DE102005011967A1

DE102005011967A1 - Halbleiterbauelement mit Driftstrecke und Grabenstruktur sowie Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102005011967A1
Application number: DE200510011967
Authority: DE
Inventors: Anton Dr.-Ing. Mauder; Hans-Joachim Dr. Schulze; Helmut Dr. Strack
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: DE102005011967B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement (1) mit Driftstrecke (4) und Grabenstruktur (8) sowie Verfahren zur Herstellung desselben. Die Driftstrecke (4) zwischen wenigstens einer ersten (5) und einer zweiten (6) Elektrode weist wenigstens eine entlang eines Teiles der Driftstrecke angeordnete Grabenstruktur (8) auf. In der Grabenstruktur (8) sind als Dioden (9) oder als Varistor (10) wirkende Materialkombinationen aus schichtweise alternierenden Bereichen (11, 12) gestapelt. Der Diodenstapel (13) bzw. die Varistorelemente (14) bilden eine Feldverteilung (15) abhängig von den Dioden- bzw. Varistorspannungen aus, welche die Feldverteilung (15) in der die Grabenstruktur (8) umgebenden Driftstrecke (4) derart beeinflusst, dass die Driftstrecke (4) eine gegenüber Driftstrecken ohne benachbarte Grabenstruktur erhöhte Dotierstoffkonzentration (N) bei unveränderter Sperrspannungsfestigkeit aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer in einem Halbleiterkörper in Stromflussrichtung ausgebildeten Driftstrecke aus einem Halbleitermaterial eines Leitungstyps. Die Driftstrecke ist zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode angeordnet und weist eine Grabenstruktur auf. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterelementes. Derartige Halbleiterelemente mit einer Driftstrecke sind je nach Ausbildung der Driftstrecke für hohe Spannungen bis zu mehreren 100 Volt einsetzbar.

Bei konventionellen MOSFETs mit Driftstrecke ist die maximale Donatorkonzentration [N_D] in einem n^–-Gebiet als Driftstrecke und somit auch die elektrische Leitfähigkeit der Driftstrecke durch die geforderte Sperrfähigkeit bestimmt bzw. umgekehrt. Beim Avalanche-Durchbruch sind dann ca. 1,5 × 10¹² cm^–2 Donatoren ionisiert, die ihre Gegenladung in der Akzeptorladung des p-leitenden Gebietes der konventionellen MOSFET-Struktur finden. Soll eine höhere Donatorkonzentration ermöglicht werden, so müssen Gegenladungen für die Donatoratome der Driftstrecke bzw. des n^–-Gebiets etwa in der gleichen Bauelement-Ebene wie die Driftstrecke gefunden werden. Bei MOS-Feldplattentransistoren mit Grabenstruktur, wie sie aus der Druckschrift US 6,573,558 B2 bekannt sind, geschieht dies durch die Ladungsträger der Feldplatte.

Bei Kompensationsbauelementen wie beim "CoolMOS", die alternierend in Zellen angeordnete n^–-Gebiete und p-Gebiete aufweisen, geschieht dieses durch Akzeptoren der p-Gebiete als Gegenladungen.

In diesem Zusammenhang wird unter einem schwachdotierten n^–- bzw. p^–-Gebiet eine Störstellenkonzentration [N] verstanden, welche entweder eine Donatorenkonzentration [N_D] oder eine Akzeptorenkonzentration [N_A] sein kann und zwischen 1 × 1012 cm–3 ≤ [N] ≤ 1 × 1016 cm–3 beträgt.

Unter einem n- bzw. p-Gebiet wird ein Bereich eines Halbleiterbauelements verstanden, der mittlere Störstellenkonzentration zwischen 1 × 1016 cm–3 ≤ [N] ≤ 1 × 1018 cm–3 aufweist. Unter einem hochdotierten n⁺- bzw. p⁺-Gebiet wird ein Bereich eines Halbleiterbauelementes verstanden, der hochdotiert ist und eine Störstellenkonzentration zwischen 1 × 1018 cm–3 ≤ [N] ≤ 1 × 1020 cm–3 aufweist. Unter einem metallisch leitenden Halbleitergebiet wird ein Bereich eines Halbleiterbauelementes verstanden, der eine äußerst hohe Dotierung aufweist und eine Störstellenkonzentration zwischen 1 × 1020 cm–3 ≤ [N] ≤ 1 × 1022 cm–3 aufweist. Soll die elektrische Leitfähigkeit einer Driftstrecke mit einem n^–-Gebiet durch Kompensationsstrukturen wie z. B. bei einem "CoolMOS" weiter verbessert werden, so dass sie eine mittlere Dotierstoffkonzentration erreicht, so muss der Kompensationsgrad immer genauer eingestellt werden. Dieses stößt bereits heute an die Grenzen der technologischen Machbarkeit, so dass die Driftstrecken von "CoolMOS"-Halbleiterbauelementen eine Störstellenkonzentration bis zu [N] ≤ 2 × 10¹⁷ cm^–3 aufweist.

Die aus US 6,573,558 B2 bekannten MOS-Feldplattentransistoren mit Grabenstruktur besitzen den Nachteil, dass je nach Anschlussart der Feldplatte entweder am source- oder am drainseitigen Ende zum n^–-Gebiet die volle Sperrspannung abfällt und somit sehr dicke Isolationsschichten erforderlich sind. Bei 600 V Dauerbelastung wäre ein etwa 3 μm bis 6 μm dickes SiO₂ erforderlich, was den Effekt der Feldplatte bei der Bereitstellung von Gegenladungen deutlich reduziert.

Anstelle einer genaueren Kompensation beim "CoolMOS" wurde mit den Patentanmeldungen DE 10 2004 007 197.7 und DE 10 2004 007 196.9 vorgeschlagen, dass die Gegenladung durch eine Grabenstruktur mit deutlich höherer Dielektrizitätszahl als das umgebende Si bereitgestellt wird. Um technisch bzw. wirtschaftlich attraktive Einsatzmöglichkeiten zu schaffen, müsste die relative Dielektrizitätszahl des Isolators, mit dem der Graben im Si gefüllt wird, etwa ε_r ≈ 1000 betragen. Bei typischen Grabenbreiten und Breiten der Driftstrecke im Bereich einiger μm lassen sich für 600 V-Bauelemente Einschaltwiderstands-Werte erreichen, die bereits einen Faktor 3 besser als beim "CoolMOS" heute sind.

Weitere Halbleiterbauelemente mit Grabenstruktur sind aus der Druckschrift US 6,608,350 B2 bekannt. Mit derartigen bekannten Grabenstrukturen kann ein Hochspannungstransistor mit niedrigem Durchlasswiderstand auf einem n⁺-leitenden Halbleitersubstrat mit einem schwachdotierten Halbleiterkörperbereich auf dem n⁺-leitenden Halbleitersubstrat hergestellt werden, indem aus der Grabenstruktur Kompensationsgebiete in den schwachdotierten Halbleiterkörperbereich ausdiffundiert werden. Der Graben kann mit einem Dielektrikum oder einem hochresistiven semiisolierenden Material gefüllt werden, wie es auch in der DE 19848828 C2 beschrieben wird. Halbleiterbauelemente mit Grabenstruktur sind auch aus den Druckschriften US 4,893,160 und US 5,282,018 bekannt. Bei diesen Grabenstrukturen werden Avalanche-Durchbrüche im schwachdotierten Epitaxiebereich zwischen einer Gate-Anordnung in der Grabenstruktur und einem Drainbereich mit hochdotiertem Substrat durch mittel- bis hochdotierte Zonen im Bereich der Grabenböden vermieden.

Halbleiterbauelemente für Sperrspannungen mit einigen 100 Volt sind äußerst kritisch in ihrem Avalanche-Verhalten. Durch die hohen Spannungen im Durchbruchsfall werden bereits bei kleinen Avalanche-Stromstärken hohe Verlustleistungen in dem Halbleiterbauelement umgesetzt. Diese sind überwiegend in Zonen hoher Feldstärke an und in der Nähe der sperrenden pn-Übergänge lokalisiert. Daher sind Halbleiterbauelemente prinzipiell gegenüber beispielsweise Varistoren vergleichbarer Sperrfestigkeit im Avavanche-Verhalten im Nachteil, da Varistoren durch die vielfache Serien- und Parallelschaltung von Diodenstrukturen mit vergleichsweise niedriger Sperrspannung die Verlustleistungsbildung nahezu homogen auf das Bauelementvolumen verteilen. Sie können deshalb zur Funkenlö schung bei Hochspannungskontakten eingesetzt werden, ohne selbst zerstört zu werden.

Durch weitere Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen für Hochspannungsanwendungen wird somit die Avalanche-Festigkeit zum begrenzenden Parameter, da die Verlustleistungsdichte bei Überlastfällen wegen des höheren Nennstromes steigt, während die thermische Kapazität des Halbleitervolumens durch den Miniaturisierungsbedarf ständig sinkt. Dadurch werden kritische Temperaturen, die zum Sperrversagen führen, bereits bei einem kleineren Anteil der Nennstromstärke erreicht, als bei Halbleiterbauteilen mit geringerer Nennstromdichte.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement mit Driftstrecke und Grabenstruktur anzugeben, das trotz erhöhter Nennstromdichte im Durchlassfall, im Sperrfall eine verbesserte Avalanche-Festigkeit aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein derartiges Halbleiterbauelement hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauteil mit einer in einem Halbleiterkörper ausgebildeten Driftstrecke aus einem Halbleitermaterial eines Leitungstyps geschaffen. Dabei ist die Driftstrecke zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode angeordnet und weist eine entlang eines Teils der Driftstrecke angeordnete Grabenstruktur auf. In der Grabenstruktur sind als Dioden oder als Varistorelemente wirkende Materialkombinationen aus schichtweise alternierenden Be reichen gestapelt. Dabei bilden die Diodenstapel bzw. die Varistorelemente eine Feldverteilung abhängig von den Dioden- bzw. Varistorspannungen aus. Diese Feldverteilung in der Grabenstruktur beeinflusst die Feldverteilung der die Grabenstruktur umgebenden Driftstrecke derart, dass die Driftstrecke eine gegenüber Driftstrecken ohne benachbarte Grabenstruktur erhöhte Dotierstoffkonzentration bei unveränderter Sperrspannungsfestigkeit aufweist.

Ein derartiges Halbleiterbauteil hat den Vorteil, dass es sich entweder durch die schichtweise Anordnung alternierend dotierter n- und p-Siliziumgebiete in dem Graben oder durch entsprechende Materialkombinationen von Varistorelementen auszeichnet. Die Anzahl der Dioden und ihrer Dotierung bzw. die Anzahl der Varistorelemente im Graben sind so gewählt, dass die Durchbruchsspannung des Halbleiterbauelements durch diese geschichteten Dioden bzw. Varistorelemente definiert wird. Diese Dioden bzw. Varistorelemente im Graben werden sinnvollerweise entweder aus Polysiliziumdioden oder durch mehrfache Schichtung von Zink und Zinkoxid ausgeführt. Sie besitzen vorteilhafterweise eine niedrigere Durchbruchsspannung als der Randabschluss und der sperrende pn-Übergang des Bodygebietes des Halbleiterbauteils. Der Avalanche-Durchbruch wird somit durch die Reihenschaltung von Dioden bzw. durch Reihen- und Parallelschaltung einer Vielzahl von Varistorelementen in einem großen Grabenvolumen bestimmt, so dass es vorteilhafterweise zu keiner starken inhomogenen Überhitzung des Halbleiterbauteils durch Avalanche-Strom, lokalisiert im Bereich beispielsweise des BODY-pn-Übergangs, kommen kann.

Darüber hinaus definieren in vorteilhafter Weise die beschriebenen pn-Schichten den Potentialverlauf im Bauelement beim statischen Sperren auch ohne Avalanche-Durchbruch. Durch die hohe, nicht ausgeräumte Dotierung der vertikalen pn-Schichten der Dioden werden also mobile Ladungen für die positiv geladenen Donatorrümpfe in der benachbarten Driftstrecke im vorzugsweise n-dotierten Gebiet mit mittlerer Dotierstoffkonzentration bereit gestellt, so dass die Dotierungen in der Driftstrecke gegenüber Kompensationsbauelementen deutlich erhöht werden können. Somit werden bessere Durchlasswerte für das erfindungsgemäße Halbleiterbauelemement erreicht. Diese Struktur eignet sich ebenfalls als Randabschluss für Halbleiterbauelemente analog zu den sog. „High-K-Bauelementen" bzw. den Halbleiterbauelementen mit einem Schichtkondensator in der Grabenstruktur.

In der oben erwähnten alternativen Form einer Grabenstruktur von gestapelten Varistorelementen werden keine Dioden aus Polysilizium eingesetzt, sondern es wird der Graben mit einem schichtartigen Stapel aus Zink und Zinkoxid gefüllt, der wie die Serienschaltung von Dioden fungiert und die Sperrspannung des Bauelements erreicht. Dabei kann die Oxidation des Zinks in-situ bei der Abscheidung des Zinks erfolgen, indem z.B. nach oder bei einem Bedampfen oder einem Aufsputtern des Zinks eine zumindest zeitweise oxidierende Atmosphäre eingestellt wird.

Zur Herstellung von Dioden auf Polysiliziumbasis können die dotierten Siliziumschichten anisotrop beispielsweise durch CVD-Abscheidung oder durch Sputtern von entsprechend vordotierten Targets aufgebracht werden. In einem möglichen nachfolgenden anisotropen Rückätzschritt kann ein Zuwachsen der Gräben bzw. ein Rückätzen unerwünschter Schichten an den Wänden der Gräben vermieden werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers hingegen ein homogenes monokristallines Halbleitermaterial auf, insbesondere Silizium. Derartige Halbleitermaterialien für den Halbleiterkörper, bspw. durch epitaktisches Aufwachsen, haben sich für die Ausbildung von Driftstrecken beispielsweise durch Epitaxiewachstum bereits bewährt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bildet die Grabenstruktur ein Streifen-, ein Gitter- oder ein Säulenmuster. In allen drei Fällen wird darauf geachtet, dass die Streifen bzw. das Gitter oder die Säulen derart nahe beieinander liegen, dass sich die Feldverteilung in der Grabenstruktur auf die Potentialverteilung bzw. die Feldverteilung der benachbarten Driftstrecke auswirkt.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Wände der Grabenstruktur eine Isolationsschicht aufweisen, welche den Diodenstapel bzw. die Varistorelemente umgibt. Gegenüber der oben erwähnten Feldplattenstruktur ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Stapel aus Dioden bzw. Varistorstrukturen der Vorteil, dass die Isolationsschicht eine relativ geringe Dicke aufweisen muss, zumal sie lediglich die an den Dioden bzw. den Varistorstrukturen einzeln auftretenden Diodenspannungen bzw. Varistorspannungen gegenüber der Driftstrecke isolieren muss, wobei derartige Spannungen im Bereich von wenigen Volt bis einigen 10 Volt liegen, so dass nicht die volle Sperrspannung des Halbleiterbauelements wie bei der bekannten Feldplattenkonstruktion isoliert werden muss.

Die Isolatorschicht weist vorzugsweise ein Siliziumdioxid oder ein Aluminiumoxid oder ein Titandioxid auf oder besteht aus einem ein- oder mehrlagigen Film aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. Soweit es sich um Siliziumoxid und Siliziumnitrid handelt, können diese in situ durch Oxidation bzw. Nitrierung der Grabenwände hergestellt werden, was die Kosten wesentlich reduziert, während Aluminiumoxid und Titanoxid auf den Wänden vor Einbringen der Dioden bzw. der Varistoren abzuscheiden sind.

Vorzugsweise ist die maximale Dicke einer Diodenstruktur des Diodenstapels bzw. eines Varistorelements der Varistorelemente durch die Durchbruchsfestigkeit der Isolationsschicht begrenzt. Dieses bedeutet für die Dimensionierung der Schichterzeugung in der Grabenstruktur, dass sinnvolle Stufenhöhen für die Schichten zwischen 0,3 μm und einigen μm liegen, wobei die maximale Stufenhöhe durch die Durchbruchsfestigkeit der seitlichen Isolationsschicht gegeben ist. Prinzipiell lässt sich die Struktur auch durch nur wenige Stufen realisieren mit einer deutlich größeren Höhe als 10 μm pro Stufe, jedoch liefert eine große Stufenhöhe eine schwächere Kompensationswirkung in der Driftstrecke. Kleinere Stufenhöhen hingegen sind vorteilhafter und erlauben eine dünnere Isolationsschichtdicke der Wände der Gräben. Dieses kann jedoch zu höheren Fertigungskosten führen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Diodenstapel Halbleitermaterialien eines gleichen und eines komplementären Leitungstyps zum Leitungstyp der Driftstrecke auf. Diese gleichen und komplementären Leitungstypen in den Schichtungen der Dioden in der Grabenstruktur können in jeder Stufe der Schicht durch entsprechend gesteuerte Ionenimplantation und -diffusion nach Einbringen eines Materials mit mittlerer Grunddotierung erreicht werden oder dadurch, dass von vornherein hochdotierte Halbleiterschichten mit gleichem und komplementärem Leitungstyp zu der Driftstre cke in der Grabenstruktur abgeschieden werden. Dabei entsteht in der Grabenstruktur ein Diodenstapel mit entsprechend gestapelten pn-Übergängen von Zenerdioden, bzw. Avalanchedioden, deren Raumladungszonen die Feldverteilung der Grabenstruktur einstellen und gleichzeitig die Feldverteilung in der benachbarten Driftstrecke beeinflussen.

Vorzugsweise weisen die Varistorelemente alternierend wechselnde Zink- und Zinkoxidschichten auf, die wie oben bereits erwähnt durch Abscheidung von Zink und anschließender oder gleichzeitiger zumindest temporärer in-situ Oxidation hergestellt werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Summe der Durchbruchsspannungen der einzelnen Dioden bzw. Varistorelemente größer als die zulässige Betriebssperrspannung des Halbleiterbauelements. Damit wird gewährleistet, dass eine Überhitzung des Halbleiterbauteils durch Avalanche-Effekte im Normalbetrieb vermieden wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine einzelne Diodenstruktur des Diodenstapels eine Dicke d zwischen 0,1 μm ≤ d ≤ 20 μm, wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 0,3 μm ≤ d ≤ 10 μm liegt.

Wie oben bereits erwähnt, kann durch das Einbringen derartiger Diodenstapel bzw. Varistorelemente in die Grabenstruktur die Driftstrecke eine höhere Dotierstoffkonzentration aufweisen als es bei Driftstrecken ohne eine derartige Grabenstruktur möglich ist. Somit kann die Dotierstoffkonzentration N der Driftstrecke auf zwischen 2 × 10¹⁵ cm^–3 ≤ N ≤ 10¹⁸ cm^–3, mit einem bevorzugten Bereich von 1 × 10¹⁶ cm^–3 ≤ N ≤ 2 × 10¹⁷, erhöht werden.

Die Ausdehnung der Driftstrecke von einer Grabenstruktur mit Diodenstapel bzw. Varistorelementen zu einer nächsten Grabenstruktur beträgt vorzugsweise nicht mehr als etwa ein Drittel der Ausdehnung der Driftstrecke in Stromflussrichtung. Damit wird gewährleistet, dass sich die Feldverteilung des Diodenstapels bzw. die Feldverteilung der Varistorelemente auf der vollen Breite bzw. Ausdehnung der Driftstrecke zwischen zwei Grabenstrukturen auswirken kann. Vorzugsweise wird diese Grabenstruktur für Halbleiterbauelemente, die als MOSFET oder als JFET oder als IGFET oder als PIN-Diode oder als Schottky-Diode aufgebaut sind und eine Driftstrecke aufweisen, eingesetzt.

Vorzugsweise ist die Driftstrecke bei einem vertikalen MOSFET auf einem hochdotierten Substrat von gleichem Leitungstyp wie die Driftstrecke angeordnet und die Grabenstruktur reicht ungefähr bis an dieses hochdotierte Substrat heran. Die Driftstrecke ist aufgrund des gleichen Leitungstyps direkt mit dem hochdotierten Substrat elektrisch verbunden und steht mit der zweiten Elektrode als eine Drainelektrode elektrisch in Verbindung. Die erste Elektrode hingegen ist als Source-Elektrode ausgebildet und liegt auf Source-Potential. Dabei kann der Diodenstapel im Bereich der Oberseite des Halbleiterkörpers mit einer zusätzlichen Elektrode versehen sein, die mit der Source-Elektrode elektrisch verbunden ist.

Das Halbleiterbauelement kann als vertikaler MOSFET eine planare Gatestruktur oder eine Trench-Gatestruktur aufweisen. Die Diodenstapel in der Grabenstruktur bzw. die Varistorelemente können mit derartigen Gate-Elektroden anstelle mit einer Source-Eelektrode, die auf einem Source-Potential liegt, über entsprechende Leiterbahnen verbunden sein. Ferner kann für die Trench-Gate-Elektrode, die eine Bodyzone durchsetzt, eine getrennte Grabenstruktur in das Halbleiterbauteil eingebracht werden, welche unabhängig von der Grabenstruktur für die Diodenstapel bzw. die Varistorelemente ist. Die Breite b der Driftstrecke zwischen den Gräben der Grabenstruktur liegt im Bereich zwischen 0,5 μm ≤ b ≤ 30 μm, vorzugsweise zwischen 1 μm ≤ b ≤ 10 μm. Diese geringen Breiten der Driftstrecke zwischen den Gräben ermöglichen es, dass sich die Feldverteilung der Diodenstapel bzw. der Varistorelemente in dem angrenzenden Gebiet der Driftstrecke voll auswirken.

Vorzugsweise liegt die Länge 1 der Driftstrecke in vertikaler Richtung bei vertikalen Halbleiterbauelementen wie MOSFETs aus Silizium bei etwa 5 μm bis 15 μm/100 V Sperrspannung, d.h. für eine Durchbruchsspannung von 600 V zwischen ungefähr 30 μm ≤ b ≤ 90 μm.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit Grabenstruktur in einer Driftstrecke und mit Diodenstapeln in der Grabenstruktur weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird eine Grabenstruktur in der Driftstrecke hergestellt. Diese Grabenstruktur kann streifenförmig, gitterförmig oder säulenförmig sein. Anschließend wird ein isotropes Oxidieren und/oder Nitrieren der Wände der Grabenstruktur als Wandschutz durchgeführt. Auf dem Boden der Grabenstruktur wird dann eine Schicht aus einem Halbleitermaterial mit einer Grunddotierung abgeschieden. Diese Abscheidung kann anisotrop erfolgen, so dass die Wände der Grabenstruktur wenig oder gar kein Material der grunddotierten Schicht aus beispielsweise polykristallinem Silizium aufnehmen. Anschließend wird ein Ionenimplantationsschritt durchgeführt, bei dem Akzeptoren- und Donatorenmaterial in unterschiedlichen Tiefen mit unterschiedlichen Störstellenkonzentrationsprofilen in die grunddotierte Schicht implantiert werden.

Nach einer optionalen Rekristallisation der grunddotierten Schicht und/oder einer Nachdiffusion der Akzeptoren und/oder Donatoren wird unter Ausbilden eines oberflächennahen pn-Übergangs in der grunddotierten Schicht eine Diode gebildet. Diese Verfahrensschritte des Abscheidens der Schicht des Ionenimplantierens und/oder des Diffundierens werden so lange wiederholt, bis die Grabenstruktur mit einem Diodenstapel aufgefüllt ist, wobei die Dotierstoffprofile in den aufeinander abfolgenden Schichten nicht zwingend homogen oder gleichartig sind bzw. sein müssen.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass eine dichte Packung von Dioden in der Grabenstruktur entsteht und dass die Dicke der einzelnen Diodenstruktur durch den Abscheidevorgang der grunddotierten Schicht mit anschließender Ionenimplantation und/oder Diffusion präzise eingestellt werden kann.

Ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit Grabenstruktur in einer Driftstrecke und mit Diodenstapeln in der Grabenstruktur weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Nach dem Herstellen der Grabenstruktur in der Driftstrecke werden wiederum die Wände der Grabenstruktur durch isotropes Oxidieren oder Nitrieren mit einer Isolationsschicht versehen. Anschließend wird eine vordotierte Schicht aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps am Boden der Grabenstruktur abgeschieden und danach wird durch Ionenimplantation und/oder durch Diffusion von Störstellen eines komplementären Leitungstyps zu der vordotierten Schicht ein pn-Übergang hergestellt. Nach einem optionalen Rekristallisations- und Nachdiffusionsschritt wird dann das Abscheideverfahren so oft wiederholt, bis die Grabenstruktur mit einem Diodenstapel aufgefüllt ist. Dieses Verfahren hat gegenüber dem vorhergehenden Verfahren den Vorteil, dass ein Ionenimplantationsschritt eingespart werden kann, wenn ein vordotiertes Halbleitermaterial als Ausgangsschicht für jeweils eine Diode abgeschieden wird.

Eine weitere Alternative besteht darin, dass nacheinander zunächst ein vordotiertes Material des Leitungstyps der Driftstrecke und anschließend ein vordotiertes Material mit komplementärem Leitungstyp in der Grabenstruktur mit jeweils hoher Störstellenkonzentration abgeschieden wird, so dass sich nach einem optionalen Temper- und Rekristallisationsschritt ein pn-Übergang einer Diode ergibt. Auch hier werden diese Abscheideschritte so lange wiederholt, bis der Graben der Grabenstruktur mit einem Diodenstapel gefüllt ist.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit Grabenstruktur in der Driftstrecke und mit Varistorelementen in der Grabenstruktur weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird wieder eine Grabenstruktur in der Driftstrecke hergestellt und es werden die Wände der Grabenstruktur durch isotropes Oxidieren oder Nitrieren mit einer Isolationsschicht versehen. Anschließend wird eine Zinkschicht am Boden der Grabenstruktur abgeschieden und diese Zinkschicht wird in einem oberflächennahen Bereich zu einer Zinkoxidschicht oxidiert unter Ausbilden eines oder mehrerer Varistorelemente. Anschließend werden das Abscheide- und der Oxidationsschritt mehrfach wiederholt, bis der Graben der Grabenstruktur mit Varistorelementen aus alternierenden Zink- und Zinkoxidstrukturen aufgefüllt ist.

Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass kein Halbleitermaterial für die Ausbildung der Schichten der Grabenstruktur eingesetzt werden muss, sondern vielmehr Metall- und Metalloxidkombinationen eingesetzt werden können, die Varistoreigenschaften aufweisen.

Nach dem Herstellen derartiger Grabenstrukturen werden auf den Diodenstapeln bzw. den Varistorelementen Metallelektroden selektiv abgeschieden. Diese Metallelektroden können gleichzeitig oder in einem anschließenden Verfahren über selektiv aufgebrachte Leiterbahnen mit Source-Elektroden des Halbleiterbauelements elektrisch verbunden werden.

In einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens zur Herstellung eines Diodenstapels werden bei der Ionenimplantation von Akzeptoren- und Donatorenmaterial Bor- und Phosphorionen implantiert, wobei die Borionen tiefer mit flacherem Profil in die grunddotierte Schicht als die Phosphorionen implantiert werden. Dadurch wird ein pn-Übergang in der grunddotierten Schicht erzeugt, der eine Raumladungszone ausbildet, welche eine vorgegebene Dioden-Durchbruchsspannung aufgrund der implantierten Dotierstoffkonzentrationen limitiert. Das Abscheiden der Schichten in den Gräben kann durch ein Sputterverfahren, ein Aufdampfen oder durch eine gerichtete Ionenstrahlabscheidung aus einem Plasma erfolgen. Vorzugsweise wird bei diesem Abscheiden ein Verfahren eingesetzt, das eine anisotrope Abscheidung der Materialien ermöglicht, wobei die Abscheiderate an den Wänden mindestens um einen Faktor 2 geringer ist als am Boden der Grabenstruktur.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Grabenstruktur eines Halbleiterbauteils einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Dotierstoffprofils einer Diodenschicht in einer Grabenstruktur.

3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Grabenstruktur eines Halbleiterbauteils einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Grabenstruktur 8 eines Halbleiterbauteils 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Halbleiterbauteil 1 weist einen Halbleiterkörper 3 auf, der aus einem hochdotierten Substrat 19 eines ersten Leitungstyps (n) und einer Driftstrecke 4 besteht, die eine Länge l aufweist und sich von der Oberseite 20 des Halbleiterkörpers 3 bis zur Oberseite 23 des Substrats 19 erstreckt. Der Halbleiterkörper 3 weist auf seiner Oberseite 20 mindestens eine erste Elektrode 5 auf, die hier in dieser Ausführungsform der Erfindung eine Source-Elektrode S ist. Auf der Unterseite 26 weist der Halbleiterkörper 3 eine zweite Elektrode 6, die in dieser Ausführungsform der Erfindung eine Drain-Elektrode D ist auf.
Eine Gate-Elektrode 7 ist als planares Gate G ausgebildet und weist eine Polysiliziumschicht auf. Die Polysiliziumschicht ist durch eine Gate-Oxidschicht 24 von einem Kanalgebiet in einer Bodyzone 21 isoliert, wobei sich das Kanalgebiet von einer Grenze eines hochdotierten Source-Bereichs 25 des gleichen Leitungstyps wie die Driftstrecke zu der Grenze der Driftstrecke 4 in dem Bodygebiet 21 erstreckt.
In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Grabenstruktur 8 in die Driftstrecke 4 von der Oberseite 20 des Halbleiterkörpers 3 bis zur Oberseite 23 des Substrats 19 innerhalb des Sourcebereichs 25 eingebracht. Die Wände der Grabenstruktur 16 sind mit einer Isolationsschicht 17 bedeckt, die eine Dicke w im Bereich 0,03 μm ≤ w ≤ 3 μm aufweist. Diese Isolationsschicht weist in dieser Ausführungsform der Erfindung eine Siliziumdioxidschicht auf. Der Halbleiterkörper 3 besteht aus einem monokristallinen Siliziumkristall des hochdotierten Substrats 19 und aus der Driftstrecke 4, die aus einer oder mehreren monokristallinen Epitaxieschichten oder alternativ über Waferbonding gebildet ist.
Eine Isolationsschicht 17 aus Siliziumdioxid hat den Vorteil, dass nach einem Einbringen eines Grabens im Bereich des Sourcebereichs 25 durch die Driftstrecke 4 bis zur Oberseite 23 des hochdotierten Substrats 19 die Isolationsschicht 17 durch thermische Oxidation des Siliziums der Grabenwände 16 hergestellt werden kann. Andere Isolationsschichten 17, wie eine Siliziumnitridschicht, sind durch Nitrieren des Siliziummaterials möglich oder durch physikalische Abscheidung beispielsweise in Form eines Sputterns oder Plasmaabscheidung oder CVD-Abscheidung auf den Wänden der Grabenstruktur herstellbar.
In dem Graben ist ein Stapel von Dioden 9 angeordnet, die durch alternierende p-leitende und n-leitende Bereiche 11 und 12 gekennzeichnet sind. Dabei richtet sich die Dicke d eines einzelnen Diodengebietes 9 danach, welche Betriebsspannung in Sperrrichtung zwischen der ersten Elektrode 5 und der zweiten Elektrode 6 erreicht werden soll. Die Summe der Durchbruchspannungen der Dioden der gestapelten Dioden 9 sollte dabei etwas über dieser Betriebsspannung des Halbleiterbauteils liegen. Beispielsweise werden 50 Dioden mit jeweils einer Dicke d von 0,8 μm und einer Diodenspannung von 13 V für Halbleiterbauelemente der 600 V-Klasse vorgesehen.
Rein rechnerisch ergibt sich die Summe der Diodenspannungen zu 650 V, so dass eine Reserve von 50 V vorhanden ist. Aufgrund eines gewünschten positiven Temperaturkoeffizienten der Durchbruchsspannung liegt die minimale Spannung pro Diode oberhalb von etwa 8 V. Die Spannungsanforderung definiert auch die minimal sinnvolle Dicke d einer Diodenstufe, die zwischen 0,3 μm ≤ d ≤ 10 μm in dieser Ausführungsform liegt. Die maximale Dicke d pro Diode ist durch die Durchbruchsfestigkeit der Isolationsschicht 17 auf den Wänden 16 der Grabenstruktur 8 gegeben. So ist es auch möglich, mit einer hohen Dicke d von 10 μm ≤ d ≤ 20 μm zu arbeiten, wobei jedoch mit zunehmender und hoher Dicke eine schwächere Kompensationswirkung erreicht wird, während geringere Dicken zwischen 0,1 μm ≤ d ≤ 0,3 μm eine bessere Kompensataionswirkung aufgrund der entsprechend geringeren Dicke w der Isolationsschicht erzielen. Somit ist es möglich, die Grabenstruktur 8 optimal an die Betriebsbedingungen des Halbleiterbauelements 1 anzupassen.
Die Potentialverteilung 15 innerhalb der Grabenstruktur 8 zeigt die rechte Seite der 1 in einem Diagramm, bei dem auf der Abszisse die Spannung U eingetragen ist und auf der Ordinate die Driftstreckenlänge x eingeführt ist. Aufgrund der anliegenden Drainspannung U_D liegt an jeder der Dioden die Stufenspannung U_Z an, die geringer sein sollte als die Durchbruchsfeldstärke jeder einzelnen Diode 9 mit der Dicke d. Die maximale Betriebsspannung U_max sollte dabei geringer sein als die Summe der Durchbruchsspannungen der Dioden.
Die Feldverteilung 15 innerhalb der Grabenstruktur 8 beeinflusst die Feldverteilung der Driftstrecke 4 derart, dass eine höhere Dotierstoffkonzentration und damit ein niedrigerer Einschaltwiderstand des Halbleiterbauteils zwischen den beiden Elektroden 5 und 6 möglich wird, ohne dass die maximale Sperrspannung U_max verringert wird. Die Dotierstoffkonzentration in der Driftstrecke kann aufgrund der Grabenstruktur 8 aus einem Diodenstapel um etwa eine bis zwei Zehnerpotenzen gegenüber Halbleiterbauteilen mit Driftstrecke, jedoch ohne eine derartige Grabenstruktur, erhöht werden.
2 zeigt ein schematisches Diagramm von Dotierstoffprofilen einer Diodenschicht in einer Grabenstruktur. Dazu wird auf dem Boden 22 der Grabenstruktur 8 eine erste Schicht mit der Dotierstoffgrundkonzentration N_G mit einer Diodendicke d abgeschieden. Dabei kann gleichzeitig die Schichtdicke d reduziert werden und der Einfluss auf die mögliche und erreichbare Sperrspannung des Halbleiterbauelements ist vernachlässigbar. Wird eine relativ hohe Störstellengrundkonzentration zwischen etwa 5 × 10¹⁶ cm^–3 ≤ N_G ≤ 1 × 10¹⁸ cm^–3 gewählt, so ergibt sich eine geringe Beeinflussung durch die benachbarte Driftstrecke. Deshalb ist in der vorliegenden bevorzugten Durchführung des Verfahrens ein Kompromiss zwischen beiden Varianten einer Hochdotierung und einer Niedrigdotierung des Grundmaterials mit einer mittleren Störstellengrundkonzentration zwischen etwa 1 × 10¹⁴ cm^–3 ≤ N_G ≤ 2 × 10¹⁶ cm^–3 vorgesehen. Dies ermöglicht eine erhöhte Kompensation bei gleichzeitig reduzierter Schichtdicke d und vernachlässigbarem Einfluss auf die mögliche und erreichbare Sperrspannung des Halbleiterbauelements. Außerdem ist dann die Dotierstoffkonzentrationsdifferenz zur technischen intrinsischen Konzentration ausreichend, um durch Ionenimplantation und/oder Diffusion die Herstellung der Grabenstruktur 8 aus Dioden zu steuern.
Dazu werden Störstellen, die eine p-Leitung oder eine n-Leitung in der abgeschiedenen, nahezu grunddotierten Schicht bilden, durch Ionenimplantation oberflächennah in die jeweilige Schicht eingebracht. Wie das Diagramm der 2 zeigt, werden hier Bor und Phosphor als Störstellen in das Halbleitermaterial implantiert. Dabei wird die in dieser Ausführungsform der Erfindung von den Borionen verursachte p-leitende Dotierung mit tieferer Eindringtiefe und flacherem Gradienten in das Silizium eingebracht als die von Phosphorionen verursachte n-leitende Dotierung.
Um eine p-leitende Dotierung mit Borionen einzubringen, wird Bor ionisiert und implantiert, womit sich ein flacher pn-Übergang gestalten lässt, da schwerere Implantationsspezies bei gleicher Energie eine geringere Eindringtiefe des pn-Übergangs bewirken. Bei der Ionenimplantation werden typische Dosen von > 5 × 10¹³ cm^–2 eingesetzt, wobei mit höherer Dosierung eine geringere Rückwärts-Sperrfähigkeit verbunden ist, was das Einschalten des MOS-Transistors erleichtert.
In dieser Ausführungsform der Erfindung werden Dosen zwischen 5 × 10¹³ cm^–2 bis 5 × 10¹⁴ cm^–2 verwendet. Die Energien, mit denen diese Ionen beschleunigt und in die Schicht aus Silizium eingebracht werden, liegen zwischen 5 keV und 15 keV, wobei für eine Bordotierung und Phosphordotierung etwa gleiche Energien eingesetzt werden.
Bei einer n-leitenden Dotierung mit Arsen oder Antimon können bei gleichen Energien geringere Eindringtiefen erreicht werden, und bei einer p-leitenden Dotierung mit Hilfe einer BF₂-Implantation sind aufgrund der schwereren Implantationsspezies mindestens die doppelten Energien als bei Verwendung von Bor erforderlich. Durch die Verwendung schwererer Implantationsspezies können flachere pn-Übergänge erzeugt werden, wenn die Implantationsenergie aus anlagentechnischen Gründen nicht weiter reduziert werden kann. Außerdem ist es auch möglich, anstelle einer Implantation eine Dotierung durch Diffusion aus der Gasphase vorzunehmen, wobei in derartigen Fällen eine relativ hohe Konzentration oberflächennah erreicht wird.
Das Diagramm zeigt nun auf der Abszisse die Eindringtiefe T in μm und auf der Ordinate die Dotierstoffkonzentration N in cm^–3 für eine einzelne Diodenschicht. Die Grunddotierung liegt, wie das Diagramm zeigt, bei etwa 2 × 10¹⁶ cm^–3 und weist im Wesentlichen eine Phosphorgrunddotierung der abgeschiedenen Schicht auf. Durch gleichzeitiges oder durch ein nacheinander Implantieren von Bor- und Phosphorionen ergeben sich die hier dargestellten Profile, wobei mit der Implantation eine relativ flache Eindringtiefe oder niedrige Eindringtiefe des pn-Übergangs bei etwa 200 nm erreicht wird, und wobei die maximale Konzentration an Boratomen bei etwa 10¹⁹ cm^–3 liegt und die Konzentration der Phosphorionen ein Maximum von etwa 10²⁰ cm^–3 erreicht.
Diese Implantationsprofile wiederholen sich von Schicht zu Schicht, so dass nach Auffüllen des Grabens zu einer Grabenstruktur eine Serienschaltung von pn-Übergängen bzw. Dioden die Sperrspannung zwischen Drain und Source in eine Vielzahl von Stufen aufteilen, so dass an jeder der Dioden eine Diodenspannung U_Z anliegt, die geringer ist als der Diodendurchbruch jeder einzelnen Diode.
Kommt es dennoch zu einem Avalanche-Effekt, so verteilt sich dieser relativ gleichmäßig auf das Volumen der Grabenstruktur 8 bzw. relativ gleichmäßig auf den Diodenstapel, so dass eine lokale thermische Überhitzung vermieden wird. Andererseits wird das Halbleiterbauteil vor einem lokalen Durchbruch in der Driftstrecke geschützt, da, wie oben im Beispiel erwähnt, die Reserve zum Avalanche-Durchbruch der Dioden für die 600 V-Klasse gering gehalten wird, so dass der Avalanche-Durchbruch wenn überhaupt, dann in der Grabenstruktur auftritt, und kein lokal begrenzter Durchbruch in der Driftstrecke eine thermische Überlastung des Halbleiterbauteils verursachen kann.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Grabenstruktur 8 eines Halbleiterbauteils 2 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung wird anstelle eines Diodenstapels in der Grabenstruktur 8 eine Struktur aus Varistorelementen verwirklicht. Eine derartige Struktur aus Varistorelementen kann durch oxidierte Kristallkörner aus Zink oder durch Schichten von Zink und Zinkoxid in der Grabenstruktur 8 realisiert werden. Anstelle von Zink und Zinkoxid kann auch ein Siliziumkarbid und Siliziumkarbidoxid verwendet werden. Jedoch für eine annähernd schichtweise Strukturierung eignet sich das Zink deshalb besser, weil jede eingebrachte Zinkschicht durch in-situ Oxidation teilweise oxidiert wird, und somit eine Struktur aus Varistorelementen entsteht, die in ähnlicher Form eine Potentialverteilung 15, wie sie auf der rechten Seite der 1 gezeigt wird, hervorrufen kann. Dabei ist die Darstellung in 3 eine idealisierte Darstellung des Feldverlaufs, zumal es praktisch schwierig ist, bei der Abscheidung des Zinks eine relativ regelmäßige Verteilung von Zinkkristallkörnern, die durch in-situ Reaktion unmittelbar von einem Oxidmantel umgeben werden, zu erreichen, so dass eine Vielzahl geometrisch unregelmäßiger und oberflächenoxidierter Zinkkristallkörner als Grabenstruktur 8 in dem Graben auftreten können.
Dadurch entsteht eine Vielzahl von parallel und in Serie geschalteter Übergänge der Varistorelemente, die im Durchbruchsfall dafür sorgen, dass keine lokale Überhitzung im Halbleitermaterial der Driftstrecke auftritt, sondern dass das gesamte Volumen der Grabenstruktur zur Verfügung steht, in der die Verlustwärme durch den Avalanche-Effekt der Varistorelemente großvolumig verteilt wird und eine lokale Überhitzung der Driftstrecke vermieden wird bzw. die Driftstrecke durch die Varistorelemente geschützt ist. Andererseits bewirkt die im rechten Bild prinzipiell gezeigte Potentialverteilung 15 eine Rückwirkung auf die Feldverteilung in der Driftstrecke, so dass es möglich ist, die Driftstrecke mit einer höheren Dotierung auszustatten und somit bei gleichbleibend hoher Sperrspannung des Halbleiterbauelements 2 einen geringeren und damit verbesserten Einschaltwiderstand zu erreichen.

1: Halbleiterbauelement (1. Ausführungsform)
2: Halbleiterbauelement (2. Ausführungsform)
3: Halbleiterkörper
4: Driftstrecke
5: Source-Elektrode bzw. erste Elektrode
6: Drain-Elektrode bzw. zweite Elektrode
7: Gate-Elektrode
8: Grabenstruktur
9: Diode
10: Varistorelement
11: alternierender Bereich
12: alternierender Bereich
13: Diodenstapel
14: Varistorelemente
15: Potentialverteilung
16: Wand der Grabenstruktur
17: Isolationsschicht
18: pn-Übergang
19: Substrat
20: Hauptoberfläche
21: Bodyzone
22: Boden der Grabenstruktur
23: Oberseite des Substrats
24: Gateoxidschicht
25: Sourcebereich
26: Unterseite des Halbleiterkörpers
b: Breite der Driftstrecke
d: Dicke der Diode
D: Drain
G: Gate
l: Länge der Driftstrecke
n: Leitungstyp
N: Dotierstoffkonzentration
N_G: Dotierstoff-Grundkonzentration
p: Leitungstyp
S: Source
T: Eindringtiefe
U_V: Varistorspannung
U_Z: Diodenspannung
U_max: Sperrspannungsfestigkeit

Claims

Halbleiterbauelement mit einer in einem Halbleiterkörper (3), ausgebildeten Driftstrecke (4) aus einem Halbleitermaterial eines Leitungstyps (n), die eine zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode (5, 6) und wenigstens entlang eines Teiles der Driftstrecke (4) angeordnete Grabenstruktur (8) aufweist, wobei in der Grabenstruktur (8) als Diode (9) oder als Varistor (10) wirkende Materialkombinationen aus schichtweise alternierenden Bereichen (11, 12) gestapelt sind, und wobei der Diodenstapel (13) bzw. die Varistorelemente (14) eine Potentialverteilung (15) abhängig von den Dioden- (U_Z) bzw. Varistorspannungen (U_V) ausbildet, welche die Feldverteilung in der die Grabenstruktur (8) umgebenden Driftstrecke (4) derart beeinflusst, dass die Driftstrecke (4) eine gegenüber Driftstrecken ohne benachbarte Grabenstruktur (8) erhöhte Dotierstoffkonzentration (N) bei unveränderter Sperrspannungsfestigkeit (U_max) aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers (3) ein homogenes monokristallines Halbleitermaterial, wie insbesondere Silizium (Si) aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grabenstruktur (8) eine Streifen-, Gitter- oder Säulenstruktur aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (16) der Grabenstruktur (8) eine Isolationsschicht (17) aufweisen, welche den Diodenstapel (13) bzw. die Varistorelemente (14) umgibt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorschicht (17) Siliziumdioxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Titandioxid (TiO₂) aufweist, oder aus einem Siliziumdioxid-Film und/oder einem Siliziumnitrid-(Si₃N₄) -Film besteht.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Dicke (d) einer Diodenstruktur des Diodenstapels (13) bzw. einer Varistorstruktur der Varistorelemente (14) durch die Durchbruchsfestigkeit der Isolationsschicht (17) begrenzt ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diodenstapel (13) Halbleitermaterialien eines gleichen (n) und eines komplementären (p) Leitungstyps zum Leitungstyp (n) der Driftstrecke (4) aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diodenstapel (13) gestapelte pn-Übergänge (18) von Zener-Dioden oder Avalanche-Dioden aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Varistorelemente (14) eine Struktur aus sich abwechselnden Zink- (Zn) und Zinkoxidschichten (ZnO) aufweisen.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Durchbruchspannungen der einzelnen Dioden bzw. Varistoren (10) größer ist, als die zulässige Betriebssperrspannung des Halbleiterbauelements (1).
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzelne Diodenstruktur des Diodenstapels (13) eine Dicke d zwischen 0,1 μm ≤ d ≤ 20 μm, vorzugsweise zwischen 0,3 μm ≤ d ≤ 10 μm, aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftstrecke (4) eine Dotierstoffkonzentration N zwischen 2 × 10¹⁵ cm^–3 ≤ N ≤ 10¹⁸ cm^–3, vorzugsweise zwischen 1 × 10¹⁶ cm^–3 ≤ N ≤ 2 × 10¹⁷ cm^–3, aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der Driftstrecke (4) von einer Grabenstruktur (8) mit Diodenstapel (13) bzw. Varistorstapel (14) zu einer nächsten Grabenstruktur (8) nicht mehr als etwa 1/3 der Ausdehnung der Driftstrecke (4) in Stromflussrichtung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode beträgt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (1) ein MOSFET oder ein JFET oder ein IGFET oder eine PIN-Diode oder eine Schottky-Diode ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (1) ein vertikaler MOSFET ist und die Driftstrecke (4) auf einem hochdotierten Substrat (19) mit gleichem Leitungstyp wie die Driftstrecke (4) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Grabenstruktur (8) ungefähr bis an das hochdotierte Substrat (19) heranreicht.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftstrecke (4) im Bereich der zu einer Hauptoberfläche (20) des Halbleiterkörpers (3) gegenüberliegenden zweiten Elektrode (6) an ein hochdotiertes Gebiet an grenzt und mit der zweiten Elektrode (6) als eine Drainelektrode (D) elektrisch in Verbindung steht.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (5) als Sourceelektrode (5) auf Sourcepotential liegt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diodenstapel (13) im Bereich der Oberseite (20) des Halbleiterkörpers (1) mit einer zusätzlichen Elektrode versehen ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenstapel (13) bzw. die Varistorelemente (14) mit der Sourceelektrode (S) elektrisch verbunden sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (1) eine planare Gatestruktur aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (1) eine Trenchgatestruktur aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenstapel (13) bzw. die Varistorelemente (14) mit der Gateelektrode (G) elektrisch verbunden sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grabenstruktur (8) der Trenchgateelektrode (G) eine Bodyzone (21) durchsetzt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der Driftstrecke zwischen den Gräben der Grabenstruktur (8) im Bereich von 1 μm ≤ b ≤ 30 μm, vorzugsweise 2 μm ≤ b ≤ 10 μm, liegt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge 1 der Driftstrecke in vertikaler Richtung in Silizium für eine Durchbruchspannung von etwa 600 V zwischen ungefähr 30 μm ≤ l ≤ 90 μm liegt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenchgateelektroden (G) und die Diodenstapel (13) in getrennten Grabenstrukturen (8) angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (1) mit Grabenstrukturen (8) in einer Driftstrecke (4) und mit Diodenstapeln (13) in der Grabenstruktur (8), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: a) Herstellen einer Grabenstruktur (8) in der Driftstrecke (4); b) isotropes Oxidieren und/oder Nitrieren der Wände (16) der Grabenstruktur (8) als Wandschutz; c) Abscheiden einer Schicht aus einem Halbleitermaterial am Boden der Grabenstruktur (8); d) Ionenimplantation von Akzeptoren- und Donatorenmaterial in unterschiedliche Tiefen mit unterschiedlichen Störstellenkonzentrationsprofilen in die Schicht; e) Rekristallisation und Diffusion der Akzeptoren und/oder Donatoren unter Ausbilden eines pn-Übergangs (18) in der Schicht zur Bildung einer Diode (9); f) Wiederholen der Verfahrenschritte c) bis e) bis die Grabenstruktur (8) mit einem Diodenstapel (13) aufgefüllt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (1) mit Grabenstrukturen (8) in einer Driftstrecke (4) und mit Diodenstapeln (13) in der Grabenstruktur (8), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: a) Herstellen einer Grabenstruktur (8) in der Driftstrecke (4); b) isotropes Oxidieren und/oder Nitrieren der Wände (16) der Grabenstruktur (8) als Wandschutz; c) Abscheiden einer vordotierten Schicht aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps am Boden der Grabenstruktur (8); d) Ionenimplantation von Störstellen zu einer Schicht mit komplementärem Leitungstyp in der vordotierten Schicht; e) Rekristallisation und Diffusion der implantierten Störstellen unter Ausbilden eines pn-Übergangs (18) in der vordotierten Schicht zur Bildung einer Diode (9); f) Wiederholen der Verfahrenschritte c) bis e) bis die Grabenstruktur (8) mit einem Diodenstapel (13) aufgefüllt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (2) mit Grabenstrukturen (8) in einer Driftstrecke (4) und mit Varistorelementen (14) in der Grabenstruktur (8), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: a) Herstellen einer Grabenstruktur (8) in der Driftstrecke (4); b) isotropes Oxidieren und/oder Nitrieren der Wände (16) der Grabenstruktur (8) als Wandschutz; c) Abscheiden einer Zinkschicht (Zn) am Boden der Grabenstruktur; d) Oxidation eines oberflächennahen Bereichs der Zinkschicht (Zn) zu einer Zinkoxidschicht (ZnO) unter Ausbilden eines Varistorelements (10); e) Wiederholen der Verfahrenschritte c) und d) bis die Grabenstruktur (8) mit Varistorelementen (14) aus alternierenden Zink- (Zn) und Zinkoxidschichten (ZnO) aufgefüllt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Diodenstapeln (13) bzw. Varistorelementen Metallelektroden selektiv abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenstapel (13) mit einer Sourceelektrode (S) des Halbleiterbauelements (1) über selektiv aufgebrachte Leiterbahnen elektrisch verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28, 29, 31 oder 32 dadurch gekennzeichnet, dass zur Ionenimplantation von Akzeptoren- und Donatorenmaterial Bor- und Phosphorionen implantiert werden, wobei die Borionen tiefer mit flacherem Profil in die Schicht als die Phosphorionen implantiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass zum isotropen Oxidieren der Wände (16) der Grabenstruktur (8) eine Oxidation in einer Sauerstoff- und/oder Wasserdampf-Atmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass zum isotropen Nitrieren der Wände (16) der Grabenstruktur (8) eine chemische Gasphasenabscheidung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abscheiden der Schichten in der Grabenstruktur (8) ein Sputterverfahren eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abscheiden der Schichten in der Grabenstruktur (8) eine gerichtete Aufdampfung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abscheiden der Schichten in der Grabenstruktur (8) eine gerichtete Ionenstrahlabscheidung aus einem Plasma erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abscheiden der Schichten in der Grabenstruktur (8) ein anisotropes Abscheideverfahren eingesetzt wird, wobei die Abscheiderate an den Wänden (16) mindestens um einen Faktor 2 geringer ist als am Boden (22) der Grabenstruktur (8).