DE102007002744B4

DE102007002744B4 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102007002744B4
Application number: DE200710002744
Authority: DE
Inventors: Dr. Mauder Anton; Dr. Schulze Hans-Joachim; Dr. Sedlmaier Stefan
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2011-11-17
Anticipated expiration: 2027-01-19
Also published as: DE102007002744A1

Abstract

Ein Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper aus einem ersten Halbleitermaterial auf, wobei sich in dem Halbleiterkörper mindestens eine Schicht aus einem zweiten Halbleitermaterial befindet, das eine gegenüber dem ersten Halbleitermaterial höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit in einem Halbleiterkörper.
Die Wärmeleitfähigkeit in Halbleiterbauelementen spielt eine wichtige Rolle für die Zuverlässigkeit und Funktionsfähigkeit des Halbleiterbauelements.
Insbesondere in Leistungshalbleiterbauelementen wird die Ausnutzbarkeit des Halbleiters auf Grund einer durch Verlustleistung verursachten Temperaturerhöhung des Halbleiterchips begrenzt. Durch lokal auftretende Wärmeerzeugung kann es zu Stromfilamentierung, so genannten „Hot Spots”, kommen.
Bemühungen eine solche Stromfilamentierung zu vermeiden sehen eine Wärmespreizung vor. Wärmespreizende Maßnahmen setzen meist am Übergang zwischen einem Halbleiterchip und einem Leadframe bzw. einem isolierten Träger wie z. B. einem DCB oder am Übergang des Halbleiterbauelements zu einem Kühlkörper an.
Diese wärmespreizenden Vorrichtungen wie z. B. Schichten an der Oberfläche des Halbleiterbauelements sind aber meist in einem relativ großen Abstand zu den ursächlichen Wärmequellen angeordnet. Eine möglichst rasche und homogene Verteilung der Wärme über die Chipfläche des Halbleiterbauelements ist aber zur Vermeidung von Funktionsstörungen wichtig.
Die WO 2005/0 67 049 A1 und die WO 2005/0 65 143 A2 zeigen eine isotopenreine Si²⁸ Schicht auf einem Halbleitersubstrat zur Wärmespreizung.
Die WO 2006/017640 A1 zeigt eine abgewandelte Silizium-Germaniumschicht mit einer gegenüber herkömmlichen Silizium-Germaniumschichten erhöhten Wärmeleitfähigkeit auf einem Siliziumhalbleiterkörper.
Zusammenfassung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper aus einem ersten Halbleitermaterial auf, wobei sich in dem Halbleiterkörper mindestens eine Schicht aus einem zweiten Halbleitermaterial befindet, das eine gegenüber dem ersten Halbleitermaterial höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei das erste Halbleitermaterial und das zweite Halbleitermaterial aus dem gleichen chemischen Element besteht und, wobei das erste Halbleitermaterial zum zweiten Halbleitermaterial eine unterschiedliche Isotopenzusammensetzung aufweist.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 Schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements
2 Schematische Querschnittsansicht zum Herstellungsprinzip eines Halbleiterbauelements in einem ersten Zwischenstadium
3 Schematische Querschnittsansicht zum Herstellungsprinzip eines Halbleiterbauelements
Bevor im Folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugzeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
Detaillierte Beschreibung
In 1 ist gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Struktur angegeben, die eine möglichst rasche und homogene Verteilung über die Chipfläche des Halbleiterbauelements 1 erreicht. Dazu wird in einem Halbleiterkörper 2 aus einem ersten Halbleitermaterial des Halbleiterbauelements 1 mindestens eine Schicht 3 aus einem zweiten Halbleitermaterial ausgebildet. Das zweite Halbleitermaterial weist gegenüber dem ersten Halbleitermaterial eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf.
Als lokale Wärmequellen sind insbesondere stromführende Bereiche, die Verlustleistung generieren, zu nennen. Besonders hoch ist die Verlustleistungsgeneration dann, wenn wie beim Schaltvorgang, im Avalanchefall oder im Kurzschlussbetrieb am Halbleiterschalter gleichzeitig hoher Strom fließt und hohe Spannung anliegt. Diese Belastungsfälle dürfen nur sehr kurzzeitig auftreten, da hier deutlich höhere Leistungen im Halbleiterchip umgesetzt werden, als in der gleichen Zeit über den Kühlkörper abgeführt werden können. Um einer unzulässig hohen Temperatur des Halbleiters und somit seiner Zerstörung vorzubeugen, muss die Wärme von ihrem Entstehungsort, häufig an sperrenden pn-Übergang, rasch in andere Bereiche des Halbleiterkörpers transportiert werden.
Durch die Platzierung der Schicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit möglichst nahe an die ursächliche Wärmequelle im Halbleiterkörper kann eine möglichst rasche Abfuhr der Wärme zu unkritischen Bereichen des Halbleiterbauelements erreicht werden. Die Ausbildung von Schichten mit hoher Wärmeleitfähigkeit bewirkt dabei eine richtungssteuernde Wärmeabfuhr entlang dieser Schichten. Diese Wärmespreizung wirkt sich günstig auf die thermische Impedanz des Halbleiterbauelements und günstig auf das Verhalten bei kurzzeitig transienten Betriebsfällen aus.
Einer Stromfilamentierung wird somit entgegen gewirkt, da sich durch die Wärmespreizung das Stromfilament rasch verbreitern kann.
Das erste und zweite Halbleitermaterial sollte vorteilhafterweise aus dem gleichen chemischen Element aber mit unterschiedlicher Isotopenzusammensetzung bestehen. Dadurch wird die Erzeugung der Schichten aus fertigungstechnischen Gründen erheblich vereinfacht.
Als erstes Halbleitermaterial kommt beispielsweise ein isotopisch unreines Element der Gruppe IV im chemischen Periodensystem wie z. B. Silizium in Frage. Natürliches Silizium kommt in der Regel in einer Zusammensetzung von 92% ²⁸Si und 4,7% ²⁹Si und 3,3% ³⁰Si vor. Als zweites Halbleitermaterial sollte ein isotopisch nahezu reines Element der Gruppe IV im Periodensystem wie z. B. Silizium mit einer Isotopenkonzentration k von höher 98% verwendet werden. Ein solch isotopisch hochreines Material wie z. B. eine Schicht aus ²⁸Si weist eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als eine Schicht mit natürlichem Silizium auf. Dies liegt daran, dass die zusätzlichen Isotope ²⁹Silizium und ³⁰Silizium im natürlichen Silizium als bestimmende Streuzentren von wärmetransportierenden Phononen wirken. Eine isotopische Reinigung von halbleitenden Elementen führt zu einer signifikanten Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit in der somit erzeugten Halbleiterschicht.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 1 sieht vor, dass sich die mindestens eine Schicht 3 aus dem zweitem Halbleitermaterial zwischen zwei Schichten 5 aus erstem Halbleitermaterial befindet. Insbesondere sieht eine weitere Ausführungsform vor, dass die Schicht 3 aus dem zweiten Halbleitermaterial Teil eines Schichtstapels 7 aus mehreren alternierend angeordneten Schichten 3 und 5 aus dem ersten Halbleitermaterial und dem zweiten Halbleitermaterial ist. Dadurch wird eine örtliche Variation der Wärmeleitfähigkeit erreicht, die z. B. eine gezielte Verbreiterung von Hot Spots mit einem Absenken der maximalen Temperatur bewirkt. Damit einhergehend kann eine Stromfilamentierung reduziert bzw. zu noch höheren Belastungsfällen verschoben werden.
In dem Halbleiterkörper 2 des Halbleiterbauelements 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel können Halbleiterbauelementstrukturen 4 verschiedenster Art ausgebildet sein. Je nach Anwendungsfall sind das z. B. Dotierungszonen für Feldeffekttransistoren, IGBT's, Dioden etc.. Solche Dotierungszonen bilden z. B. Sourcezonen, Drainzonen, Driftzonen, PN-Übergänge usw. aus. Insbesondere für Leistungs-Halbleiterbauelemente mit Kompensationsstrukturen z. B. in der Driftstrecke eines solchen Leistungs-Halbleiterbauelements bietet die Struktur gemäß eines Ausführungsbeispiels Vorteile.
Ganz allgemein soll hier, unabhängig von den in den Figuren dargestellten Ausführungen, als Halbleiterbauelementstrukturen alle zusätzlichen im Halbleiterkörper befindlichen Strukturen verstanden werden, die für den Betrieb und Anwendung des jeweils vorliegenden Halbleiterbauelements notwendig sind.
Die Schicht 3 aus dem zweiten Halbleitermaterial kann dabei auch Teil der Halbleiterbauelementstrukturen 4 sein.
Typischerweise weist die mindestens eine Schicht 3 aus zweitem Halbleitermaterial eine Schichtdicke d von 10 nm ≤ d ≤ 30 μm, insbesondere von 1 μm ≤ d ≤ 30 μm, auf. Für hochsperrende Bauelemente kommen auch Schichtdicken bis zu 100 μm in Frage.
Ein Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement 1 sieht vor, einen Halbleiterkörper 2 aus einem ersten Halbleitermaterial mit mindestens einer Schicht 3 aus einem zweiten Halbleitermaterial in dem Halbleiterkörper zu erzeugen, wobei das zweite Halbleitermaterial eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das erste Halbleitermaterial. In dem Halbleiterkörper 2 werden Halbleiterbauelementstrukturen 4 ausgebildet.
2 zeigt ein Zwischenergebnis einer Ausführungsform des Verfahrens, bei dem zumindest ein Teil des Halbleiterkörpers 2 durch einen Schichtstapel 7 aus mehreren Schichten 5 und 3 aus erstem und zweitem Halbleitermaterial erzeugt wird.
Auf einem Halbleitergrundkörper 6 wie z. B. einem hochdotierten Siliziumsubstrat vom ersten Leitungstypen, auf das wahlweise eine schwachdotierte Schicht vom gleichen Leitungstypen, z. B. n-dotiert, aufgebracht sein kann, wird durch abwechselndes Aufbringen von Schichten 3 und 5 aus zweitem und erstem Halbleitermaterial der Schichtstapel 7 erzeugt. In einer nicht dargestellten, alternativen Ausführungsform können auch zwei oder mehrere Schichten hintereinander entweder aus erstem Halbleitermaterial oder aus zweitem Halbleitermaterial erzeugt werden, bevor eine oder mehrere dazu unterschiedliche Schichten aus dem anderen Halbleitermaterial erzeugt wird.
Die Schichten werden dabei epitaktisch erzeugt.
Typischerweise wird die mindestens eine Schicht 3 aus dem zweitem Halbleitermaterial mit einer Schichtdicke d von 10 nm ≤ d ≤ 30 μm, insbesondere von 1 μm ≤ d ≤ 30 μm, erzeugt.
In einer Ausführungsform sind diese Epitaxieschichten zunächst aus intrinsischem Silizium erzeugt, wobei die Isotopenzusammensetzung zweier benachbarter Schichten geändert wird.
Nach jeder epitaktischen Abscheidung einer Schicht werden in der dargestellten Ausführungsform in die Schicht Dotierstoffe 10 und 11 implantiert. Dabei handelt es sich um örtlich varierende p- und n-Dotierstoffe. Somit wird ein mit Dotierstoffen hochkonzentriert angereicherter oberflächennaher Bereich in zumindest einigen Epitaxieschichten erzeugt.
Die Epitaxieschichten können in einer alternativen Ausführungsform auch dotiert abgeschieden werden. Insbesondere kann der n-Dotierstoff bereits mittels dotierter Epitaxie eingebracht werden anstatt einer Implantation.
An der Rückseite des Halbleiterbauelements kann die hochdotierte Drainkontaktschicht 12 in dem Halbleitergrundkörper 6, z. B. durch eine Vorbelegung bzw. Ionenimplantation oder auch durch Diffusion erzeugt werden.
Durch Ausdiffusion der in den Epitaxieschichten erzeugten Dotierstoffbereiche werden wie in 3 dargestellt aus den jeweils behandelten Epitaxieschichten durchgängig dotierte Epitaxieschichten mit einer in vertikaler Richtung verlaufenden Halbleiterbauelementstruktur 4, die in diesem Fall eine säulenartige Kompensationsstruktur in der Driftstrecke eines Leistungshalbleiterbauelements ist.
3 stellt somit im Ergebnis ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines vertikalen Leistungs-Halbleiterbauelements mit einem aktiven Zellenfeld und einer Randstruktur dar. In vertikaler Richtung ist sowohl das aktive Zellenfeld als auch die Randstruktur mit einem Schichtstapel 7 aufgebaut, der aus abwechselnden Schichten 5 aus erstem Halbleitermaterial, in diesem Fall n-dotiertes natürliches Silizium und Schichten 3 aus zweitem Halbleitermaterial, im vorliegenden Fall n-dotiertes isotopisch reines ²⁸Silizium, gebildet ist.
In vertikaler Richtung ist der Schichtstapel zumindest teilweise mit aus p-Dotierstoff („p-bubbles”) 10 erzeugten p-Säulen durchsetzt, sowohl im aktiven Zellenfeld als auch in der Randstruktur.
In stromführenden Pfad der Schicht von ersten Leistungstypen (hier n-dotiert) oder an einem pn-Übergang im aktiven Zellenfeld zwischen einer p-Säule und dem Grundmaterial der Epitaxieschichten erzeugte Wärme wird durch die lateral verlaufenden und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden isotopenreinen ²⁸Si-Schichten 3 in Richtung der Randstruktur abgeführt.
Das erfindungsgemäße Konzept bzw. das erfindungsgemäße Verfahren ist in seiner Anwendung nicht allein auf vertikale unipolare oder bipolare Halbleiterbauelemente beschränkt, obwohl es im Vorhergehenden überwiegend anhand eines vertikalen unipolaren Halbleiterbauelements verdeutlicht wurde. Das erfindungsgemäße Konzept ist ebenso auf laterale Ausführungsformen von Halbleiterbauelementen anwendbar, bei denen es auf eine schnelle wärmespreizende Maßnahme möglichst nahe am Ort der Wärmeerzeugung ankommt.
Das erfindungsgemäße Konzept kann auch auf eine komplementär dotierte Bauelementstruktur übertragen werden.
Ebenso ist das erfindungsgemäße Konzept bzw. das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur auf Halbleitermaterialien aus der Gruppe IV des Periodensystems der Elemente, insbesondere nicht nur auf Si beschränkt, sondern ist ebenso mit Elementen aus der Gruppe III oder V, insbesondere deren Verbindungen, anwendbar, die in unterschiedlichen Schichten eine unterschiedliche Isotopenzusammensetzung aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterbauelement
2: Halbleiterkörper
3: Schicht aus zweitem Halbleitermaterial
4: Halbleiter-Bauelementstrukturen
5: Schicht aus erstem Halbleitermaterial
6: Halbleitergrundkörper
7: Schichtstapel
10: p-Dotierstoff
11: n-Dotierstoff
12: Drainkontaktschicht

Claims

Halbleiterbauelement (1), aufweisend – einen Halbleiterkörper (2) aus einem ersten Halbleitermaterial und aus einem zweiten Halbleitermaterial, – wobei sich in dem Halbleiterkörper (2) mindestens eine Epitaxieschicht (3) aus dem zweiten Halbleitermaterial befindet, das eine gegenüber dem ersten Halbleitermaterial höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, – wobei das erste Halbleitermaterial und das zweite Halbleitermaterial aus dem gleichen chemischen Element besteht, – wobei das erste Halbleitermaterial zum zweiten Halbleitermaterial eine unterschiedliche Isotopenzusammensetzung aufweist und – wobei sich die mindestens eine Epitaxieschicht (3) aus dem zweiten Halbleitermaterial unmittelbar zwischen zwei Epitaxieschichten (5) aus dem ersten Halbleitermaterial befindet.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem das erste Halbleitermaterial isotopisch unreines Silizium ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das zweite Halbleitermaterial isotopisch reines Silizium mit einer Isotopenkonzentration k > 98% ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Epitaxieschicht (3) aus dem zweiten Halbleitermaterial Teil eines Schichtstapels (7) aus mehreren alternierend angeordneten Epitaxieschichten (3, 5) aus dem ersten Halbleitermaterial und dem zweiten Halbleitermaterial ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem Halbleiterkörper (2) Halbleiter-Bauelementstrukturen (4) ausgebildet sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, bei dem die mindestens eine Epitaxieschicht (3) aus dem zweiten Halbleitermaterial Teil der Halbleiter-Bauelementstrukturen (4) ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Epitaxieschicht (3) aus dem zweiten Halbleitermaterial eine Schichtdicke d von 10 nm ≤ d ≤ 100 μm, insbesondere von 1 μm ≤ d ≤ 30 μm, aufweist.