DE102004007991B4 - Semiconductor switching element - Google Patents

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Abstract

Halbleiter-Schaltelement (5') mit: – einem Vorderseitenkontakt (11), – einem Rückseitenkontakt (12), – einem zwischen dem Vorderseitenkontakt (11) und dem Rückseitenkontakt (12) vorgesehenen Halbleitervolumen (13), das Source-Zonen (18) eines ersten Leitungstyps, Bodyzonen (17) eines zweiten Leitungstyps, und wenigstens eine Drift-/Drainzone (16) des ersten Leitungstyps aufweist, wobei die Source-Zonen (18), die Bodyzonen (17) und die Drift-/Drainzone (16) auf einem Substrat (15) des ersten Leitungstyps ausgebildet sind und einen Transistor bilden, und – einer in Serie zum Transistor geschalteten Verpolungsschutzdiode (7), die in Form – eines pn-Übergangs (14, 15) gebildet aus dem Substrat (15) und einer zwischen dem Substrat (15) und dem Rückseitenkontakt (12) eingefügten zusätzlichen Halbleiterzone (14) vom zweiten Leitungstyp oder in Form – einer Schottky-Diode gebildet aus dem Substrat (15) und dem Rückseitenkontakt (12) oder einer zwischen dem Substrat (15) und dem Rückseitenkontakt (12) eingefügten zusätzlichen Halbleiterzone (14) vom ersten Leitungstyp realisiert ist.Semiconductor switching element (5 ') comprising: - a front-side contact (11), - a rear-side contact (12), - a semiconductor volume (13) provided between the front-side contact (11) and the rear-side contact (12), the source zones (18) a first conductivity type, body zones (17) of a second conductivity type, and at least one drift / drain zone (16) of the first conductivity type, the source zones (18), the body zones (17) and the drift / drain zone (16) are formed on a substrate (15) of the first conductivity type and form a transistor, and - a polarity reversal protection diode (7) connected in series with the transistor, which is in the form of - a pn junction (14, 15) formed from the substrate (15) and an additional semiconductor region (14) of the second conductivity type inserted between the substrate (15) and the backside contact (12); a Schottky diode formed of the substrate (15) and the rear contact (12) or between the substrate (15 ) and the back contact (12) inserted additional semiconductor zone (14) of the first conductivity type is realized.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Schaltelement.The invention relates to a semiconductor switching element.

Halbleiter-Schaltelemente werden heutzutage vermehrt in Automobilen eingesetzt, beispielsweise beim Schalten von Motoren zum Anheben oder Absenken der Fensterscheiben. Die Motoren stellen schaltungstechnisch betrachtet ohmsch-induktive Lasten dar, die in der Induktivität elektrische Energie speichern. Beim Abschalten der Motoren tritt eine hohe thermische Belastung des Halbleiter-Schaltelements auf, da die in dem induktiven Teil der Last gespeicherte Energie im Halbleiter-Schaltelement in Wärme umgesetzt wird.Semiconductor switching elements are increasingly used in automobiles today, for example when switching motors for raising or lowering the window panes. In terms of circuitry, the motors represent ohmic-inductive loads which store electrical energy in the inductance. When switching off the motors, a high thermal load of the semiconductor switching element occurs because the energy stored in the inductive part of the load is converted into heat in the semiconductor switching element.

Zur Begrenzung der thermischen Belastung ist es bekannt, in den Stromkreis, in den die induktive Last sowie das Halbleiter-Schaltelement integriert sind, eine Freilaufdiode aufzunehmen, die antiparallel zur induktiven Last geschaltet ist. Die Freilaufdiode setzt die in der Induktivität der Last gespeicherte Energie nach Öffnen des Halbleiter-Schaltelements (das heißt nach Unterbrechung des Stromkreises) anstelle des Halbleiter-Schaltelements in Wärme um.To limit the thermal load, it is known in the circuit in which the inductive load and the semiconductor switching element are integrated to include a freewheeling diode, which is connected in anti-parallel to the inductive load. The freewheeling diode converts the energy stored in the inductance of the load into heat after opening the semiconductor switching element (that is, after breaking the circuit) instead of the semiconductor switching element.

Der Umsetzungsprozess von elektrischer Energie in Wärme erfolgt in einer Freilaufdiode über einen relativ langen Zeitraum, verglichen zu einem entsprechenden Umsetzungsprozess in einem Halbleiter-Schaltelement. Dies hat den Vorteil, dass kein übermäßig großer ”Wärmepuffer” (Halbleitervolumen) innerhalb der Freilaufdiode erforderlich ist, die Abmessungen der Freilaufdiode können kompakt gehalten werden.The conversion process of electrical energy into heat takes place in a freewheeling diode over a relatively long period of time, compared to a corresponding conversion process in a semiconductor switching element. This has the advantage that no excessively large "heat buffer" (semiconductor volume) is required within the freewheeling diode, the dimensions of the freewheeling diode can be kept compact.

Bei Verzicht auf die Freilaufdiode muss zum Umwandeln der in der Induktivität der Last gespeicherten Energie in Wärme das Halbleiter-Schaltelement entweder in einen ”Avalanche”-Zustand getrieben werden, was das Halbleiter-Schaltelement stark beanspruchen würde, oder ein ”Clamping” auf dem Gatekontakt erfolgen, was die am Halbleiter-Schaltelement anliegende Spannung auf einen Wert begrenzen würde, der unterhalb der Sperrfähigkeit des Halbleiter-Schaltelements läge.In the absence of the freewheeling diode, to convert the energy stored in the inductance of the load into heat, the semiconductor switching element must either be driven into an "avalanche" state, which would severely stress the semiconductor switching element, or a "clamp" on the gate contact occur, which would limit the voltage applied to the semiconductor switching element to a value which would be below the blocking capability of the semiconductor switching element.

Der Einsatz einer Freilaufdiode hat, wie bereits erwähnt, den Vorteil, dass eine hohe thermische Belastung des Halbleiter-Schaltelements vermieden werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass die aus ohmsch-induktiver Last, Freilaufdiode und Halbleiter-Schaltelement bestehende Schaltungsanordnung nicht mehr sicher gegenüber eine Verpolung einer Strom-/Spannungsversorgung ist, was im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 näher erläutert werden soll.The use of a freewheeling diode has, as already mentioned, the advantage that a high thermal load of the semiconductor switching element can be avoided. The disadvantage, however, is that the existing ohmic-inductive load, freewheeling diode and semiconductor switching element circuit is no longer safe against reverse polarity of a power / voltage supply, which hereinafter with reference to 1 will be explained in more detail.

DE 195 02 731 C2 betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verpolsicherung bei Halbleiterschaltungen und ist dadurch gekennzeichnet, dass ein MOS-Transistor, der in einem p- oder n-Substrat aufgebaut ist, mit der zu versorgenden Schaltung in Reihe geschaltet ist, und dass diejenige Elektrode des MOS-Transistors als äußere Anschlusselektrode dient, die wenigstens in Höhe der Betriebsspannung negativ gegenüber einem p-Substrat bzw. positiv gegenüber einem n-Substrat sein darf. DE 195 02 731 C2 relates to a circuit arrangement for reverse polarity protection in semiconductor circuits and is characterized in that a MOS transistor which is constructed in a p- or n-substrate is connected in series with the circuit to be supplied, and that the electrode of the MOS transistor as the outer Terminal electrode is used, which may be negative at least in the amount of operating voltage to a p-type substrate or positive to an n-type substrate.

DE 100 38 968 A1 betrifft eine Schaltungsanordnung, die ein Halbleiterschaltelement, das in einem ersten Halbleiterkörper integriert ist, und ein dazu in Reihe geschaltetes weiteres Halbleiterbauelement, das in einem zweiten Halbleiterkörper integriert ist, aufweist, wobei der zweite Halbleiterkörper auf einem Kühlkörper angeordnet ist und dass der erste Halbleiterkörper auf dem zweiten Halbleiterkörper angeordnet ist. DE 100 38 968 A1 relates to a circuit arrangement which has a semiconductor switching element which is integrated in a first semiconductor body and a further semiconductor component connected in series therewith, which is integrated in a second semiconductor body, wherein the second semiconductor body is arranged on a heat sink and in that the first semiconductor body the second semiconductor body is arranged.

Aus der Druckschrift US 5 349 230 A ist ein Hochgeschwindigkeitstransistor bekannt, dessen Emitter- und Kollektoranschluss parallel zu einer Hochgeschwindigkeitsdiode und parallel zu einer Konstantspannungsdiode geschaltet ist.From the publication US 5,349,230 For example, a high-speed transistor is known whose emitter and collector terminals are connected in parallel with a high-speed diode and in parallel with a constant-voltage diode.

Aus der Druckschrift EP 0 862 220 A1 ist ein IGBT bekannt, der in Parallelschaltung zu einer induktiven Last eine Freilaufdiode aufweist.From the publication EP 0 862 220 A1 For example, an IGBT is known which has a free-wheeling diode in parallel with an inductive load.

1 zeigt eine herkömmliche Schaltungsanordnung 1 mit einem Stromkreis 2, in den eine (ohmsch-induktive) Last 3 und eine Strom-/Spannungsquelle 4 zur Strom-/Spannungsversorgung der Last 3 geschaltet sind. Weiterhin ist in den Stromkreis 2 ein Halbleiter-Schaltelement 5 zum Öffnen und Schließen des Stromkreises 2 geschaltet. Zur Umsetzung von in der Last 3 gespeicherten Energie in Wärme ist eine Freilaufdiode 6 antiparallel zur Last 3 geschaltet. 1 shows a conventional circuit arrangement 1 with a circuit 2 , in which a (ohmic-inductive) load 3 and a power source 4 to the current / voltage supply of the load 3 are switched. Furthermore, in the circuit 2 a semiconductor switching element 5 for opening and closing the circuit 2 connected. To implement in the load 3 stored energy in heat is a freewheeling diode 6 antiparallel to the load 3 connected.

Im Falle einer Verpolung der Strom-/Spannungsquelle 4 bestünde zwischen den Polen der Strom-/Spannungsquelle 4 ein über die Freilaufdiode 6 verlaufender niederohmiger Strompfad, der die Last 3, die den Strom begrenzt, überbrücken würde. Um dieses Problem zu umgehen, wird normalerweise eine Verpolungs-Schutzdiode (hier nicht gezeigt) zum Schutz des Halbleiter-Schaltelements 5 gegenüber einer Verpolung der Strom-/Spannungsquelle 4 in Serie zum Halbleiter-Schaltelement 5 in den Stromkreis 2 geschaltet. Die Verpolungs-Schutzdiode muss hierbei auf den vollen Laststrom dimensioniert werden, benötigt also zusätzliche Fläche auf einer Platine, auf der die Schaltungsanordnung 1 (oder Teile davon) aufgebracht ist. Weiterhin muss für eine gute thermische ”Anbindung” der Verpolungs-Schutzdiode an die Umgebung gesorgt werden, um in der Verpolungs-Schutzdiode erzeugte Verlustwärme effektiv nach außen abgeben zu können.In case of reverse polarity of the current / voltage source 4 would exist between the poles of the current / voltage source 4 on via the freewheeling diode 6 running low-impedance current path, the load 3 that limits the current would bypass. To circumvent this problem, a reverse polarity protection diode (not shown) is normally used to protect the semiconductor switching element 5 opposite a reverse polarity of the current / voltage source 4 in series with the semiconductor switching element 5 in the circuit 2 connected. The reverse polarity protection diode must be dimensioned to the full load current, so requires additional area on a board on which the circuit arrangement 1 (or parts thereof) is applied. Furthermore, a good thermal "connection" of the reverse polarity protection diode to the environment must be provided in order to in the reverse polarity protection diode generated heat loss can effectively be released to the outside.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, ein Halbleiter-Schaltelement anzugeben, die einen effektiven Schutz des Halbleiter-Schaltelements gegenüber einer Verpolung der Strom-/Spannungsquelle ermöglichen, ohne dass im Gegenzug Nachteile in Kauf genommen werden müssten, die das Vorsehen einer Verpolungs-Schutzdiode normalerweise mit sich bringt.The object underlying the invention is to provide a semiconductor switching element that allow effective protection of the semiconductor switching element with respect to a reverse polarity of the current / voltage source, without in return disadvantages would have to be accepted, the provision of a reverse polarity protection diode usually brings with it.

Zur Lösung der Aufgabe stellt die Erfindung ein Halbleiter-Schaltelement gemäß Patentanspruch 1 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.To achieve the object, the invention provides a semiconductor switching element according to claim 1 ready. Advantageous embodiments and developments of the inventive concept can be found in the subclaims.

Eine das erfindungsgemäße Halbleiter-Schaltelement umfassende Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass in einen Stromkreis:

  • – eine Last und eine Strom-/Spannungsquelle zur Strom-/Spannungsversorgung der Last,
  • – ein Halbleiter-Schaltelement zum Öffnen und Schließen des Stromkreises,
  • – eine antiparallel zur Last geschaltete Freilaufdiode zur Umsetzung von in der Last gespeicherten Energie in Wärme, und
  • – eine Verpolungs-Schutzdiode zum Schutz des Halbleiter-Schaltelements gegenüber einer Verpolung der Strom-/Spannungsquelle
geschaltet sind. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, dass die Verpolungs-Schutzdiode in das Halbleiter-Schaltelement in Form eines zusätzlichen pn-Übergangs integriert ist. Alternativ kann die Verpolungs-Schutzdiode auch in Form einer Schottky-Diode (eines zusätzlichen Schottky-Kontakts) in das Halbleiter-Schaltelement integriert sein.A circuit arrangement comprising the semiconductor switching element according to the invention is characterized in that in a circuit:
  • A load and a current / voltage source for supplying power to the load,
  • A semiconductor switching element for opening and closing the circuit,
  • A freewheeling diode connected in antiparallel to the load for converting energy stored in the load into heat, and
  • - A reverse polarity protection diode for protecting the semiconductor switching element with respect to a reverse polarity of the current / voltage source
are switched. An essential aspect of the invention is that the reverse polarity protection diode is integrated into the semiconductor switching element in the form of an additional pn junction. Alternatively, the reverse polarity protection diode may also be integrated in the semiconductor switching element in the form of a Schottky diode (additional Schottky contact).

Die Erfindung lässt sich sowohl mit einem Leistungstransistor als auch mit einer integrierten Schaltung integrieren, die beispielsweise einen Leistungstransistor nebst zugehöriger Ansteuerelektronik und Signalverarbeitung enthält.The invention can be integrated with both a power transistor and an integrated circuit, which contains, for example, a power transistor together with associated control electronics and signal processing.

Das erfindungsgemäße Halbleiter-Schaltelement kann sehr kompakt gehalten werden und ermöglicht gleichzeitig eine gute thermische Anbindung der Verpolungs-Schutzdiode an die Umgebung. Damit ist eine kostengünstige, effektive und verpolungssichere Schaltungsanordnung realisierbar. Die Erfindung lässt sich insbesondere auf ”High-Side”-Schalter vorteilhaft anwenden. High-Side-Schalter zeichnen sich dadurch aus, dass sie zwischen einer Strom-/Spannungsversorgung und dem einen elektrischen Anschluss einer Last, deren anderer Anschluss sich auf einem Erd- bzw. Massepotenzial befindet, liegen.The semiconductor switching element according to the invention can be kept very compact while allowing a good thermal connection of the reverse polarity protection diode to the environment. For a cost-effective, effective and reverse polarity protected circuit arrangement can be realized. The invention can be used advantageously in particular on "high-side" switches. High-side switches are characterized by the fact that they lie between a power supply and the one electrical connection of a load whose other connection is at a ground or ground potential.

Um die Abmessungen der Schaltungsanordnung weiter zu reduzieren, kann die Freilaufdiode auf/unter dem Halbleiter-Schaltelement angebracht werden. Beispielsweise lässt sich die Freilaufdiode in Form einer Chip-on-Chip-Anordnung auf einer Source-Zone der Schaltungsanordnung anbringen. Da in den meisten Applikationen der Stromfluss durch die Freilaufdiode, verglichen zum Stromfluss durch das Halbleiter-Schaltelement, nur über einen kurzen Zeitraum hinweg erfolgt (beispielsweise wird bei einer Schaltungsanordnung für Fensterheber das Halbleiter-Schaltelement während des Anhebens des Fensters (Halbleiter-Schaltelement geschlossen) wesentlich länger belastet als die Freilaufdiode nach Öffnen des Halbleiter-Schaltelements), ist es zum Abführen der in der Freilaufdiode erzeugten Verlustwärme ausreichend, die Freilaufdiode im Vergleich zu dem darunter/darüber liegenden Halbleiter-Schaltelement sehr kompakt zu bemessen.In order to further reduce the dimensions of the circuit arrangement, the freewheeling diode can be mounted on / below the semiconductor switching element. For example, the free-wheeling diode can be mounted in the form of a chip-on-chip arrangement on a source zone of the circuit arrangement. Since in most applications, the current flow through the freewheeling diode, compared to the current flowing through the semiconductor switching element, takes place only over a short period of time (for example, in a circuit for window regulator, the semiconductor switching element during the raising of the window (semiconductor switching element closed) charged much longer than the freewheeling diode after opening the semiconductor switching element), it is sufficient for dissipating the heat loss generated in the freewheeling diode, the free-wheeling diode compared to the underlying / overlying semiconductor switching element very compact.

Das Halbleiter-Schaltelement kann eine beliebige Ausgestaltung aufweisen, also beispielsweise in Form eines MOS-Leistungstransistors mit planaren Zellen oder auch Trench-Zellen realisiert sein. Die Driftzone eines solchen MOS-Leistungstransistors kann dabei als homogen dotiertes Gebiet bzw. schichtweise homogen dotiertes Gebiet oder als teilweise bzw. vollständig kompensiertes Gebiet mit alternierenden n- und p-dotierten Säulen ausgeführt werden.The semiconductor switching element may have any desired configuration, that is to say be implemented, for example, in the form of a MOS power transistor with planar cells or even trench cells. The drift zone of such a MOS power transistor can be embodied as a homogeneously doped region or layer-wise homogeneously doped region or as a partially or completely compensated region with alternating n- and p-doped columns.

Das Halbleiter-Schaltelement ist vorzugsweise als Transistor mit vertikalem Aufbau ausgestaltet. In diesem Fall weist das Halbleiter-Schaltelement einen Vorderseitenkontakt, einen Rückseitenkontakt und ein dazwischen angeordnetes Halbleitervolumen auf, wobei sich der zusätzliche pn-Übergang innerhalb des Halbleitervolumens vorzugsweise nahe des Rückseitenkontakts befindet.The semiconductor switching element is preferably designed as a transistor with a vertical structure. In this case, the semiconductor switching element has a front-side contact, a back-side contact, and a semiconductor volume disposed therebetween, wherein the additional pn-junction within the semiconductor volume is preferably near the backside contact.

Beispielsweise kann das Halbleiter-Schaltelement als MOSFET, insbesondere als n-Kanal bzw. p-Kanal-MOSFET mit Sourcezonen eines ersten Leitungstyps, Bodyzonen eines zweiten Leitungstyps, und wenigstens einer Drift-/Drainzone des ersten Leitungstyps realisiert sein, wobei die Sourcezonen, Bodyzonen und die Drift-/Drainzonen auf einem Substrat des ersten Leitungstyps aufgebracht sind, und die Verpolungs-Schutzdiode in Form einer zusätzlichen Halbleiterzone vom zweiten Leitungstyp, die zwischen dem Substrat und dem Rückseitenkontakt vorgesehen ist, realisiert ist. Eine derartige Halbleiter-Schichtstruktur ist von IGBTs bekannt. Im Gegensatz zu diesen Bauelementen werden erfindungsgemäß die Dicken bzw. Dotierstoffkonzentrationen des Substrats und der zusätzlichen Halbleiterzone vorteilhafterweise so gewählt, dass eine Injektion von Ladungsträgern in das Substrat bzw. in das Drift-/Draingebiet verhindert werden kann. Auf diese Weise kann einer zusätzlichen Abschaltverzögerung und zusätzlichen Abschaltverlusten des Halbleiter-Schaltelements entgegengewirkt werden. Allgemein ist zur Verhinderung einer oben beschriebenen Ladungsträger-Injektion eine entsprechend hohe Dotierung des Substrats vorteilhaft. Außerdem sollte die Dicke des Substrats deutlich größer sein als beispielsweise die Dicke von Pufferschichten bei bekannten PT-IGBTs (Punch Through-IGBT), die sich normalerweise in der Größenordnung von einigen μm bis wenigen 10 μm bewegt. Bevorzugte Substratdicken liegen zwischen etwa 40 μm und 200 μm. Beispielsweise kann bei einer Substratdicke von 100 μm eine Substrat-Dotierstoffdosis von etwa 8 × 1016/cm2 verwendet werden, wobei schon alleine eine derartige Dosiswahl eine weitreichende Injektion von Ladungsträgern in das Substrat verhindern sollte. Die Dotierstoffdosis der zusätzlichen Halbleiterzone wird in diesem Beispiel auf etwa 6 × 1019/cm2 gesetzt. Eine Injektion von Ladungsträgern kann vernachlässigt werden, wenn die Dotierstoffdosis des Emitters kleiner ist als die des Gebiets, in welches die Ladungsträger injiziert werden. Wenn die Verpolungsschutzdiode als Schottky-Diode ausgeführt ist, kann man die Injektion von Ladungsträgern vollständig vernachlässigen bzw. ausschließen.For example, the semiconductor switching element can be implemented as a MOSFET, in particular as an n-channel or p-channel MOSFET with source zones of a first conductivity type, body zones of a second conductivity type, and at least one drift / drain zone of the first conductivity type, wherein the source zones, body zones and the drift / drain regions are deposited on a substrate of the first conductivity type, and the reverse polarity protection diode is realized in the form of an additional semiconductor region of the second conductivity type provided between the substrate and the backside contact. Such a semiconductor layer structure is known from IGBTs. In contrast to these components, according to the invention, the thicknesses or dopant concentrations of the substrate and the additional semiconductor zone are advantageously chosen such that an injection of charge carriers into the substrate or into the drift / drain region can be prevented. In this way, an additional Shutdown delay and additional shutdown losses of the semiconductor switching element can be counteracted. In general, to prevent a charge carrier injection described above, a correspondingly high doping of the substrate is advantageous. In addition, the thickness of the substrate should be significantly greater than, for example, the thickness of buffer layers in known PT-IGBTs (punch-through IGBT), which normally moves in the order of a few microns to a few 10 microns. Preferred substrate thicknesses are between about 40 microns and 200 microns. For example, with a substrate thickness of 100 μm, a substrate dopant dose of about 8 × 10 16 / cm 2 may be used, even such a dose selection alone should prevent a far-reaching injection of charge carriers into the substrate. The dopant dose of the additional semiconductor zone is set at about 6 × 10 19 / cm 2 in this example. An injection of charge carriers can be neglected if the dopant dose of the emitter is smaller than that of the region into which the charge carriers are injected. If the reverse protection diode is designed as a Schottky diode, the injection of charge carriers can be completely neglected or excluded.

Weiterhin ist es möglich, die Ladungsträger-Lebensdauer lokal zu begrenzen bzw. abzusenken. Bei sehr langsam abschaltenden Schaltungs-Applikationen kann eine Ladungsträger-Injektion durch den rückseitigen pn-Übergang je nach Applikation auch toleriert werden.Furthermore, it is possible to locally limit or lower the charge carrier lifetime. For very slowly switching off circuit applications, carrier injection can also be tolerated by the back pn junction, depending on the application.

Da eine hohe Dotierung des Substrats bzw. der zusätzlichen Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps eine Reduzierung der Sperrfähigkeit desselben bewirkt, ist es vorteilhaft, zur Sicherstellung der geforderten Rückwärts-Sperrfähigkeit des Halbleiter-Schaltelements im unteren, der zusätzlichen Halbleiterzone zugewandten Teil des Substrats/im oberen, dem Substrat zugewandten Teil der zusätzlichen Halbleiterzone wenigstens ein dotiertes bzw. intrinsisches Gebiet vorzusehen, dessen Dotierung geringer ist als die des Rests des Substrats/der zusätzlichen Halbleiterzone. Diese Gebiete können durch Einführen von zusätzlichem Dotierstoff vom zweiten/ersten Leitungstyp (Gegendotierung) erzeugt werden. Der zusätzliche Dotierstoff kann die hohe Dotierung des Substrats/der zusätzlichen Halbleiterzone entweder teilweise kompensieren oder leicht überdotieren. In beiden Fällen reduziert sich die elektrisch wirksame Netto-Dotierung, die Sperrfähigkeit des zusätzlichen pn-Übergangs wird insgesamt verbessert. Vorteilhafterweise wird zur Reduzierung des Kontaktwiderstands im unteren, dem Rückseitenkontakt des Halbleiter-Schaltelements zugewandten Teil der zusätzlichen Halbleiterzone ein dotiertes Gebiet (vorzugsweise mit Dotierstoff des zweiten Leitungstyps) vorgesehen, dessen Dotierung höher ist als die des Rests der zusätzlichen Halbleiterzone. Im Fall einer als Schottky-Diode ausgeführten Verpolungsschutzdiode muss der rückwärtige Teil des Substrats eine hinreichend niedrige effektive n-Dotierung aufweisen, um die nötige Sperrfähigkeit in Verbindung mit dem gewählten, den Schottky-Kontakt bildenden Metall auf der Rückseite zu erreichen.Since a high doping of the substrate or the additional semiconductor zone of the second conductivity type causes a reduction in the blocking capability thereof, it is advantageous to ensure the required reverse blocking capability of the semiconductor switching element in the lower, the additional semiconductor zone facing part of the substrate / in the upper the substrate facing portion of the additional semiconductor region to provide at least one doped or intrinsic region whose doping is less than that of the rest of the substrate / the additional semiconductor zone. These regions can be generated by introducing additional dopant of the second / first conductivity type (counter-doping). The additional dopant may either partially compensate or slightly over-saturate the high doping of the substrate / additional semiconductor region. In both cases, the electrically effective net doping is reduced, the blocking capability of the additional pn junction is improved overall. Advantageously, in order to reduce the contact resistance in the lower part of the additional semiconductor zone facing the rear side contact of the semiconductor switching element, a doped region (preferably with dopant of the second conductivity type) is provided whose doping is higher than that of the remainder of the additional semiconductor zone. In the case of a reverse bias diode designed as a Schottky diode, the back of the substrate must have a sufficiently low effective n-type doping to provide the necessary blocking capability in conjunction with the selected Schottky contact-forming metal on the back.

Optional kann auf/unter dem Halbleiter-Schaltelement bzw. auf der Freilaufdiode ein Halbleiterelement bzw. eine Halbleiter-Schaltungsanordnung zur Steuerung des Halbleiter-Schaltelements vorgesehen sein.Optionally, a semiconductor element or a semiconductor circuit arrangement for controlling the semiconductor switching element may be provided on / below the semiconductor switching element or on the freewheeling diode.

Die Verpolungs-Schutzdiode bzw. die Freilaufdiode können beispielsweise pn- bzw. pin-Dioden, Schottky-Dioden oder SiC-Dioden sein. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.The reverse polarity protection diode or the freewheeling diode can be, for example, pn or pin diodes, Schottky diodes or SiC diodes. However, the invention is not limited thereto.

Die Erfindung stellt weiterhin ein Halbleiter-Schaltelement bereit, das einen Vorderseitenkontakt, einen Rückseitenkontakt, und ein zwischen Vorderseitenkontakt und Rückseitenkontakt vorgesehenes Halbleitervolumen aufweist. Das Halbleiter-Schaltelement zeichnet sich durch eine Verpolungs-Schutzdiode aus, die in Form eines zusätzlichen pn-Übergangs oder in Form eines zusätzlichen Schottky-Kontakts in der Nähe des Rückseitenkontakts vorgesehen ist.The invention further provides a semiconductor switching element having a front-side contact, a back-side contact, and a semiconductor volume provided between front-side contact and back-to-back contact. The semiconductor switching element is characterized by a reverse polarity protection diode, which is provided in the form of an additional pn junction or in the form of an additional Schottky contact in the vicinity of the rear side contact.

Vorteilhafterweise ist auf/unter dem Halbleiter-Schaltelement eine Freilaufdiode angebracht.Advantageously, a freewheeling diode is mounted on / below the semiconductor switching element.

Wie bereits erwähnt, kann das Halbleiter-Schaltelement beliebig ausgestaltet sein, also beispielsweise in Form eines Schaltelements mit planarem Aufbau, Trenchaufbau, CoolMOS-Aufbau bzw. eines Schaltelements mit einer Kombination derartiger Aufbauten realisiert sein.As already mentioned, the semiconductor switching element can be configured as desired, that is, for example, be realized in the form of a switching element with a planar structure, a trench structure, a CoolMOS structure or a switching element with a combination of such structures.

Das Halbleiter-Schaltelement ist vorzugsweise als n- bzw. p-Kanal-MOSFET realisiert, dessen Halbleitervolumen Sourcezonen eines ersten Leitungstyps, Bodyzonen eines zweiten Leitungstyps, und wenigstens eine Drift-/Drainzone des ersten Leitungstyps aufweist, wobei die Sourcezonen, Bodyzonen und die Drift-/Drainzonen auf einem Substrat des ersten Leitungstyps aufgebracht sind, und die Verpolungs-Schutzdiode in Form einer zusätzlichen Halbleiterzone vom zweiten Leitungstyp, die zwischen dem Substrat und dem Rückseitenkontakt vorgesehen ist, realisiert ist.The semiconductor switching element is preferably realized as n- or p-channel MOSFET whose semiconductor volume source zones of a first conductivity type, body zones of a second conductivity type, and at least one drift / drain zone of the first conductivity type, wherein the source zones, body zones and the drift / Drain zones are applied to a substrate of the first conductivity type, and the reverse bias protection diode in the form of an additional semiconductor zone of the second conductivity type, which is provided between the substrate and the backside contact, realized.

Die dotierten beziehungsweise intrinsischen Gebiete des Substrats/der zusätzlichen Halbleiterzone können beispielsweise durch Implantationsprozesse oder durch epitaktische Abscheideprozesse erzeugt werden.The doped or intrinsic regions of the substrate / the additional semiconductor zone can be produced for example by implantation processes or by epitaxial deposition processes.

Im unteren, dem Rückseitenkontakt des Halbleiter-Schaltelements zugewandten Teil der zusätzlichen Halbleiterzone kann vorteilhafterweise ein dotiertes Gebiet vorgesehen sein, dessen Dotierung höher ist als die des Rests der zusätzlichen Halbleiterzone, um den Kontaktwiderstand zu reduzieren. Dieses Gebiet kann bezogen auf die Gesamtdicke der zusätzlichen Halbleiterzone eine relativ geringe Eindringtiefe besitzen.In the lower, the rear side contact of the semiconductor switching element facing part of additional semiconductor zone can advantageously be provided a doped region whose doping is higher than that of the remainder of the additional semiconductor zone in order to reduce the contact resistance. This area can have a relatively small penetration depth relative to the total thickness of the additional semiconductor zone.

Auf oder unter dem Halbleiter-Schaltelement bzw. auf der Freilaufdiode kann ein Halbleiterelement bzw. eine Halbleiter-Schaltanordnung zur Steuerung des Halbleiter-Schaltelements vorgesehen sein, beispielsweise ein Temperatursensor, der das Halbleiter-Schaltelement im Falle einer zu hohen Temperatur innerhalb des Halbleiter-Schaltelements abschaltet.On or under the semiconductor switching element or on the freewheeling diode, a semiconductor element or a semiconductor switching device for controlling the semiconductor switching element may be provided, for example, a temperature sensor, the semiconductor switching element in the case of too high a temperature within the semiconductor switching element off.

Die weiter oben getätigten Aussagen bezüglich der Ausgestaltung des in die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung integrierten Halbleiter-Schaltelements gelten hier analog.The statements made above regarding the design of the semiconductor switching element integrated in the circuit arrangement according to the invention apply here analogously.

Alle oben getätigten Aussagen bezüglich der Ausgestaltung/Dotierung des zusätzlichen pn-Übergangs (zusätzliche Halbleiterschicht) gelten analog auch für andere Schaltelement-Aufbauten, beispielsweise Trench-Schatlemente, CoolMOS-Schaltelemente, etc, die hier nicht explizit diskutiert werden.All statements made above regarding the design / doping of the additional pn junction (additional semiconductor layer) apply analogously to other circuit element structures, for example trench elements, CoolMOS switching elements, etc., which are not explicitly discussed here.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying figures in an exemplary embodiment. Show it:

1 eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik, die nicht verpolungssicher ist; 1 a circuit arrangement according to the prior art, which is not reverse polarity protected;

2 eine verpolungssichere Schaltungsanordnung mit einem erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltelement; 2 a reverse polarity protected circuit arrangement with a semiconductor switching element according to the invention;

3a eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltelements mit zusätzlichem pn-Übergang in Querschnittsdarstellung; 3a a preferred embodiment of a semiconductor switching element according to the invention with additional pn junction in cross-sectional view;

3b eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltelements mit zusätzlichem Schottky-Kontakt in Querschnittsdarstellung; 3b a preferred embodiment of a semiconductor switching element according to the invention with additional Schottky contact in cross-sectional view;

4 eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltelements mit darauf angeordneter Freilaufdiode in Querschnittsdarstellung; 4 a further preferred embodiment of a semiconductor switching element according to the invention arranged thereon freewheeling diode in a cross-sectional view;

5 Simulationsergebnisse bezüglich einer Erwärmung der in das erfindungsgemäße Halbleiter-Schaltelement integrierten Verpolungs-Schutzdiode; 5 Simulation results relating to a heating of the reverse polarity protection diode integrated in the semiconductor switching element according to the invention;

6 Dotierstoffkonzentrations-Beispielprofil für eine (teilweise) gegendotierte Struktur in einem erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltelement. 6 Dopant concentration example profile for a (partially) counter-doped structure in a semiconductor switching element according to the invention.

In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilgruppen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.In the figures, identical or corresponding components or component groups are identified by the same reference numerals.

Auf die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung wurde bereits in der Beschreibungseinleitung eingegeben, deshalb wird diese hier nicht nochmals erläutert.On the in 1 The circuit arrangement shown has already been entered in the introduction to the description, so this will not be explained again here.

Die in 2 gezeigte Schaltungsanordnung 1' unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 1 lediglich dadurch, dass in das Halbleiter-Schaltelement 5' eine Verpolungs-Schutzdiode 7 integriert ist.In the 2 shown circuit arrangement 1' is different from the one in 1 shown circuit arrangement 1 only in that in the semiconductor switching element 5 ' a reverse polarity protection diode 7 is integrated.

Im Folgenden soll nun unter Bezugnahme auf 3a eine bevorzugte Ausführungsform des in 2 gezeigten Halbleiter-Schaltelements 5' näher erläutert werden.The following is now with reference to 3a a preferred embodiment of the in 2 shown semiconductor switching element 5 ' be explained in more detail.

Ein Halbleiter-Schaltelement 5' (hier ein MOSFET) weist einen Vorderseitenkontakt 11, einen Rückseitenkontakt 12 und ein zwischen Vorder- und Rückseitenkontakt 11, 12 angeordnetes Halbleitervolumen 13 auf. Das Halbleitervolumen weist eine erste p-dotierte Halbleiterschicht 14, eine darauf angeordnete n+-dotierte zweite Halbleiterschicht 15, und eine auf der zweiten Halbleiterschicht 15 angeordnete n–-dotierte dritte Halbleiterschicht 16 (evtl. auch Säulenstruktur) auf. Die zweite Halbleiterschicht 15 stellt hierbei das Trägersubstrat, und die dritte Halbleiterschicht 16 ein Driftgebiet dar, wohingegen der durch die erste Halbleiterschicht 14 und die zweite Halbleiterschicht 15 definierte pn-Übergang die Verpolungs-Schutzdiode bildet. In der dritten Halbleiterschicht 16 sind mehrere p-dotierte Körpergebiete 17 sowie n+-dotierte Sourcegebiete 18 vorgesehen. Der Einfachheit halber ist hier nur eine Zelle des Halbleiter-Schaltelements gezeigt. Anstelle der gezeigten planaren Zelle kann selbstverständlich auch eine andere Zellgeometrie, wie zum Beispiel eine Trenchzelle verwendet werden.A semiconductor switching element 5 ' (here a MOSFET) has a front side contact 11 , a backside contact 12 and one between front and back contact 11 . 12 arranged semiconductor volume 13 on. The semiconductor volume has a first p-doped semiconductor layer 14 , an n + -doped second semiconductor layer disposed thereon 15 , and one on the second semiconductor layer 15 arranged n - doped third semiconductor layer 16 (possibly also column structure). The second semiconductor layer 15 in this case represents the carrier substrate, and the third semiconductor layer 16 a drift region, whereas that through the first semiconductor layer 14 and the second semiconductor layer 15 defined pn junction forms the reverse polarity protection diode. In the third semiconductor layer 16 are several p-doped body areas 17 as well as n + -doped source regions 18 intended. For the sake of simplicity, only one cell of the semiconductor switching element is shown here. Of course, another cell geometry, such as a trench cell, may be used instead of the planar cell shown.

Über Gates 19, die gegenüber dem Halbleitervolumen 13 durch eine Isolierschicht 28 elektrisch isoliert sind und die gegenüber einer Aluminium-Kontaktierung durch eine Isolierschicht 20 elektrisch isoliert sind, werden in dem Körpergebiet 17 Kanäle induziert. Das Körpergebiet 17 wird mittels der Aluminium-Metallisierung 21 kontaktiert, und die Aluminium-Metallisierung 21 steht wiederum mit dem Vorderseitenkontakt 11 in Verbindung.About gates 19 , opposite to the semiconductor volume 13 through an insulating layer 28 are electrically isolated and compared to an aluminum contacting by an insulating layer 20 are electrically isolated, are in the body area 17 Induced channels. The body area 17 is by means of aluminum metallization 21 contacted, and the aluminum metallization 21 again stands with the front side contact 11 in connection.

Das erfindungsgemäße Halbleiter-Schaltelement 5' unterscheidet sich von einem herkömmlichen MOSFET zum einen dadurch, dass zwischen der zweiten Halbleiterschicht 15 (Substrat) und dem Rückseitenkontakt 12 eine zusätzliche Halbleiterschicht (erste Halbleiterschicht 14) eingefügt ist, die mit der zweiten Halbleiterschicht 15 einen pn-Übergang ausbilden, der bei Rückwärtsbelastung des Halbleiter-Schaltelements 5' sperrt. Im Fall einer Schottky-Diode als Verpolungsschutzdiode ist die Dotierung des rückwärtigen Teils des Substrats 15 reduziert. Durch geeignete Wahl eines Rückseitenmetalls des Rückseitenkontakts 12 wird eine Schottky-Diode zur Erreichung der Rückwärts-Sperrfähigkeit gebildet, wobei in diesem Fall die zusätzliche Halbleiterschicht 4 weggelassen werden kann. Alternativ kann die erste Halbleiterschicht 14 auch mit Dotierstoff des ersten Leitungstyps (derselbe Leitungstyp wie der der Sourcegebiete 18) mit entsprechend niedriger Konzentration ausgebildet werden.The semiconductor switching element according to the invention 5 ' differs from a conventional MOSFET on the one hand in that between the second semiconductor layer 15 (Substrate) and the backside contact 12 an additional semiconductor layer (first semiconductor layer 14 ) inserted with the second semiconductor layer 15 form a pn junction, the case of reverse loading of the semiconductor switching element 5 ' locks. In the case of a Schottky diode as reverse polarity protection diode, the doping of the rear part of the substrate 15 reduced. By suitable choice of a backside metal of the backside contact 12 For example, a Schottky diode is formed to achieve the reverse blocking capability, in which case the additional semiconductor layer 4 can be omitted. Alternatively, the first semiconductor layer 14 also with dopant of the first conductivity type (the same conductivity type as the source regions 18 ) are formed with a correspondingly low concentration.

Das erfindungsgemäße Halbleiter-Schaltelement 5' weist den Vorteil auf, dass die durch die zusätzliche Halbleiterschicht (erste Halbleiterschicht 14) verursachten Durchlassverluste gering sind. In herkömmlichen Lösungen, in denen die Verpolungs-Schutzdiode in einer Chip-on-Chip-Montage auf/unter dem Halbleiter-Schaltelement vorgesehen ist, ist in der Regel ein ”zusätzliches” Substrat notwendig, auf dem die epitaktische Schicht zur Aufnahme der Raumladungszone der Verpolungs-Schutzdiode angeordnet ist. Verglichen mit der ersten Halbleiterschicht 14 weist das zusätzliche Substrat jedoch relativ hohe Durchlassverluste auf, was unerwünscht ist.The semiconductor switching element according to the invention 5 ' has the advantage that the through the additional semiconductor layer (first semiconductor layer 14 ) are low losses. In conventional solutions in which the reverse voltage protection diode is provided in a chip-on-chip mounting on / below the semiconductor switching element, an "additional" substrate is usually required, on which the epitaxial layer for receiving the space charge zone of Reverse polarity protection diode is arranged. Compared with the first semiconductor layer 14 However, the additional substrate has relatively high conduction losses, which is undesirable.

Die in 3b gezeigte Ausführungsform eines Halbleiter-Schaltelements 5' weist anstelle eines zusätzlichen pn-Übergangs einen zusätzlichen Schottky-Kontakt auf, der zwischen der n-dotierten Halbleiterschicht 14 und dem Metall des Rückseitenkontakts 12 ausgebildet wird. Bei entsprechender Dotierung der zweiten Halbleiterschicht 15 (niedrige Dotierung) kann die Halbleiterschicht 14 auch weggelassen werden. Wie in 3b symbolisiert ist, ist damit am drainseitigen Ende des Halbleiter-Schaltelements 5' eine Schottky-Diode ausgebildet, die bei Rückwärtsbelastung des Halbleiter-Schaltelements 5' sperrt.In the 3b shown embodiment of a semiconductor switching element 5 ' has an additional Schottky contact between the n-doped semiconductor layer instead of an additional pn junction 14 and the metal of the backside contact 12 is trained. With appropriate doping of the second semiconductor layer 15 (low doping), the semiconductor layer 14 also be omitted. As in 3b is symbolized, is thus at the drain end of the semiconductor switching element 5 ' a Schottky diode is formed when the reverse switching of the semiconductor switching element 5 ' locks.

Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Schaltungsanordnung mit einem Schalttransistor und einer diskreten externen Diode bietet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung also den Vorteil, dass lediglich in einer, von Schalttransistor und Verpol-Schutzdiode gemeinsam genutzten Trägerschicht (der zweiten Halbleiterschicht (dem Substrat) 15) ein ohmscher Spannungsabfall anfällt, was die Gesamtverluste der Schaltungsanordnung wirksam reduziert.In contrast to a conventional circuit arrangement having a switching transistor and a discrete external diode, the circuit arrangement according to the invention therefore has the advantage that only in one carrier layer (the second semiconductor layer (the substrate) used in common by switching transistor and polarity reversal protection diode 15 ) an ohmic voltage drop occurs, which effectively reduces the total losses of the circuit arrangement.

Der Verpolungsschutz muss nicht die volle Vorwärts-Sperrfähigkeit des Halbleiter-Schaltelements erreichen, sondern lediglich etwas mehr als die Maximalspannung der Spannungsquelle. Ein Einschalten des Halbleiter-Schaltelements bei anliegender Rückwärtsbelastung bleibt ohne Folgen, da wegen der zusätzlichen Verpolungsschutzdiode kein hoher Stromfluss möglich ist und somit keine Spannungsspitzen durch Schaltvorgänge auftreten können. Ein leicht erhöhter Sperrstrom ist so lange tolerierbar, solange die thermische Belastung des Schalters durch den Sperrstrom und die anliegende Spannung der Spannungsquelle gering bleibt.The reverse polarity protection need not reach the full forward blocking capability of the semiconductor switching element, but only slightly more than the maximum voltage of the voltage source. Turning on the semiconductor switching element with applied reverse load remains without consequences, because due to the additional reverse polarity protection diode no high current flow is possible and thus no voltage spikes can occur due to switching operations. A slightly increased reverse current is tolerable as long as the thermal load of the switch remains low due to the reverse current and the voltage applied to the voltage source.

Das in 4 gezeigte Halbleiter-Schaltelement 5' (hier sind im Gegensatz zu 3 mehrere Zellen gezeigt) unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Halbleiter-Schaltelement 5' dadurch, dass auf dem Vorderseitenkontakt 11 des Halbleiter-Schaltelements 5' eine Freilaufdiode 6 angeordnet ist. Die Freilaufdiode 6 weist eine p-dotierte Halbleiterschicht 22 und eine n-dotierte Halbleiterschicht 23, sowie einen Vorderseitenkontakt 24 und einen Rückseitenkontakt 25 auf. Der Rückseitenkontakt 25 ist mit dem Voderseitenkontakt 11 des darunter liegenden Schaltelements über eine leitfähige Schicht (z. B. Kleber oder Lot) 26 elektrisch verbunden. In dieser Ausführungsform ist zusätzlich auf der Freilaufdiode 6 ein optionaler Steuerchip (27/Top Chip) zur Ansteuerung des Halbleiter-Schaltelements 5' vorgesehen. Mit Hilfe eines derartigen Steuerchips 27 kann das Halbleiter-Schaltelements 5' ”intelligent” ausgestaltet werden. Beispielsweise kann der Steuerchip 27 eine Temperatur-Schutzschaltung oder Überstrom-Schutzschaltung aufweisen. Anstatt der gezeigten pn-Freilaufdiode kann wie oben erwähnt selbstverständlich auch eine pin-, Schottky- oder SiC-Diode verwendet werden.This in 4 shown semiconductor switching element 5 ' (here are contrary to 3 several cells shown) differs from that in 3 shown semiconductor switching element 5 ' in that on the front side contact 11 of the semiconductor switching element 5 ' a freewheeling diode 6 is arranged. The freewheeling diode 6 has a p-doped semiconductor layer 22 and an n-type semiconductor layer 23 , as well as a front side contact 24 and a backside contact 25 on. The backside contact 25 is with the Voderseitekontakt 11 of the underlying switching element via a conductive layer (eg adhesive or solder) 26 electrically connected. In this embodiment, in addition to the freewheeling diode 6 an optional control chip ( 27 / Top chip) for driving the semiconductor switching element 5 ' intended. With the help of such a control chip 27 may be the semiconductor switching element 5 ' Be designed "intelligent". For example, the control chip 27 have a temperature protection circuit or overcurrent protection circuit. Of course, as mentioned above, instead of the pn freewheeling diode shown, it is also possible to use a pin, Schottky or SiC diode.

Sobald die Sperrfähigkeit des durch die Halbleiterschichten 14 und 15 gebildeten pn-Übergangs geringer ist als die treibende Spannung der Spannungsquelle 4, sollte zwischen den Halbleiterschichten 14 und 15 die Nettodotierung abgesenkt werden, um eine hinreichend weite Raumladungszone und damit Spannungsfestigkeit zu erreichen.Once the blocking capability of the through the semiconductor layers 14 and 15 formed pn junction is less than the driving voltage of the voltage source 4 , should be between the semiconductor layers 14 and 15 the net doping be lowered in order to achieve a sufficiently wide space charge zone and thus dielectric strength.

In 6 ist ein Beispiel-Profil für eine (teilweise) gegendotierte Schichtfolge zwischen den Schichten 14 und 15 zur Herstellung/Verbesserung der erforderlichen Rückwärts-Sperrfähigkeit gezeigt, die durch zwei nacheinander folgende Ionenimplantationen mit unterschiedlicher Energie und Dosis mit einem dazwischen liegenden Temperaturschritt hergestellt werden kann. Dabei wurde eine mit Arsen grunddotierte Schicht mit Bor gegendotiert. Der Gegendotierungsprozess kann gegebenenfalls auch mehrfache p-Implantationsschritte mit unterschiedlicher Energie und angepasster Dosis beinhalten. Die Weite des gegendotierten Gebiets hängt in erster Linie von der geforderten Rückwärts-Sperrfähigkeit des Halbleiter-Schaltelements ab. Bei Polung der Strom-/Spannungsversorgung in Vorwärts(Durchlass)-Richtung wird das gegendotierte Gebiet mit Ladungsträgern überschwemmt und hat daher nur einen kleinen Bahnwiderstand.In 6 is an example profile for a (partially) counter-doped layer sequence between the layers 14 and 15 for producing / improving the required reverse blocking capability, which can be made by two successive ion implantations of different energy and dose with an intermediate temperature step. An arsenic-doped layer was counter-doped with boron. Optionally, the counter-doping process may also include multiple p-type implantation steps with different energy and adjusted dose. The width of the counter-doped region depends primarily on the required reverse blocking capability of the semiconductor switching element. When the current / voltage supply is polarized in the forward (forward) direction, the counter-doped region is flooded with charge carriers and therefore has only a small resistance in the path.

Das in 6 gezeigte Beispiel-Profil weist eine aus As-dotiertem Grundmaterial bestehende hochdotierte n-Schicht mit einem spezifischen Widerstand von 7 mΩ cm auf, wie heute bei Niedervolt-Schalttransistoren üblich ist. Es ist für die Sperrfähigkeit unerheblich, ob die teilkompensierte Schicht (die gegendotierte Struktur) n- oder p-Leitfähigkeit aufweist. Nachdem im Grundmaterial mit einer Schwankung der Dotierung gerechnet werden muss, ist eine Auslegung der Gegendotierung sinnvollerweise so vorzunehmen, dass sowohl bei minimaler als auch bei maximaler Dotierung des Grundmaterials die geforderte Rückwärtssperrfähigkeit des Bauteils noch erreicht wird. Dies bedeutet, dass je nach Prozess-Schwankung die niedrig dotierte Schicht n-leitend, p-leitend oder intrinsisch sein kann bzw. ihre Nettodotierung in der teilkompensierten Zone wechselt. Vorteilhafterweise wird zur Reduzierung des Kontaktwiderstands im unteren, dem Rückseitenkontakt des Halbleiter-Schaltelements zugewandten Teil der zusätzlichen Halbleiterzone ein dotiertes Gebiet (vorzugsweise mit Dotierstoff des zweiten Leitungstyps) vorgesehen, dessen Dotierung höher ist als die des Rests der zusätzlichen Halbleiterzone. Dabei kann dieses Gebiet bezogen auf die Gesamtdicke der zusätzlichen Halbleiterzone eine relativ geringe Eindringtiefe besitzen.This in 6 shown example profile has a consisting of As-doped base material highly doped n-layer with a resistivity of 7 mΩ cm, as is common today in low-voltage switching transistors. It is irrelevant for the blocking capability whether the partially compensated layer (the counter-doped structure) has n or p conductivity. After a fluctuation of the doping must be expected in the base material, a design of the counter doping is usefully to make so that both the minimum and maximum doping of the base material, the required reverse blocking capability of the component is still achieved. This means that, depending on the process variation, the low-doped layer can be n-type, p-type, or intrinsic, or its net doping changes in the partially compensated zone. Advantageously, in order to reduce the contact resistance in the lower part of the additional semiconductor zone facing the rear side contact of the semiconductor switching element, a doped region (preferably with dopant of the second conductivity type) is provided whose doping is higher than that of the remainder of the additional semiconductor zone. In this case, this area can have a relatively small penetration depth relative to the total thickness of the additional semiconductor zone.

Um die Problematik schwankender Dotierstoffkonzentrationen des Substrats zu umgehen, werden vorzugsweise Substrate verwendet, die bis zur Sättigungsgrenze dotiert sind. Auf diese Weise kann mit definierten Dotierstoffkonzentrationen gerechnet werden.In order to avoid the problem of fluctuating dopant concentrations of the substrate, preferably substrates are used which are doped to the saturation limit. In this way can be expected with defined dopant concentrations.

Die in Niedervolttransistoren verwendeten hochdotierten Substrate weisen große Toleranzen in der Dotierstoffdosis auf. Um die Sperrfähigkeit des erfindungsgemäßen rückwärtigen pn-Übergangs sicherzustellen, kann beispielsweise ein Grundmaterial mit engeren Toleranzbereichen verwendet werden. Hier bietet sich zum Beispiel Si-dotiertes Material an, das bis zur Sättigungsgrenze dotiert ist und somit geringere Toleranzen aufweist. Alternativ kann auf die Unterseite des Substrats auch eine dünne epitaktische Si-Schicht mit üblicher Dotierstoffschwankung von beispielsweise ±15% abgeschieden werden, die die Raumladungszone im Sperrfall aufnimmt. Die Abscheidung der epitaktischen Si-Schicht muss bei relativ niedrigen Temperaturen erfolgen, da die Vorderseite und die Zelle (mit Ausnahme der Metallisierung) bereits fertig gestellt sind. Zur Realisierung der Erfindung werden jedoch nur dünne epitaktische Schichten im Bereich von etwa 1 μm bis 2 μm benötigt, so dass die Einschränkung auf niedrige Temperaturbereiche nicht störend ist. Da die Schicht 14 hier ebenfalls als epitaktische Schicht ausgeführt werden kann, kann sie noch deutlich niedriger dotiert werden als bei direkter Implantation im Substrat. Eine Injektion in das n+-Substrat kann hier somit vollständig ausgeschlossen werden. Vorteilhafterweise wird zur Reduzierung des Kontaktwiderstands noch ein höherdotiertes Gebiet des zweiten Leitungstyps (derselbe Leitungstyp wie die Bodyzonen 17), das eine sehr geringe Eindringtiefe aufweisen sollte, in die Si-Schicht eingebracht. Wenn die Verpolungsschutzdiode als Schottky-Diode/Schottky-Kontakt ausgeführt ist, kann man die Injektion von Ladungsträgern vollständig vernachlässigen bzw. ausschließen. In diesem Fall wird die epitaktisch abgeschiedene Schicht sinnvollerweise mit einem Dotierstoff des ersten Leitungstyps (derselbe Leitungstyp wie die Sourcezonen 18) ausgebildet. Die Einbringung eines zusätzlichen Gebiets des zweiten Leitungstyps ist im Fall einer Schottky-Diode nicht erforderlich.The highly doped substrates used in low-voltage transistors have large tolerances in the dopant dose. To ensure the blocking capability of the rear pn junction according to the invention, for example, a base material with narrower tolerance ranges can be used. Si-doped material, for example, which is doped to the saturation limit and thus has lower tolerances, is suitable here. Alternatively, it is also possible to deposit on the underside of the substrate a thin epitaxial Si layer with a customary dopant fluctuation of, for example, ± 15%, which accommodates the space charge zone in the blocking case. The deposition of the epitaxial Si layer must be done at relatively low temperatures, since the front and the cell (with the exception of the metallization) are already completed. For the realization of the invention, however, only thin epitaxial layers in the range of about 1 micron to 2 microns are required, so that the restriction to low temperature ranges is not disturbing. Because the layer 14 Here, too, can be carried out as an epitaxial layer, it can still be doped much lower than in direct implantation in the substrate. An injection into the n + substrate can thus be completely excluded here. Advantageously, to reduce the contact resistance still a higher doped region of the second conductivity type (the same conductivity type as the body zones 17 ), which should have a very small penetration, introduced into the Si layer. If the reverse protection diode is designed as a Schottky diode / Schottky contact, the injection of charge carriers can be completely neglected or excluded. In this case, the epitaxially deposited layer is expediently mixed with a dopant of the first conductivity type (the same conductivity type as the source zones) 18 ) educated. The introduction of an additional region of the second conductivity type is not required in the case of a Schottky diode.

Im folgenden Abschnitt soll ein Anwendungsbeispiel der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Anheben oder Absenken von Fensterscheiben mittels Motoren, gegeben werden. Hierbei handelt es sich um einen Fensterhebermotor mit dem folgenden Lastprofil: Laststrom 18,6 A für 3 Sekunden und 42,6 A für eine Sekunde. Das Halbleiter-Schaltelement (hier ein MOSFET) muss in diesem Beispiel 40.000 Lastzyklen aushalten. Bei Anwendung des ”Coffin-Manson”-Modells ergab die Simulation einen maximal zulässigen Temperaturhub von 80 K. Der Verlustleistungsimpuls der Rückwärtssperrdiode wurde bei der Sabersimulation in das thermische Modell des verwendeten MOSFET eingespeist. In der Simulation wurde von einer Diode mit Fon = 0,8 V und einer Leitfähigkeit von 66 S ausgegangen. Ein Verlustimpulseinspeisepunkt lag nahe der Chiprückseite des MOSFET. Die Simulation zeigt (siehe 5), dass sich bei dieser Anwendung eine Temperaturerhöhung von 80 K ergibt und somit die in dieser Anwendung geforderte Lebensdauer erreicht werden kann.In the following section, an application example of the invention, a circuit arrangement for raising or lowering of windows by means of motors, will be given. This is a power window motor with the following load profile: load current 18.6 A for 3 seconds and 42.6 A for one second. The semiconductor switching element (here a MOSFET) has to endure 40,000 load cycles in this example. When using the "Coffin-Manson" model, the simulation gave a maximum allowable temperature swing of 80 K. The loss power pulse of the reverse blocking diode was fed in the Sabers simulation in the thermal model of the MOSFET used. In the simulation, a diode with F on = 0.8 V and a conductivity of 66 S was assumed. A loss pulse feed point was near the chip back side of the MOSFET. The simulation shows (see 5 ), that results in this application, a temperature increase of 80 K and thus the required in this application life can be achieved.

Sämtliche beschriebenen Ausführungsformen können auch invers dotiert sein, das heißt p- und n-Gebiete können miteinander vertauscht werden.All described embodiments may also be inversely doped, that is, p and n regions may be interchanged.

Claims (14)

Halbleiter-Schaltelement (5') mit: – einem Vorderseitenkontakt (11), – einem Rückseitenkontakt (12), – einem zwischen dem Vorderseitenkontakt (11) und dem Rückseitenkontakt (12) vorgesehenen Halbleitervolumen (13), das Source-Zonen (18) eines ersten Leitungstyps, Bodyzonen (17) eines zweiten Leitungstyps, und wenigstens eine Drift-/Drainzone (16) des ersten Leitungstyps aufweist, wobei die Source-Zonen (18), die Bodyzonen (17) und die Drift-/Drainzone (16) auf einem Substrat (15) des ersten Leitungstyps ausgebildet sind und einen Transistor bilden, und – einer in Serie zum Transistor geschalteten Verpolungsschutzdiode (7), die in Form – eines pn-Übergangs (14, 15) gebildet aus dem Substrat (15) und einer zwischen dem Substrat (15) und dem Rückseitenkontakt (12) eingefügten zusätzlichen Halbleiterzone (14) vom zweiten Leitungstyp oder in Form – einer Schottky-Diode gebildet aus dem Substrat (15) und dem Rückseitenkontakt (12) oder einer zwischen dem Substrat (15) und dem Rückseitenkontakt (12) eingefügten zusätzlichen Halbleiterzone (14) vom ersten Leitungstyp realisiert ist.Semiconductor switching element ( 5 ' ) with: - a front contact ( 11 ), - a back contact ( 12 ), - one between the front side contact ( 11 ) and the backside contact ( 12 ) semiconductor volume ( 13 ), the source zones ( 18 ) of a first conductivity type, body zones ( 17 ) of a second conductivity type, and at least one drift / drain zone ( 16 ) of the first conductivity type, wherein the source zones ( 18 ), the body zones ( 17 ) and the drift / drain zone ( 16 ) on a substrate ( 15 ) are formed of the first conductivity type and form a transistor, and A reverse polarity protection diode connected in series with the transistor ( 7 ), in the form of - a pn transition ( 14 . 15 ) formed from the substrate ( 15 ) and one between the substrate ( 15 ) and the backside contact ( 12 ) additional semiconductor zone ( 14 ) of the second conductivity type or in the form of a Schottky diode formed from the substrate ( 15 ) and the backside contact ( 12 ) or one between the substrate ( 15 ) and the backside contact ( 12 ) additional semiconductor zone ( 14 ) is realized by the first conductivity type. Halbleiter-Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiter-Schaltelement (5') in Form eines MOS-Leistungstransistors mit planaren Zellen und/oder Trench-Zellen realisiert ist, wobei die Drift-/Drainzone (16) des MOS-Leistungstransistors entweder als homogen dotiertes Gebiet bzw. schichtweise homogen dotiertes Gebiet oder als teilweise bzw. vollständig kompensiertes Gebiet mit alternierenden n- und p-dotierten Säulen ausgelegt ist.Semiconductor switching element according to claim 1, characterized in that the semiconductor switching element ( 5 ' ) is realized in the form of a MOS power transistor with planar cells and / or trench cells, wherein the drift / drain zone ( 16 ) of the MOS power transistor is designed either as a homogeneously doped region or layerwise homogeneously doped region or as a partially or completely compensated region with alternating n- and p-doped columns. Halbleiter-Schaltelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken bzw. Dotierstoffkonzentrationen des Substrats (15) und der zusätzlichen Halbleiterzone (14) so ausgewählt werden, dass eine Injektion von Ladungsträgern in das Substrat (15) bzw. in die Drift-/Drainzone (16) verhindert wird.Semiconductor switching element according to claim 1 or 2, characterized in that the thicknesses or dopant concentrations of the substrate ( 15 ) and the additional semiconductor zone ( 14 ) are selected so that an injection of charge carriers into the substrate ( 15 ) or in the drift / drain zone ( 16 ) is prevented. Halbleiter-Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (15) eine Dotierstoffdosis von ungefähr 8·1016/cm2 aufweist.Semiconductor switching element according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the substrate ( 15 ) has a dopant dose of about 8 × 10 16 / cm 2 . Halbleiter-Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Substrats (15) größer als 10 μm ist.Semiconductor switching element according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the thickness of the substrate ( 15 ) is greater than 10 microns. Halbleiter-Schaltelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Substrats (15) zwischen 40 μm und 200 μm beträgt.Semiconductor switching element according to claim 5, characterized in that the thickness of the substrate ( 15 ) is between 40 μm and 200 μm. Halbleiter-Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren, der zusätzlichen Halbleiterzone (14) zugewandten Teil des Substrats (15) bzw. im oberen, dem Substrat (15) zugewandten Teil der zusätzlichen Halbleiterzone (14) wenigstens ein dotiertes oder intrinsisches Gebiet vorgesehen ist, dessen Dotierung geringer ist als die des Rests des Substrats (15) bzw. der zusätzlichen Halbleiterzone (14).Semiconductor switching element according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the lower, the additional semiconductor zone ( 14 ) facing part of the substrate ( 15 ) or in the upper, the substrate ( 15 ) facing part of the additional semiconductor zone ( 14 ) at least one doped or intrinsic region is provided whose doping is less than that of the remainder of the substrate ( 15 ) or the additional semiconductor zone ( 14 ). Halbleiter-Schaltelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine dotierte oder intrinsische Gebiet der zusätzlichen Halbleiterzone (14) bzw. des Substrats (15) durch Implantationsprozesse oder durch epitaktische Abscheideprozesse erzeugt ist.Semiconductor switching element according to claim 7, characterized in that the at least one doped or intrinsic region of the additional semiconductor zone ( 14 ) or the substrate ( 15 ) is produced by implantation processes or by epitaxial deposition processes. Halbleiter-Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder unter dem Halbleiter-Schaltelement (5') eine Freilaufdiode (6) angebracht ist.Semiconductor switching element according to one of claims 1 to 8, characterized in that on or under the semiconductor switching element ( 5 ' ) a freewheeling diode ( 6 ) is attached. Halbleiter-Schaltelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufdiode (6) eine pn-, pin- oder Schottky-Diode oder eine SiC-Diode ist.Semiconductor switching element according to claim 8, characterized in that the freewheeling diode ( 6 ) is a pn, pin or Schottky diode or a SiC diode. Halbleiter-Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpolungsschutzdiode (7) eine pn-, pin- oder Schottky-Diode ist.Semiconductor switching element according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the polarity reversal protection diode ( 7 ) is a pn, pin or Schottky diode. Halbleiter-Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren, dem Rückseitenkontakt (12) des Halbleiter-Schaltelements (5') zugewandten Teil der zusätzlichen Halbleiterzone (14) ein dotiertes Gebiet vorgesehen ist, dessen Dotierung höher ist als die des Rests der zusätzlichen Halbleiterzone (14).Semiconductor switching element according to one of claims 1 to 11, characterized in that in the lower, the rear side contact ( 12 ) of the semiconductor switching element ( 5 ' ) facing part of the additional semiconductor zone ( 14 ) is provided a doped region whose doping is higher than that of the remainder of the additional semiconductor zone ( 14 ). Halbleiter-Schaltelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder unter dem Halbleiter-Schaltelement (5') bzw. auf der Freilaufdiode ein Halbleiterelement bzw. eine Halbleiter-Schaltanordnung zur Steuerung des Halbleiter-Schaltelements (5') vorgesehen ist.Semiconductor switching element according to claim 9 or 10, characterized in that on or under the semiconductor switching element ( 5 ' ) or on the freewheeling diode, a semiconductor element or a semiconductor switching arrangement for controlling the semiconductor switching element ( 5 ' ) is provided. Halbleiter-Schaltelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe des höher dotierten Gebiets in die zusätzliche Halbleiterzone (14) gering ist gegenüber der Gesamtdicke der zusätzlichen Halbleiterzone (14).Semiconductor switching element according to claim 12, characterized in that the penetration depth of the higher doped region into the additional semiconductor zone ( 14 ) is small compared to the total thickness of the additional semiconductor zone ( 14 ).
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