielung einer gewünschten elektrisch aktiven Dotie rung vorgehalten werden.

Der in Fig. 2 dargestellte Vorgang wird so oft wiederholt, bis eine genügend dicke n-Multi-Epitaxieschicht mit eingela gerten zueinander justierten und übereinander gestapelten Kompensationszonen 4 vorliegt. In einem nachfolgenden Schritt können die derart hergestellten Kompensationszonen 4 derart ausdiffundiert (sozusagen aufgeblasen) werden, bis sich die in Fig. 1 dargestellte säulenförmige Struktur des zweiten Kompensationsgebietes 3 ergibt. Vorzugsweise ergibt sich dieses Ausdiffundieren bei der Ausbildung der den pn-Übergang bildenden Zonen 7 und 7', der ersten Zone 6, der ersten Iso lierschicht Is1 (Gateoxidschicht), der Steuerelektroden schicht G, der zweiten Isolierschicht Is2 (Zwischenoxid) sowie der ersten Elektrodenschicht S.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Bauteilen bzw. Halbleiterbau elementen liegt der Durchbruchsort von (Leistungs-)Halblei terbauelementen mit Ladungskompensationsstruktur gemäß Fig. 1 nicht nahe der Oberfläche, sondern vorzugsweise (aus Ro bustheitsgründen) tief im spannungsaufnehmenden Driftvolumen bzw. Halbleitersubstrat E1 bis Ex bzw. 1. Bei diesem Aufbau kann es aber unter ungünstigen Schaltbedingungen zu extremen Schwingungserscheinungen kommen, die das Halbleiterbauelement oder auch die nicht dargestellte Beschaltung zerstören kön nen. Ein solcher Fall kann für MOS-Transistoren mit Durch bruch tief im Driftvolumen beispielsweise beim sogenannten Lawinendurchbruch (Avalanche) auftreten:
Hierbei befindet sich zunächst der MOS-Feldeffekttransistor im durchgeschalteten Zustand und es wird ein sehr hoher Ka nalstrom (in der Größenordnung des Nennstroms) über eine Induktivität beispielsweise einer nicht dargestellten äußeren Beschaltung eingeprägt. Wird nun der Transistor abgeschaltet, so zieht die Induktivität weiterhin Strom aus dem Bauteil, der nun jedoch nicht mehr als Kanalstrom, sondern als Ver schiebestrom geliefert wird. Dadurch wird das Volumen des Halbleitersubstrats von beweglichen Ladungen entleert (Raum ladungszone) und es baut sich eine elektrische Spannung zwi schen der ersten Elektrode (Source S) und der zweiten Elekt rode (Drain D) auf.

Sobald die Durchbruchsspannung überschritten wird, werden am Durchbruchsort Elektron/Lochpaare erzeugt, die infolge des hohen elektrischen Feldes getrennt werden und in Richtung der jeweiligen Elektroden S und D abfließen. Es entsteht also nun ein Lawinenstrom (Avalanche-Strom). Die entstehenden Ladungs pakete bzw. Ladungsträger L benötigen jedoch, da der Durch bruch tief im Driftvolumen bzw. Halbleitersubstrat E1 bis Ex bzw. 1 erfolgt, eine relativ lange Laufzeit bis hin zur Raum ladungsgrenze. Erst wenn sie dort angelangt sind, beeinflus sen sie in ihrer Wirkung maßgeblich die äußere Beschaltung. Während dieser Laufzeit zieht aber die Induktionsspule wei terhin Verschiebestrom aus dem Bauteil, so dass die anliegen de Spannung und damit auch die Generationsrate der Lawinenla dung (Avalanche-Ladungen) überproportional zunimmt. Die Span nung bricht erst dann ein, wenn die Ladungspakete an der Raumladungsgrenze ankommen. Ab diesem Zeitpunkt wird nun jedoch ein übermäßig hoher Strom über die Spule abfließen, wodurch sich eine sinkende Source-/Drain-Spannung (= negati ver differenzieller Widerstand) ergibt. Infolge der abnehmen den Spannung nimmt nun aber die Stromerzeugungsrate im Durch bruchsort ab, wobei jedoch dieses wiederum nicht die äußere Beschaltung sofort sondern lediglich zeitversetzt beein flusst. Der vorstehend beschriebene Vorgang wird analog fort gesetzt. Es wird also eine Strom-Spannungsschwingung gestar tet, die als sogenannte TRAPATT-Schwingung bekannt ist, und die sich unter ungünstigen Umständen ab einem vorbestimmten Schwellenstrom sogar aufzuschaukeln beginnt. Dabei kann die Stromdichte (lokal) derart hoch ansteigen, dass das Halblei terbauelement oder eine äußere Beschaltung zerstört werden.

Der vorstehend beschriebene TRAPATT-Mechanismus (Trapped Plasma Avalanche Triggered Transit) verläuft dabei um so ungünstiger, je höher die Ladungsträgergeneration im Halblei terbauelement ist. Im vorstehend beschriebenen Erklärungsmo dell wurde lediglich ein vereinfachter Fall dargestellt. In Wirklichkeit können jedoch neben den Ladungsträgern L, die am Durchbruchsort entstehen (Ionisation erster Ordnung), auch an anderer Stelle Elektronen und Löcher durch eine Stoßionisati on (Ionisation zweiter Ordnung) generiert werden.

Diese Ladungsträgergeneration ist im Wesentlichen dann gege ben, wenn Ladungsträger L, welche eine Stromdichte j definie ren, in einen Bereich gelangen, wo ein hohes elektrisches Feld E_A herrscht. Diese Stoßionisation I_S ist hierbei propor tional zu j.exp(-const./E_A).

Für Kompensationsbauelemente (wie z. B. CoolMOS™-Bausteine), die nach derzeit bewährten Verfahren (Mehrfachepitaxie) ge fertigt werden, liegt demzufolge eine Situation vor, wo genau diese Stoßionisation bzw. Ionisation zweiter Ordnung extrem ausgebildet ist.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte grafische Darstellung eines elektrischen Feldstärkeverlaufs in Abhängigkeit von unter schiedlichen Abständen von einer Zentrumsachse des zweiten Kompensationsgebietes 3. Gemäß Fig. 3 wird deutlich, dass die höchsten Feldstärkeschwankungen im Wesentlichen in der Mitte einer jeweiligen Säule bzw. eines zweiten Kompensati onsgebietes 3 liegen. Fig. 3 stellt hierbei im Wesentlichen einen tiefenaufgelösten Verlauf eines elektrischen Feldes an verschiedenen Schnittpositionen innerhalb einer Zelle für ein CoolMOS™-Produkt dar, wobei die Schichtanzahl von der in Fig. 1 dargestellten Struktur unterschiedlich ist.

Wie man aus Fig. 3 erkennt, liegen in oder nahe dem Zentrum der p-Säule (n-Säule) bzw. des zweiten Kompensationsgebietes 3 die höchsten Feldstärken des Halbleiterbauelementes. Genau dort werden jedoch die im Durchbruch erzeugten Löcher (Elekt ronen) L sozusagen fokussiert, wenn sie von einem tiefliegen den Durchbruchsort beispielsweise Richtung erster Elektrode S (Source) abfließen. Die Äquipotentiallinien wirken hierbei wie eine Sammellinse für die Ladungsträger L, wodurch sozusa gen eine Filamentierung erzeugt wird. Da im Zentrum der Säule bzw. des zweiten Kompensationsgebietes 3 somit sehr hohe Stromdichten mit sehr hohen Feldmaxima einhergehen, liefert die vorstehend beschriebene Sekundärionisation einen wesent lichen Anteil am gesamten Lawinendurchbruchsstrom, wodurch die TRAPATT-Schwingung verstärkt oder sogar erst verursacht wird.

Um die Robustheit gegenüber TRAPATT-Schwingungen zu erhöhen müssen Feldstärkespitzen (vorrangig in einem im Durchbruchs fall vorgegebenen Ladungsträgerpfad) erniedrigt werden (z. B. durch Änderungen in der tiefenaufgelösten Ladungsbilanz des Driftvolumens). Dies aber verkleinert im allgemeinen die Durchbruchspannung. Dieser Effekt kann abgeschwächt oder eliminiert werden durch eine stärkere Ausdiffusion der Kom pensationszonen 4 (z. B. Fig. 2). Dadurch wird allerdings dann wieder der n-leitende Strompfad verengt, also der Einschalt widerstand verschlechtert und die TRAPATT-Anfälligkeit leicht erhöht. Diese Ursache-Wirkungs-Kette zeigt, daß der Parame tersatz (Durchbruchspannung, Robustheit gegenüber Trapatt- Schwingungen und Einschaltwiderstand) eng miteinander verkop pelt ist. Die Verbesserung eines dieser Parameter verschlech tert mit bisher bekannten Methoden i. a. mindestens einen der beiden anderen Parameter.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halblei terbauelement mit Ladungskompensationsstruktur sowie ein zu gehöriges Herstellungsverfahren zu schaffen, wobei man ver besserte elektrische Eigenschaften erhält. Insbesondere soll durch die Erfindung die Verbesserung eines Paramters wie z. B. einer hohen Durchbruchsspannung zuverlässig erreicht werden, ohne wie üblicherweise diese Verbesserung auf Kosten von an deren Parametern wie z. B. einem optimierten Einschaltwider stand und/oder einer hohen Robustheit gegenüber TRAPATT- Schwingungen zu realisieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des Halblei terbauelementes durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 9 gelöst.

Insbesondere durch Ausbilden einer derartigen Dotierung, dass sich Orte mit lokal maximaler Feldstärke in einen Kompensati onsrandbereich verschieben, kann ein Parameter z. B. der Ein schaltwiderstand des Kompensationsbauelementes maßgeblich verbessert werden, ohne die weiteren Parameter z. B. Durch bruchspannung und Robustheit gegenüber TRAPATT-Schwingungen zu beeinflussen oder zu verschlechtern.

Insbesondere durch Einstellen eines Verhältnisses V = E_tr, _max/E_v,max < 1, wobei E_tr eine laterale und E_v eine vertikale Feldstärke darstellt und mit, max' jeweils eine entsprechende Feldstärkespitze gekennzeichnet ist, können die Orte höchster Feldstärken (Feldstärkespitzen) vollständig in den Randbe reich geschoben werden.

Zur Erhöhung der lateralen Feldstärke kann beispielsweise ei ne Dotierstoffkonzentration im ersten und zweiten Kompensati onsgebiet wesentlich erhöht werden (beispielsweise kann die Erhöhung gegenüber bekannten Bauteilen ca 10% betragen) d. h. üblicherweise ca. 1 × 10¹⁴ bis 10 × 10¹⁶ cm^-3, wodurch in vorteil hafter Weise der Widerstand des leitenden Pfades ohne Beein flussung der Durchbruchspannung oder der TRAPATT-Anfälligkeit verringert wird.

Ferner kann zur Verringerung einer vertikalen Feldstärke eine Welligkeit des ersten und zweiten Kompensationsgebietes redu ziert werden, wodurch sich wiederum verbesserte TRAPATT- Eigenschaften ergeben. Eine verringerte Dotierwelligkeit kann beispielsweise durch eine erhöhte Anzahl von Kompensationszo nen und insbesondere durch eine erhöhte Anzahl von Epischich ten im Halbleitersubstrat realisiert werden.

Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens kann insbesondere durch Ausbilden einer Vielzahl von Halbleiterschichten mit einer jeweiligen maskierten Dotierung zum Ausbilden von Kom pensationszonen bzw. zur Realisierung der zweiten Kompensati onsgebiete und zumindest einer unmaskierten Dotierung vom entgegengesetzten Leitungstyp zur Verschiebung der Durch bruchsorte in den Kompensationsrandbereich ein Halbleiterbau element mit verbesserten TRAPATT-Eigenschaften auf besonders einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden.

Vorzugsweise werden für die maskierte und die unmaskierte Do tierung im Wesentlichen gleich schnell diffundierende Dotier stoffe von entgegengesetztem Leitungstyp mittels Ionenimplan tation eingebracht, wodurch sich das Herstellungsverfahren weiter vereinfachen lässt. Eine jeweilige Implantations energie wird derart ausgewählt, dass die Implantationsmaxima der eingebrachten Dotierstoffe im Wesentlichen in der glei chen Tiefe liegen, (wobei natürlich auch bei zusätzlicher ganzflächiger Implantation die Kompensationsbedingungen er halten bleiben müssen, also, dass die entsprechende Ladung in der maskierten Implantation vorgehalten werden muss).

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbei spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Teilschnittansicht eines Halblei terbauelementes mit herkömmlicher Ladungskompensa tionsstruktur;

Fig. 2 eine vereinfachte Schnittansicht zur Veranschauli chung eines Herstellungsschritts der Ladungskompen sationsstruktur gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine vereinfachte grafische Darstellung eines tie fenaufgelösten Feldstärkeverlaufs gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 4A bis 4C eine vereinfachte Schnittansicht, eine dazugehörige Nettodotierung und eine dazugehörige elektrische Feldstärke einer Elementarzelle der Ladungskompen sationsstruktur zur Veranschaulichung einer homoge nen Feldstärke;

Fig. 5A bis 5C eine vereinfachte Schnittansicht, eine dazugehörige Nettodotierung und eine dazugehörige elektrische Feldstärke einer Elementarzelle der Ladungskompen sationsstruktur zur Veranschaulichung einer verti kalen Feldstärke;

Fig. 6 eine vereinfachte Schnittansicht einer Elementar zelle der Ladungskompensationsstruktur zur Veran schaulichung einer lateralen Feldstärke;

Fig. 7 ein Vektordiagramm der in der Ladungskompensations struktur auftretenden elektrischen Feldstärken;

Fig. 8A und 8B eine vereinfachte Teilschnittansicht eines Halblei terbauelementes mit Ladungskompensationsstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel sowie einen dazugehörigen in Kompensationsrichtung dargestell ten Transversal-Feldstärkeverlauf;

Fig. 9A und 9B eine vereinfachte grafische Darstellung eines her kömmlichen und erfindungsgemäßen tiefenaufgelösten Feldstärkeverlaufs;

Fig. 10A und 10B vereinfachte Schnittansichten zur Veranschaulichung von Herstellungsschritten der Ladungskompensations struktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; und

Fig. 11 eine vereinfachte Draufsicht einer bei der Herstel lung gemäß Fig. 10A und 10B verwendeten Maske; und

Zur Verdeutlichung der bei der vorliegenden Erfindung wesent lichen Zusammenhänge werden zunächst die in einer Ladungskom pensationsstruktur auftretenden Feldstärken im Einzelnen be schrieben.

Fig. 4A zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer Elemen tarzelle der Ladungskompensationsstruktur, wobei zunächst von einem homogen verteilten zweiten Kompensationsgebiet 3 ausge gangen wird, welches sich in einem ersten bzw. zwischen zwei Kompensationsgebieten 2 befindet. Das Halbleitersubstrat 1 ist beispielsweise n⁺-dotiert, weshalb die ersten Kompensati onsgebiete 2 eine n^--Dotierung aufweisen und das zweite Kom pensationsgebiet 3 eine p^--Dotierung besitzt und beispiels weise in seinem oberflächennahen Bereich eine p⁺-Dotierung aufweist.

Eine zu Fig. 4A dazugehörige Nettodotierung ist in Fig. 4B dargestellt. Bei einer derartigen homogenen Dotierstoffver teilung im zweiten Kompensationsgebiet 3 ergibt sich eine im Wesentlichen homogene Feldstärke E0, die sich im Wesentlichen einstellen würde, wenn die Ladungsbilanz in jeder Horizontal ebene des Säulendurchsetzten Volumens konstant, im darge stellten Beispiel also gleich Null wäre. Die Folge ist eine quasi eindimensionale Feldstärke, die in Fig. 4C dargestellt ist.

Fig. 5A zeigt nunmehr eine vereinfachte Schnittansicht einer Elementarzelle der Ladungskompensationsstruktur mit vertika len Inhomogenitäten, wie sie üblicherweise durch die Vielzahl von Kompensationszonen 4 hervorgerufen werden. Gleiche Be zugszeichen bezeichnen wiederum gleiche oder ähnliche Schich ten bzw. Elemente, weshalb auf eine detaillierte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.

Gemäß Fig. 5A besteht das zweite Kompensationsgebiet 3 nun mehr aus einer Vielzahl von Kompensationszonen 4 mit unter schiedlich starker Dotierung (p^-, p⁺). Eine dazugehörige gestörte Netto-Dotierung (= Ladungsbilanz einer Horizontalebe ne) ist in Fig. 4B dargestellt. Der Einfluss der vertikalen Inhomogenität in z-Richtung innerhalb des zweiten Kompensati onsgebietes 3 kann mittels eines vertikal gerichteten Stör feldes E_v beschrieben werden, das sich dem vorstehend be schriebenen quasi eindimensionalen ebenfalls vertikal gerich teten homogenen Feld E₀ überlagert.

Fig. 5C zeigt eine vereinfachte Darstellung der gestörten Feldstärke, die sich aus dieser Überlagerung der Feldstärken E₀ und E_v ergibt.

Darüber hinaus zeigt Fig. 6 eine vereinfachte Schnittansicht einer Elementarzelle der Ladungskompensationsstruktur zur Veranschaulichung eines lateralen bzw. transversalen Feldes E_tr, wobei gleiche Bezugszeichen wiederum gleiche oder ähnli che Schichten bezeichnen und auf eine wiederholte Beschrei bung nachfolgend verzichtet wird.

Gemäß Fig. 6 entsteht neben den vorstehend beschriebenen vertikalen Feldern bzw. der vertikalen Feldstärke E_v auch ein laterales Feld bzw. laterale Feldstärke E_tr, das sich dem quasi eindimensionalen Feld E₀ sowie dem vertikalen Feld E_v ebenfalls überlagert. Dieses laterale Feld E_tr ergibt sich im Wesentlichen aus dem gegenseitigen Ausräumen der Ladungen in den lateral bzw. in Kompensationsrichtung angeordneten Kom pensationsgebieten.

Fig. 7 zeigt ein Vektordiagramm der in den Fig. 4 bis 6 beschriebenen Feldstärken, wobei eine gesamte Feldstärke E_tot sich als Summe der Feldstärken E₀, E_tr und E_v ergibt. Mit E_c wird nunmehr eine Kompensationsfeldstärke in der Randstruktur bezeichnet, die sich im Wesentlichen aus der vertikalen Feld stärke E_v und der lateralen Feldstärke E_tr ergibt. Demzufolge gilt:

Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wird nunmehr ein Halb leiterbauelement geschaffen, bei dem Orte mit maximaler Feld stärke außerhalb eines zentrumsnahen Bereichs des zweiten Kompensationsgebietes zu liegen kommen, wodurch das Ensemble bzw. die Gesamtheit der Parameter (Durchbruchspan nung/Einschaltwiderstand/Robustheit gegenüber TRAPATT- Schwingungen) zuverlässig verbessert werden kann.

Fig. 8A zeigt eine vereinfachte Teilschnittansicht eines Halbleitbauelementes mit Ladungskompensationsstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Schichten wie in Fig. 1 bezeich nen und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend ver zichtet wird.

Gemäß Fig. 8A befinden sich auf einem beispielsweise n⁺- dotierten Trägersubstrat 1 wiederum eine Vielzahl von bei spielsweise epitaktisch ausgebildeten Halbleiterschichten E1 bis Ex zum Ausbilden der ersten Kompensationsgebiete 2. Das im Halbleitersubstrat ausgebildete zweite Kompensationsgebiet 3 besitzt daher wiederum eine im Wesentlichen säulenförmige Struktur mit einer gewissen Dotierwelligkeit, die sich im Wesentlichen aus den Halbleiterschichten E1 bis Ex ergibt.

Zum Anschalten bzw. Ansteuern des ersten und zweiten Kompen sationsgebietes 2 und 3 sind wiederum eine den sperrenden pn- Übergang bildende Zone 7 und eine erste Zone 6 vom entgegen gesetzten Leitungstyp an der Oberfläche ausgebildet, die mit der ersten Elektrodenschicht bzw. Source-Elektrode S in Ver bindung stehen. Demgegenüber ist die zweite Zone 1 mit einer zweiten Elektrode D (Drain) verbunden, wodurch sich gemeinsam mit der an der Oberfläche ausgebildeten Gateschicht G, der darunterliegenden ersten Isolierschicht Is1 und der Source- Elektrodenschicht S ein MOS-Transistor mit hohen Durchbruchs spannungen ergibt.

Gemäß Fig. 8A ist hierbei mit SK-2 ein Säulenkern des ersten Kompensationsgebietes 2 und mit SK-3 ein Säulenkern des zwei ten Kompensationsgebietes 3 bezeichnet. Hierdurch wird das Volumen im Inneren des jeweiligen Kompensationsgebietes be zeichnet, welches sich durch geradlinige Verbindung der hori zontalen Verjüngungen bzw. Einschnürungen in der Säule gemäß Fig. 8A ergibt. Ein Mantel der Säulenkerne des ersten und zweiten Kompensationsgebietes stellt damit praktisch die Hüllfläche bzw. Einhüllende eines jeweiligen Dotierverlaufs innerhalb eines Kompensationsgebietes dar und bezeichnet damit in erster Näherung des Volumen, welches den Löcher- oder Elektronenstrom im Driftvolumen vorgibt.

Bereiche, welche über die Dotierung zwar einer Säule zuzu rechnen sind, aber nicht dem Säulenkern angehören, die also außerhalb der Säulenkerne SK-2 und SK-3 liegen, werden gemäß Fig. 8A als Säulenperipherie SP-3 des zweiten Kompensations gebietes und als Säulenperipherie SP-2 des ersten Kompensati onsgebietes 2 bezeichnet. Gemeinsam definieren diese Säulen peripherien SP-2 und SP-3 einen Kompensationsrandbereich RB der Ladungskompensationsstruktur.

Zur Verbesserung des Einschaltwiderstandes ohne Beeinflussung der Durchbruchspannung oder der Anfälligkeit für TRAPATT- Schwingungen, die sich im Wesentlichen aus dem speziellen Strompfad und einem dazugehörigen elektrischen Feldverlauf ergeben, werden die ersten und zweiten Kompensationsgebiete nunmehr derart dotiert, bzw. ihre Dotierstoffkonzentration derart angehoben, dass Orte DB2 mit maximaler lokaler Feld stärke E_max innerhalb des Kompensationsrandbereichs RB liegen.

Fig. 8B zeigt die Verhältnisse hinsichtlich des transversa len elektrischen Feldes, wie sie für ein Kompensationsbauteil vorliegen.

Eine derartige Verschiebung der Orte mit maximaler lokaler Feldstärke in den Kompensationsrandbereich erhält man insbe sondere dann, wenn ein Verhältnis V = E_tr,max/E_v,max der late ralen lokalen maximalen Feldstärke E_tr,max und der vertikalen lokalen maximalen Feldstärke E_v,max < 1 ist. Demzufolge ist diese Bedingung in erster Näherung dann erfüllt, wenn die laterale Feldstärke E_tr,max größer als die vertikale Feldstärke E_v,max ist.

Um das Auftreten der TRAPATT-Schwingungen wirkungsvoll redu zieren zu können bzw. den Einschaltwiderstand zu verbessern ohne Verschlechterung der Durchbruchspannung und der Robust heit gegenüber TRAPATT-Schwingungen, kann eine derartige Einstellung des Verhältnisses V zumindest auf die Kompensati onszonen 4 angewandt werden, welche die Sekundärionisation maßgeblich definieren. Dies sind gemäß Fig. 8A beispielswei se die in einem oberflächennahen Bereich liegenden Kompensa tionszonen. Durch die vorgeschlagene Maßnahme kommen die Feldstärkemaxima, welche in ihrer Wirkung die Ladungsträger generationsraten bei einem Durchbruch stark beeinflussen würden, in den Kompensationsrandbereichen RB zu liegen, wo eine Stromdichte im Durchbruchs- oder Avalanchefall immer sehr klein ist, da infolge von der lateralen Feldstärke E_tr die Löcher bzw. Elektronen vom Kompensationsrandbereich RB weg in Richtung auf den Säulenkern SK-2 und SK-3 des ersten und zweiten Kompensationsgebietes abgelenkt werden. Wegen der eingangs beschriebenen Gleichung zum Festlegen der Stoßioni sation I_S nimmt daher auch die Sekundärionisation sehr kleine Werte an, wodurch die Robustheit gegenüber TRAPATT-Schwingun gen trotz hohen E-Feldes (und damit kleinen Einschaltwider standes/hoher Durchbruchspannung) durch den Kompensations randbereich RB nicht beeinflußt wird.

Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Maßnahme ist hierbei um so größer, je weiter die Orte mit maximaler lokaler Feldstär ke von den jeweiligen Säulenkernen entfernt liegen, also je größer das Verhältnis V = E_tr,max/E_v,max ist.

Gemäß Fig. 8A wandert ein Ort DB1 mit höchster lokaler Feld stärke bei größer werdendem Verhältnis V vom Säulenzentrum weg in Richtung zum Ort DB2 und darüber hinaus, bis er im pn- Übergang zwischen erstem und zweitem Kompensationsgebiet 2 und 3 zu liegen kommt. Während sich für ein Halbleiterbauele ment bei gegebener/m Durchbruchspannung/Einschaltwiderstand mit einer Feldspitze im Ort DB1 noch eine sehr hohe Sekundär ionisation ergibt, können sogenannte TRAPATT-Schwingungen bereits wesentlich reduziert werden, wenn das elektrische Feld im Ort DB1 verkleinert und im Gegenzug die Feldspitze im Ort DB2 oder vorzugsweise im Randbereich liegt. Selbstver ständlich ist die Wirkung zur Reduzierung von TRAPATT- Schwingungen wesentlich verbessert, wenn möglichst viele der Kompensationszonen mit einer derartigen Dotierstoffkonzentra tion ausgelegt sind. Insbesondere bietet es Vorteile, einen Durchbruchsort DBO, der durch ein globales Feldstärkemaximum gekennzeichnet ist, in den Kompensationsrandbereich zu verla gern, da auf diese Weise auch eine Stromdichte der Sekundär ionisation (bei gegebener Ionisationsrate) klein gehalten wird. Beispielsweise kann man auf diese Weise zu einer Sym metrisierung eines Löcherpfades zu einem Elektronenpfad ge langen.

Fig. 9A und 9B zeigen eine vereinfachte grafische Darstel lung eines herkömmlichen und erfindungsgemäßen tiefenaufge lösten Feldstärkeverlaufs.

Während sich bei einem herkömmlichen Halbleiterbauelement die lokalen Feldstärkemaxima im Wesentlichen entlang der Zent rumsachse bzw. im Bereich SK-3 befinden (x = 0), liegen bei einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement die Orte z. B. DB2 mit lokalem Feldstärkemaximum nunmehr zumindest für den obersten (und die beiden unteren) Säulenbereiche in einem Kompensationsrandbereich (x = RB). Ein globales Feldstärkema ximum am Durchbruchsort DB0 bleibt zwar gemäß Fig. 9B noch unverändert im Säulenzentrum (x = 0 bzw. SK-3), es lässt sich jedoch bereits ein Einschaltwiderstand maßgeblich verringern. In gleicher Weise lässt sich diese Verschiebung der Orte mit lokaler maximaler Feldstärke auch auf den Durchbruchsort DB0 (Ort mit lokaler und globaler maximaler Feldstärke) anwenden, wodurch dieser in den Randbereich verlegt wird und die Ro bustheit gegenüber TRAPATT-Schwingungen verbessert wird.

Fig. 10A und 10B zeigen vereinfachte Schnittansichten zur Veranschaulichung wesentlicher Herstellungsschritte eines Halbleiterbauelementes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Ele mente bzw. Schichten wie in Fig. 2 bezeichnen und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.

Gemäß Fig. 10A werden wie bei einem Herstellungsverfahren für herkömmliche Halbleiterbauelemente mit Ladungskompensations struktur zunächst auf einem Trägersubstrat 1 eine erste und zweite Halbleiterschicht E1 und E2 epitaktisch abgeschieden, wobei über eine Maske 5 in einem oberflächennahen Bereich jeweils Kompensationszonen 4 beispielsweise mittels bei spielsweise einer p-dotierten Implantation Ip ausgebildet werden.

Gemäß Fig. 10B wird nunmehr neben (d. h. nach, vor oder gleichzeitig) der Dotierung gemäß Fig. 10A zumindest in einzelnen Ebenen bzw. für einzelne Kompensationszonen 4 eine ganzflächige, d. h. unmaskierte beispielsweise n-dotierende Implantation In durchgeführt, wodurch sich die Dotierstoff konzentration und damit ein Verhältnis V entsprechend verän dern lässt.

Vorzugsweise wählt man für die maskierte und unmaskierte p- bzw. n-dotierende Implantation Ip und In Dotierstoffe, welche im Wesentlichen gleich schnell diffundieren. Beispielsweise kann für die p-dotierende Implantation Bor und für die n- dotierende Implantation In Phosphor verwendet werden. Ferner werden die Energien der beiden Implantationen In und Ip der art angepasst, dass ihre Implantationspeaks bzw. -maxima im Wesentlichen in der gleichen Tiefe liegen. Es erfolgt demzu folge eine "Gegenimplantation" zur eigentlichen "Kompensati onszonen-Implantation". Um die Ladungsbilanz und damit die Kompensation innerhalb der Ebene dabei nicht zu beeinflussen, muss die entsprechende (also flächennormierte) Ladungsmenge pro Zelle bei der Kompensationszonen-Implantation (Ip) natür lich "vorgehalten" werden. Das Ergebnis einer solchen Pro zessfolge ist bei Konservierung der vertikalen Feldstärke E_v ein Anstieg der lateralen Feldstärke E_tr in diversen horizon talen Ebenen und damit eine vorteilhafte Verschiebung der Feldstärkemaxima in den Kompensationsrandbereich. Der Ein schaltwiderstand wird kleiner infolge höherer Dotierverhält nisse im Leitungspfad (erste Kompensationsgebiete 2). Da sich das tiefenaufgelöste Profil der elektrischen Feldstärke aber im Säulenzentrum nicht verändert, bleibt sowohl die Durch bruchspannung als insbesondere auch die TRAPATT-Robustheit unverändert.

Insbesondere bei Durchführung einer Implantation erhält man ein besonders einfaches und kostengünstiges Herstellungsver fahren. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern umfasst in gleicher Weise alternative Dotierverfahren sowie alternative Dotierstoffe.

Fig. 11 zeigt eine vereinfachte Draufsicht einer bei der Herstellung des Halbleiterbauelementes gemäß Fig. 10A ver wendeten Maske, wobei eine Hexagonalform für eine jeweilige Ladungskompensationszelle verwendet wird. In gleicher Weise können jedoch auch streifenförmige oder sonstige Strukturen zum Maskieren bzw. Ausbilden der Kompensationszellen verwen det werden.

Alternativ und/oder zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Erhöhung der Dotierstoffkonzentration kann eine Verschiebung der Orte mit maximaler Feldstärke in die Kompensationsrandbe reiche auch durch eine Verringerung der vertikalen Feldstär ken E_v durchgeführt werden. Insbesondere wenn die vertikale Feldstärke E_v gegen Null geht, erhöht sich das Verhältnis V = E_tr/E_v besonders stark, wodurch das Ensemble bzw. die Gesamt heit der Parameter bestehend aus z. B. Durchbruchspan nung/Einschaltwiderstand/Robustheit gegenüber TRAPATT- Schwingungen besonders wirkungsvoll verbessert werden kann. Eine derartige Verringerung der vertikalen Feldstärken E_v er gibt sich beispielsweise durch Verringerung einer Dotierwel ligkeit des zweiten Kompensationsgebietes 3 und damit des ersten Kompensationsgebietes 2.

Genauer gesagt kann beispielsweise in vertikaler Richtung ei ne erhöhte Anzahl von Kompensationszonen 4 im Halbleitersub strat ausgebildet werden, wodurch die Dotierwelligkeit (= Amplituden der Feldstärke) und die TRAPATT-Schwingungen stark verringert werden. Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erhält man eine derartige verringerte Do tierwelligkeit beispielsweise durch eine erhöhte Anzahl von Epischichten E1 bis Ex (bzw. geringere Dicke).

Die Erfindung wurde vorstehend an Hand einer lateralen La dungskompensationsstruktur beschrieben. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und umfasst in gleicher Weise alternative Ladungskompensationsstrukturen. In gleicher Weise beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen p- und n-Dotierungen in einem Si-Halbleitersubstrat, sondern be zieht sich in gleicher Weise auf entsprechende Dotierprofile und alternative Halbleitermaterialien.

Claims

1. Halbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur, die einen sperrenden pn-Übergang in einem Halbleitersubstrat (1, E1 bis Ex) aufweist, mit
einer ersten Zone (6) eines ersten Leitungstyps (n), die mit einer ersten Elektrodenschicht (S) verbunden ist und an eine den sperrenden pn-Übergang bildende Zone (7, 7') eines zwei ten zum ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp (p) angrenzt, die ebenfalls mit der ersten Elektrodenschicht (S) verbunden ist, und mit einer zweiten Zone (1) des ersten Lei tungstyps (n), die mit einer zweiten Elektrodenschicht (D) verbunden ist, wobei im Bereich zwischen der ersten Zone (6) und der zweiten Zone (1) ein erstes Kompensationsgebiet (2) vom ersten Leitungstyp (n) und ein zweites Kompensationsge biet (3) vom zweiten Leitungstyp (p) ineinander verschachtelt sind, und der pn-Übergang zwischen dem ersten und zweiten Kompensationsgebiet (2, 3) einen Kompensationsrandbereich (RB) festlegt, dadurch gekennzeichnet, dass
Orte (DB2) mit maximaler lokaler Feldstärke (E_max) im Kompen sationsrandbereich (RB) liegen.

2. Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Orten mit maximaler lo kaler Feldstärke (E_max) ein Verhältnis von E_tr,max/E_v,max < 1 ist, wobei E_tr,max eine laterale und E_v,max eine lokal maximale vertikale Feldstärke darstellt.

3. Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Kompensationsgebiet (2, 3) eine erhöhte Dotierstoffkonzentra tion bei gleichbleibender Ladungskompensation zur Erhöhung einer lateralen Feldstärke (E_tr) aufweist.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Kompensationsgebiet (2, 3) eine verringerte Dotierwel ligkeit zur Verringerung einer vertikalen Feldstärke (E_v) aufweist.

5. Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kompensationsgebiet (3) eine in vertikaler Richtung erhöhte Anzahl von Kompensa tionszonen (4) aufweist.

6. Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 4 oder 5, da durch gekennzeichnet, dass das Halbleitersub strat eine erhöhte Anzahl von Epischichten (E1 bis Ex) auf weist.

7. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungs kompensationsstruktur in einer Draufsicht im Wesentlichen ei ne Hexagonal- oder Streifenform aufweist.

8. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Kom pensationsbauelement ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Schritte

a) Bereitstellen eines Trägersubstrats (1);
b) Ausbilden einer Vielzahl von Halbleiterschichten (E1 bis Ex) zur Realisierung des ersten Kompensationsgebietes (2)
c) Durchführen einer maskierten Dotierung (Ip) zumindest in einem Teil der Halbleiterschichten (E1 bis Ex) zum Ausbilden von Kompensationszonen (4) und zur Realisierung des zweiten Kompensationsgebietes (3);
d) Durchführen einer unmaskierten Dotierung (In) vom zur mas kierten Dotierung entgegengesetzten Leitungstyp in zumindest einer Halbleiterschicht (E1 bis Ex) zur Verschiebung der Orte mit maximaler lokaler Feldstärke (E_max) in dem Kompensations randbereich (RB); und
e) Ausbilden der die Kompensationsgebiete (2, 3) ansteuernden Elemente und Schichten (6, 7, S, G, D).

10. Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, dass in den Schritten c) und d) im We sentlichen gleich schnell diffundierende Dotierstoffe einge bracht werden.

11. Verfahren nach Patentanspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schritten c) und d) ei ne Implantation durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, dass in den Schritten c) und d) eine jeweilige Implantationsenergie derart ausgewählt wird, dass die Implantationsmaxima der eingebrachten Dotierstoffe im We sentlichen in der gleichen Tiefe liegen.

13. Verfahren nach einem der Patentansprüche 9 bis 12, da durch gekennzeichnet, dass in Schritt c) Bor (Ip) und in Schritt d) Phosphor (In) als Dotierstoffe einge bracht werden.