DE102005031908B3 - Halbleiterbauelement mit einer Kanalstoppzone - Google Patents
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Abstract
Die
Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, das aufweist:
- einen eine Grunddotierung aufweisenden Halbleiterkörper (100) mit einer ersten Seite (101), einer der ersten Seite (101) gegenüberliegenden zweiten Seite (102), einem zwischen der ersten und zweiten Seite angeordneten Innenbereich (103) und einem sich in lateraler Richtung an den Innenbereich anschließenden Randbereich (104),
- wenigstens eine aktive Bauelementzone (12), die im Innenbereich (103) im Bereich der ersten Seite (101) angeordnet und komplementär zu der Grunddotierung dotiert ist,
- eine Kanalstoppzone (20), die im Randbereich (104) im Bereich der ersten Seite (101) angeordnet, vom gleichen Leitungstyp wie die Grunddotierung und stärker als die Grunddotierung dotiert ist, wobei die Dotierungskonzentration in der Kanalstoppzone (20) wenigstens abschnittsweise in lateraler Richtung in Richtung der aktiven Bauelementzone (12) wenigstens über eine Distanz (d1) von 10 µm stetig abnimmt.
- einen eine Grunddotierung aufweisenden Halbleiterkörper (100) mit einer ersten Seite (101), einer der ersten Seite (101) gegenüberliegenden zweiten Seite (102), einem zwischen der ersten und zweiten Seite angeordneten Innenbereich (103) und einem sich in lateraler Richtung an den Innenbereich anschließenden Randbereich (104),
- wenigstens eine aktive Bauelementzone (12), die im Innenbereich (103) im Bereich der ersten Seite (101) angeordnet und komplementär zu der Grunddotierung dotiert ist,
- eine Kanalstoppzone (20), die im Randbereich (104) im Bereich der ersten Seite (101) angeordnet, vom gleichen Leitungstyp wie die Grunddotierung und stärker als die Grunddotierung dotiert ist, wobei die Dotierungskonzentration in der Kanalstoppzone (20) wenigstens abschnittsweise in lateraler Richtung in Richtung der aktiven Bauelementzone (12) wenigstens über eine Distanz (d1) von 10 µm stetig abnimmt.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der einen Innenbereich mit wenigstens einer aktiven Bauelementzone und einen Randbereich mit einer Kanalstoppzone aufweist.
- Das Vorsehen von Kanalstoppzonen in Halbleiterbauelementen ist hinlänglich bekannt. Einsatz finden solche Kanalstoppzonen, die auch als Kanalstopper oder Channel Stopper bezeichnet werden, beispielsweise in Leistungsbauelementen, wie Leistungsdioden, Leistungs-IGBT oder Leistungs-MOSFET. Sie dienen zur Erhöhung der statischen Sperrfähigkeit des Bauelements, indem sie eine sich bei sperrendem Bauelement in Richtung des Randes ausbreitende Raumladungszone begrenzen. Ein Halbleiterbauelement mit einer solchen Kanalstoppzone ist beispielsweise in der
DE 103 16 222 B3 beschrieben. - Insbesondere bei Leistungsbauelementen können während des Betriebs, insbesondere während der Abschaltvorgänge, lokal extrem hohe Stromdichten auftreten, die durch sogenannte Stromfilamentierungsvorgänge hervorgerufen werden. Auslöser für solche Stromfilamentierungsvorgänge können dynamische Effekte, insbesondere in Kombination mit Inhomogenitäten im Bereich eines Randabschlusses, wie beispielsweise Inhomgenitäten der Dotierung, der Ladungsträgerlebensdauer oder der Oberflächen- bzw. Grenzflächenladung, aber auch äußere Einflüsse sein. Solche äußeren Einflüsse sind beispielsweise eine lokal variierende Feuchtigkeit an der Oberfläche des Halbleiterkörpers.
- Um den Einfluss solcher dynamischer Effekte möglichst gering zu halten, ist es bekannt, eine Grunddotierung des Halbleiterkörpers möglichst hoch zu wählen. Dies begrenzt allerdings die statische Sperrfähigkeit und auch die Robustheit gegenüber Höhenstrahlung.
- Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement mit einer Kanalstoppzone zur Verfügung zu stellen, das sowohl eine hohe statische Sperrfähigkeit als auch eine hohe Robustheit gegenüber dynamischen Effekten, d.h. eine hohe dynamische Sperrfähigkeit besitzt. Dieses Ziel wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß der Ansprüche 1 und 13 erreicht.
- Dieses Halbleiterbauelement weist einen eine Grunddotierung aufweisenden Halbleiterkörper mit einer ersten Seite, einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite, sowie einen zwischen der ersten und zweiten Seite angeordneten Innenbereich und einen sich in lateraler Richtung an den Innenbereich anschließenden Randbereich auf.
- Im Innenbereich des Halbleiterkörpers ist wenigstens eine aktive Bauelementzone im Bereich der ersten Seite angeordnet, die komplementär zu der Grunddotierung des Halbleiterkörpers dotiert ist. Diese aktive Bauelementzone kann bei einem als Leistungsdiode ausgebildeten Halbleiterbauelement eine der Emitterzonen, bei einem als IGBT ausgebildeten Bauelement eine der Basiszonen und bei einem als MOSFET ausgebildeten Bauelement die Body-Zone bilden.
- Im Bereich der ersten Seite ist im Randbereich des Halbleiterkörpers eine Kanalstoppzone angeordnet, die vom gleichen Leitungstyp wie die Grunddotierung, jedoch stärker als die Grunddotierung dotiert ist. Zur Optimierung der dynamischen Sperrfähigkeit des Bauelements ist dabei vorgesehen, dass die Dotierungskonzentration in der Kanalstoppzone wenigstens abschnittsweise in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers in Richtung der aktiven Bauelementzone über eine Distanz von wenigstens 10μm, vorzugsweise wenigstens 25μm, stetig abnimmt. Der Gradient dN/dx, mit welchem die Dotierungskonzentration in Richtung der aktiven Bauelementzone in der Kanalstoppzone abnimmt, ist vorzugsweise relativ gering und liegt beispielsweise zwischen 5·1014cm-3/μm und 5·10llcm-3/μm. Die Abmessung des Bereiches der Kanalstoppzone, in welchem die Dotierungs konzentration in Richtung der aktiven Bauelementzone abnimmt, kann bis zu 200μm betragen.
- Bei einem herkömmlichen Leistungsbauelement mit einem eine n-Grunddotierung aufweisenden Halbleiterkörper und einer homogen dotierten Kanalstoppzone oder einer Kanalstoppzone mit steilem Dotiergradienten in lateraler und vertikaler Richtung können lokal hohe Stromdichten im Bereich der Kanalstoppzone dazu führen, dass die Elektronenkonzentration im Bereich um die Kanalstoppzone die Grunddotierung des Halbleiterkörpers überkompensiert. Dies kann zu einem sogenannten "Umklappen" des Verlaufes der elektrischen Feldstärke führt. Das Maximum der elektrischen Feldstärke verschiebt sich damit in den Bereich der "Innenkante" der Kanalstoppzone, also in den Bereich der Grenze der Kanalstoppzone, die der aktiven Bauelementzone zugewandt ist. Der Gradient des Feldverlaufes und dessen Ausdehnung wird dabei durch die Differenz zwischen der Konzentration freier Elektronen und der Grunddotierung bestimmt. Der sich ergebende Feldgradient ist dabei im Allgemeinen wesentlich steiler als der im statischem Sperrfall vorliegender Feldgradient, wodurch die dynamische Sperrfähigkeit des Bauelements erheblich reduziert ist.
- Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement, bei dem die Dotierungskonzentration in der Kanalstoppzone wenigstens abschnittsweise in Richtung der aktiven Bauelementzone mit relativ geringem Gradienten der Dotierstoffkonzentration abnimmt und in diesem Abschnitt eine nicht zu hohe Dotierungskonzentration aufweist, kann die im Vergleich zur Grunddotierung höhere und in Richtung der aktiven Bauelementzone abnehmende Dotierung der Kanalstoppzone im dynamischen Sperrfall die Ladung der im Bereich der Kanalstoppzone vorhandenen freien Elektronen zumindest teilweise kompensieren oder auch überkompensieren, wodurch eine hohe dynamische Sperrfähigkeit erreicht wird. Die maximale Dotierungskonzentration in der Kanalstoppzone im Bereich der abnehmenden Dotierung sollte dabei an die im dynamischen Sperrfall im Bereich der Kanalstoppzone maximal zu erwartende Elektronenkonzentration angepasst sein und in etwa dieser Elektronenkonzentration entsprechen.
- Um eine ausreichend hohe statische Sperrspannung des Bauelements zu erreichen, ist insgesamt eine ausreichend hohe Dotierstoffdosis in der Kanalstoppzone vorzusehen. Um dies zu erreichen, obwohl die Kanalstoppzone Bereiche aufweist, in denen die Dotierung nur wenig oberhalb der Grunddotierung liegt, weist die erfindungsgemäße Kanalstoppzone im Vergleich zur einer herkömmlichen Kanalstoppzone vergleichsweise große Abmessungen in lateraler und vertikaler Richtung auf. Die Kanalstoppzone erstreckt sich vorzugsweise in vertikaler Richtung ausgehend von der ersten Seite weiter in den Halbleiterkörper hinein als die aktive Bauelementzone.
- Zur Erhöhung der statischen Sperrfähigkeit, bzw. zur Erhöhung der Gesamt-Dotierstoffdosis in der Kanalstoppzone weist die Kanalstoppzone vorzugsweise eine im Bereich der ersten Seite angeordnete kochdotierte Halbleiterzone auf. An diese hochdotierte Halbleiterzone schließt sich wenigstens in lateraler Richtung in Richtung der aktiven Bauelementzone die schwächer dotierte Halbleiterzone an, in welcher die Dotierungskonzentration in Richtung der aktiven Bauelementzone abnimmt. Die Dotierungskonzentration der hochdotierten Halbleiterzone liegt beispielsweise zwischen 1017cm-3 und 1020cm-3 die maximale Dotierungskonzentration der schwächer dotierten Halbleiterzone liegt beispielsweise zwischen 1014cm-3 und 5·1016cm-3 Diese Dotierungskonzentration der schwächer dotierten Halbleiterzone nimmt in Richtung der aktiven Bauelementzone bis auf die Grunddotierung des Halbleiterkörpers ab. Diese Grunddotierung liegt für hochsperrenden Bauelemente bei 5·1012cm-3 und kann abhängig von der gewünschten Sperrfähigkeit des Bauelementes bis zu 1014 cm-3 betragen.
- Vorzugsweise nimmt die Dotierung der Kanalstoppzone wenigstens abschnittsweise auch in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers in Richtung der zweiten Seite ab. Bei Vorhanden sein einer hochdotierten Halbleiterzone und einer schwächer dotierten Halbleiterzone mit kleinem Gradienten des Dotierungsverlaufs schließt sich bei diesem Ausführungsbeispiel die schwächer dotierte Halbleiterzone auch in vertikaler Richtung an die stärker dotierte Halbleiterzone an, wobei die Dotierungskonzentration in der schwächer dotierten Halbleiterzone auch in dieser vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers abnimmt.
- Bei einer alternativen Ausgestaltung der Kanalstoppzone ist vorgesehen, dass diese eine im Bereich der ersten Seite angeordnete erste Halbleiterzone und eine stärker als die erste Halbleiterzone dotierte zweite Halbleiterzone aufweist, wobei sich die erste Halbleiterzone wenigstens in lateraler Richtung in Richtung der aktiven Bauelementzone an die zweite Halbleiterzone anschließt und wobei die erste Halbleiterzone wenigstens annäherungsweise homogen dotiert ist. Der Gradient der Dotierungskonzentration in Richtung der aktiven Bauelementzone der ersten Halbleiterzone beträgt damit wenigstens annäherungsweise Null. Die Dotierungskonzentration der ersten Halbleiterzone ist dabei so auf die bei Betrieb des Bauelements herrschenden Bedingungen abzustimmen, dass die Dotierungskonzentration in etwa der maximalen im Bereich des Kanalstoppers auftretender Elektronenkonzentration entspricht.
- Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt einen Querschnitt durch ein als Diode ausgebildetes Halbleiterbauelement mit einer erfindungsgemäßen Kanalstoppzone. -
2 veranschaulicht den Verlauf der Dotierungskonzentration in einem Abschnitt der Kanalstoppzone bei dem Bauelement gemäß1 . -
3 veranschaulicht ein mögliches Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kanalstoppzone. -
4 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kanalstoppzone. -
5 zeigt einen Querschnitt durch ein als IGBT ausgebildetes Halbleiterbauelement mit einer erfindungsgemäßen Kanalstoppzone. -
6 zeigt einen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement mit einer Kanalstoppzone gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. - In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelementbereiche mit gleicher Bedeutung.
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines als Diode ausgebildeten, eine erfindungsgemäße Kanalstoppzone aufweisenden Halbleiterbauelements. Das Bauelement weist einen Halbleiterkörper100 mit einer ersten Seite101 , einer der ersten Seite101 gegenüberliegenden zweiten Seite102 , einen zwischen der ersten und zweiten Seite101 ,102 angeordneten Innenbereich103 sowie einen sich in lateraler Richtung an den Innenbereich103 anschließenden Randbereich104 auf. Es sei darauf hingewiesen, dass die Abmessungen des Innenbereichs103 in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers100 im Vergleich zu den Abmessungen des Randbereichs104 wesentlich größer sind, wobei in1 lediglich ein kleiner Abschnitt dieses Innenbereichs103 dargestellt ist. - Der Halbleiterkörper
100 weist eine Grunddotierung auf, die der Dotierung entspricht, die der Halbleiterkörper vor Herstellen dotierter, die Eigenschaften des Bauelements bestimmenden Halbleiterzonen besitzt. Ein Halbleiterbereich, der nach Herstellen dieser weiteren Bauelementzonen noch die Grunddotierung besitzt und der den größten Teil des Volumens des Halbleiterkörpers ausmacht, ist in1 mit dem Bezugszeichen11 bezeichnet. - Im Innenbereich
103 des Halbleiterkörpers100 ist im Bereich der ersten Seite101 , die in dem Beispiel die Vorderseite des Halbleiterkörpers100 bildet, eine komplementär zu der Grunddotierung dotierte aktive Bauelementzone12 angeordnet. Der Halbleiterkörper100 weist in dem Beispiel eine n-Grunddotierung auf. Die komplementär dotierte aktive Bauelementzone12 ist damit p-dotiert. Diese Bauelementzone12 bildet in dem Beispiel den p-Emitter der Diode, der durch einen lediglich schematisch dargestellten Anodenanschluss A kontaktiert ist. Im Bereich der Rückseite102 des Halbleiterkörpers ist eine stark n-dotierte Halbleiterzone13 vorhanden, die den n-Emitter der Diode bildet und die an einen schematisch dargestellten Kathodenanschluss K angeschlossen ist. Ein die Grunddotierung besitzender Abschnitt des Halbleiterkörpers100 , der im Innenbereich zwischen dem p-Emitter12 und dem n-Emitter13 angeordnet ist, bildet die n-Basis der Diode. - In lateraler Richtung des Halbleiterkörpers
100 beabstandet zu dem p-Emitter12 ist im Randbereich des Bauelements104 eine Kanalstoppzone20 vorhanden, deren Dotierungstyp dem Dotierungstyp der Grunddotierung des Halbleiterkörpers100 entspricht, die jedoch höher als die Grunddotierung dotiert ist. Aufgabe dieser Kanalstoppzone20 ist es, ein elektrisches Feld, das sich bei Anlegen einer Sperrspannung zwischen Anode A und Kathode K ausgehend von dem pn-Übergang zwischen p-Emitter12 und der n-Basis11 ausbreitet, zu begrenzen, um ein Durchgreifen des elektrischen Feldes bis an eine zwischen Vorderseite101 und Rückseite102 verlaufende Randseite105 zu verhindern. - Die Kanalstoppzone
20 weist eine erste Halbleiterzone21 auf, in welcher die Dotierstoffkonzentration ausgehend von einem ersten Konzentrationswert in lateraler Richtung des Halblei terkörpers100 in Richtung der aktiven Bauelementzone12 abnimmt. Diese laterale Richtung des Halbleiterkörpers in Richtung der aktiven Bauelementzone12 wird nachfolgend als x-Richtung des Halbleiterkörpers bezeichnet. - Vorteilhafterweise weist die Kanalstoppzone
20 weiterhin eine höher als die erste Halbleiterzone21 dotierte zweite Halbleiterzone22 auf. Diese zweite Halbleiterzone22 schließt sich an der der aktiven Bauelementzone12 abgewandten Seite an den Abschnitt mit abnehmender Dotierung der ersten Halbleiterzone21 an. - Zum besseren Verständnis der Dotierungskonzentrationen zeigt
2 beispielhaft den Verlauf der Dotierungskonzentration in der Kanalstoppzone20 in der lateralen x-Richtung ausgehend von einem Punkt x0, der im Zentrum der zweiten Halbleiterzone22 angeordnet ist.2 veranschaulicht dabei den Verlauf der Dotierungskonzentration in einem Bereich der Kanalstoppzone20 knapp unterhalb der ersten Seite bzw. Vorderseite101 . - Die Dotierungskonzentration der zweiten Halbleiterzone
22 ist in2 mit N2 bezeichnet. Diese Dotierungskonzentration der n-dotierten zweiten Halbleiterzone22 beträgt beispielsweise zwischen 1017cm-3 und 1019cm-3. Mit N1 ist in2 die maximale Dotierungskonzentration des sich in lateraler Richtung an die zweite Halbleiterzone22 anschließenden Abschnitts der ersten Halbleiterzone21 bezeichnet. Diese maximale Dotierungskonzentration beträgt beispielsweise zwischen 1014cm-3 und 5·1016cm-3. - Die Dotierungskonzentration im Übergangsbereich zwischen der ersten Halbleiterzone
21 und der zweiten Halbleiterzone22 nimmt relativ abrupt, d. h. mit einer sehr hohen Steilheit, von der zweiten Halbleiterzone22 zu der ersten Halbleiterzone21 hin ab. Innerhalb der ersten Halbleiterzone21 nimmt die Dotierungskonzentration in der lateralen Richtung in Richtung der aktiven Bauelementzone12 stetig mit einer wesentlich geringeren Steilheit als im Übergangsbereich zwischen erster und zweiter Halbleiterzone21 ,22 bis auf den Wert der Grunddotierung des Halbleiterkörpers100 ab. Diese Grunddotierung des Bauelements beträgt abhängig von der gewünschten Sperrfähigkeit zwischen 5·1012cm-2 und 1014cm-2. Die Abmessung d1 des in lateraler Richtung verlaufenden Abschnitts der ersten Halbleiterzone21 , in dem die Dotierungskonzentration stetig abnimmt, beträgt wenigstens 10μm, vorzugsweise wenigstens 25μm. Die Abmessung d1 dieser ersten Zone in lateraler Richtung kann dabei bis zu 200μm betragen. - Unter Berücksichtigung der zuvor genannten maximalen Dotierungskonzentration und der minimalen Dotierungskonzentration am Rand der ersten Halbleiterzone
21 , die der Grunddotierung entspricht, beträgt der Gradient des Dotierungsverlauf in der ersten Halbleiterzone21 zwischen 5·1014cm-3/μm und 5·1011cm-3/μm. Vorzugsweise liegt dieser Gradient zwischen 5·1013cm-3/μm und 5·1012cm-3/μm. - Die Gesamt-Dotierstoffdosis der Kanalstoppzone
20 ist unter Berücksichtigung der gewünschten statischen Sperrfähigkeit des Bauelementes gewählt, wobei insbesondere die hochdotierte zweite Halbleiterzone22 zur Einstellung der Gesamt-Dotierstoffdosis der Kanalstoppzone20 dient. Die erste Halbleiterzone21 mit der in Richtung der aktiven Bauelementzone12 abnehmenden Dotierstoffkonzentration hat die Aufgabe im Sperrfall freie Ladungsträger, d. h. freie Elektronen, die sich z.B. während des Abschaltvorgangs in hoher Konzentration im Bereich dieser Zone21 befinden können, im Bereich der Kanalstoppzone zu kompensieren, um die Auswirkung des "Umklappens" des elektrischen Feldes zu minimieren. - Vorteilhafterweise ist die erste Halbleiterzone
21 der Kanalstoppzone20 so ausgebildet, dass deren Dotierstoffkonzentration auch in einer senkrecht zu der lateralen x-Richtung verlaufenden y-Richtung in Richtung der Rückseite102 des Halbleiterkörpers abnimmt. Der in2 dargestellte Verlauf der Dotierstoffkonzentration entspricht vorzugsweise annähernd auch dem Verlauf der Dotierstoffkonzentration in dieser y-Richtung. - In dem in
1 dargestellten Ausführungsbeispiel umgibt die schwächer dotierte erste Halbleiterzone21 die stärker dotierte Halbleiterzone22 innerhalb des Halbleiterkörpers100 nach allen Seiten hin. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass eine Erhöhung der dynamischen Sperrfähigkeit des Bauelementes durch Vorsehen der ersten Halbleiterzone21 mit flachem Gradienten des Dotierungsverlaufs bereits dann erreicht wird, wenn diese erste Halbleiterzone21 in der lateralen Richtung zwischen der hochdotierten zweiten Halbleiterzone22 und der aktiven Bauelementzone12 und vorteilhafter Weise in vertikaler Richtung anschließend an die hochdotierte zweite Halbleiterzone22 angeordnet ist. Das Vorhandensein einer schwächer dotierten Halbleiterzone zwischen der Randseite105 und der hochdotierten Halbleiterzone22 ist nicht unbedingt erforderlich. - Ein mögliches Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kanalstoppzone wird nachfolgend anhand der
3a und3b erläutert. Diese Figuren zeigen dabei lediglich einen Ausschnitt des Halbleiterkörpers100 im Bereich der Randseite105 und der Vorderseite101 . - Das Verfahren sieht vor, unter Verwendung einer Maske
201 Dotierstoffatome, beispielsweise Selen- oder Schwefelatome, in einen oberflächennahen Bereich des Halbleiterkörpers100 zu implantieren, um oberflächennahe Halbleiterzonen23 mit darin eingebrachten Dotierstoffatomen zu erzeugen. Die Dosis, mit welcher die Dotierstoffatome implantiert werden, beträgt bei Verwendung von Selen als Dotierstoffmaterial beispielsweise zwischen 1012cm-2 und einigen 1014cm-2. - An diesen Implantationsschritt schließt sich bezugnehmend auf
3b ein Temperaturschritt an, bei dem der Halbleiterkörper100 für eine vorgegebene Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird. Diese Temperatur liegt bei Verwendung von Selen als Dotierstoffmaterial beispielsweise zwischen 900°C und 1000°C. Die Dauer des Temperaturschrittes beträgt zwischen 30 Minuten und 5 Stunden. Infolge dieses Temperaturprozesses diffundieren die während des ersten Schrittes in den Halbleiterkörper100 implantierten Dotierstoffatome ausgehend von dem Implantationsbereich23 in alle Richtungen des Halbleiterkörpers100 , und damit auch in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers100 in Richtung des Innenbereiches103 mit der darin angeordneten aktiven Bauelementzone (in den3a und3b nicht dargestellt). Der Diffusionsprozess führt dazu, dass die Dotierungskonzentration in der lateralen Richtung ausgehend von dem Bereich23 , in welchen die Dotierstoffatome implantiert wurden, in allen Richtungen, und damit auch in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers100 abnimmt, woraus der zuvor erläuterte und in2 dargestellte Dotierungsverlauf der ersten Halbleiterzone21 resultiert. - Die Herstellung einer hochdotierten zweiten Halbleiterzone (
22 in1 ) in der in3b dargestellten ersten Halbleiterzone21 kann durch einen weiteren (nicht dargestellten) Implantationsschritt erfolgen, durch welchen weitere Dotierstoffatome in einen oberflächennahen Bereich des Halbleiterkörpers100 innerhalb der ersten Halbleiterzone21 implantiert werden. Diese weiteren Dotierstoffatome können beispielsweise ebenfalls Selenatome oder auch Phosphoratome sein. Nach der Implantation wird wiederholt ein Hochtemperaturschritt zur Aktivierung und Eindiffusion des implantierten Atome durchgeführt. Für den Fall, dass die Dotierstoffatome, die die schwächer dotierte Zone22 erzeugen, schneller diffundieren, als die Atome, die zur Erzeugung der stärker dotierten Zone22 implantiert werden, kann auch ein gemeinsamer Hochtemperaturschritt zur Eindiffusion der Atome erfolgen; d.h. die Implantation der beiden Stoffe zur Erzeugung der schwächer dotierten Zone21 und der höher dotierten Zone22 erfolgt direkt hintereinander und vorzugsweise unter Verwendung derselben Implantationsmasken. -
4 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kanalstoppzone. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für die Dotierung des Halbleiterkörpers mit einem im Vergleich zu Selen langsam diffundierenden Dotierstoffmaterial, wie beispielsweise Phosphor. Bei diesem Verfahren ist bezugnehmend auf4a vorgesehen, Dotierstoffatome über eine Maske202 in einen oberflächenahen Bereich der ersten Seite101 des Halbleiterkörpers100 zu implantieren. Die verwendete Maske202 weist mehrere Öffnungen203 -206 auf, deren Größe und/oder deren gegenseitiger Abstand so gewählt ist, dass die in den Halbleiterkörper100 implantierte Dotierstoffmengein Richtung der aktiven Bauelementzone geringer wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Abmessungen der Öffnungen203 -206 in Richtung des Innenbereichs103 abnehmen und/oder dass die Abstände der einzelnen Öffnungen in Richtung des Innenbereichs103 größer werden. Durch diesen Implantationsschritt entstehen mehrere Implantationsbereiche24 , die in lateraler Richtung beabstandet zueinander angeordnet sind. Die Implantationsdosis beträgt für Phosphor als Dotierstoffmaterial beispielsweise zwischen 5·1012cm-2 und 1015cm-2. - Bezugnehmend auf
4b schließt sich an den zuvor erläuterten Implantationsschritt ein Temperaturschritt an, während dem der Halbleiterkörper für eine vorgegebene Zeitdauer auf eine zur Eindiffusion der implantierten Dotierstoffatome geeignete Temperatur aufgeheizt wird. Diese Temperatur beträgt bei Verwendung von Phosphor als Dotierstoffmaterial beispielsweise zwischen 1200°C und 1280°C. Die Dauer dieses Temperaturschrittes beträgt zwischen 5 Stunden und 50 Stunden. - Während dieses Temperaturschrittes diffundieren die Dotierstoffatome aus den Implantationsbereichen
24 innerhalb des Halbleiterkörpers100 in alle Richtungen aus. Die durch Ausdiffusion aus den einzelnen Implantationsbereichen24 entstehenden Bereiche überlagern sich dabei zu einer dotierten Halbleiterzone, die die erste Halbleiterzone21 der Kanalstoppzone20 bildet. Bei dem anhand von4 erläuterten Verfahren ist insbesondere die Herstellung einer "nicht symmetrischen" Kanalstoppzone20 möglich, also die Herstellung einer Kanalstoppzone, bei welcher die Dotierstoffkonzentration nicht gleichmäßig nach allen Richtungen des Halbleiterkörpers abnimmt, sondern bei welchem der Bereich mit geringem Gradienten der Dotierstoffkonzentration gezielt in lateraler Richtung zum Innenbereich103 hin verläuft. Die Dotierstoffzone22 wird beispielsweise dadurch erzeugt, dass in dem Bereich, in dem diese Zone erzeugt werden soll, eine relativ breite Öffnung für die Ionenimplantation vorgesehen wird. - Selbstverständlich kann sich auch an das anhand der
4a und4b erläuterte Verfahren ein weiterer Implantationsprozess anschließen, um zusätzlich zu der ersten Halbleiterzone21 eine hochdotierte zweite Halbleiterzone (22 in1 ) zu erzeugen. Im Rahmen dieses Implantationsschrittes können insbesondere Dotierstoffatome wie Phosphor oder Selen in einen oberflächenahen Bereich des Halbleiterkörpers innerhalb der zuvor erzeugten Halbleiterzone21 implantiert werden. An diese Implantation schließt sich ein Hochtemperaturschritt an. - Die Verwendung der erfindungsgemäßen Kanalstoppzone
20 ist selbstverständlich nicht auf Leistungsdioden beschränkt. Die Kanalstoppzone20 kann vielmehr in beliebigen vertikalen Leistungsbauelementen eingesetzt werden.5 zeigt die Verwendung einer solchen Kanalstoppzone20 in einem als IGBT ausgebildeten Bauelement. Die komplementär zu der Grunddotierung des Halbleiterkörpers100 dotierte Halbleiterzone12 bildet bei diesem Bauelement eine p-Basis, in der eine ndotierte Halbleiterzone15 angeordnet ist, die den n-Emitter bildet. Üblicherweise sind mehrere derartige p-Basiszonen12 mit darin angeordneten n-Emittern15 vorhanden. Zur Ausbildung eines elektrisch leitenden Kanals zwischen dem n-Emitter15 und dem die Grunddotierung aufweisenden Halbleiterbereich, der die n-Basis des IGBT bildet, ist eine Gate-Elektrode42 vorhanden, die durch eine Gate-Isolation41 isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper angeordnet ist. Diese Gate-Elektrode42 ist in dem Beispiel oberhalb der Vorderseite101 angeordnet. Ein die Grunddotierung aufweisender Abschnitt erstreckt sich dabei abschnittsweise bis an die Vorderseite101 . Der n-Emitter15 ist durch eine Anschlusselektrode43 kontaktiert, die vorzugsweise den n-Emitter15 und die p-Basis12 kurzschließt. - Bei einer alternativen Ausgestaltung der Kanalstoppzone
20 ist bezugnehmend auf6 vorgesehen, diese Kanalstoppzone zweistufig mit einer schwächer dotierten ersten Halbleiterzone23 und einer höher dotierten zweiten Halbleiterzone24 zu realisieren, wobei die schwächer dotierte erste Halbleiterzone23 annähernd homogen dotiert und in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers100 zwischen der aktiven Bauelementzone12 und der stärker dotierten zweiten Zone24 angeordnet ist. Die schwächer dotierte erste Halbleiterzone23 kann sich in dargestellter Weise auch in vertikaler Richtung an die höher dotierte Halbleiterzone24 anschließen. Darüber hinaus kann die schwächer dotierte Zone23 die stärker dotierte Zone24 (in nicht dargestellter Weise) innerhalb des Halbleiterkörpers100 vollständig umgeben. - Bei allen zuvor erläuterten Ausgestaltungen der Kanalstoppzone besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, weitere Maßnahmen zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit des Bauelements zu treffen. Solche Maßnahmen umfassen beispielsweise das Vorsehen von komplementär zu der Grunddotierung des Halbleiterkörpers dotierten Feldringen, die in den
1 und5 gestrichelt dargestellt sind. Anstelle von Feldringen könnte auch eine sogenannte VLD-Zone im Bereich der Vorderseite101 vorgesehen werden, also eine komplementär zu der Grunddotierung dotierte Halbleiterzone, deren Dotierungskonzentration in Richtung des Randes bzw. der Randseite105 des Halbleiterbauelements abnimmt.
Claims (14)
- Halbleiterbauelement, das aufweist: – einen eine Grunddotierung aufweisenden Halbleiterkörper (
100 ) mit einer ersten Seite (101 ), einer der ersten Seite (101) gegenüberliegenden zweiten Seite (102 ), einem zwischen der ersten und zweiten Seite angeordneten Innenbereich (103 ) und einem sich in lateraler Richtung an den Innenbereich anschließenden Randbereich (104 ), – wenigstens eine aktive Bauelementzone (12 ), die im Innenbereich (103 ) im Bereich der ersten Seite (101 ) angeordnet und komplementär zu der Grunddotierung dotiert ist, – eine Kanalstoppzone (20 ), die im Randbereich (104 ) im Bereich der ersten Seite (101 ) angeordnet, vom gleichen Leitungstyp wie die Grunddotierung und stärker als die Grunddotierung dotiert ist, wobei die Dotierungskonzentration in der Kanalstoppzone (20 ) wenigstens abschnittsweise in lateraler Richtung in Richtung der aktiven Bauelementzone (12 ) wenigstens über eine Distanz (d1) von 10μm stetig abnimmt. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Dotierungskonzentration wenigstens über eine Distanz von 25μm stetig abnimmt.
- Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Dotierungskonzentration in der Kanalstoppzone (
20 ) in einer vertikalen Richtung des Bauelements in Richtung der zweiten Seite (102) wenigstens abschnittsweise abnimmt. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem sich die Kanalstoppzone (
20 ) ausgehend von der ersten Seite (101) in vertikaler Richtung weiter in den Halbleiterkörper (100 ) hinein erstreckt als die aktive Bauelementzone (12 ). - Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Gradient der Dotierungskonzentration zwischen 5·1014cm-3/μm und 5·1011cm-3/μm beträgt.
- Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Kanalstoppzone (
20 ) eine erste Halbleiterzone (21 ) und eine zweite Halbleiterzone (22 ) aufweist, wobei die zweite Halbleiterzone (22 ) stärker als die erste Halbleiterzone (21 ) dotiert ist und wobei die Dotierungskonzentration in der ersten Halbleiterzone (21 ) ausgehend von der zweiten Halbleiterzone (22 ) in lateraler und/oder vertikaler Richtung abnimmt. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, bei dem die Dotierungskonzentration der zweiten Halbleiterzone zwischen 1017cm-3 und 1020cm-3 beträgt.
- Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die maximale Dotierungskonzentration der ersten Halbleiterzone zwischen 1014 cm-3 und 1016 cm-3 beträgt.
- Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Abmessung der ersten Halbleiterzone (
21 ) in der lateralen Richtung in Richtung der aktiven Bauelementzone (12 ) zwischen 10μm und 200μm, vorzugsweise zwischen 25μm und 200μm, beträgt. - Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Halbleiterzone (
21 ) wenigstens einen der folgenden Dotierstoffatome aufweist: Phosphor, Selen oder Schwefel. - Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem die zweite Halbleiterzone (
22 ) wenigstens einen der folgenden Dotierstoffatome aufweist: Phosphor, Selen oder Schwefel. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem die zweite Halbleiterzone (
22 ) Phosphor und Selen als Dotierstoffatome aufweist. - Halbleiterbauelement, das aufweist: – einen eine Grunddotierung aufweisenden Halbleiterkörper mit einer ersten Seite (
101 ), einer der ersten Seite (101 ) gegenüberliegenden zweiten Seite (102 ), einem zwischen der ersten und zweiten Seite angeordneten Innenbereich (103 ) und einem sich in lateraler Richtung an den Innenbereich (103 ) anschließenden Randbereich (104 ), – wenigstens eine aktive Bauelementzone, die im Innenbereich (103 ) im Bereich der ersten Seite (101 ) angeordnet und komplementär zu der Grunddotierung dotiert ist, – eine Kanalstoppzone (20 ), die im Randbereich im Bereich der ersten Seite (101 ) angeordnet, vom gleichen Leitungstyp wie die Grunddotierung und stärker als die Grunddotierung dotiert ist, wobei die Kanalstoppzone (20 ) eine im Bereich der ersten Seite (101 ) angeordnete erste Halbleiterzone (23 ) und eine stärker als die erste Halbleiterzone (23 ) dotierte zweite Halbleiterzone aufweist, wobei sich die erste Halbleiterzone (23 ) wenigstens in einer lateralen Richtung in Richtung der ersten aktiven Bauelementzone (12 ) an die zweite Halbleiterzone (24 ) anschließt und wobei die erste Halbleiterzone eine wenigstens annäherungsweise homogene Dotierungskonzentration aufweist. - Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, bei dem sich die erste Halbleiterzone (
23 ) in vertikaler Richtung in Richtung der zweiten Seite (102 ) an die zweite Halbleiterzone (24 ) anschließt.
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