DE102005045910A1 - Laterales SOI-Bauelement mit einem verringerten Einschaltwiderstand - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein SOI-Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: DOLLAR A - ein Halbleitersubstrat (10), das eine Grunddotierung aufweist, eine auf dem Halbleitersubstrat (10) angeordnete Dielektrikumsschicht (20) und eine auf der Dielektrikumsschicht (20) angeordnete Halbleiterschicht (30), DOLLAR A - in der Halbleiterschicht (30) eine Driftzone (33) eines ersten Leitungstyps, einen Übergang (36) zwischen der Driftzone (33) und einer weiteren Bauelementzone (32; 35; 81), die derart ausgestaltet ist, dass sich bei Anlegen einer Sperrspannung an den Übergang (36) eine Raumaldungszone in der Driftzone (13) ausbildet, und eine Anschlusszone (34), die sich an die Driftzone anschließt, DOLLAR A - eine erste Anschlusselektrode (51), die an die weitere Bauelementzone (32; 35; 81) angeschlossen ist, und eine zweite Anschlusselektrode (53), die an die Anschlusszone (34) angeschlossen ist, DOLLAR A - in dem Halbleitersubstrat (10) eine komplementär zu einer Grunddotierung des Halbleitersubstrats dotierte erste Halbleiterzone (11), an die die erste Anschlusselektrode (51) angeschlossen ist, DOLLAR A - ein Gleichrichterelement (61), das zwischen die erste Anschlusselektrode und die erste Halbleiterzone (11) geschaltet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein laterales SOI-Bauelement mit einem Halbleitersubstrat, einer auf das Halbleitersubstrat aufgebrachten Isolationsschicht und einer auf der Isolationsschicht angeordneten Halbleiterschicht sowie mit ersten und zweiten Anschlusskontakten zum Anlegen einer Spannung, zwischen denen in der Halbleiterschicht eine Driftzone angeordnet ist.
  • Die Driftzone dient bei einem derartigen Bauelement dazu, im Sperrfall eine Raumladungszone aufzunehmen, die sich ausgehend von einem Bauelementübergang zwischen der Driftzone und einer weiteren Bauelementzone ausbreitet. Bei einem MOSFET oder IGBT ist dieser Bauelementübergang ein pn-Übergang und die weitere Bauelementzone ist die komplementär zu der Driftzone dotierte Body-Zone des MOSFET oder IGBT. Bei einer Diode ist der Bauelementübergang ebenfalls ein pn-Übergang und die weitere Bauelementzone ist diejenige der Anoden- und der Kathodenzonen, die komplementär zu der Driftzone dotiert ist. Bei einer Schottky-Diode ist der Bauelementübergang ein Schottky-Übergang und die weitere Bauelementzone ein Schottky-Kontakt.
  • In der DE 101 06 359 C1 oder der WO 2005/076366 A2 ist jeweils ein als MOSFET realisiertes SOI-Bauelement beschrieben, dessen Source-Anschluss und Drain-Anschluss über komplementär zu dem Halbleitersubstrat dotierte Halbleiterzonen an das Halbleitersubstrat angeschlossen sind. Der Anschluss der Anschlusskontakte an das Halbleitersubstrat bewirkt hierbei, dass sich bei sperrend angesteuertem Bauelement in dem Halbleitersubstrat ebenso wie in der Driftzone entlang der Isolationsschicht eine Raumladungszone ausbreitet. Diese Raumladungszone führt zu einer Verringerung der Spannungsbelastung der Isolationsschicht. Zur Beeinflussung der Feldverteilung in dem Halbleitersubstrat können in dem Substrat unterhalb der Isolationsschicht noch weitere komplementär zu dem Halbleitersubstrat dotierte Halbleiterzonen, sogenannte Feldzonen vorgesehen werden.
  • Bei der Realisierung von Halbleiterbauelementen, die eine Driftzone aufweisen, ist es grundsätzlich wünschenswert eine möglichst hohe Spannungsfestigkeit bei sperrend angesteuertem Bauelement und einen möglichst niedrigen Einschaltwiderstand bei leitend angesteuertem Bauelement zu erreichen. Allerdings geht die Optimierung eines dieser Bauelementparameter üblicherweise zu Lasten des anderen der beiden Parameter, sofern keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen werden. So lässt sich eine Verringerung des Einschaltwiderstandes beispielsweise durch eine erhöhte Dotierung der Driftzone erreichen. In diesem Fall verringert sich allerdings die Spannungsfestigkeit.
  • Zusätzliche Maßnahmen, die trotz einer hohen Dotierung der Driftzone zu einer hohen Spannungsfestigkeit führen, bestehen bei sogenannten Kompensationsbauelementen darin, in der Driftzone Kompensationszonen vorzusehen, die komplementär zu Driftzone dotiert sind. Derartige Kompensationsbauelemente sind beispielsweise in der US 5,438,215 oder der DE 43 09 764 C2 beschrieben.
  • Bei Feldplattenbauelementen, die beispielsweise in der US 4,903,189 oder der US 4,941,026 beschrieben sind, ist eine Feldplatte vorgesehen, die benachbart zu der Driftzone angeordnet und dielektrisch gegenüber der Driftzone isoliert ist. Diese Feldplatte besteht aus einem Metall oder einem hochdotierten Polysilizium und liegt auf einem vorgegebenen Potential, beispielsweise dem Potential eines der Lastanschlüsse des Bauelements. Diese Feldplatte dient dazu, im Sperrfall einen Teil der in der Driftzone vorhandenen Dotierstoffladung zu kompensieren. Dieser Kompensationseffekt ermöglicht eine höhere Dotierung der Driftzone, und damit einen geringeren Einschaltwiderstand, bei gleicher Spannungsfestigkeit des Bauelements.
  • Die US 5,844,272 beschreibt einen lateralen MOSFET, bei dem die Gate-Elektrode benachbart zu einer Body-Zone angeordnet ist und eine schwächer dotierte Gate-Verlängerung (Gate Extension) aufweist, die entlang der Driftzone verläuft und mittels einer Dielektrikumsschicht gegenüber der Driftzone isoliert ist. Die Gate-Verlängerung bewirkt bei leitend angesteuertem Bauelement die Ausbildung eines Akkumulationskanals in der Driftzone entlang der Dielektrikumsschicht und bewirkt so eine Verringerung des Einschaltwiderstandes. Im Sperrfall bildet sich in der Gate-Verlängerung bedingt durch eine sich in der Driftzone ausbreitende Raumladungszone ebenfalls eine Raumladungszone aus, durch die die Gate-Verlängerung von Ladungsträgern ausgeräumt wird.
    •
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein SOI-Bauelement mit einer hohen Spannungsfestigkeit und einem niedrigen Einschaltwiderstand zur Verfügung zu stellen. Dieses Ziel wird durch ein SOI-Bauelement nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße SOI-Halbleiterbauelement umfasst ein Halbleitersubstrat das eine Grunddotierung aufweist, eine auf dem Halbleitersubstrat angeordnete Dielektrikumsschicht und eine auf der Dielektrikumsschicht angeordnete Halbleiterschicht. In der Halbleiterschicht sind eine Driftzone eines ersten Leitungstyps und ein Übergang zwischen der Driftzone und einer weiteren Bauelementzone angeordnet, wobei diese weitere Bauelementzone derart ausgestaltet ist, dass sich bei Anlegen einer Sperrspannung an den Übergang eine Raumladungszone in der Driftzone ausbildet.
  • Das SOI-Halbleiterbauelement kann als MOS-Transistor, das heißt als MOSFET oder als IGBT ausgebildet sein, wobei die weitere Bauelementzone in diesem Fall eine komplementär zu der Driftzone dotierte Body-Zone ist. Das Bauelement kann auch als Diode ausgebildet sein, wobei die weitere Bauelementzone in diesem Fall ein der Anoden- und Kathodenzonen der Diode bildet. Des weiteren besteht die Möglichkeit, das Halbleiterbauelement als Schottky-Diode auszubilden, in diesem Fall ist die weitere Bauelementzone eine Schottky-Metall-Zone.
  • An die Driftzone schließt sich bei dem erfindungsgemäßen Bauelement in der Halbleiterschicht eine Anschlusszone an, die bei einem MOS-Transistor die Drain-Zone bildet und die bei einem MOSFET vom gleichen Leitungstyp wie die Driftzone und bei einem IGBT komplementär zu der Driftzone dotiert ist. Bei einer Realisierung des Halbleiterbauelements als Diode bildet die Anschlusszone die jeweils andere der Anoden- und Kathodenzonen. Bei einer Realisierung des Bauelements als Schottky-Diode bildet die Anschlusszone die Kathodenzone des Bauelements und ist vom gleichen Leitungstyp wie die Driftzone, jedoch höher dotiert.
  • Das erfindungsgemäße Bauelement umfasst außerdem eine erste Anschlusselektrode, die an die weitere Bauelementzone angeschlossen ist, und eine zweite Anschlusselektrode, die an die Anschlusszone angeschlossen ist. Die erste und zweite Anschlusselektrode sind an erste und zweite Halbleiterzonen in dem Halbleitersubstrat angeschlossen, die beabstandet zueinander angeordnet sind und die komplementär zu einer Grunddotierung des Halbleitersubstrats dotiert sind. Dabei ist vorgesehen, zwischen eine dieser ersten und zweiten Anschlusselektroden und die zugehörige der ersten und zweiten Halbleiterzonen ein Gleichrichterelement zu schalten. Dieses Gleichrichterelement ist derart verschaltet, dass das elektrische Potential in dem Halbleitersubstrat im Bereich der Halbleiterzone, an welche es angeschlossen ist, auf ein Potential ansteigen kann, das oberhalb des Potentials der zugehörigen Anschlusselektrode liegt. Bei leitend angesteuertem Bauele ment unterstützt dieses Gleichrichterelement in noch zu erläuternder Weise die Ausbildung eines Akkumulationskanals in der Driftzone der Halbleiterschicht gesteuert durch das Potential des Halbleitersubstrats.
  • Das Gleichrichterelement kann beispielsweise als Diode, als Zenerdiode oder auch als MOSFET, der als Diode verschaltet ist, realisiert sein.
  • Vorzugsweise ist in dem Halbleitersubstrat zwischen der ersten und zweiten Halbleiterzone benachbart zu der Dielektrikumsschicht wenigstens eine Feldzone vorhanden, die komplementär zu der Grunddotierung des Halbleitersubstrats dotiert ist. Diese Feldzone dient zusammen mit der ersten und zweiten Halbleiterzone bei sperrendem Bauelement in bekannter Weise zur Beeinflussung des Feldverlaufes des elektrischen Feldes in dem Halbleitersubstrat derart, dass eine Spannungsbelastung der Dielektrikumsschicht reduziert ist. Diese Feldzonen besitzen bei sperrend angesteuertem Bauelement darüber hinaus eine Kompensationswirkung und kompensieren einen Teil der in der Driftzone vorhandenen Dotierstoffladung. Dies ermöglicht es, die Driftzone in Bereichen benachbart zu dieser wenigstens einen Feldzone höher zu dotieren als in übrigen Bereichen, wodurch bei eingeschaltetem Bauelement der Einschaltwiderstand reduziert ist, ohne jedoch bei sperrendem Bauelement die Spannungsfestigkeit zu verringern.
  • Oberhalb der Halbleiterschicht können darüber hinaus in grundsätzlich bekannter Weise Feldplatten vorgesehen werden, die mittels einer Dielektrikumsschicht gegenüber der Halbleiterschicht isoliert sind und die optional an die Feldzone bzw. die Feldzonen in dem Halbleitersubstrat elektrisch gekoppelt sein können.
    •
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen SOI-Halbleiterbauelements im Querschnitt, das in einer Halbleiterschicht oberhalb eines Halbleitersubstrats eine Driftzone aufweist und das als MOSFET realisiert ist.
  • 2 zeigt eine Abwandlung des in 1 dargestellten Halbleiterbauelements, bei dem die Driftzone unterschiedlich stark dotierte Driftzonenabschnitte aufweist.
  • 3 zeigt einen Querschnitt durch die Halbleiterschicht bei den Bauelementen gemäß der 1 und 2.
  • 4 zeigt ein als Diode ausgebildetes erfindungsgemäßes SOI-Halbleiterbauelement.
  • 5 zeigt ein als Schottky-Diode ausgebildetes erfindungsgemäßes SOI-Halbleiterbauelement.
  • 6 veranschaulicht eine Möglichkeit zur Realisierung des eines Gleichrichterelements in einer Halbleiterschicht oberhalb der Isolationsschicht.
  • 7 veranschaulicht die Möglichkeit der Realisierung des bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement vorhandenen Gleichrichterelements als Zenerdiode.
  • 8 veranschaulicht die Realisierung des Gleichrichterelements als MOSFET, der als Diode verschaltet ist.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelementzonen mit gleicher Bedeutung.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines als MOS-Transistors realisierten erfindungsgemäßen SOI- Halbleiterbauelements. Unter einem MOS-Transistor ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung entweder ein MOSFET oder ein IGBT zu verstehen.
  • Das erfindungsgemäße Bauelement weist eine Halbleiterschicht 30 auf einer Dielektrikumsschicht 20 oberhalb eines Halbleitersubstrats 10 angeordnet ist. Ein Querschnitt durch die Halbleiterschicht 30 in einer in 1 eingezeichneten Schnittebene A-A ist in 3 dargestellt.
  • Zur Realisierung einer MOS-Transistorstruktur sind in der Halbleiterschicht 30 eine Driftzone 33 eines ersten Leitungstyps, eine sich an die Driftzone 33 anschließende, komplementär zu der Driftzone 33 dotierte Body-Zone 32 sowie eine Source-Zone 31 vorhanden. Die Source-Zone 31 ist vom gleichen Leitungstyp wie die Driftzone 33, jedoch höher dotiert und durch die Body-Zone 32 von der Driftzone 33 getrennt. Die Source-Zone 31 ist durch eine erste Anschlusselektrode 51 kontaktiert.
  • Bezugnehmend auf 3, in der die oberhalb der Halbleiterschicht 30 angeordnete Anschlusselektrode 51 strichpunktiert dargestellt ist, schließt die Anschlusselektrode 51 die Source-Zone 31 und die Body-Zone 32 kurz. Die Body-Zone 32 weist hierzu eine kammartige Struktur mit Body-Zonenabschnitten auf, die sich zwischen zwei Abschnitten der Source-Zone 31 bis unter die Anschlusselektrode 51 erstrecken. Zur Steuerung eines Inversionskanals in der Body-Zone 41 ist eine Gate-Elektrode 43 vorhanden, die benachbart zu der Body-Zone 32 angeordnet ist und die mittels eines Gate-Dielektrikums 41 gegenüber der Body-Zone 32 isoliert ist. Diese Gate-Elektrode 43 erstreckt sich in lateraler Richtung ausgehend von der Source-Zone 31 über die Body-Zone 32 bis zur Driftzone 33 und ist mittels der Gate-Dielektrikumsschicht 41 auch gegenüber der Source-Zone 31 und der Driftzone 33 isoliert.
  • An einem der Body-Zone 32 abgewandten Ende der Driftzone 33 schließt sich eine Anschlusszone 34 an, die höher als die Driftzone 33 dotiert ist und die die Funktion einer Drain-Zone erfüllt. Diese Drain-Zone ist bei Realisierung des MOS-Transistors als MOSFET vom gleichen Leitungstyp wie die Driftzone 33 und bei Realisierung des MOS-Transistors als IGBT von einem zum Leitungstyp der Driftzone 33 komplementären Leitungstyp. Die Drain-Zone 34 ist durch eine zweite Anschlusselektrode 53 kontaktiert. Die erste und zweite Anschlusselektrode 51, 53 bestehen beispielsweise aus einem Metall oder einem hochdotierten Polysilizium.
  • In dem Halbleitersubstrat 10 ist eine erste Halbleiterzone 11 vorgesehen, die komplementär zu einer Grunddotierung des Halbleitersubstrats 10 dotiert sind. Optional ist außerdem eine komplementär zu dem Halbleitersubstrat 10 dotierte zweite Halbleiterzone 12 vorgesehen. Die ersten und zweiten Halbleiterzonen 11, 12 sind in lateraler Richtung des Halbleitersubstrats 10, also einer Richtung entlang der Dielektrikumsschicht 20, beabstandet zueinander angeordnet. Die erste Halbleiterzone 11 ist hierbei im Bereich unterhalb der Source-Zone 31 und der Body-Zone 32 und die zweite Halbleiterzone 12 ist im Bereich unterhalb der Drain-Zone 34 angeordnet. Die Drain-Zone 34 ist mittels der zweiten Anschlusselektrode 53 an die zweite Halbleiterzone 12 in dem Halbleitersubstrat 10 angeschlossen. Die Isolationsschicht 20 weist hierzu eine erste Aussparung 21 auf, über welche die Anschlusselektrode 53 bis an das Halbleitersubstrat 10 reicht. Die erste Halbleiterzone 11 ist über eine weitere Anschlusselektrode 52 kontaktiert, die über eine weitere Aussparung der Dielektrikumsschicht 20 bis an die erste Halbleiterzone 11 in dem Halbleitersubstrat 10 reicht.
  • Optional ist eine Kanalstoppzone 15 vorhanden, die sich in dem Beispiel an die zweite Halbleiterzone 12 anschließt und die vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat 10, jedoch höher dotiert ist.
  • Zwischen die erste Anschlusselektrode 51 und die erste Halbleiterzone 11 ist ein Gleichrichterelement 61 geschaltet, das in dem Beispiel gemäß 1 als Diode realisiert ist und das in 1 lediglich schematisch in Form des Schaltsymbols der Diode dargestellt ist. Diese Diode kann in nicht näher dargestellter Weise in einem Abschnitt der Halbleiterschicht 30 oder einer weiteren Halbleiterschicht in bekannter Weise durch Vorsehen zweier aneinander angrenzender, komplementär zueinander dotierter und einen pn-Übergang bildender Halbleiterzonen realisiert werden.
  • Zwischen den ersten und zweiten Halbleiterzonen 11, 12 sind in dem Halbleitersubstrat 10 Feldzonen 13, in dem dargestellten Beispiel zwei Feldzonen 13, vorgesehen. Diese Feldzonen 13 sind jeweils beabstandet zueinander und beabstandet zu der ersten und zweiten Halbleiterzone 11, 12 angeordnet und schließen sich jeweils unmittelbar an die Dielektrikumsschicht 20 an.
  • Optional besteht die Möglichkeit, oberhalb der Halbleiterschicht 30 Feldplatten 71 vorzusehen, die durch eine weitere Dielektrikumsschicht 42 gegenüber der Halbleiterschicht 30 isoliert sind. Diese Feldplatten 71 können floatend angeordnet sein oder können in grundsätzlich bekannter Weise an die Feldzonen 13 gekoppelt sein, wie dies in der eingangs erwähnten WO 2005/076366 A2 beschrieben ist. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die erste und zweite Anschlusselektrode 51, 53 abschnittsweise als Feldelektroden auszubilden, wie dies für die zweite Anschlusselektrode 53 in 1 gestrichelt dargestellt ist. Der Feldelektrodenabschnitt dieser Anschlusselektrode 53 ist hierbei mit dem Bezugszeichen 72 bezeichnet.
  • Die Funktionsweise des in 1 dargestellten SOI-Bauelements wird nachfolgend erläutert. Zu Zwecken der Erläuterung wird angenommen, dass die Laststrecke des MOS- Transistors, also dessen Drain-Source-Strecke in Reihe zu einer Last Z zwischen Klemmen für ein positives Versorgungspotential V+ und ein negatives Versorgungspotential bzw. Bezugspotential GND geschaltet ist. Diese Verschaltung ist in 1 strichpunktiert dargestellt. Die Last Z ist hierbei zwischen die Drain-Anschlusselektrode 53 und das positive Versorgungspotential V+ geschaltet, die Source-Anschlusselektrode 51 ist an Bezugspotential GND angeschlossen.
  • Für die nachfolgende Erläuterung wird außerdem angenommen, dass der MOS-Transistor als n-Kanal-MOSFET realisiert ist. Die Source-Zone 31 die Driftzone 33 und die Drain-Zone 34 sind hierbei n-dotiert, die Body-Zone 32 ist p-dotiert. Außerdem wird angenommen, dass das Halbleitersubstrat 10 n-dotiert ist, während die erste und zweite Halbleiterzone 11, 12 und die Feldzonen 13 p-dotiert sind.
  • Das Bauelement sei zunächst im sperrenden Zustand betrachtet, also dann wenn die Gate-Elektrode 43 derart angesteuert ist, dass sich kein Inversionskanal in der Body-Zone 32 zwischen der Source-Zone 31 und der Driftzone 33 ausbildet. Die zwischen den Klemmen für das positive Versorgungspotential V+ und Bezugspotential GND anliegende Spannung liegt während dieses Betriebszustandes vollständig zwischen der Drain-Zone 34 und der Source- und Body-Zone 31, 32 an. Bei sperrend angesteuertem Bauelement breitet sich in der Driftzone 33 ausgehend von einem pn-Übergang 36 zwischen der Body-Zone 32 und der Driftzone 33 eine Raumladungszone in Richtung der Drain-Zone 34 aus. Die Ausdehnung dieser Raumladungszone in Richtung der Drain-Zone 34 ist dabei umso größer je höher die anliegende Spannung ist, die bis zu einigen hundert Volt betragen kann.
  • In dem Halbleitersubstrat 10 breitet sich bei sperrend angesteuertem Bauelement ausgehend von der ersten Halbleiterzone 11 eine Raumladungszone in Richtung der zweiten Halbleiterzone 12 aus. Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes in der Driftzone 33 und dem Halbleitersubstrat 10 sind in 1 durch gepunktete, mit den Bezugszeichen 101, 102 bezeichnete Linien schematisch dargestellt. Die Feldzonen 13 können so dotiert, dass sie bei sich ausbreitender Raumladungszone nicht vollständig ausgeräumt werden können. Die Feldzonen 13 können auch so dotiert werden, dass sie im Sperrfall vollständig an Ladungsträgern ausgeräumt werden. Dies ist im Hinblick auf eine Optimierung der Spannungsfestigkeit des Bauelements und im Hinblick auf eine Minimierung der Abmessungen der Feldzonen vorteilhafter. Allerdings sind solche ausräumbaren Feldzonen unter Berücksichtigung von Prozessungenauigkeiten schwieriger herzustellen.
  • Die Feldzonen 13 beeinflussen in bekannter Weise den Feldverlauf des elektrischen Feldes in dem Halbleitersubstrat 10 derart, dass der Verlauf des elektrischen Feldes entlang der Dielektrikumsschicht 20 in etwa dem Verlauf des elektrischen Feldes in der Driftzone 13 entspricht, woraus eine niedrige Spannungsbelastung der Dielektrikumsschicht 20 resultiert. Während in der Driftzone 33 im Sperrfall das elektrische Potential ausgehend von dem pn-Übergang 36 kontinuierlich in Richtung der Drain-Zone 34 zunimmt, ist das Potential innerhalb der Feldzonen 13 jeweils gleich. Das Potential, welches die einzelnen Feldzonen 13 annehmen, entspricht dabei dem Potential des elektrischen Feldes in dem Halbleitersubstrat 10 jeweils an dem Rand der Feldzonen 13, der in Richtung der ersten Halbleiterzone 11 liegt. Aufgrund des konstanten Potentials innerhalb der Feldzonen 13 und aufgrund des in Richtung der Drain-Zone 34 zunehmenden Potentials in der Driftzone 13 liegt im Bereich der Feldzone 13 eine Spannung über der Dielektrikumsschicht 20 an, die innerhalb einer der Feldzonen 13 jeweils in Richtung der Drain-Zone 34 zunimmt.
  • Die Feldzonen 13 sind über die Dielektrikumsschicht 20 kapazitiv an die Driftzone 33 gekoppelt, so dass die Feldzonen 13 im Sperrfall einen Teil der in der Driftzone 33 vorhandenen Dotierstoffladung kompensieren. Dieser Effekt ist vergleich bar mit der Kompensationswirkung von Feldplatten bei den eingangs erläuterten Feldplattenbauelementen. Diese Kompensationswirkung führt zu einer Erhöhung der Spannungsfestigkeit gegenüber Bauelementen, bei denen keine solche Feldzonen 13 vorhanden sind. Dies ist gleichbedeutend damit, dass bei einem Bauelement mit Feldzonen 13 gegenüber einem Bauelement ohne solche Feldzonen bei gleicher Spannungsfestigkeit eine Erhöhung der Dotierung in der Driftzone vorgesehen werden kann, was dann bei gleicher Spannungsfestigkeit zu einer Verringerung des Einschaltwiderstandes bei dem Bauelement mit Feldzonen führt.
  • 2 zeigt eine Abwandlung des in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem in der Halbleiterschicht 30 oberhalb der Feldzonen 13 höher dotierte Driftzonenabschnitte 34 vorgesehen sind, die höher dotiert sind als übrige Abschnitte der Driftzone, insbesondere als der sich unmittelbar an die Body-Zone 32 anschließende Driftzonenabschnitt.
  • Im weiteren sei nun die Funktion der Bauelemente gemäß der 1 und 2 im eingeschaltetem Zustand betrachtet. Im eingeschaltetem Zustand des Bauelements ist in der Body-Zone 32 durch geeignete Ansteuerung der Gate-Elektrode 43 ein Inversionskanal zwischen der Source-Zone 31 und der Driftzone 33 ausgebildet. Ein Spannungsabfall zwischen der ersten und zweiten Anschlusselektrode 51, 53 ist hierbei wesentlich bestimmt durch den elektrischen Widerstand der Driftzone 33. Bei einem Leistungs-MOSFET, der eine Spannungsfestigkeit von einigen 100 Volt besitzen kann, liegt der Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand üblicherweise im Bereich von einigen Volt.
  • Das Halbleitersubstrat 10 liegt über die zweite Halbleiterzone 12 auf dem Potential der zweiten Anschlusselektrode 53, das bei der in 1 dargestellten äußeren Beschaltung des MOSFET höher ist als das Potential an der ersten Anschluss elektrode 51. Das Gleichrichterelement 61 stellt hierbei sicher, dass das Potential der ersten Halbleiterzone 11 bei eingeschaltetem Bauelement nicht dem Potential an der ersten Anschlusselektrode 51 folgt, sondern oberhalb dieses Potentials an der ersten Anschlusselektrode 51 und damit oberhalb des Potentials der Source- und Body-Zone 31, 32 des MOSFET liegt. Hierdurch wird erreicht, dass das Halbleitersubstrat 10 in Zwischenzonen 14, die zwischen den Feldzonen 13 bzw. zwischen der ersten Halbleiterzone 11 und einer Feldzone 13 angeordnet sind und die sich an die Dielektrikumsschicht 20 anschließen, auf einem höheren Potential liegt als die Driftzone 13, und zwar insbesondere als die Driftzone in Bereichen in der Nähe der Body-Zone 32. Diese Potentialdifferenz zwischen dem Halbleitersubstrat 10 und der Drain-Zone 34 nimmt dabei mit zunehmendem Abstand von der Drain-Zone 34 zu.
  • Diese Potentialdifferenz zwischen dem Halbleitersubstrat 10 und der Driftzone führt in der Driftzone 33 während des eingeschalteten Zustandes zu einer Akkumulation von Majoritätsladungsträgern entlang der Dielektrikumsschicht 20. Diese Ladungsträgerakkumulation in der Driftzone 33 oberhalb der Zwischenbereiche 14 sorgt während des eingeschalteten Zustandes für eine Reduktion des Einschaltwiderstandes des Bauelements. In dem Halbleitersubstrat 10 ist in den Zwischenbereichen 14 während dieses Betriebszustandes ein Löcherüberschuss vorhanden. Die Diode 61 sorgt hierbei dafür dass diese Löcher im Substrat 10 gehalten werden, um diesen Akkumulationseffekt zu erzielen.
  • Die Dotierungskonzentration des Halbleitersubstrats ist so gewählt, dass sich in dem Substrat 10 im Sperrfall eine Raumladungszone ausbreiten. Die Dotierung des Halbleitersubstrates und dessen Abmessungen in vertikaler Richtung, also der Richtung senkrecht zu der Dielektrikumsschicht 20 sind jedoch so gewählt, dass die Raumladungszone nicht eine der Dielektrikumsschicht 20 gegenüberliegende Oberfläche des Halb leitersubstrats erreichen kann. Das Substrat ist in vertikaler Richtung somit nicht vollständig ausräumbar, d.h. die Dotierstoffdosis in vertikaler Richtung liegt oberhalb der Durchbruchsladung des Halbleitermaterials des Substrats, das beispielsweise aus Silizium besteht.
  • Das zuvor erläuterte Konzept ist nicht auf MOSFET beschränkt sondern vielmehr auf beliebige, eine Driftzone aufweisende Halbleiterbauelemente anwendbar. Das Konzept ist insbesondere auch auf IGBT anwendbar, wobei ein IGBT bezugnehmend auf 1 dadurch erhalten wird, dass die Drain-Zone 34 komplementär zu der Driftzone 33 dotiert wird.
  • Bezugnehmend auf 4 ist das erfindungsgemäße Konzept auch auf Dioden anwendbar. 4 zeigt ein als Diode ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement, wobei in 4 die Bauelementbereiche, die den Bauelementbereichen der MOSFET gemäß der 1 und 2 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
  • Eine in der Halbleiterschicht 30 realisierte Diodenstruktur umfasst neben einer Driftzone 33 eine sich an die Driftzone 33 anschließende, komplementär zu der Driftzone 33 dotierte Bauelementzone 35, die durch die erste Anschlusselektrode 51 kontaktiert ist. Zwischen dieser weiteren Bauelementzone 35 und der Driftzone 33 ist ein pn-Übergang 36 ausgebildet. Bei Realisierung der Driftzone 33 als n-dotierte Zone ist die weitere Anschlusszone 35 p-dotiert und entspricht dann der Anodenzone des Bauelements. Eine Anschlusszone 34, die sich an die Driftzone 33 an dem der Bauelementzone 35 abgewandten Zone anschließt, ist in diesem Fall vom gleichen Leitungstyp wie die Driftzone 33, jedoch höher dotiert und bildet eine Kathodenzone 34 dieser Diode. Diese Kathodenzone 34 ist an die zweite Anschlusselektrode 53 angeschlossen, die die Kathodenzone 34 an die zweite Halbleiterzone 12 in dem Halbleitersubstrat 10 anschließt.
  • Die erste Anschlusselektrode 51 ist über das Gleichrichterelement 61 an die weitere Anschlusselektrode 52 und damit an die erste Halbleiterzone 11 angeschlossen.
  • Wie in 4 schematisch dargestellt ist, besteht auch die Möglichkeit, zwischen die erste Anschlusselektrode 51 der Diode und die weitere Anschlusselektrode 52 einen MOS-Transistor zu schalten, der an einer anderen Stelle in der Halbleiterschicht 30 oder in einer weiteren Halbleiterschicht auf der Isolationsschicht 20 integriert sein kann. Dieser MOS-Transistor dient lediglich als Schalter und muss nicht hochspannungsfest ausgeführt sein, da im Sperrfall die Sperrspannung über die Driftzone 33 der in Reihe geschalteten Diode aufgenommen wird.
  • Die Diode kann bezugnehmend auf 5 auch als Schottky-Diode realisiert sein. Diese Schottky-Diode unterscheidet sich von der in 4 dargestellten Diode im wesentlichen dadurch, dass anstelle der p-dotierten Anodenzone 35 eine Schottky-Metallzone 8 vorgesehen ist. Die Schottky-Diode ist im Gegensatz zu der pn-Diode gemäß 4 ein unipolares Bauelement, bei dem die zuvor erläuterte Akkumulation von Ladungsträgern in der Driftzone 33 gesteuert durch das Halbleitersubstrat 10 zu einem ausgeprägteren Effekt hinsichtlich der Reduzierung des Einschaltwiderstandes führt als bei der bipolaren pn-Diode.
  • 6 veranschaulicht eine mögliche Realisierung eines als pn-Diode realisierten Gleichrichterelements 61. Diese Diode ist in einer weiteren Halbleiterschicht, die oberhalb der Dielektrikumsschicht 20 und in lateraler Richtung benachbart zu der Halbleiterschicht 30 angeordnet ist, integriert. Die Diode 61 umfasst eine Anodenzone 611, eine optional vorhandene schwächer dotierte Basiszone 612 und eine Kathodenzone 613, die in lateraler Richtung aufeinanderfolgend in dieser weiteren Halbleiterschicht angeordnet sind. Die Anodenzone 611 dieser Diode ist durch die erste Anschlusselektrode 51 kontaktiert, und die Kathodenzone 613 ist durch die weitere Anschlusselektrode 53 kontaktiert.
  • Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Gleichrichterelement bezugnehmend auf 7 als Zenerdiode oder bezugnehmend auf 8 als MOSFET, der als Diode verschaltet ist, zu realisieren.
    • 10
    Halbleitersubstrat
    14
    Zwischenzonen des Halbleitersubstrats
    20
    Dielektrikumsschicht
    11, 12
    erste und zweite Halbleiterzonen mit einer zu einer Grunddotierung des Halbleitersubstrats komplementären Dotierung
    30
    Halbleiterschicht
    31
    Source-Zone
    32
    Body-Zone
    33
    Driftzone
    34
    Anschlusszone, Drain-Zone, Kathodenzone
    34
    hochdotierte Driftzonenabschnitte
    35
    Anodenzone
    41
    Gate-Dielektrikum
    42
    Dielektrikumsschicht
    21, 22
    Aussparungen der Dielektrikumsschicht
    43
    Gate-Elektrode
    52
    Anschlusselektrode
    61
    Gleichrichterelement
    81
    Schottky-Metallzone
    51, 53
    erste und zweite Anschlusselektroden
    71, 72
    Feldplatten
    101, 102
    Äquipotentiallinien
    611
    Anodenzone
    612
    Basiszone
    613
    Kathodenzone

Claims (13)

  1. SOI-Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: – ein Halbleitersubstrat (10) das eine Grunddotierung aufweist, eine auf dem Halbleitersubstrat (10) angeordnete Dielektrikumsschicht (20) und eine auf der Dielektrikumsschicht (20) angeordnete Halbleiterschicht (30), – in der Halbleiterschicht (30) eine Driftzone (33) eines ersten Leitungstyps, einen Übergang (36) zwischen der Driftzone (33) und einer weiteren Bauelementzone (32; 35; 81), die derart ausgestaltet ist, dass sich bei Anlegen einer Sperrspannung an den Übergang (36) eine Raumaldungszone in der Driftzone (13) ausbildet, und eine Anschlusszone (34), die sich an die Driftzone anschließt, – eine erste Anschlusselektrode (51), die an die weitere Bauelementzone (32; 35; 81) angeschlossen ist, und eine zweite Anschlusselektrode (53), die an die Anschlusszone (34) angeschlossen ist, – in dem Halbleitersubstrat (10) eine komplementär zu einer Grunddotierung des Halbleitersubstrats dotierte erste Halbleiterzone (11), an die die erste Anschlusselektrode (51) angeschlossen ist gekennzeichnet durch ein Gleichrichterelement (61), das zwischen die erste Anschlusselektrode und die erste Halbleiterzone (11) geschaltet ist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem das Gleichrichterelement als Diode, als Zenerdiode oder als MOSFET, der als Diode verschaltet ist, realisiert ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in dem Halbleitersubstrat (10) eine komplementär zu dem Halbleitersubstrat (10) dotierte zweite Halbleiterzone (12) angeordnet ist, an die zweite Anschlusselektrode (53) angeschlossen ist.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem in dem Halbleitersubstrat (10) beabstandet zu der ersten Halbleiterzone (11) wenigstens eine komplementär zu der Grunddotierung des Halbleitersubstrats dotierte Feldzone (13) aufweist.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, bei dem die Driftzone (34) benachbart zu der wenigstens einen Feldzone einen Driftzonenabschnitt (34) aufweist, der höher dotiert ist als übrige Driftzonenabschnitte.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in dem Halbleitersubstrat (10) anschließend an die Dielektrikumsschicht (20) und eine der ersten und zweiten Halbleiterzonen (11, 12) eine Kanalstoppzone (15) angeordnet ist, die vom gleichen Leitungstyps wie die Grunddotierung des Halbleitersubstrats jedoch höher dotiert ist.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das wenigstens eine Feldelektrode (71) aufweist, die oberhalb der Halbleiterschicht (30) angeordnet und gegenüber der Halbleiterschicht (30) durch eine Dielektrikumsschicht (42) isoliert ist.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, bei dem die wenigstens eine Feldelektrode (71) an die wenigstens eine Feldzone (13) gekoppelt ist.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das als MOS-Transistor ausgebildet ist, bei dem die weitere Bauelementzone eine komplementär zu der Driftzone (33) dotierte Body-Zone (32) und die Anschlusszone (34) eine Drain-Zone ist: – eine Source-Zone (31), die getrennt durch die Body-Zone (32) zu der Driftzone (33) angeordnet ist und die mit der Body-Zone (32) kurzgeschlossen ist, – eine Gate-Elektrode (43), die benachbart zu der Body-Zone (32) angeordnet ist und die mittels eines Gate-Dielektrikums (41) von der Body-Zone (32) isoliert ist.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, das als MOSFET ausgebildet ist, bei dem die Drain-Zone (34) vom gleichen Leitungstyp wie die Driftzone ist.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, das als IGBT ausgebildet ist, bei dem die Drain-Zone (34) komplementär zu der Driftzone dotiert ist.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das als Diode ausgebildet, bei dem die weitere Bauelementzone eine komplementär zu der Driftzone (33) dotierte Halbleiterzone (35) ist.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das als Schottky-Diode ausgebildet ist, bei dem die weitere Bauelementzone eine Schottky-Metall-Zone (81) ist und bei dem die Anschlusszone (34) eine Kathodenzone (11) ist, die vom gleichen Leitungstyp wie die Driftzone, jedoch höher dotiert ist.
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