DE102004005775B4 - Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Halbleiterbauelement, das:
– eine erste (2) und eine zweite (3) Anschlusszone,
– ein zwischen der ersten und der zweiten Anschlusszone (2, 3) vorgesehenes Halbleitervolumen (4),
– eine in dem Halbleitervolumen (4) ausgebildete Driftzone (5), die sich in einer von der ersten zu der zweiten Anschlusszone (2, 3) verlaufenden Richtung erstreckt, und
– wenigstens eine in und/oder auf der Driftzone (5) vorgesehene Feldelektrode (61 bis 66), die zumindest teilweise aus einem semiisolierenden Material besteht, aufweist,
– und bei dem das semiisolierende Material der Feldelektroden so beschaffen ist, dass für ein Minimum Ds,min einer Grenzflächenzustandsdichte Ds an den Grenzflächen zwischen der Feldelektrode und der Driftzone des Halbleiterbauelements Ds,min ≥ Ns,Bd/Eg gilt,wobei NS,Bd die Durchbruchsladung und Eg der Bandabstand des für die Driftzone verwendeten Halbleitermaterials sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, das eine erste und eine zweite Anschlusszone, ein zwischen der ersten und der zweiten Anschlusszone vorgesehenes Halbleitervolumen, eine in dem Halbleitervolumen ausgebildete Driftzone, die sich in einer von der ersten zu der zweiten Anschlusszone verlaufenden Richtung erstreckt, und wenigstens eine in und/oder auf der Driftzone vorgesehene Feldelektrode, die zumindest teilweise aus einem semiisolierenden Material besteht, aufweist.
  • Halbleiterbauelemente weisen im Allgemeinen eine erste und eine zweite Anschlusszone, ein zwischen der ersten und der zweiten Anschlusszone vorgesehenes Halbleitervolumen, und eine in dem Halbleitervolumen ausgebildete Driftzone, die sich in einer von der ersten zu der zweiten Anschlusszone hin verlaufenden, lateralen oder vertikalen Richtung erstreckt, auf. Derartige Halbleiterbauelemente können sowohl als bipolare Bauelemente, wie beispielsweise Dioden oder IGBTs, als auch als unipolare Bauelemente, wie beispielsweise MOSFETs oder Schottky-Dioden, ausgestaltet sein.
  • Bei Dioden sind die beiden Anschlusszonen komplementär dotiert, wobei die Driftzone bzw. Basiszone vom selben Leitungstyp wie eine der Anschlusszonen, jedoch schwächer dotiert ist. Die beiden komplementär dotierten Anschlusszonen bilden die Anoden- und Kathodenzonen der Diode.
  • Bei einem MOS-Transistor sind hingegen die erste und die zweite Anschlusszone vom gleichen Leitungstyp, wobei die erste Anschlusszone als Source-Zone, und die zweite Anschlusszone als Drain-Zone dient. Die Source-Zone ist hierbei mittels einer Body-Zone eines zweiten Leitungstyps von der Driftzone getrennt. Zur Ausbildung eines leitenden Kanals in der Body-Zone zwischen der Source-Zone und der Drift-Zone dient eine Gate-Elektrode, die gegenüber den Halbleiterzonen isoliert ist. Bei einem MOSFET sind die Source-Zone und die Drain-Zone vom gleichen Leitungstyp, während bei einem IGBT die Source-Zone bzw. Emitterzone, und die Drain-Zone bzw. Kollektorzone zueinander komplementär dotiert sind.
  • Die Spannungsfestigkeit derartiger Bauelemente, d. h. die maximal zwischen deren Anschlusszonen anlegbare Spannung, wird maßgeblich durch die Dotierung und die Abmessungen der Driftzone in lateraler Richtung bestimmt: über der Driftzone fällt im sperrenden Zustand ein Großteil der an dem Halbleiterbauelement anliegenden Spannung ab. Um die Spannungsfestigkeit der Halbleiterbauelemente zu erhöhen, ist es bekannt, die Dotierstoffkonzentration der Driftzone zu erniedrigen bzw. die Driftzone in Stromflussrichtung zu verlängern. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass durch derartige Maßnahmen der Einschaltwiderstand des Halbleiterbauelements entsprechend erhöht wird.
  • Um eine hohe Spannungsfestigkeit bei gleichzeitig niedrigem Einschaltwiderstand zu realisieren, ist es bekannt, in der Driftzone eine Kompensationsstruktur vorzusehen, die aus Halbleitergebieten besteht, deren Dotierung zu der Dotierung der Driftzone invers ist. Die Kompensationsstruktur bewirkt ein Ausräumen von Ladungsträgern aus der Driftzone im Sperrzustand des Halbleiterbauteils, womit es möglich wird, bei gleich bleibender Spannungsfestigkeit die Driftzone höher zu dotieren und damit den Einschaltwiderstand zu senken.
  • Beispiele für derartige Kompensationsstrukturen sind ”Mannerschnitten-Kompensationsstrukturen” (vgl. DE 198 56 402 A1 und DE 199 58 151 A1 ) oder ”Aufbauprinzip-Kompensationsstrukturen” (vgl. DE 198 40 032 A1 und DE 101 32 136 C1 ). Erstere Kompensationsstrukturen weisen den Nachteil eines sehr frühen ”Pinch Offs” aufgrund des geringen Abstands implantierter Kompensationsschichten auf, d. h. schon bei geringen Strömen wird ein Spannungsabfall zwischen n- und p-Schichten so groß, dass beispielsweise aus leitenden n-Gebieten die Ladungsträger vollständig ausgeräumt sind. Letztere Kompensationsstrukturen sind hingegen äußerst kostenintensiv, da mehrere Schichten mittels eines Epitaxieverfahrens abgeschieden werden müssen, wobei pro abgeschiedener Epitaxieschicht ein bis zwei Implantationsprozesse unter Einsatz einer Maske notwendig sind. Das Vorsehen von Halbleiter-Kompensationsstrukturen hat weiterhin den Nachteil, dass die Dotierungen der Kompensationsstrukturen sehr genau auf die Dotierungen der Driftzone abgestimmt werden müssen, was aufwändig ist.
  • In diesem Zusammenhang seien weiterhin die Dokumente WO 01/59846 A1 , WO 01/59847 A2 , DE 198 48 828 C2 und WO 01/59844 A2 genannt, die Halbleiterbauelemente mit semiisolierenden Materialschichten zeigen.
  • Im Einzelnen ist aus der DE 198 48 828 A1 ein Transistor bekannt, bei dem eine Feldelektrode aus semiisolierendem Material im Bereich einer Driftzone vorgesehen ist. Diese Feldelektrode ist an ihrem unteren Ende mit einer Drainelektrode über ein n+-leitendendes Halbleiterstrubstrat verbunden und an ihrem oberen Ende über eine Body-Elektrode auf Sourcepotential gelegt. Die Feldelektrode ist dabei durch eine Isolierschicht begrenzt oder in Kompensationssäulen eingebettet, so dass das semiisolierende Material der Feldelektroden von der Driftzone durch die Isolierschicht oder die Kompensationssäulen elektrisch getrennt ist.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein Halbleiterbauelement mit Kompensationsstruktur anzugeben, das die oben genannten Probleme vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist eine erste und eine zweite Anschlusszone, ein zwischen der ersten und der zweiten Anschlusszone vorgesehenes Halbleitervolumen, und eine in dem Halbleitervolumen ausgebildete Driftzone auf. Die Driftzone erstreckt sich in einer von der ersten zu der zweiten Anschlusszone hin verlaufenden Richtung. In und/oder auf der Driftzone ist wenigstens eine Feldelektrode vorgesehen, die zumindest teilweise aus einem semiisolierenden Material besteht.
  • Die Eigenschaften des semiisolierenden Materials der Feldelektrode (insbesondere dann, wenn mit Wasserstoff dotierter amorpher Kohlenstoff verwendet wird) sind so gewählt, dass für ein Minimum Ds,min einer Grenzflächenzustandsdichte Ds an den Grenzflächen zwischen der Feldelektrode und der Driftzone des Halbleiterbauelements gilt: Ds,min ≥ Ns,Bd/Eg, (1)wobei NS,Bd die Durchbruchsladung und Eg der Bandabstand des für die Driftzone verwendeten Halbleitermaterials sind.
  • Durch die Grenzflächenzustände an dem amorph-kristallinen Übergang zwischen der Feldelektrode und der Driftzone wirkt eine solche Feldelektrode aktiv auf die Feldstärkeverteilung an den Grenzflächen ein und beeinflusst diese sowohl im statischen als auch im dynamischen Sperrfall in günstiger Weise.
  • Genügt das Minimum Ds,min der Zustandsdichte Ds der erfindungsgemäßen Beziehung (1), so resultiert hieraus eine nicht vernachlässigbare elektronische Rückwirkung der Feldelektrode auf die Driftzone, die durch einen Rückwirkungsfaktor r charakterisiert werden kann. Dieser Rückwirkungsfaktor r ist von dem Minimum der Zustandsdichteverteilung Ds,min, der Dicke d der Feldelektrode, einem Schichtwiderstand Rb der Feldelektrode, einem Maximalwert Rs,max des Grenzflächenwiderstandes (Übergangswiderstandes) Rs der Grenzfläche zwischen der Feldelektrode und der Driftzone sowie der Elementarladung q abhängig. Die Abscheidebedingungen der Feldelektrode sind dabei in einer bevorzugten Ausführungsform so gewählt, dass für diesen Rückwirkungsfaktor r = q·(Rs,max/Rb)·Ds,min·d2 gilt: r ≥ 105 kV–1.
  • Die technischen Grundlagen dieser Ausführungsform sowie weitere Details hierzu, insbesondere hinsichtlich der Größen Rs, Rb und Rückwirkungsfaktor (z. B. mögliche Messmethoden für den Rückwirkungsfaktor) sind in der DE 103 58 985 B3 beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement kann sowohl einen lateralen Aufbau als auch einen vertikalen Aufbau aufweisen. Bei einem lateralen Aufbau erstreckt sich die zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone vorgesehene Driftzone in einer lateralen Richtung, wohingegen bei einem vertikalen Aufbau sich die Driftzone in vertikaler Richtung erstreckt. Die Erfindung wird in den Figuren anhand von Ausführungsbeispielen mit lateralem Aufbau diskutiert. Die Ausführungen gelten jedoch in analoger Weise gleichermaßen für Halbleiterbauelemente mit vertikalem Aufbau.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement lässt sich äußerst kostengünstig herstellen, da der Abscheidungsprozess der als Kompensationsstruktur dienenden Feldelektrode aus semiisolie rendem Material fertigungstechnisch gesehen sehr einfach ist: wird die Feldelektrode bzw. die Feldelektroden auf der Driftzone vorgesehen, so ist lediglich ein entsprechender Abscheideprozess erforderlich. Sollen die Feldelektroden in der Driftzone vorgesehen werden, so werden zusätzlich Trenches ausgebildet, in die das semiisolierende Material dann ”gefüllt” wird (beispielsweise durch Aufwachsen des semiisolierenden Materials auf den Innenwänden des Trenchs).
  • Das semiisolierende Material der Feldelektroden ist vorzugsweise amorpher, mit Wasserstoff dotierter Kohlenstoff oder semiisolierendes polykristallines bzw. semiisolierendes amorphes Silizium (SIPOS). Ein weiteres verwendbares semiisolierendes Material ist amorphes Silizium. Wird mit Wasserstoff dotierter amorpher Kohlenstoff verwendet, so kann das Verhältnis von Kompensationswirkung zu Leckströmen, die im Sperrzustand des Halbleiterbauelements entlang der Feldelektrode auftreten, optimiert werden.
  • Das semiisolierende Material der Feldelektroden kann hierbei mit der Driftzone in direktem Kontakt stehen. Alternativ hierzu ist es möglich, das semiisolierende Material der Feldelektroden gegenüber der Driftzone wenigstens teilweise durch einen Isolator elektrisch zu isolieren.
  • Prinzipiell können die Feldelektroden hinsichtlich ihrer äußeren Form beliebig ausgestaltet sein. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Feldelektroden plattenförmig auszugestalten. Sind die Feldelektroden in der Driftzone vorgesehen, so können auf den Feldelektroden Aufsätze bzw. Fortsätze mit beliebiger Ausgestaltung vorgesehen werden, so dass sich beispielsweise T-förmige bzw. kreuzförmige Feldelektroden-Gesamtformen ergeben. Weiterhin können die Feldelektroden keilförmig ausgestaltet sein.
  • Die in der Driftzone vorgesehenen Feldelektroden sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet, wobei die Längsrichtungen der Gesamtformen der Feldelektroden der Richtung entsprechen, die von der ersten zu der zweiten Anschlusszone verläuft. Vorteilhafterweise sind wenigstens zwei Reihen jeweils mehrerer, hintereinander angeordneter Feldelektroden in der Driftzone vorgesehen, wobei die Feldelektroden-Reihen voneinander beabstandet sind. Die Feldelektroden einer Reihe können hierbei auf einer gemeinsamen Längsachse liegen. Alternativ hierzu ist es möglich, den Abstand zwischen zwei Feldelektroden, die jeweils zu verschiedenen Reihen gehören und einander gegenüberliegen, variabel zu halten. Beispielsweise kann sich der Abstand zwischen zwei Feldelektroden bei Fortschreiten in der ersten lateralen Richtung vergrößern. Weiterhin ist es möglich, die Breite der Feldelektroden bzw. die Form der Feldelektroden-Seitenwände in lateraler und/oder vertikaler Richtung zu variieren. Dadurch kann der Avalanche-Durchbruch sowohl lateral als auch vertikal an gewünschte Orte verschoben werden.
  • Zur Feineinstellung des in der Driftzone verlaufenden elektrischen Felds können in die Driftzone zusätzliche p-/n-Dotierstoffe eingebracht werden.
  • Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ein beliebiges Halbleiterbauelement sein, beispielsweise eine pn-Diode, eine Schottkydiode, ein IGBT, ein MOS-Transistor, usw. Wenn das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement als Transistor konzipiert ist, wird in einer bevorzugten Ausführungsform ein drainseitiges Ende wenigstens einer Feldelektrode mit einer Drain-Anschlusszone in direkten Kontakt gebracht bzw. auf ein Drainpotenzial gelegt, und ein sourceseitiges Ende wenigstens einer Feldelektrode mit einer Source/Gate-Anschlusszone in direkten Kontakt gebracht bzw. auf ein Source-/Gatepotenzial gelegt. Wird sowohl das sourceseitige als auch das drainseitige Ende einer einzelnen Feld elektrode auf entsprechende Drain-/Source- bzw. Gatepotenziale gelegt, so tritt innerhalb dieser Feldelektrode ein entsprechender Spannungsabfall auf.
  • Die Erfindung soll im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert werden. Es zeigen:
  • 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Draufsicht,
  • 2 die in 1 gezeigte Ausführungsform in Seitenansicht,
  • 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Draufsicht,
  • 4 die in 3 gezeigte Ausführungsform in Seitenansicht,
  • 5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Draufsicht,
  • 6 die in 5 gezeigte Ausführungsform in Seitenansicht,
  • 7 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Seitenansicht,
  • 8 eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils in Seitenansicht,
  • 9 eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Seitenansicht,
  • 10 eine siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Seitenansicht,
  • 11 eine achte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Seitenansicht,
  • 12 eine neunte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Seitenansicht,
  • 13 eine zehnte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Seitenansicht,
  • 14 eine elfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Seitenansicht,
  • 15 eine zwölfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in Seitenansicht,
  • 16 eine Potenzialverteilung in einer Driftzone eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ohne Bereitstellung von Kompensationsladungen,
  • 17 eine Potenzialverteilung in einer Driftzone eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements mit Bereitstellung von Kompensationsladungen.
  • In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilgruppen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Des Weiteren können sämtliche beschriebenen Ausführungsformen invers dotiert sein, d. h. n- bzw. p-Gebiete können miteinander vertauscht werden.
  • Die in 1 gezeigte erste Ausführungsform 1 eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements (mit lateralem Aufbau) weist eine erste Anschlusszone 2, eine zweite Anschlusszone 3, ein Halbleitervolumen 4, eine Driftzone 5, eine erste und zweite Feldelektrode 61 und 62 , ein Sourcegebiet 7, ein Gate 8, ein Körpergebiet 9, ein Draingebiet 10, einen Sourceanschluss 11, einen Drainanschluss 12, sowie ein Substrat 13 auf.
  • Das Halbleitervolumen 4 ist zwischen der ersten Anschlusszone 2 und der zweiten Anschlusszone 3 vorgesehen, wobei in dem Halbleitervolumen 4 eine Driftzone 5 ausgebildet ist. In der Driftzone 5 sind die erste und die zweite Feldelektrode 61 , 62 ausgebildet, die in dieser Ausführungsform eine plattenähnliche Form aufweisen. Die Längsachsen der Feldelektroden 61 , 62 verlaufen parallel zueinander und entsprechen einer ersten lateralen Richtung, die ausgehend von der ersten Anschlusszone 2 zu der zweiten Anschlusszone 3 hin verlauft.
  • Die Feldelektroden bestehen wenigstens teilweise aus einem semiisolierenden Material und ragen, ausgehend von einer Oberfläche 16 des Halbleiterbauelements 1 senkrecht hierzu in die Driftzone 5 hinein. Die Tiefe der Feldelektroden 61 , 62 reicht vorzugsweise bis nahe an das Substrat 13 heran, kann jedoch auch geringer sein bzw. in das Substrat 13 hineinragen. Um die Feldelektroden 61 , 62 zu erzeugen, werden in die Driftzone 5 Trenches eingebracht, die anschließend mit einem semiisolierendem Material, beispielsweise wasserstoffdotiertem amorphen Kohlenstoff, ”gefüllt” werden (z. B. durch Auskleiden der Innenwände des Trenchs). Die Herstellung der Feldelektroden 61 , 62 ist damit sehr günstig, da hierfür lediglich ein Belichtungsprozess, ein Trenchätzprozess und ein Abscheideprozess erforderlich sind. Prinzipiell können die Abstände zwischen hintereinander angeordneten (siehe 5) oder nebeneinander angeordneten (siehe 1) Trenchs beliebig gewählt werden. Die Größe (”Abstand zwischen zwei Trenchs” * ”Dotierung des (Mesa-)Gebiets zwischen zwei Trenchs”) sollte kleiner als 4·1012/cm2 sein. Dies ist jedoch nicht zwingend.
  • Die Driftzone 5 wird vorzugsweise durch einen Epitaxieprozess oder einen Diffusionsprozess erzeugt. Das Substrat 13 (in diesem Beispiel p–-dotiert) liegt vorzugsweise auf Sourcepotenzial. Das in 1 gezeigte Halbleiterbauteil ist ein MOS-Transistor, der mittels des Gates 8 einen Kanal zwischen dem Sourcegebiet 7 und der Driftzone 5 in dem Körpergebiet 9 induzieren kann. Die Trenches der Feldelektroden 61 , 62 , die in der Driftzone 5 ausgebildet sind, verlaufen hierbei parallel zu einem Stromfluss, der ausgehend von dem Sourcegebiet 7 zu dem Draingebiet 10 durch die Driftzone 5 hindurch verläuft.
  • Das semiisolierende Material der Feldplatten 61 , 62 steht in dieser Ausführungsform in direktem Kontakt zur Driftzone 5. Alternativ kann das semiisolierende Material der Feldplatten 61 , 62 durch eine Isolationsschicht, beispielsweise eine Oxidschicht, vom Halbleiter ganz bzw. teilweise getrennt sein. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die drainseitigen Enden der Feldelektroden 61 , 62 an ein Drainpotenzial, und die sourceseitigen Enden der Feldplatten 61 , 62 an ein Source- bzw. Gatepotenzial anzuschließen. Das Halbleiterbauelement kann auch in SOI-Ausführung ausgestaltet sein. In diesem Fall tritt anstelle des p–-dotierten Substrats 13 ein SOI-Material (SOI = ”Semiconductor On Insulator”), und die Trenches für die Feldelektroden 61 , 62 reichen durch die Driftzone 5 vorzugsweise bis zum SOI-Material (gewöhnlicherweise ein Oxid).
  • Die Feldelektroden 61 , 62 können sich in lateraler Richtung auch bis zu den Drain- und Sourceanschlüssen 11, 12 hin erstrecken, wobei das Gate 8 in diesem Fall stellenweise unterbrochen sein kann, d. h. das Gate 8 ist so ausgestaltet, dass es die Feldelektroden 61 , 62 nicht überdeckt.
  • Das semiisolierende Material kann zusätzlich auf die Oberfläche 16 des Halbleiterbauelements, das heißt auf die Oberseite der Driftzone 5 aufgebracht werden. Die Aufbringung kann hierbei flächendeckend oder strukturiert erfolgen.
  • Die in 3 und 4 gezeigte zweite Ausführungsform 20 eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils unterscheidet sich von der in den 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform 1 dadurch, dass das Gate 8 nicht in die Isolatorschicht 14 integriert ist, sondern in Form mehrerer mit Gateelektrodenmaterial aufgefüllten Trenches realisiert ist, die sich vertikal in das Sourcegebiet 7 bzw. das Körpergebiet 9 hinein erstrecken. Die Gates 8 (das Gateelektrodenmaterial) sind mittels eines Isolators 15 von den Source- bzw. Körpergebieten 7, 9 elektrisch isoliert. Das Sourcegebiet 7 und das Körpergebiet 9 erstrecken sich teilweise entlang der Trenchseitenwände der Gates 8 bzw. grenzen daran an und reichen in etwa bis zum Trenchboden der Gates 8. In dieser Ausführungsform werden die Kanäle im Körpergebiet 9 ausschließlich entlang der Trenchseitenwand der Gates 8 induziert. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Die Gates bzw. die Sourcegebiete und Körpergebiete können so gegeneinander ausgerichtet sein, dass auf bzw. nahe der Oberfläche 16 des Halbleiterbauelements der Trenchs der Gates 8 zusätzlich Kanäle induziert werden. Dazu können beispielsweise zusätzliche Gates auf der Oberfläche 16 oder auf der Unterseite der Trenchs vorgesehen werden. Im Bereich der Driftzone 5 kann der Isolator 15 dicker ausgebildet sein als im Bereich des Körpergebiets 9/des Sourcegebiets 7. Die Feldelektroden 61 , 62 können am sourceseitigen Ende auf Gatepotenzial liegen. Zur Reduktion der Gate-Drain-Kapazität ist das Sourcepotenzial oder ein anderes festes Potenzial besser geeignet.
  • Die in den 5 und 6 gezeigte dritte Ausführungsform 30 unterscheidet sich in der von den 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform 1 dadurch, dass in der Driftzone 5 eine erste bis sechste Feldelektrode 61 bis 66 vorgesehen sind, die in zwei Gruppen mit jeweils drei Feldelektroden aufgeteilt sind. Das Vorsehen von mehreren hintereinander angeordneten Feldelektroden anstelle einer durchgehenden Feldelektrode hat den Vorteil, dass der durch die Feldelektroden bewirkte mechanische Stress geringer ist. Die Feldelektroden einer Reihe können hierbei auf mehrere Trenches verteilt sein oder in einen Trench, in diesem Fall voneinander isoliert, vorgesehen werden. Zur lateralen Einstellung des Feldverlaufs und damit zum Beispiel des Durchbruchortes kann eine Mesaladung durch Variation der Mesa-/Trenchweite variiert werden. Unter ”Mesagebiet” wird hierbei das zwischen den Trenchs befindliche Halbleitergebiet verstanden, unter ”Mesaladung” die im Mesagebiet vorhandene Ladung.
  • Eine Variation der Mesa-/Trenchweite kann beispielsweise durch Kreuz-, T-förmig bzw. keilförmig ausgestaltete Trenchs erreicht werden, die senkrecht zur Source-Drain-Richtung angeordnet sind (erste laterale Richtung). Des Weiteren kann auch der Abstand zweier benachbarter Trenches zu- oder abnehmen, während der Abstand zum zweiten Nachbartrench ab- oder zunimmt.
  • Die Form der Trenchseitenwand kann zur Optimierung des vertikalen Feldverlaufs des sich durch die Driftzone 5 erstreckenden elektrischen Felds variiert werden. Ist die Driftzone 5 beispielsweise mittels eines Diffusionsprozesses erzeugt worden, so nimmt die Mesaladung zwischen zwei Trenchs mit zunehmender Tiefe ab. Dies kann zum Teil durch eine in der Tiefe abnehmende Trenchweite kompensiert werden. Andererseits kann beispielsweise eine Durchbruchsklemmung durch eine in der Tiefe zunehmende Trenchweite erzielt werden.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Optimierung des vertikalen Feldverlaufs besteht in einer Implantation und einer eventuellen Ausdiffusion von p- oder n-Gebieten in geeigneter Tiefe innerhalb der Driftzone 5. Die Dotierung dieser p- bzw. n-Gebiete sollte dabei im Vergleich zur Dotierung der Drift strecke 5 niedrig sein, so dass unerwünschte Effekte wie zum Beispiel eine Umdotierung der Driftstrecke 5 vermieden werden können.
  • Die in 7 gezeigte vierte Ausführungsform 40 unterscheidet sich von der in 3 und 4 gezeigten Ausführungsform 20 dadurch, dass der Drainanschluss 12 auf der Rückseite des Halbleiterelements vorgesehen ist. Das p–-dotierte Substrat 13 wird in dieser Ausführungsform durch eine n–-dotierte Schicht 17 und eine n+-dotierte Halbleiterschicht 18 ersetzt. Das Draingebiet 10 reicht in dieser Ausführungsform bis in die n+-dotierte Halbleiterschicht 18 hinein. Die vierte Ausführungsform 40 stellt somit eine Mischung aus lateralem und vertikalem Aufbau dar.
  • Die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente sollten für Spannungen > 10 V ausgelegt sein.
  • Die in 8 gezeigte fünfte Ausführungsform 50 zeichnet sich gegenüber der in den 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform 1 dadurch aus, dass die Feldelektrode 6 nicht in der Driftzone 5, sondern auf der Driftzone 5 aufgebracht ist. Das Material der Feldelektrode besteht auch hier wenigstens teilweise aus einem semiisolierendem Material, vorzugsweise wasserstoffdotiertes amorphes Kohlenstoffmaterial. Die Auftragung der Feldelektrodenschicht 6 kann hierbei ganzflächig, das heißt über die gesamte Oberfläche 16 des Halbleiterbauelements, oder strukturiert erfolgen, das heißt nur ein Teil der Oberfläche des Halbleiterbauteils wird mit Feldelektrodenmaterial bedeckt. Die Feldelektrodenschicht 6 ermöglicht es, in der Driftzone 5 vorhandene Ladung durch Bereitstellung von Gegenladung zu kompensieren. Das Material der Driftstrecke 5 ist in dieser und auch den anderen Ausführungsformen vorzugsweise Silizium. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
  • Die in 9 gezeigte sechste Ausführungsform 60 unterscheidet sich von der in 5 gezeigten fünften Ausführungsform 50 dadurch, dass die Driftzone 5 aus lateral verlaufenden Schichten besteht, die abwechselnd p- und n-dotiert sind und die in einer Richtung, die senkrecht zur Zeichenebene steht, miteinander alternieren. Aufgrund von Prozessschwankungen kompensieren sich die durch die einzelnen Schichten bereitgestellten Ladungen nicht genau. Die fehlende Kompensation wird durch die Feldelektrodenschicht 6 bewirkt (im Sperrfall).
  • In der in 10 gezeigten siebten Ausführungsform 70 sind in der Driftzone 5 p-dotierte Säulen (in der dritten Dimension nicht durchgehend) 21 eingebracht, die die in der Driftzone 5 vorhandene Ladung weitgehend kompensiert. Die noch fehlende Kompensation wird wiederum durch die Feldelektrode 6 bewirkt, die entsprechende Gegenladungen bereitstellt.
  • Die in 11 gezeigte achte Ausführungsform 80 unterscheidet sich von der in 8 gezeigten ersten Ausführungsform dadurch, dass das sourceseitige Ende der Feldelektrode 6 mit dem Sourceanschluss 11 direkt verbunden ist. Wie in 12 gezeigt, ist bei einer neunten Ausführungsform 90 zusätzlich das drainseitige Ende mit der Feldelektrode 6 direkt verbunden. In dieser Ausführungsform kontaktiert die Feldelektrode 6 ebenfalls das Draingebiet 10, wohingegen in der fünften bis achten Ausführungsform die Feldelektrode 6 von dem Draingebiet 10 durch die Isolatorstruktur 14 getrennt ist. Alternativ hierzu ist es möglich, wie in der in 13 gezeigten zehnten Ausführungsform 100, dass der Drainanschluss 12 die Feldelektrode 6 kontaktieren kann, ohne dass die Isolatorstruktur 14 weggelassen werden müsste.
  • Wie in der elften Ausführungsform 110 in 14 gezeigt ist, kann die Feldelektrode 6 auch ganzflächig auf der Oberseite 16 des Halbleiterbauelements aufgetragen werden, bevor dann der Sourceanschluss 11 und der Drainanschluss 12 auf die Feldelektrode 6 aufgebracht werden.
  • In der in 15 gezeigten zwölften Ausführungsform 120 wird verdeutlicht, dass sich die Erfindung auch auf laterale IGBTs sowie SOI-Materialien, bzw. SOI-Aufbauten anwenden lässt. In dieser Ausführungsform ist die Driftzone 5 von dem Substrat 13 durch eine Isolationsschicht 19 getrennt.
  • Um ein besseres Verständnis der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils zu schaffen, sollen im Folgenden die physikalischen Zusammenhänge der in 8 bis 15 gezeigten Ausführungsformen anhand von 16 und 17 näher erläutert werden.
  • Erfindungsgemäß wird durch Abscheidung von amorphen Kohlenstoffschichten auf n- oder p-dotierten Siliziumschichten eine entsprechende Gegenladung zu den in diesen Schichten vorhandenen Ladungen bereitgestellt. Ein in der amorphen Kohlenstoffschicht generierter Stromfluss über eine Grenzfläche zwischen der Kohlenstoffschicht und der darunter liegenden Driftstreckenschicht (oder umgekehrt) aus Silizium wird über die Änderung der Tangentialfeldstärke an der Halbleiteroberfläche erzwungen. Dadurch fällt über der Grenzfläche eine ebenfalls feldgradientenabhängige Spannung ab. Die spannungsabhängige Grenzflächenkapazität ist durch CV-Messungen bekannt. Die Ladungsdichte an der Grenzfläche ergibt sich durch einfache Integration: QS = ∫C(U)dU. Mit anderen Worten: in der (idealen) amorphen Kohlenstoffschicht werden gerade so viele Ladungen (beiderlei Vorzeichens) zur Verfügung gestellt, dass sich das Feld an der Halbleiteroberfläche möglichst wenig ändert. Das heißt, dass bei konstantem Feldverlauf eine maximale Sperrspannung erreicht wird, ohne dass man zusätzliche p-dotierte Säulen benötigt oder die Kohlenstoffschicht direkt mit zumindestens einer der beiden Elektroden in Kontakt bringt. Die Leitfähigkeit der amorphen Kohlen stoffschicht sollte nicht so hoch sein, damit die im Sperrzustand der Kompensationsstruktur auftretenden Leckströme nicht zu hoch sind. Andererseits sollte die Leitfähigkeit der Kohlenstoffschicht aber auch ausreichend hoch sein, damit sie die freien Ladungen, die zur Kompensation erforderlich sind, zur Verfügung stellen kann. Durch geeignete Variation der Prozessparameter bei der Herstellung der Kohlenstoffschicht können die Eigenschaften der Kohlenstoffschicht wie zum Beispiel die spezifische Leitfähigkeit, der optische Bandabstand und die Barrierenhöhe weitgehend variiert werden.
  • In 16 ist der Potenzialverlauf einer lateralen Struktur gezeigt, die keine Schicht aus amorphem Kohlenstoff aufweist. In 17 ist der Potenzialverlauf derselben Struktur dargestellt, diesmal jedoch mit Ladungen, die in der amorphen Kohlenstoffschicht generiert werden. Eine amorphe Kohlenstoffschicht ist hierbei auf einer n-dotierten Driftzone abgeschieden worden, um die durch die n-Dotierung erzeugte Ladung im Sperrfall weitgehend zu kompensieren, womit – gemäß dem bei p/n-Säulenstrukturen bekannten Kompensationsprinzip – bei möglichst hoher n-Dotierung eine möglichst hohe Sperrfähigkeit der Bauelemente erzielt werden kann.
  • Bei lateralen Kompensationsstrukturen kann die amorphe Kohlenstoffschicht auf relativ einfache Weise auf der Siliziumoberfläche abgeschieden werden, während man bei vertikalen Halbleiterbauelementen, wie zum Beispiel DMOS-Strukturen, Gräben erzeugen könnte, die man mit amorphem Kohlenstoff auffüllt.
  • Das Prinzip, das den in 8 bis 15 gezeigten Ausführungsformen zugrunde liegt, ist demnach, in dotierten Siliziumschichten die durch die Dotierung erzeugten Ladungen mittels darauf abgeschiedener amorpher Kohlenstoffschichten zu kompensieren.
    • 1
    erste Ausführungsform
    2
    erste Anschlusszone
    3
    zweite Anschlusszone
    4
    Halbleitervolumen
    5
    Driftzone
    61–66
    erste bis sechste Feldelektrode
    7
    Sourcegebiet
    8
    Gate
    9
    Körpergebiet
    10
    Draingebiet
    11
    Sourceanschluss
    12
    Drainanschluss
    13
    Substrat
    14
    Isolator
    15
    Isolator
    16
    Oberfläche des Halbleiterbauelements
    17
    Halbleiterschicht
    18
    Halbleiterschicht
    19
    Isolationsschicht
    20
    zweite Ausführungsform
    21
    p-dotierte Säulen
    30
    dritte Ausführungsform
    40
    vierte Ausführungsform
    50
    fünfte Ausführungsform
    60
    sechste Ausführungsform
    70
    siebte Ausführungsform
    80
    achte Ausführungsform
    90
    neunte Ausführungsform
    100
    zehnte Ausführungsform
    110
    elfte Ausführungsform
    120
    zwölfte Ausführungsform

Claims (17)

  1. Halbleiterbauelement, das: – eine erste (2) und eine zweite (3) Anschlusszone, – ein zwischen der ersten und der zweiten Anschlusszone (2, 3) vorgesehenes Halbleitervolumen (4), – eine in dem Halbleitervolumen (4) ausgebildete Driftzone (5), die sich in einer von der ersten zu der zweiten Anschlusszone (2, 3) verlaufenden Richtung erstreckt, und – wenigstens eine in und/oder auf der Driftzone (5) vorgesehene Feldelektrode (61 bis 66 ), die zumindest teilweise aus einem semiisolierenden Material besteht, aufweist, – und bei dem das semiisolierende Material der Feldelektroden so beschaffen ist, dass für ein Minimum Ds,min einer Grenzflächenzustandsdichte Ds an den Grenzflächen zwischen der Feldelektrode und der Driftzone des Halbleiterbauelements Ds,min ≥ Ns,Bd/Eg gilt,wobei NS,Bd die Durchbruchsladung und Eg der Bandabstand des für die Driftzone verwendeten Halbleitermaterials sind.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das semiisolierende Material der Feldelektroden (61 bis 66 ) amorpher, mit Wasserstoff dotierter Kohlenstoff oder semiisolierendes polykristallines bzw. semiisolierendes amorphes Silizium ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das semiisolierende Material der Feldelektroden (61 bis 66 ) mit der Driftzone (5) in direktem Kontakt steht.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das semiisolierende Material der Feldelektroden (61 bis 66 ) gegenüber der Driftzone (5) wenigstens teilweise durch einen Isolator (14) elektrisch isoliert ist.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldelektroden (61 bis 66 ) innerhalb der Driftzone (5) verlaufen.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldelektroden (61 bis 66 ) plattenförmig ausgestaltet sind.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldelektroden (61 bis 66 ) eine T-förmige, kreuzförmige oder keilförmige Gesamtform aufweisen.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldelektroden (61 bis 66 ) parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Längsrichtungen der Gesamtformen der Feldelektroden (61 bis 66 ) derjenigen Richtung entsprechen, die von der ersten Anschlusszone zu der zweiten Anschlusszone verläuft.
  9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Reihen jeweils mehrerer, hintereinander angeordneter Feldelektroden (61 bis 66 ) vorgesehen sind, wobei die Feldelektrodenreihen (61 , 63 , 65 /62 , 64 , 66 ) voneinander beabstandet sind.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle Feldelektroden (61 bis 66 ) einer Reihe auf einer gemeinsamen Längsachse liegen.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei Feldelektroden (61 bis 66 ), die jeweils zu verschiedenen Reihen gehören und einander gegenüberliegen, variabel ist.
  12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Feldelektroden (61 bis 66 ) bzw. die Form der Feldelektrodenseitenwände in lateraler und/oder vertikaler Richtung variiert.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in die Driftzone (5) zusätzliche p-/n-Dotierstoffe eingebracht sind, die zur Feineinstellung des in der Driftzone (5) verlaufenden elektrischen Felds dienen.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement ein Transistor ist, wobei ein drainseitiges Ende wenigstens einer Feldelektrode (6) mit einer Drain-Anschlusszone (3, 10) in direktem Kontakt steht bzw. auf ein Drainpotenzial gelegt wird und/oder ein sourceseitiges Ende wenigstens einer Feldelektrode (6) mit einer Source/Gate-Anschlusszone (2, 11, 7, 9) in direktem Kontakt steht bzw. auf ein Source-/Gatepotenzial gelegt wird.
  15. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement einen lateralen Aufbau aufweist, die zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone (2, 3) vorgesehene Driftzone sich also in einer lateralen Richtung erstreckt.
  16. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement einen vertikalen Aufbau aufweist, die zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone (2, 3) vorgesehene Driftzone sich also in vertikaler Richtung erstreckt.
  17. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das semiisolierende Material der Feldelektroden so beschaffen ist, dass für die elektronische Rückwirkung der Feldelektrode auf die Driftzone, die durch einen Rückwirkungsfaktor r mit r = q·(Rs,max/Rb)·Ds,min·d2 beschrieben werden kann, r ≥ 105 kV–1 gilt,wobei d die Dicke der Feldelektrode, Rb ein Schichtwiderstand der Feldelektrode, Rs,max ein Maximalwert des Grenzflächenwiderstandes bzw. Übergangswiderstandes Rs der Grenzfläche zwischen der Feldelektrode und der Driftzone und q die Elementarladung bedeuten.
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