DE102004042758B4 - Halbleiterbauteil - Google Patents

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Abstract

Halbleiterbauteil(1, 20–80), mit:
– einem Emitteranschluss (2),
– einem Kollektoranschluss (3),
– einem zwischen Emitteranschluss (2) und Kollektoranschluss (3) vorgesehenen Halbleiterkörper (4), und
– einer im Halbleiterkörper (4) ausgebildeten Emitterzone (5, 70) des ersten Leitfähigkeitstyps, die eine dem Emitteranschluss (2) zugewandte erste Grenzfläche (16) und eine zweite, dem Kollektoranschluss zugewandte zweite Grenzfläche (17) aufweist, wobei die erste Grenzfläche an den Emitteranschluss (2) oder an ein mit dem Emitteranschluss (2) kontaktiertes erstes Halbleitergebiet (21) des zweiten, zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps angrenzt,
– wenigstens einer MOS-Struktur (8, 81), die die Emitterzone durchsetzt oder an diese angrenzt, und die so ausgestaltet ist, dass entsprechende MOS-Kanäle (11, 14), die durch die MOS-Struktur ($, 81) innerhalb der Emitterzone (5, 70) induziert werden, von der ersten Grenzfläche (16) der Emitterzone (5, 70) beabstandet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dotierstoff-Konzentration des Halbleiterkörpers im Bereich der MOS-Kanäle (11, 14)...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil, insbesondere ein bipolares Halbleiterbauteil, das einen Emitteranschluss, einen Kollektoranschluss, sowie einen zwischen Emitteranschluss und Kollektoranschluss vorgesehenen Halbleiterkörper aufweist, wobei innerhalb des Halbleiterkörpers eine Emitterzone ausgebildet ist, die zumindest teilweise an den Emitteranschluss angrenzt.
  • Biplolare Halbleiterbauteile weisen einen niedrigen Durchlasswiderstand auf, wenn die Ladungsträgerüberschwemmung im Halbleiterkörper des Bauteils hoch ist, wobei sich die Stärke der Ladungsträgerüberschwemmung insbesondere durch den Wirkungsgrad der im Halbleiterkörper ausgebildeten Emitterzone einstellen lässt. Eine hohe Ladungsträgerüberschwemmung hat jedoch den Nachteil, dass bei Schaltvorgängen des Halbleiterbauteils, beispielsweise beim Abkommutieren von Leistungsdioden, hohe Rückwärtsströme auftreten, die unerwünscht sind, da diese zu erhöhten Schaltverlusten führen.
  • Diesem Problem kann begegnet werden, indem der Wirkungsgrad der Emitterzone aktiv gesteuert wird. Die Druckschrift DE 100 48 857 A1 beschreibt beispielsweise eine Leistungsdiode, bei der der Wirkungsgrad der Emitterzone (p-Emitter) durch Einschalten eines n-MOS-Kanals verringert werden kann. Das Einschalten des n-MOS-Kanals bewirkt, dass vom Kollektoranschluss her kommende Elektronen über den n-MOS-Kanal in ein mit dem Emitteranschluss in Verbindung stehendes n+-Gebiet und von diesem zum Emitteranschluss gelangen können. Da sich der n-MOS-Kanal in einem Bereich niedriger p-Dotierung ausbildet, ist bei eingeschaltetem n-MOS-Kanal der Wirkungsgrad der Emitterzone niedrig, was eine niedrige Ladungsträgerüberschwemmung zur Folge hat. Ist der n-MOS-Kanal hingegen ausgeschaltet, müssen die vom Kollektoranschluss her kommenden Elektronen durch einen Bereich höherer p-Dotierung fließen, was einen erhöhten Wirkungsgrad der Emitterzone und damit eine höhere Ladungsträgerüberschwemmung zur Folge hat.
  • Um bei niedrigem Durchlasswiderstand trotzdem niedrige Rückwärtsstromstärken zu erzielen, wird im Durchlasszustand der Leistungsdiode der n-MOS-Kanal ausgeschaltet (hohe Ladungsträgerüberschwemmung), jedoch kurz vor dem Abkommutieren der Leistungsdiode eingeschaltet (niedrige Ladungsträgerüberschwemmung). Nachteilig hierbei ist, dass während des Abkommutierens ein parasitärer npn-Transistor aktiviert werden kann, was im schlimmsten Fall eine Zerstörung der Leistungsdiode nach sich zieht.
  • In der Druckschrift DE 100 07 416 C1 ist eine Leistungsdiode gezeigt, bei der Elektronen über einen Schottky-Kontakt einen NMOS-Transistor und über diesen wiederum einen Emitteranschluss erreichen können. In dieser Leistungsdiode lässt sich ebenfalls die Stärke der Ladungsträgerüberschwemmung einstellen und damit eine Verringerung des Rückwärtsstroms erzielen. Jedoch kann auch hier ungewollt ein parasitärer npn-Transistor aktiviert werden. Ferner ist der Herstellungsprozess einer derartigen Leistungsdiode aufwändig.
  • In diesem Zusammenhang sei weiterhin auf die Dokumente US 5,430,323 sowie EP 0 564 094 B1 verwiesen, in denen Leistungsdioden beschrieben werden, die ähnliche Nachteile aufweisen.
  • Die Druckschrift DE 103 08 313 A1 offenbart ein Halbleiterbauteil, mit: einem Emitteranschluss, einem Kollektoranschluss, einem zwischen Emitteranschluss und Kollektoranschluss vorgesehenen Halbleiterkörper und einer im Halbleiterkörper ausgebildeten Emitterzone des ersten Leitfähig keitstyps, die eine dem Emitteranschluss zugewandte erste Grenzfläche und eine dem Kollektoranschluss zugewandte zweite Grenzfläche aufweist, wobei die erste Grenzfläche an den Emitteranschluss angrenzt. Weiterhin ist eine MOS-Struktur vorgesehen, die die Emitterzone durchsetzt und die so ausgestaltet ist, dass entsprechende MOS-Kanäle, die durch die MOS-Struktur innerhalb der Emitterzone induziert werden, von der ersten Grenzfläche der Emitterzone beabstandet sind. In diesem Zusammenhang sei weiterhin auf die Druckschrift US 5,298,780 verwiesen, die ein ähnliches Halbleiterbauteil zeigt.
    •
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, ein Halbleiterbauteil anzugeben, mit dem die oben genannten Probleme vermieden werden können, d. h. mit dem gleichermaßen niedrige Durchlasswiderstände und niedrige Rückströme erzielt werden können, ohne dass die Gefahr besteht, parasitäre Transistoren zu aktivieren.
  • Zur Lösung stellt die Erfindung ein Halbleiterbauteil gemäß Patentanspruch 1 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil weist einen Emitteranschluss, einen Kollektoranschluss sowie einen zwischen Emitteranschluss und Kollektoranschluss vorgesehenen Halbleiterkörper auf. Im Halbleiterkörper ist eine Emitterzone des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet. Die Emitterzone weist eine erste, dem Emitteranschluss zugewandte Grenzfläche, und eine zweite, dem Kollektoranschluss zugewandte Grenzfläche auf. Die erste Grenzfläche grenzt an den Emitteranschluss beziehungsweise an ein mit dem ersten Emitteranschluss kontaktiertes erstes Halbleitergebiet des zweiten, zum ersten Leitfähigkeitstyp komplementären Leitfähigkeitstyp an. Die Emitterzone wird von wenigstens einer MOS-Struktur durchsetzt beziehungsweise grenzt an wenigstens eine MOS-Struktur an. Die MOS-Struktur ist so ausgestaltet, dass entsprechende MOS-Ka näle, die durch die MOS-Struktur innerhalb des Emittergebiets induziert werden, von der ersten Grenzfläche der Emitterzone beabstandet sind. Die Dotierstoffkonzentration des Halbleiterkörpers ist im Bereich der MOS-Kanäle höher als im Bereich zwischen der ersten Grenzfläche der Emitterzone und den der ersten Grenzfläche zugewandten Endabschnitten der MOS-Kanäle.
  • Die Emitterzone kann hierbei ein p-Emitter oder ein n-Emitter sein. Unter "Emitteranschluss" ist hier ein Anschluss zu verstehen, der die Emitterzone elektrisch kontaktiert, und unter "Kollektoranschluss" ein Anschluss gemeint, der, verglichen mit dem Emitteranschluss, von der Emitterzone weiter beabstandet ist. So kann unter "Emitteranschluss" beispielsweise der Anodenanschluss einer Diode oder der Kollektoranschluss eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) verstanden werden.
  • Unter dem Begriff „erste Grenzfläche" wird hierbei ein Übergang zwischen der Emitterzone und dem Emitteranschluss bzw. zwischen der Emitterzone und einem Halbleitergebiet, das mit dem Emitteranschluss in Verbindung steht und den zur Emitterzone entgegengesetzten Dotierungstyp aufweist, verstanden. Analog hierzu wird unter dem Begriff „zweite Grenzfläche" ein Übergang zwischen der Emitterzone und dem Rest des Halbleiterkörpers, der dem Kollektoranschluss zugewandt ist, verstanden. Unter den Begriff "Grenzfläche" fallen nicht Übergänge zwischen Halbleiterkörper und Isolationsschichten.
  • Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist demnach, die MOS-Strukturen so auszugestalten, dass durch die MOS-Kanäle, die durch die MOS-Strukturen induziert werden, zwar große Teile der Emitterzone für Elektronen „durchlässig" gemacht werden, jedoch keine direkten Verbindungen zwischen dem Emitteranschluss und dem an die zweite Grenzfläche der Emitterzone angrenzenden Halbleiterbereich hergestellt werden, d.h. die Emitterzone nicht vollständig durch einen MOS-Kanal überbrückt wird. Die Beabstandung der MOS-Kanäle von dem Emitteranschluss weist den Vorteil auf, dass keine parasitären Transistoren aktiviert werden können.
  • Ist die Emitterzone als ein p-Emitter ausgestaltet, so können mittels der MOS-Struktur vom Kollektoranschluss her kommende Elektronen in Richtung des Emitteranschlusses durch einen großen Teil der Emitterzone hindurch „geschleust" werden. Da der MOS-Kanal nicht an den Emitteranschluss angrenzt, sondern von diesem beabstandet ist, müssen die Elektronen von einem Endabschnitt des MOS-Kanals bis zum Emitteranschluss als Minoritätsladungsträger diffundieren. Dagegen kann im Kommutierungsfall ein Elektronenstrom entgegengesetzter Flussrichtung unterdrückt werden, d. h., im Halbleiterbauteil kann kein parasitärer npn-Transistor aktiviert werden.
  • Wie bereits erwähnt, sollte durch die induzierbaren MOS-Kanäle ein möglichst großer Anteil der Emitterzone, jedoch nicht die gesamte Emitterzone „überbrückt" werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sollte deshalb die Relation: M2 < M1/2 oder M2 < M1/5erfüllt werden. Hierbei stellt M1 das Minimum einer Dotierstoff-Menge dar, das bei Integration der Dotierstoff-Konzentration entlang eines beliebigen Wegs von der ersten Grenzfläche zu der zweiten Grenzfläche der Emitterzone erzielt werden kann. M2 stellt das Minimum einer Dotierstoff-Menge dar, das bei Integration der Dotierstoff-Konzentration entlang eines Gesamtwegs erzielt werden kann. Der Gesamtweg ist hierbei zusammengesetzt aus a) einem beliebigen Weg von der zweiten Grenzfläche zu einem MOS-Kanal, und b) einem beliebigen Weg von der ersten Grenzfläche zu einem Abschnitt des MOS-Kanals, der der ersten Grenzfläche am nächsten liegt.
  • Allgemein sollte die Relation: M2 < M1/X erfüllt sein, wobei X in einem Bereich von 2 bis 5 liegt.
  • Innerhalb der Emitterzone kann, wie bereits erwähnt, ein erstes hochdotiertes Halbleitergebiet ausgebildet sein, das mit dem Emitteranschluss in direkter Verbindung steht, und dessen Dotiertyp zum Dotiertyp der Emitterzone komplementär ist. Das erste hochdotierte Halbleitergebiet ist hierbei von den MOS-Kanälen in definierter Weise beabstandet. Ist das erste hochdotierte Halbleitergebiet beispielsweise als n+-dotiertes Gebiet ausgestaltet, so kann der durch einen MOS-Kanal fließende Elektronenstrom nach Diffusion über den definierten Abstand über dieses Gebiet effektiv an den Emitteranschluss abgeführt werden.
  • Weiterhin kann innerhalb der Emitterzone ein zweites hochdotiertes Halbleitergebiet ausgebildet sein, das mit dem Emitteranschluss in direkter Verbindung steht, und dessen Dotiertyp dem der Emitterzone entspricht, wobei das hochdotierte Halbleitergebiet von den MOS-Kanälen beabstandet ist und unmittelbar unter oder neben dem ersten Halbleitergebiet angeordnet ist bzw. an das erste Halbleitergebiet angrenzt. Das zweite hochdotierte Halbleitergebiet kann bei entsprechender Ausgestaltung (einer p+-Dotierung) dazu dienen, beim Schalten (Abkommutieren) des Halbleiterbauteils einen Löcherstrom effektiv dem Emitteranschluss zuzuführen, der damit nicht mehr den parasitären npn/pnp-Transistor aus erstem hochdotierten Halbleitergebiet, Emitterzone und Kollektor aufsteuern kann.
  • Das Halbleiterbauteil kann einen vertikalen oder horizontalen Aufbau aufweisen, wobei die induzierbaren MOS-Kanäle sowohl lateral als auch vertikal ausgerichtet sein können.
  • Das erfindungsgemäße Konzept lässt sich in besonders vorteilhafter Weise auf eine Leistungsdiode anwenden. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, vielmehr kann das erfindungsgemäße Konzept auch in beliebigen anderen Halbleiterbauteilen, beispielsweise einem IGBT, einem Thyristor, einem GTO (Gate Turn-off Thyristor), einem EST (Emitter Switched Thyristor) oder einem MCT (MOS Controlled Thyristor) Anwendung finden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils in Querschnittsdarstellung.
  • 2 die Ladungsträgerverteilung für die in 1 gezeigte Ausführungsform bei ein- bzw. ausgeschaltetem Gate.
  • 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils in Querschnittsdarstellung.
  • 4a ein Ausschnitt der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform.
  • 4b ein Ausschnitt der in 3 gezeigten zweiten Ausführungsform.
  • 5 erfindungsgemäße Dotierungsprofile der Emitterzone bzw. des sich daran anschließenden Halbleitergebiets in einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauteil.
  • 6 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils in Querschnittsdarstellung.
  • 7 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils in Querschnittsdarstellung.
  • 8 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils in Querschnittsdarstellung.
  • 9 eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils in Querschnittsdarstellung.
  • 10 eine siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils in Querschnittsdarstellung.
  • In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile oder Bauteilgruppen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Weiterhin können sämtliche Ausführungsformen invers dotiert sein, d. h., n-Gebiete und p-Gebiete können miteinander vertauscht werden.
    •
  • In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils zu sehen.
  • Eine Leistungsdiode 1 weist einen Emitteranschluss 2, einen Kollektoranschluss 3 und einen zwischen Emitteranschluss 2 und Kollektoranschluss 3 vorgesehenen Halbleiterkörper 4 auf. Der Halbleiterkörper 4 weist eine p-dotierte Emitterzone 5, ein n–-dotiertes Driftgebiet 6 sowie ein an den Kollektoran schluss angrenzendes n+-dotiertes Gebiet 7 auf. Die Emitterzone 5 ist von MOS-Strukturen 8 durchsetzt, wobei jede MOS-Struktur 8 ein Gate 9 sowie eine das Gate 9 isolierende Isolationsschicht 10 aufweist.
  • Die MOS-Strukturen 8 ragen in das Driftgebiet 6 hinein, wobei die Gates 9 vom Emitteranschluss 2 durch einen Abstand A1 beabstandet sind. Der Abstand A1 bewirkt, dass MOS-Kanäle, die durch die MOS-Strukturen 8 innerhalb der p-dotierten Emitterzone 5 erzeugt werden können, ebenfalls nur bis auf den Abstand A1 an den Emitteranschluss 2 heranreichen können. Auf diese Art und Weise können Elektronenströme vom Emitteranschluss 2 zum Kollektoranschluss 3 unterdrückt werden.
  • In 2 ist die Ladungsträgerverteilung (Löcher) bei einer Gatespannung von 0 V (durchgezogene Linie) und bei einer Gatespannung von 15 V (gestrichelte Linie) innerhalb der Emitterzone 5 gezeigt. Die Abszisse bezeichnet hierbei die Entfernung zum Emitteranschluss in vertikaler Richtung.
  • 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils.
  • Eine Leistungsdiode 20 weist im Wesentlichen denselben Aufbau wie die Leistungsdiode 1 aus 1 auf, jedoch mit dem Unterschied, dass die MOS-Strukturen 8 nicht an das n–-dotierte Driftgebiet 6 angrenzen, sondern von diesem durch einen Abstand A2 beabstandet sind. Die MOS-Strukturen 8 liegen also vollständig innerhalb der Emitterzonen 5.
  • In 4a ist ein Ausschnitt aus dem in 1 gezeigten Halbleiterbauteil dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass ein MOS-Kanal 11, der durch das Gate 9 in der Emitterzone induziert wird, nur einen Teil der Emitterzone 5 durchsetzt:
    Ein dem Emitteranschluss zugewandtes Ende 12 des MOS-Kanals 11 ist von dem Emitteranschluss 2 durch den Abstand A1 beabstandet.
  • In 4b ist ein Ausschnitt der in 3 gezeigten Ausführungsform dargestellt, wobei zusätzlich eine Isolationsschicht 13 vorgesehen ist, die zwischen der MOS-Struktur 8 und dem Emitteranschluss 2 angeordnet ist. Ein MOS-Kanal 14, der durch die MOS-Struktur innerhalb der Emitterzone 5 erzeugbar ist, ist gegenüber dem Driftgebiet 6 durch einen Abstand A2 beabstandet, und gegenüber dem Emitteranschluss 2 durch einen Abstand A3. Genauer gesagt stellt der Abstand A3 die kürzest mögliche Verbindung zwischen einem Kanalende 15 des MOS-Kanals 14, das dem Emitteranschluss 2 zugewandt ist, und dem Emitteranschluss 2 dar. Dieser Abstand kann in vertikaler, lateraler, oder, wie hier gezeigt, schräger Richtung verlaufen.
  • Vorzugsweise sollte folgende Relation erfüllt werden. M2 < M1/2 oder M2 < M1/5,wobei M1 das Minimum einer Dotierstoffmenge ist, die bei Integration der Dotierstoff-Konzentration entlang eines beliebigen Wegs von einer ersten Grenzfläche 16 zu einer zweiten Grenzfläche 17 der Emitterzone 5 erzielt werden kann, und M2 das Minimum einer Dotierstoff-Menge ist, das bei Integration der Dotierstoff-Konzentration entlang eines Gesamtwegs erzielt werden kann, der sich zusammensetzt aus a) einem beliebigen Weg von der zweiten Grenzfläche 17 zu einem MOS-Kanal, und b) einem beliebigen Weg von der ersten Grenzfläche 16 zu einem Abschnitt des MOS-Kanals, der der ersten Grenzfläche 16 am nächsten liegt.
  • Bezogen auf 4a würde das Minimum M1 erhalten werden, wenn die Dotierstoff-Konzentration entlang eines Weges 18 integriert werden würde. Das Minimum M2 würde erhalten werden, wenn die Dotierstoff-Konzentration entlang des Abstands A1 integriert werden würde.
  • Analog hierzu wäre in 4b das Minimum M1 der Dotierstoff-Menge entlang des Integrationswegs 19 zu erhalten, und das Minimum M2 der Dotierstoff-Menge entlang eines Gesamtwegs, der sich zusammensetzt aus dem Abstand A2 und dem Abstand A3.
  • In 5 sind drei mögliche Dotierungsprofile der Emitterzone 5 sowie des daran angrenzenden Driftgebiets 6 gezeigt. Das obere Dotierungsprofil ist nicht zu bevorzugen, da die p-Dotierung das Maximum in der Nähe des Emitteranschlusses aufweist. Erfindungsgemäß wird, wie im mittleren und unteren Dotierungsverlauf gezeigt, das Maximum der p-Dotierung innerhalb der Emitterzone 5 in die Mitte gelegt, so dass zwischen den induzierten MOS-Kanälen und dem Emitteranschluss die Dotierung gering ausfällt.
  • Wenn angenommen wird, dass die Tiefe der Trenches, in denen die Gates 9 ausgebildet sind, 4 μm beträgt, so entspricht der mittlere Dotierungsverlauf einem bevorzugten Dotierungsverlauf für die in 1 gezeigte Ausführungsform, und der untere Dotierungsverlauf einem bevorzugten Dotierungsverlauf für die in 3 gezeigte Ausführungsform.
  • In 6 ist eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils gezeigt. Eine Leistungsdiode 30 entspricht in ihrem Aufbau im Wesentlichen dem Aufbau der in 1 gezeigten Leistungsdiode 1, jedoch mit dem Unterschied, dass zwischen der MOS-Struktur 8 sowie dem Emitteranschluss 2 eine Isolationsschicht 13 vorgesehen ist, und innerhalb der p-dotierten Emitterzone 5 ein n+-dotiertes Halbleitergebiet 21 vorgesehen ist, das direkt an den Emitteranschluss 2 angrenzt, jedoch von einem Kanal (hier nicht gezeigt), der durch die MOS-Struktur 8 innerhalb der Emitterzone 5 induzierbar ist, beabstandet ist. Des Weiteren ist ein p+-dotiertes Halbleitergebiet 22 vorgesehen, das ebenfalls an den Emitteranschluss 2 angrenzt, unterhalb des Halbleitergebiets 21 angeordnet ist und dieses in lateraler Richtung überragt. Das Halbleitergebiet 21 dient dazu, einen vom MOS-Kanal kommenden Elektronenstrom dem Emitteranschluss 2 zuzuführen, während das Halbleitergebiet 22 dazu dient, einen Löcherstrom beim Abkommutieren der Leistungsdiode 30 dem Emitteranschluss 2 zuzuführen.
  • In 7 ist eine Leistungsdiode 40 gezeigt, deren Gate 9 nicht innerhalb eines Trenchs angeordnet ist, sondern oberhalb des Halbleiterkörpers 4 ausgebildet ist und sich in lateraler Richtung erstreckt. Das Gate 9 ist mittels einer Isolationsschicht 23 gegenüber dem Halbleiterkörper isoliert. Die Emitterzone 5 setzt sich aus einem p–-dotierten Gebiet 24 und zwei p-dotierten Gebieten 25, 26 zusammen. Auch hier reicht ein MOS-Kanal, der durch das Gate 9 innerhalb des p–-Gebiets 24 und des p-Gebiets 26 erzeugt wird (nicht gezeigt) nicht direkt an den Emitteranschluss 2 heran. Der MOS-Kanal hat in dieser Ausführungsform eine laterale Ausrichtung, wohingegen der Gesamtaufbau der Leistungsdiode 40 einen vertikalen Aufbau aufweist.
  • Die in 8 gezeigte Leistungsdiode 50 unterscheidet sich von der in 7 gezeigten Leistungsdiode 40 dahingehend, dass der Gesamtaufbau der Leistungsdiode 50 lateral ist. Da der Gesamtaufbau lateraler Natur ist, ist unterhalb dem Driftgebiet 6 ein Substrat (p–-dotiert bzw. ein Isolator (SOI Semiconductor On Insulator)) 28 angeordnet.
  • In 9 ist gezeigt, dass sich das erfindungsgemäße Prinzip (Beabstandung der MOS-Kanäle von dem Emitteranschluss) auch auf andere Halbleiterbauteile als Leistungsdioden anwenden lässt. So ist in 9 ein IGBT-(Insulated Gate Bipolar Transistor)Halbleiterbauteil 60 gezeigt, das einen lateralen Gesamtaufbau aufweist. Der IGBT 60 weist ein Substrat 61 auf, auf dem ein Halbleiterkörper 62 vorgesehen ist. In dem Halbleiterkörper 62 ist ein Driftgebiet 63, ein Sourcegebiet 64, ein Bodygebiet 65 sowie eine Emitterzone 66 vorgesehen. Die Oberfläche des Halbleiterkörpers 62 ist mit einer Isolationsschicht 67 bedeckt, auf der wiederum ein erstes Gate 68 und ein zweites Gate 69 vorgesehen sind. Das erste Gate 68 dient zum Erzeugen eines Stromflusses vom Sourcegebiet 64 durch das Bodygebiet 65 in das Driftgebiet 63 hinein. Das zweite Gate 69 entspricht dem Gate 9 der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen. Über das Gate 69 kann der Wirkungsgrad der Emitterzone 66 (genauer gesagt der Wirkungsgrad des p-dotierten Gebiets 70) eingestellt werden. Dazu wird durch das zweite Gate 69 ein MOS-Kanal im Halbleitergebiet 70 erzeugt, wobei der durch das Gate 69 induzierte Kanal bezüglich des Kollektoranschlusses 2 beabstandet ist.
  • In 10 ist ein IGBT-Halbleiterbauteil 80 gezeigt, das im Gegensatz zu dem in 9 gezeigten IGBT-Halbleiterbauteil 60 einen vertikalen Gesamtaufbau aufweist. So ist das Halbleitergebiet 70 (Emitterzone) in dieser Ausführungsform nahe der Rückseite des IGBT-Halbleiterbauteils 80 angeordnet und wird durch mehrere MOS-Strukturen 81 durchsetzt. Diese weisen jeweils ein Gate 69 sowie Isolationsschichten 81, die die Gates 69 von dem Halbleiterkörper 62 elektrisch isolieren, auf. Durch die MOS-Strukturen lassen sich MOS-Kanäle innerhalb des Halbleitergebiets 70 (der p-dotierten Emitterzone) induzie ren, wobei die Kanäle (hier nicht gezeigt) bezüglich des Emitteranschlusses 2 beabstandet sind.
  • In der folgenden Beschreibung sollen weitere Aspekte der Erfindung erörtert werden.
  • Wie bereits angedeutet wurde, ist bei Leistungsdioden (PIN-Dioden) die Durchlassspannnung umso niedriger, je höher die Ladungsträgerüberschwemmung im niedrig dotierten Mittelgebiet ist. Beim Abkommutieren führt dagegen eine hohe Ladungsträgerüberschwemmung zu einem unerwünscht hohen Rückwärtsstrom, der einerseits in der Diode selbst, aber gegebenenfalls auch in anderen Bauelementen (etwa in einer Halbbrücke im einschaltenden Transistor oder IGBT) zu erhöhten Schaltverlusten führt. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil zeigt eine Möglichkeit auf, mit dem dieser erhöhte Rückwärtsstrom vermieden werden kann. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil ist außerdem robust gegenüber Abkommutieren von Überstrom, da das Einschalten von parasitären Bipolartransistoren, das die Bauelemente zerstören kann, verhindert wird.
  • In der Druckschrift DE 100 48 857 A1 (9, 10) sind Bauelemente angegeben, bei denen durch Einschalten eines n-MOS-Kanals der Emitterwirkungsgrad, z. B. des p-Emitters einer Diode, verringert werden kann. Dieser MOS-Kanal gibt den von der Rückseite kommenden Elektronen die Möglichkeit, durch ein Gebiet mit geringer p-Dotierung über den MOS-Kanal zu einem mit der Anode (Vorderseitenkontakt) in Verbindung stehenden n+-Gebiet abzufließen. Das Gebiet mit geringer p-Dotierung hat nur einen schlechten Emitterwirkungsgrad, weshalb die Ladungsträgerüberschwemmung niedrig ist. Ist der MOS-Kanal ausgeschaltet, müssen die Elektronen durch ein p-Gebiet mit höherer Dotierung fließen, weshalb der Emitterwirkungsgrad und damit die Ladungsträgerüberschwemmung entsprechend höher sind.
  • Beim Betrieb derartiger Bauelemente wird der MOS-Kanal im Durchlasszustand ausgeschaltet (hohe Ladungsträgerüberschwemmung), aber kurz vor dem Abkommutieren eingeschaltet, so dass die Ladungsträgerüberschwemmung sich verringern kann und der Rückwärtsstrom niedrig bleibt. Nachteilig bei dieser Struktur ist, dass beim Abkommutieren der pn-Übergang zwischen dem n+-Gebiet und dem p-Gebiet in Flussrichtung gepolt wird, wodurch sich der parasitäre npn-Transistor aus dem n+-Gebiet, dem p-Emitter und dem n–-Gebiet der Kathode, einschalten und das Bauelement zerstören kann.
  • In der Druckschrift DE 100 07 416 C1 2 ist eine Struktur beschrieben, bei der die Elektronen über einen Schottky-Kontakt einen NMOS-Transistor und über diesen wiederum einen Anodenkontakt erreichen können. Damit kann ein ähnlicher Effekt wie oben beschrieben erzielt werden. Nachteilig hierbei sind die aufwändigere Herstellung derartiger Bauelemente sowie die Existenz parasitärer npn-Transistoren.
  • In der Druckschrift US 5,430,323 wird der umgekehrte Effekt erreicht, nämlich dass zu einer Schottky-Diode über einen PMOS-Transistor eine PIN-Diode parallelgeschaltet werden kann.
  • In der Druckschrift EP 0 564 094 B1 (2) ist eine Struktur gezeigt, die ebenfalls ähnlich wie in DE 100 48 857 A1 betrieben werden kann. Das Gate ist hierbei im Trench angeordnet, außerdem sind gegenüber DE 100 48 857 A1 Anode und Kathode vertauscht. Der MOS-Kanal ist deshalb ein p-Kanal an Stelle eines n-Kanals. Die Struktur enthält damit einen parasitären pnp-Transistor.
  • Die Erfindung, ebenfalls ein Bauelement mit drei Anschlüssen, löst das Problem in einem ersten Ausführungsbeispiel (1) dadurch, dass im Anodengebiet z B. in Trenchs ein oder mehrere Gates angeordnet werden, die n-leitende Kanäle induzieren können. Diese Kanäle können kathodenseitig im n–-Gebiet anfangen und enden anodenseitig innerhalb des Anoden-p-Gebiets. Auf ein n+-Gebiet kann dabei ganz verzichtet werden. Der Vorteil der Struktur besteht darin, dass die in DE 100 48 857 A1 beschriebenen Effekte erreicht werden können, aber kein parasitärer npn-Transistor vorhanden ist.
  • 2 zeigt für eine derartige Struktur die Ladungsträgerverteilungen mit ein- bzw. ausgeschaltetem Gate. Der MOS-Kanal kann auch ganz innerhalb des Anoden-p-Gebiets verlaufen (3).
  • Wichtig für eine gute Funktion des Bauelements ist es, dass der MOS-Kanal einen möglichst großen Anteil der p-Dotierung überbrückt. Bezeichnet man mit M1 das kleinste Integral der p-Dotierung über mögliche Wege der Elektronen vom n–-Gebiet bis zum Anodenkontakt und mit M2 das kleinste Integral der p-Dotierung über mögliche Wege der Elektronen vom n–-Gebiet bis zum Beginn des Kanals und weiter vom Ende des MOS-Kanals bis zum Anodenkontakt (siehe Darstellung in 4a, 4b), so sollte M2 weniger als die Hälfte, besser nur ein Fünftel von M1 betragen. Dazu ist es vorteilhaft, wenn das Maximum der p-Dotierung im Bereich des MOS-Kanals liegt und nicht im Bereich zwischen MOS-Kanal und Anodenkontakt (5).
  • Die Trenchbreite kann z. B. bei etwa 1 μm liegen, die Tiefe zwischen etwa 2 μm und 8 μm, der Abstand zwischen zwei Trenches zwischen 2 μm und 10 μm oder mehr.
  • Die Erfindung ist nicht auf Dioden beschränkt, vielmehr kann mit entsprechenden Strukturen genauso der Emitter von anderen Bipolarbauelementen wie IGBT, Thyristor, GTO, EST oder MCT gesteuert werden, was natürlich auch hier jeweils einen zusätzlichen Gateanschluss erfordert.
  • Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, eine Struktur zu verwenden, die zwar die Elektronen am als p-Emitter wirkenden p-Gebiet zu einem großen Teil durch einen MOS-Kanal vorbeileiten kann, die Elektronen aber nicht direkt in ein n+-Gebiet hineinleitet. Stattdessen müssen die Elektronen vom Ende des MOS-Kanals bis zum Anodenkontakt (oder zu einem mit diesem in Verbindung stehenden n+-Gebiet) noch ein Stück weit als Minoritätsladungsträger diffundieren (gilt für einen n-Emitter analog). In umgekehrter Richtung kann deshalb kein Elektronenstrom fließen, was das Bauelement sehr robust gegenüber Überstrom macht.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil sollte folgendermaßen verwendet werden: im Durchlasszustand der Diode ist das Gate ausgeschaltet (hohe Ladungsträgerüberschwemmung), wird aber kurz vor dem Abkommutieren eingeschaltet, so dass die Ladungsträgerüberschwemmung sich verringern kann und der Rückwärtsstrom niedrig bleibt.
    • 1
    Leistungsdiode
    2
    Emitteranschluss
    3
    Kollektoranschluss
    4
    Halbleiterkörper
    5
    Emitterzone
    6
    Driftgebiet
    7
    n+-dotiertes Gebiet
    8
    MOS-Struktur
    9
    Gate
    10
    Isolationsschicht
    11
    MOS-Kanal
    12
    Kanalende
    13
    Isolationsschicht
    14
    MOS-Kanal
    15
    Kanalende
    16
    erste Grenzfläche
    17
    zweite Grenzfläche
    18
    Integrationsweg
    19
    Integrationsweg
    20
    Leistungsdiode
    A1, A2, A3
    Abstand
    21
    n+-dotiertes Gebiet
    22
    p+-dotiertes Gebiet
    23
    Isolationsschicht
    24
    p–-dotiertes Gebiet
    25
    p-Gebiet
    26
    p-Gebiet
    27
    p+-Gebiet
    28
    Substrat
    30
    Leistungsdiode
    40
    Leistungsdiode
    50
    Leistungsdiode
    60
    IGBT-Bauteil
    61
    Substrat
    62
    Halbleiterkörper
    63
    Driftgebiet
    64
    Sourcegebiet
    65
    Bodygebiet
    66
    Kollektorgebiet
    67
    Isolationsschicht
    68
    erstes Gate
    69
    zweites Gate
    70
    Halbleitergebiet
    80
    IGBT-Bauteil
    81
    MOS-Struktur

Claims (9)

  1. Halbleiterbauteil(1, 20–80), mit: – einem Emitteranschluss (2), – einem Kollektoranschluss (3), – einem zwischen Emitteranschluss (2) und Kollektoranschluss (3) vorgesehenen Halbleiterkörper (4), und – einer im Halbleiterkörper (4) ausgebildeten Emitterzone (5, 70) des ersten Leitfähigkeitstyps, die eine dem Emitteranschluss (2) zugewandte erste Grenzfläche (16) und eine zweite, dem Kollektoranschluss zugewandte zweite Grenzfläche (17) aufweist, wobei die erste Grenzfläche an den Emitteranschluss (2) oder an ein mit dem Emitteranschluss (2) kontaktiertes erstes Halbleitergebiet (21) des zweiten, zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps angrenzt, – wenigstens einer MOS-Struktur (8, 81), die die Emitterzone durchsetzt oder an diese angrenzt, und die so ausgestaltet ist, dass entsprechende MOS-Kanäle (11, 14), die durch die MOS-Struktur ($, 81) innerhalb der Emitterzone (5, 70) induziert werden, von der ersten Grenzfläche (16) der Emitterzone (5, 70) beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoff-Konzentration des Halbleiterkörpers im Bereich der MOS-Kanäle (11, 14) höher ist als im Bereich zwischen der ersten Grenzfläche (16) der Emitterzone und den der ersten Grenzfläche zugewandten Endabschnitten (12) der MOS-Kanäle.
  2. Halbleiterbauteil (1, 20–80) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Relation: M2 < M1/2 oder M2 < M1/5erfüllt ist, wobei M1 das Minimum einer Dotierstoffmenge ist, das bei Integration der Dotierstoff-Konzentration entlang ei nes beliebigen Wegs (18, 19) von der ersten Grenzfläche (16) zu der zweiten Grenzfläche (17) der Emitterzone (5) erzielt werden kann, und M2 das Minimum einer Dotierstoffmenge ist, das bei Integration der Dotierstoff-Konzentration entlang eines Gesamtwegs erzielt werden kann, der sich zusammensetzt aus a) einem beliebigen Weg (A2) von der zweiten Grenzfläche (17) zu einem MOS-Kanal (14), und b) einem beliebigen Weg (A3) von der ersten Grenzfläche (16) zu einem Abschnitt des MOS-Kanals (14), der der ersten Grenzfläche (16) am nächsten liegt.
  3. Halbleiterbauteil (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Emitterzone (5) ein zweites hochdotiertes Halbleitergebiet (22) ausgebildet ist, das mit dem Emitteranschluss (2) in direkter Verbindung steht, und dessen Dotiertyp dem der Emitterzone (5) entspricht, wobei das zweite hochdotierte Halbleitergebiet (22) von den MOS-Kanälen beabstandet ist und unmittelbar unterhalb, oberhalb oder neben dem ersten Halbleitergebiet (21) angeordnet ist beziehungsweise an das erste Halbleitergebiet angrenzt.
  4. Halbleiterbauteil (1, 30–80) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der MOS-Kanäle außerhalb der Emitterzone (5) liegen.
  5. Halbleiterbauteil (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die MOS-Kanäle (14) vollständig innerhalb der Emitterzone (5) liegen.
  6. Halbleiterbauteil (1, 20–80) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil einen vertikalen oder horizontalen Aufbau aufweist.
  7. Halbleiterbauteil (40–60) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die MOS-Kanäle eine laterale Ausrichtung aufweisen.
  8. Halbleiterbauteil (1, 20, 30, 80) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die MOS-Kanäle eine vertikale Ausrichtung aufweisen.
  9. Halbleiterbauteil (1, 20–80) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil eine Diode, ein IGBT, ein Thyristor, ein GTO, ein EST oder ein MCT ist.
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