DE102007020657B4 - Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

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Abstract

Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (20) aufweisend: – erste Elektroden (21), die erste hochdotierte Halbleiterzonen (22) und die ersten Halbleiterzonen (22) umgebende komplementär leitende Bodyzonen (23) kontaktieren, – eine zweite Elektrode (24), die eine zweite hochdotierte Halbleiterzone (25) kontaktiert, – eine Driftzone (26), die zwischen den Bodyzonen (23) und der zweiten Halbleiterzone (25) in dem Halbleiterkörper (20) angeordnet ist, – Steuerelektroden (27), die durch ein Gateoxid (28) von dem Halbleiterkörpers (20) isoliert sind und auf die Bodyzonen (23) zum Steuern des Halbleiterbauelements (1) einwirken, wobei die Bodyzonen (23) zwischen den ersten Halbleiterzonen (22) und der Driftzone (26) angeordnete komplementär zu den Bodyzonen (23) leitende Minoritätsladungsträger-Injektorzonen (30) aufweisen.

Description

  • Erfindungshintergrund
  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper und ein verfahren zur Herstellung desselben. Dazu weist der Halbleiterkörper erste Elektroden auf, die erste hochdotierte Halbleiterzonen und die ersten Halbleiterzonen umgebende komplementär leitende Bodyzonen im Halbleiterkörper kontaktieren. Außerdem weist der Halbleiterkörper eine zweite Elektrode, die eine zweite hochdotierte Halbleiterzone kontaktiert, auf. Zwischen der zweiten Halbleiterzone und den Bodyzonen ist eine Driftzone angeordnet. Ferner sind an dem Halbleiterkörper Steuerelektroden angeordnet, die durch ein Gateoxid von dem Halbleiterkörper isoliert sind und auf die Bodyzonen zum Steuern des Halbleiterbauelements einwirken.
  • Beim Ansteuern des Halbleiterbauelements kann es am Haupt-pn-Übergang zwischen Bodyzone und Driftzone zu einem dynamischen Avalanche- oder auch zu einem dynamischen Punch-through-Effekt kommen, die sich negativ auf die Halbleiterbauelemente auswirken, wenn beispielsweise der durch den dynamischen Avalanche bzw. durch den dynamischen Punch-through verursachte Strom ausreichend groß ist, um die erste hochdotierte Zone aufzusteuern. Dies kommt einer Fehlfunktion des Halbleiterbauelements gleich und kann eventuell das Halbleiterbauelements beschädigen oder das EMV-Verhalten (elektromagnetisches Verträglichkeits-Verhalten) beeinträchtigen.
  • Ferner kann eine Feldaufsteilung beim Avalanche am sperrenden Haupt-pn-Übergang zwischen den Bodyzonen und der Driftzone auftreten und zu hohen zerstörerischen Avalanchestromdichten führen. Bei Halbleiterbauelementen mit Trenchgateelektroden können zusätzlich am Trenchgateboden Feldaufsteilungen beim Avalanche zu hohen Avalanchestromdichten führen und damit das Halbleiterbauelement schädigen. Strukturen, die diesem dynamischen Avalanche- oder auch einem dynamischen Punch-through-Effekt am sperrenden Haupt-pn-Übergang zwischen Bodyzone und Driftzone entgegenwirken, sind bisher nicht bekannt.
  • Weiterhin kann es beim Abkommutieren von Halbleiterbauelementen bei gefluteter Bodydiode während des Kommutiervorgangs zu Spannungsspitzen kommen, da der Rückstrom beim Abkommutieren stark abreißt. Ein derartiger Abriss ist unerwünscht, weil damit das elektromagnetische Verträglichkeitsverhalten (EMV-Verhalten) des Halbleiterbauelements in der Anwendung deutlich verschlechtert wird. Ein derartiges Problem tritt bei Halbleiterbauelementen erst mit Nennsperrspannungen oberhalb von 70 Volt, insbesondere oberhalb von 150 Volt auf. Hingegen ist nämlich bei sehr niedrigen Sperrspannungen die Hintergrunddotierung so hoch, dass kaum eine Überschwemmung des niedrig dotierten Gebiets zur Aufnahme der Raumladungszone im Sperrfall mit Elektronen und Lochern auftritt.
  • Außerdem tritt dieses Problem des Abrisses des Rückstroms beim Abkommutieren dann auf, wenn während eines Diodenbetriebs des Halbleiterbauelements der Kanal, der sich zwischen der ersten hochdotierten Halbleiterzone und der Driftzone in der Bodyzone ausbildet, nicht die gesamte Zeit angeschaltet bleiben kann, weil beispielsweise beim direkten Übergang von der leitenden Body-Diode eine Sperrbelastung am Halbleiterbauelement auftreten kann.
  • Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird bisher bei derartigen Halbleiterbauelementen zwischen der Driftzone und der zweiten hochdotierten Halbleiterzone eine Sockelzone mit entsprechend großer Dicke und entsprechend geringerer Dotierung gegenüber der Driftzone eingesetzt, so dass ein derartiger Stromabriss vermieden und ein sanftes Schaltverhalten erreicht wird, das im EMV-Verhalten tolerierbar ist. Mit einer derartigen hochohmigen, weil niedrig dotierten Sockelzone zwischen Driftzone und zweiter hochdotierter Halbleiterzone erhöhen sich jedoch die ohmschen Durchlassverluste eines derartig sanft schaltenden Halbleiterbauelements.
  • Aus der DE 199 50 579 A1 ist ein Kompensations-MOS-Bauelement mit einem Halbleiterkörper bekannt, bei dem zur Verhinderung einer Zerstörung des Bauelements bei hohem Kurzschlussstrom eine Löcherinjektion aus einer Injektorzone vorgenommen wird, so dass mit zunehmender Elektronendichte auch die Löcherdichte ansteigt und die Feldwirkung der Elektronen kompensiert wird, wobei die Injektorzone zwischen einer Feldstoppschicht und einer zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers angeordnet ist und die Feldstoppschicht und ein an die zweite Hauptoberfläche angrenzendes Halbleitersubstrat komplementär zu der Injektorzone dotiert sind.
  • Die GB 2 173 037 A beschreibt ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper und einem Bereich des Halbleiterkörpers mit einem ersten Leitungstyp, welcher eine Injektorregion eines zweiten, zu dem ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyp zum Modulieren der Leitfähigkeit durch Anlegen einer Spannung und weitere floatende Injektorbereiche des zweiten Leitungstyps zum Modulieren der Leitfähigkeit aufweist.
  • Aus der DE 11 2004 002 608 T5 ist ein Halbleiterbauelement bekannt, bei dem floatende p-Bereiche in einem n–-dotierten Driftbereich des Halbleiterbauelements zur Erhöhung der Durchbruchspannung eingebracht sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Dazu weist der Halbleiterkörper erste Elektroden auf, die erste hochdotierte Halbleiterzonen und die ersten Halbleiterzonen umgebende komplementär leitende Bodyzonen kontaktieren. Außerdem weist der Halbleiterkörper eine zweite Elektrode, die eine zweite hochdotierte Halbleiterzone kontaktiert, auf. Zwischen der zweiten Halbleiterzone und den Bodyzonen ist eine Driftzone angeordnet. Ferner sind an dem Halbleiterkörper Steuerelektroden angeordnet, die durch ein Gateoxid von dem Halbleiterkorper isoliert sind und auf die Bodyzonen zum Steuern des Halbleiterbauelements einwirken. Die Bodyzonen weisen darüber hinaus zwischen den ersten Halbleiterzonen und der Driftzone angeordnete komplementär zu den Bodyzonen leitende Minoritätsladungstrager-Injektorzonen auf. Alternativ oder ergänzend weist die Driftzone in der Nähe der zweiten hochdotierten Zone komplementär zu der Driftzone dotierte Injektorzonen auf.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
  • Kurze Figurenbeschreibung
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 13 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 14 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 15 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 16 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 17 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 1 mit einem Halbleiterkörper 20 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dabei weist der Halbleiterkörper 20 erste Elektroden 21 auf, die erste hochdotierte Halbleiterzonen 22 und die ersten Halbleiterzonen 22 umgebende komplementär leitende Bodyzonen 23 kontaktieren. Eine zweite Elektrode 24 kontaktiert eine zweite hochdotierte Halbleiterzone 25, die von einem Substrat 52 gebildet wird. Eine Driftzone 26 erstreckt sich zwischen den Bodyzonen 23 und der zweiten Halbleiterzone 25 in dem Halbleiterkörper 20.
  • Dabei ist das Halbleiterbauelement 1 dieser Ausführungsform der Erfindung vertikal aufgebaut und weist als Steuerelektroden 27 so genannte Trenchgateelektroden 46 auf. Diese Trenchgateelektroden 46 sind in einer Grabenstruktur 40 angeordnet und von dem Halbleiterkörper 20 durch ein Gateoxid 28 isoliert. Dabei wirken die Steuerelektroden 27 in Form der Trenchgateelektroden 46 auf die Bodyzonen 23 zum Steuern des Halbleiterbauelements 1 ein.
  • Beim Anlegen einer Steuerspannung an die Steuerelektrode 27 bzw. an den Gateanschluss G bildet sich bei dem in 1 beispielsweise gezeigten MOS-Feldeffekttransitor mit Trenchgateelektroden 46 ein vertikaler Kanal zwischen den ersten hochdotierten Halbleiterzonen 22 und der Driftzone 26 in den komplementärleitenden Bodyzonen 23 aus, so dass ein Strom zwischen einem Sourceanschluss S auf der Oberseite 55 des Halbleiterkörpers 20 zum Drainanschluss D auf der Rückseite 54 des Halbleiterkörpers 20 fließen kann. Dazu weist die Rückseite 54 des Halbleiterkörpers 20 eine Metallisierung 56 für die zweite Elektrode 24 auf. Die Anschlüsse wie Emitter E und Kollektor C und abweichende Leitungstypen wie p+ eines IGBT-Halbleiterbauelements, das auch die nachfolgende Erfindung aufweisen kann, sind in 1 mit Klammern gekennzeichnet.
  • Bei hohen Sperrspannungen über 150 Volt, die beim Abkommutieren eines derartigen Halbleiterbauelements 1 von einer Durchlassphase in eine Sperrphase zu schalten sind, kann es zu einem dynamischen Avalanche kommen. Um die Effekte eines derartigen dynamischen Avalanche abzufedern bzw. zu beherrschen, sind in dieser Ausführungsform der Erfindung floatende n-leitende Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 30 in den p-leitenden Bodyzonen 23 vorgesehen, die von dem Bodyzonenmaterial in dieser Ausführungsform der Erfindung umgeben werden. Durch die Wahl der Geometrie in Dicke und Breite der n-leitenden Injektorzonen 30, durch ihre Dotierung sowie durch die Dotierung der umgebenden p-leitenden Bodyzonen 23 lässt sich die Spannung zwischen n-leitenden Injektorzonen 30 und p-leitenden Bodyzonen 23 einstellen, ab der ein Avalanche an dem oberen flächigen ersten pn-Übergang 32 der Minoritätsladungsträger-Injektorzone 30 einsetzen soll.
  • Damit lässt sich die Löcherstromdichte bestimmen, ab welcher die n-leitenden Injektorzonen 30 Elektronen in den Halbleiterkörper 20 injizieren sollen. Somit kann z. B. einer Feldaufsteilung beim Avalanche am sperrenden Haupt-pn-Übergang 37 zwischen Bodyzone 23 und Driftzone 26 oder auch am Trenchboden 49 der Trenchgateelektrode 46 und somit einer Reduktion der Sperrspannung bei hohen Avalanchestromdichten entgegengewirkt werden. Außerdem kann dadurch der „Snap Back” in der Strom-Spannungskennlinie des Halbleiterbauelements 1 zu höheren Stromdichten verschoben werden, und somit die Robustheit des Halbleiterbauelements 1 deutlich verbessert werden.
  • Die dazu erforderlichen Injektorzonen 30 können unterschiedliche Geometrien aufweisen und beispielsweise inselförmig, streifenförmig oder polygonal geformt sein. Dabei kann die Ausdehnung wv der Injektorzone 30 in vertikaler Richtung in Mikrometern zwischen 0.5 μm ≤ wv ≤ 10 μm mit einer integrierten Dotierstoffdosis CD zwischen 1·1012 cm–2 ≤ CD ≤ 1·1016 cm–2 sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die integrierte Dotierstoffdosis CD zwischen 5·1012 cm–2 ≤ CD ≤ 5·1014 cm–2 liegen. Die laterale Ausdehnung wl der Injektorzonen 30 kann in Mikrometern zwischen 1 μm ≤ wl ≤ 300 μm liegen. In einer weiteren Ausführungsform liegt die Ausdehnung wl der Injektorzonen 30 in lateraler Richtung in Mikrometern zwischen 10 μm ≤ wl ≤ 200 μm.
  • Die n-leitenden Injektorzonen 30 in den Bodyzonen 23 weisen dabei einen ersten oberen pn-Übergang 32 auf ihrer Oberseite 29 auf, der in dieser Ausführungsform der Erfindung in Richtung auf die erste Elektrode 21 ausgerichtet ist, und einen unteren zweiten pn-Übergang 33, der in Richtung auf den Haupt-pn-Übergang 37 des Halbleiterbauelements 1 ausgerichtet ist. Das p-leitende Bodyzonenmaterial zwischen dem unteren pn-Übergang 33 und dem Haupt-pn-Übergang 37 des Halbleiterbauelements 1 weist in dieser Ausführungsform der Erfindung eine so niedrige Dotierung auf, dass die integrale Dotierstoffladung ∫NAdz in vertikaler Richtung z geringer oder vergleichbar d. h. etwa gleich groß oder auch etwas größer ist mit der Durchbruchsladung QBR des Halbleitermaterials, das in diesem Fall Silizium ist, mit einer von der Dotierstoffhöhe abhängenden Durchbruchsladung QBR ≈ 2·1012 cm–2, so dass nachfolgende Beziehung: ∫NAdz ≈ QBR, in diesem Bereich der Boyzone 23 eingehalten wird. Dabei ist z die Ortskoordinate in Richtung der Feldstärke und NA die Dotierstoffkonzentration im Bodyzonenbereich. Hier kann also bei entsprechend hoher Sperrspannung das im Sperrzustand während des Schaltvorgangs auftretende elektrische Feld bereits zur Injektion von Elektronen führen und somit die Modifikation der Sperrspannung, z. B. für ein aktives Clamping-Verhalten des Halbleiterbauelements 1 genutzt werden.
  • Dadurch wird im Bereich des pn-Übergangs 32 ein gezielter Lawinen-Durchbruch (Avalanche-Effekt) bei entsprechend hoher Spannung am pn-Übergang 32 erreicht, der lokal zwischen Bodyzonenmaterial und hochdotiertem n-leitendem Material der komplementär zur Bodyzone dotierten Minoritätsladungsträger-Injektionszone 30 auftritt, und der somit die Möglichkeit bietet das Halbleiterbauelement vor vorzeitigen und nicht lokalisierbaren Durchbrüchen, die insbesondere auf Grund von dynamischem Avalanche am pn-Übergang 37 verursacht weden, zu schützen. Reicht die Minoritätsladungsträger-Injektionszone 30 bis zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers 20, kann ein Punch-Through-Effekt (Durchgreifeffekt) auftreten, mit dem eine ähnliche Wirkung wie mit einem gezielten Lawinendurchbruch verbunden ist. Analog kann auch ein Lawinendurchbruch und/oder ein Punch-Through-Effect am rückseitigen Übergang zum p-leitenden Substrat eines IGBT's durch eine komplementär zur Driftstrecke dotierte p-leitende Injektorzone erzielt werden.
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung weisen die Bodyzonen 23 unterschiedlich dotierte Bereiche auf, wobei erste Bodyzonenbereiche 34 von dem Material der ersten Elektrode 21 kontaktiert werden und höher dotiert sind als diese umgebende zweiten Bodyzonenbereiche 35, welche die Haupt-pn-Übergänge 37 zu der Driftzone 26 ausbilden und auch das Gateoxid 28 der Trenchgateelektroden 46 kontaktieren.
  • Dabei ist der erste Bodyzonenbereich 34 höher dotiert als der zweite Bodyzonenbereich 35, in dem die Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 30 angeordnet sind. Der höher dotierte p-leitende erste Bereich 34 verbessert den Kontaktübergang zwischen den ersten Elektroden 21 und den Bodyzonen 23. Zur Einstellung des Beginns einer Lawinenmultiplikation bzw. des dynamischen Avalanche sind in dieser Ausführungsform der Erfindung die n-leitenden Injektorzonen 30 von dem ersten p+-leitenden Bodyzonenbereich 34 beabstandet angeordnet.
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 3 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform der Erfindung bilden die Injektorzonen 30 mit ihren Oberseiten 29 einen pn-Übergang 38 zwischen dem p+-leitenden ersten Bodyzonenbereich 34, während die Unterseiten 31 nach wie vor einen pn-Übergang 33 mit den schwächer p-dotierten Bodyzonenbereichen 35 bilden. Bei zu hohen Löcherdichten im Bereich des Trenchbodens 49 oder des Haupt-pn-Übergangs 37 können bei Bedarf Elektronen von den n-leitenden Injektorzonen 30 in die Hochfeldzone emittiert werden und somit dem dynamischen Avalanche entgegensteuern.
  • Dazu sind in dieser Ausführungsform der Erfindung die n-dotierten Injektorzonen 30 im Bereich der Kontaktlöcher 51 positioniert, um einen nachteiligen Einfluss, der durch diese n-leitenden Injektorzonen 30 erzeugten Elektronen zu vermeiden. Neben der hier gezeigten Implementierung einer derartigen Struktur in einen vertikalen oder lateralen MOS-Feldeffekttransistor, der auch p-dotierte Kompensationsgebiete in der Driftzone aufweisen kann, kann sich diese Struktur auch bei IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) positiv auf das elektrische Verhalten auswirken.
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung weist die Bodyzone 23 einen dritten Bodyzonenbereich 36 auf, der eine geringere Dotierstoffkonzentration als der zweite Bodyzonenbereich 35 besitzt, und der zwischen den Injektorzonen 30 und den ersten Elektroden 21 angeordnet ist. Dabei liegt die p–-Dotierung dieses dritten Bodyzonenbereichs 36 in der Größenordnung der Durchbruchsladung des Halbleitermaterials oder auch etwas höher, so dass die Elektroneninjektion bei einer entsprechenden Punch-Through-Spannung einsetzt. Insbesondere dynamisch, d. h. bei hohen Löcherdichten in der Bodyzone 23, wird dieser Punch-Through-Effekt und somit die gewünschte Elektroneninjektion erheblich verstärkt.
  • 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 5 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Injektionszonen 30 innerhalb der Bodyzonen 23 derart angeordnet, dass ihre Oberseiten 29 die ersten Elektroden 21 kontaktieren und ihre Unterseiten 31 einen pn-Übergang 33 mit dem zweiten Bodyzonenbereich 35 aufweisen. Bei dieser Anordnung der Injektionszonen 30 darf die Dotierstoffdosis der Injektionszonen 30 nicht zu niedrig gewählt werden, um einen Durchgriff der Raumladungszone bis zur zweiten Elektrode 21 zu vermeiden.
  • Je nach Höhe der umgebenden p-Dotierstoffladung, kann die Sperrfähigkeit in diesem mit der zusätzlichen n-leitenden Injektorzone 30 versehenen Bereich 35 der Bodyzone 23 entweder erhöht oder auch erniedrigt werden, und somit durch entsprechende Maskierung entweder die nicht mit diesen zusätzlichen Injektorzonen 30 versehenen Bereiche oder die restlichen Bereiche als Clamping-Gebiet verwendet werden. Werden hohe Schaltbelastungen eingesetzt, kann es auch notwendig sein, höhere p-Dotierstoffladungen in der Bodyzone 23 vorzusehen.
  • 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 6 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei diesem Halbleiterbauelement 6 sind nicht nur Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 30 im Bereich der Bodyzonen 23, sondern auch Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 50 in der Driftzone 26 bei dem Übergang zwischen n-leitendem Driftzonenmaterial und n+-leitendem oder p+-leitendem Material der zweiten hochdotierten Zone 25 des Halbleiterkörpers 20 vorgesehen.
  • Die Ausdehnung wv derartiger Injektorzone 50 kann in vertikaler Richtung in Mikrometern zwischen 0,1 μm ≤ wv ≤ 10 μm mit einer integrierten Dotierstoffdosis CD zwischen 1·1012 cm–2 ≤ CD ≤ 1·1016 cm–2 liegen. In einer weiteren Ausführungsform beträgt die integrierte Dotierstoffdosis CD zwischen 5·1012 cm–2 ≤ CD ≤ 5·1014 cm–2 Außerdem können, wie nachfolgend noch gezeigt wird, die Injektorzonen 50 auch in einer Feldstoppzone angeordnet sein.
  • Die Anordnung derartiger zusätzlicher Injektorzonen 50 in der Nähe des zweiten hochdotierten Bereichs 25 des Halbleiterbauelements 6 liefert ein günstigeres Kommutierungsverhalten des Halbleiterbauelements 6. Beim Abkommutieren derartiger Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren bei gefluteter Bodydiode mit Haupt-pn-Übergang 37 kommt es während des Kommutierungsvorgangs zu Spannungsspitzen, da der Rückstrom stark abreißt. Dieser Abriss ist unerwünscht, da mit diesem Abriss das EMV-Verhalten des Halbleiterbauelements 6 in den Anwendungen stark verschlechtert wird.
  • Wie bereits oben erwähnt tritt dieses Problem besonders bei Halbleiterbauelementen mit Nennsperrspannungen oberhalb von 70 Volt, insbesondere oberhalb von 150 Volt auf, zumal bei sehr geringen Sperrspannungen die Hintergrunddotierung so hoch ist, dass kaum eine Überschwemmung des „niedrig” dotierten Gebiets zur Aufnahme der Raumladungszone im Sperrfall mit Elektronen und Löchern auftritt. Um diesem Abrisseffekt des Rückstroms entgegenzuwirken, wurde bisher eine Sockelzone mit entsprechend großer Dicke und niedriger Dotierung eingesetzt. Dabei wurde eine Dimensionierung gewählt, welche über die Anforderungen des statischen Sperrverhaltens hinausgeht. Dieses geschah analog zu schnell schaltenden Dioden, bei welchen die Basis entsprechend weit sein muss, um ein sanftes Schaltverhalten zu erreichen.
  • Jedoch ist diese Maßnahme nachteilig mit ohmschen Durchlassverlusten durch diese überdimensionierte Sockelschicht verbunden. Mit 6 und den zusätzlichen Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 50 kann auf eine dicke niedrig dotierte Sockelzone verzichtet werden und dennoch ein sanftes Abschalten erreicht werden, weil zur Vermeidung erhöhter statischer Leckströme das elektrische Feld im Sperrfall vor den nun p-leitenden Injektorzonen 50 stoppt. Während der Kommutierung verursachen die zum Draingebiet, nämlich die zur zweiten hochdotierten Halbleiterzone 25 abfließenden Elektronen, einen entsprechenden Spannungsabfall, welcher als Sperrspannung am pn-Übergang 48 anliegt.
  • Dieser pn-Übergang 48 der p-leitenden Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 50 wird in den Avalanche getrieben und injiziert seinerseits Löcher in das umgebende Driftzonengebiet. Der Berg der Überschwemmungsladung, welcher durch den Rückstrom abgebaut wird, kann sich dadurch nicht vom rückseitigen n–n+-Übergang ablösen, was für ein sanftes Schaltverhalten der Bodydiode eine notwendige Voraussetzung ist.
  • Die p-leitenden Injektorzonen 50 der Driftzone 26 nahe dem nn+-Übergang führen beim Kurzschlussbetrieb des Transistors bzw. beim Avalanche mit hohen Stromdichten zu einer Stabilisierung des Gradienten des elektrischen Felds, da es ebenfalls zur gesteuerten Injektion von Löchern kommt, wenn das elektrische Feld durch eine hohe Elektronendichte soweit verflacht wird, dass es weiter als im statischen Sperrfall ohne Strom bis zu den p-leitenden Injektorzonen 50 greift. Insbesondere kann der so genannte „Egawa-Effekt”, der das Umklappen der vertikalen Verteilung des elektrischen Felds bei hohen Elektronenstromdichten beinhaltet, durch die beschriebene Maßnahme mit Hilfe der p-leitenden Injektorzonen 50 stark reduziert werden.
  • Die p-leitende Injektorzonen 50 können auch in eine den hochdotierten Injektorzonen 50 bzw. 25 vorgelagerte Feldstoppzone eingelagert sein, wobei diese Feldstoppzone höher als die Driftzone und niedriger als die Zone 50 bzw. 25 dotiert ist und eine Dotierungsdosis im Bereich der Durchbruchsladung beispielsweise für Silizium ca. 2·1012 cm–2 oder auch größer als die Durchbruchsladung aufweist, um den Druchgriff der Raumladungszone zur hochdotierten Zone 50 bzw. 25 zu vermeiden. Diese Feldstoppzone kann sich auch bis zur hoch dotierten Zone 52 hin erstrecken. Die beschriebenen Maßnahmen können auch bei MOSFETs eingesetzt werden, die Kompensationsstrukturen aufweisen, oder auch in IGBTs, wobei im Fall von IGBTs die hochdotierte Zone 25 als Substrat ausgeführt sein kann, aber auch z. B. durch Implantation in Kombination mit nachfolgenden Hochtemperaturschritten erzeugt werden kann. Die Maßnahme, p-leitende Injektorzonen 50 nahe dem pn-Übergang zu implementieren, kann auch eingesetzt werden, ohne die n-dotierten Injektorzonen 30 im Body-Gebiet vorzusehen und zwar sowohl bei MOSFETs, die z. B. Trenchelektroden oder andere Kompensationsstrukturen wie z. B. komplementär zur Driftzone dotierte Säulen aufweisen können, als auch IGBTs.
  • Wie 6 zeigt, wird hier vorteilhaft der Fall von Trench-MOS-Bauelementen benutzt, bei denen die p-leitenden Injektorzonen 50 so angeordnet sind, dass der im Bereich des Trenchbodens 49 fließende Avalanchestrom in Richtung dieser p-leitenden Injektorzonen 50 fließt, d. h. die p-leitenden Injektorzonen 50 sind in vorteilhafter Weise im Bereich des Trenchbodens 49 positioniert. Bei geeigneter Dimensionierung des Anteils der Flächen von Oberseite 29 und Unterseite 31 sowie der Größe der einzelnen p-leitenden Injektorzonen 50 und ihrer Abstände a kann die Überschwemmung des Halbleiterbauelements 6 mit Ladungsträgern auch örtlich unterschiedlich moduliert werden, indem je größer der Anteil an p-leitender Fläche ist, desto geringer ist die Ladungsträgerdichte der Überschwemmungsladung in der vorgelagerten n-leitenden Driftzone 26. Dadurch können die Durchlassspannung und die Schaltverluste gezielt reduziert werden.
  • Speziell im Bereich des hier nicht gezeigten Randabschlusses kann, je nach Effektivität dieses Randabschlusses, die laterale Ausdehnung von p-leitenden Injektorzonen 50 und deren Abstand entsprechend angepasst werden, so dass sowohl dynamisch als auch statisch ein möglichst homogener Durchbruch im Avalanchefall erzielt wird. Ebenso kann die Überschwemmungsladung im Bereich des Randabschlusses gezielt reduziert werden, um somit die Schaltrobustheit der Inversdiode des Halbleiterbauelements 6 gezielt zu ermöglichen.
  • Im Gegensatz zu IGBT und Dioden, kann es sinnvoll sein, im Zellbereich von MOS-Feldeffekttransistoren den Flächenanteil der p-leitenden Injektorzonen 50 nicht zu groß zu wählen, um eine unerwünschte Erhöhung des Einschaltwiderstands RON zu vermeiden. Die Höhe der Dotierung der Injektorzone 50 und die Höhe der Dotierung der umgebenden Driftzone 26 können entsprechend angepasst werden, um die gewünschte Durchbruchspannung zu erreichen.
  • 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 7 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind p-leitende Injektorzonen 50 in dem Driftzonenmaterial nahe dem nn+-Übergang versetzt zu den Grabenstrukturen 40 der Trenchgateelektroden 46 angeordnet. Die Wirkung dieser p-leitenden Injektorzonen 50 ist darauf gerichtet, Avalanchezustände vom Haupt-pn-Übergang 37 zwischen Bodyzone 23 und Driftzone 26 abzuziehen und in der Nähe des nn+-Übergangs zu homogenisieren.
  • 8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 8 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung bilden die zusätzlichen p-leitenden Injektorzonen 50 mit ihren Unterseiten 31 einen pn-Übergang mit dem n+-leitenden Material der zweiten hochdotierten Halbleiterzone 25 und sind wie in 6 unterhalb der Grabenstruktur 40 der Trenchgateelektroden 46 angeordnet.
  • 9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 9 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei wiederum die Unterseiten 31 der p-leitenden Injektorzonen 50 pn-Übergänge mit dem n+-leitenden Material der zweiten hochdotierten Halbleiterzone 25 bilden. Jedoch sind in diesem Fall die p+-leitenden Injektorzonen 50 in einem zu den Trenchgateelektroden 46 unterschiedlichen Rastermaß angeordnet und erscheinen somit versetzt zu den Trenchgateelektroden 46.
  • 10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 10 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird ein weiches Schaltverhalten des Halbleiterbauelements dadurch erreicht, dass zusätzlich zwischen der Driftzone 26 und der zweiten hochdotierten Halbleiterzone 25 eine Sockelzone 47 vorgesehen wird, die eine niedrigere Dotierung als die Driftzone 26 aufweist, um einen Stromabriss beim Abkommutieren des Halbleiterbauelements 10 zu vermeiden.
  • Gegenüber der herkömmlichen Dimensionierung einer derartigen Sockelzone 47 jedoch, bei der davon ausgegangen wurde, dass analog zu schnell schaltenden Dioden eine Basis entsprechend verbreitert sein musste, ist nun auch eine Verbesserung des Schaltverhaltens von Feldeffektbauelementen mit einer verringerten vertikalen Ausdehnung der schwach dotierter Sockelzone 47 möglich, was den Durchlasswiderstand verringert. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist somit die Sockelzone 47 einerseits in ihrer Dicke deutlich verringert, andererseits werden in der Sockelzone 47 zusätzlich p-leitende floatende Injektorzonen 50 vorgesehen, die eine äußerst geringe vertikale Ausdehnung aufweisen. Dennoch kann die eventuell resultierende geringe Erhöhung des Einschaltwiderstands durch die Dickenreduktion der Sockelzone 47 und auch der Driftzone kompensiert werden.
  • Außerdem ist eine Kompensation der die p-leitenden Injektorzonen 50 umgebenden Sockeldotierung durch diese Injektorzonen 50 möglich, weshalb die Sockeldotierung höher als bei konventionellen MOS-Feldeffekttransistoren ausgeführt werden kann. Somit weist das Halbleiterbauelement zwischen der Driftzone 26 und der zweiten Halbleiterzone 25 eine schwächer als die Driftzone 26 dotierte Sockelzone 47 des gleichen Leitungstyps wie die Driftzone 26 auf und hat komplementär leitende Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 50.
  • Dabei sind in dieser Ausführungsform der Erfindung die Injektionszonen 50 innerhalb der schwach dotierten Sockelzone 47 mit flächigem pn-Übergang 44 in Richtung auf die erste Elektrode 21 und flächigem zweiten pn-Übergang 48 in Richtung auf die zweite Elektrode ausgestattet und sind derart innerhalb des schwachdotierten Sockelbereichs 47 angeordnet, dass sie vom Material des Sockelbereichs 47 umgeben sind. Im Gegensatz zu der nachfolgenden Figur sind hier die p-leitenden Injektionszonen 50 nach den Trenchgateelektroden 46 ausgerichtet.
  • 11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 11 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei in dem schwachdotierten Sockelbereich 47 die p-leitenden Injektorzonen 50, die vollständig von dem Material der gering dotierten Bodyzone 47 umgeben sind, versetzt zu den Trenchgateelektroden 46 angeordnet sind.
  • 12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 12 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei in diesem Fall in einer schwächer dotierten Sockelzone 47 p-leitende Injektorzonen 50 angeordnet sind, die mit ihren Unterseiten 31 einen pn-Übergang 45 mit der hochdotierten n+-leitenden zweiten Halbleiterzone 25 bilden.
  • 13 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 13 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei nun die p-leitenden Injektionszonen 50 versetzt zu den Trenchgateelektroden 46 in der n-dotierten Sockelzone 47 mit pn-Übergang 45 zu der hochdotierten zweiten Halbleiterzone 25 angeordnet sind.
  • 14 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 14 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei die p-leitenden Injektorzonen 50 unterhalb der Trenchgateelektroden 46 in die hochdotierte n+-leitende zweite Halbleiterzone 25 hineinragen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass vor dem Aufbringen einer Epitaxieschicht zur Darstellung der schwach n-dotierten Sockelzone 47 und der etwas höher dotierten Driftzone 26 die p-leitenden Injektionszonen 50 bereits in das Halbleitersubstrat 52 eingebracht werden können.
  • 15 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 15 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die p-leitenden Injektorzonen 50 ebenfalls in dem nn+-Übergangsbereich zur zweiten hochdotierten Halbleiterzone 25 angeordnet sind, jedoch diesmal versetzt zu den Trenchgateelektroden 46 eingebracht sind.
  • 16 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 16 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform der Erfindung werden die Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 30 und 50 für eine Halbleiterbauelementstruktur eingesetzt, bei der die Grabenstruktur 40 neben der Trenchgateelektrode 46 auch eine weitere vergrabene Elektrode 43 aufweist. Diese vergrabene Elektrode 43 kann auf Gate- oder auf Sourcepotential gelegt sein und stellt vorzugsweise eine Feldplatte dar, welche die Feldverteilung in der Driftzone 26 beeinflusst. Die positiven Wirkungen der in dieser Struktur unterhalb der zusätzlichen vergrabenen Elektrode 43 angeordneten p-leitenden Injektorzonen 50 können sich auch hier entfalten.
  • 17 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 17 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Unterschied zu dem Halbleiterbauelement 16 gemäß 16 besteht darin, dass nun die p-leitenden Injektorzonen 50 in einer niedrig dotierten Sockelzone 47 versetzt zu den vergrabenen Elektroden 43 angeordnet sind.
  • Die oben aufgeführten vielfachen Varianten der Anordnung von Injektorzonen 30 oder 50 können vorteilhaft in Kompensationshalbleiterbauelementen mit sich in vertikaler Richtung erstreckenden und komplementär zur Driftzone dotierten Ladungskompensationszonen verwendet werden. Dazu können die Ladungskompensationszonen in den Driftzonen säulenförmig oder grabenförmig ausgebildet sein. Vor allem bei Leistungs-MOSFETs mit vertikalen Feldplatten zur Ladungsträgerkompensation in einer Driftstrecke können Injektorzonen 30 im Bodyzonenmaterial oder Injektorzonen 50 im Driftzonenmaterial vorgesehen werden. Auch ist es möglich, Injektorzonen 30 und 50 sowohl im Bodyzonenmaterial als auch im Driftzonenmaterial bereitzustellen. Bei einem IGBT (insulated Gate bipolar Transistor) können Injektorzonen 30 im Bodyzonenmaterial oder Injektorzonen 50 im Driftzonenmaterial vorhanden sein. Auch ist es von Vorteil, wenn in einem IGBT (insulated Gate bipolar Transistor) sowohl im Bodyzonenmaterial als auch im Driftzonenmaterial Injektorzonen 30 und 50 angeordnet werden.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines der oben erwähnten Halbleiterbauelemente 1 bis 17 mit Halbleiterkörpern 20 weist z. B. die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein hochdotierter Halbleiterwafer als Substrat 52 wie es 1 zeigt bereitgestellt, auf der bei Bedarf eine zweite hochdotierte Halbleiterzone 25 des Halbleiterkörpers 2 vorgesehen werden kann. Auf die Oberseite 53 des Substrats 52 wird dann eine Epitaxieschicht für Driftzonen 26, die eine geringere Störstellenkonzentration als das Substrat 52 aufweisen, aufgebracht. Speziell im Falle von IGBTs kann auch der Halbleiterwafer die Driftzone 26 ohne Epitaxieschritte bilden, wobei die komplementär zur Driftzone 26 dotierte Kollektorzone 25 auch z. B. mittels Ionenimplantation hergestellt werden kann.
  • In diesen auf diese Weise gebildete Halbleiterkörper 20 werden von der Oberseite 55 aus Bodyzonen 23, die komplementär zur Epitaxieschicht dotiert sind, eingebracht. In die Bodyzonen 23 werden komplementär zu den Bodyzonen 23 leitende Injektorzonen 30 eingebaut und zwar z. B. unter Verwendung von Ionenimplantationsschritten mit ausreichender Implantationsenergie in Kombination mit nachfolgenden Hochtemperaturschritten. Danach werden dann hochdotierte erste Halbleiterzonen 22, die komplementär zu den Bodyzonen dotiert sind, in die Bodyzone 23 eingebracht. Schließlich erfolgt noch das Einbringen von Kontaktfenstern 51 in die ersten Halbleiterzonen 22 mit Zugriff auf die Bodyzonen 23.
  • Diese Verfahrensschritte können auf dem Halbleiterwafer für eine Vielzahl von Halbleiterchips für den Bau von Halbleiterbauelementen gleichzeitig durchgeführt werden. In diesen Verfahrensschritten wird folglich das Einbringen von Injektorzonen 30 in die Bodyzonen 23 ermöglicht. Für das Einbringen von Trenchgateelektroden 46 sind weitere Verfahrensschritte erforderlich. Dazu werden Grabenstrukturen 40 durch die ersten hochdotierten Halbleiterzonen 22 und die komplementär dotierten Bodyzonen 23 hindurch für jeweils eine Trenchgateelektrode 46 eingebracht. Anschließend werden die Grabenwände 41 und der Grabenboden 49 mit einer Gateoxidschicht 28 beschichtet. Schließlich werden die Grabenstrukturen 40 mit Gateelektrodenmaterial 42 aufgefüllt. Dieses Gateelektrodenmaterial kann hochdotiertes polykristallines Silizium sein, das elektrisch leitende Eigenschaften aufweist.
  • Nachdem der Halbleiterwafer in dieser Weise vorbereitet ist, weisen die einzelnen Halbleiterchips nun in den Bodyzonen Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 30 auf, wobei der Halbleiterkörper 20 zur Vollendung der Halbleiterbauelemente 1 nach dem Auffüllen der Grabenstrukturen 40 an der Oberseite 55 und Prozessschritte zur Vervollständigung der Halbleiterbauelemente 1 auf der Rückseite 54 erfährt. Erst wenn alle Metallisierungslagen und Isolationslagen auf dem Halbleiterwafer strukturiert sind, kann dann der Halbleiterwafer in einzelne Halbleiterchips aufgetrennt werden.
  • Damit ist jedoch die Herstellung des Halbleiterbauelements 1 noch nicht abgeschlossen, es werden vielmehr diese Halbleiterchips auf Bauelementträger mit mehreren Außenkontakten in mehreren Halbleiterbauteilpositionen aufgebracht. Danach werden Bauelementelektroden der Halbleiterchips wie der Gateanschluss G und der Sourceanschluss S mit mehreren Außenkontakten in mehreren Halbleiterbauteilpositionen verbunden. Danach wird noch ein Halbleiterbauelementgehäuse aufgebracht, wobei die einzelnen Halbleiterchips und die Verbindungselemente beispielsweise in einem Kunststoffmaterial eingebettet werden. Schließlich wird der Halbleiterbauelementträger in einzelne Halbleiterbauelemente 1 aufgetrennt.
  • Das Einbringen von Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 50, wie es die 14 und 15 zeigen, kann jedoch auch bereits für das Driftzonenmaterial vorgesehen werden. In diesen Fällen werden z. B. vor dem Aufbringen einer Epitaxieschicht für Driftzonen 26 komplementär zum Substrat 52 dotierte Injektorzonen 50 in die Oberseite 53 des Substrats 52 eingebracht. Erst dann wird die Epitaxieschicht für die Driftzone 26 aufgewachsen. Dadurch werden Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 50 realisiert, die beispielsweise p-leitend sind und teilweise mit dem hochdotierten Substrat 52, und damit mit dem zweiten Halbleiterbereich 25, einen pn-Übergang bilden und einen weiteren pn-Übergang zu den Driftzonen 26 aufweisen. Ist für das Bauelement eine Feldstoppzone vorgesehen kann der hierzu erforderliche Dotierstoff z. B. in die Oberseite 53 des Substrats 52 implantiert werden, insbesondere wenn ein Dotierstoff gewählt wird, dessen Diffusionskoeffizient deutlich höher ist als der Diffusionskoeffizient des Dotierstoffs, der die Substratdotierung bestimmt, und bei den nachfolgenden Hochtemperaturschritten in den angrenzenden Bereich der Driftzone eindiffundiert wird.
  • Sollen derartige Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 50 in der Nähe des Übergangs zwischen den Driftzonen 26 und dem hochdotierten Substrat 52 angeordnet werden wie es die 6 bis 9 und 16 sowie 17 zeigen, so kann z. B. das Epitaxiewachstum unterbrochen werden, um derartige Injektorzonen 50 in der Nähe des nn+-Übergangs zum hochdotierten Substrat 52 anzuordnen. Dieses kann im Zusammenhang mit dem Aufbau einer epitaktisch aufgebrachten Sockelzone 47 wie es die 10 bis 15 zeigen, erfolgen. Derartige Sockelzonen 47 sind niedriger dotiert als die Driftzone 26, so dass nach Aufbringen der niedrig dotierten Sockelzone eine Injektorzone 50 in das Sockelzonenmaterial eingebracht werden kann. Dabei wird die Sockelzone 47 mit einer deutlich geringeren Dicke versehen als bisher übliche Sockelzonen zwischen Driftzone 23 und hochdotierter zweiter Halbleiterzone 25. Für Injektorzonen 50, die direkt an das Substrat angrenzen, ist es jedoch auch denkbar, die hierzu erforderlichen Dotierstoffe in die Oberseite 53 des Substrats 52 z. B. mittels Ionenimplantation einzubringen und zwar unter der Voraussetzung, dass die Diffusionskonstante des Dotierstoffs, der die Zonen 50 bildet, höher ist als die Diffusionskonstante des Dotierstoffs der die Substratdotierung bestimmt.
  • Um derartige Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 30 oder 50, die komplementär leitend zum umgebenden Material sind, einzubringen, wird zunächst selektiv eine Ionenimplantation durchgeführt an den Stellen, an denen Injektorzonen 30 oder 50 geplant sind. Anschließend kann eine Diffusion der implantierten Störstellen durchgeführt werden, um das eingebrachte Störstellenmaterial für den Bereich der Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 30 oder 50 zu verteilen. Ein solches Ionenimplantationsverfahren mit anschließender Diffusion der implantierten Störstellen kann sowohl für die Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 30 in den Bodyzonen 23 als auch für Minoritätsladungsträger-Injektorzonen 50 in den Driftzonen 26 oder in der Sockelzone 47 vorgesehen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1 bis 17
    Halbleiterbauelement (Ausführungsformen)
    20
    Halbleiterkörper
    21
    erste Elektroden
    22
    erste hochdotierte Halbleiterzonen
    23
    Bodyzonen
    24
    zweite Elektrode
    25
    zweite hochdotierte Halbleiterzone
    26
    Driftzone
    27
    Steuerelektrode
    28
    Gateoxid bzw. Gateoxidschicht
    29
    Oberseite der Injektorzone
    30
    Minoritätsladungsträger-Injektorzone
    31
    Unterseite der Injektorzone
    32
    oberer erster pn-Übergang
    33
    unterer zweiter pn-Übergang
    34
    erster Bodyzonenbereich
    35
    zweiter Bodyzonenbereich
    36
    dritter Bodyzonenbereich
    37
    Haupt-pn-Übergang zwischen Bodyzone und Driftzone
    38
    pn-Übergang zwischen erstem Bodyzonenbereich und Injektorzone
    39
    pn-Übergang zwischen drittem Bodyzonenbereich und Injektorzone
    40
    Grabenstruktur
    41
    Grabenwände
    42
    Gateelektrodenmaterial
    43
    weitere Elektrode (z. B. Feldplatte)
    44
    pn-Übergang zwischen Driftzone und Injektorzone
    45
    pn-Übergang zwischen zweiter Halbleiterzone und Injektorzone
    46
    Trenchgateelektrode
    47
    Sockelzone bzw. Sockelbereich
    48
    pn-Übergang zwischen Driftzone und Unterseite der Injektorzone
    49
    Grabenboden bzw. Trenchboden
    50
    Injektorzone in Driftzone
    51
    Kontaktfenster
    52
    Substrat
    53
    Oberseite des Substrats bzw. des Halbleiterwafers
    54
    Rückseite des Substrats bzw. des Halbleiterwafers
    55
    Oberseite des Halbleiterkörpers bzw. des Halbleiterwafers
    56
    Metallisierung
    a
    Abstand zwischen zwei Injektorzonen
    C
    Kollektoranschluss
    D
    Drainanschluss
    E
    Emitteranschluss
    G
    Gateanschluss
    S
    Sourceanschluss

Claims (63)

  1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (20) aufweisend: – erste Elektroden (21), die erste hochdotierte Halbleiterzonen (22) und die ersten Halbleiterzonen (22) umgebende komplementär leitende Bodyzonen (23) kontaktieren, – eine zweite Elektrode (24), die eine zweite hochdotierte Halbleiterzone (25) kontaktiert, – eine Driftzone (26), die zwischen den Bodyzonen (23) und der zweiten Halbleiterzone (25) in dem Halbleiterkörper (20) angeordnet ist, – Steuerelektroden (27), die durch ein Gateoxid (28) von dem Halbleiterkörpers (20) isoliert sind und auf die Bodyzonen (23) zum Steuern des Halbleiterbauelements (1) einwirken, wobei die Bodyzonen (23) zwischen den ersten Halbleiterzonen (22) und der Driftzone (26) angeordnete komplementär zu den Bodyzonen (23) leitende Minoritätsladungsträger-Injektorzonen (30) aufweisen.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Injektionszonen (30) in den Bodyzonen (23) Oberseiten (29) aufweisen, die zur ersten Elektrode (21) ausgerichtet sind und Unterseiten (31) aufweisen die zur Driftzone (25) ausgerichtet sind.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Injektionszonen (30) innerhalb der Bodyzonen (23) derart angeordnet sind, dass sie vom Material der Bodyzonen (23) umgeben sind.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Injektionszonen (30) innerhalb der Bodyzonen (23) derart ausgerichtet sind, dass sie einen oberen flächigen ersten pn-Übergang (32) in Richtung auf die erste Elektrode (21) und einen unteren flächigen zweiten pn-Übergang (33) in Richtung auf die Driftzone (26) und die zweite Elektrode (24) aufweisen.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Injektorzonen (30) inselförmig ausgebildet sind.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Injektorzonen (30) streifenförmig ausgebildet sind.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Injektorzonen (30) als Polygone geformt sind.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bodyzonen (23) unterschiedlich dotierte Bereiche aufweisen, wobei erste Bodyzonenbereiche (34), die von dem Material der ersten Elektroden (21) kontaktiert werden, höher dotiert sind, als diese umgebende zweite Bodyzonenbereiche (35), welche pn-Übergänge (37) zu der Driftzone (26) ausbilden und das Gateoxid (28) kontaktieren.
  9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, wobei die Injektionszonen (30) innerhalb der Bodyzonen (23) derart angeordnet sind, dass sie vom Material des zweiten Bodyzonenbereichs (35) umgeben sind.
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, wobei die Injektionszonen mit ihren Oberseiten (29) pn-Übergänge (38) zu dem Material der ersten Bodyzonenbereiche (34) und mit den Unterseiten (31) pn-Übergänge (33) zu dem Material der zweiten Bodyzonenbereiche (35) aufweisen.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, wobei die Injektionszonen (30) mit ihren Oberseiten (29) pn-Übergänge (39) zu einem dritten Bodyzonenbereich (36) aufweisen, der eine geringere Dotierstoffkonzentration als der zweite Bodyzonenbereich (35) aufweist und der zwischen den Injektionszonen (30) und den ersten Elektroden (21) angeordnet ist.
  12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, wobei die Injektionszonen (30) innerhalb der Bodyzonen (23) derart angeordnet sind, dass ihre Oberseiten (29) die ersten Elektroden (21) kontaktieren und ihre Unterseiten (31) einen pn-Übergang (33) mit dem zweiten Bodyzonenbereich (35) aufweisen.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für den Bodyzonenbereich (35) unterhalb der Unterseite (31) der Injektionszonen (30) nachfolgende Beziehung: ∫NAdz ≈ QBR mit QBR Durchbruchsladung des Halbleitermaterials, z Ortskoordinate in Richtung der Feldstärke und NA Dotierstoffkonzentration im zweiten Bodyzonenbereich (35) erfüllt ist.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausdehnung wv der Injektorzone (30) in vertikaler Richtung in Mikrometer zwischen 0,5 μm ≤ wv ≤ 10 μm mit einer integrierten Dotierstoffdosis CD zwischen 1·1012 cm–2 ≤ CD ≤ 1·1016 cm–2 aufweist.
  15. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die integrierte Dotierstoffdosis CD zwischen 5·1012 cm–2 ≤ CD ≤ 5·1014 cm–2 aufweist.
  16. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausdehnung wl der Injektorzonen (30) in lateraler Richtung in Mikrometern zwischen 1 μm ≤ wl ≤ 300 μm aufweist.
  17. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Ausdehnung wl der Injektorzonen (30) in lateraler Richtung in Mikrometern zwischen 10 μm ≤ wl ≤ 200 μm aufweist.
  18. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerelektroden (27) als Trenchgateelektroden in Grabenstrukturen (40) angeordnet sind.
  19. Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, wobei die Grabenwände (41) der Grabenstrukturen (40) mindestens im Bereich der Bodyzone (23) eine Gateoxid (28) und ein Gateelektrodenmaterial (42) aufweisen.
  20. Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, wobei die Grabenstrukturen (40) unterhalb des Gateelektrodenmaterials (42) weitere Elektroden (43) aufweisen.
  21. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Übergang oder in der Nahe des Übergangs der Driftzone (26) zu der zweiten Halbleiterzone (25) komplementär zur Driftzone (26) dotierte Minoritätsladungsträger Injektorzonen (50) angeordnet sind.
  22. Halbleiterbauelement nach Anspruch 21, wobei die Minoritätsladungsträger Injektorzonen (50) innerhalb der Driftzone (26) derart angeordnet, dass sie sowohl mit der Driftzone (26) als auch mit der zweiten Halbleiterzone (25) einen pn-Übergang (44, 45) bilden.
  23. Halbleiterbauelement nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, wobei die Ausdehnung wv der Injektorzone (50) in vertikaler Richtung in Mikrometern zwischen 0,1 μm ≤ wv ≤ 10 μm mit einer integrierten Dotierstoffdosis CD zwischen 1·1012 cm–2 ≤ CD ≤ 1·1016 cm–2 aufweist.
  24. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die integrierte Dotierstoffdosis CD zwischen 5·1012 cm–2 ≤ CD ≤ 5·1014 cm–2 aufweist.
  25. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei die Injektorzonen (50) in einer Feldstoppzone angeordnet sind.
  26. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei Minoritätsladungsträger Injektorzonen (50) in der Driftzone (26) unterhalb der Trenchgateelektroden (46) angeordnet sind.
  27. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei die Minoritätsladungsträger-Injektorzonen (50) in der Driftzone (26) versetzt zu den Trenchgateelektroden (46) angeordnet sind.
  28. Halbleiterbauelement mit einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Driftzone (26) und der zweiten Halbleiterzone (24) ein schwächer als die Driftzone (26) dotierter Sockelbereich (47) des gleichen Leitungstyps wie die Driftzone (26) angeordnet ist, der komplementär leitende Minoritätsladungsträger Injektorzonen (50) aufweist.
  29. Halbleiterbauelement nach Anspruch 28, wobei die Minoritätsladungsträger Injektorzonen (50) derart ausgerichtet sind, dass sie innerhalb des schwachdotierten Sockelbereichs (47) flächige erste pn-Übergänge (44) in Richtung auf die erste Elektrode (21) und flächige zweite pn-Übergänge (48) in Richtung auf die zweite Elektrode (24) aufweisen.
  30. Halbleiterbauelement nach Anspruch 28 oder Anspruch 29, wobei die Minoritätsladungsträger Injektorzonen (50) innerhalb des schwachdotierten Sockelbereichs (47) derart angeordnet sind, dass sie vom Material des Sockelbereichs (47) umgeben sind.
  31. Halbleiterbauelement nach Anspruch 28 oder Anspruch 29, wobei die Minoritätsladungsträger Injektorzonen (50) innerhalb des Sockelbereichs (47) derart angeordnet sind, dass sie sowohl mit dem Sockelbereich (47) als auch mit der zweiten Halbleiterzone (25) einen pn-Übergang (44, 45) bilden.
  32. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 28 bis 31, wobei die Minoritätsladungsträger Injektorzonen (50) im Sockelbereich (47) unterhalb der Trenchgateelektroden (46) angeordnet sind.
  33. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 28 bis 31, wobei die Minoritätsladungsträger Injektorzonen (50) im Sockelbereich (47) versetzt zu den Trenchgateelektroden (46) angeordnet sind.
  34. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement (1–19) als Steuerelektroden (27) Trenchgateelektroden (46) aufweist, die in die Driftzone (22) hineinragen, wobei in den Grabenstrukturen (40) unterhalb der Trenchgateelektroden (46) weitere Elektroden (43) angeordnet sind, und wobei in dem Driftzonenmaterial zwischen der Grabenstruktur (40) und den zweiten Halbleiterzonen (25) komplementär zur Driftzone (26) leitende Minoritätsladungsträger Injektorzonen (50) angeordnet sind.
  35. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement ein Kompensationshalbleiterbauelement mit sich in vertikaler Richtung erstreckenden und komplementär zur Driftzone dotierten Ladungskompensationszonen ist.
  36. Halbleiterbauelement nach Anspruch 35, wobei die Ladungskompensationszonen in den Driftzonen säulenförmig oder grabenförmig ausgebildet sind.
  37. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 34 bis 36, wobei die Injektorzonen (50) derart ausgerichtet sind, dass sie innerhalb des Driftzonenmaterials flächige erste pn-Übergänge (44) an ihren Oberseiten (29) in Richtung auf die Grabenstrukturen (40) und flächige zweite pn-Übergänge (48) an ihren Unterseiten (31) in Richtung auf die zweite Elektrode (24) aufweisen.
  38. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 34 bis 37, wobei die Injektorzonen (50) vom Driftzonenmaterial der Driftzone (26) umgeben sind.
  39. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 34 bis 38, wobei die Injektorzonen (50) unterhalb der Grabenstrukturen (40) angeordnet sind.
  40. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 34 bis 38, wobei die Injektorzonen (50) unterhalb und versetzt zu den Grabenstrukturen (40) angeordnet sind.
  41. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 34 bis 38, wobei die Injektorzonen (50) von der Driftzone (26) aus in die zweite Halbleiterzone (25) hineinragen, und wobei die Injektorzonen (50) erste pn-Übergänge (44) mit dem Material der Driftzone (26) und zweite pn-Übergänge (45) mit dem Material der zweiten Halbleiterzone (25) aufweisen.
  42. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement (1–17) als Steuerelektroden (27) Trenchgateelektroden (46) aufweist, die in die Driftzone (26) hineinragen, wobei in den Grabenstrukturen (40) der Trenche unterhalb der Trenchgateelektroden (46) weitere Elektroden (43) angeordnet sind, und wobei zwischen der Driftzone (26) und den zweiten Halbleiterzonen (43) ein schwachdotierter Sockelbereich (47) des gleichen Leitungstyps und mit schwächerer Dotierstoffkonzentration als die Driftzone (26) angeordnet ist, der komplementär zur Driftzone (26) leitende Minoritätsladungsträger Injektorzonen (50) aufweist.
  43. Halbleiterbauelement nach Anspruch 42, wobei die Injektorzonen (50) derart ausgerichtet sind, dass sie innerhalb des schwachdotierten Sockelbereichs (47) flächige erste pn-Übergänge (44) in Richtung auf die ersten Elektroden (21) und flächige zweite pn-Übergänge (48) in Richtung auf die zweite Elektrode (24) aufweisen.
  44. Halbleiterbauelement nach Anspruch 42 oder Anspruch 43, wobei die Injektorzonen (50) innerhalb des schwachdotierten Sockelbereichs (47) derart angeordnet sind, dass sie vom Material des Sockelbereichs (47) umgeben sind.
  45. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 42 bis 44, wobei die Injektorzonen (50) im schwachdotierten Sockelbereich (47) vertikal unterhalb der Grabenstrukturen (40) angeordnet sind.
  46. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 42 bis 45, wobei die Injektorzonen (50) im schwachdotierten Sockelbereich (47) lateral versetzt und unterhalb der Graben- strukturen (40) angeordnet sind.
  47. Halbleiterbauelement nach Anspruch 42 oder Anspruch 43, wobei die Injektorzonen (50) vom Sockelbereich (47) aus in die zweite Halbleiterzone (25) hineinragen, und wobei die Injektorzonen (50) erste pn-Übergänge (44) mit dem Material des schwachdotierten Sockelbereichs (47) und zweite pn-Übergänge (45) mit dem Material der zweiten Halbleiterzone (25) aufweisen.
  48. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement ein Leistungs-MOSFET ist und Injektorzonen (30) im Bodyzonenmaterial oder Injektorzonen (50) im Driftzonenmaterial aufweist.
  49. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 47, wobei das Halbleiterbauelement ein Leistungs-MOSFET ist und Injektorzonen (30, 50) sowohl im Bodyzonenmaterial als auch im Driftzonenmaterial aufweist.
  50. Halbleiterbauelement nach einem Anspruch 48 oder Anspruch 49, wobei der Leistungs-MOSFET in der Driftzone Ladungsträgerkompensationsstrukturen aufweist.
  51. Halbleiterbauelement nach Anspruch 50, wobei Ladungsträgerkompensationsstrukturen in der Driftzone des Leistungs-MOSFFTs durch vertikale Feldplatten oder durch sich in vertikaler Richtung erstreckende und komplementär zur Driftzone dotierte Zonen gebildet sind.
  52. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 47, wobei das Halbleiterbauelement ein IGBT (insulated Gate bipolar Transistor) ist, der Injektorzonen (30) im Bodyzonenmaterial aufweist.
  53. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 47, wobei das Halbleiterbauelement ein IGBT ist, der Injektorzonen (50) im Driftzonenmaterial aufweist.
  54. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 47, wobei das Halbleiterbauelement ein IGBT (insulated Gate bipolar Transistor) ist, der Injektorzonen (30, 50) sowohl im Bodyzonenmaterial als auch im Driftzonenmaterial aufweist.
  55. verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (1–17) mit Halbleiterkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 35, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines hochdotierten Halbleiterwafers als Substrat zum Vorsehen einer zweiten hochdotierten Halbleiterzone (25) des Halbleiterkörpers (20); – Aufbringen einer Epitaxieschicht für Driftzonen (26), die eine geringere Störstellenkonzentration als das Substrat aufweisen; – Einbringen von Bodyzonen (23), die komplementär zur Epitaxieschicht dotiert sind; – Einbringen von komplementär zu den Bodyzonen (23) leitende Injektorzonen (30) in die Bodyzonen (23); – Einbringen einer hochdotierten ersten Halbleiterzone (22) in die Bodyzone (23); – Einbringen von Kontaktfenstern (51) in die ersten Halbleiterzonen (22) mit Zugriff auf die Bodyzonen (23).
  56. Verfahren nach Anspruch 55, wobei das Verfahren weiterhin die Verfahrensschritte aufweist: – Einbringen von Grabenstrukturen (40) durch die Bodyzonen (23) hindurch für mindestens Trenchgateelektroden (46); – Beschichten der Grabenwände (41) und des Grabenbodens (49) mit einer Gateoxidschicht (28); – Auffüllen der Grabenstruktur (40) mit Gateelektrodenmaterial (42).
  57. Verfahren nach Anspruch 55 oder Anspruch 56, wobei vor dem Aufbringen einer Epitaxieschicht für Driftzonen (26) komplementär zum Substrat leitende Injektorzonen (50) in die Oberseite (53) des Substrats (52) eingebracht werden.
  58. Verfahren nach Anspruch 55 oder Anspruch 56, wobei bei dem Aufbringen einer Epitaxieschicht für Driftzonen (26) komplementär zu den Driftzonen (26) leitende Injektorzonen (50) nahe am Übergang zum hochdotierten Substrat (52) in das Driftzonenmaterial eingebracht werden.
  59. verfahren nach einem der Ansprüche 55 bis 58, wobei vor dem Aufbringen einer Epitaxieschicht für Driftzonen (26) eine Epitaxieschicht für eine Sockelzone (47) aufgebracht wird, die niedriger als die Driftzone (26) dotiert ist.
  60. Verfahren nach Anspruch 59, wobei in die Sockelzone (47) vor dem Aufbringen einer Epitaxieschicht für Driftzonen (26) komplementär leitende Injektorzonen (50) in die Sockelzone (47) eingebracht werden.
  61. Verfahren nach einem der Ansprüche 55 bis 60, wobei zum Einbringen der komplementär leitenden Injektorzonen (50) zunächst eine selektive Ionenimplantation mit anschließender Diffusion von Störstellen durchgeführt wird.
  62. Verfahren nach einem der Ansprüche 55 bis 61, wobei nach dem Auffüllen der Grabenstruktur (40) an der Oberseite (53) und der Rückseite (54) des Halbleiterwafers Verfahrensschritte zur Vervollständigung der Halbleiterbauelemente (1–17) durchgeführt werden und der Halbleiterwafer in einzelne Halbleiterchips aufgetrennt wird.
  63. Verfahren zur Herstellung von mehreren Halbleiterbauelementen (1–17) nach Anspruch 62, wobei das Verfahren weiterhin aufweist: – Aufbringen der Halbleiterchips auf einen Bauelementträger mit mehreren Außenkontakten in mehreren Halbleiterbauteilpositionen; – Verbinden von Bauelementelektroden der Halbleiterchips mit Kontaktanschlussflächen des Bauelementträgers, die mit mehreren der Außenkontakte des Bauelementträgers elektrisch in Verbindung stehen; – Aufbringen eines Halbleiterbauelementgehäuses unter Einschließen der einzelnen Halbleiterchips und der Verbindungselemente; – Auftrennen des Bauelementträgers in einzelne Halbleiterbauelemente (1–17).
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