DE102004006001B3 - Leistungshalbleiterbauelement mit Feldzonen-Feldelektroden-Strukturen - Google Patents

Leistungshalbleiterbauelement mit Feldzonen-Feldelektroden-Strukturen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (20), der eine erste Halbleiterzone (20a) vom ersten Leitungstyp, eine zweite Halbleiterzone (20b) vom zweiten Leitungstyp und eine mit dieser elektrisch leitend verbundene Feldelektrode (31) aufweist, wobei zwischen der ersten Halbleiterzone (20a) und der zweiten Halbleiterzone (20b) ein pn-Übergang (33) ausgebildet ist und wobei eine dritte Halbleiterzone (20c) vom ersten Leitungstyp, die eine gemeinsame Grenzfläche mit der ersten Halbleiterzone (20a) aufweist, elektrisch leitend mit der Feldelektrode (31) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement mit wenigstens einer Feldzonen-Feldelektroden-Struktur.
  • Derartige Strukturen werden häufig bei der Herstellung elektronischer Leistungshalbleiterbauelemente wie beispielsweise Dioden, MOSFETs, IGBTs oder Thyristoren eingesetzt.
  • Leistungshalbleiterbauelemente der genannten Art weisen in der Regel einen pn-Übergang zwischen zwei komplementär zueinander dotierten Halbleiterbereichen oder einen als Schottky-Kontakt bekannten Metall-Halbleiter-Übergang auf.
  • Sowohl bei einem Halbleiter-Halbleiter-Übergang als auch bei einem Metall-Halbleiter-Übergang bildet sich im Bereich des Übergangs eine Verarmungszone aus, die nur wenige freie Ladungsträger aufweist. Diese Verarmungszone wird auch als Sperrschicht oder als Raumladungszone bezeichnet. Je nachdem, ob der Übergang in Durchlass- oder in Sperrrichtung betrieben wird, verkleinert bzw. vergrößert sich die Raumladungszone.
  • Durch die Raumladungszone bildet sich ein elektrisches Feld aus, dessen Stärke von der an den Übergang angelegten Spannung abhängt. Insbesondere bei in Sperrrichtung betriebenem Übergang und einer hohen an den Übergang angelegten Sperrspannung kann das elektrische Feld der Raumladungszone sehr hohe Werte erreichen.
  • Der Verlauf des elektrischen Feldes ergibt sich aus dem Gradienten seines elektrischen Potentials und wird deshalb häufig anhand von Äquipotentiallinien, d.h. Linien, die Punkte gleichen (hier: elektrischen) Potentials verbinden, dargestellt.
  • Stellt man die sich in einem elektrischen Bauelement in einem bestimmten Zustand einstellenden elektrischen Verhältnisse anhand derartiger Äquipotentiallinien dar, so finden sich die Bereiche mit erhöhter Gefahr für Spannungsdurchbrüche dort, wo die Äquipotentiallinien stark gekrümmt sind oder sich verdichten.
  • Typischerweise entstehen derartige Bereiche mit erhöhter Gefahr für das Auftreten von Spannungsdurchbrüchen an Inhomogenitäten des Bauelementes wie beispielsweise an Ober- bzw. Grenzflächen und dort insbesondere an Stellen mit Ecken, Kanten oder starken Krümmungen. Hierzu zählen auch Halbleiterübergänge, wie sie z.B. bei der Herstellung dotierter Bereiche entstehen.
  • Vor allem in oberflächennahen Bereichen des Leistungshalbleiterbauelementes oder im Bereich von Grenzflächen, beispielsweise zwischen einem Halbleiterkörper und einer Isolationsschicht, kann das elektrische Feld der Raumladungszone sehr hohe Werte erreichen, so dass die Gefahr von Spannungsdurchbrüchen, durch die das Leistungshalbleiterbauelement zerstört oder zumindest beschädigt wird, besonders hoch ist.
  • Zur Vermeidung solcher Probleme wurden verschiedene Anordnungen entwickelt, um das elektrische Feld möglichst gleichmäßig innerhalb des Leistungshalbleiterbauelementes abzubauen. Da solche Probleme häufig am sogenannten "Rand" des Bauelementes, d.h. außerhalb von dessen aktivem Bereich, auftreten, spricht man bei einer derartigen Anordnung auch von einem "Randabschluss".
  • Eine dieser Anordnungen sieht wenigstens ein Paar aus einem sogenannten "Feldring" und einer "Feldplatte" vor, die elektrisch miteinander verbunden sind.
  • Da das Prinzip einer Feldring-Feldplatten-Anordnung weder auf eine ringförmige Ausgestaltung der Feldringe, noch auf eine plattenförmig Ausbildung der Feldplatten beschränkt ist, werden im folgenden statt der Bezeichnungen "Feldring" und "Feldplatte" die allgemeineren Begriffe "Feldzone" bzw. "Feldelektrode" verwendet.
  • Typische Ausführungsbeispiele solcher Feldzonen-Feldelektroden-Anordnungen sind beispielsweise in B. Jayant Baliga: "Power Semiconductor Devices", Verlag PWS Publishing Company, Boston, 1996, Seite 101 f, dargestellt.
  • An den Halbleiterkörper angrenzend oder von diesem z.B. durch einen Isolator beabstandet ist dabei die Feldelektrode angeordnet, die elektrisch gut leitend und beispielsweise aus Metall wie z.B. Aluminium oder aus hochdotiertem Polysilizium gebildet ist.
  • Die Krümmung der Äquipotentiallinien und damit das Risiko eines Spannungsdurchbruchs im Halbleiter, das vor allem im Sperrzustand des Leistungshalbleiterbauelementes besteht, wird durch eine bei dieser Feldzonen-Feldelektroden-Anordnung induzierte Verschiebung von Ladungsträgern verringert.
  • Eine typische Feldzonen-Feldelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik zeigt 1. Dargestellt ist ein Abschnitt eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelementes 10 im Querschnitt. Das Leistungshalbleiterbauelement 10 weist einen Halbleiterkörper 20 auf, der eine erste, p-dotierte Halbleiterzone 20a und eine weitere p-dotierte Halbleiterzone 20d umfasst, zwischen denen ein Halbleiterübergang 23 des Leistungshalbleiterbauelementes 10 ausgebildet ist, an den sich in lateraler Richtung der Randbereich 41 anschließt. Dieser Halbleiterübergang befindet sich im sogenannten Innenbereich 40 des Leistungshalbleiterbauelementes 10 festgelegt.
  • Der Randbereich 41 weist eine zweite Halbleiterzone 20b auf, die komplementär zu der ersten Halbleiterzone 20a dotiert ist und an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 20 angeordnet ist. Diese zweite Halbleiterzone 20b bildet eine Feldzone des Bauelements. Zwischen der ersten Halbleiterzone 20a und der zweiten Halbleiterzone 20b ist ein zweiter Halbleiterübergang gebildet, der eine Diode darstellt und daher nachfolgend als Feldzonendiode 33 bezeichnet wird.
  • An der Oberfläche des Halbleiterkörpers 20 ist im Bereich der zweiten Halbleiterzone 20b eine elektrisch gut leitende Feldelektrode 31 angeordnet. Sie ist durch einen Isolator 35 gegenüber dem Halbleiterkörper 20 isoliert. Die zweite Halbleiterzone 20b und die Feldelektrode 31 stehen miteinander in elektrisch leitendem Kontakt. Analog dazu ist auch der Hauptanschluss 20d mit einer Feldelektrode 32 kontaktiert.
  • Wie in 2 anhand einer Äquipotentiallinie 50 des sich im Halbleiterkörper 20 einstellenden elektrischen Potentials gezeigt, bildet sich beim Anlegen einer Sperrspannung an den ersten Halbleiterübergang 23 zwischen den Halbleiterzonen 20a und 20d eine Raumladungszone 20e aus. Deren elektrisches Feld reicht bis in den Randbereich 41 und verursacht dort Ladungsverschiebungen, wodurch die Feldelektrode 31 über den im Sperrzustand des Halbleiterübergangs 23 leitenden zweiten Halbleiterübergang 33 negativ aufgeladen wird.
  • Nach dem Abschalten der Sperrspannung bleibt die Feldelektrode 31 negativ aufgeladen, da der zweite pn-Übergang 33 jetzt eine in Sperrrichtung gepolte Diode darstellt, die die Entladung der Feldzonen-Feldelektroden-Anordnung 20b–31 verhindert.
  • Diese Anordnung weist den Nachteil auf, dass sich mit dem Abschalten oder einem starken Abfall der Sperrspannung die Feldelektrode 31 bzw. die zweite Halbleiterzone 20b gegenüber der ersten Halbleiterzone 20a nicht entladen können. Dies kann zu undefinierten Ladezuständen des Leistungshalbleiterbauelementes, insbesondere der Feldelektrode 31, oder im Extremfall zu Spannungsdurchbrüchen zwischen der Feldelektrode 31 bzw. der zweiten Halbleiterzone 20b Feldzone und der ersten Halbleiterzone 20a führen, so dass die Feldzonendiode 33 und/oder der Isolator 35 beschädigt oder zerstört wird.
    •
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungshalbleiterbauelement mit einer Feldzonen-Feldelektroden-Anordnung vorzustellen, das beim Abschalten oder bei einem starken Abfall der Sperrspannung gegen derartige undefinierte Ladezustände und Spannungsdurchbrüche geschützt ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An spruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper, der eine erste Halbleiterzone vom ersten Leitungstyp, eine zweite Halbleiterzone vom zweiten Leitungstyp, eine dritte Halbleiterzone vom ersten Leitungstyp und eine mit der zweiten Halbleiterzone elektrisch leitend verbundene Feldelektrode aufweist. Dabei ist zwischen der ersten Halbleiterzone und der zweiten Halbleiterzone ein pn-Übergang ausgebildet. Außerdem weist die dritte Halbleiterzone eine gemeinsame Grenzfläche mit der ersten Halbleiterzone auf und ist mit der Feldelektrode elektrisch leitend verbunden.
  • Die zweite Halbleiterzone ist an der Oberfläche oder im oberflächennahen Bereich des Halbleiterkörpers angeordnet und komplementär zur ersten Halbleiterzone dotiert. Zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterzone ist somit ein pn-Übergang gebildet. Die zweite Halbleiterzone bildet eine Feldzone und ist beispielsweise floatend ausgebildet, d.h. nicht von außen auf ein bestimmtes elektrisches Potential gelegt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Halbleiterzone ringförmig um den Innenbereich des Leistungshalbleiterbauelementes ausgebildet und wird dann auch als Feldring bezeichnet.
  • Die Feldelektrode besteht aus gut leitendem Material wie beispielsweise hochdotiertem Polysilizium oder Metall und ist an oder nahe der Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordnet. Sie ist vorzugsweise flächig ausgebildet und wird daher als Feldplatte bezeichnet.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelement kann sich die Feldzonen-Feldelektroden-Struktur, d.h. die Einheit bestehend aus der zweiten Halbleiterzone und der Feldelektrode, im Sperrzustand des Leistungshalbleiterbauelementes durch eine Ladungsverschiebung in der Raumladungszone des Halbleiterkörpers aufladen. Die Aufladung der Feldzonen-Feldelektroden-Struktur erfolgt im wesentlichen durch eine Ladungsverschiebung von der Feldzonen-Feldelektroden-Struktur in die erste Halbleiterzone oder umgekehrt von der ersten Halbleiterzone in die Feldzonen-Feldelektroden-Struktur.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement kann sich die Feldelektrode nach dem Abschalten der Sperrspannung auch wieder entladen, da die in dieser Situation im Sperrrichtung geschaltete Feldzonendiode durch die dritte Halbleiterzone umgangen, quasi kurzgeschlossen wird. Die Entladung der Feldelektrode erfolgt also im wesentlichen durch Ladungsaustausch zwischen der Feldelektrode und der ersten Halbleiterzone über die dazwischengeschaltete dritte Halbleiterzone.
  • Deshalb ist die dritte Halbleiterzone zum einen mit der Feldelektrode elektrisch leitend verbunden und kontaktiert zum anderen die erste Halbleiterzone. Diese Kontaktierung wird durch eine gemeinsame Grenzfläche zwischen der dritten Halbleiterzone und der ersten Halbleiterzone realisiert. Je größer diese gemeinsame Grenzfläche ausgebildet ist, desto günstiger ist dies für den darüber stattfindenden Ladungsaustausch.
  • Grenzfläche bedeutet dabei nicht nur eine scharf abgegrenzte Fläche, sondern im weiteren Sinn auch den Bereich eines fließenden Übergangs zwischen benachbarten, unterschiedlich dotierten Halbleitergebieten, wie er beispielsweise bei typischen Dotierverfahren entsteht.
  • Die dritte Halbleiterzone weist denselben Leitungstyp auf wie die erste Halbleiterzone und ist in einer bevorzugten Ausführungsform höher als diese dotiert.
  • Die dritte Halbleiterzone kann auf unterschiedlichste Weise realisiert sein.
  • Bei einer ersten Variante ist die dritte Halbleiterzone räumlich zwischen der Feldelektrode und der zweiten Halbleiterzone angeordnet, wobei die Feldelektrode nicht an die zweite Halbleiterzone grenzt, sondern lediglich über eine elektrisch leitende Verbindung mit dieser in Kontakt steht. Diese elektrisch leitende Verbindung kann beispielsweise als Fortsatz an einer sonst im wesentlichen flächigen Feldelektrode ausgebildet sein. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die dritte Halbleiterzone eine ausreichend große Grenzfläche mit der ersten Halbleiterzone aufweist, da hierdurch ein dazwischen stattfindender Ladungsträgeraustausch erleichtert wird. Bevorzugt erstreckt sich dabei die dritte Halbleiterzone in lateraler Richtung des Leistungshalbleiterbauelementes wenigstens abschnittweise über die Abmessungen der zweiten Halbleiterzone hinaus.
  • Besonders bevorzugt erstreckt sich die dritte Halbleiterzone lateral in Richtung des Innenbereiches des Leistungshalbleiterbauelementes über die Abmessungen der zweiten Halbleiterzone hinaus, während die zweite Halbleiterzone auf ihrer dem Innenbereich abgewandten Seite unmittelbar mit der Feldelektrode kontaktiert ist. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass sich die Feldzonen-Feldelektroden-Struktur im Sperrzustand des Leistungshalbleiterbauelementes nur über die dem Innenbereich zugewandte Seite der zweiten und bzw. dritten Halbleiterzone aufladen kann, da die Feldzonendiode – bedingt durch die Verteilung des elektrisches Feldes in der Raumladungszone – auf ihrer dem Innenbereich abgewandten Seite sperrt. Dadurch nimmt die Feldzonen-Feldelektroden-Struktur ein elektrisches Potential an, das in etwa dem elektrischen Potential der Raumladungszone an der dem Innenbereich zugewandten Seite der zweiten Halbleiterzone entspricht, was sich vorteilhaft auf den Abbau der Raumladungszone im Leistungshalbleiterbauelement auswirkt.
  • Die Herstellung der Feldzonen-Feldelektroden-Struktur eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelementes kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass in einem ersten Schritt in einem eine Grunddotierung aufweisenden Halbleiterkörper ausgehend von dessen Oberfläche die zweite Halbleiterzone, z.B. in Form einer Wanne, durch eines der bekannten Herstellungsverfahren wie Thermische Diffusion oder Ionenimplantation erzeugt wird.
  • In einem nachfolgenden Schritt kann dann, ebenfalls durch eines der bekannten Verfahren, die dritte Halbleiterzone hergestellt werden. Dabei überlagert die dritte Halbleiterzone die zweite Halbleiterzone bereichsweise. Des weiteren sind die zweite und die dritte Halbleiterzone komplementär zueinander dotiert.
  • Wenn bei der Herstellung der Feldzonen-Feldelektroden-Struktur die dritte Halbleiterzone so hergestellt wird, dass sie die zuvor gefertigte zweite Halbleiterzone überlagert, so ist es erforderlich, dass die zur Herstellung der dritten Halbleiterzone verwendete Dotierstoffkonzentration zumindest im Überlagerungsbereich größer ist als die Dotierstoffkonzentration der zweiten Halbleiterzone. Dann nämlich kommt es im Überlagerungsbereich zu einem Wechsel vom Leitungstyp der zweiten Halbleiterzone zum Leitungstyp der dritten Halblei terzone. Der Überlagerungsbereich ist dann der dritten Halbleiterzone zuzurechnen. Die Herstellung der dritten Halbleiterzone kann dabei in einem oder in mehreren Schritten erfolgen.
  • Diese Ausführungen gelten grundsätzlich auch für die Herstellung einer zweite Variante einer Feldzonen-Feldelektroden-Struktur, bei der sowohl die zweite als auch die dritte Halbleiterzone an die Feldelektrode angrenzen. Dadurch stehen sowohl die zweite als auch die dritte Halbleiterzone mit der Feldelektrode unmittelbar in elektrischem Kontakt. Eine separate, elektrisch leitende Verbindung zwischen der Feldelektrode und der zweiten Halbleiterzone wie der oben genannte Fortsatz der Feldelektrode ist bei dieser Variante nicht erforderlich.
  • Bei dieser zweiten Variante kann die dritte Halbleiterzone nahe an der zweiten Halbleiterzone, aber räumlich von dieser getrennt angeordnet sein. Es ist jedoch ebenso möglich, dass sich die zweite und die dritte Halbleiterzone bereichsweise überlagern.
  • Ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleiterbauelement, dessen Feldzonen-Feldelektroden-Struktur eine dritte Halbleiterzone als "Entladungszone" aufweist, kann in allen Anordnungen realisiert werden, in denen sich eine mit einer Feldzone elektrisch leitend verbundene Feldelektrode durch ein elektrisches Feld zwar aufladen, jedoch nach dessen Abschalten bzw. nach einer Änderung von dessen Stärke und/oder Ausrichtung nicht mehr entladen kann.
  • Ein Hauptanwendungsbereich für eine Feldzonen-Feldelektroden-Struktur mit Entladungszone findet sich in dem bereits eingangs beschriebenen Randbereich von Leistungshalbleiterbauelementen.
  • Des weiteren sind Feldzonen-Feldelektroden-Strukturen auch aus dem Innenbereich von lateralen Leistungshalbleiterbauelementen in SOI-Technik (SOI = Silicon On Insulator) bekannt, bei denen auf einem Halbleiterkörper durch eine Isolatorschicht getrennt eine Halbleiterschicht angeordnet ist. Die Halbleiterschicht weist in lateraler Richtung voneinander beabstandet eine erste und eine zweite Anschlusszone auf.
  • Bei einer Diode bilden diese Anschlusszonen Anode und Kathode und sind komplementär zueinander dotiert, während sie bei einem Feldeffekttransistor Source und Drain bilden und denselben Leitungstyp aufweisen.
  • An der Grenzfläche zu der Isolatorschicht ist in der ersten Halbleiterzone in lateraler Richtung zwischen der ersten und der zweiten Anschlusszone wenigstens eine komplementär zur ersten Halbleiterzone des Halbleiterkörpers dotierte dritte Halbleiterzone angeordnet. Der dritten Halbleiterzone gegenüberliegend ist auf der der Isolatorschicht abgewandten Seite der Halbleiterschicht eine von dieser isolierte Feldelektrode angeordnet, die mit der zweiten Halbleiterzone elektrisch leitend verbunden ist.
  • Auch hier kommt es an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper und der komplementär dazu dotierten zweiten Halbleiterzone zur Ausbildung einer Feldzonendiode, die ein Aufladen der Feldelektrode bei an das Leistungshalbleiterbauelement angelegter Sperrspannung über die zweite Halbleiterzone zulässt.
  • Um zu vermeiden, dass das Entladen der Einheit aus Feldelektrode und zweiter Halbleiterzone bei abgeschalteter Sperrspannung durch die dann in Sperrrichtung gepolte Feldzonendiode verhindert wird, ist eine komplementär zur zweiten Halbleiterzone dotierte dritte Halbleiterzone vorgesehen, die zum einen mit der Feldelektrode elektrisch leitend verbunden ist und zum anderen eine gemeinsame Grenzfläche mit der ersten Halbleiterzone aufweist.
  • Somit ist nach dem Abschalten der Sperrspannung ein Ladungsausgleich zwischen der Feldelektrode und der ersten Halbleiterzone über die dritte Halbleiterzone möglich.
  • Bei allen bisher erläuterten Anordnungen werden die zweiten und/oder dritten Halbleiterzonen bevorzugt durch eines der bekannten Dotierverfahren wie Thermische Diffusion oder Ionenimplantation im Halbleiterkörper erzeugt und sind somit in diesen eingebettet. Daraus ergibt sich eine typische Wannenform dieser Gebiete.
  • Häufig wird eine derartige Feldzonen-Feldelektroden-Struktur mit einer erfindungsgemäßen dritten Halbleiterzone bei Leistungshalbleiterbauelementen wie Dioden, MOSFETs, IGBTs, Thyristoren oder dergleichen eingesetzt, die eine hohe Sperrspannungsfestigkeit aufweisen, da hier das sich in der Raumladungszone ausbildende elektrische Feld und die damit einhergehenden elektrischen Spannungen besonders hoch sind.
  • Derartige Leistungshalbleiterbauelemente weisen wenigstens einen pn- oder Schottky-Übergang, d.h. einen Halbleiter-Halbleiter- bzw. einen Metall-Halbleiter-Übergang auf, der den Hauptübergang des Leistungshalbleiterbauelementes darstellt und an dem sich bei Anlegen einer Sperrspannung eine Raumladungszone ausbildet.
  • Ein Leistungshalbleiterbauelement lässt sich in einen Innenbereich und einen Randbereich unterteilen. Der Innenbereich umfasst den aktiven Bereich des Halbleiterkörpers, also dort, wo der Hauptübergang angeordnet ist, d.h. wo der Großteil des Stromes durch das das Leistungshalbleiterbauelement fließt. Entsprechend wird der nicht zum Innenbereich zählende Bereich des Halbleiterkörpers als Randbereich bezeichnet.
  • Eine Anordnung mit einer zweiten Halbleiterzone, einer Feldelektrode sowie einer dritten Halbleiterzone kann dabei so wohl im Randbereich als auch wie im Beispiel des SOI-Leistungshalbleiterbauelementes im Innenbereich angeordnet sein.
  • Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelementes sind anhand von Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 einen Abschnitt eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelementes gemäß dem Stand der Technik im Querschnitt,
  • 2 den Abschnitt des vertikalen Leistungshalbleiterbauelementes gemäß 1 nach dem Anlegen einer externen Spannung in Sperrrichtung im Querschnitt,
  • 3 den Abschnitt des vertikalen Leistungshalbleiterbauelementes gemäß 2 nach dem Abschalten der externen Spannung im Querschnitt,
  • 4 einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen vertikalen Leistungshalbleiterbauelementes mit einem Feldzonen-Feldelektroden-Paar sowie mit einer dritten Halbleiterzone im Querschnitt, wobei die Feldelektrode einen Fortsatz aufweist, der diese mit der zweiten Halbleiterzone verbindet,
  • 5 einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen vertikalen Leistungshalbleiterbauelementes mit einem Feldzonen-Feldelektroden-Paar sowie einer dritten Halbleiterzone im Querschnitt, wobei die zweite und dritte Halbleiterzone sowie die Feldelektrode paarweise eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen,
  • 6 einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen vertikalen Leistungshalbleiterbauelementes mit einem Feldzonen-Feldelektroden-Paar sowie einer dritten Halbleiter zone im Querschnitt, wobei die zweite und dritte Halbleiterzone jeweils eine gemeinsame Grenzfläche mit der Feldelektrode aufweisen, jedoch nicht unmittelbar miteinander kontaktiert sind,
  • 7 einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen vertikalen Leistungshalbleiterbauelementes mit mehreren Feldzonen-Feldelektroden-Paaren und jeweils einer dritten Halbleiterzone im Querschnitt,
  • 8 einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen lateralen Leistungshalbleiterbauelementes mit mehreren Feldzonen-Feldelektroden-Paaren und jeweils einer dritten Halbleiterzone im Querschnitt.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
    •
  • 4 zeigt einen Abschnitt eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelementes 10 im Querschnitt. Das Leistungshalbleiterbauelement 10 weist einen Halbleiterkörper 20 auf, der drei dotierte Halbleiterzonen 20a, 20b, 20c und 20d umfasst. Zwischen den Halbleiterzonen 20a und 20d ist ein Halbleiterübergang 23 ausgebildet, der den Hauptübergang des Leistungshalbleiterbauelementes 10 darstellt. Dieser ist im Innenbereich 40 des Leistungshalbleiterbauelementes 10 angeordnet. An den Innenbereich 40 schließt sich in lateraler Richtung der Randbereich 41 des Leistungshalbleiterbauelementes 10 an.
  • Dieser Randbereich 41 weist eine zweite Halbleiterzone 20b auf, die komplementär zu der ersten Halbleiterzone 20a dotiert ist und an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 20 angeordnet ist. Diese zweite Halbleiterzone 20b stellt eine Feldzone des Bauelements dar. Zwischen der ersten Halbleiterzone 20a und der zweiten Halbleiterzone 20b ist eine Feldzonendiode 33 gebildet.
  • An der Oberfläche des Halbleiterkörpers 20 ist im Bereich der zweiten Halbleiterzone 20b eine elektrisch gut leitende Feldelektrode 31 angeordnet. Sie ist durch einen Isolator 35 gegenüber dem Halbleiterkörper 20 isoliert. Die zweite Halbleiterzone 20b und die Feldelektrode 31 stehen miteinander in elektrisch leitendem Kontakt.
  • Zwischen der zweiten Halbleiterzone 20b und der metallischen Feldelektrode 31 ist eine dritte Halbleiterzone 20c angeordnet, die denselben Leitungstyp aufweist wie die erste Halbleiterzone 20a, jedoch höher als diese dotiert ist.
  • Diese dritte Halbleiterzone 20c weist gemeinsame Grenzflächen mit der ersten Halbleiterzone 20a, der zweiten Halbleiterzone 20b sowie der Feldelektrode 31 auf. An der Feldelektrode 31 ist ein Fortsatz 31a ausgebildet, der diese mit der zweiten Halbleiterzone 20b elektrisch leitend verbindet.
  • Geht das Leistungshalbleiterbauelement in den Sperrzustand über, so lädt sich die Feldzonen-Feldelektroden-Struktur 20b–31 über die in Durchlassrichtung gepolte Feldzonendiode 33 negativ auf.
  • Ein Aufladen der Feldelektrode 31 kann zudem über die dritte Halbleiterzone 20c erfolgen, wenn der zwischen der dritten Halbleiterzone 20c und der Feldelektrode 31 gebildete Kontakt eine Schottky-Diode darstellt, was von der Dotierung der Halbleiterzone 20c sowie dem Metall der Feldelektrode 31 abhängig ist.
  • Eine Schottky-Diode liegt dann vor, wenn die Austrittsarbeit der Elektronen aus dem Metall der Feldelektrode 31 größer ist als die Austrittsarbeit der Elektronen aus dem n+-dotierten Halbleitermaterial der dritten Halbleiterzone 20c.
  • Im Falle einer Schottky-Diode wird deren Kathode durch die dritte Halbleiterzone 20c und deren Anode durch die Feld elektrode 31 gebildet, so dass sich die Feldelektrode 31 über die dritte Halbleiterzone 20c nicht negativ aufladen kann.
  • Ist im anderen Fall keine Schottky-Diode ausgebildet, so besteht zwischen der Feldelektrode 31 und der dritten Halbleiterzone lediglich ein im wesentlichen Ohmscher Kontakt, so dass ein Aufladen der Feldzonen-Feldelektroden-Struktur 20b–31 auch über die dritte Halbleiterzone 20c möglich ist.
  • Eine durch Anlegen einer Sperrspannung negativ geladene Feldzonen-Feldelektroden-Struktur 20b–31 kann sich nach Abschalten dieser Sperrspannung nicht mehr über die jetzt in Sperrrichtung gepolte Feldzonendiode 33 entladen.
  • Jedoch ist eine Entladung der Feldzonen-Feldelektroden-Struktur 20b–31 durch einen Ladungsausgleich mit dem Halbleiterkörper 20 über die dritte Halbleiterzone 20c möglich, da der Metall-Halbleiter-Übergang zwischen der Feldelektrode 31 und der dritten Halbleiterzone 20c entweder einen Ohmschen Kontakt darstellt oder wie eine in Durchlassrichtung geschaltete Schottky-Diode wirkt.
  • Eine Beschädigung oder Zerstörung des Leistungshalbleiterbauelementes 10 wird somit in jedem Fall verhindert.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelementes ist in 5 dargestellt. Ebenso wie bei dem Bauelement nach 4 sind auch hier die zweite Halbleiterzone 20b, die Feldelektrode 31 und die dritte Halbleiterzone 20c paarweise miteinander kontaktiert, so dass dieselben elektrischen Verhältnisse vorliegen wie bei dem Bauelement nach 4.
  • Die geometrische Anordnung der zweiten Halbleiterzone 20b sowie der dritten Halbleiterzone 20c in Bezug auf die Feldelektrode 31 und den Halbleiterkörper 20 ist jedoch unterschiedlich.
  • Sowohl die zweite Halbleiterzone 20b als auch die dritte Halbleiterzone 20c beginnen an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 20 bzw. an dessen Grenzfläche zur Feldelektrode 31 oder zum Isolator 35 und reichen ein Stück weit in den Halbleiterkörper 20 hinein.
  • Des weiteren überlagern sich die zweite Halbleiterzone 20b und die dritte Halbleiterzone 20c, wobei letztere in lateraler Richtung über die zweite Halbleiterzone 20b hinausragt.
  • Die Herstellung dieser Anordnung erfolgt so, dass zunächst die zweite Halbleiterzone 20b und anschließend die dritte Halbleiterzone 20c in der Halbleiterschicht 20 erzeugt wird.
  • Bei dem in 6 gezeigten Beispiel sind die zweite 20b und dritte 20c Halbleiterzone voneinander beabstandet an einer Ober- bzw. Grenzfläche des Halbleiterkörpers 20 angeordnet und stehen nicht unmittelbar miteinander in Kontakt.
  • Das Aufladen der Feldzonen-Feldelektroden-Struktur 20b–31 durch das Anlegen einer externen Sperrspannung an das Leistungshalbleiterbauelement 10 erfolgt über die Feldzonendiode 33 und, sofern der Übergang zwischen der dritten Halbleiterzone 20c und der Feldelektrode 31 keine Schottky-Diode darstellt, über die dritte Halbleiterzone 20c, während das Entladen nach dem Abschalten der Sperrspannung ausschließlich über die dritte Halbleiterzone 20c erfolgt.
  • Somit ist auch bei dieser Anordnung das Leistungshalbleiterbauelement 10 vor einer Beschädigung oder Zerstörung infolge eines Spannungsdurchbruches durch auf der Feldzonen-Feldelektroden-Struktur 20b–31 verbliebene Ladungen geschützt.
  • Eine Anordnung mit mehreren Gruppen aus jeweils einer zweiten 20b und dritten 20c Halbleiterzone sowie einer Feldelektrode 31 ist in 7 anhand eines Querschnitts durch einen Ab schnitt eines vertikalen Leistungshalbleiterbauelementes 10 gezeigt.
  • An einen Innenbereich 40 eines Leistungshalbleiterbauelementes 10, in dem ein pn-Übergang gebildet ist, grenzt ein Randbereich 41 an, in dem zwei Paare aus je einer zweiten Halbleiterzone 20b und einer Feldelektrode 31 in lateraler Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind und jeweils eine dritte Halbleiterzone 20c aufweisen. Die Geometrie der einzelnen Gruppen entspricht der Geometrie der in 4 gezeigten Gruppe.
  • Bei allen erläuterten erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelementen 10 ist es möglich, die Dotierung der einzelnen Halbleitergebiete durch eine jeweils komplementäre Dotierung zu ersetzen, ohne die grundsätzliche Funktion des Bauelementes zu beeinträchtigen, wenn zugleich die Polarität der von außen angelegten Spannungen umgekehrt wird.
  • Um dies zu verdeutlichen, wurde die Dotierung der einzelnen Halbleitergebiete des in 7 gezeigten Leistungshalbleiterbauelementes 10 komplementär zu der Dotierung der jeweils entsprechenden Halbleitergebiete in 4 gewählt, d.h. eine n-Dotierung wurde durch eine p-Dotierung ersetzt und umgekehrt.
  • Betreffend eine mit einer dritten Halbleiterzone 20c versehenen Feldzonen-Feldelektroden-Struktur 20b–31 bedeutet dies insbesondere, dass sich die Polarität der Feldzonendiode 33 und die Polarität einer ggf. zwischen der Feldelektrode 31 und der dritten Halbleiterzone 20c ausgebildeten Schottky-Diode ebenfalls umkehrt.
  • Das erfindungsgemäße Prinzip lässt sich, wie in 8 anhand eines SOI-MOSFETs (SOI: Silicon On Insulator = Silizium auf Isolator) gezeigt, auch auf ein laterales Leistungshalbleiterbauelement 10 übertragen. Auf einem n–-dotierten Halb leiterkörper 20 ist hierbei eine Isolatorschicht 35 angeordnet, in die eine Halbleiterschicht 25 eingelagert ist. Die einzelnen Bereiche 25a, 25b, 25c der ebenfalls n–-dotierten Halbleiterschicht 25 sind zusammenhängend ausgebildet.
  • In der Halbleiterschicht 25 sind eine n+-dotierte erste 62 bzw. und zweite 63 Anschlusszone angeordnet, die die Source- bzw. Drain-Zone des MOSFETs bilden. Beide Zonen sind mit jeweils einen metallischen Kontakt 60 bzw. 61 elektrisch leitend verbunden.
  • Die Halbleiterschicht 25 weist zwischen der ersten 62 und der zweiten 63 Anschlusszone eine an die erste Anschlusszone 62 angrenzende, p-dotierte Kanalzone 65 auf. Von dieser beabstandet ist eine metallische Gateelektrode 64 zur Ansteuerung des MOSFETs in die Isolatorschicht 35 eingebettet.
  • Auf der dem Halbleiterkörper 20 abgewandten Seite der Isolatorschicht 35 sind metallische Feldelektroden 31 angeordnet, die Fortsätze 31a aufweisen, welche die Feldelektroden 31 mit in dem Halbleiterkörper 20 angeordneten, p-dotierten zweiten Halbleiterzonen 20b elektrisch leitend verbinden.
  • Die von einer Isolierung umgebenen Fortsätze 31a durchbrechen die Halbleiterschicht 25 nur an einzelnen, in der vorliegenden Ansicht gezeigten Stellen, so dass die Halbleiterschicht 25 ein zusammenhängendes Gebiet darstellt, in der sich die Driftzone des SOI-MOSFETs ausbilden kann.
  • Der ersten 62 bzw. zweiten 63 Halbleiterzone gegenüberliegend ist im Halbleiterkörper 20 jeweils eine p-dotierte Shieldzone 66 bzw. 67 angeordnet. Der Kontakt 60 der ersten Anschlusszone 62 ist neben der ersten Anschlusszone 62 über die Shieldzone 66 der ersten Anschlusszone 62 mit der ersten Halbleiterzone 20a elektrisch leitend verbunden, so dass die Raumladungszone auch dorthin übertragen wird.
  • Zwischen jeder zweiten Halbleiterzone 20b und der Isolatorschicht 35 ist jeweils eine n+-dotierte dritte Halbleiterzone 20c im Halbleiterkörper 20 angeordnet. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen kann auch hier nach dem Abschalten einer an den Kontakten 60 bzw. 61 der ersten bzw. zweiten Anschlusszone anliegenden Sperrspannung ein Ladungsausgleich zwischen den Feldelektroden 31 und der ersten Halbleiterzone 20a über die dritte Halbleiterzone 20c stattfinden.
    • 10
    Leistungshalbleiterbauelement
    20
    Halbleiterkörper
    20a
    Erste Halbleiterzone
    20b
    Zweite Halbleiterzone
    20c
    Dritte Halbleiterzone
    20d
    Hauptanschluss
    20e
    Raumladungszone
    25
    Halbleiterschicht
    23
    Hauptübergang
    31
    mit Feldzone gekoppelte Feldelektrode
    32
    mit Hauptanschluss kontaktierte Feldelektrode
    31a
    Fortsatz an der Feldelektrode
    33
    Feldzonendiode
    35
    Isolatorschicht
    40
    Innenbereich
    41
    Randbereich
    50
    Äquipotentiallinie
    60
    Kontakt der ersten Anschlusszone
    61
    Kontakt der zweiten Anschlusszone
    62
    Erste Anschlusszone
    63
    Zweite Anschlusszone
    64
    Gateelektrode
    65
    Kanalzone
    66
    Shieldzone der ersten Anschlusszone
    67
    Shieldzone der zweiten Anschlusszone

Claims (9)

  1. Leistungshalbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (20), der eine erste Halbleiterzone (20a) vom ersten Leitungstyp, eine zweite Halbleiterzone (20b) vom zweiten Leitungstyp und eine mit dieser elektrisch leitend verbundene Feldelektrode (31) aufweist, wobei zwischen der ersten Halbleiterzone (20a) und der zweiten Halbleiterzone (20b) ein pn-Übergang (33) ausgebildet ist, gekennzeichnet durch eine dritte Halbleiterzone (20c) vom ersten Leitungstyp, die eine gemeinsame Grenzfläche mit der ersten Halbleiterzone (20a) aufweist und die mit der Feldelektrode (31) elektrisch leitend verbunden ist.
  2. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Halbleiterzone (20b) und/oder die dritte Halbleiterzone (20c) wannenförmig in dem Halbleiterkörper (20) ausgebildet ist.
  3. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die dritte Halbleiterzone (20c) in lateraler Richtung wenigstens abschnittsweise über die Abmessungen der zweiten Halbleiterzone (20b) hinaus erstreckt.
  4. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen einen pn- oder Schottky-Übergang (23) umfassenden Innenbereich (40) und einen daran angrenzenden Randbereich (41), wobei die zweite Halbleiterzone (20b), die dritte Halbleiterzone (20c) und die Feldelektrode (31) im Randbereich (41) angeordnet sind.
  5. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen einen pn- oder Schottky-Übergang (23) umfassenden Innenbereich (40) und einen daran angrenzenden Randbereich (41), wobei das Paar bestehend aus der zweiten Halbleiterzone (20b) und einer Feldelektrode (31) im Innenbereich (40) angeordnet ist.
  6. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Halbleiterzone (20b) floatend ausgebildet ist.
  7. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Halbleiterzone (20b) als Feldring ausgebildet ist, der den Innenbereich (40) umschließt und/oder dass die Feldelektrode (31) als Feldplatte ausgebildet ist.
  8. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldelektrode (31) aus einem Metall oder einem hochdotiertem Halbleitermaterial gebildet ist.
  9. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungstyp p-leitend und der zweite Leitungstyp n-leitend oder der erste Leitungstyp n-leitend und der zweite Leitungstyp p-leitend ist.
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B.J. Baliga: "Power Semiconductor Devices", Verlag PWS Publishing Company, Boston, 1996, S. 101-102 *

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