DE102007004090B4 - Halbleiterbauelement mit einer Driftzone und einer Driftsteuerzone - Google Patents

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Abstract

Halbleiterbauelement mit einer Driftzone (12) und einer Driftsteuerzone (20), die in einer ersten Richtung (r2) benachbart zu der Driftzone (11) angeordnet ist und die in dieser ersten Richtung (r2) durch eine Dielektrikumsschicht (24) gegenüber der Driftzone (12) dielektrisch isoliert ist, wobei die Driftsteuerzone (20) wenigstens eine erste und eine zweite Halbleiterschicht (22, 21) aufweist, die in der ersten Richtung (r2) benachbart zueinander angeordnet sind und von denen die erste Halbleiterschicht eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit als die zweite Halbleiterschicht aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Leistungshalbleiterbauelement, das eine Driftzone und eine benachbart zu der Driftzone angeordnete, dielektrisch gegenüber der Driftzone isolierte Driftsteuerzone aus einem Halbleitermaterial aufweist, die bei leitend angesteuertem Bauelement zur Steuerung eines leitenden Kanals in der Driftzone dient.
  • Ein solches Halbleiterbauelement ist in der nachveröffentlichten internationalen Anmeldung WO 2007/0 12 490 A2 der Inhaberin beschrieben.
  • Zur Ausbildung eines leitenden Kanals in der Driftzone, werden Ladungsträger in der Driftsteuerzone benötigt. Diese Ladungsträger werden der Driftsteuerzone bei leitend angesteuertem Bauelement zugeführt und sorgen entlang eines die Driftzone und die Driftsteuerzonen trennenden Dielektrikums für die Ausbildung des Akkumulationskanals in der Driftzone. Bei sperrender Ansteuerung des Bauelements fließen diese Ladungsträger aus der Driftsteuerzone ab oder werden in einer Kapazität bis zur nächsten leitenden Ansteuerung zwischengespeichert. Dieser Umladevorgang der Driftsteuerzone beeinflusst maßgeblich die Schaltverzögerung des Bauelements, also die Zeitdauer die ein Übergang von einem sperrenden in eine leitenden Zustand, und umgekehrt benötigt.
  • Die WO 2002/0 41 404 A2 beschreibt einen Trench-Transistor mit einer n-dotierten Gateelektrode und einer p-dotierten weiteren Elektrode, die gemeinsam in einem Graben angeordnet und durch eine Dielektrikumsschicht gegenüber einer Driftzone isoliert sind. Die weitere Elektrode ist dabei in einer vertikalen Richtung eines Halbleiterkörpers des Bauelements unterhalb der Gateelektrode angeordnet.
  • Die US 67 74 434 B2 beschreibt ein Halbleiterbauelement mit einer Driftzone und einer durch eine Dielektrikumsschicht gegenüber der Driftzone isolierten sogenannten ”field forming region”.
  • Die DE 101 26 309 A1 beschreibt ein in Rückwärtsrichtung sperrendes Leistungshalbleiterbauelement das eine Bodyzone aufweist, die abschnittsweise durch eine Dielektrikumsschicht gegenüber einer Driftzone isoliert ist.
  • Die US 55 67 629 A beschreibt einen Trench-IGBT mit einer im Bereich einer Vorderseite seines Halbleiterkörpers angeordneten Drainelektrode und mit einer in einem Graben angeordneten Gateelektrode, die sich ausgehend von der Vorderseite durch eine Driftzone bis zu einer vergraben angeordneten Sourcezone erstreckt und die durch eine Dielektrikumsschicht gegenüber dem Halbleiterkörper isoliert ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement mit einer Driftzone und eine benachbart zu der Driftzone angeordneten, dielektrisch gegenüber der Driftzone isolierte Driftsteuerzone aus einem Halbleitermaterial zur Verfügung zu stellen, das eine geringe Schaltverzögerung aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Driftzone und eine Driftsteuerzone, die benachbart zu der Driftzone angeordnet ist und die durch eine Dielektrikumsschicht gegenüber der Driftzone dielektrisch isoliert ist, wobei die Driftsteuerzone wenigstens eine erste und eine zweite Halbleiterschicht aufweist, von denen die erste Halbleiterschicht eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit als die zweite Halbleiterschicht aufweist.
  • Das Vorsehen einer Halbleiterschicht mit höherer Ladungsträgerbeweglichkeit in der Driftsteuerzone ermöglicht ein rascheres Einbringen und Abfließen der Ladungsträger in die Driftsteuerzone, die in der Driftsteuerzone zur Steuerung eines Akkumulationskanals in der Driftzone benötigt werden. Dies führt zu einer Steigerung der Schaltgeschwindigkeit des Halbleiterbauelements.
  • Die erste und die zweite Halbleiterschicht können bei diesem Bauelement ausgehend von der Dielektrikumsschicht benachbart zueinander angeordnet sein, wobei sich die erste Halbleiterschicht insbesondere unmittelbar an die Dielektrikumsschicht anschließen kann.
  • Als Material für die erste Halbleiterschicht eignet sich beispielsweise Silizium-Germanium (SiGe), und als Material für die zweite Halbleiterschicht eignet sich beispielsweise Silizium (Si). SiGe weist im Vergleich zu Si eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit auf, wobei diese Ladungsträgerbeweglichkeit mit zunehmendem Anteil an Germanium (Ge) zunimmt. Eine solche SiGe-Schicht kann bedingt durch unterschiedliche Kristallgitterkonstanten von SiGe und Si gegenüber der Si-Schicht verspannt sein, was sich positiv auf die Ladungsträgerbeweglichkeit auswirkt.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements im Querschnitt, das eine Driftzone und eine Driftsteuerzone mit wenigstens zwei Halbleiterschichten, die unterschiedliche Ladungsträgerbeweglichkeiten besitzen, aufweist.
  • 2 veranschaulicht ein erstes Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Driftsteuerzone mit wenigstens zwei Halbleiterschichten.
  • 3 veranschaulicht ein zweites Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Driftsteuerzone mit wenigstens zwei Halbleiterschichten.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelementbereiche mit gleicher Bedeutung.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, das eine Driftzone 12 und einer Driftsteuerzone 20 aus einem Halbleitermaterial aufweist. Das Halbleiterbauelement ist in 1 schematisch in einem Schnittbild dargestellt, das einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper 100 zeigt, in dem Halbleiterbauelementbereiche des Halbleiterbauelements integriert sind.
  • Das in 1 dargestellte Bauelement ist als MOS-Transistor realisiert. Die Driftzone 12 ist hierbei in einer Stromflussrichtung r1 zwischen einer ersten Bauelementzone 11 und einer zweiten Bauelementzone 13 in dem Halbleiterkörper 100 angeordnet. Die erste Bauelementzone 11 ist bei der dargestellten MOS-Transistorstruktur eine Drainzone, die zweite Bauelementzone 13 ist eine Bodyzone, an die sich in der Stromflussrichtung r1 an einer der Driftzone 12 abgewandten Seite eine Sourcezone 14 anschließt. Zur Steuerung eines leitenden Kanals in der Bodyzone 13 zwischen der Sourcezone 14 und der Driftzone 12 ist eine Gateelektrode 16 vorhanden, die benachbart zu der Bodyzone 13 angeordnet ist und die durch eine Gatedielektrikumsschicht 17 – nachfolgend kurz als Gatedielektrikum bezeichnet – dielektrisch gegenüber der Bodyzone 13 isoliert ist.
  • Die Sourcezone 14 ist durch eine Sourceelektrode 18 kontaktiert, die darüber hinaus die Bodyzone 13 kontaktiert und dadurch die Sourcezone 14 und die Bodyzone 13 kurzschließt. Die Sourceelektrode 18 ist in dem dargestellten Beispiel über eine höher als die Bodyzone 13 dotierte Anschlusszone 15 an die Bodyzone 13 angeschlossen.
  • Die in 1 dargestellte Transistorstruktur ist eine Transistorstruktur eines selbstsperrenden n-MOSFET. Die Sourcezone 14, die Driftzone 12 und die Drainzone 11 sind hierbei n-dotiert und komplementär dotiert zu der p-dotierten Bodyzone 13. Die Gateelektrode 16 dient bei diesem Bauelement zur Steuerung eines Inversionskanals in der Bodyzone 13 zwischen der Sourcezone 14 und der Driftzone 12. Es sei darauf hingewiesen, dass die Angabe der Dotierungstypen in 1 lediglich dazu dienen, das Verständnis der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels zu erleichtern. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf einen selbstsperrenden n-MOSFET beschränkt, sondern ebenso auf einen p-MOSFET oder einen IGBT anwendbar. Bei einem p-MOSFET sind die Bauelementzonen komplementär zu den in Figur dargestellten Bauelementzonen dotiert. Bei einem IGBT ist die Drainzone, die auch als Emitterzone bezeichnet wird, komplementär zu der Driftzone dotiert.
  • Der in 1 dargestellte MOS-Transistor weist eine vertikale Transistorstruktur auf. Die Drainzone 11, die Driftzone 12, die Bodyzone 13 und die Sourcezone 14 sind hierbei in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 benachbart zueinander angeordnet. Diese vertikale Richtung des Halbleiterkörpers 100 entspricht in dem dargestellten Beispiel der Stromflussrichtung r1, in der die Driftzone 12 bei leitend angesteuertem Bauelement in noch zu erläuternder Weise von einem Strom durchflossen wird. Die Gateelektrode 16 des dargestellten Transistors ist in einem Graben angeordnet und erstreckt sich ausgehend von einer ersten Seite 101 des Halbleiterkörpers 100, die nachfolgend als Vorderseite bezeichnet wird, in einer vertikalen Richtung in den Halbleiterkörper 100 hinein und reicht – jeweils isoliert durch das Gatedielektrikum 17 – von der Sourcezone 14 über die Bodyzone 13 bis in die Driftzone 12.
  • In einer von der Stromflussrichtung r1 abweichenden Richtung r2, die in 1 zu Zwecken der Erläuterung senkrecht zu der Stromflussrichtung r1 verläuft, ist die Driftsteuerzone 20 benachbart zu der Driftzone 12 angeordnet. Diese Driftsteuerzone besteht aus einem Halbleitermaterial, insbesondere einem einkristallinen Halbleitermaterial, und ist durch eine Dielektrikumsschicht 24, die nachfolgend als Driftsteuerzonendielektrikum bezeichnet wird, dielektrisch gegenüber der Driftzone 12 isoliert.
  • Das Halbleiterbauelement kann zellenartig aufgebaut sein, kann also eine Vielzahl gleichartig aufgebauter und parallel geschalteter Transistorstrukturen mit jeweils mindestens einer benachbart zu einer Driftzone 12 angeordneten Driftsteuerzone 20 aufweisen. Die Zellen können insbesondere als sogenannte Streifenzellen realisiert sind, wobei die in 1 dargestellten Bauelementstrukturen dann in einer Richtung senkrecht zu der dargestellten Zeichenebene langgestreckt ausgebildet sind.
  • Die Driftsteuerzone 20 ist in dem dargestellten Beispiel über ein Gleichrichterelement 23 an die Drainzone 12 angeschlossen. Dieses Gleichrichterelement 23 ist so verschaltet, dass das elektrische Potential in der Driftsteuerzone 20 betragsmäßig über den Wert eines elektrischen Potentials der Drainzone 11 ansteigen kann, dass das elektrische Potential in der Driftsteuerzone 20 jedoch nicht oder nur um einen definierten Wert, in dem Beispiel die Durchlassspannung der Diode 23, unter das elektrische Potential der Drainzone 11 absinken kann. Das Gleichrichterelement ist in dem dargestellten Beispiel als Bipolardiode realisiert und in dem Halbleiterkörper 100 integriert. Die Bipolardiode umfasst in diesem Fall zwei komplementär zueinander dotierte Halbleiterzonen 231, 232, die zwischen der Drainzone 11 und der Driftsteuerzone 20 angeordnet sind.
  • Anstelle einer Bipolardiode zwischen der Drainzone 11 und der Driftsteuerzone 20 kann in nicht näher dargestellter Weise auch eine Schottky-Diode verwendet werden. Bei einer weiteren nicht dargestellten Variante ist vorgesehen, zwischen der Drainzone 11 und der Driftsteuerzone 20 eine Bauelementstruktur mit einem Tunneldielektrikum vorzusehen, das es ermöglicht, dass das elektrische Potential der Driftsteuerzone 20 betragsmäßig über das elektrische Potential der Driftzone 11 ansteigen kann.
  • Die grundsätzliche Funktionsweise des dargestellten Bauelements wird nachfolgend erläutert. Das Bauelement leitet, wenn an die Gateelektrode 16 ein elektrisches Potential, bzw. bezogen auf die Sourcezone 14 eine elektrische Spannung, angelegt wird, so dass sich entlang des Gatedielektrikums 17 ein Inversionskanal in der Bodyzone 13 ausbildet. Dieser Inversionskanal ermöglicht einen Elektronenfluss von der Sourcezone 14 über den Inversionskanal in der Bodyzone 13 und die Driftzone 12 zur Drainzone 11. Gleichzeitig wird die Driftsteuerzone 20 auf ein elektrisches Potential aufgeladen, das betragsmäßig größer als das elektrische Potential der Driftzone 12 ist und das die Ausbildung eines Akkumulationskanals in der Driftzone 12 entlang des Driftsteuerzonendielektrikums bewirkt. Das Gleichrichterelement 23 verhindert hierbei, dass die zur Steuerung des Akkumulationskanals benötigten Ladungsträger in die Drainzone 11 abfließen.
  • Bei dem dargestellten n-leitenden MOS-Transistor werden für die Ausbildung eines Akkumulationskanals in der Driftsteuerzone 20 positive Ladungsträger (Löcher) benötigt, die die Driftsteuerzone 20 positiv gegenüber der Driftzone 12 aufladen. Ein Teil dieser Ladungsträger kann hierbei über das Gleichrichterelement von der Drainzone 11 geliefert werden, die bei normalem Betrieb des Bauelements auf einem elektrischen Potential liegt, das größer ist als ein elektrisches Potential der Sourcezone 14 bzw. Bodyzone. Ein weiterer – üblicherweise größerer – Teil dieser Ladung kann bei erstmaligem Einschalten über eine Ladeschaltung aus dem Gatestromkreis geliefert werden und kann im weiteren in einer Speicherkapazität zwischengespeichert werden.
  • Die Ladeschaltung umfasst in dem Beispiel ein zwischen die Gateelektrode 16 und einen Anschluss 25 der Driftsteuerzone 20 geschaltetes weiteres Gleichrichterelement, beispielsweise eine Diode. Dieses weitere Gleichrichterelement 31 ist an einem Ende der Driftsteuerzone angeschlossen, das in Stromflussrichtung beabstandet zu dem Ende liegt, an das die Drainzone 11 angeschlossen ist. Davon ausgehend, dass die Laststreckenspannung bzw. Drain-Source-Spannung bei leitend angesteuertem Bauelement kleiner ist als die angelegte Gate-Source-Spannung wird die Driftsteuerzone 20 bei leitend angesteuertem Bauelement auf ein elektrisches Potential aufgeladen, das größer ist als das elektrische Potential der Drainzone 11, und das damit größer ist als das elektrische Potential der Driftzone 12.
  • Wird das Bauelement sperrend angesteuert, indem die Gateelektrode beispielsweise auf Sourcepotential entladen wird, so wird der Inversionskanal in der Bodyzone 13 unterbrochen und ausgehend von einem pn-Übergang zwischen der Bodyzone 13 und der komplementär dazu dotierten Driftzone 12 breitet sich in der Driftzone 12 eine Raumladungszone in Richtung der Drainzone 11. Die Raumladungszone breitet sich mit zunehmender Laststreckenspannung bzw. Drain-Source-Spannung weiter in Richtung der Drainzone 11 aus.
  • Bei sperrend angesteuertem Bauelement steigt das Drainpotential im Vergleich zum Sourcepotential an. Entsprechend steigt bedingt durch die Kopplung der Drainzone 11 an die Driftsteuerzone 20 das elektrische Potential in der Driftsteuerzone 20 gegenüber dem Sourcepotential an, wobei das Gleichrichterelement 31 der Ladeschaltung verhindert, dass das elektrische Potential der Driftsteuerzone 20 dem elektrischen Potential der Gateelektrode folgt. Die zuvor bei leitend angesteuertem Bauelement in die Driftsteuerzone 20 geflossenen Ladungsträger werden hierbei aus der Driftsteuerzone 20 in eine Speicherkapazität verschoben. Diese Speicherkapazität kann beispielsweise als Kondensator realisiert sein, der zwischen den Anschluss 25 der Driftsteuerzone 20 und die Sourcezone 14 geschaltet ist. Die Speicherkapazität kann auch durch eine Kapazität zwischen einer komplementär zu der Driftsteuerzone 20 dotierten Halbleiterzone 26, 27 und der Bodyzone 14 bzw. deren Anschlusszone 15 gebildet sein. Die komplementär zu der Driftsteuerzone 21 dotierte Halbleiterzone 26, 27 ist hierbei zwischen der Driftsteuerzone 21 und der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet und ist durch einen bis an die Vorderseite 101 reichenden Abschnitt des Driftsteuerzonendielektrikums 24 von der Bodyzone 13 und der Anschlusszone 15 getrennt, die jeweils auf Sourcepotential liegen. Die komplementär dotierte Halbleiterzone 26, 27 ist in dem dargestellten Beispiel durch den Anschluss 25 der Driftsteuerzone 20 an einem der Drainzone 11 abgewandten Ende der Driftsteuerzone 20 kontaktiert angeordnet und umfasst in dem Beispiel einen höher und eine niedriger dotierten Halbleiterabschnitt 27, 26.
  • Bei sperrend angesteuertem Bauelement breitet sich außerdem eine Raumladungszone in Stromflussrichtung in der Driftsteuerzone 20 aus, innerhalb der das elektrische Potential in der Driftsteuerzone 21, in dem Beispiel in Richtung der Rückseite 102, zunimmt. Die Driftsteuerzone 21 ist hierbei ausreichend niedrig dotiert, dass sich eine solche Raumladungszone ausbreiten kann. Die Diode 31 zwischen der Gateelektrode 16 und der Driftsteuerzone 22 verhindert hierbei, dass in der externen Kapazität oder in der internen Kapazität gespeicherte Ladungsträger in den Gatestromkreis abfließen. Optional kann ein weiteres Gleichrichterelement, beispielsweise in Form einer Diode 32 vorgesehen sein, die zwischen die Driftsteuerzone 20 und die Sourcezone 14 geschaltet ist. Diese weitere Diode 32 begrenzt eine Spannung über der internen oder externen Speicherkapazität und ermöglicht bei einer Überspannung einen Ladungsträgerabfluss an die Sourcezone. Ein solcher Überstrom muss dann nicht über den Gatestromkreis abfließen. Ein Spannungsanstieg in der Driftsteuerzone 20 in Richtung der Drainzone 11 bedingt durch die sich in der Driftsteuerzone 20 ausbreitende Raumladungszone verringert den Spannungsabfall über dem Driftsteuerzonendielektrikum 24 im Vergleich zu einem theoretischem Fall, bei dem die gesamte Driftsteuerzone 20 auf Drainpotential liegt.
  • Die Driftsteuerzone 20 dient bei dem dargestellten Halbleiterbauelement zur Steuerung eines leitenden Kanals in der Driftzone 12 entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 24. Diese Driftsteuerzone 20 bewirkt hierbei eine Verringerung des Einschaltwiderstandes des Bauelements im Vergleich zu Halbleiterbauelementen, die eine Driftzone gleicher Dotierung jedoch keine Driftsteuerzone aufweisen. Alternativ ermöglicht die Driftsteuerzone 20 eine Verringerung der Dotierungskonzentration der Driftzone 12, und damit eine Erhöhung der Spannungsfestigkeit des Bauelements bei gleichem Einschaltwiderstand. Das Vorsehen einer solchen Driftsteuerzone 20 ermöglicht sogar die Verwendung einer undotierten bzw. intrinsischen Driftzone 12. Darüber hinaus kann die Driftzone 12 sogar komplementär zu der Drainzone 11 realisiert sein, was in 1 in Klammern dargestellt ist. Bei einem solchen Bauelement, bei dem die Driftsteuerzone dann einen Inversionskanal in der Driftzone 12 steuert, breitet sich eine Raumladungszone im Sperrfall ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der Drainzone 11 und der Driftzone 12 aus, wodurch das Gatedielektrikum 17 im Sperrfall vor hohen Spannungsbelastungen sicher geschützt wird. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Driftsteuerzone 20 vom gleichen Leitungstyp wie die Driftzone 12 oder komplementär zu der Driftzone 12 dotiert sein kann, die Driftsteuerzone kann insbesondere auch intrinsisch sein.
  • Sofern die Gateelektrode 16 (wie dargestellt) so realisiert ist, dass der Inversionskanal in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers beabstandet zu dem Akkumulationskanal entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 24 verläuft, kann bei dieser Variante eine Halbleiterzone (nicht dargestellt) des gleichen Leitungstyps wie die Drainzone 11 vorgesehen werden, die sich in lateraler Richtung unterhalb der Bodyzone 13 von dem sich entlang des Gatedielektrikums 17 ausbildenden Inversionskanals bis an den Akkumulationskanal entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 24 erstreckt.
  • Die Umladung der Driftsteuerzone zwischen einer leitenden und einer sperrenden Ansteuerung des Bauelements beeinflusst Schaltverzögerungen des Bauelements maßgeblich. Zur Verringerung dieser Schaltverzögerungen weist die Driftsteuerzone 20 wenigstens eine erste und eine zweite Halbleiterschicht 22, 21 auf, von denen die erste Halbleiterschicht eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit, in dem dargestellten Beispiel eine höhere Löcherbeweglichkeit, als die zweite Halbleiterschicht besitzt. In dem dargestellten Beispiel weist die Driftsteuerzone 20 ausgehend von dem Driftsteuerzonendielektrikum 24, d.h. in einer Richtung quer zu der Stromflussrichtung r1, eine Abfolge von zwei Halbleiterschichten, einer ersten Halbleiterschicht 22 und einer zweiten Halbleiterschicht 21, auf, von denen die erste Halbleiterschicht 22 eine höhere Löcherbeweglichkeit als die zweite Halbleiterschicht 21 aufweist. Hierbei wird davon ausgegangen, dass in einem Graben zwei Driftsteuerzonen 20 angeordnet sind, von denen jede einer Transistorzelle zugeordnet ist und die Hälfte des Grabens einnimmt. Bei sogenannten Streifenzellen, bei denen die in der Figur dargestellten Bauelementstrukturen in einer Richtung senkrecht zu der dargestellten Zeichenebene langgestreckt verlaufen, steuert eine erste Driftsteuerzone einen Akkumulationskanal in der Driftzone links des Grabens, eine zweite Driftsteuerzone steuert einen Akkumulationskanal in der Driftzone rechts des Grabens. Bei sogenannten polygonalen Zellen, kann die Driftzone 12 im Querschnitt einen polygonalen Querschnitt aufweisen und kann vollständig von der Driftsteuerzone 20 umgeben sein, oder umgekehrt. Die Driftsteuerzone 20 schließt sich dann an mehr als zwei Seiten an die Driftzone 12 an (nicht dargestellt).
  • Die erste Halbleiterschicht besteht beispielsweise aus Silizium-Germanium (SiGe), während die zweite Halbleiterschicht beispielsweise aus Silizium (Si) besteht. SiGe besitzt gegenüber Si eine deutlich höhere Ladungsträgerbeweglichkeit, wobei diese Ladungsträgerbeweglichkeit mit zunehmendem Anteil von Germanium (Ge) zunimmt.
  • Die erste Halbleiterschicht 22, die in dem Beispiel unmittelbar benachbart zu dem Driftsteuerzonendielektrikum 24 ausgebildet ist, bewirkt aufgrund der höheren Ladungsträgerbeweglichkeit ein rascheres Umladen der Driftsteuerzone bei Schaltvorgängen und bewirkt dadurch eine Verringerung der Schaltverzögerungen. Außerdem können dadurch die Schaltverluste reduziert werden. Zwischen verspanntem SiGe und Si ist ein Bandkantenversatz zwischen den Valenzbandkanten vorhanden, der um so größer ist, je größer der Ge-Anteil in dem verwendeten SiGe ist. Dieser Bandkantenversatz bewirkt, dass der Übergangsbereich zwischen der SiGe-Schicht 22 und der Si-Schicht 21 für Ladungsträger eine Barriere darstellt, so dass die Ladungsträger während der Umladeprozesse in der SiGe-Schicht 22 "geführt" werden, was zudem zu einer Beschleunigung der Umladeprozesse beitragen kann.
  • Eine Dicke d1 der ersten Halbleiterschicht 22 kann zwischen 5nm und 200nm liegen, kann insbesondere kleiner als 100nm sein und im Bereich von 5...30nm liegen. Zum Vergleich seien übliche weitere Abmessungen eines Bauelements mit einer Spannungsfestigkeit von 600V angegeben. Die Länge der Driftzone 12 liegt hierbei zwischen 30μm und 60 μm, die Breite des Grabens mit der Driftsteuerzone zwischen 2 μm und 6 μm und die Dicke des Driftsteuerzonendielektrikums 24 im Bereich von etwa 100 nm. Eine Dicke der zweiten Halbleiterschicht 21 ist hierbei deutlich größer als die Dicke der ersten Halbleiterschicht 22, jeweils betrachtet in einer Richtung senkrecht zu der Stromflussrichtung r1.
  • Optional kann in der Driftzone 12 entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 24 eine Halbleiterschicht 19 vorgesehen sein, die aus einem Halbleitermaterial mit einer höheren Ladungsträgerbeweglichkeit als übrige Bereiche der Driftzone 12 besteht. Diese Halbleiterschicht 19 besteht beispielsweise ebenfalls aus SiGe, während die übrigen Bereiche beispielsweise aus Si bestehen. SiGe weist sowohl bei Löchern als auch bei Elektronen, auch wenn es verspannt auf Silizium aufgebracht ist, eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit als Si auf. In der Driftzone führt diese höhere Elektronenbeweglichkeit zu einer Verringerung des Einschaltwiderstandes, was auch zu einer Reduktion von Schaltzeiten und Schaltverlusten beitragen kann.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass das Vorsehen einer Driftsteuerzone 20 mit zwei Halbleiterschichten 21, 22, die unterschiedliche Ladungsträgerbeweglichkeiten aufweisen, nicht auf die in 1 dargestellte Bauelementgeometrie beschränkt ist. Dieses Konzept ist vielmehr auf beliebige Halbleiterbauelemente mit einer Driftzone und einer zu der Driftzone benachbarten Driftsteuerzone anwendbar. Das Konzept ist insbesondere auch anwendbar auf laterale Transistoren, bei denen die Sourcezone in einer lateralen Richtung eines Halbleiterkörpers beabstandet zu der Drainzone angeordnet ist und bei der sich die Driftzone und die Driftsteuerzone in einer lateralen Richtung erstrecken.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Driftsteuerzone, die wenigstens zwei Halbleiterschichten mit unterschiedlicher Ladungsträgerbeweglichkeit aufweist, wird nachfolgend anhand der 2A bis 2K erläutert. Diese Figuren zeigen jeweils Querschnitte durch einen Halbleiterkörper 100 während bzw. nach Durchführung verschiedener Verfahrensschritte des Verfahrens.
  • 2A zeigt den Halbleiterkörper 100 zu Beginn des Verfahrens. Dieser Halbleiterkörper weist eine erste Seite 101, die nachfolgend als Vorderseite bezeichnet wird, auf. Der Halbleiterkörper 100 kann aus mehreren Halbleiterschichten, insbesondere einem Halbleitersubstrat 120 und einer auf das Halbleitersubstrat 120 aufgebrachten Epitaxieschicht 110 bestehen. Dieses Halbleitersubstrat 120 kann hoch dotiert sein und kann bei Herstellung eines MOS-Transistors die spätere Drainzone (11 in 1) des Transistors bilden. Die Epitaxieschicht 110 kann eine Grunddotierung besitzen und kann bei Herstellung eines MOS-Transistors zur Realisierung der Sourcezone, der Bodyzone und der Driftzone verwendet werden. Die Grunddotierung aufweisende Abschnitte der Epitaxieschicht 110 können hierbei die spätere Driftzone (12 in 1) bilden.
  • 2B zeigt den Halbleiterkörper 100 nach Durchführung erster Verfahrensschritte, bei denen ein Graben 103 hergestellt wird, der sich ausgehend von der Vorderseite 101 in einer vertikalen Richtung in den Halbleiterkörper 100 hinein erstreckt. Das Herstellen dieses Grabens 103 kann beispielsweise durch ein anisotropes Ätzverfahren unter Verwendung einer auf die Vorderseite 101 aufgebrachten strukturierten Maske 200 erfolgen. Der durch diese Verfahrensschritte hergestellte Graben weist Seitenwände 104, 105 und einen Boden 106 auf und kann bei einem mehrschichtig aufgebauten Halbleiterkörper 100 bis in das hochdotierte Halbleitersubstrat 120 reichen.
  • An den Seitenwänden 104, 105 dieses Grabens 103 wird nachfolgend eine Opferschicht hergestellt, die später vor Erzeugung des Driftsteuerzonendielektrikums (24 in 1) wieder entfernt wird. Diese Opferschicht kann eine Oxidschicht oder eine poröse Halbleiterschicht sein. Die Opferschicht kann Bezug nehmend auf die 2C und 2D auch mehrschichtig aufgebaut sein und kann beispielsweise eine Oxidschicht 41 oder poröse Siliziumschicht sein.
  • 2C zeigt den Halbleiterkörper 100 nach Herstellen der Oxidschicht 41 an den Seitenwänden 104, 105 des Grabens. Diese Oxidschicht 41 kann durch thermische Oxidation des Halbleiterkörpers 100 oder durch Abscheiden einer Oxidschicht und einen anschließenden anisotropen Ätzschritt erfolgen. Durch den anisotropen Ätzschritt wird die thermisch gewachsene oder abgeschiedene Oxidschicht von der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers und vom Boden 106 des Grabens entfernt.
  • 2D zeigt den Halbleiterkörper 100 nach Herstellen einer Halbleiterschicht 42, die beispielsweise konform an den Seitenwänden und am Boden 106 des Grabens abgeschieden wird und die als Hilfsschicht dient. Diese Halbleiterschicht ist optional vorhanden und kann insbesondere auch auf die Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 abgeschieden werden.
  • Bezugnehmend auf 2E werden anschließend Dotierstoffatome über den Boden 106 des Grabens 103 in den Halbleiterkörper 100 derart eingebracht, dass im Bodenbereich 106 zwei komplementär zueinander dotierte Halbleiterzonen 231, 232 entstehen, die in der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 benachbart zueinander angeordnet sind. Eine oder beide dieser Halbleiterschichten 231, 232 können hierbei teilweise oder vollständig in der zuvor abgeschiedenen Halbleiterschicht 42, die an den Seitenwänden des Grabens 103 einen Teil der Opferschicht bildet, angeordnet sein.
  • Die Herstellung der beiden komplementär zueinander dotierten Halbleiterzonen 231, 232, die in dem fertigen Bauelement eine Bipolardiode (23 in 1) zwischen der durch das Halbleitersubstrat 120 gebildeten Bauelementzone und der späteren Driftsteuerzone bilden, erfolgt beispielsweise durch Implantation von Dotierstoffatomen über den Boden des Grabens 103. Eine Herstellung der beiden Halbleiterzonen 231, 232 in unterschiedlichen Tiefen ausgehend vom Boden 106 des Grabens kann hierbei durch Verwendung unterschiedlicher Implantationsenergien erfolgen. Die beiden Halbleiterzonen 231, 232 können so hergestellt werden, dass sie sich unmittelbar aneinander anschließen. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, zwischen der tiefer in dem Halbleiterkörper angeordneten, komplementär zu dem Halbleitersubstrat 120 dotierten Halbleiterzone 231 und der näher am Grabenboden angeordneten Halbleiterzone 232, die vom gleichen Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat 120 ist, eine schwächer dotierte Halbleiterzone eines der beiden Leitungstypen vorzusehen. Die an den Seitenwänden als Opferschicht dienende Halbleiterschicht 42 kann bei diesem Verfahren als dotierte Halbleiterschicht abgeschieden werden, und die Implantation der Dotierstoffe zur Herstellung der komplementär dotierten Halbleiterzonen 231, 232 kann so erfolgen, dass zwischen diesen Halbleiterzonen 231, 232 ein Halbleiterabschnitt verbleibt, der aus der Halbleiterschicht 42 resultiert und der eine Grunddotierung dieser Halbleiterschicht aufweist.
  • Das Einbringen der Dotierstoffatome zur Herstellung der Halbleiterzonen 231, 232 kann unter Verwendung einer Maske erfolgen, die verhindert, dass Dotierstoffatome über die Vorderseite 101 in den Halbleiterkörper 100 eingebracht werden. Dieses Einbringen der Dotierstoffatome kann, wie in 2E dargestellt ist, jedoch auch unmaskiert erfolgen, wodurch auch im Bereich der Vorderseite 101 komplementär zueinander dotierte Halbleiterzonen 231A, 232A entstehen.
  • 2F zeigt den Halbleiterkörper 100 nach Durchführung weiterer Verfahrensschritte, bei denen eine weitere Halbleiterschicht 22 an den Seitenwänden des Grabens 103 auf die Schichten 41, 42 aufgebracht wird. Diese weitere Halbleiterschicht 22 bildet die erste Halbleiterschicht der späteren Driftsteuerzone und besteht aus einem Halbleitermaterial, das im Vergleich zu Silizium eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit, insbesondere eine höhere Löcherbeweglichkeit, aufweist. Ein solches Material ist beispielsweise SiGe, das einkristallin und verspannt auf die Halbleiterschicht 42 aus Silizium aufgebracht wird. Das Herstellen dieser Halbleiterschicht 22 an den Seitenwänden des Grabens erfolgt beispielsweise durch konformes Abscheiden einer Halbleiterschicht und anschließendes anisotropes Zurückätzen, wodurch die zuvor abgeschiedene Halbleiterschicht oberhalb der Vorderseite 101 und oberhalb des Grabenbodens entfernt wird.
  • Optional besteht die Möglichkeit, eine solche Halbleiterschicht 19 mit erhöhter Ladungsträgermöglichkeit in dem Graben 103 noch vor Herstellen der Opferschicht 41 herzustellen, was in 1 gestrichelt dargestellt ist. Diese Halbleiterschicht 19, die beispielsweise aus SiGe besteht, ist in dem fertigen Bauelement in der Driftzone (12 in 1) angeordnet. Das Herstellen dieser optionalen Halbleiterschicht kann ebenfalls durch Abscheiden und anisotropes Rückätzen erfolgen.
  • Der nach Herstellen der ersten Halbleiterschicht 22 verbleibende Graben wird anschließend mit einem Halbleitermaterial 21’, das die spätere zweite Halbleiterschicht 21 der Driftsteuerzone bildet, aufgefüllt. Dies ist im Ergebnis in 2G dargestellt. Das Auffüllen des Grabens kann insbesondere durch einen epitaktischen Abscheideprozess erfolgen, durch den dotiertes oder undotiertes Silizium epitaktisch auf freiliegenden Bereichen des Halbleiterkörpers 100 und der ersten Halbleiterschicht 222 aufwächst.
  • Zur Fertigstellung der Driftsteuerzone 21, 22 wird überschüssiges zweites Halbleitermaterial 21’ anschließend abgetragen, was im Ergebnis in 2H dargestellt ist. Das Abtragen erfolgt beispielsweise durch einen CMP-Prozess (CMP = Chemical Mechanical Polishing). Dieser Planarisierungsprozess kann insbesondere so erfolgen, dass außer dem überschüssigen Halbleitermaterial 21’ auch die Halbleiterschicht 42 oberhalb der Vorderseite 101 abgetragen wird. Sofern die Dotierungsprozesse zur Herstellung der Halbleiterzonen 231, 232 nicht maskiert erfolgt sind, kann durch den Planarisierungs- bzw. Abtragungsprozess auch ein oberflächennaher Bereich des Halbleiterkörpers 100 abgetragen werden, um während des Dotierungsprozesses oberflächennahe dotierte Bereiche des Halbleiterkörpers 100 ebenfalls abzutragen.
  • In dem Bereich zwischen der ersten Halbleiterschicht 22 und dem Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers 100 wird anschließend das Driftsteuerzonendielektrikum 24 hergestellt, was im Ergebnis in 2K dargestellt ist. Das Herstellen dieses Driftsteuerzonendielektrikums 24 umfasst das Entfernen der Opferschicht mittels eines selektiven Ätzprozesses, der die Opferschicht 41, jedoch nicht die übrigen Bereiche der Bauelementstruktur ätzt. Bezüglich der Behandlung der Halbleiterschicht 42 gibt es verschiedene Varianten.
  • Bei einer ersten Variante ist vorgesehen, die Halbleiterschicht 42 ebenfalls durch eine Ätzprozess zu entfernen, was im Ergebnis in 2J dargestellt ist, und den dadurch entstehenden Graben anschließend mit einem dielektrischen Material, das das Driftsteuerzonendielektrikum 24 bildet, aufzufüllen.
  • Bei einer zweiten Variante ist vorgesehen, nach dem Entfernen der Opferschicht 41 einen Temperaturprozess durchzuführen, durch den die Halbleiterschicht 42 thermisch oxidiert wird. Dieser Oxidationsprozess ist insofern selbstlimitierend, da SiGe thermisch nicht oxidiert werden kann, so dass zwar die Halbleiterschicht 42, jedoch nicht die erste Halbleiterschicht 22 der Driftsteuerzone oxidiert wird. Außerdem wird bei diesem Oxidationsprozess an der gegenüberliegenden Seite des nach dem Entfernen der Opferschicht 41 entstandenen Grabens zur späteren Driftzone 12 hin Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers aufoxidiert bis der Graben vollständig mit Halbleiteroxid gefüllt ist. Sofern nach einer vollständigen Oxidation der Halbleiterschicht noch ein "Rest"-Graben vorhanden ist, kann dieser alternativ zu einer thermischen Oxidation durch Abscheidung eines Dielektrikums aufgefüllt werden. Die oxidierte Halbleiterschicht 42 bildet bei diesem Verfahren einen Teil des Driftsteuerzonendielektrikums 24.
  • Bei einer dritten Variante ist vorgesehen, nach einem Entfernen der Opferschicht 41 die Halbleiterschicht 42 in dem nach dem Entfernen der Opferschicht vorhandenen Graben teilweise, jedoch nicht durchgängig bis zu der ersten Halbleiterschicht 22 zu oxidieren. Auf der ersten Halbleiterschicht 22 verbleibt dann ein Schichtstapel aus einem nicht oxidierten Rest der Halbleiterschicht 42 und einem oxidierten Teil der Halbleiterschicht 42. Ein weiteres Auffüllen des Grabens kann durch ein abgeschiedenes Dielektrikum erfolgen. Die Driftsteuerzone weist in diesem Fall eine Dreischichtstruktur auf, die ausgehend von dem Driftsteuerzonendielektrikum eine Schicht aus dem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise Si, die erste Schicht aus dem ersten Halbleitermaterial, beispielsweise SiGe, und die zweite Schicht aus dem zweiten Halbleitermaterial, umfasst. Die erste Schicht ist in diesem Fall quer zu der Stromflussrichtung beabstandet zu dem Driftsteuerzonendielektrikum.
  • Durch solche thermischen Oxidationsprozesse oder Abscheideprozesse werden zwar auch oberflächennahe Bereiche des Halbleiterkörpers 100 und auch der zweiten Halbleiterschicht 21 der Driftsteuerzone oxidiert. Der nachfolgende Ätzprozess, der so gewählt ist, dass er Halbleiteroxid selektiv gegen Halbleitermaterial ätzt, entfernt anschließend jedoch dieses oberflächennahe Oxid.
  • An die zuvor erläuterten Verfahrensschritte können sich herkömmliche Verfahrensschritte zur Herstellung der weiteren, beispielsweise in 1 dargestellten, Bauelementstrukturen anschließen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Driftsteuerzone mit zwei Halbleiterschichten wird nachfolgend anhand der 3A bis 3D erläutert. Dieses Verfahren unterscheidet sich von dem zuvor erläuterten Verfahren dadurch, dass die Halbleiterschicht 42 nur an den Seitenwänden des Grabens 103 hergestellt wird. Das abgeschiedene Halbleitermaterial wird hierzu beispielsweise nach dem Abscheiden anisotrop zurückgeätzt, was im Ergebnis in 3A dargestellt ist.
  • An das Herstellen dieser Halbleiterschicht 42 schließt sich bezugnehmend auf 3B das Herstellen der ersten Halbleiterschicht 22 der späteren Driftsteuerzone an. Das Herstellen dieser ersten Halbleiterschicht 24 kann entsprechend der Erläuterungen zu 2F erfolgen.
  • Auf die so entstandene Anordnung wird optional eine Halbleiterschicht 43, beispielsweise durch konforme Abscheidung, abgeschieden. Diese Schicht kann niedriger dotiert sein als das Halbleitersubstrat und kann zur Realisierung der die Bipolardiode 23 bildenden Halbleiterschichten 231, 232 dienen. Das Vorsehen dieser Halbleiterschicht bietet den Vorteil, dass das Halbleitersubstrat 120, das sehr hoch dotiert sein kann, zur Realisierung der Diode 23 nicht lokal umdotiert werden muss.
  • 3D zeigt den Halbleiterkörper nach Durchführung weiterer Verfahrensschritte, bei denen Dotierstoffatome zur Herstellung der komplementär dotierten Halbleiterzone 231, 232 über den Boden des Grabens 103 in den Halbeiterkörper eingebracht wurden. Zur Herstellung dieser Halbleiterzonen eignen sich insbesondere die anhand von 2E erläuterten Verfahrensschritte. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass bei Herstellung der Halbleiterzonen 231, 232 immer auch eine Diffusion von Dotierstoffatomen in lateraler Richtung stattfindet, wodurch sichergestellt ist, dass die Halbleiterzone 22 durch einen hochdotierten Halbleiterabschnitt vom gleichen Dotiertyp wie das Substrat 120 und einen komplementär zu dem Substrat 120 dotierten Halbleiterabschnitt gegenüber dem Substrat 120, und damit gegenüber der späteren Drainzone durch einen pn-Übergang getrennt ist. An die Herstellung dieser Halbleiterzonen schließt sich das Auffüllen des Grabens mit dem zweiten Halbleitermaterial 21’ an, was in 3D ebenfalls im Ergebnis dargestellt ist.
  • An diese anhand von 3A bis 3D erläuterten Verfahrensschritte schließen sich die bereits zuvor erläuterten weiteren Verfahrensschritte, insbesondere eine Planarisierung, ein Entfernen der Opferschicht und ein Herstellen des Driftsteuerzonendielektrikums an.

Claims (8)

  1. Halbleiterbauelement mit einer Driftzone (12) und einer Driftsteuerzone (20), die in einer ersten Richtung (r2) benachbart zu der Driftzone (11) angeordnet ist und die in dieser ersten Richtung (r2) durch eine Dielektrikumsschicht (24) gegenüber der Driftzone (12) dielektrisch isoliert ist, wobei die Driftsteuerzone (20) wenigstens eine erste und eine zweite Halbleiterschicht (22, 21) aufweist, die in der ersten Richtung (r2) benachbart zueinander angeordnet sind und von denen die erste Halbleiterschicht eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit als die zweite Halbleiterschicht aufweist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem sich die erste Halbleiterschicht (22) unmittelbar an die Dielektrikumsschicht (24) anschließt.
  3. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Dicke der ersten Halbleiterschicht (22) geringer ist als eine Dicke der zweiten Halbleiterschicht (21).
  4. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Halbleiterschicht (22) aus Silizium-Germanium und die zweite Halbleiterschicht (21) aus Silizium besteht.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste und zweite Halbleiterschicht (22, 21) dotiert sind.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste und zweite Halbleiterschicht (22, 21) undotiert sind.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Driftzone (12) zwischen einer ersten und einer zweiten Bauelementzone (11, 13) angeordnet ist und bei dem die Driftsteuerzone (20) an die erste Bauelementzone (11) gekoppelt ist.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7 bei dem die Driftsteuerzone (20) über ein Gleichrichterelement an die erste Bauelementzone (11) gekoppelt ist, das so verschaltet ist, dass ein elektrisches Potential in der Driftsteuerzone (20) betragsmäßig über den Wert eines elektrischen Potentials der ersten Bauelementzone (11) ansteigen kann.
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